(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
マクロセルと少なくとも１つのマイクロセルにサービスする基地局であって、
マイクロセルにサービスし、そして前記基地局のマクロセルアンテナと共存する、前記マクロセル内の少なくとも１つの方向制御可能なＮ次元（Ｎ≧２）アンテナアレイを含み、前記方向制御可能なＮ次元アンテナアレイは、少なくとも２つのアンテナ素子と、前記少なくとも２つのアンテナ素子から入力を受信し、前記入力を処理して出力ビームを生成するＮ次元デジタルフィルタとを含み、
前記出力ビームを方向付けるために、複数のフィルタタップのフィルタタップ重み付け係数を用いて前記入力及び出力の少なくとも１つを重み付けし、
任意のフィルタタップの前記重み付け係数が、アンテナ素子間のアンテナ素子間隔値と前記出力ビームの視線方向と入射信号の波長との関数として決定される、基地局。
【請求項２】
前記マイクロセルにサービスする前記少なくとも１つの方向制御可能なＮ次元アレイは、前記マクロセルにサービスするアンテナと同じアンテナタワーに共存する、請求項１記載の基地局。
【請求項３】
前記マイクロセルはホットスポットを含む、請求項１記載の基地局。
【請求項４】
前記基地局は、前記マクロセル内の各マイクロセルに対し方向制御可能なＮ次元（Ｎ≧２）アレイを含む、請求項１記載の基地局。
【請求項５】
前記少なくとも１つの方向制御可能なＮ次元（Ｎ≧２）アレイはホットスポットにサービスする、請求項１記載の基地局。
【請求項６】
前記複数のフィルタタップの数を変えることにより、前記出力ビームの角度拡散と視線方向とを変える、請求項１記載の基地局。
【請求項７】
前記少なくとも２つのアンテナ素子が二次元面あるいは円筒状の表面に配置される、請求項１記載の基地局。
【請求項８】
任意のフィルタタップに対する重み付け係数は複素係数ｗｊであり、次式で与えられる
【数１】
0005153037.tif 000003
ここで、ｋ＝フィルタタップ、
ｄ＝アンテナ素子間隔、
θ＝出力ビームの視線方向、
λ＝入射信号の波長である、請求項６記載の基地局。
【請求項９】
前記基地局はＴＤＭＡシステムの一部であり、そして、前記マクロセルと前記マイクロセルとが周波数領域で分離されている、請求項１記載の基地局。
【請求項１０】
前記基地局はＣＤＭＡシステムの一部であり、そして、前記マクロセルと前記マイクロセルとが周波数領域と符号領域の一方で分離されている、請求項１記載の基地局。
【請求項１１】
マクロセル内の少なくとも１つのマイクロセルにサービスする方法であって、前記少なくとも１つのマイクロセルと前記マクロセルとが基地局によってサポートされ、前記方法が、
前記マイクロセル内の少なくとも１つの方向制御可能なＮ次元（Ｎ≧２）アンテナアレイを前記基地局のマクロセルアンテナと共存させるステップを含み、前記Ｎ次元アンテナアレイは少なくとも２つのアンテナ素子とＮ次元デジタルフィルタとを有し、さらに、
前記Ｎ次元デジタルフィルタで前記少なくとも２つのアンテナ素子から入力を受信するステップと、
前記Ｎ次元デジタルフィルタで前記入力を処理して、前記マイクロセルにサービスする出力ビームを生成するステップと、
前記出力ビームを少なくとも１つのマイクロセルに方向付けするステップとを含み、
前記方向付けするステップはさらに、前記出力ビームを方向付けするために、フィルタタップ重み付け係数を用いて前記入力及び出力の少なくとも１つを重み付けし、
任意のフィルタタップの前記重み付け係数が、アンテナ素子間のアンテナ素子間隔値と前記出力ビームの視線方向と入射信号の波長との関数として決定される、方法。
【請求項１２】
前記マイクロセルにサービスする前記少なくとも１つの方向制御可能なＮ次元アレイは、前記マクロセルにサービスするアンテナと同じアンテナタワーに共存する、請求項１１記載の方法。
【請求項１３】
前記マイクロセルはホットスポットを含む、請求項１１記載の方法。
【請求項１４】
前記共存させるステップは、前記マクロセル内の各マイクロセル内に対し方向制御可能なＮ次元（Ｎ≧２）アレイを前記基地局と共存させるステップを含む、請求項１１記載の方法。
【請求項１５】
前記少なくとも１つの方向制御可能なＮ次元（Ｎ≧２）アレイはホットスポットにサービスする、請求項１１記載の方法。
【請求項１６】
前記出力ビームの前記複数のフィルタタップの数を変えることにより、前記出力ビームの角度拡散と視線方向とを変えるステップをさらに含む、請求項１１記載の方法。
【請求項１７】
前記少なくとも２つのアンテナ素子を二次元面あるいは円筒状の表面に配置するステップをさらに含む、請求項１１記載の方法。
【請求項１８】
任意のフィルタタップに対する重み付け係数は複素係数ｗｊであり、次式で与えられる
【数２】
0005153037.tif 000004
ここで、ｋ＝フィルタタップ、
ｄ＝アンテナ素子間隔、
θ＝出力ビームの視線方向、
λ＝入射信号の波長である、請求項１６記載の方法。
【請求項１９】
前記基地局はＴＤＭＡシステムの一部であり、そして、前記マクロセルと前記マイクロセルとが周波数領域で分離されている、請求項１１記載の方法。
【請求項２０】
前記基地局はＣＤＭＡシステムの一部であり、そして、前記マクロセルと前記マイクロセルとが周波数領域と符号領域の一方で分離されている、請求項１１記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は通信システムの制御技術に関し、特に、ワイヤレス通信システムの制御技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ワイヤレス（無線）通信の利用が増えるにつれて、ワイヤレス通信サービスを提供しているセルラシステムの容量を増加する必要がある。セルラ（無線）通信に利用できる周波数スペクトラムは限られているために、セルラシステムはネットワークの容量を増加させ、様々な通信トラフィック状況に適用できるようにしなければならない。デジタルセルラシステムを導入することにより、システムの容量を増加させることができるが、これによる増加のみでは需要を満たすのは不十分である。システム容量を上げる別の方法として例えば市街地のセルを小型化する手法は、急増する需要に応えるのに必要なものである。
【０００３】
局部的なマイクロセルおよびピコセルをマクロセル内に形成して、ホットスポットと称する移動局のユーザが沢山いる領域を処理することは、従来公知である。図１は、２つのホットスポット３０を有する基地局２０によりサービスされるマクロセル１０の例を示す。通常、マイクロセル（マイクロセル）は、大通りに形成され、一連のマイクロセルにより高速道路のような主要幹線道路にカバレッジを提供している。マイクロセルは、また大きな建物、飛行場、ショッピングモール等にも割り当てられ（形成され）ている。
【０００４】
ピコセルもマイクロセルと同様であるが、通常さらに小さな領域、例えば事務所の廊下あるいは高層ビルの廊下をカバーしている。本明細書で用いられる「マイクロセル」とは、マイクロセル、ピコセルあるいは他のセルラ構造のさらに内部の層（小領域）を意味する。本明細書で用いられる「マクロセル」とは、セルラ構造の最上位の層を表す。「アンブレラセル」とは、アンブレラセルの下にセルが存在する限りマクロセルあるいはマイクロセルのいずれかである。マイクロセルにより実際に必要とされる近傍に通信チャネルをさらに付与することができ、これにより低レベルの保守を維持しながらセルの容量を増加させることができる。
【０００５】
マクロセルのアンブレラサイトは、１キロメートル以上の半径の領域をカバーし、高速で移動するユーザ例えば自動車内の乗客にサービスしている。各マイクロセルのサイトは、このマイクロセルのサイト内にある別に設けられた低パワーの独自のアンテナを有する小型無線基地局によりサービスされ、ゆっくり移動するユーザ例えば歩行者等に主にサービスしている。各マイクロセルは伝送媒体、例えばデジタル無線通信あるいは光ファイバ等によりマクロセルサイトに接続されている。マイクロセルは様々な問題、例えばトラフィックの変動に影響されやすいこと、マイクロセル間の干渉、トラフィック密度の予測不可能等の問題を抱えている。
【０００６】
セルラシステムの容量が増加するにつれて、セルのサイズ（大きさ）は小さくなる、例えばあるネットワークでは０．５ｋｍの半径程度となり、共通チャネル干渉を制御することが大きな問題となってくる。マイクロセルを用いることは、さらに容量を増加させる１つの方法である。マイクロセルのレイアウトにおいては、基地局のアンテナは市街地においては、建物の高さより低い場所に配置され低パワーを用い、その結果基地局と移動局との間の伝播特性は道のレイアウト（配置）により支配される。また隣接するセルからの干渉も建物によりブロックされる。
【０００７】
マイクロセル技術によりトラフィックの密度を大幅に増加させることが可能となり、さらにまた、小型でかつ低パワーの移動局を用いることが可能となる。マイクロセルを用いることは、ハンドオーバーあるいはハンドオフの技術を改善する必要があり、これにより例えば移動局が道の角を曲がったときに、速くかつ信頼性のあるハンドオフが可能としなければならない。
【０００８】
ハンドオーバーの問題を解決する１つの方法は、マイクロセルの上にある従来のセルを用いるアンブレラセルの構成を採用して、ハンドオーバーがアンブレラセル内で行われ、そして適宜の隣接するマイクロセルが特定できないようなアンブレラセル内でハンドオーバーが行われるようにすることである。これにより市街地における連続するマイクロセルカバレッジを計画する必要が回避できる。
【０００９】
図１に示すようなホットスポットの問題を処理する現代の解決方法は、マクロセル内にマイクロセルを形成すること、即ちセル内にハイラルキー（階層構造）を導入することである。図２に示すように２つのマイクロセル４０が２つのホットスポット３０に形成される。マクロセル１０はアンブレラセルとして機能する。このような解決法は、各ホットスポットのカバレッジ領域に基地局２０’を設置する必要があり、これはコスト高となる。さらにまたこの解決方法は、ホットスポット３０は時間により動かないということが前提となっている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、従来のマイクロセルを含む通信システムの問題点を解決する新たなマイクロセルを含むシステムを提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、マクロセルアンテナとマイクロセルアンテナを共存させることにより上記の問題を解決する。前記課題を解決するために本発明の一実施例においては、マイクロセルの基地局は、マクロセルのアンテナと共存する二次元（２Ｄ）のアンテナアレイ（列）を有する。この二次元のアンテナアレイは、水平方向と垂直方向の両方で方向変更可能な構成である。マイクロセルのカバレッジ領域の大きさは、セルサイトのアンテナからの距離とビームの角度拡散を決定するアレイの次元に依存する。
【００１２】
他のコスト削減方法は、共通のマクロセルとマイクロセルの基地局構成要素を共存させ、できれば共用することにより実現できる。本発明においては、「共存（co-location)」とは、３０フィート（約９ｍ）内、好ましくは１５フィート（約４．５ｍ）、さらに好ましくは５フィート（約１．５ｍ）、さらに好ましくは２フィート（約６０ｃｍ）内にあるものと定義する。「共存」とはまた設置された距離とは無関係に同一のアンテナパワー内にあると定義することもできる。
【００１３】
フィルタタップ重み係数は、マイクロセル用のビームをマクロセル内の任意の所望の位置に向けるために調整される。マクロセルとマイクロセルの間の直交性は、周波数領域あるいは符号領域の何れかで得られる。ＴＤＭＡシステムにおいては、分離は周波数領域で行われ、ＣＤＭＡシステムにおいては分離は周波数領域あるいは符号領域の何れかで行われる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図３は本発明の一実施例を示す。同図において、マクロセル１０は基地局２００によりサービスされている。移動局（ユーザ）が比較的多い２つのホットスポット３０を処理するために、本発明はホットスポット３０のそれぞれの位置にあるマイクロセル４０を特定する。アンテナ素子２２（図５）の二次元アレイ５０は各特定されたホットスポット３０／マイクロセル４０用に、基地局２００と同じ場所に設置される。明瞭にするために、図３は二次元アレイ５０のうちの１つのみを示している。各二次元アレイ５０は、マイクロセル４０を所望の場所、即ちホットスポット３０に向けるように三次元のビーム形成を行う。各二次元アレイ５０は、水平方向と垂直方向の両方に方向制御可能である。
【００１５】
図４は二次元アレイ５０と基地局２００との間の関係を示す。特に図４は、少なくとも２本のアンテナ素子２２と、少なくとも２個の無線周波数（ＲＦ）モジュール２４と、少なくとも２個のＡＤコンバータ／ＤＡコンバータ（ＡＤＣ／ＤＡＣ）２６と、三次元のビーム形成を行う二次元デジタルマルチプライヤ／フィルタ２７と、従来のデジタル信号プロセッサ２８とフィルタタップ重み付け係数５２，５４を有する。
【００１６】
前述したように、各アンテナ素子２２に対するフィルタタップ重み付け係数５２，５４を調整して、ビーム６０をマクロセル１０内の任意の所望の場所に向けることができる。ビームステアリングの一例は、図５、６に示す。図５に示すように、タップ重み付け係数Ｗijは、基地局２００からのビームをマクロセル１０内のあるホットスポット３０に向けるよう送信モードで変化する。特に、重み付け係数Ｗ11，Ｗ12，Ｗ13等は、ビームを水平方向即ちｘｙ面に動かし、重み付け係数Ｗ11，Ｗ21，Ｗ31等は、ビームを垂直方向即ちｚ面に動かす（図５）。
【００１７】
図６に示すように、タップ重み付け係数Ｗijは、マクロセル１０内のホットスポット３０からのビームを基地局２００に向けるよう受信モードで変化する。図５で説明したように、重み付け係数Ｗ11，Ｗ12，Ｗ13等は水平方向、即ちｘｙ面でビームを制御し、重み付け係数Ｗ11，Ｗ21，Ｗ31等は垂直方向、即ちｚ面でビームを制御する。
【００１８】
図７は、受信機として動作する基地局２００を示し、二次元の局部的ビームパターンを受信したときに部分フィルタ処理する例を示す。図７に示すように、重み付け係数Ｗ1...N を用いて少なくとも２個のアンテナ素子２２からの入力に重み付けをし、そしてそれが加算器６２に入力されてアレイ応答としての受信信号を生成する。同様に図８は、送信器として動作する基地局２００を示す。図７，８の両方において方位角（ｘｙ）方向に加えて垂直（ｚ）方向にビームを向けるために、Ｎ個の方位ブランチのそれぞれに対し別の組のタップが必要とされる。このような余分のタップの組は、図７，８の図を明瞭にするために省いている。
【００１９】
三次元のビーム６０の角度拡散は、二次元アレイ５０のタップ５２，５４の数を変えることにより変えることができる。より多くのタップ５２，５４により、狭いビームが形成され、タップ５２，５４が少なくなるとビームの幅は広がる。さらにまた、三次元ビーム６０の視線方向（look direction）は、タップの重み付け係数によっても変動する。タップの数が決まるとビームは三次元の方向に向けることができる。図９−１０は、視線方向が０°の１６タップのビームを示す。図１１−１２は、視線角度が３０°の１６タップのビームを示す。図１３−１４は、視線角度が５０°の１６タップのビームを示す。最後に図１５−１６は、視線角度が０°の４タップのビームを示す。
【００２０】
上記したように、二次元アレイ５０は、三次元ビーム６０をマクロセル１０内のいずれの方向にも変えることができ、そして三次元ビーム６０の足跡（foot print）も変更することができる。この自由度によりマクロセル内の容量の変動に適合するよう大幅な容量を提供できる。
【００２１】
さらにまたアンテナの物理的な二次元アレイは、二次元面あるいは円筒状の表面のあるいは所望の形状の表面の何れの場所にも配置することができる。三次元のビーム形成方法の基本的な動作は、アレイ内のアンテナ素子の物理的配置によっては影響されない。
【００２２】
一般的なフィルタタップ計算を図１７、１８で説明する。特に、図１７はアンテナアレイの素子２２の配置形状を示し、また図１７は、視線角θで離間距離ｄでＮ個のアンテナ素子２２を具備したアンテナ列を示す。来入するＲＦ信号は、波長λを有する。図１８は、ビーム形成装置へのアンテナアレイの入力を示す。図１８に示すように、アンテナ素子０，１，…，Ｎ−１，Ｎは、来入したＲＦ信号から同位相（Ｉ）成分と直交相（Ｑ）成分とを受信する。各アンテナ素子（０，１，…，Ｎ−１，Ｎ）はまた、重み付け係数（ｗ0，ｗ1，…ｗN-1，ｗN）を有する。Ｋ番目のフィルタタップに対する複素係数は、次式で与えられる。
【数１】
0005153037.tif 000002
【００２３】
例えば、Ｎ＝１６、ｄ＝０．２５λ、θ＝５０°、Ｋ＝０から１５の場合には、１６個のフィルタタップ係数は次の通りである。
1.0000
0.3593+0.9332i
-0.7418+0.6706i
-0.8923+0.4514i
0.1006-0.9949i
0.9646-0.2635i
0.5925+0.8056i
-0.5389+0.8424i
-0.9797-0.2003i
-0.1651-0.9863i
0.8611-0.5084i
0.7839+0.6209i
-0.2978+0.9546i
-0.9979+0.0650i
-0.4192-0.9079i
0.6967-0.7174i
【００２４】
これらの１６個の値は、重み付け係数ｗ0，ｗ1，…，ｗN-1，ｗNを表し、これらを図７のアンテナ素子に入力する。重み係数は、各アンテナ素子２２が受信した（Ｉ）成分と（Ｑ）成分で乗算され、アンテナ素子出力を生成する。これらの出力は、ビーム形成器内で加算されてＩとＱのビーム形成出力を生成する。
【００２５】
前述したようにＴＤＭＡシステムにおいては、マクロセルとマイクロセルは、マイクロセルとアンブレラセル（マクロセル）との間のダイナミックな周波数割当てを実行することにより、周波数が分離される。ＣＤＭＡシステムにおいては、この分離は周波数領域あるいは符号領域の何れかで行われる。
【００２６】
前述したように、マクロセル１０のアンテナは全方向アンテナであったが、しかしマクロセル１０はｎ次元アレイ（ｎ≧１）を用いて行うこともできる。
【００２７】
図５，６，７，８に示したように、二次元デジタルマルチプライヤ／フィルタ２７は複数の乗算器を有する。しかし、二次元デジタルマルチプライヤ／フィルタ２７は空間−時間フィルタを有し、そしてフィルタ処理と畳込みを実行することもできる。
【００２８】
【発明の効果】
前述したように、本発明はＴＤＭＡシステムあるいはＣＤＭＡシステムの何れかで用いることができるが、しかし本発明はあらゆる通信システムで用いることができる。
【００２９】
特許請求の範囲の発明の要件の後に括弧で記載した番号は本発明の一実施例の態様関係を示すもので本発明の範囲を限定するものと解釈してはならない。
【図面の簡単な説明】
【図１】ホットスポットと称する移動局のユーザが込み合った領域を含む従来のマクロセルを表す図
【図２】ホットスポットの問題に対する従来の解決方法を採用したマクロセルを表す図
【図３】本発明の一実施例による通信を管理する技術技術を表す図
【図４】本発明の一実施例による基地局を表す図
【図５】送信モードにおける図３の二次元アレイに適用されるフィルタタップ重み付けを表す図
【図６】受信モードにおける図３の二次元アレイに適用されるフィルタタップ重み付けを表す図
【図７】図４の基地局が受信機として機能している状態を表す図
【図８】図４の基地局が送信器として機能している状態を表す図
【図９】異なる数のフィルタタップと異なる視線方向に対するビームパターンとアレイの応答を表す図
【図１０】異なる数のフィルタタップと異なる視線方向に対するビームパターンとアレイの応答を表す図
【図１１】異なる数のフィルタタップと異なる視線方向に対するビームパターンとアレイの応答を表す図
【図１２】異なる数のフィルタタップと異なる視線方向に対するビームパターンとアレイの応答を表す図
【図１３】異なる数のフィルタタップと異なる視線方向に対するビームパターンとアレイの応答を表す図
【図１４】異なる数のフィルタタップと異なる視線方向に対するビームパターンとアレイの応答を表す図
【図１５】異なる数のフィルタタップと異なる視線方向に対するビームパターンとアレイの応答を表す図
【図１６】異なる数のフィルタタップと異なる視線方向に対するビームパターンとアレイの応答を表す図
【図１７】代表的なフィルタタップを計算するのに用いられる構成を表す図
【図１８】代表的なフィルタタップを計算するのに用いられる構成を表す図
【符号の説明】
１０  マクロセル
２０，２０’，２００  基地局
２２  アンテナ素子
２４  無線周波数（ＲＦ）モジュール
２６  ＡＤコンバータ／ＤＡコンバータ
２７  二次元デジタルマルチプライヤ／フィルタ
２８  デジタル信号プロセッサ
３０  ホットスポット
４０  マイクロセル
５０  二次元アレイ
５２，５４  フィルタタップ重み付け係数
６０  ビーム
６２  加算器
２７  三次元ビーム形成用の二次元デジタルマルチプライヤ／フィルタ
２８  デジタル信号プロセッサ（変調、復調、チャネル符号化装置等）
【図１】
0005153037.tif 000005
【図２】
0005153037.tif 000006
【図３】
0005153037.tif 000007
【図４】
0005153037.tif 000008
【図５】
0005153037.tif 000009
【図６】
0005153037.tif 000010
【図７】
0005153037.tif 000011
【図８】
0005153037.tif 000012
【図９】
0005153037.tif 000013
【図１０】
0005153037.tif 000014
【図１１】
0005153037.tif 000015
【図１２】
0005153037.tif 000016
【図１３】
0005153037.tif 000017
【図１４】
0005153037.tif 000018
【図１５】
0005153037.tif 000019
【図１６】
0005153037.tif 000020
【図１７】
0005153037.tif 000021
【図１８】
0005153037.tif 000022