第 477 回電波研連 F 分科会 (URSI-F) 資料
2003 年 9 月 12 日 ( 金 )実伝搬路における偏波／スペースダイバーシチの検討
市坪信一†

北尾光司郎† 恵比根佳雄††（株）ＮＴＴドコモ 〒 239-8536 神奈川県横須賀市光の丘 3-5† E-mail: { ichitsubo, kitaok, ebine}@nttdocomo.co.jp

あらまし 移動通信の基地局では通信品質の改善のためにスペースダイバーシチや偏波ダイバーシチが用いられている。また、最近ではスペースダイバーシチや偏波ダイバーシチのように伝搬路の無相関を利用したMIMOシステムも検討されている。
これらのことからマイクロセルを対象にした測定結果をもとにダイバーシチ特性を検討した。また、実伝搬路においてどちらのダイバーシチが有効であるという検討も行ったので報告する。
キーワード 電波伝搬、スペースダイバーシチ、偏波ダイバーシチ、交差偏波識別度

２．
スペースダイバーシチ特性
２．スペースダイバーシチ特性

１．
はじめに１．はじめに
移動通信におけるダイバーシチ特性の検討は従来から行われており、特にセル半径が数 km で基地局高が鉄塔高といったマクロセルが検討対象であった [1-4]。基地局高を考慮した検討 [5]やPHSでのストリートマイクロセルでの検討 [6]、商用システムを用いての検討 [7] も行われている。最近では広帯域で遅延波を分離した上でのダイバーシチ特性も検討 [8-10] されている。
近年では距離が 1km 程度で基地局高もあまり高くないマイクロセルが用いられるようになってきた。このため距離や基地局高をパラメータとし２本のアンテナを一定間隔離してお互いの受信レベル相関を小さくするスペースダイバーシチを行うには、最適なアンテナ間隔を求める必要がある。必要以上にアンテナ間隔を広げると設置場所の確保が困難になる。アンテナ間隔と受信レベル相関との関係は到来波広がりに依存し、到来波広がりは距離や基地局高に依存する。そこで距離や基地局高をパラメータにして受信レベル相関を測定した。測定を行ったのは横浜の関内地区と東京都内の蔵前地区の２ヶ所である。表１に測定諸元を示す。2GHz の電波を測定車から送信し、基地局側で４つの 30 度セクタアンテナを用いて受信たダイバーシチ特性が必要になっている。また、し、アンテナ間隔に対する受信レベル相関係数を現在検討が盛んになっている MIMO システムで求めた。受信レベルは移動局が1cm進むごとにサは複数のアンテナを用いるが、これにより基地局ンプリングし、1m区間内の相関係数を求め、10mアンテナの設置スペースが逼迫することになる。
これを回避するためにも各環境に応じたダイバーシチ特性を把握して最適なアンテナ配置を行う必表１ 測定諸元（スペースダイバーシチ）

要がでてきた。さらに、ユーザのほとんどが自動車電話から携帯電話になり多様な携帯端末を使う

測定項目ようになった現状でスペースダイバーシチと偏波ダイバーシチとではどちらが有利であるかという検討も必要である。本報告では狭帯域におけるこれらのダイバーシチ特性の検討を行った。

1

周波数
基地局高移動局高基地局ｱﾝﾃﾅ
移動局ｱﾝﾃﾅ

諸元
2.2 GHz
蔵前；80m(鉄塔), 35m(屋上)横浜；80m(鉄塔), 35m(屋上)
2 m(測定車)
30度セクタアンテナ
スリーブアンテナ

11

蔵前・屋上(35m)
受信レベル相関係数

受信レベル相関係数

蔵前・鉄塔(80m)
0.8
0.6

4km
0.4

2km

0.2
01km
023km

46
アンテナ間隔 d/λ

0.8
0.6

0.5km
0.4
0.2

8

0

10

1.5km

1km

0

12km

2
3
アンテナ間隔 d/λ

45

図１ 受信レベル相関（蔵前局）
0.5

蔵前

●；蔵前

4

□；横浜

0.4
相関係数の標準偏差

ρ=0.5のアンテナ間隔 d/λ53
Hb=80m

2
10.3

0.2
基地局高
○； 80m□； 35m0.1

00.5

Hb=35m0

123
4 5
距離 (km)
図２ 距離と基地局高に対するアンテナ間隔

00.20.40.60.81

相関係数の中央値

図３ 相関係数のばらつき区間で平均した。鉄塔高 (80m) 及び屋上高 (35m)は２つの基地局とも同じである。

値が0.5になるときの標準偏差は0.3程度である。
また、基地局のセクタ数によってカバーする水図１に蔵前地区での受信レベル相関を示す。同平方向の角度範囲が変わるので、アンテナ間隔をじ相関係数を得るには距離が遠くなるほど、基地局高が高くなるほどアンテナ間隔を広くする必要決める場合にはこれも考慮する必要がある。例えば、６セクタだと斜め30度までの到来波をカバーがあることが分かる。図２に受信レベル相関係数すればよいが、３セクタだと60度になりアンテナが仮にρ=0.5になるアンテナ間隔を示す。蔵前地区と横浜地区では同じような値になり、波長に対間隔を広げる必要がある。

するアンテナ間隔 d/ λは距離 1km のマイクロセ

３．
偏波ダイバーシチ特性
３．偏波ダイバーシチ特性

ルを想定すると2以下である。図１の距離4kmで偏波ダイバーシチでのV(垂直)偏波と H(水平)のρ =0.5 のアンテナ間隔は d/ λ =5 であるので、 偏波の受信レベルは、距離や基地局に依存せず無マクロセルからマイクロセルになることでアンテ 相関になるといわれている。このためマイクロセナ間隔を狭くしてよいことが分かる。
ルになることで偏波ダイバーシチの特性が変わる
図１の相関カーブは測定値を平均して求めてい ことはない。しかし、携帯端末が多様化して移動る。無線回線設計で場所的なばらつきを考慮する側から送信される偏波面が傾くことでV偏波とHためには図１の相関カーブのばらつきを求める必要がある。図３は図１に示す各測定値の中央値に偏波の受信レベル不等中央値が変わってくる。移動側アンテナの傾きに対する偏波ダイバーシチ特性は従来から報告されている [3,6,10] が、測定を対する標準偏差を示す。例えば、相関係数の中央2表３ 移動局アンテナの状態と両偏波のレベル差

表２ 測定諸元（偏波ダイバーシチ）
測定項目

移動局ｱﾝﾃﾅの状態諸元

周波数2.2 GHz
基地局高80m(鉄塔)
移動局高2 m(測定車)
基地局ｱﾝﾃﾅ 偏波共用アンテナ(60度セクタ)
移動局ｱﾝﾃﾅ スリーブアンテナ

y

H偏波
横0 dB

-13 dB-20 dB-20 dB-3 dBx
斜横浜蔵前

ﾓﾃﾞﾙ計算

縦(0°)

6.7

7.7

5.8

斜(45°)

1.9

1.7

3.0

横(90°)-5.6-3.3-5.4

99.99999.99
99.9

y-10 dB
0 dB-3 dB x累積分布 (%)

V偏波

垂直と水平偏波のレベル差 (dB)

縦図４ 移動局アンテナの放射パターンモデル

9995
9080705030
201051.1.01.001-20

直角方向 －6 dB
0 dB

50%値 ：6.8dB
標準偏差：4.3dB-100102030

不等中央値 (dB)

道路方向

図６ 不等中央値の累積分布

図５ 方向別の伝搬損失差のモデル行い検証した。
測定場所は横浜駅周辺と先の蔵前地区の２ヶ所である。表２に測定諸元を示す。2GHz の電波を測定車に取り付けたスリーブアンテナから送信し、基地局の偏波共用アンテナで受信した。移動
側の偏波面を傾かせるためにスリーブアンテナを①垂直、②道路方向に斜め45度、さらに③道路方向に水平に設置した。移動側が距離1cm進むごとにV偏波とH偏波の受信レベルを基地局側でサンプリングし 2m 区間の中央値を求めた。測定は基地局から2km以内のエリアで行い、２地区とも測定延べ距離は 6km 程度である。
表３に移動側のアンテナ傾き角度に対するV偏波とH偏波の不等中央値を示す。各不等中央値を求める場合の標準偏差は 3 〜 4dB であった。移動局アンテナを縦（V 偏波送信）にした場合のレベル差は交差偏波識別度XPDに相当し、従来からいわれている 6dB 程度である。斜め 45 度の場合にレベル差が0dBにならないのは移動局側のアンテナパターンの影響である。このことを簡易なモデルを使って説明する。
図４はスリーブアンテナの放射パターンを上か3ら見た図である。これは電波暗室で測定した結果を元に簡易化して描いている。アンテナを縦にした場合のV偏波は円形パターンになる。横にした場合のH偏波は８の字パターンになるが簡易に楕円で示す。図４のy軸方向に斜め45度にした場合のV偏波とH偏波を比べるとV偏波のパターンの方が大きい。
このことからスリーブアンテナを45度に傾けてもV偏波の受信レベルが高くなり、不等中央値は０にならないことが分かる。
道路上では道路に沿った方向に電波は伝搬し易い。また、スリーブアンテナを斜めや横にした場合のH偏波のパターンは円形にならないので、道路上でアンテナを傾ける方向によっても不等中央値は変わる。道路方向に対して平行よりも直角に傾けた方が不等中央値は大きくなる。コリニアアンテナ(7dBi)での測定では横にしたアンテナを道路方向に対して直角にすると受信されるV偏波レベルは変わらず、H偏波レベルは6dB高くなった。
道路上でアンテナを傾ける方向の影響まで考慮したモデルを図５に示す。このモデルは、道路方向に対して直角な方向は伝搬損失が6dB高く、伝搬路の数は道路方向と直角な方向の２つで、各伝４． 実環境での両ダイバーシチの比較
1.2

実環境においてスペースダイバーシチと偏波ダイバーシチとではどちらが有利であるか検討し1分布(相対値)た。スペースダイバーシチは２つのV偏波受信で0.8無相関であれば、到来波の傾き角度が45°では偏波ダイバーシチと同等の能力である。到来波の傾0.6

き角度が垂直に近いとスペースダイバーシチが、0.4水平に近いと偏波ダイバーシチが有効となる。
そこで、PDCの一般ユーザからの上りチャネル

0.20-90をV偏波とH偏波で受信し到来波の傾き角度を測-60-300306090定した。
周波数はPDCの通話チャネルの940MHz付近で、80ms 間隔サンプリングで５秒間の中央偏波の傾き角 (°)

図７ 偏波面の傾きの分布値を求めた。受信アンテナは２本のダイポールアンテナか２本の５素子八木アンテナを用いて、それぞれV偏波とH偏波で受信した。アンテナを向搬路とも交差偏波識別度は6dBとしている。表３のモデル計算値は図４と図５のモデルから計算した。これらは測定値に近い値になっている。

けたセクタからの電波を受信した。表４に測定した不等中央値とその標準偏差を示す。不等中央値
は 1 〜5dB である。蔵前ビル鉄塔での不等中央値

図６に２つの地区で得られた不等中央値の累積分布を示す。スリーブアンテナを縦にした場合（V偏波送信）の不等中央値である。V偏波レベルが 5.2dB と他に比べて高いのは、鉄塔最上段であったので周辺に散乱体がないことが影響したとも考えられるが明確ではない。の方が高く不等中央値分布での中央値は 6.8dBで、標準偏差は 4.3dB であり正規分布となる。
単純に不等中央値Lは到来電波の偏波面の傾き一般ユーザからの電波の不等中央値 (V 偏波−H偏波レベル)は2dB程度である。このことから、現状の携帯端末の使用状況においては偏波ダイ

角度θと、L=20log( tan[90- θ ]) の関係にあるとする。
偏波面が45°傾いているときは不等中央値

バーシチよりスペースダイバーシチの方が有利と考えられる。ちなみに、先の表３の測定結果からは0dBである。図６の不等中央値の累積分布をこの関係を用いて偏波面の傾き角度の分布に換算したのが図７である。ここでは受信アンテナの交差不等中央値が2dB程度とすると携帯端末のアンテナの傾きは45°程度となる。ただし、人体の影響も含めた移動側での電波放射パターンがスリーブ

偏波識別度は十分にあるので無視する。偏波面の傾き角度の分布も正規分布になるように思っていたが、意外にも特定の傾き角度にピークを持つ分アンテナ単体でのそれと同程度と仮定した場合である。

布になることが分かる。到来電波の偏波面の傾きが垂直方向に近い角度なので、偏波素子を直交させるダイバーシチより縦長にクロスさせた方が有

５．
まとめ
５．まとめ
マイクロセルでのダイバーシチ特性を検討し利になる場合もある。

た。スペースダイバーシチでの必要アンテナ間隔
表４ 一般ユーザからの上りチャネルの垂直偏波と水平偏波の受信レベル差
測定
時間(h)

受信ｱﾝﾃﾅ

V-Hレベル差(dB)
中央値 標準偏差鉄塔(80m)
屋上(35m)9.9
5.4

ﾀﾞｲﾎﾟｰﾙ
ﾀﾞｲﾎﾟｰﾙ

5.2
1.0

6.8
5.6

千代田 鉄塔(117m)
屋上(38m)

11.7
2.6

5素子八木
5素子八木

2.2
1.9

6.4
5.5

基地局(高さ)蔵前

4

は基地局高や距離に依存し、マイクロセルでは平均の相関係数ρを 0.5 とするためには 1 〜 2 λのアンテナ間隔でいいことを明らかにした。偏波ダイバーシチ特性として移動局アンテナの傾きに不等中央値が依存することを確認した。また、一般ユーザからの到来電波はH偏波よりV偏波が強いことから、偏波ダイバーシチよりスペースダイバーシチの方が有利であることを明らかにした。
今回は狭帯域での検討であったが、IMT‑2000のような広帯域での検討も必要である。

参考文献[1]S. Kozono, T. Tsuruhara, M. Sakamoto, ”BaseStation Polarization Diversity Reception for
Mobile Radio”, IEEE Trans. commun., vol. VT33, No. 4, pp. 301-306, Nov. 1984.
[2] F. Adachi, M. T. Feeney, A. G. Williamson,and J. D. Parsons, “Crosscorrelation between
the envelopes of 900 MHz signals received ata mobile radio base station site,” Proc. IEE,pt. F, Vol. 133, No. 6, pp. 506-516, Oct. 1986.
[3]坂上修二、明山哲、 移動通信用基地局偏波ダ
イバーシチ特性 、信学論 , Vol. J70‑B, No.
3, pp. 385‑395 (1987.3)[4]恵比根佳雄、高橋龍美、山田吉英、 陸上移動通信におけるアンテナ垂直配置スペースダイ
バーシチの検討 、信学論 , Vol. J73‑B‑II,
No. 6, pp. 286‑292 (1990.6)[5]明山哲、坂上修二、青山繁、 UHF 帯移動通信
基地局アンテナの空間相関特性 、 信学論 ,Vol. J73‑B‑II, No. 12, pp. 838‑842 (1990.12)[6]前山利幸、本間輝彰、濱井龍明、新井宏之、PHS用双指向性偏波ダイバーシチアンテナにおける伝搬特性の測定 、1998 年信学会総合大会B‑1‑41、1998[7]中野雅之、相沢進、佐藤敏雄、松岡徹、新井宏
之、 携帯電話システムにおける上り回線偏波
ダイバーシチ特性 、信学技報、AP98‑15, pp.
13‑20 (1998.5)[8]太田喜元、表英毅、三上学、藤井輝也、 広帯
域移動通信方式における交差偏波識別に関する一検討 、信学技報、AP2002‑185, pp. 163‑167(2003.3)

5[9]藤井、今井、阿久津、 広帯域移動伝搬におけるアンテナブランチ間相関特性 、1998 年信学会総合大会 B‑1‑40、1998[10]今井哲朗、森慎一、 広帯域移動伝搬における基地局偏波ダイバーシチ特性 、2002 年信学会
総合大会 B‑1‑6、2003