JP2004363811A

JP2004363811A - 移動通信用基地局アンテナ及び移動通信方法

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Publication number: JP2004363811A
Application number: JP2003158387A
Authority: JP
Inventors: Kazutada Komiya; 一公小宮; Koichi Tsunekawa; 光一常川
Original assignee: NTT Docomo Inc
Current assignee: NTT Docomo Inc
Priority date: 2003-06-03
Filing date: 2003-06-03
Publication date: 2004-12-24

Abstract

【課題】ビームパタンの非対称性を解消するためのみに用いられていたダミーアンテナを有効利用することにより高速・大容量通信を実現し、アレイアンテナ設置の際の費用対効果を増大させる。
【解決手段】アレイアンテナを構成する両端の２本の素子アンテナ（＃１，＃Ｎ）を空間ダイバーシチ方式とし、その他の素子アンテナ（＃２〜＃Ｎ−１）をアダプティブアンテナとして使用する。素子アンテナ＃１，＃Ｎは、符号化装置３に接続され、その他の素子アンテナ（＃２〜＃Ｎ−１）は、アダプティブアンテナ装置２に接続されている。アダプティブアンテナ装置２と符号化装置３には、その後段において適応変復調装置４及び分離・合成装置５が接続されている。
【選択図】図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、移動通信の基地局に適用するためのアンテナシステム構成法に関し、特に、アダプティブアンテナとダイバーシチアンテナを併用した移動通信用基地局アンテナ及び移動通信方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、移動通信システムでは、ユーザ間の干渉を低減する技術としてアダプティブアンテナによる指向性ビーム送受信技術が採用されている。この指向性ビーム送受信技術では、複数の素子アンテナを用いて送受信し、各素子アンテナに対する入力信号を適当な重み（ウエイト）で合成することにより、アダプティブパターンを有する指向性ビーム形成し、ユーザ間における干渉電力を低減することができる（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
上記アダプティブアンテナに用いられるアレイアンテナでは、各素子アンテナにより形成されるビームパタンが均一であることが望ましい。しかしながら、実際には、このアレイアンテナでは、図１に示すように、アレイ中央の素子アンテナから、外方の素子アンテナになるに従って、次第にビームパタンが変形するという問題があった。
【０００４】
特に、アレイ両端の素子アンテナ（＃１及び＃Ｋ）では、アンテナ間相互結合の非対称性により、ビームパタンが大きく変形するという間題が生じる。すなわち、アレイ両端の素子アンテナでは、アレイの内方側は金属である隣接素子アンテナが存在し、アレイの外方側は開放された空間となることから、伝搬密度が素子アンテナの左右で非対称となり、これによりビームパタンが非対称となる。
【０００５】
これに対して、従来のアレイアンテナでは、図２に示すように、アレイ両端の空間側にダミーアンテナを設置することが一般に行われている。このダミーアンテナは、他の素子アンテナと同様の金属で形成し、無給電とすることにより、上述したアンテナ間相互結合によるビームパタンの非対称性を解消することができる。
【０００６】
【特許文献１】
特開２０００−８２９０８号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した方法では素子アンテナの設置数が、通常のアダプティブパターンを生成するために必要な数よりも２本増加することから、設置空間が拡大され、空間的な制約やコスト的な制約が増大するという問題があった。すなわち、移動通信基地局アンテナを設置する場合、必要最低限のアンテナ本数で構成するとともに、必要最低限のアンテナ本数で高速・大容量の通信方式を提供する必要があるが、上述した方法のように無給電のダミーアンテナを設置することは、アレイアンテナの設置空間が増大するとともにそのコストが増大し、費用対効果が低減する。
【０００８】
そこで、本発明は、以上の点に鑑みてなされたもので、従来、ビームパタンの非対称性を解消するためのみに用いられていたダミーアンテナを有効利用することにより高速・大容量通信を実現し、アレイアンテナ設置の際の費用対効果を増大させることのできる移動通信用基地局アンテナ及び移動通信方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は、Ｎ本の素子アンテナを並設して構成される移動通信用基地局アンテナ及びこれを用いた移動通信方法であって、Ｎ本の素子アンテナのうち、任意のＫ（Ｋ≧２）本の素子アンテナについて、固定的な指向性ビームパタンを形成させ、これらの素子アンテナ以外の（Ｎ−Ｋ）本の素子アンテナについて、それぞれの振幅及び位相を独立に適応制御し、適応的な指向性ビームパタンを形成させ、前記固定的な素子アンテナ及び適応的な素子アンテナにより送受信される信号を分離又は合成する。
【００１０】
なお、前記任意のＫ本の固定的な素子アンテナは、アンテナブランチ間相関に応じて選択することができる。
【００１１】
このような本発明によれば、従来アダプティブアンテナのダミーアンテナとしてのみ用いられていた素子アンテナを適応的な指向性ビームパタンの形成に関与させることなく、固定的な指向性ビームパタンを形成させるため、アンテナ間相互結合によるビームパタンの非対称性を回避しつつ、全ての素子アンテナを有効利用することが可能となり、アレイアンテナを設置する際の費用対効果を向上させることができる。
【００１２】
上記発明においては、固定的な指向性ビームパタンを形成させるＫ本の素子アンテナは、ダイバーシチアンテナであることが好ましい。この場合には、従来のダミーアンテナをダイバーシチアンテナとして利用することが可能となり、高速・大容量通信を提供することができる。
【００１３】
上記発明においては、Ｋ本のダイバーシチアンテナは、物理的に離間された距離に基づく空間ダイバーシチ方式によるものであることが好ましい。この場合には、並設された素子アンテナのアンテナ間隔距離を利用して、ダイバーシチ方式の通信を実行することができる。
【００１４】
上記発明においては、Ｋ本のダイバーシチアンテナは、Ｎ本の素子アンテナの両端に配置された２本の素子アンテナであることが好ましい。この場合には、最もビームパタンの非対称性を生じやすいアレイアンテナ両端の２本の素子アンテナを適応的なビームパタンの生成に関与させることなく、並設された素子アンテナのアンテナ間隔距離を利用して、ダイバーシチ方式の通信を有効に実行することができる。
【００１５】
上記発明においては、Ｎ本の素子アンテナのチルト角を、固定的指向性ビームパタンであるか適応的な指向性ビームパタンであるかに応じて、制御するチルト角制御装置を備えることが好ましい。この場合には、適応的な指向性ビームパタンについては、アレイ利得を生かし遠方のセル端付近を狙った小さなビームチルト角を設定したり、固定的な指向性ビームパタンについては、セクタパタンとして低利得でもよい近距離を狙った大きなビームチルト角を設定したりするなど、アンテナ利得に応じて指向性ビームパタンを利用することができる。
【００１６】
上記発明においては、Ｎ本の素子アンテナに関する伝送品質を検出する伝送品質監視部と、伝送品質監視部による監視結果に応じて、Ｋの値を決定し、符号化部により制御されるＫ本の素子アンテナを選択し、Ｎ本の素子アンテナを、符号化部及びアダプティブアンテナ部に割り振るブランチ切替部とを備えることが好ましい。この場合には、受信品質を監視し、その監視結果に応じて、Ｋ本の固定的なアンテナを適宜設定変更することができるため、伝送環境の変化に応じて、アレイアンテナの有効利用を図ることができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
［第１実施形態］
以下、本発明の移動通信用基地局アンテナの第１実施形態について具体的に説明する。本実施形態では、図１に示すように、Ｎ本の素子アンテナ全てに対して給電し、２本の素子アンテナを固定的アンテナとし、固定的な指向性ビームパタンを形成させるとともに、素子アンテナ以外の（Ｎ−２）本の素子アンテナを適応的アンテナとし、それぞれの振幅及び位相を独立に適応制御し、適応的な指向性ビームパタンを形成させる。
【００１８】
特に、本実施形態では、アレイアンテナを構成する両端の２本の素子アンテナ（＃１，＃Ｎ）を空間ダイバーシチ方式とし、その他の素子アンテナ（＃２〜＃Ｎ−１）をアダプティブアンテナとして使用する。
【００１９】
図２は、本実施形態に係る移動通信用基地局アンテナの構成を示すブロック図である。図２に示すように、本実施形態に係る移動通信用基地局アンテナは、Ｎ本の素子アンテナ＃１〜＃Ｎを並設して構成されており、これらの素子アンテナ＃１，＃Ｎは、符号化装置３に接続され、その他の素子アンテナ（＃２〜＃Ｎ−１）は、アダプティブアンテナ装置２に接続されている。そして、これらアダプティブアンテナ装置２と符号化装置３には、その後段において適応変復調装置４及び分離・合成装置５が接続されている。
【００２０】
アダプティブアンテナ装置２は、Ｎ−２本の素子アンテナ（＃２〜＃Ｎ−１）について、適応的な指向性ビームパタンを形成させる装置である。具体的に、アダプティブアンテナ装置２は、図３に示すように、（Ｎ−２）本の素子アレイアンテナ（＃２〜＃Ｎ−１）からの各出力信号Ｘ_２〜Ｘ_Ｎ _−１（ｔ）に対して重み付けを行うウエイト装置Ｗ_２〜Ｗ_Ｎ−１と、ウエイト装置Ｗ_２〜Ｗ_Ｎ−Ｋから出力される信号を合成する合成装置２１と、合成装置２１の出力信号Ｙ（ｔ）に基づいて、ウエイト装置Ｗ_２〜Ｗ_Ｎ−１の重み係数を制御するアダプティブプロセッサ２２とを有する。
【００２１】
符号化装置３は、Ｎ本の素子アンテナ＃１〜＃Ｎのうち、アレイ両端の２本の素子アンテナ＃１，＃Ｎについて、固定的な指向性ビームパタンを形成させる装置である。本実施形態において、この符号化装置３により制御される２本の素子アンテナは、ダイバーシチ方式により信号の送受信を行う。具体的に、符号化装置３は、図４に示すように、素子アレイアンテナ（＃１，＃Ｎ）からの各出力信号Ｙをアンテナ数分に直並列変換する直並列変換部３１と、この直並列変換部３１により変換された信号についてチャネル符号化を行い、変調信号Ｘ_１，Ｘ_Ｎを生成するチャネル符号化部３２により構成される。
【００２２】
なお、符号化装置３は、図５に示すように、データをチャネル符号化するチャネル符号化部３３と、スペース・タイム・コーディングによる符号化を行い変調信号を生成するコーディング装置３４により構成してもよい。
【００２３】
適応変復調装置４は、所定の信号伝送速度となるようにアダプティブアンテナ装置２と符号化装置３に対しそれぞれ適応的に変復調方式を決定し、信号をアダプティブアンテナ装置２又は符号化装置３に割り振る装置である。また、分離・合成装置５は、符号化装置３及びアダプティブアンテナ装置２に対して入出力される信号を分離又は合成する装置である。
【００２４】
このように構成された本実施形態に係る移動通信用基地局アンテナにより、送信処理を行う場合には、先ず送信信号が分離・合成装置５を介して適応変復調装置４に入力される。適応変復調装置４では、分離された信号列に対して変調方式を決定し、変調方式に応じてアダプティブアンテナ装置２又は符号化装置３に出力される。
【００２５】
アダプティブアンテナ装置２では、ウエイト装置Ｗ_２〜Ｗ_Ｎ−Ｋにより各信号に重み付けが行われ、重みに応じた指向性を有するビームパタンにより、素子アレイアンテナ（＃２〜＃Ｎ−１）から送信される。一方、符号化装置３では、各信号列について直並列変換された後、チャネル符号化処理が行われ、素子アレイアンテナ（＃１，＃Ｎ）から送信される。
【００２６】
また、受信処理を行う場合には、素子アンテナ（＃２〜＃Ｎ−１）で受信された受信信号は、アダプティブアンテナ装置２において、ウエイト装置Ｗ_２〜Ｗ_Ｎ−Ｋにより各信号に重み付けが行われ、重みに応じた合成処理が行われ、適応変復調装置４を介して分離・合成装置５に出力される。一方、素子アンテナ（＃１，＃Ｎ）で受信された信号は、符号化装置３において復号され、並直列変換がなされた後、各信号列について直並列変換された後、適応変復調装置４を介して分離・合成装置５に出力される。この分離・合成装置５において、符号化装置３及びアダプティブアンテナ装置２からの出力信号を合成する。
【００２７】
このような本実施形態に係る移動通信用基地局アンテナによれば、全ての素子アンテナに給電を行い、全ての素子アンテナを通信に使用するため、高速・大容量通信を実現し、アレイアンテナ設置の際の費用対効果を増大させることができる。
【００２８】
すなわち、アレイの両端に位置する素子アンテナを、アダプティブアンテナとして使用せず、ダイバーシチ方式として使用するため、パタンの非対称性が生じるのを回避することができる。また、パタンの対称性のあるアンテナのみを用いるため、生成されるアダプティブパターンは、アダプティブアンテナ装置２で求めた重みを正確に再現することが可能となる。
【００２９】
また、本実施形態に係る移動通信用基地局アンテナによれば、アレイ両端の素子アンテナは、アンテナ間隔が十分に離れておりブランチ間相関が小さく、高いダイバーシチ利得を期待できる。すなわち、従来アダプティブアンテナのダミー素子として用いられていたアンテナに給電し、固定的に指向性形成するダイバーシチアンテナとして用いることにより、単独のアダプティブアンテナよりも２ブランチ分のダイバーシチ利得を得ることが可能となり、従来よりも高速・大容量通信を提供することができる。
【００３０】
［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態について具体的に説明する。本実施形態では、上述した第１実施形態において、アレイ両端の２本の素子アンテナをダイバーシチとして用いたのに対し、任意の本数（Ｋ本）の素子アンテナをダイバーシチとして用いることを特徴とする。なお、図６に示した例では、Ｋ＝４として説明している。
【００３１】
すなわち、図６に示すように、Ｎ素子アレイアンテナのうち（Ｎ−４）本の素子アンテナ（＃３〜＃Ｎ−２）を適応指向性制御するアダプティブアンテナとして用い、かつ、４本の素子アンテナ（＃１，＃２，＃Ｎ−１，＃Ｎ）を固定的に指向性形成するダイバーシチアンテナとして用いる。
【００３２】
なお、本実施形態では、ダイバーシチブランチとして機能させるアンテナを、伝送品質に応じて適応的に、ブランチ間相関の小さな任意の位置及び本数の素子アンテナを選択する。すなわち、図７に示すように、ブランチ切替装置１により、Ｎ素子アレイアンテナのうち任意のＮ−Ｋ本の素子アンテナを適応指向性制御するアダプティブアンテナとして選択し、かつ、任意のＫ本の素子アンテナを固定的に指向性形成するダイバーシチアンテナとして用いる。
【００３３】
具体的には、上述した第１実施形態で説明した移動通信用基地局アンテナの構成に、ブランチ切替装置１を加える。このブランチ切替装置１は、図８（ａ）に示すように、素子アンテナに関する伝送品質を検出する受信品質監視部１１と、受信品質監視部１１による監視結果に基づいて、各素子アンテナの受信品質（例えば、ブランチ間相関等）を比較し、適切なＫの値及び該当する素子アンテナを決定する比較部１３と、比較部１３の決定に従って、Ｋ本の素子アンテナを選択し、素子アンテナそれぞれを、符号化装置３及びアダプティブアンテナ装置２に割り振って接続する素子アンテナ選択部１２とを備えている。
【００３４】
そして、このような構成の本実施形態にかかる移動通信用基地局アンテナは、以下のように動作する。図８（ｂ）は、移動通信用基地局アンテナにおける動作を示すフロー図である。
【００３５】
同図に示すように、ブランチ切替装置１の受信品質監視部１１により、素子アンテナに関する伝送品質を検出し（ステップＳ１０１）、比較部１３において、受信品質監視部１１による監視結果に基づいて、各素子アンテナの受信品質を比較し（Ｓ１０３）、適切なＫの値及び該当する素子アンテナを決定する（Ｓ１０４）。そして、素子アンテナ選択部１２において、比較部１３の決定に従って、Ｋ本の素子アンテナを設定し、素子アンテナそれぞれを、符号化装置３及びアダプティブアンテナ装置２に割り振って接続する（Ｓ１０５）。
【００３６】
このようなブランチ切替装置１によれば、伝搬環境に応じてアレイアンテナの各ブランチの伝送品質を監視し、所定の相関係数以上のブランチ間相関を有するアンテナブランチ数Ｎ−Ｋを適応的に判定しアダプティブアンテナブランチとする。同時に、所定の相関係数以下のブランチ間相関を有するアンテナブランチ数Ｋを適応的に判定しダイバーシチアンテナブランチとすることができる。これにより、例えば、アダプティブアンテナにおける伝送品質よりもダイバーシチアンテナにおける伝送品質のほうがよい場合、ダイバーシチアンテナのブランチに対しては相対的に多値化された変復調を行うことで、伝送速度を向上することができる。
【００３７】
［第３実施形態］
次に、本発明の第３実施形態について具体的に説明する。図９は、本実施形態の説明図であり、（ａ）は、アレイアンテナの構成を示す構成図であり、（ｂ）は、無線ゾーンを示す上面図であり、（ｃ）は、その側面図である。
【００３８】
本実施形態においては、図９（ａ）に示すように、上述した移動通信用基地局アンテナにより、（Ｎ−Ｋ）本の素子アンテナＡを適応指向性制御し、アダプティブパターンを形成させ、Ｋ本の素子アンテナＢにより固定的に指向性ビームパタンを形成させ、この固定的なビームパタンをセクタパタンの形成に用いる。これにより図９（ｂ）に示すように、２つの無線ゾーンが生成される。なお、本実施形態では、アダプティブパターンは水平面にのみ形成されるものとする。
【００３９】
そして、本実施形態では、それぞれの垂直面のビームチルトを個別に設計する。具体的には、素子アンテナＡについては、ビームチルト角αを小さく設定することにより、アレイ利得を生かして遠方のセル端付近にビームを到達させ、範囲の広い無線ゾーンを形成させる。一方、固定的な指向性ビームパタンの素子アンテナＢについては、ビームチルト角βをαよりも大きく設定し、低利得でも十分な近距離範囲のセクタパタンとして、無線ゾーンを形成させる。
【００４０】
なお、本実施形態においては、アダプティブパターンを水平面にのみ形成する場合を例に説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、垂直面内にもアダプティブパターン形成の機能を有するシステムでアレイにおいても適用することができる。この場合においては、セクタパタンのみにビームチルトを設定し、アダプティブパターンとセクタパタンによる無線ゾーンにおいて容量を最大化するようにパタンを設計することも可能である。
【００４１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る移動通信用基地局アンテナ及び移動通信方法によれば、従来アダプティブアンテナのダミー素子として用いられていたアンテナに給電しダイバーシチアンテナとして用いることにより、高速・大容量通信を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態におけるアンテナの構成方法を示す説明図である。
【図２】第１実施形態に係る移動通信用基地局アンテナの構成を示すブロック図である。
【図３】第１実施形態に係るアダプティブアンテナ装置の構成を示すブロック図である。
【図４】第１実施形態に係る符号化装置の構成を示すブロック図である。
【図５】第１実施形態に係る符号化装置の変更例を示すブロック図である。
【図６】第２実施形態におけるアンテナの構成方法を示す説明図である。
【図７】第２実施形態に係る移動通信用基地局アンテナの構成を示すブロック図である。
【図８】（ａ）は、第２実施形態に係るブランチ切替装置の構成を示すブロック図であり、（ｂ）は、第２実施形態に係る移動通信用基地局アンテナの動作を示すフロー図である。
【図９】第３実施形態の説明図であり、（ａ）は、アレイアンテナの構成を示す構成図であり、（ｂ）は、無線ゾーンを示す上面図であり、（ｃ）は、その側面図である。
【図１０】従来のアンテナの構成方法を示す説明図である。
【図１１】従来のアンテナの構成方法におけるダミーアンテナを示す説明図である。
【符号の説明】
α，β…ビームチルト角
１…ブランチ切替装置
２…アダプティブアンテナ装置
３…符号化装置
４…適応変復調装置
５…合成装置
１１…受信品質監視部
１２…素子アンテナ選択部
１３…比較部
２１…合成装置
２２…アダプティブプロセッサ
３１…直並列変換部
３２…チャネル符号化部
３３…チャネル符号化部
３４…コーディング装置

Claims

Ｎ本の素子アンテナを並設して構成される移動通信用基地局アンテナであって、
前記Ｎ本の素子アンテナのうち、任意のＫ（Ｋ≧２）本の素子アンテナについて、固定的な指向性ビームパタンを形成させる符号化部と、
前記符号化部に制御される素子アンテナ以外の（Ｎ−Ｋ）本の素子アンテナについて、それぞれの振幅及び位相を独立に適応制御し、適応的な指向性ビームパタンを形成させるアダプティブアンテナ部と、
前記符号化部及びアダプティブアンテナ部により制御される各素子アンテナにより送受信される信号を分離又は合成する適応変復調部と
を備えることを特徴とする移動通信用基地局アンテナ。
前記任意のＫ本の素子アンテナは、アンテナブランチ間相関に応じて選択されることを特徴とする請求項１に記載の移動通信用基地局アンテナ。
前記固定的な指向性ビームパタンを形成させるＫ本の素子アンテナは、ダイバーシチアンテナであることを特徴とする請求項１又は２に記載の移動通信用基地局アンテナ。
前記Ｋ本のダイバーシチアンテナは、物理的に離間された距離に基づく空間ダイバーシチ方式によるものであることを特徴とする請求項３に記載の移動通信用基地局アンテナ。
前記Ｋ本のダイバーシチアンテナは、前記Ｎ本の素子アンテナの両端に配置された２本の素子アンテナであることを特徴とする請求項３又は４に記載の移動通信用基地局アンテナ。
前記Ｎ本の素子アンテナのチルト角は、固定的指向性ビームパタンであるか適応的な指向性ビームパタンであるかに応じて、異なるチルト角が設定されることを特徴とする請求項１乃至５に記載の移動通信用基地局アンテナ。
前記Ｎ本の素子アンテナに関する伝送品質を検出する伝送品質監視部と、
前記伝送品質監視部による監視結果に応じて、前記Ｋの値を決定し、前記符号化部により制御されるＫ本の素子アンテナを選択し、Ｎ本の素子アンテナを、該符号化部及び前記アダプティブアンテナ部に割り振るブランチ切替部と
を備えることを特徴とする請求項１に記載の移動通信用基地局アンテナ。
Ｎ本の素子アンテナを並設して構成される移動通信方法であって、
前記Ｎ本の素子アンテナのうち、任意のＫ（Ｋ≧２）本の素子アンテナを固定的アンテナとし、固定的な指向性ビームパタンを形成させるとともに、当該Ｋ本の素子アンテナ以外の（Ｎ−Ｋ）本の素子アンテナを適応的アンテナとし、それぞれの振幅及び位相を独立に適応制御し、適応的な指向性ビームパタンを形成させるステップと、
前記固定的アンテナ及び適応的アンテナにより送受される信号を分離又は合成するステップと
を備えることを特徴とする移動通信方法。