JP2006253977A - マルチビームアンテナシステム及び無線通信サービスエリア構成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】基地局アンテナ利得を高め、セル半径を拡張するとともに、ハンドオーバを低減でき、併せてアンテナの共用化によりシステム構成を簡略化する。
【解決手段】
基地局から送出されるビームによって無線通信サービスエリアを構成するためのシステム及び方法であって、遠距離用アンテナから送出される狭いビーム幅のマルチビームBeam#0によって、基地局から放射状に遠距離エリアsec#0を形成するとともに、近距離用アンテナから送出される広いビーム幅のマルチビームBeam#1〜4によって、基地局の近傍において遠距離エリアが重複しあう区域に、遠距離エリアよりもエリア長が短い近距離エリアsec#1〜4を形成し、近距離エリアsec#0における近距離用アンテナからの受信強度を、遠距離用アンテナからの受信強度よりも強くする。
【選択図】 図1

Description

本発明は、無線通信において、基地局から送出されるビームによって無線通信サービスエリアを構成するためのマルチビームアンテナシステム及び無線通信サービスエリア構成方法に関する。

従来より、携帯電話やPHSなどに代表される広域移動通信においては、基地局のアンテナから放射されるビームによりセルやセクタ等の無線通信サービスエリアを構成する。このような基地局のアンテナとしてマルチビームアンテナがある（例えば、特許文献1）。

一方、第3世代移動通信方式として標準化されているDS−CDMA方式では、同一周波数を1セルで繰り返し可能であり、全セルで同一周波数を共通に使用する。各ユーザは異なる拡散コードを用いて通信を行う。受信側は、受信信号を拡散コード拡散し、信号を復調する。

DS−CDMA方式では収容ユーザ数を増大させるためには、他ユーザ干渉を軽減する必要がある。干渉を軽減し、収容ユーザ数を増大させる方法として、セルのセクタ化やセル分割が一般である。セクタ化の代わりに、構成が簡易なマルチビームアンテナを用いれば他ユーザ干渉を軽減でき収容ユーザ数の大幅な増加が図れる等の利点がある。

このマルチビームアンテナは、図12に示すように水平面内指向性が広い（ビーム幅が広い）複数のアンテナ（Ant#1，#2，#3，#4）を、水平面内に配置し、水平面マルチビーム化回路100により、図13（a）に示すような、水平面内指向性が狭い（ビーム幅の狭い）複数のマルチビーム（Beam#1，#2，#3，#4）を形成する。

そして、ユーザが使用する端末が、各ビームによってカバーされるエリア間を移動した場合には、ビームを切り替えて端末の移動に追従させ、通信を継続する。これにより、図13（b）に示すようなセクタ構成（sec#1，#2，#3，#4）と等価な無線通信サービスエリアを構成することができる。

一般に、マルチビームアンテナ構成では複数のアンテナの指向性を合成して、ビームの放射パターンを生成することから、水平面内指向性をシャープとすることができ、狭いビーム幅によってアンテナ利得を向上させ、セル半径（電波送信距離）を大きく取れるという利点がある。
特開2002-152108号公報

しかしながら、上述したマルチビームアンテナ構成では、アンテナ指向性をシャープにすることにより、1つのビームでカバーできるエリア幅が非常に狭くなるという問題がある。従って、端末がエリア間を移動する場合には、ビーム切り替えやハンドオーバーの頻度が増大する。特に、図13（b）中の矢印で示すように、基地局近傍において、エリア内を横断するように高速で移動した場合には、ビームの切り替えが多発することから、システムに大きな制御負荷となる。

そこで、本発明は以上の点に鑑みてなされたもので、例えば、DS−CDMA方式のように同一周波数を1セルで繰り返し、全セルで同一周波数を共通に使用する方式を対象に、基地局アンテナ利得を高め、セル半径を拡張するとともに、収容ユーザ数を増大できて、ハンドオーバを低減でき、併せてアンテナの共用化によりシステム構成を簡略化できるマルチビームアンテナシステム及び無線通信サービスエリア構成方法を提供することをその課題とする。

上記課題を解決するために、本発明は、基地局から送出されるビームによって無線通信サービスエリアを構成するためのシステム及び方法であって、遠距離用アンテナから送出される水平面内において狭いビーム幅のマルチビームによって、基地局から放射状に遠距離エリア形成するとともに、近距離用アンテナから送出される水平面内において広いビーム幅のビームによって、基地局の近傍において前記遠距離エリアが重複しあう区域に、遠距離エリアよりもエリア長が短い近距離エリアを形成し、遠距離用アンテナと近距離用アンテナでは同一周波数を利用し、近距離エリアにおける近距離用アンテナからの受信強度を、前記遠距離用アンテナからの受信強度よりも強くすることを特徴とする。

このような本発明によれば、ビーム幅を狭くすることによってアンテナ利得を向上させた遠距離用アンテナにより、電波送信距離が長い遠距離エリアを形成し、これによりエリア半径を拡張することができ、一方、基地局近傍では、ビーム幅の広い近距離用アンテナによって近距離エリアを形成し、狭いビーム幅の遠距離エリアが密集する領域を近距離エリアでカバーすることができる。このとき、近距離エリアでの受信強度は、遠距離エリアでの受信強度よりも強いため、基地局近傍において移動端末側は、優先的に近距離用アンテナと通信を行うことになる。これらの結果、エリア半径を拡張しつつ、ユーザの移動端末が基地局近辺を高速に移動した場合に、ビームを切り替える頻度を低減できる。なお、ここでの受信強度としては、逆コード拡散後の受信強度であることが好ましい。

上記発明において、遠距離用アンテナ及び近距離用アンテナは、水平面内において広いビーム幅のアンテナを、水平面内に複数並べて構成された平面アレイアンテナであり、平面アレイアンテナは、複数のアンテナによるりビームを合成し、水平面内において、狭いビーム幅を生成させるとともにその指向方向を定めることによって遠距離エリアを形成する水平面マルチビーム化回路を備えることが好ましい。

この場合には、平面アンテナを構成するアンテナの1つを、遠距離用アンテナと近距離用アンテナで共用とすることができ、アンテナシステムの構成を簡略化することができる。

上記発明において、遠距離用アンテナは、垂直面内において俯角の浅いマルチビームによって遠距離エリアを形成し、近距離用アンテナは、垂直面内において遠距離用アンテナよりも大きい俯角のビームによって近距離エリアを形成することが好ましい。

この場合には、垂直面内における俯角を切り替える（又は制御する）ことによって、近距離用と遠距離用のアンテナを共用しつつ、上記近距離エリア及び遠距離エリアを形成することができ、また、ビームの俯角を変える（制御）ことにより、近距離エリア内おける近距離用アンテナからの電波強度を強くすることができるため、アンテナシステムの簡略化を図ることができる。

上記発明において、近距離用アンテナは、複数のアンテナ素子を垂直面内に配置して構成した垂直面内アレイアンテナを有し、垂直面内アレイアンテナは、該垂直面内アレイアンテナを構成するアンテナ素子によるビームを合成することによって、前記広いビーム幅のビームの俯角を大きくし、近距離エリアを形成する垂直面マルチビーム化回路を備えることが好ましい。

この場合には、例えば、平面アンテナを構成するアレイアンテナの少なくとも1つを垂直面内アレイアンテナとし、これによるビームの俯角を深くすることにより、平面アンテナを構成するアレイアンテナの1つを遠距離用アンテナと近距離用アンテナの両用とすることができ、アンテナの簡略化を図ることができる。

以上説明したように本発明によれば、例えば、DS−CDMA方式のように同一周波数を1セルで繰り返し、全セルで同一周波数を共通に使用する方式を対象に、基地局から送出されるビームによって無線通信サービスエリアを構成する際に、基地局アンテナ利得を高め、セル半径を拡張するとともに、収容ユーザ数を増大できて、ビームの切り替えやハンドオーバの頻度を低減でき、併せてアンテナの共用化によってシステム構成を簡略化することができる。

［第1実施形態］
本発明の第1実施形態について、図面を参照しつつ説明する。図1（a）は、本実施形態に係るマルチビームアンテナシステムによるビームの放射パターンを示し、同図（b）は、このようなビームによるセクタ構成を示す。

以下の説明ではアンテナ数を4本、マルチビーム数を、4ビームを例として説明するが、本発明はその数を4に限定するものではない。

図1（a）及び（b）に示すように、本実施形態では、DS−CDMA方式のように同一周波数を1セルで繰り返し、全セルで同一周波数を共通に使用する方式を対象に、遠距離用アンテナから送出される狭いビーム幅のマルチビームBeam#1〜4によって、基地局から放射状に遠距離エリアsec#1〜4を形成するとともに、近距離用アンテナから送出される広いビーム幅のビームBeam#0によって、基地局の近傍において遠距離エリアが重複しあう区域に、遠距離エリアよりもエリア長が短い近距離エリアsec#0を形成する。そして、各ビームBeam#0〜4は同一周波数を用いて通信を行う。なお、近距離エリアにおける近距離用アンテナからの逆コード拡散後の受信強度は、遠距離用アンテナからの逆コード拡散後の受信強度よりも強く設定されており、近距離エリアと遠距離エリアとが重複する領域では、近距離エリア用アンテナが優先的に接続される。

図2は、本実施形態に係るマルチビームアンテナシステムの構成を示す概略図である。同図に示すように、本実施形態に係るマルチビームアンテナシステム10は、ビーム幅の広い放射パターンが設定された4本のアンテナAnt#1，#2，#3，#4を備えており、これらの各アンテナAnt#1，#2，#3，#4は、遠距離用アンテナ及び近距離用アンテナとして機能する。

また、アンテナAnt#1，#2，#3，#4には、水平面マルチビーム化回路100が接続されており、この水平面マルチビーム化回路100は、水平面内において、アンテナAnt#1，#2，#3，#4による広いビーム幅を合成して、狭いビーム幅を生成するとともに、その指向方向を定め、アンテナAnt#1，#2，#3，#4を遠距離用アンテナとして機能させる。なお、水平面マルチビーム化回路100としては、例えばバトラーマトリックス等の回路を用いることができる。

さらに、アンテナAnt#1では、アンテナ素子部分と水平面マルチビーム化回路100との間に合成回路（分波器）200が設けられており、この合成回路200によって、アンテナAnt#1に対しては、遠距離エリア用の信号（Beam#1）が水平面マルチビーム化回路100を通じて入力され、近距離エリア用の信号（Beam#0）が水平面マルチビーム化回路100を介さないで入力されるようになっている。

この結果、アンテナAnt#1では、水平面マルチビーム化回路100を通じた信号によって、他のアンテナAnt#2，#3，#4からのビームとの合成により、ビーム幅の狭い遠距離用のビームBeam#1〜#4が送出可能となる一方、水平面マルチビーム化回路100を通さない信号によって、ビーム幅の広い近距離用のビームBeam#0が送出可能となる。

このような本実施形態によれば、遠距離用エリアでは、ビーム幅の狭い遠距離用アンテナによってアンテナ利得を向上させ、電波送信距離が長い遠距離エリアを形成し、これによりエリア半径を拡張することができる。一方、基地局近傍の近距離エリアでは、ビーム幅の広い近距離用アンテナによって近距離エリアを形成し、狭いビーム幅の遠距離エリアが密集する領域をカバーすることができる。この結果、図1（b）中にて矢印で示すように、移動端末が、基地局近辺を高速に移動した場合であっても、ビームを切り替える頻度や、ハンドオーバ回数を大幅に軽減できる。

また、本実施形態によれば、アンテナAnt#1を、近距離用アンテナと遠距離用アンテナとの両方に共用して使用することから、システムの簡略化を図ることができる。

なお、本実施形態において水平面マルチビーム化回路100は、固定的に遠距離エリア用アンテナのビーム幅及び指向性を定めたが、本発明はこれに限定されるものではなく、複数のアンテナのうち任意のアンテナを選択して、アクティブにそれらのビーム幅や指向性を切り替えるようにしてもよい。

［第2実施形態］
次いで、本発明の第2実施形態について、図面を参照しつつ説明する。本実施形態では、上述したアンテナAnt#1，#2，#3，#4に、垂直面内におけるマルチビーム化によって、2パターンのビーム俯角を生成する機能を設け、図1（a）及び（b）に示したような、近距離用ビームBeam#0による近距離エリアsec#0と、遠距離用ビームBeam#1〜4による遠距離エリアsec#1〜4とを形成する。

すなわち、本実施形態においても、遠距離用アンテナから送出される狭いビーム幅のマルチビームBeam#1〜4によって、基地局から放射状に遠距離エリアsec#1〜4を形成するとともに、近距離用アンテナから送出される水平面内においてビーム幅が広く且つ俯角の深いマルチビームBeam#0によって、基地局の近傍において遠距離エリアが重複しあう区域に、遠距離エリアよりもエリア長が短い近距離エリアsec#0を形成する。

特に、本実施形態では、図3に示すように、アンテナAnt#1によるビームを、マルチビーム化（ここでは2ビーム化）し、遠距離用アンテナ及び近距離用アンテナの両方として機能させ、遠距離用アンテナの機能により、水平面内においてビーム幅が狭く且つ俯角の浅いマルチビームBeam#1〜#4によって遠距離エリアを形成し、近距離用アンテナの機能により、遠距離用アンテナよりも、ビーム幅が広く且つ大きい俯角のマルチビームBeam#0によって近距離エリアを形成する。

図4は、本実施形態に係るマルチビームアンテナシステムの構成を示す概略図である。同図に示すように、本実施形態に係るマルチビームアンテナシステム10は、水平面内においてビーム幅が広い放射パターンが設定された4本のアンテナAnt#1，#2，#3，#4を備えており、これらの各アンテナのうち、アンテナAnt#1は、遠距離用アンテナ又は近距離用アンテナの両方として機能する。

また、アンテナAnt#1，#2，#3，#4には、水平面マルチビーム化回路100が接続されており、この水平面マルチビーム化回路100は、アンテナAnt#1，#2，#3，#4によるビームを合成して、水平面内において狭いビーム幅を生成させるとともに、その指向方向を定め、それらのアンテナを遠距離用アンテナとして機能させる。なお、水平面マルチビーム化回路100としては、例えばバトラーマトリックス等の回路を用いることができる。

さらに、アンテナAnt#1では、アンテナ素子部分と水平面マルチビーム化回路100との間に合成回路（分波器）200が設けられており、この合成回路200によって、アンテナAnt#1に対しては、遠距離エリア用の信号（Beam#1〜#4）が水平面マルチビーム化回路100を通じて入力され、近距離エリア用の信号（Beam#0）が水平面マルチビーム化回路100を介さないで入力されるようになっている。

この結果、アンテナAnt#1では、水平面マルチビーム化回路100を通じた信号によって、他のアンテナAnt#2，#3，#4からのビームとの合成により、ビーム幅が狭い遠距離用のビームBeam#1〜#4が送出可能となる一方、水平面マルチビーム化回路100を通さない信号によって、水平面内においてビーム幅の広い近距離用のビームBeam#0が送出可能となる。

本実施形態において、アンテナAnt#1，#2，#3，#4は、図5（a）及び（b）に示すように、垂直面内のビーム幅の広い指向性のアンテナ素子を垂直面内に複数配置して構成した垂直面内アレイアンテナであり、これらの垂直面内アレイアンテナを水平面内に4つ並べることによって、全体として平面アレイアンテナを構成している。

また、図5（a）に示すように、各アンテナAnt#1には、垂直面マルチビーム化回路300が設けられており、この垂直面マルチビーム化回路300は、アンテナAnt#1を構成するアンテナ素子によるビームを合成し、マルチビーム化することによって、俯角が深いものと浅いものの2種類を形成する。なお、垂直面マルチビーム化回路300としては、例えばバトラーマトリックス等の回路を用いることができる。

本実施形態においてアンテナAnt#1では、上述したように、水平面マルチビーム化回路100を通じた信号によって、他のアンテナAnt#2，#3，#4からのビームとの合成により、ビーム幅が狭い遠距離用のビームBeam#1〜#4が送出されるとともに、水平面マルチビーム化回路100を通さない信号によって、ビーム幅の広い近距離用のビームBeam#0が送出可能となっている。

そして、この垂直面マルチビーム化回路300において、水平面マルチビーム化回路100を通さない信号によって形成されるビーム幅の広い近距離用のビームBeam#0の俯角を大きくすることにより、アンテナAnt#1は、水平面内においてビーム幅が狭く且つ俯角の浅い遠距離エリア用のビームBeam#1〜#4を放射するとともに、水平面内においてビーム幅が広く且つ俯角の深い近距離エリア用のビームBeam#0を放射することができる。

そして、移動端末の移動に伴い、Beam#0〜#4を通常のハンドオーバ機能を用いて適宜切り替えて通信を継続する。

また、近距離エリアにおける近距離用のビームBeam#0の逆コード拡散後の受信強度は、図6に示すように、その俯角の相違に伴い、遠距離用のビームBeam#1〜4の逆コード拡散後の受信強度よりも強くなっており、近距離エリアと遠距離エリアとが重複する領域では、近距離エリア用アンテナが優先的に接続される。そして、逆コード拡散後の受信強度が逆転する地点を境目（電波強度の交叉点）に、近距離エリアから遠距離エリアへ切り替わり、基地局から当該交叉点以遠では、遠距離エリア用アンテナに接続される。

詳述すると、移動端末側におけるセル及びセクタの選択は、一般的にはその地点での受信電力の高低に基づいて行う。このように、受信電力の高低によりセクタを選択するために、本実施形態では、遠距離用の各ビーム（Beam#1，#2，#3，#4）がカバーする遠距離エリア（sec#1，#2，#3，#4）よりも、近距離エリアsec#0の受信電力を高くなっている。すなわち、ビームの垂直面内指向性（ビーム俯角）を制御することにより、基地局近傍では俯角の深いビームBeam#0の受信電力が俯角の浅いBeam#1，#2，#3，#4の受信電力よりも高くなり、また基地局から離れるとBeam#1，#2，#3，#4の受信電力をBeam#0の受信電力よりも高くできる。

このようにアンテナAnt#1の垂直面内をマルチビーム化することで自律的に受信電力の高い近距離エリアsec#0が構成できる。なお、近距離エリアsec#0の広さに関しては、ビームの垂直面内指向方向を調整すること及び各ビームBeam#0，#1，#2，#3，#4の送信電力を調整することで制御可能である。

以上説明した本実施形態によれば、遠距離用エリアでは、水平面内におけるビーム幅の狭い遠距離用アンテナによってアンテナ利得を向上させ、ビームの俯角を浅くすることにより電波送信距離が長い遠距離エリアを形成し、これによりエリア半径を拡張することができる。一方、基地局近傍の近距離エリアでは、水平面内におけるビーム幅が広く、ビーム俯角の深い近距離用アンテナによって近距離エリアを形成し、遠距離エリアのビームが密集する領域をカバーすることができるとともに、近距離用アンテナの電波強度を強くすることができる。この結果、図1（b）中にて矢印で示すように、移動端末が、基地局近辺を高速に移動した場合であっても、ビームを切り替える頻度や、ハンドオーバ回数を大幅に軽減できる。

また、本実施形態によれば、アンテナAnt#1を、近距離用アンテナと遠距離用アンテナとの両方に共用して使用することから、システムの簡略化を図ることができる。

なお、本実施形態において水平面マルチビーム化回路100及び垂直面マルチビーム化回路300は、固定的に遠距離エリア用アンテナの俯角や、ビーム幅、指向性を定めたが、本発明はこれに限定されるものではなく、複数のアンテナやアンテナ素子のうち任意のものを選択して、アクティブにそれらの俯角や、ビーム幅、指向性を切り替えるようにしてもよい。

なお、説明ではDS−CDMAを例に説明したが、OFDMをベースとしたMC−CDMA方式等の同一周波数を1セルで繰り返し、全セルで同一周波数を共通に使用する全ての移動通信方式に本発明は適用可能である。

［第3実施形態］
（無線通信システムの構成）
次いで、本発明の第3実施形態について、図面を参照しつつ説明する。図7は、本実施形態に係る無線通信システムの概略構成を示す説明図である。

同図に示すように、本実施形態では、所定の通信エリアが、格子状に配列された略正方形状の多数のセルにより分割されており、各セルのそれぞれには、基地局1が配置され、セル内に在圏する端末機（図示せず）と基地局1との間で無線通信を行う。そして、各セクタを前述したマルチビームで構成する。

なお、以下の説明ではアンテナ数を4本、マルチビーム数を、4ビームを例として説明するが、本発明は、その数を4に限定するものではなく、マルチビーム数は2以上であれば本発明を適用することができる）。

詳述すると、各基地局1には、指向方向が水平面内で90°毎に異なる4つのマルチビームアンテナ2a〜2dが設けられており、各セル1は、マルチビームアンテナ2a〜2dのマルチビームBeam#1〜4によって、それぞれ形成される略正方形状のセクタsector1〜4により、基地局1を中心として分割されている。さらに、各セクタは、図8においてセクタsector1を例示するように、マルチビームBeam#1〜4の遠距離用のマルチビームによって遠距離エリアである内部セクタsec#1-1〜#1-4が形成されるとともに、近距離用のビームBeam#0によって、基地局の近傍に近距離エリアである内部セクタsec#1-0が形成されている。

すなわち、本実施形態においては、遠距離用アンテナから送出される狭いビーム幅のマルチビームBeam#1〜4を合成し、この合成されたマルチビームによって、基地局から放射状に遠距離エリアsec#1-1〜#1-4をそれぞれ形成するとともに、近距離用アンテナから送出される広いビーム幅のビームBeam#0によって、基地局の近傍の各セクタにおいて遠距離エリアsec#1-1〜#1-4が重複しあう区域に、遠距離エリアsec#1-1〜#1-4よりもエリア長が短い近距離エリアsec#1-0を形成する。

また、本実施形態において、マルチビームアンテナ2a〜2dは、DS−CDMA方式に対応しており、同一無線周波数が1セル又は1セクタ（内部セクタを含む）毎に繰り返し（同一無線周波数を各セル又は各セクタに共通して）使用可能となっている。そして、各セクタに在圏する端末は、各マルチビームアンテナ2a〜2dと同一周波数を用いて通信を行い、各セクタで用いる拡散コードを変えて通信を行う。

さらに、マルチビームアンテナ2a〜2dそれぞれの遠距離用ビームBeam#1〜4は、図8に示すように、略正方形状の各セクタにおいて、セル端（基地局1から離間したセクタの各頂点）A〜C付近での受信電力が等しくなるように最適化されている。

ここで、水平面内の広いアンテナのアンテナ利得をG(θ)、水平面マルチビーム化回路100を通じてできた遠距離エリア用のマルチビームの指向性をGm(θ)とする。すなわち、近距離エリア用のすい平面内のアンテナ利得はG(θ)、遠距離エリア用のマルチビームの指向性はGm(θ)とする。

詳述すると、セクタ内の遠距離エリアに在圏する端末の受信電力は、

で表され、セル端Aの受信電力は、使用するビームを例えばBeam#2、アンテナ利得をGm2(θ)、送信電力をPow2、とおくと、

であり、セル端B，Cの受信電力は、使用するビームを例えばBeam#1、アンテナ利得をGm1(θ)、送信電力をPow1、とおくと、
となる。ここで、
アンテナ指向方向：OA
アンテナ指向利得(近距離エリア用のアンテナ指向利得)：G（θ）
マルチビームのアンテナ指向利得(遠近距離エリア用のアンテナ指向利得)G：Gm（θ）
送信電力：Pow
伝搬損失：Loss（r）
基地局−移動局間距離：r
θ ：端末方向
である。

今、各マルチビームの指向利得が同じであるとすると、すなわちGm1(45°)=Gm2(0°)の場合、本実施形態では、マルチビームアンテナ2a〜2dの遠距離用ビームBeam#1〜4は、セル端A〜Cで受信電力が等レベルとなるように最適化されていることから、

の条件を満たすように、各ビームの入力信号#1〜#4の送信電力が決められる。 なお、本実施形態における遠距離エリア及び近距離エリアの形成方法は、上述した第1及び第2実施形態で説明した方法を採用することができる。

詳述すると、第1実施形態で説明したように、マルチビームアンテナ2a〜2dのそれぞれを、図2に示したように、ビーム幅の広い放射パターンが設定された4本のアンテナAnt#1，#2，#3，#4に、水平面マルチビーム化回路100を接続し、この水平面マルチビーム化回路100により、水平面内において、アンテナAnt#1，#2，#3，#4による広いビーム幅を合成して、狭いビーム幅を生成させるとともに、その指向方向を定め、アンテナAnt#1，#2，#3，#4を遠距離用アンテナとして機能させる。

さらに、アンテナAnt#1では、アンテナ素子部分と水平面マルチビーム化回路100との間に合成回路（分波器）200を設け、水平面マルチビーム化回路100を通じた信号によって、他のアンテナAnt#2，#3，#4からのビームとの合成により、ビーム幅の狭い遠距離用のビームBeam#1〜#4が送出可能とする一方、水平面マルチビーム化回路100を通さない信号によって、ビーム幅の広い近距離用のビームBeam#0を送出可能とし、アンテナAnt#1を遠距離用アンテナ及び近距離用アンテナの両方として機能させる。

他の遠距離エリア及び近距離エリアの形成方法としては、第2実施形態で説明したように、マルチビームアンテナ2a〜2dのそれぞれを、図4及び図5に示すように、垂直面内のビーム幅の広い指向性のアンテナ素子を垂直面内に複数配置して構成した垂直面内アレイアンテナとし、これらの垂直面内アレイアンテナを水平面内に4つ並べることによって、全体として平面アレイアンテナを構成するようにしてもよい。

詳述すると、図5（a）に示すように、各アンテナAnt#1に、垂直面マルチビーム化回路300を設け、この垂直面マルチビーム化回路300によって、アンテナAnt#1を構成するアンテナ素子によるビームを合成し、マルチビーム化することによって、俯角が深いものと浅いものの2種類を形成する。これによって、アンテナAnt#1では、上述したように、水平面マルチビーム化回路100を通じた信号によって、他のアンテナAnt#2，#3，#4からのビームとの合成により、ビーム幅が狭い遠距離用のビームBeam#1〜#4が送出されるとともに、水平面マルチビーム化回路100を通さない信号によって、ビーム幅の広い近距離用のビームBeam#0が送出可能とする。

そして、この垂直面マルチビーム化回路300において、水平面マルチビーム化回路100を通さない信号によって形成されるビーム幅の広い近距離用のビームBeam#0の俯角を大きくすることにより、アンテナAnt#1は、水平面内においてビーム幅が狭く且つ俯角の浅い遠距離エリア用のビームBeam#1〜#4を放射するとともに、水平面内においてビーム幅が広く且つ俯角の深い近距離エリア用のビームBeam#0を放射することができる。

このとき、上述した第2実施形態と同様に、近距離エリアにおける近距離用のビームBeam#0の逆コード拡散後の受信強度は、図6に示すように、その俯角の相違に伴い、遠距離用のビームBeam#1〜4の逆コード拡散後の受信強度よりも強くし、近距離エリアと遠距離エリアとが重複する領域では、近距離エリア用アンテナが優先的に接続されるようにする。これにより、逆コード拡散後の受信強度が逆転する地点を境目（電波強度の交叉点）に、近距離エリアから遠距離エリアへ切り替わり、基地局から当該交叉点以遠では、遠距離エリア用アンテナに接続されるようにする。

（本実施形態のセル構成方法による作用・効果）
以上の構成を有する無線通信システムを動作させることによって、セル構成方法を実施することができる。

すなわち、基地局1に設けられたマルチビームアンテナにより、水平面内においてそれぞれ略正方形状の4つのセクタを形成し、略正方形状をなすセルを、基地局1を中心とした4つのセクタによって分割する。

このような本実施形態によれば、上述した第1及び第2実施形態と同様に、遠距離用エリア（例えば、内部セクタsec#1-1〜#1-4）では、水平面内におけるビーム幅の狭い遠距離用アンテナによってアンテナ利得を向上させて電波送信距離が長い遠距離エリアを形成し、これによりエリア半径を拡張することができる。一方、基地局近傍の近距離エリア（例えば、内部セクタsec#1-0）では、水平面内におけるビーム幅が広い近距離用アンテナによって近距離エリアを形成し、遠距離エリアのビームが密集する領域をカバーすることができる。この結果、移動端末が、基地局近辺を高速に移動した場合であっても、ビームを切り替える頻度や、ハンドオーバ回数を大幅に軽減できる。

また、上述した第1及び第2実施形態と同様に、アンテナを、近距離用アンテナと遠距離用アンテナとの両方に共用して使用すれば、システムの簡略化を図ることができる。

さらに、本実施形態では、セクタの形状が略正方形状であるため、図9に示すように、トラヒックが増大し、セルをさらに分割、すなわちマイクロセル化する場合、そのマイクロセルの形状は、元のセルと同形状の略正方形状とすることができる。

この結果、例えば、各セクタの中心に基地局を配置して4セクタ化を行うことでセル分割を極めて容易に実現できる。このとき、マイクロセルの形状は、元のセルと同形状の略正方形状であることから、分割前のセル内にマイクロセルが含まれることとなり、隣接するセルにマイクロセルが重複することがなく、効率のよいセル分割を実現することができる。

なお、マルチビームアンテナとして、平面マイクロストリップアンテナを利用すれば、アンテナ構成の小型化を図ることができるとともに、ビルの四隅にアンテナを設置することが可能となり、アンテナ設置の自由度を向上させることができる。

また、本実施形態では、マルチビームアンテナ2a〜2dの遠距離用ビームBeam#1〜4は、セル端A〜C付近での受信電力が等しくなるように最適化されている。すなわち、上記数4において、図8に示したように、距離OAに比べて距離OB，OCは短いことから、次式に示すように、距離OB，OCの伝搬損失Lossは、距離OAのそれよりも小さくなる。

従って、各ビームの送信電力はPow1<Pow2の関係となる。すなわち、Beam#1とBeam#4の送信電力はBeam#2とBeam#3の送信電力に比較して小さくできる。従って、Beam#1〜Beam#4の総送信電力を一定とした場合には、図8に示すようにBeam#1とBeam#4の送信電力を小さくできた分の送信電力をBeam#2とBeam#3の各ビームに再配分できることから、その分だけセル半径を大きくすることができ、その結果、基地局数を削減することができる。

このため、本実施形態によるセル構成方法によれば、図10に示すように、アンテナの半値幅を、セクタの角度である90°とする従来法の正四角形セル／4セクタ方式に比べて狭くでき、アンテナ利得を増大させることができる。その結果、本実施形態によれば、セル半径を拡大することができ、基地局数を削減することができる。

また、マルチビーム化する前の水平面内のアンテナ指向性に比べて遠距離エリア用のマルチビーム化した各ビームのアンテナの指向性を、非常にシャープにできることから、図11（a）,(b)を比較してわかるように、隣接ビーム又は隣接セクタに漏れる電力を小さくして、隣接するビーム及び隣接セクタとの干渉を大幅に小さくでき、周波数利用率を向上できる。

（a）は、第1実施形態に係るマルチビームアンテナシステムによるビームの水平面内での放射パターンを示す説明図であり、同図（b）は、このようなビームによるセクタ構成を示す説明図である。 第1実施形態に係るマルチビームアンテナシステムの構成を示す概略図である。 第2実施形態に係るマルチビームアンテナシステムによるビームの垂直面内での放射パターンを示す説明図である。 第2実施形態に係るマルチビームアンテナシステムの構成を示す概略図である。 第2実施形態に係る垂直面内アレイアンテナの構成を示す概略図である。 第2実施形態に係る基地局からの距離と電波強度との関係を示す説明図である。 第3実施形態に係る無線通信システムの概略構成を示す説明図である。 第3実施形態に係るマルチビームアンテナの最適化を示す説明図である。 第3実施形態に係るセルの分割を示す説明図である。 第3実施形態に係るアンテナの半値幅と、従来法によるアンテナの半値幅とを比較するグラフ図である。 第3実施形態に係るアンテナによる隣接セクタ間の干渉電力と、従来のアンテナによる隣接セクタ間の干渉電力とを比較するグラフ図である。 従来例のマルチビームアンテナシステムの構成を示す概略図である。 従来例のマルチビームアンテナシステムによるビームの水平面内での放射パターンを示す説明図であり、同図（b）は、このようなビームによるセクタ構成を示す説明図である。

符号の説明

Ant#1〜4…アンテナ
Beam#0…近距離用ビーム
Beam#1〜4…遠距離用ビーム
sec#0…近距離エリア
sec#1〜4…遠距離エリア
sec#1-0…内部セクタ（セクタsector1の近距離エリア）
sec#1-1〜1-4…内部セクタ（セクタsector1の遠距離エリア）
A〜C…セル端
1…基地局
2a〜2d…マルチビームアンテナ
10…マルチビームアンテナシステム
100…水平面マルチビーム化回路
200…合成回路
300…垂直面マルチビーム化回路

Claims (8)

1. 基地局から送出されるビームによって無線通信サービスエリアを構成するマルチビームアンテナシステムであって、
   水平面内において狭いビーム幅のマルチビームによって、前記基地局から放射状に遠距離エリアを形成する遠距離用アンテナと、
   水平面内において広いビーム幅のビームによって、前記基地局の近傍において前記遠距離エリアが重複しあう区域に、前記遠距離エリアよりもエリア長が短い近距離エリアを形成する近距離用アンテナと
   を備え、
   前記遠距離用アンテナと近距離用アンテナでは同一周波数を利用し、
   前記近距離エリアにおける前記近距離用アンテナからの受信強度は、前記遠距離用アンテナからの受信強度よりも強い
   ことを特徴とするマルチビームアンテナシステム。
2. 前記遠距離用アンテナ及び近距離用アンテナは、水平面内において広いビーム幅のアンテナを、水平面内に複数並べて構成された平面アレイアンテナであり、
   前記平面アレイアンテナは、前記複数のアンテナによるビームを合成し、水平面内において、狭いビーム幅を生成させるとともにその指向方向を定めることによって前記遠距離エリアを形成する水平面マルチビーム化回路を備える
   ことを特徴とする請求項1に記載のマルチビームアンテナシステム。
3. 前記遠距離用アンテナは、垂直面内において俯角の浅いマルチビームによって前記遠距離エリアを形成し、
   前記近距離用アンテナは、垂直面内において前記遠距離用アンテナよりも大きい俯角のビームによって前記近距離エリアを形成する
   ことを特徴とする請求項1に記載のマルチビームアンテナシステム。
4. 前記近距離用アンテナは、複数のアンテナ素子を垂直面内に配置して構成した垂直面内アレイアンテナを有し、
   前記垂直面内アレイアンテナは、該垂直面内アレイアンテナを構成するアンテナ素子によるビームを合成することによって、前記広いビーム幅のビームの俯角を大きくし、前記近距離エリアを形成する垂直面マルチビーム化回路を備える
   ことを特徴とする請求項3に記載のマルチビームアンテナシステム。
5. 基地局から送出されるビームによって無線通信サービスエリアを構成する方法であって、
   遠距離用アンテナから送出される水平面内において狭いビーム幅のマルチビームによって、前記基地局から放射状に遠距離エリア形成するとともに、
   近距離用アンテナから送出される水平面内において広いビーム幅のビームによって、前記基地局の近傍において前記遠距離エリアが重複しあう区域に、前記遠距離エリアよりもエリア長が短い近距離エリアを形成し、
   前記遠距離用アンテナと近距離用アンテナでは同一周波数を利用し、
   前記近距離エリアにおける前記近距離用アンテナからの受信強度を、前記遠距離用アンテナからの受信強度よりも強くする
   ことを特徴とする無線通信サービスエリア構成方法。
6. 前記遠距離用アンテナ及び近距離用アンテナは、水平面内において広いビーム幅のアンテナを、水平面内に複数並べて構成された平面アレイアンテナであり、
   前記平面アレイアンテナは、前記複数のアンテナによりビームを合成し、水平面内において、狭いビーム幅を生成させるとともにその指向方向を定めることによって前記遠距離エリアを形成する水平面マルチビーム化回路を備える
   ことを特徴とする請求項5に記載の無線通信サービスエリア構成方法。
7. 前記遠距離用アンテナは、垂直面内において俯角の浅いマルチビームによって前記遠距離エリアを形成し、
   前記近距離用アンテナは、垂直面内において前記遠距離用アンテナよりも大きい俯角のビームによって前記近距離エリアを形成する
   ことを特徴とする請求項5に記載の無線通信サービスエリア構成方法。
8. 前記近距離用アンテナは、複数のアンテナ素子を垂直面内に配置して構成した垂直面内アレイアンテナを有し、
   前記垂直面内アレイアンテナは、該垂直面内アレイアンテナを構成するアンテナ素子によるビームを合成することによって、前記広いビーム幅のビームの俯角を大きくし、前記近距離エリアを形成する垂直面マルチビーム化回路を備える
   ことを特徴とする請求項7に記載の無線通信サービスエリア構成方法。