JP3730052B2 - 無線送信装置，無線受信装置，無線送受信装置，及び無線送受信システム - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は，基地局と複数の加入者局との間で一点対多点の片方向若しくは双方向通信を行う無線送受信システム，及びそのようなシステムに用いられる無線送受信装置等に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
基地局と複数の加入者局との間で無線による一点対多点通信を行うためのシステムが，例えば特開平８−２３７１８１号公報に提案されている。
上記公報に記載の無線送受信システムＡ０は，図８に示すように，中央局１５に複数の基地局１１ａ，１２ａ，１３ａが接続されている。また，それら基地局１１ａ，１２ａ，１３ａはそれぞれ通信可能領域１１，１２，１３をカバーしており，それら通信可能領域内の複数の加入者局４１との間で無線による双方向通信を行う。
上記各基地局は，図９に示すように，互いに９０°づつ角度をずらして設置された４つのパネルアンテナ３１，３２，３３，３４を具備している。それらパネルアンテナ３１，３２，３３，３４は，それぞれ送信アンテナ素子と受信アンテナ素子とを有しており，上記各パネルアンテナは，各基地局を中心に９０°づつに分割された放射状の通信可能領域（セクタ）内の加入者局４１との間の送受信を受け持つ。このように，上記パネルアンテナは送信側と受信側とで同じ指向性を有し，同じセクタをカバーする。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで，上述のような無線送受信システムにおいては，１つの基地局でカバーできるセクタはできるだけ半径方向に広くしたいという要請がある。しかしながら，上記公報に記載されているような通常のパネルアンテナでカバーできる仰角はせいぜい１０°オーダーであり，上記セクタの半径方向広さは必然的に限られてしまう。更に，基地局のアンテナは，広範囲な見通しを確保するため，鉄塔上などのできるだけ高所に設置されることが多いが，これによってセクタの半径方向広さは逆に狭くなってしまう場合がある。
このような問題点を解決するために，例えば指向性の低いアンテナを使うことが考えられるが，この場合には，基地局及び加入者局に比較的送信電力の大きなパワーアンプを設置するなどの対応が必要であり，技術的，経済的に困難を伴う。これは，基地局と加入者局との無線回線設計では，受信Ｃ／Ｎ(Carrier Noise Ratio:dB)は次式で計算されるためである。
Ｃ／Ｎ＝（１０ｌｏｇＰｔ／Ｂ）＋Ｇｔ＋Ｇｒ−Ｌ−Ｒ−Ｎ
但し，Ｐｔ（Ｗ）：送信電力
Ｂ（ＭＨｚ）：送信帯域
Ｇｔ，Ｇｒ（ｄＢ）：送信，受信アンテナ利得
Ｌ（ｄＢ）：伝搬損失
Ｒ（ｄＢ）：降雨減衰
Ｎ（ｄＢＷ／ＭＨｚ）：熱雑音電力
Ｃ（ｄＢ）：搬送周波数電力
また，上記各セクタに対してそれぞれ複数のアンテナを設置することで上記問題点を解決しようとすると，アンテナ全体が大きくなって広い設置場所を必要としたり，各アンテナのアライメント調整や保守に手間がかかったり，或いは給電回路が複雑になって効率が低下するなどの新たな問題点が発生する。
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり，その目的とするところは，１台のアンテナで，広範囲のサービスエリアに対して高いアンテナ利得を得ることができ，それによって信頼性の高い通信が可能な無線送受信システム，及びそのようなシステムに用いられる無線送受信装置等を提供することである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明では，例えば図２に示すような，送信電波の周波数によって利得が最大となる方向が異なるような指向性を有するアンテナを用い，上記指向性を利用した送受信を行うことによって上記目的を達成する。
即ち，第１の発明は，電波を放射状の送信可能領域に対して送出する送信アンテナを具備する無線送信装置において，上記送信アンテナとして，一方向に向けた一つのアンテナであって送信電波の周波数によって利得が最大となる方向が異なるような指向性を有するアンテナを用いると共に，上記送信アンテナの指向性における送信電波の周波数変化に対する最大利得の変化方向に応じて，上記送信可能領域を半径方向若しくは周方向の複数のセクタに分割し，上記送信アンテナの指向性に基づいて，送信電波の周波数を上記セクタ毎に異なる値に設定することを特徴とする無線送信装置として構成されている。
第２，第３の発明は，それぞれ上記第１の発明と同様の構成による無線受信装置，及び無線送受信装置である。
【０００５】
また，第４の発明は，上記第１の発明に係る無線送信装置を具備する無線送受信システムであり，電波を放射状の送信可能領域に対して送出する送信アンテナを具備する無線送信装置よりなる基地局と，上記送信可能領域内の複数の加入者局とで構成され，上記基地局から上記加入者局に対して一対多の片方向通信を行う無線送受信システムにおいて，上記送信アンテナとして，一方向に向けた一つのアンテナであって送信電波の周波数によって利得が最大となる方向が異なるような指向性を有するアンテナを用いると共に，上記送信アンテナの指向性における送信電波の周波数変化に対する最大利得の変化方向に応じて，上記送信可能領域を半径方向若しくは周方向の複数のセクタに分割し，上記送信アンテナの指向性に基づいて，送信電波の周波数を上記セクタ毎に異なる値に設定することを特徴とする無線送受信システムとして構成されている。
また，第５の発明は，上記第４の発明と同様，上記第３の発明に係る無線送受信装置を具備する無線送受信システムであって，所定の周波数帯の電波を放射状の送受信可能領域に対して送出すると共に，上記所定の周波数帯と異なる周波数帯の電波を上記送受信可能領域から受信する送受信アンテナを具備する無線送受信装置よりなる基地局と，上記送受信可能領域内の複数の加入者局とで構成され，上記基地局と上記加入者局との間で一対多の双方向通信を行う無線送受信システムにおいて，上記送受信アンテナとして，一方向に向けた一つのアンテナであって送受信電波の周波数によって利得が最大となる方向が異なるような指向性を有するアンテナを用いると共に，上記送受信アンテナの指向性における送受信電波の周波数変化に対する最大利得の変化方向に応じて，上記送受信可能領域を半径方向若しくは周方向の複数のセクタに分割し，上記送受信アンテナの指向性に基づいて，送信電波及び受信電波の周波数を上記セクタ毎に異なる値に設定することを特徴とする無線送受信システムとして構成されている。
【０００６】
【作用】
本発明によれば，基地局とその送受信可能領域内の全加入者局との間で高い利得で信頼性の高い通信が可能となる。しかも，１台のアンテナで実現できるため，複数のアンテナを用いる場合と比べて設置場所をとらず，設置時のアンテナのアライメント調整や保守が容易であり，給電回路等が簡素化されることによって給電効率も向上する。更に，複数の周波数チャネルを利用することで通信容量を増大させる効果もある。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下，添付図面を参照して本発明の実施の形態及び実施例につき説明し，本発明の理解に供する。尚，以下の実施の形態及び実施例は，本発明を具体化した一例であって，本発明の技術的範囲を限定する性格のものではない。
ここに，図１は本発明の実施の形態に係る無線送受信システムＡ１の特徴点を説明するための図，図２は上記無線送受信システムＡ１で用いられるスロットアレイアンテナの指向性の一例を示す図，図３は上記スロットアレイアンテナの概略構成を示す図，図４は上記無線送受信システムＡ１における基地局５１と加入者局１０１及び上記基地局の送受信可能領域ａとの関係を示す模式図，図５は本発明の実施例に係るセクタ分割方法及び周波数割り当ての一例を示す図，図６は上記スロットアレイアンテナに代えて用いることができる導波管スロットアンテナの外観を示す図，図７は上記スロットアレイアンテナに代えて用いることができる平面アレイアンテナの外観を示す図である。
【０００８】
本実施の形態に係る無線送受信システムＡ１は，図４に示すように，１つの基地局５１と複数の加入者局１０１，１０２，…，とで構成され，上記基地局と各加入者局との間で一点対多点の双方向通信を行うものである。通信には準ミリ波，或いはミリ波を用い，周波数は２０〜４０ＧＨｚ帯を使用する。尚，１つの基地局５１が通信できる送受信可能領域ａは，円周方向に９０°，半径方向に数ｋｍの略扇形のエリアであるとする。
また，上記基地局５１のアンテナは，鉄塔の上などの比較的高所に設置される。これは，準ミリ波或いはミリ波の無線を用いた通信では，波長が短いために建物の裏に回り込む回折効果が殆ど期待できないため，加入者局から基地局アンテナが見通せる場所でないと通信が困難となるからである。
また，上記基地局５１に設置するアンテナとしては，図３に示すようなスロットアレイアンテナ（送受信アンテナの一例）を用いる。このスロットアレイアンテナは，例えば「導波管給電プリントアンテナ（後藤，IEICE Japan,Tech.Rep.AP89-3,1989）」に記述されているように，アンテナ給電口から給電された電波を複数の放射導波管に分割し，各導波管を伝搬する電波を各導波管に設けられたスロットから漏洩させ，これら漏洩された電波が合成されて放射パターンを作り出すように構成されている。このように構成された上記スロットアレイアンテナは，図２に示すように，電波の周波数ｆに応じて利得がピークとなる方向（放射角θ）が異なるという特性を有している。
【０００９】
本無線送受信システムＡ１では，以上のような上記スロットアレイアンテナの特性を利用することにより，基地局とその送受信可能領域ａ内の全加入者局との間で高利得での送受信を可能としている。
具体的には，まず上記スロットアレイアンテナを，電波の周波数変化に対する利得変化方向（図２に示す放射角θの方向）が仰角（若しくは伏角）方向となるように設置する。そして，図１に示すように，略扇形の送受信可能領域ａを半径方向に分割して複数（図１では４つ）のセクタｓ１，ｓ２，…に区分する。ここで，各セクタｓ１，ｓ２，…はぞれぞれ伏角が０°〜θ１，θ１〜θ２，…の領域となる。更に，図２に示す特性に基づいて，上記セクタｓ１，ｓ２，…にそれぞれアンテナ利得が最大値付近の値となるような周波数ｆ１，ｆ２，…を割り当てる。基地局５１は，各加入者局との間で，それら加入者局の属するセクタに割り当てられた周波数を用いて送受信を行う。これにより，基地局とその送受信可能領域ａ内の全加入者局との間で高い利得で信頼性の高い通信が可能となる。しかも，１台のアンテナで実現できるため，複数のアンテナを用いる場合と比べて設置場所をとらず，設置時のアンテナのアライメント調整や保守が容易であり，給電回路等が簡素化されることによって給電効率も向上する。更に，複数の周波数チャネルを利用することで通信容量を増大させる効果もある。
尚，本実施の形態に係る無線送受信システムＡ１では，１台のスロットアレイアンテナで送受信を行っているため，送信と受信とで異なる周波数帯を用い，例えば周波数フィルタを用いて両者を分離している。
【００１０】
【実施例】
上記実施の形態では，スロットアレイアンテナを，電波の周波数変化に対する利得変化方向が仰角（若しくは伏角）方向となるように設置したが，その設置方向を９０°変えて，上記利得変化方向が水平方向になるように設置することも可能である。この場合には，図５に示すように，略扇形の送受信可能領域ａは円周方向に分割される。上記実施の形態と同様，円周方向に区分された各セクタｓ１１，ｓ１２，…にはそれぞれアンテナ利得が最大値付近の値となるような周波数ｆ１，ｆ２，…が割り当てられる。
更に，下りチャネル（基地局→加入者局）と上りチャネル（加入者局→基地局）とでセクタ分割方向を変えて，例えば下りチャネルでは半径方向に，上りチャネルでは円周方向にそれぞれセクタ分割することも可能である。
また，以上の例では，基地局と加入者局との間で双方向通信を行うものとして説明したが，基地局から加入者局への通信のみを行う場合も同様に適用可能であることは言うまでもない。この場合には，基地局に設置されたスロットアレイアンテナでは送信のみが行われる。勿論，逆に加入者局から基地局への通信のみを行う形態にも適用可能である。
また，以上の例では基地局に設置するアンテナとして，スロットアレイアンテナを用いた例を示したが，これに限られるものではなく，送信電波の周波数によって利得が最大となる方向が異なるような指向性を有するアンテナであればよく，具体的には，図６に示すような導波管スロットアンテナ（「アンテナ工学ハンドブック」，電子通信学会 オーム社，1980）や，図７に示すような平面アレイアンテナ（“Introduction to Radar Systems ”,M.I.Skolnik McGraw-Hill 1962 ）など，既に知られている種々のアンテナを用いることができる。
【００１１】
【発明の効果】
以上説明したように，本発明によれば，基地局とその送受信可能領域内の全加入者局との間で高い利得で信頼性の高い通信が可能となる。しかも，１台のアンテナで実現できるため，複数のアンテナを用いる場合と比べて設置場所をとらず，設置時のアンテナのアライメント調整や保守が容易であり，給電回路等が簡素化されることによって給電効率も向上する。更に，複数の周波数チャネルを利用することで通信容量を増大させる効果もある。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施の形態に係る無線送受信システムＡ１の特徴点を説明するための図。
【図２】 上記無線送受信システムＡ１で用いられるスロットアレイアンテナの指向性の一例を示す図。
【図３】 上記スロットアレイアンテナの概略構成を示す図。
【図４】 上記無線送受信システムＡ１における基地局５１と加入者局１０１及び上記基地局の送受信可能領域ａとの関係を示す模式図。
【図５】 本発明の実施例に係るセクタ分割方法及び周波数割り当ての一例を示す図。
【図６】 上記スロットアレイアンテナに代えて用いることができる導波管スロットアンテナの外観を示す図。
【図７】 上記スロットアレイアンテナに代えて用いることができる平面アレイアンテナの外観を示す図。
【図８】 従来の無線送受信システムＡ０の概略構成を示す模式図。
【図９】 上記無線送受信システムＡ０における基地局の概略構成を示す図。
【符号の説明】
５１…基地局
１０１…加入者局
ａ…送受信可能領域
ｓ１，ｓ２，〜 …セクタ

Claims (5)

1. 電波を放射状の送信可能領域に対して送出する送信アンテナを具備する無線送信装置において，
   上記送信アンテナとして，一方向に向けた一つのアンテナであって送信電波の周波数によって利得が最大となる方向が異なるような指向性を有するアンテナを用いると共に，
   上記送信アンテナの指向性における送信電波の周波数変化に対する最大利得の変化方向に応じて，上記送信可能領域を半径方向若しくは周方向の複数のセクタに分割し，
   上記送信アンテナの指向性に基づいて，送信電波の周波数を上記セクタ毎に異なる値に設定することを特徴とする無線送信装置。
2. 電波を放射状の受信可能領域から受信する受信アンテナを具備する無線受信装置において，
   上記受信アンテナとして，一方向に向けた一つのアンテナであって受信電波の周波数によって利得が最大となる方向が異なるような指向性を有するアンテナを用いると共に，
   上記受信アンテナの指向性における受信電波の周波数変化に対する最大利得の変化方向に応じて，上記受信可能領域を半径方向若しくは周方向の複数のセクタに分割し，
   上記受信アンテナの指向性に基づいて，受信電波の周波数を上記セクタ毎に異なる値に設定することを特徴とする無線受信装置。
3. 所定の周波数帯の電波を放射状の送受信可能領域に対して送出すると共に，上記所定の周波数帯と異なる周波数帯の電波を上記送受信可能領域から受信する送受信アンテナを具備する無線送受信装置において，
   上記送受信アンテナとして，一方向に向けた一つのアンテナであって送受信電波の周波数によって利得が最大となる方向が異なるような指向性を有するアンテナを用いると共に，
   上記送受信アンテナの指向性における送受信電波の周波数変化に対する最大利得の変化方向に応じて，上記送受信可能領域を半径方向若しくは周方向の複数のセクタに分割し，
   上記送受信アンテナの指向性に基づいて，送信電波及び受信電波の周波数を上記セクタ毎に異なる値に設定することを特徴とする無線送受信装置。
4. 電波を放射状の送信可能領域に対して送出する送信アンテナを具備する無線送信装置よりなる基地局と，上記送信可能領域内の複数の加入者局とで構成され，上記基地局から上記加入者局に対して一対多の片方向通信を行う無線送受信システムにおいて，
   上記送信アンテナとして，一方向に向けた一つのアンテナであって送信電波の周波数によって利得が最大となる方向が異なるような指向性を有するアンテナを用いると共に，
   上記送信アンテナの指向性における送信電波の周波数変化に対する最大利得の変化方向に応じて，上記送信可能領域を半径方向若しくは周方向の複数のセクタに分割し，
   上記送信アンテナの指向性に基づいて，送信電波の周波数を上記セクタ毎に異なる値に設定することを特徴とする無線送受信システム。
5. 所定の周波数帯の電波を放射状の送受信可能領域に対して送出すると共に，上記所定の周波数帯と異なる周波数帯の電波を上記送受信可能領域から受信する送受信アンテナを具備する無線送受信装置よりなる基地局と，上記送受信可能領域内の複数の加入者局とで構成され，上記基地局と上記加入者局との間で一対多の双方向通信を行う無線送受信システムにおいて，
   上記送受信アンテナとして，一方向に向けた一つのアンテナであって送受信電波の周波数によって利得が最大となる方向が異なるような指向性を有するアンテナを用いると共に，
   上記送受信アンテナの指向性における送受信電波の周波数変化に対する最大利得の変化方向に応じて，上記送受信可能領域を半径方向若しくは周方向の複数のセクタに分割し，
   上記送受信アンテナの指向性に基づいて，送信電波及び受信電波の周波数を上記セクタ毎に異なる値に設定することを特徴とする無線送受信システム。

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