JP4454641B2 - 基地局システム - Google Patents

Description

本発明はセルラ通信方式に関連して用いるセクタ構成化アンテナに関し、より詳細には基地局サイトの周りで複数の等間隔のセクタ内に集束されるビーム幅を有する複数の周波数を用いるセクタ構成化アンテナ構造に関する。

個人通信サービス（ＰＣＳ）方式は低電力ポータブル電話ユニットを通してユーザに種々の無線電話サービスを提供する。ＰＣＳの流行は今後数年にわたって指数関数的に伸び、米国のＰＣＳ運用者は加入者を引付けるため全国的なカバレッジを提供する問題と直面する。提供者が彼等の加入者に全国的なカバレッジを経済的に提供するために大型のセルの使用が必要となる。通信方式において改良に取り組む参考文献は、音声チャンネルの追加の場合の問題点に対処しようと試みている１９８８年１０月４日に発行された米国特許第４，７７５，９９８号、時分割多元接続を用いる改良を示している特許文書ＷＯ９１／０１０７３号（１９９１年１月２４日に公開された）並びにスペクトル拡散通信方式内での適応セクタ構成化の改良を示している特許文書ＷＯ９６／００４６６号（１９９６年１月４日に公開された）を含んでいる。

しかしながら、ＰＣＳ電話機はより小型にされ、より長い通話時間を確保できる必要がある。これには電話ユニットによるより電力消費を低くする必要がある。より低い電力出力を有するユニットに関連して現在存在しているかあるいはより大型のセルサイズを保持するために、基地局の受信能力を改善する必要がある。多分ノイズファクタは既にできるだけ低くされている状態にあり、より良好な基地局受信機性能を得る１つの解決法は能動アンテナでのケーブル損失を減少することによるかもしれない。アンテナ構成の改善およびより有効なダイバーシチ受信の使用は基地局の受信機特性を改善するための付加的な解決法である。

上記および他の問題点は基地局の受信機特性を改善する本発明の方法および装置によって克服される。複数の割当てチャンネル周波数を有する通常の３セクタ基地局サイトは複数の１２０°セクタに副分割され、その際にそれぞれのセクタはそのセクタのための指向性アンテナビームを発生するセクタアンテナを有するようにされる。

複数のチャンネル周波数がそれぞれのセクタに割り当てられ、基地局がそのセクタに対する割当て周波数のみを各セクタアンテナを介して送受信するようにされる。ＤＡＭＰＳのようなセルラ電話方式に対しては、特定の周波数が１つ以上のセクタ内で使用されないようにそれぞれのセクタ間で周波数チャンネルが同等に割り当てられる。しかしながら、ＧＳＭ形式の方式においては、ある特定のセクタ内の周波数は周波数ホッピング技術を用いて隣接セクタと共用されてもよい。

特定の基地局の周りのセクタの数を増大しかつ一群のチャンネル周波数を各セクタに特異（固有）に割り当てることによって、ポータブル移動ユニットがビームピーク内に存在する可能性は大きく向上するようになる。更にまた、ビームピークからの角度距離、従ってゲイン損失は必然的に小さくなる。これらのファクタはより低い電力の電話ユニットのために基地局の受信機特性を向上するように寄与する。この方式は同一の電話ユニットから隣接したセクタで受けた信号間のダイバーシチ結合を用いて受信機特性を更に向上可能である
。

ここで図面、特に図１ａおよび１ｂを参照すると、そこにはセルラエアカバレッジを与える２つの普通に使用されているサイト当り３セクタの構成が示されている。図１ａの構造は、各サイト８で３セクタ構成化アンテナ１０の１つのアンテナが直接隣接サイト８に向くように各サイトを構成している。図１ｂの構造においては、各サイト８での３セクタ構成化アンテナ１０は隣接サイト間を向いている。

信号電力、範囲および伝播の考慮はどの特定のサイトがセルラ呼を制御するかを決定する。移動ユニット信号を最も良く受信するサイトはなるべくその呼を制御する。図２は図１ａで示されたサイト構造の路損失の幾何学的形態を示す。等しい強度で全てのセル末端に到達するための相対アンテナゲインはセクタ構成化アンテナ１０の集束方向からの角度の関数として計算される。アンテナ１０の集束線に沿ったゲイン損失は表示されない。アンテナ１０の集束線から３０°の角度で、アンテナパターンはピークビーム方向からゲインが−２．４５ｄＢ低下することを示す。６０°ではピークビーム方向からの低下は−１２ｄＢである。ゲイン対角度のこれらの値はセル境界に沿った移動機からまたはそれへのほぼ一定の信号強度を可能にする。

例えば、位置Ｃの移動機には全アンテナゲインで２Ｘの距離のサイトＡからまたは１２ｄＢのゲイン損失でＸの距離のサイトＢから等しい電力で到達することができる。点Ｄの移動機にはピークゲインから２．４５ｄＢのアンテナゲインの減少で３Ｘの平方根の距離のＡまたはＢのいずれかのサイトから到達することができる。図１ｂのサイト構造は同一の損失特性を有する。

集束線からの角度の関数としてのアンテナゲイン損失はアンテナパターンあるいは放射ダイヤグラムとして知られている。従って、アンテナゲインはピークゲイン方向すなわち集束線からのオフセットの角度の関数となるように通常慎重に選ばれ、そのため六角セル境界の任意の点での移動機からの等しい受信またはそれへの等しい送信が達成される。それにも拘らず、従来の３セクタ方式には、移動機が集束線から６０°オフセットして位置した時には、アンテナビームが正確に移動機の方向に与えられて集束化された場合よりも１２ｄＢも多くの送信機電力を使用する必要があるといった欠点がある。インタースティシャル（すき間）ビームと呼ばれるこのような追加のビームを与えることが本発明の目的である。

ここで、図３を参照すると、そこには基地局の受信特性を向上するインタースティシャルセクタアプローチが示されている。図３の記載は高度移動電話方式（ＡＭＰＳ）に関連する。ＡＭＰＳ方式において、サービス提供者にはほぼ４２０の３０ｋＨｚチャンネルが割り当てられる。通常、７つの３セクタサイトを含む２１セルパターンが１サイト当り６０の周波数である１セクタあるいはセル当り２０の周波数で構成される。図１に示される方式において、１つの特定のセクタにおいて２０の全ての周波数が同じ方向に放射される。

図３に示されるような別態様のセクタ方式においては、セルサイトはそれぞれ０°、６０°、１２０°、１８０°、２４０°および３００°に指向する６つのセクタに分割される。１０本の周波数が各セクタに割り当てられ、セクタの中心線に沿って放射される。記述の目的のため、０°、１２０°および２４０°のアンテナセクタが「青」セクタで表され、他方６０°、１８０°および３００°のアンテナセクタが「赤」セクタで表される。図３に示されるように、周波数Ｆ１〜Ｆ１０は０°の「青」セクタに割り当てられ、周波数Ｆ１１〜Ｆ２０は６０°の「赤」セクタに割り当てられ、以下図示のように割り当てられる。

移動交換局（図示せず）は依然として３セクタ方式に構造化されるが、各セクタに１０の周波数を有する１つの基地局として「青」セクタを扱いかつ各セクタに１０の周波数を有する他の一つの基地局として「赤」セクタを扱う。これら２つの基地局を共に配置するという事実は交換局の機能に影響を及ぼさない。

サイトの周りに３つではなく６つのセクタにわたってアンテナ周波数を割り当てることによって、移動ユニットがビームピーク域内に存在する可能性が大きくなる。ビームピークエリア間の距離は１２０°ではなく６０°に過ぎず、最大ゲイン損失角度は６セクタサイトに対しては３０°となる。従って、損失の可能性はセルの大きなエリアにわたって最小化される。例えば、Ｃの移動機は青基地Ａ０°セクタアンテナと青基地Ｂ１２０°セクタアンテナによって同等に受信される。以前の構造においては、どのサイトも他に対する優越さを持たない。しかしながら、移動機が最大範囲の単に半分で「赤」基地アンテナのピーク内に位置するため、赤基地Ｂ１８０°セクタアンテナは移動機によって１２ｄＢだけ強く受信される。移動機は、それが点Ｅに出て行くまで赤基地局に接続される（その点Ｅでその移動機はＡ青局およびＢ赤局の両方によって同等にサービスされることになる）。

６つのサイトにわたる周波数の編成はサイトＢによってサービスされるカバレッジのサイズを想像線で示される六角形３０により表す六角形に効果的に拡大する。より大きなエリアをカバーするのではなく、サイトＢも同一のサイズのセルカバレッジエリア内でより低い電力の移動ユニットからの信号を受けることができるようにする。

本実施例は６つのセクタのそれぞれ内で１０本の周波数を用いることに関連して説明されたが、６つのセクタは１２のセクタへと更に分割され、各セクタに５つの周波数を割り当てるようにすることができる。前に述べた「青」および「赤」パターンからの３０度のアンテナオフセットを有するさらに２つの３セクタ基地局は実在のセル内でのカバレッジを一層向上するかまたはサイトＢの範囲を拡大することとなる。１２セクタ方式の±６０度でのゲインは１２本のアンテナを用いることなしに得ることができる。元の６セクタ間内に放射パターンを有する仮想アンテナは、隣接アンテナを能動的に結合する（組み合わせる）ことによって形成することができる。低い受信機電力でのこのような結合は重み付けに応じてどの方向の仮想ビームも作ることが可能である。

ここで図４に示される表を参照すると、そこには基地局から±１５および±３０°に位置した移動ユニットのゲイン損失に関する６セクタ、１２セクタおよび無限セクタの効果が示されている。図４の表の第２の部分は近接した相関がないセクタ間でダイバーシチ結合を用いて達成可能なゲインを示す。

隣接アンテナ間のフェージングが完全に相関していれば、ゲイン損失は±６０度の位置で単に３ｄＢとなる。隣接アンテナのフェージングが相関していなければ、表に示されるように受信ダイバーシチのオーダを増加させるために、それらの隣接アンテナを使用できる。隣接アンテナ間の無相関信号は青および赤セクタがそれぞれ逆の円偏波を用いることで確実化され得る。ダイバーシチのオーダは各移動機信号を受信するために６つのセクタのうちの最も近い隣接セクタを使用することによって一層増大され得る。従って、１０°の移動機に対して−６０°、０°および＋６０°からのアンテナ信号が最良の信号を発生するためにメトリック結合器において使用される。図４のように、この態様で達成可能なゲインは「６のうちの３つのダイバーシチ結合」の欄に示されている。このオプションのためのＣ／Ｉゲインは米国特許出願第０８／２８６，７７５号（これによって参照として組み入れられる）において記載されるように両主干渉子を取り消す可能性のため極めて大きくなる。

６つの受信アンテナが３６０°の周りで等間隔に配置されるため、それ等は最早−１２ｄＢでの±６０°のビーム幅を与える必要はない。しかしながら、最適化された６セクタ方式のためのパターンは３セクタ方式のものに極めて僅かな改善しか示さず、ダイバーシチを使用する時にはむしろ劣る。一層のゲインは受信アンテナ数を６以上に増大することによってのみ達成可能である。次いで、ダイバーシチのオーダを増大することは、パターンの重なりがより大きくな、ビーム形成効果あるいは干渉除去効果が増強され、多くの隣接アンテナが結合され得るために、より大きなゲインの増大を達成する。

ここで図５を参照すると、そこにはＧＳＭ方式内の本発明が示されている。ＦＣＣがＰＣＳ方式に対してＡ帯域範囲を１８５０から１８６５ＭＨｚに、Ｂ帯域範囲を１８６５から１８９０ＭＨｚに割り当てるであろうことは明白である。更に、割当ては対応するＡおよびＢ帯域よりも８０ＭＨｚ高いデュプレックス画像を含むはずである。ＧＳＭ方式は１セクタ当り少なくとも８つの周波数（１サイト当り２４の周波数）を有する９セル（３セクタ、３サイト）パターンで動作する。１つの特定のサイトの３つのセクタのそれぞれは８つの周波数がそのセクタに固有であるため基地局を同期せずに８つの周波数間で周波数ホップすることができる。

図５に示されるように、基地局サイトは、「赤」セクタを６０°、１８０°および３００°に沿って集束しかつ「青」セクタを０°、１２０°および２４０°に沿って集束した状態で交互の「赤」および「青」セクタに分割される。６つのアンテナ１６が２つの重畳した３セクタ方式の形態で設けられる。異なったサイト間で同期なしでは、６つのセクタのそれぞれは４つの周波数間を周波数ホップすることができるに過ぎない。インタースティシャルセクタを使用する時に周波数ホップのセット、従って周波数ダイバーシチのオーダの減少を回避するために、ＧＳＭの周波数ホップアルゴリズムに適合し、近接したインタースティシャルセクタ間で周波数セットの共用を可能にする方法が考案された。

各セクタには２４の周波数のうちの８つが割り当てられる。０°と１２０°との間の移動機は周波数ＡＢＣＤＥＦＧＨを用い、１２０°と２４０°の間の移動機は周波数ＩＪＫＬＭＮＯＰを用い、２４０°と０°との間の移動機はＱＳＴＵＶＷＸを用いる。上の周波数は青のセクタのどこでも本来放射されることができる。赤セクタ内の移動機は「赤」セクタ６０°から１８０°で周波数ＥＦＧＨＩＪＫＬを用い、「赤」セクタ１８０°から３００°では周波数ＭＮＯＰＱＲＳＴを用い、「赤」セクタ３００°から６０°では周波数ＵＶＷＸＡＢＣＤを用いる。図６の表は、移動機が位置するセクタで移動機が許可される８つの周波数にわたってどのようにして２４の移動機が直交的にホップすることができるかを示す。この手法は６インタースティシャルセクタサイト当り２４の通話が２４の周波数チャンネルを用いて行なわれ得るようにする。通話周波数は各セクタに対して直交的な態様で２４の周波数のうちの８つにわたってホップする。ある場所で使用される周波数やある方向に向けて放射される周波数は、通常の３セクタ構成化構造のものと異ならない。

上の手法はサイト間の同期を必要とせず、同一のサイトのセクタ間の同期を必要とするに過ぎない。同一のサイトでの「青」および「赤」の両セクタはＧＳＭ周波数ホッピングによって定められる同一のＰＲＮシーケンスを使用し、キーイングを行ないプログラムされて８つの割り当てられた周波数間の選択を行なう必要がある。必要条件のそれぞれは現在存在しているＧＳＭ周波数ホッピング技術の範囲内である。

上述した原理は、各通話を２４の全体周波数の３分の１にわたって依然として他のものと直交的に周波数ホップできるようにしたまま、２４の周波数を１２または２４のセクタ間で分割するように拡張され得る。図５の方式は図３に関連して述べた方式と同一の態様でＧＳＭ基地局の受信機特性を向上させる。移動機がビームピーク内に入る可能性はより大きくなるため、より低電力の移動機が実在のサイズのセル内でより良好に受信される。

ここで図７を参照すると、そこには低電力携帯ポータブル機のＰＣＳ方式に対して６．５および１１ｄＢ間の増大した受信機感度を与えるように、基地局に設定される多セクタアンテナのブロック図が示されている。アンテナ４０は３６０°までの方位角をカバーする重なった指向性アンテナビームを発生する。このアンテナ４０は印刷マイクロストリップパッチアレイアンテナを用いて低コストの態様で構成される。各パッチアレイは１つの円偏波のための能動送信アレイと反対の円偏波のための受信アレイにもなり得る。アンテナの偏波は隣接セクタ間で互い違いとなる。

１２の受信信号４２はＡ／Ｄ変換器４４によってそれぞれデジタル化され、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）４６によって処理される。ＤＳＰ４６は、受信性能の６．５および１１ｄＢ間のゲインを達成するために３つの隣接セクタからの信号を結合するダイバーシチ結合イコライザを使用する。次いで、これらの信号は一層の処理のために基地局４８の送信および受信機装置に渡される。複数のセクタアンテナ４０のそれぞれのための周波数は移動交換局５０によって割り当てられる。移動交換局５０は、更に、ポータブル無線電話ユニットの利用可能な最も強力な周波数への割当ての制御を行なう。基地局に増大した数のセクタが存在するために、ポータブルユニットがビームピークに位置するかあるいはそれに近接する可能性は大きく増大し、従って低電力ユニットの受信特性を向上する。

本発明の方法および装置の実施例が添付図面に示されかつ以上の詳細な説明に記載されたが、本発明は開示された実施例に限定されず、以下の請求の範囲に記載されそれによって定められるような発明の精神から逸脱せずに多数の再構成化、変更および置換が可能であることを理解されたい。

、 図１Ａおよび１Ｂは普通に使用されている３セクタサイト構成を示す。 図２は現在存在しているセクタ構成化アンテナ構造に固有の路損失の幾何学的形態を示す。 図３は実在のセルサイズ内での基地局受信を向上するかあるいはＤＡＭＰＳ方式のためのより大きなサイズのセル内での受信を可能にするインタースティシャルセクタアプローチを示す。 図４はビームピークからの種々の角度でのゲイン損失に関する多セクタ構造およびダイバーシチ結合の効果を示す表である。 図５は実在のセルサイズ内での基地局受信を向上するかあるいはＧＳＭ方式のためのより大きなセル内での受信を可能にするインタースティシャルセクタアプローチを示す。 図６は単一のサイトと通信している２４の移動機のための直交ホップセットを示す表である。 図７はインタースティシャルセクタアプローチを用いて基地局サイトで受信信号を処理する方式を示すブロック図である。

Claims (7)

1. 割当てられた一群のアンテナ周波数を使用し、複数の無線電話機ユニットに単一のサービスエリア内で通信を提供する、同一の場所に配置された複数の基地局システムを備えた無線通信サイトであって、
   前記複数の基地局システムのそれぞれに備えられ、前記複数の基地局システムのうちの他の基地局システムのセクタアンテナに対して放射角度がオフセットされて配置された複数のセクタアンテナであって、前記複数のセクタアンテナから放射される複数の指向性アンテナビームのそれぞれは前記複数の基地局システムのうちの他の基地局システムのセクタアンテナから放射される指向性アンテナビームと実質的に重なり合っているとともに前記複数の指向性アンテナビームの放射方向はそれぞれ異なる方向を差していることで、３６０°のエリアをカバーし、かつ、前記複数の指向性アンテナビームのそれぞれは等間隔のビームピークを有するものであり、前記複数のセクタアンテナのそれぞれが同一のアンテナ周波数を使用しないよう、前記複数のセクタアンテナは、前記一群のアンテナ周波数のうちそれぞれ固有のアンテナ周波数を使用する、前記複数のセクタアンテナと、
   前記固有のアンテナ周波数を使用する前記複数のセクタアンテナにより送信及び受信を行う送受信手段と、
   前記複数のセクタアンテナのうち、前記無線電話機ユニットが位置する方向に最大のビームピークを有するセクタアンテナを前記無線電話機ユニットに割当てるよう制御する制御手段と
   を含むことを特徴とする無線通信サイト。
2. 前記送受信手段は、前記無線電話機ユニットに割当てられた最大のビームピークを有するセクタアンテナの指向性アンテナビームと、該セクタアンテナと実質的に重なり合っている１つ以上の前記指向性アンテナビームとを用いて、無線電話機ユニットから受信した信号を結合することで、増強された受信信号を生成することを特徴とする請求項１に記載の無線通信サイト。
3. 前記複数のセクタアンテナのそれぞれによって受信された信号をデジタル化するアナログ−デジタル変換器をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の無線通信サイト。
4. 隣接したセクタを提供する２つのセクタアンテナの円偏波を異ならしめる手段をさらに含む請求項１に記載の無線通信サイト。
5. 割当てられた一群のアンテナ周波数を使用し、複数の無線電話機ユニットに単一のサービスエリア内で通信を提供する、同一の場所に配置された複数の基地局システムを備えた無線通信サイトにおいて前記複数の無線電話機ユニットからの信号を受信する方法であって、
   前記複数の基地局システムのそれぞれに備えられた複数のセクタアンテナを、前記複数の基地局システムのうちの他の基地局システムのセクタアンテナに対して放射角度をオフセットして配置することで、それぞれ概ね等間隔のビームピークを有するとともに他の指向性アンテナビームと重なり合っている前記複数の指向性アンテナビームを生成して放射方向において３６０°のエリアをカバーするステップと、
   前記複数のセクタアンテナのそれぞれが同一のアンテナ周波数を使用しないよう、前記複数のセクタアンテナに、前記一群のアンテナ周波数のうちそれぞれ固有のアンテナ周波数を割当てるステップと、
   前記固有のアンテナ周波数を使用して前記複数のセクタアンテナの少なくとも１つにより送信及び受信を行うステップと、
   前記複数のセクタアンテナのうち、前記無線電話機ユニットが位置する方向に最大のビームピークを有するセクタアンテナを前記無線電話機ユニットに割当てるステップと
   を含むことを特徴とする方法。
6. 隣り合った前記複数のセクタアンテナを用いて、無線電話機ユニットから受信した信号を結合することで、増強された受信信号を生成するステップをさらに含むことを特徴とする請求項５に記載の方法。
7. 隣接したセクタ間で円偏波を異ならしめることで、前記隣接したセクタによって同一無線電話機から受信されたそれぞれ信号の結合効果を向上させるステップをさらに含むことを特徴とする請求項５に記載の方法。

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