JP4571032B2 - Ｃｄｍａシステムにおける基地局および送受信方法 - Google Patents

Description

本発明は、一般に、CDMAシステムにおける基地局および送受信方法に関する。本発明は、特に、CDMAシステムにおける基地局および送受信方法であって、チルトビームアンテナのチルト角を制御することにより、上り回線及び下り回線の通信品質をともに改善する基地局および送受信方法に関する。

移動通信システムにおいては、複数の基地局を設け、各基地局から電波の届くサービスエリアをセルとして構成し、セル内に存在する移動局とそのセルをカバーする基地局とが無線通信をすることにより通信サービスを提供する。一般的に基地局のセルまたはエリアは基地局を中心とした円形のエリアとするが、干渉を少なくするために図１に示すように円形エリアをさらに複数の扇形セクタに分割してセクタごとにアンテナを用意している。

一般的に地上から高い位置に配置されている基地局では、各セクタをカバーするアンテナとして、垂直面内に指向性を有するチルトビームアンテナを用いる。チルトビームアンテナは、図２のグラフに示すように、垂直面のアンテナ利得パターンにおいて鋭い主ビームを有している。

この主ビームを、図３に示すように、水平方向から角度θｔだけ下向きに下げて（チルトさせて）いる。このようにチルトさせることで、基地局がカバーするエリアの受信レベルを高くして、水平方向へ放射される干渉波を減らしている。

図４に、基地局が移動局からの電波を受信した場合において、無指向性アンテナ（ｃ４）と1本のチルトビームアンテナ（ｃ５）とを用いたときのそれぞれの送受信間距離に対する受信レベルを示す。

図4に示すように、チルトビームアンテナを用いることで、エリア内（ｃ１）の受信レベルは送受信間距離に対してあまり変化せず、エリア外（ｃ３）で急激に受信レベルが下がり干渉を減らすことができる。図４において、主ビームを下げる角度θｔ（チルト角度）をさらに大きくすると、干渉波をさらに減少できる。しかしながら、そうすると、エリア端での受信レベルも下がってしまうので、エリア端での受信レベルをも考慮した最適なチルト角度に設定すべきである。

図４に示す状況において、基地局での受信レベルをさらに高くするためには、図２に示す主ビームをさらに鋭くすることにより、アンテナ利得を増やす方法が考えられる。しかし、そのためにはアンテナの寸法が大きくなってしまい、結果としてアンテナ利得増加には限界が存在する。

基地局において、同様なチルトアンテナを２本用いて受信レベルをベースバンドで最大比合成すると３dB高い（２倍の）受信レベルを得ることができる。

図４に、２本の同様なアンテナを用いた場合の合成受信レベルを示す（ｃ６）。

この方法は、図4に示すように、受信レベルを合成できる上り回線において効果がある。しかし、下り回線においては、一定の最大送信電力を２本のアンテナに分けて送信しても、１本のアンテナだけから送信しても、移動局での受信レベルは増加しないので、下り回線では効果がない。このことは２本より多いアンテナを用意しても同じである。

従って、複数のチルトビームアンテナを用いている基地局において、下り回線でも受信レベルを高くすることが望まれている。単に受信レベルを高くしたとしても、雑音レベルが同様に高くなってしまっては通信品質を向上させることができないので、正確に表現すると下り回線でも通信品質を向上させることが望まれていると言える。
特開平５−６３６３４号公報 特開平１０−２２９３６２号公報

そこで本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、複数のチルトビームアンテナを用いる基地局において、上り回線だけでなく下り回線の通信品質も向上させるシステムを提供することを課題とする。

本発明の一特徴に従ったCDMA システムにおける基地局は：
同一の通信領域をカバーするための複数本のチルトビームアンテナ；
チルトビームアンテナのうち少なくとも1本のチルトビームアンテナのチルト角を、他のチルトビームアンテナのチルト角と異なるように変化させるビームチルト角制御手段；から構成され、
上り回線では、少なくとも2本のチルトビームアンテナを用いて受信したレベルをレイク合成し、下り回線では、受信レベルが高い方の少なくとも1本のチルトビームアンテナを用いて送信することを特徴とする。

他の特徴に従ったCDMA システムにおける基地局に設置されるアンテナ装置は：
同一の通信領域をカバーするための複数本のチルトビームアンテナ；
チルトビームアンテナのうち少なくとも1本のチルトビームアンテナのチルト角を、他のチルトビームアンテナのチルト角と異なるように変化させるビームチルト角制御手段；から構成され、
それにより、基地局が、上り回線では、少なくとも2本のチルトビームアンテナを用いて受信したレベルをレイク合成し、下り回線では、受信レベルが高い方の少なくとも1本のチルトビームアンテナを用いて送信することが可能となる、ことを特徴とする。

他の特徴に従ったCDMA システム用基地局における送受信方法において：
基地局が、
同一の通信領域をカバーするための複数本のチルトビームアンテナ；
チルトビームアンテナのうち少なくとも1本のチルトビームアンテナのチルト角を、他のチルトビームアンテナのチルト角と異なるように変化させるビームチルト角制御手段；
から構成され、
当該送受信方法が、
上り回線では、少なくとも2本のチルトビームアンテナを用いて受信したレベルをレイク合成し、下り回線では、受信レベルが高い方の少なくとも1本のチルトビームアンテナを用いて送信することから構成される、
ことを特徴とする。

本発明の実施例によれば、基地局が複数のチルトビームアンテナを用い、基地局と移動局とでレイク受信を行っている場合に、１本のアンテナの主ビームがエリア端に向く小チルト角度とし、他のアンテナの主ビームがエリア内に向く大チルト角度とすることで、上り回線と下り回線の両方の通信品質を改善することができる。

残りのアンテナのチルト角度を移動局の分布やトラフィックの位置分布に応じて制御することで、さらなる通信品質の改善が図れる。常時、移動局の分布やトラフィックの位置分布を監視して制御するのでなく、時間帯や曜日に応じた分布を予め調査しておき、これをもとにチルト角の制御を行わせることで制御の負荷を軽減することもできる。

本発明の実施例を説明する前に、先ず本発明の原理について以下に説明する。

通信品質を改善するためには、一般的には、エリア内の受信レベルを高くして、エリア外の干渉波となる受信レベルを低くすればよい。図２に示したチルトビームアンテナのパターンのチルト角度（水平面と主ビームとのなす角度）はθｔである。

エリア端における受信レベルを上げるために、主ビームをエリア端に向けることができる。アンテナの地上からの高さをHb、エリア端までの水平距離（エリア半径）をroとすると、チルト角度θtは、θt＝tan^-1（Hb／ro）と表すことができる。

図２のアンテナパターンによると、エリア内に放射されるのはθtよりも大きい角度範囲a１である。また、エリア外に放射されるのは０〜θtまでの角度範囲a２である。従って、エリア内の受信レベルを高くして、エリア外の受信レベルを低くするには、チルト角度を図２の状態よりもっと大きくすればよいことが分かる。しかし、上述したように、チルト角度を大きくするとエリア端における受信レベルが低下してしまうという問題がある。

図５に、簡易化した基地局アンテナパターンを示す。図５のパターンは、図２のアンテナパターンを簡易化しており、図２に示す点線が図5のパターンに相当する。図5では図２のアンテナパターンの落ち込みを表現していないが、実際のセクタ環境では電波の散乱等が起こるため、図２のアンテナパターン包絡線a３によって、図5のように簡易に表すことができる。

図６に、図５のアンテナパターンを有するアンテナを２本用いた場合の送受信間距離に対する相対受信レベルを示す。図6のモデルでは、地上から５０mの高さに基地局アンテナを2本設置して、1本のアンテナのチルト角度は主ビームが１ｋｍ先に向けられるようにし、もう1本のアンテナのチルト角度は主ビームが５００m先に向けられるように設置した。図6のグラフにおいて、2本のアンテナのうちそれぞれのアンテナを単独で用いた場合の受信レベルを示している。

図７に、図５のアンテナパターンを有するアンテナをやはり２本用いた場合の送受信間距離（基地局と移動局との水平距離）に対する相対受信レベルを示す。図７のモデルでは、地上から５０mの高さに基地局アンテナを2本設置して、2本のアンテナとも主ビームが１ｋｍ先に向けられるようにした場合がケースAであり、1本のアンテナのチルト角度を主ビームが１ｋｍ先に向けられるようにし、もう1本のアンテナのチルト角度を主ビームが５００m先に向けられるようにした場合がケースBである。図７のグラフにおいて、2本のアンテナの両方を用いて受信した場合の上り回線での受信レベルを示している。

図７に示した基地局での上り回線受信レベルにおいて、ケースAとケースBの受信レベルを図中のb３，b４にそれぞれ示す。従来方法のb３に比較して、本発明に従ったケースBの場合のb４では移動局がエリア中央にいるときは受信レベルが高くなり、エリア端では逆に３dB低くなる。

ここで、エリア内に一様に移動局が存在し、これら移動局からの電波が基地局で同じ受信レベルで受信するように移動局の送信電力を決めた場合、全移動局の送信電力の合計はケースBの方がケースAより３dB少なくなる。CDMA方式のように全ての移動局が同じ周波数帯を用いる通信方式では、基地局で受信される全電力は干渉波電力となる。通信品質は干渉波電力（dB）に対する希望波の受信電力（dB）との差で表せるので、ケースBではエリア端での希望波電力が３dB低いが干渉波電力も３dB低いので、ケースAの通信品質と同じになる。結局、ケースBでは１km先のエリア外に干渉波として放出される電波が少なくなっている分だけケースAに比べて通信品質は良好になっている。

図８に、下り回線における移動局での受信レベルを示す。下り回線では、主ビームが１ｋｍ先に向けられたアンテナと、主ビームが５００m先に向けられたアンテナのうち、どちらか１本を選んで送信するものとする。

図８のケースA（主ビームが１ｋｍ先に向けられたアンテナを使用）の受信レベルb５は、図６のb１と同じになる。ケースB（受信レベルが良好な方を使用）の受信レベルb６は、図６のb１とb２の受信レベルの高い方を選択したものになる。図８から分かるようにケースBの方が通信品質を改善することができる。

以上、説明したように上り回線と下り回線の両方において、本発明のケースBは通信品質を改善している。

以上の説明では２本目のアンテナのチルト角度は主ビームが５００m先になる場合で、エリア内の移動局分布は一様であると仮定した。エリア内の移動局の位置分布状況や通信量であるトラフィックの位置分布に応じてチルト角度を変更することでさらに通信品質の改善を図ることができる。エリア内のトラフィク分布は時間帯や曜日によっても変化する。平均的なトラフィック変動を把握してこれに合わせたチルト角度制御を行うと効果的である。
［スペースダイバーシチ］
本発明の効果の補足として、スペースダイバーシチを説明する。移動通信ではフェージングという受信レベルの瞬時変動が起こる。受信レベルの瞬時変動で受信レベルが低くなった場合には通信品質が劣化する。空間的に十分離れた
２つのアンテナで受信された受信レベル変動は、お互いに相関がない。これを利用して２つのアンテナで受信された瞬時受信レベルを合成すると、受信レベルの落ち込み度合いが少なくなり通信品質の劣化を防げる。これがスペースダイバーシチと呼ばれる技術である。

携帯電話の第２世代システムまでは、狭い周波数帯域を用いたシステムだったのでこのスペースダイバーシチによってフェージングによる通信品質の劣化を防ぐことができた。

しかし、最近の広い周波数帯域を用いる第３世代システム（CDMA方式など）では１本のアンテナで受信された複数の電波を分離して位相を合わせて合成するレイク受信が用いられている。これによりフェージングによる通信品質の劣化を防ぐことができる。このためスペースダイバーシチを行う必要はなく１本のアンテナでよい。

第２世代システムではスペースダイバーシチ効果を得るために、空間的に離間した２本のチルトビームアンテナのチルト角度を同じにする必要があった。しかし、レイク受信を用いる第３世代システムではスペースダイバーシチを行う必要がないことから、2本のチルトビームアンテナのチルト角度を異なる角度に設定することができる。
［セクタ分割］
本発明の効果の補足として、セクタによるエリアの分割を説明する。１つの基地局がカバーするエリアを複数のセクタに分割する方法が一般に行われる。セクタごとに専用の基地局アンテナや基地局装置が配備される。セクタに分けることで電波を放射する方位角範囲を小さくでき、これにより干渉波が広範囲に広がるのを抑えることができ、システムの加入者容量を上げることができる。

異なるチルト角度を用いる本発明は、セクタ分割とは異なり、同一のセクタ内で各基地局アンテナがカバーする主エリアをずらすことが特徴であり、決して異なるゾーンごとにアンテナがあるという訳ではない。
［第1実施例］
図９に、本発明の第１実施例に従った、複数のチルトビームアンテナを有するCDMA方式基地局の概略図を示す。

図9において、S１は２本の基地局用チルトビームアンテナから構成されるアンテナ装置で、S２は基地局がカバーするエリアである。エリアS2のうち、S３はチルトビームアンテナS１がカバーするセクタである。セクタS３以外のセクタは、図9で明示していないが、アンテナ装置S１以外の基地局アンテナ装置でカバーする。

2本のチルトビームアンテナS１のチルト角度はそれぞれθt１とθt２であり、これらは異なる角度である。θt１はエリア端に主ビームを向ける角度であり、θt２はエリアの中央部に主ビームを向ける角度である。基地局は、ビームチルト角制御器（図示せず）を有し、少なくとも1本のチルトビームアンテナのチルト角を、他のチルトビームアンテナのチルト角と異なるように変化させることができる。ビームチルト角制御器は、物理的方向制御や、アレイアンテナ位相制御等の周知の技術で構成することが可能である。基地局と移動局（ユーザ）との通信方式はCDMAであり、基地局と移動局ではレイク受信を行っている。

上り回線では、基地局は２本のアンテナS1で受信した両受信レベルをレイク合成して用いており、そのレイク合成受信レベルは図7のｂ４で示すようなものとなる。下り回線では、基地局は移動局での受信レベルが高くなる方のアンテナを用いて送信しており、結果としての移動局での受信レベルは図8のｂ６で示すようなものとなる。先に説明したように、２本のアンテナのチルト角度θt１とθt２とが同じである従来技術に比較して、本実施例では通信品質が改善される。
［第２実施例］
図１０は、本発明の第2実施例を説明する概略図である。S２は基地局がカバーするエリア、S３はS２の１つのセクタ、MSiはi番目の移動局、diはMSiと基地局との距離である。移動局MSiは自分のいる位置を測定することができる。自局位置の測定には、例えばGPS（グローバルポジショニングシステム）を用いる方法か、或いは周辺基地局の電波を受信して受信レベルの強さと基地局の位置関係とから位置を計算する方法を用いることができる。自局位置の測定後に、移動局MSiは自局位置を基地局に報告する。

基地局は、各移動局から報告された移動局位置情報に基づき、セクタS３内に存在する各移動局までの距離を求める。そして、距離に関しての移動局分布を求めることにより、基地局から移動局分布ピーク地点までの距離dpを求める。

基地局は、図９に示すチルトビームアンテナの主ビームが距離dpに向くようにチルト角θt２を調節する。このようにして、１本のチルトビームアンテナの主ビームを移動局が最も多く分布する場所に向けることで通信品質の改善が図れる。
［第３実施例］
第2実施例においては、移動局の分布によってピークとなる距離dpを求めた。実際上、基地局と移動局との通信量は全て同じでない。そこで、基地局は通信量をもモニタして、移動局の分布について通信量で重み付けを行った分布図を作成する。この重み付けピークまでの距離dpを求めて、第2実施例と同様にチルトビームアンテナの主ビームが距離dpに向くようにチルト角θt２を調節することができる。
［第４実施例］
移動局の存在分布は時間帯や曜日によって変化する。例えば、昼間の時間帯はオフィス街のビルに集中するが、夕方には駅前広場などに集中する。また、平日はオフィス街に集中するが、週末は商業地域に集中する。そこで、時間帯や曜日によってセクタ内のどの位置に移動局が集中するかを予め調査しておく。基地局には時間帯や曜日によってチルトビームアンテナのチルト角θt２を制御できる機能を付加し、時間帯や曜日によって移動局が集中する場所に主ビームが向くようにプログラムすることができる。

本発明に従った基地局および送受信方法は、CDMAシステムにおけるチルトビームアンテナのチルト角制御および送受信制御に用いることができる。

移動通信システムの基地局アンテナがカバーするエリアを示す概略図である。 チルトビームアンテナのアンテナ利得パターンを示すグラフである。 同一のチルト角度を有する2本のチルトビームアンテナを示す概略図である。 従来技術における、チルトビームアンテナの距離対受信レベルを示すグラフである。 チルトビームアンテナの簡易化アンテナパターンを示すグラフである。 図５のアンテナパターンを有するアンテナを２本用いた場合の送受信間距離に対するそれぞれの相対受信レベルを示す。 図５のアンテナパターンを有する2本のアンテナの両方を用いて受信した上り回線受信レベルを示す。 図５のアンテナパターンを有する2本のアンテナのうち、受信レベルの高い方を用いて送信した下り回線受信レベルを示す。 本発明の第１実施例に従った、複数のチルトビームアンテナを有するCDMA方式基地局の概略図を示す。 本発明の第２実施例を説明するための概略図を示す。

Claims (6)

1. CDMA システムにおける基地局であって：
   同一の通信エリアをカバーするための少なくとも２本のチルトビームアンテナ；
   前記チルトビームアンテナのうち少なくとも1本のチルトビームアンテナのチルト角を主ビームがエリア端に向けられるようなチルト角にし、他のチルトビームアンテナのチルト角を主ビームがエリア中央に向けられるようなチルト角にするビームチルト角制御手段；
   から構成され、
   上り回線では、少なくとも2本のチルトビームアンテナを用いて受信したレベルをレイク合成し、下り回線では、受信レベルが高い方の少なくとも1本のチルトビームアンテナを用いて送信することを特徴とする基地局。
2. CDMA システムにおける基地局であって：
   同一の通信エリアをカバーするための少なくとも２本のチルトビームアンテナ；
   前記チルトビームアンテナのうち少なくとも1本のチルトビームアンテナのチルト角を主ビームがエリア端に向けられるようなチルト角にし、他のチルトビームアンテナのチルト角を主ビームがエリア内に存在する各移動局の距離に関する移動局分布に基づいて求めた距離に向けられるようなチルト角にするビームチルト角制御手段；
   から構成され、
   上り回線では、少なくとも2本のチルトビームアンテナを用いて受信したレベルをレイク合成し、下り回線では、受信レベルが高い方の少なくとも1本のチルトビームアンテナを用いて送信することを特徴とする基地局。
3. CDMA システムにおける基地局に設置されるアンテナ装置であって：
   同一の通信エリアをカバーするための少なくとも２本のチルトビームアンテナ；
   前記チルトビームアンテナのうち少なくとも1本のチルトビームアンテナのチルト角を主ビームがエリア端に向けられるようなチルト角にし、他のチルトビームアンテナのチルト角を主ビームがエリア中央に向けられるようなチルト角にするビームチルト角制御手段；
   から構成され、
   それにより、基地局が、上り回線では、少なくとも2本のチルトビームアンテナを用いて受信したレベルをレイク合成し、下り回線では、受信レベルが高い方の少なくとも1本のチルトビームアンテナを用いて送信することが可能となる、ことを特徴とするアンテナ装置。
4. CDMA システムにおける基地局に設置されるアンテナ装置であって：
   同一の通信エリアをカバーするための少なくとも２本のチルトビームアンテナ；
   前記チルトビームアンテナのうち少なくとも1本のチルトビームアンテナのチルト角を主ビームがエリア端に向けられるようなチルト角にし、他のチルトビームアンテナのチルト角を主ビームがエリア内に存在する各移動局の距離に関する移動局分布に基づいて求めた距離に向けられるようなチルト角にするビームチルト角制御手段；
   から構成され、
   それにより、基地局が、上り回線では、少なくとも2本のチルトビームアンテナを用いて受信したレベルをレイク合成し、下り回線では、受信レベルが高い方の少なくとも1本のチルトビームアンテナを用いて送信することが可能となる、ことを特徴とするアンテナ装置。
5. CDMA システム用基地局における送受信方法であって：
   前記基地局が、
   同一の通信エリアをカバーするための少なくとも２本のチルトビームアンテナ；
   前記チルトビームアンテナのうち少なくとも1本のチルトビームアンテナのチルト角を主ビームがエリア端に向けられるようなチルト角にし、他のチルトビームアンテナのチルト角を主ビームがエリア中央に向けられるようなチルト角にするビームチルト角制御手段；
   から構成され、
   当該送受信方法が、
   上り回線では、少なくとも2本のチルトビームアンテナを用いて受信したレベルをレイク合成し、下り回線では、受信レベルが高い方の少なくとも1本のチルトビームアンテナを用いて送信することから構成される、
   ことを特徴とする送受信方法。
6. CDMA システム用基地局における送受信方法であって：
   前記基地局が、
   同一の通信エリアをカバーするための少なくとも２本のチルトビームアンテナ；
   前記チルトビームアンテナのうち少なくとも1本のチルトビームアンテナのチルト角を主ビームがエリア端に向けられるようなチルト角にし、他のチルトビームアンテナのチルト角を主ビームがエリア内に存在する各移動局の距離に関する移動局分布に基づいて求めた距離に向けられるようなチルト角にするビームチルト角制御手段；
   から構成され、
   当該送受信方法が、
   上り回線では、少なくとも2本のチルトビームアンテナを用いて受信したレベルをレイク合成し、下り回線では、受信レベルが高い方の少なくとも1本のチルトビームアンテナを用いて送信することから構成される、
   ことを特徴とする送受信方法。

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