JP5209641B2 - アンテナ装置 - Google Patents

Description

本発明はアンテナシステムに関し、特にはアンテナの適応制御に関する。

セルラネットワークにおいては、通常、さまざまな場所にある移動端末へ信号を送信するために複数の基地局が用いられている。一般に、ある基地局によってカバーされる領域をセルと呼ぶ。標準的なセルラアンテナは、セル全体に亘って等しいエネルギーで送信(broadcast)している。近年、セル内の容量を増加させるために、アダプティブアンテナが導入されてきている。アダプティブアンテナは、各セルにおいて、典型的には４つ又は８つの狭いビームに送信エネルギーを集約するアンテナアレイである。アダプティブアンテナは例えば、 Derneryd 及びJohannissonによる”アダプティブ基地局アンテナアレイ”，エリクソンレビューNo. 3, 1999, pp. 132- 137及び、Anderssonらによる、”アダプティブアンテナを用いたセルラネットワーク容量の拡大”，エリクソンレビューNo. 3, 1999; pp. 138- 141に記載されている。

干渉を最小化するためにセル間の重複はできる限り小さくすべきであり、それによりパイロット信号の相互干渉(pilot pollution)を回避し、サーバ境界領域をはっきりさせることができるであろう。これは、例えば、3GPPリリース99(R99)における専用チャネル(DCH)トラフィック及び高速ダウンリンクパケットアクセス(HSDPA)トラフィックのように、音声及びデータトラフィックが１つの受信端末のみを意図している場合に望ましい。

可能かつ最良な方法によってセルを規定するため、全基地局からの全アンテナローブが最小の重複で領域全体をカバーするような方法で、各アンテナはアンテナローブが領域全体のなかの所望の部分領域（subarea)をカバーするように垂直及び／又は水平に偏向させられる。これには、単純に、各アンテナを所望の角度で物理的に設置して機械的な偏向を実現すればよいであろう。この偏向は、各アンテナ素子への信号に位相シフトを適用することによっても実現できる。これは電気的偏向と呼ばれる

一方で、マルチメディアブロードキャスト及びマルチキャストサービス(MBMS)のような同報サービスについては、最大のマクロダイバーシチを実現するためのソフト結合を可能にするため、セル間の重複を最大化することが望ましい。この方法で送信されるデータは、例えばテレビ番組であって良い。そのため、そのようなデータに対しては、セル間の重複が実現できるような方法でアンテナを偏向させるべきである。現在の技術において、これは、音声又はデータトラフィックに用いられるアンテナに加え、別のアンテナセットを設け、重複を可能とするような偏向を持たせることによってのみ実現できる。

国際特許公開WO02/47207号パンフレットは、異なるビームに異なる偏向を適用することにより、トラフィック集中の分布に応じてマルチビームを独立して制御することを可能にするための、既存の基地局に対する追加(add-on)として用いるためのアンテナシステムを開示している。この方法により、必要とされる領域に任意のタイミングでリソースを回すことが可能である。しかし、この文献は、１つの受信端末を意図した音声及びデータ信号の利用しか開示していない。

本発明の目的は、同報サービスにおけるネットワークリソースの利用を改善することにある。

本発明によれば、この目的は、以下の構成を有するアンテナシステムによって達成される。
・対応する搬送波周波数で少なくとも１つの信号を送信するための、少なくとも２つの送信素子を有するアンテナアレイと、
・前記信号によって搬送されるサービスの形式に応じた電気的偏向を実現するために前記アンテナアレイの位相シフトを制御する位相シフト制御手段。

上述の目的はまた、少なくとも１つのアンテナアレイを通じた信号の送信を制御するためにセルラ電気通信ネットワークで用いるための基地局であって、前記信号によって搬送されるサービスの形式に応じて信号の送信を制御する制御手段を有する基地局によっても達成される。

上述の目的はまた、基地局で用いるためのコンピュータプログラムであって、前記基地局が１つ以上の端末へ送信すべき信号をネットワークから受信した際に、
・送信すべきサービスの形式を判別し、
・前記信号によって搬送されるサービスの形式に応じて、望ましい偏向で信号が送信されるような方法で信号の送信を制御する、
機能を、前記基地局内の制御ユニットに行わせるコンピュータ読み取り可能なコード手段を備えるコンピュータプログラムによっても達成される。

従って、本発明によれば、同報サービスのような、マクロダイバーシチの利益を享受すべきサービスが、１つの受信先を意図した音声又はデータサービスのように、同一のアンテナから送信される。異なるサービスに対して異なる偏向を用いることで、同報サービスについてセルを重複するようにできるため、他のサービスについてはセルの重複を最小化しながら、同報サービスについてのマクロダイバーシチを実現することができる。制御機能は、アンテナに実装されても、基地局に実装されても、またはそれら両方に分散されてもよい。

一実施形態においては受動アンテナを用いる。この場合、アンテナシステムは好ましくは第１のアンテナアレイと第２のアンテナアレイを有し、前記位相シフト制御手段は、前記第１のアンテナアレイから送信する信号の位相を電気的にシフトさせるための第１のノブと、前記第２のアンテナアレイから送信する信号の位相を電気的にシフトさせるための第２のノブと、出方向信号を送信するため、前記信号によって搬送されるサービスの形式に応じて、前記第１及び第２のアンテナアレイを選択する搬送波選択手段とを有する。前記ノブは固定位置を維持しても良い。あるいは、一方または両方のノブを回してアンテナの偏向を調整しても良い。これらのノブは、手動で回されても良いし、リモート制御されるステッピングモータのような機械的な手段を用いて回されても良い。ノブを用いてどのようにパッシブアンテナの偏向を調整するかは、本質的に理解される。ノブを用いる代わりに、偏向を電気的に導入しても良い。例えば、電気的に制御されるアナログベクトル変調技術を用いて位相シフトを導入することができる。この方法によりどのようにして位相シフトを導入するかは本技術分野において既知である。あるいは、製造中に、ある決まった偏向をプリセットしても良い。

この実施形態において、制御手段は、個々のアンテナアレイに適用された偏向と、前記信号で搬送されるサービスの形式とに応じて信号を送信するため、少なくとも２つのアンテナアレイの１つを選択するように構成される。コンピュータプログラムは、前記信号を送信するためのアンテナアレイを選択することにより送信を制御するように構成され、前記アンテナアレイは、前記信号で搬送されるサービスに応じた望ましい偏向を有している。

他の実施形態によれば、前記アンテナ素子は能動素子であり、前記位相シフト制御手段は前記アンテナアレイによって送信されるサービスの形式を特定する手段と、前記サービスの形式に応じて前記信号の位相シフトを調整する調整手段とを有する。

能動素子が用いられる場合、好ましくは前記アンテナシステムは、サービスも含んだ前記信号の位相シフトに応じて求められた位相シフトを有するパイロットチャネルを提供する手段を有する。これは、MBMSチャネルを、個別のアンテナブランチ又は素子から送信可能とするか、パイロットチャネルに関して異なる位相を用いて送信可能とすることにより実現される。

この第２の実施形態において、前記制御手段は、前記信号によって搬送されるサービスの形式に応じて前記信号に位相シフトを適用し、望ましい偏向を実現する様に構成される。コンピュータプログラムは、前記信号によって搬送されるサービスの形式に応じた望ましい偏向を実現するように適切な位相シフトを適用することにより、送信を制御するように構成される。

好ましくは、第２の実施形態の前記制御手段はさらに、対応する信号に適用される位相シフトに応じた位相シフトをパイロット信号に適用するように構成される。

従来技術に係る第１及び第２の基地局から送信されるローブを示す図である。 本発明に係る第１及び第２の基地局から送信されうるローブを示す図である。 受動アンテナを用いる本発明の実施形態を示す図である。 能動アンテナを用いる本発明の第１の実施形態を示す図である。 能動アンテナを用いる本発明の第２の実施形態を示す図である。

以下、本発明の一例を、添付図面を参照してより詳細に説明する。
図１は、本技術分野で既知のセルラネットワークの一部を示す図であり、第１の基地局１及び第２の基地局３が、個別のアンテナにより、それぞれのローブ５，６から信号を送信している。図示するように、アンテナローブ５，６は、それぞれのローブがカバーする領域間の重複が最小となるような角度で偏向されている。これは、個別の端末宛の音声やデータトラフィックのような一部のサービスについては好ましい。

図２は、本技術分野で既知のセルラネットワークを示す図であり、第１の基地局１と第２の基地局３が信号を送信している。図１と同様、個々の基地局は、個別端末宛のトラフィックを最適化するため、ローブがカバーする領域の重複を避けるように偏向された第１のアンテナローブ５，６を送信している。さらに、これらの基地局は、マルチメディア同報／マルチキャストサービス(MBMS)データのような同報データサービスの送信が可能である。この場合、端末は、同じ信号を異なる基地局から受信することが可能であるため、ソフト結合ゲインが可能になるという利益を享受するであろう。ソフト結合ゲインの可能性を利用することで、そのようなデータの送信を電力を削減することができる。そのため、基地局１，３は、重複が最大になるように偏向された第２のアンテナローブ７，８によっても送信することができる。これら第２のアンテナローブ７，８は、結合ゲインを実現するためにダイバーシチを用いることが可能な同報データに対して好適である。

図３は、図１及び図２に示した基地局に実装された、受動アンテナを用いる本発明の第１の実施形態を示す。この場合、２つのサービスが、同一システム内の異なる搬送波周波数上で送信される。送受信アンテナ素子１１の第１受動アンテナアレイは、有線接続１３を通じて基地局１２に接続されている。基地局はそれ自体が本技術分野の当業者にとって既知であるため、その詳細についてはここで説明しない。送受信アンテナ素子の第２の受動アンテナアレイ１５も、第２の有線接続１７を通じて基地局に接続されている。２組の送信アンテナ素子、すなわち２つの送信アレイ１１，１５は、受動アンテナを用いて本発明の目的を達成するために必要である。３つ以上のアンテナアレイが用いられる場合、さらに別の偏向によって別のサービスを提供することが可能である。

図３において、異なるサービスは異なるアンテナアレイ上のアンテナにおいて送信される。本発明によれば、位相シフトが個々のアンテナアレイ１１，１５に適用される。この位相シフトは電気的偏向(electrical tilt)と呼ばれる。電気的偏向は既知の方法によって実現される。１つのノブを用いて両方のアレイ１１，１５に同じ量の電気的偏向を同時に適用することは知られている。しかし、本発明によれば、第１のノブ１９は第１のアンテナアレイ１１を制御する様に構成され、第２のノブ２１は第２のアンテナアレイ１５を制御するように構成される。好ましくは、第１のアンテナアレイ１１は、第１のサービス形式、例えば音声及びデータトラフィックに対して好適な偏向に設定され、第２のアンテナアレイ１５は第２のトラフィック形式、例えば同報に好適な偏向に設定される。この場合、第１のアンテナアレイ１１に適用される偏向は、他のローブとの重複が非常に少くなるようにすべきである一方、第２のアンテナアレイ１５に適用される偏向は、他のローブとの重複が最大となるように選択されるべきである。偏向は固定であって良いが、個々のアンテナアレイ１１，１５の偏向をノブ１９，２１で調整しても良い。これらのノブは手動で調整されても良いし、ステッピングモータのような遠隔操作される調整手段を用いて調整されても良い。偏向を調整するためにどのようにノブを用いるかは、既知である。ノブを用いる代わりに、偏向を電気的に導入しても良い。例えば、電気的に制御されるアナログベクトル変調技術を用いて位相シフトを導入することができる。この方法によりどのようにして位相シフトを導入するかは本技術分野において既知である。

固定の偏向が用いられる場合、偏向は製造者によってプリセットされても良い。この場合、偏向を調整する必要がなければ、望ましい偏向を有するアンテナを直接購入可能である。

どのアンテナアレイにどの偏向が適用されているかを知っている基地局１２は、搬送波によって搬送されるサービスの形式に応じて、その搬送波を送信するためにどのアンテナアレイを用いるべきかを決定する搬送波選択手段２３を有する。

位相シフトは個々のアンテナアレイで別個なので、個々のサービスに適合させることができる。この場合、±４５度の極性ダイバーシチを用いるが、±９０度を用いたり、空間ダイバーシチを適用することも可能である。個々の搬送波上で送信される各サービスに対して個別の垂直偏向を用いることにより、信号の位相シフトを通じた偏向の変更によって最適なサービス要求に調整(tune)することが可能である。

図３に示す実施形態において、搬送波選択手段２３は、基地局がネットワークから１つ以上の端末へ送信する信号を受信した際に以下の機能を実行するように構成されたコンピュータプログラムを備えている。
1. 送信すべきサービスの形式を判別し、
2. 信号によって搬送されるサービスに応じた望ましい偏向を有するアンテナアレイを選択する。

実際には、どの搬送波でどのサービスを送信すべきかは、静的な方法で予め決められることが多い。

図４は、図１及び図２に示した基地局における、能動アンテナを用いる本発明の第１の実施形態を示す図である。アンテナは少なくとも１つのアンテナアレイを有する。図４において、アンテナはアンテナ素子の第１のアレイ３１及びアンテナ素子の第２のアレイ３３を有し、それらはいずれも基地局３５に接続されている。図３と同様、基地局の詳細は図示せず、本発明に特有な部分のみを図示している。この場合、位相シフトは基地局における信号処理の一部として適用することができる。従って、２つの異なるサービスは同一の搬送周波数上で、すなわち、同一のアンテナアレイ（例えば第１のアレイ３１）によって送信することができる。この場合、図３と同様に、各サービスには異なる電気的偏向が適用される。図３では異なるサービスに対して異なる搬送波が用いられていたのに対し、図４では、異なるサービスを同一の搬送波周波数上で送信しても良いこと、また個々のサービスについての垂直偏向が、基地局において各アンテナ素子に対する信号の個別の遅延／位相シフトを変更することで実現されることにおいて異なる。基地局は、同じサービスを用いる他のセルとの非重複／重複の望ましい程度を実現するため、サービスの形式を特定し、サービスの形式に応じた位相シフトを適用するための選択手段３７を有する。

図５は、図１及び図２に示した基地局において能動アンテナを用いる第２の実施形態を示し、垂直及び水平アレイアンテナを有している。図５において、アンテナアレイは、一例として、３行３列のアンテナ素子ペアを有する。アンテナは、通常通り基地局５３に接続されている。ここでも、基地局のうち本発明に関する部分のみを示している。図４と同様、基地局５３内の選択ユニット５５が信号処理の一部として位相シフトを適用することが可能であり、個々のサービスに属する信号を、同一の搬送波周波数上で、異なる位相シフトを用いて送信することにより、２つの異なるサービスを送信することができる。図４に従って実現される垂直偏向に加え、水平偏向を実現してもよい。特定のユーザを目的とした水平アレイによる水平偏向の適用は、本技術分野において既知である。本発明によれば、サービスに応じて水平及び垂直偏向の両方を適用可能であり、各サービスのための望ましい重複レベルを実現することができる。当業者には容易に理解されるように、本実施形態は、送信されるサービスに応じてアンテナローブ間の重複を制御するための特に柔軟な方法を可能とする。

図４及び図５に示す実施形態において、制御ユニット３７，５５は、基地局が１つ以上の端末に送信すべき信号をネットワークから受信すると以下の機能を実行するように構成されたコンピュータプログラムを備えている。
1. 送信するサービスの形式を判別し、
2. 信号で搬送されるサービスに応じた望ましい偏向を実現する適切な位相シフトを適用する。

現在の3GPP標準には、共通パイロットチャネル(CPICH)が規定されている。CPICHは予め定められた連続的なシーケンスであり、一定の電力でセル全体に同報される（主CPICH）か、アダプティブアンテナが用いられる場合には、セルの一部のみに（副CPICH）同報される。固定ビーム法を用いるネットワーク内で動作する移動端末は、あるユーザにサービスを提供するビーム上で、サービスの提供を受けるユーザのデータチャネルとともに副CPICHも送信されていれば、副CPICHをチャネル推定のために用いることができる。3GPP仕様(3GPP TS 25.211 V6.7.0 (2005-12))に規定されるMBMSについては、現在のところ副CPICHが存在しない。個別のアンテナブランチ又は素子でMBMSチャネルを送信するか、パイロットチャネルとは異なる位相でMBMSチャネルを送信することを可能にするため、MBMSサービスは同一セル内で付加パイロットチャネルを取り扱うことができなければならない。付加パイロットチャネルは、MBMSサービスに用いられる偏向と同一の偏向を有するべきである。２つの搬送波を用いる図３に示す実施形態に関しては、これは問題とならない。既に２つの搬送波が存在しているため、それらの各々は個別のCPICHを有している。図４及び図５の実施形態については、異なる偏向を用いる２つの異なるサービスが存在する場合、個々のサービスが自身のパイロットチャネルを有するように付加パイロットチャネルを提供する必要がある。個々のパイロットチャネルは対応するサービス信号と同じ偏向となるように、対応するサービス信号と同じアンテナ素子アレイかつ同じ位相シフトを用いて送信される必要がある。

Claims (14)

1. 少なくとも１つの信号を対応する搬送波上で送信するための、少なくとも２つの送信素子を有するアンテナアレイ(11, 15; 31, 33; 51)と、
   前記信号が搬送するサービスの形式に応じた電気的偏向を実現するように前記アンテナアレイ(11, 15; 31, 33; 51)の位相シフトを制御するように構成された位相シフト制御手段(19, 21, 23; 37; 55)と、を有し、
   前記位相シフト制御手段は、前記アンテナアレイから送信される前記信号がカバーする領域と、他のアンテナシステムから送信される、前記信号と同じ形式のサービスを搬送する信号がカバーする領域とが、前記サービスの形式に応じた度合で重複する電気的偏向を実現するように、前記位相シフトを制御することを特徴とするアンテナシステム。
2. 前記アンテナ素子(31,33,51)は能動素子であり、前記位相シフト制御手段(37;55)が、前記アンテナアレイによって送信するサービスの形式を特定する選択手段(37)と、前記サービスの形式に応じて前記信号の前記位相シフトを調整する調整手段(37)とを有することを特徴とする請求項１記載のアンテナシステム。
3. 前記信号の各々に対してパイロットチャネルを提供する手段をさらに有し、前記パイロットチャネルの各々が、前記信号の前記位相シフトに応じて決定された位相シフトを有することを特徴とする請求項１又は請求項２記載のアンテナシステム。
4. それぞれが受動アンテナ素子を有する第１のアンテナアレイ(11)及び第２のアンテナアレイ(15)を有し、
   前記制御手段(19,21,23)が、前記第１のアンテナアレイ(11)で送信する信号に第１の偏向を、前記第２のアンテナアレイ(15)で送信する信号に前記第１の偏向とは異なる第２の偏向を導入するように構成されることを特徴とする請求項１記載のアンテナシステム。
5. 前記位相シフト制御手段(19,21,23)が、
   前記第１のアンテナアレイで送信する信号の位相をシフトさせるための第１のノブ(19)と、前記第２のアンテナアレイで送信する信号の位相を電気的にシフトさせるための第２のノブ(21)と、前記信号で搬送される前記サービスの形式に応じて、出方向の信号を送信するために前記第１及び第２のアンテナアレイ(11,15)の１つを選択する搬送波選択手段(23)とを有することを特徴とする請求項４記載のアンテナシステム。
6. 前記位相シフト制御手段(19,21,23)が、前記信号の位相をシフトさせるための少なくとも１つの電気部品を有することを特徴とする請求項４記載のアンテナシステム。
7. 前記位相シフト制御手段(19,21,23)が、前記信号に固定の位相シフトを導入するように構成されることを特徴とする請求項４記載のアンテナシステム。
8. セルラ通信ネットワークにおいて、少なくとも１つのアンテナアレイを通じた信号の送信を制御するために用いられる基地局(12;35;53)であって、
   信号の送信を前記信号によって搬送されるサービスの形式に応じて制御するように構成された制御手段(23;37;55)を有し、
   前記制御手段は、前記少なくとも１つのアンテナアレイから送信される前記信号がカバーする領域と、他の基地局のアンテナから送信される、前記信号と同じ形式のサービスを搬送する信号がカバーする領域とが、前記信号によって搬送されるサービスの形式に応じた度合で重複する電気的偏向を実現するように、前記信号の送信を制御するように構成されることを特徴とする基地局。
9. 前記制御手段(37;55)が、前記信号によって搬送されるサービスの形式に応じた位相シフトを前記信号に適用することにより、前記電気的偏向を実現するように構成されることを特徴とする請求項８記載の基地局。
10. 前記制御手段(37;55)が、前記信号に適用される前記位相シフトに応じてパイロット信号に位相シフトを適用するように構成されることを特徴とする請求項９記載の基地局。
11. 前記制御手段(23)が、前記信号を送信するために、各アンテナアレイに適用される偏向と前記信号によって搬送されるサービスの形式とに応じて、少なくとも２つのアンテナアレイ(11,15)の１つを選択することにより前記電気的偏向を実現するように構成されることを特徴とする請求項８記載の基地局。
12. セルラ通信ネットワークにおいて、少なくとも１つのアンテナアレイを通じた信号の送信を制御するために用いられる基地局(12;35;53)において用いるためのコンピュータプログラムであって、前記基地局が前記ネットワークから１つ以上の端末に送信する信号を受信した際に、
    前記信号によって搬送すべきサービスの形式を判別し、
    前記アンテナアレイから送信される前記信号がカバーする領域と、他の基地局のアンテナから送信される、前記信号と同じサービスの形式に係る信号がカバーする領域とが、前記サービスの形式に応じた度合で重複する電気的偏向を実現するように、前記信号の送信を制御する、
    機能を、前記基地局の制御ユニット(23;37;55)に実行させるコンピュータ読み取り可能なコードを有するコンピュータプログラム。
13. 前記コンピュータプログラムが、前記信号に適用する位相シフトを制御することにより前記電気的偏向を実現するように構成されることを特徴とする請求項１２記載のコンピュータプログラム。
14. 前記コンピュータプログラムが、前記信号によって搬送されるサービスに応じて、異なる電気的偏向を有するアンテナアレイを選択することにより、前記送信を制御するように構成されることを特徴とする請求項１２記載のコンピュータプログラム。

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