JP6969347B2

JP6969347B2 - アンテナ装置およびアンテナ指向性制御方法

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Publication number: JP6969347B2
Application number: JP2017241016A
Authority: JP
Inventors: 友規村上; 俊朗中平; 浩一石原; 守秋元; 崇文林
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2017-12-15
Filing date: 2017-12-15
Publication date: 2021-11-24
Anticipated expiration: 2037-12-15
Also published as: JP2019110399A

Description

本発明は、ＭＩＭＯ伝送を行う無線アクセスシステムの基地局で用いるアンテナ装置、および基地局周辺の端末の分布等の通信環境に対応してアンテナ指向性を調整するアンテナ指向性制御方法に関する。

５ＧHz帯の電磁波を用いる高速無線アクセスシステムには、ＩＥＥＥ８０２．１１ａ、ＩＥＥＥ８０２．１１ｎ、ＩＥＥＥ８０２．１１ａｃなどの規格に基づくものがある。

ＩＥＥＥ８０２．１１ａの規格に基づく高速無線アクセスシステムは、直交周波数分割多重（ＯＦＤＭ：Orthogonal Frequency Division Multiplexing）変調方式を用いることにより、マルチパスフェージング環境での特性を安定化させて、最大54Ｍbit/s のスループットを実現している。

ＩＥＥＥ８０２．１１ｎの規格に基づく高速無線アクセスシステムは、複数のアンテナを用いて同一の無線チャネルで空間分割多重を行うＭＩＭＯ（Multiple Input Multiple Output）や、20ＭHzの周波数チャネルを２つ同時に利用して40ＭHzの周波数チャネルを利用するチャネルボンディング技術を用いて、最大 600Ｍbit/s の伝送速度を実現している。

ＩＥＥＥ８０２．１１ａｃの規格に基づく高速無線アクセスシステムは、20ＭHzの周波数チャネル４つを同時に利用して80ＭHzの周波数チャネルとして利用するチャネルボンディング技術や、マルチユーザＭＩＭＯを利用して同一の無線チャネルで、複数の無線局に対して同時に伝送を行う空間分割多元接続（ＳＤＭＡ：Spatial Division Multiple Access）の伝送技術を用いて、ＩＥＥＥ８０２．１１ｎの規格より高速かつ高効率な無線通信を実現している。

さらに、高速無線アクセスシステムの伝送特性を高めるために、システムで用いられるアンテナの指向性を切り替えることが検討されている。具体的には、基地局と無線通信する端末の分布などの通信環境に応じてアンテナ装置の指向性を切り替えることにより、端末における受信電力を高めることができる。例えば、ダイポールアンテナと複数の無給電素子を有するアンテナ装置を基地局に配置し、無給電素子を制御することでアンテナ装置の指向性を切り替える技術が提案されている（非特許文献１) 。

J. Cheng, M. Hashiguchi, K. Iigusa, T. Ohira, " Electronically steerable parasitic array radiator antenna for omni- and sector pattern forming applications to wireless ad hoc networks, " IEE Proceedings Microwaves, antennas and propagation, vol.150, no.4, Aug. 2003.

近年の基地局は、高い通信品質を提供するために、高い密度で設置されている。このような通信環境では、基地局と無線通信する端末によっては、オムニ特性である無指向性が適する場合と、セクタ特性を代表とする有指向性（水平面および垂直面）が適する場合とがある。これまでの従来技術では、非特許文献１のように電子制御によって、通信環境に応じて水平面の指向性をオムニ特性とセクタ特性とに切り替えるアンテナ装置が検討されている。

しかしながら、電子制御を行うための電子デバイスのコストや、電子デバイスを動作させるための電力消費が大きくなる課題である。さらに、ＭＩＭＯ伝送を用いる場合には、複数のアンテナ素子を限られたスペースに配置する必要があり、省スペース化が課題である。

本発明は、ＭＩＭＯ伝送に用いる複数のアンテナ素子について、端末の分布等の無線環境に応じたアンテナ指向性を設定することができるアンテナ装置およびアンテナ指向性制御方法を提供することを目的とする。

第１の発明は、それぞれ所定のアンテナ指向性を有する複数のアンテナ素子を備え、周辺に存在する端末との間のＭＩＭＯ伝送に対応するアンテナ装置において、円筒形の側面にアンテナ素子を配置したロータリージョイントを複数台積み重ね、それぞれのロータリージョイントを独立に回転させ、端末の位置および方向に対応する特定エリアの端末密度と端末のアンテナ数に応じて選択されたアンテナ素子が、全体として１または複数のアンテナ指向性を形成する構成である。

第２の発明は、それぞれ円筒形の側面に所定のアンテナ指向性を有するアンテナ素子を配置したロータリージョイントを複数台積み重ね、それぞれのロータリージョイントを独立に回転させ、全体として１または複数のアンテナ指向性を形成することで、周辺に存在する端末との間のＭＩＭＯ伝送に対応するアンテナ装置のアンテナ指向性制御方法において、複数のロータリージョイントの各アンテナ素子の配置面を複数の方向に向け、アンテナ素子ごとに、端末からの受信信号から端末ごとの受信信号強度およびアンテナ数を取得し、位置および方向に対応する特定エリアごとの端末密度を判定するステップ１と、端末密度の順番に、該特定エリアの各端末のアンテナ数に応じた数のロータリージョイントを制御してアンテナ素子の指向性を設定するステップ２とを有する。

第２の発明のアンテナ指向性制御方法において、ステップ２の特定エリアの各端末のアンテナ数は、その最大値または最小値または平均値または中央値のいずれかで判定する。

第２の発明のアンテナ指向性制御方法において、ステップ２は、特定エリアの各端末のアンテナ数ととともに、各端末に対する伝送容量や伝送速度に応じて、ロータリージョイントを制御してアンテナ素子の指向性を設定する。

本発明は、ロータリージョイントにより複数のアンテナ素子の指向性を設定することにより、アンテナ装置全体で周辺の端末の分布等の無線環境に応じたアンテナ指向性を容易に設定することができる。

本発明のアンテナ装置の構成例を示す図である。本発明のアンテナ指向性制御方法の処理手順例を示すフローチャートである。本発明のアンテナ指向性制御方法における処理例を示す図である。

図１は、本発明のアンテナ装置の構成例を示す。
図１において、本発明のアンテナ装置は、例えば基地局におけるＭＩＭＯ伝送用の複数のアンテナ素子１１を備える構成である。

本発明のアンテナ装置の特徴は、図１(1) に示すように、円筒形の側面に例えば平面アンテナによるアンテナ素子１１を配置したロータリージョイント１２を複数台積み重ねた構成である。各ロータリージョイント１２はそれぞれ独立に水平方向に 360度回転し、アンテナ素子１１の指向性を水平方向の所定の角度に設定することが可能である。また、アンテナ素子１１は、図１(2) に示すように、例えば軸部にマイクロモータとギアを組み合わせて垂直方向に回転自在な構成であり、アンテナ素子１１の指向性を垂直方向の所定の角度に設定することが可能である。個々のアンテナ素子１１の指向性は固定であり、ここでは配置面に対して垂直前方として図中矢印で示す。

なお、アンテナ素子１１を送受信回路に接続する配線系は省略しているが、例えば各ロータリージョイント１２の中心部を貫通するように配線経路を設ける構造であってもよい。

図２は、本発明のアンテナ指向性制御方法の処理手順例を示す。
図２において、基地局の複数のアンテナ素子の指向性がそれぞれ異なる方向に向くように設定する（Ｓ１）。例えば、図１(1) に示すように、４個のロータリージョイント１２にそれぞれ配置されたアンテナ素子１１の指向性が、水平方向で90度ずつ異なる４方向に向くように設定する。さらに、図１(2) に示すように、各アンテナ素子１１の指向性を垂直方向に設定する角度と組み合わせてもよい。

次に、周辺の端末からの信号を各アンテナ素子で受信し、アンテナ素子ごとに受信信号の端末ＩＤと端末のアンテナ数を取得し、ＲＳＳＩ（受信信号強度）を測定する（Ｓ２）。このステップＳ１，Ｓ２の処理を、複数のアンテナ素子の指向性が全方向をカバーするまで繰り返す（Ｓ３）。

次に、各アンテナ素子の指向性ごとに、端末ＩＤとＲＳＳＩの組合せから特定エリアにおける端末密度を判定する（Ｓ４）。すなわち、アンテナ素子ごとにＲＳＳＩが所定値以上となる特定エリアを想定し、その特定エリアに入る端末数を端末密度とする。

ここで、図３を参照し、ステップＳ１〜Ｓ４の処理例について説明する。
図３(1) は、４個のロータリージョイント１２を上から見た状態を示し、矢印で示す各アンテナ素子の指向性の方向をＮ，Ｅ，Ｓ，Ｗとする。ここでは、Ｅ方向にＲＳＳＩが所定値以上となる特定エリアＥ１を想定し、その特定エリアＥ１に入る端末１〜４を検出する。同様に、Ｗ方向にＲＳＳＩが所定値以上となる特定エリアＷ１を想定し、端末５，６を検出する。同様に、Ｓ方向にＲＳＳＩが所定値以上となる特定エリアＳ１を想定し、端末７を検出する。

図３(2) は、４個のロータリージョイント１２を上から見た状態を示し、図３(1) の各アンテナ素子の指向性の方向を45度ずつ回転させてＮＥ，ＳＥ，ＳＷ，ＮＷとする。ここでは、ＮＥ方向にＲＳＳＩが所定値以上となる特定エリアＮＥ１を想定し、端末１，２を検出する。同様に、ＳＥ方向にＲＳＳＩが所定値以上となる特定エリアＳＥ１を想定し、端末３，４を検出する。同様に、ＳＷ方向にＲＳＳＩが所定値以上となる特定エリアＳＷ１を想定し、端末５〜７を検出する。

なお、ロータリージョイント１２の数を８個にすれば、図３(1),(2) に示す各特定エリアにおける端末密度を一度に判定することができる。

さらに、各アンテナ素子の指向性の方向を細かく変えて、それぞれの特定エリアを想定し、各特定エリアにおける端末密度を判定してもよい。また、ここでは水平面における端末の二次元分布を対象としたが、水平面および垂直面における端末の三次元分布を対象としてもよい。

次に、端末密度が最大になる特定エリア内の各端末のアンテナ数の最大値または最小値または平均値または中央値を判定し、そのいずれかに応じて基地局のアンテナ素子の指向性を設定する（Ｓ５）。ここでは、図３(1),(2) に示すように、Ｅ方向の特定エリアＥ１の端末密度が４個で最大となり、各端末のアンテナ数が２個であるので、２個のアンテナ素子の指向性が向くように、２個のロータリージョイント１２を回転制御する。このＥ方向に向けた２個のアンテナ素子は確定とする。

次に、端末密度が次点になる特定エリアの各端末のアンテナ数の最大値または最小値または平均値または中央値を判定し、そのいずれかに応じて基地局の残りのアンテナ素子の指向性を設定する（Ｓ６）。ここでは、図３(1),(2) に示すように、ＳＷ方向の特定エリアＳＷ１の端末密度が３個で次点となり、各端末のアンテナ数が２個であるので、２個のアンテナ素子の指向性が向くように、２個のロータリージョイント１２を回転制御する。このＳＷ方向に向けた２個のアンテナ素子は確定とする。

なお、ステップＳ５，Ｓ６において、特定エリアの各端末のアンテナ数は、その最大値または最小値または平均値または中央値とするが、それぞれ次のような効果の違いがある。アンテナ数の最大値を用いる場合は、特定エリア内の端末のＭＩＭＯ伝送特性の最大化を図ることができるが、他のエリアで利用できる基地局のアンテナ数が減少する。アンテナ数の最小値を用いる場合は、特定エリア内の端末の最低限のＭＩＭＯ伝送特性を担保しつつ、他のエリアで利用できる基地局のアンテナ数が増加する。アンテナ数の平均値または中央値を用いる場合は、最大値または最小値を用いる場合の特性の中間となる。

さらに、ステップＳ５，Ｓ６において、各アンテナ素子の方向を確定させる際に、各端末に対する伝送容量や伝送速度に基づいて調整してもよい。

次に、他に未設定のアンテナ素子があるか否かを判定し、未設定のアンテナ素子があるうちはステップＳ６の処理を繰り返し、未設定のアンテナ素子がなくなった時点で終了とする（Ｓ７）。ここでは、４個のアンテナ素子の指向性を２個ずつＥ方向とＳＷ方向に確定すると、未設定のアンテナ素子がなくなるので終了となる。アンテナ素子が５個以上あり、端末が他の方向にも存在すれば同様の処理を繰り返すことになる。

また、アンテナ素子に余裕がある場合には、端末のアンテナ数に対応する規定数以上のアンテナ素子をその特定エリア方向を向けてもよい。例えば、一方向に端末が集中している場合には、全アンテナ素子をその方向に向けるようにしてもよい。

１１アンテナ素子
１２ロータリージョイント

Claims

それぞれ所定のアンテナ指向性を有する複数のアンテナ素子を備え、周辺に存在する端末との間のＭＩＭＯ伝送に対応するアンテナ装置において、
円筒形の側面に前記アンテナ素子を配置したロータリージョイントを複数台積み重ね、それぞれのロータリージョイントを独立に回転させ、前記端末の位置および方向に対応する特定エリアの端末密度と前記端末のアンテナ数に応じて選択された前記アンテナ素子が、全体として１または複数のアンテナ指向性を形成する構成である
ことを特徴とするアンテナ装置。
それぞれ円筒形の側面に所定のアンテナ指向性を有するアンテナ素子を配置したロータリージョイントを複数台積み重ね、それぞれのロータリージョイントを独立に回転させ、全体として１または複数のアンテナ指向性を形成することで、周辺に存在する端末との間のＭＩＭＯ伝送に対応するアンテナ装置のアンテナ指向性制御方法において、
複数の前記ロータリージョイントの各アンテナ素子の配置面を複数の方向に向け、前記アンテナ素子ごとに、前記端末からの受信信号から端末ごとの受信信号強度およびアンテナ数を取得し、位置および方向に対応する特定エリアごとの端末密度を判定するステップ１と、
前記端末密度の順番に、該特定エリアの各端末のアンテナ数に応じた数の前記ロータリージョイントを制御して前記アンテナ素子の指向性を設定するステップ２と
を有することを特徴とするアンテナ指向性制御方法。
請求項２に記載のアンテナ指向性制御方法において、
前記ステップ２の前記特定エリアの各端末のアンテナ数は、その最大値または最小値または平均値または中央値のいずれかで判定する
ことを特徴とするアンテナ指向性制御方法。
請求項２に記載のアンテナ指向性制御方法において、
前記ステップ２は、前記特定エリアの各端末のアンテナ数ととともに、各端末に対する伝送容量や伝送速度に応じて、前記ロータリージョイントを制御して前記アンテナ素子の指向性を設定する
ことを特徴とするアンテナ指向性制御方法。