JPH11502378A - ビームアンテナシステム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 基地局アンテナの構成が開示される。本発明は、トラヒックチャネルを移動局送受信機に割り当てる全方向放送アンテナが高電力を必要とするという問題を改善するために、複数のビーム形成が可能な基地局アンテナの構成を提供する。１以上のビームを介して、単一チャネルを連続的に割り当て、このビームによって、セル全体をカバーする区域を所定時間走査する選択手段が提供される。低電力、高利得の狭ビーム（３４）が走査モードで用いられる。狭ビームアンテナの利得が、全方向アンテナの利得よりも大きいため、電力増幅器の要求条件が減少する。よって、支持構造物の最上部での設置が要求される送受信機のサイズや重量が減るのに加えて、基地局の経費、電力消費、電力損失の節約、および信頼性の維持を達成できる。

Description

【発明の詳細な説明】発明の名称 ビームアンテナシステム技術分野 本発明はビームアンテナシステムに関し、特に、全域カバー特性を提供するた めに、セルラ無線通信システムに使用される放送制御チャネルを動作させるビー ムアンテナシステムに関するものである。従来技術 セルラ無線システムは、移動するユーザに電気通信を提供するのに用いられる 。割り当てられた使用周波数帯域内において、要求された容量を満たすために、 セルラ無線システムは区域がセルに分割されている。各セルの中央には基地局が あり、移動局は、この基地局を介して通信を行う。使用できる通信チャネルをセ ル間で分割することによって、あるセルが同一グループのチャネルを再使用する 。再使用されるセル間の距離は、共チャネル相互の干渉が許容レベルに維持され るように設計される。 新規のセルラ無線システムが最初に使用される際には、操作者はしばしば、ア ップリンク（移動局から基地局へ）とダウンリンク（基地局から移動局へ）の範 囲を最大にすることに関心を持つ。多くのシステムにおいて、その通信範囲は、 携帯用移動局の送信電力レベルが相対的に低いために、アップリンクについて制 限される。範囲を広げると、与えられた区域をカバーするのに必要なセルが少な くてすみ、このため基地局の数およびそれに伴う関連施設費を減らすことができ る。同様に、セルラ無線システムが発展すると、特に都市部では、単位区域あた り要求される収容能力を満たすために、収容能力に対する要求は増加し、さらに 多くの小さなサイズのセルが必要となる。セル分割をすることなく、さらに収容 能力を追加できる技術があれば、基地局の数および関連施設費を減らすことがで きる。 セルラ通信システムでは、所定の区域において、ランダムに分散した移動局に 通信を提供するために、各セルラ基地局はアンテナアレイを備えている。各基地 局には、複数の通信チャネルを供給するための複数のセクタアンテナがある。所 定数の基地局によってセルのサブアレイを構成することによって、一組の通信チ ャネルを提供し、サブアレイ間でチャネル割当てを繰り返す。サブセルごとにチ ャネルを割り当てることによって、チャネル干渉を最小限にしている。各アンテ ナは、用いられるアンテナアレイの数によって、典型的には、６０°または１２ ０°の弧に対する位置になるように要求される。 指向性アンテナをセクタに分けて使用する場合、現時点では、６０°のビーム 幅が使用限度となっている。セクタに分ける使用において問題となる欠点につい て、以下に述べる。すなわち、各セルにおいて無線送受信機が特定のセクタ専用 となることによって、かなりのレベルで回線能率が低下する。このことは実際、 同じ収容能力を有する全方向セルよりも、さらに多くの送受信機が基地局におい て必要となることを意味しており、各セクタは、セルラ無線ネットワーク（すな わち、基地局制御装置と移動交換機）によって、個別のセルとして扱われる。こ れは、移動局がセクタ間で移動する際、同じ基地局のセクタ間で呼の切り替えを 行うために、基地局とネットワークとの間で、かなりのやりとりが必要となるこ とを意味する。このやりとりは、基地局制御装置と交換機での信号および処理を 含むものであり、ネットワーク上で高いオーバーヘッドを示し、収容能力を低下 させる。 基地局で用いられるアンテナは、セルラ無線システムの通信範囲と収容能力に 対して、潜在的に大きな改善が可能である。各セルは、単一周波数が割り当てら れた単一の放送制御チャネルを有し、それが基地局から送信される。基地局は、 放送チャネルを用いて、自分が、その区域の主要局、あるいは現在使われている 基地局に対する付加的局のいずれかであるかの識別を行う。各移動局は、受信可 能なすべての放送チャネルによって、信号強度を測定できる。この情報は、常に 最適な信号強度を受信するのに用いられ、このデータは、特定の基地局によって カバーされる基地局あるいはセクタの変更に際して、切り替えアルゴリズム中で 使用される。良好な基地局アンテナパターンとは、方位面と仰角面の両方におい て、狭い角度幅を有するビームのことである。この狭ビームは、所望の移動局に 向けられ、その移動局の動きを追跡する。これにより、移動局が常に最適な基地 局あるいはセクタに接続されるようになる。移動局は、基地局との連絡のために どの周波数を用いるかを、また基地局が移動局に対する着信呼を有する時を放送 チャネルより知る。この放送チャネルは、セルラ無線システムにおける基本的な 構成要素である。 セルラ無線システムの使用は、特定のプロトコルによって行われ、それらの内 、例えばＧＳＭプロトコルは、各放送チャネルがセル全体に連続的に伝送される ことを要する。トラヒックチャネルの搬送にマルチ狭ビームという概念を使用し 、急速に浮上しつつあるシステムにとっては、このような制約は大いに必要とさ れるところである。高利得の狭ビームを有するこれらのシステムは、大型の電力 増幅器を必要とせずに、広い通信範囲をカバーできる。既存の狭ビームシステム は、以下の２つの方法の１つによって、名目上、全方向の放送チャネルを生成で きる。すなわち、そのビームのすべてを同時に伝送できる。これは結果として、 当該基地局のみならず、近隣の基地局にも位相問題を発生させる。また、全方向 アンテナの追加使用という方法もあるが、全方向アンテナの欠点は、狭ビームア ンテナよりかなり利得が低いということである。従って、トラヒックチャネルと 同じ通信範囲をカバーするには、全方向アンテナは、非常に高電力の増幅器を必 要とする。発明の概要 本発明は、上述の全方向アンテナの使用に関連する問題を克服あるいは緩和す ることを目的とする。 本発明によれば、複数のビームを形成する基地局アンテナの構成において、１ 以上のビームを介して、単一チャネルを連続的に割り当て、このビームによって 、セル全体をカバーする区域を所定時間走査する選択手段を有する基地局アンテ ナの構成が提供される。カバーする区域はセル全体あるいは一部とすることがで きる。好ましくは、制御情報を分離する手段を移動局に供する。また、好ましく は、ランダムな時間間隔で現れるバースト信号に対して信号強度測定を行うこと によって、バースト間の最大周期を決定する。 本発明の他の態様によれば、基地局アンテナの構成を動作させる方法において 、放送信号が狭ビームによって与えられ、所定期間、この狭ビームがセルの全部 または一部を走査する方法が提供される。図面の簡単な説明 本発明の実施の形態を、以下の添付図面を参照して説明する。 図１は、基地局における主要構成要素を示すブロック図である。 図２（ａ）および図２（ｂ）は、マルチ狭ビーム基地局の構成要素を示す図で ある。 図３は、スイッチマトリクスの基本原理を示す図である。 図４は、基地局周辺のセル区域をカバーする、複数の狭い重なったビームを示 す図である。 図５は、図４の狭ビームにより、どのように移動局がサービスされているかを 示す図である。 図６は、本発明の第１の実施の形態を示す図である。 図７は、全域をカバーするビームを発する基地送信局を示す図である。実施の形態 図１に示す基地局アンテナ装置の主な構成要素は、アンテナアレイ２を支持す るマスト・タワー、すなわちビルディング１、並びにビーム形成器、ダイプレク サおよび増幅器からなる関連アンテナ電子装置４である。このアンテナ電子装置 ４は、リンク７によって、キャビン電子装置を介して基地局８に接続される。こ の基地局は、基地局制御装置９の制御下にある。 基地局アンテナ装置の構成要素は、図２（ａ）および図２（ｂ）に詳細に示さ れる。ここでは、アンテナアレイの１つのみを説明する。各アンテナアレイ４０ は、行および列で構成された、既存の個別アンテナ素子４２のアレイからなる。 素子の各列は、仰角ビーム形成ネットワーク４４を介してエネルギが供給される 。各仰角ビーム形成ネットワークは、列の構成要素を単一の給電点に結合する。 仰角ビーム形成器に結合された無線周波数（ｒ．ｆ．）信号の振幅と位相との関 係により、送信、受信の双方に対するアンテナの仰角ビームパターンが決定され る。各仰角ビーム形成器の送受信信号は、個別のダイプレクサ４６を介してビー ム形成器に結合されている。この結合を行うために、送信または受信周波数帯そ れぞれをカバーするフィルタが用いられる。送信経路において、ダイプレクサ４ ６は、各仰角ビーム形成器毎に設けられた分離された線形電力増幅器４８から給 電を受ける。これらの増幅器は、ｒ．ｆ．信号を送信に必要な電力レベルまで増 幅する。この電力増幅器には、高い線形性が必要とされる。それは、どの送信器 からの信号も、大きな相互変調積を発生することなく同時に増幅器を通るからで ある。受信経路において、ダイプレクサ４６は、各仰角ビーム形成器毎に設けら れ、分離された実質的に同じ低ノイズ増幅器５０に給電する。低ノイズ増幅器に は、それに続く受信経路において低ノイズ指数（高感度）を確立するため、シス テムにおいて損失が発生する前に、微弱な受信ｒ．ｆ．信号を増幅することが要 求される。 線形電力増幅器はまた、各アレイに１つある、方位角ビーム形成器５２の出力 に接続されている。この方位角ビーム形成器は、関連する線形電力増幅器を介し て、各仰角ビーム形成器毎に設けられた多数の出力ポートを有している。ビーム 形成器への出力の位相と振幅との関係により、アレイからの方位角ビームパター ンが制御される。ビーム形成器は、多数の入力ポートを有しており、各々が、異 なる方位角ビームを空間に発する。同様に受信経路も、各アレイに対応する方位 角ビーム形成器５４を有する。これは、低ノイズ増幅器を介して、仰角ビーム形 成器からの多数の入力を結合することによって、多数の出力を供給し、その各々 が空間において異なる方位角ビームとなっている。この結合プロセスに用いられ る位相と振幅との関係により、方位角ビームのビーム形状が制御される。送受信 方位角ビーム形成器は、両方向に使用されるほぼ同じ回路である。よく知られて いるビーム形成器として、バトラ・マトリクスがある。 信号は、送受信スイッチマトリクス５６，５８によって、方位角ビーム形成器 に入力されまたは方位角ビーム形成器から出力される。各スイッチマトリクスは 、任意の入力を任意の出力に接続するｒ．ｆ．クロスバースイッチからなる。こ のスイッチマトリクスは、任意の数の送信機または受信機を、いずれか１つのビ ーム形成器のポートに同時に接続できるように設計されている。このように、も し必要であれば、すべての送信機を所定時間に１つのビームポートに接続できる 。同様に必要であれば、すべての受信機を同じビーム・ポートに同時に接続でき る。このスイッチマトリクスは、制御プロセッサ６０の制御下で動作する。 図３に、代表的なスイッチマトリクス構成を示す。各々が各ビームに対応した 列状のパラレル受信機６２によって、すべての受信チャネルがすべてのビーム上 で同時に監視できるようになっている。受信機は、各チャネルに対して、各ビー ム上にある所望の移動局信号の品質を測定する。どれが「最適な」ビームである かという情報は、制御プロセッサに伝達される。受信機で使用されるこの品質測 定は、関係する特定のセルラシステムによって変化する。簡単に言えば、最高電 力レベルが測定される場合もあり、搬送波対干渉比が測定される場合もある。制 御プロセッサ６０の基本機能は、送受信スイッチマトリクスを制御して、所定チ ャネルに対して最適なビーム（通常は、移動局の地理的な位置を指すビーム）を 選択することにある。この制御プロセッサには、パラレル受信機からのビーム品 質データが入力され、ある場合には、基地局内の送受信機制御バスからのデータ が入力される。後者のデータは、制御プロセッサが、通信中にシステム内の様々 な制御チャネルおよびトラヒックチャネルへ所定の移動局を割当てることを監視 できるようにする。移動局がどのチャネルに移行しつつあるかを知ることにより 、 迅速かつ間断なく最適ビームの割当てを行うことができる。 使用される制御アルゴリズムは、２つの基本的なクラスに分けられる。その１ つは、新規の呼に対する最適ビームの初期捕捉であり、他の１つは呼の通信中に おける最適ビームのトラッキングである。マルチパス状態が異なることによって 、制御アルゴリズム内のパラメータが、村落部および都市部のセルに対して変わ ることが予想される。アップリンクでのビーム選択の決定が、ダウンリンクの対 応ビームを選択するのに用いられる。スイッチマトリクスは、ｒ．ｆ．バス経路 によって列状の送受信機６４に結合されており、その各々が、基地局によって与 えられる各チャネルに対応している。この送受信機は、基地局制御装置６６の制 御下で動作し、この制御装置は、スイッチマトリクスプロセッサ６０の全体的な 制御も行う。 図４，図５は、本システムの動作を示す図である。図４は、基地局周辺のセル 区域をカバーする、複数の狭い重なったビームの概念を示す。これらのビームに は、ｂ１〜ｂ２０の参照符号が付されている。図５は、時間ｔ１のときに、４つ の移動局ｍｓ１〜ｍｓ４が、どのようにビームｂ２，ｂ８，ｂ１７によってサー ビスされるかを示している。ビームｂ２は、２つの移動局ｍｓ２，ｍｓ３を扱い 、ｂ１７はｍｓ１を、そして、ｂ８はｍｓ４を扱っている。移動局がこの基地局 のセル範囲から移動すると、近接する基地局（図示せず）が、この移動局を扱う ことになる。 図６において、トラヒック送受信機ＴＲｘ１〜ＴＲｘｍは、多方向スイッチ１ ６を介して、ビーム１〜ｎを発する各アンテナに接続され、これにより、各トラ ヒック送受信機が、任意のビームに相対する区域をカバーできる。放送制御チャ ネル送受信機１４は、ｎ方向スイッチ１８に接続されている。ここでｎは、本シ ステムにおけるビームの数を定義している。このスイッチからの出力は、その各 々が各ビーム２０に接続されている。増幅器の構成によっては、制御チャネルの 他に、少なくとも１つのトラヒックチャネルをビームによって送信することが可 能となるか、あるいは、そのタイムスロットに何らのトラヒックを有しないビー ムによって制御チャネルの送信が可能となる。 各ビームにおける放送チャネル用の休止時間は、送信されるメッセージの型に 依存するが、制御チャネルが中間タイムスロットにおいて切り替えを行わないよ うに、タイムスロットのフレームワークに基づくことが理想的である。 図７に示す移動局３０が、制御チャネルの放送を行う基地局３２によって選択 されたビーム３４内にいるときには、この移動局は、ある時間の間、放送チャネ ルの受信のみを行う。ある放送制御チャネルの受信と次の放送制御チャネルの受 信との間の時間間隔は、移動局がビーム間を移動するにつれて変化する。またセ ルが重なり合う区域において、移動局がある基地局と隣接する基地局とによって カバーされるセルから移動する際に、２つの連続する放送の受信は衝突する。 本発明の１つの利点は、同一のアンテナ開口部を通じて、全セルの制御チャネ ルに同時にトラヒック送信を行うことができる点にある。現行の方法が、高電力 増幅器を有する分離された全方向アンテナ、あるいはすべてのビームを同時に送 信できるアンテナのいずれかを必要とするのに対し、本方法は、低消費電力で信 頼性が高く、維持費の安い、簡易な装置を提供する。 異なるビーム幅のアンテナ利得比は、高利得の狭ビームを有するビーム幅のア ンテナ利得比とほぼ等しい。１０パーセントビーム幅のトラヒックアンテナを使 用した、次の狭ビームシステムの例を考えると、 Ｇbeam / Gomni ≒ ３６０/１０＝３６＝１５．６ｄＢ となる。 従って、狭ビームアンテナの利得が全方向アンテナの利得のほぼ３６倍となる から、同じ通信範囲をカバーするためには、全方向経路内にある電力増幅器は、 トラヒック経路内にある電力増幅器の３６倍の電力が必要である。よって、２５ ワットのトラヒック増幅器に対して、９００ワットの全方向増幅器が必要となる 。このことは、マストの最上部に設置される必要がある送受信機のサイズと重さ に加えて、基地局の経費、電力消費、電力損失、および信頼性に重要な影響を与 える。

【手続補正書】特許法第１８４条の８第１項 【提出日】１９９６年１２月１０日 【補正内容】 （３４条補正： 明細書の差し替え箇所 第３頁〜第４頁） ３４条補正で補正された部分には下線が引いてあります。 明細書 基地局は、放送チャネルを用いて、自分が、その区域の主要局、あるいは現在 使われている基地局に対する付加的局のいずれかであるかの識別を行う。各移動 局は、受信可能なすべての放送チャネルによって、信号強度を測定できる。この 情報は、常に最適な信号強度を受信するのに用いられ、このデータは、特定の基 地局によってカバーされる基地局あるいはセクタの変更に際して、切り替えアル ゴリズム中で使用される。良好な基地局アンテナパターンとは、方位面と仰角面 の両方において、狭い角度幅を有するビームのことである。この狭ビームは、所 望の移動局に向けられ、その移動局の動きを追跡する。これにより、移動局が常 に最適な基地局あるいはセクタに接続されるようになる。移動局は、基地局との 連絡のためにどの周波数を用いるかを、また、基地局が移動局に対する着信呼を 有する時を放送チャネルより知る。この放送チャネルは、セルラ無線システムに おける基本的な構成要素である。 セルラ無線システムの使用は、特定のプロトコルによって行われ、それらの内 、例えばＧＳＭプロトコルは、各放送チャネルがセル全体に連続的に伝送される ことを要する。トラヒックチャネルの搬送にマルチ狭ビームという概念を使用し 、急速に浮上しつつあるシステムにとっては、このような制約は大いに必要とさ れるところである。高利得の狭ビームを有するこれらのシステムは、大型の電力 増幅器を必要とせずに、広い通信範囲をカバーできる。既存の狭ビームシステム は、以下の２つの方法の１つによって、名目上、全方向の放送チャネルを生成で きる。すなわち、そのビームのすべてを同時に伝送できる。これは結果として、 当該基地局のみならず、近隣の基地局にも位相問題を発生させる。また、全方向 アンテナの追加使用という方法もあるが、全方向アンテナの欠点は、狭ビームア ンテナ よりかなり利得が低いということである。従って、トラヒックチャネルと同じ通 信範囲をカバーするには、全方向アンテナは、非常に高電力の増幅器を必要とす る。 ＷＯ９４／１１９５６（サウス・ウエスタン・ベル）は、ヤルのカバー領域を 走査する専用制御チャネルアンテナを有する基地局アンテナの構成を提供してい る。 発明の概要 本発明は、上述の全方向アンテナの使用に関連する問題を克服あるいは緩和す ることを目的とする。 本発明によれば、複数のビームを形成する多数のアンテナ開口部を備える無線 通信 基地局アンテナの構成において、同一のアンテナ開口部がトラヒックチャネ ルおよび制御チャネルで共有され、 １以上のビームを介して、単一の制御チャネ ルを連続的に割り当て、このビームによって、セル全体をカバーする区域を所定 時間走査する選択手段を有する基地局アンテナの構成が提供される。カバーする 区域はセル全体あるいは一部とすることができる。好ましくは、制御情報を分離 する手段を移動局に供する。また、好ましくは、ランダムな時間間隔で現れるバ ースト信号に対して信号強度測定を行うことによって、バースト間の最大周期を 決定する。 本発明の他の態様によれば、無線通信基地局アンテナの構成を動作させる方法 において、放送信号が狭ビームによって与えられ、所定期間、この狭ビームがセ ルの全部または一部を走査し、放送信号は、トラヒックチャネルとして同じアン テナ開口部を通って放射される 方法が提供される。図面の簡単な説明 本発明の実施の形態を、以下の添付図面を参照して説明する。 図１は、基地局における主要構成要素を示すブロック図である。 図２（ａ）および図２（ｂ）は、マルチ狭ビーム基地局の構成要素を示す図で ある。 図３は、スイッチマトリクスの基本原理を示す図である。 図４は、基地局周辺のセル区域をカバーする、複数の狭い重なったビームを示 す図である。 図５は、図４の狭ビームにより、どのように移動局がサービスされているかを 示す図である。 図６は、本発明の第１の実施の形態を示す図である。 図７は、全域をカバーするビームを発する基地送信局を示す図である。実施の形態 図１に示す基地局アンテナ装置の主な構成要素は、アンテナアレイ２を支持す るマスト・タワー、すなわちビルディング１、並びにビーム形成器、ダイプレク サおよび増幅器からなる関連アンテナ電子装置４である。このアンテナ電子装置 ４は、 （３４条補正： 請求の範囲の差し替え 第９頁） 請求項１〜請求項６を以下の請求項１〜請求項７のように補正します。請求項 ４を新たに追加したために、その後の請求項番号は繰り下がっています。 なお、３４条補正で補正された部分には下線が引いてあります。 請求の範囲 １． 複数のビームを形成する多数のアンテナ開口部を備える無線通信基地局ア ンテナの構成において、 同一のアンテナ開口部がトラヒックチャネルおよび制御チャネルで共有され、 １以上のビームを介して、単一の制御チャネルを連続的に割り当て、このビーム によって、セル全体をカバーする区域を所定時間走査する選択手段を有すること を特徴とする無線通信基地局アンテナの構成。 ２． 外部局に制御情報を分離する復号手段を備えたことを特徴とする請求項１ 記載の無線通信基地局アンテナの構成。 ３． ランダムな時間間隔で現れるバースト信号に対して信号強度測定を行うこ とによって、バースト間の最大周期を決定することを特徴とする請求項２記載の無線通信 基地局アンテナの構成。４． カバーする区域はセルの一部を走査することを特徴とする請求項１乃至請 求項３のいずれかに記載の無線通信基地局アンテナの構成。 ５． 所定期間の間、単一チャネルのカバーする区域がセル全体であることを特 徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の無線通信基地局アンテナの構 成。６． 無線通信基地局アンテナの構成を動作させる方法において、 放送信号が狭ビームによって与えられ、所定期間、この狭ビームがセルの全部 または一部を走査し、放送信号は、トラヒックチャネルと同じアンテナ開口部を 通って放射される ことを特徴とする方法。７． 請求項１乃至請求項５記載の基地局の構成が組み込まれたことを特徴とす るセルラ無線通信システム。

───────────────────────────────────────────────────── 【要約の続き】

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． 複数のビームを形成する基地局アンテナの構成において、 １以上のビームを介して、単一チャネルを連続的に割り当て、このビームによ って、セル全体をカバーする区域を所定時間走査する選択手段を有することを特 徴とする基地局アンテナの構成。 ２． 移動局に制御情報を分離する復号手段を備えたことを特徴とする請求項１ 記載の基地局アンテナの構成。 ３． ランダムな時間間隔で現れるバースト信号に対して信号強度測定を行うこ とによって、バースト間の最大周期を決定することを特徴とする請求項２記載の 基地局アンテナの構成。 ４． 所定期間の間、単一チャネルのカバーする区域がセル全体であることを特 徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の基地局アンテナの構成。 ５． 基地局アンテナの構成を動作させる方法において、 放送信号が狭ビームによって与えられ、所定期間、この狭ビームがセルの全部 または一部を走査することを特徴とする方法。 ６． 請求項１乃至請求項４記載の基地局の構成が組み込まれたことを特徴とす るセルラ無線通信システム。