JP4808651B2

JP4808651B2 - 基地局装置およびセル構成方法

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Publication number: JP4808651B2
Application number: JP2007052574A
Authority: JP
Inventors: 雅之中野
Original assignee: KDDI Corp
Current assignee: KDDI Corp
Priority date: 2007-03-02
Filing date: 2007-03-02
Publication date: 2011-11-02
Anticipated expiration: 2027-03-02
Also published as: JP2008219338A

Description

本発明は、セルラ方式の移動通信システムに係る基地局装置およびセル構成方法に関する。

セルラ方式の移動通信システムにおいて、基地局は、移動局との無線通信が可能な範囲となるセルを形成する。従来のセル構成技術として、例えば、セル内を複数のセクタに分割し、セクタ間で干渉が発生しないように各セクタに周波数を割り当てる技術が知られている。例えば、図１２に示されるように、基地局２００のセル内を３つのセクタ２１１，２１２，２１３に分割する場合、各セクタ２１１，２１２，２１３には互いに異なる周波数Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３を割り当てることにより、セクタ間干渉を防いでいる。

また、特許文献１記載のセル構成技術では、固定的な指向性を有するマイクロセルと、アダプティブアレイアンテナにより移動局を追尾するように指向性が制御されるＡＡＡセルとを組み合わせている（特許文献１の図１参照）。
特開２００１−１８９６８７号公報

しかし、上述した従来のセクタ分割によるセル構成技術では、基地局２００が利用可能な周波数Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３が、各セクタ２１１，２１２，２１３には一つずつしか割り当てられないので、基地局２００の周波数利用効率が低く、通信容量が少なくなる。

また、図１３に示されるように、セクタの境界付近では、電界強度がなだらかに変化するために、セル内のＣＩＲ（Carrier to Interference Ratio：搬送波対干渉波電力比）、ＣＩＮＲ（Carrier to Interference and Noise power Ratio：搬送波対雑音及び干渉波電力比）が小さい。このため、セクタの境界付近では、移動局の在圏セクタが頻繁に変わる現象（所謂、ハンドオフのピンポン現象）が起こりやすく、基地局にかかる処理負荷が増大する。

また、特許文献１記載のセル構成技術では、移動局を追尾するようにＡＡＡセルの指向性を制御する処理や、移動局に対してマイクロセルとＡＡＡセルのどちらを適用するのかを判断する処理が複雑であり、基地局にかかる処理負荷が大きい。

本発明は、このような事情を考慮してなされたもので、その目的は、基地局の通信容量の向上や基地局にかかる処理負荷の軽減を図ることのできる基地局装置およびセル構成方法を提供することにある。

上記の課題を解決するために、本発明に係る基地局装置は、移動通信システムに用いられる基地局装置において、地上よりも高い場所に設置される複数のアンテナと、前記アンテナの各々異なるチルト角を設定するチルト角設定手段と、前記アンテナの各々に対応して設けられ、対応するアンテナを介して無線信号の送信および受信を行う無線手段と、前記複数のアンテナのいずれのアンテナにより、移動局との無線通信を行うかを制御する制御手段とを備えたことを特徴とする。

本発明に係る基地局装置においては、前記アンテナは、複数のアンテナ素子から構成されるアレーアンテナであり、前記基地局装置は、チルト角の浅い方の前記アンテナの垂直面内指向性を制御する指向性制御手段を備え、前記指向性制御手段は、主ビームに対して地上側のサイドローブのレベルを下げるように、当該アンテナの各アンテナ素子の信号を重み付け制御することを特徴とする。

本発明に係る基地局装置においては、前記アンテナは、複数のアンテナ素子から構成されるアレーアンテナであり、前記基地局装置は、チルト角の深い方の前記アンテナの垂直面内指向性を制御する指向性制御手段を備え、前記指向性制御手段は、主ビームに対して天空側のサイドローブのレベルを下げるように、当該アンテナの各アンテナ素子の信号を重み付け制御することを特徴とする。

本発明に係る基地局装置においては、前記アンテナは、複数のアンテナ素子から構成されるアレーアンテナであり、前記基地局装置は、チルト角の深い方の前記アンテナの垂直面内指向性を制御する指向性制御手段を備え、前記指向性制御手段は、主ビームに対して地上側のサイドローブのレベルを上げるように、当該アンテナの各アンテナ素子の信号を重み付け制御することを特徴とする。

本発明に係る基地局装置においては、前記アンテナは、水平面内で無指向性であることを特徴とする。

本発明に係るセル構成方法は、移動通信システムに用いられるセルの構成方法であって、地上よりも高い場所に設置された各々異なるチルト角を有する複数のアンテナを用い、アンテナごとにセクタを形成することを特徴とする。

本発明に係るセル構成方法においては、前記アンテナとして、複数のアンテナ素子から構成されるアレーアンテナを用い、チルト角の浅い方の前記アンテナの垂直面内指向性について、主ビームに対して地上側のサイドローブのレベルを下げるように、当該アンテナの各アンテナ素子の信号を重み付け制御することを特徴とする。

本発明に係るセル構成方法においては、前記アンテナとして、複数のアンテナ素子から構成されるアレーアンテナを用い、チルト角の深い方の前記アンテナの垂直面内指向性について、主ビームに対して天空側のサイドローブのレベルを下げるように、当該アンテナの各アンテナ素子の信号を重み付け制御することを特徴とする。

本発明に係るセル構成方法においては、前記アンテナとして、複数のアンテナ素子から構成されるアレーアンテナを用い、チルト角の深い方の前記アンテナの垂直面内指向性について、主ビームに対して地上側のサイドローブのレベルを上げるように、当該アンテナの各アンテナ素子の信号を重み付け制御することを特徴とする。

本発明によれば、基地局の通信容量の向上や基地局にかかる処理負荷の軽減を図ることができる。

以下、図面を参照し、本発明の一実施形態について説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る基地局装置１の構成を示すブロック図である。図２は、同実施形態に係るアンテナ１１の構成を示すブロック図である。
本実施形態においては、基地局装置（以下、「基地局」と称する）１は、セルラ方式の移動通信システムに用いられる。

図１において、基地局１は、２本のアンテナ１１−１，２と、アンテナ１１−１，２の各々に対応して設けられる位相制御部３２−１，２を有する。以下、特に区別しないときは「アンテナ１１」、「位相制御部３２」と称する。アンテナ１１は、水平面内で全方向に同一の感度を有する無指向性のアンテナである。さらに、アンテナ１１は、チルト角を任意に設定することができるようになっている。なお、アンテナ１１は、必ずしも水平面内で全方向に同一の感度を有するものである必要はない。例えば、水平面内で方向によって多少の感度の違いがあったとしてもよい。或いは、意図的に水平面内の方向別に感度を異なるようにしてもよい。

図２に示されるように、アンテナ１１は、複数のアンテナ素子３１から構成される。複数のアンテナ素子３１はアレーアンテナを形成する。図２の例では、１８個のアンテナ素子３１から、６個を一組にしたサブアレーを３つ構成している。そして、その３つのサブアレーから一つのアレーアンテナが構成される。位相制御部３２は、サブアレー間における信号の振幅および位相量を制御する。この制御によって、アンテナ１１のチルト角θを任意に形成することができる。チルト角θは、アンテナ１１のアンテナパターンの主ビーム４０の垂直面内の方向を示す角度であって、水平方向から地上方向への傾きの角度である。なお、アンテナ１１は、地上よりも高い場所に設置される。

位相制御部３２−１は、アンテナ１１−１のチルト角の設定を行う。位相制御部３２−２は、アンテナ１１−２のチルト角の設定を行う。アンテナ１１−１，２の一方のアンテナ（外円用アンテナ）１１は、もう一方のアンテナ（内円用アンテナ）１１よりも、チルト角が浅く設定される。なお、位相制御部３２に対する動作設定は、基地局設置後に手動で行ってもよく、或いは、基地局の外部の装置から遠隔で行うようにしてもよい。

また、基地局１は、アンテナ１１−１，２の各々に対応して設けられる無線部１２−１，２と、制御部１３とを有する。無線部１２−１，２（以下、特に区別しないときは「無線部１２」と称する）は、それぞれ対応するアンテナ１１を介して、無線信号の送信および受信を行う。

制御部１３は、アンテナ１１−１，２のいずれのアンテナにより、移動局との無線通信を行うかを制御する移動局在圏セクタ判断処理を行う。その移動局在圏セクタ判断処理においては、アンテナ１１−１，２により受信された移動局からの信号に基づいて、当該移動局との無線通信をアンテナ１１−１，２のいずれのアンテナにより行うかを制御する。

図３、図４は、本実施形態に係るセル構成方法を示す説明図である。図３において、セル１１０は、同心円の外円側のセクタ１１１と内円側のセクタ１１２から構成される。図４に示されるように、セル１１０は、基地局１を中心にした同心円の外円側のセクタ１１１と内円側のセクタ１１２によって、セクタ分割される。基地局１は、外円用アンテナ１１を用いてセクタ１１１を形成する。また、基地局１は、内円用アンテナ１１を用いてセクタ１１２を形成する。

図５は、本実施形態に係るセルを用いたときの周波数割り当て方法を示す説明図である。図５において、基地局１−ａ，ｂ，ｃは、それぞれのセル１１０−ａ，ｂ，ｃを形成する。セル１１０−ａ，ｂ，ｃは、それぞれ、基地局１−ａ，ｂ，ｃを中心にした同心円の外円側のセクタ１１１−ａ，ｂ，ｃと内円側のセクタ１１２−ａ，ｂ，ｃから構成される。セル１１０−ａ，ｂ，ｃは、互いに隣接しているが、重複するのは外円側のセクタ１１１−ａ，ｂ，ｃ部分のみである。このため、外円側のセクタ１１１−ａ，ｂ，ｃには、互いに異なる周波数Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３を割り当てることにより、セル間干渉を防ぐ。一方、内円側のセクタ１１２−ａ，ｂ，ｃは、セル間の重複がないので、利用可能な周波数Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３を全て割り当てる。

次に、本実施形態に係るアンテナ１１の垂直面内指向性の制御方法を説明する。

図６および図７は、外円用アンテナ１１および内円用アンテナ１１の垂直面内指向性の制御方法を説明するためのグラフ図であり、図６は外円用アンテナ１１の垂直面内指向性の例を示し、図７は内円用アンテナ１１の垂直面内指向性の例を示す。図６及び図７において、縦軸は相対電力（単位はｄＢ）であり、横軸は垂直面内の方向（単位は度）である。また、垂直面内の方向のうち、水平方向は０度であり、地上方向は０から９０度の方向であり、天空方向は０から−９０度の方向である。

まず、チルト角は、外円用アンテナ１１の方を浅くし、内円用アンテナ１１の方を深くする。各位相制御部３２は、その関係を満足するチルト角を形成するように、サブアレー間における信号の振幅および位相量を制御する。なお、外円用アンテナ１１および内円用アンテナ１１の各チルト角は、固定されていてもよく、或いは、外部装置からの入力データに基づいて各位相制御部３２が決定するものであってもよい。

図６および図７の例では、外円用アンテナ１１のチルト角は５度であり、内円用アンテナ１１のチルト角は１８度である。図６および図７に例示されるように、主ビームの垂直面内の方向はチルト角の方向になる。従って、チルト角の浅い外円用アンテナ１１からの主ビームは、チルト角の深い内円用アンテナ１１からの主ビームよりも、基地局１から遠くまで到達する。このようにチルト角に差を付けることで、外円用アンテナ１１の垂直面内指向性により基地局１を中心にした同心円の外円側のセクタ１１１（図４参照）を形成し、内円用アンテナ１１の垂直面内指向性により基地局１を中心にした同心円の内円側のセクタ１１２（図４参照）を形成する。

外円用アンテナ１１の垂直面内指向性については、図６に例示されるように、主ビームに対して地上側のサイドローブのレベルを下げるように、外円用アンテナ１１の各アンテナ素子３１の信号を重み付け制御することが好ましい。外円用アンテナ１１の垂直面内指向性について、主ビームに対して地上側のサイドローブを抑制することで、外円用アンテナ１１のアンテナパターン（つまり外円側のセクタ１１１）と内円用アンテナ１１のアンテナパターン（つまり内円側のセクタ１１２）との干渉を軽減することができる。

内円用アンテナ１１の垂直面内指向性については、図７に例示されるように、主ビームに対して天空側のサイドローブのレベルを下げるように、内円用アンテナ１１の各アンテナ素子３１の信号を重み付け制御することが好ましい。内円用アンテナ１１の垂直面内指向性について、主ビームに対して天空側のサイドローブを抑制することで、内円用アンテナ１１のアンテナパターン（つまり内円側のセクタ１１２）と外円用アンテナ１１のアンテナパターン（つまり外円側のセクタ１１１）との干渉を軽減することができる。

内円用アンテナ１１の垂直面内指向性については、図７に例示されるように、主ビームに対して地上側のサイドローブのレベルを上げるように、内円用アンテナ１１の各アンテナ素子３１の信号を重み付け制御することが好ましい。内円用アンテナ１１の垂直面内指向性について、主ビームに対して地上側のサイドローブを向上させることで、内円用アンテナ１１のアンテナパターン（つまり内円側のセクタ１１２）の電界強度を向上させることができる。

図８は、図６および図７に例示される垂直面内指向性による電界強度およびＣＩＮＲのグラフ図である。図８において、縦軸は、左目盛りが電界強度（単位はｄＢｍ）であり、右目盛りがＣＩＮＲ（単位はｄＢ）である。また、横軸は基地局１からの平行距離（単位はｍ）である。

図８に示されるように、内円側のセクタ（内円のエリア）では、外円用アンテナ１１の電界強度Ｗ１よりも、内円用アンテナ１１の電界強度Ｗ２の方が大きい。一方、外円側のセクタ（外円のエリア）では、内円用アンテナ１１の電界強度Ｗ２よりも、外円用アンテナ１１の電界強度Ｗ１の方が大きい。これにより、内円側のセクタ（内円のエリア）においても、外円側のセクタ（外円のエリア）においても、良好なＣＩＮＲ＿Ｗ３が得られる。

本実施形態によれば、図９に示されるように、セクタの境界付近において、電界強度を急峻に変化させることができる。従って、セクタの境界付近におけるセル内のＣＩＲ、ＣＩＮＲを大きく良好にすることができる。これにより、セクタの境界付近において、移動局の在圏セクタが頻繁に変わる現象「ハンドオフのピンポン現象」を防止し、良好なハンドオフ特性を得ることができ、高い通信品質を提供するとともに、加えて、基地局にかかる処理負荷の軽減に寄与することができる。

また、本実施形態に係るセルは、図４に示されるように、２つのセクタ１１１，１１２でセクタ分割されるものであるので、図１２に例示されるような従来のセクタ分割のセルと同様の移動局在圏セクタ判断処理を適用することができる。従って、基地局にかかる処理負荷の増大を招くことはない。

また、図５に示すように、内円側のセクタ１１２では隣接するセル間の干渉を防止することができるので、内円側のセクタ１１２には基地局１が利用可能な全ての周波数を割り当てて基地局１の周波数利用効率を高くし、通信容量を多くすることが可能になる。

また、図５に示すように、外円側のセクタ１１１では隣接するセル間で異なる周波数を割り当てて、セル間干渉を防止することができる。なお、外円側のセクタ１１１においては、隣接するセル間でのハンドオフが発生するが、異なる周波数間のハンドオフであるので、ハンドオフ成功率を高めることができ、通信品質を良好に保つことができる。

以上、本発明の実施形態を図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
例えば、上述の実施形態に係るセルを用いたときの周波数割り当て方法は、図５の例に限定されない。例えば、図１０に示される周波数割り当て方法を行ってもよい。図１０の例では、互いに隣接するセルＡ，Ｂ，Ｃについて、それぞれの外円側のセクタには互いに異なる周波数を割り当てるが、それぞれの内円側のセクタには外円側のセクタに割り当てた周波数を除いた残りの利用可能な周波数を割り当てる。従って、セルＡについては、外円側のセクタに周波数Ｆ１を割り当て、内円側のセクタには周波数Ｆ２，Ｆ３を割り当てる。セルＢについては、外円側のセクタに周波数Ｆ２を割り当て、内円側のセクタには周波数Ｆ１，Ｆ３を割り当てる。セルＣについては、外円側のセクタに周波数Ｆ３を割り当て、内円側のセクタには周波数Ｆ１，Ｆ２を割り当てる。この図１０の周波数割り当て方法によれば、各セルにおける利用周波数は少なくなるが、セル内において内円側のセクタと外円側のセクタでは利用周波数が異なるので、ハンドオフ品質がさらに向上する。さらに、図１０の周波数割り当て方法によれば、図１１に示されるように、外円用アンテナの垂直面内指向性に関し、主ビームに対して地上側のサイドローブのレベルを抑制しなくてもよい。これにより、アンテナ制御が簡易になる。

また、上述の実施形態では、サブアレー間の信号の振幅および位相量を電気的に制御することでチルト角を設定する位相制御部３２（チルト角設定手段）を設けたが、アンテナを機械的に傾斜させることでチルト角を設定するチルト角設定手段を設けるようにしてもよい。チルト角を固定的に設定する場合には、アンテナを機械的に傾斜させることでチルト角を設定する方法でも特に問題は生じない。

また、上述の実施形態では、アンテナ１１は水平面内で無指向性のものを用いたが、水平面内で指向性を有するアンテナを用いてもよい。

また、上述の実施形態では、２つのアンテナ１１−１，２を備え、一つのセルを２つのセクタに分割したが、３つ以上のアンテナ１１を備え、一つのセルを３つ以上のセクタに分割するように拡張してもよい。

また、上述の実施形態では、セルラ方式の移動通信システムを例に挙げて説明したが、本発明はセルラ方式に限定されない。

本発明の一実施形態に係る基地局装置１の構成を示すブロック図である。図１に示すアンテナ１１の構成を示すブロック図である。本発明の一実施形態に係るセル構成方法を示す説明図である。同実施形態に係るセル構成を示す図である。同実施形態に係るセルを用いたときの周波数割り当て方法を示す説明図である。本発明の一実施形態に係る外円用アンテナ１１の垂直面内指向性の例を示すグラフ図である。同実施形態に係る内円用アンテナ１１の垂直面内指向性の例を示すグラフ図である。同実施形態に係る垂直面内指向性による電界強度およびＣＩＮＲのグラフ図である。本発明の一実施形態に係るセクタ境界付近での電界強度の状態を説明するための図である。本発明の一実施形態に係るセルを用いたときの他の周波数割り当て方法を示す説明図である。本発明の一実施形態に係るセルを用いたときの他の周波数割り当て方法を示す説明図である。従来の３セクタ分割のセル構成を示す図である。従来のセクタ境界付近での電界強度の状態を説明するための図である。

符号の説明

１…基地局装置、１１−１，１１−２…アンテナ、１２−１，１２−２…無線部、１３…制御部、３１…アンテナ素子、３２−１，２…位相制御部（チルト角設定手段、指向性制御手段）

Claims

移動通信システムに用いられる基地局装置において、
地上よりも高い場所に設置される複数のアンテナと、
前記アンテナの各々異なるチルト角を設定するチルト角設定手段と、
前記アンテナの各々に対応して設けられ、対応するアンテナを介して無線信号の送信および受信を行う無線手段と、
前記複数のアンテナのいずれのアンテナにより、移動局との無線通信を行うかを制御する制御手段と、を備え、
前記アンテナは、複数のアンテナ素子から構成されるアレーアンテナであり、
前記基地局装置は、
チルト角の浅い方の前記アンテナの垂直面内指向性を制御する第１の指向性制御手段と、
チルト角の深い方の前記アンテナの垂直面内指向性を制御する第２の指向性制御手段と、を備え、
前記第１の指向性制御手段は、主ビームに対して地上側のサイドローブのレベルを下げるように、当該アンテナの各アンテナ素子の信号を重み付け制御し、
前記第２の指向性制御手段は、主ビームに対して天空側のサイドローブのレベルを下げるように、且つ、主ビームに対して地上側のサイドローブのレベルを上げるように、当該アンテナの各アンテナ素子の信号を重み付け制御する、
ことを特徴とする基地局装置。
前記チルト角設定手段は、チルト角の深い方の前記アンテナのアンテナパターンが隣接するセルに重複しないように、当該アンテナのチルト角を設定することを特徴とする請求項１に記載の基地局装置。
前記アンテナは、水平面内で無指向性であることを特徴とする請求項１又は２に記載の基地局装置。
移動通信システムに用いられるセルの構成方法であって、
地上よりも高い場所に設置された各々異なるチルト角を有する複数のアンテナを用い、アンテナごとにセクタを形成し、
前記アンテナとして、複数のアンテナ素子から構成されるアレーアンテナを用い、
チルト角の浅い方の前記アンテナの垂直面内指向性について、主ビームに対して地上側のサイドローブのレベルを下げるように、当該アンテナの各アンテナ素子の信号を重み付け制御し、
チルト角の深い方の前記アンテナの垂直面内指向性について、主ビームに対して天空側のサイドローブのレベルを下げるように、且つ、主ビームに対して地上側のサイドローブのレベルを上げるように、当該アンテナの各アンテナ素子の信号を重み付け制御する、
ことを特徴とするセル構成方法。
チルト角の深い方の前記アンテナのアンテナパターンが隣接するセルに重複しないように、当該アンテナのチルト角を設定することを特徴とする請求項４に記載のセル構成方法。