JP5128290B2 - セルラ無線カバレッジ用改良システム及びそのシステム用アンテナ - Google Patents

Description

本発明は、携帯電話で通信を行うためのシステム２００に関する。本システムは、ベースステーションアンテナと、複数のセルとを備える。各セルは、方位角範囲(azimuth coverage)と、レンジ範囲(range coverage)によって定義される特定のカバーエリアを有する。システム中の第１、第２セルは、第１、第２エリアをそれぞれカバーしており、それらエリアは、第１、第２方位角範囲と第１、第２レンジ範囲によってそれぞれ定義される。第１、第２セルは、方位角方向において互いに隣合っており、本システムは、また、第３方位角範囲と第３レンジ範囲とによって定義される第３カバーエリアを有する第３セルを備える。

セルラ電話システムでは、システムによってカバーされるエリアは、その名の通り、セルに分割される。通常、それらのセルは、ベースステーションとそのアンテナとが配置されるセンターポイントから、だいたい放射方向に延びた線に沿って分割されている。

このシステムのユーザは、１つ又は２〜３のセルに適応的に割当てられ、通常、ユーザの電話が最高品質の信号を見つける。その信号品質は、通常、放送参照信号、たとえば、ＣＤＭＡシステムのパイロット信号における、信号強度と、信号対干渉＋ノイズ比率Ｓ／（Ｉ＋Ｎ）によって定義される。その適応性は、各セルに対応する放送参照信号の信号品質に応じて、ユーザが１つのセルから他のセルへ「ハンドオーバー」することを意味する。

従って、セルは、ベースステーションアンテナ或は、信号強度又はＳ／（Ｉ＋Ｎ）といった品質基準によって定義される。

ベースステーションのサイトの近くでは、複数のセルのカバーエリアの境界が存在し、複数の境界が互いに近接することになる。これにより、非常に頻繁に短時間でハンドオーバーが起こる。これは望ましいものではなく、通信品質の低下をもたらす可能性があり、場合によっては、回線が切断されることも考えられる。

従って、ベースステーションに近い位置での「ハンドオーバー」の量を減らすことのできる携帯電話用システムが必要とされている。

本発明は、上述の課題を解決するために、ベースステーションアンテナと複数のセルを含む携帯電話用システムを提供する。ここで、各セルは、方位角インターバルカバレッジと、レンジカバレッジによって決まる特別なカバーエリアを有する。

第１、第２セルは、それぞれ第１、第２エリアをカバーし、そのエリアは、第１、第２方位各と第１、第２レンジのそれぞれによって定義される。

第１、第２セルは、方位方向に互いに隣合っており、本システムは、また、第３方位角と第３レンジとによって定義される第３カバーエリアを備えた第３セルを備える。

本発明によれば、第３方位角のカバー範囲は、第１、第２セルの全方位カバー範囲と同じである。しかし、第３セルのカバーレンジは、第１、第２レンジよりもかなり小さく、そのため、第３エリア内では、ほぼ全てのトラフィックが、第３セルに割当てられる。

実際には、本発明のシステムでは、ベースステーション近辺の全てのユーザは、どの方位に存在するかによらず、第３セルに割当てられる。これにより、ベースステーション近くのハンドオーバー量は自然に少なくなり、ベースステーションから比較的離れた位置では、多くのセル境界が集中しているために信号の品質が、頻繁にかつ急に変化するという問題は、システムの固有の幾何学的構成、つまり、ハンドオーバーに十分な時間があることから解決される。

絶対ではないが、好ましくは、第１、第２セルのカバーレンジは、ほぼ同一である。

システムの全方位カバーエリアは、すなわち、この場合、本システムの第１、第２セルに関して上述のように定義され、３６０度をなすことができる。このシステムでは、しかし、多くのセルが用いられうる。

本発明は、本システムに用いられるアンテナも保護しようとするものである。

図１は、携帯通信用の従来のシステム１００を示している。ここで、システム１００は、ＣＤＭＡシステム或いはＷＣＤＭＡシステムとして記述される。しかし、本発明の原理は、例えばＴＤＭＡのような他の原理を採用した携帯通信システムにも適用可能である。 図１には、システム１００の平面図が示されており、理想的な方法で示されている。即ち、このシステムは、ベースステーション１００を、システムの中心に備えている。このシステムは、複数のセル、ここでは８つのセル１０１〜１０８を含むものとして示されている。

図１において、このシステムは、「スポークによって分割されたホイール」として示されている。ここで、スポークとは、セル間の境界である。これは、理想的な形態であり、本発明の基本的な原理を示すのに好適である。

このシステムのユーザは、ユーザの電話端末がベースステーション１１０との間で最良の通信状態にあるように、セルに割り当てられる。通信品質は、定期的に測定され、一定の条件に合えば、ユーザは、ユーザの電話端末がより良い通信を行なうことのできる他のセルに「ハンドオーバー」される。

例えば、図１のユーザＡを見ると、ユーザＡは、セル１０１の中央におり、他の隣接するセルからかなり離れているので、セル１０１が割り当てられる。しかし、ユーザＢについては、状況がかなり違う。ユーザＢは、比較的、ベースステーション１１０に近く、従って、ユーザＢが、最高の通信品質を有するセルがしばしば変更になり、特に、ユーザＢがセルの境界に対して直角を為す方向に移動すれば、より頻繁にハンドオーバーされる可能性がある。

従って、ベースステーション１１０に近い位置にいるユーザは、かなり急で、頻繁なハンドオーバーを要求される。図１に示したものよりも理想的でない状況においては、状況はより悪くなる。なぜなら、３つ以上のセルの境界が、１つの同じ点において、交わりうるからである。

急なハンドオーバーや、高い頻度のハンドオーバーの要求があると、通信品質が下がり、場合によっては、通話が切断される可能性もある。

図２は、本発明に係るシステム２００を示す。図１に示した従来のシステム１００と同じ始点から見た図である。図２も、理想的なシステムであり、本発明の理解を容易にする形態で描かれている。

図２に示すように、本発明のシステム２００は、図１のシステム１００の全セルを含み、更に、他のセル１０１〜１０８とは少し異なる特徴を有する追加的なセル２０３をも含む。

本発明のシステムは、図２に示す構成でよりうまく動作するが、他のシステム構成でも、うまく動作する。したがって、本発明について、図３を参照してより詳しく説明する。図３は、本発明の原理の一つを利用するシステム３００を示す図である。

図３に示すシステム３００は、ベースステーションアンテナ３４０と、複数のセルを含む。ここでは、２つのセル３１０、３２０を例示的に示している。この２つのセルのそれぞれは、方位角α１、α２と、カバーレンジＲ０によって定義される固有なカバーエリアを有する。

セル３１０、３２０は、互いに方位方向にほぼ隣り合っている。つまり、その境界は、最大でも所定量のみオーバーラップしている。また、システム３００は、第３方位角インターバルカバーエリアと、第３レンジカバーエリアとによって定義される第３カバーエリアを有する第３セル３３０を含む。

本発明によれば、第３方位角インターバルカバーエリアは、第１及び第２セルの全方位角インターバルカバーエリアα１＋α２と、ほぼ同一である。言い換えると、第３セル３３０によってカバーされる方位角インターバルは、２つの他のセル３１０、３２０の方位角インターバルアングルの総計とほぼ同じである。

しかし、第３セル３３０のレンジカバーの最大値はＲ’であり、これは、第１、第２レンジカバーよりもかなり小さい。第３セルによってカバーされるエリア内において、全トラフィックは、第３セルによってハンドルされる。これにより、図３に示したユーザＢは、ベースステーションアンテナ３４０に近いエリア内に移動しても、１つの同じセル３３０内にとどまることになり、ベースステーションアンテナ３４０に近い位置でのハンドオーバー回数を減らすことができる。

詳しく後述するように、第３セル３３０によってカバーされるエリア内において、第３セル３３０は、通信品質、つまり、ユーザ端末における受信信号強度或いはＳ／（Ｉ＋Ｎ）に影響を及ぼす。

言い換えれば、本発明は、ベースステーションアンテナ３４０から所定距離内のトラフィックを操作するために、システムに「近接セル」を付加したものである。「近接セル」３３０によってカバーされるレンジＲ’の外側では、呼は、図１に示す従来のシステム１００と同様の方法で処理される。必要ではないが、好適には、第１セル３１０と第２セル３２０のレンジ範囲は、図３に示すように、ほぼ同一である。また、システム３００についてのプランニングを容易化するため、第１、第２、第３セルによってカバーされる各エリアは、ほぼ同じサイズにしてもよい。

図３に示すシステム３００において、第１、第２セルは、同じ方位角範囲を有し、共に、ベースステーションアンテナの周りの領域の一部のみをカバーする。しかし、セルと通信範囲の量は、もちろん変更可能であり、第１、第２セルが、共に、３６０°の方位角範囲を有するような発想も可能である。

第３セル３３０のレンジ範囲Ｒ’については、もちろん、Ｒ０に対する割合いが好適になるように設計されても良いが、第３レンジ範囲Ｒ０は、多くの場合、最大でも、第１、第２レンジ範囲の半分であろう。

上述したとおり、第３セルである、「近接セル」３３０を追加することの利点の一つは、レンジＲ’よりも内側の通信品質を、そのセルが制御できることにある。つまり、第３セル３３０に対応する信号品質は、従来のセルラ通信システム、つまり、図３の例では、第１、第２セル３１０、３２０の何れかを共用する場合に比べて、高いに違いない。同様に、Ｒ’以上に離れた位置では、その逆もまた真である。言い換えると、第１、第２セルが、その距離において支配的になる。

図４は、平面図である図３とは対照的に、所望の効果を得るために好適な放射パターンの例の効果的なパワー密度を示すメインビームパターンを側面から見た図である。この場合、この図は、セル３３０とセル３１０とを切断した場合の、想像される断面の一つである。しかし、セル３２０、３３０と切断した場合にも同様のパターンを見ることができる。第１ビームＢ（３１０）は、第１セル３１０をカバーしようとするものであり、第２ビームＢ（３３０）は、第３セル３３０をカバーしようとするものである。第１セル３１０の放射パターンＢ（３１０）は、点線で示されており、「近接セル」３３０の放射パターンＢ（３３０）は、実線で示されている。

図中には、また、人の絵によって示されたグランドレベル、問題のアンテナを有するＲＢＳ（Radio Base Station）が示されている。

図のように、第１ビームＢ（３１０）は、特定のレンジに対応する特定の仰角レンジに対して高効率パワー密度を実現する。そして、この場合、特定のレンジとは、「近接セル」３３０のレンジ波にとして定義される距離Ｒ’となる。その距離内において、近接セル３３０のビームＢ（３３０）は、より強く、所望の効果を得ることができる。つまり、ベースステーションアンテナから見てＲ’よりも近い位置にある電話端末は、「近接セル」３３０によってそのトラフィックをハンドルされる。そして、その距離Ｒ’よりも離れた位置にある電話端末は、第１セル３１０によってそのトラフィックをハンドルされる。

ビームは、絶対的或いは比較的、効果のあるパワー密度の無線信号、つまり、放射されたパワーとアンテナゲインとの間のプロダクトを表わす方法で示される。つまり、大きなビームパターン半径は、より大きなパワー密度を示す。

図４に示す放射パターンＢ（３３０）は、メインビームの範囲を定める、アッパーな仰角と、ローワーな仰角とを有するメインビームを有する。図４においては、メインビームが示されているだけではなく、何れのビームも、それらに関連する多くのサイドローブ（side lobes）を有するように示されている。

一般に、利用するアンテナの種類に関わらず、本発明の原理の一つとして、「近接セル」は、ベースステーションアンテナから所定の距離Ｒ’まで、少なくとも、グランドレベル及びそれに近いレベルで、端末が主に感知するアンテナを備える。この距離を超えると、端末は、「従来のセル」のビームを主に感知し、そのビームが、各境界内において、トラフィックを処理する。

図５は、所望の放射パターンを生成するために用いられるアンテナ５００の第１実施形態である。アンテナ５００は、アレイアンテナであり、ここでは、筒状アレイアンテナである。ここでは、「筒状（cylindrical）」の後は、本質的に一定の断面形状を有するアンテナを示し、完全な円ではなくとも、６角形や、図６に示すような８角形の機械形状を有するアンテナを含むものである。

アレイアンテナ５００は、多くの柱部５２１〜５２８を備え、必須ではないが、等距離に配置され、８角形５００の周を形成することが望ましい。各柱部は、複数の放射要素５２１₁〜５２１_N, ..５２８₁〜５２８_Nを備え、それらが筒状部の軸に、縦方向に配置される。

放射要素５２１₁〜５２１_N, ..５２８₁〜５２８_Nは、上述した携帯通信システムにおいて、第１、第２エリアをカバーする放射パターン又はビームを生成するように用いることができる。図５に示すアンテナによれば、そのカバーできる方位角は３６０°となり、そこで８つまでのセルをカバーできる。

本発明によれば、アンテナ５００は、柱部５２１〜５２８の放射要素から離れた位置に、筒状部の周囲に沿って配置され、それぞれが少なくとも１つの放射要素を含む柱部５２１’〜５２８’をも備えることができる。

この離れた柱部５２１’〜５２８’は、携帯電話システムの第３エリアをカバーする放射パターンを生成することができる。ここで、「離れた」という意味は、必ずしも、図５に示すように、機械的に、他の柱部と離れた位置に他の柱部が存在する必要はない。この目的を達成するため、既存の柱部において１つ以上の放射要素を用いることも可能である。

しかしながら、図５のアンテナ５００は、追加柱部５２１’〜５２８’を含み、各追加柱部は、少なくとも１つの放射要素を有する。そして、その追加柱部は、例えば、他の柱部の上方又は下方に位置する。ここで、「上方」又は「下方」とは、アンテナが、セルラ通信システムにおいて利用される方向に対して表現されたものである。

従来のセルを生成するためには、柱部５２１〜５２８又は放射要素を、どのように利用すればよいかについては、ここでは詳述しない。そのような技術は当業者には周知だからである。

しかし、上述した近接セルの全カバー範囲を生成するために用いられる柱部５２１’〜５２８’の分離セットは、以下のような方法によって実現することができる。つまり、柱部５２１’〜５２８’の全要素は、コーポレート給電ネットワークと一致して接続されてもよい。これにより、均一振幅を有する全方位ビームと、広幅垂直ビームを生成することができる。他の方法としては、「近接ゾーン」のカバーをより良くするため、追加柱部の要素は機械的に下方に傾いても良い。

図６は、本発明の通信システムにおいて用いられるアンテナの第２実施形態６００を示す。アンテナ６００は、図５のアンテナ５００のバージョンであるため、図５において参照番号を付されなかった部分のみに参照番号を付する。

アンテナ６００において、柱部６２１’〜６２８’の少なくとも１つは、２つの放射要素を有し、各柱部において、より多くの放射要素を設けても良い。図５又は図６とは異なる方法でアンテナを記述すると、従来のアンテナが、放射要素の付加リング５２１’〜５２８’、６２１’〜６２８’と共に設けられている。

アンテナ５００と比較した場合、アンテナ６００の１つの利点は、１つ以上の「追加」柱部における、２つの放射要素を利用することにより、それらの柱部によって生成された近接セルのビームを、電気的に下方に向けることができる。

特定の柱部６２１’〜６２８’におけるアンテナエレメントの各セットに対して、垂直方向に離れた同一位相の給電ネットワークを用いて給電することにより、垂直方向の要素は、位相方向で、下方に向いたビームを生成するために用いられる。また、コーポレイト給電ネットワークと同位相で付加柱部の全てに再接続することにより、全方位ビームを得ることができ、方位方向において、均一に増幅することができる。そして、その増幅と、垂直の給電ネットワークと付加リングのアンテナの要素パターンとの位相関係によって得られたビーム幅を有する垂直ビームを得ることができる。

図５及び図６に示す構成に加えて、更に、一般的なアンテナ構成を、柱部６２１’〜６２８’のそれぞれが、１つ以上の要素を有するように設計することもできる。その要素の数は、それぞれの分割柱部毎に定義すればよい。

図７は、本発明に係るセルラ通信システムに用いられるアンテナの第３実施形態７００を示す。

アンテナ７００は、上述したアンテナと同様に、複数の第１、第２放射要素を有するが、それらは、ここでは、２次元ビーム形成ネットワークに接続される。これにより、複数のビーム又は放射ダイアグラムを、方位角と仰角の両方について生成することができる。アンテナ７００によれば、分離されたビームが、例えば、上述した本セルラ通信システムの第１、第２及び第３エリアといった、関連するエリア又はセルのそれぞれについて形成される。

従って、アンテナ７００において、アンテナ５００及び６００とは異なり、近接セルにのみ用いられる「専用の」放射要素や、「従来型」セルにのみ用いられる「専用の」放射要素を設ける必要はない。

図７に示すように、アンテナ７００は、筒状アレイアンテナを有している。ここではこれは、八角形であり、上述したように、２次元、つまり、仰角と方位角の両方のビーム生成ネットワークと共に構成される。複数のビームを、仰角を持って形成することができる。

例として、アンテナ７００は、異なる給電ネットワークを用いて各柱部に対して給電する。そして、垂直給電ネットワーク７２０の出力ポートからの信号を、２つ以上の方位方向のビーム生成ネットワーク７３０を用いて組み合わせることができる。

各アンテナエレメントに対してキャリブレーションネットワークを含めることにより、ビーム生成を、垂直方向及び水平方向の両方について、デジタル的に行なうことができる。キャリブレーションは、柱方向のみに（すなわち、柱部間において、柱部内の一定のビーム生成ネットワークを用いて）実行される。これにより、アジマスビーム生成をデジタル的に行なうことができる。

ビーム生成ネットワーク（例えばバトラーマトリクス（Butler matrices））を、２つの交差偏波の一方又は両方に適用することができる（この場合、２重偏波アンテナ要素となる）。そして、仰角方向において異なる数のアンテナ要素に接続可能となる。

最後に、図８は、図７の実施形態の１つの実装状態の単一柱部用の構成を示す。放射要素８０１の柱部は、柱部８０１の上側半分用のコーポレイトビーム生成給電ネットワーク（ＢＦ）８０２と、柱部８０１の下側半分用のバトラーマトリクス給電ネットワーク（ＢＭ）８０３と、を用いて給電される。

コーポレイトビーム生成給電ネットワーク８０２の入力ポートと、バトラーマトリクス給電ネットワーク８０３の出力ポートに面している所定の直線位相に対向する入力ポートとは、パワーディバイダ８０６に接続され、コモンビームポート８０４から給電される場合の、遠方範囲用のナローメインビームを生成する。

バトラーマトリクス給電ネットワーク８０３の入力ポート８０５は、バトラーマトリクス出力ポート８１１〜８１４に面している直線位相に対応し、近接範囲ビームを生成するために用いられる。バトラーマトリクスは、放射要素８０１の柱部の半分のみに給電するので、バトラーマトリクスの入力ポート８０５から給電された近接範囲ビームは、ビームポート８０４を用いて給電された遠方範囲ビームよりも幅広になる。

本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、請求の範囲の範疇においおて、自由に変更可能である。可能な変更とは、例えば、２つ以上の「近接セル」が、所定の方位角範囲をカバーするように構成しても良い。そのような複数の「近接セル」は、基本的に、方位角方向に隣り合っており、ほぼ同様のレンジカバー範囲を有する。

また、「近接セル」によって補充される遠方セルの数は、上述した数に限定されるものではなく、システムの限界の範囲内で自由に変更可能である。

従来のセルラ通信システムを示す概略平面図である。 本発明の一実施形態に係るセルラ通信システムの概略平面図である。 本発明の原理を利用するシステムを示す図である。 本発明において用いられるアンテナの放射図である。 本発明の第１実施形態に係るアンテナを示す図である。 本発明の第２実施形態に係るアンテナを示す図である。 本発明の第３実施形態に係るアンテナを示す図である。 図７の実施形態の一実現例における単一列の構成を示す図である。

Claims (11)

1. セルラ電話で通信を行うためのシステム（２００）であって、
   ベースステーションアンテナ（５００、６００、７００）と、
   複数のセル（２０３，３１０，３２０，３３０）と、
   を備え、
   各セルは、方位角範囲（α１、α２）と、レンジ範囲（Ｒ０、Ｒ'）と、によって定義され、
   該システムにおいて、第１、第２セル（３１０、３２０）が、第１、第２エリアをそれぞれカバーし、
   それらのエリアは、第１、第２方位角範囲（α１、α２）と、第１、第２レンジ（Ｒ０）のそれぞれによって定義され、
   第１、第２セルは、方位角方向において、互いに隣合っており、
   前記システムは、また、第３方位角範囲と第３レンジ範囲（Ｒ'）とによって定義される第３カバーエリアを持つ第３セル（２０３、３３０）を備え、
   第３方位角範囲は、第１方位角範囲と第２方位角範囲とを加えた範囲とほぼ同じであり、第３セルは、第１、第２レンジ範囲よりも小さなレンジ範囲を有し、該小さなレンジのカバー範囲は、前記ベースステーションアンテナにより、アッパーな仰角と、ローワーな仰角とによってその範囲が定められるメインビームによりカバーされ、
   更に、前記第３カバーエリアにおいては、全トラフィックを、第３セルによってハンドルし、
   前記ベースステーションアンテナは、第１の筒状部及び第２の筒状部を有する筒状アレイアンテナであって、前記第１の筒状部に設けられ、前記第１エリア及び前記第２エリアをカバーする放射パターンを生成する複数の第１放射要素と、前記第２の筒状部に設けられ、前記第３カバーエリアをカバーする放射パターンを生成する複数の第２放射要素と、を備えており、
   前記第２の筒状部は、鉛直方向において、前記第１の筒状部の上方に設けられることを特徴とするシステム。
2. 第１セルのレンジ範囲と第２セルのレンジ範囲は、ほぼ同一のサイズを有することを特徴とする請求項１に記載のシステム。
3. 第１セル（３１０）、第２セル（３２０）、及び第３セル（３３０）のそれぞれのカバーエリアは、略同サイズであることを特徴とする請求項１又は２に記載のシステム。
4. 第１及び第２セルとを合わせて、３６０°の方位角カバー範囲を有することを特徴とする請求項１、２又は３に記載のシステム。
5. 第３レンジ範囲（Ｒ'）は、第１、第２レンジ範囲（Ｒ０）の半分の大きさであることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載のシステム。
6. 複数の放射要素を有するアレイアンテナ（５００、６００、７００）であって、
   前記アレイアンテナは、請求項１乃至５の何れか１項に記載のシステムにおいて用いられることを目的とし、
   前記アレイアンテナは、
   前記システムの第１エリア（３１０）と第２エリア（３２０）とをカバーする放射パターンを生成する複数の第１放射要素（５２１₁〜５２１_N）を備え、
   前記システムの第３エリア（３３０）をカバーする放射パターンを生成する複数の第２放射要素（５２１'〜５２８'）を更に有し、
   該アレイアンテナは、第１の筒状部と、鉛直方向において、前記第１の筒状部の上方に設けられた第２の筒状部とを有する筒状アレイアンテナであって、
   該筒状アレイアンテナにおいて、複数の第１放射要素は、前記第１の筒状部の外周の柱部（５２１〜５２８）に複数のアンテナ要素を含み、
   複数の第２放射要素は、前記第２の筒状部の外周の分離柱部（５２１'〜５２８'）に配置され、該分離柱部は、それぞれ、少なくとも１つの放射要素を含むことを特徴とするアレイアンテナ。
7. 前記第２放射要素における柱部（６２１'〜６２８'）の少なくとも一つは、少なくとも２つの放射要素を備えることを特徴とする請求項６に記載のアレイアンテナ。
8. 第１、第２エリアにおけるそのカバー範囲を減らす放射ダイアグラムを達成するように、機械的に傾斜したアンテナ要素を前記第２放射要素が含むことを特徴とする請求項６又は７に記載のアレイアンテナ。
9. 前記第２放射要素は、共通の給電ネットワークによって給電されることを特徴とする請求項６又は７に記載のアレイアンテナ。
10. 各柱部のアンテナ要素のそれぞれのセットは、分離した垂直方向の同一位相の給電ネットワークによって給電されるように構成されることを特徴とする請求項７に記載のアレイアンテナ。
11. 前記第１、第２放射要素は、２次元ビーム生成ネットワークに接続され、
    その結果、複数のビーム又は放射ダイアグラムが、方位角方向及び仰角方向に生成され、
    分離ビームが、前記システムの第１、第２及び第３エリアのそれぞれについて生成されることを特徴とする請求項６に記載のアレイアンテナ。

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