JP6691448B2 - 分散アンテナ装置 - Google Patents

Description

本発明は、分散アンテナ装置に関する。

移動通信システムでは、不感知エリア対策やエリア拡張を目的として分散アンテナ装置が使用される。一般的に分散アンテナ装置は親機、中継機、子機で構成される。基地局送信（ダウンリンク）では基地局装置の無線周波数信号を親機に入力し、親機から中継機を介して子機に信号が渡され、子機に接続されたアンテナから無線周波数信号が放射される。基地局受信（アップリンク）ではその逆の経路を辿る。

親機、中継機、子機間は同軸ケーブルを用いる場合と、光ファイバケーブルを用いる場合、ＬＡＮケーブルを用いる場合がある。同軸ケーブルの場合、無線周波数信号を伝送するためケーブル長に比例して電力が減衰し、長距離の伝送に向かない。光ファイバケーブルの場合は伝送方式がアナログ伝送（無線周波数信号をそのまま光強度変調して伝送する）の場合、１ｋｍ程度伝送可能であるが、ダイナミックレンジが大きいレーザダイオードが必要になり、また、ケーブル長に比例して信号が劣化するという問題がある。伝送方式がデジタル伝送（無線周波数信号を中間周波数に周波数変換し、アナログ・デジタル変換器でデジタル信号に変換して伝送する）の場合は、デジタル信号に誤り訂正等を施し、一定のビットエラーレート以下までを許容すれば、数１０ｋｍの伝送が可能になる。また、レーザダイオードもアナログ伝送時と比較して安価なものが使用できる。ＬＡＮケーブルの場合はデジタル信号を使用するが、１００ｍ程度しか伝送できない。

図１１は従来技術を示す。
基地局装置１０１は同軸ケーブル１０２を介して親機２００に接続される。親機２００は光ファイバケーブルを介して子機３１０から子機３ｎ０に接続される。子機３１０から子機３ｎ０はそれぞれアンテナを有している。

特許第５４１１６０９号明細書

しかし、従来技術では各装置間の伝送媒体として同軸ケーブルや光ファイバケーブルを使用するため、装置が設置できるのは、伝送媒体が設置可能な場所のみとなる。従って、例えば装置間に伝送媒体を設置できない、または設置が難しい場所（例えば、装置間に川がある場合や下流の装置を隣のビルに設置したい場合など伝送媒体を設置するに当たり障害がある場合）には装置の設置ができない。

また、光ファイバを使用する場合は光モジュールのデータレートで帯域幅が制限されたり、同軸ケーブル１０２を使用する場合は無線周波数信号の減衰により電力効率が低下する。

一般的に商用電源は屋外、屋内によらず比較的容易に入手できる（上流装置から供給する必要がなく、設置場所の近くからとればよい）。

一方、不感知エリア対策やエリア拡張を目的として無線中継装置が使用される場合もある。無線中継装置は無線周波数信号を一度、デジタル信号に変換し、干渉キャンセル等のデジタル信号処理を施し、再び、無線周波数信号に変換して伝送する再生方式と、無線周波数信号をそのまま増幅器で増幅して伝送する非再生方式がある。前者はデジタル信号処理を施すため、信号の劣化や無線信号の干渉を抑えて伝送することが可能であり、後者は増幅器の特性分、信号が劣化する。ただし、前者は増幅器の他にデジタル信号処理部を有するため、装置サイズが大きくなり、価格も高くなる。また、デジタル信号処理部での信号処理などにより装置内で遅延が発生する。

本発明の請求項１に係る分散アンテナ装置（１００）は、移動通信システムの分散アンテナ装置（１００）であって、前記アンテナ分散装置（１００）は、入出力端子（２０１Ａ）と、親機側アンテナ（２０６）を備える親機（２００）と、複数の子機側アンテナ（３１１Ａ−３ｎ２Ａ）を備える子機（３１０−３ｎ０）を有し、前記親機側アンテナ（２０６Ａ）は２以上のビーム形成器を備えるビーム形成部（２０５）を有し、前記子機（３１０−３ｎ０）は、前記親機（２００）からの無線周波数信号を一方の子機側アンテナ（３１１−３ｎ１Ａ）で受信し増幅して前記一方の子機側アンテナ（３１１Ａ−３ｎ１Ａ）とは別の他方の子機側アンテナ（３１２Ａ−３ｎ２Ａ）から無線周波数信号を発信する信号発信部（３１１−３１４）を有することを特徴とする、分散アンテナ装置（１００）である。

親機から子機へ無線周波数信号を送信するため、親機２００と子機との間の伝送媒体が不要であり、子機の設置についても柔軟に対応できる。
また、子機の装置コストやサイズも低減でき、さらに複雑なデジタル信号処理を要せず信号の遅延も抑えられる。このため、導入及び運用コストを削減できる。

本発明の請求項２に係る分散アンテナ装置（１００）は、前記入出力端子（２０１Ａ）は、光端子、同軸端子、または、ＬＡＮ端子であることを特徴とする、請求項１に記載の分散アンテナ装置（１００）である。

親機の入出力端子としては、従来どおり光端子や同軸端子を用いることができ、従来設置されていた親機および子機を、本発明の親機および子機に置き換えるだけで、本発明の構成を導入することが可能となる。

本発明の請求項３に係る分散アンテナ装置（１００）は、前記親機（２００）は周波数が３ＧＨｚ以上、素子数が１６以上である、多素子アンテナを有することを特徴とする、請求項１または２のいずれかに記載の分散アンテナ装置（１００）である。

多素子アンテナを用いることにより、複数のビームを構成できるので、親機と子機の方向調整が不要となり、電源接続のみで置局が可能となる。また、多素子アンテナでは狭ビームを用いることから、ビーム同士の干渉が抑制される。

本発明の請求項４に係る分散アンテナ装置（１００）は、前記子機（３１０−３ｎ０）は非再生中継装置であることを特徴とする、請求項１ないし３のいずれかに記載の分散アンテナ装置（１００）である。

非再生リピータでは受信した信号をそのまま送信するため光ファイバを用いたデジタル伝送のような伝送帯域の制限がない。また、非再生リピータは無線周波数信号のまま伝送するため装置内遅延が再生リピータに比べて小さい。さらに、非再生リピータはデジタル信号処理をしないため、装置サイズが小さくコストも安い。

本発明の請求項５に係る分散アンテナ装置（１００）は、前記子機の親機側アンテナ（２０６Ａ−２０６Ｚ）が複数であり、または、前記他方の子機側アンテナ（３１２Ａ−３ｎ２Ａ）が複数であることを特徴とする、請求項１ないし４のいずれかに記載の分散アンテナ装置１００である。

複数のアンテナを備えることにより、アンテナを一つしか備えない場合に比べより広範囲に対して、ビームの放射つまり送信や受信が可能となる。

全体の構成図である。 親機のブロック図である。 子機のブロック図である。 実施例１における構成図である。 実施例２における構成図である。 実施例３における構成図である。 実施例４における構成図である。 実施例５における構成図である。 実施例６における構成図である。 実施例７における構成図である。 従来技術の構成図である。

図１は、本発明における分散アンテナ装置１００の基本構成の例を示す。

基地局装置１０１と親機２００とは同軸ケーブル１０２（無線周波数信号）を介して接続される。基地局装置１０１と親機２００とは光ファイバケーブルやＬＡＮケーブル（デジタル信号）を介して接続されても良い。

親機２００はｎ個のビームを生成可能な親機側アンテナ２０６Ａおよびビーム形成部２０５を有し、周波数１のビーム１からビームｎが複数の子機３１０から子機３ｎ０に送信され、また、一部のビームｎが端末４００に向けて送信される。なお、ここではビームｎのみが端末４００に向けて送信される構成を例示しているが、他のビームｎ−１、ビームｎ−２等も端末４００に向けて送信される構成としてもよいことは言うまでもない。

子機３１０は子機側アンテナ３１１Ａにより、親機２００から送信された周波数１のビーム１を受信し、前記受信に用いた子機側アンテナ３１１Ａ以外の子機側アンテナ３１２Ａから端末４００に向けて周波数１のビーム１’を送信する。同様に、他の子機３２０〜子機３ｎ０も、親機２００から送信された周波数１のビーム２〜ビームｎを各子機の子機側アンテナにより受信し、前記受信に用いた子機側アンテナ３１１Ａ以外の子機側アンテナ３１２Ａから端末４００に向けて周波数１のビーム２’〜ビームｎ’をそれぞれ送信する。

このように、分散アンテナ装置１００は、非再生リピータとしての子機３１０から子機３ｎ０を用いて装置間を電波（空間）で伝送するため、下流装置の設置の制約が緩和される。なお、電波は反射や回折等により見通し外でも伝送できる場合があることは言うまでもない。

また、非再生リピータでは受信した信号をそのまま送信するため光ファイバを用いたデジタル伝送のような伝送帯域の制限がない。

さらに、非再生リピータは無線周波数信号のまま伝送するため装置内遅延が再生リピータに比べて小さい。また、非再生リピータはデジタル信号処理をしないため、装置サイズが小さくコストも安い。

その他に、例えば３．５ＧＨｚなどの既存の周波数を用いる従来技術の非再生リピータに使用されているアンテナはアンテナサイズの制限から素子数が多くても２０素子程度であるが、周波数を例えば２０ＧＨｚ等にすることで同じサイズで４００素子使用できるため、半値幅で比較してアンテナの指向性を非常に細くすることができ、干渉を抑えることができる。

また、今後、移動通信システムに割り当てられる周波数が数十ＧＨｚといった今までに比べ非常に高い周波数になると、伝搬損失が大きくなる。これを補うために、例えば１００素子以上の多素子アンテナが提案されている。この多素子アンテナは、アンテナ素子数を増やしアンテナ利得を大きくすることで伝搬損失を補うものであって、周波数が高くなるにつれてアンテナ素子サイズが小さくなる特性を生かしたものである。なお、一例として、２００ｍｍ×２００ｍｍの領域に、３．５ＧＨｚで１６素子、１０ＧＨｚで１００素子、２０ＧＨｚで４００素子を入れることができる。また、多素子アンテナを例えば２０素子ずつ使用し２０素子×２０素子のマトリクス状とすることで、２０個の指向性を作り出しマルチビームとすることができる。この多素子アンテナを親機２００に用いることで複数の子機に複数の指向性を向けることが可能になる。ビーム形成部２０５は、バトラーマトリックスやロトマンレンズ、アナログフェイズドアレーやベースバンド信号でのデジタルビームフォーミング等を用いることでマルチビームを生成できる。

上記の多素子アンテナの特徴としては、（１）伝搬損失をアンテナ利得で補えること、（２）分割して使用すると複数の指向性を生成できること、（３）周波数が高くなるとより多くのアンテナ素子を同一スペースに配置できること、（４）アンテナ素子が多くなると指向性（半値幅）が細くなること、（５）各素子の励振振幅・位相を適切に設定することによりサイドローブを小さくできる（サイドローブは干渉の原因になるため干渉が抑えられる）ことなどが挙げられる。

また、上記の非再生リピータの特徴としては、（１）遅延が小さい、（２）装置構成が簡単で小型、安価となること、（３）通常は信号対雑音比が悪い環境に設置され、増幅器で信号を増幅しエリアを拡張する用途で用いられるため、信号がある程度劣化してしまうと効果が出ない。一方、本発明では各機間をある程度の信号対雑音比で伝送するため（必要条件）、信号劣化が抑えられること、などが挙げられる。

図２は親機２００の構成例を示すブロック図である。

入出力部２０１は、基地局装置１０１と信号をやり取りする機能を有する。
以下、ネットワーク等から親機を通じて子機、端末にデータが送信される方向を「下り」、端末、子機から親機を通じてネットワーク側にデータが送信される方向を「上り」と呼ぶ。

親機側信号処理部２０２は、「下り」では、入力信号がＲＦ信号の場合、入力信号を中間周波数に変換後、アナログ-デジタル変換し、レベル調整や位相調整などのデジタル信号処理を行い、デジタル-アナログ変換を行ったうえで、周波数変換部２０３に渡す。また、入力信号がデジタル信号の場合、デジタル-アナログ変換、デジタル信号処理（レベル調整や位相調整等）を行い、デジタル-アナログ変換を行ったうえで、周波数変換部２０３に渡す。「上り」では、ＲＦ信号の場合、周波数変換部２０３からの信号を、アナログ-デジタル変換し、レベル調整や位相調整などのデジタル信処理を行い、デジタル-アナログ変換を行ったうえで、入出力部２０１に渡す。また、デジタル信号の場合、周波数変換部２０３からの信号をアナログ-デジタル変換、レベル調整や位相調整などのデジタル信号処理を行い、デジタル-アナログ変換を行ったうえで、入出力部２０１に渡す。そして、「下り」「上り」共通で、信号レベルや品質の監視、送受信タイミング検出や親機と子機間の遅延時間検出および遅延時間補正、子機での送受信タイミング制御等を行う。

周波数変換部２０３は、「下り」では親機側信号処理部２０２からの信号を使用する無線周波数に変換する。「上り」では送受信増幅部２０４からの信号を親機側信号処理部２０２に入力する無線周波数に変換する。

親機側送受信増幅部２０４は受け取った信号を所定の信号レベルに増幅し、また、送受信信号の合成、分離、切替等を行う。
ビーム形成部２０５は複数のビーム形成器（２０５Ａ，２０５Ｂ）を備え、マルチビームを形成する。

親機側アンテナ部２０６は、「下り」では無線周波数の電波を送信する。また、「上り」では無線周波数の電波を受信する。

図３は子機の構成を示すブロック図である。

子機側アンテナ部a（３１１）は、親局装置と信号をやり取りする機能を有する。
子機側送受信増幅部３１３は、受け取った信号を所定の信号レベルに増幅し、また、送受信信号の合成、分離、切替等を行う。

子機側アンテナ部b（３１２）は、端末４００との信号のやり取りをする機能を有する。
子機側信号処理部３１４は、信号レベルや品質の監視、送受信タイミング検出や親機から指示された遅延時間での送信受信制御等を行う。

以上の子機側アンテナ部a（３１１）、子機側アンテナ部b（３１２）、子機側送受信増幅部３１３、子機側信号処理部３１４は、信号発信部３１５を構成する。

以下、各実施形態を説明する。なお、特に記載のない限り、すべて同じ周波数を使用している。

図４は、本発明の一実施形態である実施例１における構成例である。本構成例は屋内環境に用いられ、スタジアムでバックスクリーンに親機２００を設置して、スタンドの上の屋根に子機３１０から子機３４０を配置する。親機２００は子機３１０から子機３４０にそれぞれビーム１からビーム４を放射する。子機３１０から子機３４０は観客席に向けてビームを再放射する。

オフィスのように空間が狭いと、反射や回折が多くなるため、非再生リピータでは送信した信号がもう一方のアンテナに回り込み、増幅器が発振する場合がある。このため非再生リピータはアンテナ間のアイソレーションを増幅器の増幅度以上取る必要がある。この課題については周波数が高くなると電波の直線性が強くなり反射や回折が少なくなることから緩和される。

図５は、本発明の一実施形態である実施例２における構成例である。本構成例は屋外環境で用いられるものであり、公園で親機２００から子機３１０から子機３４０にビームを放射する。子機３１０から子機３４０は、親機２００から受信したビームを周囲に再放射する。親機２００から子機（３１０−３４０）まで見通せるのが望ましいが、親機２００と子機（３１０−３４０）の間に遮蔽物があった場合、親機２００は子機（３１０−３４０）を見通せないが、反射や回折によって回線を接続できる場合がある。

図６は、本発明の一実施形態である実施例３における構成例である。本構成例はＭＩＭＯ（マイモ）に用いられる点で実施例２と異なる。親機２００は、子機３２０へＭＩＭＯ変調した信号１をビーム２の中で伝送し、子機３４０へＭＩＭＯ変調した信号２をビーム４の中で伝送し、子機３２０と子機３４０とは同じ場所に向けて電波を放射する。

図７は、本発明の一実施形態である実施例４における構成例である。本構成例は周波数変換リピータを使用するものである。

親機２００は、子機３１０から子機３ｎ０にそれぞれビーム１からビームｎを放射する。また、一部のビームｎは端末４００に向けて放射される。子機３１０から子機３ｎ０はそれぞれ、周波数２のビーム１’からビームｎ’を端末４００に向けて放射する。なお、ここではビームｎが端末４００に向けて放射される構成を例示しているが、他のビームｎ−１、ビームｎ−２等も端末４００に向けて放射される構成としてもよいことは言うまでもない。

本構成例では、子機に周波数変換機能が追加されており、親機２００から受信した信号を各子機がそれぞれのアンテナに応じた周波数に変換することができるため、子機に使用するアンテナの選択肢が増える。

また、周波数変換リピータを使用することにより、子機でのアンテナアイソレーションを問題とする必要はなくなる。ただし、周波数帯域が倍必要になる。

図８は、本発明の一実施形態である実施例５における構成例である。本構成例は、親機２００に基地局装置１０１の機能の一部または全部を取り込んでいる。具体的には、親機２００にｅＮＢの物理層の一部を取り込んでいる。

本構成例では、上位装置５００は光ファイバ５０１を介して親機２００に接続され、信号の送受信を行う。そして、親機２００は、親機側アンテナ２０６Ａを介して周波数１のビーム１からビームｎをそれぞれ子機３１０から子機３ｎ０に向けて放射し、また、一部のビームｎを端末４００に向けて放射する。なお、ここではビームｎが端末４００に向けて放射される構成を例示しているが、他のビームｎ−１、ビームｎ−２等も端末４００に向けて放射される構成としてもよいことは言うまでもない。

そして、各子機３１０から子機３ｎ０は親機２００からのビーム１からビームｎをそれぞれ受信し、周波数１のビーム１’からビームｎ’としてそれぞれ端末４００に向けて再放射する。

これにより、親機２００側に設置する装置を減らすことができる。また、上流装置（基地局装置１０１の上流に位置する装置）と親機２００との間の伝送容量を大幅に削減できる。

図９は、本発明の一実施形態である実施例６における構成例である。本構成例はバックホールに用いられている。つまり、子機が基地局装置１０１になり、親機２００は基地局装置１０１と上流装置（ネットワーク装置６００）の間を伝送するバックホール中継装置になる。

具体的には、親機２００は光ファイバ６０１を介して上流装置としてのネットワーク装置６００に接続され、信号の送受信を行う一方で、親機２００は、親機側アンテナ２０６Ａを介して周波数１のビーム１からビームｎをそれぞれ子機３１０から子機３ｎ０に向けて放射することにより、親機２００はバックホール中継装置として機能する。

そして、各子機３１０から子機３ｎ０は親機２００からのビーム１からビームｎをそれぞれ受信し、周波数１のビーム１’からビームｎ’としてそれぞれ端末４００に向けて放射することにより、基地局装置１０１として機能する。

図１０は、本発明の一実施形態である実施例７における構成例である。本構成例では各子機３１０から子機３ｎ０が、複数のアンテナ（３１１Ａ−３１１Ｚから３ｎ１Ａ−３ｎ１Ｚ、および、３１２Ａ−３１２Ｚから３ｎ２Ａ−３ｎ２Ｚ）を備えている。

具体的には、親機２００はｎ個のビームを生成可能な複数の親機側アンテナ（２０６Ａ−２０６Ｚ）およびビーム形成部２０５を有し、周波数１のビーム１からビームｎが複数の子機３１０から子機３ｎ０に送信される。

子機３１０は複数の子機側アンテナ（３１１Ａ−３１１Ｚ）により、親機２００から送信された周波数１のビーム１を受信し、前記受信に用いた複数の子機側アンテナ（３１１Ａ−３１１Ｚ）以外の複数の子機側アンテナ（３１２Ａ−３１２Ｚ）から端末４００に向けて周波数１のビーム１’を送信する。同様に、他の子機３２０〜子機３ｎ０も、親機２００から送信された周波数１のビーム２〜ビームｎを各子機の複数の子機側アンテナ（３１Ａ−３２１Ｚから３ｎ１Ａ−３ｎ１Ｚ）により受信し、前記受信に用いた子機側アンテナ以外の複数の子機側アンテナ（３１２Ａ−３１２Ｚから３ｎ２Ａ−３ｎ２Ｚ）から端末４００に向けて周波数１のビーム２’〜ビームｎ’をそれぞれ送信する。

本発明は以上の実施例に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で様々な実施例を含むことは言うまでもない。

例えば、通信方式としては、周波数複信方式や、送信、受信に同じ周波数を使用する時分割複信方式があるが、本発明における移動通信システムの分散アンテナ装置は、周波数複信方式であっても、時分割複信方式であってもよい。特に、３ＧＨｚ以上の周波数では、時分割複信方式であってもよい。

１００ 分散アンテナ装置
１０１ 基地局装置
１０２ 同軸ケーブル

２００ 親機
２０１ 入出力部
２０１Ａ 入出力端子
２０２ 親機側信号処理部
２０３ 周波数変換部
２０４ 親機側送受信増幅部
２０５ ビーム形成部
２０５Ａ ビーム形成器
２０５Ｂ ビーム形成器
２０６ 親機側アンテナ部
２０６Ａ−Ｚ 親機側アンテナ

３１０ 子機１
３１１ 子機側アンテナ部ａ
３１１Ａ−Ｚ 子機側アンテナ
３１２ 子機側アンテナ部ｂ
３１２Ａ−Ｚ 子機側アンテナ
３１３ 子機側送受信増幅部
３１４ 子機側信号処理部
３１５ 信号発信部
３２０ 子機２
３２１Ａ−Ｚ 子機側アンテナ
３２２Ａ−Ｚ 子機側アンテナ
３３０ 子機３
３４０ 子機４
３ｎ０ 子機ｎ
３ｎ１Ａ−Ｚ 子機側アンテナ
３ｎ２Ａ−Ｚ 子機側アンテナ

４００ 端末

５００ 上位装置
５０１ 光ファイバ

６００ ネットワーク装置
６０１ 光ファイバ

Claims (5)

1. 移動通信システムの分散アンテナ装置であって、
   前記分散アンテナ装置は、
   入出力端子と、親機側アンテナを備える親機と、
   複数の子機側アンテナを備える子機を有し、
   前記親機側アンテナは２以上のビーム形成器を備えるビーム形成部を有し、
   前記子機は、前記親機からの無線周波数信号を一方の子機側アンテナで受信し、そのまま増幅して前記一方の子機側アンテナとは別の他方の子機側アンテナから無線周波数信号を発信する信号発信部を有し、
   前記親機は周波数が３ＧＨｚ以上、素子数が１６以上である、多素子アンテナを有し、
   前記子機は非再生中継装置であり、
   前記親機の発信する無線周波数信号の周波数と前記子機の発信する無線周波数信号の周波数が同一であることを特徴とする、分散アンテナ装置。
2. 前記親機および前記子機は室内環境に設置されることを特徴とする、請求項１に記載の分散アンテナ装置。
3. 前記子機が周波数変換リピータを備え周波数変換機能を有することを特徴とする、請求項１または２のいずれかに記載の分散アンテナ装置。
4. 前記入出力端子は、光端子、同軸端子、または、ＬＡＮ端子であることを特徴とする、請求項１ないし３のいずれかに記載の分散アンテナ装置。
5. 前記親機からの無線周波数信号を受信する一方の子機側アンテナが複数、または、前記一方の子機側アンテナとは別の他方の子機側アンテナが複数であることを特徴とする、請求項１ないし４のいずれかに記載の分散アンテナ装置。

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