JPH11243359A - 移動通信基地局用アレーアンテナ装置及びその制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は、移動通信基地局用アレーアンテナ
装置及びその制御方法において、隣接基地局からの干渉
波を低減すると共に、通信端末に対するアンテナの指向
特性を広い円形のエリアにすることを目的とする。 【解決手段】 第１の送受信装置及び第２の送受信装置
とアンテナアレーと第１の振幅位相可変器と第２の振幅
位相可変器とを用いて、第１の基準方向から到来する第
１の既知信号と第１の振幅位相可変器を通った受信信号
とを合成した第１の合成信号を生成し、第１の既知信号
と第１の合成信号との誤差を最小化する第１のパラメー
タを第１の振幅位相可変器に与え、第１の基準方向と反
対の第２の基準方向から到来する第２の既知信号と第２
の振幅位相可変器を通った受信信号とを合成した第２の
合成信号を生成し、第２の既知信号と第２の合成信号と
の誤差を最小化する第２のパラメータを第２の振幅位相
可変器に与える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、マイクロセル移動
通信に適用できる移動通信基地局用アレーアンテナ装置
及びその制御方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、マイクロセル移動通信では、無
線基地局が周辺の建物よりも低い場所（公衆電話ボック
スや電柱など）に配置されるため、電波が道路沿いに直
進あるいは反射しながら伝搬する。このような場合、図
１３に示すように無線ゾーンは道路沿いに形成されるの
で、見通し外はエリア外となる。従って、面的なエリア
を確保するためには多数の基地局を配置する必要があ
り、設置コストがかかるという間題がある。この対策と
して、基地局アンテナを周辺の建物よりも高い場所に設
置する方法がある。

【０００３】図１４は基地局をビルの屋上に設置した場
合と電柱に設置した場合の通話エリアを示している。図
１４に示すように、基地局を高所に設置するとアンテナ
から見通せる領域が広くなり、伝搬損失も小さくなるた
め、低基地局によって生じる不感地を少ない基地局で解
消できる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、基地局アンテ
ナを屋上などの高い場所に配置した場合、隣接する基地
局からの干渉波の伝搬損失も小さくなるため、図１５に
示すように端末から到来する電波の他に、隣接基地局か
らの不要な電波も多数到来する可能性がある。従って、
基地局間の干渉が問題になる。

【０００５】例えば、個々の基地局が使用可能なチャネ
ルを探索して動作する自立分散制御方式を用いたシステ
ムでは、到来する干渉波が増えると干渉波がチャネルを
つぶしてしまうため、空きチャネルが少なくなり、最悪
の場合空きチャネルがなく基地局を動作させることがで
きないという問題が生じる。隣接の基地局からの干渉波
を低減する方法としては、指向性アンテナを用いる方法
が有効である。例えば、図１６に示すように指向性アン
テナのヌル方向を干渉波の方向に向けることによりアン
テナで受信される干渉波の数を低減することができる。

【０００６】干渉波の到来方向は一般に未知である。こ
のような未知の干渉波に対して指向性のヌルを向ける方
法は、例えば文献（R.A.Mongingo,et.al., "Introducti
on to Adaptive Array",NewYork & Sons, 1980）に示さ
れている。すなわち、アレー構成のアンテナを用い、ア
レーアンテナの各エレメントの信号に振幅及び位相の重
みづけができるような構成とする。そして、重みづけ後
の信号の合成信号と所望の信号との誤差を最小にするよ
うに、適応制御を用いて重み（振幅及び位相値）を決定
する。これにより、所望信号と相関のない干渉波に対し
てアンテナの指向性のヌルをむけることができる。

【０００７】しかし、従来技術の指向性アンテナを用い
て干渉波を低減する場合には、干渉波と同じ方向に存在
する通信端末に対しては、干渉波と同様にアンテナの利
得が低くなるため、通信品質が大きく劣下し、場合によ
っては通信ができなくなる可能性があった。本発明は、
移動通信基地局用アレーアンテナ装置及びその制御方法
において、隣接基地局からの干渉波を低減すると共に、
通信端末に対するアンテナの指向特性を広い円形のエリ
アにすることを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】請求項１の移動通信基地
局用アレーアンテナの制御方法は、第１の送受信装置及
び第２の送受信装置と、それらに共通にもしくは個々に
接続されるアンテナアレーと、該アンテナアレーを構成
する複数の素子の各々の信号と前記第１の送受信装置と
の間で各入出力信号の振幅及び位相を変える第１の振幅
位相可変器と、前記アンテナアレーを構成する複数の素
子の各々の信号と前記第２の送受信装置との間で各入出
力信号の振幅及び位相を変える第２の振幅位相可変器と
を用いて、所定の第１の基準方向を中心として±９０度
の範囲内に限定された方向から到来する少なくとも１つ
の第１の既知信号を生成し、前記第１の既知信号と、前
記第１の送受信装置で受信され前記第１の振幅位相可変
器を通った受信信号とを合成した第１の合成信号を生成
し、前記第１の既知信号と、前記第１の合成信号との誤
差を最小化する第１の振幅及び位相値を算出して該第１
の振幅及び位相値を前記第１の振幅位相可変器に与え、
前記第１の基準方向に対して反対の第２の基準方向を中
心として±９０度の範囲内に限定された方向から到来す
る少なくとも１つの第２の既知信号を生成し、前記第２
の既知信号と、前記第２の送受信装置で受信され前記第
２の振幅位相可変器を通った受信信号とを合成した第２
の合成信号を生成し、前記第２の既知信号と、前記第２
の合成信号との誤差を最小化する第２の振幅及び位相値
を算出して該第２の振幅及び位相値を前記第２の振幅位
相可変器に与えることを特徴とする。

【０００９】本発明によれば、第１の送受信装置に対す
るアンテナの指向特性と第２の送受信装置に対するアン
テナの指向特性とは互いに独立に調整される。また、第
１の送受信装置に対するアンテナの指向特性のヌル方向
と第２の送受信装置に対するアンテナの指向特性のヌル
方向とが互いに反対方向に形成されるため、第１の送受
信装置と第２の送受信装置とを含む基地局全体としての
アンテナの指向特性を、円形に近づけることが可能であ
る。

【００１０】第１の送受信装置に対するアンテナの指向
特性を決定する第１の振幅及び位相値は、第１の合成信
号と第１の既知信号との誤差を最小化するように決定さ
れる。第１の既知信号は、第１の基準方向を中心として
±９０度の範囲内に限定された方向から到来する少なく
とも１つの所望波に相当する。従って、第１の振幅及び
位相値を第１の振幅位相可変器に与えると、第１の送受
信装置に対するアンテナの指向特性においては、第１の
基準方向を中心として±９０度の範囲内ではアンテナ利
得の分布が平坦になり、第１の基準方向とは反対の第２
の基準方向を中心として±９０度の範囲内にヌル点が形
成される。

【００１１】このため、第１の送受信装置については第
２の基準方向に近い方向から到来する干渉波の影響を低
減できる。第１の基準方向を中心として±９０度の範囲
内の方向から到来する所望波は、減衰することなく第１
の送受信装置で受信される。一方、第２の送受信装置に
対するアンテナの指向特性を決定する第２の振幅及び位
相値は、第２の合成信号と第２の既知信号との誤差を最
小化するように決定される。第２の既知信号は、第２の
基準方向を中心として±９０度の範囲内に限定された方
向から到来する少なくとも１つの所望波に相当する。

【００１２】従って、第２の振幅及び位相値を第２の振
幅位相可変器に与えると、第２の送受信装置に対するア
ンテナの指向特性においては、第２の基準方向を中心と
して±９０度の範囲内ではアンテナ利得の分布が平坦に
なり、第２の基準方向とは反対の第１の基準方向を中心
として±９０度の範囲内にヌル点が形成される。このた
め、第２の送受信装置については第１の基準方向に近い
方向から到来する干渉波の影響を低減できる。第２の基
準方向を中心として±９０度の範囲内の方向から到来す
る所望波は、減衰することなく第２の送受信装置で受信
される。

【００１３】従って、所望波と干渉波の到来方向が近い
場合であっても、所望波と干渉波の到来時刻（スロッ
ト）が異なる場合には所望波を受信できる。例えば、第
１の送受信装置の指向特性のヌル点を干渉波に向ける
と、第２の送受信装置の指向特性においては所望波に対
してアンテナ利得が低下しないので、第２の送受信装置
で所望波を受信できる。送信についても同様である。

【００１４】請求項２は、請求項１記載の移動通信基地
局用アレーアンテナの制御方法において、受信信号のレ
ベルを所定の閾値と比較して、受信信号のレベルが前記
閾値よりも大きい時に現れる信号成分を抽出し、抽出さ
れた信号成分に基づいて前記第１の振幅及び位相値及び
第２の振幅及び位相値を算出することを特徴とする。制
御対象基地局の信号と干渉波とのスロットタイミングが
同期していない場合には、１つのスロットの途中で干渉
波が発生又は消滅することになる。各スロット内の全時
間にわたって検出される信号に基づいてアンテナの指向
特性を制御すると、スロットの途中で発生又は消滅する
干渉波の影響によって、誤動作が生じる可能性がある。

【００１５】例えば、スロットの前半のみに干渉波が含
まれる場合、スロット後半の干渉波の監視制御によっ
て、干渉波を除去しないように最終的な指向特性が決定
される可能性がある。本発明では、受信信号のレベルが
閾値よりも大きい時に現れる信号成分を抽出し、抽出さ
れた信号成分に基づいて第１の振幅及び位相値及び第２
の振幅及び位相値を算出するので、上記のような誤動作
を防止できる。

【００１６】請求項３の移動通信基地局用アレーアンテ
ナ装置は、第１の送受信装置及び第２の送受信装置と、
前記第１の送受信装置及び第２の送受信装置に共通にも
しくは個々に接続されるアンテナアレーと、前記アンテ
ナアレーを構成する複数の素子の各々の信号と前記第１
の送受信装置との間で各入出力信号の振幅及び位相を変
える第１の振幅位相可変器と、前記アンテナアレーを構
成する複数の素子の各々の信号と前記第２の送受信装置
との間で各入出力信号の振幅及び位相を変える第２の振
幅位相可変器と、所定の第１の基準方向を中心として±
９０度の範囲内に限定された方向から到来する少なくと
も１つの第１の既知信号を生成し、前記第１の既知信号
と、前記第１の送受信装置で受信され前記第１の振幅位
相可変器を通った受信信号とを合成した第１の合成信号
を生成し、前記第１の既知信号と、前記第１の合成信号
との誤差を最小化する第１の振幅及び位相値を算出して
該第１の振幅及び位相値を前記第１の振幅位相可変器に
与え、前記第１の基準方向に対して反対の第２の基準方
向を中心として±９０度の範囲内に限定された方向から
到来する少なくとも１つの第２の既知信号を生成し、前
記第２の既知信号と、前記第２の送受信装置で受信され
前記第２の振幅位相可変器を通った受信信号とを合成し
た第２の合成信号を生成し、前記第２の既知信号と、前
記第２の合成信号との誤差を最小化する第２の振幅及び
位相値を算出して該第２の振幅及び位相値を前記第２の
振幅位相可変器に与える指向特性制御手段とを設けたこ
とを特徴とする。

【００１７】請求項４は、請求項３記載の移動通信基地
局用アレーアンテナ装置において、前記アンテナアレー
を構成する素子の数を３とし、前記３つの素子を水平面
に正三角形に配列し、前記３つの素子の間隔を０．４０
波長以上、０．５０波長以下の範囲内に定めたことを特
徴とする。

【００１８】

【発明の実施の形態】（第１の実施の形態）この形態の
移動通信基地局用アレーアンテナ装置の構成と動作を図
１〜図５並びに図１０〜図１６に示す。この形態は、請
求項１，請求項３及び請求項４に対応する。

【００１９】図１は第１の実施の形態の移動通信基地局
用アレーアンテナ装置の構成の概略を示すブロック図で
ある。図２は図１の装置における空きスロット探索処理
の内容を示すフローチャートである。図３は利用可能な
スロットを確保できる最大のアンテナ高を示すグラフで
ある。図４は図１の装置における２つの送受信装置の水
平面内指向特性を示すグラフである。図５は図１の装置
におけるアンテナの指向性制御系の構成を示すブロック
図である。

【００２０】図１０はアレーアンテナの具体例を示す斜
視図である。図１１はアレーアンテナの素子間隔と指向
特性との関係を示すグラフである。図１２はアンテナの
水平面内指向特性を示すグラフである。図１３は図１の
装置が利用される環境における各基地局の配置例を示す
平面図である。図１４は図１の装置が利用される環境に
おける各基地局の通話エリアの例を示す斜視図である。
図１５は図１の装置が受信する干渉波の経路の例を示す
斜視図である。図１６はアンテナの指向特性と干渉波の
到来方向の例を示す平面図である。

【００２１】この形態では、請求項１の第１の送受信装
置，第２の送受信装置，第１の振幅位相可変器，第２の
振幅位相可変器は、第１送受信装置１３，第２送受信装
置１４，振幅位相可変部１５及び１６として具体化され
ている。また、請求項１のアンテナアレーはアレーアン
テナ１１及び１２として具体化されている。

【００２２】更に、請求項１の第１の既知信号及び第２
の既知信号の到来方向は、それぞれ図２のステップＳ１
２及びＳ２４で決定される。請求項３の指向特性制御手
段は、振幅位相制御部１７として具体化されている。図
１を参照すると、この移動通信基地局用アレーアンテナ
装置は、アレーアンテナ１１，１２，第１送受信装置１
３，第２送受信装置１４及び振幅位相制御部１７で構成
されている。

【００２３】第１送受信装置１３及び第２送受信装置１
４は、各々、受信部１１２，Ａ／Ｄ変換器１８，振幅位
相可変部１５，送信部１１３，Ｄ／Ａ変換器１９，振幅
位相可変部１６，ロジック部１１４を備えている。振幅
位相制御部１７は、重み保存メモリ１１０及び既知信号
発生部１１１を備えている。第１送受信装置１３に接続
されたアレーアンテナ１１及び第２送受信装置１４に接
続されたアレーアンテナ１２は、各々、３つの素子で構
成されている。

【００２４】第１送受信装置１３の振幅位相可変部１５
は、アレーアンテナ１１で受信された３系統のそれぞれ
の受信信号に対して、振幅及び位相を調整する機能を有
する。第１送受信装置１３の振幅位相可変部１６は、ア
レーアンテナ１１のそれぞれの素子から送信される３系
統の送信信号に対して、振幅及び位相を調整する機能を
有する。

【００２５】同様に、第２送受信装置１４の振幅位相可
変部１５は、アレーアンテナ１２で受信された３系統の
それぞれの受信信号に対して、振幅及び位相を調整する
機能を有する。第２送受信装置１４の振幅位相可変部１
６は、アレーアンテナ１２のそれぞれの素子から送信さ
れる３系統の送信信号に対して、振幅及び位相を調整す
る機能を有する。

【００２６】アンテナ１１又は１２で受信された３系統
の信号は、第１送受信装置１３又は第２送受信装置１４
の振幅位相可変部１５において位相及び振幅が調整され
た後、ロジック部１１４の内部で合成される。振幅位相
可変部１５における操作量である位相及び振幅の調整量
を変えることにより、受信する信号に対するアレーアン
テナ１１，１２の指向特性が調整される。

【００２７】同様に、振幅位相可変部１６における位相
及び振幅の調整量を変えることにより、送信する信号に
対するアレーアンテナ１１，１２の指向特性が調整され
る。一般にアレーアンテナは指向性を有している。この
指向特性においては、特定の方向に対してアンテナ利得
が非常に小さくなるヌル点が形成される。振幅位相可変
部１５，１６の操作量を調整すると、アンテナ１１，１
２の指向特性のヌル点の方向を変えることができる。

【００２８】従って、図１６に示すように指向特性のヌ
ル点の方向が干渉波の到来方向と一致するように指向特
性を制御すれば、干渉波の影響を低減できる。なお、図
１においてはディジタル信号処理によって信号の振幅及
び位相を調整する構成を示してあるが、アナログ信号処
理回路を用いて信号の振幅及び位相を調整するように構
成を変更しても良い。

【００２９】図１に示すように、第１送受信装置１３及
び第２送受信装置１４は、振幅位相制御部１７と接続さ
れている。干渉波の検出のために、第１送受信装置１３
又は第２送受信装置１４で受信された３系統の信号が振
幅位相制御部１７に入力される。振幅位相制御部１７
は、アレーアンテナ１１及び１２の指向特性を決定する
振幅及び位相値（図５のＰ１，Ｐ２）を算出する。アレ
ーアンテナ１１の指向特性を決定する振幅及び位相値Ｐ
１は第１送受信装置１３に与えられ、アレーアンテナ１
２の指向特性を決定する振幅及び位相値Ｐ２は第２送受
信装置１４に与えられる。

【００３０】図１の装置におけるアンテナの指向特性制
御系の基本構成を図５に示す。図５に示す制御系につい
て説明する。図１の装置においては、信号を送信する前
に、アレーアンテナ１１又は１２の指向特性を調整しな
がら空きスロットの有無を調べる。従って、そのときに
図１の装置（基地局）に到来する信号は全て干渉信号で
あり、所望波は存在しない。

【００３１】一般に、この種の指向性制御においては干
渉波の成分をできる限り低減し、所望波の成分を抽出で
きるようにアンテナの指向特性を制御する。そこで、望
ましい指向特性の検出を可能にするために、所望波の代
わりの既知信号を用意してある。図１及び図５に示す既
知信号発生部１１１が、所望波の代わりの既知信号を少
なくとも１つ発生する。実際には、ＰＮ符号などの疑似
乱数を変調した信号を既知信号として用いている。

【００３２】位相可変部５１，５２，５３は、既知信号
発生部１１１が出力する既知信号から、所定の方向θｏ
から到来する既知信号を生成するために、位相をそれぞ
れ調整した信号を生成する。位相可変部５１，５２及び
５３の位相調整量は、既知信号の方向θｏと、アンテナ
アレーの素子配列及び素子間隔により決定される。

【００３３】アンテナ１１（又は１２）の３つの素子の
それぞれの位置ベクトルがｒ１，ｒ２及びｒ３で表され
る場合には、位相可変部５１の位相調整量φ１，位相可
変部５２の位相調整量φ２及び位相可変部５３の位相調
整量φ３は、それぞれ次式で表される。 φ１＝ｋ・ｒ１ ・・・（１） φ２＝ｋ・ｒ２ ・・・（２） φ３＝ｋ・ｒ３ ・・・（３） ｋ＝２π／λ・（ｉ・cosθo＋ｊ・sinθo） ・・・（４） ｉ：水平面内のＸ軸方向の単位ベクトル ｊ：水平面内のＹ軸方向の単位ベクトル λ：波長 Ａ／Ｄ変換器１８から出力される３系統の受信信号は、
信号選択部３０を介して信号合成部５４，５５及び５６
にそれぞれ印加される。信号合成部５４，５５及び５６
は、それぞれ位相可変部５１，５２及び５３が出力する
信号と前記受信信号とを合成した信号を出力する。

【００３４】信号合成部５４，５５及び５６が出力する
信号は、それぞれ振幅位相可変部５７，５８及び５９で
振幅及び位相を調整された後、信号合成部６０に印加さ
れる。振幅位相可変部５７，５８及び５９のそれぞれの
振幅及び位相の調整量は、ＬＭＳ制御部５０により制御
される。信号合成部６０は、振幅位相可変部５７が出力
する信号，振幅位相可変部５８が出力する信号及び振幅
位相可変部５９が出力する信号を合成して出力する。

【００３５】ＬＭＳ制御部５０は、信号合成部６０が出
力する合成信号と、既知信号発生部１１１が出力する既
知信号との差を最小にするのに必要な振幅及び位相値Ｐ
１（又はＰ２）を、ＬＭＳ（Ｌｅａｓｔ Ｍｅａｎ Ｓ
ｑｕａｒｅ）法などの適応アルゴリズムを用いて、振幅
位相可変部５７，５８，５９の重み（振幅と位相値）を
調整しながら探索する。

【００３６】ＬＭＳ制御部５０によって求められた振幅
及び位相値Ｐ１（Ｐ２）を振幅位相可変部１５（１６）
に与えることにより、干渉波の影響が最小になるように
アレーアンテナ１１（１２）の指向特性を調整して送受
信できる。求められた振幅及び位相値Ｐ１及びＰ２は、
図１に示す重み保存メモリ１１０に保持される。図２に
示す処理は、多数のスロットの中から利用可能な空きス
ロットを探すための制御である。干渉波の影響を低減す
るとともに、様々な方向に存在する通信端末との間で通
信を可能にするために、アレーアンテナ１１及び１２の
指向特性の調整を自動的に実行する。

【００３７】アレーアンテナ１１及び１２はそれぞれが
指向性を有するが、この例では、アレーアンテナ１１及
び１２の指向特性を合成した基地局の総合的な指向特性
が円形に近づくように制御される。以下、図２に示す処
理について説明する。

【００３８】図２において、ステップＳ１１〜Ｓ２１は
第１送受信装置１３に対するアレーアンテナ１１の指向
特性を調整するための処理であり、ステップＳ２３〜Ｓ
３０は第２送受信装置１４に対するアレーアンテナ１２
の指向特性を調整するための処理である。第１送受信装
置１３に対するアレーアンテナ１１の指向特性を調整す
るために、ステップＳ１１では、信号選択部３０を制御
して第１送受信装置１３のＡ／Ｄ変換器１８が出力する
３系統の受信信号を、各々信号合成部５４，５５，５６
に印加する。

【００３９】ステップＳ１２では、所望波の代わりに利
用する既知信号の到来方向（水平面内の方向）を、予め
定めた方向θｏにセットする。すなわち、既知信号発生
部１１１が出力する信号の位相を位相可変部５１，５
２，５３でそれぞれ調整することにより、アレーアンテ
ナ１１で受信される方向θｏからの所望波の信号と等価
な信号を生成する。

【００４０】実際には、位相可変部５１，５２，５３の
それぞれの位相調整量は、前記第１式，第２式及び第３
式により決定される。ステップＳ１３では、図５に示す
信号合成部５４，５５，５６において、上記既知信号と
第１送受信装置１３の受信信号とを合成した合成信号を
生成する。ステップＳ１４では、振幅位相可変部５７，
５８，５９で重み付けされた前記合成信号を図５に示す
信号合成部６０で合成し、３系統の信号の総和を求め
る。

【００４１】ステップＳ１５では、図５に示すＬＭＳ制
御部５０において、既知信号発生部１１１が出力する既
知信号と、信号合成部６０が出力する合成信号との誤差
が最小になるような振幅位相可変部５７，５８，５９の
重み（振幅，位相）を、所定のＬＭＳアルゴリズムを用
いて算出する。１つのバーストの期間中、ステップＳ１
３，Ｓ１４，Ｓ１５の処理が繰り返し実行される。１つ
のバーストの期間が終了すると、ステップＳ１６からＳ
１７に進む。ステップＳ１７では、上記ステップＳ１５
の処理で求められた重み（振幅，位相）を第１送受信装
置１３の振幅位相可変部１５及び１６に振幅及び位相値
Ｐ１として出力する。

【００４２】ステップＳ１８では、上記処理の対象バー
ストが含まれるスロットに干渉波が現れているか否かを
識別する。すなわち、合成信号のレベルを所定の閾値と
比較する。合成信号のレベルが閾値以下であれば干渉波
が除去されているので空きスロットとみなしステップＳ
２３に進む。干渉波が検出された場合には、ステップＳ
１８からＳ１９に進む。ステップＳ１９では、全バース
トの処理が終了したか否かを識別する。全バーストが終
了してなければ、ステップＳ１９からＳ２０に進み、次
バーストの探索を開始する。

【００４３】全バーストの処理が終了した場合には、ス
テップＳ１９からＳ２１に進む。ステップＳ２１では、
３６０度の全方向にわたる探索処理が終了したか否かを
識別する。全方向の探索処理が終了してなければ、ステ
ップＳ２１からＳ２２に進み、既知信号の方向θｏを変
更する。空きスロットを検出できないまま全方向の探索
処理が終了すると、探索失敗とみなす。

【００４４】アレーアンテナ１１と第１送受信装置１３
を利用した上記空きスロットの探索で空きスロットを検
出した場合には、ステップＳ２３に進む。ステップＳ２
３では、第２送受信装置１４に対するアレーアンテナ１
２の指向特性を調整するために、信号選択部３０を制御
して第２送受信装置１４のＡ／Ｄ変換器１８が出力する
３系統の受信信号を、各々信号合成部５４，５５，５６
に印加する。

【００４５】ステップＳ２４では、所望波の代わりに利
用する既知信号の到来方向を、上記既知信号の方向θｏ
とは反対の方向（θｏ＋１８０度）にセットする。この
方向（θｏ＋１８０度）から到来する既知信号が得られ
るように、位相可変部５１，５２，５３の位相調整量を
それぞれ調整する。位相可変部５１，５２，５３のそれ
ぞれの位相調整量は、前記第１式，第２式及び第３式に
より決定される。

【００４６】ステップＳ２５では、前記ステップＳ１
３，Ｓ１４，Ｓ１５と同様の処理により、アレーアンテ
ナ１２及び第２送受信装置１４で受信された受信信号と
既知信号とを合成した合成信号を生成し、合成信号と前
記既知信号との誤差を最小にするための振幅位相可変部
５７，５８，５９の重み（振幅，位相）を、ＬＭＳアル
ゴリズムを用いて算出する。

【００４７】１つのバーストの期間中、ステップＳ２５
の処理が繰り返し実行される。１つのバーストの期間が
終了すると、ステップＳ２６からＳ２７に進む。ステッ
プＳ２７では、上記ステップＳ２５の処理で求められた
重み（振幅，位相）を第２送受信装置１４の振幅位相可
変部１５及び１６に振幅及び位相値Ｐ２として出力す
る。

【００４８】ステップＳ２８では、上記処理の対象バー
ストが含まれるスロットに干渉波が現れているか否かを
識別する。干渉波が検出されなければ、空きスロットと
みなし処理を終了する（探索成功）。干渉波が検出され
た場合には、ステップＳ２８からＳ２９に進む。ステッ
プＳ２９では、全バーストの処理が終了したか否かを識
別する。全バーストが終了してなければ、ステップＳ２
９からＳ３０に進み、次バーストの探索を開始する。

【００４９】全バーストの処理が終了した場合には、ス
テップＳ２９からＳ２２に進み、既知信号の方向θｏを
変更する。図２に示す処理においては、アレーアンテナ
１１及び第１送受信装置１３の指向特性を決定する際に
用いる既知信号の到来方向（ステップＳ１２のθｏ）
と、アレーアンテナ１２及び第２送受信装置１４の指向
特性を決定する際に用いる既知信号の到来方向（ステッ
プＳ２４のθｏ＋１８０度）とを互いに反対の方向に決
定している。

【００５０】方向θｏから到来する所望波と等価な既知
信号を用いてアレーアンテナ１１及び第１送受信装置１
３の指向特性を決定すると、その指向特性は、方向θｏ
に向かう軸を中心とする半面のアンテナ利得が平坦化さ
れ、反対方向（θｏ＋１８０度）の半面の中にヌル点が
形成される。また、方向θｏ反対の方向（θｏ＋１８０
度）から到来する所望波と等価な既知信号を用いてアレ
ーアンテナ１２及び第２送受信装置１４の指向特性を決
定すると、その指向特性は、反対方向（θｏ＋１８０
度）に向かう軸を中心とする半面のアンテナ利得が平坦
化され、正面方向（θｏ）の半面の中にヌル点が形成さ
れる。

【００５１】第１送受信装置１３と第２送受信装置１４
とに対して、互いに反対方向から到来する既知信号を用
いて指向特性を決定することにより、例えば図４に示す
ような指向特性が得られる。図４の例では、９０度方向
を中心として±９０度の範囲内では、第１送受信装置１
３の指向性が平坦であり、第２送受信装置１４の指向性
にはヌル点が形成されている。また、２７０度方向を中
心として±９０度の範囲内では、第１送受信装置１３の
指向性にヌル点が形成され、第２送受信装置１４の指向
性は平坦になっている。

【００５２】従って、このような指向特性に調整された
第１送受信装置１３と第２送受信装置１４とを用いるこ
とにより、３６０度の全ての方向に対してアンテナ利得
を低下させることなく信号の送受信が可能になる。つま
り、無指向性の基地局が実現される。また、アンテナの
ヌル点の方向を干渉波の到来方向と一致させることによ
り、干渉波の影響は低減される。

【００５３】所望波の到来方向と干渉波の到来方向とが
近い場合であっても、所望波と干渉波とが異なるスロッ
トで現れる場合には、第１送受信装置１３と第２送受信
装置１４のと切替により、干渉波を低減し、所望波は低
減させずに受信できる。図２の処理においては、第１送
受信装置１３及び第２送受信装置１４に対する既知信号
が各々１つだけの場合を示してあるが、互いに到来方向
が異なる複数の既知信号を合成したものを用いて指向特
性の振幅及び位相値を算出してもよい。

【００５４】第１送受信装置１３の指向特性を決定する
際に複数の既知信号を用いる場合には、それらの既知信
号の到来方向θを次の第５式を満足する範囲内に限定す
ることにより、方向θｏに向かう軸を中心とする半面の
指向特性が均一化される。その反対側の半面にヌル点が
形成される。 θｏ−９０≦θ≦θｏ＋９０（度） ・・・（５） また、第２送受信装置１４の指向特性を決定する際に複
数の既知信号を用いる場合には、それらの既知信号の到
来方向θを次の第６式を満足する範囲内に限定すること
により、方向θｏに向かう軸を中心とする半面にヌル点
を形成し、その反対側の半面の指向特性を均一化でき
る。

【００５５】 (θｏ＋１８０)−９０≦θ≦(θｏ＋１８０)＋９０（度）・・・（６） なお、この形態では受信装置および送信装置等におい
て、各ブランチ毎の振幅や位相の不一致はないものと仮
定している。これらの不一致がある場合には、あらかじ
め調べてテーブル化しておくことで補正が可能である。
図１に示す装置における発明の効果を確認するために、
以下に示す計算機シミュレーションを実施した。シミュ
レーション対象の具体的な通信システムとしては、単一
周波数で時間的に分割された６８個のスロットを用い、
複数の基地局が異なる時間で通信することにより同時に
多数の基地局が動作するＴＤＭＡ方式を仮定した。

【００５６】また、基地局の置局環境としては、高さ７
ｍの低アンテナ高基地局が多数配置されているエリア
に、高さＨの高アンテナ高基地局が１つ設置された環境
を仮定した。このときの、高アンテナ高基地局が通信ス
ロットを確保できる最大のアンテナ高を、比較例として
無指向性アンテナを用いた場合と、本発明のアンテナの
場合とで比較した。

【００５７】各通信スロットの利用可否については、各
スロットに到来する信号強度がある閾値を越えるか否か
によって判定した。また、すべての基地局のスロットタ
イミングの同期は確立されているものと仮定した。シミ
ュレーションの結果求められた空きスロットを確保でき
る最大のアンテナ高を図３に示す。計算に用いた振幅及
び位相値は、図３に示す通りである。

【００５８】図３を参照すると、無指向性アンテナの場
合には、基地局高を１２ｍ以上にすると干渉により全て
のスロットが埋るのに対し、本発明では３０ｍまで基地
局高を上げても空きスロットを確保できることがわか
る。このアンテナ高の差をゾーン長に換算すると、本発
明を用いた場合のゾーン長は、無指向性アンテナを用い
る場合に比べて１．４倍になる。

【００５９】この形態における第１送受信装置１３及び
第２送受信装置１４の指向性の一例を図４に示す。図４
を参照すると、第１送受信装置１３及び第２送受信装置
１４が、それぞれタイミング（スロット）及び到来方向
が異なる１つもしくは複数の干渉波にヌル点を形成し、
しかも総合的な指向性はほぼ無指向性になっていること
が確認できる。

【００６０】図１に示したアレーアンテナ１１，１２の
具体例を図１０に示す。図１０においては、３つのコリ
ニアアンテナ２５１を水平面内に正三角形アレーを構成
するように配置してある。３つのコリニアアンテナ２５
１の素子間隔は０．４２波長に定めてある。第１送受信
装置１３の指向性のヌル方向を第２送受信装置１４で拘
束する場合、ヌルの数は少ない方が望ましい。また、円
形のセルを実現する上で、ヌルと反対側はできるだけ一
様なパターンが望ましい。さらに、ヌル方向は任意の方
向に形成することが望ましい。一方、装置構成を簡単に
するためには、素子数はできるだけ少なくすることが望
ましい。

【００６１】例えば、公知の文献（ANTENNA ENGINEERIN
G HANDBOOK,Chapter 5.5-4, HENRYJASIK, Editor, McGR
AW-HILL BOOK COMPANY, 1961）に示される２素子アレー
の素子間隔，素子間位相差及び指向性の関係を参照する
と、２素子アレーの場合、素子間隔を１／４波長とし、
素子間位相差を９０度にすると単一指向性が実現できる
が、ヌルが相対する指向性は位置方向にしか形成できな
い。

【００６２】一方、図１０に示すような三角形配列の３
素子のアレーアンテナにおいては、単一指向性を少なく
とも図１２に示す６方向に実現できる。すなわち、全周
をカバーできるため、３素子が素子数として最適である
ことがわかる。図１０に示すような３素子正三角形配列
アレーに対して、単一指向性（ヌル方向：１８０度）の
励振とした場合のビーム方向反対面（−９０度〜＋９０
度方向）の最大利得からの利得の低下の最大値を図１１
（ａ）に示す。

【００６３】図１１（ａ）を参照すると、２つの指向性
でビーム方向が相対するパターンを重ねあわせた時の真
円度として一般的な３ｄＢを得るためには、素子間隔を
０．４０波長以上、かつ０．５０波長以下とする必要が
あることがわかる。従って、３素子正三角形配列アレー
で、素子間隔を０．４０波長以上、かつ０．５０波長以
下にすると、２つの相対する指向性を重ね合せたとき
に、最小の素子数で真円度３ｄＢ以内の無指向性パター
ンが得られることがわかる。

【００６４】また、図１１（ｂ）に示すように、素子間
隔を０．４〜０．５波長にすると、ヌル方向の反対方向
に、ブロードな指向性パターンを形成できる。０．４０
〜０．５０波長は、一般に移動通信に用いられている２
ＧＨｚの周波数では約６−８ｃｍ程度に相当するので、
図１０に示すように１つのレドーム２５２にアンテナ全
体を収納できる。

【００６５】（第２の実施の形態）この形態の移動通信
基地局用アレーアンテナ装置の構成と動作を図６〜図９
に示す。この形態は全ての請求項に対応する。図６はこ
の形態の移動通信基地局用アレーアンテナ装置の構成の
概略を示すブロック図である。図７は図６の装置におけ
る空きスロット探索処理の内容を示すフローチャートで
ある。図８は受信される信号の例を示すタイムチャート
である。図９は図６の装置における２つの送受信装置の
水平面内指向特性を示すグラフである。

【００６６】この形態は、前記第１の実施の形態の変形
例である。第１の実施の形態と同一の構成要素及び処理
ステップには、同一の符号及びステップ番号を付けて示
してある。図示しない部分及び説明しない部分について
は、第１の実施の形態と同一である。図６を参照する
と、この移動通信基地局用アレーアンテナ装置は、アレ
ーアンテナ１１，１２，第１送受信装置１３，第２送受
信装置１４及び振幅位相制御部１７Ｂで構成されてい
る。

【００６７】振幅位相制御部１７Ｂは、既知信号発生部
１１１，受信レベル検出器２１１，レベル判定部２１２
を備えている。第１送受信装置１３及び第２送受信装置
１４は、振幅位相制御部１７Ｂと接続されている。干渉
波の検出のために、第１送受信装置１３又は第２送受信
装置１４で受信された３系統の信号が振幅位相制御部１
７Ｂに入力される。

【００６８】ＴＤＭＡ通信システムにおいては、各基地
局はある決められたスロットタイミングで信号を送出す
る。隣接する基地局の送出タイミングが全て同期してい
る場合には、図８（ａ）に示すように、干渉基地局から
の送出パルスはスロット毎にきれいに収まる。しかし基
地局間で同期していない場合には、図８（ｂ）に示すよ
うに１つの干渉パルスが２つのスロットにまたがって観
測される。

【００６９】第１の実施の形態のように、各スロット内
の全期間の受信信号を監視してアンテナの指向特性を決
定する場合には、干渉波がスロット内の全体を通して現
れていない限り、干渉波を抑制するための指向性制御が
うまく作動しない可能性がある。

【００７０】例えば、図８（ｂ）において、スロット番
号２，５，８で示されるスロットのように、スロットの
途中で干渉信号がなくなると、その時点からはその干渉
波の方向にヌルを向ける必要がなくなるので、スロット
内を全体を探索して最終的に求まる重みは、スロット前
半に到来していた干渉波を抑制しない場合がある。この
ような誤動作を防止するために、この形態では、図７に
示す処理において、ステップＳ４１及びＳ４２が追加さ
れている。ステップＳ４１及びＳ４２では、受信された
信号のレベルを予め定めた閾値と比較する。この閾値
は、干渉波の有無を識別するために利用される。

【００７１】従って、図７のステップＳ１３，Ｓ１４，
Ｓ１５及びＳ２５が実行されるのは、受信レベルが閾値
よりも大きい場合だけである。つまり、受信した信号の
うち、閾値を越える成分のみが抽出され、抽出された信
号成分だけに基づいて指向性制御が実施される。この制
御方法のように、受信信号があるレベル以上の場合にの
み重み探索のアルゴリズムを動作させることによって、
干渉信号が到来している場合にだけアルゴリズムをきち
んと動作させることができる。従って、各スロットで最
後に求まる重みは、干渉方向にヌルを向けるように決定
される。

【００７２】この形態における発明の効果を確認するた
めに、既に説明した図３と同じ環境でシミュレーション
を行った。ただし、基地局間の信号送出タイミングは非
同期で、一様の確率で送出しているものとした。また、
１スロットの時間を２００分割したものをシンボルと呼
ぶ単位で表す。すなわち、１スロットのシンボル数は２
００に定めた。

【００７３】第１の実施の形態のように、スロット内の
全体の受信信号に基づいて重み探索を実施した場合の最
終の指向性パターンを図８（ａ）に示す。また、図７の
ステップＳ４１，Ｓ４２の閾値を１０ｄＢμＶに定め
て、受信信号が１０ｄＢμＶ以上の場合にのみ重み探索
を行った場合の最終の指向性パターンを図８（ｂ）に示
す。

【００７４】図８において、第１送受信装置１３に形成
される指向性については、干渉波がスロットの途中（５
５シンボル目）から到来し、スロットの最後まで干渉波
が到来した状態が継続するため、（ａ），（ｂ）の指向
性は同じである。一方、第２送受信装置１４に形成され
る指向性については、（ａ），（ｂ）に違いがある。す
なわち、干渉波がスロットの途中（１６３シンボル目）
で到来しなくなるため、スロット全ての間で重み探索を
行う図８（ａ）の例で得られる指向性パターンは、干渉
が到来している方向とヌルとが一致していない。

【００７５】一方、図８（ｂ）に示す本発明の例では、
干渉波が実際に検出された期間の信号成分のみを探索す
るので、干渉波の方向と指向性のヌル方向とが一致す
る。なお、上記第１の実施の形態及び第２の実施の形態
では、使用するアレーアンテナの素子数が３の場合につ
いて説明したが、必要に応じてアンテナの素子数を変更
してもよい。

【００７６】また、上記第１の実施の形態及び第２の実
施の形態では、既知信号と出力信号との誤差が最小にな
るように指向性を制御するアルゴリズムとして、ＬＭＳ
法を用いているが、ＬＭＳ法以外のＭＭＳＥ（Mininum
mean square error）法を用いてもよい。

【００７７】

【発明の効果】以上述べたように、本発明を用いると、
隣接基地局からの干渉を低減できるため、高所に基地局
が設置できるとともに円形のセルを構成することがで
き、従来に比べてマイクロセルの通話エリアを拡大する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施の形態の移動通信基地局用アレーア
ンテナ装置の構成の概略を示すブロック図である。

【図２】図１の装置における空きスロット探索処理の内
容を示すフローチャートである。

【図３】利用可能なスロットを確保できる最大のアンテ
ナ高を示すグラフである。

【図４】図１の装置における２つの送受信装置の水平面
内指向特性を示すグラフである。

【図５】図１の装置におけるアンテナの指向性制御系の
構成を示すブロック図である。

【図６】第２の実施の形態の移動通信基地局用アレーア
ンテナ装置の構成の概略を示すブロック図である。

【図７】図６の装置における空きスロット探索処理の内
容を示すフローチャートである。

【図８】受信される信号の例を示すタイムチャートであ
る。

【図９】図６の装置における２つの送受信装置の水平面
内指向特性を示すグラフである。

【図１０】アレーアンテナの具体例を示す斜視図であ
る。

【図１１】アレーアンテナの素子間隔と指向特性との関
係を示すグラフである。

【図１２】アンテナの水平面内指向特性を示すグラフで
ある。

【図１３】図１の装置が利用される環境における各基地
局の配置例を示す平面図である。

【図１４】図１の装置が利用される環境における各基地
局の通話エリアの例を示す斜視図である。

【図１５】図１の装置が受信する干渉波の経路の例を示
す斜視図である。

【図１６】アンテナの指向特性と干渉波の到来方向の例
を示す平面図である。

【符号の説明】

１１，１２ アレーアンテナ １３ 第１送受信装置 １４ 第２送受信装置 １５，１６ 振幅位相可変部 １７，１７Ｂ 振幅位相制御部 １８ Ａ／Ｄ変換器 １９ Ｄ／Ａ変換器 ３０ 信号選択部 ５０ ＬＭＳ制御部 ５１，５２，５３ 位相可変部 ５４，５５，５６，６０，１１５ 信号合成部 ５７，５８，５９ 振幅位相可変部 １１０ 重み保存メモリ １１１ 既知信号発生部 １１２ 受信部 １１３ 送信部 １１４ ロジック部 ２１１ 受信レベル検出器 ２１２ レベル判定部 ２５１ コリニアアンテナ ２５２ レドーム ２５３ アンテナ端子

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 第１の送受信装置及び第２の送受信装置
   と、それらに共通にもしくは個々に接続されるアンテナ
   アレーと、該アンテナアレーを構成する複数の素子の各
   々の信号と前記第１の送受信装置との間で各入出力信号
   の振幅及び位相を変える第１の振幅位相可変器と、前記
   アンテナアレーを構成する複数の素子の各々の信号と前
   記第２の送受信装置との間で各入出力信号の振幅及び位
   相を変える第２の振幅位相可変器とを用いて、 所定の第１の基準方向を中心として±９０度の範囲内に
   限定された方向から到来する少なくとも１つの第１の既
   知信号を生成し、 前記第１の既知信号と、前記第１の送受信装置で受信さ
   れ前記第１の振幅位相可変器を通った受信信号とを合成
   した第１の合成信号を生成し、 前記第１の既知信号と、前記第１の合成信号との誤差を
   最小化する第１の振幅及び位相値を算出して該第１の振
   幅及び位相値を前記第１の振幅位相可変器に与え、 前記第１の基準方向に対して反対の第２の基準方向を中
   心として±９０度の範囲内に限定された方向から到来す
   る少なくとも１つの第２の既知信号を生成し、 前記第２の既知信号と、前記第２の送受信装置で受信さ
   れ前記第２の振幅位相可変器を通った受信信号とを合成
   した第２の合成信号を生成し、 前記第２の既知信号と、前記第２の合成信号との誤差を
   最小化する第２の振幅及び位相値を算出して該第２の振
   幅及び位相値を前記第２の振幅位相可変器に与えること
   を特徴とする移動通信基地局用アレーアンテナの制御方
   法。
2. 【請求項２】 請求項１記載の移動通信基地局用アレー
   アンテナの制御方法において、受信信号のレベルを所定
   の閾値と比較して、受信信号のレベルが前記閾値よりも
   大きい時に現れる信号成分を抽出し、抽出された信号成
   分に基づいて前記第１の振幅及び位相値及び第２の振幅
   及び位相値を算出することを特徴とする移動通信基地局
   用アレーアンテナの制御方法。
3. 【請求項３】 第１の送受信装置及び第２の送受信装置
   と、 前記第１の送受信装置及び第２の送受信装置に共通にも
   しくは個々に接続されるアンテナアレーと、 前記アンテナアレーを構成する複数の素子の各々の信号
   と前記第１の送受信装置との間で各入出力信号の振幅及
   び位相を変える第１の振幅位相可変器と、 前記アンテナアレーを構成する複数の素子の各々の信号
   と前記第２の送受信装置との間で各入出力信号の振幅及
   び位相を変える第２の振幅位相可変器と、 所定の第１の基準方向を中心として±９０度の範囲内に
   限定された方向から到来する少なくとも１つの第１の既
   知信号を生成し、前記第１の既知信号と、前記第１の送
   受信装置で受信され前記第１の振幅位相可変器を通った
   受信信号とを合成した第１の合成信号を生成し、前記第
   １の既知信号と、前記第１の合成信号との誤差を最小化
   する第１の振幅及び位相値を算出して該第１の振幅及び
   位相値を前記第１の振幅位相可変器に与え、前記第１の
   基準方向に対して反対の第２の基準方向を中心として±
   ９０度の範囲内に限定された方向から到来する少なくと
   も１つの第２の既知信号を生成し、前記第２の既知信号
   と、前記第２の送受信装置で受信され前記第２の振幅位
   相可変器を通った受信信号とを合成した第２の合成信号
   を生成し、前記第２の既知信号と、前記第２の合成信号
   との誤差を最小化する第２の振幅及び位相値を算出して
   該第２の振幅及び位相値を前記第２の振幅位相可変器に
   与える指向特性制御手段とを設けたことを特徴とする移
   動通信基地局用アレーアンテナ装置。
4. 【請求項４】 請求項３記載の移動通信基地局用アレー
   アンテナ装置において、前記アンテナアレーを構成する
   素子の数を３とし、前記３つの素子を水平面に正三角形
   に配列し、前記３つの素子の間隔を０．４０波長以上、
   ０．５０波長以下の範囲内に定めたことを特徴とする移
   動通信基地局用アレーアンテナ装置。