JP3832083B2 - Base station antenna device - Google Patents

Description

Translated fromJapanese

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、マイクロ波帯を利用した基地局と移動体間で高速通信を行うシステムにおいて、特にＣＤＭＡ（Ｃｏｄｅ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ ＭｕｌｔｉｐｌｅＡｃｃｅｓｓ）アクセスで有効な干渉低減機能を有するアダプティブアレーアンテナを用いた基地局アンテナ装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
次世代の移動体通信では音声だけでなく、マルチメディア対応のデータや画像の高速通信が要求されているため、現在の移動体通信で主流である１ＧＨｚ帯付近のＵＨＦ帯からより周波数の高いマイクロ波帯及び準ミリ波帯を有効に利用することが必要である。しかしながら、高周波数帯になるに従い、遮弊等による通話の切断、あるいは多重反射から生じる遅延スプレッドによる通話品質の劣化は重要な課題である。
【０００３】
図８は携帯電話、ＰＨＳに代表される移動体通信の一般的な例を示している。図において、１ａ，１ｂ，１ｃは建物、２ａ，２ｂは山、丘等の地物、３は基地局、４は基地局アンテナ、５ａ，５ｂは移動体であり、ここでは人間を例示しており、６は移動体であり、ここでは車を例示しており、７ａ，７ｂは携帯機、８は直接波、９は反射波、１０は回折波である。
【０００４】
基地局アンテナ４と携帯機７ａ，７ｂ間で通信を行う場合、伝搬環境は、直接波８以外にも周囲の建物、地物による反射波９及び回折波１０が合成された多重波による伝搬になる。多重波伝搬においては、伝搬遅延時間に差が生じるため、帯域内の振幅と位相の変動が一様ではなく、特定の周波数での受信レベルが低下する周波数選択性のフェージングを生じる。高速デジタル信号伝送を行う場合、この影響が無視できなくなり波形歪が生じる。
【０００５】
この多重波を遅延時間に対して分離したものを遅延プロファイルと呼ぶ。最初に直接波８が到達する。続いて、建物、地物等により反射した反射波９及び回折波１０が時間遅れで到達する。遅延プロファイルを統計的に表したものを遅延スプレッドといい、この遅延スプレッドの大小が高速デジタル信号を行う場合の符号間干渉の評価を与えるため、重要である。
【０００６】
周波数の利用効率を向上させる方式としてマイクロセルがある。マイクロセルは空間的に利用効率を上げるため、周波数を繰り返して使用できる。又、加入者容量を増大させるマルチアクセス方式として、ＴＤＭＡ（Ｔｉｍｅ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ａｃｃｅｓｓ）、ＣＤＭＡがあり、特に近年ＣＤＭＡが注目されている。これらは例えば、藤野、田近、”無線アクセス技術”、電子情報通信学会誌、Ｖｏｌ．７８，Ｎｏ．２，ｐｐ．１２７−１３２ １９９５年に記されている。
ＣＤＭＡは、スペクトル拡散技術を利用し、情報信号が必要とする帯域幅よりも十分広い帯域幅を用いて伝送する方式である。各ユーザは同じ周波数・時間を共用し、各チャネルには、互いに直交する拡散符号を割り当て、この符号によって送信側で拡散し、受信側で逆拡散することによってチャネルの分離を行う。
【０００７】
ＣＤＭＡの重要な問題として遠近問題がある。その様子を図１２に示す。図において、１１は近距離の携帯機からの信号、１２は遠距離の携帯機からの信号、１３は送信電力制御を行う携帯機である。
基地局と移動局の距離に応じて電界の強さが変化し、遠方の携帯機からの信号１２は電界が弱くなる。よって、電界が強い近距離の携帯機からの信号１１によって大きな干渉を受ける遠近問題が生じる。これを克服するためには、基地局において各移動局からの受信電界を等レベルになるよう、携帯機が移動するのに伴い、送信電力を変化させる送信電力制御が必要になる。ＣＤＭＡを達成するためにはこの送信電力制御不可欠な技術である。高精度な送信電力制御を行うため、通常オープンループ制御とクローズループ制御の二つの制御を併用して実現しており、高度な技術が必要である。
【０００８】
又、セルの繰り返しに使用のためには、他のセルで同一周波数を用いる基地局アンテナからの電波が到達すると干渉波になるため、セルの繰り返し使用が制限され、周波数の有効利用ができなくなる。特にＣＤＭＡでは、各ユーザに割り当てられた拡散符号間の相互干渉のために、ユーザ間に干渉が生じ、加入者容量が抑えられてしまう。
このような電波環境において、基地局アンテナの指向性を制御することで同一チャネル干渉を抑え、所望の電波のみを有効に受信する方式としてアダプティブアレーがある。例えば、大鐘、”陸上移動通信におけるＣＭＡアダプティブアレーの選択性フェージング補償特性”、信学論（Ｂ−ＩＩ）、Ｊ７３−Ｂ−ＩＩ，１０，ｐｐ．４８９−４９７ １９９０年にその例が示されている。
【０００９】
アダプティブアレーは所望方向にビームを向け、干渉波の方向にヌルを形成することで適応的に干渉を抑圧する技術である。一般的にマルチパスの遅延時間差が長くなると等化器では構成が複雑になり、等化器特性も劣化する。このため、より長い遅延時間差をもつマルチパスの抑圧または同一周波数の干渉の抑圧にアダプティブアレーが適用できる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
このようにアダプティブアレーアンテナを用いることで、干渉波を空間的に分離できるため、遅延波の分離、あるいは同一周波数干渉低減に優れている。特にマイクロ波帯以上の高周波数帯を用い、さらに良い伝送品質が要求される高速伝送を行うためには有効な手段である。
しかしながら、アダプティブアレーは素子アンテナ数が多くなると、その分計算処理負荷が増大するため、ハードウェアの実現が困難になり、又、高価になる問題がある。アダプティブアレーのハードウェアは素子数に応じて複雑となるため、実用上の観点からアンテナ構成を最適化し、素子数を削減することが重要である。
【００１１】
又、基地局から距離に応じて送受信電力が大きく異なるため、特に遠いところでは、ゾーンの端では受信レベルが低下し、通話品質が劣化する。あるいは、基地局周辺では通話できない問題がある。さらに、ＣＤＭＡを達成するためには、高精度な送信電力制御が不可欠であり、ハードウェアの構成が複雑になる問題があった。
【００１２】
この発明はこのような課題を解決するためのものであり、携帯機をできるだけ簡易なものにし、構成が簡単で、低コスト化、低消費電力化を可能とする高速伝送時における基地局アンテナ装置を得ることを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
第１の発明による基地局アンテナ装置は、一つの無線基地局と複数の無線端末間で通信を行う無線通信システムにおける無線基地局のアンテナ指向性において、水平方向のアンテナ放射特性を不要波の方向に適用的にヌルを形成するアダプティブアレーとし、垂直方向のアンテナ放射特性を固定のコセカント２乗特性としたものである。
【００１４】
また、第２の発明による基地局アンテナ装置は、垂直方向を複数の素子アンテナ配列を単位としたリニアアレーで構成し、上記リニアアレーを１つの給電端子から給電することで固定のコセカント２乗特性を有するようにしたものである。
【００１５】
また、第３の発明による基地局アンテナ装置は、垂直方向を複数の素子アンテナ配列を単位としたリニアアレーで構成し、且つリニアアレーを１つの給電端子から給電することで通信エリア内は固定のコセカント２乗特性を有し、通信エリア外は他の基地局方向にヌルを形成するように垂直方向のアンテナ放射特性としたものである。
【００１６】
また、第４の発明による基地局アンテナ装置は、垂直方向を複数の素子アンテナを配列することで固定のコセカント２乗特性を有したリニアアレーを２列以上の複数列配列を単位としたサブアレーとし、このサブアレーを単位として振幅あるいは位相あるいはその両方を可変することで水平方向の不要波の方向に適応的にヌルを形成するようにしたものである。
【００１７】
また、第５の発明による基地局アンテナ装置は、垂直方向に固定のコセカント２乗特性を有するリニアアレーを水平方向に複数列配列し、各列毎に設けたデジタル回路でビームを形成するＤＢＦアンテナとし、ＦＦＴあるいはＤＦＴ演算によりマルチビームを形成したその出力によって、参照信号との誤差を検出し誤差が最小となるように処理を行うようにビームスペースでアダプティブ処理を施したものである。
【００１８】
また、第６の発明による基地局アンテナ装置は、マルチビームの最も強い受信レベルのビーム方向を所望波とするアダプティブ処理を行うアダプティブ処理器１と２番目に強い受信レベルのビーム方向を所望波とするアダプティブ処理を行うアダプティブ処理器２と、上記アダプティブ処理器１あるいはアダプティブ処理器２あるいはその両方の出力を最尤系列推定を行う適応等化器に入力し、上記アダプティブ処理器１あるいはアダプティブ処理器２あるいはその両方の出力の時間遅延を補正し合成することでパスダイバーシチを得るようにしたものである。
【００１９】
また、第７の発明による基地局アンテナ装置は、垂直方向に固定のコセカント２乗特性を有するリニアアレーを平面上に２次元配列させ、水平方向の放射特性を適応的に可変するアダプティブアレーとしたアレーアンテナを、その放射面の反対の背側を対向させ、両放射面側にそれぞれビームを放射させるように２つ並べ、このアレーアンテナをストリート状に構成された道路の端に設置することで、道路長方向の両側に双ビームを有することでストリート状の道路にビームを照射するようにしたものである。
【００２０】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１を示しており、図１（ａ）は概略構成図、（ｂ）はアンテナビームを上から見た上面図、（ｃ）はアンテナビームを横から見た側面図である。図において、１ａ，１ｂ，１ｃは建物、２ａ，２ｂは山、丘等の地物、３は基地局、５ａは移動体（人）、６は移動体（車）、７ａは携帯機、１４はアダプティブアレーを有する基地局アンテナ、１５はコセカント２乗特性を有するアンテナビームである。
【００２１】
基地局アンテナ１４と携帯機７ａ間で通信あるいはデータ伝送を行っている例を示している。周囲の建物、山、丘等の地物による反射波及び回折波が合成された多重波による伝搬環境になる。高速デジタル信号伝送を行う場合、周波数選択性のフェージングが無視できない。そこで、図１（ｂ）に示すように、水平方向にアダプティブアレーを適用する。所望波１６である直接波に対して、干渉波となる遅延波１７ａ，１７ｂが２波異なる方向より入射している場合を考える。所望波の方向にビームを形成し、干渉波の方向にヌルを形成することで、空間的に分離でき干渉波の影響を小さくできる。又、同一周波数を用いる基地局からの干渉波も抑圧することができる。
【００２２】
一方、垂直面に関しては図１（ｃ）に示すように通信エリアで均一な分布となるコセカント２乗ビームを形成する。ＣＤＭＡを行うためには、遠近で送受信電力を一定にしなければならず高精度な送信電力制御が不可欠であるが、コセカント２乗ビームを形成することで均等な電力で送受信できる。すなわち、高精度な送信電力制御が不要となり、大幅な低コスト化が達成できる。
【００２３】
ここで、アダプティブアレーの動作について説明する。図２はアダプティブアレーアンテナの構成の一例を示したものである。図において、１８はコセカント２乗特性を有するアレーアンテナ、１９は可変複素ウエイト、２０はミキサ、２１はアダプティブプロセッサである。
ｎ番目の素子アンテナで受信された信号Ｘｎ（ｔ）は、その振幅と位相を制御するため、可変複素ウエイト１９において、複素ウエイトと掛け合わされる。振幅と位相を制御された信号は、ミキサ２０において他の素子アンテナで受信された信号と混合され、アダプティブアレーアンテナの出力ｙ（ｔ）となる。アダプティブプロセッサ２１にて、出力信号ｙ（ｔ）を用いて計算した参照信号との誤差を検出し、誤差が少なくなるように可変複素ウエイト１９に与える複素ウエイトＷｎを制御する。このようなフィードバックループにより、アダプティブアレーアンテナは所望の信号を出力するように動作する。最適化を図るアルゴリズムの代表的なものとして、適応フィルタの理論に基づくＬＭＳアルゴリズムとＣＭＡアルゴリズムがある。ＬＭＳアダプティブアレーは所望の参照信号と実際のアレー出力信号との誤差信号の２乗誤差を最小にするように最適ウエイトＷｎを決定する手法である。ＣＭＡアダプティブアレーは変調信号が定包絡線であるという知識を用いてアレー出力から直接誤差信号を作ることができる。所望波が定包絡線、つまり、位相変調、周波数変調の場合に適用可能な手法である。
【００２４】
アダプティブアレーをＤＢＦ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｂｅａｍｆｏｒｍｉｎｇ）で構成した例を図３に示す。図において、２２はＬＮＡ（低雑音増幅器）、２３はダウンコンバータ、２４はＡ／Ｄ変換器、２５は信号処理部である。図では受信の場合を示しており、ＤＢＦアンテナは個々のコセカント２乗特性を有するアレーアンテナ１８の信号をまずＬＮＡ２２で増幅し、ダウンコンバータ２３でＩＦ帯あるいはベースバンドにまで周波数をダウンさせる。その信号をＡ／Ｄ変換器でデジタル信号に変えて取り込み、アダプティブプロセッサである信号処理部２５で複素ウエイトの計算、制御を行う。
【００２５】
ここでは、基地局での受信の場合を示したが、送信の場合もその効果は受信ほど大きくないが、同様な効果が期待できる。複素ウエイトを受信時に求めビームを形成するが、そのウエイトをそのまま送信に用いると若干誤差が生じる。しかし、送信アンテナのビーム形成の際、干渉となる基地局の方向に受信と同様なヌルを形成することによって、不要方向に電波が放射されなくなる。この動作は各基地局がそれぞれ行うことで、結果として、受信時のようなパスダイバーシチ効果は得られないが、各移動局のＳＩＲが改善されるため、同様な効果が期待できる。
又、ここではリニアアレーを複数列配列する例を示したが、四角配列あるいは三角配列であってもよく、配列の方法には依存しない。
尚、ここでは、車、人間、電車等の陸上における移動体通信を例として示したが、例えば港湾における船舶用基地局アンテナ、飛行場における基地局アンテナ等他の基地局アンテナであってもこの発明は有効である。
【００２６】
実施の形態２．
図４はこの発明の実施の形態２を示す概略図であり、図４（ａ）はスロットアレーを用いたリニアアレー、図４（ｂ）はパッチアレーを用いたリニアアレーの図を示している。図において、２６はスロットアレー、２７は放射部であるスロット、２８はリニアアレーで形成したコセカント２乗ビーム、２９は給電部の位置、３０はパッチアレー、３１はパッチアンテナである。
【００２７】
垂直方向の固定のコセカント２乗ビームを得るために、リニアアレーを構成する。アンテナの構成を簡単にするために、給電部２９は１箇所とする。スロットアレーの場合、導波管内を伝搬することで各スロットが励振され、パッチアンテナの場合、マイクロストリップ線路等で各素子アンテナを給電することにより、容易に、簡単な構成でコセカント２乗ビームを励振できる。
【００２８】
ここでは、スロットアレー及びパッチアレーの例を示したが、ダイポールアレー、モノポールアレー、ノッチアレー、ホーンアレー等他のアンテナ素子であってもこの発明は有効である。
【００２９】
実施の形態３．
図５はこの発明の実施の形態３を示す概略図である。図において、３２は他の基地局、３３は他の基地局アンテナ、３４はコセカントｎ乗ビーム（ｎ＞２）、３５はヌルパターン、３６は他の基地局への干渉波、３７は角度調整機構である。
【００３０】
他のセルで同一周波数を用いる基地局アンテナからの電波が到達すると干渉波になるため、セルの繰り返し使用が制限され、周波数の有効利用ができなくなる。特にＣＤＭＡでは、各ユーザに割り当てられた拡散符号間の相互干渉のために、ユーザ間に干渉が生じ、加入者容量が抑えられてしまう。そこで、リニアアレーで通信エリア内ではコセカント２乗ビームを形成するが、通信エリア外で同一周波数を用いる他の基地局の方向にヌルを形成することで、干渉波の影響を小さくするようにしたものである。これによりセルの繰り返し数を小さくすることができ周波数の有効利用が可能になる。
図５では、同一周波数を使用する他の基地局アンテナ３３の方向にヌルパターン３５を形成することで、干渉波３６の影響を低減している。この方式により、周波数の再利用が可能になる。
【００３１】
図６には、コセカント２乗ビームの計算例を示している。０度方向に他の基地局がある場合を想定し、ヌルパターンを形成している。又、５度方向から６０度方向までコセカント２乗ビームを形成することで、通信エリアを均一分布で覆うことができる。
【００３２】
図６では、垂直方向はコセカント２乗ビームを有する放射パターンの例を示したが、他の基地局への干渉波を低減するためには、その方向にヌルを形成する必要がある。しかし、ヌルパターンとコセカント２乗パターンの両方を形成し、両者の角度が接近している場合、問題が生じる。すなわち、ビーム成形が困難になる。ヌル点をＡ点（図６参照）、コセカント２乗ビームのピーク点をＢ点とすると、両点が接近している場合、Ａ点からＢ点とへの急速な立ち上がりが要求される。そのためにはアンテナ開口径を大きくしなければならず、実現が困難になる。
周波数の再利用を優先させた設計では、ヌル点を優先させるため、コセカント２乗ビームの放射パターンが乱れると共にピーク点の位置が基地局から見て手前方向にずれるため、基地局近傍の照射レベルが高くなってしまう。そこで、通信エリア内を均一に照射するためには、コセカント２乗特性よりもさらに傾きを大きくした例えばコセカント２．５乗、コセカント３乗のようにすることで通信エリア内を均一に覆うことができる。
【００３３】
又、ナル点の角度範囲は狭いため、１度ずれてもレベルが上昇することになる。そこで、垂直方向には角度を０．１度程度を目安とした角度で微調整する角度調整機構３７を設け、常に他の基地局方向がヌルになるようにしなければならない。
又、図６の放射パターンの計算例で示したように、他の基地局アンテナ方向にヌルを形成できるが、図では０度から−２０度まで低サイドローブ化を達成できている。すなわち、基地局以外の不要な方向、例えば、反対車線や他の道路等の電波を照射したくない箇所がある場合においても極めて有効な手段である。
【００３４】
実施の形態４．
図７はこの発明の実施の形態４を示す概略図である。図において、４０はサブアレーである。実施の形態２及び３では、垂直方向のリニアアレーでコセカント２乗ビームを形成し、水平方向はこのリニアアレーを複数列配列し、それぞれリニアアレー毎にＡ／Ｄ変換器へ送受信機を設けることで、アダプティブアレーを構成した。ここでは、さらにリニアアレーを２列以上配列したものを単位としてサブアレー化する。サブアレー化毎にＡ／Ｄ変換器を設け、アダプティブアレーを構成することで、高価なＬＮＡ、Ａ／Ｄ変換器の数を削減することができ、低コスト化を図ることができる。又、計算処理時間も低減することができる。さらに、サブアレー化することでリニアアレーに比べ指向性をもつことができ、干渉波の影響を受けにくくなる。
サブアレー内の各列はそれぞれ等振幅、等位相である必要はなく、それぞれの列の振幅・位相を変えることで、ビーム方向、ビーム幅を変えることができる。ここでは、２列からなるサブアレーの例を示したが、３列以上のサブアレーとしてもこの発明は有効である。
【００３５】
実施の形態５．
図８はこの発明の実施の形態５を示す概略図である。図において、１８は垂直方向にコセカント２乗ビームを形成したリニアアレー、４１はマルチビーム形成器、４２はビーム選択器、２５はアダプティブ処理を行う信号処理部である。
【００３６】
図８では、低雑音増幅器２２を経由してＲＦ信号からＩＦ信号あるいはベースバンド信号にダウンコンバータ２３を用いたダウンコンバートする。Ａ／Ｄ変換器２４でデジタル化し、ＦＦＴあるいはＤＦＴによりマルチビーム形成器４１でマルチビーム化され、ビーム選択器４２を介して信号処理部でアダプティブ処理が行われる。
マルチビームを形成するためには、アナログ方式もある。そのためにはＢＦＮ（Ｂｅａｍ Ｆｏｒｍｉｎｇ Ｎｅｔｗｏｒｋ）を構成する必要があり、給電線路がマトリクス状に配回されるため、アンテナ素子数が多くなるほど複雑になる。又、ビームにフレキシビリティがなく、ビームの再形成ができない等の問題がある。一方、図８のように、ＤＢＦにすることで、大規模なマルチビーム形成ができ、ビームの精密な制御が可能になる。又、マルチビームを用いて複数波の到来方向を検知することもできる。
【００３７】
マルチビームを用いて、ビームスペースでアダプティブ処理を行う。リニアアレー毎に処理を行う場合、所望信号は雑音や干渉波の中に深く埋もれるので、最適ウエイトを見つけるのに時間がかかる問題がある。これに対して、ビームスペースは、指向性を有しているのでそのいくつかのビームにはかなり受信レベルが高く、それらのビーム出力だけを使うことで処理時間の短縮化を図ることができる。さらに、複雑な電波環境に適応的な動作が求められる高速移動通信には適している。
ここでは、受信の例を示したが、送信においても、逆にデジタル信号処理部内で信号にウエイトをかけて、Ｄ／Ａ変換器によってアナログ信号に変換し、その後増幅器を通って各素子アンテナから放射することが実現できる。
【００３８】
実施の形態６．
図９はこの発明の実施の形態６を示す概略図である。図において、４３はアダプティブ処理器１、４４はアダプティブ処理器２、４５は適応等化器である。
【００３９】
図９はビームスペースを用いたパスダイバーシチの構成例を示している。この構成により、アダプティブアレーを用いて同一チャネル干渉を除去すると同時に一定時間間隔で存在する所望波の遅延波を合成することでパスダイバーシチ効果が得られる。マルチビーム形成器では図８に示したように、すでにコセカント２乗ビームを形成したリニアアレーからＡ／Ｄ変換器を介して、マルチビーム形成器に入力されているものとする。
ここでは、直接波と遅延波を１波ずつ処理する場合を考え、処理の手順を以下に示す。まず、ビーム選択器４２では、受信電力が決められたしきい値を超えたビームを選び出す。次に、アダプティブ処理器１ ４３では、最も受信電力の大きいビームのみに初期ウエイト１を与え、残りは零としてアダプティブ処理を行う。アダプティブ処理アルゴリズムにはＣＭＡ等が用いられる。アダプティブ処理器２ ４４では受信電力が２番目に大きいビームのみに初期ウエイト１を与え残りは零としてアダプティブ処理を行う。アダプティブ処理器１では直接波、アダプティブ処理器２では遅延波がそれぞれ所望波として保存される。続いて、分離受信された直接波と遅延波をダイバーシチ合成あるいは最尤推定を行う適応等化器４５を組合せることでパスダイバーシチ効果が得られる。又、直接波と遅延波の時間差が小さく分離できない場合であっても、直接波以外に一定時間内の遅延波も同時に取り込み、最尤系列推定を行うことで、パスダイバーシチ効果が得られる。
ここでは、最尤系列推定を行う例を示したが、判定帰還型等化器を用いてもよく、又、最大比合成等のダイバーシチ構成としてもこの発明は有効である。
【００４０】
実施の形態７．
図１０はこの発明の実施の形態７を示す概略図である。図において、４６は平面状の構成したアダプティブアレー、４７ａ，４７ｂはコセカント２乗ビームである。
垂直方向にコセカント２乗ビームを形成したリニアアレーを水平方向に複数列配列しアダプティブ処理を行う平面上のアレーアンテナを、放射面の反対の背側を対向させ、両放射面側にそれぞれビームを放射させるように並べる。このアンテナをストリート状に構成された道路の端に設置することで、道路長方向の両側に双ビームを有することができるため、ストリート状の道路にビームを照射することができる。１つの基地局でストリート状のエリアをカバーすることができるため、基地局の数を削減することができる。
【００４１】
【発明の効果】
第１の発明によれば、基地局アンテナの水平方向のビーム指向制御にアダプティブアレーを適用することで、周囲からの干渉波の影響を小さくできる効果がある。又、垂直面内にコセカント２乗ビームを形成することで、所定通信エリアの送受信レベルを一定にすることができ、特にＣＤＭＡにおける送信電力制御を簡単化できる効果がある。
【００４２】
また、第２の発明によれば、垂直面内の固定のコセカント２乗ビームをリニアアレーで形成することで、アダプティブアレーの構成を簡単化できる効果がある。又、パッチアンテナを用いることで製作性が容易になる効果がある。
【００４３】
また、第３の発明によれば、垂直方向のアンテナ放射特性は通信エリア内は固定のコセカント２乗特性を有し、通信エリア外は他の基地局方向にヌルを形成するようにしたことで、周波数の繰り返し数が改善でき、周波数の利用効率が向上できる効果がある。又、角度調整機構を設けることで常に他の基地局アンテナ方向にヌルを向けることができる。又、ヌル形成を優先させることにより生じるコセカント２乗ビームの乱れをコセカントｎ乗（ｎ＞２）にすることで、通信エリアを均一に照射できる効果がある。
【００４４】
また、第４の発明によれば、リニアアレーを２列以上の複数列配列を単位としたサブアレーと構成することで送受信機、Ａ／Ｄ変換器数を削減することができ、低コスト化を図ることができる効果がある。
【００４５】
また、第５の発明によれば、ビームスペースを用いてアダプティブ処理を行うことで、処理速度を高速化できる効果がある。
【００４６】
また、第６の発明によれば、マルチビームの最も強い受信レベルのビーム方向を所望波とするアダプティブ処理を行うアダプティブ処理器１と２番目に強い受信レベルのビーム方向を所望波とするアダプティブ処理を行うアダプティブ処理器２と、上記アダプティブ処理器１あるいはアダプティブ処理器２あるいはその両方の出力を最尤推定を行う適応等化器に入力し、時間遅延を補正し合成することでパスダイバーシチが得られ、Ｓ／Ｎが向上し、通信品質が改善される効果がある。
【００４７】
また、第７の発明によれば、ストリート状に構成された道路の端に設置し、道路長方向の両側に双ビームを有することでストリート状の道路にビームを照射することができ、基地局の数を削減することができる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明による基地局アンテナ装置の実施の形態１の概略構成図である。
【図２】 この発明による基地局アンテナ装置の実施の形態１のアダプティブアレーの基本構成を示す図である。
【図３】 この発明による基地局アンテナ装置の実施の形態１のＤＢＦの基本構成を示す図である。
【図４】 この発明による基地局アンテナ装置の実施の形態２の概略構成図である。
【図５】 この発明による基地局アンテナ装置の実施の形態３の構成を示す概略構成図である。
【図６】 この発明による基地局アンテナ装置の実施の形態３の放射パターンの計算例を示す図である。
【図７】 この発明による基地局アンテナ装置の実施の形態４のアンテナ装置の構成を示す概略構成図である。
【図８】 この発明による基地局アンテナ装置の実施の形態５のアンテナ装置の構成を示す概略構成図である。
【図９】 この発明による基地局アンテナ装置の実施の形態６の信号処理部の構成を示す図である。
【図１０】 この発明による基地局アンテナ装置の実施の形態７のアンテナ装置の構成を示す概略構成図である。
【図１１】 従来の基地局アンテナ装置の例を示す概略構成図である。
【図１２】 従来の基地局アンテナ装置の遠近問題を示す概略構成図である。
【符号の説明】
１ 建物、２ 山、丘等の地物、３ 基地局、４ 基地局アンテナ、５ 移動体（人）、６ 移動体（車）、７ 携帯機、８ 直接波、９ 反射波、１０ 回折波、１１ 近距離の携帯機からの信号、１２ 遠距離の携帯機からの信号、１３ 送信電力制御を行う携帯機、１４ アダプティブアレー、１５ コセカント２乗ビーム、１６ 所望波、１７ 干渉波、１８ コセカント２乗特性を有するアレーアンテナ、１９ 可変複素ウエイト、２０ ミキサ、２１ アダプティブプロセッサ、２２ ＬＮＡ（低雑音増幅器）、２３ Ｄ／Ｃ（ダウンコンバータ）、２４ Ａ／Ｄ（Ａ／Ｄ変換器）、２５ 信号処理部、２６ スロットアレー、２７ スロット、２８ コセカント２乗ビーム、２９ 給電部、３０ パッチアレー、３１ パッチアンテナ、３２ 他の基地局、３３ 他の基地局アンテナ、３４ コセカントｎ乗ビーム（ｎ＞２）、３５ ヌルパターン、３６ 干渉波、３７ 角度調整機構、３８ コセカント２乗ビーム、３９ ヌルパターン、４０ サブアレー、４１ マルチビーム形成器、４２ ビーム選択器、４３ アダプティブ処理器１、４４ アダプティブ処理器２、４５ 適応等化器、４６ アダプティブアレー、４７ コセカント２乗ビーム。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a base station antenna apparatus using an adaptive array antenna having an interference reduction function effective in CDMA (Code Division Multiple Access) access in a system that performs high-speed communication between a base station using a microwave band and a mobile body. It is about.
[0002]
[Prior art]
In next-generation mobile communication, not only voice but also multimedia-compatible data and images are required for high-speed communication, so the higher-frequency micro frequency is higher than the UHF band near the 1 GHz band, which is the mainstream in current mobile communication. It is necessary to effectively use the waveband and quasi-millimeter waveband. However, as the frequency band becomes higher, disconnection of a call due to blocking or the like, or deterioration of call quality due to delay spread caused by multiple reflections is an important issue.
[0003]
FIG. 8 shows a general example of mobile communication represented by a mobile phone and PHS. In the figure, 1a, 1b, and 1c are buildings, 2a and 2b are features such as mountains and hills, 3 is a base station, 4 is a base station antenna, and 5a and 5b are mobile objects. 6 is a mobile body, and here, a car is illustrated, 7a and 7b are portable devices, 8 is a direct wave, 9 is a reflected wave, and 10 is a diffracted wave.
[0004]
When communication is performed between thebase station antenna 4 and theportable devices 7a and 7b, the propagation environment is not only thedirect wave 8 but also propagation by a multiplexed wave in which the reflected wave 9 and thediffracted wave 10 by the surrounding buildings and features are combined. Become. In multi-wave propagation, there is a difference in propagation delay time, so fluctuations in amplitude and phase in the band are not uniform, and frequency selective fading that lowers the reception level at a specific frequency occurs. When high-speed digital signal transmission is performed, this influence cannot be ignored and waveform distortion occurs.
[0005]
The multiplexed wave separated from the delay time is called a delay profile. First, adirect wave 8 arrives. Subsequently, the reflected wave 9 and thediffracted wave 10 reflected by a building, a feature, etc. arrive with a time delay. A statistical expression of the delay profile is referred to as a delay spread, and the magnitude of the delay spread is important because it gives an evaluation of intersymbol interference when a high-speed digital signal is performed.
[0006]
There is a micro cell as a method for improving the frequency utilization efficiency. Microcells can be used repeatedly by increasing their spatial utilization efficiency. In addition, as a multi-access method for increasing subscriber capacity, there are TDMA (Time Division Multiple Access) and CDMA, and in recent years CDMA has attracted attention. These are described in, for example, Fujino, Tajika, “Radio Access Technology”, Journal of the Institute of Electronics, Information and Communication Engineers, Vol. 78, no. 2, pp. 127-132 1995.
CDMA is a scheme that uses spread spectrum technology to transmit using a bandwidth that is sufficiently wider than the bandwidth required for information signals. Each user shares the same frequency and time, and each channel is assigned a spreading code orthogonal to each other, and is spread on the transmission side by this code and despread on the receiving side to separate the channels.
[0007]
There is a perspective problem as an important problem of CDMA. This is shown in FIG. In the figure, 11 is a signal from a short-distance portable device, 12 is a signal from a long-distance portable device, and 13 is a portable device that performs transmission power control.
The strength of the electric field changes according to the distance between the base station and the mobile station, and the electric field of thesignal 12 from the distant portable device becomes weak. Therefore, a near-far problem is generated in which a large amount of interference is caused by thesignal 11 from a short-distance portable device having a strong electric field. In order to overcome this, transmission power control is required to change the transmission power as the portable device moves so that the received electric field from each mobile station becomes the same level in the base station. This transmission power control is indispensable for achieving CDMA. In order to perform high-accuracy transmission power control, it is usually realized by combining two controls of open-loop control and closed-loop control, and advanced technology is required.
[0008]
Also, in order to use the cell repeatedly, if a radio wave arrives from a base station antenna using the same frequency in another cell, it becomes an interference wave, so that the cell repeated use is restricted and the frequency cannot be used effectively. . In particular, in CDMA, interference occurs between users due to mutual interference between spreading codes assigned to each user, and subscriber capacity is suppressed.
In such a radio wave environment, there is an adaptive array as a system for suppressing co-channel interference by controlling the directivity of a base station antenna and effectively receiving only a desired radio wave. For example, Ogane, “Selective Fading Compensation Characteristics of CMA Adaptive Array in Land Mobile Communication”, J.-B-II, J73-B-II, 10, pp. An example is shown in 489-497 1990.
[0009]
An adaptive array is a technique that adaptively suppresses interference by directing a beam in a desired direction and forming a null in the direction of the interference wave. In general, when the delay time difference between multipaths becomes long, the structure of the equalizer becomes complicated, and the equalizer characteristics deteriorate. For this reason, an adaptive array can be applied to suppression of multipath having a longer delay time difference or suppression of interference of the same frequency.
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
By using the adaptive array antenna in this manner, the interference wave can be spatially separated, which is excellent for delay wave separation or for reducing co-frequency interference. In particular, it is an effective means for performing high-speed transmission that requires a higher transmission band using a higher frequency band than the microwave band.
However, the adaptive array has a problem that if the number of element antennas increases, the calculation processing load increases accordingly, so that hardware implementation becomes difficult and expensive. Since the hardware of an adaptive array becomes complicated depending on the number of elements, it is important to optimize the antenna configuration and reduce the number of elements from a practical viewpoint.
[0011]
In addition, since the transmission / reception power greatly varies depending on the distance from the base station, the reception level is lowered at the end of the zone, and the call quality is deteriorated particularly at a long distance. Alternatively, there is a problem that calls cannot be made around the base station. Furthermore, in order to achieve CDMA, high-accuracy transmission power control is indispensable, and there is a problem that the hardware configuration becomes complicated.
[0012]
The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and a base station antenna apparatus at high-speed transmission that makes a portable device as simple as possible, has a simple configuration, and can achieve low cost and low power consumption. The purpose is to obtain.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
According to a first aspect of the present invention, there is provided a base station antenna apparatus that has a horizontal antenna radiation characteristic in a direction of unnecessary waves in an antenna directivity of a radio base station in a radio communication system that performs communication between one radio base station and a plurality of radio terminals. An adaptive array that forms nulls is applied, and the antenna radiation characteristic in the vertical direction is a fixed cosecant square characteristic.
[0014]
According to a second aspect of the present invention, the base station antenna apparatus is configured by a linear array whose vertical direction is a unit of a plurality of element antenna arrays, and has a fixed cosecant square characteristic by feeding the linear array from one feeding terminal. It is what I did.
[0015]
According to a third aspect of the present invention, a base station antenna apparatus is configured by a linear array whose vertical direction is a unit of a plurality of element antenna arrays, and the linear array is fed from one feeding terminal so that the communication area has a fixed cosecant 2. It has a square characteristic, and the antenna radiation characteristic in the vertical direction is formed so as to form a null in the direction of other base stations outside the communication area.
[0016]
According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a base station antenna device having a linear array having a fixed cosecant square characteristic by arranging a plurality of element antennas in a vertical direction as a subarray having a plurality of columns as units. Nulls are adaptively formed in the direction of unwanted waves in the horizontal direction by varying the amplitude and / or phase in units of this subarray.
[0017]
A base station antenna apparatus according to a fifth aspect of the present invention is a DBF antenna in which a linear array having a cosecant square characteristic fixed in the vertical direction is arranged in a plurality of columns in the horizontal direction and a beam is formed by a digital circuit provided for each column. In this example, adaptive processing is performed in the beam space so that an error from the reference signal is detected based on the output of the multi-beam formed by the FFT or DFT operation, and processing is performed so that the error is minimized.
[0018]
According to a sixth aspect of the present invention, there is provided a base station antenna apparatus comprising: an adaptive processor 1 for performing an adaptive process in which a beam direction having the strongest reception level of multi-beams is a desired wave; and a beam direction having a second strongest reception level as a desired wave. The adaptive processor 2 for performing adaptive processing and the outputs of the adaptive processor 1 and / or adaptive processor 2 are input to an adaptive equalizer for performing maximum likelihood sequence estimation, and the adaptive processor 1 or adaptive processor is used. The path diversity is obtained by correcting and synthesizing the time delays of the two or both outputs.
[0019]
According to a seventh aspect of the present invention, there is provided a base station antenna apparatus in which a linear array having a cosecant square characteristic fixed in the vertical direction is two-dimensionally arranged on a plane, and the array is an adaptive array that adaptively varies the radiation characteristics in the horizontal direction. By arranging two antennas so that the opposite back side of the radiation surface faces each other and radiating beams on both radiation surfaces, this array antenna is installed at the end of a street configured in a street shape. By providing dual beams on both sides in the road length direction, the beam is irradiated onto a street-like road.
[0020]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiment 1 FIG.
FIG. 1 shows a first embodiment of the present invention, FIG. 1 (a) is a schematic configuration diagram, (b) is a top view of the antenna beam as viewed from above, and (c) is a view of the antenna beam as viewed from the side. It is a side view. In the figure, 1a, 1b, and 1c are buildings, 2a and 2b are features such as mountains and hills, 3 is a base station, 5a is a moving body (person), 6 is a moving body (car), 7a is a portable device, 14 Is a base station antenna having an adaptive array, and 15 is an antenna beam having a cosecant square characteristic.
[0021]
In the example, communication or data transmission is performed between thebase station antenna 14 and theportable device 7a. It becomes a propagation environment by multiple waves in which reflected waves and diffracted waves from surrounding objects such as buildings, mountains and hills are synthesized. When performing high-speed digital signal transmission, frequency selective fading cannot be ignored. Therefore, as shown in FIG. 1B, an adaptive array is applied in the horizontal direction. Consider a case where delayed waves 17a and 17b, which are interference waves, are incident on the direct wave that is the desiredwave 16 from two different directions. By forming a beam in the direction of the desired wave and forming a null in the direction of the interference wave, spatial separation can be achieved and the influence of the interference wave can be reduced. Also, interference waves from base stations using the same frequency can be suppressed.
[0022]
On the other hand, with respect to the vertical plane, a cosecant square beam having a uniform distribution in the communication area is formed as shown in FIG. In order to perform CDMA, transmission / reception power must be constant in the distance, and high-accuracy transmission power control is indispensable, but transmission and reception can be performed with equal power by forming a cosecant square beam. That is, high-accuracy transmission power control is not necessary, and significant cost reduction can be achieved.
[0023]
Here, the operation of the adaptive array will be described. FIG. 2 shows an example of the configuration of an adaptive array antenna. In the figure, 18 is an array antenna having a cosecant square characteristic, 19 is a variable complex weight, 20 is a mixer, and 21 is an adaptive processor.
The signal Xn (t) received by the nth element antenna is multiplied by the complex weight in the variablecomplex weight 19 in order to control its amplitude and phase. The signal whose amplitude and phase are controlled is mixed with the signal received by the other element antenna in themixer 20 and becomes the output y (t) of the adaptive array antenna. Theadaptive processor 21 detects an error from the reference signal calculated using the output signal y (t), and controls the complex weight Wn applied to the variablecomplex weight 19 so that the error is reduced. By such a feedback loop, the adaptive array antenna operates to output a desired signal. As typical algorithms for optimization, there are an LMS algorithm and a CMA algorithm based on an adaptive filter theory. The LMS adaptive array is a method for determining the optimum weight Wn so as to minimize the square error of an error signal between a desired reference signal and an actual array output signal. A CMA adaptive array can generate an error signal directly from the array output using the knowledge that the modulation signal is a constant envelope. This is a technique applicable when the desired wave is a constant envelope, that is, phase modulation or frequency modulation.
[0024]
An example in which the adaptive array is configured by DBF (Digital Beamforming) is shown in FIG. In the figure, 22 is an LNA (low noise amplifier), 23 is a down converter, 24 is an A / D converter, and 25 is a signal processing unit. In the figure, a case of reception is shown, and the DBF antenna first amplifies the signal of thearray antenna 18 having the cosecant square characteristic by theLNA 22, and thedown converter 23 lowers the frequency to the IF band or the baseband. The signal is converted into a digital signal by an A / D converter and taken in, and a complex weight is calculated and controlled by thesignal processor 25 which is an adaptive processor.
[0025]
Here, the case of reception at the base station is shown, but the effect of transmission is not as great as reception, but the same effect can be expected. A complex weight is obtained at the time of reception and a beam is formed. If the weight is used as it is for transmission, a slight error occurs. However, when forming the beam of the transmission antenna, a radio wave is not radiated in an unnecessary direction by forming a null similar to reception in the direction of the base station that causes interference. This operation is performed by each base station, and as a result, the path diversity effect at the time of reception cannot be obtained. However, since the SIR of each mobile station is improved, the same effect can be expected.
Although an example in which a plurality of linear arrays are arranged is shown here, a square array or a triangular array may be used, and it does not depend on the arrangement method.
Here, mobile communication on land such as a car, a person, and a train is shown as an example. However, the present invention may be applied to other base station antennas such as a ship base station antenna in a harbor and a base station antenna in an airfield. Is valid.
[0026]
Embodiment 2. FIG.
4A and 4B are schematic views showing Embodiment 2 of the present invention. FIG. 4A shows a linear array using a slot array, and FIG. 4B shows a linear array using a patch array. In the figure, 26 is a slot array, 27 is a slot as a radiating portion, 28 is a cosecant square beam formed by a linear array, 29 is a position of a feeding portion, 30 is a patch array, and 31 is a patch antenna.
[0027]
In order to obtain a fixed cosecant square beam in the vertical direction, a linear array is constructed. In order to simplify the configuration of the antenna, the feedingportion 29 is provided at one location. In the case of a slot array, each slot is excited by propagating through a waveguide. In the case of a patch antenna, each element antenna is fed by a microstrip line or the like, so that a cosecant square beam can be easily generated with a simple configuration. I can excite.
[0028]
Here, an example of a slot array and a patch array has been shown, but the present invention is also effective for other antenna elements such as a dipole array, a monopole array, a notch array, and a horn array.
[0029]
Embodiment 3 FIG.
FIG. 5 is a schematicdiagram showing Embodiment 3 of the present invention. In the figure, 32 is another base station, 33 is another base station antenna, 34 is a cosecant n-th power beam (n> 2), 35 is a null pattern, 36 is an interference wave to another base station, and 37 is angle adjustment. Mechanism.
[0030]
When radio waves from base station antennas that use the same frequency in other cells arrive, they become interference waves, so that repeated use of the cells is restricted, and effective use of frequencies becomes impossible. In particular, in CDMA, interference occurs between users due to mutual interference between spreading codes assigned to each user, and subscriber capacity is suppressed. Therefore, a linear array forms a cosecant square beam within the communication area, but the influence of interference waves is reduced by forming a null in the direction of another base station that uses the same frequency outside the communication area. It is. As a result, the number of repeated cells can be reduced, and the frequency can be effectively used.
In FIG. 5, the influence of theinterference wave 36 is reduced by forming anull pattern 35 in the direction of anotherbase station antenna 33 that uses the same frequency. This method enables frequency reuse.
[0031]
FIG. 6 shows a calculation example of a cosecant square beam. A null pattern is formed assuming that there is another base station in the 0 degree direction. Further, by forming the cosecant square beam from the 5 degree direction to the 60 degree direction, the communication area can be covered with a uniform distribution.
[0032]
FIG. 6 shows an example of a radiation pattern having a cosecant square beam in the vertical direction. However, in order to reduce interference waves to other base stations, it is necessary to form a null in that direction. However, a problem arises when both a null pattern and a cosecant square pattern are formed and the angles of both are close. That is, beam shaping becomes difficult. Assuming that the null point is point A (see FIG. 6) and the peak point of the cosecant square beam is point B, when both points are close, rapid rise from point A to point B is required. For this purpose, the antenna aperture diameter must be increased, which is difficult to realize.
In the design that prioritizes frequency reuse, the null point is prioritized, so the radiation pattern of the cosecant square beam is disturbed and the peak point position is shifted toward the front as viewed from the base station. Becomes higher. Therefore, in order to uniformly illuminate the communication area, the communication area can be uniformly covered by, for example, cosecant 2.5 power and cosecant cube, which have a larger slope than the cosecant square characteristic. it can.
[0033]
Also, since the angle range of the null point is narrow, the level will rise even if it is deviated once. Therefore, it is necessary to provide anangle adjustment mechanism 37 that finely adjusts the angle in the vertical direction by using an angle of about 0.1 degrees as a guideline so that other base station directions are always null.
Further, as shown in the calculation example of the radiation pattern in FIG. 6, nulls can be formed in the direction of other base station antennas, but in the figure, a low side lobe can be achieved from 0 degrees to −20 degrees. That is, it is an extremely effective means even when there is a portion other than the base station in an unnecessary direction, for example, an opposite lane or other road where it is not desired to radiate radio waves.
[0034]
Embodiment 4 FIG.
FIG. 7 is a schematicdiagram showing Embodiment 4 of the present invention. In the figure, 40 is a sub-array. InEmbodiments 2 and 3, a cosecant square beam is formed by a linear array in the vertical direction, and a plurality of linear arrays are arranged in the horizontal direction, and a transmitter / receiver is provided for each A / D converter for each linear array. Configured the array. Here, a subarray is formed with a unit in which two or more linear arrays are arranged as a unit. By providing an A / D converter for each sub-array and configuring an adaptive array, the number of expensive LNAs and A / D converters can be reduced, and the cost can be reduced. Also, the calculation processing time can be reduced. Further, by making it a sub-array, it is possible to have directivity as compared with a linear array, and it is less susceptible to interference waves.
Each column in the sub-array need not have the same amplitude and phase, and the beam direction and beam width can be changed by changing the amplitude and phase of each column. Here, an example of a subarray having two rows has been shown, but the present invention is also effective as a subarray having three or more rows.
[0035]
Embodiment 5 FIG.
FIG. 8 is a schematic diagram showing the fifth embodiment of the present invention. In the figure, 18 is a linear array in which a cosecant square beam is formed in the vertical direction, 41 is a multi-beamformer, 42 is a beam selector, and 25 is a signal processing unit that performs adaptive processing.
[0036]
In FIG. 8, the RF signal is downconverted to the IF signal or baseband signal via thelow noise amplifier 22 using thedownconverter 23. The signal is digitized by the A /D converter 24, converted to a multi-beam by the multi-beam former 41 by FFT or DFT, and adaptive processing is performed by the signal processing unit via thebeam selector 42.
There is also an analog method for forming a multi-beam. For this purpose, it is necessary to configure a BFN (Beam Forming Network), and the feed lines are arranged in a matrix, so that the complexity increases as the number of antenna elements increases. In addition, there is a problem that the beam is not flexible and the beam cannot be reshaped. On the other hand, as shown in FIG. 8, by using DBF, a large-scale multi-beam can be formed, and the beam can be precisely controlled. In addition, the arrival directions of a plurality of waves can be detected using a multi-beam.
[0037]
Using multi-beams, adaptive processing is performed in the beam space. When processing is performed for each linear array, the desired signal is buried deeply in noise and interference waves, so that there is a problem that it takes time to find the optimum weight. On the other hand, since the beam space has directivity, the reception level is considerably high for some of the beams, and the processing time can be shortened by using only those beam outputs. Furthermore, it is suitable for high-speed mobile communications that require adaptive operation in complex radio wave environments.
Here, an example of reception has been shown, but in transmission, on the contrary, the signal is weighted in the digital signal processing unit, converted into an analog signal by a D / A converter, and then passed through an amplifier from each element antenna. Radiation can be realized.
[0038]
Embodiment 6 FIG.
FIG. 9 is a schematic diagram showing Embodiment 6 of the present invention. In the figure, 43 is anadaptive processor 1, 44 is anadaptive processor 2, and 45 is an adaptive equalizer.
[0039]
FIG. 9 shows a configuration example of path diversity using a beam space. With this configuration, it is possible to obtain a path diversity effect by combining delayed waves of desired waves that exist at fixed time intervals while simultaneously removing co-channel interference using an adaptive array. In the multi-beamformer, as shown in FIG. 8, it is assumed that a linear array having already formed a cosecant square beam is inputted to the multi-beamformer via an A / D converter.
Here, considering the case where the direct wave and the delayed wave are processed one by one, the processing procedure is shown below. First, thebeam selector 42 selects a beam whose received power exceeds a predetermined threshold value. Next, the adaptive processor 143 applies the initial weight 1 only to the beam having the largest received power, and performs the adaptive processing with the rest being zero. CMA or the like is used as the adaptive processing algorithm. In the adaptive processor 244, the initial weight 1 is given only to the beam having the second largest received power, and the rest is set to zero to perform the adaptive processing. The adaptive processor 1 stores a direct wave, and the adaptive processor 2 stores a delayed wave as a desired wave. Subsequently, a path diversity effect is obtained by combining anadaptive equalizer 45 that performs diversity combining or maximum likelihood estimation of the direct wave and the delayed wave that are separately received. Even if the time difference between the direct wave and the delayed wave is small and cannot be separated, the path diversity effect can be obtained by simultaneously taking the delayed wave within a certain time in addition to the direct wave and performing maximum likelihood sequence estimation.
Here, an example of performing maximum likelihood sequence estimation has been shown, but a decision feedback equalizer may be used, and the present invention is also effective as a diversity configuration such as maximum ratio combining.
[0040]
Embodiment 7 FIG.
FIG. 10 is a schematic diagram showing Embodiment 7 of the present invention. In the figure, 46 is an adaptive array having a planar shape, and 47a and 47b are cosecant square beams.
A linear array of cosecant square beams formed in the vertical direction is arranged in multiple rows in the horizontal direction, and an array antenna on a plane that performs adaptive processing is placed opposite to the back side opposite to the radiation surface, and the beams are radiated to both radiation surfaces. Arrange so that By installing this antenna at the end of a road configured in a street shape, it is possible to have dual beams on both sides in the road length direction, so that the street-shaped road can be irradiated with the beam. Since one street station can cover a street-like area, the number of base stations can be reduced.
[0041]
【The invention's effect】
According to the first aspect of the present invention, the adaptive array is applied to the beam directing control in the horizontal direction of the base station antenna, so that the effect of interference waves from the surroundings can be reduced. Further, by forming a cosecant square beam in the vertical plane, the transmission / reception level of a predetermined communication area can be made constant, and in particular, there is an effect that transmission power control in CDMA can be simplified.
[0042]
In addition, according to the second invention, there is an effect that the configuration of the adaptive array can be simplified by forming the fixed cosecant square beam in the vertical plane by the linear array. Further, the use of the patch antenna has an effect that the manufacturability becomes easy.
[0043]
Further, according to the third invention, the antenna radiation characteristic in the vertical direction has a fixed cosecant square characteristic in the communication area, and a null is formed in the direction of another base station outside the communication area. The frequency repetition number can be improved, and the frequency utilization efficiency can be improved. Also, by providing the angle adjustment mechanism, it is possible to always direct the null toward other base station antenna directions. Further, the disturbance of the cosecant square beam caused by giving priority to null formation is made cosecant n power (n> 2), so that the communication area can be irradiated uniformly.
[0044]
According to the fourth aspect of the present invention, the number of transceivers and A / D converters can be reduced by configuring the linear array as a subarray having a plurality of rows of two or more rows as a unit, thereby reducing costs. There is an effect that can.
[0045]
In addition, according to the fifth invention, there is an effect that the processing speed can be increased by performing the adaptive processing using the beam space.
[0046]
According to the sixth aspect of the invention, the adaptive processor 1 that performs adaptive processing that uses the beam direction of the strongest reception level of the multi-beam as a desired wave, and the adaptive processing that uses the beam direction of the second strongest reception level as the desired wave. Path diversity is obtained by inputting the adaptive processor 2 that performs the above and the outputs of the adaptive processor 1 and / or the adaptive processor 2 to the adaptive equalizer that performs maximum likelihood estimation, and correcting and synthesizing the time delay. S / N is improved, and communication quality is improved.
[0047]
In addition, according to the seventh invention, it is possible to irradiate a street-shaped road with a beam by installing the dual beam on both sides in the road length direction. There is an effect that the number of can be reduced.
[Brief description of the drawings]
1 is a schematic configuration diagram of Embodiment 1 of a base station antenna apparatus according to the present invention;
FIG. 2 is a diagram showing a basic configuration of an adaptive array according to Embodiment 1 of a base station antenna apparatus according to the present invention.
FIG. 3 is a diagram showing a basic configuration of a DBF of Embodiment 1 of a base station antenna apparatus according to the present invention.
FIG. 4 is a schematic configuration diagram of Embodiment 2 of a base station antenna apparatus according to the present invention.
FIG. 5 is a schematic configuration diagram showing a configuration of a third embodiment of a base station antenna apparatus according to the present invention.
FIG. 6 is a diagram showing a calculation example of a radiation pattern of the third embodiment of the base station antenna apparatus according to the present invention.
FIG. 7 is a schematic configuration diagram showing a configuration of an antenna device according to a fourth embodiment of a base station antenna device according to the present invention.
FIG. 8 is a schematic configuration diagram showing a configuration of an antenna device according to a fifth embodiment of a base station antenna device according to the present invention.
FIG. 9 is a diagram showing a configuration of a signal processing unit in a sixth embodiment of the base station antenna apparatus according to the present invention.
FIG. 10 is a schematic configuration diagram showing a configuration of an antenna device according to a seventh embodiment of a base station antenna device according to the present invention.
FIG. 11 is a schematic configuration diagram illustrating an example of a conventional base station antenna apparatus.
FIG. 12 is a schematic configuration diagram showing a perspective problem of a conventional base station antenna apparatus.
[Explanation of symbols]
1 building, 2 features such as mountains, hills, 3 base station, 4 base station antenna, 5 mobile (person), 6 mobile (car), 7 portable device, 8 direct wave, 9 reflected wave, 10 diffracted wave , 11 Signal from a short-distance portable device, 12 Signal from a long-distance portable device, 13 Portable device for controlling transmission power, 14 Adaptive array, 15 Cosecant square beam, 16 Desired wave, 17 Interference wave, 18 cosecant Array antenna having square characteristics, 19 variable complex weight, 20 mixer, 21 adaptive processor, 22 LNA (low noise amplifier), 23 D / C (down converter), 24 A / D (A / D converter), 25 Signal processing unit, 26 slot array, 27 slot, 28 cosecant square beam, 29 feeding unit, 30 patch array, 31 patch antenna, 32 other base station, 33 other base station Antenna, 34 cosecant n-th power beam (n> 2), 35 null pattern, 36 interference wave, 37 angle adjustment mechanism, 38 cosecant square beam, 39 null pattern, 40 subarray, 41 multi-beamformer, 42 beam selector, 43Adaptive processor 1, 44Adaptive processor 2, 45 Adaptive equalizer, 46 Adaptive array, 47 Cosecant square beam.

Claims (6)

Translated fromJapanese

複数の素子アンテナを有するアレーアンテナと、各素子アンテナで受信した信号の振幅と位相の両方あるいはいずれか一方を任意に制御する回路と、この回路からの各素子アンテナの出力あるいは入力信号を合成する信号回路と、振幅と位相の両方あるいはいずれか一方の制御量を決定するための演算回路とを具備し、放射特性を適宜可変するアダプティブアレーアンテナ、あるいは適宜指向性を可変するアンテナを有する少なくとも一つの無線基地局と複数の移動体間で通信を行う無線通信システムにおける無線基地局のアンテナ放射特性において、水平方向のアンテナ放射特性は不要波の方向に適宜ヌルを形成し、垂直方向のアンテナ放射特性はコセカント２乗特性を有する放射特性としたことを特徴とする基地局アンテナ装置。  An array antenna having a plurality of element antennas, a circuit for arbitrarily controlling amplitude and / or phase of a signal received by each element antenna, and an output or input signal of each element antenna from this circuit are synthesized. A signal circuit; and an arithmetic circuit for determining a control amount of either or both of amplitude and phase, and an adaptive array antenna that appropriately changes radiation characteristics or an antenna that appropriately changes directivity. In the antenna radiation characteristics of a radio base station in a radio communication system in which communication is performed between one radio base station and a plurality of mobile objects, the horizontal antenna radiation characteristics appropriately form nulls in the direction of unnecessary waves, and the vertical antenna radiation characteristics. A base station antenna device characterized in that the characteristic is a radiation characteristic having a cosecant square characteristic. 上記基地局アンテナ装置の垂直方向を複数の素子アンテナ配列を単位としたリニアアレーで構成し、上記リニアアレーの１つの給電端子から給電することで、垂直方向のアンテナ放射特性は固定のコセカント２乗特性を有するようにしたことを特徴とする請求項１記載の基地局アンテナ装置。  The vertical direction of the base station antenna apparatus is configured by a linear array with a plurality of element antenna arrays as units, and power is fed from one feeding terminal of the linear array, so that the vertical antenna radiation characteristic is a fixed cosecant square characteristic. The base station antenna apparatus according to claim 1, wherein the base station antenna apparatus is provided. 上記基地局アンテナ装置の垂直方向を複数の素子アンテナ配列を単位としたリニアアレーで構成し、上記リニアアレーの１つの給電端子から給電し、垂直方向のアンテナ放射特性は通信エリア内は固定のコセカント２乗特性を有し、通信エリア外は他の基地局方向にヌルを形成したことを特徴とする請求項１あるいは２記載の基地局アンテナ装置。  The vertical direction of the base station antenna apparatus is constituted by a linear array having a plurality of element antenna arrays as units, and power is fed from one feeding terminal of the linear array. The antenna radiation characteristics in the vertical direction are fixed cosecant squares in the communication area. 3. The base station antenna apparatus according to claim 1, wherein the base station antenna apparatus has characteristics, and a null is formed in the direction of another base station outside the communication area. 上記基地局アンテナ装置の垂直方向を数の素子アンテナ配列を単位としたリニアアレーで構成し、上記リニアアレーの１つの給電端子から給電することで、垂直方向のアンテナ放射特性は通信エリア内は固定のコセカントｎ状（ｎ＞２）特性を有し、通信エリア外は他の基地局方向にヌルを形成したことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の基地局アンテナ装置。  The vertical direction of the base station antenna apparatus is composed of a linear array with a number of element antenna arrays as units, and power is fed from one feeding terminal of the linear array, so that the antenna radiation characteristics in the vertical direction are fixed cosecant in the communication area. The base station antenna apparatus according to claim 1, wherein the base station antenna apparatus has n-shaped (n> 2) characteristics, and a null is formed in the direction of another base station outside the communication area. 上記基地局アンテナ装置の垂直方向をコセカント２乗放射特性を有するリニアアレーと、水平方向に上記リニアアレーを複数列配列した２次元配列アレーと、上記各リニアアレーの受信部あるいは送信部のＲＦ信号を増幅する増幅器と、上記ＲＦ信号をＩＦ信号あるいはベースバンド信号に変換するミキサと上記ＩＦ信号あるいはベースバンド信号をデジタルに変換するＡ／Ｄ変換器と上記デジタル信号を合成することで得られた出力と、参照信号との誤差を検出し誤差が最小となるように処理を行うアダプティブプロセッサーとを具備することでデジタル回路でビームを形成するＤＢＦ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｂｅａｍｆｏｒｍｉｎｇ）アンテナであって、ＦＦＴあるいはＤＦＴ演算によりマルチビームを形成し、上記マルチビームの出力によってビームスペースによりアダプティブ処理を行うことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の基地局アンテナ装置。A linear array having a cosecant square radiation characteristic in the vertical direction of the base station antenna apparatus, a two-dimensional array array in which a plurality of the linear arrays are arranged in the horizontal direction, and an RF signal of the receiving unit or transmitting unit of each linear array are amplified. An amplifier, a mixer that converts the RF signal into an IF signal or a baseband signal, an A / D converter that converts the IF signal or the baseband signal into digital, and an output obtained by synthesizing the digital signal; A DBF (Digital Beamforming) antenna that forms a beam by a digital circuit by including an adaptive processor that detects an error from a reference signal and performs processing so as to minimize the error, and is a multibeam by FFT or DFT calculation. And the multi-beam output Base station antenna apparatus according to any one of claims 1 to4, characterized in that performing the adaptive processing by the beam space Te. 上記ビームスペースによりアダプティブ処理を行う基地局アンテナであって、上記マルチビームの最も強い受信レベルのビーム方向を所望波とするアダプティブ処理を行うアダプティブ処理器１と２番目に強い受信レベルのビーム方向を所望波とするアダプティブ処理を行うアダプティブ処理器２と、上記アダプティブ処理器１あるいはアダプティブ処理器２あるいはその両方の出力を最尤推定を行う適応等化器に入力し、上記アダプティブ処理器１あるいはアダプティブ処理器２あるいはその両方の出力の時間遅延を補正し合成することでパスダイバーシチを得ることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の基地局アンテナ装置。A base station antenna that performs adaptive processing using the beam space, and includes an adaptive processor 1 that performs adaptive processing using the beam direction of the strongest reception level of the multi-beam as a desired wave, and a beam direction of the second strongest reception level. An adaptive processor 2 that performs adaptive processing to obtain a desired wave, and outputs of the adaptive processor 1 and / or adaptive processor 2 or both are input to an adaptive equalizer that performs maximum likelihood estimation, and the adaptive processor 1 or adaptive processor. base station antenna apparatus according to any one of claims 1 to5, characterized in that to obtain a path diversity by processor 2 or to correct the time delay of the output of both synthesis.

Images