JP2006245827A - 無線通信システム及びセル構成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 DS−CDMA方式等の隣接セルや隣接セクタで同一周波数を繰り返し利用できる無線通信システムにおいて、トラヒックの増大に伴い、セルの分割を行う際、効率のよいセル構成を実現するとともに、アンテナの設置場所の自由度を向上させる。
【解決手段】 各基地局1には、指向方向が水平面内で90°毎に異なる4つのセクタアンテナ2a〜2dが設けられており、各セル1は、セクタアンテナ2a〜2dによりそれぞれ形成される略正方形状のセクタ（sector1〜4）により、基地局1を中心として4つに分割されている。また、セクタアンテナ2a〜2dは、セル端A〜C付近での受信電力が略等しくなるように最適化されている。
【選択図】 図1

Description

本発明は、一定の通信エリアを複数のセルに分割し、各セルのそれぞれに基地局を配置し、該セル内に在圏する端末機と、前記基地局との間で無線通信を行うシステム、及びこのシステムにおけるセルの構成方法に関する。

従来より、携帯電話やPHSなどに代表される広域移動通信においては、通信エリアを複数のセルに分割し、各セルのそれぞれに基地局を配置し、セル1つに基地局1つが対応する。このようなセル方式では、ユーザの増大に伴う周波数帯域不足を解消するため、近接していない基地局で同一の周波数帯を繰り返し用いる。これにより、周波数を効率的に利用でき、加入者数の増加に対応できるほか、1つの基地局がセルという所定の区域のみに対応するため、電波強度を必要最低限とすることができ、通信機の出力も抑えることができる。

ところで、上述したように、このセル方式を利用するためには数種類の周波数帯を用意し、周波数帯が被らないセル或いはセクタを隣接させて配置する必要がある。このセル等の構成方法としては、特許文献1や、図8〜10に示すように、正三角形セル構成、正四角形セル構成及び正六角形セル構成がある。

これらセルの構成方法を比較してみると、同図に示すように、1基地局がカバーするセル面積、日本標準方式であるPDC(Personal Digital Cellular)等のSCPC(Single Channel Per Carrier)方式における同一周波数の最短繰り返し距離等に関し、最も効率がよいのは正六角形セル構成である。この正六角形セル構成としては、図11（a）〜（c）に示すように、120°指向性アンテナにより、菱形のセクタを形成する3セクタ構成（同図（a））、60°指向性アンテナにより、正三角形のセクタを形成する6セクタ構成（同図（b））、及び無指向性アンテナによるオムニ構成とがある。

一方、近年、無線通信方式としては、DS−CDMA（Direct Spread Code Division Multiple Access ）方式が注目されている。このDS−CDMA方式は、IMT−2000規格の1つであり、データを拡散させるチャネルの帯域幅を上り・下り各5MHz以上を設定するとともに、各端末が発信するデータを帯域全体に拡散することによって、伝送時のノイズを広い帯域における低レベルの信号に分散し、ノイズの通信品質への影響を小さくすることができる。そのため、各端末は異なる拡散コードを用いれば同一周波数を用いても干渉を受けないで通信を行えるという利点がある。

従って、DS−CDMA方式におけるセル構成ではセル及びセクターの形状に依存しないで周波数が配置できることから、同一周波数を各セルに共通させて使用することが可能である。

また、各セルが同一周波数を用いることから周波数の繰り返し等を考慮しないで、セルをさらに分割してセクタ化或いはマイクロセル化を行うことで、その後のユーザ数増大に柔軟に対応することができるという利点がある。
特開2001-268631

しかしながら、上述した正六角形セル構成では、例えば3セクタ構成を形成するためには、図12に示すように、120°指向性アンテナ20を建物（基地局1）の屋上において3方向に向けて設置する必要があるが、建物の水平断面は四角形状が多いことから、120°のレンジを維持するための設置箇所に制限が伴い、自由度を確保することが困難な場合が多い。

また、DS−CDMA方式のようにユーザ数の増大（トラヒックの増大）に対応して、セルをさらに分割してマイクロセル化を行う場合、図13に示すように、正六角形という形状の特性上、さらに分割して形成されるマイクロセルやセルの形状を正六角形にすると、元のセルの範囲からはみ出してしまい、隣接するセルとの重複箇所が生じ、効率のよいセル分割が困難となるケースが生じ得る。

さらには、正六角形セルにおいて3セクタを形成する場合、120°の指向性アンテナ（例えば、プリントダイポールアンテナ30）を用いることとなるが、図14に示すように、120°の指向性を形成するため、アンテナ素子31の反射板32が必要となり、アンテナが大型化し、その設置場所の制限が増大し、設置場所の確保が困難となるという問題もある。

そこで、本発明は、以上の点に鑑みてなされたもので、DS−CDMA方式のように同一周波数を隣接セルや隣接セクタで繰り返しが可能な無線通信システムにおいて、トラヒックの増大に伴い、セルの分割を行う際、効率のよいセル構成を実現するとともに、アンテナの設置場所の自由度を向上させることのできる無線通信システム及びセル構成方法を提供することをその課題とする。

上記課題を解決するために、本発明は、一定の地域を複数のセルに分割し、各セルのそれぞれに基地局を配置し、セル内に在圏する端末機と、基地局との間で無線通信を行うシステムであって、基地局は、指向方向が水平面内で90°毎に異なる4つのセクタアンテナを備え、各セルは、水平面内において略正方形状をなすとともに、セクタアンテナによりそれぞれ形成される略正方形状のセクタにより、基地局を中心として4つに分割され、セクタアンテナにより分割された各セルは、全て同一無線周波数を共通して使用することを特徴とする。

また、他の発明は、一定の地域を複数のセルに分割し、各セルのそれぞれに基地局を配置し、セル内に在圏する端末機と基地局との間で無線通信を行うシステムにおけるセルの構成方法であって、基地局に、指向方向が水平面内で90°毎に異なる4つのセクタアンテナを設け、セクタアンテナにより、水平面内においてそれぞれ略正方形状のセクタを形成し、基地局を中心とした4つのセクタによって分割され、全体として略正方形状をなすセルを構成し、セクタアンテナにより分割された各セルは、全て同一無線周波数を共通して使用することを特徴とする。

このような本発明によれば、セクタの形状が略正方形状であるため、セルをさらに分割、すなわちマイクロセル化する場合、そのマイクロセルの形状は、元のセルと同形状の略正方形状とすることができるため、例えば、各セクタの中心に基地局を配置して4セクタ化を行うことでセル分割を極めて容易に実現できる。このとき、マイクロセルの形状は、元のセルと同形状の略正方形状であることから、分割前のセル内にマイクロセルが含まれることとなり、隣接するセルにマイクロセルが重複することがなく、効率のよいセル分割を実現することができる。

また、セクタアンテナをビル等に設置する場合、ビルの形状は、一般には方形が多いことから、ビルの四隅にアンテナを設置することにより、略正方形状のセクタを形成することができ、アンテナ設置の自由度を向上させることができる。

さらには、ビルの四隅を利用することができることから、例えば、平面マイクロストリップアンテナのように、ビル壁面に設置可能な小型のアンテナの利用も可能となり、アンテナ設置箇所の多様化を図ることができる。

また、本発明では、セクタアンテナにより分割された各セルは、全て同一無線周波数を共通して使用することから、近接していない基地局で同一の周波数帯を繰り返し用いることができ、これによりユーザの増大に伴う周波数帯域不足を解消することができる。

上記発明において、セクタアンテナは、略正方形状の各セクタにおいて、基地局から離間した当該正方形状のセクタの各頂点付近での受信電力が等しくなるように最適化されていることが好ましい。

この場合には、略正方形状の4セクタ構成において、各セクタをカバーするアンテナの指向性をシャープにすることができ、アンテナの利得を大きくできる分セル半径を大きくすることができ、この結果、基地局数を削減することができる。また、アンテナの指向性をシャープにすることにより、隣接するセクタとの干渉を小さくできることから周波数利用率を向上できる。

なお、前記セクタアンテナは、その半値幅が約60°であることが好ましい。この場合には、略正方形状の各セクタにおいて、基地局から離間した当該正方形状のセクタの各頂点付近での受信電力が等しくなるようにより、適切にアンテナの最適化を図ることができる。

以上説明したように本発明によれば、一定の地域を複数のセルに分割し、各セルのそれぞれに基地局を配置し、該セル内に在圏する端末機と前記基地局との間で無線通信を行うシステムにおいて、トラヒックの増大に伴い、セルの分割を行う際、効率のよいセル構成を実現するとともに、アンテナの設置場所の自由度を向上させることができる。

（無線通信システム構成）
本発明の実施形態について、図面を参照しつつ説明する。図1は、本実施形態に係る無線通信システムの概略構成を示す説明図である。なお、本実施形態では、DS−CDMA方式のように同一周波数を隣接セルや隣接セクタで繰り返しが可能な無線通信システムに本発明を適用した場合を例に説明する。

同図に示すように、本実施形態では、所定の通信エリアが、格子状に配列された略正方形状の多数のセルにより分割されており、各セルのそれぞれには、基地局1が配置され、セル内に在圏する端末機（図示せず）と基地局1との間で無線通信を行う。

そして、各基地局1には、指向方向が水平面内で90°毎に異なる4つのセクタアンテナ2a〜2dが設けられており、各セル1は、セクタアンテナ2a〜2dによりそれぞれ形成される略正方形状のセクタ（sector1〜4）により、基地局1を中心として4つに分割されている。

すなわち、図2（a）〜（c）に示すように、本実施形態のセクタアンテナ2a〜2dは、方形状（ここでは、正方形状）のビルの屋上又は壁面に平行に設置された平面マイクロストリップアンテナであり、ビル壁面の法線方向にアンテナ指向方向が向くように設定されている。また、このセクタアンテナ2a〜2dの指向性は90°であり、隣接するセクタとの境界線が、ビルの対角線と一致するようになっている。この平面マイクロストリップアンテナは、図3（a）〜（c）に示すように、90°の指向性が形成可能な薄型の平面パッチアンテナであり、地板23に誘導体22を貼り付けた厚さ1cm程度の板状の本体に、放射素子21を多数貼り付けた構成となっている。

さらに、セクタアンテナ2a〜2dは、DS−CDMA方式に対応しており、同一無線周波数が1セル又は1セクタ毎に繰り返し（同一無線周波数を各セル又は各セクタに共通して）使用可能となっている。そして、各セクタに在圏する端末は、各セクタアンテナ2a〜2dと同一周波数を用いて通信を行い、各セクターで用いる拡散コードを変えて、通信を行う。

さらに、セクタアンテナ2a〜2dは、図4に示すように、略正方形状の各セクタにおいて、セル端（基地局1から離間したセクタの各頂点）A〜C付近での受信電力が等しくなるように最適化されている。

詳述すると、セクタ内に在圏する端末の受信電力は、
で表され、セル端Aの受信電力は、
であり、セル端B，Cの受信電力は、
となる。ここで、
アンテナ指向方向：OA
アンテナ指向利得G：（θ）
送信電力：Pow
伝搬損失：Loss（r）
基地局−移動局間距離：r
θ ：端末方向
である。

本実施形態では、セクタアンテナ2a〜2dは、セル端A〜Cで受信電力が等レベルとなるように最適化されていることから、
で得られる条件を満たすようなアンテナ指向性となっており、具体的には、アンテナの半値幅が約60°となっている。

（本実施形態のセル構成方法による作用・効果）
以上の構成を有する無線通信システムを動作させることによって、本発明のセル構成方法を実施することができる。

すなわち、基地局1に設けられたセクタアンテナにより、水平面内においてそれぞれ略正方形状の4つのセクタを形成し、略正方形状をなすセルを、基地局1を中心とした4つのセクタによって分割する。

このような本実施形態によれば、セクタの形状が略正方形状であるため、図5に示すように、トラヒックが増大し、セルをさらに分割、すなわちマイクロセル化する場合、そのマイクロセルの形状は、元のセルと同形状の略正方形状とすることができる。

この結果、例えば、各セクタの中心に基地局を配置して4セクタ化を行うことでセル分割を極めて容易に実現できる。このとき、マイクロセルの形状は、元のセルと同形状の略正方形状であることから、分割前のセル内にマイクロセルが含まれることとなり、隣接するセルにマイクロセルが重複することがなく、効率のよいセル分割を実現することができる。

特に、本実施形態では、セクタアンテナとして、平面マイクロストリップアンテナを利用することから、アンテナ構成の小型化を図ることができるとともに、ビルの四隅にアンテナを設置することが可能となり、アンテナ設置の自由度を向上させることができる。

また、本実施形態では、セクタアンテナ2a〜2dは、セル端A〜C付近での受信電力が等しくなるように最適化されているため、各セクタをカバーするアンテナの指向性をシャープにすることができ、アンテナの利得を大きくできる分セル半径を大きくすることができ、この結果、基地局数を削減することができる。また、アンテナの指向性をシャープにすることにより、隣接するセクタとの干渉を小さくできることから周波数利用率を向上できる。

これについて詳述すると、図4に示したように、距離OAに比べて距離OB，OCは短かいことから、次式に示すように、距離OB，OCの伝搬損失Lossは、距離OAのそれよりも小さくなる。
従って、セル端A及びB，Cでのアンテナ指向利得は、
となり、OB，OC方向の指向利得G（45°）を、OA方向の指向利得G（0°）に比べて小さくすることができる。これにより、アンテナの半値幅を約60°とすることができ、アンテナ指向性を狭く（シャープに）することができる。

このため、本実施形態によるセル構成方法によれば、図6に示すように、アンテナの半値幅を、セクタの角度である90°とする従来法の正四角形セル／4セクタ方式に比べてビーム幅を狭くでき、アンテナ利得を増大させることができる。その結果、本実施形態によれば、セル半径を拡大することができ、基地局数を削減することができる。

また、本実施形態によれば、従来法に比べてビーム幅を狭くできるため、図7に示すように、隣接セクターに漏れる電力を小さくでき、周波数利用率の向上を図ることができる。

なお、本実施形態では、DS−CDMA方式を対象として説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、DS−CDMAやOFDMをベースとしたMC−CDMA(Multi Carrier-CDMA)方式のように隣接セルや隣接セクタで同一周波数を繰り返し利用できる無線通信システムのセル構成に適用可能である。

実施形態に係る無線通信システムの概略構成を示す説明図である。 実施形態に係る無線通信システムにおけるセクタアンテナの設置例を示す説明図である。 実施形態に係る無線通信システムにおけるセクタアンテナの構成を示す説明図である。 実施形態に係るセクタアンテナの最適化を示す説明図である。 実施形態に係るセルの分割を示す説明図である。 実施形態に係るアンテナの半値幅と、従来法によるアンテナの半値幅とを比較するグラフ図である。 実施形態に係るアンテナによる隣接セクター間の干渉電力と、従来のアンテナによる隣接セクター間の干渉電力とを比較するグラフ図である。 従来例に係るセル構成を比較する説明図である。 従来例に係るセル構成のエリア面積を比較する説明図である。 従来例に係るセル構成の繰り返し距離を比較する説明図である。 従来例に係る正六角形セル構成のセクタ形成を示す説明図である。 従来例に係る3セクタ構成のアンテナ設置状況を示す説明図である。 従来例に係る正六角形セル構成におけるセル分割を示す説明図である。 従来例に係る正六角形セル／3セクタ構成におけるプリントダイポールアンテナの構成を示す説明図である。

符号の説明

A〜C…セル端
1…基地局
2a〜2d…セクタアンテナ
sector1〜4…セクタ
20…指向性アンテナ
21…放射素子
22…誘導体
23…地板

Claims (6)

1. 一定の地域を複数のセルに分割し、各セルのそれぞれに基地局を配置し、該セル内に在圏する端末機と、前記基地局との間で無線通信を行うシステムであって、
   前記基地局は、指向方向が水平面内で90°毎に異なる4つのセクタアンテナを備え、
   前記各セルは、水平面内において略正方形状をなすとともに、前記セクタアンテナによりそれぞれ形成される略正方形状のセクタにより、前記基地局を中心として4つに分割され、
   前記セクタアンテナにより分割された各セルは、全て同一無線周波数を共通して使用する
   ことを特徴とする無線通信システム。
2. 前記セクタアンテナは、略正方形状の各セクタにおいて、前記基地局から離間した当該正方形状のセクタの各頂点付近での受信電力が略等しくなるように最適化されていることを特徴とする請求項1に記載の無線通信システム。
3. 前記セクタアンテナは、その半値幅が約60°であることを特徴とする請求項1に記載の無線通信システム。
4. 一定の地域を複数のセルに分割し、各セルのそれぞれに基地局を配置し、該セル内に在圏する端末機と前記基地局との間で無線通信を行うシステムにおける前記セルの構成方法であって、
   前記基地局に、指向方向が水平面内で90°毎に異なる4つのセクタアンテナを設け、
   前記セクタアンテナにより、水平面内においてそれぞれ略正方形状のセクタを形成し、前記基地局を中心とした4つのセクタによって分割され、全体として略正方形状をなすセルを構成し、
   前記セクタアンテナにより分割された各セルは、全て同一無線周波数を共通して使用する
   ことを特徴とするセル構成方法。
5. 前記セクタアンテナは、前記セクタアンテナは、略正方形状の各セクタにおいて、前記基地局から離間した当該正方形状のセクタの各頂点付近での受信電力が略等しくなるように最適化されていることを特徴とする請求項4に記載のセル構成方法。
6. 前記セクタアンテナは、その半値幅が約60°であることを特徴とする請求項4に記載のセル構成方法。