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JP6397351B2 - Antenna, radio base station apparatus, and antenna element arrangement method - Google Patents
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JP6397351B2 - Antenna, radio base station apparatus, and antenna element arrangement method - Google Patents

Antenna, radio base station apparatus, and antenna element arrangement method Download PDF

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Description

本発明は、アンテナ、無線基地局装置及びアンテナ素子の配置方法に関する。   The present invention relates to an antenna, a radio base station apparatus, and an antenna element arrangement method.

現在、スマートフォンの爆発的な普及にともなって、利便性の高いマイクロ波帯の周波数資源が枯渇している。対策として、第3世代の携帯電話から第4世代の携帯電話への移行や、新しい周波数帯の割り当てが行われている。しかし、サービスの提供を望む事業者が多いことから、各事業者に割り当てられる周波数資源は限られている。   Currently, with the explosive spread of smartphones, the frequency resources in the microwave band, which are highly convenient, are depleted. As countermeasures, a shift from a third-generation mobile phone to a fourth-generation mobile phone and the allocation of a new frequency band are being carried out. However, since there are many businesses that want to provide services, the frequency resources allocated to each business are limited.

携帯電話のサービスにおいては、複数のアンテナ素子を利用したマルチアンテナ・システムによる周波数利用効率の向上を目指す検討が進められている。既に普及している無線標準規格IEEE(The Institute of Electrical and Electronics Engineers, Inc.)802.11nでは、送信と受信との双方に複数のアンテナ素子を用いるMIMO(Multiple Input Multiple Output)伝送技術を用いて空間多重伝送を行う。これにより、IEEE802.11nでは、伝送容量を高めて周波数利用効率を向上させている。なお、MIMOという用語は、一般には送信局及び受信局共に複数アンテナ素子を備えることを想定して使われる。受信側が単数アンテナ素子を備える場合には、MIMOではなく、MISO(Multiple Input Single Output)という用語が使われる。ただし、本明細書では、これらを全て包含する意味でMIMOという用語を用いる。   In mobile phone services, studies are underway to improve frequency utilization efficiency with a multi-antenna system that uses multiple antenna elements. The already popular wireless standard IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers, Inc.) 802.11n uses MIMO (Multiple Input Multiple Output) transmission technology that uses a plurality of antenna elements for both transmission and reception. To perform spatial multiplexing transmission. Thereby, in IEEE 802.11n, the transmission capacity is increased to improve the frequency utilization efficiency. The term MIMO is generally used on the assumption that both the transmitting station and the receiving station are provided with a plurality of antenna elements. When the receiving side includes a single antenna element, the term MISO (Multiple Input Single Output) is used instead of MIMO. However, in this specification, the term MIMO is used to encompass all of these.

また、最近の通信技術としては、OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)変調方式やSC−FDE(Single Carrier Frequency Domain Equalization)方式のように、複数の周波数成分(サブキャリア)に分割して周波数軸上で信号処理を行う方式が一般的である。以下の説明では、特にOFDMやSC−FDEの区別をせず、それらに共通する一般的な方式を前提として「サブキャリア」という用語を用いて説明する。   Also, as a recent communication technology, as in OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) modulation scheme and SC-FDE (Single Carrier Frequency Domain Equalization) scheme, it is divided into a plurality of frequency components (subcarriers) on the frequency axis. A method of performing signal processing is common. In the following description, OFDM and SC-FDE are not particularly distinguished, and the description will be made using the term “subcarrier” on the premise of a general scheme common to them.

MIMO伝送技術においては、送信局と受信局との間の伝送路情報を知ることで、より効率的な伝送を行うことが可能となる。最も単純な例としては、送信側にN本のアンテナ素子を備え、受信側に1本のアンテナ素子のみを備える場合、N本のアンテナ素子から送信される信号が受信側のアンテナ素子において同位相合成されるように送信側で指向性制御を行う。これにより、回線利得を高めることができる。具体的には、第kサブキャリアにおける送信局の第jアンテナ素子から受信側のアンテナ素子までの間のチャネル情報をh (k)としたときに、そのアンテナ素子に対して下記の数式(1)の送信ウエイトw (k)を算出し、これを送信信号に乗算したものを各アンテナ素子から送信する。なお、上記チャネル情報とは、厳密には、送信系及び受信系のRF(Radio Frequency)回路内のアンプ、フィルタ等の複素位相の回転、及び振幅の変動情報を含むものとする。 In the MIMO transmission technique, it is possible to perform more efficient transmission by knowing transmission path information between a transmitting station and a receiving station. In the simplest example, when N antenna elements are provided on the transmitting side and only one antenna element is provided on the receiving side, signals transmitted from the N antenna elements have the same phase in the receiving antenna element. Directivity control is performed on the transmission side so as to be synthesized. Thereby, the line gain can be increased. Specifically, when channel information between the j-th antenna element of the transmitting station and the receiving-side antenna element in the k-th subcarrier is h j (k) , the following mathematical formula ( The transmission weight w j (k) of 1) is calculated, and the transmission signal multiplied by the transmission signal is transmitted from each antenna element. Strictly speaking, the channel information includes complex phase rotation and amplitude fluctuation information of amplifiers, filters, etc. in RF (Radio Frequency) circuits of transmission and reception systems.

Figure 0006397351
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送信側の第1アンテナ素子から第Nアンテナ素子に対応するチャネル情報を成分とするベクトル(h (k),…,h (k),…,h (k))をチャネルベクトルh(k)と称する。また、送信側の第1アンテナ素子から第Nアンテナ素子に対応する送信ウエイトを成分とするベクトル(w (k),…,w (k),…,w (k)(Tは転置を表す。)を送信ウエイトベクトルw(k)と称する。チャネルベクトルh(k)と送信ウエイトベクトルw(k)とを用いると、受信信号ベクトルRは、送信信号ベクトルT及びノイズnに対して下記の数式(2)で与えられる。 A vector (h 1 (k) ,..., H j (k) ,..., H N (k) ) having channel information corresponding to the first to Nth antenna elements on the transmission side as a channel vector h ( k) . Also, vectors (w 1 (k) ,..., W j (k) ,..., W N (k) ) T (T) having transmission weights corresponding to the first to Nth antenna elements on the transmission side as components. Represents a transposition.) Is called a transmission weight vector w (k) . When the channel vector h (k) and the transmission weight vector w (k) are used, the reception signal vector R x is given by the following equation (2) with respect to the transmission signal vector T x and the noise n.

Figure 0006397351
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数式(1)を数式(2)に代入すると、チャネルベクトルh(k)の各成分h (k)の絶対値を全成分にわたって加算した値がチャネル利得として得られる。N本アンテナ素子であれば、受信信号の振幅は1本アンテナ素子で送信した場合のN倍になるものと期待される。受信信号強度は、振幅の2乗に比例するからN倍にまで改善される。この値が複数のアンテナ素子をアレーアンテナとして利用した場合の利得である。 When Expression (1) is substituted into Expression (2), a value obtained by adding the absolute values of the components h j (k) of the channel vector h (k) over all components is obtained as the channel gain. In the case of N antenna elements, the amplitude of the received signal is expected to be N times that of transmission with one antenna element. The received signal strength is improved to N 2 times since it is proportional to the square of the amplitude. This value is a gain when a plurality of antenna elements are used as an array antenna.

一般的には、シャノンの定理により、SNR(Signal-Noise Ratio)の改善量に対する伝送容量の増加は、低SNR領域ほど大きく、高SNR領域ほど小さいことが知られている。そのため、回線利得の改善によって伝送容量の向上を目指すより、受信側にも複数のアンテナを備え、空間多重によって伝送容量の向上を目指すことが多い。空間多重によって伝送容量のアップを目指すのがMIMO伝送技術である。複数の送信アンテナと受信アンテナとの間のチャネル情報が既知の場合には、そのチャネル行列をSVD(Singular Value Decomposition)分解し、固有モードでの伝送を行うことで伝送容量を最大化する。   In general, it is known from Shannon's theorem that the increase in transmission capacity with respect to the improvement in SNR (Signal-Noise Ratio) is larger in the low SNR region and smaller in the high SNR region. Therefore, rather than aiming to improve the transmission capacity by improving the line gain, it is often aimed to improve the transmission capacity by providing a plurality of antennas on the receiving side and spatial multiplexing. The MIMO transmission technology aims to increase the transmission capacity by spatial multiplexing. When channel information between a plurality of transmission antennas and reception antennas is known, the channel matrix is decomposed by SVD (Singular Value Decomposition), and transmission in the eigenmode is performed to maximize the transmission capacity.

具体的には、下記の数式(3)のように、チャネル行列Hをユニタリー行列UとV及び特異値λを対角成分にもつ対角行列Dに分解する。   Specifically, the channel matrix H is decomposed into a diagonal matrix D having unitary matrices U and V and a singular value λ as diagonal components, as shown in the following equation (3).

Figure 0006397351
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この際、送信ウエイト行列としてユニタリー行列Vを用いれば、受信信号ベクトルRは、送信信号ベクトルT、ノイズベクトルnに対して、下記の数式(4)で与えられる。 At this time, if the unitary matrix V is used as the transmission weight matrix, the reception signal vector R x is given by the following equation (4) with respect to the transmission signal vector T x and the noise vector n.

Figure 0006397351
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受信側では、ユニタリー行列Uのエルミート共役の行列Uを乗算することで、下記の数式(5)を得る。 On the receiving side, the following formula (5) is obtained by multiplying the Hermite conjugate matrix U H of the unitary matrix U.

Figure 0006397351
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数式(5)において、対角行列Dの非対角成分はゼロであるから、送信信号のクロスタームは既にキャンセルされ、信号分離された状態となる。各特異値λの絶対値の2乗値が個別の信号系列の回線利得に相当する。各特異値λは、信号系列ごとに異なる値となる。この固有モードの特異値に合わせた伝送モードを最適化することによって、伝送容量を最大化することができる。伝送モードは、変調多値数と誤り訂正の符号化率などの組み合わせで定まる信号伝送の具体的なモードである。   In Equation (5), since the non-diagonal component of the diagonal matrix D is zero, the cross term of the transmission signal is already canceled and the signal is separated. The square value of the absolute value of each singular value λ corresponds to the line gain of an individual signal sequence. Each singular value λ is different for each signal series. The transmission capacity can be maximized by optimizing the transmission mode according to the singular value of the eigenmode. The transmission mode is a specific mode of signal transmission determined by a combination of the modulation multi-level number and the error correction coding rate.

上記は、1台の基地局と1台の端末局を想定したシングルユーザMIMO伝送技術に関する説明である。同様の説明は、1台の基地局と複数台の端末局との間において同時に同一周波数軸上で通信を行うマルチユーザMIMOにも拡張可能である。マルチユーザMIMOにおいては、一般に、各端末は空間多重する合計の信号系統数よりも少ない本数のアンテナ素子で通信を行う。そのため、ダウンリンクにおいては、送信側で事前にユーザ間干渉を抑圧するための指向性制御を行う。具体的な式は若干異なるが、基本的には上記の固有モード伝送と同様に、チャネル行列を把握した上でそれに合わせた送信ウエイトを用いる。   The above is a description of the single user MIMO transmission technique assuming one base station and one terminal station. The same description can be extended to multi-user MIMO that performs communication on the same frequency axis at the same time between one base station and a plurality of terminal stations. In multi-user MIMO, each terminal generally performs communication using a smaller number of antenna elements than the total number of signal systems to be spatially multiplexed. Therefore, on the downlink, directivity control for suppressing inter-user interference is performed in advance on the transmission side. Although the specific expressions are slightly different, basically, as in the above eigenmode transmission, the transmission weight corresponding to the channel matrix is used after grasping the channel matrix.

また、上記の説明では、ダウンリンクを中心に説明を行ったが、アップリンクにおいても同様に事前にチャネル情報を把握した上で、そのチャネル情報を利用した通信を行うことができる。例えば、最初に説明したアレーアンテナとしての処理においては、数式(1)にて与えられる同位相合成のウエイトを受信ウエイトとして用いる他、最大比合成のウエイトとして、下記の数式(6)で与えられるものを用いることも可能である。   Further, in the above description, the description has been focused on the downlink. However, in the uplink as well, communication using the channel information can be performed after grasping the channel information in advance. For example, in the process as the array antenna described first, in-phase combining weight given by Equation (1) is used as a reception weight, and maximum ratio combining weight is given by Equation (6) below. It is also possible to use one.

Figure 0006397351
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数式(6)の定数Cは適宜定められる係数である。ベクトルの各成分の中でh (k)の絶対値が大きいものは大きな重みで足し合わさるように、また小さな信号は小さな重みで足し合わされるようにCは決定される。これにより、SNRの大きな信号を重視し、SNRの小さな信号の雑音が過度に影響を与えないように調整が図られる。 The constant C in Equation (6) is a coefficient that is appropriately determined. Among the components of the vector, C is determined so that those having a large absolute value of h j (k) are added with a large weight, and small signals are added with a small weight. As a result, a signal with a large SNR is emphasized, and adjustment is made so that noise of a signal with a small SNR does not excessively affect the signal.

以上のマルチユーザMIMO及びアレーアンテナの技術を更に発展させた新しい空間多重伝送技術として、大規模アンテナシステムの提案がなされている(例えば、非特許文献1及び非特許文献2参照)。   A large-scale antenna system has been proposed as a new spatial multiplexing transmission technology that is a further development of the above multi-user MIMO and array antenna technologies (see, for example, Non-Patent Document 1 and Non-Patent Document 2).

図11は、大規模アンテナシステムの概要を示す図である。図11においては、基地局1、無線局2、見通し波3、構造物による安定反射波4、地上付近の多重反射波5〜6、構造物7が示されている。図11の大規模アンテナシステムにおいては、基地局1は、多数(例えば100本以上)のアンテナ素子を備え、ビルの屋上や高い鉄塔の上など高所に設置される。無線局2も同様に、ビルの屋上、家屋の屋根の上、電信柱や鉄塔の上など高所に設置される。そのため、基地局1と無線局2との間は概ね見通し環境にあり、その間には見通し波3のパスや大型の安定的な構造物7の安定反射波4のパスなどに加え、地上付近での車や人などの移動体などによる多重反射波5、6のパスが混在する。無線局2が高所にあり更に指向性アンテナを用いる場合などには、特に地上付近の多重反射波5、6は、見通し波3及び安定反射波4などに比べて受信レベルが低くなる。   FIG. 11 is a diagram showing an outline of a large-scale antenna system. In FIG. 11, a base station 1, a radio station 2, a line-of-sight wave 3, a stable reflected wave 4 by a structure, multiple reflected waves 5 to 6 near the ground, and a structure 7 are shown. In the large-scale antenna system of FIG. 11, the base station 1 includes a large number (for example, 100 or more) of antenna elements, and is installed at a high place such as a rooftop of a building or a high steel tower. Similarly, the radio station 2 is installed at a high place such as on the roof of a building, on the roof of a house, on a telegraph pole or a steel tower. Therefore, the base station 1 and the radio station 2 are generally in a line-of-sight environment, and in the meantime, in addition to the path of the line-of-sight wave 3 and the path of the stable reflected wave 4 of the large stable structure 7, The paths of multiple reflected waves 5 and 6 due to moving vehicles such as cars and people are mixed. When the radio station 2 is at a high place and a directional antenna is used, the reception level of the multiple reflected waves 5 and 6 near the ground is lower than that of the line-of-sight wave 3 and the stable reflected wave 4.

図12は、見通し環境及び見通し外環境における遅延プロファイルを表す図である。図12(a)は見通し外環境での遅延プロファイルを、図12(b)は見通し環境での遅延プロファイルをそれぞれ示している。図12(a)、(b)において、横軸は遅延時間を表し、縦軸は各遅延波の受信レベルを表す。図12(a)に示した見通し外環境の場合、見通し区間の直接波成分は存在せず、様々な経路の多重反射波が数多く成分として存在し、各振幅及び複素位相は時間と共にランダムに激しく変動する。   FIG. 12 is a diagram illustrating a delay profile in the line-of-sight environment and the non-line-of-sight environment. FIG. 12A shows a delay profile in a non-line-of-sight environment, and FIG. 12B shows a delay profile in a line-of-sight environment. 12A and 12B, the horizontal axis represents the delay time, and the vertical axis represents the reception level of each delayed wave. In the case of the non-line-of-sight environment shown in FIG. 12 (a), there are no direct wave components in the line-of-sight section, many multiple reflected waves of various paths exist as components, and each amplitude and complex phase becomes intense with time. fluctuate.

これに対し、図11に示した大規模アンテナシステムのような見通し環境を想定する場合、見通し波3、構造物7による安定反射波4の安定パスはレベルが高い。見通し波3、構造物7による安定反射波4よりも一般的に遅延量が大きい時変動パスの多重反射波は、多重反射と経路長にともなう減衰により、図12(b)に示すように相対的にレベルが小さくなる。このようなチャネル情報を複数回取得して平均化すると、安定パスの成分は振幅及び複素位相共に毎回安定して同様の値が得られるが、時変動パスの成分は複素空間上でランダムに合成され平均値0に近づく。そのため、平均化により安定成分のみを効果的に抽出することが可能になる。   In contrast, when a line-of-sight environment such as the large-scale antenna system shown in FIG. 11 is assumed, the level of the stable path of the line-of-sight 3 and the stable reflected wave 4 by the structure 7 is high. As shown in FIG. 12 (b), the multiple reflected wave of the time-varying path generally has a larger delay amount than the line of sight 3 and the stable reflected wave 4 by the structure 7 due to multiple reflection and attenuation due to the path length. The level becomes smaller. When such channel information is acquired and averaged multiple times, the stable path component is stable and the same value is obtained each time for both amplitude and complex phase, but the time-varying path component is synthesized randomly in the complex space. The average value approaches zero. Therefore, only stable components can be extracted effectively by averaging.

このようにして得られる時変動のない安定パスのチャネル情報を基に、基地局1(図11参照)は送受信ウエイトを算出する。基地局1は、算出した送受信ウエイトを用いて多数のアンテナ素子で同位相合成を行うための指向性制御を行う。上記の送受信ウエイトを用いることで、基地局1は、指向性制御のターゲットとする通信相手の無線局への指向性利得をアンテナ本数Nの2乗倍に比例して高めることができる。また、ターゲット以外の無線局への与干渉の指向性利得はN倍に留まるため、相対的に希望信号と干渉信号との間には単純計算でN倍のギャップが生じる。結果的にSIR(Signal to Interference Ratio)の期待値は10Log10(N)dBとなる。この期待値は、Nが100の場合には20dBとなる。更に相関の小さな無線局を選択的に空間多重する場合には、更なるSIR特性の改善が期待され、より高い空間多重が実現できる。 The base station 1 (see FIG. 11) calculates transmission / reception weights based on the channel information of the stable path without time fluctuation obtained in this way. The base station 1 performs directivity control for performing in-phase synthesis with a large number of antenna elements using the calculated transmission / reception weights. By using the transmission / reception weight described above, the base station 1 can increase the directivity gain to the radio station of the communication partner that is the target of directivity control in proportion to the square of the number N of antennas. In addition, since the directivity gain of interference to radio stations other than the target remains N times, a gap of N times is generated between the desired signal and the interference signal by simple calculation. As a result, the expected value of SIR (Signal to Interference Ratio) is 10 Log 10 (N) dB. This expected value is 20 dB when N is 100. Furthermore, when a radio station having a small correlation is selectively spatially multiplexed, further improvement in SIR characteristics is expected, and higher spatial multiplexing can be realized.

非特許文献2には、上記の送受信ウエイトでは抑圧しきれない干渉を更に抑圧するための技術や、チャネル情報の相関(チャネル相関)のより低い無線局の組み合わせを選択する技術が紹介されている。超高次の空間多重を実現するためには、チャネル相関の小さな無線局を組み合わせることが重要である。基地局の多数のアンテナ素子と第j無線局との間の第kサブキャリアに関するチャネル情報を成分とするチャネル情報ベクトル→hk)(「h (k)」の前の記号「→」は、hの上に付与されてベクトルを表すための記号である)と、別の第i無線局におけるチャネル情報ベクトルh (k)との間のチャネル相関は以下の数式(7)で与えられる。 Non-Patent Document 2 introduces a technique for further suppressing interference that cannot be suppressed by the above transmission / reception weight and a technique for selecting a combination of radio stations having a lower correlation of channel information (channel correlation). . In order to realize ultra-high order spatial multiplexing, it is important to combine radio stations with small channel correlation. Channel information vector containing channel information on the k-th subcarrier between a number of antenna elements of the base station and the j-th radio station as a component → h j ( k) (the symbol “→ before“ h j (k) ” ”Is a symbol given on h to express a vector ) and the channel correlation between the channel information vector h i (k) in another i-th radio station is expressed by the following equation (7): Given.

Figure 0006397351
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見通し波のみで構成される仮想的なチャネルモデルを想定すると、上記のチャネル相関は2つの異なる無線局の方位の角度差θに強く依存した振る舞いを示すと考えられる。   Assuming a virtual channel model composed only of line-of-sight waves, the above-described channel correlation is considered to exhibit a behavior that strongly depends on the angle difference θ between the directions of two different radio stations.

図13は、基地局から角度θの方位差をもって存在する無線局を示す図である。2つの無線局のチャネル情報ベクトルを→h (k)及び→h (k)とすると、チャネル相関の角度差依存性を計算することができる。 FIG. 13 is a diagram illustrating a radio station that exists with an azimuth difference of an angle θ from the base station. If the channel information vectors of the two radio stations are set to → h 1 (k) and → h 2 (k) , the angle difference dependency of the channel correlation can be calculated.

図14は、方位差角度θの2つの無線局におけるチャネル相関の角度差θ依存性を示す図である。ここでのシミュレーション条件としては、基地局のアンテナ数を128本とし、5.2GHzの周波数帯において、2波長間隔で128本のアンテナを円形に配置することを想定した。基地局と無線局との間は3kmで固定し、円形に無線局の座標を動かしながらチャネル相関を計算している。図14を読み取ると、角度差θが例えば5°程度以下であるとチャネル相関が大きな値になる場合があるが、所定の角度α°を越えるとチャネル相関は概ね0.2以下となる。非特許文献2に示されるスケジューリング法は、この角度差5°以上のチャネル相関の低さを積極的に利用したものである。   FIG. 14 is a diagram illustrating the dependency of the azimuth difference angle θ on the angle difference θ of the channel correlation in the two wireless stations. As simulation conditions here, it was assumed that the number of antennas of the base station is 128, and 128 antennas are arranged in a circle at intervals of two wavelengths in the frequency band of 5.2 GHz. The distance between the base station and the radio station is fixed at 3 km, and the channel correlation is calculated while moving the coordinates of the radio station in a circle. When FIG. 14 is read, the channel correlation may become a large value when the angle difference θ is, for example, about 5 ° or less. However, when the angle difference θ exceeds a predetermined angle α °, the channel correlation is approximately 0.2 or less. The scheduling method shown in Non-Patent Document 2 positively utilizes the low channel correlation with an angle difference of 5 ° or more.

図14に示されるシミュレーション結果より、概ね角度差が25°程度までは安定的にチャネル相関が低い。しかし、角度差が25°程度を超えるとチャネル相関はランダムに変動し、チャネル相関が0.2を超える場合が存在する。0.2というチャネル相関自体は比較的低い値であるために良好な特性であるが、このチャネル相関のばらつきを抑えてより安定的に低い値に抑えることができれば、より高いSIR特性を実現可能である。つまり、伝送モードに要求されるSIR値を実現する範囲において、多重可能な空間多重数を増大させることができる。   From the simulation results shown in FIG. 14, the channel correlation is stably low until the angle difference is approximately 25 °. However, when the angle difference exceeds about 25 °, the channel correlation varies randomly, and there are cases where the channel correlation exceeds 0.2. Although the channel correlation itself of 0.2 is a relatively low value, it is a good characteristic. However, if the variation in channel correlation can be suppressed to a low value more stably, higher SIR characteristics can be realized. It is. That is, the number of spatial multiplexing that can be multiplexed can be increased within a range that realizes the SIR value required for the transmission mode.

非特許文献3及び非特許文献4(それぞれ特許文献1及び特許文献2に関連)には、水平面上に位置する無線局間の上記のチャネル相関のばらつきを抑えてより高いSIR特性を実現するために、平行四辺形格子状にアンテナ素子を配置するアンテナ配置が提案されている。このアンテナ配置では、各アンテナ素子を水平面上へ投影して得られる投影点が重複せずに等間隔に並ぶように、各アンテナ素子が配置されている。このアンテナ配置は、水平面上に位置する無線局間のチャネル相関低減に全てのアンテナ素子を寄与させ、投影点間隔を縮小させることで、所望方向以外において位相状態が一致するために無線局間のチャネル相関が高相関となるグレーティングローブの出現を抑えている。   Non-Patent Document 3 and Non-Patent Document 4 (related to Patent Document 1 and Patent Document 2, respectively) are for realizing higher SIR characteristics by suppressing the above-described channel correlation variation between radio stations located on a horizontal plane. In addition, an antenna arrangement in which antenna elements are arranged in a parallelogram lattice has been proposed. In this antenna arrangement, the antenna elements are arranged so that projection points obtained by projecting the antenna elements onto a horizontal plane are arranged at equal intervals without overlapping. This antenna arrangement allows all antenna elements to contribute to channel correlation reduction between radio stations located on a horizontal plane and reduces the projection point interval, so that the phase states match in directions other than the desired direction. Appearance of grating lobes with high channel correlation is suppressed.

特開2014−230257号公報JP 2014-230257 A 特開2014−230258号公報JP, 2014-230258, A

太田厚、丸田一輝、黒崎聰、新井拓人、飯塚正孝、「大規模アンテナ無線エントランスシステムの提案 〜マルチユーザMIMO技術の新しいアプローチ〜」(RCS2013−5)、信学技報、電子情報通信学会、2013年4月、vol.113、no.8、p.25−30Atsushi Ota, Kazuki Maruta, Kaoru Kurosaki, Takuto Arai, Masataka Iizuka, “Proposal of Large-scale Antenna Wireless Entrance System -New Approach for Multi-User MIMO Technology-” (RCS 2013-5), IEICE Technical Report, IEICE, IEICE April 2013, vol. 113, no. 8, p. 25-30 丸田一輝、太田厚、黒崎聰、新井拓人、飯塚正孝、「大規模アンテナ無線エントランスシステムの提案 〜計算機シミュレーションによる特性評価〜」(RSC2013−6)、信学技報、電子情報通信学会、2013年4月、vol.113、no.8、p.31−36Kazuteru Maruta, Atsushi Ota, Atsushi Kurosaki, Takuto Arai, Masataka Iizuka, “Proposal of Large-Scale Antenna Wireless Entrance System: Characteristic Evaluation by Computer Simulation” (RSC 2013-6), IEICE Technical Report, IEICE, 2013 April, vol. 113, no. 8, p. 31-36 新井拓人、太田厚、黒崎聰、丸田一輝、岩國辰彦、飯塚正孝、「大規模アンテナ無線エントランスシステムにおける更なる大容量化への挑戦 〜LOS環境チャネルベクトルを低相関化するアンテナ配置最適化法の提案〜」(RCS2014−1)、信学技報、電子情報通信学会、2014年4月、vol.114、no.8、p.1−6Takuto Arai, Atsushi Ota, Atsushi Kurosaki, Kazuki Maruta, Masahiko Iwakuni, Masataka Iizuka, “Challenge to further increase the capacity of large-scale antenna wireless entrance systems-Antenna placement optimization method that lowers LOS environment channel vectors (RCS 2014-1), IEICE Technical Report, IEICE, April 2014, vol. 114, no. 8, p. 1-6 新井拓人、太田厚、丸田一輝、飯塚正孝、「大規模アンテナ無線エントランスシステムにおける複数平面平行四辺形アレー及び簡易ユーザスケジューリングを用いたシステム化の検討」(RSC2014−78)、信学技報、電子情報通信学会、2014年6月、vol.114、no.86、p.269−274Takuto Arai, Atsushi Ota, Kazuki Maruta, Masataka Iizuka, “Study on Systemization Using Multi-Plane Parallelogram Array and Simple User Scheduling in Large-scale Antenna Wireless Entrance System” (RSC 2014-78), IEICE Tech. The Institute of Electronics, Information and Communication Engineers, June 2014, vol. 114, no. 86, p. 269-274

複数の無線局が水平面上に位置する場合に、上記のアンテナ配置におけるビームのサイドローブ特性、つまり所望の無線局以外の無線局に与える干渉の大きさは、アンテナ素子を水平面上に投影して得られる投影点の位置関係に依存する。したがって、投影点が重複せずに水平面上の投影点の数が多く、グレーティングローブが出現する条件となる間隔よりも投影点の間隔が小さい場合に、良好な特性が得られる。   When a plurality of radio stations are located on a horizontal plane, the side lobe characteristics of the beam in the above antenna arrangement, that is, the magnitude of interference given to radio stations other than the desired radio station, is determined by projecting the antenna element onto the horizontal plane. It depends on the positional relationship of the obtained projection points. Therefore, good characteristics can be obtained when there are a large number of projection points on the horizontal plane without overlapping projection points and the interval between projection points is smaller than the interval that is a condition for the appearance of grating lobes.

しかし、アンテナ素子の投影点が重複する平面上に複数の無線局が位置する場合には、これらの無線局間のチャネル相関が高くなり、サイドローブ特性が低下してしまう。また、投影点が重複して投影点数が少なくなると共に、投影点間隔が拡大してグレーティングローブが出現する可能性が高くなるため、SIR特性が劣化してしまう。この場合、この平面上に位置する無線局間のチャネル相関は、正方格子状にアンテナ素子を配置するアンテナ配置を用いたときの水平面上に位置する無線局間のチャネル相関と同程度になる。   However, when a plurality of radio stations are located on the plane where the projection points of the antenna elements overlap, the channel correlation between these radio stations is increased, and the sidelobe characteristics are degraded. In addition, since the number of projection points is reduced due to overlap of projection points, and the possibility that a grating lobe appears due to the expansion of the projection point interval, the SIR characteristic is deteriorated. In this case, the channel correlation between radio stations located on this plane is approximately the same as the channel correlation between radio stations located on the horizontal plane when using an antenna arrangement in which antenna elements are arranged in a square lattice pattern.

多数の無線局が地形的に起伏の少ない水平面上に位置する場合は、非特許文献3及び非特許文献4などに記載のアンテナ配置によりSIR特性の改善が期待できる。しかし、現実的には地形の起伏などに起因して、アンテナ素子を投影した投影点が重複する平面上に無線局が複数位置する場合は、局所的に非常にチャネル相関が高相関になる無線局が存在する可能性が増大してしまう。   When a large number of radio stations are located on a horizontal surface with little topographic relief, improvement of SIR characteristics can be expected by the antenna arrangement described in Non-Patent Document 3, Non-Patent Document 4, and the like. However, in reality, when multiple wireless stations are located on the plane where the projection points where the antenna elements are projected overlap due to terrain undulations, etc. The possibility that a station exists will increase.

このように、非特許文献3及び非特許文献4などに記載の技術は、起伏の少ない水平面と見なせる平面上に無線局が位置する場合に有効な技術であるが、無線局が位置する地形に起伏がある場合にはチャネル相関が高相関になる無線局が存在する可能性を増大し、SIR特性の改善が期待できないことがある。   As described above, the techniques described in Non-Patent Document 3 and Non-Patent Document 4 are effective techniques when a radio station is located on a plane that can be regarded as a horizontal surface with less undulations. When there is an undulation, the possibility that there is a radio station with high channel correlation increases, and improvement of SIR characteristics may not be expected.

本発明の目的は、上記の状況を鑑みてなされたものであり、チャネル相関が高相関になる無線局が存在する可能性を低減させることが可能なアンテナ、無線基地局装置及びアンテナ素子の配置方法を提供することを目的としている。   An object of the present invention has been made in view of the above-described situation, and is provided with an antenna, a radio base station apparatus, and an antenna element that can reduce the possibility that a radio station with high channel correlation exists. It aims to provide a method.

本発明の一態様は、複数のアンテナ素子を平面又は前記平面に近似可能な曲面である準平面上に行方向及び列方向に二次元配置したアンテナであって、前記複数のアンテナ素子は、前記アンテナが設置される際に前記平面又は前記準平面と水平面とが交差する直線で表される第1の投影軸に対して投影された場合に、前記第1の投影軸上における前記複数のアンテナ素子の投影点のうち一部の投影点が重複し、且つ投影点が前記第1の投影軸上において等間隔になる位置に配置され、前記複数のアンテナ素子のうち幾つかのアンテナ素子を結ぶ直線と直交する平面と前記平面又は前記準平面とが交差する直線で表される第2の投影軸であって第2の投影軸上における前記複数のアンテナ素子の投影点数が最小及び又は前記第2の投影軸と水平面とがなす角度が最小となる第2の投影軸における前記複数のアンテナ素子の投影点が等間隔となることを特徴とするアンテナである。   One embodiment of the present invention is an antenna in which a plurality of antenna elements are two-dimensionally arranged in a row direction and a column direction on a plane or a quasi-plane that is a curved surface that can be approximated to the plane. The plurality of antennas on the first projection axis when projected onto the first projection axis represented by a straight line intersecting the plane or the quasi-plane and a horizontal plane when the antenna is installed Among the projected points of the elements, some of the projected points overlap, and the projected points are arranged at equal intervals on the first projection axis, and some of the plurality of antenna elements are connected. A second projection axis represented by a straight line intersecting a plane orthogonal to the straight line and the plane or the quasi-plane, and the number of projection points of the plurality of antenna elements on the second projection axis is minimum and / or 2 projection axes and horizontal Projection points of the plurality of antenna elements in the second projection axis the angle of bets forms a minimum is an antenna, characterized in that at equal intervals.

本発明の一態様は、複数のアンテナ素子を平面又は前記平面に近似可能な曲面である準平面上に行方向及び列方向に二次元配置したアンテナであって、前記複数のアンテナ素子の配置は、矩形格子の格子点に前記アンテナ素子を配置した状態に対して、前記矩形格子の行に含まれる前記アンテナ素子同士の行方向の間隔を所定の周期数c1で等分割した距離を第1のシフト量とし、前記矩形格子の行を複数のグループに分け、各グループにおいていずれかの行に含まれる前記アンテナ素子を基準として行ごとに行に含まれる前記アンテナ素子の位置を前記第1のシフト量ずつずらし、更に前記矩形格子の列に含まれる前記アンテナ素子同士の列方向の間隔を所定の周期数c2で等分割した距離を第2のシフト量とし、前記矩形格子の列を複数のグループに分け、各グループにおいていずれかの列に含まれる前記アンテナ素子を基準として列ごとに列に含まれる前記アンテナ素子の位置を第2のシフト量ずつずらして決定されることを特徴とするアンテナである。   One embodiment of the present invention is an antenna in which a plurality of antenna elements are two-dimensionally arranged in a row direction and a column direction on a plane or a quasi-plane that is a curved surface that can approximate the plane, and the arrangement of the plurality of antenna elements is The distance obtained by equally dividing the interval in the row direction between the antenna elements included in a row of the rectangular lattice by a predetermined period number c1 with respect to the state in which the antenna elements are arranged at lattice points of the rectangular lattice is a first distance. The rectangular grid rows are divided into a plurality of groups, and the position of the antenna element included in each row is set to the first shift with respect to the antenna element included in any row in each group. Further, a distance obtained by equally dividing the interval in the column direction between the antenna elements included in the rows of the rectangular lattice by a predetermined period number c2 is defined as a second shift amount, and a plurality of rows of the rectangular lattice are provided. The antenna is divided into groups and determined by shifting the position of the antenna element included in the column for each column by a second shift amount with reference to the antenna element included in any column in each group It is.

本発明の一態様は、上記のアンテナを備え、前記アンテナを用いて無線チャネルを介した端末局との無線通信を行うことを特徴とする無線基地局装置である。   One aspect of the present invention is a radio base station apparatus that includes the antenna described above and performs radio communication with a terminal station via a radio channel using the antenna.

本発明の一態様は、複数のアンテナ素子を平面又は前記平面に近似可能な曲面である準平面上に行方向及び列方向に二次元配置したアンテナにおけるアンテナ素子の配置方法であって、矩形格子の格子点に前記アンテナ素子を配置した状態に対して、前記矩形格子の行に含まれる前記アンテナ素子同士の行方向の間隔を所定の周期数c1で等分割した距離を第1のシフト量とし、前記矩形格子の行を複数のグループに分け、各グループにおいていずれかの行に含まれる前記アンテナ素子を基準として行ごとに行に含まれる前記アンテナ素子の位置を前記第1のシフト量ずつずらすステップと、前記矩形格子の列に含まれる前記アンテナ素子同士の列方向の間隔を所定の周期数c2で等分割した距離を第2のシフト量とし、前記矩形格子の列を複数のグループに分け、各グループにおいていずれかの列に含まれる前記アンテナ素子を基準として列ごとに列に含まれる前記アンテナ素子の位置を第2のシフト量ずつずらすステップと有することを特徴とするアンテナ素子の配置方法である。   One aspect of the present invention is a method for arranging antenna elements in an antenna in which a plurality of antenna elements are two-dimensionally arranged in a row direction and a column direction on a plane or a quasi-plane that is a curved surface that can approximate the plane. The first shift amount is a distance obtained by equally dividing the spacing in the row direction between the antenna elements included in the rows of the rectangular lattice by a predetermined period number c1 with respect to the state in which the antenna elements are arranged at the lattice points. Divide the rows of the rectangular lattice into a plurality of groups, and shift the positions of the antenna elements included in each row by the first shift amount with respect to the antenna elements included in any row in each group. A distance obtained by equally dividing the step and the interval in the column direction between the antenna elements included in the column of the rectangular lattice by a predetermined number of periods c2 is a second shift amount, and the column of the rectangular lattice is Dividing the position of the antenna element included in each column by a second shift amount with respect to the antenna element included in any column in each group as a reference. This is a method for arranging antenna elements.

本発明によれば、アンテナ平面に対して直交する水平面と、列方向に並ぶアンテナ素子を結ぶ互いに平行な直線群と直交する平面とがなす傾斜角を拡大することができ、無線局の位置に高低差のある場合においても、アンテナ素子の投影点が重複することによるチャネル相関が高相関となる無線局が存在する確率を低減することができる。更に、アンテナ素子の配置を変えたことにより、複数のアンテナ素子の投影点が重複する軸の数を低減することができ、無線局同士のチャネル相関が高相関となる確率を低減することができる。   According to the present invention, the inclination angle formed by a horizontal plane orthogonal to the antenna plane and a plane orthogonal to the mutually parallel straight line group connecting the antenna elements arranged in the column direction can be increased, and the position of the radio station can be increased. Even when there is a difference in height, the probability that there is a radio station having a high channel correlation due to overlapping projection points of antenna elements can be reduced. Furthermore, by changing the arrangement of the antenna elements, it is possible to reduce the number of axes where projection points of a plurality of antenna elements overlap, and to reduce the probability that the channel correlation between radio stations will be highly correlated. .

本発明に係る実施形態における基本原理を示す図である。It is a figure which shows the basic principle in embodiment which concerns on this invention. 複数のアンテナ素子の二次元配置の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the two-dimensional arrangement | positioning of a some antenna element. 複数のアンテナ素子の二次元配置の異なる例を示す図である。It is a figure which shows the example from which the two-dimensional arrangement | positioning of several antenna element differs. 図3に示すアンテナ素子の配置においてチャネル相関が低減できない場合の一例を示す図である。It is a figure which shows an example in case channel correlation cannot be reduced in arrangement | positioning of the antenna element shown in FIG. アンテナ平面に配置された複数のアンテナ素子を結ぶ直線の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the straight line which connects the some antenna element arrange | positioned at an antenna plane. 傾斜角を拡大する複数のアンテナ素子の二次元配列の例を示す図である。It is a figure which shows the example of the two-dimensional arrangement | sequence of the some antenna element which expands an inclination angle. 基地局が備えるアンテナをリニアアレーとしたときに、同一円上に位置する2つの無線局のチャネル相関を示すグラフである。It is a graph which shows the channel correlation of two radio stations located on the same circle when the antenna with which a base station is provided is made into a linear array. アンテナ素子の数をパラメータとして基地局が備えるアンテナをリニアアレーとしたときに、同一円上に位置する2つの無線局のチャネル相関を示すグラフである。It is a graph which shows the channel correlation of two radio stations located on the same circle, when the antenna with which a base station is equipped with the number of antenna elements as a parameter is used as a linear array. 第1の実施形態におけるアンテナ素子の配置例を示す図である。It is a figure which shows the example of arrangement | positioning of the antenna element in 1st Embodiment. 第2の実施形態におけるアンテナ素子の配置例を示す図である。It is a figure which shows the example of arrangement | positioning of the antenna element in 2nd Embodiment. 大規模アンテナシステムの概要を示す図である。It is a figure which shows the outline | summary of a large-scale antenna system. 見通し環境及び見通し外環境における遅延プロファイルを表す図である。It is a figure showing the delay profile in a line-of-sight environment and a non-line-of-sight environment. 基地局から角度θの方位差をもって存在する無線局を示す図である。It is a figure which shows the radio station which has a direction difference of angle (theta) from a base station. 方位差角度θの2つの無線局におけるチャネル相関の角度差θ依存性を示す図である。It is a figure which shows the angle difference (theta) dependence of the channel correlation in two radio stations of azimuth | direction difference angle (theta).

[本発明に関する技術]
本発明に係る実施形態の説明をする前に、本発明に関する技術について説明する。図2は、本発明に関する技術における複数のアンテナ素子20の二次元配置の一例を示す図である。図2において、黒で塗りつぶされている四角はアンテナ素子20であり、アンテナ平面11上に100個のアンテナ素子20が配置されている。図2に示す配置例では、水平方向及び垂直方向に各アンテナ素子20が行列状に整列されており、正方格子の格子点上にアンテナ素子20が一つずつ配置されている。ここでいう水平方向は水平面に対して平行となる方向を表し、垂直方向は水平面に対して直交する方向を表す。
[Technology related to the present invention]
Prior to describing embodiments according to the present invention, techniques related to the present invention will be described. FIG. 2 is a diagram showing an example of a two-dimensional arrangement of a plurality of antenna elements 20 according to the technique related to the present invention. In FIG. 2, a square filled with black is the antenna element 20, and 100 antenna elements 20 are arranged on the antenna plane 11. In the arrangement example shown in FIG. 2, the antenna elements 20 are arranged in a matrix in the horizontal direction and the vertical direction, and one antenna element 20 is arranged on each lattice point of a square lattice. Here, the horizontal direction represents a direction parallel to the horizontal plane, and the vertical direction represents a direction orthogonal to the horizontal plane.

図2に示す配置例において、水平方向の軸に100個のアンテナ素子20を投影すると、垂直方向に並ぶ10個のアンテナ素子20の投影点が重なって一つの投影点に投影される。このとき、物理的な位置として各アンテナ素子20が十分に離れて配置され、マルチパス環境を前提とする場合、相互にチャネル相関が低いことが期待できる。しかし、見通し環境を前提とする場合には、水平方向にはアンテナ素子20が10個に縮退したアレーと見なせるため、チャネルの分解能が十分に得られないと共に、投影されたアンテナ素子20の投影点の間隔が拡大してグレーティングローブ発生の可能性が増大する問題がある。   In the arrangement example shown in FIG. 2, when 100 antenna elements 20 are projected on the horizontal axis, projection points of the 10 antenna elements 20 arranged in the vertical direction are projected onto one projection point. At this time, when the antenna elements 20 are arranged sufficiently apart as physical positions and a multipath environment is assumed, it can be expected that the channel correlation is low. However, when a line-of-sight environment is assumed, since the antenna element 20 can be regarded as an array that is degenerated in ten in the horizontal direction, sufficient channel resolution cannot be obtained, and the projected point of the projected antenna element 20 There is a problem in that the possibility of the occurrence of grating lobes increases due to an increase in the interval of.

そこで、複数のアンテナ素子を平面又は準平面上に図3に示すように二次元配置することでチャネルの分解能を向上させると共に、実効的なアンテナ素子間隔を縮小させて、チャネル相関が低相関となる確率を増加させることが非特許文献3及び非特許文献4で提案されている。図3は、複数のアンテナ素子14−1の二次元配置の異なる例を示す図である。例えば、垂直平面上又は垂直平面に近似可能な曲面上に、最大指向性が等しい複数のアンテナ素子14−a〜14−yを二次元配置する。アンテナ素子14−a〜14−yを配置する面11(以下、アンテナ平面11という。)と水平面とが交差する軸16上に各アンテナ素子14−a〜14−yを投影した際に、軸16(第1の投影軸)上において各投影点が等間隔かつ重複しないようにアンテナ素子14−a〜14−yを配置する。これにより、基地局と無線局との間のチャネルの分解能を向上させると共に、実効的なアンテナ素子間隔を縮小させて、チャネル相関を低減させることが可能となる。   Therefore, a plurality of antenna elements are arranged two-dimensionally on a plane or quasi-plane as shown in FIG. 3 to improve the resolution of the channel and reduce the effective antenna element interval, thereby reducing the channel correlation. Non-Patent Document 3 and Non-Patent Document 4 propose to increase the probability of FIG. 3 is a diagram illustrating different examples of the two-dimensional arrangement of the plurality of antenna elements 14-1. For example, a plurality of antenna elements 14-a to 14-y having the same maximum directivity are two-dimensionally arranged on a vertical plane or a curved surface that can approximate the vertical plane. When the antenna elements 14-a to 14-y are projected onto the axis 16 where the plane 11 (hereinafter referred to as the antenna plane 11) on which the antenna elements 14-a to 14-y are arranged and the horizontal plane intersect, Antenna elements 14-a to 14-y are arranged on 16 (first projection axis) so that the projection points are equally spaced and do not overlap. As a result, it is possible to improve the resolution of the channel between the base station and the radio station and reduce the effective antenna element interval to reduce the channel correlation.

図3に示したようにアンテナ素子14−1a〜14−1yを配置したアンテナを用いる場合、複数の無線局が水平面上と見なせる位置に存在するときには、チャネル相関特性が水平面上に投影したアンテナ素子の各投影点の位置関係に依存するため、投影点が重複しないアンテナ素子の配置であれば良好な特性となる。図3に示したアンテナ素子14−a〜14−yの配置において、同じ列のアンテナ素子14−1a、14−1f、14−1k、14−1p、14−1uは、直線状の軸上に配置されており、当該軸が水平面に対して傾斜している。同様に、アンテナ素子14−1b、14−1g、14−1l、14−1q、14−1vも、アンテナ素子14−1c、14−1h、14−1m、14−1r、14−1wも、アンテナ素子14−1d、14−1i、14−1n、14−1s、14−1xも、アンテナ素子14−1e、14−1j、14−1o、14−1t、14−1yも、それぞれアンテナ素子群が直線状の軸上に配置されており、当該軸が水平面に対して傾斜している。   When using an antenna in which antenna elements 14-1a to 14-1y are arranged as shown in FIG. 3, when a plurality of radio stations are present at positions that can be considered on the horizontal plane, the antenna elements whose channel correlation characteristics are projected on the horizontal plane Therefore, if the antenna elements are arranged so that the projection points do not overlap with each other, the characteristics are good. In the arrangement of the antenna elements 14-a to 14-y shown in FIG. 3, the antenna elements 14-1 a, 14-1 f, 14-1 k, 14-1 p, and 14-1 u in the same row are arranged on a linear axis. It arrange | positions and the said axis | shaft inclines with respect to the horizontal surface. Similarly, the antenna elements 14-1b, 14-1g, 14-1l, 14-1q, 14-1v, and the antenna elements 14-1c, 14-1h, 14-1m, 14-1r, 14-1w The elements 14-1d, 14-1i, 14-1n, 14-1s, and 14-1x, and the antenna elements 14-1e, 14-1j, 14-1o, 14-1t, and 14-1y have antenna element groups, respectively. It arrange | positions on the linear axis | shaft and the said axis | shaft inclines with respect to a horizontal surface.

各アンテナ素子群が配置されている軸に直交する平面を想定し、同一列上の複数のアンテナ素子を結ぶ方向に直交する平面内の所定の投影軸に対して各アンテナ素子を投影した場合、傾斜した軸上の同一列のアンテナ素子の投影点が互いに重複し、投影軸を基準とした面上においてチャネル分解能の低下及び実効的なアンテナ素子間隔の拡大が発生する。投影軸を基準とした面上に位置する無線局同士のチャネル相関は、基地局のアンテナ素子を正方格子状に配置した場合における水平面上の無線局同士のチャネル相関と等しくなり、アンテナ素子の間隔に依存して高相関となる無線局同士の位置関係が複数存在し得る状況となる。   Assuming a plane orthogonal to the axis where each antenna element group is arranged, and projecting each antenna element to a predetermined projection axis in a plane orthogonal to the direction connecting a plurality of antenna elements on the same row, Projection points of the antenna elements in the same row on the tilted axis overlap each other, resulting in a decrease in channel resolution and an increase in effective antenna element spacing on the plane with respect to the projection axis. The channel correlation between radio stations located on the plane with respect to the projection axis is equal to the channel correlation between radio stations on the horizontal plane when the antenna elements of the base station are arranged in a square lattice, and the spacing between the antenna elements Depending on the situation, there may be a plurality of positional relationships between radio stations that are highly correlated.

したがって、現実的に地形の起伏などに起因して、前述の同一列のアンテナ素子を結ぶ軸と直交する平面上に複数の無線局が存在する場合には、図3に示したアンテナ素子の配置では大部分の無線局同士のチャネル相関が超低相関にできる一方で、局所的に非常にチャネル相関が高相関となる複数の無線局が存在することになる。そこで、より安定的にチャネル相関を小さく抑えることが可能なアンテナ素子の配置について説明する。   Therefore, when there are a plurality of radio stations on a plane orthogonal to the axis connecting the above-mentioned antenna elements in the same row due to terrain undulations, the arrangement of the antenna elements shown in FIG. In this case, the channel correlation between most radio stations can be made extremely low, but there are a plurality of radio stations that have a very high channel correlation locally. Therefore, the arrangement of antenna elements that can more stably suppress the channel correlation to be small will be described.

図3に示したアンテナ素子の配置では、水平面10上に投影された各アンテナ素子の投影点位置(15−1a〜15−1y)が互いに重複せず等間隔に並ぶ。したがって、全アンテナ素子がチャネル相関の低減に資する分解能の向上に寄与でき、実効的なアンテナ素子間隔も縮小できるため、基地局を中心とした水平面上と見なせる平面上に位置する無線局同士は所定の角度差以上において、チャネル相関値が0.1を下回る超低相関を実現できる。   In the arrangement of the antenna elements shown in FIG. 3, the projection point positions (15-1a to 15-1y) of the antenna elements projected on the horizontal plane 10 are arranged at equal intervals without overlapping each other. Therefore, since all antenna elements can contribute to the improvement in resolution that contributes to the reduction of channel correlation, and the effective antenna element spacing can be reduced, radio stations located on a plane that can be regarded as a horizontal plane centering on the base station are predetermined. When the angle difference is greater than or equal to the above, an ultra-low correlation in which the channel correlation value is less than 0.1 can be realized.

しかしながら、以下に示すように、図3に示すアンテナ素子の配置であっても、チャネル相関が低減できない場合がある。図4は、図3に示すアンテナ素子の配置においてチャネル相関が低減できない場合の一例を示す図である。図4に示すように、アンテナ平面11上において配置されているアンテナ素子14−2a〜14−2yのうち同一列に含まれるアンテナ素子(14−2a、14−2f、14−2k、14−2p、14−2u)の軸17−1と直交する平面12−1とアンテナ平面11とが交差する軸18−1に各アンテナ素子を投影したときの投影点は、投影点位置(15−2a〜15−2e)になる。軸18−1上においてアンテナ素子14−2a〜14−2yの投影点は、列ごとに重複することになる。   However, as will be described below, the channel correlation may not be reduced even with the antenna element arrangement shown in FIG. FIG. 4 is a diagram illustrating an example in which channel correlation cannot be reduced in the antenna element arrangement illustrated in FIG. 3. As shown in FIG. 4, among the antenna elements 14-2a to 14-2y arranged on the antenna plane 11, the antenna elements (14-2a, 14-2f, 14-2k, 14-2p) included in the same column are included. , 14-2u) When the antenna elements are projected onto the axis 18-1 where the plane 12-1 orthogonal to the axis 17-1 and the antenna plane 11 intersect, the projection points are projected point positions (15-2a to 15-2a). 15-2e). On the axis 18-1, the projection points of the antenna elements 14-2a to 14-2y overlap every column.

ゆえに、平面12−1上においては、各アンテナ素子がチャネル相関の低減に資する分解能に寄与できず、実効的なアンテナ素子間隔である投影点の間隔が拡大する。そのため、チャネル相関が高相関となる無線局同士の位置関係が出現する。ただし、チャネル相関が高相関になる無線局が出現するのは、特に同一列上のアンテナ素子を結ぶ傾斜した軸17−1に直交する平面12−1上に無線局が多数存在し得る場合において顕著に現れるものと考えられる。   Therefore, on the plane 12-1, each antenna element cannot contribute to the resolution contributing to the reduction of the channel correlation, and the distance between the projection points, which is an effective antenna element distance, is increased. For this reason, a positional relationship between wireless stations having a high channel correlation appears. However, radio stations with high channel correlation appear especially when there are many radio stations on the plane 12-1 perpendicular to the inclined axis 17-1 connecting the antenna elements on the same column. It is thought that it appears prominently.

ここで、無線局間の高度差が10m程度の範囲内であることが一般的だと仮定すると、同一列上のアンテナ素子(14−2a、14−2f、14−2k、14−2p、14−2u)を結ぶ傾斜した軸17−1に直交する平面12−1上において、想定される高度差10m程度の空間領域に含まれる平面12−1の面積が大きいほどチャネル相関が高相関となる無線局の存在確率が増加する。つまり、この面積を低減することができれば高相関となる無線局組み合わせの存在確率を低く抑えることが可能となる。   Here, assuming that the altitude difference between radio stations is generally within a range of about 10 m, antenna elements (14-2a, 14-2f, 14-2k, 14-2p, 14) on the same column are assumed. -2u) on the plane 12-1 perpendicular to the inclined axis 17-1, the channel correlation becomes higher as the area of the plane 12-1 included in the assumed spatial region with an altitude difference of about 10 m is larger. The existence probability of the radio station increases. In other words, if this area can be reduced, the existence probability of a combination of radio stations having a high correlation can be kept low.

想定される高度差の空間領域に含まれる平面12−1の面積を小さくするためには、アンテナ平面11と水平面10とが交差する軸16(以下、水平軸16という。)と、アンテナ平面11上の同一列のアンテナ素子を結ぶ傾斜した軸17−1が直交する平面12−1とアンテナ平面11が交差する軸18−1(以下、投影軸18−1という。)とがなす角13−1(以下、傾斜角13−1という。)を大きくするようにアンテナ素子の配置を設定すればよい。   In order to reduce the area of the plane 12-1 included in the assumed spatial region of the altitude difference, an axis 16 (hereinafter referred to as a horizontal axis 16) where the antenna plane 11 and the horizontal plane 10 intersect, and the antenna plane 11. An angle 13− formed by a plane 12-1 perpendicular to the inclined axis 17-1 connecting the antenna elements in the same row and an axis 18-1 intersecting the antenna plane 11 (hereinafter referred to as a projection axis 18-1). The arrangement of the antenna elements may be set to increase 1 (hereinafter referred to as the inclination angle 13-1).

したがって、図3に示したアンテナ素子の配置における動作原理を活用しつつ、水平軸16と投影軸18−1とがなす傾斜角13−1を拡大させるようにアンテナ素子を配置すれば、チャネル相関が高相関となる無線局同士の組み合わせの割合を低減して、SIR特性を改善することが可能となる。   Therefore, if the antenna element is arranged so that the inclination angle 13-1 formed by the horizontal axis 16 and the projection axis 18-1 is enlarged while utilizing the operation principle in the arrangement of the antenna element shown in FIG. It is possible to improve the SIR characteristics by reducing the ratio of combinations of wireless stations having a high correlation.

[本発明の動作原理]
図4を用いて説明したように、アンテナ平面11と水平面10とが交差する水平軸16と、アンテナ平面11と平面12−1とが交差する投影軸18−1とがなす傾斜角13−1を45°以内で拡大するほど、無線局が現実的に取り得る位置の空間領域と平面12−1とが交わる範囲が縮小し、チャネル相関の更なる低減が期待できる。
[Operation Principle of the Present Invention]
As described with reference to FIG. 4, the inclination angle 13-1 formed by the horizontal axis 16 where the antenna plane 11 and the horizontal plane 10 intersect and the projection axis 18-1 where the antenna plane 11 and the plane 12-1 intersect. As the angle is expanded within 45 °, the range where the spatial region where the radio station can actually take and the plane 12-1 is reduced, and further reduction of channel correlation can be expected.

図1は、本発明に係る実施形態における基本原理を示す図である。図1には、水平面10、アンテナ平面11、アンテナ平面11上に配置された複数のアンテナ素子14(14a〜14y)、複数のアンテナ素子14のうち同一列のアンテナ素子14a、14f、14l、14q及び14vを結ぶ傾斜した軸17、軸17に直交する平面12、平面12とアンテナ平面11とが交差する軸18(第2の投影軸)、軸18と水平面10とがなす傾斜角13、各アンテナ素子14を軸18上に投影した際の投影点15a〜15fが示されている。   FIG. 1 is a diagram showing a basic principle in an embodiment according to the present invention. In FIG. 1, a horizontal plane 10, an antenna plane 11, a plurality of antenna elements 14 (14 a to 14 y) arranged on the antenna plane 11, and the antenna elements 14 a, 14 f, 14 l, 14 q in the same row among the plurality of antenna elements 14 are shown. And an inclined axis 17 connecting 14v, a plane 12 orthogonal to the axis 17, an axis 18 (second projection axis) where the plane 12 and the antenna plane 11 intersect, an inclination angle 13 formed by the axis 18 and the horizontal plane 10, Projection points 15a to 15f when the antenna element 14 is projected onto the axis 18 are shown.

投影点15a〜15fは、アンテナ平面11と平面12とが交差する軸18上に、アンテナ素子14a〜14yを投影したときの投影点である。アンテナ平面11上に配置されているアンテナ素子14a〜14yは、指向性アンテナである。アンテナ素子14a〜14yは、アンテナ平面11の法線に沿ったいずれか一方向(例えば、図1においては手前方向)に対して高い指向性利得を示し、その逆方向(例えば、図1においては奥方向)に対して低い指向性利得を示すものである。   The projection points 15a to 15f are projection points when the antenna elements 14a to 14y are projected on the axis 18 where the antenna plane 11 and the plane 12 intersect. The antenna elements 14a to 14y arranged on the antenna plane 11 are directional antennas. The antenna elements 14a to 14y exhibit a high directivity gain with respect to any one direction (for example, the front direction in FIG. 1) along the normal line of the antenna plane 11, and the opposite direction (for example, in FIG. 1). Low directivity gain with respect to the back direction).

アンテナ素子14a〜14yの指向性利得パターンは本実施形態において限定されない。しかし、アンテナ平面11の一面でカバーすべきエリアが120°(アンテナ平面11の正面に対して左右60°の範囲)であれば、正面から±60°の範囲において一様に高い指向性利得を示し、±60°を超える範囲において急速に指向性利得が下がる特性を有することが好ましい。つまり、複数のアンテナ素子14は、指向性アンテナであり、指向性アンテナの最大利得を示す方向が揃えられて共通の方向に高い指向性を向け、最大利得を示す方向がアンテナ平面11に対して概ね垂直な方向である。なお、アンテナ平面11は必ずしも垂直面である必要はなく、例えば僅かな下向きのチルト角をもって設置されていても構わない。   The directivity gain patterns of the antenna elements 14a to 14y are not limited in the present embodiment. However, if the area to be covered by one surface of the antenna plane 11 is 120 ° (a range of 60 ° to the left and right with respect to the front of the antenna plane 11), a high directivity gain is uniformly high within a range of ± 60 ° from the front. It is preferable that the directivity gain rapidly decreases in a range exceeding ± 60 °. In other words, the plurality of antenna elements 14 are directional antennas, the directions indicating the maximum gain of the directional antennas are aligned so that high directivity is directed in a common direction, and the direction indicating the maximum gain is relative to the antenna plane 11. The direction is generally vertical. Note that the antenna plane 11 is not necessarily a vertical plane, and may be installed with a slight downward tilt angle, for example.

アンテナ素子14a〜14yは、各々が独立したRF回路に接続されており、送信すべき信号に対してアンテナ素子14間において独立した送受信ウエイトが各RF回路にて乗算される。アンテナ素子14a〜14yは、各アンテナ素子間で素子間相互結合の影響が生じない構成とするために十分な間隔を設けて配置される。例えば、アンテナ素子間の距離が少なくとも1/2波長以上離れるように、アンテナ素子14a〜14e、アンテナ素子14f〜14j、アンテナ素子14k〜14o、アンテナ素子14p〜14t、アンテナ素子14u〜14yは、それぞれ行方向に1/2波長以上の間隔を設けて配置される。列方向においても同様に、列方向に1/2波長以上の間隔を設けてアンテナ素子14a〜14yは配置される。   Each of the antenna elements 14a to 14y is connected to an independent RF circuit, and a signal to be transmitted is multiplied by an independent transmission / reception weight between the antenna elements 14 in each RF circuit. The antenna elements 14a to 14y are arranged with a sufficient space between the antenna elements so as not to be affected by mutual coupling between the elements. For example, the antenna elements 14a to 14e, the antenna elements 14f to 14j, the antenna elements 14k to 14o, the antenna elements 14p to 14t, and the antenna elements 14u to 14y are respectively set so that the distance between the antenna elements is at least 1/2 wavelength or more. Arranged at intervals of 1/2 wavelength or more in the row direction. Similarly in the column direction, the antenna elements 14a to 14y are arranged with an interval of ½ wavelength or more in the column direction.

更に、水平面10とアンテナ平面11とが交差する水平軸16に対して各アンテナ素子14を投影した場合に、投影点の間隔が等間隔になり且つグレーティングローブが出現する素子間隔よりも狭い間隔になるようにアンテナ素子14を配置する。グレーティングローブが出現する素子間隔dgは下記の数式(8)で表される。   Further, when each antenna element 14 is projected on the horizontal axis 16 where the horizontal plane 10 and the antenna plane 11 intersect, the projection points are spaced at equal intervals and smaller than the element intervals at which the grating lobes appear. The antenna element 14 is arranged so that The element interval dg at which the grating lobe appears is expressed by the following formula (8).

Figure 0006397351
Figure 0006397351

数式(8)における、λは波長を表し、θmax及びθminは基地局のカバレッジエリアの最大及び最小方位を表す。θmax及びθminは下記の数式(9)の条件を満たす範囲で与えられる。 In Equation (8), λ represents the wavelength, and θ max and θ min represent the maximum and minimum azimuths of the coverage area of the base station. θ max and θ min are given within a range that satisfies the condition of the following formula (9).

Figure 0006397351
Figure 0006397351

図4に示したアンテナ素子の配置のようにチャネル相関の低減が可能なアンテナ素子の配置において、複数のアンテナ素子14を結ぶ直線は多数存在する。図5は、アンテナ平面11に配置された複数のアンテナ素子14−3を結ぶ直線の一例を示す図である。図5に示すように、図1に示した方向と異なる方向に幾つかのアンテナ素子14−3の直線的な並びを見出すこともできる。これらの複数存在するアンテナ素子の直線的な並びごとに、並びを示す軸方向(例えば図4における軸17−1)に直交する平面(例えば図4における平面12−1)とアンテナ平面11とが交差する交差軸(例えば図4における軸18−1)における投影点数を算出し、投影点数が最小となる交差軸を検出する。検出した交差軸と水平軸とがなす傾斜角(例えば図4における傾斜角13−1)を更に拡大させるようにアンテナ素子を配置する位置を調整する。   In the arrangement of antenna elements capable of reducing channel correlation, such as the arrangement of antenna elements shown in FIG. 4, there are many straight lines connecting a plurality of antenna elements 14. FIG. 5 is a diagram illustrating an example of a straight line connecting a plurality of antenna elements 14-3 arranged on the antenna plane 11. As shown in FIG. 5, it is possible to find a linear arrangement of several antenna elements 14-3 in a direction different from the direction shown in FIG. For each linear arrangement of the plurality of antenna elements, a plane (for example, the plane 12-1 in FIG. 4) orthogonal to the axial direction (for example, the axis 17-1 in FIG. 4) indicating the alignment and the antenna plane 11 are obtained. The number of projection points on the intersecting intersecting axis (for example, the axis 18-1 in FIG. 4) is calculated, and the intersecting axis that minimizes the number of projected points is detected. The position where the antenna element is arranged is adjusted so as to further expand the inclination angle formed by the detected cross axis and the horizontal axis (for example, the inclination angle 13-1 in FIG. 4).

具体的には、図2に示した正方格子状のアンテナ素子配置において、非特許文献3及び非特許文献4に示されるように、上段から下段まで同一のシフト量ずつ規則的にシフトさせて結果的に水平面上へのアンテナ素子の投影点が全て重複せず等間隔となるように、アンテナ素子を配置する位置を決定するのではなく、一部のアンテナ素子間で投影点が重複することを許容して周期的にシフト量を変化させる。投影点が重複することを許容することで、重複することを許容しない場合に比べ、シフト量を大きくすることができ、投影点数が最小となる交差軸と水平軸とがなす角度を拡大させることができる。また、各アンテナ素子を配置する位置をずらす際に同一のシフト量を用いることで、交差軸における投影点を等間隔にすることができる。図1に示したアンテナ素子14の配置では、3行を周期として上段から各行のアンテナ素子14をシフトさせている。各行に対するシフト量αは下記の数式(10)で与えられる。 Specifically, in the square lattice antenna element arrangement shown in FIG. 2, as shown in Non-Patent Document 3 and Non-Patent Document 4, the results are obtained by regularly shifting the same shift amount from the upper stage to the lower stage. Instead of deciding where to place the antenna elements so that the projection points of the antenna elements on the horizontal plane do not all overlap at equal intervals, the projection points overlap between some antenna elements. Allow the shift amount to change periodically. By allowing the projection points to overlap, the shift amount can be increased compared to the case where the projection points are not allowed to overlap, and the angle formed by the intersection axis and the horizontal axis that minimizes the number of projection points can be increased. Can do. In addition, by using the same shift amount when shifting the position where each antenna element is arranged, the projection points on the cross axis can be equally spaced. In the arrangement of the antenna elements 14 shown in FIG. 1, the antenna elements 14 in each row are shifted from the upper stage with a period of three rows. The shift amount α i for each row is given by the following formula (10).

Figure 0006397351
Figure 0006397351

数式(10)におけるiはアンテナ素子の配置における行番号を表し、最上行又は最下行からi=1、2、3、…と与える。また、dantはアンテナ素子の間隔を表し、cはシフト量を変化させる周期を表す。図1に示すアンテナ素子14の配置では、非特許文献3及び非特許文献4のアンテナ素子配置と比較して、隣接する行におけるアンテナ素子14のシフト量が2倍となる。これにより、例えばアンテナ素子14fと14u、14bと14qなどは投影点が重複する一方、水平軸16と投影軸18とがなす傾斜角13を拡大し、その結果として平面12上に存在する高相関となる無線局の組み合わせの存在確率を低く抑えることが可能となる。すなわち、交差軸と水平軸とがなす傾斜角(例えば図4における傾斜角13−1)を更に拡大させるようにアンテナ素子を配置する位置を調整するとは、傾斜角が拡大させることができるシフト量αを得るために周期cを決定することである。 In Expression (10), i represents a row number in the arrangement of the antenna elements, and i = 1, 2, 3,... Is given from the top row or the bottom row. Further, d ant represents the interval between the antenna elements, and c represents a period for changing the shift amount. In the arrangement of the antenna elements 14 shown in FIG. 1, the shift amount of the antenna elements 14 in adjacent rows is doubled as compared with the antenna element arrangements in Non-Patent Document 3 and Non-Patent Document 4. As a result, for example, the antenna elements 14f and 14u, 14b and 14q, etc. have overlapping projection points, while the inclination angle 13 formed by the horizontal axis 16 and the projection axis 18 is enlarged, and as a result, there is a high correlation existing on the plane 12. Therefore, it is possible to reduce the existence probability of the combination of wireless stations. That is, adjusting the position where the antenna element is disposed so as to further increase the inclination angle formed by the intersecting axis and the horizontal axis (for example, the inclination angle 13-1 in FIG. 4) is a shift amount that can increase the inclination angle. The period c is determined in order to obtain α i .

複数のアンテナ素子14同士を結ぶ所定の軸と直交する平面上にアンテナ素子14を投影した際の投影点の数は、軸方向によって変化する。例えば図4に示した軸17−1と直交する平面12−1上への投影点(軸18−1上の白抜きの四角)の数は、重複により5となる。しかし、図5に示したように、アンテナ素子14−3u、14−3q、14−3m、14−3i、14−3eが並ぶ軸と直交する平面上(又は軸18−3)への投影点15−3a〜15−3iの数は9となる。このようにアンテナ素子を直線状に結ぶ軸に直交する平面のうち投影点の数が最も少なくなる平面上では、チャネル分解能が低下すると共に投影点の間隔も広くなりグレーティングローブ出現の可能性が高くなり、当該平面上に位置する無線局同士のチャネル相関は高相関となる傾向にある。   The number of projection points when the antenna element 14 is projected on a plane orthogonal to a predetermined axis connecting the plurality of antenna elements 14 varies depending on the axial direction. For example, the number of projection points (open squares on the axis 18-1) onto the plane 12-1 orthogonal to the axis 17-1 shown in FIG. However, as shown in FIG. 5, the projected point on the plane (or axis 18-3) orthogonal to the axis in which the antenna elements 14-3u, 14-3q, 14-3m, 14-3i, and 14-3e are arranged. The number of 15-3a to 15-3i is 9. Thus, on the plane where the number of projection points is the smallest among the planes orthogonal to the axis connecting the antenna elements in a straight line, the channel resolution is lowered and the interval between the projection points is widened, so that the possibility of appearance of grating lobes is high. Therefore, channel correlation between radio stations located on the plane tends to be high correlation.

したがって、図4に示したような直線上に並ぶ複数のアンテナ素子14−2を結ぶ軸と直交する平面のうち、投影点の重複により投影点数が最小となる平面であって傾斜角が最小となる平面上に存在する無線局を減少させることができれば、チャネル相関を低減することができる。なお、無線局は任意の位置に設置されることが想定されるが、起伏の少ない地形(例えば無線局間の高度差が10m程度に収まる状況)を想定すれば、投影軸18−1と水平軸16とがなす傾斜角13−1を拡大すれば、平面上に存在し得る無線局の範囲が限定され、現実的に平面12−1上に存在する無線局を減少させることができる。   Therefore, among the planes orthogonal to the axis connecting the plurality of antenna elements 14-2 arranged in a straight line as shown in FIG. 4, the plane has the minimum number of projection points due to the overlap of the projection points and the inclination angle is minimum. If the number of radio stations existing on a certain plane can be reduced, channel correlation can be reduced. The radio station is assumed to be installed at an arbitrary position. However, assuming a land with little undulation (for example, a situation where the altitude difference between the radio stations is about 10 m), the radio station is horizontal to the projection axis 18-1. If the inclination angle 13-1 formed by the axis 16 is enlarged, the range of radio stations that can exist on the plane is limited, and the radio stations that actually exist on the plane 12-1 can be reduced.

図1に示したアンテナ素子14の配置例は、本発明に係る実施形態におけるアンテナ素子の配置例である。また、図1に示したアンテナ素子14の配置例は、図2の正方格子状にアンテナ素子20を配置するアンテナ素子配置と比較して、水平面上にアンテナ素子14を投影した投影点の間隔を縮小してチャネル分解能を向上させつつ、複数のアンテナ素子14を結ぶ軸と直交する平面のうちで、投影点の重複により投影点数が最小となる投影軸18と水平軸16とがなす傾斜角13を拡大する配置である。   The arrangement example of the antenna element 14 shown in FIG. 1 is an arrangement example of the antenna element in the embodiment according to the present invention. In addition, the arrangement example of the antenna element 14 shown in FIG. 1 is different from the antenna element arrangement in which the antenna element 20 is arranged in a square lattice shape in FIG. The inclination angle 13 formed by the projection axis 18 and the horizontal axis 16 that minimizes the number of projection points due to the overlap of projection points in the plane orthogonal to the axis connecting the plurality of antenna elements 14 while reducing the channel resolution. It is an arrangement that expands.

ここで、本発明におけるアンテナ素子の配置においては、水平面上への投影点の重複を許容することで、複数のアンテナ素子14を結ぶ軸と直交する平面上における投影点が全て等間隔に並ぶため、グレーティングローブの出現数を少なくすることができる。なお、傾斜角13を拡大する配置として、本発明のように水平面上への投影点の重複を許容しないアンテナ素子の配置も考えられる。図6は、傾斜角を拡大する複数のアンテナ素子の二次元配列の例を示す図である。図6に示すように水平面10上への各アンテナ素子の投影点が重複しないように、非特許文献3及び非特許文献4に記載のアンテナ素子の配置を基準として、各アンテナ素子の水平方向の位置座標を維持しつつ当該配置における行方向に並ぶアンテナ素子群を入れ替えることで、複数アンテナ素子の投影点が重複する軸と直交する平面とがなす傾斜角を拡大する配置も考えられる。しかしながら、図6に示すアンテナ素子の配置では複数のアンテナ素子を結ぶ軸と直交する平面上における投影点が等間隔とならず、投影点間に2つの異なる間隔が現れる不等間隔アレーとなる。   Here, in the arrangement of the antenna elements in the present invention, the projection points on the horizontal plane are allowed to overlap, so that the projection points on the plane orthogonal to the axis connecting the plurality of antenna elements 14 are all arranged at equal intervals. Therefore, the number of grating lobes can be reduced. As an arrangement for expanding the inclination angle 13, an arrangement of antenna elements that does not allow overlapping of projection points on a horizontal plane as in the present invention is also conceivable. FIG. 6 is a diagram illustrating an example of a two-dimensional array of a plurality of antenna elements that increase the tilt angle. As shown in FIG. 6, with respect to the arrangement of the antenna elements described in Non-Patent Document 3 and Non-Patent Document 4 so that the projection points of the antenna elements on the horizontal plane 10 do not overlap, An arrangement in which the inclination angle formed by the plane perpendicular to the axis where the projection points of the plurality of antenna elements overlap is also conceivable by replacing the antenna element groups arranged in the row direction in the arrangement while maintaining the position coordinates. However, in the arrangement of the antenna elements shown in FIG. 6, the projection points on the plane orthogonal to the axis connecting the plurality of antenna elements do not become equidistant, but become an unequal interval array where two different intervals appear between the projection points.

図7は、基地局が備えるアンテナをリニアアレーとしたときに、同一円上に位置する2つの無線局のチャネル相関を示すグラフである。同図には、基地局を中心とした半径1kmの同一円上に位置する2つの無線局のうち一方の無線局が0°の方位に配置され、他方の無線局が−60°から+60°方位に配置された場合のチャネル相関が示されている。同図において、横軸は無線局間の方位差を示し、縦軸はチャネル相関を示す。同図において、実線のグラフで示されるチャネル相関は、アンテナ素子が等間隔に配置された場合のチャネル相関である。破線のグラフで示されるチャネル相関は、アンテナ素子を2つの異なる間隔で周期的に配置した場合のチャネル相関である。同図に示すように、2つの異なる間隔で周期的にアンテナ素子を配置した場合(破線)、等間隔にアンテナ素子を配置した場合(実線)に比べて、多くのグレーティングローブが出現する。ゆえに、本発明におけるアンテナ素子の配置のように、水平面上にアンテナ素子14を投影して得られる投影点の一部が重複することを許容しながらも投影点が全て等間隔に並ぶようにすることで、グレーティングローブが出現する数を少なくし、無線局間のチャネル相関が高相関となる確率を低減できる。   FIG. 7 is a graph showing the channel correlation of two radio stations located on the same circle when the antenna provided in the base station is a linear array. In the figure, one of the two radio stations located on the same circle with a radius of 1 km centered on the base station is arranged in the direction of 0 °, and the other radio station is set between −60 ° and + 60 °. The channel correlation is shown when placed in the azimuth. In the figure, the horizontal axis indicates the azimuth difference between the radio stations, and the vertical axis indicates the channel correlation. In the figure, the channel correlation indicated by the solid line graph is the channel correlation when the antenna elements are arranged at equal intervals. The channel correlation indicated by the broken line graph is a channel correlation when the antenna elements are periodically arranged at two different intervals. As shown in the figure, more grating lobes appear when antenna elements are periodically arranged at two different intervals (broken line) and when antenna elements are arranged at equal intervals (solid line). Therefore, as in the arrangement of the antenna elements in the present invention, the projection points are all arranged at equal intervals while allowing a part of the projection points obtained by projecting the antenna element 14 onto the horizontal plane to be overlapped. As a result, the number of appearance of grating lobes can be reduced, and the probability that the channel correlation between wireless stations will be highly correlated can be reduced.

ここで、全体のSIR特性において、水平面上でのチャネル分解能及びグレーティングローブの有無による寄与が最も大きいと考えられるため、本発明におけるアンテナ素子の配置では、非特許文献3及び非特許文献4のアンテナ素子配置と比較して水平面上の投影点数が減少することによるSIR特性の劣化が考えられる。しかしながら、実際にシミュレーション等でSIR特性を評価すると、アンテナ素子数が十分に多い場合には投影点の重複があっても、SIR特性に対して特に大きな影響はない。これは、チャネル相関低減に寄与するアンテナ素子数の増加によるチャネル分解能の向上は、一定の素子数以上においては飽和してくるためである。   Here, in the entire SIR characteristic, it is considered that the contribution due to the channel resolution on the horizontal plane and the presence or absence of the grating lobe is the largest. Therefore, in the arrangement of the antenna elements in the present invention, the antennas of Non-Patent Document 3 and Non-Patent Document 4 are used. It can be considered that the SIR characteristic is deteriorated due to a decrease in the number of projection points on the horizontal plane as compared with the element arrangement. However, when the SIR characteristics are actually evaluated by simulation or the like, even if there are overlapping projection points when the number of antenna elements is sufficiently large, the SIR characteristics are not particularly affected. This is because improvement in channel resolution due to an increase in the number of antenna elements contributing to channel correlation reduction saturates at a certain number of elements or more.

図8は、アンテナ素子の数をパラメータとして、基地局が備えるアンテナをリニアアレーとしたときに、同一円上に位置する2つの無線局のチャネル相関を示すグラフである。同図には、基地局のアンテナに備えられるアンテナ素子が200本、100本、50本、25本それぞれの場合における、基地局を中心とした半径1kmの同一円上に位置する2つの無線局のうち一方の無線局が0°の方位に配置され、他方の無線局が−60°から+60°方位に配置された場合のチャネル相関が示されている。同図において、横軸は無線局間の方位差を示し、縦軸はチャネル相関を示す。なお、全体の開口長は一定としてアンテナ素子の間隔を与えている。同図に示すように、アンテナ素子数が50本以上の場合にはほとんど同様の特性となる。環境によって特性が飽和するアンテナ素子数は変わるものと考えられるが、同様の傾向が現れることが期待される。したがって、本発明のアンテナ配置においては、水平面上への投影点の間隔が数式(8)よりも小さく、特性が飽和する程度の投影点数となるように、数式(10)における周期cを決定することで、無線局同士のチャネル相関が高相関となる確率を低減することができる。以下に、より現実に即した形で本発明の実施形態について図を用いて説明する。   FIG. 8 is a graph showing the channel correlation between two radio stations located on the same circle when the number of antenna elements is used as a parameter and the antenna provided in the base station is a linear array. The figure shows two radio stations located on the same circle with a radius of 1 km centered on the base station when the antenna elements of the base station are 200, 100, 50, and 25, respectively. The channel correlation is shown when one of the radio stations is arranged in the 0 ° azimuth and the other radio station is arranged in the −60 ° to + 60 ° azimuth. In the figure, the horizontal axis indicates the azimuth difference between the radio stations, and the vertical axis indicates the channel correlation. Note that the distance between the antenna elements is given while assuming that the entire opening length is constant. As shown in the figure, the characteristics are almost the same when the number of antenna elements is 50 or more. Although the number of antenna elements whose characteristics are saturated varies depending on the environment, it is expected that the same tendency will appear. Therefore, in the antenna arrangement of the present invention, the period c in Expression (10) is determined so that the projected point interval on the horizontal plane is smaller than Expression (8) and the number of projection points is such that the characteristics are saturated. As a result, it is possible to reduce the probability that the channel correlation between the radio stations is highly correlated. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings in a more realistic manner.

[第1の実施形態]
図9は、本発明に係る第1の実施形態におけるアンテナ素子の配置例を示す図である。以降の説明では、説明を簡単にするためにアンテナ平面11は水平面10に直交するものとし(図1参照)、アンテナ平面11上の水平方向と垂直方向とそれぞれの軸とを明示的に示し、これらの軸に対するアンテナ素子の配置を説明する。なお、先にも述べたようにアンテナ平面11は厳密に水平面に直交する必要はなく、アンテナ平面11が水平面に対して多少傾斜している場合でも同様に本発明は実施可能である。
[First Embodiment]
FIG. 9 is a diagram illustrating an arrangement example of the antenna elements in the first embodiment according to the present invention. In the following description, for the sake of simplicity, the antenna plane 11 is assumed to be orthogonal to the horizontal plane 10 (see FIG. 1), and the horizontal and vertical directions on the antenna plane 11 and the respective axes are explicitly shown. The arrangement of the antenna elements with respect to these axes will be described. As described above, the antenna plane 11 does not need to be strictly orthogonal to the horizontal plane, and the present invention can be similarly implemented even when the antenna plane 11 is slightly inclined with respect to the horizontal plane.

図9において、黒で塗りつぶされている四角は、図2と同様にアンテナ素子20である。同図には、アンテナ素子20の着目すべき配置に対して丸印のマーカ21a〜21kが示されている。同図には、アンテナ素子20が水平方向に10個並べて配置され、その並びが垂直方向に10段重ねられた二次元配置が示されている。同図に示す配置例には、合計で100個のアンテナ素子20が配置されている。アンテナ素子20は、それぞれ指向性アンテナであり、正面方向に高い指向性利得を示す。例えば、水平方向及び垂直方向のアンテナ素子20の間隔を1波長(λ)間隔に設定したとする。図9においては、最左側のアンテナ素子20を含む列において、1波長間隔のアンテナ素子20間隔を等間隔に5分割した位置を示す補助線としての点線が示されている。5分割とした理由は、図9に示したアンテナ素子20の配置において各アンテナ素子14に与えるシフト量として、数式(10)における周期cが5の場合を想定するためである。   In FIG. 9, the squares filled with black are the antenna elements 20 as in FIG. In the figure, markers 21a to 21k with circles are shown for the arrangement of the antenna element 20 to which attention should be paid. The figure shows a two-dimensional arrangement in which ten antenna elements 20 are arranged side by side in the horizontal direction, and the arrangement is overlapped by 10 stages in the vertical direction. In the arrangement example shown in the figure, a total of 100 antenna elements 20 are arranged. Each of the antenna elements 20 is a directional antenna and exhibits a high directivity gain in the front direction. For example, it is assumed that the interval between the antenna elements 20 in the horizontal direction and the vertical direction is set to one wavelength (λ) interval. In FIG. 9, in the column including the leftmost antenna element 20, a dotted line is shown as an auxiliary line indicating a position obtained by dividing the antenna element 20 of one wavelength interval into five equal intervals. The reason for the division into five is to assume a case where the period c in Formula (10) is 5 as the shift amount given to each antenna element 14 in the arrangement of the antenna elements 20 shown in FIG.

マーカ21a及びマーカ21kで示された箇所の2つのアンテナ素子20における水平方向の間隔を5等分する各補助線上に、マーカ21aで示されたアンテナ素子20と同じ列における他の行のアンテナ素子20を配置する。このとき、数式(10)に従い、他の各行のアンテナ素子20ごとに配置される位置が異なる。数式(10)における行番号iは、最上行を1として1行下に進むごとに1ずつ増加する、又は最下行を1として1行上に進むごとに1ずつ増加する。この配置例では、設定された周期c(=5)に応じて、水平方向の位置が重複するアンテナ素子20が存在する。10個のアンテナ素子20を1周期あたり5個配置するため、水平方向の位置が重複するアンテナ素子20は2個ずつとなる。なお、各アンテナ素子20の間隔(厳密には、例えばマーカ21a及びマーカ21kで示した二つのアンテナ素子の間隔)は当初設定した、例えば1波長以上が保たれるものとする。   Antenna elements in other rows in the same column as the antenna elements 20 indicated by the markers 21a on the respective auxiliary lines dividing the horizontal interval in the two antenna elements 20 at the positions indicated by the markers 21a and 21k into five equal parts. 20 is arranged. At this time, according to Formula (10), the position arrange | positioned for every antenna element 20 of each other row differs. The line number i in Expression (10) increases by 1 every time the top row is set to 1 and goes down one row, or increases by 1 every time the bottom row is set to 1 and goes up one row. In this arrangement example, there are antenna elements 20 whose horizontal positions overlap according to the set period c (= 5). Since ten antenna elements 20 are arranged per one period, two antenna elements 20 with overlapping horizontal positions are provided. It is assumed that the distance between the antenna elements 20 (strictly speaking, for example, the distance between the two antenna elements indicated by the marker 21a and the marker 21k) is maintained at, for example, one wavelength or more.

図9に示すアンテナ素子20の配置例において、マーカ21b〜21jで示されるアンテナ素子20は、マーカ21で示されたアンテナ素子20から1/5間隔ずつ右側に寄せて配置される。ここで、マーカ21eで示されたアンテナ素子20で配置する位置をシフトさせる周期が終わるため、マーカ21fで示されたアンテナ素子20は、マーカ21aで示されたアンテナ素子20と同じ補助線上に配置される。マーカ21g〜マーカ21jで示されるアンテナ素子20は、マーカ21fで示されるアンテナ素子20から1/5間隔ずつ右側に寄せて配置される。このようにアンテナ素子20を配置する位置を決定すると、各補助線上に2個ずつアンテナ素子20が配置されることになる。   In the arrangement example of the antenna element 20 shown in FIG. 9, the antenna elements 20 indicated by the markers 21 b to 21 j are arranged close to the right side by 1/5 interval from the antenna element 20 indicated by the marker 21. Here, since the period for shifting the position of the antenna element 20 indicated by the marker 21e ends, the antenna element 20 indicated by the marker 21f is arranged on the same auxiliary line as the antenna element 20 indicated by the marker 21a. Is done. The antenna elements 20 indicated by the markers 21g to 21j are arranged close to the right side by 1/5 interval from the antenna element 20 indicated by the marker 21f. When the positions where the antenna elements 20 are arranged in this way are determined, two antenna elements 20 are arranged on each auxiliary line.

このような配置を他の9列のアンテナ素子20それぞれに対して最右列まで繰り返して得られるアンテナ素子20の配置では、100個全てのアンテナ素子20を水平軸方向の軸に投影して得られる投影点数は50となり、投影点の間隔はλ/5となる。すなわち、このアンテナ素子20の配置は、SIR特性の飽和が期待できる数を確保できる投影点数50を得ることができ、グレーティングローブが180°の範囲に出現しない間隔λ/5を得ることができる。また、水平方向の軸は、水平方向と垂直方向との各軸を含むアンテナ平面と水平面とが交差する軸と平行であり、基地局が備えるアンテナの最大利得方向(アンテナ平面の法線に相当する正面方向)に直交している。   In the arrangement of the antenna elements 20 obtained by repeating such an arrangement up to the rightmost column for each of the other nine rows of antenna elements 20, the projection is obtained by projecting all 100 antenna elements 20 onto the horizontal axis direction. The number of projected points is 50, and the interval between the projected points is λ / 5. That is, the arrangement of the antenna element 20 can obtain a projection point number 50 that can secure the number that can be expected to saturate the SIR characteristic, and can obtain an interval λ / 5 where the grating lobe does not appear in the range of 180 °. In addition, the horizontal axis is parallel to the axis where the antenna plane including the horizontal and vertical axes and the horizontal plane intersect, and the maximum gain direction of the antenna provided in the base station (corresponding to the normal of the antenna plane) To the front direction).

また、図9に示すアンテナ素子20の配置例では、各行のアンテナ素子20ごとに、最左列のアンテナ素子20を基準として、水平方向において右側に隣接するアンテナ素子20の位置を1波長の1/10の距離ずつ垂直方向の上側にずらした配置になっている。すなわち、同じ行に含まれるアンテナ素子20において、最左側のアンテナ素子20と最右側のアンテナ素子20とは、垂直方向において1波長の9/10ずれた位置に配置されている。   Further, in the arrangement example of the antenna elements 20 shown in FIG. 9, for each antenna element 20 in each row, the position of the antenna element 20 adjacent to the right side in the horizontal direction is set to 1 of one wavelength with respect to the antenna element 20 in the leftmost column. The arrangement is shifted to the upper side in the vertical direction by a distance of / 10. That is, in the antenna elements 20 included in the same row, the leftmost antenna element 20 and the rightmost antenna element 20 are arranged at a position shifted by 9/10 of one wavelength in the vertical direction.

なお、図9に示すアンテナ素子20の配置において、列方向(垂直方向)におけるアンテナ素子20を配置する位置を、行方向(水平方向)と同様に、設定された周期cに応じたシフト量で、周期c列ごとに、列に含まれるアンテナ素子20の位置を列方向にシフト量ずつずらした位置に決定してもよい。   In the arrangement of the antenna elements 20 shown in FIG. 9, the position where the antenna elements 20 are arranged in the column direction (vertical direction) is shifted by a shift amount corresponding to the set period c, as in the row direction (horizontal direction). For each period c column, the position of the antenna element 20 included in the column may be determined as a position shifted by a shift amount in the column direction.

以上の操作により配置された100個のアンテナ素子20は、全てのアンテナ素子20を2つのグループに分割し、下半分のアンテナ素子グループ22aと上半分のアンテナ素子グループ22bとに分けたものと考えることもできる。マーカ21a〜マーカ21eで示されるアンテナ素子20を結ぶ直線は、上半分のアンテナ素子グループ22bにおける、マーカ21f〜21jで示されるアンテナ素子20それぞれの右隣に配置されているアンテナ素子20を通過する。そのため、マーカ21a〜マーカ21eで示されるアンテナ素子20を結ぶ直線と直交する平面における各アンテナ素子20の投影点は重複するため、投影点数が少なくなるが、投影点の間隔は等間隔になるため、グレーティングローブの出現数が抑えられる。   The 100 antenna elements 20 arranged by the above operation are considered to be obtained by dividing all antenna elements 20 into two groups and dividing them into a lower half antenna element group 22a and an upper half antenna element group 22b. You can also. A straight line connecting the antenna elements 20 indicated by the markers 21a to 21e passes through the antenna elements 20 arranged on the right side of the antenna elements 20 indicated by the markers 21f to 21j in the antenna element group 22b of the upper half. . For this reason, the projection points of each antenna element 20 in the plane orthogonal to the straight line connecting the antenna elements 20 indicated by the markers 21a to 21e overlap, so the number of projection points is reduced, but the intervals between the projection points are equal. The number of appearance of grating lobes is suppressed.

[第2の実施形態]
図10は、本発明に係る第2の実施形態におけるアンテナ素子の配置例を示す図である。同図において、黒で塗りつぶされている四角は、図2と同様にアンテナ素子20である。同図には、アンテナ素子20の着目すべき配置に対して、図9と同様に丸印のマーカ21a−2a〜21−2iが示されている。同図には、アンテナ素子20が水平方向に10個並べて配置され、その並びが垂直方向に9段重ねられた二次元配置が示されている。同図に示す配置例には、合計で90個のアンテナ素子20が配置されている。アンテナ素子20は、それぞれ指向性アンテナであり、正面方向に高い指向性利得を示す。例えば、水平方向及び垂直方向のアンテナ素子20の間隔を1波長(λ)間隔に設定したとする。図10においては、最左列のアンテナ素子20を含む列において、1波長間隔のアンテナ素子20の間隔を等間隔に3等分した位置を示す補助線として点線が示されている。3分割とした理由は、図10に示すアンテナ素子20の配置において各アンテナ素子20に与えるシフト量として、数式(10)における周期cが3の場合を想定するためである。
[Second Embodiment]
FIG. 10 is a diagram showing an arrangement example of antenna elements in the second embodiment according to the present invention. In the figure, the squares filled with black are the antenna elements 20 as in FIG. In the same figure, markers 21a-2a to 21-2i with circles are shown in the same manner as in FIG. The figure shows a two-dimensional arrangement in which ten antenna elements 20 are arranged side by side in the horizontal direction, and the arrangement is stacked in nine stages in the vertical direction. In the arrangement example shown in the figure, a total of 90 antenna elements 20 are arranged. Each of the antenna elements 20 is a directional antenna and exhibits a high directivity gain in the front direction. For example, it is assumed that the interval between the antenna elements 20 in the horizontal direction and the vertical direction is set to one wavelength (λ) interval. In FIG. 10, a dotted line is shown as an auxiliary line indicating a position obtained by dividing the interval between the antenna elements 20 of one wavelength interval into three equal intervals in the column including the leftmost antenna element 20. The reason for the division into three is to assume a case where the period c in Expression (10) is 3 as the shift amount given to each antenna element 20 in the arrangement of the antenna elements 20 shown in FIG.

図10に示すアンテナ素子20の配置例では、マーカ21−2a及びマーカ21−2jで示された箇所の2つのアンテナ素子20における水平方向の間隔を3等分する各補助線上に、マーカ21−2aで示されたアンテナ素子20と同じ列における他の行のアンテナ素子20を配置する。このとき、数式(10)に従い、他の各行のアンテナ素子20ごとに配置される位置が異なる。この配置例では、設定された周期c(=3)に応じて、水平方向の位置が重複するアンテナ素子20が存在する。9個のアンテナ素子20を1周期あたり3個配置するため、水平方向の位置が重複するアンテナ素子20は3個ずつとなる。なお、各アンテナ素子20の間隔(厳密には、例えばマーカ21−2a及びマーカ21−2jで示した二つのアンテナ素子の間隔)は当初設定した、例えば1波長以上が保たれるものとする。   In the arrangement example of the antenna element 20 shown in FIG. 10, the marker 21-is placed on each auxiliary line that equally divides the horizontal interval in the two antenna elements 20 at the locations indicated by the markers 21-2 a and 21-2 j into three equal parts. The antenna elements 20 in other rows in the same column as the antenna elements 20 indicated by 2a are arranged. At this time, according to Formula (10), the position arrange | positioned for every antenna element 20 of each other row differs. In this arrangement example, there are antenna elements 20 whose horizontal positions overlap according to the set period c (= 3). Since nine antenna elements 20 are arranged per one period, there are three antenna elements 20 whose horizontal positions overlap each other. It is assumed that the distance between the antenna elements 20 (strictly speaking, for example, the distance between the two antenna elements indicated by the markers 21-2a and 21-2j) is maintained at, for example, one wavelength or more.

また、この配置例では、マーカ21−2b〜21−2iで示されるアンテナ素子20は、マーカ21−2aで示されたアンテナ素子20から1/3間隔ずつ右側に寄せて配置される。マーカ21−2cで示されたアンテナ素子20で配置する位置をシフトさせる周期が終わるため、マーカ21−2dで示されるアンテナ素子20は、マーカ21−2aで示されるアンテナ素子20と同じ補助線上に配置される。マーカ21−2e及び21−2fで示されるアンテナ素子20は、マーカ21−2dで示されるアンテナ素子20から1/3間隔ずつ右側に寄せて配置される。マーカ21−2g〜21−2iで示されるアンテナ素子20も、マーカ21−2d〜21−2fで示されるアンテナ素子20と同様に配置される。このようにアンテナ素子20を配置する位置を決定すると、各補助線に3個ずつアンテナ素子20が配置されることになる。   Further, in this arrangement example, the antenna elements 20 indicated by the markers 21-2b to 21-2i are arranged close to the right side by 1/3 interval from the antenna element 20 indicated by the marker 21-2a. Since the period for shifting the position of the antenna element 20 indicated by the marker 21-2c ends, the antenna element 20 indicated by the marker 21-2d is on the same auxiliary line as the antenna element 20 indicated by the marker 21-2a. Be placed. The antenna elements 20 indicated by the markers 21-2e and 21-2f are arranged to the right by 1/3 interval from the antenna element 20 indicated by the marker 21-2d. The antenna elements 20 indicated by the markers 21-2g to 21-2i are also arranged in the same manner as the antenna elements 20 indicated by the markers 21-2d to 21-2f. When the positions where the antenna elements 20 are arranged in this way are determined, three antenna elements 20 are arranged on each auxiliary line.

このような配置を他の9列のアンテナ素子20それぞれに対して最右列まで繰り返して得られるアンテナ素子20の配置では、90個全てのアンテナ素子20を水平軸方向の軸に投影して得られる投影点数は30となり、投影点の間隔はλ/3となる。すなわち、このアンテナ素子20の配置は、SIR特性の飽和が期待できる数を確保できる投影点数30を得ることができ、グレーティングローブが180°の範囲に出現しない間隔λ/3を得ることができる。また、水平方向の軸は、水平方向と垂直方向との各軸を含むアンテナ平面と水平面とが交差する軸と平行であり、基地局が備えるアンテナの最大利得方向(アンテナ平面の法線に相当する正面方向)に直交している。   In the arrangement of the antenna elements 20 obtained by repeating such an arrangement up to the rightmost column for each of the other nine rows of antenna elements 20, all 90 antenna elements 20 are projected onto the axis in the horizontal axis direction. The number of projected points is 30, and the interval between the projected points is λ / 3. That is, the arrangement of the antenna elements 20 can obtain a projection point number 30 that can secure the number that can be expected to saturate the SIR characteristic, and can obtain an interval λ / 3 where the grating lobe does not appear in the range of 180 °. In addition, the horizontal axis is parallel to the axis where the antenna plane including the horizontal and vertical axes and the horizontal plane intersect, and the maximum gain direction of the antenna provided in the base station (corresponding to the normal of the antenna plane) To the front direction).

また、図10に示すアンテナ素子20の配置例では、各行のアンテナ素子20ごとに、最左列のアンテナ素子20を基準として、水平方向において右側に隣接するアンテナ素子20の位置を1波長の1/10の距離ずつ垂直方向の上側にずらした配置になっている。すなわち、同じ行に含まれるアンテナ素子20において、最左側のアンテナ素子20と最右側のアンテナ素子20とは、垂直方向において1波長の9/10ずれた位置に配置されている。   Further, in the arrangement example of the antenna elements 20 shown in FIG. 10, for each antenna element 20 in each row, the position of the antenna element 20 adjacent to the right side in the horizontal direction is set to 1 of one wavelength with respect to the antenna element 20 in the leftmost column. The arrangement is shifted to the upper side in the vertical direction by a distance of / 10. That is, in the antenna elements 20 included in the same row, the leftmost antenna element 20 and the rightmost antenna element 20 are arranged at a position shifted by 9/10 of one wavelength in the vertical direction.

なお、図10に示すアンテナ素子20の配置において、列方向(垂直方向)におけるアンテナ素子20を配置する位置を、行方向(水平方向)と同様に、設定された周期cに応じたシフト量で、周期c列ごとに、列に含まれるアンテナ素子20の位置を列方向にシフト量ずつずらした位置に決定してもよい。   In the arrangement of the antenna elements 20 shown in FIG. 10, the position where the antenna elements 20 are arranged in the column direction (vertical direction) is shifted by a shift amount corresponding to the set period c, as in the row direction (horizontal direction). For each period c column, the position of the antenna element 20 included in the column may be determined as a position shifted by a shift amount in the column direction.

以上の操作により配置された90個のアンテナ素子20は、全てのアンテナ素子20を3つのグループに分割し、下段のアンテナ素子グループ22−1a、中段のアンテナ素子グループ22−1b、上段のアンテナ素子グループ22−1cに分けたものと考えることもできる。このように配置されたアンテナ素子20を水平方向の軸に投影して得られる投影点の間隔は等間隔にλ/3になるため、グレーティングローブの出現数が抑えられる。   The 90 antenna elements 20 arranged by the above operation divide all the antenna elements 20 into three groups, the lower antenna element group 22-1a, the middle antenna element group 22-1b, and the upper antenna element. It can also be considered that the group is divided into groups 22-1c. Since the distance between the projection points obtained by projecting the antenna elements 20 arranged in this way onto the horizontal axis is λ / 3 at equal intervals, the number of appearance of grating lobes can be suppressed.

図9及び図10において示したアンテナ素子20の配置では、アンテナ素子20を複数のグループに分割して、グループごとに数式(10)に従い配置する位置を水平方向にシフトさせる。ここで、任意のアンテナ素子20同士を結ぶ直線は、図4や図5において示したように、様々な方向の直線を想定することが可能である。この中で、この直線で表される軸方向と直交する平面へ各アンテナ素子20を投影し、投影点が重複することにより投影点数が最小となる平面に着目する。図1に示した配置例では、この着目した平面12と水平面10とがなす角度13を、非特許文献3及び非特許文献4に記載のアンテナ配置と比較して拡大できる。   In the arrangement of the antenna elements 20 shown in FIGS. 9 and 10, the antenna elements 20 are divided into a plurality of groups, and the positions to be arranged according to Expression (10) are shifted in the horizontal direction for each group. Here, as shown in FIGS. 4 and 5, it is possible to assume straight lines connecting various antenna elements 20 in various directions. Among these, each antenna element 20 is projected onto a plane orthogonal to the axial direction represented by this straight line, and attention is paid to a plane that minimizes the number of projection points by overlapping projection points. In the arrangement example shown in FIG. 1, the angle 13 formed by the focused plane 12 and the horizontal plane 10 can be expanded as compared with the antenna arrangements described in Non-Patent Document 3 and Non-Patent Document 4.

以上の説明においては、特定のアンテナ素子数、行数、列数、アンテナ素子の配置間隔について例示したが、当然ながら他の一般的な条件においても本発明は有効である。同様に数式(10)における周期cは個々に示したものに限定されず、アンテナ素子数、行数及び列数、アンテナ素子の配置間隔に応じて適切に設定して構わない。また、各グループの行数は必ずしも同一である必要はなく、例えば図9に示した10行10列のアンテナ素子の2次元配列において、3行、3行、4行との3つのグループに分け、同様の操作で配置する位置をシフトさせたアンテナ素子の配置を決定することも可能である。更に、水平面へのアンテナ素子の投影点数は、上述のように所定の条件での飽和領域である場合に効果が大きいが、必ずしも飽和領域である必然性はなく、一般のアンテナ素子の投影点数であっても構わない。なお、ここでの飽和領域は、シミュレーションなどにより評価することが可能であり、見通し波を基に総合的なSIR特性を評価した際に特性の劣化が見られない領域が本発明の適用領域であり、開口長に応じて決まる。   In the above description, the specific number of antenna elements, the number of rows, the number of columns, and the arrangement interval of the antenna elements are exemplified, but the present invention is naturally effective under other general conditions. Similarly, the period c in Expression (10) is not limited to that shown individually, and may be appropriately set according to the number of antenna elements, the number of rows and columns, and the arrangement interval of antenna elements. Further, the number of rows in each group is not necessarily the same. For example, in the two-dimensional array of antenna elements of 10 rows and 10 columns shown in FIG. 9, the groups are divided into three groups of 3 rows, 3 rows, and 4 rows. It is also possible to determine the arrangement of the antenna elements by shifting the position of arrangement by the same operation. Furthermore, although the number of projection points of the antenna element on the horizontal plane is great when it is a saturated region under a predetermined condition as described above, it is not necessarily the saturation region, and is the number of projection points of a general antenna element. It doesn't matter. Note that the saturation region here can be evaluated by simulation or the like, and the region where no deterioration of the characteristic is observed when the comprehensive SIR characteristic is evaluated based on the line-of-sight wave is the application region of the present invention. Yes, depending on the opening length.

第1及び第2の実施形態におけるアンテナ素子20の配置は、アンテナ平面11又はアンテナ平面11に近似可能な曲面である準平面上に複数のアンテナ素子20を行方向及び列方向に二次元配置したものである。また、アンテナ素子20の配置を決定する際に、図2に示したように矩形格子の格子点にアンテナ素子20を等間隔に配置した状態に対して、矩形格子の行に含まれるアンテナ素子20同士の行方向の間隔を所定の周期c1で等分割した距離を第1のシフト量として算出する。矩形格子の行を複数のグループに分け、例えば行数を周期c1で除算して得られる数のグループに分け、各グループにおいていずれかの行に含まれるアンテナ素子20を基準として行ごとに行に含まれるアンテナ素子20の位置を第1のシフト量ずつずらす。また、矩形格子の列に含まれるアンテナ素子20同士の列方向の間隔を所定の周期c2で等分割した距離を第2のシフト量として算出する。矩形格子の列を複数のグループに分け、例えば列数を周期c2で除算して得られる数のグループに分け、各グループにおいていずれかの列に含まれる素子を基準として列ごとに列に含まれるアンテナ素子20の位置を第2のシフト量ずつずらす。以上のようにして得られた各アンテナ素子20の位置をアンテナ素子20を配置する位置に決定する。このとき、数式(10)に基づいて、図1における傾斜角13を拡大するように周期c1、c2を定めてもよい。   In the first and second embodiments, the antenna elements 20 are two-dimensionally arranged in the row direction and the column direction on the antenna plane 11 or a quasi-plane that is a curved surface approximate to the antenna plane 11. Is. Further, when determining the arrangement of the antenna elements 20, as shown in FIG. 2, the antenna elements 20 included in the rows of the rectangular lattice are compared with the state in which the antenna elements 20 are arranged at equal intervals at the lattice points of the rectangular lattice. A distance obtained by equally dividing the interval in the row direction with a predetermined period c1 is calculated as the first shift amount. Divide the rows of the rectangular grid into a plurality of groups, for example, divide the number of rows into groups obtained by dividing the number of rows by the period c1, and in each group, the antenna elements 20 included in any row are divided into rows for each row. The position of the included antenna element 20 is shifted by the first shift amount. Further, a distance obtained by equally dividing the interval in the column direction between the antenna elements 20 included in the column of the rectangular lattice with a predetermined period c2 is calculated as the second shift amount. Divide the columns of the rectangular lattice into a plurality of groups, for example, divide the number of columns into groups obtained by dividing the number of columns by the period c2, and each column is included in each column based on the elements included in any column. The position of the antenna element 20 is shifted by the second shift amount. The position of each antenna element 20 obtained as described above is determined as the position where the antenna element 20 is disposed. At this time, the periods c1 and c2 may be determined so as to increase the inclination angle 13 in FIG.

第1及び第2の実施形態におけるアンテナ素子の配置を有するアンテナによれば、水平方向の軸にアンテナ素子を投影したときに投影点が重複することを許容したことにより、重複を許容しない場合に比べて、垂直方向(列方向)に隣り合うアンテナ素子との水平方向の位置の差を広くすることができる。これにより、アンテナ平面に対して直交する水平面と、列方向に並ぶアンテナ素子を結ぶ互いに平行な直線群と直交する平面とがなす傾斜角を拡大することができ、無線局の位置に高低差のある場合においても、アンテナ素子の投影点が重複することによるチャネル相関が高相関となる無線局が存在する確率を低減することができる。更に、アンテナ素子の配置を変えたことにより、複数のアンテナ素子の投影点が重複する軸の数を低減することができ、無線局同士のチャネル相関が高相関となる確率を低減することができる。   According to the antenna having the arrangement of the antenna elements in the first and second embodiments, when the antenna elements are projected on the horizontal axis, the projection points are allowed to overlap, so that the overlap is not allowed. In comparison, the difference in horizontal position between adjacent antenna elements in the vertical direction (column direction) can be widened. As a result, the inclination angle formed by the horizontal plane orthogonal to the antenna plane and the plane orthogonal to the mutually parallel straight line group connecting the antenna elements arranged in the column direction can be expanded, and the position of the radio station can be increased or decreased. Even in some cases, it is possible to reduce the probability that there exists a radio station having a high channel correlation due to overlapping projection points of antenna elements. Furthermore, by changing the arrangement of the antenna elements, it is possible to reduce the number of axes where projection points of a plurality of antenna elements overlap, and to reduce the probability that the channel correlation between radio stations will be highly correlated. .

また、本発明に係る無線基地局装置は、第1及び第2の実施形態において説明したアンテナ素子20を二次元配置したアンテナを備え、当該アンテナを用いて無線チャネルを介した端末局との無線通信を行うものである。また、本発明に係るアンテナ素子の配置方法は、第1及び第2の実施形態において説明したようにアンテナ素子20を配置するものである。また、第1及び第2の実施形態において説明したようにアンテナ素子20を配置することにより、アンテナを製造してもよい。   The radio base station apparatus according to the present invention includes an antenna in which the antenna element 20 described in the first and second embodiments is two-dimensionally arranged, and wirelessly communicates with a terminal station via a radio channel using the antenna. It communicates. Moreover, the antenna element arrangement method according to the present invention is to arrange the antenna element 20 as described in the first and second embodiments. Moreover, you may manufacture an antenna by arrange | positioning the antenna element 20 as demonstrated in the 1st and 2nd embodiment.

[本発明の全ての実施形態に関連する補足事項]
ここまで、アンテナ平面11は基本的に水平面10に直交する平面として説明したが、厳密には完全に平面である必要もなく、若干の曲面をともなうものであっても構わない。また、アンテナ平面11は、厳密に水平面10に直交する必要もなく、例えばアンテナ素子20が配置されている面に垂直よりも若干下向きのチルト角が設定されていてもよい。すなわち、厳密な直交性は必要ではない。
[Supplementary items related to all embodiments of the present invention]
Up to this point, the antenna plane 11 has basically been described as a plane orthogonal to the horizontal plane 10, but strictly speaking, the antenna plane 11 does not have to be completely flat and may have a slight curved surface. Further, the antenna plane 11 does not need to be strictly orthogonal to the horizontal plane 10, and for example, a tilt angle slightly downward from the vertical may be set on the plane on which the antenna element 20 is disposed. That is, strict orthogonality is not necessary.

また、全てのアンテナの指向性が必ずしも同一方向で利得最大となる必要もなく、例えば上述のように若干の曲面上に配置される場合などは必然的に利得最大となる方向はばらついたものとなる。重要なことは、各アンテナ素子20は概ね近似的に平面上に設置され、概ね垂直平面と直交関係にあるものであれば適用可能である。したがって、上述の説明は、準平面状のものであれば近似的な平面と読み替え、若干のチルト角がともなうものであればそれを近似的な直交と読み替えれば良い。   In addition, the directivity of all the antennas does not necessarily have to have the maximum gain in the same direction. Become. What is important is that each antenna element 20 can be applied as long as it is installed approximately on a plane and is approximately orthogonal to a vertical plane. Therefore, the above description should be read as an approximate plane if it is a quasi-planar shape, and read as approximate orthogonal if it has a slight tilt angle.

以上、本発明の実施形態について図面を参照して記述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計も含まれる。なお、当然ながら、上述した実施形態及び複数の変形例は、その内容が相反しない範囲で組み合わせることができる。また、上述した実施形態では、各部の構造などを具体的に説明したが、その構造などは本願発明を満足する範囲で各種に変更することができる。   As mentioned above, although embodiment of this invention has been described with reference to drawings, a specific structure is not restricted to this embodiment, The design of the range which does not deviate from the summary of this invention is also included. Needless to say, the above-described embodiment and a plurality of modifications can be combined within a range in which the contents do not conflict with each other. Moreover, although the structure of each part was demonstrated concretely in embodiment mentioned above, the structure etc. can be variously changed in the range which satisfies this invention.

以上、この発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計等も含まれる。   The embodiment of the present invention has been described in detail with reference to the drawings. However, the specific configuration is not limited to this embodiment, and includes designs and the like that do not depart from the gist of the present invention.

複数のアンテナ素子を配置したアンテナにおいてチャネル相関が高相関になる無線局が存在する可能性を低減させることが不可欠な用途にも適用できる。   The present invention can also be applied to applications in which it is essential to reduce the possibility that there is a radio station having a high channel correlation in an antenna having a plurality of antenna elements.

1…基地局
2…無線局
3…見通し波
4…安定反射波
5,6…多重反射波
7…構造物
10…水平面
11…アンテナ平面
12,12−1,12−2…平面
13,13−1,13−2…傾斜角
14,14a〜14y,14−1a〜14−1y,14−2a〜14−2y,14−3a〜14−3y,14−4a〜14−4y…アンテナ素子
15a〜15f,15−1a〜15−1y,15−2a〜15−2e,15−3a〜15−3i,15−4a〜15−4f…投影点
16…水平軸
17,17−1,17−2,18,18−1,18−2,18−3…軸
20…アンテナ素子
21a〜21j,21−2a〜21−2j…マーカ
22a,22b,22−1a〜22−1c…アンテナ素子グループ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Base station 2 ... Radio station 3 ... Line of sight 4 ... Stable reflected wave 5, 6 ... Multiple reflected wave 7 ... Structure 10 ... Horizontal plane 11 ... Antenna plane 12, 12-1, 12-2 ... Plane 13, 13- 1, 13-2 ... Inclination angles 14, 14a to 14y, 14-1a to 14-1y, 14-2a to 14-2y, 14-3a to 14-3y, 14-4a to 14-4y ... Antenna element 15a to 15f, 15-1a to 15-1y, 15-2a to 15-2e, 15-3a to 15-3i, 15-4a to 15-4f ... Projection point 16 ... Horizontal axis 17, 17-1, 17-2, 18, 18-1, 18-2, 18-3 ... axis 20 ... antenna elements 21a to 21j, 21-2a to 21-2j ... markers 22a, 22b, 22-1a to 22-1c ... antenna element groups

Claims (3)

複数のアンテナ素子を平面又は前記平面に近似可能な曲面である準平面上に行方向及び列方向に二次元配置したアンテナであって、
前記複数のアンテナ素子の配置は、
矩形格子の格子点に前記アンテナ素子を配置した状態に対して、前記矩形格子の行に含まれる前記アンテナ素子同士の行方向の間隔を所定の周期数c1で等分割した距離を第1のシフト量とし、前記矩形格子の行を複数のグループに分け、各グループにおいていずれかの行に含まれる前記アンテナ素子を基準として行ごとに行に含まれる前記アンテナ素子の位置を前記第1のシフト量ずつずらし、更に前記矩形格子の列に含まれる前記アンテナ素子同士の列方向の間隔を所定の周期数c2で等分割した距離を第2のシフト量とし、前記矩形格子の列を複数のグループに分け、各グループにおいていずれかの列に含まれる前記アンテナ素子を基準として列ごとに列に含まれる前記アンテナ素子の位置を第2のシフト量ずつずらして決定される
ことを特徴とするアンテナ。
An antenna in which a plurality of antenna elements are two-dimensionally arranged in a row direction and a column direction on a plane or a quasi-plane that is a curved surface that can approximate the plane,
The arrangement of the plurality of antenna elements is as follows:
For the state in which the antenna elements are arranged at the grid points of the rectangular grid, a distance obtained by equally dividing the spacing in the row direction between the antenna elements included in the rows of the rectangular grid by a predetermined period number c1 is a first shift. The rectangular grid rows are divided into a plurality of groups, and the position of the antenna element included in each row is defined as the first shift amount with reference to the antenna element included in any row in each group. Further, the distance obtained by equally dividing the interval in the column direction between the antenna elements included in the rows of the rectangular lattice by a predetermined period number c2 is set as a second shift amount, and the rows of the rectangular lattice are divided into a plurality of groups. In each group, the position of the antenna element included in the column is determined by shifting by the second shift amount with respect to the antenna element included in any column in each group. An antenna characterized by.
請求項1に記載のアンテナを備え、
前記アンテナを用いて無線チャネルを介した端末局との無線通信を行う
ことを特徴とする無線基地局装置。
An antenna according to claim 1 ,
A radio base station apparatus that performs radio communication with a terminal station via a radio channel using the antenna.
複数のアンテナ素子を平面又は前記平面に近似可能な曲面である準平面上に行方向及び列方向に二次元配置したアンテナにおけるアンテナ素子の配置方法であって、
矩形格子の格子点に前記アンテナ素子を配置した状態に対して、前記矩形格子の行に含まれる前記アンテナ素子同士の行方向の間隔を所定の周期数c1で等分割した距離を第1のシフト量とし、前記矩形格子の行を複数のグループに分け、各グループにおいていずれかの行に含まれる前記アンテナ素子を基準として行ごとに行に含まれる前記アンテナ素子の位置を前記第1のシフト量ずつずらすステップと、
前記矩形格子の列に含まれる前記アンテナ素子同士の列方向の間隔を所定の周期数c2で等分割した距離を第2のシフト量とし、前記矩形格子の列を複数のグループに分け、各グループにおいていずれかの列に含まれる前記アンテナ素子を基準として列ごとに列に含まれる前記アンテナ素子の位置を第2のシフト量ずつずらすステップと
有することを特徴とするアンテナ素子の配置方法。
A method for arranging antenna elements in an antenna in which a plurality of antenna elements are two-dimensionally arranged in a row direction and a column direction on a plane or a quasi-plane that is a curved surface that can approximate the plane,
For the state in which the antenna elements are arranged at the grid points of the rectangular grid, a distance obtained by equally dividing the spacing in the row direction between the antenna elements included in the rows of the rectangular grid by a predetermined period number c1 is a first shift. The rectangular grid rows are divided into a plurality of groups, and the position of the antenna element included in each row is defined as the first shift amount with reference to the antenna element included in any row in each group. Step by step,
A distance obtained by equally dividing the interval in the column direction between the antenna elements included in the column of the rectangular lattice by a predetermined period number c2 is set as a second shift amount, and the column of the rectangular lattice is divided into a plurality of groups. And a step of shifting the position of the antenna element included in each column by a second shift amount with reference to the antenna element included in any column.
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