4Gおよび5G基地局アンテナのエンジニアリング知識と応用シナリオ

1 基地局アンテナの概要

本章では、基地局アンテナの分類と、移動体通信における様々な種類のアンテナの登場について紹介する。

1.1 基地局アンテナの分類

全方向アンテナ：水平方向のパターンでは、360°均一な放射として現れ、これは一般的に無指向性アンテナとして知られています。垂直方向のパターンでは、一定の幅を持つビームとして現れます。一般的に、ビーム幅が狭いほど利得は大きくなります。無指向性アンテナは、郊外や郡部を拠点とする基地局など、広いカバレッジエリアを持つ移動体通信システムで一般的に使用されています。

指向性アンテナ:水平方向のパターンでは、特定の角度範囲内で放射されるように見え、これは一般的に指向性と呼ばれます。垂直方向のパターンでは、一定の幅を持つビームとして現れます。無指向性アンテナと同様に、ビーム幅が狭いほど利得が大きくなります。指向性アンテナは、一般的に、カバレッジが狭く、ユーザー密度が高く、周波数利用率が高い、移動体通信システムの都市部のセルベース基地局で使用されます。

ネットワークの要件に応じて様々なタイプの基地局が設置され、それぞれの基地局は必要に応じて異なるタイプのアンテナを選択できます。選択は上記の技術パラメータに基づいて行われます。例えば、無指向性基地局は水平方向のゲインがほぼ均一な無指向性アンテナを使用するのに対し、指向性基地局は水平方向のゲインが大きく変化する指向性アンテナを使用します。一般的に、都市部では水平ビーム幅が65°のアンテナが選択されます。郊外では、基地局の構成や地域の地理的環境に応じて、水平ビーム幅が65°、90°、または120°のアンテナを選択できます。農村部では、広範囲をカバーできる無指向性アンテナを選択するのが最も経済的です。

機械式アンテナ：下方傾斜角を機械的に調整するモバイルアンテナを指します。機械式アンテナを地面に対して垂直に設置した後、ネットワークの最適化が必要な場合は、アンテナ背面のブラケットの位置を調整してアンテナの傾斜角を変更する必要があります。調整プロセス中、アンテナの主ローブ方向のカバー距離は大きく変化しますが、アンテナの垂直成分と水平成分の振幅は変化しないため、アンテナパターンが変形しやすくなります。

Practice proves:The optimal downtilt angle of the mechanical antenna is 1°-5°; when the downtilt angle changes between 5°-10°, its antenna pattern is slightly deformed but not much; when the downtilt angle changes between 10°-15°, its antenna pattern changes greatly; when the mechanical antenna changes After tilting down 15°, the shape of the antenna pattern changes greatly, from a pear shape without tilting to a spindle shape. At this time, although the coverage distance in the main lobe direction is significantly shortened, the entire antenna pattern is not within the sector of the base station. The base station's signal will also be received in the sectors of adjacent base stations, causing serious intra-system interference. In addition, during daily maintenance, if you want to adjust the downtilt angle of the mechanical antenna, the entire system must be shut down, and monitoring cannot be performed while adjusting the antenna inclination. Adjusting the downtilt angle of the mechanical antenna is very troublesome, and maintenance personnel generally need to climb to the place where the antenna is placed to make adjustments. The downtilt angle of the mechanical antenna is a theoretical value calculated through computer simulation analysis software, and there is a certain deviation from the actual best downtilt angle. The number of steps for adjusting the tilt angle of the mechanical antenna is 1°, and the third-order intermodulation index is -120dBc.

電子的に調整可能なアンテナ：電子的にダウンチルト角を調整するモバイルアンテナを指します。電子ダウンチルトの原理は、コリニアアレイアンテナ発振器の位相を変更し、垂直成分と水平成分の振幅を変更し、複合成分の電界強度を変更することによって、アンテナの垂直パターンを下向きに傾けることです。アンテナのすべての方向の電界強度が同時に増減するため、傾斜角を変更した後もアンテナパターンの変化は少なく、主ローブ方向のカバー距離が短縮され、同時にサービスセルセクター内のパターン全体のカバーエリアが干渉を起こすことなく縮小されます。実際に、電気的に調整可能なアンテナのダウンチルト角が1°から5°に変化した場合、そのアンテナパターンは機械式アンテナのものとほぼ同じであることが実証されています。ダウンチルト角が5°から10°に変化した場合、そのアンテナパターンは機械式アンテナのものと比べてわずかに改善されます。ダウンチルト角が10°から15°に変化した場合、そのアンテナパターンは機械式アンテナのものよりも大きく改善されます。機械式アンテナを15°下向きに傾けると、そのアンテナパターンは機械式アンテナのものと大きく異なります。このとき、アンテナパターンの形状はあまり変化しませんが、主ローブ方向のカバー距離が大幅に短縮され、アンテナパターン全体が基地局セクター内に収まります。下向き傾斜角を大きくすると、干渉を引き起こすことなくセクターのカバー範囲を縮小できます。したがって、電気的に調整可能なアンテナを使用すると、通話損失と干渉を低減できます。さらに、電子的に調整可能なアンテナを使用すると、システムをシャットダウンすることなく垂直指向性パターンの下向き傾斜角を調整し、調整の効果をリアルタイムで監視できます。傾斜角の調整ステップ精度も高く（0.1°）、ネットワークを細かく調整できます。電気的に調整可能なアンテナの3次相互変調指数は-150dBcで、機械式アンテナとは30dBc異なるため、隣接チャネル干渉とスプリアス干渉の除去に有利です。

二重偏波アンテナ：デュアル偏波アンテナは、+45°と-45°の直交偏波方向を持つ2つのアンテナを組み合わせた新しいタイプのアンテナ技術で、送受信デュプレックスモードで同時に動作します。そのため、その最も顕著な利点は、単一方向基地局のアンテナ数を節約できることです。一般的に、LTEデジタル移動通信ネットワークの方向基地局（3セクター）は9本のアンテナを使用し、各セクターは3本のアンテナ（空間ダイバーシティ、送信1本、受信2本）を使用します。デュアル偏波アンテナを使用すると、各セクターに必要なアンテナは1本だけです。同時に、デュアル偏波アンテナでは、±45°の偏波直交性により、+45°と-45°のアンテナ間のアイソレーションがアンテナ間のアイソレーションの相互変調要件（≥30dB）を満たすことが保証されるため、デュアル偏波アンテナ間の空間距離は20～30cmで済みます。さらに、デュアル偏波アンテナは電気的に調整可能なアンテナの利点があります。移動体通信ネットワークにおいて、電気的に調整可能なアンテナのような二重偏波アンテナを使用することで、通話損失や干渉を低減し、ネットワーク全体のサービス品質を向上させることができます。二重偏波アンテナは設置や構築に高度な要件を必要としないため、タワー建設のための土地取得は不要です。直径20cmの鉄柱を立て、対応するカバレッジ方向に合わせて二重偏波アンテナを鉄柱に固定するだけで済みます。これにより、インフラ投資を削減し、基地局の配置をより合理的にし、基地局設置場所の選定を容易にすることができます。

アンテナの選定にあたっては、ネットワークカバレッジ、ビジネス量、干渉、ネットワークサービス品質などの実際の状況に基づいて、当該地域のモバイルネットワークのニーズに適したモバイルアンテナを選定する必要がある。

・ 基地局が密集する交通量の多い地域では、二重偏波アンテナと電気的に調整可能なアンテナを可能な限り使用すべきである。

・ 従来の機械式アンテナは、交通量が少なく、基地局が密集しておらず、カバレッジがそれほど必要とされない国境や郊外などの地域で使用できます。

1.2 移動体通信基地局アンテナの内部構造と種類

1.2.1 指向性プレート素子アレイアンテナ

プレート型指向性アンテナは、極めて重要な基地局アンテナとして最も一般的に使用されているタイプです。このタイプのアンテナの利点は、高利得、良好なセクターパターン、小さなバックローブ、垂直パターンの俯角の容易な制御、信頼性の高い密閉性能、そして長い耐用年数です。アンテナの外観は下図に示されています。

図1-1 プレート型指向性アンテナの外観概略図

1.2.1.1 プレートアンテナの高利得形成

図1-2 複数の半波発振器を用いて垂直線形アレイを形成する

図1-3 直線アレイの片側に反射板を追加して水平方向を実現する原理（反射板付き2つの半波長発振器の垂直アレイを例として）

現在、アンテナメーカーの基地局指向性アンテナの設計は、基本的にすべてプレート型発振器アレイ構造を採用している。発振器には2種類あり、以下2つのセクションで説明する。

1.2.1.2 対称発振器

標準的な半波長対称アレイ（発振器を追加することで、発振器の地上からの高さを下げ、アンテナの厚さを軽減する）

図1-4 複数の半波長発振器によって合成された指向性プレートアンテナ

1.2.1.3 マイクロストリップ発振器

半波長発振器の変形は、1/4波長伝送線の原理を利用して放射を形成する。

図1-5 複数のマイクロストリップ発振器によって合成された指向性プレートアンテナ

1.2.2 全方向性直列給電ダイポールアンテナ

全方向性アンテナは、複数の半波長発振器を用いて放射利得の合成と増強を実現する。

図1-7　直列給電発振器の構造と無指向性アンテナの積形

2 4G LTEアンテナの種類と比較分析

このセクションの主な内容は、LTEデュアル偏波アンテナとシングル偏波アンテナの通信範囲とトラフィックに関する比較分析を紹介することです。

2.1 LTEデュアル偏波アンテナとシングル偏波アンテナ間の相関分析

LTEマルチアンテナ技術の導入により、無線リソースに空間的な自由度が加わり、無線チャネルモデルに新たな要件が課せられる。空間チャネルモデル（SCM）は3GPP TR 25.996で提案されている。このモデルは、帯域幅5MHz、搬送波周波数約2GHzのシステムに適している。マルチパスの最大数は6である。LTEシステムでは、無線チャネルが最大20MHzまでサポートできることが求められる。そのため、技術レポート36.803では、チャネル帯域幅を20MHzまで拡張し、マルチパスの最大数を9までサポートするためにSCME（SCM拡張）モデルが使用されている。その中で、eNBとUE間の無線伝送特性は、アンテナ構成、アンテナ方向角、アンテナ相関、散乱環境の変化に応じて変化する時間変動関数であり、下図に示すとおりである。

図2-1 SCM角度パラメータの概略図

デュアル偏波アンテナとシングル偏波アンテナ（アンテナ間隔10λ）の無線性能の差は、主に基地局アンテナの相関係数に依存します。相関係数が0の場合、アンテナは比較的独立しており、相関が低いことを示します。相関係数が1の場合、アンテナ間に強い相関があることを示します。システムが送信ダイバーシティモード（SFBCなど）、受信ダイバーシティ、MIMOデュアルストリームモードを使用する場合、相関の低いアンテナの無線性能は、相関の高いアンテナの性能よりも優れています。下の図は、相関係数がそれぞれ0.25、0.5、0.6、1の場合のSFBC性能シミュレーション結果です。シミュレーション結果から、相関係数が0.25の場合、その性能は基本的に影響を受けません（相関係数が0の場合と比較）。相関係数が0.5と0.6の場合のSFBCの性能は、約0.3dBから0.4dB低下します。

図2-2 異なる相関係数を用いたSFBCリンクレベル性能の比較

中国移動は2008年7月に、さまざまなアンテナ構成における相関係数のテストを実施した。具体的な相関係数は以下の表に示す。

表2-1　異なるアンテナ構成に対応する相関係数

注：上記の表の相関係数は、中国移動が都市部の密集地域でSCMEモデルテストに基づいて算出したものです。都市部の密集地域においては、この相関係数はある程度代表的な値と言えます。しかしながら、この相関係数を特定のプロジェクトに当てはめることができるという意味ではなく、また、この相関係数が都市部の密集地域におけるすべてのモデルに適用できるという意味でもありません。

2.2 LTEデュアル偏波アンテナとシングル偏波アンテナの性能比較

LTEは、送信ダイバーシティ、プリコーディングベースMIMO、ビームフォーミングなど、7つのマルチアンテナ伝送モードを定義しています。LTEで定義されている7つの伝送モードは、主にさまざまなシナリオやチャネルモデルの下で伝送モードを柔軟に選択することを考慮して定義されています。通常、無線移動通信ネットワークのパフォーマンスのボトルネックと欠点は、次の3つのカテゴリに分類されます。

電力制約のあるシステム：

典型的な適用シナリオ：主な目的は、有効エリアの拡大や農村部での広範囲なカバレッジなど、カバレッジの拡大とフェージングの克服です。

使用されるアンテナ技術の種類：送信ダイバーシティ、受信ダイバーシティ

性能差：10λ単偏波アンテナの性能向上は、二重偏波アンテナと比較して5%未満であり、両者の性能差は大きくない。

干渉制限システム：

典型的な適用シナリオ：主に、基地局間の距離が比較的短い高密度な都市部で使用されます。干渉はネットワーク性能に影響を与える主要な要因です。

採用されたアンテナ技術タイプ：RANK=2 MIMOデュアルストリーム、RANK=1 MIMOシングルストリーム、RANK適応型

性能差：RANK適応アルゴリズムはMIMO強制デュアルストリームよりも大幅に優れています。同時に、デュアル偏波アンテナの性能は、10λシングル偏波アンテナの性能とほぼ同じです。

帯域幅制約のあるシステム：

典型的な適用シナリオ：チャネル状態（CQI）が比較的良好で、基地局間に連続したカバレッジがなく、基地局間の距離が比較的大きく、ユーザー数が比較的少ない場合。例えば、実験ネットワークの初期段階における単一セルカバレッジなど。

アンテナ技術タイプ：RANK=2 MIMOデュアルストリーム

性能比較：10λ単偏波アンテナの性能は二重偏波アンテナよりも優れており、性能向上率は約20%です。

表2-2 アンテナ応用シナリオの結論表

上記では主に、単偏波アンテナと二重偏波アンテナの性能差について分析しました。しかし、二重偏波アンテナは、設置が容易であるという利点があることに留意すべきです。例えば、単一のポールを使用できること、ダウンチルト角を均一に調整できること、アンテナの美観を容易にできることなどが挙げられます。無線ネットワークの設置場所の選定と設置がますます困難になっている現状において、二重偏波アンテナの上記の利点は特に重要です。

3 4G LTE基地局アンテナの適用シナリオと選定

このセクションの主な内容は、実際のネットワーク展開シナリオに基づいた無線ネットワークのカバーエリアの分類と、それに対応するアンテナの選択について説明することです。

3.1 都市型基地局アンテナの選択

アプリケーション環境の特徴：基地局が密集して配置されているため、1つの基地局のカバー範囲は狭く抑える必要があります。エリア間のカバレッジを最小限に抑え、基地局間の干渉を低減し、ダウンロード速度を向上させることが期待されます。

アンテナ選定の原則：

偏波モードの選択：都市部では基地局の設置場所の選定が難しく、アンテナの設置スペースも限られているため、二重偏波アンテナと広帯域アンテナの使用を推奨します。

指向性パターンの選択：都市部では、周波数再利用の改善が主な考慮事項となるため、一般的に指向性アンテナが使用されます。

半値ビーム幅の選択：干渉を抑制するためにセルのカバレッジをより適切に制御するために、都市アンテナの水平半値ビーム幅は60～65°に選択されます。

アンテナゲインの選択：都市部の基地局は一般的に広い範囲をカバーする必要がないため、中ゲインアンテナの使用が推奨されます。都市部では、15～18dBiのゲインを持つアンテナの使用が推奨されます。都市部の死角を埋めるためにマイクロセルアンテナを使用する場合は、より低いゲインのアンテナを選択できます。

ダウンチルト角度の選択：都市部ではアンテナの傾斜角度を比較的頻繁に調整する必要があり、一部のアンテナではより大きな傾斜角度を設定する必要があるため、機械的なダウンチルトは干渉制御に適さないことから、ダウンチルト角度があらかじめ設定されたアンテナの使用をお勧めします。固定の電気的ダウンチルト角度を持つアンテナ、または条件を満たす場合は電気的に調整可能なアンテナを選択できます。

3.2 郊外の農村部基地局向けアンテナ選定

アプリケーション環境の特徴：基地局の配置がまばらで、ビジネス量が小さく、データサービスの要求水準が比較的低く、広いカバレッジが求められます。場所によっては基地局が1つしかないため、カバレッジが最重要課題となります。このような場合、基地局周辺のカバー範囲に基づいてアンテナを選定する必要があります。

アンテナ選定の原則：

方向パターンの選択: 基地局が周辺エリアをカバーする必要があり、明確な方向性がなく、基地局周辺のトラフィック分布が比較的分散している場合は、無指向性基地局カバレッジを使用することをお勧めします。同時に、無指向性基地局のゲインが小さいため、カバレッジ距離は指向性基地局ほど遠くないことに注意する必要があります。同時に、無指向性アンテナを設置する際には、タワーがカバレッジに与える影響に注意し、アンテナは地面に対して垂直に保つ必要があります。地方自治体が基地局カバレッジに対してより長いカバレッジ要件を持っている場合は、指向性アンテナを使用してこれを実現する必要があります。一般的に、水平面で半値幅が 90°、105°、120° の指向性アンテナを使用する必要があります。

アンテナゲインの選択：カバレッジ要件に応じてアンテナゲインを選択してください。郊外や農村地域では、高ゲイン（16～18dBi）の指向性アンテナ、または9～11dBiの無指向性アンテナを選択することをお勧めします。

ダウンチルト方式の選択：郊外や農村地域では、アンテナのダウンチルト調整箇所が少なく、ダウンチルト角度の調整範囲や特性も高くないため、機械式ダウンチルトアンテナの使用をお勧めします。同時に、アンテナを50メートル以上の高さに設置し、近端カバレッジが求められる場合は、タワー下のブラックアウト問題を回避するために、ゼロポイントフィルアンテナを優先的に使用してください。

3.3 高速道路のカバー範囲基地局アンテナの選択

アプリケーション環境の特性:この環境では、ビジネス量は少なく、ユーザーは高速で移動します。このとき、焦点はカバレッジ問題の解決にあります。一般的に、達成したいのはストリップカバレッジなので、双方向セルは主に高速道路のカバレッジに使用されます。無指向性セルは、町や観光地を通過するエリアでも使用されます。次に、広いカバレッジが重視され、使用するアンテナの種類は、サイトの選択とサイトの種類に基づいて決定する必要があります。高速道路の環境は大きく異なります。一般的に、高速道路、鉄道、国道、省道など、比較的直線的な高速道路があります。高速道路の隣に基地局を建設し、S1/1/1またはS1/1基地局タイプを使用し、高利得指向性アンテナを使用してカバレッジを達成することが推奨されます。曲がりくねった山道、郡レベルの自作山道など、曲がりくねった起伏のある道路があります。高速道路近くの農村部のカバレッジと組み合わせて、基地局を建設する高所を選択する必要があります。

初期計画段階でアンテナを選定する際は、広い範囲をカバーするために、利得が高く、通信距離の長いアンテナを選ぶようにしてください。

アンテナ選定の原則：

指向性パターンの選択：鉄道や高速道路をカバーすることを目的とした基地局では、狭ビーム高利得指向性アンテナを使用できます。アンテナの形状は、設置場所の地形の起伏や曲がり角などの要因に応じて柔軟に選択できます。

アンテナ利得の選択において、指向性アンテナ利得は17dBi～22dBiから選択でき、無指向性アンテナ利得は11dBiから選択できます。

ダウンチルト方式の選択：高速道路のカバレッジでは、一般的にダウンチルト角度は設定されません。安価な機械式ダウンチルトアンテナの使用をお勧めします。距離が50メートル以上で、近端カバレッジの要件がある場合は、タワー下のブラックスポットの問題を解決するために、ゼロポイントフィル（15%以上）を備えたアンテナを優先的に使用できます。

前後比：高速道路の通信エリアの利用者のほとんどは高速で移動する利用者であるため、正常なハンドオーバーを確保するには、指向性アンテナの前後比を高くしすぎない必要があります。

3.4 山岳地帯をカバーする基地局アンテナの選定

アプリケーション環境の特性:遠隔地の丘陵地帯や山岳地帯では、山々が電波を強く遮り、電波伝搬の減衰を引き起こし、カバレッジが困難になります。通常、広範囲をカバーし、基地局の広いカバレッジ半径内に散在するユーザーが存在し、ビジネスボリュームは小さいです。基地局は、山頂、山腹、山麓、または山岳地帯の適切な場所に建設できます。基地局の設置場所、モデル、アンテナを選択するには、さまざまなユーザー分布と地形特性を区別する必要があります。比較的よくある状況としては、盆地型の山岳地帯でのウェブサイト構築、高山でのウェブサイト構築、山の中腹でのウェブサイト構築、通常の山岳地帯でのウェブサイト構築などがあります。

アンテナ選定の原則：

指向性パターンの選択：指向性パターンの選択は、基地局の位置、局の種類、および基地局周辺のカバレッジ要件によって異なります。無指向性アンテナまたは指向性アンテナを選択できます。山岳地帯に建設された基地局の場合、カバーする場所が比較的低い場合は、垂直カバレッジ要件をよりよく満たすために、垂直半値角が大きいパターンを選択する必要があります。

アンテナ利得の選択：カバーする必要のあるエリアの距離に応じて、中利得アンテナ、無指向性アンテナ（9～11dBi）、指向性アンテナ（15～18dBi）を選択します。

傾斜角の選択：山岳地帯に基地局を設置し、カバー範囲が山麓にある場合、ゼロ点充填機能付きアンテナ、またはあらかじめ下向き傾斜角が設定されているアンテナを選択する必要があります。下向き傾斜角の値は、基地局の高さとカバー範囲の相対的な高さに基づいて選択する必要があります。相対的な高さが大きいほど、下向き傾斜角も大きくする必要があります。

3.5LTE基地局アンテナの適用シナリオの概要

上記の選択肢とLTEの特殊な条件を総合的に考慮すると、推奨されるアンテナ選択原則は以下のとおりです。

表3-1 アンテナ応用シナリオの概要

一般的に、LTEサイト選定では既存の設備を使用するため、LTEアンテナを設置するのに十分なスペースがあるかどうか、高さがLTE計画を満たしているかどうかが最大の課題となります。そのため、実際のプロジェクトでは、どの偏波方式を採用するか、広帯域アンテナを使用するかどうか、ダウンチルト角度方式などの技術パラメータを採用します。既存設備の詳細な調査を実施し、実際の状況に基づいて合理的な計画を立てる必要があります。LTEにはMIMO技術が存在するため、現在では2T2Rと4T4Rが一般的に使用されています。ウェブサイト構築コストなどの要素を考慮すると、2T2Rの場合は一般的にデュアル偏波アンテナが使用され、4T4Rの場合は一般的に2つのデュアル偏波アンテナが使用され、アンテナ間の距離は1-2λで、2.6Gでは約30-50cmに相当します。

4 5G 大規模 MIMO AAUおよび応用シナリオ

このセクションの主な内容は、5G AAUのアンテナとアプリケーションシナリオの選択について簡単に説明することです。

4.1 5G 大規模 MIMO AAU

4G時代に非常に成熟した多入力多出力（MIMO）技術は、送受信機と送受信機システム間の複数のアンテナ間に存在する複数の空間チャネルを効果的に利用して、相互に直交する複数のデータストリームを送信することができ、通信帯域幅を増やすことなくデータスループットと通信の安定性を向上させることができます。

4Gから5G時代にかけて発展したMassive MIMO技術は、MIMO技術のアップグレード版です。限られた時間と周波数リソースに基づいて、数百のアンテナユニットを使用して同時に数十台のモバイル端末にサービスを提供し、データスループットとエネルギー使用効率をさらに向上させています。5Gの通信周波数は高く、アンテナサイズは小型化されているため、元のスペースにより多くのアンテナを詰め込むことができます。Massive MIMO技術は、5G時代の通信技術の方向性を決定づけました。そのため、アンテナは5G時代において、無線周波数フロントエンドに次ぐ爆発的な成長を遂げたコンポーネントとなっています。基地局アンテナが20%、端末アンテナが80%を占めています。

5G基地局ではMassive MIMO技術が広く採用されているため、内部に統合されたアンテナは多数の発振器を使用し、送受信ユニットも統合しているため、アクティブアンテナアレイユニット（AAU）とも呼ばれます。その内部構造の概略図と製品形態を下の図に示します。

Figure 4-1 Massive MIMO AAU structural schematic diagram

Figure 4-2 Exploded view of Massive MIMO AAU product form

6GHz未満の周波数帯のAAUでは、通信機器メーカーは一般的に192個の発振器を使用します。水平方向に12列、垂直方向に8列の発振器があり、さらに45°の二重偏波を加えると、合計で12×8×2=192個の発振器になります。3個の発振器のグループをアンテナと呼ぶので、AAUには合計192/3=64個のアンテナがあります。6個の発振器ごとに1つのアンテナを構成するとすると、AAUには192/6=32個のアンテナがあります。

図4-3 65TRおよび32TR AAUアンテナ素子図

6GHz未満の帯域のAAUは通常、オールデジタルビームフォーミングを使用します。アンテナ数、伝送チャネル数、およびパワーアンプ数は同じであると考えることができます。アンテナ数はカバレッジにおいて重要な要素です。素子の数が多いほど、ビームは狭くなり、エネルギーはより集中します。アンテナとチャネルの数が多いほど、AAU内部のパワーアンプの数も増え、ベースバンドリソースの消費量が増え、機器のコストも高くなります。

4.2 5G信号フェージングモデル

3GPP TR 38.901では、屋内ホットスポットオフィスエリア（InH-Office）、都市マイクロセルストリート（UMi-Street Canyon）、都市マクロセル（Uma）、および農村マクロセル（RMa）の4つのシナリオが規定されています。各シナリオは、非見通し線（NLOS）シナリオと見通し線（LOS）シナリオに分けられ、合計8つの伝搬モデルがあります。この記事では、都市マクロ局Uma-LOS/NLOSシナリオにおけるパス損失モデルを選択します。ここで、fc動作周波数（GHz）、hBS基地局アンテナの実効高さ（m）、hUT移動局アンテナの実効高さ（m）、d2D基地局と移動局間の水平距離（m）、d3D基地局アンテナと移動局アンテナ間の直線距離（メートル）。

上記の表によれば、都市マクロステーションのさまざまなチャネルの典型的な最大許容パス損失（MAPL）は、次の式に従って計算できます。5G NR 3.5GHzのアップリンクとダウンリンク間の最大許容パス損失の差は13.65 dBに達し、ネットワークカバレッジはアップリンクで制限され、アップリンクPUSCHチャネルによって制限されることがわかります。

PLマックス=PTx-Lf+GTx-Mf-Ml+GRx-Lp-Lb-SR

ここでPTx基地局送信電力、Lfフィーダ損失、GTx基地局アンテナ利得、Mfシャドウ フェージングおよび高速フェージング マージン、Mlしめ代、GRx携帯電話アンテナの利得、Lp建物の透過損失、Lbボディの摩耗、SRx携帯電話の電波受信感度

4.3 5G AAUアプリケーションシナリオ

都市部の密集地域では、複雑な無線環境により干渉が悪化し、高層ビルによって垂直方向のカバレッジ要件とユーザー容量要件が高まります。64TR機器は、より優れたMassive MIMOビームフォーミングを提供し、高トラフィックのマルチユーザーMIMO伝送を実現し、垂直方向のカバレッジを大幅に改善できます。郊外や農村部では、MU-MIMOペアリングの成功率が低下し、64TR機器はその容量の利点を十分に活用できないため、低構成の機器を使用できます。32本のアンテナを使用すれば、ニーズを満たすことができます。さらに遠隔地では、容量要件は高くなく、主な問題はカバレッジの問題を解決することです。この場合、Massive MIMOさえ必要ありません。8ポートRRUを使用してアンテナを接続するだけで済みます。

下図は、機器メーカーが提案するシナリオベースのネットワークカバレッジソリューションを示しています。マクロサイトは最も重要な製品形態です。64TR AAUは4G/5G段階における継続的な高容量需要に対応し、低構成の32TR AAUは4G/5G低トラフィックエリアにおける低コストのネットワーク構築需要に対応します。屋内配線システム製品には2TRおよび4TR機器があり、既存ネットワークまたは新規構築のパッシブ屋内配線システムを使用して、高価値・高トラフィックの屋内シナリオに対応します。さらに、マイクロステーション基地局4TR無線周波数ユニット（RRU）製品は、住宅地や歩行者専用道路などの混雑した熱気発生シナリオで広く使用されています。

図4-4 機器メーカーによるシナリオベースのネットワークカバレッジソリューション

セクション 4.2 の計算結果から、3.5 GHz 帯の 5G NR アップリンク カバレッジが制限されていることがわかります。これは主に端末電力の制限によるものです。5G の導入後もアップリンクとダウンリンクのサービス レート要件は非対称のままであること (ダウンリンクのレート要件がアップリンクよりもはるかに高い) を考慮すると、既存のネットワーク構造を変更せずにネットワーク構築コストを削減し、オペレーターが 4G 稼働中のサイトに 5G を迅速に重ね合わせて展開できるようにするために、アップリンクとダウンリンクの分離 (SUL) を使用して、アップリンク カバレッジのボトルネックの問題を解決できます。つまり、アップリンクでは古い LTE 機器を使用し、1.8 GHz FDD 帯域幅の一部を 5G NR 用に再開発してカバレッジを改善し、ダウンリンクでは 3.5 GHz 帯に 5G NR を展開します。

図4-5 アップリンクとダウンリンクに異なる周波数帯域を使用したデカップリングソリューション

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