JP2005538614A - ワイヤレス通信システム、および、該システムにおける動的なビームの調整方法 - Google Patents

Abstract

少なくとも１つのビーム（１０）を使用してワイヤレス通信を送信および受信するためのワイヤレス通信システム（１００）を開示する。本システムは、複数のＷＴＲＵ（１４）と、少なくとも１つのビーム形成アンテナ（１２）と、少なくとも１つの無線ネットワークコントローラ（ＲＮＣ）（１８）とを備える。アンテナ（１２）はビーム形成機能を備えており、前記アンテナ（１２）から放射されるビーム（１０）は前記ワイヤレス通信システム（１００）の実際の条件に従って調整できる。

Description

本発明は、一般にワイヤレス通信におけるビーム形成に関し、より詳細にはアップリンク（ｕｐｌｉｎｋ）送信およびダウンリンク（ｄｏｗｎｌｉｎｋ）送信の両方における無線送信／受信ユニット（ＷＴＲＵ）とノードＢとの間の信号対雑音（Ｓ／Ｎ）比を向上するための改良型のビーム形成技術に関する。

ワイヤレス通信システムは、当業者には周知の技術である。
図１は、現在の３ＧＰＰ仕様による一般的なワイヤレス通信システムを示す。１例として、図１に示すネットワークアーキテクチャは、ＵＭＴＳ（Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ Ｍｏｂｉｌｅ Ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ）である。
ＵＭＴＳのネットワークアーキテクチャには、Ｉｕとして知られるインターフェースを介してＵＴＲＡＮ（ＵＭＴＳ Ｔｅｒｒｅｓｔｒｉａｌ Ｒａｄｉｏ Ａｃｃｅｓｓ Ｎｅｔｗｏｒｋ）と相互接続されるコアネットワーク（ＣＮ：Ｃｏｒｅ Ｎｅｔｗｏｒｋ）が含まれる。Ｉｕインターフェースは、現在市販されている３ＧＰＰ仕様のドキュメントで詳細に定義されている。ＵＴＲＡＮは、３ＧＰＰではユーザ機器（ＵＥ：Ｕｓｅｒ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ）として知られる無線送信／受信ユニット（ＷＴＲＵ）を介してＵｕとして知られる無線インターフェース経由でユーザにワイヤレス通信サービスを提供するように構成されている。ＵＴＲＡＮは、１つまたは複数の無線ネットワークコントローラ（ＲＮＣ：Ｒａｄｉｏ Ｎｅｔｗｏｒｋ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）と３ＧＰＰではノードＢとして知られる基地局を備えており、全体としてＷＴＲＵによるワイヤレス通信の地理上の有効範囲を提供する。１つまたは複数のノードＢは、３ＧＰＰではＩｕｂとして知られるインターフェースを介してそれぞれのＲＮＣに接続する。ＵＴＲＡＮには、異なるＲＮＣに接続するノードＢのいくつかのグループが含まれていてもよい。図１の例には２つのグループが示されている。ＵＴＲＡＮに複数のＲＮＣが提供されている場合、ＲＮＣ間の通信はＩｕｒインターフェースを介して行われる。ネットワークコンポーネントの外部の通信は、ユーザレベルではノードＢによってＵｕインターフェースを介して行われ、ネットワークレベルではＣＮによって外部システムへのさまざまなＣＮ接続を介して行われる。

一般に、ノードＢの主な機能は、ノードＢのネットワークとＷＴＲＵとの間に無線接続を提供することである。通常、ノードＢから発信される共通チャネル信号（ｃｏｍｍｏｎ ｃｈａｎｎｅｌ ｓｉｇｎａｌ）は、接続されていないＷＴＲＵがノードＢのタイミングに同期するようにできる。３ＧＰＰでは、ノードＢはＷＴＲＵとの物理的な無線接続を行う。ノードＢは、ＲＮＣからＩｕｂインターフェースを経由して信号を受信する。ＲＮＣは、ノードＢがＵｕインターフェースを経由して送信する無線信号を制御する。

ＣＮは、情報をその正しいあて先にルーティングする。たとえば、ＣＮはノードＢのいずれかを介してＵＭＴＳが受信するＷＴＲＵからの音声トラフィックを公衆交換電話網（ＰＳＴＮ：Ｐｕｂｌｉｃ Ｓｗｉｔｃｈｅｄ Ｔｅｌｅｐｈｏｎｅ Ｎｅｔｗｏｒｋ）にルーティングしてもよいし、パケットデータをインターネットにルーティングしてもよい。

３ＧＰＰでは、ＣＮは、１）サービング（ｓｅｒｖｉｎｇ）Ｇｅｎｅｒａｌ Ｐａｃｋｅｔ Ｒａｄｉｏ Ｓｅｒｖｉｃｅ （ＧＰＲＳ）サポートノード、２）ゲートウェイＧＰＲＳサポートノード、３）ボーダゲートウェイ（ｂｏｒｄｅｒ ｇａｔｅｗａｙ）、４）ＶＬＲ（ｖｉｓｉｔｏｒ ｌｏｃａｔｉｏｎ ｒｅｇｉｓｔｅｒ）、５）移動通信交換局、６）ゲートウェイ移動通信交換局の６つの主要コンポーネントを備えている。

サービングＧＰＲＳサポートノードは、インターネットなどのパケット交換ドメインにアクセスできる。ゲートウェイＧＰＲＳサポートノードは、他のネットワークに接続するためのゲートウェイノードである。他のオペレータのネットワークまたはインターネットに送信されるすべてのデータトラフィックは、ゲートウェイＧＰＲＳサポートノードを通過する。ボーダゲートウェイ（ｂｏｒｄｅｒ ｇａｔｅｗａｙ）はファイアウォールとして動作し、ネットワーク外部からの侵入者によるネットワーク領域内の加入者への攻撃を防止する。ＶＬＲ（ｖｉｓｉｔｏｒ ｌｏｃａｔｉｏｎ ｒｅｇｉｓｔｅｒ）は、サービスを提供するために必要な加入者データの最新のサービングネットワークコピーである。この情報は、当初、移動加入者（ｍｏｂｉｌｅ ｓｕｂｓｃｒｉｂｅｒｓ）を管理するデータベースから取得された。移動通信交換局は、ＵＭＴＳ端末からネットワークへの回線交換接続を担当する。ゲートウェイ移動通信交換局は、加入者の現在の位置に基づいて要求されるルーティング機能を実現する。また、ゲートウェイ移動通信交換局は、外部ネットワークの加入者からの接続要求を受信し、管理する。

ＲＮＣは、一般にＵＴＲＡＮの内部機能を制御する。ＲＮＣは、ノードＢとのＵｕインターフェース接続を経由したローカルコンポーネントと、ＣＮと外部システムとの接続を経由した外部サービスコンポーネントとを備える通信のための中継サービスも提供する（たとえば、国内のＵＭＴＳのＷＴＲＵからの海外呼び出し）。

一般に、ＲＮＣは複数のノードＢを監視し、ノードＢが提供する無線サービスの対象となる地理上の領域内の無線リソースを管理し、さらにＵｕインターフェースの物理的無線リソースを制御する。３ＧＰＰでは、ＲＮＣのＩｕインターフェースはＣＮへの２つの接続、つまり１つはパケット交換ドメイン、もう１つは回路交換ドメインへの接続を提供する。ＲＮＣのその他の重要な機能には、機密保護と整合性の保護がある。

ＲＮＣには、ＣＮのニーズによっていくつかの論理的役割がある。一般に、これらの機能は２つのコンポーネント、サービングＲＮＣ（Ｓ−ＲＮＣ）と制御ＲＮＣ（Ｃ−ＲＮＣ）に分けられる。サービングＲＮＣ（Ｓ−ＲＮＣ）として、ＲＮＣはＣＮとノードＢへのブリッジの役割を果たす。制御ＲＮＣ（Ｃ−ＲＮＣ）として、ＲＮＣはノードＢのハードウェアの構成を担当する。また、Ｃ−ＲＮＣはデータ転送を制御し、異なるノードＢ同士の輻輳を処理する。ＲＮＣの第３の論理的役割は、ドリフトＲＮＣ（Ｄｒｉｆｔ−ＲＮＣ）としての役割である。ドリフトＲＮＣとして、ＲＮＣはＷＴＲＵが対象領域を通過するときに、ＷＴＲＵをもうひとつのノードＢに渡す役割がある。

ＲＮＣとノードＢは、連動して「インナーループ電力制御」などの無線リソース管理（ＲＲＭ：ｒａｄｉｏ ｒｅｓｏｕｒｃｅ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ）オペレーションを実行する。これは遠近問題を防止するための機能である。一般に、たとえば複数のＷＲＴＵが同じ電力レベルで送信する場合、ノードＢに最も近いＷＲＴＵによって遠くのＷＲＴＵからの信号がかき消されることがある。ノードＢは、さまざまなＷＲＴＵから受信した出力（ｐｏｗｅｒ）を確認し、ノードＢがそれぞれのＷＲＴＵからほぼ同じレベルの出力を受信するようになるまで、ＷＲＴＵにコマンドを送信して出力を増減させる。

従来から、ノードＢは多くのＷＴＲＵにワイヤレス通信を提供する。ノードＢは、一般的に加入者システムとの複数の通信を同時に処理する。ノードＢの容量の１つの基準は、サポートできる同時通信の最大数である。この数は、利用可能な電力や帯域幅などによって決定される要因である。

すべての加入者が同時にノードＢと通信するわけではないので、ノードＢは同時通信の容量を上回る多数の加入者に無線サービスを提供できる。ノードＢの同時通信の最大数が実行されている場合、それ以上の通信を確立しようとすると、話中信号などによってサービスを利用できないことが示される。

ノードＢによるサービスの有効範囲は、同時通信を処理するためのノードＢの容量に制限されるだけでなく、本質的に特定の地理上の領域にも制限される。ノードＢの地理上の範囲は、一般にノードＢのアンテナシステムの設置場所とノードＢによる信号ブロードキャストの能力によって制限される。

広範囲にわたる地理上の領域全体に無線サービスを提供するために、ネットワークシステムには従来から複数のノードＢが用意される。ノードＢのそれぞれには、選択的、物理的にアンテナシステムが設置されており、システムがカバーする地理上の領域全体の特定の部分を有効範囲としている。こうしたシステムは、実行中のワイヤレス通信を中断することなく１つのノードＢの範囲から別のノードＢの範囲に移動できるＷＴＲＵに無線サービスを提供できる。このようなネットワークにおいて、ノードＢがカバーする地理上の領域は一般にセルと呼ばれ、提供される電話通信サービスはセル方式の携帯無線電話サービスと呼ばれる。

特定の地理上の領域をカバーするワイヤレス通信システムを設計するときに、地理上の領域は事前に定義されたセルのパターンに分割できる。たとえば、図２Ａに示すように、六角形のセルが定義され、蜂の巣状の地理上の領域全体をこのセルがカバーしてもよい。こうしたシステムにおいて、各セルの中心には３６０度をカバーできるアンテナを備えるノードＢを配置してもよい。セルの有効範囲の地図は、重なり合う領域がないように設計することができるが、図２Ｂに示すように、実際には隣接するセルのノードＢのアンテナからの送信ビーム（破線で示す）は重なり合う。このようにビームの有効範囲が重なり合うことにより、ＷＴＲＵが１つのセルから別のセルへ移動したとき、行われている通信を１つのノードＢから別のノードＢに「ハンドオーバ」することができる。しかし、ＷＴＲＵが、重なり合う領域にある場合、重なり合うノードＢの信号は、異なるノードＢからＷＴＲＵが受信する信号と干渉する。

サービス需要をより容易に満たし、干渉を少なくするために、ビーム形成を利用できる。通信におけるビーム形成は、非常に好都合なツールであり、送信、受信またはその両方のアンテナアレイを使用して、チャネルの要件に最も適合する方法で実現される。各アンテナの信号の位相と振幅は、受信機で強め合う（ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｖｅ）パターンが得られるように精密に制御される。

ビーム形成の既知の方法では、水平寸法（ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ）のビームの調整が可能である。さらに、先行技術では、送信出力調整または受信信号用の広帯域（ｗｉｄｅ）垂直ビームの配置などを使用してチャネル要件を満たしている。この技術は過酷なマルチパスの状況に対処するのに有効であり、過剰な効果的出力集中（ｅｘｔｒａ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｐｏｗｅｒ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ）を提供することで、過剰な減衰を克服できる。ビーム形成は、他の送信ソースからの干渉に対処するためにも利用されている。

ビーム形成には多くの利点があるが、現在の実装には対応を要するさまざまな問題がある。例として、ビーム形成の現在の実装では、隣接するセルへのビームの侵入が発生している。こうした侵入は近隣のセルへおよびセルから発生し得るが、ビーム形成に広域（ｂｒｏａｄ）垂直ビーム成分が含まれており、ＷＴＲＵに到達する場合は特に顕著である。さらに、障害物、地形なども広域ビームの垂直成分と干渉する。

したがって、ビーム形成の既知の実装で発生する不具合を未然に回避することが望ましい。

本発明は、少なくとも１つのビームを使用してワイヤレス通信を送信および受信するためのワイヤレス通信システムである。本システムは、複数のＷＴＲＵ、少なくとも１つのビーム形成アンテナ、および少なくとも１つの無線ネットワークコントローラ（ＲＮＣ：Ｒａｄｉｏ Ｎｅｔｗｏｒｋ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）を備えている。アンテナにはビーム形成機能があり、アンテナから発生するビームはワイヤレス通信システム内の実際の条件に応じて調整できる。

例として、以下に示す好ましい実施形態の説明を添付の図面と組み合わせて理解することにより、本発明をより詳細に理解できる。

本発明の好ましい実施形態について、図面の数字に関連付けながら説明するが、説明の中で同様な数字が全体にわたって同様の要素を示している。

以下、ＷＴＲＵにはユーザ機器（ＵＥ）、移動局、据え付け型またはモバイルのサブスクライバユニット（ｓｕｂｓｃｒｉｂｅｒ ｕｎｉｔ）、ポケベル、または無線環境で動作する他の任意のデバイスタイプが含まれるが、これらに限定はされない。こうした用語は、本明細書においてはそれぞれ区別なく使用してもよい。以下で使用する場合、ノードＢには基地局、サイトコントローラ、アクセスポイント、または無線環境で動作する他のインターフェースデバイスが含まれるが、これらに限定はされない。こうした用語は、本明細書においてはそれぞれ区別なく使用してもよい。アンテナとアンテナアレイという用語は、本書でビーム形成が可能なアンテナを呼ぶ場合に区別なく使用してもよい。

まず、図３を参照すると、先行技術によるシステムが示されている。ここで、ビーム１０はアンテナ１２から複数のＷＴＲＵ１４に向けられている。ビーム１０のエネルギーは、図示された輪郭線に止まらず、実際には出力密度を低下しながらさらに遠方へ広がる。したがって、ビーム形成アンテナ１２でも、ビーム１０は近隣のセルを包囲し、その結果、近隣アンテナ１６への干渉が発生する。すなわち、ビーム１０が送信ビームの場合、アンテナ１６はアンテナ１２からの干渉を受ける。同様に、ビーム１０が受信ビームの場合、アンテナ１６からの送信はアンテナ１２に発生する雑音の一因となる。

ここで図４を参照すると、本発明によるシステム１００が示されている。システム１００において、ビーム１０はほぼ図のように動的に下向きに傾斜される。ビーム１０を動的に下向きに傾斜することによって、ビーム１０は図３のように近隣のアンテナ１６の方向は向かないが、依然として通信に適した輪郭でＷＴＲＵ１４を包囲する。ビーム１０を動的に下向きに傾けることにより、アンテナ１６から、またはアンテナ１６への干渉は完全には排除されないが、大幅に削減される。多くの場合、下方向に傾けると、ビーム１０はＷＴＲＵ１４を包囲してから周囲の地表に向けられる。送信に関しては、これは多くの場合にビームのエネルギーの一部が地表に吸収され、別の一部は元の方向の経路から拡散することを意味する。このことによる全体的な影響は、インパクト（ｉｍｐａｃｔ）領域を越えた任意の地点で、ビームが自由空間内のこの点を過ぎて伝播した場合に比べてエネルギーが大幅に減少することである。受信については、主として非常に低い雑音源から受信しつつあることになるビーム空間容積が拡大することを意味する。

システム１００は、少なくとも１つのＲＮＣ１８、少なくとも１つのノードＢ２０、少なくとも１つのビーム形成アンテナ１２、複数のＷＴＲＵ１４を備えている。アンテナ１２の効果的な高さは、必要に応じて任意の高さでよい。さらに、アンテナ１２の効果的な高さは、この場合も必要に応じてオペレータの選択によって定義してもよい。たとえば、１つの実施形態では、アンテナ１２の効果的な高さは少なくとも２０フィートであるのが好ましく、効果的な高さはアンテナ１２の海抜の高さからアンテナ１２を包囲するあらかじめ決められた地理上の領域の平均の地上の高さを差し引いた値として定義される。

いつ傾けるかの判断と望ましい傾斜情報の計算は、ＲＮＣ１８またはノードＢ２０で実行してもよいが、ＲＮＣ１８で実行されるのが好ましい。ＲＮＣ１８は制御を担当するノードＢのすべての情報を保持しているので、これらの機能はＲＮＣ１８で実行されるのが好ましい。したがって、ＲＮＣ１８はいつ傾けるかを判断でき、必要な場合は、特定のビーム１０を傾けることによってＲＮＣ１８が制御するアンテナ１２および／または他のアンテナに及ぼす影響に少なくとも一部は基づいて、望ましい傾斜情報を動的に（すなわちリアルタイムで）計算できる。したがって、傾斜情報を計算する場合に、ＲＮＣ１８からの情報だけでなく、ＷＴＲＵ１４からの情報を使用することもできる。いつ傾けるかの判断は、オペレータの選択に基づく。例として、いつ傾けるかの判断は、チャネル使用率、最大出力レベル（ｃａｐａｃｉｔｙ ｐｏｗｅｒ ｌｅｖｅｌｓ）、セルサイトとＷＴＲＵ間の距離、デバイスの感度、隣接するセルサイトでビームを傾けることができるかどうか、ネットワークが認識および／または制御しない他の干渉ソースなどに基づくことができる。

ＲＮＣ１８またはノードＢ２０で実行するいつ傾けるかの判断と望ましい傾斜情報の計算は、少なくとも部分的にはタイミングの問題に依存する。すなわち、傾斜情報が発行されてからビームが実際に傾くまでの反応時間の測定値が２〜３／１０（ｆｅｗ ｔｅｎｔｈｓ）秒未満の場合、判断と計算は一般的にノードＢ２０で実行される。ＲＮＣ１８とノードＢ２０との傾斜情報発行の反応のずれを考慮するために、好ましい実施形態では一般的なリソースと調整限界を低速モードでＲＮＣ１８に割り当て、ノードＢ２０にＲＮＣ１８が設定する限界内のビーム１０を高速モードで自由に割り当てて調整する。この種の構成は、周波数割り当てに関して現在利用されており、ＲＮＣはＲＮＣが制御する各ノードＢに利用可能な周波数を割り当てる。ＲＮＣがその制御下にあるノードＢのＲＮＣの全体的な認識に基づいて実行した再割り当てに従って、ノードＢは割り当てられた周波数をノードＢが最適とみなすように自由に利用する。

好ましい実施形態に従ってＲＮＣ１８がノードＢ２０に提供する望ましい傾斜情報の例は、砲腔軸水平（Ｂｏｒｅ ａｘｉｓ Ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ）１５から４０度北、砲腔軸垂直（Ｂｏｒｅ ａｘｉｓ Ｖｅｒｔｉｃａｌ）１５度上から３０度下水平、ビーム幅１８０から２０度、出力は０から−３０ｄＢとすることができる。あるいは、いくつかの制限が他の制約に基づいてアルゴリズムで導出することができる。たとえば、ＲＮＣ１８が提供する電力限界（ｐｏｗｅｒ ｌｉｍｉｔ）は、垂直ビーム幅、水平ビーム幅、垂直ビーム砲腔角、送信機と受信機間の距離、レポートされた受信出力の関数として計算される。

望ましい傾斜情報によるビーム１０の傾斜を制御する回路は、アンテナ１２にきわめて近い場所に配置してもよいし、ある程度距離を置いて配置してもよい。傾斜制御回路をアンテナ１２にきわめて近い場所に配置する場合は、望ましい傾斜情報がアンテナ１２のローカル回路に直接送信される。傾斜制御回路をノードＢ２０にリモートで配置する場合、たとえば望ましい傾斜情報がノードＢ２０に送信され、ここで望ましい傾斜情報に従ってビーム１０を調整するための信号が生成され、さらにアンテナ１２に送信される。

制御回路をアンテナ１２に関してローカルに配置するかリモートで配置するかは、多くの要因との兼ね合いがあるが、完全にオペレータの選択に基づく。たとえば、望ましい傾斜情報をアンテナ１２のローカルの回路に直接送信すると、制御信号をローカルに生成できる。この場合はより精密でより高速な操作になる傾向がある。ただし、この構成ではローカル回路への物理的アクセスが必要になるたびにタワー１３の頂上にアクセスしなければならないので、保守は困難である。制御回路をアンテナ１２に関してリモートで（たとえばノードＢに）配置すると、回路へのアクセスは容易であるが、ノードＢ２０とアンテナ１２の間に適切な制御信号を送信するための手段が必要になる。たとえば、複数本のケーブルまたは一本のケーブル、さらに多重化符号化および復号（ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ ｅｎｃｏｄｉｎｇ ａｎｄ ｄｅｃｏｄｉｎｇ）回路を提供してもよい。

垂直寸法においてビームを実際に調整するには、ビームのボアサイト（ｂｏｒｅｓｉｇｈｔ）を調整する。ビームのボアサイトは、機械的な手段、電子的／電気的手段、または両方の組み合わせによって調整できる。ビームのボアサイトは、当業者には理解されるように、物理的放射素子（ｐｈｙｓｉｃａｌ ｒａｄｉａｔｉｎｇ ｅｌｅｍｅｎｔｓ）、反射器、アンテナ１２の非励振素子（ｐａｒａｓｉｔｉｃ ｅｌｅｍｅｎｔ）などを調整することによって機械的に調整してもよい。あるいは、同様に当業者には理解されるように、アンテナ１２から放射される信号の位相と振幅を調整することによって電子的に調整してもよい。

前述のように、必要に応じてボアサイトの機械的調整手段と電子／電気的調整手段を組み合わせて利用してもよい。たとえば、機械的な調整を大きいスケールの粗い調整に使用し、電子的／電気的な調整はより小さいスケールの微調整に利用してもよい。１つのタイプの調整は水平寸法で行い、別のタイプの調整は垂直寸法で行うこともできる。ＲＮＣ１８またはノードＢ２０が提供する望ましい傾斜情報に応じてビーム１０を調整するための調整のタイプは、オペレータの選択に基づく。利用する調整のタイプにかかわらず、望ましい傾斜情報を実現するための適切な制御信号がアンテナ１２に送信されるので、ビームのボアサイトはＲＮＣ１８またはノードＢ２０で生成される傾斜情報に従って調整される。機械的手段を図４、６、７に示し、電子的／電気的手段を図５、８、９、１０に示してあるが、これは単に本発明を説明することを目的としており、本発明の任意の実装において機械的、電子／電気的のいずれかの手段、またはその組み合わせを利用できることを指摘しておくことが重要である。

図３と図４のビーム１０を比較することからわかるように、垂直方向にビーム１０を動的に傾けることによって、ビーム１０の垂直寸法を狭くすることができる。ビームを狭くするには、垂直寸法のアンテナアレイから放射される位相と振幅を調整する。

ビームの垂直寸法を狭くすると、送信操作と受信操作で雑音に関する効果がある（ｒｅｓｕｌｔｓ ｉｎ ａｄｄｉｔｉｏｎａｌ ｎｏｉｓｅ ｂｅｎｅｆｉｔｓ）。すなわち、水平寸法と同様に、垂直空間のビームを制約は送信と受信に関して有効である。受信機については、ビームが小さいということはビームから放射される干渉波の影響を受ける受信機が少ないことを意味する。送信機については、ビームが小さいということは目的の受信機の領域で同じ出力密度に到達するために必要な送信出力が低いことを意味する。さらに、ビームが小さいとマルチパスを発生しやすい地形でマルチパスの発生が少なくなる。

一部の環境では、実際には同じソースから複数のマルチパスを受信することが望ましい（すなわち、マルチパスの減少が望ましい結果ではない）ことに留意されたい。そのような事例には、たとえば、信号を復号するために必要な出力レベルが１つの経路では不十分な場合、および／またはすべての経路が同時に信号フェージングによって乱されるわけではないので、マルチパスによって信号の堅牢性が向上する場合がある。この利用法は、送信機で意図的に実行される場合は空間ダイバシティ送信と呼ばれ、また受信機で意図的に実行される場合、空間ダイバシティ受信と呼ばれることが多い。ビーム形成は、このような場合にいくつかの最も重要な諸経路を監視し、復号するために経路同士を切り替える、または組み合わせることによって、依然として好都合であることに留意されたい。これは複数の受信ビームを生成する、または唯一のビームを広げてマルチパスビームをインターセプトすることで可能になる。

ここで図５を参照すると、動的垂直ビーム形成の別の利用法が示されている。この実施形態では、ＷＴＲＵの仰角（ｅｌｅｖａｔｉｏｎ）の差を上または下に補正することでビームを調整できる。ビームを垂直方向に調整することにより、ターゲット（受信または送信）との通信リンクがより堅牢になり、他のデバイスによる干渉が緩和される。

例として、ＷＴＲＵ４０がアンテナ４２に対して仰角が高い場合、ビーム４４は上方向に動的に傾けられるので、ビームの輪郭線はＷＴＲＵ４０の方向に向けられる。同様に、ＷＴＲＵ４６がアンテナ４２の高さよりも仰角が低い場合、ビーム４４は下方向に動的に傾けられる。

図６と図７を参照すると、本発明の別の実施形態ではビームの動的な傾斜が利用されており、ヌル領域（ｎｕｌｌ ａｒｅａｓ）を解消（ｂｒｅａｋ ｕｐ）するように、ビームの垂直寸法を調整する（すなわちディザリング）。

図６では、２つのアンテナ、１１２と１１４（すなわち複数の送信機）からの正規化された電力パターン（ｐｏｗｅｒ ｐａｔｔｅｒｎ）の部分が示されている。この実施形態では、２つのアンテナ１１２、１１４は別々のノードＢに属し、信号を送信している。放射ビームパターン１１６、１１８と、そのビームの重なり合う領域１２０が図示されている。図示されたパターンは、指定された実際の信号強度のパターンであり、図示された明確な定義と異なることは言うまでもない。ビーム同士の干渉の大部分（重なり合う領域１２０）は、信号を復号できる方法で受信できない領域のＷＴＲＵには到達しない。タイミングが適切であり、データストリームで使用するコードの誤り訂正機能が十分に堅牢であれば、重なり合う領域内のすべてではないが、ほとんどのＷＴＲＵが送信を復号できる。しかし、領域１２２、１２４は、干渉によって堅牢な復号ができない場所（すなわちヌル領域）である。

この状況の重要な点は、一部のＷＴＲＵが１２２や１２４のように信号の干渉によって送信の復号ができない位置にあることである。送信の性質によって、一部のＷＴＲＵは信号を取り逃がすだけである。その他のＷＴＲＵは、一部のメッセージを取り逃がしたかどうかを確認するために、後でシステムに問い合わせる。取り逃がした場合は、それらに対して一様に再送信を要求する。

図７は、垂直寸法においてディザリングしている２つの信号１１６、１１８の効果を示している。ただし、唯一のビーム、または追加のビームがある場合は必要に応じて任意の数のビームがディザリングされることに留意されたい。垂直寸法でビーム１１６、１１８をディザリングすると、領域１２６内でヌル１２２、１２４が移動するという効果がある。したがって、ヌル領域１２２、１２４内のＷＴＲＵはヌル領域１２２、１２４内に静的に止まってはいない。代わりに、瞬間的なヌル領域１２２、１２４が大きな物理領域１２６内を移動しているが、持続時間は短い。前述のように、信号はボアサイト制御、振幅制御、またはボアサイト制御と振幅制御の組み合わせを利用して電子的／電気的にディザリングできることに留意されたい。

ヌル領域はまた、２つの別個のアンテナから放射される信号によってではなく、マルチパスをその信号が受ける１つのアンテナにより発生することに留意されたい。すなわち、マルチパスの場合、１つまたは複数のマルチパス信号が元の信号に重なり合う可能性があり、それによって重なり合う領域内にヌル領域が発生する。この場合は、ビームを垂直方向にディザリングしてヌル領域を移動させ、ＷＴＲＵがヌル領域内に一定時間止まる可能性を低くする。これは送信には大いに有効である。

ここで図８を参照すると、本発明の別の実施形態においてビームを垂直寸法で動的に調整し、空間多重化を達成している。空間多重化とは、複数の異なる経路に沿って複数の異なるＷＴＲＵに送信する複数の異なる信号を送信する方法である。たとえば、図８でアンテナ１４２はそれぞれが独自の経路を備える複数の信号１４８、１４４を送信している。信号１４８はＷＴＲＵ１４０に送信され、信号１４４はＷＴＲＵ１４６に送信される。この実施形態において、ビームは信号１４８が信号１４４に対して引き起こす干渉の量を少なくするように（逆もまた同様）、ビームを狭く調整されているのが好ましい。

ここで図９を参照すると、本発明の別の実施形態においてビームを垂直寸法で動的に調整し、空間ダイバシティを達成している。空間ダイバシティとは、唯一の信号を特定の領域内の同じＷＴＲＵまたはＷＴＲＵのグループに複数の異なる経路を介して送信する方法である。たとえば、経路１６４を遮るのに十分な高さであるが経路１６８は遮らない建造物１６５がＷＴＲＵ１６６の前にある場合、必要に応じて信号を任意の数の経路に沿って送信できるので、ＷＴＲＵ１６６は経路１６８の反射１７０またはその他の経路から信号を受信できる。信号が送信される経路の数がければ多いほど、反射される信号が受信ＷＴＲＵ１６６に到着する確率が高くなる。空間ダイバシティは、同じ時間枠内に送信されたか、必要に応じて異なる時間枠内に送信された２つまたはそれ以上のビームによって実現する。前者の方がＲＦリソースを効率的に利用するが、多くの装置を必要とする。したがって、どちらを利用するかは費用とシステムの容量の兼ね合いによる。

ここで図１０を参照すると、本発明の別の実施形態においてビームを垂直寸法において動的に調整し、空間階層化を実現している。空間階層化とは反射または屈折（たとえばコーナー周辺）を介して唯一の地理上の場所に向けられた複数の異なる信号を送信する方法なので、この地理上の領域内で複数の送信を復号できるＷＴＲＵは、データが唯一の信号で送信された場合より高いデータ転送速度で信号を受信できる。たとえば、ＷＴＲＵ１６６が大きな送信を受信している場合、その送信に含まれるデータは、必要に応じて１つまたは複数の信号１６８、１６４に分けることができる。この場合、１つの信号１６４は、ＷＴＲＵ１６６がある地理上の領域の方向に直接向けられるが、任意の数の信号１６８を追加送信できるので、その反射信号１７０がその同じ領域に到達する。これで、ＷＴＲＵ１６６が送信を受信できるデータ転送速度が大幅に向上する。

ここで説明したように、アンテナとビームの垂直方向の動的な傾斜は、それだけで、あるいはアンテナとビームの水平方向の調整と組み合わせて実施できることに留意されたい。さらに、ここで説明した垂直方向の傾斜、たとえばビームの切り替え（すなわち位置の異なる有限個のビーム）や、適応型（ａｄａｐｔｉｖｅ）ビーム（ビームのボアサイトがＲＮＣで指定した最適な位置になるように連続的に更新されるビーム）を実施してもよい。

好ましい実施形態について第３世代パートナーシッププログラム（３ＧＰＰ：ｔｈｉｒｄ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｐａｒｔｎｅｒｓｈｉｐ ｐｒｏｇｒａｍ）システムに関連して説明したが、本実施形態はビーム形成を使用する任意のワイヤレス通信システムに適用できる。

本発明について好ましい実施形態で表して説明してきたが、以下の特許請求の範囲に示す本発明の範囲内にある他の変形形態が当業者には明らかである。

現在の３ＧＰＰ仕様によるワイヤレス通信システムを示す図である。 地理上の領域を事前に定義された６角形のセルパターンに分割した通信システムの地理上の有効領域を示す図である。 隣接するセルの送信ビームおよび／または受信ビームが重なり合う通信システムの地理上の有効領域を示す図である。 ノードＢから複数のＷＴＲＵにビームが送信および／または受信される従来のワイヤレス通信システムを示す図である。 本発明に従って、少なくとも垂直寸法についてビームを動的に調整できるワイヤレス通信システムを示す図である。 ＷＴＲＵの仰角（ｅｌｅｖａｔｉｏｎ）における変化に応じて、垂直寸法において動的に調整されるビームを示す図である。 少なくとも垂直寸法について重なり合う、ヌル領域を含む２つの送信ビームを示す概略図である。 ヌル領域を解消するために少なくとも垂直寸法においてディザリングされる（ｄｉｔｈｅｒｅｄ）２つの送信ビームを示す概略図である。 空間多重化（ｓｐａｔｉａｌ ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）を提供するように、少なくとも垂直寸法において動的に調整されるビームを示す図である。 空間ダイバシティおよび時間ダイバシティ（ｓｐａｔｉａｌ ａｎｄ ｔｉｍｅ ｄｉｖｅｒｓｉｔｙ）を提供するように、少なくとも垂直寸法において動的に調整されるビームを示す図である。 空間的階層化（ｓｐａｔｉａｌ ｌａｙｅｒｉｎｇ）を提供するように少なくとも垂直寸法において同時に動的に調整されるビームのペアを示す図である。

Claims (16)

1. 少なくとも１つのビームを使用してワイヤレス通信を送信および受信するためのワイヤレス通信システムであって、
   複数の無線送信／受信ユニット（ＷＴＲＵ）と、
   ビーム形成アンテナから放射された少なくとも１つのビームを少なくとも垂直寸法において調整できる少なくとも１つの前記ビーム形成アンテナと、
   前記アンテナと少なくとも１つの前記無線送信／受信ユニット（ＷＴＲＵ）との間の送信を最適化するための前記ビームの調整を制御する無線ネットワークコントローラと
   を具えたことを特徴とするシステム。
2. 前記ビームは、さらに水平寸法において調整されることを特徴とする請求項１記載のワイヤレス通信システム。
3. ノードＢは、前記無線ネットワークコントローラによって提供される傾斜情報に従って前記ビームを調整する制御信号を生成するために提供されることを特徴とする請求項１記載のワイヤレス通信システム。
4. 傾斜情報は、前記無線ネットワークコントローラから前記アンテナに送信され、
   該アンテナは、前記無線ネットワークコントローラによって提供される傾斜情報に従って前記ビームを調整する制御信号を生成することを特徴とする請求項１記載のワイヤレス通信システム。
5. 前記ビームは、下方向に傾けられ、別のアンテナへの干渉および該別のアンテナからの干渉を軽減することを特徴とする請求項１記載のワイヤレス通信システム。
6. 前記ビームは、前記無線送信／受信ユニット（ＷＴＲＵ）間の仰角の変化に応じて調整されることを特徴とする請求項１記載のワイヤレス通信システム。
7. 前記ビームは、送信信号を復号できないヌル領域を解消するように調整されることを特徴とする請求項１記載のワイヤレス通信システム。
8. 前記ビームは、少なくとも垂直寸法において前記ビームをディザリングすることによって調整されることを特徴とする請求項７記載のワイヤレス通信システム。
9. 前記ビームは、垂直寸法と水平寸法において前記ビームをディザリングすることによって調整されることを特徴とする請求項７記載のワイヤレス通信システム。
10. 前記ビームは、複数の信号を複数の経路に沿って提供し、
    該複数の信号に含まれるデータを、前記無線送信／受信ユニット（ＷＴＲＵ）の無線受信ユニットが受信するデータ転送速度を向上するように調整されることを特徴とする請求項１記載のワイヤレス通信システム。
11. ワイヤレス通信システムにおける送信を最適化するためにビームを動的に調整する方法であって、
    ワイヤレス通信システムの実際の条件に基づいて傾斜情報をリアルタイムに計算するステップと、
    前記計算された傾斜情報に基づいて、少なくとも１つのビームを少なくとも垂直寸法において調整するステップと
    を具えたことを特徴とする方法。
12. 別のアンテナへの干渉および該別のアンテナからの干渉を最小化するように、前記ビームを調整するための傾斜情報を計算するステップ
    をさらに具えたことを特徴とする請求項１１記載の方法。
13. 複数の無線送信／受信ユニット（ＷＴＲＵ）間の仰角の変化に応じて、前記ビームを調整するための傾斜情報を計算するステップ
    をさらに具えたことを特徴とする請求項１１記載の方法。
14. 前記ビームをディザリングして送信信号を復号できないヌル領域を解消するための傾斜情報を計算するステップ
    をさらに具えたことを特徴とする請求項１１記載の方法。
15. 少なくとも１つのビームを使用してワイヤレス通信を送信および受信するためのワイヤレス通信システムであって、
    複数の無線送信／受信ユニット（ＷＴＲＵ）と、
    無線ネットワークコントローラと、
    ビーム形成アンテナから放射されたビームを少なくとも垂直寸法において調整できる少なくとも１つの前記ビーム形成アンテナと、
    前記アンテナと少なくとも１つの無線送信／受信ユニット（ＷＴＲＵ）との間の送信を最適化するための前記ビームの調整を制御するノードＢと
    を具えたことを特徴とするワイヤレス通信システム。
16. 前記無線ネットワークコントローラおよび前記複数の無線送信／受信ユニット（ＷＴＲＵ）の情報を使用して、前記ビームを調整するための傾斜情報を計算することを特徴とする請求項１５記載のワイヤレス通信システム。
    

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