JP2008503187A - Method and system for using a smart antenna to install a backhaul network - Google Patents
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Abstract
ノード(102a−102n)間でメッセージを送信するのにスマートアンテナを使用する方法及びシステムを提供する。無線通信システムは、複数のノード(102a−102n)を含み、各ノードは互いに接続可能である。ノードの少なくとも一部は複数のビーム(109a−109h)を生成するように構成されたスマートアンテナ(204)が設けられている。各ノードは、他のノードへメッセージを送信するのに使用されるビーム構成情報及び他のノードのリストを維持する。ソースノードがターゲットノードへ送信することが必要な時、ソースノードはビーム構成情報を検索して、ターゲットノードに向けられた指向性ビーム(109)により送信する。 A method and system for using smart antennas to transmit messages between nodes (102a-102n) is provided. The wireless communication system includes a plurality of nodes (102a to 102n), and each node can be connected to each other. At least some of the nodes are provided with smart antennas (204) configured to generate a plurality of beams (109a-109h). Each node maintains beam configuration information and a list of other nodes that are used to send messages to other nodes. When the source node needs to transmit to the target node, the source node retrieves the beam configuration information and transmits it with a directional beam (109) directed to the target node.
Description
本発明は、無線通信に関する。より詳細には、本発明は、バックホールネットワークを設置するのにスマートアンテナを使用する方法及びそのシステムに関する。 The present invention relates to wireless communication. More particularly, the present invention relates to a method and system for using a smart antenna to install a backhaul network.
無線通信システムにおいて、最も重要な問題の1つは干渉を減少することによりシステムの容量を増加することである。アレイアンテナ(スマートアンテナとして、また知られている)が、干渉を減少させ及び容量を改善するために開発されている。スマートアンテナは、複数のアンテナ素子を使用して方位角の特定方向へのみ信号を放射する指向性ビームを生成し、そして特定方向から送信された信号を選択的に検出する。スマートアンテナにより、信号がサービス範囲の狭い領域へ放射されるため無線通信システムは容量を増加でき、そして干渉を減少できる。これは、無線送信/受信ユニット(WTRU)などの他の送信機及び受信機及び基地局への過剰な干渉を生ずることがなく指向性ビームの送信電力レベルを増加できるため、システム全体の容量を増加する。 In a wireless communication system, one of the most important issues is increasing the capacity of the system by reducing interference. Array antennas (also known as smart antennas) have been developed to reduce interference and improve capacity. A smart antenna uses a plurality of antenna elements to generate a directional beam that emits a signal only in a specific direction of azimuth and selectively detects a signal transmitted from the specific direction. With smart antennas, signals can be radiated to a narrow area of service so that wireless communication systems can increase capacity and reduce interference. This can increase the transmission power level of the directional beam without causing excessive interference to other transmitters and receivers such as a wireless transmit / receive unit (WTRU) and the base station, thus reducing the overall system capacity. To increase.
無線通信システムは、一般的に、基地局及び無線ネットワークコントローラなどの複数のノードを含む。ノードは、典型的に、メッシュネットワーク又はセルラーネットワークなどの有線接続によって互いに接続される。ノードは、互いに通信して、バックホールメッセージなどのメッセージを送信する。 A wireless communication system typically includes multiple nodes such as a base station and a wireless network controller. The nodes are typically connected to each other by a wired connection such as a mesh network or a cellular network. The nodes communicate with each other and send messages such as backhaul messages.
しかしながら、有線接続によってバックホールネットワークを設置することついては、有線接続は高価で、時間がかかり、そしてネットワークの修正又は変更に対して融通性がないという不利益が存在する。特に、メッシュネットワーキングは、ノードが互いに接続されることを必要とする。新しいノードがメッシュネットワークに追加される時、バックホールのために新しいノードへの新しい接続を設置するについて、大きな負担(費用と時間の両方の観点において)が存在する。 However, there are disadvantages to installing a backhaul network by wired connection, as wired connection is expensive, time consuming, and inflexible to network modifications or changes. In particular, mesh networking requires nodes to be connected to each other. When a new node is added to the mesh network, there is a significant burden (in terms of both cost and time) on installing a new connection to the new node for backhaul.
従って、費用効果的で、時間の消費が少なく、そして融通性のあるバックホールネットワークを設置するための方法及びシステムへの必要性が存在する。 Accordingly, a need exists for a method and system for installing a cost effective, time consuming and flexible backhaul network.
本発明は、バックホールネットワークを設置するのにスマートアンテナを使用する方法及びシステムである。本発明は、スマートアンテナを使用して、セル内通信を改良し、処理能力を増加し、そしてバックホールデータを伝達するために融通性のあるバックホールネットワークの少なくとも一部を形成する。本発明は、複数のノードを含み、そして各ノードがメッシュネットワーク内で互い接続されている無線通信システム内で実現される。ノードの少なくとも一部は、複数の指向性ビームを生成するように構成された1つ又は複数のスマートアンテナが設けられている。1つ又は複数のスマートアンテナを持つ各ノードは、スマートアンテナを持つ他のノード及びビーム方向及びこれら他のノードへメッセージを送信するのに使用される構成情報のリストを維持する。ソースノードがターゲットノードへバックホールデータを送信する必要がある時、ソースノードはターゲットノードのためのビーム方向及び構成情報を検索して、ターゲットノードに向けられた指向性ビームによってメッセージを送信する。 The present invention is a method and system for using smart antennas to install a backhaul network. The present invention uses smart antennas to improve intra-cell communication, increase processing power, and form at least part of a flexible backhaul network to carry backhaul data. The present invention is implemented in a wireless communication system that includes a plurality of nodes and each node is connected to each other in a mesh network. At least some of the nodes are provided with one or more smart antennas configured to generate a plurality of directional beams. Each node with one or more smart antennas maintains a list of other nodes with smart antennas and beam directions and configuration information used to send messages to these other nodes. When the source node needs to send backhaul data to the target node, the source node retrieves the beam direction and configuration information for the target node and sends a message with a directional beam directed at the target node.
本発明は、ユニバーサル・モバイル通信システム(UMTS)に応用されるような、時間分割デュプレックス(TDD)、周波数分割デュプレックス(FDD)、及び、時間分割同期コード分割複数アクセス(TD−SCDMA)、CDMA2000、CDMA一般、モバイル通信のためのグローバルシステム(GSM)、一般パケット無線システム(GPRS)、及び、GSM進化のために増強されたデータレート(EDGE)を含むけれど、これらには限定されない、どんな無線通信システムに応用できる。 The present invention relates to time division duplex (TDD), frequency division duplex (FDD), and time division synchronous code division multiple access (TD-SCDMA), CDMA2000, as applied to Universal Mobile Telecommunication System (UMTS), Any wireless communication, including but not limited to CDMA General, Global System for Mobile Communications (GSM), General Packet Radio System (GPRS), and Enhanced Data Rate (EDGE) for GSM Evolution Applicable to system.
以降、用語“WTRU”は、ユーザ装置、移動局、固定又は移動加入者ユニット、ページャー、又は、無線環境内で動作できるいずれの他のタイプの装置を含むが、これらに限定されない。以降に言及される時、用語“ノード”は、基地局、ノードB、サイトコントローラ、アクセスポイント、又は、無線環境内のインターフェイス装置のいずれかの他のタイプを含むけれど、これらには限定されない。 Hereinafter, the term “WTRU” includes, but is not limited to, user equipment, mobile stations, fixed or mobile subscriber units, pagers, or any other type of equipment that can operate in a wireless environment. When referred to hereafter, the term “node” includes, but is not limited to, a base station, Node B, site controller, access point, or any other type of interface device in a wireless environment.
図1は、本発明に従う複数のノード102a−nのネットワーク100のブロック図である。102nとして図示的に示された、少なくとも1つのノードは、コアネットワーク110に接続されている。無線通信システムのコアネットワークの動作は当業者に良く知られておりそして本発明の中心ではない。従って、ここではコアネットワーク110は詳細には説明されない。
FIG. 1 is a block diagram of a
各ノード102a−nは、ノード102a−nのサービス範囲内に位置する1つ又は複数のWTRU(図示しない)をサービスする。ネットワーク100は、メッシュネットワーク又はセルラーネットワークであってよい。本発明の文脈では、メッシュネットワーク及びセルラーネットワークはともにバックホール情報を送信する。しかし、基本的な差異が存在する。セルラーネットワークは典型的に固定されたネットワーク基盤設備及びバックホール接続を持つ。これらの接続は典型的にはポイントツーポイントであり、そしてこれらは変化しない。1つのノードは、バックホールデータをネットワーク内の別の位置にある別のノードに送信し、そして、その位置にのみ送信する。
Each
メッシュネットワークの場合、ノード間の接続は変化し、したがって、バックホールデータは異なる時間には異なるノードにさらなるルーテイングのために送信される。特に、メッシュネットワークでは、バックホール接続は時々変化するため、スマートアンテナを調節できることが重要であり、異なるノードへの接続が他のノードへの不適当な干渉を生ずることなく達成できるようにする。 In the case of a mesh network, the connection between nodes changes, so backhaul data is sent to different nodes for further routing at different times. In particular, in mesh networks, the backhaul connection changes from time to time, so it is important to be able to adjust the smart antenna so that connections to different nodes can be achieved without causing undue interference to other nodes.
ノード102a−nの少なくとも一部には、少なくとも1つのスマートアンテナ(以降に詳細に説明されるような)が設けられていて、そして、通常のWTRUへのダウンロード送信及びWTRUからのアップロード受信に加えて、スマートアンテナを他のノード102a−nへのバックホールデータ送信に使用する。これらのノード102a−nは、複数の指向性ビームの生成及び方位角のどんな方向へのビームの操縦が可能である。
At least some of the
ネットワーク100は、有線接続を持つノード及びスマートアンテナを使用する無線バックホール接続を持つノードを含むと予想される。スマートアンテナを使用して確立された接続は再構成ができ、異なるノードへ向けることができるため、これらはシステムの融通性を増加する。しかし、ノードの少なくとも1つはコアネットワーク110への有線接続及び他のノードへの無線接続の両方を有し、本質的に有線のコアネットワークと無線ノードのグループとの間の接続を提供する。ノード102a−nの少なくとも一部は、また、有線又は専用接続を経由してバックホール情報を送信する能力が設けられていてよい。有線及び無線バックホール接続の両方を有するノード(ノード102nなど)は(以降、ハイブリッドノードと言及する)、有線コアネットワーク110への接続となる。換言すると、ノードがスマートアンテナの助けにより無線でバックホール情報を送信する時、このバックホール情報は最終的にコアネットワーク110へハイブリッドノード102nを経由して配達される。従って、ハイブリッドノード102nは、無線バックホール接続によりバックホール情報をノードへ送信及び受信でき、一方、それはバックホール情報をコアネットワーク110へ送信及び受信する。従って、ブリッジを形成する。
The
1つの実施の形態では、ノード102a−nは、図4に示すように、複数の所定のビーム109a−hを有し、そして、複数のビーム109a−hの中から1つを選択して、送信又は受信の方向を指定する。図4に示されたビームは単に一例として与えられたものであり、いずれの数のビーム、ビームパターン、又は、パターンのいずれの他のタイプも実現できることに注意すべきである。
In one embodiment,
代替的な実施の形態において、各ビーム109a−hは所定の位置の組から選択されるよりはむしろ、実時間で生成されて方向付けられる。
In an alternative embodiment, each
ノード102a−nは、システム容量、データ処理能力、干渉などの観点から最良の性能を提供する、1つのビーム109a−h方向を、ダイナミックに又は複数の利用可能な位置の中からのいずれかにより選択する。ノード102a−nは一般に特定の位置に固定されている。従って、一旦、ビーム109a−h及び2つのノード102a−n間の構成が設定されると、方向及び構成が記憶されてその後に変更無しに使用できる。各ノード102a−nは他のノード102a−nとの接続のために2以上のビーム109a−hを提供することができる。無線環境とトラフイック負荷は長期間の基礎では変化するかもしれないからである。従って、各ノード102a−nは無線環境を決定するために、他のノード102a−nから受信した信号を監視し、ダイナミックにビーム方向及び信号構成を調節してシステムの性能を最適化する。
Nodes 102a-n provide the best performance in terms of system capacity, data processing capability, interference, etc., with one
システムの動作の一例は次の通りである。ノード102aなどの第一選択ノードはビームを生成してそれをノード102bなどの別の選択されたノードへ操縦する。これはビーム形成アンテナアレイにより典型的に行われるように、アンテナアレイに印加される複素重みを調節することにより行うことができる。同時に、ノード102aはノード102bへのリンクAの品質を測定する。リンクAの品質は、信号対雑音比、ビット又はフレームエラーレート、又は、他のある測定可能な品質インジケータとして測定できる。送信ノード102aは、最良のアンテナビーム方向、この場合にリンク品質を最大にする重みの最良組合せを見つけて、リンク品質測定及び対応するビーム方向(重み)の両方を記憶する。送信ノード102aは、これを近所の全てのノードに対して行い、そして対応する品質及びビーム情報を記憶する。
An example of the operation of the system is as follows. A first selection node such as
どんなノード102a−nも、1つ又は複数のビームを選択的に他のノード102a−nへ向かわせることにより、他のノード102a−nへ柔軟で且つ無線で接続又は切離しできる。図1において、第一ノード102aは指向性ビームAを使用して第二ノード102bへメッセージを送信し、そして、指向性ビームBを使用して第四ノード102dへ送信する。指向性ビームAとBは、独立に制御でき、そして同時に送信できる。各指向性ビームAとBは、特定の方向にのみ放射されるから、他のノード102a−n又はWTRUと過剰な干渉を生じない。
Any
図2は、本発明に従うノード202のブロック図である。ノード202はスマートアンテナ204、コントローラ206、メモリ208、及び、選択的な有線リンク210を含む。有線リンク210は、コアネットワーク110又は他のノードへのリンクであってよい。ノード202は、ユーザ移動、無線周波数環境中の変化及び共同チャンネル干渉と共にマルチパスに適合するために信号処理アルゴリズムを実現している。コントローラ206により実現されている無線資源管理(RRM)機能が、ノード202内でどのように無線資源を割当てるかを決定する。
FIG. 2 is a block diagram of a
スマートアンテナ204は、コントローラ206の制御下で複数の指向性ビームを生成するための複数のアンテナ素子(図示しない)を含む。各ビームはノード202と他のノードとの間の無線接続として機能する。上述したように、ノード202は典型的には特定の位置に固定されているため、2つのノード間のビームの方向及び構成は予め定めることができ、そしてメモリ208中に記憶できる。メモリ208は、他のノード及びこれらの他のノードの各々に対するビーム方向及び構成情報のリストを維持する。ノード202がバックホールデータなどのメッセージを別のノードに送信する必要がある時、コントローラ206はメモリ208から対応するビーム方向及び構成情報を検索し、そして特定の方向に操縦された指向性ビームを生成して、ビームを使用してメッセージを送信する。
ハイブリッドノード102nの場合、このプロセスはスマートアンテナ204の助けにより他のノードとの無線接続の確立の際に続けられる。ハイブリッドノード102nがコアネットワーク又は他のノードへのバックホール接続を確立する時は、有線リンク210が物理的に固定されていて同じ2つのノード間の接続を常時提供するため、構成情報又はビーム選択は存在しない。
In the case of
本発明によると、スマートアンテナ204は好ましくはマルチビーム能力を有し、各ビームは独立に使用できる。ノード202は、同時に複数の他のノードへバックホールデータを送信するために2以上の指向性ビームを生成する。同じ周波数が同じサービス範囲内の2以上の指向性ビームに対して再使用できるため、システム容量は実質的に増加する。
According to the present invention, the
いくつかのノードはいくつかのビームが一緒に結合される。これは接続を変更し、そして無線環境内で変更にダイナミックに適合するのに好都合である。例えば、2つのビームが2つのノード間の接続のために提供される。もし、1つのビームが過剰な干渉を受ける場合、ノードはメッセージの送信のために別のビームへスイッチできる。 Some nodes have several beams combined together. This is advantageous for changing connections and adapting dynamically to changes within a wireless environment. For example, two beams are provided for connection between two nodes. If one beam experiences excessive interference, the node can switch to another beam for message transmission.
スマートアンテナの使用はノード間の融通性のあるバックホールリンクの構成が可能である。各ノードは複数の指向性ビームを生成するように構成されていて、指向性ビームを方位角のいずれの方向へ操縦することが可能なため、新しいノードがネットワーク100に追加される時、既存のノードは新しいノードへ向けられた新しいビーム方向及び構成を単に設定することにより、新しいノードへの新接続を確立できる。これに加えて、既存のノードがネットワーク100から取り除かれる時、ノードは単にメモリ208から取り除かれたノードに対する構成及びビーム方向を削除するだけでよい。本発明は、ノード間の接続を確立又は取り除くために不要な設備の追加的な設置又は除去を行う。本発明はメッシュネットワーク又はセルラーネットワークのいずれにおいて実現できることに注意すべきである。
The use of the smart antenna allows the construction of a flexible backhaul link between nodes. Each node is configured to generate multiple directional beams and can be steered in either direction of azimuth so that when a new node is added to the
メッシュネットワーキングの強さの1つは、トラフイック負荷、干渉、及び個別のノード性能を含む複数の要因に依存して、ノード間に新しいリンクを作成し及び削除する能力である。図1に示すように、複数のノード102a−nはスマートアンテナを使用して互いに結合されている。図1中のノード102a−n間の線は可能なリンクA−Fを示す。制御は集中化でき、これにより少なくとも1つのノードがノード間の接続を制御するための制御ノードとして機能できる。又は、制御は非集中化でき、ここでは制御はいくつかのノード又は全てのノードにわたって分散される。もし、1つのノードが制御ノードとして指定される場合、この制御ノードは各ノードのトラフイック状態及び性能に関する情報を収集して、1つのノードから別のノードへのメッセージ送信のための最良のトラフイックルートを決定する。
One of the strengths of mesh networking is the ability to create and delete new links between nodes, depending on multiple factors including traffic load, interference, and individual node performance. As shown in FIG. 1, the plurality of
各ノード102a−nは好ましくは1つ又は複数のビーコン信号をその1つ又は複数のビーム中に送信する。これらはネットワーク動作について有用な情報を提供する。例えば、ビーコン信号は現在の電力レベル、トラフイックレベル、干渉レベル及び他のパラメータを送信する。ビーコン信号はまたアクセスの優先度、セキュリティ、識別、及びアクセス制御とセキュリティ制御情報の他の変化するタイプを含むことができる。ビーコン信号は、周期的又は非周期的に測定され、そしてパラメータは最大効率トラフイックルートを見つけるためにノード間の接続を調節するための基礎として利用される。本発明に従いスマートアンテナを使用することにより無線的にバックホール接続の少なくとも一部を形成することは、融通性を可能にし、ノード間の接続を確立しそして調節するための不要な時間と費用を減少できる。
Each
例えば、図1に示すように、もし第二ノード102bと第四ノード102dの間のトラフイック負荷が重過ぎる場合、他のノードは以降に詳細に説明するようにノード102b、dのビーコン信号を読むことにより、2つのノード102b、d間のトラフイック状態を認識する。もし第一ノード102aがトラフイックを第五ノード102eに配達することを望む場合、もし可能ならば、それは第二及び第四ノード102b、dを避けて、トラフイックをN番目のノード102nを経由する代替的な経路指定をする。
For example, as shown in FIG. 1, if the traffic load between the
本発明は、融通性のある無線メッシュネットワークを提供するという利点を有するのみならず、バックホール情報(典型的に有線を介して送信された)がまたスマートアンテナを介して同じ融通性のあるリンクを経由して今送信される。本発明による二重使用のスマートアンテナ計画のこのタイプの実現は、現在の無線通信システムにまさる顕著な利益を結果する。 The present invention not only has the advantage of providing a flexible wireless mesh network, but the backhaul information (typically transmitted via wire) is also the same flexible link via a smart antenna. Will now be sent via. This type of realization of a dual-use smart antenna scheme according to the present invention results in significant benefits over current wireless communication systems.
図3は、本発明によるノード間にメッセージを送信するのにスマートアンテナを使用する方法300のフロー図である。ノードの少なくとも一部には、複数の指向性ビームを生成して方位角に独立して操縦するように構成された少なくとも1つのスマートアンテナが設けられる(ステップ302)。各ビームは、WTRUへのダウンロード及びWTRUからのアップロードの通常のトラフイックに加えて、他のノードへの無線接続として使用される。各ノードは、他のノード及び他のノードへの送信のために使用される構成情報及びビーム方向のリストを維持する。ステップ302と304は典型的にはシステムを設定する又はノードを受け入れる又は削除するためにシステムを再構成する際に実行され、典型的には通常動作中には形成される必要はない。ソースノードがターゲットノードへ送信する必要がある時、ソースノードはメモリからターゲットノードについての構成情報とビーム方向を検索し、そして構成情報及びビーム方向を使用して指向性ビームを生成する(ステップ306)。一旦、リンク品質及びトラフイック密度などの他の考察に基づいて、バックホールデータの送信のためにノードが選択されると、送信ノードはリストからビーム方向(重み)を選択し、そしてそれをアンテナに印加する。
FIG. 3 is a flow diagram of a
環境が変化して、そしてビーム方向の調節が必要なため、リンクの品質の測定と関連情報の記憶のプロセスは周期的にされる必要があるだろう。そして、ソースノードはターゲットノードへ生成された指向性ビームを送信する(ステップ308)。 As the environment changes and the beam direction needs to be adjusted, the process of measuring link quality and storing related information will need to be done periodically. Then, the source node transmits the generated directional beam to the target node (step 308).
選択的なステップにおいて、ネットワーク内の変化は新しいノードがネットワークへ追加される所、既存のノードがネットワークから取り除かれる所、又は、無線周波数又は他の条件が変化する所で発生する。変化に応答して、他のノードはビーム方向及び構成情報のリストを更新して、変化を反映する(ステップ310)。 In optional steps, changes in the network occur where new nodes are added to the network, existing nodes are removed from the network, or where radio frequency or other conditions change. In response to the change, the other nodes update the list of beam direction and configuration information to reflect the change (step 310).
本発明の特徴と要素が特定の組合せの中の好適な実施の形態において説明されたが、各特長又は要素は、好適な実施の形態中の他の特徴及び要素無しに単独で使用でき、また、本発明の他の特徴及び要素と共に又は無しにさまざまな組合せで使用できる。 Although the features and elements of the invention have been described in preferred embodiments in specific combinations, each feature or element can be used alone without other features and elements in the preferred embodiments, and It can be used in various combinations with or without other features and elements of the present invention.
Claims (17)
複数の指向性ビームを生成するためのスマートアンテナと、
近くのノードへメッセージを送信するのに使用される接続及びビーム構成情報を有する近くのノードのリストを記憶するためのメモリと、
別のノードへ特定のメッセージを送信するための特定の指向性ビームを選択し、前記複数の指向性ビームの各々を独立に制御するコントローラと、
を含むことを特徴とする無線通信システム。 A wireless communication system including a plurality of nodes, each node connected to at least one nearby node, each node comprising:
A smart antenna for generating multiple directional beams;
A memory for storing a list of nearby nodes having connection and beam configuration information used to send messages to nearby nodes;
A controller that selects a specific directional beam for transmitting a specific message to another node and independently controls each of the plurality of directional beams;
A wireless communication system comprising:
近くのノードへメッセージを送信するのに使用される接続及びビーム方向及び構成情報を持つ近くのノードのリストを測定しそして記憶するステップと、
ビーム方向及び構成情報に従ってターゲットノードへ特定のメッセージを送信するための指向性ビームを生成するステップと、
生成された指向性ビームによりターゲットノードへ前記メッセージを送信するステップと、
を含むことを特徴とする方法。 A method of using a smart antenna in a wireless communication system including a plurality of nodes, each of at least two nodes of the plurality of nodes having a smart antenna, the smart antenna for connecting to at least one nearby node Generating at least one directional beam, the method comprising:
Measuring and storing a list of nearby nodes with connection and beam direction and configuration information used to send messages to nearby nodes;
Generating a directional beam for transmitting a specific message to the target node according to the beam direction and configuration information;
Transmitting the message to the target node by the generated directional beam;
A method comprising the steps of:
Applications Claiming Priority (4)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
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