JP2008530956A - 複数入力複数出力アンテナのビーム組合せを選択する方法および装置 - Google Patents

Abstract

複数入力複数出力（ＭＩＭＯ）アンテナのビーム組合せを選択する方法および装置が開示される。無線送受信ユニット（ＷＴＲＵ）は、ＭＩＭＯを支持する複数のビームを生成する複数のアンテナを含む。少なくとも１つのアンテナが、複数のビームを生成するように構成され、それによって様々なビーム組合せを生成することができ、別のＷＴＲＵとの無線通信を実施するために所望のビーム組合せを選択することができる。品質メトリックが、可能なビーム組合せのそれぞれまたはサブセットに関して測定される。ＭＩＭＯ送信および受信のための所望のビーム組合せが、品質メトリック測定値に基づいて選択される。

Description

本発明は無線通信システムでのスマートアンテナ技術に関する。より詳細には、本発明は、複数入力複数出力（ＭＩＭＯ）アンテナのビーム組合せを選択する方法および装置に関する。

無線通信システムは当該技術分野でよく知られている。一般に、そのようなシステムは、互いに無線通信信号を送受信する通信ステーションを備える。通常、基地局（またはアクセスポイントＡＰ）のネットワークが設けられ、各基地局（またはＡＰ）は、適切に構成されたモバイル無線送受信ユニット（ＷＴＲＵ）ならびに複数の適切に構成された基地局（またはＡＰ）との同時無線通信を実施することができる。あるいは、あるモバイルＷＴＲＵを、互いに直接的に、すなわち基地局（またはＡＰ）を介するネットワークを通じて中継することなく無線通信を実施するように構成することもできる。これは一般にピアツーピア無線通信と呼ばれる。モバイルＷＴＲＵが他のモバイルＷＴＲＵと直接通信するように構成される場合、モバイルＷＴＲＵ自体は、基地局（またはＡＰ）としても構成および機能することができる。モバイルＷＴＲＵは、ネットワーク通信機能とピアツーピア通信機能の両方を用いて、複数のネットワークで使用するように構成することができる。

本明細書で使用する「ＡＰ」という用語は、限定はしないが、ＡＰが関連付けられるネットワークへの無線アクセスをモバイルＷＴＲＵに提供する無線環境内の基地局、Ｎｏｄｅ Ｂ、サイトコントローラ、またはその他のインターフェーシング装置を含む。本明細書で使用される「モバイルＷＴＲＵ」は、限定はしないが、ユーザ装置、移動局、モバイル加入者ユニット、ページャ、または無線環境で動作することのできるその他の任意のタイプの装置を含む。そのようなモバイルＷＴＲＵは、ネットワーク接続を有する、電話、ビデオフォン、インターネットレディフォンなどのパーソナル通信装置を含む。さらに、モバイルＷＴＲＵは、同様のネットワーク機能を有するワイヤレスモデムを備える携帯情報端末（ＰＤＡ）やノートブックコンピュータなどのポータブルパーソナルコンピューティング装置を含む。持ち運びができ、または位置を変更することのできるモバイルＷＴＲＵは、モバイルユニットと呼ばれる。

無線ローカルエリアネットワーク（ＷＬＡＮ）と呼ばれる無線システムの１タイプを、同様に装備されたモバイルＷＴＲＵとのピアツーピア通信も実施することができるＷＬＡＮモデムを備えるモバイルＷＴＲＵとの無線通信を実施するように構成することができる。現在のところ、ＷＬＡＮモデムは、製造業者によって多くの従来の通信装置およびコンピューティング装置に統合されている。例えば、セルラフォン、携帯情報端末、およびラップトップコンピュータが、１つまたは複数のＷＬＡＮモデムと共に構築されている。

１つまたは複数のＡＰを有する一般的なＷＬＡＮ環境は、ＩＥＥＥ８０２規格ファミリに従って構築される。こうしたネットワークへのアクセスは通常、ユーザ認証手続きを必要とする。そのようなシステムのためのプロトコルは現在、ＩＥＥＥ８０２規格ファミリで提供されるプロトコルのフレームワークなど、ＷＬＡＮ技術エリアで標準化されている。

図１に、モバイルＷＴＲＵ１４がネットワークステーション（この場合はＷＬＡＮ１０のＡＰ１２）を介して無線通信を実施する従来型無線通信環境を示す。図１の太線の矢印で示すように、ＡＰ１２は、アクセスコントローラ（ＡＣ）などのＷＬＡＮの他のネットワークインフラストラクチャと接続される。ＡＰ１２は、５つのモバイルＷＴＲＵ１４との通信を実施するように示されている。通信は、ＡＰ１２を介して調整および同期される。そのような構成は、ＷＬＡＮコンテキスト内の基本サービスセット（ＢＳＳ）と呼ばれる。

無線セルラコンテキストでは、広く使用されている１つの現行規格が、Ｇｌｏｂａｌ Ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ Ｍｏｂｉｌｅ Ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ（ＧＳＭ）と呼ばれている。これは、いわゆる第２世代モバイル無線システム規格（２Ｇ）と見なされ、その後にその改訂（２．５Ｇ）が続いた。Ｇｅｎｅｒａｌ Ｐａｃｋｅｔ Ｒａｄｉｏ Ｓｅｒｖｉｃｅ（ＧＰＲＳ）およびＥｎｈａｎｃｅｄ Ｄａｔａ ｆｏｒ ＧＳＭ Ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ（ＥＤＧＥ）は、（２Ｇ）ＧＳＭネットワークに勝って比較的高速なデータサービスを提供する２．５Ｇ技術の例である。こうした規格のそれぞれは、追加の機能および拡張で従来の規格を改良することを追求するものであった。１９９８年１月に、Ｅｕｒｏｐｅａｎ Ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ Ｓｔａｎｄａｒｄ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ−Ｓｐｅｃｉａｌ Ｍｏｂｉｌｅ Ｇｒｏｕｐ（ＥＴＳＩ ＳＭＧ）は、Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ Ｍｏｂｉｌｅ Ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ Ｓｙｓｔｅｍｓ（ＵＭＴＳ）と呼ばれる第３世代無線システムに関する無線アクセス方式について合意した。ＵＭＴＳ規格をさらに実装するために、Ｔｈｉｒｄ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ Ｐａｒｔｎｅｒｓｈｉｐ Ｐｒｏｊｅｃｔ（３ＧＰＰ）が１９９８年１２月に形成された。３ＧＰＰは、共通第３世代モバイル無線規格（ｃｏｍｍｏｎ ｔｈｉｒｄ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎａｌ ｍｏｂｉｌｅ ｒａｄｉｏ ｓｔａｎｄａｒｄ）に関して引き続き作業している。３ＧＰＰ規格に加えて、モビリティのためにコアネットワークでモバイルＩＰを使用する３ＧＰＰ２規格が開発されている。

無線通信システムの開発の多くは、通信誤りを低減し、範囲およびスループットを改善し、コストを最小限に抑えたいという希望が動機であった。大部分の最近の進展は、通信信号の時間、周波数、およびコード時限のダイバーシティを利用することによって可能となった（例えば、ダイバーシティを利用して無線通信を改良する一例である１９９７年３月２５日発行の本発明の譲受人に譲渡された特許文献１参照。）。

１９９０年代中頃から、複数入力複数出力（ＭＩＭＯ）システムの開発により、無線通信チャネルの空間ダイバーシティを利用することによって伝送出力または帯域幅を増大させることなくスループットが向上した。ＭＩＭＯは、無線通信で最も有望な技術の１つである。有害な多重通路フェージングを軽減し、単一データストリームの堅牢性を高めることを目的する従来のスマートアンテナ技法とは異なり、ＭＩＭＯは、多重通路フェージングを利用して複数のデータストリームを同時に送受信する。理論的には、ＭＩＭＯシステムでの容量は、送受信アンテナの数と共に線形に増大する。ＭＩＭＯは、ＩＥＥＥ８０２．１１ｎ、３ＧＰＰ広帯域符号分割多重接続（ＷＣＤＭＡ）などの多数の無線データ通信規格で考慮されている。

米国特許第５６１４９１４号明細書

所与の数のトランシーバチェーンについて空間多重化が使用されるとき、ダイバーシティ利得が低下する。したがって、データリンクの信頼性が低くなり、システムは、単一データストリームモードに後退する可能性がある。多重データストリームについてのリンク品質を改善するために、より多数のトランシーバチェーンを使用することができる。しかし、その結果コストが高くなる。本発明は、余分なトランシーバチェーンを追加することなく、ＭＩＭＯシステムにおいて空間ダイバーシティを達成する。

本発明は、ＭＩＭＯアンテナのビーム組合せを選択する方法および装置に関する。ＷＴＲＵ（基地局、ＡＰ、およびモバイルＷＴＲＵを含む）は、ＭＩＭＯをサポートするために複数のビームを生成する複数のアンテナを含む。少なくとも１つのアンテナは、複数のビームを生成するように構成され、それによってビーム組合せを選択することができる。ビーム組合せを切り換えながら、品質メトリック（ｑｕａｌｉｔｙ ｍｅｔｒｉｃ）がビームまたはビーム組合せのそれぞれまたはサブセットに関して測定される。ＭＩＭＯ送受信に対する所望のビーム組合せが、品質メトリックに基づいて選択される。

ＭＩＭＯ無線通信システムでの無線通信の１つの好ましい方法によれば、第１ＷＴＲＵが複数のアンテナを備える。アンテナのうちの少なくとも１つは複数のビームを生成することができ、それによって第１ＷＴＲＵは、ＭＩＭＯ無線通信のために複数の異なるビーム組合せを生成することができる。第１ＷＴＲＵは、第２ＷＴＲＵとのＭＩＭＯ無線通信に関連して、複数のアンテナを使用してビーム組合せを形成する。第１ＷＴＲＵは、ビーム組合せに関する、選択された品質メトリックを測定する。次いで、第１ＷＴＲＵは、１つまたは複数の異なるビーム組合せに関して形成ステップおよび測定ステップを反復し、複数の品質メトリック測定値を生成する。次いで、第１ＷＴＲＵは、品質メトリック測定値に基づいて、第２ＷＴＲＵとのＭＩＭＯ無線通信のための所望のビーム組合せを選択する。第１ＷＴＲＵと第２ＷＴＲＵのどちらかは、ＷＬＡＮの基地局またはＡＰでよい。あるいは、アドホックネットワークで無線通信を実施するＷＴＲＵに関するＭＩＭＯ無線通信に関してこの方法を実施することもできる。

好ましくは、この方法が周期的に反復され、更新後の品質メトリック測定値に基づいて新しい所望のビーム組合せが選択される。これに関して、好ましくは、選択された所望のビーム組合せを使用してＭＩＭＯ無線通信を実施中に品質メトリックが監視され、監視された品質メトリックが所定のしきい量だけ変化したときに、方法が反復され、更新後の所望のビーム組合せが選択される。

好ましくは、品質メトリックの測定は、チャネル推定、信号対雑音干渉比（ＳＮＩＲ）、受信信号強度標識（ＲＳＳＩ）、短期データスループット、パケット誤り率、データ転送速度、およびＷＴＲＵの動作モードを含むメトリックのグループのうちの１つまたは複数のメトリックの測定を含む。

ＷＴＲＵが空間多重化動作モードを使用する場合、測定される品質メトリックはＳＮＩＲであることが好ましく、ＷＴＲＵは、最も弱いデータストリームのＳＮＩＲをビーム選択基準として使用することが好ましい。あるいは、ＷＴＲＵが空間多重化動作モードを使用する場合、品質メトリックは、チャネル行列の特異値でよく、次いでＷＴＲＵは、チャネル行列の最小特異値をビーム選択基準として使用することが好ましい。

ＷＴＲＵが送信ダイバーシティ動作モードを使用する場合、品質メトリックの測定は、ビーム組合せのそれぞれの組合せＳＮＩＲの測定を含むことが好ましく、ＷＴＲＵは、組合せＳＮＩＲをビーム選択基準として使用することが好ましい。ＷＴＲＵが送信ダイバーシティ動作モードを使用する場合の一代替実施形態では、品質メトリックの測定は、チャネル行列のフロベニウスノルムを計算することを含むことができ、ＷＴＲＵは、チャネル行列のフロベニウスノルムをビーム選択基準として使用する。

別の実施形態によれば、ＷＴＲＵは複数のアンテナを備え、ＷＴＲＵは複数のビームを生成するために無線周波数（ＲＦ）ビーム形成を実施する。ＷＴＲＵは、ビームのそれぞれの品質メトリックを測定し、品質メトリックに基づいて別のＷＴＲＵとのＭＩＭＯ無線通信に関連するビームのサブセットを選択する。

本発明の別の態様では、ＭＩＭＯ無線通信のために構成されたＷＴＲＵが提供される。ＷＴＲＵは、複数のアンテナ、アンテナビーム選択制御構成要素、トランシーバ、およびビームセレクタを備える。少なくとも１つのアンテナが、複数のビームを生成するように構成され、それによって、ＷＴＲＵはＭＩＭＯ無線通信のための複数の異なるビーム組合せを生成することができる。アンテナビーム選択制御構成要素は、アンテナを制御して、選択されたビーム組合せを生成するように構成される。トランシーバは、アンテナを介して送信および受信されるデータを処理するように構成される。トランシーバは、無線ＭＩＭＯ通信信号の品質メトリックを測定するように構成された品質メトリック測定ユニットを含む。ビームセレクタは、アンテナビーム選択制御構成要素およびトランシーバに結合され、品質メトリック測定値に基づいて、ＭＩＭＯ送信および受信のための所望のビーム組合せを選択するように構成される。

アンテナは、切換え無給電アンテナ（ＳＰＡ）またはフェーズドアレイアンテナでよい。あるいは、アンテナのそれぞれが、複数の全方向性アンテナを含むこともできる。好ましくは、アンテナは、アンテナによって生成されるビームの重なりを最小限に抑えることを保証するように構成される。

好ましくは、ビームセレクタは、更新後の品質メトリック測定値に基づいて、更新後の所望のビーム組合せを周期的に選択するように構成される。この点で、トランシーバは、現在選択されているビーム組合せを使用してＭＩＭＯ無線通信中に品質メトリックを監視するように構成され、ビームセレクタは、監視される品質メトリックが所定のしきい量だけ変化したとき、新しい所望のビーム組合せの選択をトリガするように構成される。

品質メトリック測定ユニットは、チャネル推定、ＳＮＩＲ、ＲＳＳＩ、短期データスループット、パケット誤り率、データ転送速度、およびＷＴＲＵの動作モードを含む１群の品質メトリックのうちの１つまたは複数の品質メトリックを測定するように構成される。

ＷＴＲＵは、空間多重化動作モードを使用するように構成することができる。この場合、品質メトリック測定ユニットは、ＳＮＩＲを測定するように構成され、ビームセレクタは、最も弱いデータストリームのＳＮＩＲをビーム選択基準として使用するように構成される。あるいは、品質メトリック測定ユニットは、チャネル行列の特異値を測定するように構成することもでき、ビームセレクタは、チャネル行列の最小特異値をビーム選択基準として使用するように構成することもできる。

ＷＴＲＵは、送信ダイバーシティ動作モードを使用するように構成することができる。そのような場合、品質メトリック測定ユニットは、ビーム組合せのそれぞれの組合せＳＮＩＲを測定するように構成され、ビームセレクタは、組合せＳＮＩＲをビーム選択基準として使用するように構成される。あるいは、品質メトリック測定ユニットは、チャネル行列のフロベニウスノルムを測定するように構成することもでき、ビームセレクタは、チャネル行列のフロベニウスノルムをビーム選択基準として使用するように構成することもできる。

ＷＴＲＵは、無線ネットワークの基地局、ＷＬＡＮのＡＰ、またはモバイルＷＴＲＵでよい。ＷＴＲＵは、アドホックネットワーク内のＷＴＲＵ間の無線通信を実施するように構成することができる。

別の実施形態によれば、ＷＴＲＵは、複数のアンテナ、ＲＦビームフォーマ、ビーム選択制御構成要素、トランシーバ、およびビームセレクタを備える。ＲＦビームフォーマは、複数のビームを生成するＲＦビーム形成を実施するように構成される。ビーム選択制御構成要素は、生成されたビームの中からビームのサブセットを選択する。トランシーバは、アンテナを介して送信および受信されるデータを処理する。トランシーバは、各ビームに関する品質メトリックを測定するように構成された品質メトリック測定ユニットを含む。ビームセレクタは、ビーム選択制御構成要素およびトランシーバに結合され、品質メトリック測定値に基づいて、ＭＩＭＯ送信および受信のためのビームのサブセットを選択するように構成される。

以後、「ＷＴＲＵ」という用語は、アドホックネットワーク内で通信することができ、または通信することができない、基地局と、モバイルＷＴＲＵと、ＡＰ、ノードＢ、サイトコントローラ、ユーザ装置、移動局、モバイル加入ユニット、ページャなどのモバイルＷＴＲＵの均等物とを含む。

図２は、本発明による第１ＷＴＲＵ２１０および第２ＷＴＲＵ２２０を含む無線通信システムのブロック図である。以後、第１ＷＴＲＵ２１０としてのＡＰからＷＴＲＵ２２０へのダウンリンク伝送を参照しながら本発明を説明する。しかし、本発明は、ＷＴＲＵ２１０またはＷＴＲＵ２２０が基地局である場合、ならびにＷＴＲＵ２１０がアドホックネットワークでＷＴＲＵ２２０と直接通信している構成について、アップリンク伝送とダウンリンクの両方に等しく適用可能である。

ＡＰ２１０は、トランシーバ２１２および複数のアンテナ２１４Ａ〜２１４Ｎを含む。ＷＴＲＵ２２０は、トランシーバ２２２、ビームセレクタ２２４、および複数のアンテナ２２６ａ〜２２６ｍを含む。アンテナ２２６ａ〜２２６ｍのうちの少なくとも１つが複数のビームを生成する。ビーム組合せが、ＭＩＭＯ送信および受信のためにビームセレクタ２２４によって選択される。選択されたビーム組合せは、ビームセレクタ２２４から結合２２５を介して出力される制御信号に従って、アンテナビーム選択制御回路２２６を介してアンテナで生成される。ビームセレクタ２２４は、以下で詳細に説明するように、トランシーバ２２２内の品質メトリック測定ユニット２３０によって生成される品質メトリックに基づいて、特定のビーム組合せを選択する。本発明のＷＴＲＵ構成要素を集積回路（ＩＣ）に組み込むことができ、または多数の相互接続構成要素を備える回路として構成することができる。

話を簡単にするために、図２は、３つのビームをそれぞれ生成する複数のアンテナを備えるＷＴＲＵ２２０を示す。しかし、図１に示す構成一例として与えたものであり、限定として与えたものではない。アンテナのうちの少なくとも１つが複数のビームを生成するように構成されることを条件として、アンテナのいずれかによって任意の数のビームを生成することができる。ＡＰ２１０も、ＷＴＲＵ２２０のように、ビーム生成および選択を制御するビームセレクタを含むことができる。

アンテナ２２６ａ〜２２６ｍは、切換え無給電アンテナ（ＳＰＡ）、フェーズドアレイアンテナ、または任意のタイプの指向性ビーム形成アンテナでよい。ＳＰＡは、サイズがコンパクトであり、それによりＷＬＡＮ装置に適している。ＳＰＡが使用される場合、１つまたは複数の受動アンテナ素子と共に単一能動アンテナ素子を使用することができる。非励振アンテナ素子のインピーダンスを調節することにより、アンテナビームパターンを調節することができ、アンテナ素子に接続された１組のスイッチを制御することによってインピーダンス調節を実施することができる。

あるいは、アンテナは複数のアンテナを含む複合体でよく、複数のアンテナは、すべて全方向性アンテナでよい。例えば、アンテナ２３６ａ〜２３６ｍのそれぞれについて、選択された物理的間隔を有する３つの全方向性アンテナを使用することができ、ビームセレクタ２２４からの制御信号に従って全方向性アンテナを切り換えて、様々なビーム組合せを定義することができる。

入力２１１を介して受信された情報ビットがＡＰトランシーバ２１２で処理され、得られた無線周波数（ＫＦ）信号が、アンテナ２１４Ａ〜２１４Ｎを介して送信される。送信されたＲＦ信号は、無線媒体を介して伝播した後、ＷＴＢＵ２２０のアンテナ２２６ａ〜２２６ｍで受信される。受信されたそれぞれの信号がデータ経路２２３ａ〜２２３ｍを介してＷＴＲＵトランシーバ２２２に搬送され、ＷＴＲＵトランシーバ２２２は信号を処理し、出力２２１を介してデータを出力する。

アンテナが単一の固定ビームパターンのみを有する各従来技術のＭＩＭＯシステムとは異なり、アンテナ２２６ａ〜２２６ｍのうちの少なくとも１つは、複数のビームを生成することができる。図２の例では、アンテナ２２６ａが３つのビームａ１、ａ２、ａ３を生成し、アンテナ２２６ｍはビームｍ１、ｍ２、ｍ３を生成する。生成されたビームは、図２に示すように、すべて指向性ビームでよく、または全方向性ビームを含むことができる。

ビーム選択の利点を最大にするために、隣接するアンテナで生成されるビームのビーム重なりを最小限に抑えることが好ましい。図３に例示的ビームパターンおよび向きを示す。アンテナ２２６ａなどの１つのアンテナは、全方向性ビームａ２と、２つの指向性ビームａ１、ａ３とを生成し、アンテナ２２６ｍなどの別のアンテナは、全方向性ビームｍ２と、２つの指向性ビームｍ１、ｍ３とを生成する。例えば、ビームａ１、ａ３およびビームｍ１、ｍ３の向きが、図３に示すように、指向性ビームａ１、ａ３、ｍ１、ｍ３の重なりを最小限に抑えるように方位角が互いに９０°偏向する。

動作の間、品質メトリック測定ユニット２３０は、アンテナビームまたはビーム組合せ（またはビーム組合せのサブセット）のそれぞれに関する、選択された品質メトリックを測定し、線２２７を介してビームセレクタ２２４に品質メトリック測定データを出力する。ビームセレクタ２２４は、品質メトリック測定値に基づいて、ＡＰ２１０とのデータ通信のための所望のビーム組合せを選ぶ。

所望のビーム選択を求めるために様々な品質メトリックを使用することができる。物理層、媒体アクセス制御（ＭＡＣ）層、または上層メトリックが適している。好ましい品質メトリックは、限定はしないが、チャネル推定、信号対雑音干渉比（ＳＮＩＲ）、受信信号強度標識（ＲＳＳＩ）、短期データスループット、パケット誤り率、データ転送速度、またはＷＴＲＵ動作モードなどを含む。

ＭＩＭＯを実装する際に、ＷＴＲＵ２２０は、空間多重化モードまたは空間ダイバーシティモードで動作することができる。空間多重化モードでは、ＡＰ２１０は、データスループットを最大にするために複数の独立データストリームを送信する。通常、以下の形式のＭ×Ｎチャネル行列Ｈが得られる。

上式で、要素ｈの添字は、ＡＰアンテナ２１４Ａ〜２１４ＮとＷＴＲＵ２２０のアンテナ２２６ａ〜２２６ｍとの間の各アンテナ対に起因する寄与を表す。

空間ダイバーシティモードの間、ＡＰ２１０は、複数のアンテナを介して単一データストリームを送信する。動作モードに応じて、ＷＴＲＵ２２０は、所望のビーム組合せの選択で使用するために適切な品質メトリックまたは品質メトリックの組合せを選択するように構成される。

ビーム組合せ選択は、すべての可能なビーム組合せに基づくことができ、またはビーム組合せの限定されたサブセットに基づいて行うことができる。例えば、複数のアンテナが指向性ビームと全方向性ビームのどちらも生成することができる場合、選択可能なビーム組合せを、アンテナのうちの１つだけが全方向性ビームを生成する組合せに限定することができる。

ＷＴＲＵ２２０が空間多重化モードで動作し、各ビーム組合せについてのチャネル行列が確実に得られる場合、好ましくは、ＷＴＲＵ２２０は、チャネル行列に対する特異値分解（ＳＶＤ）を実施し、チャネル行列の特異値に基づいてビーム組合せを選択する。チャネル容量がチャネル行列の最小の特異値によって求められるので、ＷＴＲＵ２２０は、チャネル行列の最小の特異値を比較し、チャネル行列の最小の特異値の中で最大の特異値を有するチャネル行列に関連するビーム組合せを選択する。

図２の例で２つのＡＰアンテナ２２４Ａ、２２４Ｎと２つのＷＴＲＵアンテナ２２６ａ、２２６ｍだけが存在し、図３に示すようにＷＴＲＵアンテナ２２６ａが３つのビームａ１、ａ２、ａ３を生成することができ、ＷＴＲＵアンテナ２２６ｍが３つのビームｍ１、ｍ２、ｍ３を生成することができる場合、以下の形式の９個の２×２チャネル行列Ｈが生成される。

上式で、要素ｈの添字は、ＡＰアンテナ２１４Ａ、２１４Ｎと、ビームａｉ（ここで、ａｉはビームａ１、ａ２またはａ３である）を生成するＷＴＲＵアンテナ２２６ａ、およびビームｍｊ（ここで、ｍｊはビームｍ１、ｍ２またはｍ３である）を生成するＷＴＲＵアンテナ２２６ｍに関するＷＴＲＵアンテナによるビーム組合せと、の間の各アンテナ対に起因する寄与を表す。

ＳＶＤが各チャネル行列Ｈに対して実施され、各チャネル行列Ｈについて２つの特異値が得られる。好ましくは、ＷＴＲＵ２２０は、９個のチャネル行列の最小の特異値を比較し、最大のそのような値を有するチャネル行列を選択する。

この特定の例に関して、選択基準に対する１つの潜在的（potential）制限として、両方のＷＴＲＵアンテナが全方向性ビームを生成するビームの組合せを許可しないことが考えられる。図３の例によれば、このことは、アンテナ２２６ａがビームａ２を生成し、アンテナ２２６ｍがビームｍ２を生成するときに生ずる。この組合せを除外する制限に伴って、ビーム組合せａ２：ｍ２に対応する組合せが除外されるので、好ましくは、９個のチャネル行列のうちの８個だけが生成および評価され、所望の組合せが選択される。

同様に、この特定の例に関して、選択基準に対する別の潜在的制限として、ビームの組合せは、ＷＴＲＵアンテナのうちの少なくとも１つが全方向性ビームを生成することを必要とすることが考えられる。図３の例によれば、このことは、アンテナ２２６ａがビームａ２を生成し、またはアンテナ２２６ｍがビームｍ２を生成する場合に生ずる。この種類の組合せを必要とする制限に伴って、ビーム組合せａ１：ｍ１、ａ１：ｍ３、ａ３：ｍ１、ａ３：ｍ３に対応する組合せが除外されるので、好ましくは、９個のチャネル行列のうちの５個だけが生成および評価され、所望の組合せが選択される。

同様に、この特定の例に関して、選択基準に対する別の潜在的制限として、ビームの組合せは、指向性ビームのみが使用されることを必要とすることが考えられる。図３の例によれば、このことは、アンテナ２２６ａがビームａ２を生成せず、かつ、アンテナ２２６ｍがビームｍ２を生成しない場合に生ずる。この種類の組合せを必要とする制限に伴って、ビーム組合せａ１：ｍ１、ａ１：ｍ３、ａ３：ｍ１、ａ３：ｍ３に対応する組合せだけが含まれるので、好ましくは、９個のチャネル行列のうちの４個だけが生成および評価され、所望の組合せが選択される。

あるいは、ランニング統計（ｒｕｎｎｎｉｎｇ ｓｔａｔｉｓｔｉｃｓ）に基づいて、ビーム組合せのサブセットの時間適応選択を使用することもできる。図３の例によれば、このことは、すべてのビーム組合せの全探索が完了する時刻Ｔ₀に、次の現在の最良のビーム組合せ（ｔｈｅｎ−ｃｕｒｒｅｎｔ ｂｅｓｔ ｂｅａｍ−ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ）（例えばａ１：ｍ１）が選択されるだけではなく、ビーム組合せと共に候補ビーム組合せのサブセット（例えば｛ａ１：ｍ１、ａ１：ｍ３、ａ３：ｍ１｝）も後の使用のために生成される。期間［Ｔ₀，Ｔ₀＋Ｔ］（Ｔは適応可能期間パラメータでよい）中に実施すべき最良のビームを求める任意のさらなる探索は、選ばれたサブセット（例えば｛ａ１：ｍ１、ａ１：ｍ３、ａ３：ｍ１｝）に限定される。ビーム組合せのこのサブセットの選択基準は、最良のビーム組合せの選択のために使用されるのと同じ基準でよい。期間［Ｔ₀，Ｔ₀＋Ｔ］の間、新しいビーム組合せ探索が行われるときはいつでも、サブセット内のビーム組合せ（例えば｛ａ１：ｍ１、ａ１：ｍ３、ａ３：ｍ１｝）が検査される。持続時間パラメータＴは比較的大きい値でよい。時刻Ｔ₀＋Ｔで、すべてのビーム組合せの新しい全探索が行われ、新しい最良のビーム組合せ（例えばａ３：ｍ１）が選ばれ、ビーム組合せの新しいサブセット（例えば｛ａ３：ｍ１、ａ３：ｍ３、ａ１：ｍ３｝）が形成される。次いで、恐らくは次の期間［Ｔ₀＋Ｔ，Ｔ₀＋２Ｔ］で実施されるどんな新しいビーム探索も、ビーム組合せの新しいサブセットに限定される。この方式は、ビーム組合せサブセットの時間適応選択の使用により、ほとんどのビーム組合せについての探索空間のサイズを限定するのに有用である。

本発明は、先行する特定の例で論じた３つのビームを有する２つのアンテナに限定されない。当業者は容易に理解するであろうが、それぞれのアンテナの数を表すＮおよびＭの任意の値についてＭ×Ｎチャネル行列が容易に得られる。考慮すべき組合せの数は、許される、または除外されるアンテナビーム組合せの任意の選択された基準で限定される、ＷＴＲＵのＮ個のアンテナのそれぞれが可能ビームの数に依存する。

ＷＴＲＵ２２０が空間ダイバーシティモードで動作する場合、好ましくは、ＷＴＲＵ２２０は、各ビーム組合せについてチャネル行列を生成し、各チャネル行列のフロベニウスノルムを計算し、最大のフロベニウスノルムを有するチャネル行列に関連するビーム組合せを選択する。あるいは、各ビーム組合せの組合せＳＩＮＲを選択基準のために使用することもできる。

チャネル行列が利用可能ではない場合、ＷＴＲＵ２２０は、各ビーム組合せに対応する短期平均スループットを信号品質メトリックとして収集し、短期平均スループットが最大となるようにビーム組合せを選択することができる。

前述のように、ＡＰ２１０も、ビームセレクタと、複数のビームを生成するように構成されたアンテナとを含む。上述の本発明に従って、各ステーション、ＡＰ２１０、およびＷＴＲＵ２２０がそれ自体で使用するための所望のビーム組合せの選択を同時に試みることは可能である。しかし、１つの好ましい代替実施形態は、まずＷＴＲＵ２２０が上述の本発明を使用して所望のビーム組合せを選択し、次いでＡＰ２１０が所望の組合せを選択することである。これは、ＷＴＲＵ２２０からＡＰ２１０へのシグナリングを介して行うことができ、またはＡＰ２１０が所望のアンテナビーム組合せを選択する前にＷＴＲＵ２２０がその選択を完了することが可能となるように選択プロセスを実施する際の遅延と共にＡＰ２１０を単に構成することによって行うことができる。さらに、ＷＴＲＵ２２０は、その所望のアンテナビーム組合せの選択を、ＡＰ２１０によるそのような選択が実施された後に更新するように構成することができる。あるいは、所望のアンテナビーム組合せの第１選択を行うようにＡＰ２１０を構成することもできる。

ＷＴＲＵは複数のトランシーバを備えることができ、トランシーバのそれぞれをアンテナに結合することができる。少なくとも１つのアンテナは、複数のビームを生成するように構成され、その結果、同時に利用可能なビームの数は、トランシーバの数に等しく、アンテナビームの合計数はトランシーバの数より多い。

図５は、本発明の別の実施形態によるＷＴＲＵ５２０のブロック図である。ＷＴＲＵ５２０は、品質メトリック測定ユニット５３０を含むトランシーバ５２２、ビームセレクタ５２４、ビーム選択制御回路５２６、無線周波数（ＲＦ）ビームフォーマ５２８、および複数のアンテナ５３１ａ〜５３１ｍを備える。ＲＦビームフォーマ５２８は、アンテナ５３１ａ〜５３１ｍと、ビーム選択制御回路５２６との間に設けられ、アンテナ５３１ａ〜５３１ｍを介して受信した信号から複数のビームを形成する。アンテナ５３１ａ〜５３１ｍは全方向性アンテナまたは指向性アンテナでよい。次いで複数のデータストリームがＲＦビームフォーマ５２８から出力される。各データストリームは、ＲＦビームフォーマ５２８で生成される特定のビームに対応する。データストリームの数がアンテナ５３１ａ〜５３１ｍの数に等しくなることは必要ではなく、アンテナ５３１ａ〜５３１ｍの数より多くまたは少なくすることができる。ビームは固定ビームでよく、または制御信号５２９（任意選択）に従って調節可能でよい。複数のデータストリームはデータ経路５２８ａ〜５２８ｎを介してビーム選択制御回路５２６に供給され、各データストリームについて１つの経路が設けられる。ビームセレクタ５２４は、制御信号５２５をビーム選択制御回路５２６に送り、現在通信中の別のＷＴＲＵ（図示せず）とのＭＩＭＯ通信に関するデータストリームの中のデータストリームのサブセットを選択する。データストリーム選択（すなわちビーム選択）を行うために、各データストリームについての信号品質メトリックが品質メトリック測定ユニット５３０で測定され、線５２７を介してビームセレクタ５２４に送られる。次いで、最良のビーム組合せが、信号品質メトリックに基づいてビームセレクタ５２４で選択される。

図４は、選択された品質メトリックまたはメトリックの組合せに基づいて、本発明によるＭＩＭＯアンテナのビーム組合せを選択するプロセス４００の流れ図である。複数のビームのビーム組合せが、複数のアンテナを使用して形成される（ステップ４０２）。各アンテナは、少なくとも１つのビームを生成するように構成される。次いで、選択された品質メトリックが、ビーム組合せに関して測定される（ステップ４０４）。別のビーム組合せが残っているかどうかが判定される（ステップ４０６）。そうである場合、プロセス４００はステップ４０２に戻り、ステップ４０２および４０４が反復される。ビーム組合せが残っていない場合、プロセス４００はステップ４０８に進む。次いで、ＭＩＭＯ送信および受信のための所望のビーム組合せが、品質メトリック測定値の比較に基づいて選択される（ステップ４０８）。

選択されたビーム組合せを用いたＭＩＭＯ通信の間、ＷＴＲＵ２２０は、ビーム組合せを周期的に切り換え、ビーム組合せのそれぞれまたはサブセットに関する品質メトリックを測定し、更新後の品質メトリックに基づいて新しい最適なビーム組合せを選択する。好ましくは、現在選択されているビーム組合せが所定のしきい値より多く変化したとき、ビーム選択手続きがトリガされる。例えば、ＷＴＲＵ２２０がある位置から別の位置に移動したとき、現在選択されているビーム組合せに関するチャネル品質が低下する可能性があり、別のビーム組合せに関するチャネル品質が良好となる可能性がある。好ましくは、現在選択されているビーム組合せに関する品質メトリックが所定のしきい値よりも多く低下または向上したとき、新しい最適なビーム組合せを見つけるためにビーム選択手続きがトリガされる。好ましくは、アンテナビーム切換えおよび品質メトリック測定値が同期式に実施される。

本発明の特徴および要素を特定の組合せの好ましい実施形態で説明したが、各機能または要素を、好ましい実施形態の他の機能および要素なしで単独で使用することができ、あるいは本発明の他の機能および要素を用いて、または用いずに様々な組合せで使用することができる。

ＷＬＡＮ内の従来型無線通信を示すシステム概観図である。 本発明によるＡＰおよびＷＴＲＵを含むシステムのブロック図である。 本発明によるアンテナで生成される例示的ビームパターンおよび向きを示す図である。 本発明によるＭＩＭＯアンテナのビーム組合せを選択するプロセスの流れ図である。 本発明の別の実施形態によるＷＴＲＵのブロック図である。

Claims (33)

1. 複数入力複数出力（ＭＩＭＯ）無線通信システムでの無線通信の方法であって、
   （ａ）複数のアンテナを有する第１無線送受信ユニット（ＷＴＲＵ）を設けることであって、前記アンテナのうちの少なくとも１つは複数のビームを生成することができ、それによって前記ＷＴＲＵは、ＭＩＭＯ無線通信のための複数の異なるビーム組合せを生成することができること、
   （ｂ）前記第１ＷＴＲＵは、第２ＷＴＲＵとのＭＩＭＯ無線通信に関連して、前記複数のアンテナを使用してビーム組合せを形成すること、
   （ｃ）前記第１ＷＴＲＵは、前記ビーム組合せに関する、選択された品質メトリックを測定すること、
   （ｄ）前記第１ＷＴＲＵは、１つまたは複数の異なるビーム組合せに関してステップ（ｂ）および（ｃ）を反復し、複数の品質メトリック測定値を生成すること、および
   （ｅ）前記第１ＷＴＲＵは、前記品質メトリック測定値に基づいて、前記第２ＷＴＲＵとのＭＩＭＯ無線通信のための所望のビーム組合せを選択すること
   を含むことを特徴とする方法。
2. 前記第２ＷＴＲＵは基地局であり、ステップ（ｂ）から（ｅ）が、前記基地局とのＭＩＭＯ無線通信に関して実施されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記第２ＷＴＲＵは無線ローカルエリアネットワーク（ＷＬＡＮ）のアクセスポイント（ＡＰ）であり、ステップ（ｂ）から（ｅ）が、前記ＡＰとのＭＩＭＯ無線通信に関して実施されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
4. 前記第１ＷＴＲＵは基地局であり、前記第２ＷＴＲＵはモバイルＷＴＲＵであり、ステップ（ｂ）から（ｅ）が、前記基地局と前記モバイルＷＴＲＵとの間のＭＩＭＯ無線通信に関して実施されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
5. 前記第１ＷＴＲＵは無線ローカルエリアネットワーク（ＷＬＡＮ）のアクセスポイント（ＡＰ）であり、前記第２ＷＴＲＵはモバイルＷＴＲＵであり、ステップ（ｂ）から（ｅ）が、前記ＡＰと前記モバイルＷＴＲＵとの間のＷＬＡＮ ＭＩＭＯ無線通信に関して実施されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
6. ステップ（ｂ）から（ｅ）が、アドホックネットワーク内の前記第１ＷＴＲＵと前記第２ＷＴＲＵとの間の無線通信に関して実施されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
7. ステップ（ｂ）から（ｅ）が、周期的に反復され、更新後の品質メトリック測定値に基づいて新しい所望のビーム組合せが選択されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
8. 前記選択された所望のビーム組合せを使用してＭＩＭＯ無線通信を実施中に品質メトリックを監視すること、および監視した品質メトリックが所定のしきい量だけ変化したときに、ステップ（ｂ）から（ｅ）を反復して、更新後の所望のビーム組合せを選択することをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
9. 品質メトリックの測定は、チャネル推定、信号対雑音干渉比（ＳＮＩＲ）、受信信号強度標識（ＲＳＳＩ）、短期データスループット、パケット誤り率、データ転送速度、およびＷＴＲＵの動作モードを含むメトリックのグループのうちの１つまたは複数のメトリックの測定を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
10. 前記ＷＴＲＵは空間多重化動作モードを使用し、測定された前記品質メトリックは信号対雑音干渉比（ＳＮＩＲ）であり、前記第１ＷＴＲＵは、最も弱いデータストリームのＳＮＩＲをステップ（ｅ）についてのビーム選択基準として使用することを特徴とする請求項１に記載の方法。
11. 前記ＷＴＲＵは空間多重化動作モードを使用し、前記品質メトリックはチャネル行列の特異値であり、前記ＷＴＲＵは、チャネル行列の最小特異値をステップ（ｅ）についてのビーム選択基準として使用することを特徴とする請求項１に記載の方法。
12. 前記ＷＴＲＵは送信ダイバーシティ動作モードを使用し、前記品質メトリックの測定は、ビーム組合せのそれぞれの組合せ信号対雑音干渉比（ＳＮＩＲ）の測定を含み、前記ＷＴＲＵは、前記組合せＳＮＩＲをステップ（ｅ）についてのビーム選択基準として使用することを特徴とする請求項１に記載の方法。
13. 前記ＷＴＲＵは送信ダイバーシティ動作モードを使用し、前記品質メトリックの測定は、チャネル行列のフロベニウスノルムを計算することを含み、前記ＷＴＲＵは、チャネル行列のフロベニウスノルムをステップ（ｅ）についてのビーム選択基準として使用することを特徴とする請求項１に記載の方法。
14. ビーム組合せのサブセットが選択され、新しい所望のビーム組合せが、所定の期間についてビーム組合せの前記サブセットの中から選択されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
15. 複数入力複数出力（ＭＩＭＯ）無線通信システムでの無線通信の方法であって、
    （ａ）複数のアンテナを有する第１無線送受信ユニット（ＷＴＲＵ）を設けること、
    （ｂ）前記第１ＷＴＲＵは、複数のビームを生成するために無線周波数（ＲＦ）ビーム形成を実施すること、
    （ｃ）前記第１ＷＴＲＵは、前記ビームのそれぞれに関する品質メトリックを測定すること、および
    （ｄ）前記第１ＷＴＲＵは、前記品質メトリックに基づいて、第２ＷＴＲＵとのＭＩＭＯ無線通信に関連する前記ビームのサブセットを選択すること
    を含むことを特徴とする方法。
16. 複数入力複数出力（ＭＩＭＯ）無線通信のために構成された無線送受信ユニット（ＷＴＲＵ）であって、
    複数のビーム組合せを生成するように構成された複数のアンテナであって、少なくとも１つのアンテナが、複数のビームを生成するように構成される複数のアンテナと、
    前記アンテナを制御して、選択されたビーム組合せを生成するように構成されたアンテナビーム選択制御構成要素と、
    前記アンテナを介して送信および受信されるデータを処理するように構成されたトランシーバであって、無線ＭＩＭＯ通信信号の品質メトリックを測定するように構成された品質メトリック測定ユニットを含むトランシーバと、
    前記アンテナビーム選択制御構成要素および前記トランシーバに結合され、前記品質メトリック測定値に基づいて、ＭＩＭＯ送信および受信のための所望のビーム組合せを選択するように構成されたビームセレクタと
    を備えることを特徴とするＷＴＲＵ。
17. 前記アンテナは切換え無給電アンテナ（ＳＰＡ）であることを特徴とする請求項１６に記載のＷＴＲＵ。
18. 前記アンテナはフェーズドアレイアンテナであることを特徴とする請求項１６に記載のＷＴＲＵ。
19. 前記アンテナのそれぞれは複数の全方向性アンテナを含むことを特徴とする請求項１６に記載のＷＴＲＵ。
20. 前記アンテナが、前記アンテナによって生成される前記ビームの重なりを最小限に抑えることを保証するように構成されることを特徴とする請求項１６に記載のＷＴＲＵ。
21. 前記ビームセレクタが、更新後の品質メトリック測定値に基づいて、更新後の所望のビーム組合せを周期的に選択するように構成されることを特徴とする請求項１６に記載のＷＴＲＵ。
22. 前記トランシーバが、ＭＩＭＯ無線通信中に品質メトリックを監視するように構成され、前記ビームセレクタが、監視される品質メトリックが所定のしきい量だけ変化したとき、新しい所望のビーム組合せの選択をトリガするように構成されることを特徴とする請求項１６に記載のＷＴＲＵ。
23. 前記品質メトリック測定ユニットが、チャネル推定、信号対雑音干渉比（ＳＮＩＲ）、受信信号強度標識（ＲＳＳＩ）、短期データスループット、パケット誤り率、データ転送速度、およびＷＴＲＵの動作モードを含む１群の品質メトリックのうちの１つまたは複数の品質メトリックを測定するように構成されることを特徴とする請求項１６に記載のＷＴＲＵ。
24. 空間多重化動作モードを使用するように構成され、前記品質メトリック測定ユニットが、信号対雑音干渉比（ＳＮＩＲ）を測定するように構成され、前記ビームセレクタが、最も弱いデータストリームのＳＮＩＲをビーム選択基準として使用するように構成されることを特徴とする請求項１６に記載のＷＴＲＵ。
25. 前記ＷＴＲＵが、空間多重化動作モードを使用するように構成され、前記品質メトリック測定ユニットが、チャネル行列の特異値を測定するように構成され、前記ビームセレクタが、チャネル行列の最小特異値をビーム選択基準として使用するように構成されることを特徴とする請求項１６に記載のＷＴＲＵ。
26. 前記ＷＴＲＵが、送信ダイバーシティ動作モードを使用するように構成され、前記品質メトリック測定ユニットが、前記ビーム組合せのそれぞれの組合せ信号対雑音干渉比（ＳＮＩＲ）を測定するように構成され、前記ビームセレクタが、前記組合せＳＮＩＲをビーム選択基準として使用するように構成されることを特徴とする請求項１６に記載のＷＴＲＵ。
27. 前記ＷＴＲＵが、送信ダイバーシティ動作モードを使用するように構成され、前記品質メトリック測定ユニットが、チャネル行列のフロベニウスノルムを測定するように構成され、前記ビームセレクタが、チャネル行列のフロベニウスノルムをビーム選択基準として使用するように構成されることを特徴とする請求項１６に記載のＷＴＲＵ。
28. 前記ビームセレクタが、ビーム組合せのサブセットを選択するように構成され、所定の期間についてビーム組合せの前記サブセットの中から新しい所望のビーム組合せを選択するように構成されることを特徴とする請求項１６に記載のＷＴＲＵ。
29. 前記ＷＴＲＵが、無線ネットワークの基地局として構成されることを特徴とする請求項１６に記載のＷＴＲＵ。
30. 前記ＷＴＲＵが、無線ローカルエリアネットワーク（ＷＬＡＮ）のアクセスポイント（ＡＰ）として構成されることを特徴とする請求項１６に記載のＷＴＲＵ。
31. 前記ＷＴＲＵはモバイルＷＴＲＵであることを特徴とする請求項１６に記載のＷＴＲＵ。
32. 前記ＷＴＲＵが、アドホックネットワーク内のＷＴＲＵ間の無線通信を実施するように構成されることを特徴とする請求項１６に記載のＷＴＲＵ。
33. 複数入力複数出力（ＭＩＭＯ）無線通信のために構成された無線送受信ユニット（ＷＴＲＵ）であって、
    複数のアンテナと、
    複数のビームを生成するために無線周波数（ＲＦ）ビーム形成を実施するように構成されたＲＦビームフォーマと、
    前記生成されたビームの中からビームのサブセットを選択するように構成されたビーム選択制御構成要素と、
    前記アンテナを介して送信および受信されるデータを処理するように構成されたトランシーバであって、前記ビームのそれぞれに関する品質メトリックを測定するように構成された品質メトリック測定ユニットを含むトランシーバと、
    前記ビーム選択制御構成要素および前記トランシーバに結合され、前記品質メトリック測定値に基づいてＭＩＭＯ送信および受信のための前記ビームのサブセットを選択するように構成されたビームセレクタと
    を備えることを特徴とするＷＴＲＵ。

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