JP2009246974A - 分散アンテナシステムおよびその容量を最大にするための方法 - Google Patents

Abstract

【課題】この発明の実施の形態は、分散アンテナシステムの容量を最大にするための方法およびシステムを記載する。
【解決手段】中継アンテナは、分散アンテナシステムの信号対漏れ比（ＳＬＲ）の比を最大にするように選択される。さらに、システムの容量は、分散アンテナシステムの平均疑似容量が最大になるように、疑似容量判定条件に基づいて信号電力を割り当てることによって改善される。
【選択図】図１

Description

この発明は、一般的に、分散アンテナのシャドーイング・ダイバーシティを利用するホットスポット・ワイヤレス・アクセスに関し、特に、アンテナを選択して、所望の信号電力を割り当てるためのシステムおよび方法に関する。

ホットスポットは、Ｗｉ−Ｆｉアクセスを提供するスポット（場所）である。ホットスポット・ワイヤレス・アクセスは、多くのモバイル機器、たとえば、ラップトップ、Ｗｉ−Ｆｉ電話、またはインターネットへのアクセスに適する他の機器によって必要とされる。直近の数年間で、年間販売が推定で１億５０００万台のラップトップ、１４００万台の携帯情報端末（ＰＤＡ）、および他の新興のＷｉ−Ｆｉデバイスでは、大部分はＷｉ−Ｆｉ機能を含んでいる。ホットスポット・ワイヤレス・アクセスの重要なタスクの１つは、利用可能なワイヤレススペクトル（無線帯域）が制限されるものの、狭いエリア（地域）で混雑しているモバイル機器に役立つことである。

分散アンテナシステム
ホットスポット・ワイヤレス・アクセスのスループット（処理能力）を改善するために、分散アンテナシステムが利用されてきた。分散アンテナシステム（ＤＡＳ）は、地理的な領域または構成の中で無線サービスを提供する搬送媒体を介して共通ソースに接続された、空間的に離れているアンテナのネットワークである。

図１は分散アンテナシステムの例を示している。分散アンテナシステムは、アンテナ１０１の伝送された電力を幾つかのアンテナ素子１０２に区分けし、それらのアンテナ素子１０２は、モバイル機器１０３に対して単一のアンテナ１０１と同じ領域に亘って、しかし減少した総電力および改善された信頼性で、カバー領域を提供するように、空間において分離されている。信号電力の割当てと共に所望の信号および干渉強さを考慮に入れて、分散アンテナ選択の性能を向上させることが望まれている。

信号対干渉雑音比（ＳＩＮＲ）は、無線通信リンク品質の重要な測定基準である。ＳＩＮＲ推定値には、いくつかの重要な用途がある。これらの用途は、目標とするサービスの質に対して伝送電力レベルを最適化すること、ワイヤレス・インターネット・アプリケーションに対して、ハンドオフ判断を助けて、データ信号速度を動的に適合させること、を含む。正確なＳＩＮＲ推定は、より効率的なシステムとユーザによって知覚されるより高いサービスの質との両方を提供する。

信号電力割当ては、システム内で良い性能を実現するために、通信システムにおける伝送電力のインテリジェント（聡明）な選択である。「良い性能」の概念は、コンテキストに依存しうるが、リンクデータ信号速度や、ネットワーク容量や、地理的なカバー範囲および領域や、ネットワークおよびネットワーク装置の寿命や、ネットワーク容量等のメトリックスを最適化することを含んでもよい。信号電力割当て方法は、セルラー・ネットワークを含む多くの用途に使用される。

通常、より高い伝送電力は、受信器で、より高い信号電力に変換する。受信器でのより高い信号対雑音比（ＳＮ比）は、ディジタル通信リンクのビット誤り率を減少させる。

しかしながら、より高い伝送電力は送信デバイスにおける消費電力の増加につながる。これは、バッテリー（電池）寿命がそれ（消費電力の増加）に対応して減少する、モバイル機器における特別な関心事である。また、同じ周波数帯における他のモバイル機器との干渉は信号電力に比例して増加する。モバイル機器同士が単一周波数を共有し、異なる拡散符号によって分離されるのみである、ＣＤＭＡ（符号分割多重アクセス）等のセルスペクトル拡散方式では、１つのセルのサイズと共に、該セルがサポートすることができるモバイル機器の数が、該セル中に存在する干渉の量によって典型的に制限される。したがって、干渉の増大は、セル容量およびサイズの減少をもたらす。１つのセルの中の各モバイル機器が異なる周波数を使用するＧＳＭ等のＦＤＭＡシステムでさえも、異なるセルの間ではまだ干渉があり、ネットワークがサポートできる周波数再使用量を減少させる。

この発明の実施の形態は、アンテナの選択の際に所望の信号強度と干渉強さとを考慮した、最適アンテナ選択のための方法およびシステムについて記載する。また、疑似容量に基づく電力割当て手法についても記載する。

通信中継アンテナは、分散アンテナシステムの信号対漏れ比（ＳＬＲ）の比を最大にするように選択される。さらに、システムの容量は、分散アンテナシステムの平均疑似容量が最大にされるように、疑似容量判定条件に基づいて信号電力を割り当てることによって、改善される。
シミュレーションの結果は、最適アンテナ選択が、固定アンテナ選択と比べて、システム性能を改善できることを実証している。電力割当てが無くとも、正規化された信号電力Ｐ_ｔが１２０ｄＢ（Ｐｔ＝１２０ｄＢ）であるときに、最適アンテナ選択は処理能力を約３０％増加させることができる。特に、アンテナ選択が無い場合、疑似容量に基づく電力割当てはＤＡＳスループット（処理能力）をさらに改善できる。

この発明の実施の形態１によって使用される分散アンテナシステムの概略図である。 この発明の実施の形態１によるアンテナ選択と信号電力割り当てのための方法のブロック図である。 この発明の実施の形態１によるワイヤレス・スタジアム・ホットスポット例の用途の概略図である。 この発明の実施の形態１による最適アンテナ割当て方法のフローチャートである。 この発明の実施の形態１による分散アンテナシステムの容量を最大にする最適電力割当て方法のための疑似コードである。 この発明の異なる実施の形態１のコンピュータシミュレーションの結果を示す。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１によって使用される分散アンテナシステム（ＤＡＳ）１００を示す。このシステムは１組（１つ以上）のモバイル機器１０３に対して無線（ワイヤレス）信号を中継（リレー）するのに好適な１組（１つ以上）の固定アンテナ１０２を含む。アンテナ１０２は、比較的小さな地理的な領域または構成（ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）の中で無線サービスを提供する搬送媒体を介して、共通のＲＦ送受信装置（トランシーバ）、たとえば、図示しない基地局に接続される。

モバイル機器１０３に対して、時々、アンテナ選択が行われる。モバイル機器１０３は、アンテナ１０２の１つを通して、データパッケージの送受信を開始または継続するものである。通信セッションごとにすなわちデータパッケージの伝送ごとに一度、アンテナ選択を行うようにしてもよい。ＤＡＳ１００は、限定的な空間領域、たとえば屋内の通信、ワイヤレス・ホットスポット・フットボールスタジアム内のデータ伝送、等の下で、制限された周波数帯を有するかもしれない。

図２はこの発明の実施の形態１によるシステムおよび方法２００を示す。たとえば、アンテナ１０２の構成（コンフィグレーション）、アンテナ１０２とモバイル機器１０３との間の距離、経路損失、ＤＡＳ１００のシャドーイングとマルチパス・フェージング、等のＤＡＳ１００の特性２０１は、方法２００への入力である。方法２００の目的は、モバイル機器１０３に対する信号伝送のためにてアンテナ１０２の組から中継アンテナ２０２を選択２１０し、ＤＡＳ１００の平均容量２３０が最大にされるように、伝送された信号に対して信号電力２０５を割り当てる２２０ことである。

この発明の実施の形態１は、中継アンテナ２０２を選択するために、固定アンテナ選択方法２１１と最適アンテナ選定方法２１２を使用する。中継アンテナ２０２は、ＤＡＳ１００の平均容量２３５を判別２３０するのに使用される。または、中継アンテナ２０２のパラメータ、たとえばモバイル機器１０３への距離、は、疑似容量（ＰＣ）判定条件２２５に基づいて信号電力２０５を判定する、電力割当て方法２２０への入力として役立つようにしてもよい。中継アンテナ２０２と信号電力２０５の両方が、ＤＡＳ１００の平均容量２３５を判定（決定）２３０するのに使用されてもよい。平均容量２３５は、アンテナ１０２の必要数を判定または検証するのにさらに使用されてもよい。

無線伝搬モデル
電波伝搬は、３つの特性で特徴付けることができる。すなわち、経路損失（パスロス）、シャドーイング、およびマルチパス（多重経路）・フェージングである。

経路損失は、送信アンテナと受信アンテナとの間の距離に依存する。Ｐ_ｔおよび

は、それぞれ、送信された電力および平均受信信号電力を表す。経路損失Ｌは、次式により定義される。

または、経路損失は、次式のように、再モデル化される。

ここで、Ｋはアンテナ構成により決められる定数、ｄは送信アンテナと受信アンテナとの間の距離、αは経路損失指数である。経路損失指数αは、通常、２（たとえば、自由空間で）と４との間であるが、伝送条件によっては、６と同じくらい大きいこともある。

経路損失およびシャドーイングにより、実際の受信信号電力は、次式のように表すことができる。

ここで、∈はシャドーイングの影響である。シャドーイングは分散σ^２ _ｓの正規分布としてモデル化される。分散σ_ｓは通常、４ｄＢと１０ｄＢとの間であり、また、その典型的な値は８ｄＢである。

また、電波信号はマルチパス・フェージングに遭遇し、それは、時間すなわちモバイル機器の位置と共に、受信信号レベルを速やかに変化させる。
受信信号の瞬時電力は、次式で表される。

Ｐ ＝ Ｐｒ｜ｈ｜^２ ＝ β｜ｈ｜^２Ｐ_ｔ

ここで、ｈはベース・バンド・コンプレックス（複素）・チャンネルゲインであり、また、β ＝ Ｌ∈である。コンプレックス・チャンネルゲインは、ゼロ平均と単位分散とを有する複素ガウシアンとしてしばしばモデル化される。その結果、｜ｈ｜^２は、指数分布であり、単位平均である。

シャドーイングとマルチパス・フェージングの両者は信号電力を時間と共に変化させる。しかしながら、シャドーイングによる経時的変化は、マルチパス（多重経路）による経時的変化よりはるかに遅い。したがって、この発明の実施の形態１の幾つかでは、瞬時のコンプレックス・チャンネルゲインが送信器で利用できない間、パフォーマンス（性能）の最適化のために、シャドーイング・パラメータ∈を送信器にフィードバックする。

ワイヤレス（無線）スタジアム
ワイヤレス・スタジアム・ホットスポットはこの発明の実施の形態１による用途例である。ワイヤレス・スタジアムの例は、この発明を説明するのに役立つが、決してこの発明の他の用途を制限するものではない。この発明の実施の形態１は、屋内および屋外環境において使用されうることに注意すべきである。

図３はスタジアム３００のモデルを示す。スポーツは、Ｒ＝１５０メータの半径３３０の内側の円３１０でプレーされる。観客は外側の円３２０と内側の円３１０との間に位置し、彼らの大好きな選手をクリア（明瞭）に追跡できるように、ワイヤレス・アクセスを行う必要がある。２つの円の半径の差３４０は、Ｄ＝３０メータである。

ワイヤレス・スタジアムの実施の形態はＤＡＳ１００を実行する。この実施の形態は３０本のＤＡＳ１００のアクセスアンテナ１０２を使用し、たとえば、１５本のアンテナ１０２が外側の円３２０内に均等に分散配置され、また、他の１５本のアンテナが内側の円３１０内に均等に分散配置される。観客領域は３０のセルに均等に分割され、それらはＣ_ｎ、ｋ（ｎ＝１、２、３およびｋ＝１、・・・、１０）でマーク（標示）されている。利用可能な周波数の組は、同様に、３つの異なる部分集合（サブセット）に等分され、また、同じ第１のインデックスｎを有する１０個のセルが同じ周波数の部分集合を使用する。その結果、最大１０個のセルが、同じ周波数を同時に使用できる。それはマルチユーザ干渉（ＭＵＩ）を生じさせるが、この発明の実施の形態１は、ＭＵＩを低減するためのシステムおよび方法を説明する。

一般性を失わずに、この発明の実施の形態１は、同一の周波数の組を使用した１０個のセルＣ_ｌ，ｋ（ここで、ｋ＝１、…、１０）およびこれらセルのエッジ（端部）におけるモバイル機器Ｍ_ｋ１０３（ここで、ｋ＝１、…、１０）について考察するだけである。β_ｍｋは、経路損失とシャドーイングとを考慮に入れた、ｍ番目の送信アンテナＦ_ｍ２５０およびモバイル機器Ｍ_ｋ１０３に対応する電力利得を表す。そして、Ｍ_ｋ１０３での受信信号ｙ_ｋは次のように表すことができる。

ここで、Ｍは同時に同一周波数で送信するのに使用されたアクセスアンテナ１０２のインデックスの組であり、ｈ_ｍｋはマルチパス・フェージングによるコンプレックス・チャンネルゲインであり、ｓ_ｉｍはモバイル機器ｉ_ｍに対するアクセスアンテナＦ_ｍでの送信信号であり、ｎ_ｋは加算性ホワイトガウスノイズ（ＡＷＧＮ）である。

アンテナ選択
この発明の実施の形態１は、唯一の経路損失現象を考慮に入れた固定アンテナ選択方法、および無線伝搬（ワイヤレス・プロパゲーション）の経路損失、シャドーイング、および干渉現象を考慮に入れた最適アンテナ選択方法を使用する。

固定アンテナ選択
固定アンテナ選択（ＦＡＳ）方法２１１において、モバイル機器１０３に最も近いアクセス中継アンテナ１０２が選択される。シャドーイングが無ければ、ＦＡＳが最適である。このため、モバイルＭ_ｋ１０３はアンテナ１０２、Ｆ_ｍｋ、を使用するであろう。ここで、以下が成り立つ。

したがって、モバイル１０３Ｍ_ｋでの受信信号は次のように表すことができる。

マルチパス・フェージングｈ_ｍｋに亘って平均した信号電力および干渉＋雑音電力は次式のように表される。

全てのアクセスポイントが同じ電力、すなわち、全てのｉに対してｐ_ｉ＝Ｐ_ｔ、で信号を送信するならば、信号対干渉および雑音比に対は次式のようになる。

また、ＦＡＳ方法２１１に対する平均容量は次式のようになるであろう。

式（４）では、一定の経路損失とランダム・シャドーイング・フェージングとからなる全ての確率変数

およびゼロ平均と単位分散

とを有する複素ガウス確率変数に亘って平均を取る。

最適アンテナ選択
シャドーイング・パラメータを考慮に入れてアクセスアンテナを選択するために、各モバイル機器１０３に対して、ＳＩＮＲが最大にされねばならない。このために、式（３）のＳＩＮＲ_ｋが全てのｋに対して最大にされるような、ｋからｍ_ｋへのマッピングを見つけなければならない。ここで、ｋはモバイル機器１０３のインデックスであり、ｍ_ｋはｋ番目のモバイル組により使用されるアクセスアンテナ１０２のインデックスである。

この発明の実施の形態１では、次式のように、信号対漏れ比（ＳＬＲ）を最大にするように、各モバイル機器１０３に対して中継アンテナ２０２を選択する。

図４はこの発明の実施の形態１による最適アンテナ割当て方法のフローチャートである。アンテナ１０２の組から該アンテナの部分集合を選択４１０する。たとえば、モバイル機器１０３へ最も近い隣り合うアンテナ、たとえば２または５本の、アンテナを選択することができる。当然、全てのアンテナ１０２を選択４１０してもよい。さらに、部分集合４１０の現在のアンテナ４２０に対して、式（５）によりＳＬＲ４３５を算出４３０する。ＳＬＲ４３５が中継アンテナ４５０のＳＬＲより大きい４４０ならば、現在のアンテナ４２０を中継アンテナ４５０としてマーク（標識付け）する。このプロセスが、部分集合４１０の全てのアンテナに対して繰り返４６０される。

各モバイル機器１０３、ｍ_ｋ、に対してアンテナを選択した後で、式（４）を使用して平均容量２３５を決定２３０してもよい。

電力割当て
各モバイル機器１０３に対して信号電力２０５を最適に割り当てること、および信号と干渉強さとの両方を考慮に入れることによって、ＤＡＳ１００の性能をさらに改善することができる。各モバイル機器ｐ_ｋに対する平均信号電力がＰ_ｔであるならば、Ｔ個のモバイル機器に対する平均信号電力は、次式で表される。

従来、全てのモバイル機器１０３の平均容量を最大にするために、信号電力が割り当てられる：

式（６）の実行は、

に亘って期待値を取らなければならないので、煩雑である。
したがって、この発明の実施の形態１は、平均容量を使用する代わりに、信号電力を割り当てるため、すなわち、疑似容量Ｃ_ｐｃを最大にするように電力を割り当てるために、疑似容量（ＰＣ）判定条件を使用する。

式（６）と式（７）との間の差異は、式（７）から期待値が取り除かれ、｜ｈ_ｍｉｋ｜^２がその平均値を代入されたことである。

図５は、Ｃ_ｐｃを最大にするための最適電力割り当てを見つける最適電力割当て方法のための疑似コードを示す。図５の疑似コードでは、δ_１、δ_２およびδ_３は小さな正の数であり、μはステップサイズ（刻み幅）であり、Ｔは本ＤＡＳにおいて同じ周波数を使用するモバイル機器１０３の総数である。信号電力２０５を、データパッケージの伝送ごと、または通信セッションごとに、判定してもよい。

発明の効果
図６はこの発明の異なる実施の形態１に対するコンピュータシミュレーションの結果を示す。このシミュレーションでは、１Ｈｚ当たりの伝送（信号）電力は、雑音（ノイズ）のパワー（電力）スペクトル密度によって正規化され、且つ、それは、チャンネルの経路損失指数がα＝３．５であり、シャドーイングの標準偏差σ_ｓが８ｄＢ（σ_ｓ＝８ｄＢ）であるときに、判定される。平均容量を算出するとき、マルチパス（多重経路）による高速フェージングが考慮される。

シミュレーションの結果は、最適アンテナ選択が、固定アンテナ選択と比べて、システム性能を改善できることを実証している。電力割当てが無くとも、正規化された信号電力Ｐ_ｔが１２０ｄＢ（Ｐｔ＝１２０ｄＢ）であるときに、最適アンテナ選択は処理能力を約３０％増加させることができる。特に、アンテナ選択が無い場合、疑似容量に基づく電力割当てはＤＡＳスループット（処理能力）をさらに改善できる。

この発明は好適な実施の形態１を例に挙げて説明したが、この発明の精神および範囲内で種々の他の改変および変更を行うことができることを理解すべきである。したがって、添付クレームの目的はこの発明の真実の精神および範囲に含まれるような全ての変形例および変更例をカバーすることである。

Claims (12)

1. モバイル機器に信号を中継するために、分散アンテナシステムのアンテナの組から中継アンテナを選択する工程と、
   前記分散アンテナシステムの平均疑似容量が最大になるように、疑似容量判定条件に基づいて信号電力を割り当てる工程と、
   割り当てられた信号電力で前記中継アンテナから前記モバイル機器まで前記信号を中継する工程と、
   を備える、分散アンテナシステムの容量を最大にするための方法。
2. 前記選択工程は最適アンテナ選択である、請求項１の方法。
3. 前記選択工程は固定アンテナ選択である、請求項１の方法。
4. 前記最適アンテナ選択は、
   前記アンテナの組からアンテナの部分集合を選択４する工程と、
   前記アンテナの部分集合の各アンテナに対して、信号対漏れ比（ＳＬＲ）の比を判定する工程と、
   前記アンテナの部分集合から、最大のＳＬＲ比を有する中継アンテナを選択する工程と、
   を備える、請求項２の方法。
5. 前記アンテナの部分集合は前記アンテナの組である、請求項４の方法。
6. 前記アンテナの部分集合は前記モバイル機器に最も近い２個のアンテナからなる、請求項４の方法。
7. 前記モバイル機器ｋに対する前記アンテナの部分集合のアンテナのＳＬＲは、次式で表され、
   

   

   ここで、Ｐ_ｔは送信信号電力であり、σ^２ _Ｎは加算性ホワイトガウスノイズ（ＡＷＧＮ）の平均電力であり、ｍ_ｋはモバイル機器ｋによって使用される前記アンテナの部分集合のアンテナｍのインデックスであり、β_ｍｋは前記アンテナｍと前記モバイル機器ｋとの間の電力利得である、請求項４の方法。
8. 前記割り当て工程は最適電力割当て方法を使用する、請求項１の方法。
9. 前記平均疑似容量Ｃ_ｐｃは、次式で表され、
   

   

   ここで、Ｔは前記分散アンテナシステムで同一周波数を使用するモバイル機器の総数であり、σ^２ _Ｎは前記ＡＷＧＮの平均電力であり、ｍ_ｋは前記モバイル機器ｋによって使用される前記アンテナの組における前記アンテナｍのインデックスであり、β_ｍｋは前記アンテナｍと前記モバイル機器ｋとの間の電力利得であり、ｐ_ｋは前記モバイル機器ｋに信号を中継する前記アンテナｍ_ｋでの信号電力である、請求項１の方法。
10. 信号をモバイル機器へ中継するために、分散アンテナシステムのアンテナの組から中継アンテナを選択するための方法であって、
    分散アンテナシステムのアンテナの組からアンテナの部分集合を選択する工程と、
    前記アンテナの部分集合の各アンテナに対して、信号対漏れ比（ＳＬＲ）の比を判定する工程と、
    前記アンテナの部分集合から、最大のＳＬＲ比を有する中継アンテナを選択する工程と、を備える、方法。
11. 共通のＲＦ送受信装置に接続された分散アンテナの組であって、該分配型アンテナの組における各アンテナがモバイル機器に信号を中継するのに好適である分散アンテナの組と、
    モバイル機器に信号を中継するために、信号対漏れ比（ＳＬＲ）の比が最大になるように、前記分散アンテナの組から中継アンテナを選択するように構成された中継アンテナ選択モジュールと、
    を備える、分散アンテナシステム。
12. 前記分散アンテナシステムの平均疑似容量が最大になるように、疑似容量判定条件に基づいて信号電力を割り当てるための手段、
    をさらに備える、請求項１１の方法。

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