JP2010226713A - セルラー無線ネットワーク内におけるマルチアンテナの配備によって得られる容量および有効範囲の利得を近似し最適化する方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】3Dクラッタ高さ行列を使用して前記送信機位置と前記受信機位置との間で実行されるレイトレーシングアルゴリズムを用いて、前記送信機位置および前記受信機位置において単一アンテナの代わりにマルチアンテナ型を適用することによって得られる容量利得を直接反映するスカラー計量が、各受信機位置に対して決定される。このスカラー計量により、アルゴリズム的に有利なやり方で、潜在的配備エリアにおける異なるMIMOアンテナの相対的性能を分析し、特定の有効範囲セクタに対する最適なMIMOアンテナ型を選択することが可能になる。
【選択図】図9
Description
アンテナ構成に対する受信機ピクセル当たりの受信電界強度、すなわち、受信機ピクセル当たりおよび送信機ピクセル当たりに得られる1つの値、および、
受信機ピクセル当たりのSINR、すなわち、受信機ピクセル当たりおよび送信機当たりに得られる1つの値。
三次元(3D)空間内の基地局の位置を含む、複数の基地局を備えた無線アクセスネットワークの構成。これらの基地局は、候補基地局を形成するため、無線アクセスネットワークにおいてその時点では無効になっている場合がある。そのような構成は、ネットワークオペレータの(動作)データベースから直接インポートすることができる。
基地局それぞれの送信電力、
送信機および受信機で使用されるアンテナの指向特性のモデル、
搬送周波数、および、
通常は分解能が固定のグリッド行列(例えば、10m×10m、または25m×25mの)として提供される、ピクセル当たり受信機1つの受信機の位置。
物理的特性の値(例えば、対数値としての追加の減衰、メートル単位での建物の平均建物高さ、任意に他の値)を含む、環境および建物のタイプに関する分類情報をピクセルごとに含む、分解能が固定の(典型的な)グリッド行列(例えば、10m×10m、または25m×25mの)(クラッタ行列、高さクラッタ行列)。ピクセル当たりの特性は、通常、個別には帰着しないが、限定された数のいわゆるクラッタ分類に分類される、
そのエリアの地理的プロファイルを表すDEM(デジタル標高行列)、DTM(デジタル地勢行列)、
建物の三次元(3D)ベクトルデータモデル、
トラフィック行列、すなわち、分解能が固定のグリッド行列(例えば、10m×10m、または25m×25mの)の形態のユーザ分布、およびピクセル当たりのユーザ数またはユーザ密度、
例えば、最小受信電界強度、最小SINR、マルチアンテナ技術による最小利得など、無線アクセスネットワークを計画し最適化するための、無線ネットワークオペレータによって定義される経済的および技術的な目標と規則。
kは、送信機と受信機との間の1つの経路、
dkは、経路k上の送信機と受信機との間の距離、
akは、経路k上の複素減衰、
λは、搬送波長である。
ULA型アンテナは、リニアアレイに沿って均一な距離を置いて離れた複数の等しいアンテナ素子から成る。典型的な素子間距離δ=Δλは、Δ=0.5またはΔ=1の(搬送波長に対して)正規化したアンテナ離隔距離を有する。送信アンテナアレイと受信アンテナアレイとの間の距離dkは、典型的には、アンテナ素子の間の素子間距離よりもはるかに大きいので、平面波モデルを適用することができる。このモデルでは、MIMOチャネルインパルス行列の要素は、単一アンテナ素子間の位相差の分のみ、(1,1)における要素とは異なり、すなわち、dk≒dk+δ=dk+(m−1)・Δ・λ・cos(φ)であり、式中、mは、アンテナ素子数(Mrは受信アンテナ素子の数、Mtは送信アンテナ素子の数)、Δは、λに対して正規化した素子間アンテナ間隔、φは、アレイの方向に対する出射または入射平面波の角度である。
純粋なXPolアンテナを備えたマルチアンテナチャネルは、2×2マルチアンテナシステムに限定される。したがって、そのチャネルインパルス応答行列は、次の文献によって周知の2×2行列によって与えられる。J. P. Kermoal, L. Schumacher, F. Frederiksen, and P. E. Mogensen, "Polarization Diversity in MIMO Radio Channels: Experimental Validation of a Stochastic Model and Performance Assessment", IEEE VTC Fall, Atlantic City, NJ, USA, Oct. 2001を参照のこと。
本開示におけるRRH型のアンテナは、異なる場所に、例えば屋根の2つの角に位置付けられた、単一素子アンテナであるものとする。MIMOチャネルを2×2システムに限定すると、すなわち、送信機において2つの異なる位置に2つの単一アンテナ素子(RRH)と、受信機において2つの素子のULAを有するようにすると、上述の平面波モデルを受信アンテナ素子にも使用することができる。完全に異なる位置におけるRRHアンテナ素子を仮定し、その結果、2つの相関をなくしたチャネルインパルス応答を予期しているので、すべての単一RRHアンテナ素子に対して、式(1)を使用してチャネルインパルス応答を計算する必要がある。この場合、MIMOチャネルインパルス応答行列は、次式を使用して計算することができる。
これらのアンテナ型の場合、チャネル行列を、すべての行列要素の平均値に正規化する必要がある。J. P. Kermoal, L. Schumacher, F. Frederiksen, and P. E. Mogensen, "Polarization Diversity in MIMO Radio Channels: Experimental Validation of a Stochastic Model and Performance Assessment", IEEE VTC Fall, Atlantic City, NJ, USA, Oct. 2001を参照のこと。
式(6)をXPolアンテナに適用する場合、GainMIMOの過大見積りをもたらす、直交偏波サブチャネルに対する典型的な高い電力損については計上しない。V. R. Anreddy and M. A. Ingram, "Capacity of Measured Ricean and Rayleigh Indoor MIMO Channels at 2.5 GHz with Polarization and Spatial Diversity", IEEE WCNC, Las Vegas, NV, USA, April 2006を参照のこと。したがって、
受信/送信のダイバーシチ。受信/送信のダイバーシチという事実が存在することは、行/列が1つを超える素子で占められていることから分かる。ダイバーシチの程度は、行当たりの占有済み素子の数に対応する。
空間多重化。空間多重化の程度は、1つを超える素子によって占められている行および列の最少数に対応する。その程度が>1である場合、空間多重化が存在することが決定される。
Claims (13)
- 基地局および受信機を備えるとともに、前記基地局および前記受信機において、複数の単一アンテナ素子をそれぞれ備えるマルチアンテナ型の使用を許可および/または強化する移動無線技術を採用する、無線アクセスネットワークの構成を計画し最適化する方法であって、
計画/最適化エリアを定義するステップと、
前記エリアに対する環境の三次元モデルを取得するステップと、
三次元(3D)空間内の一組の送信機位置を取得するステップと、
3D空間内の受信機位置を定義するステップと、
前記エリアに対する前記環境の前記三次元モデルを使用して前記送信機位置と前記受信機位置との間で実行されるレイトレーシングアルゴリズムを用いて、前記送信機位置および前記受信機位置において単一アンテナの代わりにマルチアンテナ型またはマルチアンテナ型構成を適用することによって得られる容量利得を表すスカラー計量を、各受信機位置に対して決定するステップと
を含む、方法。 - 前記マルチアンテナ型構成が、前記マルチアンテナ型と、機械的チルト、電気的チルト、および/またはそれらの方位角とによって定義される、請求項1に記載の方法。
- 各受信機位置に対する前記スカラー計量が、前記レイトレーシングアルゴリズムによって探索されるマルチアンテナチャネルインパルス行列から、フォシニのMIMO容量とSISOチャネルのシャノン容量との比として決定される、請求項1および2に記載の方法。
- 前記マルチアンテナ型が、等間隔リニアアレイ(ULA)、等間隔サーキュラーアレイ(UCA)、またはリモートラジオヘッド(RRH)など、空間的に分離された単一アンテナ素子を備える型であると仮定され、各受信機位置に対する前記スカラー計量が、送信マルチアンテナ型の単一アンテナ素子の数に行が対応し、前記受信機位置における受信マルチアンテナ型の単一アンテナ素子の数に列が対応する伝搬経路行列を評価することによって決定され、送信マルチアンテナの空間ビンと受信マルチアンテナの空間ビンとの間に経路当たり少数の反射を含む伝搬経路を探索することに、前記レイトレーシングアルゴリズムを限定することによって探索される、多数の主要かつ空間分解可能な伝搬経路によって前記行列が占められ、各空間ビンが、前記マルチアンテナ型の指向性図から導き出される個々のマルチアンテナ型の単一アンテナ素子の空間分解された有効なアクティビティセクタを表し、前記伝搬経路行列の少なくとも1つの行または列が少なくとも2つの素子によって占められて、空間ダイバーシチの程度を示す場合は、前記スカラー計量が第1の値を割り当てており、前記伝搬経路行列の少なくとも2つの行および少なくとも2つの列が少なくとも2つの素子によって占められて、空間多重化の程度を示す場合は、前記スカラー計量が第2の値を割り当てている、請求項1および2に記載の方法。
- 前記マルチアンテナ型が、直交偏波アンテナ(XPol)など、異なる偏波方向によって分離された単一アンテナ素子を備える型であると仮定され、送信マルチアンテナの空間ビンと前記受信機位置における受信マルチアンテナの空間ビンとの間に視線関係があるかを、前記レイトレーシングアルゴリズムにおいて検出することによって、各受信機位置に対する前記スカラー計量が決定され、各空間ビンが、前記マルチアンテナ型の指向性図から導き出される個々のマルチアンテナ型の単一アンテナ素子の空間分解された有効なアクティビティセクタを表し、前記送信マルチアンテナの空間ビンと前記受信マルチアンテナの空間ビンとの間に視線関係がある場合は、前記スカラー計量は第3の値を割り当てており、前記送信マルチアンテナの空間ビンと前記受信マルチアンテナの空間ビンとの間に視線関係がない場合は、第4の値を割り当てている、請求項1および2に記載の方法。
- 前記マルチアンテナ型が、空間的に分離された単一アンテナ素子と、異なる偏波方向によって分離された単一アンテナ素子との組み合わせを含み、請求項3および4それぞれに記載の各マルチアンテナ型に対して決定された部分的スカラー計量の組み合わせによって、前記スカラー計量が決定される、請求項4および5に記載の方法。
- 前記環境の前記3Dモデルを取得する前記ステップが、分解能が固定のグリッド行列を定義することによってクラッタ高さ行列を取得し、前記エリアにおける建物高さを表すデータをデータベースから獲得し、各グリッドピクセルに対して平均建物高さを決定し、任意に、各グリッドピクセルに対するデジタル標高行列(DEM)の値によって前記平均建物高さの値を補正することを含むか、あるいは、高さ閾値を定義し、前記高さ閾値の上および下のすべての受信機ピクセルに対して前記方法を別個に実行することをさらに含む、請求項1から6のいずれか一項に記載の方法。
- 前記一組の送信機位置を取得する前記ステップが、前記位置における前記アンテナ構成を最適化することによって前記ネットワーク構成を最適化するため、前記計画/最適化エリアをカバーする、ならびに既に配備されている基地局または基地局のセクタの一組の位置をネットワークオペレータから取得することを含むか、あるいは、補欠サイトを計画する目的で、サイト選択のため、無線アクセスネットワークを計画するため、またはそれらの組み合わせのため、任意のサイトの一組の候補位置を定義することを含む、請求項1から7のいずれか一項に記載の方法。
- 最適化する前記ステップが、計量の有効範囲、容量、またはMIMO容量利得の少なくとも1つを最大限にするとともに、残りの容量に対する最小限の要件を維持する、各送信機位置に対するアンテナ構成を決定することを含む、請求項8に記載の方法。
- 受信機位置を定義する前記ステップが、前記エリア全体のMIMO性能を評価するため、複数ピクセル当たりの受信機が1つであり、構成可能な地上受信機高さを有する、分解能が固定の受信機グリッド行列を定義することを含むか、あるいは、屋内MIMO性能を近似するため、前記クラッタ高さ行列の建物周りのある距離においてのみ受信機ポイントを定義することを含む、請求項1から9のいずれか一項に記載の方法。
- 前記計画/最適化エリアを、カバー範囲が最良の送信機位置が関連付けられた複数の有効範囲セクタに分割するステップと、異なる利用可能なマルチアンテナ型およびアンテナ構成に対して決定された前記スカラー計量の値を比較することによって、各有効範囲セクタ内の各受信機ピクセルについて、前記可バー範囲が最良の送信機位置に対する最適なマルチアンテナ型および/またはアンテナ構成を決定するステップとをさらに含む、請求項1から10のいずれか一項に記載の方法。
- 有効範囲セクタの受信機ピクセルの大多数において最良のマルチアンテナ型と決定された前記マルチアンテナ型を、各有効範囲セクタの前記カバー範囲が最良の送信機位置に対する最適なマルチアンテナ型として選択するステップをさらに含む、請求項11に記載の方法。
- 各受信機ピクセルに対して決定された前記スカラー計量を、予測トラフィック密度および/もしくはトラフィック量を表す値、または最大予測コストもしくは収益などの経済値で重み付けするステップと、前記受信機ピクセルの前記スカラー計量の重み付けした合計が最大である前記マルチアンテナ型を、各有効範囲セクタの前記カバー範囲が最良の送信機位置に対する最適なマルチアンテナ型として選択するステップとをさらに含む、請求項11に記載の方法。
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