JP2012257244A - 無線通信システムにおけるアンテナ選択方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】直交周波数分割多重（ＯＦＤＭ）システムにおける送信アンテナ選択における、電力消費の削減方法を提供する。
【解決手段】複数のアンテナを具備し、通信チャネル上で複数のアンテナの１以上から複数のサブキャリアでデータを送信する無線通信デバイスであって、前記デバイスは前記複数のアンテナのそれぞれを経て信号を受信する受信器と、受信信号に関連する受信信号メトリクスに基づいてデータ送信のための前記複数のアンテナの１以上に割り当てられるサブキャリアの数を決定するプロセッサと、前記決定に基づいて前記複数のサブキャリアでデータを送信するための前記複数のアンテナの１以上を選択するアンテナ選択器と、を具備する無線通信デバイスが提供される。
【選択図】図４

Description

ここに記述された実施形態は、一般に周波数多重信号を送信する無線通信システムにおけるアンテナ選択に関する。

この出願は、２０１１年５月２４日に出願された、英国特許出願番号１１０８７７６．４号に基づいて優先権の利益を主張し、全体が参照されることによりここに組み込まれる。

直交周波数分割多重（ＯＦＤＭ）システムにおけるアンテナ選択は、送信器および／または受信器で多重アンテナを用いて、空間ダイバーシチを活用するための強力な手法である。典型的には、受信信号がデジタル化され、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）モジュールを用いて周波数領域に転換された後、送信アンテナの選択が行なわれる。このやり方を用いることの欠点の１つは、アンテナ選択が行なわれているときの処理の遅延である。さらに、送受信器における、アナログデジタル（Ａ／Ｄ）変換器、復号モジュールおよびＲＦチェーンは、電源が常に入れられ続けることが必要とされ、不必要なエネルギー消費をもたらす。

実施形態では、添付図面に関して記述される。
図１は、バルク（bulk）アンテナ選択の概念を示す。 図２は、トーンごとのアンテナ選択の概念を示す。 図３は、サブキャリアのそれぞれにおける、各アンテナの測定された利得に基づく送信アンテナの選択を示す。 図４は、実施形態に従う送受信器デバイスの単純化された概略図である。 図５は、図４に図示された受信器ドライバの概略図である。 実施形態に従うアンテナ選択手順のフローチャートを示す。 図７は線形回帰の一例を示すグラフである。

具体的な実施形態は、添付の図面に基づいて以下の段落にさらに詳細に記述される。これがほんの一例であり、要求される保護の範囲に対する任意の制限を示すように見なされるべきでないことが理解される。

ＯＦＤＭにおけるアンテナ選択方法は、２つのカテゴリに分類されると考えられうる。（１）利用可能な全セット以外の１以上のアンテナがすべての周波数に関する送信および／または受信に用いられる、バルク選択（bulk selection）。（２）アンテナ選択が利用される帯域幅にわたって異なることを許容する追加的な自由度を提供する、サブキャリアごとの選択。両方の手法は、長所と短所とを有する。例えば、バルク選択は、チャネル状態情報（ＣＳＩ）フィードバックをほとんど要求せず、より少ない無線周波数（ＲＦ）チェーン、次にサブキャリアごとの選択を利用する。しかしながら、サブキャリアごとの選択は、バルク選択よりはるかに高い符号化利得を達成することができ、すなわち、サブキャリアごとの選択に関するビット誤り率（ＢＥＲ）は、バルク選択に関するビット誤り率より著しく低い。

これらの２つの手法は、送信アンテナ選択に関して図１および図２に図式的に示される。図１および図２では、図示された各セグメントはサブキャリアを示し、隣接するセグメント／サブキャリアの列は、隣接するアンテナを表す特定のアンテナと関連するサブキャリアを示す。陰付きは、関連するアンテナでの送信に用いられる空間／スペクトル領域を表す。空白（blank）領域は、関連するアンテナでの送信に用いられないサブキャリアを示す。

図１では、送信器ＴＸ３およびＴＸ４はともに、すべての周波数で送信する。それゆえ、２つのＲＦチェーンだけが、このシナリオに必要である。対照的に、図２は、情報を伝えるすべての送信器を表す。しかしながら、１つの送信器だけが、あるサブキャリア上で動作中（active）である。これはいわゆるサブキャリアごとのアンテナ選択アプローチであり、４つのＲＦチェーンを要求する。送信器の代わりに受信器、または実際は送信器と受信器との両方で、これらの選択スキームの両方が等しく行なわれうることに留意する。サブキャリアごとの選択は、例外的によく実行されることが示される。しかしながら、その実装は、多くのＲＦ回路を要求し、システムリソース（例えば電力）の相当量を引き出し、携帯機器におけるバッテリ寿命を減らす可能性がある。

最も一般的な場合では、アンテナ選択は、単一のアンテナがＭ個の利用可能なアンテナからの送信に関して選ばれるように、または、Ｌ個のアンテナのサブセットがＭ個の利用可能なアンテナから選ばれるように行われうる。前者のやり方は、「単一アンテナ選択」とここで名付けられ、後者は「サブセット選択」と名付けられる。両方のアプローチは、バルク選択またはサブキャリアごとの選択シナリオで採用されうる。

チャネル情報が送信器で利用可能な場合、送信に関して最良のアンテナを選択することの１つの方法は、各アンテナの利得を測定し、データ送信に関して各サブキャリアで最良の利得を提供するアンテナを選択することである。この方法の一例は、図３に図示される。図３における下のグラフは、サブキャリアのグループ上での４個のアンテナ送信器のアンテナのそれぞれで測定されたアンテナ利得を示す。そのグラフにおけるｘ軸は、ＯＦＤＭシンボルにおけるサブキャリアのグループ（２０から５０）を表わす。一方、ｙ軸は、サブキャリアのグループ上でのアンテナのそれぞれで測定されたアンテナ利得を表わす。グラフにおける円は、サブキャリア上での送信のために選択されたアンテナを示す。図示するように、図３における上部のグラフでは、送信アンテナＴＸ２、ＴＸ３およびＴＸ４が、サブキャリア２１−２９、３０−４５および４６−５０上での送信のためにそれぞれ選択されている。この例において、サブキャリア上で低い利得となる送信アンテナＴＸ１は、送信に関して選択されていない。

一実施形態によれば、複数のアンテナを具備し、通信チャネル上で前記複数のアンテナの１つ以上から複数のサブキャリア上でデータを送信する無線通信デバイスであって、前記デバイスは、前記複数のアンテナのそれぞれを経て信号を受信する受信器と、前記受信信号に関連する受信信号メトリクスに基づいてデータ送信に関する複数のアンテナの１以上が割り当てられうるサブキャリアの数を決定するプロセッサと、前記決定に基づいて前記複数のサブキャリアでデータを送信するための前記複数のアンテナの１以上を選択するアンテナ選択器と、を具備する無線通信デバイスが提供される。受信信号メトリクスは、以下のいずれか１つを含んでもよい。
・受信信号の全受信エネルギー
・受信信号のピーク受信電力
・受信信号の二乗平均平方根（ＲＭＳ）遅延スプレッド
プロセッサはさらに、複数のアンテナの１以上に割り当てられうるサブキャリアと受信信号メトリクスとの間の関係を定義する関数に基づいて、データ送信に関して複数のアンテナの１つ以上に割り当てられうるサブキャリアの数を決定してもよい。

関数は、上記関係を定義する線形回帰を含んでもよく、形式

で表現できる。ここで、αは交点であり、βは傾き係数である。

プロセッサは、データ送信に関して複数のアンテナのそれぞれに割り当てられうるサブキャリアの数を決定してもよい。

プロセッサはさらに、複数のアンテナのそれぞれに割り当てられうるサブキャリアの数によって、降順に複数のアンテナを配置してもよい。

アンテナ選択器は、アンテナのセットに割り当てられた全サブキャリア数が複数のサブキャリア以上であるように、配置されたアンテナからアンテナのセットを選択してもよい。

一実施形態では、無線通信デバイスは、複数のアンテナのそれぞれに接続される無線周波数（ＲＦ）モジュールをさらに具備してもよく、プロセッサは、選択されたアンテナ以外のアンテナに対応するＲＦモジュールのスイッチを切るように作動する。

別の実施形態によれば、複数のアンテナを具備し、通信チャネル上での複数のアンテナの１以上から複数のサブキャリアでデータを送信する無線通信デバイスを作動させる方法であり、複数のアンテナのそれぞれを経て信号を受信し、受信信号に関連する受信信号メトリクスに基づいてデータ送信に関する複数のアンテナの１以上に割り当てられうるサブキャリアの数を決定し、決定に基づいて複数のサブキャリアでデータを送信するための複数のアンテナの１以上を選択することを具備する方法が提供される。

一実施形態は、コンピュータによって実行されたとき、コンピュータに、上に提示されるような方法を行わせるコンピュータ実行可能な命令を具備するコンピュータプログラム製品を提供する。コンピュータプログラム製品は、搬送媒体で具体化されてもよく、記憶媒体または信号媒体であってもよい。記憶媒体は光学記憶手段、または磁気記憶手段、または電子記憶手段を含んでもよい。

記述された実施形態は、特定のハードウェアデバイス、適切なソフトウェアによって構成される多目的デバイス、または両方の組合せに組み込まれうる。複数の態様は、完全なソフトウェア実装として、または既存のソフトウェアの強化または変更に関する追加的コンポーネントとしてのどちらか一方で、ソフトウェア製品で具体化されうる。そのようなソフトウェア製品は、（ダウンロードのような）信号媒体、または記憶媒体（例えば光ディスクあるいはＦＬＡＳＨメモリのような大記憶メモリ）のような、搬送媒体で具体化されうる。実施形態に適する具体的なハードウェアデバイスは、ＡＳＩＣ、ＦＰＧＡまたはＤＳＰ、または他の専用機能ハードウェア手段のような、アプリケーション特定デバイスを含んでもよい。読み手（reader）は、ソフトウェアまたはハードウェアにおける実施形態の先の議論のどれも、まだ発見されていないまたはまだ定義されていない実行の手段で発明の将来の実装を制限しないと理解するだろう。

図４は、デバイス２０のそれぞれのＲＦチェーン２９ａから２９ｄまでを経て、アンテナＴＸ１からＴＸ４での送信のためにデータシンク／ソース２６からデータを受信できる送信器ドライバ２２を具備する概略的な送信デバイス２０を図示する。受信器ドライバ２４は、同じアンテナで受信される信号を受信して処理し、データソース／シンク２６にデータを提供し、送信器ドライバ２２にチャネル状態情報を供給する。並列された複数のスイッチ２８は、アンテナが送信および受信の両方に関して選択されることを可能にするために提供される。図４に示されるように、ＲＦチェーン２９ａ、２９ｂ、２９ｃおよび２９ｄは、スイッチ２８に接続される。並列された複数のスイッチ３０は、デバイスに送信および受信の両方に使用されるべきＲＦチェーンを選択させるために、ＲＦチェーンと送信器および受信器ドライバとの間で提供される。

図５は、送受信器デバイス２０の受信器ドライバ２４の単純化された例を示す。図５に示されるように、受信器ドライバ２４は、アナログデジタル変換器（Ａ／Ｄ）モジュール３０および高速フーリエ変換（ＦＦＴ）モジュール３２を含む。Ａ／Ｄ変換器３０は、受信アナログ信号を、その後ＦＦＴモジュールを用いてその周波数領域に変換されるデジタルサンプルに変換する。続いて、さらなるモジュール（図示せず）は、任意の他のＯＦＤＭシステムにあるような、復号データの後処理（post-processing）のために用いられる。後処理されたデータは、どのアンテナがデータ送信に関して用いられるべきか決定するために用いられる。そのような構成では、ＲＦチェーン、Ａ／ＤモジュールおよびＦＦＴモジュールの数は、アンテナの数と等しい必要がある。

アンテナ選択が時間領域で行なわれる場合、すなわち、受信信号がデジタル周波数領域に変換される前に、多くの利点を達成されうることに留意する。従って、ここで記述される実施形態は、時間領域におけるアナログ信号に基づいてアンテナ選択を行なう方法を提供する。

図６は、実施形態に従って送信アンテナを選択する処理を図示する。送受信器デバイス２０は、以下の手順に従ってアンテナ選択を行なう。

ステップＳ１−０： 送信アンテナインデックスを、ａ＝１に初期化する。

ステップＳ１−１： 受信アナログ信号から受信信号メトリクスを決定する。
受信信号メトリクスの例は、全受信エネルギー、ピーク受信電力、二乗平均平方根（ＲＭＳ）遅延スプレッドなどを含む。この例において、全受信エネルギーは、受信信号メトリクスを決定するために用いられる。代替的に、多くの受信信号メトリクスもまた、合成された受信信号メトリクスを生成するために決定されて合成される。

線形回帰は、受信信号メトリクスに基づいて決定され、以下の形式で表現できる。

ここで、αとβとは回帰母数で、交点および傾き係数（slope factor）としてそれぞれ知られている。

代替的に、多重線形回帰は、受信信号メトリクス数に基づいて決定されうり、以下の形式で表現できる。

多重線形回帰がｍ個の傾き計数および交点によって表される線形フィッティングであることは当業者によって理解される。ここで、ｍは受信信号メトリクスの数である。本質的に、多重線形回帰は、雑音および干渉のような他の要素を考慮して、送信アンテナを選択するための余剰次元を提供する。

従って、回帰母数は、ステップＳ１−２において、以下のように判定されうる。

ここで、ｎが測定の総数であり、ｘ_ｉは測定されたパラメータであり、ｙ_ｉはｉ番目の測定用のデータサブキャリアの数であり、

は、ｘの平均値である。

ステップＳ１−３： 任意のアンテナがサポートできるデータサブキャリアの数を推定するために用いられる “線形フィッティング” （一般に線形回帰と呼ばれる）を生成する。
線形回帰の一例は図７に図示される。線形回帰は、最良のフィットを提供する線と各データ点との間の距離の二乗を最小にする最小二乗線形フィットを用いて生成される。本質的に、全解法は、残差平方和を最小にし、残差は観測値とモデルによって提供される値との間の差である。図７に示されるように、ｘ軸は正規化された全受信電力を表し、ｙ軸は、各アンテナによってサポートされうるサブキャリアの総数で正規化される、サブキャリアの数を表わす。線形回帰は、配備（deploy）されているデバイス２０に先立って生成されうる。そのような場合では、線形回帰は、以前の受信信号の統計に基づいて生成される。代替的に、デバイスが配備されているとき、線形回帰は、“リアルタイム”で連続的に生成され更新されうる。

ステップＳ１−４： 線形回帰がアンテナのそれぞれに関して生成されたかどうかを判定する。線形回帰がアンテナのそれぞれに関して生成された場合は、ステップＳ１−５を行なう。そうでなければ、ステップＳ１−４ａを行ない、Ｓ１−１からステップＳ１−３を繰り返す。

ステップＳ１−５： 送信アンテナインデックスをａ＝１にリセットする。

ステップＳ１−６： ステップＳ１−３において生成されたそれぞれの線形回帰を用いて、送信アンテナａによってサポートされうるサブキャリアの数を決定する。
これをするために、送信アンテナによってサポートされうるサブキャリアの数を決定するために、送信アンテナのそれぞれによって受信された信号は、線形回帰と比較される。一例の方法として、サポートされるべき１２８個のサブキャリアがあり、４つの送信アンテナが提供される状況を想定する。送信アンテナＴＸ１からＴＸ４は、以下の方法で必要なサブキャリアをサポートすることができてもよい。
ＴＸ１：２５個のサブキャリア
ＴＸ２：３５個のサブキャリア
ＴＸ３：７０個のサブキャリア
ＴＸ４：５０個のサブキャリア
したがって、この場合、これらのアンテナが合計１５５個のサブキャリアに関するデータ送信をサポートすることができるので、送受信器は送信に関してアンテナＴＸ３、ＴＸ４およびＴＸ２を選ぶ。

ステップＳ１−７： 送信アンテナをランク付けする。
この例では、送信アンテナは、アンテナのそれぞれによってサポートされたサブキャリアの数によって降順にランク付けされる。上記の例に続いて、アンテナは次の順にランク付けすることができる。ＴＸ３、ＴＸ４、ＴＸ２およびＴＸ１。しかしながら、昇順、およびアプリケーションに依存する他の方法における送信アンテナをランク付けすることができることを理解する。

ステップＳ１−８： 代替的に、送受信器は、すべての利用可能なアンテナが利用されるべきであるかどうかを判定することができる。

利用可能なアンテナがすべて利用されるべきである場合、次のステップが行なわれる。

ステップＳ１−９： ａ＝ａ＋１
ステップＳ１−１０： すべての送信アンテナが割り当てられたかどうか、ａ≦Ａ、であるかどうかを判定する。ここで、Ａが利用可能な送信アンテナの総数である。そして、ステップＳ１−６からＳ１−７を繰り返す。

そうでなければ、すべてのサブキャリアが割り当てられたかどうかを判定するため、ステップＳ１−１１を行なう。

アンテナに割り当てるべきより多くのサブキャリアが存在する場合、ステップＳ１−６からＳ１−８を繰り返す。この場合、１２８個のすべてのサブキャリアが割り当てられるまで、送受信器は単純にサブキャリアを送信アンテナに割り当てる。上記の例に続いて、ＴＸ４は５０個のサブキャリアをサポートすることができるが、アンテナＴＸ１、ＴＸ２およびＴＸ３は、これらのアンテナが１３０個のサブキャリアをサポートすることができるので、代わりに送信に選択される。従って、サブキャリアの割リ当て（すなわち、ステップＳ１−６からＳ１−８）は、ＴＸ３で終了する。

ステップＳ−１３：
送信に関してサブキャリアに割り当てられたアンテナを選択し、任意のサブキャリアに割り当てられていないアンテナのそれぞれのＲＦチェーンのスイッチを切る。別の実施形態では、ＲＦチェーンのスイッチを切る代わりに、未使用のＲＦチェーンが動作するクロックレートは減少させてもよい。いずれの場合も、送受信器の全体的な処理電力は削減されうる。さらに電力消費を削減するために、未使用のＲＦチェーンに接続されるＡ／ＤモジュールおよびＦＦＴモジュールが電源を切られうることにさらに留意する。それゆえ、記述された実施形態は、どのアンテナが送信に用いられうるか、および未使用のＲＦチェーンのスイッチをオフにすることに関して、早期の判定を提供する利点をもたらし、それによって、処理時間および電力を低減する。

上述の方法は、受信のためのアンテナを選択する受信器でも適用しうることを認識する。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行なうことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

Claims (15)

1. 複数のアンテナを具備し、通信チャネル上で複数のアンテナの１以上から複数のサブキャリアでデータを送信する無線通信デバイスであって、前記デバイスは、
   前記複数のアンテナのそれぞれを経て信号を受信する受信器と、
   受信信号に関連する受信信号メトリクスに基づいて、データ送信のための前記複数のアンテナの１以上に割り当てられるサブキャリアの数を決定するプロセッサと、
   前記決定に基づいて前記複数のサブキャリアでデータを送信するための前記複数のアンテナの１以上を選択するアンテナ選択器と、を具備する無線通信デバイス。
2. 前記受信信号メトリクスは、
   前記受信信号の全受信エネルギー、
   前記受信信号のピーク受信電力、および、
   前記受信信号の二乗平均平方根（ＲＭＳ）遅延スプレッドのいずれか１つを含む請求項１に記載のデバイス。
3. 前記プロセッサはさらに、前記複数のアンテナの１以上に割り当てられうるサブキャリアと前記受信信号メトリクスとの間の関係を定義する関数に基づいて、前記決定を行なう請求項１または請求項２に記載のデバイス。
4. 前記関数は、前記関係を定義する線形回帰を含み、形式
   

   

   で表現でき、αは交点であり、βは傾き係数である請求項３に記載のデバイス。
5. 前記プロセッサはさらに、前記複数のアンテナのそれぞれに割り当てられうるサブキャリアの数によって降順に前記複数のアンテナを配置する請求項１から請求項４のいずれか１つに記載のデバイス。
6. 前記アンテナ選択器は、アンテナのセットに割り当てられる全サブキャリア数が前記複数のサブキャリア以上であるように、前記配置されたアンテナからアンテナの前記セットを選択する請求項５に記載のデバイス。
7. 前記複数のアンテナのそれぞれに接続される無線周波数（ＲＦ）モジュールをさらに具備し、前記プロセッサは、前記選択されたアンテナ以外のアンテナに対応する前記ＲＦモジュールのスイッチを切る請求項６に記載のデバイス。
8. 複数のアンテナを具備し、通信チャネル上で複数のアンテナの１以上から複数のサブキャリアでデータを送信する無線通信デバイスを作動させる方法であって、前記方法は、
   前記複数のアンテナのそれぞれを経て信号を受信し、
   受信信号に関連する受信信号メトリクスに基づいてデータ送信のための前記複数のアンテナの１以上に割り当てられるサブキャリアの数を決定し、
   前記決定に基づいて前記複数のサブキャリアでデータを送信するための前記複数のアンテナの１以上を選択することを具備する方法。
9. 前記受信信号メトリクスは、
   前記受信信号の全受信エネルギー、
   前記受信信号のピーク受信電力、および、
   前記受信信号の二乗平均平方根（ＲＭＳ）遅延スプレッドのいずれか１つを含む請求項８に記載の方法。
10. 前記プロセッサはさらに、前記複数のアンテナの１以上に割り当てられうるサブキャリアと前記受信信号メトリクスとの間の関係を定義する関数に基づいて、データ送信のための前記複数のアンテナの前記１以上に割り当てられうるサブキャリアの数を決定することをさらに具備する請求項８または請求項９に記載の方法。
11. 前記関数は、前記関係を定義する線形回帰を含み、形式
    

    

    で表現でき、αは交点であり、βは傾き係数である請求項１０に記載の方法。
12. 前記複数のアンテナのそれぞれに割り当てられうるサブキャリアの数によって降順に前記複数のアンテナを配置することをさらに具備する請求項８から請求項１１のいずれか１つに記載の方法。
13. 前記配置されたアンテナからアンテナのセットを選択することをさらに具備し、アンテナの前記セットに割り当てられる全サブキャリア数が前記複数のサブキャリア以上である請求項１２に記載の方法。
14. 前記無線通信デバイスは、前記複数のアンテナのそれぞれに接続される無線周波数（ＲＦ）モジュールをさらに具備し、前記方法は、前記選択されたアンテナ以外のアンテナに対応する前記ＲＦモジュールのスイッチを切ることをさらに具備する請求項１３に記載の方法。
15. 多目的プログラム可能な通信デバイスに請求項８から請求項１４のいずれか１つに記載の方法を行なわせるコンピュータ実行可能な命令を具備するコンピュータプログラム製品。

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