JP4206227B2 - スマートアンテナアレイ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の分野】
本発明は、スマートアンテナアレイのビームフォーミング方法に関する。
【０００２】
【発明の背景】
アダプティブアンテナアレイとしても知られるスマートアンテナアレイは、低利得アンテナが結合／ビームフォーミングネットワークに接続されたものである。スマートアンテナは、レンジの拡張、電波の穴の解消及び建物への透過を改善することによりカバレッジを拡張できる。基地局での送受信を改善すると、許容可能な伝播路損失が増加するため、基地局のレンジが改善される。基地局でスマートアンテナを用いると、無線ネットワークの初期展開コストが減少し、システムの利用が進んだ段階では、セルサイトをさらに増加し、既存の基地局のレンジを減少することによって、システム容量を増加することができる。
【０００３】
スマートアンテナアレイを適宜実現できるデジタルビームフォーミングは、ＵＭＴＳネットワークにとって最も有望な技術の１つと考えられる。使用するアンテナの種類としては通常、直線及び平面アンテナアレイが考えられるが、その理由は、円形アレイのような他のタイプのアンテナと比べてサイドローブのレベルが低いことによる。通信アンテナアレイのビームパターンにおいてサイドローブのレベルが高いと、方向によっては移動体端末へ強力な干渉信号が送られて、ダウンリンク通信にとって大きな問題となることがある。
【０００４】
Ｒ’９９ ＵＴＲＡＮ仕様書では、フィードバック機構が、２つのアンテナを用いる送信ダイバーシティ方式を支援するために導入されている。この考え方は、２つの異なるアンテナから共通チャンネルの全ての移動体端末へ異なるスクランブリングコードを用いて一定電力のダウンリンク信号を送信し、所期の移動体端末から受信するフィードバックに応じて専用チャンネルのアンテナの重みを適応制御するものである。現在、４個のアンテナへフィードバック信号を搬送する考え方が大きな商業的関心を呼んでいる。かかるフィードバック情報は、４個の素子を有するアレイの適応ビームフォーミングを可能にする。１つには、搬送の帯域幅が限られているため、４個以上のアンテナにつき任意の信号搬送機構が導入される可能性は低い。一方、セルラーネットワークの円形アンテナのようなある特定のアレイは、有意なアレイ利得を得るために少なくとも８個のアンテナを必要とする。また、４個以上の素子より成る直線アンテナアレイが将来のＵＴＲＡＮ製品に使用されることが考えられる。
【０００５】
【発明の目的】
本発明は、セルラー基地局への使用に好適な改良型アンテナ装置を提供しようとするものである。本発明はさらに、セルラー通信用基地局の容量を増加するように作動可能なアンテナ装置を提供しようとするものである。本発明はまた、指向性または全方向性の何れかのアンテナにつき、大型アレイでの現在のフィードバック信号搬送方式の利用を可能にするビームフォーミング技術を提供しようとするものである。
【０００６】
【発明の概要】
本発明の第1の局面によると、アンテナ素子のアレイが各々が複数の隣接するアンテナ素子より成る多数のサブアレイに分割された基地局のスマートアンテナ装置であって、
各サブアレイの１つのアンテナ素子または選択されたアンテナ素子はパイロットアンテナ素子としてパイロット信号を基地局のカバーエリア内で動作中の移動体端末へ送信するように作動可能であり、前記スマートアンテナ装置は、前記基地局のカバーエリア内で動作中の前記移動端末が前記パイロット信号の位相及び大きさを測定することにより得た位相及び大きさ情報を有するフィードバック信号を受信するように作動可能であり、前記装置は、記憶した重みデータと、到達方向データとを、フィードバック信号の位相及び大きさ情報と共に適用して、記憶した重みを最適化し、前記アレイが前記移動端末の方向へ指向性ダウンリンクビームを発生できるようにするスマートアンテナ装置が提供される。
【０００７】
フィードバック信号は、専用チャンネルに対してビームフォーミングの重みが割当てられるように位相及び振幅成分の最適化を支援できる。
【０００８】
フィードバック信号は、専用チャンネルに対してビームフォーミングの重みが割当てられるように位相成分の最適化を支援できる。
【０００９】
フィードバック信号は、専用チャンネルに対してビームフォーミングの重みが割当てられるように振幅成分の最適化を支援できる。
【００１０】
フィードバック信号の位相情報を用いてパイロットアンテナの重みの位相成分を決定することができる。
【００１１】
フィードバック信号の大きさを用いてパイロットアンテナの重みの大きさ成分を決定することができる。
【００１２】
アンテナは、指向性アンテナまたは全方向性アンテナより成ることができる。
【００１３】
本発明の第２の局面によると、アンテナ素子のアレイが各々が複数の隣接するアンテナ素子より成る多数のサブアレイに分割された基地局のスマートアンテナ装置の作動方法であって、パイロットアンテナ素子として作動可能な各サブアレイの１つのアンテナ素子または選択されたアンテナ素子からパイロット信号を送信し、基地局のカバーエリア内で動作中の移動体端末がパイロット信号の位相及び大きさを測定することにより得た位相及び大きさ情報より成り、前記移動体端末から基地局へ送られるフィードバック信号を受信し、記憶した重みデータと、到達方向データとを、フィードバック信号の位相及び大きさ情報と共に適用して記憶した重みを最適化し、前記アレイが前記移動体端末の方向へ指向性ダウンリンクビームを発生できるようにするステップより成るスマートアンテナ装置の作動方法が提供される。
【００１４】
したがって、本発明の第１の局面は、大型アレイの指向性または全方向性のいずれかの４個のアンテナにつき、現在３ＧＰＰにより考慮されているフィードバック信号搬送方式に関する。本発明は、第３世代のセルラー無線ネットワークとして現在決定済みのＣＤＭＡ無線セルラー方式、またはＴＤＭＡ方式若しくは無線ＬＡＮのような他の無線方式に好適である。したがって、本発明は、スマートアンテナのさらなる利点の実現を支援することができる。
【００１５】
【実施例の詳細な説明】
以下、発明者が考えた本発明を実施するための最適モードを例示の目的で説明する。以下の説明において、多くの詳細事項は、本発明の完全な理解を図るためのものである。しかしながら、本発明には種々の変形例及び設計変更があることが当業者にとって明らかであろう。例えば、実施例は、全方向性アンテナを用いるものであるが、代わりに指向性アンテナを使用できることが明らかであろう。
【００１６】
これまで、円形アンテナを使用する例は少なかったが、その理由は、円形アレイに用いた場合、大部分のビームフォーミングアルゴリズムが発生する高レベルのサイドローブにより、他の移動体端末が強力な干渉電波を受け、空間領域多元接続（ＳＤＭＡ）の使用が制限されるからである。円形でない他のタイプの二次元アレイの使用は確かに公表されてはいるが、同様な問題がある。図１は、シーメンス社のＴＤ−ＳＣＤＭＡ円形アンテナアレイの幾つかのビームパターンを示す。図示のように、（指向性ビームの）サイドローブレベルは−４ｄＢと高いが、直線アンテナでは−１２ｄＢのサイドローブレベルを得るのは困難なことではない。この問題は、ダウンリンクの符号不足がデータ速度を事実上制限するため、Ｗ−ＣＤＭＡネットワークでは特に厳しいものである。単一の全方向性アンテナにより得られる、全方向において実質的に均等な基準パターンも示す。
【００１７】
アンテナアレイのビームパターンは、その大部分は、ビームフォーミングの重みにより決定される。直線アレイでは、テイラー及びチェビシェフ分布のような低レベルのサイドローブを発生する、多数の良く知られた重み分布関数がある。しかしながら、非線形アレイには、容易な解決法は存在しない。理論上、拘束条件と目的関数とが与えられると、アレイの重みは、最適化法の使用によりリアルタイムで最適化することができる。しかしながら、実際は、信号処理能力に過大な要求がかかるため、かかる方法の実施は容易でない。
【００１８】
図２は、出願人の同時出願（弁理士番号第２００１Ｐ０９４０３号）に記載された全方向アンテナの周期的円形アレイを示すが、ビームフォーミング手段は、エレベーション面において各素子の半径方向に、隣接する任意の２素子間の角度方向に低レベルのサイドローブを有する一群の最適化パターンを発生することにより、ある角度範囲をカバーするように作動することができる。３６０°をカバーするためには、ある角度範囲をカバーする小さな重みセットだけが必要であり、隣接するアンテナ間のアークの各角度範囲は、アンテナ装置の中心軸の周りの他のアークへ同じ重みを反復して適用したものである。例えば、１つのアンテナ素子から半径方向にビームを形成するための重みより成る重みセットを、そのアンテナ素子と、隣接する１つのアンテナ素子との間の多数の角度についての重みと共に記憶させて、基地局の周りのエリアの１２分の１をカバーするようにし、その重みセットを３６０°に亘って１２回ローテーションすると、アンテナ装置の周りの全空間をカバーすることができる。この最適の群のビームフォーミングの重みセットは、バッファまたは他のＲＯＭデバイスに記憶することができる。最適の重みセットは、重み割当ての補間及びローテーションにより任意の他の方向で使用することができる。図３は、正方形の形に配置した、水平面で全方向性の、アンテナ素子を備えたアンテナ装置を示す。回転対称性を有する４つの９０°区間があり、重みセットを３６０°に亘って４回ローテーションすると、アンテナ装置の周りの全空間がカバーされる。
【００１９】
ダウンリンクビームの方向は、知る必要がある。この情報は、多数の方法で得ることが可能である。例えば、フィードバック信号は、ネットワークまたは基地局それ自体に公知の三角法を適用すると、全地球測位システム（ＧＰＳ）で位置を求めることができる。ダウンリンクのビームフォーミングが必要で、ビームの方向が与えられている場合、重みセットは、記憶した最適重みセット群に基づき割当て、低レベルのサイドローブが保証されたビームパターンが発生させる。
【００２０】
図４は、ダウンリンクビームフォーミング手段の概略構成であり、この図はただ４個のアンテナ素子４０を示すが、ビームフォーミング手段４２は、交信を望む移動体端末から得られる信号の到達方向４４を考慮し、重み情報はＲＯＭ４６または同様の手段から得られる。ビームフォーミング手段からの信号は、乗算器４８によりアンテナの入力供給点に加える。交信を望む場合、その方向に対応して記憶された重みを取り出し、ローテーションデータまたはローテーションと補間のデータを考慮して、アンテナへの信号を適当に重み付けする。
【００２１】
図５は、全方向性ビームの一部である３６０°の角度範囲が、例えば、図２の円形装置の１２のアンテナ方向に対応する１２個の「ｎ１」メインビームに分割される態様を示す。簡単なケースでは、メインビームを１２のアンテナ方向のうちの任意の１つへローテーションするだけで十分であり、その場合、中間のビームを得るためにｎ２の重みを参照するのは不要である。しかしながら、ｎ２の中間ビームは、ビームが１２個の構成において、３ｄＢのビーム幅が３０°より小さい場合は、利用する必要があるであろう。図５の例では、中間ビームが４個ある。
【００２２】
図６は第１のフローチャートであるが、交信を望むユーザーの移動体端末からのフィードバックデータの到達方向（ＤｏＡ）をプロセッサ４４が受信する図４を参照して、基準に関して最も近い離散的な角度を求める。ビームフォーミング手段４２は、ＲＯＭ４６に記憶された重みデータを参照する。この図では、到達方向情報は主ビームの方向に対応し、３ｄＢのビーム幅のため、セルの全領域をカバーできるようにするにはメインビームのローテーションだけで十分である。しかしながら、二次元アレイの任意の周期性とは無関係な主ビームの方向を決定できることに注意されたい。ビーム幅が十分に広いか、または十分な数の重みが記憶されている場合、メインビーム方向の間の補間を行なわないのが有利であるが、その理由は、規則的でない補間を行うと、計算が難しくなるか、または処理能力または記憶容量をさらに必要とするからである。
【００２３】
図７は、第２のフローチャートを示す。図６の場合と同様に、ＤｏＡ情報を処理して、基準に関して最も近い離散的角度を求める（ステップ２）。補間による重みセットの指数は、ローテーションの重みと共に、補間及びローテーションされるメインビームを求めるために使用しなければならない（ステップ３−５）。図６と同様に、これらの信号はビームフォーミング手段の乗算器４２を駆動する。図８ａ及び８ｂは、２つの最適化された低レベルのサイドローブのビームパターンを示す。これらのサイドローブは低レベルであり、−１２ｄＢ未満であることがわかる。
【００２４】
Ｒ’９９ ＵＴＲＡＮ仕様書では、フィードバック機構が、２つのアンテナを用いる送信ダイバーシティ方式を支援するために導入されている。この考え方は、２つの異なるアンテナから共通チャンネルの全ての移動体端末へ異なるスクランブリングコードを用いて一定電力のダウンリンク信号を送信し、所期の移動体端末から受信するフィードバックに応じて専用チャンネルのアンテナの重みを適応制御するものである。現在、４個のアンテナへフィードバック信号を搬送する考え方が大きな商業的関心を呼んでいる。かかるフィードバック情報は、４個の素子を有するアレイの適応ビームフォーミングを可能にする。１つには、搬送の帯域幅が限られているため、４個以上のアンテナにつき任意の信号搬送機構が導入される可能性は低い。一方、セルラーネットワークの円形アンテナのようなある特定のアレイは、有意なアレイ利得を得るために少なくとも８個のアンテナを必要とする。また、４個以上の素子より成る直線アンテナアレイが将来のＵＴＲＡＮ製品に使用されることが考えられる。したがって、大型アレイについて、２個または４個のアンテナに限定された現在のフィードバック信号搬送方式の利用を可能にするビームフォーミング技術が必要とされる。
【００２５】
図９は、本発明の別の実施例を示す。大型アンテナアレイは、サブアレイと呼ぶ少数（この場合は４つ）の群に分割され、各群は例えば、２乃至１０個（この場合は３個）のアンテナ素子より成る。各サブアレイのアンテナ素子は間隔が小さいため、各アレイから１個のアンテナ素子をパイロットアンテナとして選択して、送信ダイバーシティー方式と同様に異なる信号を送信することができる。その後、所期の移動体端末からのフィードバック信号を用いて、専用信号の送信のために各サブアレイの重みに拘束を加える。
【００２６】
大きさの情報を用いて、サブアレイの重みの大きさにつき範囲を設定した後、かかる拘束を受ける全てのアンテナの重みを最適化することができる。あるいは、かかる大きさの情報を用いて各サブアレイの重みの大きさを固定することが可能であり、その後、全てのアンテナの重みの位相を、ビームを最適化するように求めることができる。上述したように、方向発見関数がかかる最適化を行なうために必要である。
【００２７】
最適のビームは、適当な信号処理能力があればリアルタイムで発生させるか、または上述したように予め記憶した最適セットから選択することができる。
図１０は、４個のパイロットアンテナ７１ｐ１乃至７１ｐ４を使用するダウンリンクビームフォーミング手段７０の構成を示す。ダウンリンクビームの搬送はユニット７７により制御し、移動体端末からのフィードバックはユニット７３において解釈し、ユニット７３からのデータは、重みを記憶したメモリー７６からのデータ及びユニット７４からの到達方向データと共に、重み割当てユニット７５において使用する。重み割当てユニットからの信号は、アンテナへの入力伝送ラインの乗算器ユニットへ供給する。ビームフォーミング手段は、図９に示すアンテナ装置にとって好適な１つの手段に対応するが、この図には７個のアンテナだけを示し、図１０のパイロットアンテナ７１ｐ１−７１ｐ４は図２のパイロットアンテナ１、２、３、４に対応し、アンテナの総数は、円形アレイであれ、使用するアンテナのタイプに応じて異なり、例えば、その数は８個、１２個または１６個の可能性がある。
【００２８】
図１１は、本発明の動作を説明するためのフローチャートである。本質的にアンテナアレイは多数のサブアレイの群より成り、例えば、各サブアレイは全方向性のセルサイトの周りの９０°の範囲に関連し、サブアレイの各群からの１個またはそれ以上のパイロットアンテナはパイロット信号を放送するように作動可能である。サブアレイのアンテナ素子のうちただ１個または少数の素子だけを用いると、信号搬送に必要な帯域幅が減少する。カバーエリアの移動体端末から受信されるフィードバック信号を、ビームフォーミングの重みを最適化するための拘束条件として使用し、アンテナ素子またはアレイの構成について何の想定もしない。
【００２９】
詳細な説明は下記の通りである。サブアレイの各群からの各パイロットアンテナは、パイロット信号を放送する（ステップｉ）。カバーエリア内で動作中の移動体端末は、パイロット信号の位相及び大きさを測定し（ステップｉｉ）、この情報を基地局のトランシーバ局（ＢＴＳ）へ返送する（ステップｉｉｉ）。その後、ビームフォーミングの重みを、フィードバック及び到達方向情報の拘束を考慮して最適化し（ステップｉｖ）、これらの重みを、乗算器により適宜構成可能なビームフォーミング手段へ送る。
【００３０】
図１２は、図１１に示す一般的な発明思想を実現する好ましい手段を示す。指数ｍ1で表わす離散的な各角度には、指数ｍ2で示すフィードバックの種々の組合わせに対応する多数の予め最適化された重みが存在する。これら多数の予め最適化された重みは上述したメインビームに対応し、補間ビーム方向についてさらに別の予め最適化された重みが適宜存在する。
【００３１】
図１３では、第３の指数ｍ3を、利用可能な装置に関連するある特定の対称性／周期性が存在するという事実を反映させるために導入し、記憶させる重みの数を減少させ、続いて、ローテーション動作を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、円形アレイのビームパターン例を示す。
【図２】図２は、円形に配置された全方向性アンテナの二次元構成を示す。
【図３】図３は、正方形に配置され全方向性アンテナの二次元構成を示す。
【図４】図４は、基本的なアダプティブビームフォーミング手段の構成を示す。
【図５】図５は、メインビームのアレイパターンの補間／ローテーションのスケールを示す。
【図６】図６は、ビームフォーミングに関連するフローチャートを示す。
【図７】図７は、ビームフォーミングに関連する第２のフローチャートを示す。
【図８ａ】図８ａは、周波数が２ギガヘルツの全方向性アンテナアレイの水平面における幾つかの低レベルサイドローブのパターンを示す。
【図８ｂ】図８ｂは、周波数が２ギガヘルツの全方向性アンテナアレイの水平面における幾つかの低レベルサイドローブのパターンを示す。
【図９】図９は、円形アレイのサブアレイを示す。
【図１０】図１０は、本発明の第１の実施例によるビームフォーミング手段を示す。
【図１１】図１１は、本発明によるビームフォーミング手段の動作を示すフローチャートである。
【図１２】図１２は、本発明によるビームフォーミング手段の動作を示すフローチャートである。
【図１３】図１３は、本発明によるビームフォーミング手段の動作を示すフローチャートである。

Claims (16)

1. アンテナ素子のアレイが各々が複数の隣接するアンテナ素子より成る多数のサブアレイに分割された基地局のスマートアンテナ装置であって、
   各サブアレイの１つのアンテナ素子または選択されたアンテナ素子はパイロットアンテナ素子としてパイロット信号を基地局のカバーエリア内で動作中の移動体端末へ送信するように作動可能であり、
   前記スマートアンテナ装置は、前記基地局のカバーエリア内で動作中の前記移動端末が前記パイロット信号の位相及び大きさを測定することにより得た位相及び大きさ情報を有するフィードバック信号を受信するように作動可能であり、
   前記装置は、記憶した重みデータと、到達方向データとを、フィードバック信号の位相及び大きさ情報と共に適用して、記憶した重みを最適化し、前記アレイが前記移動端末の方向へ指向性ダウンリンクビームを発生できるようにするスマートアンテナ装置。
2. フィードバック信号は、専用チャンネルに対してビームフォーミングの重みが割当てられるように位相及び振幅成分の最適化を支援する請求項１の装置。
3. フィードバック信号は、専用チャンネルに対してビームフォーミングの重みが割当てられるように位相成分の最適化を支援する請求項１の装置。
4. フィードバック信号は、専用チャンネルに対してビームフォーミングの重みが割当てられるように振幅成分の最適化を支援する請求項１の装置。
5. フィードバック信号の位相情報を用いてパイロットアンテナの重みの位相成分を決定する請求項３の装置。
6. フィードバック信号の大きさ情報を用いてパイロットアンテナの重みの大きさ成分を決定する請求項３の装置。
7. アレイは物理的周期性を有するため、基本的な最適重みセットの数が減少する請求項１の装置。
8. アレイは、隣接するアンテナ素子間に規則的な空間が存在する円形アレイより成る請求項１−７のうち任意の請求項の装置。
9. アレイは正方形アレイより成る請求項１−７のうち任意の請求項の装置。
10. アンテナは指向性アンテナより成る請求項１−７のうち任意の請求項の装置。
11. アンテナは全方向性アンテナより成る請求項１−７のうち任意の請求項の装置。
12. ２つの隣接するアンテナ素子が形成する角度内に多数の角度方向を選択することにより、基本的な最適重みセットの群を得る請求項１乃至３のうち任意の請求項の装置。
13. アンテナ素子のアレイが各々が複数の隣接するアンテナ素子より成る多数のサブアレイに分割された基地局のスマートアンテナ装置の作動方法であって、
    パイロットアンテナ素子として作動可能な各サブアレイの１つのアンテナ素子または選択されたアンテナ素子からパイロット信号を送信し、
    基地局のカバーエリア内で動作中の移動体端末がパイロット信号の位相及び大きさを測定することにより得た位相及び大きさ情報より成り、前記移動体端末から基地局へ送られるフィードバック信号を受信し、
    記憶した重みデータと、到達方向データとを、フィードバック信号の位相及び大きさ情報と共に適用して記憶した重みを最適化し、前記アレイが前記移動体端末の方向へ指向性ダウンリンクビームを発生できるようにするステップより成るスマートアンテナ装置の作動方法。
14. フィードバック信号は、専用チャンネルに対してビームフォーミングの重みが割当てられるように位相及び振幅成分の最適化を支援する請求項１３の方法。
15. フィードバック信号は、専用チャンネルに対してビームフォーミングの重みが割当てられるように位相成分の最適化を支援する請求項１３の方法。
16. フィードバック信号は、専用チャンネルに対してビームフォーミングの重みが割当てられるように振幅成分の最適化を支援する請求項１３の方法。

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