JP4271572B2 - 無線通信システムの動作方法 - Google Patents

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Description

本発明は、無線通信システムを動作する方法、特に(但し限定はしないが)、近隣の並列信号ストリームからの良好な分離(アイソレーション)がなされるよう当該無線通信システムを適応させる方法に関する。
多入力多出力(MIMO:multiple input multiple output)アンテナシステムは、「m個」のラジオ送信機の組から同じラジオ周波数にて個別のデータストリームの組を送信すること、及び「n個」のラジオ受信機の組によりこれらデータストリームを受信すること、並びにこれらラジオ送信機及び受信機の各々は各自アンテナを有するものとしていることによって成り立っている。このMIMOアンテナシステムは、各受信アンテナが当該送信機から実質的に異なる組の信号を得るような散乱物質が多いという伝般環境を持つことによるものである。受信信号を分離する処理をさらに助けるために、n≧mとされる。この技術は、ラジオ接続の強固さを向上させたり、或いはラジオチャネルの容量を増大させたりするのに用いることができる。理想的な状況においては、mについての容量増加は可能である。
簡単な要件が記述されているにもかかわらず、MIMOアンテナシステムは、複雑な信号処理を必要としている。2つの処理すなわちチャネルの拡散マトリクスの決定と個々のデータストリームの分離が行われる必要がある。さらに、それほど理想的ではない状況で動作している場合、当該n個の受信機の幾つかは、その検出処理に大きく貢献するものではない場合があり、コスト高となりうる冗長性のレベルを呈する可能性がある。
本発明の目的は、より効果的に無線通信システムを動作させることである。
本発明の第1の態様によれば、MIMOアンテナシステムにおいて送信アンテナ及び受信アンテナの組み合わせを選択する方法であって、m個の送信アンテナの第1のものから第1の信号を送信することと、複数のn個の受信アンテナの各々において受信されるような前記第1の信号の品質を測定することと、残りのm−1個の送信アンテナを用いてそれぞれ信号を送信する処理を繰り返すことと、第1の信号を許容可能なものとして第2の信号を許容不可能なものとして又は第2の信号を許容可能なものとして第1の信号を許容不可能なものとして受信する送信及び受信アンテナの組み合わせを判定することと、を有する方法が提供される。
本発明の第2の態様によれば、少なくとも2つの送信機及び複数の送信アンテナを有する送信局と少なくとも2つの受信機及び複数の受信アンテナを有する少なくとも1つの受信局とを有するMIMOアンテナシステムを動作する方法であって、前記複数の送信アンテナのうちの第1のものから信号を送信し前記複数の受信アンテナの各々により受信される信号の品質メトリックを判定することと、この動作を残りの送信アンテナの各々を用いてそれぞれ繰り返すことと、前記複数の送信アンテナ対前記複数の受信アンテナの特性のチャネルマトリクスを形成することと、前記チャネルマトリクスから、前記送信アンテナの少なくとも1つからの信号が前記受信アンテナの少なくとも1つにおいて許容可能となり前記受信アンテナの残りのものにおいて許容不可能となるとともに前記送信アンテナの残りのものからの信号に関してはこれの反対となる前記送信アンテナの少なくとも2つと前記受信アンテナの少なくとも2つとの組み合わせを選択することと、を有する、方法が提供される。
本発明の第3の態様によれば、少なくとも2つの送信機及び複数の送信アンテナを具備する送信局と、少なくとも2つの受信機及び複数の受信アンテナを具備する少なくとも1つの受信局とを有するMIMOアンテナシステムであって、前記送信局は、前記送信アンテナの1つを順次選択しその選択された送信アンテナから信号を送信する手段を備え、前記受信局は、前記複数の受信アンテナの1つを順次選択する手段と、前記複数の受信アンテナの各々により受信される信号の品質メトリックを判定する手段とを有し、当該システムは、前記送信アンテナ対前記受信アンテナの特性のチャネルマトリクスを形成するとともに、前記チャネルマトリクスから、当該選択送信アンテナの少なくとも1つからの信号が当該選択受信アンテナの少なくとも1つにおいて許容可能となり当該選択受信アンテナの残りのものにおいて許容不可能となるとともに当該選択送信アンテナの残りのものからの信号に関してはこれの反対となる前記送信アンテナの少なくとも2つと前記受信アンテナの少なくとも2つとの組み合わせを選択する手段をさらに有する、MIMOアンテナシステムが提供される。
受信機又は送信機よりも多いアンテナを有することによって、個々の送信データストリームを近隣の並列ストリームから最良の絶縁をなすアンテナにおいて受信することができるような最良のアンテナの組み合わせを選択する高い自由度を当該システムに与えられる。アンテナの冗長性は性能の向上により洗練させることができる。
本発明により上記方法を実施する際には、送信アンテナの各々から受信アンテナの各々により受信される信号の強度は、簡単なアンテナダイバーシティ選択処理を用いて測定され、最も強力な(又は許容しうる)受信をなすアンテナの他、最も弱い(又は許容し得ない)受信をなすアンテナについて測定(判定)がなされる。
以下、本発明を添付図面に基づいて例を挙げて説明する。
図においては同等の要素を示すのに同一の参照符号を用いている。
図1に示されるMIMO無線通信システムは、マルチパス環境14により分離される送信局10と受信局12とを有する。実際には、2つ又はそれより多くの受信局が存在しうる。
送信局10は、データマルチプレクサ20の出力16,18のそれぞれに結合される入力を有する2つの送信機TX1,TX2を有する。コントローラ22は、デマルチプレクサ20に供給されるべき制御信号の出力部24と、デマルチプレクサ20の入力部28に供給されるべきトレーニングシーケンスの出力部26とを備えている。データ信号は、その出力部16,18にそれぞれのデータサブストリームを供給するデマルチプレクサ20の入力部30に供給される。4つのアンテナTA1,TA2,TA3及びTA4は、スイッチングユニットSW1を介して送信機TX1,TX2に結合される。スイッチユニットSW1は、それぞれ出力接点32aないし32c,34aないし34cを備える2つの3方向単極RFスイッチ32,34、又は単一の3方向2極RFスイッチを有する。出力接点32aは、アンテナTA1に接続される。出力接点32b及び34aは、まとまってアンテナTA2に接続される。出力接点32c及び34bは、まとまってアンテナTA3に接続される。最後の出力接点34cは、アンテナTA4に接続される。これらスイッチは、コントローラ22の出力36,38,40の信号によって制御される。コントローラ22により供給された制御信号は、デマルチプレクサ20の入力部28のトレーニングシーケンスが送信機TX1又はTX2により送信可能となるようにするか、又は送信機TX1及びTX2により交互送信するようデータビット、バイト又はパケットとして選択可能となるようにする。
受信局12は、当該受信信号からそれぞれのデータサブストリームを再生する受信機RX1,RX2にスイッチングユニットSW2により結合される4つのアンテナRA1,RA2,RA3及びRA4を有する。スイッチングユニットSW2は、それぞれ接点42aないし42c及び44aないし44cを備える2つの3方向単極RFスイッチ42,44、又は単一の3方向2極RFスイッチを有する。アンテナRA1及びRA4は、それぞれ接点42a及び44cに接続される。接点42b及び44aは、まとまってアンテナRA2に接続される。最後の接点42c及び44bは、まとまってアンテナRA3に接続される。スイッチ42,44の出力部は、それぞれ受信機RX1,RX2に結合される。
受信機RX1,RX2からのデータサブストリームは、簡単化されたMIMO処理及びスイッチ制御段50の入力部46,48にそれぞれ結合される。この処理及び制御段50は、スイッチングユニットSW2に供給すべきスイッチ制御信号の出力部52を備えている。この段50はまた、慣例的MIMO処理も含んでおり、出力56に単一のデータストリームを供給するデータマルチプレクサ54の入力部にそれぞれデータサブストリームを供給する。
本発明による方法では、送信局及び受信局10,12が、アンテナTA1ないしTA4の各々により送信され、送信局10、及び/又は移動する受信局12、及び/又は選ばれた1又は複数ラジオチャネルの伝搬特性に一時的に影響を与える妨害などの要因による変動特性を呈しうるマルチパス環境14を通じた送信の後のアンテナRA1ないしRA4の各々により受信された信号の品質、例えば受信信号強度を測定することを要する。
図1に示される実施例は、4つの送信アンテナTA1ないしTA4と4つの受信アンテナRA1ないしRA4とを用いている。但し、これ以外の数のものを用いてもよい。概略的指針はとして「m」個の送信アンテナと「n」個の受信アンテナとにおいて、m≧2,n≧mとされる。本例においては、2つの送信アンテナと2つの受信アンテナのサブセットが選ばれ、MIMOの利点を維持しつつこのサブセットの最良の使用がなされる。スイッチングユニットSW1は、送信機TX1,TX2の各々が4つのアンテナTA1ないしTA4のグループのうちの3つのうちの1つに接続されることを可能とし、それらの間でいずれかの対のアンテナが選択可能である。スイッチングユニットSW2は、同様のことが受信局において達成されることを可能とする。なお、3つ以上の送信アンテナ及び受信アンテナの組み合わせを選ぶこともできる。さらに、送信アンテナの数及び受信アンテナの数は、それぞれ送信機の数及び受信機の数を超え、スイッチングユニットSW1,SW2は、送信機/受信機の入力/出力がより多くのアンテナに供給されることを可能とする。
アンテナ選択処理は、アンテナダイバーシティにおいて用いられる態様により受信信号強度推定処理を含む。かかる信号強度だけ測定が必要とされるので、当該チャネル推定処理は、簡単な信号、例えばデマルチプレクサ20の入力28に供給されるトレーニングシーケンス又は同期シーケンスの短い部分を用いることができる。
第1の送信アンテナTA1について、簡単な信号が送信され、受信アンテナRA1ないしRA4の各々により受信される信号の強度が測定される。実際には、信号強度の範囲(レンジ)が検出されることになると考えられる。この処理は、第2の送信アンテナTA2により送信される簡単な信号で繰り返される。再び、信号強度の範囲は、受信アンテナRA1ないしRA4にわたり異なるオーダで検出されるものと考えられる。あるアンテナ間隔(スペーシング)が代表値としてλ/2より大きい場合、受信アンテナの1つにおいて受信された信号強度は、当該受信アンテナの他のものにおいて受信されたものとは著しく異なるものとなり、この同じことが受信機において考えたときに1対の送信アンテナに当てはまる、と仮定される。
この処理は、残りの送信アンテナの各々について繰り返され当該チャネルの全部の測定がなされる。かかる測定処理を実行する際の目的は、当該アンテナのうちのどれが最強の信号と比較して最も弱い信号を受信しているかを確認することである。
2つの送信アンテナと2つの受信アンテナのサブセットを選択することによって、個々の送信信号間について受信機において良好なアイソレーションを得ることのできるような送信及び受信アンテナの組み合わせを選ぶことができると考えられる。代表的チャネルマトリクスの例は下に示される。相対的信号振幅が考察される。
Figure 0004271572
このチャネルマトリクスを見ると、アンテナTX2からアンテナRX4に良好な信号が受信され、アンテナRX2において非常に弱い信号が受信されることが分かる。アンテナTX3からは、その反対の状況が分かり、アンテナRX2において良好な信号が受信され、アンテナRX4において弱い信号が受信される。したがって、このサブセットの送信及び受信アンテナは、アンテナTX2から送信された信号がアンテナRX4において明確に受信されるがアンテナRX2においては弱く受信され、アンテナTX3からの信号は、アンテナRX2において明確に受信されるがアンテナRX4においては弱く受信されるような極めて良好な受信及びアイソレーションを呈する。故に、適切なアンテナ対又は組み合わせを選択することによって、MIMO信号を分離するのに追加の処理が不要となる。本例では、MIMOは2入力2出力であり、2の容量増加が可能となる。受信局12により実行される選択の場合、選ばれる送信アンテナの識別情報は、ラジオアップリンク(図示せず)上においてコントローラ22に送信される。
関係する動作は、図2に示されるフロ−チャートにより概要が示される。ブロック60は、当該処理の開始を示す。ブロック62は、当該グループから送信アンテナTA1,TA2,TA3又はTA4をランダムに選択するコントローラ22の動作を示しており、デマルチプレクサ20,送信機TX1,TX2及びスイッチングユニットSW1を用いることによって、トレーニングシーケンスが当該選択送信アンテナを経由して送信される。ブロック64は、スイッチングユニットSW2,受信機RX1,RX2及びスイッチ制御段50を用いて受信アンテナRA1ないしRA4の信号強度を測定し、送信機のうち選択されたものからこれらアンテナのどれが最も強い信号を受信したか及びどれが最も弱い信号を受信したかを判定する受信局12の処理を示している。オプションとして、可能であれば、ビットエラーレート(BER)などの受信信号の他の品質メトリクスを測定する。これらもアンテナ選択決定処理に役立つものとなるからである。
ブロック66は、全ての送信アンテナが測定されたかどうかのチェックを示している。否定(N)であれば処理はブロック68に移行し、肯定(Y)であればブロック70に移行する。ブロック68は、前に選択されたもの以外の他のアンテナをランダムに選択することに相当する。デマルチプレクサ20を用いて、送信機TX1,TX2及びスイッチングユニットSW1は、選択されたアンテナを経由してトレーニングシーケンスを送信し、ブロック64により表される処理が繰り返される。ブロック70は、1の受信アンテナが第1の送信アンテナから強い(又は許容できる)信号を受信することができ第2の送信アンテナから弱い(又は許容できない)信号を受信することができ、第2の受信アンテナが第2の送信アンテナから良好な信号を第1の送信アンテナから弱い信号を受信することができるようなものとなるようなどの2対の送信及び受信アンテナが互いに一義的かつ独立して送信することができるかを、当該測定から判定することを示している。
ブロック72は、所定期間におけるデータの送信を伴う処理に相当する。
ブロック74は、当該信号品質が悪いかどうかのチェックに相当する。悪くなければ(N)、両方の受信アンテナにおいて受信信号品質を監視する処理が継続する。信号が悪ければ(Y)、ブロック62ないし72により示される処理ステップが続く。前に選択された2つの送信アンテナにより開始すると有利である。
最良のアンテナ対の検索を軽減する図2に示されるフローチャートを参照して説明される処理の変形例において、ブロック66では、今回測定される送信アンテナ(その少なくとも2つがなければならない)が必要な性能を呈することができるかどうかを見るための初期テストが行われる。この変形例が採用された場合、ブロック70により示される処理は、ある1つの受信アンテナが第1の送信アンテナから強い(又は許容できる)信号を第2の送信アンテナから弱い(又は許容できない)信号を受信することができ、かつ第2の受信アンテナが第2の送信アンテナから強い(又は許容できる)信号を第1の送信アンテナから弱い(又は許容できない)信号を受信するようなものとなる、選択された送信アンテナのうちのいずれが当該受信アンテナにより一義的かつ独立して受信可能であるかどうかをチェックすることにより変更される。このチェックが肯定であれば、この送信アンテナ対及び受信アンテナ対が用いられる。これにより、全ての送信アンテナの測定を繰り返す必要性がなくなる。ここでブロック72にフローチャートは続く。但し、このチェックが否定であれば、全ての送信アンテナが用いられていない限り、他の送信アンテナについて処理ステップ68及び64を繰り返し、上述したフローチャートの変形例を繰り返す。送信アンテナの全てが測定された場合は、ブロック70によって示される処理ステップ、すなわち最良のアンテナ対を判定することにつきフローチャートが継続する。
本発明による方法は、送信及び受信アンテナの対よりも多くの組み合わせをカバーするよう拡張可能である。例えば、3要素の組み合わせ1つにおける強い信号を他の3要素の組み合わせ2つにおける非常に弱い信号のうちの1つとして、1つの強い(又は許容可能な)信号と2つの非常に弱い(又は許容不可能な)信号を有する3要素の組み合わせを持つことが可能である。より多くの数の送信及び受信アンテナの場合、強いものと非常に弱いものとの間に明確な相違が必ずあるとは限らず、許容できる基準と許容できない基準とに基づいて判断がなされなければならないと考えられる。
本明細書及び請求の範囲において、単数表現の要素はその要素の複数の存在を排除するものではない。また、「有する」なる文言及びその活用形は、示されたもの以外の他の要素又はステップの存在を排除するものではない。
この開示内容を読めば、当業者には他の変形例が明らかとなる。かかる変形例は、MIMOアンテナシステム及びその構成部(品)の設計、製造及び使用において既に知られ、またここで既に述べた特徴に代え又は加えて用いられる他の特徴を含んでもよい。本出願において、請求項は特定の組み合わせの各特徴について記載されているが、本出願の開示範囲は、ここで明示し又は暗示して開示された新規な特徴若しくは特徴の新規な組み合わせ又はその概念も含むものであり、これは請求項において現に請求されるようなものと同じ発明に関連するかどうか、本発明がなすようなものと同じ技術的問題のいずれか又は全てを軽減するかどうかにかかわらないものである。本出願人は、本願又はこれより派生するさらなる出願の中間処理において、当該特徴及び/又は当該特徴の組み合わせにつき新しい請求項を設定することがあることをここに付言する。
単純化されたMIMO無線通信システムの一実施例の概略ブロック図。 アンテナ選択処理の単純化されたフローチャート。

Claims (12)

  1. MIMOアンテナシステムにおいて送信アンテナ及び受信アンテナの組み合わせを選択する方法であって、
    m個の送信アンテナの第1のものから第1の信号を送信することと、
    複数のn個の受信アンテナの各々において受信されるような前記第1の信号の品質を判定することと、
    残りのm−1個の送信アンテナを用いてそれぞれ信号を送信する処理を繰り返すことと、
    ・第1の送信セット及び第2の送信セットを有する前記送信アンテナのうちの少なくとも2つの第1の組み合わせを判定し、これら送信セットの各々が、少なくとも1つの選択された送信アンテナからなりこれら送信セットが互いに独立しているものとすることと、
    ・第1の受信セット及び第2の受信セットを有する前記受信アンテナのうちの少なくとも2つの第2の組み合わせを判定し、これら受信セットの各々が、少なくとも1つの選択された受信アンテナからなりこれら受信セットが互いに独立しているものとすることと、
    を有し、前記第1の組み合わせ及び第2の組み合わせは、
    ・前記第1の送信セットの送信アンテナにより送信された信号が、前記第1の受信セットの受信アンテナにおいて許容可能なものとして受信され、前記第1の受信セットにはない当該選択された受信アンテナにおいて許容不可能なものとして受信されることと、
    ・前記第2の送信セットの送信アンテナにより送信された信号が、前記第2の受信セットの受信アンテナにおいて許容可能なものとして受信され、前記第2の受信セットにはない当該選択された受信アンテナにおいて許容不可能なものとして受信されることと、
    を満たすように判定される、
    方法。
  2. 少なくとも2つの送信機及び複数の送信アンテナを有する送信局と少なくとも2つの受信機及び複数の受信アンテナを有する少なくとも1つの受信局とを有するMIMOアンテナシステムを動作する方法であって、
    前記複数の送信アンテナのうちの第1のものから信号を送信し前記複数の受信アンテナの各々により受信される信号の品質を判定することと、
    この動作を残りの送信アンテナの各々を用いてそれぞれ繰り返すことと、
    前記複数の送信アンテナ対前記複数の受信アンテナの特性のチャネルマトリクスを形成することと、
    前記チャネルマトリクスから、第1の送信セット及び第2の送信セットを有する前記送信アンテナのうちの少なくとも2つの第1の組み合わせを選択し、その際に、これら送信セットの各々が少なくとも1つの選択された送信アンテナからなり、これら送信セットが互いに独立しているものとすることと、
    ・前記チャネルマトリクスから、第1の受信セット及び第2の受信セットを有する前記受信アンテナのうちの少なくとも2つの第2の組み合わせを選択し、その際に、これら受信セットの各々が少なくとも1つの選択された受信アンテナからなり、これら受信セットが互いに独立しているものとすることと、
    を有し、前記第1の組み合わせ及び第2の組み合わせは、
    ・前記第1の送信セットの送信アンテナにより送信される信号が、前記第1の受信セットの受信アンテナにおいて許容可能に受信され、前記第1の受信セットにはない当該選択された受信アンテナにおいて許容不可能に受信されることと、
    ・前記第2の送信セットの送信アンテナにより送信される信号が、前記第2の受信セットの受信アンテナにおいて許容可能に受信され、前記第2の受信セットにはない当該選択された受信アンテナにおいて許容不可能に受信されることと、
    を満たすよう選択される、
    方法。
  3. 請求項1又は2に記載の方法であって、判定される品質は、信号強度である、方法。
  4. 請求項3に記載の方法であって、最強及び最弱信号は、それぞれ許容可能及び許容不可能とみなされる、方法。
  5. 請求項2ないし4のうちいずれか1つに記載の方法であって、送信及び受信アンテナの選択された対の特性を監視し、許容不可能となるこれらの特性に応答して前記送信及び受信アンテナの相対的特性の評価がなされる、方法。
  6. 請求項2ないし4のうちいずれか1つに記載の方法であって、送信及び受信アンテナの選択された対の特性を監視し、許容不可能となるこれらの特性に応答して前記送信及び受信アンテナの相対的特性の評価を前に選択された少なくとも2つの送信アンテナの組み合わせで開始して行う、方法。
  7. 請求項1ないし6のうちいずれか1つに記載の方法であって、前記送信信号は、トレーニング及び/又は同期シーケンスを有する、方法。
  8. 少なくとも2つの送信機及び複数の送信アンテナを具備する送信局と、少なくとも2つの受信機及び複数の受信アンテナを具備する少なくとも1つの受信局とを有するMIMOアンテナシステムであって、前記送信局は、前記送信アンテナの1つを順次選択しその選択された送信アンテナから信号を送信する手段を備え、前記受信局は、前記複数の受信アンテナの1つを順次選択する手段と、前記複数の受信アンテナの各々により受信される信号の品質を判定する手段とを有し、当該システムは、前記送信アンテナ対前記受信アンテナの特性のチャネルマトリクスを形成するとともに、前記チャネルマトリクスから、
    ・第1の送信セット及び第2の送信セットを有する前記送信アンテナのうちの少なくとも2つの第1の組み合わせであって、これら送信セットの各々が少なくとも1つの選択された送信アンテナからなりこれら送信セットが互いに独立しているものとした組み合わせと、
    ・第1の受信セット及び第2の受信セットを有する前記受信アンテナのうちの少なくとも2つの第2の組み合わせであって、これら受信セットの各々が少なくとも1つの選択された受信アンテナからなりこれら受信セットが互いに独立しているものとした組み合わせと、
    を選択する手段をさらに有し、前記第1の組み合わせ及び第2の組み合わせは、
    ・前記第1の送信セットの送信アンテナにより送信された信号が、前記第1の受信セットの受信アンテナにおいて許容可能なものとして受信され、前記第1の受信セットにはない当該選択された受信アンテナにおいて許容不可能なものとして受信されることと、
    ・前記第2の送信セットの送信アンテナにより送信された信号が、前記第2の受信セットの受信アンテナにおいて許容可能なものとして受信され、前記第2の受信セットにはない当該選択された受信アンテナにおいて許容不可能なものとして受信されることと、
    を満たすように選択される、MIMOアンテナシステム。
  9. 請求項8に記載のシステムであって、前記送信局は、送信アンテナの数よりも少ない送信機を有するシステム。
  10. 請求項8又は9に記載のシステムであって、前記受信局は、受信アンテナの数よりも少ない受信機を有するシステム。
  11. 請求項8ないし10のうちいずれか1つに記載のMIMOアンテナシステムに用いられる送信局。
  12. 請求項8ないし10のうちいずれか1つに記載のMIMOアンテナシステムに用いられる受信局。
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