JP4468183B2 - 多入力多出力（ｍｉｍｏ）無線チャンネルにおける強い固有モードの数を増加させるための方法と装置 - Google Patents

Description

本発明は通信システムに係り、特に多-入力多-出力(MIMO)無線チャンネル通信方法を利用するシステムに関連する。

従来の通信システムは単一のアンテナ送信機と単一のアンテナ受信機システムに依存している。しかしながら、そのようなシステムは受信された信号の与えられた帯域幅と信号対雑音比のために基本的に容量が制限される。受信機と送信機で多アンテナの使用(MIMO)は、システムを空間的な領域に広げて、その容量を基本的に増加させる。したがって、システムは大きな潜在的スループットがあると設計される。等しい数の送信と受信アンテナを有するシステムは、アンテナの数とほぼ線形的に拡大する固有の容量を有する。これは、受信機で信号処理を通して分離されるかもしれない独立した空間的な伝播モードを使用して、同じ時間・空間チャンネルを再利用することによって達成される。その結果、そのような無線システムはますます重要になっている。

しかしながら、アンテナの数と基本的な容量との間の線形関係は過剰な簡素化である。実際には、この潜在的容量を実現するために、受信機は干渉している空間的サブチャンネルを分離するタスクを有する。これは、受信機が空間的なサブチャンネルを隔離するために解かれる十分な数の独立方程式を決定することを必要とする。現在のシステムでは、これは、送信機と受信機を接続する、固有モードとして知られている幾つかのユニークな空間的伝播モードが存在することを必要とする。強い固有モードの数が送信(または受信素子)の数よりも少ないなら、システムの潜在的容量は減少する。

送信機と受信機を接続する大きい角分離を有する多数の放射があるとき、チャンネルは多数の空間的な固有モードを含んでいる。多くの散乱体、すなわち、送信された信号の散乱を引き起こす物体がアンテナの周りに配置されるとき、この状況は起こる。図1は、角度ダイバーシティが小さいときに、6x8 MIMOチャンネルを有する非コード化BLAST(Bell Labs Layered Space-Time)構造の性能がいかに低下(ビット誤り率(BER)増加)するかを示す。これらの結果は、広義の静止した非相関の散乱(WSSUS)チャンネルモデルを使用して得られた。本発明の目的はこれらの2つの極端の間の性能差を減少させることである。 ディジタルビーム形成は信号の空間的な分離を増加させる(または、受信アレイの角受入れを増加させる)ために使用することができる。しかしながら、このシステムは送信のためにアンテナアレイに供給する前に、信号を適合させるための複雑なディジタル処理エレクトロニクスを必要とする。

現在のMIMOシステムでは、潜在的スループットが与えられた環境で達成されないかもしれないという危険があり、そこでは十分強い固有モードが多重化された空間的なサブチャンネルをサポートするために確立することができない。その結果、そのようなシステムが単一のアンテナシステムより良くないまたは潜在的に悪いという危険がある。したがって、マルチアンテナシステムに対してどれだけ投資をしても恩恵が得られないかもしれない。

したがって、本発明では、複数のアンテナを有するアンテナアレイと、アンテナからの信号を受信するためにアンテナと関連した散乱構造とを含むトランシーバーが提供される。発明はまた、複数のアンテナを有するアンテナアレイと、到来信号を受信して、アンテナのアレイにそれらを通過させるためのアンテナと関連した散乱構造とを含むトランシーバーを提供する。

散乱構造は送信アンテナアレイからの信号を散乱し、受信機に良好な角度ダイバーシティを提供する。同様に、散乱構造は受信アレイの角受入れを増加させるために受信機で使用されるかもしれない。これは潜在的に、パワースループットに不利な影響を与えることなくサブチャンネル各々の間の相関関係が小さくなるように提供することができる。

本発明は望ましくは、送信機と受信機の間で確立される固有モードを変えるようにダイナミックに調整されるかもしれない散乱または導波管構造、あるいは複数の構造体を含む。この方法において、より強い固有モードを確立することを期待して、散乱を変化させることにより、スループットは改善されるかもしれない。望ましくは、トランシーバーは散乱構造を制御するためのコントローラを含んでいる。理想的には、コントローラが受信機からフィードバックされる情報を受け、散乱構造を調整するか否か、およびいかに調整するかを決定する。

散乱構造は、例えば回折、反射、散乱または屈折、あるいはそれらの組み合わせを含んでいるいろいろな方法でアンテナからのビームの散乱を達成する。
一実施例では、構造はビームを回折するための回折格子として形成されるかもしれない。これは1枚の材料で形成された一連のスリットから形成され、スリットはスリット間の空間に異なった屈折率または吸収係数を有するかもしれない。望ましくは、スリットは調整機能を提供するためにそれらの間隔または形状で調整可能である。2つ以上の回折格子が回折の過程で更なる制御を提供するために直列に使用されるのが有益である。これらの1つ以上が調整可能であるかもしれない。

本発明はまた、アンテナのアレイにより生成される信号を散乱する方法を提供し、方法は、アンテナにより生成されたビームを散乱するようにアンテナと受信機の間に散乱構造を挿入し、アンテナと受信機間で確立された固有モードの強度に関するフィードバック情報を受け、アンテナによって生成されたビームの散乱を変えるために散乱構造を調整することを含む。
本発明は送信機と受信機の間にさまざまなパスまたは固有モードを持つことの重要性に依存する。これはマルチパスが問題となり、通常回避される従来の単一のアンテナシステムとは対照的である。

本発明は、任意の与えられた環境に存在する最良の伝播モードを探索することにより、高い容量が得られるシステムを提供する。これはディジタルまたはアナログビーム形成のために使用されるような複雑で高価な回路の必要性なしに達成される。本発明は代わりにメインアンテナから分離している単純構造を利用し、それにより、局所的な環境にかかわらず固有モードの豊富なチャンネルを提供するために最適化の自由度を提供する。インストーラが無線環境やアクセスポイントの位置に注意を払う必要がないので、これはより簡単な据え付けで低いコストのシステムを許容するだろう。

また、本発明のアレンジとしてアンテナの立体的なパッキングの可能性を許容する。
本発明は今から付属図面に関してより詳細に説明されるであろう。

図2は本発明の実施例を図式的に示す。システムは双方向のシステムであるが、以下の記述は、左のトランシーバー10が送信機として作動し、右のトランシーバー20が受信機として作動する状態で、一方向の通信だけに集中するだろう。図2はアンテナ12のアレイに隣接して配置された散乱構造13を示す。散乱構造は受信機について示されないが、これが不可欠ではないが、望まれているならば散乱構造が設けられることができる。

オフィスのような現実の世界の環境で、アクセスポイント(AP)は、通常ユーザに不便を避けるために便利な位置に配置される。通常これらは天井に取り付けられる。対照的に、端末、特に移動端末はオフィスで日常使われるものの中にしばしば位置する。その結果、端末は通常散乱体によって囲まれ、信号のダイバーシティは十分になるだろう。対照的に、APは何らかの散乱体から離れて配置されるので、それから発する信号はその近接において散乱体に遭遇しそうにない。この例では、本発明は角度・空間ダイバーシティを向上させるためにAPに適用され、したがって、理論上の最大のチャネル容量により近づいたスループットを達成することができる。この例を使用して、APは送信機10により、移動端末は受信機20により表される。

使用中に、送信機は送信されるべき信号を処理して、これをそれぞれのアンテナ12により、送信準備が整った様々なサブチャンネルに分割する。信号は、信号を送信するためにアレイのアンテナ12へ供給される。この実施例の散乱構造13は回折格子であるが、入射信号に散乱を引き起こすどんな構造でも使用することができる。信号は散乱による回折格子に衝突する。この散乱はエネルギーをチャンネルによってサポートされた最も強い空間的な固有モードへ結合するように制御されることができる。

図2において、回折格子は単一構造として示される。格子は単一構造であってもよいが、複数の別々の格子から形成されてもよい。アンテナアレイ12は直線、平面または円のような多くの異なった幾何学形状を採用してもよく、格子がアンテナを囲む構造に形成されてもよい。上で示されたように、格子は一定の周期的な構造から成るかもしれないか、またはそれは設計方法(例えば名目上等しい強度の幾つかの回折次数)で入射エネルギーを回折するためにより複雑な構造を有するかもしれない。散乱構造は、アンテナアレイに対して近傍に (しかし、アンテナの遠方界にあるように十分に離れて)配置された図2で示される。これは誂え向きのパッケージを提供する観点から実際に便利である。このように、構造は便利な共同ハウジングでアンテナアレイモジュールの近くに配置することができる。

受信アンテナモジュールの開口に位置するこの実施例の送信回折格子は、入射角ビームを角度ダイバーシティを有する幾つかの回折次数に分割するために使用される。第２の格子は入射ビームをさらに拡散するために使用することができるので、受信機アンテナ素子の観点から、入射ビームは受信機の周りに位置する幾つかの仮想のソースポイントから発生される。

いったんアンテナから送信された信号が散乱構造を通り抜けると、それらは受信機、例えば移動端末のアンテナ22によって受信される。受信機20は受信信号をデコードして、送信機と受信機の間で確立された固有モードの品質を決定する。そして、受信機は決定された品質情報を送信機10に伝送して戻すことができる。品質情報は散乱構造を調整するために抽出されて使用される。次に、コントローラ14はこの情報を受けて散乱構造を調整して、格子を変更しそれにより発展された固有モードを変える。例えば、スロットスペースとサイズは物理的に変更され、固有モードの変化を引き起こす。

スループットを最大にするために、システムは良いパワー効率を有する固有モードを確立しなければならない。弱い固有モードが確立されると、それらの不十分なパワー伝送はそのサブチャンネルの固有の容量を減少させるだろう。その上、端末が動くか、または環境の中の物体が移動したり、伝送パスはかなり変化するかもしれず、そこで確立された固有モード上のダイナミックなコントロールはこれを克服することを助ける。このように、受信機からフィードバックされる信号は、散乱構造が高い基本的な容量で強い固有モードを確立するように調整されることを許容する。受信信号を監視して、受信機から情報をフィードバックすることによって、コントローラ14は高いスループットを維持するように確立されたモードを調整することができる。

上で示されたように、第２の回折格子はそれを通り抜ける信号の角度ダイバーシティをさらに高めるのに使用されるかもしれない。しかしながら、これはさらに採用することができ、3つ以上の格子が使用されるかもしれない。システムによって発展された固有モードを調整するために、そのような格子の1つ以上が増加される柔軟性を許容するために調整可能であるかもしれない。その上、散乱構造はそれぞれ個別に調整可能な別々のセクションに分割されることができる。

実施例は、それを通り抜ける信号の角度ダイバーシティを増加させるために回折格子を使用することについて説明した。しかしながら、発明は入射ビームを反射し、屈折し、回折しまたは他の方法で散乱する他の散乱素子の使用にも同様に適用可能である。その上、装置の組み合わせは入射波を散乱させるのに使用されるかもしれない。

上記実施例は主として一方向への送信に関して説明された。しかしながら、システムはユニット20によりユニット10へ逆に送信する作動も完全に可能である。アンテナ22を形成するにもかかわらず、信号は同様の方法で散乱構造に衝突するが、アンテナ12が間隔をおいた仮想のソースとして送信アンテナを“見る”ので効果は依然として提供される。示されるように、フィードバック情報はダイナミックな調整を許容するために散乱構造を有するトランシーバーに提供されるであろう。再び、両方のトランシーバーが散乱構造を提供されるならば、フィードバック情報は両方向に通過されることができる。

本発明はまた干渉を克服するために使用され得る。干渉物がサブチャンネルの受信に影響しているならば、散乱構造は固有モードを変更するように調整されるので、干渉を受けているサブチャンネルを使用することを避けることができる。この方法で受信機は干渉信号を受信しないようにすることができる。
本発明は主として送信アンテナアレイに隣接した散乱構造を提供することに関して説明された。しかしながら、本発明の原理は散乱構造が受信アンテナに隣接して提供されるところに適用することができる。この方法において、送信機構造を通過する信号として角度ダイバーシティを提供するよりむしろ、散乱構造は受信機のために角度の異なった受信パスを有効に定義する。これは、送信機から受信された信号の角度が多様であり、それによりシステムの容量を高めることを確保する。

この配列において、散乱構造は送信機と受信機の間の固有モードを最適化するため同様の方法で制御することができる。

無符号化時のBLASTシステムの特性であり、角度ダイバーシティの影響を示しているグラフである。 本発明の通信システムの概要の実施例を示す。

符号の説明

10…送信機 12…アンテナ 13…拡散構造 14…コントローラ 20…受信機 22…アンテナ

Claims (19)

1. 複数のアンテナを有するアンテナアレイと、
   前記アンテナからの信号を送信するため該アンテナに配置される散乱構造体と、
   受信機からフィードバック情報を受け取り、該フィードバック情報を用いて前記散乱構造体を制御することにより、前記受信機との間に、空間的なサブチャンネルの分離に十分な数の固有モードを確立するコントローラと、
   を含むトランシーバー。
2. 前記散乱構造体が受動構造である請求項１のトランシーバー。
3. 前記散乱構造体の散乱特性を外部で調整することができる請求項１または２のトランシーバー。
4. 前記散乱構造体が回折、反射または屈折あるいは導波管の使用の少なくとも１つにより入射信号を散乱させる請求項１乃至３のいずれか１項のトランシーバー。
5. 前記散乱構造体が回折格子である請求項１乃至３のいずれか１項のトランシーバー。
6. 前記散乱構造体が１つ以上の前記アンテナとそれぞれ関連する１つ以上の散乱素子を含む請求項１乃至５のいずれか１項のトランシーバー。
7. 複数のアンテナを有する第１のアンテナアレイと、前記アンテナからの信号を送信するため該アンテナに配置される散乱構造体と、前記散乱構造体を制御するためのコントローラとを含む第２のトランシーバーとともに用いられるトランシーバーであって、
   複数のアンテナを有する第２のアンテナアレイと、
   前記第２のアンテナアレイによって受信された信号の特性に関するフィードバック情報を発生させるフィードバック手段と、
   前記コントローラが前記フィードバック情報を用いて前記散乱構造体を制御することにより前記第２のトランシーバーと当該トランシーバーとの間に、空間的なサブチャンネルの分離に十分な数の固有モードを確立できるようにするために、前記第２のトランシーバーへ前記フィードバック情報を送る伝送手段とを含むトランシーバー。
8. 第１のトランシーバーと第２のトランシーバーとを含む通信システムであって、
   前記第２のトランシーバーが、
   複数のアンテナを有する第２のトランシーバーのアンテナアレイと、
   前記アンテナからの信号を送信するため該アンテナに配置される散乱構造体と、
   前記散乱構造体を制御するためのコントローラとを含み、
   前記第１のトランシーバーが、
   複数のアンテナを有する第１のトランシーバーのアンテナアレイと、
   前記第１のトランシーバーのアンテナアレイによって受信された信号の特性に関するフィードバック情報を発生させるフィードバック手段と、
   前記コントローラが前記フィードバック情報を用いて前記散乱構造体を制御することにより前記第２のトランシーバーと該第１のトランシーバーとの間に空間的なサブチャンネルの分離に十分な数の固有モードを確立できるようにするために、前記第２のトランシーバーへ前記フィードバック情報を送る伝送手段とを含む通信システム。
9. アンテナのアレイにより生成される信号を散乱させる方法であって、
   前記アンテナによって生成されたビームを散乱させるように前記アンテナと受信機の間に散乱構造体を挿入し、
   前記アンテナと前記受信機の間で確立される固有モードの強度に関するフィードバック情報を受信し、
   前記アンテナによって生成された前記ビームの前記散乱を変えるように前記フィードバック情報を用いて前記散乱構造体を調整することにより、前記受信機との間に空間的なサブチャンネルの分離に十分な数の固有モードを確立する方法。
10. 前記散乱構造体が受動構造である請求項９の方法。
11. 前記散乱構造体が回折、反射または屈折の少なくとも１つにより入射信号を散乱させる請求項９または１０の方法。
12. 前記散乱構造体が回折格子である請求項９または１０の方法。
13. 前記散乱構造体が１つ以上の前記アンテナとそれぞれ関連する１つ以上の散乱素子を含む請求項９乃至１２のいずれか１項の方法。
14. 複数のアンテナを有するアンテナアレイと、
    入来信号を受信して、それらを前記アンテナのアレイに伝える、前記アンテナに配置される散乱構造体と、
    受信機からフィードバック情報を受け取り、該フィードバック情報を用いて前記散乱構造体を制御して固有モードを変更することにより、干渉を受けているサブチャンネルの使用を回避するコントローラと、
    を含むトランシーバー。
15. 前記散乱構造体が受動構造である請求項１４のトランシーバー。
16. 前記散乱構造体の散乱特性を外部で調整することができる請求項１４または１５のトランシーバー。
17. 前記散乱構造体が回折、反射または屈折あるいは導波管の使用の少なくとも１つにより入射信号を散乱させる請求項１４乃至１６のいずれか１項のトランシーバー
18. 前記散乱構造体が回折格子である請求項１４乃至１６のいずれか１項のトランシーバー。
19. 前記散乱構造体が前記アンテナの１つ以上とそれぞれ関連する１つ以上の散乱素子を含む請求項１４乃至１８のいずれか１項のトランシーバー。

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