JP5334825B2 - 無線ネットワークにおいてビームを通信する方法 - Google Patents

Description

本発明は、包括的には無線ネットワークにおけるビーム形成に関し、より詳細には車両ネットワークにおけるビーム形成に関する。

車両通信及びＷＡＶＥ標準規格
ＩＥＥＥ８０２．１１ｐは、車両環境への無線アクセス（ＷＡＶＥ）を規定する。この標準規格は、高度道路交通システム（ＩＴＳ）をサポートする。現在の標準規格は単一のアンテナを有する送受信機、及び物理層（ＰＨＹ）における変調技法のための直交周波数分割多重（ＯＦＤＭ）を規定する。ＷＡＶＥ送受信機は、車両内の移動送受信機、及び固定路側器（ＲＳＵｓ）を含む。ＷＡＶＥネットワークは、鉄道、航路のような他の移動環境において使用することもできる。

マルチアンテナ
通常、マルチアンテナ送受信機はスループット及び信頼性を高める。多くの無線標準規格がＯＦＤＭ及び多入力多出力（ＭＩＭＯ）技術を規定している。これらの標準規格は、ＩＥＥＥ８０２．１６、ＩＥＥＥ８０２．１１ｎ、及び３ＧＰＰ ＬＴＥ（ロングタームエボリューション）を含む。

しかしながら、ＭＩＭＯは正確なチャネル状態情報（ＣＳＩ）及び受信機における複雑なデジタル処理を必要とする。ＣＳＩを送信機に提供することは、ＷＡＶＥ送受信機が高速であることによって生じるチャネル時変性に起因して大きなオーバヘッドを必要とする可能性がある。

ビーム形成によって、有向ビームにおけるアレイパターンに焦点を合わせることの信頼性が高まる。すなわち、アンテナアレイは、信号を該信号の到来角に基づいて増幅する空間依存の利得を有する。非特許文献１を参照されたい。

Godara著「Applications of Antenna Arrays to Mobile Communications, Part I: Performance Improvement, Feasibility, and System Considerations」（Proceedings of the IEEE, Vol.85, No.7, pp.1031-1060, 1997）

本発明の目標は、複数本のアンテナを使用するＷＡＶＥネットワークにおいて信頼性を高めることである。

移動受信機及び固定受信機を含む無線ネットワークにおいて、ビームを使用して通信する。ネットワークは、車両環境への無線アクセス（ＷＡＶＥ）において、ＩＥＥＥ８０２．１１ｐに従って動作する。

移動送受信機から固定受信機への方向は、該移動送受信機が利用可能な地理的情報を使用して予測される。移動送受信機において、固定送受信機から信号のセットを受信する。ここで、それらの信号はアンテナアレイによって受信され、それらの信号はビームのセットを使用して受信され、各ビームは実質的に固定受信機に方向付けられる。

ビーム毎に信号対雑音比（ＳＮＲ）を測定し、最適ＳＮＲを有するビームを、移動送受信機と固定送受信機との間でデータを通信するための最適ビームとして選択する。

本発明の実施の形態によるＷＡＶＥネットワークの概略図である。 本発明の実施の形態によるアンテナアレイ及びビームの概略図である。 本発明の実施の形態による受信機のブロック図である。 本発明の実施の形態によるＷＡＶＥ環境及び重みベクトルの概略図である。 本発明の実施の形態によって使用されるＯＦＤＭ資源ブロックのブロック図である。 本発明の実施の形態による、頻繁に使用されるルートを求める方法のブロック図である。 本発明の実施の形態による、記憶されている角度方向を展開する方法のブロック図である。

図１は、本発明の実施の形態を使用するネットワークを示している。ネットワークは、直交周波数分割多重（ＯＦＤＭ）を使用すると共に、車両環境における無線アクセス（ＷＡＶＥ）を提供する。ネットワークは、移動送受信機のセット１０１と、固定路側ユニット（ＲＳＵｓ）のセット１０２とを含む。移動送受信機は車両内に搭載されると共に、アンテナアレイ２０１に接続される。ＲＳＵｓと車両との間の通信１１１は、車両対インフラストラクチャ（Ｖ２Ｉ）と呼ばれ、複数の車両間の通信１１２は、車両対車両（Ｖ２Ｖ）と呼ばれる。

図２は、アンテナアレイ２０１、及びアレイに対して直交する角度φにおいて最大利得を有する主ビーム（ローブ）２０２と、はるかに低い利得を有する副ビーム２０３とを含む、送信機におけるビームパターンを示している。ビームは、信号が異なる複数本のアンテナによって受信される受信機において形成することもできる。様々なビームパターンを提供するために他のアンテナ設計が可能であることが理解される。好ましくは、コーリニアアレイアンテナは垂直に搭載されて、水平方向における総利得及び指向性を増大させる。

図３に示されているように、各アンテナ３０１において受信される各送信信号を重み付けする（３０２）。重み付けされた信号を合算して（３０３）、合成受信信号ｒ３０４

を求める。ここで、Ｎはアンテナ本数であり、ｗ_ｎはｎ番目のアンテナによって受信される信号ｓ_ｎに加えられる重みであり、ｗ＝[ｗ_１，ｗ_２，…，ｗ_Ｎ]^Ｔであり、ｓ＝[ｓ_１，ｓ_２，…，ｓ_Ｎ]^Ｔであり、Ｔは転置演算子であり、Ｈはエルミート演算子である。

受信（送信）信号のための重みベクトルｗ^Ｈは、アンテナアレイのジオメトリの関数である。図１〜図３に示すようにアレイが線形且つ等間隔（uniform）である場合、重みは

である。ここで、ｊは複素数√（−１）であり、ｎはアンテナ本数であり、ｋは波数であり、ｄはアンテナ間の距離である。通常、

であり、ここで下付き文字はビームの方向及びパターンを示す。

式（２）は、図２に示すような等間隔のコーリニアアレイアンテナに適用することができる。アレイのジオメトリ及び配向は、異なる複数の車両に関して、車体設計、配線コスト、及び空気力学に応じて変化する場合があることが理解される。したがって、特定の角度方向においてビームを生成するための正確な重みベクトルは式（２）に従わない場合がある。しかしながら、特定のアンテナのためのビームパターンの特徴付けはアンテナアレイが設計されるときに決定することができ、可能性のあるビームに関して重みベクトルのセット

を送受信機内に記憶することができる。ビームパターン及びビーム方向毎に１つのベクトルが存在する。したがって、送受信機は、可能性のあるビームパターン及びビーム方向を、走行中に容易に選択する。

たとえば、ベクトル{ｗ_０，ｗ_９０，ｗ_１８０，ｗ_２７０}は、{０，９０，１８０，２７０}度の角度におけるビームのための重みを表す。ビーム幅はアンテナ素子の数に反比例する。最適には、固有ビームフォーマが、観測されるチャネルに従って重みを適応的に調節し、エネルギーを最適固有チャネル内に方向付ける重みを選択する。

しかしながら、移動環境では、これは受信機における正確且つ頻繁なチャネル推定を必要とし、該チャネル推定は送信機にフィードバックされなくてはならない。車両が高速で走行する場合、チャネルのコヒーレンス時間が短く、フィードバックのためのオーバヘッドが実際的でなくなる。

ＧＰＳを利用するビーム選択
図４に示しているように、車両は全地球測位システム（ＧＰＳ）４０１を備えることができる。ＧＰＳは、車両の地理的位置、並びに走行方向及び走行速度に関する情報を有する。この情報を使用して、適切な重みベクトル４０２を求めることができる。車両内の送受信機１０１がＲＳＵ１０２と通信する（１１１）と、主ビーム２０２は最初にＲＳＵに対する大まかな方向４００に位置合わせされなくてはならない。初期ビームは比較的広くすることもできる。ビームの方向及び幅はＲＳＵの位置がわかるのに応じて調節することができる。

ＲＳＵの方向４００において指示しているものは、車両内の送受信機が最適ビーム方向を知らないときの初期探索しか参照していない。車両がビーム方向を精緻化すると、性能は劇的に改善することができる。したがって、任意の時点において最適ビームを求める方法を説明する。

具体的には、ｖがＧＰＳによって求められる車両の速度ベクトルである場合、角度方向は、

である。ここで、（ｘ，ｙ）はそれぞれ速度ベクトルの南北方向成分及び東西方向成分である。２つの場合を考えることができる。ＧＰＳがＲＳＵの地理的位置に関するデータを有する場合、ビームを最も近いＲＳＵに向かって実質的に方向付ける（４００）ことができる（図４を参照されたい）。そうではなく、ＲＳＵの位置が知られていない場合、ビームは走行方向に直接沿うことができる。

この方向は、車両が接近するときにＲＳＵが検出されることを確実にすると共に、道路沿い、建造物の近く、標識の上等に位置するＲＳＵを見つける能力も提供する。十分に広いビームを用いる場合、ビームを前方に方向付けることによってＲＳＵがカバーされる可能性が高い。しかしながら、ビームが直接ＲＳＵを指していない場合、性能は劇的に劣化する。この性能の問題は狭いビームの場合にさらに悪化する。

ＲＳＵ１０２との通信が所望される場合、φ_ｄに最も近いインデックスを有する重みベクトルが

４０２から選択される。

代替的に、道路に沿ったＲＳＵの配置は地理的に変化するため、受信機は可能性のある予め記憶されたビームを探索すると共に、そのビームを最適な信号対雑音比（ＳＮＲ）通信データと共に使用することができる。この場合、このビーム探索を、小さな範囲の角度方向にわたるビームに制限するのが妥当である。

他の車両との通信１１２である場合、主ビームが走行方向に沿うように、φ_ｄ又はφ_ｄ±１８０に最も近接したインデックスを有する重みベクトルが選択される。

ビーム切り換えタイミングの決定
車両は走行すると、他のＲＳＵの範囲内に入ることになる。ＧＰＳは、車両が方向を変えるときを指示することもできる。しかしながら、都市環境では、ＧＰＳ信号は常に利用可能であるとは限らない場合があり、ビームステアリングの信頼性がなくなる。

ＯＦＤＭ資源ブロック
図５に示しているように、周波数領域５０２におけるサブキャリアを使用して、時間領域５０１において物理シンボル（データ）５００が順次送信される。ＯＦＤＭシンボルは時間領域において０からＮ−１までインデックス付けされ、サブキャリアは０からＫ−１までインデックス付けされる。

幾つかのサブキャリアは、チャネル推定及び本明細書で説明したビーム選択の目的のためのパイロットシンボル５１０を含む。各パイロットシンボルにおける受信信号は、

である。ここで、ｐ_ｎ，ｋはｎ番目のＯＦＤＭシンボル内に位置するｋ番目のパイロットシンボルであり、ｈ_ｎ，ｋはサブキャリアｋにおけるｎ番目のＯＦＤＭシンボルのためのチャネル係数であり、Δｆはサブキャリア間隔であり、Ｔ_ｓはＯＦＤＭシンボル期間であり、ｇ（ｎ，ｋ）は、ＯＦＤＭシンボルインデックスｎ及びパイロットインデックスｋの、（０，Ｋ−１）の範囲内にある物理サブキャリアインデックスへのマッピングである。

主ビームが受信機に向かって直接狙いを定めている場合、チャネル係数は、非ゼロ平均複素ガウス分布確率変数によって表すことができる。これはＯＦＤＭシンボル内の全てのサブキャリアに当てはまる。しかしながら、ビームは受信機に方向付けられておらず、したがってチャネル係数はゼロ平均ガウス分布となる。

ビーム方向の正確度は、サブチャネルフェージング係数の平均Ｔがゼロに近いか否かを判断することによって検証することができる。

ここで、

は雑音成分であり、適切な重みベクトルを選択することができる。

以前に走行したルートを使用する性能改善
個人用車両は、家、職場、学校、店等の間のルートの小規模なセットにわたって走行する頻度が最も高い。商用車両も同様に、反復的なルートを有する。ＲＳＵ_Ｓの配置が比較的一定であり続ける場合、適切なルートの地理及び該ルートに沿ったＲＳＵに対する角度方向を求め、それらを後で使用するためにメモリ内に記憶すると共に、定期的に更新することができる。車両が走行している間に、角度方向をサンプリング、補間、及び展開することができる。それらの方向は信頼スコアを含むことができる。

頻繁に走行するルートの決定
ルートは開始位置から始まり、終了位置において終わるが、開始位置及び終了位置は多くの場合同じである。ルートは長さＬの複数のセグメントに分割される。ルートは重なり合わない隣接した複数のセグメントを含むことができる。利用基準値は記憶されているメモリ内の各セグメントに関連付けられる。

図６は、基準値ψを求める方法を示す。車両がルートのセグメントを走行する（６１０）とき、本方法は、そのセグメントがメモリ内に記憶されているか否かを判断する（６１５）。真である場合、最大値に達していない限り基準値をインクリメントする（６２０）。

偽である場合、本方法は、メモリがフルであるか否かを判断する（６２５）。真である場合、最も小さい利用基準値を有するセグメントを削除する（６３０）。

セグメントがメモリ内になく、且つメモリがフルでない場合、セグメントをメモリ内に記憶する（６４０）。利用基準値を経時的に求めることができ、それによってあまり頻繁に走行していないルートの利用基準値は０となり、セグメントは削除され、それによって頻繁に走行するセグメントのみが保持される。

角度方向の記憶
各セグメントはサンプリングされた位置ρを含む。閾値より大きい利用基準値ψを有するサンプリングされた位置毎に、本法は、最適ＳＮＲを有する角度方向φ^＊を

として記憶する。ここで、φ_ＲＳＵは車両からＲＳＵまでの角度方向である。車両とＲＳＵとの間に見通し線が存在する場合、通信チャネルは少数の強力なマルチパス成分を有する。したがって、２つの角度位置φ^＊及びφ_ＲＳＵは類似しており、φ_ｄｉｆｆはゼロに近い。値φ_ｄｉｆｆを量子化して記憶を削減することができる。メモリをさらに削減するために、特に複数のサンプル位置ρが互いに近くにある場合、本方法はρ個のサンプリングされた位置のφ_ｄｉｆｆを合成すると共に、ローパスフィルタを実施して記憶のためのローパス係数を得ることができる。

ＲＳＵ（ｘ_Ｒ，ｙ_Ｒ）の正確な位置が知られていない場合、その位置を、記憶されている角度方向φ_１，φ_２，…，φ_ρ、及びサンプリングされた位置の対応する座標（ｘ_１，ｙ_１），（ｘ_２，ｙ_２），…，（ｘ_ρ，ｙ_ρ）から、Ａｘ＝ｂの形式の以下の連立方程式に関して最小二乗解を使用して推測することができる。

最小二乗解は、ベクトルｂの、アレイＡの列空間上への投影であるｂ_ｐｒｏｊ、及びＡｘ＝ｂ_ｐｒｏｊを解くことによって求めることができる。推定を改善するために、本方法は、道路の複数のセグメントにおける同じＲＳＵに対する角度方向を合成して該ＲＳＵの位置を推測することができる。車両は上記の手順を使用して、経時的に変化する可能性があるＲＳＵの位置を更新することができる。

角度方向の更新
車両のメモリは、良好な信号対雑音比をもたらす角度方向を記憶する。しかしながら、記憶されている角度方向は最適でない場合がある。さらに、環境は、新たな建造物の構築、植生の成長、及び季節的天候変化に起因して、経時的に変化する可能性がある。

図７は、記憶されている角度方向を経時的に展開する方法を示している。車両が閾値ψ_１より大きい利用基準値ψ_ｍｅｍを有するセグメントに沿って走行しているとき、本方法は、メモリが特定の位置における角度方向φ_ｍｅｍ及び対応する信号対雑音比ＳＮＲ_ｍｅｍを記憶しているか否かを判断する。記憶していない場合、車両は上述したように良好な角度方向を探索する。

真である場合、本方法の車両は、該車両のメモリからφ_ｍｅｍ、ＳＮＲ_ｍｅｍ、及びψ_ｍｅｍを取得し（７１０）、φ_ｍｅｍに摂動を与えて特定の位置において使用される試験的角度方向φ_trialを取得する（７１５）。φ_trialに対応する重み付け係数を使用して、ビームがＲＳＵに対して形成されると、信号対雑音比ＳＮＲ_trialが測定される。

ＳＮＲ_trialが許容可能な閾値未満であると判断する（７２５）場合、記憶されている角度方向が最新でない場合があり、φ_ｍｅｍ、ＳＮＲ_ｍｅｍが削除される。本方法は、この道路のセグメントの利用基準値をデクリメントしてメモリをリフレッシュすることもできる。

ＳＮＲ_trial＞ＳＮＲ_ｍｅｍ７３０である場合、試験的角度方向φ_trialは潜在的にφ_ｍｅｍより良好である可能性がある。本方法は、[０ １]の範囲内にある乱数Ｒを選択し、該乱数を関数Ｆ（Ψ_ｍｅｍ，ＳＮＲ_ｍｅｍ，ＳＮＲ_trial）の結果と比較する（７４０）。この関数は、以下の性質を有する：
０＜Ｆ（Ψ_ｍｅｍ，ＳＮＲ_ｍｅｍ，ＳＮＲ_trial）＜１；
Ｆ（Ψ_ｍｅｍ，ＳＮＲ_ｍｅｍ，ＳＮＲ_trial）はΨ_ｍｅｍに関して単調非減少である；
Ｆ（Ψ_ｍｅｍ，ＳＮＲ_ｍｅｍ，ＳＮＲ_trial）はＳＮＲ_ｍｅｍに関して単調非減少である；
Ｆ（Ψ_ｍｅｍ，ＳＮＲ_ｍｅｍ，ＳＮＲ_trial）はＳＮＲ_trialに関して単調非減少である。

たとえば、以下の式

を考える。ここで、Ｃは定数である。Ｆ（Ψ_ｍｅｍ，ＳＮＲ_ｍｅｍ，ＳＮＲ_trial）が乱数Ｒ以下である場合、新たなφ_trial及びＳＮＲ_trialが記憶される。ＳＮＲ_trial≦ＳＮＲ_ｍｅｍである場合、又はＦ（Ψ_ｍｅｍ，ＳＮＲ_ｍｅｍ，ＳＮＲ_trial）が乱数Ｒより大きい場合、φ_ｍｅｍ、ＳＮＲ_ｍｅｍは保持される。このプロセスは、現在の解を近いランダム解と置き換える、シミュレートされたアニーリングと非常に類似している。しかしながら、本方法では、利用基準値Ψ_ｍｅｍは、セグメントが走行されていない場合、経時的に減少する。

本発明を好ましい実施の形態の例として説明してきたが、本発明の精神及び範囲内で様々な他の適応及び変更を行うことができることは理解されたい。したがって、添付の特許請求の範囲の目的は、本発明の真の精神及び範囲内に入るすべての変形及び変更を包含することである。

Claims (18)

1. 無線ネットワークにおいてビームを通信する方法であって、前記無線ネットワークは移動送受信機及び固定受信機を含み、前記無線ネットワークは車両環境への無線アクセス（ＷＡＶＥ）においてＩＥＥＥ８０２．１１ｐに従って動作し、該方法は、
   前記移動送受信機から前記固定受信機への方向を、該移動送受信機が利用可能な地理的情報を使用して予測するステップと、
   前記移動送受信機において、前記固定受信機から信号のセットを受信するステップであって、該信号はアンテナアレイによって受信され、該信号はビームのセットを使用して受信され、各ビームは実質的に前記固定受信機に方向付けられる、ステップと、
   ビーム毎に信号対雑音比（ＳＮＲ）を測定するステップと、
   最適ＳＮＲを有するビームを、前記移動送受信機と前記固定受信機との間でデータを通信するための最適ビームとして選択するステップと、
   を含む、無線ネットワークにおいてビームを通信する方法。
2. ビーム毎に、
   

   

   に従って前記信号を合成することであって、合成受信信号を形成し、ここで、Ｎは前記アレイ内のアンテナ本数であり、ｗ^Ｈ＝[ｗ_１，ｗ_２，…，ｗ_Ｎ]^Ｔは重みベクトルであり、ｓ＝[ｓ_１，ｓ_２，…，ｓ_Ｎ]^Ｔは前記受信信号のベクトルであり、Ｔは転置演算子であり、Ｈはエルミート演算子である、合成することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記移動送受信機は、前記地理的情報を入手するために全地球測位システム（ＧＰＳ）に接続され、前記方法は、
   前記移動送受信機において、前記固定受信機の地理的位置を記憶すること、
   前記ＧＰＳを使用して前記移動送受信機の地理的位置を求めること、
   前記固定受信機の前記地理的位置及び前記移動送受信機の前記地理的位置に従って前記最適ビームを選択すること、
   をさらに含む、請求項１に記載の方法。
4. 重みベクトルのセットを記憶することにより、前記ビームのセットを形成する、ことをさらに含む、請求項１に記載の方法。
5. 前記地理的情報が利用可能でない場合、前記ビームのセットは実質的に走行方向に沿って方向付けられる、請求項１に記載の方法。
6. 前記ビームのセットの初期幅は、前記データを通信するのに使用される前記ビームの場合よりも大幅に広い、請求項１に記載の方法。
7. 前記重みベクトルｗは、
   

   

   であり、ここで、ｋは対応するビームの重みのインデックスであり、φは対応するビームの方向であり、φ_ｄは前記固定受信機に対する方向であり、前記方法は、前記最適ビームのために、φ_ｄに最も近いインデックスを選択することをさらに含む、請求項２に記載の方法。
8. 前記固定受信機はパイロットシンボルを送信し、前記方法は、該パイロットシンボルに基づいて前記最適ビームを選択することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
9. 前記最適ビームのサブチャネルフェージング係数の平均を求めることにより、前記最適ビームの方向の正確度を検証する、ことをさらに含む、請求項１に記載の方法。
10. 特定の移動送受信機において、頻繁に走行されるルートを前記地理的情報として記憶することであって、各ルートは複数のセグメントを有し、前記最適ビームは前記記憶されたルートに基づいて選択される、ことをさらに含む、請求項１に記載の方法。
11. 前記ビームのセットの角度方向φは前記セグメントに関連付けられる、請求項１０に記載の方法。
12. 前記固定受信機のアンテナは全方向性である、請求項１に記載の方法。
13. 前記重みベクトルｗ^Ｈは、前記アンテナアレイのジオメトリの関数であり、該アンテナアレイは線形且つ等間隔であり、前記重みベクトルｗ ^Ｈ の各構成要素である重みｗ _ｎ は、
    

    

    であり、ここでｊは複素数√（−１）であり、ｎは１からＮまでの整数であり、Ｎはアンテナ本数であり、ｋは波数であり、ｄは前記アンテナ間の距離である、請求項２に記載の方法。
14. エネルギーを最適固有チャネル内に方向付けるように前記重みベクトルを選択することをさらに含む、請求項２に記載の方法。
15. ｖは前記移動送受信機の速度ベクトルであり、
    

    

    であり、ここで、（ｘ，ｙ）はそれぞれ前記速度ベクトルの南北方向成分及び東西方向成分である、請求項６に記載の方法。
16. 前記頻繁に走行されるルートを経時的に更新することをさらに含む、請求項１０に記載の方法。
17. 前記角度方向φにランダムに摂動を与えることであって、前記最適ビームを選択する、ことをさらに含む、請求項１１に記載の方法。
18. 前記摂動を与えられた角度方向に関して前記ＳＮＲを測定することであって、該ＳＮＲが改善されると、前記記憶されている角度方向φを置き換える、ことをさらに含む、請求項１７に記載の方法。

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