JP2005520381A - スマートアンテナおよびダイバーシティ技法を実施するための方法およびシステム - Google Patents

Abstract

共通無線周波数（ＲＦ）チェーンをマルチアンテナからベースバンドに変換するための方法および装置である。より良い品質の信号を受信するアンテナが優先され、アップリンクおよびダウンリンクの両方に対してより大きな柔軟性と適用性を有するアンテナ選択が行われる。各タイムスロット期間中に測定がなされ、より良い品質の信号を有するアンテナに対して与えられるウェイト付けが決定される。タイムスロット間から単一シンボルまでのレンジに渡って測定を行うための技術および装置が提供されている。例えば、最良の信号を選択するために、本明細書中に記述された技術は、個別に、またある場合には、更なる便益を享受するために組み合わされて利用される。

Description

本発明は、無線技術に関する。より詳細には、本発明は、送信および／または受信される通信の品質(quality)を改善し、よりよい品質の信号の選択を容易にするための、スマートアンテナ(smart antenna)およびダイバーシティ技法(diversity technique)の分野に関するものである。

無線システムの送信機および受信機は、一般的に、コストの観点で好ましい単一のアンテナを使用する。しかし、ある種のコスト対便益性(cost/benefit feature)を提供することが判明しているマルチアンテナアレイ(multiple antenna array)も使用されている。

最良の品質(best quality)を有する信号を受信（または、別の場合では、送信）するアンテナを選択する能力を提供することは、いずれにしても非常に好ましいことである。

本発明は、一実施形態において、マルチアンテナアレイ(multi-antenna array)中の各アンテナにより受信された信号をモニタして、信号品質(signal quality)を判定(determine)し、処理(processing)のためにより品質の良い信号を選択するための方法および装置を提供する。処理するために選ばれた信号選択を変更(alter)する能力(capability)を、そのような変更が同様に正当とされる場合にいつでも提供するために、受信期間中にわたって信号品質のモニタを継続する。本明細書中に記載されたいくつかの技法は、アップリンク応用例にもダウンリンク応用例にも使用することができる。

以下の図面は、本発明の原理を実施する方法および装置を説明する際に有用であり、同じ構成要素は同じ数字で示してある。

図１は、アンテナ１２および１４を備えた受信機設備(receiver facility)１０を示す。各アンテナは、図示されていない遠隔送信機からの着信ＲＦ信号を受信する。アンテナ１２および１４により受信された信号は、それぞれリニア低雑音増幅器(linear low noise amplifier)１６および１８により増幅され、次いで、混合器(mixer)２０および２２にそれぞれ供給されて、そこで０、１、−１、またはシンボルと等しい周期を有する連続波ソース（例えば、ＷＴＤＤについては２４０ｋＨｚ）等の低周波成分(low frequency component)が掛け算される。

図１に示された実施形態において、符号分割多元接続（ＣＤＭＡ）方式に基づくシステムのシンボルレートは２４０ｋＨｚであり、マルチアンテナより取得された信号は、逆拡散(despreading)させた後、分離(separate)することができる。同じ効果を達成できる他の周波数を選択してもよいことに留意されたい。

回路２４および２６は、入力信号に対するサポート信号(support signal)をそれぞれ供給し、信号源(source)２８（実施形態中のものは２４０ｋＨｚで動作する）により駆動される。混合器２０、２２からの信号が３０において結合され、図示されているような可能な出力を提供する。この出力は、次に更なる処理のために単一受信機に送信される。

使用されるアンテナは、互いに類似で異なった位置に配置されてもよいし、または異なった設計のものであってもよいことに留意されたい。得られた信号は、それらの品質の判定のために比較され、最高品質の信号を得るために選択される。また、３本以上のアンテナを使用してもよい。

図２は、本発明の別の代替実施形態３２を示す。ここで、アンテナＡおよびＢは、アップリンク応用例またはダウンリンク応用例のどちらか一方のために使用され、切り替え手段(switching means)３４を介して結合される。切り替え手段は、送信するために、選択されたアンテナに結合するための、または受信するために、選択されたアンテナを受信機の入力に結合するための電子的切り替え手段であることが好ましい。ダウンリンクの実施形態では、受信機は、１つのアンテナからの一連のタイムスロット(sequence of timeslots)または一連のフレーム(sequence of frames)と、残りのアンテナ（群）からの別の数の単位を処理する。図２では２本のアンテナが示されているだけであるが、多数のアンテナが使用されてもよいことを理解されたい。

初期の動作(initial operation)として、出力信号は、図３に示されたモニタデバイス(monitoring device)３６に結合される。信号Ａと信号Ｂの品質が本質的に同じであると仮定すると、モニタ回路(monitoring circuit)３６は、切り替え手段３４を交互に動作させて、受信されたフレームまたはスロットが波形３８ａに示されているように、出力利用デバイス(output utilization device)に交互(alternately)に転送(transfer)されるようにする。もう１つの例として、交互の切り替え構成(alternating switching arrangement)は、２つ（以上）の信号Ａの連続タイムスロット(consecutive time slots)が同数の信号Ｂのタイムスロットと交互になるものでもよい。

検査される信号ＡおよびＢのそれぞれのフレームまたはスロットが、信号Ａの品質の方が信号Ｂの品質に勝るということを示したと仮定すると、その結果、モニタ手段３６は切り替え手段３４を動作させ、連続した３単位（即ち、タイムスロット、フレームなど）の信号Ａを受信し、その後、アンテナ１４に切り替えて１単位の信号Ｂを受信し、その後は、このパターンを繰り返すようにする。この信号選択の間中、モニタ回路３６は信号Ａと信号Ｂそれぞれのスロット、および／または、フレームのモニタを継続し、信号の品質に変化があり、その結果、信号Ｂの品質の方が信号Ａの品質に勝るようになった場合は、モニタ手段３６が切り替え手段３４を動作させ、多数の信号Ｂの連続単位を出力利用デバイスに結合し、その後により少数の信号Ａの連続単位を結合し、信号Ａと信号Ｂとの間で次の信号品質の変化が発生するまでこのパターンを繰り返すようにする。また、連続して信号Ａと信号Ｂの品質を確認し、受信機に接続されるアンテナ毎の期間のウェイト付けを変更するために信号Ａおよび信号Ｂのモニタは、受信期間（または送信期間）中継続することに留意されたい。

提示された実施形態は、波形３８ｂにより示すように信号Ａを優遇(favor)した、または波形３８ｃにより示すように信号Ｂを優遇した、比率３対１の信号受信期間を示しているが、他の方法によるウェイト付け(weighting)が選択されても良く、そのようなウェイト付けは相対品質の関数(function of relative quality)として選択されても良いことを理解されたい。例えば、ある相対品質レベル(relative quality level)は比率４対１を保証(warrant)することができ、それより低い相対品質レベルは比率３対１を保証することができ、更に低い品質レベルは比率２対１を保証することができる等々である。使用されるアンテナ１２および１４は、設計上類似で物理的な位置によってのみ区別できるものでもよいし、設計の異なるアンテナであってもよい。例えば、両アンテナとも無指向性でもよいし、一方のアンテナが、無指向性で、他方が高指向性放射パターン(highly directional radiation pattern)を持つもの等でもよい。各アンテナのどちらか一方がアンテナアレイであってもよく、アレイは、異なる指向性パターン(directivity pattern)を持っていてもよいし、類似の指向性パターンであるが異なる方位を持っているもの等でもよい。

切り替えられるアンテナの数は、２本を越えてもよい。しかしながら、信号Ａと信号Ｂ、ならびにその他の信号または信号群のモニタ(monitoring)および比較(comparison)は、所定の優先順位(priority)にかかわらず続き、その結果、モニタされる信号間で信号品質の変化が起こると、優先順位が適切に変更される。モニタされる信号間で信号品質が同等な場合は、波形３８Ａで示すような交互のパターンが得られることに留意されたい。他のパターンを使用しても、同等性(equality)が与えられる。例えば、信号Ａの２つの期間またはフレームが信号Ｂの２つの期間またはフレームと交互になっている。

図２および図３に示された実施形態の構成は、簡単に実施でき、また実施の費用も最少である。

同じ技術がアップリンク応用例、特に時分割デュプレックス（ＴＤＤ）システムに使用できる。ＴＤＤにおいては、アップリンクチャネルとダウンリンクチャネルは逆であるので、いったん各アンテナで信号品質が測定されると、この情報はどのアンテナに優先権を与えるべきかを決定するために使用され、また受信応用例の場合と同じ方法で、送信機は、それらのアンテナの信号品質の比較に基づいて、１本のアンテナからは複数の単位の信号を、また他のアンテナからはもう１つの異なった単位数の信号を送信する。送信設備は、遠隔の受信機に各アンテナを介してパイロット信号を供給する。

図４は、本発明の他の実施形態であり、図２に示された実施形態を変更したものを示す。図２の実施形態３２において、測定(measurement)は、全タイムスロット(whole time slot)に渡って行われ、これらの測定値に基づいた決定は、次に続くタイムスロットまたはフレームにおいて使用される。比較される信号(compared signal)の優先順位付けにおける開始遅れ(delay in initiating priority)を著しく減少させるために、図３に示された実施の形態３２’では、１個または数個のみのシンボルを検査することにより、タイムスロットまたはフレームの始めで測定を実施している。これを達成するために、受信機は最初のビットまたはシンボル、あるいは数ビットまたは数シンボルにおいて測定された品質と、タイムスロットまたはフレームのその他の部分の品質との相関を学習(learn)する。これは、例えば、タイムスロットの残りの部分のシンボルあたりのエネルギーと比較するための最初のシンボル（群）のシンボルあたりのエネルギーと、タイムスロットのブロックエラーとを計算して記憶装置の中に格納し、リアルタイムでの測定のために使用される相関モデルを構築することで達成される。図４の技術は、チャネルがより高速に切り替わる状況下では、図２に示された技術にとって好ましいものである。

ＴＤＤ応用例においては、波形４０ａに示されているように、最初のビット（群）のエネルギーとチャネル品質との相関が判定される（周波数分割デュプレックス応用例の場合、モニタデバイスは、ショートセグメントのパイロットエネルギーまたは他のパラメータとチャネル品質との間の相関を学習する）。波形４０ｂで示されているように、信号Ａの１つまたは２つのシンボルの解析に次いで信号Ｂの１つまたは２つのシンボルが解析され、その後直ちに、タイムスロットまたはフレームの残りの部分が、信号Ａおよび信号Ｂの品質レベルに応じて、選択されたアンテナ１２または１４から取得される。

品質測定（quality measurement）および比較(comparison)に使用された最初の１つまたは２つの信号は、誤り訂正符号等を使って再構築(reconstruct)することができる。

図５は、本発明の更に他の実施形態を示す。この実施形態では、チャネル条件を保証するもの(channel conditions warrant)としての各技術の便益(benefit)を享受(reap)するために、前述の各実施形態における技術が組み合わされる。この技術は、大量の処理を必要とするが、より適切な解決策が得られる。

図５に示された実施形態４４において、チャネル推定器(channel estimator)４６は、チャネル応答(channel response)を推定(estimate)し、アルゴリズムのウェイト４８および５０（ブロック４８は、アルゴリズム３２を展開(deploy)し、ブロック５０は、アルゴリズム３２’を使用する）を、チャネル特性（例えば、目まぐるしく変化するチャネルに対しては、３２’がより頻繁に使用され、変化の遅いチャネルに対しては、３２がより頻繁に使用される）に依存して変更する。

本発明の更に別の実施形態として、ＴＤＤおよびＦＤＤタイプの第３世代（３Ｇ）システムにおいては、各種のプロセスに関する決定(decision)をするために、単一の品質測定(single quality measurement)が必要である。本発明における１つの実施形態では、アンテナ群中の１本のアンテナからの信号を選択し、受信および送信ダイバーシティのための処理を行う。望ましい測定法(desired measurement)は、一般的に、信号測定から想起し得る信号対雑音比に関するものである。本発明の概念は、信号について他に何も分からない場合に、雑音レベルに基づいて判定(decision)を行う能力(ability)を提供するものである。一例として、広帯域信号レベルが複数のアンテナを介して測定され、図１のアンテナ１２および１４のようなアンテナ群の中から、どのアンテナがより強い信号を持っているかを判定(decide)する。測定される信号が所望の信号なのか、それとも妨害信号なのかを知るすべがない場合には、ガード期間(guard period)の雑音エネルギー(noise energy)が測定され、次に、最も高いビットあたりエネルギー対雑音エネルギー比を有するアンテナを選択して最も高い信号対雑音比を有するアンテナを選択するために、各アンテナについてビットあたりのエネルギーが測定される。こうして、アンテナＡおよびアンテナＢそれぞれによって受信されるガード期間（非信号(no signal)）は、所望の信号(desired signal)に優先権(priority)を与えるため交互(alternately)に測定(measure)される。別の実施形態では、データ信号の送信と送信の間に測定が行われ、どの信号に優先権を与えるかを判定(determine)するために解析が行われる。次に、図２に示された実施形態など本明細書の中で今まで述べてきた方法により、優先される信号(priority)にウェイトが付けられる。

本発明の原理を具現化するためのマルチアンテナシステムの好ましい実施形態を示す概略図である。 本発明の別の実施形態を示す簡略図である。 本発明の別の実施形態を示す簡略図である。 本発明の別の実施形態を示す簡略図である。 本発明の別の実施形態を示す簡略図である。

Claims (35)

1. 順次送信された同じ長さのスロットであって、該スロットは処理用デバイスに接続するために少なくとも２つのアンテナアセンブリにより受信されるスロットで構成されている通信を取り扱う方法として、
   （ａ）前記アンテナアセンブリ群の中の異なる１つから前記デバイスに連続したスロットが転送されるように、交互に前記アンテナアセンブリの出力を前記デバイスに転送するステップと、
   （ｂ）受信されたスロットの各々を信号品質に関してモニタするステップと、
   （ｃ）前記アンテナアセンブリ群の中でより高い信号品質のスロットを供給する１つのアンテナアセンブリから、前記アンテナアセンブリ群の中の残りの１つのアンテナアセンブリによって前記デバイスに転送されるより低い信号品質のスロット１つ毎に、少なくとも２つの連続したスロットが前記デバイスに転送されるように、転送順序を変更するステップと、
   を含むことを特徴とする方法。
2. 信号品質の変化を検出するために、各アンテナからの少なくとも１つのスロットを信号品質に関してモニタし続けるステップを更に含む、ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記アンテナアセンブリ群からのスロットの信号品質が実質的に同等であるとき、前記ステップ（ａ）の転送パターンに戻るステップを更に含む、ことを特徴とする請求項２に記載の方法。
4. 前記ステップ（ｃ）は、より高い品質の信号とより低い品質の信号との間の信号品質の差が増大しつつあるとき、より高い信号品質を有する前記アンテナアセンブリから転送される連続したスロットの数を、より低い品質の信号を出力している残りのアンテナアセンブリから転送される単一スロット毎に、増加させてゆくステップを更に含む、ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
5. 前記アンテナアセンブリによって受信された信号は送信のために変調され、前記デバイスは、前記受信されたスロットを復調する受信機である、ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
6. 順次送信された同じ長さのスロットが、第１のアンテナアセンブリおよび第２のアンテナアセンブリにより受信されるように構成された通信を処理する方法であって、
   前記第１のアンテナアセンブリおよび前記第２のアンテナアセンブリよりそれぞれ出力されたスロットに所定の周波数ｆを有する信号Ｆを乗算し、そして変換された信号を加算して出力Ａ、Ｂ、Ａ＋Ｂ、Ａ−Ｂ、Ａ＋Ｂ・Ｆ、およびＡ・Ｆ＋Ｂを算出し、ここで、スロットＡは、前記第１のアンテナアセンブリより取得され、スロットＢは、前記第２のアンテナアセンブリより取得される、ことを特徴とする方法。
7. 前記スロットＡおよび前記スロットＢを信号品質に関してモニタし、前記スロットＡおよび前記スロットＢの中からより高い信号品質を有する一方のみを通過させるステップを更に含む、ことを特徴とする請求項６に記載の方法。
8. 前記スロットＡおよび前記スロットＢの信号品質が反転したとき、スロットの選択を逆にするステップを更に含む、ことを特徴とする請求項７に記載の方法。
9. 前記スロットＡおよび前記スロットＢに前記信号Ｆを乗算する際に、前記スロットＡおよび前記スロットＢが直交するように、前記信号Ｆの周波数を選択するステップを更に含む、ことを特徴とする請求項６に記載の方法。
10. 前記選択された周波数は２４０ｋＨｚである、ことを特徴とする請求項９に記載の方法。
11. デバイスに配信される通信の信号品質を高めるための装置であって、前記信号は順次に送信された順次スロットを有し、前記装置は、
    前記通信を受信するための第１のアンテナアセンブリおよび第２のアンテナアセンブリと、
    前記アンテナアセンブリ群の中の別々の１つのアンテナアセンブリにより順次スロットが前記デバイスへ切り替えられるよう、交互に各アンテナアセンブリの出力を前記デバイスへ切り替える切り替えユニットと、
    前記アンテナアセンブリからの出力を信号品質に関してモニタするモニタ手段とを備え、
    前記切り替えユニットは、より高い信号品質を有するアンテナアセンブリからの少なくとも２つのスロットが、より低い信号品質を有するアンテナアセンブリからの１つのスロットが転送される前に前記デバイスに結合されるように、前記モニタ手段に応答して切り替え順序を変更する変更手段を含んでいる、
    ことを特徴とする装置。
12. 前記第１のアンテナアセンブリおよび前記第２のアンテナアセンブリの出力の信号品質が実質的に同等であるとき、前記変更手段は、その切り替えパターンを、異なったアンテナアセンブリにより前記デバイスに結合される順次スロットに戻す、ことを特徴とする請求項１１に記載の装置。
13. 前記デバイスは、転送されてきたスロットを処理してベースバンド信号を得る手段を備えた受信機である、ことを特徴とする請求項１１に記載の装置。
14. 前記モニタ手段は、信号品質を判定するために実質的にスロット全体を評価する、ことを特徴とする請求項１１に記載の装置。
15. 前記モニタ手段は、信号品質を判定するためにスロット中の僅少数の初頭シンボル（群）のみを評価する、ことを特徴とする請求項１１に記載の装置。
16. １つのスロットの１つのシンボルのみが評価される、ことを特徴とする請求項１５に記載の装置。
17. １つのスロット中の最初の数シンボルのみが評価される、ことを特徴とする請求項１５に記載の装置。
18. 前記アンテナアセンブリへ伝達される通信信号は誤り訂正符号を含み、
    前記装置は更に、信号品質の判定のために使用されたシンボルから、失われた情報を回復する手段を含む、
    ことを特徴とする請求項１５に記載の装置。
19. 前記モニタ手段の評価は、タイムスロットの最初のシンボル（群）とその残りのシンボルとを関連付ける手段を用いる、ことを特徴とする請求項１５に記載の装置。
20. 前記関連付ける手段は、相関を判定するために、スロット（群）のエネルギーと、タイムスロットのブロック誤りとを格納する、ことを特徴とする請求項１９に記載の装置。
21. タイムスロットの開始点での信号品質を評価し、前記評価に基づいて、受信されたタイムスロットの残りを処理する手段を更に含む、ことを特徴とする請求項１５に記載の装置。
22. 前記信号品質を評価する手段は、最初のビットの品質値とタイムスロットの残りの部分との間の相関を判定する手段を含む、ことを特徴とする請求項２１に記載の装置。
23. 前記通信信号はＴＤＤタイプであり、前記信号品質を評価する手段は、最初のビットとチャネル品質との間の相関を決定する手段を有する、ことを特徴とする請求項２１に記載の装置。
24. 前記通信信号はＦＤＤタイプあり、前記信号品質を評価する手段は、受信されたパイロット信号のショートセグメントとチャネル品質との間の相関を決定する手段を有する、ことを特徴とする請求項２１に記載の装置。
25. 同じ長さのスロットが順次送信されることで始まる通信であって、該通信が少なくとも２つのアンテナアセンブリにより受信されるとき、該通信を処理する装置として、
    チャネル推定器と、
    履歴、直近のチャネル推定、および最適化のうちの少なくとも１つに基づいて信号品質を判定する第１のユニットおよび第２のユニットと、
    を具備したことを特徴とする装置。
26. 前記第１のユニットおよび前記第２のユニットの出力は、組み合わせ手段において組み合わされる、ことを特徴とする請求項２５に記載の装置。
27. 前記組み合わせ手段の出力は信号品質出力を提供する、ことを特徴とする請求項２６に記載の装置。
28. 前記ステップ（ｂ）は、
    タイムスロットのガード期間における雑音エネルギーを測定するステップ（ｄ）を更に含む、
    ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
29. 前記ステップ（ｄ）は、測定された前記雑音エネルギーを信号対雑音比の判定のために使用するステップを更に含む、ことを特徴とする請求項２８に記載の方法。
30. 前記ステップ（ｂ）は、
    各アンテナについてタイムスロットのガード期間における雑音エネルギーを測定するステップ（ｄ）と、
    各アンテナについてビットあたりのエネルギーを測定するステップ（ｅ）と、
    最も高いビットあたりのエネルギー対雑音エネルギー比を有するアンテナを選定するステップ（ｆ）と、
    を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
31. 前記ステップ（ｂ）は、タイムスロットのタイムスロットシンボルと残りの部分との相関を判定する、ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
32. 前記ステップ（ｂ）は、タイムスロットシンボルと前記シンボルのブロック誤りとの間の相関を判定する、ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
33. 前記相関は、タイムスロットのエネルギーおよびブロック誤りを格納することにより判定される、ことを特徴とする請求項３１に記載の方法。
34. 前記ステップ（ｂ）は、
    最初のビットおよび最初のシンボルの中の１つにおいて測定された品質と、タイムスロットまたはフレームの中の１つの残りの部分との間の相関を判定するステップ（ｄ）を更に含む、
    ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
35. 前記ステップ（ｄ）は、少なくとも最初の１つのシンボルにおけるシンボルあたりのエネルギーを計算し、前記計算されたエネルギーとタイムスロットの残りの部分におけるシンボルあたりのエネルギーとを比較するステップを含む、ことを特徴とする請求項３４に記載の方法。

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