JP2008503187A - バックホールネットワークを設置するのにスマートアンテナを使用する方法及びそのシステム - Google Patents

Abstract

ノード（１０２ａ−１０２ｎ）間でメッセージを送信するのにスマートアンテナを使用する方法及びシステムを提供する。無線通信システムは、複数のノード（１０２ａ−１０２ｎ）を含み、各ノードは互いに接続可能である。ノードの少なくとも一部は複数のビーム（１０９ａ−１０９ｈ）を生成するように構成されたスマートアンテナ（２０４）が設けられている。各ノードは、他のノードへメッセージを送信するのに使用されるビーム構成情報及び他のノードのリストを維持する。ソースノードがターゲットノードへ送信することが必要な時、ソースノードはビーム構成情報を検索して、ターゲットノードに向けられた指向性ビーム（１０９）により送信する。

Description

本発明は、無線通信に関する。より詳細には、本発明は、バックホールネットワークを設置するのにスマートアンテナを使用する方法及びそのシステムに関する。

無線通信システムにおいて、最も重要な問題の１つは干渉を減少することによりシステムの容量を増加することである。アレイアンテナ（スマートアンテナとして、また知られている）が、干渉を減少させ及び容量を改善するために開発されている。スマートアンテナは、複数のアンテナ素子を使用して方位角の特定方向へのみ信号を放射する指向性ビームを生成し、そして特定方向から送信された信号を選択的に検出する。スマートアンテナにより、信号がサービス範囲の狭い領域へ放射されるため無線通信システムは容量を増加でき、そして干渉を減少できる。これは、無線送信／受信ユニット（ＷＴＲＵ）などの他の送信機及び受信機及び基地局への過剰な干渉を生ずることがなく指向性ビームの送信電力レベルを増加できるため、システム全体の容量を増加する。

無線通信システムは、一般的に、基地局及び無線ネットワークコントローラなどの複数のノードを含む。ノードは、典型的に、メッシュネットワーク又はセルラーネットワークなどの有線接続によって互いに接続される。ノードは、互いに通信して、バックホールメッセージなどのメッセージを送信する。

しかしながら、有線接続によってバックホールネットワークを設置することついては、有線接続は高価で、時間がかかり、そしてネットワークの修正又は変更に対して融通性がないという不利益が存在する。特に、メッシュネットワーキングは、ノードが互いに接続されることを必要とする。新しいノードがメッシュネットワークに追加される時、バックホールのために新しいノードへの新しい接続を設置するについて、大きな負担（費用と時間の両方の観点において）が存在する。

従って、費用効果的で、時間の消費が少なく、そして融通性のあるバックホールネットワークを設置するための方法及びシステムへの必要性が存在する。

本発明は、バックホールネットワークを設置するのにスマートアンテナを使用する方法及びシステムである。本発明は、スマートアンテナを使用して、セル内通信を改良し、処理能力を増加し、そしてバックホールデータを伝達するために融通性のあるバックホールネットワークの少なくとも一部を形成する。本発明は、複数のノードを含み、そして各ノードがメッシュネットワーク内で互い接続されている無線通信システム内で実現される。ノードの少なくとも一部は、複数の指向性ビームを生成するように構成された１つ又は複数のスマートアンテナが設けられている。１つ又は複数のスマートアンテナを持つ各ノードは、スマートアンテナを持つ他のノード及びビーム方向及びこれら他のノードへメッセージを送信するのに使用される構成情報のリストを維持する。ソースノードがターゲットノードへバックホールデータを送信する必要がある時、ソースノードはターゲットノードのためのビーム方向及び構成情報を検索して、ターゲットノードに向けられた指向性ビームによってメッセージを送信する。

本発明は、ユニバーサル・モバイル通信システム（ＵＭＴＳ）に応用されるような、時間分割デュプレックス（ＴＤＤ）、周波数分割デュプレックス（ＦＤＤ）、及び、時間分割同期コード分割複数アクセス（ＴＤ−ＳＣＤＭＡ）、ＣＤＭＡ２０００、ＣＤＭＡ一般、モバイル通信のためのグローバルシステム（ＧＳＭ）、一般パケット無線システム（ＧＰＲＳ）、及び、ＧＳＭ進化のために増強されたデータレート（ＥＤＧＥ）を含むけれど、これらには限定されない、どんな無線通信システムに応用できる。

以降、用語“ＷＴＲＵ”は、ユーザ装置、移動局、固定又は移動加入者ユニット、ページャー、又は、無線環境内で動作できるいずれの他のタイプの装置を含むが、これらに限定されない。以降に言及される時、用語“ノード”は、基地局、ノードＢ、サイトコントローラ、アクセスポイント、又は、無線環境内のインターフェイス装置のいずれかの他のタイプを含むけれど、これらには限定されない。

図１は、本発明に従う複数のノード１０２ａ−ｎのネットワーク１００のブロック図である。１０２ｎとして図示的に示された、少なくとも１つのノードは、コアネットワーク１１０に接続されている。無線通信システムのコアネットワークの動作は当業者に良く知られておりそして本発明の中心ではない。従って、ここではコアネットワーク１１０は詳細には説明されない。

各ノード１０２ａ−ｎは、ノード１０２ａ−ｎのサービス範囲内に位置する１つ又は複数のＷＴＲＵ（図示しない）をサービスする。ネットワーク１００は、メッシュネットワーク又はセルラーネットワークであってよい。本発明の文脈では、メッシュネットワーク及びセルラーネットワークはともにバックホール情報を送信する。しかし、基本的な差異が存在する。セルラーネットワークは典型的に固定されたネットワーク基盤設備及びバックホール接続を持つ。これらの接続は典型的にはポイントツーポイントであり、そしてこれらは変化しない。１つのノードは、バックホールデータをネットワーク内の別の位置にある別のノードに送信し、そして、その位置にのみ送信する。

メッシュネットワークの場合、ノード間の接続は変化し、したがって、バックホールデータは異なる時間には異なるノードにさらなるルーテイングのために送信される。特に、メッシュネットワークでは、バックホール接続は時々変化するため、スマートアンテナを調節できることが重要であり、異なるノードへの接続が他のノードへの不適当な干渉を生ずることなく達成できるようにする。

ノード１０２ａ−ｎの少なくとも一部には、少なくとも１つのスマートアンテナ（以降に詳細に説明されるような）が設けられていて、そして、通常のＷＴＲＵへのダウンロード送信及びＷＴＲＵからのアップロード受信に加えて、スマートアンテナを他のノード１０２ａ−ｎへのバックホールデータ送信に使用する。これらのノード１０２ａ−ｎは、複数の指向性ビームの生成及び方位角のどんな方向へのビームの操縦が可能である。

ネットワーク１００は、有線接続を持つノード及びスマートアンテナを使用する無線バックホール接続を持つノードを含むと予想される。スマートアンテナを使用して確立された接続は再構成ができ、異なるノードへ向けることができるため、これらはシステムの融通性を増加する。しかし、ノードの少なくとも１つはコアネットワーク１１０への有線接続及び他のノードへの無線接続の両方を有し、本質的に有線のコアネットワークと無線ノードのグループとの間の接続を提供する。ノード１０２ａ−ｎの少なくとも一部は、また、有線又は専用接続を経由してバックホール情報を送信する能力が設けられていてよい。有線及び無線バックホール接続の両方を有するノード（ノード１０２ｎなど）は（以降、ハイブリッドノードと言及する）、有線コアネットワーク１１０への接続となる。換言すると、ノードがスマートアンテナの助けにより無線でバックホール情報を送信する時、このバックホール情報は最終的にコアネットワーク１１０へハイブリッドノード１０２ｎを経由して配達される。従って、ハイブリッドノード１０２ｎは、無線バックホール接続によりバックホール情報をノードへ送信及び受信でき、一方、それはバックホール情報をコアネットワーク１１０へ送信及び受信する。従って、ブリッジを形成する。

１つの実施の形態では、ノード１０２ａ−ｎは、図４に示すように、複数の所定のビーム１０９ａ−ｈを有し、そして、複数のビーム１０９ａ−ｈの中から１つを選択して、送信又は受信の方向を指定する。図４に示されたビームは単に一例として与えられたものであり、いずれの数のビーム、ビームパターン、又は、パターンのいずれの他のタイプも実現できることに注意すべきである。

代替的な実施の形態において、各ビーム１０９ａ−ｈは所定の位置の組から選択されるよりはむしろ、実時間で生成されて方向付けられる。

ノード１０２ａ−ｎは、システム容量、データ処理能力、干渉などの観点から最良の性能を提供する、１つのビーム１０９ａ−ｈ方向を、ダイナミックに又は複数の利用可能な位置の中からのいずれかにより選択する。ノード１０２ａ−ｎは一般に特定の位置に固定されている。従って、一旦、ビーム１０９ａ−ｈ及び２つのノード１０２ａ−ｎ間の構成が設定されると、方向及び構成が記憶されてその後に変更無しに使用できる。各ノード１０２ａ−ｎは他のノード１０２ａ−ｎとの接続のために２以上のビーム１０９ａ−ｈを提供することができる。無線環境とトラフイック負荷は長期間の基礎では変化するかもしれないからである。従って、各ノード１０２ａ−ｎは無線環境を決定するために、他のノード１０２ａ−ｎから受信した信号を監視し、ダイナミックにビーム方向及び信号構成を調節してシステムの性能を最適化する。

システムの動作の一例は次の通りである。ノード１０２ａなどの第一選択ノードはビームを生成してそれをノード１０２ｂなどの別の選択されたノードへ操縦する。これはビーム形成アンテナアレイにより典型的に行われるように、アンテナアレイに印加される複素重みを調節することにより行うことができる。同時に、ノード１０２ａはノード１０２ｂへのリンクＡの品質を測定する。リンクＡの品質は、信号対雑音比、ビット又はフレームエラーレート、又は、他のある測定可能な品質インジケータとして測定できる。送信ノード１０２ａは、最良のアンテナビーム方向、この場合にリンク品質を最大にする重みの最良組合せを見つけて、リンク品質測定及び対応するビーム方向（重み）の両方を記憶する。送信ノード１０２ａは、これを近所の全てのノードに対して行い、そして対応する品質及びビーム情報を記憶する。

どんなノード１０２ａ−ｎも、１つ又は複数のビームを選択的に他のノード１０２ａ−ｎへ向かわせることにより、他のノード１０２ａ−ｎへ柔軟で且つ無線で接続又は切離しできる。図１において、第一ノード１０２ａは指向性ビームＡを使用して第二ノード１０２ｂへメッセージを送信し、そして、指向性ビームＢを使用して第四ノード１０２ｄへ送信する。指向性ビームＡとＢは、独立に制御でき、そして同時に送信できる。各指向性ビームＡとＢは、特定の方向にのみ放射されるから、他のノード１０２ａ−ｎ又はＷＴＲＵと過剰な干渉を生じない。

図２は、本発明に従うノード２０２のブロック図である。ノード２０２はスマートアンテナ２０４、コントローラ２０６、メモリ２０８、及び、選択的な有線リンク２１０を含む。有線リンク２１０は、コアネットワーク１１０又は他のノードへのリンクであってよい。ノード２０２は、ユーザ移動、無線周波数環境中の変化及び共同チャンネル干渉と共にマルチパスに適合するために信号処理アルゴリズムを実現している。コントローラ２０６により実現されている無線資源管理（ＲＲＭ）機能が、ノード２０２内でどのように無線資源を割当てるかを決定する。

スマートアンテナ２０４は、コントローラ２０６の制御下で複数の指向性ビームを生成するための複数のアンテナ素子（図示しない）を含む。各ビームはノード２０２と他のノードとの間の無線接続として機能する。上述したように、ノード２０２は典型的には特定の位置に固定されているため、２つのノード間のビームの方向及び構成は予め定めることができ、そしてメモリ２０８中に記憶できる。メモリ２０８は、他のノード及びこれらの他のノードの各々に対するビーム方向及び構成情報のリストを維持する。ノード２０２がバックホールデータなどのメッセージを別のノードに送信する必要がある時、コントローラ２０６はメモリ２０８から対応するビーム方向及び構成情報を検索し、そして特定の方向に操縦された指向性ビームを生成して、ビームを使用してメッセージを送信する。

ハイブリッドノード１０２ｎの場合、このプロセスはスマートアンテナ２０４の助けにより他のノードとの無線接続の確立の際に続けられる。ハイブリッドノード１０２ｎがコアネットワーク又は他のノードへのバックホール接続を確立する時は、有線リンク２１０が物理的に固定されていて同じ２つのノード間の接続を常時提供するため、構成情報又はビーム選択は存在しない。

本発明によると、スマートアンテナ２０４は好ましくはマルチビーム能力を有し、各ビームは独立に使用できる。ノード２０２は、同時に複数の他のノードへバックホールデータを送信するために２以上の指向性ビームを生成する。同じ周波数が同じサービス範囲内の２以上の指向性ビームに対して再使用できるため、システム容量は実質的に増加する。

いくつかのノードはいくつかのビームが一緒に結合される。これは接続を変更し、そして無線環境内で変更にダイナミックに適合するのに好都合である。例えば、２つのビームが２つのノード間の接続のために提供される。もし、１つのビームが過剰な干渉を受ける場合、ノードはメッセージの送信のために別のビームへスイッチできる。

スマートアンテナの使用はノード間の融通性のあるバックホールリンクの構成が可能である。各ノードは複数の指向性ビームを生成するように構成されていて、指向性ビームを方位角のいずれの方向へ操縦することが可能なため、新しいノードがネットワーク１００に追加される時、既存のノードは新しいノードへ向けられた新しいビーム方向及び構成を単に設定することにより、新しいノードへの新接続を確立できる。これに加えて、既存のノードがネットワーク１００から取り除かれる時、ノードは単にメモリ２０８から取り除かれたノードに対する構成及びビーム方向を削除するだけでよい。本発明は、ノード間の接続を確立又は取り除くために不要な設備の追加的な設置又は除去を行う。本発明はメッシュネットワーク又はセルラーネットワークのいずれにおいて実現できることに注意すべきである。

メッシュネットワーキングの強さの１つは、トラフイック負荷、干渉、及び個別のノード性能を含む複数の要因に依存して、ノード間に新しいリンクを作成し及び削除する能力である。図１に示すように、複数のノード１０２ａ−ｎはスマートアンテナを使用して互いに結合されている。図１中のノード１０２ａ−ｎ間の線は可能なリンクＡ−Ｆを示す。制御は集中化でき、これにより少なくとも１つのノードがノード間の接続を制御するための制御ノードとして機能できる。又は、制御は非集中化でき、ここでは制御はいくつかのノード又は全てのノードにわたって分散される。もし、１つのノードが制御ノードとして指定される場合、この制御ノードは各ノードのトラフイック状態及び性能に関する情報を収集して、１つのノードから別のノードへのメッセージ送信のための最良のトラフイックルートを決定する。

各ノード１０２ａ−ｎは好ましくは１つ又は複数のビーコン信号をその１つ又は複数のビーム中に送信する。これらはネットワーク動作について有用な情報を提供する。例えば、ビーコン信号は現在の電力レベル、トラフイックレベル、干渉レベル及び他のパラメータを送信する。ビーコン信号はまたアクセスの優先度、セキュリティ、識別、及びアクセス制御とセキュリティ制御情報の他の変化するタイプを含むことができる。ビーコン信号は、周期的又は非周期的に測定され、そしてパラメータは最大効率トラフイックルートを見つけるためにノード間の接続を調節するための基礎として利用される。本発明に従いスマートアンテナを使用することにより無線的にバックホール接続の少なくとも一部を形成することは、融通性を可能にし、ノード間の接続を確立しそして調節するための不要な時間と費用を減少できる。

例えば、図１に示すように、もし第二ノード１０２ｂと第四ノード１０２ｄの間のトラフイック負荷が重過ぎる場合、他のノードは以降に詳細に説明するようにノード１０２ｂ、ｄのビーコン信号を読むことにより、２つのノード１０２ｂ、ｄ間のトラフイック状態を認識する。もし第一ノード１０２ａがトラフイックを第五ノード１０２ｅに配達することを望む場合、もし可能ならば、それは第二及び第四ノード１０２ｂ、ｄを避けて、トラフイックをＮ番目のノード１０２ｎを経由する代替的な経路指定をする。

本発明は、融通性のある無線メッシュネットワークを提供するという利点を有するのみならず、バックホール情報（典型的に有線を介して送信された）がまたスマートアンテナを介して同じ融通性のあるリンクを経由して今送信される。本発明による二重使用のスマートアンテナ計画のこのタイプの実現は、現在の無線通信システムにまさる顕著な利益を結果する。

図３は、本発明によるノード間にメッセージを送信するのにスマートアンテナを使用する方法３００のフロー図である。ノードの少なくとも一部には、複数の指向性ビームを生成して方位角に独立して操縦するように構成された少なくとも１つのスマートアンテナが設けられる（ステップ３０２）。各ビームは、ＷＴＲＵへのダウンロード及びＷＴＲＵからのアップロードの通常のトラフイックに加えて、他のノードへの無線接続として使用される。各ノードは、他のノード及び他のノードへの送信のために使用される構成情報及びビーム方向のリストを維持する。ステップ３０２と３０４は典型的にはシステムを設定する又はノードを受け入れる又は削除するためにシステムを再構成する際に実行され、典型的には通常動作中には形成される必要はない。ソースノードがターゲットノードへ送信する必要がある時、ソースノードはメモリからターゲットノードについての構成情報とビーム方向を検索し、そして構成情報及びビーム方向を使用して指向性ビームを生成する（ステップ３０６）。一旦、リンク品質及びトラフイック密度などの他の考察に基づいて、バックホールデータの送信のためにノードが選択されると、送信ノードはリストからビーム方向（重み）を選択し、そしてそれをアンテナに印加する。

環境が変化して、そしてビーム方向の調節が必要なため、リンクの品質の測定と関連情報の記憶のプロセスは周期的にされる必要があるだろう。そして、ソースノードはターゲットノードへ生成された指向性ビームを送信する（ステップ３０８）。

選択的なステップにおいて、ネットワーク内の変化は新しいノードがネットワークへ追加される所、既存のノードがネットワークから取り除かれる所、又は、無線周波数又は他の条件が変化する所で発生する。変化に応答して、他のノードはビーム方向及び構成情報のリストを更新して、変化を反映する（ステップ３１０）。

本発明の特徴と要素が特定の組合せの中の好適な実施の形態において説明されたが、各特長又は要素は、好適な実施の形態中の他の特徴及び要素無しに単独で使用でき、また、本発明の他の特徴及び要素と共に又は無しにさまざまな組合せで使用できる。

本発明に従う複数ノードのネットワークのブロック図である。 本発明に従って作られたノードのブロック図である。 本発明に従うノード間のメッセージ送信にスマートアンテナを使用する方法のフロー図である。 本発明に従うノードにより生成されたビームパターンの例の図である。

Claims (17)

1. 複数のノードを含み、各ノードが少なくとも１つの近くのノードに接続されている無線通信システムであって、各ノードが、
   複数の指向性ビームを生成するためのスマートアンテナと、
   近くのノードへメッセージを送信するのに使用される接続及びビーム構成情報を有する近くのノードのリストを記憶するためのメモリと、
   別のノードへ特定のメッセージを送信するための特定の指向性ビームを選択し、前記複数の指向性ビームの各々を独立に制御するコントローラと、
   を含むことを特徴とする無線通信システム。
2. コントローラは、トラフイック負荷状態及び近くのノードの能力に関する情報を得て、そして前記情報に基づいて別のノードへメッセージを送信するための適当な経路を選択することを特徴とする請求項１に記載のシステム。
3. 複数のノードは、メッシュネットワークを含むことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
4. 複数のノードは、セルラーネットワークを含むことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
5. 複数のノード内の１つのノードが制御ノードとして指定され、前記制御ノードは各ノードの能力及びトラフイック負荷状態に関する情報を収集しそして各ノードにおける経路決定を制御することを特徴とする請求項１に記載のシステム。
6. 各ノードが近くのノードへビーコンメッセージを伝えるビーコン信号を送信し、そして各ノードがビーコンメッセージを他のノードへメッセージを送信するための適当な経路を選択するのに使用することを特徴とする請求項１に記載のシステム。
7. ビーコンメッセージが、電力レベル、トラフイックレベル、干渉レベル、アクセスの優先度、セキュリティ、識別、及び他のアクセス制御とセキュリティ制御情報を含むことを特徴とする請求項６に記載のシステム。
8. 各ノードが、２以上のビームを使用して接続されていて、これにより接続のために与えられたビーム間で適合するようにビームが切り換えられることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
9. 複数のノードを含む無線通信システムにおいてスマートアンテナを使用する方法であって、複数のノードの少なくとも２つのノードの各々がスマートアンテナを有し、スマートアンテナは少なくとも１つの近くのノードへ接続するための少なくとも１つの指向性ビームを生成し、前記方法は、
   近くのノードへメッセージを送信するのに使用される接続及びビーム方向及び構成情報を持つ近くのノードのリストを測定しそして記憶するステップと、
   ビーム方向及び構成情報に従ってターゲットノードへ特定のメッセージを送信するための指向性ビームを生成するステップと、
   生成された指向性ビームによりターゲットノードへ前記メッセージを送信するステップと、
   を含むことを特徴とする方法。
10. ネットワークの変化又は修正を反映してリストを更新するステップをさらに含むことを特徴とする請求項９に記載の方法。
11. トラフイック負荷状態及び近くのノードの能力に関する情報を得て、そして前記情報に基づいて別のノードへメッセージを送信するための適当な経路を選択するステップをさらに含むことを特徴とする請求項９に記載の方法。
12. 複数ノードは、メッシュネットワークを含むことを特徴とする請求項９に記載の方法。
13. 複数ノードは、セルラーネットワークを含むことを特徴とする請求項９に記載の方法。
14. 複数のノード内の１つのノードが制御ノードとして指定され、制御ノードは各ノードの能力及びトラフイック負荷状態に関する情報を収集しそして各ノードにおける経路決定を制御することを特徴とする請求項９に記載の方法。
15. 各ノードが近くのノードへビーコンメッセージを伝えるビーコン信号を送信し、そして各ノードがビーコンメッセージを他のノードへメッセージを送信するための適当な経路を選択するのに使用することを特徴とする請求項９に記載の方法。
16. ビーコンメッセージが、電力レベル、干渉レベル、トラフイックレベル、アクセスの優先度、セキュリティ、識別、及び他のアクセス制御とセキュリティ制御情報を含むことを特徴とする請求項１５に記載の方法。
17. 各ノードが、２以上のビームを使用して接続されていて、これにより接続のために与えられたビーム間で適合するようにビームが切り換えられることを特徴とする請求項９に記載の方法。

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