JP2012521120A - 改良型中継器 - Google Patents

Abstract

【課題】 送信者に対する良好なチャネルをセルラ通信システム内の中継器に与えることができ、また干渉信号を抑制する十分な能力を中継器に与えること。
【解決手段】 本発明はセルラ通信システム（２００、３００）用中継器（２２５、３２５）を開示し、中継器（２２５、３２５）は第１および第２のアンテナビーム（２２６、２２７）を備えた少なくとも第１のアンテナを含む。中継器（２２５、３２５）は、他の送信源（２１０）からの干渉を最小化する一方でシステム（２００、３００）内の第１の送信者（２１５）上にそのアンテナビーム（２２６）の焦点を合わせるようにアンテナビーム（２２６）の少なくとも１つを電子的に成形するように構成される。
【選択図】 図２

Description

本発明はセルラ通信システム用中継器に関する。

背景
多くのセルラ通信システムでは、中継器はセルの制御ノードとセル内の１つまたは複数のユーザとの間の通信チャネルを強化するために使用される。その最も単純な形式では、中継器は入力信号を受信し、増幅し、次にそれを受信者に向けて転送する。したがって中継器は、１つは入力信号用そして１つは転送信号用の少なくとも２つのアンテナビームを有することになる。

中継器は、通常は屋根頂部、壁、柱等上に設置される部品である。しかしながら中継器が正しく機能するためには、中継器は送信者に対し良好なチャネルを有することが重要であり、送信者の信号を中継器は受信し増幅し転送する。良好なチャネルは、例えば見通し線（ＬＯＳ：Line-Of-Sight）が得られるようなやり方で入力信号点の中継器のアンテナビームを信号源、すなわち送信者に向けることにより保証される。

中継器が送信者に対し低品質チャネルを有すると、中継器はシステム性能の改善に寄与しなくなる。実際、うまく設置されていない中継器はさらに多くの干渉をシステムに加え、したがってシステム性能を劣化させることすらあるかもしれない。

中継器が使用される際にシステム性能の劣化を引き起こす別の要因は、中継器もまた受信するすべての干渉信号を増幅し転送するということである。

概要
上記説明から明らかになったように、送信者（その信号を中継器が転送する）に対する良好なチャネルをセルラ通信システム内の中継器に与えることができ、また干渉信号を抑制する十分な能力を中継器に与えることができる解決策が必要とされている。

このような解決策は、第１および第２のアンテナビームを有する少なくとも１つの第１のアンテナを含むセルラ通信システム用中継器を開示するという点で、本発明により提供される。

本発明の中継器は、他の送信源からの干渉を最小化する一方でシステム内の第１の送信者上にそのアンテナビームの焦点を合わせるようにアンテナビームの少なくとも１つを電子的に成形するように構成される。

こうして、本発明の中継器は、送信者方向の改善されたチャネルを、従来から知られた中継器より容易にかつ適応的に得ることができ、また干渉を適応的に抑制することができる。

一実施形態では、本発明の中継器はさらに、そのビーム成形を実行するように、かつシステム内の別のノードから前記ビーム成形を最適化するための命令を受信するように、構成される。

一実施形態では、本発明の中継器はビーム成形を最適化して実行するように、すなわち、システム内の他のノードから命令を受信すること無しに構成される。

一実施形態では、本発明の中継器は、受信された所望の信号と１つまたは複数の干渉信号を測定することによりビーム成形を最適化するように、そして所望の信号と１つまたは複数の干渉信号との間のＳＩＮＲ（信号対干渉プラス雑音比：Signal to Interference plus Noise Ratio）を最大化するようにビーム成形を実行するためにそれらの測定結果を使用するように構成される。

本発明のこれらおよび他の実施形態と利点については以下の明細書の中でさらに詳細に説明する。

本発明について、添付図面を参照し以下にさらに詳細に説明する。

従来技術のシステムを示す。 本発明の第１の実施形態を示す。 本発明の第２の実施形態を示す。

詳細な説明
本発明について以下に詳細に説明する。いわゆるＬＴＥ（長期発展：Long Term Evolution）システムに固有と考えられる用語が使用されるが、これは読者の本発明の理解を容易にするためだけであるということ、そして本発明は例えばＣＤＭＡ２０００、ＴＤ ＳＣＤＭＡ等の多くの異なる種類のセルラ通信システムにおいて使用可能であるので、本発明が求めるあるいは本発明に付与される保護の範囲を制限するようにこれら用語が使用されてならないということを理解すべきである。本発明はまた、例えばＷＬＡＮシステム等の非セルラ無線通信システムにおいて適用可能である。

図１に、セルラ通信用の従来技術のＬＴＥシステム１００を示す。図示のように、システム１００は、制御ノード、ｅＮｏｄｅＢ１１５、および少なくとも１つのユーザ（ユーザ装置）ＵＥ１２０が存在するセル１０５を含む。セル１０５内には、ｅＮｏｄｅＢ１１５とＵＥ１２０間の見通し線（ＬＯＳ）を妨害する障害物１３５も存在する。

障害物１３５の影響に打ち勝つために中継器「Ｒｐ」１２５が配置される。中継器１２５は、ｅＮｏｄｅＢ１１５から信号を受信し、それらを増幅し、ＵＥ１２０に転送するように構成され、ならびに、ＵＥ１２０からｅＮｏｄｅＢ１１５への信号に同じことをするように構成される。

図示のように、中継器１２５はまた、ここでは近接または隣接セル内のｅＮｏｄｅＢ１１０として示す干渉源から信号を受信する。当然、これは干渉信号源の単なる一例である。なぜなら、多くのこのような源が発生し得るし、また発生するからである。言及できる干渉の他の源の例は、他のセル内のユーザ端末、他のセル内の中継器、およびシステム１００以外のシステムに属する信号源である。

したがって、中継器１２５はｅＮｏｄｅＢ１１５から所望の信号を受信すると同時にまた他の源から干渉信号を受信することになる。これは、図２を参照して後述する解決策により本発明が対処する課題である。

図２に示すように、本発明は、第１のアンテナビーム２２６と第２のアンテナビーム２２７を有するアンテナを有する中継器２２５を開示する。少なくとも第１のアンテナビーム２２６は、第２のｅＮｏｄｅＢ２１０等の源からの干渉信号の受信を低減または抑制する一方でｅＮｏｄｅＢ２１５等の送信者上にその焦点を合わせられるように電子的に成形されるように構成される。

ビーム成形またはビーム形成それ自体は当業者によく知られており、このためここでは深く説明しない。しかしながら好ましくは、ビーム成形を実行するために一群のアンテナ素子が使用され、アンテナビームまたはビーム群の成形または形成の例えば、指向性を増すといった所望の効果を得るために異なる位相と振幅が、異なるアンテナ素子への／からの信号に与えられる。

また、用語「アンテナ」は本明細書では上述のビームを形成することができる部品を示すために使用されるということに留意されたい。このような部品は、当業者には周知のように、上記アンテナ素子を含む１つの物理的構成要素あるいはアンテナ素子が構成される複数の物理的構成要素のいずれであってもよい。したがって例えば、本明細書に記載のように２つのビームを有する上記アンテナは１つまたは複数の物理的構成要素であってよく、実際、一実施形態では、第１および第２の「副アンテナ」（ビーム毎に１つの副アンテナ）であるかもしれない。同じことは３つ以上のビームを有する実施形態についても当てはまる、すなわち、Ｎ個のビームを有するアンテナもまた例えばＮ個のサブアンテナ（ビーム毎に１つの副アンテナ）で構成することができる。

本発明の一実施形態では、中継器２２５自体はビーム成形を実行するように構成される、すなわち、ビーム成形を実行する必要がある装置が中継器２２５に含まれ、一方、成形ビームまたはビーム群がどのように見えなければならないかの命令はシステム内の別のノード、例えばｅＮｏｄｅＢ２１５等から受信される。このような実施形態では、システム内の中継器２２５または別のノードは干渉信号の強度とそれらが来る方向とを測定するように構成され、測定結果は（測定ノードで決定が行われなければ）ビーム２２６の形状を決定するノードに送られ、測定結果を受信したノードは次に、どのようにビーム２２６（またはビーム群）を成形しなければならないかについて中継器２２５に指示する。代替案として、「指示ノード」がこの測定を実行してもよい。

別の実施形態では、中継器２２５は、最適ビーム２２６がどのように見えなければならないかを判断するように、およびビーム成形自体を実行するように、構成される。このような実施形態では、中継器２２５は、受信された所望の信号と１つまたは複数の干渉信号を測定することにより最適なビーム形状を決定するように、そして所望の信号と１つまたは複数の干渉信号間のＳＩＮＲ（信号対干渉プラス雑音比）を最大化するようにビーム成形を実行するためにこのような測定を使用するように、構成される。

別の実施形態では、中継器２２５もまた、受信者（この例ではＵＥ２２０）に向けられるビームを成形するように構成される。これは、例えばＵＥ２２０が移動する場合に有用となる。当然、これらのビーム成形機能は、中継器２２５がＵＥ２２０から信号を受信しこれをｅＮｏｄｅＢ２１５に転送する場合は「逆にする」ことができる。

一実施形態では、中継器２２５は１つの面、例えば方位角面内でそのビーム成形を実行するように構成され、一方、別の実施形態では、中継器２２５は、ビーム成形が方位角面と仰角面の両面内で実行されるように互いにほぼ垂直な２つの面内でそのビーム成形を実行するように、構成される。これは、中継器２２５がアンテナビーム２２６、２２７毎に有するアンテナ素子の数量と中継器２２５が備えるビーム成形装置の複雑さにより決定される。

中継器２２５の１つまたは複数のビーム２２６、２２７のビーム成形は、異なる時間スケールで、例えば、中継器を設置する際に、または所定の間隔で、またはシステム２００の動作中に適応的に、のいずれかで行うことができる。ビーム成形が比較的緩やかな時間スケールで行われる場合、受信妨害レベルが所定の閾値を超えると、あるいはＳＩＮＲ（信号対干渉および雑音比）が所定の閾値を下回ると、ビーム成形を更新する必要がある。

ビーム成形に関するいくつかの注意点について以下に述べる。

統計的ディジタルビーム成形
デジタルドメインにおけるビーム成形の１つの解決策について以下に簡潔に説明する。

アンテナアレイが中継器「捕捉（pick up）」（受信）アンテナとして使用されると仮定すると、中継器の受信信号は次のように表すことができる。
ｘ（ｔ）＝ａ（θ_０）ｓ（ｔ）＋ｉ（ｔ），ｔ＝１，Ｋ，Ｎ
ここで、ａ（θ_０）は角度θ_０でアレイに入射する信号に対するアレイ応答ベクトル（例えば、標準的な等間隔線形アレイの）、ｓ（ｔ）は送信信号、ｉ（ｔ）は雑音および／または干渉障害ベクトルである。

ある空間方向を他方向より有利にするために、受信信号ベクトルは空間周波数フィルタ（ビーム成形）により処理され、空間周波数フィルタの出力は次のように与えられる。
ｙ（ｔ）＝ｗ^Ｈｘ（ｔ）

ビーム成形重みベクトルｗを選択する際に複数の選択肢がある。１つの選択肢は、ビーム成形フィルタから期待出力電力だけを最大化するようにビーム成形を選択することである。すなわち、

ここで、Ｒ_ｘは受信信号ｘ（ｔ）の共分散行列であり、次の数式で与えられる。

ここで、我々は簡単にするために空間的白色雑音／干渉を仮定した。

このとき、解は次のように与えられる。

すなわち、先ず、スペクトル内の最大ピークを突き止める必要がある。

ここで、最大ピークが目的の信号の方向に一致すると仮定し、

は標本共分散マトリクスである。

このとき、結果として得られるビーム成形は数式（１）に

を挿入することにより与えられる。出力電力を最大化するこの種のビーム成形は照合フィルタでもある。

例えば近隣のＲＢＳまたは他の中継局からの強い干渉を有する状況では、整合フィルタの良い代替は、目的の信号の方向に一定の利得を保つ一方でいかなる受信妨害も最小化しようとするＭＶＤＲまたはＣａｐｏｎビーム成形（Capon’s beam shaping）である。ＭＶＤＲビーム成形は以下の最適化問題を解くことにより与えられる。

その解は次のように与えられる。

ここで、θ_０は、目的の信号（例えばサービングＲＢＳ）の方向である。数式（３）のビーム成形は、（数式（１）と比較して）その共分散行列を介した受信信号ｘ（ｔ）（または、むしろその共分散行列（２）の推定値）に依存するので、通常は適応ビーム成形と呼ばれる。数式（３）の分母は正規化目的のためだけであり、このためビーム成形の空間的特性に影響を与えないということにも留意されたい。

方向θ_０はＭＶＤＲスペクトル内の対応ピークを突き止めることにより見出される。

ここで、最大ピークは目的の信号の方向に一致すると仮定する。もちろん数式（３）に異なるθ_０を単に挿入することによりビームを異なる方向に向けることができる。ＭＶＤＲビーム成形は、他の方向からの空間的干渉を、これらの干渉者の方向に空間的零を置くことにより低減するという利点を有する。ＭＶＤＲビーム成形は逆標本共分散マトリクスに依存するので、数式（２）の「スナップショット」数Ｎがアンテナ素子の数より大きいことが要求される。場合によっては、ＭＶＤＲビーム成形の計算を「頑強にする」ために標本共分散マトリクスの正規化（例えば、対角ローディング）も必要かもしれない。

チャネルおよび干渉知識を備えた高度中継器
ＭＶＤＲビーム成形重みの数式（３）は受信信号の二次統計だけに依存し、いかなる既知基準信号にも依存しないということに留意されたい。したがってビーム成形重みを引き出すために基準信号（パイロット）を使用する必要はない。換言すれば、我々はこれを「ブラインド（blind）」と呼ぶことができる。しかしながら統計的ビーム成形は目的の信号の方向を知る必要があり、そして１つの仮定は、先に説明したように、その方向がビーム形成スペクトル内の最大ピークに一致するということである。干渉信号が目的の信号より強ければ、これはむしろＳＩＮＲを最小化する誤ったビーム形状をもたらすであろう。しかしながら中継器がある制御チャネルに埋め込まれた基準信号から無線チャネルおよびその干渉を推定するのに十分に高度であれば、中継器はもちろん、その代りに、例えばＳＩＮＲを最大化したビーム成形を構築するためにチャネルおよび干渉推定を使用することができる。ある基準信号を使用することにより目的の信号のチャネルが推定され、それが次の数式で与えられると仮定する。

さらに、例えば次の数式を使用することにより、

既知基準信号ｓ_ｒ（ｔ）が存在する場合に、あるいは、目的の信号が存在しない場合（例えば支援ＲＢＳが静かなとき）に干渉を傍受することだけにより、干渉の共分散行列もまた推定されたと仮定する。もちろん、中継器はまた、干渉制御チャネルからの制御信号を測定することにより干渉チャネルを推定することができる。

ＳＩＮＲ最大化問題は次の数式により与えられる。

上記問題の数式（４）は、目的の信号に対する一定利得を保つ一方で干渉プラス雑音電力を最小化することと等価である、すなわち、

次の解を得る（単に数式（３）の共分散行列を干渉プラス雑音共分散行列で置換することにより）。

数式（５）のビーム成形は、チャネルおよび干渉推定を実行できなければならないので、このようにして中継器をより高度化する基準シグナリングから得られたチャネルおよび干渉知識に基づく。しかしながらこのため、信号統計を利用するだけの「ブラインド」中継器よりうまくいく可能性が高い。数式（５）のビーム成形はＭＶＤＲビーム成形の数式（３）と極めて似ているので、以降、これを「修正型ＭＶＤＲビーム成形」と呼ぶということにも注意されたい。

マルチストリーム受信ビーム成形による高度中継器
受信信号が複数のストリームで構成される場合、すなわち基地局とユーザ間に進行中のＭＩＭＯ送信がある場合、中継器はある程度の受信干渉除去を維持する一方でこれらの複数のストリームを転送することができることが望ましい。このとき、中継器は各データストリームに個別ビーム成形を適用し、個別ビーム成形は干渉ノードからの空間的干渉とストリーム間干渉（１つのストリームが別のストリームをもたらす干渉）を低減しようとする。ＭＩＭＯチャネルマトリクスが利用可能であると仮定すると、中継器は次の線形最小平均二乗誤差（ＬＭＭＳＥ：Linear Minimum Mean Square Error）受信フィルタリングマトリクスを受信信号ベクトルに適用することができる。
ｙ＝Ｗ^Ｈｘ

ビーム成形マトリクスは次の数式で与えられる。

ここで、ＨはＭＩＭＯチャネルマトリクス、Ｒ_ｉは干渉プラス雑音共分散行列である。ＬＭＭＳＥビーム成形マトリクスは、最小平均二乗を意味し、チャネルが導入した複数のストリームの混合を取消すと同時にいかなる他の空間的干渉も抑制しようとするために複数の受信アンテナを使用する。また、チャネルマトリクスがランク１（例えば、Ｈ＝ｈ）である場合、数式（６）のＬＭＭＳＥビーム成形は「Woodbury識別情報：Woodbury's identity」を使用して次のように書き換えることができる。

ここで、Ｗ_{ＬＭＭＳＥ}は数式（７）により与えられるランク１ビーム成形、ηは正の実数値のスカラー、ｗは数式（５）により与えられる修正型ＭＶＤＲビーム成形である。

したがって、ランク１（単一ストリーム）の場合、ＬＭＭＳＥと修正型ＭＶＤＲビーム成形は互いの縮尺版にすぎない。

他のアレイ幾何形状
１次元ディジタルビーム成形もまた多次元アレイ（例えば、平面アレイ）に拡張することができる。例えば平面アレイを使用することにより、ビーム成形は例えば上記在来型ビーム成形技術またはＭＶＤＲビーム成形の拡張版を使用することにより仰角領域内でも行うことができる。このとき、対応するスペクトルは２次元、すなわち通常は方位角と仰角である。

二重分極アンテナ
中継器が二重分極アンテナを有すれば、二重ビーム成形（原理的に、分極ごとの個別ビーム成形）を適用するであろう。個別ビーム成形は、本明細書で先に述べた単一分極方法に従って見つけられる。

上記ビーム成形の解とモデルに関し、使用される信号モデルは狭帯域であるということを一貫して仮定した。しかしながら、ＬＴＥシステムはその所謂資源ブロックに対しかなり広いスペクトルを使用し、各資源ブロックは多くの所謂副搬送波を含む。ビーム成形に対して上記解とモデルを適用可能とするために、１つの選択肢は、個々のＬＴＥ副搬送波または隣接ＬＴＥ副搬送波の集合等の異なる周波数「サブバンド」に対する個別ビーム成形を実施することであろう。

しかしながら、いくつかの周波数サブバンドを転送することだけが望まれる場合、および／または異なる周波数サブバンドに異なるビーム形成手段を適用することが望まれる場合、周波数依存ビーム形成手段が必要であるということも指摘することができる。これは通常、個々の隣接副搬送波レベルまたは隣接副搬送波レベル群に対し行われる。

また、「電子的」ビーム成形、すなわち、送信信号の振幅と位相に影響を与えることの代替として、一組の固定ビームを有するアンテナを使用することができる。ここで、各ビームは、異なる固定信号源の方向に「強い」固定ビームを有すると同時に固定干渉源の方向に零を有することによりこれら信号源を支援するように設計される。

このとき、中継器はこの一組の固定ビームの中から適切なビームを選択することができる。一組の固定ビームはそれぞれの特定の現地設置に適合されることが好ましく、したがってビームは固定源（例えば、ｅＮｏｄｅＢまたは他の中継器）からの信号を支援し干渉を抑制ように設計される。実際、一組の固定ビームを設計する際、静的な干渉を抑制するために異なる所望の方向に主ビームを向け、残りの自由度を使用することにより、上に概説された適応ビーム成形を使用することができる。これは中継器設置作業中に行うことができる。

負荷分散
図３に、本発明の中継器３２５の別の実施形態とその機能の１つを概略的に示す。中継器３２５は、上述のように成形可能な少なくとも２つのアンテナビーム３２６、３２７を有するように構成される。但し、中継器３２５は、２つの異なるｅＮｏｄｅＢ３１５、３２０間の所謂「負荷分散」に使用できるように構成される。

例えば、中継器３２５は、システム３００内の２つの隣接セル間の参照符号３０５で示す境界にまたはその近くに配置されるものと仮定する。ここで、第１のｅＮｏｄｅＢ３１５は隣接セルの１つに使用され、他のｅＮｏｄｅＢ３２０は２つの隣接セルの他方に使用される。

また、セル例えばｅＮｏｄｅＢ３１５の１つのｅＮｏｄｅＢが高負荷を有し（すなわち、セル内のトラフィック量は限界に近い）、一方、他のｅＮｏｄｅＢ、すなわちｅＮｏｄｅＢ３２０はかなりの余分の容量、すなわち低負荷を有するものと仮定する。このような場合、中継器３２５は、余分の容量を有するｅＮｏｄｅＢ（この場合、ｅＮｏｄｅＢ３２０）に対しおよびｅＮｏｄｅＢから信号が転送されるように、高負荷のｅＮｏｄｅＢ３１５のセル内に地理的に位置するＵＥ３２１等のＵＥに対しおよびＵＥから信号を転送することができる。これは、中継器３２５がビーム３２６、３２７を少なくとも方位角面においてほぼ任意の方向に向けられるようにビーム３２６、３２７を成形するように構成されるので、実現することができる。

これの別の見方は、１つまたは複数のＵＥ３２１が中継器３２５により別のセルに事実上「再配置」されるいうことである。これが行われる際の正確な機構は本発明の範囲内で変更可能であるが、一実施形態では、ｅＮｏｄｅＢ３１５、３２０は、２つの「負荷状況」を比較して１つまたは複数のＵＥが上述の機構により「事実上移動」される必要があるかどうかを判断するように構成された中継器３２５にそれらの負荷状況を一定間隔で報告する。

代替案として、ｅＮｏｄｅＢは、中継器が１つまたは複数のＵＥを他のｅＮｏｄｅＢに「事実上移動」するように、中継器３２５に「救難コール：distress calls」を送信する、すなわち、ｅＮｏｄｅＢがその負荷限界にまたはその近くにあるということを中継器に通知するように構成することができる。さらに別の代替案として、ＵＥを移動する命令は事実上、システム３００内の１つまたは複数のｅＮｏｄｅＢの機能を制御するように使用されるノードから来ることができる。このような信号は、制御ノードから中継器３２５に直接来ることができる、あるいはｅＮｏｄｅＢの１つを介しその信号を転送することができる。

本発明は、上に説明され添付図面に示された実施形態の例に限定されず、添付の請求項の範囲内で自由に変更可能である。

Claims (7)

1. セルラ通信システム（２００、３００）用の中継器（２２５、３２５）であって、
   前記中継器（２２５、３２５）は第１および第２のアンテナビーム（２２６、２２７）を有する少なくとも１つの第１のアンテナを含み、
   前記中継器（２２５、３２５）は、他の送信源（２１０）からの干渉を最小化する一方で前記システム（２００、３００）内の第１の送信者（２１５）上にそのアンテナビーム（２２６）の焦点を合わせるように前記アンテナビーム（２２６）の少なくとも１つを電子的に成形するように構成される、ことを特徴とする、中継器。
2. 前記ビーム成形を実行するように構成され、前記ビーム成形を最適化するために前記システム内の別のノードから命令を受信するようにさらに構成された、請求項１に記載の中継器（２２５、３２５）。
3. 前記ビーム成形を最適化し実行するようにさらに構成された、請求項１に記載の中継器（２２５、３２５）。
4. 受信された所望の信号と１つまたは複数の干渉信号を測定することにより前記ビーム成形を最適化するように構成され、前記所望の信号と前記１つまたは複数の干渉信号間のＳＩＮＲ（信号対干渉プラス雑音比）を最大化するように前記ビーム成形を実行するためにそれらの測定結果を使用するように構成された、請求項３に記載の中継器（２２５、３２５）。
5. 第１の面内において前記ビーム成形を実行するように構成された、請求項１〜４のいずれか一項に記載の中継器（２２５、３２５）。
6. 前記第１の面に実質的に垂直な第２の面内においても前記ビーム成形を実行するように構成された、請求項５に記載の中継器（２２５、３２５）。
7. 前記第１の面は方位角面であり前記第２の面は仰角面である、請求項５または６に記載の中継器。

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