JP6006781B2 - 無線システムにおける高平均スペクトル効率の達成方法 - Google Patents
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Description
本出願は、2011年4月7日に出願された米国仮特許出願第61/472,900号に対する優先権を主張するものであり、これらの明細書および請求項は、参照により本出願に援用される。
携帯電話やWifiなどの現代のモバイルデジタル無線システムの構成要素は、図1に示されるようにセル3である。基地局システムと称される基地局1は、合わせて無線クライアントと称される局2などのセル内の移動局または固定局に無線アクセスを提供する。無線アクセスとは、基地局と無線クライアント間の2方向無線通信のシステム能力を意味する。基地局は最終的には世界電話ネットワークやインターネットなどを含む大ネットワークに階層的に接続することができ(図1には示さず)、無線クライアントとこれらのネットワークとをリンクさせる。
上述したように、スペクトル効率は所定のビット・エラー・レートを超えずに秒およびヘルツ当たりに送信される情報のビット数として定義される性能指数である。無線システムでは、ピークスペクトル効率として知られる最大スペクトル効率は、基準によって明示される変調フォーマットに従い設定される。
図5に示される信号−品質問題にかかわらず、a)情報トラフィックが低ビットレートしか要しない音声が中心を占めていた、b)搬送波が利用可能な余分のRFスペクトルを備えていた、c)より効率的な変調技術を通じて利用可能なスペクトルの使用が可能であったため、これまで無線搬送波は十分な通信サービスを提供してくることができた。最初の2つの節減状況は一時的なものであった。今日および予測可能な未来においては、無線トラフィックは映像送信などデータを多量に使用する用途が中心を占めており、いまだかつてないレートで増え続けている。加えて、RFスペクトルは不足しており、基本的には有限なリソースである。
無線通信における低スペクトル効率問題に対処する周知のアプローチは、少数の複数アンテナを使用することである。よく使用される用途の1つが空間的多様性MIMO(マルチ入力マルチ出力)システムであり、散乱する信号を利用してRFスペクトルを複数並列送信のために再利用する。LTEによってサポートされる4×4のMIMOは基地局に4つのアンテナ、モバイルに4つのアンテナを有し、理想的な状態では、従来の非MIMOシステムの4倍のデータを同一のRFスペクトル上で送信する(最大スペクトル効率が4倍増加)。
複数のアンテナの異なる用途は、従来のビーム形成/ステアリングシステムでの利用である。このアプローチの利点の1つは、モバイルが従来の無線システムで使用される規格であり、基地局のみが複数のアンテナとRF回路(無線)を有することである。基地局側では、従来のビーム形成/ステアリングはMIMOと類似しており、複数のRF回路(無線の数はアンテナの数に等しい)を必要とし、「ビーム処理」と称される重い信号処理を採用している。図6に示される基地局システムの図は従来のビーム形成/ステアリングシステムにも適用される。しかしながら、ビーム処理はチャネルマトリックス処理と異なる。ビーム処理では、N個のアンテナとの間のRF信号は、構造上所望の信号を追加し不所望の信号(妨害子)をキャンセルするように結合することができる。
商業用無線システムでの大アンテナアレイの使用は、上述したように上記システムの高コストにより実現していない。しかしながら、理論的には,上述のビーム形成/ステアリングのコンセプトは、アンテナの数を増やすことで大いに恩恵を受ける。図6のシステムの一般化である可能なそれぞれの基地局システムを図10に示す。アンテナアレイ31はN×Mサイズの2次元である。これらのN×M個のアンテナはN×M個の別個のRF信号を送受信する。図6のシステムの別の一般化として、N×M個のRF信号は特定の方法で結合されてK個のRF信号を生成し、それらの信号はK−RF全二重インタフェースと称される全二重相互接続ネットワーク301を通じて送信される。K−RFプロセッサと称されるRF/アナログ/デジタル信号プロセッサ300はK個のRF信号を処理して、向上されたセクタ/セル全体の平均スペクトル効率を得る。このK−RFプロセッサ機能の詳細をさらに以下に説明する。
図10の基地局システムのRF/アナログセクションは、N×M個のアレイ31、K−RF全二重インタフェース301、およびK−RFプロセッサ300内の無線回路を備える重要なサブシステムである。実際上、このRF/アナログセクションはフェーズドアレイで実現することができる。アナログアレイ、デジタルアレイ、広範なハイブリッドソリューション、研究開発段階の新規なアレイなど、多数の種類の装置がある。
図10の基地局システムと図14の基地局システムは、理論的には上述したようにスペクトル効率を高めることのできる、複数のペンシルビームを生成する基本能力を備える。しかしながら、追加の考慮が実用化に必要である。これらの考慮の主目的は、最適セクタ到達範囲および最適無線クライアント接続性のためのシステム動作技術を開示することである。アジャイルビーム法と称される新規の動作技術をここで紹介する。アジャイルビーム法は送信にも受信にも同じく有効である。したがって、それぞれのケースを個々に説明する必要はなく、以下の考慮はいずれのケースにも適用される。
最も一般的なケースでは、アジャイルビーム法は、ビームパターンの不規則かつ動的なスイッチングと、変動するビームパターン(ビームの数とビームのサイズ)と共に使用することができる。たとえば、セクタの特定領域に一定期間、無線クライアントがいない場合、その領域をカバーするそれぞれのビームは他のビームパターンをオンにするのに有利なようにオフにしておくことができる。同様に、特定領域で大量の無線トラフィックがある場合、それぞれのビームを常にオンにしておくことができる。あまり一般的でないがより簡易なアジャイルビーム法の適用では、図16の5つのビームパターンまたはその等価を不定に繰り返すことができ、各ビーム群は時間の5分の1オンになるビームパターンを生成する。事実上、この簡易なプロセスは、別個のステップで4つのビームでセクタを走査することと等価である。
上記のアジャイルビーム法の説明では、基地局は時間スケジューリング情報を含む無線クライアント制御情報を通信することができると暗黙に仮定されていた。この通信は通常、特別な制御チャネルを通じて行われ、普通は高速データチャネルよりもかなり低いSNIRを要する。制御チャネルを確定し維持する単純な方法は、別々の静止する120度ビームでセクタ全体をカバーすることである。しかしながら、このアプローチは1つのビームを浪費する場合があり、現行の無線基準の修正を要する可能性が高い。代替アプローチを以下に説明する。
これまでの考慮では、明瞭化のためLOS(見通し内)無線接続を推定した。実際には、セルラー無線通信がLOS状況でのみ発生するのは、あったとしてもごくわずかなケースである。典型的な状況では、数個のみのモバイルがLOSにあり、大部分のモバイルは建物やその他の人口構造物および木や大岩などの天然障害物上の信号反射を通じて基地局と通信する。加えて、同一の信号の多くの反射は異なる時間に到着することが多く、マルチパス干渉やフェーディングを引き起こす。
上記説明では、スケジューラ72は、どのビームが各モバイルに適するかを常に掌握していると仮定した。このような場合、スケジューラ72がこの知識を入手し保持する方法はいくつかある。単純なサーチに基づく技術を以下に説明する。
Claims (27)
- ビーム形成装置によって生成される複数の独立したスポットビームを定義し、異なる方向に向いた前記複数の独立したスポットビームの各スポットビームが空間内の平面有限領域の異なる領域と交差するステップであって、方位角及び高度の両方で前記複数の独立したスポットビームの方向が変動し、前記複数の独立したスポットビームによって交差された空間の平面有限領域の前記領域が、交差された領域の2次元アレイである、ステップと、
セットの複数のビーム群を定義し、各ビーム群が前記複数の独立したスポットビームのうちの異なるサブセットのスポットビームであるステップであって、前記セットの複数のビーム群の各ビーム群が前記複数の独立したスポットビームの1よりも多いスポットビームを含み、且つ、前記複数の独立したスポットビームの各スポットビームが、前記セットの複数のビーム群のうちのビーム群の1つに属する、ステップと、
前記セットのビーム群を繰り返し巡回するステップであって、前記セットのビーム群を巡回することは、前記セットの複数のビーム群の各ビーム群を連続的に作動させることを含み、且つ、ビーム群を作動させることは、当該ビーム群の前記スポットビームの複数を同時に生成することを含む、ステップと、
無線局との最適な通信リンクをもたらすビームを前記複数の独立したスポットビームの中から特定するステップと、
前記特定されたスポットビームが属するビーム群の作動中に行われるように前記無線局との通信をスケジューリングするステップと、
を含むことを特徴とする無線局との通信方法。 - 前記特定されたスポットビームが属する前記ビーム群の作動中に前記特定されたスポットビームを介して前記無線局と通信するステップをさらに含むことを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 通信をスケジューリングするステップが、スケジューリング情報を前記無線局に通信することを含み、前記スケジューリング情報が、前記特定されたスポットビームが前記無線局によって利用可能になる時を表すことを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 前記セットのビーム群を繰り返し巡回するステップが、前記セットのビーム群内のいずれのビーム群も作動されていない時間が巡回中に存在しないように実行されることを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 前記ビーム形成装置がアンテナ素子の2次元アレイを備えることを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 前記ビーム形成装置がフェーズドアレイであることを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 前記セットのビーム群の中の各ビーム群が、前記複数の独立したスポットビームから選択される4つのスポットビームから成ることを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 前記セットのビーム群が5つのビーム群から成ることを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 前記セットのビーム群の各ビーム群に関して、そのビーム群のスポットビームが交差する前記平面有限領域の異なる領域が、前記セットのビーム群の中の別のビーム群のスポットビームが交差する少なくとも1つの領域によって相互に分離させられることを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 各ビーム群のスポットビームが、その他のビーム群のスポットビームが交差する領域と異なる前記平面有限領域の領域と交差することを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 前記特定されたスポットビームが属するビーム群の作動中以外の時点で前記無線局と制御情報を交換するステップをさらに含むことを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 前記セットのビーム群を繰り返し巡回する間もとどまり続ける静止ビームを生成し、前記広い静止ビームが前記複数の独立したスポットビームによって交差された領域全部を同時にカバーする、ステップと、
前記複数の独立したスポットビームによって交差された領域全部において、無線クライアントと制御情報を通信することに前記静止ビームを使用するステップと、をさらに含むことを特徴とする請求項1に記載の方法。 - アンテナアレイと接続されるマルチトランシーバ無線システムであって、
前記アンテナアレイによって複数の独立したスポットビームを生成するように構成され、前記複数の独立したスポットビームの各スポットビームが空間内の平面有限領域の異なる領域と交差し、方位角及び高度の両方で前記複数の独立したスポットビームの方向が変動し、前記複数の独立したスポットビームによって交差された空間の平面有限領域の前記領域が交差された領域の2次元アレイであり、
前記複数の独立したスポットビームがセットの複数のビーム群を形成するようにグループ化され、前記セットの複数のビーム群の各ビーム群が、前記複数の独立したスポットビームの対応する異なるサブセットのスポットビームであり、前記セットの複数のビーム群の各ビーム群が、前記複数の独立したスポットビームの1よりも多いスポットビームを含み、且つ、前記複数の独立したスポットビームの各スポットビームが、前記セットの複数のビーム群のうちのビーム群の1つに属する、マルチトランシーバ無線システムと、
前記マルチトランシーバ無線システムシステムを制御するスケジューリングシステムであって、(1)前記マルチトランシーバ無線システムシステムに前記セットのビーム群を繰り返し巡回させることにより、前記セットのビーム群を繰り返し巡回し、前記セットのビーム群を巡回することは、前記セットの複数のビーム群の各ビーム群を連続的に作動させることを含み、且つ、ビーム群を作動させることは、当該ビーム群の前記スポットビームの複数を同時に生成し、(2)前記無線局との最適な通信リンクをもたらすスポットビームを前記独立した複数のスポットビームの中から特定し、(3)前記特定されたスポットビームが属する前記ビーム群が作動中に前記無線局との通信が行われるようにスケジューリングするように構成されるスケジューリングシステムと、
を備えることを特徴とする無線局との通信装置。 - 前記アンテナアレイをさらに備えることを特徴とする請求項13に記載の装置。
- 前記特定されたスポットビームが属する前記ビーム群の作動中、前記無線局と通信する通信システムをさらに備えることを特徴とする請求項13に記載の装置。
- 前記アンテナアレイがアンテナ素子の2次元アレイであることを特徴とする請求項14に記載の装置。
- 前記マルチトランシーバ無線システムと前記アンテナアレイとがフェーズドアレイを構成することを特徴とする請求項14に記載の装置。
- 前記セットのビーム群の各ビーム群が、前記複数の独立したスポットビームから選択された4つのスポットビームから成ることを特徴とする請求項13に記載の装置。
- 前記複数の独立したスポットビームの前記スポットビームが、前記セットのビーム群内の前記ビーム群の2以上に属しないことを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 前記複数の独立したスポットビームの前記スポットビームが、前記セットのビーム群内の前記ビーム群の2以上に属しないことを特徴とする請求項13に記載の装置。
- ビーム群を作動することは、当該ビーム群の全スポットビームを同時に生成することを含むことを特徴とする請求項1に記載の方法。
- ビーム群を作動することは、当該ビーム群の全スポットビームを同時に生成することを含むことを特徴とする請求項13に記載の装置。
- 前記セットのビーム群の中の1つだけのビーム群が常に作動されることを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 前記セットのビーム群の中の1つだけのビーム群が常に作動されることを特徴とする請求項13に記載の装置。
- 前記マルチトランシーバ無線システムは、前記セットのビーム群を繰り返し巡回する間もとどまり続ける広い静止ビームを生成し、前記広い静止ビームが前記複数の独立したスポットビームによって交差された領域全部を同時にカバーするように構成され、且つ、前記複数の独立したスポットビームによって交差された領域全部において、無線クライアントと制御情報を通信することに前記静止ビームを使用するように構成されたことを特徴とする請求項13に記載の装置。
- 前記制御情報は、時間スケジューリング情報を含むことを特徴とする請求項25に記載の装置。
- 前記制御情報は、時間スケジューリング情報を含むことを特徴とする請求項12に記載の方法。
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