図面 (/)

技術 セルラー無線ネットワーク内におけるマルチアンテナの配備によって得られる容量および有効範囲の利得を近似し最適化する方法

出願人 アクティックス・ゲゼルシャフト・ミト・べシュレンクテル・ハフツング
発明者 ゲールハルト・フェットヴァイスイェンス・フォイクトイェルク・シューラー
出願日 2010年3月16日 (10年9ヶ月経過) 出願番号 2010-059342
公開日 2010年10月7日 (10年2ヶ月経過) 公開番号 2010-226713
状態 特許登録済
技術分野 時分割方式以外の多重化通信方式 無線伝送方式一般(ダイバーシチ方式等) 移動無線通信システム 無線伝送方式一般(ダイバーシチ方式等)
主要キーワード グリッド行 空間単位 サーバエリア ラウンチング コンビネーション型 グリッドポイント 受信搬送周波数 ラインアレイ
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2010年10月7日)のものです。
また、この項目は機械的に抽出しているため、正しく解析できていない場合があります

図面 (16)

課題

基地局および受信機を備えるとともに、前記基地局および前記受信機において、マルチアンテナ型の使用を許可および/または強化する移動無線技術を採用する、無線アクセスネットワークの構成を計画し最適化する方法を提供すること。

解決手段

3Dクラッタ高さ行列を使用して前記送信機位置と前記受信機位置との間で実行されるレイトレーシングアルゴリズムを用いて、前記送信機位置および前記受信機位置において単一アンテナの代わりにマルチアンテナ型を適用することによって得られる容量利得を直接反映するスカラー計量が、各受信機位置に対して決定される。このスカラー計量により、アルゴリズム的に有利なやり方で、潜在的配備エリアにおける異なるMIMOアンテナの相対的性能を分析し、特定の有効範囲セクタに対する最適なMIMOアンテナ型を選択することが可能になる。

概要

背景

多入力多出力MIMO)技術は近い将来に配備できるようになる。直交偏波アンテナ、等間隔リニアアレイ、およびリモートラジオヘッドを含む様々なMIMOアンテナ型が利用可能になるであろう。理論上のMIMO性能の利得は十分に調査されてきたが、ネットワークオペレータの主要なタスクの1つである、セルラーネットワーク計画および最適化のワークフローにおけるすべてのセクタに対する最適なMIMOアンテナ型の選択プロセスは、これまでほとんど扱われてこなかった。

MIMO技術は、HSPA+向けのRelease 7において、またより多くのオプションを備えたLTE向けのRelease 8において、3GPPによって仕様が定められている。現在、ネットワークオペレータは、セルラーネットワーク配備を計画し最適化するプロセスにMIMO技術を組み込む解決策を強く求めている。

セルラー無線ネットワークにおける無線アクセスネットワークの計画および最適化は、有効範囲内の基地局の数、基地局当たりのセクタの数、基地局の位置、基地局セクタ当たりのアンテナの型、チルトおよび方位角でのアンテナの向き、基地局/セクタの送信電力に関して、無線アクセスネットワークの構成を定義することを含む。これは、従来、「有効範囲」および「容量」の物理的計量を評価することによって行われる。

また、非物理的な計量を、無線アクセスネットワークの配備または最適化に使用して、例えば、セクタ当たりの分散トラフィック、セクタ当たりの予測トラフィック量、最大予測可能コストおよび/または収益などの均衡をとることができる。

無線アクセスネットワークの計画が第1の機能的構成をもたらす一方、無線アクセスネットワークの最適化は最適な構成を定義する。無線アクセスネットワーク構成の最適化は、当該エリアおよび/または特にトラフィック密度の高いエリアにおいて、上述の計量を強化することを目的としている。典型的な最適化タスクはまた、サイト選択として知られている、一組の候補位置から基地局の最適位置を選択すること、またはサイト統合として知られている、基地局の既存のネットワークに基地局を統合することである。ここでは、無線アクセスネットワークとは、セルラー無線ネットワークにおける無線ネットワーク関連部分として理解すべきである。

物理的計量である「有効範囲」は、一般的に、計画または最適化すべき個々の移動無線技術のパイロット信号または基準信号受信電界強度対数的測度として表現される。受信電界強度は、送信機の送信電力、「通路減衰」と称される受信機位置送信機位置との間での無線チャネル減衰送信アンテナおよび受信アンテナの利得から、また任意に、送信機および受信機ハードウェアにおける利得または損失からも計算される。

マルチアンテナ型を採用しないセルラー無線技術の物理的計量である「容量」は、一般的に、計画または最適化すべき個々の移動無線技術のパイロット信号または基準信号の信号対雑音および干渉比(SINR)の対数的測度、あるいは等価の計量として表現される。これは、Claude Elwood Shannon: "A Mathematical Theory of Communication", Bell System Technical Journal, vol. 27, p. 379-423, and 623-656, July and October 1948に記載され、シャノン容量CShannon=ld(1+SINR)として知られている、単入力および単出力を備えるとともに加法性ホワイトガウスノイズを呈するチャネルの理論上のチャネル容量に基づく。

無線アクセスネットワークの構成を計画し最適化する際、いわゆる高速フェージングに起因する影響は無視することが知られている。それ故、送信機および/または受信機におけるマルチアンテナ設置に対応していないセルラー無線技術のチャネルは、一般に、「経路損失」のスカラー値によって記述することができる。したがって、物理的計量である「有効範囲」および「容量」は、これまで、チャネルモデルを用いて決定される経路損失から計算されてきた。例えば、経験的、統計的、および決定論的チャネルモデルがある。

チャネルモデルに対する最小限の要求は、送信機位置と受信機位置との間に結果として経路損失を与えるチャネルの記述を提供することである。そのような無線チャネルモデルに基づいて、従来の無線アクセスネットワーク計画/最適化アルゴリズムは、典型的には、送受信機各組み合わせについて、次のことを決定する。
アンテナ構成に対する受信機ピクセル当たりの受信電界強度、すなわち、受信機ピクセル当たりおよび送信機ピクセル当たりに得られる1つの値、および、
受信機ピクセル当たりのSINR、すなわち、受信機ピクセル当たりおよび送信機当たりに得られる1つの値。

計画/最適化のため、無線チャネルモデルに入力すべき必要な情報は、次のとおりである。
次元(3D)空間内の基地局の位置を含む、複数の基地局を備えた無線アクセスネットワークの構成。これらの基地局は、候補基地局を形成するため、無線アクセスネットワークにおいてその時点では無効になっている場合がある。そのような構成は、ネットワークオペレータの(動作)データベースから直接インポートすることができる。
基地局それぞれの送信電力、
送信機および受信機で使用されるアンテナの指向特性モデル
搬送周波数、および、
通常は分解能が固定のグリッド行列(例えば、10m×10m、または25m×25mの)として提供される、ピクセル当たり受信機1つの受信機の位置。

無線アクセスネットワークを計画し最適化するための有利な追加の入力情報は、排他的ではないが、次のとおりである。
物理的特性の値(例えば、対数値としての追加の減衰、メートル単位での建物の平均建物高さ、任意に他の値)を含む、環境および建物のタイプに関する分類情報をピクセルごとに含む、分解能が固定の(典型的な)グリッド行列(例えば、10m×10m、または25m×25mの)(クラッタ行列、高さクラッタ行列)。ピクセル当たりの特性は、通常、個別には帰着しないが、限定された数のいわゆるクラッタ分類に分類される、
そのエリアの地理的プロファイルを表すDEMデジタル標高行列)、DTM(デジタル地勢行列)、
建物の三次元(3D)ベクトルデータモデル
トラフィック行列、すなわち、分解能が固定のグリッド行列(例えば、10m×10m、または25m×25mの)の形態のユーザ分布、およびピクセル当たりのユーザ数またはユーザ密度
例えば、最小受信電界強度、最小SINR、マルチアンテナ技術による最小利得など、無線アクセスネットワークを計画し最適化するための、無線ネットワークオペレータによって定義される経済的および技術的な目標規則

WiMAX、HSPA+、またはLTEなどの新しい移動無線技術は、送信機および受信機におけるマルチアンテナ型の配備に本質的に対応しており、または、構成の必須構成要素としてそのようなマルチアンテナ型を必要としている。

送信機および受信機の両方においてマルチアンテナを配備することを含むシナリオは、一般的に、マルチアンテナ無線チャネル、またはMIMO(多入力多出力)と称される。

概要

基地局および受信機を備えるとともに、前記基地局および前記受信機において、マルチアンテナ型の使用を許可および/または強化する移動無線技術を採用する、無線アクセスネットワークの構成を計画し最適化する方法を提供すること。3Dクラッタ高さ行列を使用して前記送信機位置と前記受信機位置との間で実行されるレイトレーシングアルゴリズムを用いて、前記送信機位置および前記受信機位置において単一アンテナの代わりにマルチアンテナ型を適用することによって得られる容量利得を直接反映するスカラー計量が、各受信機位置に対して決定される。このスカラー計量により、アルゴリズム的に有利なやり方で、潜在的配備エリアにおける異なるMIMOアンテナの相対的性能を分析し、特定の有効範囲セクタに対する最適なMIMOアンテナ型を選択することが可能になる。

目的

典型的な最適化タスクはまた、サイト選択として知られている、一組の候補位置から基地局の最適位置を選択すること、またはサイト統合として知られている、基地局の既存のネットワークに基地局を統合することである

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
2件

この技術が所属する分野

ライセンス契約や譲渡などの可能性がある特許掲載中! 開放特許随時追加・更新中 詳しくはこちら

請求項1

基地局および受信機を備えるとともに、前記基地局および前記受信機において、複数の単一アンテナ素子をそれぞれ備えるマルチアンテナ型の使用を許可および/または強化する移動無線技術を採用する、無線アクセスネットワークの構成を計画し最適化する方法であって、計画/最適化エリアを定義するステップと、前記エリアに対する環境の三次元モデルを取得するステップと、三次元(3D)空間内の一組の送信機位置を取得するステップと、3D空間内の受信機位置を定義するステップと、前記エリアに対する前記環境の前記三次元モデルを使用して前記送信機位置と前記受信機位置との間で実行されるレイトレーシングアルゴリズムを用いて、前記送信機位置および前記受信機位置において単一アンテナの代わりにマルチアンテナ型またはマルチアンテナ型構成を適用することによって得られる容量利得を表すスカラー計量を、各受信機位置に対して決定するステップとを含む、方法。

請求項2

前記マルチアンテナ型構成が、前記マルチアンテナ型と、機械的チルト電気的チルト、および/またはそれらの方位角とによって定義される、請求項1に記載の方法。

請求項3

各受信機位置に対する前記スカラー計量が、前記レイトレーシングアルゴリズムによって探索されるマルチアンテナチャネルインパルス行列から、フォシニのMIMO容量とSISOチャネルシャノン容量との比として決定される、請求項1および2に記載の方法。

請求項4

前記マルチアンテナ型が、等間隔リニアアレイ(ULA)、等間隔サーキュラーアレイ(UCA)、またはリモートラジオヘッドRRH)など、空間的に分離された単一アンテナ素子を備える型であると仮定され、各受信機位置に対する前記スカラー計量が、送信マルチアンテナ型の単一アンテナ素子の数に行が対応し、前記受信機位置における受信マルチアンテナ型の単一アンテナ素子の数に列が対応する伝搬経路行列を評価することによって決定され、送信マルチアンテナの空間ビンと受信マルチアンテナの空間ビンとの間に経路当たり少数反射を含む伝搬経路を探索することに、前記レイトレーシングアルゴリズムを限定することによって探索される、多数の主要かつ空間分解可能な伝搬経路によって前記行列が占められ、各空間ビンが、前記マルチアンテナ型の指向性図から導き出される個々のマルチアンテナ型の単一アンテナ素子の空間分解された有効なアクティビティセクタを表し、前記伝搬経路行列の少なくとも1つの行または列が少なくとも2つの素子によって占められて、空間ダイバーシチの程度を示す場合は、前記スカラー計量が第1の値を割り当てており、前記伝搬経路行列の少なくとも2つの行および少なくとも2つの列が少なくとも2つの素子によって占められて、空間多重化の程度を示す場合は、前記スカラー計量が第2の値を割り当てている、請求項1および2に記載の方法。

請求項5

前記マルチアンテナ型が、直交偏波アンテナ(XPol)など、異なる偏波方向によって分離された単一アンテナ素子を備える型であると仮定され、送信マルチアンテナの空間ビンと前記受信機位置における受信マルチアンテナの空間ビンとの間に視線関係があるかを、前記レイトレーシングアルゴリズムにおいて検出することによって、各受信機位置に対する前記スカラー計量が決定され、各空間ビンが、前記マルチアンテナ型の指向性図から導き出される個々のマルチアンテナ型の単一アンテナ素子の空間分解された有効なアクティビティセクタを表し、前記送信マルチアンテナの空間ビンと前記受信マルチアンテナの空間ビンとの間に視線関係がある場合は、前記スカラー計量は第3の値を割り当てており、前記送信マルチアンテナの空間ビンと前記受信マルチアンテナの空間ビンとの間に視線関係がない場合は、第4の値を割り当てている、請求項1および2に記載の方法。

請求項6

前記マルチアンテナ型が、空間的に分離された単一アンテナ素子と、異なる偏波方向によって分離された単一アンテナ素子との組み合わせを含み、請求項3および4それぞれに記載の各マルチアンテナ型に対して決定された部分的スカラー計量の組み合わせによって、前記スカラー計量が決定される、請求項4および5に記載の方法。

請求項7

前記環境の前記3Dモデルを取得する前記ステップが、分解能が固定のグリッド行列を定義することによってクラッタ高さ行列を取得し、前記エリアにおける建物高さを表すデータをデータベースから獲得し、各グリッドピクセルに対して平均建物高さを決定し、任意に、各グリッドピクセルに対するデジタル標高行列(DEM)の値によって前記平均建物高さの値を補正することを含むか、あるいは、高さ閾値を定義し、前記高さ閾値の上および下のすべての受信機ピクセルに対して前記方法を別個に実行することをさらに含む、請求項1から6のいずれか一項に記載の方法。

請求項8

前記一組の送信機位置を取得する前記ステップが、前記位置における前記アンテナ構成を最適化することによって前記ネットワーク構成を最適化するため、前記計画/最適化エリアをカバーする、ならびに既に配備されている基地局または基地局のセクタの一組の位置をネットワークオペレータから取得することを含むか、あるいは、補欠サイトを計画する目的で、サイト選択のため、無線アクセスネットワークを計画するため、またはそれらの組み合わせのため、任意のサイトの一組の候補位置を定義することを含む、請求項1から7のいずれか一項に記載の方法。

請求項9

最適化する前記ステップが、計量の有効範囲、容量、またはMIMO容量利得の少なくとも1つを最大限にするとともに、残りの容量に対する最小限の要件を維持する、各送信機位置に対するアンテナ構成を決定することを含む、請求項8に記載の方法。

請求項10

受信機位置を定義する前記ステップが、前記エリア全体のMIMO性能を評価するため、複数ピクセル当たりの受信機が1つであり、構成可能な地上受信機高さを有する、分解能が固定の受信機グリッド行列を定義することを含むか、あるいは、屋内MIMO性能を近似するため、前記クラッタ高さ行列の建物周りのある距離においてのみ受信機ポイントを定義することを含む、請求項1から9のいずれか一項に記載の方法。

請求項11

前記計画/最適化エリアを、カバー範囲最良の送信機位置が関連付けられた複数の有効範囲セクタに分割するステップと、異なる利用可能なマルチアンテナ型およびアンテナ構成に対して決定された前記スカラー計量の値を比較することによって、各有効範囲セクタ内の各受信機ピクセルについて、前記可バー範囲が最良の送信機位置に対する最適なマルチアンテナ型および/またはアンテナ構成を決定するステップとをさらに含む、請求項1から10のいずれか一項に記載の方法。

請求項12

有効範囲セクタの受信機ピクセルの大多数において最良のマルチアンテナ型と決定された前記マルチアンテナ型を、各有効範囲セクタの前記カバー範囲が最良の送信機位置に対する最適なマルチアンテナ型として選択するステップをさらに含む、請求項11に記載の方法。

請求項13

各受信機ピクセルに対して決定された前記スカラー計量を、予測トラフィック密度および/もしくはトラフィック量を表す値、または最大予測コストもしくは収益などの経済値で重み付けするステップと、前記受信機ピクセルの前記スカラー計量の重み付けした合計が最大である前記マルチアンテナ型を、各有効範囲セクタの前記カバー範囲が最良の送信機位置に対する最適なマルチアンテナ型として選択するステップとをさらに含む、請求項11に記載の方法。

技術分野

0001

本発明は、基地局および受信機を備えるとともに、前記基地局および受信機において、マルチアンテナ型の使用を許可および/または強化する移動無線技術を採用する、無線アクセスネットワークの構成を計画し最適化する方法に関する。特に、本発明は、無線アクセスネットワークにおいてマルチアンテナ配備する場合に得ることができる利点を見積る方法に関する。

背景技術

0002

多入力多出力MIMO)技術は近い将来に配備できるようになる。直交偏波アンテナ、等間隔リニアアレイ、およびリモートラジオヘッドを含む様々なMIMOアンテナ型が利用可能になるであろう。理論上のMIMO性能の利得は十分に調査されてきたが、ネットワークオペレータの主要なタスクの1つである、セルラーネットワークの計画および最適化のワークフローにおけるすべてのセクタに対する最適なMIMOアンテナ型の選択プロセスは、これまでほとんど扱われてこなかった。

0003

MIMO技術は、HSPA+向けのRelease 7において、またより多くのオプションを備えたLTE向けのRelease 8において、3GPPによって仕様が定められている。現在、ネットワークオペレータは、セルラーネットワーク配備を計画し最適化するプロセスにMIMO技術を組み込む解決策を強く求めている。

0004

セルラー無線ネットワークにおける無線アクセスネットワークの計画および最適化は、有効範囲内の基地局の数、基地局当たりのセクタの数、基地局の位置、基地局セクタ当たりのアンテナの型、チルトおよび方位角でのアンテナの向き、基地局/セクタの送信電力に関して、無線アクセスネットワークの構成を定義することを含む。これは、従来、「有効範囲」および「容量」の物理的計量を評価することによって行われる。

0005

また、非物理的な計量を、無線アクセスネットワークの配備または最適化に使用して、例えば、セクタ当たりの分散トラフィック、セクタ当たりの予測トラフィック量、最大予測可能コストおよび/または収益などの均衡をとることができる。

0006

無線アクセスネットワークの計画が第1の機能的構成をもたらす一方、無線アクセスネットワークの最適化は最適な構成を定義する。無線アクセスネットワーク構成の最適化は、当該エリアおよび/または特にトラフィック密度の高いエリアにおいて、上述の計量を強化することを目的としている。典型的な最適化タスクはまた、サイト選択として知られている、一組の候補位置から基地局の最適位置を選択すること、またはサイト統合として知られている、基地局の既存のネットワークに基地局を統合することである。ここでは、無線アクセスネットワークとは、セルラー無線ネットワークにおける無線ネットワーク関連部分として理解すべきである。

0007

物理的計量である「有効範囲」は、一般的に、計画または最適化すべき個々の移動無線技術のパイロット信号または基準信号受信電界強度対数的測度として表現される。受信電界強度は、送信機の送信電力、「通路減衰」と称される受信機位置送信機位置との間での無線チャネル減衰送信アンテナおよび受信アンテナの利得から、また任意に、送信機および受信機のハードウェアにおける利得または損失からも計算される。

0008

マルチアンテナ型を採用しないセルラー無線技術の物理的計量である「容量」は、一般的に、計画または最適化すべき個々の移動無線技術のパイロット信号または基準信号の信号対雑音および干渉比(SINR)の対数的測度、あるいは等価の計量として表現される。これは、Claude Elwood Shannon: "A Mathematical Theory of Communication", Bell System Technical Journal, vol. 27, p. 379-423, and 623-656, July and October 1948に記載され、シャノン容量CShannon=ld(1+SINR)として知られている、単入力および単出力を備えるとともに加法性ホワイトガウスノイズを呈するチャネルの理論上のチャネル容量に基づく。

0009

無線アクセスネットワークの構成を計画し最適化する際、いわゆる高速フェージングに起因する影響は無視することが知られている。それ故、送信機および/または受信機におけるマルチアンテナ設置に対応していないセルラー無線技術のチャネルは、一般に、「経路損失」のスカラー値によって記述することができる。したがって、物理的計量である「有効範囲」および「容量」は、これまで、チャネルモデルを用いて決定される経路損失から計算されてきた。例えば、経験的、統計的、および決定論的チャネルモデルがある。

0010

チャネルモデルに対する最小限の要求は、送信機位置と受信機位置との間に結果として経路損失を与えるチャネルの記述を提供することである。そのような無線チャネルモデルに基づいて、従来の無線アクセスネットワーク計画/最適化アルゴリズムは、典型的には、送受信機各組み合わせについて、次のことを決定する。
アンテナ構成に対する受信機ピクセル当たりの受信電界強度、すなわち、受信機ピクセル当たりおよび送信機ピクセル当たりに得られる1つの値、および、
受信機ピクセル当たりのSINR、すなわち、受信機ピクセル当たりおよび送信機当たりに得られる1つの値。

0011

計画/最適化のため、無線チャネルモデルに入力すべき必要な情報は、次のとおりである。
次元(3D)空間内の基地局の位置を含む、複数の基地局を備えた無線アクセスネットワークの構成。これらの基地局は、候補基地局を形成するため、無線アクセスネットワークにおいてその時点では無効になっている場合がある。そのような構成は、ネットワークオペレータの(動作)データベースから直接インポートすることができる。
基地局それぞれの送信電力、
送信機および受信機で使用されるアンテナの指向特性モデル
搬送周波数、および、
通常は分解能が固定のグリッド行列(例えば、10m×10m、または25m×25mの)として提供される、ピクセル当たり受信機1つの受信機の位置。

0012

無線アクセスネットワークを計画し最適化するための有利な追加の入力情報は、排他的ではないが、次のとおりである。
物理的特性の値(例えば、対数値としての追加の減衰、メートル単位での建物の平均建物高さ、任意に他の値)を含む、環境および建物のタイプに関する分類情報をピクセルごとに含む、分解能が固定の(典型的な)グリッド行列(例えば、10m×10m、または25m×25mの)(クラッタ行列、高さクラッタ行列)。ピクセル当たりの特性は、通常、個別には帰着しないが、限定された数のいわゆるクラッタ分類に分類される、
そのエリアの地理的プロファイルを表すDEMデジタル標高行列)、DTM(デジタル地勢行列)、
建物の三次元(3D)ベクトルデータモデル
トラフィック行列、すなわち、分解能が固定のグリッド行列(例えば、10m×10m、または25m×25mの)の形態のユーザ分布、およびピクセル当たりのユーザ数またはユーザ密度
例えば、最小受信電界強度、最小SINR、マルチアンテナ技術による最小利得など、無線アクセスネットワークを計画し最適化するための、無線ネットワークオペレータによって定義される経済的および技術的な目標規則

0013

WiMAX、HSPA+、またはLTEなどの新しい移動無線技術は、送信機および受信機におけるマルチアンテナ型の配備に本質的に対応しており、または、構成の必須構成要素としてそのようなマルチアンテナ型を必要としている。

0014

送信機および受信機の両方においてマルチアンテナを配備することを含むシナリオは、一般的に、マルチアンテナ無線チャネル、またはMIMO(多入力多出力)と称される。

0015

WO2005/069666A1公報

先行技術

0016

Claude Elwood Shannon: "A Mathematical Theory of Communication", Bell System Technical Journal, vol. 27, p. 379-423, and 623-656, July and October 1948
G. J. Foschini and M. J. Gans, "On Limits of Wireless Communications in a Fading Environment When Using Multiple Antennas", Wireless Personal Communications. Vol. 6, No. 3, March 1998, p. 311-335
J. P. Kermoal, L. Schumacher, F. Frederiksen, and P. E. Mogensen, "Polarization Diversity inMIMO Radio Channels: Experimental Validation of a Stochastic Model and Performance Assessment",IEEEVTC Fall, AtlanticCity, NJ, USA, Oct. 2001
V. R. Anreddy and M. A. Ingram, "Capacity of Measured Ricean and Rayleigh Indoor MIMO Channels at 2.5GHz with Polarization and Spatial Diversity", IEEE WCNC, Las Vegas, NV, USA, April 2006
A. M. Sayeed in "Deconstructing Multi-Antenna Fading Channels", IEEE Transactions on Signal Processing, Oct 2002, Vol. 50, Issue: 10, p. 2563-2579

発明が解決しようとする課題

0017

これら近年の移動無線技術の無線チャネルは、一般に、マルチアンテナ無線チャネルとしてモデル化しなければならない。無線アクセスネットワークを計画し最適化するときに、送信機および受信機におけるマルチアンテナの設置を支援するため、また、チャネル容量を近似するときに、マルチアンテナチャネル行列固有値の特性および値を正確に計上するため、無線チャネルのモデルはマルチアンテナに準拠していなければならない。

0018

加法性ホワイトガウスノイズを呈し、かつ送信機におけるチャネル知識を有さないMIMOチャネルのチャネル容量は、信号対雑音比とチャネル行列の固有値の両方に応じて決まる。G. J. Foschini and M. J. Gans, "On Limits of Wireless Communications in a Fading Environment When Using Multiple Antennas", Wireless Personal Communications. Vol. 6, No. 3, March 1998, p. 311-335を参照のこと。Foschini(フォシニ)によれば、MIMOチャネルの容量は次式のように表される。



式中、Hは、MIMOチャネルのチャネルインパルス応答行列である。

0019

したがって、MIMOの場合、これは、SINRを使用してMIMOチャネルの容量を近似するのに十分ではなくなっている。より正確に言えば、MIMOチャネルの容量は、SINRとチャネルインパルス応答行列の固有値の両方に応じて決まる。

0020

相関特性一次独立性など、マルチアンテナチャネル行列の固有値の特性に応じて、MIMO容量の増加は、ビーム形成による信号対干渉および雑音比の増加、ダイバーシチ利得、または空間多重化直交偏波多重化という3つの効果によって達成することができる。さらなる課題として、直交偏波アンテナ、ビーム形成を特色とする等間隔リニアアレイ、およびリモートラジオヘッドを含む様々なMIMOアンテナ型が利用可能である。MIMOネットワーク容量の点では、これらのアンテナ型は、異なるさらに矛盾する電波伝搬効果を利用する。

0021

したがって、セクタ当たりの最適なMIMOアンテナ型を選択するため、セルラーMIMOネットワークの計画および最適化における、物理的計量の有効範囲および容量の従来の調査に加えて、セクタ位置の空間環境における異なるアンテナ型のMIMO性能を分析すべきである。

0022

従来技術のアルゴリズムでは、ダイバーシチ、ビーム形成、および多重化に起因する利点は、固有値の特性を間接的に表す対数計量(例えば、SINRオフセット、多重化の存在など)を決定することによって、実際の計画および最適化アルゴリズムとは独立にモデル化される。次に、これらの間接的計量は、クラッタクラス当たりの実際の計画および最適化アルゴリズムに対する入力値として構成される。これの欠点は、次のとおりである。間接的計量は、実際の計画および最適化アルゴリズムとは独立に見積られ、アルゴリズム自体によって計算されない。また、計画/最適化アルゴリズムのユーザは、エラーを起こしやすい構成を行わなければならず、クラッタクラス当たり(ピクセル当たりではなく)1つの利点を選択しなければならない。このことは、物理的な現実に著しく矛盾しているが、特に送信機および受信機におけるマルチアンテナの場合、「ダイバーシチ」および「多重化」という利点の存在および程度は、その物理的な現実によれば、クラッタクラスではなく送信機および受信機の環境における現実の建物密度に応じて決まる。

0023

間接的計量を見積るための統計的または経験的チャネルモデルの場合、特に、無線アクセスネットワークにおけるマルチアンテナ型の配備によって得られる多重化が、送信機および受信機の環境における建物密度の正確なモデルを用いずに使用されるという点で、無線アクセスネットワークの構成の計画および最適化のためのその情報の結果は、一般に、物理的理由で問題が多い。

0024

当該技術分野においては、送信機および/または受信機において従来の単一アンテナの代わりに複数のアンテナを配備することによって生み出される、有効範囲および容量に関する利点を直接モデル化できるようにする方法が欠落している。

0025

したがって、本発明の1つの目的は、独立しアルゴリズム的に有利なやり方で、有効範囲および容量に関して、無線アクセスネットワークにおけるマルチアンテナの配備によって得られる利点の見積りを提供することである。本発明のより具体的な目的は、潜在的配備エリアにおける異なるMIMOアンテナ型の相対的性能を分析するための、また、特定の有効範囲セクタに対して最適なMIMOアンテナ型を選択するための方法を提供することである。

課題を解決するための手段

0026

本発明は、無線アクセスネットワークの構成を計画し最適化するための、請求項1による方法を提供する。無線アクセスネットワークは、基地局および受信機を備えるとともに、前記基地局および受信機において、複数の単一アンテナ素子をそれぞれ備えるマルチアンテナ型の使用を許可および/または強化する移動無線技術を採用する。この方法は、計画/最適化エリアを定義するステップと、前記エリアに対する環境の三次元モデルを取得するステップと、三次元(3D)空間内の一組の送信機位置を取得するステップと、3D空間内の受信機位置を定義するステップとを含む。本発明によれば、前記送信機位置および前記受信機位置において単一アンテナの代わりにマルチアンテナ型またはマルチアンテナ型構成を適用することによって得られる容量利得を表すスカラー計量が、各受信機位置に対して決定される。このスカラー計量は、前記エリアに対する環境の前記三次元モデルを使用して、送信機位置と受信機位置との間で実行されるレイトレーシングアルゴリズムによって決定される。マルチアンテナ型構成は、ここでは、マルチアンテナ型と、機械的チルト電気的チルト、および/またはそれらの方位角とによって定義される。

0027

本開示に関連したマルチアンテナは、異なる信号(多重化)もしくは同じ信号(ダイバーシチ)を送信または受信するための複数の単一アンテナ素子を備えるアンテナを意味する。マルチアンテナは、基本的に、互いから空間的に分離された個別のアンテナ素子を備えるマルチアンテナ型と、異なる偏波方向によって分離された個別のアンテナ素子を備えるマルチアンテナ型とに区別される。

0028

空間的に分離された個別のアンテナ素子を有するマルチアンテナ型は、例えば、個別の同一のアンテナ素子が、送信または受信搬送周波数波長の一部からその波長の数倍までの範囲の間隔で互いから等間隔で離間して配列されている、等間隔リニアアレイ(ULA)または等間隔サーキュラーアレイ(UCA)として知られている、単一アンテナ素子が均一に分布されたリニアアレイまたはサーキュラーアレイである。

0029

また、本開示に関連して、マルチアンテナは、その個別のアンテナ素子が送信または受信搬送周波数の波長の数倍よりも広い間隔で配列され、マルチアンテナとして操作される、リモートラジオヘッド(RRH)として知られるマルチアンテナ型と見なされるものとする。

0030

異なる偏波方向によって分離された個別の素子を備えるマルチアンテナ型は、偏波方向を、すなわち電界の向きを90°ずらした、同一位置に配置された一対の単一アンテナ素子を備える、いわゆる直交偏波アンテナである。

0031

さらに、マルチアンテナ型の組み合わせが、例えば、一対の直交偏波単一アンテナ素子のリニアアレイの組み合わせが知られている。

0032

第1の実施形態によれば、レイトレーシングアルゴリズムは環境の正確な3Dモデル内で実行され、FoschiniのMIMO容量とSISOチャネルのシャノン容量との比としてスカラー計量がそこから計算されるマルチアンテナチャネルインパルス行列を得るため、レイ電界強度が定義された閾値を下回るまで、幾何光学のアルゴリズムと、任意に一様回折理論および/または散漫散乱のモデルなどの拡張とに基づいて、レイがトレースされる。

0033

第2の実施形態によれば、潜在的なマルチアンテナ型は、マルチアンテナ型の指向性図から導き出される個々のマルチアンテナ型の単一アンテナ素子の有効なアクティビティセクタを表す空間ビンによって、空間領域内で分解される。

0034

等間隔リニアアレイ(ULA)、等間隔サーキュラーアレイ(UCA)、またはリモートラジオヘッド(RRH)など、空間的に分離された単一アンテナ素子の場合、レイトレーシングアルゴリズムは、1つまたは2つなど、経路当たり少数反射を含む伝搬経路を探索することに限定され、主要かつ空間分解可能な伝搬経路は、送信機マルチアンテナおよび受信機マルチアンテナの空間ビンの間で決定される。各受信機位置に対するスカラー計量は、送信マルチアンテナ型の単一アンテナ素子の数に行が対応し、受信機位置における受信マルチアンテナ型の単一アンテナ素子の数に列が対応する伝搬経路行列であって、探索された主要かつ空間分解可能な伝搬経路の数にしたがって占有される行列を推定することによって決定される。スカラー計量は、前記伝搬経路行列の少なくとも1つの行または列が少なくとも2つの素子によって占められて、空間ダイバーシチの程度を示す場合は、第1の値を割り当てており、前記伝搬経路行列の少なくとも2つの行および少なくとも2つの列が少なくとも2つの素子によって占められて、空間多重化の程度を示す場合は、第2の値を割り当てている。

0035

直交偏波アンテナ(XPol)など、異なる偏向方向によって分離された単一アンテナ素子の場合、レイトレーシングアルゴリズムは、送信マルチアンテナと受信マルチアンテナの空間ビンの間に視線関係が存在するか否かを検出することに限定され、スカラー計量は、送信マルチアンテナの空間ビンと受信マルチアンテナの空間ビンとの間に視線関係が存在する場合は、第3の値を割り当てており、送信マルチアンテナの空間ビンと受信マルチアンテナの空間ビンとの間に視線関係が存在しない場合は、第4の値を割り当てている。

0036

マルチアンテナ型が、空間的に分離された単一アンテナ素子と、異なる偏波方向によって分離された単一アンテナ素子との組み合わせを備える場合、スカラー計量は、各マルチアンテナ型に対して決定される部分的スカラー計量の組み合わせによって決定することができる。

0037

主要かつ空間分解可能な伝搬経路を決定する上述のプロセスによって、例えば、演算に数時間を費やす代わりに数分以内で結果が得られるように、マルチアンテナ配備によって生じる利点の見積りを大幅に加速することができる。これは、マルチアンテナチャネル行列を直接決定する必要も、受信電力または出射および入射レイの角度を決定する必要もないためである。さらに、環境の3Dモデルとして3Dクラッタ高さ行列を採用するのに十分であり、これは、一般に、建物の正確な3Dベクトルデータモデルの代わりに、より容易にかつより低コストで利用可能である。別の実施形態では、高さ閾値を定義することができ、レイトレーシングは、クラッタ高さ行列を前記高さ閾値の上と下で半分にして、その両方で別個に行うことができる。これは、別個のアンテナを配備するか否か、かつその型および向きを決定するため、また例えば都市超高層ビル内のネットワークアクセスを確保するため、ネットワークオペレータにとって興味深いであろう。

0038

送信機位置は、通常、計画/最適化エリアをカバーし、かつ既に配備されている基地局または基地局のセクタの位置の組として、ネットワークオペレータから得られるが、サイト選択の目的で任意のサイトの候補位置の組を用いて計画を開始すること、または、補欠サイト計画のため、既存の基地局位置の組をいくつかの候補位置と併せて使用することが等しく可能である。

0039

受信機位置は、通常、固定の分解能を有し、複数ピクセル当たり1つの受信機を有する受信機グリッド行列内で、構成可能な地上高さにおいて定義される。特定の実施形態では、環境の3Dモデルの建物周りのある距離における受信機位置のみを考慮することによって、屋内MIMO性能を近似することができる。

0040

スカラー計量は、異なるタイプのマルチアンテナに対してだけではなく、マルチアンテナ型の異なる機械的チルト、電気的チルト、および/または方位角に対しても決定することができる。本発明の方法はさらに、最適なマルチアンテナ型を選択するために決定されたスカラー計量と、任意に、トラフィック密度および/もしくはトラフィック容量行列または別の経済指標に対応して特定の受信機ピクセルを重み付けすることを任意に含む、受信機ピクセル当たり、および有効範囲セクタ当たりのアンテナのアラインメントとを推定するステップを含んでもよい。

0041

本発明は、セルラー無線ネットワークの無線アクセスネットワークにおけるマルチアンテナ配備によって生じる、有効範囲および容量利得の見積りおよび最適化のための、アルゴリズム的に有利な方法を提供する。

0042

本発明の方法は、ダイバーシチ、多重化、およびビーム形成など、マルチアンテナ設置による潜在的な利点の外部構成を必要としないが、アルゴリズムの内部で必要な計量をすべて決定する。

0043

本発明の方法はまた、ネットワークMIMOなどの将来の移動無線技術、すなわち、協調スケジューリング協調ビーム形成のような協調マルチポイント(CoMP)技術、および同じ基地局のセクタ(基地局内)または異なる基地局のセクタ(基地局間)との共同送受信の有効範囲および容量に関して、MIMOによる利点を見積るのに有用である。

0044

本発明の方法はさらに、受信機ピクセル当たりの存在および多重度二間して、ダイバーシチ、多重化、および/またはビーム形成など、マルチアンテナ型の利点を反映するスカラー計量GainMIMOを改善するため、WO2005/069666A1公報、「Method and device for Adapting a Radio network model to the conditions of a real radio network」に記載されている方法と併せて使用することができる。これは、後に続くマルチアンテナチャネル行列の正確な計算のための、環境の3Dモデルにおける詳細なレイラウンチングトレーシングシミュレーションから、ピクセルごとの既存の測定データ、またはピクセルごともしくはグリッドごとの既存のデータを使用することによって、実現することができる。

0045

本発明の追加の特徴および利点は、単に一例として与えられ、添付図面を参照する、特定の実施形態の以下の詳細な説明から明白になるであろう。

図面の簡単な説明

0046

本発明の一実施形態による、単純化したレイトレーシング/経路検索のアルゴリズムを示す図である。
計画/最適化エリアのクラッタ高さ行列の定義を示す図である。
計画/最適化エリアの3Dモデルを示す図である。
図4aおよびbは、それぞれヘルツダイポールであって、間隔はλ/2であり、空間ビンモデルが導き出される2つの単一アンテナ素子から成るULAの指向性図である。
図5aおよびbは、それぞれヘルツダイポールであって、間隔はλ/2であり、空間ビンが導き出される4つの単一アンテナ素子から成るULAの指向性図である。
図6aおよびbは、65°の3dB角度を有し、空間ビンが導き出されるセクタアンテナの指向性図である。
図7aおよびbは、それぞれセクタアンテナであって、65°の3dB角度を有し、間隔はλ/2であり、空間ビンが導き出される2つの単一アンテナ素子から成るULAの指向性図である。
図8aおよびbは、それぞれセクタアンテナであって、65°の3dB角度を有し、間隔はλ/2であり、空間ビンが導き出される4つの単一アンテナ素子から成るULA(N=4およびΔ=0.5λのULAアンテナの場合、空間単位極座標内であり、そこから導き出される直交単位は面内である)の指向性図である。
図9aおよびbは、図5aおよびbに示される型の2つのマルチアンテナの間の経路検索に限定されるレイトレーシングと、そこから導き出される伝搬経路行列の一例を示す概略図である。
図7および8それぞれに示される型の2つのマルチアンテナの間での経路検索に限定されるレイトレーシングの一例を示す概略図である。
図6および8にそれぞれ示される型の2つのマルチアンテナの間での経路検索に限定されるレイトレーシングの一例を示す概略図である。
図12aおよびbは、アンテナ型選択と、そこから得られる例示的な受信機ピクセルプロットとの第1の例を示すフローチャートである。
図13aおよびbは、アンテナ型選択と、そこから得られる例示的な受信機ピクセルプロットとの第2の例を示すフローチャートである。
図14aおよびbは、アンテナ型選択と、そこから得られる例示的な受信機ピクセルプロットとの第3の例を示すフローチャートである。
図12〜14の評価に使用される最良サーバプロットの単純化された概略図である。

実施例

0047

本発明は、幾何光学のアルゴリズムと、任意に一様回折理論および/または散漫散乱などの拡張とを組み込んだ、環境の3Dかつ決定論的モデルにおけるレイトレーシングアルゴリズムを使用して、単一アンテナの代わりに複数アンテナを使用したときに得ることができる有効範囲および容量に関して利点を反映するすべての受信機ピクセルに対するスカラー計量を導き出すことを提案する。

0048

第1の実施形態によれば、MIMO相互情報とSISOチャネルのシャノン容量との比をスカラー計量として使用して、単一アンテナの代わりにマルチアンテナを使用したときに生じる有効範囲および容量に関する利点を見積ることが想到される。このスカラー計量は、次式のように表される。



式中、



は、以下のようにして導き出すことができる、個々のマルチアンテナ型の正規化したチャネルインパルス応答行列である。

0049

単入力単出力(SISO)無線チャネルの時間不変量(1つのサンプルポイント)および平坦フェージングシンボル持続時間>>平方二乗平均遅延広がり)の複素インパルス応答は、次式のように記述することができる。



式中、
kは、送信機と受信機との間の1つの経路、
dkは、経路k上の送信機と受信機との間の距離、
akは、経路k上の複素減衰
λは、搬送波長である。

0050

スカラー値であるこのSISOチャネルインパルス応答は、マルチアンテナの場合には行列となり、すなわちチャネルインパルス応答行列となる。このチャネル行列の行および列の数はそれぞれ、送信側および受信側におけるアンテナ素子の数によって決まる。この行列のi番目の行およびj番目の列の要素を、行列の(i,j)要素と称する。そのようなチャネルインパルス応答行列の(1,1)における行列要素は、常に式(1)によって決定することができるが、他のすべてのチャネル行列要素の計算は、使用されるアンテナ型に応じて変わる。

0051

図1は、レイラウンチングのシナリオを示す。レイの束は送信機源から発射する。環境の3Dモデルにアクセスして、レイの現在の伝搬方向において最も近い障害を決定する。レイを、数回の反射にわたって、またはそれらの電界強度が規定の閾値を下回るまでトレースする。レイが障害に当たれば、レイラウンチングアルゴリズムは、幾何光学のアルゴリズム、一様回折理論、および場合によっては有効粗度方策に基づいて、そのk、dk、およびak(式(2)を参照)の進行中の計算における減極を含む、反射、回折、および散漫散乱といった電波伝搬効果を含む。

0052

例示的なマルチアンテナ型の場合、チャネルインパルス応答をマルチアンテナチャネルインパルス応答行列に拡張することができ、それは、これらのアンテナ型の根本的な伝搬効果を組み込んで導き出すことができる。

0053

(a)マルチアンテナ型の「送信機および受信機における均一リニアアレイ(ULA)」について
ULA型アンテナは、リニアアレイに沿って均一な距離を置いて離れた複数の等しいアンテナ素子から成る。典型的な素子間距離δ=Δλは、Δ=0.5またはΔ=1の(搬送波長に対して)正規化したアンテナ離隔距離を有する。送信アンテナアレイ受信アンテナアレイとの間の距離dkは、典型的には、アンテナ素子の間の素子間距離よりもはるかに大きいので、平面波モデルを適用することができる。このモデルでは、MIMOチャネルインパルス行列の要素は、単一アンテナ素子間の位相差の分のみ、(1,1)における要素とは異なり、すなわち、dk≒dk+δ=dk+(m−1)・Δ・λ・cos(φ)であり、式中、mは、アンテナ素子数(Mrは受信アンテナ素子の数、Mtは送信アンテナ素子の数)、Δは、λに対して正規化した素子間アンテナ間隔、φは、アレイの方向に対する出射または入射平面波の角度である。

0054

式(1)と上記式とを組み合わせると、ULAのマルチアンテナチャネルインパルス応答行列は、次式のように計算することができる。



式中、上付添字*は、複素行列エルミート転置を示す。

0055

(b)マルチアンテナ型の「送信機および受信機における直交偏波アンテナ」について
純粋なXPolアンテナを備えたマルチアンテナチャネルは、2×2マルチアンテナシステムに限定される。したがって、そのチャネルインパルス応答行列は、次の文献によって周知の2×2行列によって与えられる。J. P. Kermoal, L. Schumacher, F. Frederiksen, and P. E. Mogensen, "Polarization Diversity inMIMO Radio Channels: Experimental Validation of a Stochastic Model and Performance Assessment",IEEEVTC Fall, AtlanticCity, NJ, USA, Oct. 2001を参照のこと。

0056

式(4)では、各行列要素は、式(2)によって計算されたチャネルインパルス応答を反映するが、これは、送信および受信アンテナ素子の偏波の異なる組み合わせに対するものである。完全偏光レイトレーシング/レイラウンチングアルゴリズムでは、このMIMOチャネルインパルス応答は結果として直接得られる。

0057

(c)マルチアンテナ型の「RRH(送信アンテナ)およびULA(受信アンテナ)の組み合わせ」について
本開示におけるRRH型のアンテナは、異なる場所に、例えば屋根の2つの角に位置付けられた、単一素子アンテナであるものとする。MIMOチャネルを2×2システムに限定すると、すなわち、送信機において2つの異なる位置に2つの単一アンテナ素子(RRH)と、受信機において2つの素子のULAを有するようにすると、上述の平面波モデルを受信アンテナ素子にも使用することができる。完全に異なる位置におけるRRHアンテナ素子を仮定し、その結果、2つの相関をなくしたチャネルインパルス応答を予期しているので、すべての単一RRHアンテナ素子に対して、式(1)を使用してチャネルインパルス応答を計算する必要がある。この場合、MIMOチャネルインパルス応答行列は、次式を使用して計算することができる。



式中、上付添字1および2は、RRHアンテナ素子の数を示すが、これは、k、ak、dk、およびφrkに対する無相関の値が、同じ受信機位置におけるすべての単一送信アンテナ素子について予期されるためである。

0058

チャネルインパルス行列(3)(4)、および(5)から、行列の固有値を線形代数のアルゴリズムによって直接計算することができる。

0059

本発明のスカラー計量(1)に戻ると、3つの効果(ビーム形成、ダイバーシチ、または空間多重化)すべてによって、MIMOによる容量利得が含まれる。ただし、GainMIMOに関与する具体的な効果(1つまたは複数)は式(1)に隠れている。

0060

GainMIMOの下限は1の値である。SISOチャネルに比べて、MIMOチャネルには容量の利点はない。ビーム形成がないと、GainMIMOの上限は、空間多重化の場合はチャネルインパルス応答行列(min(Mr,Mt))の最大階数、低SINR値におけるダイバーシチの場合はMrである。

0061

MIMOチャネルの性質を、その固有値に関してSINRの変化と区別するため、正規化したチャネル行列を式(1)のノミネータに適用する必要がある。この正規化は、適用したアンテナ型に対して、以下のように別々に計算する必要がある。

0062

1)ULAおよびRRHアンテナ型
これらのアンテナ型の場合、チャネル行列を、すべての行列要素の平均値に正規化する必要がある。J. P. Kermoal, L. Schumacher, F. Frederiksen, and P. E. Mogensen, "Polarization Diversity inMIMO Radio Channels: Experimental Validation of a Stochastic Model and Performance Assessment",IEEEVTC Fall, AtlanticCity, NJ, USA, Oct. 2001を参照のこと。



式(6)は、



および



の両方に適用することができる。式(6)において、



は、フロベニウスノルムをあらわし、eigは、固有値を意味する。

0063

2)XPolアンテナ型
式(6)をXPolアンテナに適用する場合、GainMIMOの過大見積りをもたらす、直交偏波サブチャネルに対する典型的な高い電力損については計上しない。V. R. Anreddy and M. A. Ingram, "Capacity of Measured Ricean and Rayleigh Indoor MIMO Channels at 2.5GHz with Polarization and Spatial Diversity",IEEE WCNC, Las Vegas, NV, USA, April 2006を参照のこと。したがって、



の固有値を、最も強いサブチャネルのSINRに対して、次式のように正規化する。



次に、式(1)における直交偏波MIMOチャネルの容量を、次式のように計算する。



ただし、いずれの場合も、特定セクタサービスエリアに対する本発明の基準値が、すなわちGainMIMOの値が高いほど、適用されるアンテナ型は、MIMOによる容量利得をもたらすのにより良好に適する。

0064

図2は、計画/最適化エリアの環境の3Dモデルとして有利に使用することができる、クラッタ高さ行列の定義を示す。建物高さは、3D位相幾何学データベースからリトラクトし、単位面積当たりの平均高さを固定の分解能で計算する。これは、平坦な領域に対しては十分である。しかし、起伏がある、または山地の環境では、そのエリアの地質学的高さを表すデジタル標高行列(DEM)によって、建物高さ行列を補正することが望ましい。その結果として得られる3Dクラッタ高さ行列を図3に示す。

0065

MIMOチャネル行列の固有値を決定論的に計算することを含む第1の実施形態は、ある程度の演算の複雑性を併せ持ち、環境の正確な3Dモデルを必要とするが、本発明の第2の実施形態は、レイラウンチングアルゴリズムを最大で3つの少数の反射に限定することと、図3に示されるようなクラッタ高さ行列によって表される、環境を通る主要な経路を探索することとを提案する。

0066

図4〜8は、異なるマルチアンテナ型を、個々のマルチアンテナ型の各単一アンテナ素子に対する有効なアクティビティセクタに空間分解する実施例を示す。

0067

空間的に直交する単位へのアンテナアレイ空間分解能は、例えば、A. M. Sayeed in "Deconstructing Multi-Antenna Fading Channels",IEEE Transactions on Signal Processing, Oct 2002, Vol. 50, Issue: 10, p. 2563-2579に記載されている。ここでは、アンテナアレイは、3Dデカルト座標系の1つの面内に、または任意に2つの直交面内に配置された単一アンテナ素子の配列として理解すべきである。単一アンテナ素子は、任意の内部構造によって、また信号入力/出力それぞれへの単一の外部接続によって定義される。これら2つの面のそれぞれにおいて、直交単位の数は、各面内のアンテナアレイにおける個々の素子の数Nによって定義される。各面内の空間分解能は、物理的に、アレイL=NΔの限定されたサイズによって得られる。ここで、Δは、搬送周波数の波長λに対して正規化した素子間アンテナ間隔である。2つの面それぞれに対して、面内に配置された角度φについて、また



について、この面内の空間ビンを決定するための極座標のグラフを、次式によって決定することができる。



式中、R(φ)は、この面内のアンテナの電気指向性図である。

0068

アンテナアレイの周りの空間を空間ビンに分割することによって、アンテナアレイによって分解可能な多重経路コンポーネントに送信されるべき、またはそこで受信されるべき信号のすべての経路の単純な分解が得られる。

0069

図4aおよびbは、それぞれヘルツダイポールであって、間隔はλ/2であり、空間ビンが導き出される2つの単一アンテナ素子から成るULAの指向性図を示し、図5aおよびbは、それぞれヘルツダイポールであって、間隔はλ/2であり、空間ビンが導き出される4つの単一アンテナ素子から成るULAの指向性図を示し、図6aおよびbは、65°の3dB角度を有し、空間ビンが導き出されるセクタアンテナの指向性図を示し、図7aおよびbは、それぞれセクタアンテナであって、65°の3dB角度を有し、間隔はλ/2であり、空間ビンが導き出される2つの単一アンテナ素子から成るULAの指向性図を示し、図8aおよびbは、それぞれセクタアンテナであって、65°の3dB角度を有し、間隔はλ/2であり、空間ビンが導き出される4つの単一アンテナ素子から成るULAの指向性図である。

0070

空間ビンの境界を以下のように定義することを提案する。

0071

異なる座標における3Dデカルト座標系の1つの面内または一対の直交面内において、送信または受信搬送周波数の波長の数分の1から数倍の範囲の距離だけ離間している、複数の単一アンテナ素子(すなわち、ULAもしくはUCA)を備えるマルチアンテナ型の場合、空間ビンは、鋭角によって、また任意に傾斜したピラミッド形によって定義され、そのピークはマルチアンテナの3D中心に配列され、またその側面は、次のように、マルチアンテナの3D中心位置から指定の距離内に限定される。極座標のグラフ(8)が直交面の対のそれぞれに生成され、その中に複数の個別のアンテナ素子が配列され、極座標における個別の空間単位のこれらグラフの交点が、この面内の空間ビンの境界として使用される。すべてのアンテナ素子が同じ座標の面内に配列される場合、極座標のグラフ(8)はこの面内に生成され、その中に複数の個別のアンテナ素子が配列され、極座標における個別の空間単位のこれらグラフの交点が、この面内の空間ビンの境界として使用されるが、直交面内では、ピラミッド頂角は、この面内の個別のアンテナ素子の主なビーム方向に対するこの面内のアンテナ図において定義されるフェージング量によって制限される。これにより、空間ビンの数は単一アンテナ素子の数に等しい。

0072

送信または受信搬送周波数の波長の数倍よりも大きい距離だけ離間し、マルチアンテナとして動作する複数の単一アンテナ素子(すなわち、RRH)を備えるマルチアンテナ型の場合、また、個別のアンテナであって、基地局の異なるセクタにおいて、3D環境の異なる位置における異なる基地局において、かつ/またはそれらの組み合わせにおいて動作し、また、協調マルチポイント(CoMP)(セクタおよび/もしくはネットワークMIMO)という意味でマルチアンテナとして動作する複数の単一アンテナ素子を備えるマルチアンテナの場合、空間ビンは、鋭角によって、また任意に傾斜したピラミッド形によって定義され、そのピークはマルチアンテナの3D中心に配列され、またその側面は、次のように、マルチアンテナの3D中心位置から指定の距離内に限定される。水平方向では、水平方向の個別のアンテナ素子の主なビーム方向に対して、水平アンテナ図R(φ)において定義されるフェージング量によって、垂直方向では、上向きの個別のアンテナ素子の主なビーム方向に対して、垂直アンテナ図R(θ)において定義されるフェージング量によって、また、下向きの個別のアンテナ素子の主なビーム方向に対して、垂直アンテナ図において定義されるフェージング量によって限定される。ここで、単一アンテナ素子はそれぞれ、正確に1つの空間ビンによって表される。

0073

異なる偏波方向によって離間している複数の単一アンテナ素子(例えば、XPol)を備えるマルチアンテナ型の場合、空間ビンは、鋭角によって、また任意に傾斜したピラミッドによって定義され、そのピークはマルチアンテナの3D中心に配列され、その側面は、次のように、マルチアンテナの3D中心位置から指定の距離内に限定される。水平方向では、水平方向の送信マルチアンテナの主なビーム方向に対して、水平アンテナ図R(φ)において定義されるフェージング量によって、垂直方向では、上向きの送信マルチアンテナの主なビーム方向に対して、垂直アンテナ図R(θ)において定義されるフェージング量によって、また、下向きの送信マルチアンテナの主なビーム方向に対して、垂直アンテナ図において定義されるフェージング量によって限定される。

0074

特定の実施形態では、空間ビンのピラミッド形は、水平方向および垂直方向でサイズが均等に設定されたレイチューブに内部で分割することができる。この場合、レイラウンチング/トレーシングアルゴリズムは、個々のレイを、各チューブを介して環境の3Dモデル内に発射することを含む。

0075

図9aは、図5aおよびbに示される型の2つのマルチアンテナの個別の空間ビンの間で、少数の反射のみ(この図では1つの反射のみ)を含む経路を探索することに限定される、限定されたレイトレーシングアルゴリズムを実行することによって探索される経路の一例を概略的に示し、図9bは、図9aから導き出される行列の占有を示す。

0076

構成可能な最少数の経路がそこから環境に発散する、または環境からそこに到達する直交単位は、「占有済み」と称される。マルチアンテナシステムにおける「空間多重化」、および「ダイバーシチ」という利点の存在および複雑性は、ここでは、送信および受信アンテナアレイの空間ビンの占有状態から単純に決定することができる。このため、送信および受信アンテナアレイの空間ビンは、送信アンテナアレイの空間ビンが行列の列を形成し、受信アンテナアレイの空間ビンが行列の行を形成する行列の形態で配列される。行列は、送信および受信アンテナアレイの個別のアンテナ素子を表す空間ビンの任意のものの間で探索された経路で占められる。具体的には、図9aでは、図9bの行列に示されるように、送信機空間ビン4から受信機空間ビン3および4へ、送信機空間ビン2から受信機空間ビン3および1へ、ならびに送信機空間ビン1から受信機空間ビン3への5つの主要な経路が探索されている。

0077

MIMOによる利点の存在は、次のようにこの行列から直接導き出すことができる。
受信/送信のダイバーシチ。受信/送信のダイバーシチという事実が存在することは、行/列が1つを超える素子で占められていることから分かる。ダイバーシチの程度は、行当たりの占有済み素子の数に対応する。
空間多重化。空間多重化の程度は、1つを超える素子によって占められている行および列の最少数に対応する。その程度が>1である場合、空間多重化が存在することが決定される。

0078

図10は、図7および8に示される型の2つのマルチアンテナ(すなわち、送信アンテナ:単一素子をセクタアンテナとした4×ULA、受信アンテナ:単一素子をセクタアンテナとした2×ULA)間で経路を探索することに限定されたレイトレーシングの一例を概略的に示し、図11は、図6および8に示される型の2つのマルチアンテナ(送信アンテナ:セクタアンテナとしての2つの単一アンテナ(リモートラジオヘッドアンテナ型)、受信アンテナ:単一素子をセクタアンテナとした2×ULA)(ULAアンテナにおいて、N=2およびΔ=0.5λ)間で経路を探索することに限定されたレイトレーシングの一例を概略的に示す。図9bに示されるのと同様の行列を、図10および11のシナリオについて導き出すことができる。

0079

本発明によれば、空間的に分離された単一アンテナ素子を備えたマルチアンテナ型の場合、前記伝搬経路行列の少なくとも1つの行または列が少なくとも2つの素子によって占められて、空間ダイバーシチの程度を示す場合は、スカラー計量GainMIMOは第1の値を割り当てており、前記伝搬経路行列の少なくとも2つの行および少なくとも2つの列が少なくとも2つの素子によって占められて、空間多重化の程度を示す場合は、前記スカラー計量は第2の値を割り当てている。さらに、本発明によれば、異なる偏波方向によって分離された単一アンテナ素子を備えるマルチアンテナ型の場合、送信マルチアンテナの空間ビンと受信マルチアンテナの空間ビンとの間に視線関係がある場合は、スカラー計量GainMIMOは第3の値を割り当てており、送信マルチアンテナの空間ビンと受信マルチアンテナの空間ビンとの間に視線関係がない場合は、第4の値を割り当てている。第1、第2、第3、および/または第4の値は、所望であれば、ネットワークオペレータなどによって定義される任意の経済的特徴に関して、特定のアンテナ型の好みを反映するように重み付けすることができる。

0080

図12〜14は、計画/最適化エリアの有効範囲セクタ内の各受信機ピクセルと、最適なマルチアンテナ型とを決定するステップの3つの例示的実施形態を示す。計画/最適化エリアの有効範囲セクタは、通常、図15に示されるようなスキームによって導き出され、「最良サーバプロット」として知られている。そのような最良サーバプロットは、ネットワークオペレータによって取得することができ、基地局アンテナ位置15A、B、Cによる物理的計量である「有効範囲」に関して、配備エリアのどの区画が最も役立つかを示す。図12a、13a、および14aはそれぞれ、上述の伝搬経路行列を使用して、2つの異なるマルチアンテナ型からより良好なアンテナ型を選択する決定ステップのフローチャートを示す。図12b、13b、および14bはそれぞれ、図12a、13a、および14aそれぞれの評価手順の結果として導き出される、個々の単純化した概略プロット図を示す。計画/最適化エリアは、図15に示されるような3つの有効範囲セクタに分割される。受信機ピクセルごとの最良のマルチアンテナ型の決定は、1つの有効範囲セクタについてのみ示されており、個々のアンテナ型が最良に働く受信機ピクセルを、対応するアンテナ型と同じ模様描写している。

0081

図12a、bは、2つの単一アンテナ素子を備えるULAと、4つの単一アンテナ素子を含むULAとの間で、要するに2−ULAと4−ULAとの間でなされる決定を示す。少なくとも1つのアンテナ型が「多重化」の利点を呈する場合、すなわち、スカラー計量GainMIMOが第2の値を割り当てている場合、空間多重化度が最大であるアンテナ型が、この受信機ピクセルの最適なマルチアンテナ型として選択される。「多重化」の利点を呈するアンテナ型がなく、ただし少なくとも1つのアンテナ型が「ダイバーシチ」の利点を呈する場合、すなわちスカラー計量GainMIMOが第1の値を割り当てている場合、空間ダイバーシチ度が最大であるアンテナ型が、この受信機ピクセルの最適なマルチアンテナ型として選択される。「多重化」または「ダイバーシチ」の利点を呈するアンテナ型がない場合、マルチアンテナ型の配備によって、空間ダイバーシチまたは多重化からいかなる利点も得られない。

0082

図13a、bは、ULA型と直交偏波アンテナ型との間で、要するにULAとXPolとの間でなされる決定を示す。ULA型に対するスカラー計量GainMIMOが第2の値を割り当てており、空間多重化度が2超過であることを示す場合、空間多重化度が最大である空間アンテナ型が、この受信機ピクセルの最適なマルチアンテナ型として選択される。ULA型に対するスカラー計量GainMIMOが第2の値を割り当てており、空間多重化度が2であることを示し、また、XPol型に対するスカラー計量GainMIMOが第3の値を割り当てており、視線(LOS)関係を示す場合、XPol型が、この受信機ピクセルの最適なマルチアンテナ型として選択される。ULA型に対するスカラー計量GainMIMOが第2の値を割り当てており、空間多重化度が2であることを示し、また、XPol型に対するスカラー計量GainMIMOが第4の値を割り当てており、視線なし(NLOS)関係を示す場合、空間アンテナが、この受信機ピクセルの最適なマルチアンテナ型として選択される。上述の条件のいずれにも該当しない場合、XPol型が、この受信機ピクセルの最適なマルチアンテナ型として選択される。

0083

図14a、bは、ULA型と、ULAとラインアレイ状に配列された2つの直交偏波アンテナを備える直交偏波アンテナとの組み合わせとの間で、要するにULAと2−(ULA+XPol)との間でなされる決定を示す。ULA型に対するスカラー計量GainMIMOが第2の値を割り当てており、空間多重化度が4超過であることを示す場合、空間多重化度が最大である空間アンテナ型が、この受信機ピクセルの最適なマルチアンテナ型として選択される。ULA型に対するスカラー計量GainMIMOが第2の値を割り当てており、空間多重化度が2以上であることを示し、また、XPolコンビネーション型に対するスカラー計量GainMIMOが第3の値を割り当てており、視線(LOS)関係を示す場合、XPolコンビネーション型が、この受信機ピクセルの最適なマルチアンテナ型として選択される。ULA型に対するスカラー計量GainMIMOが第2の値を割り当てており、空間多重化度が2以上であることを示し、また、XPolコンビネーション型に対するスカラー計量GainMIMOが第4の値を割り当てており、視線なし(NLOS)関係を示す場合、両方のアンテナ型が同じ利点をもたらし、両方のアンテナ型が、セクタごとの最良のアンテナ型を後で評価する際に等しく重み付けされる。上述の条件のいずれにも該当しない場合、XPolコンビネーション型が、この受信機ピクセルの最適なマルチアンテナ型として選択される。

0084

そのようなプロットは、特定の基地局サイトにおいて有効範囲セクタ全体に役立つマルチアンテナ型として、どのアンテナ型が最適であるかに関して、容易に推定される。第1の可能性は、個々のアンテナ型を好む受信機ピクセルを単に計数し、有効範囲セクタの受信機グリッドポイント大多数において最良のマルチアンテナ型と判断されるマルチアンテナ型を、各有効範囲セクタのカバー範囲が最良の送信機位置に対する最適なマルチアンテナ型として選択することである。

0085

所望であれば、例えば、予測トラフィック密度および/またはトラフィック量を表す値を用いて、受信機ピクセルを重み付けすることができ、受信機グリッドポイントのスカラー計量の重み付けした合計が最大であるマルチアンテナ型を、各有効範囲セクタのカバー範囲が最良の送信機位置に対する最適なマルチアンテナ型として選択することができる。

0086

代表的なシミュレーションを、欧州の密集した都市のセルラーネットワークにおいて実行した。ネットワークは、約2平方マイル(3.5km2)のサイズを有し、それぞれ3つのセクタを有する3つのサイトから成る。セクタアンテナは、60°、180°、および300°を指しており、平均建物高さ(約15m)のかなり上方(約50m)に位置している。環境の位相幾何学データベースとして三次元ベクトル表現を使用する。電波伝搬を、上述のように、レイラウンチングチャネルシミュレータによってシミュレートした。受信機位置は、10m×10mのグリッド内に配置した(オプション1)。変形例では、屋内MIMO性能を検査するため、建物周りの10mの距離にのみ受信機を配置した(オプション2)。この大まかなモデルは、10mのグリッド内にあるすべての建物の窓を仮定している。レイラウンチングツールには透過をモデル化していないので、特に、建物の窓がある側からのみ電波が受信機に到達する状況におけるMIMO性能を調査することができる。合計9つのセクタのうち4つは受信機によって役立つ。この受信機グリッド行列の高さは、zRx=1.5m(構成C1)で、かつDEMの上ではzRx=15m(構成C2)で定義した。

0087

送信側では、検討したすべてのアンテナ型の単一アンテナ素子として使用したモデルは、65°の3dBビーム幅、6°の電気下方チルト、および16.57dBiの利得を有する典型的な市販のアンテナであった。受信側において、利得が0dBiである等方性源の人工モデルを、単一アンテナ素子のモデルとして使用した。

0088

レイラウンチングシミュレーションの結果は、すべての受信機位置に対して式(2)に表されるようなチャネルインパルス応答である。式(2)に加えて、レイラウンチングツールは、式(3)の計算に必要とされる、すべての出射(送信側)および入射(受信側)レイの角度も出力する。このレイラウンチングシミュレータは完全偏光型なので、式(4)に表されるようなXPolチャネル行列も直接チャネルシミュレーションの結果である。

0089

実証例において、ΔTx/Rx=0.5のULAと、±45°偏向したXPolアンテナの性能を比較し、4つのサービスセクタのうち最良のサーバエリアをその結果と一致させて、図13に概略的に示されるようなプロットを得た。

0090

この分析の結果を以下の表に示す。この表は、4つの主な欄を示しており、それらはそれぞれ、受信機に役立つ4つのセクタの1つに対応する。どのセクタがどの受信機に役立つかに関する選択を、図14に概略的に示される最良サーバプロットに基づいて行った。さらに、表は、調査した2つのマルチアンテナ型の1つについて、個々のセクタが役立つ受信機ピクセルの総数パーセンテージ(%)と、より高い計量GainMIMOを有する受信機ピクセルの総数のパーセンテージ(%)の両方の構成について示す。

0091

セクタごと/アンテナ型ごとの有効範囲エリア(%)

0092

例えば、C1では、セクタ2は、全エリアの42.0%の総有効範囲を有する。セクタ2がXPolアンテナを有する場合、このセクタがULAアンテナを有する場合により高いGainMIMOを有する受信機が41.9%であるのに比べて、その有効範囲エリアの58.1%がより高いGainMIMOを有する。したがって、セクタ2にはXPolアンテナを配備するべきである。これは、セクタ3および4にも当てはまるが、セクタ1には当てはまらない。他方では、zRx=15mのオプション2(構成2:C2)に対する結果は、セクタ1に対してアンテナ型の選択が逆になることを示しており、GainMIMOが受信機高さおよび受信機分布に依存していることを実証している。

ページトップへ

この技術を出願した法人

この技術を発明した人物

ページトップへ

関連する挑戦したい社会課題

関連する公募課題

ページトップへ

おススメ サービス

おススメ astavisionコンテンツ

新着 最近 公開された関連が強い技術

  • 株式会社NTTドコモの「 ユーザ端末及び無線通信方法」が 公開されました。( 2020/10/29)

    【課題・解決手段】ビーム回復手順の実施が想定される場合に、RLMを適切に制御すること。本発明の一態様に係るユーザ端末は、仮想の下り制御チャネルに関する情報を受信する受信部と、前記情報に基づいて、下り制... 詳細

  • 株式会社NTTドコモの「 ユーザ端末及び無線通信方法」が 公開されました。( 2020/10/29)

    【課題・解決手段】同期信号ブロックを利用する無線通信システムにおいて制御チャネルの設定領域の情報を適切に通知するために、本発明のユーザ端末の一態様は、制御リソースセットの構成を示す所定ビット情報を含む... 詳細

  • 株式会社NTTドコモの「 端末、無線通信方法及び基地局」が 公開されました。( 2020/10/29)

    【課題・解決手段】マルチキャリア波形を有するUL信号を適切に送信するために、ユーザ端末は、連続する周波数リソースにわたるマルチキャリア波形を有する上り信号を、上り共有チャネルを用いて送信する送信部と、... 詳細

この 技術と関連性が強い人物

関連性が強い人物一覧

この 技術と関連する社会課題

関連する挑戦したい社会課題一覧

この 技術と関連する公募課題

関連する公募課題一覧

astavision 新着記事

サイト情報について

本サービスは、国が公開している情報(公開特許公報、特許整理標準化データ等)を元に構成されています。出典元のデータには一部間違いやノイズがあり、情報の正確さについては保証致しかねます。また一時的に、各データの収録範囲や更新周期によって、一部の情報が正しく表示されないことがございます。当サイトの情報を元にした諸問題、不利益等について当方は何ら責任を負いかねることを予めご承知おきのほど宜しくお願い申し上げます。

主たる情報の出典

特許情報…特許整理標準化データ(XML編)、公開特許公報、特許公報、審決公報、Patent Map Guidance System データ