JP5570620B2 - 変換行列を含む通信システムノード - Google Patents

Description

本発明は、無線通信システムにおけるノードに関する。このノードは、少なくとも１つのアンテナを備え、当該アンテナは、第１のセクタを第１の方向においてカバーするように構成され、ある数のアンテナポートを備え、この数は、少なくとも４である。

本発明は、第１のセクタを第１の方向においてカバーする少なくとも１つのアンテナを用い、少なくとも４である数のアンテナポートを有する無線通信システムノードにおける方法にも関する。

無線通信システムにおけるノードにおいて、第１のセルラシステムについて設計されたアンテナ構成を第２のセルラシステムにおいて再使用するニーズが時々ある。しかしながら、第２のセルラシステムは、アンテナ構成について第１のセルラシステムの要件とは異なる要件を有することがある。

そのような状況の一例は、空間符号分割多元接続（ＳＣＤＭＡ：Spatial Code Division Multiple Access）システム、即ち、第１のセルラシステムが、第３世代パートナーシッププロジェクト（３ＧＰＰ：3rd Generation Partnership Project）ＬＴＥ（Long Term Evolution）システム、即ち、第２のセルラシステムに移行すべき場合である。ＳＣＤＭＡシステムは、ＬＴＥにおいて用いられる送信モードについて必要なよりも多くのアンテナポートを有するアレイアンテナと共に配備されていることがある。そのようなシナリオにおいてアンテナを再使用するためにとり得る方法は、ＳＣＤＭＡシステムにおけるセクタをＬＴＥシステムについての２つのセクタに分割することである。すると、ＬＴＥシステムにおけるセクタごとのアンテナポートの数は、ＳＣＤＭＡシステムにおけるセクタごとのアンテナポートの数の半分になる。

一般に、この問題に対する簡単な解決法は、既存のアンテナを第２のセルラシステムについて設計される新たなアンテナに置換することである。しかしながら、システム全体においてアンテナを置換することは非常にコストがかかる運用であるため、既存のアンテナを再使用することは魅力的な代替案となる。

従って、第２のセルラシステムがアンテナ構成について第１のセルラシステムの要件とは異なる要件を有する場合に、第１のセルラシステムについて設計されているが第２のセルラシステムにおいて用いられるべき既存のアンテナ構成を再使用したいという要望が存在する。

本発明の目的は、第２のセルラシステムがアンテナ構成について第１のセルラシステムの要件とは異なる要件を有する場合に、第１のセルラシステムについて設計されているが第２のセルラシステムにおいて用いられるべき既存のアンテナ構成を再使用することである。

上記目的は、無線通信システムにおけるノードによって達成され、当該ノードは、少なくとも１つのアンテナを備え、当該アンテナは、第１のセクタを第１の方向においてカバーするように構成され、ある数のアンテナポートを備え、この数は少なくとも４である。アンテナポートは、変換行列に接続され、当該変換行列は、アンテナポートを少なくとも第１のセットのバーチャルアンテナポートと第２のセットのバーチャルアンテナポートとに変換するために構成される。バーチャルアンテナポートの各セットは、ある数のバーチャルアンテナポートを備え、この数は、アンテナポートの数の半分以下であり、ただし２を下回らない。バーチャルアンテナポートのセットは、少なくとも第２のセクタと第３のセクタとを対応する第２の方向と第３の方向とにおいてカバーするように構成されるバーチャルアンテナに対応する。

上記目的は、第１のセクタを第１の方向においてカバーする少なくとも１つのアンテナを用い、少なくとも４である数のアンテナポートを有する無線通信システムノードにおける方法によって達成される。この方法は、アンテナポートを変換行列に接続するステップと、当該変換行列を用いて、アンテナポートを少なくとも第１のセットのバーチャルアンテナポートと第２のセットのバーチャルアンテナポートとに変換するステップとを含み、バーチャルアンテナポートの各セットは、ある数のバーチャルアンテナポートを有する。バーチャルアンテナポートの数は、アンテナポートの数の半分以下であり、ただし２を下回らない。バーチャルアンテナポートのセットは、少なくとも第２のセクタと第３のセクタとを対応する第２の方向と第３の方向とにおいてカバーするために用いられるバーチャルアンテナに対応する。

本発明の一例において、第１の方向は、第２の方向と第３の方向との間に位置付けられる。

別の例において、変換行列は、バーチャルアンテナが各セクタにおいて実質的に等しいアンテナ放射パターンを有するように構成される。

別の例において、ノードは、無線遠隔ユニット、即ち、ＲＲＵをさらに備え、当該ＲＲＵは、対応するアンテナポートに接続される対応する増幅器を備える。

変換行列は、ハードウェア、ソフトウェア、又は、ハードウェア及びソフトウェアの組み合わせのいずれかにおいて実現され得る。

他の例は、従属請求項から明らかである。

本発明によって、多くの利点が得られる。例えば、セクタごとに利用可能なアンテナポートの数についての要件が２つのシステムにおいて異なる場合、あるセクタ化されたセルラシステム（sectorized cellular system）のアンテナを別のシステムで再使用するための解決法が提供される。

ここで、本発明は、添付の図面を参照しつつ、より詳細に記載されるであろう。

本発明に係るノードの概略図を示す。 本発明に係るアンテナ構成及び無線チェーンの概略図を示す。 アンテナ放射パターンの概略図を示す。 バーチャルアンテナ放射パターンの概略図を示す。 本発明に係る方法についてのフローチャートを示す。

図１を参照すると、無線通信システムにおけるノード１が存在し、当該ノード１は、４つのアンテナポート５、６、７、８を備えるアンテナ２を備える。図３も参照すると、アンテナ２は、第１のセクタ３を第１の方向４においてカバーするように構成される。

図２も参照すると、アンテナ２は、アンテナ素子２０、２１、２２、２３を備え、各アンテナ素子は、対応するアンテナポート５、６、７、８に接続される。各アンテナ素子は、単一のアンテナ素子として示されるが、これは概略的な表現にすぎない。各アンテナ素子は、実際には複数の物理的なアンテナ素子を備えるアンテナ素子コラム（antenna element column）を構成してもよい。「アンテナ素子（antenna element）」という用語が以下で用いられる場合、当該用語は、図２に示されるように単一のアンテナ素子を指し、又は、アンテナ素子コラムにおける複数のアンテナ素子を指し得ることが理解されるべきである。

アンテナ素子のビームは、全て同じ方向、概してボアサイト（boresight）を向いており、上記第１のセクタ３の所望のセクタカバレッジが得られるようなビーム幅を有する。

本発明によれば、アンテナポート５、６、７、８は、変換行列９に接続される。変換行列９は、アンテナポート５、６、７、８を、第１のセットＳ１のバーチャルアンテナポート１０、１１と第２のセットＳ２のバーチャルアンテナポート１２、１３とに変換するために構成される。この例において、バーチャルアンテナポートの各セットＳ１、Ｓ２は、２つのバーチャルアンテナポート１０、１１；１２，１３を有する。これらのセットＳ１、Ｓ２は、好適には、メインユニット、即ち、ＭＵ２９に接続される。

図４も参照すると、バーチャルアンテナポート１０、１１；１２，１３のセットＳ１、Ｓ２は、少なくとも第２のセクタ１４と第３のセクタ１５とを対応する第２の方向１６と第３の方向１７とにおいてカバーするように構成されるバーチャルアンテナに対応する。

このように、第１のセクタ３は、第２のセクタ１４と第３のセクタ１５とに分割されており、第２のセクタ１４は、第１のセットＳ１のバーチャルアンテナ素子によってカバーされ、第３のセクタ１５は、第２のセットＳ２のバーチャルアンテナ素子によってカバーされる。

そのような変換を可能にするために、アンテナポート５、６、７、８に適用される再設定ネットワーク（reconfiguration network）９が必要である。例えば、結果として得られるアンテナ構成の特性がＬＴＥシステムについて適しているように再設定ネットワークを設計することができる場合、これは、アンテナ構成に関して、ＳＣＤＭＡシステムからＬＴＥへの円滑な移行パスを提供する。

一例によれば、第１のセットＳ１のバーチャルアンテナ素子が第２のセクタ１４の所望のカバレッジが得られるようなビーム方向及びビーム幅を有する一方で、それと同時に、隣接セクタからの／への干渉が最小化されるような特性を、バーチャルアンテナ素子は有する。同じことは、第２のセットＳ２のバーチャルアンテナ素子及び第３のセクタ１５についても当てはまるべきである。

別の例によれば、例えば、ビーム形成及びコードブックベースのプリコーディング（codebook based precoding）が第２のセクタ１４及び第３のセクタ１５において適用されることができるように、バーチャルアンテナ素子は、ずらされた位相中心を有するべきである。

別の例によれば、図１及び図２を参照すると、ノード１は、いわゆる遠隔無線ユニット（ＲＲＵ:remote radio unit）２４も備える。遠隔無線ユニット２４は、アンテナポート５、６、７、８と変換行列９との間に接続され、対応する増幅器２５、２６、２７、２８を備える。この示される図は、送信機チェーンのみが示される簡略化されたＲＲＵの図であり、図示されない受信機チェーンもあってもよい。なぜなら、アンテナ２は、本発明の枠組み内で相互的に（reciprocally）機能し得るからである。

ＲＲＵ又は同様の増幅器構成が用いられる場合、変換行列９は、送信機チェーンにおける全ての増幅器２５、２６、２７、２８がよりよく又はほぼ充分に（fully）利用されるように設計されるべきである。

以下において、図２を参照しつつ、本発明の詳細な例が提示されるであろう。この例においては、１２０°のセクタをカバーする４つのアンテナ素子２０、２１、２２、２３が存在する。変換行列９は、２つのセットＳ１、Ｓ２のバーチャルアンテナ素子を生成し、各セットに２つの素子が存在する。バーチャルアンテナ素子の２つのセットＳ１、Ｓ２は、各々６０°のセクタをカバーするように構成されるので、合わせて元の１２０°のセクタをカバーする。ここでは、アンテナ素子２０、２１、２２、２３は、共極性化される（co-polarized）。

変換行列Ｗは、アレイ重みベクトルを

に従って列として並べることによって構成される。ここで、各ｗは、４×１複素重みベクトルである。ベクトルｗ_Ｂ，１は、セクタＢにおける１番目のビームを生成し、以下同様である。重みベクトルの下記の設計は、変換行列に所望の要件を満足させるであろう。

ここで、ｄ_ｋは、ｋ番目のアンテナ素子の参照点（reference point）に対するアンテナ軸に沿った位置を表し、λはキャリア波長である。さらに、ｃ及びφは、結果として得られるバーチャルアンテナ素子のビームパターンを制御する設計パラメータである。振幅テーパー係数（amplitude taper coefficient）ｃは、ビーム幅及びサイドローブレベルに作用する一方、位相φはビームが向けられる方向を制御する。これらの設計パラメータは、所望の基準関数（criterion function）に関して最適化されることができる。そのような基準には、例えば、隣接セクタ間のクロスオーバレベル及びサイドローブレベルが含まれ得る。

提案される解決法は、下記の重要な特徴を有し、所望の要件を満足させる。

１．下記により、全ての電力増幅器が充分に利用される。

ここで、Ｗ_{Ｂ，１，ｋ}は、Ｗ_Ｂ，１におけるｋ番目の要素を表す。

２．Ｗ_{Ｂ，１，１}＝Ｗ_{Ｂ，２，４}＝０、及び、Ｗ_{Ｃ，１，１}＝Ｗ_{Ｃ，２，４}＝０なので、バーチャルアンテナ素子は、ずらされた位相中心を有し、ビーム形成及びコードブックベースのプリコーディングを可能にするであろう。

設計パラメータｃ及びφの賢明な選択により、第２のセクタ１４及び第３のセクタ１５それぞれの所望のカバレッジが得られるように、バーチャル素子のビームパターンを設計することができる。

項（１）〜（３）は、本例の一部であり、本発明の全体について必要なわけではない。

図５を参照すると、本発明は、第１のセクタ３を第１の方向４においてカバーし、且つ、少なくとも４である数Ａ個のアンテナポート５、６、７、８を有する少なくとも１つのアンテナ２を用いる無線通信システムノードにおける方法にも関する。この方法は、
３０：アンテナポート５、６、７、８を変換行列９に接続するステップと、
３１：変換行列９を用いて、アンテナポート５、６、７、８を少なくとも第１のセットＳ１のバーチャルアンテナポート１０、１１と第２のセットＳ２のバーチャルアンテナポート１２、１３とに変換するステップとを含み、バーチャルアンテナポートの各セットＳ１、Ｓ２は、数Ｂ個のバーチャルアンテナポート１０、１１；１２、１３を有し、バーチャルアンテナポート１０、１１；１２、１３の数Ｂは、アンテナポート５、６、７、８の数Ａの半分以下であり、ただし２を下回らず、バーチャルアンテナポート１０、１１；１２、１３のセットＳ１、Ｓ２は、少なくとも第２のセクタ１４と第３のセクタ１５とを対応する第２の方向１６と第３の方向１７とにおいてカバーするために用いられるバーチャルアンテナに対応する。

本発明は、上記の例に限定されず、添付の特許請求の範囲内において自由に変更され得る。例えば、４つのアンテナコラムの例は、本概念を説明するための実例にすぎない。前述したように、アンテナ素子の数は、各コラムについて任意の適当な数とすることができ、一般に、本概念はＮ個のアンテナ素子を有するアンテナに適用され得る。物理的なアンテナ素子によってカバーされるセクタは、各々Ｎ／２個のバーチャルアンテナ素子によってカバーされる２つのセクタに分割される。

単一極性化された（single polarized）アンテナ素子について記載したが、本概念は、二重極性化された（dual-polarized）アレイアンテナにも適用されることができる。提案される変換行列は、各極性に適用される。その結果、バーチャルアンテナ素子によってカバーされるあるセクタについて、同じ極性のバーチャルアンテナ素子は異なる位相中心を有するべきであるが、異なる極性のバーチャルアンテナ素子又は異なるセクタをカバーするバーチャルアンテナ素子は必ずしも異なる位相中心を有するべきではない。

アンテナポートの数Ａは、変更され得るが、少なくとも４である。バーチャルアンテナポートの各セットＳ１、Ｓ２は、数Ｂ個のバーチャルアンテナポート１０、１１；１２、１３を有し、バーチャルアンテナポート１０、１１；１２、１３の数Ｂは、アンテナポート５、６、７、８の数Ａの半分以下であり、ただし２を下回らない。

ノードは、例えば、３セクタシステムについてビーム幅が概して６５°又は９０°の３つのアンテナを備える３セクタシステムといった、任意の適当なアンテナ構成を備えることができる。

記載された重みベクトルは、例として定義されるにすぎない。他の多くの重みベクトルが考えられる。

本発明を用いて、セクタの数を増加させることなく、アンテナポートの数をＮからＮ／２に減少させることも可能である。例えば、３セクタシステムにおける８つのアンテナポートを、３セクタシステムにおける４つのアンテナポートに再設定する（reconfigure）ことが可能である。

変換行列は、ＲＲＵに配置されてもよく、また、ハードウェアに加えて、ソフトウェア、又は双方の組み合わせにおいて実現されてもよい。

セットＳ１、Ｓ２は、好適には、メインユニット、即ち、ＭＵ２９に接続されるが、勿論、任意の他の適当な部分に接続されてもよい。

本文脈において、バーチャルアンテナが各セクタにおいて等しいアンテナ放射パターンを有すると述べられる場合、これは、これらの放射パターンが数学的に正確に等しいことを意味するのではなく、この技術分野において実際に達成することが可能な範囲で等しい。

Claims (9)

1. 無線通信システムにおけるノード（１）であって、当該ノード（１）は、少なくとも１つのアンテナ（２）を備え、当該アンテナ（２）は、第１のセクタ（３）を第１の方向（４）においてカバーするように構成され、ある数（Ａ）のアンテナポート（５，６，７，８）を備え、アンテナポート（５，６，７，８）の前記数（Ａ）は、少なくとも４であり、
   前記アンテナポート（５，６，７，８）は、変換行列（９）に接続され、当該変換行列（９）は、前記アンテナポート（５，６，７，８）を少なくとも第１のセット（Ｓ１）のバーチャルアンテナポート（１０，１１）と第２のセット（Ｓ２）のバーチャルアンテナポート（１２，１３）とに変換するために構成され、バーチャルアンテナポートの各セットは、ある数（Ｂ）のバーチャルアンテナポート（１０，１１；１２，１３）を備え、バーチャルアンテナポート（１０，１１；１２，１３）の前記数（Ｂ）は、アンテナポート（５，６，７，８）の前記数（Ａ）の半分以下であり、ただし２を下回らず、バーチャルアンテナポート（１０，１１；１２，１３）の前記セット（Ｓ１，Ｓ２）は、少なくとも第２のセクタ（１４）と第３のセクタ（１５）とを対応する第２の方向（１６）と第３の方向（１７）とにおいてカバーするように構成されるバーチャルアンテナに対応し、
   前記変換行列は、前記第１のセットに対応するバーチャルアンテナ及び前記第２のセットに対応するバーチャルアンテナの双方のビーム幅若しくはサイドローブレベル又はビーム方向に作用する設計パラメータを有する、
   ことを特徴とする、ノード（１）。
2. 前記第１の方向（４）は、前記第２の方向（１６）と前記第３の方向（１７）との間に位置付けられることを特徴とする、請求項１に記載のノード。
3. 前記変換行列（９）は、前記バーチャルアンテナが各セクタ（１４，１５）において等しいアンテナ放射パターン（１８，１９）を有するように構成されることを特徴とする、請求項１又は請求項２のいずれか１項に記載のノード。
4. 前記変換行列は、アンテナの極性ごとに適用され、
   各極性について、あるセクタをカバーするために構成される前記バーチャルアンテナの位相中心は、０．４波長よりも大きい分だけ隔てられており、当該波長は使用中の周波数帯域の中心に対応することを特徴とし、
   前記バーチャルアンテナの前記位相中心は、当該バーチャルアンテナに対応する複数のアンテナの位相の中心である、
   請求項３に記載のノード。
5. 前記アンテナ（２）は、共極性化されたアンテナ素子（２０，２１，２２，２３）を備えることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載のノード。
6. 前記ノード（１）は、無線遠隔ユニット、即ち、ＲＲＵ（２４）をさらに備え、当該ＲＲＵは、対応するアンテナポート（５，６，７，８）に接続される対応する増幅器（２５，２６，２７，２８）を備えることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載のノード。
7. 前記変換行列（９）は、ハードウェア、ソフトウェア、又は、ハードウェア及びソフトウェアの組み合わせのいずれかにおいて実現されることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載のノード。
8. 前記変換行列（９）は、アレイ重みベクトルを
   

   

   に従って列として並べることによって構成され、各ｗは複素重みベクトルであり、ベクトルｗ_ｋ，ｎはセクタｋにおいてｎ番目のビームを生成し、Ｋはセクタの数を表し、Ｎはセクタごとのビームの数を表すことを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１項に記載のノード。
9. 第１のセクタ（３）を第１の方向（４）においてカバーする少なくとも１つのアンテナ（２）を用い、少なくとも４である数（Ａ）のアンテナポート（５，６，７，８）を有する無線通信システムノードにおける方法であって、
   前記アンテナポート（５，６，７，８）を変換行列（９）に接続するステップ（３０）と、
   前記変換行列（９）を用いて、前記アンテナポート（５，６，７，８）を少なくとも第１のセット（Ｓ１）のバーチャルアンテナポート（１０、１１）と第２のセット（Ｓ２）のバーチャルアンテナポート（１２，１３）とに変換するステップと、
   を含み、
   バーチャルアンテナポートの各セット（Ｓ１，Ｓ２）は、ある数Ｂのバーチャルアンテナポート（１０，１１；１２，１３）を有し、バーチャルアンテナポート（１０，１１；１２，１３）の前記数（Ｂ）は、アンテナポート（５、６、７、８）の前記数（Ａ）の半分以下であり、ただし２を下回らず、バーチャルアンテナポート（１０，１１；１２，１３）の前記セット（Ｓ１，Ｓ２）は、少なくとも第２のセクタ（１４）と第３のセクタ（１５）とを対応する第２の方向（１６）と第３の方向（１７）とにおいてカバーするために用いられるバーチャルアンテナに対応し、
   前記変換行列は、前記第１のセットに対応するバーチャルアンテナ及び前記第２のセットに対応するバーチャルアンテナの双方のビーム幅若しくはサイドローブレベル又はビーム方向に作用する設計パラメータを有する、
   ことを特徴とする、方法。

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