JPH08265233A - アンテナ・アレーを使用する無線室内通信 - Google Patents

アンテナ・アレーを使用する無線室内通信

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JPH08265233A
JPH08265233A JP8056617A JP5661796A JPH08265233A JP H08265233 A JPH08265233 A JP H08265233A JP 8056617 A JP8056617 A JP 8056617A JP 5661796 A JP5661796 A JP 5661796A JP H08265233 A JPH08265233 A JP H08265233A
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antenna array
array
wireless communication
antenna
base station
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JP8056617A
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Manuel J Carloni
ジェー．カーロニ マニュエル
Michael James Gans
ジェームス ガンズ マイケル
Reinaldo A Valenzuela
エー．ヴァレンズエラ レイナルド
Jack Harriman Winters
ハリマン ウインターズ ジャック
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AT&T Corp
Original Assignee
AT&T Corp
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 室内無線通信において、信号出力マージンの
減少、多重遅延が生じていた。 【解決手段】 無線通信システムと方法は、超高速デー
タ転送通信のための、複数のエレメントを持つ送信器、
受信器両方のアンテナ・アレーを含む。フェーズド・ア
レー・アンテナまたは固定指向性ビーム・アンテナが、
出力マージンを増大し、受信器での信号の遅延の拡大を
減少させて、例えば、バースト伝送や等時通信といっ
た、閉じた環境での超高速データ転送速度での無線デー
タ通信を可能にするために、３０゜以下の方位と仰角で
使用される。この無線通信システムは、１メートル当た
り少なくとも６０ｄＢまでの伝達損失で、１Ｇｂｐｓを
越えるデータ転送速度を可能にする。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本開示は無線通信システムに
関し、より詳細には、超高速データ転送通信のための、
送信器側、受信器側双方のアンテナ・アレーを含む無線
通信システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】例えばオフィス・ビルのような閉じた環
境の中でデータ・音声通信のために無線送信技術を使う
ことで、ユーザーは、ケーブル、ブリッジ、ルーター、
ハブ等の、様々なデータ・音声通信機器を接続する施設
を設置する必要から解放される。さらに、接続ケーブル
を除去することで、現存の機器の組み合わせを改善した
り、高価な配線のやり直しの費用をかけずに新しい機器
を加えたりすることで、機器の適応性を向上出来る。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかし、室内無線通信
は、１０メガビット／秒（Ｍｂｐｓ）から数ギガビット
／秒（Ｇｂｐｓ）といった超高速データ転送速度では、
信号の保全性に影響する技術的な障害が現れる。具体的
に言うと、信号出力マージンが減少し、多重遅延の拡大
が発生する。
【０００４】無線通信システムは、Ｍｂｐｓ台の高速デ
ータ転送速度での室内無線通信を達成するために、様々
な伝送技術を補いながら発達してきた。例えば、電話
が、無線を通じて基地局に接続された局在アンテナと通
信出来るようにする、コードレス無線電話システムが補
われた。赤外線スペクトルによる双方向データ通信の伝
送のための赤外線通信システムも発達した。
【０００５】最近では、伝送媒体として無線を使用した
広帯域室内通信用無線システムが、Ａｃａｍｐｏｒａ他
への米国特許第４、７８９、９８３号で発表されてい
る。そこで説明された通信システムは、システムの個別
のユーザーと関連する複数のトランシーバと、トランシ
ーバのある下位グループとの有線接続と無線チャネルを
使用する同時送受信通信を提供することの出来る中央ノ
ードを含む。
【０００６】別の無線システムが、Ｔ．Ａ．Ｆｒｅｅｂ
ｕｒｇ、「室内無線ネットワーク通信を可能にする技
術。４つの技術的挑戦、４つの解決」（米国電気電子技
術者協会通信雑誌、１９９１年４月、５８〜６４ページ
に発表されている。Ｔ．Ａ．Ｆｒｅｅｂｕｒｇの上記の
６３ページにおいて、単一の仰角ビーム幅のカバレージ
を持つ、方位が等しく６０゜の６つの指向性アンテナを
使用するシステムが、送受信で１５Ｍｂｐｓの速度で動
作する。方位６０゜という広いビーム幅と１つの仰角ビ
ーム幅のカバレージが、必要な利得を得るために使用さ
れている。
【０００７】この室内通信技術は、数１０Ｍｂｐｓから
１Ｇｂｐｓ以上のデータ転送速度で現れる、信号出力マ
ージンと多重遅延拡大現象を克服していない。
【０００８】
【課題を解決するための手段】超高速データ転送速度通
信のための、送信器、受信器両方のアンテナ・アレーを
含む無線通信システムと方法が開示される。実施例で
は、３０゜以下の方位と仰角を持つ、フェーズド・アレ
ー・アンテナや固定指向性ビーム・アンテナが使用さ
れ、出力マージンを増大し、受信器での信号の遅延の拡
大を減少させて、部屋と部屋の間を含む閉じた環境で、
高速データ転送速度の、例えば無線データ通信のバース
ト伝送や等時通信を可能にする。実施例は、１メートル
当たり少なくとも６０ｄＢ以下の伝達損失で、１Ｇｂｐ
ｓを越えるデータ転送速度を可能にする。
【０００９】実施例は、複数のアレー・エレメントと、
１Ｇｂｐｓを越える典型的なデータ転送速度のための既
定の通信条件に関して、少なくとも１つのユニットの間
で、適当な通信路を決定するためにアンテナ・アレーに
機能的に接続されたプロセッサを持つアンテナ・アレー
を含む、少なくとも１つのデバイスまたはユニットを含
む。
【００１０】
【発明の実施の形態】無線通信システムと方法の例示さ
れる実施例の特徴は、付属する図面と共に、本発明の実
施例の以下の詳細な説明を参照することで、より容易に
明らかとなり、より良く理解されるだろう。特定の細部
について、同じ参照番号は同一または一致する要素を示
す図面を参照すると、図１に示すように、好適な実施例
は、送信器側・受信器側両方にアンテナ・アレーを含
む、超高速データ転送通信のための無線通信システムと
方法である。この無線通信システムと方法は、ビルの中
の部屋の内部や部屋と部屋の間といった、室内設置で使
用される。
【００１１】好適な実施例は、フェーズド・アレー・ア
ンテナまたは固定指向性ビーム・アンテナを使用して、
出力マージンを増大し、単一多重放射を分離するために
受信器側の信号の遅延拡大を減少させて、閉じた環境
で、高速データ転送速度の例えば無線データ通信のバー
スト伝送や等時通信を可能にする。本発明の典型的な実
施例は、１メートル当たり少なくとも６０ｄＢ以下の伝
達損失で、１Ｇｂｐｓを越えるデータ転送速度を可能に
する。
【００１２】図１に説明されるように、システム１０
は、相互通信を確立するための、第１ユニット１２と少
なくとも１つの第２ユニット１４を含む。例示される実
施例では、第１ユニット１２と第２ユニット１４の各々
は、基地局や遠隔局のどちらかである。第１ユニット１
２は、少なくとも１つの第２ユニット１４に信号２６を
送信するための複数のアレー・エレメント２０、２２、
２４を持つ第１アンテナ・アレー１８に機能的に接続さ
れた第１ユニット・プロセッサ１６を含む。少なくとも
１つの第２ユニット１４の各々は、複数のアレー・エレ
メント３２、３４、３６を持つ、第２アンテナ・アレー
３０に機能的に接続された対応する第２プロセッサ２８
を含む。
【００１３】第２ユニット１４は、第２アンテナ・アレ
ーで信号２６を受信し、第２アンテナ・アレーは受信し
た信号を第２プロセッサ２８に渡す。システム１０は好
適には、以下論じるような、受信した信号２６の必要な
信号出力と遅延に合致する最上または適当な通信路３８
を決定するために、図２に示す方法に従って信号２６を
送受信する。例えば、図１の説明されるシナリオでは、
最上または適当な通信路は、第１アンテナ・アレー１８
のアンテナ・アレー・エレメント２０から第２アンテナ
・アレー３０のアンテナ・アレー・エレメント３４に伝
達するように描かれる。例えば、最上または適当な通信
路または放射は、壁３９に反射し、壁３７を通過する。
【００１４】図２に示すように、好適な実施例の方法
は、無線通信のための最上または適当な通信路の決定を
開始する次のようなステップを含む。すなわち、単一多
重放射を分離する（ステップ４０）、第１アンテナ・ア
レーから信号２６を送信する（ステップ４２）、第２ア
ンテナ・アレーで信号２６を受信する（ステップ４
４）、第２プロセッサ２８で受信した信号２６を処理し
て、必要な出力と遅延のプロファイルに従って既定の条
件に合致する少なくとも第１の信号３８を受信する第２
アンテナ・アレーの第１アレー・エレメント３４を決定
する（ステップ４６）、第１ユニット１２と第２ユニッ
ト１４の間に最上または適当な通信路を確立するため
に、第１信号３４を送信した第１アンテナ・アレーの第
２アレー・エレメントを決定する（ステップ４８）、最
上または適当な通信路３８を使用して第１、第２ユニッ
ト１２、１４の間に通信を確立する（ステップ５０）。
【００１５】例示される実施例では、図３に示すよう
に、図２のステップ４８で、第２アレー・エレメント２
０を決定するステップは、次のステップを含む。すなわ
ち、第２アレー・エレメントの決定を開始する（ステッ
プ５２）、第１アレー・エレメント３４から応答信号を
第１ユニット１２に送信する（ステップ５４）、第２ア
レー・エレメント２０で応答信号を受信する（ステップ
５６）、第１、第２アレー・エレメント３４、２０を含
む最上または最適の通信路３８を決定する（ステップ５
８）。
【００１６】他の実施例では、図４に示すように、次の
追加のステップを含む。すなわち、第１アンテナ・アレ
ー１８から信号２６を送信するステップ４２が、個々の
第１アンテナ・アレー・エレメント２０〜２４から連続
して対応する既定のビット・シーケンスを送信するステ
ップ（ステップ６０）を含み、受信ステップ４４が、各
第２アンテナ・アレー・エレメントで既定のビット・シ
ーケンスを受信するステップ（ステップ６２）を含み、
受信した信号を処理するステップ４６が、必要な出力と
遅延のプロファイルを含む、既定の信号伝達状態に合致
する少なくとも１つのビット・シーケンスを受信する第
２アンテナ・アレーの第１アンテナ・アレー・エレメン
トを決定するステップ（ステップ６４）を含み、決定ス
テップ４８が、ステップ５０で第１ユニットと第２ユニ
ットの間で最上または適当な通信路を確立するために、
少なくとも１つのビット・シーケンスを受信するために
対応する第１アンテナ・アレーの第２アレー・エレメン
トを決定するステップ（ステップ６６）を含む。
【００１７】他の実施例では、第１ユニット１２の少な
くとも１つと第２ユニット１４が、図５に示すように、
電気的に操作出来るアレーや、この場合、例えば無指向
性アンテナ・エレメントのような重複するカバレージを
持つアレー・エレメント７０〜７４を持つアレーのよう
な適合可能なアレー６８を含む。受信された信号は、技
術上知られた方法によって、重み発生器７６によって発
生された重みＷ1 、Ｗ2 、．．．ＷM を使って計量され
る。計量された信号を使用したこの適合可能なアレーに
対して、重み発生器７６は、アンテナ・アレー・エレメ
ント７０〜７４からの各対応する信号に重みを適用す
る。より詳細には、受信された信号は複雑な領域にあっ
て、振幅と位相を持ち、好適または典型的にも複素数で
ある、重みＷ1 、Ｗ2 、．．．ＷM は、ミキサー７８〜
８２による、技術上知られた方法によって、複雑な領域
の信号に適用され、受信した信号８６を発生するため
に、加算器８４によって合計される計量された信号を発
生する。受信された信号を計量することによって、結果
として生じるアンテナ受信のコンフィグレーションまた
はプロファイルは、ユーザー１ ８８に増大する受信プ
ロファイルを提供し、干渉信号を送信するユーザー２
９０にはノッチまたは減少した受信プロファイルを持
つ。
【００１８】上記に例示した実施例は、例えば、オフィ
ス・ビルのワンフロア全体で、数Ｇｂｐｓまでの通信を
行う、１つの基地局と少なくとも１つの遠隔ユニットを
持つ無線通信のような、高速データ転送速度室内無線通
信を提供する。例示する実施例は、例えば、基地局と遠
隔局のような第１、第２ユニットの間の通信のための超
高速データ転送速度通信のために単一の放射を分離する
ための複数のエレメントを持つ、固定ビーム・アレーの
ための送信、受信アンテナの組み合わせ（または適応可
能なアレーの重みの組み合わせ）を決定する。一度適当
な通信路が決定されると、好適な実施例は、技術上知ら
れた方法で、送信し、送信のスケジュールを決定するた
めのデータを持つユニットを決定する。
【００１９】このような高いデータ転送速度は、一般に
受信される信号出力マージンと遅延の拡大に依存する。
いくつかのオフィス・ビルのこれまでの典型的な測定に
よれば、ワンフロアの最大放射損失は、多重フェージン
グを平均して、１メートル当たり、普通６０ｄＢであ
り、２乗平均（ＲＭＳ）の遅延の拡大は普通１００ナノ
秒（ｎｓ）台である。こうした遅延の拡大は、アンテナ
・アレーがない場合、最大データ転送速度を約１Ｍｂｐ
ｓに制限する。さらに、ビル内の最大ムーブメントは普
通３ｍｐｈ以下なので、ビル内のフェージング率は、例
えば、１９ＧＨｚで８０Ｈｚである。
【００２０】本発明の実施例におけるアンテナ・アレー
の使用は、普通出力マージンを増大させ、受信器の信号
の遅延の拡大を減少させるので、最上または適当な通信
路を決定する１０％以下のオーバーヘッドと、送信され
る連続的な映像・音声信号を含むバースト・トラフィッ
クとデータを持つ、アンテナ・アレーから決定された最
上または適当な通信路によって、１Ｇｂｐｓ以上のデー
タ転送速度を可能にする。アンテナの最上の組み合わせ
のトラッキングを以下に説明する。
【００２１】アンテナの組み合わせを更新する速度は、
好適には、フェージングをトラッキングするための、フ
ェージング率の約１０倍であるので、１９ＧＨｚ以上で
動作する時、更新は約１ミリ秒毎になされることが要求
される。遅延の拡大が１００ｎｓの時、このビット・シ
ーケンスは継続時間が少なくとも２００ｎｓであり、送
信／受信アンテナの組み合わせのチャネル特性を決定す
るために連続して送信される。このビット・シーケンス
から、受信器は受信信号電力と「アイ・オープニング」
すなわち、遅延拡大による歪を決定する。例えば、それ
ぞれ５０のアレー・エレメントを持つ、２つのアンテナ
・アレーでは、２５００の送信／受信アンテナの組み合
わせが有り得るが、例示される実施例は、充分な出力を
持つ、１つの分離された放射を持つアレーの組み合わせ
を最上またな適当な通信路として決定する。より詳細に
は、基地局が連続的に継続時間２００ｎｓのビット・シ
ーケンスを、５０の送信アンテナ・アレー・エレメント
の各々から複数の遠隔局に送信し、各遠隔局は、各ビッ
ト・シーケンスを５０全ての受信アンテナ・アレー・エ
レメントで受信して、各遠隔局の対応するユニット・プ
ロセッサを使用して各アンテナの受信信号電力と歪を決
定する。１０μ秒後、全ての遠隔局は、好適にはわずか
１％のオーバーヘッドで、遠隔局の数とは無関係に、最
上の組み合わせを決定する。
【００２２】例えば、時間分割同時送受信動作の場合、
同じ周波数チャネルが送信と受信で時間分けされる。従
って、時間分割同時送受信動作を使用する例示される実
施例では、（最上または適当な通信路のための）アンテ
ナ・アレー・エレメントの同じ組み合わせが送信、受信
両方に使われる。チャネルの時間分割は、送受信に他の
チャネルを使用する時に比べて、データ転送速度が２倍
になる。しかし、データ転送速度の増加が遅延の拡大に
よる品位低下を生じないのは、例示される実施例による
分離された放射の使用が最上または適当な通信路のため
の分離された放射を選択するからである。組み合わせ情
報、すなわち各遠隔局のための最上の送信／受信アンテ
ナ・アレー・エレメントの要求の送信は、２つのオプシ
ョンの方法を含む。
【００２３】第１の方法は、各遠隔局に、最上のアンテ
ナ・アレー・エレメントから組み合わせ情報とデータ要
求を連続的に送信させ、基地局には５０全ての受信アン
テナ・アレー・エレメントをモニターさせる。各遠隔局
からの送信の間には充分な重複防止時間が使用されるの
で、伝達時間の差は受信信号の重複を招かない。高速デ
ータ転送速度のためには、防止時間は情報送信時間を越
えることがあり、例えば、半径１０００フィートのセル
では、１μ秒の防止時間が各遠隔局によって使用され
る。
【００２４】他の方法は、第２の低速データ転送速度メ
ディア・アクセス・チャネルが使用されるようにし、各
遠隔局が最上のアンテナ・アレー・エレメントを提供す
る一方、基地局は無指向性受信を使用する。従って、基
地局に１つの受信器が必要となる。アクセス・チャネル
のデータ転送速度が１Ｍｂｐｓ以下の場合、無指向性受
信は遅延の拡大と信号電力の評価を考慮して誘導され、
低いデータ転送速度によるアレー利得の損失を補正す
る。ポーリングの方法は、参照することによってここに
組み込まれる、米国特許第４、７８９、９８３号によっ
て開示されたポーリングの方法を適用することによっ
て、バーストで連続的なトラフィックのユーザーに対応
するために使用される。この適用例では、データ転送
は、個別のチャネルで発生し、ポーリングの手続きは、
メディア・アクセス・チャネル全体を使って行われる。
【００２５】このポーリングの手続きは、更新速度１ｍ
秒の時、各アンテナ・アレーのアレー・エレメントの数
とは無関係に、少なくとも５００のユーザーに対応出
来、更新速度を１ｍ秒以下にすれば、さらに多くのユー
ザーに対応出来る。さらに、最上または適当な通信路、
すなわち送信／受信アンテナの組み合わせが大きく変わ
った遠隔局と、送信すべきデータを持つ遠隔局だけが、
基地局に通信路の変更を知らせる必要がある。この情報
だけを送信することによって、使用されるオーバーヘッ
ド時間は削減され、対応可能なユーザーの最大数は増加
する。
【００２６】この方法は遠隔局の各アンテナに受信器を
必要とする。受信器の数を削減するために、各遠隔局に
Ｍ受信アンテナ・アレー・エレメントを持つポーリング
法が使用される。各基地局のアンテナ・アレー・エレメ
ントからビット・シーケンスをＮ回繰り返す基地局にと
って、受信器をアレー・エレメントの間で切り換えれ
ば、各遠隔局には、Ｍ／Ｎ個の受信器が必要なだけであ
る。例えば、Ｍ＝５０、Ｎ＝１０の時、各遠隔局で必要
とされるのは５個の受信器だけだが、更新のためのオー
バーヘッドは更新時間１ｍ秒の時１０％増加する。この
技術を使用する際、更新のためのオーバーヘッドは、遠
隔局の複雑さを低下させることで埋め合わせ出来る。
【００２７】例示される実施例では、第１、第２ユニッ
トは、相互間で伝送される信号の放射を最上または適当
な通信路として分離し、アンテナの全利得を達成して遅
延の拡大を除去するための複数のアンテナ・アレー・エ
レメントを持つ。例示される方法によって、送信、受信
用に、方位、仰角とも３０゜以下のビーム幅を持つ、第
１、第２ユニットは、典型的なオフィス・ビル内での相
互通信のための放射を効果的に分離出来ると判断され
た。他の実験によって、１Ｇｂｐｓ以上のデータ転送速
度での効果的な通信を提供するためには、送信、受信と
も約１３゜のビーム幅が好適であると判断された。ビー
ム幅をこのように決定する際、受信信号電力マージンは
次のように評価される。
【数１】
【００２８】この時、Ｅb ／Ｎo は受信器での１ビット
毎のエネルギーと雑音密度の比であり、
【数２】 は、所与のビット・エラー率（ＢＥＲ）を求めるために
必要な比である。より詳細には、
【数３】 この時、Ｐｒｅｃは、次式によって与えられる受信信号
電力であり、
【数４】 Ｎは、次式によって与えられる雑音の電力である。
【数５】
【００２９】上記の等式において、Ｐa は送信用増幅器
からの出力、ＬCTは送信アンテナまでのケーブルの損
失、Ｇt は送信アンテナの利得、λは波長、Ｌｐは自由
空間１メートル当たりの伝達損失、Ｇr は受信アンテナ
の利得、ＬＣＲは受信アンテナからのケーブルの損失、
ｋはボルツマン定数＝１．３８×１０-20 ｍＷ／Ｈｚ／
゜Ｋ、Ｔはシステムの雑音温度、Ｂはバンド幅、ＮＦは
受信器の雑音指数である。
【００３０】実験の手続きにおいて、次の数値が使用さ
れた。 Ｐa ＝ ２３ ｄＢｍ ＬCT ＝ １ ｄＢ ＬCR ＝ １ ｄＢ Ｔ ＝ ２９０°Ｋ ＮＦ ＝ ６ ｄＢ
【００３１】１Ｇｂｐｓ以下のデータ転送速度で通信す
るためには、搬送波周波数は少なくとも１９ＧＨｚの範
囲にあるべきであり、従って、λ＝ｃ／１９ＧＨｚ＝３
×１０8 ｍｓ−１／１．９×１０10ｓ−１＝１．５７８
９ｃｍである。
【００３２】典型的なオフィス・ビルでは、最大伝達損
失は６０ｄＢであるので、Ｌp ＝６０ｄＢである。上記
の数値と等式から、等式（２）は下記となる。
【数６】
【００３３】この時、Ｇt とＧr の単位はｄＢである。
バイナリ・フェーズ・シフト・キーイング（ＢＰＳＫ）
のコヒーレント検知と共に、１０-8のＢＥＲが必要な場
合、
【数７】 であり、上記の等式を使うと、マージンは次式によって
与えられる。
【数８】
【００３４】等方向性アンテナ、すなわちＧt ＝Ｇr ＝
０ｄＢの場合、最大データ転送速度は約８００キロビッ
ト／秒であるが、高い未加工のＢＥＲによって出力マー
ジンによるデータ転送速度を増大するコーディングの使
用によって、約２Ｍｂｐｓまで改善出来る。
【００３５】この最大データ転送速度の計算は、多重フ
ェージングを平均した損失を反映しており、様々な方向
からの多数の通信路が、波長の間で信号強さの減衰を発
生する。対応する低いデータ転送速度を持つ追加マージ
ンはこのフェージングのために考慮される。例えば、ロ
ーリーのフェージングを持つ、１つの受信アンテナは一
般に、有用性９０％で１０ｄＢ、有用性９９％で２０ｄ
Ｂの追加マージンを必要とする。この追加マージンは、
ビルのワン・フロアを全てカバーする場合、データ転送
速度の限界を、それぞれ８０ｋｂｐｓと８ｋｂｐｓに引
き下げる。さらに、送信波長がミリメートル台の時、ア
ンテナをわずかに動かすとアンテナがフェージングの範
囲から逃れて、追加マージンが少なくても良くなるが、
環境の変化によって、このようなフェージングを避ける
ための調整は実行不可能になる。さらに、この状況で
は、９９％の有用性は、短いが頻繁な暴れのために許容
出来ない。２つのアンテナで、所与の有用性のために必
要なマージンを（ｄＢで）半減させることによって追加
マージンを大きく削減させるダイバーシティ・アンテナ
を使用しても良い。
【００３６】さらに、多くのビル内では、ＲＭＳ遅延の
拡大は３０ｎｓ〜２５０ｎｓ台である。均一化なしで、
ＢＥＲ＜１０-8の時、ＲＭＳ遅延の拡大は記号ピリオド
の１０％以下であることが要求され、データ転送速度は
約１Ｍｂｐｓに制限される。
【００３７】例示される実施例で使用されるアンテナ・
アレーはマージンを増加させる。多重通信のため、受信
された信号の電力は、受信角度に関して均一に分配され
たとしても、例えば、ビーム幅を狭くすることで増大し
たアンテナの利得はマージンを増大せず、受信アンテナ
利得の増大は、ビーム幅の外側の信号からの電力の損失
によって打ち消される。同時に、送信アンテナ利得が増
大してもマージンは増大しない。しかし、多重通信は受
信角度に関して電力を均一に分配するものでないこと
が、結果から明らかになった。従って、指向性アンテナ
は一般に、等方性アンテナ以上に多重通信の平均受信電
力を増大するが、それは指向性アンテナの利得の約３ｄ
Ｂ以内である。例えば、方位と仰角の両方がθ度のビー
ム幅を持つアンテナに対して、小文字のθの利得は次式
によって与えられる。
【数９】
【００３８】このビーム幅と利得は、Ｇ＝１０ｌｏｇ10
Ｍの利得を持つＭアンテナのアレーによって得られる。
例えば、上記の等式（８）でＬp ＝６０ｄＢ、Ｇ＝２６
ｄＢの時、または等式（９）から、総受信信号電力から
３ｄＢ低い放射があると仮定すると、１５５Ｍｂｐｓの
データ転送速度をサポートするのに充分な受信電力を得
るためには、遠隔ユニットに無指向性アンテナを持つ、
θ＝１０゜の４００エレメントの基地局アレーが必要と
される。必要な利得は、受信用、送信用アンテナの利得
の産物によって与えられるので、４エレメントの遠隔局
を伴うθ＝２０゜のビーム幅を持つ１００エレメントの
基地局アンテナ、または両端にθ＝４５゜のビーム幅を
持つ、２０エレメントのアレーを使用して同じ結果が得
られる。例えば、１５゜のビーム幅を持ち、送信器、受
信器両方に１８３エレメントを使用するアンテナ・アレ
ーは、１０Ｇｂｐｓまでサポート可能である。
【００３９】アンテナ・アレーは遅延の拡大を低減する
ためにも使用される。フェージングのための追加マージ
ンを含まないマージンによるデータ転送速度の制限は、
無指向性アンテナの遅延の拡大による数値と実質上等し
く、アレーは、マージンの制限による最大データ転送速
度を増大するために使用されるので、Ｍ−エレメント・
アレーは、出力マージンと同じファクターによる遅延の
拡大によるデータ転送速度の制限を増大することが期待
される。マルチキャリアまたはイコライゼーション技術
によって、データ転送速度はキャリアの数やイコライザ
ーの長さと共に直線的に増大する。しかし、結果的に、
所与のデータ転送速度のために必要なキャリアの数やイ
コライザーの長さは、（ビーム幅が充分に狭くなる）２
０Ｍｂｐｓ以上のデータ転送速度では、複雑で高価な技
術に帰着するビーム幅と共に、それほど減少しない。
【００４０】最適なアンテナのサイズまたはビーム幅を
決定するために、幅１４ｍ、長さ１１８ｍのビルのワン
・フロアでの、必要なＢＥＲが１０-8の時のデータ転送
速度の制限が評価された。この例では、例示される実施
例を使用して、出力信号の伝達モデルと信号の遅延プロ
ファイルのための下記の条件が、適当な通信路を選択す
るために使用される。送信器側では、約４．５ｄＢの利
得を持つ無指向性アンテナが使用され、約２２ｄＢの利
得を持つ指向性アンテナが使用される。信号フォーマッ
トはコヒーレントＢＰＳＫ、パイロット・エイデッド
で、２９−１ＰＲＢＳ ＮＲＺを使用する。受信器側で
は、アンテナの利得とケーブルの損失が送信器側とほぼ
同じ時、雑音指数は約６ｄＢ、使用されるバンド幅はビ
ット転送速度とほぼ等しく、１０-8ＢＥＲのために要求
される出力信号対雑音比（ＳＮＲ）は約１２ｄＢであ
る。
【００４１】伝達モデルは、３．４に高められた距離に
よって与えられる自由空間１ｍに関する電力の損失で、
電力の半分は主な放射にある。すなわち、遮られた通路
を通って、受信された電力Ｐrec は以下である。
【数１０】 この時、Ｒo ＝１ｍで、Ｐt は送信電力である。
【００４２】さらに、約１３４ｆｔの距離での、予想さ
れる無指向性受信電力は約−８５．８ｄＢｍで、約１３
４ｆｔの距離での予想される指向性受信電力は約−５
０．８ｄＢｍである。例示されるデータ転送速度６２２
Ｍｂｐｓで、遅延の拡大によるシンボル間の相互干渉を
無視すると、１０-8ＢＥＲのために必要な、予想される
無指向性アンテナのマージンは−１７．７ｄＢで、１０
-8ＢＥＲのために必要な、予想される指向性アンテナの
マージンは＋１７．３ｄＢである。指向性アンテナの測
定されたＢＥＲとビット転送速度の例を以下表１に示
す。
【００４３】
【表１】
【００４４】あるオフィス・ビルのコンピューターによ
るモデル化のために、必要な受信Ｅb ／Ｎo が１２ｄＢ
で、ビーム幅内の全ての放射が記号ピリオドの１０％以
下のＲＭＳ遅延の拡大を持つ時、多重放射は３つまでの
反射を持つと考えられる。このモデルから得られた結果
を図６に示すが、アンテナ・ビームを理想的な方向に向
け、電力増幅器の出力は約＋２３ｄＢｍで、送信器はビ
ルの中心に置き、受信器は廊下の終点のオフィスに置か
れている。図６に示すように、２．５度刻みで、有用性
（またはカバレージ）とビーム幅（方位と仰角）がいく
つかのデータ転送速度について示される。２０Ｍｂｐｓ
以上のデータ転送速度については、有用性は第１にビー
ム幅に依存する。９０％以上の有用性は、ビーム幅が３
０゜以下であることを必要とし、４５Ｍｂｐｓのデータ
転送速度のためには、約５０のアンテナ・アレーのエレ
メントを必要とする。図６に示すように、１Ｇｂｐｓの
データ転送速度では、必要とされるビーム幅はわずか２
５゜である。
【００４５】ビーム幅が４５Ｍｂｐｓの動作のために１
つの放射を分離するのに充分なだけ狭ければ、１Ｇｂｐ
ｓ以上のデータ転送速度も可能である。１３゜のビーム
幅、すなわち２４４エレメントでは、最大データ転送速
度は有用性１００％で１Ｇｂｐｓを越える。６０以上の
位置から得た例示される結果から、１３゜のアンテナは
Ｇｂｐｓ台のデータ転送速度をサポートするのに充分な
電力を持つ分離された放射を受信し、充分な電力を持つ
約７の分離された放射が１３゜のビーム幅で各位置で通
常検出されることが示される。
【００４６】例示される通信の配置では、データは、幅
１４ｍ、長さ１１８ｍのビルの配置内で、約６２２Ｍｂ
ｐｓ、周波数１９ＧＨｚで伝送される。この例では、送
信器は廊下にあり、受信器はビルの廊下を出た室内にあ
る。送信、受信アンテナは、手動で調節出来る、ビーム
幅１５゜の指向性ホーン・アンテナである。
【００４７】６つの位置の組み合わせによるＢＥＲの測
定は、リンクの両端で、アンテナの高さや横位置を数フ
ィートの範囲で動かすことによって行われる。各位置
で、両方のアンテナは、共に最上の送信／受信角度を決
定するように手動で調節されるが、１５゜のビーム幅
で、３３、０００以上の送信／受信角度の組み合わせが
可能である。受信アンテナが妥当なＢＥＲを得るように
手動で調節され、それから送信角度が、この動作を改善
するようにわずかに調節される。一般に良い受信角度は
アプリオリには決定されない。例えば、ドアのような物
質がない地域に向けても、必ずしも満足すべきＢＥＲは
得られない。最も強い受信信号は、無指向性アンテナの
予想される伝達損失５０ｄＢと比較して、約５１ｄＢの
伝達損失を持つが、これは全受信電力の約半分を含む最
も強い放射の予想される結果と一致する。
【００４８】６２２Ｍｂｐｓで、ＢＥＲは３×１０-8か
ら１０-3の範囲であり、コーディングによって誤差率は
１０-8以下に低下するので、１０-3のＢＥＲは許容され
る。ＢＥＲは、２１０Ｍｂｐｓ以上のデータ転送速度で
はほぼ一定であり（上記の表１参照）、データ転送速度
とは無関係な、これ以上縮小出来ないＢＥＲ（低いＢＥ
Ｒ≦１０-7であるが）を示す。すなわち、受信信号は、
５ｎｓ以上の遅延の広がりを伴うより弱い放射と共に１
つの強い信号を含んでいた。従って、充分な受信電力を
持って、１Ｇｂｐｓ以上のデータ転送速度が達成され
る。
【００４９】無線通信システムと方法の例示される実施
例は、特に好適な実施例を参照して示され説明された
が、本技術に熟練した者には、本発明の範囲と精神から
離れることなく、形態や細部に様々な変更がなし得るこ
とが理解される。従って、上記に示唆したような、また
それに制限されることのない、変更は、本発明の範囲内
にあると考えられる。
【図面の簡単な説明】
【図１】アンテナ・アレーを使用した無線通信システム
の例示される実施例を示す図である。
【図２】無線通信システムの動作の例示される方法を示
す図である。
【図３】最上または適当な通信路を決定する例示される
方法のステップを示す図である。
【図４】連続して伝送されるビット・シーケンスを使用
した、他の動作方法を示す図である。
【図５】適合可能なアンテナ・アレーを示す図である。
【図６】ビーム幅に対する有効性の、例示される結果を
示す図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 マイケル ジェームス ガンズ アメリカ合衆国 07750 ニュージャーシ ィ，モンマウス ビーチ，リヴァー アヴ ェニュー 39 (72)発明者 レイナルド エー．ヴァレンズエラ アメリカ合衆国 07733 ニュージャーシ ィ，ホルムデル，パートリッジ ラン 17 (72)発明者 ジャック ハリマン ウインターズ アメリカ合衆国 07748 ニュージャーシ ィ，ミドルタウン，オールド ワゴン ロ ード 103

Claims (20)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 方位、仰角両方向の多重ビームをカバー
    するための複数のアレー・エレメントを持つアンテナ・
    アレーと、 アレー・エレメントと既定の通信条件に関して適当な通
    信路を決定出来るアンテナ・アレーに機能的に接続され
    たプロセッサとを含む無線通信装置。
  2. 【請求項２】 各アンテナ・アレーの各アレー・エレメ
    ントが３０゜以下の方位、仰角のビーム幅を持つ、請求
    項１に記載の無線通信装置。
  3. 【請求項３】 複数のアレー・エレメントが適当な通信
    路として１つの多重放射の検知を許容する、請求項２に
    記載の無線通信装置。
  4. 【請求項４】 各アンテナ・アレーの各アレー・エレメ
    ントが約１３゜のビーム幅を持つ、請求項２に記載の無
    線通信装置。
  5. 【請求項５】 プロセッサが、適当な通信路を使って、
    １０メガビット／秒以上の高速データ転送速度で無線通
    信が出来る、請求項１に記載の無線通信装置。
  6. 【請求項６】 アンテナ・アレーが適応可能なアンテナ
    ・アレーを含む、請求項１に記載の無線通信装置。
  7. 【請求項７】 プロセッサが、複数の部屋の間の適当な
    通信路を決定する、請求項１に記載の無線通信装置。
  8. 【請求項８】 プロセッサが、室内無線通信を確立する
    ための適当な通信路を決定する、請求項１に記載の無線
    通信装置。
  9. 【請求項９】 無線通信システムであって、 方位、仰角方向の多重カバレージのための既定のビーム
    幅の複数のアレー・エレメントを持つアンテナ・アレー
    を含む基地局と、 各遠隔局が、 方位、仰角方向の多重カバレージのための既定のビーム
    幅の複数のアレー・エレメントを持つアンテナ・アレー
    と、 既定の通信条件に関して、基地局と対応する遠隔局の間
    に適当な通信路を決定するためのアンテナ・アレーに機
    能的に接続されたプロセッサとを含む、複数の遠隔局と
    を含む、システム。
  10. 【請求項１０】 各アンテナ・アレーの各アレー・エレ
    メントが、基地局と少なくとも１つの遠隔局の間で、１
    ０メガビット／秒以上の高速データ転送通信を許容する
    ために、約３０゜以下の方位、仰角ビーム幅を持つ、請
    求項９に記載の無線通信システム。
  11. 【請求項１１】 各アンテナ・アレーの各アレー・エレ
    メントが約１３゜のビーム幅を持つ、請求項１０に記載
    の無線通信システム。
  12. 【請求項１２】 無線通信システムであって、 基地局と、 複数の遠隔局とを含み、 基地局と各遠隔局が、 方位、仰角方向の多重カバレージのための既定のビーム
    幅の複数のアレー・エレメントを持つアンテナ・アレー
    と、 １メートル当たり約６０ｄＢの伝達損失を含む、既定の
    通信条件に関して、基地局と複数の遠隔局の間に適当な
    通信路を決定するために、アンテナ・アレーに機能的に
    接続された、プロセッサとを含む、システム。
  13. 【請求項１３】 各遠隔局が、第１アレー・エレメント
    で受信した、基地局から送信された信号に応答して、第
    １アレー・エレメントから基地局に応答信号を送信し、 基地局が第１、第２アレー・エレメントを含む適当な通
    信路を決定するために、第２アレー・エレメントで受信
    した応答信号に応答する、 請求項１２に記載の無線通信システム。
  14. 【請求項１４】 無線通信システムであって、 方位、仰角方向の多重カバレージのための既定のビーム
    幅の複数のアレー・エレメントを持つアンテナ・アレー
    と、 既定の通信条件に関して、基地局と対応する遠隔局の間
    に適当な通信路を決定するために、アンテナ・アレーに
    機能的に接続された、プロセッサとを含む基地局と、 各遠隔局が、 方位、仰角方向の多重カバレージのための既定のビーム
    幅の複数のアレー・エレメントを持つアンテナ・アレー
    を含む複数の遠隔局とを含む、システム。
  15. 【請求項１５】 基地局が、アンテナ・アレーの各アン
    テナ・アレー・エレメントから対応する既定のビット・
    シーケンスを連続的に送信し、 第１遠隔局が、プロセッサを使用して受信した信号を処
    理するために、アンテナ・アレーの複数のアンテナ・ア
    レー・エレメントの各々で受信したビット・シーケンス
    に応答して、既定の信号伝達条件に合致する少なくとも
    １つのビット・シーケンスを受信する遠隔局のアンテナ
    ・アレーの第１アンテナ・アレー・エレメントを決定
    し、第１遠隔局のプロセッサが、第１、第２アレー・エ
    レメントを含む、適当な通信路を決定するために、受信
    した少なくとも１つのビット・シーケンスに対応する基
    地局のアンテナ・アレーの第２アレー・エレメントを決
    定する、 請求項１４に記載の無線通信システム。
  16. 【請求項１６】 無線通信を提供するための方法であっ
    て、 方位、仰角両方向での多重ビーム・カバレージのための
    複数のアレー・エレメントを持つアンテナ・アレーで送
    信された信号を受信するステップと、 アレー・エレメントと既定の通信条件に関して無線通信
    のための適当な通信路を決定するためにアンテナ・アレ
    ーに機能的に接続されたプロセッサで受信した信号を処
    理するステップとを含む方法。
  17. 【請求項１７】 受信した信号を処理するステップが既
    定の条件として、充分な電力と遅延の拡大に関して適当
    な通信路を決定するステップを含む、 請求項１６に記載の方法。
  18. 【請求項１８】 受信のステップが、第１ユニットの第
    １アンテナ・アレーで、第２ユニットの第２アンテナ・
    アレーから送信された信号を受信するステップを含み、 処理のステップが、 第１ユニットの第１アレー・エレメントから第２ユニッ
    トへ応答信号を送信するステップと、 第２ユニットの第２アレー・エレメントで応答信号を受
    信するステップと、 第１、第２アレー・エレメントを含む、適当な通信路を
    決定するステップとを含む、請求項１６に記載の方法。
  19. 【請求項１９】 第１ユニットの第１アンテナ・アレー
    の第１の複数のアンテナ・アレー・エレメントの各々か
    ら、対応する既定のビット・シーケンスを連続的に送信
    するステップと、 第２ユニットの第２アンテナ・アレーの第２の複数のア
    ンテナ・アレー・エレメントの各々で既定のビット・シ
    ーケンスを受信するステップとをさらに含み、 受信した信号を処理するステップが、 既定の信号伝達条件に合致する少なくとも１つのビット
    ・シーケンスを受信する第２アンテナ・アレーの第１ア
    ンテナ・アレー・エレメントを決定するステップと、 受信した少なくとも１つのビット・シーケンスに対応す
    る第１アンテナ・アレーの第２アンテナ・アレー・エレ
    メントを決定するステップとを含む、請求項１６に記載
    の方法。
  20. 【請求項２０】 受信のステップが、適応可能なアレー
    で送信された信号を受信するステップを含み、 決定のステップが、適当な通信路による受信を増大する
    ために、適応可能なアレーの受信の配置を適合させるス
    テップを含む、 請求項１６に記載の方法。
JP8056617A 1995-03-14 1996-03-14 アンテナ・アレーを使用する無線室内通信 Withdrawn JPH08265233A (ja)

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