【手続補正書】
【提出日】平成15年9月24日(2003.9.24)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の名称】      ナロー ビーム アンテナの方向付けに位置ロケーションを使用する方法及び装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】  位置情報を生成するシステム、及び
上記位置情報を送信する手段、
を有する移動トランシーバ。
【請求項２】  上記位置情報を生成するシステムが宇宙からの信号を受信する手段を含む、請求項１の発明。
【請求項３】  上記位置情報を生成するシステムがＧＰＳ信号を受信する手段を含む、請求項２の発明。
【請求項４】  上記位置情報を生成するシステムが機上プラットフォームからの信号を受信する手段を含む、請求項１の発明。
【請求項５】  上記位置情報を送信する手段がＣＤＭＡ送信機を含む、請求項１の発明。
【請求項６】  遠隔ユニットから位置情報を受信し、それに応じて受信した位置信号を提供する手段、及び
上記受信した位置信号に応じてビームを方向付けする手段、
を有する基地局。
【請求項７】  上記位置情報は、少なくともその一部がＧＰＳにより提供される、請求項６の発明。
【請求項８】  上記遠隔ユニットが移動トランシーバである、請求項７の発明。
【請求項９】  上記移動トランシーバがＣＤＭＡトランシーバである、請求項８の発明。
【請求項１０】  上記ビームが上記トランシーバに向けられている、請求項８の発明。
【請求項１１】  上記ビームを方向付けする手段がスマート アンテナを含む、請求項６の発明。
【請求項１２】  上記ビームを方向付けする手段がアンテナ アレイを含む、請求項１１の発明。
【請求項１３】  方向付けされたビームを出力する上記アレイをドライブする手段をさらに含む、請求項１２の発明。
【請求項１４】  上記ドライブする手段がビームフォーミング ネットワークを含む、請求項１３の発明。
【請求項１５】  位置情報を生成するＧＰＳシステム、及び
上記位置情報を送信する手段、
を有する移動トランシーバ、及び
上記位置情報を受信し、それに応じて受信した位置信号を提供する手段、
及び
上記受信した位置信号に応じてビームを方向付けする上記基地局に置かれた手段、
を有する基地局、
を具備するセルラ通信システム。
【請求項１６】  上記ＧＰＳシステムがＧＰＳ支援されている、請求項１５の発明。
【請求項１７】  上記ビームを方向付けする手段がスマート アンテナを含む、請求項１５の発明。
【請求項１８】  上記ビームを方向付けする手段がアンテナ アレイを含む、請求項１７の発明。
【請求項１９】  方向付けされたビームを出力する上記アレイをドライブする手段をさらに含む、請求項１８の発明。
【請求項２０】  上記ドライブする手段がビームフォーミング ネットワークを含む、請求項１９の発明。
【請求項２１】  移動トランシーバにおいて位置情報を生成する、
上記位置情報を送信する、
基地局において上記位置情報を受信し、それに応じて受信した位置信号を提供する手段、及び
上記受信した位置信号に応じて上記基地局から上記移動トランシーバにビームを方向付けする、
を含むダイレクショナル セルラ通信を実行する方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、２０００年１１月１６日に提出された米国仮出願 No. 60/249,870に基づいて優先権を主張するものである。
【０００２】
本発明は、通信システム及び方法に係わるものである。さらに詳しくは、本発明は、セルラ電話システムの性能を改善するためのシステム及び方法に係わる。
【０００３】
【従来の技術】
セルラ電話システムは、各々がトランシーバを装備している多数の基地局により特徴付けられる。トランシーバは、従来から交信地域(coverage area)即ち“セル”を与えるアンテナ装置に接続されている。従来のアンテナ装置は、典型的には三つのアンテナを含む。各々は、セルに要求されている３６０°の交信範囲を与えるように１２０°の角度でエネルギーを放射する。
【０００４】
スマート アンテナ(smart antenna)は、アンテナ素子のアレイであり、各々のアンテナ素子は、一定の位相オフセットで送信される信号を受信する。アレイの実質効果は、一定の決められた方向に(送信若しくは受信)ビームを方向付けすることである。アレイの素子を励起する(excite)信号の位相関係を制御することによって、ビームは舵取りされる。そのようにして、従来のアンテナによる一定の交信地域(即ち１２０°)内の全ユーザにエネルギーを放射することとは対照的に、スマート アンテナは、各個ユーザ(あるいは、複数のユーザ)にビームを方向付けする。スマート アンテナは、ビーム帯域を減少させることによりシステムの容量を増加させる、そのため干渉が減少する。干渉が減少するにつれ、信号対干渉の比及び信号対ノイズの比の増加が、性能及び／若しくは容量の改善をもたらす。電力制御されたシステムでは、一定レベルの性能を得るための送信出力の削減をもたらす。
【０００５】
スマート アンテナは、容量改善に効果的ではあるが、スマート アンテナの使用に伴う一つの問題点は、あるビームが向けられるはずのユーザの位置である。逆方向リンクにおいて、ユーザにより送信されたエネルギーの到達角度は、三角測量若しくは他の適切な技術によりユーザの位置を計算するために使用される。あいにく、到達情報の角度を計算する現在の技術は、計算に負荷がかかる。
【０００６】
加えて、このシステムは、エネルギーがユーザから直線的に受信される環境でうまく機能する。あいにく、ある環境(例えば、都市部)では、信号がビルディングや他の構造物でしばしば反射され、多重経路ビームとして信号が受信されるように、この条件が保たれない。
【０００７】
このように、セルラ電話システムに関してシステムの容量を増加させるシステム若しくは方法について、この技術分野で必要性は残っている。特に、スマート アンテナを装着したセルラ電話システムでユーザの位置を確かめるシステム若しくは方法に関する技術分野に、必要性がある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この技術分野において必要性は、本発明の知見により提案される。本発明のシステムは、新規で優位な基地局と通信する卓越した移動ユニットを含む。移動ユニットは、位置情報を発生するシステム及び位置情報を送信するトランシーバを含む。好ましい実施例では、トランシーバは、ＣＤＭＡシステムであり、位置情報を発生するシステムは、ＧＰＳ(Global Positioning System)信号を受信する配列を含む。
【０００９】
本発明の基地局は、遠隔ユニットからの位置情報を受信することに適応しており、それに応じて受信した位置信号を提供する。この卓越した基地局は、受信した位置信号に応じてビームを方向付けする機構をさらに装備している。図示してある実施例では、ビームを方向付けする機構は、スマート アンテナ システムである。スマート アンテナ システムは、アンテナ アレイ及び方向付けされたビームを出力するためにアレイをドライブするビームフォーミング ネットワーク(beamforming network)を含む。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図解した実施例及び例示的な応用例は、本発明の優位性のある知見を開示するために添付した図面を参照して、これから説明される。
【００１１】
本発明は、特定の応用例に関して図解した実施例を参照して、ここで説明されるが、この発明は、これに限定されないことが理解されるであろう。この技術分野で通常の技術を有する者及びここで提供された知見にアクセスする者は、この技術範囲及び本発明が特に有効に利用されるであろう追加される分野において、付加的な変形、応用、及び実施例に気付くであろう。
【００１２】
図２は、基本的な従来セルラ システムの一つのセクタを示すブロック図である。システム１０は、基地局２０を含んでいる。基地局は、３つのセクタ アンテナ、それぞれ２２,２４,２６、複数の加入者ユニット３０のへの及び複数の加入者ユニットからの信号を送受信する。各アンテナは、交信範囲２８の１２０°セクタを与えるために設計されている。図２で３つのアンテナ(即ち２６,２２,２４)により与えられる交信地域は、影が付けられている。それゆえ、３つのアンテナの組は、各セルに要求されている３６０°の交信範囲を与えるために典型的に使用される。図２において、この技術分野で一般的なように、基地局２０は、１本の送信(順方向リンク)アンテナ２６及び２本のダイバーシティ(diversity)(戻りリンク(return link))アンテナ２２及び２４を使用する。このアプローチは、今日まで効果的に使用されてきているものの、その容量は、幾分か制限されている。上述したように、スマート アンテナは、セルラ電話の容量を増加させるために利用されようとしている。
【００１３】
図３は、スマート アンテナ システムを利用しているセルラ電話システムの図である。図３のシステム１０’は、図２の３本のセクタ アンテナ２２,２４及び２６の代わりがスマート アンテナ アレイ４０である点を除けば、図２に示したものと同様である。図２に示した従来システムの交信範囲セクタが、比較のために示されている。図３に示したように、スマート アンテナは、アンテナ素子４２のアレイであり、それぞれが、一定の決められた位相オフセットで送信される信号を受信する。アレイ４０の実質効果は、一定の決められた方向に送信若しくは受信ビームを方向付けすることである。各ビームは、アレイ４０の素子４２を励起する(若しくは、から受信する)ために使用される信号の位相関係を制御することにより制御可能である。そのようにして、従来のアンテナのように一定の交信地域(即ち、１２０°)の中の全ユーザにエネルギーを放射する(若しくは、から受信するエネルギー)とは対照的に、スマート アンテナは、各個ユーザにビームを方向付けする。それゆえ、スマート アンテナは、ビーム帯域を減少させることによりシステムの容量を増加させ、それにより干渉を減少させる。干渉の減少にともない、信号対干渉の比及び信号対ノイズの比の増加は、性能及び／若しくは容量の改善をもたらす。
【００１４】
しかしながら、上記したように、スマート アンテナは、容量改善に効果的ではあるが、スマート アンテナの使用に伴う一つの問題点は、あるビームが向けられるはずのユーザの位置である。逆方向リンクにおいて、ユーザにより送信されたエネルギーの到達角度は、三角測量若しくは他の適切な技術によりユーザの位置を計算するために使用される。あいにく、到達情報の角度を計算する現在の技術は、計算に負荷がかかる。
【００１５】
あいにく、ある環境(例えば、都市環境)では、信号がビルディングや他の構造物でしばしば反射され、多重経路ビームとして受信されるように、この条件が保たれない。    
【００１６】
それゆえ、セルラ電話システムに関してシステムの容量を増加させるシステムあるいは方法について、この技術分野で必要性は、存在し続ける。特に、スマート アンテナを装着したセルラ電話システムにおいてユーザの位置を確かめるシステム若しくは方法について、この本技術分野では必要性がある。この必要性は、本発明の知見により提案される。本発明のシステムは、新規で優位性のある基地局と通信する卓越した移動ユニットを含む。
【００１７】
図４は、本発明の知見にしたがった移動ユニットを図解した実施例のブロック図である。移動ユニット３０は、ＧＳＰのような遠隔システムから位置ロケーション信号(position location signal)を受信するように調節された第１のアンテナ３２を含む。ＧＰＳアンテナ３２からの信号は、ＧＰＳ信号プロセッサ３４により処理される。ＧＰＳプロセッサ３４は、システムコントローラ３６に位置データを出力する。システムコントローラ３６は、トランシーバ３８から送信するために、ユーザインターフェース３７を介して与えられる位置データを選択的にマルチプレックスする。好ましい実施例では、トランシーバ３８は、ＣＤＭＡトランシーバである。しかし、本分野において通常の技術を持つ人は、本発明がそれに限定されないことを歓迎する。本知見の範囲から逸脱しない限り、ＴＤＭＡ若しくはＧＳＭのような他の通信技術に、本知見を利用できる。
【００１８】
下記にさらに詳しく議論するように、好ましい実施例では、ＧＳＰ支援されている配列は、捕そく時間(acquisition time)を短縮するために採用される。ＧＳＰ支援されている配列により、ＧＰＳ総データは、基地局２０により受信され、移動ユニット３０に送信される。さらに、ユニット３０は、宇宙基地プラットフォームのみならず機上プラットフォーム(airborne platform)からの信号を受信するように調整されている。いずれにしても、図５に示したように、位置ロケーションデータは、基地局２０に向けトランシーバ４０により送信される。
【００１９】
図５は、本発明の知見にしたがった基地局を図解した実施例のブロック図である。図５に示したように基地局２０は、空間的に局在した放射素子(radiating elements)４２からなるスマート アンテナ アレイ４０を含む。アレイ４０は、従来のフェーズド アレイ アンテナ デザイン(phased array antenna design)でよい。好ましい実施例では、アレイ４０は、スマート アンテナ システムの一部であり、スマート アンテナ プロセシング回路(smart antenna processing circuit)５０を供給する。図６に示したようにプロセシング回路５０は、複数のレシーレシーバ５２、多数のビームフォーミング素子(beamforming elements)５４、空間プロセッサ(Spatial processor)６０及びレイク受信機(Rake receiver)７０を含む。
【００２０】
図６に手短かに戻ると、システムプロセッサ１００は、ＧＳＰ信号プロセッサ１１０から空間プロセッサ６０に基地局の位置データを提供する。下記に詳細に議論するように、本知見にしたがって、アレイ４０により出力されるビームを舵取りするために、ユーザにより与えられた位置データ及び基地局の位置データを利用するように、そのプロセッサはプログラムされている。
【００２１】
図６は、本発明の知見に組み込まれているスマート アンテナ システムを図解した実施例のブロック図である。図６に示したように、アンテナ アレイ４０のｎ個の素子４２のそれぞれは、それに連携するｎ個の受信機５２の一つにフィードする。図解した実施例では、各受信機５２は、素子４２により受信された信号をダウンコンバートし、かつ復調する。そして、あるユーザにとって適切で巧く合ったフィルタリングを実行する。その結果、各受信機は、アンテナ素子からＲＦ入力信号を受理し、各々のユーザ毎にベースバンド信号を出力するためにＲＦ入力信号を処理する。
【００２２】
各受信機５２は、全てのビームフォーマ５４及び空間プロセシング ユニット６０に接続されている。ビームフォーミング演算は、乗算及び加算からなる。ビームフォーマは、受信機から各ベースバンド信号を受理し、ベースバンド信号に乗算を行い、それから加算して一つの信号にする。それゆえ、各ビームフォーマ５４は、受信したベースバンド信号と空間プロセシング ユニット６０により与えられる加重とを乗算する乗算器５６を含む。乗算器５６は、複素乗算を実行する。この演算は、各ビームについて必要である。ユーザ毎及び多数のユーザ毎に典型的な多重ビームがある。実際のビームは、各ビームフォーマ５４において加算器５８で複素乗算されたサンプルを加算することにより形成される。
【００２３】
加算された信号は、レイク受信機７０に供給される。レイク受信機７０は、ビームフォーマの出力を受理し、最適な状態にこれらの信号を遅延させかつ組み合わせる。この演算は、各Ｉ及びＱサンプルについて空間プロセシング ユニット６０の制御の下で行われる。空間プロセシング ユニット６０は、形成されるビームの特性を決定する責任を負っている。空間プロセシング ユニット６０は、下記にさらに詳細に議論する本発明の知見にしたがった優位性のあるビームフォーミング アルゴリズムを提供する。
【００２４】
ＣＤＭＡに基づいたシステムに対して、ユーザ容量の見地から、最適なビームフォーミング解は、信号対(ノイズと干渉の和)を最大にすることにより達成される。“オプティマル ウィーナー ソリューション(Optimal Wiener Solution)”のような典型的な方法を利用することは、システムの中で複雑性、費用、及び遅延の可能性を加えることになる。多くの場合“近似的な最適”解は、本発明の知見により達成でき、はるかに簡易で、少ない費用及び遅延しか必要としない。これは、以下の図７及び８に示されている。
【００２５】
図１は、最小自乗法アルゴリズムに基づいた従来の知見にしたがって実行されたビームフォーミング アルゴリズムのフロー図である。図１に示したように、プロセス１００は、ステップ１１０においてユーザがシステムのアクセスを認識するステップ、及びステップ１２０においてそれに応じてパイロット信号を発生するステップを含む。ステップ１３０において受信信号ベクトルはサンプル化され、および、ステップ１４０においてビームフォーマ出力の方程式を生成するために使用される。ステップ１５０において、誤差関数(error function)は、パイロット信号とビームフォーマ出力間に生成される。次に、ステップ１６０において、誤差関数は、ウィーナーホッフ方程式(Wiener-Hopf equation)若しくはオプティマム ウィーナー ソリューションを使用して最小化される。最後にステップ１７０において、最適化された加重が、ビームフォーマに適用される。あいにく、加重の計算は、多数のプロセッサ演算を必要とするエイジェンヴァリュー(eigenvalues)の計算及び他の線形代数演算を含む。
【００２６】
本知見にしたがえば、この問題は、ビームフォーマ加重を決定するためにユーザの位置データ及び(局所的な地域データ(local terrain data))を使用することにより回避される。本発明の方法は、図８によく図示されている。
【００２７】
図８は、本発明のダイレクティング ナロービーム法(method for directing narrow beam)により利用された空間プロセシング法を図解したフロー図である。卓越した方法７００の発明は、ビームフォーマ加重を決定するためにユーザ位置データ及び、選択的に、局所的な地域データを使用し、ユーザがシステムのアクセスを認識するステップ７０１を含む。ステップ７０３において、ユーザが自分の位置を報告するならば、ステップ７０４において、図７に示したアルゴリズムが使用される。
【００２８】
図７は、本発明の知見にしたがって自分の位置を報告するユーザにビームフォーミングを提供するために使用された図解的なアルゴリズムのフロー図である。ステップ６０１において、ユーザの位置及び基地局の位置は、空間プロセシングユニット６０(図６)に与えられ、ステップ６０３において基地局に対するユーザの方向を計算する。この技術分野に知識のある者は、本知見が、それによりユーザの位置を決定する方法に限定されないことを歓迎する。本知見の範囲から逸脱することなく、その他の技術が、ユーザ及び基地局の位置を決定するために使用される。ＧＰＳ座標データをビームフォーミング座標データに変換することにより、及び、この技術分野において知識を持つ者においてよく知られている三角測量技術を使用することにより、ユーザの方向は、計算される。
【００２９】
次に、ステップ６０５において、ビームの数と方向は、図６に示された選択的なマルチパスデータベース６２により供給される情報を使用して計算される。
【００３０】
データベースは、周囲の状況の解析若しくは実行された測定のいずれに基づいてもよい。測定されたデータは、より正確と思われる。移動体は、交信地域全体を動くであろう。移動体の位置及びエネルギーの到着角度は、記録される。このデータは、マルチパスデータベースを作るために使用される。最後に、ステップ６０７において、アンテナパターンのゲイン及び位相が、ステップ６０５において供給されるアンテナ アレイ特性を使用して決定される。
【００３１】
図８に戻って、ステップ７０３において、ユーザが自分の位置を報告しない場合には、システムは、セクタ全体（ステップ７０５）をカバーするパターンを生成するアルゴリズムを使用する。
【００３２】
図５に戻って、スマート アンテナ プロセッサ５０の出力は、移動ユニット３０のトランシーバ３８と設計及び構造で整合性のよいトランシーバ８０に入力される。トランシーバ８０は、両方向スイッチ１３０を介して公衆交換電話(PSTN; Public Switched Telephone)のような外部のネットワークと通信する。
【００３３】
このようにして、本発明は、特定の応用に関する特定の実施例についてここで説明された。この技術分野で通常の知識のある者及び本知見に対してアクセスする者は、この範囲内で付加的な変形、応用及び実施例に気付くであろう。
【００３４】
それゆえ、記載の特許請求の範囲により、本発明の範囲内でいかなる種類の及び全ての応用、変形及び具体化を包含することを意図したものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】
最小自乗法アルゴリズムに基づいた従来の知見にしたがって実行されたビームフォーミング アルゴリズムのフロー図。
【図２】
基本的な従来のセルラ システムの一つのセクタを示すブロック図。
【図３】
スマート アンテナ システムに利用しているセルラ電話システムの図。
【図４】
本発明の知見にしたがった移動ユニットを図解した実施例のブロック図。
【図５】
ここに開示された方法及び装置、ＰＳＴＮ、及びスイッチにしたがった基地局を図解した実施例のブロック図。
【図６】
スマート アンテナ システムの単純化した例のブロック図。
【図７】
ビームを形成するために使用されたアルゴリズムのフロー図。
【図８】
空間プロセシング法のフロー図。
【符号の説明】
２０…基地局，３０…加入者ユニット(移動ユニット)，２２,２４,２６…セクタアンテナ，３２…ＧＰＳアンテナ，４０…アンテナアレイ，４２…アンテナ素子，５０…スマートアンテナプロセシング回路


【手続補正２】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図４】
2004514357.tif 000001
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】図５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図５】
2004514357.tif 000002