(57)【要約】多入力多出力（ＭＩＭＯ）及び他の無線通信システムにおけるコストを低減するための構成が説明され、２以上の指向性アンテナビームを生成するためにユーザ装置でアダプティブコンビネーションが使用される。搬送波対干渉レベルにおける改善が得られる。
2005518754.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のアンテナ素子と、
異なる２以上の指向性のアンテナビームが供給されるように、該複数のアンテナ素子を適応的に結合するために配置される結合器と、
を備える無線通信装置。
【請求項２】
多入力多出力の通信装置であり、該結合器は、該２以上の指向性のアンテナビームが該多入力多出力の通信に適するように配置される、
請求項１記載の無線通信装置。
【請求項３】
ユーザ端末及び基地局から選択される、
請求項１記載の無線通信装置。
【請求項４】
該アンテナビームは、偏波ダイバシティ、角度ダイバシティ及び空間ダイバシティのうちのいずれかの結果として異なる、
請求項１記載の無線通信装置。
【請求項５】
該結合器は、少なくとも１つのビームフォーマを備える、
請求項１記載の無線通信装置。
【請求項６】
該複数のアンテナ素子のうちの少なくとも幾つかは、フェーズドアレイとして設けられる、
請求項１記載の無線通信装置。
【請求項７】
実質的に直交する偏波及び実質的に類似した指向性をもつ第一のアンテナビームの対が供給される、
請求項１記載の無線通信装置。
【請求項８】
互いに実質的に直交する偏波及び実質的に類似した指向性をもち、該第一のアンテナビームの対とは異なる方向である第二のアンテナビームの対が供給される、
請求項７記載の無線通信装置。
【請求項９】
該結合器は、該指向性のアンテナビームを電子的にステアリングするために配置される、
請求項１記載の無線通信装置。
【請求項１０】
請求項１記載の複数の無線通信装置を備える通信ネットワーク。
【請求項１１】
無線通信装置を動作させる方法であって、
複数のアンテナ素子で無線信号を受信するステップと、
結合器を使用して、２以上の異なるチャネルを受信するために該複数のアンテナ素子が少なくとも１つの方向で作用可能なように、該複数のアンテナ素子を適応的に結合するステップと、
を備える方法。
【請求項１２】
該無線通信装置は、多入力多出力の通信装置であり、該受信された無線信号は、空間−時間符号化され、該異なるチャネルは、多入力多出力のチャネルである、
請求項１１記載の方法。
【請求項１３】
無線通信装置を動作させる方法であって、
複数のアンテナ素子から無線信号を送信するステップと、
結合器を使用して、２以上の異なるチャネルを送信するために該複数のアンテナ素子が少なくとも１つの方向で作用可能なように、該複数のアンテナ素子を適応的に結合するステップと、
を備える方法。
【請求項１４】
多入力多出力の通信装置であり、該無線信号は、空間−時間符号化され、該異なるチャネルは、多入力多出力のチャネルである、
請求項１３記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、適応的な結合による無線通信装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
無線通信システムの需要は、最近の１０年を通して着実に増しており、この最近の１０年を通して、特に、セルのエリアにおける技術及び無線ローカルエリアネットワーク（ＷＬＡＮ）通信システムといった様々な技術的な飛躍を含んでいる。アナログ方式のセルラー電話は、たとえばＧＳＭ及びＣＤＭＡ技術を使用したデジタル方式のハンドセットで置き換えられており、ＵＭＴＳのようないわゆる第三世代が導入されている。同様に、ＨｙｐｅｒＬａｎ及びＩＥＥＥ８０２．１１ｂのようなＷＬＡＮ技術もまた導入されている。ユーザの数は、増加し続け、データトラフィックは、ワイヤレスネットワークの重要な要素となってきている。これら両方の要素は、将来的な需要に適合するためにそれらのネットワークのキャパシティを増加する方法を追求することがオペレータにとって重要であることを意味している。
【０００３】
キャパシティを増加するニーズと同様に、良好なパフォーマンスを提供しつつ、コストダウンを維持するという一般的な要求がある。たとえば、申し分のないワイヤレスサービスが提供されることをなお可能としつつ、可能な場合、基地局及びユーザ端末装置のコストが低減されるべきである。
【０００４】
１つのパフォーマンスに関連する問題は、マルチパスフェージングに関する。典型的に、基地局及びユーザ端末は、「クラッターの発生した」環境に位置する。これは、環境における建物、家具又は他の物体からの反射及び屈折による散乱のため、通信信号が多くのパスを介してかかる基地局又はユーザ端末に到達することを意味している。到来する散乱された信号は、異なる成分の相対的な振幅及び位相に依存して、建設的又は破壊的に加えることができる。これは、基地局又はユーザ端末で受信された信号は、環境における基地局、ユーザ端末及び他の物体の相対的な位置に依存して、振幅においてかなり変動する。この作用は、マルチパスフェージングとして知られている。
【０００５】
従来、マルチパスフェージングに対処する１つの方法は、送信又は受信アンテナのダイバシティを使用することである。受信アンテナのダイバシティは、（たとえば、空間又は偏波ダイバシティをもつ）２以上の異なる受信アンテナを設ける一方、ある送信アンテナからの送信を含んでいる。異なるアンテナを使用することで、無相関の信号がそれらのアンテナで受信される。それらの信号のうちの１つは減衰した状態にあるとき、他の信号は典型的に減衰されていない状態にある。スイッチドアンテナダイバーシティ（ｓｗｉｔｃｈｅｄ  ａｎｔｅｎｎａ  ｄｉｖｅｒｓｉｔｙ）のケースでは、受信アンテナのうちの１つは、いずれかのある時間での受信のために選択される。代替的に、１つのチャネル出力を生成するため、全ての受信アンテナとともに適応的な結合が使用されている。したがって、理想的な状況では、受信アンテナは、減衰されていない信号を得るために常に使用することができる。
【０００６】
類似の状況は、送信ダイバシティについて起こる。ここで、１つの受信アンテナと共に２以上の異なる送信アンテナが使用される。特定の時間での使用のために送信アンテナのうちの１つを選択するか、１つのチャネル出力を生成するために送信アンテナの適応的な結合を調整するかのいずれかで、受信パフォーマンスに関するフィードバックが使用される。本発明は、かかる公知の送信及び受信ダイバシティアンテナ構成と比較して、改善されたキャパシティ及びパフォーマンスを提供することを目的とする。
【０００７】
キャパシティを増加するための別の公知のアプローチは、データレートを増加するために多入力多出力（ＭＩＭＯ：  ｍｕｌｔｉｐｌｅ−ｉｎｐｕｔ  ｍｕｌｔｉｐｌｅ−ｏｕｔｐｕｔ）通信システムを使用することを含んでいる。ＭＩＭＯ無線通信システム１１（図参照）は、送信機１１で複数のアンテナ１０を備え、受信機１３で２以上のアンテナ１２を備えるシステムである。アンテナ１０，１２は、環境における様々な散乱作用を奏する物体（建物、自動車、丘等）の存在のため、それぞれの信号がマルチパス伝播を受けるように、マルチパスを含む環境で使用される。したがって、送信及び受信アンテナ間で散乱された信号を表すため、雲の形状１４が示されている。ユーザデータは、当該技術分野で公知であるような、空間−時間符号化（ＳＴＣ）変換方法を使用して送信アンテナから送信される。受信アンテナ１２は、送信された信号を受信し、その後、送信された信号を分離し、ユーザデータを取り出すために、当該技術分野で公知である信号処理技術が適用される。
【０００８】
ＭＩＭＯ無線通信システムは、より高いデータレートを得ることができる点で、このシステムが送信機と受信機の間の無線リンクのキャパシティを従来のシステムと比較して改善することが可能である点で有利である。マルチパスを含む環境は、送信機と受信機との間で多数の直交するチャネルを生成することを可能にする。その後、単一のユーザのためのデータがそれらのチャネルと並列に空間を通して同時に送信され、同じ帯域幅を使用して送信される。結果的に、多入力多出力ではないシステムよりも高いスペクトル効率を達成することができる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、公知のＭＩＭＯ構成の１つの問題は、このシステムが複数の送信及び受信チェインとともに複数のアンテナが必要とされる点で比較的高価であることにある。１つの受信アンテナは、それぞれのＭＩＭＯチャネルについて使用される。このように、たとえば、受信ＭＩＭＯアンテナ構成は、それらのアンテナのそれぞれについて１つの４つの受信チェインと共に４つのアンテナを備えている。受信チェインは、比較的高価で大きく、それらの受信チェインのそれぞれに対して電力が供給されなければならない。このことは、特に、コンパクトであることが要求されるユーザ端末、及び邪魔にならないことが必要とされる基地局にとって不利である。同様の問題が送信チェインにとっても生じる。
【００１０】
本発明の目的は、先に述べられた問題を解消するか、又は該問題の１以上を少なくとも緩和する無線通信装置を提供することにある。
【００１１】
本発明の更なる利益及び利点は、添付図面を参照しながら与えられる、以下の詳細な説明を考慮することで明らかとなるであろう。この添付図面は、本発明の好適な実施の形態を特定かつ例示するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の１態様によれば、無線通信装置が提供され、本装置は、複数のアンテナ素子と、２以上の異なる指向性のアンテナビームが供給されるように、該複数のアンテナ素子を適応的に結合するために配置される結合器とを備えている。
【００１３】
本無線通信装置は、ネットワークにおける複数のかかる装置について、全体の搬送波対干渉レベルを低減し、これによりキャパシティを増加する通信システムにおいて指向性のアンテナビームが使用される点で有利である。本装置は、基地局又はユーザ端末のいずれかにある場合がある。たとえば、ユーザ端末は、移動電話、パーソナルデジタルアシスタント、パーソナルコンピュータ、加入者宅内装置又はいずれか他の適切なタイプの端末とすることができる。また、結合器は、少なくとも１つのビームフォーマを備えていることが好ましく、又はアンテナ素子がフェーズドアレイとして提供されることが好ましい。好ましくは、通信システムは、多入力多出力の通信システムである。このケースでは、搬送波対干渉レベルにおける改善とともに、データレートが増加されるという利点が達成される。
【００１４】
好ましくは、アンテナビームは、偏波ダイバシティ、角度ダイバシティ及び空間ダイバシティのいずれかの結果として異なる。
【００１５】
好適な実施の形態では、実質的に直交する偏波をもち、実質的に類似の方向でアンテナビームの対が供給される。このとき、ＭＩＭＯ通信は、高いデータレートのリンクを生成するために２つのアンテナビームを通して提供される。
【００１６】
結合器は、指向性のアンテナビームを電子的にステアリングするために配置されることが好ましい。これにより、空間フェージングに関連する問題がビームステアリングにより処理されるという利点が提供される。また、アンテナビームの方向を調節することができるので、固定された指向性ビームを使用するシステムと比較して、ポインティングロスが低減される。
【００１７】
また、本発明は、無線通信装置を動作させる方法を包含するものであり、本方法は、複数のアンテナ素子で無線信号を受信すること、２以上の異なるチャネルを受信するために該複数のアンテナ素子が少なくとも１つの方向で作用可能なように、該複数のアンテナ素子を適応的に結合するために結合器を使用することを含んでいる。
【００１８】
対応する送信するための方法も提供される。好ましくは、信号は空間−時間符号化され、多入力多出力の無線通信装置が使用される。
【００１９】
本発明は、説明された装置を動作させ、該装置の各機能を実行するための方法ステップを含む方法に向けられる。
また、本発明は、他の追加の装置とともに、本発明を実現する１以上の装置例を備えるデジタル信号処理のためのシステムを提供することにある。
好適な機能は、当業者にとって明らかであるように、適切に組み合わされる場合があり、本発明のいずれかの態様と組み合わされる場合がある。
本発明がどのように実施されるかを示すために、本発明の実施の形態が例を介して、添付図面を参照しながら以下に説明される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
本発明の実施の形態は、単なる例を介して以下に説明される。これらの例は、本発明を実施することができる唯一の方法ではないが、出願人が現在のところ認識している本発明を実施するに最良の方法を表している。
【００２１】
用語「受信チェイン」は、受信機で受信された無線周波信号をベースバンド信号にダウンコンバートすることで、該無線周波信号を処理する装置のいずれかの一部を言及するために使用される。これは、当該技術分野で公知のフィルタリング、復調及びダウンコンバージョンといった多くのステージを含んでいる。このように、用語「受信チェイン」は、本実施の形態では、この周波数変換プロセスのために必要とされる装置全体、又は該装置の一部のみのいずれかを言及するために使用される。
【００２２】
用語「送信チェイン」は、ベースバンド信号を処理し、送信機での送信のために該処理されたベースバンド信号を無線周波信号に変換する装置のいずれかの部分を言及するために使用される。これは、当該技術分野で公知のアップコンバージョン、変調及び電力増幅といった多くのステージを含んでいる。このように、用語「送信チェイン」は、本実施の形態では、周波数変換プロセスのために必要とされる装置全体、又は該装置の一部のみのいずれかを言及するために使用される。
【００２３】
先に説明されたように、従来のＭＩＭＯシステムは、アンテナと同じ多くのＭＩＭＯチャネルを使用している。チャネル当たり１つの受信チェイン（無線周波受信機とも呼ばれる）が必要とされ、これは、実際に設けることができる受信チェインの数が基地局、ユーザ端末又は他の通信装置におけるコスト、複雑さ及び電力消費量により制限されるため、実際の制限を提起する。この同じ制限は、送信チェインのケースにも当てはまる。同様の実際の制限は、送信又は受信ダイバシティを使用する装置のような、ＭＩＭＯではない無線通信装置にも当てはまる。
【００２４】
本発明は、この問題を認識し、アンテナの数をなお増加しつつ、受信チェイン又は送信チェインの数を低減することを可能にする。すなわち、受信チェインよりも多くの受信アンテナ（又は送信チャネルよりも多くの送信アンテナ）が使用される。ＭＩＭＯ構成及びＭＩＭＯではない構成の両者について、キャパシティの増加、搬送波対干渉レベルの改善、コストの低減及びマルチパスフェージングに対処する能力の改善を含めて、多くの利点がこのようにして達成される。たとえば受信チェインよりも多くの受信アンテナをもつ、従来の送信ダイバシティアンテナ構成又は受信ダイバシティアンテナ構成が知られていることが認識される。しかし、これらは、複数の異なるアンテナを使用すること、スイッチされる選択（ｓｗｉｔｃｈｅｄ  ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ）により、それらの異なるアンテナから単一のチャネル出力を生成することを含んでいる。本発明は、それらの異なるチャネルからの出力の２以上のチャネルを生成することで、更なる利点を達成することができることを認識している。このケースでは、３以上の異なるアンテナが使用される必要がある。これらの利点は、マルチパスフェージングに対処するための改善された能力、及び改善された受信利得を含んでいる。
【００２５】
図２ａには、従来の受信ダイバシティアンテナ構成が例示されている。１つの送信アンテナ２０は、互いにダイバシティを有するために配置される３以上の受信アンテナに送信する。単一の受信チェイン２２が設けられ、受信チェイン２２への１つのチャネル入力を生成するために、スイッチされるアンテナの選択が使用される。このＭＩＭＯではない構成では、受信チェインよりも多くの受信アンテナが使用され、受信アンテナが異なるため、先に説明されたように、マルチパスフェージングの影響が低減される。
【００２６】
図２ｂには、本発明の実施の形態が例示されている。これは、図２ａの構成に類似したやり方で、受信アンテナダイバシティを使用したＭＩＭＯではない構成である。１つの送信アンテナ２０は、３以上の受信アンテナ２１に送信する。しかし、２つの受信チェイン２２が設けられている。受信チェインが存在するよりも多くの受信アンテナが常に存在する限り、２を超える受信チェイン２２を使用することも可能である。受信アンテナの出力のサブセットは、受信チェインの数に準じて選択される。図２ａにおける従来技術と比較して様々な利点が得られる。たとえば、より多くの受信チェインが存在するため、受信利得が増加される。また、マルチパスフェージングに対処する能力が改善される。たとえば、１つの受信アンテナが３つの受信アンテナから選択される従来の状況を考える。マルチパスフェージングに上手く対処する能力は、その選択されたアンテナで受信された信号がフェージングを受け易いかに依存する。しかし、図２ｂに例示された実施の形態では、３つの可能な受信アンテナから２つの受信アンテナが効果的に選択される。１つのアンテナよりはむしろ、２つのアンテナが選択されるため、マルチパスフェージングに対処する能力は、より詳細に以下に説明されるように改善される。図２ａ及び図２ｂは、受信ダイバシティに関するものであるが、類似の状況は、送信ダイバシティについても生じる。
【００２７】
先に説明されたように、本発明は、図２ｂに例示された構成のようなＭＩＭＯではない構成だけではなく、ＭＩＭＯの通信システムに適用可能である。図１に関して先に説明されたように、ＭＩＭＯシステムは、空間−時間符号化システムと共に、送信及び受信の両方で複数のアンテナを使用する。複数の直交するＭＩＭＯチャネルが（散乱の結果として）生じ、（たとえば、ＭＩＭＯではないマルチビームアンテナ構成と比較して）結果としてキャパシティの増加が達成される。図２ａの構成がＭＩＭＯシステムで使用することができないのに対して、図２ｂの構成はＭＩＭＯシステムで使用することができるため、図２ｂのシステムは、図２ａのシステムに対して更なる利点を有している。
【００２８】
従来、ＭＩＭＯ構成は、ＭＩＭＯチャネルと同じ数のアンテナを使用しており、したがって、受信アンテナと同じ数の受信チェイン（又は送信アンテナと同じ数の送信チェイン）を使用している。本発明では、ＭＩＭＯシステムで、図２ｂに例示される受信アンテナよりも少ない数の受信チェイン（又は送信アンテナよりも少ない数の送信チェイン）を使用することで利点が得られることが認識される。
【００２９】
ＭＩＭＯシステムにおいて受信チェインよりも多くの受信アンテナを使用することで、受信チェインの数を適合するためにアンテナの数を減少することと比較して、キャパシティの増加が得られる。これは、場所から場所に移動するが、使用のときは一般に静止している自由なユーザ端末、使用の間に移動可能なモバイル端末の両者について当てはまる。自由なユーザ端末を含む状況がここで説明される。
【００３０】
［自由なユーザ端末（ｎｏｍａｄｉｃ  ｕｓｅｒ  ｔｅｒｍｉｎａｌｓ）］
自由なユーザ端末は、典型的に、散乱が生じる環境において、インドアで位置される。インドア環境におけるマルチパスの空間フェージングは、レイリー分布であるエンベロープを有しており、これにより、自由な端末の空間的な位置に依存するＭＩＭＯのリンクキャパシティが生じる。一定のローカル手段からなる所与のエリアについて、該端末が空間フェージングを通して移動するとき、ＭＩＭＯのリンクのキャパシティの分布を得る。したがって、いずれかの所与のユーザ端末にとって、キャパシティがキャパシティ分布の下端に位置される「悪い」位置に配置される。
【００３１】
ＭＩＭＯリンクについて理論的なシャノンのキャパシティは、空間的に平均される搬送波対干渉レベル、及び（それぞれのパスの平均自乗が１に正規化されるとき）それぞれのＭＩＭＯパスで瞬間的に受信される電圧に依存する。その後、ＭＩＭＯパスの空間フェージングのためにキャパシティの分布が生じる。静止した端末について、環境における物体の動きにより生じるパスへの幾らかのフェージングがなお存在する。結果として、時間的なフェージングは、高いＫ要素をもつライス分布となる傾向にある。結果的に、ユーザ端末が「悪い」スポットに位置される場合、リンクの期間の間に悪い状態のままとなる傾向にある。これは、時間領域において唯一の分析可能なタップが存在するように（ＣＤＭＡシステムでは時間ダイバシティがない）、及び周波数領域においてフラットなチャネルが存在するように（ＯＦＤＭシステムでは周波数ダイバシティがない）、遅延速度が低い場合には特に悪い。これは、たとえば、郊外の住宅環境（たとえば、小さなオフィス、ホームオフィスＳＯＨＯアプリケーション）におけるケースで可能性が高い。
【００３２】
この問題を回避するため、受信チェインを有するよりも多くのアンテナをもつユーザ端末が設けられる。固有値の選択ダイバシティ（ｅｉｇｅｎｖａｌｕｅ  ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ  ｄｉｖｅｒｓｉｔｙ）のタイプが採用され、このダイバシティにより、ＭＩＭＯのシャノンのキャパシティ分布の下端が約２０％だけ改善されることが示される。これは、次に全体のスループットを増加する。ここで、本方法が説明される。
【００３３】
好適な実施の形態では、ＭＩＭＯ構成が提供され、それにより、基地局（ノードＢともいう）には２つのアンテナが、ユーザ端末（ユーザ装置ＵＥともいう）には４つのアンテナが存在するが、ユーザ装置ＵＥでは２つの受信チェインのみが存在する。図３には、状況が例示されており、この図には、２つの送信アンテナ３０、４つの受信アンテナ３１、及びコネクションｈ１１，ｈ１２，ｈ２１，ｈ２２，ｈ３１，ｈ３２，ｈ４１，ｈ４２が示されている。
【００３４】
図３に示される実施の形態では、ユーザ装置ＵＥには２つの受信チェインのみが存在しているため、実際のＭＩＭＯ構成は２：２である。しかし、ユーザ装置ＵＥを選択することができる６つの可能な２：２のＭＩＭＯマトリクスが存在する。
【００３５】
【数１】
2005518754.tif 000003
例として、ＭＩＭＯパスのそれぞれは、１の平均自乗を有するランダムガウス過程として表すことができる。パスは、独立（無相関）であり、パス間のパワーの不均衡は、考慮されていない。それぞれのパスは、以下の式により表される。
【００３６】
【数２】
2005518754.tif 000004
ここで、
【００３７】
［外１］
2005518754.tif 000005
は、平均ゼロ及び標準偏差
【００３８】
［外２］
2005518754.tif 000006
をもつ正規分布を有するランダム数である。したがって、それぞれの行列要素は、複素電圧からなり、この場合、Ｉ及びＱ成分が正規分布する。これらは、平均自乗が２σ２＝１をもつレイリー分布であるエンベロープとなる。
【００３９】
（ランダム変数の異なるサンプルをもつ）それぞれのＭＩＭＯパスについてこの表現を使用して、６つの瞬間的な２：２のチャネルマトリクスを構築することができる。次いで、それぞれの瞬間について、チャネルプロダクトマトリクスの固有値が決定される。この場合、チャネルプロダクトマトリクスは、以下の式で与えられる。
【００４０】
【数３】
2005518754.tif 000007
このマトリクスの固有値は、固有モードのパワーゲインを表しており、この固有値のうち２つが存在する。
【００４１】
独立なレイリーフェージングチャネルをもつ２：２のＭＩＭＯ構成のキャパシティに関するシャノンの上限は、以下の式を使用して決定することができる。
【００４２】
【数４】
2005518754.tif 000008
この場合、Ｎ＝送信アンテナの数、λｉ＝ｉ番目の固有値、ρ＝信号対雑音比である。
【００４３】
キャパシティは、Ｎ個の直交するチャネルのシャノンキャパシティの合計であり、この場合、チャネルのパワーゲインは、チャネルプロダクトマトリクスの固有値により与えられる。この合計において、利用可能な送信パワーは、２つのチャネル間に等しく分散される。
【００４４】
固有値の選択ダイバシティ方式を実現するため、メトリックが必要とされる。６つの可能性のあるユーザ装置ＵＥのアンテナ結合の間での選択を可能にするため、メトリックが必要とされる。１）固有値の合計、２）シャノンのキャパシティといった、２つの異なるメトリックが考慮される。
【００４５】
第一の例では、それぞれのユーザ装置のアンテナ対の固有値の合計が計算され、最大の合計をもつ組み合わせが選択される。これは、数万もの例のランダム変数について行われる。ユーザ装置ＵＥ１及びＵＥ２の２：２のマトリクスが基準マトリクスとして利用され、シャノンキャパシティの分布がこのケースについて計算される。これにより、標準的な２：２のＭＩＭＯのキャパシティ分布が表される。キャパシティの分布は、選択のメトリックとして最大の「固有値の合計」を使用し、固有値の選択ダイバシティがそれぞれの例のランダム変数について実現される場合についても計算される。図４には、参照のための固有値の分散とダイバシティのケースが示されている。この図は、固有値のダイバシティが採用されるとき、固有値の分散における明らかな増加を示している。
【００４６】
選択メトリックが最大の瞬間的なリンクキャパシティのケースにおいて、キャパシティの分散が調査される。固有値の選択ダイバシティは、キャパシティの分散の下側の端部を改善しており、このケースでは、最大の固有値の合計が選択メトリックとして使用されるケースの改善よりも大きい。固有値の選択ダイバシティの２つの形式のキャパシティ分散が比較される。２つのスキームの間の差は高いＳＮＲでのみ明らかである。
【００４７】
「固有値の合計」のスキームについて、６つの２：２のチャネルメトリクスが予測され、固有値が計算される。これは、時間的なフェージングの影響を平均するためにアベレージベースで行われることが好ましい。最大キャパシティのスキームについて、信号対雑音比（ＳＮＲ）又は搬送波対干渉レベル（Ｃ／Ｉ）だけでなく固有値が予測される。次いで、６つの可能なチャネルメトリクスについて、瞬間的なキャパシティの予測が行われる。時間的なフェージングの作用を除くために、ある種の平均化が使用される。
【００４８】
また、「最大キャパシティ」の固有値の選択ダイバシティスキームのキャパシティ分散に、標準的な２：４のＭＩＭＯ構成のキャパシティ分散が比較される。２：４のＭＩＭＯシステムは、より高いキャパシティを達成するが、これは、２つの受信チェインよりはむしろユーザ装置ＵＥで４つの受信チェインを必要とする。「最大キャパシティ」の固有値の選択ダイバシティの曲線は、２：２及び２：４のＭＩＭＯ構成のキャパシティの曲線にも比較される。固有値の選択ダイバシティのスキームは、４つの受信チェインをもつ２：４のＭＩＭＯシステムから得ることができる余分のキャパシティゲインのかなりの部分を達成することが分かる。
【００４９】
自由な端末に関して直前に説明された例では、２つの選択メトリクスが考慮され、一方のメトリクスは、固有値の合計であり、他方のメトリクスは瞬間的なリンクのキャパシティである。これらの特定の選択を使用することは本質的なことではなく、以下に説明されるように他のタイプのメトリックを使用することができる。さらに、自由な端末に関して先に説明された結果は、少なくともある程度の範囲でモバイル端末の状況にも適用される。
【００５０】
［スイッチングメカニズム］
図５に例示されるようなＭＩＭＯの受信機アーキテクチャの例を考える。２つのみの受信チェイン１００５，１００６（受信フロントエンドとも呼ばれる）をもつ４つの受信アンテナ１００１〜１００４が示されている。４つの利用可能なアンテナから２つのアンテナに関する６つの可能な選択が存在する。所与の時間の瞬間で、受信機は、２つのアンテナの受信状態を監視及び測定することができる。このように、最良のアンテナの対の選択を可能にするため、インテリジェントスイッチング基準１００７が確立される。実現コストを最小にするため、２つのアンテナを選択するために必要とされる処理は、受信機の処理に関するベースバンド処理において実現される。しかし、これは本質的なことではない。また、アンテナ１００８間のスイッチングのためのメカニズムは、アンテナ出力で直接に実現される。たとえば、ベースバンドモデムから生成される３ビットのスイッチコマンドをもつ低雑音増幅器（ＬＮＡ）に集積されるＧａＡｓ  ＭＥＳＦＥＴの高速スイッチが使用される。かかるＧａＡｓ  ＭＥＳＦＥＴスイッチの平均の挿入損失は低く（たとえば０．１ｄＢ前後）、コストもまた低い。
【００５１】
［モバイル端末−高速移動］
受信アンテナよりも少ない受信チェインが存在するＭＩＭＯ構成は、ユーザ装置が約１００ｋｍ／ｈまでの速度で動く高速移動への適用に有利に使用することができる。２つの送信アンテナを使用し、２つの受信チェインとの使用のために４つの受信アンテナから２つのアンテナを選択する１つのかかる実施の形態では、標準的な２：２のＭＩＭＯと比較して３ｄＢゲインが発見される。
【００５２】
［選択メトリクス］
２つの選択メトリクスが先に説明されたが、一方のメトリクスはリンクキャパシティに関連しており、他方のメトリクス又は方法は、固有値の合計である。他の選択メトリクス又は方法を使用することができ、ある種の例が以下に与えられる。
・受信信号強度インジケータ（ＲＳＳＩ）（すなわち、最も高いＲＳＳＩを与える選択を選ぶ）。
・デコーダ出力のビット誤り率（ＢＥＲ）（すなわち、最も低いＢＥＲを与える選択を選ぶ）。
・ラウンドロビン方式（すなわち、それぞれ可能な選択を順次試み、最良の選択を選ぶ）。
・シャノンキャパシティ（すなわち、最も高いシャノンキャパシティ又は最も高い瞬間的なリンクキャパシティを与える選択を選ぶ）。
・固有値（すなわち、最も高い固有値の合計を与える選択を選ぶ）。
・ＣＲＣトリガスイッチ（すなわち、ＦＥＣデコードに続いて、ＣＲＣ検出が誤っている場合、一方又は両方の受信機のスイッチは、予め決定されたルールに従って、又は最良のアンテナ選択のサーチにより別のアンテナにスイッチする。）
受信チェインの数が受信アンテナの数Ｍよりも少ない状況を考える。そのケースでは、全体でＫ＝Ｍ！／Ｌ！（Ｍ−Ｌ）！個の可能なスイッチング構成が存在する。ここで、シンボル！は「階乗」を示している。高い計算上の複雑さを犠牲にして、全ての可能なスイッチング構成をフルサーチすることを有益である。しかし、これは、以下に説明されるように本質的なことではない。図６では、２つの状況についての可能なスイッチング構成、すなわち（４つのアンテナと２つの受信チェイン）及び（６つのアンテナと２つの受信チェイン）が例示されている。所与のアンテナのセットがひとたび選択されると、次の選択されたアンテナのセットが第一のセットと同じ単一のアンテナを含んでいないことが好ましい。かかるセットをディスジョイントであるという。たとえば、４アンテナ及び２受信チェインのケースでは、現在の選択が（１，２）である場合、スイッチするための可能な選択は（１，３）、（１，４）、（２，３）、（２，４）及び（３，４）となる。しかし、最良のスイッチ手順はディスジョイントのセット（３，４）を選択することであることが発見される。６つのアンテナと２つの受信チェインのケースでは、それぞれの開始の選択について、スイッチするための６つのディスジョイントの選択を有する。図３では、（１，２）、（１，３）、（１，４）、（１，５）、（１，６）のスイッチ遷移のみを示しているが、ディスジョイントのスイッチ計画の間で、最も簡単なスイッチのルール（１，２）⇔（３，４）⇔（５，６）が示される。
【００５３】
図３に示される最良のスイッチルールである（１，２）⇔（３，４）及び（１，２）⇔（３，４）⇔（５，６）は、これらが偏波される受信アンテナ構成のために適しているので、アンテナ構成の観点で別の重要性を有している。
【００５４】
代替的に、２つの受信チェインのケースでは、現在選択されているアンテナのうちの（最良のチャネル品質をもつ）一方を保持し、他方の現在選択されているアンテナをスイッチすることができる。図３では、構成（１，２）をもつ４つのアンテナのケースについて、この場合、アンテナ１は保持され、この時、可能性のあるスイッチ遷移は、（１，３）及び（１，４）である。構成（１，２）をもつ６つのアンテナのケースについて、この場合、アンテナ１が保持され、この時、可能性のあるスイッチ遷移は、（１，３）、（１，４）、（１，５）及び（１，６）である。かかるセットは、オーバラップしているという。すなわち、オーバラップするセットは、少なくとも１つの共通のアンテナを含んでいる。
【００５５】
図７は、ＭＩＭＯチャネルがひとたび受信されたときにＭＩＭＯシステムで行われる処理の概念図である。図７は、先に説明された幾つかの選択メトリクスがアンテナ間のスイッチングに影響を与えるためにどのように使用することができるかをも示している。図７に例示される特定の例では、４つの受信アンテナ１００及び２つの受信チェイン１０１が存在する。スイッチングメカニズム１０２は、アンテナ間をスイッチするために使用される。受信チェイン１０１は、当該技術分野で知られているようにチャネル予測器１０３への出力を供給する。これは、ＭＩＭＯチャネルを推定し、空間−時間符号化された信号をデコードするＭＩＭＯデコーダ１０４への出力を提供する。次いで、デコードされた信号は、順方向誤り訂正（ＦＥＣ）デコーダ、及び最終的に巡回冗長検査（ＣＲＣ）ユニット１０６により処理される。図７に例示されるように、ＣＲＣユニット１０６の結果１０７は、ＣＲＣベースのスイッチ１０７を介してスイッチメカニズム１０２への入力として供給することができる。代替的に、チャネル予測器１０３からの結果は、図示されるように、固有値ベースのスイッチ１０８又はＲＳＳＩベースのスイッチ１０９を介して、スイッチメカニズムに供給することができる。
【００５６】
（先に説明されたように）ＲＳＳＩ、シャノンキャパシティ及び固有値を含むスイッチング基準は、ＭＩＭＯチャネル予測出力１０３でのベースバンド信号処理で実現することができる（図７参照）。ＣＲＣベースのメトリックは、図示されるようにＦＥＣデコーダ出力で実現される。予測アルゴリズム１０９ｂは、全ての可能なアンテナの組み合わせに関する測定値がない場合に最良のアンテナを選択するために、ＲＳＳＩ，シャノンキャパシティ及び固有値ベースの基準と共に使用される場合がある。たとえば、それらのアンテナの選択の過去のパフォーマンスに関する情報は、予測を行うために使用される場合がある。シミュレーションを使用して、様々な選択方法及び先に説明されたメトリクスのパフォーマンスが比較され、信号対雑音比（ＳＮＲ）に対するビット誤り率（ＢＥＲ）のグラフである図８に結果が示されている。４つの受信アンテナ及び２つの受信チェインを含んだ状況のための物理層のシグナリングとしてのＯＦＤＭ波形を使用して、シミュレーションが行われる。
【００５７】
選択メトリック（図８におけるライン１１２を参照）としての最小のＢＥＲを使用したときに、最良のパフォーマンスが発見される。しかし、このメトリックは、計算するためには比較的に複雑である。完全かつ先験的なＭＩＭＯチャネルナレッジ、すなわち完全チャネル予測を仮定して計算されたＲＳＳＩ基準を使用したとときに、次の最良のパフォーマンスが発見される（ライン１１３を参照）。用語「ジニーエイデッド（ｇｅｎｉｅ  ａｉｄｅｄ）」は、完全かつ先験的なＭＩＭＯチャネルナレッジ、すなわち完全なチャネル予測が仮定されることをいうために使用される。ジニーエイデッドの最大の固有値の合計Ｍａｘ＿Ｅｉｇｎについて次の最良のパフォーマンスが発見される（ライン１１４を参照）。固有値の合計と比較して計算が比較的複雑である、ジニーエイデッドの最大のチャネルキャパシティＭａｘ＿Ｃａｐａｃｉｔｙについて、次の最良のパフォーマンスが発見される（ライン１１５を参照）。ＭＩＭＯのチャネルナレッジなしにＣＲＣトリガされたスイッチについて、次の最良のパフォーマンスが発見される（ライン１１６を参照）。この方法は、ＭＩＭＯシステムがＣＲＣを典型的に監視しているので、計算が比較的簡単であるという利点を有している。このように、スイッチされる選択方法を実現するため、ＣＲＣベースのメトリクスを使用することは比較的簡単である。また、ジニーエイデッドメトリクスのパフォーマンスは、ＣＲＣでトリガされるブラインドスイッチに近いことがわかる。
【００５８】
本発明の好適な実施の形態では、選択メトリクスはＣＲＣに関連している。また、ＣＲＣベースのメトリクスを使用することで、スイッチングが必要とされると思われる回数は、固有値ベースのメトリクスを使用したときよりも遥かに少ない。このように、固有値ベースのメトリクスが使用されたとき、アンテナ間の余りに頻繁なスイッチングを防止するために、あるタイプの閾値メカニズムのような更なる基準が必要とされる場合がある。図９には、更なるシミュレーションの結果が示されている。再び、２×４のＭＩＭＯがシミュレートされ、この場合、ユーザ装置は４つの受信アンテナ及び２つの受信チェインで構成される。２つのアンテナに関する６つの可能な選択が可能性あり、
【００５９】
［外３］
2005518754.tif 000009
として示される。ここで、ｉ，ｊ＝１，２，３，４である。選択のパフォーマンスの上限を得るため、完全かつ先験的なチャネルナレッジすなわち完全チャネル予測を仮定したジニーエイデッドの計算を使用して、３つの選択基準（ＲＳＳＩ，シャノンキャパシティ及び固有値）を使用した状況がシミュレートされる。全ての６つの可能な選択が選ぶことができる。ＣＲＣベースの基準は、現実世界の受信機の動作と共にシミュレートされる。シミュレーションで使用されるスイッチ基準は、更に詳細に以下に説明され、ここで、λ１、λ２は行列Ｈｉ，ｊの固有値である。
【００６０】
【表１】
2005518754.tif 000010
図９は、本来の２×２のＭＩＭＯ及び２×４のＭＩＭＯと比較して、４つのアンテナ及び２つの受信チェインの選択構成についてのゲインを含むシミュレーション結果を示している。さらに、４，６及び７つのアンテナの理論的なゲイン（上限）もプロットされており、この数学的な導出は、添付資料Ａにおける式（５０）に示されている。明らかに分かるように、全ての選択方法は、同じ受信機のフロントエンドのハードウェアの複雑さをもつ静的な２×２のＭＩＭＯに対してかなりのゲインを提供する。特に、ＣＲＣベースの選択方法は、ジニーエイデッドスイッチ基準に近い利得を達成することができる。
【００６１】
先に説明された選択方法は、受信アンテナからの選択を参照して説明されたが、これらのメトリクスは、受信装置から送信装置へのいずれかのタイプのフィードバックメカニズムを使用することで、送信アンテナ間での選択のために使用することもできる。
【００６２】
［指向性アンテナの使用］
複数のユーザ端末を含む状況を考えるとき、一方の端末からの信号が別の端末に到達し、基地局からの該端末への信号と干渉する結果として干渉が生じる。ユーザ端末で指向性アンテナを使用することで、たとえば、固定されたワイヤレスアクセス装置で予め実現されるように、ユーザ端末で無指向性アンテナを使用した基準となる状況と比較したとき、かかる干渉を低減することが可能である。しかし、ＭＩＭＯシステムにおけるユーザ端末で指向性アンテナを使用することで、さらに、ユーザ端末でスイッチされるアンテナ選択を使用することで、かなりの利点が発見されることがわかる。スイッチされる選択により、結果的に得られるＭＩＭＯのパフォーマンスを低減することが期待されるアンテナ素子の数を効果的に減少したとしても、利益を得ることができることがわかる。
【００６３】
このことは、パーソナルコンピュータのようなユーザ端末との使用のために、スタンドアロン型のユニットにおけるＭＩＭＯアンテナ構成に関する幾つかの実施の形態に関してより詳細に以下に説明される。これらの実施の形態では、ユーザ端末が高いデータレートのＭＩＭＯワイヤレスリンクを使用することができるように、ユーザ端末のためのアンテナ構成が提供される。好ましくは、ＭＩＭＯリンクは、ＭＩＭＯ通信の使用の結果としてキャパシティにおける増加を容易にするため、類似の信号レベルをもつ４つの直交するチャネルを有している。
【００６４】
アンテナ構成は、ボックス、キューブ、又は他のスタンドアロン構造でサポートされる。このスタンドアロン構造は、パーソナルコンピュータ、ラップトップコンピュータ、パーソナルデジタルアシスタント、若しくはいずれかの他のタイプのユーザ端末に接続することができる。これにより、デスク、テーブル又は他の表面にアンテナ構成を容易に配置することができ、１つのユーザ端末に永続的に統合されるよりはむしろ、いずれかの適切なタイプのユーザ端末と共に使用することができるという利点を提供する。スタンドアロン型ユニットは小型かつ携帯性に優れているので、アンテナ構成のサイズが最小化される。
【００６５】
図１０及び図１１は、２つの可能なアンテナ構成を例示しており、それぞれの構成は、寸法９ｃｍ×９ｃｍ×１３ｃｍ、又は持ち運びできるいずれかの他の適切なサイズのスタンドアロン型ユニット１２８によりサポートされる。図１０は、８つのダイポール１３１〜１３８を使用した構成を示しており、１つの水平ダイポール及び１つの垂直ダイポールは、ユニットの４つの面のそれぞれからサポートされている。アンテナは、アンテナがフィード及びグランドピンにより接続されるユニットの表面から離れて位置している。ユニットが１つの面に位置されるとき、反対の面（トップ）はダイポールを有していないように、４つの面が選択される。垂直のダイポールは、ユニットから２．５ｃｍでサポートされており、水平ダイポールは、ユニットから３．５ｃｍでサポートされている。ダイポールを使用して達成される信号レベルは、平板逆Ｆアンテナ（ＰＩＦＡ）を使用して見られるよりも大きく（改善される）ことがわかる。さらに、アジマス指向性（ａｚｉｍｕｔｈ  ｄｉｒｅｃｔｉｖｉｔｙ）は、ダイポール構成について更に著しい。
【００６６】
図１１は、４つの垂直ダイポール１４５〜１４８及び４つの水平ダイポール１４１〜１４４が再び使用される別の実施の形態を示している。このケースでは、図１０の構成と比較してアジマスパターンを広げるために、ユニットのコーナーにダイポールがサポートされている。水平ダイポールの端部は、ダイポールの端部で生じる場合があるアジマスパターンにおける落ち込みを最小にするために、ユニットに向かって捻じ曲げられているか、又は湾曲されている。先のように、ダイポールは、ユニットの表面から離れてサポート、すなわち配置されている。この実施の形態では、導電性のプレート１４０は、ユニットの一方の面（上面）に位置されており、これにより、該導電性プレートが上面を覆い、該上面のそれぞれのエッジを越えて伸びている。別の導電性プレート１４１は、ユニットの反対の面（下面）を覆って配置されている。これらのプレートは、水平ダイポールの前後比を改善するために追加される。プレートは、先に説明され図１１に例示されるように、水平ダイポールの前後比を垂直ダイポールの前後比と整合するために、ユニットを超えて伸びている。１つの特定の例では、プレートは、ユニットを３ｃｍだけ超えており、この時、ユニットの寸法は、１５ｃｍ×１５ｃｍ×１３ｃｍである。
【００６７】
図１０及び図１１に例示される実施の形態のパフォーマンスが比較され、その結果が図１２に与えられている。図１０の実施の形態は、構成１と呼ばれる。このケースでは、ダイポールは、ユニットの面にわたって位置されており、図１１の配置（構成２）における指向性よりも指向性を有している。結果は、それぞれの構成が十分に使用可能なシステムを提供することを示している。
【００６８】
図１２は、スタンドアロン型の構成の比較のために使用されるメトリクスを示している。構成１及び構成２は、９０°と１８０°にわたり平均化されるメトリクスを有している。これらの構成は、指向性アンテナを有しており、２つの平均は、（アップリンク用に想定される）２：２ＭＩＭＯ及び（ダウンリンク用に想定される）２：４ＭＩＭＯを考慮している。ダイバシティのゲインは、２つのユニットの指向性、０°及び４５°について与えられている。このことは、スタンドアロン型ユニットがいずれかの方向における表面に配置されるために関心がある。
【００６９】
構成１（図１０）は、最も高い平均の利得を与える点で有利であることがわかる。これにより、たとえば電力増幅器による負担が緩和され、次にはコストが低減される。
【００７０】
図１０及び図１１を参照して先に説明された例では、スタンドアロン型ユニットは、アップリンクの２：２のＭＩＭＯ構成、及びダウンリンクの２：４のＭＩＭＯ構成の一部として動作することが想定されている。すなわち、アップリンクでは、基地局での２つの入力への送信のために、（８つの利用可能なアンテナから）２つのアンテナが選択される。ダウンリンクでは、基地局での２つの出力からの信号を受信するために、ユーザ端末で（８つの利用可能なアンテナから）４つのアンテナが選択される。しかし、これは本質的なことではなく、アップリンク又はダウンリンクのいずれかのために、いずれかのｎ：ｍのＭＩＭＯ構成を使用することができる。ここで、ｎ及びｍは１よりも大きい整数である。
【００７１】
コンピュータシミュレーションを使用して、図１０の構成について、８つのアンテナのうちの４つのいずれかの組み合わせを使用することと対照的に、８つの利用可能なアンテナから４つのアンテナ素子の最良の組み合わせを選択するための「スイッチング」メカニズムを使用するとき、搬送波対干渉レベルにおいて２ｄＢの改善が得られる。
【００７２】
（図１０におけるような）それぞれの自由なユーザ端末は、他のかかる高いデータレートのユーザを含む密集した郊外のエリアにおけるインドア環境に位置されることが想定されている。状況は、それぞれが３つのセクタをもつ１９の基地局からなるネットワーク、及びネットワークにおけるランダムな位置にあるそれぞれの基地局によりサービスが提供される１０００の加入者を含んでいる。
【００７３】
また、８つのアンテナのうちの２つのいずれかの組み合わせを使用することと対照的に、最良の２つのアンテナ素子の組み合わせが８つの利用可能なアンテナから選択されたとき、搬送波対干渉において３ｄＢの改善が得られる。
【００７４】
したがって、ＭＩＭＯ構成におけるユーザ端末での指向性アンテナ間でスイッチされる選択を使用することで、搬送波対干渉レベルにおいて改善が得られ、さらに、空間フェージングを含む状況に更に効果的に対処することができる。
【００７５】
また、ユーザ端末におけるＭＩＭＯでの指向性アンテナ間でスイッチされる選択は、小型のユーザ端末について特に有利である。かかるケースでは、ユーザ装置の構造それ自身は、ユーザ装置に搭載されるアンテナの特定の指向性におけるアンテナパターンをブロックすることがある。そのとき、公称の無指向性のアジマスパターンは、実現することが難しい。たとえば、特定の実施の形態では、パーソナルデジタルアシスタント（ＰＤＡ）におけるＭＩＭＯ通信のために４つのアンテナが提供される。図１３は、アンテナ構成を例示している。４つのアンテナ２３１〜２３４のうち、３つのアンテナ２３１〜２３３は、フラップのようなサポート構造に集積されるために配置される。好ましくは、フラップは、該フラップが使用されないときにＰＤＡのディスプレイスクリーンの面を覆うように、ＰＤＡに可動的に接続される。フラップは、ＰＤＡの側面の周り、又はＰＤＡのトップにわたり折り重なるように配置することができる。好ましくは、フラップは、フラップとＰＤＡの間の角度が約９０°であるように、使用されるときに折り畳まれる。しかし、これは本質的なことではなく、偏波ダイバシティが提供されるように、フラップとＰＤＡの間のいずれかの適切な角度を使用することができる。グランドプレーン２３５は、フラップに集積され、フラップにおける３つのアンテナ２３１〜２３３と同一平面上にある。第二のグランドプレーン２３６は、ＰＤＡそれ自身に組み込まれる（たとえば、これは、ＰＤＡの機能を提供するＰＤＡ本体に既に存在する回路ボードにより提供される場合がある）。この第二のグランドプレーンに関連するアンテナ２３４は、図１３に示されるように突き出るようにＰＤＡに設けられることが好ましい。
【００７６】
アンテナ２３１及び２３４は、好ましくは同一平面のアンブレラモノポールである。アンテナ２３２は、フラップに設けられるスロットの形式で提供されることが好ましく、アンテナ２３４は、ＰＤＡ本体に設けられるモノポールであることが好ましい。ブロッキングのために、アンテナパターンの無指向性の量を制限することが分かる。これは、ＰＤＡの本体とともに設計される相補的な指向性アンテナを使用することで対処される。好適な例では、図１４の指向性アンテナパターンを提供するために４つのアンテナが配置される。図１４におけるトレースを考慮して、任意の角度で、２つのアンテナパターンは良好な信号強度を与えることがわかる。たとえば、（ＰＤＡでの４つから２つのスイッチされるアンテナ選択により２：２のＭＩＭＯシステムにおいて）相補的なパターン３９１及び３９２が始めに選択される。信号強度が低いことが分かっている場合、他のパターン３９３及び３９４が選択される。代替的に、両方のオプションを試すことができ、最良のアンテナの対が選択される。選択プロセスは、端末の位置の変化及び環境の変化を考慮するために、何回も繰り返される。
【００７７】
先に説明されたような相補的な指向性パターンを得るために、当該技術分野で知られているいずれかの適切な方法が使用される。
【００７８】
なお、アンテナスイッチングシステムにより、ポインティングロスを典型的に受けることに留意されたい。かかるポインティングロスは、スイッチされる選択による指向性アンテナシステムについて見られる搬送波対干渉レベルにおける改善を制限する。これを克服するための１つの方法は、メカニカルビームステアリング又はアダプティブコンビネーション技術のいずれかによるステアドビームシステムを使用することである。
【００７９】
先に説明された例では、アンテナ選択は、送信チェイン又は受信チェインの数を低減可能にするために使用される。関連される利点は、指向性アンテナビームを生成するために複数のアンテナ素子の作用を結合することを含むアダプティブコンビネーション技術を使用することで得られる。例は、Ｎｏｒｔｅｌ  Ｎｅｔｗｏｒｋ社に譲渡されている、先の米国特許出願０９／９７５，６５３号に記載されている。その文献には、６列の二重偏波アンテナ素子をもつ基地局アンテナアレイが記載されている。６列は、アジマスにおける半波長の間隔を有している。２つの固定された多数のビームフォーマは、ビームステアリングを可能にするものではないが、このアレイと共に使用され、２つの偏波のそれぞれで３つの指向性アンテナビームを形成する。この基地局アンテナアレイの制限されたセクタにわたる機能は、自由な又はモバイルのユーザ端末、及び使用されている基地局に関して任意の方向に位置する場合があるユーザ端末について適していない。
【００８０】
本発明の別の態様によれば、ＭＩＭＯアンテナ構成と組み合わせてアダプティブコンビネーション技術が使用される。指向性アンテナビームを生成するためにアダプティブコンビネーション技術を使用することで、搬送波対干渉レベルが改善され、これによりキャパシティが増加される。有利なことに、アダプティブコンビネーション方法は、生成されるアンテナビームの指向性を変更するために、電子的に制御することができる。
【００８１】
たとえば、図１５の実施の形態では、３つのアンテナ素子４０４のアレイが提供される。アンテナ素子は、実質的に無指向性であり、接近して配置されており（すなわち空間的に異ならない）、偏波ダイバシティを有している。アンテナ素子４０４は、実質的に同じ指向性及びアンテナパターンを有するが、実質的に直交する偏波からなる指向性アンテナビーム４０１，４０２の対を生成するために適応的に結合される。２つの受信チェイン４０５が設けられる。この構成は、たとえば、ｎ：２のＭＩＭＯシステムにおける使用のために、便利なことにユーザ端末に設けられる。ここでｎは、２以上の整数値である。いずれか適切な数及び構成のアンテナ素子は、アダプティブコンビネーションを使用して、２以上の指向性アンテナビームを供給するために使用することができる。
【００８２】
ＭＩＭＯシステムを提供するために、アンテナビームは、異なるように配置される。たとえば、図１５の実施の形態では、アンテナビーム４０１，４０２は、偏波の方向が異なる。しかし、これらアンテナビームは、代替的に空間的に異なることができ、又は角度ダイバシティを有することもできる。
【００８３】
いずれかの適切なタイプのアダプティブコンビネーションが使用される場合がある。たとえば、ビームフォーマが使用されるか、又はフェーズドコンビネーションが使用される場合がある。
【００８４】
本実施の形態で与えられたいずれかの範囲又はデバイス値は、求められる作用を失うことなしに、本発明の教示の理解について当業者にとって明らかであるように、拡張又は変更される場合がある。
【００８５】
［添付資料Ａ］
全ての受信アンテナが独立であることを想定して、いずれか２つの受信アンテナを取り上げることで、これら２つのチャネルのマルチパスコンポーネントが定常過程を意味する無相関となり、周波数ダイバシティのゲインは、固定されたアンテナのケースと比較して変更されない。この添付資料は、時間的なアップフェードを利用することで、アンテナスイッチングを解析する。なお、これは、時間的なアップフェード及び周波数ダイバシティの両者に基づいたアンテナスイッチングはこの添付資料では関連しないので、得ることのできる最小限のものであることを留意されたい。しかし、本システムにおいて最も重要な寄与する要素は、周波数選択的なフェージングよりはむしろ時間的なフェージングであることを留意されたい。理由は、チャネルインタリーバにより周波数選択的なフェージングを効果的に緩和することができることであるが、空間ダイバシティ（たとえば、アンテナスイッチング）により時間的なフェージングを効果的に緩和することができるのみであることに留意されたい。このことは、たとえば自動車が３０ｋｍ／ｈの速度で移動する状態でドップラが低いときに本質的に当てはまる。
【００８６】
Ｐ１＞Ｐ２＞Ｐ３＞Ｐ４を４つの受信アンテナからの受信された電力とし、アンテナスイッチングによれば、２つのアクティブ状態にあるアンテナからの平均電力は、
【００８７】
【数５】
2005518754.tif 000011
となる。固定されたアンテナによれば、２つのアンテナにより受信された平均電力は、
【００８８】
【数６】
2005518754.tif 000012
となる。したがって、アンテナスイッチングから得ることができるゲインは、
【００８９】
【数７】
2005518754.tif 000013
となる。
【００９０】
このことは、アンテナスイッチングから得ることができる最大ゲインは３ｄＢであり、これは、２つの受信電力の弱いアンテナから受信された信号が２つの受信電力の強いアンテナから受信された信号に比較して無視できるときに起こることを意味する。なお、Ｐ１＝Ｐ２＝Ｐ３＝Ｐ４であるとき、式（３０）から計算されるゲインは０ｄＢであり、これは、等しい強度のアンテナプールからアンテナを選択することでゲインを得ることができないことを意味している。
【００９１】
レイリーフェージングによれば、
【００９２】
［外４］
2005518754.tif 000014
は、かなり小さくすることができる。
【００９３】
［外５］
2005518754.tif 000015
とすると、ゲインは２．２ｄＢとなる。
【００９４】
先の結果は、Ｎ＞４の受信アンテナに拡張することができる。Ｐ１＞Ｐ２＞Ｐ３＞ＰＮによれば、アンテナスイッチングから得られたゲインは、
【００９５】
【数８】
2005518754.tif 000016
に更新することができる。これは、ゲインが
【００９６】
【数９】
2005518754.tif 000017
により拘束されることを意味している。
【００９７】
Ｎ＝６の場合、ゲインの上限は４．７７ｄＢである。この上限は、
【００９８】
［外６］
2005518754.tif 000018
により得ることができることに注意されたい。Ｎが増加するにつれて、上限
【００９９】
［外７］
2005518754.tif 000019
は、束縛から緩和されるようになる。これは、
【０１００】
［外８］
2005518754.tif 000020
の条件は、真である可能性が低いためである。
【０１０１】
【数１０】
2005518754.tif 000021
とすると、
【０１０２】
【数１１】
2005518754.tif 000022
となる。
【０１０３】
式（６０）は、Ｎ→∞のとき、２つの選択されたアンテナは、アップフェードを常に捕捉することができ、したがって、アンテナスイッチングからのゲインは、チャネルに依存するフェードのピーク対平均比に等しい。
【図面の簡単な説明】
【０１０４】
【図１】従来のＭＩＭＯ無線送信システムの概念図である。
【図２】図２ａは、従来の受信ダイバシティアンテナ構成の概念図である。図２ｂは、ＭＩＭＯシステム又はＭＩＭＯではないシステムのいずれかで送信又は受信ダイバシティを使用した本発明の実施の形態の概念図である。
【図３】本発明の実施の形態に係るＭＩＭＯ構成の概念図である。
【図４】標準的な２：２ＭＩＭＯの固有値の分布に関するグラフ、及び選択メトリクスとして固有値の最大の合計を使用した、固有値の選択ダイバシティ（４つのうちの最も良い２つ）に関するグラフである。
【図５】ＭＩＭＯスイッチング受信機のアーキテクチャの概念図である。
【図６】２つの状況、すなわち（４つのアンテナと２つの受信チェイン）及び（６つのアンテナと２つの受信チェイン）の可能なスイッチング構成を例示する図である。
【図７】ＭＩＭＯシステムにおける処理、及びアンテナスイッチ選択のために使用される選択メトリクスを例示する図である。
【図８】様々なスイッチされるアンテナ選択方法についてビット誤り率−信号対雑音比に関するグラフである。
【図９】２×２ＭＩＭＯ及び２×４ＭＩＭＯ構成と比較した、４つのアンテナ及び２つの受信チェインの選択構成の利得を含むシミュレーション結果に関するグラフである。４，６及び８つのアンテナからの選択の利得に関する上限は、式（５０）に基づいて計算される。３０ｋｍ／ｈ（それぞれの対の最左列）及び１００ｋｍ／ｍ（それぞれの対の最右列）で移動するユーザ装置について結果が示されている。
【図１０】スタンドアロン型のユーザ装置で使用するためのアンテナ構成を示す図である。
【図１１】スタンドアロン型のユーザ装置で使用するためのアンテナ装置を示す図である。
【図１２】図１０及び図１１のアンテナ構成についてパフォーマンス測定に関するテーブルである。
【図１３】パーソナルデジタルアシスタントにおける使用のためのアンテナ構成を示す図である。
【図１４】図１３のアンテナ構成で使用するための指向性のアンテナパターンを示す図である。
【図１５】適応的な結合を有するＭＩＭＯユーザ装置に関する概念図である。
【図１】
2005518754.tif 000023
【図２】
2005518754.tif 000024
【図３】
2005518754.tif 000025
【図４】
2005518754.tif 000026
【図５】
2005518754.tif 000027
【図６】
2005518754.tif 000028
【図７】
2005518754.tif 000029
【図８】
2005518754.tif 000030
【図９】
2005518754.tif 000031
【図１０】
2005518754.tif 000032
【図１１】
2005518754.tif 000033
【図１２】
2005518754.tif 000034
【図１３】
2005518754.tif 000035
【図１４】
2005518754.tif 000036
【図１５】
2005518754.tif 000037
【手続補正書】
【提出日】平成16年2月24日(2004.2.24)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のアンテナと、
異なる２以上の入力を受信するために２以上の指向性のアンテナビームが供給されるように、該複数のアンテナ素子を適応的に結合するために配置される結合器と、
１以上の受信されたチャネルを生成するために異なる入力で動作するために配置されるプロセッサとを備え、
受信されたチャネルよりも多くのアンテナ素子が存在する、
無線通信装置。
【請求項２】
該無線通信装置は多入力多出力の通信装置であり、該結合器は、該２以上の指向性のアンテナビームが該多入力多出力の通信に適するように配置され、それぞれの受信されたチャネルは多入力多出力チャネルである、
請求項１記載の無線通信装置。
【請求項３】
複数のアンテナ素子と、
異なる２以上の出力を送信するために２以上の指向性のアンテナビームが供給されるように、該複数のアンテナ素子を適応的に結合するために配置される結合器と、
異なる出力を生成するために１以上の送信チャネルで動作するために配置されるプロセッサとを備え、
送信チャネルよりも多くのアンテナ素子が存在する、
無線通信装置。
【請求項４】
該無線通信装置は多入力多出力の通信装置であり、該結合器は、該２以上の指向性のアンテナビームが該多入力多出力の通信に適するように配置され、それぞれの送信チャネルは多入力多出力チャネルである、
請求項３記載の無線通信装置。
【請求項５】
ユーザ端末及び基地局から選択される、
請求項１乃至４のいずれか記載の無線通信装置。
【請求項６】
該アンテナビームは、偏波ダイバシティ、角度ダイバシティ及び空間ダイバシティのいずれかの結果として異なる、
請求項１乃至４のいずれか記載の無線通信装置。
【請求項７】
該結合器は、少なくとも１つのビームフォーマを備える、
請求項１記載の無線通信装置。
【請求項８】
該複数のアンテナ素子のうちの少なくとも幾つかは、フェーズドアレイとして設けられる、
請求項１乃至４のいずれか記載の無線通信装置。
【請求項９】
実質的に直交する偏波及び実質的に類似した指向性をもつ第一のアンテナビームの対が供給される、
請求項１乃至４のいずれか記載の無線通信装置。
【請求項１０】
互いに実質的に直交する偏波及び実質的に類似した指向性をもち、該第一のアンテナビームの対とは異なる方向である第二のアンテナビームの対が供給される、
請求項９記載の無線通信装置。
【請求項１１】
該結合器は、スイッチされるアンテナ選択を実行するために配置される、
請求項１乃至４のいずれか記載の無線通信装置。
【請求項１２】
該結合器は、該指向性のアンテナビームを電子的にステアリングするために配置される、
請求項１乃至４のいずれか記載の無線通信装置。
【請求項１３】
請求項１乃至４のいずれか記載の複数の無線通信装置を備える通信ネットワーク。
【請求項１４】
無線通信装置を動作させる方法であって、
複数のアンテナ素子で無線信号を受信するステップと、
２以上の異なる入力を受信するために該複数のアンテナ素子が少なくとも１つの方向で作用可能なように、該複数のアンテナ素子を適応的に結合するために結合器を使用するステップと、
１以上の受信されたチャネルを生成するために異なる入力を処理するステップとを備え、
受信されたチャネルよりも多くのアンテナ素子が存在する、
方法。
【請求項１５】
該無線通信装置は多入力多出力の通信装置であり、該受信された無線信号は、空間−時間符号化され、該受信されたチャネルは、多入力多出力のチャネルである、
請求項１４記載の方法。
【請求項１６】
無線通信装置を動作させる方法であって、
複数のアンテナ素子から無線信号を送信するステップと、
２以上の異なる出力を生成するために、１以上の送信チャネルを処理するステップと、
２以上の異なる出力を送信するために該複数のアンテナ素子が少なくとも１つの方向で作用可能なように、該複数のアンテナ素子を適応的に結合するために結合器を使用するステップとを備え、
送信チャネルよりも多くのアンテナ素子が存在する、
方法。
【請求項１７】
該無線通信装置は多入力多出力の通信装置であり、該無線信号は、空間−時間符号化され、該送信チャネルは、多入力多出力のチャネルである、
請求項１６記載の方法。
【国際調査報告】
2005518754.tif 000038
2005518754.tif 000039
2005518754.tif 000040
2005518754.tif 000041