(57)【要約】  無線通信システム内の指向性アンテナの最適なアンテナ位置を決定する装置および方法を記述する。無線ネットワーク要素（３００）は指向性ビーム切換えアンテナおよびステアリング・メトリック計算装置を用いて最適なアンテナ位置を決定する。データ・トランシーバ（３０２）は信号対雑音比（ＳＮＲ３１２）、パケット誤り率（ＰＥＲ３１０）、およびデータ伝送速度インデクス（Ｋ３１４）を表す出力を出す。入力制御（ＣＴＬ３１６）はトレーニング期間中に種々のトランシーバ・パラメータを制御するのに用いられる。トランシーバ（３０２）は、多重信号の集合を出力する信号同期サブシステムであるビーム・ステアリング・サブシステム（３０４）との駆動接続（データを受信するとき）および被駆動接続（データを送信するとき）を有する。最適なアンテナ位置は可能なアンテナ位置についてステアリング・メトリック値を計算することにより決定され、最も大きなステアリング・メトリック値を持つアンテナ位置を最適なアンテナ位置として選択する。
2008538067.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
無線通信システム内の指向性アンテナの最適なアンテナ位置を決定する方法であって、
前記指向性アンテナの複数の可能なビーム位置について各データ伝送速度インデクス（ｋ）におけるステアリング・メトリック値ＳＭ（ｋ）を計算するステップと
最も大きなステアリング・メトリック値を有する前記指向性アンテナについて複数の可能なアンテナ位置の１つを選択するステップとを有し、
ただし、前記ステアリング・メトリック値ＳＭ（ｋ）は次式で与えられ、
ＳＭ（ｋ）＝（１−Ｃ（ｋ））＊（０．５−ＰＥＲ（ｋ））＋［Ｃ（ｋ）＊（Ｇ（ｋ）−平均Ｇ）］／シグマＧ
ただし、
ｋ＝前記無線通信チャネルのデータ伝送速度インデクス、
Ｃ（ｋ）＝前記無線通信チャネルのデータ伝送速度に基づいて与えられる重み、
ＰＥＲ（ｋ）＝前記無線通信チャネルの推定パケット誤り率、
Ｇ（ｋ）＝前記無線通信チャネルの肯定応答パケットの受信中に与えられる利得減少、
平均Ｇ＝種々のデータ伝送速度でのデータ収集から得られる実験データに基づいて決定されるＧ（ｋ）の一定平均値、
シグマＧ＝種々のデータ伝送速度でのデータ収集から得られる実験データに基づいて決定されるＧ（ｋ）の標準偏差、
である、指向性アンテナの最適なアンテナ位置を決定する方法。
【請求項２】
前記最適なアンテナ位置は最も大きなステアリング・メトリック値を有する複数のアンテナ位置の１つである、請求項１記載の指向性アンテナの最適なアンテナ位置を決定する方法。
【請求項３】
前記パケット誤り率（ＰＥＲ）、受信信号強さ指示（ＲＳＳＩ）、およびデータ伝送速度インデクス（ｋ）は前記無線通信チャネルからデータを受信するトランシーバにより決定される、請求項１記載の指向性アンテナの最適なアンテナ位置を決定する方法。
【請求項４】
無線通信システム内の指向性アンテナの最適なアンテナ位置を決定する装置であって、
トランシーバと、
前記トランシーバに結合するビーム・ステアリング・ユニットとを有し、
ステアリング・メトリック計算ユニットであって、前記トランシーバに結合し、前記指向性アンテナの複数の可能なアンテナ位置について各データ伝送速度インデクス（ｋ）におけるステアリング・メトリック値ＳＭ（ｋ）を計算し、最も大きなステアリング・メトリック値を有する指向性アンテナについて複数の可能なアンテナ位置の１つを選択し、
ただし、前記ステアリング・メトリック値ＳＭ（ｋ）は次式で与えられ、
ＳＭ（ｋ）＝（１−Ｃ（ｋ））＊（０．５−ＰＥＲ（ｋ））＋［Ｃ（ｋ）＊（Ｇ（ｋ）−平均Ｇ）］／シグマＧ
ただし、
ｋ＝前記無線通信チャネルのデータ伝送速度インデクス、
Ｃ（ｋ）＝前記無線通信チャネルのデータ伝送速度に基づいて与えられる重み、
ＰＥＲ（ｋ）＝前記無線通信チャネルの推定パケット誤り率、
Ｇ（ｋ）＝前記無線通信チャネルの肯定応答パケットの受信中に与えられる利得減少、
平均Ｇ＝種々のデータ伝送速度でのデータ収集から得られる実験データに基づいて決定されるＧ（ｋ）の一定平均値、
シグマＧ＝種々のデータ伝送速度でのデータ収集から得られる実験データに基づいて決定されるＧ（ｋ）の標準偏差、
である、ステアリング・メトリック計算ユニットと、
を備える、指向性アンテナの最適なアンテナ位置を決定する装置。
【請求項５】
前記トランシーバ、前記ビーム・ステアリング・ユニット、およびステアリング・メトリック計算ユニットは単一ユニット内に集積される、請求項４記載の指向性アンテナの最適なアンテナ位置を決定する装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般に無線データ通信に関するもので、特に、ビーム切換え（ｓｗｉｔｃｈｅｄ−ｂｅａｍ）またはその他の指向性アンテナ技術を用いる無線データ通信システムと、アンテナ位置（アンテナが指す方向）を最適にするステアリング・メトリック（Ｓｔｅｅｒｉｎｇ  ｍｅｔｒｉｃ：ＳＭ）の計算とに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
無線データ通信システムにより２つ以上のネットワーク要素の間のデータ送信が可能になった。その一例は無線ローカル・エリア・ネットワーク（ＷＬＡＮ）システムであって、ＩＥＥＥ標準８０２．１１ｘ（６から５４Ｍｂｐｓのデータ伝送速度）に基づいて家庭およびオフィス内のネットワーク要素を接続するのに広く用いられている。所定の送信パワー（法律により制限されることが多い）では、一般に無線システム内のデータ伝送速度が高くなるほど動作範囲は狭くなる。ＷＬＡＮアクセス・ポイント（ＡＰ）などの一般的な無線ネットワーク要素は、データの受信および送信に全方向性アンテナを用いる。なぜなら、一般にネットワーク要素は無線接続を希望する他のネットワーク要素の位置を知らないからである。
【０００３】
指向性アンテナは、送信および受信エネルギーを狭いビーム内に集束させることにより、利得が大きくなる（従って通信範囲が広くなる）という望ましい特性を有する。かかる指向性ビームを生成するには、アンテナ切換え、アンテナ要素のフェーズド・アレイなどを含む多くの周知の方法が用いられる。かかる周知の方法の１つはビーム切換えアンテナである。ビーム切換えアンテナは３６０度の何分の一かの角度範囲をカバーする複数の、一般に同じビームを有し、ビームのエネルギーを異なる方向に導くよう配置される。例えば、６ビーム・アンテナは約６０度幅の６つのビームを有し、各ビームは他のビームから一般に６０度に向けられて全体で３６０度をカバーする。かかるアンテナは全方向性アンテナに比べて利得が大きく、また送信および受信の範囲が広い。
【０００４】
無線データ通信システムにおけるかかる指向性アンテナの応用では、一般に所定の時刻に他のネットワーク要素との通信に用いるのに最適なアンテナ位置を決定する自動的手段を必要とする。「アンテナ位置」とは指向性ビームの角度位置、すなわち全方向性パターンを指す。一般に多くの所定のアンテナ位置をそれぞれ試行して、どの位置が最適の結果になるかを決定する。各試行においてデータの質を直接的または間接的に表すパラメータを評価し、各位置についての結果を比較して、通信に用いるのに最適な位置を決定する。広く用いられている、かかるパラメータの１つは受信信号強さ指示（ＲＳＳＩ）であって、一般にネットワーク要素受信機内の自動利得制御（ＡＧＣ）回路からのアナログまたはディジタル・データとして得られる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
データ伝送速度が低いとき、および／またはマルチパスが非常に少ない環境では、ＲＳＳＩを用いて最適なアンテナ位置を決める方法は非常に効率的であろう。アンテナ位置を変えながらＲＳＳＩを決定することはパケット誤り率（ＰＥＲ）を決定することより一般に簡単で速い。したがってデータ伝送速度が低いときは、ＲＳＳＩを用いればトレーニング時間およびデータ・オーバーヘッドが小さくなる。
【０００６】
しかしデータ伝送速度が高いときは、ＲＳＳＩよりマルチパスの方が受信データの質（パケット誤り率ＰＥＲで測った）に大きな影響を与える。ピークより低いＲＳＳＩを有するアンテナ位置を用いるとＰＥＲは非常に良くなる。多くの無線通信システムは大幅に変るデータ伝送速度をサポートする。例えば、ＷＬＡＮ標準８０２．１１ｇは一般に６から５４Ｍｂｐｓの範囲のデータ伝送速度を規定する。送信経路状態が悪い（長距離、高いマルチパス、他のネットワーク要素からの妨害）場合は低い伝送速度が用いられ、状態が良い場合は高い伝送速度が用いられる。ＰＥＲまたはＲＳＳＩだけを用いてこのように帯域幅の広い範囲にわたって最適なアンテナ位置を決めても最適とは言えない。したがって、指向性アンテナ無線通信システムを用いながら、トレーニング時間を従来に比べて比較的短くしまたオーバーヘッド（ユーザ情報を直接運ばないデータ・ビット）を最小にするような、アンテナの位置決めを効率的に最適化する装置および方法が必要である。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本出願は、複数のアンテナ位置のそれぞれでステアリング・メトリック（ＳＭ）を計算することにより、無線通信システム内の指向性アンテナの最適なアンテナ位置（指示角および／または方位角および／または仰角）を決定する装置および方法を記述する。このステアリング・メトリックは受信機利得Ｇ（ＲＳＳＩを間接的に測定する）、パケット誤り率（ＰＥＲ）、および実験的に得られる定数の関数である。最も高いステアリング・メトリック値を有するアンテナ位置を使用上の最適な位置として選択する。この方法はデータ伝送速度が大幅に変動してもアンテナ位置の最適化を改善することができる。更に、最適なアンテナ位置を決定するのに必要なデータ・オーバーヘッド（トレーニング・ビット）は小さい。
【実施例】
【０００８】
図１は代表的な８０２．１１ＷＬＡＮシステムにおけるデータ伝送速度と範囲との周知の一般的な関係のグラフである。縦軸１０２はデータ伝送速度をＭｂｐｓで表し、横軸１０４はディメンジョンの無い相対的距離を表す。実際に得られる距離はデータ伝送速度以外の多くの要因（送信パワー、経路内の障害、妨害信号、およびマルチパスの量および性質など）に依存する。プロット１１０は、最高のデータ伝送速度（データ点１０６）の範囲が最低のデータ伝送速度（データ点１０８）の範囲の３分の１より小さいことを示す。
【０００９】
図２は周知の従来の全方向性アンテナおよび指向性アンテナについてのアンテナ利得の極プロットを示す。中心から利得の極プロットへのベクトルの長さは角位置の関数としてのアンテナの利得を表す。応答プロット２０４を持つ全方向性アンテナは、全３６０度の範囲にわたって任意の方位角２１２において等しい利得を有する。指向性アンテナのプロット２０６は、０度の方位角２１０でピークを有し１８０度でゼロ２０２を有するアンテナ利得を示す。方位角の中間の値では、方位角が０度から１８０度まで変るに従って利得は小さくなる。例示の指向性アンテナの利得は、交点２０８で示す約６０度の方位角で全方向性アンテナと等しい。０度の方位角では、６０度のビーム幅を持つ指向性アンテナは全方向性アンテナに比べてほぼ４ｄＢｉの利得を有する。このように高い利得は図１で見た高いデータ伝送速度での範囲の減少を相殺する。
【００１０】
図３は、最適なアンテナ位置を決定するための、指向性ビーム切換えアンテナおよびステアリング・メトリック計算装置を用いる無線ネットワーク要素３００のブロック図である。データ・トランシーバ３０２はデータ送信機およびデータ受信機を含む。データ・トランシーバ３０２はＳＮＲ３１２、ＰＥＲ３１０、およびデータ伝送速度インデクスＫ３１４を表す出力を出す。入力制御ＣＴＬ３１６はトレーニング期間中に種々のトランシーバ・パラメータを制御するのに用いられる。トランシーバ３０２は、接続３３０によりビーム・ステアリング・サブシステム３０４との駆動接続（データを受信するとき）および被駆動接続（データを送信するとき）を有する。ビーム・ステアリング・サブシステム３０４は信号同期サブシステムであって、多重信号の特有の集合を出力する。
【００１１】
この例では、ビーム・ステアリング・サブシステム３０４は３つの信号３２４，３２６、および３２８を出力する。これらはトランシーバ３０２から受信した入力信号と実質的に同じであるが、３つの出力信号の間では振幅および位相が異なる。３つの可変の振幅および位相信号は、ビーム・ステアリング・サブシステム３０４から与えられる位相および振幅の変動に従って指向性ビームを生成するようなパターンに配列される複数のアンテナ要素３１８，３２０，３２２との駆動および被駆動接続を有する。各信号に与えられる位相シフトおよび振幅変動の量は、ステアリング・メトリック・コンピュータ３０８により生成されてバス３３２に出力されるステアリング制御データにより制御される。ステアリング・メトリック・コンピュータ３０８はステアリング・メトリック・アルゴリズムを実行するよう形成された任意のコンピュータでよい。当業者が認識するように、ステアリング・メトリック・コンピュータ３０８およびビーム・ステアリング・ユニット３０４は集積ユニットでよい。更に、無線ネットワーク要素３００の種々のユニットは単一の集積ユニット内に形成してよい。例えば、トランシーバ３０２はステアリング・メトリック・コンピュータ内に集積されたトランシーバでよく、ステアリング・メトリック・コンピュータ３０８はビーム・ステアリング・ユニット３０４のための位置制御機構を含んでよい。
【００１２】
ステアリング・メトリック・コンピュータ３０８からのステアリング制御信号は一般にＮビットのディジタルワードであって、全方向性を含む最大２＾Ｎの選択可能なアンテナ位置（方向）を与える。ステアリング・メトリック・コンピュータ３０８は、トランシーバ３０２のＲＳＳＩ出力３１２、ＰＥＲ出力３１０、およびデータ伝送速度インデクスＫ３１４との被駆動接続を有する。トレーニング期間中は、ステアリング・メトリック・コンピュータ３０８は多重ステアリング制御出力を順にステップして、望ましい円または円の一部を通してアンテナ・ビームをスイープする。
【００１３】
アンテナ位置毎に、ステアリング・メトリック・コンピュータ３０８は各データ伝送速度インデクスｋにおいて以下のステアリング・メトリック（ＳＭ）アルゴリズムに従って、トランシーバ３０２からのこれらの３つの信号ＲＳＳＩ、ＰＥＲ、およびデータ伝送速度インデクスＫを処理する。すなわち、
ＳＭ（ｋ）＝（１−Ｃ（ｋ））＊（０．５−ＰＥＲ（ｋ））＋［Ｃ（ｋ）＊（Ｇ（ｋ）−平均Ｇ）］／シグマＧ
ただし、
Ｃ（ｋ）＝率に依存して与えられる重みで、率が高くなるに従って小さくなり、より高いデータ伝送速度ではより大きな重みをＰＥＲに置く。
ＰＥＲ（ｋ）＝目的の局へのデータ送信に基づく推定ＰＥＲである。
Ｇ（ｋ）＝肯定応答のときに受信局からＡＰに送られるデータの受信中に受信局で与えられる利得減少であって、受信信号強さに正比例する。
平均Ｇ＝種々のデータ伝送速度でのデータ収集から得られる実験データに基づいて決定される利得統計の一定平均値である。
シグマＧ＝種々のデータ伝送速度でのデータ収集から得られる実験データに基づいて決定される利得統計の標準偏差である。
【００１４】
後で更に述べるように、この開示されたステアリング・メトリック・アルゴリズムは、周知の方法では同時に得られない望ましい特性（大幅に変動するデータ伝送速度にわたるアンテナ位置の更に最適な選択と、この選択プロセスをサポートするオーバーヘッドの削減とを含む）の組合せを提供する。
【００１５】
ＳＭ（ｋ）の方程式を検討するとシステムの動作の内容がよく分かる。Ｃ（ｋ）の値の範囲は一般に０から１で、小さなＣ（ｋ）は高いデータ伝送速度に対応し、大きなＣ（ｋ）は低いデータ伝送速度に対応する。例えば、代表的な８０２．１１ｇシステムのための８つのデータ伝送速度と、代表的な対応するＣ（ｋ）および１−Ｃ（ｋ）を考えてみる。
ｋ          率          Ｃ（ｋ）    １−Ｃ（ｋ）
１      ６Ｍｂｐｓ      ０．８        ０．２
２      ８Ｍｂｐｓ      ０．７        ０．３
３    １１Ｍｂｐｓ      ０．６        ０．４
４    １５Ｍｂｐｓ      ０．５        ０．５
５    ２１Ｍｂｐｓ      ０．４        ０．６
６    ２９Ｍｂｐｓ      ０．３        ０．７
７    ４０Ｍｂｐｓ      ０．２        ０．８
８    ５４Ｍｂｐｓ      ０．１        ０．９
【００１６】
ＳＭ（ｋ）の方程式を検討すると分かるように、データ伝送速度が低いとき１−Ｃ（ｋ）項が小さいので、項
（１−Ｃ（ｋ））＊（０．５−ＰＥＲ（ｋ））
は最小になり、したがってＰＥＲのＳＭ（ｋ）への影響は最小になる。逆にデータ伝送速度が高いときＣ（ｋ）項が小さいので、項
Ｃ（ｋ）＊（Ｇ（ｋ）−平均Ｇ）／シグマＧ
は最小になり、したがって受信信号強さ（ＲＳＳＩ）の影響は最小になる。
【００１７】
好ましい実施の形態では、ＰＥＲ（ｋ）を正規化して近似範囲の０から１にするので、全Ｃ（ｋ）範囲にわたって項ｉ）の範囲はほぼ−０．５から＋０．５である。同様に、項ｉｉ）内の（Ｇ（ｋ）−平均Ｇ）／シグマＧの範囲は一般に−１から＋１になり、項ｉｉ）の範囲もほぼ−１から＋１になる。
【００１８】
この正規化の結果、名目ＰＥＲが０．５で名目Ｇが平均Ｇのとき、両項はゼロになる。ＰＥＲがゼロに近づく（データの質が良くなるに）従って、項ｉ）は大きくなる。データ伝送速度が高いと項ｉ）が優勢になるので、ＰＥＲがＳＭ（ｋ）値内で優勢になる。利得Ｇが大きくなる（信号およびＳＮＲが大きくなってデータの質が良くなることを示す）と、項ｉｉ）は大きくなる。データ伝送速度が低いと項ｉｉ）が優勢になるので、ＳＮＲがＳＭ（ｋ）値内で優勢になる。種々のデータ伝送速度についてのＣ（ｋ）の選択を修正して、ＳＭ（ｋ）関数の挙動を修正してよい。また、一定平均ＧおよびシグマＧの選択（これは実験データに基づく）も修正して、ＳＭ（ｋ）関数の挙動を修正してよい。
【００１９】
トレーニングスイープ中に生成された全ての他の値と比較するために、全方向性位置を含むアンテナ位置毎のステアリング・メトリック（ＳＭ）値を記憶する。掃引が完了したとき、一般に他の値より大きい１つ以上の記憶されたＳＭ値がある。これは最適なアンテナ位置を示す。次に、この最適位置を選択するのに適した制御データ３３２をビーム・ステアリング３０４に出力する。
【００２０】
トレーニングスイープが終わったときにＳＭの変動がほとんどまたは全くない場合は、どのアンテナ位置が最適かを決定するのは困難または不可能である。この場合は、ステアリング・メトリック・コンピュータ３０８および駆動トランシーバ３０２は制御信号ＣＴＬ３１６を生成して、新たなトレーニングスイープの前に１つ以上のパラメータを修正するよう命令する。調整可能なパラメータはデータ伝送速度および送信パワーなどであるが、これらに限定されるわけではない。例えば、データ伝送速度が高いときはＰＥＲが最も大きな影響をＳＭに与える。最初のスイープでＰＥＲの変動がほとんどまたは全くない場合は、ネットワーク要素の１つの送信パワーを小さくしてＰＥＲを望ましいレベルまで上げる。この修正されたパワー・レベルでスイープするとアンテナ位置の１つでＳＭ内にピークを示すであろう。またはパワー・レベルを変えずに、ＰＥＲが十分大きくなるまでデータ伝送速度を大きくしてよい。
【００２１】
データ伝送速度が低いときはＧで測定したＲＳＳＩが最も大きな影響をＳＭに与える。最初のスイープでＧの変動がほとんどまたは全くない場合は、ネットワーク要素の１つの送信パワーを小さくしてＲＳＳＩを望ましいレベルまで下げる。この修正されたパワー・レベルでスイープするとアンテナ位置の１つでＳＭ内にピークを示すであろう。パワー・レベルまたはデータ伝送速度を調整してＰＥＲまたはＲＳＳＩを適当な目的値に動かしている間は、一般に全方向性アンテナ位置を用いる。選択された目的の値が最適よりいくらか小さい場合は、全方向性以外の複数のアンテナ位置の１つが一般にＰＥＲまたはＲＳＳＩ内にピークを生じる。この最適なアンテナ位置が分かると、パワー・レベルまたはデータ伝送速度を再調整して、トレーニング後のシステム余裕を大きくしてよい。
【００２２】
本発明に関係する当業者が認識するように、請求項に記述されている本発明の範囲から逸れない限り、ここに記述した実施の形態に更に別の代替および修正を加えてよい。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】例示的な周知の従来のＷＬＡＮシステムについての一般的な範囲対データ伝送速度のグラフである。
【図２】例示的な周知の従来のＷＬＡＮシステムの全方向性アンテナおよび指向性アンテナのアンテナ利得の極プロットである。
【図３】指向性ビーム切換えアンテナおよびステアリング・メトリック計算装置を用いて最適なアンテナ位置を決定する無線ネットワーク要素のブロック図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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