(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
無線通信システムにおいて信号対雑音比（ＳＮＲ）を向上させるためのシステムであって、
ｉ番目のアンテナセットが、第１の偏波特性を有する信号Ａｉと、第２の偏波特性を有する信号Ｂｉ（ｉ＝１，２，…，Ｎ）とを受信し、相互にランクづけされる複数のアンテナを含む、Ｎ個のアンテナセットと、
Ｍ個の受信機（Ｍ＞１）と、
前記信号ＡｉおよびＢｉのうちのいずれか１つを選択して、前記Ｍ個の受信機のうちのいずれか１つに供給するよう構成されたセレクタと、
前記Ｍ個の受信機からの出力信号に対して応答性を有する最大比率組み合わせ装置と、
前記Ｍ個の受信機からの出力信号に対して応答性を有するコントローラと、を含み、
前記コントローラは、前記Ｍ個の受信機に供給されている信号ＡｉおよびＢｉのうち一度に１つの信号しか選択できないように前記セレクタを制限し、
前記Ｍ個の受信機からの各出力信号と所定の閾値とを比較し、いずれか一の前記受信機からの出力信号が所定の閾値よりも低くなった場合に、前記信号ＡｉおよびＢｉのうち、使用しておらず、前記一の受信機に信号を供給しているアンテナの次にランクの高いアンテナによって受信される一つの信号を選択して前記一の受信機に供給するよう前記セレクタを制御する、信号対雑音比向上システム。
【請求項２】
請求項１に記載の信号対雑音比向上システムであって、前記Ｎ個のアンテナセットの各々が、信号Ａｉのための第１出力ポートと、前記第１出力ポートとは物理的に別個の、信号Ｂｉのための第２出力ポートとを備える、信号対雑音比向上システム。
【請求項３】
請求項２に記載の信号対雑音比向上システムであって、
前記Ｎ個のアンテナセットの各前記アンテナはアンテナ番号が付され、各前記アンテナは前記アンテナ番号によって相互にランク付けされている信号対雑音比向上システム。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか１項に記載の信号対雑音比向上システムであって、前記セレクタが、信号の強さに基づいて前記選択および供給を実施する、信号対雑音比向上システム。
【請求項５】
無線通信システムの信号対雑音比（ＳＮＲ）を向上させるための方法であって、
複数のアンテナを含み、ｉ番目のアンテナセットが、第１の偏波特性を有する信号Ａｉと、第２の偏波特性を有する信号Ｂｉ（ｉ＝１，２，…，Ｎ）とを受信し、相互にランクづけされる４つのアンテナからの信号を受信するステップと、
前記４つの信号のうちの２つの信号を２つの受信機に供給するステップと、
前記各受信機の出力と所定の閾値とを比較するステップと、
前記２つ受信機のうちの一の受信機の出力が所定の閾値より低くなった場合に、前記一の受信機に供給される信号を、前記２つの受信機のいずれにも信号を供給していないアンテナで前記一の受信機に信号を供給しているアンテナの次にランクの高いアンテナによって受信される信号に置き換えるステップと、
を有する信号対雑音比向上方法。
【請求項６】
請求項５に記載の信号対雑音比向上方法であってさらに、最大比率組み合わせ装置を用いて前記２つの受信機の出力信号から情報信号を検出するステップを有する信号対雑音比向上方法。
【請求項７】
請求項６に記載の信号対雑音比向上方法であってさらに、前記４つのアンテナはアンテナ番号が付され、前記アンテナ番号によって相互にランク付けされる信号対雑音比向上方法。
【請求項８】
請求項５から７のいずれか１項に記載の信号対雑音比向上方法であってさらに、最大比率組み合わせ装置で前記２つの受信機からの出力信号を処理するステップを有する信号対雑音比向上方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、受信機における信号対雑音比（ＳＮＲ）を向上させるために使用する多重アンテナ及び多重受信機アレイに関し、特に偏波ダイバーシチ及び空間ダイバーシチを用いる、受信機におけるＳＮＲの改善に関する。
【背景技術】
【０００２】
有線システム又はファイバシステムにおいては、これを通過して信号が伝搬する、クリーンで非干渉性のチャネルを提供する信号経路が主に１つだけ存在する。無線通信システムにおいては、建物、車、植物、壁、及び家具の表面からの散乱や、これらの物体上及び／又はこれらの物体周辺での回析によって、信号が主に伝搬する。この散乱や回析により、送信された信号が空気を通って複数の経路を介して受信機に到達する。信号が送信機から受信機まで通過する伝搬経路の集合体はチャネルと呼ばれる。多重経路効果により、信号は、お互いに対して同相又は異なる位相で、様々な振幅レベルを有して到達する場合がある。また、チャネル内の物理的な物体（すなわち、受信機、又は送信機、又は送信機から受信機までの経路上の物体）の移動によりチャネルが変化するため、複雑さが更に増す。これは、ほとんど全ての無線チャネルに、時間で変動する成分を持ち込む。この時間で変動するチャネルの結果、受信機において、時間で変動する受信信号の振幅及び位相が生じる。この変分を補正する技法を使わない限り、受信機において信頼性のある通信を確実にするために、信号対雑音に余分の余裕を保つ必要がある。
【０００３】
【特許文献１】特開平１０−１３２５４号公報
【特許文献２】米国特許第４７３３４０２号明細書
【特許文献３】米国特許第６３１４３０５号明細書
【特許文献４】米国特許第６６６４９２１号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
時間変動チャネル効果に対抗するために使われる１つの方法としてダイバーシチがある。ダイバーシチは、時間領域、周波数領域、偏波領域、又は空間領域内のいずれの組み合わせで使われてもよい。単純なダイバーシチ技法により、受信機における信号レベルを、非常に大きく向上させることができる。他の技法と同様、鍵となるのは最小限のペナルティ（大きさや費用など）で最大の利益を受けることである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の信号対雑音比向上システムは、無線通信システムにおいて信号対雑音比（ＳＮＲ）を向上させるためのシステムであって、ｉ番目のアンテナセットが、第１の偏波特性を有する信号Ａｉと、第２の偏波特性を有する信号Ｂｉ（ｉ＝１，２，…，Ｎ）とを受信し、相互にランクづけされる複数のアンテナを含む、Ｎ個のアンテナセットと、Ｍ個の受信機（Ｍ＞１）と、前記信号ＡｉおよびＢｉのうちのいずれか１つを選択して、前記Ｍ個の受信機のうちのいずれか１つに供給するよう構成されたセレクタと、前記Ｍ個の受信機からの出力信号に対して応答性を有する最大比率組み合わせ装置と、前記Ｍ個の受信機からの出力信号に対して応答性を有するコントローラと、を含み、前記コントローラは、前記Ｍ個の受信機に供給されている信号ＡｉおよびＢｉのうち一度に１つの信号しか選択できないように前記セレクタを制限し、前記Ｍ個の受信機からの各出力信号と所定の閾値とを比較し、いずれか一の前記受信機からの出力信号が所定の閾値よりも低くなった場合に、前記信号ＡｉおよびＢｉのうち、使用しておらず、前記一の受信機に信号を供給しているアンテナの次にランクの高いアンテナによって受信される一つの信号を選択して前記一の受信機に供給するよう前記セレクタを制御することを特徴とする。
【０００６】
本発明の信号対雑音比向上システムにおいて、前記Ｎ個のアンテナセットの各々が、信号Ａｉのための第１出力ポートと、前記第１出力ポートとは物理的に別個の、信号Ｂｉのための第２出力ポートとを備えることとしても好適であるし、前記Ｎ個のアンテナセットの各前記アンテナはアンテナ番号が付され、各前記アンテナは前記アンテナ番号によって相互にランク付けされていることとしても好適である。
【０００７】
本発明の信号対雑音比向上システムにおいて、前記セレクタが、信号の強さに基づいて前記選択および供給を実施することとしても好適である。
【０００８】
本発明の信号対雑音比向上方法は、無線通信システムの信号対雑音比（ＳＮＲ）を向上させるための方法であって、複数のアンテナを含み、ｉ番目のアンテナセットが、第１の偏波特性を有する信号Ａｉと、第２の偏波特性を有する信号Ｂｉ（ｉ＝１，２，…，Ｎ）とを受信し、相互にランクづけされる４つのアンテナからの信号を受信するステップと、
前記４つの信号のうちの２つの信号を２つの受信機に供給するステップと、前記各受信機の出力と所定の閾値とを比較するステップと、前記２つ受信機のうちの一の受信機の出力が所定の閾値より低くなった場合に、前記一の受信機に供給される信号を、前記２つの受信機のいずれにも信号を供給していないアンテナで前記一の受信機に信号を供給しているアンテナの次にランクの高いアンテナによって受信される信号に置き換えるステップと、を有することを特徴とする。
【０００９】
本発明の信号対雑音比向上方法において、最大比率組み合わせ装置を用いて前記２つの受信機の出力信号から情報信号を検出するステップを有することとしても好適であるし、前記４つのアンテナはアンテナ番号が付され、前記アンテナ番号によって相互にランク付けされることとしても好適である。
【００１０】
本発明の信号対雑音比向上方法において、最大比率組み合わせ装置で前記２つの受信機からの出力信号を処理するステップを有することとしても好適である。
【００１１】
本発明の多重アンテナ／多重受信機切替アレイダイバーシチシステムは、空間ダイバーシチ及び偏波ダイバーシチを用い、受信機における性能を向上させる。受信機における４本のアンテナが、それぞれの端子において、４つの独自（相関しない又は相関性の低い）のバージョンの信号を提供する。第１位置及び第２位置（空間ダイバーシチを提供する）が各々、２本のアンテナをお互いに干渉偏波（Ａ及びＢ）して備える。干渉偏波は、偏波ダイバーシチを提供する。よって、４本のアンテナは、偏波的にも、空間的にも異なり、偏波ダイバーシチと空間ダイバーシチとの両方を提供する。
【００１２】
本発明は、所定の閾値に基づく機械的な（ブラインド：ｂｌｉｎｄ）切替法と二重偏波されたアンテナ及び／又は多重アンテナを組み合わせるアルゴリズムとを利用して、受信機におけるＳＮＲを増大（向上）させる。ＳＮＲの増大は、ビットエラー率（ＢＥＲ）を低減させるため、全体的なサービス品質（ＱｏＳ）を増大させるため、又は、無線環境で動作する狭帯域通信システムや広帯域通信システムの送信電力必要要件を低減させるために使うことができる。
【００１３】
本発明の切替アンテナアレイの構想は、ダイバーシチの実施により得られる利点と、実施のための大きさ及び費用面でのペナルティーとのトレードオフを最適化することを目的とする。本発明の新規な点は、空間ダイバーシチと偏波ダイバーシチとの組み合わせでの使用を中心とする。
【００１４】
本発明の１つの目的は、偏波ダイバーシチ及び空間ダイバーシチを用いて、受信機におけるＳＮＲを増大させることである。
【００１５】
本発明のもう１つの目的は、機械的な切替アルゴリズムを用いて、受信機におけるＳＮＲを増大させることである。
【発明の効果】
【００１６】
本発明は、受信機におけるＳＮＲを増大させることができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明においては、受信機における４本のアンテナが、４つの独自（相関の無い）バージョンの信号をそれぞれの端子で提供する。第１位置及び第２位置（空間ダイバーシチを提供する）は各々、お互いに干渉偏波する２本のアンテナを有し、よって、偏波ダイバーシチを提供する。空間的に異なり、かつ偏波的に異なる４本のアンテナを備えることにより、各々の空間的に異なる位置において、偏波ダイバーシチを可能にする。
【００１８】
この時点での１つの方法として、４本のアンテナ全てにおける信号を受信機に最大限で組み合わせることである。各信号は、それぞれの受信機鎖（チェーン：ｃｈａｉｎ）を必要とし、このため、この方法は費用がかかる。これに加え、シミュレーション結果及び現地（フィールド：ｆｉｅｌｄ）の結果、受信機における寄与において、１つ又は２つの信号が優位を占めることが示されている。４つの利用可能な信号のうち、最高のものから２つの信号が選択される。
【００１９】
好適には、これらのいずれか２つを最大比率組み合わせ受信機に組み合わせるアルゴリズムを使う。この方法の利点は以下の２点である。
【００２０】
１．ダイバーシチを提供するために、第１位置及び第２位置の空間ダイバーシチアンテナ間に１つの空間距離のみ（典型的には１波長）が必要とされる。第１位置と第２位置との間の空間的な分離により、各アンテナは、残りの３つから独自となり（異なり）、これを達成するために１波長の物理的な分離のみが必要とされる。
【００２１】
２．最高から２つの信号を使うことにより、最大組み合わせにおける、４つの入力の場合の利点の大半が、半分の受信機コストによって得られる。
【００２２】
図１は、切替アンテナアレイダイバーシチシステムの概念を示すブロック図である。４つの入力信号Ｐ11、Ｐ12、Ｐ21、及びＰ22が存在し，Ｐ11は第１アンテナ位置及び偏波Ａ、Ｐ12は第１アンテナ位置及び偏波Ｂ、Ｐ21は第２アンテナ位置及び偏波Ａ、Ｐ22は第２アンテナ位置及び偏波Ｂをそれぞれ表す。第１スイッチ１０５及び第２スイッチ１１０の各々が、これら４つの信号から選択する。各スイッチ１０５及び１１０は、最も高い信号を選択するが、スイッチによる同同一の信号の選択は防止されており、同時に切替えることもない。４つの入力信号から、２つ（Ｒ1及びＲ2）が選択され、最大比率組み合わせ装置１２０を使って最大限に組み合わせられ、複合信号が供給される。図示するように、信号のどの２つ（γ1及びγ2で表す）をお互いに組み合わせてもよい。信号の各々は、例えばα1やα2などの係数によって調整されてもよい。２つの選択された信号（Ｒ1及びＲ2）は、「判断ブロック」１１５において検査され、信号の１つが所定の閾値よりも低くなった場合、未使用の信号の１つが選択され組み合わされる。最良の信号入力を選択するための判断処理は継続的に行われる。
【００２３】
本発明は、最大又は最高から２つのアンテナ入力を、４つの利用可能な入力信号選択肢から選択し、最大比率組み合わせ装置１２０において組み合わせ、２入力ダイバーシチシステムに比べて高い値と高い堅実性を有する出力を生成する。これに加え、信号γ1を係数α1で調整し、信号γ2を係数α2で調整してもよい。本発明のアルゴリズムは、「判断ブロック」１１５において各入力を継続的に検査し、所定の閾値と継続的に比較する。入力での値が上記閾値より低くなると、アルゴリズムは他の入力を選択する。
【００２４】
図２に、切替ダイバーシチアレイ概念の状態図を示し、状態間を切替えるアルゴリズムを示す。どの時点においても１つのアンテナのみが切替えられていることに留意されたい。これにより、出力において、信号通信の流れを中断する可能性のある過渡現象が存在しないことを確実にする。アルゴリズムは機械的（予めの情報が与えられない）であるが、このアルゴリズムは、統計的には、２つの信号が同時にフェード（低いレベル）である確率は低いため、利点を有する。
【００２５】
２つの選択された入力信号の１つが所定の閾値より低くなったためにもう１つの入力信号の選択を必要とするかどうかを判断するためのアルゴリズムは、以下の通りである。アンテナは、アンテナ番号により定義されるランクでランク付けされる。アンテナ番号は、妥当な方法のいずれによって割当てられてもよい。１つのアンテナでの測定値（ｍｅｔｒｉｃ）が、所定の閾値よりも低くなった場合には、利用可能なアンテナのうち次にランクの高いアンテナに切替えられる。図中最も左の列が、切替状態を示す。右方向に次の列が、可能なアンテナペアの組み合わせを示す。最高ランクのアンテナから切替える場合、アルゴリズムが適用される前に、このアンテナのランクに、ランク０が再度割り当てられる。利用可能なアンテナの集合は、集合｛（Ｐ11，Ｐ12），（Ｐ11，Ｐ21），（Ｐ11，Ｐ22），（Ｐ12，Ｐ21），（Ｐ12，Ｐ22），（Ｐ12，Ｐ11），（Ｐ21，Ｐ11），（Ｐ21，Ｐ12），（Ｐ21，Ｐ22），（Ｐ22，Ｐ11），（Ｐ22，Ｐ12），（Ｐ22，Ｐ21）−（現在使用中のアンテナペア）｝によって定義される。図２を再度参照し、アンテナペア（Ｐ11，Ｐ12）が現在使用中であり、Ｐ12の信号が、所定の閾値よりも低くなったことが感知された場合、Ｐ12からＰ21への切替が行われ、アンテナペア（Ｐ11，Ｐ12）からアンテナ（Ｐ11，Ｐ21）に伸びる点線によって示されるように、使われるアンテナペアは（Ｐ11，Ｐ21）となる。また、アンテナペア（Ｐ11，Ｐ12）を使用中であり、Ｐ11が、所定の閾値よりも低くなったことが感知された場合には、Ｐ11からＰ12への切替が行われるべきであるが、Ｐ12は現在使用中のペアの入力信号の１つとしてすでに使われている。利用可能なアンテナから次にランクの高いアンテナを選択する必要があり、ここでは最もランクの高いアンテナはＰ21であるので、アンテナペア（Ｐ11，Ｐ12）からアンテナペア（Ｐ21，Ｐ12）に伸びる二点鎖線に示されるように、使われるアンテナペアは（Ｐ21，Ｐ12）となる。複数の状態は、時間の経過を表し、信号送信の期間中、アンテナペア選択処理が継続的に行われることを表す。よって、図２の二点鎖線は、現在のアンテナペア集合のペアの高い方のアンテナが、所定の閾値よりも低くなり、切替えられる必要がある場合のアンテナペアからの状態の移行を表す。同様に、図２の点線は、現在のアンテナペア集合のペアのうち低い方のアンテナが所定の閾値よりも低くなり、切替えられる必要がある場合の状態の移行を表す。
【００２６】
図３に示すように、受信信号のエンベロープは、レイリー分布（Ｒａｙｌｅｉｇｈ  ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ）を有する。図３は、受信信号電力が、ｄＢで表す横座標エンベロープ電力よりも低くなる確率を示す。図４は、経路損失を示す。図３及び図４は、本発明の使用によって得られる、統計的な経路利得の向上のシミュレーション結果を示す。これらの図面を検討することにより、本発明の使用により得られる向上がわかる。理想的なチャネル（ケーブルやファイバなど）の場合、信号を受信する確率が同じ（又は多重経路のため受信信号に変分が存在しない）であるため、図３及び図４のグラフは、各々の場合（各図面）において垂直な線となる。図４に示すように、本発明の使用により、グラフは鋭くなり、より垂直となり、約１５ｄＢの範囲で変化する（本発明が中間受信電力を向上させるのみならず、与えられたＢＥＲにおけるフェード余裕必要条件をも向上させることを示す）。
【００２７】
より詳しくは、図３を参照し、可能なアンテナ組み合わせの各々の最大比率組み合わせをグラフで示す。すなわち、偏波Ａを有する第１アンテナ（ａｎｔ１，ｐ１）と、偏波Ｂを有する第１アンテナ（ａｎｔ１，ｐ２）と、偏波Ａを有する第２アンテナ（ａｎｔ２，ｐ１）と、偏波Ｂを有する第２アンテナ（ａｎｔ２，ｐ２）と、をグラフで表す。また、図３には、機械的な切替を使用した場合と、２つの信号を組み合わせその最大値を選択する４重受信機システムと、同等利得（ｅｑｕａｌ  ｇａｉｎ）の組み合わせを使う４重受信機システムと、もグラフで表す。図４は同じ組み合わせをグラフで表す。
【００２８】
図５に、受信機の出力における平均受信電力のグラフを示す。図５を検討することにより、入力が２つの最大組み合わせの場合、受信電力が、図示された期間にわたって比較的一定に保たれることがわかる。これは、グラフの最上段の線である。
【００２９】
上述から、本発明の目的が達成されたことが明らかであろう。本発明の特定の実施形態が説明され図示されたが、当業者によって変更することもできるため、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではない。本出願は、ここに開示され、請求項に示された本発明の精神及び範囲内の全ての変更を含むよう企図される。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】切替アレイダイバーシチシステムのブロック図である。
【図２】切替ダイバーシチアレイの概念を示す状態図である。
【図３】受信信号電力が、ｄＢで表される横座標エンベロープ電力よりも低くなる確率を示す図である。
【図４】経路損失における向上を示す図である。
【図５】受信機の出力における、平均受信電力を示すグラフである。
【符号の説明】
【００５１】
１０５，１１０  スイッチ、１１５  判断ブロック、１２０  最大比率組み合わせ装置。
【図１】
0004664934.tif 000002
【図２】
0004664934.tif 000003
【図３】
0004664934.tif 000004
【図４】
0004664934.tif 000005
【図５】
0004664934.tif 000006