(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
移動通信ネットワークの工学的設計パラメータによって設計されたスマートアンテナアレイのカバレッジと、実際に実現されたカバレッジとの間のサイズ及び形状の差を決定するステップと、
実際に実現されたカバレッジを工学設計上のスマートアンテナアレイのカバレッジに近づけるように、局所的最適化条件下で最小平均二乗誤差計算を用いた段階的近似方法により、スマートアンテナアレイを構成する複数のアンテナユニットの放射パラメータを調節するステップと、
を含み、
前記段階的近似方法は、乱数を生成すること、及び該乱数に従って前記調節の方向を決定することを含むことを特徴とする、
スマートアンテナアレイのカバレッジの改良方法。
【請求項２】
前記スマートアンテナアレイがｎ個のアンテナユニットで構成されており、前記放射パラメータがビーム形成パラメータＷ（ｎ）であり、前記調節ステップが、
Ａ．解かれるべきＷ（ｎ）の精度、即ち調節ステップ長を設定するステップと、
Ｂ．前記アンテナユニットｎの前記ビーム形成パラメータＷ（ｎ）の初期値Ｗ0（ｎ）、最小平均二乗誤差εの初期値ε0、最小調節回数を記録するための計数変数、調節終了閾値Ｍ、及びアンテナユニットｎの最大放射電力振幅Ｔ（ｎ）を含む初期値を設定するステップと、
Ｃ．前記乱数を生成し、該乱数に従ってＷ（ｎ）の方向の変化を決定し、設定されたステップ長によるＷ（ｎ）の変化を決定して新しいＷ（ｎ）を計算し、Ｗ（ｎ）の絶対値がＴ（ｎ）以下であると判断した場合に最小平均二乗誤差εを計算し、εがε0以上である場合にεを保持して計数変数を１だけ増加させることを含む、Ｗ（ｎ）調節用ループへの参入ステップと、
Ｄ．計数変数が閾値Ｍ以上になるまでステップＣを繰り返し、調節手順を終了して結果を取得し、最終的なＷ（ｎ）を記録して保存し、ε0の新しいεへの置換をするステップと、
を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
εがε0よりも小さい場合にこの時点の調節の計算結果Ｗ（ｎ）を記録して保存し、ε0を新しいεに置き換え、前記計数変数をゼロにリセットすることを前記ステップＣが更に含む、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記調節ステップ長が固定されている、請求項２に記載の方法。
【請求項５】
前記調節ステップ長が可変であり、前記初期値の設定が最小調節ステップ長を更に含み、前記計数変数が前記閾値Ｍ以上である場合、前記ステップＤは、
前記調節ステップ長が前記最小調節ステップ長に等しいか否かを判断し、そうでない場合は前記調節ステップ長を減少させ、前記ステップＣに戻る、
ことを更に含む、請求項２に記載の方法。
【請求項６】
前記初期値の設定が調節終了閾値ε'を更に含み、前記計数変数が前記閾値Ｍ以上である場合、前記ステップＤは、
εがε'よりも小さいか否かを判断し、そうでない場合は前記ステップＣに戻る、
ことを更に含む、請求項２に記載の方法。
【請求項７】
前記初期値Ｗ0（ｎ）の数が、前記スマートアンテナアレイを構成するアンテナユニットの数に関連している、請求項２に記載の方法。
【請求項８】
Ｗ（ｎ）の初期値Ｗ0（ｎ）の設定の際、前記スマートアンテナアレイの、作動が停止したアンテナユニットに対してはＷ0（ｎ）をゼロに設定し、次の調節ループでは前記作動が停止したアンテナユニットのＷ（ｎ）を調節しない、請求項２に記載の方法。
【請求項９】
前記最小平均二乗誤差εが下記式によって計算され、式中、Ｐ（φi）は、前記アンテナユニットのビーム形成パラメータがＷ（ｎ）で方向角度がφである場合のアンテナユニットの放射電力であって前記アンテナアレイのタイプに関連しており、Ａ（φi）は等距離でのφ方向の放射強度であり、極座標において位相φを有する予想観測点であり、Ｋは、近似方法を用いた際の標本点の数であり、Ｃ（ｉ）は重みである、請求項２に記載の方法。
【数１】
0004786110.tif 000009
【請求項１０】
解かれるべきＷ（ｎ）の精度、即ち、調節ステップ長の設定が、
複素数Ｗ（ｎ）の実部及び虚部それぞれのステップ変化の設定、又は極座標Ｗ（ｎ）の振幅及び位相それぞれのステップ変化の設定を含み、
複素数Ｗ（ｎ）の実部及び虚部のステップ変化を用いる場合、新しいＷ（ｎ）は、
【外１】
0004786110.tif 000010
Ｕは、Ｕ番目の調節であり、Ｕ＋１は次の調節である、
ことを含む、請求項２に記載の方法。
【請求項１１】
スマートアンテナアレイのカバレッジの改良方法であって、
Ａ．前記スマートアンテナアレイを構成するアンテナユニットｎのビーム形成パラメータＷ（ｎ）の初期値Ｗ0（ｎ）、調節終了閾値Ｍ、Ｗ（ｎ）の精度、即ち、調節ステップ長（「ステップ」）、最小平均二乗誤差εの初期値ε0、放射電力振幅の最大値Ｔ（ｎ）、及び最小調節回数を記録する計数変数（「カウント」）を含む初期値を設定するステップと、
Ｂ．乱数の集合を生成し、該乱数に従ってＷ（ｎ）の変更方向を決定し、前記「ステップ」によってＷ（ｎ）の変更サイズを決定し、式ＷU+1（ｎ）＝ＷU（ｎ）＋ΔＷU（ｎ）によってＵ番目の調節のＷ（ｎ）を生成するステップと、
Ｃ．Ｗ（ｎ）及びＴ（ｎ）を比較するステップであって、Ｗ（ｎ）の絶対値がＴ（ｎ）よりも大きい場合は前記Ｗ（ｎ）生成動作を続行し、Ｗ（ｎ）の絶対値がＴ（ｎ）以下である場合は前記最小平均二乗誤差εを計算する、該ステップと、
Ｄ．ε及びε0を比較するステップであって、εがε0よりも小さい場合はε0をεに等しくなるように設定し、「カウント」をゼロにリセットして前記Ｗ（ｎ）生成動作を続行し、εがε0以上である場合はεを保持して「カウント」を１だけ増加させる、該ステップと、
Ｅ．「カウント」及びＭを比較するステップであって、「カウント」がＭよりも小さい場合は前記Ｗ（ｎ）生成動作を続行し、「カウント」がＭ以上である場合は調節を終了し、結果として生じたＷ（ｎ）を得て、「カウント」をゼロにリセットする、該ステップと、
を含む、スマートアンテナアレイのカバレッジの改良方法。
【請求項１２】
前記最小平均二乗誤差εが下記式によって計算され、式中、Ｐ（φi）は、前記アンテナユニットのビーム形成パラメータがＷ（ｎ）で方向角度がφである場合のアンテナユニットの放射電力であって前記アンテナアレイのタイプに関連しており、Ａ（φi）は等距離でのφ方向の放射強度であり、極座標において位相φを有する予想観測点であり、Ｋは、近似方法を用いた際の標本点の数であり、Ｃ（ｉ）は重みである、請求項１１に記載の方法。
【数２】
0004786110.tif 000011
【請求項１３】
解かれるべきＷ（ｎ）の精度、即ち、調節ステップ長の設定が、
複素数Ｗ（ｎ）の実部及び虚部それぞれのステップ変化の設定、又は極座標Ｗ（ｎ）の振幅及び位相それぞれのステップ変化の設定を含み、
複素数Ｗ（ｎ）の実部及び虚部のステップ変化を用いる場合、新しいＷ（ｎ）は、
【外２】
0004786110.tif 000012
Ｕは、Ｕ番目の調節であり、Ｕ＋１は次の調節である、
ことを含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１４】
スマートアンテナアレイのカバレッジの改良方法であって、
Ａ．前記スマートアンテナアレイを構成するアンテナユニットｎのビーム形成パラメータＷ（ｎ）の初期値Ｗ0（ｎ）、調節終了閾値Ｍ、Ｗ（ｎ）の精度、即ち、調節ステップ長（「ステップ」）、最小平均二乗誤差εの初期値ε0、放射電力振幅の最大値Ｔ（ｎ）、最小調節回数を記録する計数変数（「カウント」）、及び最小調節ステップ長ｍｉｎ＿ｓｔｅｐを含む初期値を設定するステップと、
Ｂ．乱数の集合を生成し、該乱数に従ってＷ（ｎ）の変更方向を決定し、前記「ステップ」によってＷ（ｎ）の変更サイズを決定し、式ＷU+1（ｎ）＝ＷU（ｎ）＋ΔＷU（ｎ）によってＵ番目の調節のＷ（ｎ）を生成するステップと、
Ｃ．Ｗ（ｎ）及びＴ（ｎ）を比較するステップであって、Ｗ（ｎ）の絶対値がＴ（ｎ）よりも大きい場合は前記Ｗ（ｎ）生成動作を続行し、Ｗ（ｎ）の絶対値がＴ（ｎ）以下である場合は前記最小平均二乗誤差εを計算する、該ステップと、
Ｄ．ε及びε0を比較するステップであって、εがε0よりも小さい場合はε0をεに等しくなるように設定し、「カウント」をゼロにリセットして前記Ｗ（ｎ）生成動作を続行し、εがε0以上である場合はεを保持して「カウント」を１だけ増加させる、該ステップと、
Ｅ．「カウント」及びＭを比較するステップであって、「カウント」がＭより大きくない場合は前記Ｗ（ｎ）生成動作を続行し、「カウント」がＭより大きい場合はステップＦに進む、該ステップと、
Ｆ．前記「ステップ」がｍｉｎ＿ｓｔｅｐに等しいか否かを判断するステップであって、前記「ステップ」がｍｉｎ＿ｓｔｅｐに等しくない場合は前記「ステップ」を減少して前記Ｗ（ｎ）生成動作を続行し、前記「ステップ」がｍｉｎ＿ｓｔｅｐに等しい場合は調節を終了し、結果として生じたＷ（ｎ）及びεを得て、「カウント」をゼロにリセットする、該ステップと、
を含む、スマートアンテナアレイのカバレッジの改良方法。
【請求項１５】
前記最小平均二乗誤差εが下記式によって計算され、式中、Ｐ（φi）は、前記アンテナユニットのビーム形成パラメータがＷ（ｎ）で方向角度がφである場合のアンテナユニットの放射電力であって前記アンテナアレイのタイプに関連しており、Ａ（φi）は等距離でのφ方向の放射強度であり、極座標において位相φを有する予想観測点であり、Ｋは、近似方法を用いた際の標本点の数であり、Ｃ（ｉ）は重みである、請求項１４に記載の方法。
【数３】
0004786110.tif 000013
【請求項１６】
解かれるべきＷ（ｎ）の精度、即ち、調節ステップ長の設定が、
複素数Ｗ（ｎ）の実部及び虚部それぞれのステップ変化の設定、又は極座標Ｗ（ｎ）の振幅及び位相それぞれのステップ変化の設定を含み、
複素数Ｗ（ｎ）の実部及び虚部のステップ変化を用いる場合、新しいＷ（ｎ）は、
【外３】
0004786110.tif 000014
Ｕは、Ｕ番目の調節であり、Ｕ＋１は次の調節である、
ことを含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項１７】
スマートアンテナアレイのカバレッジの改良方法であって、
Ａ．前記スマートアンテナアレイを構成するアンテナユニットｎのビーム形成パラメータＷ（ｎ）の初期値Ｗ0（ｎ）、調節終了閾値Ｍ、Ｗ（ｎ）の精度、即ち、調節ステップ長（「ステップ」）、最小平均二乗誤差εの初期値ε0、放射電力振幅の最大値Ｔ（ｎ）、最小調節回数を記録する計数変数（「カウント」）、最小平均二乗誤差εの調節終了閾値ε'、及び最小調節ステップ長ｍｉｎ＿ｓｔｅｐを含む初期値を設定するステップと、
Ｂ．乱数の集合を生成し、該乱数に従ってＷ（ｎ）の変更方向を決定し、前記「ステップ」によってＷ（ｎ）の変更サイズを決定し、式ＷU+1（ｎ）＝ＷU（ｎ）＋ΔＷU（ｎ）によってＵ番目の調節のＷ（ｎ）を生成するステップと、
Ｃ．Ｗ（ｎ）及びＴ（ｎ）を比較するステップであって、Ｗ（ｎ）の絶対値がＴ（ｎ）よりも大きい場合は前記Ｗ（ｎ）生成動作を続行し、Ｗ（ｎ）の絶対値がＴ（ｎ）以下である場合は前記最小平均二乗誤差εを計算する、該ステップと、
Ｄ．ε及びε'を比較するステップであって、εがε'よりも小さい場合は調節を終了し、結果として生じたＷ（ｎ）及びεを得て「カウント」をゼロにリセットし、εがε'以上である場合はステップＥへ進む、該ステップと、
Ｅ．ε及びε0を比較するステップであって、εがε0よりも小さい場合はε0をεに等しくなるように設定し、「カウント」をゼロにリセットして前記Ｗ（ｎ）生成動作を続行し、εがε0以上である場合はεを保持して「カウント」を１だけ増加させる、該ステップと、
Ｆ．「カウント」及びＭを比較するステップであって、「カウント」がＭより大きくない場合は前記Ｗ（ｎ）生成動作を続行し、「カウント」がＭより大きい場合はステップＧに進む、該ステップと、
Ｇ．前記「ステップ」がｍｉｎ＿ｓｔｅｐに等しいか否かを判断するステップであって、前記「ステップ」がｍｉｎ＿ｓｔｅｐに等しくない場合は前記「ステップ」を減少して前記Ｗ（ｎ）生成動作を続行し、前記「ステップ」がｍｉｎ＿ｓｔｅｐに等しい場合は調節を終了し、結果として生じたＷ（ｎ）及びεを得て、「カウント」をゼロにリセットする、該ステップと、
を含む、スマートアンテナアレイのカバレッジの改良方法。
【請求項１８】
前記最小平均二乗誤差εが下記式によって計算され、式中、Ｐ（φi）は、前記アンテナユニットのビーム形成パラメータがＷ（ｎ）で方向角度がφである場合のアンテナユニットの放射電力であって前記アンテナアレイのタイプに関連しており、Ａ（φi）は等距離でのφ方向の放射強度であり、極座標において位相φを有する予想観測点であり、Ｋは、近似方法を用いた際の標本点の数であり、Ｃ（ｉ）は重みである、請求項１７に記載の方法。
【数４】
0004786110.tif 000015
【請求項１９】
解かれるべきＷ（ｎ）の精度、即ち、調節ステップ長の設定が、
複素数Ｗ（ｎ）の実部及び虚部それぞれのステップ変化の設定、又は極座標Ｗ（ｎ）の振幅及び位相それぞれのステップ変化の設定を含み、
複素数Ｗ（ｎ）の実部及び虚部のステップ変化を用いる場合、新しいＷ（ｎ）は、
【外４】
0004786110.tif 000016
Ｕは、Ｕ番目の調節であり、Ｕ＋１は次の調節である、
ことを含む、請求項１７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は概してセルラー移動通信システムに用いられるスマートアンテナアレイ技術に関し、より詳細には、スマートアンテナアレイのカバレッジ（有効範囲）を改良可能な方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
スマートアンテナアレイを用いたセルラー移動通信システムにおいて、スマートアンテナアレイは一般に無線基地局に組み込まれている。スマートアンテナアレイは、信号の送受信を行うために、固定ビーム形成及びダイナミックビーム形成といった２種類のビーム形成を用いなければならない。無指向性ビーム形成、ストリップビーム形成、又はセクタービーム形成などの固定ビーム形成は主に、放送や呼出のような無指向性情報の発信に用いられる。ダイナミックビーム形成は主に、加入者の追跡、加入者データの転送、及び特定のユーザへの情報などの送信に用いられる。
【０００３】
図１は、セルラー移動通信ネットワークのセル割り当て図である。セルラー移動通信システムを設計する際、考慮の必要な第１の問題はカバレッジである。図１の黒点１１によって示されるように、無線基地局のスマートアンテナアレイは一般にセルの中央に配置されている。１２によって示されるように、殆どのセルは通常円形のカバレッジを有する。一部のセルは、１３によって示されるように非対称の円形カバレッジを有し、また１４に示されるようにストリップ状のカバレッジを有する。通常の円形カバレッジ１２、非対称の円形カバレッジ１３、及びストリップ状カバレッジ１４は、互いの間に隙間が形成されないように重複されている。
【０００４】
周知のように、アンテナアレイの電力放射図は、アンテナアレイのアンテナユニットの幾何学的配列形状、各アンテナユニットの特性、各アンテナユニットの位相及び振幅などのパラメータによって決定される。アンテナアレイを設計する際は、広く一般に使用される設計にするために、自由な空間、正常に作動する設備などを含む比較的理想的な環境を考慮して設計される。設計されたアンテナアレイを実際に使用すると、設置位置、地形、建築物の高さ、アンテナユニットの配列などが異なるために、アンテナアレイの実際の電力カバレッジは確実に変化する。
【０００５】
図２（図１の一部）は、地形などが異なるために生じる、予期されるカバレッジ２１（通常の円形）と実際のカバレッジ２２との差を示している。実際のカバレッジは現場で測定することができる。どのセルにもこの種の差が生じ得るため、現場で調整を行わない限り、移動通信ネットワークの実際のカバレッジは不十分なものになり得る。アンテナアレイの個々のアンテナユニットが正常に作動しなかったり、カバレッジへの要求が変わったりした場合、アンテナアレイの構成を変更することが必要であり、その時点で、アンテナアレイのカバレッジをリアルタイムで調節しなくてはならない。
【０００６】
調整の原則として、スマートアンテナアレイは、セルの無指向性カバレッジのための固定ビーム形成に基づき、ダイナミックビーム形成（ダイナミック指向性放射ビーム）を各加入者に対して実施している。
【０００７】
式（１）において、Ａ（φ）は予期されるビーム形成、即ち必要とされるカバレッジの形状パラメータを表し、ここでφは観測点の極座標角度を表しており、Ａ（φ）は同一距離でのφ方向の放射強度である。スマートアンテナアレイにＮ個のアンテナがあり、任意のアンテナｎが位置パラメータＤ（ｎ）、ビーム形成パラメータＷ（ｎ）、及び角度φ方向の放射電力Ｐを有すると仮定した場合、実際のカバレッジは下記式（２）によって表される。
【０００８】
【数５】
0004786110.tif 000002
【０００９】
上記式において、関数ｆ（φ，Ｄ（ｎ））の形式は、スマートアンテナアレイのタイプに関連している。
【００１０】
地上移動通信システムでは、一般に、平面上の２つの次元のカバレッジを考慮に入れれば十分である。アンテナを配列で分類すると線形アレイ及び環状アレイがあり、円形アレイは特殊な環状アレイとみなすことができる（中国特許９７２０２０３８．１の「無線通信システムに用いる環状スマートアンテナアレイ(A ring smart antenna array used for radio communication system)」を参照）。セルラー移動通信システムでは、セクター型カバレッジを実施する場合には線形アレイが一般に用いられ、無指向性カバレッジを実施する場合には円形アレイが用いられる。本発明では、円形アレイが一例として用いられる。
【００１１】
円形アレイであると仮定した場合、Ｄ（ｎ）＝２×（ｎ−１）×π／Ｎであり、ｆ（φ，Ｄ（ｎ））＝ｅｘｐ（ｊ×２×ｒ／λ×π×ｃｏｓ（Φ−Ｄ（ｎ））（指数をとる）である。
【００１２】
式中、ｒは円形アンテナアレイの半径であり、λは作動波長である。図３は、８個のアンテナを備えた通常の円形アンテナアレイのための無指向性ビーム形成の電力方向を示す図である。図３に示される、１．０８８５、２．１７７、３．２６５４といった数字は電力（パワー）を表している。
【００１３】
最小平均二乗誤差アルゴリズムを用いると、下記式（３）の最小二乗誤差εは最小になる。
【００１４】
【数６】
0004786110.tif 000003
【００１５】
上記式（３）において、Ｋは近似アルゴリズムを用いた際の標本点の数であり、Ｃ（ｉ）は重みである。いくつかの点において、必要とされる近似値が大きい場合、Ｃ（ｉ）はより大きく設定され、そうでない場合、Ｃ（ｉ）はより小さく設定される。全ての点において必要とされる近似値が一致する場合、Ｃ（ｉ）は一般に１に設定される。
【００１６】
更に、どのアンテナユニットも発信電力が限られていることを考慮に入れて、Ｗ（ｎ）の振幅を、アンテナユニットの発信電力を表すものとみなし、各アンテナユニットの最大発信電力をＴ（ｎ）として設定した場合、制限された条件を下記のように表すことができる。
｜Ｗ（ｎ）｜≦Ｔ（ｎ）1/2  ……（条件１）
【００１７】
一般に、各アンテナユニットの制限内での発信電力の最適値を見出すには、式によって直接解くことのできるいくつかの特殊な状況を除けば、解かれていないＷ（ｎ）の精度の選択及び全数的な検討によって最適値を見出すしかないことは明らかである。しかし、全数的な検討による解法を用いた場合は計算量がかなり多く、アンテナユニットの数Ｎと指数関係に立つ。精度を徐々に上げ、解かれるべき値の範囲を小さくすることによって計算量を減少させることができるものの、次善の値が解かれるにすぎず、計算量は依然として多い。
【００１８】
スマートアンテナアレイカバレッジを効率的に改良するために、スマートアンテナアレイカバレッジの改良方法が考案された。この改良は、アンテナアレイの実際のカバレッジが設計カバレッジに近づくことを含み、アンテナユニットの一部が故障のために作動を停止させられた場合、正常に作動する他のアンテナユニットのアンテナ放射パラメータを即座に調節してセルカバレッジを迅速に回復させることができる。
【００１９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、実際の要求に応じてアンテナアレイのアンテナユニットのパラメータを調節できる方法を提供することである。この方法により、アンテナアレイは要求を満たす特定のビーム形成を有し、制限内で各アンテナユニットの最適放射電力の値を迅速に見出し、局所的最適化の効果を得ることができる。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
本発明の方法は、ベースバンドデジタル信号処理方法の一種である。この方法は、スマートアンテナアレイの各アンテナ（作動が停止したアンテナは除く）のパラメータを調節することによってスマートアンテナアレイのカバレッジ領域のサイズ及び形状を変え、最小平均二乗誤差の基準に基づいた要求と一致する局所的最適化の効果を得る。具体的な調節スキームとしては、工学的設計に必要とされるカバレッジと実際に実現されたカバレッジとの間に生じるサイズ及び形状の差に応じて、アンテナ放射パラメータを最小平均二乗誤差の基準に基づいた段階的近似方法によって調節し、アンテナアレイの実際のカバレッジを局所的最適化条件下の要求に近づける。
【００２１】
本発明によると、実際の状況に応じた、Ｎ個のアンテナアレイの各アンテナユニットｎのビーム形成パラメータＷ（ｎ）の調節は、以下のステップを更に含む。
Ａ．解かれるべきＷ（ｎ）の精度、即ち調節ステップ長の設定
Ｂ．アンテナユニットｎのビーム形成パラメータＷ（ｎ）の初期値Ｗ0（ｎ）、最小平均二乗誤差εの初期値ε0、最小調節回数を記録するための計数変数、調節終了閾値Ｍ、及びアンテナユニットｎの最大放射電力振幅Ｔ（ｎ）を含む初期値の設定
Ｃ．乱数の生成、設定されたステップ長によるＷ（ｎ）の変化の決定及び新しいＷ（ｎ）の計算、Ｗ（ｎ）の絶対値がＴ（ｎ）以下であると判断した場合の最小平均二乗誤差εの計算、εがε0以上である場合のεの保持及び計数変数の１の増加を含む、Ｗ（ｎ）調節用ループへの参入
Ｄ．計数変数が閾値Ｍ以上になるまでのステップＣの繰返し、調節手順の終了及び結果の取得、最終的なＷ（ｎ）の記録及び保存、並びにε0の新しいεへの置換
【００２２】
ステップＣにおけるε及びε0の比較の際、εがε0未満である場合はこの回の調節の計算結果Ｗ（ｎ）を記録して保存し、ε0を新しく計算されたεに置き換え、計数変数をゼロにリセットする。
【００２３】
調節ステップ長は一定でもよいし、可変でもよい。調節ステップ長が可変の場合、初期値の設定の際に最小調節ステップ長の設定も含まれる。計数変数は閾値Ｍ以上であるが、調節ステップ長が最小調節ステップ長に等しくない場合、調節ステップ長を連続的に減少させ、Ｗ（ｎ）の調節手順を続ける。
【００２４】
調節手順終了条件は、予め設定された調節終了閾値ε'を更に含み、ε<ε'である場合、調節を終了する。
【００２５】
初期値Ｗ0（ｎ）の数は、スマートアンテナアレイを構成するアンテナユニットの数に関連している。
【００２６】
Ｗ（ｎ）の初期値Ｗ0（ｎ）を設定する際、スマートアンテナアレイの、作動が停止したアンテナユニットに対してはＷ0（ｎ）をゼロに設定し、次の調節ループでは、作動が停止したアンテナユニットのＷ（ｎ）を調節しない。
【００２７】
最小平均二乗誤差εは、下記式によって計算される。
【００２８】
【数７】
0004786110.tif 000004
【００２９】
式中、Ｐ（φi）は、アンテナユニットのビーム形成パラメータがＷ（ｎ）であり、方向角度がφである場合のアンテナユニットの放射電力であり、Ｐ（φi）はアンテナアレイのタイプに関連している。Ａ（φi）は、等距離でのφ方向の放射強度であり、極座標において位相φを有する予想観測点である。Ｋは、近似方法を用いた際の標本点の数であり、Ｃ（ｉ）は重みである。
【００３０】
解かれるべきＷ（ｎ）の精度、即ち、調節ステップ長の設定は、複素数Ｗ（ｎ）の実部及び虚部それぞれのステップ変化の設定、又は極座標Ｗ（ｎ）の振幅及び位相それぞれのステップ変化の設定を含む。
【００３１】
複素数Ｗ（ｎ）の実部及び虚部のステップ変化を用いる場合、新しいＷ（ｎ）は、下記式によって計算される。
【００３２】
【外５】
0004786110.tif 000005
【００３３】
極座標Ｗ（ｎ）の振幅及び位相のステップ変化を用いる場合、新しいＷ（ｎ）は下記式によって計算される。
【００３４】
【外６】
0004786110.tif 000006
【００３５】
Ｕは、Ｕ番目の調節であり、Ｕ＋１は次の調節である。
【００３６】
本発明の方法は、無線基地局が無指向性カバレッジの固定ビーム形成用のスマートアンテナアレイを用いる場合に、スマートアンテナアレイカバレッジを効率的に改良することができるケースに関するものである。最小平均二乗誤差の基準に基づいた要求に一致する局所的に最適な効果を得るために、アンテナアレイの各アンテナユニットのパラメータを調節することにより、スマートアンテナアレイのカバレッジのサイズ及び形状が変えられる。
【００３７】
本発明の方法によると、アンテナアレイの実際のカバレッジを局所的最適化条件下の要求に近づけるために、工学的設計に必要とされるカバレッジと実際に実現されたカバレッジとの間に生じるサイズ及び形状の差に従って、アンテナ放射パラメータが最小平均二乗誤差の基準に基づいた段階的近似方法によって調節される。
【００３８】
本発明の方法は、一態様として、スマートアンテナアレイの設置場所において適用される。設置場所において、スマートアンテナアレイの各アンテナユニットパラメータを調節することにより、スマートアンテナアレイのカバレッジのサイズ及び形状を変えることができ、これにより、予期されるビーム形成の形状にかなり近く、要求と一致する局所的最適化の結果を有する無指向性放射ビーム形成が得られる。また、本発明の方法の他の態様としては、スマートアンテナアレイにおけるアンテナユニットの一部が正常ではなく作動が停止している場合に、残りの正常なアンテナユニットのアンテナ放射パラメータを本発明の方法によって即座に調節し、セルの無指向性カバレッジを即座に回復させることができる。
【００３９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施の形態が示された添付の図面を参照して、本発明をより完全に説明する。しかしながら、本発明を多くの異なる形で具現することができ、本明細書中に説明される実施の形態に限定されるものと解釈すべきではない。むしろ、これらの実施の形態は、本開示内容が綿密かつ完全であるように提供されたものであり、当業者には本発明の範囲を十分に伝えるものであろう。本明細書全体にわたり、同様の番号は同様の要素を指す。
【００４０】
図１乃至図３は前述したので、説明を繰り返さない。
【００４１】
図４、図５、及び図６を参照する。本発明は、アンテナアレイの任意のアンテナユニットｎのビーム形成パラメータＷ（ｎ）の最適値を制限された範囲内で迅速に見出し、局所的最適化の効果を得る方法である。この方法は概して下記の５つのステップを含む。
【００４２】
ステップ１
解かれるべきＷ（ｎ）の精度、即ち、解法手順全体にわたるＷ（ｎ）の調節ステップ長を設定する。調節ステップ長の設定方法は２つある。１つは、複素数であるＷ（ｎ）の実部及び虚部をそれぞれ設定し、ステップの変化を設定する方法で、もう１つは、極座標におけるＷ（ｎ）の振幅及び角度をそれぞれ設定し、ステップの変化を設定する方法である。
【００４３】
Ｕ番目の調節後、Ｗ（ｎ）はＷU（ｎ）であると仮定する。
【００４４】
第１の調節方法を用いる場合、ＷU（ｎ）は、ＷU（ｎ）＝ＩU（ｎ）＋ｊ×ＱU（ｎ）といった複素数で表される。次の調節後、ＷU+1（ｎ）を下記の式（４）のように表すことができる。
【００４５】
【外７】
0004786110.tif 000007
【００４６】
【外８】
0004786110.tif 000008
【００４７】
ステップ２
｜Ｗ（ｎ）｜≦Ｔ（ｎ）1/2である制限条件１を満たす、Ｗ（ｎ）の初期値Ｗ0（ｎ）の集合を設定する。Ｗ0（ｎ）の数は、アンテナアレイのアンテナユニットの数Ｎに関連している。作動が停止したアンテナユニットに対しては、そのＷ0（ｎ）をゼロにすべきであり、後続のステップにおけるＷ0（ｎ）の調節は行われない。初期値Ｗ0（ｎ）の選択は、アルゴリズムの収束の速さ及び最終結果にある程度の影響を及ぼす。Ｗ（ｎ）のおおよその範囲が既知である場合は、その範囲に対応するＷ（ｎ）の集合を選択すると一層よく、この選択は、結果的に生じる精度を高めるのにも有益である。
【００４８】
次いで、最小平均二乗誤差εの初期値ε0を設定する。一般には、ループ調節段階により速く入るために、初期値ε0を大きな値に設定し、計数変数（カウント）を０に設定する。「カウント」は、Ｗ0（ｎ）の集合に対応するε0に基づき、Ｗ（ｎ）に必要な最小調節回数を記録するために使用される。Ｍは、いつ調節が終了し、結果を出力することができるかを判断するために用いられる所要閾値である。Ｍの値が大きいほど結果の信頼度が高いことは明らかである。
【００４９】
上述の初期値設定手順が、図４のブロック４０１、図５のブロック５０１、及び図６のブロック６０１に示されている。これらの手順は、Ｗ0（ｎ）、Ｍ、調節ステップ長（「ステップ」）、最小平均二乗誤差の初期値ε0、ｎ番目のアンテナの最大発信電力Ｔ（ｎ）、及び計数変数（カウント）の設定を含む。ブロック５０１及び６０１とブロック４０１との違いは、ブロック５０１及び６０１が、可変ステップ長調節を用いる際に必要な最小調節ステップ長ｍｉｎ＿ｓｔｅｐの設定を更に含むことにある。
【００５０】
ステップ３
ステップ１の手順及び式（４）又は式（５）を用いて、新しいＷ（ｎ）を生成する、即ちＷ（ｎ）を調節する。乱数の集合を生成する度に、その乱数に従ってＷ（ｎ）の変更方向を決定する。調節後、Ｗ（ｎ）が条件１（｜Ｗ（ｎ）｜＜Ｔ（ｎ）1/2）の制限を超えた場合、Ｗ（ｎ）を増加又は減少させ、増加量又は減少量を調節ステップ長（「ステップ」）によって決定する。この時点では、正しい変更傾向がわからないため、同一の増減率を用いる。ステップ３の動作は、図４のブロック４０２及び４０３、図５のブロック５０２及び５０３、並びに図６のブロック６０２及び６０３に示されている。
【００５１】
ステップ４
調節後、Ｗ（ｎ）が条件１の制限を満たした場合、式３を用いて新しい最小平均二乗誤差εを計算する。ε<ε0である場合、この時点のＷ（ｎ）を記録して保存し、ε0を新しいεに置き換え、計数変数をゼロに設定する（カウント＝０）。このステップの動作は、図４のブロック４０４、４０５、及び４０６、図５のブロック５０４、５０５、及び５０６、並びに図６の６０４、６０５、及び６０６に示されている。図６では、ε<ε'は調節の終了条件であるため、ε<ε0の判断を行う前に、まずε<ε'の判断を行わなければならない。εがε'よりも大きい場合、ブロック６１２に示されるようにε<ε0の判断が行われる。ε≧ε0である場合、εを保持し、計数変数を増分する（カウント＋１）。この動作は、図４のブロック４０７、図５のブロック５０７、及び図６のブロック６０７に示されている。ε≧ε0であると判断し、ブロック４０７、５０７、及び６０７を実行した後は、毎回、計数変数「カウント」が予め設定された閾値Ｍよりも大きいか否かを確かめなくてはならない。この動作は、図４のブロック４０８、図５のブロック５０８、又は図６のブロック６０８に示されている。
【００５２】
ステップ５
ε≧ε0であり、「カウント」が予め設定された閾値Ｍよりも小さいと判断した場合、ステップ３へ戻る、即ち、図４のブロック４０２、図５のブロック５０２、又は図６のブロック６０２を再度実行する。その結果、乱数の集合を再び生成し、Ｗ（ｎ＋１）を計算し、Ｗ（ｎ）の集合が既に計算されている場合はＷ（１）から再び始める。ブロック４０８、５０８、又は６０８において「カウント」＞Ｍを検出するまで、前述の手順を繰り返す。そして、調節手順全体を終了する。このとき、記録されたＷ（ｎ）は最適解の集合であり、ε0は対応する最小平均二乗誤差であり、計数変数はゼロ（カウント＝０）に設定されている。この動作はブロック４０９、５０９、又は６０９において示されている。
【００５３】
前述のステップから得られた解は局所的最適化の解にすぎないが、計算量は大幅に少なく、解の集合を迅速に得ることができる。この時点の解に満足しない場合は、手順を繰り返して解の集合をいくつか得ることができ、最小平均二乗誤差εを有する解の集合を得ることができる。勿論、手順を繰り返す場合は、Ｗ（ｎ）の初期値Ｗ0（ｎ）を更新しなくてはならない。
【００５４】
結果が依然として満足の行かないものである場合、可変ステップ長及び向上した精度を使用して、図５及び図６に示される前述のアルゴリズムを改良することができる。ブロック５０１又は６０１では、初期値の設定の際、最小調節ステップ長ｍｉｎ＿ｓｔｅｐを設定する。調節の初めには、より大きなステップ長を調節のために用いる。ブロック５１０又は６１０において、「カウント」がＭよりも大きいが「ステップ」がｍｉｎ＿ｓｔｅｐよりも大きい場合、計算手順を終了する代わりにブロック５１１又は６１１を実行する。ブロック５１１又は６１１では調節ステップ長を減少させ、減少したステップ長を用いてＷ（ｎ）を変更し、最小平均二乗誤差εなどを再度計算する。「カウント」がＭよりも大きく、かつ「ステップ」がｍｉｎ＿ｓｔｅｐに等しい（ステップ＝ｍｉｎ＿ｓｔｅｐ）場合にのみ計算を終了し、結果を出力してＷ（ｎ）の集合及び対応する平均二乗誤差εを得る。同一の精度条件下で、図５又は図６の可変ステップ長は計算速度をある程度上げることができる。
【００５５】
図６は、システムが平均二乗誤差εに対して一定の要求を有する手順を示している。この要求はε≦ε'と表され、ε'は予め設定された閾値である。この場合、手順終了条件をそれに応じて変更しなくてはならず、即ち、ブロック６０５の前にブロック６１２を追加し、ε≦ε'である場合に手順が終了する。１つの実施では、ε≦ε'を終了条件として用いることができるが、アンテナアレイのビーム形成カバレッジを迅速に改良するため、（図４に示される）固定ステップ長アルゴリズムを用いる。
【００５６】
図７及び図８は、図３に示される８つのユニットを有する円形アンテナアレイを一例として挙げ、２つの図の比較を用いて、本発明の応用の効果を説明している（本発明はあらゆるタイプのアンテナアレイにふさわしく、ビーム形成をリアルタイムでダイナミックに行うことのできるものであり、ここでは円形アンテナアレイを一例として挙げたにすぎない）。アンテナアレイの（アンテナ、き線ケーブル、接続された無線周波トランシーバなどを含む）アンテナユニットが故障した場合、無線基地局は故障したアンテナユニットの作動を停止させなければならず、アンテナアレイの放射図は大幅に悪化する。１つのアンテナユニットが作動しない場合に、アンテナアレイの放射図が理想的な円形から不規則なグラフ７１に変わり、セルカバレッジ（セルの有効範囲）がたちまち悪化することを、図７は示している。本発明の方法を用いて、無線基地局は他の正常なアンテナユニットのパラメータを取得し、正常なアンテナユニット全ての供給振幅及び位相を変えることによってパラメータを即座に調節する。これにより、図８のグラフ８１によって示される、円形に近いカバレッジを有するカバレッジが得られる。
【００５７】
図９及び図１０は、図３に示される８つのユニットを有する円形アンテナアレイを再び一例として挙げ、２つの図の比較を用いて、本発明の他の応用の効果を説明している（本発明はあらゆるタイプのアンテナアレイにふさわしく、ビーム形成をリアルタイムでダイナミックに行うことのできるものであり、ここでは円形アンテナアレイを一例として挙げたにすぎない）。図３に示されるように互いからπ／４離れた２つのアンテナアレイが作動しない場合、アンテナアレイの放射図は理想的な円形から不規則なグラフ９１に変わり、セルカバレッジが大幅に悪化する。このようなことが生じた場合、無線基地局は、本発明の方法を用いて、正常なアンテナユニット全ての供給振幅及び位相を変えることにより、他の正常なアンテナユニットのパラメータを即座に調節する。これにより、図１０のグラフ１０１によって示される、明らかに円形に近づいたカバレッジが得られる。
【００５８】
アンテナユニットの一部の作動が停止した場合、図７及び図９に示されるように、正常なアンテナユニットの最大放射電力を増大しなければ、カバレッジ全体の半径が確実に減少することに注意されたい。その結果、セルカバレッジの重複が減少するため（図１参照）、図７及び図９の例によって示されるような通信不可能領域が生じ得る。等距離下で、放射電力レベルが３乃至５ｄＢ減少すると、カバレッジの半径は１０乃至２０％減少する。従って、この問題を解決するには、アンテナユニットの一部の放射電力を増大させるか、又は隣接セルの「ブレス(breath)」機能を用いる必要がある。
【００５９】
【発明の効果】
本アンテナアレイカバレッジの改良方法は、アンテナアレイのパラメータ調節手順である。ビーム形成パラメータＷ（ｎ）を素早く得ることができ、局所的最適化の効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  セルラー移動通信ネットワークのセル割り当て図である。
【図２】  必要とされるセルカバレッジと実際のセルカバレッジとの間のずれの図である。
【図３】  正常な円形カバレッジを有する８アンテナアレイの無指向性ビーム形成電力方向図である。
【図４】  固定ステップ長を有するアンテナアレイビーム形成カバレッジを迅速に改良するためのフローチャートである。
【図５】  可変ステップ長を有するアンテナアレイビーム形成カバレッジを迅速に改良するためのフローチャートである。
【図６】  可変ステップ長を有するアンテナアレイビーム形成カバレッジを迅速に改良するための、終了条件を有するフローチャートである。
【図７】  正常な円形カバレッジの無指向性ビーム形成を有する８アンテナアレイの、正常に作動しないアンテナユニットが１つある場合の調節前の電力方向図である。
【図８】  正常な円形カバレッジの無指向性ビーム形成を有する８アンテナアレイの、正常に作動しないアンテナユニットが１つある場合の調節後の電力方向図である。
【図９】  正常な円形カバレッジの無指向性ビーム形成を有する８アンテナアレイの、正常に作動しないアンテナユニットが２つある場合の調節前の電力方向図である。
【図１０】  正常な円形カバレッジの無指向性ビーム形成を有する８アンテナアレイの、正常に作動しないアンテナユニットが２つある場合の調節後の電力方向図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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