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分散アンテナシステム

アンテナ選択

容量最大化

分散アンテナシステムにおける下り伝送容量を考慮した
アンテナ選択方法
将来の RAN アーキテクチャとして有望視されている分散アンテナシステムに小明

陳 嵐おける，下りリンクの容量最大化を基準とした RAU の選択方法に関して研究を加山 英俊

行った．なお，本研究は中国 東南大学 無線電工程系移動通信国家重点実験室（尤 肖虎教授）との共同研究により実施した．
＊2

1. まえがき
100M〜1Gbit/sの高速伝送が要求さ＊1（Wireless world INitiative NEw Radio）

する伝送・制御技術の共同研究を行っやIEEE（Institute of Electrical and Elec-てきた．

tronics Engineers）802.16j

＊3

ではリレ

＊4

本稿では，DASにおいて下り容量をれるIMT−Advanced では高い周波数ー局を用いたマルチホップ システム最大化する最適な選択方法を提案し，帯域の割当てが想定されているが，一ネットワークが議論されている（図1）．

その特性評価を行った結果について解般に帯域が高くなるほど，伝搬ロスは一方，中国のIMT−Advancedに向けた説する．なお今回解説する技術は，大きくなる．さらに，空間多重や多値国家プロジェクトである FuTURE

FuTURE プロジェクト・フェーズ 2 に変調などで高速伝送を実現するために（Future Technologies for Universal Radio

おいて，現在上海にてフィールド実験

は高い信号対雑音比（SNR ： Signal−Environment）では，図 2 に示すようが進められているテストベッドに実装

to−Noise Ratio）が要求されることかな分散アンテナシステム（DAS：Dis-されている．

ら，1 つの基地局のカバーエリアは第tributed Antenna System）がキーテ

3 世代（3G ： 3rd Generation）システ

クノロジの 1 つとして検討されていムと比較すると非常に小さくなることる．北京研究所ではこの DAS の可能

2. DAS アーキテクチャと伝送容量が予想される．

性に着目し，これまで FuTUREのリーDAS では 1 つの CU（Central Unit）

ダーである東南大 尤教授と DAS に関に，地理的に分散配置される複数のこの問題に対処するため，WINNERRAU（Remote Antenna Unit）が光フCU

ァイバを介して接続され，1 つの G

CU（Generalized）セルを形成する．RAU

MT
光ファイバ

MT

リレー局

RAU

RAU

RAU

RAU

るが，CUではこれら複数の RAU から

RAUのアンテナの送受信号処理を一元的に

RAU

RAU

RAU

RAU

行う．これにより複数の RAU 間にまMT
MT

基地局

RAU

RAU

RAU

RAU

リレー局
Gセル1

図1

マルチホップシステム

は，1 つまたは複数のアンテナを有す

図2

Gセル2

DAS の一例

たがる信号の一括処理が容易となることから，例えば複数のアンテナを用いてダイバーシチ効果や伝送速度を向上させる MIMO（Multiple Input Multi-＊ 1 IMT − Advanced ： ITU − R（InternationalTelecommunication Union−Radio communication sector）において，IMT −2000 の後継と位置付けられている規格．高速移動時で100Mbit/s を，低速移動時でも 1Gbit/s の実現を想定したもの．

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＊ 2 WINNER ：欧州での次世代移動通信の無線伝送技術に関する研究フォーラム．2004 年に設立．
＊ 3 IEEE802.16j ： IEEE802.16 をベースとし，さらにリレー環境を提供するための次世代無線 MAN（Metropolitan Area Network）規格．通信範囲は数キロメートル四方（最大で 50km）に達し，現在の無線 LAN 規格である IEEE802.11 に比べて格段に利用範囲が広い．

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分散アンテナシステムにおける下り伝送容量を考慮したアンテナ選択方法＊5ple Output）伝送を複数のRAUを用い

Interference− plus− Noise Ratio） が 最di は i 番目の RAU から MT までの距離て簡単に実現でき，各 RAU が形成す大 の RAUを 選 択 す る diversity selec-を表す．また x はすべての RAU からる小さなサービスエリアであるマイクtion[2]や，1つのGセルの中のすべてのの送信信号ベクトル（NL × 1）
，ηはロセル端での品質改善が見込めるとと

RAU を用いる blanket 送信法[3]が提案

ガウス雑音 である．送信機から受信もに，同一 CU 内のマイクロセル間のされているが，伝送容量の観点から必機までのチャネルマトリックスHは図

ハンドオーバを簡素化できるメリットずしも最適な方法とはいえない．

3で表すことができる．

がある．

そこで，本研究では情報理論から求＊7

ここで gi はRAUからMTまでの距離＊8

移動端末（MT：Mobile Terminal）められる伝送容量式を用い，下り伝送による電波の減衰（シャドーイング

は G セル内の複数の RAU を同時に用容量を最大にする RAU 数および RAUを含む），h ij はチャネルレスポンスいて通信を行うが，この場合どのRAUの選択方法を提案した．

を表す．

3.2 容量計算式の導出

ャネルの劣化率および容量計算の詳細

3. 容量基準の RAU の選択方法な検討がなされているが，RAU 数と3.1 システムモデルすことができる．

を用いるかによってMT当りの伝送容量は変化する．これについて，上下チの関係については明らかにされていな＊9w

情報理論から下りの容量は式sで表1 つの CU に収容される RAU の数を

い[1][2]．

N，RAU 当りのアンテナ数を L，MT

また，一般に上り通信の場合は 1 つ

Ce＝ max E{log2[det(I＋HQxxH )]} s
Qxx’ tr{Qxx}≤ Pのアンテナ数を M とする時，受信信のGセル中のすべてのRAUが信号を受

ここで Q XX は送信信号の共分散行

号は式aで表される．

信してCUに転送し，CUでこれらの受列信信号を合成処理することで容量最大ay(d)＝H(d)x＋η化が実現できる．一方，下りでは1CU＊ 10である．また本方式では選択された RAU には以下のとおり送信電力を均等に割り当てることとする．

当りの送信電力が一定となることから，

ここでy（d）
はMTの受信信号ベクト

選択するRAUの数によって伝送レート

ル（M × 1 ），H（d）
はRAUとMT間の＊6が変化する．従来の選択法では常に信チャネルマトリックス （M × NL），号対干渉雑音比（SINR：Signal − to −d は距離ベクトル d ＝[d1, d2,…,dN]で，{pi＝p/n i∈RAUsel-set0othersd

ここでnは選択されたRAUの数であり，P は CU の総送信電力である．選RAU 1

RAU 2

H1
H2
RAU iHi（M × L ）H1

RAU 1HNRAU N

MTRAU iχ1h11w gi
h21w giw ghＭ1iHi
χ2h1Lw gi
χLfで表される．
Ce＝Ew

h12 gih22w gi

MTy1y2w

hM2 giw

h 2L gihMLw giyM

送信機から受信機までのチャネルマトリックス＊ 4 マルチホップ：通信端末どうしが直接的に通信を行うだけでなく，複数の通信端末が多段で接続されたネットワークにおいて，それら複数の端末により通信を中継し，離れた端末どうしでもデータのやり取りを可能とする通信方式．

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場合の容量は式sおよび式dより式（M × L ）
HN

RAU N

図3

択されたn個のRAUを用いて送信した

合成後のチャネルマトリックス＊ 5 信号対干渉雑音比： SNR が信号と雑音の電力比を表すのに対し，SINR は信号に対し，雑音と干渉電力の和との電力比を表す．
＊ 6 チャネルマトリックス：複数の送受アンテナ間のチャネルレスポンス（＊ 9 参照）を行列で表したもの．

{w

log2det[I＋H diag{ g1', g2'… gnT'}Qnw

diag{ g1', g2'… gnT'}H ]}f

ここで[ ]P−I 0
Qn＝ n n0 0gであり，{gi '}は{gi}を降順で並べたものである．

＊ 7 ガウス雑音：正規分布する雑音．
＊ 8 シャドーイング：建物，標識や他車両などにより電波が遮断されてしまう現象．

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3.3 容量最大化を基準にしたRAU 選択方法
伝送容量を最大にする RAU の最適A

選択方法について述べる．なお本稿でMTは簡素化のため，1 つの G セルにおいCては，ある時間に 1 人のユーザのみにBMT送信するものとする．提案の RAU 選MT

択手順は以下のとおりである．
ステップ1：各RAUからMTに対しパイロットを送信する．MTは各RAUか＝RAU

らの受信 SINR を測定し，一定時間内
図 4 RAU の動的選択の一例

における平均値を CU にフィードバッ
クする．
ステップ2：CUはSINRの大きな順番に RAU を並べ，式gを用いて下り容量が最大となるまでRAUを選択する．
ステップ3：選択されたRAUに送信電D E F力を均等に割り当てる．

Y以上の手順を一定周期で繰り返すこAとによって，MT の移動，つまり測定BCされた各 RAU の受信 SINR の変動に基

RAU3
RAU4

RAU2

RAU0

RAU1 X（0，0）（500m，0）

づいて常に最適な RAU を選択するこRAU5とができる．MTの移動に伴うRAUの動的選択の一例を図 4 に表す．ここで図5RAU6G セルの構成

は MT が A から B を経由して C へと移動する際に，それぞれ周辺の RAU が（250,50），C（250,0），D（0,300），E

次に，従来の RAU 選択方法との特動的に4個，1個および2個と選択され（50,300）およびF（100,300）の座標上性比較を行った．ここで，提案方式をている様子を示している．に存在するとした．

CBRS（Capacity Based RAU Selec-

A 〜 F の 6 カ所の異なる場所に位置tion），1 つの RAU のみを選択するするMTに対し，容量が最大となる送diversity selection 方法を1RAU, 固定し

図 5 のように 1 つの G セル内に 7 個

信RAU数を図 6 に示す．図5から分かた 2 つまたは 7 つの RAU を選択する方の RAU が分布し，各 RAU は 1 つのアるように，A および D に位置する MT法をそれぞれ2RAUs，7RAUsと略称すンテナを持つ場合を考える．また一例

では最適 RAU 数は 3，B および C に位る．MT の受信アンテナ数が 1 と 2 のを4，平均受信置する MT では最適 RAU 数は 2，E お場合における下り容量の累積密度関数

SNR を 10dB と仮定する．エリアの対よびFに位置するMTでは最適RAU数（CDF：Cumulative Density Function）

称性を考え，図 4 の網かけのエリアをが 1 となった．このように，MT の位を図 7 に示す．これらから従来の固定評価対象とし，評価対象のMTはそれ置する場所により最適な RAU 数が変RAU 数の選択方法に比べ，提案方式ぞれ本エリア内の A（250,145），B化することが明らかになった．

では常に容量が最大となるよう最適な＊ 9 チャネルレスポンス：送受信間の無線伝搬路を通過する際に送信信号が受ける減衰，位相回転および遅延を表すパラメータ．チ
ャネル応答ともいう．
＊ 10 共分散行列：各変数の分散を対角成分とし，その他の要素はそれぞれ 2 つの変数の変動方向（正・負）の相関度合いを表す行列．
＊ 11 距離減衰係数：移動通信における伝搬損失を計算する際に，送信機から受信機までの距離の n 乗を用いる．ここのｎを距離減衰係数という．

＊ 12 累積密度関数：確率変数がある値以下の値をとる確率を表したもの．

3.4 特性評価＊11として距離減衰係数

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＊1257

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分散アンテナシステムにおける下り伝送容量を考慮したアンテナ選択方法

RAU の数が選択され，その結果従来下り平均容量（bit/s/hz）

3.5の方法に比べて常に伝送容量が最大となっていることが分かる．また，受信3アンテナ数が 2 の場合は 1 の場合に比べ，容量が大きくなっていることも分

2.5

かる．
2A（250,145）（250,50）（250,0）（0,300）（50,300）（100,300）

BCDEF

1.5

1124. フィールド実験について
FuTURE プロジェクト・フェーズ 2
では時分割複信（TDD ： Time Divi-34567＊ 13sion Duplex） ， 周 波 数 分 割 複 信

下り送信に用いたRAUの数

図6＊14（FDD：Frequency Division Duplex）

異なる場所に位置する MT に対する RAU 数と容量の関係の両方のMIMO−OFDM（Orthogonal＊15

線伝送技術の検証のため，上海市内に110.90.9

おいてテストベッドが構築され,フィ0.80.8

0.70.7

ールド実験が行われた．実験で用いら0.60.6
CDF

CDF

Frequency Division Multiplexing） 無0.50.4

示す．

0.40.3周波数は 3.5GHz 帯の 20MHz 帯域を0.3
CBRS
1RAU
2RAUs
7RAUs

0.2
0.1
0

れたRAUおよびMTの外観を写真 1に

0.51

1.522.5
下り容量3（a）受信アンテナ数1の場合

3.5CBRS
1RAU
2RAUs
7RAUs

0.2
0.10
1.5 2

2.53

3.5 4 4.5
下り容量55.5（b）受信アンテナ数2の場合66.5使用し，6RAU で 3 つの G セル構成となっている．実験では，ピークデータレート 100Mbit/s（5bit/s/Hz）の実現が確認され，DASの実現性およびパケ

図7

下り容量の CDF

ットエラー率の改善効果の確認が行われた．また本アルゴリズムに基づくRAU 選択・切替が導入され，設計どおり動作することが確認された．

5. あとがき
移動通信システムの容量拡大のために有望視されている DAS において，下りの容量最大化を基準にした最適なRAU 選択方法を提案し，特性評価により提案方式の有効性を示した．
今後はマルチGセル／マルチユーザ（a）RAU（8アンテナ）（b）MT内部（4アンテナ）

写真 1 RAU と MT の外観の環境において，送信電力配分やスケジューリングと組み合わせた場合の検討を進める予定である．

＊ 13 時分割複信：双方向の送受信方式の 1 つ．
上りリンクと下りリンクに同一の周波数帯を使用し，異なる時間を割り当てることにより双方向通信が可能．

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文

献[2] W. Choi, J.G.Andrews and C.Yi:

The

novel spectrally efficient transmit diversity

Capacity of Multicellular Distributed

scheme in MIMO − DAS,

mance of the distributed antenna systems

Antenna Networks,

Communications Conference, Vol.1,

in a composite fading channel, IEEE Veh.

Communications and Mobile Computing,[1] W. Roh and A. Paulraj:

Outage perfor-Technology Conf., pp.1520 − 1524, Sep.
2002.

＊ 14 周波数分割複信：双方向の送受信方式の 1
つ．上りリンクと下りリンクに異なる周波数帯域を割り当てる方式であり，同時に送受信が可能．
＊ 15 OFDM ：直交波周波数分割多重．デジタル変調方式の 1 つであり，マルチパス干渉へ

NTT DoCoMo テクニカル・ジャーナル Vol. 15 No.1

Wireless Networks,

Military

pp.638−642, Oct. 2003.

Vol.2, pp. 1337−1342, Jun. 2005.
[3] C.Shen, L.Dai, S.Zhou and Y.Yao:

Aの耐性を高めるため，高速な伝送レートの信号を多数の低速な狭帯域信号に変換し周
波数軸上で並列に伝送する方式．高い周波数利用効率での伝送が可能である．

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