JP2004517549A - MIMO wireless communication system - Google Patents
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Abstract
前のMIMOシステムは、実現される直交チャネルン数を減少させないために空間ダイバーシチアンテナ素子を使用している。本発明は、これは、接近して配置されるアンテナ素子を使用する複数のビームアンテナと比較して、大きなアンテナサイズを導くということを認識する。小型のアンテナユニットを提供するために、一方さらにMIMOシステムが使用されることを可能とするために、本発明は、空間的に離れたアンテナ素子の必要なしに、偏波ダイバーシチのみがMIMOシステムで使用されることがことが可能であることを認識する。接近して配置されたアンテナ素子が使用されそして、これは、小型のMIMOアンテナユニットが提供されることを可能とする。更に加えて、偏波ダイバーシチを有するがしかし空間ダイバーシチはないそのようなMIMOシステムは、見通しの線の状況で使用され、そして、さらに容量を増加させるために、マルチビームアンテナシステムと組み合わされる。Previous MIMO systems have used spatial diversity antenna elements in order not to reduce the number of orthogonal channels realized. The present invention recognizes that this leads to a large antenna size compared to multiple beam antennas using closely spaced antenna elements. In order to provide a small antenna unit, while still allowing a MIMO system to be used, the present invention provides that only polarization diversity can be used in a MIMO system without the need for spatially separated antenna elements. Recognize that it can be used. Closely located antenna elements are used and this allows a small MIMO antenna unit to be provided. In addition, such a MIMO system with polarization diversity but no spatial diversity is used in line-of-sight situations and combined with a multi-beam antenna system to further increase capacity.
Description
【0001】
発明の分野
本発明は、複数入力複数出力(MIMO)無線通信システムに関連する。本発明は、限定はされないが、特に、偏波ダイバーシチを使用するMIMO無線通信システムに関連する。
【0002】
発明の背景
MIMO無線通信ステム(図1参照)は、送信機11に複数のアンテナ10を有しそして受信機13で1つ又はそれ以上のアンテナ12を有するものである。アンテナ10,12は、環境内の種々の散乱する物体(建物、自動車、丘等)の存在により、各信号が多重通路伝搬を受ける、多重通路の多い環境で採用される。そのように、雲の形状14が、送信と受信アンテナ間の散乱される信号を示すために、図1に示されている。ユーザデータは、従来技術で知られている、時空間符号化(STC)伝送法を使用して送信アンテナから送出される。受信アンテナ12は、送信された信号を捕捉し、そして、信号処理技術が、従来技術で知られているように適用され、伝送された信号を分離しそして、ユーザデータを回復する。
【0003】
MIMO無線通信システムは、より高いデータレートが得られることに関して、以前のシステムと比較して、送信機と受信機間の無線リンクの容量が改善されることを可能とし、優位である。多重通路の多い環境は、送信機と受信機の間に多数の直交チャネルが発生されることを可能とする。単一ユーザについてのデータは、それらのチャネルを介して並列に空中を介して、同時にそして同じ帯域幅を使用して、伝送される。従って、非−MIMOシステムよりも高いスペクトル効率が、達成される。
【0004】
MIMOシステムと共に存在する1つの問題は、送信及び受信アンテナアレイのサイズが大きいことに関する。以前は、MIMO送信及び受信アンテナアレイは、空間的に離れたアンテナアレイを使用した。即ち、個々のアンテナ素子の間の間隔が、無相関の空間フェージングが得られるように十分に大きく配置されている。これは、直交チャネルの数を減少させることを防止するために、必要である。即ち、アンテナ素子間のフェージング特性が類似する(相関がある)場合には、実現できる直交チャネルの数が減少される。例えば、屋根上の設置又はタワー上のアンテナについては、多重通路の低い角度の広がりにより、無相関化フェージングを達成するためには、20波長までの離隔距離が、必要とされる。
【0005】
MIMOシステムと共に存在する他の問題は、見通しの線の状態についてよりも散乱の発生する環境で使用するように設計されていることである。しかしながら、見通しの線の状態は、指向性アレイが加入者の家屋で使用される、ともに近くにある携帯無線装置と固定の無線アクセスシステムの間の通信のように、多くの状況で出現する。これは、以前は、そのような見通しの線の状態では、MIMOシステムから利用できる潜在的な容量を実現することが可能ではなかったことを意味する。
【0006】
前のMIMOシステムの空間ダイバーシチ配置は、そのようなシステムは、空間ダイバーシチなしの接近して配置されたアンテナアレイを要求する、マルチビームアンテナ配置と互換性がないことも意味する。マルチビームアンテナ配置は、2つ又はそれ以上の指向性アンテナビーム23を形成するために、複数の接近して配置されたアンテナ素子21(図2参照)がビーム形成器20と共に使用されるものである。送信されるべきデータは、入力24に入力し、そして、複数のユーザ装置端末22へ送信される。アンテナ素子間隔は、空間ダイバーシチがなく、且つ典型的には、半波長のアンテナ間隔で達成される。このように複数の指向性アンテナビームを使用することにより、ビーム間の妨害は、減少されそして、従って、ダウンリンク容量が増加される。即ち、アンテナアレイ21を含む単一の基地局によりサポートされることが可能なユーザ装置端末の数が、増加される。これは、ダウンリンク容量が、特定のユーザ又は複数のユーザについてデータレートを増加させることによりそれらのユーザについて増加される、図1に示されたような、MIMOシステムから異なる。
【0007】
本発明の目的は、上述の1つ又はそれ以上の問題を解決する又は緩和する、MIMO無線通信システムを提供することである。
【0008】
更に、本発明の利益と利点は、本発明の好ましい実施例を記しそして示す、添付の図面と共に以下の詳細な説明を考慮すると明らかとなろう。
【0009】
発明の概要
本発明の第1の面に従って、複数入力複数出力(MIMO)無線通信システムは、
・ 複数の送信アンテナ素子と、
・ 複数の受信アンテナ素子とを有し、
送信アンテナ素子は、偏波ダイバーシチを提供するように配置され、且つ、送信アンテナ素子の位置は、空間ダイバーシチが避けられるように配置される、複数入力複数出力(MIMO)無線通信システムが提供される。
【0010】
これは、空間ダイバーシチが避けられるので、送信アンテナ素子が小型のアンテナ配置を生成するために接近して配置されうるという利点を提供する。これは、アンテナ素子が、携帯情報端末(PDA)、携帯電話又は、他の小型装置のような、携帯装置に組み込まれる状況では、特に重要である。小型アンテナ配置は、生成される視覚的な影響が減少されるので、基地局設備及び他の屋外設備にも、有利である。更に、製造、搬送及び保管間コストも、減少される。
【0011】
受信アンテナ素子も、空間ダイバーシチを避けるために、接近して配置されるが、これは必須ではない。
【0012】
受信アンテナ素子も、偏波ダイバーシチを提供するようにそして、空間ダイバーシチが避けられるように、配置されるのが好ましい。これは、受信アンテナ素子が小型の受信機配置を生じるように、接近して配置されうるという利点を提供する。
【0013】
アンテナ素子は、個々の素子でもよく又は、セクター有効範囲についての列アレイのような、素子のアレイでもよい。また、アンテナ素子は、間隔を空けて配置され又は接近して配置されうる。例えば、2送信又は受信アンテナ素子を有するMIMOシステムは、それらの2つのアンテナ素子が接近して配置され、2重偏波素子を形成するように、設けられることが可能である。
【0014】
好ましくは、前記アンテナ素子は、2つの実質的に直交する偏波の1つで偏波される。例えば、水平及び主直に偏波されたアンテナ素子が使用されうる。また、送信と受信アンテナ素子が、同じ方法で偏波されていることは、必須ではない。例えば、送信アンテナ素子は、水平及び垂直偏波を使用できるが、一方、受信アンテナ素子は、右旋又は左旋の円偏波を使用できる。
【0015】
好ましくは、MIMOシステムは、特定の波長で動作するように配置され且つ、送信アンテナ素子の素子間間隔は、特定の波長の1つよりも短い。これは、空間ダイバーシチが避けられ、且つ、小型の送信アンテナ設計を提供する。受信アンテナ素子の素子間間隔は、その特定の波長よりも短くてもよいが、しかし、これは必須ではない。即ち、受信アンテナは、空間又は偏波ダイバーシチのいずれか又は、その両方を有しても良い。
【0016】
送信アンテナ素子は、使用されている複数のアンテナビームを提供するように共に更に配置されるのが、好ましい。これは、MIMO通信が、容量を改善するためにマルチビーム通信と結合されることを可能とする。空間ダイバーシチは、要求されないので、素子間間隔は、マルチビーム通信を可能とするように十分に接近していることが可能である。
【0017】
一例では、前記複数のアンテナビームは、アンテナビームの組を有し、各組は、第1の偏波の第1のアンテナビームと、実質的に第1と同一であるがしかし第1の偏波と異なる第2の偏波で提供される第2のアンテナビームを有する。これは、MIMOリンクが、アンテナビームの各組を使用して設けられることを可能とする。
【0018】
MIMO無線通信システムは、例えば、2:2と2:4MIMOシステムから選択される。これは、アンテナ素子の数が比較的少なく、そして、これは、それらのアンテナ素子を、携帯電話のような携帯通信装置に組み込むことを容易にする。
【0019】
本発明の他の面に従って、
・ 複数の送信アンテナ素子を有する送信アンテナ配置から、時空間符号化された信号を送信するステップと、
・ 複数の受信アンテナ素子を有する受信アンテナ配置で、時空間符号化された信号を受信するステップと、
を有し、
前記送信アンテナ素子は、偏波ダイバーシチが提供され且つ、前記送信アンテナ素子の位置は、空間ダイバーシチが避けられるように配置された、複数入力複数出力無線通信方法が提供される。
【0020】
これは、MIMO通信リンクが、空間ダイバーシチの必要なしに行われるという利点を提供する。例えば、これは、MIMOリンクが、それらの場合のリンク容量を向上させるために、見通しの線の状況で使用されることを可能とする。
【0021】
本発明の他の面に従って、複数入力複数出力(MIMO)無線通信システムで使用するアンテナ配置であって、偏波ダイバーシチを提供するように配置された複数の送信アンテナ素子を有し、且つ、前記送信アンテナ素子の位置は空間ダイバーシチを避けるようになされている、アンテナ配置が提供される。
【0022】
好ましい特徴は、当業者には明らかなように、適切に結合されてもよくそして、本発明のどの面とも結合されうる。
【0023】
本発明がどのように実行され得るかを示すために、本発明の実施例を例のみによりそして添付の図面を参照して以下に説明する。
【0024】
発明の詳細な説明
本発明の実施例を以下に、例示のためのみに、説明する。これらの例は、現在出願人が知っている、本発明を実施するのに最良の方法を示すが、しかし、それらは、これが達成できる唯一の方法ではない。
【0025】
用語”空間ダイバーシチ”は、ここでは、高速フェージングに対する低相関の信号を得るためのアンテナ間隔の使用を指す。低相関のために要求されるアンテナ間隔は、到着の角度と多重通路の角度広がりに依存する。角度広がりが低くなるほど、要求される間隔は大きくなる。
【0026】
用語”偏波ダイバーシチ”は、ここでは、低相関を有する信号を供給するために異なるアンテナ偏波を使用することを指す。これは、伝搬環境で、高度の偏波変換により容易にされる。異なる偏波を有する2つのアンテナを共通の位置で共有できるという利点を有する。
【0027】
以下の例では、直交偏波のアンテナ素子が使用される。しかしながら、受信機により偏波が区別できる限り、これらの偏波が正確に直交していることは必須ではない。用語“2重偏波アンテナ素子”はここでは、異なる偏波で動作する、実効的に2つの接近して配置されたアンテナ素子を有する単一のアンテナアパーチャを指す。
【0028】
上述のように、前のMIMOシステムは、実現される直交チャネルの数を減少させないように、空間的に離れたアンテナアレイを使用している。本発明は、接近して配置されたアンテナ素子を使用する複数ビームアンテナシステムと比較して、これが大きなアンテナ配置サイズとなることを認識する。小型のアンテナユニットを提供するために、一方さらにMIMOシステムが利用されることを可能とするために、本発明は、空間的に離れたアンテナ素子についての必要なしに、偏波ダイバーシチのみがMIMOシステムで使用されることが可能であることを認識する。接近して配置されたアンテナ素子が使用されそして、これは、小型のMIMOアンテナユニットが設けられることを可能とする。
【0029】
前のMIMOシステムは、偏波ダイバーシチを使用したが、しかしこれは常に空間ダイバーシチに加えてであったことは、一般的に承認されている。例えば、ルーセントテクノロジーズは、その論文で、2000年10月10−13の、R1−00−1219の”HSDPAについての複数アンテナ構造の実際的な側面”は、符号再使用機構を使用する複数アンテナ構造に対するアンテナ間隔の要求を記述している。それらは、基地局送信機と端末受信機の両方で、アンテナ間の十分な間隔が、無相関化されたフェージングのために要求されることを説明する。それらは、2重偏波アンテナの使用を述べるが、しかし、これは、空間ダイバーシチに加えてのみである。
【0030】
本発明は、(空間ダイバーシチの代わりに偏波ダイバーシチを使用することにより)接近して配置されたアンテナ素子がMIMOシステムで使用されることを可能とするので、更なる利点が達成される。これは、接近して配置されたアンテナ素子を有する配置が、MIMO通信システムと同時に動作する複数ビームアンテナシステムの両方を提供するように形成され且つ配置されることが可能であるということである。これは、増加された容量を提供し且つ、マルチビームアンテナシステムの利点をMIMOシステムのそれらと結合することを可能とする。
【0031】
前述のように、本発明は、空間的に離れたアンテナ素子の必要なしに、偏波ダイバーシチのみがMIMOシステムで使用されることが可能であることを認識する。これを以下に更に詳細に説明する。
【0032】
予想と対称的に、STCシステムの基地局と端末での偏波アンテナの使用は、通信リンクの回復力と強さを改善し、より小さなアンテナ構造の使用を可能とし、そして、田舎又は郊外の場所で及び、固定の無線アクセスアプリケーションのような、見通しの強い線の成分がある、低散乱環境でさえ、複数の直交チャネルを維持する更なる利益を有することが、分かった。従来技術のSTC又はMIMOシステムは、多重通路の多い環境で、空間的に無相関なアンテナに頼っていた。我々は、MIMOシステムでの偏波アンテナの使用は、予想よりも驚くほど良好に動作し且つ、STCシステムが低散乱環境で動作できるという追加の利点を提供することを見つけた。
【0033】
このアンテナ構成は、MIMOが、見通しの強い線の成分がある又は、確かに見通しの線の成分のみの環境で採用されることを可能とする。それは、MIMOが、加入者アンテナがおそらく軒の高さのユーザの家屋の外側に取りつけられた、固定の無線アクセス機構に適用されることを可能とするので、これは、重要である。また、これは、MIMOが、田舎の領域のような、さらに良好な環境に適用されることを可能とすることを意味する。
【0034】
散乱の多い環境に対しては、空間フェージングは通常はレイリー分布に従い、そして、これは、端末の複数のアンテナ構成が移動されるにつれて、各素子の受信信号は、ファードアップ又はフェードダウンすることを意味する。これは、直交チャネルの利得の変化となり、そして、空間的に離れたアンテナ(即ち、空間ダイバーシチ)を使用する2:2システム(即ち、送信機での2つのアンテナ素子と、受信機での2つのアンテナ素子)については、チャネル利得の分布が図3に示されている(線AとB)。同様な分布は、2:4、2:n(nは、2より大きい任意の整数)及び同様なMIMOシステムについて同様な分布が見られる。また、図3は、各端に1つのアンテナを有する無線リンクのレイリー分布も示す(線Z参照)。図3は、送信及び受信アンテナは無相関化された(似ていない)フェージング特性を有すると仮定する。
【0035】
しばしば、基地局での角度の広がりは小さくそして、これは、相関のあるフェージングを導きうる。相関のあるフェージングは、より弱いMIMOチャネルの利得を減少させる効果を有し、そして、基地アンテナが完全に相関される限界内で、より弱いチャネルの利得は、ゼロになる。言いかえると、2:2、2:4、2:n又は、同様なMIMOシステムについては、リンクの一端でのアンテナが、完全に相関されると、直交チャネルの数は1つに減少する。これは、2:4、2:n又は、同様なMIMOシステムにも適用される。パワー利得についての分布は、そして、図3の線Cに示されるものへ減少する(即ち、線Dは存在しない)。
【0036】
2重偏波素子が空間的に離れたアンテナの代わりに使用される場合には、2:2、2:4、2:n又は、同様なシステムについては、第2のチャネルが決して失われない。これは、レイリーフェージング環境では、異なる偏波に対するフェージング特性が常に無相関であるためである。限定された場合をとると、環境内に偏波変換がないと仮定するがしかし多重通路散乱がなお環境内で発生すると仮定する。2つの直交偏波のために、2つの直交経路がこの場合には存在する。従って、同じ2つの偏波が、リンクの両端で使用される。どの時点でも、より強いチャネルは、単純に、最大の受信信号レベルを有する受信素子である。最も強いチャネルと最も弱いチャネルについてのパワー利得の分布は、図4の線EとFに示されている。これらは、送信及び受信端でアンテナが無相関のフェージングを有する偏波変換のない偏波ダイバーシチ構成についての分布(図4の線AとB)と比較して示されている。主な点は、偏波変換がくても、2つの直交チャネルが残り、偏波の使用は、空間ダイバーシチを使用することよりも、更に強いことを示す。
【0037】
MIMOシステムは、通常は、そこから複数の直交チャネルが抽出される散乱の多い環境の要求で開始する。本発明のこの面は、どのような多重通路の不存在の場合でさえも、既に直交経路を有するアンテナ構成で開始することにより、反対方向から開始する。環境内での多重通路散乱は、この初期状態からシステムを乱し、そして、ある時空間処理が直交チャネルを回復するために適用されうる。空間ダイバーシチに依存する現在あるMIMOシステムとの差は、多重通路散乱が減少されるので、複数の直交チャネルが消滅することである。本発明で、多重通路散乱が減少されるので、複数の直交チャネルは維持される。
【0038】
MIMOシステムは、無線リンクの各端で多くのアンテナを使用する要求のために、空間ダイバーシチを考慮して開発された。しかしながら、実際のシステムについては、リンクの各端で使用されるべきアンテナの数は、2から4の間に制限されそうである。本発明の一実施例は、リンクの各端で、2つのアンテナ素子が使用される場合を考慮して開始する。我々は、リンクの各端で2つの空間的に離れたアンテナを使用し且つフェージングがない場合には、各端のアンテナは完全に相関される。この場合には、我々がすることのできる最良のことは、リンクの各端で2つの素子配列から3dBのパワー利得を達成し、合計で6dBの信号対雑音比の増加を得ることである。これは、各端での単一アンテナでのリンクと比較して、達成される容量は、(信号対雑音比、SNRの異なる値に対して)図5に示されていることを意味する。
【0039】
対照的に、リンクの各端で2重偏波素子が使用される場合には、2つの直交経路が既に存在する。従って、データは、これらの2つの経路を介して並列に送信されることが可能である。例えば、各端で垂直に偏波した素子と水平にに偏波した素子が使用される場合には、2つの直交経路は、垂直対垂直リンク及び、水平対水平リンクである。この場合には、リンクの各端で単一(同一偏波された)アンテナでのリンクと比較して、2:2偏波ダイバーシチMIMOシステムの容量が、図6に示されている。より高い容量利得が、高信号対雑音比(>6dB)のある場所で達成されることがわかる。この効果は、2:4、2:n又は、同様なMIMOシステムについても見られる。厳密には、ビーム形成に使用される各端での2つの同一偏波素子を有する場合の結果と比較すべきである。この場合についてのこの結果は、実際には、リンクの各端で3dBアレイ利得を有する、図5に示された2:2空間ダイバーシチの結果に正確に対応する。そして、図5と図6の結果を比較することにより、偏波ダイバーシチ構成についての容量は、0dBのSNRについての空間ダイバーシチ構成よりも低いことがわかる。最も高い利得は、高いSNRを有するMIMOから得られる。
【0040】
ここで注意する他の利点は、2重偏波素子は、接近して配置されることができることであり、そして、従って、2つの空間的に離れたアンテナを有することができる場合には、2つの空間的に離れた2重偏波素子を簡単に有することができる。フェージングのない環境では、空間的な分離は、MIMOにどのような更なる直交チャネルも提供できないが、しかし、追加の利得(6dB;各端から3dB)が、追加の容量利得を提供するためにSNRを改善するために使用されることが可能である。これを更にとるために、MIMOは、基地と加入者アンテナの両方で、2重偏波アンテナ素子を採用することにより、屋外の指向性の軒の高さの加入者アンテナを使用する固定の無線アクセスシステムへ適用されることが可能である。屋外アンテナは、建物へのRF(無線周波数)透過に関連する高透過損失を避けるために、典型的には、必要とされる。軒の高さの取り付けは、しばしば、基地局への見通しの強い線があることを意味する。従って、指向性アンテナが信号対雑音比を最大にするために、そして、ネットワークの残りへの妨害を最小化するために、使用される。しかしながら、これらの低フェージング環境では、リンク容量は、2:2、2:n又は、同様な偏波ダイバーシチMIMOと、高利得加入者アンテナ及び基地局アンテナとを、組み合わせることにより、大きく増加される。
【0041】
郊外又は田舎の環境と移動端末、即ち、ある携帯装置の形式を考えることにする。所定の環境では、特に基地局での角度の広がりは、空間ダイバーシチMIOM構成に対してはアンテナ間の相関が非常に高くなるように、非常に低い。偏波ダイバーシチの場合については、アンテナ間の相関は低く、そして、偏波変換も低い。従って、2つの直交経路の容量に対する値の分布があり、そして、これらは図7と図8に示されている。空間ダイバーシチの場合については、基地局では非常に小さな角度の広がりがありそして、基地局アンテナ素子は、完全に相関されると仮定される。偏波ダイバーシチの場合については、両端でのアンテナ素子は、完全に無相関であるが、しかし、環境内に偏波変換がないと仮定される。明らかに、偏波ダイバーシチ配置で達成される容量は、最大である。これらの場合についてのパワー利得の分布は、図3と図4に示されていることに、注意する。
【0042】
最後に、両端で空間ダイバーシチが無相関となるような、多重通路の多い環境で見るそして、再びレイリーフェージングが全ての経路に対して仮定される場合には、得られる容量分布は、図9に示されている。
【0043】
この環境では、偏波変換は、非常に高そうである。我々は、交差偏波比が、0dBとなる仮定する場合には、2:2偏波ダイバーシチMIMO構成についての容量曲線は、図9に示されたものへ正確に減少し、そして、2つの構成は等価となる。これは、2:4、2:n又は、同様な偏波ダイバーシチMIMO構成についても発生する。
【0044】
2:2MIMOシステムについての測定値は、偏波ダイバーシチは、空間ダイバーシチアンテナ構成よりも良好に動作することを、明らかに示す。この発見は、2:nのMIMOシステムと他の適するMIMO構成に拡張できる。郊外環境の屋外基地局と屋内加入者端末を使用して、測定が行われた。2つの直交するMIMO経路のパワー利得についてのこの結果は、図10に示されている。偏波ダイバーシチアンテナ構成についてのこの経路利得は、空間ダイバーシチアンテナ構成について得られるものよりも高い。10波長離隔距離が基地局でのアンテナに対して使用され、0.5波長の離隔距離が空間ダイバーシチ構成についての加入者でのアンテナについて使用されたことに注意する。このように、測定は、偏波ダイバーシチは、空間ダイバーシチよりも、更に強いことを、明らかに示す。
【0045】
上述のように、空間ダイバーシチの代わりに偏波ダイバーシチをのみを使用するMIMOシステムの1つの利点は、見通しの線の状況が、適応されることである。偏波ダイバーシチのみを有するMIMOシステムが使用されることが可能である状況の4つの例が、図11から14を参照視して且つ説明されそして、これらの多くは見通しの線の状況を含む。これらの例の各々では、アンテナ構成は、MIMOシステムを提供するために、適する時空間符号化機構と結合される。
【0046】
図11は、偏波ダイバーシチのみを使用するMIMOシステムを使用して、互いに通信するようになされた携帯情報端末(PDA)又はラップトップコンピュータのような、2つの無線携帯装置111,112を示す。どのような適する携帯装置が使用されてもよくそして、通信は異なるそのような携帯装置間でもよい。複数の偏波されたアンテナ素子が、各携帯無線装置111,112に統合されている。水平/垂直偏波、左旋及び右旋円偏波、±45°偏波又は、他の形式の、どのような好ましい形式の偏波も使用されうる。各携帯装置111,112は、2重偏波された即ち、2つの異なる偏波で動作する、アンテナ素子を有するか又は、アンテナ要素の組みを有し、そのような組みの各構成部分が実質的にその組みの他の構成部分に関して直交して偏波されているかのいずれかである。そのアンテナは、例えば、プリントされた2重偏波パッチアンテナ、交差ダイポール/モノポール形式の素子、交差スロット又は右旋及び左旋円偏向アンテナでもよい。
【0047】
好ましい数のアンテナ素子は、各携帯装置で使用され、そして、1つの装置では他の装置よりも多くのアンテナ素子があってもよい。しかしながら、好ましい実施例では、各装置で2つの2重偏波アンテナ素子が、又は、1つの装置で2素子そして他の装置で4素子が使用される。
【0048】
図11に示された例では、水平(H)及び垂直(V)偏波アンテナ素子が、各携帯装置で使用される。結果のMIMOシステムは、図11の矢印V−VとH−Hで示された2つの直交チャネルを提供する。環境内の散乱で、ある偏波変換が発生しそして、これは、図11の破線の矢印V−HとH−Vで示されている。この状況では、携帯装置は、典型的には、互いに近く(例えば、<10m離れている)、それにより、見通しの強い線存在する確立が高い。しかし、偏波ダイバーシチを有するMIMOが、空間ダイバーシチと反対に、使用されるので、そのような見通しの線のMIMO通信が効果的である。
【0049】
図12は、複数のアンテナ素子121を有する基地局アンテナ120と、複数のアンテナ素子123を有する指向性加入者アンテナ122を有する、固定の無線アクセスシステムを示す。各場合に、アンテナ素子は、2重偏波又は、図11を参照して説明したように偏波されていてもよい。また、図11については、どのような好ましい数のアンテナ素子が使用されうるが、しかしながら、2:2又は2:4のMIMOシステムが水平(H)及び垂直(V)偏波で設けられているのが好ましい。加入者アレイ122の指向性は、信号対雑音比を増加させそして、2:2のMIMOシステムは2つの並列の直交チャネル(図12のH−H、V−V)を構成する。見通しの強い線の状況が含まれる場合さえ、空間ダイバーシチよりも偏波ダイバーシチを有するMIMOの使用は、効果的な通信が確立されることを可能とする。
【0050】
図14は、天井に取り付けられているがしかしどのような適する場所にも配置できる、屋内無線ローカルエリアネットワーク(WLAN)基地局140を示す。この基地局140は、複数の偏波アンテナ素子を有するPC141と通信する。この例では、PC141に接続された別の無線モデム142が、使用される。無線モデム142は、統合された2重偏波アンテナ素子を有する。これは、一例であるが、しかし、アンテナ素子はどのような形式でもよくそして適する形式の端末に接続され又は統合される。基地局140も、複数の偏波アンテナを有し、MIMOリンクを介してユーザ端末140と通信する。大量の多重通路散乱だけでなく、特に大きなオープンプランの事務所では、見通しの強い線の状況の可能性がある。2つの偏波のアンテナ素子の使用は、基地局に関して、全ての位置で、少なくとも2つの直交経路があることを保証する。これは、基地局が屋外にありそして、ユーザが基地局の近くにいる場合にも、当てはまる。
【0051】
図13は、複数の偏波アンテナ素子を有する基地局アンテナアレイ130を示す。移動又は遊動ユーザ端末131でのMIMO通信は、上述の複数の偏波アンテナ素子をも有するユーザ端末と発生する。そのような状況では、偏波変換は、通常は低く、見通しの線の経路がしばしば存在し、そして、角度の広がりはしばしばリンクの両端で低い。偏波ダイバーシチのみを有する(即ち、空間ダイバーシチなしの)MIMOを使用することにより、リンク容量を、空間ダイバーシチのみ有するMIMOを使用するのと比較して、増加することが可能である。更に加えて、アンテナ素子は、接近して配置されることができ、そして、これは、携帯端末又は空間が制限された他のユーザ端末へ、更に簡単に統合されることを可能とする。
【0052】
他の例では、図13の基地局は、MIMO通信に加えて、複数のアンテナビームを提供するために修正される。これは、容量が、MIMO通信単独を使用するのと比較して、更に増加されることを可能とする。これを、偏波ダイバーシチを有するがしかし空間ダイバーシチを有するしないMIMOシステムがどのようにマルチビームアンテナと組み合わすことができるかの一例を示す、図15Aと15Bを参照して更に詳細に説明する。
【0053】
図2を参照して上述したように、マルチビームアンテナシステムは、例えば、2分の1波長の間隔を有するような、接近して配置されたアンテナ素子を必要とする。図15Aは、そのように接近して配置されたアンテナ素子151を有する基地局アンテナアレイ150の例を示す。この場合には、各アンテナ素子は、6の偏波アンテナ素子の列である。6つのそのような列は、方位圏内で、2分の1波長の間隔で使用される。図15Bに示されているように、2つの偏波の各々で、3つのアンテナビームを形成するために、このアレイと共に2つのビーム形成器が使用される。1つのビーム形成器は、1つの偏波、即ち、+45°で3つのアンテナビームA1,A2,A3を形成し、一方、他のビーム形成器は、他の偏波、即ち、−45°で3つのアンテナビームB1,B2,B3を形成する。図22に示された修正されたバトラーマトリクスビーム形成器のような、どのような好ましい形式のビーム形成器も、使用されうる。
【0054】
図22は、修正されたバトラーマトリクスビーム形成器の概略図である。これは、容易にトリプレート(triplate)で実現される、同心のレイアウトのハイブリッドカプラを有する平面の構造で実行される、6かける6バトラーマトリクス222を示す。3つのアンテナビーム(A,B,C)は、示されたように隣接するビームポートを組みにすることにより、発生される。これは、我々のノーテルネットワークに譲渡された米国特許出願番号09/394,835で詳細に説明され、そして、参照によりここに組み込まれる。そのようなビーム形成器を使用する特定の利点は、挿入損が最小化されることである。
【0055】
ビームA1,B1が加入者局152と第1のMIMO通信リンクを構成するために使用され、一方、ビームA2,B2が加入者局153(又は、ビームA2,B2によりサービスを受ける他の適する加入者局)と第2のMIMOリンクを構成するために使用され、そして、ビームA3,B3が、ビームA3,B3によりサービスを受ける任意の加入者局(例えば、154)と第3のMIMOリンクを構成するために使用されように、基地局は、アンテナビームの組みをわたり時空間符号化を使用するようにもなされる。
【0056】
偏波ダイバーシチのみがMIMOシステムについて使用されるので、MIMOとマルチビーム配置をこのように結合することが可能である。1次には、マルチビームとMIMOシステムの容量利得は独立であるので、これは、増加された容量の利点を有する。結果のハイブリッドシステムは、両方のアプローチの利益を共有する。
【0057】
移動又は固定無線応用のいずれかに適合された、結合されたMIMOとマルチビーム配置の特定の実施例を説明する。図16は、固定の無線応用が含まれる場合を示す。基地局160は、4つの受信機チェインと2つの送信機チェインを有する、4つの偏波アンテナ素子を含む顧客の家屋の装置(CPE)161への通信リンクを提供する。基地局は、3−セクター化されているのが好ましく、そして、各セクタ内に、図15Aと15Bを参照して説明したように、ダウンリンクに関する2−ブランチMIMO送信を有する、2つの偏波に関する3つのビーム出力が設けられる。
【0058】
図17は、基地局(BTS)構造を示す。6列の、交差偏波アンテナアレイ170が基地局の各ファセットに設けられており、そして、ダウンリンクとアップリンクの両方の設計に共通している。各アンテナファセットは、基地局のセルの単一のセクタとして働き、そして、2つの偏波の両方の3つのビーム出力を提供するために、2つの無線周波数(RF)ビーム形成器を使用する。異なる数のビーム出力を提供することも可能である。例えば、セクタ当り4ビームは、大きな容量を与えるが、しかし、更なるRFフィーダーケーブルと更なるアップコンバータ及びダウンコンバータモジュールを必要とする。どのような適するビーム形成器も使用でき、そして、好ましい例では、直交6−ウェイの修正されたバトラーマトリクスビーム形成器(例えば、図22参照)が使用され、これは、低損失の解決方法(直交ビーム形成器はそれ自身で公称は無損失である)を提供しそして、適するビーム幅、隣接ビームの間のクロスオーバーとサイドローブレベルを与える。図18は、比較の目的のために、トリセルラー配備と一貫性のある、従来の65°ビーム幅の全セクタパターン(線180参照)とともに、プロットされた結果のビームパターンを示す。このビームパターンは、45°の角度のダイポール素子アレイについて得られ、そして、3つの主ビーム181,182,183を示す。得られたビームパターンの利点は、特に、接近した範囲で、セクタの大きな部分内で経験される妨害を最小化するために、隣接するビームが重なる程度が、減少されることである。従って、抑圧されたサイドローブと共に、低クロスオーバー又は尖点(カスピング)レベルが、優位である。ビームは、比較的狭く(約25°の又はそれより小さいビーム幅)、そして、約毎40°離れている。
【0059】
これは、RFチェインを通しての能動の位相較正の必要を除去するので、ビーム形成器は、アンテナファセットと統合されるのが好ましい。しかしながら、これは必須ではない。このように統合されないビーム形成器が、使用されることが可能である。
【0060】
マルチビームセクタ化に加えて、ダウンリンクでの2−ブランチMIMO送信が提供される。MIMO送信は、偏波アンテナアレイ170を使用することにより、達成される。同一のビームの組みが、2つの直交偏波上に形成されそして、送信は、適する時空間符号化機構を使用してビームの対応する組みをわたり符号化される。そのような、アプローチは、単一の小型アンテナアパーチャから、マルチビームとSTCの両方の利益を提供する。
【0061】
アップリンクでは、ダウンリンクについてのと同じマルチビーム構成が、偏波ダイバーシチと共に使用されるのが好ましい。ビームの指向性は、大きな妨害の低減を提供する。ビームの尖点に配置された加入者は、ビームのピークに配置された加入者と比較して劣化されたリンク性能を受ける傾向にある。しかしながら、劣化は、改善された利得と増加されたダイバーシチの利益を達成するために、(両方の偏波で)隣接するビーム出力をコヒーレントに結合することにより、最小化される。
【0062】
本発明は、特にダウンリンク(基地局から移動)又は、容量負荷が最大でありそうな、例えば、ウェブページ及びインターネットアプリケーションのようなエンドユーザへのサービスの供給のような、他のユーザ端末に関連する。
【0063】
前述のように、どのような適する形式の時空間符号化方法も使用できる。例えば、図19の最上位層に示された時空間ブロック符号化(STBC);固定又は遊動応用にさらに適用可能であり且つ図19の中間層に示された、レイヤード時空間(BLAST);及び、移動及び固定応用の両方に適し且つ図19の最下層に示された時空間トレリス符号化(STTC)がある。
【0064】
他の好ましい方法は、図20のように、分離されたサブチャネルを有する帰還時空間符号化である。この形式の帰還又は固有モードSTCは、送信機の並列ストリームを切り離すことにより、受信処理を単純化する。それは、受信から送信へのMIMOチャネル重みの帰還を要求しそして、低ドップラー固定又は遊動アプリケーションに最も適する。
【0065】
空間多重時空間符号化も、図21で示されているように使用されることが可能である。この方法では、独立の符号化されたデータストリームが、異なる送信アンテナに送られる。受信機は、異なる送信を分離するために、空間処理を実行することが要求される。これは、受信機で明確な空間署名を必要としそして、性能は、HH*の最少固有値により制限され、ここで、Hはチャネルマトリクスである。固有値が不均衡のときには、性能は、固有値モードSTCよりも悪いが、しかし帰還要求は大きく減少される。
【0066】
MIMO及びマルチビームシステムが組み合わされる上述の実施例では、時空間符号化MIMO通信方法が、各アンテナビームリンクについて使用される。例えば、各々が2つの偏波での、3つのアンテナビームの場合を考える。それらのアンテナビームの1つ及び、他の偏波での対応するビームは、それらのビームにより供給される地理的な領域内に配置された1又はそれ以上の加入者又はユーザにサービスを提供する。基地局とそれらのユーザの間の、MIMO、時空間符号化された通信は、アンテナビームの組みを介して発生する。MIMOを使用することにより、それらのユーザに対する通信レートを増加することが可能である。同じことが、他の2つの組のアンテナビームによりサービスを提供される地理的な領域内のユーザに対して発生する。このように、MIMO通信のない3つの組みのアンテナビームを使用するのと比較して、容量が増加される。
【0067】
しかしながら、1つ又はそれ以上のアンテナビームから、MIMO時空間符号化通信と、非−MIMO、非−時空間符号化通信の両方を、同時に提供することも可能である。これは、非−MIMO準拠の伝統的なユーザ装置は動作できるが一方、同時にMIMO準拠のユーザ装置が使用できるという利点がある。ユーザ又は加入者装置は、2つの形式の信号に対して異なる搬送波周波数を有することによるような、適する方法を使用して、MIMOと非−MIMO通信パケットの間を区別することができるようになされる。基地局は、基地局からこれらの形式の通信の両方が同時に送信されるように、MIMO及び非−MIMOパケットを多重するようになされる。
【0068】
ここの教示の理解について当業者には明らかなので、ここで与えられた範囲及び装置値は、得ようとした効果を失うことなく、拡張され又は変更されうる。
【0069】
出願の範囲は、本発明の範囲内である。これらは、空間ダイバーシチなしにしかし代わりに偏波ダイバーシチで動作するMIMO無線通信システムを提供するために要求される状況を含む。例えば、見通しの線の状況で、又は、MIMO及びマルチビームシステムが組み合わされる場合である。
【図面の簡単な説明】
【図1】
従来技術のMIMO無線通信システムの概略図である。
【図2】
従来技術のマルチビーム無線通信システムの概略図である。
【図3】
基地局のアンテナが完全に相関しているときの場合及び、無相関のときの場合についての、空間ダイバーシチアンテナを有する2:2MIMOシステムについてのチャネルパワー利得の理論的な分布のグラフであり;更に、1:1システムについてのレイリー分布を示すグラフである。
【図4】
偏波変換が存在する又はしない、空間的に分離されたアンテナの代わりに、2重偏波素子が使用されるときの、2:2MIMOシステムについてのチャネルパワー利得の理論的な分布を示すグラフである。
【図5】
信号対雑音比の異なる値に対する、フェージングなしの環境での、1:1リンクと比較された、2:2空間ダイバーシチMIMOシステムの理論的な容量を示すグラフである。
【図6】
図5と同様であるがしかし、フェージングなしの環境での、1:1リンクと比較された、(空間ダイバーシチを有しない)2:2偏波ダイバーシチMIMOシステムの理論的な容量を示すグラフである。
【図7】
信号対雑音比の異なる値に対する、完全に相関された基地局アンテナ(送信機)と完全に無相関の端末を有する、2:2空間ダイバーシチMIMOシステムについての、理論的な容量分布を示すグラフである。
【図8】
図7と同様であるが、しかし、環境内に偏波変換のない且つ(空間ダイバーシチを有しない)2:2偏波ダイバーシチMIMOシステムについてのグラフである。
【図9】
完全に無相関のアンテナ素子を有する2:2空間ダイバーシチMIMOシステムに対する図7と8と同様なグラフである。
【図10】
経験的な結果のグラフであり;2:2空間及び偏波ダイバーシチ構成に対する直交MIMO経路についてのパワー利得についての測定された分布を示す。
【図11】
パーソナルエリアネットワークの2つの携帯無線通信端末間のMIMO通信リンクの概略図である。
【図12】
固定の無線アクセス状況でのMIMO通信リンクの概略図である。
【図13】
基地局と移動又は遊動ユーザ端末の間のMIMO通信リンクの概略図である。
【図14】
無線ローカルエリアネットワーク内のMIMO通信リンクの概略図である。
【図15A】
移動又は固定無線アクセスMIMO通信ネットワーク内の基地局で使用されるアンテナアレイの概略図である。
【図15B】
図15Aのアンテナアレイを使用して発生されたアンテナビーム構成の概略図である。
【図16】
固定の無線アクセスMIMO配置の概略図である。
【図17】
MIMOとマルチビーム通信の両方を提供する基地局の無線周波数構成の概略図である。
【図18】
図17のアンテナアレイについてのアンテナビームパターンを示す図である。
【図19】
時空間ブロック符号化、レイヤード時空間及び、時空間トレリス符号化の、3つの時空間符号化方法の概略図である。
【図20】
分離されたサブチャネルを使用する帰還時空間符号化方法の概略図である。
【図21】
BLASTとしても知られる、空間多重時空間符号化方法の概略図である。
【図22】
本発明の一実施例で使用されるビーム形成器の概略図である。[0001]
Field of the invention
The present invention is related to a multiple-input multiple-output (MIMO) wireless communication system. The present invention is particularly, but not exclusively, related to a MIMO wireless communication system that uses polarization diversity.
[0002]
Background of the Invention
A MIMO wireless communication system (see FIG. 1) has
[0003]
MIMO wireless communication systems are advantageous in that higher data rates can be obtained, allowing the capacity of the wireless link between the transmitter and the receiver to be improved as compared to previous systems. A multipath-rich environment allows multiple orthogonal channels to be generated between the transmitter and the receiver. Data for a single user is transmitted over the air in parallel over those channels, simultaneously and using the same bandwidth. Thus, higher spectral efficiency than non-MIMO systems is achieved.
[0004]
One problem that exists with MIMO systems relates to the large size of the transmit and receive antenna arrays. Previously, MIMO transmit and receive antenna arrays used spatially separated antenna arrays. That is, the intervals between the individual antenna elements are arranged sufficiently large so that uncorrelated spatial fading can be obtained. This is necessary to prevent reducing the number of orthogonal channels. That is, when the fading characteristics between the antenna elements are similar (there is a correlation), the number of achievable orthogonal channels is reduced. For example, for rooftop installations or tower antennas, separations of up to 20 wavelengths are required to achieve decorrelating fading due to the low angular spread of the multipath.
[0005]
Another problem that exists with MIMO systems is that they are designed for use in environments where scattering occurs more than for line-of-sight conditions. However, line-of-sight conditions occur in many situations, such as communication between a nearby portable wireless device and a fixed wireless access system, where the directional array is used in a subscriber's home. This means that previously, in such line-of-sight conditions, it was not possible to realize the potential capacity available from a MIMO system.
[0006]
The spatial diversity arrangement of previous MIMO systems also means that such systems are not compatible with multi-beam antenna arrangements, which require closely spaced antenna arrays without spatial diversity. A multi-beam antenna arrangement is one in which a plurality of closely spaced antenna elements 21 (see FIG. 2) are used with a
[0007]
It is an object of the present invention to provide a MIMO wireless communication system that solves or alleviates one or more of the problems described above.
[0008]
Further, the benefits and advantages of the present invention will become apparent from the following detailed description, taken in conjunction with the accompanying drawings, which set forth and illustrate preferred embodiments of the invention.
[0009]
Summary of the Invention
According to a first aspect of the present invention, a multiple-input multiple-output (MIMO) wireless communication system comprises:
A plurality of transmitting antenna elements;
A plurality of receiving antenna elements,
A multiple-input multiple-output (MIMO) wireless communication system is provided wherein the transmitting antenna elements are arranged to provide polarization diversity and the positions of the transmitting antenna elements are arranged to avoid spatial diversity. .
[0010]
This offers the advantage that the transmit antenna elements can be closely spaced to create a compact antenna arrangement, since spatial diversity is avoided. This is particularly important in situations where the antenna element is incorporated into a portable device, such as a personal digital assistant (PDA), cell phone, or other small device. Small antenna arrangements are also advantageous for base station equipment and other outdoor equipment, since the visual effects created are reduced. In addition, manufacturing, transport and storage costs are also reduced.
[0011]
The receiving antenna elements are also placed close together to avoid spatial diversity, but this is not required.
[0012]
The receiving antenna elements are also preferably arranged to provide polarization diversity and to avoid spatial diversity. This offers the advantage that the receiving antenna elements can be located close together, resulting in a compact receiver arrangement.
[0013]
The antenna elements may be individual elements or an array of elements, such as a column array for sector coverage. Also, the antenna elements may be arranged at intervals or in close proximity. For example, a MIMO system having two transmit or receive antenna elements can be provided such that the two antenna elements are closely spaced and form a dual polarization element.
[0014]
Preferably, said antenna element is polarized in one of two substantially orthogonal polarizations. For example, horizontally and predominantly polarized antenna elements may be used. It is not essential that the transmitting and receiving antenna elements are polarized in the same way. For example, the transmitting antenna element can use horizontal and vertical polarizations, while the receiving antenna element can use right-handed or left-handed circularly polarized waves.
[0015]
Preferably, the MIMO system is arranged to operate at a particular wavelength and the spacing between the transmitting antenna elements is shorter than one of the particular wavelengths. This avoids spatial diversity and provides a small transmit antenna design. The inter-element spacing of the receiving antenna elements may be shorter than that particular wavelength, but this is not required. That is, the receiving antenna may have either space or polarization diversity or both.
[0016]
Preferably, the transmitting antenna elements are further arranged together to provide the plurality of antenna beams being used. This allows MIMO communications to be combined with multi-beam communications to improve capacity. Since spatial diversity is not required, the spacing between elements can be close enough to allow multi-beam communication.
[0017]
In one example, the plurality of antenna beams comprises a set of antenna beams, each set being substantially identical to the first antenna beam of the first polarization, but with the first polarization. A second antenna beam provided with a second polarization different from the wave. This allows a MIMO link to be provided using each set of antenna beams.
[0018]
The MIMO wireless communication system is selected from, for example, 2: 2 and 2: 4 MIMO systems. This has a relatively small number of antenna elements, and this facilitates incorporating them into a portable communication device such as a mobile phone.
[0019]
According to another aspect of the invention,
Transmitting a space-time coded signal from a transmitting antenna arrangement having a plurality of transmitting antenna elements;
Receiving a space-time coded signal in a receiving antenna arrangement having a plurality of receiving antenna elements;
Has,
A multi-input, multi-output wireless communication method is provided, wherein the transmitting antenna element is provided with polarization diversity, and the position of the transmitting antenna element is arranged so as to avoid spatial diversity.
[0020]
This offers the advantage that the MIMO communication link is performed without the need for spatial diversity. For example, this allows MIMO links to be used in line-of-sight situations to improve link capacity in those cases.
[0021]
According to another aspect of the invention, there is provided an antenna arrangement for use in a multiple-input multiple-output (MIMO) wireless communication system, comprising a plurality of transmit antenna elements arranged to provide polarization diversity; An antenna arrangement is provided in which the location of the transmitting antenna elements is such that spatial diversity is avoided.
[0022]
Preferred features may be combined as appropriate, as will be apparent to those skilled in the art, and may be combined with any aspect of the invention.
[0023]
To illustrate how the invention may be implemented, embodiments of the invention are described below by way of example only and with reference to the accompanying drawings.
[0024]
Detailed description of the invention
Embodiments of the present invention will now be described by way of example only. These examples show the best ways of practicing the present invention, now known to the applicant, but they are not the only ways this can be achieved.
[0025]
The term "spatial diversity" herein refers to the use of antenna spacing to obtain a low correlation signal for fast fading. The required antenna spacing for low correlation depends on the angle of arrival and the angular spread of the multipath. The lower the angular spread, the greater the required spacing.
[0026]
The term "polarization diversity" here refers to using different antenna polarizations to provide a signal with low correlation. This is facilitated in a propagation environment by advanced polarization conversion. This has the advantage that two antennas with different polarizations can be shared at a common location.
[0027]
In the following example, orthogonally polarized antenna elements are used. However, it is not essential that these polarizations be exactly orthogonal as long as the polarization can be distinguished by the receiver. The term "dually polarized antenna element" herein refers to a single antenna aperture having effectively two closely spaced antenna elements operating at different polarizations.
[0028]
As described above, previous MIMO systems use spatially separated antenna arrays so as not to reduce the number of orthogonal channels implemented. The present invention recognizes that this results in a large antenna placement size compared to a multiple beam antenna system using closely spaced antenna elements. In order to provide a small antenna unit, while still allowing a MIMO system to be utilized, the present invention provides for a polarization diversity-only MIMO system without the need for spatially separated antenna elements. Recognize that it can be used in Closely located antenna elements are used and this allows a small MIMO antenna unit to be provided.
[0029]
It is generally accepted that previous MIMO systems used polarization diversity, but this was always in addition to spatial diversity. For example, Lucent Technologies, in their paper, Oct. 13, 2000, R1-00-1219, "Practical Aspects of Multiple Antenna Structures for HSDPA," describes a multiple antenna structure using a code reuse mechanism. Describes the requirements for the antenna spacing. They illustrate that at both the base station transmitter and the terminal receiver, sufficient spacing between antennas is required for decorrelated fading. They describe the use of dual polarization antennas, but this is only in addition to spatial diversity.
[0030]
A further advantage is achieved because the present invention allows closely spaced antenna elements to be used in a MIMO system (by using polarization diversity instead of spatial diversity). This means that an arrangement with closely spaced antenna elements can be formed and arranged to provide both a multiple beam antenna system operating simultaneously with the MIMO communication system. This provides increased capacity and allows to combine the advantages of a multi-beam antenna system with those of a MIMO system.
[0031]
As mentioned above, the present invention recognizes that only polarization diversity can be used in a MIMO system without the need for spatially separated antenna elements. This will be described in more detail below.
[0032]
Contrary to expectations, the use of polarized antennas at the base stations and terminals of the STC system improves the resilience and strength of the communication link, allows the use of smaller antenna structures, and reduces the use of rural or suburban areas. It has been found that even in low-scatter environments, where there is a line-of-sight component of line of sight and fixed radio access applications, it has the added benefit of maintaining multiple orthogonal channels. Prior art STC or MIMO systems have relied on spatially uncorrelated antennas in multipath-rich environments. We have found that the use of polarized antennas in MIMO systems works surprisingly better than expected and offers the additional advantage that STC systems can operate in low scattering environments.
[0033]
This antenna configuration allows MIMO to be employed in environments where there is a line of sight line component, or indeed only a line of sight line component. This is important because it allows MIMO to be applied to fixed radio access mechanisms, where the subscriber antenna is probably mounted outside the eaves-level user's home. This also means that MIMO can be applied to better environments, such as rural areas.
[0034]
For a highly scattering environment, spatial fading usually follows a Rayleigh distribution, and this means that as the multiple antenna configurations of the terminal are moved, the received signal at each element will either fade up or fade down. means. This results in a change in the gain of the orthogonal channels, and a 2: 2 system (ie, two antenna elements at the transmitter and two at the receiver) using spatially separated antennas (ie, spatial diversity). For one antenna element), the channel gain distribution is shown in FIG. 3 (lines A and B). Similar distributions are found for 2: 4, 2: n (where n is any integer greater than 2) and similar MIMO systems. FIG. 3 also shows the Rayleigh distribution for a wireless link having one antenna at each end (see line Z). FIG. 3 assumes that the transmit and receive antennas have decorrelated (dissimilar) fading characteristics.
[0035]
Often, the angular spread at the base station is small and this can lead to correlated fading. Correlated fading has the effect of reducing the gain of the weaker MIMO channel, and within the limits at which the base antenna is fully correlated, the gain of the weaker channel goes to zero. In other words, for a 2: 2, 2: 4, 2: n or similar MIMO system, when the antennas at one end of the link are fully correlated, the number of orthogonal channels is reduced to one. This also applies to 2: 4, 2: n or similar MIMO systems. The distribution for power gain then decreases to that shown in line C of FIG. 3 (ie, line D is absent).
[0036]
If a dual polarization element is used in place of a spatially separated antenna, the second channel will never be lost for 2: 2, 2: 4, 2: n or similar systems. . This is because in a Rayleigh fading environment, fading characteristics for different polarizations are always uncorrelated. Taking the limited case, assume that there is no polarization conversion in the environment, but assume that multipath scattering still occurs in the environment. Due to the two orthogonal polarizations, there are two orthogonal paths in this case. Thus, the same two polarizations are used at both ends of the link. At any one time, the stronger channel is simply the receiving element with the highest received signal level. The power gain distributions for the strongest and weakest channels are shown in lines E and F in FIG. These are shown in comparison to the distributions (lines A and B in FIG. 4) for a polarization-diversity-free configuration in which the antennas at the transmitting and receiving ends have uncorrelated fading. The main point is that two orthogonal channels remain even with no polarization conversion, and that the use of polarization is stronger than using spatial diversity.
[0037]
MIMO systems usually start with the requirement of a highly scattered environment from which multiple orthogonal channels are extracted. This aspect of the invention starts in the opposite direction, even in the absence of any multipath, by starting with an antenna configuration that already has orthogonal paths. Multipath scattering in the environment disturbs the system from this initial state, and some spatiotemporal processing can be applied to recover the orthogonal channels. The difference from existing MIMO systems that relies on spatial diversity is that multiple orthogonal channels disappear because multipath scattering is reduced. With the present invention, multiple orthogonal channels are maintained because multipath scattering is reduced.
[0038]
MIMO systems have been developed with spatial diversity in mind due to the need to use many antennas at each end of the wireless link. However, for a practical system, the number of antennas to be used at each end of the link is likely to be limited between two and four. One embodiment of the present invention starts with the case where two antenna elements are used at each end of the link. We use two spatially separated antennas at each end of the link and if there is no fading, the antennas at each end are fully correlated. In this case, the best we can do is to achieve 3 dB of power gain from the two element arrays at each end of the link, for a total signal-to-noise ratio increase of 6 dB. This means that the achieved capacity compared to a link with a single antenna at each end is shown in FIG. 5 (for different values of signal to noise ratio, SNR).
[0039]
In contrast, if a dual polarization element is used at each end of the link, two orthogonal paths already exist. Thus, data can be transmitted in parallel over these two paths. For example, if a vertically polarized element and a horizontally polarized element are used at each end, the two orthogonal paths are a vertical-to-vertical link and a horizontal-to-horizontal link. In this case, the capacity of a 2: 2 polarization diversity MIMO system compared to a link with a single (co-polarized) antenna at each end of the link is shown in FIG. It can be seen that higher capacity gains are achieved at certain locations with high signal-to-noise ratio (> 6 dB). This effect is also seen for 2: 4, 2: n or similar MIMO systems. Strictly, it should be compared with the result of having two identical polarization elements at each end used for beamforming. This result for this case actually corresponds exactly to the result of 2: 2 spatial diversity shown in FIG. 5 with a 3 dB array gain at each end of the link. Then, by comparing the results of FIGS. 5 and 6, it can be seen that the capacity for the polarization diversity configuration is lower than the spatial diversity configuration for the SNR of 0 dB. The highest gain comes from MIMO with high SNR.
[0040]
Another advantage to note here is that the dual polarization elements can be placed close together, and thus if two spatially separated antennas can be provided, It is possible to simply have two spatially separated dual polarization elements. In a fading-free environment, spatial separation cannot provide MIMO with any additional orthogonal channels, but the additional gain (6 dB; 3 dB from each end) is required to provide additional capacity gain. It can be used to improve SNR. To take this further, MIMO employs fixed radios using outdoor directional eave height subscriber antennas by employing dual polarized antenna elements at both the base and subscriber antennas. It can be applied to access systems. Outdoor antennas are typically required to avoid the high transmission losses associated with RF (radio frequency) transmission into buildings. Eave height mounting often means that there is a line of sight to the base station. Therefore, directional antennas are used to maximize the signal-to-noise ratio and to minimize interference to the rest of the network. However, in these low fading environments, link capacity is greatly increased by combining 2: 2, 2: n or similar polarization diversity MIMO with high gain subscriber and base station antennas. .
[0041]
Consider a suburban or rural environment and a mobile terminal, i.e., a type of mobile device. In a given environment, the angular spread, especially at the base station, is very low, such as for a spatial diversity MIOM configuration, so that the correlation between the antennas is very high. In the case of polarization diversity, the correlation between antennas is low, and the polarization conversion is also low. Thus, there is a distribution of values for the capacity of the two orthogonal paths, and these are shown in FIGS. For the case of spatial diversity, there is a very small angular spread at the base station and the base station antenna elements are assumed to be fully correlated. For the case of polarization diversity, the antenna elements at both ends are completely uncorrelated, but it is assumed that there is no polarization conversion in the environment. Clearly, the capacity achieved with a polarization diversity arrangement is at a maximum. Note that the distribution of the power gain for these cases is shown in FIGS.
[0042]
Finally, if we look in a multipath-rich environment where the spatial diversity is uncorrelated at both ends, and again if Rayleigh fading is assumed for all paths, the resulting capacity distribution is shown in FIG. It is shown.
[0043]
In this environment, the polarization conversion is likely to be very high. We assume that the cross-polarization ratio is 0 dB, and the capacity curve for the 2: 2 polarization diversity MIMO configuration is exactly reduced to that shown in FIG. Are equivalent. This also occurs for 2: 4, 2: n or similar polarization diversity MIMO configurations.
[0044]
Measurements for a 2: 2 MIMO system clearly show that polarization diversity performs better than a spatial diversity antenna configuration. This finding can be extended to 2: n MIMO systems and other suitable MIMO configurations. Measurements were made using outdoor base stations and indoor subscriber terminals in a suburban environment. This result for the power gain of two orthogonal MIMO paths is shown in FIG. This path gain for the polarization diversity antenna configuration is higher than that obtained for the spatial diversity antenna configuration. Note that a 10 wavelength separation was used for the antenna at the base station and a 0.5 wavelength separation was used for the antenna at the subscriber for the spatial diversity configuration. Thus, the measurements clearly show that polarization diversity is even stronger than spatial diversity.
[0045]
As mentioned above, one advantage of a MIMO system that uses only polarization diversity instead of spatial diversity is that the line-of-sight situation is adapted. Four examples of situations where a MIMO system with only polarization diversity can be used are described with reference to FIGS. 11-14 and many of these include line-of-sight situations. In each of these examples, the antenna configuration is combined with a suitable space-time coding scheme to provide a MIMO system.
[0046]
FIG. 11 shows two wireless portable devices 111, 112, such as personal digital assistants (PDAs) or laptop computers, adapted to communicate with each other using a MIMO system using only polarization diversity. Any suitable portable device may be used and the communication may be between different such portable devices. A plurality of polarized antenna elements are integrated in each of the portable wireless devices 111 and 112. Any preferred type of polarization may be used, horizontal / vertical polarization, left and right hand circular polarization, ± 45 ° polarization, or other types. Each portable device 111, 112 is dual-polarized, ie, operates with two different polarizations, and has an antenna element or has a set of antenna elements, and each component of such a set is substantially It is either polarized orthogonally with respect to the other components of the set. The antenna may be, for example, a printed dual polarization patch antenna, a crossed dipole / monopole type element, a crossed slot or a right and left handed circularly polarized antenna.
[0047]
A preferred number of antenna elements are used in each portable device, and there may be more antenna elements in one device than in other devices. However, in a preferred embodiment, two dual-polarized antenna elements are used in each device, or two in one device and four in the other.
[0048]
In the example shown in FIG. 11, horizontal (H) and vertical (V) polarization antenna elements are used in each portable device. The resulting MIMO system provides two orthogonal channels, indicated by arrows VV and HH in FIG. Scattering in the environment causes some polarization conversion and this is indicated by the dashed arrows VH and HV in FIG. In this situation, the portable devices are typically close to each other (eg, <10 m apart), so that there is a high probability that there is a line of sight. However, since MIMO with polarization diversity is used, as opposed to spatial diversity, such line-of-sight MIMO communication is effective.
[0049]
FIG. 12 shows a fixed radio access system having a
[0050]
FIG. 14 shows an indoor wireless local area network (WLAN) base station 140 that is mounted on the ceiling but can be located in any suitable location. This base station 140 communicates with a
[0051]
FIG. 13 shows a base
[0052]
In another example, the base station of FIG. 13 is modified to provide multiple antenna beams in addition to MIMO communication. This allows the capacity to be further increased compared to using MIMO communication alone. This will be described in further detail with reference to FIGS. 15A and 15B, which show an example of how a MIMO system with polarization diversity but without space diversity can be combined with a multi-beam antenna.
[0053]
As described above with reference to FIG. 2, a multi-beam antenna system requires closely spaced antenna elements, for example, with half-wave spacing. FIG. 15A shows an example of a base
[0054]
FIG. 22 is a schematic diagram of a modified Butler matrix beamformer. This shows a 6 by 6
[0055]
Beams A1, B1 are used to form a first MIMO communication link with subscriber station 152, while beams A2, B2 are used by subscriber station 153 (or other suitable subscriptions served by beams A2, B2). And the third MIMO link is used to establish a second MIMO link with any subscriber station (eg, 154) served by beams A3 and B3. As used to configure, the base station is also adapted to use space-time coding across a set of antenna beams.
[0056]
Since only polarization diversity is used for a MIMO system, it is possible to combine MIMO and a multi-beam arrangement in this way. In the first order, this has the advantage of increased capacity, since the capacity gains of multi-beam and MIMO systems are independent. The resulting hybrid system shares the benefits of both approaches.
[0057]
A specific embodiment of a combined MIMO and multi-beam arrangement adapted for either mobile or fixed wireless applications is described. FIG. 16 shows a case where a fixed wireless application is included.
[0058]
FIG. 17 shows a base station (BTS) structure. Six rows of
[0059]
The beamformer is preferably integrated with the antenna facet, as this eliminates the need for active phase calibration through the RF chain. However, this is not required. Beamformers that are not so integrated can be used.
[0060]
In addition to multi-beam sectorization, a two-branch MIMO transmission on the downlink is provided. MIMO transmission is achieved by using a
[0061]
For the uplink, the same multi-beam configuration as for the downlink is preferably used with polarization diversity. Beam directivity provides significant interference reduction. Subscribers located at the cusp of the beam tend to suffer from degraded link performance compared to subscribers located at the peak of the beam. However, degradation is minimized by coherently combining adjacent beam outputs (at both polarizations) to achieve improved gain and increased diversity benefits.
[0062]
The invention is particularly suitable for the downlink (moving from the base station) or other user terminals, where the capacity load is likely to be greatest, for example the provision of services to end users such as web pages and Internet applications. Related.
[0063]
As mentioned above, any suitable type of space-time coding method can be used. For example, space-time block coding (STBC) shown in the top layer of FIG. 19; layered space-time (BLAST) further applicable to fixed or floating applications and shown in the middle layer of FIG. 19; and There is a space-time trellis coding (STTC) suitable for both mobile and fixed applications and shown at the bottom of FIG.
[0064]
Another preferred method is feedback space-time coding with separated sub-channels, as in FIG. This type of feedback or eigenmode STC simplifies the reception process by separating the parallel streams of the transmitter. It requires feedback of MIMO channel weights from receive to transmit and is most suitable for low Doppler fixed or idle applications.
[0065]
Spatial multiplexed space-time coding can also be used as shown in FIG. In this method, independent encoded data streams are sent to different transmit antennas. The receiver is required to perform spatial processing to separate the different transmissions. This requires a clear spatial signature at the receiver and the performance is HH * , Where H is the channel matrix. When the eigenvalues are imbalanced, the performance is worse than the eigenmode STC, but the feedback requirements are greatly reduced.
[0066]
In the above embodiment where MIMO and multi-beam systems are combined, a space-time coded MIMO communication method is used for each antenna beam link. For example, consider the case of three antenna beams, each with two polarizations. One of those antenna beams, and the corresponding beam at the other polarization, serve one or more subscribers or users located within the geographical area provided by those beams. . MIMO, space-time coded communication between the base stations and their users occurs via a set of antenna beams. By using MIMO, it is possible to increase the communication rate for those users. The same occurs for users in a geographical area served by the other two sets of antenna beams. In this way, the capacity is increased compared to using three sets of antenna beams without MIMO communication.
[0067]
However, it is also possible to simultaneously provide both MIMO space-time coded communication and non-MIMO, non-space-time coded communication from one or more antenna beams. This has the advantage that non-MIMO compliant traditional user equipment can operate, while at the same time MIMO compliant user equipment can be used. The user or subscriber unit is adapted to be able to distinguish between MIMO and non-MIMO communication packets using a suitable method, such as by having different carrier frequencies for the two types of signals. You. The base station is adapted to multiplex MIMO and non-MIMO packets such that both of these types of communications are transmitted from the base station simultaneously.
[0068]
The ranges and device values given here can be extended or changed without losing the effect sought, as will be apparent to those skilled in the art with an understanding of the teachings herein.
[0069]
The scope of the application is within the scope of the present invention. These include the situations required to provide a MIMO wireless communication system that operates without spatial diversity but instead with polarization diversity. For example, in line-of-sight situations or when MIMO and multi-beam systems are combined.
[Brief description of the drawings]
FIG.
1 is a schematic diagram of a prior art MIMO wireless communication system.
FIG. 2
1 is a schematic diagram of a conventional multi-beam wireless communication system.
FIG. 3
Fig. 4 is a graph of the theoretical distribution of channel power gain for a 2: 2 MIMO system with a spatial diversity antenna for the case where the base station antennas are fully correlated and for the case where they are uncorrelated; 4 is a graph showing a Rayleigh distribution for a 1: 1 system.
FIG. 4
5 is a graph illustrating the theoretical distribution of channel power gain for a 2: 2 MIMO system when a dual polarization element is used instead of a spatially separated antenna with or without polarization conversion. is there.
FIG. 5
FIG. 4 is a graph illustrating the theoretical capacity of a 2: 2 spatial diversity MIMO system compared to a 1: 1 link in a non-fading environment for different values of the signal-to-noise ratio.
FIG. 6
FIG. 6 is a graph showing the theoretical capacity of a 2: 2 polarization diversity MIMO system (without spatial diversity) compared to a 1: 1 link in an environment similar to FIG. 5, but without fading. .
FIG. 7
5 is a graph illustrating theoretical capacity distribution for a 2: 2 spatial diversity MIMO system with fully correlated base station antennas (transmitters) and completely uncorrelated terminals for different values of the signal-to-noise ratio. is there.
FIG. 8
FIG. 8 is a graph for a 2: 2 polarization diversity MIMO system similar to FIG. 7, but without polarization conversion in the environment and (without spatial diversity).
FIG. 9
FIG. 9 is a graph similar to FIGS. 7 and 8 for a 2: 2 spatial diversity MIMO system with completely uncorrelated antenna elements.
FIG. 10
Figure 4 is a graph of empirical results; showing measured distributions of power gain for orthogonal MIMO paths for 2: 2 spatial and polarization diversity configurations.
FIG. 11
FIG. 2 is a schematic diagram of a MIMO communication link between two portable wireless communication terminals of a personal area network.
FIG.
FIG. 2 is a schematic diagram of a MIMO communication link in a fixed wireless access situation.
FIG. 13
FIG. 2 is a schematic diagram of a MIMO communication link between a base station and a mobile or mobile user terminal.
FIG. 14
1 is a schematic diagram of a MIMO communication link in a wireless local area network.
FIG. 15A
1 is a schematic diagram of an antenna array used at a base station in a mobile or fixed wireless access MIMO communication network.
FIG. 15B
FIG. 15B is a schematic diagram of an antenna beam configuration generated using the antenna array of FIG. 15A.
FIG.
FIG. 2 is a schematic diagram of a fixed radio access MIMO arrangement.
FIG.
FIG. 2 is a schematic diagram of a radio frequency configuration of a base station that provides both MIMO and multi-beam communication.
FIG.
FIG. 18 is a diagram illustrating an antenna beam pattern for the antenna array of FIG. 17.
FIG.
FIG. 3 is a schematic diagram of three space-time coding methods: space-time block coding, layered space-time, and space-time trellis coding.
FIG.
FIG. 4 is a schematic diagram of a feedback space-time coding method using separated sub-channels.
FIG. 21
FIG. 2 is a schematic diagram of a spatial multiplexing space-time encoding method, also known as BLAST.
FIG.
FIG. 2 is a schematic diagram of a beamformer used in one embodiment of the present invention.
Claims (23)
(ii)複数の受信アンテナ素子とを有し、
送信アンテナ素子は、偏波ダイバーシチを提供するように配置され、且つ、送信アンテナ素子の位置は、空間ダイバーシチが避けられるように配置される、複数入力複数出力(MIMO)無線通信システム。(I) a plurality of transmitting antenna elements;
(Ii) a plurality of receiving antenna elements,
A multiple-input multiple-output (MIMO) wireless communication system, wherein the transmitting antenna elements are arranged to provide polarization diversity, and the positions of the transmitting antenna elements are arranged to avoid spatial diversity.
(ii)複数の受信アンテナ素子を有する受信アンテナ配置で、時空間符号化された信号を受信するステップと、
を有する、複数入力複数出力無線通信方法。(I) transmitting a space-time coded signal from a transmitting antenna arrangement having a plurality of transmitting antenna elements arranged such that polarization diversity is provided and spatial diversity is avoided;
(Ii) receiving a space-time coded signal in a receiving antenna arrangement having a plurality of receiving antenna elements;
A multiple input multiple output wireless communication method comprising:
(i)それらの2つの配置の間に見通しの線の経路が存在するように、送信アンテナ配置と受信アンテナ配置の位置を決定し、
(ii)少なくとも部分的に前記見通しの線の経路に沿って、時空間符号化された信号を受信アンテナ配置へ送信するために、前記送信アンテナ配置を使用する、ことを含む、請求項16に記載の方法。Furthermore,
(I) determining the positions of the transmitting antenna arrangement and the receiving antenna arrangement such that there is a line of sight line between the two arrangements;
17. (ii) using the transmit antenna configuration to transmit a space-time coded signal to a receive antenna configuration at least partially along the line of sight line. The described method.
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| Date | Code | Title | Description |
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| RD04 | Notification of resignation of power of attorney |
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