マルチプル・アンテナ・テクノロジ

 

モバイル・ブロードバンド高速データ・サービスおよび信頼性の高い音声サービスに対する需要は高まり続けています。そうした状況を受けて、携帯電話事業者は全体的なネットワーク運用費 (OPEX) の削減とネットワーク・サービスの堅牢性強化のために、スペクトル効率の改善とネットワークの大容量化を継続的に行っています。多重アンテナ技術または多重入力多重出力 (MIMO) はスペクトル効率を改善するため、現代のワイヤレス・システムに広く採用されています。

 

干渉限界システム

チャネル密度が高いシナリオでは、基地局の送信電力を引き上げて、または高次変調を使用してトラフィックのスループットを高めると干渉が増加するため、システム容量や信号品質が低下することになります。こうしたシステムは干渉限界と呼ばれます。

例えば、基地局にオムニ・アンテナ (図 1a 参照) が使用されている場合、各ユーザーの信号の送信/受信が同じセル内の他のユーザーへの干渉源となり、システム全体が干渉限界となります。セクタ・アンテナは、図 1b に示すように、セルを複数のセクタに分割し、各セクタを別個のアンテナで受け持つことにより、この干渉を効果的に低減できます。最新のワイヤレス・システムはすべて、少なくともセクタ化を使用して干渉の低減と容量の拡大を図っています。

 

図 1. オムニ・アンテナ方式とセクタ・アンテナ方式

図1

セクタ・アンテナは、周波数ダイバーシティが組み込まれていますが、静的な形式の多重アンテナ技術です。現在のワイヤレス・システムまたは今後のワイヤレス・インフラストラクチャ・システムには、適応ビーム形成、空間分割多元接続 (SDMA)、時空間符号化 (STC) などの高度な多重アンテナまたは MIMO 技術が使用されます。

 

ビーム形成

ビーム形成は、さらなる干渉レベル低減とシステム容量拡大を可能にする高度な多重アンテナ技術です。この技術を使用すると、各ユーザーの信号の送受信は同じ帯域内で当該ユーザーの方向に対して行われます。ビーム形成は、高度 (スマート) な信号処理ソリューションと組み合わせることにより、全体的な干渉を大幅に低減します。
図 2 は、アンテナ・アレイで構成されるビーム形成システムの例です。

 

図 2. スマート・アンテナ・システム - ビーム形成

図2

ビーム形成では、各ユーザーの信号は、各アンテナを行き来する信号の振幅と位相を調整する複合的な重み付けによって逓倍されます。その結果、アンテナ・アレイからの出力が要求される方向に送信/受信ビームを形成し、他方向の出力は最小限に抑えられます。

 

空間分割多元接続 (SDMA)

SDMA は、ビーム形成と同様に、既存の独立多重パスが豊富なチャネル・シナリオにおいて、空間多重化および/または空間ダイバーシティによって並列空間パイプを形成します。この方式は優れたシステム性能とスループットが得られます。SDMA は、スマート・アンテナ技術とセル内のモバイル・ユーザーの異なる空間的位置を使用することにより、システムを干渉限界から雑音限界に変えることができ、はるかに高いチャネル・スペクトル効率を実現します。

 

時空間符号化 (STC)

STC を使用する MIMO アーキテクチャでは、データ・ストリームは直交または非直交の時空間パターンに符号化されます。この方式はダイバーシティ符号化と呼ばれることもあります。同じデータの複数のコピーにそれぞれ異なる符号を付けて送信することにより、受信機側の信号処理手法で信号品質を最大化することが可能で、非 MIMO アーキテクチャに比べて高いスペクトル効率が得られます。

インテル® FPGA による MIMO の実装

インテルの Arria® および Stratix® シリーズ FPGA は、高性能 DSP ブロックとロジック・エレメント (LE) を搭載しており、スマート・アンテナ技術アプリケーションに最適です。 また、デュアルコア ARM* Cortex*-A9 MPCore* プロセッサーや NEON アクセラレーション・ユニットに適応 DSP アルゴリズムを実装することも可能です。

多くのビーム形成アーキテクチャと適応アルゴリズムは、送受信適応ビーム形成や送受信スイッチド・ビーム形成など、様々な状況で良好な性能を発揮します。インテル® FPGA には、エンベデッド・プロセッサーのほか、DSP Builder や インテル® Qsys システム統合ツールなどの使いやすい開発ツールが用意されており、適応信号処理アルゴリズムを実装する上で高い柔軟性が得られます。

次世代ネットワーク規格は、複雑な多重アンテナ技術の採用と共に絶えず進化し続けており、ASIC 実装はリスク要因となります。インテル® FPGA はリモート・アップグレードが可能で、しかも拡張性に優れているため、業界規格の進化に対応した効率的なソリューションの市場投入期間短縮と設計リスク軽減を実現すると同時に、新たな MIMO 方式の段階的な追加展開も可能にします。