アンテナダイバーシティ

アンテナダイバーシティ（空間ダイバーシティまたは空間ダイバーシティとも呼ばれる）は、無線リンクの品質と信頼性を向上させるために2つ以上のアンテナを使用する、いくつかの無線ダイバーシティ方式のいずれかです。多くの場合、特に都市部や屋内環境では、送信機と受信機の間に明確な見通し線（LOS）がありません。代わりに、信号は最終的に受信されるまでに複数の経路で反射されます。これらの反射のそれぞれが、位相シフト、時間遅延、減衰、歪みを引き起こし、受信アンテナの開口部で互いに破壊的に干渉する可能性があります。

アンテナダイバーシティは、このようなマルチパス状況を軽減するのに特に効果的です。これは、複数のアンテナが受信機に同じ信号の複数の観測値を提供するためです。各アンテナは異なる干渉環境にさらされます。したがって、あるアンテナが深刻なフェージングを起こしている場合でも、別のアンテナは十分な信号を受信して​​いる可能性が高くなります。このようなシステムは、全体として堅牢なリンクを提供できます。これは主に受信システム（ダイバーシティ受信）で見られますが、同様の手法は送信システム（送信ダイバーシティ）でも有効であることが証明されています。

アンテナダイバーシティ方式は、単一アンテナシステムに比べて本質的に追加のハードウェアと統合が必要となりますが、信号経路が共通しているため、かなりの回路を共有できます。また、複数の信号を扱うため、受信機にかかる処理負荷が大きくなり、設計要件がより厳しくなる場合があります。しかしながら、一般的には信号の信頼性が最重要であり、複数のアンテナを使用することは、ドロップアウトや接続切れを減らす効果的な方法です。

アンテナダイバーシティは、いくつかの方法で実現できます。設計者は、環境や想定される干渉に応じて、これらの方法の1つまたは複数を用いて信号品質を向上させることができます。実際、信頼性をさらに高めるために、複数の方法が併用されることもよくあります。

• 空間ダイバーシティ方式では、通常は同じ特性を持つ複数のアンテナを物理的に離して配置します。入射信号の入射角によっては、波長程度の間隔で十分な場合もあれば、はるかに大きな距離が必要となる場合もあります。
  • マクロダイバーシティとは、送信機の間隔が波長よりもはるかに長い場合を指します。間隔が波長と同程度かそれよりも短い場合は、ミクロダイバーシティと呼ばれます。
  • 例えば、セルラー化またはセクタ化は、アンテナや基地局を数マイル離して配置できる空間ダイバーシティ方式です。これは、限られた通信スペクトルを複数のユーザーが共有し、同一チャネル干渉を回避できるため、モバイル通信業界にとって特に有益です。
• パターンダイバーシティとは、異なる放射パターンを持つ2つ以上のアンテナを同一場所に配置する方式です指向性アンテナを使用します。これらのアンテナを組み合わせることで、広い角度範囲を識別することができ、単一の無指向性アンテナよりも高い利得を実現できます。
• 偏波ダイバーシティは、直交する偏波（水平/垂直、± 45° 傾斜、左旋円偏波/右旋円偏波を持つアンテナのペアを組み合わせたものです。反射信号は、伝搬する媒体に応じて偏波が変化する可能性があります。偏波差が 90° の場合、 信号強度は最大 34 dB の減衰係数になります。この方式では、2 つの相補的な偏波を組み合わせることで、信号減衰の原因となる偏波ミスマッチからシステムを保護できます。さらに、このようなダイバーシティは、送信アンテナのほぼランダムな向きの影響を受けにくいため、無線および移動体通信基地局で有効であることが証明されています。 ^{[ 1 ]}
• 送受信ダイバーシティ方式では、送信機能と受信機能にそれぞれ独立した2つのアンテナを同一場所に設置します。このような構成により、デュプレクサが不要となり、送信時に発生する高出力から高感度な受信部品を保護することができます。
• 適応型アレイは、アクティブ素子を備えた単一アンテナ、またはさまざまな状況に応じて合成放射パターンを変更できる類似アンテナのアレイのいずれかです。アクティブ電子走査アレイ（AESA）位相シフターと減衰器を操作することで、ほぼ瞬時の走査機能とパターンおよび偏波制御を実現します。これは、単一のアンテナで探索、追跡、マッピング、妨害対策など、複数の異なるモードを切り替えることができるため、レーダー用途に特に有効です。

上記の手法はいずれも、目的のメッセージを復元するために何らかの後処理を必要とします。これらの手法には以下のようなものがあります。

• Switching: In a switching receiver, the signal from only one antenna is fed to the receiver for as long as the quality of that signal remains above some prescribed threshold. If and when the signal degrades, another antenna is switched in. Switching is the easiest and least power consuming of the antenna diversity processing techniques but periods of fading and desynchronization may occur while the quality of one antenna degrades and another antenna link is established.
• Selecting: As with switching, selection processing presents only one antenna's signal to the receiver at any given time. The antenna chosen, however, is based on the best signal-to-noise ratio (SNR) among the received signals. This requires that a pre-measurement take place and that all antennas have established connections (at least during the SNR measurement) leading to a higher power requirement. The actual selection process can take place in between received packets of information. This ensures that a single antenna connection is maintained as much as possible. Switching can then take place on a packet-by-packet basis if necessary.
• Combining: In combining, all antennas maintain established connections at all times. The signals are then combined and presented to the receiver. Depending on the sophistication of the system, the signals can be added directly (equal gain combining) or weighted and added coherently (maximal-ratio combining). Such a system provides the greatest resistance to fading but since all the receive paths must remain energized, it also consumes the most power.
• Dynamic Control: Dynamically controlled receivers are capable of choosing from the above processing schemes for whenever the situation arises. While much more complex, they optimize the power vs. performance trade-off. Transitions between modes and/or antenna connections are signaled by a change in the perceived quality of the link. In situations of low fading, the receiver can employ no diversity and use the signal presented by a single antenna. As conditions degrade, the receiver can then assume the more highly reliable but power-hungry modes described above.

ダイバーシティ受信のよく知られた実用的な応用例としては、ワイヤレスマイクや、ワイヤレスギターシステムなどの類似の電子機器が挙げられます。非ダイバーシティ受信機（アンテナが1つしかない受信機）を備えたワイヤレスマイクは、特に送信機（ワイヤレスマイク）が移動している場合、ランダムなドロップアウト、フェード、ノイズ、その他の干渉を受けやすい傾向があります。ダイバーシティ受信を使用するワイヤレスマイクやサウンドシステムは、一方のアンテナにノイズが発生すると、数マイクロ秒以内にもう一方のアンテナに切り替わり、ドロップアウトやノイズの少ない、より高品質な信号を提供します。理想的には、受信信号にドロップアウトやノイズは発生しません。

もう一つの一般的な用途は、Wi-Fiネットワーク機器やコードレス電話におけるマルチパス干渉の補正です。基地局は、現在より強い信号を受信して​​いるアンテナに応じて、2つのアンテナのうちどちらかに受信を切り替えます。最適な結果を得るには、通常、アンテナは1波長分離して配置されます。波長が100cm未満のマイクロ 波帯では、同じハードウェアに2つのアンテナを取り付けることで、多くの場合これを実現できます。より低い周波数とより長い波長では、アンテナを数メートル離す必要があるため、これはあまり現実的ではありません。

携帯電話基地局もダイバーシティ技術をよく利用しています。基地局の各面（セクター）には、通常2つのアンテナが設置されています。1つは送受信用、もう1つは受信専用です。2つの受信機を用いることで、ダイバーシティ受信を実現しています。

送信側と受信側の両方で複数のアンテナを使用することで、多入力多出力（MIMO）システムが実現します。リンクの両端でダイバーシティ技術を使用することは、時空間符号化と呼ばれます。

ダイバーシティ符号化は、無線チャネルにおけるMIMOシステムのための空間符号化技術です。無線チャネルはフェージング現象の影響を強く受け、データ復号の信頼性が低下します。ダイバーシティ符号化は、基本的に複数の送信アンテナを通して複数のコピーを送信することで、データ受信の信頼性を向上させます。いずれかのアンテナが受信に失敗した場合でも、他のアンテナを使用してデータを復号します。MIMOは空間ダイバーシティと空間多重化を実現します。

• 多様性に関する制度
• 時空コード
• レーキレシーバー
• 多入力多出力通信（MIMO）
• 分散アンテナシステム
• マクロ多様性
• 多様性の組み合わせ
• 多様性を伝える
• 多様性の向上
• 協調的多様性

• J. Moon、Y. Kim「アンテナダイバーシティによる無線LANの強化」『通信システム設計』15～22ページ、2003年1月
• SM Lindenmeier、LM Reiter、DE Barie、JF Hopf。「特に樹木が密集している地域における移動体デジタル無線受信のBERを改善するためのアンテナダイバーシティ」国際ITGアンテナ会議、ISBN 978-3-00-021643-545～48ページ。2007年3月30日。
• 「携帯型無線通信端末向け適応型アレイおよびダイバーシティアンテナ構成」カール・ディートリッヒ・ジュニア著、2000年2月15日。
• 「適応アンテナチュートリアル：スペクトル効率と空間処理」マーク・ゴールドバーグ著。FCC（連邦通信委員会）技術部。2001年9月7日。
• 「MATLABベースのオブジェクト指向アプローチによるマルチパスフェージングチャネルシミュレーション」CD Iskanderによるホワイトペーパー。2008年2月。