JP2007529955A - 無線通信システムにおけるアンテナアレイのために階層型重みバンクを用いたアダプティブビームフォーミングシステム - Google Patents

Abstract

無線通信システムにおけるアンテナアレイのために階層型重みバンクを用いたアダプティブビームフォーミングシステムを開示する。本発明は、受信ビームフォーミングおよび送信ビームフォーミングの両方に適用することができる。階層型重みバンクは、予め設定されたビームルック方向に対応する予め計算された重みを含む。第１重みバンクの重みが入力信号に適用され、信号品質に基づいて、最良のルック方向が選択される。第２重みバンクを使用して、ビーム方向探索の精度を向上させ、最高品質をもたらす方向が見つかるまで、さらなる重みバンクを用いて、精度を向上させたビーム方向探索が続けられる。

Description

本願は、２００４年３月１９日に出願された仮出願番号６０／５５４４０８および２００５年３月４日に出願された非仮出願（係属中）に基づく優先権を主張している。
本発明は、無線通信システムに関し、より詳細には、ビームフォーミング技術と、それに関連する方法論とに関する。

望ましいビームパターンを有するアンテナアレイシステムは、無線通信システムにおける上りリンク（移動端末から基地局）および下りリンク（基地局から移動端末）の両方のセグメントのスペクトル効率と通信品質とを改善する解決策と見なされている。アンテナアレイとともに用いるビームフォーミング技術は、システムキャパシティを増大させ、サービス品質（ＱｏＳ：Ｑｕａｌｉｔｙ ｏｆ Ｓｅｒｖｉｃｅ）を改善し、同一チャネル干渉（ＣＣＩ：Ｃｏ−Ｃｈａｎｎｅｌ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ）と、マルチパスフェーディングとを低減させる強力な手段となり得る。なぜならば、一般的に、アンテナアレイを使用する送信器／受信器は、意図したルック（ｌｏｏｋ）方向（すなわち、移動端末が位置するおおよその方向）におけるアンテナ利得を増減させることができるからである。

そのようなビームフォーミング技術を実現するいくつかの方法が存在する。例えば、切り替え型ビームアンテナアレイは、受信信号パワー測定と、所望の移動端末または基地局の空間的位置とに応じて、予め固定されたビームパターンのセットからビームパターンを選択する。そのようなシステムは通常、複数のアンテナ要素、固定されたビームフォーミングネットワーク、複数のビームパワー測定ユニット、ビーム選択ユニット、および受信器を備えている。切り替え型ビームアンテナアレイでは、各ビームにおける所望信号パワーを測定すること、および、最大受信信号パワーを有するビームを選択することによって、送信／受信ビームが選択される。各ビームにおける受信信号パワーは、速いフェーディングパターンに関して、平均化することができる。

ビームフォーミング技術の第２の例は、動的に位相化されたアレイシステムにおいて使用される技術である。そのようなシステムでは、ビームパターンは、所望の移動端末または基地局のルック方向に基づいて、位相器によって変更される。動的に位相化されたアレイシステムは通常、複数のアンテナアレイ要素、複数の位相器（各アンテナ要素に対して１つの位相器）、重み計算ユニット、およびパワー合成器を備えている。動的に位相化されたアレイを使用するビームフォーミング技術は、ルック方向に基づく単純な重み計算、高指向性、および容易な実装といった利点を有する。しかしながら、位相器を調整して、対象とする移動端末または基地局にビームのメインローブを向けるためには、所望信号の到来方向（ＤＯＡ：Ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ Ｏｆ Ａｒｒｉｖａｌ）が推定されるか、あるいは、予め知られている必要がある。

ビームフォーミング技術の第３の例は、アダプティブアンテナアレイに使用される技術である。アダプティブアンテナアレイシステムは通常、複数のアンテナ要素、複数のＲＦユニット、ＲＦ信号をベースバンド信号に変換する複数の下り変換器、複数のＡ／Ｄ変換器、ビームフォーミングの重みを生成する重み計算ユニット、および、ビームフォーマを備えている。アダプティブアンテナアレイビームフォーミング技術は、デジタル信号処理アルゴリズムを使用することにより、ベースバンド内で実行され、ビームフォーミングの重みは、重み計算アルゴリズムにしたがって計算される。いくつかのビームフォーミングの重み計算手法は、「Ｂｅａｍ−ｆｏｒｍｉｎｇ： Ａ Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ Ａｐｐｒｏａｃｈ ｔｏ Ｓｐａｔｉａｌ Ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ（ＩＥＥＥ ＡＳＳＰ Ｍａｇａｚｉｎｅ， Ｖｏｌ． Ａｐｒｉｌ， １９８８， ｐｐ．４−２４）」という論文で説明されている。また、無線通信システムにおけるアダプティブアンテナアレイを用いたビームフォーミング手法の説明は、「Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ａｎｔｅｎｎａ Ａｒｒａｙ ｔｏ Ｍｏｂｉｌｅ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ， Ｐａｒｔ ＩＩ： Ｂｅａｍ−ｆｏｒｍｉｎｇ ａｎｄ Ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ−ｏｆ−Ａｒｒｉｖａｌ Ｃｏｎｓｉｄｅｒａｔｉｏｎｓ（ＩＥＥＥ， Ｖｏｌ．８５， Ｎｏ．８， Ａｕｇｕｓｔ １９９７， ｐｐ．１１９５−１２４５）」においても開示されている。

アダプティブアンテナアレイを用いたビームフォーミングは、最大ＳＩＮＲ（Ｓｉｇｎａｌ−ｔｏ−Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ｐｌｕｓ Ｎｏｉｓｅ Ｒａｔｉｏ）と、調整可能なビームパターンとをもたらす。調整可能なビームパターンは、所望信号にピークを向け、干渉信号をなくす（ｎｕｌｌ）ことを可能にする。

そのようなシステムは、米国特許番号６０４９３０７に開示されており、この米国特許番号６０４９３０７は、重み付けメモリユニットを使用してビーム方向を調整するアダプティブ位相化アンテナアレイを中心に説明している。この特許は、アダプティブ位相化アレイを明らかにしており、予め計算された重み（各アンテナ要素に与えられるＲＦ信号の振幅および位相）を記憶する重み付けメモリユニットを使用することによって受信ＲＦ信号の振幅および位相を調整することにより、ビーム方向が走査される。

無線通信システムにおけるビームフォーミング技術の応用化のために、技術的かつ経済的に実現可能な方法として、切り替え型ビームアンテナアレイが使用されている。この方法では、固定されたビームが、アンテナアレイにおける個々のアンテナ要素に位相シフトを適用することによって、生成される。一般的に、切り替え型ビームフォーミング技術では、固定されたビームのセットのうちの１つが、受信信号パワーの最良の測定値に基づいて、所望の移動端末または基地局向けに選択される。この固定ビーム手法は、特にマクロセル環境におけるカバレージおよびキャパシティの適切な拡大を可能にするが、大きな角度広がり（ｌａｒｇｅ ａｎｇｌｅ ｓｐｒｅａｄ）環境またはマルチパス伝播環境では、この手法のパフォーマンスは低下する。

上述したビームフォーミング技術には、様々な欠点があることが理解されよう。例えば、切り替え型ビームアレイシステムに関連するビームフォーミング技術については、各移動端末または基地局が、すばやく、かつ、正確に、所望の移動端末または基地局が位置しているエリアをカバーする的確なビームに切り替えることができるようなビーム選択方法の開発が必要とされている。

受信モードでは、移動端末／基地局は、所望の基地局／移動端末から信号を受信するために、現在のビーム（ｐｒｅｓｅｎｔ ｂｅａｍ）のうち、どのビームを選択するかを決定しなければならない。同様に送信モードでは、移動端末／基地局は、所望の基地局／移動端末へ信号を送信するために、適切なビームを選択しなければならない。このようなシステムを作成するコストは、サポートしなければならないルック方向の数に比例し、各ビームルック方向ごとに、一組のアナログハードウェアが必要となるため、高額になり得る。

動的に位相化されたアレイシステムに関連するビームフォーミング技術では、位相器を調整して、対象とする移動端末または基地局にビームのメインローブを向けるために、所望信号の到来方向（ＤＯＡ）が推定されるか、あるいは、予め知られている必要がある。このＤＯＡに対する依存性は、複雑な方向探索アルゴリズムを必要とし、全体的なシステムパフォーマンスは、ルック方向情報の正確さ、および角度の拡散効果（ａｎｇｕｌａｒ ｓｐｒｅａｄ ｅｆｆｅｃｔ）によって決まる。

最後に、アダプティブアンテナアレイシステムに関連するビームフォーミング技術は、複雑な重み計算アルゴリズムと、高性能なＤＳＰプロセッサとを必要とするが、そのようなプロセッサは、非常に高価であり、非常に多くのバッテリパワーを消費する。また、アダプティブアンテナアレイは、十分にキャリブレーションされなければならない。さらに、米国特許番号６０４９３０７に関していうと、振幅および位相調整プロシージャは、位相器を用いて、ＲＦステージ（ＲＦ ｓｔａｇｅ）にて実行され、かつ、ＲＦパワー合成器／フィーダ（ｆｅｅｄｅｒ）／ディバイダ（ｄｉｖｉｄｅｒ）は、アナログコンポーネントであるので、無線通信システムにおけるこの技術の応用化は、価格やサイズの点で、制限される。また、マルチパスコンポーネントは、この技術によって分離することができないので、マルチパス伝播環境では、この技術を適用することはできない。

少なくともこのような理由により、本明細書で具体的に示し、かつ、概括的に説明する本発明の原理は、シングルパスまたはマルチパス伝播環境において、干渉および背景雑音（ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ ｎｏｉｓｅ）を抑え、かつ、ＳＩＮＲやビット誤り率（ＢＥＲ：Ｂｉｔ Ｅｒｒｏｒ Ｒａｔｅ）などのシステムパフォーマンスを改善する階層型重みバンク（ｈｉｅｒａｒｃｈｉｃａｌ ｗｅｉｇｈｔ ｂａｎｋ）の一セットを有するビームフォーミングネットワークを使用する無線通信システムのためのアダプティブアンテナアレイシステムを提供することを目的とする。

一実施形態において、本発明は、無線周波数信号を送受信する複数のアンテナ要素を有するアンテナアレイ構造と、受信ＲＦ信号を受信アナログベースバンド信号に変換し、送信アナログベースバンド信号を送信ＲＦ信号に変換するように構成された１つまたは複数の無線周波数ユニットおよび周波数変換器と、受信アナログベースバンド信号を受信デジタルベースバンド信号に変換するように構成された１つまたは複数のアナログ−デジタル変換器と、送信デジタルベースバンド信号を送信アナログベースバンド信号に変換するように構成された１つまたは複数のデジタル−アナログ変換器とを備えた無線通信システムを提供する。この無線通信システムは、受信デジタルベースバンド信号に基づいて、マルチパス信号コンポーネントの遅延を推定するように構成されたマルチパス遅延プロファイル推定ユニット（ｍｕｌｔｉｐａｔｈ ｄｅｌａｙ ｐｒｏｆｉｌｅ ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ ｕｎｉｔ）と、マルチパス信号コンポーネントを処理するように構成された複数のビームフォーミングユニットとをさらに備える。各ビームフォーミングユニットは、予め設定されたビームルック方向に対応する予め計算された重みを記憶する階層型重みバンクの一セットと、信号メトリックを推定して、推定した信号メトリックに基づいて、重みバンクから最良の重みを選択し、選択した重みを受信信号および／または送信信号に適用して、ビームパターンを最良のビームルック方向に向けるように構成されたデジタル処理ユニットとを含む。

ビームフォーミングプロシージャは、デジタル信号処理アルゴリズムを使用することにより、完全にデジタルベースバンド内で実行されるので、本発明は、従来技術とは異なる。本発明は、アナログハードウェアのコストを低減させ、かつ、より容易に適用でき、かつ、異なる無線システムに対してより容易に移植できるソフトウェアにより定義された技術（ｓｏｆｔｗａｒｅ ｄｅｆｉｎｅｄ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）を用いて実装できるデジタルビームフォーミングを実施するので、固定ビーム切り替え手法よりも柔軟性を有する。

本発明では、複数のビームフォーミングユニットを使用し、予め計算された重みバンクの一セットを用いて、所望信号のルック方向と、瞬間信号パワー（ｉｎｓｔａｎｔ ｓｉｇｎａｌ ｐｏｗｅｒ）、ＳＩＮＲ、またはＢＥＲなどの受信信号に関する品質メトリックの最良の測定値とに基づいて、デジタル処理によりビームをチューニングする。これらによって、角度広がり環境およびマルチパス伝播環境におけるビームフォーマのパフォーマンスが改善される。

高指向性および高分解能（ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ）を有するビームを生成するために、予め計算された階層型重みバンクは、予め設定されたルック方向と、アレイステアリングベクトルとをビームフォーミングの重みとして使用するデータ独立型（ｄａｔａ−ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔ）のビームフォーミング技術に基づいて、事前に計算される。本発明では、予め設定されるルック方向は、固定された基準に対する絶対的方向である必要はない。むしろ、予め設定されるルック方向は、近接するルック方向から、予め知られたいくらかの間隔をあけ、かつ、予め知られたいくらかのオフセット角度を有することだけをもって、設定される必要がある。したがって、本発明は、ビームステアリングを実行するために、絶対的な到来方向（ＤＯＡ）情報を計算する必要はない。

予め計算された階層型重みバンクは、予め設定されたルック方向に対するビームを定義する重みから構成される。平面フィールドの場合、例えば、アジマスを、予め設定されたルック方向に分割することができる。各ルック方向ごとに、そのルック方向を軸とするビームを定義する重みの一セットが存在する。これらの重みは、１つまたは複数の階層の重みバンクに記憶され、この重みバンクは、予め設定されたルック方向すべてをカバーする。これらの重みを信号に適用して、特定のルック方向に向けるビームパターンを生成する。

受信器において本発明を使用する場合、最高信号品質をもたらすルック方向を効果的に探し出すために、様々なルック方向に対応する重みを、受信信号の一部または全体に適用することができ、その結果得られる各ビームの信号品質を比較することができる。「信号品質」は、例えば、受信信号の瞬間パワー（ｉｎｓｔａｎｔ ｐｏｗｅｒ）や受信信号のＳＩＮＲなど、任意の所望信号の属性として定義することができる。使用される信号品質メトリックは、本発明が使用される個々のアプリケーションによって異なる。最良のルック方向が決定されると、最適な重みが、受信信号全体に適用される。このビームフォーミングプロシージャを用いることによって、受信信号のＳＩＮＲおよびＢＥＲを改善することができる。無線ネットワークにおいて、ＳＩＮＲの改善は、ネットワークキャパシティの増大、カバレージの拡大、およびビット誤り率（ＢＥＲ）の低減など、優れた利点をもたらす。

マルチパス環境では、マルチパスコンポーネントが、様々なビームから受信される場合、複数のビームフォーミングユニットを使用して、マルチパス信号コンポーネントを受信することができる。

本発明に要する処理時間は、予め設定されたルック方向の数に比例する。最良のルック方向を探し出すためのより効率的なアルゴリズムをサポートするために、重みは階層型重みバンクに記憶される。バイナリツリー構造を使用する効率的なルック方向の探索および重み選択スキームについては、後に詳述する。重みバンクには、その他の構造が使用されてもよい。本発明は、特定の重みバンクの構造に限定されるものではない。

均一な直線アンテナアレイでは、ビーム方向探索が１８０度より大きな範囲をカバーする場合、ミラービームを使用して、ビーム方向探索に要する時間をさらに低減させることができる。

パラシティック（ｐａｒａｓｉｔｉｃ）アンテナ要素を含むアンレナアレイが使用される場合、無線周波数ユニットに接続された少なくとも１つのアクティブなアンテナ要素が存在する。この無線周波数ユニットは、受信ＲＦ信号を受信アナログベースバンド信号に変換し、送信アナログベースバンド信号を送信ＲＦ信号に変換するように構成された周波数変換器と、受信アナログベースバンド信号を受信デジタルベースバンド信号に変換するように構成された１つまたは複数のアナログ−デジタル変換器と、送信デジタルベースバンド信号を送信アナログベースバンド信号に変換するように構成された１つまたは複数のデジタル−アナログ変換器とを備える。パラシティックアンテナアレイにはまた、アクティブな要素（群）に加えて、各パラシティックアンテナ要素が、調整可能な受動インピーダンスコンポーネントに接続された、または、直接的に電気接地された複数のパラシティックアンテナ要素を含めることができる。

本発明において、アダプティブビームフォーミングシステムは、予め設定されたルック方向に関する信号品質メトリックの測定と、その測定に対応する予め計算された重みの一セットの選択とに基づいて、所望のルック方向に向けてビームを生成する。

本発明は、アンテナアレイのキャリブレーションが不要であるという点で、従来技術と比べて著しい改善を提供する。本発明は、キャリブレーションの必要性を除去することによって、ビームフォーミング技術を使用するデバイスの製造コストおよびコンポーネントコストを低減させる。

送信ビームフォーミングでは、受信器におけるビームフォーミングプロセスから得られる情報を使用して、送信ビームのための最良のルック方向を決定することができる。例えば、送信器は、受信器の最良のルック方向と同じ方向に送信することができる。これは、上りリンクチャネルおよび下りリンクチャネルが同一の周波数を使用する時分割復信（ＴＤＤ：Ｔｉｍｅ−Ｄｉｖｉｓｉｏｎ−Ｄｕｐｌｅｘ）オペレーションモードを用いる無線通信システムにとって、特に有効である。この技術はまた、周波数分割復信（ＦＤＤ：Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ−Ｄｉｖｉｓｉｏｎ−Ｄｕｐｌｅｘ）の無線通信システムにも使用することができる。受信マルチパス信号が存在する場合、送信重みは、最高信号品質を有する受信マルチパスコンポーネントに対応する同一の重みバンクから選択することができる（すなわち、最良の受信マルチパスコンポーネントの方向にのみ送信する）。

本発明において、階層型重みバンクに基づく受信アダプティブビームフォーミングシステムは、複数のアンテナ要素が、直線アレイ、円形アレイ、またはその他の２次元もしくは３次元の任意の構造として構築されるアンテナアレイシステムを含む。このアンテナ要素は、無指向性アンテナであっても、セクタアンテナ（指向性アンテナ）であっても、または、無指向性アンテナとセクタアンテナとの組合せであってもよい。さらに、このアンテナ要素は、「アクティブ」（すなわち、ＲＦ受信器チェーンに接続されている）であってもよいし、「パラシティック」（すなわち、調整可能な受動インピーダンスコンポーネントに接続されているか、または直接的に電気接地されている）であってもよい。

１つまたは複数のＲＦユニットおよび下り変換器を使用して、ＲＦ信号をベースバンド信号に変換する。この１つまたは複数の下り変換器は、アナログベースバンド信号をデジタル信号に変換する１つまたは複数のＡ／Ｄ変換器ユニットに接続されている。電子的に制御されるスイッチを使用して、１つのＲＦチェーンを介した複数のアンテナ要素からの信号を多重化することができる。これによって、複数のアクティブなアンテナ要素は、１つのＲＦチェーンを共有することが可能となる。

次いで、マルチパス遅延プロファイル推定ユニットを使用して、各マルチパスコンポーネントごとに、遅延プロファイルを推定し、時間領域においてマルチパスコンポーネントを分離して、これらマルチパス信号コンポーネントを複数のビームフォーミングユニットに分配する。マルチパス遅延プロファイル推定ユニットは、アンテナアレイにより受信された複数のマルチパスコンポーネントを検出し、対応するマルチパスコンポーネントを分離する。例えば、３つのアンテナアレイを使用している間に、２つのマルチパスコンポーネントが受信された場合、マルチパス遅延プロファイル推定ユニットは、２つのコンポーネントをすべて識別し、結果として６つの出力（すなわち、３つのアンテナの各々から２つのマルチパス信号）をもたらす。各アンテナからの対応するマルチパスコンポーネントには相関性があり、それらマルチパスコンポーネントは、ビームフォーミングユニット群に転送される。使用されるビームフォーミングユニットの数は、受信されるマルチパスコンポーネントの数と等しい。各ビームフォーミングユニットは、アレイにおけるアンテナ要素の数に等しい複数の入力信号を受け取る。

ビームフォーミングを実行して、最高の出力信号品質をもたらす重みの一セットを決定するために、各ビームフォーミングユニットは、入力信号に重みを適用する。各ビームフォーミングユニットは、１つの信号のみを出力する。

複数のビームフォーミングユニットが使用される場合（すなわち、マルチパス環境における場合）、最大比合成器（Ｍａｘｉｍｕｍ Ｒａｔｉｏ Ｃｏｍｂｉｎｅｒ）を使用して、様々なビームフォーミングユニットからの出力信号を合成することができる。

階層型重みバンクに基づく受信アダプティブビームフォーミングシステムのための装置は、特定の構造（例えば、直線、円形など）において間隔があけられて配置された複数のアンテナ要素と、マルチパスコンポーネントの遅延を推定し、ビームフォーミングユニットにマルチパスコンポーネントを分配するマルチパス遅延プロファイル推定ユニットと、オフラインで計算され、所定の形式のメモリ（例えば、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、フラッシュメモリ、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＥＰＲＯＭなど）に予め記憶された階層型重みバンクの一セットと、様々なビーム生成ルック方向における受信信号品質を評価して、信号の各受信マルチパスコンポーネントごとに、最良のルック方向を決定し、各ルック方向に対応する適切な重みを各受信マルチパスコンポーネントそれぞれに適用して、各アンテナ要素からの受信信号を重み付け合計する１つまたは複数の受信ビームフォーミングユニットとを備える。複数のビームフォーミングユニットが使用される場合、最大比合成器を使用して、ビームフォーミングユニットからの複数の出力マルチパス信号コンポーネントを合成することができる。

本発明の別の実施形態では、無線通信システムにおいて使用するための送信ビームフォーミングシステムが提示される。この送信ビームフォーミングシステムは、アンテナアレイシステムと、受信ビームフォーミングシステムとともに使用できる複数のＲＦユニットと、ベースバンド信号をＲＦ信号に変換する複数の上り変換器と、デジタル信号をアナログ信号に変換する複数のデジタル−アナログ（Ｄ／Ａ）変換器と、送信ビームフォーミングユニットとを備える。

送信ビームフォーミングユニットでは、マルチパス選択ユニットを使用して、受信信号品質メトリックに基づいて、受信マルチパスコンポーネントから最良のパスを選択する。重み選択ユニットは、受信ビームフォーミングユニットと同一の重みの一セットを使用して、これらの重みを送信ビームフォーミングに適用する。複数の信号パスが受信された場合（すなわち、マルチパスの場合）、送信ビームフォーミングユニットは、受信信号品質メトリックに基づく最良の受信パスに対応する重みの一セットのみを用いてもよく、その場合、その重みの一セットを送信信号に適用する。最良の受信マルチパスコンポーネントと同一の方向のみに送信するということは、送信ビームフォーミングを簡略化することになるが、これは、システム設計を簡略化し、製造コストおよびコンポーネントコストを低減させるには望ましいものといえる。

添付の図面を参照しながら、本発明の諸実施形態について説明するが、それらは例示にすぎない。

図面中、類似する参照符号は、類似する部分を示している。

本発明は、階層型重みバンクを利用するアダプティブビームフォーミングネットワークを使用する無線通信システムを提供する。このようなシステムは、基地局もしくは移動端末、またはそれら両方にて使用できることが理解されよう。

図１は、本発明の一実施形態にしたがう受信ビームフォーミングシステムを模式的に示している。このシステムは、複数のアンテナ要素４００を有するアンテナアレイを備えている。これらのアンテナ要素は、無指向性要素、セクタ要素、または無指向性要素とセクタ要素との組合せとして構成することができる。

アンテナアレイは、複数のＲＦユニット４１０および下り変換器４２０に信号を伝送し、次いで、その信号は、Ａ／Ｄユニット４３０によってデジタル信号に変換される。Ａ／Ｄ変換器からの複数の出力デジタル信号は、マルチパス遅延プロファイル推定ユニット４６０に伝送される。

マルチパス伝播環境におけるパフォーマンスを高めるため、マルチパス遅延プロファイル推定ユニット４６０を使用して、マルチパス信号を識別し、マルチパス信号をビームフォーミングユニット４６５に分配する。遅延プロファイル推定ユニット４６０は、マルチパスコンポーネントを識別して、時間領域においてマルチパスコンポーネントを分離し、これらのマルチパス信号コンポーネントを、１，２，．．．，Ｌというラベルが付けられた様々なビームフォーミングユニット４６５に分配するように構成されている。

ビームフォーミングユニットは、デジタル信号処理アルゴリズムを用いて、デジタル領域において動作する。最大比合成器４８０を使用して、ビームフォーミングユニットからの出力信号を合成する。マルチパス環境では、Ｌ個すべてのマルチパスコンポーネントを合成して、ロバストな高ＳＩＮＲ出力信号を生成することができる。

本発明におけるマルチパス遅延プロファイル推定ユニット４６０において、遅延推定のために使用される諸手法は、システム固有のものであるため、異なるものとなり得る。例えば、ＣＤＭＡシステムでは、符号相関器を使用することによってマルチパス遅延を推定して、各マルチパスコンポーネントごとに遅延を識別し、時間領域においてマルチパス信号コンポーネントを分離することができる。これらのマルチパス信号コンポーネントは、複数のビームフォーミングユニットに分配され、ビームフォーミングの後、最大比合成（ＭＲＣ）ユニットなどの合成機構４８０によって合成される。

上述したように、受信ビームフォーミングシステムは、少なくともＬ個のマルチパスコンポーネントを処理するために、複数のＬ個のビームフォーミングユニットを備えている。異なるマルチパスコンポーネントの各々に対して、１つのビームフォーミングユニットが割り当てられる。マルチパス環境では、マルチパスコンポーネントが、様々な方向から受信器に到来することが多い。各ビームフォーミングユニットは、割り当てられたマルチパスコンポーネントに対して、最良のルック方向を決定する。このようにして、本発明は、異なるビームが各マルチパスコンポーネントに焦点を合わせることを可能にし、それによって、各マルチパスコンポーネントの受信信号品質を最大化することができる。

各ビームフォーミングユニットは、重みバンクの一セットを参照して、割り当てられたマルチパスコンポーネントに対して、最良のルック方向における重みを決定する。各所望信号を受信するための最良のルック方向は、予め設定された各ビームルック方向ごとに品質メトリックを測定することによって、決定することができる。その品質メトリックとして、例えば、瞬間パワー、ＳＩＮＲ、フレーム誤り率、ビット誤り率、またはその他の任意のメトリックが挙げられる。

次いで、予め計算された重みの一セットを受信信号に適用することによって、指向性ビームが生成される。これらの予め計算された重みは、異なる様々なルック方向に対して、計算される。正確な方向およびルック方向の間隔は、方向捜索分解能と、捜索される所望の地域のアジマスとによって異なる。

本発明における重み計算では、予め設定されたルック方向と、アレイステアリングベクトルとをビームフォーミングの重みとして使用するデータ独立型方式を採用しており、このデータ独立型方式は、生成するビームに、高指向性および高分解能を提供する。一般的に、データ独立型方式は、ビームフォーミングの重みを計算するために、受信信号または送信信号に関する情報をまったく必要としない。データ独立型方式の詳細な説明は、「Ｂｅａｍ−ｆｏｒｍｉｎｇ： Ａ Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ Ａｐｐｒｏａｃｈ ｔｏ Ｓｐａｔｉａｌ Ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ（ＩＥＥＥ ＡＳＳＰ Ｍａｇａｚｉｎｅ， Ｖｏｌ． Ａｐｒｉｌ， １９８８， ｐｐ．４−２４）」という論文で知ることができる。階層型重みバンクでは、方向θ_iに関して、予め計算される重みベクトルは、オフラインで、以下のように計算することができる。

ただし、Ｍは、アンテナ要素の数であり、ａ（θ_i）は、アレイステアリングベクトルであって、方向θ_iの関数である。別のアレイ構造では、ａ（θ_i）は異なり、例えば、直線アンテナアレイでは、ａ（θ_i）は以下のようになる。

ただし、ｄは、要素の間隔であり、λは、信号の波長である。方向θ_iは、階層型重みバンク内の様々な階層に合わせて、ツリー型のビーム方向探索スキームから選択される。

効率的な探索を容易に行うために、各受信器のルック方向に対応する重みは、バイナリツリー構造またはＢ＋ツリー構造などの階層構造に記憶することができる。このような構成では、第１階層の重みバンクは、探索アジマス全体をカバーできるように間隔があけられた複数のルック方向に対応する重みから構成される。第１階層の重みバンクにおけるルック方向の数と、これらのルック方向の間隔とは、アンテナの数および使用されるアンテナ構造に合わせて、Ｒａｙｌｅｉｇｈ ｌｉｍｉｔａｔｉｏｎにより決定することができる。

ビーム方向探索スキームは、第１階層の重みバンクにおける各ルック方向の品質メトリックを測定することによって開始する。このプロセスでは、探索アジマス全体が、効果的にセクタに分割される。信号品質メトリックを比較した後、考えられ得る移動端末または基地局の位置の近隣地（ｖｉｃｉｎｉｔｙ）を選択することができる。そして、重み選択ユニットは、最高信号品質を有する最良のルック方向と、それに対応する最良の重みとが見つかるまで、次の階層の重みバンクを用いて、方向探索パターンの精度を向上させる。

階層型重みバンクを用いたこのツリー型の探索スキームにより、所望信号の考えられ得る最良のルック方向を効率的に見つけることができるので、処理時間を低減させることができる。このスキームと、受信信号に最良の重みを適用することとにより、ビームフォーミングユニットは、最良のビームのシフトを所望信号に対して行う。

複数のビームフォーミングユニットが配置された場合、例えば、最大比合成器などの信号合成器によって、いくつかの最良のビームを合成することができる。これにより、マルチパス伝播環境だけでなく、ビームのハンドオーバという状況に対処するための柔軟性が提供される。合成器からの出力信号は、高ＳＩＮＲ信号であり、復号化するのに使用される。

図２は、本発明にしたがうビームフォーミングユニット４６５の詳細な模式図を示している。各ビームフォーミングユニットごとに、Ｍ個の入力デジタル信号が、マルチパス遅延プロファイル推定ユニット４６０から得られる。１，２，．．．，Ｋというラベルが付けられた階層型重みバンクを有するツリー型のビーム方向探索スキームを使用して、最良の重みを決定する。

第１階層における探索では、乗算器８１５を用いて、重みバンク１の重みが、入力信号に適用される。信号品質測定ユニット６１０は、信号品質を測定するために、この乗算演算の出力を使用することができる。次いで、信号品質測定ユニット６１０の出力を比較して、最良のルック方向を選択し、この選択した方向に基づいて、重み選択ユニット７１０は、所望信号の考えられ得る近接地を選択する。

上述した近接地が決定されると、重みバンク２を使用して、ビーム方向探索の精度を向上させる。この精度を向上させたビーム方向探索は、最高信号品質をもたらす方向と、それに対応する最良の重みとが見つかるまで続けられる。最良の重みを見つけた後、様々なアンテナ要素からの入力信号が、最良の重みによって乗算されて合計され、ビームフォーミングユニットの出力信号が生成される。

図３は、本発明にしたがうビームフォーミングプロシージャのフローチャートを示している。９００にて、アンテナアレイシステムが開始すると、第１重みバンク５１０に記憶された重みが、受信信号に適用され、ビームが、予め設定されたビームルック方向に向けられる。これが、最初のビーム方向探索９１０である。

このような予め設定されたビーム方向からの瞬間信号パワー、または、その他の任意のメトリックを比較することにより、所望信号の考えられ得る近接地を示す最良のビーム方向を決定することができる（９２０）。この例では、重み選択ユニット７１０〜７２０は、最高信号品質をもたらすビーム方向に対応する重みを選択する。このタスク中、最大パワービーム方向に近接する方向に対応する重みも選択され、対応する信号品質メトリックが比較される。

近接する方向のパワーの方が大きい場合、これは、選択された重みが最良の重みではないことを示しており、予め設定された、より小さなビーム方向グリッドを有する第２重みバンク（すなわち、ｉ番目の重みバンク、ただし、ｉ＝１，２，．．．，Ｋ）に記憶された重みが適用されて、ビーム方向探索が続けられる。

このプロシージャは、最高信号品質をもたらすビーム方向に対応する重みが見つかるまで続けられる。最良の重みが見つかると、それらの重みが、受信信号に乗算されて、次いで、合計され（９３０）、出力信号が生成されて、最大比合成器４８０に提供される（出力信号ビームフォーミングプロセス（９４０））。

本発明では、階層型重みバンクの重みは、予め設定された特定のルック方向のために、予め計算されている。この予め設定されたルック方向は、ビーム方向分解能およびバイナリツリー型のビーム方向探索スキームによって異なる。予め設定されるルック方向の設計に関して、アジマスは、予め設定される方向ごとに分割することができ、第Ｉ階層の重みバンクは、予め設定される方向すべてをカバーしなければならない。予め設定されるルック方向は、アレイ探索アジマスθと、アレイ開口（ａｒｒａｙ ａｐｅｒｔｕｒｅ）によって決定されるヌルからヌルへのビーム幅（ｎｕｌｌ ｔｏ ｎｕｌｌ ｂｅａｍ ｗｉｄｔｈ）ＢＷ_ｎ−ｎ（Ｒａｙｌｅｉｇｈ ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ ｌｉｍｉｔ）と、半ビーム幅（ｈａｌｆ ｂｅａｍ ｗｉｄｔｈ）ＢＷとを用いて計算することができる。特に、半波長の間隔があけられた均一な直線アレイでは、以下のようになる。

ＢＷ_ｎ−ｎ＝２ｓｉｎ^−１（２／Ｍ）ｄｅｇｒｅｅ

ＢＷ＝２ｓｉｎ^−１（０．８９１／Ｍ）ｄｅｇｒｅｅ

ただし、Ｍは、アンテナ要素の数である。
様々な階層の重みバンクにおける予め設定されたルック方向の数は、異なっていてもよい。第１階層重みバンクにおける予め設定されるルック方向の数は、以下のようになる。

Ｎ１＝θ／セクタ幅

ただし、セクタ幅は、ＢＷ_ｎ−ｎからオーバーラップ角（ｏｖｅｒｌａｐ ａｎｇｌｅ）を引いたものである。このオーバーラップ角は、２つのビームが重なっている部分を指す。連続する重みバンクでは、各セクタにおける予め設定されるルック方向の数は、以下のようになる。

Ｎｓ＝セクタ幅／ＢＷ

重みバンクに対するバイナリツリーの階層の数は、以下のようになる。
Ｋ＝ｌｏｇ_２（Ｎｓ）

ルック方向の探索時間の合計は、以下のようになる。
Ｎ＝Ｎ１＋２Ｋ

図４は、ビーム方向分解能が１５度である、３階層を有するバイナリツリー型のビーム方向探索スキームの一例を示している。第１重みバンクにおける重みは、３０度、９０度、および１５０度のルック方向用に計算される。

第２重みバンクは、１５度、４５度、７５度、１０５度、１３５度、および１６５度の精度向上方向グリッド（ｒｅｆｉｎｅ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ ｇｒｉｄ）に対して計算され、第３重みバンクは、０度、６０度、１２０度、および１８０度に対して計算される。

第３重みバンクでは、３０度、９０度、および１５０度のルック方向は、前の重みバンクにおいてチェックされているので、これらのルック方向に対応する重みは、第３重みバンクから取り除くことができる。信号品質測定ユニット６１０〜６２０を用いると、階層型重みバンクを探索することによって、各階層ごとに、最高信号品質をもたらすビーム方向を見つけることができる。直線アンテナアレイでは、ミラービーム方向を使用して、１８０度より大きなアジマスの探索を迅速に処理することができる。

本発明では、様々な階層における最良のルック方向を見つけるために、信号品質を測定する必要がある。図２に示したアンテナアレイは、Ｍ個のアンテナ要素から構成されている。ここで、Ｐ個の所望信号および干渉信号がアレイに到来すると仮定する。また、このＰ個の所望信号および干渉信号には、それぞれ、Ｌ個のマルチパスがあると仮定する。受信信号ベクトルは、以下のように表すことができる。

ただし、ｘ（ｎ）は、受信信号ベクトルに干渉ベクトルを加えたものであり、Ａ（θ）は、所望信号および干渉の到来方向（ＤＯＡ，θ）に関する情報を含むステアリング行列である。また、

は、アレイステアリングベクトルであり、ｓ（ｎ）は、信号および干渉ベクトルであり、ｖ（ｎ）は、加法性白色ガウス雑音ベクトル（ａｄｄｉｔｉｖｅ Ｇａｕｓｓｉａｎ ｗｈｉｔｅ ｎｏｉｓｅ ｖｅｃｔｏｒ）であり、Ｐは、受信信号および干渉の数であり、ｎは、信号のサンプルインデックスである。

リアルタイムで信号パワーの推定を行うために、様々な方向に対して、信号ベクトル

の推定値を以下のように計算することができる。

ただし、（・）^＋は、擬似逆行列演算（ｐｓｅｕｄｏ−ｉｎｖｅｒｓｅ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ）を意味する。

瞬間パワーの推定値は、以下のように計算することができる。

ただし、（・）^Ｈは、共役転置演算（ｃｏｎｊｕｇａｔｅ ｔｒａｎｓｐｏｓｅ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ）を意味し、Ｎは、データ長である。

本発明は、予め設定されたルック方向と、最高信号品質の測定とに基づく、ロバストな重み計算およびビームフォーミング手法を提供する。したがって、本発明では、アレイのキャリブレーションは必要ない。しかしながら、より良いビームフォーミングのパフォーマンスを実現するために、アレイアンテナをキャリブレーションすることができ、ビームフォーミングの重みを計算して、その重みを重みバンクに記憶することもできる。

図６は、本発明にしたがう送信ビームフォーミングシステムを模式的に示している。送信ビームフォーミングでは、最高受信信号品質の測定に基づく同一の受信重みバンクから、送信重みを選択することができる。マルチパスがＬ個存在する場合、送信重みは、最良のパス（群）に対応する、重みバンクにおける受信ビームフォーミングの重みと同一であり、信号は、そのパス（群）を介して送信される。

図７は、受信マルチパスコンポーネントに基づいて、マルチパス選択ユニット８０５が最良のパスを選択することができる、送信ビームフォーミングユニットの詳細な模式図を示している。対応する送信ビームフォーミングの重みは、そのパスに対応する受信ビームフォーミングの重みと同一とすることができる。そして、送信信号は、信号を受信した方向と同じ方向に送信される。

図８は、電子スイッチ４０５を使用して、１つのＲＦ受信器４１０と、１つの下り変換器４２０と、１つまたは複数のアナログ−デジタル（Ａ／Ｄ）変換器とを介した複数のアンテナ要素４００からの信号を時分割多重化する本発明の一実施形態を示している。本実施形態では、デジタル多重化器／逆多重化器（ｄｉｇｉｔａｌ ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｒ／ｄｅｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｒ）４５５が電子スイッチ４０５を制御して、アンテナ要素群４００とＲＦユニット４１０との接続を制御する。デジタル多重化器／逆多重化器４５５はまた、アナログ−デジタル変換器（群）４３０のサンプルクロックを制御して、サンプリング操作が、アンテナ要素間の切り替えのタイミングと確実に同期されるようにする。

受信信号がデジタル信号に変換された後、各Ａ／Ｄ変換器４３０からの受信シリアルデジタルデータストリームは、デジタル多重化器／逆多重化器４５５により逆多重化され（ｄｅｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｄ）、その結果得られる各アンテナ要素に対応する離散（ｄｉｓｃｒｅｔｅ）デジタルデータストリームは、マルチパスプロファイル推定ユニット４６０に送信される。本実施形態におけるマルチパス推定機構およびビームフォーミング機構は、その他の諸実施形態に関して上述したのと同じように動作するが、この機構では、アンテナ要素の各々は、受信信号を多重化するスイッチを使用することなく、別々の受信器に接続される。

図９は、１つまたは複数のパラシティックアンテナ要素を含むアンテナアレイを利用することによって、ＲＦ領域において受信ビームフォーミングが実行される、本発明の別の一実施形態を示している。図９に示すように、１つまたは複数のアクティブなアンテナ要素４０２が、１つまたは複数のＲＦユニット４１０に接続され、１つまたは複数のパラシティックアンテナ要素４０４が、接地されたバリエータ（ｖａｒｉａｔｏｒ）に接続されている。本実施形態にしたがうと、信号品質測定ユニット６２０は、受信信号品質を測定し、この情報を、重みバンク５２０から最良の重みを選択する重み選定ユニット７２０に伝送する。

重み選択ユニット７２０によって最良の重みが決定されると、デジタル−アナログ（Ｄ／Ａ）変換器４３５を使用して、デジタル化されて記憶された重みがアナログ信号に変換される。このアナログ信号は、例えば、パラシティックアンテナ要素４０４に接続されたバリエータ４４５などの調整可能な受動インピーダンスコンポーネントに入力される。このように、バリエータ４４５のインピーダンスを調整して、パラシティックアンテナ要素４０４の電磁場に影響を与えることができる。所望のルック方向にアンテナパターンを向けるために、パラシティックアンテナ要素４０４の電磁場を調整することによって、アクティブなアンテナ要素４０２のビームパターンを操作することができる。また、パラシティックアンテナ要素の一部は、直接的に電気接地することもできることが理解されよう。

図１０は、送信ビームフォーミングシステムが、１つまたは複数のパラシティックアンテナ要素を含むアンテナアレイを使用する、本発明のさらに別の一実施形態を示している。本実施形態では、送信ビームフォーミングの重みが、受信ビームフォーミングと同一の重みバンクから選択される。送信ビームフォーミングの重みは、受信信号品質の測定に基づいて選択することができる（すなわち、最高受信信号品質に対応する重みが送信信号に適用される）。なお、本実施形態では、その他の送信重みの選択方法を使用することができる。

重み選択ユニット７２０によって最良の重みが決定されると、デジタル−アナログ（Ｄ／Ａ）変換器４３５は、デジタル化されて記憶された重みをアナログ信号に変換して、バリエータ４４５のインピーダンスを制御する。アンテナパターンおよび送信ＲＦ信号を所望のルック方向に向けるために、バリエータ４４５のインピーダンスを調整することによって、アクティブなアンテナ要素４０２のビームパターンを操作できるよう、パラシティックアンテナ要素４０４の電磁場が変化する。

上記にて本発明の特定の諸実施形態を説明したが、本発明は、上述したものとは別の方法でも実施できることが理解されよう。本発明の構成、動作、および作用を説明したが、本明細書において提供した詳細な説明から、様々な変更形態および変形形態が可能であることが理解されよう。したがって、上述した詳細な説明は、本発明を限定するよう意味するものでも意図するものでもなく、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲によって定義される。

本発明の一実施形態にしたがう、受信ビームフォーミングシステムを示す図である。 本発明の一実施形態にしたがう、受信ビームフォーミングユニットを示す図である。 本発明の一実施形態にしたがう、最良の受信ルック方向に対応する重みの一セットを決定する探索プロセスを示すフローチャートである。 本発明の一実施形態にしたがう、バイナリツリーに基づく階層型重みバンク構造を示す図である。 本発明の一実施形態にしたがう、均一な直線アンテナアレイの様々なルック方向に対して生成されたミラービームのビームパターンを示す図である。 本発明の一実施形態にしたがう、無線システムにおけるアンテナアレイのための送信ビームフォーミングシステムを示す図である。 本発明の一実施形態にしたがう、送信ビームフォーミングユニットを示す図である。 本発明の一実施形態にしたがう、１つのＲＦ受信ビームフォーミングシステムを示す図である。 本発明の一実施形態にしたがう、１つまたは複数のパラシティックアンテナ要素を含むアンテナアレイを使用する受信ビームフォーミングシステムを示す図である。 本発明の一実施形態にしたがう、１つまたは複数のパラシティックアンテナ要素を含むアンテナアレイを使用する送信ビームフォーミングシステムを示す図である。

Claims (48)

1. 無線周波数信号を送受信する複数のアンテナ要素を有するアンテナアレイ構造と、
   受信ＲＦ信号を受信アナログベースバンド信号に変換し、送信アナログベースバンド信号を送信ＲＦ信号に変換するように構成された複数の無線周波数ユニットおよび周波数変換器と、
   前記受信アナログベースバンド信号を受信デジタルベースバンド信号に変換するように構成された複数のアナログ−デジタル変換器と、
   送信デジタルベースバンド信号を前記送信アナログベースバンド信号に変換するように構成された複数のデジタル−アナログ変換器と、
   前記受信デジタルベースバンド信号に基づいて、マルチパス信号コンポーネントの遅延を推定するように構成されたマルチパス遅延プロファイル推定ユニットと、
   前記マルチパス信号コンポーネントを処理するように構成された複数のビームフォーミングユニットと
   を備え、
   前記ビームフォーミングユニットの各々は、
   予め設定されたビームルック方向に対応する予め計算された重みを記憶する階層型重みバンクの一セットと、
   信号メトリックを推定し、前記推定した信号メトリックに基づいて、前記重みバンクから最良の重みを選択し、前記選択した重みを前記受信デジタル信号に適用して、ビームパターンを最良のビームルック方向に向けるように構成されたデジタル処理ユニットと
   を含むことを特徴とする無線通信システム。
2. 前記マルチパス信号コンポーネントが存在する場合には、前記ビームフォーミングユニットからの信号コンポーネントを合成するように構成された合成機構
   をさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載の無線通信システム。
3. 前記アンテナ要素は、無指向性要素、セクタ要素、および前記無指向性要素と前記セクタ要素との組合せのうちの少なくとも１つの要素として構成されることを特徴とする請求項１に記載の無線通信システム。
4. 前記予め計算された重みは、前記受信デジタルベースバンド信号に適用されることを特徴とする請求項１に記載の無線通信システム。
5. 前記アンテナアレイ構造は、少なくとも１つの直線アレイを含むことを特徴とする請求項１に記載の無線通信システム。
6. ミラービームを使用して、１８０度より大きなアジマス角の探索をサポートすることを特徴とする請求項５に記載の無線通信システム。
7. 前記アンテナアレイ構造は、少なくとも１つの２次元アンテナアレイを含むことを特徴とする請求項１に記載の無線通信システム。
8. 前記アンテナアレイ構造は、少なくとも１つの３次元アンテナアレイを含むことを特徴とする請求項１に記載の無線通信システム。
9. 前記予め計算された重みは、階層型重みバンク構造に記憶されることを特徴とする請求項１に記載の無線通信システム。
10. 前記階層型重みバンク構造は、バイナリツリーを含むことを特徴とする請求項９に記載の無線通信システム。
11. 前記階層型重みバンク構造は、Ｂ＋ツリーを含むことを特徴とする請求項９に記載の無線通信システム。
12. 前記マルチパス遅延プロファイル推定ユニットは、複数の受信デジタル信号のマルチパス信号コンポーネントを検出し、時間領域において前記マルチパス信号コンポーネントを分離して、前記受信マルチパス信号コンポーネントを、１つまたは複数のビームフォーミングユニットに分配することを特徴とする請求項１に記載の無線通信システム。
13. 前記ビームフォーミングユニットの各々は、１つの分離した前記マルチパス信号コンポーネントを処理することを特徴とする請求項１２に記載の無線通信システム。
14. 前記信号メトリックは、瞬間受信パワー、ビット誤り率、フレーム誤り率、ＳＮＲ（Signal-to-Noise Ratio）、およびＳＩＮＲ（Signal-to-Interference plus Noise Ratio）のうちの少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項１に記載の無線通信システム。
15. 前記ビームフォーミングユニットは、前記送信デジタルベースバンド信号を処理することを特徴とする請求項１に記載の無線通信システム。
16. 前記ビームフォーミングユニットは、最良の受信ビームルック方向に対応する前記重みを、前記送信デジタルベースバンド信号に適用することを特徴とする請求項１４に記載の無線通信システム。
17. 複数のアンテナ要素を有するアンテナアレイ構造を介して、無線周波数信号を送受信することと、
    受信ＲＦ信号を受信アナログベースバンド信号に変換することと、
    送信アナログベースバンド信号を送信ＦＲ信号に変換することと、
    前記受信アナログベースバンド信号を受信デジタルベースバンド信号に変換することと、
    送信デジタルベースバンド信号を前記送信アナログベースバンド信号に変換することと、
    前記受信デジタルベースバンド信号に基づいて、マルチパス信号コンポーネントの遅延を推定することと、
    ビームルック方向を予め設定することと、
    前記ビームルック方向の各々に対応する重みを予め計算することと、
    複数のビームフォーミングユニットを用いて、前記マルチパス信号コンポーネントを処理することと
    を備え、
    前記ビームフォーミングユニットの各々は、
    前記予め設定されたビームルック方向に対応する前記予め計算された重みのバンクを参照し、
    前記マルチパス信号コンポーネントの信号メトリックを推定し、
    前記推定した信号メトリックに基づいて、前記重みバンクから最良の重みを選択し、
    前記選択した重みを前記受信デジタル信号に適用して、ビームパターンを最良のビームルック方向に向ける
    ように動作することを特徴とする無線通信方法。
18. 前記マルチパス信号コンポーネントが存在する場合には、前記ビームフォーミングユニットからの信号コンポーネントを合成すること
    をさらに備えることを特徴とする請求項１７に記載の無線通信方法。
19. 前記予め計算された重みは、前記受信デジタルベースバンド信号に適用されることを特徴とする請求項１７に記載の無線通信方法。
20. 前記アンテナアレイ構造は、少なくとも１つの直線アレイを含むことを特徴とする請求項１７に記載の無線通信方法。
21. ミラービームを使用して、１８０度より大きなアジマス角の探索をサポートすることを特徴とする請求項２０に記載の無線通信方法。
22. 前記アンテナアレイ構造は、少なくとも１つの２次元アレイを含むことを特徴とする請求項１７に記載の無線通信方法。
23. 前記アンテナアレイ構造は、少なくとも１つの３次元アレイを含むことを特徴とする請求項１７に記載の無線通信方法。
24. 階層型の前記重みバンクの構造は、バイナリツリーを含むことを特徴とする請求項１７に記載の無線通信方法。
25. 階層型の前記重みバンクの構造は、Ｂ＋ツリーを含むことを特徴とする請求項１７に記載の無線通信方法。
26. 前記ビームフォーミングユニットの各々は、１つの分離した前記マルチパス信号コンポーネントを処理することを特徴とする請求項１７に記載の無線通信方法。
27. 前記信号メトリックは、瞬間受信パワー、ビット誤り率、フレーム誤り率、ＳＮＲ（Signal-to-Noise Ratio）、およびＳＩＮＲ（Signal-to-Interference plus Noise Ratio）のうちの少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項１７に記載の無線通信方法。
28. 前記ビームフォーミングユニットは、前記送信デジタルベースバンド信号を処理することを特徴とする請求項１７に記載の無線通信方法。
29. 前記ビームフォーミングユニットは、最良の受信ビームルック方向に対応する重みを前記送信デジタルベースバンド信号に適用することを特徴とする請求項１７に記載の無線通信方法。
30. データ独立型の技術を用いて、予め定められた１つのルック方向に対応する重みの一セットを計算する方法。
31. 予め定められた複数のルック方向に対応する１つまたは複数のセットの重みを計算し、前記１つまたは複数のセットの重みを階層型重みバンク構造に記憶するシステム。
32. 無線周波数信号を送受信する複数のアンテナ要素を有するアンテナアレイ構造であって、前記複数のアンテナ要素は、少なくとも１つのアクティブなアンテナ要素および複数のパラシティックアンテナ要素を含み、前記パラシティックアンテナ要素の各々は、調整可能なインピーダンスコンポーネントに接続されるか、または、電気接地される、アンテナアレイ構造と、
    受信無線周波数信号を受信アナログベースバンド信号に変換し、送信アナログベースバンド信号を送信無線周波数信号に変換するように構成された、１つまたは複数の無線周波数ユニット、および、１つまたは複数の周波数変換器と、
    前記受信アナログベースバンド信号を受信デジタルベースバンド信号に変換するように構成された、１つまたは複数のアナログ−デジタル変換器と、
    送信デジタルベースバンド信号を前記送信アナログベースバンド信号に変換するように構成された複数のデジタル−アナログ変換器と、
    予め設定されたビームルック方向に対応する予め計算された重みを記憶する階層型重みバンクの一セットと、
    信号メトリックを推定し、前記推定した信号メトリックに基づいて、前記重みバンクから最良の重みを選択し、前記選択した重みを、前記パラシティックアンテナ要素に接続された前記調整可能なインピーダンスコンポーネントに適用するように構成されたデジタル処理ユニットと
    を備えたことを特徴とする無線通信システム。
33. 前記アンテナ要素は、無指向性要素、セクタ要素、および、前記無指向性要素と前記セクタ要素との組合せのうちの少なくとも３つの要素として構成されることを特徴とする請求項３２に記載の無線通信システム。
34. 前記デジタル−アナログ変換器を用いることによって、前記予め計算された重みを前記受信アナログ無線周波数信号に適用して、前記パラシティック要素に接続された前記調整可能なインピーダンスコンポーネントの電圧レベルを調整し、前記アンテナアレイのビームパターンを制御することを特徴とする請求項３２に記載の無線通信システム。
35. 前記アンテナアレイ構造は、少なくとも１つの直線アレイを含むことを特徴とする請求項３２に記載の無線通信システム。
36. 前記アンテナアレイ構造は、少なくとも１つの２次元アンテナアレイを含むことを特徴とする請求項３２に記載の無線通信システム。
37. 前記アンテナアレイ構造は、少なくとも１つの３次元アンテナアレイを含むことを特徴とする請求項３２に記載の無線通信システム。
38. 前記アンテナアレイ構造は、少なくとも１つのアクティブな要素と、複数のパラシティックアンテナ要素とを有する少なくとも１つのパラシティックアンテナアレイを含み、前記パラシティックアンテナ要素の各々は、調整可能なインピーダンスコンポーネントに接続されるか、または、電気接地されることを特徴とする請求項３２に記載の無線通信システム。
39. 前記予め計算された重みは、階層型重みバンク構造に記憶されることを特徴とする請求項３２に記載の無線通信システム。
40. 前記階層型重みバンク構造は、バイナリツリーを含むことを特徴とする請求項３９に記載の無線通信システム。
41. 前記階層型重みバンク構造は、Ｂ＋ツリーを含むことを特徴とする請求項３９に記載の無線通信システム。
42. 前記信号メトリックは、瞬間受信パワー、ビット誤り率、フレーム誤り率、ＳＮＲ（Signal-to-Noise Ratio）、およびＳＩＮＲ（Signal-to-Interference plus Noise Ratio）のうちの少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項３２に記載の無線通信システム。
43. 最良の受信ビームルック方向に対応する重みを用いることによって、ビームフォーミングが、送信信号に適用されることを特徴とする請求項３２に記載の無線通信システム。
44. 前記無線周波数ユニットのうちの１つと、前記周波数変換器のうちの１つと、１つまたは複数の前記アナログ−デジタル変換器とを介した複数のアンテナ要素からの受信信号を多重化するように構成された、電子的に制御されるスイッチ
    をさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載の無線通信システム。
45. 前記予め計算された重みは、前記送信デジタルベースバンド信号に適用されることを特徴とする請求項１７に記載の無線通信方法。
46. 複数のアンテナ要素を有するアンテナアレイ構造を介して、無線周波数信号を送受信することであって、前記複数のアンテナ要素のうちの１つは、調整可能なインピーダンスコンポーネントに接続されたパラシティックアンテナ要素である、送受信することと、
    受信無線周波数信号を受信アナログベースバンド信号に変換することと、
    送信アナログベースバンド信号を送信無線周波数信号に変換することと、
    前記受信アナログベースバンド信号を受信デジタルベースバンド信号に変換することと、
    送信デジタルベースバンド信号を前記送信アナログベースバンド信号に変換することと、
    ビームルック方向を予め設定することと、
    前記予め設定されたビームルック方向に対応する重みを計算することと、
    ビームフォーミングユニットを用いて、前記受信信号および前記送信信号を処理することと
    を備え、
    前記ビームフォーミングユニットは、
    前記予め設定されたビームルック方向に対応する前記予め計算された重みのバンクを参照し、
    受信信号コンポーネントの信号メトリックを推定し、
    前記推定した信号メトリックに基づいて、前記参照した予め計算された重みのバンクから最良の重みを選択し、
    所望のルック方向に対して受信ビームおよび送信ビームを生成するために、前記選択した重みを前記調整可能なインピーダンスコンポーネントに適用する
    ように動作することを特徴とする無線通信方法。
47. 前記アンテナアレイ構造は、少なくとも１つのアクティブな要素と、前記調整可能なインピーダンスコンポーネントに接続された複数のパラシティック要素とを有する少なくとも１つのパラシティックアンテナアレイを含むことを特徴とする請求項４６に記載の無線通信方法。
48. １つの無線周波数ユニットと、１つの周波数変換器とを介した複数のアンテナ要素からの受信信号を、電子的に制御されるスイッチを用いて多重化すること
    をさらに備え、
    前記電子的に制御されるスイッチは、１つまたは複数のアナログ−デジタル変換器のサンプルクロックと同期することを特徴とする請求項１７に記載の無線通信方法。

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