JP2014116945A - アナログビームフォーミングに関する方法、送信局及び受信局 - Google Patents

Abstract

【課題】単一のプリアンブルを使用して多くのアンテナ素子を訓練し、アナログビームフォーミングを迅速に実現する。
【解決手段】第２の局２００から第１の局１００に信号を通信する方法であって、両局ともアンテナアレイを有する。６０ＧＨｚのような帯域の通信のために、アナログビームステアリングを実施する。しかしながら、単一のメッセージにおいてすべてのビームフォーミング重みを計算することが必要とされる。信号ごとに、プリアンブルに複数の訓練シンボルが含まれ、訓練シンボルの各繰り返しの間、受信局１００は、複数のアンテナの少なくとも１つのアンテナパラメータを調整し、組み合わされた信号を測定し、データフィールドを受信するためにアンテナアレイ上のアナログビームフォーミングのために適用されるべきアンテナ重みの組を計算する。
【選択図】図２

Description

本発明は、アナログビームフォーミングを使用して信号を通信する方法、この方法を実施する送信局及び受信局、並びにこの方法において使用される特定のプリアンブル構造に関する。

本発明は、例えばＯＦＤＭなどの任意の送信スキームによるワイヤレス通信に関連し、特に、（例えば６０ＧＨｚの帯域における）ミリメートル波ワイヤレス通信に関連する。

数メートルより長い距離における、例えば６０ＧＨｚ帯域に基づくミリメートル波ワイヤレス通信のような、あるアプリケーションの場合、高利得アンテナが、リンクバジェット制限を克服するために必要とされる。

このような高利得アンテナは、複数のアンテナ又はアンテナ素子を含むアンテナアレイによって達成されることができ、その放射ビームは、電子的にステアリング（操向）されることができる。これらの各アンテナにおける信号は、増幅器／減衰器及び位相シフタ又は遅延ラインによって変更される。ダイナミックビームフォーミングの場合、増幅器の利得及び位相シフタの位相が、制御され、調整されることができる。これは、重みと呼ばれる複素数によってモデル化されることができ、その複素数のモジュラス（又は絶対値）は、考慮されるアンテナ専用の増幅器に適用すべき利得を表し、その引数は、位相シフタに適用すべき位相シフトを表す。ビームフォーミングは、アンテナアレイをより高い指向性にするために、すなわち信号が期待される特定の方向に沿って感度を増大させるために、及び／又は例えば干渉を有する別の方向に沿って感度を低下させるために、アンテナアレイの感度パターンを変更することを可能にする。

高いアンテナ利得を必要とする特定のアプリケーションの場合、多くの素子を含むアンテナが用いられることができる。しかしながら、個別のアンテナ信号ごとに高スピードのアナログデジタル変換器を有することは、ベースバンドプロセッサの電力消費及び処理要求の観点で抑制的である。従って、アナログビームフォーミングを使用することが好ましい。すなわち、アンテナ信号が、アナログドメインにおいて変更され（位相シフトされ、振幅増幅され）、加算され、単一のアナログデジタル変換器によってのみデジタル化される受信局構造をもつことが好ましい。あるアプリケーションにおいて、受信局は、複数のアナログデジタル変換器を有し、各アナログデジタル変換器は、複数のアンテナ素子に共通である（可能性として、少数のＭ個のアナログデジタル変換器。Ｍ＜Ｎ。Ｎ＝アンテナ素子数）。同様に、送信局においては、単一のデジタル信号（又は少数のデジタル信号）が、アナログに変換され、複数のアンテナ素子に分割される。各アンテナ素子におけるアナログ信号は、ちょうど受信局の場合と同様に、個別に変更されることができる。

しかしながら、受信局は、アンテナ素子（Ｎ）より少ないＡ／Ｄ変換器（Ｍ）を有するので、同時にＭチャネル測定を実施することしかできないが、完全なチャネル測定は、Ｎ測定を必要とする。

本発明の目的は、単一のプリアンブルを使用して多くのアンテナ素子を訓練することを可能にする、送信局から受信局への通信方法を提案することである。

本発明の別の目的は、アナログビームフォーミングを迅速に構成する方法を提案することである。

このために、本発明は、第２の局から第１の局に信号を通信する方法であって、前記第１の局が、複数のアンテナを含むアンテナアレイを有する、方法であって、
構成フィールド及びデータフィールドを含む個々のアナログ信号を、各アンテナにおいて受信するステップであって、前記構成フィールドは、複数回繰り返される訓練シンボルを含む、ステップと、
少なくとも２つのアナログ信号を組み合わせて、組み合わされた信号を形成するステップであって、訓練シンボルの各繰り返しの間、複数のアンテナの少なくとも１つのアンテナパラメータを調整し、組み合わされた信号を測定する、ステップと、
データフィールドを受信するために、アンテナアレイ上のアナログビームフォーミングのために適用されるべきアンテナ重みの組を計算するステップと、
を含む方法を提案する。

その結果として、単一のプリアンブルの助けにより、ここでは第１の局である受信局が、それぞれ異なる訓練シンボルを受信する際にそのビームフォーミング重みを切り替えることによって、より多くのチャネル測定を実施することができ、こうして、最良のビームフォーミング重みを決定することができる。訓練シンボルの数に依存して、受信局は、すべてのアンテナについて信号を測定することさえでき、ビームフォーミング重みの最適な組を計算し、後続のデータグラムを受信するためにそれらの最適な組を使用することができる。

本発明は更に、
複数のアンテナを有するとともに、構成フィールド及びデータフィールドを含む個々のアナログ信号を各アンテナ上で受信するアンテナアレイであって、前記構成フィールドが、複数回繰り返される訓練シンボルを含む、アンテナアレイと、
少なくとも２つのアナログ信号を組み合わせて、組み合わされた信号を形成する結合手段と、
訓練シンボルの各繰り返しの間、複数のアンテナの少なくとも１つのアンテナパラメータを調整する調整手段と、
少なくとも１つのパラメータの各設定により得られた組み合わされた信号を測定する測定手段と、
データフィールドを受信するために、アンテナアレイ上のアナログビームフォーミングのために調整手段に適用されるべきアンテナ重みの組を計算する計算手段と、
を有する受信局に関する。

本発明の別の見地によれば、本発明の上述の見地による受信局と通信する送信局であって、構成フィールド及びデータフィールドを含むアナログ信号を送信する送信手段を有し、前記構成フィールドは、複数回繰り返される同一の訓練シンボルのシーケンスを含み、それにより、受信局は、アナログビームフォーミングを導くために個々のアンテナ設定により複数の測定を実施することができる、送信局が提案される。

本発明の更に別の見地によれば、本発明による請求項に記載される受信局が、アナログビームフォーミングを導くために個々のアンテナ設定により複数の測定を実施することができるように、複数回繰り返される同一の訓練シンボルのシーケンスを有するプリアンブル構造が提案される。

本発明のこれら及び他の見地は、以下の実施例から明らかになり、それらを参照して解明される。

本発明は、添付の図面を参照して、例示によって、更に詳しく記述される。

本発明の第１の実施例による２つの局を有するシステムを概略的に表すブロック図。 本発明の実施例による方法を示すフローチャート。 本発明の実施例によるプリアンブル構造を含む信号を表すタイムチャート。

本発明は、信号を受信することが可能な少なくとも１つの第１の局１００及び信号を送信することが可能な少なくとも１つの第２の局２００を有する、図１に示されるようなシステムにおいて通信する方法に関する。概して、図１に示されように、システムの各局は、信号の受信及び送信の両方を行うことが可能である。

本発明による第１の局１００は、Ｎ個のアンテナ１０１乃至１０Ｎを有し、各アンテナは、それぞれ、調整手段１１１乃至１１Ｎに接続されている。これらの調整手段は、受信信号の利得を調整する増幅器又は減衰器、及びそれらの個々の信号の位相を調整する位相シフタ又は遅延ゲートを有することができる。この例において、これらの調整手段１１１乃至１１Ｎは、アナログであり、処理ユニット１４０によって動的に制御される。調整手段は、例えば図１に示される加算器のような結合手段１２０に信号を供給する。加算器１２０は、組み合わされたアナログ信号を出力し、かかる信号は、アナログデジタル変換器（ＡＤＣ）１３０によってデジタル信号にデジタル化される。処理ユニット１４０は、デジタル信号を受信して、測定を実施し、それを処理する。本発明の変形例において、局１００は、複数のアナログデジタル変換器１３０を有することができ、各アナログデジタル変換器は、アンテナアレイのアンテナサブセットに共通である。

図示されるように、第１の局１００は、同じアンテナアレイによって、信号を送信することも可能である。切り替え手段１５０は、受信モードから送信モードに切り替えることを可能にする。送信モードにおいて、局１００の送信チェーンが、切り替え手段１５０によってアンテナアレイに接続される。送信チェーンは、上述した受信チェーンと比較される場合、対称的な構造を有する。送信モードにおいて、各々のアンテナ１０１乃至１０Ｎは、それぞれ、調整手段２１１乃至２１Ｐに接続される。これら調整手段２１１乃至２１Ｐは、アナログでありえ、受信チェーンの調整手段と同様でありうる。処理ユニット１４０は、アンテナを動的に制御することができる。この処理ユニットは、まず、第２の局に送られるべきデジタル信号を生成することができる。このデジタル信号は、デジタルアナログ変換器２３０によってアナログ信号に変換されることができ、そののち、信号は、多重分離手段２２０によってコピーされ、各調整手段２１１乃至２１Ｐ及び送信アンテナＴ１乃至ＴＰに供給される。

第２の局２００は、同様の構造を有し、以下に更に詳しく記述されない。

図１に示されるように、すべての局は、例えば受信時の受信チェーンから送信時の送信チェーンに切り替えられる同じアンテナアレイを使用することによって、信号の送信及び受信の両方を行う手段を有することができる。

互いに通信する場合、局１００及び２００は、図３に示されるプリアンブルを有する信号を使用する。このプリアンブルは、複数の、Ｌと示される訓練シンボルを有する。Ｌシンボルは、例えば単一アンテナシステムにおいて、受信機がチャネルを評価するために使用することができる予め決められた波形である。実際、局１００のような受信局は、調整手段を用いていくつかのアンテナパラメータを調整することができ、これらのパラメータを用いて信号を測定することができる。こうして、受信局は、いくつかの異なるアンテナ設定を試みることができ、その結果からビームフォーミング重みを計算することができる。Ｓシンボルは、送信機によって送信される別の訓練シンボルであり、受信機は、かかるＳシンボルを使用して同期を実施することができる（８０２．１１におけるロング及びショートプリアンブルと同様に規定される）。

本発明によるビームフォーミングシステムにおいて、送信局は、図３の構造を有するパケットを送信する。ここで、Ｌシンボルの総数は、以下のいずれかである。
−標準によって、適切な数である例えば１、２、４又は１３７に固定される。この例では、インジケータフィールドは空きである；
−可変でもよく、この場合、総数は、インジケータフィールド内において伝えられる。インジケータフィールドは、信号フィールド（低データレート）と同じ変調を使用して送信されることができ、従って、それは、正しく復号可能である最も高い可能性を有する。多くの訓練シンボルを可能にするために、少なくとも１つの完全な８ビットバイト（オクテット）が提供されることができ（値０，...，２５５をとる）、従って、この数が、インジケータフィールドの後に続くＬシンボルの数を示すようにされることが理解される。同期シンボルのすぐ後に続く第１のＬシンボルが提供され、受信局がその現在ビームフォーミング重みをテストすることができる場合、Ｌシンボルの総数は、更に１大きい。インジケータフィールド内の残りの８ビットバイトは、他の目的のために使用されることができ、例えば送信機及び受信機としてのそれらの役割が逆にされるとき、送信機が後で受信機から受信したいＬシンボルの数を受信機に対して示すために、使用されることができる。

ここで、シンボル（信号フィールド）は、固定のコーディング及び変調方法を使用して送信される。その際、送信局は、それが後に続くデータシンボルにおいてどんな符号化及び変調方法を使用するかを符号化する。

Ｌシンボルの数のため、受信局は、異なるＬシンボルを受信する場合にそのビームフォーミング重みを切り替えることによって、チャネル測定を実施することができ、こうして、最良のビームフォーミング重みを決定することができる。これは、以下に、より詳しく記述される。

両方とも図１のように送信及び受信のために同じアンテナを使用する局１００及び局２００のような２つの局について、チャネル相互性は、局２００から受信するために局１００にとって最適である重みは、局２００に送信するためにも局１００にとって最適であることを意味する。局が、送信及び受信のために異なるアンテナを使用する場合、チャネルは、送信及び受信チェーンの違いのため、非相互的である。しかしながら、これらの違いは、知られている方法によって測定され較正されることができるので、チャネル相互性は、この較正を用いて確実にされることができる。

本発明の方法の第１の実施例により、局のチャネル相互性があるものとすると、例えば局２００のような局が、局１００と通信を始める場合、まず最初に、全方向性の送信パターンを使用して第１の信号を送信することができる。更に、局１００及び２００が、最初に、それらの最適ビームフォーミング重み及び互いのアンテナ素子数を知らない場合、送信局１００は、低いデータレートで、完全に全方向性の放射パターンに対応する送信ビームフォーミング重みＶ^（１）を使用して、その第１のパケットを送り、すなわち、図２のステップＳ１００においては、どの送信方向も好ましくはない。図３に示されるように、信号のインジケータフィールド３２０において、局２００は、そのアンテナ素子数Ｐを示すとともに、図３にＬシンボルとして示される訓練シンボルを何個送信しているかを示す。局２００は、受信局１００が有するアンテナ素子数Ｎを知らないので、それは、Ｌシンボルの数を任意に選択しなければならない。第１のステップＳ１００において、局２００は、Ｋ＝１を選択することができる。

ステップＳ１０１において、局１００は、ビームフォーミング重みＷ^（１）の第１の組によりこのパケットを受信する。局１００は、Ｋ＝１訓練シンボルを受信するのみであるので、局１００はまだいかなる最適化も行うことができない。ステップＳ１０２において、局１００は、ビームフォーミング重みＷ^（１）を使用してＰ個のＬシンボルを含んで送信されるパケットにより、応答する。更に、局１００は、それがＮ個のアンテナ素子を有することをインジケータフィールドに示すこともできる。局２００は、ステップＳ１０３において、受信中に受信機ビームフォーミングを行うことが可能であるので、局１００は、より少ないＬシンボルを送信することを選択することができるとともに、このパケットのデータシンボルについて幾分高いデータレートを選択することもできる。Ｖ^（２）が、結果として得られるビームフォーミング重みを示すものとする。

局２００は、ステップＳ１０４において、例えばＮ個のＬシンボルにより及びビームフォーミング重みＶ^（２）を使用して、その第２のパケットを送信する。局１００は、現在送信ビームフォーミングを行っており、局２００は、局２００の第２のパケットの受信中、受信ビームフォーミングを行うことが可能であるべきなので、データシンボルは、より高いレートで送信されることができる。実際、局１００は、Ｎ個のＬシンボルが後からくることを知っている。局１００は、例えば信号の品質を測定することによって、各Ｌシンボルについて、その調整手段を個々の設定に合わせて調整し、受信信号を測定することができる（ＣＱＩ測定、信号対雑音比測定、その他）。これを行うことによって、局１００は、ビームフォーミング重みを計算することができる。局１００のビームフォーミングの結果は、Ｗ^（２）である。そののち、局１００は、ビームフォーミング重みＷ^（２）によって送信されるパケットによって、再び応答する、と続く。

実施される計算の例は、以下の通りである。ｎ番目のアンテナ素子上のベースバンド信号が、Ｘ（ｎ）によって示され、アンテナ素子に対応する複素数（ビームフォーミング重み）が、Ｗ（ｎ）である場合、受信信号は、

である。ここで、Ｎは、例えば局１００のような受信局のアンテナ素子の数である。

プリアンブルが、Ｋ個のＬシンボルを含む場合、受信機は、Ｋ個の異なるアンテナ設定について、（ＡＤ変換器後の）受信信号を測定する。ｋ番目のアンテナ設定及びｎ番目の素子に対応するビームフォーミング重みがＷｋ（ｎ）によって示され、Ｌシンボルの受信中のｎ番目のアンテナ素子上のベースバンド信号がＸ（ｎ）である場合、ｋ番目のＬシンボル中の受信信号は、

である。

Ｒ_１，...,Ｒ_Ｋの受信の直後、受信機は、

を計算し、これを、パケット内のデータシンボルの受信中、ビームフォーミング重み、

について使用する。

受信局が更に、計算されたビームフォーミング重みＷによりチャネル測定を行うことができるように、送信局が、もう１つのＬシンボルを送信することが望ましい。（Ｋ＝１の場合、この追加のシンボルは必要でない。）これらの重みは、Ｗ_１，...，Ｗ_Ｋによってスパンされる空間において最適ビームフォーミング重みを与え、すなわち、ビームフォーミングは、最も高い信号対雑音比を与える。Ｋ＝Ｎ及びＷ_１，...，Ｗ_Ｎが線型独立である場合、結果として得られるビームフォーミング重みは最適である。受信機は、Ｗ_１，...，Ｗ_Ｋを自由に選択することができる。

チャネルが安定している場合、ビームフォーミング重みＶ^（ｉ）及びＷ^（ｉ）は、急速に限界値まで収束する。この場合、更なる最適化が必要とされないので、局は、アンテナ素子のそれらの個々の数より少ないＬシンボル（例えばわずか１）を必要とすることを選択することができる。チャネル条件が変化する場合、局は、再び、より多くのＬシンボルを必要としうる。各々の繰り返しにおいて、局は、それがＫチャネル測定中に使用する基礎ベクトルを自由に選択することができる。第１の基礎ベクトルを、直前のステップからの計算された最適ベクトルに等しいようにすることが望ましい。

本発明の変形例において、第１の局は、次の送信信号の中で、他方の局によって使用されるべきビットレートを示す。ビットレートは、計算されたアンテナ重みの組に依存して、選択されることができる。例えば、Ｌシンボルの数が、すべての可能な設定をテストするには少なすぎたので、計算されたアンテナ重みが十分によいわけではない場合、第１の局は、高いデータレートではなく、中間のデータレートを示す。

本発明の別の変形例において、例えば局２００のような送信局は、受信局１００のアンテナの数より多くのＬシンボルを送信することができる。例えば、Ｑ＝ＮｘＰとして、局２００は、Ｑ個のＬシンボルを送信することができる。これは、送信及び受信アンテナ設定の両方をテストするために使用されることができる。局２００は、Ｎ個のＬシンボルの持続期間に等しい例えばＴである予め決められた期間とともに変化する異なるアンテナ設定により、Ｌシンボルを送信することができる。局１００は、例えばＬシンボルごとに変化する異なるアンテナ設定により、Ｌシンボルを受信する。

各局がより少ない頻度で変更するように、設定変更が実施されることができる。例えば、両方の局１００及び２００が同じ数のアンテナを有する場合、局１００及び２００は、２つのＬシンボルごとにそれらの個々の設定を変更することができるが、例えば互いに直交するように位相がずらされる。

受信局１００は、送信アンテナ重み及び受信アンテナ重みを計算し、少なくとも送信アンテナ重みを局２００に送信することができ、それにより局２００は、次の送信時にそれらを使用することができる。

いかなる送信スキーム（例えばＯＦＤＭ、単一キャリア、単一キャリアブロック伝送又はなんらかの他の方法）が使用されようとも、プリアンブルの構造が使用されることができる。

この方法は、他方の局へのフィードバック送信を必要とすることなく、ビームフォーミング重みの計算を確実にすることを可能にする。更に、単一のプリアンブルにおいて、局は、最適ビームフォーミング重みを得ることが可能であり、あらゆるデータ送信時にこれらの重みを適応することができる。

本明細書及び請求項において、構成要素に先行する「a」又は「an」は、このような構成要素の複数の存在を除外しない。更に、「有する、含む」なる語は、挙げられたもの以外の構成要素又はステップの存在を除外しない。請求項の括弧内の参照符号の包含は、理解を助けることを意図するものであり、制限することを意図しない。

本開示を読み込むことから、他の変形が、当業者に明らかになるであろう。このような変形は、無線通信の分野において既に知られている他のフィーチャであって、ここにすでに記述されたフィーチャの代わりに又はそれに加えて使用されることができるフィーチャを含むことができる。

Claims (13)

1. 第２の局から第１の局に信号を通信する方法であって、前記第１の局が、複数のアンテナを含むアンテナアレイを有する、方法であって、
   構成フィールド及びデータフィールドを含む個々のアナログ信号を、各アンテナにおいて受信する受信ステップであって、前記構成フィールドは、複数回繰り返される訓練シンボルを含む、ステップと、
   少なくとも２つのアナログ信号を組み合わせて、組み合わされた信号を形成するステップであって、前記訓練シンボルの各繰り返しの間、前記複数のアンテナの少なくとも１つのアンテナパラメータを調整し、前記組み合わされた信号を測定するステップと、
   前記データフィールドを受信するために、前記アンテナアレイ上のアナログビームフォーミングのために適用されるアンテナ重みの組を計算するステップと、
   を含む方法。
2. 前記組み合わされた信号は、測定される前にデジタル化される、請求項１に記載の方法。
3. 前記アンテナパラメータは、各アンテナ信号の位相及び振幅を有する、請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記構成フィールドは、前記訓練シンボルの繰り返しの数の標示を含む、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の方法。
5. 前記訓練シンボルの繰り返しの数は、予め決められている、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の方法。
6. 前記受信ステップの前に、前記第１の局から前記第２の局に、前記アンテナアレイのアンテナ数を伝えるステップを更に含む、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の方法。
7. 前記訓練シンボルの繰り返しの数は、前記第１の局のアンテナ数に基づいて決定される、請求項６に記載の方法。
8. 前記第２の局が、複数の送信アンテナを含む送信アンテナアレイを有し、前記方法が更に、
   前記第２の局において、前記訓練シンボルの各繰り返しの間、前記第２の局の前記複数の送信アンテナの少なくとも１つのアンテナパラメータを調整するステップと、
   前記第１の局において、送信アンテナ重みの組及び受信アンテナ重みの組を計算するステップと、
   前記第１の局において、次の送信の間に使用されるべき前記送信アンテナ重みの組を送出するステップと、
   を含む、請求項１乃至７のいずれか１項に記載の方法。
9. 前記第２の局は、複数の送信アンテナを含む送信アンテナアレイを有し、
   前記方法は、前記第２の局において、全方向性の放射パターンを使用して前記第１の局との通信を開始するステップを更に含む、請求項１に記載の方法。
10. 前記第１の局は、次の送信信号内において、前記第２の局によって使用されるべきビットレートを示し、前記ビットレートは、前記組み合わされた信号の信号品質に依存して選択される、請求項１乃至９のいずれか１項に記載の方法。
11. 複数のアンテナを含み、構成フィールド及びデータフィールドを含む個々のアナログ信号を各アンテナにおいて受信するアンテナアレイであって、前記構成フィールドは、複数回繰り返される訓練シンボルを有する、アンテナアレイと、
    少なくとも２つのアナログ信号を組み合わせて、組み合わされた信号を形成する結合手段と、
    前記訓練シンボルの各繰り返しの間、前記複数のアンテナの少なくとも１つのアンテナパラメータを調整する調整手段と、
    前記少なくとも１つのパラメータの各設定により得られた前記組み合わされた信号を測定する測定手段と、
    前記データフィールドを受信するために、前記アンテナアレイ上のアナログビームフォーミングのために前記調整手段に適用されるべきアンテナ重みの組を計算する計算手段と、
    を有する受信局。
12. 請求項１１に記載の受信局と通信する送信局であって、
    構成フィールド及びデータフィールドを含むアナログ信号を送信する送信手段を有し、前記構成フィールドは、複数回繰り返される同一の訓練シンボルのシーケンスを含み、それにより、前記受信局は、アナログビームフォーミングを導くために個々のアンテナ設定により複数の測定を実施することができる、送信局。
13. 請求項１１に記載の受信局が、アナログビームフォーミングを導くために個々のアンテナ設定により複数の測定を実施することができるように、複数回繰り返される同一の訓練シンボルのシーケンスを有するプリアンブル構造。

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