JP2015525516A - ワイヤレス通信のためのプリコーディングされた信号の変換 - Google Patents

Abstract

本願の実施形態は、ワイヤレス通信に関する信号を変換するための方法および装置を提供する。装置の一実施形態は、複数の第１のポートおよび第２のポートを含む変換器を含む。それぞれの第１のポートは、第１のアンテナ・アレイ構成のモードに関連し、それぞれの第２のポートは、第１のアンテナ・アレイ構成で展開されたアンテナのうちの１つに通信可能に結合されるように構成され得る。この実施形態は、方位角による変動の度合いに基づいて第１のアンテナ・アレイ構成のモードのサブセットを選択するように構成され得るセレクタも含む。この実施形態は、複数の第３のポートのそれぞれをモードのサブセットのうちの１つに関連する第１のポートのうちの１つにマッピングするように構成されたマッパをさらに含む。第３のポートのそれぞれは、第２のアンテナ・アレイ構成のモードに関連する。

Description

関連出願の相互参照
本出願は、２０１１年５月２日に出願した米国特許出願第１３／０９８，６９３号に関連する。

本出願は、一般に、通信システムに関し、より詳細には、ワイヤレス通信システムに関する。

ワイヤレス通信システムは、概して、無線周波数信号を使用して送信機と受信機との間で無線インターフェースを介して情報を搬送する。例えば、基地局（またはｅＮｏｄｅＢ）は、基地局およびユーザ機器に実装されたトランシーバを用いてユーザ機器（ＵＥ）と通信する可能性がある。最も単純なトランシーバは、単一のアンテナを使用して無線周波数信号を送受信する。しかし、より進歩したトランシーバは、無線インターフェースを介して送信される信号の送受信のために２つ以上のアンテナを使用することができる。例えば、基地局は、無線インターフェースを介して無線周波数信号を送受信するために２つ、４つ、８つ、またはそれよりも多いアンテナのアレイを使用する可能性がある。ユーザ機器も、２つ以上のアンテナを実装し得る。受信機側および／または送信機側で複数のアンテナを使用するシステムは、通常、多入力多出力（ＭＩＭＯ）通信システムと呼ばれる。また、ＭＩＭＯシステムは、シングルユーザＭＩＭＯ（ＳＵ−ＭＩＭＯ）システムまたはマルチユーザＭＩＭＯ（ＭＵ−ＭＩＭＯ）システムとして実装され得る。

ＭＩＭＯシステムのワイヤレス通信チャネルは、受信機側アンテナで受信される信号を送信側アンテナによって送信される信号の関数として決定するチャネル行列によって定義される。したがって、チャネル行列は、送信機および受信機のアンテナ構成、ならびに送信機と受信機との間の散乱環境（scattering environment）に応じて決まる。チャネル行列の次元（dimension）は、送信機側アンテナおよび受信機側アンテナの数によって決定される。チャネル行列の非対角要素によって表されるクロスアンテナ干渉（cross-antenna interference）は、理論上は、チャネル行列を対角化するように送信される信号をプリコーディングすることによって取り除かれ得る。例えば、ダウンリンク・チャネル行列を対角化するプリコーディング行列は、対称チャネル行列に対してチャネル行列の通常の固有値／固有ベクトル分解を用いるか、または非対称チャネル行列に対してチャネル行列の特異値分解を用いてそれぞれのＵＥに関して決定され得る。しかし、各ＵＥに関する正確なプリコーディング行列を定義することは、ダウンリンク・チャネル行列を厳密に決定するためのＵＥからの十分なフィードバック、およびプリコーダをリアルタイムで計算するための十分な計算能力を必要とする。実際には、アップリンク・チャネルのオーバーヘッドおよびトランシーバの設計に関する制約が、これを不可能にする。

したがって、通常のＭＩＭＯシステムは、予め決められた量子化された１組のプリコーディング行列を含むコードブックを使用する。コードブックは、特定のアンテナ構成および非散乱環境に対して定義された理想的なチャネル行列を対角化する１組のプリコーディング行列を含む。そのとき、送信機は、受信機から受信されたフィードバックに基づいてプリコーディング行列のうちの１つを選択することができる。例えば、ＵＥは、ＵＥにダウンリンクで送信される信号に適用すべきプリコーディング行列を選択するために使用され得るチャネル状態情報をフィードバックする可能性がある。例示的なチャネル状態情報（ＣＳＩ）は、チャネル品質情報（ＣＱＩ）、プリコーディング行列インジケータ（ＰＭＩ）、ランク（ｒａｎｋ）インジケータ（ＲＩ）、プリコーディング・タイプ指示（PTI:pre-coding type indication）などを含む。ＣＱＩは、概して、ダウンリンクの送信のために使用されるべき推奨される変調方式および符号化率を示し、ＲＩは、チャネルのランクについての情報を提供し、空間多重化システムにおいてダウンリンクの送信のために使用されるべき最適なレイヤ数を決定するために使用される可能性があり、ＰＭＩは、例えば、閉ループ空間多重化システムでどのプリコーディング行列を使用すべきかを示す。プリコーディング・コードブックの次元は、必要なフィードバックを提供するために利用可能な制御シグナリングのオーバーヘッドによって制約を受ける。

コードブックは、概して、均一リニア・アンテナ・アレイ（ＵＬＡ：ｕｎｉｆｏｒｍ ｌｉｎｅａｒ ａｎｔｅｎｎａ ａｒｒａｙ）などの１つの想定されるアンテナ構成に関して標準化される。例えば、ダウンリンクでは、２つ、４つ、および８つのＴＸアンテナの均一リニア・アレイ用のコードブックが、ＳＵ−ＭＩＭＯおよびＭＵ−ＭＩＭＯをサポートするためにＲｅｌ−１０ ＬＴＥ技術仕様のために標準化されてきた。標準に準じて動作するｅＮｏｄｅＢおよびＵＥは、それらのｅＮｏｄｅＢおよびＵＥの実際のアンテナ構成とは無関係に、無線インターフェースを介した送信にこれらのコードブックを使用しなければならない。さらに、ＤＬ ＭＩＭＯのためのＣＳＩフィードバック・メカニズムの設計は、標準化されたコードブックに基づいており、各ＵＥは、そのＵＥが受信した信号が想定されたアンテナ構成を実装するｅＮｏｄｅＢによって生成されたと想定する。別の例として、アップリンクでは、ＵＬ ＳＵまたはＭＵ−ＭＩＭＯのためにＵＥに割り振られるプリコーディング・ベクトルは、第３世代パートナーシップ・プロジェクト（３ＧＰＰ）によって定められた使用で定義されている２つおよび４つのＴＸアンテナ用のコードブックに基づく。ｅＮｏｄｅＢは、各ＵＥによって使用される実際のアンテナ構成とは無関係に、指定された組からのコードブックをそのＵＥに割り振る。

開示される対象は、上述の問題のうちの１つまたは複数の影響に対処することを対象とする。以下は、開示される対象のいくつかの態様の基本的な理解を提供するために開示される対象の簡潔な概要を示す。この概要は、開示される対象の網羅的な概説ではない。開示される対象の重要なもしくは決定的な要素を特定すること、または開示される対象の範囲を定めることは、意図されていない。この概要の唯一の目的は、以降で検討されるより詳細な説明に対する前置きとして、いくつかの概念を簡素化された形態で示すことである。

一実施形態においては、ワイヤレス通信に関する信号を変換するための装置が提供される。装置の一実施形態は、複数の第１のポートおよび第２のポートを含む変換器を含む。それぞれの第１のポートは、第１のアンテナ・アレイ構成のモード（ｍｏｄｅ）に関連し、それぞれの第２のポートは、第１のアンテナ・アレイ構成で展開された第１の複数のアンテナのうちの１つに通信可能に結合されるように構成され得る。装置のこの実施形態は、方位角による各モードの変動の度合いに基づいて第１のアンテナ・アレイ構成のモードのサブセットを選択するように構成され得るセレクタも含む。装置のこの実施形態は、複数の第３のポートのそれぞれをモードのサブセットのうちの１つに関連する第１のポートのうちの１つにマッピングするように構成されたマッパをさらに含む。第３のポートのそれぞれは、第２のアンテナ・アレイ構成のモードに関連する。

別の実施形態においては、基地局が提供される。基地局の一実施形態は、第１のアンテナ・アレイ構成のアンテナ素子に対応する複数のパイロット信号を生成するように構成され得るパイロット信号ジェネレータと、第２のアンテナ・アレイ構成で展開された複数のアンテナとを含む。基地局のこの実施形態は、複数の第１のポートおよび複数の第２のポートを含む変換行列も含む。それぞれの第１のポートは、第１のアンテナ・アレイ構成のアンテナ素子のうちの１つに関連し、それぞれの第２のポートは、第２のアンテナ・アレイ構成で展開されたアンテナのうちの１つに通信可能に結合される。変換行列は、パイロット信号のそれぞれを、第２のアンテナ・アレイ構成のアンテナによって送信するために、第２のアンテナ・アレイ構成のモードの選択されたサブセットのうちの異なる１つにマッピングするように構成され得る。

さらに別の実施形態においては、ワイヤレス通信に関する信号を変換するための方法が提供される。方法の実施形態は、方位角によるそれぞれのモードの変動の度合いに基づいて第１のアンテナ・アレイ構成のモードのサブセットを選択するステップと、複数の第１のポートのそれぞれを、モードのサブセットのうちの１つに関連する複数の第２のポートのうちの１つにマッピングするステップとを含む。第１のポートのそれぞれは、第２のアンテナ・アレイ構成のモードに関連する。方法の実施形態は、第２のポートと対応する複数の第３のポートとの間で搬送される信号を変換するステップも含む。それぞれの第２のポートは、第１のアンテナ・アレイ構成のモードのうちの１つに関連し、それぞれの第３のポートは、第１のアンテナ・アレイ構成で展開された複数のアンテナのうちの１つに通信可能に結合されるように構成され得る。

開示される対象は、同様の参照番号が同様の要素を特定する添付の図面と合わせて解釈される以下の説明を参照することによって理解され得る。

ワイヤレス通信システムの第１の例示的な実施形態を概念的に示す図である。 アクティブ・アンテナ・アレイの３つの例示的な実施形態を示す図である。 アクティブ・アンテナ・アレイの３つの例示的な実施形態を示す図である。 アクティブ・アンテナ・アレイの３つの例示的な実施形態を示す図である。 変換行列の１つの例示的な実施形態を概念的に示す図である。 基地局の１つの例示的な実施形態におけるダウンリンクの経路およびアップリンクの経路をそれぞれ概念的に示す図である。 基地局の１つの例示的な実施形態におけるダウンリンクの経路およびアップリンクの経路をそれぞれ概念的に示す図である。 均一円形アレイの１つの例示的な実施形態を概念的に示す図である。 それぞれ、Ｎ＝８の理想的な等方性アンテナ素子による均一円形アンテナおよび均一リニア・アンテナの例示的な実施形態に関するブロードサイドおよびエンドファイアの角度のアレイ・ファクタ（ａｒｒａｙ ｆａｃｔｏｒ）を示す図である。 それぞれ、Ｎ＝８の理想的な等方性アンテナ素子による均一円形アンテナおよび均一リニア・アンテナの例示的な実施形態に関するブロードサイドおよびエンドファイアの角度のアレイ・ファクタ（ａｒｒａｙ ｆａｃｔｏｒ）を示す図である。 Ｎ＝８素子の均一円形アレイで適用され得るあり得る励振重み（ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ ｗｅｉｇｈｔ）を与えるためにＤＦＴ行列の列が使用されるときに結果として得られる均一円形アレイの応答を示す図である。 図７Ａに示された同じ励振重みに対する均一リニア・アレイの応答を示す図である。 送信するために信号をプリコーディングし、変換するための送信チェーンの１つの例示的な実施形態を概念的に示す図である。 異なる次数（ｏｒｄｅｒ）のベッセル関数を示す図である。 アレイ・パターンＦｃ（θ，φ）の１つの例示的な実施形態を示す図である。 連続的な円形アレイの１つの例示的な実施形態を概念的に示す図である。 モード・パターンの例示的な実施形態を示す図である。 モード・パターンの例示的な実施形態を示す図である。 偶数の円形モードを用いるビーム形成を示す図である。 円形モードによって形成される指向性パターンのビーム幅を含まれるモードの数の関数として示す図である。 特定の数の使用可能なモードを生成するために使用される素子の最小数およびアレイの直径を示す図である。 無指向性アンテナに関するモード・パターンの例示的な実施形態を示す図である。 無指向性アンテナに関するモード・パターンの例示的な実施形態を示す図である。 無指向性アンテナに関するモード・パターンの例示的な実施形態を示す図である。 １３０°のビーム幅のアンテナに関するモード・パターンの例示的な実施形態を示す図である。 １３０°のビーム幅のアンテナに関するモード・パターンの例示的な実施形態を示す図である。 １３０°のビーム幅のアンテナに関するモード・パターンの例示的な実施形態を示す図である。 基地局の１つの例示的な実施形態を概念的に示す図である。

開示される対象はさまざまな修正および代替的な形態があり得るが、開示される対象の特定の実施形態は、例として図面に示されており、本明細書において詳細に説明される。しかし、特定の実施形態の本明細書の説明は、開示される対象を開示される特定の形態に限定するように意図されておらず、逆に、添付の特許請求の範囲の範囲内のすべての修正、均等物、および代替的な形態を包含することが意図されていることを理解されたい。

例示的な実施形態が、以下で説明される。明瞭にするために、実際の実装のすべての特徴が、本明細書において説明されるわけではない。当然、任意のそのような実際の実施形態の開発において、実装ごとに変わるシステムに関連するおよびビジネスに関連する制約にしたがうことなどの開発者の具体的な目的を達成するために多数の実装に固有の判断がなされなければならないことが理解される。さらに、そのような開発の取り組みは複雑であり、時間を要する可能性があるが、それでもやはり、この開示の恩恵を受ける当業者にとってはありふれた仕事であることが理解される。説明および図面は、単に、特許請求の対象の原理を示す。したがって、当業者が、本明細書において明示的に説明されていないか、または示されていないが、本明細書において説明される原理を具現化し、特許請求の対象の範囲内に含まれる可能性があるさまざまな構成を案出することができることは、理解されるであろう。さらに、本明細書に挙げられたすべての例は、特許請求の対象の原理、ならびに当技術分野の発展のために本発明者（ら）がもたらした概念を読者が理解するのを助ける教示を目的とするようにもっぱら意図されており、そのような特に挙げられた例および条件に限定されないと解釈されるべきである。

開示される対象が、添付の図面を参照して以降で説明される。さまざまな構造、システム、およびデバイスが、説明のみを目的として、当業者によく知られている詳細によって説明を曖昧にしないように、図面に概略的に示される。それでもやはり、添付の図面は、開示される対象の説明のための例を記述し、説明するために含められる。本明細書において使用される語および句は、当業者によるそれらの語および句の理解と一致する意味を有すると理解および解釈されるべきである。用語または句の特殊な定義、すなわち、当業者によって理解される通常のおよび通例の意味と異なる定義は、本明細書における用語または句の一貫した使用によって示唆されるように意図されていない。用語または句が特殊な意味、すなわち、当業者によって理解される意味とは異なる意味を有するように意図される場合に限って、そのような特殊な定義が、用語または句の特殊な定義を率直に曖昧さがないように与えるはっきりと定義する方法で本明細書において明確に述べられる。加えて、本明細書において使用される用語「または（ｏｒ）」は、そうでないことが示され（例えば、「さもなくば（ｏｒ ｅｌｓｅ）」または「またはその代替として（ｏｒ ｉｎ ｔｈｅ ａｌｔｅｒｎａｔｉｖｅ）」）ていない限り非排他的な「または（ｏｒ）」を指す。また、本明細書において説明されるさまざまな実施形態は、新しい実施形態を形成するために一部の実施形態が１つまたは複数のその他の実施形態と組み合わされ得るので、必ずしも互いに排他的であるとは限らない。

閉ループ多入力多出力（ＣＬ−ＭＩＭＯ）システムの基地局は、パイロット信号をユーザ機器に送信し、ユーザ機器は、受信されたパイロット信号の測定を実行してチャネル状態情報、チャネル品質情報などを生成することができる。これらの測定に基づいて、ユーザ機器は、プリコーディング行列を選択し、選択されたプリコーディング行列を示す情報を含むフィードバックを基地局に送信することができ、その結果、基地局は、選択されたプリコーディング行列をその後のダウンリンクの送信に適用することができる。プリコーディング行列は、ユーザ機器が妥当な量のオーバーヘッドを用いて意味のあるフィードバックを生成し、フィードバックを送信することができるように標準化されている。現在の標準は、アレイの各アンテナから異なるパイロット信号を送信する均一リニア・アンテナ・アレイ（ＵＬＡ）のためのプリコーディング行列の組またはコードブックを規定する。プリコーディング行列は、ＵＬＡを念頭に設計されており、ＵＬＡに適用されるとき、ランク１送信を想定するプリコーディング行列の列は、方位角をほぼ一様に走査する直交するビームを生じる。

異なるアンテナ構成の柔軟な展開をサポートするモジュール式アンテナ（ｍｏｄｕｌａｒ ａｎｔｅｎｎａ）などの新しいアンテナ・テクノロジーは、サービス・プロバイダが均一円形アレイまたは均一円筒形アレイなどのいくつかの異なる構成を展開することを可能にすることができる。異なるアンテナ構成は、異なる強みおよび弱みを有し、したがって、サービス・プロバイダは、状況に応じてさまざまな異なる構成を使用する基地局を実装する可能性がある。しかし、標準化されたプリコーディング行列は、あらゆるあり得るアンテナの展開に関しては定義されていない。さらに、ＵＬＡ以外のアンテナ構成のためのプリコーディング行列の追加の組を標準化することは、ユーザ機器における計算要件を増やすか、またはユーザ機器がサービング基地局によって使用されているアンテナ構成の種類を知ることができることを要求する。

少なくとも部分的に、異なるアンテナ・アレイ構成の展開をサポートするために、本出願は、ＵＬＡのプリコーディング行列の標準的な組に関して想定される（Ｎ個の）リニア・アレイの素子を均一円形アレイ（ＵＣＡ）の（Ｍ個の）円形モードにマッピングする変換要素の実施形態を説明する。一実施形態においては、Ｎ＜Ｍであり、それぞれのリニア・アレイの素子は、ＵＣＡによってサポートされる円形モードの総数のサブセットのうちの１つにマッピングされる。円形モードのサブセットは、方位角による各モードの変動の度合いに基づいて選択され得る。ダウンリンクでのパイロット信号の送信のために、パイロット信号は、変換要素の（Ｎ個の）（仮想的なまたは実際の）入力ポートに与えられる。変換要素は、（Ｎ個の）入力ポートで受信されたパイロット信号をＵＣＡのアンテナに通信可能に結合される（Ｍ個の）出力ポートにマッピングするためのＮｘＭ変換行列を適用する。リニア・アレイの素子のそれぞれに関連するパイロット信号は、ＵＣＡの選択された円形モードのうちの１つを励振することができ、したがって、パイロット信号は、方位に対して実質的に一様に、例えば、選択された閾値未満の方位角による変動の度合いで送信される。トラフィック信号などのダウンリンク信号のビームフォーミングは、パイロット信号を送信するために使用される円形モードに異なる重みを適用することによって行われ得る。（Ｍ個の）アンテナによって受信されたアップリンク信号は、変換要素の（Ｍ個の）入力ポートに伝達され、変換要素は、（Ｍ個の）入力ポートで受信されたアップリンク信号を受信機に結合された（Ｎ個の）（仮想的なまたは実際の）出力ポートにマッピングするＮｘＭ変換行列を適用する。本明細書において説明されるアップリンク信号の処理の実施形態はダウンリンクの変換行列Ｔを含む可能性があるが、アンテナの信号は、直接処理される可能性があり、したがって、行列Ｔによって拘束されない可能性がある。

図１は、ワイヤレス通信システム１００の第１の例示的な実施形態を概念的に示す。示された実施形態において、ワイヤレス通信システムは、１つまたは複数のユーザ機器１１０にアップリンクまたはダウンリンクのワイヤレス接続性を提供するための１つまたは複数の基地局１０５を含む。図１に示されたワイヤレス通信システム１００は、第３世代パートナーシップ・プロジェクト（３ＧＰＰ、３ＧＰＰ２）によって合意されたロング・ターム・エボリューション（ＬＴＥ）規格またはプロトコルにしたがって動作する可能性がある。ワイヤレス通信システム１００は、ユニバーサル移動体通信システム（ＵＭＴＳ）に関する規格またはプロトコルにしたがって動作する可能性もある。しかし、本開示の恩恵を受ける当業者は、ワイヤレス通信システム１００の代替的な実施形態がその他の規格またはプロトコルにしたがって動作する可能性があることを理解するに違いない。示された実施形態において、基地局１０５またはユーザ機器１１０は、本明細書において説明されるように、アップリンクまたはダウンリンクで閉ループ多入力多出力（ＣＬ−ＭＩＭＯ）通信技術を実装する可能性がある。

基地局１０５の示された実施形態は、ダウンリンクで送信するための信号を生成するための機能を含む。例えば、基地局１０５は、１つまたは複数のパイロット信号を生成するように構成され得るパイロット信号ジェネレータ１１０を含む可能性がある。パイロット信号ジェネレータ１１０は、想定されるアンテナ・アレイ構成で展開されるアンテナによって送信するためのパイロット信号を生成するように構成され得る。例えば、パイロット信号ジェネレータ１１０は、複数の異なる直交するパイロット信号を生成することができ、次いで、アンテナの均一リニア・アレイの異なるアンテナに関連するポートに信号を供給することができる。示された実施形態において、基地局１０５は、無線インターフェースを介してデータ・トラフィックを搬送するための信号を生成するように構成され得るトラフィック信号１２０も含む。トラフィック信号ジェネレータ１２０は、想定されるアンテナ・アレイ構成で展開されるアンテナによって送信するためのデータ・トラフィック信号を生成するように構成され得る。例えば、トラフィック信号ジェネレータ１２０は、データ・トラフィック信号を生成することができ、次いで、アンテナの均一リニア・アレイの異なるアンテナに関連するポートに信号を供給することができる。

また、ビームフォーマ１２５が、基地局１０５に実装される可能性がある。示された実施形態において、ビームフォーマ１２５は、ビームフォーマ１２５の入力ポートで受信された信号の振幅または位相を修正して出力信号を生成するための重みを生成または適用する静的ビームフォーマ１２５である可能性がある。出力信号は、（おそらくは、本明細書において検討されるように、プリコーディングまたは変換に加えて）アンテナ・アレイに与えられる可能性があり、その結果、アンテナ・アレイによって送信される信号が、建設的にまたは破壊的に干渉して空間選択性を生み出す。ビームフォーミング技術は等技術分野でよく知られており、明瞭にするために、特許請求の対象に関連があるビームフォーミングの態様のみが本明細書において検討される。示された実施形態において、ビームフォーマ１２５は、アンテナの均一リニア・アレイなどの想定されるアンテナ構成に基づいて重みを生成するように構成され得る。例えば、ビームフォーマ１２５は、想定されるアンテナ構成の異なるアンテナに対応するビームフォーマの出力が受信されたパイロット信号のうちの１つに対応する信号をそれぞれ受信するように、受信されたパイロット信号に重みを適用する可能性がある。別の例として、ビームフォーマ１２５は、データ・トラフィックが想定されるアンテナ構成によって特定の方向に優先的に送信されるようにする受信されたデータ・トラフィック信号に対する重みを適用する可能性がある。

送信されるべき信号のプリコーディングは、プリコーダ１３０によって実行され得る。示された実施形態において、プリコーダ１３０は、予め決められた量子化された１組のプリコーディング行列を含むコードブックを使用するか、またはそのようなコードブックにアクセスする。コードブックは、特定のアンテナ構成および非散乱環境に対して定義された理想的なチャネル行列を対角化する１組のプリコーディング行列を含む可能性がある。そのとき、基地局１０５は、ユーザ機器１１０から受信されたフィードバックに基づいてプリコーディング行列のうちの１つを選択することができる。例えば、ユーザ機器１１０は、ユーザ機器１１０にダウンリンクを介して送信される信号に適用すべきプリコーディング行列を選択するために使用され得るチャネル状態情報をフィードバックすることができる。例示的なチャネル状態情報（ＣＳＩ）は、チャネル品質情報（ＣＱＩ）、プリコーディング行列インジケータ（ＰＭＩ）、ランク・インジケータ（ＲＩ）、プリコーディング・タイプ指示（ＰＴＩ）などを含む。示された実施形態において、コードブックは、交差偏波アンテナ・アレイまたは均一リニア・アンテナ・アレイなどの想定されるアンテナ構成のために定義される可能性がある。プリコーダ１３０は、基地局１１０によって実装された実際のアンテナ構成と無関係に、無線インターフェースを介して送信するために信号をプリコーディングするためにこれらのコードブックを使用する可能性がある。さらに、ＤＬ ＭＩＭＯのためのＣＳＩフィードバック・メカニズムの設計は、標準化されたコードブックに基づいており、ユーザ機器１１０は、受信された信号が想定されるアンテナ構成を実装する基地局１０５によって生成されたと想定する。別の例として、アップリンクで、ＵＬ ＳＵまたはＭＵ−ＭＩＭＯのためにユーザ機器１１０に割り振られるプリコーディング・ベクトルは、第３世代パートナーシップ・プロジェクト（３ＧＰＰ）によって定められた仕様で定義されている２および４ＴＸアンテナのためのコードブックに基づく。したがって、基地局１０５は、ユーザ機器１１０によって使用される実際のアンテナ構成と無関係に指定された組からのコードブックをユーザ機器１１０に割り振る可能性がある。

ビームフォーマ１２５とプリコーダ１３０との両方が図１に示されているが、本開示の恩恵を受ける当業者は、さまざまな代替的な実施形態において、基地局１０５がビームフォーマ１２５を使用するビームフォーミングかまたはプリコーダ１３０を使用するプリコーディングかのどちらかを実装する可能性があることを理解するに違いない。代替的に、基地局１０５は、ビームフォーミングとプリコーディングとの両方を実装する可能性がある。本明細書において使用されるとき、用語「ビームフォーミング」は、基地局１０５によってアップリンクを介して受信されたトラフィックおよびパイロット信号から抽出された比較的長期的な統計情報を用いて決定される、ユーザ機器１１０の位置などの位置に向けた送信されるダウンリンクのトラフィック信号の同相化（ｃｏ−ｐｈａｓｉｎｇ）を指す可能性がある。本明細書において使用されるとき、用語「プリコーディング」は、ユーザ機器１１０によってアップリンクを介して送信された比較的短期的な情報（例えば、ＰＭＩを含むフィードバック）を用いてユーザ機器１１０の位置などの位置に向けた送信されるダウンリンクのトラフィック信号の同相化を指す可能性がある。本明細書において説明される変換方法の実施形態は、短期的なまたは長期的な実装に、例えば、ビームフォーマ１２５またはプリコーダ１３０または両方のエンティティを含む実施形態に適用され得る。

基地局１０５は、無線周波数信号を送信または受信するための複数のアンテナ１４０を含むアンテナ・アレイ１３５に物理的に、電子的に、または通信可能に結合され得る。ビームフォーマ１２５またはプリコーダ１３０などの基地局１０５の標準に準拠した要素は特定のアンテナ構成を想定する可能性があるが、展開されたアンテナ・アレイ１３５は、異なる構成を有する可能性がある。例えば、標準に準拠した要素は、アンテナが均一リニア・アレイで展開されると想定する可能性があるが、実際の展開は、円形アレイ、円筒形アレイなどを含むさまざまな構成で展開されるアンテナ１４０を使用する可能性がある。さらに、本開示の恩恵を受ける当業者は、アンテナ１４０のアレイが任意の数のアンテナ１４０を含む可能性があることを理解するに違いない。例えば、２個、４個、８個、および１２個のアンテナのアレイが、さまざまな構成で展開されることが多い。ユーザ機器１１０は、無線周波数信号を送信または受信するために（図１に示されていない）複数のアンテナを実装する可能性もある。

図２Ａ、２Ｂ、および２Ｃは、アクティブ・アンテナ・アレイ２００、２０５、２１０の３つの例示的な実施形態を示す。示された実施形態は、個々のアンテナ素子２１５の異なる配置を示す。図２Ａは、１６個の相互に接続されたアンテナ素子２１５を含む垂直リニア・アレイ２００を示す。図２Ｂは、８個の相互に接続されたアンテナ素子２１５を含む水平リニア・アレイ２００を示す。図２Ｃは、８個の相互に接続されたアンテナ素子２１５を含む円形アレイ２１０を示す。正方形または長方形アレイ２００、２０５は、建物の正面、または鉄道の駅および空港などの公共の場所に添加するのに特に好適である可能性がある。無指向性または指向性素子を用いた（図２Ａ〜２Ｃに示されていない）円形アレイ２１０または円筒形アレイは、ポール、塔、燈柱などに設置するのに特に好適である可能性がある。しかし、本開示の恩恵を受ける当業者は、図２Ａ〜Ｃに示された特定のアレイ構造、アンテナ素子２１５の数、および展開の筋書きが、例示的であるように意図されており、請求項に明示的に記載されていない限り限定するように意図されていないことを理解するに違いない。

アクティブ・アンテナ・アレイ２００、２０５、２１０の実施形態は、異なるビームフォーミング能力をサポートするように構成され得る。例えば、アクティブ・アンテナ・アレイ２００、２０５、２１０の実施形態は、デジタル・チルト（ｄｉｇｉｔａｌ ｔｉｌｔ）、キャリア／帯域ごとの区別されたチルト、区別されたアップリンク／ダウンリンク（ＵＬ／ＤＬ）のチルト、柔軟なビーム成形能力、またはビーム間での柔軟な電力分配をともなうアレイからの複数のビームを用いる垂直ビームフォーミング（ｖｅｒｔｉｃａｌ ｂｅａｍｆｏｒｍｉｎｇ）などのビームフォーミング能力をサポートする可能性がある。アクティブ・アンテナ・アレイ２００、２０５、２１０によって生成される異なるビームは、通常のセルラ・システムのレイアウトの内側のカバー・エリアおよび外側のカバー・エリアを形成する可能性がある。アクティブ・アンテナ・アレイ２００、２０５、２１０のさまざまな実施形態は、本明細書において説明されるビームフォーミング能力の異なる組み合わせ、およびその他のビームフォーミング能力をサポートする可能性がある。

再び図１を参照すると、基地局１０５は、ダウンリンクを介して送信するための信号、またはアップリンクを介して受信された信号を変換するために使用され得る変換行列１４５を実装し得る。変換行列は、アンテナ・アレイ１３５の実際の構成、およびビームフォーマ１２５またはプリコーダ１３０などの基地局１０５のその他の要素によって使用される想定されるアンテナ構成に基づいて決定され得る。示された実施形態において、変換行列１４５は、想定されるアンテナ・アレイのポートに対応する信号を搬送するように構成される１組のポートと、アンテナ１４０に信号を搬送し、アンテナ１４０から信号を搬送するように構成される別の１組のポートとを含む。本明細書において検討されるように、変換行列１４５は、想定されるアンテナ・アレイ構成に対応する仮想ポートからのダウンリンク信号をアンテナ１４０に対応するポートにマッピングするように構成され得る。例えば、変換行列１４５は、パイロット・ジェネレータ１１５から受信されたパイロット信号を無線インターフェースを介して送信するためにアンテナ・アレイ１３５のモードの選択されたサブセットにマッピングするように構成され得る。変換行列１４５は、アンテナ・アレイ１３５によって受信されたアップリンク信号を基地局１０５の受信機１５０の仮想ポートにマッピングするようにも構成され得る。

ワイヤレス通信システム１００内のユーザ機器１１０は、無線インターフェースを介して信号を送信または受信するためのトランシーバ機能１５５を含み得る。示された実施形態において、ユーザ機器１１０は、例えば、基地局１０５によって送信されたパイロット信号の測定を用いてチャネル品質またはチャネル状態情報を推定するために使用され得るチャネル推定器１６５も含む。ユーザ機器１１０は、推定されたチャネル品質またはチャネル状態情報を用いて、ダウンリンクの送信のために使用され得る１つまたは複数のプリコーディング行列を特定することができる。ユーザ機器１１０は、推定されたチャネル品質またはチャネル状態情報を用いて、チャネル状態情報またはプリコーディング行列を示すフィードバックを生成することもできる。そのとき、フィードバックが、基地局１０５に送信され得る。

図３は、変換行列３００の１つの例示的な実施形態を概念的に示す。示された実施形態において、変換行列３００は、第１のアンテナ・アレイ構成のモードに関連するポート３１０の第１の組と、第１のアンテナ・アレイ構成で展開されたアンテナに通信可能に結合され得るポート３１５の第２の組との間で信号をマッピングするＮ×Ｍ行列３０５を実装する変換器３０５を含む。したがって、ポート（Ｍ）の数は、第１のアンテナ・アレイ構成で展開されたアンテナの数と同じである可能性がある。例えば、変換器３０５は、第１のポート３１０と第２のポート３１５との間で予め決められた位相の増分を適用するバトラー行列（Ｂｕｔｌｅｒ ｍａｔｒｉｘ）変換を実装する可能性がある。バトラー行列変換の実施形態は、第１のポート３１０に印可された信号に応じて第１のアンテナ・アレイ構成のモードを励振するように構成され得る。

変換行列３００の示された実施形態は、方位角による各モードの変動の度合いに基づいて第１のアンテナ・アレイ構成のモードのサブセットを選択するように構成され得るセレクタ３２０も含む。セレクタ３２０は、例えば、デバイスもしくはアンテナの変換行列３００への結合、または変換行列に結合されているアンテナの再構成などのアクションに応じて第１のアンテナ・アレイのモードのサブセットをセレクタ３２０が能動的にまたは動的に選択することを可能にする論理要素を含み得る。代替的に、セレクタ３２０は、例えば、アンテナ・アレイ構成に基づいて技術者または設計者によって、動作または展開の前に選択されたモードを示すように構成され得る（スイッチ、フューズ、レジスタ、または選択されたモードを示すその他の要素などの）１つまたは複数の受動要素を含み得る。例えば、均一円形または円筒形アレイのアンテナ・モードは、方位角による変動の異なる度合いを有する可能性があり、例えば、異なるモードは、方位角が０から２πまで変動するにつれて異なる最大振幅と最小振幅との間の範囲を変動する可能性がある。したがって、セレクタ３２０は、予め決められた閾値未満であるかまたは予め決められた閾値におよそ等しい変動の度合いを有するモードのみを選択するように構成される可能性がある。例えば、予め決められた閾値は、２ｄＢなどの値に設定される可能性がある。セレクタ３２０は、ハードウェア、ファームウェア、ソフトウェア、またはこれらの任意の組み合わせで実装され得る。

セレクタ３２０は、変換行列３００のポート３３０をモードの選択されたサブセットのうちの１つに関連するポート３１０のうちの１つに（セレクタ３２０によって与えられた信号に応じて）マッピングするように構成され得るマッパ３２５に通信可能に結合される可能性がある。例えば、ポート３３０が、行列３０５のポート３１０（１〜Ｎ）にマッピングされる可能性がある。示された実施形態において、ポート３３０（１〜Ｎ）の数は、ポート３１０（１〜Ｍ）の数またはポート３１５（１〜Ｍ）の数未満である。マッパ３２５は、ハードウェア、ファームウェア、ソフトウェア、またはこれらの任意の組み合わせで実装され得る。

図４Ａおよび４Ｂは、基地局の１つの例示的な実施形態におけるダウンリンクの経路４００およびアップリンクの経路４０５をそれぞれ概念的に示す。示された実施形態においては、均一円筒形アレイ４１０が、無線インターフェースを介してダウンリンク信号を送信するかまたはアップリンク信号を受信するために使用される。代替的に、均一円形アレイが、基地局のその他の実施形態において実装される可能性がある。均一円筒形アレイ４１０は、円のまわりに等しい角度間隔で分散された（Ｍ個の）アンテナ素子４１５（図４Ａおよび４Ｂにおいては１つだけ数字により示されている）を含む。均一円筒形アレイ４１０は、対応するアンテナ素子４１５に通信可能に結合されるＭ個のポート４２０、４２５を用いて基地局のその他の要素と信号を交換する。ダウンリンクの経路４００のポート４２０は、基地局からアンテナ素子４１５に信号を搬送するために使用され、アップリンクの経路４０５のポート４２５は、アンテナ素子４１５から基地局に信号を搬送するために使用される。

ダウンリンクの経路４００は、（仮想ポートである可能性がある）Ｎ個のポートの間に分けられる可能性があるトラフィック信号を生成するトラフィック信号ジェネレータ４３０を含む。ビームフォーミング要素４３５は、例えば、サイドローブの制御のために１組の重み（Ｗ０）を生成するかまたはトラフィック信号に適用するために使用され得る。次いで、ビームフォーミングされた信号が、プリコーディング要素４４０によってプリコーディングされる可能性がある。示された実施形態において、プリコーディング要素４４０は、離散フーリエ変換（ＤＦＴ）プリコーディング行列を適用する可能性がある。プリコーディング・ベクトルが、ユーザ機器によって提供されるＰＭＩなどのフィードバックを用いて選択され得る。ダウンリンクの経路４００は、無線インターフェースを介して送信するためにパイロット信号を生成するためのパイロット信号ジェネレータ４４５も含む。例示的なパイロット信号は、ＬＴＥ ３ＧＰＰ Ｒ１０の仕様で定義されたＣＳＩ−ＲＳなどの標準化された基準信号を含み得る。示された実施形態においては、パイロット信号が、Ｎ個のアンテナを含む想定されるアンテナ構成のために生成され、結果として、Ｎ個のパイロット信号が、パイロット信号ジェネレータ４４５によって生成され、その後、ストリームに追加される。示された実施形態においては、静的ビームフォーマ４５０が、パイロット信号を、想定されるアンテナ構成、例えば、均一リニア・アレイのＮ個のアンテナに関連するポートに適用するために使用され得る。

ダウンリンクの経路４００の示された実施形態は、想定されるアンテナ構成に基づいて生成された信号を展開された均一円筒形アレイ４１０のアンテナ素子４１５に関連するポート４２０にマッピングするために使用される変換行列４５５も含む。例えば、変換行列４５５は、Ｎ個のデータ・ストリームを円筒形アレイのＭ個の素子にマッピングするＮｘＭ変換行列４５５である可能性がある。変換行列４５５は、２ｐｉ／Ｍの位相の増分のファンデルモンド行列である可能性がある。変換行列４５５を使用することは、基地局が均一リニア・アレイに関連するＤＦＴプリコーディング行列を用いて均一円筒形アレイ４１０による送信を駆動する信号を生成することを可能にする。アンテナの数Ｍは、想定されるアンテナ構成のポートの数Ｎよりも大きく、比Ｍ／Ｎは、典型的には２に近い設計パラメータである。一実施形態において、変換行列４５５は、標準化されたＲ８またはＲ１０のＵＬＡに固有のＤＦＴプリコーディング行列をサポートするように設計される可能性がある。また、変換行列４５５を使用することは、ユーザ機器がＣＬ ＭＩＭＯのためのＰＭＩの算出のための標準的な手順を使用することを可能にする。本明細書において検討されるように、パイロット信号は、ほぼ無指向性の方位角のパターンを有する均一円筒形アレイ４１０のモードにマッピングされる可能性がある。

アップリンクの経路４０５において、変換行列４５５は、アンテナ素子４１５に対応するＭ個のポート４２５を基地局の受信機４６０のＮ個の仮想ポートにマッピングする。本明細書において検討されるように、アップリンクの受信のために使用される各ポート４２５は、無指向性の方位角のパターンを有する。したがって、基地局は、変換信号が想定されるアンテナ構成、例えば、均一リニア・アレイのアンテナによって受信されたかのように、Ｎ個の仮想ポートで受信された変換された信号に対して通常の受信動作を実行することができる。例示的な受信動作は、最大比合成（ＭＲＣ）、最小平均２乗誤差（ＭＭＳＥ）、またはその他の受信動作を含む。

図５は、均一円形アレイ５００の１つの例示的な実施形態を概念的に示す。示された実施形態において、アレイ５００は、円５１０のまわりに等しく離間されるＮ個のアンテナ素子５０５を含む。示された実施形態においては、１１個の角度

が、ｚ軸から測定され、方位角φ∈［０，２π］が、ｘ軸から反時計回りに測定される。Ｎ個の素子５０５のそれぞれは、ａ_ρｎ＝（ａ ｃｏｓφ_ｎ，ａ ｓｉｎφ_ｎ，０）に置かれ、ここで、

，ｎ＝０，．．．，Ｎ−１は、ｚ軸に対して測定される。各素子で適用される励振重みは、ｗ_ｎによって表され、各素子５０５は、複素利得パターンｆ_ｎ（θ，φ）を有する。角度（θ，φ）によって定義される点Ｐの遠方界（ｆａｒ ｆｉｅｌｄ）の領域における素子５０５によって放射された波数

の平面波の電界は、

によって与えられる。示された実施形態において、アンテナ素子５０５のそれぞれは、同じアンテナ・パターンｆ_１（θ，φ）＝ｆ_２（θ，φ）＝・・・ｆ_Ｎ（θ，φ）＝ｆ（θ，φ）を有する。しかし、本開示の恩恵を受ける当業者は、代替的な実施形態が異なるアンテナ素子５０５に関してその他のアンテナ・パターンを使用する可能性があることを理解するに違いない。均一円形アレイ５００のステアリング・ベクトル（ｓｔｅｅｒｉｎｇ ｖｅｃｔｏｒ）は、

によって表され得る。

カバレッジが同等の三角形均一リニア・アレイ構造と比較して、均一円形アレイ５００などの均一円形アレイは、特に間隔の狭い素子

に関する増加した相互結合と、増加したレベルのサイドローブを被る可能性がある。例えば、図６Ａおよび６Ｂは、それぞれ、Ｎ＝８の理想的な等方性アンテナ素子による均一円形アレイおよび均一リニア・アレイの例示的な実施形態に関するブロードサイドおよびエンドファイアの角度のアレイ・ファクタを示す。これらの例は、均一円形アレイの比較的大きなサイドローブを示す。また、これらの例は、いくつかの角度に関して均一円形アレイによって生み出された増加した指向性を示す。

本明細書において検討されるように、１つの想定されるアンテナ構成のために生成されるプリコーディング・ベクトルは、概して、その他の想定されるアンテナ構成のために最適ではない。例えば、均一リニア・アレイによる送信をプリコーディングするために使用される既存の標準化されたコードブックは、均一円形アレイによる送信または受信に適合しない可能性がある。均一リニア・アレイのために生成されるユニタリ・コードブック（ｕｎｉｔａｒｙ ｃｏｄｅｂｏｏｋ）は、ＤＦＴ行列の列であるコードワードを含む。

図７Ａは、Ｎ＝８素子の均一円形アレイで適用され得るあり得る励振重みを与えるためにＤＦＴ行列の列が使用されるときに結果として得られる均一円形アレイの応答を示す。比較のために、図７Ｂは、図７Ａに示された同じ励振重みに対する均一リニア・アレイの応答を示す。図７Ａおよび７Ｂに示された応答の比較は、ＤＦＴのコードブックが均一リニア・アレイのために設計されたことをはっきりと示す。均一円形アレイの応答は、不規則で、乱雑であり、一方、均一リニア・アレイの応答は、非常に規則的で、よく整っている。

図８は、送信するために信号をプリコーディングし、変換するための送信チェーン８００の１つの例示的な実施形態を概念的に示す。示された実施形態において、送信信号は、均一リニア・アレイを想定して生成され、次いで、プリコーディングのためにプリコーダ８０５に与えられる。例えば、プリコーダ８０５は、Ｎ_ｖ個のアンテナ素子を有する均一リニア・アレイを想定して生成されたＤＦＴプリコーディング行列を用いて信号をプリコーディングする可能性がある。次いで、プリコーディングされた信号が、想定された均一リニア・アレイの想定されるＮ_ｖ個のアンテナ素子に対応するＮ_ｖ個の仮想ポート８１０に出力される可能性がある。仮想ポート８１０は、変換器８１５へのインターフェースを提供する。示された実施形態において、変換器８１５は、ＵＣＡのステアリング・ベクトルをファンデルモンド構造（Ｖａｎｄｅｒｍｏｎｄｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）を有するＵＬＡのベクトルに変換する線形変換方法であるデイヴィス変換（Ｄａｖｉｅｓ ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ）を実装する。デイヴィス変換は、既存のコードブックによる閉ループのプリコーディングされた送信をサポートし、長期的なビームステアリング送信を行うために使用され得る。ビームステアリングの応用に関して、システム・オン・チップ（ＳｏＣ）のベースバンドの算出は、ＵＣＡの幾何学形状に適合される必要がない可能性があり、ＵＬＡのＤｏＡの推定方法が、ＵＥに固有のビームステアリングおよびヌル・ステアリングのために容易に使用され得る。

示された実施形態において、変換器８１５は、少なくとも部分的にＣＬ−ＭＩＭＯの応用をサポートするために、標準化されたプリコーディング段階の後に変換（Ｔ）を実行する。例えば、変換器８１５は、Ｎ_ｖ≦Ｎ個の仮想アレイの入力を均一円形アレイ８２５のアンテナ素子に対応するＮ個の物理的なアレイの出力またはポート８２０に変換することができる。実質的に、均一円形アレイ８２５は、プリコーダ８０５にはＵＬＡのように見える。したがって、変換器８１５を実装することは、いかなる標準の変更または既存の基地局もしくはプリコーダへの変更もなしにＵＣＡのＭＩＭＯの解決策をベンダが提供することを可能にし得る。また、ユーザ機器は、ＣＬ−ＭＩＭＯ送信モードでチャネル状態情報（ＣＳＩ）を送信するためにＬＴＥおよびＵＭＴＳで標準化されたコードブックなどの既存のユニタリ・コードブックを再使用することができる。

デイヴィス変換（ＤＴ）は、励振重みおよびそのフーリエ成分からの対応するパターンＦ（θ，φ）に合成手順を適用する。次いで、ＵＣＡの開口（ａｐｅｒｔｕｒｅ）の分布が、位相モード励振（ｐｈａｓｅ−ｍｏｄｅ ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ）と呼ばれる励振重みを用いて操作される可能性がある。デイヴィス変換の形態は、アンテナ８２５の構造に依存して決まる。一実施形態において、アンテナ８２５は、連続的な円形の（または環状の）開口を有する可能性がある。連続的な円形の開口に関する位相モード励振は、以下のように定義され得る。

デイヴィス変換（ＤＴ）

連続的な円形の開口は、ａ_ρｃ＝（ａ ｃｏｓφ_ｃ，ａ ｓｉｎφ_ｃ，０）に置かれた「素子」の連続的な分布として定義される可能性があり、ここで、φ_ｃは、ｘ軸に対するものであり、連続的な角度である。示された実施形態において、連続的な分布の素子のそれぞれは、等方性アンテナ・パターンｆ（θ，φ）＝１．０を有する。しかし、本開示の恩恵を受ける当業者は、代替的な実施形態がその他のアンテナ・パターンを使用する可能性があることを理解するに違いない。

連続的な円形の開口は、ビームフォーミングのために使用され得る。例えば、励振重みが、

に置かれた目標の点に向けたビームフォーミングのために決定される可能性がある。必要とされる励振重みは、例えば、離散的なＵＣＡのパターンの表れを観測することによって、次の式によって与えられるように決定され得る。

この場合の遠方界放射パターンは、次の式によって与えられる。

０次ベッセル関数Ｊ_０は、図６Ａおよび６Ｂに示された実験に基づく極座標の図によって分かるような大きなサイドローブの挙動を示す可能性がある。一実施形態において、サイドローブのレベルは、振幅が先細りになるように制御され得る。垂直のパターンは、やはりベッセル型の挙動を有する可能性があるが、垂直のパターンのビーム幅は等価な水平のパターンのビーム幅よりもずっと大きい可能性がある。

連続的な円形の開口に関する励振関数ｗ（φ_ｃ）は、周期が２πである角度φ_ｃの周期関数である可能性があり、したがって、その励振関数の複素フーリエ成分の有限和

，φ_ｃ∈［０，２π］
として表され得る。上記の式において、変数Ｃ_ｍは、第ｍの空間高調波（ｓｐａｔｉａｌ ｈａｒｍｏｎｉｃ）の複素係数を表し、示された実施形態においては、励振重みを表すことができる２μ＋１個の高調波が存在する。空間高調波のそれぞれは、アレイの励振の位相モードと呼ばれる可能性がある。第ｍの位相モードは、連続的な円形アレイのまわりの（角度が）線形の位相変化のｍ周期で一定の振幅に対応し、したがって、連続的な円形アレイのまわりで１度角度が変わるごとに、対応する「素子」から送信される信号に関してｍ度の位相変化がある。負の位相モードは、反対方向の位相変化を示す。第ｍの位相モードがアレイを励振しているときの連続的な円形アレイからの放射パターンは、離散的な素子のＵＣＡの場合の和とは対照的に積分であり、式

によって与えられ得る。上記の式において、関数Ｊ_ｍは、ｍ次の第１種のベッセル関数である。上記の式は、励振重み

を適用することが、結果として得られるパターン

が項ｅ^ｊｍφの存在によって示されるようにその方位角の変動を受け継ぐことを示す。したがって、特定の方位角の方向に向けた所望のビームフォーミング・パターンは、２μ＋１個の遠方界位相モード

によって合成され得る。一実施形態において、連続的な円形アレイの放射パターンＦ_ｃ（θ，φ）は、そのフーリエ成分に分解される可能性があり、各成分は、別々に励振され得る。

すべてのモードがパターン内で概して同じ強度を与えるわけではない可能性があり−それぞれの励振されるモードは振幅Ｃ_ｍｊ^ｍＪ_ｍ（кαｓｉｎθ）で寄与する可能性があり−これは、パターンに周波数または仰角依存性をもたらす可能性がある。一実施形態において、μの値は、式
μ≒кα
を満たすように選択される可能性がある。この選択は、連続的な円形アレイのいわゆる視界領域（ｖｉｓｉｂｉｌｉｔｙ ｒｅｇｉｏｎ）を見ることによって正当化される可能性があり、この視界領域は、ＵＬＡの視界領域と同じである可能性がある。連続的な円形アレイの視界領域は、ステアリング・ベクトルの位相の項

に基づいて、

およびφ−φ_ｃ∈［０，２π］の異なる値に対して定義され得る。これは、アレイの半径に依存する連続的な円形アレイの視界領域［０，кα］を与える。

α＝λとした連続的な円形アレイのビームステアリングに関する位相モードの励振の１つの例示的な実施形態は、

によって表される。この式は、すべてのモードが遠方界のパターンで同じ振幅に励振され、結果として得られるパターンが、式

によって表され得ることを示す。アレイの半径がα＝λであるので、視界領域は［−２π，２π］であり、この特定の環状の開口を励振することができる最も高い次数の位相モードは

である。図９に示されるように、モードが増えるにつれて、ベッセル関数は、視界領域における影響がますます小さくなる。例えば、位相６の第１のピークは、視界領域のｘ＝２πの上限を過ぎて現れる一方、Ｊ_６（ｘ）は、ｘ≦４に対して無視できる値を返す。結果として、励振重み

は、パターンのほとんどの角度に対して無視できる寄与をする。アレイ・パターンＦ_ｃ（θ，φ）の表れが、図１０に示され、μ個の素子を有するＵＬＡアレイの対応する表れに似ている。この場合の比較は、ｘ軸に沿って配置されるＵＬＡに対するものであり、第１の素子は、座標系の原点に置かれ、素子の間の間隔は、

である。

示された実施形態において、半径を小さくすることはμをより小さくし、励振され得る位相モードの数が制限される。これは、Ｊ_ｍ（кα）の挙動によって容易に説明される可能性があり− ｍ＞кαのとき、関数は無視できる値を返す。一部の実施形態において、ある程度の大きさの半径を有する連続的な円形アレイは、Ｊ_ｍ（кα）がそのヌル（ｎｕｌｌ）のうちの１つに近い場合、限られた数の有用な位相モードを有する可能性がある。例えば、

にあるアレイの微小な弧は、アレイが位相モードｍによって励振されるとき、

によって表され得る遠方界の位相を生じる。目標の方向が

によって与えられる場合、遠方界に対する最大の寄与は、目標の角度で同相化する開口の部分から来る。図１１は、連続的な円形アレイ１１００の１つの例示的な実施形態を概念的に示す。送信される平面波１１０５、１１１０が送信されるモード（例えば、空間高調波）の方向を定義する線１１１５で交差する円１１００上の２つの点１１２０、１１２５が、存在する。点１１２０、１１２５は、角度

および

で置かれる。

別の実施形態において、均一円筒形アレイ８２５は、例えば、図５に示されたように、Ｎ個の離散的なアンテナ素子を用いて形成される可能性がある。例えば、均一円筒形アレイ８２５は、Ｎ個の等方性素子で形成される可能性があり、その場合、アレイ８２５は、連続的な円形アレイを一様にサンプリングした結果として得られたアレイと考えられ得る。位相モードの励振の原理は、この実施形態に当てはまるが、励振され得る最大の位相モードの次数μは、サンプリング間隔（素子間の間隔）のナイキスト間隔との関係に依存する可能性がある。例えば、位相モードの次数μは、μ≒кαであるはずであり、最大で

個の素子が選択され得る。この場合、円筒形アンテナ・アレイ８２５の素子の間の間隔は、≦λ／２である可能性がある。この要件を満たすために、半径と素子の数Ｎとの間の関係は、

によって与えられる可能性があり、

である。

第ｎの素子に関する第ｍの位相モードの励振重みは、式

によって与えられる可能性がある。この式において、関数Ｓ（φ_ｎ）は、素子の座標における一連の単位インパルス関数（例えば、ディラック関数）に対応するサンプリング関数である。そのとき、サンプリング関数は、その空間スペクトル成分の無限和として表され得る。

最後の式の励振重みは、

によって与えられる可能性がある。ＵＣＡの励振重みの無限和の式は、任意のサンプリングされる関数が無限に広がるスペクトル成分を有するのと同じ意味でサンプリングの結果である可能性がある。そして、ｆ（θ，φ）のアンテナ・パターンに関する遠方界のパターンの式は、

によって与えられる可能性があり、ここで、ｇ＝Ｎｑ−ｍ、ｈ＝Ｎｑ＋ｍである。上記の式の第１の項は、所望の遠方界の位相モードのパターンを表す。この項は、連続的な円形アレイの遠方界放射パターンに関する式に存在する唯一の項であった。さらなる項は、より高次の歪みモード（ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ ｍｏｄｅ）を表す。これらのより高次の項のうち、まさに最初の（ｑ＝１）ペアは、より高い影響を有し、その振幅は、Ｎ−｜ｍ｜次元のベッセル関数にしたがう。特に、すべてのｍの中でＪ_Ｎ−μが、視界領域［０，кα］で増加している

の挙動によって明らかであるように最も問題となる。一実施形態において、この項によって表される歪みからの保護は、Ｊ_Ｎ−μ（ｘ）が無視できるように素子の数Ｎを増やすことによって行われ得る。

本明細書において検討されるように、円筒形マルチモード・アレイは、連続的な電流シート（ｃｕｒｒｅｎｔ ｓｈｅｅｔ）モデルおよび

の形態のパターンのモードの和によって表され得る。和は、連続的な電流シートによって実現される可能性があり、または離散的な円筒形のＮ素子アレイによって近似される可能性がある。離散的なアレイに関しては、存在するアンテナ素子と同じ数の電流モード（ｃｕｒｒｅｎｔ ｍｏｄｅ）が確立される可能性がある。円筒形アレイの遠方界のパターンは、円筒形モードによって説明される可能性があるが、

素子間距離（ＩＥＤ）ｄの等方性ソースのリニア・アレイの遠方界のパターンは、

によって与えられる可能性があり、Ａ_ｎは、素子ｎの電流であり、

は、アレイのボアサイトに対する角度である。上記の等式は、円形電流シートおよびリニア・アレイのパターンの類似性を示し、リニア・アレイの素子の役割は円形アレイの電流モードによって引き受けられる。リニア・アレイの素子および円筒形アレイのモードの位相は、特定の方位角の線形の位相進行（ｐｈａｓｅ ｐｒｏｇｒｅｓｓｉｏｎ）によって拘束される可能性があり、適切に位相を揃えられる場合、両方の構成がｓｉｎ（ｎＸ）／ｓｉｎ（Ｘ）型の遠方界のパターンを生ずることが示され得る。結果として、円筒形モードは、ビームフォーミングおよびプリコーディング技術の一部の実施形態によって想定される仮想的なリニア・アレイの素子と同等と考えられ得る。円筒形モードは、仮想的な素子と考えられる可能性もある。

送信チェーン８００の実施形態は、以下を実行するように構成される可能性がある。
１．基地局のポート８１０とＮ素子円筒形アンテナ・アレイ８２５のポート８２０との間の、２π／Ｎの位相の増分のＮｘＮバトラー型行列８１５が、アレイ８２５が利用可能なすべての円筒形モードを励振する。
２．これらのモードのサブセット（またはバトラー行列のポート８１０のサブセット）を用いて、指向性ビームが、設定された方向に生成され得る。
３．ポート８１０のこのサブセットにＤＦＴステアリング重みを適用し、ビームを３６０°にわたって連続的に操作するか、またはビームを３６０°のＮ個の位置のいずれかに切り替えることができる。
４．アンテナごとのパイロットがバトラー行列のポート８１０の選択されたサブセットに適用される場合、ユーザ機器は、ＤＦＴプリコーディング行列（例えば、ＬＴＥのＲ８またはＲ１０）を使用して有効なＰＭＩを決定することができる。
５．パイロットが、信頼できるチャネル推定を保証するために、等しい大きさ（ｍａｇｎｉｔｕｄｅ）でバトラー行列のポート８１０に適用される可能性がある。トラフィックは、より優れたサイドローブの性能のために先細りにさせられる可能性がある。無視できるパイロットとトラフィックとの不一致を保証するために注意が払われる必要がある。
アレイ８２５の円筒形モードは、これらのモードの変動の度合いに基づいて選択される可能性がある。離散的なＮ素子アレイに関しては、円筒形モードのすべてが、

の形態に当てはまる遠方界のパターンを有するわけではなく、より高次のモードは、プロファイル

から大きく外れる可能性がある。例えば、Ｎ素子アレイにおいては、最も高次のモード（偶数Ｎに対してＮ／２または奇数Ｎに対して（Ｎ＋１）／２）は、πに等しいかまたは近い素子ごとの位相変動を有する。対称性により、最も高次のモードのパターンは、Ｎ個のヌルおよびＮ個のピークをともなう複数のローブを持つはずであり、したがって、最も高次のモードは、方位角による振幅の変動の度合いが比較的大きいために均一なモードとして使用され得ない。

異なる円筒形モードの変動の度合いは、アレイ８２５の構成に基づいて決定され得る。一実施形態において、アレイ８２５は、素子がａ_ｊ＝ｊ２π／Ｎで等しく離間された半径Ｒの円形アレイであり、ここで、Ｊ＝１，２，．．．，Ｎである。素子のパターンが

であり、素子の電流がＡ_ｊｅ^ｊψｊである場合、アレイ８２５の放射パターンは、

によって与えられる。一実施形態において、アンテナ素子を表す導電性の円筒の前のダイポールの近似パターンは、

によって与えられ、１３０度の３ｄＢのビーム幅を有する。代替的な実施形態において、アンテナ素子のパターンは、素子の反射器を適合させることによって狭められ得る。例えば、９０°および７５°のシミュレートされたパターンのビーム幅は、反射器の適合によって実現された。元のダイポール・パターンＡ_０に基づく適切なビーム幅の包括的な素子のパターンが、この評価のために使用される。例えば、

は、９０°のビーム幅を与え、

は、７６°のビーム幅を与える。

アレイ８２５のモードのパターンは、９０°の素子のパターンの上記の等式を用いて例示的な実施形態に関して算出され得る。第Ｋのモードに関する放射パターンは、素子間距離０．５λおよび０．４λに対してＡ_ｎ＝１、ψ_ｎ＝２πＫｎ／Ｎによって与えられる電流分布を用いて算出され得る。

表１は、９０°の素子のパターン

を想定する一実施形態に関する方位角に対するモードの大きさの絶対的な変動（最大−最小）のｄＢ値を一覧にする。２ｄＢ未満の方位角による変動の度合いを呈する均一なモードは、強調されている。

モードのパターンの例が、図１２Ａおよび１２Ｂに示される。示された実施形態において、より低次のモードは、ほぼ一定の大きさを有し、

のパターンにしたがい、一方、より高次のモードは、

のパターンから次第に外れる。方位角の変動の度合いが大きいモードは、これらのモードがサイドローブの増加に寄与する可能性があるのでビームフォーミングに適していない可能性がある。また、方位角の変動の度合いが大きいモードは、ポートごとの参照信号が使用される閉ループ方式に適していない可能性がある。示された実施形態において、平均のモードの大きさは、ｄ＝０．５５であるとき、モードの数に対してほぼ一定のままである。より小さな素子間距離は、より高いモードに関してモードの数とともにモードの大きさが単調減少する結果をもたらす可能性がある。

送信チェーン８００は、方位角による変動の度合いに基づいて使用可能なモードを選択することができる。使用可能なモードの数は、アレイ８２５の素子の数に比例し、アレイのアンテナ素子とアレイ８２５との間の素子間距離に反比例する可能性がある。一実施形態において、使用可能なモードは、２ｄＢのモードの変動の閾値未満である変動の度合いを有するモードである可能性がある。この閾値を用いると、表１は、８素子アレイが０．５λで３つの均一なモードを有し、０．４λで５つのモードを有することなどを示す。表１は、１２素子アレイが、０．５λで７つの有用なモードを有し、０．４λの素子間距離で９つの有用なモードを有することを示す。

ビームフォーミングは、送信チェーン８００を使用してやはり実行され得る。一実施形態においては、モードが特定の角度で位相が揃って（その他の角度で位相が外れて）足し合わさるように位相が揃えられるモードを足すことは、モードの建設的なまたは破壊的な干渉の結果起こる指向性パターンを生じる可能性がある。異なる数のモードによって形成される正規化されたビームのパターンが、図２に示されており、それらのパターンのビーム幅が、図３に示されている。特定の数の素子に関する利用可能なモードの完全な組は、奇数である［０，＋／−１，＋／−２，＋／−３．．．］。一実施形態において、偶数個のモード、例えば、４つおよび８つが、Ｒ８およびＲ１０のＤＦＴプリコーディングの組を生成するために想定された出力ポートの数に合うように選択され得る。例えば、モードの偶数個の組が、完全な組から最も高い負の（または正の）モードを取り除くことによって完全な組のサブセットとして選択される可能性があり、例えば、利用可能なモードの完全な組が［−３ −２ −１ ０ １ ２ ３］である場合、偶数個の組は、［−２ −１ ０ １ ２ ３］である可能性がある。モードの偶数個のサブセットは非対称であり、このことは、アレイの素子の数が少ないときにより顕著である可能性があるわずかなパターンの非対称性につながる。位相モードを円形アレイにおける「素子ごとの」パイロットのための理想的な選択肢にする位相モードの無指向性のために支払わなければならない代償は、比較的広いビームである。Ｒ８のコードブックに対応する４つのモードが、単一素子のパターンと同様の８０°のビーム幅をもたらす可能性がある。８つのモードが、１４〜１６個の素子を含むアレイ８２５から４０°のビーム幅をもたらす可能性がある。

図１３は、偶数個の円形モードを用いるビーム形成を示す。示された実施形態においては、４個、８個、および１６個のモードのパターンを用いるビーム形成が焦点を当てられる。図１４は、円形モードによって形成される指向性パターンのビーム幅を、含まれるモードの数の関数として示す。図１５は、特定の数の使用可能なモードを生成するために使用される素子の最小数およびアレイの直径を示す。

モードの挙動の別の興味深い態様は、モードの数の関数としての方位角平面（ａｚｉｍｕｔｈａｌ ｐｌａｎｅ）における相対的なモードの大きさまたは利得である。方位角の小さなリップル（ｒｉｐｐｌｅ）に加えて等しい大きさのモードを有することが、円筒形アレイのＣＬ ＭＩＭＯの応用の状況で望ましい。モードの大きさは、

のように定義される可能性がある。モードの大きさは、図１６Ａ〜Ｃおよび１７Ａ〜Ｃに異なる実施形態に関して示されている。図１６Ａは、０．４λおよび無指向性素子に関するモードの大きさを示し、図１６Ｂは、０．５λおよび無指向性素子に関するモードの大きさを示し、図１６Ｃは、０．５５λおよび無指向性素子に関するモードの大きさを示す。図１７Ａは、０．４λおよび１３０°のビーム幅の素子に関するモードの大きさを示し、図１７Ｂは、０．５λおよび１３０°のビーム幅の素子に関するモードの大きさを示し、図１７Ｃは、０．５５λおよび１３０°のビーム幅の素子に関するモードの大きさを示す。示された実施形態において、無指向性アンテナの場合の異なるｍに対するＰ_ｍの差は、大きい可能性がある。対称的に、狭いビームの素子に関しては、Ｐ_ｍの変動は、より高次のモードを除いて小さいはずである。

図１８は、本明細書において説明されたようなプリコーダ、ビームフォーマ、または変換器を実装するために使用される機能の一部を記憶するために使用され得る基地局８００の１つの例示的な実施形態を概念的に示す。示された実施形態において、基地局１８００は、プロセッサ１８０５、データ・ストレージ１８１０、および入力／出力（Ｉ／Ｏ）インターフェース１８１５を含む。プロセッサ１８０５は、例えば、データ・ストレージ１８１０またはその他の場所に記憶されたデータまたは命令を用いて基地局１８００の動作を制御するように構成される。基地局１８００によって実行される可能性がある動作の実施形態は、図１〜１７に関連して本明細書において説明されている。一実施形態において、データ・ストレージ１８１０は、１つもしくは複数のプリコーダを表すか、もしくは実装するために使用され得る情報１８２０、１つもしくは複数のビームフォーマを表すか、もしくは実装するために使用され得る情報１８２５、または１つもしくは複数の変換器を表すか、もしくは実装するために使用され得る情報１８３０を記憶する。したがって、本開示の恩恵を受ける当業者は、本明細書において説明された技術またはデバイスの異なる実施形態がソフトウェア、ファームウェア、ハードウェア、またはこれらの組み合わせで実装され得ることを理解するに違いない。変換器１８３０などのプロセッサが実行可能なプログラムがプロセッサ１８０５で実施され、プログラム・コードのセグメントがプロセッサ１８０５と組み合わさって、特定の論理回路と同じように動作する一意のデバイスを提供する。

開示された対象および対応する詳細な説明の一部は、ソフトウェア、またはコンピュータ・メモリ内のデータ・ビットに対する操作のアルゴリズムおよび記号的表現の観点で示されている。これらの説明および表現は、当業者がそれらの当業者の成果の内容をその他の当業者に効果的に伝える記述および表現である。アルゴリズムは、本明細書において使用されるとき、および一般的に使用されるとき、所望の結果をもたらす自己矛盾のない一連のステップであると考えられる。ステップとは、物理量の物理的操作を必要とするステップである。必ずではないが通常は、これらの量は、記憶、転送、組み合わせ、比較、およびその他の操作を行われ得る光学的、電気的、または磁気的信号の形態をとる。これらの信号をビット、値、要素、シンボル、文字、項、数などと呼ぶことが、主に共通使用の理由で便利な場合があることが分かっている。

しかし、これらのおよび同様の用語のすべては、適切な物理量に関連付けられるべきであり、これらの量に付される便宜的なラベルであるに過ぎないことに留意されたい。別途具体的に示されない限り、または検討から明らかなように、「処理する」、または「計算する」、または「算出する」、または「決定する」、または「表示する」などの用語は、コンピュータ・システムのレジスタおよびメモリ内で物理的電子的量として表されるデータを操作し、コンピュータ・システムのメモリ、またはレジスタ、またはその他のそのような情報記憶、送信、もしくは表示デバイス内で同様に物理量として表されるその他のデータに変換するコンピュータ・システム、または同様の電子的コンピューティング・デバイスの動作およびプロセスに言及する。

開示された対象のソフトウェアで実装される態様は、通常、何らかの形態のプログラム・ストレージ媒体上に符号化されるか、または何らかの種類の伝送媒体上に実装されることにも留意されたい。プログラム・ストレージ媒体は、磁気式である（例えば、フロッピー・ディスクもしくはハード・ドライブ）か、または光学式である（例えば、コンパクト・ディスク読み出し専用メモリもしくは「ＣＤ ＲＯＭ」）可能性があり、読み出し専用であるか、またはランダム・アクセス式である可能性がある。同様に、伝送媒体は、ツイスト・ペア線、同軸ケーブル、光ファイバ、また当技術分野に知られている何らかのその他の好適な伝送媒体である可能性がある。開示された対象は、任意の所与の実装のこれらの態様によって限定されない。

開示された対象が、本明細書の教示の恩恵を受ける当業者に明らかな異なるが等価な方法で修正および実施され得るので、上で開示された特定の実施形態は、例示的であるに過ぎない。さらに、添付の請求項の記述以外、本明細書に示された構造または設計の詳細に対していかなる限定も意図されていない。ゆえに、上で開示された特定の実施形態は、変更または修正される可能性があり、すべてのそのような変更形態は、開示された対象の範囲内にあると考えられることは明らかである。したがって、本明細書において求められる保護は、添付の請求項に記述されたとおりである。

Claims (9)

1. 方位角によるそれぞれのモードの変動の度合いに基づいて第１のアンテナ・アレイ構成のモードのサブセットを選択するステップと、
   複数の第１のポートのそれぞれを、モードの前記サブセットのうちの１つに関連する複数の第２のポートのうちの１つにマッピングするステップであって、前記第１のポートのそれぞれが、第２のアンテナ・アレイ構成のモードに関連する、ステップと、
   前記第２のポートと対応する複数の第３のポートとの間で搬送される信号を変換するステップであって、それぞれの第２のポートが、前記第１のアンテナ・アレイ構成の前記モードのうちの１つに関連し、それぞれの第３のポートが、前記第１のアンテナ・アレイ構成で展開された複数のアンテナのうちの１つに通信可能に結合されるように構成され得る、ステップとを含む方法。
2. 前記信号を変換するステップが、前記第２のポートと前記第３のポートとの間で予め決められた位相の増分のバトラー行列変換を適用するステップであって、前記バトラー行列変換が、前記第２のポートに印可された信号に応じて前記第１のアンテナ・アレイ構成の前記モードを励振するように構成され得る、ステップを含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記第１のアンテナ・アレイ構成が、均一円形アレイまたは均一円筒形アレイであり、前記第２のアンテナ・アレイ構成が、均一リニア・アレイである、請求項１に記載の方法。
4. モードの前記サブセットを選択するステップが、方位角による変動の度合いの閾値未満の方位角による変動の前記度合いを有する前記第１のアンテナ・アレイ構成のモードを選択するステップを含む、請求項１に記載の方法。
5. モードの前記サブセットを選択するステップが、第１のポートの数に等しい数の、前記第１のアンテナ・アレイ構成のモードを選択するステップを含む、請求項４に記載の方法。
6. 前記複数の第１のポートのそれぞれを前記複数の第２のポートのうちの１つにマッピングするステップが、複数のパイロット信号のそれぞれを、前記第１のアンテナ・アレイ構成のモードの前記サブセットに関連する前記第２のポートのうちの異なる１つにマッピングするステップを含む、請求項１に記載の方法。
7. 前記複数のパイロット信号のそれぞれがモードの前記サブセットのうちの前記パイロット信号の関連する１つを用いて送信されるように、前記第１のアンテナ・アレイ構成で展開された前記複数のアンテナに信号を与えるステップを含む、請求項６に記載の方法。
8. 前記信号をマッピングするステップが、ビームフォーミングまたはプリコーディングされた信号を、前記第２のアンテナ・アレイ構成のアンテナによって送信するために、前記第２のアンテナ・アレイ構成のモードの選択されたサブセットに対応する前記第１のポートにマッピングするステップを含む、請求項１に記載の方法。
9. 前記第２のアンテナ・アレイ構成のアンテナによって受信されたアップリンク信号を前記第３のポートから前記第２のポートにマッピングするステップを含む、請求項１に記載の方法。