JP2018514111A - アンテナ装置を使用するビーム形成 - Google Patents

Abstract

２偏波素子を備えるアンテナアレイを使用してビーム形成するための機構が提供される。方法は、１つまたは２つのビームポートを生成することを含み、この１つまたは２つのビームポートは、オーバラップしていない少なくとも２つのサブアレイを組み合わせることによって規定される。各サブアレイは２つのサブアレイポートを有し、この２つのサブアレイポートは、同一の電力パターン、および相互に直交する偏波を有する。オーバラップしていないこの少なくとも２つのサブアレイは、拡張重みを介して組み合わされる。この拡張重みは、１つまたは２つのビームポートがサブアレイと同じ電力パターンを有するように、この１つまたは２つのビームポートをサブアレイポートにマッピングする。拡張重みのうちの少なくともいくつかは、同一の非ゼロの大きさを有し、送信ローブを形成するような位相に関連付けられる。この方法は、前記１つまたは２つのビームポートを使用して信号を送信することを含む。【選択図】図１４

Description

本明細書において提示する実施形態は、ビーム形成に関し、詳細には、２偏波素子を備えるアンテナアレイを使用するビーム形成するための方法、アンテナアレイ、およびコンピュータプログラムに関する。

通信ネットワークでは、所与の通信プロトコル、そのパラメータ、およびこの通信ネットワークが利用される物的環境において、良好な性能と容量を得るのに課題が存在することがある。

良好な性能と容量を得るのに難易度の高い場合があるワイヤレス通信ネットワークの一構成要素は、別のネットワークノードとの間、および／またはワイヤレスユーザ端末との間のワイヤレス通信用に設定されたネットワークノードのアンテナである。

たとえば、マッシブビーム形成、すなわち現在の通信ネットワークで使用されるものよりもアンテナ素子が何桁も多いアクティブアンテナアレイを使用するビーム形成が、将来の第５世代（５Ｇ）通信ネットワークの無線アクセス部分において技術的な構成要素になると予想される。無線基地局で大型のアンテナアレイを使用することによって、ユーザデータを空間に集中させて送信することができ、その結果、主としてユーザデータ専用のワイヤレス装置によってエネルギーを受信することになり、したがって、他のワイヤレス装置または他のタイプのノードによって感知される干渉がほとんどなくなる。したがって、マッシブビーム形成は、システム容量およびエネルギー効率を何桁も増大させる潜在的な可能性を有する。

マッシブビーム形成での１つの潜在的な問題は、ビームが狭いので、専用のワイヤレス装置でしかデータを受信できない場合があるという事実に関連することがある。ユーザデータについてはこれが望ましいが、たとえばシステム情報など一部のデータは、好ましくは、通信ネットワーク内のワイヤレス装置の全てまたは少なくともほとんどに送信される（すなわち、ブロードキャストされる）必要がある。したがって、このようなデータは、広いカバレッジで送信して、全てのワイヤレス装置に到達しなければならない。この問題に取り組むいくつかの方式の概要を次に示すことにする。しかし、同様に述べる通り、これらの方式のそれぞれには欠点がある。

第１の手法によれば、ブロードキャストデータを送信するために、別々の広いビームアンテナを使用してもよい。この手法の欠点は、追加のハードウェアが必要になることである。

第２の手法によれば、アンテナの単一のアンテナアレイ素子またはサブアレイを使用して、ブロードキャストデータが送信される。このアレイ素子またはサブアレイは、アンテナのフルアレイよりも広いビームを有する。この手法の欠点は、アンテナアレイ内のほんの１つまたはいくつかの電力増幅器（ＰＡ）しか利用されず、したがって電力リソースを無駄にすることである。

第３の手法によれば、アンテナのフルアレイ全体にわたって振幅および／または位相のテーパ付けを使用して、ビームを広げる。このようなテーパ付けの欠点は、振幅のテーパ付けによってＰＡリソースの利用率が低下し、多くの場合で、位相だけのテーパ付けを使用して所望のビーム形状を合成することが不可能なことである。

第４の手法によれば、狭いビームを使用して、様々な方向に順次ブロードキャストデータを送信する。この手法の潜在的な欠点は、これによって、広いビームであらゆる方向に同時にブロードキャストデータを送信する場合よりも、時間が長くかかり、多くのリソースエレメントを消費することである。

数多くの素子を有するアンテナアレイで広いビームの使用が望ましい場合がある他の状況は、ミリ波（ｍｍＷ）通信においてであり、これは、５Ｇ無線アクセスの一部分になると予想されるアクセス技術である。このような高周波では伝搬損失が増大するので、場合によっては受信機と送信機の両方で、リンクバジェットを維持するのに高利得のビーム形成が必要になる場合がある。通常、送信機と受信機の間の主要な伝搬経路は事前に知られていないので、ビーム形成が必要になることがある。多数の狭い送信ビームおよび受信ビームの全ての組合せを試験して最良のビームペアを見つけるには、非常に多くの時間／周波数リソースを費やすことがある。この問題を解決する方式は、無線基地局が広いビームを用いて探索手順を開始し、次いで狭いビームの最良のペアが見つかるまでこのビームを徐々に狭くすることでもよい。このようなビーム検索手順は一般に、様々なビーム幅を有するビームを柔軟なやり方で生成するための手段を必要とする。アンテナアレイおよび利用可能なＰＡリソースを完全に利用するためには、様々なビーム幅を有するビームを送信するときに、全てのアンテナ素子と全電力での全てのＰＡとを使用することが望ましい場合がある。

したがって、改善されたビーム形成が必要である。

本明細書における実施形態の目的は、効率的なビーム形成を実現することである。

第１の態様によれば、２偏波素子を備えるアンテナアレイを使用するビーム形成するための方法が提示される。この方法は、１つまたは２つのビームポートを生成することを含み、この１つまたは２つのビームポートは、オーバラップしていない少なくとも２つのサブアレイを組み合わせることによって規定される。各サブアレイは２つのサブアレイポートを有し、この２つのサブアレイポートは、同一の電力パターン、および相互に直交する偏波を有する。オーバラップしていないこの少なくとも２つのサブアレイは、拡張重みを介して組み合わされる。この拡張重みは、１つまたは２つのビームポートがサブアレイと同じ電力パターンを有するように、この１つまたは２つのビームポートをサブアレイポートにマッピングする。拡張重みのうちの少なくともいくつかは、同一の非ゼロの大きさを有し、送信ローブを形成するような位相に関連付けられる。この方法は、前記１つまたは２つのビームポートを使用して信号を送信することを含む。

有利には、これによって効率的なビーム形成が実現する。

有利には、これにより、ビーム幅が調整可能な１つまたは２つのビームポートを作るための、アンテナのアーキテクチャおよび方法が実現する。

この１つまたは２つのビームポートは、任意の方向で同一の電力放射パターンおよび直交偏波を有する。

この１つまたは２つのビームポートにおけるビーム幅は、アレイサイズと比較して非常に広くすることができ、単一素子の場合と同じくらい広くすることもできる。

アンテナアレイの全ての電力増幅器は、それぞれのビームポート、または２つのビームポートを合わせたものによって、完全に、すなわち位相テーパのみが適用された状態で利用することができる。

アンテナアーキテクチャは、線状（１−Ｄ）アンテナアレイまたは平面（２−Ｄ）アンテナアレイのいずれかに基づいてもよい。

第２の態様によれば、アンテナアレイを備えるアンテナ装置が提示される。アンテナアレイは、ビーム形成のための２偏波素子を備える。アンテナアレイはさらに、処理ユニットを備える。この処理ユニットは、アンテナアレイが１つまたは２つのビームポートを生成するように設定され、このビームポートは、オーバラップしていない少なくとも２つのサブアレイを組み合わせることによって規定される。各サブアレイは２つのサブアレイポートを有し、この２つのサブアレイポートは、同一の電力パターン、および相互に直交する偏波を有する。オーバラップしていないこの少なくとも２つのサブアレイは、拡張重みを介して組み合わされる。この拡張重みは、１つまたは２つのビームポートがサブアレイと同じ電力パターンを有するように、この１つまたは２つのビームポートをサブアレイポートにマッピングする。拡張重みのうちの少なくともいくつかは、同一の非ゼロ振幅を有し、送信ローブを形成するような位相に関連付けられる。処理ユニットは、アンテナアレイが、この１つまたは２つのビームポートを使用して信号を送信できるように設定される。

第２の態様によるアンテナ装置を備えるネットワークノードも提示される。

第２の態様によるアンテナ装置を備えるワイヤレス装置も提示される。

第３の態様によれば、２偏波素子を備えるアンテナアレイを使用するビーム形成するためのコンピュータプログラムが提示され、このコンピュータプログラムは、処理ユニット上で実行されるとき、アンテナアレイが第１の態様による方法を実行できるようにするコンピュータプログラムコードを含む。

第４の態様によれば、第３の態様によるコンピュータプログラム、およびこのコンピュータプログラムが記憶されるコンピュータ読取り可能な手段を含むコンピュータプログラム製品が提示される。

第１、第２、第３、および第４の態様の任意の特徴は、適切な場合には他の任意の態様に適用してもよいことに留意されたい。同様に、第１の態様の任意の利点は、第２、第３、および／または第４の態様それぞれに等しく適用してもよく、またその逆の場合も同じである。記載された実施形態の他の目的、特徴、および利点は、以下の詳細な開示、添付の従属クレーム、ならびに各図面から明らかになろう。

一般に、特許請求の範囲で使用される全ての用語は、本明細書において別段の定めが明示的にない限り、技術分野でのその通常の意味に従って解釈すべきである。「ａ／ａｎ／ｔｈｅ（要素、装置、構成要素、手段、ステップなど）」への全ての言及は、別段の記載が明示的にない限り、この要素、装置、構成部品、手段、ステップなどのうち少なくとも１つの場合に言及するものとして非限定的に解釈すべきである。本明細書において開示される任意の方法の各ステップは、明示的に記載されない限り、開示された順序そのままで実行しなくてもよい。

次に、添付図面を参照しながら、一例として本発明の考え方を説明する。

実施形態によるアンテナアレイの態様を示す概略図である。 実施形態によるアンテナアレイの態様を示す概略図である。 実施形態によるアンテナアレイの態様を示す概略図である。 サブアレイの例を概略的に示す図である。 実施形態によるアンテナアレイの態様を示す概略図である。 ポート拡張の例を概略的に示す図である。 再帰的なポート拡張を概略的に示す図である。 ポートマッピングを概略的に示す図である。 一実施形態によるアンテナ装置の機能ユニットを示すブロック図である。 一実施形態によるアンテナ装置の機能モジュールを示すブロック図である。 各実施形態によるアンテナ装置を備えるネットワークノードを概略的に示す図である。 各実施形態によるアンテナ装置を備えるワイヤレス装置を概略的に示す図である。 一実施形態によるコンピュータプログラム製品を概略的に示す図である。 一実施形態による方法の流れ図である。 一実施形態による第１のビームポートでの送信ローブの一例のシミュレーション結果を示す図である。 一実施形態による第２のビームポートでの送信ローブの一例のシミュレーション結果を示す図である。 偏波ごとに純粋な振幅テーパを使用する、従来技術によるビーム形成のシミュレーション結果を示す図である。 偏波ごとに純粋な位相テーパを使用する、従来技術によるビーム形成のシミュレーション結果を示す図である。 一実施形態によるビーム形成のシミュレーション結果を示す図である。

次に、本発明概念のいくつかの実施形態が示してある添付図面を参照して、以下に本発明概念をさらに完全に説明する。しかし、本発明概念は、数多くの様々な形態で実施してもよく、本明細書に記載の実施形態に限定されるものと解釈すべきではなく、むしろ、本開示が完璧かつ完全なものになり、本発明概念の範囲を当業者に完全に伝えるように、これらの実施形態が一例として提供される。同様の番号は、説明の全体を通して同様の要素を指す。破線で示される任意のステップまたは機能は、任意選択とみなすべきである。

大型の２偏波アレイから広いビームを生成するための様々な方式が提案されてきた。一例として、ビーム形成回路網、たとえばバトラーマトリックスをアンテナアレイの各偏波方向に適用し、次いで、交番偏波を有するビームを用いて信号を送信して、同じ偏波を有する隣接ビームを用いて送信される信号の不要なコヒーレント加算を回避することがある。その結果得られるビームパターンは、通常は著しく、たとえば数ｄＢ程度は波打つ。図１７には、従来の単一偏波ビーム形成（ＳＰＢＦ）によって形成された広いビームパターンの一例が示してあり、ここでは、偏波ごとに重みが適用されて、やはり偏波ごとに所望のビームパターンを成形し、数多くの重み要素がゼロに設定された振幅を有し、したがって電力リソースの利用率が低下することになる。これは、振幅テーパの極端な場合とみなしてもよい。別の例は、振幅テーパを適用することを必要とし、これはまた、所望のビーム形状を生成するという点で満足できる結果を提供するものとみなしてもよいが、送信用の電力リソースの利用率という点で満足できる結果を提供するものとみなすことはできない。多くの場合で位相テーパのみを使用すると、結果として、所望の特性を満たさないが、電力リソースの利用率が満足できるパターンが得られる。獲得可能なビーム幅の範囲も制限されることが多い。図１８には、従来の（ＳＰＢＦ）ビーム形成によって形成されているが、良好な電力リソース利用率のためだけに位相テーパに制限された広いビームパターンの一例が示してある。その結果、ビームパターンは不要なリップルを示す。

本明細書において提案されているアンテナアレイおよび方法は、所望のビーム形状を有するビームパターン、ならびに優れた電力利用率の両方を実現する。本明細書に開示された各実施形態は、具体的には効率的なビーム形成に関する。ここで効率的なビーム形成を得るために、アンテナアレイ、このアンテナアレイによって実行される方法、処理ユニット上で実行されるとアンテナアレイがこの方法を実行できるようにする、たとえばコンピュータプログラム製品の形でのコードを含むコンピュータプログラムが提供される。

図１は、本明細書において提示された実施形態を適用できる、２次元アンテナアレイ１の例示的なアーキテクチャを示す概略ブロック図である。しかし、本明細書において提示される実施形態は、１次元アンテナアレイにも等しく適用することができる。したがって、アンテナアレイ１は、線状アレイ（１−Ｄ）、均一リニアアレイ（ＵＬＡ）、または平面アレイ（２−Ｄ）、均一長方形アレイ（ＵＲＡ）のいずれかとすることができる。

アンテナフロントエンドは、アンテナ素子のアレイ１ｅを備え、アレイ１ｅでは、各アンテナ素子は、給電回路網を介して、直交偏波を有する２つのサブアレイポートに接続されたいくつかの放射アンテナ素子のサブアレイでもよい。各サブアレイポートは、無線アレイ１ｄに含まれる無線チェーンに接続される。ベースバンド信号処理からアクセス可能なブロック１ｂでのサブアレイポートの数は、入力アンテナポートの（線形）結合である新規のアンテナポートを作るポート低減ブロック１ｃを介して低減してもよい。専用データとブロードキャストデータが両方とも同時に送信される場合、ベースバンドでサブアレイポートにアクセスする。さらに、大まかに言えば、全てのサブアレイポートへのアクセスは、本明細書で開示されるビーム形成用の機構に従って広いビームを成形するのに必要としてもよい。ベースバンド信号処理ブロック１ａでは、行列乗算によって仮想アンテナポートを作ることができる。これらの仮想アンテナポートは、互いに異なるタイプでもよい。たとえば、ＬＴＥにおいては、これらの仮想アンテナポートは、ポート０〜３での共通参照信号（ＣＲＳ）、ポート１５〜２２でのチャネル状態情報参照信号（ＣＳＩ−ＲＳ）、ならびにポート７〜１４でのＵＥ固有の参照信号およびデータを、無線基地局用に運んでもよい。実装形態によっては、図１での２次元アンテナアレイ１の１つまたはいくつかのブロックを取り除いてもよい。

図２は、図１の２次元アンテナアレイ１の実現可能な実装形態を示す概略ブロック図である。この実装形態は、図１のブロック１ａ、１ｂ、１ｃを含むビーム形成器、無線アレイ１ｄ、および物理的なアンテナアレイ１ｅを備える。図２の例では、サブアレイごとに２つのアンテナポートが存在する。ビーム形成器１ａ〜ｃは、ユーザデータおよび制御データ、ユーザデータ用のビーム形成重み、ＣＳＩ−ＲＳなど参照信号用のビーム形成重み、ならびに広いビーム送信用のビーム形成重みを受信するように設定される。各アンテナ素子は、（対象となる）全ての方向で直交偏波を有する２つのサブ素子３１、３２を備える。通常、これら２つのサブ素子３１、３２は、図３（ａ）のように同じ位置に配置されるが、図３（ｂ）のように互いにずらして配置してもよい。

アンテナアレイ１は、１つまたは２つのビームポートを生成するように設定され、このビームポートは、オーバラップしていない少なくとも２つのサブアレイを組み合わせることによって規定される。当業者なら理解できるように、アンテナアレイ１は、様々な送信のために規定されたさらなるポートを生成するように構成してもよい。各サブアレイは２つのサブアレイポートを有し、この２つのサブアレイポートは、同一の電力パターン、および相互に直交する偏波を有する。オーバラップしていないこの少なくとも２つのサブアレイは、拡張重みを介して組み合わされる。この拡張重みは、１つまたは２つのビームポートがサブアレイと同じ電力パターンを有するように、この１つまたは２つのビームポートをサブアレイポートにマッピングする。拡張重みのうちの少なくともいくつかは、同一の非ゼロの大きさを有し、送信ローブを形成するような位相に関連付けられる。アンテナアレイ１は、１つまたは２つのビームポートを使用して信号を送信するように設定される。当業者なら理解できるように、アンテナアレイ１は、同じまたはさらなるビームポートを使用して、さらなる信号を送信するように設定してもよい。

次に、アンテナアレイ１を使用するビーム形成のさらなる詳細に関連する実施形態を開示する。

大まかに言えば、拡張重みは、サブアレイの単一セットを用いて形成された１つまたは２つのビームポートを、サブアレイの複数のセット上にどのようにマッピングできるのかを記述する。したがって、一実施形態によれば、この拡張重みは、１つまたは２つのビームポートがサブアレイと同じ電力パターンを有するように、この１つまたは２つのビームポートをサブアレイポートにマッピングし、２つのビームポートが存在する場合、この２つのビームポートは、任意の方向で相互に直交する偏波を有する。

オーバラップしていない少なくとも２つのサブアレイを決定し、拡張重みを介してオーバラップしていない少なくとも２つのサブアレイを結合するための様々な方式が存在してもよい。次に、これに関連する様々な実施形態をさらに説明する。

大まかに言えば、所望のビーム幅をもたらす１つまたは２つのビームポートを生成し、電力リソースの良好な利用率のためアンテナアレイ全体を使用するには、１つまたは２つのビームポート用のサブアレイポートマッピングを決定すること、およびサブアレイマッピングをアンテナアレイ全体に拡張することが必要になる場合がある。

サブアレイポートマッピングでは、可能な限り良好な電力利用率で、所望のビーム幅または場合によってはビーム形状が実現されるようにサブアレイが決定される。各サブアレイの拡張後の電力利用率は、サブアレイの場合と同じになる。図４には、それぞれが２つのサブアレイ４１、４２を含むアンテナアレイの１ｅの４つの例が（ａ）、（ｂ）、（ｃ）および（ｄ）に概略的に示してあり、各アンテナアレイ１ｅは、それぞれ２つのビームポート４３、４４を備える。

アンテナアレイ全体にサブアレイマッピングを拡張するため、２、６、および１０の累乗に基づいた拡張重みを使用して、アンテナアレイの次元ごとにビームポートによって使用されるアンテナ素子の総数が次式のように表される。
Ｄ_ｐｏｒｔ＝Ｄ_{ｓｕｂａｒｒａｙ}２^ｋ６^ｍ１０^ｎ、ｋ＝０、１，２、．．．、ｍ＝０、１、２、．．．、ｎ＝０、１、２、．．．
ここで、Ｄ_{ｓｕｂａｒｒａｙ}は、対象となるアンテナアレイ次元でのサブアレイ内で使用される素子の数である。単一ビームポートのみが望ましい場合、３または５の係数も可能である。したがって、一実施形態によれば、２つのビームポートが存在する場合、拡張重みによって、次元ごとに２、６、または１０のサブアレイの累乗の積に２つのビームポートがマッピングされる。たとえば、次元ごとの式は、平面内の直交空間次元でもよい。また、一実施形態によれば、１つのビームポートが存在する場合、拡張重みによって、１、３、または５つのサブアレイの２、６、または１０倍の累乗に２つのビームポートがマッピングされる。すなわち、単一ビームポートでは、マッピングは、３または５の２、６，および１０倍の累乗に従うことができる。２次元アレイでは、拡張係数３または５を含むマッピングが、１次元でのみ実行することができる。

アンテナアレイを最大限使用するには、実現可能な拡張を含め、サブアレイのサイズがアレイ全体をカバーするようにサブアレイのサイズを決定してもよい。したがって、一実施形態によれば、オーバラップしていない少なくとも２つのサブアレイがともに、アンテナアレイの全ての素子をカバーする。

ポートマッピングでの全てのアンテナ素子は、振幅が同じでもよく、拡張それ自体は全電力の利用を提供するが、サブアレイはそのレベルに到達しなくてもよい。アンテナアレイ内の全てのアンテナ素子を使用し、ならびにサブアレイポートマッピング、したがってビームポートマッピングの振幅を均一にするための理由の１つは、利用可能な電力リソースを効率的に使用することである。具体的には、これは、電力増幅器が分散されたアクティブアンテナアレイに適用されるが、同様に、図５（ａ）および図５（ｂ）の場合のように、移相器５１、場合によっては減衰器５２をも備える電力分配回路網５０を有するアンテナアレイにも適用される。これは特に、移相器のみを介して実行されるビーム形成に適している。使用するサブアレイの数は、単一ビームポートの場合、２、６、および１０の累乗を結合し、潜在的に３倍または５倍することによって与えられる。

したがって、拡張重みは、単一サブアレイによって与えられるビーム形状を有する１つまたは２つのビームポートを、複数のサブアレイ上にどのようにマッピングできるかを記述する。図６には、それぞれ２、６、または１０倍だけアンテナアレイのサイズを拡張する拡張重みの、互いに異なるペアの３つの例が（ａ）、（ｂ）および（ｃ）に概略的に示してある。

拡張重みをどのようにして決定できるのかに関するさらなる実施形態を次に開示する。

２つのビームポートが直交偏波を有するように、ペア内の拡張重みを関連付けてもよい。したがって、一実施形態によれば、２つのビームポートが存在する場合、２つのビームポートの偏波を相互直交に保つように、拡張重みが規定される。

一実施形態によれば、第１の偏波を有するポートａでの拡張重みが次式のように決定される。

ここで、ｅａ_ｍは、あるポートをｍ個のサブアレイの倍数（または、本明細書に開示される拡張を用いたサブアレイの組合せ）にマッピングするための拡張重みを表し、ここで、Ｚ_ｒｃは、ｒ個の行とｃ個の列を有する全てがゼロの行列である。

第１の偏波に直交する第２の偏波を有するポートｂでの拡張重みは、次いで次式のように決定される。
ｅｂ_ｍ＝ｆｌｉｐｕｄ（［ｅａ_ｍ（：，２）−ｅａ_ｍ（：，１）］^＊）
ここで、ｅａ_ｍ（：，ｃ）は、ｅａ_ｍの列ｃを表し、^＊は複素共役を表し、ｆｌｉｐｕｄ（ｘ）は、ｘの行順序を逆にする。すなわち、記号ａおよびｂは、サブアレイポート、サブアレイポートの組合せ、またはビームポート用の２つの直交偏波を表す。この記号は、様々なポート用の特定の偏波を指さない。

当業者には理解できるように、これらの拡張行列は単なる例である。拡張行列の他の有効な例は、たとえば、図示した行列に位相シフトを適用することによって得ることができる。

拡張係数を連結して、２つ以上のステップで拡張を実行してもよい。したがって、一実施形態によれば、１つまたは２つのビームポートを規定する前に、サブアレイは、さらなる拡張重みによってさらに拡張される。２、６、および１０に基づく拡張が適用される順序は任意であるが、３または５を用いる拡張は、結果として単一ビームポートのみを生成するので、適用される最後の拡張となるはずである。これらは、低いゼロの部分（すなわち、それぞれＺ_３２およびＺ_５２）を取り除き、任意のｅｂマッピングを規定しないことによって、先に規定したｅａ_６およびｅａ_１０から見つけることができる。図７には、どのようにして拡張が再帰的に使用されて、最終の重みベクトルの所望のサイズに達することができるのかについて、説明に役立つ１つの実例が示してある。図７に示すように、拡張係数は様々な拡張係数と連結してもよく、第１の拡張係数６（拡張×６）と、その後に第２の拡張係数２（拡張×２）が続く。

拡張後の電力利用の一例が、２つのアンテナポートについて図８に示してある。図８の上側を見て分かるように、第１の偏波のアンテナ素子の半分がポート１（○）に接続され、もう半分がポート２（＊）に接続されている。図８の下側に示す通り、第２の偏波についても同様の現象が当てはまる。これは、分散された電力増幅器を有するアクティブアンテナの場合、２つのアンテナポートが同じ電力増幅器を共用しなくてもよいことを意味する。図８での大きさのばらつきは、説明する目的で、サブアレイの振幅のばらつきがアレイ全体にわたってどのように繰り返されるのかを示すために等しくない振幅が選択されたこの場合に使用されるサブアレイの定義によるものである。

場合によっては、両方のビームポートが同じ電力増幅器を共用する場合に有益となることがあり、他の場合では、たとえば相関関係にある信号が２つのアンテナポートに印加される場合に、これは望ましくないことがある。１つの理由は、共用している電力増幅器とともに相関関係にある信号によって、電力増幅器の不均一な負荷につながることである。

アンテナポートが電力増幅器を共用する場合、または単一のアンテナポートのみが使用される場合、たとえばそれぞれがビームポートを規定する２つの拡張重みを要素ごとに互いに加えることによって、これが実現可能である。したがって、一実施形態によれば、少なくとも２つのサブアレイの拡張重みが加えられて、１つまたは２つのビームポートのうち１つを生成する。３または５による拡張が使用される場合、その結果は、全てのサブアレイポートにマッピングされた単一ビームポートであり、すなわち、全ての電力リソースを使用することである。サブアレイの拡張は電力パターンを変更しないので、（合計の拡張ベクトル／行列によって与えられる）アレイ係数は、２つのビームポートがサブアレイポートと同一の電力パターンを有することができるようにするために、空間的に白色でもよいことになる。一実施形態によれば、サブアレイポートのうち第１のサブアレイポートに適用される第１の拡張重み行列の２次元離散フーリエ変換の大きさの２乗と、サブアレイポートのうち第２のサブアレイポートに適用される第２の拡張重み行列の２次元離散フーリエ変換の大きさの２乗との合計によって規定される行列内の全ての要素が同じ値を有するように、拡張重みが決定される。すなわち、拡張重みは次式のように決定してもよい。
｜ＤＦＴ（ｅａ）｜^２＋｜ＤＦＴ（ｅｂ）｜^２＝ｋ・Ｊ_ｒｃ
ここで、ＤＦＴ（ｅａ）およびＤＦＴ（ｅｂ）は、それぞれｅａおよびｅｂの離散フーリエ変換を表し、ｅａおよびｅｂは、それぞれサブアレイポートａおよびｂに適用される合計の拡張行列であり、ａはサブアレイポートのうちの第１のサブアレイポートであり、ｂはサブアレイポートのうちの第２のサブアレイポートであり、ｋは定数であり、Ｊ_ｒｃはｒ個の行とｃ個の列を有する全てが１の行列である。２次元アンテナアレイの場合、拡張重みが行列内で収集される。１次元アンテナアレイの場合、この行列はベクトルに折り畳まれる（これは、１つの行または１つの列のみを有する行列の特別な場合として理解することもできる）。

均一長方形アレイにおいて拡張重みをどのように生成するかについて、次にさらに詳細に提示する。起点は、先に生成したような次元ごとの拡張重みベクトルである。これらの拡張重みベクトルは、組み合わされてビームポートごとに１つずつ、２つの行列とされる。

第１に、非共用リソースを有する第１の次元（ここでは次元ｙ）に沿った１つのビームポートについての拡張重みベクトルが決定される。各次元のうちの１つについて係数３または５を用いた拡張が使用される場合（その結果、全てのリソースを使用する単一ビームポートが得られる）、この次元は、ここではｙの次元として選択される。全ての要素（すなわち偏波ａとｂの両方）を含む、第１のビームポート（すなわちビームポート１）についての完全ベクトルを次式のように表すことができる。

ここで、ｗ_１ｙａおよびｗ_１ｙｂは、ｙなどの次元に沿った偏波ａおよびｂをそれぞれ有する要素に加えられるビームポート１での拡張重みを含む列ベクトルを表す。第２に、非共用リソースを有する、第２の次元（ここでは次元ｚ）に沿った２つのビームポートについての拡張重みベクトルが、次式の通り、連続した拡張を介して第１のポートについて決定される。

および、

ここで、ｗ_２ｚａおよびｗ_２ｚｂは、ｚの次元に沿った偏波ａおよびｂをそれぞれ有する要素に適用される第２のビームポート（すなわちビームポート２）での拡張重みを含む列ベクトルを表す。

直交偏波および同じ電力パターンをもたらすのに、２つのベクトルｗ_１ｚおよびｗ_２ｚが関連している。この関係は次式によって与えられる。

記号「^＊」は、ここでは複素共役を表す（またエルミート共役転置を表すものではない）。

ここで、Ｆは、ベクトル内の要素（行）の順序を逆にする行列、すなわち、反対角に１を有し、他ではゼロ有する行列である。

これらのベクトルを組み合わせて、偏波ごとに１つの行列を形成し、これは、次式に従って均一長方形アレイ（ＵＲＡ）内の全ての素子を含む。

および、

位相調整係数βを使用して、全電力の利用を確実にする。実際の値は、次元ごとの拡張重みをどのように規定するのかに依存する。本明細書に記載の手順に従えば、位相調整は、ほとんどの場合で１に等しい。

最後に、第２のポートでの拡張重み行列は次式のようになる。
ｗ_２ａ＝Ｆ_ｚｗ^＊ _１ｂＦ_ｙ
および、
ｗ_２ｂ＝−Ｆ_ｚｗ^＊ _１ａＦ_ｙ
ここで、Ｆ_ｚおよびＦ_ｙは、対角線上に１を有し，他ではゼロ有する行列である。拡張係数３および５を使用しない場合、この段階での結果は、同一の電力パターン、直交偏波、非共用リソース（電力増幅器）、およびこの２つのビームポートについては全電力利用率を有する２つのビームポートを規定する拡張重み行列である。

共用リソースが望ましい場合、以下の手順によってこれが得られる。第１に、２つのポート用の行列が次式のように追加される。
ｗ_{１ａ＿ｓｈａｒｅｄ}＝ｗ_１ａ＋ｗ_２ａ
および、
ｗ_{１ｂ＿ｓｈａｒｅｄ}＝ｗ_１ｂ＋ｗ_２ｂ
次いで、以下の演算を実行することによって第２のポート用の行列が形成される。
ｗ_{２ａ＿ｓｈａｒｅｄ}＝Ｆ_ｚｗ^＊ _{１ｂ＿ｓｈａｒｅｄ}Ｆ_ｙ
ｗ_{２ｂ＿ｓｈａｒｅｄ}＝−Ｆ_ｚｗ^＊ _{１ａ＿ｓｈａｒｅｄ}Ｆ_ｙ
拡張係数３または５を使用する場合、その結果は、代わりにサブアレイによって与えられる電力パターンを有する１つのビームポートを規定する拡張行列である。拡張行列は、全電力リソースが利用されるように、ビームポートを全ての電力リソースに接続する。第１のビームポートが既に全てのリソースを使用しているので、拡張重みを追加することなく、前述の通り第２のビームポートが生成される場合、第１のビームポートとの所望の電力パターンおよび直交偏波の共用リソースを有する第２のビームポートが見つかる。

図９には、いくつかの機能ユニットに関して、一実施形態によるアンテナ装置１００の構成要素が概略的に示してある。処理ユニット２１は、適切な中央処理装置（ＣＰＵ）、マルチプロセッサ、マイクロコントローラ、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）などのうち１つまたは複数の任意の組合せを使用して提供され、（図１３のような）コンピュータプログラム製品１３０、たとえば記憶媒体１０３の形で記憶されているソフトウェア命令を実行することができる。したがって、処理ユニット１０１はそれにより、本明細書で開示される方法を実行するように構成される。たとえば、処理ユニット１０１は、本明細書で開示される通り、図４の場合のように任意のサブアレイを生成し、図６および図７の場合にようにビームポートにマッピングするように設定される。

記憶媒体１０３はまた永続記憶装置を備えてもよく、これは、たとえば磁気記憶装置、光学記憶装置、固体記憶装置、または遠隔設置型記憶装置のうち任意の単一装置またはその組合せとすることができる。アンテナ装置１００は、信号を送受信するための通信インターフェース２２をさらに備えてもよい。したがって、通信インターフェース２２は、図１、図２、図３、および図５のいずれかの場合のようにアンテナアレイを備えてもよい。

処理ユニット２１は、たとえば、データおよび制御信号を通信インターフェース１０２および記憶媒体１０３に送り、データおよびレポートを通信インターフェース１０２から受信し、データおよび命令を記憶媒体１０３から検索することによって、アンテナ装置１００の全体的な動作を制御する。本明細書に提示される考え方を曖昧にしないよう、アンテナ装置１００の他の構成要素ならびに関連する機能は割愛してある。

図１０には、いくつかの機能モジュールに関して、一実施形態によるアンテナ装置１００の構成要素が概略的に示してある。図１０のアンテナ装置１００は、いくつかの機能モジュール、すなわち、以下のステップＳ１０２を実行するように設定された生成モジュールと、以下のステップＳ１０４を実行するように設定された送信／受信モジュール１０１ｂとを備える。図１０のアンテナ装置１００はさらに、いくつかの任意選択の機能モジュールを備えてもよい。各機能モジュール１０１ａ〜１０１ｂの機能は、この機能モジュール１０１ａ〜１０１ｂを使用してもよい状況から明らかである。大まかに言えば、各機能モジュール１０１ａ〜１０１ｂは、ハードウェアまたはソフトウェアに実装してもよい。好ましくは、１つもしくは複数の、または全ての機能モジュール１０１ａ〜１０１ｂは、処理ユニット１０によって、場合によっては機能ユニット１０２および／または１０３と連携して実装してもよい。したがって、処理ユニット１０１は、記憶媒体１０３から、機能モジュール１０１ａ〜１０１ｂによって提示される命令をフェッチし、これらの命令を実行するように構成してもよく、それにより、以下に開示される任意のステップを実行する。

アンテナアレイ１および／またはアンテナ装置１００は、集積回路として、独立型装置として、またはさらなる装置の一部として実現してもよい。たとえば、アンテナアレイ１および／またはアンテナ装置１００は、ネットワークノード１１０またはワイヤレス装置１２０などの無線送受信装置に設けてもよい。図１１には、本明細書で開示される少なくとも１つのアンテナアレイ１および／またはアンテナ装置１００を備える、ネットワークノード１１０が示してある。ネットワークノード１１０は、ＢＴＳ、ＮｏｄｅＢ、ｅＮＢ、中継装置、バックホールノードなどでもよい。図１２には、本明細書で開示される少なくとも１つのアンテナアレイ１および／またはアンテナ装置１００を備える、ワイヤレス装置１２０が示してある。このワイヤレス装置１２０は、ユーザ装置（ＵＥ）、携帯電話、タブレットコンピュータ、ラップトップコンピュータなどでもよい。

アンテナアレイ１および／またはアンテナ装置１００は、さらなる装置の一体部分として実現してもよい。すなわち、アンテナアレイ１および／またはアンテナ装置１００の構成要素は、さらなる装置の他の構成要素と一体化してもよく、さらなる装置ならびにアンテナアレイ１および／またはアンテナ装置１００のいくつかの構成要素を共用してもよい。たとえば、さらなる装置がこのように処理ユニットを備える場合、この処理ユニットは、アンテナ装置１００に関連する処理ユニット３１の動作を実行するように構成してもよい。あるいは、アンテナアレイ１および／またはアンテナ装置１００は、さらなる装置での別々のユニットとして実現してもよい。

図１３には、コンピュータ読取り可能な手段１３２を含むコンピュータプログラム製品１３０の一例が示してある。このコンピュータ読取り可能な手段１３２上では、コンピュータプログラム１３１を記憶することができ、このコンピュータプログラム１３１によって、処理ユニット１０１、２１、ならびに処理ユニットに動作可能に結合されたエンティティおよび装置、たとえば通信インターフェース１０２や記憶媒体１０３が、本明細書に記載の実施形態による方法を実行できるようになる。したがって、コンピュータプログラム１３１および／またはコンピュータプログラム製品１３０は、本明細書で開示される任意のステップを実行するための手段を提供してもよい。

図１３の例では、コンピュータプログラム製品１３０は、ＣＤ（コンパクトディスク）またはＤＶＤ（デジタル多用途ディスク）またはブルーレイディスクなどの光ディスクとして示してある。コンピュータプログラム製品１３０はまた、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、リードオンリメモリ（ＲＯＭ）、消去可能なプログラマブルリードオンリメモリ（ＥＰＲＯＭ）、または電気的に消去可能なプログラマブルリードオンリメモリ（ＥＥＰＲＯＭ）などのメモリとして、より具体的には、ＵＳＢ（ユニバーサルシリアルバス）メモリ、またはコンパクトフラッシュメモリなどのフラッシュメモリなどの外部メモリ内の装置の不揮発性記憶媒体として実施することもできる。したがって、コンピュータプログラム１３１は、ここでは図示した光ディスク上のトラックとして概略的に示してあるが、コンピュータプログラム１３１は、コンピュータプログラム製品１３０に適した任意の方式で記憶することができる。

次に図１４を参照して、一実施形態による、アンテナアレイ１を使用してビーム形成するための方法を示す。アンテナアレイ１は、２偏波素子を備える。この方法は、アンテナアレイ１を備えるアンテナ装置１００によって実行される。この方法は、有利にはコンピュータプログラム３２として実現される。

アンテナ装置１００は、ステップＳ１０２で、１つまたは２つのビームポートを生成するように設定される。この１つまたは２つのビームポートは、オーバラップしていない少なくとも２つのサブアレイを組み合わせることによって規定される。各サブアレイは、２つのサブアレイポートを有する。この２つのサブアレイポートは、それぞれのサブアレイにおいて、同一の電力パターン、および相互に直交する偏波を有する。オーバラップしていないこの少なくとも２つのサブアレイは、拡張重みを介して組み合わされる。この拡張重みは、１つまたは２つのビームポートがサブアレイと同じ電力パターンを有するように、この１つまたは２つのビームポートをサブアレイポートにマッピングする。拡張重みのうちの少なくともいくつかは、同一の非ゼロの大きさを有し、送信ローブを形成するような位相に関連付けられる。アンテナ装置１００は、ステップＳ１０４で、１つまたは２つのビームポートを使用して信号を送信するように設定される。

図１５には、方位角ビーム半値幅（ＨＰＢＷ）＝５０°および仰角ＨＰＢＷ＝２５°での、第１のビームポート（ビームポート１）の送信ローブ（ビームパターン）の一例が示してある。

図１６には、方位角ＨＰＢＷ＝５０°および仰角ＨＰＢＷ＝２５°での、第２のビームポート（ビームポート２）の送信ローブ（ビームパターン）の一例が示してあり、この第２のビームポートの送信ローブの形状が、第１のビームポートの形状（すなわち、図１５での送信ローブの形状）と同一である。したがって、図１５および図１６の送信ローブは、同一の電力パターンを有する。このローブは、（図１５および図１６からは分からないが）、任意の方向において直交偏波を有する。

図１７には、従来の（ＳＰＢＦ）ビーム形成によって作られた広いビームパターンの一例が示してある。対応する重み要素が、図１７の左側に示してある。したがって、数多くの重み要素が、ゼロに設定された振幅を有し、その結果、電力リソースの利用率が非常に低くなる。

図１８には、良好な電力リソース利用のために位相テーパだけに限定された、従来の（ＳＰＢＦ）ビーム形成によって作られた広いビームパターンの一例が示してある。対応する重み要素が、図１８の左側に示してある。しかし、その結果得られるビームパターンのリップルは大きいことが分かる。

図１９には、本明細書に開示された実施形態に従って形成された広いビームパターンの一例が示してある。このビームパターンは所望の形状を有し、ここではＨＰＢＷ＝５０°であり、電力リソース利用率が非常に良好である。対応する重み要素が、図１９の左側に示してある。

いくつかの実施形態を参照しながら、主として本発明概念をこれまで説明してきた。しかし、当業者には容易に理解されるように、これまでに開示したもの以外の他の実施形態も、添付の特許請求の範囲によって規定される本発明概念の範囲内で等しく実現可能である。たとえば、ＬＴＥ特有の専門用語を使用しているが、本明細書に開示された実施形態は、変更すべき点を変更して、ＬＴＥに基づかない通信ネットワークにも適用可能としてよい。

Claims (18)

1. ２偏波素子を備えるアンテナアレイ（１）を使用してビーム形成するための方法であって、
   １つまたは２つのビームポートを生成すること（Ｓ１０２）であって、前記１つまたは２つのビームポートが、オーバラップしていない少なくとも２つのサブアレイを組み合わせることによって規定され、
   各サブアレイが、２つのサブアレイポートを有し、前記２つのサブアレイポートが、同一の電力パターンおよび相互に直交する偏波を有し、
   前記オーバラップしていない少なくとも２つのサブアレイが拡張重みを介して組み合わされ、
   前記１つまたは２つのビームポートが前記サブアレイと同じ電力パターンを有するように、前記拡張重みが、前記１つまたは２つのビームポートをサブアレイポートにマッピングし、
   前記拡張重みの少なくともいくつかが、同一の非ゼロの大きさを有し、送信ローブを形成するような位相に関連付けられる、生成すること（Ｓ１０２）と、
   前記１つまたは２つのビームポートを使用して信号を送信すること（Ｓ１０４）と
   を含む、方法。
2. 前記拡張重みが、前記１つまたは２つのビームポートが前記サブアレイと同じ電力パターンを有するように、前記１つまたは２つのビームポートをサブアレイポートにマッピングし、２つのビームポートが存在する場合、前記２つのビームポートが、任意の方向で相互に直交する偏波を有する、請求項１に記載の方法。
3. ２つのビームポートが存在する場合、前記２つのビームポートの前記偏波を相互直交に保つように、前記拡張重みが規定される、請求項１に記載の方法。
4. ２つのビームポートが存在する場合、前記拡張重みによって、次元ごとに２、６、または１０のサブアレイの累乗の積に前記２つのビームポートがマッピングされる、請求項１に記載の方法。
5. １つのビームポートが存在する場合、前記拡張重みによって、１、３、または５つのサブアレイの２、６、および／または１０倍の累乗に前記２つのビームポートがマッピングされる、請求項１に記載の方法。
6. 前記１つまたは２つのビームポートを規定する前に、前記サブアレイが、さらなる拡張重みによってさらに拡張される、請求項１に記載の方法。
7. 前記サブアレイポートのうち第１のサブアレイポートに適用される第１の拡張重み行列の２次元離散フーリエ変換の大きさの２乗と、前記サブアレイポートのうち第２のサブアレイポートに適用される第２の拡張重み行列の２次元離散フーリエ変換の大きさの２乗との合計によって規定される行列内の全ての要素が同じ値を有するように、前記拡張重みが決定される、請求項１に記載の方法。
8. ｜ＤＦＴ（ｅａ）｜^２＋｜ＤＦＴ（ｅｂ）｜^２＝ｋ・Ｊ_ｒｃになるように前記拡張重みが決定され、
   ここで、ＤＦＴ（ｅａ）およびＤＦＴ（ｅｂ）が、それぞれｅａおよびｅｂの離散フーリエ変換を表し、ｅａおよびｅｂが、それぞれ前記サブアレイポートａおよびｂに適用される合計の拡張行列であり、ａが前記サブアレイポートのうちの第１のサブアレイポートであり、ｂが前記サブアレイポートのうちの第２のサブアレイポートであり、ｋが定数であり、Ｊ_ｒｃがｒ個の行とｃ個の列を有する全てが１の行列である、請求項１に記載の方法。
9. 前記オーバラップしていない少なくとも２つのサブアレイがともに、前記アンテナアレイの全ての素子をカバーする、請求項１に記載の方法。
10. 前記少なくとも２つのサブアレイの前記拡張重みが加えられて、前記１つまたは２つのビームポートのうち１つを生成する、請求項１に記載の方法。
11. 第１の偏波を有するポートａについての前記拡張重みが、
    

    

    

    

    のように決定され、
    ここで、ｅａ_ｍが、前記１つまたは２つのビームポートのうちの１つのビームポートを、ｍ個のサブアレイの倍数にマッピングするための前記拡張重みを表し、Ｚ_ｒｃが、ｒ個の行とｃ個の列を有する全てがゼロの行列である、請求項１に記載の方法。
12. 前記第１の偏波に直交する第２の偏波を有するポートｂについての前記拡張重みが、ｅｂ_ｍ＝ｆｌｉｐｕｄ（［ｅａ_ｍ（：，２）−ｅａ_ｍ（：，１）］^＊）のように決定され、
    ここで、ｅａ_ｍ（：，ｃ）が、ｅａ_ｍの列ｃを表し、^＊が複素共役を表し、ｆｌｉｐｕｄ（ｘ）が、ｘの行順序を逆にする、請求項１１に記載の方法。
13. 前記信号が、ブロードキャスト情報およびシステム情報のうち少なくとも一方を含む、請求項１に記載の方法。
14. アンテナアレイ（１）を備えるアンテナ装置（１００）であって、前記アンテナアレイがビーム形成用の２偏波素子を備え、前記アンテナアレイはさらに処理ユニット（３１）を備え、前記処理ユニット（３１）は、前記アンテナアレイ（１）に、
    １つまたは２つのビームポートを生成させるように設定され、前記ビームポートが、オーバラップしていない少なくとも２つのサブアレイを組み合わせることによって規定され、
    各サブアレイが、２つのサブアレイポートを有し、前記２つのサブアレイポートが、同一の電力パターンおよび相互に直交する偏波を有し、
    前記オーバラップしていない少なくとも２つのサブアレイが拡張重みを介して組み合わされ、
    前記１つまたは２つのビームポートが前記サブアレイと同じ電力パターンを有するように、前記拡張重みが、前記１つまたは２つのビームポートをサブアレイポートにマッピングし、
    前記拡張重みの少なくともいくつかが、同一の非ゼロの大きさを有し、送信ローブを形成するような位相に関連付けられ、
    前記処理ユニット（３１）はさらに、前記アンテナアレイ（１）に、
    前記１つまたは２つのビームポートを使用して信号を送信させるように設定される、アンテナ装置。
15. 請求項１４に記載のアンテナ装置（１００）を備える、ネットワークノード（１１０）。
16. 請求項１４に記載のアンテナ装置（１００）を備える、ワイヤレス装置（１２０）。
17. ２偏波素子を備えるアンテナアレイ（１）を使用してビーム形成するためのコンピュータプログラム（１３１）であって、コンピュータプログラムコードを含み、処理ユニット（３１）上で実行されると、前記コンピュータプログラムコードは、前記アンテナアレイ（１）に、
    １つまたは２つのビームポートを生成させ（Ｓ１０２）、前記ビームポートが、オーバラップしていない少なくとも２つのサブアレイを組み合わせることによって規定され、
    各サブアレイが、２つのサブアレイポートを有し、前記２つのサブアレイポートが、同一の電力パターンおよび相互に直交する偏波を有し、
    前記オーバラップしていない少なくとも２つのサブアレイが拡張重みを介して組み合わされ、
    前記１つまたは２つのビームポートが前記サブアレイと同じ電力パターンを有するように、前記拡張重みが、前記１つまたは２つのビームポートをサブアレイポートにマッピングし、
    前記拡張重みの少なくともいくつかが、同一の非ゼロの大きさを有し、送信ローブを形成するような位相に関連付けられ、
    前記コンピュータプログラムコードはさらに、前記アンテナアレイ（１）に、
    前記１つまたは２つのビームポートを使用して信号を送信させる（Ｓ１０４）、コンピュータプログラム。
18. 請求項１７に記載のコンピュータプログラム（１３１）、および前記コンピュータプログラムが記憶されるコンピュータ読取り可能な手段（１３２）を含む、コンピュータプログラム製品（１３０）。
    

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