JP2019071644A - Beam forming using antenna arrangement - Google Patents

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Abstract

To provide a mechanism for beam forming using an antenna array including two polarization elements.SOLUTION: Beam forming using an antenna device includes generating one or two beam ports (S102) and is defined by combining at least two non-overlapping subarrays. Each subarray has two subarray ports, and the two subarray ports have the same power pattern and mutually orthogonal polarization. The at least two non-overlapping subarrays are combined via expansion weights. The expansion weights map one or two beam ports to the subarray ports such that the one or two beam ports have the same power pattern as the subarray. At least some of the expansion weights have the same non-zero magnitude and are associated with a phase that forms a transmit lobe and transmit signals using the one or two beam ports (S104).SELECTED DRAWING: Figure 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。   Embodiments presented herein relate to beamforming, and in particular to methods for beamforming using antenna arrays with dual polarization elements, antenna arrays, and computer programs.

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。   In a communication network, there may be challenges in obtaining good performance and capacity in a given communication protocol, its parameters, and the physical environment in which the communication network is utilized.

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。   One component of a wireless communication network that may be difficult to obtain good performance and capacity is configured for wireless communication with another network node and / or with a wireless user terminal It is an antenna of a network node.

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。   For example, massive beamforming, ie beamforming using active antenna arrays with many more antenna elements than those used in current communication networks, will be in the wireless access part of future fifth generation (5G) communication networks It is expected to be a technical component. By using a large antenna array at the radio base station, user data can be transmitted in a concentrated manner in space, resulting in the reception of energy mainly by wireless devices dedicated to user data, and so on There is little or no interference perceived by wireless devices or other types of nodes. Thus, massive beamforming has the potential to increase the system capacity and energy efficiency by orders of magnitude.

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。   One potential problem with massive beamforming may be related to the fact that the beam is narrow so that it may only be able to receive data with a dedicated wireless device. While this is desirable for user data, some data, such as system information, for example, preferably needs to be transmitted (i.e., broadcast) to all or at least most of the wireless devices in the communication network. Thus, such data must be transmitted with wide coverage to reach all wireless devices. The following outlines some of the ways in which this problem is addressed. However, as also stated, each of these schemes has drawbacks.

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。   According to a first approach, separate wide beam antennas may be used to transmit broadcast data. The disadvantage of this approach is that it requires additional hardware.

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。   According to a second approach, broadcast data is transmitted using a single antenna array element or sub-array of antennas. This array element or sub-array has a wider beam than the full array of antennas. The disadvantage of this approach is that only one or a few power amplifiers (PAs) in the antenna array are utilized, thus wasting power resources.

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。   According to a third approach, amplitude and / or phase tapering is used to spread the beam across the full array of antennas. The disadvantage of such tapering is that amplitude tapering reduces the utilization of PA resources, and in many cases it is not possible to use phase-only tapering to synthesize the desired beam shape It is.

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。   According to a fourth approach, narrow beams are used to transmit broadcast data sequentially in various directions. A potential disadvantage of this approach is that it takes longer and consumes more resource elements than transmitting broadcast data simultaneously in all directions with wide beams.

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。   Another situation where it may be desirable to use a wide beam in an antenna array with many elements is in millimeter wave (mmW) communication, which is an access technology that is expected to be part of 5G wireless access. As propagation losses increase at such high frequencies, in some cases both the receiver and the transmitter may require high gain beamforming to maintain the link budget. Typically, beamforming may be required because the main propagation path between the transmitter and receiver is not known in advance. It may take a great deal of time / frequency resources to test all combinations of multiple narrow transmit and receive beams to find the best beam pair. The solution to this problem may be to have the radio base station start the search procedure with a wide beam and then gradually narrow this beam until the best pair of narrow beams is found. Such beam search procedures generally require a means for generating beams with different beam widths in a flexible manner. When it is desirable to use all antenna elements and all PAs at full power when transmitting beams with different beam widths to fully utilize the antenna array and available PA resources There is.

したがって、改善されたビーム形成が必要である。   Thus, there is a need for improved beamforming.

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。   The purpose of the embodiments herein is to achieve efficient beamforming.

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。   According to a first aspect, a method is presented for beamforming using an antenna array comprising two polarization elements. The method comprises generating one or two beam ports, the one or two beam ports being defined by combining at least two non-overlapping sub-arrays. Each subarray has two subarray ports, and the two subarray ports have the same power pattern and mutually orthogonal polarizations. The at least two subarrays that do not overlap are combined via the expansion weights. The extension weights map the one or two beam ports to the sub-array port such that one or two beam ports have the same power pattern as the sub-array. At least some of the extension weights have the same non-zero magnitude and are associated with phases that form a transmit lobe. The method includes transmitting a signal using the one or two beam ports.

有利には、これによって効率的なビーム形成が実現する。   Advantageously, this provides for efficient beamforming.

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。   Advantageously, this implements an antenna architecture and method for creating one or two beam ports with adjustable beam width.

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。   The one or two beam ports have the same power radiation pattern and orthogonal polarization in any direction.

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。   The beam width at this one or two beam ports can be very wide compared to the array size, and can be as wide as in the single element case.

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。   All power amplifiers of the antenna array can be used completely, ie with only the phase taper applied, by their respective beam port or a combination of two beam ports.

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。   The antenna architecture may be based on either a linear (1-D) antenna array or a planar (2-D) antenna array.

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。   According to a second aspect, an antenna device comprising an antenna array is presented. The antenna array comprises two polarization elements for beam forming. The antenna array further comprises a processing unit. The processing unit is configured such that the antenna array produces one or two beam ports, which are defined by combining at least two non-overlapping sub-arrays. Each subarray has two subarray ports, and the two subarray ports have the same power pattern and mutually orthogonal polarizations. The at least two subarrays that do not overlap are combined via the expansion weights. The extension weights map the one or two beam ports to the sub-array port such that one or two beam ports have the same power pattern as the sub-array. At least some of the extension weights have the same non-zero amplitude and are associated with the phase forming the transmit lobe. The processing unit is configured to allow the antenna array to transmit signals using this one or two beam ports.

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。   A network node comprising an antenna arrangement according to the second aspect is also presented.

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。   A wireless device comprising an antenna device according to the second aspect is also presented.

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。   According to a third aspect, a computer program for beamforming using an antenna array comprising two polarization elements is presented, the computer program comprising, when executed on a processing unit, the antenna array comprises a first And computer program code that enables the method according to the aspect to be performed.

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。   According to a fourth aspect, there is presented a computer program product according to the third aspect and a computer program product comprising computer readable means on which the computer program is stored.

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。   It should be noted that any of the features of the first, second, third and fourth aspects may apply to any other aspect where appropriate. Similarly, any advantages of the first aspect may equally apply to each of the second, third and / or fourth aspects, and vice versa. Other objects, features, and advantages of the described embodiments will be apparent from the following detailed disclosure, the appended dependent claims, and the drawings.

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。   In general, all terms used in the claims should be construed in accordance with their ordinary meaning in the art unless explicitly stated otherwise herein. All references to "a / an / the (elements, devices, components, means, steps, etc.)" refer to this element, device, component, means, step, etc., unless expressly stated otherwise. It should be interpreted in a non-limiting manner as referring to at least one of them. The steps of any of the methods disclosed herein may not be performed in the order in which they are disclosed, unless explicitly stated.

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。   Next, the concept of the present invention will be described by way of example with reference to the accompanying drawings.

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。FIG. 5 is a schematic diagram illustrating aspects of an antenna array according to an embodiment. 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。FIG. 5 is a schematic diagram illustrating aspects of an antenna array according to an embodiment. 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。FIG. 5 is a schematic diagram illustrating aspects of an antenna array according to an embodiment. サブアレイの例を概略的に示す図である。Fig. 5 schematically shows an example of a sub array. 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。FIG. 5 is a schematic diagram illustrating aspects of an antenna array according to an embodiment. ポート拡張の例を概略的に示す図である。Fig. 2 schematically illustrates an example of port expansion; 再帰的なポート拡張を概略的に示す図である。Fig. 2 schematically illustrates a recursive port expansion; ポートマッピングを概略的に示す図である。It is a figure which shows port mapping roughly. 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。FIG. 5 is a block diagram showing functional units of the antenna device according to one embodiment. 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。FIG. 5 is a block diagram showing functional modules of the antenna device according to one embodiment. 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。It is a figure showing roughly a network node provided with an antenna device by each embodiment. 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。It is a figure showing roughly the wireless apparatus provided with the antenna device by each embodiment. 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。FIG. 1 schematically illustrates a computer program product according to one embodiment. 一実施形態による方法の流れ図である。3 is a flow diagram of a method according to one embodiment. 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。FIG. 7 illustrates simulation results of an example of a transmit lobe at a first beam port according to one embodiment. 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。FIG. 7 illustrates simulation results of an example of a transmit lobe at a second beam port according to one embodiment. 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。FIG. 5 illustrates simulation results of prior art beamforming using pure amplitude tapers for each polarization. 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。FIG. 5 illustrates simulation results of prior art beamforming using pure phase tapers for each polarization. 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。FIG. 7 shows simulation results of beam formation according to one embodiment.

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。   The inventive concept will now be described more fully hereinafter with reference to the accompanying drawings in which some embodiments of the inventive concept are shown. However, the inventive concept may be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein, but rather, this disclosure is complete and complete. These embodiments are provided as an example so as to fully convey the scope of the inventive concept to a person skilled in the art. Like numbers refer to like elements throughout the description. Any steps or features shown in dashed lines should be considered optional.

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。   Various schemes have been proposed to generate a wide beam from a large two polarization array. As an example, a beam forming network, for example a Butler matrix, is applied to each polarization direction of the antenna array, and then a signal is transmitted using a beam with alternating polarization, using adjacent beams having the same polarization. Unwanted coherent addition of the transmitted signal may be avoided. The resulting beam pattern is usually pronounced, for example on the order of several dB. FIG. 17 shows an example of a broad beam pattern formed by conventional single polarization beamforming (SPBF), where weights are applied for each polarization and again desired for each polarization. The beam pattern is shaped, and many weighting factors will have amplitudes set to zero, thus reducing the utilization of power resources. This may be regarded as the extreme case of the amplitude taper. Another example involves applying an amplitude taper, which may also be regarded as providing satisfactory results in that it produces the desired beam shape, but using power resources for transmission It can not be regarded as providing satisfactory results in terms of rates. In many cases, using only the phase taper results in a pattern that does not meet the desired characteristics but that the utilization of power resources is satisfactory. The range of beam widths that can be obtained is also often limited. FIG. 18 shows an example of a broad beam pattern formed by conventional (SPBF) beamforming but limited to phase taper only for good power resource utilization. As a result, the beam pattern exhibits unwanted ripple.

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。   The antenna arrays and methods proposed herein achieve both beam patterns having the desired beam shape, as well as excellent power utilization. The embodiments disclosed herein relate specifically to efficient beamforming. Here, to obtain efficient beamforming, an antenna array, a method implemented by this antenna array, enabling the antenna array to perform this method when executed on a processing unit, for example in the form of a computer program product A computer program is provided that includes code for

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。   FIG. 1 is a schematic block diagram showing an exemplary architecture of a two-dimensional antenna array 1 to which the embodiments presented herein can be applied. However, the embodiments presented herein are equally applicable to one-dimensional antenna arrays. Thus, the antenna array 1 can be either a linear array (1-D), a uniform linear array (ULA), or a planar array (2-D), a uniform rectangular array (URA).

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。   The antenna front end comprises an array 1e of antenna elements, in which each antenna element is a subarray of several radiating antenna elements connected via feed networks to two subarray ports with orthogonal polarization. May be. Each sub array port is connected to a wireless chain included in the wireless array 1 d. The number of sub-array ports in block 1b accessible from baseband signal processing may be reduced via port reduction block 1c creating a new antenna port which is a (linear) combination of input antenna ports. If dedicated data and broadcast data are both sent simultaneously, access the sub-array port at baseband. Further, broadly speaking, access to all sub-array ports may be required to shape a broad beam in accordance with the beamforming scheme disclosed herein. In the baseband signal processing block 1a, virtual antenna ports can be created by matrix multiplication. These virtual antenna ports may be of different types. For example, in LTE, these virtual antenna ports may be common reference signal (CRS) at ports 0-3, channel state information reference signal (CSI-RS) at ports 15-22, and at ports 7-14. UE specific reference signals and data may be carried for the radio base station. Depending on the implementation, one or several blocks of the two-dimensional antenna array 1 in FIG. 1 may be removed.

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。   FIG. 2 is a schematic block diagram showing a possible implementation of the two-dimensional antenna array 1 of FIG. This implementation comprises a beamformer comprising the blocks 1a, 1b, 1c of FIG. 1, a radio array 1d and a physical antenna array 1e. In the example of FIG. 2, there are two antenna ports per sub-array. The beamformers 1a-c are configured to receive user data and control data, beamforming weights for user data, beamforming weights for reference signals such as CSI-RS, and beamforming weights for wide beam transmission. Ru. Each antenna element comprises two sub-elements 31, 32 with orthogonal polarization in all directions (of interest). Usually, these two subelements 31, 32 are arranged at the same position as shown in FIG. 3 (a), but may be arranged mutually offset as shown in FIG. 3 (b).

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。   The antenna array 1 is set to generate one or two beam ports, which are defined by combining at least two non-overlapping sub-arrays. As can be understood by one skilled in the art, the antenna array 1 may be configured to generate additional ports defined for various transmissions. Each subarray has two subarray ports, and the two subarray ports have the same power pattern and mutually orthogonal polarizations. The at least two subarrays that do not overlap are combined via the expansion weights. The extension weights map the one or two beam ports to the sub-array port such that one or two beam ports have the same power pattern as the sub-array. At least some of the extension weights have the same non-zero magnitude and are associated with phases that form a transmit lobe. The antenna array 1 is configured to transmit signals using one or two beam ports. As can be appreciated by one skilled in the art, the antenna array 1 may be configured to transmit additional signals using the same or additional beam ports.

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。   Next, embodiments will be disclosed that relate to further details of beam forming using the antenna array 1.

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。   Broadly speaking, the extension weights describe how one or two beam ports formed with a single set of sub-arrays can be mapped onto multiple sets of sub-arrays. Thus, according to one embodiment, the extension weights map the one or two beam ports to the sub-array port such that one or two beam ports have the same power pattern as the sub-array, and When ports are present, the two beam ports have mutually orthogonal polarizations in any direction.

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。   There may be various schemes for determining at least two non-overlapping sub-arrays and combining the at least two non-overlapping sub-arrays via the extension weights. Next, various embodiments related to this will be further described.

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。   In general terms, to generate one or two beam ports that provide the desired beam width and to use the entire antenna array for good utilization of power resources, sub-arrays for one or two beam ports It may be necessary to determine port mapping and to extend the sub-array mapping to the entire antenna array.

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。   In sub-array port mapping, sub-arrays are determined such that the desired beam width or even beam shape is achieved with the best possible power utilization. The power utilization after expansion of each subarray is the same as that of the subarray. In FIG. 4, four examples of antenna arrays 1e each comprising two subarrays 41, 42 are shown schematically in (a), (b), (c) and (d), each antenna array 1e comprises two beam ports 43, 44 respectively.

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。
port=Dsubarray10、k=0、1,2、...、m=0、1、2、...、n=0、1、2、...
ここで、Dsubarray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。
To extend sub-array mapping to the entire antenna array, using the extension weights based on powers of 2, 6, and 10, the total number of antenna elements used by the beam port for each dimension of the antenna array is Is represented by
D port = D subarray 2 k 6 m 10 n , k = 0, 1, 2,. . . , M = 0, 1, 2,. . . , N = 0, 1, 2,. . .
Here, D subarray is the number of elements used in the sub array in the target antenna array dimension. If only a single beam port is desired, a factor of 3 or 5 is also possible. Thus, according to one embodiment, if there are two beam ports, the extension weights map the two beam ports to the product of powers of 2, 6 or 10 sub-arrays per dimension. For example, the dimensional equation may be an orthogonal spatial dimension in a plane. Also, according to one embodiment, if there is one beam port, the extension weights map the two beam ports to a power of two, six or ten times that of one, three or five sub-arrays. That is, at a single beam port, the mapping can follow powers of two, six, and ten times three or five. In a two dimensional array, a mapping that includes an expansion factor of three or five can only be performed in one dimension.

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。   To make maximum use of the antenna array, the size of the subarray may be determined such that the size of the subarray covers the entire array, including feasible extensions. Thus, according to one embodiment, at least two non-overlapping sub-arrays together cover all the elements of the antenna array.

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。   All antenna elements in port mapping may be of the same amplitude and the extension itself provides full power utilization but the sub-array may not reach that level. One of the reasons for using all the antenna elements in the antenna array and for equalizing the sub-array port mapping and hence the beam port mapping amplitude is to use available power resources efficiently. In particular, this applies to the active antenna array in which the power amplifier is distributed, but likewise, as in the case of FIGS. 5 (a) and 5 (b), Also apply to an antenna array having a power distribution network 50 which also comprises an attenuator 52. This is particularly suitable for beamforming performed only via phase shifters. The number of sub-arrays used is given by combining the powers of 2, 6, and 10 and potentially multiplying by 3 or 5 for a single beam port.

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。   Thus, the extension weights describe how one or two beam ports with beam shapes given by a single sub-array can be mapped onto multiple sub-arrays. FIG. 6 schematically shows (a), (b) and (c) three different pairs of extension weights that extend the size of the antenna array by 2, 6 or 10 times respectively. is there.

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。   Further embodiments as to how the extension weights can be determined will now be disclosed.

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。   Extension weights within the pair may be associated such that the two beam ports have orthogonal polarizations. Thus, according to one embodiment, extension weights are defined to keep the polarizations of the two beam ports mutually orthogonal when there are two beam ports.

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。

Figure 2019071644
Figure 2019071644
Figure 2019071644
ここで、ea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、Zrc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。 According to one embodiment, the expansion weight at port a with the first polarization is determined as:
Figure 2019071644
Figure 2019071644
Figure 2019071644
Here, e a m represents an extension weight for mapping a port to m multiples of m sub-arrays (or a combination of sub-arrays using the extensions disclosed herein), where Z rc is , A matrix of all zeros with r rows and c columns.

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=flipud([ea(:,2)−ea(:,1)]
ここで、ea(:,c)は、ea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。
The extension weight at port b with the second polarization orthogonal to the first polarization is then determined as
eb m = flipud ([ea m (:, 2)-ea m (:, 1)] * )
Here, e a m (:, c) represents a column c of e a m , * represents a complex conjugate, and flipud (x) reverses the row order of x. That is, the symbols a and b represent subarray ports, a combination of subarray ports, or two orthogonal polarizations for beam ports. This symbol does not point to specific polarizations for the various ports.

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。   As those skilled in the art will appreciate, these expansion matrices are merely examples. Other useful examples of expansion matrices can be obtained, for example, by applying phase shifts to the illustrated matrices.

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Z32およびZ52)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およびea10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。 The expansion factors may be concatenated to perform the expansion in two or more steps. Thus, according to one embodiment, before defining one or two beam ports, the sub-arrays are further expanded by further expansion weights. The order in which the extensions based on 2, 6 and 10 are applied is arbitrary, but the extension with 3 or 5 should be the last extension applied, as it will result in only a single beam port is there. These can be found from the previously defined ea 6 and ea 10 by removing the low zero part (ie Z 32 and Z 52 respectively) and not defining any eb mapping. FIG. 7 shows one illustrative example of how extensions can be used recursively to reach the desired size of the final weight vector. As shown in FIG. 7, the expansion factors may be concatenated with various expansion factors, with a first expansion factor of 6 (expansion × 6) followed by a second expansion factor of 2 (expansion × 2).

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。   An example of power utilization after expansion is shown in FIG. 8 for two antenna ports. As can be seen from the upper side of FIG. 8, one half of the antenna element of the first polarization is connected to port 1 (○) and the other half is connected to port 2 (*). A similar phenomenon applies to the second polarization, as shown at the bottom of FIG. This means that for an active antenna with distributed power amplifiers, the two antenna ports do not have to share the same power amplifier. The magnitude variations in FIG. 8 are, for the purpose of illustration, the definition of the subarrays used in this case where unequal amplitudes are selected to show how the amplitude variations of the subarrays are repeated throughout the array. Is due to

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。   In some cases, it may be beneficial if both beam ports share the same power amplifier, in other cases this is desirable, for example when a correlated signal is applied to two antenna ports. There is no such thing. One reason is that the signal correlated with the power amplifier in common leads to an uneven loading of the power amplifier.

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)|+|DFT(eb)|=k・Jrc
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、Jrc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)。
If the antenna ports share a power amplifier, or if only a single antenna port is used, this can be achieved, for example, by adding together two extension weights, each defining a beam port, element by element. Thus, according to one embodiment, the extension weights of at least two sub-arrays are added to generate one of one or two beam ports. If an extension by 3 or 5 is used, the result is a single beam port mapped to all sub-array ports, i.e. using all power resources. Since the subarray expansion does not change the power pattern, the array coefficients (given by the total expansion vector / matrix) allow space for two beam ports to have the same power pattern as the subarray port. It may be white. According to one embodiment, a second subarray port of the second subarray port of the second subarray port of the second subarray port of the magnitude of the two-dimensional discrete Fourier transform of the first expanded weight matrix applied to the first subarray port of the subarray port The extension weights are determined such that all elements in the matrix defined by the sum of the second extension weight matrix applied and the square of the magnitude of the two-dimensional discrete Fourier transform have the same value. That is, the extension weight may be determined as follows.
| DFT (ea) | 2 + | DFT (eb) | 2 = k · J rc
Here, DFT (ea) and DFT (eb) represent discrete Fourier transforms of ea and eb, respectively, ea and eb are sum expansion matrices applied to sub array ports a and b, respectively, and a is a sub array The first subarray port of the port, b is the second subarray port of the subarray port, k is a constant, and J rc is all 1 with r rows and c columns It is a matrix of For a two-dimensional antenna array, the expanded weights are collected in a matrix. In the case of a one-dimensional antenna array, this matrix is folded into vectors (which can also be understood as a special case of a matrix having only one row or one column).

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。   We will now present in more detail how to generate the expansion weights in a uniform rectangular array. The origin is an expanded weight vector for each dimension as previously generated. These expanded weight vectors are combined into two matrices, one for each beam port.

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。

Figure 2019071644
ここで、w1yaおよびw1yb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。
Figure 2019071644
および、
Figure 2019071644
ここで、w2zaおよびw2zb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。 First, an expanded weight vector for one beam port along a first dimension (here, dimension y) with non-shared resources is determined. If an extension with a factor of 3 or 5 is used for one of the dimensions (so that a single beam port using all resources is obtained), this dimension is here as the dimension of y It is selected. The complete vector for the first beam port (ie, beam port 1), including all elements (ie, both polarizations a and b), can be expressed as:
Figure 2019071644
Here, w 1ya and w 1yb represent column vectors including the extension weights at beam port 1 to be applied to elements having polarizations a and b, respectively, along a dimension such as y. Second, the expanded weight vectors for the two beam ports along the second dimension (here, dimension z) with non-shared resources, for the first port via successive expansions, as It is determined.
Figure 2019071644
and,
Figure 2019071644
Here, w 2za and w 2zb denote column vectors including the extension weights at the second beam port (ie, beam port 2) applied to elements having polarizations a and b along the dimension of z, respectively .

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w1zおよびw2zが関連している。この関係は次式によって与えられる。

Figure 2019071644
Two vectors w 1z and w 2z are associated to provide orthogonal polarization and the same power pattern. This relationship is given by the following equation.
Figure 2019071644

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)。 The symbol " * " stands here for complex conjugation (and not for Hermitian conjugate transposition).

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。

Figure 2019071644
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。
Figure 2019071644
および、
Figure 2019071644
Here, F is a matrix in which the order of elements (rows) in the vector is reversed, that is, a matrix having 1 at opposite angles and having zero at the other.
Figure 2019071644
These vectors are combined to form one matrix per polarization, which includes all elements in a uniform rectangular array (URA) according to the following equation:
Figure 2019071644
and,
Figure 2019071644

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。   The phase adjustment factor β is used to ensure full power utilization. The actual value depends on how to specify the extension weight for each dimension. According to the procedure described herein, the phase adjustment is in most cases equal to one.

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。
2a=F 1b
および、
2b=−F 1a
ここで、FおよびF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。
Finally, the expanded weight matrix at the second port is
w 2 a = F z w * 1 b F y
and,
w 2 b = −F z w * 1 a F y
Here, F z and F y are matrices that have 1 on the diagonal and have zero elsewhere. If expansion factors 3 and 5 are not used, the result at this stage is two with the same power pattern, orthogonal polarization, non-shared resources (power amplifier), and full power utilization for the two beam ports It is an extended weight matrix that defines beam ports.

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。
1a_shared=w1a+w2a
および、
1b_shared=w1b+w2b
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。
2a_shared=F 1b_shared
2b_shared=−F 1a_shared
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。
If shared resources are desired, this can be obtained by the following procedure. First, the matrices for the two ports are added as:
w 1a_shared = w 1a + w 2a
and,
w 1b_shared = w 1b + w 2b
The matrix for the second port is then formed by performing the following operation:
w 2a_shared = F z w * 1 b_shared F y
w 2b_shared = −F z w * 1a_shared F y
If an expansion factor of 3 or 5 is used, the result is an expansion matrix defining one beam port with the power pattern provided by the sub-array instead. The expansion matrix connects beam ports to all power resources so that all power resources are utilized. Since the first beam port already uses all resources, the desired power pattern with the first beam port if the second beam port is created as described above without adding the extension weight And a second beam port is found having shared resources of and orthogonal polarization.

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。   FIG. 9 schematically shows the components of the antenna device 100 according to one embodiment with respect to several functional units. The processing unit 21 may be one or more of a suitable central processing unit (CPU), multiprocessor, microcontroller, digital signal processor (DSP), application specific integrated circuit (ASIC), field programmable gate array (FPGA), etc. , And may execute software instructions stored in the form of computer program product 130 (as in FIG. 13), for example storage medium 103. Thus, the processing unit 101 is thereby configured to perform the method disclosed herein. For example, processing unit 101 may be configured to generate any sub-array as in FIG. 4 and to map to beam ports as in FIGS. 6 and 7 as disclosed herein. .

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。   The storage medium 103 may also comprise persistent storage, which may be, for example, any single device or combination of magnetic storage, optical storage, solid state storage, or remote storage. it can. The antenna device 100 may further include a communication interface 22 for transmitting and receiving signals. Thus, the communication interface 22 may comprise an antenna array as in any of FIGS. 1, 2, 3 and 5.

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。   The processing unit 21 transmits data and control signals to the communication interface 102 and the storage medium 103, receives data and reports from the communication interface 102, and retrieves data and instructions from the storage medium 103, for example. Control the overall operation. Other components of the antenna apparatus 100 as well as related functions are omitted so as not to obscure the ideas presented herein.

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。   FIG. 10 schematically shows the components of the antenna device 100 according to an embodiment with respect to several functional modules. The antenna device 100 of FIG. 10 includes several functional modules, ie, a generation module configured to execute step S102 below, and a transmission / reception module 101b configured to execute step S104 below. Equipped with The antenna device 100 of FIG. 10 may further comprise some optional functional modules. The function of each functional module 101a-101b is apparent from the situation where this functional module 101a-101b may be used. Generally speaking, each functional module 101a-101b may be implemented in hardware or software. Preferably, one or more or all of the functional modules 101a-101b may be implemented by the processing unit 10, possibly in conjunction with the functional units 102 and / or 103. Thus, the processing unit 101 may be configured to fetch from the storage medium 103 the instructions presented by the functional modules 101a-101b and execute these instructions, whereby any of the disclosures described below Execute the step

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。   The antenna array 1 and / or the antenna device 100 may be realized as an integrated circuit, as a stand-alone device or as part of a further device. For example, the antenna array 1 and / or the antenna device 100 may be provided in a wireless transmitting / receiving device such as the network node 110 or the wireless device 120. FIG. 11 shows a network node 110 comprising at least one antenna array 1 and / or an antenna arrangement 100 as disclosed herein. The network node 110 may be a BTS, a Node B, an eNB, a relay apparatus, a backhaul node, or the like. FIG. 12 shows a wireless device 120 comprising at least one antenna array 1 and / or antenna device 100 as disclosed herein. The wireless device 120 may be a user equipment (UE), a mobile phone, a tablet computer, a laptop computer, etc.

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。   The antenna array 1 and / or the antenna device 100 may be realized as an integral part of a further device. That is, the components of the antenna array 1 and / or the antenna device 100 may be integrated with the other components of the further device and share the further device and some components of the antenna array 1 and / or the antenna device 100 You may For example, if the further device comprises a processing unit in this way, this processing unit may be configured to carry out the operation of the processing unit 31 associated with the antenna device 100. Alternatively, the antenna array 1 and / or the antenna arrangement 100 may be realized as separate units in a further arrangement.

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。   An example of a computer program product 130 including computer readable means 132 is shown in FIG. On this computer readable means 132 a computer program 131 can be stored, by means of which the processing unit 101, 21 as well as the entities and devices operatively coupled to the processing unit, for example the communication interface 102. And storage medium 103 may be capable of performing the methods according to the embodiments described herein. Thus, computer program 131 and / or computer program product 130 may provide a means for performing any of the steps disclosed herein.

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。   In the example of FIG. 13, computer program product 130 is illustrated as an optical disc, such as a CD (compact disc) or a DVD (digital versatile disc) or a Blu-ray disc. The computer program product 130 may also be a memory such as a random access memory (RAM), a read only memory (ROM), an erasable programmable read only memory (EPROM), or an electrically erasable programmable read only memory (EEPROM). More specifically, it can also be implemented as a non-volatile storage medium of the device in an external memory such as a USB (Universal Serial Bus) memory or a flash memory such as a compact flash memory. Thus, although the computer program 131 is schematically illustrated here as a track on the illustrated optical disc, the computer program 131 can be stored in any manner suitable for the computer program product 130.

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。   Referring now to FIG. 14, a method for beamforming using antenna array 1 according to one embodiment is shown. The antenna array 1 includes two polarization elements. This method is performed by the antenna device 100 provided with the antenna array 1. This method is advantageously implemented as a computer program 32.

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。   The antenna device 100 is set to generate one or two beam ports in step S102. The one or two beam ports are defined by combining at least two non-overlapping sub-arrays. Each subarray has two subarray ports. The two sub-array ports have identical power patterns and mutually orthogonal polarizations in each sub-array. The at least two subarrays that do not overlap are combined via the expansion weights. The extension weights map the one or two beam ports to the sub-array port such that one or two beam ports have the same power pattern as the sub-array. At least some of the extension weights have the same non-zero magnitude and are associated with phases that form a transmit lobe. The antenna device 100 is set to transmit a signal using one or two beam ports at step S104.

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。   FIG. 15 shows an example of a transmission lobe (beam pattern) of the first beam port (beam port 1) at an azimuth beam half width (HPBW) = 50 ° and an elevation angle HPBW = 25 °.

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。   FIG. 16 shows an example of the transmission lobe (beam pattern) of the second beam port (beam port 2) at an azimuth angle HPBW = 50 ° and an elevation angle HPBW = 25 °, and this second beam port The shape of the transmission lobes of is the same as the shape of the first beam port (ie, the shape of the transmission lobes in FIG. 15). Thus, the transmit lobes of FIGS. 15 and 16 have the same power pattern. This lobe has orthogonal polarization in any direction (although not apparent from FIGS. 15 and 16).

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。   An example of a broad beam pattern produced by conventional (SPBF) beamforming is shown in FIG. The corresponding weighting factors are shown on the left side of FIG. Thus, many weighting factors have amplitudes set to zero, which results in very low utilization of power resources.

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。   FIG. 18 shows an example of a broad beam pattern created by conventional (SPBF) beamforming, limited only to phase tapers for good power resource utilization. The corresponding weighting factors are shown on the left side of FIG. However, it turns out that the ripple of the beam pattern obtained as a result is large.

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。   An example of a broad beam pattern formed in accordance with the embodiments disclosed herein is shown in FIG. This beam pattern has the desired shape, here HPBW = 50 °, and the power resource utilization is very good. The corresponding weight factors are shown on the left side of FIG.

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。
The inventive concept has mainly been described above with reference to several embodiments. However, as will be readily appreciated by those skilled in the art, other embodiments besides those previously disclosed are equally feasible within the scope of the inventive concept as defined by the appended claims. . For example, although using LTE-specific terminology, the embodiments disclosed herein may be modified to be applicable to non-LTE based communication networks as well.

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。
本発明は以下に記載する態様を含む。
(態様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、
前記拡張重みが、拡張行列内で収集され、前記拡張行列が空間的に白色になるように決定される、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。
(態様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、態様1に記載の方法。
(態様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、態様1に記載の方法。
(態様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、態様1に記載の方法。
(態様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、態様1に記載の方法。
(態様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、態様1に記載の方法。
(態様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、態様1に記載の方法。
(態様8)
|DFT(ea)| +|DFT(eb)| =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、態様1に記載の方法。
(態様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、態様1に記載の方法。
(態様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、態様1に記載の方法。
(態様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、

Figure 2019071644
Figure 2019071644
Figure 2019071644
のように決定され、
ここで、ea 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、態様1に記載の方法。
(態様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 =flipud([ea (:,2)−ea (:,1)] )のように決定され、
ここで、ea (:,c)が、ea 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、態様11に記載の方法。
(態様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、態様1に記載の方法。
(態様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、
前記拡張重みが、拡張行列内で収集され、前記拡張行列が空間的に白色になるように決定され、
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。
(態様15)
態様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)。
(態様16)
態様14に記載のアンテナ装置(100)を備える、ワイヤレス装置(120)。
(態様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、
前記拡張重みが、拡張行列内で収集され、前記拡張行列が空間的に白色になるように決定され、
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。
(態様18)
態様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)。 The inventive concept has mainly been described above with reference to several embodiments. However, as will be readily appreciated by those skilled in the art, other embodiments besides those previously disclosed are equally feasible within the scope of the inventive concept as defined by the appended claims. . For example, although using LTE-specific terminology, the embodiments disclosed herein may be modified to be applicable to non-LTE based communication networks as well.
The present invention includes the embodiments described below.
(Aspect 1)
Method for beamforming using an antenna array (1) comprising two polarization elements, comprising
Generating one or two beam ports (S102), wherein the one or two beam ports are defined by combining at least two non-overlapping sub-arrays;
Each subarray has two subarray ports, and the two subarray ports have the same power pattern and mutually orthogonal polarizations,
The at least two non-overlapping sub-arrays are combined via an extension weight,
The extension weights map the one or two beam ports to a sub-array port such that the one or two beam ports have the same power pattern as the sub-array;
At least some of the extension weights have the same non-zero magnitude and are associated with phases that form a transmit lobe,
Generating (S102), wherein the expansion weights are collected in an expansion matrix and the expansion matrix is determined to be spatially white;
Transmitting a signal using the one or two beam ports (S104)
Method, including.
(Aspect 2)
The extension weights map the one or two beam ports to a sub-array port, such that the one or two beam ports have the same power pattern as the sub-array, and there are two beam ports. A method according to aspect 1, wherein the two beam ports have mutually orthogonal polarizations in any direction.
(Aspect 3)
The method according to aspect 1, wherein the extension weights are defined such that, when there are two beam ports, the polarizations of the two beam ports are kept orthogonal to each other.
(Aspect 4)
The method according to aspect 1, wherein when there are two beam ports, the extension weights map the two beam ports to the product of powers of 2, 6 or 10 sub-arrays per dimension.
(Aspect 5)
The method according to aspect 1, wherein, when there is one beam port, the extension weights map the two beam ports to powers of two, six, and / or ten times that of one, three, or five sub-arrays. Method.
(Aspect 6)
The method according to aspect 1, wherein before defining the one or two beam ports, the sub-arrays are further expanded by further expansion weights.
(Aspect 7)
The second square of the magnitude of the two-dimensional discrete Fourier transform of the first expanded weight matrix applied to the first subarray port among the subarray ports, and the second applied to the second subarray port of the subarray port The extended weight is determined such that all elements in the matrix defined by the sum of the size of the two-dimensional discrete Fourier transform of the extended weight matrix and the square have the same value. Method.
(Aspect 8)
The extension weight is determined such that | DFT (ea) | 2 + | DFT (eb) | 2 = k · J rc ,
Here, DFT (ea) and DFT (eb) represent discrete Fourier transforms of ea and eb, respectively, ea and eb are sum expansion matrices applied to the sub-array ports a and b, respectively, and a is The first subarray port of the subarray ports, b is the second subarray port of the subarray ports, k is a constant, and J rc has r rows and c columns Aspect 8. The method according to aspect 1, wherein the matrix is all ones.
(Aspect 9)
The method according to aspect 1, wherein the at least two non-overlapping sub-arrays together cover all the elements of the antenna array.
(Aspect 10)
The method according to aspect 1, wherein the expansion weights of the at least two sub-arrays are added to generate one of the one or two beam ports.
(Aspect 11)
The extension weight for port a having a first polarization is
Figure 2019071644
Figure 2019071644
Figure 2019071644
Determined as
Here, e a m represents the extension weight for mapping one beam port of the one or two beam ports to a multiple of m sub-arrays, and Z rc represents r rows and The method of aspect 1, wherein the matrix is all zeros having c columns.
(Aspect 12)
The extension weight for the port b having a second polarization orthogonal to the first polarization is e b m = flipud ([ea m (:, 2) -ea m (:, 1)] * ) As determined
Where the e a m (:, c) represents the column c of e a m , * represents the complex conjugate, and flipud (x) reverses the row order of x.
(Aspect 13)
The method according to aspect 1, wherein the signal comprises at least one of broadcast information and system information.
(Aspect 14)
An antenna device (100) comprising an antenna array (1), wherein the antenna array comprises two polarization elements for beam formation, the antenna array further comprising a processing unit (31), the processing unit (31) Is the antenna array (1),
Set to produce one or two beam ports, said beam ports being defined by combining at least two non-overlapping sub-arrays,
Each subarray has two subarray ports, and the two subarray ports have the same power pattern and mutually orthogonal polarizations,
The at least two non-overlapping sub-arrays are combined via an extension weight,
The extension weights map the one or two beam ports to a sub-array port such that the one or two beam ports have the same power pattern as the sub-array;
At least some of the extension weights have the same non-zero magnitude and are associated with phases that form a transmit lobe,
The extension weights are collected in an extension matrix, and the extension matrix is determined to be spatially white,
The processing unit (31) further comprises the antenna array (1)
An antenna apparatus configured to transmit a signal using the one or two beam ports.
(Aspect 15)
Network node (110), comprising the antenna device (100) according to aspect 14.
(Aspect 16)
Wireless device (120), comprising an antenna device (100) according to aspect 14.
(Aspect 17)
A computer program (131) for beamforming using an antenna array (1) comprising two polarization elements, comprising computer program code and running on a processing unit (31), said computer program A cord is attached to the antenna array (1)
Generating one or two beam ports (S102), said beam ports being defined by combining at least two non-overlapping sub-arrays,
Each subarray has two subarray ports, and the two subarray ports have the same power pattern and mutually orthogonal polarizations,
The at least two non-overlapping sub-arrays are combined via an extension weight,
The extension weights map the one or two beam ports to a sub-array port such that the one or two beam ports have the same power pattern as the sub-array;
At least some of the extension weights have the same non-zero magnitude and are associated with phases that form a transmit lobe,
The extension weights are collected in an extension matrix, and the extension matrix is determined to be spatially white,
The computer program code is further coupled to the antenna array (1)
A computer program for transmitting a signal using the one or two beam ports (S104).
(Aspect 18)
A computer program product (130) comprising the computer program (131) according to aspect 17 and computer readable means (132) in which the computer program is stored.

Claims (18)

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。
Method for beamforming using an antenna array (1) comprising two polarization elements, comprising
Generating one or two beam ports (S102), wherein the one or two beam ports are defined by combining at least two non-overlapping sub-arrays;
Each subarray has two subarray ports, and the two subarray ports have the same power pattern and mutually orthogonal polarizations,
The at least two non-overlapping sub-arrays are combined via an extension weight,
The extension weights map the one or two beam ports to a sub-array port such that the one or two beam ports have the same power pattern as the sub-array;
Generating (S102) at least some of the extension weights have the same non-zero magnitude and are associated with a phase that forms a transmit lobe;
Transmitting a signal using the one or two beam ports (S104).
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。   The extension weights map the one or two beam ports to a sub-array port, such that the one or two beam ports have the same power pattern as the sub-array, and there are two beam ports. The method according to claim 1, wherein the two beam ports have mutually orthogonal polarizations in any direction. 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。   The method according to claim 1, wherein the extension weights are defined to keep the polarizations of the two beam ports mutually orthogonal if there are two beam ports. 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。   The method according to claim 1, wherein when there are two beam ports, the extension weights map the two beam ports to the product of powers of 2, 6 or 10 subarrays per dimension. 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。   The method according to claim 1, wherein when there is one beam port, the extension weights map the two beam ports to powers of two, six, and / or ten times that of one, three, or five subarrays. the method of. 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。   The method according to claim 1, wherein the sub-arrays are further expanded by further expansion weights before defining the one or two beam ports. 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。   The second square of the magnitude of the two-dimensional discrete Fourier transform of the first expanded weight matrix applied to the first subarray port among the subarray ports, and the second applied to the second subarray port of the subarray port The expansion weight is determined such that all elements in the matrix defined by the sum of the size and the square of the two-dimensional discrete Fourier transform of the expansion weight matrix have the same value. the method of. |DFT(ea)|+|DFT(eb)|=k・Jrc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、Jrc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。
The extension weight is determined such that | DFT (ea) | 2 + | DFT (eb) | 2 = k · J rc ,
Here, DFT (ea) and DFT (eb) represent discrete Fourier transforms of ea and eb, respectively, ea and eb are sum expansion matrices applied to the sub-array ports a and b, respectively, and a is The first subarray port of the subarray ports, b is the second subarray port of the subarray ports, k is a constant, and J rc has r rows and c columns The method according to claim 1, wherein the matrix is all ones.
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。   The method of claim 1, wherein the at least two non-overlapping sub-arrays together cover all elements of the antenna array. 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。   The method of claim 1, wherein the extension weights of the at least two sub-arrays are added to generate one of the one or two beam ports. 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、
Figure 2019071644
Figure 2019071644
Figure 2019071644
のように決定され、
ここで、ea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、Zrc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。
The extension weight for port a having a first polarization is
Figure 2019071644
Figure 2019071644
Figure 2019071644
Determined as
Here, e a m represents the extension weight for mapping one beam port of the one or two beam ports to a multiple of m sub-arrays, and Z rc represents r rows and The method according to claim 1, wherein the matrix is all zeros having c columns.
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=flipud([ea(:,2)−ea(:,1)])のように決定され、
ここで、ea(:,c)が、ea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。
The extension weight for the port b having a second polarization orthogonal to the first polarization is e b m = flipud ([ea m (:, 2) -ea m (:, 1)] * ) As determined
The method according to claim 11, wherein ea m (:, c) represents the column c of e a m , * represents the complex conjugate, and flipud (x) reverses the row order of x.
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。   The method of claim 1, wherein the signal comprises at least one of broadcast information and system information. 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。
An antenna device (100) comprising an antenna array (1), wherein the antenna array comprises two polarization elements for beam formation, the antenna array further comprising a processing unit (31), the processing unit (31) Is the antenna array (1),
Set to produce one or two beam ports, said beam ports being defined by combining at least two non-overlapping sub-arrays,
Each subarray has two subarray ports, and the two subarray ports have the same power pattern and mutually orthogonal polarizations,
The at least two non-overlapping sub-arrays are combined via an extension weight,
The extension weights map the one or two beam ports to a sub-array port such that the one or two beam ports have the same power pattern as the sub-array;
At least some of the extension weights have the same non-zero magnitude and are associated with phases that form a transmit lobe,
The processing unit (31) further comprises the antenna array (1)
An antenna apparatus configured to transmit a signal using the one or two beam ports.
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)。   A network node (110), comprising an antenna arrangement (100) according to claim 14. 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)。   A wireless device (120) comprising the antenna device (100) according to claim 14. 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。
A computer program (131) for beamforming using an antenna array (1) comprising two polarization elements, comprising computer program code and running on a processing unit (31), said computer program A cord is attached to the antenna array (1)
Generating one or two beam ports (S102), said beam ports being defined by combining at least two non-overlapping sub-arrays,
Each subarray has two subarray ports, and the two subarray ports have the same power pattern and mutually orthogonal polarizations,
The at least two non-overlapping sub-arrays are combined via an extension weight,
The extension weights map the one or two beam ports to a sub-array port such that the one or two beam ports have the same power pattern as the sub-array;
At least some of the extension weights have the same non-zero magnitude and are associated with phases that form a transmit lobe,
The computer program code is further coupled to the antenna array (1)
A computer program for transmitting a signal using the one or two beam ports (S104).
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)。
A computer program product (130) comprising the computer program (131) according to claim 17 and computer readable means (132) in which the computer program is stored.
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