JP2019506784A - アンテナシステムおよび信号送信方法 - Google Patents
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Abstract
本出願は、アンテナシステムおよび信号送信方法を提供する。アンテナシステムは、送信端アンテナアレーおよび送信端整合ネットワークを含み、送信端整合ネットワークのSパラメータ行列は、送信端アンテナアレーのSパラメータ行列に整合し、送信される信号に対してプレディストーションを実行するように構成され、送信端アンテナアレーは、送信端整合ネットワークによって予め歪められた送信される信号を送信するように構成される。本出願において提供されるアンテナシステムおよび信号送信方法によれば、各アンテナアレー素子から近接するアンテナアレー素子に結合されるエネルギーを構成するために、整合ネットワークを使用することによって、アンテナアレーにより送信される必要がある信号に対してプレディストーションが実行される可能性があり、またはアンテナアレーにより受信される信号に対してデディストーションが実行される可能性があり、それによって、アンテナアレー素子の間の結合効果を減らす。
Description
本発明は、ワイヤレスモバイル通信の分野に関し、特に、アンテナシステムおよび信号送信方法に関する。
シングルアンテナ送信方式と比較して、多入力多出力(multiple-input multiple-output、略してMIMO)アンテナシステムは、無線通信リンクの送信品質および送信効率を大きく向上させ得る。したがって、MIMOアンテナシステムは、中国国内と国外との両方においてワイヤレスモバイル通信を商業的に使用するための重要なテクノロジーのうちの1つとなった。より高い送信レートを有するより信頼性の高いモバイル通信サービスの要件を満たすために、大容量、高信頼性、および環境に優しい低電力消費などの特徴を有する大規模MIMO(massive MIMO)アンテナシステムが現れ、学界ならびにネットワークおよび通信デバイスのベンダーの大きな関心をすぐに集める。
重量、空気抵抗などの設置および展開の要件を考慮すると、通常、アンテナは、サイズの点で実際の設計が制限される。通常、大規模MIMOアンテナは数百またはさらに一層多くのアンテナアレー素子を含むので、サイズの制限がある場合、大規模MIMOアンテナアレー素子の間の間隔は狭められる必要がある。
アンテナアレー素子の間の間隔の減少は、アンテナアレー素子の間のアレー素子結合効果を高める。アレー素子結合効果は、アンテナアレーの近接するアレー素子の間の電磁場の相互作用が各アレー素子の誘導電流または誘導電圧を変え、それによって、アンテナアレー素子上の元々結合されていない受信または送信信号を歪めることを意味する。加えて、アンテナアレー素子の間の結合効果の増加は、アンテナ信号の空間層間、アンテナ利得、およびさらにはシステムの容量に比較的大きな影響がある。
本発明の実施形態は、アンテナアレー素子の間の結合効果を減らすためにアンテナシステムおよび信号送信方法を提供する。
第1の態様によれば、本発明の実施形態は、アンテナシステムを提供する。アンテナシステムは、送信端アンテナアレーおよび送信端整合ネットワーク(matching network)を含み、送信端整合ネットワークのSパラメータ行列は、送信端アンテナアレーのSパラメータ行列に整合し、送信される信号に対してプレディストーション(pre-distortion)を実行するように構成され、送信端アンテナアレーは、送信端整合ネットワークによって予め歪められた送信される信号を送信するように構成される。整合ネットワークは、アンテナアレーに整合する。したがって、この態様において提供されるアンテナシステムによれば、各アンテナアレー素子から近接するアンテナアレー素子に結合されるエネルギーを構成するために、整合ネットワークを使用することによって、アンテナアレーにより送信される必要がある信号に対してプレディストーションが実行される可能性があり、またはアンテナアレーにより受信される信号に対してデディストーション(de-distortion)が実行される可能性があり、それによって、アンテナアレー素子の間の結合効果を減らす。
第1の態様に関連して、第1の態様の第1の可能な実装においては、送信端整合ネットワークは、送信端アンテナアレーのマルチポート共役整合ネットワーク(multiport conjugate matching network)または自己インピーダンス整合ネットワーク(self-impedance matching network)である。送信端整合ネットワークが送信端アンテナアレーのマルチポート共役整合ネットワークまたは自己インピーダンス整合ネットワークであるとき、送信端整合ネットワークは、アンテナアレー素子の間の結合効果を大きく減らす可能性があり、それによって、アンテナアレー素子の間の間隔に関する要件を大幅に引き下げ、アンテナシステムのサイズを大幅に小さくする。
第1の態様または第1の態様の第1の可能な実装に関連して、第1の態様の第2の可能な実装においては、送信端整合ネットワークのSパラメータ行列が、
であり、
は、送信端整合ネットワークの入力ポートの自己反映係数行列(self-reflection coefficient matrix)であり、
は、送信端整合ネットワークの出力ポートの自己反映係数行列であり、
は、送信端整合ネットワークの出力ポートから入力ポートに逆方向に送信される逆方向送信行列であり、
は、送信端整合ネットワークの入力ポートから出力ポートに順方向に送信される順方向送信行列である。送信端整合ネットワークは、送信端整合ネットワークの特徴が容易に決定され得るようにSパラメータ行列を使用することによって決定される。
第1の態様の第2の可能な実装に関連して、第1の態様の第3の可能な実装においては、送信端整合ネットワークが送信端アンテナアレーのマルチポート共役整合構造(multiport conjugate matching structure)を有するとき、送信端整合ネットワークの出力ポートの自己反映係数行列が、
であり、送信端整合ネットワークの入力ポートの自己反映係数行列が、
であり、送信端整合ネットワークの順方向送信行列が、
であり、送信端整合ネットワークの逆方向送信行列が、
であり、
は、送信端アンテナアレーのSパラメータ行列であり、
は、
の特異値分解であり、任意のユニタリ行列
であり、
であり、または
は、任意の単位対角複素行列である。
第1の態様の第2の可能な実装に関連して、第1の態様の第3の可能な実装においては、送信端整合ネットワークが送信端アンテナアレーの自己インピーダンス整合構造(self-impedance matching structure)を有するとき、送信端整合ネットワークの出力ポートの自己反映係数行列が、
であり、送信端整合ネットワークの入力ポートの自己反映係数行列が、
であり、送信端整合ネットワークの順方向送信行列が、
であり、送信端整合ネットワークの逆方向送信行列が、
であり、
は、送信端アンテナアレーのSパラメータ行列であり、diag(・)は、対角行列を形成するために行列の対角要素を取る演算であり、
は、
の特異値分解であり、任意のユニタリ行列
であり、
であり、または
は、任意の単位対角複素行列である。
第1の態様または第1の態様の第1から第4の可能な実装のいずれか1つに関連して、第1の態様の第5の可能な実装においては、送信端アンテナアレーのアレー素子の間隔が、第1の波長の半分未満であり、アレー素子の間隔は、送信端アンテナアレーに含まれるアンテナアレー素子の間の行間間隔または列間間隔であり、第1の波長は、アンテナシステムによって送信される信号キャリアの波長である。アレー素子の間隔は、第1の波長未満であり、それによって、アンテナアレーのサイズを大幅に小さくし、アンテナシステムのサイズを小さくする。
第2の態様によれば、本発明の実施形態は、受信端アンテナアレーおよび受信端整合ネットワークを含み、受信端アンテナアレーが、空間物理チャネルによって放射された入射電磁信号を電圧信号または電流信号に変換するように構成され、受信端整合ネットワークのSパラメータ行列が、受信端アンテナアレーのSパラメータ行列に整合し、電圧信号または電流信号に対してデディストーションを実行するように構成されるアンテナシステムをさらに提供する。
第2の態様に関連して、第2の態様の第1の可能な実装においては、受信端整合ネットワークが、受信端アンテナアレーのマルチポート共役整合ネットワークまたは自己インピーダンス整合ネットワークである。
第2の態様または第2の態様の第1の可能な実装に関連して、第2の態様の第2の可能な実装においては、受信端整合ネットワークのSパラメータ行列が、
であり、
は、受信端整合ネットワークの入力ポートの自己反映係数行列であり、
は、受信端整合ネットワークの出力ポートの自己反映係数行列であり、
は、受信端整合ネットワークの出力ポートから入力ポートに逆方向に送信される逆方向送信行列であり、
は、受信端整合ネットワークの入力ポートから出力ポートに順方向に送信される順方向送信行列である。
第2の態様の第2の可能な実装に関連して、第2の態様の第3の可能な実装においては、受信端整合ネットワークが受信端アンテナアレーのマルチポート共役整合構造を有するとき、受信端整合ネットワークの入力ポートの自己反映係数行列が、
であり、受信端整合ネットワークの出力ポートの自己反映係数行列が、
であり、受信端整合ネットワークの順方向送信行列が、
であり、受信端整合ネットワークの逆方向送信行列が、
であり、
は、受信端アンテナアレーのSパラメータ行列であり、
は、
の特異値分解であり、任意のユニタリ行列
であり、
であり、または
は、任意の単位対角複素行列である。
第2の態様の第2の可能な実装に関連して、第2の態様の第4の可能な実装においては、受信端整合ネットワークが受信端アンテナアレーの自己インピーダンス整合構造を有するとき、受信端整合ネットワークの入力ポートの自己反映係数行列が、
であり、受信端整合ネットワークの出力ポートの自己反映係数行列が、
であり、受信端整合ネットワークの順方向送信行列が、
であり、受信端整合ネットワークの逆方向送信行列が、
であり、
は、受信端アンテナアレーのSパラメータ行列であり、diag(・)は、対角行列を形成するために行列の対角要素を取る演算であり、
は、
の特異値分解であり、任意のユニタリ行列
であり、
であり、または
は、任意の単位対角複素行列である。
第2の態様または第2の態様の第1から第4の可能な実装のいずれか1つに関連して、第2の態様の第5の可能な実装においては、受信端アンテナアレーのアレー素子の間隔が、第2の波長の半分未満であり、アレー素子の間隔は、受信端アンテナアレーに含まれるアンテナアレー素子の間の行間間隔または列間間隔であり、第2の波長は、アンテナシステムによって受信される信号キャリアの波長である。
第3の態様によれば、本発明の実施形態は、信号送信方法をさらに提供する。方法は、送信される信号を生成するステップと、送信端整合ネットワークのSパラメータ行列に従って送信される信号に対してプレディストーションを実行するステップであって、Sパラメータ行列が、送信端アンテナアレーのSパラメータ行列に整合する、ステップと、予め歪められた送信される信号を送信端整合ネットワークを使用することによって送信するステップとを含む。
第4の態様によれば、本発明の実施形態は、別の信号送信方法をさらに提供する。方法は、受信端アンテナアレーを使用することにより、空間物理チャネルによって放射された入射電磁信号を電圧信号または電流信号に変換するステップと、受信端整合ネットワークのSパラメータ行列に従って電圧信号または電流信号に対してデディストーションを実行するステップであって、受信端整合ネットワークのSパラメータ行列が、受信端アンテナアレーのSパラメータ行列に整合する、ステップと、歪みを取り除かれた電圧信号または電流信号を負荷に送信するステップとを含む。
本発明の実施形態または従来技術における技術的な解決策をより明瞭に説明するために、以下で、実施形態または従来技術を説明するために必要とされる添付の図面を簡潔に説明する。明らかに、当業者は、創造的な努力なしにこれらの添付の図面からその他の図面を導き出すことがやはり可能である。
図1を参照すると、図1は、本発明によるアンテナシステムの概略構造図である。図1に示されるように、本発明のこの実施形態のアンテナシステムは、アンテナアレー101およびアンテナアレー101に整合する整合ネットワーク102などの複数の部分を含み得る。アンテナアレー101は、基地局および端末によって使用される送信アンテナおよび受信アンテナを含む。アンテナアレー101は、massive MIMOアンテナアレーである可能性があり、整合ネットワーク102は、回路網である可能性がある。
アンテナシステムが送信アンテナシステムであるとき、アンテナアレー101は、送信端アンテナアレーであり、整合ネットワーク102は、アンテナアレー101によって送信される必要がある信号に対してプレディストーションを実行するように構成される。アンテナシステムが受信アンテナシステムであるとき、アンテナアレーは、受信端アンテナアレーであり、整合ネットワーク102は、アンテナアレー101によって受信された信号に対してデディストーションを実行するように構成される。
整合ネットワーク102は、アンテナアレーが信号を送信するときに生成される信号歪みを抑制するか、またはアンテナアレーによって受信された信号の信号歪みを抑制するために、各アンテナアレー素子から近接するアンテナアレー素子に結合されるエネルギーをプレディストーションまたはデディストーションによって構成し得、それによって、アンテナアレー素子の間の結合効果を減らす。整合ネットワーク102とアンテナアレー101との間の整合は、整合ネットワーク102の散乱パラメータ(scattering parameter、略してSパラメータ)行列がアンテナアレー101のSパラメータ行列に整合することを意味する。整合ネットワーク102のSパラメータ行列とアンテナアレー101のSパラメータ行列との間の整合は、整合ネットワーク102がアンテナアレー101が信号を送信するときに生成される信号歪みを打ち消すもしくは部分的に打ち消すかまたはアンテナアレー101によって受信された信号の信号歪みを打ち消すもしくは部分的に打ち消すように、整合ネットワーク102のSパラメータ行列がアンテナアレー101のSパラメータ行列に基づいて設定されることを意味する。整合ネットワーク102とアンテナアレー101との間の整合は、マルチポート共役整合(multiport conjugate matching)、自己インピーダンス整合(self-impedance matching)などを含む。
整合ネットワーク102のSパラメータ行列は、
として表される可能性があり、
は、整合ネットワーク102の入力ポートの自己反映係数行列であり、
は、整合ネットワーク102の出力ポートの自己反映係数行列であり、
は、整合ネットワーク102の出力ポートから整合ネットワーク102の入力ポートに逆方向に送信される逆方向送信行列であり、
は、整合ネットワーク102の入力ポートから整合ネットワーク102の出力ポートに順方向に送信される順方向送信行列である。
整合ネットワークが送信アンテナシステム内にあり、送信端アンテナアレーに整合するとき、入力ポートは、整合ネットワークと送信端励振源とを接続するためのポート、すなわち、図2に示されるポート1であり、出力ポートは、整合ネットワークとアンテナアレーとを接続するためのポート、すなわち、図2に示されるポート2である。
整合ネットワークが受信アンテナシステム内にあり、受信端アンテナアレーに整合するとき、入力ポートは、整合ネットワークと受信端アンテナアレーとを接続するためのポート、すなわち、図3に示されるポート1であり、出力ポートは、整合ネットワークと負荷とを接続するためのポート、すなわち、図3に示されるポート2である。
整合ネットワーク102がアンテナアレー101のマルチポート共役整合ネットワークであるとき、整合ネットワーク102の出力ポートの自己反映係数行列は、
であり、整合ネットワーク102の入力ポートの自己反映係数行列は、
であり、整合ネットワーク102の順方向送信行列は、
であり、整合ネットワーク102の逆方向送信行列は、
であり、
は、送信端アンテナアレーもしくは受信端アンテナアレーのSパラメータ行列であり、
は、
の特異値分解であり、任意のユニタリ行列
であり、
であり、または
は、任意の単位複素行列である。
整合ネットワーク102がアンテナアレー101の自己インピーダンス整合ネットワークであるとき、整合ネットワーク102の出力ポートの自己反映係数行列は、
であり、整合ネットワーク102の入力ポートの自己反映係数行列は、
であり、整合ネットワーク102の順方向送信行列は、
であり、整合ネットワーク102の逆方向送信行列は、
であり、
は、送信端アンテナアレーもしくは受信端アンテナアレーのSパラメータ行列であり、
は、
の特異値分解であり、任意のユニタリ行列
であり、
であり、または
は、任意の単位複素行列である。
以下で、その他の添付の図面を参照して本発明をさらに説明する。
図2を参照すると、図2は、本発明の送信端の概略的なアーキテクチャの図である。
図2に示されるように、送信端は、励振源201および送信アンテナシステム202を含む可能性があり、送信アンテナシステム202は、送信端アンテナアレー2021および送信端整合ネットワーク2022を含む可能性がある。送信端整合ネットワーク2022と励振源201とを接続するためのポートは、送信端整合ネットワーク2022の入力ポート、すなわち、図2に示されたポート1である。送信端整合ネットワーク2022と送信端アンテナアレー2021とを接続するためのポートは、送信端整合ネットワーク2022の出力ポート、すなわち、図2に示されたポート2である。
励振源201は、送信される信号を提供するように構成される。送信端整合ネットワーク2022は、各アンテナアレー素子から近接するアンテナアレー素子に結合されるエネルギーを構成するために送信端アンテナアレー2021のSパラメータ行列に従って送信される信号に対してプレディストーションを実行し、それによって、アンテナアレー2021が信号を送信するときに生成される信号歪みを打ち消すかまたは部分的に打ち消し、アンテナアレー素子の間の結合効果を抑制するように構成される。送信端アンテナアレー2021は、送信端整合ネットワーク2022によって予め歪められた送信される信号を送信するように構成される。
送信端アンテナアレー2021は、複数の送信アンテナを備えた基地局またはモバイル端末のアンテナアレーの大規模MIMOアンテナアレーである可能性がある。送信端アンテナアレー2021は、複数のアンテナアレー素子を含む可能性があり、アンテナアレー素子は、交差偏波(cross-polarization)アレー素子配置を使用する可能性があり、または共偏波(co-polarization)アレー素子配置を使用する可能性がある。
任意で、送信端アンテナアレーのアレー素子の間隔は、第1の波長の半分未満である。第1の波長は、アンテナシステムによって送信される信号キャリアの波長であり、アレー素子の間隔は、送信端アンテナアレーに含まれるアンテナアレー素子の間の行間間隔または列間間隔である。
たとえば、アンテナアレー素子の間の列間間隔がdHとして表され、アンテナアレー素子の間の行間間隔がdVとして表され、アンテナシステムによって送信される信号キャリアの波長がλ1として表されるとき、dHまたはdVの少なくとも一方は、λ1の半分未満である可能性がある。
Sパラメータ行列が送信端を説明するために使用されるとき、励振源201のSパラメータ行列は、
として表される可能性があり、送信端整合ネットワーク2022のSパラメータ行列は、
として表される可能性があり、送信端アンテナアレー2021のSパラメータ行列は、
として表される可能性がある。
送信端整合ネットワーク2022が、励振源201によって生成される送信される信号に対してプレディストーションを実行し、プレディストーションの後に生成された信号を送信端アンテナアレー2021に供給することができるように、
は、
に整合し得る。このようにして、各アンテナアレー素子から近接するアンテナアレー素子に結合されるエネルギーが、アンテナアレー素子の間の結合効果を減らすように構成され得る。
送信端整合ネットワーク2022が信号入力および出力を制御することができるので、送信端整合ネットワーク2022は、Sパラメータ行列
によって表される可能性があり、
は、送信端整合ネットワーク2022の入力ポートの自己反映係数行列であり、
は、送信端整合ネットワーク2022の出力ポートの自己反映係数行列であり、
は、送信端整合ネットワーク2022の出力ポートから入力ポートに逆方向に送信される逆方向送信行列であり、
は、送信端整合ネットワーク2022の入力ポートから出力ポートに順方向に送信される順方向送信行列である。
と
とを整合させる特定の方法は、送信端整合ネットワーク2022の信号送信性能に関する異なる要件および複雑さに関する異なる要件によって変わる。概して、送信端整合ネットワーク2022は、送信端アンテナアレー2021のマルチポート共役整合ネットワークまたは自己インピーダンス整合ネットワークである可能性がある。
と
とを整合させる異なる特定の方法に応じて、
、
、
、および
などの部分行列も、互いに異なる。
送信端整合ネットワーク2022が送信端アンテナアレー2021のマルチポート共役整合ネットワークであるとき、送信端アンテナアレー2021のSパラメータ行列
が、測定または数値計算によって取得され得る。送信端整合ネットワーク2022が送信端アンテナアレー2021のマルチポート共役整合ネットワークであるので、
が決定される可能性があり、さらに、
、
、および
が無損失ネットワークの設計基準
に従って別々に決定される可能性がある。
送信端整合ネットワーク2022がアンテナアレー2021のマルチポート共役整合ネットワークであるとき、送信端整合ネットワーク2022の出力ポートの自己反映係数行列は、
であり、送信端整合ネットワーク2022の入力ポートの自己反映係数行列は、
であり、送信端整合ネットワーク2022の順方向送信行列は、
であり、送信端整合ネットワーク2022の逆方向送信行列は、
であり、
は、送信端アンテナアレー2021のSパラメータ行列であり、
は、
の特異値分解であり、任意のユニタリ行列
であり、
であり、または
は、任意の単位複素行列であることが知られ得る。
送信端整合ネットワーク2022が送信端アンテナアレー2021の自己インピーダンス整合ネットワークであるとき、送信端アンテナアレー2021のSパラメータ行列
が、測定または数値計算によってやはり取得され得る。送信端整合ネットワーク2022が送信端アンテナアレー2021の自己インピーダンス整合ネットワークであるので、
が決定される可能性があり、さらに、
、
、および
が自己インピーダンス整合ネットワークの対称性および無損失ネットワークの設計基準
に従って別々に決定される可能性がある。
送信端整合ネットワーク2022が送信端アンテナアレー2021の自己インピーダンス整合ネットワークであるとき、送信端整合ネットワーク2022の出力ポートの自己反映係数行列は、
であり、送信端整合ネットワーク2022の入力ポートの自己反映係数行列は、
であり、送信端整合ネットワーク2022の順方向送信行列は、
であり、送信端整合ネットワーク2022の逆方向送信行列は、
であり、
は、送信端アンテナアレー2021のSパラメータ行列であり、
は、
の特異値分解であり、任意のユニタリ行列
であり、
であり、または
は、任意の単位複素行列であることが知られ得る。
、
、
、および
が決定された後、各ポートのパラメータ値に合う回路構造が、送信端整合ネットワーク2022として使用される回路網を得るために特定の回路設計基準に従って設計され得る。送信端整合ネットワーク2022の特定の回路構造設計方法および送信端整合ネットワーク2022の特定の回路構造は、本明細書において説明されない。
送信アンテナのアンテナアレー素子の間隔が非常に小さい(たとえば、アンテナアレー素子の間隔が0.5λ未満であり、λが送信端によって送信される信号キャリアの波長である)とき、放射電力性能は、励振源と送信端アンテナアレーとの間で送信端整合ネットワークがアクセスされるときに改善される可能性があることが実験およびシミュレーションから知られ得る。たとえば、マルチポート共役整合ネットワークが、最も高い実際の放射電力を保つ可能性があり、つまり、実際の放射電力は元の出力電力と一致する。加えて、自己インピーダンス整合も、放射電力性能をある程度改善し得る。たとえば、アンテナアレー素子の間隔が0.3〜0.5λであるとき、実際の放射電力は、まだ元の出力電力の90%である可能性がある。さらに、送信端整合ネットワークが励振源と送信端アンテナアレーとの間でアクセスされるとき、送信信号の相関がさらに減らされる可能性があり、システムの容量がさらに改善される可能性がある。
図3を参照すると、図3は、本発明による受信端の概略的なアーキテクチャの図である。
図3に示されるように、受信端は、受信アンテナシステム301および負荷302を含む可能性があり、受信アンテナシステム301は、受信端アンテナアレー3011および受信端整合ネットワーク3012を含む可能性がある。受信端整合ネットワーク3012と受信端アンテナアレー3011とを接続するためのポートは、受信端整合ネットワーク3012の入力ポート、すなわち、図3に示されるポート1である。受信端整合ネットワーク3012と負荷302とを接続するためのポートは、受信端整合ネットワーク3012の出力ポート、すなわち、図3に示されるポート2である。
受信端アンテナアレー3011は、空間物理チャネルによって放射された入射電磁信号を電圧信号または電流信号に変換するように構成される。受信端整合ネットワーク3012は、アンテナアレー素子から近接するアンテナアレー素子に結合されるエネルギーを構成するために受信端アンテナアレー3011のSパラメータ行列に従って電圧信号または電流信号に対してデディストーションを実行し、それによって、電圧信号または電流信号の歪みを抑制し、アンテナアレー素子の間の結合効果を減らすように構成される。負荷302は、受信端整合ネットワーク3012によって歪みを取り除かれた電圧信号または電流信号を受信するように構成される。
送信端アンテナアレーと同様に、受信端アンテナアレー3011は、複数の受信アンテナを備えた基地局またはモバイル端末のアンテナアレーの大規模MIMOアンテナアレーである可能性がある。受信端アンテナアレー3011は、複数のアンテナアレー素子を含む可能性があり、アンテナアレー素子は、交差偏波アレー素子配置を使用する可能性があり、または共偏波アレー素子配置を使用する可能性がある。
任意で、受信端アンテナアレーのアレー素子の間隔は、第2の波長の半分未満である。第2の波長は、アンテナシステムによって受信される信号キャリアの波長であり、アレー素子の間隔は、受信端アンテナアレーに含まれるアンテナアレー素子の間の行間間隔または列間間隔である。
たとえば、アンテナアレー素子の間の列間間隔がdHとして表され、アンテナアレー素子の間の行間間隔がdVとして表され、アンテナシステムによって受信される信号キャリアの波長がλ2として表されるとき、dHまたはdVの少なくとも一方は、λ2の半分未満である可能性がある。
負荷302は、受信され、処理された信号エネルギーを取得するように構成され、負荷302は、無線周波数ユニットまたはベースバンド処理ユニットなどの特定の通信デバイスである可能性がある。受信端整合ネットワーク3012は、回路網である可能性がある。
受信端は、Sパラメータ行列を使用することによって記述され得る。受信端がSパラメータ行列を使用することによって記述されるとき、受信端アンテナアレー3011のSパラメータ行列は、
として表される可能性があり、受信端整合ネットワーク3012のSパラメータ行列は、
として表される可能性があり、負荷302のSパラメータ行列は、
として表される可能性がある。
受信端整合ネットワーク3012が、受信端が電磁信号を変換した後に得られた電圧信号または電流信号に対してデディストーションを実行することができるように、
は、
に整合し得る。このようにして、各アンテナアレー素子から近接するアンテナアレー素子に結合されるエネルギーが、アンテナアレー素子の間の結合効果を減らし、歪みを取り除かれた信号を負荷302に供給するように構成される。
受信端整合ネットワーク3012が信号入力および出力をやはり制御することができるので、受信端整合ネットワーク3012は、Sパラメータ行列
によって表される可能性があり、
は、受信端整合ネットワーク3012の入力ポートの自己反映係数行列であり、
は、受信端整合ネットワーク3012の出力ポートの自己反映係数行列であり、
は、受信端整合ネットワーク3012の出力ポートから入力ポートに逆方向に送信される逆方向送信行列であり、
は、受信端整合ネットワーク3012の入力ポートから出力ポートに順方向に送信される順方向送信行列である。
と
とを整合させる複数の特定の方法が、やはり存在する。概して、受信端整合ネットワーク3012は、受信端アンテナアレー3011のマルチポート共役整合ネットワークまたは自己インピーダンス整合ネットワークである可能性がある。
受信端整合ネットワーク3012が受信端アンテナアレー3011のマルチポート共役整合ネットワークであるとき、受信端整合ネットワーク3012の入力ポートの自己反映係数行列は、
であり、受信端整合ネットワーク3012の出力ポートの自己反映係数行列は、
であり、受信端整合ネットワーク3012の順方向送信行列は、
であり、受信端整合ネットワーク3012の逆方向送信行列は、
であり、
は、受信端アンテナアレー3011のSパラメータ行列であり、
は、
の特異値分解であり、任意のユニタリ行列
であり、
であり、または
は、任意の単位複素行列である。
受信端整合ネットワーク3012が受信端アンテナアレー3011の自己インピーダンス整合ネットワークであるとき、受信端整合ネットワーク3012の入力ポートの自己反映係数行列は、
であり、受信端整合ネットワーク3012の出力ポートの自己反映係数行列は、
であり、受信端整合ネットワーク3012の順方向送信行列は、
であり、受信端整合ネットワーク3012の逆方向送信行列は、
であり、
は、受信端アンテナアレー3011のSパラメータ行列であり、
は、
の特異値分解であり、任意のユニタリ行列
であり、
であり、または
は、任意の単位複素行列である。
受信端整合ネットワーク3012の基本原理は、送信端整合ネットワークの基本原理と変わらない。したがって、
、
、
、および
を決定する方法に関しては、
、
、
、および
を決定する方法を参照されたい。詳細は、本明細書において再度説明されない。
、
、
、および
が決定された後、各ポートのパラメータ値に合う回路構造が、受信端整合ネットワーク3012として使用される回路網を得るために特定の回路設計基準に従って設計され得る。受信端整合ネットワーク3012の特定の回路構造設計方法および受信端整合ネットワーク3012の特定の回路構造は、本明細書において再度説明されない。
受信アンテナのアンテナアレー素子の間隔が非常に小さい(たとえば、アンテナアレー素子の間隔が0.5λ未満であり、λが受信端によって受信される信号キャリアの波長である)とき、受信端整合ネットワークは、受信信号の相関を効果的に減らし、受信電力を最大化し、システム容量を改善することができることが実験およびシミュレーションから知られ得る。たとえば、受信端整合ネットワークが自己インピーダンス整合ネットワークであり、アンテナアレー素子の間隔が0.3から0.5λであるとき、受信信号は、受信端整合ネットワークが受信端アンテナアレーによって生成された受信信号に対してデディストーションを実行した後、基本的に相関を取り除かれ得る。
本発明のアンテナに対応して、信号送信方法が、本発明においてさらに提供される。
図4を参照すると、図4は、本発明による信号送信方法の実施形態の概略的な流れ図である。
ステップ401: 送信される信号を生成する。
ステップ402: 各アンテナアレー素子から近接するアンテナアレー素子に結合されるエネルギーを構成するために送信端整合ネットワークのSパラメータ行列に従って送信される信号に対してプレディストーションを実行し、それによって、アンテナアレー素子の間の結合効果を減らす。
送信端整合ネットワークのSパラメータ行列に従って送信される信号に対して実行されるプレディストーションは、送信端整合ネットワーク回路を使用することによって完了され得る。送信端整合ネットワーク回路のSパラメータ行列は、送信端アンテナアレーのSパラメータ行列に整合する。送信端整合ネットワークと送信端アンテナアレーとを整合させる特定の方法に関しては、上述の実施形態を参照されたい。詳細は、本明細書において再度説明されない。
ステップ403: 予め歪められた送信される信号を送信端アンテナアレーを使用することによって送信する。
図5は、本発明による信号送信方法の別の実施形態の概略的な流れ図である。
ステップ501: 受信端アンテナアレーを使用することにより、空間物理チャネルによって放射された入射電磁信号を電圧信号または電流信号に変換する。
ステップ502: 各アンテナアレー素子から近接するアンテナアレー素子に結合されるエネルギーを構成するために受信端整合ネットワークのSパラメータ行列に従って電圧信号または電流信号に対してデディストーションを実行し、それによって、アンテナアレー素子の間の結合効果を減らす。
受信端整合ネットワークのSパラメータ行列に従って電圧信号または電流信号に対して実行されるデディストーションは、受信端整合ネットワーク回路を使用することによって完了され得る。受信端整合ネットワーク回路のSパラメータ行列は、受信端アンテナアレーのSパラメータ行列に整合する。受信端整合ネットワークと受信端アンテナアレーとの間の整合の特定の方法に関しては、上述の実施形態を参照されたい。詳細は、本明細書において再度説明されない。
ステップ503: 歪みを取り除かれた電圧信号または電流信号を負荷に送信する。
特定の実装において、本発明は、コンピュータストレージ媒体をさらに提供する。コンピュータストレージ媒体は、プログラムを記憶する可能性があり、プログラムが実行されるとき、本発明において提供された信号送信方法の各実施形態のステップの一部またはすべてが、含まれる可能性がある。ストレージ媒体は、磁気ディスク、光ディスク、読み出し専用メモリ(read-only memory、ROM)、ランダムアクセスメモリ(random access memory、RAM)などである可能性がある。
本発明において提供されたアンテナおよび信号送信方法によれば、アンテナアレーによって送信される信号に対してプレディストーションが実行されるか、またはアンテナアレーによって受信される信号に対してデディストーションが実行され、その結果、各アンテナアレー素子から隣接するアンテナアレー素子に結合されるエネルギーが構成される可能性があり、それによって、アンテナアレー素子の間の結合効果を減らす。アンテナアレー素子がきつく結合されるときに課される性能インジケータの制限をアンテナアーキテクチャの設計が常に考慮する必要がないように、整合ネットワークが、アンテナシステムに導入される。大規模MIMOのアンテナのサイズが削減される可能性があり、アンテナアレー素子が特定のアンテナのサイズに関する要件の下でより柔軟に配列される可能性があるように、整合ネットワークが導入される。
当業者は、本発明の実施形態のテクノロジーが必要な通常のハードウェアプラットフォームに加えてソフトウェアによって実装される可能性があることをはっきりと理解するであろう。そのような理解に基づいて、本発明の技術的な解決策は、基本的にソフトウェア製品の形態で実装される可能性があり、または従来技術に寄与する部分が、ソフトウェア製品の形態で実装される可能性がある。ソフトウェア製品は、ROM/RAM、ハードディスク、または光ディスクなどのストレージ媒体に記憶され、本発明の実施形態または実施形態の一部において説明された方法を実行するように(パーソナルコンピュータ、サーバ、またはネットワークデバイスである可能性がある)コンピュータデバイスに命ずるためのいくつかの命令を含む。
本明細書の実施形態はすべて漸進的に説明されており、実施形態の同じまたは同様の部分に関しては、これらの実施形態が参照可能であり、各実施形態はその他の実施形態との違いに焦点を当てる。特に、装置およびシステムの実施形態は、方法の実施形態と基本的に同様であり、したがって、簡潔に説明されている。関連する部分に関しては、方法の実施形態の部分的な説明を参照されたい。
上述の説明は、本発明の実装方法であるが、本発明の保護範囲を限定するように意図されていない。本発明の趣旨および原理から逸脱することなくなされたあらゆる修正、均等な置き換え、および改善は、本発明の保護範囲内に入る。
101 アンテナアレー
102 整合ネットワーク
201 励振源
202 送信アンテナシステム
2021 送信端アンテナアレー
2022 送信端整合ネットワーク
301 受信アンテナシステム
302 負荷
3011 受信端アンテナアレー
3012 受信端整合ネットワーク
102 整合ネットワーク
201 励振源
202 送信アンテナシステム
2021 送信端アンテナアレー
2022 送信端整合ネットワーク
301 受信アンテナシステム
302 負荷
3011 受信端アンテナアレー
3012 受信端整合ネットワーク
第1の態様の第2の可能な実装に関連して、第1の態様の第4の可能な実装においては、送信端整合ネットワークが送信端アンテナアレーの自己インピーダンス整合構造(self-impedance matching structure)を有するとき、送信端整合ネットワークの出力ポートの自己反映係数行列が、
は、任意の単位対角複素行列である。
は、任意の単位対角複素行列である。
励振源201は、送信される信号を提供するように構成される。送信端整合ネットワーク2022は、各アンテナアレー素子から近接するアンテナアレー素子に結合されるエネルギーを構成するために送信端整合ネットワーク2022のSパラメータ行列に従って送信される信号に対してプレディストーションを実行し、それによって、アンテナアレー2021が信号を送信するときに生成される信号歪みを打ち消すかまたは部分的に打ち消し、アンテナアレー素子の間の結合効果を抑制するように構成される。送信端アンテナアレー2021は、送信端整合ネットワーク2022によって予め歪められた送信される信号を送信するように構成される。
は、任意の単位対角複素行列であることが知られ得る。
は、任意の単位対角複素行列であることが知られ得る。
は、任意の単位対角複素行列である。
は、任意の単位対角複素行列である。
Claims (14)
- 送信端アンテナアレーおよび送信端整合ネットワークを含むアンテナシステムであって、
前記送信端整合ネットワークのSパラメータ行列が、前記送信端アンテナアレーのSパラメータ行列に整合し、送信される信号に対してプレディストーションを実行するように構成され、
前記送信端アンテナアレーが、前記送信端整合ネットワークによって予め歪められた前記送信される信号を送信するように構成される、アンテナシステム。 - 前記送信端整合ネットワークが、前記送信端アンテナアレーのマルチポート共役整合ネットワークまたは自己インピーダンス整合ネットワークである、請求項1に記載のアンテナシステム。
- 前記送信端整合ネットワークの前記Sパラメータ行列が、
- 前記送信端整合ネットワークが前記送信端アンテナアレーのマルチポート共役整合構造を有するとき、
前記送信端整合ネットワークの前記出力ポートの前記自己反映係数行列が、
前記送信端整合ネットワークの前記入力ポートの前記自己反映係数行列が、
前記送信端整合ネットワークの前記順方向送信行列が、
前記送信端整合ネットワークの前記逆方向送信行列が、
- 前記送信端整合ネットワークが前記送信端アンテナアレーの自己インピーダンス整合構造を有するとき、
前記送信端整合ネットワークの前記出力ポートの前記自己反映係数行列が、
前記送信端整合ネットワークの前記入力ポートの前記自己反映係数行列が、
前記送信端整合ネットワークの前記順方向送信行列が、
前記送信端整合ネットワークの前記逆方向送信行列が、
- 前記送信端アンテナアレーのアレー素子の間隔が、第1の波長の半分未満であり、前記アレー素子の間隔が、前記送信端アンテナアレーに含まれるアンテナアレー素子の間の行間間隔または列間間隔であり、前記第1の波長が、前記アンテナシステムによって送信される信号キャリアの波長である、請求項1から5のいずれか一項に記載のアンテナシステム。
- 受信端アンテナアレーおよび受信端整合ネットワークを含むアンテナシステムであって、
前記受信端アンテナアレーが、空間物理チャネルによって放射された入射電磁信号を電圧信号または電流信号に変換するように構成され、
前記受信端整合ネットワークのSパラメータ行列が、前記受信端アンテナアレーのSパラメータ行列に整合し、前記電圧信号または前記電流信号に対してデディストーションを実行するように構成される、アンテナシステム。 - 前記受信端整合ネットワークが、前記受信端アンテナアレーのマルチポート共役整合ネットワークまたは自己インピーダンス整合ネットワークである、請求項7に記載のアンテナシステム。
- 前記受信端整合ネットワークの前記Sパラメータ行列が、
- 前記受信端整合ネットワークが前記受信端アンテナアレーのマルチポート共役整合構造を有するとき、
前記受信端整合ネットワークの前記入力ポートの前記自己反映係数行列が、
前記受信端整合ネットワークの前記出力ポートの前記自己反映係数行列が、
前記受信端整合ネットワークの前記順方向送信行列が、
前記受信端整合ネットワークの前記逆方向送信行列が、
- 前記受信端整合ネットワークが前記受信端アンテナアレーの自己インピーダンス整合構造を有するとき、
前記受信端整合ネットワークの前記入力ポートの前記自己反映係数行列が、
前記受信端整合ネットワークの前記出力ポートの前記自己反映係数行列が、
前記受信端整合ネットワークの前記順方向送信行列が、
前記受信端整合ネットワークの前記逆方向送信行列が、
- 前記受信端アンテナアレーのアレー素子の間隔が、第2の波長の半分未満であり、前記アレー素子の間隔が、前記受信端アンテナアレーに含まれるアンテナアレー素子の間の行間間隔または列間間隔であり、前記第2の波長が、前記アンテナシステムによって受信される信号キャリアの波長である、請求項7から11のいずれか一項に記載のアンテナシステム。
- 信号送信方法であって、
送信される信号を生成するステップと、
送信端整合ネットワークのSパラメータ行列に従って前記送信される信号に対してプレディストーションを実行するステップであって、前記送信端整合ネットワークの前記Sパラメータ行列が、送信端アンテナアレーのSパラメータ行列に整合する、ステップと、
予め歪められた前記送信される信号を前記送信端アンテナアレーを使用することによって送信するステップとを含む、方法。 - 信号送信方法であって、
受信端アンテナアレーを使用することにより、空間物理チャネルによって放射された入射電磁信号を電圧信号または電流信号に変換するステップと、
受信端整合ネットワークのSパラメータ行列に従って前記電圧信号または前記電流信号に対してデディストーションを実行するステップであって、前記受信端整合ネットワークの前記Sパラメータ行列が、前記受信端アンテナアレーのSパラメータ行列に整合する、ステップと、
歪みを取り除かれた前記電圧信号または前記電流信号を負荷に送信するステップとを含む、方法。
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