JP2023548170A - 偏波ビームの時間的／空間的分離とチャネル非・可逆性補正のための方法及びこれを用いた多重ビームアンテナ装置 - Google Patents

偏波ビームの時間的／空間的分離とチャネル非・可逆性補正のための方法及びこれを用いた多重ビームアンテナ装置 Download PDF

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Abstract

Figure 2023548170000001
【課題】互いに異なる２種の直交偏波を利用し、偏波ビームを時間的かつ空間的に分離する一方、時間的な偏波分離によって発生するチャネル非・可逆性を補正することのできる多重ビームアンテナ装置を提供する。
【解決手段】本発明は、偏波ビームの時間的／空間的分離とチャネル非・可逆性補正方法及びこれを利用した多重ビームアンテナ装置に関する。本発明の一側面によれば、多重ビームアンテナ装置は、複数の送信ビームを形成するために用いられる送信アンテナエレメントと、複数の受信ビームを形成するために用いられる受信アンテナエレメントとを含むアレイアンテナを備える。
【選択図】図２ａ

Description

本発明は、一般的にセルラー通信システムで用いられるアンテナ装置に関し、さらに具体的に、偏波ビーム（polarized beams）を時間的に、そして空間的に分離（separation）し、偏波分離によって発生するチャネル非・可逆性を補正（correction）する方法及びこれを用いたアンテナ装置に関する。
この部分に記載された内容は単に本発明の背景情報を提供するだけで従来技術を構成するものではない。
４Ｇ（４世代）通信システムの商用化以来、増加傾向にある無線データトラフィック需要を満たすために、改善された５Ｇ（５世代）通信システム又はプレ５Ｇ通信システムを開発するための努力がなされている。
このため、５Ｇ通信システム又はプレ５Ｇ通信システムは、４Ｇネットワーク以降（Beyond 4G Network）通信システム又はＬＴＥ（Long Term Evolution）システム以降（Post LTE）システムと呼ばれている。
高いデータ伝送率を達成するために、５Ｇ通信システムは、超高周波（mmWave）帯域（例えば、６０ギガ（６０ＧＨｚ）帯域）での具現が考慮されている。超高周波帯域での電波の経路損失を緩和し、電波の伝送距離を増加させるために、５Ｇ通信システムでは、ビームフォーミング（beamforming）、マシブ多重入出力(massive MIMO)、全次元多重入出力(Full Dimensional MIMO、FD-MIMO）、アレイアンテナ（array antenna）、及び大規模アンテナ（large scale antenna）技術が議論されている。
さらに、システムのネットワーク改善のために、５Ｇ通信システムでは、進化された小型セル、改善された小型セル（advanced small cell）、クラウド無線アクセスネットワーク（cloud radio access network、cloud RAN）、超高密度ネットワーク（ultra-dense network）、機器間通信（Device to Device communication、D2D）、無線バックホール（wireless backhaul）、モバイルネットワーク（moving network）、協力通信（cooperative communication）、ＣｏＭＰ（Coordinated Multi-Points）、及び受信干渉除去（interference cancellation）などの技術開発が行われている。
この他にも、５Ｇシステムでは、進歩されたコーディング変調（Advanced Coding Modulation、ACM）方式であるＦＱＡＭ（Hybrid Frequency Shift Keying and Quadrature Amplitude Modulation）及びＳＷＳＣ（Sliding Window Superposition Coding）と、進歩された接続技術であるＦＢＭＣ（Filter Bank Multi Carrier）、ＮＯＭＡ（Non Orthogonal Multiple Access）、及びＳＣＭＡ（Sparse Code Multiple Access）などが開発されている。
５Ｇ通信システムは、超高周波帯域（例えば、mmWave）の特性による経路損失の問題を克服するために、ビームフォーミング技法を用いて信号利得を高めるように運用されている。
本発明の一側面は、２種の異なる直交偏波を用い、偏波ビームを時間的かつ空間的に分離する一方、偏波分離によって発生するチャネル非・可逆性を補正する方法及びこれを用いた多重ビームアンテナ装置を提供しようとする。
本発明の一側面によると、２種の直交偏波を利用する多重ビームアンテナ装置によって実行される方法を提供する。前記多重ビームアンテナ装置は、複数の送信ビームを形成するために用いられる送信アンテナエレメントと、複数の受信ビームを形成するために用いられる受信アンテナエレメントとを含むアレイアンテナを備える。
前記方法は、各送信ビームに関連された一対の送信チャネルに対応される送信信号から複数の送信偏波成分を生成するステップと、空間的に隣接する送信ビームが互いに異なる直交偏波を有するように、各送信ビームに関連された一対の送信チャネルに対し、前記複数の送信偏波成分のうち、第１の直交偏波に対応する一対の送信偏波成分又は第２の直交偏波に対応する一対の送信偏波成分を出力するステップを含む。
一実施例で、前記方法は、チャネル非・可逆性を補正するために、各受信ビームに関連された一対の受信チャネルに対応される受信信号から複数の受信偏波成分を生成するステップと、各受信ビームに関連された一対の受信チャネルに対し、前記複数の受信偏波成分のうち、空間的に同じ方向に向かって形成される送信ビームの直交偏波に対応する、一対の受信偏波成分を出力するステップをさらに含む。代替的に、前記方法は、チャネル非・可逆性を補正するために、各受信ビームに関連された一対の受信チャネルに対応する受信信号から、各受信ビームと空間的に同じ方向に向かって形成される送信ビームの直交偏波に相応する偏波変換された信号を生成するステップをさらに含む。
本発明の他側面によると、２種の直交偏波を利用する多重ビームアンテナ装置を提供する。前記アンテナ装置は、複数の送信ビームを形成するために用いられる送信アンテナエレメントと、複数の受信ビームを形成するために用いられる受信アンテナエレメントとを含むアレイアンテナと、各送信ビームに関連された一対の送信チャネルに対応される送信信号から複数の送信偏波成分を生成する送信偏波合成部と、空間的に隣接する送信ビームが互いに異なる直交偏波を有するように、各送信ビームに関連された一対の送信チャネルに対し、前記複数の送信偏波成分のうち、第１の直交偏波に対応する一対の送信偏波成分又は第２の直交偏波に対応する一対の送信偏波成分を出力する送信偏波割り当て部を含む。
一実施例で、前記アンテナ装置は、チャネル非・可逆性を補正するために、各受信ビームに関連された一対の受信チャネルに対応される受信信号から複数の受信偏波成分を生成する受信偏波合成部と、各受信ビームに関連された一対の受信チャネルに対し、前記複数の受信偏波成分のうち、空間的に同じ方向に向かって形成される送信ビームの直交偏波に対応する、一対の受信偏波成分を出力する受信偏波割り当て部をさらに含む。代替的に、前記アンテナ装置は、各受信ビームに関連された一対の受信チャネルに対応する受信信号から、各受信ビームと空間的に同じ方向に向かって形成される送信ビームの直交偏波に相応する偏波変換された信号を生成する偏波変換部をさらに含む。
以上説明したように、送信アンテナエレメントと受信アンテナエレメントを含むアレイアンテナを採用することにより、本発明に係るアンテナ装置は、ＴＤＤ（Time Division Duplexing）を具現するにあたって信号損失及びＮＦ（noise figure、ノイズ指数）を悪化させ得るスイッチング動作を必要としない。
さらに、本発明に係るアンテナ装置は、多重ビームを空間上で多様な方向に分離することができることから、セルカバレッジを拡張させることができ、多重ビームの偏波分離（すなわち、空間的な偏波分離）を通じてビーム間の相関関係を減少させることができるため、通信品質をさらに向上させることができる。
さらに、本発明に係るアンテナ装置は、受信アンテナエレメントから入力される受信信号に対して偏波変換（conversion）を行う、もしくは偏波合成（composition）及び偏波割り当てを実行することで、空間的かつ時間的な偏波分離によって発生するアップリンクチャネルとダウンリンクチャネルとの間のチャネルの非・可逆性を補正することができる。
図１は、従来のアンテナ装置で発生するＮＦ劣化問題を説明するための概念図である。 図２ａは、本開示の技術を具現することができるアンテナ装置の例示的な構成を概略的に示すブロック図である。 図２ｂは、本開示の技術を具現することができるアンテナ装置の例示的な構成を概略的に示すブロック図である。 図２ｃは、本開示の技術を具現することができるアンテナ装置の例示的な構成を概略的に示すブロック図である。 図２ｄは、本開示の技術を具現することができるアンテナ装置の例示的な構成を概略的に示すブロック図である。 図３ａは、本発明のアンテナシステムで採用されるアンテナモジュールについての多様な例を説明するための図である。 図３ｂは、本発明のアンテナシステムで採用されるアンテナモジュールについての多様な例を説明するための図である。 図３ｃは、本発明のアンテナシステムで採用されるアンテナモジュールについての多様な例を説明するための図である。 図３ｄは、本発明のアンテナシステムで採用されるアンテナモジュールについての多様な例を説明するための図である。 図４は、本発明の一実施例に係る１つの送信アンテナエレメントに関連して実行される偏波合成及び偏波割り当てを説明するための概念図である。 図５は、本発明の一実施例に係る１つの受信アンテナエレメントに関連して実行される偏波合成及び偏波割り当てを説明するための概念図である。 図６は、本発明の一実施例に係るアンテナ装置にて送信信号に対する偏波合成及び偏波割り当てを実行するための例示的な構造を示すブロック図である。 図７は、本発明の一実施例に係るアンテナ装置が提供する水平方向と垂直方向での空間的な偏波分離を説明するための概念図である。 図８は、本発明の一実施例に係るアンテナ装置が提供する時間的な偏波分離を説明するための概念図である。 図９は、信号の送信と信号の受信との間で異なる二重偏波を使用する場合に発生し得るチャネル非・可逆性（channel non-reciprocity）問題を説明するための概念図である。 図１０ａは、本発明の一実施例に係る偏波変換を用いてチャネル非・可逆性を補正する方法を説明するための概念図である。 図１０ｂは、本発明の一実施例に係る偏波変換を用いてチャネル非・可逆性を補正する方法を説明するための概念図である。 図１１ａは、本発明の一実施例に係る偏波合成及び偏波割り当てを用いてチャネル非・可逆性を補正する方法を説明するための概念図である。 図１１ｂは、本発明の一実施例に係る偏波合成及び偏波割り当てを用いてチャネル非・可逆性を補正する方法を説明するための概念図である。 図１２は、本発明の一実施例に係るアンテナ装置にて送信偏波合成キャリブレーションを実行するための例示的な構造を示すブロック図である。 図１３は、本発明の一実施例に係る４重偏波を利用する多重ビームアンテナ装置によって実行される方法を図示したフローチャートである。
以下、本発明の一部の実施例を例示的な図面を通して詳しく説明する。各図面の構成要素に参照符号を付加するにあたり、同一の構成要素に対しては、たとえ他の図面に表示されても可能な限り同一の符号を有するようにしていることに留意されたい。なお、本発明を説明するにあたり、関連する公知の構成又は機能に関する具体的な説明が本発明の要旨を曖昧にすると判断される場合には、その詳しい説明は省く。
また、本発明の構成要素を説明するにあたり、第１、第２、Ａ、Ｂ、（ａ）、（ｂ）などの用語を用いる場合がある。この用語は、その構成要素を他の構成要素と区別するためのものであり、その用語によって該当構成要素の性質、順番、又は順序などが限定されない。本明細書全体にて、ある部分がある構成要素を「含む」、「備える」と言うとき、これは、特に逆の記載がない限り、他の構成要素を除外するのではなく、他の構成要素をさらに含み得ることを意味する。さらに、本明細書に記載の「…部」、「モジュール」などの用語は、少なくとも１つの機能又は動作を処理する単位を意味し、これはハードウェアやソフトウェア、又はハードウェア及びソフトウェアの組み合わせで具現される。
図１は、従来のアンテナ装置で発生するＮＦ劣化問題を説明するための概念図である。
図１に示すＴＤＤ方式で動作する従来のアンテナ装置は、アンテナ（ＡＮＴ）、フィルタ（Filter）、スイッチ（Ｓ／Ｗ）、ＰＡ、ＬＮＡ、ＡＤコンバータ（図示せず）及び、（ＦＰＧＡで具現される）デジタル 信号処理器（図示せず）などを含むように構成される。
アンテナＡＮＴは、複数個のアンテナモジュールがアレイ（array）された形態を有し、各アンテナモジュールは、互いに垂直な幾何学的方向（orientation）を有する（すなわち、互いに直交する偏波特性を有する）２つの放射素子（radiators）で構成されたデュアル偏波アンテナ（dual polarized antenna）モジュールである。アンテナモジュールは、スイッチ（Ｓ／Ｗ）が送信ライン（Ｔｘライン）につながると信号の送信機能を実行するようになり、スイッチ（Ｓ／Ｗ）が受信ライン（Ｒｘライン）につながると信号の受信機能を実行するようになる。したがって、図１のアンテナ装置は、スイッチ（Ｓ／Ｗ）の選択的なスイッチング動作によってＴＤＤ機能を具現する。
このようなスイッチング動作により、送信信号又は受信信号で信号損失が発生する可能性があり、受信信号がケーブルを介して装置内の後段に伝達される過程でも信号損失が発生する可能性がある。このような信号損失は、ノイズ指数（Noise Figure、ＮＦ）を悪化させ、無線通信システムのアップリンクカバレッジ（coverage）拡張を制限する問題を引き起こす可能性がある。
本発明に係る多重ビームアンテナ装置は、一対の二重偏波アンテナエレメントを有するアンテナモジュールからなるアレイアンテナを採用し、一方の二重偏波アンテナエレメントを、無線信号を送信するために使用し、他方の二重偏波アンテナエレメントを、無線信号を受信するために使用する。したがって、本発明に係る多重ビームアンテナ装置は、ＴＤＤを実施する際に信号損失及びノイズ指数を悪化させ得るスイッチング動作を必要としない。
さらに、本発明に係る多重ビームアンテナ装置は、空間的に隣接する送信ビームが互いに異なる直交偏波を有するように、２種（two kinds）の直交偏波を送信チャネルに割り当てることによって、２種の直交偏波を空間的に分離することができる。
図２ａないし図２ｄは、本開示の技術を具現することができる多重ビームアンテナ装置の例示的な構成を概略的に示すブロック図である。
多重ビームアンテナ装置１０は、Ｍ×Ｎ多重入出力（ＭＩＭＯ）アンテナであってよい。したがって、アンテナ装置１０は、Ｍ個の送信チャネルとＭ個の受信チャネルを有する。アンテナ装置１０は、デジタル処理部１１０、ＲＦ処理部１２０、及びアレイアンテナ（array antenna）１３０を含む。
図２ａ及び図２ｂに例示するように、デジタル処理部１１０は、フロントホールインターフェース１１１０、多重ビーム形成部１１２０、偏波合成部１１３０、偏波割り当て部１１４０、サイズ・位相補正部１１５０、及び偏波変換部１１６０を含むように構成される。代案として、図２ｃ及び図２ｄに例示されるように、デジタル処理部１１０は、偏波変換部１１６０の代わりに偏波合成部１１７０及び偏波割り当て部１１８０を含むように構成されてもよい。
ＲＦ処理部１２０は、複数の送信ＲＦチェーン（radio frequency chain）１２１０、１２１０－１～１２１０－Ｍ）及び複数の受信ＲＦチェーン１２２０、１２２０－１～１２２０－Ｍを含むように構成される。
図２ａないし図２ｄのアンテナ装置１０の構成は、明確にするためにのみ描かれた例示的な構成であることを理解されたい。他の実施例で、アンテナ装置１０の他の任意の適切なコンポーネントをさらに用いてもよい。そのようなアンテナ装置１０のそれぞれのコンポーネントは、一般的に専用のハードウェアを用い、例えば１つ以上のオンデマンド集積回路（ＡＳＩＣ）、無線周波数集積回路（ＲＦＩＣ）、及び／又はフィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）を用いて具現される。あるいは、一部のコンポーネントは、プログラマブルハードウェアで実行されるソフトウェアを用いて、又はハードウェアとソフトウェアの組み合わせを用いて具現される。
アレイアンテナ１３０は、複数の行と複数の列に配列された（arranged）複数のアレイエレメント（array elements）あるいはアンテナエレメントを含んでもよい。一部の実施例で、各アレイエレメントは、二重偏波（dual polarization）特性を有する二重偏波（dual polarized）アンテナエレメントであってよい。複数のアレイエレメントのそれぞれは、送信アンテナエレメントと受信アンテナエレメントに区分される。送信アンテナエレメントは信号の送信に用いられ、受信アンテナエレメントは信号の受信に用いられる。送信アンテナエレメントの直交偏波特性と受信アンテナエレメントの直交偏波特性は互いに同一であってもよく、互いに異なっていてもよい。他の一部の実施例で、各アレイエレメントは、四重偏波（quadruple polarization）特性を有する四重偏波（quadruple polarized）アンテナエレメントであってもよい。アレイエレメントの偏波特性と構造については、図３ａないし図３ｄを参照して後述する。
アンテナ装置１０は、アレイアンテナ１３０が提供する直交偏波特性を利用して偏波ダイバーシティ（polarization diversity）を具現することができる。アンテナ装置１０は、各送信ビームに関連する２つの送信チャネル（あるいは送信信号）に二重直交偏波を割り当てることができる。送信チャネルに割り当てられた直交偏波は、アレイアンテナ１３０に含まれた送信アンテナエレメントの二重直交偏波特性と同一であってもよく、異なっていてもよい。
アンテナ装置１０は、偏波合成を通じて送信アンテナエレメントの直交偏波特性とは異なる直交偏波を有する送信ビームを生成することができ、受信信号に対する偏波合成を通じて受信アンテナエレメントの直交偏波特性とは異なる直交偏波に対応する受信ビームを形成することができる（すなわち、受信アンテナエレメントの直交偏波特性とは異なる直交偏波に対応する信号成分を生成することができる）。
アンテナ装置１０は、空間的に隣接するビームが互いに異なる直交偏波を有するように、２種の直交偏波を送信チャネルに割り当てることによって、２種の直交偏波を空間的に分離することができる。
以下の説明は、２種の直交偏波が±４５度直線偏波からなる直交偏波と水平／垂直（vertical/horizontal：Ｖ／Ｈ）直線偏波からなる直交偏波である場合を前提としているが、本開示の 技術は、このような直交直線偏波と、左円／右円偏波からなる直交円形偏波の組み合わせにも適用可能である。
以下の説明では、送信経路に位置する偏波合成部１１３０と偏波割り当て部１１４０は、それぞれ送信偏波合成部１１３０と送信偏波割り当て部１１４０とも呼ばれ、受信経路に位置する偏波合成部１１７０と偏波割り当て部１１８０は、それぞれ受信偏波合成部１１７０と受信偏波割り当て部１１８０とも呼ばれる。
送信信号処理
Ｍ個の送信チャネルの送信信号は、多重ビーム形成部１１２０、偏波合成部１１３０、偏波割り当て部１１４０、サイズ・位相補正部１１５０及び送信ＲＦチェーン１２１０－１～１２１０－Ｍ）からなる送信経路を経てアレイアンテナ１３０を介してビームの形態で放射される。送信チャネルの各々は対応する送信経路を有する。ここで、送信信号はダウンリンク（downlink）信号と呼ばれることもある。送信経路は、送信信号がアンテナ装置１０内で進行する経路を指す。したがって、送信経路は、「送信信号が進行する経路」又は「送信信号が処理される経路」と呼ばれることもある。
まず、フロントホールインターフェース１１１０を介して入力された送信信号は偏波合成部１１３０に入力されて偏波合成プロセスを経る。偏波合成部１１３０は、後述する送信アンテナエレメントを介して放射される一対の送信信号毎に４つの偏波成分を合成し、これらを偏波割り当て部１１４０に出力することができる。偏波合成部１１３０から出力される偏波成分を「偏波信号」と呼ばれることもある。注目すべきは、偏波合成部１１３０で合成された偏波成分が後続のコンポーネントを経てアレイアンテナ１３０に供給（feeding）されて自由空間上に放射されることによって実質的な偏波合成がなされることである。
偏波割り当て部１１４０は、空間的に隣接する送信ビームが互いに異なる直交偏波を有するように、各送信ビームと関連された２つの送信チャネル（又は２つの送信信号）に対して割り当てる直交偏波を決定することができる。偏波割り当て部１１４０は、決定された直交偏波に対応し、偏波合成部１１３０で合成された４つの偏波成分の一部を２つの送信経路に出力することができる。各送信経路に出力される偏波成分は、「送信信号の偏波成分（偏波信号）」あるいは「送信チャネルの偏波成分（偏波信号）」あるいは「送信偏波成分（送信偏波信号）」と称されることもある。送信ビームの直交偏波は、偏波割り当て部１１４０から出力された偏波成分と送信アンテナエレメントの直交偏波特性に応じて決定される。偏波合成及び偏波割り当てによる送信アンテナエレメントで発生する偏波合成については、図４を参照して後述する。
送信ＲＦチェーン１２１０－１～１２１０－Ｍ間のサイズ（amplitude）及び位相（phase）特性の偏差を補償するために、各送信信号の偏波成分は送信ＲＦチェーン１２１０－１～１２１０－Ｍに到達される前にサイズ・位相補正部１１５０に入力される。ＲＦ送信経路のサイズ及び位相特性は、ＲＦ信号が、送信ＲＦチェーンが提供するＲＦ送信経路を移動することによって受けることになるサイズの変化と位相の変化に関する。
サイズ・位相補正部１１５０は、送信ＲＦチェーン１２１０－１～１２１０－Ｍ間のサイズ（amplitude）と位相特性の偏差を補償する機能を行う。サイズ特性の偏差はビームフォーミングに与える影響が小さいため、一般に、すべての経路に対して位相のみを同様に補正（calibration）することが一般的である。しかしながら、本発明に係るアンテナアレイ１３０で発生する偏波合成の精度は、合成される無線信号のサイズと位相に大きく依存するので、このようなサイズ及び位相の補正は偏波合成の精度を高める。
サイズ・位相補正プロセスを経た送信信号の偏波成分は、送信ＲＦチェーン１２１０でアナログ信号に変換されＲＦ信号処理されてもよい。送信ＲＦチェーン１２１０は、ＤＡＣ（digital to analog converter）、フィルタ、周波数上向変換のためのミキサ（mixer）、電力増幅器（power amplifier、ＰＡ）などを含むように構成される。
送信ＲＦチェーン１２１０でＲＦ信号処理されアナログに変換された送信信号は、アレイアンテナ１３０を介してビームの形態で放射される。
多重ビーム形成部１１２０は、アレイアンテナ１３０に多重ビームが形成されるように送信信号をプリコーディング（precoding）することができる。多重ビーム形成部１１２０は、重みベクトル（又はプリコーディング行列）がベースバンドで用いられるのか、それともＲＦ帯域で用いられるのかによって、アンテナ装置１０の送信経路上の位置が変わってくる。
まず、図２ａあるいは図２ｃの例のように、多重ビーム形成部１１２２は、信号の送信経路にて送信偏波合成部１１３０に先行して位置することができる。多重ビーム形成部１１２２はデジタルビームフォーミングを行う。この場合、（ベースバンド）デジタル送信信号は、多重ビーム形成部１１２２で重みベクトル（weight vector）又はプリコーディング行列が適用されて複数のプリコーディングされた信号に変換される。
デジタル送信信号は、適用された重みベクトルに応じて位相（phase）及び振幅（amplitude）が互いに異なる複数の信号に分岐される。さらに、分岐された信号は、アレイアンテナ１３０を介して特定の角度又は方向（通信リソースを集中しようとする方向）で補強干渉することによってビームの形態で放射される。したがって、デジタル送信信号に適用される重みベクトルの値に応じてビームの方向と形状が決定される。
次に、図２ｂあるいは図２ｄの例のように、多重ビーム形成部１１２４は、信号の送信過程で送信ＲＦチェーン１２１０の以降に配置する。したがって、多重ビーム形成部１１２４はアナログビームフォーミングを行うことができる。この場合、多重ビーム形成部１１２４は、各送信ＲＦチェーン１２１０から受信されるアナログ信号を複数の経路に分岐し、分岐された信号のそれぞれの位相及び振幅を調節することができる。ビーム形成部１１２４は、分岐された信号のそれぞれの位相を調節する多数の位相シフタ（phase shifter）及び、分岐された信号のそれぞれの振幅を調節する多数の電力増幅器を含むように構成される。つまり、アナログドメインで重みベクトルを位相シフタと電力増幅器が処理するようになる。位相及び振幅が調節されたアナログ信号は、アレイアンテナ１３０を介して特定の角度又は方向に補強干渉することによってビームの形態で放射される。ここで、送信ＲＦチェーン１２１０は、その機能が実質的にアナログコンポーネントからなる多重ビーム形成部１２２４によっても遂行され、アンテナ装置１０から除去されてもよい。
受信信号処理
Ｍ個の受信チャネルに対応する受信信号（又はアップリンク信号）は、アレイアンテナ１３０を介して受信された後に、受信ＲＦチェーン１２２０、サイズ・位相補正部１１５０、偏波変換部１１６０（代替的に、受信偏波合成部１１７０、受信偏波割り当て部１１８０）及び多重ビーム形成部１１２０からなる受信経路を介して処理される。受信チャネルの各々は対応する受信経路を有する。ここで、受信信号はアップリンク（uplink）信号とも呼ばれる。受信経路は、受信信号がアンテナ装置１０内で進行する経路を指す。したがって、受信経路は、「受信信号が進行する経路」又は「受信信号が処理される経路」と称されることもある。
アレイアンテナ１３０を介して受信されたアナログ受信信号は、対応する受信ＲＦチェーン１２２０－１～１２２０－ＭでＲＦ信号処理される。各受信ＲＦチェーン１２２０は、ＡＤＣ（analog to digital converter）、フィルタ、周波数下向変換のためのミキサ、低ノイズ増幅器（low noise amplifier、ＬＮＡ）などを含むように構成される。
受信ＲＦチェーン１２２０を介してデジタル信号に変換された受信信号は、サイズ・位相補正部１１５０で受信ＲＦチェーン１２２０－１～１２２０－Ｍ間のサイズ及び位相特性の偏差を補正する過程を経る。
同じ空間方向に向かって形成される送信ビームと受信ビームに対し、（送信偏波割り当て部１１４０の直交偏波割り当てによって変更される）送信ビームの直交偏波は（受信アンテナエレメントの直交偏波特性によって定義される）受信信号の直交偏波と同じでもよく、異なっていてもよい。後述するように、送信ビームの直交偏波が受信信号の直交偏波と異なる場合、アップリンクとダウンリンクとの間で無線チャネル特性が異なるようになり、それによってダウンリンク／アップリンクチャネル可逆性が成立されなくなる。
図２ａ及び図２ｂに例示されたように、アンテナ装置１０は、偏波変換を利用してチャネルの不・可逆性を補正する偏波変換部１１６０を含む。偏波変換部１１６０は、サイズ・位相補正部１１５０から出力された受信信号に対して偏波変換を行い、送信ビームの直交偏波と同じ直交偏波を有する偏波変換された信号を出力する。
例えば、送信ビームが±４５度の直交偏波を有し、受信アンテナエレメントがＶ／Ｈ直交偏波特性を有する場合に、偏波変換部１１６０は、Ｖ／Ｈ偏波の受信信号に偏波変換を行って送信ビームの直交偏波と同じ直交偏波（±４５度）を有する偏波変換された信号を出力することができる。他の例として、送信ビームがＶ／Ｈ直交偏波を有し、受信アンテナエレメントがＶ／Ｈ直交偏波特性を有する場合に、送信ビームの直交偏波と受信信号の直交偏波が同一であることから、偏波変換部１１６０は、 受信信号に対して偏波変換を行わないことがある。
代替的に、図２ｃ及び図２ｄに例示されたように、アンテナ装置１０は、偏波合成及び偏波割り当てを利用してチャネル非・可逆性を補正する偏波合成部１１７０と偏波割り当て部１１８０を含む。
偏波合成部１１７０は、各受信アンテナエレメントを介して受信された一対の受信信号毎に４つの偏波成分を合成し、これらを偏波割り当て部１１８０に出力することができる。偏波合成部１１７０から出力される偏波成分は「偏波信号」と称されることもある。
偏波割り当て部１１８０は、各受信アンテナエレメントと関連された２つの受信チャネル（又は２つの受信信号）に対して割り当てる直交偏波を決定する。偏波割り当て部１１８０は、２つの対応する送信チャネルに設定された直交偏波（あるいは送信ビームの直交偏波）と同じ直交偏波を２つの受信チャネルに割り当てる。
偏波割り当て部１１８０は、決定された直交偏波に対応し、偏波合成部１１７０で合成された４つの偏波成分のうち、フロントホールインターフェース１１１０を介してＤＵ（digital unit）に伝送される２つの偏波成分を出力できる。各受信チャネルに対して割り当てられた偏波成分は、「受信チャネルの偏波成分（偏波信号）」あるいは「受信信号の偏波成分（偏波信号）」あるいは「受信偏波成分（受信偏波信号）」と称される。
例えば、２つの送信チャネルに±４５度直交偏波が設定され（したがって、送信ビームが±４５度直交偏波を有し）、受信アンテナエレメントがＶ／Ｈ直交偏波特性を有する場合に、偏波割り当て部１１８０は、偏波合成部１１７０で合成された４つの偏波成分のうち、±４５直交偏波に対応する２つの偏波成分を出力する。別の例として、２つの送信チャネルにＶ／Ｈ直交偏波が設定され（したがって、送信ビームがＶ／Ｈ直交偏波を有し）、受信アンテナエレメントがＶ／Ｈ直交偏波特性を有する場合、偏波割り当て部１１８０は、偏波合成部１１７０で合成された４つの偏波成分のうち、Ｖ／Ｈ直交偏波に対応する２つの偏波成分を出力する。
チャンネルの非・可逆性とこれを補正するための偏波変換部１１６０の動作と、偏波合成部１１７０及び偏波割り当て部１１８０の動作に関する詳しい説明は、図９、図１０ａ、図１０ｂ、図１１ａ及び図１１ｂを参照して後述する。
受信信号は、関連された受信アンテナエレメントに対応される、位相及び振幅が異なる複数の信号を含み得る。多重ビーム形成部１１２０は、複数の信号の位相及び振幅を調整した後、調整された信号を加算して受信信号を生成又は復元することができる。この過程は、多重ビーム形成部１１２０が送信信号から位相と振幅が互いに異なる複数個の信号を形成する過程と逆の過程であると理解することができる。このために、図２ａ及び図２ｃに示すように、多重ビーム形成部１１２２は、受信経路にて偏波合成部１１６０及び受信偏波割り当て部１１８０以降に位置してデジタルビームフォーミングを行うのか、あるいは図２ｂ 及び図２ｄに示すように、多重ビーム形成部１１２２が、受信経路にてアレイアンテナ１３０と受信ＲＦチェーン１２２０との間に位置してアナログビームフォーミングを行うのかである。図２ｂで、受信ＲＦチェーン１２２０は、その機能が実質的にアナログコンポーネントで構成された多重ビーム形成部１２２４によっても実行され、アンテナ装置１０から除去されてもよい。
ＤＵ及びＲＵ
一方、いわゆる「スタンドアロン基地局」は、デジタルユニット（digital unit、ＤＵ）及びラジオユニット（radio unit、ＲＵ）のそれぞれに対応する信号処理機能が１つの物理的システム内に含まれ、１つの物理システムがサービス対象地域に設置される。これに対し、クラウド無線接続網（Cloud Radio Access Network、Ｃ‐ＲＡＮ)アーキテクチャによれば、ＤＵとＲＵが物理的に分離され、ＲＵのみがサービス対象地域に設置され、中央集中化された（centralized）ＤＵであるＢＢＵプールがそれぞれの独立したセルを形成する複数のＲＵに対する制御管理機能を有する。
ＤＵは、デジタル信号処理及びリソース管理制御機能を担う部分であり、バックホール（backhaul）を介してコアネットワークにつながる。ＲＵは無線信号処理機能を担う部分であり、ＤＵから受信したデジタル信号を周波数帯域に応じて無線周波数信号に変換して増幅し、アンテナで受信されたＲＦ信号をデジタル信号に変換してＤＵに伝送する。
アンテナ装置１０は、ＤＵ及びＲＵが１つの物理的システムに含まれたスタンドアロン基地局に設置されてもよく、ＤＵ及びＲＵが物理的に分離されたＣ ＲＡＮ構造でのＲＵに設置されてもよい。以下では、アンテナ装置１０がＣ－ＲＡＮ構造でのＲＵに設置される例を中心として説明する。
ベースバンド信号は、スクランブリングプロセス、変調プロセス、レイヤマッピングプロセスのようなベースバンド処理を経た信号である。スクランブリングプロセスは、基地局又は端末を区別するために、スクランブル信号を用いてベースバンド信号を暗号化するプロセスに該当する。変調プロセスは、スクランブリングされた信号を複数個のモジュレーション（変調）シンボルに変調するプロセスに該当する。スクランブリングされた信号は変調マッパー（図示せず）に入力され、信号の種類及び／又はチャネル状態に応じてＢＰＳＫ（binary phase shift keying）、ＱＰＳＫ（quadrature phase shift keying）、又は１６ＱＡＭ／６４ＱＡＭ（quadrature amplitude modulation）方式を介して変調される。レイヤマッピングプロセスは、信号をアンテナごとに分離するために、変調シンボルを１つ以上の伝送レイヤにマッピングするプロセスに該当する。変調プロセスを介して得られた変調シンボルに対し、この変調シンボルをリソースエレメントにマッピングするプロセスがさらに実行される。
アンテナ装置１０がＣ－ＲＡＮ構造のＲＵに設置される場合には、上記プロセスは中央集中化されたＤＵで実行される。一方、アンテナ装置１０がスタンドアロン基地局に設置される場合には、上記のプロセスが基地局内ＤＵで行われる。
ＤＵとＲＵとの間の信号又はデータの交換は、フロントホール（fronthaul）又はフロントホールリンク（fronthaul link）を介して行われる。フロントホールリンクは、セルラー無線接続網にてＤＵとＲＵとの間をつなぐリンクである。アンテナ装置１０のフロントホールインターフェース１１１０は、ＣＰＲＩ（Common Public Radio Interface）、ｅＣＰＲＩ（enhanced CPRI）、ＯＲＩ（Open Radio Equipment Interface）、ＯＢＳＡＩ（Open Base Station Architecture Initiative）などの標準に適合するように具現される。
本発明のアンテナ装置１０がＲＵで具現される場合、アンテナ装置１０は、デジタル処理部１１０、ＲＦ処理部１２０及びアレイアンテナ１３０に区分される。
ＲＦ処理部１２０は、送信信号と受信信号に対するアナログ信号処理を担当する。ＲＦ処理部１２０は、図２ａに示すようにＲＦチェーン１２１０、１２２０を含むように構成されるか、図２ｂに示すようにＲＦチェーン１２１０、１２２０及び多重ビーム形成部１１２４を含むように構成されるかである。
デジタル処理部１１０は、送信信号と受信信号に対するデジタル信号処理を担当する。デジタル処理部１１０は、デジタルフロントエンド（digital front end、ＤＦＥ）で具現される。ＤＦＥは、既存のアナログ機能ブロックをデジタル信号処理（digital signal processing 、ＤＳＰ）ブロックに置き換えたことを意味する。デジタル処理部１１０がＤＦＥで具現される場合には、設計消費時間、電力消費及び面積を減少させることができるだけでなく、多重モード、多重バンドをサポートできる流動性を確保できるようになる。
デジタル処理部１１０は、偏波変換された信号に対してＩＦＦＴ（inverse fast fourier transform）演算とＦＦＴ演算をさらに実行することができる。また、デジタル処理部１１０は、シンボル間干渉（inter-symbol interference、ＩＳＩ）を防止するために保護区間（guard interval）を挿入することができる。このために、デジタル処理部１１０は、ＩＦＦＴ部（図示せず）／ＦＦＴ部（図示せず）とＣＰ（cyclic prefix、図示せず）をさらに含むように構成される。
アレイアンテナのアンテナエレメント
図３ａないし図３ｄは、本発明のアンテナシステムのアレイアンテナ１３０に採用され得るアンテナモジュール１３１０の多様な構造と直交偏波特性を説明するための図である。
図３ａないし図３ｄに示すように、アンテナモジュール１３１０は、送信用アンテナに該当する送信アンテナエレメント１３１２及び、受信用アンテナに該当する受信アンテナエレメント１３１４のペアで構成される。送信アンテナエレメント１３１２は送信ラインＴｘ１、Ｔｘ２につながって信号の送信に用いられ、受信アンテナエレメント１３１４は受信ラインＲｘ１、Ｒｘ２につながって信号の受信に用いられる。
送信アンテナエレメント１３１２は、互いに直交する偏波特性を有する２つの放射素子を含む二重偏波アンテナエレメントであり、受信アンテナエレメント１３１４も互いに直交する偏波特性を有する２つの放射素子を含む二重偏波アンテナエレメントである。
送信アンテナエレメント１３１２の直交偏波特性と受信アンテナエレメント１３１４の直交偏波特性は異なってもよい（例えば、図３ａの（ｂ）及び（ｃ）参照）。例えば、送信アンテナエレメント１３１２に含まれた放射素子はそれぞれ＋４５度及び－４５度の偏波特性を有し、受信アンテナエレメント１３１４に含まれた放射素子はそれぞれＶ及びＨの偏波特性を有する。別の例として、送信アンテナエレメント１３１２に含まれた放射素子はそれぞれＶ及びＨの偏波特性を有し、受信アンテナエレメント１３１４に含まれた放射素子はそれぞれ＋４５度及び－４５度の偏波特性を有する。すなわち、アンテナモジュール１３１０は、送信アンテナエレメント１３１２の二重直交偏波（dual orthogonal polarizations）と、受信アンテナエレメント１３１４の二重直交偏波を含む、２種（two kinds）の二重直交偏波特性を提供できる。
送信アンテナエレメント１３１２の直交偏波特性と受信アンテナエレメント１３１４の直交偏波特性は互いに同一であってもよい（図３ａ（ａ）及び（ｄ）参照）。このようなアンテナモジュール１３１０が採用された実施例で、図４を参照して後述するように、送信ラインＴｘ１、Ｔｘ２を介して伝達される送信信号の偏波成分に依存し、送信アンテナエレメント１３１２ から放射されるビームは、送信アンテナエレメント１３１２の二重偏波特性とは異なる二重直交偏波方向を有する。したがって、図３ａの（ａ）及び（ｄ）に例示されたアンテナモジュール１３１０を利用する場合でも、アンテナ装置１０は、送信ビームと受信ビームとの間で異なる二重直交偏波を使用することができる。
図３ａに示すアンテナモジュール１３１０で、送信アンテナエレメント１３１２を構成する２つの放射素子は第１の交差点で互いに交差するように配置され、受信アンテナエレメント１３１４を構成する放射素子は第２の交差点で 互いに交差するように配置される。第１の交差点と第２の交差点との間の距離が小さくなるほど、アンテナモジュール１３１０が占める面積の効率性が高くなる。
図３ｂを参照すると、受信アンテナエレメント１３１４を構成する一対の放射素子が、（１）送信アンテナエレメント１３１２の左側及び上側に隣接して配置されるか（図３ｂ（ａ）参照）、（２）受信アンテナエレメント１３１２の左側及び下側に隣接して配置されるか（図３ｂの（ｂ）参照）、（３）送信アンテナエレメント１３１２の右側及び上側に隣接して配置されるか（図３ｂの（ｃ）参照）、（４）送信アンテナエレメント１３１２の右側及び下側に隣接して配置（図３ｂの（ｄ）参照）されるかである。
図３ｃを参照すると、送信アンテナエレメント１３１２を構成する一対の放射素子が、（１）受信アンテナエレメント１３１４の左上側及び左下側に隣接して配置されるか（図３ｃの（ａ）参照）、（２）送信アンテナエレメント１３１４の左下側及び右下側に隣接して配置されるか（図３ｃの（ｂ）参照）、（３）受信アンテナエレメント１３１４の左上側及び右上側に隣接して配置するか（図３ｃの（ｃ）参照）、（４）受信アンテナエレメント１３１４の右上側及び右下側に隣接して配置（図３ｃの（ｄ）参照）されるかである。
このように、図３ｂ及び図３ｃに示すアンテナモジュール１３１０は、いずれか一方のアンテナエレメント（１３１２又は１３１４）がいずれか他方のアンテナエレメント（１３１４又は１３１２）に側面に隣接して配置されているので、図３ａに示すアンテナ モジュール１３１０に比べて改善された面積効率性をアレイアンテナ１３０に提供することができる。また、面積効率性の向上は、製作、設置、メンテナンスなどの利便性につながる。
図３ｄに示すアンテナモジュール１３１０で、送信アンテナエレメント１３１２を構成する２つの放射素子と、受信アンテナエレメント１３１４を構成する放射素子とが１つの交差点１３１６で互いに交差し、従って図３ｄの配置は、図３ａないし図３ｃの配置に比べて面積効率性が極大化される。
さらに、図３ａないし図３ｄを参照して記述された上記の説明で、送信アンテナエレメント１３１２の位置と受信アンテナエレメント１３１４の位置は互いに変わり得ることを理解しなければならない。
偏波合成及び偏波割り当て
図４は、本発明の一実施例による１つの送信アンテナエレメントに関連して行われる偏波合成及び偏波割り当てを説明するための概念図であり、図５は、本発明の一実施例による１つの受信アンテナエレメントと関連して行われる偏波合成及び偏波割り当てを説明するための概念図である。
上述したように、送信偏波合成部１１３０は、１つの送信アンテナエレメント１３１２を介して送信される２つの送信信号から４つの互いに異なる偏波成分を合成して出力することができる。
図４を参照すると、送信偏波合成部１１３０は、送信信号Ｓ１、Ｓ２から互いに異なる偏波成分（「Ｓ１」、「Ｓ２」、「Ｓ１＋Ｓ２」、及び「Ｓ１＋Ｓ２ｅｊπ」）を合成して出力することができる。ここで、「Ｓ１」及び「Ｓ２」は、送信アンテナエレメント１３１２の偏波特性と同じ偏波方向を有するビームを生成するのに用いられ、「Ｓ１＋Ｓ２」と「Ｓ１＋Ｓ２ｅｊπ」は送信アンテナエレメント１３１２の偏波特性とは異なる偏波方向を有するビームを生成するのに用いられる。
送信偏波合成部１１３０で行われる偏波成分の合成（composition）は、下記数１の行列演算によって具現される。
Figure 2023548170000002
上記の数１のうち、数２で表される行列はＰＶＣＤ（polarization vector composition-decomposition）行列である。ここで、３つ目及び４つ目の偏波成分（「Ｓ１＋Ｓ２」及び「Ｓ１＋Ｓ２ｅｊπ」）のパワーが増加するのを防ぐために、ＰＤ行列の３つ目の行の元素と４つ目の行の元素にスケール係数が適用される。スケール係数は数３で表される係数である。
Figure 2023548170000003
Figure 2023548170000004
送信偏波割り当て部１１４０は、送信偏波合成部１１３０から出力された送信信号Ｓ１、Ｓ２の４つの偏波成分のうち、送信アンテナエレメント１３１２の２つの放射素子を介して放射される２つの偏波成分を２つの送信経路に出力することができる。
例えば、送信偏波割り当て部１１４０は、４つの偏波成分（「Ｓ１」、「Ｓ２」、「Ｓ１＋Ｓ２」、「Ｓ１＋Ｓ２ｅｊπ」）のうち、（１）「Ｓ１」及び「Ｓ２」 を出力するか（図４の（ａ）参照）、（２）「Ｓ１＋Ｓ２」及び「Ｓ１＋Ｓ２ｅｊπ」を出力するか（図４（ｂ）参照）である。
送信偏波割り当て部１１４０から出力された偏波成分に応じ、±４５度直交偏波特性を有する送信アンテナエレメント１３１２から放射されるビームは、±４５度直交偏波あるいはＶ／Ｈ直交偏波を有する。
図４の（ａ）のように、偏波成分「Ｓ１」及び「Ｓ２」が送信チャネルに割り当てられると、＋４５°偏波特性を有する放射素子を介して放射される偏波成分「Ｓ１」は＋４５°偏波を有するビームパターンを形成し、－４５°偏波特性を有する放射素子を介して放射される偏波成分「Ｓ１」は、－４５°偏波を有するビームパターンを形成する。すなわち、±４５゜直交偏波特性を有する送信アンテナエレメント１３１２は、±４５゜直交偏波を有するビームパターンを形成する。
図４の（ｂ）のように、偏波成分「Ｓ１＋Ｓ２」及び「Ｓ１＋Ｓ２ｅｊπ」が送信チャネルに割り当てられると、＋４５°偏波特性を有する放射素子を介して放射される偏波成分「Ｓ１＋ Ｓ２」が形成するビームと、－４５°偏波特性を有する放射素子を介して放射される偏波成分「Ｓ１＋Ｓ２ｅｊπ」が形成するビームとの間に偏波合成が発生する。
具体的には、偏波成分「Ｓ１」の場合に、＋４５°偏波特性を有する放射素子を介して放射される第１のビームが＋４５°偏波方向（polarization orientation）を有し、－４５°偏波特性を有する放射素子を介して放射される第２のビームが－４５°偏波方向を有し、したがって第１のビームと第２のビームが合成されてＶ偏波方向を有する合成ビームが現れる。偏波成分「Ｓ２」の場合、＋４５°偏波特性を有する放射素子を介して放射される第３のビームが、＋４５°偏波方向を有し、－４５°偏波特性を有する放射素子を介して放射される第４のビームが「－４５°＋π」偏波方向を有し、したがって第３のビームと第４のビームが合成されてＶ偏波方向を有する合成ビームが現れる。
一方、受信アンテナエレメント１３１４が自由空間上の無線信号Ｓ１、Ｓ２を受信するときの受信信号ａ、ｂの直交偏波方向は、受信アンテナエレメント１３１４の直交偏波特性によって決定される。例えば、受信アンテナエレメント１３１４の二重偏波特性がＶ／Ｈ直交偏波である場合、受信信号はＶ／Ｈ直交偏波を有する。
図５を参照すると、無線信号Ｓ１、Ｓ２に対し、受信アンテナエレメント１３１４のＶ偏波を有する放射素子によってキャプチャーされた受信信号ａは、Ｖ偏波のＳ１信号成分Ｓ１（Ｖ）と、Ｖ偏波のＳ２信号成分Ｓ２（Ｖ）を含み、Ｈ偏波を有する放射素子によってキャプチャーされた受信信号（ｂ）は、Ｈ偏波のＳ１信号成分Ｓ１（Ｈ）とＨ偏波のＳ２信号成分Ｓ２（Ｈ）を含む。
上で説明されたように、受信偏波合成部１１７０は、１つの受信アンテナエレメント１３１４が受信した２つの受信信号ａ、ｂから互いに異なる４つの偏波成分を合成して出力することができる。受信偏波合成部１１７０で行われる偏波成分合成は、数１の行列演算によって具現される。
図５に示すように、受信偏波合成部１１７０は、ＲＦ信号Ｓ１、Ｓ２に対する受信信号ａ、ｂから互いに異なる偏波成分（「ａ」、「ｂ」、「ａ＋ｂ」及び「a＋ｂｅｊπ」）を合成して出力することができる。ここで、「ａ」及び「ｂ」は、受信アンテナエレメント１３１４の偏波特性と同じ偏波方向を有する偏波成分であり、「ａ＋ｂ」及び「ａ＋ｂｅｊπ」は、受信アンテナエレメント１３１４の偏波特性とは異なる偏波方向を有する偏波成分である。
具体的には、偏波成分「ａ」は、Ｖ偏波のＳ１信号成分Ｓ１（Ｖ）とＶ偏波のＳ２信号成分Ｓ２（Ｖ）を有し、偏波成分「ｂ」は、Ｈ偏波のＳ１信号成分Ｓ１（Ｈ）と、Ｈ偏波のＳ２信号成分Ｓ２（Ｈ）を有する。
また、偏波成分「ａ＋ｂ」は、（１）Ｖ偏波のＳ１信号成分Ｓ１（Ｖ）とＨ偏波のＳ１信号成分Ｓ１（Ｈ）が合成された＋４５°偏波のＳ１信号成分Ｓ１（＋４５°）と、（２）Ｖ偏波のＳ２信号成分Ｓ２（Ｖ）とＨ偏波のＳ２信号成分Ｓ２（Ｈ）が合成された＋４５°偏波のＳ２信号成分Ｓ２（＋４５°）を有する。
また、偏波成分「ａ＋ｂｅｊπ」は、（１）Ｖ偏波のＳ１信号成分Ｓ１（Ｖ）とＨ＋π偏波のＳ１信号成分Ｓ１（Ｈ＋π）が合成された－４５°偏波のＳ１信号成分Ｓ１ (-４５°)と、(２)Ｖ偏波のS２信号成分Ｓ２(Ｖ)とＨ＋π偏波のS２信号成分Ｓ２(Ｈ＋π)が合成された-４５°偏波のＳ２信号成分Ｓ２(-４５°)を有する。
受信偏波割り当て部１１８０は、受信偏波合成部１１７０から出力された受信信号ａ、ｂの偏波成分のうち、２つの偏波成分を２つの受信経路に出力することができる。例えば、受信偏波割り当て部１１８０は、４つの偏波成分（「ａ」、「ｂ」、「ａ＋ｂ」、及び「ａ＋ｂｅｊπ」）のうち、（１）「ａ」及び「ｂ」を出力するか（図５の（ａ）参照）、（２）「ａ＋ｂ」及び「ａ＋ｂｅｊπ」を出力するか（図５の（ｂ）参照）である。
図５の（ａ）のように、偏波成分「ａ」及び「ｂ」が受信チャネルに割り当てられると、ＲＦ信号Ｓ１、Ｓ１に対し、受信アンテナエレメント１３１４の直交偏波特性と同じである直交偏波の信号成分「Ｓ１（Ｖ）、Ｓ２（Ｖ）」と「Ｓ１（Ｈ）、Ｓ２（Ｈ）」が受信チャネルに出力される。
図５（ｂ）のように、偏波成分「ａ＋ｂ」及び「ａ＋ｂｅｊπ」が受信チャネルに割り当てられると、ＲＦ信号Ｓ１、Ｓ１に対し、受信アンテナエレメント１３１４の直交 偏波特性とは異なる合成された直交偏波の信号成分「Ｓ１（+４５°）、Ｓ２（+４５°）」と「Ｓ１（-４５°）、Ｓ２（-４５°）」が受信チャンネルに出力される。
図２ａないし図２ｄは、アンテナ装置１０が、全ての送信信号あるいは送信チャネルに対して偏波合成及び偏波割り当てを統合的に行う、１つの送信偏波合成部１１３０と１つの送信偏波割り当て部１１４０を含むものとして例示している。
しかし、他の実施例で、アンテナ装置１０は、それぞれの送信ビームに関連された送信信号あるいは送信チャネルに対して偏波合成及び偏波割り当てを実行する複数の送信偏波合成部と、複数の送信偏波割り当て部を含むように構成されてもよい。同様に、アンテナ装置１０は、複数の受信偏波合成部と複数の受信偏波割り当て部を含むように構成されてもよい。そのような構成の一例が図６に図示されている。
図６は、本発明の一実施例に係るアンテナ装置にて送信信号に対する偏波合成及び偏波割り当てを実行するための例示的な構造を示すブロック図である。
図６を参照すると、アンテナ装置は、複数の偏波合成部１１３０－１～１１３０－Ｍ、複数の偏波割り当て部１１４０－１～１１４０－Ｍ、及び偏波割り当て制御部１１４２を含むように構成される。偏波割り当て制御部１１４２は、複数の送信偏波合成部１１３０－１～１１３０－Ｍによって実行される送信信号の偏波割り当てを統合的に管理する。
偏波割り当て制御部１１４２は、ビームの個数と基準ビームの直交偏波に基づき、送信チャネルのそれぞれに対する直交偏波を決定することができる。ここで、ビームの個数は、アレイアンテナ１３０を用いて生成されるビームの個数を意味し、基準ビームは、多重ビームの中で予め定義されたいずれか1つのビーム（例えば、Ｍ個の送信チャネルのうちの第１の送信チャネルと第２の送信チャネルに関連された送信ビーム）である。多重の送信ビームのうち、互いに隣接する送信ビームが互いに異なる直交偏波を有するように、偏波割り当て制御部１１４２は、送信チャネルの各々に対する直交偏波を決定することができる。
偏波割り当て制御部１１４２は、送信チャネルに対する直交偏波の割り当てを制御するための割り当て制御信号を生成することができる。偏波割り当て制御部１１４２は、割り当て制御信号を偏波割り当て部１１４０－１～１１４０－Ｍに送信することができる。各偏波割り当て部１１４０－１～１１４０－Ｍは、対応する偏波合成部１１３０－１～１１３０－Ｍで生成された４つの偏波成分のうち、割り当て制御信号によって指示される直交偏波に対応する偏波成分を出力することができる。
各偏波割り当て部１１４０－１～１１４０－Ｍによって出力された偏波成分は、後続のコンポーネントを介して対応する送信アンテナエレメント１３１２に供給される。直交偏波が割り当てられた送信信号は、送信アンテナエレメント１３１２を介して自由空間上で互い異なる方向のビームに放射される。このような空間的な偏波分離は、水平方向（direction）と垂直方向のうちの１つ以上の方向からなる。
図７は本発明の一実施例に係るアンテナ装置が提供する水平方向と垂直方向での空間的な偏波分離を説明するための概念図である。
図７に示すように、アンテナ装置１０は、アレイアンテナ１３０を利用し、ｃ個のセクタ（sectors）に対応して水平方向に分離されたｃ個のビームを形成することができ、ｃ個のセクタのそれぞれに対して垂直方向に分離されたｄ個のビームを形成することができる。すなわち、アンテナ装置１０は、３Ｄビームフォーミングを提供することができる。各セクタ毎に垂直方向に空間的に分離されたビームの数は同じでも異なっていてもよい。したがって、アンテナ装置１０のカバレージ領域（coverage area）は、最大ｃ×ｄ個のサブセクタに分ける。
水平方向に分離されたビームは、隣接するビーム間で互いに異なる直交偏波を有し（すなわち、水平方向の空間的偏波分離）、したがって水平に隣接するビーム間の相関関係は十分に小さい。さらに、各セクタにて、垂直方向に分離されたビームは、隣接するビーム間で互いに異なる直交偏波を有し（すなわち、垂直方向の空間的偏波分離）、垂直に隣接するビーム間の相関関係は十分に小さい。さらに、隣接するセクタ間に同一の直交偏波を有するビーム（例えば、１番目のセクタの１番目のビームと２番目のセクタの２番目のビーム）は、水平方向及び垂直方向に十分に離間されており、２つのビーム間の相関関係も十分に小さい。
以前までは、±４５°の直交偏波とＨ／Ｖの直交偏波との間の高い相関関係のために、これら２種の直交偏波を一緒に使用するアンテナ装置が試みられていないことに留意されたい。本発明に係るアンテナ装置１０は、空間的に互いに隣接するビーム間に異なる直交偏波を割り当てることによって直交偏波間の相関関係を改善し、２種の直交偏波（すなわち、４つの異なる偏波）が提供する偏波ダイバーシティの効率を完全に使用できる偏波再利用（polarization reuse）を具現することができる。「偏波再使用」という用語は、周波数再使用（frequency reuse）から着目したものである。
図８は、本発明の一実施例に係るアンテナ装置が提供する時間的な偏波分離を説明するための概念図である。
本発明に係るアンテナ装置１０は、同じ方向に向かって形成される送信ビームと受信ビームが互いに異なる直交偏波を有するように、２種の直交偏波を送信チャネルと受信チャネルに割り当てることによって、２種の直交偏波を時間的に分離することができる。
図８にて、斜線で示された領域Ｔｘは送信アンテナエレメント１３１２を介して信号が送信される時間区間を示し、斜線で示されていない領域Ｒｘは受信アンテナエレメント１３１４を介して信号を受信される時間区間を示す。
図８の例示で、送信時間区間の間に±４５度の直交偏波が用いられ、受信時間区間の間に垂直／水平の直交偏波が用いられ、異なる直交偏波が時間的に分離されて用いられる。例示されたものとは反対に、受信時間区間の間に±４５度の直交偏波が用いられ、送信時間区間の間に垂直／水平の直交偏波が用いられ得ることを理解しなければならない。
特に、本発明に係るアンテナ装置１０は、ＴＤＤ動作のために使用する送信アンテナエレメントと受信アンテナエレメントとの間の直交偏波特性が互いに異なっていてもよく、したがって信号の送信と信号の受信に用いる直交偏波が 互いに異なっていてもよい。
チャネル非・可逆性補正（correction）
チャネル可逆性とは、同じ周波数帯域でダウンリンクチャネルとアップリンクチャネルのチャネル特性が同一であるという前提である。すなわち、チャネル可逆性は、ダウンリンクチャネルとアップリンクチャネルが互いに類似した特性を有する性質を意味する。
チャネル可逆性を利用すると、基地局がアップリンクチャネル応答を利用してダウンリンクチャネル応答を得る、あるいは端末がダウンリンクチャネル応答を利用してアップリンクチャネル応答を得ることが可能である。したがって、チャネル可逆性は、ＦＤＤ（Frequency Division Duplexing）方式に比べてＴＤＤ（Time Division Duplexing）方式が有する最大の利点と言える。
図９は、アンテナ装置が信号の送信と信号の受信との間で異なる二重偏波を使用する場合に発生し得るチャネル非・可逆性（channel non-reciprocity）問題を説明するための概念図である。
上述したように、本発明に係るアンテナ装置は、空間的偏波分離と時間的偏波分離を使用する。したがって、ある空間方向に向かって形成される送信ビームの直交偏波は、その空間方向から無線信号を受信するために用いられる受信アンテナエレメントの直交偏波特性とは異なってもよい。例えば、ある空間方向に対し、送信ビームは±４５°の直交偏波を有し、受信アンテナエレメントがＨ／Ｖの直交偏波特性を有することができる。別の例として、送信ビームがＨ／Ｖの直交偏波を有し、受信アンテナエレメントは±４５°の直交偏波特性を有することができる。このように、ダウンリンクとアップリンクに互いに異なる直交偏波が用いられると、アップリンクとダウンリンクとの間で無線チャネル特性が異なるようになり、それによってダウンリンク／アップリンク間のチャネル可逆性が成立しなくなる。すなわち、チャネル非・可逆性が発生する。
このようなチャネル可逆性の不成立（すなわち、チャネル非・可逆性の発生）は、ビームフォーミングを行っていない場合、あるいは５Ｇ ＮＲで基地局ｇＮＢが端末ＵＥに伝送するＣＳＩ－ＲＳ（channel state information-reference signal） に基づくビームフォーミングを行う場合には問題にならない。しかしながら、ＳＲＳ（Sounding Reference Signal）に基づくビームフォーミングを行う場合には、チャネル可逆性の不成立がアンテナ装置の性能を低下させる可能性がある。
ＳＲＳは、アップリンクチャネルの状態を推定するために端末ＵＥが基地局ｇＮＢに伝送するアップリンク基準信号であり、端末ＵＥは、周期的又は非周期的にＳＲＳを基地局ｇＮＢに伝送してアップリンク チャンネルの状態情報を知らせることができる。基地局ｇＮＢは、受信されたＳＲＳを介してアップリンクチャネルのチャネル状態情報ＣＳＩを取得し、取得されたＣＳＩを用いてダウンリンクビームフォーミングのための重みベクトルを決定することができる。
したがって、チャネル可逆性が成立しない場合には、ＳＲＳを用いて求めた重みベクトルをダウンリンクビームフォーミングに用いるとアンテナ装置の性能が低下され得る。
この問題を解決するために、本発明の実施例に係るアンテナ装置１０は、受信信号の信号処理を介して受信信号の直交偏波を送信チャネル（あるいは送信ビーム）の直交偏波に一致させることによってチャネル非・可逆性を補正する（すなわち、チャネル可逆性を確保する）。
上述したように、チャネル非・可逆性補正は、偏波変換部１１６０の偏波変換によって、代替的に偏波合成部１１７０及び偏波割り当て部１１８０の偏波合成及び偏波割り当てによって達成される。以下、図１０ａ、図１０ｂ、図１１ａ、及び図１１ｂを参照し、チャネル非・可逆性を補正するための例示的な構造とその動作を説明する。
図１０の例示的な構造は、チャネルの非・可逆性を補正する機能を実行する偏波変換部１１６０を含む。
図１０ａの例では、受信アンテナエレメント１３１４の直交偏波特性（Ｖ／Ｈ）がダウンリンクチャネルの電波（あるいは送信ビーム）の直交偏波（±４５°）と異なるため、チャネル非／可逆性補正が必要である。
図１０ａを参照すると、±４５゜直交偏波が割り当てられた２つのデジタル送信信号が送信ＲＦチェーン１２１０のＲＦ信号処理を経て送信アンテナエレメント１３１２に供給（feed）される。送信ＲＦチェーンに±４５°直交偏波に対応する偏波成分が入力されると、送信アンテナエレメント１３１２は±４５°直交偏波特性を有し、ダウンリンクチャネルの電波は±４５°直交偏波を有する。受信アンテナエレメント１３１４は、アップリンクチャネルの電波を受信してアナログ受信信号を出力する。受信アンテナエレメント１３１４はＶ／Ｈ直交偏波特性を有し、アナログ受信信号は電波のＶ／Ｈ直交偏波成分に対応する。アナログ受信信号は、受信ＲＦチェーン１２２０のＲＦ信号処理を経てデジタル受信信号に変換される。
偏波変換部１１６０は、デジタル受信信号に対して偏波変換を行い、ダウンリンクチャネルの直交偏波と同じ直交偏波を有する偏波変換された信号を出力する。偏波変換部１１６０で行われる偏波変換は、下記数４の行列演算を通じて具現される。
Figure 2023548170000005
上記数４にて、ａ及びｂは偏波変換部１１６０に入力されるデジタル受信信号であり、ａ＋ｂとａ＋ｂｅｊπは、偏波変換部１１６０から出力される偏波変換された受信信号である。さらに、数４中の数５に表される行列は、直交偏波の変換のためのＰＤ（polarization decomposition）行列を表す。ただし、偏波変換された受信信号のパワーが増加するのを避けるために、ＰＤ行列内のすべての元素にスケール係数が適用される。スケール係数は数６で表される。
Figure 2023548170000006
Figure 2023548170000007
図１０ｂの例では、受信アンテナエレメント１３１４の直交偏波特性（Ｖ／Ｈ）がダウンリンクチャネルの電波（あるいは送信ビーム）の直交偏波（Ｖ／Ｈ）と一致するので、チャネル非／可逆性補正が必要でない。したがって、偏波変換部１１６０は、偏波変換なしに入力されたデジタル受信信号をそのまま出力する。
図１１ａ及び図１１ｂの例示的な構成で、チャネル非・可逆性を補正する機能は、偏波割り当て制御部１１４２、受信偏波合成部１１７０、及び受信偏波割り当て部１１８０によって具現される。
図１１ａの例では、受信アンテナエレメント１３１４の直交偏波特性（Ｖ／Ｈ）がダウンリンクチャネルの電波（あるいは送信ビーム）の直交偏波（±４５°）と異なるため、チャネル非／可逆性補正が必要である。したがって、受信偏波合成部１１７０に入力される信号と受信偏波割り当て部１１８０から出力される信号との間で直交偏波が異なる。
図１１ａを参照すると、受信偏波合成部１１７０は、一対の送信信号に対して４つの偏波成分を生成し、偏波割り当て制御部１１４２の制御信号に応答し、受信偏波割り当て部１１４０は、 ±４５°直交偏波に対応する２つの偏波成分を出力する。２つの偏波成分は、送信ＲＦチェーン１２１０を経て送信アンテナエレメント１３１２に供給（feed）される。送信アンテナエレメント１３１２は±４５°直交偏波特性を有し、ダウンリンクチャネルの電波（あるいは送信ビーム）は±４５°直交偏波を有する。
受信アンテナエレメント１３１４は、アップリンクチャネルの電波を受信して２つのアナログ受信信号を出力する。受信アンテナエレメント１３１４はＶ／Ｈ直交偏波特性を有し、２つのアナログ受信信号は電波のＶ／Ｈ直交偏波成分に対応する。２つのアナログ受信信号は、受信ＲＦチェーン１２２０のＲＦ信号処理を経て２つのデジタル受信信号に変換される。受信偏波合成部１１７０は、２つのデジタル受信信号から４つの直交偏波成分を合成することができる。
チャネル非・可逆性を補正するために、偏波割り当て制御部１１４２は、送信偏波割り当て部１１４０に対して選択された直交偏波と同じ直交偏波（すなわち、±４５°直交偏波）を選択し、選択された直交偏波を指示する割り当て制御信号を受信偏波割り当て部１１８０に伝送する。受信偏波割り当て部１１８０は、４つの直交偏波成分のうち、割り当て制御信号によって指示される直交偏波（すなわち、±４５°直交偏波）に対応する２つの偏波成分を出力する。
図１１ｂの例では、受信アンテナエレメント１３１４の直交偏波特性（Ｖ／Ｈ）がダウンリンクチャネルの電波（あるいは送信ビーム）の直交偏波（Ｖ／Ｈ）と一致するので、チャネル非／可逆性補正が必要でない。したがって、受信偏波合成部１１７０に入力される信号と受信偏波割り当て部１３１４から出力される信号との間に直交偏波が変わらない。
図１１ｂを参照すると、偏波割り当て制御部１１４２の制御信号に応答し、受信偏波割り当て部１１４０は、Ｖ／Ｈ直交偏波に対応する２つの偏波成分を出力する。２つの偏波成分は、送信ＲＦチェーン１２１０を経て送信アンテナエレメント１３１２に供給（feed）される。送信アンテナエレメント１３１２は±４５°直交偏波特性を有し、偏波合成によりダウンリンクチャネルの電波（あるいは送信ビーム）はＶ／Ｈ直交偏波を有する。
受信アンテナエレメント１３１４は、アップリンクチャネルの電波を受信して２つのアナログ受信信号を出力する。受信アンテナエレメント１３１４はＶ／Ｈ直交偏波特性を有し、２つのアナログ受信信号は電波のＶ／Ｈ直交偏波成分に対応する。２つのアナログ受信信号は、受信ＲＦチェーン１２２０のＲＦ信号処理を経て２つのデジタル受信信号に変換される。受信偏波合成部１１７０は、２つのデジタル受信信号から４つの直交偏波成分を合成することができる。
偏波割り当て制御部１１４２は、送信偏波割り当て部１１４０に対して選択された直交偏波と同じ直交偏波（すなわち、Ｖ／Ｈ直交偏波）を選択し、選択された直交偏波を指示する割り当て制御信号を受信偏波割り当て部１１８０に伝送する。受信偏波割り当て部１１８０は、４つの直交偏波成分のうち、割り当て制御信号によって指示される直交偏波（すなわち、Ｖ／Ｈ直交偏波）に対応する２つの偏波成分を出力する。
このように、本発明に係るアンテナ装置１０は、受信アンテナエレメント１３１４から入力される受信信号に対して偏波変換を行うか、偏波合成及び偏波割り当てを行うかで、ダウンリンクチャネルの（あるいは送信ビームの、あるいは送信チャネルの）直交偏波と同じ直交偏波に対応する信号成分を出力することができる。これにより、アップリンクチャネルとダウンリンクチャネルとの間のチャネル非・可逆性が補正され、それによってアップリンクチャネルで受信されたＳＲＳから推定されたアップリンクチャネルの状態情報ＣＳＩに基づいて行われる送信ビームフォーミングの性能の低下が防止される。なお、ＲＵで具現されるアンテナ装置１０にて受信信号に対する信号処理を通じてチャネル非・可逆性を補正（correction）するので、ＤＵではチャネル可逆性が確保される。
サイズ・位相補正（calibration）
前述のように、図２ａ及び図２ｂで、サイズ・位相補正部１１５０は、ＲＦ信号がＲＦ経路を移動する過程で発生する偏波のサイズの変化と位相変化の偏差を補正することができる。
サイズ・位相補正部１１５０は、複数の送信／受信信号、あるいは送信／受信チャネルに対してサイズ及び位相補正を統合的に実行する１つのコンポーネントとして具現され、代替的に、複数の送信／受信信号、あるいは送信／受信チャネルのそれぞれに対してサイズ及び位相補正を個別的に実行する複数のモジュールから構成されてもよい。
本発明に係るアンテナアレイ１３０で発生する偏波合成の精度は、合成される無線信号のサイズと位相に大きく依存するので、このようなサイズ及び位相の補正は偏波合成の精度を高める。したがって、サイズ及び位相補正はすべてのＲＦ経路に対して適用されてもよいが、複数のＲＦ送信経路のうち、偏波合成が必要な送信経路と、複数のＲＦ受信経路のうち、チャネル非・可逆性補正が必要な受信経路に対してのみ選択的に適用されてもよい。
図１２は、本発明の一実施例に係るアンテナ装置にて送信偏波合成キャリブレーションを実行するための例示的な構造を示すブロック図である。
図１２に例示されたように、サイズ・位相補正部１１５０は、補正制御部１１５２及び、複数の補正実行部１１５４を含むように構成される。
補正制御部１１５２は、複数の送信チャネルに対して行われるサイズ及び位相補正を統合的に管理する。補正制御部１１５２は、「送信偏波割り当て部１１４０から出力される偏波成分」と「送信ＲＦチェーン１２１０から出力される偏波成分」を比較し、補正実行部１１５４によって実行されるサイズ及び位相の補正を制御するための補正制御信号を生成することができる。補正制御信号は、補償されるべきサイズ値及び位相値を含む。
補正制御部１１５２は、各補正実行部１１５４に補正制御信号を送信する。各補正実行部１１５４は、補正制御信号に基づいてサイズ及び位相の補正を行う。
上述したように、複数の送信経路のうち、送信経路に割り当てられた直交偏波と送信アンテナエレメントの直交偏波特性が異なる（したがって、送信アンテナエレメントで偏波合成が発生する）送信経路に対してのみ選択的にサイズ及び位相補正が適用されてもよい。
したがって、送信アンテナエレメントで偏波合成が発生しない場合、補正制御部１１５２は、関連される補正実行部１１５４に補正制御信号を伝送しない、もしくは、補償されるサイズ値及び位相値がそれぞれ０（zero）に設定された補正制御信号を関連された補正実行部１１５４に伝送する。
図１２を参照すると、偏波割り当て部１１４０－１は、２つの送信チャネルにそれぞれ偏波成分「ａ」及び「ｂ」を出力するので、関連される送信アンテナエレメント１３１２から放射される送信ビームは偏波合成を伴わない。したがって、補正制御部１１５２は、補正実行部１１５４－１に補正制御信号を伝送しない、もしくは、補償されるサイズ値及び位相値がそれぞれ０（zero）に設定された補正制御信号を補正実行部１１５４－１に送信する。一方、偏波割り当て部１１４０－Ｅは、２つの送信チャネルにそれぞれ偏波成分「ｉ＋ｊ」及び「ｉ＋ｊｅｊπ」を出力するので、関連される送信アンテナエレメント１３１２から放射される送信ビームは偏波合成を伴う。したがって、補正制御部１１５２は、「送信偏波割り当て部１１４０－Ｅから出力される偏波成分と送信ＲＦチェーン１２１０Ｅ－１、１２１０Ｅ－２から出力される偏波成分とを比較し、送信ＲＦチェーン１２１０Ｅ－１、１２１０Ｅ－２間の偏差を計算し、補正実行部１１５４－Ｅによって実行されるサイズ及び位相の補正を制御するための補正制御信号を生成することができる。補正実行部１１５４－Ｅは、補正制御信号に基づいて送信偏波割り当て部１１４０－Ｅから出力される偏波成分のサイズ及び位相を調整し、送信ＲＦチェーン１２１０Ｅ－１と送信ＲＦチェーン１２１０Ｅ－２との間のＲＦ経路のサイズ及び位相特性の偏差を補償することができる。
図１２に例示された構造及びその動作方法が、受信ＲＦチェーン１２１０－１～１２１０－Ｍ間のＲＦ経路のサイズ及び位相特性の偏差を補償するのにも同様に適用される。
このようなサイズ・位相補正機能を通じ、アンテナアレイ１３０で発生する偏波合成とチャネル非・可逆性補正がより正確に具現されるようになる。また、サイズ・位相補正機能を、偏波合成を伴う送信経路とチャネル非・可逆性補正を伴う受信経路に対してのみ選択的に適用することにより、補正制御部１１５２の補正制御信号生成による演算負担を減らし、迅速なサイズ・位相補正を可能にする。
図１３は、本発明の一実施例に係る４重偏波を利用する多重ビームアンテナ装置によって実行される方法を図示したフローチャートである。多重ビームアンテナ装置は、複数の送信ビームを形成するために用いられる送信アンテナエレメントと、複数の受信ビームを形成するために用いられる受信アンテナエレメントとを含むアレイアンテナを備える。
多重ビームアンテナ装置は、各送信ビームに関連された一対の送信チャネルに対応される送信信号から複数の送信偏波成分を生成することができる（Ｓ１３１０）。
多重ビームアンテナ装置は、空間的に隣接する送信ビームが互いに異なる直交偏波を有するように、各送信ビームに関連された一対の送信チャネルに対し、前記複数の送信偏波成分のうちの第１の直交偏波に対応する一対の送信偏波成分、又は第２の直交偏波に対応する一対の送信偏波成分を出力することができる（Ｓ１３２０）。
第１の直交偏波に対応する一対の送信偏波成分は、第１の直交偏波を有する送信アンテナエレメントに放射される場合に、第１の直交偏波を有する送信ビームを形成することができる（すなわち、偏波合成が発生しない）。第２の直交偏波に対応する一対の送信偏波成分は、第１の直交偏波を有する送信アンテナエレメントに放射される場合、偏波合成によって第２の直交偏波を有する送信ビームを形成することができる。
多重ビームアンテナ装置は、各送信ビームに関連された一対の送信チャネルに対応する一対の送信経路間のサイズ及び位相特性の偏差を補正するために、前記一対の送信偏波成分のサイズ及び位相を調整することができる（Ｓ１３３０）。
送信経路間のサイズ及び位相特性の偏差の補正は、偏波合成により、送信ビームが送信アンテナエレメントの直交偏波特性とは異なる直交偏波を有する場合にのみ実行される。すなわち、与えられた送信ビームの直交偏波が関連された送信アンテナエレメントの直交偏波特性と異なる場合に、多重ビームアンテナ装置は、前記与えられた送信ビームに関連された一対の送信経路間のサイズ及び位相特性の偏差を補正するために、一対の送信偏波成分に対してサイズ及び位相を調整することができる。さらに、与えられた送信ビームの直交偏波が関連された送信アンテナエレメントの直交偏波特性と同一の場合に、多重ビームアンテナ装置は、前記与えられた送信ビームに関連された一対の送信経路間のサイズ及び位相特性の偏差を補正しなくてもよい。
多重ビームアンテナ装置は、各受信ビームに関連された一対の受信チャネルに対応する一対の受信経路間のサイズ及び位相特性の偏差を補正するために、一対の受信経路から出力される一対の受信信号のサイズ及び位相を調整することができる（Ｓ１３４０）。
受信経路間のサイズ及び位相特性の偏差を補正することは、対応する送信ビームの直交偏波とは異なる直交偏波特性を有する受信アンテナエレメントから入力される（したがってチャネル非・可逆性補正が必要である）一対の受信信号に対してのみ実行される。したがって、与えられた受信ビームに関連された受信アンテナエレメントの直交偏波特性が空間的に同じ方向に向かって形成される送信ビームの直交偏波とは異なる場合に、多重ビームアンテナ装置は、前記与えられた受信ビームに関連された一対の受信経路間のサイズ及び位相特性の偏差を補正するために、一対の受信信号に対してサイズ及び位相を調整することができる。更に、与えられた受信ビームに関連された受信アンテナエレメントの直交偏波特性が空間的に同じ方向に向かって形成される送信ビームの直交偏波と同じである場合に、多重ビームアンテナ装置は、前記与えられた受信ビームに関連された一対の受信経路間のサイズ及び位相特性の偏差を補正しない。
多重ビームアンテナ装置は、各受信ビームに関連された一対の受信チャネルに対応される受信信号に対してチャネル非・可逆性補正を実行することができる（Ｓ１３５０）。
一部の実施例で、チャネル非・可逆性補正を実行すること（Ｓ１３５０）の一部として、多重ビームアンテナ装置は、各受信ビームに関連された一対の受信チャネルに対応する受信信号から、各受信ビームと空間的に同じ方向に向かって形成される送信ビームの直交偏波に相応する偏波変換された信号を生成することができる。具体的には、多重ビームアンテナ装置は、対応する送信ビームの直交偏波とは異なる直交偏波特性を有する受信アンテナエレメントから入力される（それによってチャネル非・可逆性補正が必要な）一対の受信信号に対して偏波変換を実行し、空間的に同じ方向に向かって形成された送信ビームの直交偏波に相応する一対の受信偏波成分を出力することができる。
他の一部の実施例で、チャネル非・可逆性補正を実行すること（Ｓ１３５０）の一部として、多重ビームアンテナ装置は、各受信ビームに関連された一対の受信チャネルに対応される受信信号から複数の受信偏波成分を生成できる。さらに、多重ビームアンテナ装置は、各受信ビームに関連された一対の受信チャネルに対し、前記複数の受信偏波成分のうち、空間的に同じ方向に向かって形成される送信ビームの直交偏波に相応する一対の受信偏波成分を出力することができる。
以上の説明は、本実施例の技術思想を例示的に説明したものに過ぎず、本実施例が属する技術分野で通常の知識を有する者であれば、本実施例の本質的な特性から逸脱しない範囲で様々な修正及び変形が可能であろう。したがって、本実施例は、本実施例の技術思想を限定するものではなく説明するためのものであり、このような実施例によって本実施例の技術思想の範囲が限定されるものではない。本実施例の保護範囲は、特許請求の範囲によって解釈されるべきであり、それと同等の範囲内にあるすべての技術思想は、本実施例の権利範囲に含まれるものと解釈されるべきである。
[CROSS-REFERENCE TO RELATED APPLICATION]
本特許出願は、本明細書にその全体が参考として含まれる、２０２０年１１月４日付にて出願した韓国特許出願番号第１０-２０２０-０１４５８７９号及び２０２１年１１月４日付にて出願した韓国特許出願番号第１０-２０２１-０１５０４０６号に対して優先権を主張する。
１０ 多重ビームアンテナ装置
１１０ デジタル処理部 １２０ ＲＦ処理部
１３０ アレイアンテナ １３１０ アンテナモジュール
１３１２ 送信アンテナエレメント
１３１４ 受信アンテナエレメント

Claims (15)

  1. ２種の直交偏波を利用する多重ビームアンテナ装置によって実行される方法であって、
    前記多重ビームアンテナ装置は、複数の送信ビームを形成するために用いられる送信アンテナエレメントと、複数の受信ビームを形成するために用いられる受信アンテナエレメントとを含むアレイアンテナを備え、
    前記方法は、
    前記複数の送信ビームの各々に関連する一対の送信チャネルに対応する送信信号から複数の送信偏波成分を生成するステップと、
    空間的に隣接する前記送信ビームが互いに異なる直交偏波を有するように、各送信ビームに関連する一対の送信チャネルに対し、前記複数の送信偏波成分のうちの第１の直交偏波に対応する一対の送信偏波成分又は第２の直交偏波に対応する、一対の送信偏波成分を出力するステップと、
    各受信ビームに関連する一対の受信チャネルに対応される受信信号から複数の受信偏波成分を生成するステップと、
    各受信ビームに関連する一対の受信チャネルに対し、前記複数の受信偏波成分のうち、空間的に同じ方向に向かって形成される送信ビームの直交偏波に対応する一対の受信偏波成分を出力するステップと、
    を含む、方法。
  2. 前記第１の直交偏波に対応する一対の送信偏波成分は、前記第１の直交偏波を有する前記送信アンテナエレメントから放射される場合に、前記第１の直交偏波を有する送信ビームを形成し、
    前記第２の直交偏波に対応する一対の送信偏波成分は、前記第１の直交偏波を有する前記送信アンテナエレメントから放射される場合に、偏波合成による前記第２の直交偏波を有する送信ビームを形成する、請求項１に記載の方法。
  3. 各送信ビームに関連する一対の送信経路間のサイズ及び位相特性の偏差を補正するために、前記一対の送信偏波成分のサイズ及び位相を調整するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
  4. 与えられた送信ビームの直交偏波が関連する送信アンテナエレメントの直交偏波特性と異なる場合に、前記与えられた送信ビームに関連する一対の送信経路間のサイズ及び位相特性の偏差を補正するために、一対の送信偏波成分に対してサイズ及び位相を調整するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
  5. 各受信ビームに関連する一対の受信経路間のサイズ及び位相特性の偏差を補正するために、前記一対の受信偏波成分のサイズ及び位相を調整するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
  6. 与えられた受信ビームに関連する受信アンテナエレメントの直交偏波特性が、空間的に同じ方向に向かって形成される送信ビームの直交偏波とは異なる場合に、前記与えられた受信ビームに関連する一対の受信経路間のサイズ及び位相特性の偏差を補正するために、一対の受信信号に対してサイズ及び位相を調整するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
  7. 前記送信アンテナエレメントおよび前記受信アンテナエレメントは、互いに異なる直交偏波特性を有する、請求項１に記載の方法。
  8. 前記送信アンテナエレメントおよび前記受信アンテナエレメントは、同一の直交偏波特性を有する、請求項１に記載の方法。
  9. ２種の直交偏波を利用する多重ビームアンテナ装置であって、
    複数の送信ビームを形成するために用いられる送信アンテナエレメントと、複数の受信ビームを形成するために用いられる受信アンテナエレメントとを含むアレイアンテナと、
    各送信ビームに関連する一対の送信チャネルに対応する送信信号から複数の送信偏波成分を生成する送信偏波合成部と、
    空間的に隣接する送信ビームが互いに異なる直交偏波を有するように、各送信ビームに関連する一対の送信チャネルに対し、前記複数の送信偏波成分のうち第１の直交偏波または第２の直交偏波に対応する一対の送信偏波成分を出力する送信偏波割り当て部と、
    各受信ビームに関連する一対の受信チャネルに対応する受信信号から複数の受信偏波成分を生成する受信偏波合成部と、
    各受信ビームに関連する一対の受信チャネルに対し、前記複数の受信偏波成分のうち、空間的に同じ方向に向かって形成される送信ビームの直交偏波に対応する一対の受信偏波成分を出力する受信偏波割り当て部と、
    を含む、多重ビームアンテナ装置。
  10. 前記第１の直交偏波に対応する一対の送信偏波成分は、前記第１の直交偏波を有する前記送信アンテナエレメントから放射される場合に、前記第１の直交偏波を有する送信ビームを形成し、
    前記第２の直交偏波に対応する一対の送信偏波成分は、前記第１の直交偏波を有する前記送信アンテナエレメントから放射される場合に、偏波合成による前記第２の直交偏波を有する送信ビームを形成する、請求項９に記載の多重ビームアンテナ装置。
  11. 複数の送信チャネルに対応する複数の送信経路を形成する複数の送信ＲＦチェーンと、
    複数の受信チャネルに対応する複数の受信経路を形成する複数の受信ＲＦチェーンと、
    各送信ビームに関連する一対の送信経路間のサイズ及び位相特性の偏差を補正するために前記一対の送信偏波成分のサイズ及び位相を調整し、各受信ビームに関連する一対の受信経路間のサイズ及び位相特性の偏差を補正するために一対の受信信号に対してサイズ及び位相を調整する、サイズ・位相補正部とをさらに含む、請求項９に記載の多重ビームアンテナ装置。
  12. 前記サイズ・位相補正部は、
    与えられた送信ビームの直交偏波が関連する送信アンテナエレメントの直交偏波特性と異なる場合に、前記与えられた送信ビームに関連する一対の送信経路間のサイズ及び位相特性の偏差を補正するために、一対の送信偏波成分に対してサイズ及び位相を調整するように構成される、請求項１１に記載の多重ビームアンテナ装置。
  13. 前記サイズ・位相補正部は、
    与えられた受信ビームに関連する受信アンテナエレメントの直交偏波特性が空間的に同じ方向に向かって形成される送信ビームの直交偏波とは異なる場合に、前記与えられた受信ビームに関連する一対の受信経路間のサイズ及び位相特性の偏差を補正するために一対の受信信号に対してサイズ及び位相を調整するように構成される、請求項１１に記載の多重ビームアンテナ装置。
  14. 前記送信アンテナエレメントおよび前記受信アンテナエレメントは、互いに異なる直交偏波特性を有する、請求項９に記載の多重ビームアンテナ装置。
  15. 前記送信アンテナエレメントおよび前記受信アンテナエレメントは、同一の直交偏波特性を有する、請求項９に記載の多重ビームアンテナ装置。
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