JP2023548192A - 無線送受信装置およびそのビーム形成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ビーム間の干渉を最小化して、アンテナ効率およびセル容量を増加させるようにした無線送受信装置を提供する。【解決手段】 無線送受信装置は、互いに異なる方向性を有する多重ビームを形成して前記多重ビームにより信号を送受信する配列アンテナと、直交偏波対を合成して前記多重ビーム形成のための多重ビーム信号を生成するデジタル部と、前記多重ビーム信号を周波数変換して前記配列アンテナにそれぞれ出力するＲＦ部とを含む。【選択図】図１

Description

本発明は、無線送受信装置および方法（ＲＡＤＩＯ ＴＲＡＮＳＭＩＳＳＩＯＮ ＡＮＤ ＲＥＣＥＰＴＩＯＮ ＡＰＰＡＲＡＴＵＳ ＡＮＤ ＢＥＡＭ ＦＯＲＭＩＮＧ ＭＥＴＨＯＤ ＴＨＲＥＲＯＦ）に関し、より詳しくは、異種の直交偏波対が交差する多重ビームを有する無線送受信装置および方法に関する。

移動通信のＭＩＭＯ（ｍｕｌｔｉｐｌｅ－ｉｎｐｕｔ ｍｕｌｔｉｐｌｅ－ｏｕｔｐｕｔ）アンテナモジュールは、多重経路によるフェージング（ｆａｄｉｎｇ）の影響を減少させ、偏波ダイバーシティ（ｄｉｖｅｒｓｉｔｙ）機能を行うために、複数の二重偏波アンテナモジュール（二重偏波アンテナモジュールアレイ）として設計されることが一般的である。

フェージングとは、電波の強度が時間によって変化する現象を意味し、ダイバーシティとは、電場の強度または信号出力対ノイズ出力の比が互いに異なるいくつかの受信信号を合成して単一の信号を得ることにより、フェージングの影響を減少させる方式を意味する。

二重偏波アンテナから放射されるビームはｗｉｄｅビーム形状を有し、ｗｉｄｅビーム形状のビームは周辺環境によってＳＮＲ（ｓｉｇｎａｌ ｔｏ ｎｏｉｓｅ ｒａｔｉｏ）が低下して、遠い地点までの信号の伝送が困難という限界がある。

このような問題を解決するために、従来は、二重偏波アンテナモジュールアレイ内の放射素子をカップリングして（信号経路を共有して）、同一周波数の信号（同一偏波の信号）に対して空間（セクタ）を分離することにより、このような問題を解決しようとした。

しかし、このような方法は、互いに同じ偏波を有するビームが隣接した位置に配置されるので、各ビーム間の相関関係が高くなって通信品質が低下する問題点を発生させることがある。

このように、多重ビームを用いるＭａｓｓｉｖｅ ＭＩＭＯ（ｍｕｌｔｉｐｌｅ－ｉｎｐｕｔ ａｎｄ ｍｕｌｔｉｐｌｅ－ｏｕｔｐｕｔ）システムでは、互いに隣接するビーム間の干渉によって無線チャネルの相関係数が高くなってアンテナの信号送受信効率が低下する問題が発生する。さらに、ビーム間の干渉による影響でセルの容量が制限される問題を有している。

最近は、互いに異なる偏波を有するアンテナモジュールをＭａｓｓｉｖｅ ＭＩＭＯシステムに採用して隣接するビームが互いに異なる偏波を用いるように構成することにより、隣接するビーム間の干渉を減少させている。しかし、この方法は、使用しようとする偏波それぞれに対するアンテナモジュールを別途に構成しなければならないので、製作工程が複雑になることから、多くの時間と費用がかかる問題点を有する。

また、この方法は、使用しようとする偏波それぞれに対するアンテナモジュールを別途に構成しなければならないので、アンテナサイズを増加させる問題点も生じることがある。

本発明は、上記の技術的課題を解決するためになされたものであって、セルまたはセクタ内に形成される多重ビームそれぞれに対して直交偏波対を付与しかつ、隣接するビーム間には同種の偏波対ではない異種の直交偏波対を付与することでビーム間の干渉を最小化して、アンテナ効率およびセル容量を増加させるようにした、無線送受信装置およびそのビーム形成方法を提供することを目的とする。

また、本発明の他の目的は、１つのセルまたはセクタ内で固定されたビームを互いに異なる方向を有するように分離することでカバレッジを拡張させることができ、ｎａｒｒｏｗビームを放射することでアンテナの利得を向上させるようにした、無線送受信装置およびそのビーム形成方法を提供することである。

本発明の技術的課題は以上に言及した課題に制限されず、言及されていないさらに他の課題は以下の記載から当業者に明確に理解されるであろう。

上記の目的を達成するための、本発明の一実施例による無線送受信装置は、互いに異なる方向性を有する多重ビームを形成して前記多重ビームにより信号を送受信する配列アンテナと、直交偏波対を合成して前記多重ビーム形成のための多重ビーム信号を生成するデジタル部と、前記多重ビーム信号を周波数変換して前記配列アンテナにそれぞれ出力するＲＦ部とを含むことを特徴とする。

前記デジタル部は、前記多重ビームのうち互いに隣り合うビームに異種の直交偏波対を割当て、それぞれのビームに割当てられた直交偏波対の位相をそれぞれ異なるように設定することを特徴とする。

前記多重ビームは、それぞれのビームが垂直および水平方向に異なる方向性を有することを特徴とする。

前記デジタル部は、異種の偏波信号から直交偏波対を合成する偏波合成部と、前記直交偏波対をそれぞれのビームに割当てる偏波割当部と、前記それぞれのビームに割当てられた直交偏波対に基づいて前記配列アンテナでの多重ビーム形成のためのビーム信号を生成する多重ビーム形成部とを含むことを特徴とする。

前記偏波合成部は、入力信号の偏波を第１直交偏波対および第２直交偏波対に変換することを特徴とする。

前記第１直交偏波対は、±４５度直交偏波対または垂直／水平（ｖｅｒｔｉｃａｌ／ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ）直交偏波対のいずれか１つであることを特徴とする。

前記第２直交偏波対は、±４５度直交偏波対または垂直／水平（ｖｅｒｔｉｃａｌ／ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ）直交偏波対の他の１つであることを特徴とする。

前記偏波割当部は、それぞれのビームに前記合成された第１直交偏波対または第２直交偏波対を割当てることを特徴とする。

前記偏波割当部は、それぞれのビームのうち第１ビームに第１直交偏波対を割当て、前記第１ビームに隣り合う第２ビームに前記第２直交偏波対を割当てることを特徴とする。
前記デジタル部は、ビームの個数および基準ビームの偏波成分に応じてそれぞれのビームに対する偏波割当制御信号を生成して前記偏波割当部に提供する偏波割当制御部をさらに含むことを特徴とする。

前記デジタル部は、前記ビーム信号に割当てられた直交偏波対の大きさおよび位相を補正する位相補正部をさらに含むことを特徴とする。

前記デジタル部は、前記ビーム信号に割当てられた直交偏波対の偏波合成時の大きさおよび位相と、前記ＲＦ部のＲＦチェーンの大きさおよび位相とを比較して大きさおよび位相の補正を決定し、前記位相補正部に補正信号を出力する偏波合成キャリブレーション部をさらに含むことを特徴とする。

前記デジタル部は、前記配列アンテナでの多重ビーム形成のためのビーム信号を生成する多重ビーム形成部と、前記ビーム信号に異種の直交偏波対を合成する偏波合成部と、前記ビーム信号に合成されたいずれか１つの直交偏波対をそれぞれのビーム信号に割当てる偏波割当部とを含むことを特徴とする。

また、上記の目的を達成するための、本発明の他の実施例による無線送受信装置は、互いに異なる方向性を有する多重ビームを形成して前記多重ビームにより信号を送受信する配列アンテナと、入力信号に直交偏波対を合成し、それぞれのビームにいずれか１つの直交偏波対を割当てかつ、互いに隣り合うビームに異種の直交偏波対を割当てるデジタル部と、前記それぞれのビームに割当てられた直交偏波対の偏波信号を周波数変換し、各偏波信号の位相を設定して前記配列アンテナにビーム信号を出力するＲＦ部とを含むことを特徴とする。

前記ＲＦ部は、それぞれの偏波信号の周波数を変換する複数のＲＦチェーンと、前記周波数変換された各偏波信号の位相を異なるように設定してアナログ多重ビーム信号を生成する多重ビーム形成部とを含むことを特徴とする。

一方、上記の目的を達成するための、本発明の一実施例による無線送受信装置のビーム形成方法は、直交偏波対を合成して前記多重ビーム形成のための多重ビーム信号を生成するステップと、ＲＦチェーンを介して前記多重ビーム信号を周波数変換して配列アンテナにそれぞれ出力するステップと、前記配列アンテナで前記多重ビーム信号から互いに異なる方向性を有する多重ビームを形成するステップとを含むことを特徴とする。

前記多重ビームは、互いに隣り合うビームに異種の直交偏波対が割当てられ、それぞれのビームに割当てられた直交偏波対の位相がそれぞれ異なるように設定されたことを特徴とする。

本発明による無線送受信装置およびそのビーム形成方法によれば、セルまたはセクタ内に形成される多重ビームそれぞれに対して直交偏波対を付与しかつ、隣接するビーム間には同種の偏波対ではない異種の直交偏波対を付与することでビーム間の干渉を最小化することができ、それによってアンテナ効率およびセル容量を増加させる効果がある。

また、本発明は、１つのセルまたはセクタ内で固定されたビームを互いに異なる方向を有するように分離することでカバレッジを拡張させることができ、ｎａｒｒｏｗビームを放射することでアンテナの利得を向上させることができる効果がある。

本発明の第１実施例による無線送受信装置の構成を示す図である。 本発明の一実施例による偏波合成部の動作を説明するのに参照される実施例を示す図である。 本発明の一実施例による偏波合成部の動作を説明するのに参照される実施例を示す図である。 本発明の一実施例による偏波割当部の動作を説明するのに参照される実施例を示す図である。 本発明の一実施例による偏波割当部の動作を説明するのに参照される実施例を示す図である。 本発明の一実施例による偏波割当部の動作を説明するのに参照される実施例を示す図である。 本発明の一実施例による多重ビーム形成部の動作を説明するのに参照される実施例を示す図である。 本発明の一実施例による大きさ／位相補正部の動作を説明するのに参照される実施例を示す図である。 本発明の一実施例によるビーム形成動作を説明するのに参照される実施例を示す図である。 本発明の一実施例によるビーム形成動作を説明するのに参照される実施例を示す図である。 本発明の一実施例によるビーム形成動作を説明するのに参照される実施例を示す図である。 本発明の一実施例によるデジタル部の受信動作を説明するのに参照される実施例を示す図である。 本発明の一実施例によるデジタル部の受信動作を説明するのに参照される実施例を示す図である。 本発明の一実施例によるデジタル部の受信動作を説明するのに参照される実施例を示す図である。 本発明の第２実施例による無線送受信装置の構成を示す図である。 本発明の第２実施例によるデジタル部の動作を説明するのに参照される実施例を示す図である。 本発明の第２実施例によるデジタル部の動作を説明するのに参照される実施例を示す図である。 本発明の第３実施例による無線送受信装置の構成を示す図である。 本発明の実施例による無線送受信装置の動作効果を説明するのに参照される実施例を示す図である。 本発明の実施例による無線送受信装置の動作効果を説明するのに参照される実施例を示す図である。 本発明の第１実施例による無線送受信装置のビーム形成方法に関する動作フローを示す図である。 本発明の第２実施例による無線送受信装置のビーム形成方法に関する動作フローを示す図である。 本発明の第３実施例による無線送受信装置のビーム形成方法に関する動作フローを示す図である。

以下、本発明の一部の実施例を例示的な図面により詳細に説明する。各図面の構成要素に参照符号を付すにあたり、同一の構成要素については、たとえ他の図面上に表示されてもできるだけ同一の符号を有するようにしていることに留意しなければならない。また、本発明の実施例を説明するにあたり、かかる公知の構成または機能に関する具体的な説明が本発明の実施例についての理解を妨げると判断された場合、その詳細な説明は省略する。

本発明の実施例の構成要素を説明するにあたり、第１、第２、Ａ、Ｂ、（ａ）、（ｂ）などの用語を使うことができる。このような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に過ぎず、その用語によって当該構成要素の本質や順番または順序などが限定されない。また、他に断らない限り、技術的または科学的な用語を含むここで使われるすべての用語は、本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者によって一般的に理解されるのと同じ意味を有する。一般的に使われる辞書に定義されているような用語は、関連技術の文脈上有する意味と一致する意味を有すると解釈されなければならず、本出願において明らかに断らない限り、理想的または過度に形式的な意味で解釈されない。
本発明は、無線送受信装置および方法に関し、本発明による無線送受信装置は、多重ビームを用いるＭａｓｓｉｖｅ ＭＩＭＯ（ｍｕｌｔｉｐｌｅ－ｉｎｐｕｔ ａｎｄ ｍｕｌｔｉｐｌｅ－ｏｕｔｐｕｔ）システムに適用可能である。

図１は、本発明の一実施例による無線送受信装置の構成を示す図である。

図１を参照すれば、無線送受信装置１０は、配列アンテナ１００と、ＲＦ部２００と、デジタル部３００とを含むことができる。

配列アンテナ１００は、複数のアンテナモジュール（ａｎｔｅｎｎａ ｍｏｄｕｌｅ）１１０で構成される。ここで、配列アンテナ１００は、複数のアンテナモジュール１１０を一定のパターンによって定められた位置にそれぞれ配列し、各アンテナモジュール１１０の配列位置によって位相および大きさなどを調整して所定の方向にビームを放射するアンテナを意味する。この時、配列アンテナ１００は、ＲＦ部２００またはデジタル部３００で生成されたビーム形成制御信号により多重ビームを形成することができる。

それぞれのアンテナモジュール１１０は、セルカバレッジ内で垂直または水平方向に互いに異なる方向性を有する多重ビームを形成することができる。したがって、それぞれのアンテナモジュール１１０は、特定のビーム方向に対する送信または受信を行うように動的に構成される。

それぞれのアンテナモジュール１１０は、互いに異なる偏波方向を有する２つまたはそれ以上の放射素子で構成される。

一例として、アンテナモジュール１１０は、直交する偏波方向を有する２つの放射素子で構成された二重偏波アンテナモジュールであってもよい。

ここで、二重偏波アンテナモジュールは、＋４５度偏波方向を有する第１放射素子と、前記第１放射素子の偏波方向と直交（または垂直）する－４５度偏波方向を有する第２放射素子とを含んで構成される。

一方、二重偏波アンテナモジュールは、垂直（ｖｅｒｔｉｃａｌ）偏波方向を有する第３放射素子と、前記第３放射素子の偏波方向と直交（または垂直）する水平（Ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ）偏波方向を有する第４放射素子とを含んで構成される。

他の例として、アンテナモジュール１１０は、直交する偏波方向を有する４つの放射素子で構成された四重偏波アンテナモジュール（またはクワッド偏波アンテナモジュール）であってもよい。

ここで、四重偏波アンテナモジュールは、＋４５度偏波方向を有する第１放射素子と、前記第１放射素子の偏波方向と直交（または垂直）する－４５度偏波方向を有する第２放射素子と、垂直（ｖｅｒｔｉｃａｌ）偏波方向を有する第３放射素子と、前記第３放射素子の偏波方向と直交（または垂直）する水平（Ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ）偏波方向を有する第４放射素子とを含んで構成される。この時、第３放射素子および／または第４放射素子は、第１放射素子および／または第２放射素子と±４５度の偏波方向差を有することができる。

四重偏波アンテナモジュールを介して放射されるビームは、ｎａｒｒｏｗビーム形状を有することができ、これらビームのうち互いに隣接するビームは、互いに異なる直交偏波方向を有することができる。

ここで、「直交」または「垂直」とは、放射素子の偏波方向が正確に９０度の角度差を有する場合と、９０±θの角度差を有する場合とをすべて含むことができる。θは、アンテナモジュール１１０の製作工程での誤差、他のアンテナモジュールとの相関関係（ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ）の程度、ビーム形成方向の調整の必要性などに応じて可変できる。
アンテナモジュール１１０を構成する放射素子は、アンテナモジュール１１０の構成領域内で多様な形態で配置される。

一例として、アンテナモジュール１１０を構成する放射素子は、互いに離隔するように配置される。

他の例として、アンテナモジュール１１０を構成する放射素子は、一部または全体放射素子の中心が互いに交差するように配置される。この場合、アンテナモジュール１１０において放射素子の占める面積が減少してアンテナモジュール全体の面積効率性が増大できる。

このように、アンテナモジュール１１０の面積効率性の増大は、アンテナの製作、設置、維持補修などによる便宜性の向上につながることができる。

それぞれのアンテナモジュール１１０によって形成されるビームは、直交する少なくとも２つの直交偏波対によって形成され、互いに隣り合うビームの直交偏波対は、互いに異なるタイプ（方向）の直交偏波からなる。

一例として、複数のビームのうち第１ビームは、第１タイプの直交偏波対で形成される。ここで、第１タイプの直交偏波対は、＋４５度偏波信号および－４５度偏波信号からなる偏波対であってもよい。

一方、第１ビームに隣り合う少なくとも１つの第２ビームは、第２タイプの直交偏波対で形成される。ここで、第２タイプの直交偏波対は、垂直（ｖｅｒｔｉｃａｌ）偏波信号および水平（Ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ）偏波信号からなる偏波対であってもよい。

このように、本発明は、多重ビームを形成するにあたり、互いに隣り合うビームに対して異なるタイプ（異種）の直交偏波対を適用することにより、隣り合うビーム間の相関度を減少させて通信品質を向上させることができる。ここで、互いに隣り合うビームは、水平方向に隣り合うビームだけでなく、垂直方向に隣り合うビームに対しても互いに異なるタイプの直交偏波対を適用することができる。このように、直交偏波対を適用することで無線チャネルの直交性が向上することにより、無線送受信システムのチャネル容量が増大できる。

仮に、多重偏波を用いてビームを形成するアンテナシステムとして、同一のセクタ内でビームを形成するアンテナモジュールが各モジュールごとに１つのビームを形成し、それぞれのビームは、同一偏波または１つの偏波成分を有するようにビームを形成する方式が考えられる。

これに対し、本発明は、異種偏波を有する多重ビームを形成するにあたり、同一のセクタ内でビームを形成するそれぞれのアンテナモジュールは、各モジュールごとに互いに直交する一対の偏波信号（仮に、士４５度直交偏波信号）を有する一対のビームを形成する。すなわち、１つのアンテナモジュールは、２個の偏波信号（仮に、士４５度直交偏波信号）に対する２個のビームを生成し、前記２個のビームのうちの１つには＋４５度偏波信号、他の１つには－４５度偏波信号が割当てられる。このように、一対の偏波信号は、互いに異なる位相を有するように設定されることでビームが空間的に分離されるため、ビーム間の干渉が最小化される。

それだけでなく、前記の一対の士４５度直交偏波信号を有する一対のビームを形成するアンテナモジュールに隣り合うアンテナモジュールは、前記士４５度直交偏波信号と干渉されない他の一対の偏波信号（Ｖ／Ｈ直交偏波信号）を有する一対のビームを形成するため、隣り合うアンテナモジュールのビーム間の干渉も最小化することができる。

また、図１を参照すれば、一対の士４５度直交偏波信号を有するビームと、同種の他の一対の士４５度直交偏波信号を有するビームとが空間的に完全に分離可能で、同種偏波を有するビーム間の干渉も最小化されるという利点がある。

ＲＦ部２００は、複数のＲＦチェーン２１０を含むことができる。この時、ＲＦチェーン２１０は、フィルタ（Ｆｉｌｔｅｒ）、電力増幅器（Ｐｏｗｅｒ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ、ＰＡ）、低雑音増幅器（Ｌｏｗ Ｎｏｉｓｅ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ、ＬＮＡ）およびＲＦＩＣなどを含んで構成される。ＲＦＩＣは、ＤＡＣ（ｄｉｇｉｔａｌ ｔｏ ａｎａｌｏｇ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）／ＡＤＣ（ａｎａｌｏｇ ｔｏ ｄｉｇｉｔａｌ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）、ミキサ（ｍｉｘｅｒ）などを含んで構成される。

ＲＦチェーン２１０は、無線周波数アンテナを用いて伝送するのに適した信号で信号を調整するか、配列アンテナ１００を介して受信された信号をサンプリングおよび基底帯域の処理に適した信号に変換する。

図１には示さないが、ＲＦ部２００は、アナログ型多重ビーム形成部を含むことができる。万一、ＲＦ部２００にアナログ型多重ビーム形成部が含まれる場合、デジタル部３００の多重ビーム形成部が省略可能である。これに関する具体的な説明は、後述する図１５の実施例を参照する。

ここで、本発明の多重ビーム形成は、基本的にデジタルビームフォーミング（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｂｅａｍ ｆｏｒｍｉｎｇ）手法を用いる。

アナログビームフォーミング（Ａｎａｌｏｇ Ｂｅａｍ ｆｏｒｍｉｎｇ）は、デジタル信号処理が完了したアナログ信号を多数の経路に分岐し、各経路での位相シフト（ＰＳ；ｐｈａｓｅ ｓｈｉｆｔ）と電力増幅（ＰＡ；ｐｏｗｅｒ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）の設定によりビームを形成する方式で、１個のＲＦチェーンと共に多数の位相シフトおよび信号減衰器で構成される送信および受信システム構造からなる。アナログビームフォーミングは、個別アンテナごとに連結されている位相シフトと信号減衰器の位相および振幅値をそれぞれ変化させてビームの方向と形状を形成する方式である。このようなアナログビームフォーミング手法は、位相シフトの制限的な解像度特性と高い部品価格の問題によってシステム性能と経済性の面で脆弱であり、高容量のための空間マルチプレキシング伝送手法と構造的にふさわしくない形態である。

これに対し、デジタルビームフォーミングは、ダイバーシティと多重化利得を最大化するために、基地局の基底帯域（Ｂａｓｅｂａｎｄ）処理を用いてデジタル段でビームを形成する手法である。また、デジタルビームフォーミングは、個別アンテナごとにＲＦチェーンが連結され、位相シフトまたは信号減衰器のようなＲＦ回路が用いられず、このようなシステム構造をベースとするデジタルビームフォーミング手法は、ＲＦ段で信号の位相と振幅を変化させるのではなく、基底帯域（Ｂａｓｅｂａｎｄ）でデジタル信号処理により信号の位相および振幅を変化させる。

ここで、本発明の多重ビーム形成は、デジタルビームフォーミング（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｂｅａｍ ｆｏｒｍｉｎｇ）がアンテナシステムのデジタル装置（ＤＵ）ではない無線ユニット（Ｒａｄｉｏ Ｕｎｉｔ、ＲＵ）で実現されることを特徴とし、これに関する詳しい説明は後述する。

一方、図１の実施例では、ＲＦ部２００および配列アンテナ１００をそれぞれ示したが、配列アンテナ１００がＲＦ部２００に含まれた形態で実現されてもよい。

デジタル部３００は、インターフェース部３１０と、偏波合成部３２０、３６０と、偏波割当部３３０、３７０と、多重ビーム形成部３４０と、大きさ／位相補正部３５０と、偏波割当制御部３８０と、偏波合成キャリブレーション部３９０とを含むことができる。ここで、デジタル部３００は、無線ユニット（Ｒａｄｉｏ Ｕｎｉｔ、ＲＵ）のデジタルフロントエンド（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｆｒｏｎｔ Ｅｎｄ、ＤＦＥ）であるか、あるいはそれに含まれた一部のユニット形態で実現できる。

通常のデジタルビームフォーミングは、アンテナシステムのデジタル装置（ＤＵ）でビームフォーミングに関連する動作をすべて行うのに対し、本発明による無線送受信装置１０は、アンテナシステムのデジタル装置で行っていたビームフォーミングだけでなく、偏波合成および割当などの動作を無線ユニット（Ｒａｄｉｏ Ｕｎｉｔ、ＲＵ）で行うことを特徴とする。

ここで、前記無線ユニット（Ｒａｄｉｏ Ｕｎｉｔ、ＲＵ）は、ユーザを区分できないため、ユーザごとに異なるビームを形成せず、セクタ内のすべてのユーザに同一のビームを形成することを特徴とする。一方、デジタル部３００は、図１の［実施例１］または図１２の［実施例２］のように多重ビーム形成部３４０の位置が異なるように構成される。

［実施例１］
図１の実施例によれば、インターフェース部３１０は、無線送受信装置１０に連結された装置から信号を受信したり、あるいは装置に信号を出力（伝達）する役割を果たす。ここで、インターフェース部３１０は、無線送受信装置１０を基地局のデジタル装置（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｕｎｉｔ、ＤＵ）に連結するフロントホールインターフェース（Ｆｒｏｎｔｈａｕｌ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）であってもよい。

一例として、フロントホールインターフェースは、ＣＰＲＩ（Ｃｏｍｍｏｎ Ｐｕｂｌｉｃ Ｒａｄｉｏ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）、ｅＣＰＲＩ（ｅｎｈａｎｃｅｄ ＣＰＲＩ）などが相当できる。

偏波合成部３２０および偏波割当部３３０は、送信信号を処理するユニットと、受信信号を処理するユニットとをそれぞれ配置することができる。この場合、送信信号処理ユニットと受信信号処理ユニットは、配置位置および順序が異なっていてもよい。

以下、送信信号を処理する動作を基準としてビーム形成動作を説明する。

偏波合成部３２０は、入力信号を基準として４個の直交偏波成分を抽出して偏波合成を行う。この時、偏波合成部３２０は、直交偏波対を合成し、合成された直交偏波対を偏波割当部３３０に印加することができる。

偏波合成部３２０で４個の直交偏波成分を抽出する動作に関する具体的な説明は、図２および図３の実施例を参照する。ここで、図２および図３の実施例は、配列アンテナ１００の各アンテナモジュール１１０が二重偏波アンテナモジュールであると想定して説明する。

まず、図２を参照すれば、偏波合成部３２０は、２個の信号、すなわち、第１入力信号および第２入力信号が入力されると、第１および第２入力信号から直交する第１および第２偏波成分を抽出することができる。

また、偏波合成部３２０は、第１および第２偏波成分を変換して直交する第３および第４偏波成分を抽出することができる。

この時、偏波合成部３２０は、下記の数１のＭａｔｒｉｘを用いて、入力信号を基準として４個の偏波成分を抽出することができる。

ここで、第１および第２偏波成分は、直交する１つの第１偏波対をなすことができる。一例として、第１および第２偏波成分は、±４５度偏波成分または垂直／水平（ｖｅｒｔｉｃａｌ／ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ）偏波成分のいずれか１つであってもよい。

また、第３および第４偏波成分は、直交する他の１つの第２偏波対をなすことができる。一例として、第３および第４偏波成分は、±４５度偏波成分または垂直／水平（ｖｅｒｔｉｃａｌ／ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ）偏波成分の他の１つであってもよい。
このように、偏波合成部３２０は、上記数１のＭａｔｒｉｘを用いて、入力信号を基準として４個の偏波成分を抽出し、これによって互いに異なる異種の偏波対が交差する多重ビームを形成することができる。

すなわち、本発明の一実施例による無線送受信装置は、１つのセル（またはセクタ）内の固定されたビームを、Ｍａｔｒｉｘを用いて互いに異なる位相を有する複数のビームに分割し、分割された各ビームに直交偏波対の偏波成分をそれぞれ付与する方式で多重ビームを形成することができる。

ここで、入力信号の偏波成分は、配列アンテナ１００の特性に応じて決定可能である。
一例として、配列アンテナ１００の各アンテナモジュール１１０が±４５度偏波アンテナモジュールの場合、第１および第２偏波成分は、±４５度偏波成分であり、第３および第４偏波成分は、垂直／水平（ｖｅｒｔｉｃａｌ／ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ）偏波成分になる。

これに関する実施例は、図３を参照する。

図３を参照すれば、第１入力信号および第２入力信号の偏波成分ａ、ｂは、配列アンテナ１００の特性に応じて決定される。これにより、偏波合成部３２０は、偏波成分ａ、ｂが決定されると、第１および第２偏波成分ａ、ｂを抽出する。

また、偏波合成部３２０は、数１のＭａｔｒｉｘを用いて、偏波成分ａ、ｂを［数２］で合成して第３偏波成分を抽出し、偏波成分ａ、ｂを［数３］で合成して第４偏波成分を抽出する。

以下の実施例では、第１偏波成分が＋４５度偏波、第２偏波成分が－４５度偏波、第３偏波成分が垂直偏波、そして第４偏波成分が水平偏波からなると想定して説明するが、これに限定されるものではない。

これにより、偏波合成部３２０は、抽出された第１～第４偏波成分を用いて直交偏波対の偏波成分を合成し、直交偏波対が合成された信号を偏波割当部３３０に出力する。

偏波割当部３３０は、偏波合成部３２０によって合成された直交偏波対、すなわち、±４５度直交偏波対および垂直／水平（Ｖ／Ｈ）直交偏波対のうちビーム形成のためのいずれか１つの直交偏波対を選択して多重ビームにそれぞれ割当てる。この時、多重ビームに割当てられた直交偏波対の物理的偏波合成は、配列アンテナ１００段で行われる。

偏波割当部３３０は、配列アンテナ１００によって形成されるビームの個数、基準ビームの偏波などを基準として各ビームに適用される直交偏波対を割当てることができる。

ここで、偏波割当部３３０は、ビームの個数および基準ビームの偏波情報などを直接受信することができる。

一方、偏波割当部３３０は、偏波割当制御部３８０から偏波割当制御信号を受信すると、受信された偏波割当制御信号によりそれぞれのビームに適用される直交偏波対を割当てることもできる。

この時、偏波割当部３３０は、多重ビームのうち基準ビームにいずれか１つの直交偏波対を割当て、基準ビームの直交偏波対を基準として隣り合うビームに互いに異なるタイプの直交偏波対を交差割当てる。

つまり、偏波割当部３３０は、基準となる第１ビームに第１および第２偏波成分の第１直交偏波対を割当て、第１ビームに隣り合う第２ビームには第３および第４偏波成分の第２直交偏波対を割当てることができる。また、偏波割当部３３０は、第２ビームに隣り合う第３ビームに再度第１直交偏波対を交差して割当てることができる。

偏波割当部３３０でそれぞれのビームに直交偏波対を割当てる動作に関する具体的な説明は、図４Ａおよび図４Ｂを参照する。

偏波割当部３３０は、図４Ａおよび図４Ｂに示されるように、入力信号Ｓ_１、Ｓ_２を基準として抽出された＋４５度、－４５度、Ｖ、Ｈの４個の偏波成分からなる士４５度直交偏波対またはＶ／Ｈ直交偏波対を多重ビームにそれぞれ割当てることができる。ここで、Ｓ_１は、＋４５度偏波信号であり、Ｓ_２は、－４５度偏波信号であると想定する。

この時、偏波割当部３３０は、図４Ａのように、多重ビームのいずれか１つの第１ビームに士４５度直交偏波対を割当てることができる。この場合、配列アンテナ１００は、＋４５度偏波信号および－４５度偏波信号を用いて第１ビームを形成することができる。

一方、偏波割当部３３０は、図４Ｂのように、第１ビームに隣り合う少なくとも１つ以上の第２ビームにＶ／Ｈ直交偏波対を割当てることができる。この場合、配列アンテナ１００は、垂直（Ｖ）偏波信号および水平（Ｈ）偏波信号を用いて第２ビームを形成することができる。もちろん、偏波割当部３３０は、第２ビームに隣り合う少なくとも１つ以上のビームに再度士４５度直交偏波対を割当てることができる。

このように、偏波割当部３３０は、多重ビームに士４５度直交偏波対またはＶ／Ｈ直交偏波対を交差割当てることができる。この場合、配列アンテナ１００で多重ビームを形成する時、互いに隣り合うビーム同士で異種、すなわち、互いに異なるタイプの偏波成分を有するので、隣り合うビーム間の相関度が低下して信号送受信効率が向上する効果をもたらすことができる。

図１には、偏波合成部３２０および偏波割当部３３０が単一個で構成されたことを示したが、図５に示されるように、偏波合成部３２０および偏波割当部３３０は、複数個で構成されてもよい。

この時、偏波割当制御部３８０は、複数の偏波割当部３３０の動作を制御することができる。

偏波割当制御部３８０は、形成するビームの個数および基準ビームの偏波情報が入力されると、入力されたビームの個数に対応してそれぞれのビームに対応する偏波割当制御信号を生成することができる。ここで、偏波割当制御信号は、直交偏波対を割当てる対象ビームの情報、および対象ビームに対して割当てられる直交偏波対の情報を含むことができる。

偏波割当制御部３８０は、それぞれのビームに対応して生成された偏波割当制御信号を複数の偏波割当部３３０にそれぞれ伝送することができる。

ここで、偏波割当制御部３８０は、形成するビームごとに対応する偏波割当部３３０を決定し、各偏波割当部３３０に偏波割当制御信号を伝送することができる。この場合、それぞれの偏波割当部３３０は、偏波割当制御部３８０から受信された偏波割当制御信号に基づいて対象ビームに対する直交偏波対を割当てることができる。

偏波割当部３３０は、それぞれのビームに対する直交偏波対が割当てられると、それぞれのビームに割当てられた直交偏波対の情報を多重ビーム形成部３４０に出力することができる。

ここで、多重ビーム形成部３４０は、セル（またはセクタ）内の固定されたビームを、Ｍａｔｒｉｘを用いて互いに異なる位相を有する複数のビームに分割しかつ、分割された各ビームに直交偏波対の偏波成分を付与する。

これにより、多重ビーム形成部３４０は、偏波割当部３３０からそれぞれのビームに対して割当てられた直交偏波対の情報が入力されると、それぞれのビームに対して割当てられた直交偏波対の情報を用いて多重ビームに対するそれぞれのビーム信号を生成する。

この時、多重ビーム形成部３４０は、それぞれのビーム信号の位相をそれぞれ異なるように設定することができる。ここで、それぞれのビーム信号は、互いに異なる位相を有するので、配列アンテナ１００によってビームの形成時に互いに異なる方向性を有するビームが形成される。

多重ビーム形成部３４０は、生成されたそれぞれのビーム信号をＲＦ部２００のＲＦチェーン２１０を経て配列アンテナ１００の各アンテナモジュール１１０に出力する。ここで、それぞれのビーム信号は、対象ビームに割当てられた直交偏波対の信号を含むことができる。

多重ビーム形成部３４０のビーム信号の生成動作に関する具体的な説明は、図６の実施例を参照する。

図６を参照すれば、複数の偏波合成部３２０および偏波割当部３３０を介して入力信号Ｓ_１、Ｓ_２、…、Ｓ_Ｍに対応してそれぞれのビームに対する直交偏波対が割当てられると、多重ビーム形成部３４０は、それぞれのビームに割当てられた直交偏波対に対する偏波信号に対応するビーム信号を生成することができる。

ここで、多重ビーム形成部３４０は、入力信号Ｓ_１、Ｓ_２、…、Ｓ_Ｍに重みベクトル（ｗｅｉｇｈｔ ｖｅｃｔｏｒ）を乗算してそれぞれのビーム信号を生成することができる。この時、それぞれのビーム信号は、入力信号に乗算される重みベクトル値に応じてビームの方向および形状が異なる。

多重ビーム形成部３４０によって生成されたそれぞれのビーム信号は、ＲＦ部２００を経て配列アンテナ１００のそれぞれのアンテナモジュール１１０を介して出力される。

この時、ＲＦ部２００のそれぞれのＲＦチェーン２１１～２１９は、入力されたビーム信号、すなわち、ビームに割当てられた偏波信号の周波数変換を行った後に、対応するアンテナモジュール１１０を介して送信する。

ここで、デジタル部３００は、それぞれのＲＦチェーン２１１～２１９にビーム信号を出力する前に、大きさ／位相補正部３５０と、偏波合成キャリブレーション部３９０とによってビーム信号の大きさおよび位相を補正する。

偏波合成部３２０で合成された偏波成分は、配列アンテナ１００側で実質的に偏波合成が行われる。この時、偏波合成時の大きさ（Ａｍｐｌｉｔｕｄｅ）および位相（Ｐｈａｓｅ）がＲＦチェーン２１０の大きさ（Ａｍｐｌｉｔｕｄｅ）および位相（Ｐｈａｓｅ）と同一でなくなれば、偏波の方向がずれるため、大きさおよび位相を同一に補正する過程が必要である。

これにより、偏波合成キャリブレーション部３９０は、ビームに割当てられた直交偏波対の偏波合成時の大きさおよび位相と、ＲＦチェーン２１０の信号の大きさおよび位相とを比較して補正信号を生成し、生成された補正信号を大きさ／位相補正部３５０に伝達することができる。

したがって、大きさ／位相補正部３５０は、偏波合成キャリブレーション部３９０から伝達された補正信号に基づいてビーム信号の偏波の大きさおよび位相を補正する。この時、大きさ／位相補正部３５０は、偏波合成されたビーム信号の偏波の大きさおよび位相がＲＦチェーン２１０の信号の大きさおよび位相と同一に補正する。

ただし、偏波合成キャリブレーション部３９０は、偏波合成が起こる信号に対してのみ補正信号を生成して大きさ／位相補正部３５０に伝達し、この時、大きさ／位相補正部３５０は、補正対象のビーム信号に対してのみ偏波の大きさおよび位相を補正するようにする。

一例として、アンテナの偏波成分が－４５度偏波であると想定した時、大きさ／位相補正部３５０は、Ｖ／Ｈ偏波合成が行われる場合にのみ、偏波信号の大きさおよび位相を補正することができる。

ここで、大きさ／位相補正部３５０は、ＲＦチェーン２１０の数だけ実現されて、ビーム信号の偏波の大きさおよび位相を補正し、補正されたビーム信号を対応するＲＦチェーン２１０に出力することができる。

これに関する実施例は、図７を参照する。

図７に示されるように、複数のＲＦチェーン２１１～２１９は、複数のアンテナモジュール１１１～１１９にそれぞれ対応し、大きさ／位相補正部３５１～３５９は、複数のＲＦチェーン２１１～２１９の数だけ実現されて、複数のＲＦチェーン２１１～２１９にそれぞれ対応するように連結される。

一例として、第１大きさ／位相補正部３５１は、偏波合成されたビーム信号の大きさおよび位相を第１ＲＦチェーン２１１の大きさおよび位相と同一に補正し、補正されたビーム信号を第１ＲＦチェーン２１１を経て第１アンテナモジュール１１１に出力することができる。

したがって、第１アンテナモジュールは、補正された大きさおよび位相に相当するビームを形成する。

このように、大きさ／位相補正部３５０は、偏波合成時に発生する信号の大きさおよび位相変化を補正することでチャネル可塑性を確保し、配列アンテナで正確な方向にビームを形成することができる。これにより、それぞれのアンテナモジュール１１０は、入力されたそれぞれのビーム信号によって多重ビームを形成する。

この時、それぞれのアンテナモジュール１１０によって形成されるそれぞれのビームは、方向が互いに異なるだけでなく、隣り合うビーム間に異種の偏波特性を有する。
ビーム信号に基づいて配列アンテナ１００でビームが形成される動作に関する実施例は、図８を参照する。

図８に示されるように、入力信号Ｓ_１、Ｓ_２に対するビーム信号を受信した第１アンテナモジュールは、士４５度直交偏波信号を出力する。この時、出力される士４５度直交偏波信号によって、配列アンテナ１００には第１方向にビームＡが形成される。

また、入力信号Ｓ_３、Ｓ_４に対するビーム信号を受信した第２アンテナモジュールは、隣り合うビームＡとは異なるタイプのＶ／Ｈ直交偏波信号を出力する。この時、出力されるＶ／Ｈ直交偏波信号によって、配列アンテナ１００には第２方向にビームＢが形成される。

また、入力信号Ｓ_５、Ｓ_６に対するビーム信号を受信した第３アンテナモジュールは、隣り合うビームＢとは異なるタイプの士４５度直交偏波信号を出力する。この時、出力される士４５度直交偏波信号によって、配列アンテナ１００には第３方向にビームＣが形成される。

なお、入力信号Ｓ_７、Ｓ_８に対するビーム信号を受信した第４アンテナモジュールは、隣り合うビームＣとは異なるタイプのＶ／Ｈ直交偏波信号を出力する。この時、出力されるＶ／Ｈ直交偏波信号によって、配列アンテナ１００には第４方向にビームＤが形成される。
図８で説明したように、配列アンテナ１００によって形成される多重ビームは、それぞれのビームが互いに異なる方向に向かうように形成されかつ、隣り合うビーム同士は、異種の直交偏波対からなる。

ここで、配列アンテナ１００によって形成される多重ビームは、図９Ａに示されるように、水平方向に互いに隣り合うビーム同士で方向および直交偏波対が異なるだけでなく、図９Ｂに示されるように、垂直方向の各ビームに対しても隣り合うビーム同士で方向および直交偏波対が異なる。

このように、配列アンテナ１００を介して形成される多重ビームは、設定された位相に応じて空間上で分離されて複数のビーム形状に放射される。この時、それぞれのビームは、自らが放射された放射素子の偏波方向を有する状態で放射されるので、空間上で互いに隣接する２つのビームは、互いに異なる偏波を有することができる。
本発明の無線送受信装置によって放射されるビーム間にもオーバーラップ（ｏｖｅｒｌａｐ）される領域が存在するが、隣接したビーム間の偏波が互いに異なるので、信号間の相関関係の問題が解消できる。

以上、ビーム形成過程を信号を送信する場合の構成および動作を中心に説明した。

一方、信号を受信する場合にも、信号を送信する時と動作順序のみ逆順に行われるだけで、細部動作は大して変わらない。ただし、デジタル部３００の細部動作をみると、図１０のように、信号を受信する過程では、信号を送信する時とは異なり、偏波合成部３６１～３６９および偏波割当部３７１～３７９の配置位置が変更可能である。

信号を受信する場合に、偏波合成部３６１～３６９および偏波割当部３７１～３７９の細部動作に関する実施例は、図１１Ａおよび図１１Ｂを参照する。

図１１Ａおよび図１１Ｂを参照すれば、偏波合成部３６１～３６９は、受信ビームの偏波成分が士４５度と想定した時、受信ビームの偏波成分である士４５度を基準として４個の偏波成分、すなわち、＋４５度、－４５度、Ｖ、Ｈを抽出する。

ここで、偏波合成部３６１～３６９は、受信ビームの偏波成分に基づいて第１偏波成分ａおよび第２偏波成分ｂを抽出する。また、偏波合成部３６１～３６９は、数１のＭａｔｒｉｘを用いて、偏波成分ａ、ｂを［数４］で合成して第３偏波成分を抽出し、偏波成分ａ、ｂを［数５］で合成して第４偏波成分を抽出する。

ここで、第１偏波成分（ａ）が＋４５度偏波、第２偏波成分（ｂ）が－４５度偏波、第３偏波成分［数４］が垂直偏波、そして第４偏波成分［数５］が水平偏波であると想定して説明するが、これに限定されるものではない。
偏波割当部３７１～３７９は、受信ビームの偏波成分を基準として抽出された４個の偏波成分からなる士４５度直交偏波対またはＶ／Ｈ直交偏波対を出力信号にそれぞれ割当てる。

例えば、偏波割当部３７１は、図１１Ａのように、受信ビームに対応してデジタル信号に変換された第１信号に士４５度直交偏波対を割当てることができる。
一方、偏波割当部３７９は、図１１Ｂのように、第２信号にＶ／Ｈ直交偏波対を割当てることができる。

図１の実施例では、多重ビーム形成部３４０が偏波合成部３２０／割当部３３０と大きさ／位相補正部３５０との間に配置されたことを説明したが、実施形態により多重ビーム形成部３４０の配置位置が異なっていてもよい。
［実施例２］
図１２は、多重ビーム形成部の位置が変更された実施例を示す図である。
図１２に示されるように、多重ビーム形成部は、インターフェースと偏波合成部／偏波割当部との間に配置されてもよい。

図１２の実施例において、信号を送信する場合、多重ビーム形成部は、図１２のように、入力信号Ｓ_１、Ｓ_２、…、Ｓ_Ｍに対して互いに異なる位相を有する多重ビーム信号を生成し、生成された多重ビーム信号を偏波合成部に出力することができる。この場合、偏波合成部は、多重ビーム形成部によって生成されたそれぞれのビーム信号に対する直交偏波対の偏波成分を合成し、偏波割当部で異種の直交偏波対のいずれか１つの直交偏波対を選択してそれぞれのビーム信号に割当てることができる。

図１２の実施例において、信号を受信する場合にも、信号を送信する場合の逆順によって動作し、ただし、図１４のように偏波合成部および偏波割当部の位置は変更可能である。ここで、信号を受信する場合の偏波合成部および偏波割当部は、図１１Ａおよび１１Ｂの動作で説明可能である。したがって、これに関する重複説明は省略する。

多重ビーム形成部の位置が図１２のように変更されても、偏波合成部および偏波割当部の一部動作を除き、その他の各構成に関する機能および動作は、図１に示された実施例の構成と同一であるので、重複説明は省略する。
［実施例３］
図１および図１２の実施例では、多重ビーム形成部がデジタル部３００内に配置される実施例を示したが、多重ビーム形成部は、図１５のようにアナログ段に配置されてもよい。

図１５に示されるように、多重ビーム形成部４００は、ＲＦ部２００のＲＦチェーンおよび配列アンテナ１００の間に配置される。

本実施例における多重ビーム形成部４００は、前述した図１および図１２の実施例とは異なり、アナログビームフォーミングにより指向性を有する互いに異なる方向のビーム信号を生成することができる。具体的には、多重ビーム形成部４００は、デジタル信号処理が完了したアナログ信号の位相を各配列アンテナ１００に対応して調整して互いに異なる方向のビーム信号を生成することができる。このように、各ビーム信号の位相が調整されることにより、基準アンテナ対比の、配列アンテナ１００間の位相が調整される。

この場合、多重ビーム形成部４００は、ＲＦチェーンによって出力された信号の位相を遷移（ｐｈａｓｅ ｓｈｉｆｔ）して配列アンテナ１００に出力する位相設定モジュール形態で実現できる。前記位相設定モジュールは、アンテナモジュールを介して放射されるビームが空間上で分離されるように、送信信号または受信信号間の位相を互いに異なるように設定することができる。一例として、位相設定モジュールは、位相遷移器（ｐｈａｓｅ ｓｈｉｆｔｅｒ）などを用いて実現できる。

ここで、アナログビームフォーミングは、ビームの方向が予め定められた重みベクトルを用いるため、重みベクトルを計算するための別のアルゴリズムがなくても良いので、実現が容易という利点がある。

それだけでなく、一般的なデジタルビームフォーミングの場合、ｂａｓｅｂａｎｄ段でビームフォーミングを行うのに対し、本発明によるアナログビームフォーミングの場合、ｂａｓｅｂａｎｄ段ではないアナログ領域で位相遷移によりビームフォーミングを行うため、デジタルビームフォーミングに比べて実現が容易である。

図１５の実施例は、多重ビーム形成部の配置位置および実現モジュールのみ異なるだけで、その他の構成に関する機能および動作は同一に行われるので、これに関する重複説明は省略する。

以上のように、本発明による無線送受信装置１０は、セルまたはセクタ内に形成される多重ビームのうち隣接するビーム間には同種の偏波を用いるのではない異種偏波を用いることにより、隣接するビーム間に相関度を減少させてアンテナ効率を極大化させることができる。

また、本発明の実施例では、士４５度直交偏波、Ｖ／Ｈ直交偏波のような異種偏波対をビームに割当てるものと説明したが、左円偏波／右円偏波などのように互いに直交するいかなる種類の偏波も異種偏波として使用可能である。

図１６Ａおよび図１６Ｂは、本発明の実施例による無線送受信装置の動作効果を説明するのに参照される実施例を示す図である。

本発明の一実施例による無線送受信装置は、セルまたはセクタ内に形成される多重ビームそれぞれに対して直交偏波対を付与しかつ、隣接するビーム間には同種の偏波対ではない異種の直交偏波対を付与する。これによって、本発明による無線送受信装置は、配列アンテナによって形成される多重ビームに対して隣接したビーム間に相関度を減少させることができる。

また、隣接したビーム間に異種の直交偏波対を付与するため、隣接したビームを重畳させてもビーム干渉を最小化できるだけでなく、ビーム重畳によってアンテナ効率およびセル容量を増加させる効果をもたらす。

これは、図１６Ａおよび図１６Ｂのグラフによっても確認することができる。

まず、図１６Ａは、４Ｘ４構造の配列アンテナを有するＭＩＭＯシステムにおいて、ユーザ端末（ＵＥ）の位置によるエルゴード容量（ｅｒｇｏｄｉｃ ｃａｐａｃｉｔｙ）の変化を示すグラフである。ここで、エルゴード容量は、アンテナシステムのセル（またはセクタ）容量を示し、セル（またはセクタ）容量が増加するほど、アンテナの性能が増加することを意味する。図１６Ａを参照すれば、１６１０は、従来のセクタアンテナを用いたシステムのエルゴード容量の変化を示すグラフであり、１６２０は、セクタアンテナを用いてビームを２つの方向に分けたシステムのエルゴード容量の変化を示すグラフである。また、１６３０は、本発明による無線送受信装置のアンテナを用いたシステムのエルゴード容量の変化を示すグラフである。

一例として、図１６Ａのエルゴード容量の変化に対するシミュレーション結果は、キャリア周波数（Ｃａｒｒｉｅｒ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）を３．５ＧＨｚとして、送信（Ｔｘ）アンテナ４個と受信（Ｒｘ）アンテナ４個とを有する配列アンテナを含む無線ユニット（Ｒａｄｉｏ Ｕｎｉｔ、ＲＵ）を用いて算出したもので、前記ＲＵのチルト角度（Ｔｉｌｔ ａｎｇｌｅ）は約１０度の範囲で調整され、ユーザ端末（ＵＥ）の位置は、ＲＵから約１６０ｍ程度離れた距離で－６０度～６０度の間に１０度間隔で配置された条件で測定されたデータに基づいて算出されたものである。

図１６Ａのように、従来のセクタアンテナを用いたシステムにおけるエルゴード容量１６１０は、約８ｂｐｓ／Ｈｚ～１１ｂｐｓ／Ｈｚの範囲内で変化し、１つのセクタを２つのビーム（同種偏波）に分けたシステム１６２０のエルゴード容量は、約８ｂｐｓ／Ｈｚ～１２ｂｐｓ／Ｈｚの範囲内で変化する。これに対し、本発明による無線送受信装置のエルゴード容量１６３０は、約９ｂｐｓ／Ｈｚ～１６ｂｐｓ／Ｈｚの範囲内で変化することを確認することができる。

このように、本発明による無線送受信装置のエルゴード容量の変化は、従来のセクタアンテナあるいはセクタアンテナを用いてビームを２つの方向に分けたシステムに比べてエルゴード容量が増加したことを確認することができる。

図１６Ｂは、図１６Ａのグラフにおけるエルゴード容量に対する平均容量および最大容量を比較して示す図である。

図１６Ｂを参照すれば、セクタアンテナを用いたシステムにおいて、エルゴード容量に対する平均容量は約１０ｂｐｓ／Ｈｚであり、最大容量は１１ｂｐｓ／Ｈｚ程度である。また、１つのセクタを２つのビーム（同種偏波）に分けたシステムにおけるエルゴード容量に対する平均容量も１１ｂｐｓ／Ｈｚ程度であり、最大容量は１２ｂｐｓ／Ｈｚ程度である。この時、このシステムはビームを２つの方向に分ける技術を適用するとはいえ、各ビームに対して同一偏波を有するように形成されるため、本発明のように互いに異なる偏波を有するビームの対を形成する技術に比べてセクタ容量が少なく形成される。

これに対し、本発明による無線送受信装置のエルゴード容量に対する平均容量は約１３ｂｐｓ／Ｈｚであり、最大容量は約１６ｂｐｓ／Ｈｚであって、本発明による無線送受信装置の平均容量および最大容量は、セクタアンテナを適用したシステムの平均容量および最大容量に比べて約３０％程度増加したことを確認することができる。

図１６Ａおよび図１６Ｂに示すように、本発明による無線送受信装置は、従来に比べてエルゴード容量が増加しただけアンテナ性能およびセル（またはセクタ）容量を増加させる効果をもたらす。

その他にも、一般的に、ビームフォーミングは、アンテナシステムのデジタル装置（ＤＵ）で関連動作をすべて行ったため、フロントホールの容量が増加した。

つまり、従来は、デジタルビームフォーミングをアンテナシステムのデジタル装置（ＤＵ）で処理し、この時、基底帯域でデジタル信号処理によりすべてのアンテナへいく各信号に対するビームフォーミング、偏波合成および割当などを個別的に制御した。このように、各個別アンテナへいく各信号を同時に処理することにより、デジタル装置（ＤＵ）の負荷およびフロントホールの容量が増加する問題がある。

特に、デジタルビームフォーミングの場合、入力信号に重みベクトルを乗算してビームフォーミングを行うが、この時、重みベクトルを計算するための複雑なアルゴリズムを実行しなければならないため、デジタルビームフォーミングによってデジタル装置（ＤＵ）の負荷が増加する。

このように、デジタル装置（ＤＵ）の負荷が増加したり、フロントホールの容量が増加するのは、第５世代通信システムの観点で改善が必要である。

このために、本発明による無線送受信装置１０は、アンテナシステムのデジタル装置（ＤＵ）で行っていたビームフォーミングだけでなく、偏波合成および割当などの動作を無線ユニット（Ｒａｄｉｏ Ｕｎｉｔ、ＲＵ）で行うようにする。本発明によれば、デジタル装置（ＤＵ）での処理動作を無線ユニット（Ｒａｄｉｏ Ｕｎｉｔ、ＲＵ）に分散させることでデジタル装置（ＤＵ）の負荷を減少させ、フロントホールの容量を減少させる効果をもたらす。

以下、上記のように構成される本発明による無線送受信装置の動作フローをより詳しく説明する。

図１７は、本発明の第１実施例による無線送受信装置のビーム形成方法に関する動作フローを示す図である。

図１７を参照すれば、第１実施例による無線送受信装置１０は、図１のようにデジタル部３００内の偏波割当部３３０と大きさ／位相補正部３５０との間に多重ビーム形成部が配置される構造である。

これにより、第１実施例による無線送受信装置１０の偏波合成部３２０は、入力信号に対するストリームに直交偏波対を合成する（Ｓ１１０）。この時、無線送受信装置１０は、直交する２つの偏波信号を１つの直交偏波対に合成することができる。

一例として、無線送受信装置１０は、入力信号を基準として予め定義されたＭａｔｒｉｘを用いて、４個の偏波成分、すなわち、±４５度偏波成分および垂直／水平（ｖｅｒｔｉｃａｌ／ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ）偏波成分を抽出し、抽出された偏波成分のうち直交する±４５度偏波成分を１つの直交偏波対に合成し、Ｖ／Ｈ偏波成分を他の１つの直交偏波対に合成する。

以後、無線送受信装置１０の偏波割当部３３０は、「Ｓ１１０」過程で合成された２つの直交偏波対を多重ビームにそれぞれ割当てる（Ｓ１２０）。この時、偏波割当部３３０は、ビームの個数および基準ビームの偏波成分に応じて基準ビームにいずれか１つの直交偏波対を割当て、基準ビームに隣り合うビームに他の１つの直交偏波対を割当てる。

無線送受信装置１０の偏波合成部３２０は、「Ｓ１２０」過程でそれぞれのビームに割当てられた直交偏波対の信号に基づいて多重ビーム信号を生成する（Ｓ１３０）。この時、「Ｓ１３０」過程で生成された多重ビームは、それぞれのビームが互いに異なる位相を有するように生成される。

偏波合成部３２０によって互いに異なる位相の多重ビーム信号が生成されると、無線送受信装置１０のＲＦ部２００は、複数のＲＦチェーン２１０を介してそれぞれのビーム信号を周波数変換し（Ｓ１４０）、配列アンテナ１００の各アンテナモジュール１１０を介して互いに異なる方向性を有するビームを形成する（Ｓ１５０）。

無線送受信装置１０は、上記の過程により形成されたビームにより信号を送受信する。この時、それぞれのビームは、互いに異なる方向性を有するだけでなく、互いに隣り合うビーム同士で異種の偏波成分を有するため、隣り合うビーム間の相関度が低下して配列アンテナ１００の信号送受信効率が増大できる。

図１７には示さないが、「Ｓ１２０」過程で割当てられた直交偏波対の偏波成分に対して偏波合成が行われる場合、「Ｓ１４０」過程の前に、「Ｓ１３０」過程で生成された多重ビーム信号の大きさおよび位相をＲＦチェーン２１０の信号の大きさおよび位相に応じて補正する動作を追加的に行うことができる。この場合、偏波合成時に偏波の方向がずれるのを防止することでビームを正確な方向に形成することができる。

図１８は、本発明の第２実施例による無線送受信装置のビーム形成方法を示す図である。

図１８を参照すれば、第２実施例による無線送受信装置１０は、図１２のように、デジタル部３００内のインターフェースと偏波合成部３２０／偏波割当部３３０との間に多重ビーム形成部が配置される構造である。

これにより、第２実施例による無線送受信装置１０の多重ビーム形成部は、入力信号に対応する多重ビーム信号を生成する（Ｓ２１０）。この時、多重ビーム形成部は、それぞれのビーム信号の位相を異なるように設定することができる。

以後、無線送受信装置１０の偏波合成部３２０は、「Ｓ２１０」過程で生成された多重ビーム信号に直交偏波対を合成する（Ｓ２２０）。この時、無線送受信装置１０は、直交する２つの偏波信号を１つの直交偏波対に合成することができる。

一例として、無線送受信装置１０は、入力信号を基準として予め定義されたＭａｔｒｉｘを用いて、４個の偏波成分、すなわち、±４５度偏波成分および垂直／水平（ｖｅｒｔｉｃａｌ／ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ）偏波成分を抽出し、抽出された偏波成分のうち直交する±４５度偏波成分を１つの直交偏波対に合成し、Ｖ／Ｈ偏波成分を他の１つの直交偏波対に合成する。

以後、無線送受信装置１０の偏波割当部３３０は、「Ｓ２２０」過程で合成された２つの直交偏波対を多重ビーム信号にそれぞれ割当てる（Ｓ２３０）。この時、偏波割当部３３０は、ビームの個数および基準ビームの偏波成分に応じて基準ビーム信号にいずれか１つの直交偏波対を割当て、基準ビーム信号に隣り合うビーム信号に他の１つの直交偏波対を割当てる。

以後、無線送受信装置１０のＲＦ部２００は、複数のＲＦチェーン２１０を介してそれぞれのビーム信号を周波数変換し（Ｓ２４０）、配列アンテナ１００の各アンテナモジュール１１０を介して互いに異なる方向性を有するビームを形成する（Ｓ２５０）。
無線送受信装置１０は、上記の過程により形成されたビームにより信号を送受信する。この時、それぞれのビームは、互いに異なる方向性を有するだけでなく、互いに隣り合うビーム同士で異種の偏波成分を有するため、隣り合うビーム間の相関度が低下して配列アンテナ１００の信号送受信効率が増大できる。

図１８には示さないが、「Ｓ２３０」過程で割当てられた直交偏波対の偏波成分に対して偏波合成が行われる場合、「Ｓ２４０」過程の前に、多重ビーム信号の大きさおよび位相をＲＦチェーン２１０の信号の大きさおよび位相に応じて補正する動作を追加的に行うことができる。この場合、偏波合成時に偏波の方向がずれるのを防止することでビームを正確な方向に形成することができる。

図１９は、本発明の第３実施例による無線送受信装置のビーム形成方法を示す図である。

図１９を参照すれば、第３実施例による無線送受信装置１０は、図１５のように、ＲＦ部２００のアナログ段に多重ビーム形成部が配置される構造である。

これにより、第３実施例による無線送受信装置１０の偏波合成部３２０は、入力信号に対するストリームに直交偏波対を合成する（Ｓ３１０）。この時、無線送受信装置１０は、直交する２つの偏波信号を１つの直交偏波対に合成することができる。

一例として、無線送受信装置１０は、入力信号を基準として予め定義されたＭａｔｒｉｘを用いて、４個の偏波成分、すなわち、±４５度偏波成分および垂直／水平（ｖｅｒｔｉｃａｌ／ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ）偏波成分を抽出し、抽出された偏波成分のうち直交する±４５度偏波成分を１つの直交偏波対に合成し、Ｖ／Ｈ偏波成分を他の１つの直交偏波対に合成する。

以後、無線送受信装置１０の偏波割当部３３０は、「Ｓ３１０」過程で合成された２つの直交偏波対を多重ビームにそれぞれ割当てる（Ｓ３２０）。この時、偏波割当部３３０は、ビームの個数および基準ビームの偏波成分に応じて基準ビームにいずれか１つの直交偏波対を割当て、基準ビームに隣り合うビームに他の１つの直交偏波対を割当てる。

無線送受信装置１０のＲＦ部２００は、複数のＲＦチェーン２１０を介して直交偏波対が割当てられたそれぞれのビームに対する偏波信号を周波数変換する（Ｓ３３０）。

以後、無線送受信装置１０の多重ビーム形成部は、「Ｓ３３０」過程で周波数変換された直交偏波対の信号の位相をそれぞれ異なるように設定することにより、アナログ多重ビーム信号を生成し（Ｓ３４０）、配列アンテナ１００の各アンテナモジュール１１０を介して互いに異なる方向性を有するビームを形成する（Ｓ３５０）。

無線送受信装置１０は、上記の過程により形成されたビームにより信号を送受信する。この時、それぞれのビームは、互いに異なる方向性を有するだけでなく、互いに隣り合うビーム同士で異種の偏波成分を有するため、隣り合うビーム間の相関度が低下して配列アンテナ１００の信号送受信効率が増大できる。

図１９には示さないが、「Ｓ３２０」過程で割当てられた直交偏波対の偏波成分に対して偏波合成が行われる場合、「Ｓ３３０」過程の前に、偏波信号の大きさおよび位相をＲＦチェーン２１０の信号の大きさおよび位相に応じて補正する動作を追加的に行うことができる。この場合、偏波合成時に偏波の方向がずれるのを防止することでビームを正確な方向に形成することができる。

以上の説明は本発明の技術思想を例示的に説明したに過ぎないものであって、本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者であれば本発明の本質的な特性を逸脱しない範囲で多様な修正および変形が可能であろう。

したがって、本発明に開示された実施例は本発明の技術思想を限定するため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り本発明の技術思想の範囲が限定されるものではない。本発明の保護範囲は以下の特許請求の範囲により解釈されなければならず、それと同等範囲内にあるすべての技術思想は本発明の権利範囲に含まれると解釈されなければならない。

Claims (14)

1. 互いに異なる方向性を有する多重ビームを形成して前記多重ビームにより信号を送受信する配列アンテナと、
   直交偏波対を合成して前記多重ビーム形成のための多重ビーム信号を生成するデジタル部と、
   前記多重ビーム信号を周波数変換して前記配列アンテナにそれぞれ出力するＲＦ部とを含み、
   前記デジタル部は、
   前記多重ビームのうち互いに隣り合うビームに異種の直交偏波対を割当て、それぞれのビームに割当てられた直交偏波対の位相をそれぞれ異なるように設定することを特徴とする無線送受信装置。
2. 前記多重ビームは、それぞれのビームが垂直および水平方向に異なる方向性を有することを特徴とする請求項１に記載の無線送受信装置。
3. 前記デジタル部は、
   異種の偏波信号から直交偏波対を合成する偏波合成部と、
   前記直交偏波対をそれぞれのビームに割当てる偏波割当部と、
   前記それぞれのビームに割当てられた直交偏波対に基づいて前記配列アンテナでの多重ビーム形成のためのビーム信号を生成する多重ビーム形成部とを含むことを特徴とする請求項１に記載の無線送受信装置。
4. 前記偏波合成部は、
   入力信号の偏波を第１直交偏波対および第２直交偏波対に変換することを特徴とする請求項３に記載の無線送受信装置。
5. 前記第１直交偏波対は、
   ±４５度直交偏波対または垂直／水平（ｖｅｒｔｉｃａｌ／ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ）直交偏波対のいずれか１つであることを特徴とする請求項４に記載の無線送受信装置。
6. 前記第２直交偏波対は、
   ±４５度直交偏波対または垂直／水平（ｖｅｒｔｉｃａｌ／ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ）直交偏波対の他の１つであることを特徴とする請求項４に記載の無線送受信装置。
7. 前記偏波割当部は、
   それぞれのビームに前記合成された第１直交偏波対または第２直交偏波対を割当てることを特徴とする請求項４に記載の無線送受信装置。
8. 前記偏波割当部は、
   それぞれのビームのうち第１ビームに第１直交偏波対を割当て、前記第１ビームに隣り合う第２ビームに前記第２直交偏波対を割当てることを特徴とする請求項７に記載の無線送受信装置。
9. 前記デジタル部は、
   ビームの個数および基準ビームの偏波成分に応じてそれぞれのビームに対する偏波割当制御信号を生成して前記偏波割当部に提供する偏波割当制御部をさらに含むことを特徴とする請求項３に記載の無線送受信装置。
10. 前記デジタル部は、
    前記ビーム信号に割当てられた直交偏波対の大きさおよび位相を補正する大きさ／位相補正部をさらに含むことを特徴とする請求項３に記載の無線送受信装置。
11. 前記デジタル部は、
    前記ビーム信号に割当てられた直交偏波対の偏波合成時の大きさおよび位相と、前記ＲＦ部のＲＦチェーンの大きさおよび位相とを比較して大きさおよび位相の補正を決定し、前記大きさ／位相補正部に補正信号を出力する偏波合成キャリブレーション部をさらに含むことを特徴とする請求項１０に記載の無線送受信装置。
12. 前記デジタル部は、
    前記配列アンテナでの多重ビーム形成のためのビーム信号を生成する多重ビーム形成部と、
    前記ビーム信号に異種の直交偏波対を合成する偏波合成部と、
    前記ビーム信号に合成されたいずれか１つの直交偏波対をそれぞれのビーム信号に割当てる偏波割当部とを含むことを特徴とする請求項１に記載の無線送受信装置。
13. 互いに異なる方向性を有する多重ビームを形成して前記多重ビームにより信号を送受信する配列アンテナと、
    入力信号に直交偏波対を合成し、それぞれのビームにいずれか１つの直交偏波対を割当てかつ、互いに隣り合うビームに異種の直交偏波対を割当てるデジタル部と、
    前記それぞれのビームに割当てられた直交偏波対の偏波信号を周波数変換し、各偏波信号の位相を設定して前記配列アンテナにビーム信号を出力するＲＦ部とを含み、
    前記ＲＦ部は、
    それぞれの偏波信号の周波数を変換する複数のＲＦチェーンと、前記周波数変換された各偏波信号の位相を異なるように設定してアナログ多重ビーム信号を生成する多重ビーム形成部とを含むことを特徴とする無線送受信装置。
14. 直交偏波対を合成して前記多重ビーム形成のための多重ビーム信号を生成するステップと、
    ＲＦチェーンを介して前記多重ビーム信号を周波数変換して配列アンテナにそれぞれ出力するステップと、
    前記配列アンテナで前記多重ビーム信号から互いに異なる方向性を有する多重ビームを形成するステップとを含み、
    前記多重ビームは、
    互いに隣り合うビームに異種の直交偏波対が割当てられ、それぞれのビームに割当てられた直交偏波対の位相がそれぞれ異なるように設定されたことを特徴とする無線送受信装置のビーム形成方法。
    

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