JP4938789B2 - 通信装置およびフェーズド・アレイの動作方法 - Google Patents

Description

本発明は一般に無線通信に関し、より詳細にはアンテナ送信に関する。

従来、ビームフォーミング技術を用いた携帯用アクセス・ポイント（基地局）には通常、フェーズド・アレイ構造が含まれており、この構造を用いてダウンリンク上で種々の方向に送信することが行なわれている。指向性を与えて送信する情報に加えて、アクセス・ポイントには、何らかの他の情報を全方位に送信する必要があることが多い。放送サービスとセルについての基本的な制御情報とが、全方位に送信する必要がある情報の例である。フェーズド・アレイが備える各アンテナ素子自体は全方位アンテナであるため、全方位送信は、フェーズド・アレイ内で選択されたアンテナ素子を、フェーズド・アレイ内の他のアンテナ素子よりも高い送信パワーで動作させることによって実現することができる。しかしこのアプローチは複雑な問題を呈している。たとえば、現実的な問題として、全方位送信用に用いるアンテナ素子に対応付けられる電力増幅器は、全方位送信用に用いないアンテナ素子に対応付けられる電力増幅器よりも、高い送信パワーをサポートできる必要がある。この結果、アクセス・ポイントで用いる電力増幅器の設計および配置などの因子が複雑になっている。

したがって、前述の問題を伴わずにアンテナ素子のアレイから全方位送信を実現することが望ましい。

本発明の種々の典型的な実施形態によれば、複数のアンテナ素子によるダイバーシティ・アレイとフェーズド・アレイとで、全方位送信を形成することができる。通信シグナリングが、全方位に送信すべき所望の通信信号に基づいて生成される。通信シグナリングに応じて、複数のアンテナ素子は共同して、所望の通信信号のほぼ全方位のアンテナ送信を実現する。

本発明の典型的な実施形態によれば、アンテナ素子（アンテナエレメント）のフェーズド・アレイを用いる装置またはダイバーシティ・アンテナ素子のアレイを用いる装置からの全方位送信が提供される。全送信パワーをすべてのアンテナ素子の間で等しく分配することができるとともに、所望の全方位送信が実現される。全方位送信専用の高出力増幅器を別個に設ける必要がない。

ダイバーシティ・アンテナ素子のアレイを用いる無線通信装置の場合を考える。このアレイはすなわち、アンテナ素子が互いに十分遠く離れて配置されていて、それらの対応する送信チャネルが互いに相関しないアレイである。単に説明を目的として、Ｍ個のダイバーシティ・アンテナ素子を用いる例を仮定する。そしてアンテナ素子をすべて、アンテナ素子のアレイの周囲にある複数の受信機デバイス（たとえば移動局）への信号Ｘ（ω）の全方位送信を行なうために用いる場合を考える。すなわち、本実施形態に係るアンテナ素子を用いて信号Ｘ（ω）を各受信機へ送信することで得られるチャネルは、全方位送信アンテナを用いたときに得られるチャネルと同様となるように、生成されなければならない。より具体的には、各受信機において受信されたチャネルは、アレイに対する受信機の角度に関係なく、同一の特性にならなければならない。

ｍ番目のダイバーシティ・アンテナ素子から所定の受信機までのチャネルは、Ｇ_ｍ（ω）によって示される。これは、この例の場合には、平均がゼロで分散が１の複素ガウス確率変数と仮定される。ダイバーシティ・アレイでは、当該アレイが備える複数のアンテナ素子からそれぞれ送信される各チャネルは互いに独立している。すなわち以下のようになる。

ここで、

および
δ_ｉ，ｊ＝１（ｉ＝ｊ）
δ_ｉ，ｊ＝０（他の場合）
一般に、Ｋ_Ｇ（ω_１，ω_２）＝０（｜ω_１−ω_２｜＞Δの場合）を仮定することができる。ここでΔは、Ｇ_ｉ（ω_１）のコヒーレンス・帯域幅である。信号Ｘ（ω）／√Ｍが、Ｍ個のダイバーシティ・アンテナ素子のそれぞれに供給されると想定する。これは時間ドメインではｘ（ｔ）／√Ｍと等価に表現される。この信号が、ダイバーシティ・アレイの各アンテナ素子に供給されて送信に用いられる場合、受信機で受信される信号Ｒ（ω）は以下のようになる。

Ｘ（ω）とＲ（ω）との間の有効なチャネルＱ（ω）は、式３における大カッコ内の式によって与えられる。Ｑ（ω）は、平均がゼロで分散が１のＭ個の独立したガウス確率変数の和であるので、Ｑ（ω）も平均がゼロで分散が１のガウシアンである。

チャネルＱ（ω）に対する相関関数は以下の通りである。

式７によれば、有効なチャネルＱ（ω）の統計データが、当初は前述のように仮定されたＭ個の別個のチャネルＧ_ｍ（ω）の任意のものと正確に同じであることが示される。アンテナ素子の任意のものから送信されるパワーは、すべてのアンテナ素子から送信される総パワーの１／Ｍである。

図１に、本発明の典型的な実施形態により式３〜７によって例示される動作原理を実施可能な無線通信装置について概略的に例示する。いくつかの実施形態では、図１の装置は、携帯用アクセス・ポイントまたは基地局である。図１のアクセス・ポイントは、Ｍ個のダイバーシティ・アンテナ素子のアレイ１２と、アンテナ・アレイ１２に対して通信シグナリングを供給する駆動回路１３とを備えている。全方位に送信すべき信号ｘ（ｔ）が、駆動装置１３内の概略的に１４において示されるＭ個のアンテナ送信経路のそれぞれに入力される。アンテナ送信経路は、Ｍ個のダイバーシティ・アンテナ素子のうちのそれぞれに対応するものをドライブ（駆動）する。図示したように、各アンテナ送信経路には、信号結合器（たとえば乗算器または増幅器）が含まれる。信号結合器は、信号ｘ（ｔ）を１／√Ｍに結合させて（たとえば乗算して）、対応付けられる送信信号、ｘ＿１（ｔ）、ｘ＿２（ｔ）、...ｘ＿Ｍ（ｔ）を生成する。この信号は、対応するアンテナ素子によって送信される。この結果、送信信号はすべてｘ（ｔ）／√Ｍとなる。図１の装置によって、式３〜７の動作原理が実施され、所望の信号ｘ（ｔ）のほぼ全方位送信が達成される。信号ｘ（ｔ）は、前述した周波数ドメイン信号Ｘ（ω）の時間ドメイン表現である。

次に、アンテナ素子のフェーズド・アレイを用いる無線通信装置の場合を考える。このアレイでは、アンテナ素子は、送信搬送周波数における波長のごく一部の長さだけ、互いに物理的に分離されている。この間隔によって、対応するアンテナ素子から送信される対応する信号の位相の適切な制御を基にするビームフォーミングおよび他の送信技術が容易になる。単に説明を目的として、Ｍ個のフェーズド・アレイ・アンテナ素子を用いる例を仮定する。そしてアンテナ素子をすべて、アンテナ素子のアレイの周囲に位置する複数の受信機デバイス（たとえば移動局）への信号Ｘ（ω）の全方位送信を実現するために用いる場合を考える。すなわち、アンテナ素子を用いて信号Ｘ（ω）を各受信機へ送信することで生じるチャネルが、全方位送信アンテナを用いた場合に得られるチャネルと同様になるような方法を使用して、信号Ｘ（ω）の送信が実行されなければならない。より具体的には、各受信機において受信されるチャネルは、アレイに対する受信機の角度に関係なく、特性が同じでなければならない。

すでに示したように、フェーズド・アレイ装置におけるアンテナ素子間の距離は、送信搬送周波数における波長よりもはるかに短い。この意味は、各アンテナ素子と受信機との間のチャネルの違いが、一定の（周波数に無関係な）乗法的位相因子のみであり、すなわち、電波が２つのアンテナ素子間の距離を伝搬するのに要する時間に対応する搬送周波数における位相シフトのみであるということである。ｍ番目のアンテナ素子（ｍ＝１、２、...Ｍ）と受信機との間のチャネルＧ_ｍ（ω）は、以下のように表現することができる。

ここで、ｄはアンテナ素子間の間隔（搬送周波数における波長よりもはるかに短いと仮定している）であり、λは搬送周波数における波長であり、φはアレイの法線に対する受信機の方向である。この説明例では、Ｇ_０（ω）は、平均がゼロで分散が１の複素ガウス確率変数であると仮定する。

信号Ｘ_ｉ（ω）＝Ｈ_ｉ（ω）Ｘ（ω）／√Ｍが、ｉ番目の送信アンテナ素子（ｉ＝１、２、...Ｍ）に供給されると想定する。ここでＨ_ｉ（ω）は、平均がゼロで分散が１の複素ガウス確率変数である。またこの例では、ｉ≠ｊの場合、Ｈ_ｉ（ω）およびＨ_ｊ（ω）は独立しているが、等しく分布するランダム過程であると仮定する。したがって以下のようになる。

受信機における受信信号Ｒ（ω）は以下のようになる。

今、以下のようにする。

α（ｗ）の平均はゼロであることに最初に注意されたい。α（ｗ）の相関関係は次のようになる。

Ｘ（ω）とＲ（ω）との間の有効なチャネルは、Ｑ（ω）＝Ｇ０（ω）α（ｗ）である。この有効なチャネルＱ（ω）に対する相関関数は以下のようになる。

ここで、Ｋ_Ｈ（ω_１、ω_２）を、以下を満たすように選択する。

ここでΔは、前述の式２によって規定される当初のチャネルのコヒーレンス・帯域幅である。以上のように選択した場合、Ｘ（ω）と受信機との間の有効なチャネルは、二次の統計データが全方位チャネルＧ_０（ω）の場合と同じになる。すなわち以下のようになる。

式２２の意味は、Ｘ（ω）と受信機との間のチャネルが、受信機の角度位置とは無関係であり、その二次の統計データがＧ_０（ω）の場合と正確に同じであるということである。アンテナ素子の任意のものから送信されるパワーは、すべてのアンテナ素子から送信される総パワーの１／Ｍである。

図２に、本発明の典型的な実施形態により式１０〜２２によって例示される動作原理を実施可能な無線通信装置を概略的に例示する。いくつかの実施形態によれば、図２の装置は、携帯用アクセス・ポイントまたは基地局である。図２のアクセス・ポイントは、概略的に２２において示されるＭ個のアンテナ素子のフェーズド・アレイと、アンテナ・アレイ２２に通信シグナリングを与える概略的に２３において示される駆動回路とを備える。全方位送信用の信号Ｘ（ω）が、駆動装置２３内の概略的に２４において示されるＭ個のアンテナ送信経路のそれぞれに入力される。アンテナ送信経路は、Ｍ個のアンテナ素子のうちのそれぞれに対応するものを駆動する。図示したように、各アンテナ送信経路には、信号結合器（たとえば乗算器または増幅器）が含まれる。信号結合器は、信号Ｘ（ω）を、Ｍ個のランダム波形発生器のうちのそれぞれに対応するものの出力に結合させる（たとえば乗じる）。

ランダム波形発生器（概略的に２５において示される）によって、対応する出力信号Ｈ_ｉ（ω）／√Ｍ（ｉ＝１、２、...Ｍ）が生成される。いくつかの実施形態では、ｉ≠ｊの場合、Ｈ_ｉ（ω）およびＨ_ｊ（ω）は独立しているが、等しく分布するランダム過程であり、それぞれは平均がゼロで分散が１である。信号乗算器は、ランダム波形発生器からの対応する信号を入力信号Ｘ（ω）に結合させて、概略的に２６において示される対応する周波数ドメイン信号を生成する。Ｍ個のアンテナ送信経路にはそれぞれ、概略的に２７において示される周波数−時間コンバータが含まれる。これらのコンバータ（変換器）はそれぞれ、従来技術を用いて、対応した周波数ドメイン信号２６を変換して時間ドメインにおける対応する送信信号にする。結果として生じるＭ個の時間ドメイン送信信号（ｘ１（ｔ）、ｘ２（ｔ）、...Ｍ（ｔ）で示される）を、それぞれに対応するアンテナ素子に供給し、供給された時間ドメインの送信信号を各アンテナ素子が送信する。図２の装置によって、式１０〜２２の動作原理が実施され、周波数ドメイン信号Ｘ（ω）の時間ドメイン・バージョンのほぼ全方位送信が達成される。

本発明の種々の実施形態では種々の符号変調方式が用いられる。直交周波数分割多重（ＯＦＤＭ）を用いるいくつかの実施形態では、副搬送周波数ω_ｋ上に変調された符号にＨ_ｉ（ω_ｋ）を乗算する。この場合、必要な乗算は、ＯＦＤＭ副搬送波当たり１回だけである。

前述のコヒーレント・帯域幅Δに関して言えば、このパラメータは、チャネルの遅延スプレッドに依存する。遅延スプレッド自体は、送信装置の動作環境に依存する。遅延スプレッドが大きい環境ほどコヒーレンス・帯域幅が小さく、遅延スプレッドが小さい環境ほどコヒーレンス・帯域幅が大きい。たとえば屋外の環境では、コヒーレンス・帯域幅の範囲は約２００ｋＨｚ〜約１ＭＨｚであり得る。

以上、本発明の典型的な実施形態について詳細に説明してきたが、これは本発明の範囲を限定するものではない。本発明は、種々の実施形態において実施することができる。

本発明の典型的な実施形態による無線通信装置を例示する図である。 本発明のさらなる典型的な実施形態による無線通信装置を例示する図である。

Claims (9)

1. 通信装置であって、
   複数のアンテナ素子によるフェーズド・アレイと、
   前記フェーズド・アレイに結合され、全方位に送信すべき所望の通信信号に基づいて通信シグナリングを形成するための駆動回路と、
   を備え、
   前記複数のアンテナ素子は共同して、前記通信シグナリングに応答して前記所望の通信信号のほぼ全方位のアンテナ送信を実現し、
   前記駆動回路は複数のアンテナ経路を備え、各アンテナ経路は前記複数のアンテナ素子のうち対応するアンテナ素子にそれぞれ結合されており、前記複数のアンテナ経路はそれぞれ信号結合器を備え、
   複数の前記信号結合器は、前記所望の通信信号を、それぞれに対応する確率変数の信号に結合させることを特徴とする通信装置。
2. 前記複数のアンテナ素子は、前記ほぼ全方位のアンテナ送信をしている間、ほぼ等しいパワーで送信を実行することを特徴とする請求項１に記載の通信装置。
3. 複数の前記信号結合器はそれぞれ、対応する信号乗算器を備えることを特徴とする請求項１に記載の通信装置。
4. 複数の前記信号結合器はすべて、前記所望の通信信号に対応する共通の入力信号を受信することを特徴とする請求項１に記載の通信装置。
5. 前記確率変数は互いに独立した確率変数であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の通信装置。
6. 前記確率変数はガウス変数であることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の通信装置。
7. 複数の前記信号結合器はすべて、前記所望の通信信号に対応した周波数ドメインの信号である共通の入力信号を受信し、
   前記複数の信号結合器はそれぞれ、前記共通の入力信号を他の周波数ドメインの信号に結合させて、周波数ドメインにおける結合信号を生成し、
   複数の前記アンテナ経路はそれぞれ、前記複数の信号結合器のうち対応する信号結合器に結合されたコンバータを備えており、該コンバータは、前記結合信号のうち対応する結合信号を変換して、前記複数のアンテナ素子のうち対応するアンテナ素子を駆動するための対応する時間ドメインの信号を生成するコンバータであることを特徴とする請求項４に記載の通信装置。
8. 前記複数の信号結合器はそれぞれ信号乗算器を備えることを特徴とする請求項７に記載の通信装置。
9. 複数のアンテナ素子によるフェーズド・アレイの動作方法であって、
   全方位に送信すべき所望の通信信号に基づいて通信シグナリングを形成するステップと、
   前記通信シグナリングを、前記複数のアンテナ素子間で共同で使用して、前記所望の通信信号のほぼ全方位のアンテナ送信を実行するステップと
   を含み、
   前記全方位に送信すべき所望の通信信号に基づいて通信シグナリングを形成するステップは、
   前記複数のアンテナ素子のうち対応するアンテナ素子にそれぞれ結合された複数のアンテナ経路において、前記所望の入力信号を、それぞれに対応する確率変数の信号に結合させるステップを有することを特徴とする動作方法。

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