JP6166524B2 - ビームフォーミングの方法及び当該方法を使用する装置 - Google Patents

Description

本発明は一般に、無線通信の分野に関する。より詳細には、本発明は、ビームフォーミングが使用される無線通信の複数の方法に関する。

無線通信装置のリンクの電力量が、ビームフォーミングの使用時に大きく向上するということは公知である。図１に示すように、ビームフォーミングは、フェーズドアレイと同様に複数のアンテナの使用を含む。送信機において、信号はまず複数のアンテナにわたって分配され、次いで遅延又は位相シフトされる。ここで、当該遅延は信号伝送の方向を定義する。その一方で、受信機において、各アンテナパスにおける信号はまず遅延され、次いで合成される。ここで、当該遅延は、受信の方向に依存する。これらの遅延を生成すること、及びこれらの遅延を複数のアンテナパスの複数の信号のそれぞれに付加することは、ビームフォーマのタスクである。

狭帯域の無線通信の場合において、複数の遅延は、複数の位相シフトによって近似可能である。これらの複数の位相シフトを実現するために、複数の移相器又は複数のビームフォーマと呼ばれる複数の回路は、図２に示すように、無線装置の複数の主要な領域のうちの１つにおいて動作することによって実施される。すなわち、そのような複数の回路は、無線周波数（ＲＦ）領域、局部発振器（ＬＯ）領域、中間周波数（ＩＦ）領域（図示せず）、又はベースバンド（ＢＢ）領域において動作する。ダイレクトコンバージョンシステムの場合においてＩＦ領域は存在せず、この場合において、複数の移相器は、他の複数の領域のうちの少なくとも２つにおいて提供される。いずれの場合においても、アンテナを基準とする位相シフトは、任意の送信方向を実現できるように、３６０°の範囲を有する必要がある。

Ｃｈｕ ｅｔ ａｌ．， "ＣＭＯＳ ｐｈａｓｅ−ｓｈｉｆｔｉｎｇ ｃｉｒｃｕｉｔｓ ｆｏｒ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｂｅａｍｆｏｒｍｉｎｇ ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｒｓ"， Ａｎａｌｏｇ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔｓ ａｎｄ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ， ２００８， Ｖｏｌ． ５４ （１）， ｐｐ． ４５−５４．

無線周波数（ＲＦ）において直接的に適用されるビームフォーミング（ＢＦ）は（図２（ａ））、トランシーバにおける異なる複数の信号操作の複製が最小限に保たれるという利益を提供する。しかしながら、例えばデジタルＣＭＯＳ技術などの複数の半導体技術において、複数の無線周波数のビームフォーミングは、複数の高い損失をもたらし、また、この損失は必要とされる位相シフトに依存する。さらに、このアプローチは、小さなレイアウトの複数の寄生素子の影響を受ける。これらの不利益は、低雑音及び超低電力の複数の無線通信に適さない現在の複数のＲＦビームフォーミング技術を表す。

図２（ｂ）のＬＯ位相シフトにおいて、位相シフトはＬＯ信号に適用されて、信号パスにおいては適用されない。受信機において、高周波信号は、他の複数のアンテナパスのための複数のＬＯ信号に関して位相シフトされたＬＯ信号を用いてダウンコンバートされる。従って、各アンテナパスにおける全ての混合器は、ＬＯ信号の位相シフトされたバージョンによって操向されることが必要であるため、ＬＯパスの数を増加させることが必要である。ダウンコンバージョンの後、異なる複数のアンテナパスの複数の信号は同相になり、これらは合成可能となり、信号品質の改善をもたらす。送信機における実施例は、アップコンバージョンの前に、異なる複数のアンテナパスにわたる複数の信号の分離を必要とする。この場合において、各アンテナパスにおいて、アップコンバージョンは、他の複数のアンテナパスにおける複数のＬＯ信号に関して位相シフトされたＬＯ信号を用いて実行される。複数の無線周波数（ＲＦ）のビームフォーミングと比較すると、ＬＯパスにおけるビームフォーミングは、ダウンコンバージョン又はアップコンバージョンの複数の混合器の複製と、ＬＯ信号を異なる複数の位相器へ送るルーティングを必要とする。ちょうどＲＦビームフォーミングと同様に、高周波電力を多く必要とする複数の移相器は必要であるが、雑音と利得の要求は軽減される。また、上昇した電力消費により、このＬＯビームフォーミング技術は、低雑音及び超低電力の無線通信アプリケーションに適さない。

ベースバンドビームフォーミングにおいて、ベースバンド（ＢＢ）パスにおけるビームフォーミングは、アナログ領域又はデジタル領域において実施可能である。同相及び直交の信号方式を特徴とする複数のシステムにおける図２（ｃ）のアナログベースバンドビームフォーミングにおいて、位相シフトの調整は、複素平面上における配置の行列回転の操作を実施することによって実行される。配置の回転は、信号がＲＦ領域に変換（アップコンバート／ダウンコンバート）される場合には位相シフトに等価である。この操作は、複数の可変利得増幅器のセットを用いて実施可能であり、ここで、複素配置平面の回転は、複数の増幅器の複数の利得係数を変化させることによって制御される。デジタルベースバンドパス（図示せず）におけるビームフォーミングは、同一の原理に従って実施可能である。しかしながらこれは、アンテナパス毎に専用のデジタルパスが専用のデジタル／アナログ変換器とともに必要であるため、全てのアンテナパスにわたって無線通信の完全なアナログの機能性（複数のフィルタ、複数の可変利得増幅器、複数のＡＤＣ）の複製を必要とする。これはまた、過度の電力消費を引き起こす。

高データレートの無線通信に対して、５７〜６６ＧＨｚの周波数帯が割り当てられる。そのような通信のための複数の通信装置は、高度にダウンスケールされたＣＭＯＳを使用して有利に実施されることができる。

ＲＦ及びＬＯのビームフォーミングの複数の実施例と比較すると、ＢＢビームフォーミングは、改善した適応性と減少した電力消費及び面積とを提供するために、ＣＭＯＳの複数の実施例に最も適する。しかしながら、ＢＢビームフォーミングのシナリオは、例えば二相位相変調（ＢＰＳＫ）方式及びオン−オフ変調（ＯＯＫ）方式などの複数の単純な伝送方式に対しては適さず、ここで、複数の同相信号のみが使用される。なぜならば、上記のシナリオは、直交信号、すなわち同相成分（Ｉ）と直交成分（Ｑ）を用いた動作に特に適するためである。さらに、複数の可変利得増幅器及びベースバンドパスへの複数の信号合成器の導入は、必然的に信号品質を低減させる。

全範囲の移相器の実施の問題に対処するために、位相シフト局部発振器を使用した象限の選択（粗い位相チューニング）と、複数のＲＦ移相器の技術を使用した細かい位相シフトとの組み合わせが、非特許文献１によって提案されている。しかしながら、提案されたハイブリッドビームフォーミングの方法はまだ、高い電力消費と、処理された信号の品質に高い影響を次々にもたらす回路の高い複雑性と、従って高い信号の歪みとを欠点として持つ。

上記から、従来の複数のビームフォーミング技術は、高い複雑性と、高い電力消費と、大抵高い信号品質の劣化とを欠点として持つということが明白である。このことは大抵の場合、複雑な回路が信号のパスに挿入されるからである。多くの場合、そのような回路は、当該回路がパスに対する複数の損失を導入するように実施され、必然的に雑音を増加させて、付加的な増幅を必要とする。たとえ位相シフト回路が信号パスに配置されずに局部発振器のパスに配置されたとしても、位相シフトの全範囲の要求は、高い電力消費、面積の消費、及び複雑性をもたらす。

従って、これらの問題が克服されたビームフォーミングを実行するための複数の解決方法の必要性がある。

本発明の複数の実施形態の目的は、改善した性能を有する通信装置のハイブリッドビームフォーミングを提供することにある。改善は、１つ又はそれ以上の以下の方法により実現可能である：電力消費、信号劣化、及び／又は面積のコストの低減。しかしながら、複数の変形例において、改善は、さらにもう１つの複数の性能の測定に関して実現可能である。提供されるハイブリッドビームフォーミングのアプローチはまた、複数のＣＭＯＳ技術及び／又は高いスケーラビリティを要求する複数の技術を用いて実装された複数の通信装置に適するが、これらの技術に限定されない。

上記の目的は、本発明に係る解決法によって達成される。

本発明は、無線通信装置又は送信／受信のための信号の位相シフトを使用する任意の装置においてハイブリッドビームフォーミングを実行する方法を開示する。本方法は、少なくとも２つの異なる領域（又はパス）において、位相シフトを実行するステップを含み、各領域は、通信装置における動作周波数によって特徴付けられる。より具体的には、本発明は、第１の態様において、
複数のアンテナパスを介して受信された複数の入力信号のビームに対してビームフォーミングを受信機で実行する方法であって、本方法は、
各アンテナパスにおいて、
複数の入力信号のうちの１つ又は局部発振器信号に対して第１の位相シフト動作を実行するステップと、
１つの入力信号を局部発振器信号と混合し、１つの入力信号又は局部発振器信号は位相シフトされることによって、ベースバンド信号を得るステップと、
ベースバンド信号に対して第２の位相シフト動作を実行するステップとを実行するステップを含み、
本方法はさらに、
種々の複数のアンテナパスから出力された位相シフトされた複数のベースバンド信号を合成して、さらに処理される受信信号を得るステップを含む方法に関する。

第２の態様において、本発明は、送信機装置でハイブリッドビームフォーミングを実行する方法を開示し、また、少なくとも２つの異なる領域において位相シフトが実行される。さらに具体的には、本発明はまた、
複数のアンテナパスを介して複数の出力信号のビームに対してビームフォーミングを送信機装置で実行する方法であって、本方法は、
送信される信号を複数のベースバンド信号に分配し、各ベースバンド信号は、複数のアンテナパスのうちの１つにおいてさらに取り扱われるステップを含み、
本方法はさらに、
各アンテナパスにおいて、
複数のベースバンド信号のうちの１つに対して第１の位相シフト動作を実行するステップと、
位相シフトされたベースバンド信号を局部発振器信号と混合し、混合によって得られた信号又は局部発振器信号に対して第２の位相シフト動作を実行して、複数の出力信号のうちの１つを得るステップとを実行するステップを含むビームフォーミングを実行する方法に関する。

本発明は、少なくとも２つの異なる領域においてビームフォーミングを実行することを提案する。従って、当該ビームフォーミングはハイブリッドビームフォーミングと呼ばれる。

好ましい実施形態において、ベースバンド信号の位相シフトのステップは、アナログ信号に対して実行される。変形例として、位相シフトのステップは、デジタル信号に対して実行可能である。

有利な実施形態において、本方法は、さらなる局部発振器信号と混合することによって、中間周波数の信号を得る中間ステップをさらに含む。当該ステップが送信機側で実行されるか又は受信機側で実行されるかに応じて、混合は、位相シフトされたベースバンド信号と一緒に生じるか又は既に位相シフトが行われた可能性がある無線周波数の信号と一緒に生じる。

オプションとして、そのような中間ステップにおいても、付加的な位相シフト動作が実行される。

もう１つの実施形態において、位相シフトは、完全な（全体の）位相シフト範囲内において低減された第１の分解能を用いて実行されるか（すなわち、複数の粗いステップを有する位相調整の実行）、制限された位相シフト範囲内において前記第１の分解能に比較して高い第２の分解能を用いて実行される（すなわち、複数の細かいステップを有する複数の位相調整の実行）。これは、複数のビームフォーミングステージにおいて位相補正の実行をもたらす。第１のステージでは、位相は制限された範囲内において細かい精度を有してシフト（第１の位相シフト動作）され、第２のステージ（第２の位相シフト動作）においては、位相は完全な（全体の）位相シフトの範囲において粗い精度を有して完全に調整され、又は逆の場合もある。複数の位相シフト調整は、組み合わせられると、より低い電力消費、複数の移相器の実施例のより低い複雑性、及びより低い信号劣化で、同一の位相シフトの性能を提供するハイブリッド位相シフトを形成する。ここで、第１の位相シフト動作又は第２の位相シフト動作のいずれかは、最大分解能以下の分解能で実行されてもよい。また、第１の位相シフト動作又は第２の位相シフト動作のいずれかは、全体の位相範囲の一部のみに対して最大分解能で実行されてもよい。

本発明の他の複数の態様は、ハイブリッドビームフォーミングを利用する複数の通信装置に関する。より正確には、第３の態様において、本発明は、複数の入力信号のビームを受信する受信機構造に関する。受信機構造は、複数のアンテナパスを備え、各アンテナパスは、複数の入力信号のうちの１つを取り扱うように設けられ、各アンテナパスは、
複数の入力信号のうちの１つを局部発振器信号と混合して、ベースバンド信号を出力するように設けられた混合手段と、
混合手段に適用される入力信号又は局部発振器信号に対して位相シフトを実行するように設けられた第１の位相シフト手段と、
混合手段に接続されて、混合手段によって出力されるベースバンド信号に対して位相シフトを実行するように設けられた第２の位相シフト手段とを備え、
受信機構造は、複数のアンテナパスと接続して、第２の位相シフト手段によって出力された位相シフトされた複数のベースバンド信号を合成するように設けられた信号合成手段をさらに備える受信機構造。

第４の態様において、本発明は、複数のアンテナパスを介した複数の出力信号のビームの送信に関する。送信機構造は、送信される信号を複数のベースバンド信号に分離するように設けられた分配手段を備え、各アンテナパスは、複数の出力信号のうちの１つを取り扱うように設けられ、送信機構造は、
複数のベースバンド信号のうちの１つに対して位相シフトを実行するように設けられた第１の位相シフト手段と、
位相シフトされた複数のベースバンド信号のうちの１つを局部発振器信号と混合するように設けられた混合手段と、
混合手段によって出力された前記信号又は局部発振器信号に対して位相シフトを実行するように設けられた第２の位相シフト手段とを備える。

送信機構造又は受信機構造は、好ましい実施形態において、さらなる局部発振器信号と混合して、中間周波数の信号を生成するように設けられたさらなる混合手段を備える。オプションとして、さらなる位相シフト手段が備えられることができる。

もう１つの実施形態において、上述の受信機構造又は送信機構造は、与えられた周波数の信号を与えられた周波数の倍数の周波数の信号に変換する逓倍手段を備える。位相シフトが局部発振器パスにおいて適用される場合において、位相シフト手段は、逓倍手段の前段又は後段のいずれかに位置付けられることができ、すなわち、位相シフトは、逓倍前又は逓倍後に局部発振器信号に対して実行可能である。

本発明と従来技術に対して達成される複数の利点とを要約することを目的として、本発明のいくつかの目的及び利点は、上記の通り説明される。もちろん、全てのそのような目的又は利点が、本発明の特定の実施形態に従って達成されることができるという必要はないということは、理解されるべきである。従って、例えば、この技術分野における当業者は、本明細書において教示されるような１つの利点又は複数の利点のグループを達成または最適化する方法で、本明細書において教示または示唆され得る他の複数の目的又は複数の利点を必ずしも達成しなくとも、本発明が実施又は実行されることができると認識するであろう。

本発明の上記及び他の態様は、後述される複数の実施形態から明らか明確となり、理解されるであろう。

ビームフォーミングの従来の概念を例示する。 従来の複数のビームフォーミング技術を利用する複数の無線受信機構造を例示する。 本発明の実施形態に係る無線受信機の一例を例示する。 本発明に係る送信機側のアプローチを例示する。 本発明に係る受信機側のアプローチを例示する。 本発明の実施形態に係るベースバンドビームフォーマの可能な実施例を例示する。 本発明の実施形態に係る無線周波数ビームフォーマの１つの可能な実施例を表す。 （ａ）は、本発明の実施形態に係る局部発振器ビームフォーマの実施例を例示し、（ｂ）は、もう１つの実施形態に係る局部発振器ビームフォーマの実施例を例示する。 無線受信機におけるハイブリッドビームフォーミングを実施する可能なシステム構成を例示する。 （ａ）は、本発明の実施形態に係る細かい分解能の位相シフトの概念を例示し、（ｂ）は荒い分解能の位相シフトの概念を例示する。

本発明は、添付の複数の図面を例として参照してさらに説明され、いくつかの図において、類似の参照番号は類似の構成要素を引用する。

本発明は、特定の複数の実施形態に関して、いくつかの図面を参照して説明されるが、本発明はそれらに限定されず、複数の請求項によってのみ限定される。

さらに、明細書及び請求項において、第１の、第２の、及びこれらに類似の用語は、類似の複数の構成要素を識別するために使用されるが、時間的、空間的、順位、又は他のいかなる方法において、順序を説明するために必要ではない。そのように使用される複数の用語は適切な状況の下で交換可能であることが理解されるべきであり、また、本明細書において説明される本発明の複数の実施形態は、本明細書において説明され又は図面に例示される順序とは別の複数の順序において動作することが可能であるということが理解されるべきである。

なお、複数の請求項において使用される用語「備える」は、以下に記載される意味に制限されて解釈されるべきではない。用語「備える」は、他の複数の構成要素又は他の複数のステップを除外しない。従って、用語「備える」は、説明された複数の特徴、複数の整数、複数のステップ、又は複数の構成要素の存在の指定として解釈されるべきであるが、１つ又はそれ以上のその他の複数の特徴、複数の整数、複数のステップ、又は複数の構成要素、若しくはこれらのグループの存在又は付加を排除しない。従って、表現「装置は手段Ａ及びＢを備える」の範囲は、構成要素Ａ及びＢのみからなる複数の装置に限定されるべきではない。当該表現は、本発明に関して、装置の関連構成要素はＡ及びＢのみであることを意味する。

本明細書全体にわたって、「１つの実施形態」又は「実施形態」を参照する場合、実施形態に関連して説明される特定の特徴、構成又は特性は、本発明の少なくとも１つの実施形態に含まれる。従って、本明細書全体にわたるさまざまな位置における語句「１つの実施形態において」の表現は、その同一の実施形態を全て参照する必要はないが、全てを参照してもよい。さらに、特定の複数の特徴、複数の構成、又は複数の特性は、１つ又はそれ以上の実施形態における本開示から当業者に明らかな任意の適切な方法によって、互いに組み合わせられてよい。

同様に、本発明の複数の典型的な複数の実施形態の説明において、本発明のさまざまな特徴は時には、開示を合理化し、１つ又はそれ以上のさまざまな本発明の態様の理解を助けることを目的として、単一の実施形態、図、又はそれらの説明に一緒にまとめられるということ認識されるべきである。しかしながら、この開示方法は、請求される発明が、各請求項において明示的に記載されるよりも多くの特徴を必要とするという意図を反映しているとして解釈されるべきではない。むしろ、添付の特許請求の範囲が反映するように、本発明の態様は、単一の開示された前述の実施形態の全ての特徴よりも少ないという点にある。したがって、詳細な説明に添付された特許請求の範囲は、各請求項が本発明の個々の実施形態として独立して、この詳細な説明に明示的に組み込まれる。

さらに、ここに説明されるいくつかの実施形態は、他の複数の実施形態に含まれるいくつかの特徴を含無が、他の複数の特徴を含まない。しかしながら、異なる複数の実施形態の複数の特徴の複数の組み合わせは、当業者によって理解されるように本発明の範囲内にあり、かつ、異なる複数の実施形態を形成することが意図されている。例えば、以下の複数の請求項において、請求された任意の複数の実施形態は、任意の組み合わせにおいて実施可能である。

本発明のある複数の特徴又は複数の態様について説明するとき、特定の用語が関連するものを用いて、本発明の複数の特徴又は複数の態様の任意の特定の複数の特性を含むように制限されるために、その特定の用語が明細書において再定義されるということを暗示するとして、特定の用語の使用は意味がとられるべきではないということに注意すべきである。

本明細書において提供される説明において、多数の特定の詳細が説明される。しかしながら、本発明の複数の実施形態は、これらの特定の複数の詳細を用いずに実施されることが可能である。他の複数の例では、公知の複数の方法、複数の構造、及び複数の技術は、説明の理解を不明瞭にしないために詳細に示されていない。

本発明の複数の実施形態において、ハイブリッドビームフォーミングの方法が提案される。ビームフォーミングは、通信装置において、少なくともベースバンドパス及びもう１つの領域において実行される（図３参照）。簡単のため、図３は、受信機装置のシステム概略図を示すのみであり、送信機が単に逆方向のデータ信号の流れを有すると理解される必要がある。図３に示すシステムの中央の構成要素は混合器である。混合器において、３つのサブシステムが（電気的に、しかし実際には物理的にも）交わる。当該３つのサブシステムは、ＲＦパス（アンテナ及び混合器の間）、ＬＯパス（位相ロックループ及び混合器の間）、及びベースバンド（ＢＢ）パス（混合器及び残りのベースバンド処理チェインの間）である。図３は、位相シフトの実施のための３つの可能な配置を例示し、各配置は混合器に関する位置に関連し、すなわち無線周波数（ＲＦ）の信号パス、局部発振器（ＬＯ）パス、及びベースバンド（ＢＢ）パスにおける位置に関連する。ＲＦからベースバンドへのダイレクトコンバージョンを用いた複数の解決法以外に、さらなるオプションは、ＩＦパスにおいて実行される位相シフトを用いたＩＦ周波数へのインダイレクトコンバージョンを使用することである。位相シフトをベースバンド領域と少なくとも１つの他の領域に分割することは、より単純な回路の実施例を提供し、結果として、より低い電力消費、低減された面積、及び改善した信号の忠実度（すなわち、信号対雑音及び歪み比、ＳＮＤＲ）をもたらす。好ましい複数の実施形態において、位相シフトは、２つのステージにおいて実現され、すなわち、細かい分解能の位相シフトの複数のステップを用いたステージと、例えば直交スイッチングなどの粗い分解能の位相シフトの複数のステップを用いたステージとにおいて実現される。例えば、複数の移相器のうちの１つが、全位相シフト範囲と９０°のステップを有する直交スイッチングを使用する場合、細かい分解能の移相器の範囲は、９０°未満に低減される。すなわち、信号がＺ度（例えば、２２５°）だけ位相シフトされるとき、当該信号はまずＸ度（４５°）だけ細かい分解能でシフトされ、次いでＺ−Ｘ度（すなわち、１８０°）だけ粗い分解能でシフトされる。

提案されたハイブリッドビームフォーミングのアプローチは、無線周波数の信号パス、すなわちＲＦ領域又はＬＯ領域での信号パスにおいて実行される位相シフトと、ベースバンド周波数の信号パス、すなわちベースバンドパスにおいて実行される位相シフトとを組み合わせてもよい。すなわち、このような組み合わせは、受信機においてＲＦ信号のＢＢ信号へのダウンコンバージョンの後に、また、送信機においてＢＢ信号のＲＦ信号へのアップコンバージョンの前に行われてもよい。図４は、本発明に係るアプローチを説明する図を示す。図４Ａは送信機側のアプローチを説明する図を示し、図４Ｂは受信機側のアプローチを説明する図を示す。１つの位相シフト動作（粗い位相シフト）は、細かい位相シフトを実施するための少なくとも２番目の動作が局部発振器パス又はＲＦ領域のいずれかにおいて実行される間に、ベースバンド領域において実行される。

ビームフォーミングを複数のステージに、すなわち、粗い分解能の位相シフト（例えば直交スイッチング）及び細かい分解能の位相シフトに分割することによって、ハイブリッドビームフォーミングのアプローチは、単独で実施されるときに、無線周波数での位相シフト及びベースバンド周波数での位相シフトの両方の不利益を軽減する。

１つの実施形態において、ハイブリッドのシナリオにおいて、無線周波数の信号パス又は局部発振器の信号パスにおける移相器は、細かい分解能の位相シフト、すなわち例えば５°の細かい複数のステップを有して位相を調整する位相シフトを実行してもよい。さらに、無線周波数の信号パス又は局部発振器の信号パスでの位相シフトは、制限された範囲内において実行されてもよく、すなわち、例えば０〜９０°の範囲などの１つの象限のみにおいて動作してもよい。

ＢＢ移相器は、例えば直交スイッチングの実施例と同様に、例えば９０°のステップを有する粗い分解能の位相調整を実行してもよく、さらに、完全な（全体の）位相シフト範囲すなわち０〜３６０°において動作してもよい。

ある複数の実施形態において、提案されたハイブリッドビームフォーミングの方法は、局部発振器の位相シフトとベースバンドビームフォーミングとの組み合わせである。単独の場合において、両方の方法は、背景技術の章において説明したように、複数の半導体技術において実施されるべきことをアピールする。しかしながら、それらは複数の欠点を有する。例えばＬＯ位相シフトは、無線周波数すなわち６０ＧＨｚで動作することによって（同じことがＲＦビームフォーミングに当てはまる）、非常に多くの電力を消費する。信号パスが付加的な複数の機能ブロックを有して拡張されるために、ベースバンド位相シフトは、減少したダイナミックレンジの欠点を被る。本開示のように（少なくとも）２つの領域において位相シフトを適用することによって、それらの不利益が最小化され又は避けられている間、単独で実施されるときに各位相シフトのアプローチが提供する複数の利益は組み合わせられる。

他の好ましい複数の実施形態において、ハイブリッドビームフォーミングは、ＲＦビームフォーミングとＢＢビームフォーミングとの組み合わせとして実施される。

ハイブリッドビームフォーミングにおける複数のビームフォーミング技術の各々の実施例は、本発明のいずれの実施形態においても示されるベースバンドのビームフォーミングを始めとして、以下に説明される。

ベースバンドビームフォーミングは、アナログ領域又はデジタル領域において実施可能である。アナログのベースバンド位相シフトは、データ配置を構成する複数の信号に対して直接的に動作する。この場合において、位相シフトは配置回転に類似する。したがって、アナログのＢＢビームフォーミングは、反対方向に配置を回転する方法を実施する。これは、以下に示されるような回転行列の実施として見られる。

ＢＢビームフォーミングの従来の実施例は、回転行列の必要な複数の成分を発生する複数の可変利得増幅器に全体として基づく。そのような実施例に関する複数の主要な問題は、以下の通りである：
（１）信号パスは複数の可変利得増幅器（ＶＧＡｓ）及び複数の信号合成器を用いて拡張されて、低減した信号品質が生じる。
（２）複数の出力信号の大きさが変化しないことを確実にするために、広範な注意が払われる必要があり、すなわち、ＶＧＡｓによって発生されたｃｏｓ（）及びｓｉｎ（）に対して、以下の等式が満たされる必要がある。

提案されたハイブリッドシナリオにおいて、ベースバンドパスでの、例えば直交スイッチングの手段による粗い分解能の位相シフトのみが実現されることが必要である。細かい位相チューニングは、他の複数の信号パスのうちの１つ、すなわちＲＦパス又はＬＯパスにおいて導入される。これは、粗い移相器の実施例を大いに単純化する。この場合において、複数の位相シフトは、複数の信号線路の単純なスイッチングによって実現されてもよい。そのような場合において、複数の信号の極性は反転され（１８０°の位相シフトを得る）、当該反転は複数の異なる信号線路を単純にスワッピングすること（Ｉ^＋をＩ⁻と、又はＱ^＋をＱ⁻と）によって実現され、あるいは、Ｉ成分及びＱ成分が入れ替えられて、結果として９０°の位相シフトが得られる。図５は、信号の入れ替え動作の一例を概念的に示す。ここで、入れ替え動作は、例えば複数のデジタルゲートによって動作されることができる一連のスイッチングによって実行されてもよい。なぜならば、このＢＢ移相器の動作は純粋にデジタルであり、ＶＧＡｓが使用されるときの場合と同様に、いかなる較正も必要ないからである。さらに、そのような実施例は全体としてスイッチングに基づき、電力消費は実質上ゼロであり、かつ、信号パスはより短い（ＶＧＡｓ無し、複数のバッファ無し）。これらのことは、信号の劣化を低減させる。

ＲＦビームフォーミングにおいて、例えば各々が異なる長さを有するスイッチング可能な複数の伝送線路の手段を用いてパスにおいて可変遅延を導入することによって、位相シフトは、補償される。本アプローチは、位相シフトが周波数とともに進行するという意味で、実時間遅延を実施する。このことは、ビームフォーミングされた信号が位相歪みを有さないために、非常に幅広い信号を利用するシステムに対して重要である。伝送線路の全長が波長に等しくなる必要があるために、システムは、大きな面積を占有する。さらに、より長い複数の線路を信号パスに導入することは、信号の複数の損失をもたらし、このことは信号忠実度を低減させ、また、付加的な複数の増幅ステージの手段による補償を必要とする。

提案されたハイブリッドビームフォーミングのシナリオにおいて、ＲＦ移相器の回路の実施例は、制限された位相シフト範囲に対してのみ回路の実施を必要とするため（図６参照）、大きく単純化される。図６に示すように、例えばλ／８及びλ／１６の長さを有する２つの異なる伝送線路が必要とされ、例えば０〜９０°の制限された範囲内において、λ／１６の細かい複数のステップを有して位相シフトを調整することが可能となる。そのような実施例は、電力消費を改善し、面積のコストを著しく低減する。さらに、無線周波数で動作するスイッチの数が最小化されるため、複数のパスの損失、したがって信号劣化は最小化さる。複数の伝送線路の長さを適合させることに代えて、種々の他の解決法が、ＲＦパスにおける位相シフトを実現するための技術において可能であり、そのような解決方法は、提案されたアプローチにおいて簡単に応用されることができる。

ＬＯパスにおける複数の位相シフトは、ＬＯ信号に対して小さな複数の遅延を導入することによって実施可能であり、ＬＯ信号は、任意の従来の電圧制御発振器（ＶＣＯ）、注入同期ＶＣＯ、又は分数調波注入同期ＶＣＯによって発生されることができる。従来のＶＣＯ（図７（ａ））の場合において、複数の小さな遅延は、無線周波数信号（すなわち６０ＧＨｚ）において直接的に導入される。一方、分数調波注入同期ＶＣＯ（図７（ｂ））に対しては、複数の小さな遅延は、ＶＣＯの分数調波同期のために使用される中間周波数（ＩＦ）信号（例えば１２ＧＨｚ）において導入され、すなわち、ビームフォーマブロック

は、ＩＦ信号のＲＦへのアップスケールの前に配置される。ＲＦ信号がＩ成分及びＱ成分を含む場合において、直交ＶＣＯ又は直交分数調波注入同期ＶＣＯが代わりに使用される。

提案されたハイブリッドビームフォーマのシナリオにおいて、これは、ＬＯ移相器が位相シフトの円周の１つの象限（例えば０〜９０°）のみをカバーしてもよいを要求する。このことは、位相シフトの複数のステップの間の複数の振幅変動が無視される間に、細かい位相チューニングが信号パスを伸展することなく実施されることを意味する。直交ＶＣＯが使用される場合、このことはＬＯ信号のＩ／Ｑ成分に直接アクセスすることを可能とする。さらに、ＬＯ分配ネットワークが分数調波同期のメカニズムを用いて構築される場合、位相シフトは、例えば１２ＧＨｚの中間周波数信号（図７（ｂ））に対して直接実行されてもよく、この場合において周波数は６０ＧＨｚに逓倍される。従って、中間周波数信号に導入される複数の位相シフト

の全範囲は、（１２ＧＨｚ／６０ＧＨｚ）＝１８°だけである。このことは、位相シフトの範囲を大いに低減させ、結果として電力の抑制につながる。

無線周波数（ＲＦ、ＬＯ）の位相シフト及びベースバンド位相シフトは、組み合わせると、より低い電力消費及び面積コスト、単純化された回路の実施例、及びより低い信号劣化を有して、同一の位相シフト性能を提供するハイブリッド位相シフトを形成する。

図８は、無線受信機において提案されたハイブリッドビームフォーミングの可能なシステムの実施例を示す。本システムは、４つの全く同一のフロントエンドブロックを備え、ハイブリッドビームフォーミングは、本発明の複数の実施形態に係るＬＯパス

及びＢＢパス

において実現される。本システムは、１２ＧＨｚで動作する分数調波注入同期ＶＣＯ（ＬＯ）を実施し、細かい位相チューニングは、分数調波信号において直接的に導入される。この場合において、分数調波信号は、逓倍ブロック（×Ｎ）によって無線周波数にスケールアップされて、細かく位相シフトされたＬＯ信号が生成される。細かく位相シフトされたＬＯ信号は、信号レプリケータ（ＳＲ）においてバッファされてもよく、次いでアンテナからの信号と混合されて、細かく位相シフトされたＢＢ信号が生成される。このＢＢ信号は、さらに

において粗く位相シフトされる。この場合において、異なる複数のアンテナパスからの複数の信号は合成される。オプションとして、ベースバンド信号は、さらに低域ろ波（ＬＰＦ）及び増幅（ＶＧＡ）されてもよい。有利には、提案されたシステムはまた、スケーラブルであり、アンテナパスの数のさらなる増減を可能とする方法で構成される。ここで、主要なスケーラビリティの特徴は、各アンテナパスに対するほとんど独立型の６０ＧＨｚのダウンコンバージョンサブシステムの形成である。付加的なアンテナパスを付加することは単に、フロントエンドサブシステムの反復を必要とする。

９０ｎｍのＧＰ ＣＭＯＳ技術において実現される、この４パスフェーズドアレイ無線受信機の提案されるＬＯビームフォーミング及びＢＢビームフォーミングの実施例の全電力消費は、２２ｍＷ（４×１２ＧＨｚのＬＯ移相器）＋１６ｍＷ（複数の信号合成器を用いたＢＢビームフォーマ）である。しかしながら、最適性に劣るが、同様の電力消費は、ハイブリッドＲＦビームフォーミング及びハイブリッドＢＢビームフォーミングが代わりに使用される場合、低減の達成が可能である。

提案されたハイブリッドビームフォーミングの複数の方法は、例えばＣＭＯＳ、ＢｉＣＭＯＳ、ＧａＡｓなどの種々の半導体技術において実施されてもよい。

図９は、無線周波数（ＲＦ、ＬＯ）の信号パス及びベースバンド周波数（ＢＢ）の信号パスにおける位相シフトの複数の効果をグラフィカルに説明する。図９（ａ）は、細かい分解能の位相シフトを示し、提案されたＲＦビームフォーマ又はＬＯビームフォーマによって実行される。より具体的には、図９（ａ）は、分数調波注入同期ＶＣＯが使用されるときのＬＯパスにおける細かい位相チューニングの詳細を例示する。位相シフトは、合成されたときに例えば５°の位相シフトが得られるように、０から１の範囲にある異なる複数の係数を用いてＩ成分及びＱ成分を重み付けることによって実施される。Ａ°（例えば１５°）の位相シフトは分数調波信号において初期導入され、その分数調波信号の６０ＧＨｚへのコンバージョンの後には、結果として位相シフト変換（Ａ^Ｉ、すなわち１５°×５＝７５°）が得られる。この射影は、同一の遅延が異なる複数の周波数の異なる複数の位相シフトに対応するという事実に由来する。すなわち、射影のスケールは、異なる複数の周波数の導入された異なる複数の位相シフトの間の比率に比例する。従って、位相シフトの範囲は大きく低減される。図９（ｂ）は、ベースバンド直交スイッチングの適用によって、すなわち単純なＩ又はＱのいずれか一方の反転によって、この導入された位相シフト（Ａ^Ｉ）が全ての４つの象限（Ａ^ＩＩ〜Ａ^ＩＶ）をカバーするようにどのようにさらに変換されることができるかを示す。

提案されたハイブリッド位相シフトは結果として、有利に、数ある中でもとりわけ、より短い信号パス、及び／又はより低い回路の複雑性、及び／又はより低い電力消費及び／又は面積を導く。そのことは従って、低電力フェーズドアレイに適する。

本発明は、図面及び上記の説明において詳細に図示及び説明されたが、そのような図示及び説明は、例示として又は典型例として考慮されるべきであり、制限的に考慮されるべきではない。上記の説明は、本発明のある複数の実施形態について詳述する。しかしながら、どのように詳細に上記の説明が文章で記載されようとも、本発明は、多くの方法で実施されることができることを理解されたい。本発明は開示された複数の実施形態に限定されない。

開示された複数の実施形態とは異なる他の複数の変形例は、請求された発明を実施する技術分における当業者によって、図面、明細書、及び添付の特許請求の範囲の検討から、理解及び達成されることができる。特許請求の範囲において、用語「備える」は、他の複数の構成要素又は複数のステップを除外せず、不定冠詞「１つの」は、複数であることを除外しない。単一のプロセッサ又は他のユニットは、特許請求の範囲において列挙されるいくつかの項目の複数の機能を果たしてもよい。ある複数の対策手段が互いに異なる独立した複数の請求項において列挙されるという単なる事実は、これらの対策手段の組み合わせが有利に使用されることができないということを意味しない。コンピュータプログラムは、他のハードウェアとともに又は他のハードウェアの一部として提供される光学記憶媒体又はソリッドステート媒体のような適切な媒体上に、格納／分配されてもよいが、インターネット、又は他の有線又は無線の複数の通信回線システムを介するなどして、他の複数の方式で分配されてもよい。複数の請求項におけるいかなる参照符号も、特許請求の範囲を限定するものとして解釈されてはならない。

Claims (9)

1. 複数のアンテナパスを介して受信された複数の入力信号のビームに対してビームフォーミングを実行する方法であって、前記方法は、
   各アンテナパスにおいて、
   前記複数の入力信号のうちの１つ又は局部発振器信号に対して第１の位相シフト動作を実行するステップと、
   前記１つの入力信号を前記局部発振器信号と混合し、前記１つの入力信号又は前記局部発振器信号は前記第１の位相シフト動作により位相シフトされることによって、ベースバンド信号を得るステップと、
   前記ベースバンド信号に対して第２の位相シフト動作を実行するステップとを実行するステップを含み、
   前記方法はさらに、
   種々の複数のアンテナパスから出力された位相シフトされた複数のベースバンド信号を合成して、さらに処理される受信信号を得るステップを含み、
   前記第２の位相シフト動作は、前記第１の位相シフト動作よりも低い分解能を有し、
   前記第１の位相シフト動作は、第１の位相シフト範囲において細かいステップで実行され、
   前記第２の位相シフト動作は、前記第１の位相シフト範囲よりも大きい第２の位相シフト範囲において粗いステップで実行される方法。
2. 複数のアンテナパスを介して複数の出力信号のビームに対してビームフォーミングを実行する方法であって、前記方法は、
   送信される信号を複数のベースバンド信号に分配し、各ベースバンド信号は、前記複数のアンテナパスのうちの１つにおいてさらに取り扱われるステップを含み、
   前記方法はさらに、
   各アンテナパスにおいて、
   複数のベースバンド信号のうちの１つに対して第１の位相シフト動作を実行するステップと、
   前記第１の位相シフト動作が実行されたベースバンド信号を局部発振器信号と混合し、前記混合によって得られた信号又は前記局部発振器信号に対して第２の位相シフト動作を実行して、前記複数の出力信号のうちの１つを得るステップとを実行するステップを含み、
   前記第２の位相シフト動作は、前記第１の位相シフト動作より高い分解能を有し、
   前記第１の位相シフト動作は、第１の位相シフト範囲において粗いステップで実行され、
   前記第２の位相シフト動作は、前記第１の位相シフト範囲よりも小さい第２の位相シフト範囲において細かいステップで実行される方法。
3. 前記第１の位相シフト動作又は前記第２の位相シフト動作のいずれかは、最大分解能以下の分解能で実行される請求項１又は２に記載のビームフォーミングを実行する方法。
4. 前記第１の位相シフト動作又は前記第２の位相シフト動作のいずれかは、位相範囲の一部のみに対して最大分解能で実行される請求項１から３のうちのいずれか一項に記載のビームフォーミングを実行する方法。
5. ０°から９０°までの前記位相範囲のみがカバーされる請求項４に記載のビームフォーミングを実行する方法。
6. 複数の入力信号のビームを受信する受信機構造であって、前記受信機構造は、複数のアンテナパスを備え、各アンテナパスは、前記複数の入力信号のうちの１つを取り扱うように設けられ、各アンテナパスは、
   前記複数の入力信号のうちの１つを局部発振器信号と混合して、ベースバンド信号を出力するように設けられた混合手段と、
   前記混合手段に適用される前記入力信号又は前記局部発振器信号に対して第１の位相シフトを実行するように設けられた第１の位相シフト手段と、
   前記混合手段に接続されて、前記混合手段によって出力される前記ベースバンド信号に対して、前記第１の位相シフト手段の第１の位相シフトの分解能よりも低い分解能で第２の位相シフトを実行するように設けられた第２の位相シフト手段とを備え、
   前記受信機構造は、前記複数のアンテナパスと接続して、前記第２の位相シフト手段によって出力された位相シフトされた前記複数のベースバンド信号を合成するように設けられた信号合成手段をさらに備え、
   前記第１の位相シフトは、第１の位相シフト範囲において細かいステップを有するように構成され、
   前記第２の位相シフトは、前記第１の位相シフト範囲よりも大きい第２の位相シフト範囲において粗いステップを有するように構成される受信機構造。
7. 複数のアンテナパスを介して複数の出力信号のビームを送信する送信機構造であって、前記送信機構造は、送信される信号を複数のベースバンド信号に分離するように設けられた分配手段を備え、各アンテナパスは、前記複数の出力信号のうちの１つを取り扱うように設けられ、前記送信機構造は、
   前記複数のベースバンド信号のうちの１つに対して第１の位相シフトを実行するように設けられた第１の位相シフト手段と、
   前記第１の位相シフト動作が実行された複数のベースバンド信号のうちの１つを局部発振器信号と混合するように設けられた混合手段と、
   前記混合手段によって出力された前記信号又は前記局部発振器信号に対して、前記第１の位相シフト手段の前記第１の位相シフトの分解能よりも高い分解能で第２の位相シフトを実行するように設けられた第２の位相シフト手段とを備え、
   前記第１の位相シフトは第１の位相シフト範囲において粗いステップを有するように構成され、
   前記第２の位相シフトは前記第１の位相シフト範囲よりも小さい第２の位相シフト範囲において細かいステップを有するように構成される送信機構造。
8. 与えられた周波数の前記局部発振器信号を前記与えられた周波数の倍数の周波数の局部発振器信号に変換する逓倍手段を備える請求項６に記載の受信機構造。
9. 与えられた周波数の前記局部発振器信号を前記与えられた周波数の倍数の周波数の局部発振器信号に変換する逓倍手段を備える請求項７に記載の送信機構造。

Images