JP6903155B2 - アンテナシステム、信号処理システム、および信号処理方法 - Google Patents

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［関連出願の参照］
本出願は、２０１７年３月２７日に中国特許庁に出願され、かつ「ＡＮＴＥＮＮＡ ＳＹＳＴＥＭ， ＳＩＧＮＡＬ ＰＲＯＣＥＳＳＩＮＧ ＳＹＳＴＥＭ， ＡＮＤ ＳＩＧＮＡＬ ＰＲＯＣＥＳＳＩＮＧ ＭＥＴＨＯＤ」と題する中国特許出願番号２０１７１０１８８２１４．Ｘの優先権を主張し、その全体が参照により本明細書に組み込まれるものとする。

本願は、通信分野に関し、特に、アンテナシステム、信号処理システム、および信号処理方法に関する。

移動体通信システムのますます高まる高容量の要件を満たすために、現在の移動体通信システムでは、多列および小間隔のアンテナアレイを使用して、比較的高い利得および狭いビーム幅を有するビームを形成し、ユーザの位置を合わせてユーザにより受信される信号を強化し、容量を増大し得る。

既存のアンテナシステムで使用される小間隔のアンテナアレイは、通常、４つの偏波共用型アンテナを含む。アンテナビームフォーミングとは、４列の共偏波アンテナが一方向にコヒーレントな重畳を実行することにより、指向性ビームを形成することを意味する。ただし、４つの無線周波数チャネルの同一パワーが４列のアンテナの振幅を同一にする。したがって、形成された指向性ビームは比較的高いサイドローブを持つ。比較的高いサイドローブは別方向のユーザに干渉し、比較的高いサイドローブはまた、エネルギーの浪費を引き起こす。デジタルビームフォーミングシステムでは、ビームの比較的良好なサイドローブ抑制を実施するために、通常、アンテナ振幅をテーパー分布にすることができる。ただし、これがシステムの低パワー利用を引き起こす。したがって、複数のビームは、数個のブリッジとパワースプリッタを含むマルチビームフォーミングネットワークを使用してさらに形成され、比較的良好なサイドローブ抑制を実現し、また比較的高いパワー利用を実現する。

しかしながら、ブリッジおよびパワースプリッタを含むマルチビームフォーミングネットワークシステムでは、ビームが形成された後にビームの方向を調整することができず、ビームの方向は固定することしかできない。したがって、弱い信号カバレッジ領域がビーム間に存在する。その結果、端末装置が弱い信号カバレージ領域に出現すると、端末装置によって受信される信号は比較的弱いか、または端末装置によって信号が一つも受信されないことさえある。

本願の実施形態は、アンテナアレイが必要なビームを形成するように、高パワーおよび低サイドローブを確保しながら受信無線周波数信号を調整する信号処理方法およびシステム、ならびにアンテナシステムを提供する。

これを考慮し、本願の第１の態様は、アンテナシステムを提供する。本システムは、
Ｎ個の無線周波数チャネル、Ｍ列のアンテナ、Ｍ−Ｎ個のパワースプリッタ、およびＭ−Ｎ個の位相シフタを含み、Ｎは偶数であり、Ｎ＜Ｍ≦２Ｎであり、前記Ｍ列のアンテナは１からＭまで順次整列され、かつアンテナアレイを形成し、隣接する２列のアンテナは隣接するシーケンス番号を持ち、前記Ｎ個の無線周波数チャネルのいずれかは、無線周波数信号を送信して前記Ｍ列のアンテナのうちの１列または２列を駆動するように構成される。

本発明のこの実施形態において、比較的少数（Ｎ）の無線周波数チャネルを使用して、比較的多数（Ｍ）のアンテナを駆動する。具体的には、１〜２列のアンテナが１つの無線周波数チャネルで駆動される。同一の無線周波数チャネルで駆動されるアンテナは、アンテナグループと呼ばれる。Ｍ列のアンテナ１０３はＮ個のアンテナグループを形成し得、各アンテナグループは１列または２列のアンテナを含む。

前記Ｍ列のアンテナは、前記Ｎ個の無線周波数チャネルから無線周波数信号を受信し、かつターゲットビームを形成するように構成され、同じ無線周波数チャネルで駆動される２列のアンテナの１列のみが前記Ｍ−Ｎ個の位相シフタの１つに接続され、また前記Ｍ−Ｎ個のパワースプリッタの１つにも接続され、前記Ｍ−Ｎ個のパワースプリッタのいずれかは、前記無線周波数チャネルに接続された前記２列のアンテナに対してパワーを分割するように構成され、前記Ｍ−Ｎ個の位相シフタのいずれかは、前記位相シフタに接続されたアンテナで受信される無線周波数信号の位相を調整するように構成される。

本発明のこの実施形態において、Ｍ列のアンテナ１０３は、信号処理システム１０２を使用することによりＮ個の無線周波数チャネル１０１に接続される。信号処理システム１０２は、Ｍ−Ｎ個のパワースプリッタおよびＭ−Ｎ個の位相シフタを含み得る。Ｍ列のアンテナのパワー分割はＭ−Ｎ個のパワースプリッタを使用して調整され、Ｍ列のアンテナ１０３が受信する無線周波数信号の位相はＭ−Ｎ個の位相シフタを使用して調整され、これによりアンテナのビームモードを調整し、結果高パワーの間は低サイドローブを持つビームが形成され、ビームの方向とビーム幅は、調整不可能なビームによりカバレッジが弱いという従来技術の問題を克服するように調整し得る。

前記Ｍ列のアンテナと前記Ｍ−Ｎ個の位相シフタの接続モードは、
Ｍが偶数の場合、前記Ｍ列のアンテナにおいて、（Ｍ／２−Ｎ／２＋１）列目から（Ｍ／２＋Ｎ／２）列目のアンテナが位相シフタに接続されず、残りのＭ−Ｎ列のアンテナが前記Ｍ−Ｎ個の位相シフタに接続されることと、Ｍが奇数の場合、前記Ｍ列のアンテナにおいて、連続するシーケンス番号を持ち、２列目からＭ列目のアンテナ内にあるＮ列のアンテナが位相シフタに接続されず、残りのＭ−Ｎ列のアンテナがそれぞれ前記Ｍ−Ｎ個の位相シフタに接続されている、または連続するシーケンス番号を持ち、１列目から（Ｍ−１）列目のアンテナ内にあるＮ列のアンテナが位相シフタに接続されず、残りのＭ−Ｎ列のアンテナがそれぞれ前記Ｍ−Ｎ個の位相シフタに接続されることとを含む。

オプションで、前記位相シフタは、１ビット位相シフタであり、前記１ビット位相シフタは、前記位相シフタに接続された前記アンテナで受信される前記無線周波数信号の前記位相を０度または１８０度に調整するように構成される。

本発明のこの実施形態において、位相シフタに接続されていないアンテナが互いに隣接していない場合、位相シフタが０度／１８０度の切り替え用の１ビット位相シフタである場合、隣接するアンテナの位相差は、切り替え中に必ず１８０度になる。これにより必然的に、生成されたビームは比較的良好なビームにならないようにする。

本願の第１の態様を参照し、本願の第１の態様の第１の実装は、
Ｎの値が４であり、Ｍの値が８であり、前記４つの無線周波数チャネル、前記８列のアンテナ、前記４つのパワースプリッタ、および前記４つの位相シフタの接続モードは、
シーケンス番号１と５、２と６、３と７、および４と８を持つアンテナがそれぞれシーケンス番号１、２、３、４の無線周波数チャネルで駆動され、各無線周波数チャネルで駆動される２列のアンテナが１つのパワースプリッタを使用して接続されることであり、第１、第２、第７、および第８列のアンテナが位相シフタに接続される。

オプションで、４つのアンテナグループ間のアンテナ間隔は０．５λであり、前記４つのパワースプリッタのうちの２つのパワースプリッタの出力のパワー分割比は３：７であり、他の２つのパワースプリッタの出力のパワー分割比は１：４である。

オプションで、前記アンテナは、偏波共用型アンテナであり、前記偏波共用型アンテナは、＋４５度で偏光されたアンテナ素子と、−４５度で偏光されたアンテナ素子とを備える。

本願の第２の態様は、信号処理システムを提供する。本システムは、
本願の第１の態様および本願の第１の態様の第１の実装における前記Ｍ−Ｎ個のパワースプリッタおよび前記Ｍ−Ｎ個の位相シフタを備える。

本願の第３の態様は、信号処理方法を提供する。本方法は、
前記Ｎ個の無線周波数チャネルが無線周波数信号を前記Ｍ列のアンテナに送信するときに、前記ターゲットビームに基づいて前記Ｍ列のアンテナの各列に対してパワーを分割するステップと、前記Ｍ列のアンテナが前記ターゲットビームを形成するように、前記Ｍ列のアンテナの各列で受信される無線周波数信号の位相を前記ターゲットビームに基づいて調整するステップとを含む。

本願の第４の態様は、コンピュータ可読記憶媒体を提供する。本コンピュータ可読記憶媒体は、命令を格納する。前記命令がコンピュータ上で実行されると、前記コンピュータは上述の態様による方法を実行できるようになる。

本願の第５の態様は、命令を含むコンピュータプログラム製品を提供する。コンピュータプログラム製品がコンピュータ上で実行されると、前記コンピュータは上述の態様による方法を実行できるようになる。

本願の実施形態は以下の利点を有することが前述の技術的解決策から知ることができる。

Ｎ個の無線周波数チャネル、Ｍ列のアンテナ、Ｍ−Ｎ個のパワースプリッタ、およびＭ−Ｎ個の位相シフタ（Ｎは偶数であり、Ｎ＜Ｍ≦２Ｎ）を含むアンテナシステムにおいて、Ｍ列のアンテナはＮ個の無線周波数チャネルで駆動されるため、Ｍ列のアンテナがターゲットビームを形成し、同一無線周波数チャネルで駆動される２列のアンテナについては、１列のアンテナのみが、位相シフタに接続されたアンテナによって受信される無線周波数信号の位相を調整するように構成されたＭ−Ｎ個の位相シフタの１つに接続され、また
無線周波数チャネルに接続された２列のアンテナに対しパワーを分割するように構成されたＭ−Ｎ個のパワースプリッタの１つにも接続され、これにより、無線周波数チャネルのパワーが高く、低サイドローブを有するビームが形成される間に、ビームのサイズと方向を動的に調整でき、サービス対象のセルまたはセクタはカバレッジが弱い領域がない。

図１は、本願の実施形態によるアンテナシステムの実施形態の概略図である。 図２は、本願の実施形態によるアンテナシステムの別の実施形態の概略図である。 図３Ａは、本願の実施形態によるアンテナシステムの別の実施形態の概略図である。 図３Ｂは、本願の実施形態によるアンテナシステムで形成されるビームの概略図である。 図３Ｃは、本願の実施形態によるアンテナシステムで形成される別のビームの概略図である。 図３Ｄは、本願の実施形態によるアンテナシステムで形成される別のビームの概略図である。 図４は、本願の実施形態による信号処理方法の実施形態の概略図である。 図５は、本願の実施形態による信号処理システムの実施形態の概略図である

本願の実施形態は、アンテナアレイが必要なビームを形成するように、高パワーおよび低サイドローブを確保しながら受信した無線周波数信号を調整するためのアンテナシステム、信号処理システム、および信号処理方法を提供する。

本願の実施形態における技術的解決策を当業者にとってより理解しやすくするために、以下、本願の実施形態での添付図面を参照して本願の実施形態における技術的解決策を明確かつ完全に説明する。明らかに、説明される実施形態は、本願の実施形態のすべてではなく、一部にすぎない。

本願の明細書、特許請求の範囲、および添付図面において、「第１」、「第２」、「第３」、「第４」などの用語（もしあれば）は、同様の対象を区別することを意図しており、特定の順序または順番を必ずしも示すとは限らない。そのように称されたデータは、本明細書に記載の実施形態を本明細書に示したまたは説明した順序以外の順序で実装できるように、適切な状況で交換可能であることを理解されたい。また、「含む」、「含有する」およびその他の変異形は、非排他的な包含を網羅することを意味する。例えば、一連のステップまたはユニットを含むプロセス、方法、システム、製品、またはデバイスは、明示的にリストされたステップまたはユニットに必ずしも限定されず、明示的にリストされていない、あるいはそのようなプロセス、方法、製品、またはデバイスに固有の別のステップまたはユニットを含んでもよい。

本願の実施形態では、移動通信システムにマルチカラムおよび小間隔のアンテナアレイを使用して、狭ビーム幅を有するビームを形成し、ユーザを位置合わせし、それによってユーザにより受信される信号を強化し得る。しかし、このように形成されたビームは比較的高いサイドローブを持ち、これは別の方向のユーザに干渉し、エネルギーの浪費も引き起こす。ビームの比較的良好なサイドローブ抑制を実施するために、数個のブリッジとパワースプリッタを含むマルチビーム形成ネットワークを使用することにより、複数のビームを形成し得る。数個のアンテナアレイポートは、ビームフォーミングネットワークを介して数個のビームポートを得て、比較的良好なサイドローブ抑制を実現し、比較的高いパワー利用を実現する。ただし、形成されたビームの方向は調整できないため、信号カバレッジが弱い領域がビーム間に存在する。

したがって、本願の実施形態は、無線周波数チャネルのパワーが高く、低サイドローブを有するビームが形成される間に、ビームのサイズおよび方向を動的に調整できるアンテナシステムを提供する。サービス対象のセルまたはセクタはカバレッジが弱い領域がない。

理解を容易にするために、以下、本願のこの実施形態におけるアンテナシステムについて説明する。図１は、アンテナシステム１００を示す。アンテナシステム１００は、
Ｎ個の無線周波数チャネル１０１、信号処理システム１０２、およびＭ列のアンテナ１０３（Ｎは偶数、Ｎ＜Ｍ≦２Ｎ）を含み、Ｍ列のアンテナは１からＭまで順次整列され、アンテナアレイを形成し、２つの隣接する列のアンテナは隣接するシーケンス番号を持ち、Ｎ個の無線周波数チャネル１０１は無線周波数信号をＭ列のアンテナ１０３に送信するように構成され、信号処理システム１０２は無線周波数信号を受信するように構成され、ターゲットビームに基づいて無線周波数信号を処理し、Ｍ列のアンテナ１０３は、信号処理システムによって処理された無線周波数信号に基づいてターゲットビームを形成するように構成される。

本願のこの実施形態では、アンテナは変換器であり、伝送線を伝搬するパイロット波を非結合媒体（通常は自由空間）を伝搬する電磁波に変換するか、逆に変換する。１列のアンテナの指向性は制限されていることに留意されたい。さまざまなシナリオでの適用に適するために、バッテリー給電と空間配置が要件に基づいて、同一周波数で動作する複数列のアンテナで実行され、アンテナアレイを形成する。Ｍ列のアンテナは、アンテナアレイである。Ｍ列のアンテナを含むアンテナアレイでは、Ｍ列のアンテナの各列は１からＭまでのシーケンス番号を持つ。隣接するシーケンス番号を持つ２列のアンテナは、アンテナアレイ内で隣接する物理的な位置を持つ。例えば、シーケンス番号４と５を持つアンテナは隣接している。

本発明のこの実施形態では、比較的少数（Ｎ）の無線周波数チャネルを使用して、比較的多数（Ｍ）のアンテナを駆動する。具体的には、１から２列のアンテナが１つの無線周波数チャネルで駆動される。同一無線周波数チャネルで駆動されるアンテナは、アンテナグループと呼ばれる。Ｍ列のアンテナ１０３は、Ｎ個のアンテナグループを形成することができ、各アンテナグループは１または２列のアンテナを含む。

Ｍ列のアンテナがＮ個のアンテナグループを形成し、各アンテナグループが１から２列のアンテナを含むため、ＭがＮより大きく２Ｎ以下であることは明らかであることに留意されたい。例えば、アンテナアレイは８列のアンテナを有し、８列のアンテナのシーケンス番号はそれぞれ１、２、３、．．．、７、８である。位相シフタに接続されていないアンテナはシーケンス番号２、３、４、５を持ち、位相シフタに接続されたアンテナはシーケンス番号１、６、７、８を持つ。シーケンス番号２、３、４、５を持つ複数列のアンテナのうちの１列のアンテナおよびシーケンス番号１、６、７、８を持つ複数列のアンテナのうちの１列のアンテナは、１つのアンテナグループを形成してもよい。

１から４までのシーケンス番号を持つ１列のアンテナおよび５から８までのシーケンス番号を持つ１列のアンテナは、アンテナグループを形成する。Ｍが７などの奇数である場合、シーケンス番号４を持つアンテナ列は、アンテナグループを個別に形成し得る。

Ｎが奇数である場合、位相シフタおよびパワースプリッタの両方が無線周波数チャネルに対応する重み付け値を見つけることができず、特定の方向および低二次ローブを有する狭ビームを形成することに留意されたい。したがって、本発明のこの実施形態では、Ｎは偶数である必要がある。

本発明のこの実施形態では、Ｍ列のアンテナ１０３は、信号処理システム１０２を使用することによりＮ個の無線周波数チャネル１０１に接続される。信号処理システム１０２は、Ｍ−Ｎ個のパワースプリッタおよびＭ−Ｎ個の位相シフタを含み得る。Ｍ列のアンテナに対するパワー分割はＭ−Ｎ個のパワースプリッタを使用して調整され、Ｍ列のアンテナ１０３が受信する無線周波数信号の位相はＭ−Ｎ個の位相シフタを使用して調整され、これによりアンテナのビームモードを調整し、その結果高パワーの間に低サイドローブを持つビームが形成され、ビームの方向とビーム幅を調整して、調整不可能なビームによるカバレッジが弱いという従来の問題を克服し得る。

本願のこの実施形態におけるアンテナシステム１００の全体のフレームワークは上述されている。以下、本願の本実施形態のアンテナシステム１００における信号処理システム１０２と、アンテナシステム１００の構成要素間の接続関係について詳細に説明する。

図２に示されるように、アンテナシステム１００は、Ｎ個の無線周波数チャネル１０１、Ｍ列のアンテナ１０３、および信号処理システム１０２を含む。信号処理システム１０２は、Ｍ−Ｎ個のパワースプリッタおよびＭ−Ｎ個の位相シフタ（Ｎは偶数、Ｎ＜Ｍ≦２Ｎ）を含む。

Ｍ列のアンテナにおいて、同一無線周波数チャネルで駆動される２列のアンテナに対して、１列のアンテナのみがＭ−Ｎ個の位相シフタの１つに接続され、Ｍ−Ｎ個のパワースプリッタの１つにも接続される。位相シフタは、位相シフタに接続されたアンテナによって受信される無線周波数信号の位相を調整するように構成される。パワースプリッタは、無線周波数チャネルに接続された２列のアンテナに対してパワーを分割するように構成されている。

いくつかの実現可能な実施形態では、パワースプリッタは、入力信号エネルギーの単一経路を、同等または不同の出力エネルギーの２つ以上の経路に分割する、または信号エネルギーの複数の経路を出力エネルギーの単一経路に組み合わせるデバイスである。パワースプリッタは通常、出力に基づいて１対２（１入力と２出力）のパワースプリッタ、１対３（１入力と３出力）のパワースプリッタなどに分割される。

パワースプリッタが無線周波数チャネルを介して送信された無線周波数信号を受信するとき、パワースプリッタは２列のアンテナのパワーを分割し、アンテナアレイが無線周波数信号を受信したときに、必要なビームが形成され、無線周波数チャネルのパワーを減少する必要はなく、最高パワーの利用が保証され得る。アンテナグループが１列のアンテナである場合、パワースプリッタは必要ないことに留意されたい。

パワーは、単位時間内にオブジェクトによって行われる仕事を指すことに留意されたい。つまり、パワーは仕事をする速度を記述するための物理量である。本願のこの実施形態では、パワー利用を計算する方法は、送信パワー／全無線周波数パワー能力である。

本願のこの実施形態では、Ｍ−Ｎ個の位相シフタのいずれかは、２列のアンテナを含み、Ｎ個のアンテナグループ内にあるアンテナグループの１列のアンテナに接続され、ターゲットビームに基づいて、位相シフタに接続されたアンテナによって受信される無線周波数信号の位相を調整するように構成される。

位相シフタは、無線周波数信号の位相を調整できる装置である。位相シフタは、レーダ、ミサイルの姿勢制御、加速器、通信、楽器、また音楽などの分野でも広く使用されている。位相シフタは、アンテナアレイと無線周波数チャネルとの間に接続されてもよく、ターゲットビームに基づいて、受信される無線周波数信号の位相を調整するように構成される。位相シフタは、高精度の位相シフタでもよく、あるいは低精度の位相シフタでもよい。これはここでは限定されない。本願のこの実施形態では、高精度位相シフタまたは低精度位相シフタを使用することにより有益な効果を達成することができる。したがって、コスト削減を考慮して、低精度の位相シフタの使用を優先してもよい。

アンテナによって形成されるターゲットビームの目標方向は、無線周波数信号の位相を調整することによって調整されることに留意されたい。目標位相は、目標方向に基づいて決定され得る。位相シフタは目標位相に調整され、ビームの方向は目標方向に基づいて決定され、必要な目標位相はビームの方向に基づいて決定され得る。

電磁波の位相は３つの部分、すなわち時間位相、空間位相、および初期位相を含むことに留意されたい。初期位相の場合、送信チャネルと動作周波数が決定された後、電磁波の初期位相が決定される。数列の電磁波が遭遇する瞬間に、時間位相も決定され、空間位相のみが変化する可能性がある。アンテナアレイを形成するユニット内のアンテナの位置は異なり、ユニット内のアンテナから送信された電磁波が同じ受信エリアに送信される空間経路は異なる。このようにして、空間位相の値を異ならせる。したがって、調整された目標位相は、実際には空間位相の値である。

いくつかの実施可能な実施形態では、ターゲットビームは、１つの端末または数個の近接端末の方向である目標方向を含む。形成されたビームは、位置合わせに使用されてもよい。ビームは、狭ビーム、具体的には、ビーム幅が比較的小さく、ゲインが比較的大きいビームであってもよい。いくつかの他の実現可能な実施形態では、比較的広いビームが代替的に形成されてもよい。これはここでは限定されない。ビームとは、地表のアンテナアレイから送信される電磁波によって形成される形状を指すことに留意されたい。

本願のこの実施形態では、目標方向は、事前設定された方向でもよく、または、サービス対象端末に基づいて決定されてもよい。例えば、目標方向は常にサービス対象端末を位置合わせし、端末と共に移動する、あるいは、プロトコルに従って特定の時間内に、例えば、一定の時間内に、特定の方向を指し、サービス対象を位置合わせし、かつ目標を１回または数回指示してもよい。さらに、目標方向を設定する別の方法もあり得る。これはここでは限定されない。

いくつかの実施可能な実施形態では、信号処理システムは、パッシブネットワークを形成するために、別のパッシブコンポーネントをさらに含み得る。これはここでは限定されない。

Ｍ列のアンテナとＭ−Ｎ個の位相シフタの接続モードは、
Ｍが偶数の場合、Ｍ列のアンテナにおいて、（Ｍ／２−Ｎ／２＋１）列目から（Ｍ／２＋Ｎ／２）列目のアンテナが位相シフタに接続されず、残りのＭ−Ｎ列のアンテナがＭ−Ｎ個の位相シフタに接続されることと、
Ｍが奇数の場合、Ｍ列のアンテナにおいて、連続するシーケンス番号を持ち、２列目からＭ列目のアンテナ内にあるＮ列のアンテナが位相シフタに接続されず、残りのＭ−Ｎ列のアンテナがそれぞれＭ−Ｎ個の位相シフタに接続されている、または連続するシーケンス番号を持ち、１列目から（Ｍ−１）列目のアンテナ内にあるＮ列のアンテナが位相シフタに接続されず、残りのＭ−Ｎ列のアンテナがそれぞれＭ−Ｎ個の位相シフタに接続されることとを含む。

本発明のこの実施形態では、位相シフタに接続されていないアンテナが互いに隣接していない場合、位相シフタが０度／１８０度の切り替えをする１ビット位相シフタである場合、隣接アンテナの位相差は、切り替え中に必ず１８０度になる。これにより必然的に、生成されたビームが比較的良好なビームにならないようにする。

３ｄＢのビーム幅およびビームのサイドローブに影響を与える主要因は、アンテナアレイの列の励起振幅であり、ビームの方向に影響を与える主要因はアンテナアレイの列の励起位相であることに留意されたい。特定の方向とローサイドローブを持つ狭ビームを得るには、アンテナの位相が算術的進行を形成し、振幅がテーパー分布にあることが満足される必要がある。等差数列の差はΔφ＝ｄ・ｓｉｎθであるが、通常、θは１５０度未満、ｄはアレイ内の列間隔、θはビームの方向である。上述したように、隣接するアンテナの位相差が１８０度の場合、特定の方向と低サイドローブを持つ狭ビームは形成できない。

オプションで、Ｍ列のアンテナのうちの１つのアンテナは偏波共用型アンテナである。偏波共用型アンテナは、＋４５度で偏波されたアンテナ要素と−４５度で偏波されたアンテナ要素である。

偏波共用型アンテナは、＋４５度および−４５度の偏波方向に互いに直交し、同時に二重モードで動作するアンテナを組み合わせるアンテナ技術であることに留意されたい。通常、デジタルモバイル通信ネットワークの指向性の基地局（３つのセクタ）に対しては６つのアンテナを使用する必要がある。２つのアンテナ（スペースダイバーシティ、１Ｔ２Ｒ）が各セクタに使用される。偏波共用型アンテナを使用する場合、各セクタに必要なアンテナは１つだけである。さらに、偏波共用型アンテナであるため、±４５度の偏波直交性により、＋４５度と−４５度の２つのアンテナ間の分離が、アンテナ分離の相互変調の要件を確実に満たす。さらに、偏波共用型アンテナは、リモート電気チルト型アンテナの利点を持つ。モバイル通信ネットワークでは、リモート電気チルト型アンテナのような偏波共用型アンテナを使用することで、コール損失を減少させ、干渉を減少させ、ネットワーク全体のサービス品質を向上させることができる。

図３に示すように、Ｎの値が４、Ｍの値が８、および４つの無線周波数チャネル、８列のアンテナ、４つのパワースプリッタ、４つの位相シフタの接続モードというのは、シーケンス番号１と５、２と６、３と７、４と８を持つアンテナがシーケンス番号１、２、３、４を持つ無線周波数チャネルでそれぞれ駆動され、各無線周波数チャネルで駆動される２列のアンテナが１つのパワースプリッタを使用して接続されることであり、１列目、２列目、７列目、および８列目のアンテナが位相シフタに接続されることが一例として用いられる。

４つのアンテナグループ間のアンテナ間隔は０．５λであり、ここでλは波長である。４つのパワースプリッタのうちの２つのパワースプリッタの出力のパワー分割比は３：７であり、他の２つのパワースプリッタの出力のパワー分割比は１：４である。Ｍ列のアンテナのうちの１つのアンテナは偏波共用型アンテナである。偏波共用型アンテナは、＋４５度で偏波されたアンテナ要素と、−４５度で偏波されたアンテナ要素である。

アンテナビームモード１は（無線周波数チャネルの加重値表）である。

４つのトランシーバチャネルのパワーは一定であり、パワー利用は１００％である。以下の表に示すビーム形状が形成されてもよい。

無線周波数チャネルに接続された２列のアンテナに対しパワースプリッタによって実行されるパワー分割に基づいて、以下のアンテナ加重値表が取得される：（アンテナ加重値表）。

前述のすべてのビームは狭ビームであり、テーパー分布における振幅（中央が高く、両側が低い）はサイドローブ抑制に有益であり、等差分布における位相は方向が異なるビームを形成することに留意されたい。

図３Ｂを参照して、以下のパラメータは各ビームについて取得されてもよい。

アンテナビームモード２：４つのトランシーバチャネルのパワーは一定であり、パワー利用は１００％である。以下のビーム形状（ビームパラメータ）が形成されてもよい。

図３Ｃを参照して、以下のパラメータ値（ＴＲＸチャネル加重値表）は、各ビームについて取得されてもよい。

無線周波数チャネルに接続された２列のアンテナに対しパワースプリッタによって実行されるパワー分割に基づいて、以下のアンテナ加重値表（アンテナ加重値表）が取得される。

前述のすべてのビームは狭ビームであり、テーパー分布における振幅（中央が高く、両側が低い）はサイドローブ抑制に有益であり、等差分布における位相は方向が異なるビームを形成することに留意されたい。

上記の表から、本願では、パワー利用率が１００％で、サイドローブ抑制が比較的良好な状態で、位相シフタおよびパワースプリッタを調整することにより、ビームの方向が制御でき、ビーム幅も制御でき、サイドローブレベルがさらに制御でき、最終的に、目標方向を指すビームが形成されることがわかる。最後に、図３Ｄに示すビームを形成でき、１２０度のセクタのシームレスな適用範囲を実現できる。

ビームフォーミングは通常２つ以上のローブを有することに留意されたい。放射強度が最大のローブは、メインローブと呼ばれる。残りのローブは、二次ローブまたはサイドローブと呼ばれる。メインローブの最大放射方向の２つの側で放射強度が３ｄＢ減少する（ｄＢはデシベル、つまりパワー密度が半分に減少される）２点間の挟角は、ローブ幅として定義される（ビーム幅とも称す）。ローブの幅が小さいほど、指向性が良くなり、作動距離が長くなり、干渉耐性が強くなる。「サイドローブレベル」とは、２つのパワーまたは電圧の比の対数を指し、たまに２つの電流の比の対数を示すために使用される場合がある。一般に、サイドローブレベルが小さいほど、機能の無駄が少ないことを示し、ビームの品質が優れていると見なし得る。

したがって、アンテナシステムは、無線周波数チャネルのパワーが高く、低サイドローブを有するビームが形成される間に、ビームのサイズおよび方向を動的に調整できることを確実にすること、およびサービス対象のセルまたはセクタはカバレッジが弱い領域がないことが学習し得る。

いくつかの実施可能な実施形態では、位相シフタは、１ビット位相シフタ、すなわち、位相シフタに接続されたアンテナによって受信される無線周波数信号の位相をターゲットビームに基づいて０度または１８０度に調整する位相シフタであってもよい。ビームのサイズと方向は、パワーが高く、サイドローブの低いビームが形成される間に動的に調整することもできる。詳細はここでは再度説明しない。

本願の実施形態におけるアンテナシステム１００は上述されている。以下、本願の実施形態における信号処理方法を説明する。

図４は、Ｎ個の無線周波数チャネルおよびＭ列のアンテナを含むアンテナシステムに適用可能な信号処理方法を示す。本メソッドは以下を含む。

４０１：Ｎ個の無線周波数チャネルが無線周波数信号をＭ列のアンテナに送信するとき、信号処理システムは、ターゲットビームに基づいてＭ列のアンテナの各列のパワーを分割する。

４０２：信号処理システムは、ターゲットビームに基づいて、Ｍ列のアンテナがターゲットビームを形成するように、Ｍ列のアンテナの各列によって受信される無線周波数信号の位相を調整する。

図５に示すように、本願の実施形態は、信号処理システム５００をさらに提供する。システム５００は、
Ｎ個の無線周波数チャネルが無線周波数信号をＭ列のアンテナに送信するとき、ターゲットビームに基づいてＭ列のアンテナの各列のパワーを分割するように構成されたパワー分割モジュール５０１と、
Ｍ列のアンテナがターゲットビームを形成するように、Ｍ列のアンテナの各列が受信する無線周波数信号の位相をターゲットビームに基づいて調整するように構成された位相シフトモジュール５０２とを含む。

本願の実施形態は、命令を含むコンピュータ可読記憶媒体を提供する。命令がコンピュータで実行されると、コンピュータはステップ４０１および４０２において方法を実行できるようになる。

当業者は、便宜的で簡単な説明のために、前述の実施形態のステップ４０１および４０２、および信号処理システム５００の特定の作業プロセスについて、アンテナシステムの実施形態における対応するプロセスを参照することを明確に知り得る。詳細はここでは再度説明しない。

本願で提供されるいくつかの実施形態では、開示されたシステム、装置、および方法は、他の方法で実装され得ることを理解されたい。例えば、記載された装置の実施形態は単なる一例である。例えば、ユニット分割は単なる論理的な機能分割であり、実際の実装では他の分割であってもよい。例えば、複数のユニットまたは構成要素を結合または統合して別のシステムにしたり、一部の機能を無視または実行しない場合もある。さらに、表示または説明された相互結合または直接結合または通信接続は、一部のインタフェースを使用して実装し得る。装置またはユニット間の間接的な結合または通信接続は、電子的、機械的、あるいは他の形式で実現されてもよい。

別個の部分として記載されたユニットは、物理的に分離されてもされなくてもよく、ユニットとして表示された部分は、物理ユニットであってもなくてもよく、一箇所に配置されてもよく、または複数のネットワークユニットに分散されてもよい。ユニットの一部またはすべては、実施形態の解決策の目的を達成するために、実際の要件に基づいて選択されてもよい。

さらに、本願の実施形態における機能ユニットは、１つの処理ユニットに統合されてもよく、または各ユニットが物理的に単独で存在してもよく、または２つ以上のユニットが１つのユニットに統合されてもよい。統合ユニットは、ハードウェアの形式で実装されてもよいし、ソフトウェア機能ユニットの形式で実装されてもよい。

統合ユニットがソフトウェア機能ユニットの形式で実装され、独立した製品として販売または使用される場合、統合ユニットはコンピュータ可読記憶媒体に格納されてもよい。そのような理解に基づいて、本質的には本願の技術的解決策、または従来技術に寄与する部分、または技術的解決策のすべてまたは一部は、ソフトウェア製品の形式で実装されてもよい。ソフトウェア製品は、記憶媒体に格納され、本願の実施形態で説明された方法のすべてまたは一部のステップを実行するようにコンピュータデバイス（パーソナルコンピュータ、サーバ、ネットワークデバイスなどであってもよい）に指示するためのいくつかの命令を含む。前述の記憶媒体は、ＵＳＢフラッシュドライブ、リムーバブルハードディスク、読み取り専用メモリ（ＲＯＭ、Ｒｅａｄ−Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ、Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、磁気ディスク、または光ディスクなどの、プログラムコードを格納できる任意の媒体を含む。

前述の実施形態のすべてまたは一部は、ソフトウェア、ハードウェア、ファームウェア、またはそれらの任意の組み合わせによって実装され得る。ソフトウェアを使用して実施形態を実施する場合、実施形態は、コンピュータプログラム製品の形式で完全にまたは部分的に実施し得る。

コンピュータプログラム製品は、１つ以上のコンピュータ命令を含む。コンピュータプログラム命令がコンピュータにロードされ実行されると、本願の実施形態による手順または機能はすべてまたは部分的に生成される。コンピュータは、汎用コンピュータ、専用コンピュータ、コンピュータネットワーク、または他のプログラム可能な装置であってもよい。コンピュータ命令は、コンピュータ可読記憶媒体に格納されてもよいし、コンピュータ可読記憶媒体から別のコンピュータ可読記憶媒体に送信されてもよい。例えば、コンピュータ命令は、有線（例えば、同軸ケーブル、光ファイバ、またはデジタル加入者回線（ＤＳＬ））あるいはワイヤレス（例えば、赤外線、無線、マイクロ波）の方法でＷｅｂサイト、コンピュータ、サーバ、またはデータセンターから別のＷｅｂサイト、コンピュータ、サーバ、またはデータセンターに送信されてもよい。コンピュータ可読記憶媒体は、コンピュータあるいは１つまたは複数の使用可能な媒体を統合するサーバまたはデータセンターなどのデータ記憶装置によってアクセス可能な任意の使用可能な媒体であってもよい。使用可能な媒体は、磁気媒体（例えば、フロッピーディスク、ハードディスク、磁気テープ）、光学媒体（例えば、ＤＶＤ）、半導体媒体（例えば、ソリッドステートドライブ（Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｄｉｓｋ （ＳＳＤ））などであってもよい。

結論として、上述の実施形態は、本願の技術的解決策を説明することのみを意図しており、本願を限定することは意図していない。本願は、上述の実施形態を参照して詳細に説明されているが、当業者は、本願の実施形態の技術的解決策の範囲から逸脱することなく、上述の実施形態で説明された技術的解決策に変更を加えるか、あるいはその技術的特徴に同等の置換を行うことができることを理解されたい。

Claims (9)

1. Ｎ個の無線周波数チャネル、Ｍ列のアンテナ、Ｍ−Ｎ個のパワースプリッタ、およびＭ−Ｎ個の位相シフタから構成されるアンテナシステムであって、Ｎは偶数であり、Ｎ＜Ｍ≦２Ｎであり、前記Ｍ列のアンテナは１からＭまで順次整列され、かつアンテナアレイを形成し、隣接する２列のアンテナは隣接するシーケンス番号を持ち、
   前記Ｎ個の無線周波数チャネルのいずれかは、無線周波数信号を送信して前記Ｍ列のアンテナのうちの１列または２列を駆動するように構成され、
   前記Ｍ列のアンテナは、前記Ｎ個の無線周波数チャネルから無線周波数信号を受信し、かつターゲットビームを形成するように構成され、同じ無線周波数チャネルで駆動される２列のアンテナの１列のみが前記Ｍ−Ｎ個の位相シフタの１つに接続され、また前記Ｍ−Ｎ個のパワースプリッタの１つにも接続され、
   前記Ｍ−Ｎ個のパワースプリッタのいずれかは、前記無線周波数チャネルに接続された前記２列のアンテナに対してパワーを分割するように構成され、
   前記Ｍ−Ｎ個の位相シフタのいずれかは、前記位相シフタに接続されたアンテナで受信される無線周波数信号の位相を調整するように構成され、
   前記Ｍ列のアンテナと前記Ｍ−Ｎ個の位相シフタの接続モードは、
   Ｍが偶数の場合、前記Ｍ列のアンテナにおいて、（Ｍ／２−Ｎ／２＋１）列目から（Ｍ／２＋Ｎ／２）列目のアンテナが位相シフタに接続されず、残りのＭ−Ｎ列のアンテナが前記Ｍ−Ｎ個の位相シフタに接続されることと、
   Ｍが奇数の場合、前記Ｍ列のアンテナにおいて、連続するシーケンス番号を持ち、２列目からＭ列目のアンテナ内にあるＮ列のアンテナが位相シフタに接続されず、残りのＭ−Ｎ列のアンテナがそれぞれ前記Ｍ−Ｎ個の位相シフタに接続されている、または連続するシーケンス番号を持ち、１列目から（Ｍ−１）列目のアンテナ内にあるＮ列のアンテナが位相シフタに接続されず、残りのＭ−Ｎ列のアンテナがそれぞれ前記Ｍ−Ｎ個の位相シフタに接続されることとを含む、アンテナシステム。
2. 前記位相シフタは、１ビット位相シフタであり、前記１ビット位相シフタは、前記位相シフタに接続された前記アンテナで受信される前記無線周波数信号の前記位相を０度または１８０度に調整するように構成される、請求項１に記載のアンテナシステム。
3. Ｎの値が４であり、Ｍの値が８であり、４つの前記無線周波数チャネル、８列の前記アンテナ、４つの前記パワースプリッタ、および４つの前記位相シフタの接続モードは、
   シーケンス番号１と５、２と６、３と７、および４と８を持つアンテナがそれぞれシーケンス番号１、２、３、４の無線周波数チャネルで駆動され、各無線周波数チャネルで駆動される２列のアンテナが１つのパワースプリッタを使用して接続されることであり、第１、第２、第７、および第８列のアンテナが位相シフタに接続される、請求項２に記載のアンテナシステム。
4. ４つのアンテナグループ間のアンテナ間隔は０．５λであり、前記４つのパワースプリッタのうちの２つのパワースプリッタの出力のパワー分割比は３：７であり、他の２つのパワースプリッタの出力のパワー分割比は１：４である、請求項３に記載のアンテナシステム。
5. 前記アンテナは、偏波共用型アンテナであり、前記偏波共用型アンテナは、＋４５度で偏光されたアンテナ素子と、−４５度で偏光されたアンテナ素子とを備える、請求項１から４のいずれか一項に記載のアンテナシステム。
6. 請求項１から５のいずれか一項に記載の前記Ｍ−Ｎ個のパワースプリッタおよび請求項１から５のいずれか一項に記載の前記Ｍ−Ｎ個の位相シフタを備えた、信号処理システム。
7. 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に適用される信号処理方法であって、
   前記Ｎ個の無線周波数チャネルが無線周波数信号を前記Ｍ列のアンテナに送信するときに、前記ターゲットビームに基づいて前記Ｍ列のアンテナの各列に対してパワーを分割するステップと、
   前記Ｍ列のアンテナが前記ターゲットビームを形成するように、前記Ｍ列のアンテナの各列で受信される無線周波数信号の位相を前記ターゲットビームに基づいて調整するステップと
   を含む、信号処理方法。
8. 命令を含むコンピュータ可読記憶媒体であって、前記命令がコンピュータ上で実行されると、前記コンピュータは請求項７に記載の方法を実行できるようになる、コンピュータ可読記憶媒体。
9. 命令を含むコンピュータプログラムであって、前記コンピュータプログラムがコンピュータ上で実行されると、前記コンピュータは請求項７に記載の方法を実行できるようになる、コンピュータプログラム。

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