JP4149667B2 - 所望の放射パターンを提供するアンテナアレイを有する通信局からの無線送信 - Google Patents
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Description
【０００１】
（発明の分野）
本発明は無線通信システムの分野に関連し、より詳しくは、有効範囲の領域の全体を通して無指向性に近いパターン(near omnidirectional pattern)を達成するために複数素子の送信アンテナアレイを使用する通信局(communication station)による、無線通信システムでの共通ダウンリンク通信チャネル信号の効率的なブロードキャスト(broadcast)に関連する。
【０００２】
（発明の背景）
地理上の領域がセルに分割され、また、それぞれのセルは、（遠隔ターミナル(remote terminal)、モバイルユニット(mobile unit)、移動局(mobile station)、加入者局(subscriber station)、又は遠隔ユーザ(remote user)とも呼ばれる）加入者ユニット(subscriber units, SUs)と通信するための基地局(base station, BS, BTS)をそのセル内に含むことを特徴とする、セルラー無線通信システムが知られている。そのようなシステムでは、例えば加入者ユニットへの呼出(call)を開始するために特定の加入者ユニットをページングするために、又は、基地局とどのようにして通信するかについて、全ての加入者ユニットに、例えば、基地局識別(base station identification)、タイミング、及び同期(synchronization)データを含む制御情報を送るために、基地局からセル内の加入者ユニットに情報をブロードキャストする必要がある。そのようなページング及び制御情報は、何が共通制御チャネルと呼ばれているかについてのブロードキャストである。ページング又は制御情報を受信する必要がある遠隔ユーザの位置に関する前の情報がないことはしばしばであるため、又は、そのような情報は数人のユーザのために意図されているため、そのような信号を無指向性で又はほぼ無指向性で送信することが好適である。ここで、一般的に無指向性とは、基地局の放射パワーパターンが、基地局の定められた有効範囲の領域内で、方位角及び高度から独立していることを意味する。更に、いくつかの標準的な通信プロトコルは、意図された受信者のいくつかの位置の知識がある時でさえ、特定のチャネルが無指向性に送信されることを要求する。このように、そのような周波数チャネルについての「情報」を特定のユーザに指向性で送信する必要がある時でさえ、「高周波（ＲＦ）エネルギー」は無指向性で送信される必要が未だにある。この発明は、そのような無指向性送信を達成するための方法及び装置を扱う。
【０００３】
本発明を適用することができるセルラーシステムのいくつかの例は、電波産業会(Association of Radio Industries and Businesses, ARIB)予備標準(preliminary standard)である、１９９５年１２月の、ＲＣＲ ＳＴＤ−２８（バージョン２）により定義されるパーソナル・ハンディ・フォン・システム（ＰＨＳ）プロトコルの改訂版(variant)を使用するシステム、及び、ここではＧＳＭシステムの「改訂版(variant)」と呼ばれる３つのバージョンである、初期バージョン、ＤＣＳ−１８００と呼ばれる１．８ＧＨｚバージョン、及びＰＣＳ−１９００と呼ばれる北アメリカの１．９ＧＨｚのパーソナル・コミュニケーション・システム（ＰＣＳ）バージョンを含む、ＧＳＭ（Global System for Mobile communications）プロトコルを使用するシステムである。ＰＨＳ及びＧＳＭ標準は、機能チャネル(functional channel)(論理チャネル(logical channel)とも呼ばれる)の２つの一般的なセットを定義する：制御チャネル（control channel, ＣＣＨ）セットとトラフィックチャネル（traffic channel, ＴＣＨ）セットである。ＴＣＨセットは、加入者ユニットと基地局との間でユーザデータを送信するための２方向のチャネルを含む。ＣＣＨセットは、ブロードキャストチャネル(broadcast control channel, ＢＣＣＨ)、ページングチャネル(paging channel, ＰＣＨ)、及びここではあまり関係ないいくつかの他の制御チャネルを含む。ＢＣＣＨは、システム及びチャネル構造情報を含む、基地局から加入者ユニットへ制御情報をブロードキャストするための一方向(unidirectional)のダウンリンクのチャネルであり、ＰＣＨは、基地局から、加入者ユニットの選択された組への又は複数の加入者ユニットの広い領域（ページング領域）への、一方向のダウンリンクチャネルであり、またそれは典型的には、入ってくる呼出の特定の遠隔局(remote station)にアラートをするために使用される。本発明は、すべてのダウンリンクのブロードキャスト及び送信に適用される。それは、共通情報を１つより多くの加入者に同時に送信する（すなわちブロードキャストする）ために基地局によって使用されるＢＣＣＨ及びＰＣＨに特に適当である。ＲＦエネルギーを無指向性に送信することが望まれる場合の他の状況にも適用される。
【０００４】
高周波（ＲＦ）エネルギーの放射のためのアンテナアレイの使用は、種々の無線分野で十分に確立されている。アンテナアレイを含む基地局から遠隔受信機（加入者ユニット）へのダウンリンクで送信する目的のために、利得及び位相ファクタだけ素子間で異なるようにし、通常、計画的に、加入者ユニットへ焦点を合わせた指向性放射パターンを生じるように、ＳＵのために意図された信号を、アレイの放射素子のそれぞれへの入力として提供することができる。この種の送信方法の利益は、単一の放射素子を使用して可能な利得を超える増大した利得、及び単一の放射素子による送信と比較して、当該システムでの他の同一チャネルユーザとの減少した干渉を含む。そのようなアンテナアレイを使用すると、同じ「従来のチャネル(conventional channel)」(すなわち、周波数分割多重アクセス(ＦＤＭＡ)システムでの同じ周波数、時間分割多重アクセス(ＴＤＭＡ)システムでのタイムスロット、符号分割多重アクセス(ＣＤＭＡ)システムでの符号、又はＴＤＭＡ／ＦＤＭＡシステムでのタイムスロット及び周波数)を１つより多くの加入者ユニットに割り当てることができる、空間分割多重アクセス(spatial division multiple access, ＳＤＭＡ)技術も可能である。
【０００５】
どのような送られるダウンリンク信号も、加入者ユニットにより受信され、またそのような受信している加入者ユニットで受信された信号は、技術上周知であるように、処理される。
【０００６】
信号が遠隔ユニットから基地局に送られるとき（すなわち、通信がアップリンクであるとき）、基地局は、典型的には（また必ずしもそうである必要はないが）、（通常、送信用のものと必ずしも同じアンテナである必要はないが）受信アンテナアレイを使用するものであり、受信アレイのそれぞれの素子で受信された基地局信号は、（空間デマルチプレクシング重み(spatial demultiplexing weight)とも呼ばれる）受信重みによって振幅及び位相にそれぞれ重み付けされ、ここで、その処理は、空間デマルチプレクシング(spatial demultiplexing)と呼ばれるものであり、すべての受信重みは、基地局に送信している遠隔ユーザの受信空間シグナチャー(receive spatial signature)に依存している複素数値の受信重みベクトルを決定する。受信空間シグナチャーは、基地局アレイがどのようにして特定の加入者ユニットから、いかなる干渉もなく、信号を受信するかを特徴づける。ダウンリンク（基地局ユニットから加入者ユニットへの通信）では、送信しようとする信号に、一組の個々の（空間マルチプレクシング重み(spatial multiplexing weight)とも呼ばれる）送信重みによって、それぞれのアレイ素子により送信される信号に振幅及び位相において重み付けすることによって送信が実行され、ここで、特定のユーザのためのすべての送信重みは、どのようにして遠隔ユーザが、いかなる干渉もなく、基地局からの信号を受信するかを特徴づける、遠隔ユーザの「ダウンリンク空間シグナチャー(downlink spatial signature)」と呼ばれるものにも依存している複素数値の送信重みベクトルを決定する。同じ従来のチャネル上のいくつかの遠隔ユーザに送信するとき、重み付けされた信号の合計は、アンテナアレイによって送信される。加入者ユニットが送信のためのアンテナアレイも使用しての、そのような加入者ユニットからの無指向性の送信が望まれるとき、この技術は確かにアップリンク通信にも適用可能であるが、この発明は、ダウンリンク通信に主に関連する。
【０００７】
アンテナアレイを使用するシステムにおいて、アンテナのアレイ内のそれぞれのアンテナ素子からのアップリンクか、あるいはそれぞれのアンテナ素子へのダウンリンクかのいずれかで信号に重み付けすることは、ここでは「空間処理(spatial processing)」と呼ばれる。空間処理は、１つの加入者ユニットのみを任意の従来のチャネルに割り当てるときに有用である。このようにして、ＳＤＭＡの用語は、従来のチャネルにつき１つより多くのユーザを有する真の空間マルチプレクシングの場合と、従来のチャネルにつき１つのみのユーザによる空間処理の使用との両方を含むように、ここでは使用される。チャネルの用語は、基地局と単一の遠隔ユーザの間の通信リンクを言い、そのため、ＳＤＭＡの用語は、従来のチャネルにつき単一のチャネル、及び従来のチャネルにつき１つより多くのチャネルの両方を含む。従来のチャネル内の複数チャネルは、空間チャネル(spatial channel)と呼ばれる。ＳＤＭＡシステムの説明のためには、例えば、ロイIII(Roy, III)らが発明者の、スペイシャル・ディビジョン・マルチプル・アクセス・ワイヤレス・コミュニケーション・システムズ(SPATIAL DIVISION MULTIPLE ACCESS WIRELESS COMMUNICATION SYSTEMS)という名称の、（１９９６年５月７日発行の）米国特許第５，５１５，３７８号、及び（１９９７年７月２４日発行の）第５，６４２，３５３号；バラット(Barratt)らが発明者の、スペクトラリー・イフィシエント・ハイ・キャパシティ・ワイヤレス・コミュニケーション・システムズ(SPECTRALLY EFFICIENT HIGH CAPACITY WIRELESS COMMUNICATION SYSTEMS)という名称の、（１９９７年１月７日発行の）米国特許第５，５９２，４９０号；オッターステン(Ottersten)らが発明者の、スペクトラリー・イフィシエント・ハイ・キャパシティ・ワイヤレス・コミュニケーション・システムズ・ウィズ・スペイシオ−テンポラル・プロセッシング(SPECTRALLY EFFICIENT HIGH CAPACITY WIRELESS COMMUNICATION SYSTEMS WITH SPATIO-TEMPORAL PROCESSING)という名称の、（１９９６年１０月１０日出願の）米国特許出願第０３／７３５，５３０号；及びバラット(Barratt)らが発明者の、メソッド・アンド・アパレイタス・フォー・デシジョン・ディレクテッド・デモジュレーション・ユージング・アンテナ・アレイ・アンド・スペイシャル・プロセシング(METHOD AND APPARATUS FOR DECISION DIRECDED DEMODULATION USING ANTENNA ARRAY AND SPATIAL PROCESSING)を参照する。通信の効率を改良するため、及び／又はＳＤＭＡを時々提供するためにアンテナアレイを使用するシステムは、「スマート・アンテナ・システム」と呼ばれる。上述の特許及び特許出願は、ここでは集合的に、「我々のスマートアンテナ特許」と呼ぶ。
【０００８】
ブロードキャストすること(broadcasting)は、加入者ユニットの分散したセットへ、共通チャネルを通じてデータの同時送信を含むため、１つ以上の特定のユーザに意図された共通ダウンリンクチャネル情報及びトラフィック情報の両方をブロードキャストするための、複数素子アンテナアレイ及び関連トランスミッタハードウェアを使用する方法を見つけることが望まれる。
【０００９】
特定のアプリケーションでは、特定の従来のチャネルは無指向性のパターンで放射されることが要件である。ＧＳＭファミリーのプロトコル（ＴＤＭＡ／ＦＤＭＡシステム）では、例えば、すべての基地局がＲＦエネルギーを無指向性に、「ＢＣＣＨキャリア」として示されるキャリアによって運ばれる全ての論理チャネル（ＴＤＭＡ／ＦＤＭＡシステムにおける、ＦＤＭＡの従来の周波数チャネル）上に放射するという要件がある一方、他のチャネル上への放射は、指向性がある方法で実行されることができる。例えば、ＢＣＣＨキャリアでは、１つのタイムスロットは、ＢＣＣＨメッセージのために確保されている。他のタイムスロットのいくつかは、１つ以上のユーザとのＴＣＨのために使用されることができる。ＳＤＭＡを使用しているとき、これらの他のタイムスロットを、１つより多くの遠隔ユーザに情報を直接送信することにより、これらのユーザと通信するために、使用することができる。従来のチャネルあたりのユーザの数に依存しない通常のＳＤＭＡでは、ＲＦエネルギーパターンは、高度に指向性であり、そのためこれらのタイムスロットにおけるセル内の「ネット(net)」のＲＦエネルギーが、許容できる信号品質の要件に従って最小にされる。しかしこれは、ＢＣＣＨキャリアの全てのタイムスロットのネットのエネルギーを無指向性に送信するというＧＳＭの要件と対立するであろう。このように、無指向性に送信しているネットエネルギーで、１つ以上のユーザに指向性をもって情報を送信するための方法及び装置が技術上必要である。
【００１０】
アンテナアレイを使用したセクターに分割されたシステム(sectorized system)が技術上既知である。真の無指向性のブロードキャスト(３６０°の方位角の有効範囲)ではなく、セクターに分割されたシステムでは、アンテナアレイ及び関連電子機器の「意図している有効範囲の領域(intended coverage region)」（すなわち、セクター）で効率的にブロードキャストするための技術上の必要性がある。このように、この文書では、「無指向性」の用語は、以下の意味で使用される：１）「無指向性」は、「おおよそ、ほとんど」無指向性（「ＮＯＲ」）を意味する；２）セクターに分割されていないセルラーシステムでは、無指向性は、３６０°の方位角の有効範囲に対してＮＯＲを意味するであろう、そして３）セクターに分割されたシステムでは、無指向性は意図されているセクター幅でほぼ無指向性（例えば、１２０°のセクターに対して１２０°の方位角の有効範囲）を意味するであろう。
【００１１】
（望ましい特徴）
好結果の方法は、以下の特徴を有するであろう。
・方位角及び遠隔受信機の位置を記述する他の量の関数としておおよそ一定の利得；
・アレイ中のすべての素子が良好な利点(good advantage)を有し、実際に生じるスケーリングの問題(scaling issue)を最小にするような、アレイ中のそれぞれの素子の送信パワーの低い変化量；
・アレイ素子の個々の送信への比較できるパワーで送信しているアレイの単一の素子で達成できる利得に関してかなり大きいパターン利得；
・全ての素子が効率的に使用されているような低い全体の放射エネルギー。
【００１２】
ＮＯＲパターンが通常望まれるが、異なるパターンが望まれる場合の状況もあり得る。例えば、特定の領域を「避ける」ことが望ましい、又は１つ以上の特定の領域で特定のパワーレベルを超えないことが望ましい状況があるであろう。１つ又は２つの他の領域が、大部分のＮＯＲ領域が有するパワーレベルの２倍又は他の何倍でのＮＯＲパターンを有することができる一方、同様に、ほとんどの領域でＮＯＲパターンを有することが望ましい状況があるであろう。
【００１３】
ここでの「低い相対的放射パワー」の特性は、アンテナアレイの個々の素子と同じ利得（例えば、ｄＢｉで測定したとき）の単一のアンテナ素子を使用して、（範囲(range)、方位角(azimuth)及び高度(elevation)で比較できる）比較できる放射パターンをもたらすために必要とされるパワーに関して、アンテナ素子あたりの低い放射パワーを意味する。放射パワーの違いは、異なるパワー増幅器の要件に言い換えることができ、また、非常に高いパワーの増幅器は、比較的高価であり、ある状況では、１ｄＢでさえ放射パワーにおいて重大な違いとなり得る。より一般的な場合では、３ｄＢは放射パワーにおいて重大な違いと考えられるであろう。
【００１４】
（先行技術）
データをそのようにブロードキャストするための普通の方法は、無指向性のアンテナを使用し、そのためＲＦキャリアがすべての方向にだいたい均一に送信されるようにすることである。この無指向性の放射パターンは、加入者ユニットがセル領域内で任意に位置することができる、モバイルセルラーシステムのための妥当な選択であるように見える。スマートアンテナシステムの場合は、そのような無指向性のパターンを、別個の単一の（垂直ダイポールのような）無指向性アンテナ又は（ｍ個のエレメントを有すると仮定する）アンテナアレイ中の素子の１つのいずれかを使用することによって達成することができる。不都合なことに、全てのアンテナ素子が動作しているとき、トラフィック及び制御チャネルのために同様の範囲を達成するためには、これは、普通のＴＣＨ通信で使用されるパワーレベルと比較してそのようなアンテナ素子（又は別個のアンテナ）における、全体の送信機パワーを増加させることを必要とするであろう。パワーを増大させるというオプションは、法令により許されないことがあり、もし許されたとしても、例えば、パワー増幅器のコストはパワーと共に急に増大する傾向があるために、現実的な選択ではないであろう。
単一のアレイ素子のみから送信する先行技術の方法は、方位角及び遠隔受信機の位置を記述する他の量の関数としてのおよそ一定の利得、及び低い全体の放射エネルギーという望ましい基準を満足するであろうが、アレイ中の全ての素子が良好な利点を有し、実際に生じるスケーリングの問題を最小にするような、それぞれの素子の送信パワーにおける低い変化量(variation)を提供しないであろうし、また、アレイ素子の個別の送信パワーと比較できるパワーで送信しているアレイの単一の素子により達成できる利得に関してかなり大きいパターン利得は提供しないであろう。更に、１つだけのアンテナからの送信は、同じ従来のチャネル上のいくつかのユーザとの同時の通信を可能にすることはないであろう。
【００１５】
他には、アンテナアレイの放射パターンは、空間処理の前に任意の信号の前処理の利用を通じて制御することが可能である。（１９９７年７月１５日発行の）フォーセン(Forssen)他が発明者の、オーソゴナライジング・メソッズ・フォー・アンテナ・パターン・ナルフィリング(ORTHOGONALIZING METHODS FOR ANTENNA PATTERN NULLFILLING)という名称の米国特許第５，６４９，２８７号は、１つのアンテナアレイ及び複数の移動局を有する少なくとも１つの基地局を含むセルラー通信システムで情報をブロードキャストするための方法を開示する。共通の情報が、直交信号(orthogonal signal)を作り出すために前処理される。次に、直交信号はビーム形にされ、そのため直交信号はアレイアンテナ中の異なるビームに送出される。直交信号は送信され、次に、１つ以上の移動局によって受信される。その信号は次に移動局で処理され、直交信号から共通情報を判読する。移動局に送信される直交化する信号は、ナル(null)がアンテナパターンに発生しないように形成される。
【００１６】
どのようにしてフォーセン他の方法を、ネットの無指向性の放射パターンを維持ながら、「いくつかの」信号を（任意の従来のチャネル上のユーザに同時に）指向性をもって送信するように適合させることができるかは明確ではない。更に、フォーセン他の方法は、ｍ個の直交信号を形成するために制御信号を前処理（直交化）することを必要とする。すなわち、ブロードキャストされる任意の信号は、一組の相関していない信号に最初に変換される。これは、余分のハードウェア又は処理ステップを必要とする。更に、フォーセン他により記載された特定の実施形態は、直交化された信号を他の色々なローブ(lobe)から区別するために、加入者ユニットのところで高い性能のイコライザを必要とする。追加のステップ（例えば、直交化）を必要とすることなく、送信される任意の信号が、位相及び振幅においてのみ重み付けされるようなシステムを使用することが望まれるであろう。
【００１７】
このように、従来のチャネルにつき単一のユーザの場合、及び従来のチャネルにつき複数のユーザの場合の両方のための、低い相対的放射パワーを有する、許容できる無指向性の性能を実現するための、アンテナアレイ内の既存のアンテナ素子を含む既存の通信システム装置を使用する、無指向性のダウンリンク送信のための方法の技術上の必要性がある。このように、これを実現する装置の技術上の必要性もある。
【００１８】
望ましい、できればＮＯＲではない放射パターンを実現する、ダウンリンク送信のための方法及び装置の技術上の必要性もある。
【００１９】
（要約）
本発明の１つの目的は、従来のチャネルにつき単一のユーザの場合、及び従来のチャネルにつき複数のユーザの場合の両方のための、低い相対的放射パワーを有する、許容できる無指向性の性能を実現するための、アンテナアレイ内の既存のアンテナ素子を含む既存の通信システム装置を使用する、無指向性のダウンリンク送信のための方法である。他の目的は、これを実現する装置である。
【００２０】
更に他の目的は、望ましい、できればＮＯＲではない放射パターンを実現する、ダウンリンク送信のための方法及び装置である。
【００２１】
これら及び他の目的は、開示された発明の種々の態様中に提供される。
【００２２】
ここに開示された発明の１つの態様は、アンテナ素子のアレイを有する通信局から加入者ユニットへの望ましい放射パターンを有するダウンリンク信号を送信するための方法である。通信局では、複素数値の重みベクトルとして記述可能な重み付け(weighting)である、位相及び振幅において任意のダウンリンク信号に重み付けするように（プログラマブルシグナルプロセッサの場合）プログラムされた１つ以上のシグナルプロセッサがある。重み付けされた信号は、その出力がアンテナ素子に結合された送信装置の入力に供給される。この方法は、所望のセクターに亘る所望の放射パターンを実現するため、低い相対的放射パワーで送信するように設計された第１の重みベクトルを選択することを含む。ここで低い相対的放射パワーとは、アンテナアレイの個々の素子と（例えばｄＢｉで測定したときに）同じ利得の単一のアンテナ素子を使用した比較できる放射をもたらすために必要なパワーに関して、アンテナ素子あたりの低い放射パワーを意味する。方位角又は高度又はその両方の範囲は、所望のセクターを画定することができる。典型的には、しかし必ずしもそうである必要はないが、所望のパターンは、ＮＯＲパターンである。好適な実施形態では、選択された重みベクトルは、重みベクトルを使用した送信から生ずる放射パターンの、所望のセクターに亘る所望の放射パターンからの変化量の式を含む、重みベクトルのコスト関数を最小にするような重みベクトルである。好適な実施形態では、コスト関数は、重みベクトル及び重みベクトルを使用するときのアンテナ素子の中で送信されるパワーの変化量の式を使用することによる、アンテナ素子から送信された全体のパワーの式も含む。この実施形態では、ダウンリンク信号は、それぞれがアレイ内に意図されたアンテナ素子を有する、重み付けされた一組のダウンリンクアンテナ信号を形成するための１つ以上のシグナルプロセッサを使用して、選択された重みベクトルにより重み付けされる。ダウンリンク信号を送信するためには、それぞれの重み付けされたダウンリンクアンテナは、それの意図されたアンテナ素子の関連する送信装置を介してそれの意図されたアンテナ素子に供給される。
【００２３】
開示した特定の実施形態では、通信局は、セルラー通信システムでのＧＳＭ電波インターフェース(air interface)の改訂版を使用して動作する基地局の部分である。本発明は、任意の特定のマルチプレクシング方法又は電波インターフェース標準に限定されない。他の実施形態は、任意のアナログ又はデジタルのマルチプレクシング方法（例えば、ＦＤＭＡ、ＴＤＭＡ／ＦＤＭＡ、ＣＤＭＡなど）及び／又は任意の電波インターフェース標準（例えばＡＭＰＳ、ＰＨＳなど）を使用することができる。
【００２４】
ここに開示された本発明の他の態様は、１つの通信局から１つ以上の加入者ユニットに、所望のセクターに亘る全体の所望の放射パターンを有する単一の従来のチャネルを通して、１つ以上の意図された加入者ユニットをそれぞれ有する１つ以上のダウンリンク信号を同時に送信する方法である。いくつかのユーザへの同じ従来のチャネルを通しての同時送信のために、通信局は、アンテナ素子のアレイと、それぞれのアンテナ素子への出力に接続された送信装置と、位相及び振幅において、任意のダウンリンク信号に重み付けをし、重み付けされた信号を加えることによって、ダウンリンク信号を空間的にマルチプレクスするように（プログラマブルシグナルプロセッサの場合）プログラムされた１つ以上のシグナルプロセッサとを含む。重み付けは、複素数値の重みベクトルとして記述できる。シグナルプロセッサからの合計された重み付けされた信号は、送信装置の入力に供給される。本方法は、所望のセクターに亘る全体の所望の放射パターンを作り出すように設計された、一組の所望の重みベクトルを選択するステップを含む。方位角又は高度又はその両方の範囲は、所望のセクターを画定することができる。典型的には、しかし必ずしもそうである必要はないが、全体の所望のパターンは、ＮＯＲパターンである。それぞれの意図された加入者ユニットは、（少なくともおおよそ）知られた位置を有し、及びこれらの知られた位置は、所望の重みベクトルの選択に使用される。好適な実施形態では、その選択は、それぞれが多くとも１つの加入者ユニットを含み、全ての対応する領域の結合が所望のセクターをほぼカバーするような、一組の対応する領域を画定することを含む。それぞれの所望の重みベクトルは、対応する領域の１つへの送信のために選択され、また、すべての所望の重みベクトルは、複数の重みベクトルを使用した送信から生ずるネットの全体の放射パターンの所望の放射パターンからの変化量の式を含む、可能な重みベクトルのコスト関数を最小にする重みベクトルである。好適な実施形態のコスト関数は、それぞれの重みベクトルを使用するアンテナ素子から送信された総計のパワーの式、それぞれの重みベクトルを使用するアンテナ素子の中で送信されたパワーの変化量の式、及びそれぞれの重みベクトルに対する意図されていない対応する領域で受信されたエネルギーの式も含む。所望の重みベクトルの数は、１つ以上のダミー信号が任意の遠隔ユーザと関連しない重みベクトルを使用して送信される場合の、同時のユーザの数を超えることができる。複数のダウンリンク信号（及び、もしあるならば、ダミー信号）は、それぞれが合計されて重み付けされた、アレイ内の意図されたアンテナ素子を有する、合計されて重み付けされたダウンリンクアンテナ信号の一組を形成するために、空間的にマルチプレクスされる。ダウンリンク（及びダミー）信号を送信するために、それぞれの重み付けされたダウンリンクアンテナは、それの意図されるアンテナ素子の関連する送信装置を介してそれの意図されるアンテナ素子に供給される。
【００２５】
１つのバリエーションでは、区切ること(partitioning)及び選択することは、いくつかの所在に対して反復され、及び十分な所在の数が記憶されるまで、結果として得られる重みベクトルは記憶される。１つ以上の遠隔ユーザへの実際の送信のために、加入者ユニットの位置に適合した所在の所望の重みベクトルは、メモリから呼び戻される。
【００２６】
おおよそ均一に分配されているアンテナアレイの場合に適合した他のバリエーションでは、１つの典型の所在(prototype situation)（又は１つより多くの典型の所在）が記憶されており、及び遠隔ユーザの位置に基いて、典型の所在の領域の移動(translation)は、確実に、移動させられた(translated)領域につき１つのみの加入者ユニットがあり、かつ、加入者ユニットの位置は適切に分離されるように、決定される。典型の重みベクトルは、決定された移動に従ってシフトされ、また、シフトされた重みベクトルは空間マルチプレクスのために使用される。
【００２７】
バリエーションの改善では、ダウンリンク信号の送信が周期的に反復されたとき、それぞれの反復でのシフトは、決定されたシフトの回りでディザリング(dither)され、ディザリングは好適には決定されたシフトにランダムなシフトを加えることを含む。
【００２８】
本発明の他の態様では、１つ以上のダウンリンク信号を同じ従来のチャネルを通して、１つ以上の加入者ユニットに、所望のセクターに亘る所望の全体の放射パターンを達成するために、同時に送信するための通信局も開示される。その通信局は、アンテナ素子のアレイと、所望のセクターに亘る所望の全体の放射パターンを実現するためにアレイを通じて送信するように設計された重みベクトルを選択する選択手段と、一組の重み付けされたダウンリンクアンテナ信号を形成するため、重みベクトルに従って位相及び振幅においてダウンリンク信号に重み付けをし、重み付けされた信号を加えるための１つ以上のシグナルプロセッサとを含む。それぞれの合計されかつ重み付けされたダウンリンクアンテナ信号は、アレイ内に意図されたアンテナ素子、及びそのアレイを使用して重み付けされたダウンリンクアンテナ信号の組を送信するための一組の関連する送信装置を含む。それぞれの関連する送信装置は、合計されかつ重み付けされたダウンリンクアンテナ信号の１つを受信するための入力を有する。それぞれのアンテナ素子は、関連する送信装置の１つの出力に結合されている。それぞれの関連する送信装置は、重み付けされたダウンリンクアンテナ信号の１つを受信するための入力を有する。
【００２９】
好適な実施形態では、選択手段は、１つ以上のシグナルプロセッサである。これらは、重みベクトルのコスト関数を最小にするような重みベクトルを選択し、また、そのコスト関数は、重みベクトルを使用した送信から生ずる全体の放射パターンの、所望のセクターに亘る所望の全体の放射パターンからの変化量の式を含む。好適な実施形態のコスト関数は、それぞれの重みベクトルを使用したアンテナ素子から送信される総計のパワーの式、それぞれの重みベクトルを使用したアンテナ素子の中の送信パワーの変化量の式、及びそれぞれの重みベクトルのための意図されていない対応する領域内で受信されたエネルギーの式も含む。
【００３０】
本発明は、どのような特定の実施形態にも本発明を限定するように理解すべきでなく、説明及びよりよい理解のみのためである、本発明の詳細な好適な実施形態からより完全に理解することができるであろう。実施形態は、今度は、以下の図面を補助として説明される。
【００３１】
本発明は、好適には、ＳＤＭＡによる無線通信システム、特にセルラーＳＤＭＡシステムの部分として実施される。１つの実施では、本システムは、固定された加入者ユニットの位置で動作し、及びＰＨＳ通信プロトコルを使用する。固定された位置での無線システムは、時々、「無線ローカルループ(wireless local loop)」（ＷＬＬ）システムと呼ばれる。第２の実施では、加入者ユニットはモバイルとすることができ、及び、そのシステムも、低い移動度の用途に適しているＰＨＳプロトコルを使用する。第３の実施では、加入者ユニットは、やはりモバイルとすることができ、及びＧＳＭ通信プロトコルが使用される。従来のチャネルにつき１つより多くの空間チャネルを有し、また、モバイルの、固定の、又はモバイル及び固定の加入者ユニットの組合わせを有する、どのようなＳＤＭＡシステムでも、本発明を実施することができることは、当業者に明らかであろう。
【００３２】
記載された好適な実施形態は、ＳＤＭＡ及びＧＳＭプロトコルの改訂版を使用するセルラーシステムのためのものである。他の電波インターフェースのため及び他のマルチプレクス方法のために、どのようにこれらを適合させるかは、当業者に明らかになるであろう。特定の実施形態はデジタルセルラーシステムのためであるが、本発明は、例えば（ＳＤＭＡを含むように修正された）普通のＡＭＰＳシステムのために、ＳＤＭＡを使用する、アナログ通信システムにも適用される。
【００３３】
（ＧＳＭの概略）
ＧＳＭは、モバイルセルラー通信のためのＴＤＭＡ／ＦＤＭＡシステムである。加入者ユニットは、通常、移動局(mobile station, MS)と呼ばれる。基地局は、基地トランシーバ局(base transceiver station, BTS)と呼ばれる。基地局コントローラ(base station controller)は、１つ以上のＢＴＳのための無線リソースを管理し、また、そのようなリソースは、チャネル設定／分解(setup/teardown)、ハンドオーバ、及び周波数ホッピングを含む。
【００３４】
ＧＳＭでは、（「キャリア」と呼ばれる）周波数チャネルは、２００ｋＨｚで分離されている。ＧＳＭは、周波数分割デュープレクスを使用しており、そのことは、ＢＳとＭＳの間のダウンリンク及びアップリンクの通信は、異なる周波数で起きることを意味する。標準のＧＳＭでは、それぞれ２５ＭＨｚまでが、ダウンリンクのキャリア（８８０〜９１５ＭＨｚ）及びアップリンクのキャリア（９２５〜９６０ＭＨｚ）のために利用可能である。１つ以上のキャリアが、それぞれのＢＳに割り当てられている。ＤＣＳ−１８００に対しては、アップリンク及びダウンリンクの範囲は、それぞれ１７１０〜１７８５ＭＨｚ及び１８０５〜１８８０ＭＨｚであり、一方、ＰＣＳ−１９００に対しては、アップリンク及びダウンリンクの範囲は、それぞれ１８５０〜１９１０ＭＨｚ及び１９３０〜１９９０ＭＨｚである。
【００３５】
それぞれのキャリアは、それぞれの（バーストと呼ばれる）スロットが１５／２６msの長さである、８つのタイムスロットに時間で分割される。それぞれの８つのスロットは、ＴＤＭＡフレーム中に結合させられ、こうして、それぞれのＴＤＭＡフレームは、１２０／２６msの長さである。トラフィックチャネル（ＴＣＨ）及び制御チャネル（control channel, ＣＣＨ）は、フレーム内でのそれらの対応するバースト期間(burst period)の位置により画定される。
【００３６】
トラフィックチャネル（ＴＣＨ）は、音声及びデータを運ぶために使用される。フルレートのトラフィックチャネル（ＴＣＨ／Ｆ）は、２２．８kbpsのグロスレートで情報を運び、一方、ハーフレートのトラフィックチャネル（ＴＣＨ／Ｈ）は、１１．４kbpsのグロスレートで情報を運ぶ。トラフィックチャネルは、２６のＴＤＭＡフレームグループに現れ、またそのようなグループはマルチフレームと呼ばれる。このように、ＴＣＨマルチフレームは１２０msの長さである。
【００３７】
共通制御チャネルは、アイドルモード(idle mode)及び専用モード(dedicated mode)の両方の移動局(mobile)によってアクセスされることができる。アイドルモードの移動局は、専用モードに変わるために必要な信号の情報を交換するために共通チャネルを使用する。既に専用モードにある移動局は、ハンドオーバ及び他の情報のために、周囲の基地局の制御キャリアをモニタする。共通チャネルは、５１フレームのマルチフレーム内に画定され、そのため、２６フレームのマルチフレームＴＣＨ構造を使用する専用の移動局は、制御チャネルをまだモニタすることができる。共通チャネルは以下のものを含む：
「ブロードキャスト制御チャネル(Broadcast Control Channel, BCCH)」：ＢＣＣＨは、基地局の識別(identity)、周波数配置(frequency allocation)及び周波数ホッピングシーケンスを含む情報を、ダウンリンク上に、連続的にブロードキャストする。
【００３８】
「周波数訂正チャネル(Frequency Correction Channel, FCCH)及び同期チャネル(Synchronization Channel, SCH)」：ＦＣＣＨ及びＳＣＨは、バースト期間の境界、タイムスロットのナンバリング、及びキャリアオフセットを画定することにより、セルの、周波数及びタイムスロット構造に移動局を同期させるために使用される、ダウンリンクチャネルである。ＧＳＭネットワーク内のそれぞれのセルは、正確に、１つのＦＣＣＨ及び１つのＳＣＨをブロードキャストする。画定によるＦＣＣＨ及びＳＣＨは、ＢＣＣＨキャリア上のＴＤＭＡフレーム内のタイムスロットナンバー０上に送られる。
【００３９】
「ランダム・アクセス・チャネル(Random Access Channel, RACH)」：ＲＡＣＨ（アップリンク・チャネル）は、ネットワークへのアクセスをリクエストするために移動局により使用される。
【００４０】
「ページング・チャネル(Paging Channel, PCH)」：ＰＣＨは、移動局に入ってくる呼出(incoming call)のアラートをするために使用されるダウンリンク・チャネルである。
【００４１】
「アクセス許可チャネル(Access Grant Channel, AGCH)」：ＡＧＣＨは、ＲＡＣＨ上のリクエストに続いて、（専用チャネルを得るために）信号を送るための移動局への、ＴＣＨ又はＳＤＣＣＨと呼ばれる特定の関連制御チャネルを配置するために使用されるダウンリンク・チャネルである。
【００４２】
「専用制御チャネル(Dedicated Control Channel)」：これらは、スローＴＣＨ／Ｆ関連制御チャネル(Slow TCH/H Associated Control Channel, SACCH/TF)、ファーストＴＣＨ／Ｆ関連制御チャネル（Fast TCH/H Associated Control Channel, FACCH/F）、スローＴＣＨ／Ｈ関連制御チャネル(Slow TCH/H Associated Control Channel, SACCH/TH)、ファーストＴＣＨ／Ｈ関連制御チャネル(Fast TCH/H Associated Control Channel, FACCH/H)、及び他のＴＣＨトラフィックに関連する専用制御チャネルを含む。
【００４３】
ＧＳＭで送信のために使用される異なるタイプの４つのバーストがある。通常のバーストは、データ及び大部分の信号を発する情報(signaling information)を運ぶために使用され、また、２つの５７ビットの情報ストリーム(information stream)、イコライゼーションのために使用される２６ビットのトレーニング・シーケンス(training sequence)、（ＦＡＣＣＨのために使用される）それぞれの情報ブロックのための１つのスチーリング・ビット(stealing bit)、それぞれの終了部にある３つのテール・ビット(tail bit)、及び８．２５ビットのガード・シーケンス(guard sequence)から構成される、１５６．２５ビットの全体の長さを有する。その１５６．２５ビットは、１５／２６ms（０．５７７ms）で送信され、２７０．８３３kbpsのグロスのビットレートを与える。ＦＣＣＨで使用されるＦ−バースト、及びＳＣＨで使用されるＳ−バーストは、通常のバーストとと同じ長さを有するが、異なる内部構造を有しており、それにより、通常のバーストからそれらは区別され、このようにして同期ができるようにされる。バーストの４番目のタイプは、アクセスバーストであり、これは通常のバーストより短く、またＲＡＣＨ上でのみ使用される。
【００４４】
（特定のＧＳＭの実施の説明）
本発明は、アンテナ素子のアンテナアレイを使用し、信号の位相及び振幅を調節するための手段を有し、そのため、それぞれのアンテナ素子は、振幅のスケーリング及び位相のシフトに従って調節された位相及び振幅を有する１つのバージョンの信号を送信することになる、任意の通信局に適用される。当業者に理解されるように、それぞれのアンテナ素子の、特定の通信信号のための重み付けをする振幅及び位相は、複素数値の重みにより表わすことができ、すべてのアンテナ素子に対するその信号のための複素数値の重みの組は、複素数値の重みベクトルにより表わすことができる。
【００４５】
本発明の好適な実施形態は、ＧＳＭプロトコルのＰＣＳ−１９００の改訂版を使用し、ＰＣＳ−１９００周波数（約１．９ＧＨｚ）で送信する、テストシステムである。テストシステムは、ＧＳＭ ＢＳを含む。本発明は、通信局から送信することに関連するため、そのような送信を扱うようなＢＳの素子が、ここで説明される。例えば、ＰＨＳプロトコル又は更にＡＭＰＳのような非デジタルシステムを使用するセルラーシステムにおける、又は更に非セルラー通信局におけるような、他のシステムにおける実施のために、ここで説明された実施形態をどのように修正するかは、当業者に明らかであろう。
【００４６】
フルレートのＧＳＭ音声データは、５０Ｈｚの、２６０ビットの線形予測符号化(linear prediction coded, LPC encoded)音声パケット(voice packet)である。２６０ビットのＧＳＭ ＬＰＣ音声パケット(speech packet)は、それぞれのグループがそれの重要性に従って分類された３つのタイプ（グループ）のビットを含み、及びそれぞれのグループはこのようにして異なるタイプの(パリティ及び畳込み、畳込みのみ、又は符号化なしの)保護符号化(protection encoding)によって保護される。すべてのグループは、４５６ビットの出力パケットを形成するようにインターリーブ(interleave)される。
【００４７】
連続する４５６ビットチャネルで符号化された音声パケットは、８つの電波のバースト(radio burst)を横切ってお互いにインターリーブされる。バーストにつき１１４ビットの８つのバーストは、合計で９１２ビットを与え、そして、実際は、２つの音声パケットが、任意のＴＣＨバーストの構成のために必要である。更に、パケットはお互いに関してスキューがかけられる。
【００４８】
更に音声データ、いくつかの他のタイプのデータは、ＧＳＭプロトコルに従って送信されることもできる。更に、ＳＤＭＡを使用すると、（一般に、ＴＣＨあたりのアンテナアレイ素子の数までの任意の数の）いくつかの空間チャネルは、任意のキャリアにおける任意のタイムスロット上に存在することができる。「ＴＳ−ＳｐＣｈａｎ」表記(notation)は、ここで空間チャネル及びタイムスロットのために使用され、例えば、特定のＴＣＨを運ぶ。例えば、好適な実施形態のために使用される特定のハードウェアでは、単一のキャリアのシステムは、３つの空間チャネルまでマルチプレクスする性能を有しており、８つのスロットの内の１つがこの実施形態における制御のために使用されるため、このようにして、３×７＝２１までのＴＳ−ＳｐＣｈａｎｓがある。理想的な条件下では、これらのそれぞれは、関連する信号を有するフル又はハーフレートの音声チャネルを含むことができる。
【００４９】
ＧＳＭシステムの好適な実施形態では、それぞれのダウンリンクＴＳ−ＳｐＣｈａｎ上で、ＧＳＭ標準により許されているような、チャネルのいくつかの組合わせのみが使用される。このようにして、それぞれのキャリアは８つのタイムスロットを有し、それぞれ（キャリア、タイムスロット０を除くタイムスロット）は、３つまでの空間チャネルを有し、それぞれ（キャリア、タイムスロット、空間チャネル）は、ダウンリンクチャネルの組合わせを有し、及びそれぞれのダウンリンクチャネルの組合わせは、論理チャネルのグループから構成される。更に、それぞれ（キャリア、タイムスロット、空間チャネル）は、それに関連する一組の空間マルチプレクシング重み（重みベクトル）を有する。しかし、標準のＧＳＭは、同じキャリア上の単一のタイムスロットに複数のＴＣＨを有するという概念を含んでいないことは強調すべきことである。
【００５０】
複数の移動局を行き先とする複数の論理チャネルからのデータは、ＧＳＭダウンリンクフレームを形成するために、組み立てられる。例えば、タイムスロット０は同期制御チャネル（ＳＣＨ）バーストを含むであろうし、タイムスロット１は１つの移動局のためのＴＣＨ／Ｆデータを含むであろうし、タイムスロット２〜５は使われていないであろうし、タイムスロット６は他の移動局のためのスロー関連制御チャネル(slow-associated control channel, SACCH)データを含むであろうし、及びタイムスロット７は更に他の移動局のためのＴＣＨ／Ｆデータを含むであろう。トレーニングシーケンス及び他の情報と一緒のすべてのこのデータは、送信のための１２５０ビットフレーム中に集められる。ビット０〜１４７はタイムスロット０であり、ビット１４８〜１５５はバースト間ガードビット(inter-burst guard bit)であり、ビット１５６〜３０３はタイムスロット１である、などである。１つの余分のバースト間ガードビットが、タイムスロット３と４の間、及びタイムスロット７と０の間に挿入される。
【００５１】
ＧＳＭフレームは、ＧＳＭスペックに従って変調されたガウス最小シフトキー(Gaussian Minimum Shift Key, GMSK)である。特定の実施形態では、ＧＭＳＫ変調は、波形を作るためにルックアップテーブルを使用することにより実行される。特定の実施形態のＧＳＭプロセッサは、それぞれのアンテナ素子に対して単一のデジタルシグナルプロセッサＤＳＰを使用し、また、変調方法及び空間処理を実行するために使用されるのは、このＤＳＰである。
【００５２】
図１(ａ)は、ＧＳＭシステムでＧＭＳＫ変調されたフレームを構成するためのサブシステムの「信号フロー」式を示す。フレーム構成のための実際の装置は、この構造を有しないであろう；これはフレームの構成のプロセスを説明することを助けるために示されている。フレーム構成器(frame builder)１０３は、チャネル符号化された音声パケット又は制御パケット（集合的に、１０１）を取得し、ＧＳＭ電波インターフェース標準に従ってバースト中への送信のためにこのデータをフォーマットし、８個のタイムスロットのＧＳＭフレーム１０５を構成する。図１(ａ)は、特定のフレームに対するそのタイムスロットにおいて１つより多くの空間チャネルがあるなら、１つの特定のタイムスロットで特定の空間チャネルに対して起きることを反映する。（任意の時間の）フレームデータ１０５は、ＧＭＳＫ変調器１０７によりガウス最小シフトキーイング（ＧＭＳＫ）変調によって変調され、ベースバンド複素数値（すなわち、Ｉ及びＱ）信号１０９を作り出す。ＧＳＭフレームを構成すること及び必要なＧＳＭ（ＧＭＳＫ）変調を実行することは、全てのＧＳＭ基地局で行われ、またそれは技術上周知である。我々の実施では、ベースバンドデータ１０９は、１．５倍でオーバーサンプリングされた(one-and-one-half-times oversampled)デジタルのＩ、Ｑデータである（すなわち、１．５×２７０．８３３kHzでサンプリングされたＩ、Ｑデータ）。
【００５３】
空間マルチプレキシング方法は、変調と密接に関連している。空間的にマルチプレクスされたのは、変調されたベースバンド信号である。これは、図１(ｂ)に示される。時間における任意の特定のポイントにおいて（すなわち任意のタイムスロットの間に）、送信されることになる１つより多くの信号があるであろう。図１(ｂ)は、ベースバンド信号の、そのような３つの空間チャネルを示し、その信号はそれぞれ１０９．１、１０９．２、及び１０９．３と表示されている。図１(ｂ)は、ある特定のタイムスロットで処理を捕捉する。他のタイムスロットで、異なる数の空間チャネル−例えば１チャネルだけを送信することができる。
【００５４】
特定の実施形態では、特定のアンテナ素子に関連するＤＳＰによって、アンテナ毎ベース(per antenna basis)に、ユニット１１１の空間マルチプレクシングが実行される。ｍ個のアンテナシステムでは、ｍ個のそのようなＤＳＰが、我々のシステムでそのため使用される。空間マルチプレクシングは、ＧＭＳＫ波形生成の後に起きる。このようにして、ＧＭＳＫ変調及び空間マルチプレクシングは、同じＤＳＰ内で効率のために結合され、また、このＤＳＰは、ここでは送信変調及びマルチプレクシングＤＳＰと呼ばれる。結合(coupling)は、それぞれの（フレーム、タイムスロット、空間チャネル）バーストコンテントデータ(burst content data)及び対応する空間マルチプレクシング重みベクトルが、送信変調及びマルチプレクシングＤＳＰに書き込まれなければならないことを意味する。
【００５５】
好適な実施形態のＧＳＭシステムの実施では、それぞれのチャネル編成は、シーケンスにされたとき、送信変調及びマルチプレクシングＤＳＰのためのバーストパケットの適切なシーケンスを生成する、サブルーチンへのポインタのリンクしたリストである。
【００５６】
特定のタイムスロットの間に、Ｋ個のチャネルに対して、それぞれ、Ｋ個の複素数値の重みベクトルｗ1，ｗ2，…，ｗj，…，ｗkを使用し、ｊ番目の重みベクトルは行ベクトル
ｗj＝[ｗjl，…，ｗji，…，ｗjm]
であって、（全体のｍ個のアンテナアレイ素子の内の）ｉ番目のアンテナ素子に関連する送信変調及びマルチプレクシングＤＳＰによって実行された空間処理及びＧＭＳＫ変調は、数学的に
として記述できる。ここで、()*は共役複素数を示し、ｎは特定のタイムスロットの間の時間におけるサンプルであり、yi(n)はｉ番目のアンテナ素子によって（ＲＦで）送信される（ベースバンドでの）出力であり、及びＧＭＳＫ(sj(n))は、時間サンプルｎでのｊ番目の空間チャネルのＧＭＳＫ変調されたベースバンド波形である。
【００５７】
このように図１(b)は、ｍ個のアンテナ素子による送信のためのｍ個の複素数値の（Ｉ，Ｑ）信号を形成するため、重みベクトルｗ1、ｗ2、及びｗ3を使用して、３つの空間チャネルを空間的にマルチプレクスするための、全てのｍ個の送信変調及びマルチプレクシングＤＳＰを使用する空間処理を示す。
【００５８】
図１(d)は、それぞれアンテナ素子１２９．１から１２９．ｍに結合したｍ個のＲＦ信号を生成するために、これらのｍ個のベースバンド信号１１３．１から１１３．ｍが、それぞれの送信機１１５．１から１１５．ｍによって、どのようにして送信されるかを示す。
【００５９】
どのような適切な送信器も使用することができるが、特定の実施形態は、１つのアンテナ素子のための１つのそのような送信機を示す図１(ｃ)に示す構造を有する送信機を使用した。ｉ番目の送信変調及びマルチプレクシング(transimit modulation-and-multiplexing)ＤＳＰからの１．５倍でオーバーサンプリングされたベースバンド信号１１３．ｉは、最初にデジタル的に３２倍にアップサンプル(upsample)され、アップコンバート(upconvert)され、及びユニット１１７により補間(interpolate)される。結果として得られる信号は、次に、Ｄ−Ａコンバータ（ＤＡＣ）によって１３MHzでアナログに変換され、そして結果として得られる信号１２３は、次に、ＲＦ送信機１２５によって、アナログで、アップコンバートされて増幅される。
【００６０】
それぞれ１つのアンテナ素子に関連する送信機装置(transmitter apparatus)の用語は、ＲＦでアンテナ素子を通じた送信のため、ベースバンド信号を増幅されたベースバンド信号に変換することに関連する、デジタル及びアナログのハードウェア、ケーブルなどを含むすべての装置のことを言い、またそのような装置は当業者に周知である。
【００６１】
（数学的説明）
ここで説明される特定の実施形態は、炊く定の変調フォーマットを使用するＦＤＭＡ／ＴＤＭＡシステムのためのものであるが、本発明はどのようなタイプの変調又はマルチプレクシングにも限定されず、このため、ＴＤＭＡ、ＦＤＭＡ、ＦＤＭＡ／ＴＤＭＡ又はＣＤＭＡシステムを使用するアナログ及びデジタルのシステムを含む任意のシステムで使用することができる。
【００６２】
ベースステーション（ＢＳ）にｍ個のアンテナ素子のアンテナアレイを持たせる。Θに、ＢＳのアンテナアレイの遠いフィールド(far-field)内の遠隔ユーザ(MSと表わされる移動局(mobile station))の位置の範囲を記述するパラメータ集合(parameter set)を表現させる。すなわち、特定のユーザのためのＲＦパターンの目的の有効範囲である。集合のΘは、例えば、
は、θ1からθ2への方位角角度の範囲を示すものとして、
のような一組の方位角角度(azimuth angle)を表わすことができるであろう。他には、Θは、例えば、Ｖ又はＨの偏波、−３０°から−５°の高度(elevation)、３０°から１５０°の方位角の範囲の集合である、
のような方位角及び俯角(depression angle)及び偏波(polarization)の集合であってもよい。特定の実施形態では、そのパターンは、方位角のみの特定の範囲の有効範囲を提供するように設計されたものであり、また、本発明の方法は、そのような範囲の定義に確実に限定されない。
【００６３】
好適な実施の形態のＧＳＭプロトコルを使用したするシステムを含む多くのシステムでは、すべての信号は、中心周波数が知られており、信号のバンド幅とそれらの中心周波数の比率が１よりかなり小さいという意味において、おおよそナローバンド(narrowband)であると考えることができる。
を、ｍ個のベクトルを含む、遠隔受信機（ＭＳ）でアンテナアレイ素子のそれぞれから受信した信号の、これらの素子が同じナローバンド信号をそれぞれ送信しているときの相対位相及び振幅と定義する。
そのように定義された
は、ステアリングベクトル(steering vector)と呼ばれることがある。いくつかのアンテナアレイの構造はが可能であり、本発明はどのような特定の配置に限定されない。好適な実施の形態で使用される１つの例は、ｄとして示された、均一な間隔(spacing)で直線に沿って配置された、ｍ個の同一の、無指向性アンテナ素子の直線アレイ(linear array)である。そのような構造に対して、ステアリングベクトルは（比例定数内で）、反射又は分散(diffracting)オブジェクト
の影響を本質的に受けない環境中にあることを示すことができる。ここで、λ＝ｃ／ｆであり、()Tは転置行列を示し、ｃは伝播速度であり、ｆはＲＦ周波数であり、及びθはアンテナアレイの軸に関して測定されたＭＳの位置に対応する方位角又は円錐角(cone angle)である。もし、アンテナアレイ素子のそれぞれが、ｅ(θ)で示される、無指向性の高度応答だが、定数ではなく同一の(non-constant and identical)方位角応答を有していたなら、ステアリングベクトルは、
であることを示すことが可能である。
【００６４】
送信マニホルド(transmit manifold)Ｔ(Θ)を、集合Θの中の全てのθSに対して、遠隔受信機で、アンテナアレイのそれぞれから受信された信号の相対位相及び振幅の集合として定義する。すなわち、
である。
【００６５】
好適な実施形態では、Ｔ(Θ)は知られていることとする。Ｔ(Θ)を正確に推測する方法は知られており、また、そのような方法は、アレイの電子機器のキャリブレーション(calibration)及びフィールドでの直接測定の結合での、分析的なモデリングを含む。例えば、どのようにしてステアリングベクトルを決定するか及びどのようにしてＳＤＭＡシステムにおける遠隔ユーザの位置を決定するかの例のための我々のスマートアンテナ特許を、ロイ(Roy)他が発明者の、ＳＤＭＡシステムをキャリブレーションする例を含む、メソッド・アンド・アパレイタス・フォー・キャリブレーティング・アンテナ・アレイズ(METHOD AND APPARATUS FOR CALIBRATING ANTENNA ARRAYS)という名称の米国特許第５，５４６，０９０号（１９９６年８月１３日）と一緒に参照するとよい。
【００６６】
複素数値のｍ次元の行重みベクトル(row weight vector)ｗは、θの関数としての特定の放射パターンを実現するため、複素数値（同相のＩ及び直角位相(quadrature)のＱ）の信号ｓ(ｔ)をアンテナアレイ素子に亘って分配するために使用される複素数の重み(complex weightings)を含む。重みベクトルｗが、送信空間処理(transmit spatial processing)のために使用されるとき、（ベースバンドの）アンテナ素子にかけられるｍ個の複素数値の信号は、複素数値のｍ行ベクトル
の要素によって与えられる。ここで、()*は共役複素数を示し、ｓ(ｔ)は送信される（ＧＳＭを使用する好適な実施形態ではＧＭＳＫ変調された）ベースバンド信号であり、そのため、ＭＳによって位置θで受信されるネットの信号は、複素数値の量
に比例する。
【００６７】
好適な実施形態では、送信される信号のそれぞれは、ここで上述のように、送信変調及びマルチプレクシングＤＳＰによって生成され、また、他の実施形態も、当業者に明らかになるように、本発明の範囲内で、確かに可能である。
【００６８】
（単位時間あたりの単一の論理チャネル）
例えば無指向性に近い（ＮＯＲ）特性のような、所望の特性を達成する重みベクトルｗを決定する好適な実施形態は、所望の応答パターンからの偏差を測定する重みベクトルｗのコスト関数を定義すること、そしてそのコスト関数を最小にする重みベクトルｗを見つけることの最小化の問題を解くことを含む。多くのコスト関数が、この実施形態のために可能である。ＮＯＲパターンに対する、単位時間あたりの単一の論理チャネルの場合には、無指向性のブロードキャストのための所望の特性の測定である好適なコスト関数は、
である。ここで、|ｗ|は、ベクトルｗの要素の振幅のベクトルであり、
は、|ｗ|の中の全ての要素の平均値であり、及び
は、ベクトルｗのＬ２ノルム(norm)（すなわち「長さ(length)」）である。コスト関数の式（式７）の第１の項は、アンテナ素子の中の送信パワーの変化量の測定(measure)であり、第２の項は、全体の送信パワーの式であり、及び第３の項は、ある一定の目的利得値(constant target gain value)で示されるｇdからの利得の偏差の測定である。αiは、コスト関数の成分のための相対重みを提供する正のスケールファクタ(scale factor)である。第３の項中の積分は、Θ’、すなわちΘのサブセット、特に、コスト関数の最小化がそれに関して（例えば、方位角のセクターに関して）実行されるパラメータ空間Θの部分に関するものである。例えば、領域のいくつかの中の応答パターン中のリップル(ripple)のためにより大きい「コスト」を課する、又は所望の非ＮＯＲパターンなどを実現する、他のコスト関数を使用することができる。特定のコスト関数は、デザインエンジニアに委ねることができ、またそれは、コスト関数中にある測定のいくつかの相対的重要性に依存する。
【００６９】
無指向性（又は所望のパターン）のブロードキャストのために使用する最適のｗは、次に、コスト関数Ｊ(ｗ)を最小にするｗである。Ｊ(ｗ)を分析的に最小化できることは希であろう。その代わり、好適な実施形態では、数値最小化方法(numerical minimization approach)が使用される。特に、我々は、準ニュートン法(quasi-Newton method)を使用し、２ｍ個の実数のパラメータの集まり(collection)としてｗの実部及び虚部の成分を扱った。
【００７０】
そのような数値最小化をどのようにして実行するかは、当業者には明らかであろう。実際の実施では、対話式行列操作プログラム(interactive matrix manipulation program)ＭＡＴＬＡＢ（マサチューセッツ洲ナティックの、マスワークス・インコーポレイテッド(The Mathworks, Inc. Natick, MA)）が使用された。ほとんどの一般的なコンピュータオペレーティングシステム上で動作するＭＡＴＬＡＢは、より複雑なアプリケーションをサポートするために、従来のプログラミング言語のオーバーヘッドなしに、数値分析、行列計算、信号処理、及びグラフィックスを、問題及び解が数学的に表現されている単一の環境に統合する。基本的なデータ要素は、次元(dimensioning)を必要としない行列である。それのために、フォートラン(FORTRAN)、ベーシック(Basic)、またはＣのような言語で書くために要する時間の何分の一で、数字の問題を解くことが可能になる。特別の「ツールボックス」を利用することができ、それは、問題の特定のクラスを解くためＭＡＴＬＡＢ環境を拡張する、広範囲なＭＡＴＬＡＢ関数の集合(M-ファイル)を提供する。そのようなツールボックスは、信号処理、制御システム設計、動的システムシミュレーション、システム識別、ニューラルネットワーク、最適化などを含む。特に、ＭＡＴＬＡＢ最適化ツールボックスが、最適化問題を解くために使用された。ＭＡＴＬＡＢ最適化ツールボックスは、準ニュートン最適化法(quasi-Newton optimization method)を含む。
【００７１】
ＮＯＲパターンを実現することが普通望ましい一方、時々他の考慮すべきことがより重要となり得ることは、再び記載すべきことである。このように、本発明の他の態様では、この方法を、他の、必ずしもＮＯＲでないパターンを実現するために適用することができる。一般的に、これらの非ＮＯＲパターンは、いくつかの広い領域を有するであろう。例えば、有効範囲の意図された領域中にナルを持たず、アンテナ素子からアンテナ素子へのエネルギーの変化及び全体の送信されるエネルギーを最小にする、パターンを実現することは十分であろう。そのような応用のためには、コスト関数の異なる成分によって、同じアプローチを使用することができる。このように、特定の実施形態が無指向性パターンを実現することに関して説明されていくが、他のパターンも本発明の異なる変形によって実現することができる。
【００７２】
（実験結果）
上述の方法は、１９４５．２MHzで動作する０．５１λの間隔の直線アレイとして配列された、８つの１２０°パッチアンテナ素子(patch antenna element)からなるアレイのための、方位角的にＮＯＲ重みベクトルｗを設計するために使用された。０．５λの間隔、及び以下のような式６を決めて、実際の設計はなされた。
この例はセクターの設計のためであったため、Θ’に対する特定の選択がなされた。ｇdは、ａ(θ)のスケーリング(scaling)及びアンテナアレイ中のエレメントの数（８）に基いて選択される。
【００７３】
直線アレイに対しては、対称性のため、非セクターのＮＯＲパターンのための設計の問題は０から１８０°であろう。非直線及び非対称のアレイパターンは、全体の３６０°に亘る設計を必要とするであろう。
【００７４】
上述のように、式７に従って重みベクトルｗを設計するために、ＭＡＴＬＡＢが使用された。その結果は、任意の素子からの最大の正規化された放射パワーが１であるように、スケールを変えて示される。図２の２つの垂直の点線２０３及び２０５は、セクター[３０°，１５０°]の限界である。このパターン２０１は、単一の素子に関してかなり大きい利得を有することが明らかである。セクター[３０°，１５０°]中のリップルについて、２つのコメントをすべきである。第１に、数dBのオーダーのピークからピークのリップルは、動作的には重要ではなさそうである。第２に、セクターの端での増大した利得は、それは、セクターの端での個々の素子のパターンにおける減少した利得を補償することになるため、実際には望ましいパターンの特徴である（式２参照）。もしリップルが許容できなかったなら、任意の特定の領域中のリップルに高い重みを与える、異なるコスト関数を構成することができる。そのような修正は、当業者には明らかであろう。
【００７５】
この処理ストラテジーは、ＳＤＭＡによる好適な実施形態の実験のＧＳＭシステム上に実施され、また、実際の性能を理論的予測と比較するために、実地(field)の測定がそのセクター内で５°毎に実施された。その結果は、図３中の点線３０５を与えるための補間をしたものと共に、図３で「ｘ」として表示される。図３の実線２０１は、図２のものと同じであり、また、分かるように、実際の実地の測定値は理論的計算と非常によく一致している。
【００７６】
（単位時間あたりの複数論理チャネル）
複数の論理チャネルを、ＮＯＲエネルギーパターンの制約のもとに、同じキャリア上に同時に送信するために、ＢＳでアンテナアレイを使用することが望ましい状況がある。例えば、アンテナアレイは、無指向性エネルギーパターンの追加の要件を有するキャリア上の複数のダウンリンクトラフィックチャネル又はいくつかの空間チャネルをサポートするために使用することができる。この要件は、例えば、ＧＳＭシステムのＢＣＣＨキャリアを含む、いくつかのキャリアに対して存在する。本発明の他の態様は、これを実現するための方法及び装置である。本発明のこの態様を使用することなしに、（ＦＤＭＡ／ＴＤＭＡシステムにおける）単一のタイムスロット又は（一般的な）従来のチャネルにおいて１つより多くのユーザに送信するとき、通常の空間処理は、ユーザのそれぞれに対して指向性の高いＲＦパターンを生成するであろうし、それによって「ネットの」ＲＦパターンは指向性を有するであろう。無指向性に近いネットのＲＦパターンを維持しながら、そのような同一チャネル(co-channel)のユーザへの指向性を有して情報を送信することができることが望まれる。
【００７７】
例えば、Ｄ個の方位角θi（ｉ＝１，…,Ｄ）によって与えられる異なる位置のＤ個のＭＳ（すなわち、遠隔ユーザ）というような数Ｄがあると考えよう。これらの位置は、典型的には、少なくともおおよそ知られている。目標は、ＮＯＲパターンが望まれるか必要とされる領域の全体中にネットのＮＯＲパターンを維持しながら、それぞれが他のＭＳとの干渉を発生することなく対応するＭＳへの指向性パターンを発生するＤ個の重みベクトルを設計することである。これを行うために、最初に、（ＮＯＲパターンが望まれるところである）全体のパラメータ空間Θを、Ｄ個の重なっていない領域、Ωi（ｉ＝１，…，Ｄ）に分割する。ここで、
式８は、ｉ番目のＭＳは、Ωiで示されるｉ番目の領域中にあることを表わし、式９は、ΘがＤ個の領域すべての合計であることを表わし、及び、式１０は、領域は重なっていないことを表わす（φは空集合である）。これは、それぞれの遠隔ユーザのための領域があることを意味する。ユーザより多い数の領域、すなわちＤ個より多い領域を持つこともできる。そのような場合、１つ以上の「ダミー信号」を、ユーザが存在しないことが知られているところの領域に送ることができる。ダミー信号を含むように変更することは直接的(straightforward)である。この説明及び請求項においては、「ダミー信号」は、１つのダミー信号かいくつかの異なるダミー信号かのいずれかであり、いずれの場合も、この文脈から当業者にとって明らかであろう。しかし、好適な実施形態は、Ｄ個の領域のみを使用する。前述のように、ユーザのそれぞれに対する重みベクトルを決定する方法は、それぞれが所望の応答パターンからの偏差を示す、Ｄ個の重みベクトルｗ1，…，ｗDのコスト関数を定義すること、及び、次にコスト関数を最小にするＤ個の重みベクトルのセットを見つけるという最小化問題を解くことを含む。また、多くのコスト関数が本発明のこの態様のために可能であり、また、最小化問題を解く、多くの方法が可能である。好適な実施の形態では、我々は以下のように決定される全体のコスト関数を使用する。
及び
を定義する。全体の好適なコスト関数Ｊ(ｗ)は、
で与えられる。ここでＷは、Ｄ個の重みベクトルの集合、Ｗ＝{ｗ1，…，ｗD}である。Ｗoptで示される重みベクトルの最適なセットは、次に、コスト関数Ｊ(ｗ)を最小にするセットＷで与えられる。式１１では、個々の項の意味は、式７のそれと類似している。式１２のＬi(ｗi)は、ｉ番目のユーザにより受信されたエネルギーの測定であるが、それはそのユーザのために意図したものではない。すなわち、その重みベクトルｗiβiに対するすべての意図していない領域中で受信されたエネルギーは、全体のコスト関数のこの成分に対する正の重みである。
【００７８】
他の実施形態では、Ｌ'i(ｗi)で示される、Ｌi(ｗi)に対する以下の形態が使用される。
ここで、γiは、ｊ≠ｉとしたΩjでのユーザのために意図された信号から、Ωiでのユーザへの干渉の許容できるレベルを設定するために使用することができる、Ｄ個のパラメータである。当業者に明らかであるように、他の代替も可能である。
【００７９】
単一のユーザの場合については、Ｊ(Ｗ)を最小にする重みベクトルのセットに対して解くために、数字の方法(numerical method)が好適には使用される。特に、もう一度、準ニュートン法、特にＭＡＴＬＡＢ最適化ツールボックスにおける準ニュートン法が使用され、また、ｗiの実数及び虚数の成分は、２ｍ×Ｄの実数パラメータの集まり(collection)として扱われる。
【００８０】
（他の計算が効率的な方法）
ユーザが有効範囲の領域内で動き回ると、重みベクトルの最適なセット、Ｗは、一般的に再計算されることが必要になってくる。これは、高速に、極度の計算が必要な最適化問題を反復して解くことを含み得る。第１の他の実施形態では、所在（同一チャネルのユーザのための位置範囲）のセットを予め決めることができ、そのような所在に対する重みベクトルは、予め計算され、そしてメモリ中に予め記憶される。
【００８１】
同一チャネルのユーザの知られた又はおおよそ知られた位置が、予め計算された所在の１つと適合するなら、所在の中の特定の１つに対する重みベクトルのセットが、メモリから呼び出され、送信のために使用される。同一チャネルのユーザに対して設計された領域が、確実に、適切に分離されるようにするため、典型的には、１つより多くのセットの領域が、同一チャネルのユーザのどのような特定の数に対しても設計されることが必要となるであろう。そうでなければ、２人のユーザが移行ゾーン(transition zone)に近いとき、同一チャネルの干渉が発生し得る。
【００８２】
おおよそ均一なアンテナアレイの構造、例えばおおよそ均一な直線アレイ、及びいくつかの他の構造のために、第２の他の実施形態は、重みベクトルの予め計算されたセットの非常に少ない数のみを記憶すること、及び簡単な計算を使用して、予め計算されていない所在に対する重みベクトルを迅速に計算することを含む。すなわち、この方法は、重みＷの典型(prototype)のセットを予め計算すること、そしてそのような典型のセットＷを、セットΘ中の移動ユーザの変化している位置に適合させるために「シフトさせる」ことを含む。
【００８３】
この第２の他の実施形態は、例を使用してもっとも好適に説明される。λ／２の間隔を有する、ｍ個の無指向性素子から構成される均一な直線アンテナアレイを考え、更に、無指向性の送信のための全体の範囲が、方位角での全体の平面であると、すなわち、Θ＝［０°，１８０°）であり、及び設計の問題は、特定されたどのような特定の高度のセット又は偏波のセットではなく、方位角のみの上においてであると仮定する。この場合に対するステアリングベクトル
は、式１により与えられる形態、特に、
である。
【００８４】
送信重みベクトル、ｗを使用するとき、方位角の関数としての合計の放射パワーは、量Ｐ(θ)に比例する。ここで、
ａ(θ)に対して式１６により与えられる形態の任意のベクトルは、ヴァンデルモンド構造(Vandermonde structure)を有すると言われる。ｗrは、３７°シフトされた重みベクトルｗである他の送信重みベクトルであると仮定する。すなわち、
【数１】
である。ここで、
は、要素と要素との乗算を意味する演算子である。
ａ(θ)のヴァンデルモンド構造のために、重みｗrを使用する方位角の関数としての放射パワーは、同様の量だけ（１８０°を法として）回転させられる。言いかえれば、合計の放射パワーは、
に比例することになる。
式１６中のコサインのため、式１９は、正確に等しくはなく、おおよそ等しい。コサインは非線形である。
【００８５】
この関係を、図４(ａ)及び４(ｂ)に示す。図４(ａ)中のプロット４０３は、最初の重みベクトルｗを使用して方位角の関数としてのパワーを示し、また、図４(ｂ)中のプロット４０５は、「回転させられた」重みベクトルｗrに対する方位角の関数としてのパワーを示す。
【００８６】
この概念は、ＮＯＲ放射パターンを維持しながら、複数の、空間的に別個の、論理チャネルを同時に送信するための方法の第２の別の実施形態のための基礎を形成する。この方法の好適な実施形態は、以下のように進行する。
１．パラメータ空間を、それの結合(union)が全体の空間である有限の数の領域に区切り、及び、その領域の数は同一チャネルユーザの数である。他の実施形態は領域より少ないユーザを有することがあることに注意する。
２．他の領域中に送信されるパワーを最小にしながら、それの意図された領域に亘ってほぼ一定の利得を提供する、それぞれの領域に対する設計重みベクトル。これは、好適には、式１３により決定されるコスト関数を最小にする重みベクトルのセットを決定することによって、実行される。重みベクトルの典型のセットとして、領域内のＮＯＲを実現するため、重みベクトルを予め記憶させる。
３．同一チャネルユーザの位置の情報に基づいて、確実に、同一チャネルのユーザが適切に分離され、それぞれの領域内に１つのみのユーザが含まれるように、領域の必要な移動(translation)を決定する。領域の移動(translation)の間に、変形(deformation)があり得ることに注意する。ユーザの位置又はおおよその位置は、ＳＤＭＡ処理で知られている（例えば、我々のスマートアンテナシステムを参照する）。
４．予め設計された(及び予め記憶された)重みを、それらが領域の移動に対応するように「シフトさせる」。
【００８７】
第２の実施形態の利点は、予め記憶される必要がある重みの典型のセットがより少ないことである。一般的に、同一チャネルのユーザのそれぞれの潜在的な数の１つの典型のセットのみを予め計算することで十分であろう。
【００８８】
（実験結果）
上述の第２の他の実施形態の方法は、単一のユーザの実験のために使用された同じアンテナアレイを有するＢＳのための合成のＮＯＲパターンを有する２つの同時の空間チャネルシステムのための２つの重みベクトルｗ1及びｗ2を設計するために使用され、すなわち、アンテナアレイは、（ＰＣＳ−１９００システムのためには）１９４５．２MHzで、０．５１λの間隔を有する直線アレイ中に配列された８つの１２０°のパッチアンテナ素子を含む。これらの重みは、全体のネットのＮＯＲ放射パターンを維持しながら、（例えば、２つのＴＣＨ上の２つの異なる音声会話のような）異なる論理チャネルによる２つの同時の同一チャネルユーザとの使用のために設計された。
【００８９】
無指向性の有効範囲Θのための全体の範囲は、完全な平面(complete plane)であるようにされた。すなわち、（カバーすることが必要な実際の領域が、[３０°，１５０°]であったとしても）Θ＝［０°，１８０°）であり、及び、この範囲は、０から６０°及び６０°から１８０°（Ω1＝[０°，６０°]∪[１２０°，１８０°]）の第１の領域Ω1、及び６０°から１２０°（Θ＝Ω1∩Ω2でΩ2＝（６０°，１２０°））の第２の領域Ω2の２つの領域に区切られた。
【００９０】
１２０°のセクターへのセクター化は、個々のアンテナ素子（式２参照）の物理的放射パターンによって影響を受けるものであり、そのため、放射パターン内のセクター化は、たとえΘ＝［０°，１８０°）が選択されたとしても、存在するであろう。領域Θのための設計を１８０°に亘って広がるようにさせるための決定は、好適な実施形態の直線アンテナアレイのためのパターンを周期的にラッピング(wrapping)することによるものである。パターンを０°より小さいところにシフトさせることは、そのパターンを１８０°から下に「負方向に行く」ようにシフトさせる。これは「ラッピング(wrapping)」と呼ばれる。ラッピングの特性は、２つのユーザの場合に対する２つの典型のパターンを、単一のパターンをシフトさせることによって作るために使用される。この特性は望ましいものであるが、それは本発明のこの態様の必要な部分ではなく、他の方法で実施することができるものである。
【００９１】
その領域の区切り点(breakpoint)は、cos(６０°)＝−cos（１２０°）＝０．５であるため、{６０°，１２０°}とされた。これにより、他の（ラッピング特性を法とする）シフトに、等しい角度の幅の領域が与えられた。
このように、この領域の定義及びラッピング特性で、１つだけの最適化問題、すなわちΩ1に対応する重みベクトルｗ1を決定し、次にｗ2をｗ1を９０°シフトさせることにより作り出すこと、を解く必要があった。
【００９２】
他の区切り点及び領域も定義することができる。シフト特性により２つの典型の領域をシフトによって関係させることができないなら、２つの最適化の問題を解決する必要があるであろう。
【００９３】
全体の領域Θが、確実にすべての個々の領域の結合であるようにすることが好適である一方、例えば、準ニュートン法において、それを実行することはいくつかの計算の問題を作り出すことが発生し得る。第２の他の実施形態として使用される特定の実施形態では、１０°のバッファゾーンが、それぞれの領域の端に組込まれた。これは、準ニュートン最適化ルーチンの収束(convergence)特性を改善するために見つけられた。このように、Ω1＝［０°，５０°］∪［１３０°，１８０°）及びΩ2＝［７０°，１１０°］である。その設計のこの要素は、２０°の分離が同一チャネルのユーザに対して維持されなければならないであろうということを意味する。ｗ1を計算するために使用された実際のコスト関数は、以下の条件の下、Ｋ1（すなわち、α2,i＝０）のみを使用する式１３のようなものであった。
Ω2中のΩ1エネルギーパターンの正に行く(positive-going)極値にペナルティーを課し(penalize)ながら、Ω1からΩ2への干渉を少なくとも３０ｄＢ減少させることを目的とする、Ｌ1の修正されたバージョンが使用された。数学的には、
である。ｗ2は、０°ではなく９０°のところで中心になるようにｗ1を回転させることによって得られる。２つのパターンのプロットが、図５の中に曲線５０３及び５０５として示される。いずれかの重みベクトル中の要素の最大の法(maximum modulus)が０．５であり、どの要素から送信される正規化されたパワーもたった１であるように、プロットを作り出すために、重みは正規化される。プロット上に指示された利得は、１で正規化されたパワーで送信する単一の素子に関連する。方位角の関数としての放射パワー、すなわち、軌跡(trace)５０３及び５０５への合計(sum)は、それでも、比較できるパワーで動作している単一の送信素子によって達成できるものより大きいことに注意する。
【００９４】
もし、１つのユーザが、上記で定義されたようなΩ1及びΩ2のそれぞれの中であれば、これらの重みｗ1及びｗ2は、２つのユーザのために適当である。こういう場合（遠隔ユーザが、いくつかの技術によって決定され得るところであるような場合。例えば、我々のスマートアンテナ特許を参照する。）でないなら、ユーザの間の中点(midpoint)へのパターンの間の区切り点をシフトさせるため上述のように、パターンは、［cos(θ1)＋cos(θ2)］−cos(６０°)だけシフトされ、θ1＞θ2となるようにソートされる。９４°及び１３７°のユーザの角度に対しては、結果として得られるパターンは、図６中にプロット６０３及び６０５として表示される。重みの計算は、専らユーザ間の方位角の距離に基いて計算され、またそれは非常に計算が効率的であることに注意する。以下は、図５及び６を生成するために使用されるＭＡＴＬＡＢコードである。ＭＡＴＬＡＢコードでは、最適化によって決定される実際の重みは、パラメータとして示され、またそれはコード中に入力する必要がある。図５を生成するためには、コマンドPat2(0,[94 137],1)を発し、また図６を生成するためには、コマンドPat2(1,[94 137],1)を発する。
【００９５】
【表１】
【００９６】
【表２】
【００９７】
【表３】
【００９８】
（ディザリング）
更に進んだ改良では、パターンの間の区切り点は、好適には５°の小さい量だけ、例えば数百Hzの周波数のある低い周波数で、ディザリングされる。その結果、恒久的に合成パターン(composite pattern)の最小の近距離(local minimum)にある位置はセル中にはなく、また方位角の関数としての時間平均されたエネルギーは比較的一定である。
【００９９】
ディザリングは、例えば、バーストからバーストで、少し異なるシフトを有することによって、実行されることができる。例えば、角度θのシフトが、ある典型の重みのために必要なら、それぞれのバーストに利用されるシフトは、ｒｎｄを±１の間に均一に分布する乱数として、θ＋５°×ｒｎｄであろう。このように、バーストからバーストで、重みベクトルは、公称の(nominal)重みベクトルからのシフトの中でディザリングされるであろう。
【０１００】
図７は、図６で図示したものと同じ、２つの同時のユーザの場合に対するディザリングありとなしとの場合で得られた、１つのアンテナ素子上で無指向性に送信している間の時間平均パワー利得を示す。平均は、２つの信号の相対的位相がランダムに作られる、１００を超える反復である。実線の曲線７０３は、ディザリングがあるときの結果を示し、一方、点線の曲線７０５は、ディザリングがないときの結果を示す。
【０１０１】
以下は、図７を生成するために使用されるＭＡＴＬＡＢコード「ditherDemo」である。コードPat2のときと同じように、最適化によって決定される実際の重みは、パラメータとして示され、またそれは、コード中に入力される必要がある。
【０１０２】
【表４】
【０１０３】
【表５】
【０１０４】
【表６】
【０１０５】
（空間チャネルにつき１つのユーザのためのディザリング）
いくつかのユーザの場合に対する上述のディザリングは、従来のユーザの場合についての１つのユーザに対するリップルを減少させるためにも使用することができる。重みベクトルは、同様に、好適にはバーストからバーストに、ある低い周波数で、数度ずつ、上方又は下方にシフトされる。
【０１０６】
（実地試験）
この設計のための実地試験も実行された。図８は、実地検証の結果を示す。３つの実験が、ＰＣＳ−１９００周波数で動作する実験のためのＧＳＭシステムに実施された。それぞれの実験で、同一チャネルのユーザの一対が、固定された方位角に設定され、また、受信されたパワーの測定値は、単一の放射素子によって、及び（ディザリングを有する）本発明の第２の交替の実施形態の方法及び装置によって、交互に実行された。５°の増分ごとに、セクター内で、測定値が取得された。３つの実験に対するユーザの方位角の対は、それぞれ、５２°／１０７°、５２°／８４°及び６０°／１３６°であった。単一の放射素子を使用している間の第２の実施形態を使用することの利得はそれぞれの角度で計算され、そして、これらの利得の累積的分布関数(cumulative distribution function)が決定された。図中の実線の軌跡８０３は、（１で正規化されたパワーでの単一の素子からの放射に関する）使用された構成のダウンリンクパワーの利得の、この測定された累積的分布関数である。この軌跡８０３は、３つの全ての実験の間に収集されたデータに対する合成の結果である。点線の８０５曲線は、区切り点ディザリング方法(breakpoint dithering strategy)の結果を含む理論的予想である。理論的結果は、上述の実験のモンテカルロ・シミュレーションを実行して得られた。２つの曲線の形状は、非常によく一致しているように見える。それらの曲線間の１．５から２ｄＢのオフセットは、単一のアンテナ及び複数のアンテナのデータのために実行された収集の間の一貫した誤差に帰することができそうである。
【０１０７】
当業者に理解されるように、技術を有する実施者は、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、上述の方法及び装置に多くの変更を加えることができるであろう。例えば、本システムは、異なる通信プロトコルに対して実施することができ、ＮＯＲパターンを含む所望のパターンを実現する重みｗを決定するための異なる方法を使用することができる、などである。本発明の範囲は、以下の請求項中に示されたようにのみ、限定されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１（ａ）】 ＧＳＭシステムでＧＭＳＫ変調されたフレームの構築の信号フロー表現である。
【図１（ｂ）】 ｍ個のアンテナ素子による送信のため、ｍ個の複素数値（Ｉ，Ｑ）信号を形成するように、重みベクトルｗ１、ｗ２及びｓ３を使用する３つの空間チャネルを空間的にマルチプレクスするための空間マルチプレクサを示す。
【図１（ｃ）】 アンテナ素子の１つのための送信機の構造を示す。
【図１（ｄ）】 図１(ｂ)の空間マルチプレクサからｍ個の空間的にマルチプレクスされた信号を送信するための、それぞれ図１(ｃ)のようなｍ個の送信機を示す。
【図２】 １のパワーで放射する単一のアンテナ素子を使用する本発明の１つの実施形態に従って、ＮＯＲのために設計された重みベクトルを使用した、方位角の関数としての計算された（理論的な）利得のプロットを示す。
【図３】 図２の理論的結果と、本発明の１つの実施形態に従った、ＮＯＲのために設計された重みベクトルを使用した実験結果との比較である。
【図４（ａ）】 ＮＯＲ送信のための重みベクトルｗを使用した角度の関数としてのパワーを示す。
【図４（ｂ）】 重みベクトルｗに由来する「ローテーションされた(rotated)」重みベクトルｗrに対する方位角の関数としてのパワーを示す。
【図５】 それぞれがＮＯＲ領域への、本発明の１つの実施形態に従って決定された、ＮＯＲ送信のための、２つの重みベクトルを使用することにより得られる利得のプロットを示す。
【図６】 本発明の他の実施形態に従った、図５の例のために決定された重みベクトルから決定された、同じ従来のチャネル上の２つの同時のユーザへのＮＯＲ送信のための、２つの重みベクトルを使用することによって得られる利得のプロットを示す。
【図７】 本発明の態様に従ったディザリングがある場合とない場合の、方位角の関数としての利得を示す。
【図８】 本発明の１つの実施形態を使用した実験での、１の正規化された(normalized)パワーでの単一の素子からの放射に関するダウンリンクパワーの利得の、測定された及び理論的な累積的分布関数を示す。
（発明の分野）
本発明は無線通信システムの分野に関連し、より詳しくは、有効範囲の領域の全体を通して無指向性に近いパターン(near omnidirectional pattern)を達成するために複数素子の送信アンテナアレイを使用する通信局(communication station)による、無線通信システムでの共通ダウンリンク通信チャネル信号の効率的なブロードキャスト(broadcast)に関連する。
【０００２】
（発明の背景）
地理上の領域がセルに分割され、また、それぞれのセルは、（遠隔ターミナル(remote terminal)、モバイルユニット(mobile unit)、移動局(mobile station)、加入者局(subscriber station)、又は遠隔ユーザ(remote user)とも呼ばれる）加入者ユニット(subscriber units, SUs)と通信するための基地局(base station, BS, BTS)をそのセル内に含むことを特徴とする、セルラー無線通信システムが知られている。そのようなシステムでは、例えば加入者ユニットへの呼出(call)を開始するために特定の加入者ユニットをページングするために、又は、基地局とどのようにして通信するかについて、全ての加入者ユニットに、例えば、基地局識別(base station identification)、タイミング、及び同期(synchronization)データを含む制御情報を送るために、基地局からセル内の加入者ユニットに情報をブロードキャストする必要がある。そのようなページング及び制御情報は、何が共通制御チャネルと呼ばれているかについてのブロードキャストである。ページング又は制御情報を受信する必要がある遠隔ユーザの位置に関する前の情報がないことはしばしばであるため、又は、そのような情報は数人のユーザのために意図されているため、そのような信号を無指向性で又はほぼ無指向性で送信することが好適である。ここで、一般的に無指向性とは、基地局の放射パワーパターンが、基地局の定められた有効範囲の領域内で、方位角及び高度から独立していることを意味する。更に、いくつかの標準的な通信プロトコルは、意図された受信者のいくつかの位置の知識がある時でさえ、特定のチャネルが無指向性に送信されることを要求する。このように、そのような周波数チャネルについての「情報」を特定のユーザに指向性で送信する必要がある時でさえ、「高周波（ＲＦ）エネルギー」は無指向性で送信される必要が未だにある。この発明は、そのような無指向性送信を達成するための方法及び装置を扱う。
【０００３】
本発明を適用することができるセルラーシステムのいくつかの例は、電波産業会(Association of Radio Industries and Businesses, ARIB)予備標準(preliminary standard)である、１９９５年１２月の、ＲＣＲ ＳＴＤ−２８（バージョン２）により定義されるパーソナル・ハンディ・フォン・システム（ＰＨＳ）プロトコルの改訂版(variant)を使用するシステム、及び、ここではＧＳＭシステムの「改訂版(variant)」と呼ばれる３つのバージョンである、初期バージョン、ＤＣＳ−１８００と呼ばれる１．８ＧＨｚバージョン、及びＰＣＳ−１９００と呼ばれる北アメリカの１．９ＧＨｚのパーソナル・コミュニケーション・システム（ＰＣＳ）バージョンを含む、ＧＳＭ（Global System for Mobile communications）プロトコルを使用するシステムである。ＰＨＳ及びＧＳＭ標準は、機能チャネル(functional channel)(論理チャネル(logical channel)とも呼ばれる)の２つの一般的なセットを定義する：制御チャネル（control channel, ＣＣＨ）セットとトラフィックチャネル（traffic channel, ＴＣＨ）セットである。ＴＣＨセットは、加入者ユニットと基地局との間でユーザデータを送信するための２方向のチャネルを含む。ＣＣＨセットは、ブロードキャストチャネル(broadcast control channel, ＢＣＣＨ)、ページングチャネル(paging channel, ＰＣＨ)、及びここではあまり関係ないいくつかの他の制御チャネルを含む。ＢＣＣＨは、システム及びチャネル構造情報を含む、基地局から加入者ユニットへ制御情報をブロードキャストするための一方向(unidirectional)のダウンリンクのチャネルであり、ＰＣＨは、基地局から、加入者ユニットの選択された組への又は複数の加入者ユニットの広い領域（ページング領域）への、一方向のダウンリンクチャネルであり、またそれは典型的には、入ってくる呼出の特定の遠隔局(remote station)にアラートをするために使用される。本発明は、すべてのダウンリンクのブロードキャスト及び送信に適用される。それは、共通情報を１つより多くの加入者に同時に送信する（すなわちブロードキャストする）ために基地局によって使用されるＢＣＣＨ及びＰＣＨに特に適当である。ＲＦエネルギーを無指向性に送信することが望まれる場合の他の状況にも適用される。
【０００４】
高周波（ＲＦ）エネルギーの放射のためのアンテナアレイの使用は、種々の無線分野で十分に確立されている。アンテナアレイを含む基地局から遠隔受信機（加入者ユニット）へのダウンリンクで送信する目的のために、利得及び位相ファクタだけ素子間で異なるようにし、通常、計画的に、加入者ユニットへ焦点を合わせた指向性放射パターンを生じるように、ＳＵのために意図された信号を、アレイの放射素子のそれぞれへの入力として提供することができる。この種の送信方法の利益は、単一の放射素子を使用して可能な利得を超える増大した利得、及び単一の放射素子による送信と比較して、当該システムでの他の同一チャネルユーザとの減少した干渉を含む。そのようなアンテナアレイを使用すると、同じ「従来のチャネル(conventional channel)」(すなわち、周波数分割多重アクセス(ＦＤＭＡ)システムでの同じ周波数、時間分割多重アクセス(ＴＤＭＡ)システムでのタイムスロット、符号分割多重アクセス(ＣＤＭＡ)システムでの符号、又はＴＤＭＡ／ＦＤＭＡシステムでのタイムスロット及び周波数)を１つより多くの加入者ユニットに割り当てることができる、空間分割多重アクセス(spatial division multiple access, ＳＤＭＡ)技術も可能である。
【０００５】
どのような送られるダウンリンク信号も、加入者ユニットにより受信され、またそのような受信している加入者ユニットで受信された信号は、技術上周知であるように、処理される。
【０００６】
信号が遠隔ユニットから基地局に送られるとき（すなわち、通信がアップリンクであるとき）、基地局は、典型的には（また必ずしもそうである必要はないが）、（通常、送信用のものと必ずしも同じアンテナである必要はないが）受信アンテナアレイを使用するものであり、受信アレイのそれぞれの素子で受信された基地局信号は、（空間デマルチプレクシング重み(spatial demultiplexing weight)とも呼ばれる）受信重みによって振幅及び位相にそれぞれ重み付けされ、ここで、その処理は、空間デマルチプレクシング(spatial demultiplexing)と呼ばれるものであり、すべての受信重みは、基地局に送信している遠隔ユーザの受信空間シグナチャー(receive spatial signature)に依存している複素数値の受信重みベクトルを決定する。受信空間シグナチャーは、基地局アレイがどのようにして特定の加入者ユニットから、いかなる干渉もなく、信号を受信するかを特徴づける。ダウンリンク（基地局ユニットから加入者ユニットへの通信）では、送信しようとする信号に、一組の個々の（空間マルチプレクシング重み(spatial multiplexing weight)とも呼ばれる）送信重みによって、それぞれのアレイ素子により送信される信号に振幅及び位相において重み付けすることによって送信が実行され、ここで、特定のユーザのためのすべての送信重みは、どのようにして遠隔ユーザが、いかなる干渉もなく、基地局からの信号を受信するかを特徴づける、遠隔ユーザの「ダウンリンク空間シグナチャー(downlink spatial signature)」と呼ばれるものにも依存している複素数値の送信重みベクトルを決定する。同じ従来のチャネル上のいくつかの遠隔ユーザに送信するとき、重み付けされた信号の合計は、アンテナアレイによって送信される。加入者ユニットが送信のためのアンテナアレイも使用しての、そのような加入者ユニットからの無指向性の送信が望まれるとき、この技術は確かにアップリンク通信にも適用可能であるが、この発明は、ダウンリンク通信に主に関連する。
【０００７】
アンテナアレイを使用するシステムにおいて、アンテナのアレイ内のそれぞれのアンテナ素子からのアップリンクか、あるいはそれぞれのアンテナ素子へのダウンリンクかのいずれかで信号に重み付けすることは、ここでは「空間処理(spatial processing)」と呼ばれる。空間処理は、１つの加入者ユニットのみを任意の従来のチャネルに割り当てるときに有用である。このようにして、ＳＤＭＡの用語は、従来のチャネルにつき１つより多くのユーザを有する真の空間マルチプレクシングの場合と、従来のチャネルにつき１つのみのユーザによる空間処理の使用との両方を含むように、ここでは使用される。チャネルの用語は、基地局と単一の遠隔ユーザの間の通信リンクを言い、そのため、ＳＤＭＡの用語は、従来のチャネルにつき単一のチャネル、及び従来のチャネルにつき１つより多くのチャネルの両方を含む。従来のチャネル内の複数チャネルは、空間チャネル(spatial channel)と呼ばれる。ＳＤＭＡシステムの説明のためには、例えば、ロイIII(Roy, III)らが発明者の、スペイシャル・ディビジョン・マルチプル・アクセス・ワイヤレス・コミュニケーション・システムズ(SPATIAL DIVISION MULTIPLE ACCESS WIRELESS COMMUNICATION SYSTEMS)という名称の、（１９９６年５月７日発行の）米国特許第５，５１５，３７８号、及び（１９９７年７月２４日発行の）第５，６４２，３５３号；バラット(Barratt)らが発明者の、スペクトラリー・イフィシエント・ハイ・キャパシティ・ワイヤレス・コミュニケーション・システムズ(SPECTRALLY EFFICIENT HIGH CAPACITY WIRELESS COMMUNICATION SYSTEMS)という名称の、（１９９７年１月７日発行の）米国特許第５，５９２，４９０号；オッターステン(Ottersten)らが発明者の、スペクトラリー・イフィシエント・ハイ・キャパシティ・ワイヤレス・コミュニケーション・システムズ・ウィズ・スペイシオ−テンポラル・プロセッシング(SPECTRALLY EFFICIENT HIGH CAPACITY WIRELESS COMMUNICATION SYSTEMS WITH SPATIO-TEMPORAL PROCESSING)という名称の、（１９９６年１０月１０日出願の）米国特許出願第０３／７３５，５３０号；及びバラット(Barratt)らが発明者の、メソッド・アンド・アパレイタス・フォー・デシジョン・ディレクテッド・デモジュレーション・ユージング・アンテナ・アレイ・アンド・スペイシャル・プロセシング(METHOD AND APPARATUS FOR DECISION DIRECDED DEMODULATION USING ANTENNA ARRAY AND SPATIAL PROCESSING)を参照する。通信の効率を改良するため、及び／又はＳＤＭＡを時々提供するためにアンテナアレイを使用するシステムは、「スマート・アンテナ・システム」と呼ばれる。上述の特許及び特許出願は、ここでは集合的に、「我々のスマートアンテナ特許」と呼ぶ。
【０００８】
ブロードキャストすること(broadcasting)は、加入者ユニットの分散したセットへ、共通チャネルを通じてデータの同時送信を含むため、１つ以上の特定のユーザに意図された共通ダウンリンクチャネル情報及びトラフィック情報の両方をブロードキャストするための、複数素子アンテナアレイ及び関連トランスミッタハードウェアを使用する方法を見つけることが望まれる。
【０００９】
特定のアプリケーションでは、特定の従来のチャネルは無指向性のパターンで放射されることが要件である。ＧＳＭファミリーのプロトコル（ＴＤＭＡ／ＦＤＭＡシステム）では、例えば、すべての基地局がＲＦエネルギーを無指向性に、「ＢＣＣＨキャリア」として示されるキャリアによって運ばれる全ての論理チャネル（ＴＤＭＡ／ＦＤＭＡシステムにおける、ＦＤＭＡの従来の周波数チャネル）上に放射するという要件がある一方、他のチャネル上への放射は、指向性がある方法で実行されることができる。例えば、ＢＣＣＨキャリアでは、１つのタイムスロットは、ＢＣＣＨメッセージのために確保されている。他のタイムスロットのいくつかは、１つ以上のユーザとのＴＣＨのために使用されることができる。ＳＤＭＡを使用しているとき、これらの他のタイムスロットを、１つより多くの遠隔ユーザに情報を直接送信することにより、これらのユーザと通信するために、使用することができる。従来のチャネルあたりのユーザの数に依存しない通常のＳＤＭＡでは、ＲＦエネルギーパターンは、高度に指向性であり、そのためこれらのタイムスロットにおけるセル内の「ネット(net)」のＲＦエネルギーが、許容できる信号品質の要件に従って最小にされる。しかしこれは、ＢＣＣＨキャリアの全てのタイムスロットのネットのエネルギーを無指向性に送信するというＧＳＭの要件と対立するであろう。このように、無指向性に送信しているネットエネルギーで、１つ以上のユーザに指向性をもって情報を送信するための方法及び装置が技術上必要である。
【００１０】
アンテナアレイを使用したセクターに分割されたシステム(sectorized system)が技術上既知である。真の無指向性のブロードキャスト(３６０°の方位角の有効範囲)ではなく、セクターに分割されたシステムでは、アンテナアレイ及び関連電子機器の「意図している有効範囲の領域(intended coverage region)」（すなわち、セクター）で効率的にブロードキャストするための技術上の必要性がある。このように、この文書では、「無指向性」の用語は、以下の意味で使用される：１）「無指向性」は、「おおよそ、ほとんど」無指向性（「ＮＯＲ」）を意味する；２）セクターに分割されていないセルラーシステムでは、無指向性は、３６０°の方位角の有効範囲に対してＮＯＲを意味するであろう、そして３）セクターに分割されたシステムでは、無指向性は意図されているセクター幅でほぼ無指向性（例えば、１２０°のセクターに対して１２０°の方位角の有効範囲）を意味するであろう。
【００１１】
（望ましい特徴）
好結果の方法は、以下の特徴を有するであろう。
・方位角及び遠隔受信機の位置を記述する他の量の関数としておおよそ一定の利得；
・アレイ中のすべての素子が良好な利点(good advantage)を有し、実際に生じるスケーリングの問題(scaling issue)を最小にするような、アレイ中のそれぞれの素子の送信パワーの低い変化量；
・アレイ素子の個々の送信への比較できるパワーで送信しているアレイの単一の素子で達成できる利得に関してかなり大きいパターン利得；
・全ての素子が効率的に使用されているような低い全体の放射エネルギー。
【００１２】
ＮＯＲパターンが通常望まれるが、異なるパターンが望まれる場合の状況もあり得る。例えば、特定の領域を「避ける」ことが望ましい、又は１つ以上の特定の領域で特定のパワーレベルを超えないことが望ましい状況があるであろう。１つ又は２つの他の領域が、大部分のＮＯＲ領域が有するパワーレベルの２倍又は他の何倍でのＮＯＲパターンを有することができる一方、同様に、ほとんどの領域でＮＯＲパターンを有することが望ましい状況があるであろう。
【００１３】
ここでの「低い相対的放射パワー」の特性は、アンテナアレイの個々の素子と同じ利得（例えば、ｄＢｉで測定したとき）の単一のアンテナ素子を使用して、（範囲(range)、方位角(azimuth)及び高度(elevation)で比較できる）比較できる放射パターンをもたらすために必要とされるパワーに関して、アンテナ素子あたりの低い放射パワーを意味する。放射パワーの違いは、異なるパワー増幅器の要件に言い換えることができ、また、非常に高いパワーの増幅器は、比較的高価であり、ある状況では、１ｄＢでさえ放射パワーにおいて重大な違いとなり得る。より一般的な場合では、３ｄＢは放射パワーにおいて重大な違いと考えられるであろう。
【００１４】
（先行技術）
データをそのようにブロードキャストするための普通の方法は、無指向性のアンテナを使用し、そのためＲＦキャリアがすべての方向にだいたい均一に送信されるようにすることである。この無指向性の放射パターンは、加入者ユニットがセル領域内で任意に位置することができる、モバイルセルラーシステムのための妥当な選択であるように見える。スマートアンテナシステムの場合は、そのような無指向性のパターンを、別個の単一の（垂直ダイポールのような）無指向性アンテナ又は（ｍ個のエレメントを有すると仮定する）アンテナアレイ中の素子の１つのいずれかを使用することによって達成することができる。不都合なことに、全てのアンテナ素子が動作しているとき、トラフィック及び制御チャネルのために同様の範囲を達成するためには、これは、普通のＴＣＨ通信で使用されるパワーレベルと比較してそのようなアンテナ素子（又は別個のアンテナ）における、全体の送信機パワーを増加させることを必要とするであろう。パワーを増大させるというオプションは、法令により許されないことがあり、もし許されたとしても、例えば、パワー増幅器のコストはパワーと共に急に増大する傾向があるために、現実的な選択ではないであろう。
単一のアレイ素子のみから送信する先行技術の方法は、方位角及び遠隔受信機の位置を記述する他の量の関数としてのおよそ一定の利得、及び低い全体の放射エネルギーという望ましい基準を満足するであろうが、アレイ中の全ての素子が良好な利点を有し、実際に生じるスケーリングの問題を最小にするような、それぞれの素子の送信パワーにおける低い変化量(variation)を提供しないであろうし、また、アレイ素子の個別の送信パワーと比較できるパワーで送信しているアレイの単一の素子により達成できる利得に関してかなり大きいパターン利得は提供しないであろう。更に、１つだけのアンテナからの送信は、同じ従来のチャネル上のいくつかのユーザとの同時の通信を可能にすることはないであろう。
【００１５】
他には、アンテナアレイの放射パターンは、空間処理の前に任意の信号の前処理の利用を通じて制御することが可能である。（１９９７年７月１５日発行の）フォーセン(Forssen)他が発明者の、オーソゴナライジング・メソッズ・フォー・アンテナ・パターン・ナルフィリング(ORTHOGONALIZING METHODS FOR ANTENNA PATTERN NULLFILLING)という名称の米国特許第５，６４９，２８７号は、１つのアンテナアレイ及び複数の移動局を有する少なくとも１つの基地局を含むセルラー通信システムで情報をブロードキャストするための方法を開示する。共通の情報が、直交信号(orthogonal signal)を作り出すために前処理される。次に、直交信号はビーム形にされ、そのため直交信号はアレイアンテナ中の異なるビームに送出される。直交信号は送信され、次に、１つ以上の移動局によって受信される。その信号は次に移動局で処理され、直交信号から共通情報を判読する。移動局に送信される直交化する信号は、ナル(null)がアンテナパターンに発生しないように形成される。
【００１６】
どのようにしてフォーセン他の方法を、ネットの無指向性の放射パターンを維持ながら、「いくつかの」信号を（任意の従来のチャネル上のユーザに同時に）指向性をもって送信するように適合させることができるかは明確ではない。更に、フォーセン他の方法は、ｍ個の直交信号を形成するために制御信号を前処理（直交化）することを必要とする。すなわち、ブロードキャストされる任意の信号は、一組の相関していない信号に最初に変換される。これは、余分のハードウェア又は処理ステップを必要とする。更に、フォーセン他により記載された特定の実施形態は、直交化された信号を他の色々なローブ(lobe)から区別するために、加入者ユニットのところで高い性能のイコライザを必要とする。追加のステップ（例えば、直交化）を必要とすることなく、送信される任意の信号が、位相及び振幅においてのみ重み付けされるようなシステムを使用することが望まれるであろう。
【００１７】
このように、従来のチャネルにつき単一のユーザの場合、及び従来のチャネルにつき複数のユーザの場合の両方のための、低い相対的放射パワーを有する、許容できる無指向性の性能を実現するための、アンテナアレイ内の既存のアンテナ素子を含む既存の通信システム装置を使用する、無指向性のダウンリンク送信のための方法の技術上の必要性がある。このように、これを実現する装置の技術上の必要性もある。
【００１８】
望ましい、できればＮＯＲではない放射パターンを実現する、ダウンリンク送信のための方法及び装置の技術上の必要性もある。
【００１９】
（要約）
本発明の１つの目的は、従来のチャネルにつき単一のユーザの場合、及び従来のチャネルにつき複数のユーザの場合の両方のための、低い相対的放射パワーを有する、許容できる無指向性の性能を実現するための、アンテナアレイ内の既存のアンテナ素子を含む既存の通信システム装置を使用する、無指向性のダウンリンク送信のための方法である。他の目的は、これを実現する装置である。
【００２０】
更に他の目的は、望ましい、できればＮＯＲではない放射パターンを実現する、ダウンリンク送信のための方法及び装置である。
【００２１】
これら及び他の目的は、開示された発明の種々の態様中に提供される。
【００２２】
ここに開示された発明の１つの態様は、アンテナ素子のアレイを有する通信局から加入者ユニットへの望ましい放射パターンを有するダウンリンク信号を送信するための方法である。通信局では、複素数値の重みベクトルとして記述可能な重み付け(weighting)である、位相及び振幅において任意のダウンリンク信号に重み付けするように（プログラマブルシグナルプロセッサの場合）プログラムされた１つ以上のシグナルプロセッサがある。重み付けされた信号は、その出力がアンテナ素子に結合された送信装置の入力に供給される。この方法は、所望のセクターに亘る所望の放射パターンを実現するため、低い相対的放射パワーで送信するように設計された第１の重みベクトルを選択することを含む。ここで低い相対的放射パワーとは、アンテナアレイの個々の素子と（例えばｄＢｉで測定したときに）同じ利得の単一のアンテナ素子を使用した比較できる放射をもたらすために必要なパワーに関して、アンテナ素子あたりの低い放射パワーを意味する。方位角又は高度又はその両方の範囲は、所望のセクターを画定することができる。典型的には、しかし必ずしもそうである必要はないが、所望のパターンは、ＮＯＲパターンである。好適な実施形態では、選択された重みベクトルは、重みベクトルを使用した送信から生ずる放射パターンの、所望のセクターに亘る所望の放射パターンからの変化量の式を含む、重みベクトルのコスト関数を最小にするような重みベクトルである。好適な実施形態では、コスト関数は、重みベクトル及び重みベクトルを使用するときのアンテナ素子の中で送信されるパワーの変化量の式を使用することによる、アンテナ素子から送信された全体のパワーの式も含む。この実施形態では、ダウンリンク信号は、それぞれがアレイ内に意図されたアンテナ素子を有する、重み付けされた一組のダウンリンクアンテナ信号を形成するための１つ以上のシグナルプロセッサを使用して、選択された重みベクトルにより重み付けされる。ダウンリンク信号を送信するためには、それぞれの重み付けされたダウンリンクアンテナは、それの意図されたアンテナ素子の関連する送信装置を介してそれの意図されたアンテナ素子に供給される。
【００２３】
開示した特定の実施形態では、通信局は、セルラー通信システムでのＧＳＭ電波インターフェース(air interface)の改訂版を使用して動作する基地局の部分である。本発明は、任意の特定のマルチプレクシング方法又は電波インターフェース標準に限定されない。他の実施形態は、任意のアナログ又はデジタルのマルチプレクシング方法（例えば、ＦＤＭＡ、ＴＤＭＡ／ＦＤＭＡ、ＣＤＭＡなど）及び／又は任意の電波インターフェース標準（例えばＡＭＰＳ、ＰＨＳなど）を使用することができる。
【００２４】
ここに開示された本発明の他の態様は、１つの通信局から１つ以上の加入者ユニットに、所望のセクターに亘る全体の所望の放射パターンを有する単一の従来のチャネルを通して、１つ以上の意図された加入者ユニットをそれぞれ有する１つ以上のダウンリンク信号を同時に送信する方法である。いくつかのユーザへの同じ従来のチャネルを通しての同時送信のために、通信局は、アンテナ素子のアレイと、それぞれのアンテナ素子への出力に接続された送信装置と、位相及び振幅において、任意のダウンリンク信号に重み付けをし、重み付けされた信号を加えることによって、ダウンリンク信号を空間的にマルチプレクスするように（プログラマブルシグナルプロセッサの場合）プログラムされた１つ以上のシグナルプロセッサとを含む。重み付けは、複素数値の重みベクトルとして記述できる。シグナルプロセッサからの合計された重み付けされた信号は、送信装置の入力に供給される。本方法は、所望のセクターに亘る全体の所望の放射パターンを作り出すように設計された、一組の所望の重みベクトルを選択するステップを含む。方位角又は高度又はその両方の範囲は、所望のセクターを画定することができる。典型的には、しかし必ずしもそうである必要はないが、全体の所望のパターンは、ＮＯＲパターンである。それぞれの意図された加入者ユニットは、（少なくともおおよそ）知られた位置を有し、及びこれらの知られた位置は、所望の重みベクトルの選択に使用される。好適な実施形態では、その選択は、それぞれが多くとも１つの加入者ユニットを含み、全ての対応する領域の結合が所望のセクターをほぼカバーするような、一組の対応する領域を画定することを含む。それぞれの所望の重みベクトルは、対応する領域の１つへの送信のために選択され、また、すべての所望の重みベクトルは、複数の重みベクトルを使用した送信から生ずるネットの全体の放射パターンの所望の放射パターンからの変化量の式を含む、可能な重みベクトルのコスト関数を最小にする重みベクトルである。好適な実施形態のコスト関数は、それぞれの重みベクトルを使用するアンテナ素子から送信された総計のパワーの式、それぞれの重みベクトルを使用するアンテナ素子の中で送信されたパワーの変化量の式、及びそれぞれの重みベクトルに対する意図されていない対応する領域で受信されたエネルギーの式も含む。所望の重みベクトルの数は、１つ以上のダミー信号が任意の遠隔ユーザと関連しない重みベクトルを使用して送信される場合の、同時のユーザの数を超えることができる。複数のダウンリンク信号（及び、もしあるならば、ダミー信号）は、それぞれが合計されて重み付けされた、アレイ内の意図されたアンテナ素子を有する、合計されて重み付けされたダウンリンクアンテナ信号の一組を形成するために、空間的にマルチプレクスされる。ダウンリンク（及びダミー）信号を送信するために、それぞれの重み付けされたダウンリンクアンテナは、それの意図されるアンテナ素子の関連する送信装置を介してそれの意図されるアンテナ素子に供給される。
【００２５】
１つのバリエーションでは、区切ること(partitioning)及び選択することは、いくつかの所在に対して反復され、及び十分な所在の数が記憶されるまで、結果として得られる重みベクトルは記憶される。１つ以上の遠隔ユーザへの実際の送信のために、加入者ユニットの位置に適合した所在の所望の重みベクトルは、メモリから呼び戻される。
【００２６】
おおよそ均一に分配されているアンテナアレイの場合に適合した他のバリエーションでは、１つの典型の所在(prototype situation)（又は１つより多くの典型の所在）が記憶されており、及び遠隔ユーザの位置に基いて、典型の所在の領域の移動(translation)は、確実に、移動させられた(translated)領域につき１つのみの加入者ユニットがあり、かつ、加入者ユニットの位置は適切に分離されるように、決定される。典型の重みベクトルは、決定された移動に従ってシフトされ、また、シフトされた重みベクトルは空間マルチプレクスのために使用される。
【００２７】
バリエーションの改善では、ダウンリンク信号の送信が周期的に反復されたとき、それぞれの反復でのシフトは、決定されたシフトの回りでディザリング(dither)され、ディザリングは好適には決定されたシフトにランダムなシフトを加えることを含む。
【００２８】
本発明の他の態様では、１つ以上のダウンリンク信号を同じ従来のチャネルを通して、１つ以上の加入者ユニットに、所望のセクターに亘る所望の全体の放射パターンを達成するために、同時に送信するための通信局も開示される。その通信局は、アンテナ素子のアレイと、所望のセクターに亘る所望の全体の放射パターンを実現するためにアレイを通じて送信するように設計された重みベクトルを選択する選択手段と、一組の重み付けされたダウンリンクアンテナ信号を形成するため、重みベクトルに従って位相及び振幅においてダウンリンク信号に重み付けをし、重み付けされた信号を加えるための１つ以上のシグナルプロセッサとを含む。それぞれの合計されかつ重み付けされたダウンリンクアンテナ信号は、アレイ内に意図されたアンテナ素子、及びそのアレイを使用して重み付けされたダウンリンクアンテナ信号の組を送信するための一組の関連する送信装置を含む。それぞれの関連する送信装置は、合計されかつ重み付けされたダウンリンクアンテナ信号の１つを受信するための入力を有する。それぞれのアンテナ素子は、関連する送信装置の１つの出力に結合されている。それぞれの関連する送信装置は、重み付けされたダウンリンクアンテナ信号の１つを受信するための入力を有する。
【００２９】
好適な実施形態では、選択手段は、１つ以上のシグナルプロセッサである。これらは、重みベクトルのコスト関数を最小にするような重みベクトルを選択し、また、そのコスト関数は、重みベクトルを使用した送信から生ずる全体の放射パターンの、所望のセクターに亘る所望の全体の放射パターンからの変化量の式を含む。好適な実施形態のコスト関数は、それぞれの重みベクトルを使用したアンテナ素子から送信される総計のパワーの式、それぞれの重みベクトルを使用したアンテナ素子の中の送信パワーの変化量の式、及びそれぞれの重みベクトルのための意図されていない対応する領域内で受信されたエネルギーの式も含む。
【００３０】
本発明は、どのような特定の実施形態にも本発明を限定するように理解すべきでなく、説明及びよりよい理解のみのためである、本発明の詳細な好適な実施形態からより完全に理解することができるであろう。実施形態は、今度は、以下の図面を補助として説明される。
【００３１】
本発明は、好適には、ＳＤＭＡによる無線通信システム、特にセルラーＳＤＭＡシステムの部分として実施される。１つの実施では、本システムは、固定された加入者ユニットの位置で動作し、及びＰＨＳ通信プロトコルを使用する。固定された位置での無線システムは、時々、「無線ローカルループ(wireless local loop)」（ＷＬＬ）システムと呼ばれる。第２の実施では、加入者ユニットはモバイルとすることができ、及び、そのシステムも、低い移動度の用途に適しているＰＨＳプロトコルを使用する。第３の実施では、加入者ユニットは、やはりモバイルとすることができ、及びＧＳＭ通信プロトコルが使用される。従来のチャネルにつき１つより多くの空間チャネルを有し、また、モバイルの、固定の、又はモバイル及び固定の加入者ユニットの組合わせを有する、どのようなＳＤＭＡシステムでも、本発明を実施することができることは、当業者に明らかであろう。
【００３２】
記載された好適な実施形態は、ＳＤＭＡ及びＧＳＭプロトコルの改訂版を使用するセルラーシステムのためのものである。他の電波インターフェースのため及び他のマルチプレクス方法のために、どのようにこれらを適合させるかは、当業者に明らかになるであろう。特定の実施形態はデジタルセルラーシステムのためであるが、本発明は、例えば（ＳＤＭＡを含むように修正された）普通のＡＭＰＳシステムのために、ＳＤＭＡを使用する、アナログ通信システムにも適用される。
【００３３】
（ＧＳＭの概略）
ＧＳＭは、モバイルセルラー通信のためのＴＤＭＡ／ＦＤＭＡシステムである。加入者ユニットは、通常、移動局(mobile station, MS)と呼ばれる。基地局は、基地トランシーバ局(base transceiver station, BTS)と呼ばれる。基地局コントローラ(base station controller)は、１つ以上のＢＴＳのための無線リソースを管理し、また、そのようなリソースは、チャネル設定／分解(setup/teardown)、ハンドオーバ、及び周波数ホッピングを含む。
【００３４】
ＧＳＭでは、（「キャリア」と呼ばれる）周波数チャネルは、２００ｋＨｚで分離されている。ＧＳＭは、周波数分割デュープレクスを使用しており、そのことは、ＢＳとＭＳの間のダウンリンク及びアップリンクの通信は、異なる周波数で起きることを意味する。標準のＧＳＭでは、それぞれ２５ＭＨｚまでが、ダウンリンクのキャリア（８８０〜９１５ＭＨｚ）及びアップリンクのキャリア（９２５〜９６０ＭＨｚ）のために利用可能である。１つ以上のキャリアが、それぞれのＢＳに割り当てられている。ＤＣＳ−１８００に対しては、アップリンク及びダウンリンクの範囲は、それぞれ１７１０〜１７８５ＭＨｚ及び１８０５〜１８８０ＭＨｚであり、一方、ＰＣＳ−１９００に対しては、アップリンク及びダウンリンクの範囲は、それぞれ１８５０〜１９１０ＭＨｚ及び１９３０〜１９９０ＭＨｚである。
【００３５】
それぞれのキャリアは、それぞれの（バーストと呼ばれる）スロットが１５／２６msの長さである、８つのタイムスロットに時間で分割される。それぞれの８つのスロットは、ＴＤＭＡフレーム中に結合させられ、こうして、それぞれのＴＤＭＡフレームは、１２０／２６msの長さである。トラフィックチャネル（ＴＣＨ）及び制御チャネル（control channel, ＣＣＨ）は、フレーム内でのそれらの対応するバースト期間(burst period)の位置により画定される。
【００３６】
トラフィックチャネル（ＴＣＨ）は、音声及びデータを運ぶために使用される。フルレートのトラフィックチャネル（ＴＣＨ／Ｆ）は、２２．８kbpsのグロスレートで情報を運び、一方、ハーフレートのトラフィックチャネル（ＴＣＨ／Ｈ）は、１１．４kbpsのグロスレートで情報を運ぶ。トラフィックチャネルは、２６のＴＤＭＡフレームグループに現れ、またそのようなグループはマルチフレームと呼ばれる。このように、ＴＣＨマルチフレームは１２０msの長さである。
【００３７】
共通制御チャネルは、アイドルモード(idle mode)及び専用モード(dedicated mode)の両方の移動局(mobile)によってアクセスされることができる。アイドルモードの移動局は、専用モードに変わるために必要な信号の情報を交換するために共通チャネルを使用する。既に専用モードにある移動局は、ハンドオーバ及び他の情報のために、周囲の基地局の制御キャリアをモニタする。共通チャネルは、５１フレームのマルチフレーム内に画定され、そのため、２６フレームのマルチフレームＴＣＨ構造を使用する専用の移動局は、制御チャネルをまだモニタすることができる。共通チャネルは以下のものを含む：
「ブロードキャスト制御チャネル(Broadcast Control Channel, BCCH)」：ＢＣＣＨは、基地局の識別(identity)、周波数配置(frequency allocation)及び周波数ホッピングシーケンスを含む情報を、ダウンリンク上に、連続的にブロードキャストする。
【００３８】
「周波数訂正チャネル(Frequency Correction Channel, FCCH)及び同期チャネル(Synchronization Channel, SCH)」：ＦＣＣＨ及びＳＣＨは、バースト期間の境界、タイムスロットのナンバリング、及びキャリアオフセットを画定することにより、セルの、周波数及びタイムスロット構造に移動局を同期させるために使用される、ダウンリンクチャネルである。ＧＳＭネットワーク内のそれぞれのセルは、正確に、１つのＦＣＣＨ及び１つのＳＣＨをブロードキャストする。画定によるＦＣＣＨ及びＳＣＨは、ＢＣＣＨキャリア上のＴＤＭＡフレーム内のタイムスロットナンバー０上に送られる。
【００３９】
「ランダム・アクセス・チャネル(Random Access Channel, RACH)」：ＲＡＣＨ（アップリンク・チャネル）は、ネットワークへのアクセスをリクエストするために移動局により使用される。
【００４０】
「ページング・チャネル(Paging Channel, PCH)」：ＰＣＨは、移動局に入ってくる呼出(incoming call)のアラートをするために使用されるダウンリンク・チャネルである。
【００４１】
「アクセス許可チャネル(Access Grant Channel, AGCH)」：ＡＧＣＨは、ＲＡＣＨ上のリクエストに続いて、（専用チャネルを得るために）信号を送るための移動局への、ＴＣＨ又はＳＤＣＣＨと呼ばれる特定の関連制御チャネルを配置するために使用されるダウンリンク・チャネルである。
【００４２】
「専用制御チャネル(Dedicated Control Channel)」：これらは、スローＴＣＨ／Ｆ関連制御チャネル(Slow TCH/H Associated Control Channel, SACCH/TF)、ファーストＴＣＨ／Ｆ関連制御チャネル（Fast TCH/H Associated Control Channel, FACCH/F）、スローＴＣＨ／Ｈ関連制御チャネル(Slow TCH/H Associated Control Channel, SACCH/TH)、ファーストＴＣＨ／Ｈ関連制御チャネル(Fast TCH/H Associated Control Channel, FACCH/H)、及び他のＴＣＨトラフィックに関連する専用制御チャネルを含む。
【００４３】
ＧＳＭで送信のために使用される異なるタイプの４つのバーストがある。通常のバーストは、データ及び大部分の信号を発する情報(signaling information)を運ぶために使用され、また、２つの５７ビットの情報ストリーム(information stream)、イコライゼーションのために使用される２６ビットのトレーニング・シーケンス(training sequence)、（ＦＡＣＣＨのために使用される）それぞれの情報ブロックのための１つのスチーリング・ビット(stealing bit)、それぞれの終了部にある３つのテール・ビット(tail bit)、及び８．２５ビットのガード・シーケンス(guard sequence)から構成される、１５６．２５ビットの全体の長さを有する。その１５６．２５ビットは、１５／２６ms（０．５７７ms）で送信され、２７０．８３３kbpsのグロスのビットレートを与える。ＦＣＣＨで使用されるＦ−バースト、及びＳＣＨで使用されるＳ−バーストは、通常のバーストとと同じ長さを有するが、異なる内部構造を有しており、それにより、通常のバーストからそれらは区別され、このようにして同期ができるようにされる。バーストの４番目のタイプは、アクセスバーストであり、これは通常のバーストより短く、またＲＡＣＨ上でのみ使用される。
【００４４】
（特定のＧＳＭの実施の説明）
本発明は、アンテナ素子のアンテナアレイを使用し、信号の位相及び振幅を調節するための手段を有し、そのため、それぞれのアンテナ素子は、振幅のスケーリング及び位相のシフトに従って調節された位相及び振幅を有する１つのバージョンの信号を送信することになる、任意の通信局に適用される。当業者に理解されるように、それぞれのアンテナ素子の、特定の通信信号のための重み付けをする振幅及び位相は、複素数値の重みにより表わすことができ、すべてのアンテナ素子に対するその信号のための複素数値の重みの組は、複素数値の重みベクトルにより表わすことができる。
【００４５】
本発明の好適な実施形態は、ＧＳＭプロトコルのＰＣＳ−１９００の改訂版を使用し、ＰＣＳ−１９００周波数（約１．９ＧＨｚ）で送信する、テストシステムである。テストシステムは、ＧＳＭ ＢＳを含む。本発明は、通信局から送信することに関連するため、そのような送信を扱うようなＢＳの素子が、ここで説明される。例えば、ＰＨＳプロトコル又は更にＡＭＰＳのような非デジタルシステムを使用するセルラーシステムにおける、又は更に非セルラー通信局におけるような、他のシステムにおける実施のために、ここで説明された実施形態をどのように修正するかは、当業者に明らかであろう。
【００４６】
フルレートのＧＳＭ音声データは、５０Ｈｚの、２６０ビットの線形予測符号化(linear prediction coded, LPC encoded)音声パケット(voice packet)である。２６０ビットのＧＳＭ ＬＰＣ音声パケット(speech packet)は、それぞれのグループがそれの重要性に従って分類された３つのタイプ（グループ）のビットを含み、及びそれぞれのグループはこのようにして異なるタイプの(パリティ及び畳込み、畳込みのみ、又は符号化なしの)保護符号化(protection encoding)によって保護される。すべてのグループは、４５６ビットの出力パケットを形成するようにインターリーブ(interleave)される。
【００４７】
連続する４５６ビットチャネルで符号化された音声パケットは、８つの電波のバースト(radio burst)を横切ってお互いにインターリーブされる。バーストにつき１１４ビットの８つのバーストは、合計で９１２ビットを与え、そして、実際は、２つの音声パケットが、任意のＴＣＨバーストの構成のために必要である。更に、パケットはお互いに関してスキューがかけられる。
【００４８】
更に音声データ、いくつかの他のタイプのデータは、ＧＳＭプロトコルに従って送信されることもできる。更に、ＳＤＭＡを使用すると、（一般に、ＴＣＨあたりのアンテナアレイ素子の数までの任意の数の）いくつかの空間チャネルは、任意のキャリアにおける任意のタイムスロット上に存在することができる。「ＴＳ−ＳｐＣｈａｎ」表記(notation)は、ここで空間チャネル及びタイムスロットのために使用され、例えば、特定のＴＣＨを運ぶ。例えば、好適な実施形態のために使用される特定のハードウェアでは、単一のキャリアのシステムは、３つの空間チャネルまでマルチプレクスする性能を有しており、８つのスロットの内の１つがこの実施形態における制御のために使用されるため、このようにして、３×７＝２１までのＴＳ−ＳｐＣｈａｎｓがある。理想的な条件下では、これらのそれぞれは、関連する信号を有するフル又はハーフレートの音声チャネルを含むことができる。
【００４９】
ＧＳＭシステムの好適な実施形態では、それぞれのダウンリンクＴＳ−ＳｐＣｈａｎ上で、ＧＳＭ標準により許されているような、チャネルのいくつかの組合わせのみが使用される。このようにして、それぞれのキャリアは８つのタイムスロットを有し、それぞれ（キャリア、タイムスロット０を除くタイムスロット）は、３つまでの空間チャネルを有し、それぞれ（キャリア、タイムスロット、空間チャネル）は、ダウンリンクチャネルの組合わせを有し、及びそれぞれのダウンリンクチャネルの組合わせは、論理チャネルのグループから構成される。更に、それぞれ（キャリア、タイムスロット、空間チャネル）は、それに関連する一組の空間マルチプレクシング重み（重みベクトル）を有する。しかし、標準のＧＳＭは、同じキャリア上の単一のタイムスロットに複数のＴＣＨを有するという概念を含んでいないことは強調すべきことである。
【００５０】
複数の移動局を行き先とする複数の論理チャネルからのデータは、ＧＳＭダウンリンクフレームを形成するために、組み立てられる。例えば、タイムスロット０は同期制御チャネル（ＳＣＨ）バーストを含むであろうし、タイムスロット１は１つの移動局のためのＴＣＨ／Ｆデータを含むであろうし、タイムスロット２〜５は使われていないであろうし、タイムスロット６は他の移動局のためのスロー関連制御チャネル(slow-associated control channel, SACCH)データを含むであろうし、及びタイムスロット７は更に他の移動局のためのＴＣＨ／Ｆデータを含むであろう。トレーニングシーケンス及び他の情報と一緒のすべてのこのデータは、送信のための１２５０ビットフレーム中に集められる。ビット０〜１４７はタイムスロット０であり、ビット１４８〜１５５はバースト間ガードビット(inter-burst guard bit)であり、ビット１５６〜３０３はタイムスロット１である、などである。１つの余分のバースト間ガードビットが、タイムスロット３と４の間、及びタイムスロット７と０の間に挿入される。
【００５１】
ＧＳＭフレームは、ＧＳＭスペックに従って変調されたガウス最小シフトキー(Gaussian Minimum Shift Key, GMSK)である。特定の実施形態では、ＧＭＳＫ変調は、波形を作るためにルックアップテーブルを使用することにより実行される。特定の実施形態のＧＳＭプロセッサは、それぞれのアンテナ素子に対して単一のデジタルシグナルプロセッサＤＳＰを使用し、また、変調方法及び空間処理を実行するために使用されるのは、このＤＳＰである。
【００５２】
図１(ａ)は、ＧＳＭシステムでＧＭＳＫ変調されたフレームを構成するためのサブシステムの「信号フロー」式を示す。フレーム構成のための実際の装置は、この構造を有しないであろう；これはフレームの構成のプロセスを説明することを助けるために示されている。フレーム構成器(frame builder)１０３は、チャネル符号化された音声パケット又は制御パケット（集合的に、１０１）を取得し、ＧＳＭ電波インターフェース標準に従ってバースト中への送信のためにこのデータをフォーマットし、８個のタイムスロットのＧＳＭフレーム１０５を構成する。図１(ａ)は、特定のフレームに対するそのタイムスロットにおいて１つより多くの空間チャネルがあるなら、１つの特定のタイムスロットで特定の空間チャネルに対して起きることを反映する。（任意の時間の）フレームデータ１０５は、ＧＭＳＫ変調器１０７によりガウス最小シフトキーイング（ＧＭＳＫ）変調によって変調され、ベースバンド複素数値（すなわち、Ｉ及びＱ）信号１０９を作り出す。ＧＳＭフレームを構成すること及び必要なＧＳＭ（ＧＭＳＫ）変調を実行することは、全てのＧＳＭ基地局で行われ、またそれは技術上周知である。我々の実施では、ベースバンドデータ１０９は、１．５倍でオーバーサンプリングされた(one-and-one-half-times oversampled)デジタルのＩ、Ｑデータである（すなわち、１．５×２７０．８３３kHzでサンプリングされたＩ、Ｑデータ）。
【００５３】
空間マルチプレキシング方法は、変調と密接に関連している。空間的にマルチプレクスされたのは、変調されたベースバンド信号である。これは、図１(ｂ)に示される。時間における任意の特定のポイントにおいて（すなわち任意のタイムスロットの間に）、送信されることになる１つより多くの信号があるであろう。図１(ｂ)は、ベースバンド信号の、そのような３つの空間チャネルを示し、その信号はそれぞれ１０９．１、１０９．２、及び１０９．３と表示されている。図１(ｂ)は、ある特定のタイムスロットで処理を捕捉する。他のタイムスロットで、異なる数の空間チャネル−例えば１チャネルだけを送信することができる。
【００５４】
特定の実施形態では、特定のアンテナ素子に関連するＤＳＰによって、アンテナ毎ベース(per antenna basis)に、ユニット１１１の空間マルチプレクシングが実行される。ｍ個のアンテナシステムでは、ｍ個のそのようなＤＳＰが、我々のシステムでそのため使用される。空間マルチプレクシングは、ＧＭＳＫ波形生成の後に起きる。このようにして、ＧＭＳＫ変調及び空間マルチプレクシングは、同じＤＳＰ内で効率のために結合され、また、このＤＳＰは、ここでは送信変調及びマルチプレクシングＤＳＰと呼ばれる。結合(coupling)は、それぞれの（フレーム、タイムスロット、空間チャネル）バーストコンテントデータ(burst content data)及び対応する空間マルチプレクシング重みベクトルが、送信変調及びマルチプレクシングＤＳＰに書き込まれなければならないことを意味する。
【００５５】
好適な実施形態のＧＳＭシステムの実施では、それぞれのチャネル編成は、シーケンスにされたとき、送信変調及びマルチプレクシングＤＳＰのためのバーストパケットの適切なシーケンスを生成する、サブルーチンへのポインタのリンクしたリストである。
【００５６】
特定のタイムスロットの間に、Ｋ個のチャネルに対して、それぞれ、Ｋ個の複素数値の重みベクトルｗ1，ｗ2，…，ｗj，…，ｗkを使用し、ｊ番目の重みベクトルは行ベクトル
ｗj＝[ｗjl，…，ｗji，…，ｗjm]
であって、（全体のｍ個のアンテナアレイ素子の内の）ｉ番目のアンテナ素子に関連する送信変調及びマルチプレクシングＤＳＰによって実行された空間処理及びＧＭＳＫ変調は、数学的に
【００５７】
このように図１(b)は、ｍ個のアンテナ素子による送信のためのｍ個の複素数値の（Ｉ，Ｑ）信号を形成するため、重みベクトルｗ1、ｗ2、及びｗ3を使用して、３つの空間チャネルを空間的にマルチプレクスするための、全てのｍ個の送信変調及びマルチプレクシングＤＳＰを使用する空間処理を示す。
【００５８】
図１(d)は、それぞれアンテナ素子１２９．１から１２９．ｍに結合したｍ個のＲＦ信号を生成するために、これらのｍ個のベースバンド信号１１３．１から１１３．ｍが、それぞれの送信機１１５．１から１１５．ｍによって、どのようにして送信されるかを示す。
【００５９】
どのような適切な送信器も使用することができるが、特定の実施形態は、１つのアンテナ素子のための１つのそのような送信機を示す図１(ｃ)に示す構造を有する送信機を使用した。ｉ番目の送信変調及びマルチプレクシング(transimit modulation-and-multiplexing)ＤＳＰからの１．５倍でオーバーサンプリングされたベースバンド信号１１３．ｉは、最初にデジタル的に３２倍にアップサンプル(upsample)され、アップコンバート(upconvert)され、及びユニット１１７により補間(interpolate)される。結果として得られる信号は、次に、Ｄ−Ａコンバータ（ＤＡＣ）によって１３MHzでアナログに変換され、そして結果として得られる信号１２３は、次に、ＲＦ送信機１２５によって、アナログで、アップコンバートされて増幅される。
【００６０】
それぞれ１つのアンテナ素子に関連する送信機装置(transmitter apparatus)の用語は、ＲＦでアンテナ素子を通じた送信のため、ベースバンド信号を増幅されたベースバンド信号に変換することに関連する、デジタル及びアナログのハードウェア、ケーブルなどを含むすべての装置のことを言い、またそのような装置は当業者に周知である。
【００６１】
（数学的説明）
ここで説明される特定の実施形態は、炊く定の変調フォーマットを使用するＦＤＭＡ／ＴＤＭＡシステムのためのものであるが、本発明はどのようなタイプの変調又はマルチプレクシングにも限定されず、このため、ＴＤＭＡ、ＦＤＭＡ、ＦＤＭＡ／ＴＤＭＡ又はＣＤＭＡシステムを使用するアナログ及びデジタルのシステムを含む任意のシステムで使用することができる。
【００６２】
ベースステーション（ＢＳ）にｍ個のアンテナ素子のアンテナアレイを持たせる。Θに、ＢＳのアンテナアレイの遠いフィールド(far-field)内の遠隔ユーザ(MSと表わされる移動局(mobile station))の位置の範囲を記述するパラメータ集合(parameter set)を表現させる。すなわち、特定のユーザのためのＲＦパターンの目的の有効範囲である。集合のΘは、例えば、
【００６３】
好適な実施の形態のＧＳＭプロトコルを使用したするシステムを含む多くのシステムでは、すべての信号は、中心周波数が知られており、信号のバンド幅とそれらの中心周波数の比率が１よりかなり小さいという意味において、おおよそナローバンド(narrowband)であると考えることができる。
そのように定義された
【００６４】
送信マニホルド(transmit manifold)Ｔ(Θ)を、集合Θの中の全てのθSに対して、遠隔受信機で、アンテナアレイのそれぞれから受信された信号の相対位相及び振幅の集合として定義する。すなわち、
【００６５】
好適な実施形態では、Ｔ(Θ)は知られていることとする。Ｔ(Θ)を正確に推測する方法は知られており、また、そのような方法は、アレイの電子機器のキャリブレーション(calibration)及びフィールドでの直接測定の結合での、分析的なモデリングを含む。例えば、どのようにしてステアリングベクトルを決定するか及びどのようにしてＳＤＭＡシステムにおける遠隔ユーザの位置を決定するかの例のための我々のスマートアンテナ特許を、ロイ(Roy)他が発明者の、ＳＤＭＡシステムをキャリブレーションする例を含む、メソッド・アンド・アパレイタス・フォー・キャリブレーティング・アンテナ・アレイズ(METHOD AND APPARATUS FOR CALIBRATING ANTENNA ARRAYS)という名称の米国特許第５，５４６，０９０号（１９９６年８月１３日）と一緒に参照するとよい。
【００６６】
複素数値のｍ次元の行重みベクトル(row weight vector)ｗは、θの関数としての特定の放射パターンを実現するため、複素数値（同相のＩ及び直角位相(quadrature)のＱ）の信号ｓ(ｔ)をアンテナアレイ素子に亘って分配するために使用される複素数の重み(complex weightings)を含む。重みベクトルｗが、送信空間処理(transmit spatial processing)のために使用されるとき、（ベースバンドの）アンテナ素子にかけられるｍ個の複素数値の信号は、複素数値のｍ行ベクトル
【００６７】
好適な実施形態では、送信される信号のそれぞれは、ここで上述のように、送信変調及びマルチプレクシングＤＳＰによって生成され、また、他の実施形態も、当業者に明らかになるように、本発明の範囲内で、確かに可能である。
【００６８】
（単位時間あたりの単一の論理チャネル）
例えば無指向性に近い（ＮＯＲ）特性のような、所望の特性を達成する重みベクトルｗを決定する好適な実施形態は、所望の応答パターンからの偏差を測定する重みベクトルｗのコスト関数を定義すること、そしてそのコスト関数を最小にする重みベクトルｗを見つけることの最小化の問題を解くことを含む。多くのコスト関数が、この実施形態のために可能である。ＮＯＲパターンに対する、単位時間あたりの単一の論理チャネルの場合には、無指向性のブロードキャストのための所望の特性の測定である好適なコスト関数は、
【００６９】
無指向性（又は所望のパターン）のブロードキャストのために使用する最適のｗは、次に、コスト関数Ｊ(ｗ)を最小にするｗである。Ｊ(ｗ)を分析的に最小化できることは希であろう。その代わり、好適な実施形態では、数値最小化方法(numerical minimization approach)が使用される。特に、我々は、準ニュートン法(quasi-Newton method)を使用し、２ｍ個の実数のパラメータの集まり(collection)としてｗの実部及び虚部の成分を扱った。
【００７０】
そのような数値最小化をどのようにして実行するかは、当業者には明らかであろう。実際の実施では、対話式行列操作プログラム(interactive matrix manipulation program)ＭＡＴＬＡＢ（マサチューセッツ洲ナティックの、マスワークス・インコーポレイテッド(The Mathworks, Inc. Natick, MA)）が使用された。ほとんどの一般的なコンピュータオペレーティングシステム上で動作するＭＡＴＬＡＢは、より複雑なアプリケーションをサポートするために、従来のプログラミング言語のオーバーヘッドなしに、数値分析、行列計算、信号処理、及びグラフィックスを、問題及び解が数学的に表現されている単一の環境に統合する。基本的なデータ要素は、次元(dimensioning)を必要としない行列である。それのために、フォートラン(FORTRAN)、ベーシック(Basic)、またはＣのような言語で書くために要する時間の何分の一で、数字の問題を解くことが可能になる。特別の「ツールボックス」を利用することができ、それは、問題の特定のクラスを解くためＭＡＴＬＡＢ環境を拡張する、広範囲なＭＡＴＬＡＢ関数の集合(M-ファイル)を提供する。そのようなツールボックスは、信号処理、制御システム設計、動的システムシミュレーション、システム識別、ニューラルネットワーク、最適化などを含む。特に、ＭＡＴＬＡＢ最適化ツールボックスが、最適化問題を解くために使用された。ＭＡＴＬＡＢ最適化ツールボックスは、準ニュートン最適化法(quasi-Newton optimization method)を含む。
【００７１】
ＮＯＲパターンを実現することが普通望ましい一方、時々他の考慮すべきことがより重要となり得ることは、再び記載すべきことである。このように、本発明の他の態様では、この方法を、他の、必ずしもＮＯＲでないパターンを実現するために適用することができる。一般的に、これらの非ＮＯＲパターンは、いくつかの広い領域を有するであろう。例えば、有効範囲の意図された領域中にナルを持たず、アンテナ素子からアンテナ素子へのエネルギーの変化及び全体の送信されるエネルギーを最小にする、パターンを実現することは十分であろう。そのような応用のためには、コスト関数の異なる成分によって、同じアプローチを使用することができる。このように、特定の実施形態が無指向性パターンを実現することに関して説明されていくが、他のパターンも本発明の異なる変形によって実現することができる。
【００７２】
（実験結果）
上述の方法は、１９４５．２MHzで動作する０．５１λの間隔の直線アレイとして配列された、８つの１２０°パッチアンテナ素子(patch antenna element)からなるアレイのための、方位角的にＮＯＲ重みベクトルｗを設計するために使用された。０．５λの間隔、及び以下のような式６を決めて、実際の設計はなされた。
【００７３】
直線アレイに対しては、対称性のため、非セクターのＮＯＲパターンのための設計の問題は０から１８０°であろう。非直線及び非対称のアレイパターンは、全体の３６０°に亘る設計を必要とするであろう。
【００７４】
上述のように、式７に従って重みベクトルｗを設計するために、ＭＡＴＬＡＢが使用された。その結果は、任意の素子からの最大の正規化された放射パワーが１であるように、スケールを変えて示される。図２の２つの垂直の点線２０３及び２０５は、セクター[３０°，１５０°]の限界である。このパターン２０１は、単一の素子に関してかなり大きい利得を有することが明らかである。セクター[３０°，１５０°]中のリップルについて、２つのコメントをすべきである。第１に、数dBのオーダーのピークからピークのリップルは、動作的には重要ではなさそうである。第２に、セクターの端での増大した利得は、それは、セクターの端での個々の素子のパターンにおける減少した利得を補償することになるため、実際には望ましいパターンの特徴である（式２参照）。もしリップルが許容できなかったなら、任意の特定の領域中のリップルに高い重みを与える、異なるコスト関数を構成することができる。そのような修正は、当業者には明らかであろう。
【００７５】
この処理ストラテジーは、ＳＤＭＡによる好適な実施形態の実験のＧＳＭシステム上に実施され、また、実際の性能を理論的予測と比較するために、実地(field)の測定がそのセクター内で５°毎に実施された。その結果は、図３中の点線３０５を与えるための補間をしたものと共に、図３で「ｘ」として表示される。図３の実線２０１は、図２のものと同じであり、また、分かるように、実際の実地の測定値は理論的計算と非常によく一致している。
【００７６】
（単位時間あたりの複数論理チャネル）
複数の論理チャネルを、ＮＯＲエネルギーパターンの制約のもとに、同じキャリア上に同時に送信するために、ＢＳでアンテナアレイを使用することが望ましい状況がある。例えば、アンテナアレイは、無指向性エネルギーパターンの追加の要件を有するキャリア上の複数のダウンリンクトラフィックチャネル又はいくつかの空間チャネルをサポートするために使用することができる。この要件は、例えば、ＧＳＭシステムのＢＣＣＨキャリアを含む、いくつかのキャリアに対して存在する。本発明の他の態様は、これを実現するための方法及び装置である。本発明のこの態様を使用することなしに、（ＦＤＭＡ／ＴＤＭＡシステムにおける）単一のタイムスロット又は（一般的な）従来のチャネルにおいて１つより多くのユーザに送信するとき、通常の空間処理は、ユーザのそれぞれに対して指向性の高いＲＦパターンを生成するであろうし、それによって「ネットの」ＲＦパターンは指向性を有するであろう。無指向性に近いネットのＲＦパターンを維持しながら、そのような同一チャネル(co-channel)のユーザへの指向性を有して情報を送信することができることが望まれる。
【００７７】
例えば、Ｄ個の方位角θi（ｉ＝１，…,Ｄ）によって与えられる異なる位置のＤ個のＭＳ（すなわち、遠隔ユーザ）というような数Ｄがあると考えよう。これらの位置は、典型的には、少なくともおおよそ知られている。目標は、ＮＯＲパターンが望まれるか必要とされる領域の全体中にネットのＮＯＲパターンを維持しながら、それぞれが他のＭＳとの干渉を発生することなく対応するＭＳへの指向性パターンを発生するＤ個の重みベクトルを設計することである。これを行うために、最初に、（ＮＯＲパターンが望まれるところである）全体のパラメータ空間Θを、Ｄ個の重なっていない領域、Ωi（ｉ＝１，…，Ｄ）に分割する。ここで、
【００７８】
他の実施形態では、Ｌ'i(ｗi)で示される、Ｌi(ｗi)に対する以下の形態が使用される。
【００７９】
単一のユーザの場合については、Ｊ(Ｗ)を最小にする重みベクトルのセットに対して解くために、数字の方法(numerical method)が好適には使用される。特に、もう一度、準ニュートン法、特にＭＡＴＬＡＢ最適化ツールボックスにおける準ニュートン法が使用され、また、ｗiの実数及び虚数の成分は、２ｍ×Ｄの実数パラメータの集まり(collection)として扱われる。
【００８０】
（他の計算が効率的な方法）
ユーザが有効範囲の領域内で動き回ると、重みベクトルの最適なセット、Ｗは、一般的に再計算されることが必要になってくる。これは、高速に、極度の計算が必要な最適化問題を反復して解くことを含み得る。第１の他の実施形態では、所在（同一チャネルのユーザのための位置範囲）のセットを予め決めることができ、そのような所在に対する重みベクトルは、予め計算され、そしてメモリ中に予め記憶される。
【００８１】
同一チャネルのユーザの知られた又はおおよそ知られた位置が、予め計算された所在の１つと適合するなら、所在の中の特定の１つに対する重みベクトルのセットが、メモリから呼び出され、送信のために使用される。同一チャネルのユーザに対して設計された領域が、確実に、適切に分離されるようにするため、典型的には、１つより多くのセットの領域が、同一チャネルのユーザのどのような特定の数に対しても設計されることが必要となるであろう。そうでなければ、２人のユーザが移行ゾーン(transition zone)に近いとき、同一チャネルの干渉が発生し得る。
【００８２】
おおよそ均一なアンテナアレイの構造、例えばおおよそ均一な直線アレイ、及びいくつかの他の構造のために、第２の他の実施形態は、重みベクトルの予め計算されたセットの非常に少ない数のみを記憶すること、及び簡単な計算を使用して、予め計算されていない所在に対する重みベクトルを迅速に計算することを含む。すなわち、この方法は、重みＷの典型(prototype)のセットを予め計算すること、そしてそのような典型のセットＷを、セットΘ中の移動ユーザの変化している位置に適合させるために「シフトさせる」ことを含む。
【００８３】
この第２の他の実施形態は、例を使用してもっとも好適に説明される。λ／２の間隔を有する、ｍ個の無指向性素子から構成される均一な直線アンテナアレイを考え、更に、無指向性の送信のための全体の範囲が、方位角での全体の平面であると、すなわち、Θ＝［０°，１８０°）であり、及び設計の問題は、特定されたどのような特定の高度のセット又は偏波のセットではなく、方位角のみの上においてであると仮定する。この場合に対するステアリングベクトル
【００８４】
送信重みベクトル、ｗを使用するとき、方位角の関数としての合計の放射パワーは、量Ｐ(θ)に比例する。ここで、
【数１】
ａ(θ)のヴァンデルモンド構造のために、重みｗrを使用する方位角の関数としての放射パワーは、同様の量だけ（１８０°を法として）回転させられる。言いかえれば、合計の放射パワーは、
式１６中のコサインのため、式１９は、正確に等しくはなく、おおよそ等しい。コサインは非線形である。
【００８５】
この関係を、図４(ａ)及び４(ｂ)に示す。図４(ａ)中のプロット４０３は、最初の重みベクトルｗを使用して方位角の関数としてのパワーを示し、また、図４(ｂ)中のプロット４０５は、「回転させられた」重みベクトルｗrに対する方位角の関数としてのパワーを示す。
【００８６】
この概念は、ＮＯＲ放射パターンを維持しながら、複数の、空間的に別個の、論理チャネルを同時に送信するための方法の第２の別の実施形態のための基礎を形成する。この方法の好適な実施形態は、以下のように進行する。
１．パラメータ空間を、それの結合(union)が全体の空間である有限の数の領域に区切り、及び、その領域の数は同一チャネルユーザの数である。他の実施形態は領域より少ないユーザを有することがあることに注意する。
２．他の領域中に送信されるパワーを最小にしながら、それの意図された領域に亘ってほぼ一定の利得を提供する、それぞれの領域に対する設計重みベクトル。これは、好適には、式１３により決定されるコスト関数を最小にする重みベクトルのセットを決定することによって、実行される。重みベクトルの典型のセットとして、領域内のＮＯＲを実現するため、重みベクトルを予め記憶させる。
３．同一チャネルユーザの位置の情報に基づいて、確実に、同一チャネルのユーザが適切に分離され、それぞれの領域内に１つのみのユーザが含まれるように、領域の必要な移動(translation)を決定する。領域の移動(translation)の間に、変形(deformation)があり得ることに注意する。ユーザの位置又はおおよその位置は、ＳＤＭＡ処理で知られている（例えば、我々のスマートアンテナシステムを参照する）。
４．予め設計された(及び予め記憶された)重みを、それらが領域の移動に対応するように「シフトさせる」。
【００８７】
第２の実施形態の利点は、予め記憶される必要がある重みの典型のセットがより少ないことである。一般的に、同一チャネルのユーザのそれぞれの潜在的な数の１つの典型のセットのみを予め計算することで十分であろう。
【００８８】
（実験結果）
上述の第２の他の実施形態の方法は、単一のユーザの実験のために使用された同じアンテナアレイを有するＢＳのための合成のＮＯＲパターンを有する２つの同時の空間チャネルシステムのための２つの重みベクトルｗ1及びｗ2を設計するために使用され、すなわち、アンテナアレイは、（ＰＣＳ−１９００システムのためには）１９４５．２MHzで、０．５１λの間隔を有する直線アレイ中に配列された８つの１２０°のパッチアンテナ素子を含む。これらの重みは、全体のネットのＮＯＲ放射パターンを維持しながら、（例えば、２つのＴＣＨ上の２つの異なる音声会話のような）異なる論理チャネルによる２つの同時の同一チャネルユーザとの使用のために設計された。
【００８９】
無指向性の有効範囲Θのための全体の範囲は、完全な平面(complete plane)であるようにされた。すなわち、（カバーすることが必要な実際の領域が、[３０°，１５０°]であったとしても）Θ＝［０°，１８０°）であり、及び、この範囲は、０から６０°及び６０°から１８０°（Ω1＝[０°，６０°]∪[１２０°，１８０°]）の第１の領域Ω1、及び６０°から１２０°（Θ＝Ω1∩Ω2でΩ2＝（６０°，１２０°））の第２の領域Ω2の２つの領域に区切られた。
【００９０】
１２０°のセクターへのセクター化は、個々のアンテナ素子（式２参照）の物理的放射パターンによって影響を受けるものであり、そのため、放射パターン内のセクター化は、たとえΘ＝［０°，１８０°）が選択されたとしても、存在するであろう。領域Θのための設計を１８０°に亘って広がるようにさせるための決定は、好適な実施形態の直線アンテナアレイのためのパターンを周期的にラッピング(wrapping)することによるものである。パターンを０°より小さいところにシフトさせることは、そのパターンを１８０°から下に「負方向に行く」ようにシフトさせる。これは「ラッピング(wrapping)」と呼ばれる。ラッピングの特性は、２つのユーザの場合に対する２つの典型のパターンを、単一のパターンをシフトさせることによって作るために使用される。この特性は望ましいものであるが、それは本発明のこの態様の必要な部分ではなく、他の方法で実施することができるものである。
【００９１】
その領域の区切り点(breakpoint)は、cos(６０°)＝−cos（１２０°）＝０．５であるため、{６０°，１２０°}とされた。これにより、他の（ラッピング特性を法とする）シフトに、等しい角度の幅の領域が与えられた。
このように、この領域の定義及びラッピング特性で、１つだけの最適化問題、すなわちΩ1に対応する重みベクトルｗ1を決定し、次にｗ2をｗ1を９０°シフトさせることにより作り出すこと、を解く必要があった。
【００９２】
他の区切り点及び領域も定義することができる。シフト特性により２つの典型の領域をシフトによって関係させることができないなら、２つの最適化の問題を解決する必要があるであろう。
【００９３】
全体の領域Θが、確実にすべての個々の領域の結合であるようにすることが好適である一方、例えば、準ニュートン法において、それを実行することはいくつかの計算の問題を作り出すことが発生し得る。第２の他の実施形態として使用される特定の実施形態では、１０°のバッファゾーンが、それぞれの領域の端に組込まれた。これは、準ニュートン最適化ルーチンの収束(convergence)特性を改善するために見つけられた。このように、Ω1＝［０°，５０°］∪［１３０°，１８０°）及びΩ2＝［７０°，１１０°］である。その設計のこの要素は、２０°の分離が同一チャネルのユーザに対して維持されなければならないであろうということを意味する。ｗ1を計算するために使用された実際のコスト関数は、以下の条件の下、Ｋ1（すなわち、α2,i＝０）のみを使用する式１３のようなものであった。
【００９４】
もし、１つのユーザが、上記で定義されたようなΩ1及びΩ2のそれぞれの中であれば、これらの重みｗ1及びｗ2は、２つのユーザのために適当である。こういう場合（遠隔ユーザが、いくつかの技術によって決定され得るところであるような場合。例えば、我々のスマートアンテナ特許を参照する。）でないなら、ユーザの間の中点(midpoint)へのパターンの間の区切り点をシフトさせるため上述のように、パターンは、［cos(θ1)＋cos(θ2)］−cos(６０°)だけシフトされ、θ1＞θ2となるようにソートされる。９４°及び１３７°のユーザの角度に対しては、結果として得られるパターンは、図６中にプロット６０３及び６０５として表示される。重みの計算は、専らユーザ間の方位角の距離に基いて計算され、またそれは非常に計算が効率的であることに注意する。以下は、図５及び６を生成するために使用されるＭＡＴＬＡＢコードである。ＭＡＴＬＡＢコードでは、最適化によって決定される実際の重みは、パラメータとして示され、またそれはコード中に入力する必要がある。図５を生成するためには、コマンドPat2(0,[94 137],1)を発し、また図６を生成するためには、コマンドPat2(1,[94 137],1)を発する。
【００９５】
【表１】
【表２】
【表３】
（ディザリング）
更に進んだ改良では、パターンの間の区切り点は、好適には５°の小さい量だけ、例えば数百Hzの周波数のある低い周波数で、ディザリングされる。その結果、恒久的に合成パターン(composite pattern)の最小の近距離(local minimum)にある位置はセル中にはなく、また方位角の関数としての時間平均されたエネルギーは比較的一定である。
【００９９】
ディザリングは、例えば、バーストからバーストで、少し異なるシフトを有することによって、実行されることができる。例えば、角度θのシフトが、ある典型の重みのために必要なら、それぞれのバーストに利用されるシフトは、ｒｎｄを±１の間に均一に分布する乱数として、θ＋５°×ｒｎｄであろう。このように、バーストからバーストで、重みベクトルは、公称の(nominal)重みベクトルからのシフトの中でディザリングされるであろう。
【０１００】
図７は、図６で図示したものと同じ、２つの同時のユーザの場合に対するディザリングありとなしとの場合で得られた、１つのアンテナ素子上で無指向性に送信している間の時間平均パワー利得を示す。平均は、２つの信号の相対的位相がランダムに作られる、１００を超える反復である。実線の曲線７０３は、ディザリングがあるときの結果を示し、一方、点線の曲線７０５は、ディザリングがないときの結果を示す。
【０１０１】
以下は、図７を生成するために使用されるＭＡＴＬＡＢコード「ditherDemo」である。コードPat2のときと同じように、最適化によって決定される実際の重みは、パラメータとして示され、またそれは、コード中に入力される必要がある。
【０１０２】
【表４】
【表５】
【表６】
（空間チャネルにつき１つのユーザのためのディザリング）
いくつかのユーザの場合に対する上述のディザリングは、従来のユーザの場合についての１つのユーザに対するリップルを減少させるためにも使用することができる。重みベクトルは、同様に、好適にはバーストからバーストに、ある低い周波数で、数度ずつ、上方又は下方にシフトされる。
【０１０６】
（実地試験）
この設計のための実地試験も実行された。図８は、実地検証の結果を示す。３つの実験が、ＰＣＳ−１９００周波数で動作する実験のためのＧＳＭシステムに実施された。それぞれの実験で、同一チャネルのユーザの一対が、固定された方位角に設定され、また、受信されたパワーの測定値は、単一の放射素子によって、及び（ディザリングを有する）本発明の第２の交替の実施形態の方法及び装置によって、交互に実行された。５°の増分ごとに、セクター内で、測定値が取得された。３つの実験に対するユーザの方位角の対は、それぞれ、５２°／１０７°、５２°／８４°及び６０°／１３６°であった。単一の放射素子を使用している間の第２の実施形態を使用することの利得はそれぞれの角度で計算され、そして、これらの利得の累積的分布関数(cumulative distribution function)が決定された。図中の実線の軌跡８０３は、（１で正規化されたパワーでの単一の素子からの放射に関する）使用された構成のダウンリンクパワーの利得の、この測定された累積的分布関数である。この軌跡８０３は、３つの全ての実験の間に収集されたデータに対する合成の結果である。点線の８０５曲線は、区切り点ディザリング方法(breakpoint dithering strategy)の結果を含む理論的予想である。理論的結果は、上述の実験のモンテカルロ・シミュレーションを実行して得られた。２つの曲線の形状は、非常によく一致しているように見える。それらの曲線間の１．５から２ｄＢのオフセットは、単一のアンテナ及び複数のアンテナのデータのために実行された収集の間の一貫した誤差に帰することができそうである。
【０１０７】
当業者に理解されるように、技術を有する実施者は、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、上述の方法及び装置に多くの変更を加えることができるであろう。例えば、本システムは、異なる通信プロトコルに対して実施することができ、ＮＯＲパターンを含む所望のパターンを実現する重みｗを決定するための異なる方法を使用することができる、などである。本発明の範囲は、以下の請求項中に示されたようにのみ、限定されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１（ａ）】 ＧＳＭシステムでＧＭＳＫ変調されたフレームの構築の信号フロー表現である。
【図１（ｂ）】 ｍ個のアンテナ素子による送信のため、ｍ個の複素数値（Ｉ，Ｑ）信号を形成するように、重みベクトルｗ１、ｗ２及びｓ３を使用する３つの空間チャネルを空間的にマルチプレクスするための空間マルチプレクサを示す。
【図１（ｃ）】 アンテナ素子の１つのための送信機の構造を示す。
【図１（ｄ）】 図１(ｂ)の空間マルチプレクサからｍ個の空間的にマルチプレクスされた信号を送信するための、それぞれ図１(ｃ)のようなｍ個の送信機を示す。
【図２】 １のパワーで放射する単一のアンテナ素子を使用する本発明の１つの実施形態に従って、ＮＯＲのために設計された重みベクトルを使用した、方位角の関数としての計算された（理論的な）利得のプロットを示す。
【図３】 図２の理論的結果と、本発明の１つの実施形態に従った、ＮＯＲのために設計された重みベクトルを使用した実験結果との比較である。
【図４（ａ）】 ＮＯＲ送信のための重みベクトルｗを使用した角度の関数としてのパワーを示す。
【図４（ｂ）】 重みベクトルｗに由来する「ローテーションされた(rotated)」重みベクトルｗrに対する方位角の関数としてのパワーを示す。
【図５】 それぞれがＮＯＲ領域への、本発明の１つの実施形態に従って決定された、ＮＯＲ送信のための、２つの重みベクトルを使用することにより得られる利得のプロットを示す。
【図６】 本発明の他の実施形態に従った、図５の例のために決定された重みベクトルから決定された、同じ従来のチャネル上の２つの同時のユーザへのＮＯＲ送信のための、２つの重みベクトルを使用することによって得られる利得のプロットを示す。
【図７】 本発明の態様に従ったディザリングがある場合とない場合の、方位角の関数としての利得を示す。
【図８】 本発明の１つの実施形態を使用した実験での、１の正規化された(normalized)パワーでの単一の素子からの放射に関するダウンリンクパワーの利得の、測定された及び理論的な累積的分布関数を示す。
Claims (24)
- 通信局から１つ以上の加入者ユニットにダウンリンク信号を送信するための方法において、前記通信局は、アンテナ素子のアレイを含み、それぞれのアンテナ素子は、関連送信装置に結合させられ、前記関連送信装置は、重みベクトルに従って、位相及び振幅において前記ダウンリンク信号に重み付けをするための１つ以上のシグナルプロセッサに結合させられているものであって、
(a) 所望のセクターに亘って所望の放射パターンを実現するために低い相対的放射パワーで送信するように設計された第１の重みベクトルを決定するステップと、
(b) それぞれが前記アレイ中に意図されたアンテナ素子を有する一組の重み付けされたダウンリンクアンテナ信号を形成するために、１つ以上のシグナルプロセッサを使用して、選択された前記第１の重みベクトルによって前記ダウンリンク信号を重み付けするステップと、
(c) 前記一組の重み付けされた前記ダウンリンクアンテナ信号の中のそれぞれの重み付けされたダウンリンクアンテナ信号を、前記意図されたアンテナ素子関連送信装置を通して、それの意図されたアンテナ素子へ通すことによって、前記ダウンリンク信号を送信するステップと、を有し、
前記ステップ(a)で決定された前記重みベクトルは、前記重みベクトルのコスト関数を最小にするような重みベクトルであり、前記コスト関数は、前記所望のセクターに亘って、前記所望の放射パターンからの、前記重みベクトルを使用して送信することに起因する前記放射パターンの変化量の第１の式を含むことを特徴とする方法。 - 前記コスト関数は、前記重みベクトルを使用することによって、前記アンテナ素子から送信される前記総計のパワーの式を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
- 前記コスト関数は、前記重みベクトルを使用するときの前記アンテナ素子の間で送信されたパワー中の変化量の式を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
- 通信局から１つ以上の加入者ユニットにダウンリンク信号を送信するための方法において、前記通信局は、アンテナ素子のアレイを含み、それぞれのアンテナ素子は、関連送信装置に結合させられ、前記関連送信装置は、重みベクトルに従って、位相及び振幅において前記ダウンリンク信号に重み付けをするための１つ以上のシグナルプロセッサに結合させられているものであって、
(a) 所望のセクターに亘って所望の放射パターンを実現するために低い相対的放射パワーで送信するように設計された第１の重みベクトルを決定するステップと、
(b) それぞれが前記アレイ中に意図されたアンテナ素子を有する一組の重み付けされたダウンリンクアンテナ信号を形成するために、１つ以上のシグナルプロセッサを使用して、選択された前記第１の重みベクトルによって前記ダウンリンク信号を重み付けするステップと、
(c) 前記一組の重み付けされた前記ダウンリンクアンテナ信号の中のそれぞれの重み付けされたダウンリンクアンテナ信号を、前記意図されたアンテナ素子関連送信装置を通して、それの意図されたアンテナ素子へ通すことによって、前記ダウンリンク信号を送信するステップと、
(d) 少なくとも１つの加入者ユニット中で前記ダウンリンク信号を受信するステップと、有し、
前記所望のセクターは、方位角の範囲を含み、
前記所望のセクターは、高度の範囲を含み、
前記所望の放射パターンは、ＮＯＲパターンであり、
決定する前記ステップ(a)は、
(i) 前記所望のセクターに亘ってＮＯＲパターンからの、前記重みベクトルを使用して送信することに起因する前記放射パターンの変化量の式を含む、前記重みベクトルのコスト関数を特定するステップと、
(ii) 前記第１の重みベクトルとして、前記コスト関数を最小にする重みベクトルを選択するステップと、を更に有することを特徴とする方法。 - 前記コスト関数は、前記重みベクトルを使用することによって前記アンテナ素子から送信された前記総計のパワーの式を含むことを特徴とする請求項４に記載の方法。
- 前記コスト関数は、前記重みベクトルを使用することによって前記アンテナ素子の間で送信されたパワー中の前記変化量の式を含むことを特徴とする請求項５に記載の方法。
- 従来のチャネルを通して、通信局から対応する複数の加入者ユニットへの複数のダウンリンク信号を送信するための方法において、それぞれのダウンリンク信号は、意図された加入者ユニットを有し、それぞれの意図された加入者ユニットは、位置を有し、それぞれの位置は、少なくともおおよそ知られており、前記通信局は、アンテナ素子のアレイを含み、それぞれのアンテナ素子は、関連送信装置に結合させられ、前記関連送信装置は、前記ダウンリンク信号を空間マルチプレクスするための１つ以上のシグナルプロセッサに結合させられ、前記空間マルチプレクスは、重みベクトルに従って位相及び振幅においてそれぞれのダウンリンク信号を重み付けしかつ前記重み付けされた信号を加えるものであって、
(a) 複数の所望の重みベクトルを決定するステップであって、それぞれの加入者ユニットは、前記複数の所望の重みベクトル中に関連する所望の重みベクトルを有し、それぞれの関連する所望の重みベクトルは、それの関連する加入者ユニットへのダウンリンク通信のために設計され、前記複数の所望の重みベクトルは、所望のセクターに亘る全体の所望の放射パターンを作り出すためにデザインされている、そのようなステップと、
(b) 前記複数のダウンリンク信号を空間マルチプレクスするステップであって、前記マルチプレクスは、特定のダウンリンク信号の意図された加入者ユニットに関連する前記所望の重みベクトルによって、それぞれの特定のダウンリンク信号を重み付けするステップを含み、前記複数の所望の重みベクトル中の関連する所望の重みベクトルではない所望の重みベクトルよる前記空間マルチプレクスは、１つ以上のダミー信号であり、前記空間マルチプレクスは、一組の合計されかつ重み付けされたダウンリンクアンテナ信号を形成するために前記１つ以上のシグナルプロセッサを使用し、それぞれの合計されかつ重み付けされたダウンリンクアンテナ信号は、前記アレイ中に意図されたアンテナ素子を有する、そのようなステップと、
(c) それぞれの合計されかつ重み付けされたダウンリンクアンテナ信号を、それの意図されたアンテナ素子に、前記意図されたアンテナ素子の関連送信装置を通して、通すことによって、前記複数のダウンリンク信号を送信するステップと、を有し、
前記所望のセクターは、一組の対応する領域を含み、それぞれの対応する領域は、多くて１つの加入者ユニットの位置を含み、全ての前記対応する領域の結合は、前記所望のセクターをほぼカバーしており、
前記決定するステップ(a)で、それぞれの所望の重みベクトルは、前記対応する領域の１つへの送信のために決定され、及び
前記決定するステップ(a)で決定された前記複数の所望の重みベクトルは、可能な重みベクトルのコスト関数を最小にする前記複数の重みベクトルであり、前記コスト関数は、前記複数の重みベクトルを使用して送信することに起因するネットの全体の放射パターンの中の所望の放射パターンからの前記変化量の式を含むことを特徴とする方法。 - 前記複数の所望の重みベクトル中の重みベクトルの数は、加入者ユニットの数と同じであり、そのため、前記一組の所望の重みベクトル中の全ての所望の重みベクトルが関連する所望の重みベクトルであり、及びそれぞれの加入者ユニットの位置が対応する領域の１つの中にあることを特徴とする請求項７に記載の方法。
- 前記コスト関数は、それぞれの重みベクトルを使用して前記アンテナ素子から送信された総計のパワーの式を含むことを特徴とする請求項８に記載の方法。
- 前記コスト関数は、それぞれの重みベクトルを使用して前記アンテナ素子の間で送信されたパワー中の前記変化量の式を含むことを特徴とする請求項８に記載の方法。
- 前記コスト関数は、それぞれの重みベクトルに対して意図していない対応する領域中で受信された前記エネルギーの式を含むことを特徴とする請求項８に記載の方法。
- 所望のセクターに亘る全体の所望の放射パターンでの、従来のチャネルを通した、通信局から対応する複数の加入者ユニットへの、複数のダウンリンク信号を送信するための方法において、それぞれのダウンリンク信号は、意図された加入者ユニットを有し、それぞれの意図された加入者ユニットは、位置を有し、それぞれの位置は少なくともおおよそ知られており、前記通信局はアンテナ素子のアレイを含み、それぞれのアンテナ素子は、関連送信装置に結合させられ、前記関連する送信装置は、ダウンリンク信号を空間マルチプレクスするための１つ以上のシグナルプロセッサに結合させられ、前記空間マルチプレクスは、重みベクトルに従って位相及び振幅においてそれぞれのダウンリンク信号に重み付けをしかつ当該重み付けされた信号を加えることを含んでいるものであって、
(a) 前記所望のセクターを一組の領域に区切るステップであって、領域の数は加入者ユニットの数と同じであり、全ての前記領域の結合は、前記所望のセクターをほぼカバーする、そのようなステップと、
(b) 複数の所望の重みベクトルを決定するステップであって、それぞれの所望の重みベクトルは、前記領域の１つへのダウンリンク通信のために設計され、前記複数の所望の重みベクトルは、前記所望のセクターに亘って前記全体の所望の放射パターンを作り出すために設計され、前記複数の所望の重みベクトル及び前記一組の領域は、所在を画定する、そのようなステップと、
(c) メモリ中に前記所望の重みベクトルを記憶させるステップと、
(d) 十分な数の所在が記憶されるまで、前記ステップ (a) から (c) を反復させるステップと、
(e) 前記加入者ユニットの前記位置に適合した所在の前記複数の所望の重みベクトルを前記メモリから呼び出すステップと、
(f) 前記複数のダウンリンク信号を空間マルチプレクスするステップであって、前記マルチプレクスは、前記特定のダウンリンク信号の意図された加入者ユニットの前記位置を含む前記領域に送信するように設計された、前記呼び出された所望の重みベクトルで、それぞれの特定のダウンリンク信号に重み付けすることを含み、前記空間マルチプレクスは、一組の合計されかつ重み付けされたダウンリンクアンテナ信号を形成するために前記１つ以上のシグナルプロセッサを使用し、それぞれの合計されかつ重み付けされたダウンリンクアンテナ信号は、前記アレイ中に意図されたアンテナ素子を有する、そのようなステップと、
(g) それぞれの合計されかつ重み付けされたダウンリンクアンテナ信号をそれの意図されたアンテナ素子へ、前記意図されたアンテナ素子の関連送信装置を通して、通すことによって、前記複数のダウンリンク信号を送信するステップと、を有し、
前記ステップ(b)で決定された前記複数の所望の重みベクトルは、可能な重みベクトルのコスト関数を最小にする前記複数の重みベクトルであり、前記コスト関数は、前記複数の重みベクトルを使用して送信することに起因する、前記ネットの全体の放射パターンの中の前記所望の放射パターンからの前記変化量の式を含むことを特徴とする方法。 - 前記コスト関数は、それぞれの重みベクトルを使用して、前記アンテナ素子から送信される前記全体のパワーの式を含むことを特徴とする請求項１２に記載の方法。
- 前記コスト関数は、それぞれの重みベクトルを使用して、前記アンテナ素子の間で送信されたパワー中の前記変化量の式を含むことを特徴とする請求項１２に記載の方法。
- 前記コスト関数は、それぞれの重みベクトルに対して意図していない対応する領域中で受信された前記エネルギーの式を含むことを特徴とする請求項１２に記載の方法。
- 所望のセクターに亘る全体の所望の放射パターンでの、従来のチャネルを通した、通信局から対応する複数の加入者ユニットへの、複数のダウンリンク信号を送信するための方法において、それぞれのダウンリンク信号は、意図された加入者ユニットを有し、それぞれの意図された加入者ユニットは、位置を有し、それぞれの位置は少なくともおおよそ知られており、前記通信局はアンテナ素子のアレイを含み、前記アンテナ素子はおおよそ均一に分布しており、それぞれのアンテナ素子は、関連送信装置に結合させられ、前記関連する送信装置は、ダウンリンク信号を空間マルチプレクスするための１つ以上のシグナルプロセッサに結合させられ、前記空間マルチプレクスは、重みベクトルに従って位相及び振幅においてそれぞれのダウンリンク信号に重み付けをしかつ当該重み付けされた信号を加えることを含んでいるものであって、
(a) 前記所望のセクターを一組の領域に区切るステップであって、領域の数は少なくとも加入者ユニットの数であり、全ての前記領域の結合は、前記所望のセクターをほぼカバーする、そのようなステップと、
(b) 複数の所望の重みベクトルを決定するステップであって、それぞれの所望の重みベクトルは、前記領域の１つへのダウンリンク通信のために設計され、前記複数の所望の重みベクトルは、前記所望のセクターに亘って前記全体の所望の放射パターンを作り出すために設計され、前記複数の所望の重みベクトル及び前記一組の領域は、所在を画定する、そのようなステップと、
(c) 確実に、移動させられた領域について１つだけの加入者ユニットがあり、かつ、前記加入者ユニットの前記位置が適切に分離されるように、前記加入者ユニットの前記位置を使用して、前記一組の領域の移動を決定するステップと、 (d) 複数のシフトされた重みベクトルを形成するために、それぞれの決定された所望の重みベクトルをシフトされるステップであって、それぞれのシフトは、前記ステップ (c) で決定された前記移動に対応する、そのようなステップと、 (e) 前駆複数のダウンリンク信号を空間マルチプレクスするステップであって、前記マルチプレクスは、前記特定のダウンリンク信号の意図された加入者ユニットの前記位置を含む前記移動させられた領域へ送信するように設計された、前記シフトされた重みベクトルによって、それぞれの特定のダウンリンク信号に重み付けすることを含み、加入者ユニットを有しない任意の移動させられた領域へ送信するように設計された任意のシフトされた重みベクトルによる前記空間マルチプレクスは、１つ以上のダミー信号であり、前記空間マルチプレクスは、一組の合計されかつ重み付けされたダウンリンクアンテナ信号を形成するために、前記１つ以上のシグナルプロセッサを使用し、それぞれの合計されかつ重み付けされたダウンリンクアンテナ信号は、前記アレイ中に意図されたアンテナ素子を有する、そのようなステップと、
(f) それぞれの合計されかつ重み付けされたダウンリンクアンテナ信号を、それの意図されたアンテナ素子に、前記意図されたアンテナ素子の関連送信装置を通して、通すことによって、前記複数のダウンリンク信号を送信するステップと、を有し、
それぞれのシフトされた領域は加入者ユニットを有することを特徴とし、また、前記ステップ(b)で決定された前記複数の所望の重みベクトルは、可能な重みベクトルのコスト関数を最小にする前記複数の重みベクトルであり、前記コスト関数は、前記複数の重みベクトルを使用して送信することに起因する前記ネットの全体の放射パターンの中の前記所望の放射パターンからの前記変化量の式を含むことを特徴とする方法。 - 前記コスト関数は、それぞれの重みベクトルを使用して、前記アンテナ素子から送信された前記全体のパワーの式を含むことを特徴とする請求項１６に記載の方法。
- 前記コスト関数は、それぞれの重みベクトルを使用して、前記アンテナ素子の間で送信されたパワー中の前記変化量の式を含むことを特徴とする請求項１６に記載の方法。
- 前記コスト関数は、それぞれの重みベクトルに対して、意図されていない対応する領域中で受信された前記エネルギーの式を含むことを特徴とする請求項１６に記載の方法。
- 前記ステップ(d)から(f)は、周期的に反復され、それぞれの反復中の前記シフトは、前記ステップ(c)中で決定された前記移動の周りでディザリングされることを特徴とする請求項１６に記載の方法。
- 前記ディザリングは、前記ステップ(c)中で決定された前記移動にランダムなシフトを加えることを含むことを特徴とする請求項２０に記載の方法。
- ダウンリンク信号を１つ以上の加入者ユニットに送信するための通信局において、
(a) アンテナ素子のアレイと、
(b) 所望のセクターに亘る所望の放射パターンを実現するために、低い相対的放射パワーで前記アレイを通して送信するために設計された第１の重みベクトルを決定するための手段と、
(c) 一組の重み付けされたダウンリンクアンテナ信号を形成するために、前記決定された第１の重みベクトルに従って、位相及び振幅において前記ダウンリンク信号に重み付けするために結合させられた１つ以上のシグナルプロセッサであって、それぞれの重み付けされたダウンリンクアンテナ信号は、前記アレイ中に意図されたアンテナ素子を有する、そのようなシグナルプロセッサと、
(d) 前記アレイを通して前記一組の重み付けされたダウンリンクアンテナ信号を送信するための一組の関連送信装置であって、それぞれのアンテナ素子は、前記一組の関連送信装置中の１つの関連送信装置の出力に結合させられ、それぞれの関連送信装置は、前記重み付けされたダウンリンクアンテナ信号の１つを受信するための入力を含む、そのような一組の関連送信装置と、を有し、
決定する前記手段は、前記第１の重みベクトルとして、前記重みベクトルのコスト関数を最小にする重みベクトルを選択し、前記コスト関数は、前記所望のセクターに亘る前記所望の放射パターンからの、前記重みベクトルを使用して送信することに起因する前記放射パターンの変化量の第１の式を含むことを特徴とする通信局。 - 前記コスト関数は、前記重みベクトルを使用することによって前記アンテナ素子から送信される総計のパワーの式を含むことを特徴とする請求項２２に記載の通信局。
- 前記コスト関数は、前記重みベクトルを使用するときの前記アンテナ素子の間で送信されたパワーにおける前記変化量の式を含むことを特徴とする請求項２２に記載の通信局。
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