JP6415691B2 - 交差偏波チルトアンテナのための装置及び方法 - Google Patents

Description

本出願は、“Zhengxiang Ma”らによって２０１４年７月２８日に出願されるとともに、“交差偏波チルトアンテナのための装置及び方法”と表題が付けられた米国仮特許出願第６２／０２９，９０２号、及び２０１５年１月２９日に出願されるとともに、“交差偏波チルトアンテナのための装置及び方法”と表題が付けられた米国特許出願第１４／６０９，２５１号の利益を主張し、これらの出願の両方は、その全体が再現されているかのように参照により本明細書に組み込まれている。

技術分野
本発明は、ネットワーク通信に関し、特定の実施例では、交差偏波チルトアンテナのための装置及び方法に関する。

無線又はセルラ通信のための、例えばロングタームエボリューション（ＬＴＥ）などのための交差偏波アンテナシステムでは、アンテナは、それぞれ＋４５°及び−４５°の偏波で２つの交差偏波無線周波数（ＲＦ）ビームを放射するように設計されている。さらに、２つの偏波は、２つの偏波されたビームのそれぞれについて同じダウンチルト角、例えば８°に設定される。適切な多入力多出力（ＭＩＭＯ）動作を保証するために、複数の交差偏波アンテナは同じカバレッジを有する必要があり、それはアンテナのダウンチルト角によって大きく影響される。しかしながら、固定されたダウンチルト角の２つの偏波されたビームを有する交差偏波アンテナの現在の設定は、仰角次元（elevation dimension）において、あらゆるＭＩＭＯ又はビームフォーミング機能を提供しない。多用途の仰角（elevation）又は３次元カバレッジのような、ＭＩＭＯ又はビームフォーミングのための多用途の機能を一般的に提供する改良された交差偏波アンテナ設計に対する必要性が存在する。

一実施例によれば、アンテナ回路による方法は、ベースバンドデジタル回路を用いて一対の信号を生成するステップと、ベースバンドデジタル回路に接続された一対のそれぞれの無線周波数（ＲＦ）送信機を用いて信号を送信するステップと、ＲＦ送信機に接続された一対のそれぞれの電力増幅器（ＰＡ）を用いて信号を増幅するステップとを含む。当該方法は、ＲＦ送信機に接続された９０°又は１８０°ハイブリッド結合器（同様に本明細書では略してハイブリッドと呼ばれる）の機能ブロックを用いて、９０°及び１８０°の位相差のうちの１つを信号に導入するステップを更に含む。増幅するとともに９０°及び１８０°の位相差のうちの１つを導入した後で、信号は、ＰＡに接続された単一列直交偏波アンテナを用いて２つの異なる偏波で偏波される。信号は、同様に、単一列直交偏波アンテナを用いて異なるダウンチルト角でチルトされ、偏波及びダウンチルトの後で単一列直交偏波アンテナを用いてＲＦビームとして送出される。

別の実施例によれば、アンテナ回路は、ベースバンド信号プロセッサと、ベースバンド信号プロセッサに接続された一対のＲＦ送信機と、一対のＲＦ送信機に接続された一対のＰＡとを備える。当該アンテナ回路は、一対のＲＦ送信機に接続された９０°又は１８０°ハイブリッド結合器と、一対のＰＡに接続された一対のデュプレクサ（ＤＵＰ）と、一対のＰＡに接続された２つのアンテナであって、異なるダウンチルト角でダウンチルトされる、２つのアンテナとを更に含む。

さらに別の実施例によれば、アンテナ回路は、４つの出力ポートを含むベースバンド信号プロセッサと、４つの出力ポートのうちの第１の２つのポートに接続された第１の一対のＲＦ送信機と、４つの出力ポートのうちの第２の２つのポートに接続された第２の一対のＲＦ送信機と、第１の一対のＲＦ送信機に接続された第１のＰＡと、第２の一対のＲＦ送信機に接続された第２のＰＡと、第１の一対のＲＦ送信機に接続された９０°又は１８０°の第１のハイブリッドと、第２の一対のＲＦ送信機に接続された９０°又は１８０°の第２のハイブリッドと、第１の一対のＰＡに接続された第１の一対のＤＵＰと、第２の一対のＰＡに接続された第２の一対のＤＵＰとを備える。当該アンテナ回路は、第１の一対のＰＡに接続された第１の列上の第１の交差偏波アンテナと、第２の一対のＰＡに接続された第２の列上の第２の交差偏波アンテナとを更に備える。第１の交差偏波アンテナは、異なるダウンチルト角でダウンチルトされるとともに、第２の交差偏波アンテナは、同様に、異なるダウンチルト角でダウンチルトされる。

上記は、下記の詳細な説明がより良く理解され得るように、本開示の一実施例の特徴をかなり広く概説した。請求項の主題を形成する実施例の追加の特徴及び利点が下記で説明されることになる。開示された概念及び特定の実施例は、本明細書に開示された様々な実施例の同じ目的を実行するための他の構造若しくは処理を修正又は設計するための基礎として容易に利用され得る、ということが当業者により認識されるべきである。そのような等価な構成は、添付の請求項において説明された開示の精神及び範囲から逸脱するものではない、ということが当業者により同様に理解されるべきである。

本開示及びその利点のより完全な理解のために、ここから添付の図面と併せて下記の説明に対して参照が行われる。

交差偏波アンテナシステムを例示する図である。 図１の交差偏波アンテナシステムのコンポーネント設計を例示する図である。 改良された交差偏波アンテナシステムの一実施例を例示する図である。 図３の改良された交差偏波アンテナシステムのコンポーネント設計の一実施例を例示する図である。 図３の改良された交差偏波アンテナシステムによるカバレッジエリアの一実施例を例示する図である。 代表的な及び改良された交差偏波アンテナシステムに関する平均ユーザスループットのシミュレーション結果を例示するチャートである。 代表的な及び改良された交差偏波アンテナシステムに関するエッジユーザスループットのシミュレーション結果を例示するチャートである。 図３の改良された交差偏波アンテナシステムのコンポーネント設計の別の実施例を例示する図である。 代表的な及び改良された交差偏波アンテナシステムについてのシミュレーション結果を例示するチャートである。 代表的な及び改良された交差偏波アンテナシステムについてのシミュレーション結果を例示するチャートである。 ２つの列を有する改良された交差偏波アンテナシステムの一実施例を例示する図である。 ２つの列を使用する図１１の改良された交差偏波アンテナシステムのコンポーネント設計の一実施例を例示する図である。 代表的な及び改良された交差偏波アンテナシステムに関する平均ユーザスループットのシミュレーション結果を例示するチャートである。 代表的な及び改良された交差偏波アンテナシステムに関するエッジユーザスループットのシミュレーション結果を例示するチャートである。 代表的な及び改良された交差偏波アンテナシステムに関する平均ユーザスループットのシミュレーション結果を例示するチャートである。 代表的な及び改良された交差偏波アンテナシステムに関するエッジユーザスループットのシミュレーション結果を例示するチャートである。 代表的な及び改良された交差偏波アンテナシステムに関する平均ユーザスループットのシミュレーション結果を例示するチャートである。 代表的な及び改良された交差偏波アンテナシステムに関するエッジユーザスループットのシミュレーション結果を例示するチャートである。 代表的な及び改良された交差偏波アンテナシステムに関する平均ユーザスループットのシミュレーション結果を例示するチャートである。 代表的な及び改良された交差偏波アンテナシステムに関するエッジユーザスループットのシミュレーション結果を例示するチャートである。 垂直セクタ化を有する改良された交差偏波アンテナシステムの一実施例を例示する図である。 図２１の改良された交差偏波アンテナシステムのコンポーネント設計の一実施例を例示する図である。 代表的な及び改良された交差偏波アンテナシステムに関する平均ユーザスループットのシミュレーション結果を例示するチャートである。 代表的な及び改良された交差偏波アンテナシステムに関するエッジユーザスループットのシミュレーション結果を例示するチャートである。 図３の改良された交差偏波アンテナシステムの任意設計の実施例を例示する図である。 図３の改良された交差偏波アンテナシステムの任意設計の実施例を例示する図である。 図３の改良された交差偏波アンテナシステムの任意設計の実施例を例示する図である。 図３の改良された交差偏波アンテナシステムのコンポーネント設計の別の実施例を例示する図である。 図３の改良された交差偏波アンテナシステムのコンポーネント設計の別の実施例を例示する図である。 図３の改良された交差偏波アンテナシステムのコンポーネント設計の別の実施例を例示する図である。 図３の改良された交差偏波アンテナシステムのコンポーネント設計の別の実施例を例示する図である。 図３の改良された交差偏波アンテナシステムのコンポーネント設計の別の実施例を例示する図である。 ２つの列を使用する図１１の改良された交差偏波アンテナシステムのコンポーネント設計の一実施例を例示する図である。 ２つの列を使用する図１１の改良された交差偏波アンテナシステムのコンポーネント設計の別の実施例を例示する図である。 改良された交差偏波アンテナシステムの動作方法の一実施例を例示するフロー図である。

異なる図面における対応する数字及び記号は、他に示されない限り、概して、対応する部分を指す。図面は、実施例の関連する態様を明確に例示するために描かれたものであり、必ずしも一定の縮尺で描かれているわけではない。

現在の好ましい実施例の設計及び使用が下記で詳細に説明される。しかしながら、本開示は、多種多様な特定の状況において具体化されることができる多くの適用可能な概念を提供する、ということが理解されるべきである。議論された特定の実施例は、本開示を設計して使用する特定の方法の単なる例示であり、請求項の範囲を限定するものではない。

図１は、一般に２つの送信機（２Ｔ）システムと呼ばれる、ＬＴＥに対して使用されることができる交差偏波アンテナシステムを示す。システム設定は、交差偏波アンテナを±４５°で使用する。２つの偏波は、同じダウンチルト角度、例えば８°に設定される。

図２は、図１の交差偏波アンテナシステムのコンポーネント設計を示す。この設計は、±４５°の交差偏波アンテナの単一の列２１０を含む。単一列アンテナ２１０は、２つの無線周波数（ＲＦ）送信機（Ｔｘ）２２０に接続される。各ＲＦ Ｔｘ２２０は、対応する電力増幅器（ＰＡ）２３０及びデュプレクサ（ＤＵＰ）２４０を介して、図示のように、アンテナ列２１０の２つの偏波のうちの１つに接続される。

適切なＭＩＭＯ動作をサポートするために、同様の設定を有する、上記のシステムの複数のアンテナは、同じカバレッジを有する必要がある。しかしながら、固定されたダウンチルト角の制限のために、図１の構成は、仰角次元において、ＭＩＭＯ又はビームフォーミング機能のための柔軟性を提供しない。実施例のシステム及び方法は、ＭＩＭＯ又はビームフォーミングのための多用途の機能をサポートする、異なるダウンチルト角を有する交差偏波アンテナ設計を提供するために、本明細書で提供される。下記の実施例は、ＬＴＥシステムとの関連で提示される。しかしながら、提供される方式は、高速パケットアクセス（ＨＳＰＡ）のような任意の適切なセルラシステム、又は、無線ローカルエリアネットワーク（ＷＬＡＮ）若しくはＷｉＦｉのような他の適切な無線システムに拡張されることができる。

図３は、本明細書では交差偏波（ＸＰ）ユーザ固有チルト（ＵＳＴ）アンテナとも呼ばれる、２つの偏波に対する異なるダウンチルト角を可能にする、改良された交差偏波アンテナシステムの一実施例を示す。“ユーザ固有（user specific）”という語句は、アンテナのダウンチルトが異なるユーザ又はユーザグループにサービスすることに従うことを意味し、ダウンチルト角がユーザの位置に応じて設定され得る。具体的には、列内の２つの交差偏波アンテナのダウンチルトが、この例では８°と１４°のように、異なる角度に設定される。これは、例えば、ＬＴＥにおける標準的なプリコーディングＭＩＭＯ方法を介して、仰角方向のビームステアリング能力を可能にする。

図４は、図３の改良された交差偏波アンテナシステムのコンポーネント設計の一実施例を示す。別個のＴｘ３２０が、対応するＰＡ３４０及びそれぞれのＤＵＰ３３０を介して、アンテナ列３１０内の２つの偏波のそれぞれに接続される。さらに、３ｄＢハイブリッドカプラ３５０（９０°又は１８０°ハイブリッドのいずれか）が、図示のように、両方のＰＡ３４０と両方のＤＵＰ３３０との間に配置される。ハイブリッド３５０は、２つの送信機３２０を駆動する２つのベースバンドポートのカバレッジを等化する働きをする。これはまた、２つの交差偏波アンテナ間の電力共有を可能にし、その結果、両方のＰＡ３４０の全電力が、必要に応じて任意のアンテナに向けられることができる。

図５は、図３の改良された交差偏波アンテナシステムによるカバレッジエリアの一実施例を示す。カバレッジエリアは、例えば、ロービームエリアについては８°、ハイビームエリアについては１４°といった異なるダウンチルト角を有するセルレイアウトの一例を表す。下記の表１は、図３のシステムを用いて達成することができる２Ｔコードブック及び対応するユーザデータビームを例示する。この表は、異なるプリコーディングマトリクスインジケータ（ＰＭＩ）が、異なるダウンチルト角及び他の特性を有するビームに対応することを示す。

図６及び図７は、図２の設計及び図４の改良された設計に基づくシングルユーザシミュレーションからのシミュレーション結果を示す。図６は平均ユーザスループットについての結果を示し、図７はエッジユーザ（５パーセンタイルユーザとして定義される）スループットについての結果を示す。２セットのデータは、０ ＥＳＤ及びＳ ＥＳＤとラベル表示されて示されている。前者のセットは、仰角が広がらないと仮定し、一方、後者のセットは、参照により本明細書に組み込まれている、“Boon Loong Ng”らによる“Fulfilling the promise of massive MIMO with 2D active antenna array”, pp 691-696, Globecom Workshops (GC Wkshps), 2012 IEEEという題名の刊行物に記載されているように、非ゼロの仰角の広がりを仮定する。各データセット内には、３つの異なるアンテナ設計が示されている。左側のバーは、固定された８°のダウンチルト角を有する標準的な２Ｔシステム（２×２ Ｔ８°ベースラインとラベル表示される）を示す。中央のバーは、８°及び１４°のダウンチルト角を有し、両方とも＋４５°における同一偏波（ＳＰ）アンテナを有するアンテナシステムを示す。右側のバーは、８°及び１４°のダウンチルト角を有する±４５°における交差偏波（ＸＰ）アンテナを示す。標準的な２Ｔシステムと比較して、平均スループット（図６）とエッジスループット（図７）の両方において、ＸＰアンテナによって約１０％より良い利得が得られる。ＳＰアンテナの性能は、ＸＰアンテナの性能よりもわずかに優れているが、しかし、仰角の広がりに対してもより敏感である。

図８は、図３の改良された交差偏波アンテナシステムのコンポーネント設計の別の実施例を示す。別個のＴｘ８２０は、対応するＰＡ８４０及びそれぞれのＤＵＰ８３０を介して、アンテナ列８１０における２つの偏波のそれぞれに接続される。さらに、３ｄＢハイブリッド８５０（９０°又は１８０°のいずれか）は、２つの送信機８２０の入力に接続される。３ｄＢハイブリッド８５０の機能は、デジタルベースバンドにおいて実装されることができ、それは、２つのベースバンドポートの結合と２つのポートのカバレッジの均等化を可能にする。しかしながら、この場合、１つの偏波に供給されることができる最大電力は、１つのＰＡ８４０の電力によって制限される。したがって、ＰＡリソースの利用率は、図４の設計と比較して半分に低減される。もしハイブリッド８５０が（図４のように）ＰＡ８４０の後に配置されるならば、各偏波は、ＰＡリソースの完全な利用率を達成する両方のＰＡ８４０の結合電力によって駆動されることができる。

ユーザ装置（ＵＥ）の受信機処理において、ＵＥは、最良のスループットを提供するアンテナビームを選択することによって、最良のＰＭＩをベーストランシーバ基地局（ＢＴＳ）に送出する。しかしながら、もしＵＥの受信機がそのデータビームの残りのネットワークへの影響を考慮するとともに、最高の全体的なネットワークスループットを提供するＰＭＩをフィードバックすることができるならば、全体のネットワークエッジ性能は、例えば、約３０％以上大幅に高められることができる。これは、全てのＰＭＩコードワードに関する達成可能なスループットの計算に対してＰＭＩ依存オフセットを追加するＵＥの受信機によって、達成されることができる。これは、ＵＥからのＰＭＩフィードバックを変更するとともに、本明細書ではインテリジェントＰＭＩ選択と呼ばれる。図９及び図１０は、２×２ベースライン（図１）、ＸＰ ２Ｔ ＵＳＴ（図３）、及び異なるオフセット値によるインテリジェントＰＭＩ選択を有するＸＰ ２Ｔ ＵＳＴを含む、様々なアンテナシステムについてのシミュレーション結果を示す。０ ＥＳＤ及びＳ ＥＳＤの場合に対する平均スループット（図９）並びにエッジスループット（図１０）について結果が示されている。

図１１は、２つの列を有する改良された交差偏波アンテナシステムの一実施例を示す。このシステムは、各列における２つの偏波に対する異なるダウンチルト角を可能にする。各列について、２つの交差偏波アンテナ（±４５°における）のダウンチルトは、異なる角度、例えば８°及び１４°に設定される（図３の単一列システムについて上述されたスキームと同様である）。

図１２は、図１１の改良された交差偏波アンテナシステムのコンポーネント設計の一実施例を示す。各列の設計は図４の設計と同様である。各アンテナ列１２１０について、別個のＴｘ１２２０が、対応するＰＡ１２４０及びそれぞれのＤＵＰ１２３０を介して、そのアンテナ列１２１０における２つの偏波のそれぞれに接続される。さらに、各列１２１０について、３ｄＢハイブリッド１２５０（９０°又は１８０°のいずれか）が両方のＰＡ１２４０と両方のＤＵＰ１２３０との間に配置される。上記のシステム及び設計は、任意の数の適切な列（例えば、４又は８列）に拡張されることができる。２つの列の間の間隔は、動作波長の半分（λ／２）から全波長（λ）までとすることができる。このような設計は、４つ（又はそれ以上）のトランジスタを用いた３次元（３Ｄ）ビームフォーミング能力を可能にする。下記の表２は、各ポート（図１２における４つのＴｘブランチのそれぞれに対応する）のためのハイブリッドの構成例を示す。

図１３及び図１４は、１つの列と８°における１つのダウンチルト角を有する２×２ベースライン（図１）、２つの列と８°における１つのダウンチルト角を有する４×２システム、及び２つの列と８°と１４°における２つのダウンチルト角、そして９０°ハイブリッドポート構成Ａ＋ｊＢ、Ｃ＋ｊＤ、Ａ−ｊＢ、Ｃ−ｊＤを有する図１１のシステム（Ｘ２３４とラベル表示される）を含む、様々なアンテナシステムについてのシミュレーション結果を示す。０ ＥＳＤ及びＳ ＥＳＤに対する平均スループット（図１３）並びにエッジスループット（図１４）について結果が示されている。全てのケースについて、図１１のシステム（Ｘ２３４）を用いてより高いスループットが達成される。Ｘ２３４システムによって平均スループットにおいて約３５％より良い利得が得られ、エッジスループットにおいて約４５％より多い利得が得られる。標準的な４Ｔ列システム（４×２システム）の改善は、平均スループットにおいて約１２％、及びエッジスループットにおいて約１８％になる。この利得は、標準的な２Ｔを超えるＸＰ ２Ｔ ＵＳＴの利得と同様である。全体的な利得は、例えば３Ｄビームフォーミングによって、方位角ビームフォーミングと仰角ビームフォーミングとの乗算効果になる。１８０°ハイブリッドについても同様の結果が観察される。

図１５及び図１６は、本明細書ではＸ２３４システムとも呼ばれる、２つの列及び２つのダウンチルト角を有する図１１のシステムについてのシミュレーション結果を示す。３つの追加の実装オプションが検討され、ここでは、方位角次元と仰角次元に対する様々な自由度を提供するために、ポートの割り当てが変更される。実装オプションは、水平次元において８ビーム及び垂直次元において４ビームを有する第１のケース、並びに水平次元において４ビーム及び垂直次元において８ビームを有する第２のケースを含む。水平次元におけるより多い自由度は、利点を提供することができる。同じ又は異なる列上の異なる偏波を結合するために、システムのハイブリッドが使用されることができる。このオプションは、同様に、ハイブリッドが、列１の＋４５°偏波を列２の−４５°偏波と結合するとともに、列１の−４５°偏波を列２の＋４５°偏波と結合する、第３のケースを含む。２つの列を横断するハイブリッドは、性能にある程度の違いを引き起こすことができる。下記の表３は、３つの実施ケースについてのポート構成を示す。

図１７及び図１８は、より多くの実装オプションを有する図１１のシステムについてのシミュレーション結果を示す。２つの列上の同じ偏波アンテナのダウンチルト角は、水平ビームフォーミングを可能にするために同じに保たれる。もし２つの列が異なってダウンチルトされるならば、システムは、４つの送信機と固定されたダウンチルト角を備える交差偏波された２列になり、より低い性能を有する。下記の表４は、図１７及び図１８において検討されたケースについてのポート構成を示し、ここで、Ａ’＝列１上の８°のダウンチルトにおける＋４５°偏波、Ｂ’＝列１上の８°のダウンチルトにおける−４５°偏波、Ｃ’＝列２上の１４°のダウンチルトにおける＋４５°偏波、及びＤ’＝列２上の１４°のダウンチルトにおける−４５°偏波である。

上記で提示されたシミュレーション結果は、全て２つの列間のλ／２間隔に基づいている。実際に実施されるシステムでは、間隔はより大きくてもよい。間隔が増加するにつれて、利得がビームフォーミングから生じる場合、性能は低下する可能性がある。図１９及び図２０は、２つの列の間のλ間隔によるシミュレーション結果を示す。結果はスループットにおける低下を示す。

高層ビルなど、著しい仰角分布を有するユーザ分布を伴うシナリオでは、セクタを２つの仰角カバレッジゾーンに分割するために、異なるダウンチルト角を有する２つの列が使用されることができ、それは、本明細書では、セクタ化利得を提供する垂直セクタ化と呼ばれる。Ｘ２３４システムは、同様に、より優れたマルチユーザＭＩＭＯ（ＭＵ−ＭＩＭＯ）性能を通じて、セルスループットを更に向上させる可能性を有する。さらに、ユーザは、自分自身の性能だけでなく、ネットワーク全体の性能も考慮することにより、ＰＭＩ選択をインテリジェントにフィードバックすることができる。

図２１は、垂直セクタ化を有する改良された交差偏波アンテナシステムの一実施例を示す。図２２は、図２１の改良された交差偏波アンテナシステムのコンポーネント設計の一実施例を示す。この設計は、２つのセクタをサポートするために２つの列２２１０におけるビームが異なる角度でダウンチルトされる（各列が異なるダウンチルト角に設定される）ことを可能にする。各セクタは、±４５°の交差偏波における２つの送信機と２つの受信機（２Ｔ２Ｒ ±４５°）を有する。ＰＡ２２４０の後にハイブリッド２２５０を配置すると、出力は、円形交差偏波（９０°ハイブリッドを使用）、又は、水平及び垂直交差偏波（１８０°ハイブリッドを使用）を有する。したがって、出力ハイブリッド２２５０の影響を元に戻し、±４５°の交差偏波を回復するために、デジタルハイブリッド２２５０が、同様に、ＰＡ２２４０の前に追加される。いくつかのシナリオでは、ＰＡ２２４０の前にデジタルハイブリッド２２５０を追加することなく、円形交差偏波、又は、水平及び垂直交差偏波が使用されることができる。さらに、同じ列２２１０を駆動する２つの送信機２２２０は、位相同期される必要はないかもしれない。

図１１のシステムは、同様に、ＭＵ−ＭＩＭＯシナリオにおいて使用されることができる。ＭＵ−ＭＩＭＯは、満足のいく性能を達成するために同時にスケジュールされたユーザ間の低い干渉に依存する。２つの偏波の異なるダウンチルト角は、標準的な２Ｔシステム（図１）と比較して、２つの同時にスケジュールされたユーザ間の追加の分離を提供し、したがって、より良い性能を提供し得る。標準的な２Ｔシステムでは、全システムスループットに対するデュアルレイヤ伝送の寄与度は比較的低い。これは、２つの偏波の間の十分な分離の不足が原因である可能性がある。したがって、ＭＵ−ＭＩＭＯに対して２Ｔシステムを使用すると、性能の向上は期待できない。Ｘ２３４システム（図１１）の３Ｄビームフォーミング能力によって、十分に異なる仰角及び方位角におけるユーザは、同じスペクトルリソースを共有するように対にされることができる。ユーザは、同様に、２つの別々の偏波を使用することができ、それは、彼らの相互干渉を低減することができる。したがって、Ｘ２３４システムは、ＭＵ−ＭＩＭＯ利得を改善することができる。ＭＵ−ＭＩＭＯは、垂直セクタ化技術と同等又はそれ以上の性能を有することができ、追加のセルＩＤを必要とせず、潜在的に保守運用管理（ＯＡＭ）オーバヘッドを削減する。

図２３及び図２４は、２×２ベースライン（図１）、Ｘ２３４、及び異なるオフセット値によるインテリジェントＰＭＩ選択を有するＸ２３４を含む、様々なアンテナシステムについてのシミュレーション結果を示す。もしＵＥの受信機が、そのデータビームの残りのネットワークへの影響を考慮するとともに、最高の全体的なネットワークスループットを提供するＰＭＩをフィードバックすることができるならば、全体のネットワークエッジ性能は、約１０％以上大幅に高められることができる。これは、全てのＰＭＩコードワードに関する達成可能なスループットの計算に対してＰＭＩ依存オフセットを追加するＵＥの受信機によって、達成されることができる。

上述のように、図３、図１１、及び図２１の交差偏波２Ｔユーザ固有チルト（ＸＰ ２Ｔ ＵＳＴ）システム、並びにそれらの変形は、ダウンリンク容量を増加させるとともに、垂直セクタ化、ＭＵ−ＭＩＭＯ、及びダウンリンク性能利得を伴うインテリジェントＰＭＩ選択をサポートすることができる。しかしながら、ＸＰ ２Ｔ ＵＳＴシステムの場合には、付加的なカバレッジの問題が存在する。標準的な２Ｔシステム（図１）では、セルの端におけるユーザを考慮すると、両方の送信機は、２つの交差偏波アンテナを用いて、ユーザにフルパワーで送信することができる。ＸＰ ２Ｔ ＵＳＴシステムでは、システムの信号は、より低いダウンチルト角を有する偏波から送信されることだけができる。そのため、もしそれぞれの偏波を駆動する１つの電力増幅器が存在するならば、全電力の半分のみがエッジユーザにとって利用可能である。システム内の全てのユーザは、コードブック及びパイロットビームの構造のために、この事実に苦しむ可能性がある。ＸＰ ２Ｔ ＵＳＴシステムのこのカバレッジの問題は、システムにおいて９０°又は１８０°ハイブリッドを適切に配置して、異なる偏波間で電力を共有できるようにすることで対処されることができる。

実施例では、２×２バトラーマトリクスを形成するために、９０°又は１８０°ハイブリッドが２つのＰＡの入力及び出力に配置されることができる。バトラーマトリクスは、両方のＰＡがあらゆる単一偏波を駆動することを可能にする。例えば、１つのＴｘだけがアクティブである場合、その出力は、入力ハイブリッドにより両方のＰＡに対して均等に分割される。増幅された信号は、出力ハイブリッドにより対応する偏波に結合される。図２５に示すように、出力ハイブリッド２５５０の位置に対する２つのオプションがあるとともに、図２６に示すように、入力ハイブリッド２６５０の位置に対する２つのオプションがあり、図２７に示すように、４つの解決法のオプションが得られる。

パッシブ回路であってもよい出力ハイブリッド２２５０は、コストを節約し、挿入損失及び位相精度の点から見た性能を保証するために、ＤＵＰと一体化されることができる。図２５に示すように、２つの可能な場所がある。第１のオプションでは、出力ハイブリッドはＤＵＰとＰＡとの間に配置される。これは、送信信号にのみ影響し得るとともに、Ｔｘ帯域をカバーする必要があり得る。第２のオプションでは、出力ハイブリッドはＤＵＰとアンテナ列との間に配置される。これは、送信信号と受信信号の両方に影響し、両方のＤＵＰ帯域をカバーする必要がある。第１のオプションが好ましいかもしれない。図２６に示すように、入力ハイブリッドは、同様に、２つの場所を有することができる。第１のオプションでは、入力ハイブリッドは、ＰＡとＲＦ送信機との間に配置される。これは、アナログの実装であり、デジタルプリディストーション（ＤＰＤ）に適していない。第２のオプションでは、入力ハイブリッドは、デジタル領域において、ＲＦ送信機の前に配置される。これは、ＤＰＤと両立できるとともに、アナログ送信機チェーンとＰＡの２つのブランチの位相整合を必要とする。第２のオプションが好ましいかもしれない。図２７は、４つの解決法のオプションを示す。

図２８は、図３の改良された交差偏波アンテナシステムのコンポーネント設計の別の実施例を示す。この設計は、入力及び出力１８０°ハイブリッド２８５０と、ＵＳＴエンコーディング２８６０、プリコーディング２８７０、及びユーザデータ（ｘ）２８８０を含むベースバンドコンポーネントとを含む。下記の表５は、設計における各ステージ（又はコンポーネント）に対する信号を示す。全ての符号に対してＰＡ電力が平衡になるように、パラメータφは、０又はπに設定される。１つのオプションは、φ＝０の場合に、ポート１＝Ａ＋Ｂ、ポート２＝Ａ−Ｂを設定することである。別のオプションは、φ＝πの場合に、ポート１＝Ａ−Ｂ、ポート２＝Ａ＋Ｂを設定することである。

φ＝０の場合、プリコーディング出力はＰＡ入力と同一であることに留意されたい。効果的に、ＵＳＴエンコーディング２８６０と入力ハイブリッド２８５０は、互いに打ち消し合う。実装は、図２９に示す設計によって簡素化することができる。この設計は、出力１８０°ハイブリッド２９５０と、プリコーディング２９６０及びユーザデータ（ｘ）２９８０を含むベースバンドコンポーネントとを含む。下記の表６は、この設計における各ステージに対する信号を示す。

図３０は、改良された交差偏波アンテナシステムのコンポーネント設計の別の実施例を示す。この設計は、入力及び出力９０°ハイブリッド３０５０と、ＵＳＴエンコーディング３０６０、プリコーディング３０７０、及びユーザデータ（ｘ）３０８０を含むベースバンドコンポーネントとを含む。下記の表７は、この設計における各ステージに対する信号を示す。全てのコードに対してＰＡ電力が平衡になるように、パラメータφは±π／２に設定される。１つのオプションは、φ＝π／２の場合に、ポート１＝Ａ＋ｊＢ、ポート２＝Ａ−ｊＢを設定することである。別のオプションは、φ＝−π／２の場合に、ポート１＝Ａ−ｊＢ、ポート２＝Ａ＋ｊＢを設定することである。

φ＝π／２の場合、プリコーディング出力はＰＡ入力と同一ではないことに留意されたい。アンテナの入力は、ＵＳＴエンコーディング３０６０の出力と同じであるが、しかし９０°の位相シフトを有する。しかしながら、ＵＳＴエンコーディング３０６０及び入力ハイブリッド３０５０の処理は、デジタル領域で結合されることができる。実装は、図３１に示す設計によって簡素化することができる。この設計は、出力９０°ハイブリッド３１５０と、結合された９０°及びＵＳＴエンコーディング３１６５、プリコーディング３１７０、並びにユーザデータ（ｘ）３１８０を含むベースバンドコンポーネントとを含む。下記の表８は、この設計における各ステージに対する信号を示す。

ＰＡ入力は、プリコーディング出力と同様であるが、しかし９０°の位相シフト、ＰＡ１とＰＡ２のスワップ、並びに再配列されたシーケンスを有する、ということに更に留意されたい。コードワードはＵＥからのフィードバックに基づいて決定されるので、再配列されたシーケンスはシステムの動作に対して影響を与えない。したがって、実装は図３２に示す設計によって更に単純化することができる。設計は、出力９０°ハイブリッド３２５０と、プリコーディング３２７０及びユーザデータ（ｘ）３２８０を含むベースバンドコンポーネントとを含む。下記の表９は、この設計における各ステージに対する信号を示す。

上記の実施例のシステムでは、送信及び受信のダウンチルト角は互いに結び付けられている。このように、２つの偏波が異なるダウンチルト角を有する場合に、ダイバシティ受信性能は、２つの偏波の間の大きな不均衡を経験するユーザにとって損なわれる可能性がある。これは、郊外環境のような雑音が制限された環境では、干渉が制限された環境よりも問題になる可能性がある。干渉が制限された環境では、アップリンクの性能が更に改善される可能性がある。この問題は、アップリンクにおいて更に多くの受信機を追加することで対処されることができる。２つの送信機と２つの受信機（２Ｔ２Ｒ）を使用する代わりに、２つの送信機と４つの受信機（２Ｔ４Ｒ）の実装が使用されることができる。システムコンポーネントは、余分な２つの受信機に給電する２つのグループに分けられることができる。新しい１Ｔ２Ｒデュプレクサの設計が同様に必要とされる。マルチバンドアプリケーションでは、たとえ２Ｔであっても、システムは、２つの帯域の独立したチルトをサポートするために、２つの列を有することができる。これは、２Ｔ４Ｒを実装してダイバシティの問題を排除する機会を提供する。

実施例では、アップリンク性能を向上させるために４Ｒを実装するように２列アンテナが使用される。これは、追加の２Ｔ ＵＳＴ実装オプションを可能にする。異なるダウンチルトの２つのビームは、図３３及び図３４に示すように、２つの方法で確立されることができる。図３３における設計によれば、同じ偏波が２つの別々の列３３１０上で使用され、単一列の設計に関連する複雑さ／コストを回避する。図３４における設計によれば、異なる偏波が２つの別々の列３４１０上で使用される。

図３５は、上述の改良された交差偏波アンテナシステムの動作方法３５００の一実施例を例示するフロー図である。方法は、単一アンテナ又は複数アンテナ（ＭＩＭＯ）システムのための単一列又は複数列の設計に対して実施されることができる。この方法は図４のコンポーネント設計に従って記載されているが、方法は、方法ステップの適切な変形、追加、又は並べ替えを用いて上記で説明された他の実施例のシステムによって実施されることができる。ステップ３５１０において、単一列交差偏波アンテナに接続された２つの送信機を用いて２つのＲＦ信号が送信される。ステップ３５２０において、２つの信号のそれぞれが、それぞれの送信機の後に配置されたそれぞれのＰＡを用いて増幅される。ステップ３５３０において、２つの増幅された信号が、分割されるとともに、９０°又は１８０°ハイブリッドを用いて、９０°又は１８０°の位相差を有する２つの同様の信号に結合される。ステップ３５４０において、９０°又は１８０°ハイブリッドからの２つの信号のそれぞれは、それぞれのＤＵＰを介して単一列交差偏波アンテナに送られる。ハイブリッドの２つの出力のそれぞれに対するＤＵＰは、アンテナ列に送信されるか又はアンテナ列から受信される信号をリダイレクトする働きをする。ステップ３５５０において、ハイブリッドからの２つの信号は、それぞれ＋４５°及び−４５°で偏波され、２つの異なるそれぞれの角度（例えば、８°及び１４°）でダウンチルトされ、単一列交差偏波アンテナを用いてＲＦビームとして送出される。

別の実施例では、ベースバンド信号プロセッサ手段と、ベースバンド信号プロセッサ手段に接続された一対の無線周波数（ＲＦ）送信器手段と、一対のＲＦ送信器手段に接続された一対の電力増幅器（ＰＡ）手段と、一対のＲＦ送信器手段に接続された９０°又は１８０°ハイブリッドと、一対のＰＡ手段に接続された一対のデュプレクサ（ＤＵＰ）手段と、一対のＰＡ手段に接続された２つのアンテナであって、異なるダウンチルト角でダウンチルトされる、２つのアンテナとを含むアンテナ回路が開示されている。

いくつかの実施例が本開示で提供されているが、開示されたシステム及び方法は、本開示の精神又は範囲から逸脱することなく、多くの他の特定の形式で具体化され得る、ということが理解されるべきである。本実例は、例示的であり、限定的ではないとみなされるべきであり、その意図は、本明細書で与えられた詳細に限定されるべきではない、ということである。例えば、様々な要素又はコンポーネントは、別のシステムに結合若しくは統合されてもよく、又は特定の機能は、省略されてもよいか、若しくは実装されなくてもよい。

さらに、様々な実施例において個別的又は別々に説明及び例示されている技術、システム、サブシステム、及び方法は、本開示の範囲から逸脱することなく、他のシステム、モジュール、技術、又は方法と結合されるか、若しくは統合されることができる。互いに接続されるか若しくは直接接続されるか若しくは通信するように示されるか、又は議論される他の項目は、電気的、機械的、若しくはその他にせよ、何らかのインタフェース、デバイス、又は中間コンポーネントを介して、間接的に接続されるか、若しくは通信していてもよい。変更、置換、及び修正の他の例が、当業者により確認可能であるとともに、本明細書に開示された精神及び範囲から逸脱することなく実行されることができる。

Claims (11)

1. アンテナ回路により実行される方法であって、
   ベースバンドデジタル回路を用いて一対の信号を生成するステップと、
   前記ベースバンドデジタル回路に直接的に接続された入力９０°又は１８０°ハイブリッド結合器を用いることにより９０°又は１８０°の位相差によって前記一対の信号を位相シフトするステップと、
   前記入力９０°又は１８０°ハイブリッド結合器に接続された一対の無線周波数（ＲＦ）送信機を用いて前記の位相シフトされた一対の信号に関連する一対のＲＦ信号を送信するステップと、
   前記ＲＦ送信機に接続された一対の電力増幅器（ＰＡ）を用いて前記一対のＲＦ信号を増幅するステップと、
   ９０°又は１８０°ハイブリッド結合器を用いることにより９０°又は１８０°の位相差によって前記の増幅された一対のＲＦ信号を位相シフトするステップと、
   前記ＰＡに間接的に接続された単一列交差偏波アンテナを用いて２つの異なる偏波で前記の位相シフトされた信号を偏波するステップと、
   前記単一列交差偏波アンテナを用いて異なるダウンチルト角で前記の偏波された信号をチルトするステップと、
   前記単一列交差偏波アンテナを用いて前記のチルトされた偏波された信号をＲＦビームとして送出するステップとを含む、方法。
2. 前記の位相シフトされた信号を二重化するステップを更に含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記ベースバンドデジタル回路を用いて第２の一対の信号を生成するステップと、
   前記ベースバンドデジタル回路に接続された第２の一対のそれぞれのＲＦ送信機を用いて前記第２の一対の信号に関連する第２の一対のＲＦ信号を送信するステップと、
   第２の一対のＲＦ送信機に接続された第２の一対のそれぞれのＰＡを用いて前記第２の一対のＲＦ信号を増幅するステップと、
   第２の９０°又は１８０°ハイブリッド結合器を用いることにより９０°又は１８０°の位相差によって前記の第２の増幅された一対のＲＦ信号を位相シフトするステップと、
   前記第２の一対のＰＡに間接的に接続された第２の単一列交差偏波アンテナを用いて２つの異なる偏波で前記の第２の位相シフトされた信号を偏波するステップと、
   前記第２の単一列交差偏波アンテナを用いて異なるダウンチルト角で前記の第２の偏波された信号をチルトするステップと、
   前記第２の単一列交差偏波アンテナを用いて前記の第２のチルトされた偏波された信号をＲＦビームとして送出するステップとを更に含む、請求項１又は請求項２に記載の方法。
4. アンテナ装置であって、
   ベースバンド信号プロセッサと、
   前記ベースバンド信号プロセッサに直接的に接続された入力９０°又は１８０°ハイブリッド結合器であって、２つの入力信号間に９０°又は１８０°の位相差を導入する、前記入力９０°又は１８０°ハイブリッド結合器と、
   前記入力９０°又は１８０°ハイブリッド結合器に接続された一対の無線周波数（ＲＦ）送信機と、
   前記一対のＲＦ送信機に接続された一対の電力増幅器（ＰＡ）と、
   前記一対のＲＦ送信機に接続された９０°又は１８０°ハイブリッド結合器であって、２つの入力信号間に９０°又は１８０°の位相差を導入する、前記９０°又は１８０°ハイブリッド結合器と、
   前記一対のＰＡに間接的に接続された単一列交差偏波アンテナであって、異なるダウンチルト角でダウンチルトされる、前記単一列交差偏波アンテナとを備える、アンテナ装置。
5. 前記一対のＰＡに接続された一対のデュプレクサ（ＤＵＰ）を更に備える、請求項４に記載のアンテナ装置。
6. 前記９０°又は１８０°ハイブリッド結合器が、前記一対のＤＵＰと前記一対のＰＡとの間に配置されたＲＦ回路である、請求項５に記載のアンテナ装置。
7. 前記ベースバンド信号プロセッサが、
   前記一対のＲＦ送信機に接続されたユーザ固有チルト（ＵＳＴ）エンコーディングブロックと、
   前記ＵＳＴエンコーディングブロックに接続されたデータプリコーディングブロックとを備える、請求項４から請求項６のいずれかに記載のアンテナ装置。
8. 前記入力９０°又は１８０°ハイブリッド結合器が、前記一対のＲＦ送信機と前記ベースバンド信号プロセッサとの間に配置されたデジタル回路である、請求項４に記載のアンテナ装置。
9. アンテナ装置であって、
   ４つの出力ポートを含むベースバンド信号プロセッサと、
   前記４つの出力ポートのうちの第１の２つのポートに直接的に接続された第１の入力９０°又は１８０°ハイブリッド結合器と、
   前記４つの出力ポートのうちの第２の２つのポートに直接的に接続された第２の入力９０°又は１８０°ハイブリッド結合器と、
   前記第１の入力９０°又は１８０°ハイブリッド結合器に接続された第１の一対の無線周波数（ＲＦ）送信機と、
   前記第２の入力９０°又は１８０°ハイブリッド結合器に接続された第２の一対のＲＦ送信機と、
   前記第１の一対のＲＦ送信機に接続された第１の一対の電力増幅器（ＰＡ）と、
   前記第２の一対のＲＦ送信機に接続された第２の一対のＰＡと、
   前記第１の一対のＲＦ送信機に接続された第１の９０°又は１８０°ハイブリッド結合器であって、前記第１の一対のＰＡの後に配置された、前記第１の９０°又は１８０°ハイブリッド結合器と、
   前記第２の一対のＲＦ送信機に接続された第２の９０°又は１８０°ハイブリッド結合器であって、前記第２の一対のＰＡの後に配置された、前記第２の９０°又は１８０°ハイブリッド結合器と、
   前記第１の一対のＰＡに接続された第１の一対のデュプレクサ（ＤＵＰ）と、
   前記第２の一対のＰＡに接続された第２の一対のＤＵＰと、
   前記第１の一対のＰＡに間接的に接続された第１の列上の第１の交差偏波アンテナであって、異なるダウンチルト角でダウンチルトされる、前記第１の交差偏波アンテナと、
   前記第２の一対のＰＡに間接的に接続された第２の列上の第２の交差偏波アンテナであって、異なるダウンチルト角でダウンチルトされる、前記第２の交差偏波アンテナとを備える、アンテナ装置。
10. 前記第１の９０°又は１８０°ハイブリッド結合器が、前記第１の一対のＤＵＰと前記第１の一対のＰＡとの間に配置されるとともに、前記第２の９０°又は１８０°ハイブリッド結合器が、前記第２の一対のＤＵＰと前記第２の一対のＰＡとの間に配置される、請求項９に記載のアンテナ装置。
11. 前記第１の交差偏波アンテナの第１のアンテナが、前記第２の交差偏波アンテナの第１のアンテナの同一の偏波及びダウンチルト角を有するとともに、前記第１の交差偏波アンテナの第２のアンテナが、前記第２の交差偏波アンテナの第２のアンテナの同一の偏波及びダウンチルト角を有する、請求項９に記載のアンテナ装置。

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