JP7168446B2

JP7168446B2 - スケーラブルな無線周波数フロントエンドのためのビームフォーミングアーキテクチャ

Info

Publication number: JP7168446B2
Application number: JP2018521345A
Authority: JP
Inventors: シ・チェン; ケアンポ・リッキー・ホ
Original assignee: クアルコム，インコーポレイテッド
Priority date: 2015-10-30
Filing date: 2016-10-28
Publication date: 2022-11-09
Anticipated expiration: 2036-10-28
Also published as: US10536207B2; CN108352887B; EP3369188A1; US20200099431A1; EP3369188A4; US20180309493A1; JP2018532341A; WO2017075337A1; US11329709B2; CN108352887A

Description

本開示は概して、スケーラブルなRFフロントエンド用のビームフォーミングアーキテクチャに関し、より詳細には、レシーバアンテナの重みベクトル(antenna weight vector)およびトランスミッタアンテナの重みベクトルを微細調整して無線周波数(RF)システム性能を向上させることに関する。

ビームフォーミング技術は、指向性アンテナアレイ利得を増大させるためにワイヤレス(すなわち、無線周波数)およびミリ波応用空間において広範囲にわたって使用されている。指向性アンテナアレイ利得が増大すると、信号送信および受信の品質の改善が促進される。セルフォン、ラップトップなどのワイヤレス技術を使用する製品は、単一の空間ストリームを送信し受信するための複数の送信アンテナおよび複数の受信アンテナを含む。アンテナアレイ利得を増大させるために、従来のビームフォーマは、重み(振幅および位相)の固定セットを使用してアンテナアレイの向きを定める。適応型ビームフォーマは概して、アンテナアレイから受信する信号応答に基づいて重みを調整する。

一般に、適応型であるかそれとも従来型であるかにかかわらず、ビームフォーマは、固定数の送信アンテナまたは受信アンテナ向けに設計される。ビームフォーミングハードウェアは、ワーストケース、すなわち、最大数の送信/受信アンテナ向けに設計されるが、すべてのアンテナが通信に使用されるとは限らず、したがって、システム全体のコストが増大する。

本開示の実装形態は、可変数のアンテナに関するビームフォーミングのために送信アンテナおよび受信アンテナのアレイを構成するための装置および方法に関する。送信アレイまたは受信アレイにおけるアンテナの数は一定であるとは限らず、したがって、可変であってもよく、それによって、RFアンテナアーキテクチャはスケーラブルになる。送信アンテナアレイまたは受信アンテナアレイを構成するために、アンテナはK個のグループに区分される。K個のグループの各々の送信アンテナまたはレシーバアンテナには現在の送信アンテナの重みまたはレシーバアンテナの重みが適用される。

現在の重みベクトルに対するグループの送信アンテナまたはレシーバアンテナの各々の応答、たとえば、和応答が測定される。出力電力(レシーバまたは送信)が最大になるように各グループの現在の送信アンテナの重みまたはレシーバアンテナの重みを調整するための複素スケーリングファクタが、測定値に基づいて算出される。更新された重みは、K個のグループの各々のアンテナに適用される。更新された重みを適用した後、受信アンテナアレイまたは送信アンテナアレイは再グループ化されてもよい。このプロセスは、複数のラウンドにわたって繰り返されてもよい。このプロセスのラウンドは、送信アンテナアレイまたはレシーバアンテナアレイが、最大電力を出力するように構成されるか、あるいは別の停止基準が満たされるまで繰り返すことができる。この微細調整反復では、送信アンテナ微細調整ラウンドと受信アンテナ微細調整ラウンドが交互に行われてもよい。このプロセスは、条件または基準が検出されることに応答して再開されてもよい。

特定の態様では、本発明は、レシーバアンテナの重みを微細調整するための方法であって、レシーバアンテナを第1の複数のアンテナグループにグループ化するステップを含む方法を含む。第1の複数のアンテナグループの各アンテナグループは、レシーバアンテナのサブセットを含む。レシーバアンテナの重みベクトルが各アンテナグループに適用される。レシーバアンテナの重みベクトルは、所与のアンテナグループにおけるアンテナごとに、所与のアンテナグループにおける各アンテナによって受信される信号に適用すべき振幅および位相の利得を指定する。トレーニング信号が受信され、レシーバアンテナの重みベクトルが適用されるときに、アンテナグループの各々の応答が測定される。測定された応答に基づいてアンテナの重みベクトルに関する複素スケーリングファクタが適用される。レシーバアンテナの重みベクトルは、計算された複素スケーリングファクタに基づいて更新される。更新されたアンテナの重みベクトルは、レシーバアンテナのグループに適用される。

一態様は、非一時的記憶媒体と非一時的記憶媒体に結合されたデジタル信号プロセッサとを有するデータ処理デバイスを備える装置に関する。非一時的記憶媒体は、デジタル信号プロセッサ(DSP)によって実行されたときに、プロセッサにレシーバアンテナを第1の複数のアンテナグループにグループ化させる命令であって、第1の複数のアンテナグループの各アンテナグループがレシーバアンテナのサブセットを含む命令を記憶する。これらの命令はまた、DSPに、各アンテナグループにレシーバアンテナの重みベクトルを適用させることであって、レシーバアンテナの重みベクトルが、所与のアンテナグループにおけるアンテナごとに、所与のアンテナグループにおける各アンテナによって受信される信号に適用すべき振幅および位相の利得を指定する、適用させることと、トレーニング信号を受信したときにアンテナグループの各々の応答を測定させ、レシーバアンテナの重みベクトルを適用させることと、測定された応答に基づいてアンテナの重みベクトルに関する複素スケーリングファクタを計算させることと、計算された複素スケーリングファクタに基づいてレシーバアンテナの重みベクトルを更新させることと、更新されたアンテナの重みベクトルをレシーバアンテナのグループに適用させることとを行わせる。

別の態様は、送信アンテナの重みを微細調整するためのデータ処理デバイスを備える装置であって、送信アンテナを第1の複数のアンテナグループにグループ化するための論理回路であって、第1の複数のアンテナグループの各アンテナグループが送信アンテナのサブセットを含む論理回路を備える装置に関する。このデバイスはまた、各アンテナグループに送信アンテナの重みベクトルを適用するための論理回路であって、送信アンテナの重みベクトルが、所与のアンテナグループにおけるアンテナごとに、所与のアンテナグループにおける各アンテナによって受信される信号に適用すべき振幅および位相の利得を指定する論理回路を備える。このデバイスはまた、トレーニング信号を送信したときにレシーバからアンテナグループの各々の応答を取得し、送信アンテナの重みベクトルを適用するための論理回路を備える。このデバイスはまた、送信アンテナのグループに関するアンテナの重みベクトルを更新するための論理回路と、更新されたアンテナの重みベクトルを送信アンテナのグループに適用するための論理回路とを備える。

一態様は、送信アンテナの重みを微細調整するための方法であって、送信アンテナを第1の複数のアンテナグループにグループ化するステップを含む方法に関する。第1の複数のアンテナグループの各アンテナグループは、送信アンテナのサブセットを含む。この方法はまた、各アンテナグループに送信アンテナの重みベクトルを適用するステップを含む。送信アンテナの重みベクトルは、所与のアンテナグループにおけるアンテナごとに、所与のアンテナグループにおける各アンテナによって送信される信号に適用すべき振幅および位相の利得を指定する。この方法は、トレーニング信号を送信したときに、レシーバからアンテナグループの各々の応答を取得し、送信アンテナの重みベクトルを適用するステップと、送信アンテナのグループに関するアンテナの重みベクトルを更新するステップと、更新されたアンテナの重みベクトルを送信アンテナのグループに適用するステップとを含む。

別の態様は、非一時的記憶媒体と非一時的記憶媒体に結合されたデジタル信号プロセッサとを有するデータ処理デバイスを備える装置に関する。非一時的記憶媒体は、デジタル信号プロセッサによって実行されたときに、プロセッサに送信アンテナを第1の複数のアンテナグループにグループ化させる命令であって、第1の複数のアンテナグループの各アンテナグループが送信アンテナのサブセットを含む命令を記憶する。これらの命令はまた、プロセッサに、各アンテナグループに送信アンテナの重みベクトルを適用させ、送信アンテナの重みベクトルは、所与のアンテナグループにおけるアンテナごとに、所与のアンテナグループにおける各アンテナによって受信される信号に適用すべき振幅および位相の利得を指定する。これらの命令はまた、プロセッサに、トレーニング信号を送信したときにレシーバからアンテナグループの各々の応答を取得することと、送信アンテナの重みベクトルを適用することとを行わせる。これらの命令はまた、プロセッサに、送信アンテナのグループに関するアンテナの重みベクトルを更新することと、更新されたアンテナの重みベクトルを送信アンテナのグループに適用することとを行わせる。1つまたは複数のメモリから取り出すことのできる命令によってデジタル信号プロセッサ(DSP)をプログラミングすることによって論理回路を実装することができる。そのような回路は、他の回路を形成するかあるいは他の回路を形成するために使用される要素を使用しならびに/あるいは再使用することができる。フィールドプログラマブルゲートアレイの回路などの再構成可能な回路を使用してDSPを実装することができる。

本開示の実施形態の教示は、以下の詳細な説明を添付の図面に関連して検討することによって容易に理解することができる。

一実施形態によるスケーラブルなRFフロントエンド用のビームフォーミングアーキテクチャのブロック図である。一実施形態による、ビームフォーミングのために送信アンテナおよび受信アンテナを構成するステップを示すフローチャートである。一実施形態による、レシーバアンテナを微細調整するためのステップを示すフローチャートである。一実施形態による、送信アンテナを微細調整するためのステップを示すフローチャートである。

各図および以下の説明は、単に例として本開示の好ましい実施形態に関する。次に、添付の図面に例が示されている、本開示のいくつかの実施形態を詳細に参照する。なお、可能な限り同様のまたは同じ参照符号が使用される場合があり、それらの参照符号は同様のまたは同じ機能を示すことがある。当業者には、本明細書で説明する開示の原則から逸脱することなく本明細書で説明する構造および方法の代替実施形態が使用されてもよいことが以下の説明から容易に認識されよう。

図1は、一実施形態によるスケーラブルなRFフロントエンドシステム100用のビームフォーミングアーキテクチャのブロック図である。RFフロントエンドシステムは、あるデバイス上に位置するRFトランスミッタと、第2のデバイス上に位置するRFレシーバとを含む。図1は、あるデバイス上の1つのトランスミッタと第2のデバイス上の1つのレシーバとを含む例示的なシステム100を示すが、他の実施形態では、各デバイスがトランスミッタとレシーバとを含んでもよい。この2つのデバイスは、チャネル行列Hによって表されるチャネルを介して送られるRF信号をトランスミッタ(TX)アンテナおよびレシーバ(RX)アンテナを介してRF信号を送信し受信することによって通信する。RFトランスミッタは、1つまたは複数の送信アンテナ120v_i,o,....,v_i,nと、各送信アンテナ118に接続された電力増幅器と、トランスミッタ側の、デジタル信号処理(DSP)モジュール112、デジタルアナログ変換器(DAC)114、およびミキサ116などのRFフロントエンド処理モジュール110とを含む。さらに、RFレシーバは、1つまたは複数のレシーバアンテナ140u_i,o,....,u_i,nと、増幅器132、ミキサ134、アナログデジタル変換器(ADC)136、およびデジタル信号処理(DSP)モジュール138などのレシーバ側のRFフロントエンド処理モジュール130とを含む。

RFトランスミッタは、より低い中間周波数(IF)信号を高周波数無線周波数(RF)信号に変換し、その信号を送信アンテナアレイ120を介して送信する。トランスミッタ側のDSPモジュール118は、あらゆる再帰段階に関するデジタル変調、フィルタリング、ベースバンドビームフォーミング処理などの信号処理タスク、および他のそのようなデジタル処理を実行する。信号処理の大部分はデジタル信号に対して行われ、デジタル信号は、他のトランスミッタフロントエンドモジュールに送られる前にデジタルアナログ変換器(DAC)モジュール112によってアナログ信号に変換される。ミキサ116は、到来信号を無線周波数信号と混合して、送信のためのRF信号を生成する。電力増幅器116は、低電力RF信号を、送信アンテナアレイ120を介した送信のためにより大きい大電力に変換する。

アンテナの送信側と受信側の各対間のチャネルは、シングルチャネルとしてモデル化される。複数の送信/受信アンテナに関するチャネル行列Hは、各対のシングルチャネルモデルによって与えられるトランスミッタ/レシーバアンテナ対の各々の入出力関係のベクトル表現を含む。

RF信号は、レシーバアンテナ140のセットによって受信され、信号は、RF信号をベースバンド信号に変換するためにレシーバフロントエンド130によってさらに処理される。増幅器132は所望の信号を増幅し、一方、不要な信号を除去する。ミキサ134は、到来信号をキャリア周波数からの一定のオフセットを有する信号と混合してベースバンド信号を生成する。いくつかの実施形態では、ミキサと増幅器がカスケード接続され、RFとベースバンドとの間のIF信号が生成される場合がある。アナログデジタル変換器(ADC)136モジュールは、アナログベースバンド信号をレシーバ内のDSPモジュール138によってさらに処理されるようにデジタル信号に変換する。DSPモジュール138は、ベースバンドビームフォーミング処理および他のそのような構成動作などの処理動作を実行することができる。

一実施形態では、DSPモジュール112およびDSPモジュール138は各々、1つまたは複数のプロセッサと、1つまたは複数のプロセッサによって実行されたときに1つまたは複数のプロセッサに本明細書で説明する動作(たとえば、以下の図2～図4において説明するプロセス)を実行させる命令を記憶する非一時的コンピュータ可読記憶媒体とを備える。代替実施形態では、トランスミッタおよび/またはレシーバは、それぞれ本明細書において全体的にまたは部分的に説明するプロセスを実行するためのDSPモジュール112およびDSPモジュール138の代わりにあるいはDSPモジュール112およびDSPモジュール138に加えてデジタル論理を含んでもよい。

ビームフォーミングのために、送信アンテナアレイ120と受信アンテナアレイ140のセットは、受信された信号の信号対雑音比(SNR)を最大にするように構成される。図2は、一実施形態による、ビームフォーミングのために送信アンテナおよび受信アンテナを構成するためのステップを示すフローチャートである。

アンテナアレイの構成は、現在のレシーバアンテナの重みベクトルが不動点にあるかどうかを判定する(210)ことから始まる(205)。一実施形態では、不動点は、最大システム性能に関する大域最適点である。別の実施形態では、不動点は、アンテナの重みベクトルのわずかな摂動では変化させることができないシステム性能に関する局所最適点である。レシーバアンテナの重みベクトルに関する不動点は、所与の送信アンテナの重みベクトルに関する一時不動点であってもよい。レシーバアンテナの重みベクトルに関する不動点は、送信重みベクトルの様々な選択肢にもかかわらず最適な点となる固定不動点であってもよい。実際的な実装形態では、現在のレシーバアンテナの重みベクトルがビームフォーミング利得を所定のしきい値だけ向上させることのない不動点が判定されてもよい。レシーバアンテナの重みベクトルが不動点に位置していない場合、レシーバアンテナは、以下に図3において説明する方法を実行することによってさらに微細調整される(215)。レシーバアンテナの重みベクトルが不動点に達した場合、現在の送信アンテナの重みベクトルが不動点に位置するかどうかの判定が下される(220)。現在の送信アンテナの重みベクトルが不動点に位置していない場合、送信アンテナは、図4において説明する方法を実行することによってさらに微細調整される(225)。送信アンテナの重みベクトルが不動点に達した場合、現在のビームフォーミング利得が所定の反復回数を満たしているかどうかの判定が下される(230)。現在のビームフォーミング利得が目標(たとえば、既定または所定の)反復回数を満たしている場合。上記の条件が満たされた場合、アンテナの重みベクトルを微細調整するプロセスは停止される(240)。そうでない場合、反復カウントは1だけ増やされ、微細調整プロセスがステップ205から再開する。

図3は、一実施形態による、ビームフォーミングのためにレシーバアンテナのアレイを構成するためのステップを示すフローチャートである。このプロセスでは、レシーバアンテナの重みベクトルが反復的に微細調整され、各再帰は以下のステップを含む。

Nr個のレシーバアンテナに関する初期アンテナの重みベクトルが受信される(305)。一実施形態によれば、Nr個のレシーバアンテナはDSPモジュールによってK個のグループに区分される(310)。この区分はあらゆる再帰ラウンドにおいて変更され、すなわち、K個のグループのうちの少なくとも1つは、連続的な再帰ラウンドにおいてレシーバアンテナの異なるセットを有する。R₁,...,R_Kが各グループのアンテナインデックスのセットを示すものとする。

チャネル応答は、トランスミッタにおいて適用される現在のトランスミッタアンテナの重みベクトルがトランスミッタにおいてv(T_k)に固定されるときに、現在のレシーバアンテナの重みベクトルu(R_K)*が適用されることに対するレシーバアンテナグループの応答に基づいて、レシーバアンテナグループの各々について測定される。グループごとの測定値は、各グループ内のアンテナに関する和応答を表す。応答測定を実行する場合、アンテナの重みの各グループに対する異なるスケーリングファクタが適用され、測定の異なるセットが実行される。本明細書において、y_rは、各要素が個々の測定値に対応する測定値の列ベクトルを示す。以下の数式に基づいて組合せ測定値が形成される。

上式において、Wは一般に、K個の正規直交列と少なくともK個の行とを有し、ランクがKである行列であり、y_rは、レシーバアンテナグループの組合せ測定値であり、u(R₁)^H...u(R_K)^Hは、現在のレシーバアンテナの重みベクトルのレシーバアンテナのセットへの適用であり、h_v(R₁),...,h_v(R_K)は、K個のグループの各アンテナ上のチャネル応答に対応する。m番目の測定では、アンテナの第kのグループの実際の重みは、u(R_K)に因数w_mk、すなわち、wの第mの行および第kの列における要素を乗じた値の共役である。

トレーニングシーケンスを使用するチャネル応答を測定するための複数の実施形態がある。一実施形態では、トレーニングシーケンスは、TXおよびRXから送られる特定のシーケンスである。別の実施形態では、トレーニングシーケンスは、ポストアンブルとしてパケットのデータペイロードの後に続く。別の実施形態では、トレーニングシーケンスは、データペイロードが後に続くことも続かないこともあるパケットのプリアンブル部分である。トレーニングシーケンスがデータペイロードを含まないパケットのプリアンブルである場合、トレーニングシーケンスの前にトレーニングシーケンスのアナウンスメントが位置する。

ベクトルの正規直交セットは、RXアンテナのK個のグループの各グループからのレシーバ応答を算出するために以下の数式に基づいて後処理される。

上式において、z₁,...,z_kは、RXアンテナのグループに関する全体的なチャネル応答を表し、W^HにおけるHは、Wのエルミート転置(すなわち、行列の転置を得て、次いで各エントリの複素共役を得ること)を示す。Wの一例は、アダマール行列、すなわち、要素が+1または-1のいずれかである正方行列である。これによって、この行列乗算は、今や、乗ぜられる行列の要素の加算、すなわち、y_rの要素の応答の加算にすぎないので、単純になる。実際には、必要条件は、行列Wが列フルランクを有すること、すなわち、行列Wのランクが行列の列の数と同じであることである。この必要条件によって、行列W^Hは、W⁺=(W^HW)^-1W^Hの対応する疑似逆行列によって置き換えられる。

各グループにおけるレシーバアンテナの重みベクトルを調整するためのスケーリングファクタのセットα₁,...,α_Kが、測定値に基づいて計算される(325)。このスケーリングファクタは、位相および振幅の調整値を含む複素数であってもよく、あるいは振幅調整値のみを含む実数であってもよい。

スケーリングファクタは、次式のように送信重みベクトルvがトランスミッタにおいて適用されるときにチャネル行列Hに関するRXアンテナのグループの出力電力を表すメトリック|u^Hh_v|を最大にするように算出される。

上式において、u_new(R_k)=α_ku(R_k),k=1,...,Kであり、かつ次式が成立する。

このスケーリングファクタは次のように算出される。

上式において、s_k=u(R_k)^Hu(R_k)、すなわち、正規化されたレシーバ電力であり、この正規化制約は、

を意味する。

基底レシーバアンテナの重みベクトルが数式u_new(R_k)=α_ku(R_k)に基づいて更新される(330)。

更新されたレシーバアンテナの重みu=u_newがレシーバアンテナに適用される(335)。必要に応じて、レシーバアンテナが再グループ化され(340)、再帰ステップ315～340が繰り返される。

チャネル行列Hに関するRXアンテナのグループの出力電力を表すメトリック|u^HHv|は、あらゆる再帰において改善される。各再帰ラウンドにおけるレシーバアンテナのグループ区分を調整することによって、全体的な最適化が実現される。この方法における重要な処理は、K個のアンテナグループに関するスケーリングファクタの最適化である。再帰によって一度にK個の因数のみが最適化され、異なる数のアンテナに調整するために同じ測定および計算エンジンが再利用される。この微細調整プロセスはスケーラブルであり、それによって、アンテナの数が変わると、アンテナグループ区分が更新され、プロセスの残りの部分は、区分されたアンテナに対して再帰的に繰り返される。ビームフォーミング方法はグループの数に依存するので、アンテナの数が増えた場合、各グループにおけるアンテナが増えることによってグループの数が変わらない限り、ビームフォーミング方法は同じである。

この場合、ビームフォーミング方法は、振幅と位相の両方を有し、応答の測定値およびスケーリングファクタに基づいて調整される重みを含む。別の実施形態では、重みは位相成分のみを含んでもよい。位相のみの重みの場合、因数z_kの位相は、α_kの因数を取得する必要なしに使用されてもよい。

以下に、4つのアンテナを含むレシーバに関する例示的な方法について説明する。チャネル応答測定は、レシーバが指定された時間において各アンテナをオンにして測定を行うことによって実行することができる。しかし、レシーバSNRは、すべての4つのアンテナを同時にオンにすることによって改善される場合がある。ここで、以下のように行列Wに関してアダマール行列が使用される。

統計学的に、取得された受信信号は単一のレシーバ信号よりも4倍大きい。一実施形態では、アンテナは、[1,1,1,1], [1,-1,1,-1],...の受信ベクトルを1行ずつ使用して測定値を取得する。別の実施形態では、アンテナは、[u₁, u₂, u₃, u₄]、[u₁, -u₂, u₃, -u₄]、[u₁, u₂, -u₃, -u₄]、および[u₁, -u₂, -u₃, u₄]の受信ベクトルをチャネル測定に使用してもよい。この2つの方法は同等であり、同様の結果を取得する。

スケーラブルな方法では、4つのアンテナが2つのグループを形成するように分割される。トレーニングは次式の行列に基づいてもよい。

初期レシーバ位相ベクトルが次式のようである場合、

2つのグループの第1のセットは[1,2]および[3,4]であってもよく、トレーニングは、

および

に基づく。逆ベクトルは、

の2つの新しい重みを

および

の新しいベクトルに関して取得するべきである。

2つのグループの第1のセットに対してトレーニングが実行された後、その後の反復では、たとえば、

および

を使用して、[1,4]および[2,3]として割り振られた第2のセットグループに対してトレーニングが実行され、

および

が取得される。

正規化の後、[1,3]および[2,4]として割り振られた2つのグループの第3のセットを使用して第3の反復が実行されてもよい。

図4は、一実施形態による、ビームフォーミングのためにトランスミッタアンテナのアレイを構成するためのステップを示すフローチャートである。トランスミッタアンテナの重みベクトルは、反復的に微細調整され、各再帰は以下のステップを含む。

N_t個の送信アンテナに関する初期アンテナの重みベクトルが受信される(405)。N_t個の送信アンテナは、RFトランスミッタのDSPモジュールによってK個のグループに区分される(410)。この区分はあらゆる再帰ラウンドにおいて変更され、それによって、K個のグループのうちの少なくとも1つは、連続的な再帰ラウンドに対して送信アンテナの異なるセットを有する。T₁,...,T_Kが、各グループのアンテナインデックスのセットを示すものとする。

K個のグループにおける送信アンテナの各々に送信重みベクトルv(T_K)*が適用された(420)状態で、送信アンテナからレシーバアンテナに信号が送信され(420)、送信アンテナのK個のグループの各々について、トランスミッタがレシーバから結果を取得する(425)。レシーバアンテナの重みベクトルがu(R_K)*に固定されているときに現在の送信アンテナの重みベクトルv(T_K)*が適用されることに対するレシーバアンテナの応答に基づいてK個のグループの各々におけるレシーバアンテナの各々についてチャネル応答が測定される。応答測定を実行する場合、アンテナの重みの各グループに対して異なるスケーリングファクタが適用され、測定の異なるセットが実行される。y_tを測定値の列ベクトルとして示す場合、各要素が個々の測定値に対応する。y_tは、以下の数式に基づいて形成することができる。

上式において、Wは一般に、K個の正規直交列と少なくともK個の行とを有し、ランクがKである行列であり、y_tは、送信アンテナグループの組合せ測定値の共役であり、v(T₁)^H,...,v(T_K)^Hは、現在の送信アンテナの重みベクトルの送信アンテナのセットへの適用であり、h_u(T₁),...h_u(T_K)は、K個のグループの各アンテナのチャネル応答の共役に対応する。m番目の測定では、アンテナの第kのグループの実際の重みは、v(T_K)に因数w_mk、すなわち、Wの第mの行および第kの列における要素を乗じた値の共役である。

ベクトルの正規直交セットは、TXアンテナのK個のグループの各グループに関するレシーバ応答を算出するために以下の数式に基づいて後処理される。

上式において、z₁,...,z_kは、TXアンテナのグループに関する全体的なチャネル応答を表し、W^HにおけるHは、行列の転置を得て、次いで各エントリの複素共役を得るエルミート転置を示す。Wの一例は、アダマール行列、すなわち、要素が+1または-1のいずれかである正方行列である。これによって、この行列乗算は、乗ぜられる行列の要素の加算、すなわち、y_tの要素の応答の加算にすぎないので単純になる。

各グループにおける送信アンテナの重みベクトルを調整するためのスケーリングファクタのセットα₁,...,α_Kが、測定値に基づいて計算される(425)。このスケーリングファクタは、位相および振幅の調整値を含む複素数であってもよく、あるいは振幅調整値を含む実数であってもよい。

一実施形態では、チャネル応答z₁,...,z_kの測定値が(たとえば、バックチャネルを介して)レシーバからトランスミッタに送信され、トランスミッタがスケーリングファクタを計算する。代替的に、レシーバは、スケーリングファクタを計算し、そのスケーリングファクタを直接トランスミッタに提供する。

スケーリングファクタは、次式のように送信重みベクトルuがレシーバにおいて適用されるときにチャネル行列HのTXアンテナのグループの出力電力を表すメトリック|v^Hh_u|を最大にするように算出される。

上式において、v_new(T_k)=α_kv(T_k), k=1,...,Kであり、かつ次式が成立する。

このスケーリングファクタは次のように算出される。

上式において、s_k=v(T_k)^Hv(T_k)、すなわち、正規化された送信電力であり、この正規化制約は、

を意味する。

基底送信アンテナの重みベクトルが数式v_new(R_k)=α₁v(R_k)に基づいて更新され(430)、あるいは

であり、上式において、v_new(T_k)=α_kv(T_k), k=1,...,Kであり、かつ次式が成立する。

更新された送信アンテナの重みv=v_newが送信アンテナに適用される(435)。必要に応じて、送信アンテナが再グループ化され(440)、再帰ステップが繰り返される。

開示された構成の例示的な利益および利点には、スケーラブルなRFアーキテクチャのために複数の送信アンテナアレイおよび受信アンテナアレイが構成されることが含まれる。主要な利益には、アンテナアレイがさらなるアンテナを含むようにスケーリングされるときにさらなるRFフロントエンド処理モジュールが不要になることが含まれる。このスケーラビリティはコスト削減の助けになる。

さらに、アンテナアレイを再グループ化し微細調整する方法はアンテナ利得を連続的に向上させ、アンテナのグループ化が正しく行われた場合、アンテナの重みベクトルの大域収束が生じて最大ビームフォーミングアンテナ利得が実現される。この結果、デバイスのトランスミッタおよびレシーバにわたって高性能信号送信が行われる。

本明細書全体にわたって、単一の事例として説明した構成要素、動作、または構造を複数の事例が実装してもよい。1つまたは複数の方法の個々の動作は別個の動作として図示し説明されているが、個々の動作のうちの1つまたは複数が同時に実行されてもよく、各動作を例示された順序で実行する必要はない。例示的な構成において別個の構成要素として提示された構造および機能は、組み合わされた構造または構成要素として実装されてもよい。同様に、単一の構成要素として提示された構造および機能は、別個の構成要素として実装されてもよい。これらのおよび他の変形形態、変更形態、追加形態、および改良形態は、本発明の主題の範囲内に含まれる。

本明細書では、いくつかの実施形態について、たとえば図1に示すように論理またはいくつかの構成要素、モジュール、もしくは機構を含むものとして説明した。モジュールはソフトウェアモジュール(たとえば、機械可読媒体上で実施されるかまたは送信信号において実施されるコード)あるいはハードウェアモジュールのいずれかを構成する場合がある。ハードウェアモジュールは、いくつかの動作を実行することができる有形のユニットであり、何らかの方法で構成または配置構成されてもよい。例示的な実施形態では、1つまたは複数のコンピュータシステム(たとえば、スタンドアロン、クライアント、またはサーバコンピュータシステム)あるいはコンピュータシステムの1つまたは複数のハードウェアモジュール(たとえば、プロセッサまたはプロセッサのグループ)が、本明細書において説明するようにいくつかの動作を実行するように動作するハードウェアモジュールとして、ソフトウェア(たとえば、アプリケーションまたはアプリケーション部分)によって構成されてもよい。

様々な実施形態では、ハードウェアモジュールが、機械的に実装されてもよく、あるいは電子的に実装されてもよい。たとえば、ハードウェアモジュールが、いくつかの動作を実行するように(たとえば、フィールドプログラマブルゲートアレイ(FPGA)または特定用途向け集積回路(ASIC)などの専用プロセッサとして)永続的に構成された専用回路または論理を備えてもよい。ハードウェアモジュールが、いくつかの動作を実行するようにソフトウェアによって一時的に構成された(たとえば、汎用プロセッサまたは他のプログラム可能なプロセッサ内に包含された)、プログラム可能な論理または回路を備えてもよい。ハードウェアモジュールを機械的に、永続的に構成された専用回路として実装するか、それとも一時的に構成された(たとえば、ソフトウェアによって構成された)回路として実装するかについての決定は、コストおよび時間を考慮することによって下されてもよいことが諒解されよう。

本明細書において説明する例示的な方法の様々な動作は、関連する動作を実行するように(たとえば、ソフトウェアによって)一時的に構成されるかあるいは永続的に構成された、1つまたは複数のプロセッサ、たとえば、プロセッサ112、138によって少なくとも部分的に実行されてもよい。そのようなプロセッサは、一時的に構成されるかそれとも永続的に構成されるかにかかわらず、1つまたは複数の動作または機能を実行するように動作するプロセッサによって実装されるモジュールを構成してもよい。本明細書で言及するモジュールは、いくつかの例示的な実施形態では、プロセッサによって実装されるモジュールを備える。

1つまたは複数のプロセッサは、「クラウドコンピューティング」環境において関連する動作の実行をサポートするように動作してもよく、あるいは「サービスとしてのソフトウェア」(SaaS)として関連する動作の実行をサポートするように動作してもよい。たとえば、動作の少なくともいくつかが(プロセッサを含むマシンの例としての)コンピュータのグループによって実行されてもよく、これらの動作は、ネットワーク(たとえば、インターネット)を介し、かつ1つまたは複数の適切なインターフェース(たとえば、アプリケーションプログラムインターフェース(API))を介してアクセス可能である。

いくつかの動作の実行は、単一のマシン内に存在するだけでなくいくつかのマシンに配置された1つまたは複数のプロセッサ間に分配されてもよい。いくつかの例示的な実施形態では、1つまたは複数のプロセッサあるいはプロセッサによって実装されるモジュールは、単一の地理的位置(たとえば、家庭環境、オフィス環境、またはサーバファーム内)に配置されてもよい。他の例示的な実施形態では、1つまたは複数のプロセッサあるいはプロセッサによって実装されるモジュールは、いくつかの地理的位置に分散されてもよい。

本明細書のいくつかの部分は、マシンメモリ(たとえば、コンピュータメモリ)内のビットまたは2値デジタル信号として記憶されたデータに対する動作のアルゴリズムまたは記号表現に関して提示されている。これらのアルゴリズムの表現または記号表現は、データ処理分野の当業者によって、自身の作業の内容を他の当業者に伝達するために使用される技法の例である。本明細書で使用する「アルゴリズム」は、所望の結果につながる首尾一貫した動作シーケンスまたは同様の処理である。これに関連して、アルゴリズムおよび動作は物理量の物理的操作を伴う。一般に、必ずしも必要ではないが、そのような量は、マシンによる記憶、アクセス、転送、結合、比較、またはそれ以外の操作が可能な電気信号、磁気信号、または光信号の形態をとってもよい。主に一般的な用法という理由で、そのような信号を「データ」、「コンテンツ」、「ビット」、「値」、「要素」、「シンボル」、「文字」、「用語」、「数字」、「数値」などと呼ぶと好都合である場合がある。しかし、これらの語は、好都合な標示にすぎず、適切な物理量に関連付けられるべきである。

別段に明記されていない限り、「処理」、「計算」、「算出」、「判定」、「提示」、「表示」などの語を使用した本明細書の説明は、1つまたは複数のメモリ(たとえば、揮発性メモリ、不揮発性メモリ、またはそれらの組合せ)、レジスタ、あるいは、情報を受信、記憶、送信、または表示する他のマシン構成要素内の物理(たとえば、電子、磁気、または光学)量として表されるデータを操作または変換するマシン(たとえば、コンピュータ)の動作またはプロセスを指す場合がある。

本明細書で使用する「一実施形態」または「実施形態」のあらゆる参照は、その実施形態に関連して説明する、特定の要素、特徴、構造が少なくとも1つの実施形態に含められることを意味する。本明細書における様々な箇所において「一実施形態では」という語句が現れた場合、必ずしもそのすべてが同じ実施形態を指すとは限らない。

いくつかの実施形態については、「結合される」および「接続される」という表現をその派生語とともに使用して説明する場合がある。たとえば、いくつかの実施形態については、2つ以上の要素が直接物理的または電気的に接触していることを示すために「結合される」という用語を使用して説明する場合がある。しかし、「結合される」という用語は、2つ以上の要素が互いに直接接触していないが、それでもなお互いに協働または相互作用することを意味する場合もある。この文脈では実施形態は限定されない。

本明細書で使用する「備える」、「備えている」、「含む」、「含んでいる」、「有する」、「有している」という用語、またはそれらの任意の他の変化形は、非排他的な包含を対象とすることを意図している。たとえば、要素のリストを構成するプロセス、方法、物品、または装置は、必ずしもそれらの要素のみに限定されるとは限らず、明示的にリストに示されない他の要素あるいはそのようなプロセス、方法、物品、または装置に固有のものでない他の要素を含んでもよい。さらに、逆のことが明記されていない限り、「または」は包含的な「または」を指し、排他的な「または」を指すものではない。たとえば、条件AまたはBは、以下のいずれか1つによって満たされる。Aは真であり(または存在し)、Bは偽である(または存在しない)。Aは偽であり(または存在せず)、Bは真である(または存在する)。AとBの両方が真である(または存在する)。

さらに、「a」または「an」は、本明細書の実施形態の要素および構成要素について説明するために使用される。これは、便宜上のものにすぎず、本発明の概要を示すためのものである。この記述は、1つまたは少なくとも1つを含むものと解釈すべきであり、単数形は、複数形を含まないことを意味することが明らかでない限り複数形も含む。

当業者なら、本開示を読んだときに、本明細書において開示された原則によってスケーラブルなRFアーキテクチャにおけるビームフォーミング向けにアンテナアレイを構成するためのシステムおよび方法に関するさらなる代替の構造構成および機能構成が認識されよう。したがって、特定の実施形態および適用例について図示し説明したが、開示された実施形態が本明細書において開示された厳密な構成および構成要素に限定されないことを理解されたい。添付の特許請求の範囲に定義された趣旨および範囲から逸脱せずに、本明細書において開示された方法および装置の配置構成、動作、および詳細に、当業者に明らかな様々な修正、変更、および変形が加えられてもよい。

100 RFフロントエンドシステム
110 RFフロントエンド処理モジュール
112 デジタル信号処理(DSP)モジュール
114 デジタルアナログ変換器(DAC)
116 ミキサ
118 送信アンテナ
120 送信アンテナ、送信アンテナアレイ
130 RFフロントエンド処理モジュール
132 増幅器
134 ミキサ
136 アナログデジタル変換器(ADC)
138 デジタル信号処理(DSP)モジュール
140 レシーバアンテナ、受信アンテナアレイ

Claims

レシーバアンテナの重みを微細調整するための方法であって、
前記レシーバアンテナを第1の複数のアンテナグループにグループ化するステップであって、前記第1の複数のアンテナグループの各アンテナグループが前記レシーバアンテナのサブセットを含む、ステップと、
前記第1の複数のアンテナグループの各アンテナグループにレシーバアンテナの重みベクトルを適用するステップであって、前記レシーバアンテナの重みベクトルが、前記第1の複数のアンテナグループの所与のアンテナグループにおけるアンテナごとに、前記第1の複数のアンテナグループの前記所与のアンテナグループにおける各アンテナによって受信される信号に適用すべき振幅および位相の調整を指定する、ステップと、
前記第1の複数のアンテナグループの前記アンテナグループに前記レシーバアンテナの重みベクトルが適用された状態でトレーニング信号を受信したときに前記第1の複数のアンテナグループの前記アンテナグループの各々の応答を測定するステップと、
前記測定された応答に基づいて前記レシーバアンテナの重みベクトルに関する複素スケーリングファクタを計算するステップと、
前記計算された複素スケーリングファクタに基づいて前記レシーバアンテナの重みベクトルを更新するステップと、
前記更新されたレシーバアンテナの重みベクトルを前記第1の複数のアンテナグループの前記アンテナグループに適用するステップと、
前記更新されたレシーバアンテナの重みベクトルを適用した後、前記レシーバアンテナを異なる複数のアンテナグループに再グループ化するステップであって、前記異なる複数のアンテナグループの各アンテナグループが、前記レシーバアンテナの前記サブセットとは異なる前記レシーバアンテナの第2のサブセットを含む、ステップと
を含む方法。
前記第1の複数のアンテナグループの前記アンテナグループの各々の前記応答は、前記アンテナグループの各々における各レシーバアンテナの和応答を含む、請求項1に記載の方法。
再更新されたレシーバアンテナの重みベクトルを前記異なる複数のアンテナグループに適用するステップをさらに含み、
前記再更新されたレシーバアンテナの重みベクトルは、前記異なる複数のアンテナグループの前記アンテナグループに前記更新されたレシーバアンテナの重みベクトルが適用された状態でトレーニング信号を受信したときに、前記異なる複数のアンテナグループの前記アンテナグループの各々の測定された応答に基づいて計算される複素スケーリングファクタに基づく、請求項1に記載の方法。
アダマール行列の列に従って前記第1の複数のアンテナグループの前記アンテナグループの各々にさらなる位相調整を適用するステップをさらに含む、請求項1に記載の方法。
前記第1の複数のアンテナグループの前記アンテナグループの各々の前記応答を測定する前記ステップは、前記第1の複数のアンテナグループの前記アンテナグループの各々の前記応答に前記アダマール行列を適用するステップを含む、請求項4に記載の方法。
レシーバアンテナの重みを微細調整するためのデータ処理デバイスを備える装置であって、前記データ処理デバイスが、
レシーバアンテナを第1の複数のアンテナグループにグループ化するための回路であって、前記第1の複数のアンテナグループの各アンテナグループが前記レシーバアンテナのサブセットを含む、回路と、
前記第1の複数のアンテナグループの各アンテナグループにレシーバアンテナの重みベクトルを適用するための回路であって、前記レシーバアンテナの重みベクトルが、前記第1の複数のアンテナグループの所与のアンテナグループにおけるアンテナごとに、前記第1の複数のアンテナグループの前記所与のアンテナグループにおける各アンテナによって受信される信号に適用すべき振幅および位相の調整を指定する、回路と、
前記第1の複数のアンテナグループの前記アンテナグループに前記レシーバアンテナの重みベクトルが適用された状態でトレーニング信号を受信したときに前記第1の複数のアンテナグループの前記アンテナグループの各々の応答を測定するための回路と、
前記測定された応答に基づいて前記レシーバアンテナの重みベクトルに関する複素スケーリングファクタを計算するための回路と、
前記計算された複素スケーリングファクタに基づいて前記レシーバアンテナの重みベクトルを更新するための回路と、
前記更新されたレシーバアンテナの重みベクトルを前記第1の複数のアンテナグループの前記アンテナグループに適用するための回路と、
前記更新されたレシーバアンテナの重みベクトルを適用した後、前記レシーバアンテナを異なる複数のアンテナグループに再グループ化するための回路であって、前記異なる複数のアンテナグループの各アンテナグループが、前記レシーバアンテナの前記サブセットとは異なる前記レシーバアンテナの第2のサブセットを含む、回路と
を備える装置。
デジタル信号プロセッサによって実行されると、前記デジタル信号プロセッサに、請求項１乃至５のいずれか1項に記載の方法を実行させる命令を記憶した非一時的コンピュータ可読記録媒体と、
前記非一時的コンピュータ可読記録媒体に結合されたデジタル信号プロセッサと
を有するデータ処理装置を備える装置。