JP6498782B2 - 操縦可能スポットライトビームを有するセルラーアレイ - Google Patents

Description

この特許出願は、２０１４年１２月２９日に出願され、「Ｃｅｌｌｕｌａｒ ＭＩＭＯ ａｒｒａｙ ｗｉｔｈ ｓｐｏｔｌｉｇｈｔ ｂｅａｍｓ」と題された米国特許出願第１４ ／ ５８４，２０１号に対する優先権を主張する。この出願は、その全体を本明細書に複製したかのように、ここに参照援用される。

本発明は、概してアンテナアレイの分野に関する。より具体的には、本発明は、共通の開口から照射される複数の操縦可能なスポットライトビームを有するセルラーアレイ実装に関する。

無線装置が普及するにつれて、広いエリアにわたってより多くのユーザに十分なカバレッジを提供する能力はこれまで以上に重要である。現在のセルラーアンテナアレイ技術は、これらの要求を満たすための制限要因に達している。そのため、ある地域では、より高い容量を有する無線カバレッジを提供する必要性が高まっている。

現在の標準的なセルラーアレイは、セクタ化されたセルラカバレッジのために、６５度または９０度のビーム幅を有する単一方位ビームを生成する。都市部では、いくつかの人口が密集したエリアすなわちホットスポットが存在することがあり、特に高容量の通信が要求される。そのような場合、方位角ビーム幅が狭い追加の操縦可能なビームを使用して、これらのエリアの容量を改善できる。

いくつかの狭い方位角ビームを生成するための１つの従来のアプローチは、均一な重み関数を有するバトラー行列（Ｂｕｔｌｅｒ ｍａｔｒｉｘ）の使用を含む。しかしながら、このアプローチは、比較的高いサイドローブを有する放射パターンを生成し、これがエネルギーを浪費し、隣接ビームとの干渉を引き起こす可能性がある。他のアプローチは、一般的なセルラーアレイの上部に比較的大きな開口を有する追加のアンテナを使用して、セルラーネットワーク内に狭いビームを生成する。この方法は、セルラータワー上の不動産が限られた高価なものであるために望ましくない。さらに、このようにして生成される狭いビームは、電子的に操縦可能でないことが多く、このアプローチは、地理的密度が固定されたシナリオにおいてのみ有用である。

ディスクリート放射器の複数の列を含むアンテナアレイアーキテクチャを本明細書で開示する。列の内側の複数のディスクリート放射器は、ハイブリッドカプラーの第１の組に対で供給される。ハイブリッドカプラーの第１のセットの第１の出力は、第１の方位角移相器に供給され、ハイブリッドカプラーの第１のセットの第２の出力は、第２の方位角移相器に供給される。列の端にある放射器はハイブリッドカプラーの第２のセットに組みで供給される。列の一端にあるハイブリッドカプラーの第２のセットの第１の出力は、第１の仰角移相器に供給され、第１のビームを生成し、列の一端にあるハイブリッドカプラーの第２のセットの第１の出力は、第１の仰角移相器に供給され、第１のビームを生成し、ハイブリッドカプラーの第２のセットの第２の出力は、ハイブリッドカプラーの第３のセットに供給され、ハイブリッドカプラーの第３のセットの第１の出力は、第１の方位角移相器に供給され、ハイブリッドカプラーの第３のセットの第２の出力は、第２の方位角移相器に供給される。第３の仰角移相器は、第１の方位角移相器の出力を受けて第３のビームを生成するように構成され、第４の仰角移相器は、第２の方位角移相器の出力を受けて第４のビームを生成するように構成され、第１のビームおよび第２のビームは、広い領域にサービスを提供するカバレッジビームであり、第３および第４のビームは、ターゲット領域に大容量サービスを提供するスポットライトビームである。

添付の図面は、本明細書に組み込まれ、本明細書の一部を形成し、本発明の実施形態を示し、明細書とともに本発明の原理を説明する役割を果たす。

本開示の実施形態によるスポットライトビームを有するセルラーＭＩＭＯアレイの例示的なアレイアーキテクチャを示す図である。

本開示の実施形態によるスポットライトビームを有する３セクタセルラーＭＩＭＯアレイ構成の例示的なフィード構造およびビームフォーミング構成を示すブロック図である。

本開示の実施形態によるスポットライトビームを有する例示的な３セクタセルラーＭＩＭＯアレイの放射パターンを示す図である。

本開示の実施形態による例示的な直交二重スポットライトビームフォーミング方式を示すブロック図である。

本開示の実施形態による操縦可能なスポットライトビームの例示的な方位角放射パターンを示すグラフである。

本開示の実施形態による６５°カバレッジビームの例示的な方位角放射パターンを示すグラフである。

ここで、いくつかの実施形態を詳細に参照する。主題は、代替的な複数の実施形態と関連して説明されるが、言うまでもなく、特許請求の範囲に記載する主題をこれらの実施形態に限定することを意図するものではない。むしろ、特許請求の範囲に記載する主題は、代替物、修正物及び等価物を含むものであり、これらは添付した特許請求の範囲により画定される特許請求の範囲に記載する主題の精神と範囲に含まれ得る。

さらに、以下の詳細な説明では、特許請求する主題をよく理解してもらうために、具体的な詳細事項を多数記載する。しかし、当業者には言うまでもなく、実施形態はそれらの具体的な詳細事項がなくても、又はそれらの等価物で実施することができる。他の場合には、主題の態様と特徴を不必要に分かりにくくしないように、周知の方法、手順、コンポーネント及び回路は詳細には説明していない。

以下の詳細な説明の部分は、方法に関して提示され、説明される。実施形態は、本明細書の図面のフローチャートに記載されたステップの様々な他のステップまたはその変化形を、本明細書に図示および記載された順序以外の順序で実行するのによく適している。

詳細な説明のいくつかの部分は、手順、ステップ、論理ブロック、処理、およびコンピュータメモリ上で実行することができるデータビットに対する演算の他の記号表現に関して提示される。これらの説明と表現は、データ処理技術の当業者が、自分の仕事内容を他の分野の人に最も効果的に伝える手段である。手順、コンピュータ実行ステップ、論理ブロック、プロセスなどは、ここでは、及び一般的に、所望の結果をもたらす自己整合的なステップまたは命令のシーケンスであると考えられる。このステップは、物理量の物理的操作を要するステップである。通常、必ずしも必要ではないが、この物理量には、セルラーアンテナアレイにおける、記憶し、伝達し、結合し、比較し、操作できる電気的または磁気的信号の形をとる。主に一般的な使用のために、これらの信号をビット、値、要素、記号、文字、式、数字等で表すと便利な時があることが証明されている。

しかし、これらの用語や類似の用語は適当な物理量と関連しているべきであり、これらの物理量に付された便利なラベルに過ぎないことに留意すべきである。特に断らなければ、以下の説明から明らかなように、言うまでもなく、この明細書全体において「アクセスするステップ」、「書き込むステップ」、「含めるステップ」、「格納するステップ」、「送信するステップ」、「トラバースするステップ（ｔｒａｖｅｒｓｉｎｇ）」、「関連付けるステップ」、「特定するステップ」等の用語を用いた説明は、アンテナアレイ又はその他の電子的計算デバイスの動作やプロセスであって、システムのレジスタやメモリ内の物理的（電子的）量として表されたデータを操作し、それをシステムメモリやレジスタ又はその他の情報記憶装置、伝送装置、又は表示装置内の物理量として同様に表される他のデータに変換するものの動作や処理を指す。

《操縦可能スポットライトビームを有するセルラーアレイ》

共通開口から照射された複数の操縦可能なスポットライトビームを有するセルラーアレイ実装をここに開示する。そのようなアプローチは、様々な地理的人口密度と分布に容易に適合させることができる。

いくつかの実施形態によると、アレイは、複数の６５度セルラーカバレッジビームを生成することができ、これは、ダイバーシティ利得を有する通常のセルラカバレッジで、またはＭＩＭＯ（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｉｎｐｕｔ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｏｕｔｐｕｔ）モードで使用され得る。アレイはまた、複数の比較的狭い操縦可能なビームまたは「スポットライト」ビームを生成することができる。スポットライトビームは、比較的狭くてもよく、方位角及び仰角方向の両方で電子的に操縦（例えば、移動、照準、又は回転）することができてもよい。このようにビームを操縦（ｓｔｅｅｒｉｎｇ）することにより、アレイは、大容量のサービスが必要とされる高需要の「ホットスポット」地域において、より高い信頼性でより高い容量のサービスを提供することができる。スポットライトビームは、例えば、通常のカバレッジビームによって生じる空隙または欠除を埋めるためにも使用され得る。

このようにして、本明細書に開示された様々な実施形態のセルラーアレイは、通常のセルラーサービスのＭＩＭＯ機能を有するネットワーク容量を大幅に改善することができ、アレイは複数の操縦可能なビームで補完される。操縦可能なビームは、高利得かつ比較的狭いスポットライトビームであってもよい。本明細書の実施形態で開示されるアンテナビームは、共通の開口部から同時にかつ独立して照射され得る。

留意点として、通常のセルラービームとスポットライトビームとを組合せることにより、全体的な開口効率がより高くなる。これらのアレイ概念の様々な実施形態は、直交二重ビームフォーマを利用する。これにより、共通の開口部を使用して複数のカバレッジビームおよびスポットライトビームを同時にビーム形成することが可能になる。直交デュアルビームフォーマーは、単純な無線周波数（ＲＦ）回路を用いて、通常のセルラービームを比較的低損失で複数のスポットライトビームと統合することを可能にし、全体の開口効率を高める。

本明細書で開示されるアレイアーキテクチャは、典型的な３セクタセルラーネットワークで使用され得る。比較的狭いスポットライトビームは、カバレッジビームとは独立して、方位角方向および仰角方向の両方で電子的に操縦可能である。アレイは、平面開口上に分布した複数の駆動放射素子を含む。直交デュアルビームフォーマーを使用して、放射素子に同時に供給することができ、複数のセルラーカバレッジビームおよび複数の電子的に操縦可能なスポットライトビームを共通の開口部から同時に生成することができる。

図１に関して、本発明の実施形態による例示的なマルチビームアレイアーキテクチャ１００が示されている。いくつかの実施形態によれば、アレイは９列１０行のディスクリート放射器を有する。放射器は、ブロードバンドパッチまたはダイポールのようなブロードバンド放射器であってもよい。放射器の２つの行（例えば、行の対）ごとに、方位角方向にある距離（例えば、放射器長の半分）だけオフセットされ、最適な方位角ビームパターンを生成し得る。例えば、第１の行１０１および第２の行１０２は、素子間の間隔の半分だけ、方位角方向に第３の行１０３および第４の行１０４からオフセットされてもよい。

内側または中間の列は、主に２つのスポットライトビームを形成するために使用され、外側または端の列は、６５°カバレッジビームおよびスポットライトビームの両方を形成する共有素子である。いくつかの実施形態によれば、アレイは、各偏波に対して、２つの６５°カバレッジビームおよび８つのスポットライトビームを生成することができる。他の実施形態によれば、アレイは、２つの直線偏波に対して、４つの６５°カバレッジビームおよび１６のスポットライトビームを生成することができる。

ここで図２を参照すると、本発明の実施形態による、２つの同時スポットライトビームを有する３セクタＭＩＭＯ構成の例示的な供給及びビーム形成構造が示されている。放射器の一般的な構成および相互接続が図示されている。放射器は、各内側列で９０°ハイブリッドカプラー（例えば、ハイブリッドカプラー２０５）に対で供給される。

９０°ハイブリッドカプラーの出力は、２つの別々の方位角移相器２０１および２００で加算されてスポットビームを形成し、エッジ列の放射器は、スポットライトビームおよびカバレッジビームの両方を生成するための共有素子として使用される。方位角移相器２００は仰角移相器２０４に接続され、方位角移相器２０１は仰角移相器２０３に接続される。列の内側の放射器（例えば放射器２１２）は、ハイブリッドカプラーに対で供給される。このハイブリッドカプラーは、１つの出力を方位角移相器２０１に供給し、もう１つの出力を方位角移相器２００に供給する。いくつかの実施形態によれば、形成されたカバレッジビームは、６５°カバレッジビームである。

エッジ列放射器（例えば、放射器２０９および２１０）のハイブリッド出力は、スポットライトビームとカバレッジビームとに分割される。例えば、最も右側の列のハイブリッド出力の一方（例えば、ハイブリッドカプラー２１１）は、仰角移相器２１３に供給して第１の６５°カバレッジビームを生成する。最も右側の列の他方のハイブリッド出力は、追加的放射器（例えば、放射器２１４）及びハイブリッドカプラー（例えば、ハイブリッドカプラー２０８）に関連して、方位角移相器（例えば、方位角移相器２００）に供給することができる。同様に、最も左側の列のハイブリッド出力（例えば、ハイブリッドカプラー２１２）は、第２のスポットライトビームおよび第２のカバレッジビームを供給する。したがって、このアレイアーキテクチャは、異なる偏波に対して、同じ開口内に、２つの独立したスポットライトビームと２つの独立した６５°カバレッジビームを生成することができる。

図３は、本発明の実施形態による、例示的なブロードバンド３セクタＭＩＭＯアレイの６５°カバレッジビームパターンおよび関連するスポットライトビームパターンを示す。いくつかの実施形態によれば、各偏波に対して、狭いビーム（例えば、１０°ないし１４°）が各スポットライトビームについて形成される。この場合、合計８つのスポットライトビームが２つのグループに分けられ、各グループは、図に示すように４つの交互ビーム（ａｌｔｅｒｎａｔｉｎｇ ｂｅａｍｓ）からなる。例えば、いつでも、スポットライト＃１はＡ１、Ａ２、Ａ３、またはＡ４であり、スポットライト＃２はＢ１、Ｂ２、Ｂ３、またはＢ４であり得る。動作周波数は、一般的には、１７１０ＭＨｚから２６９０ＭＨｚの範囲のＵＭＴＳ帯域とＬＴＥ帯域の両方を含む。ビームは＋／−４５°の直線傾斜偏波で二重に偏波され、４Ｔ４Ｒ ＭＩＭＯ（＞３λ間隔）または利得ダイバーシティに使用し得る。

ここで図４に関して、本発明の実施形態による、スポットライトビーム（例えば、スポットライトビーム４０１）およびカバレッジビーム（例えば、カバレッジビーム４０２）を生成する例示的な直交二重ビーム形成装置を示す。いくつかの実施形態による、単一の列（例えば、列４０３）が示されている。先に説明したように、ビーム形成素子の列は互いに対をなしており、放射器の対（例えば放射器４０４と４０５）は９０°ハイブリッドカプラー（例えばハイブリッド４０６）によって接続されている。ハイブリッドカプラーの各０°出力は、移相器（例えば、スポットライト移相器４０８）に供給され、ハイブリッドの各９０°出力は、カバレッジ移相器（例えば、カバレッジ移相器４０７）に供給される。したがって、２つの直交ビームを同時に形成することができる。

ここで図５を参照すると、本発明の実施形態による、例示的な操縦可能なスポットライトビームの方位角放射パターンが示されている。スポットライトビームは互いに直交しており、ビームのビーム幅は、方位角サイズとアレイの列数とに依存する。１つの平面構成では、スポットライトビームは、方位角のサイドローブ（例えば、−１８ｄＢ未満）が比較的低い約±４５°に操縦することができる。従来の技術、例えば均一な加重関数を有するバトラー行列などによって生成される放射パターンとは異なり、パターンは振幅テーパが柔軟なために比較的低いサイドローブを有する。

図６に関して、本発明の実施形態による３セクタＭＩＭＯアレイのエッジ列によって生成される例示的な６５°のカバレッジビームの方位角放射パターンが示されている。

Claims (17)

1. アンテナアレイであって、
   複数の行の離散的放射体と、
   ハイブリッドカプラーに対で供給される前記行の内側の複数のディスクリート放射器であって、前記ハイブリッドカプラーの第１の出力が第１の方位角移相器に供給され、前記ハイブリッドカプラーの第２の出力が第２の方位角移相器に供給される、複数のディスクリート放射器と、
   第１の仰角移相器で第１のビームを生成し、第２の仰角移相器で第２のビームを生成する、前記行の端部にある複数の放射器と、
   前記第１の方位角移相器の出力を受けて第３のビームを生成する第３の仰角移相器と、
   前記第２の方位角移相器の出力を受けて第４のビームを生成する第４の仰角移相器とを有し、
   第１および第２のビームはカバレッジビームであり、第３および第４のビームは特定サービス領域を提供する操縦可能なスポットライトビームである、
   セルラーアンテナアレイ。
2. 前記ハイブリッドカプラーは９０°ハイブリッドカプラーである、
   請求項１に記載のセルラーアンテナアレイ。
3. 前記第１の仰角移相器、前記第２の仰角移相器、前記第１の方位角移相器および前記第２の方位角移相器に供給する９０°ハイブリッドカプラーをさらに有する、
   請求項１に記載のセルラーアンテナアレイ。
4. 前記第１及び第２のビームのゲインは前記第３及び第４のビームのゲインより小さい、請求項１に記載のセルラーアンテナアレイ。
5. 前記第１及び第２のビームは比較的広い、請求項１に記載のセルラーアンテナアレイ。
6. 前記第３及び第４のビームは前記第１及び第２のビームより狭い、
   請求項１に記載のセルラーアンテナアレイ。
7. 前記第１及び第２のビームはＭＩＭＯ（ｍｕｌｔｉｐｌｅ ｉｎｐｕｔ ｍｕｌｔｉｐｌｅ ｏｕｔｐｕｔ）モードで動作する、
   請求項１に記載のセルラーアンテナアレイ。
8. 前記第１及び第２のビームは仰角方向に電気的に操縦可能である、
   請求項１に記載のセルラーアンテナアレイ。
9. 前記第３及び第４のビームは、方位角及び仰角方向に電気的に操縦可能である、
   請求項１に記載のセルラーアンテナアレイ。
10. 前記セルラーアンテナアレイは３セクタセルラーネットワークで動作するように構成される、請求項１に記載のセルラーアンテナアレイ。
11. ディスクリート放射器の行の対が方位角方向に所定距離だけオフセットされる、
    請求項１に記載のセルラーアンテナアレイ。
12. オフセット距離は、方位角方向でディスクリート放射器間の素子間隔の半分である、
    請求項１１に記載のセルラーアンテナアレイ。
13. すべてのビームは共通開口から放射される、
    請求項１に記載のセルラーアンテナアレイ。
14. ディスクリート放射器はブロードバンドパッチアンテナである、
    請求項１に記載のセルラーアンテナアレイ。
15. ディスクリート放射器はブロードバンドダイポールアンテナである、
    請求項１に記載のセルラーアンテナアレイ。
16. 単一偏波が用いられる、請求項１に記載のセルラーアンテナアレイ。
17. 二偏波が用いられる、請求項１に記載のセルラーアンテナアレイ。
    

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