JP2007235762A - 多入力多出力通信用アンテナ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】通信品質が良く、かつ、小さい体積の中に複数のアンテナが効率よく配置された、ＭＩＭＯ通信用アンテナ装置を提供する。
【解決手段】アンテナ手段１０１−１〜１０１−Ｐは、互いに異なる偏波特性または指向性を有する２つ以上のアンテナ手段を含み、互いに空間フェージング相関が低くなるように配置される。スイッチ手段１０２は、アンテナ手段１０１−１〜１０１−Ｐの中から、ＭＩＭＯ通信に用いる２個以上のアンテナ手段を選択する。そして、選択されたアンテナ手段を用いてＭＩＭＯ通信が行われる。
【選択図】図１

Description

本発明は、無線通信システムに係り、特に、送受信に複数のアンテナを用いて無線通信を行うＭＩＭＯ（多入力多出力）システムにおけるアンテナ装置に関する。

無線通信における受信信号ｒは、次式に示すように、アンテナの指向性Ｇ（θ，φ）と伝搬路の特性Ｈ（θ，φ）との積を積分した結果として与えられる。

ここで、θおよびφは、それぞれ受信側における方位角と仰角を表す。一般的に、Ｈ（θ，φ）は物理現象のため、人間が制御できる変数ではなく、空間的に偏った到来波分布を示す。このため、受信電力を向上させるには、人間が制御可能なＧ（θ，φ）を空間的に一様（無指向性アンテナ）にすることが望まれるが、現実的にはそのようなアンテナを製作することは不可能である。

結果として、アンテナの指向性がヌルとなる方向と電波の到来方向が重なる場合があり、その場合は受信電界密度が高いにもかかわらず、受信電力が著しく減少する。
下記の特許文献１は、この欠点を克服するために、指向性の異なる複数のアンテナを備えたアンテナ装置に関する。このアンテナ装置では、４つのモノポールアンテナを指向性合成した出力と、パッチアンテナの出力とが比較され、通信品質の良い方の出力が選択される。

一方、近年の無線通信においては、周波数利用効率を改善する技術として、送信側／受信側双方においてそれぞれ複数のアンテナを用いて通信を行う、ＭＩＭＯシステムが注目されている。ＭＩＭＯシステムの送信側では、複数の送信アンテナから同時に同じ周波数を用いて異なる情報を送信することで、空間多重が行われる。受信側では、複数の受信アンテナを用いて信号を受信し、それぞれの信号を分離することにより情報を抽出する。
特開２００４−２６６３６７号公報

しかしながら、上述した従来のアンテナ装置には、次のような問題がある。
ＭＩＭＯ通信では、受信側で空間多重された信号を分離するために、アンテナ間のフェージング相関が十分小さくなるように、それぞれのアンテナを配置する必要がある。このとき、複数のアンテナを単に並べて配置すると、アンテナ装置の体積が増大する。しかし、装置を小型化するためにアンテナ間隔を狭めると、フェージング相関が高くなり、特性が劣化してしまう。

特許文献１のアンテナ装置では、４つのモノポールアンテナを第１の指向性を有する１つのアンテナとみなし、パッチアンテナを第２の指向性を有するもう１つのアンテナとみなして、いずれか一方のみを選択的に使用している。したがって、複数のアンテナにより空間多重を行うことはできず、ＭＩＭＯ通信には適していない。

本発明の課題は、通信品質が良く、かつ、小さい体積の中に複数のアンテナが効率よく配置された、ＭＩＭＯ通信用アンテナ装置を提供することである。

図１は、本発明のＭＩＭＯ通信用アンテナ装置の原理図である。図１のＭＩＭＯ通信用アンテナ装置は、Ｐ個のアンテナ手段１０１−１〜１０１−Ｐとスイッチ手段１０２を備える。

アンテナ手段１０１−１〜１０１−Ｐは、互いに異なる偏波特性または指向性を有する２つ以上のアンテナ手段を含み、互いに空間フェージング相関が低くなるように配置される。スイッチ手段１０２は、アンテナ手段１０１−１〜１０１−Ｐの中から、ＭＩＭＯ通信に用いる２個以上のアンテナ手段を選択する。そして、選択されたアンテナ手段を用いてＭＩＭＯ通信が行われる。

例えば、後述する図３のアンテナ装置において、アンテナ手段１０１−１〜１０１−Ｐは、モノポールアンテナ３０１〜３０４および放射導体３０６（２つのパッチアンテナ）に対応し、スイッチ手段１０２は、ＲＦスイッチ３０８に対応する。

また、後述する図４のアンテナ装置において、アンテナ手段１０１−１〜１０１−Ｐは、モノポールアンテナ４０１〜４０４および放射導体３０６（２つのパッチアンテナ）に対応し、スイッチ手段１０２は、ＲＦスイッチ３０８に対応する。

本発明によれば、例えば、モノポールアンテナとパッチアンテナのように、異なる偏波特性または指向性を有する２つ以上のアンテナを用いることで、小さい体積の中に複数のアンテナを収めることが可能になる。

また、異なる偏波特性または指向性を有する複数のアンテナの中から、通信に最適なアンテナの組み合わせを選ぶことによって、ＭＩＭＯ通信の品質が高まるとともに、ＭＩＭＯシステムのスループットが向上する。

以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための最良の形態を詳細に説明する。
図２は、本実施形態のＭＩＭＯ通信装置の構成図である。このＭＩＭＯ通信装置は、アンテナ装置２０１、Ｍ個の無線（ＲＦ）部２０２−１〜２０２−Ｍ、Ｍ個のアナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）変換器２０３−１〜２０３−Ｍ、ベースバンド処理部２０４、およびデジタル／アナログ（Ｄ／Ａ）変換器２０５を備える。ベースバンド処理部２０４は、ＣＰＵ（中央処理装置）２１１およびメモリ２１２を含む。

アンテナ装置２０１は、Ｍ＋１個以上のアンテナを含み、そのうちＭ個のアンテナを選択してＲＦ部２０２−１〜２０２−Ｍに接続する。ＲＦ部２０２−ｍ（ｍ＝１，．．．，Ｍ）は、主にフィルタ、ミキサ、および増幅器で構成され、送信時にはベースバンド信号を高周波信号に変換し、受信時には高周波信号をベースバンド信号に変換する。ＲＦ部２０１−ｍには、上記以外の他の部品が含まれていても構わない。Ａ／Ｄ変換器２０３−ｍは、ＲＦ部２０２−ｍからの受信信号をデジタル信号に変換し、ベースバンド処理部４３１は、そのデジタル信号を用いてベースバンド処理を行う。

アンテナ選択時には、ＣＰＵ２１１は、メモリ２１２を利用して所定の評価関数を計算し、計算結果に基づいて、アンテナ選択信号をＤ／Ａ変換器２０５に出力する。Ｄ／Ａ変換器２０５は、アンテナ選択信号をアナログ信号に変換してアンテナ装置２０１に出力し、アンテナ装置２０１は、そのアンテナ選択信号に従ってＭ個のアンテナを選択する。

なお、アンテナ装置２０１がデジタル信号で制御される場合は、Ｄ／Ａ変換器２０５の代わりにデジタル／デジタル変換器が用いられる。
次に、アンテナ装置２０１の構成について説明する。無線通信においては、２つのアンテナの偏波が異なれば、互いに独立なフェージング変動が起こる。また、同じ偏波でも、一般的には、アンテナ間隔を半波長程度離せば相関係数が０．７以下に下がり、フェージング相関は低くなることが知られている。

そこで、異なる偏波特性（または指向性）を有する複数のアンテナを用意し、同じ特性を有するアンテナを半波長程度離して実装すれば、フェージング相関を抑えたＭＩＭＯ通信を実現することができる。これらのアンテナとしては、モノポールアンテナ等の線状アンテナや、パッチアンテナ等のマイクロストリップアンテナ（平面型アンテナ）が利用できる。

図３は、このようなアンテナ装置２０１の構成例を示している。このアンテナ装置は、４個のモノポールアンテナ３０１〜３０４、誘電体基板３０５、放射導体３０６、接地導体３０７、およびＲＦスイッチ３０８を備える。

電波の波長をλg とすると、誘電体基板３０５の形状は、例えば、１辺の長さがλg ／２の正方形である。モノポールアンテナ３０１〜３０４は、この誘電体基板３０５上の四隅に、誘電体基板３０５に対して垂直に配置されている。これらのモノポールアンテナ３０１〜３０４は、ｘｙ平面内にある誘電体基板３０５と垂直なｚ軸方向の偏波に対応するアンテナである。

平面型の放射導体３０６は、誘電体基板３０５上の中央に配置され、２つの給電点３１１および３１２を有する。給電点３１１は、ｘ軸方向の偏波に対応するパッチアンテナの給電点として機能し、給電点３１２は、ｙ軸方向の偏波に対応するパッチアンテナの給電点として機能する。したがって、放射導体３０６は、互いに直交する偏波特性を持つ２個のパッチアンテナとしての役割を果たす。

このように、図３のアンテナ装置は、互いのフェージング相関が低くなるように配置された６個のアンテナを含んでいる。ＲＦスイッチ３０８は、Ｄ／Ａ変換器２０５からのアンテナ選択信号に従って、これらのアンテナの中からＭ個のアンテナ（Ｍ＝２，３，４，５，６）を選択して、ＲＦ部２０２−１〜２０２−Ｍに接続する。このとき、通信状態に応じて最適なアンテナの組み合わせが選択される。

例えば、２×２ＭＩＭＯ通信において、電波の到来方向がモノポールアンテナのヌル方向（ｚ軸の正の方向）の場合、２個のパッチアンテナに切り替えてＭＩＭＯ通信が行われる。３×３ＭＩＭＯまたは４×４ＭＩＭＯの場合は、残りの４個のモノポールアンテナ３０１〜３０４のうち、通信状態の良い１個または２個のアンテナが追加される。

図４は、アンテナ装置２０１の別の構成例を示している。このアンテナ装置は、図３のアンテナ装置において、モノポールアンテナ３０１〜３０４を容量装荷型のモノポールアンテナ４０１〜４０４に置き換えた構成を有する。モノポールアンテナ４０１〜４０４には金属板が装荷されており、モノポールアンテナ３０１〜３０４に比べて、アンテナの高さを低くすることができる。この場合、アンテナのアイソレーションを高くするために、誘電体基板３０５の上面から見たときに、これらの金属板が放射導体３０６と重ならないようにすることが望ましい。

なお、図３および図４の構成では、４個の線状アンテナと２個のマイクロストリップアンテナを含んでいるが、一般的には、各アンテナの個数は任意である。
このように、アンテナ装置２０１内にＲＦスイッチ３０８を設けて、搬送波周波数（高周波）帯域でアンテナを切り替えるようにすれば、ＲＦ部２０２−ｍおよびＡ／Ｄ変換器２０３−ｍの個数をＭ個に抑えることができる。したがって、中間周波数（ＩＦ）帯域やベースバンドでアンテナを切り替える場合に比べて、ハードウェア量および消費電力が削減される。

次に、アンテナ選択のための評価関数として用いられる信号対干渉雑音比（ＳＩＮＲ）、アンテナ間でのフェージング相関、遅延スプレッド、および伝搬路行列（チャネル行列）の条件数の計算方法について説明する。

まず、図２のＭＩＭＯ通信装置におけるＭ個の受信信号は、次式のｙ（ｔ）により与えられるものとする。

ここで、ｔおよびτは、それぞれ時刻および遅延時間を表す。また、送信側のＭＩＭＯ通信装置（不図示）のｎ番目のアンテナ（ｎ＝１，．．．，Ｎ）から、図２のＭＩＭＯ通信装置のｍ番目のアンテナ（ｍ＝１，．．．，Ｍ）までの伝搬路応答を

とすると、希望信号（送信信号）のチャネル行列Ｈ（τ）、希望信号ｓ（ｔ）、および雑音ｎ（ｔ）は、それぞれ（３）、（４）、および（５）式で定義される。

また、Ｇv （τ）およびｕv （ｔ）は、それぞれｖ番目の干渉局（ｖ＝１，．．．，Ｖ）のチャネル行列と送信信号を表し、Ｖは最大干渉局数を表す。
（ａ）ＳＩＮＲ
受信信号の既知信号部分を利用してＨ（τ）を推定した結果を

とする。さらに、推定結果の行列のｍ行目を次式で表す。

このとき、ｍ番目のアンテナにおけるＳＩＮＲは、（６）式を用いて次式により計算される。

ただし、Ｅ［・］は期待値操作を表す。以下の計算においては、Ｈ（τ）として推定値を用いるものとする。
（ｂ）フェージング相関
フェージング相関は、狭帯域通信の場合、ＷＳＳＵＳ（Wide-Sense Stationary Uncorrelated Scattering ）が成り立つ範囲で空間的に少しずつ位置をずらして平均操作を行うことで求められる。しかし、広帯域通信の場合、周波数軸上で平均操作したものと近い値となる。その説明を以下にする。

図２のＭＩＭＯ通信装置のｍ1 番目およびｍ2番目のアンテナにおけるチャネルレスポンスのフーリエ変換対を、それぞれ

および

とすると、フェージング相関は次式で与えられる。

ここで、＊は複素共役を意味し、ｆmax およびｆmin はそれぞれ対象にしている周波数の最大値と最小値を表す。
（ｃ）遅延スプレッド
遅延スプレッドは、遅延時間に対する電力分布の広がりを示す遅延プロファイルの標準偏差である。ｍ番目のアンテナにおける遅延スプレッドは、次式で与えられる。

（ｄ）条件数
行列

の特異値の最大値と最小値をそれぞれλmax およびλmin と定義すると、条件数は次式で与えられる。

次に、ＳＩＮＲ、フェージング相関、遅延スプレッド、および条件数を用いた評価関数の具体例について説明する。これらの例では、アンテナ装置２０１においてＭ個のアンテナが選択された場合の評価関数が示されている。
（Ａ）ＳＩＮＲとフェージング相関
ＭＩＭＯ通信システムでは、基本的にＳＩＮＲは大きいほど特性が良くなり、またフェージング相関は小さいほど特性が良くなる。そこで、ＳＩＮＲとフェージング相関を選択基準とする際に、例えば、次式で示される評価関数が大きくなるようなアンテナの組み合わせを選ぶことで、特性を向上させることができる。

ここで、分母の総乗記号は、ｍ1 とｍ2 の値が異なるすべての組み合わせ（ｍ1 ，ｍ2 ＝１，．．．，Ｍ，ｍ1 ＜ｍ2 ）について、フェージング相関Ｃm1, m2を乗算する演算を表す。
（Ｂ）ＳＩＮＲと遅延スプレッド
ＭＩＭＯ無線通信システムでは、一般的に周波数選択性フェージング時に誤り訂正技術を用いて符号化利得を得るよう設計されているため、遅延スプレッドが大きいほど特性は良くなる。ＯＦＤＭ（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）の場合は、ガードインターバル以内に遅延波が収まっている必要があるが、適応キャンセラを用いればこれを実現することも不可能ではない。

ＳＩＮＲと遅延スプレッドを選択基準とする際には、例えば、次式で示される評価関数が大きくなるようなアンテナの組み合わせを選べばよい。

（Ｃ）フェージング相関と遅延スプレッド
フェージング相関と遅延スプレッドを選択基準とする際に、例えば、次式で示される評価関数が大きくなるようなアンテナの組み合わせを選べばよい。

（Ｄ）ＳＩＮＲとフェージング相関と遅延スプレッド
ＳＩＮＲ、フェージング相関、および遅延スプレッドを選択基準とする際に、例えば、次式で示される評価関数が大きくなるようなアンテナの組み合わせを選べばよい。

（Ｅ）条件数
ＭＩＭＯ無線通信システムでは、一般的にチャネル行列の条件数が小さいほど、希望信号ｓ（ｔ）に対する雑音ｎ（ｔ）の影響が緩和されるため、特性は良くなる。そこで、例えば、選択されたＭ個のアンテナを用いて推定されたＨ（τ）から得られる条件数κを評価関数として用いて、その値が小さくなるようなアンテナの組み合わせを選べばよい。

図５は、このような評価関数を用いたアンテナ選択処理のフローチャートである。ＣＰＵ２１１は、まず、既知信号を用いて伝搬路推定を行い、チャネル行列Ｈ（τ）を推定する（ステップ５０１）。ここでは、Ｍ本のアンテナのすべての可能な組み合わせについて、チャネル行列Ｈ（τ）がそれぞれ推定される。

次に、制御変数ｉに１を設定して（ステップ５０２）、Ｍ本のアンテナのｉ番目の組み合わせについて、あらかじめ決められた評価関数を用いて評価関数値Ｃi を計算する（ステップ５０３）。

次に、ｉに１を加算して（ステップ５０４）、加算結果を最大組み合わせ数と比較する（ステップ５０５）。ｉが最大組み合わせ数を超えていなければ、ステップ５０３以降の処理を繰り返し、ｉが最大組み合わせ数を超えていれば、計算された評価関数値のうち最適値を選択する（ステップ５０６）。例えば、（１３）式〜（１６）式の評価関数を用いた場合は、評価関数値の最大値が最適値となり、条件数κを評価関数として用いた場合は、評価関数値の最小値が最適値となる。

そして、その評価関数値に対応したアンテナの組み合わせを選択するアンテナ選択信号を、Ｄ／Ａ変換器２０５に出力する（ステップ５０７）。これにより、アンテナ装置２０１において特定のＭ本のアンテナが選択され、ＲＦ部２０２−１〜２０２−Ｍに接続される。

なお、アンテナ選択に用いる評価関数は、上記（Ａ）〜（Ｅ）に示したものに限られるわけではなく、ＳＩＮＲ、フェージング相関、遅延スプレッド、および条件数を用いた他の評価関数を用いてもよい。

（付記１）互いに異なる偏波特性または指向性を有する２つ以上のアンテナ手段を含み、互いに空間フェージング相関が低くなるように配置された複数のアンテナ手段と、
前記複数のアンテナ手段の中から、多入力多出力通信に用いる２個以上のアンテナ手段を選択するスイッチ手段と
を備えることを特徴とする多入力多出力通信用アンテナ装置。
（付記２）前記複数のアンテナ手段は、基板上に配置された少なくとも１つのマイクロストリップアンテナ手段と、該基板に対して垂直に配置された少なくとも１つの線状アンテナ手段からなり、該マイクロストリップアンテナ手段と該線状アンテナ手段は、互いに異なる偏波特性または指向性を有することを特徴とする付記１記載の多入力多出力通信用アンテナ装置。
（付記３）前記複数のアンテナ手段は、前記基板上に配置された２個のマイクロストリップアンテナ手段と、該基板に対して垂直に配置された４個の線状アンテナ手段からなり、前記スイッチ手段は、２個のアンテナ手段を多入力多出力通信に用いる場合、該２個のマイクロストリップアンテナ手段と４個の線状アンテナ手段の中から２個のアンテナ手段を選択することを特徴とする付記２記載の多入力多出力通信用アンテナ装置。
（付記４）前記複数のアンテナ手段は、前記基板上に配置された２個のマイクロストリップアンテナ手段と、該基板に対して垂直に配置された４個の線状アンテナ手段からなり、前記スイッチ手段は、３個のアンテナ手段を多入力多出力通信に用いる場合、該２個のマイクロストリップアンテナ手段と４個の線状アンテナ手段の中から３個のアンテナ手段を選択することを特徴とする付記２記載の多入力多出力通信用アンテナ装置。
（付記５）前記複数のアンテナ手段は、前記基板上に配置された２個のマイクロストリップアンテナ手段と、該基板に対して垂直に配置された４個の線状アンテナ手段からなり、前記スイッチ手段は、４個のアンテナ手段を多入力多出力通信に用いる場合、該２個のマイクロストリップアンテナ手段と４個の線状アンテナ手段の中から４個のアンテナ手段を選択することを特徴とする付記２記載の多入力多出力通信用アンテナ装置。
（付記６）前記線状アンテナ手段には金属板が装荷されていることを特徴とする付記２、３、４、または５記載の多入力多出力通信用アンテナ装置。
（付記７）前記スイッチ手段は、搬送波周波数帯域において前記２個以上のアンテナ手段を選択することを特徴とする付記１、２、３、４、５、または６記載の多入力多出力通信用アンテナ装置。
（付記８）前記スイッチ手段は、空間フェージング相関、信号対干渉雑音比、遅延スプレッド、および伝搬路行列の条件数のうち少なくとも１つの選択基準に基づいて、前記２個以上のアンテナ手段を選択することを特徴とする付記１、２、３、４、５、６、または７記載の多入力多出力通信用アンテナ装置。
（付記９）互いに異なる偏波特性または指向性を有する２つ以上のアンテナ手段を含み、互いに空間フェージング相関が低くなるように配置された複数のアンテナ手段の中から、２個以上のアンテナ手段を選択し、
選択されたアンテナ手段を用いて多入力多出力通信を行う
ことを特徴とする多入力多出力通信方法。

本発明のアンテナ装置の原理図である。 ＭＩＭＯ通信装置の構成図である。 第１のアンテナ装置の構成図である。 第２のアンテナ装置の構成図である。 アンテナ選択処理のフローチャートである。

符号の説明

１０１−１、１０１−Ｐ アンテナ手段
１０２ スイッチ手段
２０１ アンテナ装置
２０２−１、２０２−Ｍ ＲＦ部
２０３−１、２０３−Ｍ Ａ／Ｄ変換器
２０５ Ｄ／Ａ変換器
２０４ ベースバンド処理部
２１１ ＣＰＵ
２１２ メモリ
３０１、３０２、３０３、３０４、４０１、４０２、４０３、４０４ モノポールアンテナ
３０５ 誘電体基板
３０６ 放射導体
３０７ 接地導体
３０８ ＲＦスイッチ
３１１、３１２ 給電点

Claims (6)

1. 互いに異なる偏波特性または指向性を有する２つ以上のアンテナ手段を含み、互いに空間フェージング相関が低くなるように配置された複数のアンテナ手段と、
   前記複数のアンテナ手段の中から、多入力多出力通信に用いる２個以上のアンテナ手段を選択するスイッチ手段と
   を備えることを特徴とする多入力多出力通信用アンテナ装置。
2. 前記複数のアンテナ手段は、基板上に配置された少なくとも１つのマイクロストリップアンテナ手段と、該基板に対して垂直に配置された少なくとも１つの線状アンテナ手段からなり、該マイクロストリップアンテナ手段と該線状アンテナ手段は、互いに異なる偏波特性または指向性を有することを特徴とする請求項１記載の多入力多出力通信用アンテナ装置。
3. 前記線状アンテナ手段には金属板が装荷されていることを特徴とする請求項２記載の多入力多出力通信用アンテナ装置。
4. 前記スイッチ手段は、搬送波周波数帯域において前記２個以上のアンテナ手段を選択することを特徴とする請求項１、２、または３記載の多入力多出力通信用アンテナ装置。
5. 前記スイッチ手段は、空間フェージング相関、信号対干渉雑音比、遅延スプレッド、および伝搬路行列の条件数のうち少なくとも１つの選択基準に基づいて、前記２個以上のアンテナ手段を選択することを特徴とする請求項１、２、３、または４記載の多入力多出力通信用アンテナ装置。
6. 互いに異なる偏波特性または指向性を有する２つ以上のアンテナ手段を含み、互いに空間フェージング相関が低くなるように配置された複数のアンテナ手段の中から、２個以上のアンテナ手段を選択し、
   選択されたアンテナ手段を用いて多入力多出力通信を行う
   ことを特徴とする多入力多出力通信方法。

Images