JP2011146911A - 中継装置および中継方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ＭＩＭＯ伝送方式による中継処理を、周波数多重により単一の伝送ケーブルを用いて行う場合でも、信号の劣化を抑えること。
【解決手段】複数の受信アンテナを有する受信部と、受信部と単一の伝送ケーブル１０７により接続される、複数の送信アンテナを有する送信部と、を具備し、ＭＩＭＯ伝送方式で送信された信号を中継する中継装置１００であって、複数の受信アンテナでそれぞれ受信される複数の信号において、ミキサ１０２及びミキサ１０３は、２つずつの信号の各組に対して、同一の発振器１０１で生成されたローカル信号を用いて周波数変換を行い、ミキサ１１３及びミキサ１１４は、各組の信号に対して、同一の発振器１１１で生成されたローカル信号を用いて周波数逆変換を行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、中継装置および中継方法に関するものである。

携帯電話ネットワークに代表される移動通信システムは、近年市場に浸透し、高い人口カバー率を有するシステムである。しかしながら、電波伝搬の性質上、ビルの陰、屋内又は地下街等の電波遮蔽の強い場所では電波の届かない地域（電波空白地域又は不感地帯と称されることがある）が依然として存在している。電波遮蔽の特性は、周波数が上がるに連れて顕著になるため、移動通信システムにおいて電波空白地域の存在は今後も大きな課題となる。

そこで、電波空白地域を補完する簡易な装置として、基地局と移動局との間で電波を中継する中継装置（リピータ又はブースタと称されることもある）がある。中継装置は、一般に、基地局がカバーするセル内の弱電界地域であるビルの中又は地下街等の、基地局からの電波が届きにくい場所と、基地局からの電波を送受信可能な場所との境界に設置される。そして、中継装置は、基地局と移動局との間で送受信されるべき信号を受信し、増幅し、送信することで（つまり、信号に対して中継処理を施すことで）、基地局がカバーするセル内に存在する電波空白地域を補完する。なお、一般に、電波を送受信可能な場所と、電波空白地域とは地理的に離れているので、中継装置は、受信アンテナが属する受信部と送信アンテナが属する送信部とが離れた位置に設置され、その間を伝送ケーブルで接続する構成となる。

また、移動通信システムにおいて、更なる伝送速度の高速化に向け研究が続けられている。伝送速度の高速化を実現する伝送方式の一つとして、ＭＩＭＯ（Multiple Input Multiple Output）伝送方式がある。ＭＩＭＯ伝送方式は、複数の送信アンテナと複数の受信アンテナを用いて、同一周波数上で複数のデータストリームを同時に伝送する通信方式である。また、ＭＩＭＯ伝送方式では、受信側は、送信側から同一周波数領域で送信された複数のストリームを分離する処理を行う。

ここで、ＭＩＭＯ伝送方式に対応した中継装置（ＭＩＭＯリピータと称されることがある）が検討されている（例えば、非特許文献１参照）。ＭＩＭＯリピータでは、最低限送信ストリーム数以上の独立した経路が必要となる。つまり、ＭＩＭＯリピータでは、受信アンテナは送信ストリーム数以上必要であり、各受信アンテナで受信された信号を伝送する伝送ケーブルは、受信アンテナ本数と同じ数分必要になる。

鶴田，唐沢，「ＭＩＭＯリピータシステム評価のためのマルチキーホールモデル」，信学会論文誌Ｂ，Vol.J89-B，N0.9，pp.1746-1754，2006年（M.Tsuruta, Y.Karasawa, "Multi-Keyhole Model for MIMO Repeater System Evaluation," IEICE transactions on communications.B 89(9) pp.1746-1754, 2006）

ここで、既設の中継装置（例えば、ＳＩＳＯ（Single Input Single Output）リピータ）と置き換えてＭＩＭＯリピータを設置することが考えられる。しかし、ＳＩＳＯリピータは、受信部と送信部とが１本の伝送ケーブルを用いて接続される。そのため、ＳＩＳＯリピータで使用されていた伝送ケーブルを、ＭＩＭＯリピータにそのまま利用しようとすると１本の伝送ケーブル上で複数のストリームが混ざってしまい分離不能な状態となる（つまり、複数の送信アンテナと複数の受信アンテナとの間のチャネル推定値を示すチャネル行列が１次元化する）ピンホール現象（又はキーホール現象と称されることもある）が生じてしまう。

そのため、ＭＩＭＯリピータでは、アンテナ本数分の伝送ケーブルを備えるために、既存のＳＩＳＯリピータ用の伝送ケーブルに加えて、伝送ケーブルを増設する必要がある。また、ＭＩＭＯ伝送方式を用いた中継装置を新設する場合も同様に、アンテナ本数分の伝送ケーブルを新設する必要がある。このように、ＭＩＭＯリピータでは、アンテナ本数分の伝送ケーブルが必要となり施工コストの増大が課題となる。

これに対して、ＭＩＭＯリピータにおいて、単一の伝送ケーブルで中継処理を行う方法（例えば、既設のＳＩＳＯリピータを利用する方法）として、各受信アンテナで受信された信号（ストリーム）を周波数変換して周波数多重する方法が考えられる。例えば、２本の受信アンテナを有するＭＩＭＯリピータについて説明する。このＭＩＭＯリピータは、２本の受信アンテナでそれぞれ受信した信号（同一周波数の信号）のうち一方の信号の周波数を、他方の信号の周波数と異なる周波数に変換する。これにより、ＭＩＭＯリピータは、受信した２つの信号を、互いに異なる周波数に多重することができる。そして、ＭＩＭＯリピータは、単一の伝送ケーブルで伝送された多重信号を分離し、分離した各信号に対して周波数逆変換する。

つまり、各信号を周波数多重することにより、ＭＩＭＯリピータでは、ＭＩＭＯ伝送方式における空間領域での直交関係を、周波数領域で維持しつつ（チャネル行列を維持しつつ）、単一の伝送ケーブルで各信号を中継することが可能となる。しかしながら、この方法では、受信機がＭＩＭＯリピータから中継された複数の信号を分離する際に、信号の周波数変換（又は周波数逆変換）の際に用いる発振器の周波数ずれ及び位相雑音に起因して、信号が劣化してしまう可能性がある。

本発明の目的は、ＭＩＭＯ伝送方式による中継処理を、周波数多重により単一の伝送ケーブルを用いて行う場合でも、信号の劣化を抑えることができる中継装置及び中継方法を提供することである。

本発明の中継装置は、複数の受信アンテナを有する受信部と、前記受信部と単一の伝送ケーブルにより接続される、複数の送信アンテナを有する送信部と、を具備し、ＭＩＭＯ伝送方式で送信された信号を中継する中継装置であって、前記受信部は、ローカル信号を用いて、前記複数の受信アンテナでそれぞれ受信される複数の信号の周波数変換を行う第１の変換手段と、周波数変換後の前記複数の信号を周波数多重する多重手段と、前記伝送ケーブルを用いて、前記複数の信号が周波数多重された信号を前記送信部へ伝送する出力手段と、を具備し、前記送信部は、前記伝送ケーブルを介して伝送される信号から、前記複数の信号を分離する分離手段と、前記ローカル信号を用いて、前記複数の信号の周波数逆変換を行う第２の変換手段と、周波数逆変換後の前記複数の信号の各成分から、前記複数の信号のキャリア周波数と同一の周波数成分を抽出する抽出手段と、を具備し、前記複数の信号において、前記第１の変換手段は、２つずつの信号の各組に対して、同一の発振器で生成された前記ローカル信号を用いて前記周波数変換を行い、前記第２の変換手段は、前記各組に対して、同一の発振器で生成された前記ローカル信号を用いて前記周波数逆変換を行う構成を採る。

本発明の中継方法は、複数の受信アンテナを有する受信部と、前記受信部と単一の伝送ケーブルにより接続される、複数の送信アンテナを有する送信部と、を具備し、ＭＩＭＯ伝送方式で送信された信号を中継する中継装置において、ローカル信号を用いて、前記複数の受信アンテナでそれぞれ受信される複数の信号の周波数変換を行う第１の変換ステップと、周波数変換後の前記複数の信号を周波数多重する多重ステップと、前記伝送ケーブルを用いて、前記複数の信号が周波数多重された信号を前記送信部へ伝送する出力ステップと、前記伝送ケーブルを介して伝送される信号から、前記複数の信号を分離する分離ステップと、前記ローカル信号を用いて、前記複数の信号の周波数逆変換を行う第２の変換ステップと、周波数逆変換後の前記複数の信号の各成分から、前記複数の信号のキャリア周波数と同一の周波数成分を抽出する抽出ステップと、を具備し、前記複数の信号において、前記第１の変換ステップは、２つずつの信号の各組に対して、同一の発振器で生成された前記ローカル信号を用いて前記周波数変換を行い、前記第２の変換ステップは、前記各組に対して、同一の発振器で生成された前記ローカル信号を用いて前記周波数逆変換を行う構成を採る。

本発明の中継装置又は中継方法によれば、中継装置は、中継装置の受信部が有する複数の受信アンテナで受信された複数の信号において、２つずつの信号の各組に対して、同一の発振器で生成されたローカル信号を用いて周波数変換（第１の変換）を行う。また、中継装置は、単一の伝送ケーブルを用いて受信部から送信部へ伝送された信号のうち、２つずつの信号の各組に対して、同一の発振器で生成されたローカル信号を用いて周波数逆変換（第２の変換）を行う。したがって、発振器において周波数ずれ又は位相雑音が発生する場合でも、複数の信号の全て（すなわち、チャネル行列の全ての要素）に同程度の周波数ずれ又は位相雑音が加わるため、周波数ずれ又は位相雑音の影響は受信時に各信号間（すなわち、チャネル行列の要素間）で相殺される。

これにより、ＭＩＭＯ伝送方式による中継処理を、周波数多重により単一の伝送ケーブルを用いて行う場合でも、信号の劣化を抑えることができる。

本発明の実施の形態１に係る中継装置の構成を示すブロック図 本発明の実施の形態１に係る中継処理を示す図 本発明の実施の形態１に係る中継処理を示す図 本発明の実施の形態１に係る中継処理を示す図 本発明の実施の形態１に係る中継処理を示す図 本発明の実施の形態１に係る中継処理を示す図 本発明の実施の形態２に係る中継装置の構成を示すブロック図 本発明の実施の形態２に係る中継処理を示す図 本発明の実施の形態２に係る中継処理を示す図

以下、本発明の各実施の形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。

（実施の形態１）
本実施の形態に係る中継装置１００の構成を図１に示す。図１に示す中継装置１００は、２本の受信アンテナ（アンテナ１−１，２−１）を有する受信部と、受信部と伝送ケーブル１０７により接続される、２本の送信アンテナ（アンテナ１−２，２−２）を有する送信部とから構成される。つまり、中継装置１００は、１本の伝送ケーブル１０７を用いて、受信部と送信部との間の伝送を行う。

また、受信部は、発振器１０１、ミキサ１０２、ミキサ１０３、ＨＰＦ（High Pass Filter）１０４、ＬＰＦ（Low Pass Filter）１０５及び混合器１０６を備える。また、送信部は、スプリッタ１０８、ＨＰＦ１０９、ＬＰＦ１１０、発振器１１１、反転部１１２、ミキサ１１３、ミキサ１１４、ＨＰＦ１１５及びＬＰＦ１１６を備える。ただし、受信部において、ミキサ１０２及びＨＰＦ１０４はアンテナ１−１に対応して備えられ、ミキサ１０３及びＬＰＦ１０５はアンテナ２−１に対応して備えられる。同様に、送信部において、ＨＰＦ１０９、ミキサ１１３及びＨＰＦ１１５はアンテナ１−２に対応して備えられ、ＬＰＦ１１０、ミキサ１１４及びＬＰＦ１１６はアンテナ２−２に対応して備えられる。

また、中継装置１００は、ＭＩＭＯ伝送方式に対応したＭＩＭＯリピータである。具体的には、中継装置１００は、送信機（下り回線の場合は基地局、上り回線の場合は移動局）からＭＩＭＯ伝送方式により送信され、伝搬路で合成された複数ストリーム信号をアンテナ１−１及びアンテナ２−１でそれぞれ受信する。そして、中継装置１００は、受信機（下り回線の場合は移動局、上り回線の場合は基地局）に対してアンテナ１−２及びアンテナ２−２で信号（ストリーム）をそれぞれ送信する。

図１に示す中継装置１００において、発振器１０１は、予め設定されたローカル周波数のローカル信号を生成する。そして、発振器１０１は、生成したローカル信号をミキサ１０２及びミキサ１０３に供給する。

ミキサ１０２及びミキサ１０３は、発振器１０１から入力されるローカル信号を用いて、アンテナ１−１及びアンテナ２−１でそれぞれ受信される信号の周波数変換を行う。具体的には、ミキサ１０２は、アンテナ１−１で受信した信号とローカル信号とを乗算することで、アンテナ１−１で受信された信号の周波数を変換する。そして、ミキサ１０２は、周波数変換後の信号をＨＰＦ１０４に出力する。また、ミキサ１０３は、アンテナ２−１で受信した信号とローカル信号とを乗算することで、アンテナ２−１で受信された信号の周波数を変換する。そして、ミキサ１０３は、周波数変換後の信号をＬＰＦ１０５に出力する。

ここで、ミキサ１０２及びミキサ１０３において、各アンテナで受信された信号とローカル信号とを乗算すると、ローカル周波数の上位周波数（アッパーサイド（upper side）の周波数）及び下位周波数（ローワーサイド（lower side）の周波数）の２つの周波数帯域に信号成分が分割される。

ＨＰＦ１０４は、高域通過フィルタであり、ミキサ１０２から入力される信号から周波数領域の高域部分を抽出し、抽出した信号を混合器１０６に出力する。具体的には、ＨＰＦ１０４は、ミキサ１０２から入力される信号のうち、アッパーサイドの周波数を含む高域成分を抽出する。

ＬＰＦ１０５は、低域通過フィルタであり、ミキサ１０３から入力される信号から周波数領域の低域部分を抽出し、抽出した信号を混合器１０６に出力する。具体的には、ＬＰＦ１０５は、ミキサ１０３から入力される信号のうち、ローワーサイドの周波数を含む低域成分を抽出する。

混合器１０６は、ＨＰＦ１０４から入力される信号（アンテナ１−１で受信された信号）と、ＬＰＦ１０５から入力される信号（アンテナ２−１で受信された信号）とを混合する。すなわち、混合器１０６は、ローカル信号を用いた周波数変換時に生成される、アッパーサイドの周波数及びローワーサイドの周波数を用いて、アンテナ１−１で受信された信号、及び、アンテナ２−１で受信された信号を周波数多重する。そして、混合器１０６は、伝送ケーブル１０７を用いて、複数の信号が周波数多重された信号を、送信部のスプリッタ１０８へ伝送する。

スプリッタ１０８は、受信部の混合器１０６から伝送ケーブル１０７を介して伝送される信号を分岐して、分岐した信号をＨＰＦ１０９及びＬＰＦ１１０に出力する。

ＨＰＦ１０９及びＬＰＦ１１０は、スプリッタ１０８から入力される信号（つまり、伝送ケーブル１０７を介して伝送される信号）から、アンテナ１−１で受信された信号（つまり、アンテナ１−２で送信される信号）、及び、アンテナ２−１で受信された信号（つまり、アンテナ２−２で送信される信号）を分離する。

具体的には、ＨＰＦ１０９は、スプリッタ１０８から入力される信号から、周波数領域の高域部分（アッパーサイドの周波数成分）を抽出し、抽出した信号をミキサ１１３に出力する。また、ＬＰＦ１１０は、スプリッタ１０８から入力される信号から、周波数領域の低域部分（ローワーサイドの周波数成分）を抽出し、抽出した信号をミキサ１１４に出力する。

発振器１１１は、発振器１０１で設定されたローカル周波数と同一周波数のローカル信号を生成する。そして、発振器１１１は、生成したローカル信号を反転部１１２及びミキサ１１４に供給する。

反転部１１２は、発振器１１１から入力されるローカル信号の位相を反転（１８０°（πラジアン）だけ位相回転）させ、位相反転後のローカル信号をミキサ１１３に供給する。

ミキサ１１３及びミキサ１１４は、発振器１１１で生成されたローカル信号を用いて、
ＨＰＦ１０９及びＬＰＦ１１０で分離された信号（アッパーサイドの周波数の信号及びローワーサイドの周波数の信号）の周波数逆変換を行う。

具体的には、ミキサ１１３は、ＨＰＦ１０９から入力される信号と、反転部１１２から入力される、位相が反転したローカル信号とを乗算することで、ＨＰＦ１０９から入力される信号（アッパーサイドの周波数の信号）の周波数を逆変換する。そして、ミキサ１１３は、周波数逆変換後の信号をＨＰＦ１１５に出力する。また、ミキサ１１４は、ＬＰＦ１１０から入力される信号と、発振器１１１から入力されるローカル信号とを乗算することで、ＬＰＦ１１０から入力される信号（ローワーサイドの周波数の信号）の周波数を逆変換する。そして、ミキサ１１４は、乗算後の信号をＬＰＦ１１６に出力する。

なお、ミキサ１１３及びミキサ１１４において、ＨＰＦ１０９及びＬＰＦ１１０から入力される信号とローカル信号（又は位相反転後のローカル信号）とを乗算すると、ローカル周波数（又は位相反転後のローカル周波数）のアッパーサイドの周波数及びローワーサイドの周波数の２つの周波数帯域に信号成分が生成される。

ＨＰＦ１１５及びＬＰＦ１１６は、ミキサ１１３及びミキサ１１４から入力される周波数逆変換後の信号の各成分から、信号のキャリア周波数と同一の周波数成分を抽出する。具体的には、ＨＰＦ１１５は、ミキサ１１３から入力される信号から、周波数領域の高域部分（アッパーサイドの周波数成分）を抽出する。抽出された信号（アンテナ１−１で受信された信号）はアンテナ１−２を介して中継先の受信機へ送信される。また、ＬＰＦ１１６は、ミキサ１１４から入力される信号から、周波数領域の低域部分（ローワーサイドの周波数成分）を抽出する。抽出された信号（アンテナ２−１で受信された信号）はアンテナ２−２を介して中継先の受信機へ送信される。

次に、本実施の形態に係る中継装置１００（図１）における中継処理の詳細について説明する。

以下の説明では、図２Ａに示すように、アンテナ１−１で受信された信号（実線）、及び、アンテナ２−１で受信された信号（一点鎖線）のキャリア周波数をｆ_ｃとする。また、発振器１０１及び発振器１１１に設定されたローカル周波数をｆ_ｌとする。よって、ローカル信号は“ｃｏｓ（ω_ｌｔ）”で表され、アンテナ１−１で受信された信号は“Ａｃｏｓ（ω_ｃｔ）”で表され、アンテナ２−１で受信された信号は“Ｂｃｏｓ（ω_ｃｔ）”で表される。なお、Ａはアンテナ１−１で受信された信号の振幅であり、Ｂはアンテナ２−１で受信された信号の振幅である。また、ω_ｌは周波数ｆ_ｌの角周波数（ω_ｌ＝２πｆ_ｌ）であり、ω_ｃは周波数ｆ_ｃの角周波数（ω_ｃ＝２πｆ_ｃ）である。

また、本実施の形態に係るミキサ１０２及びミキサ１０３は、各受信アンテナで受信された信号に対して、同一の発振器１０１で生成されたローカル信号を用いて周波数変換を行う。すなわち、中継装置１００は、同一の発振器１０１で生成されるローカル信号を用いて、複数の受信アンテナでそれぞれ受信される複数の信号全てに対して周波数変換を行う。

同様に、本実施の形態に係るミキサ１１３及びミキサ１１４は、ＨＰＦ１０９及びＬＰＦ１１０から入力される信号に対して、同一の発振器１１１で生成されたローカル信号を用いて周波数逆変換を行う。ただし、ミキサ１１３は、反転部１１２で位相を反転されたローカル信号を用いる。

具体的には、中継装置１００の受信部のミキサ１０２は、アンテナ１−１で受信された信号（Ａｃｏｓ（ω_ｃｔ））と、ローカル信号（ｃｏｓ（ω_ｌｔ））とを乗算して、式（１）で表される信号を得る。また、ミキサ１０３は、アンテナ２−１で受信された信号（Ａｃｏｓ（ω_ｃｔ））と、ローカル信号（ｃｏｓ（ω_ｌｔ））とを乗算して、式（２）で表される信号を得る。

すなわち、ミキサ１０２及びミキサ１０３では、各受信アンテナで受信された信号全てに対してローカル信号を乗算することで、各受信アンテナで受信された信号全ての周波数を変換する。ここで、各受信アンテナで受信された信号に対してローカル信号が乗算されることで、図２Ｂに示すように、ローカル周波数ｆ_ｌのアッパーサイドの周波数（ｆ_ｌ＋ｆ_ｃ）及びローワーサイドの周波数（ｆ_ｌ−ｆ_ｃ）にそれぞれ信号成分が分割される。

次いで、ＨＰＦ１０４は、図２Ｂに示す信号（実線）のうち、周波数領域の高域部分（アッパーサイドの周波数（ｆ_ｌ＋ｆ_ｃ））を抽出する。すなわち、ＨＰＦ１０４は、式（１）内の“Ａｃｏｓ（ω_ｌｔ＋ω_ｃｔ）”の項を抽出する。

一方、ＬＰＦ１０５は、図２Ｂに示す信号（一点鎖線）のうち、周波数領域の低域部分（ローワーサイドの周波数（ｆ_ｌ−ｆ_ｃ））を抽出する。すなわち、ＬＰＦ１０５は、式（２）内の“Ｂｃｏｓ（ω_ｌｔ−ω_ｃｔ）”の項を抽出する。

すなわち、ミキサ１０２及びミキサ１０３では、各受信アンテナで受信された信号は、アッパーサイドの周波数及びローワーサイドの周波数にそれぞれ変換される。そして、ＨＰＦ１０４及びＬＰＦ１０５では、アンテナ１−１及びアンテナ２−１でそれぞれ受信された信号の互いに異なる周波数成分がそれぞれ抽出される。

そして、混合器１０６は、図２Ｃに示すように、ＨＰＦ１０４で抽出された信号（アンテナ１−１で受信された信号の高域成分（“Ａｃｏｓ（ω_ｌｔ＋ω_ｃｔ）”の項））と、ＬＰＦ１０５で抽出された信号（アンテナ２−１で受信された信号の低域成分（“Ｂｃｏｓ（ω_ｌｔ−ω_ｃｔ）”の項））とを混合する。すなわち、混合器１０６では、次式（３）に示す信号が得られる。

つまり、混合器１０６は、図２Ｃに示すように、同一の発振器１０１で生成されたローカル信号を用いた周波数変換時に生成される、アッパーサイドの周波数（ｆ_ｌ＋ｆ_ｃ）及びローワーサイドの周波数（ｆ_ｌ−ｆ_ｃ）の２つの互いに異なる周波数帯域を用いて、アンテナ１−１及びアンテナ２−１でそれぞれ受信された信号を周波数多重する。これより、アンテナ１−１及びアンテナ２−１でそれぞれ受信された信号は周波数領域で直交する。よって、中継装置１００は、受信部で受信された信号（式（３））を、１本の伝送ケーブル１０７を用いて送信部へ伝送することが可能となる。

次いで、中継装置１００の送信部のＨＰＦ１０９は、図２Ｃに示す信号（つまり、伝送ケーブル１０７で伝送された信号）のうち、周波数領域の高域部分つまり、式（３）内の“Ａｃｏｓ（ω_ｌｔ＋ω_ｃｔ）”の項）を抽出する。一方、ＬＰＦ１１０は、図２Ｃに示す信号のうち、周波数領域の低域部分（つまり、式（３）内の“Ｂｃｏｓ（ω_ｌｔ−ω_ｃｔ）”の項）を抽出する。

すなわち、ＨＰＦ１０９及びＬＰＦ１１０は、図２Ｃに示す信号から、アンテナ１−１及びアンテナ２−１でそれぞれ受信された信号を分離する。

次いで、ミキサ１１３は、ＨＰＦ１０９で抽出した信号と、反転部１１２で位相が反転したローカル信号“ｃｏｓ（−ω_ｌｔ）”とを乗算して、式（４）で表される信号を得る。また、ミキサ１１４は、ＬＰＦ１１０で抽出した信号と、発振器１１１から供給されるローカル信号“ｃｏｓ（ω_ｌｔ）”とを乗算して、式（５）で表される信号を得る。

すなわち、ミキサ１１３（アンテナ１−２に対応）は、ＨＰＦ１０９で抽出した信号に対して、位相が反転したローカル信号を乗算することで、アンテナ１−１で受信された信号の周波数逆変換を行う。ここで、ＨＰＦ１０９で抽出した信号に対して、位相が反転したローカル信号が乗算されることで、図２Ｄに示すように、周波数（−ｆ_ｌ）の、アッパーサイドの周波数（−ｆ_ｌ＋（ｆ_ｌ＋ｆ_ｃ）＝ｆ_ｃ）、及び、ローワーサイドの周波数（−ｆ_ｌ−（ｆ_ｌ＋ｆ_ｃ））にそれぞれ信号成分（実線）が生成される。ここで、図２Ｄに示すように、ミキサ１１３で得られた信号のうち、アッパーサイドの周波数はキャリア周波数ｆ_ｃとなる。

同様に、ミキサ１１４（アンテナ２−２に対応）は、ＬＰＦ１１０で抽出した信号に対して、ローカル信号を乗算することで、アンテナ２−１で受信された信号の周波数逆変換を行う。ここで、ＬＰＦ１１０で抽出した信号に対してローカル信号が乗算されることで、図２Ｄに示すように、ローカル周波数ｆ_ｌの、アッパーサイドの周波数（ｆ_ｌ＋（ｆ_ｌ−ｆ_ｃ））、及び、ローワーサイドの周波数（ｆ_ｌ−（ｆ_ｌ−ｆ_ｃ）＝ｆ_ｃ）にそれぞれ信号成分（一点鎖線）が生成される。ここで、図２Ｄに示すように、ミキサ１１４で得られた信号のうち、ローワーサイドの周波数はキャリア周波数ｆ_ｃとなる。

よって、ＨＰＦ１１５は、図２Ｄに示すように、ミキサ１１３から入力される信号（実線）のうち、周波数領域の高域部分（つまり、式（４）内の“Ａｃｏｓ（ω_ｃｔ）”の項）を抽出する。また、ＬＰＦ１１６は、図２Ｄに示すように、ミキサ１１４から入力される信号（一点鎖線）のうち、周波数領域の低域部分（つまり、式（５）内の“Ｂｃｏｓ（ω_ｃｔ）”の項）を抽出する。

これにより、図２Ｅに示すように、ＨＰＦ１１５から出力される信号（実線）は、アンテナ１−２で送信され、ＬＰＦ１１６から出力される信号（一点鎖線）は、アンテナ２−２で送信される。

このように、中継装置１００は、各受信アンテナで受信される全ての信号に対して、同一の発振器１０１で生成されたローカル信号を乗算する。同様に、中継装置１００は、各送信アンテナで送信される全ての信号に対して、同一の発振器１１１で生成されたローカル信号（一方のローカル信号の位相は反転）を乗算する。換言すると、中継装置１００は、同一の発振器で生成されたローカル信号を、チャネル行列の全ての要素に乗算することでチャネル行列に対する周波数変換及び周波数逆変換を施す。つまり、中継装置１００では、発振器において発生し得る周波数ずれ又は位相雑音は、チャネル行列の全ての要素間で均一となる。

ここで、ＭＩＭＯ伝送方式で伝送される信号は、送受信アンテナ間のチャネル行列と各送信アンテナで送信される信号との乗算で表すことができる。そのため、中継装置１００の中継先の受信機（ＭＩＭＯ受信機）は、まず、中継装置１００の送信アンテナ本数と、受信機の受信アンテナ本数との乗算数分のチャネル行列（例えば、送信アンテナＭ本、受信アンテナＮ本の場合、（Ｍ×Ｎ）のチャネル行列）を取得する。そして、受信機は、そのチャネル行列の逆行列を受信信号に乗算することで、空間多重された信号を分離することができる。

つまり、チャネル行列の全ての要素に同一の値が乗算されても、全ての要素の相対関係は変わらないため、受信機における信号分離処理（チャネル行列の逆行列の取得及び乗算）には影響が及ばない。すなわち、チャネル行列の全ての要素へ乗算される値は各要素間で相殺される。

よって、中継装置１００は、同一の発振器（発振器１０１，１１１）で生成されたローカル信号を用いて、チャネル行列の全ての要素に対して周波数変換及び周波数逆変換を施すことで、発振器（発振器１０１，１１１）において発生し得る周波数ずれ又は位相雑音は、各要素間で相殺される。これにより、受信機が中継装置１００から中継された複数の信号を分離する際に、信号の周波数変換（又は周波数逆変換）の際に用いる発振器の周波数ずれ及び位相雑音に起因して信号が劣化してしまうことを防ぐことができる。このようにして、本実施の形態によれば、ＭＩＭＯ伝送方式による中継処理を、周波数多重により単一の伝送ケーブルを用いて行う場合でも、信号の劣化を抑えることができる。

また、本実施の形態では、中継装置１００は、受信信号とローカル信号とを乗算して生成される、ローカル周波数ｆ_ｌのアッパーサイドの周波数（ｆ_ｌ＋ｆ_ｃ）、及び、ローワーサイドの周波数（ｆ_ｌ−ｆ_ｃ）の２つの周波数帯域を用いて、２つの受信アンテナで受信された各信号を周波数多重する。換言すると、中継装置１００は、１つの発振器を用いて、２つの受信アンテナでそれぞれ受信された２つの信号を互いに異なる周波数に変換することができる。すなわち、本実施の形態によれば、２つの受信アンテナで受信された２つの信号に対して、受信部及び送信部でそれぞれ１つの発振器だけを備えればよい。これにより、中継装置１００の構成を簡易化させることができる。

（実施の形態２）
実施の形態１では、周波数変換時に用いる発振器（図１では発振器１０１）と、周波数逆変換時に用いる発振器（図１では発振器１１１）とが異なる場合について説明した。これに対し、本実施の形態では、周波数変換時に用いる発振器で生成されたローカル信号を伝送ケーブルを用いて伝送し、そのローカル信号を周波数逆変換に用いる。

以下、本実施の形態について具体的に説明する。

図３は、本実施の形態に係る中継装置２００の構成を示すブロック図である。なお、図３において図１（実施の形態１）と同一の構成部には同一符号を付し、説明を省略する。

図３に示す中継装置２００において、受信部のＨＰＦ２０１は、高域通過フィルタであり、ミキサ１０２から入力される信号から周波数領域の高域部分を抽出し、抽出した信号を混合器１０６に出力する。具体的には、ＨＰＦ２０１は、ミキサ１０２から入力される信号のうち、ローカル信号のローカル周波数及びアッパーサイドの周波数の双方を含む高域成分を抽出する。

一方、送信部のＢＰＦ（Band Pass Filter）２０２には、スプリッタ１０８で分岐された信号（つまり、混合器１０６から伝送ケーブル１０７を介して入力される信号）が入力される。ＢＰＦ２０２は、スプリッタ１０８から入力された信号のうち、ローカル信号のローカル周波数部分だけを抽出する。そして、ＢＰＦ２０２は、抽出した信号を反転部１１２及びミキサ１１４に出力する。

次に、本実施の形態に係る中継装置２００（図３）における中継処理の詳細について説明する。

以下の説明では、実施の形態１と同様、図２Ａに示すように、アンテナ１−１で受信された信号（実線）、及び、アンテナ２−１で受信された信号（一点鎖線）のキャリア周波数をｆ_ｃとする。また、発振器１０１に設定されたローカル周波数をｆ_ｌとする。よって、ローカル信号は“ｃｏｓ（ω_ｌｔ）”で表され、アンテナ１−１で受信された信号は“Ａｃｏｓ（ω_ｃｔ）”で表され、アンテナ２−１で受信された信号は“Ｂｃｏｓ（ω_ｃｔ）”で表される。

また、本実施の形態に係るミキサ１０２及びミキサ１０３は、実施の形態１と同様、各受信アンテナで受信された信号に対して、同一の発振器１０１で生成されたローカル信号を用いて周波数変換を行う。すなわち、中継装置２００は、同一の発振器１０１で生成されるローカル信号を用いて、複数の受信アンテナでそれぞれ受信される複数の信号全てに対して周波数変換を行う。

つまり、実施の形態１（図２Ｂ）と同様にして、中継装置２００の受信部のミキサ１０２及びミキサ１０３は、各受信アンテナで受信された信号に対してローカル信号を乗算することで、各受信アンテナで受信された信号全ての周波数を変換する。これにより、図４Ａに示すように、ローカル周波数ｆ_ｌに対して、ローワーサイドの周波数（ｆ_ｌ−ｆ_ｃ）及びアッパーサイドの周波数（ｆ_ｌ＋ｆ_ｃ）にそれぞれ信号成分が生成される。

次いで、ＨＰＦ２０１は、図４Ａに示す信号（実線）のうち、ローカル信号のローカル周波数（ｆ_ｌ）及びアッパーサイドの周波数（ｆ_ｌ＋ｆ_ｃ）を含む、周波数領域の高域部分を抽出する。一方、ＬＰＦ１０５は、実施の形態１と同様、図４Ａに示す信号（一点鎖線）のうち、ローワーサイドの周波数（ｆ_ｌ−ｆ_ｃ）を含む周波数領域の低域部分を抽出する。

よって、混合器１０６は、図４Ｂに示すように、実施の形態１と同様、アッパーサイドの周波数（ｆ_ｌ＋ｆ_ｃ）及びローワーサイドの周波数（ｆ_ｌ−ｆ_ｃ）の２つの互いに異なる周波数帯域を用いて、アンテナ１−１及びアンテナ２−１でそれぞれ受信された信号を周波数多重する。さらに、混合器１０６は、アンテナ１−１及びアンテナ２−１でそれぞれ受信された信号に加え、ローカル信号を周波数多重する。つまり、混合器１０６は、前記ローカル信号を、伝送ケーブル１０７を用いて送信部へ伝送する。

一方、中継装置２００の送信部のＨＰＦ１０９は、実施の形態１と同様、図４Ｂに示す信号（つまり、伝送ケーブル１０７で伝送された信号）のうち、周波数領域の高域部分（アッパーサイドの周波数）を抽出する。また、ＬＰＦ１１０は、実施の形態１と同様、図４Ｂに示す信号のうち、周波数領域の低域部分（ローワーサイドの周波数）を抽出する。また、ＢＰＦ２０２は、図４Ｂに示す信号のうち、ローカル信号のローカル周波数帯域の信号成分を抽出する。ＢＰＦ２０２は、図４Ｂに示す抽出したローカル信号を、反転部１１２及びミキサ１１４に出力する。

このように、中継装置２００は、受信部の発振器１０１で生成されたローカル信号を、伝送ケーブル１０７を用いて受信部から送信部へ伝送する。つまり、同一の発振器１０１で生成されたローカル信号は、受信部（ミキサ１０２，１０３）における周波数変換及び送信部（ミキサ１１３，１１４）における周波数逆変換の双方で用いられる。

これにより、受信部（ミキサ１０２，１０３）における周波数変換と、送信部（ミキサ１１３，１１４）における周波数逆変換の双方において、実施の形態１と同様、複数の信号に加わる周波数ずれ及び位相雑音は同程度となる。よって、本実施の形態によれば、ＭＩＭＯ伝送方式による中継処理を、周波数多重により単一の伝送ケーブルを用いて行う場合に、中継装置の受信部から伝送ケーブルを用いて伝送されたローカル信号を送信部で用いても、実施の形態１と同様、信号の劣化を抑えることができる。

さらに、本実施の形態によれば、中継装置では、すなわち、２つの受信アンテナで受信された２つの信号に対して、受信部及び送信部で１つの発振器だけを備えればよい。例えば、実施の形態１では、２つの発振器（図１に示す発振器１０１，１１１）が必要であるのに対し、本実施の形態では、１つの発振器（図３に示す発振器１０１）のみを備えればよい。これにより、本実施の形態によれば、実施の形態１よりも、中継装置２００の構成をさらに簡易化させることができる。

さらに、本実施の形態によれば、受信部及び送信部のそれぞれで用いるローカル信号は、同一の発振器から発生されるものとなる。従って、受信部で使用される信号及び送信部で使用される信号のそれぞれには全く同じ周波数ずれ又は位相雑音が乗ることになる。実施の形態１では、受信部と送信部とで別々の発振器を使用するために各発振器の僅かな特性の差によって周波数ずれ又は位相雑音が発生する可能性があった。しかし、本実施の形態では、このような僅かな特性の差に基づく周波数ずれ又は位相雑音すらなくなるため、信号の劣化を更に抑えることができる。

なお、本実施の形態では、ＨＰＦ２０１によって、アッパーサイドの周波数と共にローカル信号のローカル周波数を抽出したが、これに限られるものではない。ＨＰＦの代わりにＬＰＦによりローカル周波数をローワーサイドの周波数と共に抽出してもよい。また、発振器１０１から混合器１０６にローカル信号を直接出力するとしてもよい。

以上、本発明の各実施の形態について説明した。

なお、上述した実施の形態１の構成と実施の形態２の構成とを併用してもよい。上述の通り、実施の形態２は、同一の発振器からのローカル周波数を周波数変換及び周波数逆変換の両方に使用できるので、一般的には、別の発振器を使用する実施の形態１よりも信号の劣化を抑えることができる。しかし、実施の形態２では、送信部が受信した信号からローカル信号を抽出する必要があるため、ローカル周波数を抽出するためのＢＰＦの遮断特性によっては純粋な単一周波数波以外の周波数成分が漏れこみ、性能を劣化させることも懸念される。また、伝送ケーブル上でのローカル信号の劣化が激しい場合などには、ローカル信号を正確に抽出できず性能を劣化させることもある。このような場合には、実施の形態１の構成に従って送信部自らがローカル周波数を発生させる方がより良い結果が得られると考えられる。そのため、周波数ずれ又は位相雑音の発生を安定的に抑えるためには、送信側で抽出されたローカル信号の劣化の程度によって、実施の形態１と実施の形態２の方式を使い分ける構成が望ましい。すなわち、ローカル信号が劣化する可能性が高い場合には実施の形態１の方式を使用し、ローカル信号が劣化する可能性が低い場合には実施の形態２の方式を使用する。なお、ローカル信号が劣化するか否かは、受信部から送信部にローカル周波数帯で既知信号を送信して、その劣化を調べる等、様々な方法が考えられる。

また、上述した実施の形態１及び２において、ローカル周波数を他の周波数に切り替えることができる構成としてもよい。この場合、実施の形態１及び２において周波数変換後に各信号の属する周波数帯の劣化が激しい場合、又は、実施の形態２においてローカル周波数の属する周波数帯の劣化が激しい場合に、その周波数帯を避けて信号を送ることができる。なお、この場合、送信部と受信部との間でローカル周波数帯が切り替わったことを共有する必要があるが、その実現の方法としては現在のローカル周波数帯を通知する回路を設ける等、様々な方法が考えられる。

また、本実施の形態では、中継装置が備える受信アンテナが２本の場合について説明した。しかし、本発明では、中継装置が備える受信アンテナ本数は３本以上でもよい。例えば、中継装置が備える受信アンテナ本数が偶数の場合には、中継装置は、各受信アンテナで受信された複数の信号において、２つずつの信号の各組に対して、上記実施の形態と同様にして、同一の発振器で生成されたローカル信号を用いて周波数変換を行う。また、中継装置の送信部（図１及び図３ではミキサ１１３，１１４）は、上記２つずつの信号の各組に対して、同一の発振器で生成されたローカル信号を用いて周波数逆変換を行う。つまり、中継装置では、受信アンテナ本数の半分の発振器を備えればよい。これにより、各組では、上記実施の形態と同様、受信機での信号の劣化を抑えることができる。さらに、中継装置全体では、発振器の個数をアンテナ総数よりも少なくすることができるため、中継装置の構成を簡易化させることができ、かつ、中継装置に要するコストを削減することができる。

本発明は、複数の受信アンテナを有する受信部と、受信部と単一の伝送ケーブルにより接続される、複数の送信アンテナを有する送信部と、を具備し、ＭＩＭＯ伝送方式で送信された信号を中継する中継装置等に適用することができる。

１００，２００ 中継装置
１０１，１１１ 発振器
１０２，１０３，１１３，１１４ ミキサ
１０４，１０９，１１５，２０１ ＨＰＦ
１０５，１１０，１１６ ＬＰＦ
１０６ 混合器
１０７ 伝送ケーブル
１０８ スプリッタ
１１２ 反転部
２０２ ＢＰＦ

Claims (5)

1. 複数の受信アンテナを有する受信部と、前記受信部と単一の伝送ケーブルにより接続される、複数の送信アンテナを有する送信部と、を具備し、ＭＩＭＯ伝送方式で送信された信号を中継する中継装置であって、
   前記受信部は、
   ローカル信号を用いて、前記複数の受信アンテナでそれぞれ受信される複数の信号の周波数変換を行う第１の変換手段と、
   周波数変換後の前記複数の信号を周波数多重する多重手段と、
   前記伝送ケーブルを用いて、前記複数の信号が周波数多重された信号を前記送信部へ伝送する出力手段と、を具備し、
   前記送信部は、
   前記伝送ケーブルを介して伝送される信号から、前記複数の信号を分離する分離手段と、
   前記ローカル信号を用いて、前記複数の信号の周波数逆変換を行う第２の変換手段と、
   周波数逆変換後の前記複数の信号の各成分から、前記複数の信号のキャリア周波数と同一の周波数成分を抽出する抽出手段と、を具備し、
   前記複数の信号において、
   前記第１の変換手段は、２つずつの信号の各組に対して、同一の発振器で生成された前記ローカル信号を用いて前記周波数変換を行い、
   前記第２の変換手段は、前記各組に対して、同一の発振器で生成された前記ローカル信号を用いて前記周波数逆変換を行う、
   中継装置。
2. 前記多重手段は、前記周波数変換時に生成される、前記ローカル信号の周波数の上位周波数成分及び下位周波数成分を用いて、前記各組の２つの信号を周波数多重する、
   請求項１記載の中継装置。
3. 前記受信部は、前記ローカル信号を生成する第１の発振器を備え、
   前記送信部は、前記第１の発振器が生成するローカル信号と同一の周波数のローカル信号を生成する第２の発振器を備え、
   前記第１の変換手段は、前記各組の２つの信号に対して、前記第１の発振器が生成したローカル信号を用いて前記周波数変換を行い、
   前記第２の変換手段は、前記各組に対して、前記第２の発振器が生成したローカル信号を用いて前記周波数逆変換を行う、
   請求項１記載の中継装置。
4. 前記受信部は、前記ローカル信号を生成する発振器を備え、
   前記出力手段は、更に、前記発振器が生成したローカル信号を、前記伝送ケーブルを用いて前記送信部へ伝送し、
   前記第１の変換手段は、前記各組の２つの信号に対して、前記発振器が生成したローカル信号を用いて前記周波数変換を行い、
   前記第２の変換手段は、前記各組に対して、前記出力手段から伝送されたローカル信号を用いて前記周波数逆変換を行う、
   請求項１記載の中継装置。
5. 複数の受信アンテナを有する受信部と、前記受信部と単一の伝送ケーブルにより接続される、複数の送信アンテナを有する送信部と、を具備し、ＭＩＭＯ伝送方式で送信された信号を中継する中継装置において、
   ローカル信号を用いて、前記複数の受信アンテナでそれぞれ受信される複数の信号の周波数変換を行う第１の変換ステップと、
   周波数変換後の前記複数の信号を周波数多重する多重ステップと、
   前記伝送ケーブルを用いて、前記複数の信号が周波数多重された信号を前記送信部へ伝送する出力ステップと、
   前記伝送ケーブルを介して伝送される信号から、前記複数の信号を分離する分離ステップと、
   前記ローカル信号を用いて、前記複数の信号の周波数逆変換を行う第２の変換ステップと、
   周波数逆変換後の前記複数の信号の各成分から、前記複数の信号のキャリア周波数と同一の周波数成分を抽出する抽出ステップと、を具備し、
   前記複数の信号において、
   前記第１の変換ステップは、２つずつの信号の各組に対して、同一の発振器で生成された前記ローカル信号を用いて前記周波数変換を行い、
   前記第２の変換ステップは、前記各組に対して、同一の発振器で生成された前記ローカル信号を用いて前記周波数逆変換を行う、
   中継方法。

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