JP2013055604A - 無線通信システムおよび無線通信方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】
第1のアンテナ素子と、第2のアンテナ素子と、を具備する第1の無線通信装置と、第3のアンテナ素子と、第4のアンテナ素子と、前記第3のアンテナ素子が受信した信号に対して90度の位相回転を付与する移相部と、前記第4のアンテナ素子が受信した信号と、前記移相部が位相回転した信号とを合成する合成部と、を具備する第2の無線通信装置と、を具備する。
【選択図】図1
Description
以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。
図1は、本発明の第1の実施形態における無線通信システムの概略構成を示す構成図である。同図において、無線通信システム1は、通信装置(第1の無線通信装置)100と、通信装置(第2の無線通信装置)200とを具備する。通信装置100は、送信部111〜112と、アンテナ素子(第1のアンテナ素子)121と、アンテナ素子(第2のアンテナ素子)122とを具備する。通信装置200は、アンテナ素子(第3のアンテナ素子)211と、アンテナ素子(第4のアンテナ素子)212と、ウエイト演算回路220と、受信部251〜252とを具備する。ウエイト演算回路220は、分配器221〜222と、90度移相器231〜232と、合成器241と、合成器242とを具備する。
なお、本実施形態では、通信装置100から通信装置200への通信について説明するが、これに加えて、無線通信システム1が、通信装置200から通信装置100への通信を行うようにしてもよい。この場合、通信装置200から通信装置100への通信方式として、様々なものを用いることができる。例えば通信装置200から通信装置100への通信も、通信装置100から通信装置200への通信と同様、本発明を適用した通信方式にて行われるようにしてもよいし、あるいは、他の通信方式にて行われるようにしてもよい。
送信部111は、データ系列S11(のデータ)を取得し、符号化や変調(デジタルデータからベースバンド信号への変調、および、送信周波数の信号への変調)等の処理を行ってデータ系列S11の送信信号を生成し、生成した送信信号をアンテナ素子121に出力する。同様に、送信部112は、データ系列S12のデータを取得し、符号化や変調等の処理を行ってデータ系列S12の送信信号を生成し、生成した送信信号をアンテナ素子122に出力する。
また、送信部111および送信部112が行う変調の方式としては、様々なものを用いることができる。例えば、送信部111および112が、QPSK(Quadrature Phase-Shift Keying)方式にて変調を行うようにしてもよいし、あるいは、1024QAM(Quadrature Amplitude Modulation)方式にて変調を行うようにしてもよい。さらには、送信部111および112が、伝搬路の状態に応じて変調方式を選択する適応変調を行うようにしてもよい。ただし、近距離MIMO通信においては、送信アンテナと受信アンテナとの距離が近いため、伝搬路の状態が安定していることが期待される。かかる場合、送信部111および送信部112が固定の変調方式に変調を行うようにすることで、回路構成を簡単化し、通信装置100の小型軽量化および製造コスト削減や、通信装置100と通信装置200との制御データの通信量の抑制を図ることができる。
アンテナ素子211と、アンテナ素子212とは、いずれも、アンテナ素子121から送信される無線信号と、アンテナ素子122から送信される無線信号とを、両無線信号が合成された無線信号として受信する。そして、アンテナ素子211は、受信した信号を分配器221に出力し、アンテナ素子212は、受信した信号を分配器222に出力する。
アンテナ素子121とアンテナ素子122の場合と同様、アンテナ素子211とアンテナ素子212とは、アレーアンテナを構成する。
分配器221は、アンテナ素子211が受信した信号を2分配して、90度移相器231と合成器241とに出力する。分配器222は、アンテナ素子212が受信した信号を2分配して、90度移相器232と合成器242とに出力する。
ここでいう信号の合成は、信号の重ね合わせ(足し合わせ)である。合成器241は、当該合成によって、アンテナ素子121が送信するデータ系列S11の信号に対応するデータ系列S11’の信号を生成する。合成器241は、合成によって得られた信号を、受信部251に出力する。
合成器242は、当該合成によって、アンテナ素子122が送信するデータ系列S12の信号に対応するデータ系列S12’の信号を生成する。合成器242は、合成によって得られた信号を、受信部252に出力する。
合成器242は、例えば、分配器を逆に使用することによって実現される。
ここで、合成器241と受信部251とで、本発明における第1の復号手段を構成する。すなわち、合成器241が、第1の重み付け手段の出力のうち位相回転が付与されていない信号と第2の重み付け手段の出力のうち位相回転が付与された信号とを合成し、受信部251が、合成部241の合成した信号を復号する。
ここで、合成器242と受信部252とで、本発明における第2の復号手段を構成する。すなわち、合成器242が、第1の重み付け手段の出力のうち位相回転が付与された信号と第2の重み付け手段の出力のうち位相回転が付与されていない信号とを合成し、受信部252が、合成部242の合成した信号を復号する。
図2は、近距離MIMO通信におけるアンテナ素子の配置例を示す説明図である。
同図において、送信側のアンテナ素子数と受信側のアンテナ素子数とは、いずれもM(Mは、M≧2の正整数)である。これら送信側のアンテナ素子ETj(jは、1≦j≦Mの正整数)は、平面PT上に配置され、また、受信側のアンテナ素子ERi(iは、1≦i≦Mの正整数)は、平面PR上に配置されている。
なお、同図では垂直偏波のアンテナ素子が示されているが、本発明の適用範囲はこれに限らない。例えば水平偏波のアンテナ素子など様々なアンテナ素子を本発明に係る無線通信システムに用いることができる。
ここで、送受信間隔Dは、アレーアンテナの開口長と同程度の距離に設定される。ここでいうアレーアンテナの開口長と同程度の距離は、近距離MIMO通信を示す距離であり、送受信間隔に対してアンテナ素子間の距離に対して無視できない距離である。例えば、送受信間隔Dは、30〜300ミリメートルの範囲で設定される。
また、送信側、受信側共に、アンテナ素子間隔は、距離dである。より具体的には、送信側のアンテナ素子は、縦(図2に示すy軸方向)横(図2に示すx軸方向)共に、距離dの等間隔で配置されている。また、受信側のアンテナ素子は、送信側のアンテナ素子に対向して、縦横共に、距離dの等間隔で配置されている。
また、アンテナ素子間における応答値hijは、式(2)で示される。
また、波長λ0は、図2のアンテナ素子間で送受信される電波の、自由空間における波長を示し、周波数k(=2π/λ0)は、当該電波の周波数を示す。
また、ベクトルrijの極座標表示における距離γijは、式(3)にて示される。
また、ZFにおける受信ウエイト行列(受信側の各アンテナ素子が受信した電波を合成する際の重み付け)は、以下の式で示される。
同図(a)に示すように、ここでは送受信側共に、アンテナ素子数M=2となっており、また、送受信間隔D=120ミリメートルに設定されている。また、各アンテナ素子の偏波は垂直偏波となっている。
同図(b)に示されるように、EM−BFとZFとのいずれにおいても、チャネル容量が最大となる素子間隔(以下、「最適素子間隔」と称する)が存在する。また、EM−BFとZFとで、同じ素子間隔(d=1λ)においてチャネル容量が最大となっている。
ここで、2×2MIMO通信における上記のチャネル行列Hを、式(7)のように表す。
また、2×2MIMO通信における上記の受信ウエイト行列(行列W)を、式(8)のように表す。
図4(a)において、線L411は、チャネルの位相差θH=tan-1(h12/h11)を示す。また、線L412は、受信ウエイトの位相差θw=tan-1(w12/w11)を示す。
また、最適素子間隔d=1λ0での受信ウエイトの位相差θwは、ほぼ90度となっている。
また、図4(b)において、線L421は、振幅比ratio=|w11|/|w12|を示す。同図に示すように、最適素子間隔d=1λ0での振幅比ratioは、1.1程度となっている。
なお、式(1)および式(2)に示されるように、最適素子間隔doptは、送受信間隔Dに応じて変化する。送受信間隔Dと、最適素子間隔doptとの関係は、表1のようになる。
ここで、線L511で示される受信ウエイトの位相差θwは、送受信間隔Dの各値に対して約90度と、ほぼ一定の値を示している。
すなわち、式(1)および(2)に示されるように、最適素子間隔doptは、送受信間隔Dに応じて変化するが、最適素子間隔doptにおける受信ウエイトの位相差θwは、ほぼ一定の値となっている。なお、送受信間隔Dが大きくなるにつれて、振幅比ratioの値は1に近くなっている。
すなわち、アンテナ素子間隔dが最適素子間隔doptとなっている状態では、アンテナ素子121からアンテナ素子212への経路長は、アンテナ素子121からアンテナ素子211への経路長よりも4分の1波長(位相差90度)程度長くなる。同様に、アンテナ素子122からアンテナ素子211への経路長は、アンテナ素子122からアンテナ素子212への経路長よりも4分の1波長程度長くなる。
そこで、通信装置200(図1)において、合成器241は、アンテナ素子211が受信した信号と、アンテナ素子212が受信した信号に90度の位相回転を行った信号とを合成する。また、合成器242は、アンテナ素子212が受信した信号と、アンテナ素子211が受信した信号に90度の位相回転を行った信号とを合成する。すなわち、合成器241および合成器242は、受信信号受信ウエイトの位相差90度にて合成を行う。
ここで、通信装置200における受信ウエイト行列Wanalogは、式(9)にて示される。
ここで、式(9)と式(10)とを比較すると、対角項の値は、いずれも「1」で同じである。また、式(10)の非対角項では、虚部の値の大きさ「0.8879」の大きさが、実部の値の大きさ「0.0415」に対して非常に大きく、虚部の値が支配的となっている。従って、式(10)の非対角項の値は、式(9)の非対角項の値「j」と同等といえ、行列全体においても式(10)は式(9)と同等といえる。
なお、式(9)と式(10)とで非対角項の値が異なるのは、図4に示されるように、振幅比ratioが約1.1であるのに対し、本発明によるウエイトではこれを無視しているためである。
図6は、無線通信システム1におけるアンテナ素子の配置を決定する処理手順を示すフローチャートである。当該処理は、例えば、無線通信システム1のユーザが行う。
次に、図2のモデルおよび式(2)〜(5)を用いて、アンテナ素子間隔dと、ZFのチャネル容量CZFとの関係を求める(ステップS102)。例えば、幾つかのアンテナ素子間隔dについてチャネル容量CZFを算出し、図3(b)のようにアンテナ素子間隔とチャネル容量との関係を示すグラフを生成する。
その後同図の処理を終了し、得られた最適素子間隔doptにてアンテナを配置して、無線通信システム1を用いた通信を行う。
具体的には、送信部111が出力する信号(データ系列S11)に対して90度の位相回転を行ってアンテナ素子121から送信し、また、当該送信部111が出力する信号を位相回転せずにアンテナ素子122から送信する。これによって、アンテナ素子211が受信する信号において、アンテナ素子121が送信するデータ系列S11の信号と、アンテナ素子122が送信するデータ系列S11の信号との位相が一致して互いに強め合う。そこで、アンテナ素子211が受信する信号を受信部251に出力することで、データ系列S11に対応するデータ系列S11’を抽出し得る。
同様に、送信部112が出力する信号(データ系列S12)に対して90度の位相回転を行ってアンテナ素子122から送信し、また、当該送信部112が出力する信号を位相回転せずにアンテナ素子121から送信する。これによって、アンテナ素子212が受信する信号において、アンテナ素子121が送信するデータ系列S12の信号と、アンテナ素子122が送信するデータ系列S12の信号との位相が一致して互いに強め合う。そこで、アンテナ素子212が受信する信号を受信部252に出力することで、データ系列S12に対応するデータ系列S12’を抽出し得る。
このように、ウエイト演算回路は、送信側の通信装置または受信側の通信装置のいずれか一方が具備していればよい。従って、他方の通信装置として、ウエイト演算回路を具備しない、さらに簡単な構成の装置を用いることができる。
なお、第1の実施形態における無線通信システム1では、各アンテナ素子が異なる位置に配置されているが、互いに直交する偏波を送受信するアンテナ素子を同じ位置に配置するようにしてもよい。第2の実施形態では、かかるアンテナ素子を具備する無線通信システムについて説明する。
アンテナ素子321〜324は、送信部311〜314から出力される送信信号を無線送信する。詳細については後述する。
分配器421〜424は、分配器221〜222と同様、アンテナ素子411〜424から出力される信号を分配して出力する。
90度移相器431〜434は、90度移相器231〜232と同様、分配器421〜424から出力される信号に対して90度の位相回転を行う。
受信部451〜254は、受信部251〜152と同様、合成器441から出力される信号に対して復調や復号化等の処理を行って、データ系列S21’〜S24’(のデータ)を生成する。
同様に、アンテナ素子322とアンテナ素子324とは、その中心を合わせて配置されて第2のアンテナ素子を構成し、2つの信号を互いに直交する偏波にて送信する。すなわち、アンテナ素子322が送信する偏波と、アンテナ素子324が送信する偏波とは、互いに直交する。
また、アンテナ素子321〜324でアレーアンテナを構成する。すなわち、アンテナ素子321〜324は、同一平面上に配置されている。
ただし、本発明の適用範囲は、垂直偏波と水平偏波とに限らず、アンテナ素子321およびアンテナ素子322が送信する偏波と、アンテナ素子323およびアンテナ素子324が送信する偏波とが互いに直交していればよい。
また、アンテナ素子411〜414でアレーアンテナを構成する。すなわち、アンテナ素子411〜414は、同一平面上に配置されている。
なお、本発明の適用範囲は、2×2MIMO通信に限らない。第3の実施形態では、本発明を4×4MIMO通信に適用した場合について説明する。
図8は、本発明の第3の実施形態における無線通信システムの概略構成を示す構成図である。同図において、無線通信システム3は、通信装置(第1の無線通信装置)500と、通信装置(第2の無線通信装置)600とを具備する。通信装置500は、送信部511〜514と、アンテナ素子521〜524(第1のアンテナ素子〜第4のアンテナ素子)とを具備する。通信装置600は、アンテナ素子611〜614(第5のアンテナ素子〜第8のアンテナ素子)と、ウエイト演算回路620と、受信部651〜654とを具備する。
アンテナ素子521〜524は、アンテナ素子121〜122と同様、送信部311〜314から出力される送信信号を無線送信する。
ウエイト演算回路620は、アンテナ素子411〜624から出力される信号に重み付けをして合成し、受信部651〜654に出力する。詳細については後述する。
受信部451〜254は、受信部251〜152と同様、合成器441から出力される信号に対して復調や復号化等の処理を行って、データ系列S31’〜S34’(のデータ)を生成する。
ここで、アンテナ素子521〜524とアンテナ素子211〜614とは、図2で説明したように、送受信間隔Dおよび最適素子間隔doptにて送信側と受信側とで対向して配置されている。
そして、ウエイト演算回路620は、分配器621〜624を具備して、アンテナ素子211〜614の出力する受信信号を、4つに分配する。
ウエイト演算回路620は、90度移相器631a〜637bと、180度移相器632〜638とを具備し、分配器621〜624から出力される信号に対して位相回転を行う。
さらに、ウエイト演算回路620は、合成器641〜644を具備し、アンテナ素子211〜614から出力される信号や位相回転された信号を合成する。
なお、式(12)では振幅比が1.14〜1.27となるが、式(11)おいては、式(9)の場合と同様、振幅比を無視している。
なお、無線通信システムが、複数対のアンテナを具備するようにしてもよい。
図11は、複数対のアンテナを具備する無線通信システムの、受信側のアンテナ素子の配置例を示す説明図である。
また、ウエイト演算回路731は、2つの90度移相器741aおよび741bと、18度移相器751と、合成器761とを具備して、アンテナ素子711a〜711dのいずれか1つが受信した信号(位相回転を付与しない)と、他の2つが受信した信号にそれぞれ90度の位相回転を付与した信号と、残りの1つが受信した信号に180度の位相回転を付与した信号とを合成する。
また、受信部771は、受信部651(図8)と同様、合成器761から出力される信号に対して復調や復号化等の処理を行う。
100、200、300、400、500、600 通信装置
111〜112、311〜314、511〜514 送信部
121〜122、211〜212、321〜324、411〜414、521〜524、611〜614 アンテナ素子
220、420、620 ウエイト演算回路
221〜222、421〜424、621〜624 分配器
231〜232、431〜434、631a〜637b 90度移相器
632〜638 180度移相器
241〜242、441〜444、641〜644 合成器
251〜252、451〜454、651〜654 受信部
Claims (7)
- 第1の通信装置が具備する第1のアンテナ素子と第2のアンテナ素子とを含む第1のアレーアンテナと、第2の通信装置が具備する第3のアンテナ素子と第4のアンテナ素子とを含む第2のアレーアンテナとが配置される無線通信システムであって、
前記第1の通信装置が、前記第1のアレーアンテナと前記第2のアレーアンテナとの距離に対して、チャネル容量が最大となる間隔に、前記第1のアンテナ素子と前記第2のアンテナ素子との間の距離が選択された前記第1のアレーアンテナを具備し、
前記第2の通信装置が、
前記第1のアレーアンテナと前記第2のアレーアンテナとの距離に対して、チャネル容量が最大となる間隔に、前記第3のアンテナ素子と前記第4のアンテナ素子との間の距離が選択された前記第2のアレーアンテナと、
前記第3のアンテナ素子から入力された信号を分岐させ、一部の信号に対して90度の位相回転を付与し、位相回転が付与された信号と位相回転が付与されていない信号とを出力する第1の重み付け手段と、
前記第4のアンテナ素子から入力された信号を分岐させ、一部の信号に対して90度の位相回転を付与し、位相回転が付与された信号と位相回転が付与されていない信号とを出力する第2の重み付け手段と、
前記第1の重み付け手段の出力のうち位相回転が付与されていない信号と前記第2の重み付け手段の出力のうち位相回転が付与された信号とを合成して復号する第1の復号手段と、
前記第1の重み付け手段の出力のうち位相回転が付与された信号と前記第2の重み付け手段の出力のうち位相回転が付与されていない信号とを合成して復号する第2の復号手段と、を具備すること
を特徴とする無線通信システム。 - 前記第2のアンテナ素子は、前記第1のアンテナ素子との距離に関して、MIMO通信の固有モード通信法におけるチャネル容量が最大となる位置に配置されることを特徴とする請求項1に記載の無線通信システム。
- 前記第2のアンテナ素子は、前記第1のアンテナ素子との距離に関して、MIMO通信のゼロフォーシング法におけるチャネル容量が最大となる位置に配置されることを特徴とする請求項1に記載の無線通信システム。
- 前記第1のアンテナ素子と、前記第2のアンテナ素子とは、それぞれ、2つの信号を互いに直交する偏波にて送信し、
前記第3のアンテナ素子と、前記第4のアンテナ素子とは、前記互いに直交する偏波を、偏波の角度毎に独立して受信する
ことを特徴とする請求項1から3のいずれか一項に記載の無線通信システム。 - 第1の通信装置が具備する第1〜第4のアンテナ素子を含む第1のアレーアンテナと、第2の通信装置が具備する第5〜第8のアンテナ素子とを含む第2のアレーアンテナとが配置される無線通信システムであって、
前記第1の通信装置が、前記第1のアレーアンテナと前記第2のアレーアンテナとの距離に対して、チャネル容量が最大となる間隔に、前記第1〜第4のアンテナ素子の間の距離が選択された前記第1のアレーアンテナを具備し、
前記第2の通信装置が、
前記第1のアレーアンテナと前記第2のアレーアンテナとの距離に対して、チャネル容量が最大となる間隔に、前記第5〜第8のアンテナ素子の間の距離が選択された前記第2のアレーアンテナと、
前記第5〜第8のアンテナ素子から入力された信号の各々を分岐させ、アンテナ素子毎に、分岐された信号の一部に90度の位相回転を付与し、他の一部に180度の位相回転を付与し、位相回転が付与されていない信号と、90度の位相回転が付与された信号と、180度の位相回転が付与された信号とを出力する重み付け手段と、
前記重み付け手段が出力する信号のうち、前記第5のアンテナ素子から入力された信号と、前記第6のアンテナ素子から入力され90度の位相回転が付与された信号と、前記第7のアンテナ素子から入力され90度の位相回転が付与された信号と、前記第8のアンテナ素子から入力され180度の位相回転が付与された信号とを合成して復号する第1の復号手段と、
前記重み付け手段が出力する信号のうち、前記第6のアンテナ素子から入力された信号と、前記第5のアンテナ素子から入力され90度の位相回転が付与された信号と、前記第8のアンテナ素子から入力され90度の位相回転が付与された信号と、前記第7のアンテナ素子から入力され180度の位相回転が付与された信号とを合成して復号する第2の復号手段と、
前記重み付け手段が出力する信号のうち、前記第7のアンテナ素子から入力された信号と、前記第5のアンテナ素子から入力され90度の位相回転が付与された信号と、前記第8のアンテナ素子から入力され90度の位相回転が付与された信号と、前記第6のアンテナ素子から入力され180度の位相回転が付与された信号とを合成して復号する第3の復号手段と、
前記重み付け手段が出力する信号のうち、前記第8のアンテナ素子から入力された信号と、前記第6のアンテナ素子から入力され90度の位相回転が付与された信号と、前記第7のアンテナ素子から入力され90度の位相回転が付与された信号と、前記第5のアンテナ素子から入力され180度の位相回転が付与された信号とを合成して復号する第4の復号手段と、を具備すること
を特徴とする無線通信システム。 - 請求項1から5のいずれか1項に記載の複数の無線通信システムと、
前記複数の無線通信システムを互いに電磁的にシールドするシールド手段と、を具備することを特徴とする無線通信システム。 - 第1の通信装置が具備する第1のアンテナ素子と第2のアンテナ素子とを含む第1のアレーアンテナと、第2の通信装置が具備する第3のアンテナ素子と第4のアンテナ素子とを含む第2のアレーアンテナとが配置され、
前記第1の通信装置は、前記第1のアレーアンテナと前記第2のアレーアンテナとの距離に対して、チャネル容量が最大となる間隔に、前記第1のアンテナ素子と前記第2のアンテナ素子との間の距離が選択された前記第1のアレーアンテナを具備し、
前記第2の通信装置は、前記第1のアレーアンテナと前記第2のアレーアンテナとの距離に対して、チャネル容量が最大となる間隔に、前記第3のアンテナ素子と前記第4のアンテナ素子との間の距離が選択された前記第2のアレーアンテナを具備する無線通信システムの無線通信方法であって、
前記第3のアンテナ素子から入力された信号を分岐させ、一部の信号に対して90度の位相回転を付与し、位相回転が付与された信号と位相回転が付与されていない信号とを出力する第1の重み付けステップと、
前記第4のアンテナ素子から入力された信号を分岐させ、一部の信号に対して90度の位相回転を付与し、位相回転が付与された信号と位相回転が付与されていない信号とを出力する第2の重み付けステップと、
前記第1の重み付けステップの出力のうち位相回転が付与されていない信号と前記第2の重み付けステップの出力のうち位相回転が付与された信号とを合成して復号する第1の復号ステップと、
前記第1の重み付けステップの出力のうち位相回転が付与された信号と前記第2の重み付けステップの出力のうち位相回転が付与されていない信号とを合成して復号する第2の復号ステップと、を具備すること
を特徴とする無線通信方法。
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2011194084A JP5645135B2 (ja) | 2011-09-06 | 2011-09-06 | 無線通信システムおよび無線通信方法 |
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