JP2014027347A - 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】本発明による無線通信システム(1)は、印加される電界の強度に応じて比誘電率が変化する誘電体層と前記誘電体層に前記電界を印加するための一対の電極とを有し、前記電界の強度に応じて、前記誘電体層内を伝搬する電波の位相を回転させる位相回転部として機能するレドーム(140)と、送信アレーアンテナと受信アレーアンテナとの間に形成されるチャネルの位相差を推定する位相差推定部(760)と、前記位相差推定部により推定された前記位相差に基づいて、前記位相回転部が有する前記一対の電極間の電圧を制御することにより、所望のチャネル容量が得られるように前記チャネルの位相差を調整する位相差調整部として機能する制御装置(150)とを具備する。
【選択図】図1
Description
しかしながら、通常、図12に示すような平面アレーアンテナの設計段階では、特定の送受信間隔Dが想定され、この送受信間隔Dに応じてアンテナ素子の間隔dが特定の値に設定される。そして、このアンテナの製造工程において、上述の設計段階で設定された特定の間隔dで1つの基板上にアンテナ素子が配列される。このため、設計段階で想定した送受信間隔D以外の送受信間隔では各チャネルの位相差θHが90度とならず、近距離MIMO伝送の特性が劣化するという問題がある。
なお、以下に説明する全実施形態および全図面にわたって同一符号は同一要素を表す。
[構成の説明]
本発明の第1の実施形態による無線通信システム1の構成を説明する。
図1は、無線通信システム1の構成の一例を概略的に示す構成図である。無線通信システム1は、送信機として機能する通信装置100と、受信機として機能する通信装置700とを具備し、2×2MIMO(2入力2出力のMIMO)伝送において、通信装置100から通信装置700への2系列(データ系列S1およびデータ系列S2)のデータ通信を行うものである。ここで、通信装置100は、データ系列S1,S2を送信するものであり、送信部111,112と、複数の送信アンテナ素子131,132と、レドーム140と、制御装置150とを具備する。
本実施形態では、通信装置100を構成する二つの送信アンテナ素子131,132は間隔dを隔てて同一平面上に配列されている。また、通信装置700を構成する二つの受信アンテナ素子731,732も同じく間隔dを隔てて同一平面上に配列されている。これら送信アンテナ素子131,132が配列された平面と受信アンテナ素子731,732が配列された平面とは相互に平行面をなす。また、送信アンテナ素子131,132が配列された平面と、受信アンテナ素子731,732が配列された平面との間の距離、即ち送受信間隔はDである。
なお、上述の例に限定されず、送信アンテナ素子の数と、これに対応する受信アンテナ素子の数は任意である。
図2は、第1の実施形態における通信装置100が備えるレドーム140の構成を示す説明図である。本実施形態では、位相回転部としての機能を有するレドーム140は、送信アレーアンテナ130と受信アレーアンテナ730との間に位置するように送信アレーアンテナ130の前方に配置される。レドーム140は、印加される電界の強度に応じて比誘電率が変化する液晶から構成された厚さTの誘電体層1401と、この誘電体層1401に上記電界を印加するために誘電体層1401の両面に配置された一対の電極1402,1403とを有し、上記電界の強度に応じて、誘電体層1401内を伝搬する電波の位相を回転させる。送信アレーアンテナ130から送信された無線信号(電波)は、レドーム140を通過した後に伝搬空間に放射される。レドーム740もレドーム140と同様に構成される。
なお、この例に限定されず、誘電体層1401(7401)および電極1402,1403(7402,7403)は、レドーム本体とは別体に備えられてもよい。
次に、本実施形態による無線通信システム1の動作を説明する。
送信機として機能する通信装置100において、送信部111は、データ系列S1を取得し、符号化や変調等の処理を行って、データ系列S1の送信信号を生成してアンテナ素子131に出力する。同様に、送信部112はデータ系列S2を取得し、符号化や変調等の処理を行って、データ系列S2の送信信号を生成してアンテナ素子132に出力する。ここで、データ系列S1とデータ系列S2とは、互いに独立した系列であってもよいし、相関を有する系列であってもよい。
図3に示すように、送信アンテナ素子131から受信アンテナ素子732への経路P21は、アンテナ素子131からアンテナ素子731への経路P11に対して角度θをなし、誘電体層1401の内部の伝搬距離はT/cosθ(ここで、0度<θ<90度)である。従って、アンテナ素子131からアンテナ素子731への経路P11における誘電体層1401の内部(距離T)を伝搬する間の無線信号の位相回転量と、アンテナ素子131からアンテナ素子732への経路P21における誘電体層1401の内部(距離T/cosθ)を伝搬する間の無線信号の位相回転量との差は、T(1/cosθ−1)/λ×360度である。
ここで、前述の図13に示した送信アンテナ素子TXA1,TXA2と受信アンテナ素子RXA1,RXA2との間のチャネルの行列要素hijを援用し、送信アンテナ素子131から受信アンテナ素子731へのチャネルの行列要素をh11、送信アンテナ素子131から受信アンテナ素子732へのチャネルの行列要素をh21、送信アンテナ素子132から受信アンテナ素子731へのチャネルの行列要素をh12、送信アンテナ素子132から受信アンテナ素子732へのチャネルの行列要素をh22と表す。
なお、通信装置700の位相差推定部760で推定した位相差情報を通信装置100の制御装置150にフィードバックする手段および手法は、TDD(時分割複信)やFDD(周波数分割複信)等、任意の手段および手法を用いることができ、特定の手段に限定されるものではない。
受信アンテナ素子731と、受信アンテナ素子732とは、いずれも、送信アンテナ素子131から送信された無線信号と、送信アンテナ素子132から送信された無線信号とを、両無線信号が合成された無線信号として受信し、ウェイト演算回路720に出力する。即ち、受信アンテナ素子731は、送信アンテナ素子131から送信された無線信号と、送信アンテナ素子132から送信された無線信号とが合成された無線信号を受信する。また、受信アンテナ素子732も、送信アンテナ素子131から送信された無線信号と、送信アンテナ素子132から送信された無線信号とが合成された無線信号を受信する。
以上により、送信側の通信装置100から送信されたデータ系列S1,S2が、受信側の通信装置700において、データ系列S1’,S2’として復元される。
まず、ステップS101において、通信装置100はデータ系列S1およびデータ系列S2の無線信号を送信する前に、トレーニング信号を送信する。続いて、ステップS102において、通信装置700は通信装置100から送信されたトレーニング信号を受信し、位相差推定部760で、各チャネルの位相差θHを推定した後、この位相差θHの情報を位相差情報として制御装置150,750にフィードバックする。
また、本実施形態では、チャネルの位相差θHを推定するためにトレーニング信号を用いて各チャネルの位相差θHを推定する場合を説明したが、トレーニング信号を用いずに各チャネルの位相差θHを推定する、いわゆるブラインド推定を用いてもよい。
更に、本実施形態では、チャネルの位相差θHを90度に近づけるものとしたが、これに限定されることなく、チャネルの位相差θHを任意の所望の値に近づけるものとしてもよい。後述する他の実施形態でも同様である。
次に、本発明の第2の実施形態を説明する。
なお、説明の簡略化のため、第1の実施形態と装置構成と共通する要素については、図1に示す符号を援用して説明する。
送信側および受信側の各通信装置が備えるレドーム240は、誘電体層2401と、発熱温度が可変の発熱部(温度可変部)2402とから構成される。本実施形態では、発熱部2402は誘電体層2401の一面側に取り付けられている。ただし、この例に限定されず、誘電体層2401の両面に発熱部2402を取り付けてもよい。
なお、説明の簡略化のため、送信側の通信装置が備えるレドームと、受信側の通信装置が備えるレドームを符号240により表現するが、これら送信側および受信側の各通信装置が備えるレドームは別個の要素である。
また、第1の実施形態と同様、チャネルの位相差θHを推定するアルゴリズムは、トレーニング信号を用いないブラインド推定であってもよい。
次に、本発明の第3の実施形態を説明する。
上述の第1の実施形態および第2の実施形態では、レドーム140,740,240の形状を平板状とし、この平板状のレドームの誘電体層の比誘電率を制御するものとしたが、第3の実施形態では、レドームを構成する誘電体層の形状を平板状以外の形状に加工することにより、チャネルの位相差θHを調整する。本実施形態では、アンテナ素子の正面方向に比べて斜め方向に、より厚さのある形状を有する誘電体層で構成されるレドームを使用する。このレドームを構成する誘電体層の形状に関する構成を除けば、本実施形態による無線通信システムの構成は、上述の第1または第2の実施形態と同様である。
次に、本発明の第4の実施形態を説明する。
上述の第1から第3の実施形態では、送信アンテナ素子の正面方向にも誘電体層が存在し、対向する受信アンテナ素子に無線信号が到来する過程で誘電体層の内部を無線信号が伝搬する構成であるが、第4の実施形態では、送信アンテナ素子(即ち、受信アンテナ素子)の正面方向のみにおいて誘電体材料が存在しない形状を有する誘電体層から構成されたレドームを使用する場合について説明する。その他の構成については、上述の第1から第3の実施形態と同様である。
図8(a)に示すように、送信アンテナ素子131,132の正面方向、すなわちアンテナ素子131から受信アンテナ素子731への経路P11と、送信アンテナ素子132から受信アンテナ素子732への経路P22において、レドーム440を構成する誘電体層4401には空洞4402,4403が形成されている。この空洞4402,4403は、図8(b)に示すように、誘電体層4401の一面から他面に貫通する貫通孔として形成されている。送信アンテナ素子131と送信アンテナ素子132から送信された無線信号は、それぞれ、誘電体層4401を形成する誘電体材料の内部を伝搬することなく、空洞内の空間を伝搬して受信アンテナ素子731および受信アンテナ素子732に到来する。
従って、アンテナ素子の斜め方向でのみ、誘電体層4401の比誘電率εrの変化によって無線信号の位相回転量が変化するため、第1から第3の実施形態におけるレドームを使用する場合よりも、各経路のチャネルの位相差θHの変化も大きくなり、このチャネルの位相差θHをいっそう90度に近づけることができる。
次に、本発明の第5の実施形態を説明する。
前述の第3の実施形態では、送信アンテナ素子と受信アンテナ素子との位置関係に応じて厚さが異なる形状を有する誘電体層3401を備えたレドーム340を使用する場合を説明し、第4の実施形態では、送信アンテナ素子の正面方向もしくは斜め方向の何れかのみに誘電体材料が存在しない空洞が形成された形状を有する誘電体層4401を備えたレドーム440を使用する場合を説明したが、第5の実施形態では、送信アンテナ素子の正面方向と斜め方向とで異なる種類の誘電体材料により構成される誘電体層を備えたレドームを使用する場合について説明する。その他の構成については、上述の第3または第4の実施形態と同様である。
図9に示すように、レドーム540は、送信アンテナ素子の正面方向、すなわち送信アンテナ素子131から受信アンテナ素子731への経路P21において誘電体材料5402(比誘電率εr1)からなる誘電体層と、送信アンテナ素子132から受信アンテナ素子732への経路P22において誘電体材料5403(比誘電率εr1)からなる誘電体層とを備える。加えて、レドーム540は、アンテナ素子の斜め方向、すなわち送信アンテナ素子131から受信アンテナ素子732への経路P21および送信アンテナ素子132から受信アンテナ素子732への経路P12において誘電体材料5401(比誘電率εr2)からなる誘電体層を備える。
次に、本発明の第6の実施形態を説明する。
上述の第1から第5の実施形態では、レドームを構成する誘電体層の比誘電率εrを変化させることで、各アンテナ素子間のチャネルの位相差θHを調整するものであったが、第6の実施形態では、送受信間隔Dが平面アレーアンテナの設計段階で想定した送受信間隔からずれた場合においても、誘電体層の比誘電率εrを変えることなく、誘電体層の形状によりチャネルの位相差θHを90度からずれることを防ぐ。
或るアンテナ素子の間隔dを有するアレーアンテナを使用する場合に、送受信間隔Dが変化すると、各アンテナ素子間のチャネルの位相差θHがチャネル容量が最大となる最適な90度からずれると共に、斜め方向に位置する送受アンテナ素子間の経路も変化する。すなわち、送信アンテナ素子から受信アンテナ素子を観たときの方向の角度が変化し、このため、誘電体層の内部の無線信号の伝搬経路が変化する。
例えば、上述の実施形態では、誘電体層として液晶を用いる場合を説明したが、この例に限定されることなく、比誘電率を変化させて制御することができるものであれば、どのような誘電体材料を使用してもよい。
また、上述の実施形態では、通信装置100を送信機とし、通信装置700を受信機として説明したが、通信装置100,700のそれぞれを送信機能と受信機能の双方を有する送受信機として構成してもよい。
Claims (8)
- 複数の送信アンテナ素子から構成された送信アレーアンテナと、前記複数の送信アンテナ素子にそれぞれ対向する複数の受信アンテナ素子から構成された受信アレーアンテナとを備えた無線通信システムであって、
前記送信アレーアンテナと前記受信アレーアンテナとの間に配置され、印加される電界の強度に応じて比誘電率が変化する誘電体層と前記誘電体層に前記電界を印加するための一対の電極とを有し、前記電界の強度に応じて、前記誘電体層内を伝搬する電波の位相を回転させる位相回転部と、
前記送信アレーアンテナの各送信アンテナ素子と前記受信アレーアンテナの各受信アンテナ素子との間に形成されるチャネルの位相差を推定する位相差推定部と、
前記位相差推定部により推定された前記位相差に基づいて、前記位相回転部が有する前記一対の電極間の電圧を制御することにより、所望のチャネル容量が得られるように前記チャネルの位相差を調整する位相差調整部と、
を具備することを特徴とする無線通信システム。 - 複数の送信アンテナ素子から構成された送信アレーアンテナと、前記複数の送信アンテナ素子にそれぞれ対向する複数の受信アンテナ素子から構成された受信アレーアンテナとを備えた無線通信システムであって、
前記送信アレーアンテナと前記受信アレーアンテナとの間に配置され、印加される温度に応じて比誘電率が変化する誘電体層と前記誘電体層に前記温度を印加するための発熱部とを有し、前記温度に応じて、前記誘電体層内を伝搬する電波の位相を回転させる位相回転部と、
前記送信アレーアンテナの各送信アンテナ素子と前記受信アレーアンテナの各受信アンテナ素子との間に形成されるチャネルの位相差を推定する位相差推定部と、
前記位相差推定部により推定された前記位相差に基づいて、前記位相回転部が有する前記発熱部の発熱量を制御することにより、所望のチャネル容量が得られるように前記チャネルの位相差を調整する位相差調整部と
を具備することを特徴とする無線通信システム。 - 前記誘電体層は、
相互に対向する配置関係にある前記送信アレーアンテナの送信アンテナ素子と前記受信アレーアンテナの受信アンテナ素子との間の第1経路と、相互に斜め方向に位置する配置関係にある前記送信アレーアンテナの送信アンテナ素子と前記受信アレーアンテナの受信アンテナ素子との間の第2経路とでは、当該誘電体層の厚さが異なる形状を有することを特徴とする請求項1または請求項2の何れか1項に記載の無線通信システム。 - 前記誘電体層は、
相互に対向する配置関係にある前記送信アレーアンテナの送信アンテナ素子と前記受信アレーアンテナの受信アンテナ素子との間の第1経路に沿って空洞が形成されると共に、相互に斜め方向に位置する配置関係にある前記送信アレーアンテナの送信アンテナ素子と前記受信アレーアンテナの受信アンテナ素子との間の第2経路に誘電体材料が位置する構造、または、前記第2経路に沿って空洞が形成されると共に前記第1経路に誘電体材料が位置する構造の何れかの構造を有することを特徴とする請求項1または請求項2記載の無線通信システム。 - 前記誘電体層は、
相互に対向する配置関係にある前記送信アレーアンテナの送信アンテナ素子と前記受信アレーアンテナの受信アンテナ素子との間の第1経路と、相互に斜め方向に位置する配置関係にある前記送信アレーアンテナの送信アンテナ素子と前記受信アレーアンテナの受信アンテナ素子との間の第2経路とでは、比誘電率が異なる種類の誘電体材料から構成されたことを特徴とする請求項1または請求項2の何れか1項に記載の無線通信システム。 - 複数の送信アンテナ素子から構成された送信アレーアンテナと、前記複数の送信アンテナ素子にそれぞれ対向する複数の受信アンテナ素子から構成された受信アレーアンテナとを備えた無線通信システムであって、
前記送信アレーアンテナと前記受信アレーアンテナとの間に配置され、前記送信アレーアンテナと前記受信アレーアンテナとの間の送受信間隔の変化に対して、前記送信アレーアンテナの各送信アンテナ素子と前記受信アレーアンテナの各受信アンテナ素子との間に形成されるチャネルの位相差を、チャネル容量を最大にする略一定の位相差に保つ曲面を含む形状を有する誘電体層を具備することを特徴とする無線通信システム。 - 複数の送信アンテナ素子から構成された送信アレーアンテナと、
前記複数の送信アンテナ素子にそれぞれ対向する複数の受信アンテナ素子から構成された受信アレーアンテナと、
前記送信アレーアンテナと前記受信アレーアンテナとの間に配置され、印加される電界の強度または温度に応じて比誘電率が変化する誘電体層と前記誘電体層に前記電界を印加するための一対の電極または前記誘電体層に前記温度を印加するための発熱部とを有し、前記電界の強度または前記温度に応じて、前記誘電体層内を伝搬する電波の位相を回転させる位相回転部と
を備えた無線通信システムによる無線通信方法であって、
前記送信アレーアンテナの各送信アンテナ素子と前記受信アレーアンテナの各受信アンテナ素子との間に形成されるチャネルの位相差を推定する位相差推定段階と、
前記位相差推定段階で推定された前記位相差に基づいて、前記位相回転部が有する前記一対の電極間の電圧または前記発熱部の発熱量を制御することにより、所望のチャネル容量が得られるように前記チャネルの位相差を調整する位相差調整段階と、
を含むことを特徴とする無線通信方法。 - 複数の送信アンテナ素子から構成された送信アレーアンテナと、前記複数の送信アンテナ素子にそれぞれ対向する複数の受信アンテナ素子から構成された受信アレーアンテナと、前記送信アレーアンテナと前記受信アレーアンテナとの間に配置された誘電体層を有し、前記誘電体層を伝搬する電波の位相を回転させる位相回転部とを備えた無線通信システムによる無線通信方法であって、
前記位相回転部により、前記送信アレーアンテナの各送信アンテナ素子と前記受信アレーアンテナの各受信アンテナ素子との間に形成されるチャネルの位相差を制御する段階を含み、
前記誘電体層は、前記送信アレーアンテナと前記受信アレーアンテナとの間の送受信間隔の変化に対して、前記送信アレーアンテナの各送信アンテナ素子と前記受信アレーアンテナの各受信アンテナ素子との間に形成されるチャネルの位相差を、チャネル容量を最大にする略一定の位相差に保つ曲面を含む形状を有することを特徴とする無線通信方法。
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