JP2014230094A - 無線通信システム、送信機、および受信機 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】受信アンテナ素子20_1は、送信アンテナ素子10_1から送信される電波のうち直接波と、反射波とが、互いに同じ位相で合成される第1の強電界点に設置され、受信アンテナ素子20_2は、送信アンテナ素子10_2から送信される電波のうち直接波と、反射波とが、互いに同じ位相で合成される第2の強電界点に設置され、送信アンテナ素子10_1は、送信アンテナ素子10_1から送信される電波のうち第2の強電界点に到達する直接波と、第2の強電界点に到達する反射波とが、互いに逆の位相で合成される位置に設置され、送信アンテナ素子10_2は、送信アンテナ素子10_2から送信される電波のうち第1の強電界点に到達する直接波と、第1の強電界点に到達する反射波とが、互いに逆の位相で合成される位置に設置される。
【選択図】図3
Description
無線通信において伝送速度を高速化する手法は、利用する周波数帯域を大きくする、或いは多値変調方式を使用して1シンボルで伝送される情報量を大きくする、等の手法が用いられる。
MIMO伝送では、複数の送信アンテナから同一時間、同一周波数で異なる信号を送信し、送受信機間のマルチパス環境を利用することによって、受信側で信号処理により各信号を分離し、復号する。
これにより、使用周波数帯域を広げることなく、送受アンテナ素子数に応じて通信速度を向上することができる。
60GHz帯を用いた無線LAN方式として2012年に標準化がなされたIEEE802.11adでは,1つの周波数チャネルを用いて直交周波数分割多重(OFDM)による変調で6.8Gbit/sの高速伝送を実施することができる。
こうした広い周波数帯域の利用に加えて、前述の近距離MIMO伝送のような空間多重化伝送を併用すれば、10Gbit/sを超える高速伝送を実現することが期待される。
IEEE802.11ad通信用LSIは、取り扱うデータ信号が高速であることから、消費電力が大きく、発熱や電池稼働の観点から大規模な商品展開がなされていないのが現状であり、さらにMIMO伝送を併用した装置を実現するには、そのハードルが高くなることは言うまでもない。
前記送信アレーアンテナの第iアンテナ素子と前記受信アレーアンテナの第iアンテナ素子との間を結ぶ伝搬経路でそれぞれ第i情報信号を無線周波数で変調して伝送する、ことを特徴とする。
図1は、送信アンテナ素子10_1と受信アンテナ素子20_1の配置を説明するための図である。
まず、図1に示すように、1つの送信アンテナ素子10_1と、1つの受信アンテナ素子20_1とが、電波をよく反射する平面反射体30上に配置される場合の伝搬モデルを説明する。この伝搬モデルは、一般に2波モデルと呼ばれる。送信アンテナ素子10_1から送信された無線周波数信号は、直接、受信アンテナ素子20_1に到達する直接波(経路長r1)と、一度反射体30で反射して受信アンテナ素子20_1に到達する反射波(経路長r2)がある。そのため、実際に受信アンテナ素子20_1の位置における電界は、直接波と反射波の重ね合わせとなる。
図3は、本発明の第1の実施形態による無線通信システムの一態様を示す図である。金属壁面や床面、金属レール等の反射体30の上に2素子の送受信アレーアンテナがある。送信アンテナ素子10_1と受信アンテナ素子20_1とは高さh1、送信アンテナ素子10_2と受信アンテナ素子20_2とは高さh2に設置されており、送受信アレーアンテナ(送信アレーアンテナ10、受信アレーアンテナ20)は、それぞれ垂直に2つのアンテナ素子を配列したアレーアンテナである。これらのアレーアンテナが見通し伝搬環境で、伝送距離D隔てて正面で対向している。
図3より、h11、h12、h22は、それぞれ直接波と反射波の経路差が異なるため、伝搬損失が異なることが判る。なお、h12とh21とに関しては、それぞれ直接波と反射波の経路差が等しいため、伝搬損失は等しい。
これは、ここで示したアンテナ素子の高さの条件では、当該伝送距離において、送信アンテナ素子10_1から受信アンテナ素子20_1に伝送される信号レベルを保ったまま、送信アンテナ素子10_2から受信アンテナ素子20_1に伝送される信号レベルを低減することが可能であることを示している。また、同時に、送信アンテナ素子10_2から受信アンテナ素子20_2に伝送される信号レベルを保ったまま、送信アンテナ素子10_1から受信アンテナ素子20_2に伝送される信号レベルを低減することが可能であることを示している。
ここで、SINR11は受信アンテナ素子20_1におけるSINR、SINR22は受信アンテナ素子20_2におけるSINRを示す。周波数=60GHz、伝送路が空気中であるとすると、例えば、伝送距離5mのときSINRは20dBを超える値をとり、並列伝送で相応の変調信号を伝送することが可能であることが示されている。
図4に示すような受信電力の大小関係と各伝搬経路における直接波と反射波の経路差lの関係とにより、アンテナ素子の高さh1およびh2の値の設定条件として、下記の設定条件(1)〜(3)が導き出される。
(条件2)経路h11は、直接波と反射波の経路差lが経路h12および経路h21に比べて小さいので、経路差が0波長を超え1/2波長未満であること。
(条件3)経路h22は、直接波と反射波の経路差lが経路h12および経路h21に比べて大きいので、経路h22では経路差が1/2波長を超え3/2波長未満であること。
上記の条件1より、D>>h1、h2とすると、h1およびh2は次式(7)を満たす。
上述した第1の実施形態とは異なり、縦方向ではなく、横方向にアンテナ素子を並べたアレーアンテナにおいても、直接波と反射波の合成による並列伝送が可能である。
図7は、本発明の第2の実施形態による無線通信システムの一態様を示す図である。なお、図7において、図3と同一の部分には同一の符号を付している。
図7では、2つのアンテナ素子(送信アンテナ素子10_1と送信アンテナ素子10_2、受信アンテナ素子20_1と受信アンテナ素子20_2それぞれ)が横方向に並び、アンテナ素子間隔dの送受信アレーアンテナ(送信アレーアンテナ10と受信アレーアンテナ20)が正面で対向し、伝送距離D隔てて設置された伝送路を示している。4つのアンテナ素子の位置を結んだ四角形は長方形であり、各経路の反射波は、この長方形の中心位置において反射する。なお、反射体30は、アンテナが設置されているエリアの中で、長方形の中心位置及びその周辺を覆うように設置されていれば、想定した動作が期待できる。
このように、図9は、送信アンテナ素子10_2と受信アンテナ素子20_1とを結ぶ径路h12における伝搬を示した。図7に示すアンテナ配置であれば、送信アンテナ素子10_2と受信アンテナ素子20_2を結ぶ径路h22に関しても同じ計算ができるため、送信アンテナ素子10_2から送信され、受信アンテナ素子20_2で受信する無線周波数信号の受信電力も、上記式(15)で求められる。
図10に示すように、伝送距離約175λにおいては、経路h12と経路h21を経て受信される電力が非常に小さな値をとる一方、それらに比べて経路h11と経路h22を経て受信される電力は大きな値をとっている。これは、ここで示したアンテナ素子の高さの条件では、当該伝送距離において、送信アンテナ素子10_1から受信アンテナ素子20_1に伝送される信号レベルを保ったまま、送信アンテナ素子10_2から受信アンテナ素子20_1に伝送される信号レベルを低減することが可能であることを示している。また、同時に、送信アンテナ素子10_2から受信アンテナ素子20_2に伝送される信号レベルを保ったまま、送信アンテナ素子10_1から受信アンテナ素子20_2に伝送される信号レベルを低減することが可能であることを示している。言いかえると、正面で対向する送受信アンテナ素子同士を結ぶ伝送路が並列に2つ高いアイソレーションで成立している。なお、周波数=60GHz、伝送路が空気中であるとすると、波長は5mmとなるため、アンテナ素子の高さはh1=50mm、h2=50mm、アンテナ素子間隔は500mmとなる。
また、図13は、第2の実施形態による無線通信システムにおける雑音電力の計算結果を説明するための図である。図13は、図12の場合のSIRを示す。図11の場合と比べると、SIRが大きな値をとる伝送距離、つまり、並列伝送が可能となる伝送距離は178λとなり、図11の場合に比べて大きくなることがわかる。
また、ここで図示していないが、図13とは反対に、アンテナ素子の間隔を図11の場合に比べて大きく、例えば、d=110λとすると、並列伝送が可能となる伝送距離は166λとなり小さくなることが計算で確かめられる。このことから、伝送距離に応じてアンテナの素子間隔を適切に設定すれば並列伝送は可能となることがわかる。
(条件1)経路h12と経路h21では、直接波と反射波の経路差lが1/2波長となること(直接波と反射波が逆位相で合成される)。
(条件2)経路h11と経路h22では、直接波と反射波の経路差lが1波長となること(直接波と反射波が同位相で合成される)。
上記の条件1は、式(16)および式(17)でl=1/2λとおいたものである。よって、高さhは次式(18)を満たす。
また、反射体30は、大地、電離層、金属レール、軌道、金属壁、床、天井、水面等、様々な物体や構造物が該当する。
続いて、機械的にアンテナ設置の高さまたはアンテナ素子の間隔を変更することが可能な無線通信システムの構成について説明する。図15は、本発明の第3の実施形態による無線通信システムの一態様を示す図である。
無線通信装置70_1は、送信アンテナ素子10_1の設置高さh1を、アンテナ素子位置変更機構により、機械的に変更する機能を有する。
無線通信装置70_1は、無線信号処理部71_1、71_2、SIR検出部72_1、アンテナ素子位置算出部73_1、アンテナ素子位置変更機構74_1を備えている。
無線信号処理部71_1は、無線通信装置70_1が送信アンテナ素子10_1(送信機の第1アンテナ素子)から受信アンテナ素子20_1(受信機の第1アンテナ素子)までの伝搬経路で情報信号1を無線周波数で変調して送信するための信号の処理を行う。また、無線信号処理部71_2は、無線通信装置70_1が送信アンテナ素子10_1(送信機の第2アンテナ素子)から受信アンテナ素子20_1(受信機の第2アンテナ素子)までの伝搬経路で情報信号2を、無線通信装置70_1の無線周波数と同一の無線周波数で変調して送信するための信号の処理を行う。
なお、本実施形態では、h1のみを変更する形態を示したがこれに限定されることなく、h2のみ、またはh1とh2とを変更する形態でもよく、さらにアンテナ素子の設置位置は図面の横方向、図面の奥行き方向に変更するものでもよい。
また、アンテナ素子位置変更機構74_1は人手によって変更するものであっても良い。その場合は、SIR検出部72_1がSIRを数値、指針等で表示し、ユーザがその値を見ながらSIRが最大となるように人手でアンテナ素子位置を調整する構成としてよい。
また、本実施形態は、縦方向のアレーアンテナだけではなく、横方向にアンテナ素子を並べたアレーアンテナで素子間隔を変更する構成でもよい。
続いて、アンテナ素子を、副アンテナ素子からなる副アレーとする構成について説明する。図16は、本発明の第4の実施形態による無線通信システムの一態様を示す図である。
なお、図15と同一の部分には同一の符号を付し、その説明を省略する。
第4の実施形態では、上述の第3実施形態に示したようにアンテナ素子の位置を機械的に移動させるほかに、非特許文献3に開示されているように、1つのアンテナ素子を複数の副アレーから構成されるものにして、図15に示したアンテナ素子位置変更機構74_1の代わりに、副アレー内の各アンテナ素子への給電電力の比率を変更する重み付け変更機構75_1を設ける。
なお、本実施形態では、送信アンテナ素子10_1のみを副アレーとする形態を示したが、これに限定されることなく、送信アンテナ素子10_2のみ、または送信アンテナ素子10_1と送信アンテナ素子10_2の両方を変更する形態でもよい。
また、上述の第3の実施形態と同様、人手によって副アレー内重み付けを調整する機構であってもよい。その場合は、SIR検出部72_1がSIRを数値、指針等で表示し、ユーザがその値を見ながらSIRが最大となるように、人手で副アレーの給電電力の比率を調整する。また、本実施形態は、縦方向のアレーアンテナだけではなく、横方向にアンテナ素子を並べたアレーアンテナで素子間隔を変更する構成でもよい。
図17は、本発明の第5の実施形態による無線通信システムの一態様を示す図である。図17に示すように、第5の実施形態では、反射体30の上に3素子の送受信アレーアンテナ(送信アレーアンテナ10、および受信アレーアンテナ20)がある。
送信アンテナ素子10_iと受信アンテナ素子20_j(j=1、2、3)は、それぞれ高さhk(k=1、2、3)に設置されており、送受信アレーアンテナは反射体30に垂直に3つのアンテナ素子を配列したアレーアンテナである。これらのアレーアンテナが見通し伝搬環境で、伝送距離D隔てて正面で対向している。
つまり、送信アンテナ素子数が3、受信アンテナ素子数が3であるので、このMIMO伝送路は9個の電波伝搬経路を持つ。
そして、上述した2波モデルのように、ぞれぞれの伝搬経路は、アンテナ素子間を結ぶ直接波と、反射体において1回反射した反射波の両方による伝搬から成り立っている。
(条件)経路hijと経路hji(iとjとは等しくない)では、直接波と反射波の経路差lが1/2波長の奇数倍であること(直接波と反射波が逆位相で合成されること)。
このように、伝送距離Dが与えられたとき、アンテナ素子の高さhk(k=1、2、3)の値を設定することができる。
図18は、本発明の第6の実施形態による無線通信システムの一態様を示す図である。図18に示すように、第6の実施形態では、反射体30の上に3素子の送受信アレーアンテナ(送信アレーアンテナ10および受信アレーアンテナ20)がある。送信アンテナ素子10_iと受信アンテナ素子20_iとは、それぞれ高さhk(k=1、2、3)に設置されており、送受信アレーアンテナは反射体30に平行に3つのアンテナ素子を配列したアレーアンテナである。また、アンテナ素子間隔はdである。これらのアレーアンテナが見通し伝搬環境で、伝送距離D隔てて正面で対向している。
つまり、送信アンテナ素子数が3、受信アンテナ素子数が3であるので、このMIMO伝送路は9個の電波伝搬経路を持つ。そして、上述した2波モデルのように、ぞれぞれの伝搬経路は、アンテナ素子間を結ぶ直接波と、反射体30において1回反射した反射波との両方による伝搬から成り立っている。
図18に示す構成から明らかなように、直接波と反射波の経路長が同一の伝搬経路は等しい。具体的に言うと、h11=h22=h33、h12=h21=h23=h32、さらにh13=h31である。上述の通り伝搬経路は9個あるが、値はこのように3種類しか存在しない。
(条件)経路hijと経路hji(iとjとは等しくない)では、直接波と反射波の経路差lが1/2波長の奇数倍であること(直接波と反射波が逆位相で合成されること)。
Claims (8)
- M(Mは自然数)個のアンテナ素子から構成される送信アレーアンテナを持つ送信機と、
N(Nは自然数)個のアンテナ素子から構成される受信アレーアンテナを持つ受信機と、
から構成される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が正面で対向し、
前記送信アレーアンテナと前記受信アレーアンテナの間には前記送信アレーアンテナの中心と前記受信アレーアンテナの中心とを結ぶ直線と平行な平面の反射体が設置され、
前記受信アレーアンテナの第i(iはN以下の自然数)アンテナ素子は、
前記送信アレーアンテナの第iアンテナ素子から送信される電波のうち直接到達する直接波と、前記送信アレーアンテナの第iアンテナ素子から送信される電波のうち前記反射体において1回反射して到達する反射波とが、互いに180°×n(nは奇数)以外の位相差で合成され、かつ、
前記送信アレーアンテナの第j(jはM以下のすべての自然数、かつj≠i)アンテナ素子から送信される電波のうち直接到達する直接波と、前記送信アレーアンテナの第jアンテナ素子から送信される電波のうち前記反射体において1回反射して到達する反射波とが、互いに逆の位相で合成される位置に設置され、
かつ、
前記送信アレーアンテナの第i(iはM以下の自然数)アンテナ素子は、
前記受信アレーアンテナの第iアンテナ素子から送信される電波のうち直接到達する直接波と、前記受信アレーアンテナの第iアンテナ素子から送信される電波のうち前記反射体において1回反射して到達する反射波とが、互いに180°×n(nは奇数)以外の位相差で合成され、かつ、
前記受信アレーアンテナの第j(jはN以下のすべての自然数、かつj≠i)アンテナ素子から送信される電波のうち直接到達する直接波と、前記受信アレーアンテナの第jアンテナ素子から送信される電波のうち前記反射体において1回反射して到達する反射波とが、互いに逆の位相で合成される位置に設置され、
前記送信アレーアンテナの第iアンテナ素子と前記受信アレーアンテナの第iアンテナ素子との間を結ぶ伝搬経路でそれぞれ第i情報信号を無線周波数で変調して伝送する、
ことを特徴とする無線通信システム。 - 前記送信機のM個のアンテナ素子は前記反射体と垂直な方向に配列された前記送信アレーアンテナを構成し、
前記受信機のN個のアンテナ素子は前記反射体と垂直な方向に配列された前記受信アレーアンテナを構成し、
前記アンテナ素子各々の垂直方向の高さは、伝送路内における無線周波数信号の波長と伝送距離と基づいて設定される、
ことを特徴とする請求項1に記載の無線通信システム。 - 前記反射体は前記送信アレーアンテナと前記受信アレーアンテナを結ぶ線分上に配置される帯状である、
ことを特徴とする請求項1または請求項2いずれかに記載の無線通信システム。 - 前記送信機のM個のアンテナ素子は前記反射体と平行な方向に配列された前記送信アレーアンテナを構成し、
前記受信機のN個のアンテナ素子は前記反射体と平行な方向に配列された前記受信アレーアンテナを構成し、
前記アンテナ素子各々の垂直方向の高さと素子間隔は、それぞれ伝送路内における無線周波数信号の波長と伝送距離と基づいて設定される、
ことを特徴とする請求項1に記載の無線通信システム。 - 前記反射体は4つのアンテナ素子の位置を結んで出来る長方形の中心位置に設置される平面である、
ことを特徴とする請求項1または請求項4いずれか一項に記載の無線通信システム。 - 前記アンテナ素子は、副アンテナ素子からなる副アレーである、
ことを特徴とする請求項1から請求項5いずれか一項に記載の無線通信システム。 - 請求項1から請求項6いずれか一項に記載の送信機であって、
前記送信機は、
前記送信アレーアンテナにおけるアンテナ素子のビーム中心位置を機械的に可動とする、
ことを特徴とする送信機。 - 請求項1から請求項6いずれか一項に記載の受信機であって、
前記受信機は、
前記受信アレーアンテナにおけるアンテナ素子のビーム中心位置を機械的に可動とする、
ことを特徴とする受信機。
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