JP2016111433A - 無線通信システム及び無線通信方法 - Google Patents

Abstract

【課題】演算量が膨大な逆行列演算を必要としない送信ビームフォーミングにより、送信アレーアンテナと受信アレーアンテナとの位置ずれに低演算量で対応可能な無線通信システムおよび無線通信方法を提供する。【解決手段】複数の第１のアンテナ素子から構成された第１のアレーアンテナを具備する携帯端末と、第１のアンテナ素子の数と同数の第２のアンテナ素子から構成された第２のアレーアンテナを具備する情報端末とを具備する無線通信システムであって、第１のアンテナ素子の位置を検出する位置検出部と、第１のアンテナ素子と第２のアンテナ素子との位置ずれ量と、送信ビームフォーミングを行うためのウェイト行列とが対応付けられたデータテーブルから、検出された第１のアンテナ素子の位置情報と既知である第２のアンテナ素子の位置情報とに基づいてウェイト行列を選定するウェイト選定部と、を情報端末に具備する無線通信システム。【選択図】図２

Description

本発明は、無線通信システム及び無線通信方法に関する。

近年、スマートフォン及び無線ＬＡＮ（Local Area Network）の普及、無線伝送される画像及び動画等の高精細化により、無線トラフィックが急増しており、マイクロ波帯の周波数逼迫が問題となっている。この問題を解決するため、無線通信システムの更なる高速化が求められており、潤沢な周波数帯域を用いて超高速無線伝送が可能なミリ波帯の利用が検討されている。例えば６０ＧＨｚ帯は、日本国内においては９ＧＨｚ幅の広帯域を無線局免許なしで利用可能である。ＩＥＥＥ８０２．１１ａｄやＷｉｒｅｌｅｓｓＨＤ等のミリ波無線規格は、近年注目されている周波数帯の無線規格であり、標準化が進められている。

情報端末（例えばキオスク端末）と携帯端末との間でのミリ波を用いた非接触通信（通信距離は数ｃｍ）が検討されている。具体的には、街頭、駅、空港等の公共施設、コンビニエンスストア等の店舗などに設置された情報端末に、ユーザが携帯端末を近づけた場合、電子書籍や音楽、映画などの大容量コンテンツを携帯端末が瞬時にダウンロードするサービスが考えられている。

上記ユースケースで使用される非接触通信において、更なる通信速度の向上を目的とし、ＭＩＭＯ（Multiple-Input Multiple-Output）の適用が検討されている。ＭＩＭＯ伝送では、同一の時間及び周波数で、複数の送信アンテナから複数の信号が送信される。この送信によって、ＭＩＭＯ伝送は、使用する周波数帯域を広げることなく、送受信アンテナ素子の数に応じて、通信速度を向上させることができる。

移動体通信や無線ＬＡＮにおけるＭＩＭＯ伝送では、送信機と受信機との間がマルチパス環境であることが前提とされている。ＭＩＭＯ伝送は、マルチパス環境によって各送受信アンテナ素子間の空間相関を低くすることによって、高いチャネル容量を達成することができる。

ところが、近年、例えば非特許文献１に示されているように、送信機と受信機とが近接して直接波が支配的な環境においてもＭＩＭＯ伝送が適用可能であることが、注目されている。以下、送信機と受信機が近接した環境におけるＭＩＭＯ伝送を、「近距離ＭＩＭＯ伝送」という。

非特許文献１に示す近距離ＭＩＭＯ伝送では、送信機と受信機との間の距離に応じてアレーアンテナの素子間隔が適切に設定された場合には、マルチパス環境でないにもかかわらず、各送受信アンテナ素子間の空間相関が低くなる。この場合、近距離ＭＩＭＯ伝送は、高いチャネル容量を達成することができる。

この近距離ＭＩＭＯ伝送によって実際に高速無線通信を実現するためには、送受信アンテナ素子を適切に配置することに加え、送受信機における信号処理技術が必要である。例えば非特許文献１では、ＭＩＭＯ伝送の最適送受信方法として知られている固有モード伝送法の特性と、低演算負荷でＭＩＭＯ伝送が可能なゼロフォーシング法（以下、「ＺＦ法」という。）の特性との比較が行われている。固有モード伝送法とは、送受信機の両方で信号処理を行う手法である。ＺＦ法とは、送信機か受信機のどちらか一方で信号処理を行う手法である。

ここで、情報端末と携帯端末との間の非接触通信を考えると、携帯端末は回路規模や消費電力の制約が厳しい。このため、携帯端末側で信号処理を行う方式は適していない。したがって、送信側（情報端末側）でのみ信号処理を行うＺＦ法が有力であると考えられる。以下では、送信側でＺＦ法によるビームフォーミングを行う方式を、「送信ＺＦ−ＢＦ法」という。

送信ＺＦ−ＢＦ法では、ビームフォーミングを行うために必要となるＺＦウェイト行列を生成するために、送信機は、送受信機間の伝搬チャネル情報を把握する必要がある。複信方式としてＴＤＤ（Time Division Duplex：時分割複信）方式を採用する場合、上りと下りでのチャネルの対称性を利用したビームフォーミング法の検討が行われている。このビームフォーミング法では、情報端末は、携帯端末から情報端末に送信される上り信号から伝搬チャネル情報を取得する。また、情報端末は、その伝搬チャネル情報に基づいてウェイト行列を生成し、生成したウェイト行列を下り信号に乗算することで送信ビームフォーミングを行う。

西森，関，本間，平賀，溝口，"近距離ＭＩＭＯ通信に適した伝送方法に関する検討" 信学技報，AP2009-83，Sep. 2009

一般的に送信ＺＦ−ＢＦ法では、携帯端末から情報端末に送信される上り信号から取得した伝搬チャネル行列に対して、情報端末は、逆行列演算を行うことによってＺＦウェイト行列を生成する。しかしながら、逆行列演算における演算量はアンテナ素子数の３乗に比例する。このため、この演算をリアルタイム処理するためには、情報端末に膨大な回路規模が必要となる、という問題があった。

上記事情に鑑み、本発明は、演算量が膨大な逆行列演算を必要としない送信ビームフォーミングにより、送信アレーアンテナと受信アレーアンテナとの位置ずれに低演算量で対応可能な無線通信システムおよび無線通信方法を提供することを目的としている。

本発明の一態様は、複数の第１のアンテナ素子から構成された第１のアレーアンテナを具備する携帯端末と、前記第１のアンテナ素子の数と同数の第２のアンテナ素子から構成された第２のアレーアンテナを具備する情報端末とを具備する無線通信システムであって、前記第１のアンテナ素子の位置を検出する位置検出部と、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位置ずれ量と、送信ビームフォーミングを行うためのウェイト行列とが対応付けられたデータテーブルから、前記検出された第１のアンテナ素子の位置情報と、既知である前記第２のアンテナ素子の位置情報とに基づいてウェイト行列を選定するウェイト選定部と、を前記情報端末に具備する無線通信システムである。

本発明の一態様は、複数の第１のアンテナ素子から構成された第１のアレーアンテナを具備する携帯端末と、前記第１のアンテナ素子の数に比べて多数の第２のアンテナ素子から構成された第２のアレーアンテナを具備する情報端末とを具備する無線通信システムであって、前記第１のアンテナ素子の位置を検出する位置検出部と、前記検出された第１のアンテナ素子の位置情報と、既知である前記第２のアンテナ素子の位置情報とに基づいて、信号の送信に使用する前記第２のアンテナ素子を選定するアンテナ選定部と、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位置ずれ量と、送信ビームフォーミングを行うためのウェイト行列とが対応付けられたデータテーブルから、前記第１のアンテナ素子の位置情報と、前記選定された第２のアンテナ素子の位置情報とに基づいてウェイト行列を選定するウェイト選定部と、を前記情報端末に具備する無線通信システムである。

本発明の一態様は、前記アンテナ選定部が、前記検出された第１のアンテナ素子の位置情報と、既知である前記第２のアンテナ素子の位置情報とに基づいて、前記第１のアンテナ素子に最も近い位置にある前記第２のアンテナ素子を、信号の送信に使用するアンテナ素子として選定し、前記ウェイト選定部が、前記第１のアンテナ素子と前記選定された第２のアンテナ素子との位置ずれ量と、送信ビームフォーミングを行うためのウェイト行列とが対応付けられた前記データテーブルから、ウェイト行列を選定する無線通信システムである。

本発明の一態様は、前記ウェイト選定部が、所要品質を維持できる前記位置ずれ量の範囲の一部が互いに重なり合うように生成された複数のウェイト行列を含む前記データテーブルから、ウェイト行列を選定する無線通信システムである。

本発明の一態様は、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うち少なくとも一方が、円偏波アンテナである無線通信システムである。

本発明の一態様は、給電比に応じて前記第２のアンテナ素子に対して給電する電力分配器を具備し、前記第２のアンテナ素子が、２点給電によって偏波面を制御可能なアンテナ素子であり、前記電力分配器が、前記第２のアンテナ素子に対する前記検出された第１のアンテナ素子の回転角に基づいて、前記第２のアンテナ素子に対する前記第１のアンテナ素子の回転角と、前記給電比と、前記ウェイト行列とが対応付けられた前記データテーブルから、前記給電比を選定し、前記選定した給電比で前記第２のアンテナ素子に対して給電する無線通信システムである。

本発明の一態様は、複数の第１のアンテナ素子から構成された第１のアレーアンテナを具備する携帯端末と、前記第１のアンテナ素子の数と同数の第２のアンテナ素子から構成された第２のアレーアンテナを具備する情報端末とを具備する無線通信システムにおける無線通信方法であって、前記第１のアンテナ素子の位置を検出するステップと、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位置ずれ量と、送信ビームフォーミングを行うためのウェイト行列とが対応付けられたデータテーブルから、前記検出された第１のアンテナ素子の位置情報と、既知である前記第２のアンテナ素子の位置情報とに基づいてウェイト行列を選定するステップと、を有する無線通信方法である。

本発明の一態様は、複数の第１のアンテナ素子から構成された第１のアレーアンテナを具備する携帯端末と、前記第１のアンテナ素子の数に比べて多数の第２のアンテナ素子から構成された第２のアレーアンテナを具備する情報端末とを具備する無線通信システムにおける無線通信方法であって、前記第１のアンテナ素子の位置を検出するステップと、前記検出された第１のアンテナ素子の位置情報と、既知である前記第２のアンテナ素子の位置情報とに基づいて、信号の送信に使用する前記第２のアンテナ素子を選定するステップと、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位置ずれ量と、送信ビームフォーミングを行うためのウェイト行列とが対応付けられたデータテーブルから、前記第１のアンテナ素子の位置情報と、前記選定された第２のアンテナ素子の位置情報とに基づいてウェイト行列を選定するステップと、を有する無線通信方法である。

本発明の一態様は、前記第２のアンテナ素子を選定するステップでは、前記検出された第１のアンテナ素子の位置情報と、既知である前記第２のアンテナ素子の位置情報とに基づいて、前記第１のアンテナ素子に最も近い位置にある前記第２のアンテナ素子を、信号の送信に使用するアンテナ素子として選定し、前記ウェイト行列を選定するステップでは、前記第１のアンテナ素子と前記選定された第２のアンテナ素子との位置ずれ量と、送信ビームフォーミングを行うためのウェイト行列とが対応付けられた前記データテーブルから、ウェイト行列を選定する無線通信方法である。

本発明の一態様は、前記ウェイト行列を選定するステップでは、所要品質を維持できる前記位置ずれ量の範囲の一部が互いに重なり合うように生成された複数のウェイト行列を含む前記データテーブルから、ウェイト行列を選定する無線通信方法である。

本発明の一態様は、給電比に応じて前記第２のアンテナ素子に対して給電するステップを有し、前記給電比に応じて前記第２のアンテナ素子に対して給電するステップでは、２点給電によって偏波面を制御可能な前記第２のアンテナ素子に対する前記検出された第１のアンテナ素子の回転角に基づいて、前記第２のアンテナ素子に対する前記第１のアンテナ素子の回転角と、前記給電比と、前記ウェイト行列とが対応付けられたデータテーブルから、前記給電比を選定し、前記選定した給電比で前記第２のアンテナ素子に対して給電する無線通信方法である。

本発明により、無線通信システムは、演算量が膨大な逆行列演算を必要としない送信ビームフォーミングにより、送信アレーアンテナと受信アレーアンテナとの位置ずれに低演算量で対応可能となる。

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図である。 本発明の第１の実施形態における、無線通信システムの構成図である。 本発明の第１の実施形態における、アンテナ素子の位置の説明図である。 本発明の第１の実施形態における、コードブックの具体例を示す図である。 本発明の第１の実施形態における、アンテナ素子同士の位置ずれ量と、ビットエラーレートとの関係を示す図である。 本発明の第１の実施形態における、所要品質を満たすことが可能な位置ずれ量の範囲を、ウェイト行列ごとに示す図である。 本発明の第１の実施形態における、情報端末の通信手順を示すフローチャートである。 本発明の第２の実施形態における、無線通信システムの構成図である。 本発明の第２の実施形態における、アンテナ素子の選定を示す説明図である。 本発明の第２の実施形態における、情報端末の通信手順を示すフローチャートである。 本発明の第３の実施形態における、情報端末の構成図である。

本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
［第１の実施形態］
図１は、無線通信システム１ａの概略図である。無線通信システム１ａは、携帯端末１０と、情報端末２０ａとを具備する。情報端末２０ａに内蔵されたアレーアンテナは、携帯端末１０に内蔵されたアレーアンテナとの間で、非接触通信を実行する。無線通信システム１ａは、ＭブランチＭＩＭＯ（送信側と受信側それぞれＭ個のアンテナ素子を用いるＭＩＭＯ）伝送において、情報端末２０ａから携帯端末１０へのＭ個のデータ系列のデータ通信を行う。

情報端末２０ａは、例えば、街頭、駅、空港等の公共施設、コンビニエンスストア等の店舗などに設置される。距離Ｄ（例えば、数ｃｍ）までユーザが携帯端末１０を情報端末２０ａに近づけた場合、携帯端末１０は、大容量のデータを非接触通信によって情報端末２０ａからダウンロードできる。

図２は、無線通信システム１ａの構成図である。携帯端末１０の構成について説明する。携帯端末１０は、送受信部１１−１〜１１−Ｍ（Ｍは２以上の整数）と、アレーアンテナ１３を具備する。アレーアンテナ１３は、アンテナ素子１２−１〜１２−Ｍから構成される。送受信部１１−１は、所定のデータ系列Ｓ１の符号化や変調等の処理を行って得られる信号を、アンテナ素子１２−１に出力する。同様に、送受信部１１−２〜１１−Ｍは、所定のデータ系列Ｓ２〜ＳＭの符号化や変調等の処理を行って得られる信号を、アンテナ素子１２−２〜１２−Ｍに出力する。

送受信部１１−１は、アンテナ素子１２−１から出力される信号に復調や復号等の処理を施すことによって、情報端末２０ａから送信されたデータ系列を復元する。同様に、送受信部１１−２〜１１−Ｍは、アンテナ素子１２−２〜１２−Ｍから出力される信号に復調や復号等の処理を施すことによって、情報端末２０ａから送信されたデータ系列を復元する。

アンテナ素子１２−１〜１２−Ｍは、例えば、円偏波アンテナなどのアンテナ素子である。アンテナ素子１２−１〜１２−Ｍは、同一平面上に格子状に配置される。以下、アンテナ素子１２−１〜１２−Ｍに共通する事項については、符号の一部を省略して、「アンテナ素子１２」と表記する。隣り合うアンテナ素子１２の間隔はｄである。アンテナ素子１２は、情報端末２０ａとの間で無線通信を実行する。アンテナ素子１２−１〜１２−Ｍは、アンテナ素子２６−１〜２６−Ｍから送信されるＭ個の無線信号の合成信号を受信し、受信した合成信号を送受信部１１−１〜１１−Ｍに出力する。適切なウェイト行列（重み付け行列）を用いて送信ビームフォーミングが行われた場合、アンテナ素子１２−１ではＭ個の無線信号が合成されることによって、所望でないデータに対応する信号は打ち消し合う。これによって、所望のデータに対応する信号のみが残る。同様に、アンテナ素子１２−２〜１２−Ｍにおいても、所望のデータ系列が残る。

情報端末２０ａの構成について説明する。
情報端末２０ａは、送受信部２１−１〜２−Ｍと、位置検出部２２と、記憶部２３と、ウェイト選定部２４と、ウェイト演算部２５と、アレーアンテナ２７とを具備する。アレーアンテナ２７は、アンテナ素子２６−１〜２６−Ｍから構成される。アンテナ素子２６−１〜２６−Ｍは、例えば、円偏波アンテナなどのアンテナ素子である。アンテナ素子２６−１〜２６−Ｍは、同一平面上に格子状に配置される。以下、アンテナ素子２６−１〜２６−Ｍに共通する事項については、符号の一部を省略して、「アンテナ素子２６」と表記する。隣り合うアンテナ素子２６の間隔はｄである。

また、ユーザは、アレーアンテナ１３の平面とアレーアンテナ２７の平面とが平行に対向するように、アレーアンテナ面の垂直方向についての距離が距離Ｄとなるまで、携帯端末１０を情報端末２０ａに近づける。

送受信部２１−１は、送信データとして定められたデータ系列Ｓ１に符号化や変調等の処理を施して得られた信号を、ウェイト演算部２５に出力する。同様に、送受信部２１−２〜２１−Ｍは、送信データとして定められたデータ系列Ｓ２〜ＳＭに符号化や変調等の処理を施して得られた信号を、ウェイト演算部２５に出力する。データ系列Ｓ１〜ＳＭは、互いに独立したデータ系列であってもよいし、相関を有するデータ系列であってもよい。

位置検出部２２は、ユーザが情報端末２０ａに近づけた携帯端末１０のアンテナ素子１２の位置を、以下に例示する方法で検出する。例えば、携帯端末１０の送受信部１１−１〜１１−Ｍで生成した信号を、アンテナ素子１２−１〜１２−Ｍが無線送信した場合、位置検出部２２は、情報端末２０ａで受信した際の受信信号電力をアンテナ素子２６ごとに比較することによって、携帯端末１０のアンテナ素子１２の位置を検出する。また、位置検出部２２は、情報端末２０ａが内蔵するカメラ（不図示）で、情報端末２０ａにユーザが近づけた携帯端末１０を撮影し、撮影結果に基づいてアンテナ素子１２の位置を検出してもよい。

また、情報端末２０ａが赤外線センサ（不図示）を更に具備する場合には、その赤外線センサは、光源からアレーアンテナ１３の周辺に照射された赤外線を受光してもよい。この場合、位置検出部２２は、赤外線の受光結果に基づいてアンテナ素子１２の位置を検出してもよい。また、位置検出部２２は、情報端末２０ａが内蔵するスピーカー（不図示）から、携帯端末１０に向けて超音波を発信してもよい。この場合、位置検出部２２は、携帯端末１０から反射してくる超音波を、情報端末２０ａが内蔵するマイクロホン（不図示）で受信することによって、アンテナ素子１２の位置を検出してもよい。以上に例示した方法で、位置検出部２２は、携帯端末１０のアンテナ素子１２の位置を検出し、検出結果をウェイト選定部２４に出力する。

記憶部２３は、例えば、ＲＯＭ（Read Only Memory）、フラッシュメモリ、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）などの不揮発性の記憶媒体（非一時的な記憶媒体）を有する。記憶部２３は、例えば、ＲＡＭ（Random Access Memory）やレジスタなどの揮発性の記憶媒体を有していてもよい。記憶部２３は、ソフトウェア機能部を動作させるためのプログラムを記憶してもよい。

記憶部２３は、コードブック２３０を予め記憶する。コードブック２３０とは、アンテナ素子１２−ｍ（ｍは、１〜Ｍのいずれか）とアンテナ素子２６−ｍとの位置ずれ量と、送信ビームフォーミングに使用するウェイト行列とを対応付けたデータテーブルである。コードブック２３０の詳細については後述する。

ウェイト選定部２４は、位置検出部２２から出力された携帯端末１０のアンテナ素子１２の位置検出結果に基づいて、位置ずれ量を算出する。ウェイト選定部２４は、位置ずれ量に基づいて、記憶部２３に記憶されているコードブック２３０からウェイト行列を選定する。ウェイト選定部２４は、この選定結果をウェイト演算部２５に出力する。

ウェイト演算部２５は、送受信部２１−１〜２１−Ｍから出力される信号に、ウェイト選定部２４から出力されるウェイト行列を乗算し、それにより得られるＭ個の信号を、アンテナ素子２６−１〜２６−Ｍから無線送信する。

次に、コードブック２３０について説明する。以下では、情報端末２０ａのアンテナ素子２６の数Ｍと、携帯端末１０のアンテナ素子１１の数Ｍとが４の場合、すなわち４ブランチＭＩＭＯの場合を例に挙げて説明する。

図３は、アンテナ素子１２の位置の説明図である。また、図４は、コードブック２３０の具体例を示す図である。説明を簡単にするため、アンテナ素子１２とアンテナ素子２６との位置ずれがｘ軸方向にのみ生じる場合について説明する。

図４に示すように、コードブック２３０では、アレーアンテナ１３とアレーアンテナ２７との位置ずれ量Δｘと、送信ビームフォーミングに使用するウェイト行列とが対応付けられている。例えば、位置ずれ量が「０≦Δｘ＜ｘ１」である場合、情報端末２０ａは、送受信部２１−１〜２１−４から出力される信号に、その位置ずれ量に対応付けられたウェイト行列Ｗ_０を乗算することで、送信ビームフォーミングを行う。また、例えば、位置ずれ量が「ｘ１≦Δｘ＜ｘ２」である場合、情報端末２０ａは、その位置ずれ量に対応付けられたウェイト行列Ｗ_１を同様に用いて、送信ビームフォーミングを行う。

このように、情報端末２０ａは、位置検出部２２で検出した位置ずれ量に応じて、使用するウェイト行列をコードブック２３０から選定し、送信ビームフォーミングを行う。ここで、位置ずれ量の範囲を定める閾値ｘ１、ｘ２、ｘ３…は、一つのウェイト行列で適用できる位置ずれ量の範囲に応じて定められる。この場合、位置検出の誤差を許容するために、所要品質を維持できる位置ずれ量の範囲の一部が互いに重なり合うように、それぞれのウェイト行列にマージンが設けられてもよい。コードブック２３０は、このようにマージンが設けられたウェイト行列を含んでもよい。

図５は、アンテナ素子１２とアンテナ素子２６との位置ずれ量と、ビットエラーレート（BER: Bit Error Rate）との関係を示す図である。図５に示すｘｉｍｍ＿ｗｅｉｇｈｔは、Δｘ＝ｉ［ｍｍ］である場合のチャネル行列Ｈ_ｉに対して、逆行列演算を行って生成されるウェイト行列を示す。すなわち、ｘｉｍｍ＿ｗｅｉｇｈｔ＝Ｈ_ｉ ^−１である。位置ずれ量１．５ｍｍごとのウェイト行列は、コードブック２３０に予め記録されている。

図５では、送信アンテナ素子と受信アンテナ素子は、それぞれ４素子である。素子間隔ｄは８．６ｍｍである。送受信間隔Ｄは３０ｍｍである。なお、４個の送信アンテナ素子が配置された送信アレーアンテナ面と、４個の受信アンテナ素子が配置された受信アレーアンテナ面とが平行に対向するように、ユーザは携帯端末１０を情報端末２０ａに近づける。

図５では、中心周波数は６１．５６ＧＨｚである。サブキャリア間隔は５．１６ＭＨｚである。サブキャリア数は８３７である。一次変調はＯＦＤＭ信号の１６ＱＡＭである。４個の送信アンテナ素子からの総送信電力は、１０．０ｄＢｍである。受信機の雑音電力は、−７０．６ｄＢｍである。Δｘは、アレーアンテナ１３とアレーアンテナ２７とのｘ軸方向の位置ずれ量を示す。Δｙは、アレーアンテナ１３とアレーアンテナ２７とのｙ軸方向の位置ずれ量を示す。図５には、図３に示すようにｘ軸方向のみに位置ずれが生じた場合（Δｙ＝０）の特性が示されている。

図６は、所要品質（ＢＥＲ＜１０^−２）を満たすことが可能な位置ずれ量の範囲を、ウェイト行列ごとに示す図である。図６に示されているように、それぞれのウェイト行列で所要品質を満たすことが可能な位置ずれ量の範囲は、ウェイト行列の基準Δｘ±約１ｍｍの範囲である。情報端末２０ａは、検出した位置ずれ量に応じてウェイト行列を適切に選定することによって、広範囲の位置ずれに対応することが可能となる。

なお、図２〜６では、ｘ軸方向にのみアンテナ素子の位置ずれが生じる場合について説明したが、ｙ軸方向や角度による位置ずれが生じる場合についても、コードブック２３０を拡張することで対応可能である。例えば、ｘ軸方向とｙ軸方向との両方に位置ずれが生じる場合には、Δｘの検出結果とΔｙの検出結果の両方と、ウェイト行列とを対応付ければよい。また、例えば、アレーアンテナ１３がアレーアンテナ２７に対してある角度θ回転する場合にも対応させる場合には、角度θに関する条件を、ウェイト行列に更に対応付ければよい。

図７は、情報端末２０ａの通信手順を示すフローチャートである。
位置検出部２２は、ユーザが情報端末２０ａに携帯端末１０を近づけたことを検出する（Ｓ１０１）。
次に、位置検出部２２は、携帯端末１０のアンテナ素子１２の位置を検出する（Ｓ１０２）。
次に、ウェイト選定部２４は、使用するウェイト行列を、検出結果に基づいてコードブック２３０から選定する（Ｓ１０３）。
次に、ウェイト演算部２５は、情報端末２０ａの送受信部２１で生成された信号に、選定したウェイト行列を乗算する（Ｓ１０４）。
次に、アレーアンテナ２７は、送信ビームフォーミングを行い、無線信号を送信する（Ｓ１０５）。

以上のように、第１の実施形態の無線通信システム１ａは、複数のアンテナ素子１２から構成されたアレーアンテナ１３を具備する携帯端末１０と、アンテナ素子１２の数と同数のアンテナ素子２６から構成されたアレーアンテナ２７を具備する情報端末２０ａとを具備する無線通信システム１ａであって、アンテナ素子１２の位置を検出する位置検出部２２と、アンテナ素子１２とアンテナ素子２６との位置ずれ量と、送信ビームフォーミングを行うためのウェイト行列とが対応付けられたコードブック２３０から、検出されたアンテナ素子１２の位置情報と、既知であるアンテナ素子２６の位置情報とに基づいてウェイト行列を選定するウェイト選定部２４とを情報端末２０ａに具備する。

この構成によって、ウェイト選定部２４は、コードブック２３０からウェイト行列を選定する。これによって、第１の実施形態の無線通信システム１ａは、演算量が膨大な逆行列演算を必要としない送信ビームフォーミングにより、送信アレーアンテナと受信アレーアンテナとの位置ずれに低演算量で対応可能となる。

第１の実施形態のウェイト選定部２４は、所要品質を維持できる位置ずれ量の範囲の一部が互いに重なり合うように生成された複数のウェイト行列を含むコードブック２３０から、ウェイト行列を選定してもよい。
これによって、第１の実施形態の無線通信システム１ａは、位置検出の誤差を許容して、演算量が膨大な逆行列演算を必要としない送信ビームフォーミングにより、送信アレーアンテナと受信アレーアンテナとの位置ずれに低演算量で対応可能となる。

［第２の実施形態］
以下、第２の実施形態について説明する。第２の実施形態では、送受信部２１の数とアンテナ素子２６の数とがそれぞれＮ個（Ｎ＞Ｍ）である点と、情報端末２０ｂがアンテナ選定部２９を更に具備する点が、第１の実施形態と相違する。第２の実施形態では、第１の実施形態との相違点についてのみ説明する。

図８は、無線通信システム１ｂの構成図である。無線通信システム１ｂは、携帯端末１０と、情報端末２０ｂとを具備する。情報端末２０ｂは、携帯端末１０のアンテナ素子１２の数よりも多くのアンテナ素子２６を具備する。情報端末２０ｂは、携帯端末１０のアンテナ素子１２の位置に応じて、使用するアンテナ素子２６を、情報端末２０ｂのアンテナ素子２６の中から選定する。

アンテナ選定部２９は、位置検出部２２から出力される携帯端末１０のアンテナ素子１２の位置検出結果に基づいて、信号の送信に使用するアンテナ素子２６を、Ｎ個のアンテナ素子２６からＭ個選定し、送受信部２１−１〜２１−Ｎとウェイト選定部２４とに、選定結果を出力する。

ウェイト選定部２４は、選定されたＭ個のアンテナ素子２６と、携帯端末１０のアンテナ素子１２との位置ずれ量に基づいて、コードブック２３０からウェイト行列を選定し、選定結果をウェイト演算部２５に出力する。コードブック２３０には、アンテナ素子１２とアンテナ素子２６との位置ずれ量と、ウェイト行列とが対応付けられている。

選定されたＭ個のアンテナ素子２６に対応するＭ個の送受信部２１は、所定のデータ系列Ｓ１〜ＳＭに符号化や変調等の処理を施し、得られた信号をウェイト演算部２５に出力する。
ウェイト演算部２５では、送受信部２１から出力されるＭ個の信号に、ウェイト選定部２４から出力されるウェイト行列を乗算し、得られたＭ個の信号を、選定されたＭ個のアンテナ素子２６から携帯端末１０に向けて無線送信する。

図９は、アンテナ素子の選定を示す説明図である。図９では、Ｍ＝４、Ｎ＝１００の場合について説明する。なお、アレーアンテナ２８に対するアレーアンテナ１３の姿勢の回転は無いものとする。すなわち、アレーアンテナ１３の中心とアレーアンテナ２８の中心とが理想的な相対位置（図９に示す原点）にある状態で、アンテナ素子１２−１は、アンテナ素子２６−４５に対向する。この場合、アンテナ素子１２−２は、アンテナ素子２６−４６に対向する。アンテナ素子１２−３は、アンテナ素子２６−５５に対向する。アンテナ素子１２−４は、アンテナ素子２６−５６に対向する。

図９に示すように、携帯端末１０のアレーアンテナ１３の中心が座標（Δｘ’，Δｙ’）となるように、ユーザが携帯端末１０を情報端末２０ｂに近づけた場合、位置検出部２２は、携帯端末１０のアンテナ素子１２の位置を検出する。

アンテナ選定部２９は、情報端末２０ｂのアンテナ素子２６−１〜２６−Ｍから、検出位置に最も近い４個のアンテナ素子２６を選定する。図９では、座標（Δｘ’，Δｙ’）に最も近い４個のアンテナ素子２６は、図９に示す拡大図における、アンテナ素子２６−７８と２６−７９と２６−８８と２６−８９との４個である。情報端末２０ｂは、これら４個のアンテナ素子２６を用いて、４ブランチＭＩＭＯ伝送を行う。このようにアンテナ素子２６の選定を行うことで、携帯端末１０を近づけた場合に生じた位置ずれ量（Δｘ’，Δｙ’）は、図９に示す拡大図に示す位置ずれ量（Δｘ，Δｙ）に変換可能である。

したがって、コードブック２３０には、アンテナ素子２６の間隔ｄ程度の範囲に適用さされる必要な個数のウェイト行列が、少なくとも記録されていればよい。これによって、情報端末２０ｂは、コードブック２３０のサイズを増大させることなく、アンテナ素子１２とアンテナ素子２６との広範囲の位置ずれに対応可能となる。

なお、図９では、ｘ軸方向及びｙ軸方向以外の位置ずれが生じる場合についても、第１の実施形態と同様にコードブック２３０を拡張することで、情報端末２０ｂは、位置ずれに対応可能である。例えば、アレーアンテナ１３がアレーアンテナ２８に対して角度θ回転している場合に対応させる場合には、コードブック２３０は、角度θに関する条件とウェイト行列とを対応付けて含んでもよい。

図１０は、情報端末２０ｂの通信手順を示すフローチャートである。
位置検出部２２は、ユーザが情報端末２０ｂに携帯端末１０を近づけたことを検出する（Ｓ２０１）。
次に、位置検出部２２は、携帯端末１０のアンテナ素子１２の位置を検出する（Ｓ２０２）。
次に、アンテナ選定部２９は、位置検出結果に基づいて、信号を送信するアンテナ素子２６を選定する（Ｓ２０３）。
次に、ウェイト選定部２４は、選定されたアンテナ素子２６と、携帯端末１０のアンテナ素子１２との位置ずれ量に基づいて、コードブック２３０からウェイト行列を選定する（Ｓ２０４）。
次に、ウェイト演算部２５は、情報端末２０ｂの送受信部２１で生成された信号に、選定したウェイト行列を乗算する（Ｓ２０５）。
次に、アレーアンテナ２８は、送信ビームフォーミングを行い、無線信号を送信する（Ｓ２０６）。

以上のように、第２の実施形態の無線通信システム１ｂは、複数のアンテナ素子１２から構成されたアレーアンテナ１３を具備する携帯端末１０と、アンテナ素子１２の数に比べて多数のアンテナ素子２６から構成されたアレーアンテナ２８を具備する情報端末２０ｂとを具備する無線通信システム１ｂであって、アンテナ素子１２の位置を検出する位置検出部２２と、検出されたアンテナ素子１２の位置情報と、既知であるアンテナ素子２６の位置情報とに基づいて、信号の送信に使用するアンテナ素子２６を選定するアンテナ選定部２９と、アンテナ素子１２とアンテナ素子２６との位置ずれ量と、送信ビームフォーミングを行うためのウェイト行列とが対応付けられたコードブック２３０から、アンテナ素子１２の位置情報と、選定されたアンテナ素子２６の位置情報とに基づいてウェイト行列を選定するウェイト選定部２４とを情報端末２０ｂに具備する。
これによって、第２の実施形態の無線通信システム１ｂは、演算量が膨大な逆行列演算を必要としない送信ビームフォーミングにより、送信アレーアンテナと受信アレーアンテナとの位置ずれに低演算量で対応可能となる。

第２の実施形態のアンテナ選定部２９は、検出されたアンテナ素子１２の位置情報と、既知であるアンテナ素子２６の位置情報とに基づいて、アンテナ素子１２に最も近い位置にあるアンテナ素子２６を、信号の送信に使用するアンテナ素子２６として選定し、ウェイト選定部２４は、アンテナ素子１２と選定されたアンテナ素子２６との位置ずれ量と、送信ビームフォーミングを行うためのウェイト行列とが対応付けられたコードブック２３０から、ウェイト行列を選定してもよい。

これによって、第２の実施形態の無線通信システム１ｂは、コードブック２３０のサイズが必要以上に大きくさせることなく、演算量が膨大な逆行列演算を必要としない送信ビームフォーミングにより、送信アレーアンテナと受信アレーアンテナとの位置ずれに低演算量で対応可能となる。

［第３の実施形態］
以下、第３の実施形態について説明する。第３の実施形態では、アレーアンテナ３０の各アンテナ素子２６が２点給電により偏波面を制御可能なアンテナである点と、各アンテナ素子２６への給電比を制御する電力分配器３１−１〜３１−Ｎを情報端末２０ｃが具備する点と、コードブックに角度θに応じた給電比の設定値が記録されている点とが、第１の実施形態及び第２の実施形態と相違する。以下では、第１の実施形態及び第２の実施形態との相違点についてのみ説明する。

第１の実施形態および第２の実施形態で説明したように、角度θに関する条件をコードブック２３０に追加することで、アレーアンテナ１３がアレーアンテナ３０に対してある角度θ回転して配置された場合にも、無線通信システム１ａ及び１ｂは、演算量が膨大な逆行列演算を必要としない送信ビームフォーミングにより、送信アレーアンテナと受信アレーアンテナとの位置ずれに低演算量で対応可能となる。

ここで、アレーアンテナ１３の各アンテナ素子１２と、アレーアンテナ３０の各アンテナ素子２６とが、直線偏波を放射するアンテナ素子である場合には、受信電力は低下してしまう。アレーアンテナ１３が角度θ回転したことによって、アレーアンテナ１３のアンテナ素子１２と、アレーアンテナ２７のアンテナ素子２６との偏波面が、ずれてしまうためである。この偏波面のずれに対応するためにアレーアンテナ３０のアンテナ素子２６に円偏波アンテナを用いた場合、アレーアンテナ１３の角度による受信電力の低下を抑えることはできるが、最大の受信電力が３ｄＢ低下してしまう。

第３の実施形態の無線通信システムは、アレーアンテナ２７に対するアレーアンテナ１３の回転角θに応じて、アレーアンテナ３０のアンテナ素子１６の偏波面を回転させることによって、受信電力の低下を防ぐことができる。第３の実施形態の無線通信システムは、携帯端末１０と、情報端末２０ｃとを具備する。

図１１は、情報端末２０ｃの構成図である。図１１では、情報端末２０ｃは、図２に示す情報端末２０ａのアレーアンテナ２７がアレーアンテナ３０に置き換えられた構成を具備している。この場合には、アレーアンテナ３０は、Ｍ個のアンテナ素子２６及び電力分配器３１を備える。

なお、情報端末２０ｃは、図８に示す情報端末２０ｂのアレーアンテナ２８がアレーアンテナ３０に置き換えられた構成を具備してもよい。この場合には、アレーアンテナ３０は、アンテナ選定部２９と、Ｎ個（Ｎ＞Ｍ）のアンテナ素子２６及び電力分配器３１とを備える。

図１１では、ウェイト演算部２５は、送受信部２１から出力されるＭ個の信号に、ウェイト選定部２４から出力されるウェイト行列を乗算し、Ｍ個の信号を電力分配器３１−１〜３１−Ｍに出力する。アンテナ素子２６は、２点給電により偏波面を制御可能である。
コードブック２３０では、角度θに応じた給電比の設定値と、ウェイト行列とが対応付けられている。

電力分配器３１−１〜３１−Ｍは、記憶部２３に記憶されているコードブック２３０から、アンテナ素子２６の給電比を取得する。電力分配器３１は、ウェイト演算部２５から出力されるＭ個の信号を、アレーアンテナ３０に対する検出したアレーアンテナ１３の回転角θに基づいて、コードブック２３０から取得した給電比で分配し、アンテナ素子２６−１〜２６−Ｍに出力する。

電力分配器３１は、検出された回転角θに基づいて給電比を制御する。これによって、アレーアンテナ２７に対してアレーアンテナ１３が角度θ回転することによって偏波面がずれた場合でも、電力分配器３１は、アンテナ素子２６−１〜２６−Ｍの偏波面を回転させることができる。また、電力分配器３１は、アレーアンテナ３０の受信電力の低下を防ぐことができる。

なお、アレーアンテナ３０の各アンテナ素子２６の偏波面を制御する場合について説明したが、携帯端末１０が複数の電力分配器を備える場合には、これら複数の電力分配器は、アレーアンテナ１３の各アンテナ素子１２の偏波面を制御してもよい。その場合、携帯端末１０は、回転角θを検出する機能部を備える。また、情報端末２０ｃは、情報端末２０ｃで検出した回転角θの情報を携帯端末１０に通知してもよい。

以上のように、第３の実施形態の無線通信システムは、アンテナ素子１２とアンテナ素子２６とのうち少なくとも一方は、偏波面を制御可能なアンテナでもよい。
第３の実施形態の無線通信システムは、給電比に応じてアンテナ素子２６に対して給電する電力分配器３１を具備してもよい。アンテナ素子２６は、２点給電によって偏波面を制御可能なアンテナ素子でもよい。電力分配器３１は、アンテナ素子２６に対する検出されたアンテナ素子１２の回転角に基づいて、アンテナ素子２６に対するアンテナ素子１２の回転角と、給電比と、ウェイト行列とが対応付けられたコードブック２３０から、給電比を選定し、選定した給電比でアンテナ素子２６に対して給電してもよい。
これによって、第３の実施形態の無線通信システムは、アレーアンテナ３０における受信電力の低下を防ぐことが可能となる。

上述した実施形態における情報端末や携帯端末をコンピュータで実現するようにしてもよい。その場合、この機能を実現するためのプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行することによって実現してもよい。なお、ここでいう「コンピュータシステム」とは、ＯＳや周辺機器等のハードウェアを含むものとする。また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ、ＣＤ−ＲＯＭ等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。さらに「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線を介してプログラムを送信する場合の通信線のように、短時間の間、動的にプログラムを保持するもの、その場合のサーバやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリのように、一定時間プログラムを保持しているものも含んでもよい。また上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであってもよく、さらに前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるものであってもよく、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）等のプログラマブルロジックデバイスを用いて実現されるものであってもよい。

以上、この発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計等も含まれる。

１ａ…無線通信システム、１ｂ…無線通信システム、１０…携帯端末、１１…送受信部、１２…アンテナ素子、１３…アレーアンテナ、２０ａ…情報端末、２０ｂ…情報端末、２０ｃ…情報端末、２１…送受信部、２２…位置検出部２２、２３…記憶部、２４…ウェイト選定部、２５…ウェイト演算部、２６…アンテナ素子、２７…アレーアンテナ、２８…アレーアンテナ、２９…アンテナ選定部、３０…アレーアンテナ、３１…電力分配器、２３０…コードブック、

Claims (11)

1. 複数の第１のアンテナ素子から構成された第１のアレーアンテナを具備する携帯端末と、前記第１のアンテナ素子の数と同数の第２のアンテナ素子から構成された第２のアレーアンテナを具備する情報端末とを具備する無線通信システムであって、
   前記第１のアンテナ素子の位置を検出する位置検出部と、
   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位置ずれ量と、送信ビームフォーミングを行うためのウェイト行列とが対応付けられたデータテーブルから、前記検出された第１のアンテナ素子の位置情報と、既知である前記第２のアンテナ素子の位置情報とに基づいてウェイト行列を選定するウェイト選定部と、
   を前記情報端末に具備する無線通信システム。
2. 複数の第１のアンテナ素子から構成された第１のアレーアンテナを具備する携帯端末と、前記第１のアンテナ素子の数に比べて多数の第２のアンテナ素子から構成された第２のアレーアンテナを具備する情報端末とを具備する無線通信システムであって、
   前記第１のアンテナ素子の位置を検出する位置検出部と、
   前記検出された第１のアンテナ素子の位置情報と、既知である前記第２のアンテナ素子の位置情報とに基づいて、信号の送信に使用する前記第２のアンテナ素子を選定するアンテナ選定部と、
   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位置ずれ量と、送信ビームフォーミングを行うためのウェイト行列とが対応付けられたデータテーブルから、前記第１のアンテナ素子の位置情報と、前記選定された第２のアンテナ素子の位置情報とに基づいてウェイト行列を選定するウェイト選定部と、
   を前記情報端末に具備する無線通信システム。
3. 前記アンテナ選定部は、
   前記検出された第１のアンテナ素子の位置情報と、既知である前記第２のアンテナ素子の位置情報とに基づいて、前記第１のアンテナ素子に最も近い位置にある前記第２のアンテナ素子を、信号の送信に使用するアンテナ素子として選定し、
   前記ウェイト選定部は、
   前記第１のアンテナ素子と前記選定された第２のアンテナ素子との位置ずれ量と、送信ビームフォーミングを行うためのウェイト行列とが対応付けられた前記データテーブルから、ウェイト行列を選定する、請求項２に記載の無線通信システム。
4. 前記ウェイト選定部は、
   所要品質を維持できる前記位置ずれ量の範囲の一部が互いに重なり合うように生成された複数のウェイト行列を含む前記データテーブルから、ウェイト行列を選定する、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の無線通信システム。
5. 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うち少なくとも一方は、円偏波アンテナである、請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の無線通信システム。
6. 給電比に応じて前記第２のアンテナ素子に対して給電する電力分配器
   を具備し、
   前記第２のアンテナ素子は、
   ２点給電によって偏波面を制御可能なアンテナ素子であり、
   前記電力分配器は、
   前記第２のアンテナ素子に対する前記検出された第１のアンテナ素子の回転角に基づいて、前記第２のアンテナ素子に対する前記第１のアンテナ素子の回転角と、前記給電比と、前記ウェイト行列とが対応付けられた前記データテーブルから、前記給電比を選定し、前記選定した給電比で前記第２のアンテナ素子に対して給電する、請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の無線通信システム。
7. 複数の第１のアンテナ素子から構成された第１のアレーアンテナを具備する携帯端末と、前記第１のアンテナ素子の数と同数の第２のアンテナ素子から構成された第２のアレーアンテナを具備する情報端末とを具備する無線通信システムにおける無線通信方法であって、
   前記第１のアンテナ素子の位置を検出するステップと、
   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位置ずれ量と、送信ビームフォーミングを行うためのウェイト行列とが対応付けられたデータテーブルから、前記検出された第１のアンテナ素子の位置情報と、既知である前記第２のアンテナ素子の位置情報とに基づいてウェイト行列を選定するステップと、
   を有する無線通信方法。
8. 複数の第１のアンテナ素子から構成された第１のアレーアンテナを具備する携帯端末と、前記第１のアンテナ素子の数に比べて多数の第２のアンテナ素子から構成された第２のアレーアンテナを具備する情報端末とを具備する無線通信システムにおける無線通信方法であって、
   前記第１のアンテナ素子の位置を検出するステップと、
   前記検出された第１のアンテナ素子の位置情報と、既知である前記第２のアンテナ素子の位置情報とに基づいて、信号の送信に使用する前記第２のアンテナ素子を選定するステップと、
   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位置ずれ量と、送信ビームフォーミングを行うためのウェイト行列とが対応付けられたデータテーブルから、前記第１のアンテナ素子の位置情報と、前記選定された第２のアンテナ素子の位置情報とに基づいてウェイト行列を選定するステップと、
   を有する無線通信方法。
9. 前記第２のアンテナ素子を選定するステップでは、
   前記検出された第１のアンテナ素子の位置情報と、既知である前記第２のアンテナ素子の位置情報とに基づいて、前記第１のアンテナ素子に最も近い位置にある前記第２のアンテナ素子を、信号の送信に使用するアンテナ素子として選定し、
   前記ウェイト行列を選定するステップでは、
   前記第１のアンテナ素子と前記選定された第２のアンテナ素子との位置ずれ量と、送信ビームフォーミングを行うためのウェイト行列とが対応付けられた前記データテーブルから、ウェイト行列を選定する、請求項８に記載の無線通信方法。
10. 前記ウェイト行列を選定するステップでは、
    所要品質を維持できる前記位置ずれ量の範囲の一部が互いに重なり合うように生成された複数のウェイト行列を含む前記データテーブルから、ウェイト行列を選定する、請求項７から請求項９のいずれか一項に記載の無線通信方法。
11. 給電比に応じて前記第２のアンテナ素子に対して給電するステップ
    を有し、
    前記給電比に応じて前記第２のアンテナ素子に対して給電するステップでは、
    ２点給電によって偏波面を制御可能な前記第２のアンテナ素子に対する前記検出された第１のアンテナ素子の回転角に基づいて、前記第２のアンテナ素子に対する前記第１のアンテナ素子の回転角と、前記給電比と、前記ウェイト行列とが対応付けられたデータテーブルから、前記給電比を選定し、前記選定した給電比で前記第２のアンテナ素子に対して給電する、請求項７から請求項１０のいずれか一項に記載の無線通信方法。

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