JP2016140027A

JP2016140027A - 無線通信システムおよび無線通信方法

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Publication number: JP2016140027A
Application number: JP2015015398A
Authority: JP
Inventors: 本江　直樹; Naoki Motoe; 直樹本江
Original assignee: Hitachi Kokusai Electric Inc
Current assignee: Hitachi Kokusai Electric Inc
Priority date: 2015-01-29
Filing date: 2015-01-29
Publication date: 2016-08-04

Abstract

【課題】見通し通信において伝送容量を最大化できる４×４ＭＩＭＯ伝送技術を提供する。【解決手段】無線通信システムは、送信側、受信側それぞれ第１、第２、第３、第４のアンテナ素子を具備する。受信を行う通信装置は第１から第４のアンテナ素子１１、１２、１３、１４で受信した受信信号から、空間多重分離のための信号処理を行うＭＩＭＯ処理部５００を具備する。ＭＩＭＯ処理部５００は移相器２１、２２、２３、２４および位相反転器３１、３２、３３、３４、合成器４１、４２、４３、４４を備える。【選択図】図５

Description

本発明は、無線通信システムおよび無線通信方法に関するものである。

近年、携帯電話の高機能化によって移動体通信のトラフィックは増加の一途をたどり、限られた周波数帯域でさらなる高速無線通信を実現することが求められている。その実現方法の一つに、ＭＩＭＯ（Multiple-Input Multiple-Output）伝送技術がある。ＭＩＭＯ伝送では、複数の送信アンテナから同一時刻に同一周波数で複数の信号系列を送信し、空間多重する。それぞれの送信アンテナと受信アンテナとの間のマルチパス環境を利用することによって、受信機側で信号処理を行うことにより各信号を分離して復号する。これにより、使用する周波数帯域幅を広げることなく、送受アンテナ数に比例して伝送路容量を増大できる、すなわち、周波数利用効率を向上することができる。見通し外通信システムである移動体通信では、受信機は周辺からの反射によって複数の信号を受信する。この伝搬環境はシステムを利用している移動体、あるいは周辺の散乱を起こしている物体の移動によって時間的に変動する。これらの伝搬環境が独立とみなせるだけの間隔をおいた複数のアンテナを用いた場合、複数の伝送路が存在していることと等価となり、同一周波数帯域でアンテナ数に応じた複数の独立した信号を伝送することができる。
移動体通信のトラフィック増大に伴い、そのバックホール回線のトラフィックも増大し、更なる伝送容量の大容量化が求められている。モバイル通信インフラとして、送受信機が固定された見通し内通信システムであるマイクロ波あるいはミリ波通信システムが急速に普及している。一般には、見通し内通信であるマイクロ波、ミリ波通信システムでは、送受間の距離が、実現可能なアンテナ設置間隔に比べ非常に長く、かつ定常的には散乱環境が存在しないため、複数のアンテナから送信された信号の相関は大きい。従って複数の伝送路があるとはみなせず、アンテナ数に比例した伝送容量は見込めない。固定通信では、ＭＩＭＯ技術を適用しても移動体通信と同程度の効果は期待できない。

図９は従来のＭＩＭＯ無線通信システムを説明するための図である。
無線通信システム９００は、無線機Ａ９１０と無線機Ｂ９２０で構成されている。無線機Ａ９１０はアンテナ９１１，９１２を有している。無線機Ｂ９２０はアンテナ９２３，９２４と、π／２部９２５，９２６と、加算器９２７，９２８を有している。
図９に示すように、波長λの無線周波数、伝送距離、アンテナ間隔ｄＡｎｔが次の条件を満たすとき、独立した複数の通信路とみなせることが、多数の特許文献によって公知の技術とされている。
無線通信システム９００は、伝送距離Ｒ＝ｄ１３＝ｄ２４に対し、送信側の２つのアンテナ９１１、アンテナ９１２から送信された信号を受信側のアンテナ９２３、アンテナ９２４で受信するときの伝送路差がλ／４になるようにアンテナ設置間隔をｄＡｎｔとし、２つのアンテナから送信する信号Ｓ１とＳ２の位相差がπ／２となるようにする。
無線通信システム９００は、２つの受信アンテナの信号を合成するとき、一方はＳ１を強調しＳ２を相殺するように、他方はＳ２を強調しＳ１を相殺するように、移相器で位相回転し合成することによって２つの信号に分離できる。完全に分離できる最適な条件を次式で求めることができる。
ｄ１３＝ｄ２４
ｄ１４＝ｄ２３
ｄ１４＝ｄ１３＋λ／４
ｄ２３＝ｄ２４＋λ／４
ｄＡｎｔ＝（ｄ１４^２−ｄ１３^２）^1/2
特にミリ波では波長λが短いため、現実的には数ｍ程度のアンテナ間隔で実現可能である。

また、先行技術文献としては、例えば、特許文献１には、無線機に備えるアンテナ数がそれぞれ３、すなわち３ｘ３ＭＩＭＯに拡張できる技術が開示されている。
また、他の先行技術文献としては、例えば、特許文献２には、自由空間内の最大ＭＩＭＯ容量を、アレイの距離、向き及び間隔の関数として達成するための技術が開示されている。
さらに、他の先行技術文献としては、例えば、特許文献３には、ＭＩＭＯアンテナを用いることにより、伝搬路行列がフルランク固有値を持ち、理想的な見通し伝搬環境であれば、送受信側で伝搬路特性を知ることなくＭＩＭＯで最大の通信容量が確保できるという技術が開示されている。

特開２０１４−１３１１８１号公報特表２００８−５４１６３９号公報特開２０１０−１６６３１６号公報

見通し通信において、アンテナ数に比例して通信容量が増加するＭＩＭＯ技術は、３×３ＭＩＭＯにとどまっており、４×４ＭＩＭＯ以上については独立な伝送路とみなせる最適な技術が明らかになっていない。また、４×４ＭＩＭＯ以上のアンテナを用いたシステムにおいては、前述したようにそれぞれの伝送路が独立とみなせないために、アンテナを増やすだけの効果が得られないという課題があった。
本発明の目的は、見通し通信において伝送容量を最大化できる４×４ＭＩＭＯ伝送技術を提供することにある。

本発明の無線通信システムは、第１、第２、第３、第４のアンテナ素子を具備する第１の通信装置と、第１、第２、第３、第４のアンテナ素子を具備する第２の通信装置とを備え、前記第１の通信装置の第１のアンテナ素子と前記第２の通信装置の第１のアンテナ素子との距離、および、前記第１の通信装置の第２のアンテナ素子と前記第２の通信装置の第２のアンテナ素子との距離、および、前記第１の通信装置の第３のアンテナ素子と前記第２の通信装置の第３のアンテナ素子との距離、および、前記第１の通信装置の第４のアンテナ素子と前記第２の通信装置の第４のアンテナ素子との距離Ｒが等しく配置され、前記第１の通信装置の第１のアンテナ素子と前記第２の通信装置の第２のアンテナ素子との距離、および、前記第１の通信装置の第２のアンテナ素子と前記第２の通信装置の第１のアンテナ素子との距離が、前記距離Ｒに通信で使用する無線周波数の波長の整数Ｌ倍を加え、さらに波長の１／２を加えた距離と等しくなるように配置され、前記第１の通信装置の第３のアンテナ素子と前記第２の通信装置の第４のアンテナ素子との距離、および、前記第１の通信装置の第４のアンテナ素子と前記第２の通信装置の第３のアンテナ素子との距離が、前記距離Ｒに通信で使用する無線周波数の波長の整数Ｍ倍を加え、さらに波長の１／２を加えた距離と等しくなるように配置され、前記第１の通信装置の第１のアンテナ素子と前記第１の通信装置の第３のアンテナ素子との距離、および、前記第１の通信装置の第３のアンテナ素子と前記第１の通信装置の第２のアンテナ素子との距離、および、前記第１の通信装置の第２のアンテナ素子と前記第１の通信装置の第４のアンテナ素子との距離、および、前記第１の通信装置の第４のアンテナ素子と前記第１の通信装置の第１のアンテナ素子との距離、および、前記第２の通信装置の第１のアンテナ素子と前記第２の通信装置の第３のアンテナ素子との距離、および、前記第２の通信装置の第３のアンテナ素子と前記第２の通信装置の第２のアンテナ素子との距離、および、前記第２の通信装置の第２のアンテナ素子と前記第２の通信装置の第４のアンテナ素子との距離、および、前記第２の通信装置の第４のアンテナ素子と前記第２の通信装置の第１のアンテナ素子との距離が等しくなるように配置され、送信を行う第１の通信装置あるいは第２の通信装置あるいはその両方の無線周波数は同一の周波数を使用し、受信を行う第１の通信装置あるいは第２の通信装置あるいはその両方は前記ＭＩＭＯの空間多重された信号を前記第１から第４のアンテナ素子で受信した受信信号から、空間多重分離のための信号処理を行うＭＩＭＯ処理部とを具備することを特徴とする。

また、本発明の無線通信システムは、上述の無線通信システムであって、前記ＭＩＭＯ処理部が、前記第１から第４のアンテナ素子で受信した受信信号の位相を回転する移相器と、前記第１から第４のアンテナ素子で受信した受信信号の位相を反転する位相反転器と、前記移相器と位相反転器の出力を合成する合成器とを備えることを特徴とする。

また、本発明の無線通信システムは、上述の無線通信システムであって、前記ＭＩＭＯ処理部が、受信信号から全てのアンテナ間の伝送路の振幅および位相でなされるベクトルを推定する伝送路推定部と、前記第１から第４のアンテナ素子で受信した受信信号の振幅および位相を制御する振幅位相制御部と、前記振幅位相制御部の出力を合成する合成器とを備えることを特徴とする。

また、本発明の無線通信システムは、上述の無線通信システムであって、送信信号の一部に、同時に、直交符号を用いることを特徴とする。

さらに、本発明の無線通信システムの無線通信方法は、第１、第２、第３、第４のアンテナ素子を具備する第１の通信装置と、第１、第２、第３、第４のアンテナ素子を具備する第２の通信装置とを備える無線通信システムの無線通信方法であって、前記第１の通信装置の第１のアンテナ素子と前記第２の通信装置の第１のアンテナ素子との距離、および、前記第１の通信装置の第２のアンテナ素子と前記第２の通信装置の第２のアンテナ素子との距離、および、前記第１の通信装置の第３のアンテナ素子と前記第２の通信装置の第３のアンテナ素子との距離、および、前記第１の通信装置の第４のアンテナ素子と前記第２の通信装置の第４のアンテナ素子との距離Ｒを等しく配置し、前記第１の通信装置の第１のアンテナ素子と前記第２の通信装置の第２のアンテナ素子との距離、および、前記第１の通信装置の第２のアンテナ素子と前記第２の通信装置の第１のアンテナ素子との距離が、前記距離Ｒに通信で使用する無線周波数の波長の整数Ｌ倍を加え、さらに波長の１／２を加えた距離と等しくなるように配置し、前記第１の通信装置の第３のアンテナ素子と前記第２の通信装置の第４のアンテナ素子との距離、および、前記第１の通信装置の第４のアンテナ素子と前記第２の通信装置の第３のアンテナ素子との距離が、前記距離Ｒに通信で使用する無線周波数の波長の整数Ｍ倍を加え、さらに波長の１／２を加えた距離と等しくなるように配置し、前記第１の通信装置の第１のアンテナ素子と前記第１の通信装置の第３のアンテナ素子との距離、および、前記第１の通信装置の第３のアンテナ素子と前記第１の通信装置の第２のアンテナ素子との距離、および、前記第１の通信装置の第２のアンテナ素子と前記第１の通信装置の第４のアンテナ素子との距離、および、前記第１の通信装置の第４のアンテナ素子と前記第１の通信装置の第１のアンテナ素子との距離、および、前記第２の通信装置の第１のアンテナ素子と前記第２の通信装置の第３のアンテナ素子との距離、および、前記第２の通信装置の第３のアンテナ素子と前記第２の通信装置の第２のアンテナ素子との距離、および、前記第２の通信装置の第２のアンテナ素子と前記第２の通信装置の第４のアンテナ素子との距離、および、前記第２の通信装置の第４のアンテナ素子と前記第２の通信装置の第１のアンテナ素子との距離が等しくなるように配置し、送信に第１の通信装置あるいは第２の通信装置あるいはその両方の無線周波数は同一の周波数を使用し、受信に第１の通信装置あるいは第２の通信装置あるいはその両方は前記ＭＩＭＯの空間多重された信号を前記第１から第４のアンテナ素子で受信した受信信号から、空間多重分離のための信号処理を行うことを特徴とする。

本発明によれば、見通し通信において伝送容量を最大化できる４×４ＭＩＭＯの通信が可能となる。

本発明の一実施例に係る無線通信システムのアンテナ配置図である。本発明の一実施例に係る無線通信システムのアンテナ配置を説明するための図である。本発明の一実施例に係る無線通信システムの信号処理を説明するための図である。本発明の他の一実施例に係る無線通信システムのアンテナ配置図である。本発明の一実施例に係る無線通信システムのＭＩＭＯ処理部を説明するためのブロック図である。無線通信システムの送信信号の一例を説明するための図である。本発明の他の一実施例に係る無線通信システムのＭＩＭＯ処理部を説明するためのブロック図である。本発明の一実施例に係る無線通信システムの振幅位相制御部を説明するためのブロック図である。従来のＭＩＭＯ無線通信システムを説明するための図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について詳しく説明する。
＜第１の実施形態＞
図１は本発明の一実施例に係る無線通信システムのアンテナ配置図である。
無線通信システムは、無線機１と無線機２を備え、通信形式が４×４ＭＩＭＯ（４入力で４出力のMultiple-Input Multiple-Output）である。
通信装置である無線機１はアンテナＡ１，Ｂ１，Ｃ１，Ｄ１の４本を備え、同様に無線機２はアンテナＡ２，Ｂ２，Ｃ２，Ｄ２の４本を備える。

各アンテナの配置方法の好ましい形態は、無線機１の４つのアンテナは一つのアンテナ平面１上に配置し、同様に無線機２の４つのアンテナは一つのアンテナ平面２上に配置し、無線機１のアンテナ配置平面と無線機２のアンテナ配置平面を平行とする。また、無線機１と無線機２のアンテナを結んだ直線がアンテナ平面に対して垂直になるようする。
すなわち、次式が成り立つ。
(A1A2// B1B2//C1C2//D1D2)⊥(アンテナ平面1//アンテナ平面2)・・・（式１）
本明細書では、アンテナ間の距離をA1A2、B1B2、C1C2、D1D2と記述する。

次に、それぞれの無線機のアンテナ配置について説明する。各アンテナによって形成される四角形Ａ１Ｃ１Ｂ１Ｄ１および四角形Ａ２Ｃ２Ｂ２Ｄ２は正方形である。
最短となる伝送距離Ｒは、（式２）から求まる。
Ｒ＝Ａ１Ａ２＝Ｂ１Ｂ２＝Ｃ１Ｃ２＝Ｄ１Ｄ２・・・（式２）
最短となる伝送距離がＲ、無線周波数の波長がλのとき、最も距離が長くなるアンテナ間の伝送距離Ｒ’が、Ｒと比較して半波長λ／２の差異があるように、すなわち１８０°の位相差を持つように配置する。
Ｒ’＝Ａ１Ｂ２＝Ｂ１Ａ２＝Ｃ１Ｄ２＝Ｄ１Ｃ２＝Ｒ＋λ（２Ｎ＋１）／２
・・・（式３）

アンテナ間隔ｄＡｎｔ’はピタゴラスの定理より、（式４）で求まる。
ｄＡｎｔ’＝Ａ１Ｂ１＝Ｃ１Ｄ１＝Ａ２Ｂ２＝Ｃ２Ｄ２
＝（Ｒ’２−Ｒ２）^1/2 ・・・（式４）
また、明らかに次式の（式５）が成り立つ。
ｄＡｎｔ’’＝Ａ１Ｃ１＝Ｃ１Ｂ１＝Ｂ１Ｄ１＝Ｄ１Ａ１
＝Ａ２Ｃ２＝Ｃ２Ｂ２＝Ｂ２Ｄ２＝Ｄ２Ａ２
＝ｄＡｎｔ’／２^1/2 ・・・（式５）
よって、
Ｒ’’＝Ａ１Ｃ２＝Ａ１Ｄ２＝Ｂ１Ｃ２＝Ｂ１Ｄ２＝Ｃ１Ａ２
＝Ｃ１Ｂ２＝Ｄ１Ａ２＝Ｄ１Ｂ２
＝（ｄＡｎｔ’’２＋Ｒ２）^1/2 ・・・（式６）

次に、本発明によって４×４ＭＩＭＯが伝送容量を最大化できることを、図２を参照して説明する。
図２は本発明の一実施例に係る無線通信システムのアンテナ配置を説明するための図である。
送信機１はアンテナＡ１，Ｂ１，Ｃ１，Ｄ１の４本を備え、同様に無線機２はアンテナＡ２，Ｂ２，Ｃ２，Ｄ２の４本を備える。説明のため、無線機１を送信側、無線機２を受信側とする。各アンテナからはそれぞれ独立した信号が送られ、その搬送波を直交座標のＩＱ平面上にあるベクトルで表している。
実際には、送信データに基づき、所定の変調方式によって振幅あるいは位相またはその両方を変調され、時間とともに変化するが、ここでは理解を容易にするため、同一ベクトルの場合とする。
説明では、ベクトルの位相が反時計回りの方向の場合は「進み」、ベクトルの位相が時計回りの方向の場合は「遅れ」と表現する。

例えば、アンテナＡ２の受信信号ＲＡに着目する。アンテナＡ１からの送信信号ＴＡをアンテナＡ２で受信するときの伝送距離はＲである。この場合は受信ベクトルを基準とするため、送信側のベクトルと同相であったと仮定する。
アンテナＢ１からの送信信号ＴＢをアンテナＡ２で受信するときの伝送距離はＲ’である。（式３）を満たしているので、送信信号ＴＢのベクトルは送信信号ＴＡのベクトルの逆相となる。
アンテナＣ１およびアンテナＤ１からの送信信号ＴＣ、送信信号ＴＤをアンテナＡ２で受信するときの伝送距離はＲ’’である。
伝送距離Ｒ’’は伝送距離Ｒよりも長いため位相は進む。図２では説明のため各受信アンテナに４つのベクトルを示しているが、実際にはこれらの４つの送信アンテナから送信された信号が空間合成された１つのベクトルが受信され、ＭＩＭＯ処理によって分離しなければならない。

次に、本発明の一実施例である無線通信システムの４つのアンテナの配置により空間合成された４つの信号を分離する動作について図３を用いて説明する。
図３は本発明の一実施例に係る無線通信システムの信号処理を説明するための図である。
図３において、（ａ）は送信信号ＴＡの抽出、（ｂ）は送信信号ＴＢの抽出、（ｃ）は送信信号ＴＣの抽出、（ｄ）は送信信号ＴＤの抽出の説明図である。

（ａ）送信信号ＴＡの場合は、アンテナＡ２の受信信号Ｒ２に、アンテナＢ２の受信信号ＲＢを反転（１８０°回転）したものを合成し、さらにアンテナＣ２の受信信号ＲＣおよびアンテナＤ２の受信信号ＲＤを約−９０°位相回転した（約９０°遅らせる）ものを合成する。抽出対象である送信信号ＴＡは全て同相で合成され、送信信号ＴＡ以外の信号は完全に相殺できる。

従って、本発明によれば、伝送容量を最大化できる。
正確なアンテナＣ２の受信信号ＲＣおよびアンテナＤ２の受信信号ＲＤの位相回転量は伝送距離および無線周波数によって異なるが、上記の（式６）から（式２）を減じた伝送路差から一意に計算できる。
送信信号ＴＢ、送信信号ＴＣ、送信信号ＴＤは、アンテナ配置の対称性から、上述と同様の処理によって抽出できる。
当然、送信信号ＴＡ〜送信信号ＴＤは、独立したデータであるため、各ベクトルの振幅および位相は時々刻々と変化するが、受信信号ＲＡ，ＲＢ，ＲＣ，ＲＤの振幅および位相が等しく変化するため、ベクトル合成の強調および相殺関係は保たれる。
上記説明では、アンテナ配置は式（式４）および式（式５）を満たす正方形を一例として述べた。

次に、アンテナＡ１（Ａ２）とアンテナＢ１（Ｂ２）のアンテナ間隔と、アンテナＣ１（Ｃ２）とアンテナＤ１（Ｄ２）のアンテナ間隔が異なる場合について、図４を用いて説明する。
図４は本発明の他の一実施例に係る無線通信システムのアンテナ配置図である。
（式２）は正方形の場合と同様に満たす。
アンテナＡ１（Ａ２）とアンテナＢ１（Ｂ２）のアンテナ対では（式３）において、Ｎ＝ＬとしたＲ’Ｌとし、アンテナ間隔はｄＡｎｔ’Ｌとなる。
アンテナＣ１（Ｃ２）とアンテナＤ１（Ｄ２）のアンテナ対では（式３）において、Ｎ＝Ｍとし、アンテナ間隔はｄＡｎｔ’Ｍとなる。
（式５）のｄＡｎｔ’’の上式は満たし、下式は同様にピタゴラスの定理より求めることができる。（式６）のＲ’’は満たす。
従って、図３で示したように、受信信号ＲＡおよび受信信号ＲＢにおいて、送信信号ＴＡと送信信号ＴＢの関係は逆相になり、送信信号ＴＣと送信信号ＴＤは等しい位相回転量になる。

一方、受信信号ＲＣおよび受信信号ＲＤにおいて、送信信号ＴＣと送信信号ＴＤの関係は逆相になり、送信信号ＴＡと送信信号ＴＢは等しい位相回転量になる。従って、空間合成された４つの信号を完全に分離できる。
上記説明では理解を容易にするため、アンテナＡ，Ｂを水平方向に、アンテナＣ１（Ｃ２），Ｄ１（Ｄ２）を垂直方向にして示したが、各アンテナの中心点を基準に任意の角度だけ回転しても本発明の効果が得られることは明白である。

＜第２の実施形態＞
次に、本発明の一実施例である無線通信システムのＭＩＭＯ処理部について図５を用いて説明する。
図５は本発明の一実施例に係る無線通信システムのＭＩＭＯ処理部を説明するためのブロック図である。
図５は、図１、図２および図４と対比すると、アンテナ１１はＡ２に相当し、アンテナ１２はＢ２に相当し、アンテナ１３はＣ２に相当し、アンテナ１４はＤ２に相当する。
各アンテナの受信信号は、移相器２１〜２４、位相反転器３１〜３４、合成器４１〜４４に入力される。

合成器４１に着目すると、合成器４１の入力信号は、アンテナＡ２の受信信号、アンテナＢ２の受信信号を位相反転器３２で位相を反転した信号、アンテナＣ２の信号を移相器３３で位相回転した信号、アンテナＤ２の信号を移相器３４で位相回転した信号である。反転とは１８０°位相回転することであり、移相器で置き換えることもできる。
移相器での位相回転量は、上述したとおり、（式６）から（式２）を減じた伝送路差から求めることができ、伝送路差を波長（一般的には、光速／無線周波数）で除算し３６０°を乗算して得られる。合成器４１ではこれらの信号を合成し、出力する。これが図３（ａ）の操作にあたる。
従って、合成器４１の出力信号は、通信相手である無線機のアンテナ１１と対となるアンテナから送信された送信信号ＴＡのみが抽出される。同様に、合成器４２の出力信号は送信信号ＴＢのみが抽出され、合成器４３の出力信号は送信信号ＴＣのみが抽出され、合成器４４の出力信号は送信信号ＴＤのみが抽出される。

一般に、受信信号は、周波数変換(ダウンコンバート)、Ａ／Ｄ変換、直交検波された、複素デジタル信号（ＩＱなど）に変換される。移相器２１〜２４は、複素乗算器などで構成される。反転器３１〜３４は、複素乗算器や符号反転器、乗算器に置き換えて−１を乗算することによって実現できる。合成器４１〜４４は、加算器などで構成される。実現方法はさまざまな公知例があるが、図５は一例であり、図３が示す処理によってＭＩＭＯ処理を行うことが本特許の趣旨であり、包含される。

本明細書では、見通し通信で最適な実施例を示した。多数の文献で示されているように、現実的にはアンテナを寸分の狂いなく配置することは不可能であり、ある程度の誤差を許容することが一般的である。アンテナは図１を最適配置とするが、３次元空間のあらゆる方向で誤差を許容する。その結果、図２に示したベクトル関係がわずかに異なり、図３に示したベクトル合成の結果が、抽出したい希望受信信号の振幅が小さくなり、相殺したい受信信号が残留する。しかし、本特許のアンテナ配置方法から大きく逸脱しなければ、その劣化量はわずかであり、図５の回路を用いても準最適にＭＩＭＯ処理を行い、それぞれの受信信号は正しく復調できる。

＜第３の実施形態＞
次に、送信信号のデータ形式と、ＭＩＭＯ処理の動作について、図６と図７を用いて説明する。
図６は無線通信システムの送信信号の一例を説明するための図である。
図６において、送信信号は、送信信号ＴＡ、送信信号ＴＢ、送信信号ＴＣ、送信信号ＴＤの４つで構成されている。
送信信号ＴＡは直交符号ＡＩ、データ、直交符号ＡＩ、・・・と、直交符号ＡＱ、データ、直交符号ＡＱ、・・・で構成されている。
送信信号ＴＢは直交符号ＢＩ、データ、直交符号ＢＩ、・・・と、直交符号ＢＱ、データ、直交符号ＢＱ、・・・で構成されている。
送信信号ＴＣは直交符号ＣＩ、データ、直交符号ＣＩ、・・・と、直交符号ＣＱ、データ、直交符号ＣＱ、・・・で構成されている。
送信信号ＴＤは直交符号ＤＩ、データ、直交符号ＤＩ、・・・と、直交符号ＤＱ、データ、直交符号ＤＱ、・・・で構成されている。
データ信号の他に、各送信アンテナからは、それぞれが直交する直交符号を同一時刻に送信する。

図７は本発明の他の一実施例に係る無線通信システムのＭＩＭＯ処理部を説明するためのブロック図である。
ＭＩＭＯ処理部１００において、伝送路推定部１０１では、４つの受信信号の直交符号部分をそれぞれの直交符号で逆拡散する。逆拡散した結果は、該当する直交符号を送信した信号の影響しか受けないので、空間合成された受信信号ベクトルＲＡ，ＲＢ，ＲＣ，ＲＤを図２に示したような４つの送信信号ＴＡ，ＴＢ，ＴＣ，ＴＤに分離することができる。

受信信号ベクトルＲＡ，ＲＢ，ＲＣ，ＲＤの情報をもとに、ＭＩＭＯ処理部１００は各種アルゴリズムを用いて振幅位相制御部１１１〜１１４を制御する。その結果、合成器４１〜４４で合成した信号は、それぞれＴＡ、ＴＢ、ＴＣ、ＴＤを抽出した信号となる。
アルゴリズムはＭＩＭＯ技術分野での周知の技術を使用する。これらを用いた場合、アンテナ配置に誤差がある場合でも、準最適にＭＩＭＯ処理を行うことができる。

次に、振幅位相制御部の構成について図８を用いて説明する。
図８は本発明の一実施例に係る無線通信システムの振幅位相制御部を説明するためのブロック図である。
図８において、４つの受信信号ＲＡ，ＲＢ，ＲＣ，ＲＤはそれぞれ、移相器２０１〜２０４で位相回転を行われ、振幅調整器２１１〜２１４で振幅を制御される。移相器２０１〜２０４と振幅調整器２１１〜２１４の順序は入れ替えても良い。
移相器２０１〜２０４は複素乗算器などで構成される。振幅調整器２１１〜２１４は乗算器などで構成される。また、振幅と位相の調整を一つの複素乗算器で行うことも可能である。

次に、本発明のアンテナ配置の調整方法について説明する。
伝送距離が長い場合は、アンテナ平面１とアンテナ平面２の水平性およびアンテナ平面と伝送距離Ｒの関係にあるアンテナ間の垂直性を計測することは困難である。
本発明の一実施例では、図７に示したＭＩＭＯ処理部１００の伝送路推定部１０１が既知信号である直交符号を用いることによって把握することのできるベクトルを用いてアンテナ位置を調整する。

手順１としては、アンテナ間隔をｄＡｎｔ’となるようにする。
手順２としては、無線機１のアンテナＡ１とＢ１および無線機２のアンテナＡ２とＢ２において、ぞれぞれの無線機から送信されたＴＡとＴＢの受信ベクトルが逆相になるように調整する。それぞれの無線機の受信ベクトルの進みまたは遅れの関係からアンテナの調整方向が分かる。この微調整を繰り返すことによって、アンテナ平面の平行性と垂直性が得られる。すなわち、四角形Ａ１Ｂ１Ｂ２Ａ１が長方形になる。アンテナＣ１、Ｄ１、Ｃ２、Ｄ２についても同様に行う。
手順３としては、すべてのアンテナにおいて、距離Ｒ’’となる受信ベクトルが等しくなるように、無線機１のＡ１Ｂ１とＣ１Ｄ１との垂直性、および、無線機２のＡ２Ｂ２とＣ２Ｄ２との垂直性を調整する。
手順４としては、手順２，３の操作を繰り返し微調整することによって最適なアンテナ配置を得ることができる。

本発明の実施形態である無線通信システムは、見通し通信において伝送容量を最大化できる４×４ＭＩＭＯの通信が可能となる。

本発明の実施形態では、アンテナ配置の方法において４×４ＭＩＭＯの最適な効果を得られることを主眼として説明した。公知技術である垂直偏波や水平偏波を用いた、偏波ＭＩＭＯを用いれば８×８ＭＩＭＯが実現できる。

以上本発明について詳細に説明したが、本発明は、ここに記載された無線通信システムに限定されるものではなく、上記以外の無線通信システムに広く適用することができることは言うまでもない。

１１，１２，１３，１４：アンテナ、２１，２２，２３，２４：移相器、３１，３２，３３，３４：位相反転器、４１，４２，４３，４４：合成器、１００：ＭＩＭＯ処理部、１０１：伝送路推定部、１１１，１１２，１１３，１１４：振幅位相制御部、２０１，２０２，２０３，２０４：移相器、２１１，２１２，２１３，２１４：振幅調整器。

Claims

第１、第２、第３、第４のアンテナ素子を具備する第１の通信装置と、第１、第２、第３、第４のアンテナ素子を具備する第２の通信装置とを備え、
前記第１の通信装置の第１のアンテナ素子と前記第２の通信装置の第１のアンテナ素子との距離、および、前記第１の通信装置の第２のアンテナ素子と前記第２の通信装置の第２のアンテナ素子との距離、および、前記第１の通信装置の第３のアンテナ素子と前記第２の通信装置の第３のアンテナ素子との距離、および、前記第１の通信装置の第４のアンテナ素子と前記第２の通信装置の第４のアンテナ素子との距離Ｒが等しく配置され、
前記第１の通信装置の第１のアンテナ素子と前記第２の通信装置の第２のアンテナ素子との距離、および、前記第１の通信装置の第２のアンテナ素子と前記第２の通信装置の第１のアンテナ素子との距離が、前記距離Ｒに通信で使用する無線周波数の波長の整数Ｌ倍を加え、さらに波長の１／２を加えた距離と等しくなるように配置され、
前記第１の通信装置の第３のアンテナ素子と前記第２の通信装置の第４のアンテナ素子との距離、および、前記第１の通信装置の第４のアンテナ素子と前記第２の通信装置の第３のアンテナ素子との距離が、前記距離Ｒに通信で使用する無線周波数の波長の整数Ｍ倍を加え、さらに波長の１／２を加えた距離と等しくなるように配置され、
前記第１の通信装置の第１のアンテナ素子と前記第１の通信装置の第３のアンテナ素子との距離、および、前記第１の通信装置の第３のアンテナ素子と前記第１の通信装置の第２のアンテナ素子との距離、および、前記第１の通信装置の第２のアンテナ素子と前記第１の通信装置の第４のアンテナ素子との距離、および、前記第１の通信装置の第４のアンテナ素子と前記第１の通信装置の第１のアンテナ素子との距離、および、前記第２の通信装置の第１のアンテナ素子と前記第２の通信装置の第３のアンテナ素子との距離、および、前記第２の通信装置の第３のアンテナ素子と前記第２の通信装置の第２のアンテナ素子との距離、および、前記第２の通信装置の第２のアンテナ素子と前記第２の通信装置の第４のアンテナ素子との距離、および、前記第２の通信装置の第４のアンテナ素子と前記第２の通信装置の第１のアンテナ素子との距離が等しくなるように配置され、
送信を行う、第１の通信装置あるいは第２の通信装置あるいはその両方の無線周波数は同一の周波数を使用し、
受信を行う、第１の通信装置あるいは第２の通信装置あるいはその両方は前記ＭＩＭＯの空間多重された信号を前記第１から第４のアンテナ素子で受信した受信信号から、空間多重分離のための信号処理を行うＭＩＭＯ処理部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に記載の無線通信システムにおいて、
前記ＭＩＭＯ処理部が、前記第１から第４のアンテナ素子で受信した受信信号の位相を回転する移相器と、
前記第１から第４のアンテナ素子で受信した受信信号の位相を反転する位相反転器と、
前記移相器と位相反転器の出力を合成する合成器と、
を備えることを特徴とした無線通信システム。
請求項１に記載の無線通信システムにおいて、
前記ＭＩＭＯ処理部が、受信信号から全てのアンテナ間の伝送路の振幅および位相でなされるベクトルを推定する伝送路推定部と、
前記第１から第４のアンテナ素子で受信した受信信号の振幅および位相を制御する振幅位相制御部と、
前記振幅位相制御部の出力を合成する合成器と、
を備えることを特徴とした無線通信システム。
請求項１から請求項３に記載の無線通信システムにおいて、
送信信号の一部に、同時に、直交符号を用いることを特徴とする無線通信システム。
第１、第２、第３、第４のアンテナ素子を具備する第１の通信装置と、第１、第２、第３、第４のアンテナ素子を具備する第２の通信装置とを備える無線通信システムの無線通信方法において、
前記第１の通信装置の第１のアンテナ素子と前記第２の通信装置の第１のアンテナ素子との距離、および、前記第１の通信装置の第２のアンテナ素子と前記第２の通信装置の第２のアンテナ素子との距離、および、前記第１の通信装置の第３のアンテナ素子と前記第２の通信装置の第３のアンテナ素子との距離、および、前記第１の通信装置の第４のアンテナ素子と前記第２の通信装置の第４のアンテナ素子との距離Ｒを等しく配置し、
前記第１の通信装置の第１のアンテナ素子と前記第２の通信装置の第２のアンテナ素子との距離、および、前記第１の通信装置の第２のアンテナ素子と前記第２の通信装置の第１のアンテナ素子との距離が、前記距離Ｒに通信で使用する無線周波数の波長の整数Ｌ倍を加え、さらに波長の１／２を加えた距離と等しくなるように配置し、
前記第１の通信装置の第３のアンテナ素子と前記第２の通信装置の第４のアンテナ素子との距離、および、前記第１の通信装置の第４のアンテナ素子と前記第２の通信装置の第３のアンテナ素子との距離が、前記距離Ｒに通信で使用する無線周波数の波長の整数Ｍ倍を加え、さらに波長の１／２を加えた距離と等しくなるように配置し、
前記第１の通信装置の第１のアンテナ素子と前記第１の通信装置の第３のアンテナ素子との距離、および、前記第１の通信装置の第３のアンテナ素子と前記第１の通信装置の第２のアンテナ素子との距離、および、前記第１の通信装置の第２のアンテナ素子と前記第１の通信装置の第４のアンテナ素子との距離、および、前記第１の通信装置の第４のアンテナ素子と前記第１の通信装置の第１のアンテナ素子との距離、および、前記第２の通信装置の第１のアンテナ素子と前記第２の通信装置の第３のアンテナ素子との距離、および、前記第２の通信装置の第３のアンテナ素子と前記第２の通信装置の第２のアンテナ素子との距離、および、前記第２の通信装置の第２のアンテナ素子と前記第２の通信装置の第４のアンテナ素子との距離、および、前記第２の通信装置の第４のアンテナ素子と前記第２の通信装置の第１のアンテナ素子との距離が等しくなるように配置し、
送信に第１の通信装置あるいは第２の通信装置あるいはその両方の無線周波数は同一の周波数を使用し、
受信に第１の通信装置あるいは第２の通信装置あるいはその両方は前記ＭＩＭＯの空間多重された信号を前記第１から第４のアンテナ素子で受信した受信信号から、空間多重分離のための信号処理を行う、
ことを特徴とする無線通信システムの無線通信方法。