JP4491546B2 - 空間多重通信システム及び空間多重通信方法 - Google Patents

Description

本発明は、ＭＩＭＯ（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｉｎｐｕｔ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｏｕｔｐｕｔ）技術を用いた空間多重通信方式に関する。

一般に、無線通信システムは、異なる周波数を用いた周波数多重方式や、時間的に情報を分割する時間多重方式を用いることにより、複数の情報を同時に送受信することを可能にしている。このような周波数多重方式や時間多重方式を用いた無線通信システムでは、使用可能な周波数帯域が法規制により定められていることから、送受信可能な情報数や通信チャンネル数に制限があった。一方、周波数多重方式及び時分割多重方式以外の通信方式として、ＭＩＭＯ技術を用いた空間多重方式が注目されている。ＭＩＭＯ技術は、複数の送信機及び受信機を用いて空間的にチャンネルを多重化させ、同一の周波数で複数の情報を同時に送受信する技術である。

図７は、ＭＩＭＯ技術を用いた空間多重方式を説明する概略図である。図７（１）を参照して、この空間多重システムは、送信アンテナ５１−１を備えた送信機５０−１と、送信アンテナ５１−２を備えた送信機５０−２と、受信アンテナ６１−１，６１−２、受信部６２−１，６２−１及び分離部６３を備えた受信機６０とから構成されている。送信機５０−１は送信信号Ｓ１を送信し、送信機５０−２は送信信号Ｓ２を送信する。受信機６０の受信部６２−１は受信信号Ｒ１を受信し、受信部６２−２は受信信号Ｒ２を受信する。ここで、受信信号Ｒ１は、送信信号Ｓ１及びＳ２が混信した信号であり、受信信号Ｒ２も送信信号Ｓ１及びＳ２の混信信号である。また、Ｃ１１は、送信機５０−１が送信信号Ｓ１を受信機６０の受信アンテナ６１−１へ送信する場合の空間伝播係数である。Ｃ１２は、送信機５０−２が送信信号Ｓ２を受信機６０の受信アンテナ６１−２へ送信する場合の空間伝播係数である。同様にＣ２１及びＣ２２も空間伝播係数である。この空間伝播係数は、壁の材質や物体の形状等の、無線通信がなされる空間の負荷に依存して決定される係数であり、送信機５０−１の送信アンテナ５１−１、送信機５０−２の送信アンテナ５１−２及び受信機６０の受信アンテナ６１−１，６１−２の配置場所によって変化する係数である。すなわち、送信信号Ｓ１，Ｓ２である電磁波が空間を伝播して誘電率の異なる物体に反射する場合、その振幅が減少し位相が変化することがある。空間伝播係数は、電磁波が受けるこのような影響を数値化したものである。尚、ここでは、２チャンネルの例を挙げて説明するが、それ以上のチャンネルのシステムにおいても当然に適用される。

図７（１）に示した空間多重システムにおける送信信号Ｓ１，Ｓ２、受信信号Ｒ１，Ｒ２及び空間伝播係数Ｃ１１〜Ｃ２２の関係を、図７（２）の式に示す。受信信号Ｒは、送信信号Ｓと空間伝播係数Ｃとの積で表される。また、図７（２）に示した式を（３）の式に変換することができる。つまり、送信信号Ｓは、受信信号Ｒと空間伝播係数Ｃとにより算出することができる。従って、受信機６０の分離部６３は、受信信号Ｒ１，Ｒ２、及び予め設定された空間伝播係数Ｃ１１〜Ｃ２２を用いて、送信機５０−１，５０−２により送信された送信信号Ｓ１，Ｓ２を抽出することが可能となる。現在、このようなＭＩＭＯ技術を用いた空間多重方式の実用化を図るために、様々な分野で研究開発が進められている。

このようなＭＩＭＯ技術を用いた空間多重方式を、セルラー方式通信システムやホットスポット通信システムに適用した例が開示されている。具体的には、通信端末装置がＭＩＭＯ受信機能を搭載することにより、同一の周波数の信号を同時に受信し、この受信した混信信号を分離して元の送信信号に再現するものである（例えば、特許文献１を参照。）。

特開２００４−７２７９号公報（段落〔０００８〕〜〔００１０〕）

ところで、従来の周波数多重方式や時間多重方式を用いた無線通信システムは、防犯、ガス漏れ、火事、環境等の要因を検知するセンサを用いたセンサネットワーク等の様々な用途に用いられている。例えば、住宅の環境状態や防犯状態等の各種要素を監視するシステムでは、窓やドアの施錠を検知するセンサ、室内温度を検知するセンサ、ガス漏れを検知するセンサ等からの情報を送信機から受信機へ無線送信し、受信機において復調する。そして、このようにして得られた施錠状態や温度等の各種情報は、インターネットを介して中央監視センタへそれぞれ送信され、中央監視センタがこれらの情報に基づいて住宅の環境状態等を監視するものである。

この無線通信システムを集合住宅に設置した場合には、例えば、集合住宅内の住宅Ａ内に、複数の送信機、受信機、及び施錠状態等を中央監視センタに送信するネットワーク機器が設置され、住宅Ａに隣接する住宅Ｂ内に、同様の送信機、受信機及びネットワーク機器が設置されることになる。この場合、住宅Ａ内のシステムと住宅Ｂ内のシステムとは独立して構成される。このようなシステム構成において、住宅Ａと住宅Ｂとの間で同じ周波数を用いた場合に住宅間で送信機から受信機への電波が混信すると、受信機は正確な情報に復調することができず、中央監視センタは正確な情報を受信することができないという問題があった。また、住宅Ａ内の送信機が送信した信号を住宅Ｂ内の受信機が受信した場合には、中央監視センタは、住宅Ａの情報であるにもかかわらず、住宅Ｂの情報として誤って処理してしまうという問題があった。これは、それぞれの住宅間で、信号が混信し漏洩することに起因するものである。さらに、集合住宅と中央監視センタとの間のインターネットの通信ネットワークにおいて、情報漏洩を防ぎ安全性を確保するには、例えば、住宅側で各種情報を暗号化する等の特定の処理が必要になる。このため、特定の処理を施すことなく簡易な手段により、インターネット上の安全性を確保できることが要望されていた。

そこで、本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、その目的は、簡単な手段により情報の機密性を確保すると共に、セキュリティを実現することが可能な空間多重通信システム及び空間多重通信方法を提供することにある。

本発明に係る請求項１の空間多重通信システムは、複数のデータを同一周波数の無線通信により送出し、ＭＩＭＯ技術を用いて、前記送出されて混信した信号から元の複数のデータを抽出する空間多重通信システムにおいて、
外部から入力したデータを無線信号として送出する機能を有する複数の送信機と、
当該複数の送信機によりそれぞれ送出された無線信号が混信した信号を受信する機能、当該混信信号にＡＤ変換を施し混信データを生成する機能、及び所定の時間符号を付加して当該混信データを通信ネットワークに送信する機能を有する複数の受信機と、
前記送信機及び受信機の配置に依存して決定される空間伝播係数を格納する機能、前記複数の受信機によりそれぞれ送信された混信データを通信ネットワークを介して受信する機能、及び前記空間伝播係数を用いたＭＩＭＯ技術の演算により、それぞれの混信データから元の複数のデータを抽出する機能を有する通信装置とを備え、
前記通信装置は、
それぞれの混信データを、該混信データに付加された時間符号に基づいて同期処理を行って各混信データを特定し、予め格納された前記空間伝播係数に基づいて前記特定した混信データから元の複数のデータを抽出することを特徴とする。

本発明に係る請求項２の空間多重通信システムは、前記送信機及び受信機は、外部から入力した複数のデータを、当該送信機及び受信機の配置を鍵データとして暗号化し、混信データをそれぞれ生成し、
前記通信装置は、前記送信機及び受信機の配置に依存して決定される空間伝播係数を鍵データとして、通信ネットワークを介してそれぞれ受信した混信データを復号し、元の複数のデータを抽出することを特徴とする。

本発明に係る請求項３の空間多重通信システムは、請求項１または２に記載の空間多重通信システムにおいて、前記複数の送信機及び受信機を、管理単位毎の複数のエリアに分割して配置し、前記通信装置は、複数のエリアをそれぞれ独立して管理することを特徴とする。

本発明に係る請求項４の空間多重通信システムは、請求項１から３のいずれか一項に記載の空間多重通信システムにおいて、
前記送信機の台数と受信機の台数を等しくする、または受信機の台数を送信機の台数よりも多くすることを特徴とする。

本発明に係る請求項５の空間多重通信方法は、外部から入力したデータを無線信号として送出する機能を有する複数の送信機と、当該複数の送信機によりそれぞれ送出された無線信号が混信した信号を受信する機能、当該混信信号にＡＤ変換を施し混信データを生成する機能、及び所定の時間符号を付加して当該混信データを通信ネットワークに送信する機能を有する複数の受信機と、前記送信機及び受信機の配置に依存して決定される空間伝播係数を格納する機能、前記複数の受信機によりそれぞれ送信された混信データを通信ネットワークを介して受信する機能、及び前記空間伝播係数を用いたＭＩＭＯ技術の演算により、それぞれの混信データから元の複数のデータを抽出する機能を有する通信装置とを備える空間多重通信システムにて、複数のデータを同一周波数の無線通信により送出し、ＭＩＭＯ技術を用いて、前記送出されて混信した信号から元の複数のデータを抽出する空間多重通信方法において、
前記通信装置によって、
それぞれの混信データを、該混信データに付加された時間符号に基づいて同期処理を行って各混信データを特定し、予め格納された前記空間伝播係数に基づいて前記特定した混信データから元の複数のデータを抽出することを特徴とする。

本発明に係る請求項６の空間多重通信方法は、請求項５に記載の空間多重通信方法において、
前記送信機及び受信機によって、外部から入力した複数のデータを、当該送信機及び受信機の配置を鍵データとして暗号化し、混信データをそれぞれ生成し、
前記通信装置によって、前記送信機及び受信機の配置に依存して決定される空間伝播係数を鍵データとして、通信ネットワークを介してそれぞれ受信した混信データを復号し、元の複数のデータを抽出することを特徴とする。

本発明に係る請求項７の空間多重通信方法は、請求項５または６に記載の空間多重通信方法において、
前記複数の送信機及び受信機を、管理単位毎の複数のエリアに分割して配置し、前記通信装置が、複数のエリアをそれぞれ独立して管理することを特徴とする。

本発明によれば、ネットワーク機能を有する受信機を分散配置させ、それぞれの受信機が混信データを通信ネットワークに送信するようにしたから、無線通信空間だけでなく通信ネットワークにおいても、簡単な手段により情報の機密性を確保すると共に、セキュリティを実現することができる。

図１は、本発明のＭＩＭＯ技術を用いた空間多重通信システムの原理を説明するためのシステム構成図である。本空間多重通信システムは、３つの通信チャンネルを有し、無線通信空間１に配置された送信機１０−１，１０−２，１０−３及び受信機２０−１，２０−２，２０−３と、通信ネットワーク４０と、サーバ３０とを備えている。送信機１０−１，１０−２，１０−３と受信機２０−１，２０−２，２０−３とは、無線通信空間１において送信アンテナ１１−１，１１−２，１１−３及び受信アンテナ２１−１，２１−２，２１−３を介してそれぞれ接続される。また、受信機２０−１，１，２０−２，２０−３とサーバ３０とは、通信ネットワーク４０を介してそれぞれ接続される。送信機１０−１，１０−２，１０−３の数と受信機２０−１，２０−２，２０−３の数は同数であり、３チャンネルとも同一の周波数を用いる。

次に、図１に示した空間多重通信システムの動作について説明する。この空間多重通信システムは、３個のデータＤ１，Ｄ２，Ｄ３を入力し、無線通信空間１において混信させ、混信データＭ１，Ｍ２，Ｍ３を通信ネットワーク４０に送信し、元のデータＤ１，Ｄ２，Ｄ３に復元するものである。まず、送信機１０−１は、データＤ１を入力し、所定の変換処理を施し、各通信チャンネルにおいて同一の周波数となるように発振信号を供給し、送信アンテナ１１−１を介して無線通信空間１に信号を送出する。同様に、送信機１０−２，１０−３は、データＤ２，Ｄ３を入力し、送信アンテナ１１−２，１１−３を介して同一の周波数の信号を送出する。

送信機１０−１により送出された信号、送信機１０−２により送出された信号、及び送信機１０−３により送出された信号は、無線通信空間１において混信する。受信機２０−１は、この混信信号を受信する。そして、受信機２０−１は、受信した混信信号にＡＤ変換を施して混信データＭ１を生成し、通信ネットワーク４０を介してサーバ３０に混信データＭ１を送信する。同様に、受信機２０−２は、送信機１０−１，１０−２，１０−３から受信した混信信号にＡＤ変換を施して混信データＭ２を生成し、通信ネットワーク４０を介してサーバ３０に混信データＭ２を送信する。また、受信機２０―３は、送信機１０−１，１０−２，１０−３から受信した混信信号にＡＤ変換を施して混信データＭ３を生成し、通信ネットワーク４０を介してサーバ３０に混信データＭ３を送信する。

サーバ３０は、受信機２０−１，２０−２，２０−３により送信された混信データＭ１，Ｍ２，Ｍ３をそれぞれ受信し、予め設定された空間伝播係数を用いて、混信データＭ１，Ｍ２，Ｍ３を元のデータＤ１，Ｄ２，Ｄ３に分離する。具体的には、サーバ３０は、図７（３）に示した逆行列式を用いて、元のデータＤ１，Ｄ２，Ｄ３を算出する。

次に、図１に示した空間多重通信システムを構成する送信機１０−１，１０−２，１０−３、受信機２０−１，２０−２，２０−３及びサーバ３０の機能について、詳細に説明する。
まず、送信機１０−１，１０−２，１０−３の機能について説明する。図２は、送信機１０−１の機能を説明するためのブロック図である。尚、送信機１０−２，１０−３も送信機１０−１と同等の機能を有する。送信機１０−１は、データ変換部１２、周波数変換器１３、発振器１４及び送信アンテナ１１−１を備えている。データ変換部１２は、外部からデータＤ１を入力し、データの種類やレベルの正規化等を行う。例えば、ＯＦＤＭ（直交周波数分割多重）方式を用いる場合には、ＯＦＤＭ信号を生成する。周波数変換器１３は、データ変換部１２の出力信号を所定の無線周波数に変換する。発振器１４は、全ての通信チャンネルにおいて同一の周波数で通信を行うための共通の発振信号を周波数変換器１３に供給する。このように、送信機１０−１は、データ変換部１２，周波数変換器１３及び発振器１４により、外部から入力したデータＤ１から所定の無線周波数の信号を生成し、送信アンテナ１１−１介して無線通信空間１に送出する。

次に、受信機２０−１，２０−２，２０−３の機能について説明する。図３は、受信機２０−１の機能を説明するためのブロック図である。尚、受信機２０−２，２０−３も受信機２０−１と同等の機能を有する。受信機２０−１は、受信アンテナ２１−１、増幅器２２、周波数変換器２３、発振器２４、ＡＤ変換器２５、ネットワークインタフェース部２６及び符号付加部２７を備えている。受信機２０−１は、送信機１０−１，１０−２，１０−３により送出された信号の混信信号を受信アンテナ２１−１を介して受信する。増幅器２２は、受信した混信信号を増幅するＬＮＡ（Ｌｏｗ Ｎｏｉｓｅ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）である。周波数変換器２３は、ＡＤ変換器２５が高速に動作する必要がないように、増幅器２２が出力する信号を低い周波数に変換する。周波数変換器２３により変換される周波数は、発振器２４が出力する発振信号の周波数によって決定される。ＡＤ変換器２５は、周波数変換器２３からの出力信号であるアナログ信号をデジタル信号に変換するＡＤＣ（Ａｎａｌｏｇ ｔｏ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）である。ネットワークインタフェース部２６は、通信ネットワーク４０にデータを出力するための処理を行い、混信データＭ１を通信ネットワーク４０を介してサーバ３０へ送信する。符号付加部２７は、時間的な符号をネットワークインタフェース部２６に出力するＧＰＳ（Ｇｒｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）である。従って、ネットワークインタフェース部２６は、符号付加部２７からの時間符号を混信データＭ１に付加し、当該混信データＭ１と共に送信する。この時間符号は、混信データＭ１，Ｍ２，Ｍ３の同期をとり、元のデータＤ１，Ｄ２，Ｄ３に分離するための情報である。

次に、サーバ３０の機能について説明する。図３は、サーバ３０の機能を説明するためのブロック図である。サーバ３０は、ネットワークインタフェース部３１、空間伝播係数算出部３４と分離部３５とを有する処理部３２、及び空間伝播係数格納部３３を備えている。ネットワークインタフェース部３１は、受信機２０−１，２０−２，２０−３により送信された混信データＭ１，Ｍ２，Ｍ４を時間符号と共に通信ネットワーク４０を介してそれぞれ受信する。そして、受信した時間符号に基づいて、混信データＭ１，Ｍ２，Ｍ３の同期処理を行い、混信データＭ１，Ｍ２，Ｍ３を特定する。処理部３２の分離部３５は、ネットワークインタフェース部３１から混信信号Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３を入力し、後述する空間伝播係数格納部３３から空間伝播係数を入力し、図７（３）に示した逆行列式に基づいて、元のデータＤ１，Ｄ２，Ｄ３を算出する。すなわち、分離部３５は、ＭＩＭＯ技術の逆行列演算処理を用いて、混信信号Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３を行列化し、空間伝播係数を乗算することにより、元のデータＤ１，Ｄ２，Ｄ３を抽出する。

また、サーバ３０における処理部３２の空間伝播係数算出部３４は、予めまたは必要に応じて送信機１０−１，１０−２，１０−３と受信機２０−１，２０−２，２０−３との間の無線通信空間１における空間伝播係数を算出し、空間伝播係数格納部３３に格納する。具体的には、空間伝播係数算出部３４は、ＳＩＳＯ（Ｓｉｎｇｌｅ Ｉｎｐｕｔ Ｓｉｎｇｌｅ Ｏｕｔｐｕｔ）の構成の下でテストパターンの信号により、送信機１０−１と受信機２０−１との間の空間伝播係数Ｃ１１、送信機１０−１と受信機２０−２との間の空間伝播係数Ｃ１２、送信機１０−１と受信機２０−３との間の空間伝播係数Ｃ１３、送信機１０−２と受信機２０−１との間の空間伝播係数Ｃ２１等の９個の空間伝播係数をそれぞれ算出する。例えば、送信機１０−１と受信機２０−１によるＳＩＳＯを構成し、送信機１０−１がテストパターンの信号を受信機２０−１に送り、空間伝播係数算出部３４がこのテストパターンのデータを受信し、空間伝播係数Ｃ１１を算出する。このようにして、空間伝播係数格納部３３には、空間伝搬係数Ｃ１１〜Ｃ３３が格納される。

このようなＭＩＭＯ技術を用いた空間多重通信システムにおいて、図１に示した通信ネットワーク４０には、データＤ１，Ｄ２，Ｄ３から生成された混信データＭ１，Ｍ２，Ｍ３が流れることになる。この混信データＭ１，Ｍ２，Ｍ３は、第三者が盗聴目的で通信ネットワーク４０から取り出すことのできるデータであるが、第三者は、空間伝播係数を知らないから、元のデータＤ１，Ｄ２，Ｄ３を抽出することができない。つまり、図１に示したＭＩＭＯ技術を用いた空間多重通信システムにより、高い暗号性を有する通信ネットワークを構成することが可能となる。

図５を参照して、図１に示したＭＩＭＯ技術を用いた空間多重通信システムを、暗号通信システムに適用した場合について説明する。この暗号通信システムは、通信システム５００、通信ネットワーク４０及び通信装置６００を備えている。通信システム５００は、図１に示した無線通信空間１における送信機１０−１，１０−２，１０−３及び受信機２０−１，２０−２，２０−３により構成され、通信装置６００は、サーバ３０により構成される。通信システム５００と通信装置６００とは通信ネットワーク４０を介して接続される。通信システム５００は、暗号化部５０１〜５０３及び鍵データ格納部５０４を備えている。また、通信装置６００は、復号部６０１及び鍵データ格納部６０２を備えている。

通信システム５００の暗号化部５０１は、図１に示した送信機１０−１，１０−２，１０−３及び受信機２０−１により構成され、データＤ１，Ｄ２，Ｄ３を入力し、鍵データ格納部５０４に格納された鍵データを用いて混信データＭ１を生成し、通信ネットワーク４０を介して通信装置６００に送信する。同様に、暗号化部５０２は、図１に示した送信機１０−１，１０−２，１０−３及び受信機２０−２により構成され、データＤ１，Ｄ２，Ｄ３を入力し、鍵データ格納部５０４に格納された鍵データを用いて混信データＭ２を生成し、通信ネットワーク４０を介して通信装置６００に送信する。また、暗号化部５０３は、図１に示した送信機１０−１，１０−２，１０−３及び受信機２０−３により構成され、データＤ１，Ｄ２，Ｄ３を入力し、鍵データ格納部５０４に格納された鍵データを用いて混信データＭ３を生成し、通信ネットワーク４０を介して通信装置６００に送信する。すなわち、暗号化部５０１，５０２，５０３は、鍵データ（暗号鍵）を用いて、平文であるデータＤ１，Ｄ２，Ｄ３を暗号化し、暗号データである混信データＭ１，Ｍ２，Ｍ３をそれぞれ生成する。この場合、鍵データ格納部５０４に格納された鍵データは、実際にはデータとして存在せず、無線通信空間１における送信機１０−１，１０−２，１０−３及び受信機２０−１，２０−２，２０−３の配置により決定される。図１に示した空間多重通信システムでは、これらの配置を暗号鍵とみなして、本暗号システムに適用することができる。

通信装置６００の復号部６０１は、図４に示したサーバ３０の分離部３５に相当し、鍵データ格納部６０２は、空間伝播係数格納部３３により構成される。復号部６０１は、通信システム５００の各暗号化部５０１，５０２，５０３により送信された暗号文である混信データＭ１，Ｍ２，Ｍ３を受信し、鍵データ格納部６０２に格納された鍵データを用いて復号し、元のデータＤ１，Ｄ２，Ｄ３を生成する。この場合、鍵データ格納部６０２に格納された鍵データは、鍵データ格納部５０４に格納された鍵データと同一である。具体的には、無線通信空間１における送信機１０−１，１０−２，１０−３及び受信機２０−１，２０−２，２０−３の配置により決定され、空間伝播係数算出部３４により算出される空間伝播係数の復号鍵である。

このように、図１に示したＭＩＭＯ技術を用いた空間多重通信システムについて、通信ネットワーク４０に流れる混信データＭ１，Ｍ２，Ｍ３を暗号文とし、送信機１０−１，１０−２，１０−３及び受信機２０−１，２０−２，２０−３の無線通信空間１における配置を暗号鍵とし、空間伝播係数を復号鍵とすることにより、暗号通信システムに適用することができる。

以下、本発明の空間多重通信システムについて実施例を挙げて説明する。図６は、本発明の実施の形態に係る空間多重通信システムを、住宅の防犯安全システムに適用した例である。この防犯安全システムを実現する空間多重通信システムは、中央監視センタ３００が、集合住宅４００における住宅４００−１，４００−２の各種情報を受信し、住宅４００−１，４００−２の防犯等の状態をそれぞれ監視するものである。集合住宅４００の住宅４００−１には、窓やドアの開閉状態、施錠状態、温度、湿度、ガス漏れ、漏電、火災等を検知する各種センサ１００−１〜１００−ｍが取り付けられている。同様に、住宅４００−２にも各種センサ２００−１〜２００−ｎが取り付けられている。

この空間多重通信システムは、住宅４００−１において、センサ１００−１〜１００−ｍと、当該センサからの入力信号を送信アンテナ１１１−１〜１１１−ｍを介して送出する送信機１１０−１〜１１０−ｍと、送信機１１０−１〜１１０−ｍ及び後述する送信機２１０−１〜２１０−ｎから混信信号を受信アンテナ１２１−１〜１２１−ｍを介して受信し、ＡＤ変換を施して混信データをそれぞれ生成する受信機１２０−１〜１２０−ｍと、通信ネットワーク４０を介してサーバ３０に混信データを送信する通信ネットワーク機器１３０とを備えている。さらに、空間多重通信システムは、住宅４００−２において、センサ２００−１〜２００−ｎと、当該センサからの入力信号を送信アンテナ２１１−１〜２１１−ｎを介して送出する送信機２１０−１〜２１０−ｎと、送信機１１０−１〜１１０−ｍ及び送信機２１０−１〜２１０−ｎから混信信号を受信アンテナ２２１−１〜２２１−ｎを介して受信し、ＡＤ変換を施して混信データをそれぞれ生成する受信機２２０−１〜２２０−ｎと、通信ネットワーク４０を介してサーバ３０に混信データを送信する通信ネットワーク機器２３０とを備えている。

さらに、空間多重通信システムは、中央監視センタ３００において、受信機１２０−１〜１２０−ｍ，２２０−１〜２２０−ｎにより送信された混信データを受信し、ＭＩＭＯ技術の逆行列演算により元の各種センサのデータを抽出する。尚、住宅４００−１で使用するｍ個の通信チャンネル及び住宅４００−２で使用するｎ個の通信チャンネルは、住宅４００−１，４００−２で共通の同一の周波数を用いる。この場合、サーバ３０には、図４に示したように、予め（ｍ＋ｎ）×（ｍ＋ｎ）個の空間伝播係数が格納されており、これら全ての空間伝播係数を用いてＭＩＭＯ技術の逆行列演算を施す。

以上説明したように、本発明の実施の形態に係る空間多重通信システムによれば、ネットワークインタフェース部２６を備えた受信機１２０−１〜１２０ｍ，２２０−１〜２２０−ｎを、住宅４００−１，４００−２の無線通信空間上及び通信ネットワーク４０上に分散して配置し、送信機１１０−１〜１１０−ｍ，２１０−１〜２１０−ｎからの同一周波数の混信信号を受信し、混信信号を復調することなく混信データに変換して通信ネットワーク４０に送信するようにした。これにより、第三者は、無線通信空間における混信信号及び通信ネットワーク４０における混信データを取り出すことが可能であるが、空間伝播係数を取得できないから、簡単な手段で情報の機密性を確保すると共に、セキュリティを実現することができる。

また、本発明の実施の形態に係る空間多重通信システムによれば、ＭＩＭＯ技術を用いた空間多重通信システムを暗号通信システムに適用し、送信機１１０−１〜１１０−ｍ，２１０−１〜２１０−ｎ及び受信機１２０−１〜１２０ｍ，２２０−１〜２２０−ｎの配置を暗号鍵とし、またこれらの配置に依存する空間伝播係数を復号鍵として用いるようにした。これにより、通信ネットワーク４０には暗号文が流れるから、高い暗号性を有する通信ネットワークを構成することができる。従って、暗号化及び復号のための特別な手段を用いることなく簡単な手段で情報の機密性を確保すると共に、セキュリティを実現することができる。また、暗号鍵を変更したい場合には、送信機１１０−１〜１１０−ｍ，２１０−１〜２１０−ｎ及び受信機１２０−１〜１２０ｍ，２２０−１〜２２０−ｎの配置を変更するだけで済む。この場合、復号鍵は、受信機に備えた空間伝播係数算出部３４により算出することができる。これにより、暗号鍵の変更に対して容易に対応することができる。

また、本発明の実施の形態に係る空間多重通信システムによれば、受信機１２０−１〜１２０ｍ，２２０−１〜２２０−ｎは、時間符号を付加して混信データを送信するようにした。これにより、サーバ３０は、元のデータを抽出するための混信データを、確実に特定することができる。

また、本発明の実施の形態に係る空間多重通信システムによれば、中央監視センタ３００のサーバ３０は、住宅４００−１，４００−２における（ｍ＋ｎ）×（ｍ＋ｎ）個の空間伝播係数の用いてＭＩＭＯの逆行列演算を施し、元のデータを算出するようにした。これにより、住宅４００−１の送信機１１０−１〜１１０−ｍにより送出された信号が隣の住宅４００−２に漏洩し、住宅４００−２の受信機２２０−１〜２２０−ｎがその漏洩信号を受信したとしても、また、住宅４００−２の信号が住宅４００−１へ漏洩しても、サーバ３０は、住宅間の空間伝播係数も含めて元のデータを抽出するようにしたから、住宅４００−１のデータと住宅４００−２のデータとを明確に区別し、それぞれの元のデータを正確に抽出することができる。従って、中央監視センタ３００は、システムの誤動作がなくなり、防犯安全機能を確実に実現することができる。

以上、実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の精神及び意図を逸脱しない限り、種々変形が可能である。例えば、上記の実施の形態においては、図１の空間多重通信システムではそれぞれ３台の送受信機、図６の空間多重通信システムではそれぞれｍ＋ｎ台の送受信機としたが、台数に制限されるものではなく、ＭＩＭＯ技術が実現できる限り、これ以外の台数の空間多重通信システムにも適用がある。

また、上記の実施の形態においては、送信機と受信機の台数を同じとしたが、必ずしも同数である必要はなく、受信機の台数が送信機の台数よりも多くてもよい。

また、上記の実施の形態においては、防犯安全システムを例に挙げて説明したが、これに限定されるものではなく、本発明のＭＩＭＯ技術を用いた空間多重通信システムの原理が適用される限り、ユビキタス環境モニタシステム、下水の酸欠監視システム、インターネット形態電話、インターネットマイクシステム等の他のシステムにも適用することができる。

本発明の空間多重通信システムの原理を説明するためのシステム構成図である。 送信機の機能を説明するためのブロック図である。 受信機の機能を説明するためのブロック図である。 サーバの機能を説明するためのブロック図である。 本発明の空間多重通信システムを暗号システムに適用した場合について説明するためのシステム構成図である。 本発明の実施の形態に係る空間多重通信システムを説明するためのシステム構成図である。 ＭＩＭＯ技術を用いた空間多重方式の説明図である。

符号の説明

１ 無線通信空間
１０−１，１０−２，１０−３，１１０−１〜１１０−ｍ，２１０−１〜２１０−ｎ 送信機
１１−１，１１−２，１１−３，１１１−１〜１１１−ｍ，２１１−１〜２１１−ｎ 送信アンテナ
１２ データ変換部
１３，２３ 周波数変換器
１４，２４ 発振器
２０−１，２０−２，２０−３，１２０−１〜１２０−ｍ，２２０−１〜２２０−ｎ 受信機
２１−１，２１−２，２１−３，１２１−１〜１２１−ｍ，２２１−１〜２２１−ｎ 受信アンテナ
２２ 増幅器
２５ ＡＤ変換器
２６，３１ ネットワークインタフェース部
２７ 符号付加部
３０ サーバ
３２ 処理部
３３ 空間伝播係数格納部
３４ 空間伝播係数算出部
３５ 分離部
４０ 通信ネットワーク
１００−１〜１００−ｍ，２００−１〜２００−ｎ センサ
１３０，２３０ ネットワーク機器
３００ 中央監視センタ
４００ 集合住宅
４００−１，４００−２ 住宅
５００ 通信システム
５０１，５０２，５０３ 暗号化部
５０４，６０２ 鍵データ格納部
６００ 通信装置
６０１ 復号部

Claims (7)

1. 複数のデータを同一周波数の無線通信により送出し、ＭＩＭＯ技術を用いて、前記送出されて混信した信号から元の複数のデータを抽出する空間多重通信システムにおいて、
   外部から入力したデータを無線信号として送出する機能を有する複数の送信機と、
   当該複数の送信機によりそれぞれ送出された無線信号が混信した信号を受信する機能、当該混信信号にＡＤ変換を施し混信データを生成する機能、及び所定の時間符号を付加して当該混信データを通信ネットワークに送信する機能を有する複数の受信機と、
   前記送信機及び受信機の配置に依存して決定される空間伝播係数を格納する機能、前記複数の受信機によりそれぞれ送信された混信データを通信ネットワークを介して受信する機能、及び前記空間伝播係数を用いたＭＩＭＯ技術の演算により、それぞれの混信データから元の複数のデータを抽出する機能を有する通信装置とを備え、
   前記通信装置は、
   それぞれの混信データを、該混信データに付加された時間符号に基づいて同期処理を行って各混信データを特定し、予め格納された前記空間伝播係数に基づいて前記特定した混信データから元の複数のデータを抽出することを特徴とする空間多重通信システム。
2. 請求項１に記載の空間多重通信システムにおいて、
   前記送信機及び受信機は、外部から入力した複数のデータを、当該送信機及び受信機の配置を鍵データとして暗号化し、混信データをそれぞれ生成し、
   前記通信装置は、前記送信機及び受信機の配置に依存して決定される空間伝播係数を鍵データとして、通信ネットワークを介してそれぞれ受信した混信データを復号し、元の複数のデータを抽出することを特徴とする空間多重通信システム。
3. 請求項１または２に記載の空間多重通信システムにおいて、
   前記複数の送信機及び受信機を、管理単位毎の複数のエリアに分割して配置し、前記通信装置は、複数のエリアをそれぞれ独立して管理することを特徴とする空間多重通信システム。
4. 請求項１から３のいずれか一項に記載の空間多重通信システムにおいて、
   前記送信機の台数と受信機の台数を等しくする、または受信機の台数を送信機の台数よりも多くすることを特徴とする空間多重通信システム。
5. 外部から入力したデータを無線信号として送出する機能を有する複数の送信機と、当該複数の送信機によりそれぞれ送出された無線信号が混信した信号を受信する機能、当該混信信号にＡＤ変換を施し混信データを生成する機能、及び所定の時間符号を付加して当該混信データを通信ネットワークに送信する機能を有する複数の受信機と、前記送信機及び受信機の配置に依存して決定される空間伝播係数を格納する機能、前記複数の受信機によりそれぞれ送信された混信データを通信ネットワークを介して受信する機能、及び前記空間伝播係数を用いたＭＩＭＯ技術の演算により、それぞれの混信データから元の複数のデータを抽出する機能を有する通信装置とを備える空間多重通信システムにて、複数のデータを同一周波数の無線通信により送出し、ＭＩＭＯ技術を用いて、前記送出されて混信した信号から元の複数のデータを抽出する空間多重通信方法において、
   前記通信装置によって、
   それぞれの混信データを、該混信データに付加された時間符号に基づいて同期処理を行って各混信データを特定し、予め格納された前記空間伝播係数に基づいて前記特定した混信データから元の複数のデータを抽出することを特徴とする空間多重通信方法。
6. 請求項５に記載の空間多重通信方法において、
   前記送信機及び受信機によって、外部から入力した複数のデータを、当該送信機及び受信機の配置を鍵データとして暗号化し、混信データをそれぞれ生成し、
   前記通信装置によって、前記送信機及び受信機の配置に依存して決定される空間伝播係数を鍵データとして、通信ネットワークを介してそれぞれ受信した混信データを復号し、元の複数のデータを抽出することを特徴とする空間多重通信方法。
7. 請求項５または６に記載の空間多重通信方法において、
   前記複数の送信機及び受信機を、管理単位毎の複数のエリアに分割して配置し、前記通信装置が、複数のエリアをそれぞれ独立して管理することを特徴とする空間多重通信方法。

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