JP5064477B2 - 無線通信システムおよび無線通信装置 - Google Patents

Description

本発明は、無線通信におけるアンテナの偏波追尾を不要とする中継局を介する無線通信システムおよび無線通信装置に関するものである。

無線通信におけるアンテナは、一般的に通信の相手方との指向性および偏波を調整する必要があり、特に静止軌道に複数の通信衛星を配置する衛星通信においては、高精度な指向方向調整および偏波調整を必要とする。無線通信において、直線偏波と円偏波が一般的に使用されており、円偏波の使用は、偏波調整を不要とする特徴がある。

しかしながら、衛星通信における偏波の選択は、通信衛星に依存しており、特にＫｕ帯、Ｃ帯等を用いる衛星通信システムでは、直線偏波が広く用いられているため、偏波追尾が必須であった。

直線偏波使用の衛星通信システムで、偏波追尾を不要とするための報告例が、非特許文献１に記載されている。本方式において基地局から中継局（ここでは衛星局）を介して移動局へ通信する場合の例を図１に示す。ここでの前提条件は、基地局のアンテナは中継局のアンテナに対し偏波調整されており、一方移動局は偏波追尾を行なわないことである。そのため、中継局−移動局間の伝搬路において偏波ずれに伴う偏波間干渉が生じる。非特許文献１では、基地局で信号を２分割して、それぞれの成分を同一帯域の垂直および水平偏波を同時に使用して伝送することで、偏波間干渉の影響を自局の通信信号間にとどめ、移動局において干渉補償技術を適用している。図２に偏波ずれの影響を模式的に示す。基地局から送出された垂直および水平偏波の信号は、中継局の中継手段で周波数変換に伴い相対周波数のずれが生じる場合もある。移動局への入力端で、偏波ずれのため、両偏波の信号が混ざり合って受信される。干渉補償手段において、必要に応じて周波数ずれを補償後、偏波毎に付与したユニークワードを元に信号成分と干渉成分の分離・合成を行って、元の信号を復元している。

このように、従来偏波追尾が必要な直線偏波を使用する通信においても、垂直および水平偏波の使用と干渉補償技術の適用により、偏波追尾を不要としている。一方、移動局から基地局からの通信および偏波ずれの影響に関しても、図３および図４のそれぞれ示すように、移動局において発生した偏波間干渉の影響を、基地局の干渉補償手段において取り除いている。

山下他，「偏波無追尾衛星通信用VPFDMモデムモジュールの開発と特性評価」，2008年電子情報通信学会衛星通信研究会, SAT2008-7，p．7-12

従来の技術における通信衛星が直線偏波を使用し、且つ、偏波追尾を不要とする通信システムでは、垂直および水平偏波を使用するため、それぞれの偏波出力に対応する２系統の送信および受信手段が必要であった。特に送信手段を構成する増幅器は、高出力の信号増幅が必要であり、寸法・消費電力およびコスト面においても、受信系の増幅器と比較して大きく、これを２式要することは、アンテナ構築の際の実装の困難性や高コスト要因となる。

したがって、本発明は、直線偏波を用いる無線通信システムにおいて、偏波追尾を不要とし、且つ、送信系の一系統化を実現する無線通信システムを提供することを目的とする。

上記目的を実現するため本発明による無線通信システムは、中継局および該中継局を介して通信を行う２つ以上の無線局を有する無線通信システムにおいて、前記無線局の少なくとも１つは、送信信号として円偏波を使用し、前記中継局および前記円偏波を使用する無線局以外の無線局は、送信信号として直交する２つの直線偏波を使用し、前記円偏波を使用する無線局は、入力信号を変調する変調手段と、前記変調された信号を周波数変換および信号増幅を行う送信機と、前記周波数変換および信号増幅された信号を送信する右旋円偏波アンテナまたは左旋円偏波アンテナと、直交する２系統の直線偏波の信号をそれぞれ受信する分離配置された垂直偏波アンテナおよび水平偏波アンテナと、前記垂直偏波アンテナおよび水平偏波アンテナで受信された信号をそれぞれ周波数変換および信号増幅を行う２系統の受信機と、前記受信機の出力信号を復調して信号を復元する復調手段とを備え、前記円偏波を使用する無線局において、同一周波数を含む右旋円偏波および左旋円偏波を使用する２つの無線局が有する場合、該２つの無線局との通信の相手方となる無線局は、２系統以上の受信手段、および干渉補償手段を備え、前記受信手段で受信した２以上の信号に対し、前記干渉補償手段で無線局と中継局間の異偏波間干渉の補償、中継局と無線局間の一部および全ての要因の周波数誤差補償を行う。

また、前記円偏波を使用する無線局において、同一周波数を含む右旋円偏波および左旋円偏波を使用する２つの無線局が有する場合、該２つの無線局との通信の相手方となる無線局は、信号合成手段をさらに備え、前記受信手段で受信した２以上の信号に対し、前記異偏波間干渉の補償、および前記周波数誤差補償を行った後、前記信号合成手段で同相合成を行うことも好ましい。

本発明の無線通信システムは、直線偏波を使用する無線通信システムにおいて、偏波追尾を不要とするため、従来直交する２偏波の直線偏波アンテナおよび２系統の送信機を必要としていた無線装置に対して、円偏波を用いることで、送信機の系統数を１つにすることができる。送信機の１系統化は、高コストで形状が大きな電力増幅器を１つにできるため、低コスト化とアンテナへの実装性が格段に向上する。

従来技術の衛星通信システムの概念図（基地局→移動局）を示す。 偏波ずれおよび中継局の周波数誤差の影響（基地局→移動局）を示す。 従来技術の衛星通信システムの概念図（移動局→基地局）を示す。 偏波ずれおよび中継局の周波数誤差の影響（移動局→基地局）を示す。 本発明の無線通信システムの概念図（移動局→基地局）を示す。 異偏波および中継局の周波数誤差の影響（移動局→基地局）を示す。 本発明の無線通信システムを実現する移動局装置の構成例１を示す。 本発明の無線通信システムを実現する移動局装置の構成例２を示す。 本発明の無線通信システムを実現する移動局装置の構成例３を示す。 本発明の無線通信システムを実現する移動局装置の構成例４を示す。 本発明の無線通信システムの概念図（２つの移動局→基地局）を示す。 異偏波および中継局の周波数誤差の影響（２つの移動局→基地局）を示す。 ビットエラーレート評価例を示す。

本発明を実施するための最良の実施形態について、以下では図面を用いて詳細に説明する。図５は本発明の無線通信システムの概念図（移動局→基地局）を示す。

本発明の無線通信システムは、基地局１、中継局２および移動局３から構成されている。図５は移動局３から基地局１への送信の場合である。本発明では、直線偏波を中継する中継局２を用いながら、移動局３からの送信系に使用する偏波について、図５に示すように円偏波を使用する。これにより、直線偏波を用いる無線通信システムにおいて、偏波追尾を不要とし、且つ、送信系の一系統化を実現される。移動局３が円偏波アンテナ３１よりを円偏波を送信する。中継局２において円偏波を受信すると、中継局２の垂直偏波アンテナ２１および水平偏波アンテナ２２においては、図６に示すように等振幅に分配された信号が受信される。ここで分配された垂直および水平偏波成分は、中継局２を介して基地局１で受信される。

このとき、受信信号の一方のみを復調しても通信が可能であるが、３ｄＢの分配損失が発生する。これを回避するために、基地局１の垂直偏波アンテナ１２および水平偏波アンテナ１３において受信された信号を信号合成手段１１において、同相合成を行う。なお、中継局２で周波数誤差が重畳された場合、周波数誤差補償を実施後に、同相合成を行うことで信号の復元が可能である。なお、ここでの周波数誤差補償および同相合成については、非特許文献１に示された最大比合成の手法を適用でき、偏波毎に付与したユニークワードを用いて実施する。

このとき、基地局１から移動局３への通信に関しては、以下に述べる構成を用いることにより、従来技術と同様に垂直および水平偏波の２偏波を使用しても、一方の偏波のみを使用してもよい。

図７および図８は、それぞれ本発明の無線通信システムを実現する移動局装置の構成例１および２を示す。図７および図８の送信系は、変調手段３２、送信機３３、円偏波形成手段３４およびダイプレクサ３５を備え、送信機３３はその中に周波数変換手段および信号増幅手段を備える。送信系は、入力信号を変調手段３２において変調した後に、送信機３３において周波数変換手段および信号増幅手段で周波数変換および信号増幅を行う。その後、円偏波形成手段３４において、９０度の位相差が有するように信号を等分配し、送受の周波数帯を分離するダイプレクサ３５を経由し、垂直偏波アンテナ３６および水平偏波アンテナ３７を励振する。なお、円偏波形成手段３４は、９０度ハイブリッド回路で容易に実現できる。このとき、垂直偏波アンテナ３６および水平偏波アンテナ３７から出力される信号が空間的に合成され、円偏波が形成される。

図７および図８の受信系に関しては、従来の技術を同様に、復調手段３８、干渉補償手段３９、および受信機４０を備える。受信機３３はその中に周波数変換手段および信号増幅手段を備える。また、図７の構成はさらに、並直列変換手段４１を備える。垂直偏波アンテナ３６および水平偏波アンテナ３７が直交する２系統の直線偏波の信号をそれぞれ受信する。送信機４０において周波数変換手段および信号増幅手段で周波数変換および信号増幅を行う。その後、干渉補償手段３９において、自局アンテナの偏波ずれに伴う偏波干渉の補償を行った後に、復調手段３８で復調して信号を復元する。なお、図７は、従来技術を適用した場合の垂直および水平偏波を使用する実現例である。そのため、並直列変換手段４１において、２つの信号を結合している。また、一方の偏波のみを使用する場合の実現例として図８に示す構成をとることも望ましく、このときは、図７の構成における干渉補償手段３９の出力のうち、いずれか一方を用いる構成と等価である。

図９は本発明の無線通信システムを実現する移動局装置の構成例３を示す。本構成例では、右（左）円偏波アンテナ４２と、垂直偏波アンテナ３６および水平偏波アンテナ３７は、分離配置してもよく、その場合は送受の周波数帯を分離するダイプレクサ３５、円偏波形成手段３４が不要となる。

さらに、図１０は本発明の無線通信システムを実現する移動局装置の構成例４を示す。本図で示すように、垂直偏波アンテナ３６および水平偏波アンテナ３７の代わりに、右旋円偏波アンテナ４２と左旋円偏波アンテナ４３を用いてもよい。この場合は構成例１および２の円偏波形成手段３４が削除できる。本構成では、中継局２からの垂直および水平偏波の各信号を２つの円偏波アンテナ４２および４３にて受信する。このとき、円偏波の各アンテナには垂直および水平偏波の各信号に対し３ｄＢの分配損失が発生するが、干渉補償手段３９を介することで、それぞれが同相合成され信号が復元される。

なお、図９および図１０に示す構成例３および４において、一方の偏波のみを使用することも可能である。このときの受信系の構成は、図８に示す構成例２と同様に受信機の２つの出力を干渉補償手段３９を介して、復調する構成も望ましい。

周波数有効利用の観点を考慮すると、直交する２つの偏波の利用が望ましい。円偏波においても、右旋と左旋の円偏波を利用することで、偏波共用が図れる。このときの動作について図１１および図１２を用いて説明する。この場合、図３および図４にて説明した従来の手法において、１つの移動局が２つの直線偏波を使用していたものに対して、２つの移動局のそれぞれが右旋と左旋の円偏波を利用することに置き換わったものと等価である。従って、移動局毎にユニークワードを付与することで、干渉補償後に各移動局の信号成分を抽出し、復調することが可能である。

図１３は、本発明の動作について図５の系を電気的に模擬し評価した結果である。具体的には送信信号を２分配し、分配信号の周波数誤差をそれぞれ１００ｋＨｚ与え、復調手段にて周波数誤差補償および同相合成を行った後に復調したときのビットエラーレートの評価結果を示す。この結果、本提案の構成において、解析に対して０．５ｄＢ程度の劣化で動作しているため、所定の動作を実現できていることを確認できる。

また、以上述べた実施形態は全て本発明を例示的に示すものであって限定的に示すものではなく、本発明は他の種々の変形態様および変更態様で実施することができる。従って本発明の範囲は特許請求の範囲およびその均等範囲によってのみ規定されるものである。

１ 基地局
２ 中継局
３ 移動局
１１ 信号合成手段
１２、２１ 垂直偏波アンテナ
１３、２２ 水平偏波アンテナ
３１ 円偏波アンテナ
３２ 変調手段
３３ 送信機
３４ 円偏波形成手段
３５ ダイプレクサ
３６ 垂直偏波アンテナ
３７ 水平偏波アンテナ
３８ 復調手段
３９ 干渉補償手段
４０ 受信機
４１ 並直列変換手段
４２ 右（左）円偏波アンテナ
４３ 左（右）円偏波アンテナ

Claims (2)

1. 中継局および該中継局を介して通信を行う２つ以上の無線局を有する無線通信システムにおいて、
   前記無線局の少なくとも１つは、送信信号として円偏波を使用し、
   前記中継局および前記円偏波を使用する無線局以外の無線局は、送信信号として直交する２つの直線偏波を使用し、
   前記円偏波を使用する無線局は、
   入力信号を変調する変調手段と、
   前記変調された信号を周波数変換および信号増幅を行う送信機と、
   前記周波数変換および信号増幅された信号を送信する右旋円偏波アンテナまたは左旋円偏波アンテナと、
   直交する２系統の直線偏波の信号をそれぞれ受信する分離配置された垂直偏波アンテナおよび水平偏波アンテナと、
   前記垂直偏波アンテナおよび水平偏波アンテナで受信された信号をそれぞれ周波数変換および信号増幅を行う２系統の受信機と、
   前記受信機の出力信号を復調して信号を復元する復調手段と
   を備え、
   前記円偏波を使用する無線局において、同一周波数を含む右旋円偏波および左旋円偏波を使用する２つの無線局が有する場合、該２つの無線局との通信の相手方となる無線局は、２系統以上の受信手段、および干渉補償手段を備え、
   前記受信手段で受信した２以上の信号に対し、前記干渉補償手段で無線局と中継局間の異偏波間干渉の補償、中継局と無線局間の一部および全ての要因の周波数誤差補償を行うことを特徴とする無線通信システム。
2. 前記円偏波を使用する無線局において、同一周波数を含む右旋円偏波および左旋円偏波を使用する２つの無線局が有する場合、該２つの無線局との通信の相手方となる無線局は、信号合成手段をさらに備え、
   前記受信手段で受信した２以上の信号に対し、前記異偏波間干渉の補償、および前記周波数誤差補償を行った後、前記信号合成手段で同相合成を行うことを特徴とする請求項１に記載の無線通信システム。

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