JP5903699B1 - デジタル無線通信装置およびデジタル無線通信システム - Google Patents

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Abstract

【課題】リニアセルに対して、漏洩同軸ケーブルを使用して、より多くの通信トラフィックの収容が可能なデジタル無線通信装置を提供する。【解決手段】 複合ケーブル４は、放射特性のそれぞれ異なる複数の漏洩同軸ケーブル２ａ，２ｂを収納する。漏洩同軸ケーブル２ａ，２ｂは、内部導体および外部導体を内部に含み複数の漏洩スロットが設けられており、図３（ａ）ではスロットの軸方向に対するスロット周期が、図３（ｂ）では配置されているスロットパターンがそれぞれ異なる。無線通信装置は、複合ケーブル４の端部から高周波信号を供給し、ＭＩＭＯ（multiple-input multiple-output）通信を実行する。【選択図】図３

Description

この発明は、移動局と地上に設置された地上局との間でデジタル通信を行う無線通信技術の構成に関する。
スマートフォンなどの携帯通信端末は、今や生活必需品であり、バスや列車、航空機内などでもこれによる通信量が増加している。
一方で、漏洩同軸ケーブル（ＬＣＸ: Leaky Coaxial Cable）は、安定した接続性などの特長からトンネルや地下街などの不感地対策のためのアンテナとして利用されており、さらにケーブルに沿って通信可能範囲を構成できるため「リニアセル」への展開も期待されている。
すなわち、安定したワイヤレス・ネットワーク接続は、鉄道に沿ったエリア、トンネル、地下ショッピング・モール、飛行機内および列車内などのような、「リニアセル」と呼ばれる長く幅の狭い配設位置上において、必要とされる場合がある。リニアセルの環境については、漏洩同軸ケーブルがいくつかの潜在的な長所を持つので、漏洩同軸ケーブルは、このような環境でのアンテナとして無線通信に使用されうる。つまり、漏洩同軸ケーブルは、リニアセルに対して使用する場合、例えば、そのカバーする領域が一定であり、設置は、他の方法に比べて、より単純にできる可能性がある。
一方で、ＬＣＸを用いたシステムにおいても、周波数利用効率向上に向けてＭＩＭＯ（多入力多出力：multiple-input multiple-output）技術の適用が検討されている（たとえば、非特許文献１を参照）。
しかし、非特許文献１に開示された方法では、複数本のＬＣＸを互いに相関が十分低くなるように離して設置する必要があり、敷設や維持コストが増大するという課題があった。
一方で、そのような問題に対処するために、単一ＬＣＸによる２×２ＭＩＭＯシステムについての提案もある（非特許文献２、非特許文献３を参照）。この方法では、ＬＣＸの両側から信号を入力する必要があり、ＬＣＸの両端がほぼ同じ位置になるように敷設するか、ＬＣＸの反対端まで別途同軸ケーブル等を敷設する必要がある。そのためＬＣＸの長さが長くなると敷設コストが増大する。
また、特許文献１には、結束漏洩同軸ケーブルにおいて、第１の漏洩同軸ケーブル、第２の漏洩同軸ケーブル、および第３の漏洩同軸ケーブルのそれぞれの外部導体には、所定の大きさのスリットが所定の間隔で形成されており、第１ないし第３の漏洩同軸ケーブルは、相関が低減されるように、外周の所定の方向にあるスリットの向きが漏洩同軸ケーブル間で互いに異なるように、あるいは、漏洩同軸ケーブルの間隔を波長の２分の１以上となるように、または、偏波面の向きが漏洩同軸ケーブル間で互いに異なるようにスリットの角度を設定している漏洩同軸ケーブルが結束され、ＭＩＭＯ通信を実現する構成が開示されている。
特開２０１１−１９９７６０号公報明細書
川合他, "ＬＣＸを用いた列車内ＭＩＭＯスループット特性の一検討"，信学技報,AP2011-172(2012-01),pp147-152. 塚本悟司、阿野進、前田隆弘、伴弘司、小林聖、「単一漏洩同軸ケーブルによる2×2ＭＩＭＯシステムの一検討」、2013年電子情報通信学会総合大会予稿集、B-1-220 S. Tsukamoto, T. Maeda and Y. Hou, et al. "Performance evaluation of 2x2 MIMO system with single leaky coaxial cable," in Proc. VJISAP (Vietnam - Japan International Symposium on Antennas and Propagation) 2014, pp. 261-264, Jan. 2014.
しかしながら、より多くの通信トラフィックを収容するシステムのためには、さらなるスペクトル効率の向上が必要になる。
また、そのようなスペクトル効率の向上を、漏洩同軸ケーブルで実現する際に、敷設のためのコストを抑制することも必要になる。
一方で、特許文献１に記載の技術は、上記のとおりの開示があるものの、複数の漏洩同軸ケーブルを近接して配置した場合に、実際に良好なＭＩＭＯ特性を実現するための構成について十分な検討がされているとはいえない。
この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであって、リニアセルに対して、漏洩同軸ケーブルを使用して、より多くの通信トラフィックの収容が可能なデジタル無線通信装置およびデジタル無線通信システムを提供することである。
この発明の他の目的は、より多くの通信トラフィックの収容を、漏洩同軸ケーブルの敷設コストを抑制して実現することが可能なデジタル無線通信装置およびデジタル無線通信システムを提供することである。
この発明の１つの局面に従うと、デジタル無線通信装置であって、放射特性のそれぞれ異なる複数の漏洩同軸ケーブルを収納した複合ケーブルを備え、各漏洩同軸ケーブルは、内部導体および外部導体を含み、複数の漏洩スロットが設けられており、漏洩同軸ケーブルの軸方向の法線方向に対して放射のピーク方向が、軸方向および法線方向の双方を含む面内で成す角度を放射角とするとき、複数の漏洩同軸ケーブルは、それぞれ、異なる放射角を有し、複合ケーブルの一方端から、受信機に向けて送信するための高周波信号を供給し、受信機との間でＭＩＭＯ（multiple-input multiple-output）通信を実行するための送信手段をさらに備える。
好ましくは、複数の漏洩同軸ケーブルは、それぞれ、異なる放射角を有するように、漏洩スロットの配置の周期が異なる。
好ましくは、複数の漏洩同軸ケーブルは、それぞれ、異なる放射角を有するように、内部導体および外部導体との間の絶縁体の誘電率または内部導体の径が異なる。
好ましくは、異なる放射角の差は、少なくとも１１度以上である。
好ましくは、複数の漏洩同軸ケーブルにおいては、さらに、それぞれ、漏洩スロットの漏洩同軸の軸方向に対する角度が異なる。
好ましくは、送信手段は、複合ケーブルの両端側から漏洩同軸ケーブルの各々に、高周波信号を供給する。
好ましくは、複数の漏洩同軸ケーブルは、単一の被覆構造中に収納される。
この発明の他の局面に従うと、デジタル無線通信システムであって、固定して設置される第１のデジタル無線装置を備え、第１のデジタル無線通信装置は、放射特性のそれぞれ異なる複数の漏洩同軸ケーブルを収納した複合ケーブルを含み、各漏洩同軸ケーブルは、内部導体および外部導体を含み、複数の漏洩スロットが設けられており、漏洩同軸ケーブルの軸方向の法線方向に対して放射のピーク方向が、軸方向および法線方向の双方を含む面内で成す角度を放射角とするとき、複数の漏洩同軸ケーブルは、それぞれ、異なる放射角を有し、複合ケーブルの一方端から高周波信号を供給し、ＭＩＭＯ通信を実行するための送信手段をさらに含み、モバイル端末であって、複合ケーブルからの信号を受信して第１のデジタル無線通信装置とＭＩＭＯ通信を行う第２のデジタル無線通信装置をさらに備える。
好ましくは、複数の漏洩同軸ケーブルは、それぞれ、異なる放射角を有するように、漏洩スロットの配置の周期が異なる。
好ましくは、複数の漏洩同軸ケーブルは、それぞれ、異なる放射角を有するように、内部導体および外部導体との間の絶縁体の誘電率または内部導体の径が異なる。
好ましくは、異なる放射角の差は、少なくとも１１度以上である。
好ましくは、複数の漏洩同軸ケーブルにおいては、さらに、それぞれ、漏洩スロットの漏洩同軸の軸方向に対する角度が異なる。
好ましくは、送信手段は、複合ケーブルの両端側から漏洩同軸ケーブルの各々に、高周波信号を供給する。
好ましくは、複数の漏洩同軸ケーブルは、単一の被覆構造中に収納される。
本発明のデジタル無線通信装置およびデジタル無線通信システムによれば、リニアセルに対して、漏洩同軸ケーブルを使用して、より多くの通信トラフィックの収容が可能である。
本発明のデジタル無線通信装置およびデジタル無線通信システムによれば、より多くの通信トラフィックの収容を、漏洩同軸ケーブルの敷設コストを抑制して実現することが可能である。
本実施の形態のリニアセルの態様を説明するための概念図である。 従来のＬＣＸを用いたＭＩＭＯ方式を説明するための概念図である。 本実施の形態の複合型ＬＣＸケーブルによるＭＩＭＯ通信を説明するための概念図である。 放射特性を異なったものとするためのＬＣＸの構造を説明するための図である。 複合ケーブル４にＲＦ信号を供給するデジタル無線通信装置１０００の構成を説明するための機能ブロック図である。 測定系を示す概念図である。 測定された各エリアに対するＣＮ値の累積分布関数を示す図である。 ＬＣＸからの放射原理と放射角とを説明するための概念図である。 単一ＬＣＸを２アンテナ相当として用いるＭＩＭＯ システムの構成を示す図である。 近接した２本のＬＣＸにより２×２ＭＩＭＯを実現する構成を説明するための図である。 ＬＣＸの一端を５０Ωで終端した時の放射角度１１度のケーブルの放射パターン測定結果である。 ＬＣＸの一端を５０Ωで終端した時の放射角度１８度のケーブルの放射パターン測定結果である。 ＬＣＸの一端を５０Ωで終端した時の放射角度２６度のケーブルの放射パターン測定結果である。 ＬＣＸの一端を５０Ωで終端した時の放射角度３５度のケーブルの放射パターン測定結果である。 ＬＣＸの一端を５０Ωで終端した時の放射角度４４度のケーブルの放射パターン測定結果である。 ＬＣＸの一端を５０Ωで終端した時の放射角度５５度のケーブルの放射パターン測定結果である。 ＬＣＸの一端を５０Ωで終端した時の放射角度７１度のケーブルの放射パターン測定結果である。 ２×２ＭＩＭＯの特性を測定した配置を説明するための図である。 放射角度１８度のジグザグ型スロットのＬＣＸに両側給電した場合のスループットの測定結果を示す図である。 放射角度２６度のジグザグ型スロットのＬＣＸに両側給電した場合のスループットの測定結果を示す図である。 放射角度３５度のジグザグ型スロットのＬＣＸに両側給電した場合のスループットの測定結果を示す図である。 放射角度４４度のジグザグ型スロットのＬＣＸに両側給電した場合のスループットの測定結果を示す図である。 放射角度５５度のジグザグ型スロットのＬＣＸに両側給電した場合のスループットの測定結果を示す図である。 近接した放射角度１８度と５５度の２本のＬＣＸに片側から給電した場合のスループットを示す図である。 近接した放射角度２６度と５５度の２本のＬＣＸに片側から給電した場合のスループットを示す図である。 近接した放射角度４４度と５５度の２本のＬＣＸに片側から給電した場合のスループットを示す図である。 近接した放射角度２６度と７１度の２本のＬＣＸに片側から給電した場合のスループットを示す図である。 近接した放射角度３５度と５５度の２本のＬＣＸに片側から給電した場合のスループットを示す図である。 近接した放射角度３５度と７１度の２本のＬＣＸに片側から給電した場合のスループットを示す図である。
以下、本発明の実施の形態の無線通信システムについて、図に従って説明する。なお、以下の実施の形態において、同じ符号を付した構成要素および処理工程は、同一または相当するものであり、必要でない場合は、その説明は繰り返さない。
（無線通信システムの概要）
図１は、本実施の形態のリニアセルの態様を説明するための概念図である。
図１（ａ）に示すように、たとえば、電車のホームのような環境で、無線通信を実現する場合、従来は、１つのピコセルあたりに１つの無線基地局が配置され、ホームを移動するユーザが保持する端末が、ピコセル間をまたぐ際には、ハンドオーバー処理を行う必要があった。
一方、図１（ｂ）に示すように、漏洩同軸ケーブル２をアンテナとして使用している場合、セル間のハンドオーバープロセスおよび干渉を回避することが可能となる。
さらに、後に説明するように、図１（ｂ）では、通信の渋滞を生み出すような高密度に、移動端末が存在する環境でのＬＣＸシステムのスペクトル効率を改善するために、ＭＩＭＯ技術を使用して無線通信方式の容量を改善する。
図２は、従来のＬＣＸを用いたＭＩＭＯ方式を説明するための概念図である。
図２（ａ）に示すように、従来は、１つのＬＣＸが単に1のアンテナとして使用されると考えてＭＩＭＯシステムを構成している。
入力ＲＦ信号Ａおよび信号Ｂの伝達方向が同一の場合、放射特性は高い相関を有する。
したがって、ＭＩＭＯシステムを形成するためには、複数の（図では２本）ＬＣＸ２ａ、２ｂが必要となり、そのＬＣＸの間隔は一定以上離れていることが必要になる。このようにして、間隔の空けられたＬＣＸにそれぞれ信号Ａと信号Ｂが一方端から供給され、ＬＣＸの間に、端末ＵＥが位置することで、ＭＩＭＯ通信が実現される。
一方、上述した非特許文献２に記載のように、図２（ｂ）のごとく、単一のＬＣＸの両端から信号Ａ，Ｂを供給することで、入力ＲＦ信号の伝搬のアンテナ指向性パターンには異方向が生じ、相関が低くなる。このため単一のＬＣＸを２つのアンテナ（２つの指向性を有するアンテナ）として利用することで、２×２ＭＩＭＯシステムを実現することができる。
図３の２つの図は、本実施の形態の複合型ＬＣＸケーブルによるＭＩＭＯ通信を説明するための概念図である。
１つの複合ケーブル４へ異なる放射特性を持っている２つのＬＣＸ２ａ、２ｂを組み合わせることにより、さらに４×４ ＭＩＭＯシステムを実現することを可能とする。
すなわち、複合ケーブル４は、１つの被覆構造の中に、２つの放射特性の異なるＬＣＸ２ａ、２ｂを納めており、一方端側からはＲＦ信号Ａと信号Ｃが、他方端側からはＲＦ信号Ｂと信号Ｄが、それぞれ、ＬＣＸ２ａ、２ｂに供給される。
図３（ａ）では、ＬＣＸにおいて電波の漏洩するスロットの間隔Ｐにより、放射特性を異ならせる構成としており，図３（ｂ）のようにスロットの開口面積は一定のまま、スロットが漏洩同軸の軸方向に対する角度を変えることで、放射強度や偏波などの放射特性を変更することもできる。
さらに、異なるＬＣＸで、放射特性を異ならせるために、スロットの間隔に加えて、スロットが漏洩同軸の軸方向に対する角度を変える構成としてもよい。
なお、１つの被覆構造の中に納められる、互いに放射特性の異なるＬＣＸの本数は、２本に限られず、より多くてもよい。
図４は、放射特性を異なったものとするためのＬＣＸの構造を説明するための図である。
図４においては、ＬＣＸの外部から順に構造を取り除いて、順次、内部の構造が現れてくるように表示している。
ＬＣＸの中心軸上の内部導体２００のまわりには、比誘電率εrの絶縁層２０２が設けられる。この絶縁層２０２の外周に設けられる外部導体２０４には、スロット２０６が間隔Ｐで設けられており、この外部導体２０４の外周には、さらに、被覆構造２０８が設けられる。
この図４の構成において、ＬＣＸの軸方向に対する法線方向に対して放射のピークとなる方向の成す角度θmは、以下の式で表される。
ここで、ｍは、高調波の次数であり、λRFは、ＲＦ波の波長であり、Ｐは、スロットの間隔である。ＬＣＸでは、通常は、高調波の放射を抑制するために、ｍ＝−１となるように設計される。
図５は、複合ケーブル４にＲＦ信号を供給するデジタル無線通信装置１０００の構成を説明するための機能ブロック図である。
なお、デジタル無線通信装置１０００は、地上局（たとえば基地局）に設置され、複合ケーブルから放射される信号を生成するものとする。
なお、受信の構造については、基本的に、この送信の構成の逆方向の処理を行う構成が設けられていればよい。
図５を参照して、デジタル無線通信装置１０００は、複合ケーブル４に信号を送出するためのノード１０．１〜１０．ｎが設けられる。特に限定されないが、たとえば、ノード１０．１〜１０．ｎは、４個であり、ノード１０．１〜１０．４が、図３における信号Ａ〜Ｄをそれぞれ送出するものとする。
なお、４×４ＭＩＭＯとして動作させるためには、図３に示すように、複合ケーブル４の両側から信号Ａ〜Ｄを伝達させることが必要である。ただし、たとえば、２×２ＭＩＭＯとして動作させることを想定するのであれば、複合ケーブル４の一方端側から信号ＡおよびＣ（または信号ＢおよびＤ）を送信させ、他方端側は終端装置を設ける構成としてもよい。以下では、４×４ＭＩＭＯとして動作させるものとして説明する。
デジタル無線通信装置１０００は、さらに、伝送するべきデータを符号化し、さらに、誤り訂正符号化を行う符号化部３１２と、符号化部３１２からの信号を変調する変調部３１０と、変調部３１０の信号に送信ウェイトをかける送信号ウェイト制御部３０８と、送信ウェイトのかけられた信号をＤ／Ａ変換するＤ／Ａ変換部３０２と、アナログ変換された信号をアップコンバートして増幅し、ノード１０．１〜１０．４にそれぞれ供給する信号送信部２０とを備える。
なお、送信号ウェイト制御部３０８の動作などは、ＭＩＭＯ信号処理として一般的なものであるので、記載は省略する。
図３および図４で説明したように、１つの複合ケーブル４に収納されるＬＣＸは、スロットの方向およびスロットの周期Ｐを調節し、各ＬＣＸに異なる放射特性を持たせることで、４×４ ＭＩＭＯチャネルを実現することができる。
このようにすれば、異なる放射特性が異なる伝搬路を生成するので、効率的な４×４ ＭＩＭＯチャネルを実現することができる。
（４×４ ＬＣＸＭＩＭＯシステムの測定系の構成）
以下では、上述したような実施の形態のＭＩＭＯシステムについて、実験的に、特性を評価した結果について説明する。
電波暗室に設けられた測定系については、複合ケーブル４は、電波アブソーバーに置かれる発泡スチロールの端に置かれる。
２つのタイプのＬＣＸ(以下、Ｖ型ＬＣＸおよびＭ型ＬＣＸと呼ぶ)が、１つの複合ケーブルとして組み合わせられる。
図６は、測定系を示す概念図である。
図６に示すように、この測定系では、複合ケーブルと４つの受信アンテナ（モノポールアンテナで０．５λ間隔で配置される）の間のチャネルマトリックスは、４×４チャンネルエレメントを構成する。このようなチャネルマトリックスの特性は、図６に示されるような多重ポート・ベクトルネットワークアナライザ２０００によって測定される。
図６では、２つのＬＣＸの間の間隔を表わすために「ＬＣＸ-Ｙ」との記号を使用する。
反射パスがなく、チャネル伝搬が電波暗室において静的であるので、ＬＣＸによって形成されるセルの形は対称であると仮定される。
図６には、さらにそのエリア内の測定ポイントも示される。
ＬＣＸの終端の外側の２つの位置を含む１２の位置が、測定ポイントして選ばれる。
これらの位置は、領域１および領域２と表示された２つのエリアに分割される。
領域１は、端末ＵＥがＬＣＸの内側にある位置を表わす。また、領域２は、端末ＵＥが、ＬＣＸの終端の外側にある位置を表わす。
帯域幅が４０１のサンプルで１２５ＭＨｚであり、搬送周波数２.４５２ＧＨｚで、測定が実行された。
（４×４ ＬＣＸ ＭＩＭＯのチャンネル特性）
ＬＣＸ-ＭＩＭＯが４×４チャネルを実現することができることを確認するために、ＭＩＭＯシステムのメトリックとして条件数（ＣＮ：Condition Number）γを使用する。
すなわち、４×４ＭＩＭＯとして４倍の多重度が実現できることを示すものとして、非特許文献２にも記載のように、条件数という指標により簡易的に評価できることが知られている。条件数は小さいほど良好なＭＩＭＯ伝搬路であり、条件数が大きいＭＩＭＯ伝搬路では、信号系列を分離する際に、信号系列間の分離度を高めるために高いＳ／Ｎ比（信号対雑音比）を要し、伝送特性が劣化する。
すなわち、「条件数」は、ＭＩＭＯチャネル行列の最大特異値と最小特異値の比から求められる。チャネル行列係数の小さな推定誤差により、ＭＩＭＯ伝送路からの信号の復号に小さな誤差しか生じない場合は、「コンディションの良い系」ということができる。係数の小さな誤差が信号の復号に大きな影響を与える可能性がある場合は、システムのコンディションは良くない。条件数は、このようなシステムのコンディションの指標であり、通常、ｄＢ単位の数値で表される。
より詳しく説明すると、測定された４×４マトリックスＨは、特異値分解により、以下のように分解される：
ここで、Ｕ，Ｖはユニタリ行列である。さらに、以下のような関係がある。
条件数（ＣＮ）γ[dB]は４つの固有値うち最大のものをλmax、最小のものをλminとした場合に、以下の式のように計算される。
低いＣＮを有するマトリックスは、「良条件な（well-conditioned）」マトリックスであると言われている。それは、チャネルが、トラッフィクを増大させるキャパシティに対してよい条件を持っていることを意味する。したがって、ＣＮの分布はそのチャンネル特性を示すことができる。
図７は、測定された各エリアに対するＣＮ値の累積分布関数（ＣＤＦ：Cumulative Distribution Function）を示す図である。
図７において、「ＬＣＸ-Ｙ」の値は、１ｃｍ、２ｃｍ、３ｃｍおよび６ｃｍと変更される。
小さな「ＬＣＸ-Ｙ」は、複合ケーブルの太さを縮小し、ケーブル設計にとっては望ましい。
図７に示されるように、リニアセルの想定サービスエリアとされる領域１において１ｃｍ、２ｃｍおよび６ｃｍという「ＬＣＸ-Ｙ」を備えたＬＣＸケーブルは、ＭＩＭＯ送信のためのよりよい通信路状態を示し、特に「ＬＣＸ-Ｙ」が１ｃｍとして設定される場合、より良好な状態を示す。
この結果は、本実施の形態のシステムが、システム設置のための必要スペースを縮小することができることを示す。
さらに、測定結果は、一般に、「ＬＣＸ-Ｙ」のより大きなものより、領域１の中のより小さな「ＬＣＸ-Ｙ」の方がＭＩＭＯ送信のためのよりよい条件を持つことができることを示す。
さらに、図７においては、チャネル品質を示すために、比較のため、４×４ i.i.d.ＭＩＭＯチャネル（independent identically distributed channel; 送受アンテナ素子間の伝搬特性が統計的に同一でかつ無相関のチャネル）に対するＣＮ値のＣＤＦを示す。
反射パスが存在しない電波暗室の提案されたＬＣＸ-ＭＩＭＯのＣＮ値は、i.i.d. ＭＩＭＯチャネルより大きいが、それは、屋外環境のそれに近い。
したがって、本実施の形態のように構成されたＬＣＸを用いたシステムは、より多くの反射パスを備えた実際の環境に置かれれば、ＣＮ値は減少し、通信路状態が改善されると期待できる。
以上説明したように、本実施の形態のデジタル無線通信装置およびデジタル無線通信システムによれば、リニアセルに対して、放射特性の異なる漏洩同軸ケーブルを使用してＭＩＭＯ通信を実現することにより、より多くの通信トラフィックの収容が可能である。
また、本実施の形態のデジタル無線通信装置およびデジタル無線通信システムによれば、１つの被覆構造内に複数のＬＣＸをまとめて収納しているために、より多くの通信トラフィックの収容を、漏洩同軸ケーブルの敷設コストを抑制して実現することが可能である。
（実施の形態２）
実施の形態２では、実施の形態１で説明した１つの被覆構造内に複数のＬＣＸをまとめて収納した構成の漏洩同軸ケーブルについて、ＭＩＭＯ通信を良好に実現するための構成をさらに詳しく説明する。
図４で説明したように、ＬＣＸの中心軸上の内部導体２００のまわりには、比誘電率εrの絶縁層２０２が設けられる。この絶縁層２０２の外周に設けられる外部導体２０４には、スロット２０６が間隔Ｐで設けられており、この外部導体２０４の外周には、さらに、被覆構造２０８が設けられる。
被覆構造としては、たとえば、プラスチック樹脂のシースを用いることができる。外部導体２０４には、周期的に配置したスロットと呼ぶ長孔が穿孔してあり、そこからＬＣＸ内部と周辺とで電磁波信号を送受信する。
（放射原理と放射角）
図８は、ＬＣＸからの放射原理と放射角とを説明するための概念図である。
図８に示されるように、ＬＣＸからの電磁波は、外部導体上の各スロットを波源として放射された波が合成され伝搬する。
図８において、座標は、ＬＣＸの長さ方向をＺ、ＬＣＸを軸とした周方向をφ、 そして、ＬＣＸからの法線方向をｒとする。
スロットＳ１、Ｓ２、Ｓ３…は、外部導体上に位置するスロットでありＺ方向に一定の間隔で並んでいる。同じ傾きとなるスロット同士の間隔をピッチＰで示す。そのスロットの中間の位置には逆に傾いているスロットがある。このように傾きの異なるスロットが連なるパターンを「ジグザグ型」と呼び、垂直偏波を放射するＬＣＸに採用される。
一方で、傾きを持たないスロットを一定間隔に並べた「垂直型」のパターンを採用した、水平偏波を放射するＬＣＸもある。
なお、ここで言う「垂直偏波」とはＬＣＸを水平、すなわち大地に対して平行に張った場合に、電界が大地と垂直になる方向であり、「水平偏波」は電界が大地に平行となる方向である。
ＬＣＸの基本的性質は同軸ケーブルと同様であり、電磁エネルギーをＴＥＭ波で伝送する。ケーブル内部では中心導体表面から垂直に外部導体へ電界が存在し、磁界は中心導体を軸に回転している。そして、外部導体内面には、Ｚ方向に電流が流れる。
図８の下側には、スロットピッチに比べて非常に低い周波数の電流によりスロット部で発生する電界のイメージを示している。Ｚ方向の電流により傾いたスロットに電界Ｅが生じるとした場合、これがφ方向の電界ＥφとＺ方向の電界Ｅｚに分解できることを示している。
例えば、ここで、スロットピッチを高周波信号のケーブル内波長とほぼ同一に設定すると、スロットＳ２ではスロットＳ１やスロットＳ３と逆向きに瞬時電流が流れる事になる。その結果、この図でのスロットＳ２の電界Ｅzは両隣の電界と逆向きとなり互いに打消しあう。
これに対しφ方向の電界Ｅφは、これらのスロットで同相となるため垂直偏波が放射される。
（放射角）
放射角については、図４において上述したが、以下では、より詳しく、その原理を説明する。
ＬＣＸの法線方向を０度として終端側を＋θ、給電側を−θとする。各スロットからの合成電磁波はθ方向へ放射し、このθを放射角と呼ぶ。すなわち、ここでの放射角とは、ＬＣＸの軸方向の法線方向に対して放射のピーク方向が、軸方向および法線方向を含む面内で成す角度のことである。
この時の放射条件は、スロットＳ１における位相をφＳ１、スロットＳ２における位相をφＳ２、位置Ａにおける位相をφＡ、スロットＳ１とスロットＳ２との間の位相をφＳ１Ｓ２、スロットＳ１からＡ間の位相φＳ１Ａをとして、以下の式（１）となる。
ただし、ｎ＝０，±１，±２，…である。
ここで、λ0およびλgをそれぞれ自由空間波長とケーブル内波長とすると、自由空間の伝搬定数ｋ0とケーブル内の伝搬定数βgはそれぞれ式（２）、（３）となる。
ただし、εrは絶縁体の比誘電率である。
Ｅφ偏波を発生させるφ方向の電界成分は、図８より隣り合うスロットで反転していることから、スロットＳ２での位相にπを追加し、Ｅφ偏波の放射条件式として式（４）が得られる。
式（４）から、sinθφ,m（φ,mは、下付き、以下同じ）は、以下の式（５）となる。
ここで、放射波である為にはθφ,mは実数の必要があるので（２ｎ＋１）は負でなければならず、 式（５）の右辺は、１以下となり、放射角θφ,mは次の式（６）となる。
ただし、ｍ＝２ｎ＋１＝−１，−３，…である。
これより、放射角は適当な絶縁体の材質やスロットピッチを選択することで、調整可能なことがわかる。すなわち、放射角は、スロットの設けられる周期の他、絶縁体の誘電率や，芯線（内部導体）の径の太さによりケーブル内での伝搬速度を変化させることでも、調整することが可能である。
通常は、ｎ＝−１のいわゆる−１次モードだけが使用されることが多い。−２次モード以降の高次モードが生じる周波数では、−１次モードを含め複数の角度から放射される電磁波が互いに干渉し、定在波が発生するため、一様な強さの電磁波の放射を実現することが困難となるためである。
たとえば、ジグザグスロットのスロットピッチを短くすると、高次モードは発生せず−１次の単一モードとすることができる。また、ジグザグ型でなく、垂直型スロット、傾斜型スロット、丸型スロット、角型スロットでも、ピッチにより、−１次モードだけにすることができる。
（結合損失）
ＬＣＸの放射及び受信効率は結合損失(Ｌc)で表すことができる。結合損失は、ＬＣＸへの入力をＰin、アンテナからの出力をＰoutとして実測値より式（７）で計算する。
また、ＬＣＸからの距離ｒ0を基準にとることにして、式（８）から任意の位置ｒでの結合損失Ｌcｒを計算することができる。
この結合損失はスロットの開口面積を変化させるなどにより調整可能なことから、ＬＣＸへの給電電力とは別の方法でリニアセルの短軸方向にあたるセル幅を設定することが可能である。
（ＬＣＸによる２種類のＭＩＭＯ構成）
（単一ＬＣＸによる２×２ＭＩＭＯ）
図９は、単一ＬＣＸを２アンテナ相当として用いるＭＩＭＯシステムの構成を示す図である。
図９の構成では、前述したとおりＬＣＸ内への給電方向の違いによりＬＣＸから放射される電波が指向性を持つことによって２×２ＭＩＭＯを実現する。
図９の中央にあるＬＣＸに、送信機Ｔｘにより左側（ポート１）から給電した信号は、例えば矢印ｈ31やｈ41の方向に放射され、右側（ポート２）からの信号は、これとは逆方向のｈ32 やｈ42の向きに放射される。加えてそれぞれ放射するスロットまでのＬＣＸ内での伝搬により位相が生じるため、結果として、それぞれ異なる伝搬路が生成でき、受信機Ｒｘで受信される。
（近接した２本のＬＣＸによる２×２ＭＩＭＯ）
図１０は、近接した２本のＬＣＸにより２×２ＭＩＭＯを実現する構成を説明するための図である。
近接したＬＣＸによるＭＩＭＯでは、放射特性を変えたＬＣＸを組み合わせて用いることで、１／２波長以下に近接したＬＣＸでのＭＩＭＯを実現する。
図１０の上側にあるＬＣＸに、送信機Ｔｘにより左側（ポート２）から給電した信号は、矢印ｈ32やｈ42の方向に放射され、下側（ポート１）からの信号は、これと異なるｈ31やｈ41の向きに放射される。これによって異なる伝搬路が生成でき、受信機Ｒｘで受信される。図１０では、２つのＬＣＸの給電側の反対側は、終端器により終端されているものとする。
同様に偏波の異なるＬＣＸの組み合わせでもＭＩＭＯが可能である。このためには、たとえば、「ジグザグ型」のスロットのＬＣＸと「垂直型」のスロットのＬＣＸとを組み合わせればよい。
また、上述した手法を以下のように組み合わせて、近接した２本のＬＣＸによる４×４ＭＩＭＯあるいは４本での８×８ＭＩＭＯを実現できる。
ｉ）近接した２本の同一の偏波特性のＬＣＸで両側給電とする、あるいは、近接した４本の同一の偏波特性のＬＣＸで両側給電とする。
ｉｉ）近接した２本のそれぞれ異なる偏波特性のＬＣＸで両側給電とする、あるいは、近接した４本のうち２本の組と２本の組でそれぞれ異なる偏波特性のＬＣＸで両側給電とする。
加えて、このような手法はアンテナ部分のみの独立した手法であるため、非線形マルチユーザＭＩＭＯ などの信号処理技術を併用して、より一層の性能改善を行うことが可能である。
（ＬＣＸの放射パターン）
以下、ＬＣＸの放射パターンの測定結果を説明する。
測定用のターンテーブル上に電波吸収体を載せ、長さ３ｍとしたジグザグ型のスロットのＬＣＸをこの上に水平に置いて、これをｘｙ平面としてＬＣＸの長手方向をｘ軸とする。放射パターンはｘ軸に対して回転対称と考えｘｙ面での垂直偏波および水平偏波を測定した。測定周波数は５．１５Ｇｈｚで、表示は最大値を０ｄＢとして正規化した。
図１１〜図１７は、それぞれ、ＬＣＸの一端を５０Ωで終端した時の放射角度Ｘ度（Ｘ＝１１，１８，２６，３５，４４，５５，７１）のケーブルの放射パターン測定結果である。
図１１（ａ）〜図１７（ａ）は、前方給電としてＬＣＸの一端を５０Ωで終端した時の放射角度Ｘ度のケーブルの放射パターン測定結果である。ＬＣＸからの放射は測定結果からＬＣＸの真横にあたるｙ軸方向ではなく給電方向から見てその手前約Ｘ度方向が最も強いことが判る。また、図１１（ｂ）〜図１７（ｂ）に示すように、給電方向を逆にした場合（後方給電）も同様である。
なお、ここでは、「放射角度Ｘ度」とは、スロットピッチを調整することで、式（６）により放射角度がＸ度となるように調整したＬＣＸケーブルを意味する。
これらの放射パターンより給電端の違いで放射の向きが異なるので、単一のＬＣＸでも両側給電により、ＭＩＭＯが実現可能である。
また、近接した異なる放射角度の２本のＬＣＸによってもＭＩＭＯが実現可能である。
（測定実験）
図１８は、２×２ＭＩＭＯの特性を測定した配置を説明するための図である。
ＬＣＸは、１０ｍであるものとし、その両側には通常の同軸ケーブルが接続される。
ＬＣＸの中央を起点として、１．５ｍ離れたＬＣＸに平行なラインを端末を順次移動させながら、０ｍ〜６ｍまでスループットを測定した。したがって、０ｍ〜６ｍの最後の１ｍは、ＬＣＸの端部の外側である。
測定は、図９または図１０のポート１〜ポート４に給電し、電波暗室内で行った。ＭＩＭＯでは周囲からの反射波を利用出来る環境が有利と考えられるため、あえて電波吸収体を底面と背面に配置し、ＬＣＸからの直接波が支配的となるＭＩＭＯには不利な見通し条件とした。
端末用アンテナの素子間隔は0.5λで、この両側には同じく0.5λ離してダミーのアンテナを設置した。
また、変調と符号化率，MIMO多重度の組み合わせを表すＭＣＳとしては、0から4の条件及び8から12の条件が適応レート選択機能により適宜選択される設定としている。
（単一ＬＣＸによる２×２ＭＩＭＯ：両側給電）
図１９は、放射角度１８度のジグザグ型スロットのＬＣＸに両側給電した場合のスループットの測定結果を示す図である。
図２０は、放射角度２６度のジグザグ型スロットのＬＣＸに両側給電した場合のスループットの測定結果を示す図である。
図２１は、放射角度３５度のジグザグ型スロットのＬＣＸに両側給電した場合のスループットの測定結果を示す図である。
図２２は、放射角度４４度のジグザグ型スロットのＬＣＸに両側給電した場合のスループットの測定結果を示す図である。
図２３は、放射角度５５度のジグザグ型スロットのＬＣＸに両側給電した場合のスループットの測定結果を示す図である。
図１９〜図２３のいずれにおいても、ＬＣＸの中央部付近では、２×２ＭＩＭＯ通信が実現していることに対応して、シングルストリームの場合よりもスループットが大きな値となっていることがわかる。
ただし、ＬＣＸの端部付近では、スループットが低下しており、この低下が起こる領域は、放射角度に依存している。
ＬＣＸの放射特性からＭＩＭＯ可能な場所、すなわちセル端はＬＣＸ端（ｘ＝５ｍ，ｙ＝０ｍ）の位置から放射角方向に引いた線とほぼ一致すると見られる。そのため、ＬＣＸ中央より離れるに従って、スループットの低い区間が生じる。そして、この線よりＬＣＸの中央寄りの場所では、スループットは比較的に安定している。
（近接した２本のＬＣＸによる２×２ＭＩＭＯ：片側給電）
以下では、近接した２本の放射角度の異なるＬＣＸに片側から給電した場合のスループットの測定結果を説明する。この場合の２×２ＭＩＭＯの特性を測定した配置も、図１８に示したものと同様である。
図２４は、近接した放射角度１８度と５５度の２本のＬＣＸに片側から給電した場合のスループットを示す図である。
図２５は、近接した放射角度２６度と５５度の２本のＬＣＸに片側から給電した場合のスループットを示す図である。
図２６は、近接した放射角度４４度と５５度の２本のＬＣＸに片側から給電した場合のスループットを示す図である。
図２７は、近接した放射角度２６度と７１度の２本のＬＣＸに片側から給電した場合のスループットを示す図である。
図２８は、近接した放射角度３５度と５５度の２本のＬＣＸに片側から給電した場合のスループットを示す図である。
図２９は、近接した放射角度３５度と７１度の２本のＬＣＸに片側から給電した場合のスループットを示す図である。
まず、図２４を参照すると、Ｔｙｐｅ１とあるのは、放射角度１８度のＬＣＸのみに片側から給電した場合を示し、Ｔｙｐｅ２とあるのは、放射角度５５度のＬＣＸのみに片側から給電した場合を示す。
Ｔｙｐｅ１ and Ｔｙｐｅ２とあるのは、放射角度１８度および放射角５５度の２本のＬＣＸの双方に片側から給電した場合を示す。
２本のＬＣＸに同時に給電することで、約２倍のスループットが達成されており、２×２ＭＩＭＯが実現できていることがわかる。
以下、図２５〜図２８では、２本のＬＣＸの双方に片側から給電した場合を示している。
２本の漏洩同軸ケーブルの放射角の差がもっとも小さい場合である、図２６に示す放射角度４４度と５５度の２本のＬＣＸの組み合わせでＭＩＭＯ通信は実現されていることがわかる。ただし、放射角度４４度と５５度の２本のＬＣＸの組み合わせ以外の組合せでは、一定範囲の領域内でより安定に、２×２ＭＩＭＯが実現できている。しかも、ＬＣＸの端部を超えた領域までの広い領域で、２×２ＭＩＭＯが実現できていることがわかる。
したがって、近接した２本の放射角度の異なるＬＣＸに片側から給電した場合には、少なくとも、ＭＩＭＯ通信を行うためには、放射角度の差が１１度以上あることが望ましく、放射角度の差が１５度程度ではより好ましく、放射角度の差が２０度以上あれば最適なＭＩＭＯ通信を実現できることがわかる。
実施の形態１と同様に、近接した複数本のＬＣＸによりＭＩＭＯ通信が実現可能なために、この複数本のＬＣＸを１つの被覆構造内にまとめて収納する構成とすることができる。
また、複数本のＬＣＸを１つの被覆構造内にまとめて収納する構成に対して、両側から給電することも可能である。
以上説明したように、本実施の形態のデジタル無線通信装置およびデジタル無線通信システムによれば、リニアセルに対して、放射特性の異なる漏洩同軸ケーブルを使用してＭＩＭＯ通信を実現することにより、より多くの通信トラフィックの収容が可能である。
また、本実施の形態のデジタル無線通信装置およびデジタル無線通信システムによれば、１つの被覆構造内に複数のＬＣＸをまとめて収納することが可能であるために、より多くの通信トラフィックの収容を、漏洩同軸ケーブルの敷設コストを抑制して実現することが可能である。
今回開示された実施の形態は、本発明を具体的に実施するための構成の例示であって、本発明の技術的範囲を制限するものではない。本発明の技術的範囲は、実施の形態の説明ではなく、特許請求の範囲によって示されるものであり、特許請求の範囲の文言上の範囲および均等の意味の範囲内での変更が含まれることが意図される。
１０．１〜１０．ｎ ノード、２０ 信号送信部、３０ デジタル信号処理部、３０２ Ｄ／Ａ変換部、３０８ 送信信号ウェイト制御部、３１０ 変調部、３１２ 符号化部１０００ デジタル無線通信装置。

Claims (12)

  1. 放射特性のそれぞれ異なる複数の漏洩同軸ケーブルを収納した複合ケーブルを備え、
    各前記漏洩同軸ケーブルは、内部導体および外部導体を含み、複数の漏洩スロットが設けられており、
    前記漏洩同軸ケーブルの軸方向の法線方向に対して放射のピーク方向が、前記軸方向および前記法線方向の双方を含む面内で成す角度を放射角とするとき、前記複数の漏洩同軸ケーブルは、それぞれ、異なる放射角を有し、
    前記複合ケーブルの一方端から、受信機に向けて送信するための高周波信号を供給し、前記受信機との間でＭＩＭＯ（multiple-input multiple-output）通信を実行するための送信手段をさらに備える、デジタル無線通信装置。
  2. 前記複数の漏洩同軸ケーブルは、それぞれ、前記異なる放射角を有するように、前記漏洩スロットの配置の周期が異なる、請求項１記載のデジタル無線通信装置。
  3. 前記複数の漏洩同軸ケーブルは、それぞれ、前記異なる放射角を有するように、前記内部導体および前記外部導体との間の絶縁体の誘電率または前記内部導体の径が異なる、請求項１記載のデジタル無線通信装置。
  4. 前記異なる放射角の差は、少なくとも１１度以上である、請求項１〜３のいずれか１項に記載のデジタル無線通信装置。
  5. 前記複数の漏洩同軸ケーブルにおいては、さらに、それぞれ、前記漏洩スロットの漏洩同軸の軸方向に対する角度が異なる、請求項１記載のデジタル無線通信装置。
  6. 前記複数の漏洩同軸ケーブルは、単一の被覆構造中に収納される、請求項１〜４のいずれか１項に記載のデジタル無線通信装置。
  7. 固定して設置される第１のデジタル無線装置を備え、前記第１のデジタル無線通信装置は、
    放射特性のそれぞれ異なる複数の漏洩同軸ケーブルを収納した複合ケーブルを含み、
    各前記漏洩同軸ケーブルは、内部導体および外部導体を含み、複数の漏洩スロットが設けられており、
    前記漏洩同軸ケーブルの軸方向の法線方向に対して放射のピーク方向が、前記軸方向および前記法線方向の双方を含む面内で成す角度を放射角とするとき、前記複数の漏洩同軸ケーブルは、それぞれ、異なる放射角を有し、
    前記複合ケーブルの一方端から高周波信号を供給し、ＭＩＭＯ通信を実行するための送信手段をさらに含み、
    モバイル端末であって、前記複合ケーブルからの信号を受信して前記第１のデジタル無線通信装置と前記ＭＩＭＯ通信を行う第２のデジタル無線通信装置をさらに備える、デジタル無線通信システム。
  8. 前記複数の漏洩同軸ケーブルは、それぞれ、前記異なる放射角を有するように、前記漏洩スロットの配置の周期が異なる、請求項７記載のデジタル無線通信システム。
  9. 前記複数の漏洩同軸ケーブルは、それぞれ、前記異なる放射角を有するように、前記内部導体および前記外部導体との間の絶縁体の誘電率または前記内部導体の径が異なる、請求項７記載のデジタル無線通信システム。
  10. 前記異なる放射角の差は、少なくとも１１度以上である、請求項７〜９のいずれか１項に記載のデジタル無線通信システム。
  11. 前記複数の漏洩同軸ケーブルにおいては、さらに、それぞれ、前記漏洩スロットの漏洩同軸の軸方向に対する角度が異なる、請求項７記載のデジタル無線通信システム。
  12. 前記複数の漏洩同軸ケーブルは、単一の被覆構造中に収納される、請求項７〜１０のいずれか１項に記載のデジタル無線通信システム。
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