JP6171580B2 - 通信システム、通信装置及びアンテナ要素配置方法 - Google Patents
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Description
1列に配置されたNt個の送信アンテナ要素を有し、空間分割多重方式で信号を送信する送信機と、
1列に配置されたNr個の受信アンテナ要素を有し、空間分割多重方式で信号を受信する受信機とを有し、
前記1列に配置されたNt個の送信アンテナ要素のうち端部から1番目及び2番目の送信アンテナ要素の間隔と、該端部から2番目及び3番目の送信アンテナ要素の間隔とが異なり、
前記1列に配置されたNr個の受信アンテナ要素のうち端部から1番目及び2番目の受信アンテナ要素の間隔と、該端部から2番目及び3番目の送信アンテナ要素の間隔とが異なる、通信システムである。
2.シミュレーション結果
3.アンテナ要素配置方法
4.第1の変形例(不等間隔にする場所)
5.第2の変形例(変動パラメータα)
これらの項目の区分けは開示される実施の形態に本質的ではなく、説明の便宜を図るためになされているにすぎない。
図1は実施の形態で使用される通信システム10を示す。通信システム10は、送信機Txと受信機Rxとを含む。送信機Tx及び受信機Rxの区別は相対的であり、送信機Txは通信装置における送信側の機能に着目しており、受信機Rxは通信装置の受信側の機能に着目している。送信機Txは、直線状に1列に並んだ又は配置されたNt個のアンテナ要素At1−AtNtを有する。Ntは一例として4であるが、このことは実施の形態に必須ではない。3以上の適切な任意の数(Nt)のアンテナ要素が使用されてよい。アンテナ要素At1−AtNtの各々は、典型的にはパラボラアンテナやホーンアンテナであるが、用途に応じて適切な如何なる種類のアンテナが使用されてもよい。1列に並んだアンテナ要素At1−AtNtは、At1の座標を0とすると、
[0,dt/2,2dt,3dt,...,(Nt−1)dt]
により表現される座標又は場所にある。このdtは、アンテナ要素数Nt、送信する信号の波長λ及び送信機Txと受信機Rxとの間の距離Rから決定される基準間隔である。具体的には、dt=√(λR/Nt)である。仮に、Nt個のアンテナ要素At1−AtNtを等間隔にdtずつ隔てて並べたとすると、それらの座標は、
[0,dt,2dt,3dt,...,(Nt−1)dt]
となる。実施の形態では、図1に示されているように、端部から2番目のアンテナ要素At2の位置が、等間隔に並ぶ場合とは異なり、dt/2の位置にあることに留意を要する。このため、端部から1番目及び2番目のアンテナ要素の間隔はdt/2となり、端部から2番目及び3番目のアンテナ要素の間隔は3dt/2となり、端部から3番目及び4番目のアンテナ要素の間隔はdtとなり、それ以降のアンテナ要素間の間隔もdtに等しい。
[0,dr/2,2dr,3dr,...,(Nr−1)dr]
により表現される座標又は場所にある。このdrは、アンテナ要素数Nr、送信する信号の波長λ及び送信機Txと受信機Rxとの間の距離Rから決定される基準間隔である。具体的には、dr=√(λR/Nr)である。仮に、Nr個のアンテナ要素Ar1−ArNrを等間隔にdrずつ隔てて並べたとすると、それらの座標は、
[0,dr,2dr,3dr,...,(Nr−1)dr]
となる。実施の形態では、図1に示されているように、端部から2番目のアンテナ要素Ar2の位置が、等間隔に並ぶ場合とは異なり、dr/2の位置にあることに留意を要する。このため、端部から1番目及び2番目のアンテナ要素の間隔はdr/2となり、端部から2番目及び3番目のアンテナ要素の間隔は3dr/2となり、端部から3番目及び4番目のアンテナ要素の間隔はdrとなり、それ以降のアンテナ要素間の間隔もdrに等しい。
次に、図1に示すような通信システムに関するシミュレーション結果を示す。比較のため、送信機及び受信機各々の複数のアンテナ素子が全て等間隔に設けられた通信システム(図2)に関するシミュレーション結果も示される。説明の便宜上、図1に示すように端部から2番目のアンテナ要素の位置が不等間隔を形成している通信システムは、「不均一システム又は非均一システム(Non−Uniform system)」と言及される。これに対して、図2に示すように全てのアンテナ要素が等間隔に並んでいる通信システム20は、「均一システム(Uniform system)」と言及される。上述したように、複数のアンテナ要素を等間隔に並べる場合の基準間隔dは、アンテナ要素数N(N=Nt又はNr)、送受信する信号の波長λ及び送信機Txと受信機Rxとの間の距離Rから決定され、具体的には、d=√(λR/N)である。
ここで、Hは、送信機Tx及び受信機Rx間の無線チャネルの状態を表すチャネル行列である。チャネル行列の行列要素は、送信機Txの1つのアンテナ要素Atjと受信機Rxの1つのアンテナ要素Ariとの間のチャネルインパルス応答hijを示す。λmax(H)は、相関行列(correlation matrix)HHH又はHHHの固有値(特異値分解した場合の固有値)のうちの最大値を示す。上付きの「H」は共役転置(conjugate transpose)を示す。λmin(H)は、相関行列HHH又はHHHの固有値(特異値分解した場合の固有値)のうちの最小値を示す。
ここで、ρは通信品質を表し、例えば信号対雑音比(SNR)、信号対干渉プラス雑音比(SINR)等により表現される。容量Cが多いほど通信システム全体で達成可能なスループットは高くなり、容量Cが少ないほど通信システム全体で達成可能なスループットは低くなる。
図9は、送信機又は受信機においてN個のアンテナ要素を配置するためのアンテナ要素配置方法のフローチャートを示す。アンテナ要素配置方法は、設計を行う任意の装置により実行されてもよい。図9に示されているフローチャートによるアンテナ要素の配置方法は、送信機及び受信機各々について実行されてもよいが、送信機Txと受信機Rxとが同じ配置を採用する場合、何れか一方について決定されたアンテナ要素の配置を他方に適用してもよい。
図1に示す例では、送信機TxのNt個のアンテナ要素のうち1番目はAt1であり、受信機RxのNr個のアンテナ要素のうち1番目はAr1である。すなわち、端部から1番目及び2番目のアンテナ要素の間(及び2番目及び3番目のアンテナ要素の間)の不均一な間隔は、送信機TxではAt1及びAt2、受信機RxではAr1及びAr2により形成されている。しかしながら、1番目がAt1及びAr1であることは実施の形態に必須ではない。送信機Txの1列に並ぶアンテナ要素のうち端にあるAtNtが1番目であってもよい。また、受信機Rxの1列に並ぶアンテナ要素のうちArNrが1番目であってもよい。従って、送信機Txにおけるアンテナ要素の1番目が、端部のアンテナ要素At1又はAtNtの何れであるか、受信機Rxにおけるアンテナ要素の1番目が、端部のアンテナ要素Ar1又はArNrの何れであるかに応じて、以下の4つの形態が考えられる。
[0,d/2,2d,3d]
となる。仮に、アンテナ要素数がNであった場合、送信機Txのアンテナ要素の座標は、
[0,d/2,2d,...,(N−2)d,(N−1)d]
となる。受信機Rxのアンテナ要素の座標は、Ar1のアンテナ要素の位置を0とすると、
[0,d/2,2d,3d]
となる。仮に、アンテナ要素数がNであった場合、受信機Rxのアンテナ要素の座標は、
[0,d/2,2d,...,(N−2)d,(N−1)d]
となる。
[0,d/2,2d,3d]
となる。仮に、アンテナ要素数がNであった場合、送信機Txのアンテナ要素の座標は、
[0,d/2,2d,...,(N−2)d,(N−1)d]
となる。受信機Rxのアンテナ要素の座標は、Ar1のアンテナ要素の位置を0とすると、
[0,d,5d/2,3d]
となる。仮に、アンテナ要素数がNであった場合、受信機Rxのアンテナ要素の座標は、
[0,d,2d,...,(N−2+1/2)d,(N−1)d]
となる。
[0,d,5d/2,3d]
となる。仮に、アンテナ要素数がNであった場合、送信機Txのアンテナ要素の座標は、
[0,d,2d,...,(N−2+1/2)d,(N−1)d]
となる。受信機Rxのアンテナ要素の座標は、Ar1のアンテナ要素の位置を0とすると、
[0,d,5d/2,3d]
となる。仮に、アンテナ要素数がNであった場合、受信機Rxのアンテナ要素の座標は、
[0,d,2d,...,(N−2+1/2)d,(N−1)d]
となる。
[0,d,5d/2,3d]
となる。仮に、アンテナ要素数がNであった場合、送信機Txのアンテナ要素の座標は、
[0,d,2d,...,(N−2+1/2)d,(N−1)d]
となる。受信機Rxのアンテナ要素の座標は、Ar1のアンテナ要素の位置を0とすると、
[0,d/2,2d,3d]
となる。仮に、アンテナ要素数がNであった場合、受信機Rxのアンテナ要素の座標は、
[0,d/2,2d,...,(N−2)d,(N−1)d]
となる。
上記の説明では、端部から1番目及び2番目のアンテナ要素の間隔がd/2(端部から2番目及び3番目のアンテナ要素の間隔が3d/2)であり、他のアンテナ要素間の間隔はdであったが、実施の形態は、アンテナ要素間の間隔が厳密にd/2(又は3d/2)及びdである場合に限定されない。実施の形態の第2の変形例では、アンテナ要素同士の間隔がαidだけずれている(i=2,...,N−1)(N≧3)。ただし、αiは端部からi番目のアンテナ要素の位置に対する変動パラメータであり、例えば−0.2≦αi≦0.2であり、好ましくは−0.15≦αi≦0.15であり、更に好ましくは−0.1≦αi≦0.1である。N個のアンテナ要素各々に対する変動パラメータの値αiは全て異なる値でもよいし、2つ以上が同じ値でもよいし、全てが同じ値でもよい。「4.第1の変形例」で説明したように、アンテナ要素が不等間隔に設けられる場所は、図10、図11、図12及び図13の4通りのうちの何れかである。
受信機Rx:[0,(1/2+β2)d,(2+β3)d,...,(Nr−2+βNr−1)d,(Nr−1)d]。
送信機Tx:[0,(1/2+α2)d,(2+α3)d,...,(Nt−2+αNt−1)d,(Nt−1)d]
受信機Rx:[0,(1+β2)d,(2+β3)d,...,(Nr−2+1/2+βNr−1)d,(Nr−1)d]。
送信機Tx:[0,(1+α2)d,(2+α3)d,...,(Nt−2+1/2+αNt−1)d,(Nt−1)d]
受信機Rx:[0,(1+β2)d,(2+β3)d,...,(Nr−2+1/2+βNr−1)d,(Nr−1)d]。
送信機Tx:[0,(1+α2)d,(2+α3)d,...,(Nt−2+1/2+αNt−1)d,(Nt−1)d]
受信機Rx:[0,(1/2+β2)d,(2+β3)d,...,(Nr−2+βNr−1)d,(Nr−1)d]。
(付記1)
1列に配置されたNt個の送信アンテナ要素を有し、空間分割多重方式で信号を送信する送信機と、
1列に配置されたNr個の受信アンテナ要素を有し、空間分割多重方式で信号を受信する受信機とを有し、
前記1列に配置されたNt個の送信アンテナ要素のうち端部から1番目及び2番目の送信アンテナ要素の間隔と、該端部から2番目及び3番目の送信アンテナ要素の間隔とが異なり、
前記1列に配置されたNr個の受信アンテナ要素のうち端部から1番目及び2番目の受信アンテナ要素の間隔と、該端部から2番目及び3番目の送信アンテナ要素の間隔とが異なる、通信システム。
(付記2)
前記端部から1番目及び2番目の送信アンテナ要素の間隔が(1/2+α2)dtであり、前記端部から2番目及び3番目の送信アンテナ要素の間隔が(3/2+α3)dtであり、前記dtは、前記Nt、送信する信号の波長λ及び前記送信アンテナ要素と前記受信アンテナ要素との間のアンテナ要素間距離Rから決定される基準間隔であり、
前記端部から1番目及び2番目の受信アンテナ要素の間隔が(1/2+β2)drであり、前記端部から2番目及び3番目の受信アンテナ要素の間隔が(3/2+β3)drであり、前記drは、前記Nr、前記波長λ及び前記アンテナ要素間距離Rから決定される基準間隔であり、
前記α2、α3、β2、β3はそれぞれ±0.15の範囲内の値をとる、付記1に記載の通信システム。
(付記3)
前記1列に配置されたNt個の送信アンテナ要素の座標が、
[0,(1/2+α2)dt,(2+α3)dt,...,(Nt−2+αNt−1)dt,(Nt−1)dt]
により表現され、前記1列に配置されたNr個の受信アンテナ要素の座標が、
[0,(1/2+β2)dr,(2+β3)dr,...,(Nr−2+βNr−1)dr,(Nr−1)dr]
により表現され、αi(i=2,...,Nt−1)及びβj(j=2,...,Nr−1)はそれぞれ±0.15の範囲内の値をとる、付記2に記載の通信システム。
(付記4)
前記1列に配置されたNt個の送信アンテナ要素の座標が、
[0,(1/2+α2)dt,(2+α3)dt,...,(Nt−2+αNt−1)dt,(Nt−1)dt]
により表現され、前記1列に配置されたNr個の受信アンテナ要素の座標が、
[0,(1+β2)dr,(2+β3)dr,...,(Nr−2+1/2+βNr−1)dr,(Nr−1)dr]
により表現され、αi(i=2,...,Nt−1)及びβj(j=2,...,Nr−1)はそれぞれ±0.15の範囲内の値をとる、付記2に記載の通信システム。
(付記5)
前記1列に配置されたNt個の送信アンテナ要素の座標が、
[0,(1+α2)dt,(2+α3)dt,...,(Nt−2+1/2+αNt−1)dt,(Nt−1)dt]
により表現され、前記1列に配置されたNr個の受信アンテナ要素の座標が、
[0,(1+β2)dr,(2+β3)dr,...,(Nr−2+1/2+βNr−1)dr,(Nr−1)dr]
により表現され、αi(i=2,...,Nt−1)及びβj(j=2,...,Nr−1)はそれぞれ±0.15の範囲内の値をとる、付記2に記載の通信システム。
(付記6)
前記1列に配置されたNt個の送信アンテナ要素の座標が、
[0,(1+α2)dt,(2+α3)dt,...,(Nt−2+1/2+αNt−1)dt,(Nt−1)dt]
により表現され、前記1列に配置されたNr個の受信アンテナ要素の座標が、
[0,(1/2+β2)dr,(2+β3)dr,...,(Nr−2+βNr−1)dr,(Nr−1)dr]
により表現され、αi(i=2,...,Nt−1)及びβj(j=2,...,Nr−1)はそれぞれ±0.15の範囲内の値をとる、付記2に記載の通信システム。
(付記7)
前記送信機及び前記受信機は、見通し線(LOS)環境において前記空間多重分割方式で信号を送信及び受信する、付記1−6の何れか1項に記載の通信システム。
(付記8)
前記送信機及び前記受信機はそれぞれ固定された基地局である、付記1−7の何れか1項に記載の通信システム。
(付記9)
1列に配置されたN個のアンテナ要素を有し、空間分割多重方式で信号を送信又は受信する通信装置であって、
前記1列に配置されたN個のアンテナ要素のうち端部から1番目及び2番目のアンテナ要素の間隔と、該端部から2番目及び3番目のアンテナ要素の間隔とが異なる、通信装置。
(付記10)
空間分割多重方式で信号を送信する送信機の1列に配置されたNt個のアンテナ要素と、空間分割多重方式で信号を受信する受信機の1列に配置されたNr個のアンテナ要素との配置を決定するために装置が実行するアンテナ要素配置方法であって、
Ni、信号の波長λ、及び前記送信機のアンテナ要素と前記受信機のアンテナ要素との間のアンテナ要素間距離Rから基準間隔diを算出するステップと、
前記Ni個のアンテナ要素を等間隔に前記基準間隔diずつ隔てて1列に配置し、端部から1番目及び2番目のアンテナ要素の間隔が該端部から2番目及び3番目のアンテナ要素の間隔と異なるように、前記2番目のアンテナ要素の位置をずらすことを、i=t及びrについて行うステップ
を有するアンテナ要素配置方法。
Tx 送信機
Rx 受信機
At1〜AtNt 送信機に備わるアンテナ要素
Ar1〜ArNr 受信機に備わるアンテナ要素
Claims (4)
- 1列に配置された第1ないし第N t のNt個の送信アンテナ要素を有し、空間分割多重方式で信号を送信する送信機と、
1列に配置された第1ないし第N r のNr個の受信アンテナ要素を有し、空間分割多重方式で信号を受信する受信機と、
を有する通信システムであって、
前記第1及び第2の送信アンテナ要素の間隔は(1/2+α 2 )d t であり、前記2及び第3の送信アンテナ要素の間隔は(3/2+α 3 )d t であり、d t は√(λR/N t )に実質的に等しい基準間隔であり、λは送受信される信号の波長であり、Rは前記送信アンテナ要素と前記受信アンテナ要素との間のアンテナ要素間距離Rであり、
前記第1及び第2の受信アンテナ要素の間隔は(1/2+β 2 )d r であり、前記2及び3の受信アンテナ要素の間隔は(3/2+β 3 )d r であり、d r は√(λR/N r )に実質的に等しい基準間隔であり、
α 2 、α 3 、β 2 、β 3 はそれぞれ±0.15の範囲内の値をとる、通信システム。 - 前記送信機及び前記受信機は、見通し線(LOS)環境において前記空間分割多重方式で信号を送信及び受信する、請求項1に記載の通信システム。
- 1列に配置された第1ないし第NのN個のアンテナ要素を有し、空間分割多重方式で信号を送信又は受信する通信装置であって、
前記第1及び第2のアンテナ要素の間隔は(1/2+α)dであり、前記2及び3のアンテナ要素の間隔は(3/2+α)dであり、
dは√(λR/N)に等しい基準間隔であり、λは送受信される信号の波長であり、Rは送信側のアンテナ要素と受信側のアンテナ要素との間のアンテナ要素間距離Rであり、αは±0.15の範囲内の値をとる、通信装置。 - 空間分割多重方式で信号を送信する送信機において1列に配置された第1ないし第N t のNt個のアンテナ要素と、空間分割多重方式で信号を受信する受信機において1列に配置された第1ないし第N r のNr個のアンテナ要素との配置を決定するために装置が実行するアンテナ要素配置方法であって、
√(λR/N i )を算出することにより基準間隔diを算出するステップであって、λは送受信される信号の波長であり、Rは前記送信機のアンテナ要素と前記受信機のアンテナ要素との間のアンテナ要素間距離Rである、ステップと、
前記Ni個のアンテナ要素を等間隔に前記基準間隔diずつ隔てて1列に配置し、前記第1及び第2のアンテナ要素の間隔が(1/2+α)d i となり、前記2及び3のアンテナ要素の間隔は(3/2+α)d i となるように、前記第2のアンテナ要素の位置をずらすことを、i=t及びrについて行うステップ
を有し、αは±0.15の範囲内の値をとる、アンテナ要素配置方法。
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