JP6509776B2 - 無線通信方法および無線通信システム - Google Patents

Description

本発明は、無線通信方法および無線通信システムに関する。

無線通信システムには、電磁波の軌道角運動量（ＯＡＭ：Orbital Angular Momentum）を利用して電磁波を多重させて伝送容量を増大させる技術がある。すなわち、異なるＯＡＭモードを有する電磁波の位相分布が互いに直交するため、各ＯＡＭモードの電磁波は、受信局において分離することができる。これにより、ＯＡＭを利用して電磁波を多重伝送できる。

例えば、複数のホーンアンテナから放射されたビームを位相板によってそれぞれ異なるＯＡＭモードに変換・同軸合成して伝送することにより、信号を同軸多重伝送する技術が提案されている（例えば、非特許文献１参照）。また、単円形アレーアンテナを用いて複数のＯＡＭモードを生成することにより信号を多重伝送する技術が提案されている（例えば、非特許文献２参照）

J. Wang et al., "Terabit free-space data transmission employing orbital angular momentum multiplexing," Nature Photonics, Vol. 6, pp. 488-496, 2012 Z. Li, Y. Ohashi, K. Kasai, "A dual-channel wireless communication system by multiplexing twisted radio wave," Proceedings of 44th European Microwave Conference, pp. 235-238, 2014

しかしながら、ＯＡＭモードのビームは、高次になるに従い、ＯＡＭモードを持たないビームと比べて伝搬に伴ってエネルギーが空間的に広く拡散してしまう。すなわち、アレーアンテナ利得やアンテナの指向性利得等を用いる従来のビーム形成技術を用いる場合でも、高次のＯＡＭモードにおけるビームのエネルギーは、受信局が求める受信ＳＮＲ（Signal-to-Noise Ratio）より小さくなる。このため、無線通信システムにおけるスループットが低下してしまう。

本発明は、高次のモードを含む電磁波を用いた無線通信を行う場合においても、従来と比べて高い受信ＳＮＲおよびスループットが得られる無線通信方法および無線通信システムを提供することを目的とする。

第１の発明は、データを含む少なくとも１つの信号を送信局から受信局に伝送する無線通信方法であって、互いに直交性を示す複数のモードの各々における複素振幅の分布に基づいて、送信局が有する複数の第１アンテナ素子の各々が放射する複数のモード毎の電磁波の第１複素振幅を制御する制御ステップと、複数の第１アンテナ素子の各々における複数のモード毎の第１複素振幅に基づいて、複数の第１アンテナ素子毎に電磁波を変調することにより、信号を複数のモードで多重した電磁波を、複数の第１アンテナ素子を介して放射する放射ステップと、受信局が有する複数の第２アンテナ素子を用いて、放射された電磁波を受信する受信ステップと、複数のモード間における直交性に基づいて、受信した電磁波に多重された信号を分離する分離ステップとを備える。

第１の発明において、制御ステップは、複数のモードの各々における複素振幅の分布と、複数の第１アンテナ素子の各々の位置とに基づいて、複数の第１アンテナ素子の各々における複数のモード毎の第１複素振幅を制御し、放射ステップは、複数のモード毎に信号の第２複素振幅を算出し、複数の第１アンテナ素子の各々における複数のモード毎の第１複素振幅と、複数のモード毎に算出した信号の第２複素振幅とを複数の第１アンテナ素子毎に積算することにより、複数の第１アンテナ素子の各々から信号を複数のモードで多重した電磁波を放射する。

第１の発明において、複数のモードは、ガウシアンビームの互いに直交するモードである。

第１の発明において、制御ステップは、複数のモードが軌道角運動量の場合、複数の第１アンテナ素子の各々における複数のモード毎の第１複素振幅を、軌道角運動量モードに基づいて制御する。

第１の発明において、制御ステップは、送信局と受信局との間の距離に基づいて、受信局において所望のビーム径が得られるようにビームウエストの位置を決定し、複数のモードの各々における複素振幅の分布と、決定したビームウエストの位置とに基づいて、複数の第１アンテナ素子の各々における複数のモード毎の第１複素振幅を制御する。

第１の発明において、分離ステップは、複数のモードの各々における複素振幅の分布と、複数の第２アンテナ素子の各々において受信された電磁波の複素振幅と、複数の第２アンテナ素子の各々の位置とに基づいて、受信した電磁波に多重された信号を分離する。

第２の発明は、データを含む少なくとも１つの信号を送信局から受信局に伝送する無線通信システムであって、送信局は、複数の第１アンテナ素子と、互いに直交性を示す複数のモードの各々における複素振幅の分布に基づいて、複数の第１アンテナ素子の各々が放射する複数のモード毎の電磁波の第１複素振幅を制御する制御部と、複数の第１アンテナ素子の各々における複数のモード毎の第１複素振幅に基づいて、複数の第１アンテナ素子毎に電磁波を変調することにより、信号を複数のモードで多重する変調部と、を備え、受信局は、送信局により放射された電磁波を受信する複数の第２アンテナ素子と、複数のモード間における直交性に基づいて、受信した電磁波に多重された信号を分離する分離部と、を備える。

本発明は、高次のモードを含む電磁波を用いた無線通信を行う場合においても、従来と比べて高い受信ＳＮＲおよびスループットが得られる。

無線通信システムの一実施形態を示す図である。 図１に示した送信アンテナの一例を示す図である。 図１に示した送信アンテナの別例を示す図である。 ガウシアンビームにおけるビーム径および曲率半径の一例を示す図である。 図１に示した制御部によるビーム径の制御処理の一例を示す図である。 図１に示した無線通信システムにおける通信処理の一例を示す図である。

以下、図面を用いて実施形態について説明する。

図１は、無線通信システムの一実施形態を示す。

図１に示した無線通信システムＳＹＳは、送信局１０と受信局２０とを有する。また、送信局１０は、例えば、有線または無線を介して、受信局２０に接続される。これにより、送信局１０は、データを含む信号の伝送のために設定された複数のモード等を示す制御情報を、受信局２０との間でやり取りできる。

また、送信局１０および受信局２０の各々は、例えば、ＧＰＳ（Global Positioning System）衛星等の信号を受信する受信装置を含み、受信したＧＰＳ衛星の信号から送信局１０および受信局２０が配置された位置を示す情報をそれぞれ取得してもよい。そして、送信局１０は、受信局２０が配置された位置を示す情報を受信局２０から取得し、受信局２０との間の距離を求める。なお、送信局１０と受信局２０との間の距離は、レーザ光等の測距装置を用いて直接計測され、送信局１０に含まれるメモリ等の記憶装置に記憶されてもよい。

送信局１０は、ＩＦ（Interface）部１１、制御部１２、変調部１３および送信アンテナＡＮＴを有する。

ＩＦ部１１は、例えば、入力インタフェース等であり、スマートフォンやタブレット型端末等の複数の携帯通信端末から送信されたデータを含む少なくとも１つの信号、あるいはネットワークから到来した少なくとも１つの信号を受信する。ＩＦ部１１は、受信した信号（以下、“送信信号系列”とも称される）を制御部１２に出力する。なお、ＩＦ部１１は、複数の信号を受信してもよい。

また、送信局１０は、Ｓ／Ｐ（Serial-to-Parallel）部等を有し、ＩＦ部１１は、Ｓ／Ｐ部を用いて、シリアル信号からパラレル信号に変換した送信信号系列を制御部１２に出力してもよい。

制御部１２は、ＯＡＭモード等の互いに直交性を示す複数のモードの各々における複素振幅の分布に基づいて、送信アンテナＡＮＴに含まれる複数のアンテナ素子ＥＡの各々が放射する各モードの電磁波の複素振幅を制御する。

例えば、制御部１２は、送信局１０が画像等のデータを含む１つの送信信号系列を受信した場合、画像のデータを２以上の複数の領域に分割することにより、各領域の画像のデータを含む複数の送信信号系列を生成する。そして、制御部１２は、生成した複数の送信信号系列の各々に、複数のモードのいずれかを割り当て、複数のアンテナ素子ＥＡの各々が放射する各モードの電磁波の複素振幅を制御する。これにより、送信局１０は、受信した１つの送信信号系列よりデータ量が小さい複数の送信信号系列を生成し多重することにより、受信した１つの送信信号系列をそのまま受信局２０に伝送する場合と比べて、短い時間でデータを受信局２０に伝送できる。

なお、生成する送信信号系列の数（以下、“多重数”とも称される）は、送信局１０と受信局２０との間の距離および受信ＳＮＲ等に基づいて決定されることが好ましい。また、制御部１２は、受信局２０との間のスループット等に余裕がある場合、受信した１つの送信信号系列を分割することなく、１つのモードで伝送してもよい。

一方、制御部１２は、送信局１０が複数の送信信号系列を受信した場合、受信した複数の送信信号系列の各々に、複数のモードのいずれかを割り当て、複数のアンテナ素子ＥＡの各々が放射する複数のモード毎の電磁波の複素振幅を制御する。なお、受信した送信信号系列の数が、伝送可能な複数のモードの数より少ない場合、制御部１２は、受信した複数の送信信号系列のうち、一部または全ての送信信号系列を分割し、データ量が小さい複数の送信信号系列をそれぞれ生成してもよい。この場合、生成する送信信号系列の数は、送信局１０と受信局２０との間の距離および受信ＳＮＲ等に基づいて決定されることが好ましい。

そして、制御部１２は、複数のアンテナ素子ＥＡの各々における複数のモード毎の複素振幅と、送信局１０が受信した送信信号系列とを変調部１３に出力する。制御部１２の動作については、図４および図５で説明する。

変調部１３は、制御部１２により制御された複数のアンテナ素子ＥＡの各々における複数のモード毎の複素振幅に基づいて、アンテナ素子ＥＡ毎に電磁波を変調することにより、送信局１０が受信した送信信号系列を複数のモードで多重する。そして、変調部１３は、アンテナ素子ＥＡ毎に多重した電磁波を送信アンテナＡＮＴに出力する。なお、送信アンテナＡＮＴが有する複数のアンテナ素子ＥＡの各々に対応して、複数の変調部１３が配置されてもよい。

送信アンテナＡＮＴは、例えば、Ｎ個のアンテナ素子ＥＡを有する。送信アンテナＡＮＴは、変調部１３から受信した電磁波を受信局２０に向けて放射する。なお、送信アンテナＡＮＴの各アンテナ素子ＥＡの位置を示す位置情報は、送信局１０の記憶装置に記憶されていることが好ましい。送信アンテナＡＮＴおよびアンテナ素子ＥＡの配置については、図２および図３で説明する。送信アンテナＡＮＴのアンテナ素子ＥＡは、第１アンテナ素子の一例である。

受信局２０は、受信アンテナＡＮＲおよび分離部２１を有する。

受信アンテナＡＮＲは、図１に示した送信アンテナＡＮＴと同様に、Ｍ個のアンテナ素子ＥＡを有する。受信アンテナＡＮＲは、送信局１０により放射された電磁波を受信する。受信アンテナＡＮＲは、受信した電磁波を分離部２１に出力する。なお、受信アンテナＡＮＲの各アンテナ素子ＥＡの位置を示す位置情報は、受信局２０に含まれるメモリ等の記憶装置に記憶されていることが好ましい。受信アンテナＡＮＲおよびアンテナ素子ＥＡの配置については、図２および図３で説明する。受信アンテナＡＮＲのアンテナ素子ＥＡは、第２アンテナ素子の一例である。

分離部２１は、例えば、ＯＡＭモード等の複数のモード間における直交性に基づいて、受信した電磁波から複数の送信信号系列の各々を分離する。なお、分離した複数の送信信号系列が、例えば、送信局１０において分割された信号の場合、分離部２１は、１つの送信信号系列に再構築する機能を有することが好ましい。分離部２１の動作については、図５で説明する。

そして、受信局２０は、分離部２１により分離された送信信号系列を復調する。受信局２０は、受信局２０に含まれる出力インタフェース等を介して、復調処理された送信信号系列のプリアンブルが示す送信先である外部の携帯通信端末やネットワーク等に、複数の送信信号系列の各々を出力する。

図２は、図１に示した送信アンテナＡＮＴの一例を示す。図２に示すように、送信アンテナＡＮＴは、電磁波を放射する光軸方向のｚ軸に対して、垂直なｘｙ平面上にＮ個のアンテナ素子ＥＡが間隔ｄｔでマトリックス状に配置される。なお、図２では、Ｎ個のアンテナ素子ＥＡは、その中心が半径Ｒａの円内に収まるように配置されるが、正方形等の矩形の範囲内に収まるように配置されてもよい。

また、アンテナ素子ＥＡの数Ｎ、アンテナ素子ＥＡ間の間隔ｄｔおよび半径Ｒａは、無線通信システムＳＹＳの規模や、要求される通信の品質に応じて適宜決定されるのが好ましい。

また、受信アンテナＡＮＲは、図２に示した送信アンテナＡＮＴと同様に、ｘｙ平面上にＭ個のアンテナ素子ＥＡが間隔ｄｒで、かつ半径Ｒｂの円内にマトリックス状に配置される。なお、受信アンテナＡＮＲのアンテナ素子ＥＡの数Ｍは、送信アンテナＡＮＴのアンテナ素子ＥＡの数Ｎと同じでもよく、異なってもよい。また、受信アンテナＡＮＲのアンテナ素子ＥＡ間の間隔ｄｒは、送信アンテナＡＮＴの間隔ｄｔと同じでもよく、異なってもよい。また、受信アンテナＡＮＲの半径Ｒｂは、送信アンテナＡＮＴの半径Ｒａと同じでもよく、異なってもよい。

なお、送信局１０は、偏波を用いて複数の送信信号系列を多重する場合、送信アンテナＡＮＴおよび受信アンテナＡＮＲの各アンテナ素子ＥＡは、異なる偏波を独立に放射または受信可能なアンテナ素子でもよい。あるいは、送信アンテナＡＮＴおよび受信アンテナＡＮＲの各アンテナ素子ＥＡは、異なる偏波を放射および受信可能な複数のアンテナ素子を含み、単一のアンテナ素子として動作してもよい。

図３は、図１に示した送信アンテナＡＮＴの別例を示す。図３に示すように、送信アンテナＡＮＴは、光軸方向のｚ軸に対して垂直なｘｙ平面上に、Ｋ組の円形アレーアンテナＳＡ（ＳＡ（１）−ＳＡ（Ｋ））を有する。送信アンテナＡＮＴの円形アレーアンテナＳＡの各々は、互いに異なる半径Ｒ１（Ｒ１１−Ｒ１Ｋ）を有し、同心円状に配置される。そして、Ｎ個のアンテナ素子ＥＡは、各円形アレーアンテナＳＡの円周上に、間隔ｄ１の等間隔で配置される。すなわち、円形アレーアンテナＳＡは、等間隔円形アレーアンテナである。

なお、等間隔円形アレーアンテナＳＡの組数Ｋ、アンテナ素子ＥＡ間の間隔ｄ１および各半径Ｒ１は、無線通信システムＳＹＳの規模や、要求される通信の品質に応じて適宜決定されるのが好ましい。

また、受信アンテナＡＮＲは、図３に示した送信アンテナＡＮＴと同様に、互いに異なる半径Ｒ２（Ｒ２１−Ｒ２Ｌ）の同心円で配置されるＬ組の等間隔円形アレーアンテナを有する。そして、送信アンテナＡＮＴと同様に、Ｍ個のアンテナ素子ＥＡは、受信アンテナＡＮＲの等間隔円形アレーアンテナの各々の円周上に、間隔ｄ２の等間隔で配置される。なお、受信アンテナＡＮＲのアンテナ素子ＥＡの数Ｍは、送信アンテナＡＮＴのアンテナ素子ＥＡの数Ｎと同じでもよく、異なってもよい。また、受信アンテナＡＮＲの等間隔円形アレーアンテナの組数Ｌは、送信アンテナＡＮＴの等間隔円形アレーアンテナの組数Ｋと同じでもよく、異なってもよい。また、受信アンテナＡＮＲの間隔ｄ２は、送信アンテナＡＮＴの間隔ｄ１と同じでもよく、異なってもよい。また、受信アンテナＡＮＲの等間隔円形アレーアンテナの半径Ｒ２は、送信アンテナＡＮＴの等間隔円形アレーアンテナの半径Ｒ１と同じでもよく、異なってもよい。

次に、互いに直交性を示す複数のモードについて説明する。複数のモードがガウシアンビームのモードである場合、ｚ軸方向におけるビーム径ω（ｚ）、曲率半径Ｒ（ｚ）は、式（１）のように表される。

なお、ω_０はビームウエスト径であり、式（１）では、ビームウエストの位置はｚ軸の原点（ｚ＝０）とする。ｚ_Ｒは、レイリー距離を示し、ｋω_０ ^２／２となる。ｋは、波数であり、２π／λである。λは、電磁波の波長である。

図４は、ガウシアンビームにおけるビーム径ω（ｚ）および曲率半径Ｒ（ｚ）の一例を示す。図４では、横軸はｚ軸を示し、縦軸はｘ、ｙ軸を示す。図４に示すように、ｚ軸の原点（ｚ＝０）では、ビーム径ω（ｚ）はビームウエスト径ω_０となる。そして、ｚが増加する（すなわち、原点から離れる）に従い、ビーム径ω（ｚ）は、点線で示した直線に漸近し、ｚに比例して大きくなる。

一方、曲率半径Ｒ（ｚ）は、原点付近（すなわち、｜ｚ｜＜＜ｚ_Ｒ）では、平面波とみなすことができ、原点から離れる（すなわち、ｚが増加する）に従い、原点に置かれた点光源から放射される、破線で示した球面波とみなすことができる。換言すれば、例えば、送信局１０が、ｚ＜０の位置に配置される場合、制御部１２は、図４に示すように、送信アンテナＡＮＴから放射される電磁波の曲率半径Ｒ（ｚ）が負となるように、Ｎ個のアンテナ素子ＥＡの各々が放射する電磁波の複素振幅を制御することで、ビームウエストを所望の位置に制御できる。

例えば、モード（ｍ，ｎ）のエルミートガウシアンモードの複素振幅ｕ_ｍ，ｎの分布は、直交座標系（ｘ，ｙ，ｚ）を用いて式（２）のように表される。

なお、Ｈ_ｍおよびＨ_ｎは、エルミート多項式である（ｍ、ｎは０以上の整数）。また、Ａは、所定の定数であり、各モードの複素振幅に乗算することにより、モード毎の電力の制御を行ってもよい。また、Φは、複数のモード毎の位相オフセットを示す。例えば、受信局２０が、参照信号を用いて電磁波の受信時に位相整合の処理を実行する機能を有する場合、Φは“１”等の固定値に設定されてもよい。

また、送信信号系列の送信に用いられる複数のモード（ｍ，ｎ）は、送信信号系列の多重数、送信局１０と受信局２０との間の距離および受信ＳＮＲ等に基づいて決定されてもよく、予め設定された所定のモードでもよい。

なお、送信アンテナＡＮＴを構成する各アンテナ素子ＥＡの位置および数量は任意であるが、エルミートガウシアンモードが直交座標系で表されるモードであることを鑑みると、図２に示すように、Ｎ個のアンテナ素子ＥＡがマトリックス状に配置された構成が好ましい。

一方、モード（ｐ，ｌ）のラゲールガウシアンモードの複素振幅ｕ_ｐ，ｌの分布は、円柱座標系（ｒ，φ，ｚ）を用いて式（３）のように表される。

なお、Ｌ^ｐ _｜ｌ｜は、ラゲール陪多項式である（ｐは０以上の整数、ｌは整数）。また、ｌは、電磁波のＯＡＭモードを示す。また、Φ_Ｌは、複数のモード毎の位相オフセットを示す。例えば、受信局２０が、参照信号を用いて電磁波の受信時に位相整合の処理を実行する機能を有する場合、Φ_Ｌは“１”等の固定値に設定されてもよい。

また、送信信号系列の送信に用いられる複数のモード（ｐ，ｌ）は、送信信号系列の多重数、送信局１０と受信局２０との間の距離および受信ＳＮＲ等に基づいて決定されてもよく、予め設定された所定のモードでもよい。

なお、送信アンテナＡＮＴを構成する各アンテナ素子ＥＡの位置および数量は任意であるが、ラゲールガウシアンモードが円柱座標系で表されるモードであることを鑑みると、図３に示すように、Ｋ組の等間隔円形アレーアンテナとなる構成が好ましい。

そして、制御部１２は、送信信号系列の多重数に応じた複数のモードと、送信アンテナＡＮＴの各アンテナ素子ＥＡの位置（ｘ，ｙ）と、式（２）または式（３）の複素振幅の分布を用いて、送信アンテナＡＮＴの各アンテナ素子ＥＡが放射する複数のモード毎の電磁波の複素振幅を制御する。

なお、ビームウエストがｚ＝ｚ_０の位置に設定された場合、式（１）−（３）は、式（４）−（６）となる。

なお、ω’_０は、ビームウエスト径を示し、制御部１２の制御に応じて変化する。また、レイリー距離ｚ’_Ｒは、ｋω’_０ ^２／２である。

図５は、図１に示した制御部１２によるビーム径ω’（ｚ）の制御処理の一例を示す。図５では、図４と同様に、横軸はｚ軸を示し、縦軸はｘ、ｙ軸を示す。また、図５では、ｚ軸の原点（ｚ＝０）に送信局１０が配置され、ｚ＝ｄの位置に受信局２０が配置される。そして、図５は、送信局１０が送信アンテナＡＮＴの半径のビーム径でガウシアンビームを放射する場合のビーム径ω’（ｚ）の分布を示す。

図５において、ビームウエストが送信局１０の位置（ｚ＝ｚ_０＝０）に制御される場合、ビーム径ω’（ｚ）は、点線で示した分布を示す。一方、ビームウエストがｚ＝ｚ_０（＞０）の位置に制御される場合、ビーム径ω’（ｚ）は、実線で示した分布を示す。換言すれば、送信局１０は、受信局２０の受信アンテナＡＮＲにおける電磁波のビーム径ω’（ｄ）を制御することができる。

例えば、ビームウエストの位置ｚ_０が、式（７）を用いて制御される場合、受信局２０におけるビーム径ω’（ｄ）を最小にすることができる。

ｚ_０＝ｄ／（１＋（ｄ／ｚ_Ｒ）^２） …(7)
この場合、ビーム径ω’（ｚ）は、式（８）のように表される。

ω’（ｚ）＝ω_０×ｄ／ｚ_Ｒ …(8)
また、ビームウエストの位置ｚ_０がｄ／２（ずなわち、送信局１０と受信局２０との中間点）に制御される場合、送信局１０におけるビーム径ω’（０）と、受信局２０におけるビーム径ω’（ｄ）とを同じにすることができる。この場合、送信局１０と受信局２０との距離ｄは、レイリー距離ｚ_Ｒ以下となるように設定する必要がある。

なお、制御部１２は、アンテナ素子ＥＡの配置に起因して、ビームウエストの位置ｚ_０を変化させても各アンテナ素子ＥＡから放射される複素振幅の変化がない、または変化の量が小さい場合、ビーム径ω’（ｚ）の制御が困難なため、距離ｚ_０をゼロ等の固定値に設定してもよい。

ここで、送信局１０の送信アンテナＡＮＴおよび受信局２０の受信アンテナＡＮＲが、４組の等間隔円形アレーアンテナであり、ラゲールガウシアンビームを用いて多重伝送を行う場合における、制御部１２によるビーム制御の一例を示す。このとき、モード（ｐ，ｌ）は、（０，−１）、（０，１）、（１，０）の３つとする（すなわち、多重数は３）。

また、送信局１０と受信局２０との間の距離ｄは、１メートルとし、４組の等間隔円形アレーアンテナの半径Ｒ１（＝Ｒ２）は０．０２５メートル、０．０５０メートル、０．０７５メートル、０．１００メートルとし、各等間隔円形アレーアンテナが備えるアンテナ素子ＥＡの数は、８素子、１６素子、２４素子、３２素子とする。

放射される電磁波の周波数が６０ＧＨｚで、送信アンテナＡＮＴにおけるビーム径ω’（０）を０．０５０メートルとする場合、受信局２０におけるビーム径ω’（ｄ）を最小にするには、制御部１２は、式（７）を用いて、ビームウエストの位置ｚ_０を０．７１２メートルに決定する。この場合、受信局２０におけるビーム径ω’（ｄ）は、式（８）から、０．０３２メートルと求められる。

なお、受信局２０におけるビーム径ω’（ｄ）が送信アンテナＡＮＴのビーム径ω’（０）と等しくする場合、制御部１２は、ビームウエストの位置ｚ_０を０．５００メートル（＝ｄ／２）に決定する。

変調部１３は、制御部１２により制御されたＮ個のアンテナ素子ＥＡの各々における複数のモード毎の複素振幅と、下記に示す式（９）または式（１０）とを用いて、Ｎ個のアンテナ素子ＥＡ毎に電磁波を変調し、送信信号系列を複数のモードで多重する。

例えば、図２に示すように、Ｎ個のアンテナ素子ＥＡがマトリックス状に配置された送信アンテナＡＮＴの場合、変調部１３は、式（９）を用いて、Ｎ個のアンテナ素子ＥＡの各々が放射する、送信信号系列が複数のモードで多重された電磁波の複素振幅Ｅｔｘ（ｊ）を算出する（ｊは１からＮの整数）。

なお、Ｓ_ｍ，ｎは、モード（ｍ，ｎ）を用いて、送信信号系列を伝送する１６ＱＡＭ（Quadrature Amplitude Modulation）やＱＰＳＫ（Quadrature Phase shift Keying）等の通信方式に応じたベースバンド信号の複素振幅を示す。ｕ’_ｍ，ｎは、第１複素振幅の一例であり、Ｓ_ｍ，ｎは、第２複素振幅の一例である。

一方、送信アンテナＡＮＴのＮ個のアンテナ素子ＥＡが、図３に示すように、Ｋ組の等間隔円形アレーアンテナの場合、変調部１３は、式（１０）を用いて、Ｎ個のアンテナ素子ＥＡの各々が放射する、送信信号系列が複数のモードで多重された電磁波の複素振幅Ｅｔｘ（ｊ）を算出する。

なお、Ｓ_ｐ，ｌは、モード（ｐ，ｌ）を用いて、送信信号系列を伝送する１６ＱＡＭやＱＰＳＫ等の通信方式に応じたベースバンド信号の複素振幅を示す。ｕ’_ｐ，ｌは、第１複素振幅の一例であり、Ｓ_ｐ，ｌは、第２複素振幅の一例である。

そして、変調部１３は、算出した複素振幅Ｅｔｘ（ｊ）の電磁波を、送信アンテナＡＮＴの各アンテナ素子ＥＡに出力する。

なお、このように各アンテナ素子ＥＡから放射される電磁波の複素振幅はガウシアンモードの複素振幅分布に基づいて決定したとしても、送信アンテナＡＮＴから放射された電磁波をガウシアンビームに限定するものではなく、サイドローブや分布の乱れが生じていてもよい。また、互いに直交するモードが維持されながら、伝搬に伴って例えばベッセルビームのような異なるビームとなることもありうる。

分離部２１は、受信アンテナＡＮＲのＭ個のアンテナ素子ＥＡの各々が受信した電磁波の複素振幅と、複数のモードにおける複素振幅の分布とに基づいて、受信した電磁波に多重された送信信号系列を分離する。例えば、送信局１０がエルミートガウシアンモードを用いて送信信号系列を多重した場合、分離部２１は、Ｍ個のアンテナ素子ＥＡの各々が受信した電磁波の複素振幅と、エルミートガウシアンモードの式（１１）とを用いて、受信した電磁波に多重された送信信号系列を分離する。

なお、Ｓｉｇ_ｍ，ｎは、モード（ｍ，ｎ）に対応する送信信号系列を示し、Ｅｒｘ（ｊ’）は、受信アンテナＡＮＲの各アンテナ素子ＥＡが受信する電磁波の複素振幅を示す（ｊ’は、１からＭの整数）。また、複素振幅ｕ’_ｍ，ｎの“＊”は、複素共役を示す。

なお、受信局２０は、例えば、送信局１０の制御部１２により制御された送信信号系列の多重数、複数のモードおよびビームウエストの位置等を示す制御情報（以下、“ビームパラメータ”とも称される）を、送信局１０から予め取得する。

一方、送信局１０がラゲールガウシアンモードを用いて送信信号系列を多重した場合、分離部２１は、アンテナ素子ＥＡの各々が受信した電磁波の複素振幅と、ラゲールガウシアンモードの式（１２）とを用いて、受信した電磁波に多重された送信信号系列を分離する。

なお、Ｓｉｇ_ｐ，ｌは、モード（ｐ，ｌ）に対応する送信信号系列を示し、複素振幅ｕ’_ｐ，ｌの“＊”は、複素共役を示す。

ここで、送信アンテナＡＮＴおよび受信アンテナＡＮＲが一組の等間隔円形アレーアンテナであり、ＯＡＭモードで送信信号系列を多重する場合、モード（ｐ，ｌ）のうちモードｐを用いることはできない。この場合、式（３）および式（１２）は、式（１３）、（１４）のように簡略化することができる。なお、受信局２０が参照信号を用いて電磁波の受信時に位相整合の処理を実行する機能を有するとする。

ここで、Φ”は、位相整合処理による位相補正項を表す。

このように、送信アンテナＡＮＴおよび受信アンテナＡＮＲのアンテナ素子ＥＡの配置や、送信信号系列の伝送に用いるモード等により、各アンテナ素子ＥＡが放射する電磁波の複素振幅の分布に影響を与えない変数（例えば、半径Ｒ１、Ｒ２またはモードｐ等）がある場合、式（３）および式（１２）を適宜簡略化することが好ましい。これにより、送信局１０における処理量を低減することができる。

また、分離部２１は、送信局１０が複数の偏波を用いて複数の送信信号系列を多重した電磁波を放射する場合、偏波毎に電磁波を分離し、分離した電磁波毎に多重された送信信号系列を分離することが好ましい。

なお、本実施形態はガウシアンビームの直交モードを用いる場合について記載するが、同様の方法により、複数のＯＡＭモードを持つベッセルビームのように、互いに直交する複数のモードを持つ他のビームを用いて送信信号系列を多重して通信を行ってもよい。

図６は、図１に示した無線通信システムＳＹＳにおける通信処理の一例を示す。例えば、ステップＳ１００からステップＳ１６０の処理は、送信局１０により実行される。また、ステップＳ２００からステップＳ２３０の処理は、受信局２０により実行される。すなわち、図６は、無線通信方法の一実施形態を示す。

また、図６に示した処理は、送信局１０が複数の送信信号系列を受信した場合に開始される。

ステップＳ１００では、送信局１０の受信装置は、ＧＰＳ衛星の信号を受信し、受信した信号に含まれる送信局１０が配置された位置を示す情報を取得する。

次に、ステップＳ１１０では、制御部１２は、ステップＳ１００で取得された送信局１０の位置と、受信局２０から取得した受信局２０が配置された位置の情報とを用いて、送信局１０と受信局２０との間の距離ｄを算出する。制御部１２は、例えば、算出した距離ｄを、送信局１０の記憶装置に記憶する。

次に、ステップＳ１２０では、制御部１２は、式（７）または式（８）等を用いて、ビームウエストの位置ｚ_０を制御する。

次に、ステップＳ１３０では、制御部１２は、送信信号系列の多重数および使用するモードを、送信局１０と受信局２０との間の距離ｄおよび受信ＳＮＲ等に基づいて決定する。例えば、送信信号系列の伝送に用いることができる複数のモードのうち、一部のモードにおける受信ＳＮＲが所定の閾値より低い場合、制御部１２は、所定の閾値以上の受信ＳＮＲを示す残りのモードと、残りのモードの数に応じた多重数を決定する。

次に、ステップＳ１４０では、制御部１２は、ステップＳ１２０で決定したビームウエストの位置ｚ_０、およびステップＳ１３０で決定した多重数および複数のモード等を含むビームパラメータを、受信局２０に出力する。

次に、ステップＳ１５０では、制御部１２は、ステップＳ１３０で決定した多重数および複数のモードと、送信アンテナＡＮＴの各アンテナ素子ＥＡの位置と、式（５）または式（６）の複素振幅の分布とを用いて、送信アンテナＡＮＴの各アンテナ素子ＥＡが放射する複数のモード毎の電磁波の複素振幅を制御する。

次に、ステップＳ１６０では、変調部１３は、ステップＳ１５０で制御されたＮ個のアンテナ素子ＥＡの各々における複数のモード毎の複素振幅と、式（９）または式（１０）とを用いて、Ｎ個のアンテナ素子ＥＡ毎に電磁波を変調し、送信信号系列を複数のモードで多重する。そして、変調部１３は、送信アンテナＡＮＴを介して、多重した電磁波を受信局２０に放射する。

そして、送信局１０は、処理を終了する。送信局１０は、送信信号系列を受信する度に、ステップＳ１００からステップＳ１６０の処理を繰り返し実行する。なお、送信局１０は、例えば、送信局１０の記憶装置に、受信局２０までの距離ｄを示す情報を記憶している場合、ステップＳ１００およびステップＳ１１０の処理を省略してもよい。

一方、ステップＳ２００では、受信局２０の受信装置は、ＧＰＳ衛星の信号を受信し、受信した信号に含まれる受信局２０が配置された位置を示す情報を取得する。そして、受信局２０の受信装置は、取得した受信局２０の位置を示す情報を送信局１０に出力する。

次に、ステップＳ２１０では、受信局２０は、ステップＳ１４０で出力されたビームパラメータを取得する。そして、受信局２０は、取得したビームパラメータを受信局２０の記憶装置に記憶する。

ステップＳ２２０では、受信アンテナＡＮＲは、ステップＳ１６０で放射された電磁波を受信する。そして、受信アンテナＡＮＲは、受信した電磁波を分離部２１に出力する。

ステップＳ２３０では、分離部２１は、ステップＳ２２０で受信した電磁波の複素振幅と、ステップＳ２１０で取得したビームパラメータと、式（１１）または式（１２）とに基づいて、受信した電磁波に多重された送信信号系列を分離する。

そして、受信局２０は、分離部２１により分離された送信信号系列を復調する。受信局２０は、受信局２０に含まれる出力インタフェース等を介して、復調処理された送信信号系列のプリアンブルが示す送信先である外部の携帯通信端末やネットワーク等に送信信号系列を出力する。

その後、受信局２０は、処理を終了する。そして、受信局２０は、送信局１０が送信信号系列を受信する度に、ステップＳ２００からステップＳ２３０の処理を繰り返し実行する。なお、受信局２０は、例えば、受信局２０までの距離ｄを示す情報が送信局１０の記憶装置に記憶されている場合、ステップＳ２００の処理を省略してもよい。

以上、図１から図６に示した実施形態では、制御部１２は、互いに直交性を示す複数のモードの複素振幅の分布を用いて、複数のモードが含まれるビームのビームウエストが所望の位置ｚ_０となるように、送信アンテナＡＮＴの各アンテナ素子ＥＡが放射する複数のモード毎の電磁波の複素振幅を制御する。すなわち、無線通信システムＳＹＳは、受信局２０におけるビーム径ω’（ｄ）、および送信信号系列の多重数等を調整することができる。そして、無線通信システムＳＹＳは、電磁波の伝搬に伴うビーム径ω’の拡がり、および送信信号系列の多重数等を調整することにより、高次のモードを含む電磁波を用いた無線通信を行う場合においても、従来と比べて高い受信ＳＮＲおよびスループットが得られる。

また、無線通信システムＳＹＳは、電磁波の伝搬に伴うビーム径ω’の拡がり、および送信信号系列の多重数等を調整することにより、受信局２０の受信アンテナＡＮＲの開口径を大きくすることなく、従来と比べて無線通信システムＳＹＳの装置規模を抑制できる。

以上の詳細な説明により、実施形態の特徴点および利点は明らかになるであろう。これは、特許請求の範囲がその精神および権利範囲を逸脱しない範囲で前述のような実施形態の特徴点および利点にまで及ぶことを意図するものである。また、当該技術分野において通常の知識を有する者であれば、あらゆる改良および変更に容易に想到できるはずである。したがって、発明性を有する実施形態の範囲を前述したものに限定する意図はなく、実施形態に開示された範囲に含まれる適当な改良物および均等物に拠ることも可能である。

１０…送信局；１１…ＩＦ部；１２…制御部；１３…変調部；２０…受信局；２１…分離部；ＡＮＴ…送信アンテナ；ＡＮＲ…受信アンテナ；ＥＡ…アンテナ素子；ＳＡ（１）−ＳＡ（Ｋ）…円形アレーアンテナ；ＳＹＳ…無線通信システム

Claims (7)

1. データを含む少なくとも１つの信号を送信局から受信局に伝送する無線通信方法であって、
   互いに直交性を示す複数のモードの各々における複素振幅の分布に基づいて、前記送信局が有する複数の第１アンテナ素子の各々が放射する前記複数のモード毎の電磁波の第１複素振幅を制御する制御ステップと、
   前記複数の第１アンテナ素子の各々における前記複数のモード毎の前記第１複素振幅に基づいて、前記複数の第１アンテナ素子毎に電磁波を変調することにより、前記信号を前記複数のモードで多重した電磁波を、前記複数の第１アンテナ素子を介して放射する放射ステップと、
   前記受信局が有する複数の第２アンテナ素子を用いて、放射された前記電磁波を受信する受信ステップと、
   前記複数のモード間における直交性に基づいて、受信した前記電磁波に多重された前記信号を分離する分離ステップと
   を備えることを特徴とする無線通信方法。
2. 請求項１に記載の無線通信方法において、
   前記制御ステップは、前記複数のモードの各々における複素振幅の分布と、前記複数の第１アンテナ素子の各々の位置とに基づいて、前記複数の第１アンテナ素子の各々における前記複数のモード毎の第１複素振幅を制御し、
   前記放射ステップは、前記複数のモード毎に前記信号の第２複素振幅を算出し、前記複数の第１アンテナ素子の各々における前記複数のモード毎の第１複素振幅と、前記複数のモード毎に算出した前記信号の第２複素振幅とを前記複数の第１アンテナ素子毎に積算することにより、前記複数の第１アンテナ素子の各々から前記信号を前記複数のモードで多重した電磁波を放射する
   ことを特徴とする無線通信方法。
3. 請求項１または請求項２に記載の無線通信方法において、
   前記複数のモードは、ガウシアンビームの互いに直交するモードであることを特徴とする無線通信方法。
4. 請求項３に記載の無線通信方法において、
   前記制御ステップは、前記複数のモードが軌道角運動量モードの場合、前記複数の第１アンテナ素子の各々における前記複数のモード毎の第１複素振幅を、前記軌道角運動量モードに基づいて制御することを特徴とする無線通信方法。
5. 請求項３に記載の無線通信方法において、
   前記制御ステップは、前記送信局と前記受信局との間の距離に基づいて、前記受信局において所望のビーム径が得られるようにビームウエストの位置を決定し、前記複数のモードの各々における複素振幅の分布と、決定した前記ビームウエストの位置とに基づいて、前記複数の第１アンテナ素子の各々における前記複数のモード毎の第１複素振幅を制御することを特徴とする無線通信方法。
6. 請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の無線通信方法において、
   前記分離ステップは、前記複数のモードの各々における複素振幅の分布と、前記複数の第２アンテナ素子の各々において受信された前記電磁波の複素振幅と、前記複数の第２アンテナ素子の各々の位置とに基づいて、受信した前記電磁波に多重された前記信号を分離することを特徴とする無線通信方法。
7. データを含む少なくとも１つの信号を送信局から受信局に伝送する無線通信システムであって、
   前記送信局は、
   複数の第１アンテナ素子と、
   互いに直交性を示す複数のモードの各々における複素振幅の分布に基づいて、前記複数の第１アンテナ素子の各々が放射する前記複数のモード毎の電磁波の第１複素振幅を制御する制御部と、
   前記複数の第１アンテナ素子の各々における前記複数のモード毎の前記第１複素振幅に基づいて、前記複数の第１アンテナ素子毎に電磁波を変調することにより、前記信号を前記複数のモードで多重する変調部と、を備え、
   前記受信局は、
   前記送信局により放射された電磁波を受信する複数の第２アンテナ素子と、
   前記複数のモード間における直交性に基づいて、受信した前記電磁波に多重された前記信号を分離する分離部と、を備える
   ことを特徴とする無線通信システム。

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