JP6996562B2 - Ｏａｍ多重通信システムおよびモード間干渉除去方法 - Google Patents

Ｏａｍ多重通信システムおよびモード間干渉除去方法 Download PDF

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Description

本発明は、電磁波の軌道角運動量（Orbital Angular Momentum：ＯＡＭ）を用いて無線信号を空間多重伝送するＯＡＭ多重通信システムおよびモード間干渉除去方法に関する。
ＯＡＭを用いて無線信号を空間多重伝送する技術は、無線通信の伝送容量向上のために効果的である。ＯＡＭモードをもつ電波は、ビームの伝搬軸を中心とする回転方向に沿って等位相面が螺旋状に分布することを特徴とし、等位相面が形成する螺旋の周期が２π×ｋのモードをＯＡＭモードｋと呼ぶ。異なるＯＡＭモード同士は回転方向に直交性を有するため、複数のＯＡＭモードの信号を空間多重伝送できる。例えば、ＯＡＭモード１とＯＡＭモード２の信号は空間上で互いに直交しているため、送信アンテナからこれらのモードを同時に送信しても、受信側でＯＡＭモード１とＯＡＭモード２の信号を分離できる。ＯＡＭモードの生成には、複数のアンテナ素子を等間隔に円形配置した等間隔円形アレーアンテナ（Uniform Circular Array：ＵＣＡ）を用いる方法が報告されている。
ＯＡＭ多重通信システムでは、送受信アンテナとして用いるＵＣＡ同士を正面対向配置させることで、ＯＡＭモード伝送に係る送信側のウエイト乗算および受信側のウエイト乗算を送受信アンテナ間の距離に関わらず一律化することができる（非特許文献１）。ここでは、送受信のウエイト乗算にかかるＤＦＴ（Discrete Fourier Transform）処理を行うバトラーマトリクス回路を実装し、ＯＡＭモード伝送に係るディジタル信号処理の演算量を低減している。
図９は、従来のＯＡＭ多重通信システムの構成例を示す。
図９において、送信局および受信局のアンテナは、それぞれアンテナ素子をＬ素子備えるＵＣＡである。説明を簡略化するために、送信局と受信局が備えるＵＣＡのアンテナ素子数と空間多重数は同一（Ｌ多重）とする。
送信局のＳ（シリアル）／Ｐ（パラレル）変換・信号処理部１１は、送信信号系列を入力すると、Ｌ個の並列なビット列に変換し、各ビット列に対して変調を行い、送信信号系列ｓl （ｌ＝１，２，…，Ｌ) を出力する。送信ＯＡＭモード生成処理部１４は、送信信号系列ｓl を入力してＤＦＴ演算を行い、送信ＵＣＡ１５の各アンテナ素子に出力する。送信ＵＣＡ１５は、送信ＯＡＭモード生成処理部１４の出力信号を送信する。
受信局の受信ＵＣＡ２１は、空間多重されたＯＡＭモードの信号を各アンテナ素子で受信し、受信ＯＡＭモード分離処理部２２に出力する。受信ＯＡＭモード分離処理部２２は、各アンテナ素子の受信信号に対してＩＤＦＴ（Inverse ＤＦＴ）演算を行い、空間多重されたＯＡＭモードを分離し、受信信号系列ｒl （ｌ＝１，２，…，Ｌ) を出力する。信号処理・Ｐ／Ｓ変換部２４は、各受信信号系列を復調し、もとの順番に並び替えた受信信号系列を出力する。
図９には、送信ＵＣＡ１５と受信ＵＣＡ２１の位置関係を模式的に示している。送信ＵＣＡ１５および受信ＵＣＡ２１を構成する円形配置のアンテナ素子（図中●で示す）の中心Ｐ，Ｑを結ぶ直線（光軸）Ｗに対して、各アンテナ開口面が垂直になるように配置される。このとき、送信ＵＣＡ１５と受信ＵＣＡ２１との間のチャネル行列Ｈは、送受信ＵＣＡ間の距離に関わらず巡回行列である。巡回行列の性質によれば、チャネル行列はＤＦＴ演算とＩＤＦＴ演算によって固有値分解されるため、図９のＯＡＭ多重通信システムにおいて受信信号ｒl は常に、
Figure 0006996562000001
 であり、伝送距離に関わらずモード間の干渉なく信号を受信できる。ここで、λl はモードｌの特異値である。
E. Sasaki, M. Hirabe, T. Maru, N. Zein, "Pragmatic OAM with polarization multiplexing transmission for future 5G ultra-high capacity radio ", in proc. of EuMA2016, Oct. 2016.
非特許文献１の構成では、送信ＵＣＡと受信ＵＣＡが正面で対向する位置に配置され、かつ、反射波がない見通し環境に限定される。しかし、実運用上は、送信ＵＣＡと受信ＵＣＡが正面対向配置からずれた位置に固定設置されている場合や、周辺環境による反射波などの影響も考慮する必要がある。このような影響に起因して、送信ＵＣＡと受信ＵＣＡ間のチャネル行列が理想的な正面対向配置から乖離しているときは、受信側のバトラーマトリクス回路の出力段においてＯＡＭモード間の干渉が残留する。そのため、ＯＡＭモードｌの受信信号ｒl は、
Figure 0006996562000002
 となり、第２項に示すＯＡＭモードｌと異なるＯＡＭモードからの干渉を受け、通信品質が劣化してしまう。なお、式(2)におけるλ'l は、ＯＡＭモードｌの出力に乗算される定数、λ'l,kはＯＡＭモードｋからＯＡＭモードｌへの干渉量を表す定数である。
本発明は、送信ＵＣＡと受信ＵＣＡとの間の光軸のずれ、チルト、反射波などによって生じるモード間干渉を低演算量で抑圧することができるＯＡＭ多重通信システムおよびモード間干渉除去方法を提供することを目的とする。
第１の発明は、複数のアンテナ素子を円形に等間隔で配置したＵＣＡを、同心円状かつ等間隔に配置した径の異なる複数ＭTX個のＵＣＡからなるＭ－ＵＣＡを用いた送信アンテナを含む送信局と、送信局と同様に複数ＭRX個のＵＣＡからなるＭ－ＵＣＡを用いた受信アンテナを含む受信局とを備え、ＯＡＭモードを用いて複数の送信信号系列を空間多重伝送するＯＡＭ多重通信システムであって、送信局は、複数の送信信号系列を送信するＯＡＭモードごとに入力し、ＯＡＭモードごとの送信信号系列にそれぞれ送信ウエイトを乗算し、Ｍ－ＵＣＡを構成するＵＣＡに対応するＭTX個の信号に変換して出力するＯＡＭモードごとの複数の送信ウエイト乗算部と、複数の送信ウエイト乗算部がそれぞれ出力するＵＣＡ対応の信号を入力して離散フーリエ変換を行い、それぞれ対応するＵＣＡに出力するＭTX個の送信ＯＡＭモード生成処理部とを備え、受信局は、Ｍ－ＵＣＡを構成するＵＣＡからそれぞれ信号を入力して逆フーリエ変換を行い、受信信号系列ごとに出力するＭRX個の受信ＯＡＭモード分離処理部と、受信ＯＡＭモード分離処理部が出力するＯＡＭモードごとの受信信号系列にそれぞれ受信ウエイトを乗算し、空間多重伝送された受信信号系列を分離するとともに、空間多重されたＯＡＭモード間の干渉を抑圧して出力するＯＡＭモードごとの複数の受信ウエイト乗算部とを備える。
第１の発明のＯＡＭ多重通信システムにおいて、送信局から受信局に送信された既知信号系列に対する受信ＯＡＭモード分離処理部の出力値からチャネル推定を行い、送信ウエイトと受信ウエイトを決定するウエイト演算部を備え、受信ウエイトは受信ウエイト乗算部に設定し、送信ウエイトは受信局から送信局へフィードバックされて送信ウエイト乗算部に設定し、空間多重伝送されたＯＡＭモード間の干渉成分を抑圧する構成である。
第２の発明は、複数のアンテナ素子を円形に等間隔で配置したＵＣＡを、同心円状かつ等間隔に配置した径の異なる複数ＭTX個のＵＣＡからなるＭ－ＵＣＡを用いた送信アンテナを含む送信局と、送信局と同様に複数ＭRX個のＵＣＡからなるＭ－ＵＣＡを用いた受信アンテナを含む受信局とを備え、ＯＡＭモードを用いて複数の送信信号系列を空間多重伝送するＯＡＭ多重通信システムのモード間干渉除去方法であって、送信局は、ＯＡＭモードごとの複数の送信ウエイト乗算部で、複数の送信信号系列を送信するＯＡＭモードごと入力し、ＯＡＭモードごとの送信信号系列にそれぞれ送信ウエイトを乗算し、Ｍ－ＵＣＡを構成するＵＣＡに対応するＭTX個の信号に変換して出力し、ＭTX個の送信ＯＡＭモード生成処理部で、複数の送信ウエイト乗算部がそれぞれ出力するＵＣＡ対応の信号を入力して離散フーリエ変換を行い、それぞれ対応するＵＣＡに出力し、受信局は、ＭRX個の受信ＯＡＭモード分離処理部で、Ｍ－ＵＣＡを構成するＵＣＡからそれぞれ信号を入力して逆フーリエ変換を行い、受信信号系列ごとに出力し、ＯＡＭモードごとの複数の受信ウエイト乗算部で、受信ＯＡＭモード分離処理部が出力するＯＡＭモードごとの受信信号系列にそれぞれ受信ウエイトを乗算し、空間多重伝送された受信信号系列を分離するとともに、空間多重されたＯＡＭモード間の干渉を抑圧して出力する。
第２の発明のＯＡＭ多重通信システムのモード間干渉除去方法において、送信局から受信局に送信された既知信号系列に対する受信ＯＡＭモード分離処理部の出力値からチャネル推定を行い、送信ウエイトと受信ウエイトを決定し、受信ウエイトは受信ウエイト乗算部に設定し、送信ウエイトは受信局から送信局へフィードバックされて送信ウエイト乗算部に設定し、空間多重されたＯＡＭモード間の干渉を抑圧する。
第２の発明のＯＡＭ多重通信システムのモード間干渉除去方法において、受信ＯＡＭモード分離処理部の出力のうち、特定の離散周波数成分に残留する他離散周波数成分からの干渉成分を表す行列の特異値分解の結果と、自離散周波数成分を表す行列の特異値分解の結果とに基づき、空間多重化された信号同士の干渉を抑圧するための送信ウエイトおよび受信ウエイトを決定してもよい。
また、受信ＯＡＭモード分離処理部の出力に生じる他離散周波数成分からの干渉成分を表す行列の特異値分解の結果のうち、左特異ベクトルに属するベクトルのうちの一つ以上のベクトルと直交するベクトルを含むウエイトを受信ウエイトとしてもよい。
また、受信ＯＡＭモード分離処理部の出力に生じる他離散周波数成分からの干渉成分を表す行列の特異値分解の結果のうち、左特異ベクトルに属するベクトルと直交するベクトルと、自離散周波数成分を表す行列との乗算結果の特異値分解を基に、送信ウエイトおよび受信ウエイトを決定してもよい。
また、空間多重する信号の多重数は、受信信号品質に応じた合計レートを最大にする規範に基づいて決定するか、あらかじめ決定してもよい。
本発明は、送信ウエイトおよび受信ウエイトを適宜設定することにより、送信アンテナと受信アンテナが正面対向配置からずれた位置に固定設置されている場合や、周辺環境による反射波などに起因して生じるＯＡＭモード間の干渉を抑圧することができる。
本発明のＯＡＭ多重通信システムのＭ－ＵＣＡの構成例を示す図である。 本発明のＯＡＭ多重通信システムの実施例１の構成を示す図である。 本発明のＯＡＭ多重通信システムの実施例１の処理手順を示すフローチャートである。 本発明のＯＡＭ多重通信システムの実施例１の変形構成を示す図である。 本発明のＯＡＭ多重通信システムの実施例１の変形構成の処理手順を示すフローチャートである。 本発明のＯＡＭ多重通信システムの実施例２の構成を示す図である。 本発明のＯＡＭ多重通信システムの実施例２の処理手順を示すフローチャートである。 本発明のＯＡＭ多重通信システムの実施例２の変形構成を示す図である。 従来のＯＡＭ多重通信システムの構成例を示す図である。
図１は、本発明のＯＡＭ多重通信システムのＭ－ＵＣＡの構成例を示す。
図１において、Ｍ（Multi)－ＵＣＡは、複数のＵＣＡを同心円状かつ等間隔に配置した構成である。ここでは、４つのＵＣＡを配置した構成を示し、内側のＵＣＡから順番に、第１ＵＣＡ，第２ＵＣＡ，第３ＵＣＡ，第４ＵＣＡとする。なお、送信ＵＣＡの場合は第ｎ送信ＵＣＡと呼び、受信ＵＣＡの場合は第ｎ受信ＵＣＡと呼ぶ。各ＵＣＡは８素子のアンテナ素子（図中、●で示す）を備える例を示すが、各ＵＣＡのアンテナ素子数は必ずしも同数である必要はない。
以下の説明に用いる各記号の定義は次の通りである。
Figure 0006996562000003
（実施例１）
図２は、本発明のＯＡＭ多重通信システムの実施例１の構成を示す。
図２において、送信局は、Ｓ／Ｐ変換・信号処理部１１、Ｌ個の第１送信ウエイト乗算部１３－１～第Ｌ送信ウエイト乗算部１３－Ｌ、ＭTX個の送信ＵＣＡ１５－１～１５－ＭTXにそれぞれ対応するＭTX個の第１送信ＯＡＭモード生成処理部１４－１～第ＭTX送信ＯＡＭモード生成処理部１４－ＭTX、参照信号送信部１６により構成される。
受信局は、ＭRX個の受信ＵＣＡ２１－１～２１－ＭRXにそれぞれ対応するＭRX個の第１受信ＯＡＭモード分離処理部２２－１～第ＭRX受信ＯＡＭモード分離処理部２２－ＭRX、Ｌ個の第１受信ウエイト乗算部２３－１～第Ｌ受信ウエイト乗算部２３－Ｌ、信号処理・Ｐ／Ｓ変換部２４、チャネル状態取得部２６、ウエイト演算部２７、フィードバック部２８により構成される。
実施例１のＯＡＭ多重通信システムは、従来構成と異なり、Ｍ－ＵＣＡを用いたアンテナ構成となる。また、チャネル情報を取得して演算したウエイトを送信局にフィードバックする点、および、送信局および受信局でチャネル情報に基づき演算したウエイトを乗算する点で異なる。
はじめに、実施例１の送信局および受信局の入出力関係を数式表現する。送信局は、入力した送信信号系列をＳ／Ｐ変換してＬ個の並列なビット列に変換し、各ビット列を変調して送信信号ｓl （ｌ＝１，２，…，Ｌ）を生成する。第ｌ送信ウエイト乗算部１３－ｌは、送信信号ｓl に対して送信ウエイトＶl を乗算し、ｓ'lを出力する。
Figure 0006996562000004
第ｍ送信ＯＡＭモード生成処理部１４－ｍは、第１送信ウエイト乗算部１３－１～第Ｌ送信ウエイト乗算部１３－Ｌの出力の第ｍ番目の信号ｓ'l[ｍ]，（ｌ＝１，２，…，Ｌ) を並べた信号ベクトル
Ｓ'[ｍ]＝（ｓ'1[ｍ],…,ｓ'L[ｍ])T
を入力し、Ｓ'[ｍ] に対してＤＦＴ行列Ｄm TX を乗算して出力する。ここで、Ｄm TX は、その第ｐ行ｑ列成分が
Figure 0006996562000005
 で与えられるＮTX(ｍ)×ＬのＤＦＴ行列であり、式中のｊは虚数単位を表し、ｌ(q) は第ｑ列のＤＦＴの離散周波数インデックスを表す。
なお、ＤＦＴ演算に係る処理は、非特許文献１と同一のバトラーマトリクスを用いたアナログ回路で実施してもよく、ディジタル信号処理で実施してもよい。
第１送信ＯＡＭモード生成処理部１４－１～第ＭTX送信ＯＡＭモード生成処理部１４－ＭTXの出力信号は、各ＤＦＴ演算部と接続する送信ＵＣＡ１５－１～１５－ＭTXから受信ＵＣＡに向けて送信される。このとき、第ｋ受信ＵＣＡ２１－ｋで受信される信号は以下の通りである。
Figure 0006996562000006
 式(3) では説明の簡略化のため、雑音項を無視している。
次に、受信局の第ｋ受信ＯＡＭモード分離処理部２２－ｋは、第ｋ受信ＵＣＡ２１－ｋで受信した信号に対してＩＤＦＴ行列Ｄk RX を乗算して出力する。ここで、ＩＤＦＴ行列Ｄk RX のｐ行ｑ列成分は次のように表される。
Figure 0006996562000007
第ｌ受信ウエイト乗算部２３－ｌは、第１受信ＯＡＭモード分離処理部２２－１～第ＭRX受信ＯＡＭモード分離処理部２２－ＭRXの第ｌ番目の出力ｒk[l]，(ｋ＝１，２，…，ＭRX) を並べたベクトルｒ[l]
Figure 0006996562000008
信号処理・Ｐ／Ｓ変換部２４は、受信ウエイト乗算後の信号ｒl から送信された情報ビット列を推定し、Ｐ／Ｓ変換後、もとの情報ビット列の順番に整列させる。
また、送信局の参照信号送信部１６は、チャネル応答を推定するための既知信号系列を受信局に向けて送信する。
受信局のチャネル状態取得部２６は、第１受信ＯＡＭモード分離処理部２２－１～第ＭRX受信ＯＡＭモード分離処理部２２－ＭRXと接続され、既知信号系列に基づきチャネル応答を推定する。推定した情報をウエイト演算部２７に出力する。
ウエイト演算部２７は、チャネル状態取得部２６の推定値に基づき送信ウエイトおよび受信ウエイトを決定し、受信局の第１受信ウエイト乗算部２３－１～第Ｌ受信ウエイト乗算部２３－Ｌに設定し、フィードバック部２８を介して、送信局の第１送信ウエイト乗算部１３－１～第Ｌ送信ウエイト乗算部１３－Ｌに設定する。
次に、ウエイト演算部２７における送信ウエイトと受信ウエイトの演算方法を説明する。説明を明確化するために、受信ウエイト乗算後の信号ｒl に残留する干渉成分を数式表現する。初めに、送信局と受信局のＭ－ＵＣＡ同士が正面で対向しており、干渉が生じない場合、チャネル行列Ｈm,k は、左からＩＤＦＴ行列Ｄk RX、右側からＤＦＴ行列Ｄm TXを乗算することによって対角化される。したがって、第ｌ受信ウエイト乗算部２３－ｌから出力される信号ｒl は、以下のようになる。
Figure 0006996562000009
式(4) 中のΛl は各チャネルの応答を表すＭRX×ＭTXの行列である。式(4) より正面対向時は、インデックスｌが異なる信号（異なるＯＡＭモード）からの干渉が生じないことが分かる。したがって、従来構成と同様に、信号処理・Ｐ／Ｓ変換部２４は信号ｒl ごとにビット列ｓl を他モードからの干渉なく推定できる。一方、それ以外の場合、ｒl は、他モードからの干渉を含んだ信号となる。
Figure 0006996562000010
 式(5) 中の第２項が干渉成分であり、インデックスｌが異なる送信信号からの干渉を受け、信号品質が劣化する。なお、Λl,k はＯＡＭモードｋからＯＡＭモードｌへの干渉を表すＭRX×ＭTXの行列である。
干渉成分（式(5) の第２項の信号成分）を抑圧し、通信品質を改善するための送信ウエイトＶl と受信ウエイトＵl の決定方法について以下に説明する。
実施例１では、干渉成分の行列を特異値分解(Singular Value Decomposition：ＳＶＤ)し、干渉量の多い左特異ベクトルと直交するベクトルを受信ウエイトに採用することで干渉成分を抑圧する。
はじめに、干渉量が多い特異ベクトルを見つけるために、干渉成分の行列Λl (INT)を特異値分解すると式(6) のようになる。
Figure 0006996562000011
Figure 0006996562000012
式(5) の受信信号は、式(6) の特異値分解結果を用いて次のように書き直すことができる。
Figure 0006996562000013
式(7) より、受信信号ｒl に対して左特異ベクトルｕl,m の複素共役転置ｕH l,mを乗算すれば、左特異ベクトル同士の直交性から第ｌ受信ウエイト乗算部２３－ｌの出力に含まれる干渉成分（式(7) の第２項）のうちσmｕl,mｖH l,m以外の成分を除去できることがわかる。受信信号の干渉を効果的に抑圧するには、特異値が最小の左特異ベクトルｕH l,MRXを受信ウエイトＵl に採用し、干渉の大きい項を除去すればよい。このとき受信信号ｒl は以下のようになり、受信ウエイト乗算後に干渉成分が抑圧されたことが分かる。なお、受信ウエイトは最小特異値の左特異ベクトルｕH l,MRX以外の例えば、ｕH l,MRX-1であってもよい。
Figure 0006996562000014
一方、行列ｕH l,MRXΛl は、受信信号に干渉の主成分を含まない固有空間を形成する。この固有空間のうち、非ゼロの固有値の固有ベクトルを送信ウエイトとして信号を送信すれば、干渉の主成分を含まない信号伝送が実現できる。具体的には、送信ウエイトＶl を、行列ｕH l,MRXΛl を特異値分解することで得られる右特異ベクトルのうち、非ゼロ特異値の右特異ベクトルに決定する。
Figure 0006996562000015
 であり、チルト、反射波などによって生じる干渉が低減され、復調部のビット推定精度を高めることができる。なお、受信ウエイトがｕH l,MRX以外の場合は、受信ウエイトＵl と行列Λl,m の乗算結果ＵlΛl,mの特異値分解結果に基づいて送信ウエイトを決定する。
図３は、本発明のＯＡＭ多重通信システムの実施例１の処理手順を示す。
図３において、送信局に送信信号系列が入力すると、Ｓ／Ｐ変換・信号処理部１１は変調信号を生成する（Ｓ11) 。次に、送信局の参照信号送信部１６から既知信号系列を送信する（Ｓ12) 。受信局は、既知信号系列を受信すると、チャネル状態取得部２６が既知信号系列に基づき、各チャネルの応答Λl およびΛl,k を推定する（Ｓ21）。ウエイト演算部２７は、推定したチャネルの応答Λl およびΛl,k に基づき、式(5) および式(8) の特異値分解を実施し、送信ウエイトＶl と受信ウエイトＵl を決定し（Ｓ22）、受信ウエイトＵl を受信局の各受信ウエイト乗算部２３に設定する。さらに、フィードバック部２８は、ウエイト演算部２７で決定した送信ウエイトＶl を送信局の各送信ウエイト乗算部１３に設定する（Ｓ23）。
次に、送信局の各送信ウエイト乗算部１３は、ステップＳ11で生成した変調信号に対して送信ウエイトＶl を乗算する（Ｓ13）。さらに、送信ＯＡＭモード生成処理部１４は、送信ウエイトＶl を乗算した変調信号に対してＤＦＴ演算によりＯＡＭモード生成処理を行い（Ｓ14）、各ＯＡＭモードの信号が送信局の各送信ＵＣＡ１５から送信される（Ｓ15）。
受信局の各受信ＵＣＡ２１は、送信局から送信された信号を受信し（Ｓ24）、受信ＯＡＭモード分離処理部２２でＩＤＦＴ演算によりＯＡＭモード分離処理を行う（Ｓ25）。次に、各受信ウエイト乗算部２３は、各ＯＡＭモードの受信信号に対して受信ウエイトＵl を乗算する（Ｓ26）。信号処理・Ｐ／Ｓ変換部２４は、以上の処理によりモード間干渉が抑圧された受信信号を復調してビット列に変換し、さらにＰ／Ｓ変換して元の情報ビット列の並びに整列させて出力する（Ｓ27）。
（実施例１の変形）
図４は、本発明のＯＡＭ多重通信システムの実施例１の変形構成を示す。
図４において、送信局は、Ｓ／Ｐ変換・信号処理部１１、Ｌ個の第１送信ウエイト乗算部１３－１～第Ｌ送信ウエイト乗算部１３－Ｌ、ＭTX個の送信ＵＣＡ１５－１～１５－ＭTXにそれぞれ対応するＭTX個の第１送信ＯＡＭモード生成処理部１４－１～第ＭTX送信ＯＡＭモード生成処理部１４－ＭTX、ウエイト演算部１７により構成される。
受信局は、ＭRX個の受信ＵＣＡ２１－１～２１－ＭRXにそれぞれ対応するＭRX個の第１受信ＯＡＭモード分離処理部２２－１～第ＭRX受信ＯＡＭモード分離処理部２２－ＭRX、Ｌ個の第１受信ウエイト乗算部２３－１～第Ｌ受信ウエイト乗算部２３－Ｌ、信号処理・Ｐ／Ｓ変換部２４、ウエイト演算部２９により構成される。
図２に示す実施例１との違いは、受信局でチャネル推定を実施しない点と、送信局と受信局とが独立に送信ウエイトおよび受信ウエイトを決定する点にある。すなわち、図４の構成では、送信局および受信局においてあらかじめチャネル応答が推定されており、推定値は送信局のウエイト演算部１７および受信局のウエイト演算部２９が保持しており、ウエイト演算部１７，２９がチャネル応答に基づいて送信ウエイトと受信ウエイトを決定し、送信ウエイト乗算部１３および受信ウエイト乗算部２３に設定する。
図５は、本発明のＯＡＭ多重通信システムの実施例１の変形構成の処理手順を示す。
図５において、送信局に送信信号系列が入力すると、ウエイト演算部１７が事前に保持しているチャネル応答値に基づいて送信ウエイトＶl を決定し、各送信ウエイト乗算部１３に設定する（Ｓ31）。Ｓ／Ｐ変換・信号処理部１１は、変調信号を生成する（Ｓ32) 。次に、各送信ウエイト乗算部１３は、生成した変調信号に対して送信ウエイトＶl を乗算する（Ｓ33）。さらに、送信ＯＡＭモード生成処理部１４は、送信ウエイトＶl を乗算した変調信号に対してＤＦＴ演算によりＯＡＭモード生成処理を行い（Ｓ34）、各ＯＡＭモードの信号が各送信ＵＣＡ１５から送信される（Ｓ35）。
一方、受信局は、ウエイト演算部２９が事前に保持しているチャネル応答値に基づいて受信ウエイトＵl を決定し、各受信ウエイト乗算部２３に設定する（Ｓ41）。各受信ＵＣＡ２１は、送信局から送信された信号を受信し（Ｓ42）、受信ＯＡＭモード分離処理部２２でＩＤＦＴ演算によりＯＡＭモード分離処理を行う（Ｓ43）。次に、各受信ウエイト乗算部２３は、各ＯＡＭモードの受信信号に対して受信ウエイトＵl を乗算する（Ｓ44）。信号処理・Ｐ／Ｓ変換部２４は、以上の処理によりモード間干渉が抑圧された受信信号を復調してビット列に変換し、さらにＰ／Ｓ変換して元の情報ビット列の並びに整列させて出力する（Ｓ45）。
（実施例２）
図６は、本発明のＯＡＭ多重通信システムの実施例２の構成を示す。
図６において、送信局は、Ｓ／Ｐ変換・信号処理部１２、それぞれＭ1 ～ＭL の信号を入力するＬ個の第１送信ウエイト乗算部１３－１～第Ｌ送信ウエイト乗算部１３－Ｌ、ＭTX個の送信ＵＣＡ１５－１～１５－ＭTXにそれぞれ対応するＭTX個の第１送信ＯＡＭモード生成処理部１４－１～第ＭTX送信ＯＡＭモード生成処理部１４－ＭTX、参照信号送信部１６により構成される。
受信局は、ＭRX個の受信ＵＣＡ２１－１～２１－ＭRXにそれぞれ対応するＭRX個の第１受信ＯＡＭモード分離処理部２２－１～第ＭRX受信ＯＡＭモード分離処理部２２－ＭRX、Ｌ個の第１受信ウエイト乗算部２３－１～第Ｌ受信ウエイト乗算部２３－Ｌ、それぞれＭ1 ～ＭL の受信信号を入力する信号処理・Ｐ／Ｓ変換部２５、チャネル状態取得部２６、ウエイト演算部２７、フィードバック部２８により構成される。
実施例２のＯＡＭ多重通信システムと実施例１との違いは、１つの送信ウエイト乗算部１３へ入力する変調信号が複数系統存在し、１つの受信ウエイト乗算部２３から出力される受信信号が複数系統存在する。また、入力の系統数が増えたことに伴い、送信ウエイトと受信ウエイトの行列サイズも異なり、送信ウエイト乗算部１３および受信ウエイト乗算部２３の処理方法が異なる。これにより、ＯＡＭモードのうち、ＳＩＮＲ (Signal-to-interference-plus-noise ratio)が高いＯＡＭモードを選択して使用することで、チルトや軸ずれ、マルチパスの干渉を補償しつつ、スループットを向上させる点が実施例１と異なる。
第ｌ送信ウエイト乗算部１３－ｌは、Ｍl 個の並列な変調信号ｓl を入力し、各変調信号に対して送信ウエイトＶl を乗算した変調信号ｓ'lを出力する。
Figure 0006996562000016
第ｌ受信ウエイト乗算部２３－ｌは、第１受信ＯＡＭモード分離処理部２２－１～第ＭRX受信ＯＡＭモード分離処理部２２－ＭRXの出力（ｒl[l]，…，ｒMRX[l])Tを入力し、受信ウエイトＵlを乗算した受信信号ｒl を出力する 。
Figure 0006996562000017
送信アンテナと受信アンテナが理想的な見通し環境、かつ、正面対向配置でない場合、受信信号ベクトルr l は、
Figure 0006996562000018
 であり、式(9)中の第２項の干渉成分が生じる。
以下、実施例２における送信ウエイトＶl と受信ウエイトＵl の決定方法について説明する。(9) の受信信号は、式(6) の特異値分解結果を用いて次のように書き直すことができる。
Figure 0006996562000019
 左特異ベクトル（ｕH l,MRX-(Ml-1)，… ，ｕH l,MRX-1，ｕH l,MRX）を第１受信ＯＡＭモード分離処理部２２－１～第ＭRX受信ＯＡＭモード分離処理部２２－ＭRXの出力の第ｌ番目の系列を並べたベクトル（ｒ'l[l]，…，ｒ'MRX[l])Tに乗算することで、一部の干渉成分が除去されることに注意する。
Figure 0006996562000020
すなわち、（ｕH l,MRX-(Ml-1)，…，ｕH l,MRX-1，ｕH l,MRX)を乗算することで、干渉成分の主要な成分を含むベクトル空間を除去することができる。続いて、主信号成分の行列（ｕH l,MRX-(Ml-1)，…，ｕH l,MRX-1，ｕH l,MRX)Λl を特異値分解して得られる特異ベクトルを用いて、送信ウエイトと受信ウエイトを決定する。これにより、モード間の干渉を低減しつつ固有モード伝送できるようになる。同行列の特異値分解結果は、次の通りである。
Figure 0006996562000021
ここで、Θl (img)，Θl (ker)はそれぞれ、（ｕH l,MRX-(Ml-1)，…，ｕH l,MRX-1，ｕH l,MRX)Λlの非ゼロ特異値に対応する左特異ベクトル、ゼロ特異値に対応する左特異ベクトルであり、Φl (img)，Φl (ker)はそれぞれ、同行列の非ゼロ特異値に対応する右特異ベクトル、ゼロ特異値に対応する右特異ベクトルである。式(10)の特異値分解結果に基づき、送信ウエイトＶl および受信ウエイトＵl を以下の式(11)のように決定する。
Figure 0006996562000022
 このとき、受信信号ｒl は、以下のように干渉が抑圧された信号として出力される。
Figure 0006996562000023
多重数Ｍl は、ＳＩＮＲなどから計算される合計容量に従う選択規範でもよく、別の選択規範に則って決めてもよい。あるいは、多重数Ｍl は事前にシステムが固定的に決めているものでもよい。
図７は、本発明のＯＡＭ多重通信システムの実施例２の処理手順を示す。
図７において、送信局は、参照信号送信部１６から既知信号系列を送信する（Ｓ51) 。受信局は、既知信号系列を受信すると、チャネル状態取得部２６が既知信号系列に基づき、各チャネルの応答Λl およびΛl,k を推定する（Ｓ61）。次に、ウエイト演算部２７は、推定したチャネルの応答Λl およびΛl,k に基づき、式(9) の特異値分解を実施し、送信ウエイトＶl と受信ウエイトＵl を式(10)のように決定するとともに多重数Ｍl を決定し、受信ウエイトＵl を各受信ウエイト乗算部２３に設定する（Ｓ62）。多重数Ｍl は、あらかじめ決められているものでもよく、適応的に選択するものでもよい。フィードバック部２８は、ウエイト演算部２７で決定した多重数Ｍl を送信局のＳ／Ｐ変換・信号処理部１２に設定するとともに、送信ウエイトＶl を送信局の各送信ウエイト乗算部１３に設定する（Ｓ63）。
送信局は、多重数Ｍl が設定されたＳ／Ｐ変換・信号処理部１２において変調信号を生成する（Ｓ52) 。次に、各送信ウエイト乗算部１３は、生成された変調信号に対して送信ウエイトＶl を乗算する（Ｓ53）。さらに、送信ＯＡＭモード生成処理部１４は、送信ウエイトＶl を乗算した変調信号に対してＤＦＴ演算によりＯＡＭモード生成処理を行い（Ｓ54）、各ＯＡＭモードの信号が送信局の各送信ＵＣＡ１５から送信される（Ｓ55）。
受信局の各受信ＵＣＡ２１は、送信局から送信された信号を受信し（Ｓ64）、受信ＯＡＭモード分離処理部２２でＩＤＦＴ演算によりＯＡＭモード分離処理を行う（Ｓ65）。次に、各受信ウエイト乗算部２３は、各ＯＡＭモードの受信信号に対して受信ウエイトＵl を乗算する（Ｓ66）。信号処理・Ｐ／Ｓ変換部２５は、以上の処理によりモード間干渉が抑圧された受信信号を復調してビット列に変換し、さらにＰ／Ｓ変換して元の情報ビット列の並びに整列させて出力する（Ｓ67）。
（実施例２の変形）
図８は、本発明のＯＡＭ多重通信システムの実施例２の変形構成を示す。
図８において、送信局は、Ｓ／Ｐ変換・信号処理部１２、Ｌ個の第１送信ウエイト乗算部１３－１～第Ｌ送信ウエイト乗算部１３－Ｌ、ＭTX個の送信ＵＣＡ１５－１～１５－ＭTXにそれぞれ対応するＭTX個の第１送信ＯＡＭモード生成処理部１４－１～第ＭTX送信ＯＡＭモード生成処理部１４－ＭTX、ウエイト演算部１７により構成される。
受信局は、ＭRX個の受信ＵＣＡ２１－１～２１－ＭRXにそれぞれ対応するＭRX個の第１受信ＯＡＭモード分離処理部２２－１～第ＭRX受信ＯＡＭモード分離処理部２２－ＭRX、Ｌ個の第１受信ウエイト乗算部２３－１～第Ｌ受信ウエイト乗算部２３－Ｌ、それぞれＭ1 ～ＭL の受信信号を入力する信号処理・Ｐ／Ｓ変換部２５、ウエイト演算部２９により構成される。
図６に示す実施例２との違いは、受信局でチャネル推定を実施しない点と、送信局と受信局とが独立に送信ウエイトおよび受信ウエイトを決定する点にある。すなわち、図８の構成では、送信局および受信局においてあらかじめチャネル応答が推定されており、推定値は送信局のウエイト演算部１７および受信局のウエイト演算部２９が保持しており、ウエイト演算部１７，２９がチャネル応答に基づいて送信ウエイトと受信ウエイトを決定し、送信ウエイト乗算部１３および受信ウエイト乗算部２３に設定する。また、事前に多重数Ｍl が決められており、送信局と受信局はともに多重数Ｍl の情報を有するため、フィードバック処理を介さず通信ができる。
本発明のＯＡＭ多重通信システムの実施例２の変形構成における処理手順は、図５に示す実施例１の変形構成における処理手順に対して、送信局のＳ／Ｐ変換・信号処理部１２において多重数Ｍl に応じた変調信号を生成し、受信局で信号処理・Ｐ／Ｓ変換部２５において多重数Ｍl に応じた受信信号を復調する以外は同様である。
１１，１２ Ｓ／Ｐ変換・信号処理部
１３ 送信ウエイト乗算部
１４ 送信ＯＡＭモード生成処理部
１５ 送信ＵＣＡ
１６ 参照信号送信部
１７ ウエイト演算部
２１ 受信ＵＣＡ
２２ 受信ＯＡＭモード分離処理部
２３ 受信ウエイト乗算部
２４，２５ 信号処理・Ｐ／Ｓ変換部
２６ チャネル状態取得部
２７ ウエイト演算部
２８ フィードバック部
２９ ウエイト演算部

Claims (8)

  1. 複数のアンテナ素子を円形に等間隔で配置した等間隔円形アレーアンテナ（以下、ＵＣＡ）を、同心円状かつ等間隔に配置した径の異なる複数ＭTX個のＵＣＡからなるＭ－ＵＣＡを用いた送信アンテナを含む送信局と、
    前記送信局と同様に複数ＭRX個のＵＣＡからなるＭ－ＵＣＡを用いた受信アンテナを含む受信局と
    を備え、電磁波の軌道角運動量（以下、ＯＡＭ）モードを用いて複数の送信信号系列を空間多重伝送するＯＡＭ多重通信システムであって、
    前記送信局は、
    前記複数の送信信号系列を送信する前記ＯＡＭモードごとに入力し、前記ＯＡＭモードごとの送信信号系列にそれぞれ送信ウエイトを乗算し、前記Ｍ－ＵＣＡを構成するＵＣＡに対応するＭTX個の信号に変換して出力する前記ＯＡＭモードごとの複数の送信ウエイト乗算部と、
    前記複数の送信ウエイト乗算部がそれぞれ出力する前記ＵＣＡ対応の信号を入力して離散フーリエ変換を行い、それぞれ対応する前記ＵＣＡに出力するＭTX個の送信ＯＡＭモード生成処理部と
    を備え、
    前記受信局は、
    前記Ｍ－ＵＣＡを構成するＵＣＡからそれぞれ信号を入力して逆フーリエ変換を行い、受信信号系列ごとに出力するＭRX個の受信ＯＡＭモード分離処理部と、
    前記受信ＯＡＭモード分離処理部が出力する前記ＯＡＭモードごとの受信信号系列にそれぞれ受信ウエイトを乗算し、空間多重伝送された受信信号系列を分離するとともに、空間多重されたＯＡＭモード間の干渉を抑圧して出力する前記ＯＡＭモードごとの複数の受信ウエイト乗算部と
    を備えたことを特徴とするＯＡＭ多重通信システム。
  2. 請求項１に記載のＯＡＭ多重通信システムにおいて、
    前記送信局から前記受信局に送信された既知信号系列に対する前記受信ＯＡＭモード分離処理部の出力値からチャネル推定を行い、前記送信ウエイトと前記受信ウエイトを決定するウエイト演算部を備え、
    前記受信ウエイトは前記受信ウエイト乗算部に設定し、前記送信ウエイトは前記受信局から前記送信局へフィードバックされて前記送信ウエイト乗算部に設定し、空間多重伝送されたＯＡＭモード間の干渉成分を抑圧する構成である
    ことを特徴とするＯＡＭ多重通信システム。
  3. 複数のアンテナ素子を円形に等間隔で配置した等間隔円形アレーアンテナ（以下、ＵＣＡ）を、同心円状かつ等間隔に配置した径の異なる複数ＭTX個のＵＣＡからなるＭ－ＵＣＡを用いた送信アンテナを含む送信局と、前記送信局と同様に複数ＭRX個のＵＣＡからなるＭ－ＵＣＡを用いた受信アンテナを含む受信局とを備え、電磁波の軌道角運動量（以下、ＯＡＭ）モードを用いて複数の送信信号系列を空間多重伝送するＯＡＭ多重通信システムのモード間干渉除去方法であって、
    前記送信局は、
    前記ＯＡＭモードごとの複数の送信ウエイト乗算部で、前記複数の送信信号系列を送信する前記ＯＡＭモードごと入力し、前記ＯＡＭモードごとの送信信号系列にそれぞれ送信ウエイトを乗算し、前記Ｍ－ＵＣＡを構成するＵＣＡに対応するＭTX個の信号に変換して出力し、
    ＭTX個の送信ＯＡＭモード生成処理部で、前記複数の送信ウエイト乗算部がそれぞれ出力する前記ＵＣＡ対応の信号を入力して離散フーリエ変換を行い、それぞれ対応する前記ＵＣＡに出力し、
    前記受信局は、
    ＭRX個の受信ＯＡＭモード分離処理部で、前記Ｍ－ＵＣＡを構成するＵＣＡからそれぞれ信号を入力して逆フーリエ変換を行い、受信信号系列ごとに出力し、
    前記ＯＡＭモードごとの複数の受信ウエイト乗算部で、前記受信ＯＡＭモード分離処理部が出力する前記ＯＡＭモードごとの受信信号系列にそれぞれ受信ウエイトを乗算し、空間多重伝送された受信信号系列を分離するとともに、空間多重されたＯＡＭモード間の干渉を抑圧して出力する
    ことを特徴とするＯＡＭ多重通信システムのモード間干渉除去方法。
  4. 請求項３に記載のＯＡＭ多重通信システムのモード間干渉除去方法において、
    前記送信局から前記受信局に送信された既知信号系列に対する前記受信ＯＡＭモード分離処理部の出力値からチャネル推定を行い、前記送信ウエイトと前記受信ウエイトを決定し、
    前記受信ウエイトは前記受信ウエイト乗算部に設定し、前記送信ウエイトは前記受信局から前記送信局へフィードバックされて前記送信ウエイト乗算部に設定し、空間多重されたＯＡＭモード間の干渉を抑圧する
    ことを特徴とするＯＡＭ多重通信システムのモード間干渉除去方法。
  5. 請求項４に記載のＯＡＭ多重通信システムのモード間干渉除去方法において、
    前記受信ＯＡＭモード分離処理部の出力のうち、特定の離散周波数成分に残留する他離散周波数成分からの干渉成分を表す行列の特異値分解の結果と、自離散周波数成分を表す行列の特異値分解の結果とに基づき、空間多重化された信号同士の干渉を抑圧するための前記送信ウエイトおよび前記受信ウエイトを決定する
    ことを特徴とするＯＡＭ多重通信システムのモード間干渉除去方法。
  6. 請求項４に記載のＯＡＭ多重通信システムのモード間干渉除去方法において、
    前記受信ＯＡＭモード分離処理部の出力に生じる他離散周波数成分からの干渉成分を表す行列の特異値分解の結果のうち、左特異ベクトルに属するベクトルのうちの一つ以上のベクトルと直交するベクトルを含むウエイトを前記受信ウエイトとする
    ことを特徴とするＯＡＭ多重通信システムのモード間干渉除去方法。
  7. 請求項４に記載のＯＡＭ多重通信システムのモード間干渉除去方法において、
    前記受信ＯＡＭモード分離処理部の出力に生じる他離散周波数成分からの干渉成分を表す行列の特異値分解の結果のうち、左特異ベクトルに属するベクトルと直交するベクトルと、自離散周波数成分を表す行列との乗算結果の特異値分解を基に、前記送信ウエイトおよび前記受信ウエイトを決定する
    ことを特徴とするＯＡＭ多重通信システムのモード間干渉除去方法。
  8. 請求項３に記載のＯＡＭ多重通信システムのモード間干渉除去方法において、
    空間多重する信号の多重数は、受信信号品質に応じた合計レートを最大にする規範に基づいて決定するか、あらかじめ決定される
    ことを特徴とするＯＡＭ多重通信システムのモード間干渉除去方法。
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