JP7056665B2 - Ｏａｍ多重通信システム、ｏａｍ多重送信装置、ｏａｍ多重受信装置およびｏａｍ多重通信方法 - Google Patents

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、ＯＡＭ多重送信装置、ＯＡＭ多重受信装置およびＯＡＭ多重通信方法に関する。

近年、伝送容量向上のため、ＯＡＭを用いた無線信号の空間多重伝送技術が報告されている（非特許文献１）。ＯＡＭをもつ電磁波は、伝搬軸を中心に伝搬方向にそって等位相面が螺旋状に分布する。異なるＯＡＭモードをもち、同一方向に伝搬する電磁波は、回転軸方向において空間位相分布が直交するため、異なる信号系列で変調された各ＯＡＭモードの信号を受信局において分離することにより、信号を多重伝送することが可能である。

このＯＡＭ多重技術を用いた無線通信システムでは、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（以下、ＵＣＡ（Uniform Circular Array）と称する。）を用い、複数のＯＡＭモードを生成・合成して送信することにより、異なる信号系列の空間多重伝送が行われる（非特許文献２）。

図７は、ＯＡＭモードの信号を生成するためのＵＣＡの位相設定例を示す。
図７において、送信側におけるＯＡＭモード０，１，２，３，…の信号は、ＵＣＡの各アンテナ素子（●で示す）の位相差により生成される。すなわち、ＯＡＭモードｎの信号は、ＵＣＡの位相がｎ回転（ｎ×360 度）になるように各アンテナ素子の位相を設定して生成する。例えば、８個のアンテナ素子で構成されるＵＣＡは、ＯＡＭモードｎ＝２の信号を生成する場合に、図７(3) に示すように位相が２回転するように、各アンテナ素子に反時計回りに 360ｎ／ｍ＝90度の位相差（０度，90度， 180度， 270度，０度，90度， 180度， 270度）を設定する。なお、ＯＡＭモードｎの信号に対して位相の回転方向を逆にした信号をＯＡＭモード－ｎとする。例えば、正のＯＡＭモードの信号の位相の回転方向を反時計回りとし、負のＯＡＭモードの信号の位相の回転方向を時計回りとする。

異なる信号系列を異なるＯＡＭモードの信号として生成し、生成した信号を同時に送信することで、空間多重による無線通信ができる。送信側では、各ＯＡＭモードで伝送する信号をあらかじめ生成・合成し、単一ＵＣＡで各ＯＡＭモードの合成信号を送信してもよいし、複数のＵＣＡを用いて、ＯＡＭモード毎に異なるＵＣＡで各ＯＡＭモードの信号を送信してもよい。

図８は、ＯＡＭ多重信号の位相分布と信号強度分布の例を示す。
図８(1),(2) において、送信側から伝搬方向に直交する端面（伝搬直交平面）で見た、ＯＡＭモード１とＯＡＭモード２の信号の位相分布を矢印で表す。矢印の始めは０度であり、位相が線形に変化して矢印の終わりは 360度である。すなわち、ＯＡＭモードｎの信号は、伝搬直交平面において、位相がｎ回転（ｎ×360 度）しながら伝搬する。なお、ＯＡＭモード－１，－２の信号の位相分布の矢印は逆向きになる。

各ＯＡＭモードの信号は、ＯＡＭモード毎に信号強度分布と信号強度が最大になる位置が異なる。ただし、符号が異なる同じＯＡＭモードの強度分布は同じである。具体的には、ＯＡＭモードが高次になるほど、信号強度が最大になる位置が伝搬軸から遠くなる（非特許文献２）。ここで、ＯＡＭモードの値が大きい方を高次モードと称する。例えば、ＯＡＭモード３の信号は、ＯＡＭモード０、ＯＡＭモード１、ＯＡＭモード２の信号より、高次モードである。

図８(3) は、ＯＡＭモードごとに信号強度が最大になる位置を円環で示すが、ＯＡＭモードが高次になるほど信号強度が最大になる位置が中心軸から遠くなり、かつ伝搬距離に応じてＯＡＭモード多重信号のビーム径が広がり、ＯＡＭモードごとに信号強度が最大になる位置を示す円環が大きくなる。

図９は、ＯＡＭ多重信号を分離するためのＵＣＡの位相設定例を示す。
図９において、受信側では、ＵＣＡの各アンテナ素子の位相を、送信側のアンテナ素子の位相と逆方向になるように設定し、各ＯＡＭモードの信号を分離する。すなわち、各アンテナ素子の位相は、図７の場合と逆方向に回転するように設定し、例えばＯＡＭモード２の信号を分離する場合は、位相が２回転するように、各アンテナ素子に時計回りに90度の位相差（０度，90度， 180度， 270度，０度，90度， 180度， 270度）を設定する。

受信側の分離処理は、単一ＵＣＡを用いて各ＯＡＭモードを一括受信してから分離することもできるし、複数のＵＣＡを用いて、ＵＣＡ毎に異なるＯＡＭモードの信号を受信することも可能である。

J. Wang et al., "Terabit free-space data transmission employing orbital angular momentum multiplexing, "Nature Photonics, Vol.6, pp.488-496, July 2012. Y. Yan et al.,"High-capacity millimeter-wave communications with orbital angular momentum multiplexing,"Nature Commun., vol.5, p.4876, Sep. 2014.

ＯＡＭ多重通信では、単一のＵＣＡで複数のＯＡＭモードの信号を空間多重するか、複数のＵＣＡで同一のＯＡＭモードの信号を空間多重し、多重数を上げることで伝送容量の向上が可能である。ＯＡＭ多重通信では、単一のＵＣＡから送信された個々のＯＡＭモードの信号の分離は図９に示す構成により行うが、複数のＵＣＡで送信された同一のＯＡＭモードの信号から個々の信号（以下、ストリームと称する）を分離するためにチャネル推定用信号が用いられる。このチャネル推定用信号は、送信装置と受信装置における既知信号としてチャネル推定を行うための信号であるため、チャネル推定用信号のオーバヘッドが大きくなると、実際送りたいデータの伝送容量が劣化することになる。

図１０は、従来のチャネル推定用信号の送信形態を示す。
図１０において、各送信ストリームは、それぞれのチャネル推定用信号を順番に送信し、他ストリームのチャネル推定用信号の送信時間では自ストリームのチャネル推定用信号を送信しない。また、すべてのストリームのデータ信号は同時に送信する。このようなチャネル推定用信号とデータ信号の送信を繰り返し、チャネルを推定しながら通信を行う。なお、図１０では省略されているが、同期用の信号等のコントロール信号もストリーム毎に順番に送信するか、もしくはすべてのストリームで同時に送信する。本発明では、このコントロール信号ではなく、チャネル推定用信号とその推定処理が対象となる。図１０の従来の手法では、多重数が増えるとチャネル推定用信号のオーバヘッドが増加する課題がある。

図１１は、従来のチャネル推定処理例を示す。ここで、ＵＣＡは１個でも複数でもよい。
図１１において、ＯＡＭ多重受信装置の受信アンテナ部とＲＦ部には、ＯＡＭ受信用のアンテナ構成と位相変換器、帯域制限フィルタ、ダウンコンバータ、低雑音アンプ等が含まれるが、ここではデジタル信号処理部における受信信号のデジタル変換後のチャネル推定処理を対象とするため、ＯＡＭ多重受信装置の受信アンテナ部とＲＦ部の詳細は省略する。

ＡＤＣ（アナログ－デジタル変換器）は、ＯＡＭ多重受信装置の受信アンテナ部とＲＦ部の出力をデジタル信号にサンプリングする。ここで、従来法では，サンプリング後のすべての受信ストリームの信号に対して、すべての送信ストリームに対するチャネル推定を行うため、多重数が増えるとチャネル推定に要する演算量が増加する課題がある。

このように、多重数が大きくなるときに、ＯＡＭ多重通信に適したチャネル推定用信号の設計、およびそのチャネル推定用信号を用いたチャネル推定法が必要となる。また、広帯域でＯＡＭ多重通信をする際に、帯域を複数の帯域に分けてＯＡＭ多重通信を行う場合も、チャネル推定用信号の設計とそれに相当するチャネル推定法が必要となる。

なお、チャネル推定用信号を用いたチャネル推定処理後は、各ストリームのデータ信号の等化処理等を行い、復調処理を行う。この等化処理や復調処理の詳細は省略するが、ＺＦ(zero forcing)やＭＭＳＥ(minimum mean square error) 手法など一般的に使われる等化手法と、ＭＬＤ(Maximum likelihood decoding) 、ＭＤＤ(Minimum distance decoding) 、ＶＤ(Viterbi decoder）等の無線通信システムにおいて、一般的に用いられる復調手法が想定される。なお、チャネル符号と復号処理等も想定される。

本発明は、ＯＡＭ多重伝送を用いた無線通信システムにおいて、多重数が増加してもチャネル推定用信号のオーバヘッドが増加しないチャネル推定用信号の生成手法と、その信号を用いた低負荷のチャネル推定処理手法を提供するＯＡＭ多重通信システム、ＯＡＭ多重送信装置、ＯＡＭ多重受信装置およびＯＡＭ多重通信方法を提供することを目的とする。

本発明のＯＡＭ多重送信装置は、１個のチャネル推定用信号列をＯＡＭ多重送信される各送信ストリームに時間シフトをかけて設定し、各送信ストリームはこの時間シフトされて入力されたチャネル推定用信号列を同時に送信する。ここで、チャネル推定用信号列は、ゴレイ符号（Golay code）等のゼロ相関をもつ信号列を用いる。また、各送信ストリームの時間シフト量は、チャネル応答の時間より長い時間で設定する。ここでの時間シフトの値は、すべての送信ストリームのチャネル応答の最大値より長く設定する。

また、ＯＡＭ多重受信装置の演算量削減のために、各送信ストリームのチャネル推定用信号列の後半部分をチャネル推定用信号列の前半にＣＰ（cyclic prefix ）として付加する。このＣＰは、各送信ストリームのチャネル応答のより長く設定する。これにより、各送信ストリームのチャネル推定用信号列を同時に送信しても、受信側では各送信ストリームのチャネル推定が可能となり、チャネル推定用信号のオーバヘッドが低減できる。

なお、送信側がチャネル推定用信号列を同時に送信するため、受信側の各受信ストリームの出力には、送信側のすべての送信ストリームのチャネル推定用信号列が同時に受信される。また、チャネル推定用信号列には、チャネル応答より長いＣＰが付加されているため、各受信ストリームの出力は巡回行列として表せるようになる。この巡回行列は，ＤＦＴ（discrete Fourier transform）と対角行列とＩＤＦＴ（inverse discrete Fourier transform）の掛け算に分解できる特徴がある。また、ゴレイ符号等のゼロ相関の信号列は時間シフトに対して相関がゼロとなる特徴があり、各送信ストリームは、１個のゼロ相関の信号列をチャネル応答より長い時間シフトにより生成された特徴を用いて、すべての送信ストリームからの各受信ストリームへのチャネル応答を一括でチャネル推定することができる。

また、帯域を複数の帯域に分けてＯＡＭ多重伝送を行う場合、分解帯域の数が増加しても同様の解決手段で問題を解決することができる。

本発明は、ＯＡＭ多重通信システムにおいて、多重数が増加してもチャネル推定用信号のオーバヘッドが増加しないチャネル推定用信号の生成手法とその信号を用いた低負荷のチャネル推定処理が実現でき、チャネル推定用信号のオーバヘッドが低減できるとともに、チャネル推定処理の演算量を削減することができる。また、帯域を複数の帯域に分けてＯＡＭ通信を行う場合、分解帯域の数が増加しても同様の効果をうることができる。

本発明のＯＡＭ多重送受信装置の概略構成を示す図である。 本発明における実施例１のチャネル推定用信号の生成例を示す図である。 本発明における実施例１のチャネル推定処理例を示す図である。 本発明による帯域を分けてＯＡＭ多重通信を行う例を示す図である。 本発明における実施例２のチャネル推定用信号列の生成例を示す図である。 本発明における実施例２のチャネル推定処理例を示す図である。 ＯＡＭモードの信号を生成するためのＵＣＡの位相設定例を示す図である。 ＯＡＭ多重信号の位相分布と信号強度分布の例を示す図である。 ＯＡＭ多重信号を分離するためのＵＣＡの位相設定例を示す図である。 従来のチャネル推定用信号の送信形態を示す図である。 従来のチャネル推定処理例を示す図である。

以下に示す実施例では、送信アンテナのＵＣＡと受信アンテナのＵＣＡの中心は、ＧＰＳ情報やその他計測手法を用いてそれぞれの伝搬方向が一致し、各ＵＣＡは伝搬直交平面に配置されるものとする。

図１は、本発明のＯＡＭ多重送受信装置の概略構成を示す。
図１において、ＯＡＭ多重送信装置１０は、デジタル信号処理部１１、ＲＦ処理部１２、送信アンテナ部１３を備える。デジタル信号処理部１１は、データの変調やストリーム生成などの通信に必要なデジタル信号処理を行う。ＲＦ処理部１２は、周波数変換、ＲＦフィルタリングなどのアナログ処理を行う。送信アンテナ部１３は、ＵＣＡにより複数のストリームを送信する。ＯＡＭ多重受信装置２０は、受信アンテナ部２１、ＲＦ処理部２２、デジタル信号処理部２３を備える。受信アンテナ部２１は、ＵＣＡにより複数のＯＡＭモードの信号を受信する。ＲＦ処理部２２は、周波数変換、ＲＦフィルタリングなどのアナログ処理を行う。デジタル信号処理部２３は、ＺＦやＭＭＳＥ手法などによる等化処理により多重されたストリームの分離処理を行う。チャネル推定を行う際には、ＯＡＭ多重送信装置１０のデジタル信号処理部１１は、既知信号を生成し送信し、ＯＡＭ多重受信装置２０のデジタル信号処理部２３は、この既知信号の情報を用いてチャネル推定を行う。

（実施例１）
図２は、本発明における実施例１のチャネル推定用信号の生成例を示す。
図２において、各ストリームのチャネル推定用信号は、同時に送信される。また、各ストリームは、チャネル推定用信号列とデータ信号列を時間領域で連続して送信する。図示しないが、同期信号などの無線通信規格にて定められているコントロール信号も時間領域で連続して送信される。なお、各ストリームのチャネル推定用信号列の後半の一部を、ＣＰ（cyclic prefix ）としてチャネル推定用信号列の前半に付けて送信する。このＣＰは、各ストリームのチャネル応答の長さの中で最も長い値より長く設定する。

また、各ストリームのチャネル推定用信号列は、１個のゼロ相関をもつ信号列（以下、基本チャネル推定用信号列と称する）を時間シフトして用いる。ここでの、時間シフトは、巡回的な時間シフトを意味する。また、この時間シフトの値は、各ストリームのチャネル応答の長さの中で最も長い値より長く設定する。また、チャネル推定用信号列は、多重するストリームの数に時間シフトの値をかけ算した値より、長い信号列を用いる。ゴレイ信号などのように、２のべき乗の長さをもつ信号列をチャネル推定用信号列として用いる場合は、多重するストリームの数に時間シフトの値をかけ算した値より大きい２のべき乗の長さを持つ信号列を用いる。ここで、各ストリームのチャネル応答の長さは、本発明と別途の手法で測定してもよいし、予め決めた値を用いることも可能である。また、多重するストリームの数、チャネル推定用信号列の種類および長さ、時間シフトの値は、送受信の既知であるとする。これは、前記のコントロール信号を用いて、送信側が受信側に伝えてもよいし、予め決められた既知の値として、送信側と受信側が両方既知であると想定してもよい。

（送信ストリームの例１）
多重するストリームの数が４、時間シフトの値が２、基本チャネル推定用信号列の長さが８（ｃ1,ｃ2,ｃ3,ｃ4,ｃ5,ｃ6,ｃ7,ｃ8 ）、ＣＰの長さが３の場合に、各ストリームのチャネル推定用信号列は以下となる。下線部はＣＰである。

送信ストリーム１のチャネル推定用信号列：
（ｃ6,ｃ7,ｃ8,ｃ1,ｃ2,ｃ3,ｃ4,ｃ5,ｃ6,ｃ7,ｃ8)
送信ストリーム２のチャネル推定用信号列：
（ｃ4,ｃ5,ｃ6,ｃ7,ｃ8,ｃ1,ｃ2,ｃ3,ｃ4,ｃ5,ｃ6)
送信ストリーム３のチャネル推定用信号列：
（ｃ2,ｃ3,ｃ4,ｃ5,ｃ6,ｃ7,ｃ8,ｃ1,ｃ2,ｃ3,ｃ4)
送信ストリーム４のチャネル推定用信号列：
（ｃ8,ｃ1,ｃ2,ｃ3,ｃ4,ｃ5,ｃ6,ｃ7,ｃ8,ｃ1,ｃ2)

図３は、本発明における実施例１のチャネル推定処理例を示す。
図３において、ＯＡＭ多重受信装置の受信アンテナ部２１とＲＦ部２２と、デジタル信号処理部２３のＡＤＣの動作は、従来構成と同様である。本発明におけるチャネル推定処理の特徴は、すべての送信ストリームからチャネル推定を受信ストリームごとに一括で行う。これにより、送信ストリームごとにチャネル推定を行う従来法に比べて、チャネル推定に要する演算量を軽減できる。また、送信側がゼロ相関を持つ信号列を時間シフトをしながら各送信ストリームのチャネル推定用信号列として送信する場合は、ＡＤＣ処理後の各受信ストリームを巡回行列として表現できるため、ＤＦＴ（discrete Fourier transform）とＩＤＦＴ（inverse discrete Fourier transform）を用いることで、さらなる演算量の軽減が可能となる。

次に、上記の送信ストリームの例の場合、受信ストリーム１の受信信号が巡回行列として表せることを示す。以下、受信ストリーム１の例を示すが、他の受信ストリームも同様に巡回行列として示すことができる。ここで、送信ストリームｉ（ｘi ）から受信ストリームｊ（ｙj ）のチャネル応答の長さは、１個の時間サンプリングの長さと想定し、ｈij (ｈij(0),ｈij(1))と表す。Ｎは、雑音成分を表す。

ここで、＊はコンボリューション(convolution) を表す。コンボリューションは、行列演算として表現できるため、式(1) は式(2）のように行列演算で表せる。

式(2) のｙ1(k)とｎ(k) は、ｙ1 のＡＤＣ処理後のｋ番目の時間領域の信号と雑音成分を表す。

また、チャネル推定用信号が、同一の基本チャネル推定用信号の時間シフトである特徴を活かし、式(2) を式(3) のように１個の行列で表すことができる。

ここで、ｙ1(1), ｙ1(2), ｙ1(3)は、ＣＰに相当する信号のため使わずに、ｙ1(4)からｙ1(11) のみを表す式にすると、式(4) となる。

ここで、式(4) の右項の１番目の行列は、巡回行列となる。また、巡回行列は、チャネル推定用信号列のため、送信側と受信側に既知である。従って、受信側は、既知の巡回行列と各ストリームのＡＤＣ処理後の信号を用いて、未知のチャネルを推定すればよい。特に、本発明では、式(4) に示すように、送信側のすべてのストリームから各受信ストリームへのチャネル応答を一括で推定することができる。

次に、巡回行列はＤＦＴ行列と対角行列とＩＤＦＴ行列で分解される特徴を用いたチャネル推定法について説明する。まず、式(4) を式(5) に表す

ここで、ＤＦＴ（８×８）とＩＤＦＴ（８×８）は、8 ポイントのＤＦＴ行列とＩＤＦＴ行列を表す。また、Ｃ1,Ｃ2,…, Ｃ8 は、基本チャネル用信号列（ｃ1,ｃ2,…, ｃ8 ）のＤＦＴ処理後の値であるため、受信側に既知となる。式(5) のように、巡回行列は分解されるため、 [ｙ1(4), ｙ1(5), …, ｙ1(11)]の列ベクトルに、ＤＦＴ処理と対角行列の逆行列演算とＩＤＦＴ処理をすれば、すべての送信ストリームから受信ストリーム１へのチャネル推定が一括で可能となる。ＤＦＴ処理とＩＤＦＴ処理の演算量は０(nlogn) であり、対角行列の逆行列演算は、スカラー値の掛け算のため０(n) である。これは、逆行列演算に用途する演算量である０(n3)より少なくなる。ここでｎは、行列のサイズ（行数）である。

このように、本発明によりチャネル推定に要する演算量を大きく軽減することが可能となる。また、上記の説明は簡単な例であるが、一般的な値をもつケースの場合も同様に適用できる。

（実施例２）
実施例２は、帯域を複数に分けた分解帯域でＯＭＡ多重通信を行う場合に、分解帯域の増加に伴いチャネル推定用信号のオーバヘッドが増加し、チャネル推定に必要な演算量が増加する課題を解決する。

図４は、本発明による帯域を分けてＯＡＭ多重通信を行う例を示す。ここでは、分解帯域を用いる場合に、チャネル推定用信号列のオーバヘッドの軽減と、チャネル推定の演算量の軽減について説明する。

図４において、ＯＡＭ多重通信に使われる全帯域が分解帯域に分けられる。ＯＡＭ多重通信を28ＧHz, 60ＧHz、73ＧHzやこれらより高い周波数帯で使う場合、これらのミリ波の帯域は、従来の６ＧHz以下のマイクロ波の帯域より10倍から 100倍程度の広い帯域を使うため、ＡＤＣの速度の限界などにより帯域を分けて使う必要が生じる。例えば、28ＧHz帯の２ＧHzの帯域をＯＡＭ多重通信に使う際に、 500ＭHzまでした対応できないＡＤＣ等の部品を使う場合には、帯域を４分解して使う必要がある。

そのため、各送信ストリームは、複数ｍ個の小分解帯域を用いて構成される。各小分解帯域には、ベースバンド（ＢＢ）帯域で、図５で示すようにチャネル推定用信号列、そのＣＰ、データ信号列を入れた信号列を生成する（詳しくは後述）。このように生成された信号列を、図４のようにＲＦ帯の信号に小分解帯域として合波し、送信する。

ここで、ＢＢ帯域の信号列では、実施例１で説明したように、通信規格の必要によりコントロール信号を入力することも想定される。また、ＲＦ帯域での各小分解帯域の合波はガードインターバル（ＧＩ）を挿入してもよい。例えば、２ＧHzのＲＦ帯域幅（27～29ＧHz）を４分解し、小分解帯域ごとに 100ＭHzのＧＩを入れる場合に、小分解帯域は、 425ＭHz（＝(2000-300)/4) ごとに割り当てることも想定される。なお、この例以外のパターンの小分解帯域の数、その帯域、ＧＩの帯域の設定も想定される。また、これらの情報は、送受信間で既知であるとする。例えば、コントロール情報等を用いて、本発明と別途の手段で、送受信間で既知になってもよいし、コントロール情報等は用いないが、あらかじめ決められた値であることで既知であるとしてもよい。

また、図４では、ＢＢ帯域の信号がそのままＲＦ帯域に変換されるいわゆる直接変換（direct conversion ）この例を示したが、中間周波数（ＩＦ）帯で合波をしてから、ＲＦ帯に変換するヘテロダイン（heterodyne）系の変換にしてもよい。例えば、ＢＢ帯の信号をＩＦ帯域である９～11ＧHzに合波し、このＩＦ帯域の信号をＲＦ帯（27～29ＧHz）に変換してもよい。

図５は、本発明における実施例２のチャネル推定用信号列の生成例を示す。
図５において、チャネル推定用信号列ijは、ｉ番目の送信ストリームのｊ番目の小分解帯域のチャネル推定用信号列を表す。ここでは、１個のチャネル推定用信号列を用いて、時間シフトをかけながら（巡回シフト）、各送信ストリームの各小分解帯域のチャネル推定用信号列として設定する。時間シフトの値は、実施例１と同様に、すべての送信ストリームのすべての小分解帯域のチャネルのチャネル応答より長い値として設定する。この設定により、チャネル推定に各チャネルの干渉を防ぐことが可能となる。また、チャネル推定用信号列の長さは、各送信ストリームの各小分解帯域のチャネル推定用信号列が時間シフトに設定しても、１個のゴレイ符号等のゼロ相関をもつチャネル推定用信号列で対応できるような長さで設定する。例えば、４個の送信ストリームを３個の小分解帯域に分けてＯＡＭ多重通信を行う場合で、時間シフトの値が２である場合、チャネル推定用信号列は、４×３×２（＝24）より長く設定する。２のべき乗の長さにする場合は、この長さより大きい２のべき乗の値（例えば、32等）とする。

また、実施例１のように、時間シフトより長いＣＰを付ける。このように各送信ストリームの各小分解帯域にチャネル推定用信号列を設定し、同時に送信する。これにより、各送信ストリームの各小分解帯域に別の時間でチャネル推定用信号を送信する必要性がなくなり、チャネル推定用信号列のオーバヘッドが大幅に削減できる

図６は、本発明における実施例２のチャネル推定処理例を示す。
図６において、ＯＡＭ多重受信装置の受信アンテナ部２１とＲＦ部２２は、基本的には実施例１と同様であるが、各受信ストリームを帯域通過フィルタ（ＢＰＦ）等を用いて、小分解帯域に分けてＢＢ帯域として出力する（図５と逆）。例えば、受信ストリームがｎ個で、小分解帯域の数がｍ個である場合、ｎ×ｍ個のＢＢ帯域の信号を出力する。ＡＤＣもｎ×ｍ個備え、それぞれの出力をデジタル信号に変換する。

実施例２では、大きい演算量を要するｎ×ｍ個のチャネル推定を行わずに、受信ストリームのすべての小分解帯域の信号をまとめて、すべての送信ストリームの小分解帯域の信号から、各受信ストリームのすべての小分解帯域へのチャネル推定を一括で行う。これにより、受信側のチャネル推定の演算量の軽減が可能となる。

（送信ストリームの例２）
多重するストリームの数は４個、各ストリームの小分解帯域は２個、時間シフトの値が２、基本チャネル推定用信号列の長さが16（ｃ1,ｃ2,…, ｃ16）、すべてのストリームのすべての小分解帯域のもっとも長いチャネル応答は１個のサンプル分の長さ、ＣＰの長さは３の場合に、各ストリームの小分解帯域のチャネル推定用信号列は以下となる。下線部はＣＰである。

送信ストリーム１の小分解帯域１のチャネル推定用信号列：
（ｃ14, ｃ15, ｃ16, ｃ1, ｃ2,…, ｃ15, ｃ16)
送信ストリーム２の小分解帯域１のチャネル推定用信号列：
（ｃ12, ｃ13, ｃ14, ｃ15, ｃ16, …, ｃ13, ｃ14)
送信ストリーム３の小分解帯域１のチャネル推定用信号列：
（ｃ10, ｃ11, ｃ12, ｃ13, ｃ14, …, ｃ11, ｃ12)
送信ストリーム４の小分解帯域１のチャネル推定用信号列：
（ｃ8, ｃ9, ｃ10, ｃ11, ｃ12, …, ｃ9, ｃ10)
送信ストリーム１の小分解帯域２のチャネル推定用信号列：
（ｃ6, ｃ7, ｃ8, ｃ9, ｃ10, …, ｃ7, ｃ8)
送信ストリーム２の小分解帯域２のチャネル推定用信号列：
（ｃ4, ｃ5, ｃ6, ｃ7, ｃ8, …, ｃ5, ｃ6)
送信ストリーム３の小分解帯域２のチャネル推定用信号列：
（ｃ2, ｃ3, ｃ4, ｃ5, ｃ6, …, ｃ3, ｃ4)
送信ストリーム４の小分解帯域２のチャネル推定用信号列：
（ｃ16, ｃ1, ｃ2, ｃ3, ｃ4, …, ｃ1, ｃ2)

次に、送信ストリームの例２に対する受信ストリーム１の各小分解帯域のＢＢ帯域の信号を合波した信号が、巡回行列として表せることを示す。ここでは受信ストリーム１の例を示すが、他の受信ストリームも同様に巡回行列として示すことができる。ここで、送信ストリームｉのｋ番目の小分解帯域のストリーム（ｘik）から受信ストリームｊのｌ番目の小分解帯域のストリームへ（ｙjl）のチャネル応答の長さは、１個の時間サンプリングの長さと想定し、ｈ^jl _ik（ｈ^jl _ik(0),ｈ^jl _ik(1) ）と表す。また、Ｎijは、雑音成分を表す。

以下、受信側のチャネル推定法を示す。

ここで、図６で示したように、受信ストリーム１のすべての小分解帯域のストリームの信号を合波すると（ｙ1 と表記）、式(7) となる。

ここで、実施例１のように、コンボリューションを行列演算として表現すると、式(8) が得られる。

式(8) のｙ1(k)とｎ(k) は、ｙ1 のｋ番目の時間領域の信号と雑音成分を表す。

また、チャネル推定用信号が、同一の基本チャネル推定用信号の時間シフトである特徴を活かし、式(8) を式(9）のように１個の行列で表すことができる。

ここで、ｙ1(1), ｙ1(2), ｙ1(3)は、ＣＰに相当する信号のため使わずに、ｙ1(4)からｙ1(19) のみを表す式にすると式(10)となる。

ここで、式(10)の右項の１番目の行列は、巡回行列となる。また、巡回行列は、チャネル推定用信号列のため、送信側と受信側に既知である。従って、受信側は、既知の巡回行列と各ストリームのＡＤＣ処理後の信号を用いて、未知のチャネルを推定すればよい。特に、本発明では、式(10)が示すように、送信側のすべてのストリームから各受信ストリームへのチャネル応答を一括で推定することができる。

次に、巡回行列はＤＦＴ行列と対角行列とＩＤＦＴ行列で分解される特徴を用いたチャネル推定法を示す。まず、式(10)を式(11)に表す。

ここで、ＤＦＴ（16×16）とＩＤＦＴ（16×16）は16ポイントのＤＦＴ行列とＩＤＦＴ行列を表す。また、Ｃ1,Ｃ2,…, Ｃ16は、基本チャネル用信号列（ｃ1,ｃ2,…, ｃ16）のＤＦＴ処理後の値であるため、受信側に既知となる。式(11)のように、巡回行列は分解されるため、 [ｙ1(4), ｙ1(5), …, ｙ1(19)]の列ベクトルに、ＤＦＴ処理と対角行列の逆行列演算とＩＤＦＴ処理をすれば、すべての送信ストリームから受信ストリーム１へのチャネル推定が一括で可能となる。ＤＦＴ処理とＩＤＦＴ処理の演算量は０(nlogn) であり、対角行列の逆行列演算は、スカラー値の掛け算のため０(n) である。これは、逆行列演算に用途する演算量である０(n3)より少なくなる。ここでｎは、行列のサイズ（行数）である。

このように、本発明によりチャネル推定に要する演算量を大きく軽減することが可能となる。また、上記の説明は簡単な例であるが、一般的な値をもつケースの場合も同様に適用できる。

（実施例３）
実施例３は、実施例１と実施例２において、さらにＯＡＭ多重通信の特徴を用いて、チャネル推定用信号列のオーバヘッドとチャネル推定に要する演算量を減らしつつ、チャネル推定の性能を向上する例を示す。

ＯＡＭ多重通信の受信信号は、ＯＡＭモードごとに受信分布が異なる。具体的には、図８に示すように、高次モードになるほど電力のピーク値の場所が中心から遠くなる。ただし、符号が異なる同じＯＡＭモードの強度分布は同じである。このＯＡＭ多重通信の特徴上、符号が異なる同じＯＡＭモード間は、受信時点での強度が同じであるために干渉が強くなる。また、隣接モード間（例えば、ＯＡＭモード１とＯＡＭモード２）の干渉も強くなる傾向がある。このＯＡＭ多重通信の特徴を生かし、チャネル推定用信号列の時間シフトを調整し、干渉が強くなりうるモード間のチャネル成分を遠く配置するようにすることで、チャネル推定の性能改善ができる。

ここでは、ＯＡＭ多重送受信装置において、１個のＵＣＡでＯＡＭモード－３，－２，－１，０，１，２，３を用いる場合（７多重）を示す。

ＯＡＭモード１，３，２，０，－１，－３，－２の順に、基本チャネル用信号列とその時間シフトによりチャネル推定用信号列を生成する。例えば、ＣＰの長さが２、時間シフト値が１の場合に以下のように設定する。下線部はＣＰである。

ＯＡＭモード１のチャネル推定用信号列（基本チャネル用信号列) ：
（ｃ7,ｃ8,ｃ1,ｃ2,ｃ3,ｃ4,ｃ5,ｃ6,ｃ7,ｃ8)
ＯＡＭモード３のチャネル推定用信号列（基本チャネル用信号列) ：
（ｃ6,ｃ7,ｃ8,ｃ1,ｃ2,ｃ3,ｃ4,ｃ5,ｃ6,ｃ7)
ＯＡＭモード２のチャネル推定用信号列（基本チャネル用信号列) ：
（ｃ5,ｃ6,ｃ7,ｃ8,ｃ1,ｃ2,ｃ3,ｃ4,ｃ5,ｃ6)
ＯＡＭモード０のチャネル推定用信号列（基本チャネル用信号列) ：
（ｃ4,ｃ5,ｃ6,ｃ7,ｃ8,ｃ1,ｃ2,ｃ3,ｃ4,ｃ5)
ＯＡＭモード－１のチャネル推定用信号列（基本チャネル用信号列) ：
（ｃ3,ｃ4,ｃ5,ｃ6,ｃ7,ｃ8,ｃ1,ｃ2,ｃ3,ｃ4)
ＯＡＭモード－３のチャネル推定用信号列（基本チャネル用信号列) ：
（ｃ2,ｃ3,ｃ4,ｃ5,ｃ6,ｃ7,ｃ8,ｃ1,ｃ2,ｃ3)
ＯＡＭモード－２のチャネル推定用信号列（基本チャネル用信号列) ：
（ｃ1,ｃ2,ｃ3,ｃ4,ｃ5,ｃ6,ｃ7,ｃ8,ｃ1,ｃ2)

このように設定することにより、受信側にて、干渉が強くなるモード間のチャネル成分が遠く配置される。例えば、式(5) のｈの列ベクトルにおける距離が遠くなるので、干渉の影響が抑えられて性能改善ができる。

次に、ＯＡＭ多重送受信装置において、４個のＵＣＡでＯＡＭモード－３，－２，－１，０，１，２，３を用いる場合（28多重）を示す。
各ＵＣＡのＯＡＭモード１，３，２，０，－１，－３，－２の順に、時間シフトを設定する。すなわち、ＵＣＡ１のＯＡＭモード１，３，２，０，－１，－３，－２、ＵＣＡ２のＯＡＭモード１，３，２，０，－１，－３，－２、ＵＣＡ３のＯＡＭモード１，３，２，０，－１，－３，－２、ＵＣＡ４のＯＡＭモード１，３，２，０，－１，－３，－２の順に時間シフトを設定する。

次に、ＯＡＭ多重送受信装置において、１個のＵＣＡでＯＡＭモード－３，－２，－１，０，１，２，３を用いる場合で、２個の小分解帯域を用いる場合（７多重、ストリーム毎に２小分解帯域）を示す。

小分解帯域のＯＡＭモード１，３，２，０，－１，－３，－２の順に、時間シフトを設定する。すなわち、小分解帯域１のＯＡＭモード１，３，２，０，－１，－３，－２、小分解帯域２のＯＡＭモード１，３，２，０，－１，－３，－２の順に時間シフトを設定する。

次に、ＯＡＭ多重送受信装置において、２個のＵＣＡでＯＡＭモード－３，－２，－１，０，１，２，３を用いる場合で、２個の小分解帯域を用いる場合（14多重、ストリーム毎に２小分解帯域）を示す。

各ＵＣＡの各小分解帯域のＯＡＭモード１，３，２，０，－１，－３，－２の順に、時間シフトを設定する。すなわち、ＵＣＡ１の小分解帯域１のＯＡＭモード１，３，２，０，－１，－３，－２、ＵＣＡ１の小分解帯域２のＯＡＭモード１，３，２，０，－１，－３，－２、ＵＣＡ２の小分解帯域１のＯＡＭモード１，３，２，０，－１，－３，－２、ＵＣＡ２の小分解帯域２のＯＡＭモード１，３，２，０，－１，－３，－２の順に時間シフトを設定する。

このようにすることで、時間シフト値が最大チャネル応答より短く設定される場合の干渉の影響を軽減ができるため、チャネル推定の性能が改善できる。言い換えると、ある程度のモード間の干渉を許容してもよくなるため、すなわちチャネル推定処理における隣の干渉が少なくなるように設定されているため、時間シフト値を最大チャネル応答ではなく、あらかじめ決められた閾値より大きい遅延の長さより長く設定することで、さらにチャネル推定用の信号列のオーバヘッドを軽減できる。例えば、ＯＡＭモード１のチャネル応答が、５個の時間サンプリングの時間分あったとする場合、かつ、４個目と５個目のチャネル応答が閾値より小さい場合、時間シフト値を３と設定すると、４個目と５個目のチャネル応答によりチャネル推定への干渉が生じ、チャネル推定の性能が低下するが、ＯＡＭモード１のチャネル推定用の信号列の隣のチャネル推定用信号列は、ＯＡＭモード０と２であったため、その干渉の影響が軽減できる。

１０ ＯＡＭ多重送信装置
１１ デジタル信号処理部
１２ ＲＦ処理部
１３ 送信アンテナ部（ＵＣＡ）
２０ ＯＡＭ多重受信装置
２１ 受信アンテナ部（ＵＣＡ）
２２ ＲＦ処理部
２３ デジタル信号処理部

Claims (7)

1. 複数のアンテナ素子を等間隔に円形配置したＵＣＡ（等間隔円形アレーアンテナ）を用い、ＯＡＭ（電磁波の軌道角運動量）モードの信号を空間多重送信するＯＡＭ多重送信装置において、
   送信対象のデータ信号列の前に、所定の長さをもつゼロ相関のチャネル推定用信号列（基本チャネル推定用信号列）に対して、送信ストリームごとに所定のシフト値により時間シフトした信号列をチャネル推定用信号列として配置し、さらに該チャネル推定用信号列の前半に所定の長さのＣＰ（cyclic prefix ）を配置した各送信ストリームをＢＢ（ベースバンド）帯域で生成する手段と、
   前記生成したすべての送信ストリームのＢＢ帯域の信号列をＲＦ（無線周波数）帯域に変換し、もしくは、ＩＦ（中間周波数）帯域に変換してからＲＦ帯域に周波数変換する手段と、
   前記周波数変換された複数の送信ストリームを次数が異なる複数のＯＡＭモードの信号に変換し、前記ＵＣＡから空間多重送信する手段と、を備え、
   前記空間多重送信する帯域を小分解帯域に分けて無線通信を行う構成とし、
   前記各送信ストリームをＢＢ帯域で生成する手段は、１個の基本チャネル推定用信号列をすべての送信ストリームのすべての小分解帯域に時間シフトをかけてチャネル推定用信号列として設定する構成であり、
   前記周波数変換する手段は、前記すべての小分解帯域をＲＦ帯域に合波して全体の帯域になるように変換し、もしくは、ＩＦ帯域に変換してからＲＦ帯域に変換する構成である ことを特徴とするＯＡＭ多重送信装置。
2. 複数のアンテナ素子を等間隔に円形配置したＵＣＡ（等間隔円形アレーアンテナ）を用い、空間多重伝送されたＯＡＭ（電磁波の軌道角運動量）モードの信号を受信するＯＡＭ多重受信装置において、
   前記ＵＣＡに受信した前記ＯＡＭモードの信号を入力し、各次数のＯＡＭモードの受信ストリームに分離し、この受信ストリームごとにＲＦ（無線周波数）帯域からＢＢ（ベースバンド）帯域に変換し、もしくは、ＩＦ（中間周波数）帯域に周波数変換してからＢＢ帯域に周波数変換する手段と、
   前記周波数変換された各受信ストリームの信号列をデジタル信号に変換し、所定の長さのＤＦＴ処理を行い、ＤＦＴ処理後の値に、所定の長さをもつゼロ相関のチャネル推定用信号列（基本チャネル推定用信号列）のＤＦＴ処理の長さのＦＦＴ処理を行った値の逆数を対角成分としてもつ対角行列の掛け算を行い、その結果にＤＦＴ処理と同じ長さをもつＩＤＦＴ処理を行い、その結果を所定の時間シフト量ごとに分けたすべての送信ストリームから各受信ストリームへのチャネル応答の推定値として用いるチャネル推定手段と
   を備えたことを特徴とするＯＡＭ多重受信装置。
3. 請求項２に記載のＯＡＭ多重受信装置において、
   空間多重送信する帯域を小分解帯域に分けて無線通信を行う構成とし、
   前記周波数変換する手段は、前記各受信ストリームの各小分解帯域がＢＢ帯域になるように変換し、もしくは、ＩＦ帯域に変換してからＢＢ帯域に変換する構成であり、
   前記チャネル推定手段は、前記受信ストリームのすべての小分解帯域を合波し、その信号に、ＤＦＴ処理、対角行列の掛け算、ＩＤＦＴ処理を行った結果を所定の時間シフト量ごとに分け、すべての送信ストリームの各小分解帯域から各受信ストリームへの各小分解帯域チャネル応答の推定値として用いる構成である
   ことを特徴とするＯＡＭ多重受信装置。
4. 複数のアンテナ素子を等間隔に円形配置したＵＣＡ（等間隔円形アレーアンテナ）を用い、ＯＡＭ（電磁波の軌道角運動量）モードの信号を空間多重送信するＯＡＭ多重送信装置であって、
   送信対象のデータ信号列の前に、所定の長さをもつゼロ相関のチャネル推定用信号列（基本チャネル推定用信号列）に対して、送信ストリームごとに所定のシフト値により時間シフトした信号列をチャネル推定用信号列として配置し、さらに該チャネル推定用信号列の前半に所定の長さのＣＰ（cyclic prefix ）を配置した各送信ストリームをＢＢ（ベースバンド）帯域で生成する手段と、
   前記生成したすべての送信ストリームのＢＢ帯域の信号列をＲＦ（無線周波数）帯域に変換し、もしくは、ＩＦ（中間周波数）帯域に変換してからＲＦ帯域に周波数変換する手段と、
   前記周波数変換された複数の送信ストリームを次数が異なる複数のＯＡＭモードの信号に変換し、前記ＵＣＡから空間多重送信する手段と、
   を備えた第一のＯＡＭ多重送信装置と、
   複数のアンテナ素子を等間隔に円形配置したＵＣＡを用い、空間多重伝送されたＯＡＭモードの信号を受信するＯＡＭ多重受信装置であって、
   前記ＵＣＡに受信した前記ＯＡＭモードの信号を入力し、各次数のＯＡＭモードの受信ストリームに分離し、この受信ストリームごとにＲＦ帯域からＢＢ帯域に変換し、もしくは、ＩＦ帯域に周波数変換してからＢＢ帯域に周波数変換する手段と、
   前記周波数変換された各受信ストリームの信号列をデジタル信号に変換し、所定の長さのＤＦＴ処理を行い、ＤＦＴ処理後の値に、所定の長さをもつゼロ相関のチャネル推定用信号列のＤＦＴ処理の長さのＦＦＴ処理を行った値の逆数を対角成分としてもつ対角行列の掛け算を行い、その結果にＤＦＴ処理と同じ長さをもつＩＤＦＴ処理を行い、その結果を所定の時間シフト量ごとに分けたすべての送信ストリームから各受信ストリームへのチャネル応答の推定値として用いるチャネル推定手段と、
   を備えた第二のＯＡＭ多重受信装置と、を備え、
   前記第一のＯＡＭ多重送信装置のＵＣＡと、前記第二のＯＡＭ多重受信装置のＵＣＡを対向させ、複数のＯＡＭモードの信号を空間多重伝送することを特徴とするＯＡＭ多重通信システム。
5. 請求項４に記載のＯＡＭ多重通信システムにおいて、
   前記ＯＡＭ多重送信装置と前記ＯＡＭ多重受信装置との間で、符号が異なる同じＯＡＭモードまたは隣接するＯＡＭモードの信号のチャネル成分が遠い配置になるようにチャネル推定の時間シフトを調整してＯＡＭモード間の干渉を最少化する
   ことを特徴とするＯＡＭ多重通信システム。
6. 複数のアンテナ素子を等間隔に円形配置したＵＣＡ（等間隔円形アレーアンテナ）を用い、ＯＡＭ（電磁波の軌道角運動量）モードの信号を空間多重伝送するＯＡＭ多重通信方法において、
   ＯＡＭ多重送信装置は、
   送信対象のデータ信号列の前に、所定の長さをもつゼロ相関のチャネル推定用信号列（基本チャネル推定用信号列）に対して、送信ストリームごとに所定のシフト値により時間シフトした信号列をチャネル推定用信号列として配置し、さらに該チャネル推定用信号列の前半に所定の長さのＣＰを配置した各送信ストリームをＢＢ（ベースバンド）帯域で生成するステップと、
   前記生成したすべての送信ストリームのＢＢ帯域の信号列をＲＦ（無線周波数）帯域に変換し、もしくは、ＩＦ（中間周波数）帯域に変換してからＲＦ帯域に周波数変換するステップと、
   前記周波数変換された複数の送信ストリームを次数が異なる複数のＯＡＭモードの信号に変換し、前記ＵＣＡから空間多重送信するステップと
   を有し、
   ＯＡＭ多重受信装置は、
   前記ＵＣＡに受信した前記ＯＡＭモードの信号を入力し、各次数のＯＡＭモードの受信ストリームに分離し、この受信ストリームごとにＲＦ帯域からＢＢ帯域に変換し、もしくは、ＩＦ帯域に周波数変換してからＢＢ帯域に周波数変換するステップと、
   前記周波数変換された各受信ストリームの信号列をデジタル信号に変換し、所定の長さのＤＦＴ処理を行い、ＤＦＴ処理後の値に、所定の長さをもつゼロ相関のチャネル推定用信号列（基本チャネル推定用信号列）のＤＦＴ処理の長さのＦＦＴ処理を行った値の逆数を対角成分としてもつ対角行列の掛け算を行い、その結果にＤＦＴ処理と同じ長さをもつＩＤＦＴ処理を行い、その結果を所定の時間シフト量ごとに分けたすべての送信ストリームから各受信ストリームへのチャネル応答の推定値として用いてチャネル推定を行うステップと
   を有することを特徴とするＯＡＭ多重通信方法。
7. 請求項６に記載のＯＡＭ多重通信方法において、
   前記空間多重送信する帯域を小分解帯域に分けて無線通信を行う構成とし、
   前記各送信ストリームをＢＢ帯域で生成するステップは、１個の基本チャネル推定用信号列をすべての送信ストリームのすべての小分解帯域に時間シフトをかけてチャネル推定用信号列として設定し、
   前記ＯＡＭ多重送信装置の周波数変換するステップは、前記すべての小分解帯域をＲＦ帯域に合波して全体の帯域になるように変換し、もしくは、ＩＦ帯域に変換してからＲＦ帯域に変換し、
   前記ＯＡＭ多重受信装置の周波数変換するステップは、前記各受信ストリームの各小分解帯域がＢＢ帯域になるように変換し、もしくは、ＩＦ帯域に変換してからＢＢ帯域に変換し、
   前記チャネル推定を行うステップは、前記受信ストリームのすべての小分解帯域を合波し、その信号に、ＤＦＴ処理、対角行列の掛け算、ＩＤＦＴ処理を行った結果を所定の時間シフト量ごとに分け、すべての送信ストリームの各小分解帯域から各受信ストリームへの各小分解帯域チャネル応答の推定値として用いる
   ことを特徴とするＯＡＭ多重通信方法。

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