JP7485089B2 - 受信装置、及び受信方法 - Google Patents

Description

本開示は、受信装置、及び受信方法に関する。

近年、電波の軌道角運動量（ＯＡＭ、Ｏｒｂｉｔａｌ Ａｎｇｕｌａｒ Ｍｏｍｅｎｔｕｍ）を用いて無線信号を空間多重伝送することにより伝送容量を向上させる技術が研究されている。

ＯＡＭをもつ電波は、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。位相の回転数（ＯＡＭモード）が異なり同一方向に伝搬する各電磁波は、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側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。

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（ＵＣＡ、Uniform Circular Array）とバトラーマトリクス回路を用いて生成した複数のＯＡＭモードの各電波を送信することにより、異なる信号系列の空間多重伝送を行う技術が知られている（例えば、非特許文献１を参照）。

E.Sasaki,M.Hirabe,T.Maru,N.Zein,"Pragmatic OAM with polarization multiplexing transmission for future 5G ultra-highcapacityradio ",inproc.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り、各ＯＡＭモードの信号を分離できる。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。このような影響によって、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すると、受信側のＯＡＭモード分離処理回路の出力段においてＯＡＭモード間の干渉成分が残留する。

例えば、ＯＡＭモード１の信号の分離を受信側で試みたときに、送信ＵＣＡと受信ＵＣＡが理想的な正面対向配置の場合は、所望のＯＡＭモードの信号成分だけを取り出せる。一方、バトラーマトリクス回路の不完全性や、送信ＵＣＡと受信ＵＣＡが理想的な正面対向配置からずれた位置に固定設置されている（軸ずれ）等により、回路出力段における各ＯＡＭモードの信号成分に、他のＯＡＭモードからの干渉成分が重畳されて通信品質が劣化する場合がある。

一側面では、ＯＡＭ多重伝送の伝送品質を向上できる技術を提供することを目的とする。

一つの案では、受信装置が、複数のＯＡＭ（Ｏｒｂｉｔａｌ Ａｎｇｕｌａｒ Ｍｏｍｅｎｔｕｍ）モードの電波を送信装置から受信するアンテナと、前記アンテナで受信された各ＯＡＭモードの信号を分離する分離回路と、前記分離回路で分離された各ＯＡＭモードのプリアンブル信号に基づいて抽出した各ＯＡＭモードのチャネル情報に基づいて、各ＯＡＭモードのうち第１のＯＡＭモードを選択し、前記分離回路で分離された前記第１のＯＡＭモードの信号と、前記分離回路で分離された、前記送信装置からのデータの受信に用いない前記第２のＯＡＭモードに対する信号とに基づいて、前記第１のＯＡＭモードに対する信号を生成する生成部と、を有する。

一側面によれば、ＯＡＭ多重伝送の伝送品質を向上させることができる。

実施形態に係るＯＡＭ多重通信システムの構成について説明する図である。 実施形態に係る送信局及び受信局のＵＣＡの一例について説明する図である。 実施形態に係る受信局のＯＡＭモード受信信号生成部の処理の一例について説明するフローチャートである。

以下、図面を参照して、本開示の実施形態を説明する。

＜全体構成＞
図１は、実施形態に係るＯＡＭ多重通信システム１の構成について説明する図である。図１の例では、ＯＡＭ多重通信システム１は、送信局１０（「送信装置」の一例。）、及び受信局２０（「受信装置」の一例。）を有する。

《送信局１０》
送信局１０は、送信アンテナとして第１送信ＵＣＡ１１－１～第Ｎ_TX送信ＵＣＡ１１－Ｎ_TXを備える。なお、Ｎ_TXは１以上の整数である。ＯＡＭモード１～Ｌ（１～ＬはＯＡＭモードの次数を示すインデックス）で送信する複数の系列の変調信号は、ＯＡＭモード送信信号処理部１３に入力する。なお、ＯＡＭを有する電波の位相の回転数（次数）をＯＡＭモードと称する。

ＯＡＭモード送信信号処理部１３は、各送信ＵＣＡから各ＯＡＭモードで送信する信号を生成し、各送信ＵＣＡに対応するＯＡＭモード生成処理部１２－１～１２－Ｎ_TXにそれぞれ出力する。ＯＡＭモード生成処理部１２－１～１２－Ｎ_TXは、それぞれＯＡＭモード１～Ｌで送信する信号を入力し、各送信ＵＣＡ１１－１～１１－Ｎ_TXからそれぞれＯＡＭモード１～Ｌの信号として送信されるように位相調整して各送信ＵＣＡのアンテナ素子に出力する。

《受信局２０》
受信局２０は、受信アンテナとして第１受信ＵＣＡ２１－１～第Ｎ_ＲＸ受信ＵＣＡ２１－Ｎ_ＲＸを備える。なお、Ｎ_ＲＸは１以上の整数である。ＯＡＭモード分離処理部２２－１～２２－Ｎ_ＲＸ（以下で、それぞれを区別する必要がない場合は、単に「ＯＡＭモード分離処理部２２」とも称する。）は、各受信ＵＣＡの受信信号からＯＡＭモード１～Ｌの信号を分離し、各ＯＡＭモードの信号をＯＡＭモード受信信号生成部２３に出力する。ここで、Ｌは使用するＯＡＭモードの数である。Ｌ＝７の場合、例えばＯＡＭモード－３，－２，－１，０，１，２，３の信号が多重伝送され、以下その一つをＯＡＭモードｋとする。ここで、ｋは、ＯＡＭモードを示すインデックスである。

各ＯＡＭモード分離処理部２２は、例えば、８×８等のバトラーマトリクス回路（Ｂｕｔｌｅｒ ｍａｔｒｉｘ。「分離回路」の一例。）により各ＯＡＭモードの信号を分離してもよい。

ＯＡＭモード受信信号生成部２３（「生成部」の一例。）は、ＯＡＭモード分離処理部２２－１～２２－Ｎ_ＲＸから受信した各ＯＡＭモードの信号から、品質を向上させた各ＯＡＭモードの信号を生成する。

《ＵＣＡの構成》
図２は、実施形態に係る送信局１０及び受信局２０のＵＣＡの一例について説明する図である。送信局１０の第１送信ＵＣＡ１１－１～第Ｎ_ＴＸ送信ＵＣＡ１１－Ｎ_ＴＸおよび受信局２０の第１受信ＵＣＡ２１－１～第Ｎ_ＲＸ受信ＵＣＡ２１－Ｎ_ＲＸは、図２に示すように、複数のＵＣＡを同心円状に配置した多重円形アレーアンテナ（Ｍｕｌｔｉ－ＵＣＡ）でもよい。図２の例では、互いに半径が異なる４つのＵＣＡ（Ｎ_ＴＸ＝Ｎ_ＲＸ＝４）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、各ＵＣＡは１６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。

＜処理＞
次に、図３を参照し、実施形態に係る受信局２０のＯＡＭモード受信信号生成部２３の処理の一例について説明する。図３は、実施形態に係る受信局２０のＯＡＭモード受信信号生成部２３の処理の一例について説明するフローチャートである。

ステップＳ１において、ＯＡＭモード受信信号生成部２３は、直交系列のプレアンブルから、ＯＡＭモード分離処理部２２にて分離された各ＯＡＭモードのチャネル（チャネル情報）を取得する。ここで、ＯＡＭモード受信信号生成部２３は、送信局１０から送信された直交系列のプリアンブルに、既知の直交系列を乗算することにより、チャネルＨを算出してもよい。この場合、送信局１０は、例えば、受信局２０へのデータの送信を開始する際に、まず、直交系列のプリアンブル信号を受信局２０に送信してもよい。

ここで、ＯＡＭモード受信信号生成部２３は、ＯＡＭモード分離処理部２２が８×８のバトラーマトリクス回路を有する場合、以下の式（１）のように、８×８の独立したチャネルＨを抽出する。この場合、Ｌ＝８であり、例えばＯＡＭモード－３，－２，－１，０，１，２，３，４の信号が受信ＵＣＡから８×８のバトラーマトリクス回路に入力されている。なお、ｈ_ｉｊは送信モードｊから受信モードｉへのチャネル情報である。

モード間の干渉がない理想状態であれば、送受信が同じモードであるｉ＝ｊの成分のみが残り、ｉ≠ｊの成分は０になる。一方、アナログ回路の不完全性、及び送信ＵＣＡと受信ＵＣＡの軸ずれ等に起因する他モードへの干渉のある状態ではｉ≠ｊの成分の信号にも電力があるため、当該電力を測定することで干渉電力を取得できる。また、ｉ≠ｊの成分の信号の電力により、ある送信モードｊから受信モードｉへどのくらいの電力が漏出しているかが分かる。

続いて、ＯＡＭモード受信信号生成部２３は、取得したチャネルに基づいて改善対象のＯＡＭモード（「第１のＯＡＭモード」の一例。）を選択する（ステップＳ２）。ここで、ＯＡＭモード受信信号生成部２３は、ＯＡＭモード分離処理部２２にて分離された各ＯＡＭモードのうち、信号の受信電力に対する雑音電力と干渉電力の和の比率であるＳＩＮＲ（Ｓｉｇｎａｌ ｔｏ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ｐｌｕｓ Ｎｏｉｓｅ Ｒａｔｉｏ）が閾値以下のＯＡＭモードを改善対象のＯＡＭモードとして選択してもよい。この場合、ＯＡＭモード受信信号生成部２３は、各ＯＡＭモードのうち、ＳＩＮＲが最も低いＯＡＭモードを改善対象のＯＡＭモードとして選択してもよい。

また、ＯＡＭモード受信信号生成部２３は、送信局１０からのデータの受信に用いる各ＯＡＭモードのうち、最も高次（モードの絶対値が最も大きい）のＯＡＭモードを改善対象のＯＡＭモードとして選択してもよい。これにより、電波が遠くまで届きにくい高次モードを改善対象とすることができる。この場合、例えば、ＯＡＭモード分離処理部２２の８×８のバトラーマトリクス回路からＯＡＭモード－３，－２，－１，０，１，２，３，４の信号が出力されており、送信局１０からのデータの受信にＯＡＭモード－２，－１，０，１，２を用いる場合は、ＯＡＭモード受信信号生成部２３は、受信に用いるＯＡＭモードのうち最も高次であるＯＡＭモード－２または２を改善対象のＯＡＭモードとして選択してもよい。この場合、送信局１０は、例えば、受信局２０へのデータの送信を開始する際に、まず、送信局１０が受信局２０へのデータの送信に用いる各ＯＡＭモードを受信局２０に予め通知してもよい。または、受信局２０は、例えば、送信局１０からのデータの受信を開始する際に、まず、受信局２０が送信局１０からのデータの受信に用いる各ＯＡＭモードを送信局１０に予め通知してもよい。

続いて、ＯＡＭモード受信信号生成部２３は、特定のＯＡＭモード（「第２のＯＡＭモード」の一例。）を選択する（ステップＳ３）。ここで、ＯＡＭモード受信信号生成部２３は、例えば、ＯＡＭモード分離処理部２２にて分離された各ＯＡＭモードのうち、送信局１０からのデータの受信に用いない１以上のＯＡＭモードを当該特定のＯＡＭモードとして選択してもよい。この場合、例えば、ＯＡＭモード分離処理部２２の８×８のバトラーマトリクス回路からＯＡＭモード－３，－２，－１，０，１，２，３，４の信号が出力されており、送信局１０からのデータの受信にＯＡＭモード－２，－１，０，１，２を用いる場合は、ＯＡＭモード受信信号生成部２３は、受信に用いないＯＡＭモード－３，３，４を当該特定のＯＡＭモードとして選択してもよい。この場合、送信局１０は、例えば、受信局２０へのデータの送信を開始する際に、まず、送信局１０が受信局２０へのデータの送信に用いる各ＯＡＭモードを受信局２０に予め通知してもよい。または、受信局２０は、例えば、送信局１０からのデータの受信を開始する際に、まず、受信局２０が送信局１０からのデータの受信に用いる各ＯＡＭモードを送信局１０に予め通知してもよい。

また、ＯＡＭモード受信信号生成部２３は、例えば、ＯＡＭモード分離処理部２２にて分離された各ＯＡＭモードのうち、改善対象のＯＡＭモードから漏出した（漏れ込んだ）電力が閾値以上である１以上のＯＡＭモードを当該特定のＯＡＭモードとして選択してもよい。この場合、ＯＡＭモード受信信号生成部２３は、例えば、上述した式（１）のチャネルＨにおいて、改善対象のＯＡＭモードをＪとし、ｈ_ｉＪが閾値以上である１以上の受信モードｉを当該特定のＯＡＭモードとして選択してもよい。この場合、ＯＡＭモード受信信号生成部２３は、例えば、当該１以上の受信モードｉのうち、改善対象のＯＡＭモードから漏出した電力が最も大きいＯＡＭモード（ｈ_ｉＪが最大の受信モードｉ）を当該特定のＯＡＭモードとして選択してもよい。

また、ＯＡＭモード受信信号生成部２３は、例えば、ＯＡＭモード分離処理部２２にて分離された各ＯＡＭモードのうち、改善対象のＯＡＭモードの次数に基づいて、特定のＯＡＭモードを選択してもよい。この場合、ＯＡＭモード受信信号生成部２３は、例えば、送信局１０からのデータの受信に用いない１以上のＯＡＭモードのうち、改善対象のＯＡＭモードの次数と最も近いＯＡＭモードを当該特定のＯＡＭモードとして選択してもよい。これは、改善対象のＯＡＭモードは、次数が隣接するＯＡＭモードに最も漏れ込んでいると考えられるためである。この場合、例えば、ＯＡＭモード分離処理部２２の８×８のバトラーマトリクス回路からＯＡＭモード－３，－２，－１，０，１，２，３，４の信号が出力されており、送信局１０からのデータの受信にＯＡＭモード－２，－１，０，１，２を用い、ＯＡＭモード－２を改善対象のＯＡＭモードとする場合は、ＯＡＭモード受信信号生成部２３は、受信に用いないＯＡＭモード－３，３，４のうち改善対象のＯＡＭモード－２と最も次数が近いＯＡＭモード－３を当該特定のＯＡＭモードとして選択してもよい。

続いて、ＯＡＭモード受信信号生成部２３は、ＯＡＭモード分離処理部２２から受信した当該特定のＯＡＭモードの信号と、ＯＡＭモード分離処理部２２から受信した当該改善対象のＯＡＭモードの信号とに基づいて、当該改善対象のＯＡＭモードの信号を生成して出力する（ステップＳ４）。ここで、ＯＡＭモード受信信号生成部２３は、例えば、当該特定のＯＡＭモードと、当該改善対象のＯＡＭモードとに基づいてＭＩＭＯ等化処理を行うことにより、当該改善対象のＯＡＭモードの信号を生成してもよい。この場合、ＯＡＭモード受信信号生成部２３は、ＭＩＭＯ等化処理として、例えば、ＺＦ（Ｚｅｒｏ－Ｆｏｒｃｉｎｇ）、ＭＭＳＥ（Ｍｉｎｉｍｕｍ Ｍｅａｎ Ｓｑｕａｒｅｄ Ｅｒｒｏｒ）、ＭＬＤ（Ｍａｘｉｍｕｍ Ｌｉｋｅｌｉｈｏｏｄ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ）等を用いてもよい。

これにより、例えば、受信局２０のバトラーマトリクスが有する入出力ポート数が、送信局１０からデータを送信するＯＡＭモードの数より多い場合、従来は終端され使用されないＯＡＭモード（未使用ＯＡＭモード）も用いて受信を行い、所望のＯＡＭモード（改善対象のＯＡＭモード）と未使用ＯＡＭモードとで等化処理を行うことによりＳＮＲを改善し、伝送効率を向上させることができる。

＜本開示の効果＞
従来技術のＯＡＭ多重伝送では、バトラーマリクスのアナログ回路の不完全性、及び送信ＵＣＡと受信ＵＣＡとの軸ずれ等により、他モードへ信号が漏れ込みモード間干渉が発生し、伝送効率が低下する場合があるという問題がある。

上述した本開示の技術では、未使用モード等に漏れ込んだ信号電力を活用して等化処理行う。これにより、例えば、系全体の総ＳＮＲが向上するため、ＯＡＭ多重伝送の伝送品質を向上させることができる。

以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明は斯かる特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

１ ＯＡＭ多重通信システム
１０ 送信局
１１ 送信ＵＣＡ
１２ ＯＡＭモード生成処理部
１３ ＯＡＭモード送信信号処理部
２０ 受信局
２１ 受信ＵＣＡ
２２ ＯＡＭモード分離処理部
２３ ＯＡＭモード受信信号生成部

Claims (7)

1. 複数のＯＡＭ（Ｏｒｂｉｔａｌ Ａｎｇｕｌａｒ Ｍｏｍｅｎｔｕｍ）モードの電波を送信装置から受信するアンテナと、
   前記アンテナで受信された各ＯＡＭモードの信号を分離する分離回路と、
   前記分離回路で分離された各ＯＡＭモードのプリアンブル信号に基づいて抽出した各ＯＡＭモードのチャネル情報に基づいて、各ＯＡＭモードのうち第１のＯＡＭモードを選択し、
   前記分離回路で分離された前記第１のＯＡＭモードの信号と、前記分離回路で分離された、前記送信装置からのデータの受信に用いない第２のＯＡＭモードに対する信号とに基づいて、前記第１のＯＡＭモードに対する信号を生成する生成部と、
   を有する受信装置。
2. 前記生成部は、各ＯＡＭモードのチャネルのＳＩＮＲ（Ｓｉｇｎａｌ ｔｏ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ｐｌｕｓ Ｎｏｉｓｅ Ｒａｔｉｏ）に基づいて、各ＯＡＭモードのうち前記第１のＯＡＭモードを選択する、
   請求項１に記載の受信装置。
3. 前記生成部は、前記送信装置から電波が送信される各ＯＡＭモードのうち、最も高次のＯＡＭモードを前記第１のＯＡＭモードとして選択する、
   請求項１または２に記載の受信装置。
4. 前記生成部は、前記分離回路で分離された各ＯＡＭモードのうち、前記送信装置からのデータの受信に用いないＯＡＭモードを前記第２のＯＡＭモードとして選択する、
   請求項１から３のいずれか一項に記載の受信装置。
5. 前記生成部は、前記分離回路で分離された各ＯＡＭモードのうち、前記第１のＯＡＭモードから漏出した電力が最も大きいＯＡＭモードを前記第２のＯＡＭモードとして選択する、
   請求項１から４のいずれか一項に記載の受信装置。
6. 前記生成部は、前記分離回路で分離された各ＯＡＭモードのうち、前記送信装置からのデータの受信に用いないＯＡＭモードであり、かつ前記第１のＯＡＭモードの次数に最も近い次数のＯＡＭモードを前記第２のＯＡＭモードとして選択する、
   請求項１から５のいずれか一項に記載の受信装置。
7. 複数のＯＡＭ（Ｏｒｂｉｔａｌ Ａｎｇｕｌａｒ Ｍｏｍｅｎｔｕｍ）モードの電波を送信装置から受信するアンテナと、
   前記アンテナで受信された各ＯＡＭモードの信号を分離する分離回路と、を有する受信装置が、
   前記分離回路で分離された各ＯＡＭモードのプリアンブル信号に基づいて抽出した各ＯＡＭモードのチャネル情報に基づいて、各ＯＡＭモードのうち第１のＯＡＭモードを選択し、
   前記分離回路で分離された前記第１のＯＡＭモードの信号と、前記分離回路で分離された、前記送信装置からのデータの受信に用いない第２のＯＡＭモードに対する信号とに基づいて、前記第１のＯＡＭモードに対する信号を生成する、
   受信方法。

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