JP7559839B2 - 送信装置、無線通信システム、及び通信方法 - 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技術に関連するものである。

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の検討が進められている。（例えば、非特許文献１）。ＯＡＭを持つ電磁波は、伝搬軸を中心に伝搬方向にそって等位相面がらせん状に分布する。異なるＯＡＭモードを持ち、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を実現できる（例えば、非特許文献２）。複数のＯＡＭモードの信号生成には、例えば、バトラー回路（バトラーマトリクス回路）が使用される。

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. Long Zhu, Andong Wang & Jian Wang, "Free-space data-carrying bendable light communications", Scientific Reports volume 9, Article number: 14969 (2019), 18 October 2019

上記のように、ＵＣＡを用いた送信装置と受信装置により、大容量の通信が可能になるが、今後は、移動通信への対応が望まれている。移動通信にＯＡＭ多重伝送技術を適用するためには、多方向に信号を送信できる多方向対応が必要である。

しかし、ＵＣＡを用いた従来の無線伝送技術では、複数のＯＡＭモードの信号をモード間の干渉なく分離するために、送信アンテナと受信アンテナを正面で対向する位置に設置する必要があり、軸合わせが必要であることから多方向対応が難しいという課題がある。

本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、ＵＣＡを用いた送信装置と受信装置からなる無線通信システムにおいて、多方向対応を可能とする技術を提供することを目的とする。

開示の技術によれば、ＯＡＭモードを持つ信号を送信するＯＡＭアンテナと、
曲がる性質を持つビームを用いて信号を送信するエアリービームアンテナと、
前記ＯＡＭアンテナと前記エアリービームアンテナの両方を用いて信号を送信する送信部と
を備える送信装置が提供される。

開示の技術によれば、ＵＣＡを用いた送信装置と受信装置からなる無線通信システムにおいて、多方向対応を可能とする技術が提供される。

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。 本発明の実施の形態に係る技術の基本概念を説明するための図である。 本発明の実施の形態における無線通信システムの構成例を示す図である。 本発明の実施の形態における送信装置の構成例を示す図である。 バトラー回路とアンテナ素子との接続構成例を示す図である。 本発明の実施の形態における送信装置の構成例を示す図である。 バトラー回路とアンテナ素子との接続構成例を示す図である、 処理の流れを示すフローチャートである。 動作例を説明するための図である。 動作例を説明するための図である。 アンテナの構成例を示す図である。 アンテナの構成例を示す図である。 アンテナの構成例を示す図である。 アンテナの構成例を示す図である。 アンテナからの距離と受信強度との関係の例を示す図である。 送信装置と受信装置を上から見た場合の図である。 複数のＵＣＡを有するアンテナの例を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態（本実施の形態）を説明する。以下で説明する実施の形態は一例に過ぎず、本発明が適用される実施の形態は、以下の実施の形態に限られるわけではない。

（基本的な動作例）
まず、本実施の形態における送信装置において使用するＵＣＡに係る基本的な設定・動作例について説明する。

図１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１に示すＵＣＡは、８つのアンテナ素子からなるＵＣＡである。

図１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）に供給される信号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、位相がｎ回転（ｎ×３６０度）になるように各アンテナ素子に供給する信号の位相を設定して生成する。例えば、図１に示すようにＵＣＡがｍ＝８個のアンテナ素子で構成される場合で、ＯＡＭモードｎ＝２の信号を生成する場合は、図１（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を行うことができる。送信側では、各ＯＡＭモードで伝送する信号を予め生成・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。

受信側でＯＡＭ多重信号を分離するためには、受信側の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すればよい。

図２は、ＯＡＭ多重信号の位相分布と信号強度分布の例を示す。図２（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２（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。

（本発明の実施の形態の概要）
前述したように、ＵＣＡを用いた送信装置と受信装置により、大容量の通信が可能になるが、ＵＣＡを用いた従来の無線伝送技術では、多方向への通信が非対応である。

そこで、本実施の形態では、図３に示すように、ＵＣＡとＡｉｒｙ ｂｅａｍアンテナを組み合わせて送信装置を構成することとしている。Ａｉｒｙ ｂｅａｍアンテナ（エアリービームアンテナ）は、例えば非特許文献３に記載されている、ｂｅｎｄａｂｌｅ ｂｅａｍ（曲がる性質を持つビーム）で信号送信を行うことが可能なアンテナである。曲がる性質を持つビームをＡｉｒｙ ｂｅａｍと呼んでもよいし、ｂｅｎｄａｂｌｅ ｂｅａｍと呼んでもよい。なお、ＵＣＡをＯＡＭアンテナと呼んでもよい。

また、Ａｉｒｙ ｂｅａｍアンテナを曲がるビーム用のアンテナと呼んでもよい。Ａｉｒｙ ｂｅａｍアンテナの形状については、曲がるビームを送信できるものであればどのような形状でもよく、例えば、環状（例：四角形）であってもよいし、平面形であってもよい。また、Ａｉｒｙ ｂｅａｍアンテナは、他のＡｉｒｙ ｂｅａｍアンテナから送信された曲がるビームを受信することが可能である。

Ａｉｒｙ ｂｅａｍアンテナを用いることで多方向対応が可能となる。また、ＵＣＡとＡｉｒｙ ｂｅａｍアンテナの両方を用いる多重通信も可能である。

以下、本実施の形態におけるシステム構成と動作を詳細に説明する。

（システム構成）
図４に、本実施の形態における無線通信システムの構成例を示す。図４に示すように、本実施の形態における無線通信システムは、送信装置１００と受信装置２００を有する。

送信装置１００は、ＵＣＡとＡｉｒｙ ｂｅａｍアンテナを備えている。受信装置１００は、ＵＣＡのみを備えてもよいし、ＵＣＡ以外の従来のアンテナ（従来型アンテナ）のみを備えてもよいし、Ａｉｒｙ ｂｅａｍ（曲がるビーム）を受信するためのＡｉｒｙ ｂｅａｍアンテナを備えてもよいし、ＵＣＡと従来型アンテナとＡｉｒｙ ｂｅａｍアンテナのうちのいずれか２つ又は全部を備えてもよい。

本実施の形態では、送信装置１００は移動しない基地局であり、受信装置２００は移動端末であることを想定している。ただし、このような想定は一例である。例えば、送信装置１００と受信装置２００が両方とも移動しない基地局であってもよいし、送信装置１００と受信装置２００が両方とも移動端末であってもよい。

（装置構成例）
＜送信装置１００＞
図５は、本実施の形態における送信装置１００の構成図である。図５に示すように、本実施の形態の送信装置１００は、ＵＣＡ１１０、Ａｉｒｙ ｂｅａｍアンテナ１２０、ＯＡＭモード生成部１４０、Ａｉｒｙ ｂｅａｍ信号生成部１５０、選択部１３０、信号処理部１６０、制御部１７０を有する。なお、図５の例では、ＵＣＡ１１０とＡｉｒｙ ｂｅａｍアンテナ１２０がそれぞれ１つずつ備えられているが、ＵＣＡ１１０とＡｉｒｙ ｂｅａｍアンテナ１２０がそれぞれ複数個備えられてもよい。また、「ＯＡＭモード生成部１４０、Ａｉｒｙ ｂｅａｍ信号生成部１５０、選択部１３０、信号処理部１６０」を送信部と呼んでもよい。

信号処理部１６０は、入力されたデータから、搬送波に乗せて送信するデジタル信号を生成し、デジタル信号をアナログ信号に変換（デジタル‐アナログ変換）し、アナログ信号の周波数を搬送波の周波数帯に変換する。

より詳細には、信号処理部１６０は、選択部１３０により選択されるＵＣＡ１１０／Ａｉｒｙ ｂｅａｍアンテナ１２０のそれぞれに対応する周波数帯の信号を生成し、選択部１３０に入力する。このような動作は、例えば制御部１７０からの指示により実行される。なお、「ＵＣＡ１１０／Ａｉｒｙ ｂｅａｍアンテナ１２０」は、ＵＣＡ１１０のみ、Ａｉｒｙ ｂｅａｍアンテナ１２０のみ、又は、ＵＣＡ１１０とＡｉｒｙ ｂｅａｍアンテナ１２０の両方、を意味する。

選択部１３０は、制御部１７０からの指示に基づいて、信号を送信させるＵＣＡ１１０／Ａｉｒｙ ｂｅａｍアンテナ１２０に接続されるＯＡＭモード生成部１４０／Ａｉｒｙ ｂｅａｍ信号生成部１５０を選択し、信号処理部１６０から受信した信号を、選択した機能部（ＯＡＭモード生成部１４０／Ａｉｒｙ ｂｅａｍ信号生成部１５０）へ出力する。

制御部１７０が、信号送信のためのアンテナとしてＵＣＡ１１０を選択した場合、ＯＡＭモード生成部１４０から信号が出力され、当該ＯＡＭモード生成部１４０に接続されている各アンテナ素子に信号が供給され、各アンテナ素子から信号が送信される。

制御部１７０が、信号送信のためのアンテナとしてＡｉｒｙ ｂｅａｍアンテナ１２０を選択した場合において、Ａｉｒｙ ｂｅａｍ信号生成部１５０から信号が出力され、当該Ａｉｒｙ ｂｅａｍ信号生成部１５０に接続されているＡｉｒｙ ｂｅａｍアンテナ１２０に信号が供給され、Ａｉｒｙ ｂｅａｍアンテナ１２０から信号が送信される。

Ａｉｒｙ ｂｅａｍ信号生成部１５０は、Ａｉｒｙ ｂｅａｍアンテナ１２０により生成されるビームが所望の軌道になるように、位相や周波数を調整した信号を生成し、生成した信号をＡｉｒｙ ｂｅａｍアンテナ１２０に供給する。

ＯＡＭモード生成部１４０は、バトラー回路である。ＯＡＭモード生成部１４０（バトラー回路）と、ＵＣＡ１１０との接続構成例を図６に示す。図６に示す例でのＵＣＡ１１０は、８個のアンテナ素子＃１～＃８が円形状に配置されたアンテナである。また、図６には、Ａｉｒｙ ｂｅａｍ信号生成部１５０とＡｉｒｙ ｂｅａｍアンテナ１２０も示されている。

また、図６は、バトラー回路が、Ｎ個の入力ポートを有していることを示している。基本的には、出力ポート数が、Ｎの最大数であり、図６の例のように、８個の出力ポートを有する場合、Ｎの最大数は８である。なお、「ポート」を「端子」と呼んでもよい。図６のように、アンテナ素子数が８個であることは一例である。ＵＣＡ１１０のアンテナ素子数は、８個よりも多くてもよいし、少なくてもよい。

図６には、一例として、ＯＡＭモード生成部１４０（バトラー回路）の入力ポートＡに、ＯＡＭモード１で送信しようとする信号が入力され、入力ポートＢにＯＡＭモード－１で送信しようとする信号が入力されることを示している。Ｎ個の入力ポートのうち、入力ポートＡと入力ポートＢ以外の入力ポートは、ＯＡＭモード１と‐１以外のＯＡＭモードに対応している。

入力ポートＡからの入力に対して、各出力ポートから反時計回りに４５°（３６０°／８）ずつの位相差を持った信号が出力され、入力ポートＢからの入力に対して、各出力ポートから反時計回りに‐４５°ずつの位相差を持った信号が出力される。つまり、入力ポートＡと入力ポートＢの両方に入力がある場合、各出力ポートから異なる位相を持つ２つの信号が合波（多重）された信号が出力される。

具体的には、ＵＣＡ１１０において、便宜上、アンテナ素子＃１を基準（位相０°）とすると、ＵＣＡ１１０の各アンテナ素子からは、下記の位相を持った２つの信号が合波された信号が出力される。

アンテナ素子＃１＝（０°，０°）、アンテナ素子＃２＝（４５°，‐４５°）、アンテナ素子＃３＝（９０°，‐９０°）、アンテナ素子＃４＝（１３５°，‐１３５°）、アンテナ素子＃５＝（１８０°，‐１８０°）、アンテナ素子＃６＝（２２５°，‐２２５°）、アンテナ素子＃７＝（２７０°，‐２７０°）、アンテナ素子＃８＝（３１５°，‐３１５°）。

図６の例では、ＯＡＭモード生成部１４０（バトラー回路）の出力ポートＪが、ＵＣＡ１１０のアンテナ素子＃１に接続され、出力ポートＩが、ＵＣＡ１１０のアンテナ素子＃２に接続され、出力ポートＨが、ＵＣＡ１１０のアンテナ素子＃３に接続され、出力ポートＧが、ＵＣＡ１１０のアンテナ素子＃４に接続され、出力ポートＦが、ＵＣＡ１１０のアンテナ素子＃５に接続され、出力ポートＥが、ＵＣＡ１１０のアンテナ素子＃６に接続され、出力ポートＤが、ＵＣＡ１１０のアンテナ素子＃７に接続され、出力ポートＣが、ＵＣＡ１１０のアンテナ素子＃８に接続される。なお、図示の便宜上、図６では、出力ポートＪのみの接続を示している。各出力ポートから出力された信号は、接続されるアンテナ素子に供給され、アンテナ素子から電波として出力される。

＜受信装置２００＞
次に、受信装置２００について説明する。図７は、本実施の形態における受信装置２００の構成例を示す図である。図７に示すように、受信装置２００は、ＵＣＡ２１０、Ａｉｒｙ ｂｅａｍアンテナ２２０、ＯＡＭモード分離部２３０、信号処理部２４０、制御部２５０を有する。なお、図７の例では、ＵＣＡ２１０とＡｉｒｙ ｂｅａｍアンテナ２２０がそれぞれ１つずつ備えられているが、ＵＣＡ２１０とＡｉｒｙ ｂｅａｍアンテナ２２０がそれぞれ複数個備えられてもよい。また、ＵＣＡ２１０とＡｉｒｙ ｂｅａｍアンテナ２２０のうちのＵＣＡ２１０のみが備えられてもよいし、Ａｉｒｙ ｂｅａｍアンテナ２２０のみが備えられてもよい。なお、「ＯＡＭモード分離部２３０、信号処理部２４０」を受信部と呼んでもよい。

ＯＡＭモード分離部２３０は、バトラー回路である。ＯＡＭモード分離部２２０（バトラー回路）と、ＵＣＡ２１０との接続構成例を図８に示す。図８に示す例でのＵＣＡ２１０は、８個のアンテナ素子＃１～＃８が円形状に配置されたアンテナである。

図８に示すバトラー回路は、送信装置１００におけるバトラー回路の入力と出力を逆にしたものに相当する。

図８に示すように、当該バトラー回路はＮ個の出力ポートを有している。図８のように、アンテナ素子数が８個であることは一例である。ＵＣＡ２１０のアンテナ素子数は、８個よりも多くてもよいし、少なくてもよい。

図８は、一例として、出力ポートＡからＯＡＭモード１の信号が出力され、出力ポートＢからＯＡＭモード－１の信号が出力されることを示している。Ｎ個の出力ポートのうち、出力ポートＡと出力ポートＢ以外の出力ポートは、ＯＡＭモード１と‐１以外のＯＡＭモードに対応している。

ＵＣＡ２１０の各アンテナ素子とＯＡＭモード分離部２３０（バトラー回路）の各入力ポートは図示のように接続される（図示の便宜上、＃７のみ接続線を描いている）。バトラー回路内では、送信側のバトラー回路とは逆の位相変換等が行われることで、各出力ポートから、その出力ポートに対応したＯＡＭモードの信号が出力される。

図７に示す信号処理部２４０は、ＯＡＭモード分離部２３０（バトラー回路）から受信したアナログ信号をデジタル信号に変換（アナログ‐デジタル変換）するとともに、Ａｉｒｙ ｂｅａｍアンテナ２２０から受信したアナログ信号をデジタル信号に変換し、これらのデジタル信号に対して復調処理を行って、データを生成し、出力する。また、信号処理部２４０はデジタル信号処理による信号分離処理（チャネル等化処理や逐次干渉除去処理等）を行うことが可能である。なお、信号分離の必要がない場合には、信号分離処理を行わない。

制御部２５０は、例えば、信号処理部２４０に対して信号処理方法を指定する。例えば、制御部２５０が、送信装置１００から、データを分割して複数ストリームに分けて送信する大容量伝送モードの指示を受けた場合には、制御部２５０は、信号処理部２４０に対して大容量伝送モードでの信号処理を行うよう指示する。また、例えば、制御部２５０が、送信装置１００から、同一データを複数ストリームで並行して送信するダイバーシティ伝送モードの指示を受けた場合には、制御部２５０は、信号処理部２４０に対してダイバーシティ伝送モードでの信号処理を行うよう指示する。

（動作例）
本実施の形態における無線通信システムにおける動作例を図９のフローチャートを参照して説明する。

Ｓ１０１において、データが送信装置１００の信号処理部１６０に入力される。Ｓ１０２において、信号処理部１６０は、入力されたデータから、搬送波に乗せて送信するデジタル信号を生成し、Ｓ１０３において、デジタル信号をアナログ信号に変換（デジタル‐アナログ変換）する。そして、制御部１７０からの指示に基づいて、アナログ信号の周波数を搬送波の周波数帯に変換し、得られた信号を選択部１３０に入力する。

Ｓ１０４において、選択部１３０は、制御部１７０からの指示に基づいて、信号を送信させるＵＣＡ１１０／Ａｉｒｙ ｂｅａｍアンテナ１２０に接続されるＯＡＭモード生成部１４０／Ａｉｒｙ ｂｅａｍ信号生成部１５０を選択し、信号処理部１６０から受信した信号を、選択した機能部（ＯＡＭモード生成部１４０／Ａｉｒｙ ｂｅａｍ信号生成部１５０）へ出力する。

Ｓ１０５において、ＵＣＡ１１０から信号を送信する場合において、ＯＡＭモード生成部１４０は、ＵＣＡ１１０に供給する信号を生成し、ＵＣＡ１１０の各アンテナ素子に信号を供給する。Ａｉｒｙ ｂｅａｍアンテナ１２０から信号を送信する場合において、Ａｉｒｙ ｂｅａｍ信号生成部１５０は、Ａｉｒｙ ｂｅａｍアンテナ１２０に供給する信号を生成し、Ａｉｒｙ ｂｅａｍアンテナ１２０に信号を供給する。

Ｓ１０６において、選択されたアンテナから信号が送信される。Ｓ１０７において、受信装置２００が信号を受信する。

図１０と図１１を参照して具体例を説明する。図１０と図１１はいずれも、送信装置１００と受信装置２００を上から見た場合のイメージである。

ここで、送信装置１００の制御部１７０は、各受信装置の位置（送信装置１００に対する受信装置が存在する方向でもよい）を把握しているとする。制御部１７０が、受信側の状態（受信装置の位置等）を把握する方法としてどのような方法を用いてもよい。例えば、制御部１７０が、受信装置から送信された参照信号を受信することで受信装置の位置を把握してもよいし、受信装置から送信された位置情報を受信することで受信装置の位置を把握してもよい。また、制御部１７０に、受信装置の位置（固定位置、時刻毎の移動予定位置等）が予め設定されることとしてもよい。

図１０は、多方向対応の例を示す図である。図１０に示すように、送信装置１００の正面の位置Ａに受信装置２００－２が存在し、送信装置１００の右斜め前の位置Ｂに受信装置２００－３が存在し、送信装置１００の左斜め前の位置Ｃに受信装置２００－１が存在する。また、送信装置１００と受信装置２００－３との間の位置Ｄに障害物（建物等）が存在する。制御部１７０は、これらの受信装置の位置、及び障害物の位置を把握している。

送信装置１００は、ＵＣＡ１１０と、Ａｉｒｙ ｂｅａｍアンテナ１２０－１と、Ａｉｒｙ ｂｅａｍアンテナ１２０－２を備えているものとする。

図１０に示す状況において、制御部１７０は、位置Ａの受信装置２００－２に対してＵＣＡ１１０から信号を送信することを決定し、位置Ｂの受信装置２００－３に対してＡｉｒｙ ｂｅａｍアンテナ１２０－１から、障害物を回避するような軌道で曲がるビーム１で信号を送信することを決定し、位置Ｃの受信装置２００－１に対してＡｉｒｙ ｂｅａｍアンテナ１２０－２から、受信装置２００－１に向かう曲がるビーム２で信号を送信することを決定する。

この場合、制御部１７０は、受信装置２００－２への信号として、ＵＣＡ１１０に対応する周波数の信号を生成するよう信号処理部１６０に指示し、受信装置２００－３への信号として、Ａｉｒｙ ｂｅａｍアンテナ１２０－１に対応する周波数の信号を生成するよう信号処理部１６０に指示し、受信装置２００－１への信号として、Ａｉｒｙ ｂｅａｍアンテナ１２０－２に対応する周波数の信号を生成するよう信号処理部１６０に指示する。信号処理部１６０は、制御部１７０からの指示に従って信号を生成する。

選択部１７０は、ＵＣＡ１１０に対応する周波数の信号をＯＡＭモード生成部１４０に入力し、Ａｉｒｙ ｂｅａｍアンテナ１２０－１に対応する周波数の信号及びＡｉｒｙ ｂｅａｍアンテナ１２０－２に対応する周波数の信号をＡｉｒｙ ｂｅａｍ信号生成部１５０に入力する。

ＯＡＭモード生成部１４０は、例えば複数ＯＡＭモードが多重された信号をＵＣＡ１１０に供給する。Ａｉｒｙ ｂｅａｍ信号生成部１５０は、図１０に示す曲がるビーム１の軌道に対応する信号をＡｉｒｙ ｂｅａｍアンテナ１２０－１に供給し、曲がるビーム２の軌道に対応する信号をＡｉｒｙ ｂｅａｍアンテナ１２０－２に供給する。

各アンテナから信号が送信され、各受信装置が信号を受信する。なお、受信装置２００－２は、アンテナとしてＵＣＡのみを備える受信装置でもよい。また、受信装置２００－１と受信装置２００‐３は、アンテナとしてＡｉｒｙ ｂｅａｍアンテナのみを備える受信装置でもよい。

また、図１０は、同一の受信装置２００が、例えば、位置Ｂから位置Ａに移動し、位置Ａから位置Ｃに移動するケースを示すものと見なしてもよい。その場合、送信装置１００は、受信装置２００が位置Ｂに存在するときに曲がるビーム１で信号送信を行い、受信装置２００が位置Ａに存在するときにＯＡＭモード多重で信号送信を行い、受信装置２００が位置Ｃに存在するときに曲がるビーム２で信号送信を行う。このように、アンテナを切り替えることで、移動追従を行うことが可能である。

図１１は、ＵＣＡとＡｉｒｙ ｂｅａｍアンテナの両方を用いて多重通信を行う場合の例である。

送信装置１００は、ＵＣＡ１１０と、Ａｉｒｙ ｂｅａｍアンテナ１２０－１と、Ａｉｒｙ ｂｅａｍアンテナ１２０－２を備えているとする。また、受信装置２００は、ＵＣＡ２１０と、Ａｉｒｙ ｂｅａｍアンテナ２２０－１と、Ａｉｒｙ ｂｅａｍアンテナ２２０－２を備えているとする。

送信装置１００の制御部１７０は、送信装置１００の正面に受信装置２００が存在することを検出すると、ＵＣＡ１１０と、Ａｉｒｙ ｂｅａｍアンテナ１２０－１と、Ａｉｒｙ ｂｅａｍアンテナ１２０－２を用いて多重送信を行うことを決定する。

制御部１７０は、受信装置２００へ送信する信号として、ＵＣＡ１１０に対応する周波数の信号と、Ａｉｒｙ ｂｅａｍアンテナ１２０－１に対応する周波数の信号と、Ａｉｒｙ ｂｅａｍアンテナ１２０－２に対応する周波数の信号を生成するよう信号処理部１６０に指示する。信号処理部１６０は、制御部１７０からの指示に従って信号を生成する。

選択部１３０は、ＵＣＡ１１０に対応する周波数の信号をＯＡＭモード生成部１４０に入力し、Ａｉｒｙ ｂｅａｍアンテナ１２０－１に対応する周波数の信号及びＡｉｒｙ ｂｅａｍアンテナ１２０－２に対応する周波数の信号をＡｉｒｙ ｂｅａｍ信号生成部１５０に入力する。

ＯＡＭモード生成部１４０は、複数ＯＡＭモードが多重された信号をＵＣＡ１１０に供給する。Ａｉｒｙ ｂｅａｍ信号生成部１５０は、図１１に示す曲がるビーム１の軌道に対応する信号をＡｉｒｙ ｂｅａｍアンテナ１２０－１に供給し、曲がるビーム２の軌道に対応する信号をＡｉｒｙ ｂｅａｍアンテナ１２０－２に供給する。

送信装置１００から信号が送信され、受信装置２００はＵＣＡ２１０、Ａｉｒｙ ｂｅａｍアンテナ２２０－１、２２０－２で信号を受信する。これにより、大容量通信が可能となる。なお、受信装置２００はＵＣＡ２１０、Ａｉｒｙ ｂｅａｍアンテナ２２０－１、２２０－２の全部のアンテナを備えていなくてもよい。例えば受信装置２００が、ＵＣＡ２１０、Ａｉｒｙ ｂｅａｍアンテナ２２０－１、２２０－２のうちの１つのアンテナのみを備える場合でも、送信装置１００から送信された信号を受信できる。

（アンテナの構成例）
次に、送信装置１００及び受信装置２００が備えるアンテナの構成例について説明する。以下、構成例１～４を説明する。構成例１～４を示す図１２～１５はいずれも、アンテナを正面（対向側）から見た図である。下記の構成例１～４に示すアンテナは、送信装置１００及び受信装置２００のそれぞれが備えることを想定している。従って、下記のアンテナ構成例におけるＵＣＡとＡｉｒｙ ｂｅａｍアンテナは、送信装置１００の場合はＵＣＡ１１０とＡｉｒｙ ｂｅａｍアンテナ１２０であり、送信装置２００の場合はＵＣＡ２１０とＡｉｒｙ ｂｅａｍアンテナ２２０である。

ただし、送信装置１００のみ、又は、受信装置２００のみが、構成例１～４に示すアンテナを備えることとしてもよい。

＜構成例１＞
図１２に構成例１を示す。図１２に示すように、構成例１では、ＵＣＡの円形に配置されたアンテナ素子の内側（内部）にＡｉｒｙ ｂｅａｍアンテナが備えられる。構成例１により、全体のアンテナサイズを小さくすることができる。

図１２の例では、Ａｉｒｙ ｂｅａｍアンテナは、１つの四角形のアンテナ素子であるが、図１２におけるＡｉｒｙ ｂｅａｍアンテナは、複数方向対応の複数のＡｉｒｙ ｂｅａｍアンテナからなる構成であってもよい。

＜構成例２＞
図１３に構成例２を示す。図１３に示すように、構成例２では、ＵＣＡにおける円形に配置されたアンテナ素子の外側にＡｉｒｙ ｂｅａｍアンテナが備えられる。構成例２により、構成例１と同様に、全体のアンテナサイズを小さくすることができる。

Ａｉｒｙ ｂｅａｍアンテナは、そのサイズが大きければ大きいほど、曲がるビームの曲がる度合いを大きくすることができる。構成例２では、構成例１に比べて、Ａｉｒｙ ｂｅａｍアンテナのサイズを大きくすることができるので、曲がるビームの曲がる度合いを大きくすることができる。

＜構成例３＞
図１４に構成例３を示す。構成例３では、ＵＣＡにおける円形に配置されたアンテナ素子の外側に複数のＡｉｒｙ ｂｅａｍアンテナを配置する。図１４の例では、４つのＡｉｒｙ ｂｅａｍアンテナ＃１～＃４が配置されている。

図２（３）を参照して説明したように、ＵＣＡから送信されたＯＡＭモードを持つ信号は、受信側の端面（ＵＣＡから送信された信号の伝搬方向と直交する面）において、その強度が強くなる場所と弱くなる場所がある。

ここでは、図１４に示すアンテナが、受信装置２００のアンテナであるとする。送信装置１００のＵＣＡから送信されるあるＯＡＭモードｎ（ｎは０でない整数）の信号の強度（信号電力）が図１４における点線の円の位置で弱くなるものとする。

つまり、図１４に示す例では、送信装置１００のＵＣＡから送信されるＯＡＭモードｎの信号の強度が弱くなる位置に、Ａｉｒｙ ｂｅａｍアンテナ＃１～＃４が配置されている。これにより、受信装置２００においては、ＯＡＭビーム（ＵＣＡから送信されるビーム）による干渉を受けずに、Ａｉｒｙ ｂｅａｍアンテナ＃１～＃４により、曲がるビームによる信号受信を行うことができる。

なお、本実施の形態において、ある場所（位置）での信号の強度（受信強度）が「弱い」とは、ある閾値よりも受信電力が低いことであってもよいし、他の場所（位置）での受信電力よりも受信電力が低いことであってもよい。また、ある場所（位置）での信号の強度（受信強度）が「強い」とは、ある閾値よりも受信電力が高いことであってもよいし、他の場所（位置）での受信電力よりも受信電力が高いことであってもよい。

＜構成例４＞
図１５に構成例４を示す。構成例４では、ＵＣＡの周りにＡｉｒｙ ｂｅａｍアンテナを、複数のリングの形態で備える。図１５の例では、Ａｉｒｙ ｂｅａｍアンテナ＃１～＃４からなるリングＡと、Ａｉｒｙ ｂｅａｍアンテナ＃５～＃８からなるリングＢとが配置されている。図１５の例では、１リングあたりのＡｉｒｙ ｂｅａｍアンテナ数は４であり、リングの数は２であるが、これらは一例であり、これら以外の数が採用されてもよい。

前述したように、ＵＣＡから送信されたＯＡＭモードを持つ信号は、受信側の端面（ＵＣＡから送信された信号の伝搬方向と直交する面）において、その強度が強くなる場所と弱くなる場所がある。また、この場所は、送信装置１００と受信装置２００との間の距離により異なる。

図１５に示すアンテナが、受信装置２００のアンテナであるとする。送信装置１００と受信装置２００との間の距離がある距離Ｄ１である場合に、送信装置１００のＵＣＡから送信されるあるＯＡＭモードｎ（ｎは０でない整数）の信号の強度（信号電力）が図１５におけるリングＡの位置で弱くなるものとする。

このとき、送信装置１００は、ＵＣＡからＯＡＭモードｎで信号を送信すると同時に、送信側のＡｉｒｙ ｂｅａｍアンテナにより、受信側のリングＡのＡｉｒｙ ｂｅａｍアンテナ（＃１～＃４のうちの１以上のアンテナ）に届くように曲がるビームで信号を送信する。これにより、ＯＡＭモードｎのＯＡＭビームによる曲がるビームへの干渉を軽減できる。

また、送信装置１００と受信装置２００との間の距離が距離Ｄ２である場合に、送信装置１００のＵＣＡから送信されるＯＡＭモードｎの信号の強度（信号電力）が図１５におけるリングＢの位置で弱くなるものとする。

このとき、送信装置１００は、ＵＣＡからＯＡＭモードｎで信号を送信すると同時に、送信側のＡｉｒｙ ｂｅａｍアンテナにより、受信側のリングＢのＡｉｒｙ ｂｅａｍアンテナ（＃５～＃８のうちの１以上のアンテナ）に届くように曲がるビームで信号を送信する。これにより、ＯＡＭモードｎのＯＡＭビームによる曲がるビームへの干渉を軽減できる。

上記のとおり、送信装置１００と受信装置２００との間の距離に応じてＯＡＭビームの電力が弱くなる場所にあるＡｉｒｙ ｂｅａｍアンテナを選択して、そのＡｉｒｙ ｂｅａｍアンテナへ曲がるビームで信号を送信することで、ＯＡＭビームから曲がるビームへの干渉を低くしつつ通信を行うことができる。

本例において、曲がるビームによるＯＡＭビームへの干渉は残るが、受信装置２００は、ＯＡＭビームからの干渉無しで曲がるビームにより送信された信号を復調できるので、その復調した信号の情報を用いることにより、ＳＩＣ（successive interference cancellation）等の手法によりＯＡＭビームの信号の復調が可能である。また、曲がるビームは、そもそもＵＣＡには電波が届かないので、曲がるビームからＯＡＭアンテナへの干渉を無視することとしてもよい。

（複数の受信装置２００との通信について）
前述したとおり、送信装置１００のＵＣＡから送信されたＯＡＭモードを持つ信号は、受信側の端面において、その強度が強くなる場所と弱くなる場所があり、その場所は、送信装置１００と受信装置２００との間の距離により異なる。また、この場所はＯＡＭモード毎に異なる。つまり、送信装置１００のＵＣＡから送信されるＯＡＭビームは、送信装置１００と受信装置２００との間の距離に応じて、受信電力が弱くなったり強くなったりする場所があり、それはＯＡＭモード毎に異なる。

図１６に、送信装置１００のＵＣＡから受信装置２００までの距離と、受信強度との関係の例を示す。図１６の横軸は、送信装置１００のＵＣＡから受信装置２００までの距離を示し、縦軸は、受信装置２００の位置における受信強度である。上記の距離は、例えば、ＵＣＡの面と垂直な方向の距離である。

図１６に示す例では、距離１の場所でＯＡＭモード１の受信強度が弱くなり、距離２の場所でＯＡＭモード２の受信強度が弱くなる。

このような特徴を用いて、送信装置１００と複数の受信装置２００との間で、ＵＣＡとＡｉｒｙ ｂｅａｍアンテナを用いて通信を行うことができる。図１７を参照して通信の例を説明する。

図１７は、送信装置１００と、受信装置２００－１と、受信装置２００－２とを上空から見た場合の２次元的な状況を示す図である。ここでは、送信装置１００のＵＣＡ１１０とＡｉｒｙ ｂｅａｍアンテナ１２０は、ビルの屋上等にあり、地面側に電波が届くような向きに各アンテナが設置されていることを想定している。

図１７の例では、Ａで示す点線の円の部分（場所）が、送信装置１００から送信されるＯＡＭモード１の信号の強度が弱くなる場所であるとする。なお、ここでは便宜上、ＯＡＭモード１の信号の強度が弱くなる場所を円形で示している。

図１７に示すように、受信装置２００－２は、送信装置１００から送信されるＯＡＭモード１の信号の強度が弱くなる場所に位置している。また、受信装置２００－１は、送信装置１００から送信されるＯＡＭモード１の信号の強度が強くなる場所に位置している。

例えば、送信装置１００の制御部１７０が、受信装置２００－１と受信装置２００－２それぞれの位置を把握することにより、図１７に示す状況（受信装置２００－１はＯＡＭモード１の受信強度が強、受信装置２００－２はＯＡＭモード１の受信強度が弱）を把握する。

そして、制御部１７０の指示に基づいて、送信装置１００は、ＵＣＡ１１０からＯＡＭモード１で受信装置２００－１に対する信号を送信するとともに、Ａｉｒｙ ｂｅａｍアンテナ１２０から曲がるビームで、受信装置２００－２の位置に向けて受信装置２００－２に対する信号を送信する。受信装置２００－１は、送信装置１００から送信されたＯＡＭモード１の信号を干渉無しに受信でき、受信装置２００－２は、送信装置１００から送信された曲がるビームの信号を干渉無しに受信できる。

図２（３）、図１６を参照して説明した、ＯＡＭモードによる信号強度（電力）の分布の違いや、距離による信号強度（電力）の分布の違いは、送信装置１００のＵＣＡのサイズによっても違ってくる。

例えば、送信装置１００が、図１８に示すように、複数の異なる直径を持つＵＣＡ＃１～＃３を備えるものとする。この場合、送信装置１００は、受信装置２００‐ｘの位置でＯＡＭモードの信号が弱くなる直径のＵＣＡからＯＡＭモードの電波を送信することにより、受信装置２００‐ｘと干渉なしに信号送受信を行うことができる。

例えば、図１７に示す例において、送信装置１００のＵＣＡ＃１～＃３のうち、ＵＣＡ＃２からＯＡＭモード１の信号を送信した場合に、図１７のＡで示す円形上の場所でＯＡＭモード１の信号強度が弱くなるとする。

この場合、送信装置１００は、制御部１７０の指示に基づいて、ＵＣＡ＃１～＃３の中からＵＣＡ＃２を選択し、ＵＣＡ＃２からＯＡＭモード１で受信装置２００－１に対する信号を送信するとともに、Ａｉｒｙ ｂｅａｍアンテナ１２０から曲がるビームで、受信装置２００－２の位置に向けて受信装置２００－２に対する信号を送信する。受信装置２００－１は、送信装置１００から送信されたＯＡＭモード１の信号を、ＵＣＡ２１０により干渉無しに受信でき、受信装置２００－２は、送信装置１００から送信された曲がるビームの信号を、Ａｉｒｙ ｂｅａｍアンテナ２２０により干渉無しに受信できる。

（実施の形態の効果）
以上説明した本実施の形態に係る技術により、ＵＣＡを用いた送信装置において、多方向対応が可能となる。また、ＵＣＡとＡｉｒｙ ｂｅａｍアンテナの両方を用いた多重通信が可能となる。

（実施の形態のまとめ）
本明細書には、少なくとも下記の各項に記載した送信装置、無線通信システム、及び通信方法が記載されている。
（第１項）
ＯＡＭモードを持つ信号を送信するＯＡＭアンテナと、
曲がる性質を持つビームを用いて信号を送信するエアリービームアンテナと、
前記ＯＡＭアンテナのみ、前記エアリービームアンテナのみ、又は、前記ＯＡＭアンテナと前記エアリービームアンテナの両方を用いて信号を送信する送信部と
を備える送信装置。
（第２項）
信号送信に使用するアンテナとして、前記ＯＡＭアンテナのみ、前記エアリービームアンテナのみ、及び、前記ＯＡＭアンテナと前記エアリービームアンテナの両方、のうちのいずれかを選択し、選択したアンテナを用いて前記送信部に信号送信を行わせる制御部
を備える第１項に記載の送信装置。
（第３項）
前記エアリービームアンテナは、受信装置の位置に向かう軌道を持つビームで信号を送信する
第１項又は第２項に記載の送信装置。
（第４項）
前記送信部は、前記ＯＡＭモードを持つ信号の受信強度が弱くなる位置に向けて、前記エアリービームアンテナにより曲がるビームで信号を送信する
第１項ないし第３項のうちいずれか１項に記載の送信装置。
（第５項）
送信装置と複数の受信装置とを備える無線通信システムであって、
前記送信装置は、
ＯＡＭモードを持つ信号を送信するＯＡＭアンテナと、
曲がる性質を持つビームを用いて信号を送信するエアリービームアンテナと、を備え、
前記送信装置は、第１の受信装置に対して、前記ＯＡＭアンテナを用いて前記ＯＡＭモードの信号を送信し、前記ＯＡＭモードの信号の受信強度が弱くなる位置にある第２の受信装置に対して、前記エアリービームアンテナを用いて曲がるビームにより信号を送信する
無線通信システム。
（第６項）
送信装置と受信装置とを備える無線通信システムにおける通信方法であって、
前記送信装置は、
ＯＡＭモードを持つ信号を送信するＯＡＭアンテナと、
曲がる性質を持つビームを用いて信号を送信するエアリービームアンテナと、を備え、
前記送信装置は、第１の受信装置に対して、前記ＯＡＭアンテナを用いて前記ＯＡＭモードの信号を送信し、前記ＯＡＭモードの信号の受信強度が弱くなる位置にある第２の受信装置に対して、前記エアリービームアンテナを用いて曲がるビームにより信号を送信する
通信方法。

以上、本実施の形態について説明したが、本発明はか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。

１００ 送信装置
１１０ ＵＣＡ
１２０ Ａｉｒｙ ｂｅａｍアンテナ
１３０ 選択部
１４０ ＯＡＭモード生成部
１５０ Ａｉｒｙ ｂｅａｍ信号生成部
１６０ 信号処理部
１７０ 制御部
２００ 受信装置
２１０ ＵＣＡ
２２０ 従来型アンテナ
２３０ ＯＡＭモード分離部
２４０ 信号処理部
２５０ 制御部

Claims (6)

1. ＯＡＭモードを持つ信号を送信するＯＡＭアンテナと、
   曲がる性質を持つビームを用いて信号を送信するエアリービームアンテナと、
   前記ＯＡＭアンテナと前記エアリービームアンテナの両方を用いて信号を送信する送信部と
   を備える送信装置。
2. ＯＡＭモードを持つ信号を送信するＯＡＭアンテナと、
   曲がる性質を持つビームを用いて信号を送信するエアリービームアンテナと、
   前記ＯＡＭアンテナのみ、前記エアリービームアンテナのみ、又は、前記ＯＡＭアンテナと前記エアリービームアンテナの両方を用いて信号を送信する送信部と、
   信号送信に使用するアンテナとして、前記ＯＡＭアンテナのみ、前記エアリービームアンテナのみ、及び、前記ＯＡＭアンテナと前記エアリービームアンテナの両方、のうちの前記ＯＡＭアンテナと前記エアリービームアンテナの両方を選択し、選択した前記ＯＡＭアンテナと前記エアリービームアンテナの両方を用いて前記送信部に信号送信を行わせる制御部と
   を備える送信装置。
3. 前記エアリービームアンテナは、受信装置の位置に向かう軌道を持つビームで信号を送信する
   請求項１又は２に記載の送信装置。
4. 前記送信部は、前記ＯＡＭモードを持つ信号の受信強度が弱くなる位置に向けて、前記エアリービームアンテナにより曲がるビームで信号を送信する
   請求項１ないし３のうちいずれか１項に記載の送信装置。
5. 送信装置と複数の受信装置とを備える無線通信システムであって、
   前記送信装置は、
   ＯＡＭモードを持つ信号を送信するＯＡＭアンテナと、
   曲がる性質を持つビームを用いて信号を送信するエアリービームアンテナと、を備え、
   前記送信装置は、第１の受信装置に対して、前記ＯＡＭアンテナを用いて前記ＯＡＭモードの信号を送信し、前記ＯＡＭモードの信号の受信強度が弱くなる位置にある第２の受信装置に対して、前記エアリービームアンテナを用いて曲がるビームにより信号を送信する
   無線通信システム。
6. 送信装置と受信装置とを備える無線通信システムにおける通信方法であって、
   前記送信装置は、
   ＯＡＭモードを持つ信号を送信するＯＡＭアンテナと、
   曲がる性質を持つビームを用いて信号を送信するエアリービームアンテナと、を備え、
   前記送信装置は、第１の受信装置に対して、前記ＯＡＭアンテナを用いて前記ＯＡＭモードの信号を送信し、前記ＯＡＭモードの信号の受信強度が弱くなる位置にある第２の受信装置に対して、前記エアリービームアンテナを用いて曲がるビームにより信号を送信する
   通信方法。

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