JPWO2019059405A1 - 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
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Abstract
Description
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
(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。
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。時間シフトと方法は、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。
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。
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。
(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)
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。
(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)
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。
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
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。
Claims (8)
- 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
を備えたことを特徴とするOAM多重送信装置。 - 請求項1に記載のOAM多重送信装置において、
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。 - 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。 - 請求項3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。 - 請求項1のOAM多重送信装置のUCAと請求項3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。
- 請求項5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。 - 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。 - 請求項7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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