WO2019059407A1 - Ｏａｍ多重通信システムおよびｏａｍ多重通信方法 - Google Patents

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stream
signals
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斗煥 李
裕文 笹木
浩之 福本
宏礼 芝
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日本電信電話株式会社
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    • H04J—MULTIPLEX COMMUNICATION
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Definitions

  • the present invention relates to an OAM multiplex communication system and an OAM multiplex communication method in which wireless signals are spatially multiplexed and transmitted using Orbital Angular Momentum (OAM) of electromagnetic waves.
  • OFAM Orbital Angular Momentum
  • Non-Patent Document 1 a space multiplex transmission technology of a radio signal using OAM has been reported to improve transmission capacity.
  • the equiphase surface is spirally distributed along the propagation direction around the propagation axis. Since electromagnetic waves having different OAM modes and propagating in the same direction have orthogonal spatial phase distributions in the rotational axis direction, the signals are multiplexed by separating the signals of each OAM mode modulated by different signal sequences at the receiving station. It is possible to transmit.
  • Non-Patent Document 2 a plurality of OAM modes are generated using equally spaced circular array antennas (hereinafter referred to as UCA (Uniform Circular Array)) in which a plurality of antenna elements are circularly arranged at equal intervals.
  • UCA Uniform Circular Array
  • FIG. 8 shows an example of phase setting of the UCA for generating an OAM mode signal.
  • the signals in the OAM modes 0, 1, 2, 3,... On the transmission side are generated by the phase difference of each antenna element (indicated by ⁇ ) of the UCA. That is, the signal of the OAM mode n is generated by setting the phase of each antenna element such that the phase of UCA is n rotations (n ⁇ 360 degrees).
  • a UCA composed of eight antenna elements rotates counterclockwise to each antenna element so that the phase is rotated twice as shown in FIG. 8 (3). Set a phase difference of 90 degrees.
  • a signal whose phase rotation direction is opposite to that of the signal of the OAM mode n is referred to as an OAM mode-n.
  • the rotation direction of the phase of the signal of the positive OAM mode is counterclockwise
  • the rotation direction of the phase of the signal of the negative OAM mode is clockwise.
  • Wireless communication by space multiplexing can be performed by generating different signal sequences as signals of different OAM modes and simultaneously transmitting the generated signals.
  • the signal to be transmitted in each OAM mode may be generated and synthesized in advance, and a single UCA may be used to transmit a combined signal in each OAM mode, or a plurality of UCAs may be used to perform different UCAs in each OAM mode.
  • a signal of each OAM mode may be transmitted.
  • FIG. 9 shows an example of the phase distribution and signal strength distribution of the OAM multiplexed signal.
  • the phase distributions of the signals in OAM mode 1 and OAM mode 2 are indicated by arrows, as viewed from the end face orthogonal to the propagation direction from the transmission side (hereinafter referred to as propagation orthogonal plane).
  • the beginning of the arrow is 0 degrees, the phase changes linearly, and the end of the arrow is 360 degrees. That is, the signal of the OAM mode n propagates with n phases (n ⁇ 360 degrees) of phase rotation in the propagation orthogonal plane.
  • the signal in each OAM mode has different signal strength distribution and different position where the signal strength is maximum for each OAM mode. Specifically, as the OAM mode becomes higher, the position at which the signal strength is maximized is farther from the propagation axis (Non-Patent Document 2).
  • the larger value of the OAM mode is referred to as a higher order mode.
  • the signal of OAM mode 3 is a higher order mode than the signals of OAM mode 0, OAM mode 1 and OAM mode 2.
  • the position where the signal strength is maximized for each OAM mode is indicated by a ring, but the position where the signal strength is maximized as the OAM mode becomes higher becomes farther from the central axis and the propagation distance Accordingly, the beam diameter of the OAM mode multiplexed signal spreads, and the ring indicating the position where the signal strength becomes maximum becomes large for each OAM mode.
  • FIG. 10 shows an example of phase setting of UCA for separating an OAM multiplexed signal.
  • the phase of each antenna element of UCA is set to be in the opposite direction to the phase of the antenna element on the transmission side, and the signal of each OAM mode is separated. That is, the phase of each antenna element is set to rotate in the opposite direction to that in FIG. 8.
  • each antenna element is rotated clockwise so that the phase rotates twice. Set the phase difference to 90 degrees.
  • the separation processing on the reception side can also be performed after receiving each OAM mode collectively using a single UCA, or using a plurality of UCAs to separate and receive different OAM mode signals for each UCA. It is also possible.
  • the OAM multiplex transmission technology has an advantage that the amount of digital signal processing required for signal separation in each OAM mode is small because each OAM mode is orthogonal, but there is variation in received power according to the OAM mode, especially high-order OAM There is a problem 2 that the received power in the mode decreases.
  • the present invention can improve transmission capacity by increasing the number of multiplexing while minimizing the amount of signal processing required for signal separation in a wireless communication system that performs space multiplex transmission using M-UCA. Also, it is an object of the present invention to provide an OAM multiplex communication system and an OAM multiplex communication method capable of minimizing the decrease in the number of multiplexes and the decrease in transmission capacity as the transmission distance increases.
  • a transmitting station and a receiving station are provided with an M-UCA consisting of a plurality of UCAs in which a plurality of antenna elements are arranged in a circle at equal intervals, and a plurality of UCAs in a concentric arrangement.
  • An OAM Multiplexing Communication System that generates and transmits a plurality of OAM mode signals, receives and separates each of a plurality of OAM mode signals at each UCA of the receiving station, and spatially multiplexes and transmits a number of UCA number x OAM mode number streams
  • the transmitting station comprises signal processing means for generating a stream of UCA number ⁇ OAM mode number for transmitting in a plurality of OAM modes from a plurality of UCAs of M-UCA
  • a receiving station comprises a plurality of UCAs of M-UCA.
  • a signal processing means for inputting a plurality of OAM mode signals which are respectively separated in step (d) and separating each stream from the signal of the same OAM mode.
  • each UCA of the transmitting station and the M-UCA of the receiving station independently transmits and receives signals of two polarizations, and the transmitting station and the transmitting station
  • the signal processing means of the receiving station is configured to generate and separate streams corresponding to two polarizations.
  • a third aspect of the present invention is the OAM multiplex communication system according to the first aspect, wherein the signal processing means of the transmitting station generates streams by associating a plurality of UCAs and a plurality of OAM modes on a one-to-one basis.
  • the signal processing means of the station is configured to separate streams corresponding to a plurality of UCAs from the signal of the same OAM mode.
  • a fourth aspect of the invention is the OAM multiplex communication system according to the first or second aspect of the invention, wherein the signal processing means of the transmitting station transmits a subsequent bit in accordance with 0 and 1 of the first bit in one of the pair of OAM modes. Is performed to generate a stream for transmitting the subsequent bits in one of the selected OAM modes, and the signal processing means of the receiving station transmits signals from the pair of OAM modes to the plurality of UCAs. The corresponding stream is separated, and the first bit used for spatial modulation A is added and demodulated for each stream.
  • a fifth aspect of the invention is the OAM multiplex communication system according to the second aspect of the invention, wherein the signal processing means of the transmitting station selects two polarizations for transmitting subsequent bits according to 0 and 1 of the first bit. To generate a stream for transmitting the subsequent bits with one of the selected polarizations, and the signal processing means of the receiving station is a stream corresponding to a plurality of UCAs from signals of two polarizations in each OAM mode. Are separated, and the first bit used for spatial modulation B is added and demodulated for each stream.
  • a sixth invention is the OAM multiplex communication system according to the second invention, wherein the signal processing means of the transmitting station is a pair of OAM which transmits the subsequent bits according to 00, 01, 10, 11 of the 1st and 2nd bits.
  • a spatial modulation C is performed to select the mode and two polarizations, and a stream is generated to transmit the subsequent bit in the selected one of the OAM mode and the polarization, and the signal processing means of the receiving station is a pair.
  • a stream corresponding to a plurality of UCAs is separated from the signal of the OAM mode and two polarized waves, and the first and second bits used for the spatial modulation C are added to demodulate each stream.
  • a seventh invention is the OAM multiplex communication system according to the second invention, wherein the signal processing means of the transmitting station and the receiving station is the spatial modulation A in the fourth invention according to an increase in the distance between the transmitting station and the receiving station. Or the spatial modulation B in the fifth invention or the spatial modulation C in the sixth invention to reduce the number of streams to be spatially multiplexed.
  • a transmitting station and a receiving station are provided with an M-UCA consisting of a plurality of UCAs in which a plurality of antenna elements are arranged in a circle at equal intervals, and a plurality of UCAs in a concentric arrangement.
  • the transmitting station has a signal processing step of generating a stream of UCA number ⁇ OAM mode number to be transmitted in a plurality of OAM modes from a plurality of UCAs of M-UCA, and a receiving station comprises a plurality of M-UCAs. It has a signal processing step of inputting a plurality of OAM mode signals separated respectively by UCA and separating each stream from the same OAM mode signal.
  • a ninth invention is the OAM multiplex communication method according to the eighth invention, wherein each UCA of the transmitting station and the M-UCA of the receiving station independently transmits and receives signals of two polarizations, and the transmitting station and the receiving station The signal processing step generates and separates streams corresponding to two polarizations.
  • the present invention minimizes the amount of signal processing required for signal separation in the same OAM mode received by each UCA, improves transmission capacity by increasing the number of multiplexes (number of streams), and further increases transmission distance. A reduction in transmission capacity due to a corresponding reduction in the number of multiplexing can be minimized by spatial modulation.
  • M-UCA of the OAM multiplex communication system of this invention It is a figure which shows the structural example of M-UCA of the OAM multiplex communication system of this invention. It is a figure which shows the relationship between M-UCA of a transmission station, and M-UCA of a reception station. It is a figure which shows the Example structure of the OAM multiplex communication system of this invention. It is a figure which shows the example of space multiplexing transmission by 12 streams. It is a figure which shows the example of space multiplexing transmission by 8 streams. It is a figure which shows the example of space multiplexing transmission by 6 streams. It is a figure which shows the example of space multiplexing transmission by 4 streams. It is a figure which shows the example of a phase setting of UCA for producing
  • FIG. 1 shows a configuration example of M-UCA of the OAM multiplex communication system of the present invention.
  • M-UCA has a configuration in which a plurality of UCAs are arranged concentrically.
  • a configuration is shown in which four UCAs having different radii are arranged, and UCA1, UCA2, UCA3, and UCA4 are sequentially arranged from the inner UCA.
  • each UCA shows an example provided with 16 antenna elements (indicated by ⁇ in the figure), the number of antenna elements of each UCA does not necessarily have to be the same.
  • the m UCAs that constitute M-UCA generate signals of n OAM modes respectively, and transmit them at the same time to spatially multiplex and transmit m ⁇ n time series data (stream) Can. Furthermore, double transmission capacity can be realized by using two different polarizations (V polarization, H polarization).
  • the antenna element constituting the M-UCA may be configured to transmit and receive V polarization and H polarization. Furthermore, antenna elements for V polarization and H polarization may be provided in parallel.
  • the number of UCAs of M-UCA of the transmitting station and the receiving station and the number of antenna elements of each UCA are the same respectively.
  • the number of streams is limited to the smaller number of UCAs.
  • each UCA when the transmitting side M-UCA is composed of four UCA1, UCA2, UCA3 and UCA4 and each UCA generates an OAM mode 0, 1, -1 signal, as shown in FIG. 2 (1) Twelve different streams can be transmitted simultaneously. Signals transmitted by UCA1 to UCA4 in OAM mode 0 are streams 1 to 4, signals transmitted in OAM mode 1 are streams 5 to 8, and signals transmitted in OAM mode 1 are streams 9 to 12.
  • the M-UCA on the receiving side is also composed of four UCA1 to UCA4 so that each UCA can separate OAM mode 0, 1, -1 signals.
  • each UCA can separate signals of different OAM modes, but can not separate signals of the same OAM mode. Therefore, as shown in FIG. 2 (2), for example, in the signal in which the OAM mode 0 is separated in UCA 1, the streams 1, 2, 3, 4 transmitted in the OAM mode 0 from UCA 1 to UCA 4 on the transmission side are mixed. Received. Therefore, it is necessary to separate each stream from the mixed signal of OAM mode 0 streams 1, 2, 3 and 4 separated by UCA1. The same applies to UCA2 to UCA4, and the same applies to OAM modes 1 and -1.
  • an OAM mode separation processing unit for separating OAM modes 0, 1, and 1 for each of UCA1 to UCA4 and a signal for separating each stream in the same OAM mode A processing unit is used.
  • the separation processing of each stream in the same OAM mode in the signal processing unit can be performed by performing channel estimation using a known signal or the like transmitted from the transmission side and performing equalization processing using the channel estimation result.
  • eigenbeams are generated by performing preprocessing (precoding) on the signal of each OAM mode using channel information on the transmitting side, separation processing of each stream is performed without performing equalization processing on the receiving side. It is possible.
  • the channel information may be fed back and collected from the receiving side by another transmission / reception system.
  • channel information may be calculated from the theoretical formula of the propagation characteristics of the OAM beam, and the calculation result may be used.
  • channel information between each antenna element of the transmitting and receiving M-UCA is calculated using distance information between the transmitting and receiving antennas acquired from another means such as GPS information.
  • Channel information can be calculated.
  • propagation attenuation and phase information can be obtained from the information of the wavelength of the beam calculated from the distance of each element of the transmitting and receiving antenna and the frequency to be used.
  • FIG. 3 shows the configuration of an embodiment of the OAM multiplex communication system of the present invention.
  • a configuration example for transmitting and receiving the signals of streams 1 to 12 shown in FIG. 2 is shown.
  • the transmitting station comprises UCA1 to UCA4.
  • the signal processing unit 11 receives the transmission signal sequence, and generates signals of streams 1 to 12 to be transmitted from the UCAs 1 to 4 in the OAM modes 0, 1, and 1, respectively.
  • the OAM mode generation processing unit 12-1 inputs the signals of the streams 1, 5, and 9 to be transmitted in the OAM mode 0, 1, and -1 from the UCA1.
  • the OAM mode generation processing unit 12-2 inputs the signals of the streams 2, 6, and 10 to be transmitted from the UCA 2 in the OAM modes 0, 1, and -1.
  • the OAM mode generation processor 12-3 inputs the signals of streams 3, 7 and 11 to be transmitted from the UCA 3 in the OAM mode 0, 1, -1.
  • the OAM mode generation processor 12-4 inputs the signals of the streams 4, 8 and 12 to be transmitted from the UCA 4 in the OAM mode 0, 1, -1.
  • the OAM mode generation processing units 12-1 to 12-4 adjust the phases of the input signals so as to be transmitted as OAM mode 0, 1, and -1 signals, respectively, and input the signals to the antenna elements of the respective UCAs.
  • it is configured to input and output signals to be transmitted by V polarization and H polarization, respectively.
  • the receiving station comprises UCA1 to UCA4.
  • the OAM mode separation processing units 21-1 to 21-4 separate the OAM mode signals 0, 1, and 1 from the signals received by the UCAs 1 to 4, respectively.
  • Streams 1, 2, 3, and 4 are mixed in the signals of OAM mode 0 separated by the OAM mode separation processing units 21-1 to 21-4, and the streams 5, 6, 7, and 8 are mixed in the signal of OAM mode 1.
  • streams 9, 10, 11, and 12 are mixed in the signal of OAM mode-1.
  • the signal processing unit 22 receives the signals of the OAM modes 0, 1, and 1 separated by the OAM mode separation processing units 21-1 to 21-4, and outputs the signals 1, 2, 3, and 4 from the signal of the OAM mode 0.
  • a method of spatially multiplexing and transmitting a 12-bit signal (011001101101) by combining four UCA1 to UCA4 constituting an M-UCA, OAM modes 0, 1, and 1 and polarization will be described below.
  • the modulation scheme is 1 symbol ⁇ 1 bit BPSK, 1 symbol ⁇ 2 bits for QPSK and 1 symbol ⁇ 4 bits for 16 QAM can be modulated, but the basic operation is the same.
  • FIG. 4 shows an example of space multiplex transmission by 12 streams.
  • UCA1 to UCA4 and OAM modes 0, 1, and 1 are used.
  • the signal processing unit 11 of the transmitting station generates the first 4-bit signal (0110) from UCA1 to UCA4 as streams 1 to 4 to be transmitted in OAM mode 0, and the next 4-bit signal (0110) Are generated as streams 5 to 8 transmitted from UCA 1 to UCA 4 in OAM mode 1, and the next 4-bit signal (1101) is generated as streams 9 to 12 transmitted from UCA 1 to UCA 4 in OAM mode-1.
  • the signal processing unit 22 of the receiving station mixes and inputs the signals (0110) of the streams 1 to 4 as the signals of the OAM mode 0 separated by the OAM mode separation processing units 21-1 to 21-4.
  • the signals (0110) of streams 5 to 8 are mixed and input as the OAM mode 1 signal
  • the signals (1101) of streams 9 to 12 are mixed and input as the OAM mode-1 signal.
  • the signals 0, 1, 1, and 0 are separated and demodulated for each stream. The same applies to the OAM modes 1, 1.
  • the signals (011001101101) spatially multiplexed and transmitted in the streams 1 to 12 can be separated and demodulated by the UCA1 to UCA4 and the OAM modes 0, 1, and -1.
  • FIG. 5 shows an example of space multiplex transmission by eight streams.
  • UCA1 to UCA4 and OAM modes 0, 1, and 1 are used.
  • spatial modulation A is used in which two bits are transmitted in one stream.
  • the OAM mode in which the second bit signal is transmitted is associated with the first bit signals 0 and 1 as follows.
  • OAM mode 1 1 OAM mode-1
  • the "spatial modulation" used in the present invention may be referred to as mode modulation, OAM mode modulation, index modulation, or OAM index modulation.
  • the signal (01) when the signal (01) is spatially modulated, the signal 1 is transmitted in the OAM mode 1 and the non-signal is transmitted in the OAM mode -1.
  • the signal (11) is spatially modulated, no signal in OAM mode 1 and signal 1 in OAM mode 1 are transmitted.
  • the signal processing unit 11 of the transmitting station generates the first 4-bit signal (0110) from UCA1 to UCA4 as streams 1 to 4 to be transmitted in OAM mode 0, and performs spatial modulation A in the fifth bit and thereafter. Use. Since the fifth bit is the signal 0, the signal 1 of the sixth bit is generated as a stream 5 to be transmitted from the UCA 1 in the OAM mode 1. At this time, there is no signal transmitted from UCA1 in the OAM mode-1. Therefore, the stream 5 transmitted from the UCA 1 in the OAM mode 1 is a signal obtained by spatially modulating the signal (01).
  • the signal 0 of the eighth bit is generated as a stream 6 to be transmitted from UCA1 in the OAM mode-1.
  • the stream 6 transmitted from the UCA 1 in the OAM mode 1 is a signal obtained by spatially modulating the signal (10).
  • the signal processing unit 22 of the receiving station receives the mixed signal (0110) of streams 1 to 4 as the signal of OAM mode 0 separated by each of the OAM mode separation processing units 21-1 to 21-4. Separate and demodulate as a signal (0110).
  • the signal of OAM mode 1 is separated for each stream from the mixed signals (1--1) of streams 5-8.
  • "-" indicates a state without a signal (for example, noise level). Therefore, the signal 1 of stream 5 and the signal 1 of stream 8 are separated and demodulated as a signal (0 1 --- 0 1 ).
  • the underlines are the separated actual signals (the same applies hereinafter).
  • the OAM mode-1 signal it is separated for each stream from the mixed signal (-01-) of the streams 5-8. Therefore, the signal 0 of stream 6 and the signal 1 of stream 7 are separated and demodulated as a signal (--1 0 1 1- ).
  • the signals ( 0110 0 1 1 0 1 1 0 1 ) spatially multiplexed and transmitted by streams 1 to 4 and streams 5 to 8 by UCA 1 to UCA 4, OAM modes 0, 1 and 1, and spatial modulation A can be separated and demodulated.
  • FIG. 6 shows an example of space multiplex transmission by six streams.
  • UCA1 to UCA3, OAM modes 0 and 1, and polarization multiplexing are used.
  • spatial modulation B is used in which two bits are transmitted in one stream by polarization multiplexing.
  • the polarizations for transmitting the second bit signal are associated with the first bit signals 0 and 1 as follows.
  • 0: V polarization 1: H polarization According to this, when the signal (01) is spatially modulated, the signal 1 is transmitted by V polarization, and no signal is transmitted by H polarization.
  • the signal (11) is spatially modulated, the signal 1 is transmitted with no signal in V polarization and with H polarization.
  • the signal processing unit 11 of the transmitting station since the first bit is the signal 0, the signal processing unit 11 of the transmitting station generates the signal 1 of the second bit as a stream 1 to be transmitted from UCA 1 with V polarization of OAM mode 0. At this time, there is no signal transmitted from UCA1 with H polarization of OAM mode 0. Therefore, the stream 1 transmitted from the UCA 1 by the V polarization of the OAM mode 0 is a signal obtained by spatially modulating the signal (01).
  • stream 2 transmitted from UCA 2 with H polarization in OAM mode 0 is a signal obtained by spatially modulating signal (10).
  • the signal 1 of the sixth bit is generated as a stream 3 to be transmitted from UCA 3 with V polarization of OAM mode 0.
  • the stream 3 transmitted from the UCA 3 by the V polarization of the OAM mode 0 is a signal obtained by spatially modulating the signal (01).
  • the seventh and subsequent bits are the same except that the OAM mode 1 is used, and the first to twelfth bits can be generated as streams 1 to 6 by two bits each.
  • the signal processing unit 22 of the receiving station is a mixed signal of streams 1 to 3 as a signal of V polarization of OAM mode 0 separated by each of the OAM mode separation processing units 21-1 to 21-4 (1-1) And separate each stream.
  • "-" indicates a state without a signal (for example, noise level). Therefore, the signal 1 of stream 1 and the signal 1 of stream 3 are separated and demodulated as a signal (0 1 ⁇ 0 1 ).
  • the signals are separated for each stream from the mixed signals ( ⁇ 0 ⁇ ) of streams 1 to 3 as H polarization signals of OAM mode 0. Therefore, the signal 0 of stream 2 is separated and demodulated as a signal (--1 0- ).
  • the signal is separated for each stream from the mixed signal (--1) of the streams 4 to 6 as the signal of the V polarization in the OAM mode 1. Therefore, the signal 1 of the stream 6 is separated and demodulated as a signal (---- 0 1 ).
  • the signals are separated for each stream from the mixed signals (01 ⁇ ) of the streams 4 to 6 as H polarization signals of OAM mode 1. Therefore, the signal 0 of stream 4 and the signal 1 of stream 5 are separated and demodulated as a signal (1 0 1 1- ).
  • the signals (0 1 1 0 0 1 0 1 0 1 1 0 1 1 0 1 0 1 0 1 ) spatially multiplexed and transmitted in streams 1 to 6 by UCA1 to UCA3, OAM modes 0 and 1, polarization multiplexing, and space modulation B Can be separated and demodulated.
  • FIG. 7 shows an example of space multiplex transmission by four streams.
  • UCA1 to UCA4, OAM modes 1 and -1, and polarization multiplexing are used.
  • spatial modulation C is used, in which three bits are transmitted in one stream by the OAM mode and polarization multiplexing.
  • the OAM mode for transmitting the third bit signal is associated with polarization as follows in the first, second and tenth bit signals 00, 01, 10, and 11.
  • OAM mode 1 and V polarization 01 OAM mode 1 and H polarization 10: OAM mode-1 and V polarization 11: OAM mode-1 and H polarization
  • a signal 1 is transmitted by the V polarization of the OAM mode 1, a no signal by the H polarization of the OAM mode 1, and a no signal by the V / H polarization of the OAM mode-1.
  • the signal processing unit 11 of the transmitting station generates the signal 1 of the third bit as a stream 1 to be transmitted from UCA 1 with H polarization in the OAM mode 1 because the first and second bits are the signal (01). Do. At this time, there is no signal to be transmitted from UCA1 in the V polarization in OAM mode 1 or in the V / H polarization in OAM mode-1.
  • the 6th bit signal 1 is generated as a stream 2 to be transmitted from UCA 2 with V polarization of OAM mode 1. At this time, there is no signal transmitted from UCA 2 in H polarization in OAM mode 1 or V / H polarization in OAM mode 1.
  • the signal processing unit 22 of the receiving station receives the mixed signal of streams 1 to 4 as the signal of V polarization of the OAM mode 1 separated by each of the OAM mode separation processing units 21-1 to 21-4. Separate from each stream).
  • "-" indicates a state without a signal (for example, noise level). Therefore, the signal 1 of stream 2 is separated, and since the signals of streams 1, 3 and 4 are not detected, they are demodulated as a signal (--- 00 1 ------).
  • the signals are separated for each stream from the mixed signals (1 ---) of streams 1 to 4 as H polarization signals of OAM mode 1. Therefore, the signal 1 of stream 1 is separated, and since the signals of streams 2, 3 and 4 are not detected, they are demodulated as a signal (01 1 ---------).
  • the signal is separated for each stream from the mixed signal ( ⁇ -11) of streams 1 to 4 as a signal of V polarization in OAM mode 1. Accordingly, the signal 1 of stream 3 and the signal 1 of stream 4 are separated, and since the signals of streams 1 and 2 are not detected, they are demodulated as a signal (------ 10 1 10 1 ).
  • the signal of H polarization in OAM mode-1 is separated for each stream from mixed signals (----) of streams 1 to 4, but there is no signal to be separated.
  • the signals (01 100 1 10 1 10 1 ) spatially multiplexed and transmitted in streams 1 to 4 are separated by UCA1 to UCA4, OAM modes 1 and 1, polarization multiplexing, and space modulation C. Can be demodulated.
  • the above four examples are examples of patterns for spatially multiplexing and transmitting 12-bit signals in 12 streams, 8 streams, 6 streams, and 4 streams, and the present invention is not limited to this.
  • the OAM mode may be a combination of 1 and -1.
  • UCA1 to UCA2 OAM modes 0, 1, and 1 and polarization multiplexing are used, six streams can be generated similarly.
  • Other patterns can also be configured in various combinations.
  • the propagation attenuation increases as the transmission distance increases.
  • the reception SNR of each stream is reduced, it is effective to reduce the number of multiplexes (the number of streams) and distribute the transmission power for that amount according to the transmission distance.
  • the spatial modulation of the present invention is used to minimize the reduction of the total transmission capacity even if the multiplexing number is reduced.
  • the multiplexing numbers are set to 12, 8, 6, and 4 depending on the transmission distance, the reduction of the total transmission capacity can be suppressed by applying the spatial modulation as described above.
  • a 12-bit signal is spatially multiplexed and transmitted in 12 streams by using UCA1 to UCA4 in FIG. 4 and OAM modes 0, 1, and -1.
  • six streams of 12-bit signals can be obtained by using UCA1 to UCA3 in FIG. 6, OAM modes 0 and 1, and spatial modulation B which transmits two bits in one stream by polarization multiplexing.
  • Space multiplex transmission In the case of six multiplexing, six streams of 12-bit signals can be obtained by using UCA1 to UCA3 in FIG. 6, OAM modes 0 and 1, and spatial modulation B which transmits two bits in one stream by polarization multiplexing. Space multiplex transmission.
  • a signal of 12 bits can be obtained by using UCA1 to UCA4 in FIG. 7, OAM modes 1 and 1, and spatial modulation C transmitting 3 bits in 1 stream by OAM mode and polarization multiplexing. Space multiplexed transmission with 4 streams.
  • increasing the number of multiplexing can be coped with by increasing the number of UCAs or the number of OAM modes.
  • the number of UCAs is increased, the amount of signal processing required to separate the same OAM mode increases.
  • the OAM mode separation processing unit can easily cope with the problem, but there is a problem 2 that the received power in the high-order OAM mode decreases. Therefore, the number of UCAs and the number of OAM modes need to be selected in accordance with the specifications.

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Abstract

Ｍ－ＵＣＡを送信局と受信局に備え、送信局の各ＵＣＡでそれぞれ複数のＯＡＭモードの信号を生成して送信し、受信局の各ＵＣＡでそれぞれ複数のＯＡＭモードの信号を受信して分離し、ＵＣＡ数×ＯＡＭモード数のストリームを空間多重伝送するＯＡＭ多重通信システムにおいて、送信局は、Ｍ－ＵＣＡの複数のＵＣＡからそれぞれ複数のＯＡＭモードで送信するストリームを生成する信号処理手段を備え、受信局は、Ｍ－ＵＣＡの複数のＵＣＡでそれぞれ分離される複数のＯＡＭモードの信号を入力し、同一ＯＡＭモードの信号からストリームごとに分離する信号処理手段を備える。

Description

ＯＡＭ多重通信システムおよびＯＡＭ多重通信方法
　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８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８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２の信号を生成する場合に、図８(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90度の位相差を設定する。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９は、ＯＡＭ多重信号の位相分布と信号強度分布の例を示す。
　図９(1),(2) において、送信側から伝搬方向に直交する端面（以下、伝搬直交平面と称する。）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。
　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。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９(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１０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１０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８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モードの信号を分離して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.
（課題１）
　平面アレーアンテナ等を用いる多重伝送技術（以下、従来ＭＩＭＯ（multi input multi output）技術と称する。) の場合、多重伝送するすべての伝送がＯＡＭモード０に相当する特性を持つ。よって、従来ＭＩＭＯ技術は、ＯＡＭ多重伝送技術の課題であった高次モードになるほど受信電力が弱くなる課題はないが、すべての多重信号の分離処理を行うために、デジタル信号処理量が多重数の増加に伴い増える課題１がある。この分離処理を、従来のＺＦ（zero forcing）やＭＭＳＥ(minimum mean square error) 等化処理により行う場合、必要となる信号処理量は多重数の３乗に比例して増える。そのため、送受信局の機能制限により使える信号処理量に制限がある場合、例えば１秒当たりに計算可能な計算の数等の制限がある場合には、多重数の制限が生じることになる。
（課題２）
　ＯＡＭ多重伝送技術は、各ＯＡＭモードが直交であるため、各ＯＡＭモードの信号分離に要するデジタル信号処理量は小さい利点があるものの、ＯＡＭモードに応じて受信電力のバラツキがあり、特に高次ＯＡＭモードの受信電力が低下する課題２がある。
（課題３）
　ＯＡＭ多重伝送技術および従来ＭＩＭＯ技術では、伝送距離の増加に伴い受信電力が低下する。受信電力の低下時に、受信側の所望の受信電力値を満たすために、送信する多重の数を減らす必要が生じる。例えば、伝送距離が０ｍから40ｍまでは、多重数を12で所望の受信電力を満たしたとしても、伝送距離が40ｍから70ｍまでになると、多重数を８に減らす必要が生じ、さらに伝送距離が70ｍから 100ｍになると、多重数を４に減らす必要が生じるような場合がある。このように、伝送距離の増加による多重数の低下により、伝送容量が減少する課題３がある。
（課題４）
　一方、複数のＵＣＡを同心で配置したＭ(Multi) －ＵＣＡを用い、極座標系における円周方向の次元で直交性を有するＯＡＭモードに加えて、ＯＡＭモード毎に直径方向の次元で１つ以上の固有モードを算出・運用する方法も検討されている。
　本発明は、Ｍ－ＵＣＡを利用して空間多重伝送を行う無線通信システムにおいて、信号分離に要する信号処理量を最小限に抑えつつ、多重数を増加することにより伝送容量を向上させることができ、かつ伝送距離の増加に伴う多重数の低下および伝送容量の低下を最小化することができるＯＡＭ多重通信システムおよびＯＡＭ多重通信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に配置したＵＣＡを、同心円状に配置した複数のＵＣＡからなるＭ－ＵＣＡを送信局と受信局に備え、送信局の各ＵＣＡでそれぞれ複数のＯＡＭモードの信号を生成して送信し、受信局の各ＵＣＡでそれぞれ複数のＯＡＭモードの信号を受信して分離し、ＵＣＡ数×ＯＡＭモード数のストリームを空間多重伝送するＯＡＭ多重通信システムにおいて、送信局は、Ｍ－ＵＣＡの複数のＵＣＡからそれぞれ複数のＯＡＭモードで送信するＵＣＡ数×ＯＡＭモード数のストリームを生成する信号処理手段を備え、受信局は、Ｍ－ＵＣＡの複数のＵＣＡでそれぞれ分離される複数のＯＡＭモードの信号を入力し、同一ＯＡＭモードの信号からストリームごとに分離する信号処理手段を備える。
　第２の発明は、第１の発明のＯＡＭ多重通信システムにおいて、送信局および受信局のＭ－ＵＣＡの各ＵＣＡは、２つの偏波の信号を互いに独立に送受信する構成であり、送信局および受信局の信号処理手段は、２つの偏波に対応するストリームを生成および分離する構成である。
　第３の発明は、第１の発明のＯＡＭ多重通信システムにおいて、送信局の信号処理手段は、複数のＵＣＡと複数のＯＡＭモードを１対１に対応付けてストリームを生成する構成であり、受信局の信号処理手段は、同一ＯＡＭモードの信号から複数のＵＣＡに対応するストリームを分離する構成である。
　第４の発明は、第１または第２の発明のＯＡＭ多重通信システムにおいて、送信局の信号処理手段は、１ビット目の０，１に応じて後続ビットを送信する対となるＯＡＭモードの一方を選択する空間変調Ａを行い、後続ビットを選択された一方のＯＡＭモードで送信するストリームを生成する構成であり、受信局の信号処理手段は、対となるＯＡＭモードの信号から複数のＵＣＡに対応するストリームを分離し、空間変調Ａに用いた１ビット目を付加してストリームごとに復調する構成である。
　第５の発明は、第２の発明のＯＡＭ多重通信システムにおいて、送信局の信号処理手段は、１ビット目の０，１に応じて後続ビットを送信する２つの偏波を選択する空間変調Ｂを行い、後続ビットを選択された一方の偏波で送信するストリームを生成する構成であり、受信局の信号処理手段は、ＯＡＭモードごとに２つの偏波の信号から複数のＵＣＡに対応するストリームを分離し、空間変調Ｂに用いた１ビット目を付加してストリームごとに復調する構成である。
　第６の発明は、第２の発明のＯＡＭ多重通信システムにおいて、送信局の信号処理手段は、１，２ビット目の００，０１，１０，１１に応じて後続ビットを送信する対となるＯＡＭモードと２つの偏波を選択する空間変調Ｃを行い、後続ビットを選択された一方のＯＡＭモードと偏波で送信するストリームを生成する構成であり、受信局の信号処理手段は、対となるＯＡＭモードおよび２つの偏波の信号から複数のＵＣＡに対応するストリームを分離し、空間変調Ｃに用いた１，２ビット目を付加してストリームごとに復調する構成である。
　第７の発明は、第２の発明のＯＡＭ多重通信システムにおいて、送信局および受信局の信号処理手段は、送信局と受信局との距離の増加に応じて、第４の発明における空間変調Ａ、または第５の発明における空間変調Ｂ、または第６の発明における空間変調Ｃを用いて空間多重伝送するストリーム数を削減する構成である。
　第８の発明は、複数のアンテナ素子を円形に等間隔に配置したＵＣＡを、同心円状に配置した複数のＵＣＡからなるＭ－ＵＣＡを送信局と受信局に備え、送信局の各ＵＣＡでそれぞれ複数のＯＡＭモードの信号を生成して送信し、受信局の各ＵＣＡでそれぞれ複数のＯＡＭモードの信号を受信して分離し、ＵＣＡ数×ＯＡＭモード数のストリームを空間多重伝送するＯＡＭ多重通信方法において、送信局は、Ｍ－ＵＣＡの複数のＵＣＡからそれぞれ複数のＯＡＭモードで送信するＵＣＡ数×ＯＡＭモード数のストリームを生成する信号処理ステップを有し、受信局は、Ｍ－ＵＣＡの複数のＵＣＡでそれぞれ分離される複数のＯＡＭモードの信号を入力し、同一ＯＡＭモードの信号からストリームごとに分離する信号処理ステップを有する。
　第９の発明は、第８の発明のＯＡＭ多重通信方法において、送信局および受信局のＭ－ＵＣＡの各ＵＣＡは、２つの偏波の信号を互いに独立に送受信し、送信局および受信局の信号処理ステップは、２つの偏波に対応するストリームを生成および分離する。
　本発明は、各ＵＣＡで受信する同一ＯＡＭモードの信号分離に要する信号処理量を最小限に抑えるとともに、多重数（ストリーム数）を増加することにより伝送容量を向上させ、さらに伝送距離の増加に応じた多重数の削減による伝送容量の低下を空間変調により最小化することができる。
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。 送信局のＭ－ＵＣＡと受信局のＭ－ＵＣＡの関係を示す図である。 本発明のＯＡＭ多重通信システムの実施例構成を示す図である。 12ストリームによる空間多重伝送例を示す図である。 ８ストリームによる空間多重伝送例を示す図である。 ６ストリームによる空間多重伝送例を示す図である。 ４ストリームによる空間多重伝送例を示す図である。 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。
　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－ＵＣＡは、同心円状に複数のＵＣＡを配置した構成である。ここでは、互いに半径が異なる４つのＵＣＡを配置した構成を示し、内側のＵＣＡから順番に、ＵＣＡ１，ＵＣＡ２，ＵＣＡ３，ＵＣＡ４とする。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。
　Ｍ－ＵＣＡを構成するｍ個のＵＣＡは、それぞれｎ個のＯＡＭモードの信号を生成し、それらを同時に送信することにより、ｍ×ｎの時系列データ（ストリーム）を空間多重して伝送することができる。さらに、異なる２つの偏波（Ｖ偏波、Ｈ偏波）を用いることにより２倍の伝送容量を実現することができる。この場合、Ｍ－ＵＣＡを構成するアンテナ素子は、Ｖ偏波とＨ偏波を送受信する構成であってもよい。また、Ｖ偏波用とＨ偏波用のアンテナ素子を並列に備える構成であってもよい。
　なお、以下の説明を簡単にするために、送信局および受信局のＭ－ＵＣＡのＵＣＡ数および各ＵＣＡのアンテナ素子数をそれぞれ同数とするが、異なる場合はアンテナ素子数が少ない方にＯＡＭモードの数が制限され、ＵＣＡ数が少ない方にストリーム数が制限される。
　例えば、送信側のＭ－ＵＣＡが４個のＵＣＡ１，ＵＣＡ２，ＵＣＡ３，ＵＣＡ４で構成され、各ＵＣＡがＯＡＭモード０，１，－１の信号を生成する場合、図２(1) に示すように12個の異なるストリームを同時送信することができる。ＵＣＡ１～ＵＣＡ４がＯＡＭモード０で送信する信号をストリーム１～４とし、ＯＡＭモード１で送信する信号をストリーム５～８とし、ＯＡＭモード－１で送信する信号をストリーム９～12とする。
　受信側のＭ－ＵＣＡも４個のＵＣＡ１～ＵＣＡ４で構成され、各ＵＣＡがＯＡＭモード０，１，－１の信号を分離できる構成とする。ただし、各ＵＣＡは異なるＯＡＭモードの信号は分離できるが、同一のＯＡＭモードの信号は分離できない。そのため、図２(2) に示すように、例えばＵＣＡ１でＯＡＭモード０を分離した信号には、送信側のＵＣＡ１～ＵＣＡ４からＯＡＭモード０で送信されたストリーム１，２，３，４が混在して受信される。したがって、ＵＣＡ１で分離したＯＡＭモード０のストリーム１，２，３，４が混在した信号からストリームごとに分離する必要がある。ＵＣＡ２～ＵＣＡ４でも同様であり、ＯＡＭモード１，－１でも同様である。
　このように、本発明のＯＡＭ多重通信システムの受信局では、まずＵＣＡ１～ＵＣＡ４ごとにＯＡＭモード０，１，－１を分離するＯＡＭモード分離処理部と、同一ＯＡＭモードの各ストリームを分離する信号処理部が用いられる。
　信号処理部における同一ＯＡＭモードの各ストリームの分離処理は、送信側から送信される既知信号などを用いてチャネル推定を行い、そのチャネル推定結果を用いた等化処理により可能である。
　また、送信側でチャネル情報を用いて各ＯＡＭモードの信号に前処理（プリコーディング）を行うことにより固有ビームを生成すれば、受信側で等化処理を行わなくても各ストリームの分離処理が可能である。
　ここで、チャネル情報は、受信側から別の送受信系統によりフィードバックして収集してもよい。また、見通し環境の場合は、ＯＡＭビームの伝播特性の理論式からチャネル情報計算し、その計算結果を用いてもよい。例えば、見通しの場合、ＧＰＳの情報などの別の手段から取得する送受信アンテナ間の距離情報を用いて、送受信Ｍ－ＵＣＡの各アンテナ素子間のチャネル情報を計算し、その情報から各ＯＡＭモードのチャネル情報を計算することができる。具体的には、送受信アンテナの各素子の距離と使う周波数から計算するビームの波長の情報から、伝播減衰と位相の情報の取得が可能である。
　図３は、本発明のＯＡＭ多重通信システムの実施例構成を示す。ここでは、図２に示すストリーム１～12の信号を送受信する構成例を示す。
　図３において、送信局は、ＵＣＡ１～ＵＣＡ４を備える。信号処理部１１は、送信信号系列を入力し、ＵＣＡ１～ＵＣＡ４からそれぞれＯＡＭモード０，１，－１で送信するストリーム１～12の信号を生成する。ＯＡＭモード生成処理部１２－１は、ＵＣＡ１からＯＡＭモード０，１，－１で送信するストリーム１，５，９の信号を入力する。ＯＡＭモード生成処理部１２－２は、ＵＣＡ２からＯＡＭモード０，１，－１で送信するストリーム２，６，10の信号を入力する。ＯＡＭモード生成処理部１２－３は、ＵＣＡ３からＯＡＭモード０，１，－１で送信するストリーム３，７，11の信号を入力する。ＯＡＭモード生成処理部１２－４は、ＵＣＡ４からＯＡＭモード０，１，－１で送信するストリーム４，８，12の信号を入力する。ＯＡＭモード生成処理部１２－１～１２－４は、それぞれ入力した信号をＯＡＭモード０，１，－１の信号として送信されるように位相調整して各ＵＣＡのアンテナ素子に入力する。また、２つの偏波を用いる場合は、Ｖ偏波とＨ偏波でそれぞれ送信する信号を入出力する構成となる。
　受信局は、ＵＣＡ１～ＵＣＡ４を備える。ＯＡＭモード分離処理部２１－１～２１－４は、ＵＣＡ１～ＵＣＡ４で受信した信号からそれぞれＯＡＭモード０，１，－１の信号を分離する。ＯＡＭモード分離処理部２１－１～２１－４でそれぞれ分離したＯＡＭモード０の信号にはストリーム１，２，３，４が混在し、ＯＡＭモード１の信号にはストリーム５，６，７，８が混在し、ＯＡＭモード－１の信号にはストリーム９，10，11，12が混在している。信号処理部２２は、ＯＡＭモード分離処理部２１－１～２１－４で分離されたＯＡＭモード０，１，－１の信号を入力し、ＯＡＭモード０の信号からストリーム１，２，３，４を分離し、ＯＡＭモード１の信号からストリーム５，６，７，８を分離し、ＯＡＭモード－１の信号からストリーム９，10，11，12を分離し、各ストリームの信号を復調して受信信号系列を出力する。また、２つの偏波を用いる場合は、Ｖ偏波とＨ偏波でそれぞれ受信する信号を入出力する構成となる。
　以下、Ｍ－ＵＣＡを構成する４個のＵＣＡ１～ＵＣＡ４と、ＯＡＭモード０，１，－１と、さらに偏波を組み合わせ、12ビットの信号（０１１００１１０１１０１）を空間多重伝送する方法について説明する。変調方式は１シンボル・１ビットのＢＰＳＫとするが、ＱＰＳＫの場合は１シンボル・２ビット、16ＱＡＭの場合は１シンボル・４ビットの変調が可能になるが、基本的な動作は同様である。
（12ストリームによる空間多重伝送例）
　図４は、12ストリームによる空間多重伝送例を示す。
　ここでは、ＵＣＡ１～ＵＣＡ４と、ＯＡＭモード０，１，－１を用いる。
　図４において、送信局の信号処理部１１は、最初の４ビットの信号（０１１０）をＵＣＡ１～ＵＣＡ４からＯＡＭモード０で送信するストリーム１～４として生成し、次の４ビットの信号（０１１０）をＵＣＡ１～ＵＣＡ４からＯＡＭモード１で送信するストリーム５～８として生成し、次の４ビットの信号（１１０１）をＵＣＡ１～ＵＣＡ４からＯＡＭモード－１で送信するストリーム９～12として生成する。
　受信局の信号処理部２２は、ＯＡＭモード分離処理部２１－１～２１－４でそれぞれ分離されたＯＡＭモード０の信号として、ストリーム１～４の信号（０１１０）を混在して入力する。同時にＯＡＭモード１の信号としてストリーム５～８の信号（０１１０）を混在して入力し、ＯＡＭモード－１の信号としてストリーム９～12の信号（１１０１）を混在して入力する。そして、ＯＡＭモード０で受信したストリーム１～４の混在した信号（０１１０）から、ストリームごとに信号０，１，１，０を分離して復調する。ＯＡＭモード１，－１についても同様である。
　以上により、ＵＣＡ１～ＵＣＡ４と、ＯＡＭモード０，１，－１により、ストリーム１～12で空間多重伝送された信号（０１１００１１０１１０１）を分離して復調することができる。
（８ストリームによる空間多重伝送例）
　図５は、８ストリームによる空間多重伝送例を示す。
　ここでは、ＵＣＡ１～ＵＣＡ４と、ＯＡＭモード０，１，－１を用いる。さらに、２ビットを１ストリームで伝送する空間変調Ａを用いる。空間変調Ａとは、１ビット目の信号０，１に、２ビット目の信号を送信するＯＡＭモードを以下のように対応付ける。
　　０：ＯＡＭモード１
　　１：ＯＡＭモード－１
　なお、本発明で用いる「空間変調」は、モード変調、ＯＡＭモード変調、インデックス変調、もしくはＯＡＭインデックス変調と言ってよい。
　これにより、信号（０１）を空間変調すると、ＯＡＭモード１で信号１、ＯＡＭモード－１で無信号を送信する。信号（１１）を空間変調すると、ＯＡＭモード１で無信号、ＯＡＭモード－１で信号１を送信する。
　図５において、送信局の信号処理部１１は、最初の４ビットの信号（０１１０）をＵＣＡ１～ＵＣＡ４からＯＡＭモード０で送信するストリーム１～４として生成し、５ビット目以降に空間変調Ａを用いる。５ビット目は信号０であるので、６ビット目の信号１をＵＣＡ１からＯＡＭモード１で送信するストリーム５として生成する。このとき、ＵＣＡ１からＯＡＭモード－１で送信する信号はない。よって、ＵＣＡ１からＯＡＭモード１で送信されるストリーム５は、信号（０１）を空間変調した信号となる。
　同時に、７ビット目は信号１であるので、８ビット目の信号０をＵＣＡ１からＯＡＭモード－１で送信するストリーム６として生成する。このとき、ＵＣＡ２からＯＡＭモード１で送信する信号はない。よって、ＵＣＡ１からＯＡＭモード－１で送信するストリーム６は、信号（１０）を空間変調した信号となる。
　さらに、９ビット目以降も同様であり、５ビット目から12ビット目まで２ビットずつストリーム５～８として生成することができる。
　受信局の信号処理部２２は、ＯＡＭモード分離処理部２１－１～２１－４でそれぞれ分離されたＯＡＭモード０の信号として、ストリーム１～４の混在した信号（０１１０）から、ストリーム１～４ごとに分離し、信号（０１１０）として復調する。
　同時に、ＯＡＭモード１の信号として、ストリーム５～８の混在した信号（１－－１）から、ストリームごとに分離する。ここで、「－」は信号がない状態（例えば雑音レベル）を示す。よって、ストリーム５の信号１、ストリーム８の信号１を分離し、信号（０１－－－－０１）として復調する。下線は分離した実信号である（以下同様）。
　同時に、ＯＡＭモード－１の信号として、ストリーム５～８の混在した信号（－０１－）から、ストリームごとに分離する。よって、ストリーム６の信号０、ストリーム７の信号１を分離し、信号（－－１０１１－－）として復調する。
　以上により、ＵＣＡ１～ＵＣＡ４と、ＯＡＭモード０，１，－１と、空間変調Ａにより、ストリーム１～４とストリーム５～８で空間多重伝送された信号（０１１００１１０１１０１）を分離して復調することができる。
（６ストリームによる空間多重伝送例）
　図６は、６ストリームによる空間多重伝送例を示す。
　ここでは、ＵＣＡ１～ＵＣＡ３と、ＯＡＭモード０，１と、偏波多重を用いる。さらに、偏波多重により２ビットを１ストリームで伝送する空間変調Ｂを用いる。空間変調Ｂとは、１ビット目の信号０，１に、２ビット目の信号を送信する偏波を以下のように対応付ける。
　　０：Ｖ偏波
　　１：Ｈ偏波
　これにより、信号（０１）を空間変調すると、Ｖ偏波で信号１、Ｈ偏波で無信号を送信する。信号（１１）を空間変調すると、Ｖ偏波で無信号、Ｈ偏波で信号１を送信する。
　図６において、送信局の信号処理部１１は、１ビット目が信号０であるので、２ビット目の信号１をＵＣＡ１からＯＡＭモード０のＶ偏波で送信するストリーム１として生成する。このとき、ＵＣＡ１からＯＡＭモード０のＨ偏波で送信する信号はない。よって、ＵＣＡ１からＯＡＭモード０のＶ偏波で送信されるストリーム１は、信号（０１）を空間変調した信号となる。
　同時に、３ビット目は信号１であるので、４ビット目の信号０をＵＣＡ２からＯＡＭモード０のＨ偏波で送信するストリーム２として生成する。このとき、ＵＣＡ２からＯＡＭモード０のＶ偏波で送信する信号はない。よって、ＵＣＡ２からＯＡＭモード０のＨ偏波で送信されるストリーム２は、信号（１０）を空間変調した信号となる。
　同時に、５ビット目は信号０であるので、６ビット目の信号１をＵＣＡ３からＯＡＭモード０のＶ偏波で送信するストリーム３として生成する。このとき、ＵＣＡ３からＯＡＭモード０のＨ偏波で送信する信号はない。よって、ＵＣＡ３からＯＡＭモード０のＶ偏波で送信されるストリーム３は、信号（０１）を空間変調した信号となる。
　さらに、７ビット目以降はＯＡＭモード１を用いる他は同様であり、１ビット目から12ビット目まで２ビットずつストリーム１～６として生成することができる。
　受信局の信号処理部２２は、ＯＡＭモード分離処理部２１－１～２１－４でそれぞれ分離されたＯＡＭモード０のＶ偏波の信号として、ストリーム１～３の混在した信号（１－１）から、ストリームごとに分離する。ここで、「－」は信号がない状態（例えば雑音レベル）を示す。よって、ストリーム１の信号１、ストリーム３の信号１を分離し、信号（０１－－０１）として復調する。
　同時に、ＯＡＭモード０のＨ偏波の信号として、ストリーム１～３の混在した信号（－０－）から、ストリームごとに分離する。よって、ストリーム２の信号０を分離し、信号（－－１０－－）として復調する。
　同時に、ＯＡＭモード１のＶ偏波の信号として、ストリーム４～６の混在した信号（－－１）から、ストリームごとに分離する。よって、ストリーム６の信号１を分離し、信号（－－－－０１）として復調する。
　同時に、ＯＡＭモード１のＨ偏波の信号として、ストリーム４～６の混在した信号（０１－）から、ストリームごとに分離する。よって、ストリーム４の信号０、ストリーム５の信号１を分離し、信号（１０１１－－）として復調する。
　以上により、ＵＣＡ１～ＵＣＡ３と、ＯＡＭモード０，１と、偏波多重と、空間変調Ｂにより、ストリーム１～６で空間多重伝送された信号（０１１００１１０１１０１）を分離して復調することができる。
（４ストリームによる空間多重伝送例）
　図７は、４ストリームによる空間多重伝送例を示す。
　ここでは、ＵＣＡ１～ＵＣＡ４と、ＯＡＭモード１，－１と、偏波多重を用いる。さらに、ＯＡＭモードと偏波多重により３ビットを１ストリームで伝送する空間変調Ｃを用いる。空間変調Ｃとは、１，２ビット目の信号００，０１，１０，１１に、３ビット目の信号を送信するＯＡＭモードと偏波を以下のように対応付ける。
　　００：ＯＡＭモード１およびＶ偏波
　　０１：ＯＡＭモード１およびＨ偏波
　　１０：ＯＡＭモード－１およびＶ偏波
　　１１：ＯＡＭモード－１およびＨ偏波
　これにより、信号（００１）を空間変調すると、ＯＡＭモード１のＶ偏波で信号１、ＯＡＭモード１のＨ偏波で無信号、ＯＡＭモード－１のＶ／Ｈ偏波で無信号を送信する。
　図７において、送信局の信号処理部１１は、１，２ビット目が信号（０１）であるので、３ビット目の信号１をＵＣＡ１からＯＡＭモード１のＨ偏波で送信するストリーム１として生成する。このとき、ＵＣＡ１からＯＡＭモード１のＶ偏波、ＯＡＭモード－１のＶ／Ｈ偏波で送信する信号はない。
　同時に、４，５ビット目が信号（００）であるので、６ビット目の信号１をＵＣＡ２からＯＡＭモード１のＶ偏波で送信するストリーム２として生成する。このとき、ＵＣＡ２からＯＡＭモード１のＨ偏波、ＯＡＭモード－１のＶ／Ｈ偏波で送信する信号はない。
　さらに、７ビット目以降も同様であり、１ビット目～12ビット目まで３ビットずつストリーム１～４として生成することができる。
　受信局の信号処理部２２は、ＯＡＭモード分離処理部２１－１～２１－４でそれぞれ分離されたＯＡＭモード１のＶ偏波の信号として、ストリーム１～４の混在した信号（－１－－）から、ストリームごとに分離する。ここで、「－」は信号がない状態（例えば雑音レベル）を示す。よって、ストリーム２の信号１を分離し、ストリーム１，３，４の信号は検出されないので、信号（－－－００１－－－－－－）として復調する。
　同時に、ＯＡＭモード１のＨ偏波の信号として、ストリーム１～４の混在した信号（１－－－）から、ストリームごとに分離する。よって、ストリーム１の信号１を分離し、ストリーム２，３，４の信号は検出されないので、信号（０１１－－－－－－－－－）として復調する。
　同時に、ＯＡＭモード－１のＶ偏波の信号として、ストリーム１～４の混在した信号（－－１１）から、ストリームごとに分離する。よって、ストリーム３の信号１、ストリーム４の信号１をそれぞれ分離し、ストリーム１，２の信号は検出されないので、信号（－－－－－－１０１１０１）として復調する。
　同時に、ＯＡＭモード－１のＨ偏波の信号として、ストリーム１～４の混在した信号（－－－－）から、ストリームごとに分離するが、分離される信号はない。
　以上により、ＵＣＡ１～ＵＣＡ４と、ＯＡＭモード１，－１と、偏波多重と、空間変調Ｃにより、ストリーム１～４で空間多重伝送された信号（０１１００１１０１１０１）を分離して復調することができる。
　なお、以上示した４例は、12ビットの信号を12ストリーム、８ストリーム、６ストリーム、４ストリームで空間多重伝送するパターンの一例であり、これに限定されるものではない。例えば、６ストリームの場合、ＵＣＡ１～ＵＣＡ３と、ＯＡＭモード０，１と、偏波多重を用いた例を示したが、ＯＡＭモードは１，－１の組み合わせでもよい。また、ＵＣＡ１～ＵＣＡ２と、ＯＡＭモード０，１，－１と、偏波多重を用いても、同様に６ストリームとして生成することができる。他のパターンもいろいろな組み合わせで構成することができる。
　また、ＯＡＭ多重伝送技術を含む無線多重通信伝送技術は、伝送距離の増加に応じて伝播減衰が増加する。これにより、各ストリームの受信ＳＮＲが低下するため、伝送距離に応じて、多重数（ストリーム数）を減らしてその分の送信電力を振り分けることが有効である。ただし、多重数を減らしても、総伝送容量の減少を最小限に押えるために、本発明の空間変調を利用する。
　伝送距離に応じて、多重数を12， 8，６，４にする場合は、それぞれ上記のような空間変調を適用することにより、総伝送容量の減少を押えることができる。
　多重数12の場合は、図４のＵＣＡ１～ＵＣＡ４と、ＯＡＭモード０，１，－１を用いて12ビットの信号を12ストリームで空間多重伝送する。
　多重数８の場合は、図５のＵＣＡ１～ＵＣＡ４と、ＯＡＭモード０，１，－１を用い、。さらに２ビットを１ストリームで伝送する空間変調Ａを用いることにより、12ビットの信号を８ストリームで空間多重伝送する。
　多重数６の場合は、図６のＵＣＡ１～ＵＣＡ３と、ＯＡＭモード０，１と、偏波多重により２ビットを１ストリームで伝送する空間変調Ｂを用いることにより、12ビットの信号を６ストリームで空間多重伝送する。
　多重数４の場合は、図７のＵＣＡ１～ＵＣＡ４と、ＯＡＭモード１，－１と、ＯＡＭモードと偏波多重により３ビットを１ストリームで伝送する空間変調Ｃを用いることにより、12ビットの信号を４ストリームで空間多重伝送する。
　また、多重数を増やす場合は、ＵＣＡの数またはＯＡＭモードの数を増やすことにより対応することができる。ただし、ＵＣＡの数を増やす場合には、同一ＯＡＭモードの分離に要する信号処理量が増える。ＯＡＭモードの数を増やす場合には、ＯＡＭモード分離処理部で容易に対応することができるが、高次ＯＡＭモードの受信電力が低下する課題２がある。したがって、ＵＣＡの数とＯＡＭモードの数は、仕様に応じて最適な値を選択する必要がある。
　１１　信号処理部
　１２　ＯＡＭモード生成処理部
　２１　ＯＡＭモード分離処理部
　２２　信号処理部

Claims (9)

  1. 　複数のアンテナ素子を円形に等間隔に配置した等間隔円形アレーアンテナ（以下、ＵＣＡ）を、同心円状に配置した複数のＵＣＡからなるＭ－ＵＣＡを送信局と受信局に備え、送信局の各ＵＣＡでそれぞれ複数のＯＡＭモードの信号を生成して送信し、受信局の各ＵＣＡでそれぞれ複数のＯＡＭモードの信号を受信して分離し、ＵＣＡ数×ＯＡＭモード数のストリームを空間多重伝送するＯＡＭ多重通信システムにおいて、
    　前記送信局は、前記Ｍ－ＵＣＡの複数のＵＣＡからそれぞれ複数のＯＡＭモードで送信するＵＣＡ数×ＯＡＭモード数のストリームを生成する信号処理手段を備え、
    　前記受信局は、前記Ｍ－ＵＣＡの複数のＵＣＡでそれぞれ分離される複数のＯＡＭモードの信号を入力し、同一ＯＡＭモードの信号から前記ストリームごとに分離する信号処理手段を備えた
    　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、
    　前記送信局および前記受信局のＭ－ＵＣＡの各ＵＣＡは、２つの偏波の信号を互いに独立に送受信する構成であり、
    　前記送信局および前記受信局の信号処理手段は、前記２つの偏波に対応するストリームを生成および分離する構成である
    　ことを特徴とするＯＡＭ多重通信システム。
  3. 　請求項１に記載のＯＡＭ多重通信システムにおいて、
    　前記送信局の信号処理手段は、前記複数のＵＣＡと前記複数のＯＡＭモードを１対１に対応付けて前記ストリームを生成する構成であり、
    　前記受信局の信号処理手段は、前記同一ＯＡＭモードの信号から前記複数のＵＣＡに対応するストリームを分離する構成である
    　ことを特徴とするＯＡＭ多重通信システム。
  4. 　請求項１または請求項２に記載のＯＡＭ多重通信システムにおいて、
    　前記送信局の信号処理手段は、１ビット目の０，１に応じて後続ビットを送信する対となるＯＡＭモードの一方を選択する空間変調Ａを行い、後続ビットを選択された一方のＯＡＭモードで送信するストリームを生成する構成であり、
    　前記受信局の信号処理手段は、前記対となるＯＡＭモードの信号から前記複数のＵＣＡに対応するストリームを分離し、前記空間変調Ａに用いた前記１ビット目を付加して前記ストリームごとに復調する構成である
    　ことを特徴とするＯＡＭ多重通信システム。
  5. 　請求項２に記載のＯＡＭ多重通信システムにおいて、
    　前記送信局の信号処理手段は、１ビット目の０，１に応じて後続ビットを送信する前記２つの偏波を選択する空間変調Ｂを行い、後続ビットを選択された一方の偏波で送信するストリームを生成する構成であり、
    　前記受信局の信号処理手段は、ＯＡＭモードごとに前記２つの偏波の信号から前記複数のＵＣＡに対応するストリームを分離し、前記空間変調Ｂに用いた前記１ビット目を付加して前記ストリームごとに復調する構成である
    　ことを特徴とするＯＡＭ多重通信システム。
  6. 　請求項２に記載のＯＡＭ多重通信システムにおいて、
    　前記送信局の信号処理手段は、１，２ビット目の００，０１，１０，１１に応じて後続ビットを送信する対となるＯＡＭモードと前記２つの偏波を選択する空間変調Ｃを行い、後続ビットを選択された一方のＯＡＭモードと偏波で送信するストリームを生成する構成であり、
    　前記受信局の信号処理手段は、前記対となるＯＡＭモードおよび前記２つの偏波の信号から前記複数のＵＣＡに対応するストリームを分離し、前記空間変調Ｃに用いた前記１，２ビット目を付加して前記ストリームごとに復調する構成である
    　ことを特徴とするＯＡＭ多重通信システム。
  7. 　請求項２に記載のＯＡＭ多重通信システムにおいて、
    　前記送信局および前記受信局の信号処理手段は、前記送信局と前記受信局との距離の増加に応じて、１ビット目の０，１に応じて後続ビットを送信する対となるＯＡＭモードの一方を選択する空間変調Ａ、または１ビット目の０，１に応じて後続ビットを送信する前記２つの偏波を選択する空間変調Ｂ、または１，２ビット目の００，０１，１０，１１に応じて後続ビットを送信する対となるＯＡＭモードと前記２つの偏波を選択する空間変調Ｃを用いて、前記空間多重伝送するストリーム数を削減する構成である
    　ことを特徴とするＯＡＭ多重通信システム。
  8. 　複数のアンテナ素子を円形に等間隔に配置した等間隔円形アレーアンテナ（以下、ＵＣＡ）を、同心円状に配置した複数のＵＣＡからなるＭ－ＵＣＡを送信局と受信局に備え、送信局の各ＵＣＡでそれぞれ複数のＯＡＭモードの信号を生成して送信し、受信局の各ＵＣＡでそれぞれ複数のＯＡＭモードの信号を受信して分離し、ＵＣＡ数×ＯＡＭモード数のストリームを空間多重伝送するＯＡＭ多重通信方法において、
    　前記送信局は、前記Ｍ－ＵＣＡの複数のＵＣＡからそれぞれ複数のＯＡＭモードで送信するＵＣＡ数×ＯＡＭモード数のストリームを生成する信号処理ステップを有し、
    　前記受信局は、前記Ｍ－ＵＣＡの複数のＵＣＡでそれぞれ分離される複数のＯＡＭモードの信号を入力し、同一ＯＡＭモードの信号から前記ストリームごとに分離する信号処理ステップを有する
    　ことを特徴とするＯＡＭ多重通信方法。
  9. 　請求項８に記載のＯＡＭ多重通信方法において、
    　前記送信局および前記受信局のＭ－ＵＣＡの各ＵＣＡは、２つの偏波の信号を互いに独立に送受信し、
    　前記送信局および前記受信局の信号処理ステップは、前記２つの偏波に対応するストリームを生成および分離する
    　ことを特徴とするＯＡＭ多重通信方法。
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