WO2023162007A1 - 送信装置 - Google Patents

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健 平賀
斗煥 李
宏礼 芝
淳 増野
裕文 笹木
穂乃花 伊藤
康徳 八木
知哉 景山
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日本電信電話株式会社
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    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04J—MULTIPLEX COMMUNICATION
    • H04J99/00—Subject matter not provided for in other groups of this subclass

Definitions

  • the present invention relates to technology for spatially multiplexing wireless signals using the orbital angular momentum (OAM) of electromagnetic waves.
  • OFAM orbital angular momentum
  • Non-Patent Document 1 An electromagnetic wave with OAM has an equiphase plane distributed spirally along the propagation direction centered on the propagation axis. Electromagnetic waves having different OAM modes and propagating in the same direction have orthogonal spatial phase distributions in the rotation axis direction. can be transmitted.
  • a plurality of antenna elements are arranged in a circle at equal intervals (hereinafter referred to as UCA (Uniform Circular Array)), and a plurality of OAM modes are generated.
  • UCA Uniform Circular Array
  • - Spatial multiplex transmission of different signal sequences can be realized by combining and transmitting (for example, Non-Patent Document 2).
  • a Butler circuit (Butler matrix circuit), for example, is used for signal generation and signal separation in a plurality of OAM modes.
  • Patent Literature 1 discloses a technique for switching between a plurality of OAM modes using discrete Fourier transform.
  • Patent Literature 2 discloses a technique of switching the OAM mode by radiation from a pseudo traveling wave resonator using a metamaterial structure by changing the applied magnetic field.
  • a transmission device using a UCA and a Butler circuit enables high-capacity communication, but in the future, it is desired to respond to miniaturization, power saving, etc.
  • the conventional wireless transmission technology has a problem that it is difficult to realize various OAM modes such as switching between OAM modes and using fractional OAM mode.
  • the disclosed technology aims to realize various OAM modes.
  • the disclosed technique comprises a first frequency converter configured to convert the frequency of a baseband signal to an intermediate frequency corresponding to a desired OAM mode; and a second frequency converter configured to convert the delayed intermediate frequency signal to a constant radio frequency.
  • FIG. 10 is a diagram showing an example of UCA phase setting for generating an OAM mode signal
  • FIG. 4 is a diagram showing an example of phase distribution and signal strength distribution of an OAM multiplexed signal
  • 1 is a configuration diagram of a communication system according to an embodiment of the present invention
  • FIG. It is a figure which shows an example of the hardware constitutions of the transmission apparatus which concerns on embodiment of this invention.
  • the transmitting apparatus maintains a constant RF (Radio Frequency) frequency, varies an intermediate frequency (IF), and includes a delay line in each branch.
  • RF Radio Frequency
  • IF intermediate frequency
  • the local oscillation frequency of the first frequency converter from baseband to IF and the local oscillation frequency of the second frequency converter from IF to RF are made variable to change the IF frequency while changing the RF frequency. keep constant.
  • the IF frequency By changing the IF frequency, the amount of phase shift in a circuit that generates a fixed time delay is changed according to the desired OAM mode.
  • FIG. 1 is a diagram showing an example of UCA phase setting for generating an OAM mode signal.
  • the UCA shown in FIG. 1 is a UCA consisting of eight antenna elements.
  • the signals of OAM modes 0, 1, 2, 3, are generated by setting the phase of the signal to be supplied to each antenna element so that the phase becomes n rotations (n ⁇ 360 degrees).
  • a signal in which the direction of phase rotation is opposite to that of the signal in OAM mode n is called OAM mode-n.
  • OAM mode-n A signal in which the direction of phase rotation is opposite to that of the signal in OAM mode n.
  • the direction of phase rotation of the signal in the positive OAM mode is assumed to be counterclockwise
  • the direction of phase rotation of the signal in the negative OAM mode is assumed to be clockwise.
  • signals to be transmitted in each OAM mode may be generated and combined in advance, and the combined signal for each OAM mode may be transmitted using a single UCA, or a plurality of UCAs may be used and different UCAs may be used for each OAM mode. Signals for each OAM mode may be transmitted.
  • the phase of each antenna element of the UCA on the receiving side should be set in the opposite direction to the phase of the antenna element on the transmitting side.
  • Interference between OAM modes means, for example, that a signal transmitted in OAM mode 1 from a transmitting device is output as a signal in OAM mode 2 on the receiving side.
  • FIG. 2 is a diagram showing an example of phase distribution and signal intensity distribution of OAM multiplexed signals.
  • the arrows represent the phase distributions of the OAM mode 1 and OAM mode 2 signals viewed from the transmission side on the end face (propagation orthogonal plane) orthogonal to the propagation direction.
  • the arrow starts at 0 degrees and the phase changes linearly and the arrow ends at 360 degrees. That is, the signal of OAM mode n propagates while rotating the phase by n (n ⁇ 360 degrees) on the propagation orthogonal plane.
  • the arrows of the phase distribution of the signals of OAM modes -1 and -2 are reversed.
  • the signal intensity distribution and the position where the signal intensity is maximized differ for each OAM mode.
  • the same OAM modes with different signs have the same intensity distribution.
  • the higher the order of the OAM mode the farther the position where the signal intensity is maximized from the propagation axis (Non-Patent Document 2).
  • the OAM mode with a larger value is called a higher-order mode.
  • the OAM mode 3 signal is a higher order mode than the OAM mode 0, OAM mode 1, and OAM mode 2 signals.
  • the position where the signal intensity is maximized for each OAM mode is indicated by a circular ring. Accordingly, the beam diameter of the OAM mode multiplexed signal expands, and the ring indicating the position where the signal intensity is maximized for each OAM mode becomes larger.
  • FIG. 3 is a configuration diagram of a communication system according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 3 , the radio communication system according to this embodiment has transmitting apparatus 100 and receiving apparatus 200 .
  • the transmitting device 100 and the receiving device 200 each have a UCA.
  • transmitting apparatus 100 multiplexes and transmits one or more OAM mode signals
  • receiving apparatus 200 receives the multiplexed signal of one or more OAM modes transmitted from transmitting apparatus 100. , separate the signals for each OAM mode.
  • the transmitting device 100 and the receiving device 200 are wireless communication devices that perform wireless communication.
  • transmitting apparatus 100 is a stationary base station and receiving apparatus 200 is a mobile terminal.
  • both transmitting device 100 and receiving device 200 may be stationary base stations, or both transmitting device 100 and receiving device 200 may be mobile terminals.
  • each wireless communication device may have the functions of the transmitting device 100 and the receiving device 200, which will be described later.
  • FIG. 4 is a diagram showing an example of the hardware configuration of the transmission device according to the embodiment of the present invention.
  • the transmitting device 100 comprises a first frequency converter 110-1, a second frequency converter 110-2, one or more delay lines 120, multiple filters 130, and multiple antennas 140.
  • FIG. 1 A first frequency converter 110-1, a second frequency converter 110-2, one or more delay lines 120, multiple filters 130, and multiple antennas 140.
  • the first frequency converter 110-1 converts the frequency of the baseband signal to an intermediate frequency (IF).
  • Delay line 120 introduces a fixed time delay to the intermediate frequency signal.
  • the plurality of delay lines 120 may each have a length of l, for example, and may be configured to successively introduce a fixed time delay to the intermediate frequency signal.
  • a second frequency converter 110-2 converts the intermediate frequency to a radio frequency (RF) for transmission.
  • RF radio frequency
  • a plurality of filters 130 and a plurality of antennas 140 constitute a branch without delay and a branch delayed by a fixed time, respectively.
  • a plurality of antennas 140 may form, for example, a circular array antenna. This allows transmitting apparatus 100 to assign a specific OAM mode to each filter 130 and antenna 140, respectively.
  • the transmitting apparatus 100 controls the first frequency converter 110-1 to change the intermediate frequency (IF), and controls the second frequency converter 110-2 to change the radio frequency (RF) to the intermediate frequency (IF) to be constant regardless of changes in IF).
  • IF intermediate frequency
  • RF radio frequency
  • the transmitting device 100 controls the second frequency converter 110-2 to set the oscillation frequency f2 according to Equation 1, thereby making the radio frequency (RF) constant.
  • the transmitting device 100 can continuously switch the OAM mode of the signal to be transmitted. Also, the transmitter 100 can implement various OAM modes such as an integer mode, a fractional mode, and the like.
  • the OAM mode can be switched with a simple configuration.
  • multiple SPPs Serial Port Profiles
  • phase shift circuits etc.
  • beam forming circuits etc. are also not required.
  • This specification describes at least a transmitter as described in each of the following sections.
  • (Section 1) a first frequency converter configured to convert the frequency of the baseband signal to an intermediate frequency corresponding to the desired OAM mode; a delay line configured to delay the intermediate frequency signal; a second frequency converter configured to convert the delayed intermediate frequency signal to a constant radio frequency; transmitter.
  • (Section 2) a plurality of said delay lines configured to successively introduce fixed time delays into said intermediate frequency signal; 2.
  • the first frequency converter is configured to convert the frequency of the baseband signal to an intermediate frequency corresponding to a fractional OAM mode. 3.
  • the transmission device according to claim 1 or 2.
  • any of the above configurations provides a technology that enables various OAM modes to be realized.
  • a fixed time delay can be generated continuously.
  • OAM mode signals in fractional mode can be transmitted.

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Abstract

ベースバンド信号の周波数を、所望のＯＡＭモードに応じた中間周波数に変換するように構成されている第一周波数変換器と、前記中間周波数の信号に遅延を発生させるように構成されている遅延線路と、遅延を発生させた前記中間周波数の信号を、一定の無線周波数に変換するように構成されている第二周波数変換器と、を備える送信装置である。

Description

送信装置
　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装置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モードの信号生成及び信号分離には、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。
　また、ＯＡＭモードの切り替えを行うための技術が開発されている。例えば、特許文献１には、離散フーリエ変換を用いて、複数のＯＡＭモードを切り替える技術が開示されている。また、特許文献２には、メタマテリアル構造を用いた疑似進行波共振器からの放射によるＯＡＭモードを、印加する磁界を変えることによって切り替える技術が開示されている。
特表２０１７－５１５３３７号公報 特開２０１９－１５３９７８号公報
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.
　上記のように、ＵＣＡとバトラー回路を用いた送信装置により、大容量の通信が可能になるが、今後は、小型化、省電力化等への対応が望まれている。しかし、従来の無線伝送技術では、ＯＡＭモードの切り替え、分数ＯＡＭモードの使用などのような、多様なＯＡＭモードを実現させることが困難であるという問題がある。
　開示の技術は、多様なＯＡＭモードを実現させることを目的とする。
　開示の技術は、ベースバンド信号の周波数を、所望のＯＡＭモードに応じた中間周波数に変換するように構成されている第一周波数変換器と、前記中間周波数の信号に遅延を発生させるように構成されている遅延線路と、遅延を発生させた前記中間周波数の信号を、一定の無線周波数に変換するように構成されている第二周波数変換器と、を備える送信装置である。
　多様なＯＡＭモードを実現させることができる。
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通信システムの構成図である。 本発明の実施の形態に係る送信装置のハードウェア構成の一例を示す図である。
　以下、図面を参照して本発明の実施の形態（本実施の形態）について説明する。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。
　（従来の問題点）
　従来、円形アレーアンテナによりＯＡＭモードを活用した無線伝送を行う無線通信装置で、ＯＡＭモード変調やＯＡＭモードを切り替えて使用することを目的として、ＯＡＭモード可変アレーアンテナを使用する構成が知られている。しかし、ＯＡＭモード可変アレーアンテナを使用する場合、各アンテナ素子が備える移相器を制御する必要がある。さらに、多数の移相器を使用すると、移相変動量のばらつきが生じるおそれがある。
　また、行列回路によって信号入力端子を切り替える方法もあるが、分数モードを含めて連続的にＯＡＭモードを変更することはできない。
　（本実施の形態の概要）
　本実施の形態に係る送信装置は、ＲＦ（Radio Frequency）周波数を一定に保ちつつ中間周波数（ＩＦ；Intermediate Frequency）を可変にして、遅延線路を各ブランチに備える。また、ベースバンドからＩＦへの第一周波数変換器の局部発振周波数と、ＩＦからＲＦへの第二周波数変換器の局部発振周波数とを可変にして、ＩＦ周波数を変更可能にしつつ、ＲＦ周波数を一定にする。これによって、使用したいＯＡＭモードに応じて、ＩＦ周波数を変更することで固定時間遅延を発生する回路における移相量を変更する。
　（基本的な動作例）
　本実施の形態における各装置において使用される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である。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。
　ただし、送信アンテナと受信アンテナとの間の軸ずれ等により、ＯＡＭモード間で干渉が生じた場合、チャネル等化処理や逐次干渉除去処理等のデジタル信号処理により、干渉で混ざったＯＡＭモード間の信号を分離することが必要になる。なお、ＯＡＭモード間の干渉とは、例えば、送信装置からＯＡＭモード１で送信した信号が、受信側でＯＡＭモード２の信号として出力されるといったことである。
　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である。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。
　以下、本実施の形態におけるシステム構成と動作例について詳細に説明する。
　（通信システムのシステム構成）
　図３は、本発明の実施の形態における通信システムの構成図である。図３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と受信装置２００は、それぞれＵＣＡを備えている。所望データの送受信において、送信装置１００は、１以上のＯＡＭモードの信号を多重して送信し、受信装置２００は、送信装置１００から送信された１以上のＯＡＭモードが多重された信号を受信し、各ＯＡＭモードの信号を分離する。
　送信装置１００および受信装置２００は、無線通信を行う無線通信装置である。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。なお、複数の無線通信装置が双方向に通信するため、各無線通信装置が、後述する送信装置１００および受信装置２００の機能を併せ持っていても良い。
　（送信装置のハードウェア構成）
　次に、送信装置のハードウェア構成について説明する。
　図４は、本発明の実施の形態に係る送信装置のハードウェア構成の一例を示す図である。送信装置１００は、第一周波数変換器１１０－１と、第二周波数変換器１１０－２と、１つまたは複数の遅延線路１２０と、複数のフィルタ１３０と、複数のアンテナ１４０とを備える。
　第一周波数変換器１１０－１は、ベースバンド信号の周波数を、中間周波数（ＩＦ）に変換する。遅延線路１２０は、中間周波数の信号に固定時間の遅延を発生させる。複数の遅延線路１２０は、それぞれ例えば長さがｌであり、中間周波数の信号に固定時間の遅延を連続的に発生させるように構成されていてもよい。第二周波数変換器１１０－２は、中間周波数を、送信用の無線周波数（ＲＦ）に変換する。
　複数のフィルタ１３０および複数のアンテナ１４０は、それぞれ遅延の無いブランチと固定時間ずつ遅延させたブランチとを構成している。複数のアンテナ１４０は、例えば円形のアレーアンテナを形成してもよい。これによって、送信装置１００は、各フィルタ１３０およびアンテナ１４０にそれぞれ特定のＯＡＭモードを割り当てることができる。
　また、送信装置１００は、第一周波数変換器１１０－１を制御して中間周波数（ＩＦ）を変化させ、第二周波数変換器１１０－２を制御して無線中波数（ＲＦ）を中間周波数（ＩＦ）の変化に関わらず一定となるようにする。例えば、第一周波数変換器１１０－１の発信周波数をｆ１、第二周波数変換器１１０－２の発信周波数をｆ２とする。送信装置１００は、第一周波数変換器１１０－１を制御してｆ１＝２ＧＨｚとすることによって、ＯＡＭモード１．０の信号を送信することができる。
　ここで、送信装置１００は、第二周波数変換器１１０－２を制御して、発振周波数ｆ２を式１の通りに設定することによって、無線周波数（ＲＦ）を一定とする。
　ｆ２＝ＲＦ－ｆ１・・・（式１）
　同様に、送信装置１００は、第一周波数変換器１１０－１を制御してｆ１＝３ＧＨｚとすることによって、ＯＡＭモード１．５の信号を送信することができる。さらに、送信装置１００は、第一周波数変換器１１０－１を制御してｆ１＝４ＧＨｚとすることによって、ＯＡＭモード２．０の信号を送信することができる。
　このように、送信装置１００は、送信する信号のＯＡＭモードを連続的に切り替えることができる。また、送信装置１００は、整数モード、分数モード等のような多様なＯＡＭモードを実現させることができる。
　本実施の形態に係る送信装置１００によれば、簡易な構成によってＯＡＭモードを切り替えることができる。例えば、複数のＳＰＰ（Serial Port Profile）、移相回路等が不要であり、またビーム形成回路等も不要である。
　（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が記載されている。
（第１項）
　ベースバンド信号の周波数を、所望のＯＡＭモードに応じた中間周波数に変換するように構成されている第一周波数変換器と、
　前記中間周波数の信号に遅延を発生させるように構成されている遅延線路と、
　遅延を発生させた前記中間周波数の信号を、一定の無線周波数に変換するように構成されている第二周波数変換器と、を備える、
　送信装置。
（第２項）
　前記中間周波数の信号に固定時間の遅延を連続的に発生させるように構成されている複数の前記遅延線路を備える、
　第１項に記載の送信装置。
（第３項）
　前記第一周波数変換器は、前記ベースバンド信号の周波数を、分数モードのＯＡＭモードに応じた中間周波数に変換するように構成されている、
　第１項または第２項に記載の送信装置。
　上記構成のいずれによっても、多様なＯＡＭモードを実現させることを可能とする技術が提供される。第２項によれば、固定時間の遅延を連続的に発生させることができる。第３項によれば、分数モードのＯＡＭモードの信号を送信することができる。
　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、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
１１０－１　第一周波数変換器
１１０－２　第二周波数変換器
１２０　遅延線路
１３０　フィルタ
１４０　アンテナ
２００　受信装置

Claims (3)

  1. 　ベースバンド信号の周波数を、所望のＯＡＭモードに応じた中間周波数に変換するように構成されている第一周波数変換器と、
    　前記中間周波数の信号に遅延を発生させるように構成されている遅延線路と、
    　遅延を発生させた前記中間周波数の信号を、一定の無線周波数に変換するように構成されている第二周波数変換器と、を備える、
    　送信装置。
  2. 　前記中間周波数の信号に固定時間の遅延を連続的に発生させるように構成されている複数の前記遅延線路を備える、
    　請求項１に記載の送信装置。
  3. 　前記第一周波数変換器は、前記ベースバンド信号の周波数を、分数モードのＯＡＭモードに応じた中間周波数に変換するように構成されている、
    　請求項１または２に記載の送信装置。
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