WO2026018293A1 - 送信装置 - Google Patents

送信装置

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transmitting device
phase pattern
radio waves
airy beam
airy
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斗煥 李
康徳 八木
皓介 鈴置
理一 工藤
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NTT Inc
NTT Inc USA
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Nippon Telegraph and Telephone Corp
NTT Inc USA
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    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B7/00—Radio transmission systems, i.e. using radiation field
    • H04B7/02—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas
    • H04B7/04—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas
    • H04B7/06—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas at the transmitting station

Definitions

  • the present invention relates to a transmitting device.
  • the RF (Radio Frequency) components that make up the wireless equipment such as upconverters and downconverters, consume a lot of power in order to use the high frequency bands. Furthermore, when using modulation and demodulation with a high modulation depth, high-precision RF equipment is required, which results in complex circuits. As such, conventional communications devices that perform wireless communications using high frequency bands have had the problems of high power consumption and complex configurations.
  • the present invention aims to provide technology that enables communication devices that perform wireless communication using high-frequency bands to have a simple configuration and low power consumption.
  • One aspect of the present invention is a transmitting device comprising a beam generating unit that generates an Airy beam, which has the property of causing radio waves to be spatially asymmetric, and a control unit that performs spatial modulation of a carrier wave by controlling the phase pattern so that the spatial distribution of the Airy beam generated by the beam generating unit varies.
  • This invention makes it possible to create a communication device that performs wireless communication using high frequency bands with a simple configuration and low power consumption.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating an example of the configuration of a communication system according to an embodiment.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating details of a plurality of receiving units according to an embodiment.
  • 10A and 10B are diagrams for explaining a modulation method performed by a transmitting device in an embodiment.
  • 10A and 10B are diagrams for explaining a modulation method performed by a transmitting device in an embodiment.
  • 10A and 10B are diagrams for explaining a modulation method performed by a transmitting device in an embodiment.
  • 10A and 10B are diagrams for explaining a modulation method performed by a transmitting device in an embodiment.
  • FIG. 10 is a diagram illustrating a specific example of Application Example 1.
  • FIG. 10 is a diagram illustrating a specific example of Application Example 1.
  • FIG. 10 is a diagram illustrating a specific example of Application Example 2.
  • FIG. 10 is a diagram illustrating a specific example of Application Example 3.
  • FIG. 10 is a diagram illustrating a specific example of Application
  • FIG. 1 is a diagram showing an example configuration of a communication system 100 according to an embodiment.
  • the communication system 100 includes a transmitting device 10 and a receiving device 20.
  • the transmitting device 10 and the receiving device 20 communicate wirelessly using a high frequency band.
  • the high frequency band refers to frequency bands such as millimeter waves, sub-THz waves, and terahertz waves (THz).
  • Transmitting device 10 is a device that transmits data to be transmitted (hereinafter referred to as "transmitted data") using a high frequency band. Transmitting device 10 wirelessly transmits the transmitted data to receiving device 20 using an Airy beam.
  • An Airy beam is characterized by radio waves that are spatially asymmetric. In other words, an Airy beam is characterized by asymmetric side lobes. Taking this characteristic into account, transmitting device 10 in the present invention performs modulation using the distribution of radio waves in an Airy beam.
  • the transmitting device 10 can generate Airy beams with different radio wave radiation directions. That is, by rotating the phase pattern set on the lens used to generate the Airy beam, the transmitting device 10 can generate multiple Airy beams with side lobes facing in different directions.
  • the phase pattern set on the lens is a phase pattern that can generate an Airy beam. This enables the transmitting device 10 to perform modulation using Airy beams with different radio wave radiation directions.
  • the phase pattern set on the lens can be rotated by physically rotating the lens.
  • the lens can be made up of elements that can control multiple phases, and the phases can be set using a method in which the phase of each element is set to be the same as when the lens is physically rotated.
  • the receiving device 20 receives the radio waves transmitted from the transmitting device 10.
  • the receiving device 20 demodulates the signal based on the received radio waves. Specifically, the receiving device 20 detects the spatial distribution based on the intensities of the main lobe and side lobes of the received radio waves (Airy beam) and demodulates the signal.
  • the transmitting device 10 includes a carrier wave generating unit 11, a signal generating unit 12, a control unit 13, and a beam forming unit 14.
  • the carrier wave generation unit 11 generates a carrier wave.
  • the carrier wave generation unit 11 outputs the generated carrier wave to the beam generation unit 14 as radio waves.
  • the signal generation unit 12 generates transmission data.
  • the signal generation unit 12 outputs the generated transmission data to the control unit 13 and the beam generation unit 14.
  • the control unit 13 sets a phase pattern for generating an Airy beam in the beam generation unit 14. Furthermore, the control unit 13 performs spatial modulation of the carrier wave by controlling the phase pattern set in the beam generation unit 14 so that the spatial distribution of the Airy beam varies. Specifically, the control unit 13 adjusts the radio waves of the Airy beam generated by the beam generation unit 14 by rotating the phase pattern of the lens provided in the beam generation unit 14. Adjusting the radio waves of the Airy beam means adjusting the radiation direction of the radio waves of the Airy beam. The control unit 13 adjusts the rotation angle of the phase pattern of the lens based on the transmission data.
  • the beam generator 14 generates an Airy beam for transmitting transmission data based on the carrier wave output from the carrier wave generator 11 and the transmission data output from the signal generator 12.
  • the beam generator 14 is composed of a phase setting lens 141 and a Fourier lens 142.
  • the phase setting lens 141 is composed of a mechanism capable of rotating a phase pattern.
  • the mechanism capable of rotating a phase pattern is, for example, a metasurface.
  • the phase setting lens 141 forms a phase pattern set by the controller 13 at a predetermined rotation angle.
  • the phase pattern set in the phase setting lens 141 is calculated based on the following equation (1).
  • ⁇ represents a scaling parameter
  • i represents an imaginary number
  • k x , k y represent the x-y coordinate system
  • ⁇ is a constant.
  • the Fourier lens 142 is set to a phase pattern obtained by modulo calculating the phase of the convex lens by 360.
  • the phase pattern of the Fourier lens 142 may be set in advance.
  • the carrier wave output from the carrier wave generating unit 11 passes through the beam generating unit 14.
  • the beam generating unit 14 has a phase pattern set so that it can generate an Airy beam.
  • the control unit 13 rotates the phase pattern set in the phase setting lens 141 provided in the beam generating unit 14 in accordance with the transmission data, thereby performing spatial modulation of the transmission data.
  • the receiving device 20 includes a plurality of receiving units 21 and a signal demodulation unit 22.
  • the plurality of receiving units 21 receive radio waves transmitted from the transmitting device 10 and detect the intensity of the received radio waves.
  • the signal demodulation unit 22 calculates the distribution of Airy beams based on the intensity of the radio waves detected by each receiving unit 21 and performs demodulation processing.
  • FIG 2 is a diagram showing the details of multiple receiving units 21 in an embodiment. As shown in Figure 2, the receiving units 21 are arranged in an array of M rows and N columns. Each receiving unit 21 includes an antenna 23 and a measuring unit 24. The antenna 23 receives radio waves transmitted from the transmitting device 10. The measuring unit 24 detects the intensity of the received radio waves. In this way, the receiving device 20 does not need to detect the phase, which requires high precision, and only detects the intensity, allowing for simplification of the device.
  • Figures 3 to 6 are diagrams for explaining the modulation method performed by the transmitting device 10 in this embodiment.
  • Figure 3 shows the phase pattern and spatial distribution when modulating "00" in the transmission data.
  • Figure 4 shows the phase pattern and spatial distribution when modulating "11” in the transmission data.
  • Figure 5 shows the phase pattern and spatial distribution when modulating "01” in the transmission data.
  • Figure 6 shows the phase pattern and spatial distribution when modulating "10" in the transmission data.
  • the control unit 13 When modulating "00" in the transmission data, the control unit 13 sets the phase pattern of the phase setting lens 141 to the state shown in Figure 3(A).
  • the phase pattern of the phase setting lens 141 in the state shown in Figure 3(A) will also be referred to as the reference pattern.
  • the reference pattern is the state in which the phase pattern has not been rotated.
  • the control unit 13 When modulating "11" in the transmission data, the control unit 13 sets the phase pattern of the phase setting lens 141 to the state shown in Figure 4(A).
  • the state shown in Figure 4(A) is the state in which the phase pattern has been rotated 180 degrees from the reference pattern state. This is the state in which the phase setting lens 141 has been rotated 180 degrees clockwise around the center.
  • the control unit 13 rotates the phase pattern of the phase setting lens 141 180 degrees from the reference pattern state.
  • the distribution of the Airy Beam radio waves generated when the phase setting lens 141 is in the state shown in Figure 4(A) is as shown in Figure 4(B).
  • the control unit 13 When modulating "01" in the transmission data, the control unit 13 sets the phase pattern of the phase setting lens 141 to the state shown in Figure 5(A).
  • the state shown in Figure 5(A) is the state in which the phase pattern is rotated 45 degrees from the reference pattern state. This is the state in which the phase setting lens 141 is rotated 45 degrees clockwise around the center.
  • the control unit 13 rotates the phase pattern of the phase setting lens 141 45 degrees from the reference pattern state.
  • the distribution of the Airy Beam radio waves generated when the phase setting lens 141 is in the state shown in Figure 5(A) is as shown in Figure 5(B).
  • the control unit 13 When modulating "10" in the transmission data, the control unit 13 sets the phase pattern of the phase setting lens 141 to the state shown in Figure 6 (A).
  • the state shown in Figure 6 (A) is the state in which the phase pattern has been rotated 135 degrees from the reference pattern state. This is the state in which the phase setting lens 141 has been rotated 135 degrees clockwise around the center.
  • the control unit 13 rotates the phase pattern of the phase setting lens 141 135 degrees from the reference pattern state.
  • the distribution of the Airy Beam radio waves generated when the phase setting lens 141 is in the state shown in Figure 6 (A) is as shown in Figure 6 (B).
  • the spatial distribution of the Airy beam changes by rotating the phase pattern set in the phase setting lens 141.
  • the transmitter 10 uses this feature to spatially modulate the carrier wave.
  • the rotation angle of the phase pattern during modulation described above is an example, and the orientation of the phase pattern during modulation (rotation angle of the phase pattern) is not limited to the above.
  • the state shown in Figure 4(A) may be a reference pattern used when modulating "00" in the transmission data, and the state shown in Figure 3(A) may be used when modulating "11" in the transmission data.
  • the modulation depth can also be increased by making the rotation pattern of the phase pattern even finer.
  • the transmitting device 10 is equipped with a beam generating unit 14 that generates an Airy beam, which has the property of making radio waves spatially asymmetric, and a control unit 13 that performs spatial modulation of the carrier wave by controlling the phase pattern so that the spatial distribution of the Airy beam varies.
  • the control unit 13 of the transmitting device 10 performs spatial modulation of the carrier wave by controlling the rotation of the phase pattern for generating the Airy beam.
  • the transmitter 10 performs modulation using the distribution of Airy beam radio waves. This allows the transmitter 10 to eliminate components that modulate and upconvert the modulated signal. As a result, the power consumption of RF components can be reduced and the device configuration can be simplified compared to conventional device configurations.
  • the receiving device 20 only performs intensity detection, which is simple, without performing phase detection, which requires high precision, allowing for simplification of the device.
  • the communication system 100 performs modulation and demodulation using the spatial characteristics of the Airy beam, without the need for conventional modulators or demodulators, enabling desired wireless communication with low power consumption and a simple device configuration.
  • the transmitting device 10 of the present invention generates an Airy beam so that the side lobes are directed in a direction different from the direction in which the obstacle exists, enabling communication while avoiding the obstacle.
  • the transmitting device 10 generates an Airy beam by fixing the phase pattern so that the side lobes are directed in the direction in which the obstacle exists.
  • Figures 7 and 8 are diagrams showing a specific example of Application Example 1. As shown in Figure 7, if an obstacle T is located below the reference line BL on the communication path between the transmitting device 10 and the receiving device 20, the transmitting device 10 can avoid the obstacle by rotating the phase pattern so as not to generate an Airy beam that radiates radio waves in a direction below (lower than) the reference line BL.
  • the transmitting device 10 can avoid the obstacle by rotating the phase pattern so as not to generate an Airy beam whose side lobes are directed in a direction below (lower than) the reference line BL.
  • the transmitting device 10 modulates the signal itself to be carried on the generated Airy beam using a conventional modulation method.
  • the reference line BL may be predetermined based on the positional relationship between the transmitting device 10 and the receiving device 20.
  • the transmitting device 10 can avoid the obstacle by rotating the phase pattern so as not to generate an Airy beam that radiates radio waves in a direction above (higher than) the reference line BL.
  • the transmitting device 10 can avoid the obstacle by rotating the phase pattern so as not to generate an Airy beam whose side lobes are directed in a direction above (higher than) the reference line BL.
  • FIG. 9 is a diagram showing a specific example of Application Example 2.
  • transmitting device 10 generates an Airy beam that radiates radio waves in the directions indicated by spatial distributions P1, P2, P3, and P4.
  • transmitting device 10 generates an Airy beam that radiates radio waves in the direction indicated by spatial distribution P1, and then rotates the phase pattern to generate an Airy beam that radiates radio waves in the direction indicated by spatial distribution P2.
  • transmitting device 10 generates an Airy beam that radiates radio waves in the direction indicated by spatial distribution P2, and then rotates the phase pattern to generate an Airy beam that radiates radio waves in the direction indicated by spatial distribution P3.
  • transmitting device 10 generates an Airy beam that radiates radio waves in the direction indicated by spatial distribution P4, and then rotates the phase pattern to generate an Airy beam that radiates radio waves in the direction indicated by spatial distribution P4.
  • the receiving device 20 can continuously receive the transmitted data at high power.
  • the power of the Airy beam transmitted from the transmitting device 10 fluctuates at the eavesdropper U, making it impossible to receive anything other than the Airy beam that radiates radio waves in the direction of the eavesdropper U. In this way, secure communication is possible.
  • the transmitting device 10 of the present invention generates an Airy beam that can emit radio waves in the direction of the receiving device, which is the destination of the transmitted data, thereby suppressing interference and enabling communication.
  • the transmitting device 10 generates an Airy beam by fixing the phase pattern so that the side lobes are directed in the direction of the receiving device, which is the destination of the transmitted data.
  • Figures 10 and 11 are diagrams showing a specific example of application example 3.
  • receiving device 20 is a receiving device located in the sky (for example, a flying object such as a drone)
  • receiving device 30 is a receiving device located on the ground.
  • transmitting device 10 when receiving device 20 is the receiving device to which transmitted data is sent, transmitting device 10 generates an Airy beam that radiates radio waves in the direction (sky) where receiving device 20 is located, and rotates the phase pattern so as not to generate an Airy beam that radiates radio waves in the direction (ground) where receiving device 30 is located. In this way, transmitting device 10 can avoid interference with receiving device 30 by rotating the phase pattern to generate an Airy beam whose side lobes are directed in the direction (sky) where receiving device 20 is located. Note that transmitting device 10 modulates the signal itself to be placed on the generated Airy beam using a conventional modulation method.
  • transmitting device 10 when receiving device 30 is the receiving device to which transmission data is sent, transmitting device 10 generates an Airy beam that radiates radio waves in the direction (ground) where receiving device 30 is located, and rotates the phase pattern so as not to generate an Airy beam that radiates radio waves in the direction (sky) where receiving device 20 is located. In this way, transmitting device 10 can avoid interference with receiving device 20 by rotating the phase pattern to generate an Airy beam whose side lobes are directed in the direction (ground) where receiving device 30 is located. In this way, transmitting device 10 can perform control to suppress spatial interference.
  • part for example, the control unit 13 or all of the transmitting device 10 may be implemented by a computer.
  • a program for implementing this function may be recorded on a computer-readable recording medium, and the program recorded on this recording medium may be read into a computer system and executed to implement the function.
  • computer system here includes hardware such as the OS (Operating System) and peripheral devices.
  • “computer-readable recording medium” refers to portable media such as flexible disks, magneto-optical disks, ROM (Read Only Memory), and CD-ROMs, as well as storage devices such as hard disks built into computer systems.
  • “computer-readable recording medium” may also include devices that dynamically store programs for a short period of time, such as communication lines when transmitting programs over networks such as the Internet or communication lines such as telephone lines, and devices that store programs for a fixed period of time, such as volatile memory within the computer systems that serve as servers or clients in such cases. The above programs may also be recorded on computer-readable recording media.
  • Examples of computer-readable recording media include portable media such as flexible disks, magneto-optical disks, ROM, CD-ROMs, and semiconductor storage devices (e.g., SSDs: Solid State Drives), as well as storage devices such as hard disks and semiconductor storage devices built into computer systems.
  • portable media such as flexible disks, magneto-optical disks, ROM, CD-ROMs, and semiconductor storage devices (e.g., SSDs: Solid State Drives), as well as storage devices such as hard disks and semiconductor storage devices built into computer systems.
  • SSDs Solid State Drives
  • This invention can be applied to wireless communication technologies using high frequency bands.

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Abstract

電波が空間的に非対称になる性質を持つエアリービームを生成するビーム生成部と、ビーム生成部において生成されるエアリービームの空間分布が異なるように位相パターンを制御することで搬送波の空間変調を行う制御部と、を備える送信装置。

Description

送信装置
　本発明は、送信装置に関する。
　従来、高速及び大容量伝送の実現に向けて、ミリ波、サブテルツ波（Ｓｕｂ－ＴＨｚ）及びテラヘルツ（ＴＨｚ）等の高周波数帯を用いる無線通信の利用が検討されている。また、サブテルツ波（Ｓｕｂ－ＴＨｚ）のような高周波数帯において、電波が空間的に非対称になる特徴を持つエアリービーム（Airy beam）を用いて干渉を抑制する取り組みも行われている（例えば、特許文献１及び非特許文献１参照）。
国際公開第２０２２／１４５００８号
Doohwan Lee, Yasunori Yagi, and Hiroyuki Shiba, "Multishape radio: new approach to utilizing the physical properties of electromagnetic waves", IEICE Communications Express, Vol.11, No.9, 571-576.
　上述した高周波数帯を用いる無線通信では、高周波数帯を利用するためにアップコンバータやダウンコンバータ等の無線装置を構成するＲＦ（Radio Frequency）部品による消費電力の消耗が大きい。さらに、高変調度を持つ変調及び復調を使う場合には、高精度のＲＦ装置が必要となるため、回路が複雑になってしまう。このように従来では、高周波数帯を用いて無線通信を行う通信装置において、消費電力が大きく、かつ、構成が複雑になってしまうという問題があった。
　上記事情に鑑み、本発明は、高周波数帯を用いて無線通信を行う通信装置を簡易な構成で、かつ低消費電力化することができる技術の提供を目的としている。
　本発明の一態様は、電波が空間的に非対称になる性質を持つエアリービームを生成するビーム生成部と、前記ビーム生成部において生成される前記エアリービームの空間分布が異なるように位相パターンを制御することで搬送波の空間変調を行う制御部と、を備える送信装置である。
　本発明により、高周波数帯を用いて無線通信を行う通信装置を簡易な構成で、かつ低消費電力化することが可能となる。
実施形態における通信システムの構成例を示す図である。 実施形態における複数の受信部の詳細を示す図である。 実施形態における送信装置が行う変調方法を説明するための図である。 実施形態における送信装置が行う変調方法を説明するための図である。 実施形態における送信装置が行う変調方法を説明するための図である。 実施形態における送信装置が行う変調方法を説明するための図である。 適用例１の具体例を示す図である。 適用例１の具体例を示す図である。 適用例２の具体例を示す図である。 適用例３の具体例を示す図である。 適用例３の具体例を示す図である。
　以下、本発明の一実施形態を、図面を参照しながら説明する。
　図１は、実施形態における通信システム１００の構成例を示す図である。通信システム１００は、送信装置１０と、受信装置２０とを備える。送信装置１０と受信装置２０とは、高周波数帯を利用した無線通信を行う。ここで、高周波数帯とは、例えばミリ波、サブテルツ波（Ｓｕｂ－ＴＨｚ）及びテラヘルツ（ＴＨｚ）等の周波数帯である。
　送信装置１０は、高周波数帯を用いて送信対象のデータ（以下「送信データ」という。）を送信する装置である。送信装置１０は、エアリービームにより送信データを受信装置２０に無線で送信する。エアリービームは、電波が空間的に非対称的になる特徴を持つ。すなわち、エアリービームは、サイドローブが非対称となる特徴を持つ。この特徴を踏まえて、本発明における送信装置１０では、エアリービームの電波の分布を用いた変調を行う。
　例えば、送信装置１０は、エアリービームの生成に利用するレンズに設定する位相パターンを回転させることで、電波の放射方向が異なるエアリービームを生成することができる。すなわち、送信装置１０は、エアリービームの生成に利用するレンズに設定する位相パターンを回転させることで、サイドローブが異なる方向を向いている複数のエアリービームを生成することができる。レンズに設定する位相パターンは、エアリービームを生成することが可能な位相パターンである。これにより、送信装置１０は、電波の放射方向が異なるエアリービームを用いて変調が可能になる。レンズに設定する位相パターンを回転させる方法は、物理的にレンズを回転させてもよい。また、レンズが複数の位相を制御できる素子からなり、各素子の位相を、物理的にレンズを回転した場合と同様になるように設定する方法を用いて位相を設定してもよい。
　受信装置２０は、送信装置１０から送信された電波を受信する。受信装置２０は、受信した電波に基づいて信号を復調する。具体的には、受信装置２０は、受信した電波（エアリービーム）のメインローブとサイドローブの強度に基づいて、空間的な分布を検出して信号を復調する。
[送信装置１０の構成]
　次に送信装置１０及び受信装置２０の構成について説明する。まず送信装置１０の構成について説明する。送信装置１０は、搬送波生成部１１と、信号生成部１２と、制御部１３と、ビーム生成部１４を備える。
　搬送波生成部１１は、搬送波を生成する。搬送波生成部１１は、生成した搬送波を電波としてビーム生成部１４に出力する。信号生成部１２は、送信データを生成する。信号生成部１２は、生成した送信データを制御部１３及びビーム生成部１４に出力する。
　制御部１３は、エアリービームを生成するための位相パターンをビーム生成部１４に設定する。さらに、制御部１３は、エアリービームの空間分布が異なるように、ビーム生成部１４に設定した位相パターンを制御することで搬送波の空間変調を行う。具体的には、制御部１３は、ビーム生成部１４に備えられるレンズの位相パターンを回転させることによって、ビーム生成部１４が生成するエアリービームの電波を調整する。エアリービームの電波を調整するとは、エアリービームの電波の放射方向を調整することを意味する。制御部１３は、送信データに基づいて、レンズの位相パターンの回転角度を調整する。
　ビーム生成部１４は、搬送波生成部１１から出力された搬送波と、信号生成部１２から出力された送信データとに基づいて、送信データを送信するためのエアリービームを生成する。ビーム生成部１４は、位相設定レンズ１４１と、フーリエレンズ１４２で構成される。位相設定レンズ１４１は、位相パターンを回転可能な機構で構成される。ここで位相パターンを回転可能な機構とは、例えばメタサーフェス（Metasurfaces）である。位相設定レンズ１４１は、制御部１３により設定された位相パターンを所定の回転角度で形成する。位相設定レンズ１４１に設定される位相パターンは、以下の式（１）に基づいて計算される。なお、式（１）におけるβはスケーリングパラメータを表し、ｉは虚数を表し、ｋｘ，ｋｙはｘｙ座標系を表し、αは定数である。なお、位相設定レンズ１４１の中心（ｋｘ，ｋｙ）＝（０，０）である。式（１）における詳細は、非特許文献１に記載されているため説明を省略する。
　フーリエレンズ１４２は、凸レンズの位相を３６０でmodulo計算した後の位相パターンが設定される。フーリエレンズ１４２の位相パターンは予め設定されていてもよい。
　送信装置１０では、搬送波生成部１１から出力された搬送波は、ビーム生成部１４を通過する。ここで、ビーム生成部１４は、エアリービームを生成可能に位相パターンが設定されている。制御部１３は、ビーム生成部１４が備える位相設定レンズ１４１に設定される位相パターンを、送信データに合わせて回転させることで、送信データの空間変調を実行させる。
[受信装置２０の構成]
　次に受信装置２０の構成について説明する。受信装置２０は、複数の受信部２１と、信号復調部２２を備える。複数の受信部２１は、送信装置１０から送信された電波を受信し、受信した電波の強度を検出する。信号復調部２２は、各受信部２１により検出された電波の強度に基づいて、エアリービームの分布を算出して復調処理を行う。
　図２は、実施形態における複数の受信部２１の詳細を示す図である。図２に示すように、各受信部２１は、Ｍ行Ｎ列の並びで配置される。各受信部２１は、アンテナ２３及び測定部２４を備える。アンテナ２３は、送信装置１０から送信された電波を受信する。測定部２４は、受信した電波の強度を検出する。このように、受信装置２０では、高精密度を要する位相を検出する必要がなく、強度の検出のみを実施するため装置の簡略化することができる。
　次に送信装置１０が行う変調方法について説明する。図３から図６は、実施形態における送信装置１０が行う変調方法を説明するための図である。図３には、送信データにおける「００」を変調する場合の位相パターン及び空間分布を示す。図４には、送信データにおける「１１」を変調する場合の位相パターン及び空間分布を示す。図５には、送信データにおける「０１」を変調する場合の位相パターン及び空間分布を示す。図６には、送信データにおける「１０」を変調する場合の位相パターン及び空間分布を示す。
　制御部１３は、送信データにおける「００」を変調する場合、位相設定レンズ１４１の位相パターンが図３の（Ａ）に示す状態となるように設定する。以下、図３の（Ａ）に示す状態の位相設定レンズ１４１の位相パターンを基準パターンともいう。基準パターンは、位相パターンを回転させていない状態である。位相設定レンズ１４１の状態が図３の（Ａ）に示す状態の場合に生成されるエアリービームの電波の分布は図３の（Ｂ）のようになる。
　制御部１３は、送信データにおける「１１」を変調する場合、位相設定レンズ１４１の位相パターンが図４の（Ａ）に示す状態となるように設定する。図４の（Ａ）に示す状態は、基準パターンの状態から位相パターンを１８０度回転させた状態である。これは、位相設定レンズ１４１を、中心を基準として時計回りで１８０度回転させた状態である。すなわち、制御部１３は、送信データにおける「１１」を変調する場合、位相設定レンズ１４１の位相パターンを基準パターンの状態から１８０度回転させる。位相設定レンズ１４１の状態が図４の（Ａ）に示す状態の場合に生成されるエアリービームの電波の分布は図４の（Ｂ）のようになる。
　制御部１３は、送信データにおける「０１」を変調する場合、位相設定レンズ１４１の位相パターンが図５の（Ａ）に示す状態となるように設定する。図５の（Ａ）に示す状態は、基準パターンの状態から位相パターンを４５度回転させた状態である。これは、位相設定レンズ１４１を、中心を基準として時計回りで４５度回転させた状態である。すなわち、制御部１３は、送信データにおける「０１」を変調する場合、位相設定レンズ１４１の位相パターンを基準パターンの状態から４５度回転させる。位相設定レンズ１４１の状態が図５の（Ａ）に示す状態の場合に生成されるエアリービームの電波の分布は図５の（Ｂ）のようになる。
　制御部１３は、送信データにおける「１０」を変調する場合、位相設定レンズ１４１の位相パターンが図６の（Ａ）に示す状態となるように設定する。図６の（Ａ）に示す状態は、基準パターンの状態から位相パターンを１３５度回転させた状態である。これは、位相設定レンズ１４１を、中心を基準として時計回りで１３５度回転させた状態である。すなわち、制御部１３は、送信データにおける「１０」を変調する場合、位相設定レンズ１４１の位相パターンを基準パターンの状態から１３５度回転させる。位相設定レンズ１４１の状態が図６の（Ａ）に示す状態の場合に生成されるエアリービームの電波の分布は図６の（Ｂ）のようになる。
　図３から図６に示すように、位相設定レンズ１４１に設定した位相パターンを回転させることで、エアリービームの空間分布が異なる。送信装置１０では、この特徴を用いて搬送波の空間変調を行う。なお、上記の変調時の位相パターンの回転角度は一例であり、変調時の位相パターンの向き（位相パターンの回転角度）は上記に限定されない。例えば、図４（Ａ）に示す状態が基準パターンであって送信データにおける「００」を変調する場合に用いられ、図３（Ａ）に示す状態が送信データにおける「１１」を変調する場合に用いられてもよい。なお、位相パターンの回転パターンをさらに細かくすることで変調度を上げることもできる。
　以上のように構成された通信システム１００によれば、送信装置１０が、電波が空間的に非対称になる性質を持つエアリービームを生成するビーム生成部１４と、エアリービームの空間分布が異なるように位相パターンを制御することで搬送波の空間変調を行う制御部１３と、を備える。具体的には、送信装置１０の制御部１３は、エアリービームを生成するための位相パターンの回転を制御することで搬送波の空間変調を行う。
　これにより、高周波数帯を用いて無線通信を行う通信装置を簡易な構成で、かつ低消費電力化することが可能になる。具体的には、送信装置１０は、エアリービームの電波の分布を用いて変調を行う。これにより、送信装置１０は、変調及び変調された信号をアップコンバートする部品をなくすことができる。そのあめ、ＲＦ部品を低消費電力化するとともに、従来の装置構成より装置構成を簡単化することができる。
　受信装置２０においては、高精密度を要する位相の検出はせずに、簡単にできる強度の検出のみを実施するため、装置の簡単化ができる。このように、通信システム１００では、従来の変調器や復調器を使わなくても、エアリービームの空間的な特徴を用いて変復調を行うことで、低消費電力かつ簡単な装置構成で、所望の無線通信ができる。
　次に上述した送信装置１０を用いた適用例について説明する。
（適用例１）
　送信装置と受信装置との間の通信経路上に障害物がある場合を考える。高周波数帯では、直進性が強いため送信装置と受信装置との間の通信経路上に障害物がある場合には、送信装置から送信された電波が障害物に遮られる可能性が高い。このような場合、受信装置では、電波をうまく受信できないことも想定される。
　これに対して、本発明における送信装置１０では、障害物が存在する方向とは異なる方向にサイドローブが向くようにエアリービームを生成することで障害物を避けて通信が可能になる。例えば、送信装置１０は、障害物が存在する方向にサイドローブが向くように位相パターンを固定してエアリービームを生成する。図７及び図８は、適用例１の具体例を示す図である。図７に示すように、障害物Ｔが、送信装置１０と受信装置２０との間の通信経路上の基準線ＢＬよりも下に位置している場合、送信装置１０は基準線ＢＬよりも下（低い）の方向に電波を放射するエアリービームを生成しないように位相パターンを回転させることで障害物を避けることができる。すなわち、送信装置１０は基準線ＢＬよりも下（低い）の方向にサイドローブが向くエアリービームを生成しないように位相パターンを回転させることで障害物を避けることができる。なお、送信装置１０は、生成したエアリービームに乗せる信号自体を従来の変調方式で変調をかける。基準線ＢＬは、送信装置１０と受信装置２０との位置関係により予め定められていてもよい。
　また、図８に示すように、障害物Ｔが、送信装置１０と受信装置２０との間の通信経路上の基準線ＢＬよりも上に位置している場合、送信装置１０は基準線ＢＬよりも上（高い）の方向に電波を放射するエアリービームを生成しないように位相パターンを回転させることで障害物を避けることができる。すなわち、送信装置１０は基準線ＢＬよりも上（高い）の方向にサイドローブが向くエアリービームを生成しないように位相パターンを回転させることで障害物を避けることができる。
　なお、障害物Ｔが、基準線ＢＬよりも上であるか下であるかは、ユーザが視認して決定してもよい。また、図７及び図８では示していないが、障害物Ｔが、送信装置１０と受信装置２０との間の通信経路上の左右に位置している場合も想定される。この場合も同様に、送信装置１０は障害物が存在する方向とは異なる方向に電波を放射可能なエアリービーム（サイドローブが向くエアリービーム）を生成すればよい。このように、送信装置１０は、障害物を避けるように制御することができる。
（適用例２）
　送信装置と受信装置との間の通信を盗聴する盗聴者Ｕがいる場合を考える。一般的な通信では、送信装置と受信装置との間の通信を一度盗聴されてしまうと継続して盗聴されてしまう可能性がある。これに対して、本発明における送信装置１０では、位相パターンを継続的に回転させることで盗聴を回避してセキュアな通信が可能になる。
　図９は、適用例２の具体例を示す図である。図９に示すように、送信装置１０が、空間分布Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４で示される方向に電波を放射するエアリービームを生成したとする。例えば、送信装置１０は、空間分布Ｐ１で示される方向に電波を放射するエアリービームを生成した後に、位相パターンを回転して空間分布Ｐ２で示される方向に電波を放射するエアリービームを生成する。同様に、送信装置１０は、空間分布Ｐ２で示される方向に電波を放射するエアリービームを生成した後に、位相パターンを回転して空間分布Ｐ３で示される方向に電波を放射するエアリービームを生成する。同様に、送信装置１０は、空間分布Ｐ４で示される方向に電波を放射するエアリービームを生成した後に、位相パターンを回転して空間分布Ｐ４で示される方向に電波を放射するエアリービームを生成する。
　このように、継続的に位相パターンを回転させることで、受信装置２０は、継続的に強い電力で送信データを受信することができる。一方で、盗聴者Ｕでは、送信装置１０から送信されるエアリービームの電力が変動するため、盗聴者Ｕの方向に電波を放射するエアリービーム以外は受信が不可能となる。このように、セキュアな通信が可能になる。
（適用例３）
　上空に位置する受信装置と地上に位置する受信装置のいずれかに送信データを送信する場合を考える。上空に位置する受信装置宛てに送信データを送信した場合、送信データが地上に位置する受信装置に対する干渉信号となってしまうことがある。逆に、地上に位置する受信装置宛てに送信データを送信した場合、送信データが上空に位置する受信装置に対する干渉信号となってしまうこともある。
　これに対して、本発明における送信装置１０では、送信データの送信先となる受信装置が位置する方向に電波を放射可能なエアリービームを生成することで干渉を抑制して通信が可能になる。例えば、送信装置１０は、送信データの送信先となる受信装置が位置する方向にサイドローブが向くように位相パターンを固定してエアリービームを生成する。図１０及び図１１は、適用例３の具体例を示す図である。図１０及び図１１において受信装置２０は上空に位置する受信装置（例えば、ドローン等の飛翔体）であり、受信装置３０は地上に位置する受信装置である。
　図１０に示すように、受信装置２０が送信データの送信先となる受信装置である場合、送信装置１０は受信装置２０が位置する方向（上空）に電波を放射するエアリービームを生成し、受信装置３０が位置する方向（地上）に電波を放射するエアリービームを生成しないように位相パターンを回転させる。このように、送信装置１０は、受信装置２０が位置する方向（上空）にサイドローブが向くエアリービームを生成するように位相パターンを回転させることで、受信装置３０への干渉を避けることができる。なお、送信装置１０は、生成したエアリービームに乗せる信号自体を従来の変調方式で変調をかける。
　図１１に示すように、受信装置３０が送信データの送信先となる受信装置である場合、送信装置１０は受信装置３０が位置する方向（地上）に電波を放射するエアリービームを生成し、受信装置２０が位置する方向（上空）に電波を放射するエアリービームを生成しないように位相パターンを回転させる。このように、送信装置１０は、受信装置３０が位置する方向（地上）にサイドローブが向くエアリービームを生成するように位相パターンを回転させることで、受信装置２０への干渉を避けることができる。このように、送信装置１０は、空間的な干渉を抑制するように制御することができる。
　上述した実施形態における送信装置１０の一部（例えば、制御部１３）又は全部をコンピュータで実現するようにしてもよい。その場合、この機能を実現するためのプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行することによって実現してもよい。なお、ここでいう「コンピュータシステム」とは、ＯＳ（Operating System）や周辺機器などのハードウェアを含むものとする。
　また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＣＤ－ＲＯＭなどの可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスクなどの記憶装置のことをいう。さらに「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、インターネットなどのネットワークや電話回線などの通信回線を介してプログラムを送信する場合の通信線のように、短時間の間、動的にプログラムを保持するもの、その場合のサーバやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリのように、一定時間プログラムを保持しているものも含んでもよい。また上記のプログラムは、コンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録されても良い。コンピュータ読み取り可能な記録媒体とは、例えばフレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ、ＣＤ－ＲＯＭ、半導体記憶装置（例えばＳＳＤ：Solid State Drive）等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスクや半導体記憶装置等の記憶装置である。上記のプログラムは、電気通信回線を介して送信されてもよい。
　以上、この発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計等も含まれる。
　本発明は、高周波数帯を用いた無線通信技術に適用できる。
１０…送信装置，　１１…搬送波生成部，　１２…信号生成部，　１３…制御部，　１４…ビーム生成部，　２０…受信装置，　２１…受信部，　２２…信号復調部，　２３…アンテナ，　２４…測定部，　１００…通信システム，　１４１…位相設定レンズ，　１４２…フーリエレンズ

Claims (4)

  1. 　電波が空間的に非対称になる性質を持つエアリービームを生成するビーム生成部と、
    　前記ビーム生成部において生成される前記エアリービームの空間分布が異なるように位相パターンを制御することで搬送波の空間変調を行う制御部と、
    　を備える送信装置。
  2. 　前記制御部は、前記位相パターンの回転を制御することで前記搬送波の空間変調を行う、
    　請求項１に記載の送信装置。
  3. 　前記ビーム生成部は、前記エアリービームを生成するための複数のレンズで構成され、
    　前記制御部は、前記複数のレンズのうち、一部のレンズの位相パターンを送信データに応じて回転させることで前記搬送波の空間変調を行う、
    　請求項１又は２に記載の送信装置。
  4. 　前記一部のレンズは、メタサーフェス素材で構成される、
    　請求項３に記載の送信装置。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2024142397A1 (ja) * 2022-12-28 2024-07-04 日本電信電話株式会社 送信装置及び送信方法

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MIAO ZHUO-WEI, HAO ZHANG-CHENG, JIN BIAO-BING, CHEN ZHI NING: "Low-Profile 2-D THz Airy Beam Generator Using the Phase-Only Reflective Metasurface", IEEE TRANSACTIONS ON ANTENNAS AND PROPAGATION, IEEE, USA, vol. 68, no. 3, 1 March 2020 (2020-03-01), USA, pages 1503 - 1513, XP093392531, ISSN: 0018-926X, DOI: 10.1109/tap.2019.2925290 *

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