JP2018148370A

JP2018148370A - 同時送受信用アレーアンテナ

Info

Publication number: JP2018148370A
Application number: JP2017040962A
Authority: JP
Inventors: 尚樹本間; Naoki Honma; 芳之山本; Yoshiyuki Yamamoto; 強陳; Tsutomu Chin; 陳　　強; 巧微袁; Qiaowei Yuan
Original assignee: Iwate University; Institute of National Colleges of Technologies Japan
Current assignee: Iwate University; Institute of National Colleges of Technologies Japan
Priority date: 2017-03-03
Filing date: 2017-03-03
Publication date: 2018-09-20
Anticipated expiration: 2037-03-03
Also published as: JP6960076B2

Abstract

【課題】複数のアンテナを用いたFull-duplex通信システムにおいて、アナログ信号処理を実現する給電回路を用いることによって、低コストな装置構成でエンドファイア方向にヌルを形成し自己干渉を抑圧ができる同時送受信用アレーアンテナを得る。【解決手段】送信アレーアンテナ21と、受信アンテナ素子1、2、3、4で構成される受信アレーアンテナ30は互いにエンドファイア方向となる位置関係に配置され、アナログ給電回路は入力が２ポートで出力が２ポートであるハイブリッド回路を複数用いて構成されており、初段のハイブリッド回路それぞれの２つの入力ポートはアレーアンテナを構成する２素子のアンテナ素子対に接続され、初段のハイブリッド回路それぞれの２つの出力ポートのうち一方の出力ポートは信号受信手段に接続されるとともに他方の出力ポートは二段目ハイブリッド回路に接続されることを特徴とする同時送受信用アレーアンテナとする。【選択図】図４

Description

本発明は、同時かつ同一周波数で電波を送受信するフルデュプレックスシステムにおいて問題になる自己干渉を、アナログ信号処理を用いて抑圧することで信号受信感度を改善することが可能な同時送受信用アレーアンテナに関する。

現在、中継局ではＴＤＤ(Time Division Duplex)方式及びＦＤＤ (Frequency Division Duplex)が用いられているが、第５世代通信システム（５Ｇ）に向けて更なる高速通信方式が必要とされている。しかし、周波数資源の枯渇により、広帯域化での高速通信の実現は困難である。一方、同一周波数を用いた同時送受信を行うFull-duplex技術が登場し、新たな周波数帯域を利用せずにチャネル容量を向上させる技術として期待されている。また、送受信機に複数のアンテナを用いたＭＩＭＯ(Multiple-Input Multiple-Output)技術を用いることで、アンテナ数に応じてチャネル容量を向上することは可能とされている。このＭＩＭＯ技術とFull-duplex技術を組み合わせた通信方式をMIMO Full-duplex通信システムと定義する。

Full-duplex通信の問題点として受信機が自己の送信信号を受信する自己干渉が挙げられる。受信機は距離の近い送信機からの自己干渉によりRF (Radio Frequency)フロントエンドが飽和または破損する。また自己干渉信号はノイズフロアより１００ｄＢ強力な信号であるため、所望信号が自己干渉に埋もれてしまい復調が困難になる。
この自己干渉の抑圧法として次の技術が挙げられる、

まず、送信アンテナの配置を工夫して、受信アンテナにヌルを形成する方法が挙げられる（例えば非特許文献１）。具体的には、アナログ回路によって送信から受信回路に故意に信号を回り込ませ受信機に入力される直前で相殺する方法である。しかし、この方法は、送受信アンテナが１本ずつの場合を想定しており、複数の受信アンテナを用いると全ての受信アンテナにヌルを形成するには困難である。すなわち、この方法では、全送信アンテナと全受信アンテナのありとあらゆる組合せに対してキャンセル回路を個別に用意する必要があり、回路が複雑になるという問題がある。

また、MIMO Full-duplex通信の自己干渉の抑圧法として、固有ビームフォーミング法（eigen-beamforming法）が挙げられる（例えば非特許文献２）。この技術においては、図１に示すように、アンテナ配置をエンドファイアにすることでLOS (Line of Sight)環境での空間相関を増加させる。空間相関が増加すると、第１固有値のみが増加し、それ以外の固有値は０に近づく。固有値と干渉受信電力は比例の関係であるため、第１固有値を除く固有値を用いた送信ビームフォーミングを行うことで、干渉抑圧が可能となる。
また、上記固有ビームフォーミング法と減算処理と組合せてディジタル信号処理を行う技術があげられる（非特許文献３）。

しかし、固有ビームフォーミング法を用いた技術は実環境では第２固有値以下の固有値が０にならないため、干渉抑圧が不十分であるという問題がある。また、ディジタル信号処理を行う技術では、強度が著しく強い干渉が存在する場合は量子化雑音が発生するため、弱い信号の復号ができなくなるという問題がある。

J. I. Choi, M. Jain, K. Srinivasan, P. Levis and S. Katti,"Achieving single channel, full duplex wireless communication," in Proc. 2010ACM MobiCom., pp. 1-12, Sept. 2010. M.Tsunezawa, N. Honma, K.Takahashi, Y.Tsunekawa, K.Murata and K.Nishimori,"Interference reduction between SDD linear array antennas using end-firearrangement," 2015 IEEE International Symposium on Antennas and Propagation& USNC/URSI National Radio Science Meeting, pp. 2511-2512, Jul. 2015. Yoshiyuki Yamamoto, Ryota Takahashi, Masakuni Tsunezawa, NaokiHonma, and Kentaro Murata, "Experimental evaluation of interference reductioneffect; Eigen-beamforminng and digital subtraction by using MIMO-OFDm signals"in IEICE Communications Express, vol.6, No,2, 71-76

本発明は、複数のアンテナを用いたMIMO Full-duplex通信システムにおいて、アナログ信号処理を実現する給電回路が付加された同時送受信用アレーアンテナとして実環境においても自己干渉が抑圧され、弱い信号であっても復号が可能であり、低コストな構成で中継器システムの大幅な変更が不要な同時送受信用アレーアンテナを提供することを目的とする。

本発明の請求項１に係る発明は、送信アレーアンテナと、
等間隔かつ直線的に配列した複数のアンテナ素子からなる受信アレーアンテナと、
前記受信アレーアンテナまたは送信アンテナに接続されるアナログ給電回路からなる同時送受信用アレーアンテナであって、
前記送信アンテナと前記受信アレーアンテナは互いにエンドファイア方向となる位置関係に配置され、
前記アナログ給電回路は入力が２ポートで出力が２ポートであるハイブリッド回路を複数用いて多段に構成されており、
初段のハイブリッド回路のそれぞれの２つの入力ポートはアレーアンテナを構成する２つのアンテナ素子対に接続され、前記初段のハイブリッド回路それぞれの２つの出力ポートのうち一方の出力ポートは信号受信手段に接続されるとともに他方の出力ポートは二段目ハイブリッド回路に接続され、
前記二段目のハイブリッド回路のそれぞれの２つの入力ポートは前記初段の２つのハイブリッド回路のそれぞれの出力ポートの片方と接続されるとともに、前記二段目のハイブリッド回路それぞれの出力ポートのうち一方の出力ポートは信号受信手段に接続されるとともに、前記二段目のハイブリッド回路が複数存在する場合は他方の出力ポートは三段目のハイブリッド回路に接続され、
前記二段目と同様に多段にハイブリッド回路を多段接続したのち最終段のハイブリッド回路の２つの出力ポートのうち一方の出力ポートは信号受信手段に接続されるとともに他方の出力ポートは信号終端手段に接続されることを特徴とする同時送受信用アレーアンテナである。

本発明の請求項２に係る発明は、前記アナログ給電回路が接続される送信または受信アレーアンテナのアンテナ素子間隔は、１／２波長の整数倍であって、アナログ給電回路を構成するハイブリッド回路は１８０度ハイブリッドであることを特徴とする請求項１記載の同時送受信用アレーアンテナである。

本発明の請求項１の同時送受信用アレーアンテナによれば、Full-duplex通信システムにおいて、アナログ信号処理を実現する給電回路を用いることによって、低コストな装置構成でエンドファイア方向にヌルを形成し自己干渉を抑圧することができる効果がある。

本発明の請求項２の同時送受信用アレーアンテナによれば、受信アレーアンテナのアンテナ素子間隔を、１／２波長の整数倍として、低コストな装置構成でエンドファイア方向にヌルを形成し自己干渉を抑圧することができる効果がある。

本発明によれば、複数のアンテナを用いたFull-duplex通信システムにおいて、アナログ信号処理を実現する給電回路を用いることによって、低コストな装置構成でエンドファイア方向にヌルを形成し自己干渉を抑圧ができる同時送受信用アレーアンテナを得ることができる。

エンドファイア配置を表す説明図である受信アンテナの所望指向性を示す概念図であるハイブリット回路の原理図である本発明の実施の形態に係る送受信アンテナを示す構造図である本発明の実施の形態に係る干渉抑圧装置の構成回路図である本発明の実施例に係る自己干渉電力の減少を示すグラフである。

本発明を実施するための形態においては、MIMO Full-duplex通信の干渉抑圧を実現するものである。本形態は受信アンテナが受信する信号の位相差を利用したもので、図１に示すように送信アレーアンテナ２０と受信アレーアンテナ３０とをエンドファイア配置にする。図２に受信アレーアンテナの所望指向性を示す。図２に示すように受信アレーアンテナがエンドファイア方向にヌルを形成することで自己干渉が抑圧できる。受信アンテナに対して１８０度ハイブリッド回路を接続する。本形態では１８０度ハイブリッド回路の入出力特性と受信信号の位相差から、アナログ回路のみでエンドファイア方向にヌルを形成することが可能となる。

本形態の利点として以下の３点が挙げられる。まず１点目として、受信アレーアンテナの素子間隔が一定である限り、素子アンテナの種類による影響を受けないという点があげられる。２点目として、送受信アンテナ間の距離に関わらず干渉抑圧が可能であるという点があげられる。３点目として、受信アンテナ数が２^Ｎ（Ｎは整数）であれば、アンテナの本数によらず干渉抑圧が可能であるという点があげられる。

本形態を説明するために、まずハイブリッド回路の原理について説明する。
ハイブリッド回路は、出力位相差が所定の値となるような方向性結合器である。主に高周波およびマイクロ波システムにおいて利用される。９０度ハイブリッド回路では出力位相差は９０度であり、１８０度ハイブリッド回路では出力位相差は１８０度である。

以下、１８０度ハイブリッド（以下ハイブリッドという。）を例にとり説明する。ハイブリッドは、２入力２出力からなる受動素子であり、図３にハイブリッドの概略図を示す。ポート１および２が入力ポート、ポート３および４が出力ポートとする。まずポート１の入力に対する出力特性について述べる。図３（ａ）に示すように、ポート１に入力された信号はポート３とポート４に同振幅で出力され、位相は同相となる。またポート２からは出力されない。ポート２の入力に対する出力特性は、図３（ｂ）に示すように、ポート３とポート４に同振幅で出力され、位相は逆相になる。またポート１からは出力されない。従ってポート３にはポート１とポート２からの入力の和を出力し、ポート４はポート１とポート２からの入力の差を出力する。ゆえに、ポート３をΣポート、ポート４をΔポートとする。

次に、ハイブリッドのＳパラメータ特性について説明する．ハイブリッドのＳパラメータＳ_ｈｙｂは、

と４つの区分行列で表せる。入力および出力ポート数はそれぞれ２となるため各区分行列は２次の正方行列となる。ここで（１）における各区分行列のインデックスｉおよびｏはそれぞれ入力および出力ポートを表している。ここで区分行列Ｓ_{ｈｙｂ，ｉｉ}およびはＳ_{ｈｙｂ，ｏｏ}それぞれ入力部および出力部におけるポートでの反射およびポート間の相互結合を表す。理想的なハイブリッド回路であれば、入出力部の反射、結合はないため、

と表せる．ここでＯ_ｎはｎ次の正方零行列を表している。また区分行列Ｓ_{ｈｙｂ，ｏｉ}は入力ポートから出力ポートへの電力の伝達を表しており、

と表される。
またハイブリッド回路のＳパラメータは可逆性が成り立ち、かつＳ_{ｈｙｂ，ｉｏ}は対称行列であるため

となる。ここでA^Tは行列Aの転値を表す。

図４に本発明の形態における送信アンテナと受信アレーアンテナとの配置関係を示す。図４において、受信アレーアンテナの素子は４本（１、２、３、４）、送信は点波源（２１）としている。受信アレーアンテナ３０のエンドファイア方向に点波源２１があるものとする。受信アレーアンテナ３０の素子（１、２、３、４）同士の間隔は全てｄ_{ｅｌｅｍｅｎｔ}＝λ_０／２とし、送受信アンテナ距離をｄ_{ＴＸ―ＲＸ}と定義する。

図５に受信アレーアンテナに接続する干渉抑圧装置の構成図を示す。本形態では受信アレーアンテナが２^Ｎ本のとき、必要となるハイブリットは（２^Ｎ―１）個である。図４では受信アレーアンテナ３０の素子は４本であるため、必要となるハイブリットは３個である。受信アレーアンテナの素子（１、２、３、４）間隔が半波長であるため、各受信アレーアンテナの素子（１、２、３、４）の受信電力位相は１８０度ずつずれて受信する。図５に示す１段目の１８０度ハイブリットでは、Σポートは送信機からの干渉を抑圧し、Δポートは干渉が残留する。１８０度ハイブリットのΔポート同士を２段目の１８０度ハイブリットに接続する。２段目の１８０度ハイブリットには同相の干渉電力が入力されるため、Δポートの干渉は抑圧され、Σポートは干渉が残留する。干渉が残留した２段目のハイブリッドのΣポートは終端する。本発明により、４ポートの内１ポートに干渉を残留させ、他の３ポート（＃１、＃２、＃３）の干渉を抑圧することが可能となる。本形態における受信ウェイトｗ_ＲＸは、

と示すことができる．

図６に本発明の形態である図４のモデルについて、送受信アンテナ距離を変化させたときの自己干渉電力を計算した結果を示す。本計算では自由空間損失を考慮し、ハイブリッドは理想的な動作をするものとする。使用周波数は２．２９ＧＨｚである。ここでλ_０は真空中の波長であり、点波源から受信アンテナＲｘ_ｉの伝搬路ｈ_ｉを、

とする。
また、受信電力ｐ（ｎ）、自己干渉電力Ｐ_Ｒｘを、

と定義する。ここで、ｐ_ｎは給電回路の出力ｎポートの受信電力を表す。干渉が残留するポート４を含む全てのポートの受信電力を平均化した値が本発明を用いない参考例に係る自己干渉電力（実線）であり、ポート４を除くポートの受信電力を平均化した値が本発明の実施例に係る自己干渉電力（点線）である。

図６より、本発明の実施例（実線）は参考例に比べ、自己干渉電力を減少できていることが分かる。送受信アンテナ距離が遠いほど、本発明の効果が大きくなる。これは送受信アンテナ距離が遠いほど、アンテナごとの自由空間損失の差が小さくなるためである。もしハイブリッドの性能が理想的で受信アンテナごとの受信電力の振幅が等しければ、点波源からの干渉を完全に抑圧できる。

以上の結果より、本形態はハイブリッドのみを用いたアナログ回路にとって、エンドファイア方向の干渉信号を抑圧することが可能であり、受信アレーアンテナに本形態の回路を付加するだけで自己干渉抑圧が可能であることが示された。本実施例では２．２９ＧＨｚでの計算結果を示しているが、周波数帯によらず本発明は使用可能である。さらに高周波になるほど、素子間隔が小さくなるため小型化が可能である。またアンテナ数が増えてもそれに応じてハイブリッドの数を増加させることで適応可能である。
なお、上述した例では、１８０度ハイブリッド回路を用いたが、アンテナ素子間隔が１／４波長の整数倍の場合には９０度ハイブリッド回路を用いてもよい。例えば、干渉抑制が生じるような位相を有する信号を選択して入力ポート１，２に入力すればよい。また、９０度ハイブリッドと１８０度ハイブリッドを組合せてもよい。
また、上記例では、第１段に２^Ｎ／２個のハイブリッド回路を用い、最終段のハイブリッド回路の数が１となるまで順次多段に組み合わせた例を示したが、ハイブリッド回路の数が１となる前の段を最終段としてもよく、この場合も本発明の範囲に含まれる。
ハイブリッド回路の回路構成の種類には限定されない。例えば、１８０度ハイブリッド回路として、例えばラットレース回路を用いればよい。

本発明によれば、複数のアンテナを用いたＦｕｌｌ−ｄｕｐｌｅｘ通信システムにおいて、アナログ信号処理を実現する給電回路を用いることによって、低コストな装置構成でエンドファイア方向にヌルを形成し自己干渉を抑圧ができる同時送受信用アレーアンテナを得ることができ、通信関連の産業の発展に寄与する。

１０同時送受信用アレーアンテナ
２０送信用アレーアンテナ
２１送信アンテナ
３０受信用アレーアンテナ
１、２、３、４受信用アンテナ素子
Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ１８０度ハイブリッド回路

Claims

送信アレーアンテナと、
等間隔かつ直線的に配列した複数のアンテナ素子からなる受信アレーアンテナと、
前記受信アレーアンテナまたは送信アンテナに接続されるアナログ給電回路からなる同時送受信用アレーアンテナであって、
前記送信アンテナと前記受信アレーアンテナは互いにエンドファイア方向となる位置関係に配置され、
前記アナログ給電回路は入力が２ポートで出力が２ポートであるハイブリッド回路を複数用いて多段に構成されており、
初段のハイブリッド回路のそれぞれの２つの入力ポートはアレーアンテナを構成する２つのアンテナ素子対に接続され、前記初段のハイブリッド回路それぞれの２つの出力ポートのうち一方の出力ポートは信号受信手段に接続されるとともに他方の出力ポートは二段目ハイブリッド回路に接続され、
前記二段目のハイブリッド回路のそれぞれの２つの入力ポートは前記初段の２つのハイブリッド回路のそれぞれの出力ポートの片方と接続されるとともに、前記二段目のハイブリッド回路それぞれの出力ポートのうち一方の出力ポートは信号受信手段に接続されるとともに、前記二段目のハイブリッド回路が複数存在する場合は他方の出力ポートは三段目のハイブリッド回路に接続され、
前記二段目と同様に多段にハイブリッド回路を多段接続したのち最終段のハイブリッド回路の２つの出力ポートのうち一方の出力ポートは信号受信手段に接続されるとともに他方の出力ポートは信号終端手段に接続されることを特徴とする同時送受信用アレーアンテナ。
前記アナログ給電回路が接続される送信または受信アレーアンテナのアンテナ素子間隔は、１／２波長の整数倍であって、アナログ給電回路を構成するハイブリッド回路は１８０度ハイブリッドであることを特徴とする請求項１記載の同時送受信用アレーアンテナ。