WO2014112366A1

WO2014112366A1 - 無線通信装置、無線通信方法および無線通信システム

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Publication number: WO2014112366A1
Application number: PCT/JP2014/000139
Authority: WO
Inventors: 高英吉田
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2013-01-18
Filing date: 2014-01-15
Publication date: 2014-07-24
Anticipated expiration: 2015-07-18
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Abstract

［課題] 空間多重ＭＩＭＯ方式を用いた無線通信装置においては、通信性能を維持したまま装置の小型化を図ることが困難であった。［解決手段］所定の帯域を有する無線信号を送受信するアンテナ素子を備え、アンテナ素子の指向性が可変である指向性可変アンテナと、指向性可変アンテナの指向性を所定の切り替えレートで切り替える指向性制御手段と、指向性が所定の切り替えレートで切り替わっている状態で無線信号の変調および復調のいずれか一方を行う変復調手段とを有し、切り替えレートが帯域で定まるサンプリングレートの整数倍である。

Description

無線通信装置、無線通信方法および無線通信システム

　本発明は、無線通信装置、無線通信方法および無線通信システムに関し、特にＭＩＭＯ（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ－Ｉｎｐｕｔ　Ｍｕｌｔｉｐｌｅ－Ｏｕｔｐｕｔ）通信に用いられる無線通信装置、無線通信方法および無線通信システムに関する。

　近年、通信容量を増大させて高速通信を実現するために、複数のサブストリ－ムを空間分割多重により通信するＭＩＭＯシステムが移動体通信などで商用化されている。

　ＭＩＭＯシステムでは複数のアンテナ素子を有する送信機と受信機により通信が行われる。複数のアンテナ素子を有する送信機から複数のサブストリ－ムが送信され、サブストリ－ムの数以上のアンテナ素子を有する受信機により信号を受信することによって空間多重ＭＩＭＯ通信を可能とする。

　このような空間多重ＭＩＭＯ通信技術の一例が特許文献１、特許文献２に記載されている。

　特許文献１においては、複数のアンテナ素子を有するＭＩＭＯアンテナ装置において、通信時にチャネル容量を最大化する最適なアンテナ素子を選択する方法が提案されている。

　特許文献２においては、ＭＩＭＯ通信用アンテナと指向性アンテナとを切り替えるアレイアンテナが提案されている。また、複数のアンテナ素子の給電点を、個別にスィッチングできるようにするスィッチング素子が提案されている。

特開２００９－１８２４０３号公報国際公開第２００８／１０５１２６号

　しかしながら、これらの特許文献に記載の無線通信装置等には次のような問題があった。

　特許文献１では、ＭＩＭＯアンテナ装置を実装するためには送信するサブストリ－ム数（以後Ｚ個と呼ぶ）以上のアンテナ素子の数（以後Ｘ本と呼ぶ）が必要とされる。即ち、Ｘ≧Ｚとの制約が存在する。そのため、広いアンテナ実装面積が必要となり、小型の携帯端末などでは実装が容易ではなかった。仮に、省スペースにアンテナ素子を実装できたとしても、アンテナ間距離が相互に近接することとなる。そうすると、相関係数の増加や放射効率の低下が発生し、むしろ通信性能が劣化する恐れがあった。このように、アンテナ素子数の制約による実用上の問題があった。また、小型の携帯端末に限らず、一般的なＭＩＭＯ通信用アンテナ装置においても、アンテナ素子数はサブストリ－ム数と同等かそれ以上の数が必要になるというアンテナ設計上の制約があった。

　また、特許文献２では、ＭＩＭＯ用アンテナかあるいは指向性アンテナか、いずれかを選択するとしている。そのため、この場合にもＭＩＭＯアンテナ装置を用いるときには、送信するサブストリ－ム数以上のアンテナ素子の数が必要になるという問題があった。

　このように、ＭＩＭＯ方式を用いた関連する無線通信装置においては、アンテナ素子数に制約があるため、通信性能を維持したまま装置の小型化を図ることが困難であるという問題があった。

　本発明の目的は、上述した課題である、ＭＩＭＯ方式を用いた無線通信装置においてはアンテナ素子に制約があるため、通信性能を維持したまま装置の小型化を図ることが困難である、という課題を解決する無線通信装置、無線通信方法および無線通信システムを提供することにある。

　本発明の無線通信装置は、所定の帯域を有する無線信号を送受信するアンテナ素子を備え、アンテナ素子の指向性が可変である指向性可変アンテナと、指向性可変アンテナの指向性を所定の切り替えレートで切り替える指向性制御手段を有する。そして、指向性が所定の切り替えレートで切り替わっている状態で無線信号の変調および復調のいずれか一方を行う変復調手段を有し、切り替えレートが帯域で定まるサンプリングレートの整数倍である。

　また、本発明の無線通信方法は、所定の帯域を有する無線信号を送受信する指向性可変アンテナの指向性を所定のレートで切り替え、指向性が所定の切り替えレートで切り替わっている状態で無線信号の変調および復調のいずれか一方を行い、切り替えレートを帯域で定まるサンプリングレートの整数倍とする。

　また、本発明の無線通信システムは、所定の帯域を有する無線信号を送信する指向性可変アンテナの指向性を所定のレートで切り替え、指向性が所定の切り替えレートで切り替わっている状態で無線信号の変調を行い、切り替えレートを帯域で定まるサンプリングレートの整数倍とする変調器を備えた送信器を含む。そして、所定の帯域を有する無線信号を受信する指向性可変アンテナの指向性を所定のレートで切り替え、指向性が所定の切り替えレートで切り替わっている状態で無線信号の復調を行い、切り替えレートを帯域で定まるサンプリングレートの整数倍とする復調器を備えた受信器を含む。

　本発明の無線通信装置によれば、アンテナ素子に制約があるＭＩＭＯ方式を用いた場合であっても、通信性能を維持したまま装置の小型化を図ることができる。

本発明の第１の実施形態に係る無線通信装置の構成を示すブロック図である。本発明の第１の実施形態に係る各指向性状態ごとに受信される電気信号を説明するための特性図である。本発明の第１の実施形態に係る切り替えレートを決定する手順を説明するためのフローチャートである。本発明の第２の実施形態に係る無線通信装置の構成を示すブロック図である。本発明の第３の実施形態に係る無線通信装置の構成を示すブロック図である。本発明の第３の実施形態に係る無線通信装置の別の構成を示すブロック図である。

　次に、本発明を実施するための形態について図面を参照して説明する。なお、以下の説明では、同じ機能を有するものには同じ符号をつけ、その説明を省略する場合がある。
（第１の実施形態）
（構成）
　図１は、本発明の第１の実施形態に係る無線通信装置１の構成を示すブロック図である。無線通信装置１は、所定の帯域を有する無線信号を送受信するアンテナ素子１１と、アンテナ素子１１の指向性が可変である指向性可変アンテナ１０を備えている。そして、指向性可変アンテナ１０の指向性を所定の切り替えレートで切り替える指向性制御回路２０と、指向性が所定の切り替えレートで切り替わっている状態で無線信号の変調および復調のいずれか一方を行う変復調器４０を備えている。

　送信側で無線通信装置１を用いる場合、ベースバンド信号は、複数のデータストリームに分離され、各データストリームは変復調器４０にてベースバンドから無線周波数帯にアップコンバートされ、各データストリームは異なるアンテナからそれぞれ送信される。

　受信側で用いる場合、送信側の複数のアンテナからそれぞれ送信されたサブストリームは、受信側の各アンテナにおいてそれぞれ混合した状態で受信される。そして、変復調器４０にて無線周波数帯からベースバンドにダウンコンバートされた後、ベースバンド信号として出力される。即ち、変復調器４０は、送信側では変調器として動作し、受信側では復調器として動作する。

　以下、受信側で用いる場合の動作について説明する。図１に示すように、指向性可変アンテナ１０で受信された信号は、変復調器４０において信号処理がなされ復調される。

　ここで、指向性可変アンテナ１０は、アンテナ素子１１をＸ本有しており、また、異なる指向性状態数（以後Ｙと呼ぶ）を有している。

　指向性制御回路２０は、例えばデジタル信号処理によって、あるいは、アナログ的にスイッチ素子やリアクタンス可変素子を制御することによって、指向性可変アンテナ１０に対して複数のアンテナビームを形成し指向性を変化させるよう制御する。指向性可変アンテナ１０の各指向性状態で受信されたデータストリームは、変復調器４０に入力される。

　変復調器４０は、混合した状態で受信されたサブストリームから、それぞれのサブストリームを分離し、分離したサブストリームを統合して復調信号として出力する。なお、混合したサブストリームの分離は、送信側と受信側のアンテナ対ごと（伝播経路ごと）の伝達関数を逆演算処理し、送信元のサブストリームを推定することによって行うことができる。

　また、指向性可変アンテナ１０、指向性制御回路２０、変復調器４０の構成は、通信方式やアプリケ－ションなどに応じて適宜変更が可能である。また、本実施形態による無線通信装置１の基本構成は、受信側だけではなく、送信側にも適用可能である。

　また、本実施形態において混合した状態で受信されたサブストリーム数Ｚは、指向性可変アンテナ１０が有する異なる指向性状態数Ｙよりも大きくなることはない。即ち、Ｚ≦Ｙの関係を満たす。なお、ＸとＹとは、Ｘ≦Ｙの関係にある。
（動作）
　以下ではＭＩＭＯ－ＯＦＤＭシステムを用いたＸ_１×Ｘ_２ＭＩＭＯ空間多重受信方式を用いた場合を例に、本実施形態の無線通信装置１の動作を説明する。ここで、Ｘ_１、Ｘ_２はそれぞれ、送信側アンテナにおける指向性状態数と、受信側アンテナにおける指向性状態数とを表す。

　ＯＦＤＭデ－タブロック時間送信信号として、次の式（１）に示すようなＳ_Ｔ,ｉを想定する。

　ここで、Ｎはサブキャリア数である。そして、ｄ_ｉ（Ｎ）はサブキャリアＮにおける複素デ－タシンボルである。「Ｒｅ[ ]」は鍵括弧内の関数の実数成分を表す。ｆ_Ｃはキャリア波周波数を、ｆ_ｏはキャリア間隔を示し、これよりｎ番目の搬送波の周波数は、ｆ_Ｃ＋ｎｆ_ｏとなる。

　デ－タブロック時間（以後Ｔ_Ｓと呼ぶ）を次の式（２）のように表す。
Ｔ_Ｓ＝１／ｆ_ｏ　　　　　　　式（２）
モデルを単純化するため、ここではガードインターバルは省略している。

　次に、受信信号について説明する。送信されたＯＦＤＭデ－タシンボルＳ_Ｔ,ｉは、伝搬環境に応じてフェ－ジングｈ_ｉjを受けた後、受信機のアンテナで受信される。このとき、本実施形態の無線通信装置１においてはアンテナの指向性を周期Δで切り替えながら受信を行う。

　指向性状態（添字「ｉ」で区別）ごとに受信される電気信号Ｃ_ｉ（ｔ）は、次の式（３）のように表すことができる。

　式（３）は矩形状の関数である。図２は、本発明の第１の実施形態に係る無線通信装置が各指向性状態ごとに受信する電気信号を説明するための特性図である。この特性図はＹ＝２の場合であり、そうするとｉの取り得る値は１または２となる。

　受信信号Ｓ_Ｒ,ｉは、これらｈ_ｉj、Ｃ_ｉ（ｔ）、Ｓ_Ｔ,ｉを用いて式（４）のように与えられる。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　式（４）

　ここで、ｊは受信されたサブストリ－ムを区別する番号であり、ｊ＝１，２，・・・，Ｚである。

　続いて受信信号Ｓ_Ｒ,ｉは、変復調器でダウンコンバ－ジョンされる。即ち、式（４）の受信信号は式（５）のような複素べ－スバンド信号Ｓ_Ｂ,ｉに変換される。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　式（５）

　このベ－スバンド信号はさらに、式（６）のような標本化時間（以後ｔ_ｑと呼ぶ）によってサンプリングされる。

　Ｓ_Ｂ,ｉは、式（６）を使って、式（５）から次の式（７）のように書き換えられる。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　式（７）

　このようなべ－スバンド信号に変換された後、離散フ－リエ変換され、チャネル推定処理が行われる。その際、アンテナの指向性切り替え周期Δを適切に選ぶことによって、送信信号の情報を劣化させることなく復元することができる。

　別の言い方をすると、アンテナ素子数に制約があるＭＩＭＯ方式を用いた無線通信装置等において、Ｙの値が２の場合に対応してサブストリーム数Ｚの値を２とするには、アンテナ素子の数Ｘは２以上必要となる。一方、本実施形態の無線通信装置１においては、アンテナ素子の数Ｘがたとえ１であっても、切り替え周期Δを適切に選ぶことによって、サブストリーム数Ｚの値として２を実現することができる。

　適切な指向性切り替えレート（１／Δ）は、使用するＯＦＤＭサブチャネル数や送信信号のサンプリングレート等によって変わる。そのため、状況に応じて適切な切り替えレートを選択することが望ましい。なお、ＯＦＤＭの場合、高速変調された単一の広帯域幅信号はなく、遅い変調を受けた多数の狭帯域幅信号がある。この指向性切り替えレートを適切に設定する手法について次に説明する。

　図３は、本発明の第１の実施形態に係る切り替えレートを決定する手順を説明するためのフローチャートである。まず、送信側でトレーニング信号を送信する（ステップＳ１）。次に、指向性制御回路２０は、切り替えレート（１／Δ）でアンテナ指向性の切り替えを行う。ここで、切り替えレートは、式（８）のように与えられる（ステップＳ２）。

　最初はＬ＝Ｙで切り替えを行い、必要に応じてＬの値を１ずつ増加させていく。即ち、Ｌ＝Ｙ、Ｙ＋１、Ｙ＋２・・・である。続いて、トレーニング信号の復元を行う（ステップＳ３）。そして、復元した信号に誤りが発生するか否かでフローは分岐する（ステップＳ４）。即ち、誤り（エラー）が発生した場合（ステップＳ４／ＮＯ）、Ｌの値を１つ増加して切り替えレートを再設定する（ステップＳ２に戻る）。一方、誤り（エラー）がない場合（ステップＳ４／ＹＥＳ）、その切り替えレートが採用され、切り替えレートの選択処理は終了する。
（効果）
　以上のように、アンテナの指向性切り替えの適切なレートが決定される。これによって、送信された混合状態のサブストリ－ム数以下のアンテナ数（Ｘ＜Ｚ）でも空間多重ＭＩＭＯ通信が可能となり、送信信号の情報を劣化させることなく復元することが可能となる。すなわち、アンテナ素子に制約があるＭＩＭＯ方式を用いた場合であっても、通信性能を維持したまま装置の小型化を図ることができる。

　また、式（８）から判るように、切り替えレートは、サブキャリア数Ｎおよびキャリア間隔ｆ_０の積の数倍程度となる。さらに、式（６）と式（８）との比較から、切り替えレート（１／Δ）はサンプリングレート（１／ｔ_ｑ）よりもＬ×ｑ倍高くなる。ここで、ＬはＹ以上、ｑは１以上であるので、Ｌ×ｑはＹ以上の値となることが判る。

　なお、図３に係る本発明の第１の実施形態に係る切り替えレートを決定する手順は、切り替えレートの選択処理の一例にすぎない。すなわち、誤り（エラー）が発生しない最初のＬの値が得られた場合に切り替えレートの選択処理を終了しているが、適切なＬの値は最初の値（最小の値）に限られるものではない。
（第２の実施形態）
　図４は、本発明の第２の実施形態に係る無線通信装置２の構成を示すブロック図である。本実施形態の構成が第１の実施形態と異なる点は、指向性可変アンテナ１０が、アレイアンテナ１２、加算器５０、乗算器６０、重み付け制御回路２１から構成される点である。それ以外の本実施形態の構成は第１の実施形態と同様である。

　アレイアンテナ１２の各素子に、乗算器６０を介して、重み付け制御回路２１から素子間の位相または振幅を調整（重み付け）する。そして、アレイアンテナ１２の各素子の位相および振幅が加算器５０を介して合成される。位相または振幅を調整することにより、アンテナの指向性を変化させることができる。

　本実施形態においても、第１の実施形態と同等の効果を奏する。
（第３の実施形態）
　図５は、本発明の第３の実施形態に係る無線通信装置３の構成を示すブロック図である。本実施形態の構成が第１の実施形態と異なる点は、ポート切替回路３０が含まれる点である。それ以外の本実施形態の構成は第１の実施形態と同様である。

　ポート切替回路３０は、指向性可変アンテナ１０の各指向性状態で受信されたサブストリームが、変復調器４０の所定の信号ポートにそれぞれ入力するよう切り替える。ここで、変復調器４０における信号ポートの数（以後Ｗと呼ぶ）は、空間多重ＭＩＭＯ通信で使用するサブストリ－ム数Ｚ以上であり、指向性可変アンテナ１０の取り得るＹ以下である。即ち、Ｚ≦Ｗ≦Ｙの関係にある。

　本発明の第３の実施形態に係る無線通信装置３の構成では、アンテナ指向性ごとの受信信号が混合した状態から各信号を分離する処理が、変復調器４０内において不要となる。その理由は、指向性可変アンテナ１０の各指向性状態で受信された各サブストリームが、変復調器４０内の各アンテナ指向性に対応する信号処理回路の各信号ポートにそれぞれ入力されるよう、ポート切替回路３０によって切り替えられるからである。即ち、アンテナ指向性ごとに各信号を取り出す処理が、変復調器４０内ではなく、変復調器４０の外部で実行される。

　なお、指向性可変アンテナ１０で受信された信号を変復調器４０の信号ポート間で替えるタイミングは、アンテナの指向性を切り替えるタイミングと同期させることとしてもよい。

　なお、ポート切替回路３０が切り替える信号ポート数Ｗを使って、第１の実施形態で説明した各式を次のように変形・拡張することができる。

　指向性状態ごとに受信される電気信号を表す式（３）は、次の式（９）のように表すことができる。

　受信信号Ｓ_Ｒ,ｉを表す式（４）は、次の式（１０）のように表すことができる。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　式（１０）

　複素ベ－スバンド信号Ｓ_Ｂ,ｉを表す式（５）は、次の式（１１）のように表すことができる。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　式（１１）

Ｓ_{Ｂ,Ｗ，ｉ}は、式（６）を使って、式（１１）から次の式（１２）のように書き換えられる。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　式（１２）

　図６は、本発明の第３の実施形態に係る無線通信装置の別の構成を示すブロック図である。

　指向性可変アンテナ１０として単一アンテナ１３を備え、変復調器４０における信号ポートの数Ｗは２つの場合を示す。そして、指向性可変アンテナ１０が取り得る指向性状態の数Ｙは２つの場合であるとした。即ち、ＭＩＭＯ－ＯＦＤＭシステムを用いた２×２ＭＩＭＯ空間多重受信を仮定し、Ｘ＝１、Ｚ＝２、Ｗ＝２、Ｙ＝２、という場合である。指向性の切り替えは、スイッチ素子やリアクタンス可変素子などを利用して行う。例えば、指向性制御回路２０がこれらの素子を統括して制御し、所望の指向性を実現する。本実施形態においても、送信するサブストリ－ム数以下のアンテナ数（Ｘ＜Ｚ）でも、情報を劣化させずに空間多重ＭＩＭＯ通信が可能となる。

　上述した実施例による無線通信装置は、例えば、ＲＦＩＤ（ＲａｄｉｏＦｒｅｑｕｅｎｃｙＩＤｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ）、航空無線、海上無線といった長波から短波の領域で用いられる無線通信機器に搭載が可能である。

　また、本発明は上記実施形態に限定されることなく、請求の範囲に記載した発明の範囲内で、種々の変形が可能であり、それらも本発明の範囲内に含まれることはいうまでもない。

　この出願は、２０１３年１月１８日に出願された日本出願特願２０１３－００７３４６を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。

　１、２、３　　無線通信装置
　１０　　指向性可変アンテナ
　１１　　アンテナ素子
　１２　　アレイアンテナ
　１３　　単一アンテナ
　２０　　指向性制御回路
　２１　　重み付け制御回路
　３０　　ポート切替回路
　４０　　変復調器
　５０　　加算器
　６０　　乗算器

Claims

　所定の帯域を有する無線信号を送受信するアンテナ素子を備え、前記アンテナ素子の指向性が可変である指向性可変アンテナと、
　前記指向性可変アンテナの前記指向性を所定の切り替えレートで切り替える指向性制御手段と、
　前記指向性が前記所定の切り替えレートで切り替わっている状態で前記無線信号の変調および復調のいずれか一方を行う変復調手段と、
を有し、前記切り替えレートが前記帯域で定まるサンプリングレートの整数倍である
無線通信装置。
　前記変復調手段は、前記無線信号に含まれるベースバンド信号をデータストリームに変換し、さらに異なる前記指向性が混合した状態のサブストリームに分割し、
　前記アンテナ素子の数は当該サブストリームの数よりも少ない
請求項１に記載の無線通信装置。
　前記指向性制御手段は、前記指向性可変アンテナの取りうる指向性の状態が送受信される前記サブストリームに対応するように指向性状態を制御し、
　前記切り替えレ－トは、前記サンプリングレートより少なくとも前記指向性状態の数以上大きい
請求項１に記載の無線通信装置。
　前記指向性の状態の数は、前記アンテナ素子の数以上であり、かつ、前記指向性状態の数は、前記サブストリームの数以上である
請求項１乃至３のいずれか一項に記載の無線通信装置。
　前記指向性可変アンテナで受信される受信信号または送信される送信信号を、前記信号ポート間で切り替えるポート切替手段をさらに備え、
　前記変復調手段は複数の信号ポートを有する
請求項１乃至４のいずれか一項に記載の無線通信装置。
　前記指向性制御手段と前記ポート切替手段とは互いに同期しており、
前記指向性の切り替えおよび信号ポート切り替えが同じタイミングで行われる
請求項５に記載の無線通信装置。
　前記変復調手段は、前記無線信号に含まれるベースバンド信号をデータストリームに変換し、さらに異なる前記指向性が混合した状態のサブストリームに分割し、
　前記複数の信号ポートの数は、前記サブストリームの数以上であり、かつ、前記信号ポートの数は、前記指向性状態の数以下である
請求項５または６に記載の無線通信装置。
　前記指向性可変アンテナは、アレイアンテナからなる
請求項１乃至７のいずれか一項に記載の無線通信装置。
　所定の帯域を有する無線信号を送受信する指向性可変アンテナの指向性を所定のレートで切り替え、
　前記指向性が前記所定の切り替えレートで切り替わっている状態で前記無線信号の変調および復調のいずれか一方を行い、
　前記切り替えレートを前記帯域で定まるサンプリングレートの整数倍とする
無線通信方法。
　所定の帯域を有する無線信号を送信する指向性可変アンテナの指向性を所定のレートで切り替え、
　前記指向性が前記所定の切り替えレートで切り替わっている状態で前記無線信号の変調を行い、
　前記切り替えレートを前記帯域で定まるサンプリングレートの整数倍とする
変調手段と、を備えた送信手段と、
　所定の帯域を有する無線信号を受信する指向性可変アンテナの指向性を所定のレートで切り替え、
　前記指向性が前記所定の切り替えレートで切り替わっている状態で前記無線信号の復調を行い、
　前記切り替えレートを前記帯域で定まるサンプリングレートの整数倍とする
復調手段と、を備えた受信手段と、
を含むことを特徴とする無線通信システム。