(57)【要約】【課題】ＬＯＳ−ＭＩＭＯで全二重通信をするに当たり、簡素に干渉除去を行うことができる電子装置及びそのアンテナ設置方法を提供する。【解決手段】電子装置は、送信アレーアンテナ部と、受信アレーアンテナ部とを備える。送信アレーアンテナ部は、送信信号を送信する複数の第１アンテナ素子を有する。受信アレーアンテナ部は、送信信号と少なくとも一部が重なる受信周波数帯で、送信信号の送信期間と少なくとも一部が重なっている受信期間で受信信号を受信する、第１アンテナ素子と同数の第２アンテナ素子を有する。第１アンテナ素子は、受信周波数に帯対応した波長、送信アレーアンテナ部と受信アレーアンテナ部に基づく間隔で設置される。【選択図】図８
2020048001.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
送信信号を送信する複数の第１アンテナ素子を有する第１アンテナ部と、
前記送信信号の送信周波数帯と少なくとも一部が重なる受信周波数帯で、かつ前記送信信号の送信期間と少なくとも一部が重なる受信期間で受信信号を受信する、前記第１アンテナ素子の数と同数の複数の第２アンテナ素子を有する第２アンテナ部と、
を具備し、
前記複数の第２アンテナ素子のうちの少なくとも２つの第２アンテナ素子の間隔ｓは、前記受信周波数帯に対応する波長をλ、前記第１アンテナ部と前記第２アンテナ部との距離をＤとしたとき、
【数１】
2020048001.tif 000036
である電子装置。
【請求項２】
それぞれの前記第１アンテナ素子は、それぞれの前記第２アンテナ素子との距離差が四分の一波長の奇数倍となるように設置されている請求項１に記載の電子装置。
【請求項３】
それぞれの前記第１アンテナ素子は、それぞれの前記第２アンテナ素子の位置を焦点とした双曲線上に設置されている請求項２に記載の電子装置。
【請求項４】
それぞれの前記第１アンテナ素子は、前記第２アンテナ素子の前記間隔が縮められることによって間隔が広げられた前記双曲線上に設置されている請求項３に記載の電子装置。
【請求項５】
送信信号を送信する複数の第１アンテナ素子を有する第１アンテナ部と、
前記送信信号の送信周波数帯と少なくとも一部が重なる受信周波数帯で、かつ前記送信信号の送信期間と少なくとも一部が重なる受信期間で受信信号を受信する、前記第１アンテナ素子と同数の第２アンテナ素子のアレーを有する第２アンテナ部と、
を具備し、
前記複数の第１アンテナ素子のうちの少なくとも２つの第１アンテナ素子の間隔ｓは、前記受信周波数帯に対応した波長をλ、前記第１アンテナ部と前記第２アンテナ部との距離をＤとしたとき、
【数２】
2020048001.tif 000037
である電子装置。
【請求項６】
それぞれの前記第２アンテナ素子は、それぞれの前記第１アンテナ素子との距離差が四分の一波長の奇数倍となるように設置されている請求項５に記載の電子装置。
【請求項７】
それぞれの前記第２アンテナ素子は、それぞれの前記第２アンテナ素子の位置を焦点とした双曲線上に設置されている請求項６に記載の電子装置。
【請求項８】
それぞれの前記第２アンテナ素子は、前記第２アンテナ素子の前記間隔が縮められることによって間隔が広げられた前記双曲線上に設置されている請求項７に記載の電子装置。
【請求項９】
前記第１アンテナ素子の素子間隔と前記第２アンテナ素子の素子間隔とは、同一である請求項１又は５に記載の電子装置。
【請求項１０】
前記第１アンテナ素子の素子間隔と前記第２アンテナ素子の素子間隔とは、異なっている請求項１又は５に記載の電子装置。
【請求項１１】
前記第１アンテナ部と前記第２アンテナ部の間のそれぞれのチャネルの振幅に違いがある場合、前記振幅の比率に基づいて、前記電子装置の通信相手の無線局に対し、前記無線局が有する第１アンテナ部の指向性を変化させるように要求する処理部をさらに具備する請求項１又は５に記載の電子装置。
【請求項１２】
前記第１アンテナ部から送信される送信信号の情報を保持する送信信号情報保持部と、
前記電子装置の通信相手の無線局から送信されて前記第２アンテナ部で受信される第１受信信号に基づく、前記電子装置と前記無線局との間の第１チャネル情報を保持する第１チャネル情報保持部と、
前記第１アンテナ部から送信されて前記第２アンテナ部で受信される第２受信信号に基づく、前記第１アンテナ部と前記第２アンテナ部との間の第２チャネル情報を保持する第２チャネル情報保持部と、
前記第１チャネル情報と前記第２チャネル情報とに基づいて前記第１受信信号に対してウェイト演算を行うウェイト演算部と、
前記ウェイト演算がされた前記第１受信信号と前記送信信号情報保持部に保持された前記送信信号とに基づいて、前記第１受信信号における干渉信号を除去する干渉信号除去部と、
をさらに具備する請求項１又は５に記載の電子装置。
【請求項１３】
前記第１チャネル情報及び前記第２チャネル情報は、チャネル推定の結果として得られたチャネルの情報、事前のキャリブレーションプロセスにて測定されたチャネルの情報、又は決定論的に算出されたチャネルの情報である請求項１２に記載の電子装置。
【請求項１４】
前記干渉信号除去部は、それぞれの前記第２アンテナ素子からの前記第１受信信号に対し、対応する前記第１アンテナ素子のみからの前記干渉信号を除去する請求項１２に記載の電子装置。
【請求項１５】
送信信号を送信する複数の第１アンテナ素子を有する第１アンテナ部と、前記送信信号の送信周波数帯と少なくとも一部が重なる受信周波数帯で、かつ前記送信信号の送信期間と少なくとも一部が重なる受信期間で受信信号を受信する、前記第１アンテナ素子と同数の第２アンテナ素子のアレーを有する第２アンテナ部と、を具備する電子装置におけるアンテナ設置方法であって、
前記複数の第２アンテナ素子のうちの少なくとも２つの第２アンテナ素子の間隔をｓ、前記受信周波数帯に対応した波長をλ、前記第１アンテナ部と前記第２アンテナ部との距離をＤとしたとき、
【数３】
2020048001.tif 000038
とするように前記第２アンテナ素子を設置するアンテナ設置方法。
【請求項１６】
送信信号を送信する複数の第１アンテナ素子を有する第１アンテナ部と、前記送信信号の送信周波数帯と少なくとも一部が重なる受信周波数帯で、かつ前記送信信号の送信期間と少なくとも一部が重なる受信期間で受信信号を受信する、前記第１アンテナ素子と同数の第２アンテナ素子のアレーを有する第２アンテナ部と、を具備する電子装置におけるアンテナ設置方法であって、
前記複数の第１アンテナ素子のうちの少なくとも２つの第１アンテナ素子の間隔をｓ、前記受信周波数帯に対応した波長をλ、前記第１アンテナ部と前記第２アンテナ部との距離をＤとしたとき、
【数４】
2020048001.tif 000039
とするように前記第１アンテナ素子を設置するアンテナ設置方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、無線で全二重通信をする電子装置及びそのアンテナ設置方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
５Ｇのバックホール回線では数１０Ｇｐｓ以上の高速通信が求められている。バックホールシナリオで伝送速度を改善させるために、従来のマルチパスを活用するＭＩＭＯ伝送と異なり、見通し内環境でも直交性を保つＭＩＭＯ（Multiple-input and Multiple-output）伝送であるＬＯＳ−ＭＩＭＯが提案されている。ＬＯＳ−ＭＩＭＯでは、送受信間の決定論的なパスの経路差（位相関係）を有効利用して、複数ストリームを互いに干渉なく送ることができる。また一方で、同時に双方向通信を行う技術である全二重通信が注目されている。これらの２つの技術を用いるとＳＩＳＯに対して理論的には周波数利用効率が４倍になる。
【０００３】
従来、バックホール向けでＬＯＳ−ＭＩＭＯのメカニズムを送受間チャネル及び干渉チャネルの双方に有効利用した例は知られていない。例えば、特許文献１は、近距離の電子機器間でＬＯＳ−ＭＩＭＯと同様の考え方でチャネルのパス差に着目してアンテナを配置することで、ストリーム間干渉を低減する技術を提案している。特許文献１での全二重通信は周波数分割複信（ＦＤＤ）である。また、特許文献１は送受間チャネルのみに着目しており、干渉チャネルに関しては考慮していない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第５６７２６８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
全二重通信では、自己干渉の影響が受信信号に対して大きい。この全二重通信の自己干渉の影響を除去するための技術は幾つか知られている。しかしながら、ＭＩＭＯのようなマルチアンテナシステムにおいて全二重通信をする場合、干渉チャネルの組み合わせが増えるため、干渉除去は複雑化し易い。
【０００６】
実施形態は、ＬＯＳ−ＭＩＭＯで全二重通信をするに当たり、簡素に干渉除去を行うことができる電子装置及びそのアンテナ設置方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
実施形態の電子装置は、第１アンテナ部と、第２アンテナ部とを備える。第１アンテナ部は、送信信号を送信する複数の第１アンテナ素子を有する。第２アンテナ部は、送信信号の送信周波数帯と少なくとも一部が重なる受信周波数帯で、かつ送信信号の送信期間と少なくとも一部が重なる受信期間で受信信号を受信する、第１アンテナ素子の数と同数の複数の第２アンテナ素子を有する。複数の第２アンテナ素子のうちの少なくとも２つの第２アンテナ素子の間隔ｓは、受信周波数帯に対応する波長をλ、第１アンテナ部と第２アンテナ部との距離をＤとしたとき、
【数１】
2020048001.tif 000003
である。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１は、実施形態に係る電子装置の構成例を示す図である。
【図２】図２は、ＬＯＳ−ＭＩＭＯについて説明するための図である。
【図３】図３は、全二重通信について説明するための図である。
【図４】図４は、全二重通信について説明するための図である。
【図５】図５は、全二重通信の干渉除去について説明するための図である。
【図６】図６は、全二重通信の干渉除去の簡素化について説明するための図である。
【図７】図７は、ＬＯＳ−ＭＩＭＯのアンテナ配置の例を示す図である。
【図８】図８は、実施形態における全二重通信の素子配置の例を示す図である。
【図９】図９は、実施形態における電子装置のアンテナ部の構成例を示す図である。
【図１０】図１０は、送信アレーアンテナ部の素子の配置方法の一例を示す図である。
【図１１】図１１は、送信アレーアンテナ部の素子の配置方法の一例を示す図である。
【図１２】図１２は、送信アレーアンテナ部の素子位置の候補を示す図である。
【図１３】図１３は、送信アレーアンテナ部の素子位置の候補を示す図である。
【図１４】図１４は、送信アレーアンテナ部の素子位置の候補を示す図である。
【図１５】図１５は、送信アレーアンテナ部と受信アレーアンテナ部の素子の配置方法の変形例を示す図である。
【図１６】図１６は、送信アレーアンテナ部と受信アレーアンテナ部の素子の配置方法の変形例を示す図である。
【図１７】図１７は、ｎ×ｎ素子ＭＩＭＯの全二重通信の場合の送信アレーアンテナ部と受信アレーアンテナ部の素子の配置方法の例を示す図である。
【図１８】図１８は、３×３素子ＭＩＭＯの場合の式（２）の計算のイメージを示した図である。
【図１９】図１９は、ｎ×ｎ素子ＭＩＭＯの場合の全二重通信の干渉除去の簡素化について説明するための図である。
【図２０】図２０は、第１チャネル情報保持部のチャネル推定の変形例について説明するための図である。
【図２１】図２１は、第２チャネル情報保持部のチャネル推定の変形例について説明するための図である。
【図２２】図２２は、干渉除去の簡素化がされた状態での干渉信号除去部の干渉信号除去処理について説明するための図である。
【図２３】図２３は、ビット誤り率を比較して示した図である。
【図２４】図２４は、全二重通信ありの通信システムの一例を示す図である。
【図２５】図２５は、全二重通信なしの通信システムの一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、図面を参照しながら本実施の形態について詳細に説明する。図１は、実施形態に係る電子装置の構成例を示す図である。電子装置は、送信アレーアンテナ部１０１と、送信部１０２と、送信信号情報保持部１０３と、第１チャネル情報保持部１０４と、第２チャネル情報保持部１０５と、ウェイト演算部１０６と、干渉信号除去部１０７と、受信部１０８と、受信アレーアンテナ部１０９と、処理部１１０とを有する。この電子装置は、ＬＯＳ−ＭＩＭＯで全二重通信をする各種の電子装置である。以下で説明する全二重通信は、送信信号の送信周波数帯と受信信号の受信周波数帯の少なくとも一部が重なっており、さらに、送信信号の送信期間と受信信号の受信期間の少なくとも一部が重なっている通信のことを言う。
【００１０】
送信アレーアンテナ部１０１は、送信信号を送信するための２以上の第１アンテナ素子のアレーを有する。それぞれのアンテナ素子は、無線信号を送信できるものであれば限定されない。
【００１１】
送信部１０２は、処理部１１０から伝送されてきたデータに基づいて送信信号を生成し、生成した送信信号を送信アレーアンテナ部１０１の各第１アンテナ素子に出力する。送信信号を生成するための処理は、変調処理、フィルタ処理、増幅処理等を含む。送信部１０２は、ソフトウェア処理によって、変調処理、フィルタ処理、増幅処理等を行うように構成されていてもよいし、変調処理、フィルタ処理、増幅処理等を行う専用の回路を有していてもよい。
【００１２】
送信信号情報保持部１０３は、送信部１０２によって生成された送信信号の情報を保持する。送信信号情報保持部１０３は、例えばＲＡＭといったメモリを含む。ここで、送信信号情報保持部１０３は、第１アンテナ素子毎の送信信号の情報を別個に保持する。これらの送信信号の情報は、後で説明するように自局の受信信号に対する干渉信号を特定するために用いられる。
【００１３】
第１チャネル情報保持部１０４は、通信相手の無線局（相手局）の送信アレーアンテナ部から送信されて対象局（自局）の受信アレーアンテナ部１０９で受信された受信信号に基づくチャネルである送受間チャネルの情報を第１チャネル情報として保持する。第１チャネル情報保持部１０４は、例えばＲＡＭといったメモリを含む。第１チャネル情報は、例えばチャネル推定を行った結果として得られるチャネルの情報でよい。チャネル推定は、例えば処理部１１０において行われる。
【００１４】
第２チャネル情報保持部１０５は、自局の送信アレーアンテナ部１０１から送信されて自局の受信アレーアンテナ部１０９で受信された受信信号に基づくチャネルである干渉チャネルの情報を第２チャネル情報として保持する。第２チャネル情報保持部１０５は、例えばＲＡＭといったメモリを含む。第２チャネル情報は、例えばチャネル推定を行った結果として得られるチャネルの情報でよい。チャネル推定は、例えば処理部１１０において行われる。
【００１５】
ウェイト演算部１０６は、チャネル行列の逆行列を計算することによりウェイトを計算し、計算したウェイトを受信部１０８で受信された受信信号に乗じるウェイト演算をする。ウェイト演算部１０６は、ソフトウェア処理によって、ウェイト演算を行うように構成されていてもよいし、ウェイト演算を行う専用の回路を有していてもよい。干渉除去の前にウェイトを乗算することにより、後で説明する干渉除去をしやすくする効果がある。ウェイト演算部１０６は、省略されてもよい。
【００１６】
干渉信号除去部１０７は、ウェイト演算された受信信号から送信信号情報保持部１０３に保持されている送信信号の情報に基づく干渉信号を除去する。そして、干渉信号除去部は、干渉信号が除去された受信信号のデータを処理部１１０に送る。干渉信号除去部１０７は、ソフトウェア処理によって、干渉信号の除去を行うように構成されていてもよいし、干渉信号の除去を行う専用の回路を有していてもよい。
【００１７】
受信部１０８は、受信アレーアンテナ部１０９の各第２アンテナ素子から受信された受信信号を復調する。また、受信部１０８は、復調した受信信号に対してフィルタ処理、増幅処理といった処理を行う。そして、受信部１０８は、受信信号からデータを取り出し、取り出したデータを第１チャネル情報保持部１０４、ウェイト演算部１０６、干渉信号除去部１０７に送る。受信部１０８は、ソフトウェア処理によって、復調処理、フィルタ処理、増幅処理等を行うように構成されていてもよいし、復調処理、フィルタ処理、増幅処理等を行う専用の回路を有していてもよい。
【００１８】
受信アレーアンテナ部１０９は、受信信号を受信するための２以上の第２アンテナ素子のアレーを有する。それぞれのアンテナ素子は、無線信号を受信できるものであれば限定されない。
【００１９】
処理部１１０は、例えばＣＰＵ、ＡＳＩＣ、ＦＰＧＡ又はＤＳＰといったデジタル信号処理器を有する。処理部１１０は、ＲＯＭ及びＲＡＭといったメモリを有していてもよい。また、処理部１１０は、複数のＣＰＵ等を有してもよいし、複数のメモリを有していてもよい。このような処理部１１０は、送信信号に含めるデータ及び受信信号に含まれるデータを処理する。また、処理部１１０は、必要に応じて電子装置の各種の制御を行う。
【００２０】
以下、実施形態におけるアンテナ素子の配置方法について説明する。まず、本実施形態におけるアンテナ素子の配置方法について説明するために、ＬＯＳ−ＭＩＭＯについて説明する。図２は、ＬＯＳ−ＭＩＭＯについて説明するための図である。
【００２１】
ＭＩＭＯとは、送受信に複数のアンテナを用いることで周波数帯域を広げることなしに、伝送レートを改善する技術である。一般的なＭＩＭＯ伝送では、マルチパス（複数の反射波）を活用することで、伝送路の直交化を図る。一方で、ＬＯＳ−ＭＩＭＯは、見通し内環境でも直交性を保つＭＩＭＯ伝送である。ＬＯＳ−ＭＩＭＯでは、直接波のみが活用されるので、送受間の伝送路は決定論的にモデリングされる。
【００２２】
例えば、図２のように送受信とも２つのアンテナ素子で構成されるアレーアンテナを想定する。図２において、アンテナ素子の素子間隔をａ、送受信間の伝送距離をｂと置くと、対象局の第１アンテナ素子＃１から相手局の第２アンテナ素子＃１の伝送路長はｂとなる。また、対象局の第１アンテナ素子＃１から相手局の第２アンテナ素子＃１の伝送路長は以下で表される。
【数２】
2020048001.tif 000004
ＭＩＭＯでは、送受信のアンテナ素子間の決定論的なパスの経路差、つまり以下で示される経路差によって生じる位相差を有効利用して、複数信号（複数ストリーム）を互いに干渉なく送ることができる。
【数３】
2020048001.tif 000005
【００２３】
例えば、位相差が９０度の場合に直交性が満たされる。位相差が９０度となるときの伝送路（チャネル行列）をＨと置くと、Ｈは以下の式（１）によって表される。
【数４】
2020048001.tif 000006
【００２４】
ＭＩＭＯ伝送の評価指標の一つとして空間相関がある。これは２つの受信素子における受信信号の類似性を表す指標である。空間相関が低い、すなわち信号の類似性が低いとき、信号は容易に分離できる。チャネル行列Ｈをもとに、次式（２）、（３）に従って空間相関ρｒが計算される。
【数５】
2020048001.tif 000007
式（３）に式（１）を代入するとρｒは０となる。このとき、低相関つまり伝送路の直交化が図れることが分かる。ＬＯＳ−ＭＩＭＯでは、アンテナ素子の素子間隔ａと送受信間の伝送距離ｂとの調整によって容易に信号を分離することができる。
【００２５】
次に、全二重通信について説明する。全二重通信とは、図３のように同時に双方向通信を行う技術である。つまり対象局である局Ａは自局より信号を送信すると同時に、相手局である局Ｂからの信号を受信する。全二重通信を時分割複信（ＴＤＤ）や周波数分割複信（ＦＤＤ）と比較すると、全二重通信では上りの信号と下り信号とを時間や周波数に対して分割して送らなくてよいので、周波数利用効率は時分割複信（ＴＤＤ）や周波数分割複信（ＦＤＤ）の２倍になる。ただし、全二重通信では、図４のように局Ａの送信信号が回り込んで局Ａで受信される。この回り込んで受信された送信信号は、局Ｂからの信号に対して干渉信号となる。したがって、局Ｂからの信号を正しく取得するためには、局Ａの受信信号から干渉信号を除去する必要がある。
【００２６】
全二重通信における干渉除去について説明する。まず、図４のように、送受信ともに２つのアンテナ素子＃１、＃２を有する場合を想定し、局Ａ−局Ｂ間の伝送路（送受間チャネル）のインパルス応答をｈｉｊ、局Ａの送受信のアンテナ素子間の干渉信号の伝送路（干渉チャネル）をｈＩ，ｉｊとおく。ｉは信号の伝送先を示す。ｉが１のとき、信号の伝送先が第２アンテナ素子＃１であること示し、ｉが２のとき、信号の伝送先が第２アンテナ素子＃２であること示す。ｊは信号の伝送元を示す。ｊが１のとき、信号の伝送元が第１アンテナ素子＃１であること示し、ｊが２のとき、信号の伝送元が第１アンテナ素子＃２であること示す。また、ここでは簡単のため雑音は無視して考える。局Ｂからの所望の受信信号をｓｉ、局Ａの干渉信号をｓＩ，ｉ、局Ａにおける受信信号をｙｊと置くと、送受信のアンテナ素子が２素子の場合、ｙｊは式（４）のように行列演算で表される。
【数６】
2020048001.tif 000008
ここで、簡単のために完全に伝送路の情報が推定できていると想定して、受信信号に対して、伝送路のインパルス応答の行列（チャネル行列）の逆行列演算を行うと、次の式（５）が求められる。
【数７】
2020048001.tif 000009
ここで、行列の第１行は第２アンテナ素子＃１のインパルス応答を表し、第２行は第２アンテナ素子＃２のインパルス応答を表す。第２アンテナ素子＃１、＃２の干渉信号ｓＩ，ｉは、局Ａにて既知の信号であるのため除去できる。しかしながら、ＭＩＭＯの場合には、式（５）の右辺の第２項によって示されるように、第２アンテナ素子＃１及び第２アンテナ素子＃２の両方でｓＩ，１、ｓＩ，２という干渉信号に関わる２つの信号成分を引く必要がある。つまり、干渉信号除去部１０７は、図５のように第２アンテナ素子＃１についてはｓＩ，１、ｓＩ，２による干渉成分５０１、５０２を差し引き、第２アンテナ素子＃２についてはｓＩ，１、ｓＩ，２による干渉成分５０３、５０４を差し引く。
【００２７】
ここで、送受間チャネルと干渉チャネルが双方とも式（１）のようなＬＯＳ−ＭＩＭＯの条件を満たすチャネルであるとき、式（４）は、式（６）のように書くことができる。
【数８】
2020048001.tif 000010
そして、式（６）に対して同様に逆行列演算を行うと下式（７）が算出できる。
【数９】
2020048001.tif 000011
式（７）の右辺より、干渉チャネルもＬＯＳ−ＭＩＭＯの条件で直交化されていると、容易に信号を分離することができることが分かる。第２アンテナ素子＃１では干渉信号はｓＩ，１だけ、第２アンテナ素子＃２では干渉信号はｓＩ，２だけになる。いずれの第２アンテナ素子についても１成分の干渉信号の除去でよいので、式（５）と比較して簡素になることが分かる。つまり、図６のように、干渉信号除去部１０７は、第２アンテナ素子＃１についてはｓＩ，１による干渉成分６０１を差し引けばよく、第２アンテナ素子＃２についてはｓＩ，２による干渉成分６０２を差し引けばよい。このように、図６の干渉成分の差し引きは、図５の干渉成分の差し引きよりも簡単である。
【００２８】
送受間チャネルと干渉チャネルとをＬＯＳ−ＭＩＭＯの条件を満たすように設計すれば干渉成分の差し引きが容易になる。そのための送受間チャネルのアンテナ素子の設置方法に関して説明する。以下の説明において、λを使用波長、Ｄを送受信間の水平距離とする。なお、使用波長λは、送受信信号の使用周波数の逆数である。送受信信号の使用周波数は帯域を有していてもよい。また、送受信間の水平距離Ｄは、第１アンテナ素子と第２アンテナ素子の対応するもの同士の距離であってよい。このとき、最短のＤは、第１アンテナ素子と第２アンテナ素子の近いもの同士の距離であり、最長のＤは、第１アンテナ素子と第２アンテナ素子の遠いもの同士の距離である。
【００２９】
まず、図７のように直接波のパス長をそれぞれｄｙと置く。第１アンテナ素子及び第２アンテナ素子の間隔が送受信間の水平距離に対して十分短い場合には、素子の違いによる振幅変化を無視することができる。このとき、チャネル行列Ｈを下式（８）のように書くことができる。
【数１０】
2020048001.tif 000012
式（８）を用いて、式（２）の空間相関行列を計算すると、空間相関行列は、下式（９）のように表現され得る。
【数１１】
2020048001.tif 000013
式（９）において、チャネルの直交化の条件として非対角要素が０になる条件を置くと、次式（１０）のような関係式が導出される。
【数１２】
2020048001.tif 000014
ここで、ｐは０以上の整数を表す。次に、図７のように送信素子間隔をｓ１、受信素子間隔をｓ２と置くと、ｄ１１、ｄ１２、ｄ２１、ｄ２２は、次式（１１）−（１４）のように書き表され得る。
【数１３】
2020048001.tif 000015
式（１１）−（１４）を式（１０）に代入して式変形すると、次式（１５）が得られる。
【数１４】
2020048001.tif 000016
ここで、送受信のアンテナ素子の間隔が同一であるとするとｓ＝ｓ１＝ｓ２と置くことができる。このとき、式（１５）をｓについて解くと、式（１５）は式（１６）のように変形される。
【数１５】
2020048001.tif 000017
したがって、送信アレーアンテナ部１０１と受信アレーアンテナ部１０９のそれぞれのアンテナ素子が式（１６）の素子間隔だけ離して設置されることにより、伝送路の直交化が図られる。
【００３０】
送受信間チャネルにおいて、式（１６）においてｐ＝０と置き、素子間隔ｓを以下のように設定した場合の干渉チャネルを考える。
【数１６】
2020048001.tif 000018
このような素子間隔の設定は、図８のようなシナリオに対応する。図７のようにチャネルの各成分をｄ´ｉｊと置くと、下式（１７）−（２０）の関係を満たせば、式（１０）のＬＯＳ−ＭＩＭＯの条件が成立する。
【数１７】
2020048001.tif 000019
したがって、図８のように第１アンテナ素子及び第２アンテナ素子が配置されることにより、干渉チャネルと送受信間チャネルの双方が直交化される。このとき、図９に示すようにして全二重通信における干渉除去の簡素化が図られる。
【００３１】
式（１７）−（２０）より、ｄ２１−ｄ１１とｄ１２−ｄ２２は一定の値であり、何れも（λ／４）（２ｐ＋１）（ｐは０以上の整数）となる。したがって、例えば図１０のように２つの受信素子からの差がλ／４の奇数倍となる点を第１アンテナ素子の位置とすることで、干渉チャネルの直交化が図られる。
【００３２】
式（１７）−（２０）と図１０をもとにすると、干渉チャネルに対する第１アンテナ素子は、距離の差を一定とする曲線上、つまり図１１のように第２アンテナ素子を焦点とする双曲線上に設置されればよいことが分かる。双曲線の一般式は以下の式（２１）である。
【数１８】
2020048001.tif 000020
また、双曲線の性質から以下の式（２２）−（２４）が得られる。
【数１９】
2020048001.tif 000021
式（２２）−（２４）を利用して式（２１）を変形すると、以下の式（２５）が導出される。
【数２０】
2020048001.tif 000022
式（２５）を第１アンテナ素子のｘ座標について解くと以下の式（２６）が得られる。また、送信素子が受信素子と並行に設置され、素子間隔が送信と受信とで同一と仮定して、式（２５）を第１アンテナ素子のｙ座標について解くと以下の式（２７）が得られる。
【数２１】
2020048001.tif 000023
なお、ｂ２＞０より式（２６）及び式（２７）のｐの範囲は次の式（２８）のように表される。
【数２２】
2020048001.tif 000024
つまり、式（２８）のｐの範囲内で、式（２６）及び式（２７）に従って第１アンテナ素子のｘ座標及びｙ座標を計算することで、第１アンテナ素子の位置が決定されてもよい。
【００３３】
図１２は、周波数を８０ＧＨｚとし、第２アンテナ素子の位置を位置１２０１に固定しつつ、ｐを変化させたときの、干渉チャネルの第１アンテナ素子の候補位置１２０２を示した図である。図１２に示すように、無数の双曲線が描かれ、第１アンテナ素子の候補位置１２０２が多数存在することが分かる。この候補位置１２０２の上に第１アンテナ素子が設置されることにより、干渉チャネルと送受信間チャネルの双方が直交化される。
【００３４】
図１２のように、特にミリ波の場合には第１アンテナ素子の候補位置は多くあるものの、少し位置がずれると位相が変わって干渉チャネルの直交性が崩れる。図１３は、第２アンテナ素子の位置を位置１３０１に変化させて素子間隔を縮めた場合の第１アンテナ素子の候補位置１３０２を示した図である。図１４は、第２アンテナ素子の位置を位置１４０１に変化させて素子間隔をさらに縮めた場合の第１アンテナ素子の候補位置１４０２を示した図である。図１３及び図１４より、第２アンテナ素子の素子間隔を縮めると、第２アンテナ素子の位置から負側の位置については双曲線の間隔が広がることが分かる。したがって、この間隔が広がっている双曲線上に第１アンテナ素子の位置が設定されることで、素子位置ずれに対するチャネル変化は少なくなる。つまり、素子の位置ずれに対してロバストになり、チャネルの直交性が保たれやすくなる。
【００３５】
以上説明したように本実施形態によれば、送信信号を送信する第１アンテナ素子と受信信号を受信する第２アンテナ素子とを、送受信チャネルと干渉チャネルの双方の直交性が保たれるように設置している。これにより、全二重通信においてＬＯＳ−ＭＩＭＯの干渉除去の条件を適用することができるので干渉除去が簡易化される。
【００３６】
ここで、チャネルには可逆性がある。このため、前述した実施形態において、第１アンテナ素子と第２アンテナ素子の位置は入れ替えられてもよい。つまり、前述した実施形態では、第２アンテナ素子を基準にして第１アンテナ素子の位置が式（１７）−（２０）に基づいて決定される。これに対し、第１アンテナ素子を基準にして第２アンテナ素子の位置が式（１７）−（２０）に基づいて決定されてもよい。
【００３７】
［変形例１］
以下、変形例について説明する。第１アンテナ素子及び第２アンテナ素子は、図１５に示すように、例えばアレー中心Ｃを通る軸に対して対称に配置される。しかしながら、図１５に示すように、第１アンテナ素子の素子間隔と第２アンテナ素子の素子間隔とは同一でなくてもよい。第１アンテナ素子の素子間隔と第２アンテナ素子の素子間隔が同一でないとき、干渉チャネルのチャネル行列は次の式（２９）で表現される。
【数２３】
2020048001.tif 000025
式（２９）を用いて式（９）と同様に空間相関行列を計算すると、空間相関行列は、次の式（３０）のようになる。
【数２４】
2020048001.tif 000026
ここで、第１アンテナ素子及び第２アンテナ素子がアレー中心Ｃを通る軸に対して対称に配置される場合、Ａ１１＝Ａ２２＝Ｘ、Ａ１２＝Ａ２１＝Ｙが成り立つ。この関係を用いて式（３０）を整理すると、次の式（３１）が得られる。
【数２５】
2020048001.tif 000027
例えば、θ２１−θ１２＝９０°のとき、つまり経路差がλ／４のときには、チャネルの対称性よりθ２２−θ１１＝−９０°となる。このとき、式（３１）の非対角要素が消えるので、式（３）の空間相関ρｒは０になる。したがって、図１４の双曲線の間隔が広がる部分に第１アンテナ素子が配置されても、つまり、第１アンテナ素子が図１５のように配置されても、干渉チャネルは直交する。
【００３８】
［変形例２］
変形例２について説明する。送信アレーアンテナ部１０１と受信アレーアンテナ部１０９の間の各干渉チャネルの振幅に違いがある場合、例えば処理部１１０は、これらの振幅の比率に基づいて相手局が有する送信アレーアンテナ部の指向性を変化するように要求してもよい。例えば、式（３１）におけるＸとＹの比が無視できない場合、処理部１１０は、図１６のように、送受間チャネルの振幅比がＸ：Ｙとなるように、送信アレーアンテナ部の指向性を調整するように相手局に対して要求する。送受間チャネルの振幅比がＸ：Ｙであるとき、式（４）より、次の式（３２）が成り立つ。
【数２６】
2020048001.tif 000028
【００３９】
図１６に示す送受間チャネル及び干渉チャネルが形成されることを考えると、次の式（３３）が成立する。ただし、式（３３）において送受間チャネルと干渉チャネルともに直交性が保たれているものとする。
【数２７】
2020048001.tif 000029
ここで、簡単のため完全に伝送路の情報が推定できていると想定して、受信信号に対して、チャネル行列の逆行列を乗算すると、次の式（３４）及び式（３５）が成り立つ。
【数２８】
2020048001.tif 000030
式（３５）のの右辺第２項において、対角要素のｅｊ（α−β）が干渉信号に乗算される必要があるものの、図１６の構成においても干渉信号除去の簡素化が図られる。
【００４０】
ここで、以上の議論では簡単のため、干渉チャネルと送受信間チャネルの振幅は同一としている。振幅が違う場合にもその比率を事前に測る、若しくは幾何学的に見積もっておくことで同じ議論が行われ得る。
【００４１】
［変形例３］
変形例３について説明する。前述した実施形態ではアンテナ素子が２素子である例を説明している。これに対し、アンテナ素子の数は、２素子以上の任意の数であってよい。ここでは、アンテナ素子がｎ素子の場合の干渉信号除去の簡素化について説明する。まず、図１７のように第１アンテナ素子及び第２アンテナ素子がそれぞれｎ素子である場合、受信信号は、式（４）と同様にして次の式（３６）で示される行列で表される。
【数２９】
2020048001.tif 000031
ここで、簡単のため完全に伝送路の情報が推定できていると想定して、受信信号に対してチャネル行列の逆行列演算を行うと、次の式（３７）−（３９）が得られる。
【数３０】
2020048001.tif 000032
式（３７）の右辺第２項の行列の積の各要素は、簡単のためＡｉｊと置かれている。式（３９）を式（５）と比較すると、右辺第２項の干渉成分がｎ個と増大していることが分かる。したがって、ｎ素子の合計では、ｎ×ｎの干渉成分の除去が必要になる。つまり、素子数の増大により、干渉除去は複雑になる。
【００４２】
ここで、送受間チャネルと干渉チャネルが双方とも式（１）のＬＯＳ−ＭＩＭＯの条件を満たすチャネルを考える。なお、ｎ×ｎ ＭＩＭＯの場合のチャネル行列は一般に以下の式（４０）のように置くことができる。
【数３１】
2020048001.tif 000033
図１８は、３×３ＭＩＭＯの場合の式（２）の計算のイメージを示した図である。ここで、図１８における矢印の角度は、各行列の要素の位相に対応している。３×３ＭＩＭＯにおけるチャネル行列とその逆行列の積の計算は、図１８の右辺で示すものとなる。つまり、積の結果として得られる行列における非対角要素は、位相の異なるベクトルの和であるために０になる。一方、積の結果として得られる行列における対角要素は、実数である。したがって、この積の結果に基づいて計算される式（３）の空間相関ρｒは０になる。
【００４３】
ここで、図１８の考え方をｎ×ｎ ＭＩＭＯに拡張する場合を考える。式（４０）を用いて、式（４）と同様にして受信信号を表現すると次の式（４１）のようになる。
【数３２】
2020048001.tif 000034
式（４１）に対して式（９）と同様の逆行列演算を行うと次の式（４２）が得られる。
【数３３】
2020048001.tif 000035
式（４２）と式（３９）とを比較すると、式（３９）ではｎ×ｎの干渉信号が除去される必要があったのに対し、式（４２）ではｎの干渉信号が除去されればよい。つまり、干渉除去の簡素化の効果は、アンテナ素子の素子数が増えるほどに大きくなる。
【００４４】
したがって、送受間チャネルと干渉チャネルがともに式（４０）を満たすようにアンテナ素子が配置されることで、ｎ×ｎＭＩＭＯでも同様に簡易な干渉除去を行うことができる。
【００４５】
［変形例４］
前述した実施形態では、第１チャネル情報及び第２チャネル情報は、例えばチャネル推定を行った結果として得られるチャネルの情報であるとされている。これに対し、第１チャネル情報及び第２チャネル情報は、その他の手法で得られてもよい。
【００４６】
例えば、第１チャネル情報及び第２チャネル情報は、事前のキャリブレーションプロセスにて測定されたチャネルの情報であってもよい。例えば、第１チャネル情報の初期値は、図２０のようなキャリブレーションプロセスで推定されてもよい。すなわち、送信信号を止めた状態で受信信号を測定することでチャネルの情報が推定されてもよい。また、第２チャネル情報の初期値は、図２１のようなキャリブレーションプロセスで推定されてもよい。つまり、受信信号を遮断した状態で送信信号による干渉信号を測定することでチャネルの情報が推定されてもよい。
【００４７】
また、第１チャネル情報及び第２チャネル情報は、決定論的に算出されたチャネルの情報であってもよい。送受間チャネルで直接波の影響が強い場合には、チャネルが決定論的に決まる。したがって、チャネルの情報は、幾何学的に計算され得る。また、干渉チャネルも一般的には送受間距離が短いので静的な場合が多く、こちらも幾何学的に計算され得る。
【００４８】
［変形例５］
ウェイト演算部１０６におけるウェイトの演算手法は、チャネル行列の逆行列の計算に限るものではない。ウェイト演算部１０６は、例えば、最小平均２乗誤差（ＭＭＳＥ）及び最尤検出（ＭＬＤ）のＭＩＭＯ受信ウェイト演算手法を用いてウェイトを計算してもよい。
【００４９】
［変形例６］
干渉信号除去部１０７は、図２２のように、それぞれの第２アンテナ素子からの受信信号から、それぞれの第２アンテナ素子が対応している第１アンテナ素子からの干渉信号を減算する。干渉信号除去部１０７は、例えば、第２アンテナ素子＃１からの受信信号については第１アンテナ素子＃１のみからの干渉信号を減算すればよく、第２アンテナ素子＃２では第１アンテナ素子＃２のみからの干渉信号を減算すればよい。
【００５０】
一方、式（３５）で表される送信アレーアンテナ部１０１と受信アレーアンテナ部１０９の場合、すなわちチャネル間の振幅比が大きい場合、式（３５）の右辺第２項の対角要素のｅｊ（α−β)は、ｈＩ，１１／ｈ１１、ｈＩ，２２／ｈ２２で表される。このことから、干渉信号除去部１０７は、既知の干渉信号に干渉チャネルと送受信チャネルの比を乗算してから干渉信号を減算してもよい。
【００５１】
［実施形態の具体的な効果］
図２３は、８０ＧＨｚでの等価低域系シミュレーションによってビット誤り率特性を算出したものである。図２３の「ＬＯＳ−ＭＩＭＯ  ｗｉｔｈ  ｉｎｔｅｒｆａｃｅ」は、図２４で示す全二重通信システムありの構成であって、受信信号に自局の送信信号による干渉成分が含まれ得る構成におけるビット誤り率特性を示している。一方、図２３の「ＬＯＳ−ＭＩＭＯ」は、図２５で示す全二重通信なしの通信システムの構成であって、受信信号に自局の送信信号による干渉成分が含まれ得ない通信システムの構成でのビット誤り率特性を示している。
【００５２】
図２３に示すように、「ＬＯＳ−ＭＩＭＯ  ｗｉｔｈ  ｉｎｔｅｒｆａｃｅ」のビット誤り率特性は、「ＬＯＳ−ＭＩＭＯ」のビット誤り率特性とほぼ同一の特性である。つまり、実施形態で説明したように、アンテナ素子の配置を適宜に設定することで、図５の干渉成分５０１及び５０４の干渉成分を除去するだけでも、特性はほぼ劣化しない。このことから、簡素化による干渉除去の有効性が確認できる。
【００５３】
なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
【符号の説明】
【００５４】
１０１  送信アレーアンテナ部、１０２  送信部、１０３  送信信号情報保持部、１０４  第１チャネル情報保持部、１０５  第２チャネル情報保持部、１０６  ウェイト演算部、１０７  干渉信号除去部、１０８  受信部、１０９  受信アレーアンテナ部、１１０  処理部。
【図１】
2020048001.tif 000040
【図２】
2020048001.tif 000041
【図３】
2020048001.tif 000042
【図４】
2020048001.tif 000043
【図５】
2020048001.tif 000044
【図６】
2020048001.tif 000045
【図７】
2020048001.tif 000046
【図８】
2020048001.tif 000047
【図９】
2020048001.tif 000048
【図１０】
2020048001.tif 000049
【図１１】
2020048001.tif 000050
【図１２】
2020048001.tif 000051
【図１３】
2020048001.tif 000052
【図１４】
2020048001.tif 000053
【図１５】
2020048001.tif 000054
【図１６】
2020048001.tif 000055
【図１７】
2020048001.tif 000056
【図１８】
2020048001.tif 000057
【図１９】
2020048001.tif 000058
【図２０】
2020048001.tif 000059
【図２１】
2020048001.tif 000060
【図２２】
2020048001.tif 000061
【図２３】
2020048001.tif 000062
【図２４】
2020048001.tif 000063
【図２５】
2020048001.tif 000064