(57)【要約】【課題】送受信間で伝搬路特性又は伝搬路特性の変化を知ることなく、かつ、安定した伝搬路状態で、固有モード伝送を実現することの出来るＭＩＭＯ通信システムを提供する。【解決手段】固有モード伝送モデル２は、図中左側から入力された送信シンボル系列１〜Ｎ（Ｓｎ）の送信信号を既知送信重みΦにより複数のパスに変換して伝搬路に送信し、既知伝搬路を伝搬した信号を受信された後に既知受信重みΦHにより受信シンボル系列１〜Ｎ（Ｓｎ’）の受信信号に逆変換する。ここで、送信アンテナ数Ｎ、受信アンテナ数Ｎの（Ｎ×Ｎ）ＭＩＭＯの場合、ｎ＋１番目のアンテナは、その偏波面が基準面（ｎ＝０）から回転量（π／Ｎ）・ｎとなるように偏波面を回転させ、Ｎ個のアンテナを送受信側にそれぞれ使用する。【選択図】図１
2010166316.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高周波ポイント・ツウ・ポイントの見通しＭＩＭＯ通信システムにおいて、
それぞれ異なる偏波面を有する複数の偏波アンテナを組み合わせたＭＩＭＯアンテナを送受信機にそれぞれ備えることを特徴とするＭＩＭＯ通信システム。
【請求項２】
請求項１に記載のＭＩＭＯ通信システムにおいて、
偏波アンテナの偏波面をπ／ｎ（ｎは３以上の自然数）毎回転させたｎ個の偏波アンテナを用いることにより、伝搬路を推定することなくｎ×ｎＭＩＭＯ固有モード通信を可能にしたことを特徴とするＭＩＭＯ通信システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、無線通信システムに関し、特に、高周波ポイント・ツウ・ポイントの見通しＭＩＭＯ（Multi Input Multi Output）通信システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ブロードバンド通信の利用者増加に伴い、加入者と通信事業者間の回線に無線回線を使用することでケーブル敷設にかかるコストを削減することができるミリ波帯やマイクロ波帯等の高周波による固定無線アクセス（ＦＷＡ：Fixed Wireless Access）が注目を集めている。
【０００３】
固定無線アクセスには、指向性を有する電波で基地局とユーザを１対１に結んで通信を行なうＰ−Ｐ(Point to Point)方式と、１つの基地局と複数のユーザが同時に通信を行なうＰ−ＭＰ(Point to Multiple Point)方式がある。Ｐ−Ｐ方式では、限られた周波数帯域で大容量伝送を実現する技術として、複数の送受信チャンネルによるＭＩＭＯ（Multi Input Multi Output）方式を用いたものもある。ＭＩＭＯ方式は、複数の送信アンテナにより、同一時刻、同一周波数帯域で、独立な信号系列を送信することで、空間分割多重方式（ＳＤＭ：Space Division Multiplexing）によって並列伝送を行い、さらに、送信された信号を複数のアンテナで受信した後に各信号系列に分離して復調する。
【０００４】
また、ある信号系列を複数の送信アンテナから送信する場合、所定の送信重みを乗算して送信ビームを形成することが可能である。さらに、送信重み及び受信重みを適切に設定することにより、送受信機の間で複数の直交したビームを形成することができる。この性質を利用して、各送信アンテナから独立した送信信号を伝送するのではなく、複数の送信信号系列（ストリーム）を、これらの直交したビームを用いて複数の送信信号系列を送信する固有ビーム空間分離多重化（ＥＳＤＭ：Eigen Beam SDM）方式がある。
【０００５】
図７は従来の固有モード伝送モデル１００の構成を示している。ここでは、送信アンテナ数と受信アンテナ数が等しい場合について説明する。一般の固有モード伝送では、何らかの方法にて送受信信号を取得し、伝搬路情報ＣＳＩ(Channel State Information)である伝搬路行列（チャンネル応答行列）Ｈを算出する。伝搬路行列Ｈの固有分解を行い、固有値Ａと固有ベクトルから成るユニタリー行列Φを計算する。何らかの方法にてユニタリー行列Φを送信側、受信側へ教える。図中左側から入力された送信シンボル系列１〜Ｎ（Ｓｎ）から成る送信ベクトルに、取得したユニタリー行列Φを送信重み行列Φとして乗算する。受信側では、受信シンボル系列１〜Ｎ（Ｓｎ’）から成る受信ベクトルに取得したユニタリー行列Φのエルミート転置を受信重み行列ΦHとして乗算し、送信シンボル系列１〜Ｎ（Ｓｎ）を取得することができる。このようにして固有モード伝送を実現している。
【０００６】
また、特許文献１には、刻々変化する通信環境に追従するため固有モード伝送における伝搬路の固有値モードを、一定時間毎の反復計算により更新する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特表２００７−５３４２７１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、ミリ波などの高周波帯での見通し固定通信においては、マルチパスの影響を受けにくいため、伝搬路行列の非零の固有値の数であるランクがフルである状況がない場合が生じ、最悪ランクが１である場合もある。
【０００９】
このように、ＭＩＭＯ通信において、ランクが不安定で固有値も変動する状態では安定したデータ伝送速度を維持できない。また、固有モード伝送を実現するためには、伝搬路状態を特許文献１のような方法で取得し、その情報を送受信側に伝える必要があり、膨大な計算を処理する必要がある。
【００１０】
そこで、本発明は送受信間で伝搬路特性又は伝搬路特性の変化を知ることなく、かつ、安定した伝搬路状態で、固有モード伝送を実現することの出来るＭＩＭＯ通信システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
以上のような目的を達成するために、本発明に係るＭＩＭＯ通信システムは、高周波ポイント・ツウ・ポイントの見通しＭＩＭＯ通信システムにおいて、それぞれ異なる偏波面を有する複数の偏波アンテナを組み合わせたＭＩＭＯアンテナを送受信機にそれぞれ備え、送受信機に接続されたＭＩＭＯアンテナは、基準とする偏波面から等分割角度刻みで傾けた複数の偏波アンテナを有することを特徴とする。
【００１２】
また、本発明に係るＭＩＭＯ通信システムにおいて、送受信機の通信サービスは、基準とする偏波面から等分割角度刻みで傾けた複数の偏波アンテナにより、マルチパス反射が少ない見通し通信により求められる既知の重み付けを用いた固定無線アクセス通信であることを特徴とする。
【００１３】
また、本発明に係るＭＩＭＯ通信システムにおいて、ＭＩＭＯアンテナによって形成される伝搬路は、その伝搬路行列が巡回行列となることを特徴とする。
【００１４】
さらに、本発明に係るＭＩＭＯ通信システムにおいて、偏波アンテナの偏波面をπ／ｎ（ｎは３以上の自然数）毎回転させたｎ個の偏波アンテナを用いることにより、伝搬路を推定することなくｎ×ｎＭＩＭＯ固有モード通信を可能にしたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明に係るＭＩＭＯアンテナを用いることにより、伝搬路行列がフルランク固有値を持ち、理想的な見通し伝搬環境であれば、送受信側で伝搬路特性を知ることなくＭＩＭＯで最大の通信容量が確保できるという効果がある。
【００１６】
また、４つの偏波アンテナを用いる場合、１つのアンテナに比べて４倍の周波数効率を得ることができるだけでなく、同一周波数帯を利用するために同一送受信ユニットの組み合わせですむという効果もある。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施形態に係るＭＩＭＯ通信システムの固有モード伝送モデルの構成を説明する説明図である。
【図２】本発明の実施形態に係るＭＩＭＯ通信システムの送信アンテナと受信アンテナの構成を説明する説明図である。
【図３】本発明の実施形態に係る送信アンテナと受信アンテナの偏波方向を説明する説明図である。
【図４】本発明の実施形態に係る導波管スロットアレーアンテナの構成を説明する説明図である。
【図５】本発明の実施形態に係るＭＩＭＯ通信システムにおける重み係数の演算処理の内容を説明する説明図である。
【図６】本発明の実施形態に係るＭＩＭＯ通信システムの具体的な構成例を示す構成図である。
【図７】従来の固有モード伝送モデルの構成を説明する説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明を実施するための最良の形態（以下実施形態という）を、図面に従って説明する。
【００１９】
図１はＭＩＭＯ通信システムの固有モード伝送モデル２の構成を示している。本実施形態で特徴事項の一つは、従来のような伝搬路情報を用いることなく、基準とする偏波面から等分割角度刻みで傾けた複数の偏波アンテナを有するＭＩＭＯアンテナを用いることにより、既知の伝搬路特性に基づいて既知の送信重みと既知の受信重みとにより固有モード伝送を実現したことである。
【００２０】
固有モード伝送モデル２は、図中左側から入力された送信シンボル系列１〜Ｎ（Ｓｎ）の送信信号を既知送信重み行列Φにより複数のパスに変換して伝搬路に送信し、既知伝搬路を伝搬した信号を受信された後に既知受信重み行列ΦHにより受信シンボル系列１〜Ｎ（Ｓｎ’）の受信信号に逆変換する。ここで、送信アンテナ数Ｎ、受信アンテナ数Ｎの（Ｎ×Ｎ）ＭＩＭＯの場合、ｎ＋１番目のアンテナは、その偏波面が基準面（ｎ＝０）から回転量（π／Ｎ）・ｎとなるように偏波面を回転させ、Ｎ個のアンテナを送受信側にそれぞれに用いる。
【００２１】
図２はＭＩＭＯ通信システムの送信アンテナ１６と受信アンテナ２０の構成を示し、直線偏波用平面アンテナを用いた４×４ＭＩＭＯアンテナを示している。図中アンテナＡを基準アンテナとし、基準アンテナＡに対してＢ，Ｃ，Ｄは偏波面をそれぞれπ／４，π／２，３π／４回転させている。送信アンテナ１６と受信アンテナ２０はそれぞれ対向して配置され、送信アンテナ１６のアンテナＡと受信アンテナ２０のアンテナＡは向かい合い、同じ偏波面となる。
【００２２】
図３は送信アンテナと受信アンテナの偏波方向を示し、基準アンテナＡの主偏波面からδ回転した他のアンテナへの漏れに対応する信号成分を示している。主偏波面からの漏れはｃｏｓδで表すことができる。このとき、マルチパス波などの反射波がない見通し通信の場合、Ｎ送信アンテナとＮ受信アンテナで構成された伝送路の伝搬路行列Ｈは、式１で示される。
【００２３】
【数１】
2010166316.tif 000003
【００２４】
ただし、Ｈのｉ行列ｊ列成分Ｈijは式２のようになる。
【００２５】
【数２】
2010166316.tif 000004
【００２６】
式２に示すＨijは、ｊ番目の送信アンテナからの送信信号ｉ番目の受信アンテナで受信したときの伝送路を示す。
【００２７】
ここで、式１の伝搬路行列は、送受信アンテナのそれぞれは、同一特性とし、一般性を損なうことなく、伝搬路ロスとアンテナゲインをそれぞれ１に規格化している。
【００２８】
次に、式１に示す伝搬路行列は巡回行列（Circulant Matrix）であり、式３のように対角化することができる。
【００２９】
【数３】
2010166316.tif 000005
【００３０】
ただし、Λは正の固有値を要素とする対角行列、ΦはＤＦＴ行列で表され、各列ベクトルΦiがその固有値√λiに対する固有ベクトル（ＨΦi＝√λiΦi）からなるユニタリー行列（ΦΦH＝Ｉ）である。また、（Φ）mnは行列Φのｍ行ｎ列要素を表す。
【００３１】
図４は導波管スロットアレーアンテナである送信アンテナ１６の構成を示し、基準アンテナ１６ａに対して１６ｂ，１６ｃ，１６ｄのアンテナは偏波面をそれぞれπ／４，π／２，３π／４回転させている。なお、図４に示した各アンテナは、偏波角度が重要であり、所定距離離間したＭＩＭＯアンテナの場合、各偏波アンテナ間の多少の平行移動は許容される。
【００３２】
ここで、送信ベクトルをＸ、受信ベクトルをＹとすると、Ｙ＝ＨＸの関係がある。ここで、送信側で送信データにΦ重みを行った後に送信し、受信側では受信数に受信信号にΦH重みで逆変換すると、Ｙ＝ＨＸは式４のようになり並列伝送における固有モード伝送が可能となる。
【００３３】
【数４】
2010166316.tif 000006
【００３４】
次に、送信アンテナ数３、受信アンテナ数３の（３×３）ＭＩＭＯ通信を考えると、式１から伝搬路行列Ｈは、式５のようになる。
【００３５】
【数５】
2010166316.tif 000007
【００３６】
式５を対角化すると式６のようになる。
【００３７】
【数６】
2010166316.tif 000008
【００３８】
ただし、式６中のΦは式７のようになる。
【００３９】
【数７】
2010166316.tif 000009
【００４０】
また、同様な例として、送信アンテナ数４、受信アンテナ数４の（４×４）ＭＩＭＯ通信を考えると、式１から伝搬路行列Ｈは、式８のようになる。
【００４１】
【数８】
2010166316.tif 000010
【００４２】
ただし、αは、α＝１／√２である。対角化が可能であるので、式８を対角化すると式９のようになる。
【００４３】
【数９】
2010166316.tif 000011
【００４４】
ただし、式９中のΦは式１０のようになる。
【００４５】
【数１０】
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【００４６】
図５は４×４の固有モード伝送ＭＩＭＯ通信システムにおける重み係数の演算処理を示し、式１０の重みによる伝送モデル３１の具体的構成例を示している。伝送モデル３１は、各ストリームを固定ビームフォーミング器１１によりΦijにそれぞれ分解し、４つの送信アンテナ１６と、４つの送信アンテナ１６にそれぞれ接続されている加算器１７と、伝搬路３０と、４つの受信アンテナ２０と、受信アンテナ２０の信号を各固定ビームフォーミング器２５に入力し、各固定ビームフォーミング器２５の出力を加算する加算器２７と、を有し、各加算器２７からストリームが出力されることになる。ここで、重み係数と出力される各ストリームとは、式１１のようになる。
【００４７】
【数１１】
2010166316.tif 000013
【００４８】
図６はＭＩＭＯ通信システム１の具体的な構成例を示し、ＭＩＭＯ通信システム１は送信系と受信系を含んでいる。送信系は、各ストリームを変調する変調器１０と、送信電力制御と固定ビームフォーミングを行う固定ビームフォーミング器１１と、Ｄ／Ａ変換器１２と、直交変調器１３と、アップコンバータ１４と、アンプ１５と、４つの送信アンテナ１６（０，π／４，π／２，３π／４）と、を有している。変調された無線信号は、伝搬路３０を介して受信系に送信される。
【００４９】
受信系は、送信アンテナ１６に対向するように配置された４つの受信アンテナ２０と、アンプ２１と、ダウンコンバータ２２と、直交復調器２３と、Ａ／Ｄ変換器２４と、固定ビームフォーミング器２５と、各ストリームに復調する復調器２６と、を有している。
【００５０】
ここで、伝搬路行列の固有値分解は、式１２のようになる。
【００５１】
【数１２】
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【００５２】
ここで係数αおよび固有値は√λは、式１３のようになる。
【００５３】
【数１３】
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【産業上の利用可能性】
【００５４】
本発明は、マイクロ波帯やミリ波帯等の高周波無線通信システムに関し、特に、高周波ポイント・ツウ・ポイントの見通しＭＩＭＯ通信システム等の高周波無線通信システムに利用することができる。
【符号の説明】
【００５５】
１  ＭＩＭＯ通信システム、２  固有モード伝送モデル、１０  変調器、１１，２５  固定ビームフォーミング器、１２  Ｄ／Ａ変換器、１３  直交変調器、１４  アップコンバータ、１５，２１  アンプ、１６  送信アンテナ、１６ａ〜１６ｂ  導波管スロットアレーアンテナ、１７，２７  加算器、２０  受信アンテナ、２２  ダウンコンバータ、２３  直交復調器、２４  Ａ／Ｄ変換器、２６  復調器、３０  伝搬路、３１  伝送モデル、１００  固有モード伝送モデル、ＣＳＩ 伝搬路情報、Ｈ  伝搬路行列、Ｎ  送信または受信アンテナ数、Ｓｎ  送信シンボル、Ｓｎ’  受信シンボル。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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