(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の通信装置が具備する第１のアンテナ素子と第２のアンテナ素子とを含む第１のアレーアンテナと、第２の通信装置が具備する第３のアンテナ素子と第４のアンテナ素子とを含む第２のアレーアンテナとが配置される無線通信システムであって、
前記第１の通信装置が、前記第１のアレーアンテナと前記第２のアレーアンテナとの距離に対して、チャネル容量が最大となる間隔に、前記第１のアンテナ素子と前記第２のアンテナ素子との間の距離が選択された前記第１のアレーアンテナを具備し、
前記第２の通信装置が、
前記第１のアレーアンテナと前記第２のアレーアンテナとの距離に対して、チャネル容量が最大となる間隔に、前記第３のアンテナ素子と前記第４のアンテナ素子との間の距離が選択された前記第２のアレーアンテナと、
前記第３のアンテナ素子から入力された信号を２分岐させ、一方の信号に対して９０度の位相回転を付与し、位相回転が付与された信号と位相回転が付与されていない信号とを出力する第１の重み付け手段と、
前記第４のアンテナ素子から入力された信号を２分岐させ、一方の信号に対して９０度の位相回転を付与し、位相回転が付与された信号と位相回転が付与されていない信号とを出力する第２の重み付け手段と、
前記第１の重み付け手段の出力のうち位相回転が付与されていない信号と前記第２の重み付け手段の出力のうち位相回転が付与された信号とを足し合わせる合成を行って復号する第１の復号手段と、
前記第１の重み付け手段の出力のうち位相回転が付与された信号と前記第２の重み付け手段の出力のうち位相回転が付与されていない信号とを足し合わせる合成を行って復号する第２の復号手段と、を具備すること
を特徴とする無線通信システム。
【請求項２】
前記第２のアンテナ素子は、前記第１のアンテナ素子との距離に関して、ＭＩＭＯ通信の固有モード通信法におけるチャネル容量が最大となる位置に配置されることを特徴とする請求項１に記載の無線通信システム。
【請求項３】
前記第２のアンテナ素子は、前記第１のアンテナ素子との距離に関して、ＭＩＭＯ通信のゼロフォーシング法におけるチャネル容量が最大となる位置に配置されることを特徴とする請求項１に記載の無線通信システム。
【請求項４】
前記第１のアンテナ素子と、前記第２のアンテナ素子とは、それぞれ、２つの信号を互いに直交する偏波にて送信し、
前記第３のアンテナ素子と、前記第４のアンテナ素子とは、前記互いに直交する偏波を、偏波の角度毎に独立して受信し、
前記第２の通信装置は、偏波ごとに前記第１の重み付け手段、前記第２の重み付け手段、前記第１の復号手段、および前記第２の復号手段を具備する
ことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の無線通信システム。
【請求項５】
第１の通信装置が具備する第１〜第４のアンテナ素子を含む第１のアレーアンテナと、第２の通信装置が具備する第５〜第８のアンテナ素子とを含む第２のアレーアンテナとが配置される無線通信システムであって、
前記第１の通信装置が、前記第１のアレーアンテナと前記第２のアレーアンテナとの距離に対して、チャネル容量が最大となる間隔に、前記第１〜第４のアンテナ素子の間の距離が選択された前記第１のアレーアンテナを具備し、
前記第２の通信装置が、
前記第１のアレーアンテナと前記第２のアレーアンテナとの距離に対して、チャネル容量が最大となる間隔に、前記第５〜第８のアンテナ素子の間の距離が選択された前記第２のアレーアンテナと、
前記第５〜第８のアンテナ素子から入力された信号の各々を４分岐させ、アンテナ素子毎に、分岐された信号の２つに９０度の位相回転を付与し、他の１つに１８０度の位相回転を付与し、位相回転が付与されていない１つの信号と、９０度の位相回転が付与された２つの信号と、１８０度の位相回転が付与された１つの信号とを出力する重み付け手段と、
前記重み付け手段が出力する信号のうち、前記第５のアンテナ素子から入力された信号と、前記第６のアンテナ素子から入力され９０度の位相回転が付与された信号と、前記第７のアンテナ素子から入力され９０度の位相回転が付与された信号と、前記第８のアンテナ素子から入力され１８０度の位相回転が付与された信号とを足し合わせる合成を行って復号する第１の復号手段と、
前記重み付け手段が出力する信号のうち、前記第６のアンテナ素子から入力された信号と、前記第５のアンテナ素子から入力され９０度の位相回転が付与された信号と、前記第８のアンテナ素子から入力され９０度の位相回転が付与された信号と、前記第７のアンテナ素子から入力され１８０度の位相回転が付与された信号とを足し合わせる合成を行って復号する第２の復号手段と、
前記重み付け手段が出力する信号のうち、前記第７のアンテナ素子から入力された信号と、前記第５のアンテナ素子から入力され９０度の位相回転が付与された信号と、前記第８のアンテナ素子から入力され９０度の位相回転が付与された信号と、前記第６のアンテナ素子から入力され１８０度の位相回転が付与された信号とを足し合わせる合成を行って復号する第３の復号手段と、
前記重み付け手段が出力する信号のうち、前記第８のアンテナ素子から入力された信号と、前記第６のアンテナ素子から入力され９０度の位相回転が付与された信号と、前記第７のアンテナ素子から入力され９０度の位相回転が付与された信号と、前記第５のアンテナ素子から入力され１８０度の位相回転が付与された信号とを足し合わせる合成を行って復号する第４の復号手段と、を具備すること
を特徴とする無線通信システム。
【請求項６】
請求項１から５のいずれか１項に記載の複数の無線通信システムと、
前記複数の無線通信システムを互いに電磁的にシールドするシールド手段と、を具備することを特徴とする無線通信システム。
【請求項７】
第１の通信装置が具備する第１のアンテナ素子と第２のアンテナ素子とを含む第１のアレーアンテナと、第２の通信装置が具備する第３のアンテナ素子と第４のアンテナ素子とを含む第２のアレーアンテナとが配置され、
前記第１の通信装置は、前記第１のアレーアンテナと前記第２のアレーアンテナとの距離に対して、チャネル容量が最大となる間隔に、前記第１のアンテナ素子と前記第２のアンテナ素子との間の距離が選択された前記第１のアレーアンテナを具備し、
前記第２の通信装置は、前記第１のアレーアンテナと前記第２のアレーアンテナとの距離に対して、チャネル容量が最大となる間隔に、前記第３のアンテナ素子と前記第４のアンテナ素子との間の距離が選択された前記第２のアレーアンテナを具備する無線通信システムの無線通信方法であって、
前記第３のアンテナ素子から入力された信号を２分岐させ、一方の信号に対して９０度の位相回転を付与し、位相回転が付与された信号と位相回転が付与されていない信号とを出力する第１の重み付けステップと、
前記第４のアンテナ素子から入力された信号を２分岐させ、一方の信号に対して９０度の位相回転を付与し、位相回転が付与された信号と位相回転が付与されていない信号とを出力する第２の重み付けステップと、
前記第１の重み付けステップの出力のうち位相回転が付与されていない信号と前記第２の重み付けステップの出力のうち位相回転が付与された信号とを足し合わせる合成を行って復号する第１の復号ステップと、
前記第１の重み付けステップの出力のうち位相回転が付与された信号と前記第２の重み付けステップの出力のうち位相回転が付与されていない信号とを足し合わせる合成を行って復号する第２の復号ステップと、を具備すること
を特徴とする無線通信方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、無線通信システムおよび無線通信方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、限られた周波数帯域で数メガビット毎秒［Ｍｂｐｓ］〜数ギガビット毎秒［Ｇｂｐｓ］程度の高速無線通信を実現しようとする検討が進められている。その中で、送受信に用いるアンテナ数の増大に比例して通信容量を増大可能なＭＩＭＯ（Multiple-Input Multiple-Output)通信が注目されている。ＭＩＭＯ通信では、マルチパス環境を利用して複数の信号を同時に通信することで、周波数帯域を広げることなく無線区間の通信速度を向上することが可能である。
【０００３】
一方、近年、ＲＦ−ＩＤに代表される近距離通信が検討されており、また、ミリ波やＵＷＢ（Ultra-Wide-Band)通信を利用した近距離・高速通信が注目されている。また、近距離通信にＭＩＭＯ技術を適用することも可能であり、コンクリート壁などの障害物内部を伝搬路として用いる近距離超高速無線中継システムが提案されている。例えば、非特許文献１では、近傍界であれば壁などにより送受信アレーアンテナの見通しが無い場合でも、ＭＩＭＯ通信を用いて高速通信が可能であることが示されている。ＭＩＭＯ通信では広い周波数帯域が不要であるため周波数資源の有効利用を図ることができる。
【０００４】
また、本願発明者等は、非特許文献２および３において、送受信アレーアンテナが開口と比べて近接する近距離ＭＩＭＯ通信について、その基本特性を示している。例えば、非特許文献２では、送受信アレーアンテナ間の距離に対する空間相関特性と信号対雑音比（ＳＮＲ：Signal-to-Noise Ratio）の関係を考慮することによってアレーアンテナの最適な素子間隔を求められることが示されている。
【０００５】
ここで、非特許文献２では、チャネル容量を増大するための検討が行われている。これに加えて、実際のＭＩＭＯ通信を実現するためには送受信における信号処理技術が必要である。そこで、非特許文献３では、ＭＩＭＯ通信の最適送受信方法として知られている固有モード伝送(以下、ＥＭ−ＢＦと称する）の特性と、受信側のみで信号処理を行う方法として知られているゼロフォーシング（以下、ＺＦと称する）の特性とが比較されている。そして、非特許文献２で示したアレーアンテナの最適な素子間隔では、ＥＭ−ＢＦの特性とＺＦの特性とがほぼ一致することが示されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】G. J. Foschini and M. J. Gans、「Capacity when using diversity at transmit and receive sites and the Rayleigh-faded matrix channel is unknown at the transmitter」、Proc. WINLAB Workshop on Wireless Information Network、１９９６年３月
【非特許文献２】関，西森，本間，西川、「近距離超高速中継システム」、信学技報、AP2008-124、２００８年１１月
【非特許文献３】本間，西森，関，溝口、「近傍ＭＩＭＯ通信における通信容量の評価」、信学技報、AP2008-125、２００８年１１月
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ＥＭ−ＢＦやＺＦでは、ディジタル信号レベルにおける逆行列の計算や固有値展開といった負荷の大きい信号処理が必要となってしまう。より負荷の小さい信号処理にて近距離ＭＩＭＯ通信を実現できれば、通信システムの製造コストや消費電力の低減や、装置の小型化を図り得る。
【０００８】
本発明は、このような事情を考慮してなされたものであり、その目的は、より負荷の小さい信号処理にて近距離ＭＩＭＯ通信を実現可能な無線通信システムおよび無線通信方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この発明は上述した課題を解決するためになされたもので、本発明の一態様による無線通信システムは、第１の通信装置が具備する第１のアンテナ素子と第２のアンテナ素子とを含む第１のアレーアンテナと、第２の通信装置が具備する第３のアンテナ素子と第４のアンテナ素子とを含む第２のアレーアンテナとが配置される無線通信システムであって、前記第１の通信装置が、前記第１のアレーアンテナと前記第２のアレーアンテナとの距離に対して、チャネル容量が最大となる間隔に、前記第１のアンテナ素子と前記第２のアンテナ素子との間の距離が選択された前記第１のアレーアンテナを具備し、前記第２の通信装置が、前記第１のアレーアンテナと前記第２のアレーアンテナとの距離に対して、チャネル容量が最大となる間隔に、前記第３のアンテナ素子と前記第４のアンテナ素子との間の距離が選択された前記第２のアレーアンテナと、前記第３のアンテナ素子から入力された信号を２分岐させ、一方の信号に対して９０度の位相回転を付与し、位相回転が付与された信号と位相回転が付与されていない信号とを出力する第１の重み付け手段と、前記第４のアンテナ素子から入力された信号を２分岐させ、一方の信号に対して９０度の位相回転を付与し、位相回転が付与された信号と位相回転が付与されていない信号とを出力する第２の重み付け手段と、前記第１の重み付け手段の出力のうち位相回転が付与されていない信号と前記第２の重み付け手段の出力のうち位相回転が付与された信号とを足し合わせる合成を行って復号する第１の復号手段と、前記第１の重み付け手段の出力のうち位相回転が付与された信号と前記第２の重み付け手段の出力のうち位相回転が付与されていない信号とを足し合わせる合成を行って復号する第２の復号手段と、を具備することを特徴とする。
【００１０】
また、本発明の一態様による無線通信システムは、上述の無線通信システムであって、前記第２のアンテナ素子は、前記第１のアンテナ素子との距離に関して、ＭＩＭＯ通信の固有モード通信法におけるチャネル容量が最大となる位置に配置されることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明の一態様による無線通信システムは、上述の無線通信システムであって、前記第２のアンテナ素子は、前記第１のアンテナ素子との距離に関して、ＭＩＭＯ通信のゼロフォーシング法におけるチャネル容量が最大となる位置に配置されることを特徴とする。
【００１２】
また、本発明の一態様による無線通信システムは、上述の無線通信システムであって、前記第１のアンテナ素子と、前記第２のアンテナ素子とは、それぞれ、２つの信号を互いに直交する偏波にて送信し、前記第３のアンテナ素子と、前記第４のアンテナ素子とは、前記互いに直交する偏波を、偏波の角度毎に独立して受信し、前記第２の通信装置は、偏波ごとに前記第１の重み付け手段、前記第２の重み付け手段、前記第１の復号手段、および前記第２の復号手段を具備することを特徴とする。
【００１３】
また、本発明の一態様による無線通信システムは、第１の通信装置が具備する第１〜第４のアンテナ素子を含む第１のアレーアンテナと、第２の通信装置が具備する第５〜第８のアンテナ素子とを含む第２のアレーアンテナとが配置される無線通信システムであって、前記第１の通信装置が、前記第１のアレーアンテナと前記第２のアレーアンテナとの距離に対して、チャネル容量が最大となる間隔に、前記第１〜第４のアンテナ素子の間の距離が選択された前記第１のアレーアンテナを具備し、前記第２の通信装置が、前記第１のアレーアンテナと前記第２のアレーアンテナとの距離に対して、チャネル容量が最大となる間隔に、前記第５〜第８のアンテナ素子の間の距離が選択された前記第２のアレーアンテナと、前記第５〜第８のアンテナ素子から入力された信号の各々を４分岐させ、アンテナ素子毎に、分岐された信号の２つに９０度の位相回転を付与し、他の１つに１８０度の位相回転を付与し、位相回転が付与されていない１つの信号と、９０度の位相回転が付与された２つの信号と、１８０度の位相回転が付与された１つの信号とを出力する重み付け手段と、前記重み付け手段が出力する信号のうち、前記第５のアンテナ素子から入力された信号と、前記第６のアンテナ素子から入力され９０度の位相回転が付与された信号と、前記第７のアンテナ素子から入力され９０度の位相回転が付与された信号と、前記第８のアンテナ素子から入力され１８０度の位相回転が付与された信号とを足し合わせる合成を行って復号する第１の復号手段と、前記重み付け手段が出力する信号のうち、前記第６のアンテナ素子から入力された信号と、前記第５のアンテナ素子から入力され９０度の位相回転が付与された信号と、前記第８のアンテナ素子から入力され９０度の位相回転が付与された信号と、前記第７のアンテナ素子から入力され１８０度の位相回転が付与された信号とを足し合わせる合成を行って復号する第２の復号手段と、前記重み付け手段が出力する信号のうち、前記第７のアンテナ素子から入力された信号と、前記第５のアンテナ素子から入力され９０度の位相回転が付与された信号と、前記第８のアンテナ素子から入力され９０度の位相回転が付与された信号と、前記第６のアンテナ素子から入力され１８０度の位相回転が付与された信号とを足し合わせる合成を行って復号する第３の復号手段と、前記重み付け手段が出力する信号のうち、前記第８のアンテナ素子から入力された信号と、前記第６のアンテナ素子から入力され９０度の位相回転が付与された信号と、前記第７のアンテナ素子から入力され９０度の位相回転が付与された信号と、前記第５のアンテナ素子から入力され１８０度の位相回転が付与された信号とを足し合わせる合成を行って復号する第４の復号手段と、を具備することを特徴とする。
【００１４】
また、本発明の一態様による無線通信システムは、上述の無線通信システムのいずれか複数と、前記複数の無線通信システムを互いに電磁的にシールドするシールド手段と、を具備することを特徴とする。
【００１５】
また、本発明の一態様による無線通信方法は、第１の通信装置が具備する第１のアンテナ素子と第２のアンテナ素子とを含む第１のアレーアンテナと、第２の通信装置が具備する第３のアンテナ素子と第４のアンテナ素子とを含む第２のアレーアンテナとが配置され、前記第１の通信装置は、前記第１のアレーアンテナと前記第２のアレーアンテナとの距離に対して、チャネル容量が最大となる間隔に、前記第１のアンテナ素子と前記第２のアンテナ素子との間の距離が選択された前記第１のアレーアンテナを具備し、前記第２の通信装置は、前記第１のアレーアンテナと前記第２のアレーアンテナとの距離に対して、チャネル容量が最大となる間隔に、前記第３のアンテナ素子と前記第４のアンテナ素子との間の距離が選択された前記第２のアレーアンテナを具備する無線通信システムの無線通信方法であって、前記第３のアンテナ素子から入力された信号を２分岐させ、一方の信号に対して９０度の位相回転を付与し、位相回転が付与された信号と位相回転が付与されていない信号とを出力する第１の重み付けステップと、前記第４のアンテナ素子から入力された信号を２分岐させ、一方の信号に対して９０度の位相回転を付与し、位相回転が付与された信号と位相回転が付与されていない信号とを出力する第２の重み付けステップと、前記第１の重み付けステップの出力のうち位相回転が付与されていない信号と前記第２の重み付けステップの出力のうち位相回転が付与された信号とを足し合わせる合成を行って復号する第１の復号ステップと、前記第１の重み付けステップの出力のうち位相回転が付与された信号と前記第２の重み付けステップの出力のうち位相回転が付与されていない信号とを足し合わせる合成を行って復号する第２の復号ステップと、を具備することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、より負荷の小さい信号処理にて近距離ＭＩＭＯ通信を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の第１の実施形態における無線通信システムシステムの概略構成を示す構成図である。
【図２】近距離ＭＩＭＯ通信におけるアンテナ素子の配置例を示す説明図である。
【図３】２×２の近距離ＭＩＭＯ通信におけるチャネル容量特性の説明図である。
【図４】図３で説明した近距離ＭＩＭＯ通信にてＺＦを用いた際の、アンテナ素子間隔と、送受信間の位相差および振幅比との関係を示す説明図である。
【図５】送受信間隔Ｄと、当該送受信間隔に基づいて定まる最適素子間隔ｄoptにおける、受信ウエイトの位相差θｗと、振幅比ratioとの関係を示す説明図である。
【図６】同実施形態の無線通信システムにおけるアンテナ素子の配置を決定する処理手順を示すフローチャートである。
【図７】本発明の第２の実施形態における無線通信システムの概略構成を示す構成図である。
【図８】本発明の第３の実施形態における無線通信システムの概略構成を示す構成図である。
【図９】同実施形態の通信装置におけるアンテナの配置を示す説明図である。
【図１０】同実施形態のウエイト演算回路における重み付け合成を示す説明図である。
【図１１】本発明の第４の実施形態における、複数対のアンテナを具備する無線通信システムの、受信側のアンテナ素子の配置例を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
＜第１の実施形態＞
以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態における無線通信システムの概略構成を示す構成図である。同図において、無線通信システム１は、通信装置（第１の無線通信装置）１００と、通信装置（第２の無線通信装置）２００とを具備する。通信装置１００は、送信部１１１〜１１２と、アンテナ素子（第１のアンテナ素子）１２１と、アンテナ素子（第２のアンテナ素子）１２２とを具備する。通信装置２００は、アンテナ素子（第３のアンテナ素子）２１１と、アンテナ素子（第４のアンテナ素子）２１２と、ウエイト演算回路２２０と、受信部２５１〜２５２とを具備する。ウエイト演算回路２２０は、分配器２２１〜２２２と、９０度移相器２３１〜２３２と、合成器２４１と、合成器２４２とを具備する。
【００１９】
無線通信システム１は、２×２ＭＩＭＯ（２入力２出力のＭＩＭＯ）通信方式にて、通信装置１００から通信装置２００への、２系列（系列Ｓ１１および系列Ｓ１２）のデータの通信（送信および受信）を行う。
なお、本実施形態では、通信装置１００から通信装置２００への通信について説明するが、これに加えて、無線通信システム１が、通信装置２００から通信装置１００への通信を行うようにしてもよい。この場合、通信装置２００から通信装置１００への通信方式として、様々なものを用いることができる。例えば通信装置２００から通信装置１００への通信も、通信装置１００から通信装置２００への通信と同様、本発明を適用した通信方式にて行われるようにしてもよいし、あるいは、他の通信方式にて行われるようにしてもよい。
【００２０】
通信装置１００では、信号の重み付けを行う必要がない。このため、通信装置１００として、２×２ＭＩＭＯ方式の近距離通信における、一般的な通信装置を用いることができる。
送信部１１１は、データ系列Ｓ１１（のデータ）を取得し、符号化や変調（デジタルデータからベースバンド信号への変調、および、送信周波数の信号への変調）等の処理を行ってデータ系列Ｓ１１の送信信号を生成し、生成した送信信号をアンテナ素子１２１に出力する。同様に、送信部１１２は、データ系列Ｓ１２のデータを取得し、符号化や変調等の処理を行ってデータ系列Ｓ１２の送信信号を生成し、生成した送信信号をアンテナ素子１２２に出力する。
【００２１】
ここで、データ系列Ｓ１１とデータ系列Ｓ１２とは、互いに独立した系列であってもよいし、相関を有する系列であってもよい。通信装置１００は、これらのデータ系列を、例えば、通信装置１００に接続されたコンピュータなど通信装置１００の外部から取得する。
また、送信部１１１および送信部１１２が行う変調の方式としては、様々なものを用いることができる。例えば、送信部１１１および１１２が、ＱＰＳＫ（Quadrature Phase-Shift Keying）方式にて変調を行うようにしてもよいし、あるいは、１０２４ＱＡＭ（Quadrature Amplitude Modulation）方式にて変調を行うようにしてもよい。さらには、送信部１１１および１１２が、伝搬路の状態に応じて変調方式を選択する適応変調を行うようにしてもよい。ただし、近距離ＭＩＭＯ通信においては、送信アンテナと受信アンテナとの距離が近いため、伝搬路の状態が安定していることが期待される。かかる場合、送信部１１１および送信部１１２が固定の変調方式に変調を行うようにすることで、回路構成を簡単化し、通信装置１００の小型軽量化および製造コスト削減や、通信装置１００と通信装置２００との制御データの通信量の抑制を図ることができる。
【００２２】
アンテナ素子１２１は、送信部１１１から出力される送信信号を無線送信する。同様に、アンテナ素子１２２は、送信部１１２から出力される送信信号を無線送信する。ここで、アンテナ素子１２１とアンテナ素子１２２との間隔は、後述する最適素子間隔ｄoptに設定されている。この最適素子間隔ｄoptは、後述するように、アンテナ素子１２１とアンテナ素子２１１との距離に応じて定められる所定の距離（ＭＩＭＯ通信の固有モード伝送法におけるチャネル容量が最大となる距離、あるいは、ＭＩＭＯ通信のゼロフォーシング法におけるチャネル容量が最大となる距離）である。
【００２３】
また、図２を用いて後述するように、アンテナ素子１２１とアンテナ素子１２２とは、同一平面状に配置される。以下では、同一平面上に配置される複数のアンテナ素子を具備するアンテナをアレーアンテナと称する。すなわち、アンテナ素子１２１とアンテナ素子１２２とでアレーアンテナを構成する。
【００２４】
通信装置２００は、通信装置１００から送信される信号から各系列のデータを抽出する。
アンテナ素子２１１と、アンテナ素子２１２とは、いずれも、アンテナ素子１２１から送信される無線信号と、アンテナ素子１２２から送信される無線信号とを、両無線信号が合成された無線信号として受信する。そして、アンテナ素子２１１は、受信した信号を分配器２２１に出力し、アンテナ素子２１２は、受信した信号を分配器２２２に出力する。
【００２５】
ここで、アンテナ素子２１１とアンテナ素子２１２との間隔は、上記のアンテナ素子１２１およびアンテナ素子１２２と同様、後述する最適素子間隔ｄoptに設定されている。そして、アンテナ素子２１１は、アンテナ素子１２１に対向して、アンテナ素子１２１から距離Ｄの位置に配置されている。
【００２６】
また、アンテナ素子２１２は、アンテナ素子１２２に対向して、アンテナ素子１２２から距離Ｄの位置に配置されている。すなわち、アンテナ素子２１２は、アンテナ素子１２２に対向して、当該アンテナ素子１２２との距離が、アンテナ素子１２１とアンテナ素子２１１との距離と等しい位置、かつ、アンテナ素子２１１との距離が、アンテナ素子１２１とアンテナ素子１２２との距離と等しい位置に配置されている。
アンテナ素子１２１とアンテナ素子１２２の場合と同様、アンテナ素子２１１とアンテナ素子２１２とは、アレーアンテナを構成する。
【００２７】
ウエイト演算回路２２０は、アンテナ素子２１１が受信した信号およびアンテナ素子２１２が受信した信号に対する位相回転や合成を行って、データ系列を抽出する。
分配器２２１は、アンテナ素子２１１が受信した信号を２分配して、９０度移相器２３１と合成器２４１とに出力する。分配器２２２は、アンテナ素子２１２が受信した信号を２分配して、９０度移相器２３２と合成器２４２とに出力する。
【００２８】
９０度移相器２３１は、分配器２２１が受信した信号に対して９０度の位相回転を付与して（すなわち、位相を９０度進めて）、合成器２４２に出力する。９０度移相器２３２は、分配器２２２から出力された信号の移相を９０度回転して、合成器２４１に出力する。
【００２９】
合成器２４１は、分配器２２１から出力される信号と、９０度移相器２３２から出力される信号とを合成する。すなわち、合成器２４１は、アンテナ素子２１１が受信した信号と、アンテナ素子２１２が受信して９０度移相器２３２が９０度の移相回転を行った信号とを合成する。
ここでいう信号の合成は、信号の重ね合わせ（足し合わせ）である。合成器２４１は、当該合成によって、アンテナ素子１２１が送信するデータ系列Ｓ１１の信号に対応するデータ系列Ｓ１１’の信号を生成する。合成器２４１は、合成によって得られた信号を、受信部２５１に出力する。
【００３０】
ここで、分配器２２１と９０度移相器２３１とで、本発明における第１の重み付け手段を構成する。すなわち、アンテナ素子２１１から入力された信号を、分配器２２１が２分岐させ、９０度移相器２３１が、一部の信号に対して９０度の位相回転を付与して、位相回転が付与された信号と位相回転が付与されていない信号とを出力する。また、分配器２２２と９０度移相器２３２とで、本発明における第２の重み付け手段を構成する。すなわち、アンテナ素子２１２から入力された信号を、分配器２２２が２分岐させ、９０度移相器２３２が、一部の信号に対して９０度の位相回転を付与して出力する。
【００３１】
合成器２４１は、例えば、分配器を逆に使用する（すなわち、分配器における出力端子に、分配器２２１から出力される信号と、９０度移相器２３２から出力される信号とを入力し、分配器における入力端子から信号を取り出す）ことによって実現される。
【００３２】
同様に、合成器２４２は、分配器２２２から出力される信号と、９０度移相器２３１から出力される信号とを合成する。すなわち、合成器２４２は、アンテナ素子２１２が受信した信号と、アンテナ素子２１１が受信して９０度移相器２３１が９０度の移相回転を行った信号とを合成する。
合成器２４２は、当該合成によって、アンテナ素子１２２が送信するデータ系列Ｓ１２の信号に対応するデータ系列Ｓ１２’の信号を生成する。合成器２４２は、合成によって得られた信号を、受信部２５２に出力する。
合成器２４２は、例えば、分配器を逆に使用することによって実現される。
【００３３】
受信部２５１は、合成器２４１から出力される信号に対して復調や復号化等の処理を行って、データ系列Ｓ１１’（のデータ）を生成する。受信部２５１は、生成したデータ系列を、例えば通信装置２００（受信部２５１）に接続されたコンピュータなど、通信装置２００の外部に出力する。
ここで、合成器２４１と受信部２５１とで、本発明における第１の復号手段を構成する。すなわち、合成器２４１が、第１の重み付け手段の出力のうち位相回転が付与されていない信号と第２の重み付け手段の出力のうち位相回転が付与された信号とを合成し、受信部２５１が、合成部２４１の合成した信号を復号する。
【００３４】
受信部２５２は、合成器２４２から出力される信号に対して復調や復号化等の処理を行って、データ系列Ｓ１２’を生成する。受信部２５２は、生成したデータ系列を、例えば通信装置２００（受信部２５２）に接続されたコンピュータなど、通信装置２００の外部に出力する。
ここで、合成器２４２と受信部２５２とで、本発明における第２の復号手段を構成する。すなわち、合成器２４２が、第１の重み付け手段の出力のうち位相回転が付与された信号と第２の重み付け手段の出力のうち位相回転が付与されていない信号とを合成し、受信部２５２が、合成部２４２の合成した信号を復号する。
【００３５】
次に、図２〜図５を参照して、本実施形態におけるアンテナ素子の間隔および受信ウエイトについて説明する。
図２は、近距離ＭＩＭＯ通信におけるアンテナ素子の配置例を示す説明図である。
同図において、送信側のアンテナ素子数と受信側のアンテナ素子数とは、いずれもＭ（Ｍは、Ｍ≧２の正整数）である。これら送信側のアンテナ素子ＥＴｊ（ｊは、１≦ｊ≦Ｍの正整数）は、平面ＰＴ上に配置され、また、受信側のアンテナ素子ＥＲｉ（ｉは、１≦ｉ≦Ｍの正整数）は、平面ＰＲ上に配置されている。
なお、同図では垂直偏波のアンテナ素子が示されているが、本発明の適用範囲はこれに限らない。例えば水平偏波のアンテナ素子など様々なアンテナ素子を本発明に係る無線通信システムに用いることができる。
【００３６】
図２において、平面ＰＴと平面ＰＲとの距離は、距離Ｄとなっている。以下では、この平面ＰＴと平面ＰＲとの距離を「送受信間隔」と称する。
ここで、送受信間隔Ｄは、アレーアンテナの開口長と同程度の距離に設定される。ここでいうアレーアンテナの開口長と同程度の距離は、近距離ＭＩＭＯ通信を示す距離であり、送受信間隔に対してアンテナ素子間の距離に対して無視できない距離である。例えば、送受信間隔Ｄは、３０〜３００ミリメートルの範囲で設定される。
また、送信側、受信側共に、アンテナ素子間隔は、距離ｄである。より具体的には、送信側のアンテナ素子は、縦（図２に示すｙ軸方向）横（図２に示すｘ軸方向）共に、距離ｄの等間隔で配置されている。また、受信側のアンテナ素子は、送信側のアンテナ素子に対向して、縦横共に、距離ｄの等間隔で配置されている。
【００３７】
同図に示す３次元直交座標系を用いて送信側のアンテナ素子ＥＴｊの座標をＱｊ＝（ｘTj，ｙTj，０）で示し、受信側のアンテナ素子ＥＲｉの座標をＰｉ＝（ｘRi，ｙRi，Ｄ）で示すと、座標Ｑｊから座標Ｐｉへのベクトルｒij（明細書においては、行列ないしベクトルを示す太字表記を省略する。以下同様）は、式（１）で示される。
【００３８】
【数１】
0005645135.tif 000002
【００３９】
なお、送信側のアンテナ素子の座標として、例えば、平面ＰＴにおけるアンテナ素子の中心座標を用いる。同様に、受信側のアンテナ素子の座標として、例えば、平面ＰＲにおけるアンテナ素子の中心座標を用いる。
また、アンテナ素子間における応答値hijは、式（２）で示される。
【００４０】
【数２】
0005645135.tif 000003
【００４１】
ここで、角度θijおよびφijと、距離γijとを組み合わせた（θij、φij、γij）で、ベクトルrijを極座標にて示す。なお、図２に示すように、角度θは、ｚ軸の正の向きからｙ軸の正の向きへの角度を示し、角度φは、ｘ軸の正の向きからｙ軸の正の向きへの角度を示す。
また、波長λ0は、図２のアンテナ素子間で送受信される電波の、自由空間における波長を示し、周波数ｋ（＝２π／λ０）は、当該電波の周波数を示す。
【００４２】
また、ベクトルＥＴとＥＲとは、ベクトルrijの極座標表示における角度θijおよびφijの関数であり、それぞれ、送信側のアンテナ素子と受信側のアンテナ素子との、利得の平方根を示す。
また、ベクトルrijの極座標表示における距離γijは、式（３）にて示される。
【００４３】
【数３】
0005645135.tif 000004
【００４４】
また、ＥＭ−ＢＦのチャネル容量（１秒かつ１Ｈｚに送信可能なビット数の上限）ＣEM-BF［ビット毎秒毎ヘルツ（bit/s/Hz）］は、式（４）にて示される。
【００４５】
【数４】
0005645135.tif 000005
【００４６】
ここで、Ｐｔは送信電力を示し、σ２は雑音電力を示す。また、λｉは、チャネル行列（Ｍ×Ｍ行列）の相関行列（ＨＨＨ、または、ＨＨＨ）を固有値分解することで得られる固有値を示す。
【００４７】
また、ＺＦのチャネル容量ＣZF［ビット毎秒毎ヘルツ］は、式（５）にて示される。
【００４８】
【数５】
0005645135.tif 000006
【００４９】
ここで、ベクトル||ｗｉ||は、送信側のアンテナ素子ＥＴｉにおけるＺＦによるウエイト（アンテナ素子ＥＴｉが送信する電波における、各データ系列に対する重み付け）の列ベクトルを示す。
また、ＺＦにおける受信ウエイト行列（受信側の各アンテナ素子が受信した電波を合成する際の重み付け）は、以下の式で示される。
【００５０】
【数６】
0005645135.tif 000007
【００５１】
図３は、２×２の近距離ＭＩＭＯ通信におけるチャネル容量特性の説明図である。
同図（ａ）に示すように、ここでは送受信側共に、アンテナ素子数Ｍ＝２となっており、また、送受信間隔Ｄ＝１２０ミリメートルに設定されている。また、各アンテナ素子の偏波は垂直偏波となっている。
【００５２】
かかる近距離ＭＩＭＯ通信において、アンテナ素子間隔とチャネル容量との関係は、図３（ｂ）のようになる。ここで、アンテナ素子間隔を、波長λ０との相対距離で示している。また、線Ｌ３１１は、式（４）に基づいて算出される、ＥＭ−ＢＦにおけるチャネル容量を示し、線Ｌ３１２は、式（５）に基づいて算出される、ＺＦにおけるチャネル容量を示す。
同図（ｂ）に示されるように、ＥＭ−ＢＦとＺＦとのいずれにおいても、チャネル容量が最大となる素子間隔（以下、「最適素子間隔」と称する）が存在する。また、ＥＭ−ＢＦとＺＦとで、同じ素子間隔（ｄ＝１λ）においてチャネル容量が最大となっている。
【００５３】
また、当該近距離ＭＩＭＯ通信における固有値分布は、図３（ｃ）のようになる。同図（ｃ）において、最適素子間隔ｄ＝１λでは、第１固有値と２固有値とは、いずれも、信号対雑音比と同じ値となっている。すなわち、最適素子間隔ｄ＝１λにて、ＭＩＭＯにおける最適条件を満たしていることになる。
【００５４】
図４は、図３で説明した近距離ＭＩＭＯ通信にてＺＦを用いた際の、アンテナ素子間隔と、送受信間の位相差および振幅比との関係を示す説明図である。
ここで、２×２ＭＩＭＯ通信における上記のチャネル行列Ｈを、式（７）のように表す。
【００５５】
【数７】
0005645135.tif 000008
【００５６】
要素ｈij（ｉ，ｊは、それぞれ２以下の正整数）は、送信側のアンテナ素子ＥＴｊから受信側のアンテナ素子ＥＴｉへの伝搬路の位相および振幅の変化率を、例えば複素数表現にて示す。
また、２×２ＭＩＭＯ通信における上記の受信ウエイト行列（行列Ｗ）を、式（８）のように表す。
【００５７】
【数８】
0005645135.tif 000009
【００５８】
要素ｗij（ｉ，ｊは、それぞれ２以下の正整数）は、受信側のアンテナ素子ＥＲｊが受信した信号を、ｉ番目の受信回路に供給する際に付与する重みを示す。ここで、ｉ番目の受信回路は、送信側のアンテナ素子ＥＴｉが送信するｉ番目のデータ系列（の信号）に対応するデータ系列を生成する回路である。すなわち、要素ｗijは、ｉ番目のデータ系列を抽出するために、アンテナ素子ＥＲｊが受信した信号に対して付与する重みを示す。
図４（ａ）において、線Ｌ４１１は、チャネルの位相差θＨ＝tan-1（ｈ12／ｈ11）を示す。また、線Ｌ４１２は、受信ウエイトの位相差θｗ＝tan-1（ｗ12／ｗ11）を示す。
【００５９】
ここで、図３にて示される最適素子間隔ｄ＝１λ０において、チャネルの位相差θＨと受信ウエイトの位相差θｗとの位相差が１８０度となっている。図３において、チャネル容量は、振動しながら最適素子間隔ｄ＝１λ０を含む幾つかのアンテナ素子間隔において極大となっており、図４では、これらのアンテナ素子間隔において、チャネルの位相差θＨと受信ウエイトの位相差θｗとの位相差が１８０度となっている。
また、最適素子間隔ｄ＝１λ０での受信ウエイトの位相差θｗは、ほぼ９０度となっている。
また、図４（ｂ）において、線Ｌ４２１は、振幅比ratio=|ｗ11|／|ｗ12|を示す。同図に示すように、最適素子間隔ｄ＝１λ０での振幅比ratioは、１．１程度となっている。
【００６０】
図５は、送受信間隔Ｄと、当該送受信間隔に基づいて定まる最適素子間隔ｄoptにおける、受信ウエイトの位相差θｗと、振幅比ratioとの関係を示す説明図である。同図（ａ）に示すように、送受信間隔Ｄが３０〜３００ミリメートルとなる範囲において、アンテナ素子間隔ｄを、最適素子間隔ｄoptに設定した場合の、受信ウエイトの位相差θｗと、振幅比ratioとを、同図（ｂ）に示している。
なお、式（１）および式（２）に示されるように、最適素子間隔ｄoptは、送受信間隔Ｄに応じて変化する。送受信間隔Ｄと、最適素子間隔ｄoptとの関係は、表１のようになる。
【００６１】
【表１】
0005645135.tif 000010
【００６２】
図５において、線Ｌ５１１は、受信ウエイトの位相差θｗを示し、線Ｌ５１２は、振幅比ratioを示す。
ここで、線Ｌ５１１で示される受信ウエイトの位相差θｗは、送受信間隔Ｄの各値に対して約９０度と、ほぼ一定の値を示している。
すなわち、式（１）および（２）に示されるように、最適素子間隔ｄoptは、送受信間隔Ｄに応じて変化するが、最適素子間隔ｄoptにおける受信ウエイトの位相差θｗは、ほぼ一定の値となっている。なお、送受信間隔Ｄが大きくなるにつれて、振幅比ratioの値は１に近くなっている。
【００６３】
線Ｌ５１１に示される受信ウエイトの位相差θｗによれば、アンテナ素子間隔ｄが、式（２）に基づいて算出される最適素子間隔ｄoptとなっている状態において、振幅の比を無視すれば、受信側のアンテナ素子間における位相差を９０度とすればよいことになる。
すなわち、アンテナ素子間隔ｄが最適素子間隔ｄoptとなっている状態では、アンテナ素子１２１からアンテナ素子２１２への経路長は、アンテナ素子１２１からアンテナ素子２１１への経路長よりも４分の１波長（位相差９０度）程度長くなる。同様に、アンテナ素子１２２からアンテナ素子２１１への経路長は、アンテナ素子１２２からアンテナ素子２１２への経路長よりも４分の１波長程度長くなる。
【００６４】
このように、送信アンテナと受信アンテナとの距離にかかわらず、チャネル容量が最大となる最適素子間隔においては、ＺＦにおける受信ウエイトが、ほぼ一定である。
そこで、通信装置２００（図１）において、合成器２４１は、アンテナ素子２１１が受信した信号と、アンテナ素子２１２が受信した信号に９０度の位相回転を行った信号とを合成する。また、合成器２４２は、アンテナ素子２１２が受信した信号と、アンテナ素子２１１が受信した信号に９０度の位相回転を行った信号とを合成する。すなわち、合成器２４１および合成器２４２は、受信信号受信ウエイトの位相差９０度にて合成を行う。
ここで、通信装置２００における受信ウエイト行列Ｗanalogは、式（９）にて示される。
【００６５】
【数９】
0005645135.tif 000011
【００６６】
一方、送受信間隔Ｄ＝１２０ミリメートルの場合、２×２の近距離ＭＩＭＯ通信における、ＺＦによる受信ウエイト行列は、式（１０）にて示される。
【００６７】
【数１０】
0005645135.tif 000012
【００６８】
なお、式（１０）では、対角項の値が１となるように規格化している。
ここで、式（９）と式（１０）とを比較すると、対角項の値は、いずれも「１」で同じである。また、式（１０）の非対角項では、虚部の値の大きさ「０．８８７９」の大きさが、実部の値の大きさ「０．０４１５」に対して非常に大きく、虚部の値が支配的となっている。従って、式（１０）の非対角項の値は、式（９）の非対角項の値「ｊ」と同等といえ、行列全体においても式（１０）は式（９）と同等といえる。
【００６９】
このように、図１に示す構成によってＺＦの場合と同等の受信ウエイト行列を得ることができる。従って、無線通信システム１では、ＺＦの場合と同様のチャネル容量を得ることができる。
なお、式（９）と式（１０）とで非対角項の値が異なるのは、図４に示されるように、振幅比ratioが約１．１であるのに対し、本発明によるウエイトではこれを無視しているためである。
【００７０】
次に、図６を参照して、アンテナ素子の配置の決定方法について説明する。
図６は、無線通信システム１におけるアンテナ素子の配置を決定する処理手順を示すフローチャートである。当該処理は、例えば、無線通信システム１のユーザが行う。
【００７１】
まず、無線通信システム１を使用する環境における送受信間隔Ｄを決定する（ステップＳ１０１）。例えば、建築物の壁の両面にアンテナ素子を配置して当該壁を透過させる通信を行う場合、当該壁の厚さを送受信間隔Ｄとする。
次に、図２のモデルおよび式（２）〜（５）を用いて、アンテナ素子間隔ｄと、ＺＦのチャネル容量ＣZFとの関係を求める（ステップＳ１０２）。例えば、幾つかのアンテナ素子間隔ｄについてチャネル容量ＣZFを算出し、図３（ｂ）のようにアンテナ素子間隔とチャネル容量との関係を示すグラフを生成する。
【００７２】
そして、アンテナ素子間隔ｄと、ＺＦのチャネル容量ＣZFとの関係に基づいて、チャネル容量を最大とする最適素子間隔ｄoptを決定する（ステップＳ１０３）。例えば、ステップＳ１０２で生成したグラフにおいてチャネル容量が最大となるアンテナ素子間隔を最適素子間隔ｄoptとする。
その後同図の処理を終了し、得られた最適素子間隔ｄoptにてアンテナを配置して、無線通信システム１を用いた通信を行う。
【００７３】
なお、図３（ｂ）に示されるように、ＺＦにおける最適素子間隔と、ＥＭ−ＢＦにおける最適素子間隔とは一致する。そこで、ステップＳ１０２において、アンテナ素子間隔ｄと、ＺＦのチャネル容量ＣZFとの関係に代えて、アンテナ素子間隔ｄと、ＥＭ−ＢＦのチャネル容量ＣDM-BFとの関係を求めるようにしてもよい。この場合も、ステップＳ１０３では、チャネル容量ＣDM-BFを最大とする最適素子間隔ｄoptを決定する。
【００７４】
以上のように、ウエイト演算回路２２０（図１）では、受信信号を分配する分配器２１１および２１２と、分配された受信信号の位相を９０度回転させる９０度移相器２３１および２３２と、受信信号と移相回転された信号とを合成する合成器２４１および２４２を具備する非常に簡単な構成で、近距離ＭＩＭＯ通信における重み付けを行うことができる。
【００７５】
なお、式（９）における振幅と式（１０）における振幅との差は１デシベル（ｄＢ）以下であり、ケーブルの線路の長さを調整することで両者の差をほぼ同じにすることが可能である。このように、無線通信システム１では、より負荷の小さい信号処理にて近距離ＭＩＭＯ通信を実現することができる。これにより、無線通信システムの製造コストや消費電力の低減や、装置の小型化を図り得る。
【００７６】
なお、図１の構成では、受信側にウエイト演算回路を構成しているが、送信側にこの回路を設け、受信側を図１の送信側と同様、アンテナ素子と受信部とが直接接続される構成としてもよい。
具体的には、送信部１１１が出力する信号（データ系列Ｓ１１）に対して９０度の位相回転を行ってアンテナ素子１２１から送信し、また、当該送信部１１１が出力する信号を位相回転せずにアンテナ素子１２２から送信する。これによって、アンテナ素子２１１が受信する信号において、アンテナ素子１２１が送信するデータ系列Ｓ１１の信号と、アンテナ素子１２２が送信するデータ系列Ｓ１１の信号との位相が一致して互いに強め合う。そこで、アンテナ素子２１１が受信する信号を受信部２５１に出力することで、データ系列Ｓ１１に対応するデータ系列Ｓ１１’を抽出し得る。
同様に、送信部１１２が出力する信号（データ系列Ｓ１２）に対して９０度の位相回転を行ってアンテナ素子１２２から送信し、また、当該送信部１１２が出力する信号を位相回転せずにアンテナ素子１２１から送信する。これによって、アンテナ素子２１２が受信する信号において、アンテナ素子１２１が送信するデータ系列Ｓ１２の信号と、アンテナ素子１２２が送信するデータ系列Ｓ１２の信号との位相が一致して互いに強め合う。そこで、アンテナ素子２１２が受信する信号を受信部２５２に出力することで、データ系列Ｓ１２に対応するデータ系列Ｓ１２’を抽出し得る。
このように、ウエイト演算回路は、送信側の通信装置または受信側の通信装置のいずれか一方が具備していればよい。従って、他方の通信装置として、ウエイト演算回路を具備しない、さらに簡単な構成の装置を用いることができる。
【００７７】
＜第２の実施形態＞
なお、第１の実施形態における無線通信システム１では、各アンテナ素子が異なる位置に配置されているが、互いに直交する偏波を送受信するアンテナ素子を同じ位置に配置するようにしてもよい。第２の実施形態では、かかるアンテナ素子を具備する無線通信システムについて説明する。
【００７８】
図７は、本発明の第２の実施形態における無線通信システムの概略構成を示す構成図である。同図において、無線通信システム２は、通信装置（第１の無線通信装置）３００と、通信装置（第２の無線通信装置）４００とを具備する。通信装置３００は、送信部３１１〜３１４と、アンテナ素子３２１〜３２４とを具備する。通信装置４００は、アンテナ素子４１１〜４１４と、ウエイト演算回路４２０と、受信部４５１〜４５４とを具備する。ウエイト演算回路４２０は、分配器４２１〜４２４と、９０度移相器（移相部）４３１〜４３４と、合成器（合成部）４４１〜４４４とを具備する。
【００７９】
送信部３１１〜３１４は、送信部１１１〜１１２と同様、それぞれデータ系列Ｓ２１〜Ｓ２４を取得し、符号化や変調等の処理を行ってデータ系列Ｓ２１〜Ｓ２４の送信信号を生成し、生成した送信信号をアンテナ素子３２１〜３２４に出力する。
アンテナ素子３２１〜３２４は、送信部３１１〜３１４から出力される送信信号を無線送信する。詳細については後述する。
【００８０】
アンテナ素子４１１〜４２４は、アンテナ素子３２１〜３２４から送信される信号を受信して、それぞれ、分配器４２１〜４２４に出力する。詳細については後述する。
分配器４２１〜４２４は、分配器２２１〜２２２と同様、アンテナ素子４１１〜４２４から出力される信号を分配して出力する。
９０度移相器４３１〜４３４は、９０度移相器２３１〜２３２と同様、分配器４２１〜４２４から出力される信号に対して９０度の位相回転を行う。
【００８１】
合成器４４１〜４４４は、合成器２４１〜１４４と同様、位相回転されていない受信信号と、９０度位相回転された受信信号とを合成して、受信部４５１〜２５４に出力する。
受信部４５１〜２５４は、受信部２５１〜１５２と同様、合成器４４１から出力される信号に対して復調や復号化等の処理を行って、データ系列Ｓ２１’〜Ｓ２４’（のデータ）を生成する。
【００８２】
ここで、アンテナ素子３２１とアンテナ素子３２３とは、その中心を合わせて（すなわち、図２で説明した座標が同じになる位置に）配置されて第１のアンテナ素子を構成し、２つの信号を互いに直交する偏波にて送信する。すなわち、アンテナ素子３２１が送信する偏波（電波）と、アンテナ素子３２３が送信する偏波とは、互いに直交する。
同様に、アンテナ素子３２２とアンテナ素子３２４とは、その中心を合わせて配置されて第２のアンテナ素子を構成し、２つの信号を互いに直交する偏波にて送信する。すなわち、アンテナ素子３２２が送信する偏波と、アンテナ素子３２４が送信する偏波とは、互いに直交する。
また、アンテナ素子３２１〜３２４でアレーアンテナを構成する。すなわち、アンテナ素子３２１〜３２４は、同一平面上に配置されている。
【００８３】
ここで、アンテナ素子３２２が送信する偏波は、アンテナ素子１２１が送信する偏波と同じ傾きである。また、アンテナ素子３２４が送信する偏波は、アンテナ素子３２３が送信する偏波と同じ傾きである。より具体的には、アンテナ素子１２１とアンテナ素子１２２とは、縦方向（図２に示すｙ軸の方向）に設置されて垂直偏波を送信する。また、アンテナ素子３２３とアンテナ素子３２４とは、横方向（図２に示すｘ軸の方向）に設置されて水平偏波を送信する。
ただし、本発明の適用範囲は、垂直偏波と水平偏波とに限らず、アンテナ素子３２１およびアンテナ素子３２２が送信する偏波と、アンテナ素子３２３およびアンテナ素子３２４が送信する偏波とが互いに直交していればよい。
【００８４】
受信側では、アンテナ素子４１１とアンテナ素子４１３とは、その中心を合わせて配置されて第３のアンテナ素子を構成し、アンテナ素子３２１〜３２４から送信される互いに直交する偏波を、偏波の角度毎に独立して受信する。より具体的には、アンテナ素子４１１は、アンテナ素子３２１に対向して、送受信間隔Ｄにて、アンテナ素子３２１と同じく縦方向に配置されて、アンテナ素子１２１が送信する垂直偏波とアンテナ素子１２２が送信する垂直偏波とを受信する。また、アンテナ素子４１３は、アンテナ素子３２３に対向して、送受信間隔Ｄにて、アンテナ素子３２３と同じく横方向に配置されて、アンテナ素子３２３が送信する水平偏波とアンテナ素子３２４が送信する水平偏波とを受信する。
【００８５】
また、アンテナ素子４１２とアンテナ素子４１４とは、その中心を合わせて配置されて第４のアンテナ素子を構成し、アンテナ素子３２１〜３２４から送信される互いに直交する偏波を、偏波の角度毎に独立して受信する。より具体的には、アンテナ素子４１２は、アンテナ素子３２２に対向して、送受信間隔Ｄにて、アンテナ素子３２２と同じく縦方向に配置されて、アンテナ素子１２１が送信する垂直偏波とアンテナ素子１２２が送信する垂直偏波とを受信する。また、アンテナ素子４１４は、アンテナ素子３２４に対向して、送受信間隔Ｄにて、アンテナ素子３２４と同じく横方向に配置されて、アンテナ素子３２３が送信する水平偏波とアンテナ素子３２４が送信する水平偏波とを受信する。
また、アンテナ素子４１１〜４１４でアレーアンテナを構成する。すなわち、アンテナ素子４１１〜４１４は、同一平面上に配置されている。
【００８６】
そして、これら第１〜第４のアンテナ素子は、第１の実施形態における第１〜第４のアンテナ素子と同様に、送受信間隔Ｄおよび最適素子間隔ｄoptにて配置されている。すなわち、第１のアンテナ素子と第２のアンテナ素子との間隔、および、第３のアンテナ素子と第４のアンテナ素子との間隔は、最適素子間隔ｄoptとなっている。また、第１のアンテナ素子と第３のアンテナ素子との間隔、および、第２のアンテナ素子と第４のアンテナ素子との間隔は、送受信間隔Ｄとなっている。
【００８７】
ここで、本願発明者等は、近距離ＭＩＭＯ通信において、直交する偏波（例えば、垂直偏波と水平偏波、あるいは、＋−４５度の偏波）の間では完全に相関を０にできることを見出している（例えば、西森，関，本間，平賀，溝口、「近距離ＭＩＭＯ通信に適した通信方法に関する検討」、信学技報、AP2009-83、２００９年９月参照）。
【００８８】
かかる性質を利用して、無線通信システム２では、互いに直交する２つの偏波を用いて、４つのデータ系列を送受信する。いわば、無線通信システム２は、垂直偏波を用いた２×２の近距離ＭＩＭＯ通信システムと、水平偏波を用いた２×２の近距離ＭＩＭＯ通信システムを具備して、これら２×２の近距離ＭＩＭＯ通信システムの各々で２つのデータ系列を送受信することで、４つのデータ系列（Ｓ２１〜Ｓ２４）を送受信する。
【００８９】
このように、互いに直交する偏波を用いることで、無線通信システム２では、無線通信システム１の２倍のデータ系列の通信を行うことでき、かつ、無線通信システム２においてアンテナ素子の配置に必要な領域は、無線通信システム１において必要な領域と同様とすることができる。
【００９０】
＜第３の実施形態＞
なお、本発明の適用範囲は、２×２ＭＩＭＯ通信に限らない。第３の実施形態では、本発明を４×４ＭＩＭＯ通信に適用した場合について説明する。
図８は、本発明の第３の実施形態における無線通信システムの概略構成を示す構成図である。同図において、無線通信システム３は、通信装置（第１の無線通信装置）５００と、通信装置（第２の無線通信装置）６００とを具備する。通信装置５００は、送信部５１１〜５１４と、アンテナ素子５２１〜５２４（第１のアンテナ素子〜第４のアンテナ素子）とを具備する。通信装置６００は、アンテナ素子６１１〜６１４（第５のアンテナ素子〜第８のアンテナ素子）と、ウエイト演算回路６２０と、受信部６５１〜６５４とを具備する。
【００９１】
送信部５１１〜５１４は、送信部１１１〜１１２と同様、それぞれデータ系列Ｓ３１〜Ｓ３４を取得し、符号化や変調等の処理を行ってデータ系列Ｓ３１〜Ｓ３４の送信信号を生成し、生成した送信信号をアンテナ素子５２１〜５２４に出力する。
アンテナ素子５２１〜５２４は、アンテナ素子１２１〜１２２と同様、送信部３１１〜３１４から出力される送信信号を無線送信する。
【００９２】
アンテナ素子６１１〜６２４は、アンテナ素子２１１〜２１２と同様、アンテナ素子５２１〜５２４から送信される信号を受信して、それぞれ、ウエイト演算回路６２０に出力する。
ウエイト演算回路６２０は、アンテナ素子４１１〜６２４から出力される信号に重み付けをして合成し、受信部６５１〜６５４に出力する。詳細については後述する。
受信部４５１〜２５４は、受信部２５１〜１５２と同様、合成器４４１から出力される信号に対して復調や復号化等の処理を行って、データ系列Ｓ３１’〜Ｓ３４’（のデータ）を生成する。
【００９３】
図９は、通信装置６００におけるアンテナの配置を示す説明図である。
ここで、アンテナ素子５２１〜５２４とアンテナ素子２１１〜６１４とは、図２で説明したように、送受信間隔Ｄおよび最適素子間隔ｄoptにて送信側と受信側とで対向して配置されている。
そして、ウエイト演算回路６２０は、分配器６２１〜６２４を具備して、アンテナ素子２１１〜６１４の出力する受信信号を、４つに分配する。
【００９４】
図１０は、ウエイト演算回路６２０における重み付け合成を示す説明図である。
ウエイト演算回路６２０は、９０度移相器６３１ａ〜６３７ｂと、１８０度移相器６３２〜６３８とを具備し、分配器６２１〜６２４から出力される信号に対して位相回転を行う。
さらに、ウエイト演算回路６２０は、合成器６４１〜６４４を具備し、アンテナ素子２１１〜６１４から出力される信号や位相回転された信号を合成する。
【００９５】
ここで、ウエイト演算回路６２０により得られる受信ウエイト行列は、式（１１）のようになる。
【００９６】
【数１１】
0005645135.tif 000013
【００９７】
一方、４×４の近距離ＭＩＭＯ通信にてＺＦにより得られる受信ウエイト行列は、式（１２）のようになる。
【００９８】
【数１２】
0005645135.tif 000014
【００９９】
この式（１２）において、対角項の値「１」は、式（１１）の対角項の値「１」と同じである。また、式（１２）の要素ｗ12、ｗ13、ｗ21、ｗ24、ｗ31、ｗ34、ｗ42およびｗ43の値「−０．０９＋０．８９ｊ」は、虚部の値の大きさ「０．８９」が、実部の値の大きさ「０．０９」に対して非常に大きく、虚部の値が支配的となっている、従って、これらの要素の値は、式（１１）において対応する各要素の値「ｊ」と同等といえる。また、式（１２）の要素ｗ14、ｗ23、ｗ32、ｗ41の値「−０．７８−０．０４ｊ」は、実部の値の大きさ「０．７８」が、虚部の値の大きさ「０．０４」に対して非常に大きく、実部の値が支配的となっている、従って、これらの要素の値は、式（１１）において対応する各要素の値「−１」と同等といえる。以上より、行列全体においても式（１１）は式（１２）と同等といえる。
【０１００】
このように、図８に示す構成によってＺＦの場合と同等の受信ウエイト行列を得ることができる。従って、無線通信システム３では、ＺＦの場合と同様のチャネル容量を得ることができる。
なお、式（１２）では振幅比が１．１４〜１．２７となるが、式（１１）おいては、式（９）の場合と同様、振幅比を無視している。
【０１０１】
以上のように、ウエイト演算回路６２０では、ウエイト演算回路２２０の場合と同様、分配器と移相器と合成器とを具備する非常に簡単な構成で、近距離ＭＩＭＯ通信における重み付けを行うことができる。
【０１０２】
＜第４の実施形態＞
なお、無線通信システムが、複数対のアンテナを具備するようにしてもよい。
図１１は、複数対のアンテナを具備する無線通信システムの、受信側のアンテナ素子の配置例を示す説明図である。
【０１０３】
同図において、無線通信システム４が具備する、３組の受信側のアンテナ素子７１１ａ〜７１１ｄと７１２ａ〜７１２ｄと７１３ａ〜７１３ｄとが示されている。この無線通信システム４は、図８に示す無線通信システム３と同等の無線通信システムを３系統備えている。また、シールド板７９１〜７９３は、無線通信システム４が具備するアンテナを、この系統毎に区切る電磁シールドである。
また、ウエイト演算回路７３１は、２つの９０度移相器７４１ａおよび７４１ｂと、１８度移相器７５１と、合成器７６１とを具備して、アンテナ素子７１１ａ〜７１１ｄのいずれか１つが受信した信号（位相回転を付与しない）と、他の２つが受信した信号にそれぞれ９０度の位相回転を付与した信号と、残りの１つが受信した信号に１８０度の位相回転を付与した信号とを合成する。
また、受信部７７１は、受信部６５１（図８）と同様、合成器７６１から出力される信号に対して復調や復号化等の処理を行う。
【０１０４】
アンテナ素子７１１ａ〜７１１ｄは、図８のアンテナ素子６１１〜６１４と同等の、受信側のアンテナ素子であり、アンテナ素子６１１〜６１４と同様に、同一平面上に最適素子間隔ｄoptで配置されてアレーアンテナを構成する。そして、無線通信システム３の場合と同様に、送信側のアンテナ素子が、アンテナ素子７１１ａ〜７１１ｄの各々に対向して、図２を用いて説明したのと同様に送受信間隔Ｄにて配置されており、また、図９と同様、送信側、受信側共に、アンテナ素子の間隔は、最適素子間隔ｄoptとなっている。
【０１０５】
また、アンテナ素子７１１ａ〜７１１ｄを含む１系統の無線通信システムは、図８で説明したのと同様の構成を有する。すなわち、送信側のアンテナ素子の各々には、異なる送信部がそれぞれ１つ接続され、また、受信側のアンテナ素子７１１ａ〜７１１ｄは、ウエイト演算回路を介して４つ（受信側のアンテナ素子数と同数）の受信部に接続されている。
【０１０６】
なお、アンテナ素子７１１ａ〜７１１ｄが接続されるウエイト演算回路は、無線通信システム３と同様のものであってもよい。あるいは、図１１に示すように、アンテナ素子７１１ａ〜７１１ｄが、マトリックス・スイッチ７２１を介してウエイト演算回路７３１に接続されるようにしてもよい。
【０１０７】
図１１に示す構成では、マトリックス・スイッチ７２１が、アンテナ素子７１１ａ〜７１１ｄとウエイト演算回路７３１との接続関係を切り替えて、図１０に示すデータ系列Ｓ３１’を出力する接続と同様の接続、データ系列Ｓ３２’を出力する接続と同様の接続、データ系列Ｓ３３’を出力する接続と同様の接続、データ系列Ｓ３４’を出力する接続と同様の接続を順に生成する。マトリックス・スイッチ７２１は、この一連の接続の切替を、１データの送信時間内に行う。
【０１０８】
これにより、図１１に示す構成では、１つのウエイト演算回路および１つの受信部で、４つのデータ系列のデータを順に取得する。そして、例えば、無線通信システム４に接続されるコンピュータで４つのデータ系列を抽出（分離）する。
【０１０９】
アンテナ素子７１２ａ〜７１２ｄにおいても、アンテナ素子７１１ａ〜７１１ｄの場合と同様の、１系統の無線通信システムが構成される。また、アンテナ素子７１３ａ〜７１３ｄにおいても、アンテナ素子７１１ａ〜７１１ｄの場合と同様の、１系統の無線通信システムが構成される。そして、ある系統において出力された電波が他の系統に漏洩しないように、シールド板７９１〜７９３によって系統毎に電磁的に遮断されている。
【０１１０】
このように、複数の無線通信システムを互いに電磁的にシールドして配置することで、無線通信システムの数に応じた数のデータ系列を通信し得る。例えば、無線通信システム４は、３系統の無線通信システムを具備して、無線通信システム３の３倍のデータ量を通信し得る。
【０１１１】
以上、この発明の実施形態を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変更等も含まれる。
【符号の説明】
【０１１２】
１、２、３  無線通信システム
１００、２００、３００、４００、５００、６００  通信装置
１１１〜１１２、３１１〜３１４、５１１〜５１４  送信部
１２１〜１２２、２１１〜２１２、３２１〜３２４、４１１〜４１４、５２１〜５２４、６１１〜６１４  アンテナ素子
２２０、４２０、６２０  ウエイト演算回路
２２１〜２２２、４２１〜４２４、６２１〜６２４  分配器
２３１〜２３２、４３１〜４３４、６３１ａ〜６３７ｂ  ９０度移相器
６３２〜６３８  １８０度移相器
２４１〜２４２、４４１〜４４４、６４１〜６４４  合成器
２５１〜２５２、４５１〜４５４、６５１〜６５４  受信部
【図１】
0005645135.tif 000015
【図２】
0005645135.tif 000016
【図３】
0005645135.tif 000017
【図４】
0005645135.tif 000018
【図５】
0005645135.tif 000019
【図６】
0005645135.tif 000020
【図７】
0005645135.tif 000021
【図８】
0005645135.tif 000022
【図９】
0005645135.tif 000023
【図１０】
0005645135.tif 000024
【図１１】
0005645135.tif 000025