(57)【要約】【課題】アンテナ素子の間隔を変えることなく、チャネルの位相差θＨを所望の値に近づけること。【解決手段】本発明による無線通信システム（１）は、送信アレーアンテナが具備する送信サブアレーアンテナと、受信アレーアンテナが具備する受信サブアレーアンテナとの間に形成されるチャネルの位相差を推定する位相差推定部（７６０）と、前記位相差に基づいて、前記送信アレーアンテナが具備する送信サブアレーアンテナを構成する送信アンテナ素子から送信される信号の電力比と、前記受信アレーアンテナが具備する受信サブアレーアンテナを構成する受信アンテナ素子が受信する信号の電力比とを制御することにより、前記送信サブアレーアンテナと前記受信サブアレーアンテナとの間に形成されるチャネルの位相差を調整する位相差調整部として機能する制御装置（１５０）と、を具備する。【選択図】図１
2014027367.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の送信アンテナ素子から構成された送信サブアレーアンテナを複数具備する送信アレーアンテナと、前記複数の送信アンテナ素子にそれぞれ対向する複数の受信アンテナ素子から構成された受信サブアレーアンテナを複数具備する受信アレーアンテナとを備えた無線通信システムであって、
前記送信アレーアンテナが具備する送信サブアレーアンテナと、前記受信アレーアンテナが具備する受信サブアレーアンテナとの間に形成されるチャネルの位相差を推定する位相差推定部と、
前記位相差推定部により推定された前記位相差に基づいて、前記送信アレーアンテナが具備する送信サブアレーアンテナを構成する送信アンテナ素子から送信される信号の電力比と、前記受信アレーアンテナが具備する受信サブアレーアンテナを構成する受信アンテナ素子が受信する信号の電力比とを制御することにより、所望のチャネル容量が得られるように、前記送信サブアレーアンテナと前記受信サブアレーアンテナとの間に形成されるチャネルの位相差を調整する第１の位相差調整部と、
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１の位相差調整部が、
前記位相差推定部により推定された前記位相差に基づいて、前記送信アレーアンテナが具備する送信サブアレーアンテナを構成する送信アンテナ素子から送信される信号の電力比および位相関係と、前記受信アレーアンテナが具備する受信サブアレーアンテナを構成する受信アンテナ素子が受信する信号の電力比および位相関係とを制御することにより、所望のチャネル容量が得られるように、前記送信サブアレーアンテナと前記受信サブアレーアンテナとの間に形成されるチャネルの位相差を調整す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】
複数の送信アンテナ素子から構成された送信アレーアンテナと、前記複数の送信アンテナ素子にそれぞれ対向する複数の受信アンテナ素子から構成された受信アレーアンテナとを備え、前記送信アレーアンテナを構成する複数の送信アンテナ素子と複数の送信部とがそれぞれスイッチ部を介して接続され、前記受信アレーアンテナを構成する複数の受信アンテナ素子とウェイト演算回路とがそれぞれスイッチ部を介して接続される無線通信システムであって、
前記送信アレーアンテナと前記受信アレーアンテナとの間に形成されるチャネルの位相差を推定する位相差推定部と、
前記位相差推定部により推定された前記位相差に基づいて前記スイッチ部の切り替えを行って通信に使用する送信アンテナ素子および受信アンテナ素子を選択することにより、所望のチャネル容量が得られるように、前記送信アンテナ素子と前記受信アンテナ素子との間に形成されるチャネルの位相差を調整する第２の位相差調整部と、
を具備することを特徴とする無線通信システム。
【請求項４】
請求項１または２の何れか１項に記載の前記第１の位相差調整部をさらに含むことを特徴とする請求項３に記載の無線通信システム。
【請求項５】
複数の送信アンテナ素子から構成された送信サブアレーアンテナを複数具備する送信アレーアンテナと、前記複数の送信アンテナ素子にそれぞれ対向する複数の受信アンテナ素子から構成された受信サブアレーアンテナを複数具備する受信アレーアンテナとを備えた無線通信システムによる無線通信方法であって、
前記送信アレーアンテナが具備する送信サブアレーアンテナと、前記受信アレーアンテナが具備する受信サブアレーアンテナとの間に形成されるチャネルの位相差を推定する位相差推定手順と、
前記位相差推定手順により推定された前記位相差に基づいて、前記送信アレーアンテナが具備する送信サブアレーアンテナを構成する送信アンテナ素子から送信される信号の電力比と、前記受信アレーアンテナが具備する受信サブアレーアンテナを構成する受信アンテナ素子が受信する信号の電力比とを制御することにより、所望のチャネル容量が得られるように、前記送信サブアレーアンテナと前記受信サブアレーアンテナとの間に形成されるチャネルの位相差を調整する第１の位相差調整手順と、
を含むことを特徴とする無線通信方法。
【請求項６】
前記第１の位相差調整手順では、
前記位相差推定手順により推定された前記位相差に基づいて、前記送信アレーアンテナが具備するサブアレーアンテナを構成するアンテナ素子から送信される信号の電力比および位相関係と、前記受信アレーアンテナが具備するサブアレーアンテナを構成するアンテナ素子が受信する信号の電力比および位相関係とを制御することにより、所望のチャネル容量が得られるように、前記送信サブアレーアンテナと前記受信サブアレーアンテナとの間に形成されるチャネルの位相差を調整することを特徴とする請求項５に記載の無線通信方法。
【請求項７】
複数の送信アンテナ素子から構成された送信アレーアンテナと、前記複数の送信アンテナ素子にそれぞれ対向する複数の受信アンテナ素子から構成された受信アレーアンテナとを備え、前記送信アレーアンテナを構成する複数の送信アンテナ素子と複数の送信部とがそれぞれスイッチ部を介して接続され、前記受信アレーアンテナを構成する複数の受信アンテナ素子とウェイト演算回路とがそれぞれスイッチ部を介して接続される無線通信システムによる無線通信方法であって、
前記送信アレーアンテナと前記受信アレーアンテナとの間に形成されるチャネルの位相差を推定する位相差推定手順と、
前記位相差推定手順で推定された前記位相差に基づいて前記スイッチ部の切り替えを行って通信に使用する送信アンテナ素子および受信アンテナ素子を選択することにより、所望のチャネル容量が得られるように、前記送信アンテナ素子と前記受信アンテナ素子との間に形成されるチャネルの位相差を調整する第２の位相差調整手順と、
を含むことを特徴とする無線通信方法。
【請求項８】
請求項５または６の何れか１項に記載の前記第１の位相差調整手順をさらに含むことを特徴とする請求項７に記載の無線通信方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数のアンテナ素子から構成されるアレーアンテナを備えた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ギガビット級の高速無線通信を実現することが求められている。その実現方法の一つに、ＭＩＭＯ（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ−Ｉｎｐｕｔ  Ｍｕｌｔｉｐｌｅ−Ｏｕｔｐｕｔ）伝送技術がある。ＭＩＭＯ伝送では、複数の送信アンテナから同一時間、同一周波数で異なる信号を送信し、送信機と受信機との間のマルチパス環境を利用することによって、受信機側で信号処理により各信号を分離し、復号する。これにより、使用周波数帯域を広げることなく、送受アンテナ素子数に応じて通信速度を向上させることができる。
【０００３】
通常、ＭＩＭＯ伝送はマルチパス環境を前提としている。送信機と受信機との間の環境がマルチパス環境でない場合は、送受信される複数の信号の伝搬経路がほぼ等しくなり、空間相関が増加する。このため、信号分離が困難になり、チャネル容量が減少する。ところが、近年、例えば非特許文献１に示されているように、送信アンテナと受信アンテナが近接し、送信機と受信機との間の環境がマルチパス環境でない近距離通信においてもＭＩＭＯ伝送技術が適用可能であることが注目されている。以下、近距離通信におけるＭＩＭＯ伝送を近距離ＭＩＭＯ伝送と称する。
【０００４】
非特許文献１の技術によれば、近距離ＭＩＭＯ伝送において、送信機と受信機との間の距離に応じてアレーアンテナの素子間隔を適切に設定することにより、マルチパス環境でない場合においてもアンテナ間の空間相関が低くなり、高いチャネル容量を達成することができる。また、非特許文献２では、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。この近距離超高速無線中継システムによれば、近距離であれば、壁などにより送受信アンテナの見通しが得られない環境においても、近距離ＭＩＭＯ伝送による高速通信が可能になる。
【０００５】
また、非特許文献２では、近距離ＭＩＭＯ伝送においてチャネル容量を増大するための検討が行われている。しかしながら、実際のＭＩＭＯ伝送を実現するためには、チャネル容量を増大させる技術に加え、送受信機における信号処理技術が必要である。この信号処理技術について、非特許文献１では、ＭＩＭＯ伝送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には、アレーアンテナの最適な素子間隔により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。
【０００６】
図１４は、近距離ＭＩＭＯ伝送におけるアンテナ素子の配置例を示す説明図である。図１４において、送信側のアンテナ素子Ｔｘｊ（ｊは、１≦ｊ≦Ｍの正整数であり、Ｍは、Ｍ≧２の正整数である。）の数と受信側のアンテナ素子Ｒｘｉ（ｉは、１≦ｉ≦Ｍの正整数である。）の数は、いずれもＭである。また、送信側のアンテナ素子Ｔｘｊは平面ＰＴ上に配置されており、受信側のアンテナ素子Ｒｘｉは、平面ＰＴと平行をなす平面ＰＲ上に、送信側のアンテナ素子Ｔｘｊと伝搬空間ＦＳを挟んで対向するように配置されている。これら平面ＰＴと平面ＰＲとの間の距離はＤである。以下では、平面ＰＴと平面ＰＲとの距離Ｄを「送受信間隔Ｄ」と称する。また、送信機側および受信機側の双方において、隣接する任意の二つのアンテナ素子の間隔はｄである。以下では、説明の簡略化のため、Ｍ＝２の場合、すなわち２×２（２入力２出力）近距離ＭＩＭＯ伝送の場合について説明する。
【０００７】
図１５は、２×２近距離ＭＩＭＯ伝送のモデル図である。図１５に示す２×２近距離ＭＩＭＯ伝送において、チャネル行列Ｈを式（１）で表すと、受信信号は式（２）で表される。
【０００８】
【数１】
2014027367.tif 000003
【０００９】
【数２】
2014027367.tif 000004
【００１０】
ここで、式（１）および式（２）において、要素ｈｉｊ（ｉ，ｊは、それぞれ２以下の正整数）は、送信アンテナ素子Ｔｘｊから受信アンテナ素子Ｒｘｉへのチャネルを伝搬した信号の位相および振幅の変化率を、例えば複素数表現により示す行列要素である。また、ｓｊは送信アンテナ素子Ｔｘｊから送信される信号を、ｒｉは受信アンテナ素子Ｒｘｉで受信される信号を表す行列要素であり、ｎｉは受信信号に付加される雑音を表す行列要素である。
【００１１】
また、２×２ＭＩＭＯ伝送における信号分離のための受信ウェイト行列Ｗを、式（３）のように表すと、受信ウェイト演算後に各受信回路へ出力される信号は式（４）で表される。
【００１２】
【数３】
2014027367.tif 000005
【００１３】
【数４】
2014027367.tif 000006
【００１４】
式（３）および式（４）において、行列要素ｗｉｊ（ｉ，ｊは、それぞれ２以下の正整数である。）は、送信アンテナ素子Ｔｘｉが送信するデータ系列ｓ’に対応するデータ系列ｓ’ｉを抽出するために、受信アンテナ素子Ｒｘｊが受信した信号に乗算されるウェイトを示す。
【００１５】
２×２近距離ＭＩＭＯ伝送では、各チャネルの位相差θＨ＝ｔａｎ−１（ｈ２１／ｈ１１）＝ｔａｎ−１（ｈ１２／ｈ２２）が９０度となるようにアンテナ素子の間隔ｄが設定された場合にチャネル容量が最大となる。以下では、チャネル容量が最大となるアンテナ素子の間隔ｄを「最適素子間隔ｄｏｐｔ」と称する。
【００１６】
アンテナ素子の間隔ｄを最適素子間隔ｄｏｐｔに設定した場合、２×２近距離ＭＩＭＯ伝送のチャネル行列Ｈは式（５）で近似される。ここで、式（５）において、ａは、送信アンテナ素子Ｔｘ１から受信アンテナ素子Ｒｘ１へのチャネルを伝搬した信号の振幅と、送信アンテナ素子Ｔｘ１から受信アンテナ素子Ｒｘ２へのチャネルを伝搬した信号の振幅との比率を表す。
【００１７】
【数５】
2014027367.tif 000007
【００１８】
このとき、ＺＦにおける受信ウェイト行列ＷＺＦは式（６）で近似される。
【００１９】
【数６】
2014027367.tif 000008
【００２０】
式（５）および式（６）から、チャネル行列と受信ウェイト行列の積は、式（７）のように対角行列で表される。すなわち、各送信アンテナから送信された信号は、受信機内で受信ウェイトを乗算することにより分離され、互いに干渉を与えることなく受信される。
【００２１】
【数７】
2014027367.tif 000009
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００２２】
【非特許文献１】本間，西森，関，溝口，“近傍ＭＩＭＯ通信における伝送容量の評価”  信学技報，AP2008-125, Nov. 2008
【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, Nov. 2008
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２３】
前述のように、２×２近距離ＭＩＭＯ伝送では、各チャネルの位相差θＨ＝ｔａｎ−１（ｈ２１／ｈ１１）＝ｔａｎ−１（ｈ１２／ｈ２２）が９０度となるようにアンテナ素子の間隔ｄを設定した場合にチャネル容量が最大となる。
しかしながら、通常、図１４に示すような平面アレーアンテナの設計段階では、特定の送受信間隔Ｄが想定され、この送受信間隔Ｄに応じてアンテナ素子の間隔ｄが特定の値に設定される。そして、このアンテナの製造工程において、上述の設計段階で設定された特定の間隔ｄで１つの基板上にアンテナ素子が配列される。このため、設計段階で想定した送受信間隔Ｄ以外の送受信間隔では各チャネルの位相差θＨが９０度とならず、近距離ＭＩＭＯ伝送の特性が劣化するという問題がある。
【００２４】
また、上記の問題は、非特許文献２でも提示されている、部屋間や屋内外間の壁を挟んで両側に送受信機を設置して近距離ＭＩＭＯ伝送を行うシステムのように、送受信間隔Ｄを任意の間隔に調整できない場合にいっそう顕著となる。
【００２５】
本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、その目的は、実際の送受信間隔が平面アレーアンテナの設計段階で想定した送受信間隔からずれ、チャネルの位相差θＨが所望の値（例えば、９０度）からずれた場合においても、アンテナ素子の間隔を変えることなく、チャネルの位相差θＨを所望の値に近づけることが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】
【００２６】
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、複数の送信アンテナ素子から構成された送信サブアレーアンテナを複数具備する送信アレーアンテナと、前記複数の送信アンテナ素子にそれぞれ対向する複数の受信アンテナ素子から構成された受信サブアレーアンテナを複数具備する受信アレーアンテナとを備えた無線通信システムであって、前記送信アレーアンテナが具備する送信サブアレーアンテナと、前記受信アレーアンテナが具備する受信サブアレーアンテナとの間に形成されるチャネルの位相差を推定する位相差推定部と、前記位相差推定部により推定された前記位相差に基づいて、前記送信アレーアンテナが具備する送信サブアレーアンテナを構成する送信アンテナ素子から送信される信号の電力比と、前記受信アレーアンテナが具備する受信サブアレーアンテナを構成する受信アンテナ素子が受信する信号の電力比とを制御することにより、所望のチャネル容量が得られるように、前記送信サブアレーアンテナと前記受信サブアレーアンテナとの間に形成されるチャネルの位相差を調整する第１の位相差調整部（請求項１の「第１の位相差調整部」に対応する要素）と、を具備することを特徴とする。
【００２７】
また、本発明の一態様による無線通信システムは、複数の送信アンテナ素子から構成された送信サブアレーアンテナを複数具備する送信アレーアンテナと、前記複数の送信アンテナ素子にそれぞれ対向する複数の受信アンテナ素子から構成された受信サブアレーアンテナを複数具備する受信アレーアンテナとを備えた無線通信システムであって、前記送信アレーアンテナが具備する送信サブアレーアンテナと、前記受信アレーアンテナが具備する受信サブアレーアンテナとの間に形成されるチャネルの位相差を推定する位相差推定部と、前記位相差推定部により推定された前記位相差に基づいて、前記送信アレーアンテナが具備する送信サブアレーアンテナを構成する送信アンテナ素子から送信される信号の電力比および位相関係と、前記受信アレーアンテナが具備する受信サブアレーアンテナを構成する受信アンテナ素子が受信する信号の電力比および位相関係とを制御することにより、所望のチャネル容量が得られるように、前記送信サブアレーアンテナと前記受信サブアレーアンテナとの間に形成されるチャネルの位相差を調整する第２の位相差調整部（請求項２の「第１の位相差調整部」に対応する要素）と、を具備することを特徴とする。
【００２８】
また、本発明の一態様による無線通信システムは、前記第１の位相差調整部は、電力比の制御のみでは、所望のチャネル容量を得るように各チャネルの位相差を調整できない場合、前記受信する信号の位相関係の制御を行うことでさらに位相差を調整することを特徴とする。
【００２９】
また、本発明の一態様による無線通信システムは、複数の送信アンテナ素子から構成された送信アレーアンテナと、前記複数の送信アンテナ素子にそれぞれ対向する複数の受信アンテナ素子から構成された受信アレーアンテナとを備え、前記送信アレーアンテナを構成する複数の送信アンテナ素子と複数の送信部とがそれぞれスイッチ部を介して接続され、前記受信アレーアンテナを構成する複数の受信アンテナ素子とウェイト演算回路とがそれぞれスイッチ部を介して接続される無線通信システムであって、前記送信アレーアンテナと前記受信アレーアンテナとの間に形成されるチャネルの位相差を推定する位相差推定部と、前記位相差推定部により推定された前記位相差に基づいて前記スイッチ部の切り替えを行って通信に使用する送信アンテナ素子および受信アンテナ素子を選択することにより、所望のチャネル容量が得られるように、前記送信アンテナ素子と前記受信アンテナ素子との間に形成されるチャネルの位相差を調整する第３の位相差調整部（請求項３の「第２の位相差調整部」に対応する要素）と、を具備することを特徴とする。
【００３０】
また、本発明の一態様による無線通信システムは、前記第１の位相差調整部または前記第２の位相差調整部の何れかと、前記第３の位相差調整部とを、具備することを特徴とする。
【００３１】
また、本発明の一態様による無線通信方法は、複数の送信アンテナ素子から構成された送信サブアレーアンテナを複数具備する送信アレーアンテナと、前記複数の送信アンテナ素子にそれぞれ対向する複数の受信アンテナ素子から構成された受信サブアレーアンテナを複数具備する受信アレーアンテナとを備えた無線通信システムによる無線通信方法であって、前記送信アレーアンテナが具備する送信サブアレーアンテナと、前記受信アレーアンテナが具備する受信サブアレーアンテナとの間に形成されるチャネルの位相差を推定する位相差推定手順と、前記位相差推定手順により推定された前記位相差に基づいて、前記送信アレーアンテナが具備する送信サブアレーアンテナを構成する送信アンテナ素子から送信される信号の電力比と、前記受信アレーアンテナが具備する受信サブアレーアンテナを構成する受信アンテナ素子が受信する信号の電力比とを制御することにより、所望のチャネル容量が得られるように、前記送信サブアレーアンテナと前記受信サブアレーアンテナとの間に形成されるチャネルの位相差を調整する第１の位相差調整手順と、を含むことを特徴とする。
【００３２】
また、本発明の一態様による無線通信方法は、複数の送信アンテナ素子から構成された送信サブアレーアンテナを複数具備する送信アレーアンテナと、前記複数の送信アンテナ素子にそれぞれ対向する複数の受信アンテナ素子から構成された受信サブアレーアンテナを複数具備する受信アレーアンテナとを備えた無線通信システムによる無線通信方法であって、前記送信アレーアンテナが具備する送信サブアレーアンテナと、前記受信アレーアンテナが具備する受信サブアレーアンテナとの間に形成されるチャネルの位相差を推定する位相差推定手順と、前記位相差推定手順により推定された前記位相差に基づいて、前記送信アレーアンテナが具備する送信サブアレーアンテナを構成する送信アンテナ素子から送信される信号の電力比および位相関係と、前記受信アレーアンテナが具備する受信サブアレーアンテナを構成する受信アンテナ素子が受信する信号の電力比および位相関係とを制御することにより、所望のチャネル容量が得られるように、前記送信サブアレーアンテナと前記受信サブアレーアンテナとの間に形成されるチャネルの位相差を調整する第１の位相差調整手順と、を含むことを特徴とする。
【００３３】
また、本発明の一態様による無線通信方法は、前記第２の位相差調整手順では、電力比の制御のみでは、所望のチャネル容量を得るように各チャネルの位相差を調整できない場合、前記受信する信号の位相関係の制御を行うことでさらに位相差を調整することを特徴とする。
【００３４】
また、本発明の一態様による無線通信方法は、複数の送信アンテナ素子から構成された送信アレーアンテナと、前記複数の送信アンテナ素子にそれぞれ対向する複数の受信アンテナ素子から構成された受信アレーアンテナとを備え、前記送信アレーアンテナを構成する複数の送信アンテナ素子と複数の送信部とがそれぞれスイッチ部を介して接続され、前記受信アレーアンテナを構成する複数の受信アンテナ素子とウェイト演算回路とがそれぞれスイッチ部を介して接続される無線通信システムによる無線通信方法であって、前記送信アレーアンテナと前記受信アレーアンテナとの間に形成されるチャネルの位相差を推定する位相差推定手順と、前記位相差推定手順で推定された前記位相差に基づいて前記スイッチ部の切り替えを行って通信に使用する送信アンテナ素子および受信アンテナ素子を選択することにより、所望のチャネル容量が得られるように、前記送信アンテナ素子と前記受信アンテナ素子との間に形成されるチャネルの位相差を調整する第２の位相差調整手順と、を含むことを特徴とする。
【００３５】
また、本発明の一態様による無線通信方法は、前記第１の位相差調整手順または前記第２の位相差調整手順の何れかと、前記第３の位相差調整手順とを含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００３６】
本発明によれば、送受信間隔が平面アレーアンテナの設計時に想定した送受信間隔からずれ、各チャネルの位相差が近距離ＭＩＭＯ伝送のチャネル容量が最大となるときの位相差からずれが生じた場合においても、アンテナ素子の間隔を変えることなく、各チャネルの位相差をチャネル容量が最大となるときの所望の位相差に近づけることができる。従って、チャネル容量の低下を抑制し、近距離ＭＩＭＯ伝送の特性の劣化を抑制することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【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の概略構成を示す構成図である。
【図２】本発明の第１の実施形態の通信手順を示すフローチャートである。
【図３】本発明の第１の実施形態の可変電力分配器を用いたサブアレーアンテナの指向性パターン例を示す説明図である。
【図４】本発明の第１の実施形態における位相差調整の原理を示す説明図である。
【図５】本発明の第１の実施形態における位相差調整の原理を示す説明図である。
【図６】本発明の第１の実施形態の有効性検証に使用したモデルの説明図である。
【図７】本発明の第１の実施形態の図５に示すモデルにおいて、サブアレーアンテナ１の電力分配比（α）とチャネル位相差（θＨ）との関係を示す説明図である。
【図８】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９】本発明の第２の実施形態の通信手順を示すフローチャートである。
【図１０】本発明の第２の実施形態の有効性検証に使用したモデルの説明図である。
【図１１】本発明の第２の実施形態の図１０に示すモデルにおいて、サブアレーアンテナ１の電力分配比（α）とチャネル位相差（θＨ）との関係を示す説明図である。
【図１２】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１３】本発明の第３の実施形態の通信手順を示すフローチャートである。
【図１４】近距離ＭＩＭＯ伝送におけるアンテナ素子の配置例を示す説明図である。
【図１５】２×２近距離ＭＩＭＯ伝送のモデル図である。
【発明を実施するための形態】
【００３８】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態について詳しく説明する。
なお、以下に説明する全実施形態および全図面にわたって同一符号は同一要素を表す。
【００３９】
＜第１の実施形態＞
[構成の説明]
本発明の第１の実施形態による無線通信システム１の構成を説明する。
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１の概略構成を示す構成図である。無線通信システム１は、送信機として機能する通信装置１００と、受信機として機能する通信装置７００とを具備し、２×２ＭＩＭＯ（２入力２出力のＭＩＭＯ）伝送において、通信装置１００から通信装置７００への２系列（データ系列Ｓ１およびデータ系列Ｓ２）のデータ通信を行うものである。ここで、通信装置１００は、データ系列Ｓ１，Ｓ２を送信するものであり、送信部１１２，１１２と、可変電力分配器１３１，１３２と、複数の送信アンテナ素子１４１，１４２，１４３，１４４と、制御装置１５０とを具備する。
【００４０】
このうち、送信部１１１は、データ系列Ｓ１の送信信号を生成するものであり、送信部１１２は、データ系列Ｓ２の送信信号を生成するものである。可変電力分配器１３１，１３２は、制御装置１５０の制御の下、制御装置１５０から指定された電力比で複数の送信アンテナ素子１４１，１４２，１４３，１４４に送信信号を分配するものである。送信アンテナ素子１４１，１４２，１４３，１４４は、送信信号を無線信号（電波）として送信するものである。制御装置１５０は、後述するチャネルの位相差情報に基づいて、上記電力比を設定して可変電力分配器１３１，１３２に指定するものであり、上記電力比を制御することにより後述のチャネルの位相差θＨを調整する第１の位相差調整部として機能する。
【００４１】
一方、通信装置７００は、通信装置１００から送信された系列データＳ１，Ｓ２を受信するためのものであり、受信部７１１，７１２と、ウェイト演算回路７２０と、合成器７３１，７３２と、受信アンテナ素子７４１，７４２，７４３，７４４と、制御装置７５０と、位相差推定部７６０とを具備する。このうち、受信アンテナ素子７４１，７４２，７４３，７４４は、無線信号を受信するためのものである。合成器７３１，７３２は、制御装置７５０の制御の下、制御装置７５０から指定された合成比で各受信アンテナ素子で受信された受信信号を合成するものである。
【００４２】
ウェイト演算回路７２０は、合成された受信信号に受信ウェイトを乗算することにより信号分離を行うものである。受信部７１１，７１２は、信号分離された受信信号に対し復調や復号等の処理を行うものである。制御装置７５０は、前述の電力比に対応する合成比を合成器７３１，７３２に指定するものであり、上述の制御装置１５０と共に第１の位相差調整部として機能する。位相差推定部７６０は、受信信号の各チャネルの位相差θＨを推定して、この位相差θＨの情報を通信装置１００にフィードバックするものである。
【００４３】
ただし、この例に限定されず、制御装置１５０と可変電力分配部１３１，１３２とを第１の位相差調整部として取り扱ってもよく、また、制御装置７５０と合成器７３１，７３２とを第１の位相差調整部として取り扱ってもよく、更には、これら制御装置１５０，７５０と、可変電力分配部１３１，１３２と、合成器７３１，７３２とを第１の位相差調整部として取り扱ってもよい。
【００４４】
次に、送信アンテナ素子１４１〜１４４および受信アンテナ素子７４１〜７４４の構成を詳細に説明する。
本実施形態では、通信装置１００を構成する送信アンテナ素子１４１〜１４４は間隔ｄを隔てて同一平面上に配列されている。また、通信装置７００を構成する受信アンテナ素子７４１〜７４４も同じく間隔ｄを隔てて同一平面上に配列されている。これら送信アンテナ素子１４１〜１４４が配列された平面と受信アンテナ素子７４１〜７４４が配列された平面とは相互に平行面をなす。また、送信アンテナ素子１４１〜１４４が配列された平面と、受信アンテナ素子７４１〜７４４が配列された平面との間の距離、即ち送受信間隔はＤである。
【００４５】
以下では、同一平面上に配置された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し、また、同一のデータ系列を扱うアンテナ素子の集合をサブアレーアンテナと称する。本実施形態では、送信アンテナ素子１４１〜１４４が送信アレーアンテナ１４０を構成し、受信アンテナ素子７４１〜７４４が受信アレーアンテナ７４０を構成する。このうち、送信アンテナ素子１４１と送信アンテナ素子１４２が送信サブアレーアンテナ１４１２を構成し、送信アンテナ素子１４３と送信アンテナ素子１４４が送信サブアレーアンテナ１４３４を構成する。また、受信アンテナ素子７４１と受信アンテナ素子７４２が受信サブアレーアンテナ７４１２を構成し、受信アンテナ素子７４３と受信アンテナ素子７４４が受信サブアレーアンテナ７４３４を構成する。
【００４６】
また、本実施形態では、受信アンテナ素子７４１〜７４４は、送信アンテナ素子１４１〜１４４とそれぞれ対向する位置に配置されている。具体的には、受信アンテナ素子７４１は、送信アンテナ素子１４１と対向する位置に配置され、受信アンテナ素子７４２は、送信アンテナ素子１４２と対向する位置に配置され、受信アンテナ素子７４３は、送信アンテナ素子１４３と対向する位置に配置され、受信アンテナ素子７４４は、送信アンテナ素子１４４と対向する位置に配置されている。
【００４７】
このように、本実施形態による無線通信システム１は、複数の送信アンテナ素子から構成された送信サブアレーアンテナを複数具備する送信アレーアンテナ１４０と、これら複数の送信アンテナ素子にそれぞれ対向する複数の受信アンテナ素子から構成された受信サブアレーアンテナ７４０を複数具備する受信アレーアンテナ７４０とを備えている。
【００４８】
また、本実施形態では、送信アンテナ素子１４１の中心位置（放射点）と送信アンテナ素子１４２の中心位置とは、同一平面内において間隔ｄ’だけ離れた位置に配置されている。同様に、送信アンテナ素子１４３の中心位置と送信アンテナ素子１４４の中心位置とは、同一平面内において間隔ｄ’だけ離れた位置に配置されている。また、送信アンテナ素子１４１，１４２から構成される送信サブアレーアンテナ１４１２の中心位置と、送信アンテナ素子１４３，１４４から構成される送信サブアレーアンテナ１４３４の中心位置とは、同一平面内において間隔ｄだけ離れた位置に配置されている。このようなアンテナ素子の配置間隔については、受信アンテナ素子７４１〜７４４も同様である。
【００４９】
上述のように、本実施形態では、無線通信システム１が備える通信装置１００および通信装置７００のそれぞれは、四つのアンテナ素子を備えているが、後述するように、無線通信システム１は、２×２ＭＩＭＯ（２入力２出力のＭＩＭＯ）伝送において、通信装置１００から通信装置７００への、２系列（データ系列Ｓ１およびデータ系列Ｓ２）のデータ通信を行うものとして機能する。
なお、上述の例に限定されず、送信アンテナ素子の数と、これに対応する受信アンテナ素子の数は任意である。
【００５０】
[動作の説明]
次に、本実施形態による無線通信システム１の動作を説明する。
送信機として機能する通信装置１００において、送信部１１１は、データ系列Ｓ１を取得し、符号化や変調等の処理を行って、データ系列Ｓ１の送信信号を生成して可変電力分配器１３１に出力する。同様に、送信部１１２はデータ系列Ｓ２を取得し、符号化や変調等の処理を行って、データ系列Ｓ２の送信信号を生成して可変電力分配器１３２に出力する。ここで、データ系列Ｓ１とデータ系列Ｓ２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。
【００５１】
続いて、可変電力分配器１３１は、位相差推定部７６０からフィードバックされる後述の位相差情報に基づいて実施される制御装置１５０の制御の下、送信部１１１から出力された送信信号を、制御装置１５０から指定された電力比で送信アンテナ素子１４１と送信アンテナ素子１４２に分配し、これらアンテナ素子１４１とアンテナ素子１４２に同相で出力する。同様に、可変電力分配器１３２は、位相差推定部７６０からフィードバックされる後述の位相差情報に基づいて実施される制御装置１５０の制御の下、送信部１１２から出力された送信信号を、制御装置１５０から指定された電力比で送信アンテナ素子１４３と送信アンテナ素子１４４に分配し、これらアンテナ素子１４３とアンテナ素子１４４に同相で出力する。
【００５２】
ここで、制御装置１５０は、位相差推定部７６０からフィードバックされる後述の位相差情報に基づいて、可変電力分配器１３１，１３２により各送信アンテナ素子に分配される送信信号の電力比を制御する。即ち、制御装置１５０は、送信アレーアンテナ１４０が具備する送信サブアレーアンテナ１４１２，１４３４を構成する送信アンテナ素子から送信される信号の電力比を制御する。これにより、制御装置１５０は、チャネルの位相差θＨが所望の値（例えば、９０度）に近づくように、即ち、所望のチャネル容量が得られるように、送信サブアレーアンテナ１４１２，１４３４と受信サブアレーアンテナ７４１２，７４３４との間に形成されるチャネルの位相差θＨを調整する。
【００５３】
本実施形態では、制御装置１５０は、送信サブアレーアンテナ１４１２から受信サブアレーアンテナ７４１２へのチャネル（ｈ１１）と、送信サブアレーアンテナ１４１２から受信サブアレーアンテナ７４３４へのチャネル（ｈ２１）との位相差θＨ＝ｔａｎ−１（ｈ２１／ｈ１１）の情報に基づいて、可変電力分配器１３１により送信アンテナ素子１４１，１４２に分配される送信信号の電力比を制御する。同様に、制御装置１５０は、送信サブアレーアンテナ１４３４から受信サブアレーアンテナ７４３４へのチャネル（ｈ２２）と、送信サブアレーアンテナ１４３４から受信サブアレーアンテナ７４１２へのチャネル（ｈ１２）との位相差θＨ＝ｔａｎ−１（ｈ１２／ｈ２２）の情報に基づいて、可変電力分配器１３２により送信アンテナ素子１４３，１４４に分配される送信信号の電力比を制御する。
このように、制御装置１５０は、位相差推定部７６０からフィードバックされる後述の位相差情報に基づいて、所望のチャネル容量が得られるようにチャネルの位相差θＨを調整するが、位相差情報のフィードバックと、位相差調整の原理については後述する。
【００５４】
上述の制御装置１５０の制御の下、送信アンテナ素子１４１，１４２から構成された送信サブアレーアンテナ１４１２は、制御装置１５０から指定された電力比で可変電力分配器１３１から出力される送信信号を無線信号（電波）として送信する。同様に、送信アンテナ素子１４３，１４４から構成された送信サブアレーアンテナ１４３４は、制御装置１５０から指定された電力比で可変電力分配器１３２から出力される送信信号を無線信号（電波）として送信する。これらの無線信号は伝搬空間に放射される。
【００５５】
続いて、通信装置７００は、次に説明するように、通信装置１００から受信された無線信号から各系列のデータを抽出する。
受信アンテナ素子７３１と受信アンテナ素子７３２は、送信サブアレーアンテナ１４１２から送信された無線信号と、送信サブアレーアンテナ素子１４３４から送信された無線信号とを、両無線信号が合成された無線信号として受信し、これを受信信号として合成器７３１に出力する。合成器７３１は、制御装置７５０が指定する電力比で受信信号を合成し、ウェイト演算回路７２０に出力する。同様に、合成器７３１は、受信アンテナ素子７４３と受信アンテナ素子７４４が受信した受信信号を、制御装置７５０が指定する電力比で合成し、ウェイト演算回路７２０に出力する。
【００５６】
ここで、制御装置７５０は、上述の制御装置１５０と同様に、位相差推定部７６０からフィードバックされる後述の位相差情報に基づいて、合成器７３１，７３２における受信信号の合成比を制御する。即ち、制御装置７５０は、受信アレーアンテナ７４０が具備する受信サブアレーアンテナ７４１２，７４３４を構成する送信アンテナ素子で受信される信号の合成比を制御する。これにより、制御装置７５０は、チャネルの位相差θＨが所望の値（例えば、９０度）に近づくように、即ち、所望のチャネル容量が得られるように、送信サブアレーアンテナ１４１２，１４３４と受信サブアレーアンテナ７４１２，７４３４との間に形成されるチャネルの位相差θＨを調整する。
【００５７】
ウェイト演算回路７２０は、合成器７３１から出力される信号および合成器７３２から出力される信号に対して受信ウェイトを乗算することにより信号分離を行う。そして、ウェイト演算回路７２０は、上記の信号分離により、送信サブアレーアンテナ１４１２が送信した系列Ｓ１の信号に対応する系列Ｓ１’の信号を取得し、この系列Ｓ１’の信号を受信部７１１に出力する。また、ウェイト演算回路７２０は、上記の信号分離により、送信サブアレーアンテナ１４３４が送信したデータ系列Ｓ２の信号に対応する系列Ｓ２’の信号を取得し、この系列Ｓ２’の信号を受信部７１２に出力する。
【００５８】
受信部７１１は、ウェイト演算回路７２０から出力された系列Ｓ１’の信号に対して復調や復号等の処理を行って、データ系列Ｓ１’を生成する。受信部７１２は、ウェイト演算回路７２０から出力された系列Ｓ２’の信号に対して復調や復号等の処理を行って、データ系列Ｓ２’を生成する。これにより、送信側の通信装置１００から送信されたデータ系列Ｓ１，Ｓ２が、受信側の通信装置７００において、データ系列Ｓ１’，Ｓ２’として復元される。
【００５９】
次に、上述のチャネルの位相差θＨの調整に用いられる位相差情報のフィードバックについて説明する。
ここでは、前述の図１５に示した送信アンテナ素子ＴＸＡ１，ＴＸＡ２と受信アンテナ素子ＲＸＡ１，ＲＸＡ２との間のチャネルの行列要素ｈｉｊを援用し、送信サブアレーアンテナ１４１２から受信サブアレーアンテナ７４１２へのチャネルの行列要素をｈ１１、送信サブアレーアンテナ１４１２から受信サブアレーアンテナ７４３４へのチャネルの行列要素をｈ２１、送信サブアレーアンテナ１４３４から受信アンテナ素子７４１２へのチャネルの行列要素をｈ１２、送信サブアレーアンテナ１４３４から受信サブアレーアンテナ７４３４へのチャネルの行列要素をｈ２２と表す。
【００６０】
通信装置７００の位相差推定部７６０は、送信アレーアンテナ１４０が具備する各送信サブアレーアンテナと受信アレーアンテナ７４０が具備する各受信サブアレーアンテナとの間に形成される各チャネルの位相差θＨを推定する。本実施形態では、位相差推定部７６０は、θＨ＝ｔａｎ−１（ｈ２１／ｈ１１）＝ｔａｎ−１（ｈ１２／ｈ２２）なる関係式から位相差θＨを推定する。そして、位相差推定部７６０は、上記の推定した位相差θＨを位相差情報として制御装置１５０および制御装置７５０にフィードバックする。制御装置１５０および制御装置７５０は、位相差推定部７６０からフィードバックされた位相差θＨの情報を基に、この位相差θＨが９０度に近づくように電力比および合成比をそれぞれ制御する。
【００６１】
本実施形態では、通信装置１００は、データ系列Ｓ１およびデータ系列Ｓ２を送信する前に、チャネルの位相差θＨを推定するためのトレーニング信号を送信する。そして、通信装置７００の位相差推定部７６０は、通信装置１００から送信されたトレーニング信号を用いて推定した位相差θＨを位相差情報として通信装置１００の制御装置１５０と通信装置７００の制御装置７５０にフィードバックする。
【００６２】
制御装置１５０は、位相差推定部７６０からフィードバックされた位相差情報のうち、送信サブアレーアンテナ１４１２から受信サブアレーアンテナ７４３４へのチャネルｈ２１と、送信サブアレーアンテナ１４１２から受信サブアレーアンテナ７４１２へのチャネルｈ１１との位相差θＨ＝ｔａｎ−１（ｈ１２１／ｈ１１）の情報に基づいて、位相差θＨが９０度（所望の値）に近づくように可変電力分配器１３１の電力比の制御を行う。また、制御装置１５０は、送信サブアレーアンテナ１４３４から受信サブアレーアンテナ１４１２へのチャネルｈ１２と、送信サブアレーアンテナ１４３４から受信サブアレーアンテナ７４３４へのチャネルｈ２２との位相差θＨ＝ｔａｎ−１（ｈ１２／ｈ２２）の情報を基づいて、位相差θＨが９０度（所望の値）に近づくように可変電力分配器１３２の電力比の制御を行う。
【００６３】
なお、通信装置７００の位相差推定部７６０で推定した位相差θＨに関する位相差情報を通信装置１００の制御装置１５０にフィードバックする手段および手法は、ＴＤＤ（Time Division Duplex: 時分割複信）やＦＤＤ（Frequency Division Duplex: 周波数分割複信）等、任意の手段および手法を用いることができ、特定の手段に限定されるものではない。
【００６４】
次に、図２のフローチャートを参照して、上述の動作の手順を総括的に説明する。
まず、ステップＳ１０１において、通信装置１００はデータ系列Ｓ１およびデータ系列Ｓ２の無線信号を送信する前に、トレーニング信号を送信する。続いて、ステップＳ１０２において、通信装置７００は通信装置１００から送信されたトレーニング信号を受信し、位相差推定部７６０により各チャネルの位相差θＨを推定した後、この位相差θＨの情報を位相差情報として制御装置１５０，７５０にフィードバックする。続いて、ステップＳ１０３において、制御装置１５０，７５０は、フィードバックされた位相差情報を基に、可変電力分配器１３１，１３２の電力分配比および合成器７３１，７３２の合成比を制御し、サブアレーアンテナ間のチャネルの位相差θＨを９０度に近づけるように調節する。続いて、ステップＳ１０４において、上述の位相差θＨの調節の後、通信装置１００はデータ系列Ｓ１およびデータ系列Ｓ２の無線信号の送信を開始する。
【００６５】
次に、図３から図５を参照して、本実施形態による位相差調整の原理を説明する。
図３は、可変電力分配器１３１を用いたサブアレーアンテナ１４１２の指向性パターンの一例を示す説明図である。図４および図５は、本実施形態による位相差調整の原理を示す説明図である。以下では、説明の簡略化のため、送信サブアレーアンテナ１４１２に着目して説明を行うが、送信サブアレーアンテナ１４３４の指向パターンも送信サブアレーアンテナ１４１２と同様に説明される。また、受信サブアレーアンテナ７４１２および受信サブアレーアンテナ７４３４についても、合成器７３１，７３２での合成比を可変電力分配器１３１，１３２の電力比と同じ値に設定することで、送信側と同様の指向性パターンとなる。
【００６６】
可変電力分配器１３１に入力される送信信号の電力に対する送信アンテナ素子１４１の入力信号の電力の比率をα（０≦α≦１）と表すと、送信アンテナ素子１４１に入力される信号の電力Ｐ１と、送信アンテナ素子１４２に入力される信号の電力Ｐ２との比、すなわち電力分配比は、Ｐ１：Ｐ２＝α：１−αで表される。
【００６７】
図３（ａ）は、α＝１の場合の電力分配比におけるサブアレーアンテナの指向性パターンを例示し、図３（ｂ）は、α＝０．５の場合の電力分配比におけるサブアレーアンテナの指向性パターンを例示し、図３（ｃ）は、α＝０の場合の電力分配比におけるサブアレーアンテナの指向性パターンを例示している。ここで、送信アンテナ素子１４１および送信アンテナ素子１４２から送信される信号は同位相で送信されるものとする。
【００６８】
図３（ａ）に例示するように、α＝１の場合、すなわち可変電力分配器１３１に入力される信号をすべて送信アンテナ素子１４１に分配する場合、送信信号は送信アンテナ素子１４１の指向性パターンに基づいて伝搬空間に放射される。この場合、送信サブアレーアンテナ１４１２から放射される信号の放射点は、送信アンテナ素子１４１の放射点と一致する。
【００６９】
また、図３（ｂ）に例示するように、α＝０．５の場合、送信信号の電力が送信アンテナ素子１４１および送信アンテナ素子１４２に等しく分配され、送信アンテナ素子１４１および送信アンテナ素子１４２から等しい電力で信号が放射される。この場合、送信サブアレーアンテナ１４１２から放射される信号の放射点は、送信アンテナ素子１４１の放射点と送信アンテナ素子１４２の放射点を結ぶ線の垂直二等分線上に存在し、この垂直二等分線上の前方に送信サブアレーアンテナ１４１２の指向性のピークが形成される。
【００７０】
更に、図３（ｃ）に例示するように、α＝０の場合、すなわち可変電力分配器１３１に入力される信号をすべて送信アンテナ素子１４２に分配する場合、送信信号は送信アンテナ素子１４２の指向性パターンに基づいて伝搬空間に放射される。この場合、送信サブアレーアンテナ１４１２から放射される信号の放射点は、送信アンテナ素子１４２の放射点と一致する。
【００７１】
上述のように、可変電力分配器１３１の電力分配比（α）に応じて、送信サブアレーアンテナ１４１２から送信される信号の放射点が変化する。これにより、図４および図５に示すように、送信サブアレーアンテナ１４１２から受信サブアレーアンテナ７４１２へのチャネルｈ１１と、送信サブアレーアンテナ１４１２から受信サブアレーアンテナ７４３４へのチャネルｈ２１との間の位相差θＨ＝ｔａｎ−１（ｈ２１／ｈ１１）を調整することができる。
【００７２】
ここで、図４は、送信サブアレーアンテナ１４１２の放射点が送信アンテナ素子１４１の放射点と一致した場合を示し、この場合のチャネルｈ１１とチャネルｈ２１との位相差θＨがθＨ１で表されている。また、図５は、送信サブアレーアンテナ１４１２の放射点が送信アンテナ素子１４２の放射点と一致した場合を示し、この場合のチャネルｈ１１とチャネルｈ２１との位相差θＨがθＨ２で表されている。図４および図５から理解されるように、位相差θＨ１と位相差θＨ２との間には、θＨ１＜θＨ２なる大小関係が存在し、放射点の位置に応じて位相差θＨが変化している。従って、上述のように送信サブアレーアンテナ１４１２の放射点を移動させることにより、チャネルの位相差θＨを調整することが可能になる。
【００７３】
同様に、可変電力分配器１３２の電力分配比を変化させることで、送信サブアレーアンテナ１４３４から送信される信号の放射点が変化し、これにより、送信サブアレーアンテナ１４３４から受信サブアレーアンテナ７４１２へのチャネルｈ１２と、送信サブアレーアンテナ１４３４から受信サブアレーアンテナ７４３４へのチャネルｈ２２との位相差θＨ＝ｔａｎ−１（ｈ１２／ｈ２２）を調整することができる。
【００７４】
以上から理解されるように、可変電力分配器１３１，１３２における送信信号の電力分配比と、合成器７３１，７３２における受信信号の合成比を制御することにより、アレーアンテナのアンテナ素子間隔を変えることなく、チャネルの位相差θＨを近距離ＭＩＭＯ伝送のチャネル容量が最大となる９０度に近づけることができ、所望のチャネル容量を得ることができる。
【００７５】
なお、図１の構成では、送信側の通信装置１００が可変電力分配器１３１，１３２を具備し、受信側の通信装置７００が合成器７３１，７３２を具備し、送信側と受信側が共にサブアレーアンテナの指向性パターンを制御する構成となっているが、通信装置１００または通信装置７００のいずれか一方がサブアレーアンテナの指向性パターンを制御する構成としてもよい。その場合、指向性パターンを制御しない通信装置は、アンテナ素子をサブアレー化する必要がなくなるため、可変電力分配器１３１，１３２または合成器７３１，７３２を省略することができる。
【００７６】
また、上述の説明では、送信サブアレーアンテナ１４１２，１４３４の各送信アンテナ素子から送信される信号、または受信サブアレーアンテナ７４１２，７４３４の各受信アンテナ素子で受信される信号の合成比を制御する手段として、比率が可変な分配器や合成器を用いる構成について説明したが、本発明は、このような比率が可変な分配器や合成器を用いる構成に限定されるものではなく、信号の電力比を制御できる構成であれば、任意の手段または手法を用いることができる。例えば、可変減衰器を用いて各信号に異なる減衰量を与えることにより、電力比を制御する構成としてもよい。
【００７７】
次に、図６および図７を参照して、本実施形態による効果の一例を説明する。
図６は、本発明の有効性検証に使用したモデルの説明図である。図６の例では、周波数ｆ１＝４．８５ＧＨｚ、波長λ１＝６１．８５５７ｍｍ、伝送距離Ｄ１＝１４３４ｍｍ、アンテナ素子間隔ｄ１＝３．４１３９λ１＝２１１．１６９１ｍｍとし、また、送信サブアレーアンテナおよび受信サブアレーアンテナを構成する各アンテナ素子の間隔は０．５λ１としている。ＩＥＥＥ８０２．１１ａｄで規定されているミリ波帯の４チャネルのうち、チャネル２の中心周波数ｆ２＝６０．４８ＧＨｚにおいて、伝送距離Ｄ２＝１１５ｍｍの場合、チャネル位相差θＨ＝ｔａｎ−１（ｈ２１／ｈ１１）＝ｔａｎ−１（ｈ１２／ｈ２２）が９０度となる素子間隔はｄ２＝３．４１３９λ２＝１６．９３３８７３ｍｍであり、上記の伝送距離Ｄ１および素子間隔ｄ１は、ミリ波帯のスケールモデルとして決定した値である。
【００７８】
図７は、上述の図６に示すモデルにおいて、送信サブアレーアンテナ１４１２および送信サブアレーアンテナ１４３４の電力分配比（α）とチャネル位相差（θＨ）との関係を示す説明図である。図７に示すように、電力分配比（α）を０から１の範囲で変化させた場合、約−７０度から約−１１０度までの約４０度の範囲で位相差θＨを調整することが可能である。したがって、伝送距離の変化によりチャネル位相差θＨが９０度（所望の値）からずれた場合においても、可変電力分配器１３１，１３２の電力分配比を制御することにより、位相差θＨを９０度に近づけることができる。従って、本実施形態によれば、チャネル位相差θＨが９０度からずれた場合においても、アンテナ素子間隔を変えることなく、チャネル容量の低下を抑制することが可能になる。
【００７９】
＜第２の実施形態＞
次に、本発明の第２の実施形態を説明する。
図８は、本発明の第２の実施形態における無線通信システム２の概略構成を示す構成図である。第１の実施形態では、送信信号の電力比のみを変化させ、各アンテナ素子に同相の給電を行う構成であったが、第２の実施形態では、図８に示すように、送信信号の電力比の制御に加え、移相器１７１，１７２，７７１，７７２を用いて各アンテナ素子から出力される信号の位相関係の制御も行うものであり、その他の構成は第１の実施形態と同一である。
【００８０】
無線通信システム２は、送信機として機能する通信装置２１００と、受信機として機能する通信装置２７００とを具備する。ここで、通信装置２１００は、第１の実施形態における通信装置１００の構成に加え、さらに移相器１７１，１７２を具備する。本実施形態では、位相器１７１は、可変電力分配器１３１と送信アンテナ素子１４１との間に配置され、位相器１７２は、可変電力分配器１３２と送信アンテナ素子１４４との間に配置されている。同様に、通信装置２７００は、第１の実施形態における通信装置７００の構成に加え、さらに移相器７７１，７７２を具備する。本実施形態では、位相器７７１は、合成器７３１と受信アンテナ素子７４１との間に配置され、位相器７７２は、合成器７３２と受信アンテナ素子７４４との間に配置されている。
【００８１】
また、本実施形態では、第１の実施形態の制御装置１５０，７５０に対応する要素として、制御装置２１５０，２７５０を備えている。ここで、第１の実施形態では、制御装置１５０は可変電力分配器１３１，１３２の電力分配比を制御するものであるが、本実施形態における制御装置２１５０は、可変電力分配器１３１，１３２と移相器１７１，１７２に接続され、可変電力分配器１３１，１３２の分配比を制御すると共に移相器１７１，１７２の移相量を制御する。また、第１の実施形態では、制御装置７５０は合成器７３１，７３２の合成比を制御するものであるが、本実施形態における制御装置２７５０は、合成器７３１，７３２と移相器７７１，７７２に接続され、合成器７３１，７３２の合成比を制御すると共に移相器７７１，７７２の移相量を制御する。
【００８２】
位相差推定部７６０は、上述の第１の実施形態と同様に、データ系列Ｓ１およびデータ系列Ｓ２の送信前に送信されるトレーニング信号を用いて各チャネルの位相差θＨを推定し、これを位相差情報として制御装置２１５０および制御装置２７５０にフィードバックするものである。制御装置２１５０および制御装置２７５０は、位相差推定部７６０からフィードバックされた位相差情報を基に、可変電力分配器１３１，１３２の分配比および合成器７３１，７３２の合成比を制御することにより、各チャネルの位相差θＨを９０度に近づける。本実施形態では、再度トレーニング信号を用いて各チャネルの位相差θＨを推定したとしても、送信信号の電力比の制御のみでは各チャネルの位相差θＨを９０度に調整できない場合、制御装置２１５０，２７５０は、上述の電力分配比の制御に加え、移相器１７１，１７２，７７１，７７２の各移相量を変化させることにより、各チャネルの位相差θＨを９０度に調整する。
【００８３】
移相器１７１，１７２は、可変電力分配器１３１，１３２から出力される信号に、制御装置２１５０が指定する位相回転を加え、送信アンテナ素子１４１，１４４に出力する。また、移相器７７１，７７２は、受信アンテナ素子７４１，７４４が受信した信号に、制御装置２７５０が指定する位相回転を加え、合成器７３１，７３２へ出力する。このように、移相器により、サブアレーアンテナの各アンテナ素子から送信（または受信）される信号の位相関係を変化させ、サブアレーアンテナの指向性パターンを変化させることにより、可変電力分配器１３１，１３２の電力分配比や合成器７３１，７３２の合成比の制御により得られる位相差調整の効果を、第１の実施形態で得られる効果より大きくすることができる。
【００８４】
このように、本実施形態では、制御装置２１５０が、位相差推定部７６０により推定された位相差θＨに基づいて、送信アレーアンテナ１４０が具備する送信サブアレーアンテナ１４１２，１４３４を構成する各送信アンテナ素子から送信される信号の電力比および位相関係を制御し、制御装置２７５０が、受信アレーアンテナ７４０が具備する受信サブアレーアンテナ７４１２，７４３４を構成する各受信アンテナ素子が受信する信号の電力比および位相関係とを制御する。これにより、制御装置２１５０，２１５０は、所望のチャネル容量が得られるように、送信サブアレーアンテナ１４１２，１４３４と受信サブアレーアンテナ７４１２，７４３４との間に形成されるチャネルの位相差θＨを調整する第１の位相差調整部として機能する。
【００８５】
なお、図８に例示する構成では、送信側の通信装置２１００が可変電力分配器１３１，１３２と移相器１７１，１７２とを具備し、受信側の通信装置２７００が合成器７３１，７３２と移相器７７１，７７２とを具備し、送信側と受信側の双方でサブアレーアンテナの指向性パターンを制御するものとしているが、この例に限定されず、通信装置２１００または通信装置２７００の何れか一方でのみサブアレーアンテナの指向性パターンを制御するものとしてもよい。例えば、送信側の通信装置２１００が電力分配比と移相量（位相回転量）を制御し、受信側では合成比と移相量を制御しない構成としてもよく、逆に、送信側で電力分配比と移相量を制御せず、受信側の通信装置２７００が合成比と移相量を制御する構成としてもよい。その場合、指向性パターンの制御を行わない通信装置は、アンテナ素子をサブアレー化するために必要とされる可変電力分配器１３１，１３２または合成器７３１，７３２を備える必要はなく、移相器１７１，１７２または位相器７７１，７７２も具備する必要はない。
【００８６】
次に、図９のフローチャートを参照して、上述の動作の手順を総括的に説明する。
まず、ステップＳ２０１において、通信装置２１００は、系列Ｓ１および系列Ｓ２の信号を送信する前に、トレーニング信号を送信する。続いて、ステップＳ２０２において、通信装置２７００は通信装置２１００から送信されたトレーニング信号を受信し、位相差推定部７６０により各チャネルの位相差θＨを推定した後、この位相差θＨを位相差情報をとして御装置２１００，２７００にフィードバックする。続いて、ステップＳ２０３において、制御装置２１００，２７００は、位相差推定部７６０からフィードバックされた位相差情報を基に、可変電力分配器１３１，１３２の各電力分配比と、合成器７３１，７３２の各合成比と、移相器１７１，１７２，７７１，７７２の各移相量とを制御し、各サブアレーアンテナ間のチャネルの位相差θＨを９０度に調整する。この位相差調整の後、ステップＳ２０４において、通信装置２１００は系列Ｓ１および系列Ｓ２の信号の送信を開始する。
【００８７】
次に、図１０および図１１を参照して、本実施形態の効果の一例を説明する。
図１０は、本発明の有効性検証に使用したモデルの説明図である。図１０に示すように、有効性検証に使用したモデルでは、受信アンテナ素子７４１と合成器７３１との間に位相器７７１を配置すると共に、受信アンテナ素子７４４と合成器７３２との間に移相器７７２を配置し、各移相器が信号に与える移相量（位相回転量）を４５度に設定している。また、周波数ｆ１＝４．８５ＧＨｚ、波長λ１＝６１．８５５７ｍｍ、伝送距離Ｄ１＝１４３４ｍｍ、アンテナ素子間隔ｄ１＝３．４１３９λ１＝２１１．１６９１ｍｍとし、サブアレーアンテナを構成する各アンテナ素子の間隔を０．５λ１としている。
【００８８】
図１１は、上述の図１０に示すモデルにおいて、送信サブアレーアンテナ１４１２および送信サブアレーアンテナ１４３４の各電力分配比（α）とチャネル位相差（θＨ）との関係を示す説明図である。図１１に示すように、送信サブアレーアンテナ１４１２および送信サブアレーアンテナ１４３４の各電力分配比（α）を０から１の範囲で変化させると、約−５５度から約−１２５度までの約７０度の範囲で位相差θＨを調整することが可能である。この位相差θＨを調整範囲（約７０度）は、第１の実施形態による位相差θＨの調整範囲（約５０度）よりも大きい。
【００８９】
このことは、受信側の移相器７７１，７７２を用いて受信信号の位相関係を変化させることで、可変電力分配器１３１，１３２の電力分配比や合成器７３１，７３２の合成比を制御した場合に得られる位相差調整の効果を大きくすることができることを意味する。従って、本実施形態によれば、上述の第１の実施形態に比較して、より効果的に位相差θＨを調整することができ、いっそうチャネル容量の低下を抑制することが可能になる。
【００９０】
なお、図１０および図１１の例では、受信側に位相器７７１，７７２を備えた場合について有効性の検証を行ったが、送信側に位相器１７１，１７２を備えた場合も同様に位相差θＨを効果的に調整することができる。また、送信側に位相器１７１，１７２を備えると共に受信側に位相器７７１，７７２を備えれば、よりいっそう効果的に位相差θＨを調整できることが理解される。
【００９１】
＜第３の実施形態＞
次に、本発明の第３の実施形態を説明する。
図１２は、本発明の第３の実施形態における無線通信システム３の概略構成を示す構成図である。説明の簡略化のため、送信側の通信装置１と、受信側の通信装置２がそれぞれ４つのアンテナ素子を具備する構成の場合について説明を行うが、この例に限定されず、アンテナ素子の数は任意である。
【００９２】
図１２に示すように、無線通信システム３は、送信機として機能する通信装置３１００と、受信機として機能する通信装置３７００とを具備する。このうち、通信装置３１００は、送信部１１１，１１２と、送信アンテナ素子１４１，１４２，１４３，１４４と、スイッチ部１８０と、制御装置３１５０とを具備する。送信部１１１および送信部１１２は、それぞれ、スイッチ部１８０を介してアンテナ素子１４１〜１４４に接続されている。ここで、送信アンテナ素子１１１〜１１４は、送信アレーアンテナ１４０を構成し、同一平面内に配置され、隣り合う二つの送信アンテナ素子は間隔ｄだけ離れた位置に配置されている。本実施形態では、制御装置３１５０によりスイッチ部１８０内で線路の切り替えが行われ、制御装置３１５０が指定する送信アンテナ素子にスイッチ部１８０を介して送信部１１１，１１２から信号が出力される。
【００９３】
また、通信装置３７００は、受信部７１１，７１２と、ウェイト演算回路７２０と、スイッチ部７８０と、受信アンテナ素子７４１，７４２，７４３，７４４と、位相差推定部７６０と、制御装置３７５０とを具備する。受信アンテナ素子７４１〜７４４は、それぞれ、スイッチ部７８０を介してウェイト演算回路７２０に接続されている。ここで、受信アンテナ素子７４１〜７４４は、受信アレーアンテナ７４０を構成し、送信アンテナ素子１４１〜１４４とそれぞれ対向して同一平面内に配置され、隣り合う二つの受信アンテナ素子は間隔ｄだけ離れた位置に配置されている。本実施形態では、制御装置３７５０によりスイッチ部７８０内で線路の切り替えが行われ、制御装置３７５０が指定する受信アンテナ素子が受信した信号がスイッチ部７８０を介してウェイト演算回路７２０に入力される。
【００９４】
位相差推定部７６０は、第１の実施形態と同様に、データ系列Ｓ１およびデータ系列Ｓ２の送信前に送信されるトレーニング信号を用いて、送信アレーアンテナ１４０と受信アレーアンテナ７４０との間に形成される各チャネルの位相差θＨを推定するものであり、これを位相差情報として制御装置３１５０および制御装置３７５０にフィードバックする。制御装置３１５０は、位相差推定部７６０からフィードバックされた位相差情報を基に、データ系列Ｓ１およびデータ系列Ｓ２の信号をそれぞれ送信するための２つの送信アンテナ素子を決定し、そのためのスイッチ部１８０の線路の切り替えを制御する。また、制御装置３７５０は、位相差推定部７６０からフィードバックされた位相差情報を基に、通信装置３１００から送信された無線信号を受信する２つの受信アンテナ素子を決定し、そのためのスイッチ部７８０の線路の切り替えを制御する。
【００９５】
これにより、送信側の送信アンテナ素子１４１〜１４４と受信側の受信アンテナ素子７４１〜７４４から無線通信に使用する２対のアンテナ素子を選択し、この選択によるアンテナ素子の組み合わせの数と同数の複数種類の伝送距離でチャネルの位相差θＨが９０度となる。このため、近距離ＭＩＭＯ伝送で高いチャネル容量特性を達成することができ、伝送距離の範囲を広げることができる。
【００９６】
このように、本実施形態では、制御装置３１５０が、位相差推定部７６０により推定された位相差θＨに基づいてスイッチ部１８０の切り替えを行って通信に使用する送信アンテナ素子を選択し、制御装置３７５０が、位相差推定部７６０により推定された位相差θＨに基づいてスイッチ部７８０の切り替えを行って通信に使用する受信アンテナ素子を選択する。これにより、制御装置３１５０，３７５０は、所望のチャネル容量が得られるように、送信アンテナ素子と受信アンテナ素子との間に形成されるチャネルの位相差を調整する第２の位相差調整部として機能する。
【００９７】
次に、図１３のフローチャートを参照して、上述の動作の手順を総括的に説明する。
まず、ステップＳ３０１において、通信装置３１００は、系列Ｓ１および系列Ｓ２の信号を送信する前に、トレーニング信号を送信する。続いて、ステップＳ３０２において、通信装置３７００は、通信装置３１００から送信されたトレーニング信号を受信し、位相差推定部７６０が各チャネルの位相差θＨを推定した後、これを位相差情報として制御装置３１５０，３７５０にフィードバックする。続いて、ステップＳ３０３において、制御装置３１５０，３７５０は、位相差推定部７６０からフィードバックされた位相差情報を基に、通信に使用するアンテナ素子（組み合わせ）を決定する。続いて、ステップＳ３０４において、制御装置３１５０，３７５０は、それぞれ、スイッチ部１８０，７８０の線路の切り替えを制御し、各アンテナ素子間のチャネルの位相差θＨを９０度に調整する。この位相差調整の後、ステップＳ３０５において、通信装置３１００は、データ系列Ｓ１および系列Ｓ２の信号の送信を開始する。
【００９８】
なお、第３の実施形態として、通信に使用するアンテナ素子をスイッチ部で切り替える構成について説明してきたが、第３の実施形態における無線通信システム３の構成に、さらに第１の実施形態で説明した分配比や合成比を制御する構成、および／または、第２の実施形態で説明した移相量を制御する構成を組み合わせてもよい。例えば、第１および第２の実施形態において、第１の位相差調整部として機能する制御装置１５０，７５０，２１５０，２７５０のうちの１または２以上の機能に、第３の実施形態における制御装置３１５０，３７５０のうちの１または２以上の第２の位相差調整部としての機能を組み合わせてもよい。これにより、近距離ＭＩＭＯ伝送で高いチャネル容量特性を達成することができる伝送距離の範囲をさらに広げることができる。
【００９９】
上述の本発明の第１から第３の実施形態では、本発明を無線通信システムとして説明したが、本発明は無線通信方法として表現することもできる。この場合、本発明は、例えば、複数の送信アンテナ素子から構成された送信サブアレーアンテナを複数具備する送信アレーアンテナと、前記複数の送信アンテナ素子にそれぞれ対向する複数の受信アンテナ素子から構成された受信サブアレーアンテナを複数具備する受信アレーアンテナとを備えた無線通信システムによる無線通信方法であって、前記送信アレーアンテナが具備する送信サブアレーアンテナと、前記受信アレーアンテナが具備する受信サブアレーアンテナとの間に形成されるチャネルの位相差を推定する位相差推定手順と、前記位相差推定手順により推定された前記位相差に基づいて、前記送信アレーアンテナが具備する送信サブアレーアンテナを構成する送信アンテナ素子から送信される信号の電力比と、前記受信アレーアンテナが具備する受信サブアレーアンテナを構成する受信アンテナ素子が受信する信号の電力比とを制御することにより、所望のチャネル容量が得られるように、前記送信サブアレーアンテナと前記受信サブアレーアンテナとの間に形成されるチャネルの位相差を調整する第１の位相差調整手順と、を含むことを特徴とする無線通信方法として表現することができる。
【０１００】
また、例えば、前記第１の位相差調整手順では、前記位相差推定手順により推定された前記位相差に基づいて、前記送信アレーアンテナが具備するサブアレーアンテナを構成するアンテナ素子から送信される信号の電力比および位相関係と、前記受信アレーアンテナが具備するサブアレーアンテナを構成するアンテナ素子が受信する信号の電力比および位相関係とを制御することにより、所望のチャネル容量が得られるように、前記送信サブアレーアンテナと前記受信サブアレーアンテナとの間に形成されるチャネルの位相差を調整してもよい。
【０１０１】
また、本発明は、例えば、複数の送信アンテナ素子から構成された送信アレーアンテナと、前記複数の送信アンテナ素子にそれぞれ対向する複数の受信アンテナ素子から構成された受信アレーアンテナとを備え、前記送信アレーアンテナを構成する複数の送信アンテナ素子と複数の送信部とがそれぞれスイッチ部を介して接続され、前記受信アレーアンテナを構成する複数の受信アンテナ素子とウェイト演算回路とがそれぞれスイッチ部を介して接続される無線通信システムによる無線通信方法であって、前記送信アレーアンテナと前記受信アレーアンテナとの間に形成されるチャネルの位相差を推定する位相差推定手順と、前記位相差推定手順で推定された前記位相差に基づいて前記スイッチ部の切り替えを行って通信に使用する送信アンテナ素子および受信アンテナ素子を選択することにより、所望のチャネル容量が得られるように、前記送信アンテナ素子と前記受信アンテナ素子との間に形成されるチャネルの位相差を調整する第２の位相差調整手順と、を含むことを特徴とする無線通信方法として表現することができる。この場合、例えば、前記第１の位相差調整手順をさらに含んでもよい。
【０１０２】
以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で任意の変形や修正が可能である。
例えば、上述の第１の実施形態では、通信装置１００を送信機とし、通信装置７００を受信機として説明したが、通信装置１００，７００のそれぞれを送信機能と受信機能の双方を有する送受信機として構成してもよい。他の実施形態でも同様である。
【符号の説明】
【０１０３】
１，２，３…無線通信システム、１００，７００，２１００，２７００，３１００，３７００…通信装置、１１１，１１２…送信部、１３１，１３２…可変電力分配器、１４１〜１４４…送信アンテナ素子、１４０…送信アレーアンテナ、１５０，７５０，２１５０，２７５０，３１５０，３７５０…制御装置、１７１，１７２，７７１，７７２…位相器、７１１，７１２…受信部、１８０，７８０…スイッチ部、７２０…ウェイト演算回路、７３１，７３２…合成器、７４０…受信アレーアンテナ、７４１〜７４４…受信アンテナ素子、７６０…位相差推定部、１４１２，１４３４…送信サブアレーアンテナ、７４１２，７４３４…受信サブアレーアンテナ。
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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