(57)【要約】【課題】伝送速度の高速化及び伝送品質の向上を図ることができる無線通信システムを提供する。【解決手段】受信アンテナ素子２０＿１は、送信アンテナ素子１０＿１から送信される電波のうち直接波と、反射波とが、互いに同じ位相で合成される第１の強電界点に設置され、受信アンテナ素子２０＿２は、送信アンテナ素子１０＿２から送信される電波のうち直接波と、反射波とが、互いに同じ位相で合成される第２の強電界点に設置され、送信アンテナ素子１０＿１は、送信アンテナ素子１０＿１から送信される電波のうち第２の強電界点に到達する直接波と、第２の強電界点に到達する反射波とが、互いに逆の位相で合成される位置に設置され、送信アンテナ素子１０＿２は、送信アンテナ素子１０＿２から送信される電波のうち第１の強電界点に到達する直接波と、第１の強電界点に到達する反射波とが、互いに逆の位相で合成される位置に設置される。【選択図】図３
2014230094.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｍ（Ｍは自然数）個のアンテナ素子から構成される送信アレーアンテナを持つ送信機と、
Ｎ（Ｎは自然数）個のアンテナ素子から構成される受信アレーアンテナを持つ受信機と、
から構成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が正面で対向し、
前記送信アレーアンテナと前記受信アレーアンテナの間には前記送信アレーアンテナの中心と前記受信アレーアンテナの中心とを結ぶ直線と平行な平面の反射体が設置され、
前記受信アレーアンテナの第ｉ（ｉはＮ以下の自然数）アンテナ素子は、
前記送信アレーアンテナの第ｉアンテナ素子から送信される電波のうち直接到達する直接波と、前記送信アレーアンテナの第ｉアンテナ素子から送信される電波のうち前記反射体において１回反射して到達する反射波とが、互いに１８０°×ｎ（ｎは奇数）以外の位相差で合成され、かつ、
前記送信アレーアンテナの第ｊ（ｊはＭ以下のすべての自然数、かつｊ≠ｉ）アンテナ素子から送信される電波のうち直接到達する直接波と、前記送信アレーアンテナの第ｊアンテナ素子から送信される電波のうち前記反射体において１回反射して到達する反射波とが、互いに逆の位相で合成される位置に設置され、
かつ、
前記送信アレーアンテナの第ｉ（ｉはＭ以下の自然数）アンテナ素子は、
前記受信アレーアンテナの第ｉアンテナ素子から送信される電波のうち直接到達する直接波と、前記受信アレーアンテナの第ｉアンテナ素子から送信される電波のうち前記反射体において１回反射して到達する反射波とが、互いに１８０°×ｎ（ｎは奇数）以外の位相差で合成され、かつ、
前記受信アレーアンテナの第ｊ（ｊはＮ以下のすべての自然数、かつｊ≠ｉ）アンテナ素子から送信される電波のうち直接到達する直接波と、前記受信アレーアンテナの第ｊアンテナ素子から送信される電波のうち前記反射体において１回反射して到達する反射波とが、互いに逆の位相で合成される位置に設置され、
前記送信アレーアンテナの第ｉアンテナ素子と前記受信アレーアンテナの第ｉアンテナ素子との間を結ぶ伝搬経路でそれぞれ第ｉ情報信号を無線周波数で変調して伝送する、
ことを特徴とする無線通信システム。
【請求項２】
前記送信機のＭ個のアンテナ素子は前記反射体と垂直な方向に配列された前記送信アレーアンテナを構成し、
前記受信機のＮ個のアンテナ素子は前記反射体と垂直な方向に配列された前記受信アレーアンテナを構成し、
前記アンテナ素子各々の垂直方向の高さは、伝送路内における無線周波数信号の波長と伝送距離と基づいて設定される、
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】
前記反射体は前記送信アレーアンテナと前記受信アレーアンテナを結ぶ線分上に配置される帯状である、
ことを特徴とする請求項１または請求項２いずれかに記載の無線通信システム。
【請求項４】
前記送信機のＭ個のアンテナ素子は前記反射体と平行な方向に配列された前記送信アレーアンテナを構成し、
前記受信機のＮ個のアンテナ素子は前記反射体と平行な方向に配列された前記受信アレーアンテナを構成し、
前記アンテナ素子各々の垂直方向の高さと素子間隔は、それぞれ伝送路内における無線周波数信号の波長と伝送距離と基づいて設定される、
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５】
前記反射体は４つのアンテナ素子の位置を結んで出来る長方形の中心位置に設置される平面である、
ことを特徴とする請求項１または請求項４いずれか一項に記載の無線通信システム。
【請求項６】
前記アンテナ素子は、副アンテナ素子からなる副アレーである、
ことを特徴とする請求項１から請求項５いずれか一項に記載の無線通信システム。
【請求項７】
請求項１から請求項６いずれか一項に記載の送信機であって、
前記送信機は、
前記送信アレーアンテナにおけるアンテナ素子のビーム中心位置を機械的に可動とする、
ことを特徴とする送信機。
【請求項８】
請求項１から請求項６いずれか一項に記載の受信機であって、
前記受信機は、
前記受信アレーアンテナにおけるアンテナ素子のビーム中心位置を機械的に可動とする、
ことを特徴とする受信機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主に見通し伝搬環境において同一周波数帯を用いて複数の無線周波数（ＲＦ）信号を伝送し、伝送レートや伝送品質を向上する無線通信システムに関する。特に、直進性が高く見通し伝送路における伝送に適したミリ波帯を用いた近距離伝送を実施する無線通信システムに関し、あるいは、鉄塔上に設置されたアンテナの間でマイクロ波帯を用いた長距離高速無線伝送を行う固定マイクロ無線通信回線に代表される無線通信システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ダウンロードキオスク形式の非接触高速無線伝送や、屋内でのミリ波無線通信といった、見通し伝送路における無線通信方式の開発や実用化が進められている。
無線通信において伝送速度を高速化する手法は、利用する周波数帯域を大きくする、或いは多値変調方式を使用して１シンボルで伝送される情報量を大きくする、等の手法が用いられる。
【０００３】
伝送速度を高速化する手法のうち、限られた周波数帯域を利用して伝送速度を高速化するため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、送受信機間のマルチパス環境を利用することによって、受信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することができる。
【０００４】
これまでのＭＩＭＯ伝送では、マルチパスに富んだ環境で電波が伝搬することが前提とされており、送受信機間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、非特許文献１に示すように、送信アンテナと受信アンテナが近接してマルチパス環境ではない近距離通信においてもＭＩＭＯ伝送技術を適用可能であることが示されている。以下、近距離通信におけるＭＩＭＯ伝送を近距離ＭＩＭＯと称する。
【０００５】
非特許文献１によれば、近距離ＭＩＭＯ伝送では、送受信機間の距離に対してアレーアンテナの素子間隔を適切に与えることで、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伝送路容量を達成することができる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【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】西森，関，本間，平賀，溝口，“近傍ＭＩＭＯ通信に適した伝送方法に関する検討”，電子情報通信学会技術研究報告，A.P2009-83，Sep.2009．
【非特許文献３】Kazumitsu Sakamoto, Ken Hiraga, Tomohiro Seki, Tadao Nakagawa, and Kazuhiro Uehara,”Phase Difference Control Technique between Each Propagation Channel for Short-Range MIMO Transmission,” Proceedings of 2012 International Symposium on Antennas and Propagation, pp.754-757，2012
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
屋内の無線ＬＡＮに代表される高速無線通信システムの構築にはミリ波帯の利用が積極的に行われている。ミリ波の中でも特に６０ＧＨｚ帯は免許不要で利用可能な帯域が大きく、１つの周波数チャネルあたり比帯域４％、つまりおよそ２ＧＨｚの周波数帯域幅がある。
６０ＧＨｚ帯を用いた無線ＬＡＮ方式として２０１２年に標準化がなされたＩＥＥＥ８０２．１１ａｄでは，１つの周波数チャネルを用いて直交周波数分割多重（ＯＦＤＭ）による変調で６．８Ｇｂｉｔ／ｓの高速伝送を実施することができる。
こうした広い周波数帯域の利用に加えて、前述の近距離ＭＩＭＯ伝送のような空間多重化伝送を併用すれば、１０Ｇｂｉｔ／ｓを超える高速伝送を実現することが期待される。
【０００８】
しかし，近距離ＭＩＭＯ伝送を含むＭＩＭＯ伝送においては，送信ビームフォーミングや伝送路行列のフィードバック処理、ＭＩＭＯ復号信号処理が必要である。こうした信号処理は、大抵の場合、ディジタル信号処理によって実施されるが、その演算量は、ＭＩＭＯ多重化数の２乗に比例し、帯域幅に比例するため、高速化を行うには演算量の増加を避けることができない。
ＩＥＥＥ８０２．１１ａｄ通信用ＬＳＩは、取り扱うデータ信号が高速であることから、消費電力が大きく、発熱や電池稼働の観点から大規模な商品展開がなされていないのが現状であり、さらにＭＩＭＯ伝送を併用した装置を実現するには、そのハードルが高くなることは言うまでもない。
【０００９】
高度な信号処理を適用せず、無線通信システムを実現するためには、電波伝搬経路を並列化し、それら経路の間のアイソレーションを確保することで、複数のＲＦ信号の伝送による並列伝送を行う手法が有望である。こうした並列伝送の手法には、アンテナ素子間隔を大きくとることで、正面で対向するアンテナ素子同士を結ぶそれぞれの伝送経路の間のアイソレーションを高める手法があり、指向性の高いアンテナ素子を用いる手法が考えられている。
【００１０】
そのためには、例えば立体的な構造で製造コストの高いホーンアンテナや、奥行きが大きくなる導波器数の大きな八木宇田アンテナを使用することが必要となるが、アンテナの大きさやコストの面で、適さない場合が想定される。また、指向性の小さなアンテナ素子を利用した場合は、膨大なアンテナ素子間隔を取ることで、それぞれの伝送経路の間のアイソレーションを大きくとることが可能であるが、例えば非特許文献１に開示されているようにアレーアンテナのサイズが莫大となるため、これも適さない場合が大いに想定される。
【００１１】
本発明はこうした課題の解決手法の提供を目的としてなされたものであり、送信ビームフォーミングや伝送路行列のフィードバック処理、ＭＩＭＯ復号信号処理を実施することなく、さらに、各伝送経路間の距離を大きくとる、つまり膨大なアンテナ素子間隔を取ることができない場合であっても、同一周波数帯における並列伝送を可能とし、周波数利用効率の向上、つまり、伝送速度の高速化及び伝送品質の向上を図ることができる無線通信システムを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の一態様による無線通信システムは、Ｍ（Ｍは自然数）個のアンテナ素子から構成される送信アレーアンテナを持つ送信機と、Ｎ（Ｎは自然数）個のアンテナ素子から構成される受信アレーアンテナを持つ受信機と、から構成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が正面で対向し、前記送信アレーアンテナと前記受信アレーアンテナの間には前記送信アレーアンテナの中心と前記受信アレーアンテナの中心とを結ぶ直線と平行な平面の反射体が設置され，前記受信アレーアンテナの第ｉ（ｉはＮ以下の自然数）アンテナ素子は、前記送信アレーアンテナの第ｉアンテナ素子から送信される電波のうち直接到達する直接波と、前記送信アレーアンテナの第ｉアンテナ素子から送信される電波のうち前記反射体において１回反射して到達する反射波とが、互いに１８０°×ｎ（ｎは奇数）以外の位相差で合成され、かつ、前記送信アレーアンテナの第ｊ（ｊはＭ以下のすべての自然数，かつｊ≠ｉ）アンテナ素子から送信される電波のうち直接到達する直接波と、前記送信アレーアンテナの第ｊアンテナ素子から送信される電波のうち前記反射体において１回反射して到達する反射波とが、互いに逆の位相で合成される位置に設置され、かつ、前記送信アレーアンテナの第ｉ（ｉはＭ以下の自然数）アンテナ素子は、前記受信アレーアンテナの第ｉアンテナ素子から送信される電波のうち直接到達する直接波と、前記受信アレーアンテナの第ｉアンテナ素子から送信される電波のうち前記反射体において１回反射して到達する反射波とが、互いに１８０°×ｎ（ｎは奇数）以外の位相差で合成され、かつ、前記受信アレーアンテナの第ｊ（ｊはＮ以下のすべての自然数、かつｊ≠ｉ）アンテナ素子から送信される電波のうち直接到達する直接波と、前記受信アレーアンテナの第ｊアンテナ素子から送信される電波のうち前記反射体において１回反射して到達する反射波とが、互いに逆の位相で合成される位置に設置され、
前記送信アレーアンテナの第ｉアンテナ素子と前記受信アレーアンテナの第ｉアンテナ素子との間を結ぶ伝搬経路でそれぞれ第ｉ情報信号を無線周波数で変調して伝送する、ことを特徴とする。
【００１３】
また、前記無線通信システムにおいて、前記送信機のＭ個のアンテナ素子は前記反射体と垂直な方向に配列された前記送信アレーアンテナを構成し、前記受信機のＮ個のアンテナ素子は前記反射体と垂直な方向に配列された前記受信アレーアンテナを構成し、前記アンテナ素子各々の垂直方向の高さは、伝送路内における無線周波数信号の波長と伝送距離と基づいて設定される、ことを特徴とする。
【００１４】
また、前記無線通信システムにおいて、前記反射体は前記送信アレーアンテナと前記受信アレーアンテナを結ぶ線分上に配置される帯状である、ことを特徴とする。
【００１５】
また、前記無線通信システムにおいて、前記送信機のＭ個のアンテナ素子は前記反射体と平行な方向に配列された前記送信アレーアンテナを構成し、前記受信機のＮ個のアンテナ素子は前記反射体と平行な方向に配列された前記受信アレーアンテナを構成し、前記アンテナ素子各々の垂直方向の高さと素子間隔は、それぞれ伝送路内における無線周波数信号の波長と伝送距離と基づいて設定される、ことを特徴とする。
【００１６】
また、前記無線通信システムにおいて、前記反射体は４つのアンテナ素子の位置を結んで出来る長方形の中心位置に設置される平面である、ことを特徴とする。
【００１７】
また、前記無線通信システムにおいて、前記アンテナ素子は、副アンテナ素子からなる副アレーである、ことを特徴とする。
【００１８】
本発明の一態様による送信機は、前記送信機であって、前記送信機は、前記送信アレーアンテナにおけるアンテナ素子のビーム中心位置を機械的に可動とする、ことを特徴とする。
【００１９】
本発明の一態様による受信機は、前記受信機であって、前記受信機は、前記受信アレーアンテナにおけるアンテナ素子のビーム中心位置を機械的に可動とする、ことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
本発明による無線通信システムによれば、高度かつ高速な信号処理を使用することなく、アンテナ素子間隔が狭い場合であっても並列伝送による空間多重化伝送を可能とし、見通し間の無線伝送システムにおいて伝送速度の高速化及び伝送品質の向上を図ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】送信アンテナ素子１０＿１と受信アンテナ素子２０＿１の配置を説明するための図である。
【図２】２波モデルにおける伝送距離に対する受信電力を説明するための図である。
【図３】本発明の第１の実施形態による無線通信システムの一態様を示す図である。
【図４】第１の実施形態による無線通信システムにおける伝送距離に対する受信電力を説明するための図である。
【図５】第１の実施形態による無線通信システムにおける雑音電力を説明するための図である。
【図６】第１の実施形態による無線通信システムにおける雑音電力の計算結果を説明するための図である。
【図７】本発明の第２の実施形態による無線通信システムの一態様を示す図である。
【図８】図７に示す伝送路を、送信アンテナ素子１０＿１と受信アンテナ素子２０＿１とを含み、反射体３０に垂直な平面において表示した図である。
【図９】送信アンテナ素子１０＿２と受信アンテナ素子２０＿１とを含み、反射体に垂直な平面において表示した図である。
【図１０】第２の実施形態による無線通信システムにおける伝送距離に対する受信電力を説明するための図である。
【図１１】第２の実施形態による無線通信システムにおける雑音電力を説明するための図である。
【図１２】第２の実施形態による無線通信システムにおける伝送距離に対する受信電力を説明するための図である。
【図１３】第２の実施形態による無線通信システムにおける雑音電力の計算結果を説明するための図である。
【図１４】第２の実施形態による無線通信システムの応用例を示す図である。
【図１５】本発明の第３の実施形態による無線通信システムの一態様を示す図である。
【図１６】本発明の第４の実施形態による無線通信システムの一態様を示す図である。
【図１７】本発明の第５の実施形態による無線通信システムの一態様を示す図である。
【図１８】本発明の第６の実施形態による無線通信システムの一態様を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、図面を参照して、本発明の原理を説明し、続いて各実施形態について説明する。
図１は、送信アンテナ素子１０＿１と受信アンテナ素子２０＿１の配置を説明するための図である。
まず、図１に示すように、１つの送信アンテナ素子１０＿１と、１つの受信アンテナ素子２０＿１とが、電波をよく反射する平面反射体３０上に配置される場合の伝搬モデルを説明する。この伝搬モデルは、一般に２波モデルと呼ばれる。送信アンテナ素子１０＿１から送信された無線周波数信号は、直接、受信アンテナ素子２０＿１に到達する直接波（経路長ｒ１）と、一度反射体３０で反射して受信アンテナ素子２０＿１に到達する反射波（経路長ｒ２）がある。そのため、実際に受信アンテナ素子２０＿１の位置における電界は、直接波と反射波の重ね合わせとなる。
【００２３】
以下、反射体３０からの各アンテナ素子の位置をアンテナの高さと呼ぶこととし、送信アンテナ素子１０＿１の高さをｈ１、受信アンテナ素子２０＿１の高さをｈ２とする。送信電力をＰｔ、送信アンテナ素子１０＿１のアンテナ利得をＧｔとすると、送信アンテナ素子１０＿１からの距離がＲ[ｍ]の点における直接波の受信電界強度Ｅ０は、次式（１）で表わされる。なお、本明細書において、［］で示す括弧の中の記号は、以下単位を表すものとする。
【００２４】
【数１】
2014230094.tif 000003
【００２５】
上述の通り、受信アンテナ素子２０＿１における電界強度は直接波と反射波の重ね合わせとして求められる。また、直接波の伝搬距離ｒ１と反射波の伝搬距離ｒ２の経路差ｌは、図１より幾何学的に次式（２）で求められる。
【００２６】
【数２】
2014230094.tif 000004
【００２７】
ここで、直接波の伝搬距離ｒ１と反射波の伝搬距離ｒ２とは、次式（３）により表される。
【００２８】
【数３】
2014230094.tif 000005
【００２９】
よって、直接波と反射波との位相差φは、次式（４）で求められる。ここで、λは伝送路内における無線周波数信号の波長である。
【００３０】
【数４】
2014230094.tif 000006
【００３１】
偏波の方向を反射体３０に垂直な偏波とし、反射体３０において無線周波数信号は全反射する、つまり伝送路の空間と反射体３０の境界面における反射率は１００％であるとすると、受信アンテナ素子２０＿１の位置において直接波と反射波との合成により作られる電界は、上記式（１）〜（４）を用いて、次式（５）のように求められる。ここで、近似のため、伝送距離Ｄがアンテナ高さに比べて十分に大きいとしている。
【００３２】
【数５】
2014230094.tif 000007
【００３３】
よって、受信アンテナの利得をＧｒとすると、受信電力は次式（６）となる。
【００３４】
【数６】
2014230094.tif 000008
【００３５】
図２は、２波モデルにおける伝送距離に対する受信電力を説明するための図である。図２は、上式（６）に基づき、横軸に伝送距離Ｄをとり、縦軸に受信電力Ｐｒを示したグラフを示している。このグラフでは、周波数ｆ[ＧＨｚ]＝６０、送信アンテナ素子１０＿１の高さｈ１[ｍ]＝０．１２、受信アンテナ素子２０＿１の高さｈ２[ｍ]＝０．１２、送信電力Ｐｔ[ｄＢｍ]=０、送信アンテナの利得Ｇｔ[ｄＢｉ]＝２、受信アンテナの利得Ｇｒ[ｄＢｉ]＝２としている。
【００３６】
このグラフから明らかなように、自由空間伝搬では、伝送距離の増加に応じて受信電力は単調減少するが、反射波が合成される本伝搬モデルにおいては、たとえば伝送距離Ｄ＝２、３００λ＝１１．５[ｍ]付近において受信電力が非常に小さな値（理想的には零）をとることが判る。こうした伝送距離においては、直接波と反射波が逆位相で合成され、それぞれ互いに打ち消し合うように働いている。こうした弱電界の点の位置は、上記ｌの値に依存した値であるため、送信アンテナ素子１０＿１の高さｈ１と受信アンテナ素子２０＿１の高さｈ２の両方に依存することは明らかである。
【００３７】
従って、高さの異なる複数のアンテナ素子を送受信それぞれに使用し、それらの高さを伝送距離Ｄと適切な関係に設定すれば、ある受信アンテナ素子において特定の送信アンテナ素子からの受信電力を大幅に低減することができるため、並列の空間多重伝送路を構成することが期待できる。
【００３８】
＜第１の実施形態＞
図３は、本発明の第１の実施形態による無線通信システムの一態様を示す図である。金属壁面や床面、金属レール等の反射体３０の上に２素子の送受信アレーアンテナがある。送信アンテナ素子１０＿１と受信アンテナ素子２０＿１とは高さｈ１、送信アンテナ素子１０＿２と受信アンテナ素子２０＿２とは高さｈ２に設置されており、送受信アレーアンテナ（送信アレーアンテナ１０、受信アレーアンテナ２０）は、それぞれ垂直に２つのアンテナ素子を配列したアレーアンテナである。これらのアレーアンテナが見通し伝搬環境で、伝送距離Ｄ隔てて正面で対向している。
【００３９】
送信アンテナ素子数が２、受信アンテナ素子数が２であるので、このＭＩＭＯ伝送路は４個の電波伝搬経路を持つ。そして、上述した２波モデルのように、ぞれぞれの伝搬経路は、アンテナ素子間を結ぶ直接波と反射体３０において１回反射した反射波との両方による伝搬から成り立っている。ここで、送信アンテナ素子（送信アンテナ素子１０＿ｉとする）から送信され、受信アンテナ素子（受信アンテナ素子２０＿ｊとする）で受信される伝搬経路をｈｊｉと表記する。本明細書においては、以下も同様の表現を使用する。
図３より、ｈ１１、ｈ１２、ｈ２２は、それぞれ直接波と反射波の経路差が異なるため、伝搬損失が異なることが判る。なお、ｈ１２とｈ２１とに関しては、それぞれ直接波と反射波の経路差が等しいため、伝搬損失は等しい。
【００４０】
図４は、第１の実施形態による無線通信システムにおける伝送距離に対する受信電力を説明するための図である。図４は、図３に示す無線通信システムにおいて、横軸に伝送距離Ｄ／λをとり、縦軸に受信電力（Ｒｅｃｅｉｖｅｄ  Ｐｏｗｅｒ）を示したグラフである。ここで、アンテナ素子（送信アンテナ素子１０＿１、受信アンテナ素子２０＿１）の高さｈ１＝１１．２λ、アンテナ素子（送信アンテナ素子１０＿２、受信アンテナ素子２０＿２）の高さｈ２＝２２．４λとしている。アンテナ素子の利得はすべて２ｄＢｉ、送信アンテナ素子の送信電力は０ｄＢｍとしている。
【００４１】
図４に示すように、伝送距離約１０００λ（Ｄ／λ＝１０００）においては、経路ｈ１２と経路ｈ２１を経て受信される電力が非常に小さな値をとる一方、それらに比べて経路ｈ１１と経路ｈ２２を経て受信される電力は大きな値をとっている。
これは、ここで示したアンテナ素子の高さの条件では、当該伝送距離において、送信アンテナ素子１０＿１から受信アンテナ素子２０＿１に伝送される信号レベルを保ったまま、送信アンテナ素子１０＿２から受信アンテナ素子２０＿１に伝送される信号レベルを低減することが可能であることを示している。また、同時に、送信アンテナ素子１０＿２から受信アンテナ素子２０＿２に伝送される信号レベルを保ったまま、送信アンテナ素子１０＿１から受信アンテナ素子２０＿２に伝送される信号レベルを低減することが可能であることを示している。
【００４２】
言いかえると、正面で対向する送受信アンテナ素子同士を結ぶ伝送路が並列に２つ高いアイソレーションで成立している。なお、例えば、周波数＝６０ＧＨｚ、伝送路が空気中であるとすると、波長は５ｍｍとなるため、アンテナ素子（送信アンテナ素子１０＿１、受信アンテナ素子２０＿１）の高さはｈ１＝５６ｍｍ、アンテナ素子（送信アンテナ素子１０＿２、受信アンテナ素子２０＿２）の高さはｈ２＝１１２ｍｍとなる。
【００４３】
図５は、第１の実施形態による無線通信システムにおける雑音電力を説明するための図である。図５は、上述したアイソレーションの指標となる、信号電力と干渉電力、雑音電力との比(Ｓｉｇｎａｌ ｔｏ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ｐｌｕｓ Ｎｏｉｓｅ Ｒａｔｉｏ；ＳＩＮＲ)の一例を示す図である。なお、図５において、受信雑音電力は−９０ｄＢｍとしている。
ここで、ＳＩＮＲ１１は受信アンテナ素子２０＿１におけるＳＩＮＲ、ＳＩＮＲ２２は受信アンテナ素子２０＿２におけるＳＩＮＲを示す。周波数＝６０ＧＨｚ、伝送路が空気中であるとすると、例えば、伝送距離５ｍのときＳＩＮＲは２０ｄＢを超える値をとり、並列伝送で相応の変調信号を伝送することが可能であることが示されている。
【００４４】
それでは、伝送距離Ｄが与えられたとき、アンテナ素子の高さｈ１およびｈ２はそれぞれどのような値を設定すればよいか、その一実施例を、以下に説明する。なお、説明を容易にするため、以下ではｈ１＜ｈ２とする。
図４に示すような受信電力の大小関係と各伝搬経路における直接波と反射波の経路差ｌの関係とにより、アンテナ素子の高さｈ１およびｈ２の値の設定条件として、下記の設定条件（１）〜（３）が導き出される。
【００４５】
（条件１）経路ｈ１２と経路ｈ２１では直接波と反射波の経路差ｌが１／２波長となること（直接波と反射波が逆位相で合成されること）。
（条件２）経路ｈ１１は、直接波と反射波の経路差ｌが経路ｈ１２および経路ｈ２１に比べて小さいので、経路差が０波長を超え１／２波長未満であること。
（条件３）経路ｈ２２は、直接波と反射波の経路差ｌが経路ｈ１２および経路ｈ２１に比べて大きいので、経路ｈ２２では経路差が１／２波長を超え３／２波長未満であること。
【００４６】
以上の設定条件（１）〜（３）を満たせば、アンテナ素子の高さｈ１およびｈ２の値を設定できる。なお、設定条件のうち、条件２と条件３とは必須の条件でなく、条件１を満たせばよい。
上記の条件１より、Ｄ>>ｈ１、ｈ２とすると、ｈ１およびｈ２は次式（７）を満たす。
【００４７】
【数７】
2014230094.tif 000009
【００４８】
上記式（７）さえ満たせば、経路ｈ１２および経路ｈ２１の信号伝送はなされないので、経路ｈ１１および経路ｈ２２の伝搬損失が無限大にならない限り、経路ｈ１１および経路ｈ２２からなる２つの並列伝送路が形成されることになる。
【００４９】
ただし、出来るだけ高いＳＩＮＲを確保し、伝送路容量を確保するためには、経路ｈ１１や経路ｈ２２において、直接波と反射波がたがいに強めあう点を利用するのが望ましい。そこで、これら２つの経路を比較した場合、経路ｈ２２のほうが、その反射波の経路が長く、トータルの伝搬損失が大きいと考えられるため、ここでは、経路ｈ２２の伝搬損失を小さくするようアンテナ高さｈ１およびｈ２を決定する手法を示す。
【００５０】
上記の条件３を満たす範囲で経路ｈ２２の受信電界ができるだけ大きくなるようにするには、経路ｈ２２において直接波と反射波との経路差をλに等しくすればよい。このとき直接波と反射波は同位相で合成されることとなる。これを定式化すると、下記式（８）が成立する。
【００５１】
【数８】
2014230094.tif 000010
【００５２】
つまり、式（８）を解くと、送受信アンテナ素子（送信アンテナ素子１０＿２と受信アンテナ素子２０＿２）の高さｈ２は次式（９）で求められる。
【００５３】
【数９】
2014230094.tif 000011
【００５４】
なお、式（８）から式（９）を導く際、Ｄ>>ｈ２という条件に基づく近似を使用している。さらに、式（７）と式（９）とから、送受信アンテナ素子（送信アンテナ素子１０＿２と受信アンテナ素子２０＿２）の高さｈ１は、次式（１０）で求められる。
【００５５】
【数１０】
2014230094.tif 000012
【００５６】
図６は、第１の実施形態による無線通信システムにおける雑音電力の計算結果を説明するための図である。図６は、上記式（１６）および式（１７）で求めたアンテナ高さｈ１、ｈ２を適用したＳＩＮＲの計算結果を示すグラフである。図６に示す計算結果では、各アンテナ素子間を結ぶ方向におけるアンテナの利得は一定としている。そこで、正面で対向するアンテナの方向にのみ高い利得を持ち、それ以外のアンテナ素子方向への利得が低くなるようアンテナ素子の指向性を持たせれば、図６に示すＳＩＮＲより大きなＳＩＮＲを得て、より高い伝送路容量を得ることが出来る。そのため、本発明にかかる無線通信システムにおいては、アンテナの指向性を活用することが望ましい。
【００５７】
また、アンテナの高さを変更する方法は、例えば機械的モータ等を使用する方法、非特許文献３に開示されているように１つのアンテナ素子を２つのアンテナ素子から構成される副アレーで構成して電気的にアンテナ素子位置を変更する手法、等が考えられる。
【００５８】
本実施形態においては、説明を容易にするため、送信側と受信側のアンテナを区別しているが、送受信の関係が反対であっても並列伝送できるアンテナ素子の配置条件は同一である。従って、例えば、時分割多重（Time Division Duplex；ＴＤＤ）による双方向伝送可能な無線通信システムにそのまま適用することが可能である。
【００５９】
本実施形態には垂直偏波による方法のみを記載しているが、水平偏波を利用したもの、円偏波を利用したものでもよい。こうした偏波を利用した無線通信システムについても、反射体３０における反射係数が異なるだけで同様の並列伝送の実施が可能である。水平偏波は反射体３０が金属の場合は位相がπだけずれるので、直接波と反射波の経路差を計算する際に、その位相のずれを考慮して本発明にかかる無線通信システムを設計すればよい。なお、上述の反射体３０は、大地、電離層、金属レール、軌道、金属壁、床、天井、水面等、様々な物体や構造物が該当する。
【００６０】
＜第２の実施形態＞
上述した第１の実施形態とは異なり、縦方向ではなく、横方向にアンテナ素子を並べたアレーアンテナにおいても、直接波と反射波の合成による並列伝送が可能である。
図７は、本発明の第２の実施形態による無線通信システムの一態様を示す図である。なお、図７において、図３と同一の部分には同一の符号を付している。
図７では、２つのアンテナ素子（送信アンテナ素子１０＿１と送信アンテナ素子１０＿２、受信アンテナ素子２０＿１と受信アンテナ素子２０＿２それぞれ）が横方向に並び、アンテナ素子間隔ｄの送受信アレーアンテナ（送信アレーアンテナ１０と受信アレーアンテナ２０）が正面で対向し、伝送距離Ｄ隔てて設置された伝送路を示している。４つのアンテナ素子の位置を結んだ四角形は長方形であり、各経路の反射波は、この長方形の中心位置において反射する。なお、反射体３０は、アンテナが設置されているエリアの中で、長方形の中心位置及びその周辺を覆うように設置されていれば、想定した動作が期待できる。
【００６１】
図８は、図７に示す伝送路を、送信アンテナ素子１０＿１と受信アンテナ素子２０＿１とを含み、反射体３０に垂直な平面において表示した図である。この図８に示すように、本発明の原理において述べたように、送信アンテナ素子１０＿１から送信され、受信アンテナ素子２０＿１で受信する無線周波数信号の受信電力を計算することが出来る。言い換えると、送信アンテナ素子１０＿１と受信アンテナ素子２０＿１とを結ぶ径路ｈ１１における伝搬損失を計算することが可能である。上述の通り、受信アンテナ素子２０＿１における電界強度は、直接波と反射波の重ね合わせとして求められる。直接波の伝搬距離ｒ１と反射波の伝搬距離ｒ２との経路差ｌは、図８より幾何学的に次式（１１）で求められる。
【００６２】
【数１１】
2014230094.tif 000013
【００６３】
ここで、直接波の伝搬距離ｒ１と反射波の伝搬距離ｒ２とは、次式（１２）により表される。
【００６４】
【数１２】
2014230094.tif 000014
【００６５】
よって、直接波と反射波との位相差φは、次式（１３）で求められる。ここで、λは伝送路内における無線周波数信号の波長である。
【００６６】
【数１３】
2014230094.tif 000015
【００６７】
偏波の方向を反射体に垂直な偏波とし、反射体において無線周波数信号は全反射する、つまり伝送路の空間と反射体の境界面における反射率は１００％であるとすると、受信アンテナ素子２０＿１の位置において直接波と反射波の合成により作られる電界は、上記式（１）、（１１）〜（１３）を用いて、次式（１４）のように求められる。ここで近似のため、伝送距離Ｄがアンテナ高さに比べて十分に大きいとしている。
【００６８】
【数１４】
2014230094.tif 000016
【００６９】
よって、受信アンテナ素子２０＿１の利得をＧｒとすると、送信アンテナ素子１０＿１から送信され、受信アンテナ素子２０＿１で受信する無線周波数信号の受信電力は次式（１５）となる。
【００７０】
【数１５】
2014230094.tif 000017
【００７１】
このように、図８において、送信アンテナ素子１０＿１と受信アンテナ素子２０＿１とを結ぶ径路ｈ１１における伝搬を示したが、図７に示すアンテナ配置であれば、送信アンテナ素子１０＿２と受信アンテナ素子２０＿２とを結ぶ径路ｈ２２に関しても同じ計算ができるため、送信アンテナ素子１０＿２から送信され、受信アンテナ素子２０＿２で受信する無線周波数信号の受信電力も、上記式（１５）で求められる。
【００７２】
次に、斜め方向に対角する送受信アンテナ素子を結ぶ経路ｈ１２及びｈ２１に関する説明を行う。図９は、送信アンテナ素子１０＿２と受信アンテナ素子２０＿１とを含み、反射体に垂直な平面において表示した図である。この図から、送信アンテナ素子１０＿２から送信され、受信アンテナ素子２０＿１で受信する無線周波数信号の受信電力を計算することが出来る。言い換えると、送信アンテナ素子１０＿２と受信アンテナ素子２０＿１とを結ぶ径路における伝搬損失を計算することが可能である。受信アンテナ素子２０＿１における電界強度は、送信アンテナ素子１０＿２から送信される直接波と反射波との重ね合わせとして求められる。直接波の伝搬距離ｒ１と反射波の伝搬距離ｒ２の経路差ｌは、図９より幾何学的に次式（１６）で求められる。
【００７３】
【数１６】
2014230094.tif 000018
【００７４】
ここで、直接波の伝搬距離ｒ１と反射波の伝搬距離ｒ２とは、次式（１７）により表される。
【００７５】
【数１７】
2014230094.tif 000019
【００７６】
送信アンテナ素子１０＿２から送信され、受信アンテナ素子２０＿１で受信する無線周波数信号の受信電力は、式（１１）、式（１２）に直接波の伝搬距離ｒ１と反射波の伝搬距離ｒ２に代入した結果を、上記式（１３）〜式（１５）に代入して同様に求められる。
このように、図９は、送信アンテナ素子１０＿２と受信アンテナ素子２０＿１とを結ぶ径路ｈ１２における伝搬を示した。図７に示すアンテナ配置であれば、送信アンテナ素子１０＿２と受信アンテナ素子２０＿２を結ぶ径路ｈ２２に関しても同じ計算ができるため、送信アンテナ素子１０＿２から送信され、受信アンテナ素子２０＿２で受信する無線周波数信号の受信電力も、上記式（１５）で求められる。
【００７７】
図１０は、第２の実施形態による無線通信システムにおける伝送距離に対する受信電力を説明するための図である。図１０は、図７に示す無線通信システムにおいて、横軸に伝送距離Ｄをとり、縦軸に受信電力を示したグラフである。ここで、アンテナ素子（送信アンテナ素子１０＿１と受信アンテナ素子２０＿１）の高さをｈ１＝１０λ、アンテナ素子（送信アンテナ素子１０＿２と受信アンテナ素子２０＿２）の高さをｈ２＝ｈ１、アンテナ素子間隔ｄ＝１００λとしている。また、アンテナ素子の利得はすべて２ｄＢｉ、送信アンテナ素子の送信電力は０ｄＢｍとしている。
図１０に示すように、伝送距離約１７５λにおいては、経路ｈ１２と経路ｈ２１を経て受信される電力が非常に小さな値をとる一方、それらに比べて経路ｈ１１と経路ｈ２２を経て受信される電力は大きな値をとっている。これは、ここで示したアンテナ素子の高さの条件では、当該伝送距離において、送信アンテナ素子１０＿１から受信アンテナ素子２０＿１に伝送される信号レベルを保ったまま、送信アンテナ素子１０＿２から受信アンテナ素子２０＿１に伝送される信号レベルを低減することが可能であることを示している。また、同時に、送信アンテナ素子１０＿２から受信アンテナ素子２０＿２に伝送される信号レベルを保ったまま、送信アンテナ素子１０＿１から受信アンテナ素子２０＿２に伝送される信号レベルを低減することが可能であることを示している。言いかえると、正面で対向する送受信アンテナ素子同士を結ぶ伝送路が並列に２つ高いアイソレーションで成立している。なお、周波数＝６０ＧＨｚ、伝送路が空気中であるとすると、波長は５ｍｍとなるため、アンテナ素子の高さはｈ１＝５０ｍｍ、ｈ２＝５０ｍｍ、アンテナ素子間隔は５００ｍｍとなる。
【００７８】
図１１は、第２の実施形態による無線通信システムにおける雑音電力を説明するための図である。図１１（ａ）は、第１の実施形態において述べたアイソレーションの指標となる、信号電力と干渉電力の比（Ｓｉｇｎａｌ−ｔｏ−Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ Ｒａｔｉｏ；ＳＩＲ）を示す図である。ここで、ＳＩＲ１１は受信アンテナ素子２０＿１におけるＳＩＲ、ＳＩＲ２２は受信アンテナ素子２０＿２におけるＳＩＲを示す。周波数＝６０ＧＨｚ、伝送路が空気中であるとすると、例えば、伝送距離約１７３λ、つまり、約８６５ｍｍのときＳＩＲは３０ｄＢを超える値をとり、並列伝送で変調信号を伝送することが可能であることが示されている。図１１（ｂ）は、ＳＩＲの高い範囲を拡大した図である。ＳＩＲが３０ｄＢを超える高い値を得ることが出来る伝送距離は、３波長以上の範囲を持っていることがわかる。それでは、アンテナ素子の間隔を変更するとどのようになるかについて、以下に計算を示す。
【００７９】
図１２は、第２の実施形態による無線通信システムにおける伝送距離に対する受信電力を説明するための図である。図１２は、横軸に伝送距離Ｄをとり、縦軸に受信電力を示したグラフであり、アンテナ素子（送信アンテナ素子１０＿１と受信アンテナ素子２０＿１）の高さとアンテナ素子（送信アンテナ素子１０＿２と受信アンテナ素子２０＿２）の高さをｈ１＝ｈ２＝１０λ、アンテナ素子間隔をｄ＝９０λとした計算結果である。つまり、図１２では、図１１の場合に比べてアンテナ素子の間隔を１０波長小さくした状態を示している。
また、図１３は、第２の実施形態による無線通信システムにおける雑音電力の計算結果を説明するための図である。図１３は、図１２の場合のＳＩＲを示す。図１１の場合と比べると、ＳＩＲが大きな値をとる伝送距離、つまり、並列伝送が可能となる伝送距離は１７８λとなり、図１１の場合に比べて大きくなることがわかる。
また、ここで図示していないが、図１３とは反対に、アンテナ素子の間隔を図１１の場合に比べて大きく、例えば、ｄ＝１１０λとすると、並列伝送が可能となる伝送距離は１６６λとなり小さくなることが計算で確かめられる。このことから、伝送距離に応じてアンテナの素子間隔を適切に設定すれば並列伝送は可能となることがわかる。
【００８０】
アンテナの素子間隔を変更する方法としては、例えば機械的にモータ等を使用する方法、非特許文献３に開示されているように１つのアンテナ素子を２つのアンテナ素子から構成される副アレーで構成し電気的にアンテナ素子位置を変更する手法、等が考えられる。また、本実施形態では全てのアンテナ素子の高さを同じとしたが、それぞれのアンテナ素子の高さを変更することで伝送距離やアンテナ素子間隔の範囲を適宜変更することが出来る。
【００８１】
さらに、ここで示した計算では、各アンテナ素子間を結ぶ方向におけるアンテナの利得は一定としている。正面で対向するアンテナの方向にのみ高い利得を持ち、それ以外のアンテナ素子方向への利得が低くなるようアンテナ素子の指向性を持たせれば、図６に示したＳＩＲより大きなＳＩＲを得て、より高い伝送路容量を得ることが出来るため、本発明にかかる無線通信システムにおいてはアンテナの指向性を活用することが望ましい。
【００８２】
それでは、伝送距離Ｄが与えられたとき、アンテナ素子の高さｈおよび素子間隔ｄはそれぞれどのような値を設定すればよいか、その一実施例を以下に説明する。図４に示すような受信電力の大小関係と各伝搬経路における直接波と反射波の経路差ｌの関係より、アンテナ素子の高さｈ値の設定条件として、下記の設定条件（１）〜（２）が導き出される。
（条件1）経路ｈ１２と経路ｈ２１では、直接波と反射波の経路差ｌが１/２波長となること（直接波と反射波が逆位相で合成される）。
（条件２）経路ｈ１１と経路ｈ２２では、直接波と反射波の経路差ｌが１波長となること（直接波と反射波が同位相で合成される）。
【００８３】
以上の設定条件（１）〜（２）を満たせば、アンテナ素子の高さｈの値を設定できる。なお、設定条件のうち、条件２は必須の条件でなく、条件１を満たせばよい。
上記の条件１は、式（１６）および式（１７）でｌ＝１/２λとおいたものである。よって、高さｈは次式（１８）を満たす。
【００８４】
【数１８】
2014230094.tif 000020
【００８５】
また、上記の条件２は、式（１１）および式（１２）でｌ＝λとおいたものである。dは次式（１９）を満たす。
【００８６】
【数１９】
2014230094.tif 000021
【００８７】
このように、伝送距離が与えられたとき、上記のようにアンテナ高さとアンテナ素子間隔を求めれば、２経路の並列伝送が可能となる。
【００８８】
本実施形態においては説明を容易にするため、送信側と受信側のアンテナを区別しているが、送受信の関係が反対であっても並列伝送できるアンテナ素子の配置条件は同一である。従って、例えば、時分割多重（ＴＤＤ）による双方向伝送可能な無線通信システムにそのまま適用することが可能である。
【００８９】
また、本実施形態には垂直偏波による方法のみを記載しているが、水平偏波を利用したもの、円偏波を利用したものでもよい。こうした偏波を利用した無線通信システムについても反射体３０における反射係数が異なるだけで同様の並列伝送の実施が可能である。水平偏波は反射体３０が金属の場合は位相がπだけずれるので、直接波と反射波の経路差を計算する際にその位相のずれを考慮して本発明にかかる無線通信システムを設計すればよい。
また、反射体３０は、大地、電離層、金属レール、軌道、金属壁、床、天井、水面等、様々な物体や構造物が該当する。
【００９０】
ところで、上述の第１の実施形態（図３参照）で示した縦方向のアレーアンテナと異なり、伝送路行列の非対角項に対応する伝送経路における直接波と反射波の位相差を確保するためには、伝送距離に比べてアンテナ素子間隔を大きくとる必要がある場合があることが計算で示された。そのため、アレーアンテナによる近距離ＭＩＭＯ伝送というよりもむしろ４個２対の無線通信装置がそれぞれ同一の周波数帯を使用して同時に通信を行うような無線通信システム、例えば、ミリ波帯を用いた無線ＬＡＮ用の中継器を部屋の天井に複数配置する場合に、天井に金属レール等の無線周波数信号を反射しやすい構造物が設置されていれば、２対の中継器もしくはアクセスポイントを設置し、同一の無線周波数帯を用いて通信することで、無線ＬＡＮ内における周波数利用効率を向上することが可能となる。ただし、２対の通信路においては、送受信のタイミングを合わせる必要がある。
【００９１】
図１４は、第２の実施形態による無線通信システムの応用例を示す図である。室内の無線ＬＡＮを構築するうえで、通信エリアを拡張するために天井に４つの中継器４０＿１〜中継器４０＿４を設置し、各中継器は室内に配置された端末無線通信装置５０＿１．５０＿２との通信を実施するアクセスポイント（ＡＰ）としても機能するものとする。天井６０は金属等無線周波数信号（電波）をよく反射する材質の平面で構成されている。中継器４０＿１〜中継器４０＿４のアンテナは、天井からの距離ｈの点に設置されており、図７と同様の位置関係であるとする。中継器４０＿１のアンテナと中継器４０＿２のアンテナとの間隔、及び中継器４０＿３のアンテナと中継器４０＿４のアンテナの間隔はともにｄである。
【００９２】
例えば、上述の計算例のように、ｈ＝１０λ、ｄ＝１００λの場合、中継器４０＿１のアンテナと中継器４０＿３を結ぶ伝送路と中継器４０＿２のアンテナと中継器４０＿４のアンテナを結ぶ伝送路は、波長がλとなる無線周波数帯１において互いにアイソレーションの高い２つの伝送路として扱うことが出来る。したがって、中継器４０＿１から中継器４０＿３へ無線周波数帯１で変調された無線中継データストリーム１を伝送し、同時に、中継器４０＿２から中継器４０＿４へ無線周波数帯１で変調された無線中継データストリーム２を伝送することが可能である。各中継器から端末無線通信装置５０＿１、５０＿２への無線伝送は、無線周波数帯１以外の周波数を用いて実施する。これにより、無線中継伝送の周波数利用効率を２倍にすることが出来る。
【００９３】
ただし、前記の通り、無線周波数帯１で変調された無線中継データストリーム１及び無線周波数帯１で変調された無線中継データストリーム２の送受信のタイミングは合わせる必要がある。送受信のタイミングを合わせない場合、例えば、中継器４０＿１が無線周波数帯１においてデータストリーム１を送信し、中継器４０＿３が無線周波数帯１においてそれを受信し、同時に、中継器４０＿４が無線周波数帯１においてデータストリーム２を送信し、それを中継器４０＿２が無線周波数帯１において受信しようとしている場合には、中継器４０＿２は中継器４０＿４が送信したデータストリーム２だけでなく中継器４０＿１が送信したデータストリーム１をも受信してしまい、混信が発生する。中継器４０＿３においても同様の混信が想定される。
【００９４】
しかし、このような混信はアンテナの指向性により排除できる場合がある。例えば、マイクロストリップアンテナは最大放射方向から９０度の角度方向、つまり基板面方向に対しては利得がほぼ０となる。したがって、図１４に示す中継器４０＿１と中継器４０＿２が互いにマイクロストリップアンテナを使用しそれぞれのアンテナ素子の放射導体を同一平面内に配置すれば、前記混信を回避することができ、前記送受信のタイミングを合わせることは不要となる。また、マイクロストリップアンテナだけでなく、ホーンアンテナもアンテナ放射方向と直交する方向に対する利得はほぼ０となることが知られているため同様に利用できる。また上述した第１の実施形態では、アレーアンテナのアンテナ素子を縦方向に配置した無線通信システム、本実施形態では、アレーアンテナのアンテナ素子を横方向に配置した無線通信システムを開示しているが、これらを組み合わせた無線通信システムであっても良い。
【００９５】
＜第３の実施形態＞
続いて、機械的にアンテナ設置の高さまたはアンテナ素子の間隔を変更することが可能な無線通信システムの構成について説明する。図１５は、本発明の第３の実施形態による無線通信システムの一態様を示す図である。
無線通信装置７０＿１は、送信アンテナ素子１０＿１の設置高さｈ１を、アンテナ素子位置変更機構により、機械的に変更する機能を有する。
無線通信装置７０＿１は、無線信号処理部７１＿１、７１＿２、ＳＩＲ検出部７２＿１、アンテナ素子位置算出部７３＿１、アンテナ素子位置変更機構７４＿１を備えている。
無線信号処理部７１＿１は、無線通信装置７０＿１が送信アンテナ素子１０＿１（送信機の第１アンテナ素子）から受信アンテナ素子２０＿１（受信機の第１アンテナ素子）までの伝搬経路で情報信号１を無線周波数で変調して送信するための信号の処理を行う。また、無線信号処理部７１＿２は、無線通信装置７０＿１が送信アンテナ素子１０＿１（送信機の第２アンテナ素子）から受信アンテナ素子２０＿１（受信機の第２アンテナ素子）までの伝搬経路で情報信号２を、無線通信装置７０＿１の無線周波数と同一の無線周波数で変調して送信するための信号の処理を行う。
【００９６】
ＳＩＲ検出部７２＿１は第１の実施形態、第２の実施形態で示した２つの伝送路間のＳＩＲを検出する。また、アンテナ素子位置算出部７３＿１はアンテナ素子をどちらの方向に移動すればよいかを算出する。この算出結果に基づいて、アンテナ素子位置変更機構７４＿１が、例えばモータなどで駆動することにより、送信アンテナ素子１０＿１の高さｈ１を変更する。無線通信装置７０＿１と対向して通信を実施する無線通信装置７０＿２も、無線通信装置７０＿１と同様の構成を備えるものとする。
【００９７】
アンテナ素子位置算出部７３＿１におけるアンテナ素子移動方向の算出方法は、例えば、アンテナ素子を可動範囲いっぱいに動かし、ＳＩＲ検出部７２＿１において無線周波数の試験送受信を実施しながら求められるＳＩＲが最大になるアンテナ高さｈ１をアンテナ素子位置算出部７３＿１が保持する、という方法がある。そのほか、無線信号処理部７１＿１が伝送路の推定を実施し、アンテナ素子位置算出部７３＿１が最適なアンテナ高さｈ１を計算するという方法も考えられる。
なお、本実施形態では、ｈ１のみを変更する形態を示したがこれに限定されることなく、ｈ２のみ、またはｈ１とｈ２とを変更する形態でもよく、さらにアンテナ素子の設置位置は図面の横方向、図面の奥行き方向に変更するものでもよい。
また、アンテナ素子位置変更機構７４＿１は人手によって変更するものであっても良い。その場合は、ＳＩＲ検出部７２＿１がＳＩＲを数値、指針等で表示し、ユーザがその値を見ながらＳＩＲが最大となるように人手でアンテナ素子位置を調整する構成としてよい。
また、本実施形態は、縦方向のアレーアンテナだけではなく、横方向にアンテナ素子を並べたアレーアンテナで素子間隔を変更する構成でもよい。
【００９８】
＜第４の実施形態＞
続いて、アンテナ素子を、副アンテナ素子からなる副アレーとする構成について説明する。図１６は、本発明の第４の実施形態による無線通信システムの一態様を示す図である。
なお、図１５と同一の部分には同一の符号を付し、その説明を省略する。
第４の実施形態では、上述の第３実施形態に示したようにアンテナ素子の位置を機械的に移動させるほかに、非特許文献３に開示されているように、１つのアンテナ素子を複数の副アレーから構成されるものにして、図１５に示したアンテナ素子位置変更機構７４＿１の代わりに、副アレー内の各アンテナ素子への給電電力の比率を変更する重み付け変更機構７５＿１を設ける。
【００９９】
ここで、副アレーは、例えば、２つのアンテナ素子から構成され、それぞれのアンテナ素子への給電電力の比率を変更すれば、副アレーのビームの中心軸が図の上下方向に移動する構成となっている。詳細な動作については、非特許文献３を参照するとよいので、ここでは省略する。重み付け変更機構７５＿１は、アンテナ素子位置算出部７３＿１の指示値に応じて副アレー内の２つのアンテナ素子への給電電力の比率を設定する。
なお、本実施形態では、送信アンテナ素子１０＿１のみを副アレーとする形態を示したが、これに限定されることなく、送信アンテナ素子１０＿２のみ、または送信アンテナ素子１０＿１と送信アンテナ素子１０＿２の両方を変更する形態でもよい。
また、上述の第３の実施形態と同様、人手によって副アレー内重み付けを調整する機構であってもよい。その場合は、ＳＩＲ検出部７２＿１がＳＩＲを数値、指針等で表示し、ユーザがその値を見ながらＳＩＲが最大となるように、人手で副アレーの給電電力の比率を調整する。また、本実施形態は、縦方向のアレーアンテナだけではなく、横方向にアンテナ素子を並べたアレーアンテナで素子間隔を変更する構成でもよい。
【０１００】
＜第５の実施形態＞
図１７は、本発明の第５の実施形態による無線通信システムの一態様を示す図である。図１７に示すように、第５の実施形態では、反射体３０の上に３素子の送受信アレーアンテナ（送信アレーアンテナ１０、および受信アレーアンテナ２０）がある。
送信アンテナ素子１０＿ｉと受信アンテナ素子２０＿ｊ（ｊ＝１、２、３）は、それぞれ高さｈｋ（ｋ＝１、２、３）に設置されており、送受信アレーアンテナは反射体３０に垂直に３つのアンテナ素子を配列したアレーアンテナである。これらのアレーアンテナが見通し伝搬環境で、伝送距離Ｄ隔てて正面で対向している。
つまり、送信アンテナ素子数が３、受信アンテナ素子数が３であるので、このＭＩＭＯ伝送路は９個の電波伝搬経路を持つ。
そして、上述した２波モデルのように、ぞれぞれの伝搬経路は、アンテナ素子間を結ぶ直接波と、反射体において１回反射した反射波の両方による伝搬から成り立っている。
【０１０１】
ここで、送信アンテナ素子１０＿ｉから送信され、受信アンテナ素子２０＿ｊで受信される伝搬経路をｈｊｉと表記する。図１７より、ｈｊｉとｈｉｊとに関しては、それぞれ直接波と反射波の経路差が等しいため、伝搬損失は等しい。このような無線通信システムにおいても、アンテナの高さｈｋ（ｋ＝１、２、３）をそれぞれ適切に設定すれば、上記第１の実施形態と同様に、３つの並列な伝送路を構成することが出来る。それでは、伝送距離Ｄが与えられたとき、アンテナ素子の高さｈｋ（ｋ＝１、２、３）を、それぞれどのような値に設定すればよいかについて、その一実施例を以下に説明する。
【０１０２】
まず、各伝搬経路における直接波と反射波の経路差ｌの関係より、下記条件が導き出される。
（条件）経路ｈｉｊと経路ｈｊｉ（ｉとｊとは等しくない）では、直接波と反射波の経路差ｌが１／２波長の奇数倍であること（直接波と反射波が逆位相で合成されること）。
【０１０３】
上記の条件より、Ｄ≫ｈｋ（ｋ＝１、２、３）とすると、ｈｋ（ｋ＝１、２、３）は、それぞれ次の式（２０）〜式（２２）を満たす。ここで、Ｎｋ（ｋ＝１、２、３）は奇数である。
【０１０４】
【数２０】
2014230094.tif 000022
【０１０５】
【数２１】
2014230094.tif 000023
【０１０６】
【数２２】
2014230094.tif 000024
【０１０７】
上記式（２０）〜式（２２）から、ｈｋ（ｋ＝１、２、３）は、次式（２３）の関係を満たす。
【０１０８】
【数２３】
2014230094.tif 000025
【０１０９】
上記式（２３）から、アンテナの高さｈ２とアンテナの高さｈ１の関係が次式（２４）のようになる。
【０１１０】
【数２４】
2014230094.tif 000026
【０１１１】
式（２４）を式（２０）に代入すると、アンテナの高さｈ１を次式（２５）により求めることができる。
【０１１２】
【数２５】
2014230094.tif 000027
【０１１３】
また、式（２５）を式（２３）に代入すれば、アンテナの高さｈ２、アンテナの高さｈ３を求めることができる。
このように、伝送距離Ｄが与えられたとき、アンテナ素子の高さｈｋ（ｋ＝１、２、３）の値を設定することができる。
【０１１４】
＜第６の実施形態＞
図１８は、本発明の第６の実施形態による無線通信システムの一態様を示す図である。図１８に示すように、第６の実施形態では、反射体３０の上に３素子の送受信アレーアンテナ（送信アレーアンテナ１０および受信アレーアンテナ２０）がある。送信アンテナ素子１０＿ｉと受信アンテナ素子２０＿ｉとは、それぞれ高さｈｋ（ｋ＝１、２、３）に設置されており、送受信アレーアンテナは反射体３０に平行に３つのアンテナ素子を配列したアレーアンテナである。また、アンテナ素子間隔はｄである。これらのアレーアンテナが見通し伝搬環境で、伝送距離Ｄ隔てて正面で対向している。
つまり、送信アンテナ素子数が３、受信アンテナ素子数が３であるので、このＭＩＭＯ伝送路は９個の電波伝搬経路を持つ。そして、上述した２波モデルのように、ぞれぞれの伝搬経路は、アンテナ素子間を結ぶ直接波と、反射体３０において１回反射した反射波との両方による伝搬から成り立っている。
図１８に示す構成から明らかなように、直接波と反射波の経路長が同一の伝搬経路は等しい。具体的に言うと、ｈ１１＝ｈ２２＝ｈ３３、ｈ１２＝ｈ２１＝ｈ２３＝ｈ３２、さらにｈ１３＝ｈ３１である。上述の通り伝搬経路は９個あるが、値はこのように３種類しか存在しない。
【０１１５】
このような無線通信システムにおいても、アンテナの高さｈおよびアンテナ素子間隔ｄをそれぞれ適切に設定すれば、上述した第１の実施形態と同様に、３つの並列な伝送路を構成することが出来る。それでは、伝送距離Ｄが与えられたとき、アンテナの高ｈとアンテナ素子間隔ｄとをそれぞれどのような値を設定すればよいかについて、その一実施例を以下に説明する。
【０１１６】
まず、各伝搬経路における直接波と反射波との経路差ｌの関係より、下記条件が導き出される。
（条件）経路ｈｉｊと経路ｈｊｉ（ｉとｊとは等しくない）では、直接波と反射波の経路差ｌが１／２波長の奇数倍であること（直接波と反射波が逆位相で合成されること）。
【０１１７】
上記の条件より、伝搬経路ｈ１２、ｈ２１、ｈ２３、ｈ３２における直接波と反射波との経路差をｌ１２、伝搬経路ｈ１３、ｈ３１における直接波と反射波との経路差をｌ１３とおくと、下記式（２６）が成立する。ここで、Ｎｋ（ｋ＝２、３）はそれぞれ等しくない奇数である。
【０１１８】
【数２６】
2014230094.tif 000028
【０１１９】
ここで、図１８から明らかなように、伝搬経路ｈ１３、ｈ３１は、伝搬経路ｈ１２、ｈ２１、ｈ２３、ｈ３２より長いため、直接波と反射波との経路差にはｌ１３＜ｌ１２という大小関係がある。つまり、上記式（２６）においても、下記式（２７）に示す関係がある。
【０１２０】
【数２７】
2014230094.tif 000029
【０１２１】
図１８に示すように、伝搬経路ｈ１２の水平距離、及び伝搬距離ｈ１３の水平距離を、れぞれ、次式（２８）で表すＬ１２、Ｌ１３とおくと、経路差に関する次式（２９）が得られる。
【０１２２】
【数２８】
2014230094.tif 000030
【０１２３】
【数２９】
2014230094.tif 000031
【０１２４】
なお、上記式（２９）においては、下記式（３０）を利用した近似計算を行っている。
【０１２５】
【数３０】
2014230094.tif 000032
上記式（２９）を式（２６）に代入すると、上記の条件を、下記式（３１）により表すことができる。
【０１２６】
【数３１】
2014230094.tif 000033
【０１２７】
上記式（３１）は、アンテナの高さｈとアンテナ素子間隔ｄとの連立方程式であるので、これを解いてｈ、ｄを求めることができる。例えば、上記式（２７）に従い、Ｎ３＝２ｎ−１、Ｎ２＝２ｎ＋１（ｎ＝１、２、３、…）とすると、アンテナの高さｈとアンテナ素子間隔ｄを下記式により求めることができる。
【０１２８】
【数３２】
2014230094.tif 000034
【０１２９】
以上説明したように、本発明の無線通信システムは、Ｍ（Ｍは自然数）個のアンテナ素子から構成される送信アレーアンテナ１０を持つ送信機と、Ｎ（Ｎは自然数）個のアンテナ素子から構成される受信アレーアンテナ２０を持つ受信機と、から構成される無線通信システムである。なお、上記実施形態の説明ではＭ＝Ｎ＝２、Ｍ＝Ｎ＝３の場合を一例と説明している。ここで、無線通信システムでは、送信アレーアンテナ１０と受信アレーアンテナ２０が正面で対向し、送信アレーアンテナ１０と受信アレーアンテナ２０の間には送信アレーアンテナの中心と受信アレーアンテナの中心とを結ぶ直線と平行な平面の反射体が設置される。
【０１３０】
また、受信アレーアンテナ２０の受信アンテナ素子２０＿ｉ（第ｉ（ｉはN以下の自然数）アンテナ素子）は、送信アレーアンテナ１０の送信アンテナ素子１０＿ｉ（第ｉアンテナ素子）から送信される電波のうち直接到達する直接波と、送信アレーアンテナの送信アンテナ素子１０＿ｉから送信される電波のうち反射体３０において１回反射して到達する反射波とが、互いに１８０°×ｎ（ｎは奇数）以外の位相差で合成される位置に設置される。また、受信アレーアンテナ２０の受信アンテナ素子２０＿ｉは、送信アレーアンテナ１０の送信アンテナ素子１０＿ｊ（第ｊ（ｊはＭ以下のすべての自然数、かつｊ≠ｉ）アンテナ素子）から送信される電波のうち直接到達する直接波と、送信アレーアンテナ１０の送信アンテナ素子１０＿ｊから送信される電波のうち反射体３０において１回反射して到達する反射波とが、互いに逆の位相で合成される位置に設置される。
【０１３１】
また、送信アレーアンテナ１０の送信アンテナ素子１０＿ｉ（第ｉ（ｉはＭ以下の自然数）アンテナ素子）は、受信アレーアンテナ２０の受信アンテナ素子２０＿ｉ（第ｉアンテナ素子）から送信される電波のうち直接到達する直接波と、受信アレーアンテナ２０＿ｉの受信アンテナ素子２０＿ｉ（第ｉアンテナ素子）から送信される電波のうち反射体３０において１回反射して到達する反射波とが、互いに１８０°×ｎ（ｎは奇数）以外の位相差で合成される位置に設置される。また、送信アレーアンテナ１０の送信アンテナ素子１０＿ｉは、受信アレーアンテナ２０受信アンテナ素子２０＿ｊ（第ｊ（ｊはＮ以下のすべての自然数、かつｊ≠ｉ）アンテナ素子）から送信される電波のうち直接到達する直接波と、受信アレーアンテナ２０の受信アンテナ素子２０＿ｊから送信される電波のうち反射体３０において１回反射して到達する反射波とが、互いに逆の位相で合成される位置に設置される。
【０１３２】
また、本発明の無線通信システムは、送信アレーアンテナ１０の送信アンテナ素子１０＿ｉ（第ｉアンテナ素子）と受信アレーアンテナ２０の受信アンテナ素子２０＿ｉ（第ｉアンテナ素子）との間を結ぶ伝搬経路でそれぞれ第ｉ情報信号を無線周波数で変調して伝送する、ことを特徴とする。
【０１３３】
これにより、本発明による無線通信システムによれば、高度かつ高速な信号処理を使用することなく、アンテナ素子間隔が狭い場合であっても並列伝送による空間多重化伝送を可能とし、見通し間の無線伝送システムにおいて伝送速度の高速化及び伝送品質の向上を図ることが可能となる。
【０１３４】
以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これらの実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
【符号の説明】
【０１３５】
１０…送信アレーアンテナ、２０…受信アレーアンテナ、１０＿１，１０＿２…送信アンテナ素子、２０＿１，２０＿２…受信アンテナ素子、  ３０…反射体、４０＿１，４０＿２，４０＿３，４０＿４…中継器、５０＿１，５０＿２…端末無線通信装置、６０…天井、７０＿１，７０＿２…無線通信装置、７１＿１，７１＿２…無線信号処理部、７２＿１…ＳＩＲ検出部、７３＿１…アンテナ素子位置算出部、７４＿１…アンテナ素子位置変更機構、７５＿１…重み付け変更機構
【図１】
2014230094.tif 000035
【図２】
2014230094.tif 000036
【図３】
2014230094.tif 000037
【図４】
2014230094.tif 000038
【図５】
2014230094.tif 000039
【図６】
2014230094.tif 000040
【図７】
2014230094.tif 000041
【図８】
2014230094.tif 000042
【図９】
2014230094.tif 000043
【図１０】
2014230094.tif 000044
【図１１】
2014230094.tif 000045
【図１２】
2014230094.tif 000046
【図１３】
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【図１４】
2014230094.tif 000048
【図１５】
2014230094.tif 000049
【図１６】
2014230094.tif 000050
【図１７】
2014230094.tif 000051
【図１８】
2014230094.tif 000052