(57)【要約】回転方向の次元における基底としてＯＡＭモードを用いて複数の信号系列を多重伝送するＯＡＭ多重通信システムであって、送信局は、複数のアンテナ素子を円形に等間隔で配置したＵＣＡを、同心円状に配置した複数のＵＣＡからなるＭ−ＵＣＡを用いた送信アンテナと、複数のＵＣＡの中心を原点とする極座標系における回転方向および直径方向の各次元でそれぞれ基底変換を行い、各次元の異なる基底の組み合わせで形成される複合モードごとに、複数の信号系列を多重伝送する手段を含む。受信局は、ＵＣＡを同心円状に配置した複数のＵＣＡからなるＭ−ＵＣＡを用いた受信アンテナと、送信局から多重伝送された信号を受信し、その受信信号から回転方向および直径方向の各次元でそれぞれ基底変換を行い、多重伝送された複数の信号系列を分離する手段とを含む。
2019059408.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転方向の次元における基底として軌道角運動量（以下、ＯＡＭ）モードを用いて複数の信号系列を多重伝送するＯＡＭ多重通信システムであって、
複数のアンテナ素子を円形に等間隔で配置した等間隔円形アレーアンテナ（以下、ＵＣＡ）を、同心円状に配置した複数のＵＣＡからなるＭ−ＵＣＡを用いた送信アンテナと、前記複数のＵＣＡの中心を原点とする極座標系における前記回転方向および直径方向の各次元でそれぞれ基底変換を行い、各次元の異なる基底の組み合わせで形成される複合モードごとに、前記複数の信号系列を多重伝送する手段を含む送信局と、
前記ＵＣＡを同心円状に配置した複数のＵＣＡからなるＭ−ＵＣＡを用いた受信アンテナと、前記送信局から多重伝送された信号を受信し、前記多重伝送された前記複数の信号系列を分離する手段とを含む受信局と
を備えたことを特徴とするＯＡＭ多重通信システム。
【請求項２】
請求項１に記載のＯＡＭ多重通信システムにおいて、
前記受信局は、前記送信局から送信された既知の参照信号を用いて、前記送信アンテナと前記受信アンテナとの間のチャネル情報を推定し、このチャネル情報から前記回転方向および直径方向の次元で基底変換を行うための送信ウエイトおよび受信ウエイトに変換する手段を備え、
前記送信局は、前記複数の信号系列に前記受信局からフィードバックされた前記送信ウエイトを乗算して前記直径方向の次元の基底変換を行うウエイト乗算手段と、前記複数のＵＣＡから送信する前記ＯＡＭモードの信号をそれぞれ生成するＯＡＭモード生成手段とを備え、
前記受信局は、前記複数のＵＣＡの受信信号からそれぞれ前記ＯＡＭモードの信号を分離するＯＡＭモード分離手段と、前記ＯＡＭモードの信号に前記受信ウエイトを乗算して前記直径方向の次元の基底変換を行うウエイト乗算手段とを備えた
ことを特徴とするＯＡＭ多重通信システム。
【請求項３】
請求項１に記載のＯＡＭ多重通信システムにおいて、
前記送信局は、前記送信アンテナと前記受信アンテナのアンテナ間距離に応じて乗算する送信ウエイトを予め定めた関数またはテーブルを備え、利用する前記ＯＡＭモードごとに多重する１つ以上の信号系列に対して異なる送信ウエイトを乗算して前記ＵＣＡごとに基底変換を行う構成であり、
前記受信局は、前記ＵＣＡごとに基底変換を行い、前記ＯＡＭモードごとに異なる１つの以上の信号系列に、前記送信局で用いた送信ウエイトに対応する受信ウエイトを乗算し、所定の等化アルゴリズムを用いて前記多重伝送された前記複数の信号系列を分離する構成である
ことを特徴とするＯＡＭ多重通信システム。
【請求項４】
請求項３に記載のＯＡＭ多重通信システムにおいて、
前記送信局は、前記アンテナ間距離に応じて直交分布関数から前記送信ウエイトを決定する構成であり、
前記受信局は、前記アンテナ間距離に応じて前記送信局で用いた直交分布関数から前記受信ウエイトを決定する構成である
ことを特徴とするＯＡＭ多重通信システム。
【請求項５】
請求項２または請求項３に記載のＯＡＭ多重通信システムにおいて、
前記送信局および前記受信局は、利用可能な前記複合モードの受信信号品質に基づいて、前記送信ウエイトおよび前記受信ウエイトと直交基底の組合せを決定し、前記複合モードの送信電力および変調方式を決定する手段を備えた
ことを特徴とするＯＡＭ多重通信システム。
【請求項６】
回転方向の次元における基底として軌道角運動量（以下、ＯＡＭ）モードを用いて複数の信号系列を多重伝送するＯＡＭ多重通信方法であって、
送信局の送信アンテナは、複数のアンテナ素子を円形に等間隔で配置した等間隔円形アレーアンテナ（以下、ＵＣＡ）を、同心円状に配置した複数のＵＣＡからなるＭ−ＵＣＡを用い、前記複数のＵＣＡの中心を原点とする極座標系における前記回転方向および直径方向の各次元でそれぞれ基底変換を行い、各次元の異なる基底の組み合わせで形成される複合モードごとに、前記複数の信号系列を多重伝送し、
受信局の受信アンテナは、前記ＵＣＡを同心円状に配置した複数のＵＣＡからなるＭ−ＵＣＡを用い、前記送信局から多重伝送された信号を受信し、前記多重伝送された前記複数の信号系列を分離する
ことを特徴とするＯＡＭ多重通信方法。
【請求項７】
請求項６に記載のＯＡＭ多重通信方法において、
前記受信局は、前記送信局から送信された既知の参照信号を用いて、前記送信アンテナと前記受信アンテナとの間のチャネル情報を推定し、このチャネル情報から前記回転方向および直径方向の次元で基底変換を行うための送信ウエイトおよび受信ウエイトに変換し、
前記送信局は、前記複数の信号系列に前記受信局からフィードバックされた前記送信ウエイトを乗算して前記直径方向の次元の基底変換を行い、前記複数のＵＣＡから送信する前記ＯＡＭモードの信号をそれぞれ生成し、
前記受信局は、前記複数のＵＣＡの受信信号からそれぞれ前記ＯＡＭモードの信号を分離し、前記ＯＡＭモードの信号に前記受信ウエイトを乗算して前記直径方向の次元の基底変換を行う
ことを特徴とするＯＡＭ多重通信方法。
【請求項８】
請求項６に記載のＯＡＭ多重通信方法において、
前記送信局は、前記送信アンテナと前記受信アンテナのアンテナ間距離に応じて乗算する送信ウエイトを予め定めた関数またはテーブルを備え、利用する前記ＯＡＭモードごとに多重する１つ以上の信号系列に対して異なる送信ウエイトを乗算して前記ＵＣＡごとに基底変換を行い、
前記受信局は、前記ＵＣＡごとに基底変換を行い、前記ＯＡＭモードごとに異なる１つの以上の信号系列に、前記送信局で用いた送信ウエイトに対応する受信ウエイトを乗算し、所定の等化アルゴリズムを用いて前記多重伝送された前記複数の信号系列を分離する
ことを特徴とするＯＡＭ多重通信方法。
【請求項９】
請求項６に記載のＯＡＭ多重通信方法において、
前記送信局は、前記アンテナ間距離に応じて直交分布関数から前記送信ウエイトを決定し、
前記受信局は、前記アンテナ間距離に応じて前記送信局で用いた直交分布関数から前記受信ウエイトを決定する
ことを特徴とするＯＡＭ多重通信方法。
【請求項１０】
請求項７または請求項８に記載のＯＡＭ多重通信方法において、
前記送信局および前記受信局は、利用可能な前記複合モードの受信信号品質に基づいて、前記送信ウエイトおよび前記受信ウエイトと直交基底の組合せを決定し、前記複合モードの送信電力および変調方式を決定する
ことを特徴とするＯＡＭ多重通信方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電磁波の軌道角運動量（ＯＡＭ：Orbital Angular Momentum）を用いて無線信号を空間多重伝送するＯＡＭ多重通信システムおよびＯＡＭ多重通信方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、伝送容量向上のため、ＯＡＭを用いた無線信号の空間多重伝送技術が報告されている。ＯＡＭをもつ電磁波は、伝搬軸を中心に伝搬方向にそって等位相面が螺旋状に分布する。異なるＯＡＭモードをもち、同一方向に伝搬する電磁波は、回転方向において空間位相分布が直交するため、異なる信号系列で変調された各ＯＡＭモードの信号を受信局において分離することにより、信号を多重伝送することが可能である。【０００３】
現在までに、複数のホーンアンテナから放射されたビームを位相板によってそれぞれ異なるＯＡＭモードに変換・同軸合成して送信することにより、信号を同軸多重伝送することに成功している（非特許文献１）。その他にも、複数のアンテナ素子を円形に等間隔で配置した等間隔円形アレーアンテナ（ＵＣＡ：Uniform Circular Array）を用い、複数のＯＡＭモードを生成・合成して送信することにより、異なる信号系列の空間多重伝送を行った報告がある（非特許文献２）。ここで、ＯＡＭモードｎの信号は、ＵＣＡの各アンテナ素子の位相がｎ回転（ｎ×360 度）になるように設定して生成される。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】J. Wang et al., “Terabit free-space data transmission employing orbital angular momentum multiplexing, ”Nature Photonics, Vol.6, pp.488-496, July 2012.
【非特許文献２】Z. Li, Y. Ohashi, K. Kasai, “A dual-channel wireless communication system by multiplexing twisted radio wave,” Proceedings of 44th European Microwave Conference, pp.235-238, Oct. 2014.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、ＵＣＡを用いて生成したＯＡＭは、極座標系における回転方向（円周方向）の次元の直交性を利用しているだけであり、ビーム伝送において面的（二次元的）な空間リソースを最大限に活用できているとは言い難い。一方、二次元的に配置された多数のアンテナ素子で構成されるアレーアンテナを用いて、ＭＩＭＯ信号処理による空間多重伝送を行う場合には、高いリソース利用効率が得られるものの、独立な伝送路を確保するための信号処理やウエイト乗算に多大な演算が必要となってしまう。【０００６】
通常のアレーアンテナを用いたＭＩＭＯ伝送における受信シンボルベクトルｙは、伝搬チャネル行列Ｈと送信シンボルベクトルｓを用いて式(1) のように表すことができる。なお、簡単のため雑音項は省略している。【０００７】
【数１】
2019059408.tif 000003
【０００８】
ここで、ＮTXおよびＮRXは、それぞれ送信アンテナ素子数および受信アンテナ素子数である。このとき、Ｈは特異値分解することにより式(2) のように分解することができる。【０００９】
【数２】
2019059408.tif 000004
【００１０】
ここで、Σ(x,y) は行列Σのｘ行ｙ列成分を表す。また、ｑ＝min(ＮRX，ＮTX) とすると、ＵおよびＶはそれぞれＮRX×ＮRXおよびＮTX×ＮTXの行列であり、ΣはＮRX×ＮTXの行列である。【００１１】
以上より、受信側にＵH 、送信側にＶのウエイトを乗算することにより、式(3) に表されるような直交するＭＩＭＯチャネルが形成される。
【数３】
2019059408.tif 000005
【００１２】
しかしながら、これらを実現するために必要なミキサやＤＡ変換器およびＡＤ変換器等の装置数はアンテナ素子数に比例して増大し、チャネル推定等のデジタル信号処理に要する演算量は、アンテナ素子数に応じて指数的に増大する。また、それらのデジタル信号処理はサブキャリア毎に行われる必要がある上に、得られたＣＳＩ情報を用いてデジタル通信を行う場合、固有値の数、および多値数などに基づく膨大な演算が必要であり、超高速無線伝送を実現する上でこれらの装置数および演算量の低減が必須である。【００１３】
本発明は、複数のＵＣＡを同心円状に配置したＭ(Multi) −ＵＣＡを用い、極座標系における回転方向の次元で直交性を有するＯＡＭモードに加えて、ＯＡＭモード毎に直径方向の次元で１つ以上のモードを生成し、かつ従来と比較して少ない装置数および演算量で多数の複合モードを生成することができるＯＡＭ多重通信システムおよびＯＡＭ多重通信方法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】
【００１４】
第１の発明は、回転方向の次元における基底としてＯＡＭモードを用いて複数の信号系列を多重伝送するＯＡＭ多重通信システムであって、送信局は、複数のアンテナ素子を円形に等間隔で配置したＵＣＡを、同心円状に配置した複数のＵＣＡからなるＭ−ＵＣＡを用いた送信アンテナと、複数のＵＣＡの中心を原点とする極座標系における回転方向および直径方向の各次元でそれぞれ基底変換を行い、各次元の異なる基底の組み合わせで形成される複合モードごとに、複数の信号系列を多重伝送する手段を含む。受信局は、ＵＣＡを同心円状に配置した複数のＵＣＡからなるＭ−ＵＣＡを用いた受信アンテナと、送信局から多重伝送された信号を受信し、多重伝送された複数の信号系列を分離する手段とを含む。【００１５】
受信局は、送信局から送信された既知の参照信号を用いて、送信アンテナと受信アンテナとの間のチャネル情報を推定し、このチャネル情報から回転方向および直径方向の次元で基底変換を行うための送信ウエイトおよび受信ウエイトに変換する手段を備え、送信局は、複数の信号系列に受信局からフィードバックされた送信ウエイトを乗算して直径方向の次元の基底変換を行うウエイト乗算手段と、複数のＵＣＡから送信するＯＡＭモードの信号をそれぞれ生成するＯＡＭモード生成手段とを備え、受信局は、複数のＵＣＡの受信信号からそれぞれＯＡＭモードの信号を分離するＯＡＭモード分離手段と、ＯＡＭモードの信号に受信ウエイトを乗算して直径方向の次元の基底変換を行うウエイト乗算手段とを備えてもよい。【００１６】
送信局は、送信アンテナと受信アンテナのアンテナ間距離に応じて乗算する送信ウエイトを予め定めた関数またはテーブルを備え、利用するＯＡＭモードごとに多重する１つ以上の信号系列に対して異なる送信ウエイトを乗算してＵＣＡごとに基底変換を行う構成であり、受信局は、ＵＣＡごとに基底変換を行い、ＯＡＭモードごとに異なる１つの以上の信号系列に、送信局で用いた送信ウエイトに対応する受信ウエイトを乗算し、所定の等化アルゴリズムを用いて多重伝送された複数の信号系列を分離する構成としてもよい。【００１７】
送信局は、アンテナ間距離に応じて直交分布関数から送信ウエイトを決定する構成であり、受信局は、アンテナ間距離に応じて送信局で用いた直交分布関数から受信ウエイトを決定する構成としてもよい。【００１８】
送信局および受信局は、利用可能な複合モードの受信信号品質に基づいて、送信ウエイトおよび受信ウエイトと直交基底の組合せを決定し、複合モードの送信電力および変調方式を決定する手段を備えてもよい。【００１９】
第２の発明は、回転方向の次元における基底としてＯＡＭモードを用いて複数の信号系列を多重伝送するＯＡＭ多重通信方法であって、送信局は、送信アンテナとして、複数のアンテナ素子を円形に等間隔で配置したＵＣＡを、同心円状に配置した複数のＵＣＡからなるＭ−ＵＣＡを用い、複数のＵＣＡの中心を原点とする極座標系における回転方向および直径方向の各次元でそれぞれ基底変換を行い、各次元の異なる基底の組み合わせで形成される複合モードごとに、複数の信号系列を多重伝送する。受信局は、受信アンテナとして、ＵＣＡを同心円状に配置した複数のＵＣＡからなるＭ−ＵＣＡを用い、送信局から多重伝送された信号を受信し、多重伝送された複数の信号系列を分離する。【００２０】
受信局は、送信局から送信された既知の参照信号を用いて、送信アンテナと受信アンテナとの間のチャネル情報を推定し、このチャネル情報から回転方向および直径方向の次元で基底変換を行うための送信ウエイトおよび受信ウエイトに変換し、送信局は、複数の信号系列に受信局からフィードバックされた送信ウエイトを乗算して直径方向の次元の基底変換を行い、複数のＵＣＡから送信するＯＡＭモードの信号をそれぞれ生成し、受信局は、複数のＵＣＡの受信信号からそれぞれＯＡＭモードの信号を分離し、ＯＡＭモードの信号に受信ウエイトを乗算して直径方向の次元の基底変換を行ってもよい。【００２１】
送信局は、送信アンテナと受信アンテナのアンテナ間距離に応じて乗算する送信ウエイトを予め定めた関数またはテーブルを備え、利用するＯＡＭモードごとに多重する１つ以上の信号系列に対して異なる送信ウエイトを乗算してＵＣＡごとに基底変換を行い、受信局は、ＵＣＡごとに基底変換を行い、ＯＡＭモードごとに異なる１つの以上の信号系列に、送信局で用いた送信ウエイトに対応する受信ウエイトを乗算し、所定の等化アルゴリズムを用いて多重伝送された複数の信号系列を分離してもよい。【００２２】
送信局は、アンテナ間距離に応じて直交分布関数から送信ウエイトを決定し、受信局は、アンテナ間距離に応じて送信局で用いた直交分布関数から受信ウエイトを決定してもよい。【００２３】
送信局および受信局は、利用可能な複合モードの受信信号品質に基づいて、送信ウエイトおよび受信ウエイトと直交基底の組合せを決定し、複合モードの送信電力および変調方式を決定してもよい。
【発明の効果】
【００２４】
本発明は、Ｍ−ＵＣＡを用い、極座標系における回転方向の次元において、フーリエ級数等を用いた基底変換によってＯＡＭモードの生成を行ったのち、直径方向の次元で回転方向の各基底ベクトルに対応する複数の複合モードをそれぞれ算出することにより、回転方向および直径方向の異なる基底の組み合わせで表される独立の伝送路を用いて信号の多重伝送を行うことで、従来より低演算量で信号の多重伝送が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明のＯＡＭ多重通信システムのＭ−ＵＣＡの構成例を示す図である。
【図２】本発明のＯＡＭ多重通信システムの実施例１の構成を示す図である。
【図３】実施例１におけるＯＡＭ多重通信方法の処理手順の一例を示す図である。
【図４】本発明のＯＡＭ多重通信システムの実施例２の構成を示す図である。
【図５】本発明のＯＡＭ多重通信システムの実施例５の構成を示す図である。
【図６】実施例５におけるＯＡＭ多重通信方法の処理手順の一例を示す図である。
【図７】本発明のＯＡＭ多重通信システムの実施例６の構成を示す図である。
【図８】８×８バトラーマトリックスの一例を示す図である。
【図９】４×８バトラーマトリックスの一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
図１は、本発明のＯＡＭ多重通信システムのＭ−ＵＣＡの構成例を示す。
図１において、Ｍ−ＵＣＡは、同心円状に複数のＵＣＡを配置した構成である。ここでは、互いに半径が異なる４つのＵＣＡを配置した構成を示し、内側のＵＣＡから順番に、第１ＵＣＡ，第２ＵＣＡ，第３ＵＣＡ，第４ＵＣＡとする。各ＵＣＡは16素子のアンテナ素子（図中、●で示す）を備える例を示すが、各ＵＣＡのアンテナ素子数は必ずしも同数である必要はない。Ｍ−ＵＣＡを構成するアンテナ素子は、ホーンアンテナやパッチアンテナなど、その他いかなる形態のものでもよい。
【００２７】
本発明の特徴は、Ｍ−ＵＣＡによるアンテナ構成とそれに伴う演算処理方法にあり、特にＭ−ＵＣＡの直径方向と回転方向の各次元でそれぞれ基底変換を行い、例えば回転方向の直交基底としてフーリエ級数を用いるところにある。
【００２８】
（実施例１）
図２は、本発明のＯＡＭ多重通信システムの実施例１の構成を示す。
図２において、送信局１０は、複数ＭTXの第１ＵＣＡ１５−１〜第ＭTXＵＣＡ１５−ＭTXを備え、それぞれの送信アンテナ素子数をＮTX(1)〜ＮTX(ＭTX）とする。信号処理部１１は、送信信号系列を入力し、ＯＡＭモード＃１〜＃Ｌでそれぞれ送信するＭ1 〜ＭL 個の信号を生成する。送信ウエイト乗算処理部１２は、信号処理部１１で生成された各信号に送信ウエイトを乗算し、各ＵＣＡからＯＡＭモード＃１〜＃Ｌで送信する信号を生成する。第１ＯＡＭモード生成処理部１４−１〜第ＭTXＯＡＭモード生成処理部１４−ＭTXは、それぞれＯＡＭモード＃１〜＃Ｌで送信する信号を入力し、各ＵＣＡからそれぞれＯＡＭモード＃１〜＃Ｌの信号として送信されるように位相調整して各ＵＣＡのアンテナ素子に入力する。
【００２９】
受信局２０は、複数ＭRXの第１ＵＣＡ２１−１〜第ＭRXＵＣＡ２１−ＭRXを備え、それぞれの受信アンテナ素子数をＮRX(1)〜ＮRX(ＭRX）とする。第１ＯＡＭモード分離処理部２２−１〜第ＭRXＯＡＭモード分離処理部２２−ＭRXは、第１ＵＣＡ２１−１〜第ＭRXＵＣＡ２１−ＭRXでそれぞれ受信する信号からＯＡＭモード＃１〜＃Ｌの信号を分離する。受信ウエイト乗算処理部２３は、ＵＣＡごとに分離されたＯＡＭモード＃１〜＃Ｌの信号を入力し、それぞれ受信ウエイトを乗算し、各ＵＣＡで受信した同一ＯＡＭモードの信号を分離し、Ｍ1 〜ＭL 個の信号として出力する。信号処理部２５は、各ＵＣＡおよび各ＯＡＭモードで受信した信号を復調して受信信号系列を出力する。
【００３０】
さらに、受信局２０には、第１ＯＡＭモード分離処理部２２−１〜第ＭRXＯＡＭモード分離処理部２２−ＭRXの出力信号から、各信号系列のチャネル情報を推定するチャネル推定・特異値分解処理部２６を備える。チャネル推定・特異値分解処理部２６は、推定したチャネル情報を受信ウエイト乗算処理部２３に設定し、チャネル情報フィードバック部２７を介して送信局１０の送信ウエイト乗算処理部１２に設定するとともに、信号処理部１１に対してＯＡＭモードごとの多重数Ｍ1 〜ＭL を設定する。
【００３１】
送信ウエイト乗算処理部１２、受信ウエイト乗算処理部２３、第１ＯＡＭモード生成処理部１４−１〜第ＭTXＯＡＭモード生成処理部１４−ＭTX、第１ＯＡＭモード分離処理部２２−１〜第ＭRXＯＡＭモード分離処理部２２−ＭRXは、デジタル信号処理およびアナログ信号処理のどちらでもよく、各処理の方法に応じて適切な位置にＤＡ変換器またはＡＤ変換器が配置される。また、送信局１０の第１ＯＡＭモード生成処理部１４−１〜第ＭTXＯＡＭモード生成処理部１４−ＭTX、および受信局２０の第１ＯＡＭモード分離処理部２２−１〜第ＭRXＯＡＭモード分離処理部２２−ＭRXは、それぞれ対応するＵＣＡのアンテナ素子に対して同じ回転方向に順番に接続される。
【００３２】
図３は、実施例１におけるＯＡＭ多重通信方法の処理手順の一例である。
図３において、送信局１０は、既知の参照信号を送信し、受信局２０は参照信号からチャネル推定処理を行い、特異値分解処理により必要なチャネル情報を取得して送信局にフィードバックする。送信局１０は、フィードバックされたチャネル情報を用いて多重数／伝送モードを決定し、送信ウエイト乗算処理を行い、ＯＡＭモードの信号を生成してＯＡＭ多重伝送する。受信局２０は、ＵＣＡごとに受信したＯＡＭモードの信号の分離処理を行い、さらに受信ウエイト乗算処理を行って複数のＵＣＡで受信した同一ＯＡＭモード間の分離を行って受信信号として出力する。なお、受信局２０から送信局１０へ既知信号を送信させ、送信局１０においてチャネル推定を行う構成でもよい。いずれの構成であっても、チャネル情報から送信局１０および受信局２０で乗算するウエイトをそれぞれにおいて得られる構成であればよい。
【００３３】
以下、本発明の動作原理について説明する。
送信アンテナは、複数ＭTXの第１ＵＣＡ１５−１〜第ＭTXＵＣＡ１５−ＭTXで構成され、それぞれの送信アンテナ素子数をＮTX(1)〜ＮTX(ＭTX）とし、受信アンテナは、複数ＭRXの第１ＵＣＡ２１−１〜第ＭRXＵＣＡ２１−ＭRXで構成され、それぞれの受信アンテナ素子数をＮRX(1)〜ＮRX(ＭRX）とすると、伝搬チャネル行列Ｈは以下の式(4) ように表すことができる。
【００３４】
【数４】
2019059408.tif 000006
【００３５】
なお、部分チャネル行列ｈm,n （ｍ＝１，２，…，ＭRX、ｎ＝１，２，…，ＭTX）は、ＮRX(m)×ＮTX(n)の行列であり、第ｍ受信ＵＣＡ２１−ｍと第ｎ送信ＵＣＡ１５−ｎとの間の伝搬チャネルである。
【００３６】
送信アンテナと受信アンテナの正面を対向して配置することにより伝搬軸を中心とした回転対称性が生じるため、これらのアンテナ間に生じるチャネル行列は巡回行列になる。そのため巡回行列の性質より、各ＵＣＡ間の伝搬チャネルｈm,n は、離散フーリエ変換（ＤＦＴ：Discrete Fourier Transform）行列ＤN ∈ＣN*N を用いて以下のように特異値分解することができる。
【００３７】
【数５】
2019059408.tif 000007
【００３８】
なお、式(5) および式(6) で用いたｘおよびｙは、それぞれ行列Σおよび行列Ｄの行および列のインデックスを表す。行列やベクトルのインデックスは以後同様の表現を行う。また、l(x)は、ＤＦＴ行列のｘ行の固有ベクトルに対応する回転方向の次元のモードの値であり、ＯＡＭモードを表す。
【００３９】
このとき、式(5) より、各ＵＣＡ間の伝搬チャネルが有する特異値の数は、
min[ＮRX(m)，ＮTX(n)]  個
である。よって、第ｍ受信ＵＣＡ２１−ｍと第ｎ送信ＵＣＡ１５−ｎとの間の伝搬チャネルは、式(7) のように直交化してmin[ＮRX(m)，ＮTX(n)] 個の独立な伝送路を確保することができる。
【００４０】
【数６】
2019059408.tif 000008
【００４１】
この式(7) は、ＯＡＭモード生成／分離処理を表しており、離散フーリエ変換および逆変換に相当する処理である。
【００４２】
次に、Ｌ＝min(ＮRX，ＮTX）とすると、ＯＡＭモード生成／分離処理を含むチャネル応答Λは、式(8) のように形成される。
【００４３】
【数７】
2019059408.tif 000009
【００４４】
ここで、Ｈl(x),l(y)は、ＯＡＭモードｌ(x) とｌ(y) との間のチャネルであり、式(9)のように表される。
【数８】
2019059408.tif 000010
【００４５】
このように得られたチャネル応答Λに対して、式(10)に示すように特異値分解を行い、式(11)に示すように送信局において対応する左特異ベクトルを送信ウエイトとし、受信局において対応する右特異ベクトルを受信ウエイトとするウエイト乗算処理を行うことにより、Ｐ＝min(ＭRX，ＭTX）とすると、Ｌ個のＯＡＭモード毎にそれぞれＰ個の独立な伝送路を確保できる。
【００４６】
【数９】
2019059408.tif 000011
【００４７】
ここで、実際に利用するＯＡＭモードの数をＬuse (≦Ｌ)とすると、式(9) の要素
Ｈl(x),l(y) は、実際に利用するＯＡＭモードの組み合わせに限定される。したがって、送信局ではＮTX個のＬ点離散フーリエ変換、受信局ではＮRX個のＬ点離散フーリエ変換などによるＯＡＭモード生成／分離処理と、（Ｌuse×ＭRX）×（Ｌuse×ＭTX）行列の特異値分解処理が行われるだけでよく、
Ｌuse×ＭRX＝ΣnＭRX(m)かつＬuse×ＭTX＝ΣmＭTX(n) 
の場合を除き、従来のＭＩＭＯと比較して、演算量を低減することが可能である。
【００４８】
さらに、ＯＡＭモード生成／分離処理をバトラーマトリックス等のアナログ回路で行う場合、アンテナ数に比例する数のミキサやＤＡ変換器およびＡＤ変換器等の装置が必須となる従来のＭＩＭＯと異なり、使用するＯＡＭモード数を制限することで、ミキサやＤＡ変換器およびＡＤ変換器等の装置数を容易に低減することができる。
【００４９】
上記のすべてのチャネルから得られる独立な複合モードの数は、最大でＬ×Ｐ個である。
なお、これらの複合モードの中から、予め想定した設置環境で得られる固有値の大きさや、必要な並列伝送数などに応じて、利用する複合モードを任意に定めることにしてもよい。
【００５０】
図３に示すＯＡＭ多重通信方法における処理手順は、送信局に送信すべきデータが到着した際に実行される。また、特異値分解処理によるウエイト算出は、伝搬チャネルが同等である間は行わず、乗算するウエイトは過去の値を用いることにしてもよい。
【００５１】
以下、具体例を示す。
送受信アンテナは、表１に示すパラメータを有するＭ−ＵＣＡとし、伝搬軸がアンテナ面に垂直かつすべてのＵＣＡの中心を通るように送受信アンテナを対向して配置する。ここで、簡単のため、表１のパラメータは送受信アンテナ共通とする。
【００５２】
【表１】
2019059408.tif 000012
【００５３】
また、本実施例で利用するＯＡＭモードは、−２，−１，０，１，２の５モードとする。本手法では、まず前準備として、送受信局のウエイト乗算処理にて乗算するウエイトベクトルを決定するため、Ｍ−ＵＣＡを対向配置することによって形成されるチャネル（式(4))に対して、式(5) に示すＯＡＭモード生成／分離処理を送受信局で行うことにより、式(8) に示す等価チャネル行列Λ（20×20）を取得する。
【００５４】
次に、これを式(10)に示すように特異値分解することにより左右の特異行列（20×20行列）を得たのち、右特異行列を送信局にフィードバックする。
【００５５】
次に、送信信号系列は多重する複合モード数に分割され（Ｓ／Ｐ変換）、それぞれで変調される。さらに、変調された信号に対し、図３に示す処理手順に基づいて上記の前処理にて得られた右特異行列のウエイト乗算およびＯＡＭモード生成処理がなされ、ＤＡＣによってアナログ信号に変換したのち、各アンテナ素子に給電される。
【００５６】
受信局では、各アンテナ素子で受信された信号に対し、ＡＤＣによりデジタル信号へ変換したのち、図３に示す処理手順に基づいてＯＡＭモード分離処理および上記の前処理にて得られた左特異行列のウエイト乗算がなされる。さらに得られた信号を復調したのち、送信側で各複合モードに対して分割された信号を結合し（Ｐ／Ｓ変換）、受信信号系列を得る。
【００５７】
なお、本実施例において、例えばＯＦＤＭ方式のようなマルチキャリア伝送方式を用いる場合は、サブキャリア毎に本実施例に従ってチャネル推定および特異値分解を行うなど、利用する伝送方式に応じて時間あるいは周波数方向の次元を拡張して処理を行うとよい。
【００５８】
また、送受信アンテナ位置の正面対向状態からのずれや、他システムの信号およびマルチパス等による干渉がある場合は、等化ウエイトについて左特異行列の替わりにＭＭＳＥ（minimum mean square error ）アルゴリズムやＺＦ（zero forcing）アルゴリズム等の等化アルゴリズムを用いて求めたウエイトを用いることによって適切な等化処理を行うことが望ましい。
【００５９】
（実施例２）
図４は、本発明のＯＡＭ多重通信システムの実施例２の構成を示す。
【００６０】
図４において、送信局１０は、複数ＭTXの第１ＵＣＡ１５−１〜第ＭTXＵＣＡ１５−ＭTXを備え、それぞれの送信アンテナ素子数をＮTX(1)〜ＮTX(ＭTX）とする。信号処理部１１は、送信信号系列を入力し、ＯＡＭモード＃１〜＃Ｌでそれぞれ送信するＭ1 〜ＭL 個の信号を生成し、第１送信ウエイト乗算処理部１２−１〜第Ｌ送信ウエイト乗算処理部１２−Ｌに入力する。第１送信ウエイト乗算処理部１２−１は、ＯＡＭモード＃１で送信する信号に送信ウエイトを乗算し、各ＵＣＡからＯＡＭモード＃１で送信する信号を生成して第１ＯＡＭモード生成処理部１４−１〜第ＭTXＯＡＭモード生成処理部１４−ＭTXにそれぞれ入力する。同様に、第Ｌ送信ウエイト乗算処理部１２−Ｌは、ＯＡＭモード＃Ｌで送信する信号に送信ウエイトを乗算し、各ＵＣＡからＯＡＭモード＃Ｌで送信する信号を生成して第１ＯＡＭモード生成処理部１４−１〜第ＭTXＯＡＭモード生成処理部１４−ＭTXにそれぞれ入力する。第１ＯＡＭモード生成処理部１４−１〜第ＭTXＯＡＭモード生成処理部１４−ＭTXは、それぞれＯＡＭモード＃１〜＃Ｌで送信する信号を入力し、各ＵＣＡからそれぞれＯＡＭモード＃１〜＃Ｌの信号として送信されるように位相調整して各ＵＣＡのアンテナ素子に入力する。
【００６１】
受信局２０は、複数ＭRXの第１ＵＣＡ２１−１〜第ＭRXＵＣＡ２１−ＭRXを備え、それぞれの受信アンテナ素子数をＮRX(1)〜ＮRX(ＭRX）とする。第１ＯＡＭモード分離処理部２２−１〜第ＭRXＯＡＭモード分離処理部２２−ＭRXは、各ＵＣＡでそれぞれ受信する信号からＯＡＭモード＃１〜＃Ｌの信号を分離し、ＯＡＭモードごとに第１受信ウエイト乗算処理部２４−１〜第Ｌ受信ウエイト乗算処理部２４−ＭL に入力する。第１受信ウエイト乗算処理部２４−１は、各ＵＣＡで受信したＯＡＭモード＃１の信号を入力して受信ウエイトを乗算して分離し、Ｍ1 個の信号として出力する。同様に、第Ｌ受信ウエイト乗算処理部２４−ＭL は、各ＵＣＡで受信したＯＡＭモード＃Ｌの信号を入力して受信ウエイトを乗算して分離し、ＭL 個の信号として出力する。信号処理部２５は、各ＵＣＡおよび各ＯＡＭモードで受信した信号を復調して受信信号系列を出力する。
【００６２】
さらに、受信局２０には、第１ＯＡＭモード分離処理部２２−１〜第ＭRXＯＡＭモード分離処理部２２−ＭRXの出力信号から、各信号系列のチャネル情報を推定するチャネル推定・特異値分解処理部２６を備える。チャネル推定・特異値分解処理部２６は、推定したチャネル情報を第１受信ウエイト乗算処理部２４−１〜第Ｌ受信ウエイト乗算処理部２４−ＭL に設定し、チャネル情報フィードバック部２７を介して送信局１０の第１送信ウエイト乗算処理部１３−１〜第Ｌ送信ウエイト乗算処理部１３−ＭL に設定するとともに、信号処理部１１に対してＯＡＭモードごとの多重数Ｍ1 〜ＭL を設定する。
【００６３】
実施例２の特徴は、ＯＡＭモードごとに並列に送信ウエイト乗算処理および受信ウエイト乗算処理を行うところにある。
【００６４】
ＯＡＭモード生成処理部およびＯＡＭモード分離処理部では、それぞれ異なるＯＡＭモードの信号を生成／分離しているため、式(8)に示すＯＡＭモード生成／分離処理を含む等価チャネルΛを構成するＯＡＭモード間のチャネルＨl(x),l(y) のうち、異なるＯＡＭモード間（ｘ≠ｙ）のチャネルは０行列として近似することができ、式(12)のようなブロック対角行列が得られる。
【００６５】
【数１０】
2019059408.tif 000013
【００６６】
ここで、同一ＯＡＭモード間（ｘ＝ｙ）のチャネルをＨl(k)＝Ｈl(k), l(k)（ｋ＝1,2,…,L）として再定義すると、Ｌ個の独立なチャネル応答Ｈl(k)に対して、式(13)のように特異値分解を行い、式(14)に示すように送信局および受信局においてそれぞれ対応する左特異ベクトルおよび右特異ベクトルをウエイトとするウエイト乗算処理を行うことにより、Ｐ＝min(ＭRX，ＭTX ) とすると、Ｌ個のＯＡＭモード毎にそれぞれＰ個の独立な伝送路を確保できる。
【００６７】
【数１１】
2019059408.tif 000014
【００６８】
ここで、実際に利用するＯＡＭモードの数をＬuse (≦Ｌ)とすると、送信局ではＮTX個のＬ点離散フーリエ変換、受信局ではＮRX個のＬ点離散フーリエ変換などによるＯＡＭモード生成／分離処理と、Ｌuse 回の（ＭRX×ＭTX）行列の特異値分解処理が行われるだけでよく、従来のＭＩＭＯや実施例１と比較して、演算量を大幅に低減することが可能である。
【００６９】
さらに、ＯＡＭモード生成／分離処理をバトラーマトリックス等のアナログ回路で行う場合、アンテナ数に比例する数のミキサやＤＡ変換器およびＡＤ変換器等の装置が必須となる従来のＭＩＭＯと異なり、使用するＯＡＭモード数を制限することで、ミキサやＤＡ変換器およびＡＤ変換器等の装置数を容易に低減することができる。
【００７０】
上記のすべてのチャネルから得られる独立な複合モードの数は、最大でＬ×Ｐ個である。
なお、これらの複合モードの中から、予め想定した設置環境で得られる固有値の大きさや、必要な並列伝送数などに応じて、利用する複合モードを任意に定めることにしてもよい。
【００７１】
図３に示すＯＡＭ多重通信方法における処理手順は、送信局に送信すべきデータが到着した際に実行される。また、特異値分解処理によるウエイト算出は、伝搬チャネルが同等である間は行わず、乗算するウエイトは過去の値を用いることにしてもよい。
【００７２】
実施例１同様に、送受信アンテナは、表１に示すパラメータを有するＭ−ＵＣＡとし、伝搬軸がアンテナ面に垂直かつすべてのＵＣＡの中心を通るように送受信アンテナを対向して配置する。ここで、簡単のため、表１のパラメータは送受信アンテナ共通とする。
【００７３】
また、本実施例で利用するＯＡＭモードは−８，−７，…，６，７の16モードとする。本手法では、まず前準備として、送受信局のウエイト乗算処理にて乗算するウエイトベクトルを決定するため、Ｍ−ＵＣＡを対向配置することによって形成されるチャネル（式(4))に対して、式(5) に示すＯＡＭモード生成／分離処理を送受信局で行うことにより、式(9) に示すＯＡＭモード間のチャネルのうち、同一ＯＡＭモードｌ間のチャネル行列Ｈl(４×４）を取得する。
【００７４】
次に、これを式(13)に示すように特異値分解することにより左右の特異行列（４×４行列16個）を得たのち、右特異行列を送信機にフィードバックする。表２に、表１のパラメータでアンテナを設置した場合における、回転方向および直径方向の次元の組み合わせに対応する固有値を示す。
【００７５】
【表２】
2019059408.tif 000015
【００７６】
次に、送信信号系列は多重する複合モード数に分割され（Ｓ／Ｐ変換）、それぞれで変調される。さらに、変調された信号に対し、図３に示す処理手順に基づいて上記の前処理にて得られた右特異行列のウエイト乗算およびＯＡＭモード生成処理がなされ、ＤＡＣによってアナログ信号に変換したのち、各アンテナ素子に給電される。
【００７７】
受信局では、各アンテナ素子で受信された信号に対し、ＡＤＣによりデジタル信号へ変換したのち、図３に示す処理手順に基づいてＯＡＭモード分離処理および上記の前処理にて得られた左特異行列のウエイト乗算がなされる。さらに得られた信号を復調したのち、送信側で各複合モードに対して分割された信号を結合し（Ｐ／Ｓ変換）、受信信号系列を得る。
【００７８】
なお、本実施例において、例えばＯＦＤＭ方式のようなマルチキャリア伝送方式を用いる場合は、サブキャリア毎に本実施例に従ってチャネル推定および特異値分解を行うなど、利用する伝送方式に応じて時間あるいは周波数方向の次元を拡張して処理を行うとよい。
【００７９】
また、送受信アンテナ位置の正面対向状態からのずれや、他システムの信号およびマルチパス等による干渉がある場合は、等化ウエイトについて左特異行列の替わりにＭＭＳＥ（minimum mean square error ）アルゴリズムやＺＦ（zero forcing）アルゴリズム等の等化アルゴリズムを用いて求めたウエイトを用いることによって適切な等化処理を行うことが望ましい。
【００８０】
（実施例３）
実施例３は、送信信号系列をＳ／Ｐ変換して変調する際に、複合モードの固有値を用い、注水定理等を用いて利用する複合モードやそれらに割り当てる電力制御を行うとともに、適応変調やチャネル符号化を行う。
【００８１】
表３は、注水定理を用いて複合モード選択および電力配分を行った場合の電力を示す。なお、回転方向および直径方向の次元のモードの組み合わせが [0, 0] の場合の電力を1 として正規化してある。表３は、表１のパラメータで送受信アンテナを設置して注水定理を適用した場合、図の太枠内の複合モードが利用されることを示している。
【００８２】
【表３】
2019059408.tif 000016
【００８３】
表２および表３より、利用した複合モード毎に割り当てるべき受信電力が得られるため、送受信局で重畳するノイズを考慮したモード毎の受信ＳＮＲに応じて適応的に変調方式や符号化方式を選択することにより、実施例１と比較して高い伝送容量を確保することができる。
【００８４】
（実施例４）
実施例４は、アンテナ間距離に対応する利用複合モードや送受信局で乗算するべきウエイト、電力配分のテーブルまたは関数等を予め用意する。
【００８５】
アンテナ構成を一意に定めた場合、アンテナ間のチャネルおよびこれらの固有値はアンテナ間距離によって一意に定まる。すなわち、実施例４では、チャネル情報の推定およびフィードバックを必要とせず、アンテナ間距離の情報を取得することで、予め作成した前記のテーブルまたは関数等に基づいて利用複合モードおよび電力配分を決定することができる。
【００８６】
（実施例５）
図５は、本発明のＯＡＭ多重通信システムの実施例５の構成を示す。
図５において、図２に示す実施例１の受信局２０のチャネル推定・特異値分解処理部２６およびフィードバック部２７に代えて、実施例５ではウエイト算出処理部２８を備える。ウエイト算出処理部２８は、第１ＯＡＭモード分離処理部２２−１〜第ＭRXＯＡＭモード分離処理部２２−ＭRXの出力信号から、チャネル推定およびウエイト算出を行い、受信ウエイト乗算処理部２３に設定する。
【００８７】
図６は、実施例５におけるＯＡＭ多重通信方法の処理手順の一例である。
図６において、送信局１０は、規定のチャネル情報を用いて多重数／伝送モードを決定し、ウエイト乗算処理を行い、ＯＡＭモードの信号を生成してＯＡＭ多重伝送する。受信局２０は、受信したＯＡＭモードの信号の分離処理を行い、チャネル推定およびウエイト算出を行い、ウエイト乗算処理を行って受信信号として出力する。
【００８８】
実施例５の動作原理は、基本的には実施例１の動作原理と同様であるが、式(8) で得られたチャネル応答Λに対して、予め定めた送信ウエイトベクトルで形成される送信ウエイト行列Ｖを乗算することにより、以下の式(15)のような信号が得られる。
【００８９】
【数１２】
2019059408.tif 000017
【００９０】
ここで、ｓは信号ベクトルである。最後に、得られた受信信号ベクトルｙに対し、予め定めた受信ウエイト行列Ｕ、またはＭＭＳＥ（minimum mean square error ）アルゴリズムやＺＦ（zero forcing）アルゴリズム等の等化アルゴリズムを用いて得られた受信ウエイト行列Ｕにより等化処理を行うことで、Ｐ＝min(ＭRX，ＭTX）とすると、Ｌ個のＯＡＭモード毎にそれぞれＰ個の独立な伝送路を確保でき式(16)のような信号が得られる。
【００９１】
【数１３】
2019059408.tif 000018
【００９２】
ここで、実際に利用するＯＡＭモードの数をＬuse (≦Ｌ)とすると、式(9) の要素
Ｈl(x),l(y) は、実際に利用するＯＡＭモードの組み合わせに限定される。したがって、送信局ではＮTX個のＬ点離散フーリエ変換、受信局ではＮRX個のＬ点離散フーリエ変換などによるＯＡＭモード生成／分離処理と、予め送受信ウエイトが定められていない場合に（Ｌuse×ＭRX）×（Ｌuse×ＭTX）行列の等化処理が行われるだけでよく、従来のＭＩＭＯと比較して、演算量を低減することが可能である。
【００９３】
さらに、ＯＡＭモード生成／分離処理をバトラーマトリックス等のアナログ回路で行う場合、アンテナ数に比例する数のミキサやＤＡ変換器およびＡＤ変換器等の装置が必須となる従来のＭＩＭＯと異なり、使用するＯＡＭモード数を制限することで、ミキサやＤＡ変換器およびＡＤ変換器等の装置数を容易に低減することができる。
【００９４】
上記のすべてのチャネルから得られる独立な複合モードの数は、最大でＬ×Ｐ個である。
なお、これらの複合モードの中から、予め想定した設置環境で得られる固有値の大きさや、必要な並列伝送数などに応じて、利用する複合モードを任意に定めることにしてもよい。
【００９５】
図６に示すＯＡＭ多重通信方法における処理手順は、送信局に送信すべきデータが到着した際に実行される。また、ウエイト算出は、伝搬チャネルが同等である間は行わず、乗算するウエイトは過去の値を用いることにしてもよい。
【００９６】
以下、具体例を示す。
送受信アンテナは、表１に示すパラメータを有するＭ−ＵＣＡとし、伝搬軸がアンテナ面に垂直かつすべてのＵＣＡの中心を通るように送受信アンテナを対向して配置する。
【００９７】
また、本実施例で利用するＯＡＭモードは、−２，−１，０，１，２の５モードとする。本手法で用いる送信ウエイト行列として、式(17)に示す単位行列を用いる。
【数１４】
2019059408.tif 000019
【００９８】
これは、４つのＯＡＭモード生成処理部が利用するＯＡＭモードに対応するポートに対して、４×５個の信号をそれぞれ独立に入力することに相当する。
【００９９】
なお、これは図５に示す送信ウエイト乗算処理部１２を省略した構成と等価であり、信号処理部１１からＯＡＭモード生成処理部に対して直接信号を入力する構成としてもよい。
【０１００】
まず、送信局では、送信信号系列が多重する複合モード数に分割され（Ｓ／Ｐ変換）、それぞれで変調される。なお、それぞれの信号の前には、送受信局で予め共有された異なる既知信号系列が付与される。さらに、変調された信号に対し、式(12)に示すウエイト乗算およびＯＡＭモード生成処理がなされ、ＤＡ変換器によってアナログ信号に変換したのち、各アンテナ素子に給電される。
【０１０１】
受信局では、各アンテナ素子で受信された信号に対し、ＡＤ変換器によりデジタル信号へ変換した後にＯＡＭモード分離処理が行われ、受信された信号ｙに対して、ＭＭＳＥアルゴリズムにより算出した受信ウエイト行列Ｕを乗算する。さらに得られた信号を復調したのち、送信側で各複合モードに対して分割された信号を結合し（Ｐ／Ｓ変換）、受信信号系列を得る。
【０１０２】
（実施例６）
図７は、本発明のＯＡＭ多重通信システムの実施例６の構成を示す。
図７において、図４に示す実施例２の受信局２０のチャネル推定・特異値分解処理部２６およびフィードバック部２７に代えて、実施例６ではウエイト算出処理部２８を備える。ウエイト算出処理部２８は、第１ＯＡＭモード分離処理部２２−１〜第ＭRXＯＡＭモード分離処理部２２−ＭRXの出力信号から、チャネル推定およびウエイト算出を行い、受信ウエイト乗算処理部２３に設定する。
【０１０３】
ＯＡＭモード生成処理部およびＯＡＭモード分離処理部では、それぞれ異なるＯＡＭモードの信号を生成／分離しているため、式(8) に示すＯＡＭモード生成／分離処理を含む等価チャネルΛを構成するＯＡＭモード間のチャネルＨl(x),l(y) のうち、異なるＯＡＭモード間（ｘ≠ｙ）のチャネルは０行列として近似することができ、式(18)のようなブロック対角行列が得られる。
【０１０４】
【数１５】
2019059408.tif 000020
【０１０５】
ここで、同一ＯＡＭモード間（ｘ＝ｙ）のチャネルをＨl(k)＝Ｈl(k), l(k)（ｋ＝1,2,…,L）として再定義すると、Ｌ個の独立なチャネル応答Ｈl(k)に対して、予め送信ウエイトベクトルで形成される送信ウエイト行列Ｖl をＰ（Ｐ＝min(ＭRX，ＭTX) ）個の信号に乗算することにより、ＯＡＭモードｌ毎に式(19)のような信号が得られる。
【数１６】
2019059408.tif 000021
【０１０６】
ここで、ｓl は信号ベクトルである。最後に、得られた受信信号ベクトルｙl に対し、実施例１と同様に、予め定めた受信ウエイト行列Ｕ、またはＭＭＳＥ（minimum mean square error ）アルゴリズムやＺＦ（zero forcing）アルゴリズム等の等化アルゴリズムを用いて得られた受信ウエイト行列Ｕにより等化処理を行うことで、Ｐ個の独立な伝送路が得られ、式(20)のような信号が得られる。
【数１７】
2019059408.tif 000022
【０１０７】
ここで、実際に利用するＯＡＭモードの数をＬuse (≦Ｌ)とすると、式(9) の要素
Ｈl(x),l(y) は、実際に利用するＯＡＭモードの組み合わせに限定される。したがって、送信局ではＮTX個のＬ点離散フーリエ変換、受信局ではＮRX個のＬ点離散フーリエ変換などによるＯＡＭモード生成／分離処理と、予め送受信ウエイトが定められていない場合にＬuse 回のＮTX×ＮRX行列の等化処理が行われるだけでよく、従来のＭＩＭＯや実施例１と比較して、演算量を大幅に低減することが可能である。
【０１０８】
さらに、ＯＡＭモード生成／分離処理をバトラーマトリックス等のアナログ回路で行う場合、アンテナ数に比例する数のミキサやＤＡＣ変換器およびＡＤ変換器等の装置が必須となる従来のＭＩＭＯと異なり、使用するＯＡＭモード数を制限することで、ミキサやＤＡＣ変換器およびＡＤ変換器等の装置数を容易に低減することができる。
【０１０９】
上記のすべてのチャネルから得られる独立な複合モードの数は、最大でＬ×Ｐ個である。
なお、これらの複合モードの中から、予め想定した設置環境で得られる固有値の大きさや、必要な並列伝送数などに応じて、利用する複合モードを任意に定めることにしてもよい。
【０１１０】
図６に示すＯＡＭ多重通信方法における処理手順は、送信局に送信すべきデータが到着した際に実行される。また、ウエイト算出は、伝搬チャネルが同等である間は行わず、乗算するウエイトは過去の値を用いることにしてもよい。
【０１１１】
実施例５同様に、送受信アンテナは、表１に示すパラメータを有するＭ−ＵＣＡとし、伝搬軸がアンテナ面に垂直かつすべてのＵＣＡの中心を通るように送受信アンテナを対向して配置する。ここで、簡単のため、表１のパラメータは送受信アンテナ共通とする。
【０１１２】
また、本実施例で利用するＯＡＭモードは−２，−１，０，１，２の５モードとする。本手法で用いる送信ウエイト行列として、式(21)に示す単位行列を用いる。
【数１８】
2019059408.tif 000023
【０１１３】
これは、各ＵＣＡに対応する４つのＯＡＭモード生成処理部が利用するＯＡＭモードに対応するポートに対して、４つの信号をそれぞれ独立に入力することに相当する。
【０１１４】
なお、これは図７に示す第１送信ウエイト乗算処理部１３−１〜第Ｌ送信ウエイト乗算処理部１３−Ｌを省略した構成と等価であり、信号処理部１１から第１ＯＡＭモード生成処理部１４−１〜第ＭTXＯＡＭモード生成処理部１４−ＭTXに対して直接信号を入力する構成としてもよい。
【０１１５】
まず、送信局では、送信信号系列が多重する複合モード数に分割され（Ｓ／Ｐ変換）、それぞれで変調される。なお、それぞれの信号の前には、送受信局で予め共有された異なる既知信号系列が付与される。さらに、変調された信号に対し、式(21)に示すウエイト乗算およびＯＡＭモード生成処理がなされ、ＤＡＣによってアナログ信号に変換したのち、各アンテナ素子に給電される。
【０１１６】
受信局では、各アンテナ素子で受信された信号に対し、ＡＤＣによりデジタル信号へ変換した後にＯＡＭモード分離処理が行われ、同じＯＡＭモードごとに受信された信号ｙl に対して、ＭＭＳＥアルゴリズムにより算出した受信ウエイト行列Ｕを乗算する。さらに得られた信号を復調したのち、送信側で各複合モードに対して分割された信号を結合し（Ｐ／Ｓ変換）、受信信号系列を得る。
【０１１７】
（実施例７）
実施例７は、直交する送信ウエイトベクトルおよび受信ウエイトベクトルを、送受信アンテナ間距離とガウス関数に基づいて決定する。
【０１１８】
まず、送信局は、レーザー距離計やその他の距離推定法を用いて、送受信アンテナ間距離の情報を取得する。送受信アンテナ間距離をｚとすると、送信ウエイトベクトルおよび受信ウエイトベクトルで形成されるウエイト行列Ｖl およびＵl は、式(22)のように表すことができる。
【０１１９】
【数１９】
2019059408.tif 000024
【０１２０】
また、ω0 は、ガウシアンビームのビームウエイト径、ｚ0 はガウシアンビームのビームウエイト位置のオフセットを表す値であり、アンテナの設置環境に合わせて任意の値に設定してもよい。
【０１２１】
また、離散的な値をとる距離に対応したウエイト行列を予め算出したテーブルを用意することで演算処理をなくし、テーブルから実際の距離に対して最も近いウエイト行列を選択して利用する構成としてもよい。
【０１２２】
（実施例８）
実施例８は、送信信号系列をＳ／Ｐ変換して変調する際に複合モードの固有値を用い、注水定理等を用いて利用する複合モードやそれらに割り当てる電力制御を行うとともに、適応変調やチャネル符号化を行う。
【０１２３】
実施例７のように規定の関数やテーブルを用いる場合、予めアンテナ間距離に対応するモード毎の固有値を計算して準備おくことができる。このとき、例えば注水定理等を用いることで利用した複合モード毎に割り当てるべき受信電力が得られ、送受信局で重畳するノイズを考慮したモード毎の受信ＳＮＲに応じて適応的に変調方式や符号化方式を選択することにより、実施例５〜７と比較して高い伝送容量を確保することができる。これは、通信中に通信品質情報をフィードバックして逐次的、適応的に行われてもよい。
【０１２４】
（実施例９）
実施例９は、デジタル信号処理とアナログ回路による信号処理の機能配分を行う。
実施例９では、ＯＡＭモード生成／分離処理においてバトラーマトリックスやロットマンレンズおよびそれらに類するアナログ回路を用いる。なお、実施例９では送受信アンテナの各ＵＣＡの備えるアンテナ素子を８個ずつとする。
【０１２５】
図８は、送信局の８×８バトラーマトリックスの一例を示す。
図８において、８×８バトラーマトリックスは、90度ハイブリッドと、それぞれ数値で示した位相シフタにより構成される。このように、デジタル信号処理の一部をアナログ回路で行うことによってさらなるデジタル信号処理負荷の軽減が可能である。
【０１２６】
さらに、高次のＯＡＭモードは十分な固有値が得られない設置環境である場合など、全てのＯＡＭモードを使いきることができない、あるいは使う必要がない場合がある。例えば、表３の場合でもＯＡＭモード８は利用していない。
【０１２７】
そのような場合、送受信局のアナログ回路において利用しないＯＡＭモードに対応する入力ポートをはじめから終端することにより、ＡＤ変換器およびＤＡ変換器の数を低減することができる。
【０１２８】
さらに図９に示すように、使用しないポートを終端装置等を用いて終端しておくことにより、最大利用ＯＡＭモード数によってはアナログ回路規模を削減することもできる。
【０１２９】
（実施例１０）
実施例１０は、送信アンテナおよび受信アンテナの設置方法として、パラボラアンテナの反射器あるいはレンズを備える。ここでは、各ＵＣＡの中心を通る伝搬軸がパラボラアンテナの放物面の対称軸に一致するように配置することで、高い受信信号利得が得られる。他にも、例えば同様のビームが得られるよう設置したオフセットパラボラアンテナを用いてもよい。
【符号の説明】
【０１３０】
１０  送信局
１１  信号処理部
１２，１３  送信ウエイト乗算処理部
１４  ＯＡＭモード生成処理部
１５  送信ＵＣＡ
２０  受信局
２１  受信ＵＣＡ
２２  ＯＡＭモード分離処理部
２３，２４  受信ウエイト乗算処理部
２５  信号処理部
２６  チャネル推定・特異値分解処理部
２７  フィードバック部
２８  ウエイト算出処理部
【図１】
2019059408.tif 000025
【図２】
2019059408.tif 000026
【図３】
2019059408.tif 000027
【図４】
2019059408.tif 000028
【図５】
2019059408.tif 000029
【図６】
2019059408.tif 000030
【図７】
2019059408.tif 000031
【図８】
2019059408.tif 000032
【図９】
2019059408.tif 000033
【手続補正書】
【提出日】令和2年3月11日(2020.3.11)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項９】
請求項８に記載のＯＡＭ多重通信方法において、
前記送信局は、前記アンテナ間距離に応じて直交分布関数から前記送信ウエイトを決定し、
前記受信局は、前記アンテナ間距離に応じて前記送信局で用いた直交分布関数から前記受信ウエイトを決定する
ことを特徴とするＯＡＭ多重通信方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００６０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００６０】
図４において、送信局１０は、複数ＭTXの第１ＵＣＡ１５−１〜第ＭTXＵＣＡ１５−ＭTXを備え、それぞれの送信アンテナ素子数をＮTX(1)〜ＮTX(ＭTX）とする。信号処理部１１は、送信信号系列を入力し、ＯＡＭモード＃１〜＃Ｌでそれぞれ送信するＭ1 〜ＭL 個の信号を生成し、第１送信ウエイト乗算処理部１３−１〜第Ｌ送信ウエイト乗算処理部１３−Ｌに入力する。第１送信ウエイト乗算処理部１３−１は、ＯＡＭモード＃１で送信する信号に送信ウエイトを乗算し、各ＵＣＡからＯＡＭモード＃１で送信する信号を生成して第１ＯＡＭモード生成処理部１４−１〜第ＭTXＯＡＭモード生成処理部１４−ＭTXにそれぞれ入力する。同様に、第Ｌ送信ウエイト乗算処理部１３−Ｌは、ＯＡＭモード＃Ｌで送信する信号に送信ウエイトを乗算し、各ＵＣＡからＯＡＭモード＃Ｌで送信する信号を生成して第１ＯＡＭモード生成処理部１４−１〜第ＭTXＯＡＭモード生成処理部１４−ＭTXにそれぞれ入力する。第１ＯＡＭモード生成処理部１４−１〜第ＭTXＯＡＭモード生成処理部１４−ＭTXは、それぞれＯＡＭモード＃１〜＃Ｌで送信する信号を入力し、各ＵＣＡからそれぞれＯＡＭモード＃１〜＃Ｌの信号として送信されるように位相調整して各ＵＣＡのアンテナ素子に入力する。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００７４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００７４】
次に、これを式(13)に示すように特異値分解することにより左右の特異行列（４×４行列16個）を得たのち、右特異行列を送信局にフィードバックする。表２に、表１のパラメータでアンテナを設置した場合における、回転方向および直径方向の次元の組み合わせに対応する固有値を示す。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１０８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１０８】
さらに、ＯＡＭモード生成／分離処理をバトラーマトリックス等のアナログ回路で行う場合、アンテナ数に比例する数のミキサやＤＡ変換器およびＡＤ変換器等の装置が必須となる従来のＭＩＭＯと異なり、使用するＯＡＭモード数を制限することで、ミキサやＤＡ変換器およびＡＤ変換器等の装置数を容易に低減することができる。
【国際調査報告】
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