(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに異なる偏波方向成分の電磁波を送信するＱ（Ｑは整数）個の送信アンテナを具備する送信アンテナアレーと、
互いに異なる偏波方向成分の電磁波を受信するＰ（Ｐは整数）個の受信アンテナを具備する受信アンテナアレーと、
受信機側無線信号処理部と、を備え、
前記送信アンテナアレーは、Ｎ（Ｎは整数且つＮ≦Ｑ）種類の送信信号をＮ種類の異なる順序で前記送信アンテナを定められた時間に切り替えながら送信し、
前記受信アンテナアレーは、Ｍ（Ｍは整数且つＭ≦Ｐ）種類の異なる順序で前記受信アンテナを前記定められた時間に切り替えながら前記送信信号を受信し、
前記受信機側無線信号処理部は、前記受信アンテナアレーで前記Ｍ種類の異なる順序で前記受信アンテナを切り替えながら受信した信号のそれぞれにおいて、前記定められた時間よりも長い時間内に足し合わせることで、前記送信アンテナアレーでの偏波方向成分とその切り替え順序が前記受信アンテナアレーでの偏波方向成分とその切り替え順序に等しい前記送信信号のみを受信するアンテナ装置。
【請求項２】
前記送信アンテナアレーは、前記送信アンテナ又は前記送信アンテナの給電点が２π／Ｑの角度間隔で放射状に配置され、
前記受信アンテナアレーは、前記受信アンテナ又は前記受信アンテナの給電点が２π／Ｐの角度間隔で放射状に配置される請求項１に記載のアンテナ装置。
【請求項３】
前記送信アンテナアレーは、前記送信アンテナ又は前記送信アンテナの給電点が角度２π／ｑｎ（ただしｑｎは１,…,Ｑまでの整数のいずれかである）の位置に配置され、
前記受信アンテナアレーは、前記受信アンテナ又は前記受信アンテナの給電点が角度２π／ｐｍ（ただしｐｍは１,…,Ｐまでの整数のいずれかである）の位置に配置される請求項１に記載のアンテナ装置。
【請求項４】
前記送信アンテナ及び前記受信アンテナの切り替え順序を乱数により決定する請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のアンテナ装置。
【請求項５】
前記送信アンテナアレーは、前記送信アンテナから基準となる偏波方向でトレーニング信号を送信し、
前記受信アンテナアレーは、前記受信アンテナ毎に前記トレーニング信号を受信し、
前記受信機側無線信号処理部は、前記受信アンテナ毎に受信した前記トレーニング信号のうち、最も受信強度が大きい偏波方向に対応するアンテナを、前記送信アンテナアレーの基準となる偏波方向成分を放射するアンテナと設定する請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のアンテナ装置。
【請求項６】
前記送信アンテナアレーは、前記送信アンテナから基準の偏波方向でトレーニング信号を送信し、前記定められた時間後に再度前記トレーニング信号を送信し、
前記受信アンテナアレーは、前記受信アンテナで前記トレーニング信号を受信し、
前記受信機側無線信号処理部は、前記受信アンテナで一度目の前記トレーニング信号を受信した時刻と二度目の前記トレーニング信号を受信した時刻との差から前記切り替え時間を計算する請求項１から請求項５のいずれか一項に記載のアンテナ装置。
【請求項７】
前記受信機側無線信号処理部は、複数の前記受信アンテナの中から２個以上の前記受信アンテナを選択し、前記選択した前記受信アンテナの各々から取得した信号を加算及び減算することで和信号と差信号とを算出し、前記和信号と差信号とに基づいて前記受信アンテナの位置を測定する請求項１から請求項６のいずれか一項に記載のアンテナ装置。
【請求項８】
前記送信アンテナアレーは、所定のストリームを一定の偏波方向で送信し、
前記受信アンテナアレーは、前記所定のストリームの直接波と反射波とを同時に受信し、
前記反射波が持つ偏波方向成分とは異なる偏波方向成分の送信アンテナから前記所定のストリームとは異なるストリームを伝送する請求項１から請求項７のいずれか一項に記載のアンテナ装置。
【請求項９】
前記送信アンテナ及び前記受信アンテナの各アンテナから２種類の直交した偏波方向成分を同時に伝送する請求項１から請求項８のいずれか一項に記載のアンテナ装置。
【請求項１０】
前記送信アンテナ及び前記受信アンテナの各アンテナにおいて、異なる指向性パターンにより同時に複数のストリームを伝送する請求項１から請求項９のいずれか一項に記載のアンテナ装置。
【請求項１１】
互いに異なる偏波方向成分の電磁波を送信するＱ（Ｑは整数）個の送信アンテナを具備する送信アンテナアレーと、互いに異なる偏波方向成分の電磁波を受信するＰ（Ｐは整数）個の受信アンテナを具備する受信アンテナアレーと、を用いて複数の電磁波を伝送する電磁波伝送方法であって、
Ｎ（Ｎは整数且つＮ≦Ｑ）種類の送信信号をＮ種類の異なる順序で前記送信アンテナを定められた時間に切り替えながら送信するステップと、
Ｍ（Ｍは整数且つＭ≦Ｐ）種類の異なる順序で前記受信アンテナを前記定められた時間に切り替えながら前記送信信号を受信するステップと、
前記受信アンテナアレーで前記Ｍ種類の異なる順序で前記受信アンテナを切り替えながら受信した信号のそれぞれにおいて、前記定められた時間よりも長い時間内に足し合わせることで、前記送信アンテナアレーでの偏波方向成分とその切り替え順序が前記受信アンテナアレーでの偏波方向成分とその切り替え順序に等しい前記送信信号のみを受信するステップと、
を有する電磁波伝送方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アンテナ装置及び電磁波伝送方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
高速伝送を実現する技術として、非特許文献１には、ＭＩＭＯ伝送技術が開示されている。図１０は、従来の高速伝送を実現する方法として用いられるＭＩＭＯ伝送技術の例を示す図である。図１０に示すように、送信アンテナアレー５０１は、複数のアンテナ５００が配設されている。受信アンテナアレー５０２は、複数のアンテナ５００が配設されている。また、送信アンテナアレー５０１に対して、送信機側無線信号処理部５０４が設けられ、受信アンテナアレー５０２に対して、受信機側無線信号処理部５０５が設けられる。このＭＩＭＯ伝送技術によれば、送受信機側双方でチャネル情報に基づく瞬時重み付け処理を行うことにより、高速なＭＩＭＯ伝送が可能となる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】I.E.Telatar、「Capacity of Multi-antenna Gaussian Channels」、European Transactions on Telecommunications、vol.10、pp.585-595、1999.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、ＭＩＭＯ伝送技術を用いた従来の方法では、送受信機側双方でチャネル情報に基づく瞬時重み付け処理を行う場合、重み付け演算のためのチャネル情報をフィードバックする処理やチャネル情報を推定する処理が必要である。したがって、マルチストリーム伝送（多ストリーム伝送）を行うためにアンテナ数の増加させた場合、重み付け処理の演算量が増加することで、装置のサイズが増加するといった課題がある。
【０００５】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、その目的は、重み付け演算処理の演算量の増加を抑制し、マルチストリーム伝送を行うことができるアンテナ装置及び電磁波伝送方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一態様は、Ｑ（Ｑは整数）個の送信アンテナを具備する送信アンテナアレーと、Ｐ（Ｐは整数）個の受信アンテナを具備する受信アンテナアレーと、前記送信アンテナアレーは、Ｎ（Ｎは整数且つＮ≦Ｑ）種類の送信信号をＮ種類の異なる順序で前記送信アンテナを定められた時間に切り替えながら送信し、前記受信アンテナアレーは、Ｍ種類（Ｍは整数且つＭ≦Ｐ）の順序で前記受信アンテナを前記定められた時間に切り替えながら前記送信信号を受信し、前記定められた時間よりも長い時間内に前記受信アンテナアレーで受信した前記送信信号を足し合わせる受信機側無線信号処理部と、を有するアンテナ装置である。
【０００７】
また、本発明の一態様は、上述のアンテナ装置であって、前記送信アンテナアレーは、前記送信アンテナ又は前記送信アンテナの給電点が２π／Ｑの角度間隔で放射状に配置され、前記受信アンテナアレーは、前記受信アンテナ又は前記受信アンテナの給電点が２π／Ｐの角度間隔で放射状に配置される。
【０００８】
また、本発明の一態様は、上述のアンテナ装置であって、前記送信アンテナアレーは、前記送信アンテナ又は前記送信アンテナの給電点が角度２π／ｑｎ（ただしｑｎは１,…,Ｑまでの整数のいずれかである）の位置に配置され、前記受信アンテナアレーは、前記受信アンテナ又は前記受信アンテナの給電点が角度２π／ｐｍ（ただしｐｍは１,…,Ｐまでの整数のいずれかである）の位置に配置される。
【０００９】
また、本発明の一態様は、上述のアンテナ装置であって、前記送信アンテナ及び前記受信アンテナの切り替え順序を乱数により決定する。
【００１０】
また、本発明の一態様は、上述のアンテナ装置であって、前記送信アンテナアレーは、前記送信アンテナから基準となる偏波方向でトレーニング信号を送信し、前記受信アンテナアレーは、前記受信アンテナ毎に前記トレーニング信号を受信し、前記受信機側無線信号処理部は、前記受信アンテナ毎に受信した前記トレーニング信号のうち、最も受信強度が大きい偏波方向に対応するアンテナを、前記送信アンテナアレーの基準となる偏波方向成分を放射するアンテナと設定する。
【００１１】
また、本発明の一態様は、上述のアンテナ装置であって、前記送信アンテナアレーは、前記送信アンテナから基準の偏波方向でトレーニング信号を送信し、前記定められた時間後に再度前記トレーニング信号を送信し、前記受信アンテナアレーは、前記受信アンテナで前記トレーニング信号を受信し、前記受信機側無線信号処理部は、前記受信アンテナで一度目の前記トレーニングを受信した時刻と二度目の前記トレーニング信号を受信した時刻との差から前記切り替え時間を計算する。
【００１２】
また、本発明の一態様は、上述のアンテナ装置であって、前記受信機側無線信号処理部は、複数の前記受信アンテナの中から２個以上の前記受信アンテナを選択し、前記選択した前記受信アンテナの各々から取得した信号を加算及び減算することで和信号と差信号とを算出し、前記和信号と差信号とに基づいて前記受信アンテナの位置を測定する。
【００１３】
また、本発明の一態様は、上述のアンテナ装置であって、前記送信アンテナアレーは、所定のストリームを一定の偏波方向で送信し、前記受信アンテナアレーは、前記所定のストリームの直接波と反射波とを同時に受信し、前記反射波が持つ偏波方向成分とは異なる偏波方向成分の送信アンテナから前記所定のストリームとは異なるストリームを伝送する。
【００１４】
また、本発明の一態様は、上述のアンテナ装置であって、前記送信アンテナ及び前記受信アンテナの各アンテナから２種類の直交した偏波方向成分を同時に伝送する。
【００１５】
また、本発明の一態様は、上述のアンテナ装置であって、前記送信アンテナ及び前記受信アンテナの各アンテナにおいて、異なる指向性パターンにより同時に複数のストリームを伝送する。
【００１６】
また、本発明の一態様は、Ｑ（Ｑは整数）個の送信アンテナを具備する送信アンテナアレーと、Ｐ（Ｐは整数）個の受信アンテナを具備する受信アンテナアレーと、を用いて複数の電磁波を伝送する電磁波伝送方法であって、Ｎ（Ｎは整数且つＮ≦Ｑ）種類の送信信号をＮ種類の異なる順序で前記送信アンテナを定められた時間に切り替えながら送信するステップと、Ｍ種類（Ｍは整数且つＭ≦Ｐ）の順序で前記受信アンテナを前記定められた時間に切り替えながら前記送信信号を受信するステップと、前記定められた時間よりも長い時間内に前記受信アンテナアレーで受信した前記送信信号を足し合わせるステップと、を有する電磁波伝送方法である。
【発明の効果】
【００１７】
以上説明したように、本発明によれば、重み付け演算処理の増加を抑制し、マルチストリーム伝送を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】第１の実施形態におけるアンテナ装置１０の基本構成の一例を示す図である。
【図２】第１の実施形態における送信アンテナアレー１の構成例を示す図である。
【図３】第１の実施形態におけるアンテナ装置１０の電磁波の伝送方法について説明する図である。
【図４】第１の実施形態におけるアンテナ装置１０の送信信号の数（ストリーム数）Ｎに対する通信路容量を示す図である。
【図５】第１の実施形態における送信信号の数Ｎが３である場合の例を示す図である。
【図６】第２の実施形態におけるアンテナ装置１０Ａの基本構成を模式的に示す図である。
【図７】第２の実施形態におけるアンテナ装置１０Ａのトレーニング機能について説明する図である。
【図８】第２の実施形態における単位アンテナ１１及び単位アンテナ２１が１つの単位アンテナから２種類の直交した偏波成分を同時に放射する構成を示す図である。
【図９】第２の実施形態における１つの単位アンテナから異なる指向性パターンで同時に複数のストリームを伝送する構成を示す図である。
【図１０】従来の高速伝送を実現する方法として用いられるＭＩＭＯ伝送技術の例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の実施形態に係るアンテナ装置を、図面を参照して説明する。
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態におけるアンテナ装置１０の基本構成を模式的に示す図である。
【００２０】
図１に示すアンテナ装置１０は、無線通信システム用のアンテナ装置であり、送信アンテナアレー１、受信アンテナアレー２、送信機側無線信号処理部４、受信機側無線信号処理部５を備える。本実施形態では、送信機側無線信号処理部４および受信機側無線信号処理部５が実施する信号処理の概念には、アナログ信号処理のほか、デジタル信号処理も含まれる。したがって、送信機側無線信号処理部４及び受信機側無線信号処理部５は、その信号処理の形態に応じて、アナログ信号処理部と表現することもできるし、デジタル信号処理部と表現することもできる。
【００２１】
送信アンテナアレー１は、複数の偏波方向成分の電磁波を放射且つ受信可能な送信機である。送信アンテナアレー１は、Ｑ（Ｑは正の整数）個の単位アンテナ１１−１，１１−２，…１１−Ｑを備える。単位アンテナ１１−１，１１−２，…１１−Ｑは、複数の偏波方向成分の電磁波を送信する送信アンテナである。
受信アンテナアレー２は、複数の偏波方向成分の電磁波を放射且つ受信可能な受信機である。受信アンテナアレー２は、Ｐ（Ｐは正の整数）個の単位アンテナ２１−１，２１−２，…２１−Ｐを備える。単位アンテナ２１−１，２１−２，…２１−Ｐは、複数の偏波方向成分の電磁波を受信する受信アンテナである。
【００２２】
以下では、適宜、送信アンテナアレー１が備える「単位アンテナ１１−１，１１−２，…１１−Ｑ」を、それぞれ、「単位アンテナ１１」と称し、受信アンテナアレー２が備える「単位アンテナ２１−１，２１−２，…２１−Ｐ」を、それぞれ、「単位アンテナ２１」と称す。なお、単位アンテナ１１と単位アンテナ２１とは、同様の構成を有するアンテナであってもよい。
【００２３】
図１において、送信アンテナアレー１と受信アンテナアレー２は、所定の距離を隔てて相互に対向するように配置されている。具体的には、送信アンテナアレー１の単位アンテナ１１と受信アンテナアレー２の単位アンテナ２１とが互いに対向するように配置されている。ただし、送信アンテナアレー１の単位アンテナの数（Ｑ）と受信アンテナアレー２の単位アンテナの数（Ｐ）は、必ずしも一致している必要はない。
【００２４】
送信アンテナアレー１を構成する単位アンテナ１１の種類は、特に限定されないが、以下ではその一例について記載する。なお、受信アンテナアレー２は、送信アンテナアレー１と同様の構成を有するため、説明を省略する。
図２は、本実施形態における送信アンテナアレー１の構成例を示す図である。図２（ａ）は、本実施形態における送信アンテナアレー１の単位アンテナ１１が線状アンテナである場合を示す図である。図２（ａ）に示すように、送信アンテナアレー１の第１の構成例として、送信アンテナアレー１は、複数の線状アンテナが放射状に配置される。図２（ｂ）は、本実施形態における送信アンテナアレー１の単位アンテナ１１がホーンアンテナである場合を示す図である。図２（ｂ）に示すように、送信アンテナアレー１の第２の構成例として、送信アンテナアレー１は、複数のホーンアンテナが放射状に配置される。図２（ｃ）は、本実施形態における送信アンテナアレー１の単位アンテナ１１が円形平面アンテナである場合を示す図である。図２（ｃ）に示すように、送信アンテナアレー１の第３の構成例として、送信アンテナアレー１は、複数の円形平面アンテナの給電点が放射状に配置されている。
【００２５】
各単位アンテナ１１及び各単位アンテナ２１の間隔は、それぞれ等間隔でもよいし、不等間隔でもよい。各単位アンテナ１１の間隔が等間隔である場合には、単位アンテナ１１の各々を２π／Ｑの角度間隔で放射状に配置される。各単位アンテナ２１の間隔が等間隔である場合には、単位アンテナ２１の各々を２π／Ｐの角度間隔で放射状に配置される。なお、送信アンテナアレー１は、単位アンテナ１１（送信アンテナ）を角度間隔２π／Ｑで放射状に配置せずに、送信アンテナの給電点を２π／Ｑの角度間隔で配置するようにしてもよい。受信アンテナアレー２は、単位アンテナ２１（受信アンテナ）を角度間隔２π／Ｐで放射状に配置せずに、受信アンテナの給電点を２π／Ｐの角度間隔で配置するようにしてもよい。なお、放射状に配置されているとは、例えば、送信アンテナアレー１又は受信アンテナアレー２の中心位置を中心に単位アンテナ１１又は単位アンテナ２１が放射状に配置されていることをいう。
【００２６】
一方、各単位アンテナ１１の間隔が不等間隔である場合には、単位アンテナ１１の各々は、角度２π／ｑｎの位置に配置される。ここで、ｑｎは１,…,Ｑまでの整数のいずれかである。各単位アンテナ２１の間隔が不等間隔である場合には、単位アンテナ２１の各々は、角度２π／ｐｍの位置に配置される。ここで、ｐｍは１,…,Ｐまでの整数のいずれかである。なお、送信アンテナアレー１は、単位アンテナ１１（送信アンテナ）を角度間隔２π／ｑｎで放射状に配置せずに、送信アンテナの給電点を２π／ｑｎの角度で配置するようにしてもよい。受信アンテナアレー２は、単位アンテナ２１（受信アンテナ）を角度２π／ｐｍで放射状に配置せずに、受信アンテナの給電点を２π／ｐｍの角度で配置するようにしてもよい。
【００２７】
図３は、本実施形態におけるアンテナ装置１０の電磁波の伝送方法について説明する図である。送信機側無線信号処理部４は、送信アンテナアレー１からストリーム毎に異なる順序で偏波方向成分の切り替えを行う。例えば、送信機側無線信号処理部４は、Ｎ種類（Ｎは整数且つＮ≦Ｑ）の送信信号をＮ種類の異なる順序でアンテナを切り替えながら送信する。図３（ａ）に示す例では、Ｎ＝Ｍ＝３の場合のアンテナの１種類目の切り換え順序を示す図である。図３（ｂ）に示す例では、Ｎ＝Ｍ＝３の場合のアンテナの２種類目の切り換え順序を示す図である。図３（ｃ）に示す例では、Ｎ＝Ｍ＝３の場合のアンテナの３種類目の切り換え順序を示す図である。
【００２８】
受信機側無線信号処理部５は、Ｍ種類（Ｍは整数且つＭ≦Ｐ）の順序で単位アンテナ２１を切り替えながら単位アンテナ１１から送信された送信信号（送信信号に対応する無線信号）を受信する。受信機側無線信号処理部５は、偏波方向成分の切り替え時間（例えば、単位アンテナの切り替え時間）Ｔｓｗｉｔｃｈよりも長い時間内に受信した送信信号を足し合わせる。すなわち、受信機側無線信号処理部５は、偏波方向成分の切り替え時間Ｔｓｗｉｔｃｈ対応した周期（例えばＮＴｓｗｉｔｃｈ）で受信信号を足し合わせる。なお、アンテナの切り替え順序に関しては、例えば、アンテナ装置１０は、単位アンテナ１１又は単位アンテナ２１の切り替え順序を乱数により決定してもよい。また、足し合わせるとは、加算（積分も含む）でもよいし、合成でもよい。
【００２９】
以下に、本実施形態におけるアンテナ装置１０の電磁波の伝送方法について具体的に説明する。まず、各単位アンテナ１１の間隔が等間隔（２π／Ｑ）であり、偏波方向の切り替え時間をＴｓｗｉｔｃｈである場合を説明する。
第ｎ番目の送信信号に対して、時刻ｔにおいて選択される単位アンテナ１１の偏波方向を表す角度φｎ（ｑｎ,ｔ）は、以下の式（１）で表される。
【００３０】
【数１】
0006327567.tif 000002
【００３１】
なお、ｋは、偏波方向の切り換え時間における時刻ｔの割り合いを示し、以下の式（２）で表されるｔ／Ｔｓｗｉｔｃｈ以下の最大の整数である。
【００３２】
【数２】
0006327567.tif 000003
【００３３】
このとき係数ｑｎは、偏波方向成分の切り替え順序に相当する係数である。単位アンテナ２１は、単位アンテナ１１で放射される無線信号を受信し、受信機側無線信号処理部５に受信信号を送出する。受信機側無線信号処理部５にて受信される受信信号ｙｍ（ｋ）は、以下の式（３）で表される。
【００３４】
【数３】
0006327567.tif 000004
【００３５】
受信機側無線信号処理部５は、単位アンテナ２１から供給された受信信号受信信号ｙｍ（ｋ）を周期ＮＴｓｗｉｔｃｈで足し合わせる。足し合わせた受信信号は、以下の式（４）で表される。
【００３６】
【数４】
0006327567.tif 000005
【００３７】
なお、係数ｐｍは、受信側の偏波方向成分の切り替え順序に相当する係数である。
上記式（４）に示すように、受信側の偏波方向成分の切り替え順序に相当する係数ｐｍと送信側の偏波方向成分の切り替え順序に相当する係数ｑｎとが等しい場合に、第ｍ番目の受信信号として第ｎ番目の信号ｓｎ（ｔ）のみを受信するとともに、干渉となるｎ番目以外の信号成分を打ち消すことができる。したがって、アンテナ装置１０は、独立に複数のストリームを伝送することができる。
【００３８】
次に、各単位アンテナ１１の間隔が不等間隔であり、偏波方向の切り替え時間をＴｓｗｉｔｃｈである場合を説明する。上述したように、各単位アンテナ１１は、角度２π／ｑｎの位置に配置される。
第ｎ番目の送信信号に対して、時刻ｔにおいて選択される単位アンテナ１１の偏波方向を表す角度φｎ（ｑｎ,ｔ）は、以下の式（５）で表される。
【００３９】
【数５】
0006327567.tif 000006
【００４０】
なお、ｋは、偏波方向の切り換え時間における時刻ｔの割り合いを示し、以下の式（６）で表される。
【００４１】
【数６】
0006327567.tif 000007
【００４２】
単位アンテナ２１は、単位アンテナ１１で放射される無線信号を受信し、受信機側無線信号処理部５に受信信号を送出する。受信機側無線信号処理部５にて受信される受信信号ｙｍ（ｋ）は、上記式（３）で表される。
受信機側無線信号処理部５は、単位アンテナ２１から供給された受信信号受信信号ｙｍ（ｋ）を周期ＮＴｓｗｉｔｃｈで足し合わせる。足し合わせた受信信号は、上記式（４）で表される。
【００４３】
このように、受信側の偏波方向成分の切り替え順序に相当する係数ｐｍと送信側の偏波方向成分の切り替え順序に相当する係数ｑｎとが等しい場合に、第ｍ番目の受信信号として第ｎ番目の信号ｓｎ（ｔ）のみを受信するとともに、干渉となるｎ番目以外の信号成分を打ち消すことができる。したがって、アンテナ装置１０は、独立に複数のストリームを伝送することができる。
【００４４】
上述したように、各単位アンテナ１１の間隔が等間隔又は不等間隔であっても、アンテナ装置１０は、送受信側で切り替え順序が異なる場合の信号成分は打ち消され、切り替え順序が同一の場合の信号のみを取り出すことができる。なお、第ｎ番目の送信信号に対して時刻ｔにおいて選択されるアンテナ（単位アンテナ１１又は単位アンテナ２１）の偏波方向は一様分布や正規分布などに従う乱数により決定される場合においても、送受信側で切り替え順序が異なる場合の信号成分は打ち消され、切り替え順序が同一の場合の信号のみを取り出すことができる。
【００４５】
図４は、本実施形態におけるアンテナ装置１０の送信信号の数（ストリーム数）Ｎに対する通信路容量を示す図である。実線は、単位アンテナ１１又は単位アンテナ２１が等間隔である場合（パターン１）、点線が単位アンテナ１１又は単位アンテナ２１が不等間隔である場合（パターン２）、点線２が単位アンテナ１１又は単位アンテナ２１の切り替え順序を乱数により決定した場合（パターン３）のストリーム数に対する通信路容量を示す。図４に示すように、パターン１〜パターン３において、本実施形態のアンテナ装置１０は、ストリーム数に比例して通信路容量が増加しており，マルチストリーム伝送が実現できていることがわかる。
【００４６】
参考までに本実施形態におけるアンテナ装置１０の相関係数に対する通信路容量を図５に示す。なお、図５は、送信信号の数Ｎが３である場合の例を示す図である。図５に示すように、本実施形態のアンテナ装置１０は、偏波方向成分を含む伝搬路行列より計算した相関行列の非対角成分である相関係数が０．１以内のとき通信路容量の劣化が２０％以内であり、相関係数が０．２５以内のとき通信路容量の劣化が５０％以内となる。
【００４７】
上述したように、本実施形態のアンテナ装置１０は、Ｑ（Ｑは整数）個の送信アンテナ（単位アンテナ１１）を具備する送信アンテナアレー１と、Ｐ（Ｐは整数）個の受信アンテナ（単位アンテナ２１）を具備する受信アンテナアレー２を有する。送信アンテナアレー１は、Ｎ（Ｎは整数且つＮ≦Ｑ）種類の送信信号をＮ種類の異なる順序で送信アンテナを定められた時間に切り替えながら送信する。受信アンテナアレー２は、Ｍ種類（Ｍは整数且つＭ≦Ｐ）の順序で受信アンテナを定められた時間に切り替えながら送信信号を受信する。受信機側無線信号処理部５は、定められた時間よりも長い時間内に受信アンテナアレー３で受信した送信信号を足し合わせる。これにより、偏波方向の切り替え順序が異なる場合において、偏波方向の角度差の対称性により複数の偏波方向成分が打ち消し合う。そのため、偏波方向の切り替え順序が同一の場合の信号のみが残り、アンテナ装置１０は、重み付け演算処理なしで簡易にマルチストリーム伝送が可能となる。なお、定められた時間として、一定時間毎にアンテナを切り替えてもよい。
【００４８】
（第２の実施形態）
図６は、第２の実施形態のアンテナ装置１０Ａの基本構成を模式的に示す図である。
【００４９】
図６に示すアンテナ装置１０Ａは、無線通信システム用のアンテナ装置であり、送信アンテナアレー１、受信アンテナアレー２、送信機側無線信号処理部４Ａ、受信機側無線信号処理部５Ａを備える。本実施形態では、送信機側無線信号処理部４Ａおよび受信機側無線信号処理部５Ａが実施する信号処理の概念には、アナログ信号処理のほか、デジタル信号処理も含まれる。したがって、送信機側無線信号処理部４Ａ及び受信機側無線信号処理部５Ａは、その信号処理の形態に応じて、アナログ信号処理部と表現することもできるし、デジタル信号処理部と表現することもできる。なお、第１の実施形態と同じ部分については同一符号を付することにより詳細な説明を省略する。
【００５０】
送信機側無線信号処理部４Ａ及び受信機側無線信号処理部５Ａは、第１の実施形態の送信機側無線信号処理部４、受信機側無線信号処理部５にトレーニング機能を追加した構成である。以下に、トレーニング機能について説明する。
【００５１】
本実施形態におけるトレーニング機能は、送受信間で基準となる偏波方向と切り替え時間が未知の場合や基準となる偏波方向や切り替え時間がずれてしまった場合に、基準となる偏波方向や切り換え時間を同期する機能である。基準となる偏波方向を同期するとは、例えば送信アンテナから送信する電磁波と受信アンテナで受信する電磁波の偏波方向を合わせることである。
まず、本実施形態のトレーニング機能における基準となる偏波方向を同期する方法について説明する。基準となる偏波方向を同期するトレーニング機能は、既知の信号（以下、「トレーニング信号」という。）を使って受信側で偏波方向を合わせる方法である。図７は、本実施形態におけるアンテナ装置１０Ａのトレーニング機能について説明する図である。図７（ａ）は、本実施形態における基準となる偏波方向を同期する方法を説明する図である。
【００５２】
送信機側無線信号処理部４Ａは、所定の偏波方向でトレーニング信号を出力する。例えば、送信機側無線信号処理部４Ａは、所定の単位アンテナ（１１−１から１１−Ｑの中から１つのアンテナ）から偏波方向でトレーニング信号を送信する。
受信側では、すべての単位アンテナ２１（２１−１から２１−Ｐ）でトレーニング信号を受信する。受信機側無線信号処理部５Ａは、単位アンテナ２１毎にトレーニング信号に対応する受信信号を取得する。受信機側無線信号処理部５Ａは、最も受信信号の強度が大きい偏波方向成分を受信アンテナで受信する基準となる偏波方向φ０に設定する。すなわち、受信機側無線信号処理部５Ａは、最も受信電力が大きい単位アンテナ２１を初期に受信する単位アンテナに設定する。なお、送信側と受信側を入れ替えた場合も同様である。これにより、送受信間で基準となる偏波方向が未知の場合や基準となる偏波方向がずれてしまった場合に、基準となる偏波方向を設定することができる。
【００５３】
次に、本実施形態のトレーニング機能における切り換え時間を同期する方法について説明する。切り換え時間を同期するトレーニング機能は、トレーニング信号を使って受信側で切り換え時間を合わせる方法である。図７（ｂ）は、本実施形態における切り替え時間を同期する方法を説明する図である。
送信機側無線信号処理部４Ａは、所定の方向の偏波方向でトレーニング信号を出力する。例えば、送信機側無線信号処理部４Ａは、所定の単位アンテナ（１１−１から１１−Ｑの中から１つのアンテナ）から偏波方向でトレーニング信号を送信する。送信機側無線信号処理部４Ａは、トレーニング信号を送信してから切り替え時間Ｔｓｗｉｔｃｈ経過後、再度トレーニング信号を送信する。
受信機側無線信号処理部５Ａは、一度目のトレーニング信号に対応する受信信号の受信信時刻Ｔ１と二度目のトレーニング信号に対応する受信信号の受信時刻Ｔ２との差から切り替え時間Ｔｓｗｉｔｃｈ（＝Ｔ１−Ｔ２）を計算する。なお、送信側と受信側を入れ替えた場合も同様である。これにより、送受信間で切り替え時間が未知の場合や切り替え時間がずれてしまった場合に、切り替え時間を調整することができる。
【００５４】
なお、このトレーニング信号を用いることで、３次元的に送信機（単位アンテナ１１）又は受信機（単位アンテナ２１）の位置を把握することができる。
例えば、送信機側無線信号処理部４Ａは、所定の方向の偏波方向でトレーニング信号を出力する。
受信機側無線信号処理部５Ａは、複数の単位アンテナ２１の中から偏波方向が異なる２つの単位アンテナ２１を選択して受信する。受信機側無線信号処理部５Ａは、選択した単位アンテナから取得した受信信号ｙ１と受信信号ｙ２とから和信号（ｙ＋＝ｙ１＋ｙ２）と差信号（ｙ−＝ｙ１−ｙ２）を計算する。和信号は、受信信号ｙ１と受信信号ｙ２とを加算して算出される。差信号は、受信信号ｙ１から受信信号ｙ２を減算することで算出される。
【００５５】
受信機側無線信号処理部５Ａは、モノパルスレーダのモノパルス測角と同様の原理を用いて、和信号と差信号とから単位アンテナ１１の位置する仰角または方位角θをθ＝α（ｙ−／ｙ+）と計算することができる。この測定に加え、さらに偏波方向が異なる２個の単位アンテナ２１を選択して受信し、上記と同様の手順を行うことで３次元的にトレーニング信号を送信した単位アンテナ１１の位置を把握することができる。なお、送信側と受信側を入れ替えた場合も同様である。このように、送受信アンテナの中から２個以上のアンテナを選択し、２種類の偏波方向成分の組み合わせを用いて、モノパルスレーダの原理より単位アンテナ１１又は単位アンテナ２１の位置推定を３次元的に行うことができる。これにより、アンテナ装置１０Ａは、送受信器機の位置する仰角または方位角や送受信機間距離から基準となる偏波方向と切り替え時間を決定することができる。
【００５６】
上述したように、本実施形態のアンテナ装置１０Ａは、Ｑ（Ｑは整数）個の送信アンテナ（単位アンテナ１１）を具備する送信アンテナアレー１と、Ｐ（Ｐは整数）個の受信アンテナ（単位アンテナ２１）を具備する受信アンテナアレー２を有する。送信アンテナアレー１は、Ｎ（Ｎは整数且つＮ≦Ｑ）種類の送信信号をＮ種類の異なる順序で送信アンテナを定められた時間に切り替えながら送信する。受信アンテナアレー２は、Ｍ種類（Ｍは整数且つＭ≦Ｐ）の順序で受信アンテナを定められた時間に切り替えながら送信信号を受信する。受信機側無線信号処理部５Ａは、定められた時間よりも長い時間内に受信アンテナアレー３で受信した送信信号を足し合わせる。これにより、偏波方向の切り替え順序が異なる場合において、偏波方向の角度差の対称性により複数の偏波方向成分が打ち消し合う。そのため、偏波方向の切り替え順序が同一の場合の信号のみが残り、アンテナ装置１０Ａは、重み付け演算処理なしで簡易にマルチストリーム伝送が可能となる。なお、定められた時間として、一定時間毎にアンテナを切り替えてもよい。
【００５７】
また、本実施形態のアンテナ装置１０Ａは、送信アンテナアレー１は、送信アンテナから所定の偏波方向を有するトレーニング信号を送信し、受信アンテナアレー２は、受信アンテナ毎にトレーニング信号を受信し、受信機側無線信号処理部５Ａは、受信アンテナ毎に受信したトレーニング信号のうち、最も受信強度が大きい偏波方向に対応するアンテナを、前記アンテナアレー（例えば、送信アンテナアレー１）の基準となる偏波方向成分を放射するアンテナと設定する。また、送信アンテナアレー１は、送信アンテナから所定の偏波方向を有するトレーニング信号を送信し、所定の時間後に再度トレーニング信号を送信し、受信アンテナアレー２は、受信アンテナでトレーニング信号を受信し、受信機側無線信号処理部５Ａは、受信アンテナで一度目の前記トレーニングを受信した時刻と二度目の前記トレーニング信号を受信した時刻との差から切り替え時間を計算する。これにより、送受信間で基準となる偏波方向と切り替え時間が未知の場合や基準となる偏波方向や切り替え時間がずれた場合にも、基準となる偏波方向や偏波方向切り替え時間を同期することができる。
【００５８】
以上、この発明の実施形態について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等も含まれる。
【００５９】
上述の実施形態において、アンテナ装置１０又はアンテナ装置１０Ａ（以下、単にアンテナ装置と称する）は、各ストリームの送信電力の大きさにばらつきがある場合、特に大きな送信電力を持つストリームをある一定の偏波方向で送信し、又はある切り替え順序で送信することで、受信側で偏波の到来角度方向の分布、時間領域での変化を学習してもよい。なお、アンテナ装置は、２つ目のストリーム以降は、学習された偏波方向をもとに１つ目のストリームと異なる偏波方向成分を持たせて伝送する。すなわち、アンテナ装置は、送信アンテナアレー１で所定のストリームにおいて一定の偏波で送信し、受信アンテナアレー２で送信アンテナアレー１からの所定のストリームの直接波と外部環境から反射された所定のストリームの反射波とを同時に受信する。例えば、外部環境とは、電磁波を反射する物体であり、例えば看板や壁である。
また、アンテナ装置は、反射波が持つ偏波方向成分とは異なる偏波方向成分のアンテナを用いて、他のストリームを伝送する。これにより、アンテナ装置は、大電力で伝送されるストリームの到来環境を学習し、異なる偏波方向を用いてその他のストリームを伝送することで、大電力で伝送されるストリームの反射波による干渉の影響を低減することができる。
【００６０】
また、上述の実施形態において、アンテナ装置の単位アンテナ１１及び単位アンテナ２１は、図８に示すように、１つの単位アンテナから２種類の直交した偏波成分を同時に放射する構成を有してもよい。これにより、アンテナ装置は、選択された単位アンテナ１１及び単位アンテナ２１から電磁波を放射する際、２種類の直交した偏波成分を同時に放射する。したがって、アンテナ装置は、伝送可能ストリーム数を２倍にすることができる。
【００６１】
また、上述の実施形態において、アンテナ装置は、単位アンテナ１１及び単位アンテナ２１は、図９に示すように、１つの単位アンテナから異なる指向性パターンで同時に複数のストリームを伝送する構成を有してもよい。図９（ａ）は、異なる指向性パターンで同時に複数のストリームを伝送する構成を有する単位アンテナの概略図である。図９（ｂ）は、単位アンテナにおける異なる指向性パターンで同時に複数のストリームを伝送する構成を説明する図である。なお、図９に示すように、単位アンテナ１１及び単位アンテナ２１が方形のアンテナである場合を説明するが、円形のアンテナであっても同様の構成が可能である。
【００６２】
図９（ｂ）において、方形のサブアンテナアレー素子１００３，１００５，１００７が、誘電体１００１を介して方形のグランド板１００２，１００４，１００６と交互に積層するように配置されている。サブアンテナアレー素子１００３とグランド板１００２は、前述の図１に示す単位アンテナ１１−１又は単位アンテナ２１−１に相当するマイクロストリップアンテナとして機能する。また、サブアンテナアレー素子１００５とグランド板１００４は、前述の図１に示す単位アンテナ１１−２または単位アンテナ２１−２に相当するマイクロストリップアンテナとして機能する。また、サブアンテナアレー素子１００７とグランド板１００６は、前述の図１に示す単位アンテナ１１−３または単位アンテナ２１−３に相当するマイクロストリップアンテナとして機能する。
【００６３】
図９（ｂ）の例では、最上層のサブアンテナアレー素子１００７の長さＬ１と幅Ｗ１は、中間層のサブアンテナアレー素子１００５の長さＬ２と幅Ｗ２よりも小さく、中間層のサブアンテナアレー素子１００５の長さＬ２と幅Ｗ２は、最下層のサブアンテナアレー素子１００３の長さＬ３と幅Ｗ３よりも小さい。
なお、図９（ｂ）の例では、３個のサブアンテナアレー素子を備える場合を示し、単位アンテナの個数Ｘが３である場合を示しているが、この例に限定されず、サブアンテナアレー素子およびグランド板の個数は単位アンテナの数に応じて任意である。
【００６４】
ここで、前述の図１に示す送信アンテナ４０１の単位アンテナ１１−１，１１−２，１１−３，…，１１−Ｑのうち、第ｑ番目の単位アンテナ１１−ｑのサブアンテナアレー素子は、一辺（Ｗ１〜Ｗ３，Ｌ１〜Ｌ３）の長さがｑ×λｇ／２の方形のマイクロストリップアンテナにより構成される。同様に、受信アンテナの単位アンテナ２１−１，２１−２，２１−３，…，２１−Ｐのうち、第ｒ番目の単位アンテナ２１−ｒのアブアンテナアレー素子は、一辺の長さがｒ×λｇ／２の方形のマイクロストリップアンテナにより構成される。ここでλｇは実効波長を表す。
【００６５】
上述のように各単位アンテナのサイズを異ならせて設定することにより、図９（ｂ）に示すように、次数ｎ（ｎは自然数）に応じた電界分布を有する異なる指向性パターンが得られ、これにより、指向性パターンに直交性を持たせている。
このように、アンテナ装置は、選択された送信アンテナ（単位アンテナ１１）および受信アンテナ（単位アンテナ２１）から電磁波を放射する際、図９に示すような複数の直交指向性を有するアンテナを用いることで、Ｘ種類の直交した異なる指向性パターンで同時に電磁波を放射することができる。したがって、アンテナ装置は、伝送可能ストリーム数をＸ倍にすることができる。
【００６６】
また、上述の実施形態において、アンテナ装置は、例えば、第ｑ番目の送信アンテナから第ｐ番目の受信アンテナまでの受信信号（ただしｐ≠ｑ）の相関係数が０．２５以下である。
【００６７】
また、上述の実施形態において、アンテナ装置は、例えば、第ｑ番目の送信アンテナと第ｐ番目の受信アンテナ間の伝搬路応答の振幅利得｜ｈｐｑ｜（ただしｐ≠ｑ、ωｐ≠ωｑ）と第ｐ番目の送信アンテナと第ｐ番目の受信アンテナ間伝搬路の振幅利得｜ｈｐｐ｜との比率が１／５以下、つまり｜ｈｐｑ｜／｜ｈｐｐ｜≦１／５である。
また、上述の実施形態において、電磁波に、光が含まれることはいうまでもない。
【符号の説明】
【００６８】
１  送信アンテナアレー
２  受信アンテナアレー
４、４Ａ  送信機側無線信号処理部
５、５Ａ  受信機側無線信号処理部
１１、２１  単位アンテナ
【図１】
0006327567.tif 000008
【図２】
0006327567.tif 000009
【図３】
0006327567.tif 000010
【図４】
0006327567.tif 000011
【図５】
0006327567.tif 000012
【図６】
0006327567.tif 000013
【図７】
0006327567.tif 000014
【図８】
0006327567.tif 000015
【図９】
0006327567.tif 000016
【図１０】
0006327567.tif 000017