(57)【要約】【課題】通信品質を劣化させることなく、近距離ＭＩＭＯ伝送に用いる送信アレーアンテナ及び受信アレーアンテナを小型化できる無線通信システムを提供する。【解決手段】無線通信システムは、信号を送信する複数の送信アンテナ素子からなる送信アレーアンテナを備える送信装置と、送信装置から送信される信号を受信する複数の受信アンテナ素子であって、それぞれが複数の送信アンテナ素子のいずれかと対をなす複数の受信アンテナ素子である受信アレーアンテナを備える受信装置とを具備している。そして、複数の送信アンテナ素子それぞれには、隣接する送信アンテナ素子と異なる偏波特性が割り当てられ、複数の受信アンテナ素子それぞれには、対をなす送信アンテナ素子と同じ偏波特性が割り当てられている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の送信アンテナ素子からなる送信アレーアンテナを備える送信装置と、
前記複数の送信アンテナ素子から送信される信号を受信する複数の受信アンテナ素子であって、それぞれが前記複数の送信アンテナ素子のいずれかと対をなす複数の受信アンテナ素子である受信アレーアンテナを備える受信装置とを具備し、
前記複数の送信アンテナ素子それぞれには、隣接する送信アンテナ素子と異なる偏波特性が割り当てられ、
前記複数の受信アンテナ素子それぞれには、対をなす前記送信アンテナ素子と同じ偏波特性が割り当てられている
ことを特徴とする無線通信システム。
【請求項２】
前記送信アレーアンテナと前記受信アレーアンテナとは、前記複数の送信アンテナ素子が配列されている平面と、前記複数の受信アンテナ素子が配列されている平面とが平行であり、
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の距離を前記送信アレーアンテナの開口面積の平方根で除算した値が４以下である
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】
前記複数の送信アンテナ素子及び前記複数の受信アンテナ素子に割り当てられる偏波特性は、垂直偏波特性又は水平偏波特性であるか、あるいは、右旋偏波特性又は左旋偏波特性である
ことを特徴とする請求項１又は請求項２のいずれかに記載の無線通信システム。
【請求項４】
前記複数の送信アンテナ素子及び前記複数の受信アンテナ素子は、マトリックス状、あるいは、直線状に配列され、
前記複数の受信アンテナ素子は、それぞれが対をなす前記送信アンテナ素子と対向して配列されている
ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の無線通信システム。
【請求項５】
前記送信装置は、前記受信装置が受信する信号の電力が予め定められたしきい値以下の場合、前記複数の送信アンテナ素子の偏波特性を切り替える偏波切替器を備えている
ことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の無線通信システム。
【請求項６】
前記受信装置は、受信する信号の電力が予め定められたしきい値以下の場合、前記複数の受信アンテナ素子の偏波特性を切り替える偏波切替器を備えている
ことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の無線通信システム。
【請求項７】
前記送信装置は、一定期間ごとに前記複数の送信アンテナ素子に割り当てる偏波特性を切り替える第１偏波切替器を備え、
前記受信装置は、前記第１偏波切替器と同期して、前記複数の受信アンテナ素子の偏波特性それぞれと対をなす前記送信アンテナ素子の偏波特性と一致する偏波特性に前記複数のアンテナ素子の切り替える第２偏波切替器を備えている
ことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の無線通信システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アレーアンテナを用いて通信をする無線通信システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、無線通信の普及に伴い、通信速度の高速化が求められている。無線通信の高速化において、使用できる周波数帯域は限られているため、使用する周波数帯域を増加させずに高速化することが求められている。
その要求を実現する手法の一つに、ＭＩＭＯ（Multi-Input Multi-Output；多入力多出力）技術がある。ＭＩＭＯ技術を適用した無線通信システムでは、送信装置において複数の送信アンテナ素子それぞれから、同一周波数チャネル上で複数の互いに異なる独立な信号を送信し、受信装置において同じく複数の受信アンテナ素子を用いて信号を受信し、信号処理によってそれぞれの送信された信号に分離する。
【０００３】
これにより、同一周波数チャネルにおける複数のデータ信号を可能にし、用いるアンテナ素子の数に応じた伝送速度の向上が達成している。
すなわち、ＭＩＭＯ技術を適用した無線通信システムでは、送信装置の複数の送信アンテナ素子から送信された複数のデータ信号それぞれが、異なる空間伝搬経路（伝搬路）を経て、複数のデータ信号が合成された状態で受信装置の複数の受信アンテナ素子に到達する。そして、受信装置は、複数の受信アンテナ素子により受信した信号に対して信号処理を行うことにより、受信した信号を複数のデータ信号に分離再生する。
【０００４】
通常のＭＩＭＯ技術を適用した無線通信では、複雑な多重波環境によって、送信装置と受信装置との間の伝搬特性に差異ができることを利用して複数のデータ信号を分離する。ここで、多重波環境とは、送信された複数のデータ信号それぞれが異なる伝搬路を経由して受信アンテナ素子において多重される環境のことをいう。
また、ＭＩＭＯ技術を適用した無線通信では、各伝搬路間におけるフェージングの相関の度合いを示す指標である空間相関が増加するとチャネル容量が減少する。また、直接波成分が含まれる度合いを示す指標であるＫファクタが増加するとチャネル容量が減少する。換言すると、受信装置において、同一周波数チャネルを使用して伝送されている複数のデータ信号を分離することが困難になると、チャネル容量は減少する。
【０００５】
送信装置の送信アレーアンテナと、受信装置の受信アレーアンテナとの間の距離が非常に狭い場合、電波の伝搬路には多重波環境を形成するために必要な「散乱体」が存在しないので、多重波環境とならないことがある。しかし、ＭＩＭＯ技術は、多重波環境での利用を前提としており、送信アレーアンテナと受信アレーアンテナと間の伝搬路環境が多重波環境ではない場合は、送受信される複数のデータ信号の各伝搬路がどれも類似したものとなり空間相関が増大し、結果的にチャネル容量が減少することになる。
【０００６】
ところが、非特許文献１に示されるような、送信アレーアンテナと受信アレーアンテナとの間の距離を狭くなるように配置する近距離ＭＩＭＯ伝送を適用した無線通信システムにおいて、伝送距離が送信アレーアンテナの開口面積の平方根の４倍以内となっている場合、伝搬路が多重波環境でなくてもＭＩＭＯ伝送が可能となる。すなわち、送信アレーアンテナと受信アレーアンテナとが近距離で対向して配置されている場合、対向している送信アンテナ素子と受信アンテナ素子との間における直接波のみによるデータ信号の伝送が可能となり、伝搬路が並列に形成された状態となる。
【０００７】
実際には、各受信アンテナ素子には、対向している送信アンテナ素子以外からのデータ信号が受信されるため、各伝搬路が完全に並列した並列伝送とはならない。しかし、各受信アンテナ素子において、対向する送信アンテナ素子以外から送信される信号は、伝搬路差により異なる位相や振幅を持つことになるため、対向する送信アンテナ素子以外の送信アンテナ素子との間では、空間相関が低くなることが期待できる。また、送信アンテナ素子と受信アンテナ素子との間の距離が短いため高いＳＮＲ（Signal to Noise Ratio；信号対雑音比）を実現することができる。したがって、近距離ＭＩＭＯ伝送を適用した無線通信では、空間相関の低減と、高いＳＮＲとにより、伝搬路が多重波環境でない場合でも高いチャネル容量が得られる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００８】
【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、」  電子情報通信学会技術研究報告ＡＰ２００８−１２５、ｐｐ．７９−８４、２００８年１１月
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上述のような近距離ＭＩＭＯ伝送では、送信アレーアンテナには、送信アンテナ素子数や、送信アレーアンテナと受信アレーアンテナとの間の伝送距離に応じて、チャネル容量が最大となる最適な送信アンテナ素子同士の間隔が存在する。また、受信アレーアンテナにおいても、同様に、最適な受信アンテナ素子同士の間隔が存在する。
例えば、送信アンテナ素子同士の間隔と、受信アンテナ素子同士の間隔とを固定にした場合、伝送距離が長くなるに従い空間相関が増大してチャネル容量は低下する。そのため、伝送距離を長くする場合、空間相関の増加を抑制するために、上述の最適な送信アンテナ素子同士の間隔、及び最適な受信アンテナ素子同士の間隔は広くなってしまう。
【００１０】
例えば、マイクロ波帯（４．８５ＧＨｚ）を用いる近距離ＭＩＭＯ伝送を適用してコンクリート壁を透過伝送する無線通信システムにおいて、伝送距離３００ｍｍの場合、送信及び受信アンテナ素子の最適な間隔は、自由空間波長の１．２５倍、つまり、６０ｍｍとなってしまう。そして、送信アレーアンテナ、及び受信アレーアンテナは大きくなってしまう。近距離ＭＩＭＯ伝送を適用した無線通信システムを実用化する場合、高速な伝送速度を実現するためには大型のアレーアンテナを設置する必要がある（参考文献：関、西森、平賀、西川「壁間伝送を想定した近距離並列伝送の実験的検討、」  電子情報通信学会技術研究報告ＡＰ２００９−５５、ｐｐ．６５−７０  ２００９年７月）。
【００１１】
つまり、近距離ＭＩＭＯ伝送を適用した無線通信システムにおいて、伝送距離を長くすると空間相関が増大するので、通信品質を劣化させないために、送信アレーアンテナの送信アンテナ素子の間隔、及び受信アレーアンテナの受信アンテナ素子の間隔を大きくする必要がある。そのため、伝送距離を長くすると、送信及び受信に用いるアレーアンテナのサイズが大きくなってしまうという問題がある。
【００１２】
本発明は、上記問題を解決すべくなされたもので、その目的は、通信品質を劣化させることなく、近距離ＭＩＭＯ伝送に用いる送信アレーアンテナ及び受信アレーアンテナを小型化できる無線通信システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記問題を解決するために、本発明は、複数の送信アンテナ素子からなる送信アレーアンテナを備える送信装置と、前記複数の送信アンテナ素子から送信される信号を受信する複数の受信アンテナ素子であって、それぞれが前記複数の送信アンテナ素子のいずれかと対をなす複数の受信アンテナ素子である受信アレーアンテナを備える受信装置とを具備し、前記複数の送信アンテナ素子それぞれには、隣接する送信アンテナ素子と異なる偏波特性が割り当てられ、前記複数の受信アンテナ素子それぞれには、対をなす前記送信アンテナ素子と同じ偏波特性が割り当てられていることを特徴とする無線通信システムである。
【００１４】
また、本発明は、上記に記載の発明において、前記送信アレーアンテナと前記受信アレーアンテナとは、前記複数の送信アンテナ素子が配列されている平面と、前記複数の受信アンテナ素子が配列されている平面とが平行であり、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の距離を前記送信アレーアンテナの開口面積の平方根で除算した値が４以下であることを特徴とする。
【００１５】
また、本発明は、上記に記載の発明において、前記複数の送信アンテナ素子及び前記複数の受信アンテナ素子に割り当てられる偏波特性は、垂直偏波特性又は水平偏波特性であるか、あるいは、右旋偏波特性又は左旋偏波特性であることを特徴とする。
【００１６】
また、本発明は、上記に記載の発明において、前記複数の送信アンテナ素子及び前記複数の受信アンテナ素子は、マトリックス状、あるいは、直線状に配列され、前記複数の受信アンテナ素子は、それぞれが対をなす前記送信アンテナ素子と対向して配列されていることを特徴とする。
【００１７】
また、本発明は、上記に記載の発明において、前記送信装置は、前記受信装置が受信する信号の電力が予め定められたしきい値以下の場合、前記複数の送信アンテナ素子の偏波特性を切り替える偏波切替器を備えていることを特徴とする。
【００１８】
また、本発明は、上記に記載の発明において、前記受信装置は、受信する信号の電力が予め定められたしきい値以下の場合、に前記複数の受信アンテナ素子の偏波特性を切り替える偏波切替器を備えていることを特徴とする。
【００１９】
また、本発明は、上記に記載の発明において、前記送信装置は、一定期間ごとに前記複数の送信アンテナ素子に割り当てる偏波特性を切り替える第１偏波切替器を備え、前記受信装置は、前記第１偏波切替器と同期して、前記複数の受信アンテナ素子の偏波特性それぞれと対をなす前記送信アンテナ素子の偏波特性と一致する偏波特性に前記複数のアンテナ素子の切り替える第２偏波切替器を備えていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
この発明によれば、隣接する送信アンテナ素子に異なる偏波特性を割り当てることにより、隣接する送信アンテナ素子間のアイソレーションを高くするとともに、送信アレーアンテナと受信アレーアンテナとの間における各伝搬路の空間相関を低減させることができるので、通信品質を劣化させることなく、送信アンテナ素子の間隔を狭くすることができる。また、同様に、受信アンテナ素子の間隔を狭くすることができる。
これにより、通信品質を劣化させることなく、近距離ＭＩＭＯ伝送に用いる送信アレーアンテナ及び受信アレーアンテナを小型化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】第１実施形態における無線通信システムが具備している送信装置１０及び受信装置１５の構成を示す概略ブロック図である。
【図２】同実施形態における送信アンテナ素子の配置及び偏波特性の割り当ての一例を示す図である。
【図３】各アンテナ素子が図２に示した例のように配列されている場合における送信アレーアンテナ１４及び受信アレーアンテナ１６の配置関係の一例を示す図である。
【図４】比較例の送信アレーアンテナ９が備える送信アンテナ素子９−１〜９−１６の配置及び偏波特性の割り当てを示す図である。
【図５】伝送距離と、位相相関との関係を示すグラフである。
【図６】伝送距離と、ＳＮＲとの関係を示すグラフである。
【図７】伝送距離と、チャネル容量との関係を示すグラフである。
【図８】第２実施形態における無線通信システムが具備している送信装置１０及び受信装置２５の構成を示す概略ブロック図である。
【図９】同実施形態における受信アンテナ素子の偏波特性を切り替える動作の一例を示す概略図である。
【図１０】第３実施形態における無線通信システムが具備している送信装置３０及び受信装置３５の構成を示す概略ブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態における無線通信システムを説明する。
【００２３】
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態における無線通信システムが具備している送信装置１０及び受信装置１５の構成を示す概略ブロック図である。
送信装置１０は、送信信号発生部１１、Ｍ（Ｍは２以上の整数）個の送信部１２−１〜１２−Ｍ、送信部１２−１〜１２−Ｍごとに１つずつ設けられている送信アンテナ素子１４−１〜１４−Ｍからなる送信アレーアンテナ１４を備えている。
受信装置１５は、Ｍ個の受信アンテナ素子１６−１〜１６−Ｍからなる受信アレーアンテナ１６、受信アンテナ素子１６−１〜１６−Ｍそれぞれに１つずつ接続されている受信部１８−１〜１８−Ｍ、受信信号復号部１９を備えている。
ここで、送信アンテナ素子１４−１〜１４−Ｍと、受信アンテナ素子１６−１〜１６−Ｍとは、近距離ＭＩＭＯ伝送（近距離並列無線伝送）を行えるように、それぞれが対となり、当該対となる各アンテナ素子同士が対向して近距離に配置される。なお、ある送信アンテナ素子から送信された信号は、対となる受信アンテナ素子以外の受信アンテナ素子にも到達するが、対となる送信アンテナ素子以外から受信した信号も復調において有効に活用される。
【００２４】
送信装置１０において、送信信号発生部１１は、Ｍ個の系列の変調信号を生成し、生成した信号それぞれを異なる送信部１２−１〜１２−Ｍに出力する。送信部１２−１〜１２−Ｍは、それぞれが送信信号発生部１１から入力される変調信号を搬送波周波数帯の信号にアップコンバートし、アップコンバートした信号をそれぞれに対して接続された個別の送信アンテナ素子１４−１〜１４−Ｍを介して送信する。
送信アンテナ素子１４−１〜１４−Ｍそれぞれは、隣接する送信アンテナ素子と異なる偏波特性が予め割り当てられている。なお、本明細書において、隣接するアンテナ素子とは、最も近い距離に配置されているアンテナ素子のことである。
【００２５】
図２は、本実施形態における送信アンテナ素子１４−１〜１４−Ｍの配置及び偏波特性の割り当ての一例を示す図である。図２（ａ）には、本実施形態において送信アレーアンテナ１４が１６（Ｍ＝１６）個の送信アンテナ素子１４−１〜１４−１６を有している場合の配置及び偏波特性の割り当ての一例が示されている。この例では、送信アンテナ素子１４−１〜１４−１６は、４行４列のマトリックス状に等間隔に正方形配列されている。
【００２６】
また、送信アンテナ素子１４−１〜１４−１６は、各送信アンテナ素子の偏波特性が、隣接する送信アンテナ素子の偏波特性と直交関係をなすように、垂直偏波特性と水平偏波特性とが割り当てられている。例えば、垂直偏波特性が割り当てられている送信アンテナ素子１４−６は、水平偏波特性が割り当てられている送信アンテナ素子１４−２、１４−５、１４−７、及び１４−１０と隣接している。
【００２７】
また、図２（ｂ）には、図２（ａ）と異なる偏波特性の割り当ての一例が示されている。この例では、送信アンテナ素子１４−１〜１４−１６は、各送信アンテナ素子の偏波特性が、隣接する送信アンテナ素子の偏波特性と偏波特性の旋回方向が逆になるように、右旋偏波特性と左旋偏波特性とが割り当てられている。
【００２８】
図１に戻って、受信装置１５において、受信部１８−１〜１８−Ｍは、それぞれに接続されている受信アンテナ素子１６−１〜１６−Ｍを介して、送信装置１０から送信される信号を受信し、受信した信号をダウンコンバートした受信信号を受信信号復号部１９に出力する。
受信信号復号部１９は、受信部１８−１〜１８−Ｍから入力される受信信号に含まれる各成分を分離して、送信装置１０から送信されたＭ個の系列の変調信号を復号する。なお、受信信号復号部１９における受信信号の成分の分離や、送信アンテナ素子１４−１〜１４−Ｍと、受信アンテナ素子１６−１〜１６−Ｍとの伝搬路推定処理などは、公知の技術を用いて行われる。
【００２９】
また、受信アンテナ素子１６−１〜１６−Ｍは、送信アンテナ素子１４−１〜１４−Ｍと同様に、それぞれが隣接する受信アンテナ素子と偏波特性が異なるように偏波特性が予め割り当てられる。受信アンテナ素子１６−１〜１６−Ｍそれぞれに割り当てられる偏波特性は、各受信アンテナ素子１６−１〜１６−Ｍに対向して配置される送信アンテナ素子１４−１〜１４−Ｍと同じ偏波特性が割り当てられる。
【００３０】
図３は、各アンテナ素子が図２に示した例のように配列されている場合における送信アレーアンテナ１４及び受信アレーアンテナ１６の配置関係の一例を示す図である。同図に示すように、送信アレーアンテナ１４と、受信アレーアンテナ１６とは、送信アンテナ素子１４−１〜１４−１６が配列されている平面であるアレーアンテナ面と、受信アンテナ素子１６−１〜１６−１６のアレーアンテナ面とが、伝送距離Ｄの間隔をあけて平行に配置される。
【００３１】
このとき、送信アレーアンテナ１４と受信アレーアンテナ１６とは、送信アンテナ素子１４−１〜１４−１６それぞれが受信アンテナ素子１６−１〜１６−１６と対向するように配置される。これにより、送信装置１０と、受信装置１５とは、送信アンテナ素子１４−１〜１４−１６から受信アンテナ素子１６−１〜１６−１６への直接波のみによる信号の伝送（すなわち、反射波の成分は伝送に寄与していない伝送）である並列伝送を行う。また、伝送距離Ｄは、伝送距離Ｄを送信アレーアンテナ１４の開口面積の平方根で除した値が４以下となる距離である。すなわち、伝送距離Ｄは、送信アレーアンテナ１４の開口面積の０．５乗して得られる距離の４倍以下である。
【００３２】
上述のように、本実施形態の送信アレーアンテナ１４において、隣接する送信アンテナ素子の偏波方向を異なる偏波方向にするようにしたので、隣接する送信アンテナ素子間のアイソレーションを高くするとともに、各伝搬路の空間相関を低減させることができる。これにより、送信アンテナ素子１４−１〜１４−Ｍを配列する間隔を狭くしても、空間相関の増加を抑制することができ、各伝搬路の空間相関、及び送信アンテナ素子間のアイソレーションを維持して送信アレーアンテナ１４のサイズを小さくすることができる。
また、受信アレーアンテナ１６においても、同様に、各伝搬路の空間相関、及び受信アンテナ素子間のアイソレーションを維持しつつ、受信アレーアンテナ１６のサイズを小さくすることができる。
【００３３】
ここで、本実施形態の効果を電磁界シミュレーションにより示す。この電磁界シミュレーションでは、６０ＧＨｚ帯を用いた超高速無線伝送システムのチャネル容量を計算する。また、この電磁界シミュレーションでは、送信アレーアンテナ１４、及び受信アレーアンテナ１６に備えられた各アンテナ素子が同一形状であり、図２（ａ）に示したように配列されるとともに、各アンテナ素子に図２（ａ）に示した偏波特性が割り当てられている。
【００３４】
また、送信アレーアンテナ１４、及び受信アレーアンテナ１６は、図３に示したように伝送距離Ｄの間隔で自由空間中に配置され、隣接するアンテナ素子が間隔２．５ｍｍ、つまり自由空間波長の０．５倍で正方形配列されている。また、各アンテナ素子は６０ＧＨｚにおいて整合をとった方形マイクロストリップアンテナであり、損失を自由空間伝搬損のみとしている。また、各アンテナ素子は比誘電率２．２とし、厚さ０．２ｍｍの誘電体基板上に形成されているものとした。
【００３５】
ここで、本実施形態に対する比較例の送信アレーアンテナを示す。
図４は、比較例の送信アレーアンテナ９４が備える送信アンテナ素子９４−１〜９４−１６の配置及び偏波特性の割り当てを示す図である。送信アレーアンテナ９４は、各送信アンテナ素子が４行４列のマトリックス状に等間隔に配列されるともに、各送信アンテナ素子に垂直偏波特性が割り当てられている。また、比較例の受信アレーアンテナは、送信アレーアンテナ９４と同様に、各アンテナ素子が４行４列のマトリックス状に等間隔に配列されるともに、各送信アンテナ素子に垂直偏波特性が割り当てられている。
【００３６】
図５〜図７は、本実施形態と、比較例とのシミュレーション結果を示す図である。
図５は、伝送距離と、空間相関との関係を示すグラフである。同図において、横軸は自由空間波長λ０に対する伝送距離Ｄの比（Ｄ／λ０）を示し、縦軸は空間相関を示していている。実線で示されているグラフが本実施形態によるものを示し、点線が比較例によるものを示している。同図に示されているように、本実施形態の空間相関は、比較例の空間相関に比べて大きく低減されていることが分かる。
【００３７】
図６は、伝送距離と、ＳＮＲとの関係を示すグラフである。同図において、横軸は自由空間波長λ０に対する伝送距離Ｄの比（Ｄ／λ０）を示し、縦軸はＳＮＲを示している。実線で示されているグラフが本実施形態によるものを示し、点線が比較例によるものを示している。同図に示されているように、ＳＮＲは、大きく変化しない。これは、空間を伝搬する距離の総和がほとんど変わらないため、受信装置１５の受信アレーアンテナ１６におけるトータルの受信電力は変わらないためである。
【００３８】
図７は、伝送距離と、チャネル容量との関係を示すグラフである。同図において、横軸は自由空間波長λ０に対する伝送距離Ｄの比（Ｄ／λ０）を示し、縦軸はチャネル容量を示していている。実線で示されているグラフが本実施形態によるものを示し、点線が比較例によるものを示している。同図に示されているように、本実施形態のチャネル容量は、比較例のチャネル容量に比べて増加していることが分かる。
【００３９】
例えば、伝送距離が自由空間波長の２倍（１０ｍｍ）のとき、比較例の送信及び受信アレーアンテナを有する無線通信システムの空間相関は、０．２７５であるのに対し、本実施形態の無線通信システムの空間相関は、０．１７５となっており、空間相関が３６％低減されている。また、チャネル容量は、比較例が１０１ｂｉｔ／ｓ／Ｈｚなのに対し、本実施形態が１３７ｂｉｔ／ｓ／Ｈｚであり、２６％改善している。比較例のアレーアンテナで、本実施形態と同様のチャネル容量を達成するためには、例えば、伝送距離１０ｍｍ（自由空間波長の２倍）の場合、アンテナ素子間隔を１．５倍以上に広げる必要があり、送信アレーアンテナ及び受信アレーアンテナの実装面積が増大し、送信装置及び受信装置が大型化してしまう。
【００４０】
以上のように、本実施形態の構成のように、送信アレーアンテナ１４及び受信アレーアンテナ１６において、隣接するアンテナ素子同士の偏波特性を異なる偏波特性とすることにより、隣接するアンテナ素子間隔が小さい場合でも高いチャネル容量を確保することができ、送信アレーアンテナ１４及び受信アレーアンテナ１６の小型化が可能となる。
【００４１】
また、本実施形態において図２（ａ）に示したように偏波特性を割り当てることにより、隣り合うアンテナ素子の間では偏波面が直交することとなるから伝搬特性が全く異なるようにすることができるとともに、偏波面が同一となるアンテナ素子間の距離を広げることができる。その結果、送信アンテナ素子と受信アンテナ素子との間の各伝搬路において、近接する伝搬路間の類似性を低減させて空間相関を低減させることができ、チャネル容量を向上させることができる。
また、本実施形態において図２（ｂ）に示したように偏波特性を割り当てた場合も、図２（ａ）に示した偏波特性を割り当てた場合と同様に、送受信アンテナ素子間の伝搬路のうち、近接する伝搬路間の類似性を低減させて空間相関を低減することができ、チャネル容量を向上することができる。
【００４２】
なお、本実施形態では、各アンテナ素子の形状が方形マイクロストリップアンテナであり、アンテナ素子をマトリックス状に配列した場合について説明したが、これに限ることなく、アレーアンテナに要求される形状又はサイズに応じて適宜選択するようにしてもよい。例えば、アンテナ素子を１列に配列してアレーアンテナを形成するようにしてもよい。
また、本実施例では、送信アレーアンテナ１４と、受信アレーアンテナ１６とが有するアンテナ素子の数が同一である場合について説明したが、受信アレーアンテナ１６が有するアンテナ素子の数を少なくしてもよい。
【００４３】
（第２実施形態）
図８は、第２実施形態における無線通信システムが具備している送信装置１０及び受信装置２５の構成を示す概略ブロック図である。本実施形態は、受信装置２５が偏波切替器１７−１〜１７−Ｍを備えている点、及び、受信部１８−１〜１８−Ｍに替えて受信部２８−１〜２８−Ｍを備えている点が第１実施形態と異なる。なお、本実施形態において第１実施形態と同じ構成には、同じ符号を付して、その説明を省略する。また、本実施形態の無線通信システムは、第１実施形態の無線通信システムと同様に、近距離ＭＩＭＯ伝送を行う。
【００４４】
受信装置２５において、各偏波切替器１７−１〜１７−Ｍは、受信アンテナ素子１６−１〜１６−Ｍごとに対応して設けられ、受信アンテナ素子１６−１〜１６−Ｍにより受信される信号が入力される。
受信部２８−１〜２８−１は、それぞれが偏波切替器１７−１〜１７−Ｍを介して受信アンテナ素子１６−１〜１６−Ｍそれぞれに１つずつ接続されている。また、受信部２８−１〜２８−Ｍは、接続された受信アンテナ素子１６−１〜１６−Ｍにより受信された信号の電力に応じて、偏波切替器１７−１〜１７−Ｍを制御して受信アンテナ素子１６−１〜１６−Ｍの偏波特性を切り替える。
また、受信部２８−１〜２８−Ｍは、第１実施形態の受信部１８−１〜１８−Ｍと同様に、それぞれに接続されている受信アンテナ素子１６−１〜１６−Ｍを介して、送信装置１０から送信される信号を受信し、受信した信号をダウンコンバートした受信信号を受信信号復号部１９に出力する。
【００４５】
次に、本実施形態における動作を説明する。ここでは、送信アレーアンテナ１４は、６個の送信アンテナ素子１４−１〜１４−６を有し、受信アレーアンテナ１６は、３個の受信アンテナ素子１６−１〜１６−３を有している場合について説明する。
図９は、本実施形態における受信アンテナ素子の偏波特性を切り替える動作の一例を示す概略図である。例えば、図９（ａ）に示すように、送信アンテナ素子１４−１〜１４−６は直線状に配列されるとともに、受信アンテナ素子１６−１〜１６−３は直線状に配列されているとする。
【００４６】
ここで、同図に示すように、送信アレーアンテナ１４又は受信アレーアンテナ１６の設置位置のずれなどが原因で、近接して対向するアンテナ素子同士の偏波特性が一致していない場合、チャネル容量が低下してしまう。例えば、送信アンテナ素子１４−３に垂直偏波特性が割り当てられ、送信アンテナ素子１４−３に対向する受信アンテナ素子１６−１に水平偏波特性が割り当てられ、偏波特性が異なっている。このように、対向するアンテナ素子同士の偏波特性が直交していると、最も距離減衰が小さい無線伝搬路において信号伝送ができず、受信アレーアンテナ１６により受信する信号の電力が小さくなってしまう。その結果、受信ＳＮＲが小さくなり、チャネル容量が低下してしまう。
【００４７】
このとき、受信部２８−１〜２８−３は、受信アンテナ素子１６−１〜１６−３により受信される信号の電力値を算出し、算出した電力値が予め定められたしきい値以下の場合、偏波切替器１７−１〜１７−３を制御して、受信される信号の電力値がしきい値より高くなるように受信アンテナ素子１６−１〜１６−３の偏波特性を切り替える。
すなわち、受信部２８−１〜２８−３は、受信される信号の電力がしきい値より小さい場合、アンテナ素子間の偏波特性に不一致が生じていると判定して、受信アンテナ素子１６−１〜１６−３それぞれに対抗する送信アンテナ素子１４−３〜１４−５の偏波特性と、受信アンテナ素子１６−１〜１６−３とが一致するように偏波特性を切り替える。ここでは、偏波特性として垂直偏波特性と、水平偏波特性とを用いているので、受信される信号の電力がしきい値より小さい場合、現在割り当てられている偏波特性と異なる偏波特性を割り当てることになる。
【００４８】
図９（ａ）に示した状態において、受信部２８−１は、受信アンテナ素子１６−１の偏波特性を水平偏波から垂直偏波に切り替える。同様に、受信部２８−３は、受信アンテナ素子１６−３の偏波特性を垂直偏波に切り替える。また、受信部２８−２は、受信アンテナ素子１６−２の偏波特性を水平偏波から垂直偏波に切り替える。
受信部２８−１〜２８−３の制御により、図９（ｂ）に示すように、受信アンテナ素子１６−１〜１６−３の偏波特性は、それぞれが対向する送信アンテナ素子１４−３〜１４−５の偏波特性と一致して、受信アレーアンテナ１６により受信される信号の総電力を大きくすることができ、受信される信号のＳＮＲを大きくすることができる。
【００４９】
その結果、図９（ｂ）に示す偏波特性の割り当てでは、図９（ａ）に示す偏波割り当てに比べ、チャネル容量を増加させることができ、通信品質の低下を防ぐことができる。
このように、受信装置２５に偏波切替器１７−１〜１７−Ｍを設けることにより、送信アレーアンテナ１４又は受信アレーアンテナ１６の設置位置のずれなどが生じても、通信品質の低下を防ぐことができる。また、本実施形態においても、第１実施形態と同様に、送信アンテナ素子間のアイソレーション、及び受信アンテナ素子間のアイソレーションを維持して、送信アレーアンテナ１４及び受信アレーアンテナ１６のサイズを小さくすることができる。
【００５０】
なお、本実施形態においては、受信装置２５が偏波切替器１７−１〜１７−Ｍを備える構成を説明したが、これに限らずに、送信装置１０に偏波切替器を備えるようにしてもよい。この場合、受信装置２５が受信した信号の総電力値を送信装置１０に通知し、通知された総電力値がしきい値以下の場合、送信装置１０に備えられた偏波切替器を制御して、総電力値がしきい値より大きくなるように、送信アンテナ素子１４−１〜１４−Ｍの偏波特性を切り替えるようにしてもよい。
また、本実施形態では、各アンテナ素子に割り当てる偏波特性が、垂直偏波特性又は水平偏波特性の場合について説明したが、これに限らずに、各アンテナ素子に割り当てる偏波特性を右旋偏波特性又は左旋偏波特性にしてもよい。
【００５１】
また、本実施形態では、偏波特性の切り替えを信号の電力に基づいて行うようにしたが、これに限らずに、ＳＮＲや、受信した信号の誤り率などに基づいて偏波特性の切り替えを行うようにしてもよい。
また、本実施形態では、送信アレーアンテナ１４及び受信アレーアンテナ１６の配列形状を直線の場合について説明したが、これに限ることなく、送信アレーアンテナ１４及び受信アレーアンテナ１６に要求される形状又はサイズに応じて適宜選択するようにしてもよい。
【００５２】
（第３実施形態）
図１０は、第３実施形態における無線通信システムが具備している送信装置３０及び受信装置３５の構成を示す概略ブロック図である。本実施形態は、送信装置３０が偏波切替器１３−１〜１３−Ｍ及び送信偏波制御部４１を備えている点、及び受信装置３５が偏波切替器１７−１〜１７−Ｍ及び受信偏波制御部４２を備えている点が第１実施形態と異なる。なお、本実施形態において第１実施形態と同じ構成には同じ符号を付して、その説明を省略する。また、本実施形態の無線通信システムは、第１実施形態の無線通信システムと同様に、近距離ＭＩＭＯ伝送を行う。
【００５３】
送信装置３０において、各偏波切替器１３−１〜１３−Ｍは、送信アンテナ素子１４−１〜１４−Ｍごとに対応して設けられ、変調信号をアップコンバートした信号が入力され、入力された信号を対応する送信アンテナ素子に出力する。また、偏波切替器１３−１〜１３−Ｍは、送信偏波制御部４１の制御に応じて、対応する送信アンテナ素子１４−１〜１４−Ｍの偏波特性を切り替える。
送信偏波制御部４１は、送信アンテナ素子１４−１〜１４−Ｍに割り当てる偏波特性の組み合わせを少なくとも２つ予め記憶しており、記憶している偏波特性の組み合わせに応じて、送信アンテナ素子１４−１〜１４−Ｍに割り当てる偏波特性を一定の期間ごとに切り替える。ここで、送信偏波制御部４１が送信アンテナ素子１４−１〜１４−Ｍに割り当てる偏波特性は、垂直偏波特性及び水平偏波特性の組み合わせか、右旋偏波特性及び左旋偏波特性の組み合わせのいずれかである。
【００５４】
受信装置３５において、各偏波切替器１７−１〜１７−Ｍは、受信アンテナ素子１６−１〜１６−Ｍごとに対応して設けられ、受信アンテナ素子１６−１〜１６−Ｍにより受信される信号が入力され、入力された信号を受信部１８−１〜１８−Ｍに出力する。また、偏波切替器１７−１〜１７−Ｍは、受信偏波制御部４２の制御に応じて、対応する受信アンテナ素子１６−１〜１６−Ｍの偏波特性を切り替える。
受信偏波制御部４２は、送信偏波制御部４１と同様に、受信アンテナ素子１６−１〜１６−Ｍに割り当てる偏波特性の組み合わせを少なくとも２つ予め記憶しており、送信偏波制御部４１が偏波特性を切り替えるタイミングに同期して切り替える。ここで、受信偏波制御部４２が記憶している偏波特性の組み合わせは、送信偏波制御部４１が記憶している偏波特性の組み合わせに応じて、各受信アンテナ素子に割り当てる偏波特性が、対となる送信アンテナ素子の偏波特性と同じになるように定められている。また、送信偏波制御部４１と同期をとる方法としては、送信装置３０と受信装置３５との間で同期をとるための同期信号を送受信するようにしてもよいし、送信装置３０と受信装置３５とに同期をとるためのタイマを備えるようにしてもよい。
【００５５】
上述の構成により、送信アレーアンテナ１４及び受信アレーアンテナ１６の各アンテナ素子に割り当てる偏波特性を切り替えることにより、送信アレーアンテナ１４から送信される信号を他の受信装置により傍受されることを防ぐことができ、送信装置３０と受信装置３５との通信の秘匿性を向上させることができる。また、本実施形態においても、第１実施形態と同様に、送信アンテナ素子間のアイソレーション、及び受信アンテナ素子間のアイソレーションを維持して送信アレーアンテナ１４及び受信アレーアンテナ１６のサイズを小さくすることができる。
【符号の説明】
【００５６】
１０，３０…送信装置
１１…送信信号発生部
１２−１，１２−２，１２−Ｍ…送信部
１３−１，１３−３，１３−Ｍ…偏波切替器
１４，９４…送信アレーアンテナ
１４−１，１４−２，１４−Ｍ，９４−１〜９４−１６…送信アンテナ素子
１５，２５，３５…受信装置
１６…受信アレーアンテナ
１６−１，１６−２，１６−３…受信アンテナ素子
１７−１，１７−２，１７−Ｍ…偏波切替器
１８−１，１８−２，１８−Ｍ，２８−１，２８−２，２８−Ｍ…受信部
１９…受信信号復号部
４１…送信偏波制御部
４２…受信偏波制御部
【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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