(57)【要約】【課題】  アナログ回路を用いた低コストな構成で並列伝送が可能な無線通信システム及び装置及び方法を提供すること。【解決手段】  送受信間のチャネル行列に対称性が現れるように、送受信を含めたＭＩＭＯアンテナＡＴ１〜ＡＴ４全体をある平面を基準に対称となるように配置する。送受信双方のアレーに対して１８０度ハイブリッド回路ＨＴ、ＨＲを接続する。チャネル行列の対称性および１８０度ハイブリッドカプラの入出力特性から、チャネル行列はこれらのアナログ回路のみにより対角化される。すなわちこれは、ディジタル信号処理によらずビームフォーミングを行うことなく、干渉の無い複数の並列伝送路を構成したこととなる。【選択図】図４
2016015689.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
送受信方向に平行な第１の基準平面に対して対称に配置された２素子の第１の送信アンテナ組と、
２つの入力ポートと、前記第１の送信アンテナ組に接続される２つの出力ポートとを有する第１の送信用１８０度ハイブリッド回路と、
を有する送信装置と、
前記第１の基準平面に対して対称に配置された２素子の第１の受信アンテナ組と、
前記第１の受信アンテナ組に接続される２つの入力ポートと、２つの出力ポートとを有する第１の受信用１８０度ハイブリッド回路と、
を有する受信装置と
を備えた無線通信システム。
【請求項２】
請求項１に記載の無線通信システムにおいて、
前記送信装置は、
前記第１の基準平面及び送受信方向に平行で前記第１の基準平面に直交する第２の基準平面に対して対称に配置された２素子の第２の送信アンテナ組と、
２つの入力ポートと、前記第２の送信アンテナ組に接続される２つの出力ポートとを有する第２の送信用１８０度ハイブリッド回路と、
前記第１の送信用１８０度ハイブリッド回路の入力ポートの一方及び前記第２の送信用１８０度ハイブリッド回路の入力ポートの一方に接続される２つの出力ポートと、２つの入力ポートを有する第３の送信用１８０度ハイブリッド回路と、
前記第１の送信用１８０度ハイブリッド回路の入力ポートの他方及び前記第２の送信用１８０度ハイブリッド回路の入力ポートの他方に接続される２つの出力ポートと、２つの入力ポートを有する第４の送信用１８０度ハイブリッド回路と、
を、さらに備え、
前記受信装置は、
前記第１の基準平面及び前記第２の基準平面に対して対称に配置された２素子の第２の受信アンテナ組と、
前記第２の受信アンテナ組に接続される２つの入力ポートと、２つの出力ポートとを有する第２の受信用１８０度ハイブリッド回路と、
前記第１の受信用１８０度ハイブリッド回路の出力ポートの一方及び前記第２の受信用１８０度ハイブリッド回路の出力ポートの一方に接続される２つの入力ポートと、２つの出力ポートを有する第３の受信用１８０度ハイブリッド回路と、
前記第１の受信用１８０度ハイブリッド回路の出力ポートの他方及び前記第２の受信用１８０度ハイブリッド回路の出力ポートの他方に接続される２つの入力ポートと、２つの出力ポートを有する第４の受信用１８０度ハイブリッド回路と
を、さらに備えた
ことを特徴とする無線通信システム。
【請求項３】
請求項１に記載の無線通信システムにおいて、
前記送信装置は、
前記第１の送信アンテナ組の各アンテナは、第１偏波の送信アンテナ素子と第２偏波の送信アンテナ素子を備え、
前記第１の送信用１８０度ハイブリッド回路を２組備え、一方の前記第１の送信用１８０度ハイブリッド回路が前記第１の送信アンテナ組の第１偏波の送信アンテナ素子に接続され、他方の前記第１の送信用１８０度ハイブリッド回路が前記第１の送信アンテナ組の第２偏波の送信アンテナ素子に接続され、
前記受信装置は、
前記第１の受信アンテナ組の各アンテナは、第１偏波の受信アンテナ素子と第２偏波の受信アンテナ素子を備え、
前記第１の受信用１８０度ハイブリッド回路を２組備え、一方の前記第１の受信用１８０度ハイブリッド回路が前記第１の受信アンテナ組の第１偏波の受信アンテナ素子に接続され、他方の前記第１の受信用１８０度ハイブリッド回路が前記第１の受信アンテナ組の第２偏波の受信アンテナ素子に接続される
ことを特徴とする無線通信システム。
【請求項４】
請求項２に記載の無線通信システムにおいて、
前記送信装置は、
前記第１及び第２の送信アンテナ組の各アンテナは、第１偏波の送信アンテナ素子と第２偏波の送信アンテナ素子をそれぞれ備え、
前記第１の送信用１８０度ハイブリッド回路を２組備え、一方の前記第１の送信用１８０度ハイブリッド回路が前記第１の送信アンテナ組の第１偏波の送信アンテナ素子に接続され、他方の前記第１の送信用１８０度ハイブリッド回路が前記第１の送信アンテナ組の第２偏波の送信アンテナ素子に接続され、
前記第２の送信用１８０度ハイブリッド回路を２組備え、一方の前記第２の送信用１８０度ハイブリッド回路が前記第２の送信アンテナ組の第１偏波の送信アンテナ素子に接続され、他方の前記第２の送信用１８０度ハイブリッド回路が前記第２の送信アンテナ組の第２偏波の送信アンテナ素子に接続され、
前記受信装置は、
前記第１及び第２の受信アンテナ組の各アンテナは、第１偏波の受信アンテナ素子と第２偏波の受信アンテナ素子をそれぞれ備え、
前記第１乃至第４の受信用１８０度ハイブリッド回路を２組備え、一方の前記第１の受信用１８０度ハイブリッド回路が前記第１の受信アンテナ組の第１偏波の受信アンテナ素子に接続され、他方の前記第１の受信用１８０度ハイブリッド回路が前記第１の受信アンテナ組の第２偏波の受信アンテナ素子に接続され、
前記第２の受信用１８０度ハイブリッド回路を２組備え、一方の前記第２の受信用１８０度ハイブリッド回路が前記第２の受信アンテナ組の第１偏波の受信アンテナ素子に接続され、他方の前記第２の受信用１８０度ハイブリッド回路が前記第２の受信アンテナ組の第２偏波の受信アンテナ素子に接続される
ことを特徴とする無線通信システム。
【請求項５】
請求項３又は４に記載の無線通信システムにおいて、
前記第１偏波の送信アンテナ素子及び受信アンテナ素子と前記第２偏波の送信アンテナ素子及び受信アンテナ素子は、直交偏波を発する水平偏波アンテナ素子と垂直偏波アンテナ素子、又は、円偏波若しくは楕円偏波を発する右旋偏波アンテナ素子と左旋偏波アンテナ素子であることを特徴とする無線通信システム。
【請求項６】
請求項１又は３に記載の無線通信システムにおいて、
前記第１の送信アンテナ組の素子間の距離は、前記第１の受信アンテナ組の素子間の距離と異なる値であることを特徴とする無線通信システム。
【請求項７】
請求項２又は３に記載の無線通信システムにおいて、
前記第１の送信アンテナ組の素子間の距離は、前記第１の受信アンテナ組の素子間の距離と異なる値であること、及び／又は、
前記第２の送信アンテナ組の素子間の距離は、前記第２の受信アンテナ組の素子間の距離と異なる値であること、及び／又は、
前記第１の送信アンテナ組のひとつ又は２つの素子と前記第２の送信アンテナ組のひとつ又は２つの素子との間の距離は、前記第１の受信アンテナ組のひとつ又は２つの素子と前記第２の受信アンテナ組のひとつ又は２つの素子との間の距離と異なる値であること
を特徴とする無線通信システム。
【請求項８】
請求項１乃至７のいずれかに記載の無線通信システムにおいて、
送信側の入力ポート及び／又は受信側の出力ポートに、反射を補償するための整合回路をさらに備えたことを特徴とする無線通信システム。
【請求項９】
送受信方向に平行な第１の基準平面に対して対称に配置された２素子の第１の送信アンテナ組と、
２つの入力ポートと、前記第１の送信アンテナ組に接続される２つの出力ポートとを有する第１の送信用１８０度ハイブリッド回路と、
を有する送信部と、
前記第１の基準平面に対して対称に配置された２素子の第１の受信アンテナ組と、
前記第１の受信アンテナ組に接続される２つの入力ポートと、２つの出力ポートとを有する第１の受信用１８０度ハイブリッド回路と、
を有する受信部と
を備えた無線通信装置。
【請求項１０】
送受信方向に平行な第１の基準平面に対して対称に２素子の第１の送信アンテナ組を配置し、
第１の送信用１８０度ハイブリッド回路の２つの出力ポートを、前記第１の送信アンテナ組に接続し、
送信信号を、第１の送信用１８０度ハイブリッド回路の２つの入力ポートに入力して、前記第１の送信アンテナ組から無線信号を送信し、
前記第１の基準平面に対して対称に２素子の第１の受信アンテナ組を配置し、
第１の受信用１８０度ハイブリッド回路の２つの入力ポートを、前記第１の受信アンテナ組に接続し、
前記第１の受信アンテナ組で前記無線信号を受信し、前記第１の受信用１８０度ハイブリッド回路の２つの出力ポートから受信信号を出力する
を備えた無線通信方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、無線通信システム及び装置及び方法に係り、特に、本発明はアナログ信号処理を用いた近距離無線通信システム及び装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
電子マネーに代表されるＲＦＩＤ（Ｒａｄｉｏ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  Ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ）やワイヤレスヘッドフォン等に用いられるＢｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）など近距離無線通信技術を用いたシステムが普及している。近距離通信であっても、情報が写真や動画等の大容量コンテンツとなると伝送速度が十分であるとは言えない場合がある。しかし、広帯域化により伝送速度を向上することは、周波数資源が不足するため、通常困難であることが想定される。一方、送受信機に複数のアンテナを用いたＭＩＭＯ（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ−Ｉｎｐｕｔ  Ｍｕｌｔｉｐｌｅ−Ｏｕｔｐｕｔ）技術が登場し、周波数帯域を広げなくてもアンテナ数に応じて伝送速度を向上することが可能とされている。
【０００３】
近距離ＭＩＭＯ伝送はこのような近距離無線通信にＭＩＭＯ技術を適用したものであり、例えば数波長程度の通信距離に複数の送信アンテナと複数の受信アンテナを配置する無線通信方法である。送受信アンテナ間の伝達関数を伝搬チャネルと呼び、アンテナが複数であるため伝搬チャネルは行列として扱われる。また、一般的にＭＩＭＯ技術は複数の伝搬路を同時に使用可能な環境が必要であるため、多数の散乱波が存在しない見通し環境では高い伝送容量は得られないことが想定される。近距離無線通信では送受信アンテナ間に電波を散乱する物体が存在しないと想定されるが、アンテナ位置や指向性を適切に与えることによって著しく高いチャネル容量が得られることが分かっている（非特許文献１、特許文献１）。
【０００４】
ＭＩＭＯ伝送を実現する場合、複数の送信アンテナから発せられる複数の無線信号が混在した信号が受信アンテナで観測されるため、これらの信号を分離する信号処理が必要になる。しかし、通常アンテナ数の２乗〜３乗に比例して演算量が増大するため、高速な信号処理回路が必要となり、高コスト化を招くという課題があった。受信アンテナ給電回路にアナログ信号処理（分離回路）を施すことによってディジタル信号処理を用いずに複数の信号を分離する方法が開示されている（非特許文献２）。しかしながら、伝送距離により分離回路の設計が異なるため、伝送距離があらかじめ完全に決まっている必要があり、位置ずれによって分離性能が著しく劣化する場合があるという課題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許４９３３５１４号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Ｉ.Ｓａｒｒｉｓ  ａｎｄ  Ａ.Ｒ.Ｎｉｘ,“Ｄｅｓｉｇｎ  ａｎｄ  ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ  ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ  ｏｆ  ｈｉｇｈｃａｐａｃｉｔｙＭＩＭＯ  ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅｓ  ｉｎ  ｔｈｅ  ｐｒｅｓｅｎｃｅ  ｏｆ  ａ  ｌｉｎｅ−ｏｆ−ｓｉｇｈｔ  ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ,”ＩＥＥＥ  Ｔｒａｎｓ.Ｖｅｈ.Ｔｅｃｈｎｏｌ.,ｖｏｌ.５６,ｎｏ.４,ｐｐ.２１９４−２２０２,Ｊｕｌ.２００７.
【非特許文献２】堅岡良知,西森健太郎,平賀健,高井健太郎,坂元一光,関智弘，“近距離ＭＩＭＯ伝送における簡易受信復号法の提案，”電子情報通信学会技術研究報告,ＡＰ２０１１−１７３,ｐｐ.１５３−１５８,２０１２年１月
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、以上の点に鑑み、アナログ回路を用いた低コストな構成で並列伝送が可能な無線通信システム及び装置及び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】
【０００８】
本発明の第１の解決手段によると、
送受信方向に平行な第１の基準平面に対して対称に配置された２素子の第１の送信アンテナ組と、
２つの入力ポートと、前記第１の送信アンテナ組に接続される２つの出力ポートとを有する第１の送信用１８０度ハイブリッド回路と、
を有する送信装置と、
前記第１の基準平面に対して対称に配置された２素子の第１の受信アンテナ組と、
前記第１の受信アンテナ組に接続される２つの入力ポートと、２つの出力ポートとを有する第１の受信用１８０度ハイブリッド回路と、
を有する受信装置と
を備えた無線通信システムが提供される。
【０００９】
本発明の第２の解決手段によると、
送受信方向に平行な第１の基準平面に対して対称に配置された２素子の第１の送信アンテナ組と、
２つの入力ポートと、前記第１の送信アンテナ組に接続される２つの出力ポートとを有する第１の送信用１８０度ハイブリッド回路と、
を有する送信部と、
前記第１の基準平面に対して対称に配置された２素子の第１の受信アンテナ組と、
前記第１の受信アンテナ組に接続される２つの入力ポートと、２つの出力ポートとを有する第１の受信用１８０度ハイブリッド回路と、
を有する受信部と
を備えた無線通信装置が提供される。
【００１０】
本発明の第３の解決手段によると、
送受信方向に平行な第１の基準平面に対して対称に２素子の第１の送信アンテナ組を配置し、
第１の送信用１８０度ハイブリッド回路の２つの出力ポートを、前記第１の送信アンテナ組に接続し、
送信信号を、第１の送信用１８０度ハイブリッド回路の２つの入力ポートに入力して、前記第１の送信アンテナ組から無線信号を送信し、
前記第１の基準平面に対して対称に２素子の第１の受信アンテナ組を配置し、
第１の受信用１８０度ハイブリッド回路の２つの入力ポートを、前記第１の受信アンテナ組に接続し、
前記第１の受信アンテナ組で前記無線信号を受信し、前記第１の受信用１８０度ハイブリッド回路の２つの出力ポートから受信信号を出力する
を備えた無線通信方法が提供される。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によると、アナログ回路を用いた低コストな構成で並列伝送が可能な無線通信システム及び装置及び方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】ハイブリッドの動作を表す原理図である。
【図２】本発明の第一の実施形態に用いるアンテナ構成の説明図である。
【図３】本発明の第一の実施形態に係るアンテナ配置の説明図である。
【図４】本発明の第一の実施形態の無線通信システムを示す構成図である。
【図５】本発明の第一の実施形態の数値解析に係る構成図である。
【図６】本発明の第一の実施形態の数値解析結果である。
【図７】本発明の第二の実施形態に係るアンテナ配置の説明図である。
【図８】本発明の第二の実施形態の無線通信システムを示す構成図である。
【図９】本発明の第二の実施形態の数値解析に係る構成図である。
【図１０】本発明の第二の実施形態の数値解析結果である。
【図１１】パッチアンテナを用いたアンテナ配列の説明図である。
【図１２】本発明の第三の実施形態に用いるアンテナ構成の説明図である。
【図１３】本発明の第三の実施形態の無線通信システムを示す構成図（１）である。
【図１４】本発明の第三の実施形態の無線通信システムを示す構成図（２）である。
【図１５】整合回路ＭＮを接続した無線通信システムを示す構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
１．概要
本発明の実施形態は、特に、送受信間距離に依存しない近距離ＭＩＭＯアナログ固有モード伝送法を実現するのである。本実施形態では送受信間のチャネル行列に対称性が現れるように、送受信を含めたＭＩＭＯアンテナ全体をある平面を基準に対称となるように配置する。次に、送受信双方のアレーに対して１８０度ハイブリッド回路を接続する。チャネル行列の対称性および１８０度ハイブリッドカプラの入出力特性から、チャネル行列はこれらのアナログ回路のみにより対角化される。すなわちこれは、ディジタル信号処理によらずビームフォーミングを行うことなく、干渉の無い複数の並列伝送路を構成したこととなる。
【００１４】
本実施形態の利点として、特に以下の２点が挙げられる。まず１点目として、構造の対称性が保証されている限り、アレーアンテナの構成、例えば素子アンテナの種類、アレー素子間隔に関らず適用可能である。２点目として、送受信アレーアンテナ間の距離に依存せず並列伝送路が乱れず直交化されることである。
【００１５】
本実施形態によれば、特に近距離かつ複数のアンテナを用いた無線通信システムにおいて、アナログ信号処理を実現する給電回路を用いることによって、送受信間の距離によらず低コストな装置構成で、膨大な演算処理を必要とせずに並列伝送、信号多重・分離が可能になるという効果が得られる。
【００１６】
２．１８０度ハイブリッド回路
図１は、ハイブリッドの動作を表す原理図である。
本発明の実施形態を説明するために、まず１８０度ハイブリッド回路の原理について説明する。１８０度ハイブリッド回路（以下、ハイブリッド）は、４ポートからなる受動素子であり、主に高周波およびマイクロ波システムにおいて様々な用途に利用される。１８０度ハイブリッド回路としては、例えば、ラットレース型ハイブリッド等の適宜の素子を用いることができる。まずハイブリッドの入出力特性について説明する。図１はハイブリッドの概略図を示しており、ポート１（Ｐｏｒｔ）および２が入力ポート、ポート（Ｐｏｒｔ）３および４が出力ポートに対応している。はじめにポート１への入力に対する出力特性について述べる。図１（ａ）に示すように、ポート１へ入力された信号はポート３とポート４に等分され、このとき出力は同相同振幅となる。また同時にポート２からは減結合されている。一方で、図１（ｂ）に示すようにポート２へ信号が入力された場合、ポート３およびポート４に対し、振幅は等しいが各ポートへの出力の位相差が１８０度、すなわち逆相となるように出力がなされる。また同様にポート１からは減結合されている。逆に、ポート３およびポート４からの入力信号に対しては、それらの和がポート１に出力され、ポート２へはそれらの差が出力される。それ故、ポート１とポート２はそれぞれΣ（sum）ポートおよびΔ（difference）ポートとも呼ばれ、本明細書では以降、後者の呼び方を採用するものとする。
【００１７】
続いて前述の入出力特性に基づきハイブリッドのＳパラメータ特性について説明する。ハイブリッドのＳパラメータShybは
【数１】
2016015689.tif 000003
と４つの区分行列で表せるものとし、入力および出力ポート数はそれぞれ２となるため各区分行列は２次の正方行列となる。ここで式（１）における各区分行列のインデックス”ｉ”および”ｏ”はそれぞれ入力および出力ポートを表している。ここで区分行列Shyb,iiおよびShyb,ooはそれぞれ入力部および出力部におけるポートでの反射およびポート間の相互結合を表し、理想的なハイブリッドを仮定した場合、入出力部における反射および結合はないものとみなせるため、
Shyb,ii=Shyb,oo=O2                                                      （２）
と表すことができる。ここで０ｎはｎ次の正方零行列を表している。一方、区分行列Shyb,oiは入力ポートから出力ポートへの電力の伝達を表しており、
【数２】
2016015689.tif 000004
と表される。また区分行列Shyb,ioは出力ポートから入力ポートへの電力の伝達を示しており、回路のＳパラメータにおいて可逆性が成り立ち、かつShyb,oiは対称行列であるので、
Shyb,io=SThyb,oi=Shyb,oi                                                  （４）
となる。また、式（１）はユニタリ行列となるため、理想的なハイブリッドは無損失回路である。
【００１８】
３．第一の実施形態（２つずつの送受信アンテナ）
図２〜４は、本発明の第一の実施形態について表している。
図２は、本発明の第一の実施形態に用いるアンテナ構成の説明図である。
図２において、２素子の送信アンテナＡＴ１、ＡＴ２（送信ポートＴｘ１、Ｔｘ２）、２素子の受信アンテナＡＲ１、ＡＲ２（受信ポートＲｘ１、Ｒｘ２）を表している。この送受信アンテナ間のチャネル行列Schlを
【数３】
2016015689.tif 000005
と表すものとする。例えばSRx2Tx1は送信ポートＴｘ１から受信ポートＲｘ２への伝達を表すチャネル行列成分である。
【００１９】
図３は、本発明の第一の実施形態に係るアンテナ配置の説明図である。
ここで図３に示すように、送受信系を含む近距離ＭＩＭＯアンテナ全体が（送受信方向に平行な）基準面（Reference Plane）に対して面対称となるように構成されている場合、SRx1Tx1とSRx2Tx2、SRx1Tx2とSRx2Tx1どうしが等しくなり、これらをそれぞれ定数αchl,βchlと置くものとすると、式（５）は、
【数４】
2016015689.tif 000006
と書き表され、チャネル行列に対称性が現れる。なお、受信アンテナＡＲ１とＡＲ２の間の距離は、送信アンテナＡＴ１とＡＴ２の間の距離と同じ値であっても、異なる値であってもよい。アンテナ配置が基準面に対して対称であるという条件を満足してあれば良い。
【００２０】
図４は、本発明の第一の実施形態の無線通信システムを示す構成図である。
続いて図４に示すように、対称に構成された送受信ポート双方に対してハイブリッドＨＴ、ＨＲを縦続接続した場合について説明する。ハイブリッドＨＴ、ＨＲが縦続接続された系全体のＳパラメータの内、送信ポートと受信ポート間の伝達を表すチャネル行列成分をS’chlとすれば、S’chlは、
［受信側ハイブリッド］×［ハイブリッドとアンテナ間の不整合］×［伝搬チャネル］
×［ハイブリッドとアンテナ間の不整合］×［送信側ハイブリッド］
によるＳパラメータの継続接続となり、
【数５】
2016015689.tif 000007
と表せる。ここでSant,TxおよびSant,Rxはそれぞれ送信アレー（アンテナ）および受信アレー（アンテナ）のＳパラメータを表しており、Ｉｎはｎ次の単位行列を表している。ただし式（７）において、Shyb,iiおよびShyb,ooは、式（２）で示したように理想的なハイブリッドを仮定した場合、零行列となるため、式（７）はさらに簡単に
S'chl=Shyb,oiSchlShyb,oi                                                  （８）
と書き表され、ハイブリッドＨＴ、ＨＲおよび伝搬チャネルの伝達成分のみの積で表すことが可能となる。さらに式（３）および式（６）より、式（８）で表されるハイブリッド接続後のチャネル行列の各要素は、
【数６】
2016015689.tif 000008
と表され、チャネル行列が対角化される。すなわちこれは図４に示すように、ポートＴｘ１とＲｘ１間およびポートＴｘ２とＲｘ２間において互い直交した独立のチャネルが形成され、並列伝送が可能であることを意味している。
【００２１】
ここで、ハイブリッド接続後のポートＴｘ１およびＲｘ１、ポートＴｘ２およびＲｘ２はそれぞれ、図１に示すハイブリッドＨＴ、ＨＲのΣポートおよびΔポートに対応しており、式（９）におけるそれらのポート間のチャネルをそれぞれ
SΣ=-αchl-βchl                                                        （１０）
SΔ=-αchl+βchl                                                        （１１）
と置くものとする。
以上より、対称性を有するように構成された近距離ＭＩＭＯシステムにおいて、送受信双方に対しハイブリッドＨＴ、ＨＲを接続することで送受信の対応し合うポート毎に直交したチャネルを形成することが可能となり、デジタルビームフォーミングを必要とせずアナログ回路のみを用いた並列伝送が可能となる。
【００２２】
図５は、本発明の第一の実施形態（２×２ＭＩＭＯ）の解析モデルを示している。この例では、解析には十分細い半波長ダイポールアンテナを用いた。ここで素子間隔をｄ、送受信アレーアンテナ間距離をＤと定義する。送信アレーアンテナおよび受信アレーアンテナはｚｘ面を基準として対称に置かれており、全てのダイポールアンテナはｚ軸方向に平行である。なお電磁界解析には、一例としてモーメント法を用いた。
【００２３】
図１１は、パッチアンテナを用いたアンテナ配列の説明図である。
各実施形態において、アンテナとしては、上述のようなダイポールアンテナに限らず様々なアンテナを用いることができる。この図では、送受信アンテナＴｘ１，Ｔｘ２，Ｒｘ１，Ｒｘ２に十分に整合のとれたパッチアンテナを用いて構成された、２素子アレーを使用した例を示す。送受信アンテナの給電点（Ｆｅｅｄｉｎｇ  ｐｏｉｎｔ）間の距離がｄとなっているが、送信アンテナＴｘ１，Ｔｘ２間と受信アンテナＲｘ１，Ｒｘ２間で異なる距離としてもよい。
【００２４】
図６は、本発明の第一の実施形態である図５のモデルについて、送受信距離に対するチャネル容量を計算した結果である。ここで、チャネル容量は、
【数７】
2016015689.tif 000009
の式より計算した。ここで、ＳＩＮＲ（Signal-to-Noise-and-Interference  Ratio）は信号対雑音・干渉電力比であり、Ｎ，ｉはそれぞれアンテナ数、給電ポート番号を意味する。チャネルが完全に直交化される場合は干渉成分が無くなりシャノンチャネル容量と一致するが、直交化されない場合は干渉成分が他のポートに漏れこむことになり、本方式では受信機側で干渉除去を行わないため残留干渉が伝送速度に強く影響する場合が想定される。式（１２）ではこの影響を考慮することができる。また、ＺＦ（Zero-Forcing）とは、例えば、非特許文献２により給電回路を構成した場合の結果であり、送受信距離Ｄ=λ（λ：自由空間中の波長）の伝搬チャネルに基づいて給電回路を設計している。ＤＥ−ＳＤＭ（Digital  Eigenmode  Spatial  Division  Multiplexing）はアナログ給電回路を用いずにディジタル信号処理のみに基づき理想的に信号間の干渉を分離できた場合のチャネル容量であり、これが真の上限となる。これはシャノンのチャネル容量と一致することが知られており、
C=det{I+SchlSHchlP/Nσ2n}                                              （１３）
により計算される。ここで、P,σ2nはそれぞれ総送信電力と雑音電力を表している。本計算では、本実施形態・ＺＦ・ＤＥ−ＳＤＭともP=0dBm、σ2n=-50dBmと等しく与えた。また、送信アンテナの送信電力は等しく与えるものとする。
【００２５】
図６より、本実施形態とＤＥ−ＳＤＭは完全に一致することが分かる。これは本実施形態がチャネルを完全に直交化するため、アンテナ配置が完全に対称であり、１８０度ハイブリッドの性能が理想的である場合、干渉が０になるためである。一方、ＺＦによる結果では送受信距離Ｄ＝λの場合のみ高いチャネル容量が得られるが、それ以外では大きく劣化することが分かる。これは設計距離以外では干渉を０にすることができないためである。
【００２６】
以上の結果より、本発明及び本実施形態は、ハイブリッドのみを用いたアナログ回路によって、複数の送信信号間の干渉を０にすることが可能であり、簡便な方法によって高いチャネル容量を実現することが可能である。なお、本発明及び本実施形態によれば、受信機は干渉除去を行う機構が不要となるため、より簡便な受信機構成とすることが可能になる。従来は、広帯域な信号を伝送する場合は信号処理が膨大になり、干渉除去を行うためには高速な信号処理回路が必要であったが、これが不要になるため、例えばミリ波等を使った広帯域伝送を行う場合にハードウェア低コスト化に有効である。なお、本実施形態ではマイクロ波帯を使った計算結果を示しているが周波数帯によらず本発明及び本実施形態の効果が得られるため、ミリ波帯であっても本有効性が得られる。また、伝送距離によらず本発明及び本実施形態の効果が得られるため、例えば無線端末を別な無線機に近づけて通信を行うような近距離無線通信であっても、人が無線端末を保持するため無線機どうしの位置関係が不正確な場合であっても効果が得られる。
【００２７】
４．第二の実施形態（４つずつの送受信アンテナ）
図７は、本発明の第二の実施形態におけるアンテナの配置を示す図である。送信アンテナＡＴ１〜ＡＴ４（送信ポートＴｘ１〜Ｔｘ４）が４個、受信アンテナＡＲ１〜ＡＲ４（受信ポートＲｘ１〜Ｒｘ４）が４個ある場合を示している。説明のために、仮想的な第一の基準面と第二の基準面を示している。二つの基準面は互いに直交している。送信アンテナについて着目すると、送信ポートＴｘ１とＴｘ２をもつ送信アンテナＡＴ１とＡＴ２は第一の基準面に対して距離ｄｔｙで互いに対称に置かれている。送信ポートＴｘ３とＴｘ４をもつ送信アンテナＡＴ３とＡＴ４も同様である。さらに、送信ポートＴｘ１とＴｘ３をもつ送信アンテナＡＴ１とＡＴ３は第二の基準面に対して距離ｄｔｚで互いに対称に置かれている。送信ポートＴｘ２とＴｘ４をもつ送信アンテナＡＴ２とＡＴ４も同様である。さらに受信ポートＲｘ１〜Ｒｘ４をもつ送信アンテナＡＲ１〜ＡＲ４も同じ方法で配置されている。なお、距離ｄｒｙは、距離ｄｔｙと同じ値であっても、異なる値であっても良い。また、距離ｄｒｚは、距離ｄｔｚと同じ値であっても、異なる値であっても良い。アンテナ配置が第一および第二の基準面に対して常に対称であるという条件を満足してあれば良い。
【００２８】
このようにアンテナが置かれた場合、４ｘ４のＭＩＭＯチャネル行列が定義できる。これを、
【数８】
2016015689.tif 000010
と表記する。ここで、システム全体が図中の垂直面および水平面に対し面対称となるようにアレーが矩形配置されているものと仮定すると、式（６）と同様にチャネル行列に対称性が現れる。例えば、アレー上段の対向し合う送信ポートＴｘ１とＴｘ２、受信ポートＲｘ１とＲｘ２の間のＳパラメータのみに注目するものとする。ここでアレーの対称性より、SRx1Tx1とSRx2Tx2、またSRx2Tx1とSRx1Tx2はそれぞれ互いに等しく、これらを定数αchl、βchlと置くものとする。またアレー下段の対向しあう送信ポートＴｘ３とＴｘ４、受信ポートＲｘ３とＲｘ４の間のＳパラメータに関しても同様のことが言える。一方で、アレー上段の送信ポートＴｘ１とＴｘ２、アレー下段の受信ポートＲｘ３とＲｘ４の上下で交差しあうポート間のＳパラメータのみに注目した場合、SRx3Tx1とSRx4Tx2、SRx4Tx1とSRx3Tx2はそれぞれ互いに等しく、これらを定数γｃｈｌ、δｃｈｌと置くものとする。またアレー下段の送信ポートＴｘ３とＴｘ４、アレー上段の受信ポートＲｘ１とＲｘ２の間のＳパラメータに関しても同様である。これらを踏まえ、チャネル行列Schlは、
【数９】
2016015689.tif 000011
と表される。
【００２９】
図８は、本発明の第二の実施形態の無線通信システムを示す構成図である。
前述のＭＩＭＯシステムに対し、図８に示すように２段階に分けてハイブリッドＨＴＶ１、ＨＴＶ２、ＨＴＨ１、ＨＴＨ２、ＨＲＶ１、ＨＲＶ２、ＨＲＨ１、ＨＲＨ２を接続することでチャネルの直交化が可能となる。まず、１段階目として図に示すように垂直面を基準とし面対称の関係にあるポートどうしの組に対してハイブリッドＨＴＶ１、ＨＴＶ２、ＨＲＶ１、ＨＲＶ２を接続する。送信側を例にとると、アレー上段のポートＴｘ１とＴｘ２の組、アレー下段のＴｘ３とＴｘ４の組にそれぞれハイブリッドＨＴＶ１、ＨＴＶ２が接続されるものとする。ここで１段階目として接続される２つのハイブリッドＨＴＶ１、ＨＴＶ２のＳパラメータの伝達行列成分をまとめてShyb,Vと定義すると、式（３）を用いて
【数１０】
2016015689.tif 000012
と表すことができる。ここで送信ポートＴｘ１とＴｘ３はΣポートに、送信ポートＴｘ２とＴｘ４はΔポートに対応するものとし、受信側に関しても同様のハイブリッドＨＲＶ１、ＨＲＶ２を接続する。ここで式（８）で示すように、ＭＩＭＯシステムにハイブリッドがＨＴＶ１、ＨＴＶ２、ＨＲＶ１、ＨＲＶ２縦続接続された場合のシステム全体のチャネル行列S'chlは、送受信双方に接続されたハイブリッドの伝達行列成分およびＭＩＭＯシステムのチャネル行列の積で表せるため、
S'chl=Shyb,VSchlShyb,V                                                （１７）
となり、上式に式（１５）および式（１６）を代入することで行列内の各要素は、
【数１１】
2016015689.tif 000013
となり、スパース行列になる。
【００３０】
さらに、２段階目として、図８に示すように水平面を基準とし面対称の関係にあるポートどうしの組に対してハイブリッドＨＴＨ１、ＨＴＨ２、ＨＲＨ１、ＨＲＨ２を接続する。再び送信側を例に考えると、送信ポートＴｘ１とＴｘ３、および送信ポートＴｘ２とＴｘ４の組にそれぞれハイブリッドＨＴＨ１、ＨＴＨ２を接続する。このとき２段階目に接続される２つのハイブリッドＨＴＨ１、ＨＴＨ２のＳパラメータの伝達行列成分をまとめてShyb,Hと定義すると、
【数１２】
2016015689.tif 000014
と表すことができる。ただし送信ポートＴｘ１とＴｘ２がΣポート、送信ポートＴｘ３とＴｘ４がΔポートに対応するものとする。また受信側に対しても同様に接続されるものとする。したがって１段階目のハイブリッドＨＴＶ１、ＨＴＶ２、ＨＲＶ１、ＨＲＶ２接続後のＭＩＭＯシステムに対して、式（１９）で表されるハイブリッドＨＴＨ１、ＨＴＨ２、ＨＲＨ１、ＨＲＨ２を接続した場合、ＭＩＭＯシステムのチャネル行列S’’chlは
S''chl=Shyb,HS'chlShyb,H                                              （２０）
と表される。そして上式に式（１８）および式（１９）を代入することにより、チャネル行列S’’chlは最終的に、
【数１３】
2016015689.tif 000015
と対角化され、各対角成分はそれぞれ、
【数１４】
2016015689.tif 000016
となる。ここで上式の各要素のインデックスに関して、インデックスの１番目と２番目のシンボルは、各ポートが１段目と２段目に接続されたハイブリッドのΣまたはΔポートのどちらに対応しているかを表している。
以上により、４×４ＭＩＭＯシステムに適用した本実施形態の構成とその原理を示した。
【００３１】
図９は、本発明の第二の実施形態（４×４ＭＩＭＯ）の解析モデルを示している。この例では、解析には十分細い半波長ダイポールアンテナを用いた。ここで素子間隔をｄ、送受信アレーアンテナ間距離をＤと定義する。送信アレーアンテナおよび受信アレーアンテナはｘｙ面およびｚｘ面を基準として対称に置かれており、全てのダイポールアンテナはｚ軸方向に平行である。なお電磁界解析には、一例としてモーメント法を用いた。
【００３２】
図１０は、本発明の第二の実施形態である図９のモデルについて、チャネル容量を計算した結果である。ここで、チャネル容量は式（１２）により計算した。ここで、チャネルが完全に直交化される場合は干渉成分が無くなりシャノンチャネル容量と一致するが、直交化されない場合は干渉成分が他のポートに漏れこむことになり、本方式では受信機側で干渉除去を行わないため残留干渉が伝送速度に強く影響する場合が想定される。また、例えば非特許文献２の方法によるＺＦの給電回路を用いた場合の結果も比較のため示す。送受信距離Ｄ＝λ（λ：自由空間中の波長）の伝搬チャネルに基づいて給電回路を設計している。ＤＥ−ＳＤＭはアナログ給電回路を用いずにディジタル信号処理のみに基づき理想的に信号間の干渉を分離できた場合のチャネル容量である。ここで、本実施形態・ＺＦ・ＤＥ−ＳＤＭとも送信電力P=0dBm、雑音電力σ2n=-50dBmと等しく与えた。また、送信アンテナの送信電力は等しく与えるものとする。
【００３３】
図１０より、本実施形態とＤＥ−ＳＤＭは完全に一致することが分かる。これは本実施形態がチャネルを完全に直交化するため、アンテナ配置が完全に対称であり、１８０度ハイブリッドの性能が理想的である場合、干渉が０になるためである。一方、ＺＦによる結果では送受信距離Ｄ＝λの場合のみ高いチャネル容量が得られるが、それ以外では大きく劣化することが分かる。これは設計距離以外では干渉を０にすることができないためである。
以上の結果より、本発明及び本実施形態は、ハイブリッドのみを用いたアナログ回路によって、複数の送信信号間の干渉を０にすることが可能であり、送信と受信のアンテナ素子数が４素子である場合であっても適用が可能であることが示された。
【００３４】
５．第三の実施形態（偏波アンテナ）
図１２は、本発明の第三の実施形態に用いるアンテナ構成の説明図である。
図１２（Ａ）は直交偏波ダイポールアンテナを示し、図１２（Ｂ）は偏波共用方形パッチアンテナを示す。
第一及び第二の実施形態における送受信アンテナに対して直交偏波を発する送受信アンテナを用いてもよい。直交偏波を発する送受信アンテナは、これらに限らず、適宜の構成を用いることができる。
【００３５】
図１３は、本発明の第三の実施形態の無線通信システムを示す構成図（１）である。
本実施形態は、第一の実施形態における送受信アンテナに対して直交偏波を発する送受信アンテナを用い、送受信アンテナの垂直偏波アンテナ及び水平偏波アンテナのそれぞれに第一の実施形態と同様の送信給電回路と受信給電回路とを接続したものである。
【００３６】
図１４は、本発明の第三の実施形態の無線通信システムを示す構成図（２）である。
本実施形態は、第二の実施形態における送受信アンテナに対して直交偏波を発する送受信アンテナを用い、送受信アンテナの垂直偏波アンテナ及び水平偏波アンテナのそれぞれに第二の実施形態と同様の２段階の送信給電回路と受信給電回路とを接続したものである。
【００３７】
以上では、直線偏波のアンテナについて説明したが、円偏波、楕円偏波等の適宜の偏波のアンテナに適用してもよい。その場合、垂直偏波アンテナ及び水平偏波アンテナが、それぞれ左旋円偏波アンテナ及び右旋円偏波アンテナに置換することができる。
【００３８】
６．第四の実施形態（整合回路）
図１５は、整合回路ＭＮを接続した無線通信システムを示す構成図である。
本実施形態では、送受信ポート双方において反射が残存している場合に対して、この反射を補償するために、第一の実施形態の構成にさらに整合回路ＭＮ（Ｍａｔｃｈｉｎｇ  Ｎｅｔｗｏｒｋ）を送受信ポートに接続したものである。回路の送受信側に対し，共役影像インピーダンスに相当する終端インピーダンス等の整合回路ＭＮを接続することにより、送受信双方において同時に整合が行われる。ここで整合回路ＭＮ接続後のシステム全体のＳパラメータにおいて、反射を表すSＮ接TTとS’’RRに関しては本実施形態のハイブリッド整合回路とＭＮにより減結合と整合がなされているため，零行列となる。なお、整合回路に関しては、例えば集中定数素子を用いて構成することができる。また、第二の実施形態においても各ポートとハイブリッドとの間に整合回路ＭＮを接続することにより、反射を補償することができる。
以上から，整合回路を付加することにより、送受信それぞれのポートにおける反射およびポート間の結合を抑制し，送信電力を最大化することが可能となる。なお整合回路ＭＮは送信側又は受信側の一方に備えてもよい。
【符号の説明】
【００３９】
ＡＴ１〜ＡＴ４  送信アンテナ
ＡＲ１〜ＡＲ４  受信アンテナ
Ｔｘ１〜Ｔｘ４  送信ポート
Ｒｘ１〜Ｒｘ４  受信ポート
ＨＴ、ＨＲ、ＨＴＶ１、ＨＴＶ２、ＨＴＨ１、ＨＴＨ２、ＨＲＶ１、ＨＲＶ２、ＨＲＨ１、ＨＲＨ２  ハイブリッド
【図１】
2016015689.tif 000017
【図２】
2016015689.tif 000018
【図３】
2016015689.tif 000019
【図４】
2016015689.tif 000020
【図５】
2016015689.tif 000021
【図６】
2016015689.tif 000022
【図７】
2016015689.tif 000023
【図８】
2016015689.tif 000024
【図９】
2016015689.tif 000025
【図１０】
2016015689.tif 000026
【図１１】
2016015689.tif 000027
【図１２】
2016015689.tif 000028
【図１３】
2016015689.tif 000029
【図１４】
2016015689.tif 000030
【図１５】
2016015689.tif 000031