超高速通信を実現する
アンテナシステム
富山大学
大学院 理工学研究部（工学）
電気電子システム工学科
講師
本田 和博
2019年10月8日
本研究開発は総務省SCOPE（受付番号175005001）の委託を受けたものである。
1

将来の自動車社会におけるネットワークの未来像
ネットワークにつながる車である「コネクテッドカー」がITS分野を変革させる
携帯電話基地局

基地局車間通信

追突回避

車車間通信

高速通信
路車間通信

停止命令

2

コネクテッドカーを実現するための技術①自律的に到来波方向を推定②指向性走査による高SNR化

 ③多素子MIMOアンテナの開発③

低空間相関化

データ送受信t3

従来技術とその問題点全方位にわたるアジマス放射特性が必要である。
しかし、従来技術は、パッチアンテナを2次元的に配列した平面アレー





パッチアンテナを円筒状に配列したMIMOアレー














Full-Rankのチャネル応答行列が形成されず、伝送容量の低下を招く。





特定の空間領域を照射

全パッチに到来波が照射されない
4

ＡＯＡ・ＭＩＭＯ複合アンテナ①到来波方向を推定し、②サブアレーの指向性を制御し、③安定した超高速通信を実現する機能を有する
4×4MIMO素子配列

#3素子1

#2E0

E0 e − jkd1

d1

#4E0

指向性
ビーム1素子2#1d2

E0 e − jkd 2

#9素子3aE0

E0 ed2#5E0#6− jkd 2

E0 e#7− jkd1#1+#4素子4指向性ビームの形成

①高SNR

指向性
ビーム2クラスター
到来波#5+#82

指向性
ビーム3#8d1

#2+#3

#6+#7
指向性
ビーム4MIMO素子
配列と直交②低相関5到来波方向推定機能
円周上のアンテナの合成電圧と円の中心のアンテナの電圧の位相角の差で到来波方向を推定可能
ee−j5
8#3#238推定した到来波方向

7−j8ey#4#9e#68E ( ) =  Ei ( )i =1#8#7e−jm = E − E
円周上のアンテナの合成電圧

e
11
8


8x

9−j8−j−j#1a#5ee−j13
8−j15
8Ei ( ) = e j  k a cos  ( 2 i −1)−  − ( 2 i −1)
8
 8


受信電圧

重み関数
6

平均IQ値判定法
受信される電圧の実部の平均値mIと虚部の平均値mQを用いて電圧の位相を一意に決定する
受信電圧の位相mQ
E = tanmI直接波hdの他にビルや樹木などによる反射波hnrが存在−1mIQQ

hnc = hd + hnr

hnr

0E ( )hdmQIEI7

各サブアレーのビーム形成
到来波方向の指向性利得が大きくなり、高SNRが期待できる
XY Plane
10XY Plane
10y0
w2=1.0w3=0.74-10t2=−140[deg] -20
g0= 3.09[dBd] -10
01010y0-10x-20x-100

subarray10-10-20 -10[dBd]E0101010XY Plane
100-10-100-10-20 -10[dBd]-20 -10[dBd]y#2E010ParasiticElement#4#1

XY Plane

010-1010y-20w5=0.24
w8=1.0-10t8=−325[deg] 0
g0= 2.41[dBd] 10 subarray3#3subarray20

w1=1.0w4=0.24t1=−325[deg]g0=2.41[dBd]

xx

y

#5
#6-20x-100

E
0101010#8subarray40-10-20 -10
[dBd]

E010

#7

w6=0.74
w7=1.0t7=−140[deg]g0= 3.09[dBd]8低相関を実現する到来波角度に応じたサブアレーの組合せyy
Combination1#3

Combination2#2#3

22.5deg

157.5deg #4

67.5deg#2#422.5deg#1#1xx
202.5deg#5#5#8#8 337.5deg

202.5deg#6#6#7#7247.5deg

Combination3112.5deg

y67.5deg#3

Combination4

y112.5deg

#3#2

#2

#4

#4

#1157.5deg

#1xx
#5

#5337.5deg#8#8#6247.5deg#6#7292.5deg#7292.5deg

9試作アンテナ
水平面への放射が主の場合仰角への放射も必要な場合

7.5cm
4.9cm

7cm

3.75cm4.9cm

半波長ダイポールアンテナ

1/4波長モノポールアンテナ@2GHz
10ライス伝搬環境における推定結果
ライスファクターK=−10dBにおける測定結果は、直接波のみの環境（赤線）と同等の推定精度を有している

Reflected wave

AOA
Antenna
DirectwaveAngle m [deg]Estimated Angle
Estimatedm [deg]180150120
90f = 2GHz60

K = 10dB (OTA)
K = 0dB (OTA)
K = −10dB (OTA)
K = 10dB (analysis)
No Fading

3000306090120150Angle
IncidentWave
Wave  [deg]
[deg]
Angle
ofofIncident

180114×4MIMO伝送容量の測定結果
提案アンテナはダイポールアレーと比べて6.2bits/s/Hz以上高い

Channel Capacity [bits/s/Hz]

40

6.2bits/s/Hz

353025
Ver. Pol.
SNR = 30dB
f = 2GHz

20045

OTA (4×4 MIMO)OTA (Dipole)Cal. (4×4 MIMO)
Cal. (Dipole)

90 135 180 225 270 315 360
Angle of Incident Wave  [deg]1232×32MIMO伝送容量の測定結果
提案アンテナは全アジマス方向に対して30Gbps(SNR=40dB,帯域幅=100MHz)の超高速通信を実現可能

Channel Capacity [bits/s/Hz]

400350300250200150
1005000

Cal. (SNR = 40dB)
Exp. (SNR = 40dB)
Cal. (SNR = 30dB)
Exp. (SNR = 30dB)

r = 30cm
 = 30deg
f = 2GHz
4590

135

180

225

270

Angle of Incident Wave  [deg]

315

360
13

世界最速 Beyond V2X
Daisy Chain MIMO Antenna
64×64MIMO

32×32 MIMO車載実験セットアップ

32×32MIMO

理論検証完了現状実験的実証

フィールド通信実験

ビームスキャン

全方位100Gbps

世界最速
Beyond V2X
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MIMO・AOA・モノパルス統合サンドイッチアレー
提案アンテナを空飛ぶ車の上下にとりつけることで様々な飛行ルートでも信頼性の高い車車間通信を実現可能Beam Scanning in
AzimuthUpper Illumination

Lower Illumination
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想定される用途• コネクテッドカーに適用することで全アジマス方位で超高速通信が可能。
• 上記以外に、フライングカー（空飛ぶ車）への応用も期待される。
• また、基地局やwi-fiルーターといった用途に展開することも可能と思われる。
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実用化に向けた課題• 現在、ＯＴＡ(Over-the-Air)評価装置を用いて基礎的な実験検証については確認済み。
• 今後、アンテナ全体をシステム化した試作機を製作し、フィールド実験を行い、性能検証を行う必要有り。

17

企業への期待• コネクテッドカーの実現に興味のある企業との共同研究を希望。
• また、５Ｇに関する通信機器を開発中の企業には、本技術の導入が有効と思われる。

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本技術に関する知的財産権• 発明の名称• 出願番号• 発明の名称• 出願番号：アンテナ装置：特願2018-021436：方向推定装置および方向推定方法：特願2018-157197• 出願人• 発明者：富山大学：本田和博、小川晃一

19産学連携の経歴• 2017年4月－2018年3月
総務省 戦略的情報通信研究開発推進
事業（SCOPE） フェーズⅠ 採択• 2018年4月－2020年3月

総務省 戦略的情報通信研究開発推進
事業（SCOPE） フェーズⅡ 採択

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お問い合わせ先
富山大学
産学官連携コーディネーター

山本肇

ＴＥＬ ０７６－４４５ － ６３９１
ＦＡＸ ０７６－４４５ － ６９３９e-mail yamaha＠ctg.u-toyama.ac.jp

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