JP6996564B2 - 無線通信装置および無線通信方法 - Google Patents

Description

本発明は、電磁波の軌道角運動量（Orbital Angular Momentum：ＯＡＭ）を用いて無線信号を空間多重伝送する無線通信装置および無線通信方法に関する。

無線通信システムにおいて、ＯＡＭを利用して電磁波を多重させて伝送容量を増大させる技術が提案されている（例えば、非特許文献１参照）。そして、ＯＡＭを用いた電磁波は、伝搬する方向を軸の中心とし、軸に垂直な回転方向に沿って等位相面が螺旋状に分布する。このとき、等位相面の螺旋の周期が２π×ｌとなるモードをＯＡＭモードｌと称する。

また、互いに異なる整数値のＯＡＭモードｌの電磁波は、回転方向に直交性を有し、空間多重することができる。このため、互いに異なる整数値のＯＡＭモードｌの電磁波は、同時に送信されたとしても、受信側においてＯＡＭモードｌ毎に分離できる。このため、円形アレーアンテナやＳＰＰ（Spiral Phase Plate）等のアンテナを用いて、複数のＯＡＭモードｌの電磁波を多重して送信する技術が提案されている（例えば、非特許文献２、３参照）。

また、ＯＡＭモードｌが０．５や１．５等の実数値の電磁波を送信する技術が提案されている（例えば、非特許文献４参照）。

Y. Yan, et. al., "High-capacity millimetre-wave communications with orbital angular momentum multiplexing", Nat. Commun., 5, 4876, 2014. A. Honda, et. al., "Development of wireless communication technologies for future multi-gigabit data transmission", in Proc. of APMC 2014. F. E. Mahmouli, et. al., "4-Gbps uncompressed video transmission over a 60-GHz orbital angular momentum wireless channel", IEEE wirelesscommun. lett., vol. 2, No. 2, pp. 223-226, 2013. J. Wang, et. al., "Experimental demonstration of free-space optical communications using OFDM-QPSK/16QAM-carrying fractional orbital angular momentum (OAM) multiplexing", in proc. of OFC 2015.

電磁波を放射する送信側のアンテナのビームパターンは、ＯＡＭモードｌの絶対値に比例して拡がる。すなわち、送信側のアンテナは、ＯＡＭモードｌの絶対値が大きくなるに従い、受信側の無線通信装置に含まれるアンテナの方向への指向性が低下し、受信側の無線通信装置における受信電力が低下する。このため、送信側の無線通信装置は、無線通信に必要な受信電力が得られ、かつ多重できるＯＡＭモードの数が制限される場合がある。

本発明は、従来と比べて多くのＯＡＭモードの数で電磁波を多重し、スループットを向上させることができる無線通信装置および無線通信方法を提供することを目的とする。

第１の発明の無線通信装置は、複数のアンテナ素子と、互いに異なる実数値であるＯＡＭモードの間隔が１より小さい値に設定された複数の第１のＯＡＭモードでデータを含む信号を変調する変調部と、データの送信先である対向する無線通信装置における無線環境を示す情報に基づいて、変調部により変調された複数の第１のＯＡＭモードの各々の信号に対する重み付けを示す係数を複数のアンテナ素子毎に算出する演算部と、係数を用いて複数の第１のＯＡＭモードの各々の信号を複数のアンテナ素子毎に多重化し、複数のアンテナ素子毎に多重化した信号を複数のアンテナ素子の各々に出力する送信処理部とを備える。

第１の発明の無線通信装置において、対向する無線通信装置から受信した受信信号に対して複数の第１のＯＡＭモードの各々に応じた位相量で位相回転させて、受信信号から複数の第１のＯＡＭモードの信号の各々に分離する受信処理部と、分離された複数の第１のＯＡＭモードの信号を復調する復調部とをさらに備えてもよい。

第１の発明の無線通信装置において、複数のアンテナ素子により放射された電磁波を対向する無線通信装置の位置において集光する集光部をさらに備えてもよい。

第１の発明の無線通信装置において、複数のアンテナ素子は、対向する無線通信装置が設置された方向に対して垂直な二次元平面上に同心円状に配置される複数組の円形アレーアンテナであってもよい。

第１の発明の無線通信装置において、複数組の円形アレーアンテナの各々に配置される複数の送信処理部をさらに備え、演算部は、係数を複数組の円形アレーアンテナ毎に算出し、複数の送信処理部の各々は、係数を用いて複数の第１のＯＡＭモードの各々の信号を配置された円形アレーアンテナ毎に多重化し、配置された円形アレーアンテナに設定された整数値の第２のＯＡＭモードに応じた位相の重み付けを、多重化した信号に対して実行してもよい。

第６の発明は、複数のアンテナ素子を有する無線通信装置の無線通信方法において、互いに異なる実数値であるＯＡＭモードの間隔が１より小さい値に設定された複数の第１のＯＡＭモードでデータを含む信号を変調し、データの送信先である対向する無線通信装置における無線環境を示す情報に基づいて、変調された複数の第１のＯＡＭモードの各々の信号に対する重み付けを示す係数を複数のアンテナ素子毎に算出し、係数を用いて複数の第１のＯＡＭモードの各々の信号を複数のアンテナ素子毎に多重化し、複数のアンテナ素子毎に多重化した信号を複数のアンテナ素子の各々に出力する。

本発明は、従来と比べて多くのＯＡＭモードの数で電磁波を多重し、スループットを向上させることができる。

無線通信システムの一実施形態を示す図である。 図１に示した送信局および受信局の一例を示す図である。 図２に示した送信局におけるアンテナ素子の配置の一例を示す図である。 図１に示した無線通信システムにおける通信処理の一例を示す図である。 無線通信システムの別の実施形態を示す図である。 図５に示した送信局における多重円形アレーアンテナの一例を示す図である。 図５に示した送信局の一例を示す図である。 図７に示した送信処理部の一例を示す図である。 図４に示した無線通信システムにおける通信処理の一例を示す図である。

以下、図面を用いて実施形態について説明する。

図１は、無線通信システムの一実施形態を示す。

図１に示す無線通信システムＳＹＳは、送信局１００および受信局２００を有する。送信局１００は、互いに異なる実数値である複数のＯＡＭモードの電磁波を多重化し、Ｎｔ個のアンテナ素子ＡＴｘ（ＡＴｘ（１）－ＡＴｘ（Ｎｔ））を含む送信アンテナを用いて、多重化した電磁波を受信局２００に送信する。受信局２００は、Ｎｒ個のアンテナ素子ＡＲｘ（ＡＲｘ（１）－ＡＲｘ（Ｎｒ））を含む受信アンテナ用いて、送信局１００により送信された電磁波を受信する。

なお、送信局１００は、受信局２００の機能を、受信局２００は、送信局１００の機能をそれぞれ有してもよい。これにより、送信局１００と受信局２００とは、互いに双方向で無線通信を実行できる。送信局１００は、無線通信装置の一例であり、受信局２００は、対向する無線通信装置の一例である。

図２は、図１に示した送信局１００および受信局２００の一例を示す。図２の（ａ）は、送信局１００を示し、図２の（ｂ）は、受信局２００を示す。

送信局１００は、Ｓ／Ｐ（Serial-to-Parallel）部１１０、変調部１２０、演算部１３０、送信処理部１４０およびＮｔ個のアンテナ素子ＡＴｘを有する。

Ｓ／Ｐ部１１０は、送信局１００に含まれる入力インタフェースやネットワークインターフェース等を介して、スマートフォンやタブレット型端末等の携帯通信端末から送信されたデータを含む信号、あるいはネットワークからデータを含む信号を受信する。Ｓ／Ｐ部１１０は、例えば、受信した信号（以下、“送信信号系列”とも称される）をシリアル信号からＭ個のパラレル信号に変換する。Ｓ／Ｐ部１１０は、パラレル信号に変換したＭ個の送信信号系列を変調部１２０に出力する。

変調部１２０は、Ｓ／Ｐ部１１０から受信したＭ個の並列な送信ビット列の各々に対して、ＰＳＫ（Phase Shift Keying）／ＱＡＭ（Quadrature Amplitude Modulation ）方式等で変調し、Ｍ個の送信信号系列を生成する。そして、変調部１２０は、生成したＭ個の送信信号系列を送信処理部１４０に出力する。ここで、変調部１２０が出力するｍ番目の送信信号系列は、ＯＡＭモードｌ_m を用いて送信される（ｍは、１からＭの整数）。該送信処理については後述する。

なお、ＯＡＭモードｌ_m 間の間隔は、“１／３”等の分数、または“０．２”や“０．５”等の１より小さい値に設定される。すなわち、送信局１００は、１より小さい値の間隔で設定されたＭ個のＯＡＭモードｌ_m で送信信号系列を伝送する。これにより、送信局１００は、送信可能なＯＡＭモードの範囲が同じ場合、“１”等の整数値の間隔で複数のＯＡＭモードが設定される場合と比べて、多くのＯＡＭモードｌ_m で送信信号系列を変調できる。また、ＯＡＭモードｌ_m の絶対値を小さい値に設定することにより、送信局１００は、Ｎｔ個のアンテナ素子ＡＴｘによるビームパターンの拡がりを抑制できる。また、ＯＡＭモードｌ_m 間の間隔は、不等間隔が選択されてもよい。

また、送信局１００は、Ｍ個の変調部１２０を有してもよい。この場合、Ｍ個の変調部１２０の各々は、互いに異なる実数値のＭ個のＯＡＭモードｌ_m のいずれか１つに設定され、Ｍ個の送信信号系列のいずれか１つをＳ／Ｐ部１１０から受信し、受信した送信信号系列に対して設定されたＯＡＭモードｌ_m で伝送する。

演算部１３０は、送信局１００に含まれるＣＰＵ（Central Processing Unit ）等のプロセッサであり、送信信号系列の送信先である受信局２００における無線環境を示す情報に基づいて、変調部１２０により変調されたＭ個のＯＡＭモードｌ_m の送信信号系列の各々に対する重み付け係数を、Ｎｔ個のアンテナ素子ＡＴｘ毎に算出する。演算部１３０は、算出した重み付け係数を送信処理部１４０に出力する。演算部１３０の動作および受信局２００の無線環境を示す情報については、図４で説明する。

送信処理部１４０は、例えば、Ｍ個のＯＡＭモード生成処理部１４１（１４１（１）－１４１（Ｍ））、およびＮｔ個の多重部１４２（１４２（１）－１４２（Ｎｔ））を有する。Ｍ個のＯＡＭモード生成処理部１４１の各々は、演算部１３０により算出された重み付け係数を用いて、変調部１２０から受信した送信信号系列に対してアンテナ素子ＡＴｘ毎に重み付けする。Ｍ個のＯＡＭモード生成処理部１４１の各々は、アンテナ素子ＡＴｘ毎に重み付けした送信信号系列を対応するアンテナ素子ＡＴｘが接続された多重部１４２にそれぞれ出力する。そして、Ｍ個の多重部１４２の各々は、Ｍ個のＯＡＭモード生成処理部１４１の各々により重み付けされた送信信号系列を多重化し、多重化した送信信号系列をアンテナ素子ＡＴｘに出力する。ＯＡＭモード生成処理部１４１および多重部１４２の動作については、図４で説明する。

Ｎｔ個のアンテナ素子ＡＴｘは、受信局２００に向けて放射された電磁波が伝搬する方向に対して垂直な平面上に配置されたアレーアンテナである。なお、Ｎｔ個のアンテナ素子ＡＴｘは、どのような指向性および偏波特性を有してもよい。Ｎｔ個のアンテナ素子ＡＴｘを用いたアレーアンテナについては、図３で説明する。

受信局２００は、Ｎｒ個のアンテナ素子ＡＲｘ、受信処理部２１０、復調部２２０およびＰ／Ｓ（Parallel-to-Serial）部２３０を有する。

Ｎｒ個のアンテナ素子ＡＲｘは、送信局１００により放射された電磁波が伝搬して来る方向に対して垂直な平面において、半径Ｒｒｘの円周上に等間隔で配置された一組の円形アレーアンテナである。Ｎｒ個のアンテナ素子ＡＲｘは、送信局１００により放射されたＯＡＭを有する電磁波を受信し、受信したＯＡＭの電磁波の受信信号を受信処理部２１０に出力する。

受信処理部２１０は、例えば、Ｎｒ個の分波部２１１（２１１（１）－２１１（Ｎｒ））およびＭ個のＯＡＭモード分離処理部２１２（２１２（１）－２１２（Ｍ））を有する。Ｎｒ個の分波部２１１の各々は、例えば、アンテナ素子ＡＲｘを介して受信した受信信号をＭ個のＯＡＭモード分離処理部２１２の各々に分配する。そして、Ｍ個のＯＡＭモード分離処理部２１２の各々は、互いに異なる実数値のＭ個のＯＡＭモードｌ_m の１つが設定され、Ｎｒ個の分波部２１１各々により分波された受信信号に対して設定されたＯＡＭモードｌ_m に応じた所定の位相量の位相回転を実行する。これにより、Ｍ個のＯＡＭモード分離処理部２１２の各々は、設定されたＯＡＭモードｌ_m の送信信号系列を受信信号から分離する。Ｍ個のＯＡＭモード分離処理部２１２の各々は、分離したＯＡＭモードｌ_m の送信信号系列を復調部２２０に出力する。受信処理部２１０およびＯＡＭモード分離処理部２１２の動作については、図４で説明する。

復調部２２０は、受信処理部２１０から受信したＭ個のＯＡＭモードｌ_m の送信信号系列の各々に対して復調処理を実行する。

Ｐ／Ｓ部２３０は、復調部２２０から受信したＭ個の送信信号系列であるパラレル信号をシリアル信号に変換する。そして、受信局２００は、受信局２００に含まれる出力インタフェース等を介して、シリアル信号に変換された送信信号系列を外部の携帯通信端末やネットワーク等に出力する。

Ｎｒ個のアンテナ素子ＡＲｘは、送信局１００により送信された電磁波が伝搬する方向に対して垂直な平面に任意の半径を有する円周上に配置された１重の円形アレーアンテナである。なお、アンテナ素子ＡＲｘは、どのような指向性および偏波特性を有してもよい。

図３は、図２に示した送信局１００におけるアンテナ素子ＡＴｘの配置の一例を示す。図３の（ａ）は、Ｎｔ個のアンテナ素子ＡＴｘが同心円状に配置された複数組のアレーアンテナ（以下、“多重円形アレーアンテナ”とも称される）の場合を示す。図３の（ｂ）は、Ｎｔ個のアンテナ素子ＡＴｘが格子状に配置されたアレーアンテナ（以下、“格子状アレーアンテナ”とも称される）の場合を示す。なお、図３は、送信局１００により放射された電磁波が受信局２００に向けて伝搬する方向をＺ軸方向とし、正のＺ軸方向（すなわち、受信局２００側）から見たＸＹ平面上におけるＮｔ個のアンテナ素子ＡＴｘの配置を示す。また、図３では、Ｎｔ個のアンテナ素子ＡＴｘの各々を円形の印で示す。

また、図３では、多重円形アレーアンテナあるいは格子状アレーアンテナを示したが、Ｎｔ個のアンテナ素子ＡＴｘがＸＹ平面上にランダムに配置されてもよい。

なお、送信局１００が受信局として受信局２００から放射された電磁波を受信する場合で、かつ図３の（ａ）に示すようにＮｔ個のアンテナ素子ＡＴｘが多重円形アレーアンテナに配置される場合、送信局１００は、多重円形アレーアンテナのうちいずれか１組の円形アレーアンテナを用いて、受信局２００からの電磁波を受信する。また、図３の（ｂ）に示すように、Ｎｔ個のアンテナ素子ＡＴｘが格子状アレーアンテナに配置される場合、送信局１００は、格子状アレーアンテナのうち所定の半径を有する円周上にある複数のアンテナ素子ＡＴｘを１重の円形アレーアンテナとして用い、受信局２００からの電磁波を受信する。

なお、Ｎｔ個のアンテナ素子ＡＴｘにより放射される電磁波が、受信局２００の位置において集光され、受信局２００のＮｒ個のアンテナ素子ＡＲｘにより効率的に受信されるように、図１に示した送信局１００および受信局２００の少なくとも一方に、電磁波が伝搬する方向を光軸とする誘電体レンズまたは放物面反射器等の集光器が配置されてもよい。これにより、無線通信システムＳＹＳは、Ｎｔ個のアンテナ素子ＡＴｘによるビームパターンの拡がりを抑制できる。

図４は、図１に示した無線通信システムＳＹＳにおける通信処理の一例を示す。図４に示した処理では、ステップＳ１００からステップＳ１４０の処理は、送信局１００により実行される。また、ステップＳ２００からステップＳ２３０の処理は、受信局２００により実行される。すなわち、図４は、通信方法の一実施形態を示す。

ステップＳ１００では、演算部１３０は、送信信号系列の送信先である受信局２００における無線環境を示す情報に基づいて、変調部１２０により変調されたＭ個のＯＡＭモードｌ_m の送信信号系列の各々に対する重み付け係数を、Ｎｔ個のアンテナ素子ＡＴｘ毎に算出する。例えば、送信局１００が送信信号系列ｓ_m をＯＡＭモードｌ_m を使って受信局２００に送信する場合、受信局２００の位置において形成されるビームパターンｕ_m （ｘ，ｙ，ｚｄ）は、式(1) のように表される。
ｕ_m （ｘ，ｙ，ｚｄ）＝ｕ_m （ｒ，φ，ｚｄ）＝exp(ｉｌ_m φ）・ｆ（ｒ） …(1)
ｚｄは、送信局１００と受信局２００との間の距離を示す。なお、送信局１００は、ＸＹＺ座標の原点とする。また、（ｒ，φ，ｚｄ）は、（ｘ，ｙ，ｚｄ）を円柱座標で表したものであり、ｘ＝ｒ cosφおよびｙ＝ｒ sinφである。また、exp(ｉｌ_m φ）は、ＯＡＭモードｌ_m における位相分布を示す。また、ｆ（ｒ）は、ｒ方向（直径方向）におけるビームの分布形状を示す関数である。ｉは虚数単位を表す。

そして、式(1) の分布から送信局１００におけるビームパターンｕ_m （ｒ，φ，０）は、例えば、K. Matsushima, et. al., “Band-limited angular spectrum method for numerical simulation of free-space propagation in far and near fields”, Optics express, vol. 17, no. 22, pp. 19662-19673, 2009に基づいて、式(1) の受信局２００におけるビームパターンｕ_m （ｒ，φ，ｚｄ）と式(2) のように関係付けられる。
ｕ_m （ｒ，φ，０）＝ｕ_m （ｒ，φ，ｚｄ）＊ｈ（ｒ，φ，－ｚｄ） …(2)
ｈ（ｒ，φ，－ｚｄ）は、送信局１００と受信局２００との間の伝搬チャンネルの応答を示す。

演算部１３０は、例えば、送信局１００と受信局２００との間の距離ｚｄ、受信局２００のＮｒ個のアンテナ素子ＡＲｘによる１重の円形アレーアンテナの半径、ビームの形状を示す関数ｆ（ｒ）等を、ネットワーク等を介して受信局２００から無線環境を示す情報として取得する。そして、演算部１３０は、取得した情報を用いて送信局１００のＮｔ個のアンテナ素子ＡＴｘによるビームパターンが式(2) となるように、式(3) を用いて各アンテナ素子ＡＴｘに重み付けする係数ｗ_m を算出する。
ｗ_m ＝（ｗ_m,l ，…，ｗ_m ，_Mt）^T
＝Ａ_m （ｕ_m （ｒ₁ ，φ₁ ，０），…，ｕ_m （ｒ_Nt，φ_Nt，０））Ｔ … (3)
Ａ_m は、任意の定数であり、適宜決定される。以下では、Ａ_m は“１”に設定される。ｘｎおよびｙｎは、アンテナ素子ＡＴｘ（ｎ）が配置されたＸＹ平面上の位置の座標を示す（ｎは、１からＮｔの整数）。また、ｒ_n は、（ｘ_n ² ＋ｙ_n ² ）^1/2 であり、φｎは、 sgn（ｙ_n ）×cos ^-1（ｘ_n ／ｒ_n ）である。また、sgn は、符号関数である。

なお、受信局２００における無線環境の情報は、無線通信システムＳＹＳを管理する管理者等により予め入力され、送信局１００に含まれるハードディスク装置やメモリ等の記憶装置に記憶されてもよい。

次に、ステップＳ１１０では、変調部１２０は、Ｓ／Ｐ部１１０から受信した送信ビット系列の各々に対して、ＰＳＫ／ＱＡＭ等を用いて変調し、Ｍ個の送信信号系列ｓ_m を生成する（ｍは、１からＭの整数）。そして、変調部１２０は、生成した送信信号系列ｓ_m を送信処理部１４０に出力する。

次に、ステップＳ１２０では、送信処理部１４０のＯＡＭモード生成処理部１４１（ｍ）は、ステップＳ１００で算出された式(3) に示す重み付け係数ｗ_m を用いて、ステップＳ１１０で生成された送信信号系列ｓ_m に対しＭ個のアンテナ素子ＡＴｘ毎に重み付け処理を実行し、ＯＡＭモードｌ_m を生成する。ＯＡＭモード生成処理部１４１（ｍ）は、重み付けした送信信号系列ｗ_m,n ・ｓ_m をＮｔ個の多重部１４２にそれぞれ出力する（ｎは、１からＮｔの整数）。

次に、ステップＳ１３０では、多重部１４２（ｎ）は、ステップＳ１２０で重み付けされた送信信号系列ｗ_m,n ・ｓ_m を、式（４）を用いて多重化する（ｎは、１からＮｔの整数）。

次に、ステップＳ１４０では、多重部１４２（ｎ）は、ステップＳ１３０で多重化した送信信号系列ＳＳ_n をアンテナ素子ＡＴｘ（ｎ）に出力し、多重化した送信信号系列ｓｓｎの電磁波を受信局２００に放射する。このように伝送することで、受信局２００のアンテナ素子ＡＲｘの位置でＯＡＭモードｌ₁ からＯＡＭモードｌ_M が合成されたビームパターンが得られる。

そして、送信局１００は、送信処理を終了する。送信局１００は、外部より送信信号系列を受信する度に、ステップＳ１００からステップＳ１４０の処理を繰り返し実行する。なお、ステップＳ１００の処理は、最初の１回だけ実行されるだけでよく、２回目以降では省略されてもよい。

ステップＳ２００では、受信局２００の受信処理部２１０は、Ｎｒ個のアンテナ素子ＡＲｘを介して、ステップＳ１４０で放射された送信信号系列の電磁波を受信する。そして、受信処理部２１０の分波部２１１（ｎ_r ）は、受信した送信信号系列の受信信号ｔｎ_r をＭ個のＯＡＭモード分離処理部２１２の各々に分配する（ｎ_r は、１からＮｒの整数）。なお、受信信号ｔｎ_r は、式(5) のように表される。

Ｒｒは、Ｎｒ個のアンテナ素子ＡＲｘを有する１重の円形アレーアンテナの半径を示す。

次に、ステップＳ２１０では、ＯＡＭモード分離処理部２１２（ｍ）は、分波部２１１（ｎ_r ）から受信した受信信号ｔｎ_r に対してＯＡＭモードｌ_m に応じた位相量の位相回転を実行し、Ｎｒ個の受信信号ｔｎ_r を合成する。例えば、ＯＡＭモード分離処理部２１２（ｍ）は、分波部２１１（ｎ_r ）から受信した受信信号ｔｎ_r に対して、位相量ｅｘｐ（－ｉｌ_m ２π・ｎ_r ／Ｎｒ）の位相回転をさせ、位相回転したＮｒ個の受信信号ｔｎ_r を合成する。なお、ＯＡＭモード分離処理部２１２（ｍ）により合成された信号ｓｔ（ｍ）は、式(6) のように表される。

すなわち、Ｎｒ個の受信信号ｔｎ_r がＯＡＭモードｌ_m で同相合成されることにより、合成した信号ｓｔ（ｍ）のうち、式(6) の第一項が示すＯＡＭモードｌ_m の送信信号系列の強度は、第二項の他のＯＡＭモードの送信信号系列と比べて十分大きくなる。これにより、ＯＡＭモード分離処理部２１２（ｍ）は、実数値のＯＡＭモードｌ_m で伝送した送信信号系列を受信信号から分離できる。そして、ＯＡＭモード分離処理部２１２（ｍ）は、分離したＯＡＭモードｌ_m の送信信号系列を復調部２２０に出力する。

次に、ステップＳ２２０では、復調部２２０は、ステップＳ２１０で分離されたＭ個のＯＡＭモードｌ_m の送信信号系列の各々に対して復調処理を実行する。

次に、ステップＳ２３０では、Ｐ／Ｓ部２３０は、ステップＳ２２０で復調されたＭ個の送信信号系列のパラレル信号をシリアル信号に変換する。そして、受信局２００は、受信局２００に含まれる出力インタフェース等を介して、シリアル信号に変換された送信信号系列を外部の携帯通信端末やネットワーク等に出力する。

そして、受信局２００は、受信処理を終了する。受信局２００は、送信局１００から送信信号系列を受信する度に、ステップＳ２００からステップＳ２３０の処理を繰り返し実行する。

図１から図４に示した実施形態では、送信局１００は、モードの間隔が１よりも小さい実数値のＭ個のＯＡＭモードｌ_m の各々で送信信号系列を伝送し、Ｍ個のＯＡＭモードｌ_m で変調した送信信号系列を多重化して、受信局２００に送信する。すなわち、送信局１００は、１より小さい値の間隔で設定された非整数次と整数次とを含むＭ個のＯＡＭモードｌ_m を用いることにより、送信可能なＯＡＭモードの範囲が同じ場合、整数値の間隔で複数のＯＡＭモードが設定される場合と比べて、多くのＯＡＭモードｌ_m で送信信号系列を変調できる。また、ＯＡＭモードｌ_m の絶対値を小さい値に設定することにより、送信局１００は、Ｎｔ個のアンテナ素子ＡＴｘによるビームパターンの拡がりを抑制できる。

例えば、非特許文献４等の従来技術において、通信に必要な受信電力を確保可能なＯＡＭモードが－２、－１、０、１、２の５モード多重が限界の場合でも、送信局１００は、ＯＡＭモードが－2.0 、－1.5 、－1.0 、－0.5 、０、0.5 、1.0 、1.5 、2.0 の９モード多重を実現でき、多重数を1.8 倍にできる。

また、受信局２００は、送信局１００から受信した受信信号に対してＯＡＭモードｌ_m に応じた位相量の位相回転を実行し、受信した受信信号を同相合成することにより、各ＯＡＭモードｌ_m の送信信号系列を分離することができる。以上により、無線通信システムＳＹＳは、ビームパターンの拡がりを抑制しつつ、従来と比べて多くのＯＡＭモードの数で電磁波を多重でき、スループットを向上させることができる。

図５は、無線通信システムの別の実施形態を示す。なお、図１で説明した要素と同一または同様の機能を有する要素については、同一または同様の符号を付し、これらについては、詳細な説明を省略する。

図５に示した無線通信システムＳＹＳ１は、送信局１００Ａおよび受信局２００を有する。送信局１００Ａは、Ｎｔ個のアンテナ素子ＡＴｘを含む送信アンテナを用いて、互いに異なる実数値の複数のＯＡＭモードで多重化した電磁波を、受信局２００に送信する。そして、受信局２００は、Ｎｒ個のアンテナ素子ＡＲｘを含む受信アンテナを用いて、送信局１００Ａにより送信された電磁波を受信する。

なお、無線通信システムＳＹＳ１では、送信局１００Ａは、互いに異なる整数値のＯＡＭモードを合成して実数値の複数のＯＡＭモードを近似的に生成し、多重化した電磁波を、受信局２００に送信する。これにより、既存の無線通信システムの送信局および受信局を、無線通信システムＳＹＳ１の送信局１００Ａおよび受信局２００として動作させることができる。

また、送信局１００Ａは、受信局２００の機能を有し、受信局２００は、送信局１００Ａの機能を有することにより、送信局１００Ａと受信局２００との間で双方向に無線通信処理が実行されてもよい。

また、Ｎｔ個のアンテナ素子ＡＴｘは、例えば、図３の（ａ）に示すように、多重円形アレーアンテナとなるように配置される。

図６は、図５に示した送信局１００Ａにおける多重円形アレーアンテナの一例を示す。図６に示すように、Ｎｔ個のアンテナ素子ＡＴｘは、Ｅ組の円形アレーアンテナＳＡ（ＳＡ（１）－ＳＡ（Ｅ））となるように配置される。Ｅ組の円形アレーアンテナＳＡの各々は、互いに異なる半径Ｒｔ（Ｒｔ（１）－Ｒｔ（Ｅ））を有し、同心円状に配置される。そして、円形アレーアンテナＳＡ（１）－ＳＡ（Ｅ）の各々には、例えば、Ｋ（１）個からＫ（Ｅ）個のアンテナ素子Ａｔｘが等間隔に円周上に配置される。すなわち、円形アレーアンテナＳＡ（ｊｅ）に配置されるＫ（ｊｅ）個のアンテナ素子Ａｔｘは、角度２π／Ｋ（ｊｅ）の間隔で配置される（ｊｅは、１からＥの整数）。なお、Ｋ（１）＋Ｋ（２）＋…＋Ｋ（Ｅ）＝Ｎｔである。また、図６では、図３の場合と同様に、Ｎｔ個のアンテナ素子ＡＴｘの各々を円形の印で示す。また、Ｎｔ個のアンテナ素子ＡＴｘは、どのような指向性および偏波特性を有してもよい。

また、円形アレーアンテナＳＡの組数Ｅ、各円形アレーアンテナＳＡに含まれるアンテナ素子Ａｔｘの数Ｋ（１）－Ｋ（Ｅ）は、無線通信システムＳＹＳ１の規模や、要求される通信の品質に応じて適宜決定されるのが好ましい。

また、Ｎｔ個のアンテナ素子ＡＴｘにより放射される電磁波が、受信局２００の位置において集光され、受信局２００のＮｒ個のアンテナ素子ＡＲｘにより効率的に受信されるように、図５に示した送信局１００Ａおよび受信局２００の少なくとも一方に、電磁波が伝搬する方向を光軸とする誘電体レンズまたは放物面反射器等の集光器が配置されてもよい。これにより、無線通信システムＳＹＳ１は、Ｎｔ個のアンテナ素子ＡＴｘによるビームパターンの拡がりを抑制できる。

図７は、図５に示した送信局１００Ａの一例を示す。なお、図２で説明した要素と同一または同様の機能を有する要素については、同一または同様の符号を付し、これらについては、詳細な説明を省略する。

送信局１００Ａは、Ｓ／Ｐ部１１０、変調部１２０、Ｍ個の分波部１２５（１２５（１）－１２５（Ｍ））、演算部１３０ａ、Ｅ個の送信処理部１４０ａ（１４０ａ（１）－１４０ａ（Ｅ））およびＮｔ個のアンテナ素子ＡＴｘを有する。

変調部１２０は、Ｓ／Ｐ部１１０から受信したＭ個の並列な送信ビット列の各々に対して、ＰＳＫ／ＱＡＭ方式等で変調し、Ｍ個の送信信号系列を生成する。そして、変調部１２０は、生成した送信信号系列をＭ個の分波部１２５の各々に出力する。ここで、変調部１２０が出力するｍ番目の送信信号系列は、ＯＡＭモードｌ_m を用いて送信される。該送信処理については後述する。

Ｍ個の分波部１２５の各々は、変調部１２０から受信した送信信号系列を、Ｅ個の送信処理部１４０ａの各々に分配する。

演算部１３０ａは、送信局１００Ａに含まれるＣＰＵ等のプロセッサであり、送信信号系列の送信先である受信局２００における無線環境を示す情報に基づいて、変調部１２０により変調されたＭ個の送信信号系列の各々に対する重み付け係数を、Ｅ個の円形アレーアンテナＳＡ毎に算出する。演算部１３０ａは、算出した重み付け係数をＥ個の送信処理部１４０ａにそれぞれ出力する。演算部１３０ａの動作については、図９で説明する。

Ｅ個の送信処理部１４０ａの各々は、例えば、図６に示した円形アレーアンテナＳＡ（１）－ＳＡ（Ｅ）の各々に接続される。すなわち、送信処理部１４０ａ（ｊｅ）は、円形アレーアンテナＳＡ（ｊｅ）に含まれるＫ（ｊｅ）個のアンテナ素子ＡＴｘに接続される。そして、送信処理部１４０ａ（ｊｅ）は、Ｍ個の分波部１２５から受信した各ＯＡＭモードｌ_m の送信信号系列に対して送信処理を実行し、円形アレーアンテナＳＡ（ｊｅ）を介して送信信号系列を含む電磁波を受信局２００に放射する。送信処理部１４０ａの動作については、図８で説明する。

図８は、図７に示した送信処理部１４０ａの一例を示す。なお、図８では、送信処理部１４０ａ（１）について説明するが、送信処理部１４０ａ（２）－１４０ａ（Ｅ）についても送信処理部１４０ａ（１）と同様に動作する。

図８に示した送信処理部１４０ａ（１）は、Ｍ個の第１ＯＡＭモード生成処理部１４１ａ（１４１ａ（１）－１４１ａ（Ｍ））、（Ｌ＋１）個の多重部１４２ａ（１４２ａ（１）－１４２ａ（Ｌ＋１））、（Ｌ＋１）個の第２ＯＡＭモード生成処理部１４３（１４３（１）－１４３（Ｌ＋１））およびＫ（１）個の第２多重部１４４（１４４（１）－１４４（Ｋ（１）））を有する。

Ｍ個の第１ＯＡＭモード生成処理部１４１ａの各々は、図２に示したＯＡＭモード生成処理部１４１と同様に、演算部１３０ａにより算出された重み付け係数を用いて、分波部１２５から受信したＯＡＭモードｌ_m の送信信号系列ｓ_m に対して重み付けする（ｍは、１からＭの整数）。Ｍ個の第１ＯＡＭモード生成処理部１４１ａの各々は、重み付けした送信信号系列ｓ_m を（Ｌ＋１）個の多重部１４２ａにそれぞれ出力する。

（Ｌ＋１）個の多重部１４２ａの各々は、Ｍ個の第１ＯＡＭモード生成処理部１４１ａにより重み付けされた送信信号系列を多重化し、多重化した送信信号系列を第２ＯＡＭモード生成処理部１４３に出力する。

（Ｌ＋１）個の第２ＯＡＭモード生成処理部１４３の各々は、（Ｌ＋１）個の多重部１４２の各々により多重化された送信信号系列を、円形アレーアンテナＳＡ（１）において予め設定された整数値のＯＡＭモードｌ’のビームパターンで送信するための位相の重み付け処理を実行する。（Ｌ＋１）個の第２ＯＡＭモード生成処理部１４３の各々は、位相の重み付け処理が実行した送信信号系列を、円形アレーアンテナＳＡ（１）のＫ（１）個のアンテナ素子ＡＴｘの各々に接続された第２多重部１４４に出力する。

Ｋ（１）個の第２多重部１４４の各々は、（Ｌ＋１）個の第２ＯＡＭモード生成処理部１４３の各々から受信した送信信号系列を多重化し、円形アレーアンテナＳＡ（１）を介して、多重化した送信信号系列をＯＡＭモードｌ’の電磁波で受信局２００に放射する。第１ＯＡＭモード生成処理部１４１ａ、多重部１４２ａ、第２ＯＡＭモード生成処理部１４３および第２多重部１４４の動作については、図９で説明する。

図９は、図５に示した無線通信システムＳＹＳ１における通信処理の一例を示す。なお、図９に示したステップの動作のうち、図４に示したステップと同一または同様の処理を示すものについては、同一のステップ番号を付し、詳細な説明を省略する。図９に示した処理では、ステップＳ３００からステップＳ３６０の処理は、送信局１００Ａにより実行される。また、ステップＳ２００からステップＳ２３０の処理は、受信局２００により実行される。すなわち、図９は、無線通信方法の別の実施形態を示す。

なお、図９に示した処理では、送信局１００Ａのうち図６に示した円形アレーアンテナＳＡ（１）に接続された送信処理部１４０ａ（１）の動作について説明する。しかしながら、送信処理部１４０ａ（２）－１４０ａ（Ｅ）についても、送信処理部１４０ａ（１）の動作と同様に動作し、詳細な説明を省略する。

ステップＳ３００では、演算部１３０ａは、送信信号系列の送信先である受信局２００における無線環境を示す情報に基づいて、変調部１２０により変調されたＭ個のＯＡＭモードｌ_m の送信信号系列の各々に対する重み付け係数を、円形アレーアンテナＳＡ毎に算出する。

ここで、整数値のＯＡＭモードｌ’を基底ベクトルとして送信局１００Ａに形成されるビームの分布式（式(2) ）を展開した場合、式(2) は、式（７）となる。

ｃ_l ' （ｌ_m ，ｒ）は、ＯＡＭモードｌ_m を級数展開したときの整数モードｌに対して重み付けする展開係数である。ｒは、ｒ方向に変化する関数であることを示す。すなわち、ｃ_l ' （ｌ_m ，ｒ）は、ｒ方向にのみ変動する関数である。

そして、演算部１３０ａは、式（７）および式（８）を用いて重み付け係数ｗ_m を算出する。なお、式（８）は、半径Ｒｔ(1) の円形アレーアンテナＳＡ(1) における重み付け係数ｗ_m を示す。
ｗ_m ＝（ｗ_m ，_Lmin（Ｒｔ(1) ），ｗ_m ，_Lmin+1（Ｒｔ(1) ），…，
ｗ_m ，_Lmin+L（Ｒｔ(1))) ^T
＝Ａ_m （ｃ_Lmin（ｌ_m ，Ｒｔ(1) ），ｃ_Lmin+1（ｌ_m ，Ｒｔ(1) ），…，
ｃ_Lmin+L（ｌ_m ，Ｒｔ(1))) ^T … (8)
Ａ_m は、任意の定数であり、適宜決定される。以下では、Ａ_m は、“１”に設定される。なお、多重部１４２ａおよび第２ＯＡＭモード生成処理部１４３の個数（Ｌ＋１）におけるＬの値と、Ｌ_min の値とは、円形アレーアンテナＳＡ（１）から放射できる整数次のＯＡＭモードの次数以内であればよい。

演算部１３０ａは、円形アレーアンテナＳＡ毎に算出した重み付け係数ｗ_m を各送信処理部１４０ａに出力する。

なお、受信局２００における無線環境の情報は、無線通信システムＳＹＳ１を管理する管理者等により予め入力され、送信局１００Ａに含まれるハードディスク装置やメモリ等の記憶装置に記憶されてもよい。

次に、ステップＳ３１０では、変調部１２０は、Ｓ／Ｐ部１１０から受信したＭ個の送信信号系列の各々を変調する。そして、変調部１２０は、Ｍ個の分波部１２５を介して、Ｍ個のＯＡＭモードｌ_m の送信信号系列ｓ_m をＥ個の送信処理部１４０ａの各々に出力する。

次に、ステップＳ３２０では、送信処理部１４０ａ（１）の第１ＯＡＭモード生成処理部１４１ａ（ｍ）は、ステップＳ３００で算出された式（８）の重み付け係数ｗ_m を用いて、ステップＳ３１０で変調されたＯＡＭモードｌ_m の送信信号系列ｓ_m に対して重み付け処理を実行する（ｍは、１からＭの整数）。そして、第１ＯＡＭモード生成処理部１４１ａ（ｍ）は、重み付けした送信信号系列ｗ_m ，_Lmin+j・ｓ_m を多重部１４２ａ（ｊ＋１）にそれぞれ出力する（ｊは、０からＬの整数）。

次に、ステップＳ３３０では、多重部１４２ａ（ｊ＋１）は、ステップＳ３２０で第１ＯＡＭモード生成処理部１４１ａ（ｍ）の各々により重み付けされた送信信号系列ｗ_m ，_Lmin+j・ｓ_m を、式（９）を用いて多重化する。そして、多重部１４２ａ（ｊ＋１）は、多重化した送信信号系列ｓ’_Lmin+jを第２ＯＡＭモード生成処理部１４３（ｊ＋１）に出力する。

次に、ステップＳ３４０では、第２ＯＡＭモード生成処理部１４３（ｊ＋１）は、ステップＳ３３０で多重化された送信信号系列ｓ’_Lmin+jを、円形アレーアンテナＳＡ（１）を用いて整数値のＯＡＭモードｌ’で送信するための位相の重み付け処理を実行する。すなわち、第２ＯＡＭモード生成処理部１４３（ｊ＋１）は、多重化された送信信号系列ｓ’_Lmin+jに対して、円形アレーアンテナＳＡ（１）のＫ（１）個のアンテナ素子に応じた位相重みθ_l ’，_ka（＝ exp（ｉ２πｌ’・ｋａ／Ｋ（１））を乗算する（ｋａは、１からＫ（１）の整数、ｌ’∈｛Ｌ_min ，Ｌ_min ＋１，…，Ｌ_min ＋Ｌ｝）。

そして、第２ＯＡＭモード生成処理部１４３（ｊ＋１）は、位相の重み付けをした送信信号系列θ_l ’，_ka・ｓ’_Lmin+jを、アンテナ素子ＡＴｘ（ｋａ）が接続された第２多重部１４４（ｋａ）に出力する。

次に、ステップＳ３５０では、第２多重部１４４（ｋａ）は、ステップＳ３４０で位相の重み付けされた送信信号系列θ_l ’，_ka・ｓ’_Lmin+jを、第２ＯＡＭモード生成処理部１４３（ｊ）から受信する。そして、第２多重部１４４（ｋａ）は、式(10)を用いて、受信した送信信号系列θ_l ’，_ka・ｓ’_Lmin+jを多重化する。なお、式（１０）は、式（７）を用いて変形される。また、式(10)では、ｊ’＝ｌ’＝Ｌ_min ＋ｊとする。

ステップＳ３６０では、第２多重部１４４（ｋａ）は、ステップＳ３５０で多重化した送信信号系列ｓｓ_kaをアンテナ素子ＡＴｘ（ｋａ）に出力し、多重化した送信信号系列ｓｓ_kaの電磁波を受信局２００に放射する。すなわち、図９に示した処理により、一実施形態と同様に、複数のモードを多重化したビームが受信局２００に生成される。

そして、送信局１００Ａは、送信処理を終了する。送信局１００Ａは、外部より送信信号系列を受信する度に、ステップＳ３００からステップＳ３６０の処理を繰り返し実行する。なお、ステップＳ３００の処理は、最初の１回だけ実行されるだけでよく、２回目以降では省略されてもよい。

なお、図９に示した受信局２００の処理は、図４に示した処理と同様であり、詳細な説明を省略する。

図５から図９に示した実施形態では、送信局１００Ａは、モードの間隔が１よりも小さい実数値のＭ個のＯＡＭモードｌ_m の各々で送信信号系列を伝送し、Ｍ個のＯＡＭモードｌ_m で変調された送信信号系列を多重化して、受信局２００に送信する。すなわち、送信局１００Ａは、１より小さい値の間隔で設定された非整数次と整数次とを含むＭ個のＯＡＭモードｌ_m を用いることにより、送信可能なＯＡＭモードの範囲が同じ場合、整数値の間隔で複数のＯＡＭモードが設定される場合と比べて、多くのＯＡＭモードｌ_m で送信信号系列を変調できる。また、ＯＡＭモードｌ_m の絶対値を小さい値に設定することにより、送信局１００Ａは、Ｎｔ個のアンテナ素子ＡＴｘによるビームパターンの拡がりを抑制できる。

例えば、非特許文献４等の従来技術において、通信に必要な受信電力を確保可能なＯＡＭモードが－２、－１、０、１、２の５モード多重が限界の場合でも、送信局１００Ａは、ＯＡＭモードが－2.0 、－1.5 、－1.0 、－0.5 、０、0.5 、1.0 、1.5 、2.0 の９モード多重を実現でき、多重数を 1.8倍にできる。

また、受信局２００は、送信局１００Ａから受信した受信信号に対してＯＡＭモードｌ_m に応じた位相量の位相回転を実行し、受信した受信信号を同相合成することにより、各ＯＡＭモードｌ_m の信号を分離することができる。以上により、無線通信システムＳＹＳ１は、ビームパターンの拡がりを抑制しつつ、従来と比べて多くのＯＡＭモードの数で電磁波を多重でき、スループットを向上させることができる。

また、無線通信システムＳＹＳ１は、互いに異なる整数値の複数のＯＡＭモードｌ’の電磁波を放射している複数組の円形アレーアンテナを有する既存の無線通信システムに対しても、送信信号系列を整数値のＯＡＭモードｌ’で多重化する前に、互いに異なる実数値のＭ個のＯＡＭモードｌ_m で多重化することにより実現できる。すなわち、無線通信システムＳＹＳ１は、既存の無線通信システムを用いて低コストで実現可能であり、スループットの向上を図ることができる。

以上の詳細な説明により、実施形態の特徴点および利点は明らかになるであろう。これは、特許請求の範囲がその精神および権利範囲を逸脱しない範囲で前述のような実施形態の特徴点および利点にまで及ぶことを意図するものである。また、当該技術分野において通常の知識を有する者であれば、あらゆる改良および変更に容易に想到できるはずである。したがって、発明性を有する実施形態の範囲を前述したものに限定する意図はなく、実施形態に開示された範囲に含まれる適当な改良物および均等物に拠ることも可能である。

１００，１００Ａ…送信局、１１０…Ｓ／Ｐ部、１２０…変調部、１２５（１）－１２５（Ｍ），２１１（１）－２１１（Ｎｒ）…分波部、１３０，１３０ａ…演算部、１４０，１４０ａ（１）－１４０ａ（Ｅ）…送信処理部、１４１…ＯＡＭモード生成処理部、１４１ａ（１）－１４１ａ（Ｌ＋１）…第１ＯＡＭモード生成処理部、１４２，１４２ａ（１）－１４２ａ（Ｌ＋１）…多重部、１４３（１）－１４３（Ｌ＋１）…第２ＯＡＭモード生成処理部、１４４（１）－１４４（Ｋ（１））…第２多重部、２００…受信局、２１０…受信処理部、２１２（１）－２１２（Ｎｒ）…ＯＡＭモード分離処理部、２２０…復調部、２３０…Ｐ／Ｓ部、ＡＴｘ（１）－ＡＴｘ（Ｎｔ），ＡＲｘ（１）－ＡＲｘ（Ｎｒ）…アンテナ素子、ＳＡ（１）－ＳＡ（Ｅ）…円形アレーアンテナ、ＳＹＳ，ＳＹＳ１…無線通信システム

Claims (6)

1. 複数のアンテナ素子と、
   互いに異なる実数値であるＯＡＭ（Orbital Angular Momentum）モードの間隔が１より小さい値に設定された複数の第１のＯＡＭモードでデータを含む信号を変調する変調部と、
   前記データの送信先である対向する無線通信装置における無線環境を示す情報に基づいて、前記変調部により変調された前記複数の第１のＯＡＭモードの各々の信号に対する重み付けを示す係数を前記複数のアンテナ素子毎に算出する演算部と、
   前記係数を用いて前記複数の第１のＯＡＭモードの各々の信号を前記複数のアンテナ素子毎に多重化し、前記複数のアンテナ素子毎に多重化した信号を前記複数のアンテナ素子の各々に出力する送信処理部と
   を備えることを特徴とする無線通信装置。
2. 請求項１に記載の無線通信装置において、
   前記対向する無線通信装置から受信した受信信号に対して前記複数の第１のＯＡＭモードの各々に応じた位相量で位相回転させて、前記受信信号から前記複数の第１のＯＡＭモードの信号の各々に分離する受信処理部と、
   分離された前記複数の第１のＯＡＭモードの信号を復調する復調部とをさらに備える
   ことを特徴とする無線通信装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の無線通信装置において、
   前記複数のアンテナ素子により放射された電磁波を前記対向する無線通信装置の位置において集光する集光部をさらに備えることを特徴とする無線通信装置。
4. 請求項１または請求項２に記載の無線通信装置において、
   前記複数のアンテナ素子は、前記対向する無線通信装置が設置された方向に対して垂直な二次元平面上に同心円状に配置される複数組の円形アレーアンテナであることを特徴とする無線通信装置。
5. 請求項４に記載の無線通信装置において、
   前記複数組の円形アレーアンテナの各々に配置される複数の前記送信処理部をさらに備え、
   前記演算部は、前記係数を前記複数組の円形アレーアンテナ毎に算出し、
   前記複数の送信処理部の各々は、前記係数を用いて前記複数の第１のＯＡＭモードの各々の信号を配置された前記円形アレーアンテナ毎に多重化し、配置された前記円形アレーアンテナに設定された整数値の第２のＯＡＭモードに応じた位相の重み付けを、多重化した信号に対して実行する
   ことを特徴とする無線通信装置。
6. 複数のアンテナ素子を有する無線通信装置の無線通信方法において、
   互いに異なる実数値であるＯＡＭ（Orbital Angular Momentum）モードの間隔が１より小さい値に設定された複数の第１のＯＡＭモードでデータを含む信号を変調し、
   前記データの送信先である対向する無線通信装置における無線環境を示す情報に基づいて、変調された前記複数の第１のＯＡＭモードの各々の信号に対する重み付けを示す係数を前記複数のアンテナ素子毎に算出し、
   前記係数を用いて前記複数の第１のＯＡＭモードの各々の信号を前記複数のアンテナ素子毎に多重化し、前記複数のアンテナ素子毎に多重化した信号を前記複数のアンテナ素子の各々に出力する
   ことを特徴とする無線通信方法。

Images