説明

多入力多出力通信用アンテナ装置

【課題】通信品質が良く、かつ、小さい体積の中に複数のアンテナが効率よく配置された、MIMO通信用アンテナ装置を提供する。
【解決手段】アンテナ手段101−1〜101−Pは、互いに異なる偏波特性または指向性を有する2つ以上のアンテナ手段を含み、互いに空間フェージング相関が低くなるように配置される。スイッチ手段102は、アンテナ手段101−1〜101−Pの中から、MIMO通信に用いる2個以上のアンテナ手段を選択する。そして、選択されたアンテナ手段を用いてMIMO通信が行われる。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、無線通信システムに係り、特に、送受信に複数のアンテナを用いて無線通信を行うMIMO(多入力多出力)システムにおけるアンテナ装置に関する。
【背景技術】
【0002】
無線通信における受信信号rは、次式に示すように、アンテナの指向性G(θ,φ)と伝搬路の特性H(θ,φ)との積を積分した結果として与えられる。
【0003】
【数1】

【0004】
ここで、θおよびφは、それぞれ受信側における方位角と仰角を表す。一般的に、H(θ,φ)は物理現象のため、人間が制御できる変数ではなく、空間的に偏った到来波分布を示す。このため、受信電力を向上させるには、人間が制御可能なG(θ,φ)を空間的に一様(無指向性アンテナ)にすることが望まれるが、現実的にはそのようなアンテナを製作することは不可能である。
【0005】
結果として、アンテナの指向性がヌルとなる方向と電波の到来方向が重なる場合があり、その場合は受信電界密度が高いにもかかわらず、受信電力が著しく減少する。
下記の特許文献1は、この欠点を克服するために、指向性の異なる複数のアンテナを備えたアンテナ装置に関する。このアンテナ装置では、4つのモノポールアンテナを指向性合成した出力と、パッチアンテナの出力とが比較され、通信品質の良い方の出力が選択される。
【0006】
一方、近年の無線通信においては、周波数利用効率を改善する技術として、送信側/受信側双方においてそれぞれ複数のアンテナを用いて通信を行う、MIMOシステムが注目されている。MIMOシステムの送信側では、複数の送信アンテナから同時に同じ周波数を用いて異なる情報を送信することで、空間多重が行われる。受信側では、複数の受信アンテナを用いて信号を受信し、それぞれの信号を分離することにより情報を抽出する。
【特許文献1】特開2004−266367号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
しかしながら、上述した従来のアンテナ装置には、次のような問題がある。
MIMO通信では、受信側で空間多重された信号を分離するために、アンテナ間のフェージング相関が十分小さくなるように、それぞれのアンテナを配置する必要がある。このとき、複数のアンテナを単に並べて配置すると、アンテナ装置の体積が増大する。しかし、装置を小型化するためにアンテナ間隔を狭めると、フェージング相関が高くなり、特性が劣化してしまう。
【0008】
特許文献1のアンテナ装置では、4つのモノポールアンテナを第1の指向性を有する1つのアンテナとみなし、パッチアンテナを第2の指向性を有するもう1つのアンテナとみなして、いずれか一方のみを選択的に使用している。したがって、複数のアンテナにより空間多重を行うことはできず、MIMO通信には適していない。
【0009】
本発明の課題は、通信品質が良く、かつ、小さい体積の中に複数のアンテナが効率よく配置された、MIMO通信用アンテナ装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0010】
図1は、本発明のMIMO通信用アンテナ装置の原理図である。図1のMIMO通信用アンテナ装置は、P個のアンテナ手段101−1〜101−Pとスイッチ手段102を備える。
【0011】
アンテナ手段101−1〜101−Pは、互いに異なる偏波特性または指向性を有する2つ以上のアンテナ手段を含み、互いに空間フェージング相関が低くなるように配置される。スイッチ手段102は、アンテナ手段101−1〜101−Pの中から、MIMO通信に用いる2個以上のアンテナ手段を選択する。そして、選択されたアンテナ手段を用いてMIMO通信が行われる。
【0012】
例えば、後述する図3のアンテナ装置において、アンテナ手段101−1〜101−Pは、モノポールアンテナ301〜304および放射導体306(2つのパッチアンテナ)に対応し、スイッチ手段102は、RFスイッチ308に対応する。
【0013】
また、後述する図4のアンテナ装置において、アンテナ手段101−1〜101−Pは、モノポールアンテナ401〜404および放射導体306(2つのパッチアンテナ)に対応し、スイッチ手段102は、RFスイッチ308に対応する。
【発明の効果】
【0014】
本発明によれば、例えば、モノポールアンテナとパッチアンテナのように、異なる偏波特性または指向性を有する2つ以上のアンテナを用いることで、小さい体積の中に複数のアンテナを収めることが可能になる。
【0015】
また、異なる偏波特性または指向性を有する複数のアンテナの中から、通信に最適なアンテナの組み合わせを選ぶことによって、MIMO通信の品質が高まるとともに、MIMOシステムのスループットが向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【0016】
以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための最良の形態を詳細に説明する。
図2は、本実施形態のMIMO通信装置の構成図である。このMIMO通信装置は、アンテナ装置201、M個の無線(RF)部202−1〜202−M、M個のアナログ/デジタル(A/D)変換器203−1〜203−M、ベースバンド処理部204、およびデジタル/アナログ(D/A)変換器205を備える。ベースバンド処理部204は、CPU(中央処理装置)211およびメモリ212を含む。
【0017】
アンテナ装置201は、M+1個以上のアンテナを含み、そのうちM個のアンテナを選択してRF部202−1〜202−Mに接続する。RF部202−m(m=1,...,M)は、主にフィルタ、ミキサ、および増幅器で構成され、送信時にはベースバンド信号を高周波信号に変換し、受信時には高周波信号をベースバンド信号に変換する。RF部201−mには、上記以外の他の部品が含まれていても構わない。A/D変換器203−mは、RF部202−mからの受信信号をデジタル信号に変換し、ベースバンド処理部431は、そのデジタル信号を用いてベースバンド処理を行う。
【0018】
アンテナ選択時には、CPU211は、メモリ212を利用して所定の評価関数を計算し、計算結果に基づいて、アンテナ選択信号をD/A変換器205に出力する。D/A変換器205は、アンテナ選択信号をアナログ信号に変換してアンテナ装置201に出力し、アンテナ装置201は、そのアンテナ選択信号に従ってM個のアンテナを選択する。
【0019】
なお、アンテナ装置201がデジタル信号で制御される場合は、D/A変換器205の代わりにデジタル/デジタル変換器が用いられる。
次に、アンテナ装置201の構成について説明する。無線通信においては、2つのアンテナの偏波が異なれば、互いに独立なフェージング変動が起こる。また、同じ偏波でも、一般的には、アンテナ間隔を半波長程度離せば相関係数が0.7以下に下がり、フェージング相関は低くなることが知られている。
【0020】
そこで、異なる偏波特性(または指向性)を有する複数のアンテナを用意し、同じ特性を有するアンテナを半波長程度離して実装すれば、フェージング相関を抑えたMIMO通信を実現することができる。これらのアンテナとしては、モノポールアンテナ等の線状アンテナや、パッチアンテナ等のマイクロストリップアンテナ(平面型アンテナ)が利用できる。
【0021】
図3は、このようなアンテナ装置201の構成例を示している。このアンテナ装置は、4個のモノポールアンテナ301〜304、誘電体基板305、放射導体306、接地導体307、およびRFスイッチ308を備える。
【0022】
電波の波長をλg とすると、誘電体基板305の形状は、例えば、1辺の長さがλg /2の正方形である。モノポールアンテナ301〜304は、この誘電体基板305上の四隅に、誘電体基板305に対して垂直に配置されている。これらのモノポールアンテナ301〜304は、xy平面内にある誘電体基板305と垂直なz軸方向の偏波に対応するアンテナである。
【0023】
平面型の放射導体306は、誘電体基板305上の中央に配置され、2つの給電点311および312を有する。給電点311は、x軸方向の偏波に対応するパッチアンテナの給電点として機能し、給電点312は、y軸方向の偏波に対応するパッチアンテナの給電点として機能する。したがって、放射導体306は、互いに直交する偏波特性を持つ2個のパッチアンテナとしての役割を果たす。
【0024】
このように、図3のアンテナ装置は、互いのフェージング相関が低くなるように配置された6個のアンテナを含んでいる。RFスイッチ308は、D/A変換器205からのアンテナ選択信号に従って、これらのアンテナの中からM個のアンテナ(M=2,3,4,5,6)を選択して、RF部202−1〜202−Mに接続する。このとき、通信状態に応じて最適なアンテナの組み合わせが選択される。
【0025】
例えば、2×2MIMO通信において、電波の到来方向がモノポールアンテナのヌル方向(z軸の正の方向)の場合、2個のパッチアンテナに切り替えてMIMO通信が行われる。3×3MIMOまたは4×4MIMOの場合は、残りの4個のモノポールアンテナ301〜304のうち、通信状態の良い1個または2個のアンテナが追加される。
【0026】
図4は、アンテナ装置201の別の構成例を示している。このアンテナ装置は、図3のアンテナ装置において、モノポールアンテナ301〜304を容量装荷型のモノポールアンテナ401〜404に置き換えた構成を有する。モノポールアンテナ401〜404には金属板が装荷されており、モノポールアンテナ301〜304に比べて、アンテナの高さを低くすることができる。この場合、アンテナのアイソレーションを高くするために、誘電体基板305の上面から見たときに、これらの金属板が放射導体306と重ならないようにすることが望ましい。
【0027】
なお、図3および図4の構成では、4個の線状アンテナと2個のマイクロストリップアンテナを含んでいるが、一般的には、各アンテナの個数は任意である。
このように、アンテナ装置201内にRFスイッチ308を設けて、搬送波周波数(高周波)帯域でアンテナを切り替えるようにすれば、RF部202−mおよびA/D変換器203−mの個数をM個に抑えることができる。したがって、中間周波数(IF)帯域やベースバンドでアンテナを切り替える場合に比べて、ハードウェア量および消費電力が削減される。
【0028】
次に、アンテナ選択のための評価関数として用いられる信号対干渉雑音比(SINR)、アンテナ間でのフェージング相関、遅延スプレッド、および伝搬路行列(チャネル行列)の条件数の計算方法について説明する。
【0029】
まず、図2のMIMO通信装置におけるM個の受信信号は、次式のy(t)により与えられるものとする。
【0030】
【数2】

【0031】
ここで、tおよびτは、それぞれ時刻および遅延時間を表す。また、送信側のMIMO通信装置(不図示)のn番目のアンテナ(n=1,...,N)から、図2のMIMO通信装置のm番目のアンテナ(m=1,...,M)までの伝搬路応答を

【0032】
とすると、希望信号(送信信号)のチャネル行列H(τ)、希望信号s(t)、および雑音n(t)は、それぞれ(3)、(4)、および(5)式で定義される。
【0033】
【数3】

【0034】
また、Gv (τ)およびuv (t)は、それぞれv番目の干渉局(v=1,...,V)のチャネル行列と送信信号を表し、Vは最大干渉局数を表す。
(a)SINR
受信信号の既知信号部分を利用してH(τ)を推定した結果を

【0035】
とする。さらに、推定結果の行列のm行目を次式で表す。
【0036】
【数4】

【0037】
このとき、m番目のアンテナにおけるSINRは、(6)式を用いて次式により計算される。
【0038】
【数5】

【0039】
ただし、E[・]は期待値操作を表す。以下の計算においては、H(τ)として推定値を用いるものとする。
(b)フェージング相関
フェージング相関は、狭帯域通信の場合、WSSUS(Wide-Sense Stationary Uncorrelated Scattering )が成り立つ範囲で空間的に少しずつ位置をずらして平均操作を行うことで求められる。しかし、広帯域通信の場合、周波数軸上で平均操作したものと近い値となる。その説明を以下にする。
【0040】
図2のMIMO通信装置のm1 番目およびm2番目のアンテナにおけるチャネルレスポンスのフーリエ変換対を、それぞれ

【0041】
および

【0042】
とすると、フェージング相関は次式で与えられる。
【0043】
【数6】

【0044】
ここで、*は複素共役を意味し、fmax およびfmin はそれぞれ対象にしている周波数の最大値と最小値を表す。
(c)遅延スプレッド
遅延スプレッドは、遅延時間に対する電力分布の広がりを示す遅延プロファイルの標準偏差である。m番目のアンテナにおける遅延スプレッドは、次式で与えられる。
【0045】
【数7】

【0046】
(d)条件数
行列

【0047】
の特異値の最大値と最小値をそれぞれλmax およびλmin と定義すると、条件数は次式で与えられる。
【0048】
【数8】

【0049】
次に、SINR、フェージング相関、遅延スプレッド、および条件数を用いた評価関数の具体例について説明する。これらの例では、アンテナ装置201においてM個のアンテナが選択された場合の評価関数が示されている。
(A)SINRとフェージング相関
MIMO通信システムでは、基本的にSINRは大きいほど特性が良くなり、またフェージング相関は小さいほど特性が良くなる。そこで、SINRとフェージング相関を選択基準とする際に、例えば、次式で示される評価関数が大きくなるようなアンテナの組み合わせを選ぶことで、特性を向上させることができる。
【0050】
【数9】

【0051】
ここで、分母の総乗記号は、m1 とm2 の値が異なるすべての組み合わせ(m1 ,m2 =1,...,M,m1 <m2 )について、フェージング相関Cm1, m2を乗算する演算を表す。
(B)SINRと遅延スプレッド
MIMO無線通信システムでは、一般的に周波数選択性フェージング時に誤り訂正技術を用いて符号化利得を得るよう設計されているため、遅延スプレッドが大きいほど特性は良くなる。OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)の場合は、ガードインターバル以内に遅延波が収まっている必要があるが、適応キャンセラを用いればこれを実現することも不可能ではない。
【0052】
SINRと遅延スプレッドを選択基準とする際には、例えば、次式で示される評価関数が大きくなるようなアンテナの組み合わせを選べばよい。
【0053】
【数10】

【0054】
(C)フェージング相関と遅延スプレッド
フェージング相関と遅延スプレッドを選択基準とする際に、例えば、次式で示される評価関数が大きくなるようなアンテナの組み合わせを選べばよい。
【0055】
【数11】

【0056】
(D)SINRとフェージング相関と遅延スプレッド
SINR、フェージング相関、および遅延スプレッドを選択基準とする際に、例えば、次式で示される評価関数が大きくなるようなアンテナの組み合わせを選べばよい。
【0057】
【数12】

【0058】
(E)条件数
MIMO無線通信システムでは、一般的にチャネル行列の条件数が小さいほど、希望信号s(t)に対する雑音n(t)の影響が緩和されるため、特性は良くなる。そこで、例えば、選択されたM個のアンテナを用いて推定されたH(τ)から得られる条件数κを評価関数として用いて、その値が小さくなるようなアンテナの組み合わせを選べばよい。
【0059】
図5は、このような評価関数を用いたアンテナ選択処理のフローチャートである。CPU211は、まず、既知信号を用いて伝搬路推定を行い、チャネル行列H(τ)を推定する(ステップ501)。ここでは、M本のアンテナのすべての可能な組み合わせについて、チャネル行列H(τ)がそれぞれ推定される。
【0060】
次に、制御変数iに1を設定して(ステップ502)、M本のアンテナのi番目の組み合わせについて、あらかじめ決められた評価関数を用いて評価関数値Ci を計算する(ステップ503)。
【0061】
次に、iに1を加算して(ステップ504)、加算結果を最大組み合わせ数と比較する(ステップ505)。iが最大組み合わせ数を超えていなければ、ステップ503以降の処理を繰り返し、iが最大組み合わせ数を超えていれば、計算された評価関数値のうち最適値を選択する(ステップ506)。例えば、(13)式〜(16)式の評価関数を用いた場合は、評価関数値の最大値が最適値となり、条件数κを評価関数として用いた場合は、評価関数値の最小値が最適値となる。
【0062】
そして、その評価関数値に対応したアンテナの組み合わせを選択するアンテナ選択信号を、D/A変換器205に出力する(ステップ507)。これにより、アンテナ装置201において特定のM本のアンテナが選択され、RF部202−1〜202−Mに接続される。
【0063】
なお、アンテナ選択に用いる評価関数は、上記(A)〜(E)に示したものに限られるわけではなく、SINR、フェージング相関、遅延スプレッド、および条件数を用いた他の評価関数を用いてもよい。
【0064】
(付記1)互いに異なる偏波特性または指向性を有する2つ以上のアンテナ手段を含み、互いに空間フェージング相関が低くなるように配置された複数のアンテナ手段と、
前記複数のアンテナ手段の中から、多入力多出力通信に用いる2個以上のアンテナ手段を選択するスイッチ手段と
を備えることを特徴とする多入力多出力通信用アンテナ装置。
(付記2)前記複数のアンテナ手段は、基板上に配置された少なくとも1つのマイクロストリップアンテナ手段と、該基板に対して垂直に配置された少なくとも1つの線状アンテナ手段からなり、該マイクロストリップアンテナ手段と該線状アンテナ手段は、互いに異なる偏波特性または指向性を有することを特徴とする付記1記載の多入力多出力通信用アンテナ装置。
(付記3)前記複数のアンテナ手段は、前記基板上に配置された2個のマイクロストリップアンテナ手段と、該基板に対して垂直に配置された4個の線状アンテナ手段からなり、前記スイッチ手段は、2個のアンテナ手段を多入力多出力通信に用いる場合、該2個のマイクロストリップアンテナ手段と4個の線状アンテナ手段の中から2個のアンテナ手段を選択することを特徴とする付記2記載の多入力多出力通信用アンテナ装置。
(付記4)前記複数のアンテナ手段は、前記基板上に配置された2個のマイクロストリップアンテナ手段と、該基板に対して垂直に配置された4個の線状アンテナ手段からなり、前記スイッチ手段は、3個のアンテナ手段を多入力多出力通信に用いる場合、該2個のマイクロストリップアンテナ手段と4個の線状アンテナ手段の中から3個のアンテナ手段を選択することを特徴とする付記2記載の多入力多出力通信用アンテナ装置。
(付記5)前記複数のアンテナ手段は、前記基板上に配置された2個のマイクロストリップアンテナ手段と、該基板に対して垂直に配置された4個の線状アンテナ手段からなり、前記スイッチ手段は、4個のアンテナ手段を多入力多出力通信に用いる場合、該2個のマイクロストリップアンテナ手段と4個の線状アンテナ手段の中から4個のアンテナ手段を選択することを特徴とする付記2記載の多入力多出力通信用アンテナ装置。
(付記6)前記線状アンテナ手段には金属板が装荷されていることを特徴とする付記2、3、4、または5記載の多入力多出力通信用アンテナ装置。
(付記7)前記スイッチ手段は、搬送波周波数帯域において前記2個以上のアンテナ手段を選択することを特徴とする付記1、2、3、4、5、または6記載の多入力多出力通信用アンテナ装置。
(付記8)前記スイッチ手段は、空間フェージング相関、信号対干渉雑音比、遅延スプレッド、および伝搬路行列の条件数のうち少なくとも1つの選択基準に基づいて、前記2個以上のアンテナ手段を選択することを特徴とする付記1、2、3、4、5、6、または7記載の多入力多出力通信用アンテナ装置。
(付記9)互いに異なる偏波特性または指向性を有する2つ以上のアンテナ手段を含み、互いに空間フェージング相関が低くなるように配置された複数のアンテナ手段の中から、2個以上のアンテナ手段を選択し、
選択されたアンテナ手段を用いて多入力多出力通信を行う
ことを特徴とする多入力多出力通信方法。
【図面の簡単な説明】
【0065】
【図1】本発明のアンテナ装置の原理図である。
【図2】MIMO通信装置の構成図である。
【図3】第1のアンテナ装置の構成図である。
【図4】第2のアンテナ装置の構成図である。
【図5】アンテナ選択処理のフローチャートである。
【符号の説明】
【0066】
101−1、101−P アンテナ手段
102 スイッチ手段
201 アンテナ装置
202−1、202−M RF部
203−1、203−M A/D変換器
205 D/A変換器
204 ベースバンド処理部
211 CPU
212 メモリ
301、302、303、304、401、402、403、404 モノポールアンテナ
305 誘電体基板
306 放射導体
307 接地導体
308 RFスイッチ
311、312 給電点

【特許請求の範囲】
【請求項1】
互いに異なる偏波特性または指向性を有する2つ以上のアンテナ手段を含み、互いに空間フェージング相関が低くなるように配置された複数のアンテナ手段と、
前記複数のアンテナ手段の中から、多入力多出力通信に用いる2個以上のアンテナ手段を選択するスイッチ手段と
を備えることを特徴とする多入力多出力通信用アンテナ装置。
【請求項2】
前記複数のアンテナ手段は、基板上に配置された少なくとも1つのマイクロストリップアンテナ手段と、該基板に対して垂直に配置された少なくとも1つの線状アンテナ手段からなり、該マイクロストリップアンテナ手段と該線状アンテナ手段は、互いに異なる偏波特性または指向性を有することを特徴とする請求項1記載の多入力多出力通信用アンテナ装置。
【請求項3】
前記線状アンテナ手段には金属板が装荷されていることを特徴とする請求項2記載の多入力多出力通信用アンテナ装置。
【請求項4】
前記スイッチ手段は、搬送波周波数帯域において前記2個以上のアンテナ手段を選択することを特徴とする請求項1、2、または3記載の多入力多出力通信用アンテナ装置。
【請求項5】
前記スイッチ手段は、空間フェージング相関、信号対干渉雑音比、遅延スプレッド、および伝搬路行列の条件数のうち少なくとも1つの選択基準に基づいて、前記2個以上のアンテナ手段を選択することを特徴とする請求項1、2、3、または4記載の多入力多出力通信用アンテナ装置。
【請求項6】
互いに異なる偏波特性または指向性を有する2つ以上のアンテナ手段を含み、互いに空間フェージング相関が低くなるように配置された複数のアンテナ手段の中から、2個以上のアンテナ手段を選択し、
選択されたアンテナ手段を用いて多入力多出力通信を行う
ことを特徴とする多入力多出力通信方法。

【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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【公開番号】特開2007−235762(P2007−235762A)
【公開日】平成19年9月13日(2007.9.13)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2006−56972(P2006−56972)
【出願日】平成18年3月2日(2006.3.2)
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】(出願人による申告)平成17年度、独立行政法人情報通信研究機構、「新世代移動機用適応アンテナシステムに関する研究開発」委託研究、産業再生法第30条の適用を受ける特許出願
【出願人】(000005223)富士通株式会社 (25,993)
【Fターム(参考)】