WO2024142397A1 - 送信装置及び送信方法 - Google Patents

Abstract

無線信号を送信する送信アンテナと、前記無線信号にエアリービームを生成するため及びビームディレクションを行うための位相を付与するエアリービーム生成部と、を備える送信装置。

Description

送信装置及び送信方法

　本発明は、送信装置及び送信方法に関する。

　通常、電磁波は進行方向に直線的に広がり伝搬する性質を持っている。一方、２次元平面に入射する無線信号に対して振幅位相変換を与えることで、メインローブの進行方向の軌跡が曲がる性質を持つエアリービームを生成することができる。

　エアリービームは、受信電力が著しく低い通信エリアを形成する性質がある。しかしながら、エアリービームのメインローブの軌道には制限があり、ビーム方向を制御することができない。

D. Zhang, B. Chen, Z. Ba, S. Ni, J. Cao, and X. Wang, "Generation of Broadband THz Airy Beams Applying 3D Printing Technique", 13th European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP 2019) N. K. Efremidis, Z. Chen, M. Segev, and D. N. Christodoulides, "Airy beams and accelerating waves: an overview of recent advances", Optica, vol.6, pp.686-701 (2019)

　本発明は、エアリービームのビーム方向を制御することのできる送信装置及び送信方法を提供することを目的とする。

　本発明の一態様は、無線信号を送信する送信アンテナと、前記無線信号にエアリービームを生成するため及びビームディレクションを行うための位相を付与するエアリービーム生成部と、を備える送信装置である。

　本発明の一態様は、無線信号を送信し、前記無線信号にエアリービームを生成するため及びビームディレクションを行うための位相を付与する、送信方法である。

　本発明の送信装置及び送信方法は、エアリービームのビーム方向を制御することができる。

第１の実施形態に係る送信装置１００の構成の一例である。 送信アンテナ１３０とエアリービーム生成部１４０を示す図である。 エアリービーム生成部１４０の構成例である。 エアリービーム生成部１４０の他の構成例である。 エアリービーム生成部１４０をｘ－ｙ平面に置いた場合の、生成されるエアリービームのｘ－ｚ平面の断面図の一例である。 ２つの送信装置１００－１及び１００－２により生成されるエアリービームを示す例である。 第２の実施形態に係る送信装置１００の構成の一例を示す図である。 平面状のエアリービーム生成部１４０を正面から見た図である。 エアリービーム生成部１４０から送信されるエアリービームの強度分布（エアリービーム生成部１４０の対向面における強度分布）を示す図である。 空間多重数が８の場合の平面状のエアリービーム生成部１４０を正面から見た図である。 エアリービーム生成部１４０から送信されるエアリービームの強度分布（エアリービーム生成部１４０の対向面における強度分布）を示す図である。 アンテナのサイズを調整することを示す図である。 アンテナのサイズを調整することを示す図である。

（第１の実施形態）
　以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
　図１は、第１の実施形態に係る送信装置１００の構成の一例である。図１に示すように、第１の実施形態に係る送信装置１００は、方向角制御部１１０、信号生成部１２０、送信アンテナ１３０、エアリービーム生成部１４０を備える。

　方向角制御部１１０は、エアリービーム生成部１４０から放射されるビームの方向角を制御する。

　信号生成部１２０は、入力されたデータから、搬送波に乗せて送信するデジタル信号を生成する。信号生成部１２０は、デジタル信号をアナログ信号に変換し、アナログ信号の周波数を搬送波の周波数帯に変換して、当該アナログ信号を送信アンテナ１３０に出力する。送信アンテナ１３０は、信号生成部１２０により生成されたアナログ信号（ビーム）を放射する。

　エアリービーム生成部１４０は、送信アンテナ１３０から放射されるビームの位相を変化させることで、エアリービームを生成するとともにビームディレクションを行う。エアリービーム生成部１４０は、例えば、複数のアンテナ素子によりビームに位相を与えることで、エアリービームを生成するとともにビームディレクションを行う。

　図２は、送信アンテナ１３０とエアリービーム生成部１４０を示す図である。図３は、エアリービーム生成部１４０の構成例である。図３は、平面状のエアリービーム生成部１４０を正面から見た図である。図３に示すエアリービーム生成部１４０は、平面の基板上に複数のアンテナ素子（パッチアンテナ）を有するメタサーフェス（メタマテリアル）アンテナである。例えば、各アンテナ素子は可変位相器を備え、アンテナ素子ごとに電磁波（電波）に所定の位相を与えることができる。各アンテナ素子に与えられる位相に応じて、エアリービームの方向や曲がり具合が変化する。

　エアリービーム生成部１４０は、ビームが通過する誘電体の厚みを面的に変化させることで、送信アンテナ１３０から放射されるビームの位相変換を行うことでエアリービームを生成してもよい。

　図４は、エアリービーム生成部１４０の他の構成例である。本構成例では、エアリービーム生成部１４０を正面から見た形状は例えば円形である。図４は、送信アンテナ１３０の電波送信方向の軸を含む平面でエアリービーム生成部１４０を切った断面図を示す。図４に示す例においては、エアリービーム生成部１４０は、位相変調レンズ１４３及びフーリエ変換レンズ１４４を備える。送信アンテナ１３０の正面から見た平面をｘ－ｙ平面とすると、位相変調レンズ１４３がｘ－ｙ平面上の各点（ｘ－ｙ座標）において位相を与え、これによりエアリービームを生成する。

　以下、エアリービーム生成部１４０が図３に示すように、平面の基板上に複数のアンテナ素子（パッチアンテナ）を有するメタサーフェス（メタマテリアル）アンテナである場合について説明する。

　具体的には、エアリービーム生成部１４０は、式（１）に示す振幅位相ｕ（ｘ、ｙ）をｘ－ｙ平面上のビームに付与することでエアリービームを生成する。

　式（１）においてａは、エアリービームの曲がり具合を決定する任意定数であり、λは送信アンテナ１３０に供給される無線信号の波長であり、θ_ｘ及びθ_ｙはエアリービームの放射角の各成分である。式（１）において、（２）及び（３）に示される項はエアリービームを生成するために導入される項である。

　式（１）において、（４）及び（５）に示される項はビームディレクションを行うために与えられる線形な位相分布を示す項である。

　つまり、エアリービーム生成部１４０は、ビームにエアリービームを生成するため及びビームディレクションを行うための位相を付与する。

　図５は、エアリービーム生成部１４０をｘ－ｙ平面に置いた場合の、生成されるエアリービームのｘ－ｚ平面の断面図の一例である。図５Ａは、ビームの角度θ_ｘ＝０度である場合を示し、図５Ｂは、ビームの角度θ_ｘ＝４５度である場合を示す。図５Ａに示す例において、エアリービームは上に曲がり、ビームの下部にサイドローブが生じ、ビームの上部にはサイドローブが生じない。図５Ｂに示す例において、エアリービームは上に曲がり、ビームの下部にサイドローブが生じ、ビームの上部にはサイドローブが生じない。図５Ａ及び図５Ｂは、エアリービーム生成部１４０で線形な位相分布を付与することにより、エアリービームの方向が変化することを示す。

　図６は、２つの送信装置１００－１及び１００－２により生成されるエアリービームを示す例である。送信装置１００－１と送信装置１００－２は、正負が逆の角度でエアリービームを送信する。このとき、送信装置１００－１から送信されるエアリービームの下部にサイドローブが生じ、上部にサイドローブが生じない。送信装置１００－２から送信されるエアリービームの上部にサイドローブが生じ、下部にサイドローブが生じない。よって、送信装置１００－１と送信装置１００－２は、サイドローブが生じない領域を形成することができる。

（第２の実施形態）
　図７は、第２の実施形態に係る送信装置１００の構成の一例を示す図である。第２の実施形態において、送信装置１００が送信したデータを受信装置２００が受信する。以下、送信装置１００と受信装置２００を合わせて無線通信システム１０と呼ぶ。
　受信装置２００は、受信部２１０、受信強度測定部２２０、フィードバック部２３０を備える。受信部２１０は、アンテナを介して送信装置１００から送信されるアナログ信号を受信する。受信部２１０は、送信装置１００が備えるエアリービーム生成部１４０と同様の構成を使用して信号を受信してもよいし、エアリービーム用の特別な構成を備えない一般的なアンテナであってもよい。

　受信強度測定部２２０は、受信する信号の受信強度を測定する。フィードバック部２３０は、受信強度の測定結果を送信装置１００にフィードバックする。フィードバック部２３０は、通常の無線通信を使用して信号を送信装置１００に送ることでフィードバックすればよい。第２の実施形態において、送信装置１００の方向角制御部１１０は、受信装置２００によるフィードバックに基づいてエアリービーム生成部１４０を制御する。
　例えば、送信装置１００は、送信アンテナ１３０から放射するビームの角度を所定のスケジュールで変化させ、複数のエアリービームをプリアンブルとして受信装置２００に送信する。受信装置２００においては、受信強度測定部２２０が各エアリービームの受信強度を測定し、フィードバック部２３０は受信強度が最大であったエアリービームを受信したタイミング、時刻又は順番を送信装置１００にフィードバックする。方向角制御部１１０は、フィードバックされたタイミング、時刻又は順番に対応するビーム方向角θでエアリービームを送信するようにエアリービーム生成部１４０を制御する。

　送信装置１００は、受信装置２００に送信するプリアンブルにビーム方向角θの情報を含ませてもよい。このとき、受信装置２００は、受信強度を測定するとともにビーム方向角θの情報を読み出す。フィードバック部２３０は、受信強度が最大であったエアリービームに含まれていた情報が示すビーム方向角θを送信装置１００にフィードバックする。方向角制御部１１０は、フィードバックされたビーム方向角θでエアリービームを送信するようにエアリービーム生成部１４０を制御する。送信装置１００が送信するプリアンブルにビーム方向角θの情報が含まれる場合、送信装置は所定のスケジュールで、ビーム方向角θを変化させてエアリービームを送信しなくてもよい。

　フィードバック部２３０は、エアリービームの受信強度と当該エアリービームを受信したタイミング、時刻、順番又はビーム方向角θの対応関係を送信装置１００にフィードバックしてもよい。このとき、送信装置１００は、フィードバックされたエアリービームの受信強度と当該エアリービームを受信したタイミング、時刻、順番又はビーム方向角θの対応関係に基づいて、最大の受信強度に対応するタイミング、時刻、順番又はビーム方向角θを決定し、ビーム方向角θを指定する。

　送信装置１００は、受信装置２００の事前に決定した複数の位置により異なるエアリービームの受信強度に基づいてビーム方向角θを指定してもよい。送信装置１００は、ビーム方向角θ及び受信装置２００の位置ごとのエアリービームの受信強度の情報を取得し、受信装置２００が複数の位置のうち、ある１つの位置にある場合には、受信強度が所定の閾値以上であるが、受信装置２００が複数の位置のうち、上述した１つの位置を除く他の全ての位置にある場合には、受信強度が所定の閾値以下となるビーム方向角θを決定し、送信アンテナ１３０から放射するビームの角度として指定する。つまり、事前に決定した複数の位置全てに受信装置２００が設置されていた時、送信装置１００は、決定したビーム方向角θによりビームを放射したとき、１つの受信装置２００にのみ所定の閾値以上の受信強度でエアリービームを届けることができる。

　また、送信装置１００は、送信装置１００と受信装置２００のアンテナ間の距離を取得してもよい。距離の取得方法はどのような方法であってもよい。例えば、外部サーバから取得してもよいし、ＧＰＳ機能を用いて送信アンテナ１３０又はエアリービーム生成部１４０と受信部２１０のアンテナのそれぞれの位置を取得し、位置から距離を求めても良いし、信号の遅延時間を用いて距離を算出してもよい。
　送信装置１００は、送信装置１００と受信装置２００のアンテナ間の距離に基づいて、ビーム方向角θを決定してもよい。

　送信装置１００は、送信アンテナ１３０とエアリービーム生成部１４０とをサブ送信アンテナ及びサブエアリービーム生成部として複数備え、空間多重通信を行ってもよい。図８は、平面状のエアリービーム生成部１４０を正面から見た図である。図８に示すエアリービーム生成部１４０は、サブエアリービーム生成部＃１～４を備え、それぞれのサブエアリービーム生成部が、図示のような複数アンテナ素子を有し、エアリービームを生成することが可能である。

　受信装置２００も空間多重通信を達成するために４つの異なるアンテナを備えるが、サブエアリービーム生成部を備えなくてもよい。サブ送信アンテナ＃１、＃３は、サブ受信アンテナ＃３、＃１と対向し、サブ送信アンテナ＃２、＃４は、サブ受信アンテナ＃４、＃２と対向する。

　図９は、エアリービーム生成部１４０から送信されるエアリービームの強度分布（エアリービーム生成部１４０の対向面における強度分布）を示す図である。図９に示すように、各サブエアリービーム生成部のサイドローブが、他のサブサブエアリービーム生成部が存在する側とは反対の側に生じる。これにより、サブサブエアリービーム生成部間での干渉が生じることなく、空間多重数＝４の空間多重伝送を行うことができる。

　次に送信アンテナ１３０とエアリービーム生成部１４０のサブ送信アンテナ及びサブエアリービーム生成部がそれぞれ８個である場合、つまり、空間多重数が８の場合を説明する。
　図１０は、空間多重数が８の場合の平面状のエアリービーム生成部１４０を正面から見た図である。受信装置２００も空間多重通信を達成するために８つの異なるアンテナを備えるが、サブエアリービーム生成部を備えなくてもよい。図１０に示すように、エアリービーム生成部１４０は、サブエアリービーム生成部＃１～＃８を備え、それぞれのサブエアリービーム生成部が、図示のような複数アンテナ素子を有し、エアリービームを生成することが可能である。サブ送信アンテナ＃１、＃８、＃７は、サブ受信アンテナ＃７、＃８、＃１と対向し、サブ送信アンテナ＃２、＃６は、サブ受信アンテナ＃６、＃２と対向し、サブ送信アンテナ＃３、＃４、＃５は、サブ受信アンテナ＃５、＃４、＃３と対向する。

　図１１は、エアリービーム生成部１４０から送信されるエアリービームの強度分布（エアリービーム生成部１４０の対向面における強度分布）を示す図である。図１１に示すように、各サブアンテナのサイドローブが、８つのサブエアリービーム生成部の中心の側に対して外側に現れる。

　この場合、例えば、サブエアリービーム生成部＃１のサイドローブと、サブエアリービーム生成部＃３～＃７のサイドローブとの間では干渉が生じないが、サブエアリービーム生成部＃１のサイドローブと、サブエアリービーム生成部＃２、＃８のサイドローブとの間で干渉が生じ得る。

　このように、上記例は、一部の干渉を許容する例である。つまり、上記例においては、送信装置１００は部分的なサイドローブの重なりを認めるように電波を送信する。サイドローブが重なる部分については、受信装置２００において、ＳＩＣ(successive interference cancellation）等の手法により干渉除去を実施する。これにより、full MIMOの等化処理よりは低演算量を維持しつつ空間多重数を増加させることができる。

　エアリービーム生成部１４０を構成するサブエアリービーム生成部における複数アンテナ素子から構成されるアンテナのサイズを適応的に調整することで、エアリービームの曲がる度合いを調整する。これにより、エアリービームの届く距離あるいは位置を調整することができる。このようなサイズの調整は例えば送信装置１００により行うことができる。

　図１２、図１３を参照して例を説明する。図１２に示すように、１つのサブエアリービーム生成部において、Ａで示す領域と、Ｂで示す領域が示されている。Ａで示す領域のサイズのほうがＢで示す領域のサイズよりも大きい。言い換えると、Ａで示す領域に含まれるアンテナ素子数のほうが、Ｂで示す領域に含まれるアンテナ素子数よりも多い。

　図１３は、図１２に示すエアリービーム生成部１４０を斜めから見た様子を示している。図１４に示すように、Ａの領域の複数アンテナ素子を選択した場合のほうが、Ｂの領域の複数アンテナ素子を選択した場合よりもエアリービームの曲がる度合いが大きくなる。Ｂの領域の複数アンテナ素子を選択した場合のほうが、より遠い位置にある受信装置にメインローブを届けることができる。

　つまり、エアリービーム生成部１４０において、エアリービームを生成させるための複数アンテナ素子の領域を調整することで、所望の受信装置２００の位置に電波が届くように、エアリービームの届く距離を調整することができる。

１０　無線通信システム、１００　送信装置、１１０　方向角制御部、１２０　信号生成部、１３０　送信アンテナ、１３１　アンテナ、１４０　エアリービーム生成部、１４２　平面波生成レンズ、１４３　位相変調レンズ、１４４　フーリエ変換レンズ、２００　受信装置、２１０　受信部、２２０　受信強度測定部、２３０　フィードバック部

Claims (4)

1. 　無線信号を送信する送信アンテナと、
   　前記無線信号にエアリービームを生成するため及びビームディレクションを行うための位相を付与するエアリービーム生成部と、
   　を備える送信装置。
2. 　前記位相は、受信側における前記エアリービームの受信強度に基づいて指定される、
   　請求項１に記載の送信装置。
3. 　前記エアリービーム生成部は、それぞれがエアリービームを生成する複数のサブエアリービーム生成部を備え、４以上の空間多重数による空間多重を行う、
   　請求項１又は２に記載の送信装置。
4. 　無線信号を送信し、
   　前記無線信号にエアリービームを生成するため及びビームディレクションを行うための位相を付与する、
   　送信方法。

Images