JP7140907B2

JP7140907B2 - 無線通信装置

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Publication number: JP7140907B2
Application number: JP2021508402A
Authority: JP
Inventors: 樹広仲田; 良治武鎗
Original assignee: Hitachi Kokusai Electric Inc; Kokusai Denki Electric Inc
Current assignee: Kokusai Denki Electric Inc
Priority date: 2019-03-25
Filing date: 2019-03-25
Publication date: 2022-09-21
Anticipated expiration: 2039-03-25
Also published as: JPWO2020194423A1; WO2020194423A1

Description

本発明は、複数のデータを階層分割多重方式で送信する無線通信装置に関する。

第五世代の通信では、スループット拡大のために広い帯域幅を用いる通信方式が主流になっている。その一方で、現行のキャリア周波数帯はひっ迫しており、広い周波数帯域を確保することは困難である。このため、広い周波数帯を確保しやすいサブミリ波またはミリ波の周波数帯を使用することが提案されている。このような高い周波数帯では自由空間損失が大きいので、通信エリアを拡大するために、複数のアンテナを用いてそれらの位相を制御することで、アンテナ利得の大きいペンシルビームを形成する「Massive MIMO」または「Phased Array」技術を用いることが多い。

また、放送の分野において、米国の次世代地上デジタル放送規格であるＡＴＳＣ（Advanced Television Systems Committee standards）３．０では、２つの異なるサービスを上位階層（Upper Layer：ＵＬ）と下位階層（Lower Layer：ＬＬ）に割り当て、ＵＬとＬＬを異なる電力比で多重化して伝送する方式が採用されている。この技術は、階層分割多重（Layered Division Multiplexing：ＬＤＭ）と称されている（非特許文献１，２参照）。また、セルラー通信では、同様の技術がＮＯＭＡ（Non Orthogonal Multiplexing Access）と称する方式として用いられている。

以下、従来のＬＤＭ送信装置及びＬＤＭ受信装置の概略構成について説明する。
図１２は、従来のＬＤＭ送信装置の機能ブロックの一例を示す図である。図１２に示すように、従来のＬＤＭ送信装置は、ＵＬデータ処理部１００と、ＬＬデータ処理部１０１と、合成部１２４と、ＯＦＤＭ（Orthogonal Frequency Division Multiplexing；直交周波数分割多重方式）変調部１２５と、送信アンテナ１２６とを備えている。

ＵＬデータ処理部１００は、ＵＬデータについて処理を行うものであり、ＵＬ誤り訂正符号化部１２１Ｕと、ＵＬキャリア変調部１２２Ｕと、電力調整部１２３Ｕとを備えている。同様に、ＬＬデータについて処理を行うＬＬデータ処理部１０１は、ＬＬ誤り訂正符号化部１２１Ｌと、ＬＬキャリア変調部１２２Ｌと、電力調整部１２３Ｌとを備えている。

従来のＬＤＭ送信装置の動作について説明する。
ＵＬの情報ビットは、ＵＬデータ処理部１００のＵＬ誤り訂正符号化部１２１Ｕに入力され、ＵＬ誤り訂正符号化部１２１Ｕで所定の誤り訂正符号化が施される。その後、ＵＬキャリア変調部１２２Ｕで、直交振幅変調（Quadrature Amplitude Modulation、以下ＱＡＭ）やＰＳＫ（Phase Shift Keying）、あるいは不等間隔直交振幅変調（Non Uniform QAM）でＩＱ平面にマッピングする変調方式等のデジタル変調方式により変調される。そして、ＵＬとＬＬとで所定の電力比となるよう、変調されたＵＬ信号は電力調整部１２３Ｕで送信電力が調整され、合成部１２４に入力される。

ＵＬとは異なる情報を送信するＬＬでは、情報ビットがＬＬデータ処理部１０１に入力され、ＬＬ誤り訂正符号化部１２１Ｌで誤り訂正符号化が行われ、ＬＬキャリア変調部１２２Ｌでキャリア変調される。そして、電力調整部１２３Ｌで送信電力の調整が行われて、合成部１２４に入力される。

ＵＬ誤り訂正符号化部１２１Ｕ及びＬＬ誤り訂正符号化部１２１Ｌで行われる誤り訂正符号化は、同一の誤り訂正符号化方式であっても、異なる方式であってもよい。ＵＬキャリア変調部１２２Ｕ及びＬＬキャリア変調部１２２Ｌにおけるキャリア変調方式は、例えば、ＵＬを６４ＱＡＭ、ＬＬをＱＰＳＫ（Quadrature Phase Shift Keying）で変調し、又はＵＬをＱＰＳＫ、ＬＬを６４ＱＡＭで変調する。また、送信電力は、一般的には、受信側における復調処理を容易にするため、ＵＬ送信電力とＬＬ送信電力、つまりＵＬとＬＬのそれぞれの放射電力（実効放射電力または実効等方放射電力）に差を設けることが望ましい。

そして、合成部１２４でＵＬとＬＬの信号が合成されて、ＯＦＤＭ変調部１２５において、合成された信号がＯＦＤＭ変調され、送信アンテナ１２６から送信信号として出力される。このようにして従来のＬＤＭ送信装置の動作が行われる。

次に、従来のＬＤＭ受信装置の構成について図１３を用いて説明する。図１３は、従来のＬＤＭ受信装置の機能ブロックの一例を示す図である。図１３に示すように、従来のＬＤＭ受信装置は、受信アンテナ１３０と、ＯＦＤＭ復調部１３１と、ＵＬキャリア復調部１３２と、ＵＬ誤り訂正復号化部１３３と、レプリカ生成部１３４と、除去処理部１３５と、ＬＬキャリア復調部１３６と、ＬＬ誤り訂正復号化部１３７とを備えている。

従来のＬＤＭ受信装置の動作について説明する。
従来のＬＤＭ受信装置では、多重されて送信された送信信号は、受信装置の受信アンテナ１３０で受信され、ＯＦＤＭ復調部１３１においてＦＦＴ（Fast Fourier Transform；高速フーリエ変換）処理や伝送路推定等のＯＦＤＭ復調処理が行われ、ＵＬキャリア復調部１３２及び除去処理部１３５に分岐される。分岐された一方の信号について、ＵＬキャリア復調部１３２において、送信側でＵＬデータに施されたキャリア変調に対応したキャリア復調が行われる。

キャリア復調されたＵＬ信号は、ＵＬ誤り訂正復号化部１３３で、ＬＤＭ送信装置側のＵＬ誤り訂正符号化部１２１Ｕに対応した誤り訂正復号化が行われ、ＵＬ復号ビットが出力される。それと共に、ＵＬ誤り訂正復号化部１３３で復号されたＵＬ復号ビットは、レプリカ生成部１３４に入力されて、ＬＤＭ送信装置側のＵＬキャリア変調部１２２Ｕで用いている変調方式で再度キャリア変調が施され、更に伝搬路推定結果等を用いてＵＬ受信信号のレプリカ（ＵＬレプリカ信号）が生成される。

そして、除去処理部１３５において、ＯＦＤＭ復調部１３１からの多重化された信号から、ＵＬレプリカ信号が除去されて、ＬＬの受信信号であるＬＬ信号が取り出される。その後、ＬＬ信号について、ＬＬキャリア復調部１３６において、ＬＤＭ送信装置側の電力調整部１２３Ｕ，１２３ＬでのＵＬ，ＬＬの電力割合を考慮して、ＬＬ信号のキャリア復調が行われる。ＬＬキャリア復調部１３６からの信号は、ＬＬ誤り訂正復号部１３７に入力され、ＬＤＭ送信装置側のＬＬ誤り訂正符号部１２１Ｌに対応する誤り訂正復号が行われ、ＬＬの復号ビットが出力される。このようにして、受信装置における動作が行われる。

ＯＦＤＭ復調部１３１からの信号は、ＵＬ信号とＬＬ信号が合成された状態であるが、誤り訂正復号やレプリカ生成が正確になされていると仮定すると、レプリカ生成部１３４の出力は純粋なＵＬの受信信号であるＵＬ信号を再現することになる。したがって、多重されたＯＦＤＭ復調信号からＵＬレプリカ信号を減算すれば、ＬＬ信号を抽出することができるものである。

岡田、柴田他，"地上デジタルTV放送におけるLDM方式の適用に関する一考察"，映像情報メディア学会技術報告，40，1-4，2016年10月佐藤他，"次世代地上放送に向けたLDMの適用に関する一検討"，映像情報メディア学会技報，vol.41，no.6，BCT2017-34，pp.45-48，2017年2月

例えば、セルラーにおいて基地局が自身のセクタ内に存する複数の端末局を管理する場合、データ信号と制御信号を異なる周波数などの別回線を用いて伝送する場合が多く、周波数の利用効率が悪いという問題があった。また、複数の周波数を用いる場合には、それぞれの周波数に対応するＲＦ（Radio Frequency）回路が必要となり、装置規模の増大を招いてしまうという問題もあった。

本発明は、上記のような従来の事情に鑑みて為されたものであり、種類が異なる複数のデータを同一の周波数及び時間で効率的に送信することが可能な無線通信装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明では、無線通信装置を以下のように構成した。
すなわち、複数のデータを階層分割多重方式で送信する無線通信装置において、第１データを送信する第１ビームと、前記第１データとは種類が異なる第２データを送信する第２ビームとを、同一の周波数及び時間で空間に出力するアンテナと、前記第１ビーム及び前記第２ビームの電力比を調整する電力比調整部と、前記第１ビーム及び前記第２ビームの幅を制御するビーム幅制御部とを備え、前記ビーム幅制御部は、前記第１ビームの幅と前記第２ビームの幅とが異なるように制御することを特徴とする。

このように、本発明に係る無線通信装置は、第１データと、第１データとは種類が異なる第２データとを、それぞれ幅が異なるビームを用いて階層分割多重方式で送信する構成となっている。これにより、種類が異なる複数のデータを同一の周波数及び時間で効率的に送信することが可能となる。

一構成例として、本発明に係る無線通信装置は、前記第２データとして、前記第１データの送信の制御に使用されるデータを送信する場合に、前記ビーム幅制御部は、前記第１ビームの幅を狭くし、前記第２ビームの幅を広くする制御を行う構成としてもよい。

この場合、前記電力比調整部は、前記第１ビームの送信方向及び前記第１のビームの幅の範囲において、前記第１ビームの放射電力の方が前記第２ビームの放射電力より大きく、且つ所定の電力差以上になるように調整してもよい。あるいは、前記電力比調整部は、前記第１ビームの送信方向及び前記第１のビームの幅の範囲において、前記第２ビームの放射電力の方が前記第１ビームの放射電力より大きく、且つ所定の電力差以上になるように調整してもよい。また、前記第２データには、当該無線通信装置の位置情報が含まれてもよい。

また、前記ビーム幅制御部は、前記第１ビーム及び前記第２ビームの幅をデジタル方式で制御する構成としてもよい。また、前記ビーム幅制御部は、前記第１ビーム及び前記第２ビームの幅をアナログ方式で制御する構成としてもよい。また、前記アンテナは、反射鏡と、前記反射鏡に前記第１データの電波を放射して前記第１ビームを発生させる第１の放射器と、前記反射鏡に前記第２データの電波を放射して前記第２ビームを発生させる第２の放射器とを有し、前記ビーム幅制御部は、前記反射鏡に対する前記第１の放射器の位置及び前記第２の放射器の位置の調整により、前記第１ビーム及び前記第２ビームの幅を制御する構成としてもよい。

また、本発明に係る無線通信装置は、前記第１データの復調に使用されるパイロット信号と前記第２データの復調に使用されるパイロット信号とを、時間、周波数、または符号の領域で直交する関係で配置して送信する構成としてもよい。

本発明によれば、種類が異なる複数のデータを同一の周波数及び時間で効率的に送信することが可能な無線通信装置を提供することができる。

第１実施例に係る無線通信装置の機能ブロックの一例を示す図である。ビーム方向をアンテナ正面にした場合の指向性利得を示す図である。ビーム方向をアンテナ正面から傾けた場合の指向性利得を示す図である。第１実施例に係る無線通信装置の利用例を説明する図である。第１実施例におけるＵＬ及びＬＬのビーム形状の例を示す図である。ＵＬのアンテナ利得が最大の方向における受信側のコンスタレーションの例を示す図である。ＵＬのアンテナ利得が小さい方向における受信側のコンスタレーションの例を示す図である。第１実施例に係る無線通信装置の別の利用例を説明する図である。第２実施例におけるＵＬ及びＬＬのビーム形状の例を示す図である。一般的なパラボラアンテナについて説明する図である。第３実施例におけるパラボラアンテナについて説明する図である。第４実施例におけるパイロット信号の配置について説明する図である。従来のＬＤＭ送信装置の機能ブロックの一例を示す図である。従来のＬＤＭ受信装置の機能ブロックの一例を示す図である。

本発明の一実施形態に係る無線通信装置について、図面を参照しつつ説明する。
（第１実施例）
図１には、本発明の第１実施例に係る無線通信装置の機能ブロックの一例を示してある。本例の無線通信装置は、上位階層変調部１１と、下位階層変調部１２と、上位ＩＬ（Injection Level）制御部１３と、下位ＩＬ制御部１４と、上位階層振幅／位相制御部１５と、下位階層振幅／位相制御部１６と、合成部１７と、ＲＦ変換部１８と、アンテナ部１９とを備える。

本例の無線通信装置には、外部から情報Ａと情報Ｂが供給される。情報Ａと情報Ｂは異なる内容のデータであり、詳細は後述するが、その伝送レートも異なることが多い。情報Ａは上位階層変調部１１に入力され、情報Ｂは下位階層変調部１２に入力される。
上位階層変調部１１は、情報Ａに対して、通信路符号化及びデジタル変調処理を施す。同様に、下位階層変調部１２は、情報Ｂに対して、通信路符号化及びデジタル変調処理を施す。

通信路符号化では、畳み込み符号、ターボ符号、ＬＤＰＣ（Low Density Parity Check）などの符号がよく用いられる。あるいは、これらの符号を内符号とし、ＲＳ（Reed-Solomon）符号、ＢＣＨ（Bose-Chaudhuri-Hocquenghem）符号などの符号を外符号として連接する連接符号化も用いられていることも多い。本発明においては、これらの符号に依存しないため、どのような符号を採用しても差し支えない。

デジタル変調処理には、シングルキャリア変調方式やＯＦＤＭなどがよく用いられる。また、第五世代の通信方式として、ＦＢＭＣ（Filter Bank Multi-Carrier）、ＧＦＤＭ（Generalized Frequency Division Multiplexing）等も検討が進んでいる。本発明においては、これらの変調方式にも大きく依存はしないため、以下では近年主流のＯＦＤＭを用いて説明を行う。ＯＦＤＭ方式は、ＱＰＳＫや１６ＱＡＭなどの一次変調を施した後、これら複数のサブキャリアを周波数軸上で直交させながら多重する二次変調によりデジタル変調を施す。

このように、上位階層変調部１１において、情報Ａに対して通信路符号化及びデジタル変調処理などが施され、変調信号が生成される。同様に、下位階層変調部１２において、情報Ｂに対して通信路符号化及びデジタル変調処理が施され、変調信号が生成される。なお、上位階層変調部１１と下位階層変調部１２における通信路符号化の符号化率やデジタル変調の変調多値数などについては後述する。

上位階層変調部１１から出力される情報Ａの変調信号は、上位ＩＬ制御部１３により係数αが乗積された後、上位階層振幅／位相制御部１５に伝達される。上位階層振幅／位相制御部１５では、情報Ａの放射ビームを形成する処理が行われる。
同様に、下位階層変調部１２出力される情報Ｂの変調信号は、下位ＩＬ制御部１４により係数βが乗積された後、下位階層振幅／位相制御部１６に伝達される。下位階層振幅／位相制御部１６では、情報Ｂの放射ビームを形成する処理が行われる。
第１実施例では、上位ＩＬ制御部１３及び下位ＩＬ制御部１４で使用する係数α、βについて、α＝β＝０．５として説明を行う。すなわち、ＵＬの総送信電力とＬＬの総送信電力を等しくする場合について説明する。

上位階層振幅／位相制御部１５は、上位階層変調部１１からの変調信号に対して、Ｎ種類（Ｎは自然数であり、アンテナ部１９が有するアンテナ素子の数と一致する）の振幅Ａ_n（ｎはアンテナ番号であり、１≦ｎ≦Ｎ）と位相θ_nを可変制御した結果を出力する。この制御により放射ビームが形成されるが、そのビーム形状はアンテナ部１９のアンテナ素子の配置にも依存する。例えば、アンテナ素子が一列に等間隔で配置されている場合は、各位相（図１のθ₁～θ₆）を等しくなるように制御すると、各アンテナから送出された信号がアンテナ列に対して正面方向で同相合成され、高いアンテナ利得が得られる。このとき、鋭いペンシルビームを形成する場合には、上位階層振幅／位相制御部１５の振幅（図１のＡ₁～Ａ₆）は同一であることが望ましい。

図２には、ビーム方向をアンテナ正面にした場合の指向性利得を示してある。同図によれば、正面方向では高いアンテナ利得が得られているが、正面以外の方向ではアンテナ利得が低下している。これは、正面以外の方向では空間合成時の位相が異なり、逆相で打ち消されることもあるためである。

図３には、ビーム方向をアンテナ正面から傾けた場合の指向性利得を示してある。このように、正面以外の方向にビーム形成したい場合には、所望方向で同相合成されるように上位階層振幅／位相制御部１５の位相（図１のθ₁～θ₆）を制御すればよい。
以上のように、上位階層振幅／位相制御部１５の位相θ_nを制御することで、所望の方向にエネルギーを集中させてエネルギー効率のよい無線伝送を行うことができる。

ここで、無線通信装置の構成に関する説明を一旦離れ、本実施例で解決を図る課題について説明する。
図４には、図１に示した無線通信装置を基地局２１に搭載し、基地局２１と３台の端末局２２～２４とがデータ通信を行う例を示してある。基地局２１は、端末局２２（端末Ｘ）とデータ通信を行いたい場合には、その方向に上記で説明したビーム形成を行えばよい。同様に、別の端末局とデータ通信を行いたい場合には、その方向にビームを形成すればよい。ビーム形状にもよるが、一般的にはアンテナ利得の高い鋭いペンシルビームを形成すると、通信対象としている端末局以外の端末局では、アンテナ利得が低下するので、データ通信を行うことができない。

ここで、基地局２１がこれら３台の端末局２２～２４の全てを制御管理下に置く場合には、全ての端末局に制御情報を通知しておくことが望ましい。セルラー通信では、データ信号を送信するＵｓｅｒ－Ｐｌａｎｅと、制御信号を送信するＣｏｎｔｒｏｌ－Ｐｌａｎｅとを互いに異なる周波数などにして、制御信号をデータ信号とは別の通信回線を用いて通知している場合が多い。

例えば、データ信号と制御信号の通信の例として、基地局２１は端末局２２～２４の全てと通信を行うに際して、何らかのスケジューリングの規則に則り（スケジューリング方式については明言しない）、それぞれの端末局に向けたビームを時分割に形成しながらデータ通信を行うことを考える。このとき、ある端末局とデータ通信を行っている期間は、それ以外の端末局にもスケジュール情報などの制御情報を通知して、データ通信の対象外の端末局ともタイミング同期などを取っておいた方が、効率よく通信することが可能となる。

第１実施例では、上記のような特定の端末局に対するデータ信号と複数の端末局に対する制御信号を同一の周波数で通信できるようにビーム形成する階層分割多重方式の無線通信装置を提供することで、周波数の利用効率向上やシステムの簡素化を実現する。
以下に、本発明の主眼である、ビーム形成しながらデータ通信を行う上位階層と、複数の端末局に制御信号をブロードキャスト通信する下位階層を同一周波数で実現する手法について説明する。

これまで説明したように、データ信号については、上位階層変調部１１と上位階層振幅／位相制御部１５を用いてビーム形成しながら送信する。
一方、制御信号については、下位階層変調部１２と下位階層振幅／位相制御部１６を用いてビーム形成しながら送信する。図４の全ての端末局２２～２４に同じ制御情報を伝送する場合には、ブロードキャスト型の通信となる。

一般的に、制御信号は、データ信号に比べて伝送レートが低いため、下位階層変調部１２の符号化率を低く、変調多値数も低次にすることで、低い受信電力であっても復調することが可能となる。例えば、符号化率を１／３とし、変調方式にはＢＰＳＫ（Binary Phase Shift Keying）を用いる。あるいは、更に安定性を改善する場合には、同じデータを複数回伝送することでダイバーシティ効果を得ることができ、受信信号品質を改善することが可能となる。
逆に、データ信号は、高いスループットが要求されることが多く、変調多値数は６４ＱＡＭや２５６ＱＡＭなどの高次の多値数が用いられ、その分高い受信電力（高い受信S/N）を必要とする。

下位階層変調部１２で生成された変調信号は、下位階層振幅／位相制御部１６に伝達される。下位階層振幅／位相制御部１６は、複数の端末局を対象にするようにブロードな放射ビームを形成する。ブロードなビームを形成する場合には、下位階層振幅／位相制御部１６の振幅（Ｂ₁～Ｂ₆）に差を設けた方がよい。例えば、Ｂ₃のみ振幅を√６として、それ以外のＢ₁、Ｂ₂、Ｂ₄、Ｂ₅、Ｂ₆を０とすることで、ＬＬの正規化電力はＵＬと同じ値となり、ビームを最もブロードに形成することができる。また、下位階層振幅／位相制御部１６で形成するビーム形状は必ずしもブロードである必要はなく、上位階層と同様にビーム幅を絞り、尚且つそのビーム方向を可変制御させることも可能である。

上位階層振幅／位相制御部１５からの信号と下位階層振幅／位相制御部１６からの信号は、合成部１７で合成される。ここで、上位階層変調部１１の変調信号生成タイミングと下位階層変調部１２の変調信号生成タイミングは、同じであることが望ましい。ＯＦＤＭ信号を用いる場合には、上位階層変調部１１と下位階層変調部１２で同じシンボルタイミングを用いることになる。
合成部１７で合成された信号は、ＲＦ変換部１８にてＲＦ信号に変換され、アンテナ部１９から送出される。

ＲＦ変換部１８やアンテナ部１９は、アナログ素子であるため、特性の個体差が発生する。そこで、上位階層振幅／位相制御部１５と下位階層振幅／位相制御部１６は、これらの個体差を予め何らかの手法で求めておき、個体差を軽減するためのキャリブレーション係数をオフセットしておけばよい。個体差の測定手法に関しては、本発明に直接関わらないため、ここでは言及しない。

図５は、第１実施例におけるＵＬ及びＬＬのビーム形状の例を示している。同図では、実線で示すＵＬ（データ信号）のビーム幅を狭くし、点線で示すＬＬ（制御信号）のビーム幅を広くしている。このように、第１実施例の無線通信装置では、ＵＬ、ＬＬは独立にビーム形成される。

次に、受信側（例えば、図４の端末局２２～２４）の処理について説明を行う。
ＯＦＤＭの場合、ＵＬ信号とＬＬ信号のタイミングが完全に一致していれば、ＵＬ、ＬＬ共に各サブキャリアの直交性は保たれ、受信側でのコンスタレーションは図６Ａや図６Ｂのように観測される。

図６Ａは、ＵＬのアンテナ利得が最大の方向における受信側のコンスタレーションの例を示している。○印で示すＵＬ信号は１６ＱＡＭで変調され、×印で示すＬＬ信号はＱＰＳＫで変調されているものとする。コンスタレーションとしては×印のみが観測されるが、観測された受信信号から○印で示すＵＬ信号を復調することができる。このとき、×印で示したＬＬ信号はＵＬ信号にとって雑音として振る舞う。

ここで、ＵＬ受信電力対ＬＬ受信電力比について説明する。
ＵＬの総送信電力とＬＬの総送信電力を等しい電力に設定し、ＬＬは無指向のアンテナ利得と仮定する。この場合、ＵＬのアンテナ利得が最大の方向では、ＵＬ受信電力はＬＬ受信電力に対して２０ｌｏｇ₁₀（Ｎ）［ｄＢ］大きくなる。このため、受信部のＬＮＡ（Low Noise Amplifier）で発生する熱雑音がＬＬ受信電力よりも十分小さい場合には、所要Ｓ／Ｎ比（Signal-to-Noise ratio）として２０ｌｏｇ₁₀（Ｎ）［ｄＢ］の変調多値数を用いた伝送を行うことが可能である。

また、ＬＬ信号を復調する場合には、非特許文献１，２などに示されるように、ＵＬ信号を復調した後、ＵＬ信号のレプリカを生成して受信信号から減算することでＬＬ信号を抽出するＳＩＣ（Successive Interference Canceller）や、ＵＬとＬＬを一つの信号とみなし、ＵＬとＬＬを一括して同時復調するＭＬＤ（Maximum Likelihood Detection）方式などがある。これらの方式を用いることで、ＵＬ信号（情報Ａ）とＬＬ信号（情報Ｂ）を再生することができる。

図６Ｂは、ＵＬのアンテナ利得が小さい方向における受信側のコンスタレーションの例を示している。○印で示すＵＬ信号は小さく、×印で示すＬＬ信号の方が相対的に大きな値で受信されている。同図は、データ伝送を行っておらず制御信号のみを受信する端末局での例であり、ＬＬ信号である×印の信号を復調すればよい。このとき、ＬＬ信号に対して漏洩しているＵＬ信号成分（○印）は雑音として振る舞うことになる。

このように、ＵＬのアンテナ利得が最大となる方向ではＵＬ信号とＬＬ信号の両方を復調することが可能であり、それ以外の方向ではＬＬ信号のみが復調可能である。こうすることによって、上記に記載したように基地局がセクタ内の複数の端末局を管理する場合であっても、制御信号を全ての端末に同時に送信することが可能となる。

次に、図７を参照して、第１実施例に係る無線通信装置の別の利用例について説明する。図７は、図１に示した無線通信装置を基地局３１及び端末局３２（例えば、ヘリコプター）に搭載し、基地局３１と移動する端末局３２とがビーム追尾しながら双方向通信を行う例を示している。基地局３１と端末局３２は、データ信号については高いスループットを実現するために、互いにペンシルビームを用いて通信を行う。このとき、互いに相手方向にビームを制御するため、ＬＬにブロードなビームを形成し、ＧＰＳ（Global Positioning System）などで取得した自身の位置情報を含む制御信号を送信する。位置情報などはスループットが低くても構わないため、アンテナ利得の小さいブロードビームで伝送することができる。

また、ＬＬによる位置情報の送信は、端末局が移動しない場合においても有効である。すなわち、基地局からＧＰＳ位置情報などを含む制御情報を全ての端末局にブロードキャスト伝送することで、各端末局は基地局の位置を正確に把握することができるので、端末局から基地局側へデータ送信する際に、高い伝送効率が得られるビーム制御を行うことが可能となる。

以上のように、第１実施例に係る無線通信装置は、データ信号を送信するＵＬのビームと、データ信号の送信の制御に使用される制御信号を送信するＬＬのビームとを、同一の周波数及び時間で空間に出力するアンテナ部１９と、ＵＬ、ＬＬの各ビームの電力比を調整する上位ＩＬ制御部１３及び下位ＩＬ制御部１４と、ＵＬ、ＬＬの各ビームの幅を制御する上位階層振幅／位相制御部１５及び下位階層振幅／位相制御部１６とを備えている。そして、上位階層振幅／位相制御部１５及び下位階層振幅／位相制御部１６により、ＵＬのビームの幅を狭くし、ＬＬのビームの幅を広くする制御を行う構成となっている。また、上位ＩＬ制御部１３及び下位ＩＬ制御部１４により、ＵＬのビームの送信方向及びＵＬのビームの幅の範囲において、ＵＬのビームの放射電力の方がＬＬのビームの放射電力より大きく、且つ所定の電力差以上になるように調整する構成となっている。

したがって、第１実施例に係る無線通信装置は、例えば、基地局に搭載することで、基地局がセクタ内の全ての端末に制御信号を送信しつつ、これと同時に、特定の端末局に対してはデータ信号を送信することが可能となる。また、例えば、制御信号として無線通信装置の位置情報を送信することで、端末局から基地局側へデータ送信する際に、高い伝送効率が得られるビーム制御を行えるようになる。また、例えば、通信相手の一方又は双方が移動する場合に、互いの位置情報を制御信号で通知し合うことで、ビーム追尾しながら双方向通信を行えるようになる。このように、種類が異なる複数のデータを同一の周波数及び時間で効率的に送信することが可能となる。

（第２実施例）
本発明の第２実施例に係る無線通信装置について説明する。第２実施例では、第１実施例とは異なり、ＬＬに第１のデータ信号を割り当て、ＵＬに第１のデータ信号とは異なる第２のデータ信号を割り当てる場合について説明する。なお、ビーム形成は、第１実施例と同じく、ＵＬを鋭いペンシルビームとし、ＬＬをブロードなビームとする。

第２実施例では、ＬＬ信号に大きな総送信電力を割り当て、ＵＬ信号に小さな総送信電力を割り当てる。第１実施例では、ＵＬ、ＬＬ共に同一の０．５［Ｗ］の送信電力としており、ＵＬとＬＬの合計で１［Ｗ］の送信電力としていた。第１実施例と比較し易くするため、第２実施例でもＵＬとＬＬの合計の送信電力を１［Ｗ］として説明する。

ＬＬ信号に大きな送信電力を割り当てるので、下位ＩＬ制御部１４で使用する係数βは、上位ＩＬ制御部１３で使用する係数αよりも大きな値を設定する（すなわち、β＞α）。ＬＬとＵＬの相対電力差をγ［ｄＢ］とすると、正規化電力を１とするため、βとαの値は下記（式１）で表される。

ここで、第２実施例では、ＵＬ信号は第１実施例と同様にビーム形成されているので、２０ｌｏｇ₁₀（Ｎ）［ｄＢ］のアンテナ利得を有している。図８には、第２実施例におけるＵＬ及びＬＬのビーム形状の例を示している。同図では、実線で示すＵＬ（第１のデータ信号）のビーム幅を狭くし、点線で示すＬＬ（第１のデータ信号）のビーム幅を広くしている。このように、第２実施例の無線通信装置では、ＵＬ、ＬＬは独立にビーム形成される。

ＵＬに対してＬＬの電力はγ［ｄＢ］大きく、ＵＬは２０ｌｏｇ₁₀（Ｎ）［ｄＢ］のアンテナ利得があるため、ＬＬとＵＬの電力差はγ－２０ｌｏｇ₁₀（Ｎ）［ｄＢ］である。図８に示すように、点線で示したブロードなビーム幅のＬＬ信号により、第２のデータ信号を高いスループットでブロードキャスト通信することができる。この場合には、ＬＬの変調多値数は６４ＱＡＭや２５６ＱＡＭなどの高次の変調多値数が適している。

また、実線で示したペンシルビームのＵＬ信号により、特定方向の端末には第２のデータのブロードキャスト伝送の他に、第１のデータを伝送することができる。この場合には、ＵＬの変調多値数は、１６ＱＡＭなどのＬＬより低次の変調多値数を用いることが望ましい。

以上のように、第２実施例に係る無線通信装置は、上位ＩＬ制御部１３及び下位ＩＬ制御部１４により、ＵＬのビームの送信方向及びＵＬのビームの幅の範囲において、ＬＬのビームの放射電力の方がＵＬのビームの放射電力より大きく、且つ所定の電力差以上になるように調整する構成となっている。このような制御を行うことで、ブロードキャスト伝送に加えて、特定の方向にいる相手には比較的高いスループットで別のデータを伝送することが可能となる。

（第３実施例）
本発明の第３実施例に係る無線通信装置について説明する。第１、第２実施例では、ＵＬとＬＬを合成部１７でデジタル処理により合成していた。これに対し、第３実施例は、ＵＬとＬＬの合成をアナログ回路での合成、もしくはアンテナ出力後の空間合成する構成である。すなわち、第３実施例に係る無線通信装置は、第１、第２実施例のようにＵＬ、ＬＬの各ビームの幅をデジタル方式で制御する構成に代えて、ＵＬ、ＬＬの各ビームの幅をアナログ方式で制御する構成となっている。

デジタル合成の場合では、アンテナ素子数Ｎが大きくなると（例えば、Ｎ＞３２の場合）、装置規模が大きくなってしまうという問題が存在する。この問題は、デジタルビーム形成とアナログビーム形成のハイブリッド構成や、アナログビーム形成のみの構成を用いることで解決することができる。本発明の主眼である、異なるビーム形成を行う階層分割多重伝送においては、デジタルビーム形成やアナログビーム形成などのビーム形成手法に関しては依存しないため、どのようなビーム形成手法を用いてもよい。なお、ビーム走査する場合には、レンズアンテナによるビーム走査や、機械式によるビーム走査のアンテナを用いてもよい。

以下に、パラボラアンテナを用いる場合のビーム制御について説明する。この場合は、パラボラアンテナの焦点を変えることで、ビーム幅の制御が可能である。
一般的なパラボラアンテナは、図９に示すように、放射器４１と、反射鏡４２とを備える。放射器４１から反射鏡４２に向かって放射された電波は、反射鏡４２によって反射され、前方方向にビームが形成される。このとき、放射器４１と反射鏡４２の焦点位置が合致していると、理想的には図９のように平行ビームとなり、ビームは狭く、アンテナ利得は大きくなる。なお、逆に放射器４１と反射鏡４２の焦点位置がずれると、ビームは広く、アンテナ利得は小さくなる。

第３実施例に係る無線通信装置に使用できるパラボラアンテナは、図１０に示すように、第１の放射器４１と、第２の放射器５１と、反射鏡４２とを備える。すなわち、一般的なパラボラアンテナに第２の放射器５１を追加した構成となっている。同図では、第２の放射器５１を反射鏡４２の焦点位置からずらして配置し、第１の放射器４１を反射鏡４２の焦点位置となるように配置してある。第１放射器４１ではＵＬ信号を送出し、第２の放射器５１ではＬＬ信号を送出する。

第１の放射器４１は反射鏡４２の焦点位置にあり、アンテナ利得が高く、幅の狭いビーム（平行ビーム）が形成される。一方、第２の放射器５１は反射鏡４２の焦点位置とはずれており、アンテナ利得が低く、幅の広いビームが形成される。そこで、第１の放射器４１によるビームをＵＬ信号の送信に利用し、第２の放射器５１によるビームをＬＬ信号の送信に利用することで、図５に示すようなＬＤＭ信号を生成することができる。このように、第３実施例では、第１の放射器４１及び第２の放射器５１の配置を調整することで、ＵＬのビームの幅を狭くし、ＬＬのビームの幅を広くしている。

第３実施例では、第１実施例のようにＵＬ信号を電子的にビーム走査することが困難であるため、ビーム走査を行うにはアンテナ自体を機械的に回転させる必要がある。しかしながら、その反面、第１実施例と比較して、非常に安価にＬＤＭ構成を提供することが可能である。

（第４実施例）
本発明の第４実施例に係る無線通信装置について説明する。ＵＬとＬＬで用いるデジタル変調方式には、絶対振幅と絶対位相に情報を乗せて伝送行う同期検波方式と、相対的な振幅と位相に情報を乗せて伝送する差動検波方式がある。同期検波を行う場合には、受信側で絶対振幅と絶対位相を把握する必要がある。これに対し、差動検波方式を行う場合には、近隣の時間と周波数はコヒーレント性を有していると仮定し、その差分を利用するため、絶対振幅と絶対位相を把握する必要はない。

同期検波では、振幅と位相が既知であるパイロット信号を用いることが多い。具体的には、パイロット信号を帯域内の時間、周波数に分散して配置し、受信側では受信したパイロット信号に対して周波数、時間方向に内挿補間を行うことで、伝送路の特性を推定する。そして、復調処理において、推定した伝送路特性に基づいて、同期検波処理を行う。

第１～第３実施例では、送信側でのＵＬとＬＬの振幅と位相の関係は、受信側においては保持されない。したがって、ＵＬを復調するためのパイロット信号とＬＬを復調するためのパイロット信号を用いる必要がある。そのため、時間、周波数、あるいは符号で直交するような関係で、ＵＬパイロット信号とＬＬパイロット信号を伝送帯域内に配置する。

図１１は、第４実施例におけるパイロット信号の配置の例を示してある。図１１の横軸は周波数方向を表している。同図では、周波数領域で直交する関係でＵＬパイロット信号とＬＬパイロット信号を配置している。

次に、符号領域で直交関係を保持する場合について説明する。ＵＬパイロット信号をＰ_UL、ＬＬパイロット信号をＰ_LLとすると、偶数シンボルではＰ_even＝Ｐ_UL＋Ｐ_LLを送信し、奇数シンボルではＰ_odd＝Ｐ_UL－Ｐ_LLを送信する。受信側では、ＵＬパイロット信号を抽出する場合には、Ｐ_UL＝０．５（Ｐ_even＋Ｐ_odd）の演算を行い、ＬＬパイロット信号を抽出する場合には、Ｐ_LL＝０．５（Ｐ_even－Ｐ_odd）の演算を行えばよい。

このように、ＵＬとＬＬを直交するような関係でパイロット信号を配置することで、同期検波方式であっても復調することが可能となる。
また更に、ＵＬとＬＬで同期検波と差動検波を組合せて実現することも可能である。この場合には、同期検波の階層にのみパイロット信号を配置すれば良い。
上記の説明は、ＯＦＤＭ信号などのマルチキャリア方式に適する方式であるが、シングルキャリア方式であっても、時間的に直交するような関係で振幅、位相を既知とするプリアンブル信号を配置すればよい。

以上、本発明について第１～第４実施例に基づいて詳細に説明したが、本発明はこれら実施例に限定されるものではなく、上記以外にも広く適用することができることは言うまでもない。例えば、上記の説明では、上位階層（ＵＬ）と下位階層（ＬＬ）の２階層を用いて２種類のデータを送信しているが、３階層以上に分けて３種類以上のデータを送信するようにしてもよい。
また、本発明は、例えば、本発明に係る処理を実行する方法や方式、そのような方法や方式を実現するためのプログラム、そのプログラムを記憶する記憶媒体などとして提供することも可能である。

本発明は、種類が異なる複数のデータを同一の周波数及び時間で送信する場合に有効である。

１１：上位階層変調部、１２：下位階層変調部、１３：上位ＩＬ制御部、１４：下位ＩＬ制御部、１５：上位階層振幅／位相制御部、１６：下位階層振幅／位相制御部、１７：合成部、１８：ＲＦ変換部、１９：アンテナ部、
２１，３１：基地局、２２～２４，３２：端末局、
４１，５１：放射器、４２：反射鏡、
１００：ＵＬデータ処理部、１０１：ＬＬデータ処理部、１２１Ｕ：ＵＬ誤り訂正符号化部、１２１Ｌ：ＬＬ誤り訂正符号化部、１２２Ｕ：ＵＬキャリア変調部、１２２Ｌ：ＬＬキャリア変調部、１２３Ｕ，１２３Ｌ：電力調整部、１２４：合成部、１２５：ＯＦＤＭ変調部、１２６：送信アンテナ、１３０：受信アンテナ、１３１：ＯＦＤＭ復調部、１３２；ＵＬキャリア復調部、１３３：ＵＬ誤り訂正復号化部、１３４：レプリカ生成部、１３５：除去処理部、１３６：ＬＬキャリア復調部、１３７：ＬＬ誤り訂正復号化部

Claims

複数のデータを階層分割多重方式で送信する無線通信装置において、
第１データを送信する第１ビームと、前記第１データとは種類が異なる第２データを送信する第２ビームとを、同一の周波数及び時間で空間に出力するアンテナと、
前記第１ビーム及び前記第２ビームの電力比を調整する電力比調整部と、
前記第１ビーム及び前記第２ビームの幅を制御するビーム幅制御部とを備え、
前記第１データは、当該無線通信装置が通信可能な複数の無線局のうちの特定の無線局に対するデータであり、
前記第２データは、前記第１データの送信の制御に使用されるデータであり、前記第１データに比べて低い伝送レートであり、前記特定の無線局を含む前記複数の無線局とタイミング同期を取るための情報が含まれており、
前記ビーム幅制御部は、前記第１ビームの幅を狭くし、前記第２ビームの幅を広くする制御を行い、
前記アンテナは、幅狭に制御された前記第１ビームを前記特定の無線局の方向に出力し、幅広に制御された前記第２ビームを前記複数の無線局を含む範囲に出力することを特徴とする無線通信装置。
請求項１に記載の無線通信装置において、
前記電力比調整部は、前記第１ビームの送信方向及び前記第１ビームの幅の範囲において、前記第１ビームの放射電力の方が前記第２ビームの放射電力より大きく、且つ所定の電力差以上になるように調整することを特徴とする無線通信装置。
請求項１に記載の無線通信装置において、
前記電力比調整部は、前記第１ビームの送信方向及び前記第１ビームの幅の範囲において、前記第２ビームの放射電力の方が前記第１ビームの放射電力より大きく、且つ所定の電力差以上になるように調整することを特徴とする無線通信装置。
請求項１に記載の無線通信装置において、
前記第２データには、当該無線通信装置の位置情報が含まれることを特徴とする無線通信装置。
請求項１に記載の無線通信装置において、
前記ビーム幅制御部は、前記第１ビーム及び前記第２ビームの幅をデジタル方式で制御することを特徴とする無線通信装置。
請求項１に記載の無線通信装置において、
前記ビーム幅制御部は、前記第１ビーム及び前記第２ビームの幅をアナログ方式で制御することを特徴とする無線通信装置。
請求項１に記載の無線通信装置において、
前記アンテナは、反射鏡と、前記反射鏡に前記第１データの電波を放射して前記第１ビームを発生させる第１の放射器と、前記反射鏡に前記第２データの電波を放射して前記第２ビームを発生させる第２の放射器とを有し、
前記ビーム幅制御部は、前記反射鏡に対する前記第１の放射器の位置及び前記第２の放射器の位置の調整により、前記第１ビーム及び前記第２ビームの幅を制御することを特徴とする無線通信装置。
請求項１に記載の無線通信装置において、
前記第１データの復調に使用されるパイロット信号と前記第２データの復調に使用されるパイロット信号とを、時間、周波数、または符号の領域で直交する関係で配置して送信することを特徴とする無線通信装置。