JP7513112B2 - 受信装置、及び受信方法 - Google Patents

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Description

本開示は、受信装置、及び受信方法に関する。
近年、電波の軌道角運動量（ＯＡＭ、Ｏｒｂｉｔａｌ Ａｎｇｕｌａｒ Ｍｏｍｅｎｔｕｍ）を用いて無線信号を空間多重伝送することにより伝送容量を向上させる技術が研究されている。
ＯＡＭをもつ電波は、伝搬軸を中心に伝搬方向にそって等位相面が螺旋状に分布する。位相の回転数（ＯＡＭモード）が異なり同一方向に伝搬する各電磁波は、回転軸方向において空間位相分布が直交するため、異なる信号系列で変調された各ＯＡＭモードの信号を受信側において分離することにより、信号を多重伝送することが可能である。複数のアンテナ素子を等間隔に円形配置した等間隔円形アレーアンテナ（ＵＣＡ、Uniform Circular Array）を用いて生成した複数のＯＡＭモードの各電波を送信することにより、異なる信号系列の空間多重伝送を行う技術が知られている（例えば、特許文献１を参照）。
特開２０１９－０６２２９６号公報
しかしながら、従来技術では、受信側にて各ＯＡＭモードの信号を分離する処理の負荷が大きくなる場合があるという問題がある。
一側面では、各ＯＡＭモードの信号を分離する処理の負荷を低減できる技術を提供することを目的とする。
一つの案では、受信装置が、第１アンテナと、第２アンテナと、前記第１アンテナで受信した第１ＯＡＭ（Ｏｒｂｉｔａｌ Ａｎｇｕｌａｒ Ｍｏｍｅｎｔｕｍ）モードの電波と前記第１ＯＡＭモードとは符号のみが異なる第２ＯＡＭモードの電波とによる信号と、前記第２アンテナで受信した前記第１ＯＡＭモードの電波と前記第２ＯＡＭモードの電波とのＯＡＭの位相を所定角度回転させた信号とを合成して前記第１ＯＡＭモードの電波による信号を抽出し、前記第２アンテナで受信した前記第１ＯＡＭモードの電波と前記第２ＯＡＭモードの電波とによる信号と、前記第１アンテナで受信した前記第１ＯＡＭモードの電波と前記第２ＯＡＭモードの電波とのＯＡＭの位相を前記所定角度回転させた信号とを合成して前記第２ＯＡＭモードの電波による信号を抽出する制御部と、を有する。
一側面によれば、各ＯＡＭモードの信号を分離する処理の負荷を低減できる。
実施形態に係る通信システムの構成について説明する図である。 実施形態に係る端末及び基地局の構成について説明する図である。 実施形態に係る端末の各アンテナの配置例について説明する図である。 実施形態に係る基地局から端末へのデータ送信処理の一例について説明するシーケンス図である。 実施形態に係る端末におけるの受信処理の一例について説明するフローチャートである。 実施形態に係る端末の各アンテナで受信されるＯＡＭモードの電波を受信する処理の一例について説明する図である。 実施形態に係る端末の各アンテナで受信されるＯＡＭモードの電波を受信する処理の一例について説明する図である。 実施形態に係る端末の各アンテナで受信されるＯＡＭモードの電波を受信する処理の一例について説明する図である。 実施形態に係る端末の各アンテナで受信されるＯＡＭモードの電波を受信する処理の一例について説明する図である。
以下、図面を参照して、本開示の実施形態を説明する。
＜全体構成＞
図１は、実施形態に係る通信システム１の構成について説明する図である。図１の例では、通信システム１は、端末１０、及び基地局２０を有する。なお、端末１０、及び基地局２０の数は、図１の例に限定されない。なお、端末１０は、受信装置の一例である。また、基地局２０は、送信装置の一例である。
端末１０と基地局２０は、例えば、６Ｇ（6th Generation Mobile Communication System、第６世代移動通信システム）、５Ｇ、４Ｇ、ＬＴＥ（Long Term Evolution）、３Ｇ、及び無線ＬＡＮ（Local Area Network）等の規格に準拠した無線通信を行う。
端末１０は、例えば、スマートフォン、タブレット端末、ノートＰＣ（Personal Computer）等の情報処理端末でもよい。また、端末１０は、例えば、車輪により陸上を走行する車両、脚等で移動するロボット、航空機、無人航空機（ドローン(drone)）等の移動体でもよい。なお、車両には、例えば、自動車、自動二輪車（モーターバイク(motorbike)）、車輪で移動するロボット、鉄道を走行する鉄道車両等が含まれる。なお、自動車には、道路を走行する自動車、路面電車、建設の用途に用いられる建設車両、軍事用の軍用車両、荷役運搬用の産業車両、農業用車両等も含まれる。
また、端末１０は、例えば、Ｍ２Ｍ（Ｍａｃｈｉｎｅ－ｔｏ－Ｍａｃｈｉｎｅ）用通信モジュール等の無線通信機能を備えた通信装置でもよい。
基地局２０は、端末１０との通信を行う無線局である。基地局２０は、軌道角運動量（ＯＡＭ、Orbital Angular Momentum）を有する電波を用いてデータを端末１０に送信する。また、基地局２０は、公知である任意の方式による無線通信により、端末１０からのデータを受信する。
基地局２０は、例えば、地上（陸上）に固定して設置されてもよい。また、基地局２０は、例えば、非地上系ネットワーク（ＮＴＮ、Ｎｏｎ－ｔｅｒｒｅｓｔｒｉａｌ ｎｅｔｗｏｒｋｓ）用の高高度疑似衛星（ＨＡＰＳ、Ｈｉｇｈ Ａｌｔｉｔｕｄｅ Ｐｌａｔｆｏｒｍ Ｓｔａｔｉｏｎ、またはＨｉｇｈ Ａｌｔｉｔｕｄｅ Ｐｓｅｕｄｏ Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ）、無人航空機等の飛行体、または衛星等の宇宙機に搭載されてもよい。
基地局２０は、有線ケーブル等を介して、ネットワーク３０と接続される。端末１０は、基地局２０、及びネットワーク３０を介して、インターネット上等の外部のサーバ等との通信を行う。
＜構成＞
次に、図２、及び図３を参照して、実施形態に係る端末１０及び基地局２０の構成について説明する。図２は、実施形態に係る端末１０及び基地局２０の構成について説明する図である。図３は、実施形態に係る端末１０の各アンテナの配置例について説明する図である。
《基地局２０》
図２の例では、基地局２０は、送信部２１、受信部２２、及び制御部２３を有する。送信部２１は、ＯＡＭを有する電波を送信することによりデータを端末１０に送信する。送信部２１は、例えば、複数のアンテナ素子を等間隔に円形配置した等間隔円形アレーアンテナ（ＵＣＡ、Uniform Circular Array）を用いて生成した複数の位相の回転数（例えば、－３、－２、－１、０、１、２、３の７つ）の各電波を送信してもよい。なお、以下では、ＯＡＭを有する電波の位相の回転数をＯＡＭモードと称する。
受信部２２は、無線通信によりデータを端末１０から受信する。制御部２３は、基地局２０の各部を制御する。
《端末１０》
図２の例では、端末１０は、送信部１１、受信部１２、及び制御部１３を有する。送信部１１は、無線通信によりデータを基地局２０に送信する。
受信部１２は、ＯＡＭを有する電波を基地局２０から受信する。制御部１３は、端末１０の各部を制御する。制御部１３は、例えば、受信部１２により受信されたＯＡＭを有する電波の信号を処理することにより、基地局２０から送信されたデータを取得する。
図３の例では、端末１０の受信部１２は、アンテナ１２１、及びアンテナ１２２を有している。アンテナ１２１とアンテナ１２２とは、所定距離（例えば、１ｃｍ）離れた場所に設けられている。
＜処理＞
次に、図３、及び図４を参照し、実施形態に係る通信システム１における、基地局２０から端末１０へのデータ送信（ダウンリンク）処理の一例について説明する。図４は、実施形態に係る通信システム１における、基地局２０から端末１０へのデータ送信処理の一例について説明するシーケンス図である。
ステップＳ１において、基地局２０の送信部２１は、送信部２１から端末１０に送信可能な各ＯＡＭモードの電波のチャネル推定用の既知信号等を端末１０に送信する。
なお、基地局２０は、例えば、端末１０から、ダウンリンクの制御用のチャネルにて、所定の要求を端末１０から受信した場合に、ステップＳ１の処理を行ってもよい。
続いて、端末１０は、基地局２０から受信したチャネル推定用の既知信号に基づいて、チャネル推定を行う（ステップＳ２）。ここで、端末１０は、例えば、各ＯＡＭモードのチャネルに対し、ＺＦ(zero forcing)またはＭＭＳＥ(minimum mean square error)等の公知の手法を用いて、チャネル推定を行ってもよい。
続いて、端末１０の制御部１３は、基地局２０から受信した各ＯＡＭモードの電波のうち、アンテナ１２１で受信された電波のＯＡＭの位相とアンテナ１２２で受信された電波のＯＡＭの位相との差（位相差）が所定角度を含む所定範囲内となる第１ＯＡＭモードの電波を判定する（ステップＳ３）。ここで、当該所定角度は、例えば、９０度でもよい。また、当該所定範囲は、例えば、８０度から１００度等でもよい。なお、当該所定範囲は、例えば、端末１０の処理能力等に応じて、予め端末１０に設定されていてもよい。
なお、本開示の技術は、当該所定角度が９０度に近いほど好適であり、当該乖離度が大きいほど、符号が異なるＯＡＭモード間の干渉が増加し、ＳＩＮＲ（Signal to interference and noise ratio, Signal-to-Interference-plus-Noise Ratio:信号対干渉と雑音比）が低下する。端末１０の制御部１３は、当該位相差が当該所定角度でない場合は、基地局２０から端末１０に送信される無線信号の空間多重数及び変調多値数の少なくとも一方を減少させてもよい。これにより、例えば、端末１０での信号処理の負荷を低減できる。また、ＳＩＮＲを改善できる。
この場合、端末１０は、当該位相差を示す情報を基地局２０に送信し、基地局２０は端末１０から受信した当該位相差を示す情報に基づいて、空間多重数及び変調多値数の少なくとも一方を決定してもよい。この場合、基地局は、当該位相差が当該所定角度から乖離する度合い（乖離度）が大きいほど、空間多重数及び変調多値数の少なくとも一方を減少させてもよい。この場合、例えば、当該乖離度が閾値以上である場合、端末１０及び基地局２０は、６４ＱＡＭ（Quadrature Amplitude Modulation）の代わりに１６ＱＡＭ等を用いるようにしてもよい。
図３の例では、基地局２０から送信された、ＯＡＭモードが３である電波の位相が円２０１に示されている。なお、円２０１の中心位置２０２は、基地局２０から送信された当該ＯＡＭモードの電波の中心軸（伝搬軸）２０３上の位置である。
図３の例では、アンテナ１２１の位置とアンテナ１２２の位置とは、中心位置２０２から見て３０度離れている。そのため、ＯＡＭモードが３である電波について、位相の回転数が３であるため、アンテナ１２１の位置における位相とアンテナ１２２の位置における位相との差は９０度（＝３０度×３）となっている。
なお、当該位相差が所定角度を含む所定範囲内であるＯＡＭモードが存在しない場合、端末１０は、基地局２０から受信した各ＯＡＭモードの電波のうち、一のＯＡＭモードを指定する情報を基地局２０に送信してもよい。そして、基地局２０は、指定された当該一のＯＡＭモードの電波により、端末１０にデータを送信するようにしてもよい。
また、端末１０は、例えば、各ＯＡＭモードのうち、正の整数である各ＯＡＭモード（例えば、１、２、３）のみの電波に対して、当該位相差が所定角度を含む所定範囲内であるか否かを判定してもよい。
続いて、端末１０の送信部１１は、第１ＯＡＭモードを示す情報を基地局２０に送信する（ステップＳ４）。
続いて、基地局２０の送信部２１は、第１ＯＡＭモードの電波と、第１ＯＡＭモードとは符号のみが異なる第２ＯＡＭモードの電波とにより、データを端末１０に送信する（ステップＳ５）。ここで、例えば、第１ＯＡＭモードが１である場合は第２ＯＡＭモードは－１であり、第１ＯＡＭモードが２である場合は第２ＯＡＭモードは－２であり、第１ＯＡＭモードが３である場合は第２ＯＡＭモードは－３である。
続いて、端末１０の制御部１３は、第１ＯＡＭモードの電波と第２ＯＡＭモードの電波とに基づいて、基地局２０から送信されたデータを取得する（ステップＳ６）。
《端末１０での受信処理》
続いて、図５から図６Ｄを参照し、実施形態に係る端末１０における、図４のステップＳ６の受信処理の一例について説明する。図５は、実施形態に係る端末１０におけるの受信処理の一例について説明するフローチャートである。図６Ａから図６Ｄは、実施形態に係る端末１０の各アンテナで受信されるＯＡＭモードの電波を受信する処理の一例について説明する図である。
ステップＳ１０１において、端末１０の制御部１３は、アンテナ１２２で受信した電波に基づき、当該電波のＯＡＭの位相を当該所定角度回転した信号を生成する。
続いて、端末１０の制御部１３は、アンテナ１２１で受信した電波による信号と、ステップＳ１０１で生成した信号とを合成（加算）することにより、第２ＯＡＭモードの信号を抽出する（ステップＳ１０２）。
図６Ａには、上述した所定角度が９０度である場合の、アンテナ１２１で受信した第１ＯＡＭモードの電波６０１と、アンテナ１２１で受信した第２ＯＡＭモードの電波６０２との一例が示されている。また、図６Ｂには、上述した所定角度が９０度である場合の、アンテナ１２２で受信した第１ＯＡＭモードの電波６１１と、アンテナ１２２で受信した第２ＯＡＭモードの電波６１２との一例が示されている。
図６Ａ及び図６Ｂの例では、上述した所定角度が９０度であるため、図４のステップＳ３の処理で説明したように、アンテナ１２１で受信した第１ＯＡＭモードの電波６０１の位相と、アンテナ１２２で受信した第１ＯＡＭモードの電波６１１の位相との位相差は９０度である。
また、上述したように、第２ＯＡＭモードは、第１ＯＡＭモードと符号のみが異なる。そのため、第２ＯＡＭモードの電波は、第１ＯＡＭモードの電波とは位相の回転量は同じで回転方向が逆になっている。そのため、アンテナ１２１で受信した第２ＯＡＭモードの電波６０２の位相と、アンテナ１２２で受信した第２ＯＡＭモードの電波６１２の位相との位相差は、上述した所定角度とは符号のみが異なり、－９０度となる。
ステップＳ１０２の処理により、図６Ｃに示すように、アンテナ１２１で受信した第１ＯＡＭモード及び第２ＯＡＭモードの信号に、アンテナ１２２で受信した第１ＯＡＭモード及び第２ＯＡＭモードの信号が９０度回転された信号が加算される。図６Ｃの例では、電波６１１Ａは、図６Ｂに示したアンテナ１２２で受信した第１ＯＡＭモードの電波６１１を時計回りに９０度回転したものである。また、電波６１２Ａは、図６Ｂに示したアンテナ１２２で受信した第２ＯＡＭモードの電波６１２を時計回りに９０度回転したものである。これにより、第１ＯＡＭモードの電波６１１Ａと電波６０１は打ち消しあい、第２ＯＡＭモードの電波６０２が２倍の振幅とされた信号が抽出できる。
続いて、端末１０の制御部１３は、アンテナ１２１で受信した電波に基づき、当該電波の位相を当該所定角度回転した信号を生成する（ステップＳ１０３）。
続いて、端末１０の制御部１３は、アンテナ１２２で受信した電波による信号と、ステップＳ１０３で生成した信号とを合成（加算）することにより、第１ＯＡＭモードの信号を抽出する（ステップＳ１０４）。
ステップＳ１０４の処理により、図６Ｄに示すように、アンテナ１２２で受信した第１ＯＡＭモード及び第２ＯＡＭモードの信号に、アンテナ１２１で受信した第１ＯＡＭモード及び第２ＯＡＭモードの信号が９０度回転された信号が加算される。図６Ｄの例では、電波６０１Ａは、図６Ａに示したアンテナ１２１で受信した第１ＯＡＭモードの電波６０１を時計回りに９０度回転したものである。また、電波６０２Ａは、図６Ａに示したアンテナ１２１で受信した第２ＯＡＭモードの電波６０２を時計回りに９０度回転したものである。これにより、第２ＯＡＭモードの電波６０２Ａと電波６１２は打ち消しあい、第１ＯＡＭモードの電波６１１が２倍の振幅とされた信号が抽出できる。
なお、端末１０の制御部１３による図５のステップＳ１０１からステップＳ１０４の処理は、デジタル回路により実行されてもよいし、アナログ回路により実行されてもよい。
＜変形例＞
上述した例では、端末１０が予め決められている２つのアンテナを用いる例について説明した。これに代えて、端末１０は、３つ以上のアンテナから、受信に用いる２つのアンテナを決定してもよい。これにより、図４のステップＳ３で、２つのアンテナで受信した電波のＯＡＭの位相差が所定角度を含む所定範囲内であるＯＡＭモードが存在しないことを低減できる。
この場合、図４のステップＳ３で、端末１０の制御部１３は、３つ以上のアンテナのうち、第１アンテナで受信された電波のＯＡＭの位相と第２アンテナで受信された電波のＯＡＭの位相との位相差が所定角度を含む所定範囲内となる第１アンテナ及び第２アンテナを決定してもよい。そして、端末１０は、上述した本開示の実施例のアンテナ１２１を第１アンテナ、アンテナ１２２を第２アンテナと読み替えて、図４のステップＳ３以降の処理を行ってもよい。
また、上述した例では、端末１０の各アンテナが端末１０に固定されている例について説明した。これに代えて、端末１０は、各アンテナのうち少なくとも一つの位置を、アクチュエータにより移動できるようにしてもよい。これにより、図４のステップＳ３で、２つのアンテナで受信した電波のＯＡＭの位相差が所定角度を含む所定範囲内であるＯＡＭモードが存在しないことを低減できる。
この場合、端末１０の制御部１３は、例えば、アクチュエータを制御し、アンテナ１２１で受信された電波のＯＡＭの位相とアンテナ１２２で受信された電波のＯＡＭの位相との位相差が所定角度を含む所定範囲内となるように、アンテナ１２２の位置を移動させてもよい。
＜本開示の効果＞
従来、受信側にて各ＯＡＭモードの信号を分離する処理の負荷が大きくなる場合があるという問題がある。例えば、各ＯＡＭモードの電波間の干渉が生じる場合、各ＯＡＭモードによる信号をそれぞれ分離するための処理負荷が増大する。さらに、この処理負荷は、帯域幅が増加するほど増加する。
本開示によれば、各ＯＡＭモードの信号を分離する処理の負荷を低減できる。それにより、例えば、ダウンリンク等の通信を広帯域化できる。また、受信側にＵＡＣを設ける構成と比較して、アンテナを小型化できる。
以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明は斯かる特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
１ 通信システム
１０ 端末
１１ 送信部
１２ 受信部
１２１ アンテナ
１２２ アンテナ
１３ 制御部
２０ 基地局
２１ 送信部
２２ 受信部
２３ 制御部
３０ ネットワーク

Claims (6)

  1. 第１アンテナと、
    第２アンテナと、
    前記第１アンテナで受信した第１ＯＡＭ（Ｏｒｂｉｔａｌ Ａｎｇｕｌａｒ Ｍｏｍｅｎｔｕｍ）モードの電波と前記第１ＯＡＭモードとは符号のみが異なる第２ＯＡＭモードの電波とによる信号と、前記第２アンテナで受信した前記第１ＯＡＭモードの電波と前記第２ＯＡＭモードの電波とのＯＡＭの位相を所定角度回転させた信号とを合成して前記第１ＯＡＭモードの電波による信号を抽出し、
    前記第２アンテナで受信した前記第１ＯＡＭモードの電波と前記第２ＯＡＭモードの電波とによる信号と、前記第１アンテナで受信した前記第１ＯＡＭモードの電波と前記第２ＯＡＭモードの電波とのＯＡＭの位相を前記所定角度回転させた信号とを合成して前記第２ＯＡＭモードの電波による信号を抽出する制御部と、
    を有する受信装置。
  2. 前記所定角度は９０度である、
    請求項１に記載の受信装置。
  3. 送信装置から送信された複数のＯＡＭモードの電波のうち、前記第１アンテナで受信された電波のＯＡＭの位相と前記第２アンテナで受信された電波のＯＡＭの位相との位相差が前記所定角度を含む所定範囲内であるＯＡＭモードを示す情報を前記送信装置に送信する送信部を有する、
    請求項１または２に記載の受信装置。
  4. ３つ以上のアンテナを有し、
    前記制御部は、前記３つ以上のアンテナのうち、前記第１アンテナで受信された電波のＯＡＭの位相と前記第２アンテナで受信された電波のＯＡＭの位相との位相差が前記所定角度を含む所定範囲内となる前記第１アンテナ及び前記第２アンテナを決定する、
    請求項１から３のいずれか一項に記載の受信装置。
  5. 前記第１アンテナで受信された電波のＯＡＭの位相と前記第２アンテナで受信された電波のＯＡＭの位相との位相差が前記所定角度を含む所定範囲内となるように、前記第２アンテナの位置を移動させるアクチュエータを有する、
    請求項１から４のいずれか一項に記載の受信装置。
  6. 第１アンテナと、第２アンテナとを有する受信装置が、
    前記第１アンテナで受信した第１ＯＡＭモードの電波と前記第１ＯＡＭモードとは符号のみが異なる第２ＯＡＭモードの電波とによる信号と、前記第２アンテナで受信した前記第１ＯＡＭモードの電波と前記第２ＯＡＭモードの電波とのＯＡＭの位相を所定角度回転させた信号とを合成して前記第１ＯＡＭモードの電波による信号を抽出し、
    前記第２アンテナで受信した前記第１ＯＡＭモードの電波と前記第２ＯＡＭモードの電波とによる信号と、前記第１アンテナで受信した前記第１ＯＡＭモードの電波と前記第２ＯＡＭモードの電波とのＯＡＭの位相を前記所定角度回転させた信号とを合成して前記第２ＯＡＭモードの電波による信号を抽出する処理を実行する受信方法。
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