JP7302735B2

JP7302735B2 - 無線通信システム、無線通信方法及び送信装置

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Publication number: JP7302735B2
Application number: JP2022504790A
Authority: JP
Inventors: 隼人福園; 圭太栗山; 正文吉岡; 崇文林
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2020-03-02
Filing date: 2020-03-02
Publication date: 2023-07-04
Anticipated expiration: 2040-03-02
Also published as: WO2021176533A1; JPWO2021176533A1; US20230070849A1; US11929797B2

Description

本発明は、無線通信システム、無線通信方法及び送信装置に関する。

周波数選択性フェージングがある通信環境下において、広帯域のＳＣ（Single Carrier）－ＭＩＭＯ（Multiple-Input Multiple-Output）伝送を行う技術が知られている。

例えば、送信アンテナの数と受信アンテナの数とが同じであるＳＣ－ＭＩＭＯにおいて、ＦＩＲ（Finite Impulse Response）を用いてＣＰ（Cyclic Prefix）を付加された送信ビームを形成する技術は公知である（例えば、非特許文献１参照）。ここでは、ＭＩＭＯ通信路行列が正方行列となっている。

また、疑似逆行列を反復演算によって導出するＢｅｎ－Ｉｓｒａｅｌ式は公知である（例えば、非特許文献２参照）。

福園隼人、他３名、「ＦＩＲ送信ビーム形成を用いたマルチユーザＭＩＭＯ－ＳＣ－ＦＤＥ系における適応ＣＰ長技術」、２０１９年電子情報通信学会通信ソサイエティ大会、通信講演論文集１、２０１９年９月、Ｂ－５－６２ A.Ben-Israel et al., "Generalized Inverses: Theory and Applications," Springer-Verlag New York, 2003. p.220

しかしながら、従来技術は、転置余因子行列（adjugate matrix）を利用して送信ウェイトを生成するときに、転置余因子行列が正方行列にのみ定義されるため、送信アンテナ数と受信アンテナ数とが異なる場合、適用することができなかった。つまり、従来技術は、非正方のＭＩＭＯ通信路行列に対して適用できないという問題があった。

本発明は、送信アンテナ数と受信アンテナ数とが異なっていても、ＦＩＲ送信ビームを形成してシンボル干渉を除去することができる無線通信システム、無線通信方法及び送信装置を提供することを目的とする。

本発明の一態様にかかる無線通信システムは、複数のアンテナを備えた送信装置と、前記送信装置とは異なる数のアンテナを備えた受信装置との間でＳＣ－ＭＩＭＯによる伝送を行う無線通信システムにおいて、前記送信装置が、予め定められた既知信号を生成するトレーニング信号生成部と、前記既知信号を含む送信信号のシンボルごとにＣＰを付加するＣＰ付加部と、前記ＣＰを付加された送信信号に対し、送信ウェイトを用いて送信ビームを形成する送信ビーム形成部とを有し、前記受信装置が、受信信号に付加された前記ＣＰを除去するＣＰ除去部と、前記既知信号に基づいて通信路行列を推定する通信路推定部と、前記ＣＰを除去された受信信号に対して等化処理を行う等化部とを有し、前記送信装置又は前記受信装置が、前記通信路行列に対して、所定回数の反復演算による疑似逆行列を乗算することにより、対角化可能な前記送信ウェイトを生成するウェイト生成部をさらに有することを特徴とする。

本発明の一態様にかかる無線通信方法は、複数のアンテナを備えた送信装置と、前記送信装置とは異なる数のアンテナを備えた受信装置との間でＳＣ－ＭＩＭＯによる伝送を行う無線通信方法において、前記送信装置が予め定められた既知信号を生成するトレーニング信号生成工程と、前記送信装置が前記既知信号を含む送信信号のシンボルごとにＣＰを付加するＣＰ付加工程と、前記受信装置が受信信号に付加された前記ＣＰを除去するＣＰ除去工程と、前記受信装置が前記既知信号に基づいて通信路行列を推定する通信路推定工程と、前記送信装置又は前記受信装置が、前記通信路行列に対して、所定回数の反復演算による疑似逆行列を乗算することにより、対角化可能な送信ウェイトを生成するウェイト生成工程と、前記ＣＰを付加された送信信号に対し、前記送信装置が前記送信ウェイトを用いて送信ビームを形成する送信ビーム形成工程と、前記受信装置が前記ＣＰを除去された受信信号に対して等化処理を行う等化工程とを含むことを特徴とする。

本発明の一態様にかかる送信装置は、受信装置とは異なる数のアンテナを備え、前記受信装置との間でＳＣ－ＭＩＭＯによる伝送を行う送信装置において、予め定められた既知信号を生成するトレーニング信号生成部と、前記既知信号を含む送信信号のシンボルごとにＣＰを付加するＣＰ付加部と、前記受信装置が前記既知信号に基づいて推定した通信路行列に対して、所定回数の反復演算による疑似逆行列を乗算することにより、対角化可能な送信ウェイトを生成するウェイト生成部と、前記ＣＰを付加された送信信号に対し、前記送信ウェイトを用いて送信ビームを形成する送信ビーム形成部とを有することを特徴とする。

本発明によれば、送信アンテナ数と受信アンテナ数とが異なっていても、ＦＩＲ送信ビームを形成してシンボル干渉を除去することができる。

一実施形態にかかる無線通信システムの構成例を示す図である。遅延プロファイルを例示する図である。一実施形態にかかる送信装置が有する機能を示す機能ブロック図である。受信装置が有する機能を示す機能ブロック図である。

以下に、図面を用いて無線通信システムの一実施形態を説明する。図１は、一実施形態にかかる無線通信システム１の構成例を示す図である。図１に示すように、無線通信システム１は、例えば、１台の送信装置２、及びＮ台の受信装置３－（０）～３－（Ｎ－１）を有し、送信装置２と受信装置３－（０）～３－（Ｎ－１）との間でＳＣ－ＭＩＭＯによる伝送を行う。なお、ｎ及びｎ’は、０からＮ－１までのいずれかの整数である。

送信装置２は、例えばＮ本のアンテナ２０－（０）～２０－（Ｎ－１）を有し、後述する送信ビーム形成部２５が形成するＣＰを付加されたＦＩＲ送信ビームをアンテナ２０－（０）～２０－（Ｎ－１）から送信する。

受信装置３－（０）～３－（Ｎ－１）は、例えばＮ本のアンテナ３０－（０）～３０－（Ｎ－１）をそれぞれ１本ずつ備え、送信装置２がアンテナ２０－（０）～２０－（Ｎ－１）から送信するビームをそれぞれ受信するユーザであるとする。

以下、受信装置３－（０）～３－（Ｎ－１）のように複数ある構成のいずれかを特定しない場合には、単に受信装置３などと略記する。

なお、無線通信システム１は、送信装置２が有するアンテナ２０の数と、受信装置３の台数（アンテナ３０の数）とが同一であることに限定されない。まず、送信装置２が有するアンテナ２０の数（Ｎ）と、受信装置３の台数（Ｎ）とが同一である場合を無線通信システム１の第１動作例として説明する。その後、送信装置２が有するアンテナ２０の数（Ｎ）と、受信装置３の台数（Ｍ）とが異なる場合を無線通信システム１の第２動作例として説明する。

＜第１動作例＞
まず、無線通信システム１の第１動作例について説明する。図２は、図１に示した送信装置２のアンテナ２０－（ｎ）と、受信装置３－（ｎ’）のアンテナ３０－（ｎ’）との間の第１動作例における遅延プロファイルを例示する図である。なお、Ｌ（Ｌ：正の整数）は、ＣＩＲ（Channel Impulse Response）内で最大遅延の遅延波を持つもののＣＩＲ長である。

遅延時間の０，１・・・Ｌ－１は、後述する遅延作用素の次数に相当する。また、｜ｈ_{ｎ’，ｎ，０}｜は、次数０の遅延時間の利得（ｄＢ）を示す。同様に、｜ｈ_{ｎ’，ｎ，1}｜は次数１の遅延時間の利得、｜ｈ_{ｎ’，ｎ，Ｌ－１}｜は次数（Ｌ－１）の遅延時間の利得をそれぞれ示す。

ここで、送信装置２のアンテナ２０－（ｎ）と受信装置３－（ｎ’）のアンテナ３０－（ｎ’）との間のＣＩＲ（Ｈ_ｎ’，ｎ（ｚ））は、下式（１）によって表される。なお、下式（１）において、ｚ^－ｌのｚは時間シフトを行う遅延作用素である。

そして、送信装置２と受信装置３との間のＭＩＭＯ通信路におけるＣＩＲは、下式（２）に示すように、上式（１）の各アンテナ間のＣＩＲを要素とするＮ×Ｎの伝達関数行列式Ｈ（ｚ）で表される。

ここで、Ｈ（ｚ）の逆行列は、Ｈ（ｚ）の転置余因子行列ａｄｊ［Ｈ（ｚ）］を用いて表現すると、下式（３）で表される。

上式（３）において、｜・｜（＝ｄｅｔ（・））、ａｄｊ（・）は、それぞれ行列式、転置余因子行列（adjugate matrix）を表す。ここで、ａｄｊは、エルミート転置を表す転置余因子行列（adjoint matrix）とは異なる。

なお、転置余因子行列ａｄｊ［Ｈ（ｚ）］を送信ビーム形成処理の送信ウェイトＷ（ｚ）に用いることにより、通信路応答行列式Ｈ（ｚ）が対角化され、各対角要素は行列式ｄｅｔ［Ｈ（ｚ）］と等しくなることは公知である。

そして、ａｄｊ［Ｈ（ｚ）］を送信ウェイトＷ（ｚ）として送信ビーム形成処理した通信路応答は、等価的に下式（４）で表される。ここで、Ｉは単位行列である。

このように、ａｄｊ［Ｈ（ｚ）］を送信ウェイトＷ（ｚ）として送信ビーム形成処理を行なうことにより、通信路応答行列式Ｈ（ｚ）が対角化され、ユーザ間干渉成分を表す非対角成分が０になるので、ユーザ間干渉は除去される。

そして、受信装置３は、ｄｅｔ［Ｈ（ｚ）］を用いて等化処理を行い、符号間干渉を除去する。

ここでは、３×３のＭＩＭＯの場合を例に挙げて説明する。上式（３）における３×３ＭＩＭＯの通信路応答行列式Ｈ（ｚ）は、下式（５）で表される。

そして、上式（５）に示すＨ（ｚ）の行列式ｄｅｔ［Ｈ（ｚ）］は、下式（６）で表される。

＜第２動作例＞
次に、送信装置２及び受信装置３が有する具体的な機能を例示して、無線通信システム１の第２動作例について説明する。ここでは、送信装置２が有するアンテナ２０の数をＮとし、受信装置３の台数（アンテナ３０の数）をＭとして、アンテナ２０の数とアンテナ３０の数とが異なる場合の無線通信システム１の第２動作例について説明する。

図３は、一実施形態にかかる送信装置２が有する機能を例示する機能ブロック図である。図３に示すように、送信装置２は、アンテナ２０－（０）～２０－（Ｎ－１）、情報ビット生成部２１、変調部２２－（０）～２２－（Ｎ－１）、トレーニング信号生成部２３、ＣＰ付加部２４－（０）～２４－（Ｎ－１）、送信ビーム形成部２５、送信信号変換部２６－（０）～２６－（Ｎ－１）、受信信号変換部２７－（０）～２７－（Ｎ－１）、及びウェイト生成部２８を有する。

情報ビット生成部２１は、受信装置３へ送信するユーザごとのデータ情報ビットを生成する。データ情報ビットは、例えば外部(不図示)から入力されるデータ信号や、内部で生成するデータ信号などに対応するビット列である。なお、情報ビット生成部２１は、所定の符号化率で誤り訂正符号を生成する誤り訂正符号化機能やインターリーブ機能などを有してもよい。

変調部２２は、情報ビット生成部２１が生成したユーザごとのビット列を所定の変調方式（例えば直交振幅変調（ＱＡＭ：Quadrature Amplitude Modulation）など）で変調したデータ信号を出力する。なお、図３に示した送信装置２では、情報ビット生成部２１が生成したユーザごとのビット列を変調したデータ信号を出力する。そして、送信装置２は、アンテナ２０の数（Ｎ）に対応する変調部２２を有している。

トレーニング信号生成部２３は、通信路インパルス応答（ＣＩＲ：通信路行列）を推定するための既知信号（トレーニング信号と称する）を生成し、ＣＰ付加部２４に対して出力する。トレーニング信号は、信号検出用のプリアンブルなどの予め定められた情報（例えば”０１”の交互パターン等の特定パターン）をＰＳＫ（Phase Shift Keying）などの干渉を受けにくい変調方式で変調した所定の信号であり、受信装置３がＣＩＲを推定するために用いられる。なお、送信装置２が送信するトレーニング信号の情報は、予め受信装置３との間で既知である。

ＣＰ付加部２４は、変調部２２が出力するデータ信号、及びトレーニング信号生成部２３が出力するトレーニング信号に対し、シンボル干渉等を除去するためにシンボルごとにＣＰ（Cyclic Prefix）を付加する。

送信ビーム形成部２５は、後述するウェイト生成部２８が生成する送信ウェイトＷ（ｚ）を用いて、ＣＰ付加部２４がＣＰを付加した送信信号に対し、シンボル干渉及びユーザ間干渉等を同時に除去するためのＦＩＲ送信ビームを形成する処理を行う。なお、送信ビーム形成部２５は、送信電力を正規化する機能を有してもよい。

送信信号変換部２６は、パルス成形（Pulse Shaping：ロールオフフィルタなどにより必要な帯域制限を行う）部、ＤＡＣ（Digital to Analog Conversion）部及びＲＦ（Radio Frequency）部などにより構成され、送信ビーム形成部２５が出力する信号を高周波信号に変換してアンテナ２０から送出するための処理を行う。

また、送信信号変換部２６は、ウェイト生成部２８が生成した受信ウェイトＷ_Ｒ（ｚ）の情報を受信装置３に送信する。

そして、送信ビーム形成部２５が出力する複数の受信装置３への各々のデータ信号は、それぞれ高周波信号に変換され、アンテナ２０－（０）～２０－（Ｎ－１）のそれぞれから送出される。

受信信号変換部２７は、ＲＦ部、ＡＤＣ（Analog to Digital Conversion）部及びパルス成形部などにより構成され、アンテナ２０－（０）～２０－（Ｎ－１）それぞれにより受信された高周波の受信信号を低周波のベースバンド信号に周波数変換する。ここで、受信信号変換部２７は、各受信装置３からＣＩＲ（Ｈ（ｚ））の情報を含む信号を受信し、ベースバンド信号に変換してウェイト生成部２８に対して出力する。

ウェイト生成部２８は、受信装置３が有する通信路推定部３３（後述）が推定したＣＩＲ（Ｈ（ｚ））を用いて、送信ビーム形成部２５が送信ビーム形成処理を行うための送信ウェイトＷ（ｚ）、及び受信装置３が等化処理を行うための受信ウェイトＷ_Ｒ（ｚ）を算出する。例えば、ウェイト生成部２８は、通信路行列に対して、所定回数の反復演算による疑似逆行列を乗算することにより、対角化可能な送信ウェイトＷ（ｚ）を生成する。

そして、送信ウェイトＷ（ｚ）は、送信ビーム形成部２５に対して出力され、受信ウェイトＷ_Ｒ（ｚ）は、送信信号変換部２６によって受信装置３へ送信される。

ここで、ウェイト生成部２８が生成する送信ウェイトＷ（ｚ）について、さらに詳述する。

ウェイト生成部２８は、送信ビーム形成部２５が非正方ＭＩＭＯ通信路行列に対するＦＩＲ送信ビームを形成するように、送信ウェイトＷ（ｚ）を生成する。

例えば、ウェイト生成部２８は、Ｂｅｎ－Ｉｓｒａｅｌ式（上述した非特許文献２のＣＨＡＰＴＥＲ７に示された式（５１）等参照）を利用して、下式（７）のように定義される送信ウェイトＷ（ｚ）を算出し、下式（８），（９）を得る。

ここで、ウェイト生成部２８は、十分に大きい数（回数）であるｉ回の反復演算を行う。

図４は、受信装置３が有する機能を例示する機能ブロック図である。図４に示すように、受信装置３は、アンテナ３０、受信信号変換部３１、ＣＰ除去部３２、通信路推定部３３、送信信号変換部３４、等化部３５、復調部３６、及び情報ビット検出部３７を有する。

受信信号変換部３１は、送信装置２が有する受信信号変換部２７と同様に、ＲＦ部、ＡＤＣ部及びパルス成形部などにより構成され、アンテナ３０が受信する高周波信号をベースバンド信号に周波数変換する。

ここで、受信信号変換部３１は、送信装置２から受信する受信ウェイトＷ_Ｒ（ｚ）（ｄｅｔ［Ｈ（ｚ）］）の情報を後述するＦＤＥ３５１に対して出力するとともに、送信装置２から受信するデータ信号及びトレーニング信号をＣＰ除去部３２に対して出力する。

なお、受信ウェイトＷ_Ｒ（ｚ）の情報は、受信信号変換部３１が復調してＦＤＥ３５１に対して出力してもよいし、ＦＤＥ３５１が復調する機能を有してもよい。

ＣＰ除去部３２は、受信信号変換部３１出力するデータ信号及びトレーニング信号に付加されたＣＰを除去する処理を行う。そして、ＣＰ除去部３２は、データ信号をＤＦＴ３５０に対して出力し、トレーニング信号を通信路推定部３３に対して出力する。

通信路推定部３３は、送信装置２から送信されたトレーニング信号に基づいてＣＩＲを推定する。例えば、受信装置３－（０）が有する通信路推定部３３は、送信装置２が有するアンテナ２０－（０）～２０－（Ｎ－１）とアンテナ３０－（０）との間のＣＩＲ（Ｈ_０，０（ｚ）、Ｈ_１，０（ｚ）、・・・、Ｈ_{Ｎ－１，０}（ｚ））を推定する。

そして、通信路推定部３３は、推定したＣＩＲの情報を送信信号変換部３４に対して出力する。同様に、受信装置３－（１）～３－（Ｍ－１）の通信路推定部３３は、各々のアンテナ間のＣＩＲを推定し、推定したＣＩＲの情報を出力する。

送信信号変換部３４は、送信装置２が有する送信信号変換部２６と同様に、パルス成形部、ＤＡＣ部及びＲＦ部などにより構成され、通信路推定部３３が出力するＣＩＲ（Ｈ（ｚ））の情報などを高周波信号に変換してアンテナ３０から送出する。なお、ＣＩＲの情報をベースバンド信号に変調する変調部の機能は、送信信号変換部３４が有してもよいし、通信路推定部３３が有してもよい。

等化部３５は、ＤＦＴ（Discrete Fourier Transform）３５０、ＦＤＥ（Frequency Domain Equalization）３５１、及びＩＤＦＴ（Inverse DFT）３５２を有し、受信信号の通信路応答に対して等化処理を行う。

ＤＦＴ３５０は、ＣＰ除去部３２が出力した時間領域のデータ信号を離散フーリエ変換処理により周波数領域のデータ信号に変換する。

ＦＤＥ３５１は、送信装置２のウェイト生成部２８が生成した受信ウェイトＷ_Ｒ（ｚ）（ｄｅｔ［Ｈ（ｚ）］）を用いて、ＤＦＴ３５０が出力する信号に対してシンボル干渉等を除去するための等化処理を行う。ここで、ｄｅｔ［Ｈ（ｚ）］は、ＤＦＴされて周波数領域に変換されたｄｅｔ［Ｈ（ｚ）］によって周波数領域のデータ信号を除算されることにより、符号間干渉が除去される。

ＩＤＦＴ３５２は、ＦＤＥ３５１が出力する周波数領域の信号を時間領域の信号に変換したデータ信号を復調部３６に対して出力する。

復調部３６は、ＩＤＦＴ３５２が出力するデータ信号を情報ビットに復調し、ビット列を出力する。なお、復調部３６は、送信装置２側の機能に応じて、誤り訂正復号機能やデインターリーブ機能を備えてもよい。

情報ビット検出部３７は、復調部３６が出力したビット列をデジタルデータに変換した受信データを出力する。なお、誤り訂正復号機能やデインターリーブ機能を情報ビット検出部３７が備えていてもよい。

なお、無線通信システム１は、送信装置２が備えるウェイト生成部２８を、受信装置３が備えるように構成されてもよい。また、無線通信システム１は、送信装置２が有するアンテナ２０の数と、受信装置３の台数（アンテナ３０の数）とが同一である場合にも、上述の第２動作例に示した動作を行うように構成されてもよい。

このように、無線通信システム１は、送信装置２又は受信装置３が、通信路行列に対して、所定回数の反復演算による疑似逆行列を乗算することにより、対角化可能な送信ウェイトＷ（ｚ）を生成するウェイト生成部２８を有するので、アンテナ２０の数とアンテナ３０の数とが異なっていても、ＦＩＲ送信ビームを形成してシンボル干渉を除去することができる。

１・・・無線通信システム、２・・・送信装置、３－（０）～３－（Ｎ－１）・・・受信装置、２０－（０）～２０－（Ｎ－１）・・・アンテナ、２１・・・情報ビット生成部、２２－（０）～２２－（Ｎ－１）・・・変調部、２３・・・トレーニング信号生成部、２４－（０）～２４－（Ｎ－１）・・・ＣＰ付加部、２５・・・送信ビーム形成部、２６－（０）～２６－（Ｎ－１）・・・送信信号変換部、２７－（０）～２７－（Ｎ－１）・・・受信信号変換部、２８・・・ウェイト生成部、３０－（０）～３０－（Ｍ－１）・・・アンテナ、３１・・・受信信号変換部、３２・・・ＣＰ除去部、３３・・・通信路推定部、３４・・・送信信号変換部、３５・・・等化部、３６・・・復調部、３７・・・情報ビット検出部、３５０・・・ＤＦＴ、３５１・・・ＦＤＥ、３５２・・・ＩＤＦＴ

Claims

複数のアンテナを備えた送信装置と、前記送信装置とは異なる数のアンテナを備えた受信装置との間でＳＣ－ＭＩＭＯによる伝送を行う無線通信システムにおいて、
前記送信装置は、
予め定められた既知信号を生成するトレーニング信号生成部と、
前記既知信号を含む送信信号のシンボルごとにＣＰを付加するＣＰ付加部と、
前記ＣＰを付加された送信信号に対し、送信ウェイトを用いて送信ビームを形成する送信ビーム形成部と
を有し、
前記受信装置は、
受信信号に付加された前記ＣＰを除去するＣＰ除去部と、
前記既知信号に基づいて通信路行列を推定する通信路推定部と、
前記ＣＰを除去された受信信号に対して等化処理を行う等化部と
を有し、
前記送信装置又は前記受信装置は、
前記通信路行列に対して、所定回数の反復演算による疑似逆行列を乗算することにより、対角化可能な前記送信ウェイトを生成するウェイト生成部
をさらに有することを特徴とする無線通信システム。
複数のアンテナを備えた送信装置と、前記送信装置とは異なる数のアンテナを備えた受信装置との間でＳＣ－ＭＩＭＯによる伝送を行う無線通信方法において、
前記送信装置が予め定められた既知信号を生成するトレーニング信号生成工程と、
前記送信装置が前記既知信号を含む送信信号のシンボルごとにＣＰを付加するＣＰ付加工程と、
前記受信装置が受信信号に付加された前記ＣＰを除去するＣＰ除去工程と、
前記受信装置が前記既知信号に基づいて通信路行列を推定する通信路推定工程と、
前記送信装置又は前記受信装置が、前記通信路行列に対して、所定回数の反復演算による疑似逆行列を乗算することにより、対角化可能な送信ウェイトを生成するウェイト生成工程と、
前記ＣＰを付加された送信信号に対し、前記送信装置が前記送信ウェイトを用いて送信ビームを形成する送信ビーム形成工程と、
前記受信装置が前記ＣＰを除去された受信信号に対して等化処理を行う等化工程と
を含むことを特徴とする無線通信方法。
受信装置とは異なる数のアンテナを備え、前記受信装置との間でＳＣ－ＭＩＭＯによる伝送を行う送信装置において、
予め定められた既知信号を生成するトレーニング信号生成部と、
前記既知信号を含む送信信号のシンボルごとにＣＰを付加するＣＰ付加部と、
前記受信装置が前記既知信号に基づいて推定した通信路行列に対して、所定回数の反復演算による疑似逆行列を乗算することにより、対角化可能な送信ウェイトを生成するウェイト生成部と、
前記ＣＰを付加された送信信号に対し、前記送信ウェイトを用いて送信ビームを形成する送信ビーム形成部と
を有することを特徴とする送信装置。