WO2024142397A1 - 送信装置及び送信方法 - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a transmission device and a transmission method.
- FIG. 4 shows another example of the configuration of the Airy beam generating unit 140.
- the shape of the Airy beam generating unit 140 as viewed from the front is, for example, circular.
- FIG. 4 shows a cross-sectional view of the Airy beam generating unit 140 cut along a plane including the axis of the radio wave transmission direction of the transmitting antenna 130.
- the Airy beam generating unit 140 comprises a phase modulation lens 143 and a Fourier transform lens 144. If the plane as viewed from the front of the transmitting antenna 130 is the x-y plane, the phase modulation lens 143 imparts a phase at each point on the x-y plane (x-y coordinates), thereby generating an Airy beam.
- FIG. 13 shows the Airy beam generating unit 140 shown in FIG. 12 as viewed obliquely.
- the degree of bending of the Airy beam is greater than when multiple antenna elements in area B are selected.
- the main lobe can be delivered to a receiving device located further away.
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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
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)
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。
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。
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、θx及びθy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。
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θx=0度である場合を示し、図5Bは、ビームの角度θx=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。
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。
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)
- 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。 - 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。 - 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。 - 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。
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2022
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