JP5132370B2 - Ｍｉｍｏ通信装置 - Google Patents

Description

本発明は、ＭＩＭＯ通信装置に関する。

無線通信機器分野において、アレイアンテナが用いられたＭＩＭＯ(Multi-Input Multi-Output)通信は、使用周波数帯域を増加させることなく、通信速度をより高速にできると共に、システムの総合的なスループットの向上を図ることができる（例えば、非特許文献１参照）。

近年、無線ＬＡＮの分野では、ＩＥＥＥ８０２．１１ｎの標準化に際してＭＩＭＯ通信技術の導入が検討されている。２００７年時点での規格草稿において、その技術の記載がなされている。また同様に、携帯電話、携帯無線データ端末等のデータ伝送の高速化を目指し、ＭＩＭＯ通信技術が検討されている。

従来のＭＩＭＯ通信技術が用いられていない無線通信システムの場合、通信品質は受信点での電界強度によって規定される。これに対して、ＭＩＭＯ通信技術が用いられた通信システムの場合、通信品質は、受信点における電界強度のみではなく、送信、受信間の無線伝搬通信チャネルの状態によっても規定される。そのため、ＭＩＭＯ通信システムでは、無線伝搬通信チャネルの状態を観測（これはチャネル推定技術と呼ばれ、例えば非特許文献１の２−３項、チャネル推定・等化技術参照）し、観測された無線伝搬通信チャネルの状態に基づき最適な受信パラメータが選択される必要がある。

特に、ＭＩＭＯ通信技術が適用された可搬型パーソナルコンピュータ（ＰＣ）を具備するＭＩＭＯ通信システムの場合、無線機器の配置、使用環境が頻繁に変化することが想定される。その変化により、ＭＩＭＯ通信システムにおける無線伝搬通信チャネルの状態は影響を受ける。よって、無線機器のアンテナ配置および当該無線機器の周辺の伝搬環境が特定の関係となるとき、無線伝搬通信チャネルの状態が悪化することがある。すなわち、ＭＩＭＯ通信の品質劣化、又はシステムスループットの低下が起こることがある。

そこで、従来、例えば特許文献１に示されるようなＭＩＭＯ通信システムがある。このＭＩＭＯ通信システムにおいて、受信局は、伝達関数の全て又は一部を用いて現在の通信状態を表す状態指標を算出する状態指標演算部と、状態指標の値に応じて表示内容を変化させる通信状態表示部とを備える。さらに、その受信局は、有線又は無線を介して接続された外部端末に対して、状態指標を伝達する外部インタフェース部を備えている。図１４には、特許文献１に記載された従来のＭＩＭＯ通信装置が示される。

図１４の通信状態指標演算回路では、無線伝搬通信チャネルの状態を数値計算により指標として算出する。表示部は、その状態指標、又は複数の方法により算出された状態指標を組み合わせて得られる状態指標に応じた表示を行う。そして、ユーザは、表示部に表示された指標を参照することにより、ＭＩＭＯ通信装置の配置変更、又は、システムにおけるダイバシチの制御等を行うことができる。

また、特許文献１に開示されたＭＩＭＯ通信システムにおいては、ＭＩＭＯ技術により送信された信号の検出法として、一般にZero-Forcing(ZF)法と呼ばれる方法が想定されている。上記通信状態指標演算回路にてなされるチャネル推定行列の行列式の値の大きさに関する判定に従って、ＭＩＭＯ通信装置の配置変更、又は、システムにおけるダイバシチ制御等を行うことができる。
特開２００６-２１１５６６号公報 特許庁資料 標準技術集 電気平成１6年度 ＭＩＭＯ（Multi Input Multi Output）関連技術

しかしながら、ＭＩＭＯ通信装置に配設されるアンテナ配置によっては、通信相手のアンテナとの位置関係に応じて、ＭＩＭＯ通信の品質劣化が生じる場合がある。この場合、従来のＭＩＭＯ通信システムでは、無線伝搬通信チャネルの状態指標に従って、ユーザがＭＩＭＯ通信装置の配置変更等を行う必要があるため、ユーザの利便性が悪い。また、例えば、ＭＩＭＯ通信装置がラップトップ型ＰＣである場合、載置される場所がデスク上の所定位置に固定化される傾向がある。

また、ＭＩＭＯ通信システムが、例えばオフィス内に設けられたＬＡＮ通信システムに適用される場合などには、アクセスポイント（ＡＰ）とデスクとの位置関係は固定化されている。そのため、配置変更により通信チャネル状態を向上することが困難であり、通信品質が劣化する場合がある。このようにＭＩＭＯ通信装置に配設されるアンテナ配置は、通信品質に関して重要な要素であるが、従来技術では、この点について配慮がなされていない。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、装置の設置位置に関わらず、ＭＩＭＯ通信特性を一定のレベル以上に保つことができるＭＩＭＯ通信装置を提供することを目的とする。

本発明のＭＩＭＯ通信装置は、配設される位置が１つの直線上にある、第１および第２のアンテナ素子と、前記直線上から外れた位置に配設される第３のアンテナ素子と、ＭＩＭＯ変復調手段にて受信信号が復調されることにより得られた情報を表示する表示部を具備する第１の筐体と、前記第３のアンテナ素子が配設される第２の筐体と、を具備し、前記第１および第２のアンテナ素子は、前記表示部の備える表示画面の上側の、前記第１の筐体の上辺部に設けられ、前記第３のアンテナ素子は、前記第２の筐体の周縁部に設けられる、構成を採る。

本発明によれば、装置の設置位置に関わらず、ＭＩＭＯ通信特性を一定のレベル以上に保つことができるＭＩＭＯ通信装置を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、実施の形態において、同一の構成要素には同一の符号を付し、その説明は重複するので省略する。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係るＭＩＭＯ通信装置の構成を示すブロック図である。同図に示すようにＭＩＭＯ通信装置１００は、配設される位置が１つの直線上にある、アンテナ素子１０１−１およびアンテナ素子１０１−２と、その直線上から外れた位置に配設されるアンテナ素子１０２−１およびアンテナ素子１０２−２と、すべてのアンテナ素子（アンテナ素子１０１−１，２、アンテナ素子１０２−１，２）と接続されるＭＩＭＯ変復調部１０５と、を具備する。ＭＩＭＯ通信装置１００は、第１の筐体１０３と、第２の筐体１０４とを具備する。

第１のアンテナ素子１０１−１および第２のアンテナ素子１０１−２は、第１の筐体１０３に配設される。また、第３のアンテナ素子１０２−１および第４のアンテナ素子１０２−２は、第２の筐体１０４に配設される。

ＭＩＭＯ通信装置１００が可搬型パーソナルコンピュータ（ＰＣ）である場合、その可搬型ＰＣの外観は、例えば、図２に示すような外観となる。同図に示すように第１の筐体１０３と、第２の筐体１０４とは、連結部１０７を介して連結されている。同図には、特にノート型ＰＣの場合が示されている。以下では、第１の筐体１０３が上部筐体、第２の筐体１０４が下部筐体と呼ばれることがある。

第１の筐体１０３は、ＭＩＭＯ変復調部１０５にて、復調された受信信号である通信相手側より送信された情報を表示する表示部１０６を具備する。表示部１０６の表示画面には、通信相手側より送信された情報がＰＣのメモリ上にドット展開された後の画像情報が、表示される。そのメモリの座標系と表示画面の座標系（例えば、同図に示すＸＹ座標系）とは、対応づけられている。ＰＣを使用する場合、通常、Ｙ座標が大きな値を持つ側に、表示画像の上部分が表示される。

第１の筐体１０３の上辺部１０８、つまり表示画面の上側には、第１のアンテナ素子１０１−１および第２のアンテナ素子１０１−２が配設されている。別の言い方をすれば、第２の筐体１０４との連結部１０７を、第１の筐体１０３の一端部としたときに、第１の筐体１０３の他端部に、第１のアンテナ素子１０１−１および第２のアンテナ素子１０１−２が配設されている。同図では、特に、上辺部１０８（又は、その他端部）の両端に、第１のアンテナ素子１０１−１および第２のアンテナ素子１０１−２が配設されている。

第２の筐体１０４は、キー操作手段としてのキーボード部１０９を具備する。第２の筐体１０４の周縁部１１０、つまり第２の筐体１０４におけるキーボード部１０９の周りの部分には、第３のアンテナ素子１０２−１および第４のアンテナ素子１０２−２が配設されている。同図では、第３のアンテナ素子１０２−１は、キーボード部１０９の上側の、第２の筐体１０４の上辺部１１１に配設されている。特に、その上辺部１１１の一端付近に、第３のアンテナ素子１０２−１が配設されている。また、第４のアンテナ素子１０２−２は、キーボード部１０９の下側の、第２の筐体１０４の下辺部１１２に配設されている。特に、その下辺部１１２の一端付近に、第４のアンテナ素子１０２−２が配設されている。

図３は、ＭＩＭＯ通信装置１００の構成が詳細に示されたブロック図である。

同図に示すように、ＭＩＭＯ通信装置１００のＭＩＭＯ変復調部１０５は、チャネル処理部３０１と、通信に用いる選択アンテナ素子に応じて、信号の入出力先をチャネル処理部３０４−１〜４の間で切り替える切り替え部３０２と、データ入出力部３０３とを有する。チャネル処理部３０１は、それぞれがアンテナ素子１０１−１，２およびアンテナ素子１０２−１，２と対応する、チャネル処理部３０４−１〜４を有する。

ＭＩＭＯ変復調部１０５は、通信相手側の複数のアンテナと、ＭＩＭＯ通信装置１００に備えられている複数のアンテナ素子のそれぞれとの間の各伝搬路に関する、複数のチャネル推定値を取得する。また、ＭＩＭＯ変復調部１０５は、ＭＩＭＯ通信装置１００に備えられている複数のアンテナ素子から、通信相手側にて通信に使用されているアンテナ数以上の複数のアンテナ素子を順次選択する。このアンテナ素子の選択は、すべての組み合わせについて行われる。

ＭＩＭＯ変復調部１０５は、選択されたアンテナ素子の組み合わせごとに、その組み合わせのアンテナ素子に対応するチャネル推定値からチャネル推定行列を形成し、そのチャネル推定行列の行列式の値を計算する。

例えば、通信相手側が２ストリーム、すなわち２信号系列を２アンテナ素子から送信する場合には、ＭＩＭＯ変復調部１０５は、ＭＩＭＯ通信装置１００の２アンテナ素子より多いアンテナ素子から、任意の２アンテナ素子を選択する。次に、選択した２アンテナ素子毎に２行２列チャネル推定行列を複数計算し、計算された２行２列チャネル推定行列の行列式の値が最大となるアンテナ素子の組み合わせを決定する。次に、行列式の値が最大となるチャネル推定行列と、チャネル推定行列を導出する際に用いたアンテナ素子の受信信号と、を用いてＭＩＭＯ復調する。

なお、ここではＭＩＭＯ復調を、行列値が最大の組み合わせに対して行うとした。しかしながら、行列値が０でない組み合わせであれば、その組み合わせに対するＭＩＭＯ復調は可能である。

次に、上記構成を有するＭＩＭＯ通信装置１００の動作について説明する。特に、ＭＩＭＯ通信装置１００が、無線ＬＡＮ通信機能の搭載された可搬型パーソナルコンピュータ（ＰＣ）である場合を、一例として説明する。

図１および図２に示すように、上部筐体１０３に設置された２つのアンテナ素子１０１−１，２は、上部筐体１０３の上辺部１０８に略一直線上に設けられる。特に、略水平の卓上に、下部筐体１０４を置き、上部筐体１０３を開いた状態で使用する場合について、説明する。つまり、２つのアンテナ素子１０１−１，２は、可搬型パーソナルコンピュータ（ＰＣ）を使用する際、下部筐体１０４における、キーボード部１０９の操作面の反対の面をデスク等に載置するときに、略水平となるような位置に配設される。

これにより、２つのアンテナ素子１０１−１，２が、可搬型ＰＣにおける最も高い位置に設置されることになるので、通信相手であるＡＰとの間の伝搬環境が、見通し内伝搬環境となる確率を高めることができる。また、可搬型ＰＣにおける最も高い位置にアンテナ素子１０１−１，２が配設されることにより、表示部１０６の遮蔽（つまり、表示部１０６の方向への放射の抑圧）による伝搬損失を低減することができる。よって、可搬型ＰＣにおける最も高い位置に、アンテナ素子１０１−１，２が配設される結果として、可搬型パーソナルコンピュータ（ＰＣ）とＡＰとの通信環境が良好となる可能性を高めることができる。

また、複数のアンテナ素子１０１−１，２は、上部筐体１０３において、互いに離れた位置に配設される。複数のアンテナ素子１０１−１，２が、互いに離れた位置に配設されることにより、アンテナ相互相関特性（またはフェージング相関特性）を減少させることができ、その結果としてＭＩＭＯ通信特性を向上することができる。

以上のように、ＭＩＭＯ通信装置１００の上部筐体１０３に、複数のアンテナ素子１０１−１，２が設置されるだけでも、原理的には、ＡＰとＳＴＡであるＭＩＭＯ通信装置１００とが特定な位置関係にある場合を除いて、ＡＰとＭＩＭＯ通信装置１００とのＭＩＭＯ通信は可能である。特に、ＭＩＭＯ通信技術が用いられない従来の無線ＬＡＮにおいては、ダイバシチ効果により受信特性を向上するために、一般的にこのようなアンテナ素子配置がとられる。よって、従来の無線ＬＡＮとの互換性を保証する観点からも、通常、このようなアンテナ素子の配置となる。

ところが、ＡＰとＭＩＭＯ通信装置１００とが特定な位置関係にある場合、複数のアンテナ素子１０１−１，２を用いただけでは、ＡＰとＭＩＭＯ通信装置１００との間のＭＩＭＯ通信が困難となることがある。図４には、ＡＰに配設される２つのアンテナと、ＭＩＭＯ通信装置１００が備える２つのアンテナ素子１０１−１，２との位置関係が示されている。同図には、２つのアンテナ素子１０１−１，２およびＡＰの２つのアンテナの配置位置のすべてを含む面（以下、「アンテナ配置面」と呼ぶことがある）における、その４つのアンテナの位置関係が示されている。ＡＰは、通常、壁面等に設置される。そして、ＡＰが備える複数のアンテナは、水平面上に直線に設置される。一方、可搬型パーソナルコンピュータ（ＰＣ）は、ＡＰからある程度離れたデスク等の水平面に置かれた状態で使用される。一般に、可搬型ＰＣの場合、下部筐体１０４が水平面上に設置される一方、上部筐体１０３は、下部筐体１０４に対して略垂直な状態で、使用される。よって、上述のとおり、アンテナ素子１０１−１，２が、上部筐体１０３の上辺部１０８に略一直線上に設けられる場合、複数のアンテナ素子１０１−１，２も、やはり水平の直線上に配置される。

可搬型ＰＣの使用時の載置場所は、極端に言えば、使用の度にずれる。そのため、図４に示すように、アンテナ素子１０１−１，２が配置される直線とＡＰの２つのアンテナが配置される直線とがアンテナ配置面内で平行である状態で、アンテナ素子１０１−１，２が配置されることは少ない。つまり、アンテナ素子１０１−１，２が配置される直線は、ＡＰの２つのアンテナが配置される直線に対して、任意のアジマス角度θを持っている。このアジマス角度θは、可搬型ＰＣが置かれる状態により、０度から３６０度の間でランダムに変化する。

ここで、ＭＩＭＯ通信システムにおけるチャネル推定値（理論値）に対する、チャネル推定行列の行列式の計算値、及びこの計算値から得られる通信容量値を導出する。

ＳＴＡであるＭＩＭＯ通信装置１００のアンテナ素子１０１−１の配置位置をｙ１、アンテナ素子１０１−２の配置位置をｙ２、両アンテナ素子間の間隔をｄｒとする。また、ＡＰの第１のアンテナ素子４０１の配置位置をｘ１、第２のアンテナ素子４０２の配置位置をｘ２、両アンテナ素子間の間隔をｄｓとする。また、ＭＩＭＯ通信装置１００のアンテナアレイ中心とＡＰのアンテナアレイ中心との距離をｄとする。

このとき各アンテナ間の距離は、幾何学的関係より、以下のようにそれぞれ求められる。

アンテナ素子１０１−１とアンテナ素子４０１のアンテナ間距離Ｌ_１１は、数式（１）により求められる。

アンテナ素子１０１−１とアンテナ素子４０２のアンテナ間距離Ｌ_１２は、数式（２）により求められる。

アンテナ素子１０１−２とアンテナ素子４０１のアンテナ間距離Ｌ_２１は、数式（３）により求められる。

アンテナ素子１０１−２とアンテナ素子４０１のアンテナ間距離Ｌ_２２は、数式（４）により求められる。

これらの関係より、チャネル推定値（理論値）は、式（５）により表される。

ここで、ｋは、ＳＴＡであるＭＩＭＯ通信装置１００のアンテナ番号を表す。ｌは、ＡＰのアンテナ番号を表す。ＭＩＭＯ通信装置１００においては、アンテナ素子１０１−１のアンテナ番号が１であり、アンテナ素子１０１−２のアンテナ番号が２である。ＡＰにおいては、アンテナ素子４０１のアンテナ番号が１であり、アンテナ素子４０２のアンテナ番号が２である。ｃは、光速である。ｆは、周波数を示す。また、Ψｋｌは、数式（６）で求められる値である。

この数式（６）において、ｆは、周波数を示す。ｃは、光速である。λは、波長である。

そして、通信容量Ｃ_ＭＩＭＯは、シャノンの情報理論（上記非特許文献１の１−２項キャパシティ参照）により、数式（７）で表される。

ここで、ＳＮＲは、受信信号対雑音比である。Ｉは、単位行列である。行列ｈは、ｈ_ｋｌを要素とする行列である。ｍ_ｓは、送信アンテナ数を表す。

次に、以上で導出された式を用いて、ＡＰのアンテナとＭＩＭＯ通信装置１００のアンテナとがなす角度θ（図４参照）を変えたときの、チャネル推定行列Ｈの行列式の計算値の変化の様子を見てみる。図５には、ＡＰの２つのアンテナと、ＭＩＭＯ通信装置１００の２つのアンテナ素子との間でＭＩＭＯ通信が行われる場合の、角度θに対するチャネル推定行列Ｈの行列式の計算値が示されている。

図５を見て分かるように、角度θが０度および１８０度において、行列式の値が最大となる。そして、行列式の値は、角度θが０度および１８０度からずれるに従って減少し、９０度および２７０度で０となる。これは、角度θが９０度および２７０度のとき、式（５）により計算されるチャネル推定行列の要素間で、ｈ_１１＝ｈ_１２且つｈ_２１＝ｈ_２２の関係が満たされるからである。

また図６には、ＡＰのアンテナとＭＩＭＯ通信装置１００のアンテナ素子とがなす角度θ（図４参照）を変えたときの、ＭＩＭＯ通信システムの通信容量の変化の様子が示される。ここでは、送信電力一定という条件が適用されている。

図６を見て分かるように、角度θが０度および１８０度でＭＩＭＯ通信システムの通信容量が最大となる。そして、ＭＩＭＯ通信システムの通信容量は、角度θが０度および１８０度からずれるに従って減少し、９０度および２７０度で０となる。すなわち、角度θが９０度と２７０度において、ＡＰとＭＩＭＯ通信装置１００との間のＭＩＭＯ通信が困難な状態になる。また、角度θが９０度，２７０度の近傍においては、受信側の受信電力が十分であっても、所望の通信容量の確保が困難である。

ところで、現在、無線ＬＡＮ規格ＩＥＥＥ８０２．１１ａ、ｂ、ｇに準拠するアクセスポイントには、アンテナ形状が２つの平行に配置されたダイポールアンテナ、モノポールアンテナ、スリーブアンテナ等の垂直偏波アンテナが設けられている。そして、この垂直偏波アンテナによりダイバシチ受信が行われている。ステーション（以下、ＳＴＡと呼ぶことがある）でも、２つのアンテナにてダイバシチ受信が行われている。

ＭＩＭＯ通信技術を適用した無線ＬＡＮにおいても、複数アンテナを備えたＡＰと、複数のアンテナを備えたＳＴＡとの間で無線通信がなされる。そして、チャネル推定行列の行列式が０となる典型的な電波伝搬環境は、ＳＴＡとＡＰ間が見通し伝搬環境であり、且つ、受信側において、どのアンテナ素子を選択しても、選択されたアンテナ素子と、送信側の複数のアンテナのそれぞれとの距離がすべて等しくなる環境である。この環境では、複数のアンテナより送信された複数の通信信号ストリームの振幅、位相は、複数の受信アンテナ素子で等しくなるため、チャネル推定行列の行列式が０となる。

この場合、受信側で複数の通信信号ストリームを復調することは困難である。この理論は、図５に示される現象と一致するものである。一般に、ＡＰに備えられる複数のアンテナ素子から見て、当該複数のアンテナから送信された通信信号ストリームが、受信アンテナ素子で等位相であると見なせるケースとは、複数の送信アンテナ素子を１つのアレイアンテナと見なしたとき、そのアンテナの指向性パターンのピーク方向に、ＳＴＡの受信アンテナ素子が存在するケースである。

すなわち、ＭＩＭＯ通信システムにおいて、複数の通信信号ストリームが独立に送信される場合に、通信容量が向上するためには、アンテナ相関、つまりフェージング相関値が低くなることが要求される。この要求を満たすために、一般的には、複数のアンテナのアンテナ間隔が半波長以上とされ、複数のアンテナが互いに十分に離された状態で設置される。アレイアンテナにおける複数のアンテナのアンテナ間隔が、半波長から十分離された状態では、グレーティングローブが生じる。

従って、アンテナ間隔が増大するに従い、より多くのアレイアンテナ指向性のピークが生じる。このとき、各送信アンテナの出力電力を等しくすると、受信アンテナでの各伝搬電波の振幅も等しくなる。ＳＴＡの複数の受信アンテナ素子の配列が、送信側であるＡＰのアレイアンテナ指向性ピーク方向に一致する場合には、複数の受信アンテナのそれぞれは、複数の送信アンテナのそれぞれとの距離がすべて等しくなる。従って、この場合には、チャネル推定行列の行列式が０となる。

なお、２個以上のアンテナ素子が上部筐体の任意の位置に設置された場合、上部筐体と下部筐体とが、９０度を成す角度で設置されるときには、上記と同様な通信容量の劣化現象が存在する、つまりチャネル推定行列の行列式の値が０となる。

以上では、ＭＩＭＯ通信装置１００のアンテナ素子１０１−１，２と、ＡＰのアンテナ素子４０１，４０２との関係についてのみの考察を行った。しかしながら、ＭＩＭＯ通信装置１００には、アンテナ素子１０１−１，２が配置される１つの直線上から外れる、アンテナ素子１０２−１，２が配設される。こうすることにより、アンテナ素子１０１−１，２の角度θが９０度又は２７０度であっても、通信容量が０にならないアンテナ素子の配置が実現される。このように配置されたアンテナ素子からの出力をＭＩＭＯ変復調部１０５に入力し、ＭＩＭＯ変復調部１０５にて、受信信号の切り替えをすることにより、又は、疑似逆行列を用いた信号分離計算を行うことにより、送信側から送信された送信データを検出することができる。

図３に示されるＭＩＭＯ通信装置１００において、ＭＩＭＯ復調時には、４つアンテナ素子の受信信号がチャネル処理部３０１に入力され、チャネル処理部３０１にてチャネル推定値の計算が行われる。切り替え部３０２は、例えば送信側から２通信ストリームが送信された場合、４つのチャネル処理部３０４−１〜４の出力から任意の２つの出力を選択する。また、切り替え部３０２は、チャネル処理部３０４−１〜４にて計算されたチャネル推定値のうち、選択された出力に対応するチャネル推定値を用いてチャネル推定行列を形成し、そのチャネル推定行列の行列値を計算する。この行列値の計算は、選択される２つの出力を順次変更することにより、その選択の組み合わせのすべてについて行われる。

そのため、ＭＩＭＯ変復調部１０５は、行列値が０でない組み合わせ、又は、行列値が大きい組み合わせを選択することにより、ＭＩＭＯ復調することができる。

図２に示されたＭＩＭＯ通信装置１００のアンテナ素子の配置によれば、ＡＰの位置とＭＩＭＯ通信装置１００の使用位置とが如何なる位置関係にあっても、行列値が０でない上記組み合わせが存在する。この組み合わせについてＭＩＭＯ復調動作を行えば、所望の通信容量が確保される。なお、送信側が３通信ストリームを送信する場合には、ＭＩＭＯ変復調１０４は、任意の３通信チャネル処理部の出力について、行列式の９要素の逆行列計算を行うことにより、上記２ストリームと同様に、ＭＩＭＯ復調処理を行えばよい。

４アンテナ素子に対応するチャネル処理部３０４−１〜４の出力のすべてが用いられる場合、チャネル行列の次元は、送信ストリームが２の場合には次元２、送信ストリームが３の場合には次元３となる。このような場合には、ＭＩＭＯ変復調部１０５は、疑似逆行列を用いてＭＩＭＯ復調処理を行えばよい。本実施の形態のＭＩＭＯ通信装置１００に適用されるアンテナ素子配置によれば、チャネル行列の次元が縮退することがない。そのため、必ず疑似逆行列が求められる。一方、ＭＩＭＯ変調時には、送信信号のストリーム数に応じて、切り替え部３０２が送信に用いられるアンテナ素子を選択する。選択されたアンテナ素子に対応するチャネル処理部３０１では、送信信号にチャネル推定用信号が付加される。

次にＭＩＭＯ通信装置１００のアンテナ素子配置の変形例について説明する。

図７に示すＭＩＭＯ通信装置１００の下部筐体１０４は、アンテナ素子１０２−１のみを有している。そして、アンテナ素子１０２−１は、上部筐体１０３と下部筐体１０４との連結部１０７又はその近辺に配設されている。一般的に、可搬型ＰＣの下部筐体には、キーボードが設置される。そのため下部筐体において、アンテナ素子の設置できる位置は、キーボードの設置される範囲以外となる。図７では、特に、キーボード部１０９と接合部（連結部１０７）との隙間にアンテナ素子１０２−１が設置される。

可搬型ＰＣに関しては、下部筐体１０４の下辺部１１２の両端付近に、ＰＣ使用者の手が置かれた状態で、キーボードが操作されることが多い。よって、キーボード部１０９の下側の、下部筐体１０４の下辺部１１２の両端付近に、アンテナ素子が配設されると、使用者の手が、アンテナ素子を覆うことにより通信品質が劣化する。

そこで、アンテナ素子１０２−１が上部筐体１０３と下部筐体１０４の連結部１０７又はその付近に、すなわちキーボード部１０９の上側の、下部筐体１０４の上辺部１１１に配設されることにより、通信品質の劣化を防止することができる。なお、同じ理由により、図８に示すように、アンテナ素子１０２−１が、キーボード部１０９の下側の、下部筐体１０４の下辺部１１２の中央付近に配設されることにより、通信品質の劣化を防止することができる。

図９は、図８に示されるアンテナ素子配置が採用された場合の、角度θを変化させたときの行列値の変化の様子を示したものである。同図において、曲線１２０１は、上部筐体１０３の２つのアンテナ素子１０１−１，２にて、受信された信号に関する行列式の計算値を示す。曲線１２０２は、上部筐体１０３のアンテナ素子１０１−１，２のうちの１つのアンテナ素子、および下部筐体１０４に設置されたアンテナ素子１０２−１にて、受信された信号に関する行列式の計算値を示す。曲線１２０１は、図５に示された曲線と一致する。すなわち、アジマス角度θが９０度と２７０度であるときに、行列式が０になる。

一方、曲線１２０２では、曲線１２０１と異なる角度θのときに、行列式の値が０になる。すなわち、角度θが如何なる値をとっても、アンテナ素子１０１−１，２にて受信された信号に関する行列式の計算値、および上部筐体１０３のアンテナ素子１０１−１，２のうちの１つのアンテナ素子、および下部筐体１０４に設置されたアンテナ素子１０２−１にて受信された信号に関する行列式の計算値が、同時に０となることはない。つまり、図８に示されたようなアンテナ素子配置とすることにより、行列式の値が０とならない、アンテナ素子の組み合わせが、必ず存在することになる。そのため、ＭＩＭＯ変復調部１０５は、行列値が０でない組み合わせを選択することにより、ＭＩＭＯ復調することができる。そしてＭＩＭＯ通信システムにおいて、所望のＭＩＭＯ通信容量が得られる。

図１０に示すＭＩＭＯ通信装置１００の下部筐体１０４においては、アンテナ素子１０２―１は、上部筐体１０３と下部筐体１０４との連結部１０７又はその近辺に配設されている。アンテナ素子１０２−２は、キーボード部１０９の下側の、下部筐体１０４の下辺部１１２の中央付近に配設に設置される。つまり、図１０に示されるアンテナ素子配置は、図８及び図９のアンテナ素子配置を組み合わせたものとなっている。

下部筐体１０４におけるアンテナ素子配置を図１０のようにすることで、次のような利点がある。上述のとおり、アンテナ素子１０２−１，２の配置位置は、それぞれユーザの手で覆われる可能性が低い。このような複数の位置にそれぞれアンテナ素子を配設することにより、仮にいずれかのアンテナ素子配置位置がユーザの手に覆われていたとしても、その一方のアンテナ素子配置位置が覆われている可能性は低くなる。よって、ユーザの手に覆われていないアンテナ素子が選択されることにより、通信容量に対するユーザの手による影響が排除される。

また、下部筐体１０４における複数のアンテナ素子の配置が、図１０のようにされることで、上部筐体１０３による遮蔽環境が異なる。よって、ＡＰと下部筐体１０４のアンテナ素子１０２−１との間の通信波が、上部筐体１０３により遮蔽されているときでも、下部筐体１０４のアンテナ素子１０２−２は、上部筐体１０３による遮蔽の影響を受けていない可能性が高い。このような場合には、アンテナ素子１０２−２が選択されることにより、通信容量に対する上部筐体１０３による遮蔽の影響が排除される。

具体的には、アンテナ素子１０２―２が使用者の手によって覆われた場合には、アンテナ素子１０２−２の受信電力が小さく検出されるので、切り替え部３０２によってアンテナ素子１０２−２以外のアンテナ素子との組み合わせが選択されることにより、ＭＩＭＯ変復調部１０５はＭＩＭＯ復調を行うことができる。

また、下部筐体１０４のアンテナ素子１０２−１が、表示部１０６等により電波が遮られ、ＡＰから見通し外になった場合には、下部筐体１０４のアンテナ素子１０２−１の受信電力が小さく検出されるので、切り替え部３０２によってアンテナ素子１０２−１以外とのアンテナ素子の組み合わせが選択されることにより、ＭＩＭＯ変復調部１０５はＭＩＭＯ復調を行うことができる。

図１１に示すＭＩＭＯ通信装置１００の下部筐体１０４においては、図７の場合と同様に、下部筐体１０４のアンテナ素子１０２−１は、上部筐体１０３と下部筐体１０４との連結部１０７又はその近辺に配設されている。また、上部筐体１０３においては、図７の場合と異なり、上部筐体１０３のアンテナ素子１０１−１およびアンテナ素子１０１−２が、上部筐体１０３の上辺部１０８の一端および中央に、略一直線上に配設されている。

このようなアンテナ素子配置とすることにより、上部筐体１０３の下部筐体１０４に対する開閉状態、および、ＭＩＭＯ通信装置１００とＡＰとの位置関係がどのような場合でも、上部筐体１０３のアンテナ素子１０１−１，２のＡＰに対するアジマス角度θ、および、下部筐体１０４のアンテナ素子１０２−１と上部筐体１０３のアンテナ素子１０１−１，２のいずれか一方とを結ぶ直線のＡＰに対するアジマス角度θの両方が一致することがない。これにより、上部筐体１０３のアンテナ素子１０１−１，２と下部筐体１０４の１０２−１のアジマス角とが一致することによるＭＩＭＯ通信容量の劣化を軽減することができる。

なお、以上の説明においては、ＡＰが送信を行い、ＭＩＭＯ通信装置１００が受信を行う場合について、つまり、通常、下り回線またはダウンリンクと呼ばれる通信について説明した。上述した例では、ＡＰが２ストリームを２アンテナから送出し、ＰＣが３個以上のアンテナで受信する、下りＭＩＭＯ通信が示されている。

このようなＭＩＭＯ通信は、上り回線（アップリンク）でも実現される。すなわち、ＭＩＭＯ通信装置１００が２アンテナにて２ストリーム送信を行い、ＡＰが３アンテナで受信する。この場合、ＭＩＭＯ変復調部１０５が、ＭＩＭＯ通信装置１００に配設されている３個以上のアンテナに係る組み合わせ（上記例では、この組み合わせは、２つのアンテナからなる。）のうち任意の組み合わせを選択し、当該選択された組み合わせに含まれるアンテナを介して、変調信号を送信すればよい。さらに、ＭＩＭＯ変復調部１０５は、その選択した組み合わせを、例えば、１通信の中では固定化してもよいし、又は、上記したようなアンテナの選択基準に基づいて、送信に用いるアンテナ組み合わせを適応的に変更してもよい。

実施の形態１においては、ＭＩＭＯ通信装置が可搬型ＰＣである場合について説明を行った。しかしながら、ＭＩＭＯ通信装置は、可搬型ＰＣに限定されるものではなく、折り畳み式携帯電話、ラップトップ型ＰＣなどでもよい。

このように本実施の形態によれば、ＭＩＭＯ通信装置１００に、配設される位置が１つの直線上にある、第１および第２のアンテナ素子としてのアンテナ素子１０１−１，２と、その直線上から外れた位置に配設される第３のアンテナ素子としてのアンテナ素子１０２−１又はアンテナ素子１０２−２と、すべてのアンテナ素子と接続されるＭＩＭＯ変復調部１０５と、を設けた。

上記構成より、通信相手に対するＭＩＭＯ通信装置１００の設置位置を、どのようにしても、ＭＩＭＯ通信装置１００と、その通信相手との間の伝搬路におけるチャネル推定行列の行列式が、０でないアンテナ素子の組み合わせが必ず存在する。その結果、装置の設置位置に関わらず、ＭＩＭＯ通信特性を一定のレベル以上に保つことができるＭＩＭＯ通信装置を実現することができる。

また、アンテナ素子１０１−１，２は上部筐体１０３に配設され、且つ、アンテナ素子１０２−１又はアンテナ素子１０２−２、及びＭＩＭＯ変復調部１０５は下部筐体１０４に配設される。

上記構成により、ＭＩＭＯ変復調部１０５が配設される筐体にアンテナ素子が配設されるので、ＭＩＭＯ通信装置１００の通信安定性を向上することができる。すなわち、アンテナ素子１０１−１，２は、ＭＩＭＯ変復調部１０５が配設される筐体と異なる筐体に配設される。

このため、アンテナ素子１０１−１，２とＭＩＭＯ変復調部１０５との接続線は、上部筐体１０３と下部筐体１０４とを跨いで配設されることになる。例えば、ＭＩＭＯ通信装置１００が可搬型ＰＣである場合には、アンテナ素子１０１−１，２とＭＩＭＯ変復調部１０５との接続線は、上部筐体１０３と下部筐体１０４とを連結するヒンジ、蝶番等の内部を通される。このため、その接続線が断たれることも考えられる。

しかし、本実施の形態では、ＭＩＭＯ変復調部１０５が配設される下部筐体１０４にもアンテナ素子１０２が配設される構成である。このアンテナ素子１０２とＭＩＭＯ変復調部１０５との接続線は、アンテナ素子１０１−１，２とＭＩＭＯ変復調部１０５との接続線に比べて、断たれる可能性が低い。

このため、断線により、アンテナ素子１０１−１，２のいずれかが、通信に利用できなくなる場合でも、アンテナ素子１０１−１，２のうち利用可能なものと、下部筐体１０４に設けられたアンテナ素子１０２−１又はアンテナ素子１０２−２と、を利用することにより、ＭＩＭＯ通信を行うことができる。

よって、この場合には、ＭＩＭＯ通信装置１００の通信安定性を更に向上することができる。

なお、アンテナ素子１０１−１，２は、表示部１０６の備える表示画面の上側の、第１の筐体１０３の上辺部１０８に設けられる。

こうすることにより、ＭＩＭＯ通信装置１００を使用する際、ＭＩＭＯ通信装置１００の中で、最も高くなる可能性の高い位置に、アンテナ素子１０１−１，２が設けられる。結果として、通信相手との間の伝搬環境が見通し内伝搬環境となる確率を高めることができる。

また、複数のアンテナ素子１０１−１，２は、上部筐体１０３において、互いに離れた位置に配設される。より好ましくは、複数のアンテナ素子１０１−１，２は、上部筐体１０３の上辺部１０８の両端に配設される。

こうすることにより、アンテナ相互相関特性（またはフェージング相関特性）を減少させることができ、その結果としてＭＩＭＯ通信特性を向上することができる。

また、アンテナ素子１０２−１がキー操作部１０９の操作面の上側の、第２の筐体１０４の上辺部１１１に設けられることにより、使用者の手がアンテナ素子を覆うことにより起こる通信品質の劣化を防止することができる。また、アンテナ素子１０２−１が、第２の筐体１０４の下辺部１１２の中央に設けられることによっても、使用者の手がアンテナ素子を覆うことにより起こる通信品質の劣化を防止することができる。

（実施の形態２）
図１２は、本発明の実施の形態２係るＭＩＭＯ通信装置の構成を示すブロック図である。

同図に示すようにＭＩＭＯ通信装置１３００は、上部筐体１０３でアンテナ素子１０１−１およびアンテナ素子１０１−２が存在する直線上に配設されるアンテナ素子１３０１と、下部筐体１０４に配設されるアンテナ素子１３０２とを有する。実施の形態２では、アンテナ素子１０１−１、アンテナ素子１０１−２およびアンテナ素子１０２は第１の偏波型のアンテナ素子である。アンテナ素子１３０１及びアンテナ素子１３０２は、第１の偏波と異なる第２の偏波型のアンテナ素子である。なお、ＭＩＭＯ変復調部１０５は、ＭＩＭＯ通信装置１００に備えられた、すべてのアンテナ素子と接続されている。

ＭＩＭＯ通信装置１３００が、可搬型パーソナルコンピュータ（ＰＣ）である場合、その可搬型ＰＣの外観は、例えば、図１３に示すような外観となる。

第１の筐体（上部筐体）１０３の上辺部１０８、つまり表示画面の上側には、第１の偏波型の第１のアンテナ素子１０１−１および第２のアンテナ素子１０１−２の他に、第２の偏波型のアンテナ素子１３０１が配設されている。同図では、特に、上辺部１０８の両端に第１のアンテナ素子１０１−１および第２のアンテナ素子１０１−２が配設され、上辺部１０８の中央付近にアンテナ素子１３０１が配設されている。

第２の筐体（下部筐体）１０４の周縁部１１０には、第１の偏波型のアンテナ素子１０２および第２の偏波型のアンテナ素子１３０２が配設されている。同図では、特に、アンテナ素子１３０２は、キーボード部１０９の上側の、第２の筐体１０４の上辺部１１１に配設されている。特に、その上辺部１１１の一端付近に、アンテナ素子１３０２が配設されている。また、アンテナ素子１０２は、キーボード部１０９の下側の、第２の筐体１０４の下辺部１１２に配設されている。特に、その下辺部１１２の一端付近に、アンテナ素子１０２が配設されている。

ところで、例えば、ＡＰが、垂直偏波型の複数のアンテナを用いて、伝搬波を送受信する場合でも、通常無線ＬＡＮを使用する電波伝搬環境では、その伝搬波は、部屋の壁面、床、天井等に反射されることにより、その偏波面が変化する。偏波が異なる伝搬波は、一般的に異なる伝搬路を経由してきたと考えられる。そのため、偏波が異なる伝搬波の伝搬位相は、互いに異なると考えられる。よって、無線ＬＡＮを使用する電波伝搬環境によっては、ＭＩＭＯ通信装置に１種類の偏波型のアンテナ素子のみを設ける場合、反射波等の影響により、ＭＩＭＯ通信の品質が劣化することが考えられる。

これに対して、本実施の形態のＭＩＭＯ通信装置１３００には、第１の偏波型のアンテナ素子である、アンテナ素子１０１−１、アンテナ素子１０１−２およびアンテナ素子１０２の他に、第１の偏波と異なる第２の偏波型のアンテナ素子である、アンテナ素子１３０１及びアンテナ素子１３０２が配設されている。

上記構成により、反射等の影響により、受信側において第１の偏波の受信品質が劣化した場合でも、第１の偏波と異なる第２の偏波のアンテナ素子との組み合わせを選択することにより、ＭＩＭＯ通信の品質劣化を防止することができる。すなわち、ＭＩＭＯ通信装置１３００に、各偏波型に対応する複数のアンテナ素子を設けたことにより、アンテナ素子の組み合わせには、偏波型の異なる組み合わせが存在することになる。

そのため、１つの偏波型の組み合わせに関する行列値が、反射波の影響により０となる場合でも、その他の偏波型の組み合わせに関する行列値は、０とはならない。よって、反射等の影響により、受信側における偏波型が変化する場合でも、所望の通信容量が確保される可能性を高めることができる。

図１３には、第１の偏波型が垂直偏波であり、第２の偏波型が水平偏波である場合が示されているが、この逆でもよい。また、偏波型の組み合わせは、これに限られない。例えば、偏波型の組み合わせとしては、円偏波における、右旋円偏波と左旋円偏波との組み合わせでも、互いに直交する４５度傾き偏波でもよい。

なお、図１２および１３には、第２の偏波型のアンテナ素子が、上部筐体１０３および下部筐体１０４のそれぞれに配設されている場合が示されている。なお、第２の偏波型のアンテナ素子の配置位置は、これに限られるものではなく、第２の偏波型のアンテナ素子は、上部筐体１０３または下部筐体１０４のどちらかだけに配設されてもよい。また、上部筐体１０３、下部筐体１０４のアンテナ素子配置として、実施の形態１に示されたアンテナ素子配置の変形例が用いられることも可能である。

なお、以上の説明においては、ＡＰが送信を行い、ＭＩＭＯ通信装置１３００が受信を行う場合について、つまり、通常、下り回線またはダウンリンクと呼ばれる通信について説明した。上述した例では、ＡＰが２ストリームを２アンテナから送出し、ＰＣが３個以上のアンテナで受信する、下りＭＩＭＯ通信が示されている。

このようなＭＩＭＯ通信は、上り回線（アップリンク）でも実現される。すなわち、ＭＩＭＯ通信装置１００が２アンテナにて２ストリーム送信を行い、ＡＰが３アンテナで受信する。この場合、ＭＩＭＯ変復調部１０５が、ＭＩＭＯ通信装置１００に配設されている３個以上のアンテナに係る組み合わせ（上記例では、この組み合わせは、２つのアンテナからなる。）のうち任意の組み合わせを選択し、当該選択された組み合わせに含まれるアンテナを介して変調信号を送信すればよい。さらに、ＭＩＭＯ変復調部１０５は、その選択した組み合わせを、例えば、１通信の中では固定化してもよいし、又は、上記したようなアンテナの選択基準に基づいて、送信に用いるアンテナ組み合わせを適応的に変更してもよい。

なお、実施の形態２においては、ＭＩＭＯ通信装置が可搬型ＰＣである場合について説明を行った。しかしながら、ＭＩＭＯ通信装置は、可搬型ＰＣに限定されるものではなく、折り畳み式携帯電話、ラップトップ型ＰＣなどでもよい。

このように本実施の形態によれば、ＭＩＭＯ通信装置１３００に、アンテナ素子１０１−１、アンテナ素子１０１−２、およびアンテナ素子１０２の偏波型とは異なる偏波型である複数のアンテナ素子（アンテナ素子１３０１，１３０２）を設けた。

上記構成により、反射等の影響により、第１の偏波の受信品質が劣化した場合でも、第１の偏波と異なる第２の偏波とのアンテナ素子の組み合わせを選択することにより、ＭＩＭＯ通信の品質劣化を防止することができる。

本発明のＭＩＭＯ通信装置は、装置の設置位置に関わらず、ＭＩＭＯ通信特性を一定のレベル以上に保つことができる効果を有し、無線ＬＡＮ機能が搭載される、ラップトップ型ＰＣおよび可搬型ＰＣ、更には、携帯電話、携帯データ端末に適用できるＭＩＭＯ通信装置として有用である。

本発明の実施の形態１に係るＭＩＭＯ通信装置の構成を示すブロック図 実施の形態１に係るＭＩＭＯ通信装置が可搬型パーソナルコンピュータ（ＰＣ）である場合の装置外観が示される図 実施の形態１に係るＭＩＭＯ通信装置の詳細な構成を示すブロック図 ＡＰに配設される２つのアンテナ素子と、ＭＩＭＯ通信装置が備える２つのアンテナ素子との位置関係が示される図 ＡＰのアンテナ素子とＭＩＭＯ通信装置のアンテナ素子とがなす角度θを変えたときの、チャネル推定行列Ｈの行列式の計算値の変化の様子が示される図 ＡＰのアンテナ素子とＭＩＭＯ通信装置のアンテナ素子とがなす角度θを変えたときの、ＭＩＭＯ通信システムの通信容量の変化の様子が示される図 実施の形態１のＭＩＭＯ通信装置のアンテナ素子配置の変形例が示される図 実施の形態１のＭＩＭＯ通信装置のアンテナ素子配置の変形例が示される図 図８に示されるアンテナ素子配置が採用された場合の、角度θを変化させたときの行列値の変化の様子が示される図 実施の形態１のＭＩＭＯ通信装置のアンテナ素子配置の変形例が示される図 実施の形態１のＭＩＭＯ通信装置のアンテナ素子配置の変形例が示される図 実施の形態２係るＭＩＭＯ通信装置の構成を示すブロック図 実施の形態２に係るＭＩＭＯ通信装置が可搬型パーソナルコンピュータ（ＰＣ）である場合の装置外観が示される図 従来のＭＩＭＯ通信装置の構成を示すブロック図

符号の説明

１００，１３００ ＭＩＭＯ通信装置
１０１，１０２，４０１，４０２，１３０１，１３０２ アンテナ素子
１０３ 上部筐体
１０４ 下部筐体
１０５ ＭＩＭＯ変復調部
１０６ 表示部
１０９ キーボード部
３０１ チャネル処理部
３０２ 切り替え部
３０３ データ入出力部

Claims (8)

1. 配設される位置が１つの直線上にある、第１および第２のアンテナ素子と、
   前記直線上から外れた位置に配設される第３のアンテナ素子と、
   ＭＩＭＯ変復調手段にて受信信号が復調されることにより得られた情報を表示する表示部を具備する第１の筐体と、前記第３のアンテナ素子が配設される第２の筐体と、を具備し、
   前記第１および第２のアンテナ素子は、前記表示部の備える表示画面の上側の、前記第１の筐体の上辺部に設けられ、
   前記第３のアンテナ素子は、前記第２の筐体の周縁部に設けられる、
   ＭＩＭＯ通信装置。
2. 前記第１および第２のアンテナ素子は、前記第１の筐体の上辺部の両端に設けられる、
   請求項１に記載のＭＩＭＯ通信装置。
3. 前記第１および第２のアンテナ素子は、前記第１の筐体の上辺部の、中央および一端に設けられる、
   請求項１に記載のＭＩＭＯ通信装置。
4. 前記第２の筐体は、キー操作部を具備し、
   前記第３のアンテナ素子は、前記キー操作部の操作面の上側の、前記第２の筐体の上辺部に設けられる、
   請求項１に記載のＭＩＭＯ通信装置。
5. 前記第２の筐体は、キー操作部を具備し、
   前記第３のアンテナ素子は、前記キー操作部の操作面の下側の、前記第２の筐体の下辺部に設けられる、
   請求項１に記載のＭＩＭＯ通信装置。
6. 前記第３のアンテナ素子は、前記第２の筐体の下辺部の中央に設けられる、
   請求項５に記載のＭＩＭＯ通信装置。
7. 前記第２の筐体の下辺部の中央に設けられる第４のアンテナ素子を具備する請求項４に記載のＭＩＭＯ通信装置。
8. 前記ＭＩＭＯ変復調手段は、前記第１のアンテナ素子、前記第２のアンテナ素子、及び前記第３のアンテナ素子の組み合わせのうち任意の組み合わせを選択し、当該選択した組み合わせに含まれるアンテナ素子を介して変調信号を送信する、
   請求項１に記載のＭＩＭＯ通信装置。

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