(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
アンテナ素子と送信アナログ部と受信アナログ部からなるブランチを３本以上備えたマルチアンテナ構成の無線通信装置であって、
いずれか１つのブランチを基準ブランチに設定する基準ブランチ設定手段と、
基準ブランチから他の各ブランチへ送信する経路のフォワード・ループバック伝達関数を取得するフォワード・ループバック伝達関数取得手段と、
基準ブランチ以外の各ブランチから基準ブランチへ送信する経路のバックワード・ループバック伝達関数を取得するバックワード・ループバック伝達関数取得手段と、
前記のフォワード・ループバック伝達関数及びバックワード・ループバック伝達関数に基づいて、基準ブランチを含む各ブランチにおけるキャリブレーション係数を算出するキャリブレーション係数算出手段と、
基準ブランチについてのキャリブレーション係数に含まれる誤差を補正するキャリブレーション係数補正手段と、
を具備し、
前記キャリブレーション係数補正手段は、
前記キャリブレーション係数算出手段が、複数のブランチの中から１本を第１の基準ブランチに設定して取得したフォワード・ループバック伝達関数及びバックワード・ループバック伝達関数に基づいて、第１の基準ブランチ以外の各ブランチのキャリブレーション係数を算出した後、
さらに前記第１の基準ブランチに設定した以外のブランチの中から第２の基準ブランチを再設定して取得したフォワード・ループバック伝達関数及びバックワード・ループバック伝達関数に基づいて、前記第２の基準ブランチ以外の各ブランチについて２回目のキャリブレーション係数を再算出し、
前記第１の基準ブランチ及び前記第２の基準ブランチのいずれにも設定されなかったブランチについての、最初に得られたキャリブレーション係数から２回目に得られたキャリブレーション係数を割った値を、２回目に得られた前記第１の基準ブランチについてのキャリブレーション係数に乗算して、前記第１の基準ブランチに設定したブランチについてのキャリブレーション係数の補正を行なう、
ことを特徴とする無線通信装置。
【請求項２】
前記の３本以上のブランチを用いて、空間多重を利用して複数の論理的なチャネルを形成したＭＩＭＯ（Ｍｕｌｔｉ  Ｉｎｐｕｔ  Ｍｕｌｔｉ  Ｏｕｔｐｕｔ）通信を行なう、
ことを特徴とする請求項１に記載の無線通信装置。
【請求項３】
前記の３本以上のブランチを用いて、アダプティブ・アレー・アンテナを構成する、
ことを特徴とする請求項１に記載の無線通信装置。
【請求項４】
１次変調方式としてＯＦＤＭ（Ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ：直交周波数分割多重）変調方式を適用する、
ことを特徴とする請求項１に記載の無線通信装置。
【請求項５】
アンテナ素子と送信アナログ部と受信アナログ部からなるブランチを３本以上備えたマルチアンテナ構成の無線通信機におけるアンテナ・キャリブレーション方法であって、
いずれか１つのブランチを第１の基準ブランチに設定して、第１の基準ブランチから他の各ブランチへ送信する経路のフォワード・ループバック伝達関数を取得するとともに、第１の基準ブランチ以外の各ブランチから第１の基準ブランチへ送信する経路のバックワード・ループバック伝達関数を取得する第１のループバック伝達関数取得ステップと、
前記第１のループバック伝達関数取得ステップにおいて得られたループバック伝達関数に基づいて、第１の基準ブランチ以外の各ブランチにおけるキャリブレーション係数を算出する第１のキャリブレーション係数算出ステップと、
第１の基準ブランチ以外のいずれかのブランチを第２の基準ブランチに設定して、第２の基準ブランチから他の各ブランチへ送信する経路のフォワード・ループバック伝達関数を取得するとともに、第２の基準ブランチ以外の各ブランチから第２の基準ブランチへ送信する経路のバックワード・ループバック伝達関数を取得する第２のループバック伝達関数取得ステップと、
前記第２のループバック伝達関数取得ステップにおいて得られたループバック伝達関数に基づいて、第２の基準ブランチを含む各ブランチにおけるキャリブレーション係数を算出する第２のキャリブレーション係数算出ステップと、
前記第１の基準ブランチ及び前記第２の基準ブランチのいずれにも設定されなかったブランチについての、前記第１のキャリブレーション係数算出ステップで得られたキャリブレーション係数から前記第２のキャリブレーション係数算出ステップで得られたキャリブレーション係数を割った値を、前記第２のキャリブレーション係数算出ステップで得られた前記第１の基準ブランチについてのキャリブレーション係数に乗算して、前記第１の基準ブランチに設定したブランチについてのキャリブレーション係数の補正を行なうキャリブレーション係数補正ステップと、
を有することを特徴とするアンテナ・キャリブレーション方法。
【請求項６】
アンテナ素子と送信アナログ部と受信アナログ部からなるブランチを３本以上備えたマルチアンテナ構成の無線通信機におけるアンテナ・キャリブレーション処理をコンピュータ上で実行するようにコンピュータ可読形式で記述されたコンピュータ・プログラムであって、前記コンピュータを、
いずれか１つのブランチを基準ブランチに設定する基準ブランチ設定手段、
基準ブランチから他の各ブランチへ送信する経路のフォワード・ループバック伝達関数を取得するフォワード・ループバック伝達関数取得手段、
基準ブランチ以外の各ブランチから基準ブランチへ送信する経路のバックワード・ループバック伝達関数を取得するバックワード・ループバック伝達関数取得手段、
前記のフォワード・ループバック伝達関数及びバックワード・ループバック伝達関数に基づいて、基準ブランチを含む各ブランチにおけるキャリブレーション係数を算出するキャリブレーション係数算出手段、
基準ブランチについてのキャリブレーション係数に含まれる誤差を補正するキャリブレーション係数補正手段、
として機能させ、
前記キャリブレーション係数補正手段は、
前記キャリブレーション係数算出手段が、複数のブランチの中から１本を第１の基準ブランチに設定して取得したフォワード・ループバック伝達関数及びバックワード・ループバック伝達関数に基づいて、第１の基準ブランチ以外の各ブランチのキャリブレーション係数を算出した後、
さらに前記第１の基準ブランチに設定した以外のブランチの中から第２の基準ブランチを再設定して取得したフォワード・ループバック伝達関数及びバックワード・ループバック伝達関数に基づいて、前記第２の基準ブランチ以外の各ブランチについて２回目のキャリブレーション係数を再算出し、
前記第１の基準ブランチ及び前記第２の基準ブランチのいずれにも設定されなかったブランチについての、最初に得られたキャリブレーション係数から２回目に得られたキャリブレーション係数を割った値を、２回目に得られた前記第１の基準ブランチについてのキャリブレーション係数に乗算して、前記第１の基準ブランチに設定したブランチについてのキャリブレーション係数の補正を行なう、
ことを特徴とするコンピュータ・プログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数のアンテナを備えて高スループットの無線データ伝送を行なう無線通信装置に係り、特に、複数のアンテナの各素子間の特性差を補償するキャリブレーションを行なう無線通信装置、アンテナ・キャリブレーション方法、並びにコンピュータ・プログラムに関する。
【０００２】
さらに詳しくは、本発明は、複数のアンテナを備え、アンテナ全体として持つ指向性パターンが送受信で一致するようにキャリブレーションを行なう無線通信装置、アンテナ・キャリブレーション方法、並びにコンピュータ・プログラムに係り、特に、装置内で補償処理が完結するセルフ・キャリブレーションを行なうことにより、マルチアンテナの送受信時の指向性について可逆性を補償する無線通信装置、アンテナ・キャリブレーション方法、並びにコンピュータ・プログラムに関する。
【背景技術】
【０００３】
旧来の有線通信方式における配線から解放するシステムとして、無線ネットワークが注目されている。無線ネットワークに関する標準的な規格として、ＩＥＥＥ（Ｔｈｅ  Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ  ｏｆ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ  ａｎｄ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ）８０２．１１などを挙げることができる。
【０００４】
例えばＩＥＥＥ８０２．１１ａ／ｇでは、無線ＬＡＮの標準規格として、マルチキャリア方式の１つであるＯＦＤＭ（Ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ ＦｒｅｑｕｅｎｃｙＤｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ：直交周波数分割多重）変調方式が採用されている。ＯＦＤＭ変調方式では、ＯＦＤＭ変調方式によれば、送信データを相互に直交する周波数が設定された複数のキャリアに分配して伝送するので、各キャリアの帯域が狭帯域となり、周波数利用効率が非常に高く、周波数選択性フェージング妨害に強い。
【０００５】
また、ＩＥＥＥ８０２．１１ａの規格では最大で５４Ｍｂｐｓの通信速度を達成する変調方式をサポートしているが、さらなる高ビットレートを実現できる無線規格が求められている。高スループットの無線データ伝送を実現する無線通信技術として、通信機が複数のアンテナを備えるマルチアンテナ技術を挙げることができる。
【０００６】
マルチアンテナ技術の一例として、アダプティブ・アレー・アンテナが広く知られている。これは、各アンテナ素子の利得を制御することで、送受信における適切なアンテナ指向性を得て通信をサポートする方式である。すなわち、各アンテナ素子で受信した信号に対しそれぞれ適当な重み係数を掛け合わせて重み付け合成して、アレー・アンテナ全体としての受信指向性パターンを制御する。また、それぞれの送信信号に各アンテナ素子用の適当な重み係数を掛け合わせた後、それぞれのアンテナ素子から送信することにより、アレー・アンテナ全体としての送信指向性パターンを制御する。
【０００７】
アレー・アンテナには、希望の方向にのみメインローブを向け、希望しない方向には低サイドローブにより不要な電波を放射しないといったセクターアンテナ的な方法と、所望移動局方向にはメインローブを向け、干渉局移動局方向にはヌルを向けＳＩ Ｎ Ｒ（信号対雑音干渉電力比）を改善する方法がある。
【０００８】
また、マルチアンテナを利用した無線通信技術の他の例として、ＭＩＭＯ（Ｍｕｌｔｉ−Ｉｎｐｕｔ  Ｍｕｌｔｉ−Ｏｕｔｐｕｔ）通信が注目を集めている。これは、送信機側と受信機側の双方において複数のアンテナ素子を備え、空間多重した複数のＭＩＭＯチャネルを実現する通信方式である。送信機側では複数のアンテナを用いて送信データを複数のストリームに分配して送出し、受信機は複数のアンテナにより受信した空間信号に信号処理を行なうことによって、ストリーム毎の信号をクロストークなしに取り出す（例えば、特許文献１を参照のこと）。例えば、ＩＥＥＥ８０２．１１ａ／ｎでは、１次変調にＯＦＤＭを用いたＯＦＤＭ＿ＭＩＭＯ方式が採用されている。ＭＩＭＯ通信方式によれば、周波数帯域を増大させることになく、アンテナ本数に応じて伝送容量の拡大を図り、通信速度向上を達成することができる。
【０００９】
ＭＩＭＯ通信の代表的な例として、チャネル関数Ｈの特異値分解（ＳＶＤ：Ｓｉｎｇｕｌａｒ  Ｖａｌｕｅ  Ｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ）を利用したＳＶＤ−ＭＩＭＯ方式が知られている（例えば、非特許文献１を参照のこと）。ＳＶＤ−ＭＩＭＯ伝送では、各アンテナ対に対応するチャネル情報を要素とした数値行列すなわちチャネル情報行列Ｈを特異値分解してＵＤＶHを求め、送信側のアンテナ重み係数行列としてＶを与えるとともに、受信側のアンテナ重み係数行列として（ＵＤ）Hを与える（但し、ＵとＶはユニタリ行列、Ｄは対角行列である）。これによって、それぞれのＭＩＭＯチャネルは、各特異値λiの平方根を対角要素に持つ対角行列Ｄとして表される。すなわち、空間直交多重された論理的に独立した複数の伝送路を実現し、受信機側では元の複数の信号系列を全くクロストークなしに取り出すことができ、理論上は最高のパフォーマンスを達成する。
【００１０】
いずれのマルチアンテナ技術においても、通信機が持つ送受信の指向性パターンが一致することにより、送受信の双方向において同じく希望の方向にメインローブが向けられることとなり、より高いスループットが期待される。送受信の指向性パターンが一致することは「可逆的」とも表現される。例えば、ＭＩＭＯ通信において、送信機から受信機方向へのチャネル行列をＨ_downとし、受信機から送信機へのチャネル行列をＨ_upとすると、可逆性は式Ｈ_up＝Ｈ_downTで表される。
【００１１】
ところが、実際上アダプティブ・アレー・アンテナにおいては、送受信系を構成する各素子の特性や線路長のばらつきなどの原因により可逆性が失われるため、受信時に算出した重み係数をそのまま送信時に使用しても、受信指向性パターンと送信指向性パターンとは一致しない。
【００１２】
このような不可逆性を補償するため、アダプティブ・アレー・アンテナにおいてはあらかじめキャリブレーションと呼ばれる補正値算出処理を行ない、このとき得られた補正値を用いて重み係数を補正することにより、受信指向性パターンと送信指向性パターンとを一致させるようにしている。
【００１３】
また、ＭＩＭＯ通信機においても、デジタル処理部では、空間の伝達関数と装置内のアナログ部の伝達関数を合わせてチャネル行列Ｈとして認識するために、送受信のアナログ部がそれぞれ持つ伝達関数の相違に起因して、可逆性が成り立たなくなってしまう。そこで、通信の前にアナログ部の校正（キャリブレーション）を行なって、可逆性が成り立つようにする必要がある。
【００１４】
アンテナのキャリブレーション方法は、例えば、装置外キャリブレーションと、装置内キャリブレーション（若しくは、セルフ・キャリブレーション）に大別することができる。
【００１５】
装置外キャリブレーションは、アダプティブ・アレー・アンテナ通信装置の他に、キャリブレーション用の送受信装置を用いる。送受信装置は、アダプティブ・フレー・アンテナの各アンテナ素子から送信される基準信号を受信すると、これを再送信する。そして、アダプティブ・アレー・アンテナ通信装置においては、送受信装置から折り返された受信基準信号と元の基準信号を比較して、アンテナ及び伝搬路を含んだ各送受信系の特性のバラツキを検出し、これを補正する。
【００１６】
また、通信装置自らが伝達関数を補償する処理を行なうセルフ・キャリブレーションでは、各送信系において生成した基準信号を受信系に折り返し、受信基準信号と元の基準信号を比較して、アンテナ及び伝搬路を含んだ各送受信系の特性のバラツキを検出し、これを補正する。
【００１７】
装置外キャリブレーションでは、アレー・アンテナ以外にキャリブレーション用のアンテナが必要となることや、伝搬路を介して折り返される基準信号を受信することから、周囲環境や信号対ノイズ比の影響を受け易いという問題がある。そこで、本発明者らは、通信装置内でキャリブレーションが完結するセルフ・キャリブレーションが好ましいと思料する。
【００１８】
例えば、複数のアンテナ素子間を短絡し、複数の送信手段のうちの１つに基準信号を供給することにより当該送信手段に対応するアンテナ素子から他のアンテナ素子に当該基準信号を送信し、アンテナ素子を介して受信した基準信号と、基準信号供給手段から直接供給された基準信号とを比較して受信手段及び送信手段の特性を評価し、当該評価結果に基づいて重み係数を補正するようにしたアダプティブ・アレー・アンテナについて提案がなされている（例えば、特許文献２を参照のこと）。この場合、アンテナ素子を含み、且つ電波伝搬環境の影響を受けない適切なキャリブレーションを行なうことができる。
【００１９】
例えば、３本の送受信ブランチを持つシステムにおいて、ブランチ番号をｉとし、ｉ番目のブランチに属する送信アナログ部の伝達関数をＴｘ（ｉ）、受信アナログ部の伝達関数をＲｘ（ｉ）とし、各ブランチのアンテナの補正値となるキャリブレーション係数をＫ（ｉ）とおくと、キャリブレーションとは、送信アナログ部の伝達関数を補償するように、デジタル処理部で送信信号に補正係数Ｋ（ｉ）を乗算することで、キャリブレーションを実行することができる。そして、下式に示すように、各ブランチの送信アナログ部の伝達関数と受信アナログ部の伝達関数の比が一定であれば、キャリブレーションが完了したことになる。
【００２０】
【数１】
0004696842.tif 000002
【００２１】
セルフ・キャリブレーションでは、マルチアンテナを持つ通信装置内での信号の折り返しによりキャリブレーション係数を求める。折り返し信号から得られるループバック伝達関数を用いてキャリブレーション係数を求める方法について以下に説明する。
【００２２】
送信ブランチｉから受信ブランチｊを経由して得られるループバック伝達関数をＤ（ｉ，ｊ）とする。例えば、０番目の送受信ブランチを基準ブランチに設定してキャリブレーションを行なう場合、下式に示すように、ブランチ０からそれ以外のブランチ１〜２へ送信する経路のループバック伝達関数と、他の各ブランチ１〜２から折り返され、ブランチ０で受信する経路のループバック伝達関数を求めることになる。
【００２３】
【数２】
0004696842.tif 000003
【００２４】
基準ブランチとなるブランチ０におけるキャリブレーション係数Ｋ（０）を基準値すなわち１．０とおくと、各ブランチ０〜２のキャリブレーション係数は以下の通りとなる。
【００２５】
【数３】
0004696842.tif 000004
【００２６】
上式（１）の成否について検算を行なうと、下式に示す通り、各ブランチの送信アナログ部の伝達関数と受信アナログ部の伝達関数の比が一定であるというキャリブレーションの条件を満たすことが分かる。
【００２７】
【数４】
0004696842.tif 000005
【００２８】
０ブランチ目を基準にキャリブレーションを行なっているため、上式（３）に示したように、０ブランチ目のキャリブレーション係数Ｋ（０）は１．０になっている。また、他のブランチ用のキャリブレーション係数Ｋ（ｉ）は、０ブランチ目の｛Ｔｘ（０）／Ｒｘ（０）｝という値が共通に掛けられている値になっている。
【００２９】
セルフ・キャリブレーションの過程で、基準ブランチからそれ以外のブランチへ基準信号を送信するループバックを「フォワード・ループバック」と呼び、その他のブランチから折り返される基準信号を基準ブランチで受信するループバックを「バックワード・ループバック」と呼ぶことにする。
【００３０】
ここで、実際の簡易に構成された通信装置では同期回路にずれがあるということは、当業者には知られている。同期回路のずれにより基準信号をループバックする際の伝達関数が変わる。特に、ＯＦＤＭ変調方式を用いている場合には、サブキャリア毎に同期のタイミングずれによる位相回転量が異なるという性質を持つ。
【００３１】
フォワード・ループバックとバックワード・ループバックの同期のタイミングが微妙に異なる場合、見かけ上のループバック伝達関数は異なって見える。フォワード・ループバック時及びバックワード・ループバック時における同期位置のずれによる伝達関数の変化をそれぞれＦ、Ｂとおくと、見かけ上のフォワード・ループバック伝達関数はＤ（０，１）Ｆ、Ｄ（０，２）Ｆとなり、また、見かけ上のバックワード・ループバック伝達関数はＤ（１，０）Ｂ、Ｄ（２，０）Ｂとなる。
【００３２】
このような場合、上式（３）に示したように、０ブランチを基準ブランチにして、各ブランチについてのキャリブレーション係数を求めると、以下の通りとなる。
【００３３】
【数５】
0004696842.tif 000006
【００３４】
上式から、基準ブランチ以外のブランチ１〜２においては、キャリブレーション係数Ｋ（１）並びにＫ（２）は同期位置のずれによる伝達関数の変化を示す｛Ｆ／Ｂ｝が反映されており、ブランチ１と２の間では送信アナログ部の伝達関数と受信アナログ部の伝達関数の比が一定となり、キャリブレーションの条件を満たす。これに対し、基準ブランチとしてのブランチ０については、そのキャリブレーション係数Ｋ（０）は同期位置のずれによる伝達関数の変化を示す｛Ｆ／Ｂ｝が反映されておらず、言い換えれば、基準ブランチのキャリブレーション係数のみが誤差を持つことになる。
【００３５】
【特許文献１】特開２００２−４４０５１号公報
【特許文献２】特開２００３−１２４７３１号公報
【非特許文献１】ｈｔｔｐ：／／ｒａｄｉｏ３．ｅｅ．ｕｅｃ．ａｃ．ｊｐ／ＭＩＭＯ（ＩＥＩＣＥ＿ＴＳ）.ｐｄｆ（平成１５年１０月２４日現在）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００３６】
本発明の目的は、複数のアンテナを備え、アンテナ全体として持つ指向性パターンが送受信で一致するようにキャリブレーションを好適に行なうことができる、優れた無線通信装置、アンテナ・キャリブレーション方法、並びにコンピュータ・プログラムを提供することにある。
【００３７】
本発明のさらなる目的は、装置内で補償処理が完結するセルフ・キャリブレーションを行なうことにより、マルチアンテナの送受信時の指向性について可逆性を好適に補償することができる、優れた無線通信装置、アンテナ・キャリブレーション方法、並びにコンピュータ・プログラムを提供することにある。
【００３８】
本発明のさらなる目的は、いずれか１つの送受信ブランチを基準ブランチとして、基準ブランチからその他のブランチへ送信する経路のフォワード・ループバック伝達関数と、他の各ブランチから折り返された基準ブランチで受信する経路のバックワード・ループバック伝達関数に基づいて、ブランチ毎の正確なキャリブレーション係数を求めることができる、優れた無線通信装置、アンテナ・キャリブレーション方法、並びにコンピュータ・プログラムを提供することにある。
【００３９】
本発明のさらなる目的は、同期タイミングのずれによりフォワード・ループバック時並びにバックワード・ループバック時それぞれの伝達関数が変化する場合であっても、ループバック伝達関数に基づいてブランチ毎の正確なキャリブレーションを行なうことができる、優れた無線通信装置、アンテナ・キャリブレーション方法、並びにコンピュータ・プログラムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００４０】
本発明は、上記課題を参酌してなされたものであり、その第１の側面は、アンテナ素子と送信アナログ部と受信アナログ部からなるブランチを３本以上備えたマルチアンテナ構成の無線通信装置であって、
いずれか１つのブランチを基準ブランチに設定する基準ブランチ設定手段と、
基準ブランチから他の各ブランチへ送信する経路のフォワード・ループバック伝達関数を取得するフォワード・ループバック伝達関数取得手段と、
基準ブランチ以外の各ブランチから基準ブランチへ送信する経路のバックワード・ループバック伝達関数を取得するバックワード・ループバック伝達関数取得手段と、
前記のフォワード・ループバック伝達関数及びバックワード・ループバック伝達関数に基づいて、基準ブランチを含む各ブランチにおけるキャリブレーション係数を算出するキャリブレーション係数算出手段と、
基準ブランチについてのキャリブレーション係数に含まれる誤差を補正するキャリブレーション係数補正手段と、
を具備することを特徴とする無線通信装置である。
【００４１】
高いスループットの無線通信を実現する１つの手段として、アダプティブ・アレーやＭＩＭＯといったマルチアンテナが知られている。この種のマルチアンテナ通信装置においては、受信指向性パターンと送信指向性パターンとが一致する、すなわち可逆性を補償するためにアンテナ・キャリブレーションが行なわれる。そして、無駄なアンテナ（若しくは付加的な装置の追加）を必要とせず、周囲環境への影響が少ないセルフ・キャリブレーションが好ましいと本発明者らは思料する。
【００４２】
セルフ・キャリブレーションでは、各送信系において生成した基準信号を受信系に折り返し、受信基準信号と元の基準信号を比較して、アンテナ及び伝搬路を含んだ各送受信系の特性のバラツキを検出し、これを補正する。そして、各ブランチの送信アナログ部の伝達関数と受信アナログ部の伝達関数の比が一定であることがキャリブレーションの条件となる。
【００４３】
ところが、簡易に構成された通信装置では、同期回路にずれがあることから、セルフ・キャリブレーションを行なう際に、フォワード・ループバックとバックワード・ループバックの同期のタイミングが微妙に異なるという問題がある。そして、同期タイミングのずれにより、フォワード・ループバックとバックワード・ループバックで見かけ上の伝達関数が変わることから、基準ブランチのキャリブレーション係数のみが誤差を持つという結果を招来する。
【００４４】
他方、上式（５）に示したように、基準ブランチ以外の各ブランチの間では、キャリブレーション係数は同期位置のずれによる伝達関数の変化を反映し、キャリブレーションの条件を満たしている。
【００４５】
そこで、本発明に係る無線通信装置は、まず、複数のブランチの中から１本を基準ブランチに設定して、フォワード・ループバック伝達関数及びバックワード・ループバック伝達関数を求め、これら伝達関数に基づいてブランチ毎のキャリブレーション係数を算出する。ここでは、基準ブランチ以外のブランチについては、キャリブレーションの条件が満たされているが、基準ブランチのキャリブレーション係数は誤差が含まれている。
【００４６】
続いて、最初に基準ブランチに設定した以外のブランチの中から第２の基準ブランチを設定し、同様に、フォワード・ループバック伝達関数及びバックワード・ループバック伝達関数を求め、これら伝達関数に基づいてブランチ毎のキャリブレーション係数を算出する。ここでは、第２の基準ブランチ以外のブランチについては、キャリブレーションの条件が満たされているが、第２の基準ブランチのキャリブレーション係数は誤差が含まれている。
【００４７】
そして、２回目に得られたキャリブレーション係数に基づいて、最初に基準ブランチに設定したブランチについてのキャリブレーション係数を補正して、他のブランチとの間でキャリブレーションの条件が成立するようにする。具体的には、基準ブランチ及び第２の基準ブランチのいずれにも設定されなかったブランチについての、最初に得られたキャリブレーション係数から２回目に得られたキャリブレーション係数を割った値を、２回目に得られた最初の基準ブランチについてのキャリブレーション係数に乗算する。
【００４８】
ここで、無線通信装置は、３本以上のブランチを用いて、空間多重を利用して複数の論理的なチャネルを形成したＭＩＭＯ通信を行なうことができる。あるいは、３本以上のブランチを用いて、アダプティブ・アレー・アンテナを構成することができる。
【００４９】
また、無線通信装置は、１次変調方式としてＯＦＤＭ変調方式を適用してもよい。ＯＦＤＭ変調方式を用いている場合には、サブキャリア毎に同期のタイミングずれによる位相回転量が異なるという性質を持つが、本発明によれば、同期タイミングのずれに伴い伝達関数が変化して、基準ブランチに生じるキャリブレーション係数の誤差を好適に補正することができる。
【００５０】
また、本発明の第２の側面は、アンテナ素子と送信アナログ部と受信アナログ部からなるブランチを３本以上備えたマルチアンテナ構成の無線通信機におけるアンテナ・キャリブレーション処理をコンピュータ・システム上で実行するようにコンピュータ可読形式で記述されたコンピュータ・プログラムであって、前記コンピュータ・システムに対し、
いずれか１つのブランチを第１の基準ブランチに設定して、第１の基準ブランチから他の各ブランチへ送信する経路のフォワード・ループバック伝達関数を取得するとともに、第１の基準ブランチ以外の各ブランチから第１の基準ブランチへ送信する経路のバックワード・ループバック伝達関数を取得する第１のループバック伝達関数取得手順と、
前記第１のループバック伝達関数取得ステップにおいて得られたループバック伝達関数に基づいて、第１の基準ブランチを含む各ブランチにおけるキャリブレーション係数を算出する第１のキャリブレーション係数算出手順と、
第１の基準ブランチ以外のいずれかのブランチを第２の基準ブランチに設定して、第２の基準ブランチから他の各ブランチへ送信する経路のフォワード・ループバック伝達関数を取得するとともに、第２の基準ブランチ以外の各ブランチから第２の基準ブランチへ送信する経路のバックワード・ループバック伝達関数を取得する第２のループバック伝達関数取得手順と、
前記第２のループバック伝達関数取得ステップにおいて得られたループバック伝達関数に基づいて、第２の基準ブランチを含む各ブランチにおけるキャリブレーション係数を算出する第２のキャリブレーション係数算出手順と、
前記第２のキャリブレーション係数算出ステップにおける算出結果に基づいて、前記第１のキャリブレーション係数算出ステップにより算出された第１の基準ブランチについてのキャリブレーション係数が他のブランチとの間でキャリブレーションの条件が成立するように補正するキャリブレーション係数補正手順と、
を実行させることを特徴とするコンピュータ・プログラムである。
【００５１】
本発明の第２の側面に係るコンピュータ・プログラムは、コンピュータ・システム上で所定の処理を実現するようにコンピュータ可読形式で記述されたコンピュータ・プログラムを定義したものである。換言すれば、本発明の第２の側面に係るコンピュータ・プログラムをコンピュータ・システムにインストールすることによって、コンピュータ・システム上では協働的作用が発揮され、本発明の第１の側面に係るマルチアンテナ構成の無線通信装置におけるアンテナ・キャリブレーションを実現することができる。
【発明の効果】
【００５２】
本発明によれば、装置内で補償処理が完結するセルフ・キャリブレーションを行なうことにより、マルチアンテナの送受信時の指向性について可逆性を好適に補償することができる、優れた無線通信装置、アンテナ・キャリブレーション方法、並びにコンピュータ・プログラムを提供することができる。
【００５３】
また、本発明によれば、いずれか１つの送受信ブランチを基準ブランチとして、基準ブランチからその他のブランチへ送信する経路のフォワード・ループバック伝達関数と、他の各ブランチから折り返された基準ブランチで受信する経路のバックワード・ループバック伝達関数に基づいて、各ブランチについての正確なキャリブレーション係数を算出することができる、優れた無線通信装置、アンテナ・キャリブレーション方法、並びにコンピュータ・プログラムを提供することができる。
【００５４】
また、本発明によれば、同期タイミングのずれによりフォワード・ループバック時並びにバックワード・ループバック時それぞれの伝達関数が変化する場合であっても、ループバック伝達関数に基づいて正確なキャリブレーションを行なうことができる、優れた無線通信装置、アンテナ・キャリブレーション方法、並びにコンピュータ・プログラムを提供することができる。
【００５５】
本発明に基づいてマルチアンテナのセルフ・キャリブレーションを行なう場合、基準信号の同期位置に気を使わなくても良くなるので、キャリブレーション係数を簡易に取得することができる。
【００５６】
本発明のさらに他の目的、特徴や利点は、後述する本発明の実施形態や添付する図面に基づくより詳細な説明によって明らかになるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５７】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳解する。
【００５８】
本発明は、３以上の送受信ブランチを備えたマルチアンテナ構成の無線通信装置に関する。マルチアンテナによれば、空間多重を利用して複数の論理的なチャネルを形成したＭＩＭＯ通信を行なったり、アダプティブ・アレー・アンテナを構成したりして、高いスループットの無線通信を実現することができる。但し、データ通信方式自体は本発明の要旨に直接関連しないので、これ以上説明しない。
【００５９】
マルチアンテナ通信装置においては、送受信のアナログ部がそれぞれ持つ伝達関数の相違のために受信指向性パターンと送信指向性パターンの一致、すなわち可逆性が成り立たないことから、可逆性を補償するアンテナ・キャリブレーションを実施する必要がある。本実施形態に係る無線通信装置は、外部の機器に依存せず、装置内でキャリブレーション処理が完結するセルフ・キャリブレーションを適用する。
【００６０】
キャリブレーションとは、送受信アナログ部の伝達関数を補償するように、デジタル処理部で送信信号に補正係数Ｋを乗算する操作により行なわれる。そして、各ブランチの送信アナログ部の伝達関数と受信アナログ部の伝達関数の比が一定であればキャリブレーションが完結したことになる。すなわち、アンテナ番号をｉとし、ｉ番目のアンテナに属する送信アナログ部の伝達関数をＴｘ（ｉ）、受信アナログ部の伝達関数をＲｘ（ｉ）とし、各アンテナの補正値となるキャリブレーション係数をＫ（ｉ）とおいたときに、前述の式（１）が成立することがキャリブレーションの条件である。
【００６１】
セルフ・キャリブレーションでは、マルチアンテナを持つ通信装置内での信号の折り返しから得られるループバック伝達関数によりキャリブレーション係数を求める。具体的には、いずれか１つのブランチを基準ブランチに設定して、基準ブランチから他の各ブランチへ送信する経路のフォワード・ループバック伝達関数、並びに、基準ブランチ以外の各ブランチから基準ブランチへ送信する経路のバックワード・ループバック伝達関数を取得し、これらループバック伝達関数に基づいて基準ブランチを含む各ブランチにおけるキャリブレーション係数を算出する。
【００６２】
図１及び図２には、ブランチ０〜２の３本の送受信ブランチからなる無線通信装置において、フォワード・ループバック並びにバックワード・ループバックを実施する様子をそれぞれ示している。
【００６３】
各ブランチ０〜２は、それぞれ送信アナログ部Ｔｘ０〜１及び受信アナログ部Ｒｘ０〜２を備え、基準信号の送受信タイミングに応じてアンテナ・スイッチ０〜２によりアンテナ０〜２への接続が切り替えられる。また、デジタル部では、各送受信ブランチ０〜２における送受信信号についてのデジタル処理が行なわれる。
【００６４】
各送信アナログ部では、アナログ変換された送信信号をＲＦ処理して適当な周波数帯にアップコンバートしてから、アンテナ・スイッチ経由でアンテナから伝搬路に送出する。例えば、ＭＩＭＯ通信の場合は、それぞれのアンテナから伝搬路に空間多重伝送される。また、各受信アナログ部では、各アンテナで受信した無線信号を、ＲＦ処理してダウンコンバートする。
【００６５】
図１及び図２に示す例では、ブランチ０が基準ブランチに設定されている。すなわち、図１では、ブランチ０のみがアンテナを送信ブランチに接続し、他のブランチ１〜２ではアンテナを受信ブランチに接続し、ブランチ０から送信される基準信号を他のブランチ１〜２で折り返し受信するフォワード・ループバック経路が形成され、デジタル部においてフォワード・ループバック伝達関数を取得する。
【００６６】
また、図２では、ブランチ０のみがアンテナを受信ブランチに接続し、他のブランチ１〜２ではアンテナを送信ブランチに接続し、各ブランチ１〜２から送信される基準信号をブランチ０で折り返し受信するバックワード・ループバック経路が形成され、デジタル部においてバックワード・ループバック伝達関数を取得する。
【００６７】
なお、図１並びに図２に示す例ではループバック信号を得るためにアンテナから基準信号を放出しているが、アンテナ・スイッチの手前にブランチ間で送信アナログ部から受信アナログ部へ折り返すための折り返し器を設けて、アンテナから無線信号を放出することなく、アナログ回路内でループバックを行なうように構成することもできる。
【００６８】
デジタル部では、各送受信ブランチ０〜２における送受信信号についてのデジタル処理が行なわれる。本実施形態では、デジタル処理部は、基準信号の折り返しから得られるフォワード・ループバック伝達関数及びバックワード・ループバック伝達関数を取得し、これら伝達関数からアナログ部の伝達関数を補償するためのブランチ毎のキャリブレーション係数Ｋ（０）〜Ｋ（２）を求める。そして、データ送信時には、各送信ブランチへの送信信号にキャリブレーション係数Ｋ（０）〜Ｋ（２）を乗算することで、可逆性を満たすようにキャリブレーションを実行する。
【００６９】
図３には、デジタル部の内部構成を示している。
【００７０】
デジタル部の受信系統は、ＡＤ変換部と、同期部と、伝達関数取得部と、キャリブレーション係数取得部を備えている。受信アナログ部でダウンコンバートされたベースバンド信号をデジタル信号にＡＤ変換し、さらにデジタル・フィルタリングによる帯域制限した後、パケット発見、同期獲得、周波数オフセット補正などを施す。ＯＦＤＭ伝送方式が適用されている場合には、ＯＦＤＭ復調により、ＦＦＴを行なって時間軸の信号を周波数軸の信号に変換して各サブキャリアについてそれぞれの変調方式に対応した復調を行ない、パラレル／シリアル変換して元のシリアル信号で送られた各受信系列を再生する。また、キャリブレーション処理フェーズにおいて、他のブランチから折り返し受信した基準信号に対して同じ既知信号を乗算して、ブランチ間のフォワード・ループバック並びにバックワード・ループバックの伝達関数を取得する。そして、キャリブレーション係数取得部は、これらループバック伝達関数を用いて、各ブランチのアナログ部のキャリブレーション係数Ｋ（０）〜Ｋ（２）を取得して、キャリブレーション係数乗算部にセットする。
【００７１】
一方、デジタル部の送信系統は、データ生成部及び基準信号生成部と、キャリブレーション係数乗算部と、ＤＡ変換部を備えている。データ生成部は、上位層アプリケーションから供給される送信データをブランチ毎の送信系列に振り分ける。また、基準信号生成部は、キャリブレーション処理フェーズにおいて、ブランチ間で折り返し受信する基準信号を生成する。キャリブレーション係数乗算部は、データ送信フェーズにおいて、各送信ブランチへの送信信号にキャリブレーション係数Ｋ（０）〜Ｋ（２）を乗算することで、キャリブレーションを実行する。また、ＯＦＤＭ伝送方式が適用されている場合には、各送信系列を情報伝送レートより遅いシンボル周期毎にシリアル／パラレル変換して出力される複数のデータを各サブキャリアに割り当ててサブキャリア毎に振幅及び位相の変調を行ない、その複数サブキャリアについて逆ＦＦＴを行なうことで周波数領域に並んだ各サブキャリアの直交性を保持したまま時間軸上に並んだ信号に変換する。そして、デジタル・フィルタリングによる帯域制限、アナログ信号へのＤＡ変換を行なう。
【００７２】
以下では、デジタル部におけるキャリブレーション係数の算出処理について詳解する。
【００７３】
送信ブランチｉから受信ブランチｊを経由して得られるループバック伝達関数をＤ（ｉ，ｊ）とおいた場合、例えば３本の送受信アンテナからなる無線通信装置における各ブランチのキャリブレーション係数は、前述の式（３）のように表される。０ブランチ目を基準にキャリブレーションを行なっているため、０ブランチ目のキャリブレーション係数Ｋ（０）は１．０になっている。また、他のブランチ用のキャリブレーション係数Ｋ（ｉ）は、０ブランチ目の｛Ｔｘ（０）／Ｒｘ（０）｝という値が共通に掛けられている値になる。
【００７４】
ここで、実際の簡易に構成された通信装置では同期回路にずれがあり、これに起因して、基準信号をループバックする際の伝達関数が変わる。特に、ＯＦＤＭ変調方式を用いている場合には、サブキャリア毎に同期のタイミングずれによる位相回転量が異なるという性質を持つ。フォワード・ループバックとバックワード・ループバックの同期のタイミングが微妙に異なる場合、見かけ上のループバック伝達関数は異なって見える。そして、同期位置のずれによりフォワード・ループバック及びバックワード・ループバックの伝達関数が変化すると、キャリブレーション係数に誤差が生じるという問題がある。
【００７５】
フォワード・ループバック時及びバックワード・ループバック時における同期位置のずれによる伝達関数の変化をそれぞれＦ、Ｂとおくと、前述の式（５）で示したように、基準ブランチ以外のブランチ１〜２においては、キャリブレーション係数Ｋ（１）並びにＫ（２）は同期位置のずれによる伝達関数の変化を示す｛Ｆ／Ｂ｝が反映されている。これに対し、基準ブランチとしてのブランチ０については、そのキャリブレーション係数Ｋ（０）は同期位置のずれによる伝達関数の変化を示す｛Ｆ／Ｂ｝が反映されておらず、誤差を持つ。
【００７６】
本実施形態では、基準ブランチ以外の各ブランチの間では、キャリブレーション係数は同期位置のずれによる伝達関数の変化を反映し、キャリブレーションの条件を満たしていることに着目して、基準ブランチにおけるキャリブレーション係数の誤差補正を行なうようにした。
【００７７】
まず、ブランチ０を基準ブランチに設定して、フォワード・ループバック伝達関数及びバックワード・ループバック伝達関数を求め、これら伝達関数に基づいて各ブランチのキャリブレーション係数を算出する。ブランチ０を基準ブランチとして算出されるキャリブレーション係数をそれぞれＫ（０）＿０、Ｋ（１）＿０、Ｋ（２）＿０と表す。ここでは、Ｋ（０）＿０は誤差を持っているが、Ｋ（１）＿０とＫ（２）＿０の相対関係は正しく、キャリブレーションの条件が満たされている。
【００７８】
続いて、ブランチ１を基準ブランチに設定して、フォワード・ループバック伝達関数及びバックワード・ループバック伝達関数を求め、これら伝達関数に基づいて各ブランチのキャリブレーション係数を算出する。ブランチ１を基準ブランチとして算出されるキャリブレーション係数をそれぞれＫ（０）＿１、Ｋ（１）＿１、Ｋ（２）＿１と表す。ここでは、Ｋ（１）＿１は誤差を持っているが、Ｋ（０）＿１とＫ（２）＿１の相対関係は正しく、キャリブレーションの条件が満たされている。
【００７９】
以上の２つの基準アンテナを用いて取得した２組のキャリブレーション係数を、Ｋ（２）が等しくなるように位相回転して、下式に示す最終的なキャリブレーション係数を取得する。
【００８０】
【数６】
0004696842.tif 000007
【００８１】
上式では、ブランチ１〜２については、ブランチ０を基準ブランチに設定して得られたキャリブレーション係数を採用する。また、ブランチ０については、基準ブランチに設定されなかったブランチ２についての、最初に得られたキャリブレーション係数Ｋ（２）＿０から２回目に得られたキャリブレーション係数Ｋ（２）＿１を割った値を、ブランチ０についてのキャリブレーション係数Ｋ（０）＿１に乗算することにより補正している。
【００８２】
ブランチ０を基準ブランチに設定して各ブランチ０〜２のキャリブレーション係数を求めると、以下の通りとなる。但し、フォワード・ループバック時及びバックワード・ループバック時における同期位置のずれによる伝達関数の変化をそれぞれＦ、Ｂとおく。
【００８３】
【数７】
0004696842.tif 000008
【００８４】
また、ブランチ１を基準ブランチに設定して各ブランチ０〜２のキャリブレーション係数を求めると、以下の通りとなる。
【００８５】
【数８】
0004696842.tif 000009
【００８６】
ブランチ１とブランチ２に関しては、ブランチ０を基準ブランチにして算出された以下のキャリブレーション係数をそのまま用いる。
【００８７】
【数９】
0004696842.tif 000010
【００８８】
これに対し、ブランチ０のキャリブレーション係数Ｋ（０）に関しては、下式の通りとなる。これは、２つの基準アンテナを用いて取得した２組のキャリブレーション係数を、Ｋ（２）が等しくなるように位相回転したことに相当する。
【００８９】
【数１０】
0004696842.tif 000011
【００９０】
したがって、上式（６）に示した最終的なキャリブレーション係数は以下のように表される。
【００９１】
【数１１】
0004696842.tif 000012
【００９２】
これを検算すると、下式のようになるから、キャリブレーションの条件が成立することが分かる。
【００９３】
【数１２】
0004696842.tif 000013
【００９４】
本実施形態に係るマルチアンテナ無線通信装置における、アンテナ・キャリブレーション及びデータ送信の動作手順を以下にまとめておく。
【００９５】
ステップ０：ブランチ０を基準ブランチに設定して、ブランチ０から、基準信号を送信する。
【００９６】
ステップ１：ブランチ１とブランチ２でそれぞれフォワード・ループバック伝達関数Ｄ（０，１）Ｆ、Ｄ（０，２）Ｆを取得して、保存する。
【００９７】
ステップ２：ブランチ１から基準信号を送信する。
【００９８】
ステップ３：ブランチ０でバックワード・ループバック伝達関数Ｄ（１，０）Ｂを取得して保存する。
【００９９】
ステップ４：ブランチ２から基準信号を送信する。
【０１００】
ステップ５：ブランチ０でバックワード・ループバック伝達関数Ｄ（２，０）Ｂを取得して保存する。
【０１０１】
ステップ６：ブランチ１を基準ブランチに設定して、ステップ０からステップ５と同じ操作を行なう。この結果、伝達関数Ｄ（１，０）Ｆ、Ｄ（１，２）Ｆ、Ｄ（２，１）Ｂ、Ｄ（０，１）Ｂを取得して保存する。
【０１０２】
ステップ７：ブランチ０を基準ブランチに設定して得られたキャリブレーション係数と、ブランチ１を基準ブランチにして得られたキャリブレーション係数を用いて、上式（６）に従って各ブランチ０〜２についてのキャリブレーション係数を計算する。
【０１０３】
ステップ８：データ送信時に得られたキャリブレーション係数を乗算して送信する。
【産業上の利用可能性】
【０１０４】
以上、特定の実施形態を参照しながら、本発明について詳解してきた。しかしながら、本発明の要旨を逸脱しない範囲で当業者が該実施形態の修正や代用を成し得ることは自明である。すなわち、例示という形態で本発明を開示してきたのであり、本明細書の記載内容を限定的に解釈するべきではない。本発明の要旨を判断するためには、特許請求の範囲を参酌すべきである。
【図面の簡単な説明】
【０１０５】
【図１】図１は、ブランチ０〜２の３本の送受信ブランチからなる無線通信装置においてフォワード・ループバックを実施する様子を示した図である。
【図２】図２は、ブランチ０〜２の３本の送受信ブランチからなる無線通信装置においてバックワード・ループバックを実施する様子を示した図である。
【図３】図３は、デジタル部の内部構成を示した図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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