JP2005191878A5

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Publication number: JP2005191878A5
Application number: JP2003430110A
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Filing date: 2003-12-25
Publication date: 2006-06-22
Anticipated expiration: 2023-12-25

Description

多素子アンテナ用送信装置

本発明は、複数のアンテナ素子を有する送受信機に利用する。特に、各アンテナ素子から異信号を送信する際に、その電力配分を最適化することで信号の品質を改善する多素子アンテナシステム用個別振幅制御装置に利用する。

適応アンテナは、複数のアンテナ素子から送信された信号を複数のアンテナ素子で受信することで、伝搬環境を推定することにより送信された信号を得るアンテナである。以下に、伝達関数を用いて信号を得る方法を示す。

図１０に従来の伝搬環境の推定を行う適応アンテナ装置を示す（例えば、非特許文献１参照）。従来の適応アンテナ装置は、複数の送受信アンテナ素子１４１〜１４Ｎと、送受信切り替え装置（以下では、単に、切り替え装置と記す）１３１〜１３Ｎと、送信機１１０と、受信機１７０とから構成される。

適応アンテナ装置の複数の送信局アンテナ素子１４１〜１４Ｎにおいて送信された信号をＴ₁〜Ｔ_N、受信局において受信される信号をＲ₁〜Ｒ_N、伝達関数行列Ｈの要素Ｈ _ij は送信局のアンテナ素子ｊから受信局のアンテナ素子ｉ間の伝達関数を示し、各受信信号にのるノイズをｎ₁〜ｎ_Nとすると、

と表せる。受信信号に、伝達関数行列の逆行列を乗算すると、送信信号Ｔ₁’〜Ｔ_N’が導出される。

Ｎ₁〜Ｎ_Nは送信信号Ｔ₁〜Ｔ_Nを求める際に加わるノイズで、

と与えられ、ここで行列Ｇは行列Ｈの逆行列である。各アンテナ素子で受信する際に加わるノイズの平均電力がｎ²に等しく、送信信号Ｔ₁〜Ｔ_Nの絶対値が１とすると、ｉ番目の信号に対するＳＮＲ_iは（３）式より

となっている。送信信号Ｔ₁〜Ｔ_Nを解析するためのＳＮＲがそれぞれの信号に対して異なる。したがってＳＮＲが低い信号が存在するとシステム全体としての誤り率が増大するという問題がある。
S.Kurosaki,et al,"A SDM-COFDMScheme Employing a Simple Feed-Forward Inter-Channel Canceller for MIMO BasedBroadband Wireless LANs",IEICE Trans.Commun.,2003

複数のアンテナ素子を用いて複数の信号を送信する送信局において各アンテナ素子に給電する電力量は均一に与えた場合に、伝搬環境により信号毎のＳＮＲにばらつきが生じ、伝送品質を劣化させるという問題があった。

本発明は、この伝送品質の劣化を防ぐためのものであり、伝達関数推定の際、送信局と受信局との間の伝搬環境に応じた電力分配を行うことで複数の送信信号のＳＮＲのばらつきを少なくし、伝送品質を改善することを目的とする。

本発明の第一の観点は、信号受信時に推定される伝搬環境から、相手局に対し所要の伝送品質を満たす電力配分をアンテナ素子に行うことを特徴とする。例えば、あるアンテナ素子から送信される信号に対する受信時のＳＮＲが劣化し、システム全体の伝送品質を下げている場合があるが、このアンテナ素子に配分する電力を上げることにより、システム全体の伝送品質を向上させることができる。

すなわち、本発明は、多素子アンテナシステム用送信装置であって、Ｎ個のアンテナ素子と、このアンテナ素子にそれぞれ接続され、送信信号と受信信号とを切り替えるＮ個の切り替え装置と、この切り替え装置に接続され、受信時に各切り替え装置から出力されるＮ個の信号を入力信号とし、入力信号から伝達関数行列を推定して出力する伝達関数推定手段と、この伝達関数推定手段の出力信号を入力信号とし、Ｎ個の振幅変換装置の重み値を決定する重み値決定手段と、Ｎ個の送信信号を発生させる送信機と、この送信機から発生したＮ個の送信信号をそれぞれ入力信号とし、この入力信号に振幅重み付けを行い、前記切り替え装置に送信信号を出力する前記Ｎ個の振幅変換装置とを備え、前記重み値決定手段は、伝達関数行列に基づき前記Ｎ個の振幅変換装置の重み値をそれぞれ決定する手段を備えた多素子アンテナシステム用送信装置である。

ここで、本発明の特徴とするところは、前記重み値をそれぞれ決定する手段は、推定された伝達関数行列から、各信号のＳｉｇｎａｌ−ｔｏ−ＮｏｉｓｅＲａｓｉｏ（ＳＮＲ）がほぼ等しくなるように前記Ｎ個の振幅変換装置の重みの値をそれぞれ決定するＳＮＲ均等化重み値決定手段を備えたところにある（請求項１）。

例えば、前記ＳＮＲ均等化重み値決定手段は、前記伝達関数推定手段によって推定された伝達関数行列を入力信号とし、伝達関数行列の転置演算を行う転置行列演算手段と、この転置行列演算手段により生成された転置行列を入力信号とし、逆行列演算を行う逆行列演算手段と、この逆行列演算手段により生成された逆行列を入力信号とし、送信電力比を決定し重み値出力手段に出力する送信電力比決定手段と、送信電力を設定する送信電力設定手段と、この送信電力設定手段の出力信号と送信電力比とから重み値を決定しＮ個の前記振幅変換装置に出力する重み値出力手段とを備え、前記送信電力比決定手段は、送信されるＮ個の信号のＳＮＲがほぼ等しくなるように送信電力比を決定する手段を備え、前記重み値出力手段は、前記送信電力設定手段で設定された送信電力となるように重み値を決定する手段を備えることにより実現することができる（請求項２）。

あるいは、本発明の多素子アンテナシステム用送信装置は、Ｎ個のアンテナ素子と、このアンテナ素子にそれぞれ接続され、送信信号と受信信号とを切り替えるＮ個の切り替え装置と、この切り替え装置に接続され、受信時に各切り替え装置から出力されるＮ個の信号を入力信号とし、入力信号から伝達関数行列を推定して出力する伝達関数推定手段と、この伝達関数推定手段の出力信号を入力信号とし、Ｎ個の振幅変換装置の重み値を決定する重み値決定手段と、Ｎ個の送信信号を発生させる送信機と、この送信機から発生したＮ個の送信信号をそれぞれ入力信号とし、この入力信号に振幅重み付けを行い、前記切り替え装置に送信信号を出力する前記Ｎ個の振幅変換装置とを備え、前記重み値決定手段は、伝達関数行列に基づき前記Ｎ個の振幅変換装置の重み値をそれぞれ決定する手段を備えた多素子アンテナシステム用送信装置である。

ここで、本発明の特徴とするところは、前記重み値をそれぞれ決定する手段は、推定された伝達関数行列から、誤り率が最小となるように前記Ｎ個の振幅変換装置の重みの値をそれぞれ決定する誤り率最小化重み値決定手段を備えたところにある（請求項３）。

例えば、前記誤り率最小化重み値決定手段は、前記伝達関数推定手段によって推定された伝達関数行列を入力信号とし、伝達関数行列の転置演算を行う転置行列演算手段と、この転置行列演算手段により生成された転置行列を入力信号とし、逆行列演算を行う逆行列演算手段と、誤り率とＳＮＲとの間に成り立つ関数を設定し、送信電力比決定手段に出力する誤り率関数設定手段と、この誤り率関数設定手段の出力信号と前記逆行列演算手段とにより生成された逆行列を入力信号とし、送信電力比を決定し重み値出力手段に出力する送信電力比決定手段と、送信電力を設定する送信電力設定手段と、この送信電力設定手段の出力信号と送信電力比とから重み値を決定しＮ個の振幅変換装置に出力する重み値出力手段とを備え、前記送信電力比決定手段は、送信される信号の誤り率が最小となるように送信電力比を決定する手段を備え、前記重み値出力手段は、前記送信電力設定手段で設定された送信電力となるように重み値を決定する手段を備えることにより実現することができる（請求項４）。

本発明の第二の観点は、信号受信時に推定される伝搬環境から、受信時に伝送品質が最良となる相手送受信装置のアンテナ素子にかける重みを決定し、送信時に相手送受信装置の重み付け信号を送信し、受信時には振幅制御装置により、この重み付け信号を読み取り、通信相手に対して最適な電力配分を各アンテナ素子に対して行うことを特徴とする。

すなわち、本発明は多素子アンテナシステムの送信装置であって、Ｎ個のアンテナ素子と、このアンテナ素子にそれぞれ接続され、送信信号と受信信号とを切り替えるＮ個の切り替え装置と、この切り替え装置に接続され、受信時に各切り替え装置から出力されるＮ個の信号を入力信号とし、２つの信号にそれぞれ分岐する分岐装置と、この分岐装置により分岐された一方の出力を入力信号とし、入力信号に含まれる相手局の重み値決定手段により決定された重み値を取り出し、各振幅変換装置の重みを決定する振幅制御装置と、前記分岐装置により分岐された他方の出力を入力信号とし、入力信号から推定された伝達関数行列を重み値決定手段に出力し、復号を行う受信機と、この受信機から出力される伝達関数行列を入力信号とし、伝達関数行列から相手局の各振幅変換装置により乗算された重みを算出し、送信機に重み信号を出力する重み値決定手段と、アンテナ数と同数の送信信号を発生させる前記送信機と、この送信機からの信号を入力信号とし、各信号に振幅重み付けを行い、前記切り替え装置の他方のポートへの入力信号を生成する振幅変換装置とを備え、前記重み値決定手段は、送受信装置の間で交互に行われる送受信に伴い推定された伝達関数行列に基づいて決定された相手局の前記Ｎ個の振幅変換装置の重み値を前記送信機へ出力する手段を備え、前記送信機は、相手局への情報信号と重み信号とを出力する手段を備えた多素子アンテナシステム用送信装置である。

ここで、本発明の特徴とするところは、前記重み値決定手段は、前記受信機によって推定された伝達関数行列を入力信号とし、この伝達関数行列から各信号のＳＮＲがほぼ等しくなるように相手局の前記Ｎ個の振幅変換装置の重みを決定するＳＮＲ均等化重み値決定手段を備えたところにある（請求項５）。

例えば、前記ＳＮＲ均等化重み値決定手段は、前記受信機によって推定された伝達関数行列を入力信号とし、伝達関数行列の逆行列演算を行う逆行列演算手段と、この逆行列演算手段により生成された逆行列を入力信号とし、送信電力比を決定し重み値出力手段に出力する送信電力比決定手段と、相手局送信電力を設定する相手局送信電力設定手段と、この相手局送信電力設定手段の出力信号と送信電力比とから相手局の重み値を決定し前記送信機に出力する前記重み値出力手段とを備え、前記送信電力比決定手段は、相手局により送信されるＮ個の信号のＳＮＲがほぼ等しくなるように送信電力比を決定する手段を備え、前記重み値出力手段は、前記相手局送信電力設定手段により設定された送信電力となるように相手局の重み値を決定する手段を備えることにより実現することができる（請求項６）。

あるいは、本発明は、多素子アンテナシステム用送信装置であって、Ｎ個のアンテナ素子と、このアンテナ素子にそれぞれ接続され、送信信号と受信信号とを切り替えるＮ個の切り替え装置と、この切り替え装置に接続され、受信時に各切り替え装置から出力されるＮ個の信号を入力信号とし、２つの信号にそれぞれ分岐する分岐装置と、この分岐装置により分岐された一方の出力を入力信号とし、入力信号に含まれる相手局の重み値決定手段により決定された重み値を取り出し、各振幅変換装置の重みを決定する振幅制御装置と、前記分岐装置により分岐された他方の出力を入力信号とし、入力信号から推定された伝達関数行列を重み値決定手段に出力し、復号を行う受信機と、この受信機から出力される伝達関数行列を入力信号とし、伝達関数行列から相手局の各振幅変換装置により乗算された重みを算出し、送信機に重み信号を出力する重み値決定手段と、アンテナ数と同数の送信信号を発生させる前記送信機と、この送信機からの信号を入力信号とし、各信号に振幅重み付けを行い、前記切り替え装置の他方のポートへの入力信号を生成する振幅変換装置とを備え、前記重み値決定手段は、送受信装置の間で交互に行われる送受信に伴い推定された伝達関数行列に基づいて決定された相手局の前記Ｎ個の振幅変換装置の重み値を前記送信機へ出力する手段を備え、前記送信機は、相手局への情報信号と重み信号とを出力する手段を備えた多素子アンテナシステム用送信装置である。

ここで、本発明の特徴とするところは、前記重み値決定手段は、前記受信機によって推定された伝達関数行列を入力信号とし、この伝達関数行列から誤り率が最小となるように相手局の前記Ｎ個の振幅変換装置の重みを決定する誤り率最小化重み値決定手段を備えたところにある（請求項７）。

例えば、前記誤り率最小化重み値決定手段は、前記受信機によって推定された伝達関数行列を入力信号とし、この伝達関数行列の逆行列演算を行う逆行列演算手段と、誤り率とＳＮＲとの間に成り立つ関数を設定し、送信電力比決定手段に出力する誤り率関数設定手段と、この誤り率関数設定手段の出力信号と前記逆行列演算手段により生成された逆行列とを入力信号とし、送信電力比を決定し重み値出力手段に出力する送信電力比決定手段と、相手局の送信電力を設定する相手局送信電力設定手段と、この相手局送信電力設定手段の出力信号と送信電力比とから相手局の重み値を決定し前記送信機に出力する重み値出力手段とを備え、前記送信電力比決定手段は、相手局から送信される信号の誤り率が最小となるように相手局の送信電力比を決定する手段を備え、前記重み値出力手段は、前記相手局送信電力設定手段で設定された送信電力になるように重み値を決定する手段とを備えることにより実現することができる（請求項８）。

本発明の第三の観点は、上記二つの観点で述べた各アンテナ素子から送信する信号に重みをかけて制御する場合に、所要のＢＥＲ(Bit Error Rate)が定まっているときに、送信アンテナ毎に決定した重みと伝達関数行列からＢＥＲを推定し、所要のＢＥＲが得られる送信アンテナ数を求め、その結果を送信局にフィードバックし、送信アンテナ数を変化させ、送信電力を再分配することを特徴とする。

例えば、所要のＳＮＲが定まっているときには、送信アンテナ毎に決定した重みと伝達関数とからＳＮＲを推定し、所要のＳＮＲが得られる送信アンテナ数を求め、その結果を送信局にフィードバックし、送信アンテナ数を変化させる手段を備えることにより実現することができる（請求項９）。

本発明によれば、複数のアンテナ素子により送信した各信号のＳＮＲのばらつきを少なくし、伝送品質を改善することができる。

（第一実施形態）
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。図１は本発明の実施形態における多素子アンテナシステム用送信装置を示すブロック図である。時分割双方向方式のように上下の伝搬環境が同じとみなせる無線通信システムにおいて、受信時に推定される伝達関数から送信する際に各アンテナの送信電力にかける重みを決定し、伝送品質の改善を行う形態を示している。

図１において符号２１０は送信機、符号２２１〜２２Ｎは振幅変換装置、２３１〜２３Ｎは送受信切り替え装置、２４１〜２４Ｎはアンテナ素子、２５０は伝達関数推定手段、２６０は重み値決定手段である。送信機２１０から出力された信号は振幅変換装置２２１〜２２Ｎに入力され、ｋ番目（１〜Ｎの整数）の信号に対し後述する振幅制御装置によって出力される重みＷｋを乗算され、アンテナ素子２４１〜２４Ｎに出力される。また、アンテナ素子２４１〜２４Ｎにおいて受信された受信信号は送受信切り替え装置２３１〜２３Ｎによって伝達関数推定手段２５０に出力され、伝達関数推定手段では、伝達関数の推定を行い伝達関数行列が重み値決定手段２６０に出力される。上記重み値決定手段において乗算する重みＷ₁〜Ｗ_Nを決定し、振幅変換装置２２１〜２２Ｎに出力する。

振幅変換装置２２１〜２２Ｎにおいて送信信号Ｔ₁〜Ｔ_Nに重みＷ₁〜Ｗ_Nを乗算した信号を送信する際には、システム全体の伝送品質はどのようなものになるかを算出する。

このとき、それぞれの送信信号Ｔ₁〜Ｔ_Nの絶対値が１とすると送信信号に対するＳＮＲ_iは以下のように表せる。

よってｉ番目の信号に対するＳＮＲ_iは重みＷ_iによって決定することができる。

このように送信する信号に対し重み付けをすることで、その伝搬環境で伝送品質が劣化しているアンテナ素子の送信電力を上げることができ、システム全体として誤り率を減少させることができる。本発明の効果を図７および図８を参照して説明する。両者とも♯１〜♯３の３つのアンテナ素子を用いて送信する場合について示してあり、図７は従来の装置によって形成されるビームパターン、図８は本発明の装置によって形成されたビームパターンである。

図７の従来の装置によって形成されたビームパターンでは♯３アンテナ素子の指向性が伝搬経路を向いておらず、受信局において伝送品質が悪くなっている。これに対し、図８に示す本発明の装置によりそれぞれのアンテナ素子に重み付けを行った結果では、伝送品質劣化の原因となっていた♯３アンテナ素子の放射電力の重みを大きくすることで、システム全体の伝送品質を改善している。

以下に伝達関数の具体的な推定方法を示す。上記のような重みを用いた通信を行うことを考え、Ａ局とＢ局において通信を行うものとする。ここで、Ａ局からＢ局への伝達関数行列をＨとし、Ｂ局からＡ局への伝達関数行列をｈと表すこととし、両者の間にはｈ＝Ｈ^Tが成り立っているものとする。この仮定は上り通信と下り通信とで同一環境のときに成立する。Ａ局よりまず既知の信号Ｔ ^A _ijを送信すると、Ｂ局では受信される受信信号Ｒ ^B _ijから伝達関数行列は以下のように算出される。

伝達関数行列Ｈ_ijはＡ局のアンテナ素子♯ｊからＢ局の♯ｉのアンテナ素子間の伝達関数を表している。Ａ局から送信される送信信号Ｔ^A ₁〜Ｔ^A _Nは、受信信号Ｒ^B ₁〜Ｒ^B _Nに伝達関数行列の逆行列を乗算することで求めることができる。

次に、伝達関数を推定する別法について示す。ここで、Ｂ局が送信信号Ｔ^B ₁〜Ｔ^B _NをＡ局に送信する際に、各アンテナ素子から送信される信号に重み付けＷ^B ₁〜Ｗ^B _Nを行うことを考える。このとき上記の計算で得た伝達関数行列Ｈが送信する際にも同じとみなせる場合には、Ｂ局からＡ局への伝達関数行列ｈは、（５）式で得られたＡ局からＢ局への伝達関数行列Ｈを用いて以下のように表せる。

また、この伝達関数行列ｈから逆行列ｇが求められ、（｜ｇ_i1｜²＋｜ｇ_i2｜²＋…＋｜ｇ_iN｜²）の関数となるＷ^B ₁〜Ｗ^B _Nを算出することができる。

まず、既知の信号Ｔ ^B _ijに重みＷ^B ₁〜Ｗ^B _Nを乗算した信号を送信すると、Ａ局では受信信号Ｒ ^A _ijに既知信号Ｔ ^B _ijの逆数を乗算することにより、伝達関数行列は以下のように求められる。

ｈ’は本来の伝達関数ｈに対角行列Ｗを乗算した重み付き伝達関数となっている。さらに、Ｗ^B ₁〜Ｗ^B _NをＡ局に重み信号として送信しておく。

Ｂ局において重み付けを行った送信信号Ｗ^B ₁Ｔ^B ₁〜Ｗ^B _NＴ^B _Nを、Ａ局において受信信号Ｒ^B ₁〜Ｒ^B _Nと伝達関数信号ｈ’の逆行列を用いて解析する。受信信号Ｒ^A ₁〜Ｒ^A _Nは、

と表すことができる。ここで、（１１）式で得られるｈ’の逆行列からＡ局で得られる送受信局からの送信信号Ｔ^B ₁’〜Ｔ^B _N’は以下のように表せる。

行列ｇは伝達関数行列ｈの逆行列である。送信信号Ｔ^B ₁〜Ｔ^B _Nの絶対値が１に等しいとすると、ｉ番目の信号のＳＮＲ_iは

と表され、各信号のＳＮＲを重みＷ_iによって調節できることが示された。

また、Ａ局からＢ局に送信を行うことを考える。このときＡ局から送信する際に用いる重みＷ^A ₁〜Ｗ^A _Nを求める必要がある。重み付き伝達関数行列ｈ’とＢ局の重み値Ｗ^B ₁〜Ｗ^B _NからＡ局からＢ局への伝達関数行列Ｈは以下のように得られる。

よって、伝達関数行列Ｈの逆行列Ｇも同様に得られ、（｜Ｇ_i1｜²＋｜Ｇ_i2｜²＋…＋｜Ｇ_iN｜²）の関数となるＡ局から送信される送信信号Ｔ^A ₁〜Ｔ^A _Nに条算する重みＷ^A ₁〜Ｗ^A _Nを算出することができる。

この実施形態において、各送受信装置の各アンテナ素子平均受信レベルの比が送受でほぼ等しい場合には、Ａ局、Ｂ局間で重みＷ^AおよびＷ^Bをやりとりする必要はなくなる。つまり、伝達関数行列の逆行列Ｇに以下のような関係が成り立つときを考える。

ここで、Ａ局においてＢ局からの送信信号を受信した後、Ｂ局に対し送信信号Ｔ^A ₁〜Ｔ^A _Nを送信する場合でみてみる。

この場合には、Ａ局においてＢ局の重みＷ^B ₁〜Ｗ^B _Nが乗算されている伝達関数行列ｈ’の逆行列から（２４）式のようにＢ局の送信信号Ｔ^B ₁〜Ｔ^B _Nを得ることができる。ただし、送信する際にＡ局の送信信号Ｔ^A ₁〜Ｔ^A _Nにかける重みを計算する際には（２６）式のようにＢ局の重みを用いての補正を行わず、伝達関数行列ｈ’の転置行列Ｈ’の逆行列Ｇ’から求めてもよい。

Ｂ局の重みＷ^B ₁〜Ｗ^B _Nを用いずに、単に重み付き伝達関数行列の転置行列Ｈ’から逆行列Ｇ’を導出し、（｜Ｇ’_i1｜²＋｜Ｇ’_i2｜²＋…＋｜Ｇ’_iN｜²）から導出することになる。このＧとＧ’との間には下式のような関係がある。

このとき、（｜Ｇ_i1｜²＋｜Ｇ_i2｜²＋…＋｜Ｇ_iN｜²）と（｜Ｇ’_i1｜²＋｜Ｇ’_i2｜²＋…＋｜Ｇ’_iN｜²）との関係は、

と表すことができ、重みＷ^B ₁〜Ｗ^B _Nによる補正をしなくても、Ａ局の重みＷ^A ₁〜Ｗ^A _Nを求めることができる。

既知新Ｔ_ijを重みを乗算せずに送信する場合には、ここではＢ局からＡ局に送信するときを考えると、Ｂ局から送信された既知信号Ｔ ^B _ijはＡ局で以下のようにＲ ^A _ijとして得られる。

ここでＴＢ_ijの逆行列を乗算することで、伝達関数行列ｈを得ることができる。ただし、Ｂ局より送信信号に重み付けした信号Ｗ^B ₁Ｔ^B ₁〜Ｗ^B ₁Ｔ^B _Nを送信した場合には、伝達関数行列ｈの逆行列と受信信号Ｒ^A ₁’〜Ｒ^A _N’から送信信号Ｔ^B ₁’〜Ｔ^B _N’を得ることができる。ただし、このＴ^B ₁’〜Ｔ^B _N’は

と表すことができ、Ｂ局において乗算された重みＷ^B ₁〜Ｗ^B _Nにより補正される必要がある。

重み値Ｗ₁〜Ｗ_Nを決定する方法としては例えば誤り率が最小になるように制御する方法や全ＳＮＲがほぼ一定になるように制御する方法が考えられる。また、伝搬環境に応じて各制御方法を切り替える方法も用いることができる
（第二実施形態）
第一実施形態の重み値決定手段の一形態を図面を参照して説明する。図２は本発明の実施形態における多素子アンテナシステム送信装置の重み値決定手段を示すブロック図である。

図２において符号３１０は転置行列演算手段、３２０は逆行列演算手段、３３０は送信電力比決定手段、３４０は送信電力設定手段、３５０は重み値出力手段である。伝達関数推定手段によって推定された伝達関数行列を転置行列演算手段３１０において転置演算を行い、生成された行列に逆行列演算手段３２０において逆行列演算を行い、送信電力比決定手段３３０に出力する。

上記送信電力比決定手段３３０では送信電力比を決定し、重み値出力手段３５０では、送信電力設定手段３４０の出力信号と送信電力比決定手段３３０の出力信号を入力信号とし、各振幅変換装置の重み値を決定してＮ個の振幅変換装置に出力する。

送信電力比決定手段において伝達関数行列の演算結果から各信号のＳＮＲがほぼ等しくなるように送信電力比を決定する。重み値としては以下の式を満たすように制御する。

システムの要求条件によって決定するＣは、例えば送信電力設定手段において設定される送信電力Ｐ_tに対し以下の式が成り立つように決める。

このように制御することによってシステム全体の伝送品質を改善することができる。

すなわち、本発明実施例の多素子アンテナシステム用送信装置は、図１に示すように、Ｎ個のアンテナ素子２４１〜２４Ｎと、このアンテナ素子２４１〜２４Ｎにそれぞれ接続され、送信信号と受信信号とを切り替えるＮ個の切り替え装置２３１〜２３Ｎと、この切り替え装置２３１〜２３Ｎに接続され、受信時に各切り替え装置２３１〜２３Ｎから出力されるＮ個の信号を入力信号とし、入力信号から伝達関数行列を推定して出力する伝達関数推定手段２５０と、この伝達関数推定手段２５０の出力信号を入力信号とし、Ｎ個の振幅変換装置２２１〜２２Ｎの重み値を決定する重み値決定手段２６０と、Ｎ個の送信信号を発生させる送信機２１０と、この送信機２１０から発生したＮ個の送信信号をそれぞれ入力信号とし、この入力信号に振幅重み付けを行い、切り替え装置２３１〜２３Ｎに送信信号を出力するＮ個の振幅変換装置２２１〜２２Ｎとを備え、重み値決定手段２６０は、伝達関数行列に基づきＮ個の振幅変換装置２２１〜２２Ｎの重み値をそれぞれ決定する手段を備えた多素子アンテナシステム用送信装置である。

ここで、本実施例の特徴とするところは、重み値をそれぞれ決定する手段は、推定された伝達関数行列から、各信号のＳｉｇｎａｌ−ｔｏ−ＮｏｉｓｅＲａｓｉｏ（ＳＮＲ）がほぼ等しくなるように前記Ｎ個の振幅変換装置の重みの値をそれぞれ決定するＳＮＲ均等化重み値決定手段を備えたところにある（請求項１）。

例えば、前記ＳＮＲ均等化重み値決定手段は、図２に示すように、伝達関数推定手段２５０によって推定された伝達関数行列を入力信号とし、伝達関数行列の転置演算を行う転置行列演算手段３１０と、この転置行列演算手段３１０により生成された転置行列を入力信号とし、逆行列演算を行う逆行列演算手段３２０と、この逆行列演算手段３２０により生成された逆行列を入力信号とし、送信電力比を決定し重み値出力手段３５０に出力する送信電力比決定手段３３０と、送信電力を設定する送信電力設定手段３４０と、この送信電力設定手段３４０の出力信号と送信電力比とから重み値を決定しＮ個の振幅変換装置２２１〜２２Ｎに出力する重み値出力手段３５０とを備え、送信電力比決定手段３３０は、送信されるＮ個の信号のＳＮＲがほぼ等しくなるように送信電力比を決定する手段を備え、重み値出力手段３５０は、送信電力設定手段３４０で設定された送信電力となるように重み値を決定する手段を備える（請求項２）。

（第三実施形態）
第一実施形態の重み値決定手段の一形態を図面を参照して説明する。図３は本発明の実施形態における多素子アンテナシステム送信装置の重み値決定手段を示すブロック図である。

図３において符号４１０は転置行列演算手段、４２０は逆行列演算手段、４３０は送信電力比決定手段、４４０は送信電力設定手段、４５０は重み値出力手段、４６０は誤り率関数設定手段である。伝達関数推定手段によって推定された伝達関数行列を転置行列演算手段４１０において転置演算を行い、生成された行列に逆行列演算手段４２０において逆行列演算を行い、送信電力比決定手段４３０に出力する。誤り率関数設定手段４６０では信号のＳＮＲと誤り率との間に成り立つ関数を設定し、上記送信電力比決定手段４３０では逆行列演算手段４２０と誤り率関数設定手段４６０の出力信号から送信電力比を決定する。

送信電力設定手段４４０では、送信電力の電力を設定し、重み値出力手段３５０では上記送信電力比決定手段４３０と送信電力設定手段４４０の出力信号から各振幅変換装置の重み値を決定しＮ個の振幅変換装置に出力する。

ＳＮＲと誤り率との間にある関数で決まる関係があるときに、システム全体の誤り率が最小となるように送信電力比決定手段において送信電力比の設定を行い、この送信電力比と送信電力設定手段で設定される送信電力から重み値決定手段において重み値を決定する。つまり誤り率ＢＥＲとＳＮＲとの間に以下のような関係が成り立つときを考える。

このときシステム全体のＢＥＲ_allは以下のように表せる。

このＢＥＲ_allを最小にするような送信電力比を送信電力比決定手段によって決定することで伝送品質を改善する。

上記のような重み値の設定を行うことで誤り率の改善を行ったシミュレーション結果を示す。送信局にダイポールアンテナＡ_t，Ｂ_t、受信局にダイポールアンテナＡ_r，Ｂ_rをそれぞれ具備した送受信系において、送信局および受信局のダイポールアンテナ素子は０．３λの間隔をおいて設置し、その指向性についてはモーメント法を用いて算出した結果を使用した。

ここで、２次元平面での８波伝搬環境を考え、そのうち４波の放出角と、到来角、および経路による位相ずれをランダムに与え、残る４波をダイポールアンテナＡｔの指向性が有利になるように放射角を与え、変調方式ＱＰＳＫにおける誤り率を算出した。（１１）式で表せる誤り率とＳＮＲとの関係はレイリーフェージング環境における遅延波を考えないとして以下の条件を与えた。

このとき（１２）式で表せるシステム全体のＢＥＲ_allが最小となるには重み値
Ｗ₁〜Ｗ_Nを次のように決定すればよい。

上記の重み値を用いて振幅制御を行った際に得られる改善を図９に示した。平均ＳＮＲ３５ｄＢにおいてＢＥＲで約５ｄＢの改善が見られる。

すなわち、本実施例の多素子アンテナシステム用送信装置の前記重み値をそれぞれ決定する手段は、推定された伝達関数行列から、誤り率が最小となるように前記Ｎ個の振幅変換装置の重みの値をそれぞれ決定する誤り率最小化重み値決定手段を備える（請求項３）。

例えば、図３に示すように、前記誤り率最小化重み値決定手段は、伝達関数推定手段２５０によって推定された伝達関数行列を入力信号とし、伝達関数行列の転置演算を行う転置行列演算手段４１０と、この転置行列演算手段４１０により生成された転置行列を入力信号とし、逆行列演算を行う逆行列演算手段４２０と、誤り率とＳＮＲとの間に成り立つ関数を設定し、送信電力比決定手段４３０に出力する誤り率関数設定手段４６０と、この誤り率関数設定手段４６０の出力信号と逆行列演算手段４２０とにより生成された逆行列を入力信号とし、送信電力比を決定し重み値出力手段４５０に出力する送信電力比決定手段４３０と、送信電力を設定する送信電力設定手段４４０と、この送信電力設定手段４４０の出力信号と送信電力比とから重み値を決定しＮ個の振幅変換装置２２１〜２２Ｎに出力する重み値出力手段４５０とを備え、送信電力比決定手段４３０は、送信される信号の誤り率が最小となるように送信電力比を決定する手段を備え、重み値出力手段４５０は、送信電力設定手段４４０で設定された送信電力となるように重み値を決定する手段を備える（請求項４）。

（第四実施形態）
図４は、第四実施形態の装置構成を示す図であり、多素子アンテナ送受信装置を示すブロック図である。受信信号から相手通信局の決定した各アンテナにかける重みを解析し、その重みを用いた送信信号を送信する。また、信号受信時に推定される伝達関数から通信相手局の各アンテナの送信電力にかける重みを決定し、重み信号として送信することで、送受信装置間の伝送品質の改善を行う形態を示している。

図４において符号５１０は送信機、符号５２１〜５２Ｎは振幅変換装置、５３１〜５３Ｎは送受信切り替え装置、５４１〜５４Ｎはアンテナ素子、５５１〜５５Ｎは分岐装置、５６０は振幅制御装置、５７０は受信機、５８０は重み値決定手段である。

送信機５１０からは受信機５７０から出力された重み信号と送信信号とが出力され、振幅変換装置５２１〜５２Ｎでは送信機からの出力信号を入力信号とし、ｋ番目（１〜Ｎの整数）の信号に対し後述する振幅制御装置によって出力される重みＷｋを乗算し、アンテナ素子５４１〜５４Ｎに出力する。また、アンテナ素子５４１〜５４Ｎにおいて受信された受信信号は分岐装置５５１〜５５Ｎにより受信機と振幅制御装置とに分岐される。振幅制御装置では、通信相手より送信された重み信号から送信時にｋ番目の振幅変換装置において乗算する重みＷｋを求め、振幅変換装置に出力する。受信機においては伝達関数を推定し、復号を行うと共に、伝達関数を重み値決定手段に出力する。重み値決定手段では伝達関数から相手送受信装置の振幅変換装置にかける重みを算出し、送信機に出力する。

Ａ局とＢ局との間で通信を行うことを考える。Ａ局よりまず既知の信号Ｔ ^A _ijを送信すると、Ｂ局では受信される受信信号Ｒ ^B _ijから伝達系列行列は以下のように算出される。

Ａ局から送信される送信信号Ｔ^A ₁〜Ｔ^A _Nは、受信信号Ｒ^B ₁〜Ｒ^B _Nに伝達関数行列の逆数を乗算することで求めることができる。このとき、Ｂ局はＡ局の振幅変換装置において乗算する最適な重みＷ^A ₁〜Ｗ^A _Nを、伝達関数行列Ｈの逆行列Ｇから算出することができる。

次にＢ局からＡ局に送信するときには再び既知の信号Ｔ ^B _ijと受信信号Ｒ ^B _ijから伝達関数行列ｈを同様に求める。Ｂ局から送信された送信信号Ｔ^A ₁〜Ｔ^A _Nは伝達関数行列の逆行列を乗算することで求めることができる。ここで、Ｂ局から送信された重み信号から送信信号Ｔ^A ₁〜Ｔ^A _Nに乗算する重みＷ^A ₁〜Ｗ^A _Nを得、また、伝達関数行列ｈからＢ局の送信信号に乗算する最適な重みＷ^B ₁〜Ｗ^B _Nを算出することができる。

再びＡ局から送信を行う際には既知の信号Ｔ ^A _ijを送信した後、送信信号に重みを乗算した信号Ｗ^A ₁Ｔ^A ₁〜Ｗ^A _NＴ^A _Nを送信する。Ｂ局における受信信号Ｒ^B ₁〜Ｒ^B _Nと伝達関数行列ｈの逆行列、およびＡ局の重みＷ^A ₁〜Ｗ^A _Nから、得られる送信信号Ｔ^A ₁’〜Ｔ^A _N’は以下のように表せる。

各送信信号のＳＮＲ_iは次のようになる。

よって第一実施形態と同様に振幅制御を行えることが示された。

（第五実施形態）
第四実施形態の重み値決定手段の一形態を図面を参照して説明する。図５は本発明の実施形態における多素子アンテナシステム送信装置の重み値決定手段を示すブロック図である。

図５において符号６２０は逆行列演算手段、６３０は送信電力比決定手段、６４０は相手局送信電力設定手段、６５０は重み値出力手段である。伝達関数推定手段によって推定された伝達関数行列を逆行列演算手段６２０において逆行列演算を行い、送信電力比決定手段６３０に出力する。上記送信電力比決定手段６３０では送信電力比を決定し、重み値出力手段６５０では、相手局送信電力設定手段６４０の出力信号と送信電力比決定手段６３０の出力信号とを入力信号とし、各振幅変換装置の重み値を決定しＮ個の振幅変換装置に出力する。

送信電力比決定手段において伝達関数行列の演算結果から各信号のＳＮＲがほぼ等しくなるように送信電力比を決定する。このように制御することによってシステム全体の伝送品質を改善することができる。

すなわち、本実施例の多素子アンテナシステム用送信装置は、図４に示すように、Ｎ個のアンテナ素子５４１〜５４Ｎと、このアンテナ素子５４１〜５４Ｎにそれぞれ接続され、送信信号と受信信号とを切り替えるＮ個の切り替え装置５３１〜５３Ｎと、この切り替え装置５３１〜５３Ｎに接続され、受信時に各切り替え装置から出力されるＮ個の信号を入力信号とし、２つの信号にそれぞれ分岐する分岐装置５５１〜５５Ｎと、この分岐装置５５１〜５５Ｎにより分岐された一方の出力を入力信号とし、入力信号に含まれる相手局の重み値決定手段により決定された重み値を取り出し、各振幅変換装置５２１〜５２Ｎの重みを決定する振幅制御装置５６０と、分岐装置５５１〜５５Ｎにより分岐された他方の出力を入力信号とし、入力信号から推定された伝達関数行列を重み値決定手段５８０に出力し、復号を行う受信機５７０と、この受信機５７０から出力される伝達関数行列を入力信号とし、伝達関数行列から相手局の各振幅変換装置により乗算された重みを算出し、送信機５１０に重み信号を出力する重み値決定手段５８０と、アンテナ数と同数の送信信号を発生させる送信機５１０と、この送信機５１０からの信号を入力信号とし、各信号に振幅重み付けを行い、切り替え装置５３１〜５３Ｎの他方のポートへの入力信号を生成する振幅変換装置５２１〜５２Ｎとを備え、重み値決定手段５８０は、送受信装置の間で交互に行われる送受信に伴い推定された伝達関数行列に基づいて決定された相手局のＮ個の振幅変換装置５２１〜５２Ｎの重み値を送信機５１０へ出力する手段を備え、送信機５１０は、相手局への情報信号と重み信号とを出力する手段を備えた多素子アンテナシステム用送信装置である。

ここで、本実施例の特徴とするところは、重み値決定手段５８０は、受信機５７０によって推定された伝達関数行列を入力信号とし、この伝達関数行列から各信号のＳＮＲがほぼ等しくなるように相手局のＮ個の振幅変換装置の重みを決定するＳＮＲ均等化重み値決定手段を備えたところにある（請求項５）。

例えば、前記ＳＮＲ均等化重み値決定手段は、図５に示すように、受信機５７０によって推定された伝達関数行列を入力信号とし、伝達関数行列の逆行列演算を行う逆行列演算手段６２０と、この逆行列演算手段６２０により生成された逆行列を入力信号とし、送信電力比を決定し重み値出力手段６５０に出力する送信電力比決定手段６３０と、相手局送信電力を設定する相手局送信電力設定手段６４０と、この相手局送信電力設定手段６４０の出力信号と送信電力比とから相手局の重み値を決定し送信機５１０に出力する重み値出力手段６５０とを備え、送信電力比決定手段６３０は、相手局により送信されるＮ個の信号のＳＮＲがほぼ等しくなるように送信電力比を決定する手段を備え、重み値出力手段６５０は、相手局送信電力設定手段６４０により設定された送信電力となるように相手局の重み値を決定する手段を備える（請求項６）。

（第六実施形態）
第四実施形態の重み値決定手段の一形態を図面を参照して説明する。図６は本発明の実施形態における多素子アンテナシステム送信装置の重み値決定手段を示すブロック図である。

図６において７２０は逆行列演算手段、７３０は送信電力比決定手段、７４０は相手局送信電力設定手段、７５０は重み値出力手段、７６０は誤り率関数設定手段である。伝達関数推定手段によって推定された伝達関数行列を逆行列演算手段７２０において逆行列演算を行い、送信電力比決定手段７３０に出力する。誤り率関数設定手段７６０では信号のＳＮＲと誤り率との間に成り立つ関数を設定し、上記送信電力比決定手段７３０では逆行列演算手段７２０と誤り率関数設定手段７６０の出力信号から送信電力比を決定する。相手局送信電力設定手段７４０では送信電力の電力を設定し、重み値出力手段７５０では上記送信電力比決定手段７３０と相手局送信電力設定手段７４０の出力信号から各振幅変換装置の重み値を決定しＮ個の振幅変換装置に出力する。

ＳＮＲと誤り率との間にある関数で決まる関係があるときに、システム全体の誤り率が最小となるように送信電力比決定手段において送信電力比を決定することでシステム全体の伝送品質を改善する。

すなわち、本実施例の多素子アンテナシステム用送信装置の前記重み値決定手段５８０は、受信機５７０によって推定された伝達関数行列を入力信号とし、この伝達関数行列から誤り率が最小となるように相手局の前記Ｎ個の振幅変換装置の重みを決定する誤り率最小化重み値決定手段を備える（請求項７）。

例えば、前記誤り率最小化重み値決定手段は、図６に示すように、受信機５７０によって推定された伝達関数行列を入力信号とし、この伝達関数行列の逆行列演算を行う逆行列演算手段７２０と、誤り率とＳＮＲとの間に成り立つ関数を設定し、送信電力比決定手段７３０に出力する誤り率関数設定手段７６０と、この誤り率関数設定手段７６０の出力信号と逆行列演算手段７２０により生成された逆行列とを入力信号とし、送信電力比を決定し重み値出力手段７５０に出力する送信電力比決定手段７３０と、相手局の送信電力を設定する相手局送信電力設定手段７４０と、この相手局送信電力設定手段７４０の出力信号と送信電力比とから相手局の重み値を決定し送信機５１０に出力する重み値出力手段７５０とを備え、送信電力比決定手段７３０は、相手局から送信される信号の誤り率が最小となるように相手局の送信電力比を決定する手段を備え、重み値出力手段７５０は、相手局送信電力設定手段７４０で設定された送信電力になるように重み値を決定する手段とを備える（請求項８）。

（第七実施形態）
以下に送信アンテナ数を環境に応じて変化させる第三の実施形態を示す。各アンテナ素子への出力に重み付けを行う送受信装置において、例えば、所要誤り率などの所要伝送品質が定まっている場合には、送信アンテナ毎に決定した重みと伝達関数行列から伝送品質を推定し、所要伝送品質が得られる送信アンテナ数を求め、その結果を送信局にフィードバックし、送信アンテナ数を変化させ、送信電力を再配分する。このようにすることで、伝送品質が著しく劣化したアンテナを用いないようにすることができるため、伝送品質の改善が可能となる（請求項９）。

本発明によれば、複数のアンテナ素子により送信した各信号のＳＮＲのばらつきを少なくし、伝送品質を改善することができるため、品質の高い通信を実現することができるため、ユーザのサービス品質を向上させ、ユーザ勧誘に寄与することができる。

本発明の実施形態における多素子アンテナシステム用送信装置を示すブロック図（第一実施形態）。本発明の実施形態における多素子アンテナシステム送信装置の重み値決定手段を示すブロック図（第二実施形態）。本発明の実施形態における多素子アンテナシステム送信装置の重み値決定手段を示すブロック図（第三実施形態）。第四実施形態の装置構成を示す図であり、多素子アンテナ送受信装置を示すブロック図。本発明の実施形態における多素子アンテナシステム送信装置の重み値決定手段を示すブロック図（第五実施形態）。本発明の実施形態における多素子アンテナシステム送信装置の重み値決定手段を示すブロック図（第六実施形態）。従来の装置によって形成されるビームパターンを示す図。本発明の装置によって形成されたビームパターンを示す図。本実施例の重み値を用いて振幅制御を行った際に得られる改善を示す図。従来の伝搬環境の推定を行う適応アンテナ装置を示す図。

符号の説明

１１０、２１０、５１０送信機
１７０、５７０受信機
１３１〜１３Ｎ、２３１〜２３Ｎ、５３１〜５３Ｎ（送受信）切り替え装置
１４１〜１４Ｎ、２４１〜２４Ｎ、５４１〜５４Ｎアンテナ素子
２２１〜２２Ｎ、５２１〜５２Ｎ振幅変換装置
２５０伝達関数推定手段
２６０、５８０重み値決定手段
３１０、４１０転置行列演算手段
３２０、４２０、６２０、７２０逆行列演算手段
３３０、４３０、６３０、７３０送信電力比決定手段
３４０、４４０送信電力設定手段
３５０、４５０、６５０、７５０重み値出力手段
４６０、７６０誤り率関数設定手段
５５１〜５５Ｎ分岐装置
５６０振幅制御装置
６４０、７４０相手局送信電力設定手段