JP4384892B2 - 無線通信装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えば、アダプティブアレイアンテナを備えた基地局装置などの無線通信装置に関し、特に、アレイアンテナを構成するアンテナの数が多いような場合においても、高精度なアンテナキャリブレーションを実現する無線通信装置に関する。

例えば、携帯電話システムや簡易型携帯電話システム（ＰＨＳ：Personal Handy phone System）などの移動体無線通信システムでは、複数のアンテナから構成されるアダプティブアレイアンテナを備えた基地局装置により移動局装置との間で無線通信することが行われている。
また、このような基地局装置では、各アンテナにおける送信処理と受信処理との間の誤差や、複数のアンテナにおける送信処理の間の誤差或いは受信処理の間の誤差を補正（キャリブレーション）するために、アンテナのキャリブレーションの処理が行われる（例えば、特許文献１参照。）。

特開２００２−２６１６６８号公報

しかしながら、従来におけるアダプティブアレイアンテナを備えた基地局装置では、例えば、アレイアンテナを構成するアンテナの数が多いような場合には、キャリブレーションの精度が不十分となってしまうといった問題があった。また、例えば、キャリブレーションを行うための信号のレベルを低くして干渉を抑制したいという要求や、キャリブレーション用のアンテナに障害が発生した場合においても運用の続行を可能にしたいという要求があった。

本発明は、このような従来の事情に鑑み為されたもので、例えば、アレイアンテナを構成するアンテナの数が多いような場合においても、高精度なアンテナキャリブレーションを実現することができる無線通信装置を提供することを目的とする。
また、本発明は、例えば、キャリブレーションを行うための信号のレベルを低くして干渉を抑制することが可能な無線通信装置を提供することを目的とする。
また、本発明は、例えば、キャリブレーション用のアンテナに障害が発生した場合においても、運用の続行を可能とすることができる無線通信装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る無線通信装置では、次のような構成として、アンテナを用いて無線により通信する。
すなわち、アンテナ系に関するキャリブレーション処理を実行するために用いられる複数のキャリブレーション用のアンテナを備え、そして、アンテナ系キャリブレーション処理実行手段が、複数のキャリブレーション用のアンテナをアレイアンテナとして用いて、アンテナ系に関するキャリブレーション処理を実行する。

従って、複数のキャリブレーション用のアンテナがアレイアンテナとして用いられて、無線通信用のアンテナの系に関するキャリブレーション処理が実行されるため、高精度なアンテナキャリブレーションを実現することができる。例えば、無線通信用のアレイアンテナを構成するアンテナの数が多いような場合においても、高精度なアンテナキャリブレーションを実現することができる。

また、複数のキャリブレーション用のアンテナがアレイアンテナとして用いられることから受信感度が良好となるため、例えば、キャリブレーションを行うための信号のレベルを低くすることが可能であり、当該信号による干渉を抑制することが可能である。

ここで、無線通信を行うために用いられるアンテナの数としては、特に限定はなく、１つであってもよく、或いは、２以上であってもよい。
また、アンテナ系に関するキャリブレーション処理を実行するために用いられる複数のアンテナの数としては、特に限定はなく、種々な数が用いられてもよい。

また、無線通信としては、例えば、通信相手となる無線通信装置に対して信号を無線により送信することや、通信相手となる無線通信装置から無線により送信された信号を受信することが行われる。
また、アンテナ系に関するキャリブレーション処理としては、種々な処理が用いられてもよく、例えば、無線通信に用いられるアンテナの系の送信や受信や送受信に関する信号振幅の誤差や信号位相の誤差を補正するための処理が用いられる。

また、キャリブレーションを行うための信号としては、種々な信号が用いられてもよく、例えば、無線通信に用いられる無線通信用のアンテナから通信相手に対して無線送信される通信信号が用いられてもよく、或いは、キャリブレーションに専用の信号が用意されて用いられてもよい。キャリブレーションを行うための信号は、例えば、無線通信用のアンテナから無線送信されて、キャリブレーション用のアンテナにより受信される。

また、キャリブレーション用のアンテナや、無線通信用のアンテナについて、それぞれのアンテナとしては、種々なアンテナが用いられてもよい。また、種々なアンテナの配置が用いられてもよい。

本発明に係る無線通信装置では、一構成例として、アンテナ系キャリブレーション処理実行手段は、いずれかのキャリブレーション用のアンテナに関する障害が発生した場合には、障害が発生したキャリブレーション用のアンテナを除外したキャリブレーション用のアンテナを用いてアンテナ系に関するキャリブレーション処理を実行する。

従って、例えば、一部のキャリブレーション用のアンテナに関して障害が発生した場合においても、キャリブレーションの処理を可能とすることができ、これにより、アンテナ系に関するキャリブレーションが為され得る環境において、無線通信用のアンテナによる無線通信の運用を続行することができる。

ここで、キャリブレーション用のアンテナに関する障害が発生した場合としては、任意の数のキャリブレーション用のアンテナに関する障害が発生した場合が用いられてもよく、例えば、１つのキャリブレーション用のアンテナに関して障害が発生した場合や、或いは、当該場合と共に２以上のキャリブレーション用のアンテナに関して障害が発生した場合、などを用いることができる。

また、キャリブレーション用のアンテナに関する障害が発生したことを把握する仕方としては、種々な仕方が用いられてもよく、例えば、キャリブレーション用のアンテナに関する障害が発生したことを検出するキャリブレーション用アンテナ障害発生検出手段を備える構成が用いられてもよく、或いは、外部の装置やユーザなどから特定のキャリブレーション用のアンテナに関する障害が発生したことが入力されるような構成が用いられてもよい。

また、キャリブレーション用のアンテナに関する障害としては、種々なものが用いられてもよく、例えば、キャリブレーション用のアンテナ系の障害が用いられ、具体的には、キャリブレーション用のアンテナの障害や、キャリブレーション用のアンテナ以外の受信回路などの障害が用いられる。
一構成例として、いずれかのアンテナに障害が発生した場合には、その旨を管理側などへ通知する。

本発明に係る無線通信装置では、一構成例として、次のような構成とする。
すなわち、無線通信を行うために用いられる複数の無線通信用のアンテナを備え、そして、無線通信手段が、複数の無線通信用のアンテナをアレイアンテナとして用いて、無線通信を行う。
また、複数の無線通信用のアンテナは、２以上のグループに分けられる。
そして、アンテナ系キャリブレーション処理実行手段は、無線通信用のアンテナについて、各グループ毎に、アンテナ系に関するキャリブレーション処理を実行する。

従って、複数の無線通信用のアンテナを２以上のグループに分けて、各グループ毎にアンテナ系に関するキャリブレーション処理が実行されることにより、アンテナ系に関するキャリブレーションを全体として効率化させることができる。

一例として、それぞれのグループに含まれる無線通信用のアンテナをひとまとめとして共通なキャリブレーション処理を実行することにより、アンテナ系に関するキャリブレーション処理の回数を全体として少なくすることが可能である。
他の例として、それぞれのグループ毎に、グループに含まれる無線通信用のアンテナについて１本ずつ順番に、アンテナ系に関するキャリブレーション処理を実行するような態様を用いることも可能である。

ここで、無線通信用のアンテナに関する２以上のグループの数としては、種々な数が用いられてもよい。
また、それぞれのグループに含まれる無線通信用のアンテナの数としては、特に限定はなく、例えば、全てのグループに２以上の無線通信用のアンテナが含まれてもよく、或いは、１つの無線通信用のアンテナのみを含むグループが１以上存在するような態様が用いられてもよい。

以下で、更に、本発明に係る構成例を示す。
一構成例として、無線通信に用いられる無線通信用のアンテナから無線送信される信号（例えば、通信信号、或いは、キャリブレーション用の信号）を、アンテナ系に関するキャリブレーション処理を実行するために用いられるキャリブレーション用のアンテナにより受信し、当該受信結果に基づいて、アンテナ系に関するキャリブレーション処理を実行する。

一構成例として、無線通信に用いられる複数のアンテナ系に対して１つずつ順番にキャリブレーション処理を実行していく。
一構成例として、複数のキャリブレーション用のアンテナは、アダプティブアレイアンテナとして使用される。
一構成例として、複数の無線通信用のアンテナは、アダプティブアレイアンテナとして使用される。

一構成例として、無線通信手段により通信相手から無線受信する通信信号の周波数（第１周波数）と、無線通信手段により通信相手に対して無線送信する通信信号の周波数（第２周波数）とは異なっている。
ここで、通信相手としては、種々なものが用いられてもよい。一例として、本発明に係る無線通信装置を移動体無線通信システムの基地局装置に適用した場合には、通信相手として移動局装置などを用いることができる。

また、通信相手から無線受信する通信信号や、通信相手に対して無線送信する通信信号としては、それぞれ、種々な信号が用いられてもよい。
また、第１周波数や、第２周波数としては、それぞれ、種々な周波数が用いられてもよい。

一構成例として、それぞれのキャリブレーション用のアンテナ系では、所定周波数成分抽出手段がキャリブレーション用のアンテナにより無線受信される信号から所定の周波数の成分を抽出する。また、アンテナ系キャリブレーション処理実行手段は、複数のキャリブレーション用のアンテナ系について所定周波数成分抽出手段による抽出結果を重み付け合成し、当該重み付け合成結果に基づいてアンテナ系に関するキャリブレーション処理を実行する。

一構成例として、それぞれの無線通信用のアンテナについて、送信系と受信系とで共通のアンテナが共用される。他の構成例として、それぞれの無線通信用のアンテナについて、送信系と受信系とで別個なアンテナが用いられる。

以上説明したように、本発明に係る無線通信装置によると、複数のキャリブレーション用のアンテナをアレイアンテナとして用いて無線通信用のアンテナ系に関するキャリブレーション処理を実行するようにしたため、高精度なアンテナキャリブレーションを実現することができ、例えば、無線通信用のアレイアンテナを構成するアンテナの数が多いような場合においても、高精度なアンテナキャリブレーションを実現することができる。また、本発明によると、例えば、キャリブレーションを行うための信号のレベルを低くして干渉を抑制することを可能とすることができ、また、キャリブレーション用のアンテナに障害が発生した場合においても運用を続行することを可能とすることができる。

本発明に係る一実施例を図面を参照して説明する。
本実施例では、複数であるＮ個の系から構成されたアダプティブアレイアンテナを備えるとともに複数であるＭ個の系から構成されたキャリブレーション用のアダプティブアレイアンテナを備えた移動体無線通信の基地局装置に本発明を適用した場合を示す。また、本実施例では、アンテナの送受信キャリブレーションなどのキャリブレーション処理を行う場合を示す。

図１には、本発明の一実施例に係る基地局装置のアダプティブアレイアンテナに関する部分の構成例を示してある。
本例の基地局装置には、通信相手となる移動局装置などと無線通信を行う処理部として、Ｎ個の系のそれぞれに、アンテナＡ１〜ＡＮと、送受切り替え用のスイッチ（ＳＷ）Ｂ１〜ＢＮと、受信回路（Ｒｘ）Ｃ１〜ＣＮと、Ａ／Ｄ（Analog to Digital）変換器（ＡＤＣ）Ｄ１〜ＤＮと、各アンテナＡ１〜ＡＮの受信信号に対して各アンテナＡ１〜ＡＮの受信ウエイトを乗算するための乗算器Ｅ１〜ＥＮと、送信信号に対して各アンテナＡ１〜ＡＮの送信ウエイトを乗算するための乗算器Ｆ１〜ＦＮと、Ｄ／Ａ（Digital to Analog）変換器（ＤＡＣ）Ｇ１〜ＧＮと、送信回路（Ｔｘ）Ｈ１〜ＨＮが備えられている。

また、本例の基地局装置には、通信相手となる移動局装置などと無線通信を行う処理部として、Ｎ個の系に共通に、受信ウエイト乗算後の各アンテナＡ１〜ＡＮによる受信信号を総和してアダプティブアレイアンテナ全体としての受信信号を取得する加算器１と、当該受信信号に基づいて各アンテナＡ１〜ＡＮの受信ウエイトや各アンテナＡ１〜ＡＮの送信ウエイトを算出することやキャリブレーションの処理を行うウエイト計算・キャリブレーション回路２が備えられている。

また、本例の基地局装置には、アンテナ系のキャリブレーションを行うための処理部として、Ｍ個の系のそれぞれに、アンテナＩ１〜ＩＭと、受信回路（Ｒｘ）Ｊ１〜ＪＭと、Ａ／Ｄ（Analog to Digital）変換器（ＡＤＣ）Ｋ１〜ＫＭと、各アンテナＩ１〜ＩＭの受信信号に対して各アンテナＩ１〜ＩＭの受信ウエイトを乗算するための乗算器Ｌ１〜ＬＭが備えられている。

また、本例の基地局装置には、アンテナ系のキャリブレーションを行うための処理部として、Ｍ個の系に共通に、受信ウエイト乗算後の各アンテナＩ１〜ＩＮによる受信信号を総和してキャリブレーション用のアダプティブアレイアンテナ全体としての受信信号（キャリブレーション受信信号）を取得する加算器１１と、当該受信信号に基づいて各アンテナＩ１〜ＩＮの受信ウエイトの計算などを行うウエイト計算・位相設定回路１２が備えられている。

本例の基地局装置により行われる動作の一例を示す。
なお、通信相手となる移動局装置などと無線通信を行う処理部であるＮ本のアンテナＡ１〜ＡＮの系の動作としては、例えば、一般的な動作を用いることが可能であるため、本例では、アンテナ系のキャリブレーションを行うための処理部であるＭ本のアンテナＩ１〜ＩＭの系の動作について詳しく説明する。

本例の基地局装置では、複数のキャリブレーション用のアンテナ（キャリブレーションアンテナ）Ｉ１〜ＩＭがアレイアンテナを構成しており、キャリブレーションアンテナがＭ本（＃Ｃ１〜＃ＣＭ）ある。
本例では、キャリブレーションアンテナＩ１〜ＩＭは受信専用のアレイアンテナとなっている。
本例では、無線通信用のアレイアンテナＡ１〜ＡＮから無線送信される信号をキャリブレーション用のアレイアンテナＩ１〜ＩＭの系により受信して処理することで、無線通信用のアレイアンテナＡ１〜ＡＮの系に関するキャリブレーション処理を実行する。

キャリブレーション系の各受信回路部Ｊ１〜ＪＭは、無線通信のアンテナパターンに寄与するＮ本の各アンテナＡ１〜ＡＮから１本ずつ順番に既知の振幅と位相で電波を送信したものを、各アンテナＩ１〜ＩＭにより受信処理する。各受信回路部Ｊ１〜ＪＭでは、受信信号に対して、例えば、フィルタなどによる帯域制限や、指定の位相制御を行う。
そして、各キャリブレーションアンテナ系の受信信号は、Ａ／Ｄ変換器Ｋ１〜ＫＭによりアナログ信号からデジタル信号（デジタル値）へ変換される。

ウエイト計算・位相設定回路１２は、キャリブレーション受信信号に基づいて適切なウエイト計算を行い、その結果を反映した各キャリブレーションアンテナ系の受信ウエイトを各乗算器Ｌ１〜ＬＭへ供給する。また、ウエイト計算・位相設定回路１２は、例えば各キャリブレーションアンテナ系の回路に対応して、適切な位相設定を行い、位相の制御情報を各受信回路Ｊ１〜ＪＭに対して出力する。

各キャリブレーションアンテナ系のＡ／Ｄ変換器Ｋ１〜ＫＭによりデジタル値へ変換された受信信号は、各乗算器Ｌ１〜ＬＭにおいて各受信ウエイトが複素乗算されることにより、複素振幅の重み付けがされ、また、適切なレベルに変換制御される。
その後、各乗算器Ｌ１〜ＬＭから出力される受信ウエイト乗算後の受信信号は、加算器（合成器）１１により全てのキャリブレーションアンテナ系について加算（合成）され、当該加算結果がキャリブレーション受信信号として出力される。

本例では、これらのキャリブレーションアンテナ系の回路部は、いわゆる、フェーズドアレイ回路として動作している。
ウエイト計算・位相設定回路１２としては、種々なものから構成されてもよく、例えば、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）やＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）などのように、デジタル信号処理を容易に実現することができるようなものを用いて構成するのが好ましい。

上述のように、ウエイト計算・位相設定回路１２では、キャリブレーションアンテナのアンテナパターンの計算や、振幅ウエイトの計算或いは位相ウエイトの計算や、キャリブレーション用のアレイ系列（アンテナＩ１〜ＩＭ）までの位相設定値の計算を行う。なお、本例では、各受信回路Ｊ１〜ＪＭにおいてアナログ受信信号の位相の制御を行う構成としたが、他の構成例として、デジタル信号処理で位相制御を行う構成とすることも可能である。

このように、本例の基地局装置では、無線通信のアンテナパターンに寄与しないアレイ素子数がＭ（Ｍは２以上の自然数）である同一のアレイ系統（＃Ｃ１〜＃ＣＭ）を有しており、これらのアレイ系統がキャリブレーションを行うためのアレイアンテナとして機能する。
ここで、本例の基地局装置では、アレイ素子数Ｍにおける全ての位相・振幅におけるアンテナパターンを考慮した上で、無線通信の放射に寄与するＮ（Ｎは２以上の自然数）本のアレイ素子から受信する電波の位相や振幅の絶対量の情報を事前に把握しており、このような情報のテーブルに基づいてウエイト計算・位相設定回路１２を動作させている。

また、キャリブレーションのタイミングとしては、本例のようにＮ本のアンテナＡ１〜ＡＮから通信用アレイアンテナが構成される基地局装置の場合には、例えば、第１のアンテナＡ１から第ＮのアンテナＡＮまで順番にキャリブレーションをすることとし、また、キャリブレーションを行うことが許容されたフレームで順番に各アンテナＡ１〜ＡＮ毎にキャリブレーションを行う。

具体的には、１回のキャリブレーションでは、無線通信の放射に寄与するアレイアンテナＡ１〜ＡＮのうちの１つのアンテナから既知の振幅と既知の位相で微弱な電波にて信号を無線送信し、当該信号をＭ本のアンテナＩ１〜ＩＭから成るキャリブレーション用のアレイアンテナで受信する。また、全てのアレイ系＃１〜＃Ｎのキャリブレーションが終了した後には、例えば、継続してキャリブレーションを行う態様が用いられてもよく、或いは、任意の時間間隔で定期的にキャリブレーションを行う態様が用いられてもよい。

また、本例の基地局装置のシステムでは、例えば、キャリブレーション用のアレイ系統＃Ｃ１〜＃ＣＭのうちの１つのアンテナ或いは複数のアンテナ又はそれらの装置に障害が発生したようなときには、このことが例えばキャリブレーション受信信号から判断される。そして、このような障害が発生したときには、キャリブレーション系において、各障害が発生したアレイ系統を除く各アレイ系統でアンテナビームを形成して、運用を継続することが可能である。また、このような障害が発生したときに、当該障害に関する情報を管理センタなどへ通知する構成とすることも可能である。

ここで、アレイアンテナを構成する１以上のアンテナに障害が発生して、アレイアンテナを構成するアンテナの総数が変化した場合には、通常、制御の方法を変化させることが必要となる。このため、例えば、予めアレイアンテナを構成するアンテナの一部が欠けた場合のアルゴリズムを用意する。

具体的には、キャリブレーション系について、Ｍ本のアンテナがアレイアンテナとして動作する場合のアルゴリズムのほかに、任意の１本が欠けて残りの（Ｍ−１）本のアンテナがアレイアンテナとして動作する場合のアルゴリズムや、任意の２本が欠けて残りの（Ｍ−２）本のアンテナがアレイアンテナとして動作する場合のアルゴリズムなどのように、一部のアンテナが欠けたそれぞれのパターンに対応したアルゴリズムを用意して切り替えて使用する。
また、無線通信を行うＮ本のアンテナＡ１〜ＡＮについても、同様に、種々なパターンに対応したアルゴリズムを用意して、障害の発生時などに用いることが可能である。

なお、このように障害が発生してキャリブレーション系のアレイ系統の総数が１以上少なくなる場合には、アンテナのビーム利得が変化することから正常運用時と比べて利得が減少するため、通常、正常運用時と比べて性能が劣化すると考えられる。このため、運用を継続することは可能であるが、早急のメンテナンスを行うことが望ましいと考えられる。

また、本例の基地局装置では、例えば、無線通信のアンテナパターンに寄与するアレイ素子数Ｎの素子をグループ分けすることもできる。
一例として、キャリブレーション用のアンテナＩ１〜ＩＭにより受信する信号（送信信号）のレベルや位相にそれほど差がないアンテナを同一のグループにまとめるように、Ｎ本のアンテナＡ１〜ＡＮを複数であるｄ個のグループに分割する。

そして、ｄ個のグループの各グループ毎を単位としてキャリブレーションを行うと、例えばＮ本のアンテナＡ１〜ＡＮを１本ずつキャリブレーションする場合と比べて、キャリブレーションを行う回数をｄ回に短縮することが可能であり、（ｄ／Ｎ）倍の回数に短縮することが可能である。また、例えば、各グループに含まれるアンテナの数を同数（Ｎ／ｄ）として、ｄ個のグループのそれぞれ毎に、それぞれのグループに含まれるアンテナを１本ずつキャリブレーションすると、それぞれのグループでキャリブレーションを行う回数を（Ｎ／ｄ）回とすることができる。

このように、本例の基地局装置では、無線通信或いはキャリブレーション用のアンテナパターンに寄与するアレイ素子数が（Ｎ＋Ｍ）である素子を有し、複数であるＮ本のアンテナが無線通信用のアレイアンテナ素子として用いられ、複数であるＭ本のアンテナがキャリブレーション用のアレイアンテナ素子として用いられる。

なお、Ｍ本のキャリブレーションアンテナでは、例えば、キャリブレーションを同時に行うことで、キャリブレーション時間を短縮することも可能である。また、アレイアンテナ素子数が多いときには、アンテナ間の相互結合量が非常に小さいものもあるため、キャリブレーションアンテナを複数用意することで、キャリブレーションを行うアンテナ群のグループ分けをすることも可能である。

また、このような構成において、アレイアンテナを構成するアンテナの1つ或いは2以上に障害が発生したときには、例えば、障害が発生したアンテナ素子数分を除くアレイ系統でアンテナビームを形成し、Ｍ本のアンテナをキャリブレーション用のアンテナとして使用するようなことも可能である。

次に、以上に示した実施例に関して、更に説明する。
図２（ａ）には、基地局装置の全体的な構成の一例を示してある。
同図（ａ）に示した基地局装置には、例えばアンテナや送受信部やウエイト計算部を含んで構成されるアダプティブアレイアンテナ部（ＡＡＡ部）２１と、通信信号の変復調を行うモデム部（変復調部）２２と、ベースバンド（ＢＢ：Base Band）処理を行うベースバンド部（ＢＢ部）２３と、これら各処理部２１〜２３を制御する制御部２４が備えられており、また、基地局制御装置等２５が備えられている。

ここで、上記図２（ａ）に示した基地局装置では、例えば、ＡＡＡ部２１の構成として、上記図１に示したようなアダプティブアレイアンテナに関する構成が用いられる。上記図１に示した“受信信号”や“キャリブレーション受信信号”はモデム部２２へ出力され、“送信信号”はモデム部２２から入力される。
なお、基地局装置の全体的な構成や、アダプティブアレイアンテナに関する構成としては、必ずしも本実施例で示したものに限られず、種々な構成が用いられてもよい。

図２（ｂ）には、ＴＤＤ方式におけるデータ通信（Ｔｘ或いはＲｘ）の間のガードフレームの一例や、ＦＤＤ方式におけるデータ通信（Ｔｘ及びＲｘ）の間のガードフレームの一例を示してある。
本実施例に係る基地局装置では、例えば、このようなガードフレームの期間などのように、データが通信中ではない領域であるときに、キャリブレーションの処理を行うことを許容し、これにより、キャリブレーションの処理を効率的に行うことができる。

以上のように、本実施例に係る基地局装置では、無線通信のアンテナパターンに寄与するアレイ素子数Ｎの素子を有しているとともに、例えばその近傍に、アレイ素子数Ｍのキャリブレーション用のアレイアンテナ素子を有している。そして、無線通信のアンテナパターンに寄与するＮ本の各アンテナＡ１〜ＡＮから１本ずつ順番に既知の振幅と既知の位相で電波を送信し、当該電波をキャリブレーションアンテナＩ１〜ＩＭにより受信する。

このように、本実施例では、キャリブレーション用アンテナをアレイアンテナ群で構成し、そして、キャリブレーション用のアレイアンテナによりフォーミングされるアンテナパターンが、無線通信用のアレイアンテナから順々にキャリブレーション用のデータを受信して、キャリブレーション処理を実行する。

本実施例では、キャリブレーションアンテナＩ１〜ＩＭもアレイアンテナとなっているため、アンテナ間で信号の送受を行う信号レベルは非常に低くてもよく、例えば、キャリブレーションアンテナを４素子にすると各アンテナから空間に送信する電力は６ｄＢ（２５％）低くてもよい。これは、無線通信用のアレイアンテナＡ１〜ＡＮとキャリブレーションアンテナＩ１〜ＩＭとのアンテナ間の距離を２倍離したことと等価であり、キャリブレーションアンテナＩ１〜ＩＭと無線通信用のアレイアンテナＡ１〜ＡＮとの相互結合量は格段に低下し、無線通信用のアレイアンテナＡ１〜ＡＮのアンテナパターンが個別に有する特性に近づく。

また、本実施例に係る基地局装置では、例えば、キャリブレーション用のアレイ素子Ｉ１〜ＩＭの１つ又は２以上に障害が発生したときには、運用を停止することなく、障害が発生したアンテナを除く各キャリブレーション用アンテナ素子でキャリブレーションを行うことなどができる。
また、本例の基地局装置では、例えば、無線通信のアンテナパターンに寄与するアレイ素子数Ｎの素子を複数であるｄ個のグループに分けて、キャリブレーションを行う回数を短縮することができる。

従って、本実施例に係る基地局装置では、無線通信を行う複数のアレイアンテナ素子Ａ１〜ＡＮとは全く独立した複数のキャリブレーション用のアレイアンテナ素子Ｉ１〜ＩＭを備えることにより、例えば、運用中に動的に、無線通信用の各アレイアンテナ系列のキャリブレーションを行うことが可能であり、このようなキャリブレーションを例えば微弱電波で行うことが可能であり、キャリブレーションの精度を高めることができる。つまり、複数のアンテナＩ１〜ＩＭから構成されるアレイアンテナによりキャリブレーションを行うことで、キャリブレーション用アンテナによるフォーミングにより、受信感度が良好となる。

また、本実施例に係る基地局装置では、アレイシステムの弱点である１つのアンテナ（本実施例では、キャリブレーション用のアンテナ）が故障することによるシステムの運用停止を抑えることが可能となる。
一例として、移動体通信端末の無線基地局装置において、運用中にアンテナキャリブレーションを自動的に且つ高精度に行うようなことができる。

ここで、従来のキャリブレーションでは、キャリブレーション用アンテナがアレイ系アンテナに影響を及ぼさないことを前提としているが、本実施例では、キャリブレーション用アンテナがアレイ系アンテナに影響を及ぼすことを前提としている。

また、本実施例に係る基地局装置に備えられる各アンテナの配置の位置としては、種々な位置が用いられてもよい。複数のアンテナのそれぞれの設置位置とそれらのアンテナによるフォーミング等については、例えば、それぞれの配置のパターンに対応してアルゴリズムを用意する。

なお、本実施例では、本発明に係る無線通信装置を基地局装置に適用した場合を示した。
また、本実施例に係る基地局装置では、通信相手と無線通信を行うために用いられる複数であるＮ本のアンテナＡ１〜ＡＮにより複数の無線通信用のアンテナが構成されており、これらＮ本のアンテナＡ１〜ＡＮにより無線通信を行う機能により無線通信手段が構成されている。

また、本実施例に係る基地局装置では、無線通信用のＮ本のアンテナＡ１〜ＡＮの系に関するキャリブレーション処理を実行するために用いられる複数であるＭ本のアンテナＩ１〜ＩＭにより複数のキャリブレーション用のアンテナが構成されており、これらＭ本のアンテナＩ１〜ＩＭによりアンテナ系に関するキャリブレーション処理を実行する機能によりアンテナ系キャリブレーション処理実行手段が構成されている。
また、本実施例では、無線通信用のアンテナとキャリブレーション用のアンテナとを別個なアンテナとして備える構成を示したが、他の構成例として、無線通信用のアンテナとキャリブレーション用のアンテナとで、一部或いは全部のアンテナが共用されるような構成を用いることも可能である。

以下で、本発明に関する技術の背景を示す。なお、ここで記載する事項は、必ずしも全てが従来の技術であるとは限定しない。
例えば、移動体無線通信において、高速通信実現のために、アダプティブアレイアンテナシステムを用いることは非常に有効なことである。アダプティブアレイアンテナシステムは、各アレイ系列の位相や振幅を変更することにより、所望のユーザが存在する方向ヘアンテナパターンのピークを向けることができる。これは、アダプティブなビームフォーミングである。また、アダプティブアレイアンテナシステムでは、例えば、複数であるＮ素子のアンテナの場合には、＃１から＃ＮまでのＮ個の系列を有する。

また、アダプティブアレイアンテナシステムは、非所望ユーザからの干渉波受信を抑圧し、非所望ユーザ方向への干渉を削減するように送信アンテナパターンのヌル（ＮＵＬＬ）を向けることができる。これは、アダプティブなヌルスティアリングである。
そして、アダプティブアレイアンテナシステムでは、通信を行う移動体通信端末に対しては最大の送信電力で通信するアダプティブビームフォーミングを行い、通信を行っていない他の干渉移動体通信端末に対しては影響を与えないようにするアダプティブヌルスティアリングを行うことができる。

図３には、アダプティブビームフォーミング及びアダプティブヌルスティアリングの一例を示してある。
具体的には、アダプティブアレイアンテナを搭載した基地局装置のアンテナ３１及びそのアンテナパターン（指向性パターン）と、複数の移動体通信端末装置４１〜４３を示してある。
希望波に対応する移動体端末装置４２の方向にはビームを向け、妨害波に対応する移動体端末装置４１、４３の方向にはヌルを向けている。

ところで、移動体通信には、ＴＤＭＡ（Time Division Multiple Access）方式やＦＤＤ（Frequency Division Duplex）方式のシステムがあり、例えば、ＴＤＭＡ／ＴＤＤ（Time Division Duplex）方式の通信システムにおいては、送受の周波数が全く同一である。基地局装置からユーザ端末側の電波伝搬環境とユーザ端末側から基地局装置までの電波伝搬環境が等しく、基地局装置とユーザ端末との間で電波伝搬環境の可逆性が成立する。

つまり、基地局装置側の受信と送信のアンテナパターンを同一にすることができ、非常に簡易な構成で実現することができる。これらは、現在において一部でサービスされているＰＨＳ（Personal Handy phone System）基地局装置などで実用されている。

一方、ＰＤＣ（Personal Digital Cellular）方式やＣＤＭＡ（Code Division Multiple Access）方式等のＦＤＤシステムでは、上り回線と下り回線の周波数が異なるため、受信と送信のアンテナパターンを厳密には同一にすることができない。

図４には、ＦＤＤシステムにおけるアダプティブアレイアンテナ装置の構成例を示してある。
具体的には、複数であるＮ個の系のそれぞれに、アンテナＯ１〜ＯＮと、送受切り替え用のスイッチ（ＳＷ）Ｐ１〜ＰＮと、受信回路（Ｒｘ）Ｑ１〜ＱＮと、Ａ／Ｄ（Analog to Digital）変換器（ＡＤＣ）Ｒ１〜ＲＮと、各アンテナの受信信号に対して各アンテナの受信ウエイトを乗算するための乗算器Ｓ１〜ＳＮと、送信信号に対して各アンテナの送信ウエイトを乗算するための乗算器Ｔ１〜ＴＮと、Ｄ／Ａ（Digital to Analog）変換器（ＤＡＣ）Ｕ１〜ＵＮと、送信回路（Ｔｘ）Ｖ１〜ＶＮが備えられている。

また、Ｎ個の系に共通に、受信ウエイト乗算後の各アンテナ受信信号を総和してアダプティブアレイアンテナ全体としての受信信号を取得する加算器５１と、当該受信信号に基づいて各アンテナの受信ウエイトや各アンテナの送信ウエイトを算出するウエイト計算回路５２が備えられている。

このようなＦＤＤシステムにおけるアダプティブアレイアンテナ装置では、個々のアンテナ素子（＃１〜＃Ｎ）Ｏ１〜ＯＮに対する受信信号に基づいて、個々のアンテナ素子Ｏ１〜ＯＮに対応する複素振幅の重み付けをウエイト計算回路５２で決定し、このウエイトを各アンテナ素子Ｏ１〜ＯＮに対応する受信信号に付与する。また、これとともに、当該ウエイトに周波数差成分を含めた補正値（周波数キャリブレーション）を送信データからの送信信号に付与することで、期待するアンテナパターンを形成する。これにより、送受信で同一のパターンを形成することができる。

しかしながら、受信と送信で同一のパターンを形成することは現実的には困難である。
例えば、各アレイ系列の送信アナログ部や受信アナログ部の通過振幅特性及び通過位相特性に偏差（バラツキ）があるため、受信と送信で同じ重みに対する周波数差成分を含めた補正ウエイトを用いた場合においても、受信パターンと送信パターンが異なり、所望方向への利得が低くなったり干渉ユーザヘの利得が高くなったりして、所望のアンテナパターンを生成することができないことがある。

図５には、このようなアダプティブアレイアンテナによる受信パターンＺ１と送信パターンＺ２の一例を示してあり、偏差により受信パターンＺ１と送信パターンＺ２とがずれている。
そして、図示されるように、受信パターンＺ１から推定したヌル（ＮＵＬＬ）角度において、送信パターンのサイドローブピークが向いてしまうようなことが生じ、所望の送信パターンにならない。

このような各アレイ系列のバラツキを取り除く方法として、一般的には、個別のハードウエアキャリブレーションが行われる。具体的には、全ての受信アナログ部と送信アナログ部の偏差を測定して、補正量を予め算出し、そして、実際の運用時にその補正量を考慮して各素子に設定する重みを算出する。

しかしながら、最初に求めた補正量が運用中に変化してしまうような場合がある。この原因としては、例えば、昼夜の外気温度変化の違いによるアナログ部のアクテイブ部品（例えば、増幅器、ミキサ、シンセサイザなど）の特性変化がある。また、それ以外のパッシブ部品（例えば、フィルタ、カプラなど）についても若干の特性変化がある。

また、原因としては、装置内部に使用している接続ケーブルの長さの伸縮による微小な位相変動などが考えられる。或いは、アンテナと増幅器とを接続するケーブルが屋外に露出している場合には、風や雨や雪などの外部要因によってケーブルが振動することによる位相変動などが考えられる。

このような変化が生じると、アダプティブアレイアンテナ装置の性能が大幅に劣化し、例えば上記図５に示したアンテナパターンと同様に、所望波と干渉波（ノイズ成分も含む）との比であるＳＩＮＲ（Signal to Interference plus Noise Ratio）の劣化が起きる。この結果、干渉抑圧ができずに、通信品質が劣化したりする。このため、キャリブレーションは一度では不十分であり、運用中にリアルタイムにキャリブレーションすることが要求される。

また、アダプティブアレイアンテナ基地局装置のアンテナ素子数が多い場合には、アンテナ素子数が多いことからアンテナ間の距離があるため、キャリブレーションの精度が高くない傾向がある。このため、キャリブレーション時の参照信号レベルを高くする必要があるが、周辺の基地局装置との干渉の原因となるため望ましくない。また、信号レベルを低くする場合には、キャリブレーションの精度が必要であり、キャリブレーションアンテナに求められる仕様は厳しい。また、アダプティブアレイシステムにおいてキャリブレーションアンテナに障害がでたときなどはそれ自体ですぐに基地局装置が停止となるなど、特性・信頼性ともに重要なものである。
これに対して、本発明では、以上に説明したように、このような従来の問題を解消することができ、有効な効果を実現することができる。

ここで、本発明に係る無線通信装置や通信機や基地局装置などの構成としては、必ずしも以上に示したものに限られず、種々な構成が用いられてもよい。また、本発明は、例えば、本発明に係る処理を実行する方法或いは方式や、このような方法や方式を実現するためのプログラムや当該プログラムを記録する記録媒体などとして提供することも可能であり、また、種々な装置やシステムとして提供することも可能である。
また、本発明の適用分野としては、必ずしも以上に示したものに限られず、本発明は、種々な分野に適用することが可能なものである。

また、本発明に係る無線通信装置や通信機や基地局装置などにおいて行われる各種の処理としては、例えばプロセッサやメモリ等を備えたハードウエア資源においてプロセッサがＲＯＭ（Read Only Memory）に格納された制御プログラムを実行することにより制御される構成が用いられてもよく、また、例えば当該処理を実行するための各機能手段が独立したハードウエア回路として構成されてもよい。
また、本発明は上記の制御プログラムを格納したフロッピー（登録商標）ディスクやＣＤ（Compact Disc）−ＲＯＭ等のコンピュータにより読み取り可能な記録媒体や当該プログラム（自体）として把握することもでき、当該制御プログラムを当該記録媒体からコンピュータに入力してプロセッサに実行させることにより、本発明に係る処理を遂行させることができる。

本発明の一実施例に係る基地局装置のアダプティブアレイアンテナに関する部分の構成例を示す図である。 基地局装置などの構成例を示す図である。 アダプティブアレイアンテナのアンテナパターンの一例を示す図である。 ＦＤＤシステムにおけるアダプティブアレイアンテナ装置の構成例を示す図である。 アダプティブアレイアンテナにおける偏差を有する受信パターンと送信パターンの一例を示す図である。

符号の説明

１、１１、５１・・加算器、
２・・ウエイト計算・キャリブレーション回路、
１２・・ウエイト計算・位相設定回路、
２１・・アダプティブアレイアンテナ部（ＡＡＡ部）、
２２・・モデム部、 ２３・・ベースバンド部、 ２４・・制御部、
２５・・基地局制御装置等、 ５２・・ウエイト計算回路、
Ａ１〜ＡＮ、Ｉ１〜ＩＭ、Ｏ１〜ＯＮ・・アンテナ、
Ｂ１〜ＢＮ、Ｐ１〜ＰＮ・・スイッチ、
Ｃ１〜ＣＮ、Ｊ１〜ＪＭ、Ｑ１〜ＱＮ・・受信回路、
Ｄ１〜ＤＮ、Ｋ１〜ＫＭ、Ｒ１〜ＲＮ・・Ａ／Ｄ変換器、
Ｅ１〜ＥＮ、Ｆ１〜ＦＮ、Ｌ１〜ＬＭ、Ｓ１〜ＳＮ、Ｔ１〜ＴＮ・・（複素）乗算器、
Ｇ１〜ＧＮ、Ｕ１〜ＵＮ・・Ｄ／Ａ変換器、
Ｈ１〜ＨＮ、Ｖ１〜ＶＮ・・送信回路、

Claims (2)

1. アンテナを用いて無線により通信する無線通信装置において、
   アンテナ系に関するキャリブレーション処理を実行するために用いられる複数のキャリブレーション用のアンテナと、
   複数のキャリブレーション用のアンテナをアレイアンテナとして用いてアンテナ系に関するキャリブレーション処理を実行する機能を有し、いずれかのキャリブレーション用のアンテナに関する障害が発生した場合には、障害が発生したキャリブレーション用のアンテナを除外したキャリブレーション用のアンテナを用いてアンテナ系に関するキャリブレーション処理を実行するアンテナ系キャリブレーション処理実行手段と、
   を備えたことを特徴とする無線通信装置。
2. 請求項１に記載の無線通信装置において、
   無線通信を行うために用いられる複数の無線通信用のアンテナと、
   複数の無線通信用のアンテナをアレイアンテナとして用いて無線通信を行う無線通信手段と、を備え、
   複数の無線通信用のアンテナは、２以上のグループに分けられ、
   アンテナ系キャリブレーション処理実行手段は、無線通信用のアンテナについて、各グループ毎に、アンテナ系に関するキャリブレーション処理を実行する、
   ことを特徴とする無線通信装置。

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