JP4392476B2 - スマートアンテナアレイの較正方法及び装置 - Google Patents
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- Mobile Radio Communication Systems (AREA)
Description
【０００１】
本発明は、無線通信システムのスマートアンテナ技術に関し、より詳しくは、スマートアンテナアレイの較正方法及び装置に関する。
【０００２】
最新の無線通信システム、特にCDMA（符号分割多元接続）無線通信システムでは、システム容量を高め、感度を向上させ、低い放出力でより長い通信距離を可能とするために、一般にスマートアンテナが使われている。
【０００３】
中国特許第97 1 04039.7号（「スマートアンテナを備える時間分割二重同期符号分割多元接続無線通信システム」）に、最新のスマートアンテナを採用した無線通信システムのベース・ステーション構造が開示されている。該ベース・ステーション構造は、１つ又は複数のアンテナユニット、対応する無線周波数フィーダ・ケーブル、及び１組の関連する無線周波数トランシーバを有するアンテナアレイを含む。ユーザ端末から送られた信号を受信する際に、アンテナアレイの各アンテナユニットが信号に対し様々な反応を示すことから、ベースバンド・プロセッサが信号の空間的特性ベクトル及び信号到達方向（DOA）を得て、対応するアルゴリズムを用いて受信したアンテナビームに形を与える。任意のアンテナユニット、対応する無線周波数フィーダ・ケーブル及び関連する無線周波数トランシーバが１つのリンクを形成している。上りの受信ビーム形状から得られる各リンクの重みを、下りの発信ビーム形状に使用するので、対称の電波伝送条件下にてスマートアンテナの機能が存分に発揮される。
【０００４】
上記中国特許第97 1 04039.7号では、スマートアンテナによるビームの合成、受信及び発信を正確に行うためには、スマートアンテナアレイを構成している各アンテナユニット、無線周波数フィーダ・ケーブル、及び無線周波数トランシーバが必ずしも整合しないこと、即ち、無線信号が各リンクを通過した後、信号の振幅及び位相変化に差が生じることを理解していなければならない。そして、スマートアンテナシステムにおける各リンク間の差を求める手続こそが、本発明の関与するところのスマートアンテナの較正なのである。
【０００５】
スマートアンテナアレイの較正は、スマートアンテナの核心を成す技術である。スマートアンテナを構成する無線周波数システムにおいて、使用される各種電子素子、特には能動素子の特性は、動作周波数、温度条件及び稼動時間等に対して敏感であり、且つ上述の理由によりもたらされる各リンクの特性の変化は常に同一ではないため、スマートアンテナシステムの較正は随時行う必要がある。
【０００６】
現行のスマートアンテナの較正方法は二種類に大別される。一つは、直接測定する方法である。この方法は、無線周波数トランシーバの各組に対して測定を行い、振幅及び位相に関するデータを獲得し、次いで、測定により得られたアンテナユニット及びフィーダ・ケーブルの振幅、位相特性を加算して１組の較正データとするものである。この方法の較正手順は非常に複雑であり、全ての測定を現場にて実行するのは困難である。特に、既に稼動している無線通信システムでは、較正過程は更に複雑となり、その実行過程は保証できない。もう一つは、アンテナから離れた場所にある１台のパイロット・トランシーバを用いて較正を行う方法である。この方法では、パイロット・トランシーバをマルチパス伝播のない離れた場所に設置することが必要であり、実際のシステム中で実行することは困難である。ゆえに、これら２つの方法の欠点は明らかである。
【０００７】
本発明の目的は、スマートアンテナアレイをリアルタイムで較正する方法及び装置を提供することで、スマートアンテナ・システムの実用化を図ることにある。本発明の装置は、本発明の方法を効果的に実行するためのものである。
【０００８】
本発明のもう一つの目的は、本発明の方法を効果的に実行するための、スマートアンテナアレイを較正するための連結構造の二つの設計及び較正方法を提供することにある。
【０００９】
スマートアンテナアレイを較正するための本発明の方法は、
１）連結構造、フィーダ・ケーブル及びパイロット・トランシーバからなる較正リンクを設置するステップを含み、連結構造とスマートアンテナアレイのN個のアンテナユニットを結合し、パイロット・トランシーバはデジタルバスを介してベース・ステーションのベースバンド・プロセッサと接続されており、
２）スマートアンテナアレイを稼動させる前に、ベクトル・ネットワーク・アナライザを利用して連結構造に対して較正を行い、受信及び発信伝送係数をそれぞれ記録するステップを含み；
３）受信較正を行うステップを含み、該受信較正ステップにおいて、パイロット・トランシーバ内のアナログ発信器が所与の動作搬送周波数にて所定電圧レベルの信号を発信し、較正されるベース・ステーションのN個の受信リンクを全て受信状態とし、ベース・ステーションのベースバンド・プロセッサにより各受信リンクの出力を個別に検出し、
各受信リンクの出力に基づいて、各リンクの受信時における伝送係数と基準リンクの伝送係数との比を算出し、各リンクのアナログ受信器中の可変利得増幅器を制御することにより、各リンクの受信時における伝送係数と基準リンクの伝送係数の振幅比が１となるように各受信リンクの出力を制御し、各受信リンクと基準リンクとの位相差Φをベースバンド・プロセッサ中に記録、保存することを含み、
４）発信較正を行うステップを含み、該発信較正ステップにおいて、N個の発射リンクのうち一度に１個のリンクのみが発信状態に置かれ、その他の発信リンクは全て休止状態にあり、パイロット・トランシーバ内のアナログ受信器が各発信リンクからの信号を所与の動作搬送周波数にて個別に受信し、ベース・ステーションのベースバンド・プロセッサが検出結果を処理し、各リンクの発信時における伝送係数と基準リンクの伝送係数との比を算出し、各リンクのアナログ発信器中の可変利得増幅器を制御することにより、各リンクの発信時における伝送係数と基準リンクの伝送係数の振幅比が１となるように各発信リンクの出力を制御し、各発信リンクと基準リンクとの位相差Ψをベースバンド・プロセッサ中に記録、保存することを含む。
【００１０】
ベクトル・ネットワーク・アナライザを利用した連結構造の較正は、パイロット・アンテナ及び空間結合モードを設置することを含み、ベクトル・ネットワーク・アナライザはパイロット信号のフィーダ・ケーブル端及び未較正のリンクのアンテナユニット端とに接続されており、較正されないリンクのアンテナユニット端には整合負荷が接続されており、所要の各動作搬送周波数にて未較正のリンクの伝送係数を測定及び記録することを含み、N個のリンクの伝送係数の測定及び記録が完了するまで、上述のステップを反復して行うことを含む。
【００１１】
ベクトル・ネットワーク・アナライザを利用した連結構造の較正は、更に、N個の連結器と、これらと接続された１つの1：N個の受動分配/結合器からなる受動ネットワーク連結構造を設置し、N個の連結器がスマートアンテナアレイのN個のアンテナユニットのアンテナ端とそれぞれ接続されており、受動分配/結合器の出力端はパイロット信号のフィーダ・ケーブル端であり、ベクトル・ネットワーク・アナライザはパイロット信号のフィーダ・ケーブル端及び未較正のリンクのアンテナユニット端に接続されており、較正されないリンクのアンテナユニット端には整合負荷が接続されており、所要の各動作搬送周波数にて未較正のリンクの伝送係数を測定及び記録することを含み、N個のリンクの伝送係数の測定及び記録が完了するまで、上述のステップを反復して行うことを含む。
【００１２】
本発明のスマートアンテナアレイの較正装置は、較正済みの結合機構、フィーダ・ケーブル及びパイロット・トランシーバを含み、結合機構はスマートアンテナアレイのN個のアンテナユニットと結合されており、フィーダ・ケーブルは連結構造とパイロット・トランシーバとに接続されており、パイロット・トランシーバはデジタルバスを介してベース・ステーションのベースバンド・プロセッサと接続されている。
【００１３】
連結構造は空間結合モードのパイロット・アンテナを採用しており、パイロット・アンテナは、スマートアンテナアレイを構成するN個のアンテナユニットの輻射(radiation)方向の動作メインローブ内に配置されており、パイロット・アンテナのアンテナ端はパイロット信号のフィーダ・ケーブル端である。
【００１４】
スマートアンテナアレイを構成するN個のアンテナユニットが全(omni)方向アンテナである場合、パイロット・アンテナはアンテナユニットから近い、或いは遠い任意の位置に配置される。
【００１５】
連結構造は受動ネットワークであり、スマートアンテナアレイのN個のアンテナユニットに対応するN個の連結器と、N個の連結器とリンクされた１つの1：N個の受動分配/結合器とを含む。N個の連結器はN個のアンテナユニットのアンテナ端にそれぞれ接続されており、受動分配/結合器の出力端はパイロット信号のフィーダ・ケーブル端となっている。
【００１６】
パイロット・トランシーバは、ベース・ステーションの無線周波数トランシーバと同様の構造を有しており、送受切換器、送受切換器と接続されたアナログ受信器、送受切換器と接続されたアナログ発信器、アナログ受信器と接続されたアナログ/デジタル変換器、及びアナログ発信器と接続されたデジタル/アナログ変換器を含む。送受切換器の無線周波数インタフェースは連結構造のフィーダ・ケーブルと接続されており、またアナログ/デジタル変換器とデジタル/アナログ変換器は上述のデジタルバスに接続されている。
【００１７】
アナログ受信器には、プログラムソフトウェアにより制御される、利得を制御するための可変利得増幅器が設けられている。アナログ発信器には、プログラムソフトウェアにより制御される、利得を制御するための可変利得増幅器が設置されている。
【００１８】
本発明のスマートアンテナアレイの較正方法及び装置は、パイロット・トランシーバと、スマートアンテナアレイと連結された１組の連結構造とを使用する。連結構造は２つの技術上の方式を含む。一つは、アンテナから近い、或いは遠い位置に配置された幾何学的に対称な１つのパイロット・アンテナを用いてスマートアンテナシステムを較正する方法と、この方法を実現するためのアンテナアレイである。パイロット・アンテナ及び関連する較正ソフトウェアとは、無線ベース・ステーションを構成する要素である。もう一つは、一つの連結器と分配/結合器とからなる受動ネットワークを利用して、連結構造を通じてスマートアンテナアレイへの給電と較正とを行うものである。当然のことながら、スマートアンテナを利用するベース・ステーションの較正は、いずれの方法によっても非常に容易に随時行うことができ、また無線周波の部品や素子を随時交換することができる。従って、スマートアンテナシステムを実用化するという問題は完全に解決された。
【００１９】
本発明のスマートアンテナアレイの較正方法及び装置は、CDMA無線通信システムに主眼をおいて設計されているが、簡単な変更を加えるだけで、FDMA（周波数分割多元接続）やTDMA（時分割多元接続）無線通信システムのスマートアンテナアレイの較正に使用することができる。
【００２０】
実施の形態及び図面を参照しながら、本発明の方法及び装置を以下に詳細に説明する。
【００２１】
図１には、本発明の方法及び装置を用いた、スマートアンテナを備える移動通信システム又は無線ユーザループシステム中の一般的なベース・ステーション構造が示されている。このベース・ステーション構造は、較正部分を除き、前出の中国特許第97 1 04039.7号に開示されているものと同様である。該ベース・ステーションの主要構成要素は、N個の同一のアンテナユニット201A、201B、…、201N、N個の略同一のフィーダ・ケーブル202A、202B、…、202N、N個の無線周波数トランシーバ203A、203B、…、203N、及びこれらに対応するベースバンド・プロセッサ204である。全ての無線周波数トランシーバ203にアナログ/デジタル変換器（ADC）及びデジタル/アナログ変換器（DAC）が設けられており、このため全ての無線周波数トランシーバ203のベースバンドに対する出入力はデジタル信号となる。これらの無線周波数トランシーバ203は、高速デジタルバス209を介してベースバンド・プロセッサ204に接続されている。また、無線周波数トランシーバ203は、相互に関連して動作するよう、１つのローカル発振器208を共有している。
【００２２】
スマートアンテナの較正をリアルタイムで実施するため、本発明はこのベース・ステーション構造において、使用される異なるアンテナアレイに基づいて、連結構造205（連結無線周波数回路）、フィーダ・ケーブル206、及びパイロット・トランシーバ207からなる較正リンクを更に追加している。
【００２３】
連結構造205は、N個のフィーダ・ケーブル202A、202B、…、202Nと接続されている。フィーダ・ケーブル206は、連結構造205とパイロット・トランシーバ207との接続に用いられる。パイロット・トランシーバ207は高速デジタルバス209と接続されており、全ての無線周波数トランシーバ203は１つのローカル発振器208を共有している。
【００２４】
図２は、図１の無線周波数トランシーバ203又はパイロット・トランシーバ207の構造を示している。この構造は、送受切換器210、アナログ受信器211、アナログ/デジタル変換器212、アナログ発信器213及びデジタル/アナログ変換器214を含む。アナログ受信器211には、利得を制御するための（プログラムソフトウェアにより制御可能な）、可変利得増幅器215が設けられている。アナログ発信器213には、利得を制御するための（プログラムソフトウェアにより制御可能な）、可変利得増幅器216が設けられている。送受切換器210の無線周波数インタフェース217はフィーダ・ケーブル202及び206に直接接続されている。アナログ/デジタル変換器212及びデジタル/アナログ変換器214は高速デジタルバス209を介してベースバンド・プロセッサ204に接続されている。
【００２５】
図１のベース・ステーション構造を利用するスマートアンテナシステムでは、合計N個の送受信リンクがあり、いずれの送受信リンクもアンテナユニット（201A、201B、…、201N）、フィーダ・ケーブル（202A、202B、…、202N）、無線周波数トランシーバ（203A、203B、…、203N）が接続されて構成される。更に、パイロット・トランシーバ207及び対応する連結構造（205、206）からなる較正リンクがある。
【００２６】
第A番目のリンクを基準リンクと仮定する（どのリンクを基準リンクとしてもよい）と、スマートアンテナシステムに対して行う較正は、所与の動作搬送周波数において得られる、他のリンクと基準リンクとの送受信時の伝送係数の振幅及び位相差を求める形で行われる。従って、本発明によるスマートアンテナの較正は、アンテナのフィーダ・ケーブル及びアナログトランシーバを含むシステム全体に対して行うものである。
【００２７】
図１において、アンテナから離れた場所にあるA点と、ベース・ステーションの各トランシーバ203とベースバンドとの接点であるBA、BB、…、Bi、…、BNNのうちのBi点とを観察基準点とすると、このスマートアンテナの伝送特性は次の式で表される。
受信リンクの伝送特性：Ari=Sri×Ri×br (1)
発信リンクの伝送特性：Bti=Sti×Ti×at (2)
式中、iは1、2、…、Nをとり、それぞれ第1番目から第N番目のリンクを表す。式(1)において、Ariは、A点における発信時に、第i番目のリンクがBi点において受信する信号を表し、Sriは第i番目のリンクが受ける空間伝播上のロスを表し、Riは、第i番目のリンクの受信時の伝送係数を表し、brは受信時のA点の発信信号を表す。式(2)において、BtiはBi点における発信時、受信点A点で受信する、第i番目のリンクからの信号を表し、Stiは第i番目のリンクの発信時の空間伝播上のロスを表し、Tiは、第i番目のリンクの発信時の伝送係数を表し、atは発信時のBi点における発信信号を表す。両式中のbr及びatは共にデジタル信号であり、較正工程を通じて不変でなくてはならない。
【００２８】
本発明の較正作業は、リアルタイムの測定を通じて、第i番目のリンクが受信時及び発信時のそれぞれの伝送係数Ri及びTiと、基準リンクの伝送係数との差を求めることにより行われる。
【００２９】
本発明の方法を実現するための基本的な手段は、パイロット・トランシーバ207、関連するフィーダ・ケーブル206及び連結構造205を設置することにより、前述の基準点Aをアンテナアレイ内、即ち図１のフィーダ・ケーブル206の出力端C点に移動させることである。これにより、式(1)及び(2)はそれぞれ下のように書き換えられる。
受信リンクの伝送特性：ACri=Cri×Ri×br (3)
発信リンクの伝送特性：BCti=Cti×Ti×at (4)
式中、iは1、2、…、Nをとり、それぞれ第１番目から第N番目のリンクを表す。式(1)において、ACriは、C点における発信時、第i番目のリンクがBi点において受信する信号を表し、Criは連結構造が第i番目のリンクに対し受信テストを行った際の伝送係数を表す。式(2)において、BCtiはBi点における発信時に、受信点C点で受信する、第i番目のリンクからの信号を表し、Ctiは連結構造が第i番目のリンクに対し発信テストを行った際の伝送係数を表す。
【００３０】
連結構造205を受動ネットワークとするならば、この連結構造205は互換性を有する。即ち、
Cri=Cti=Ci (5)
【００３１】
式(5)を式(3)及び(4)に代入すると、以下の式が得られる。
受信リンクの伝送特性：Ri=ACri/(Ci×br) (6)
発信リンクの伝送特性：Ti=BCti/(Ci×at) (7)
【００３２】
本発明では、任意のリンクを基準リンクに設定することができる。第１番目のリンクを基準リンクとした場合、上の式(6)及び(7)は以下のようになる。
受信リンクの伝送特性：Ri/R1=ACri×C1/(Ci×ACr1) (8)
発信リンクの伝送特性：Ti/T1=BCti×C1/(Ci×BCt1) (9)
式中、iは2、3、…、Nをとり、それぞれ第２番目から第N番目のリンクを表す。Acr1、BCt1、Acri及びBCtiはリアルタイムで測定することができ、C1及びCiは予め較正を行っておき、連結構造により確定することができる。よって、スマートアンテナシステムに必要なRi/R1及びTi/T1は容易に算出することができる。
【００３３】
図３は、本発明で採用する連結構造、即ちパイロット・アンテナ230を使用する空間結合モードの構造を示している。パイロット・アンテナ230は、未較正のアンテナアレイに対して物理的位置上で相対的に固定されたアンテナである。パイロット・アンテナ230は、アンテナアレイの各アンテナユニットの輻射方向の動作メインローブ内に配置されなければならない。但し、各アンテナユニットが全方向アンテナである場合には、パイロット・アンテナはアンテナユニットに近い位置を含む任意の位置に配置することができる。
【００３４】
この連結構造を利用する較正方法を以下に説明する。ベクトル・ネットワーク・アナライザ231をパイロット・アンテナ230のパイロット信号のフィード・ケーブル端D及び第i番目に較正されるリンクのアンテナ端Eiに接続し、較正されるアンテナアレイの他のアンテナ端E1、E2、…、ENを整合負荷232A、232B、…、232Nにそれぞれ接続する。次いで、このベクトル・ネットワーク・アナライザ231を用いて第i番目に較正されるリンクの伝送係数Ciを測定する。N回測定を行った後、全てのリンクの伝送係数C1、…、Ci、…、CNの値が得られる。
【００３５】
この連結構造の利点は、較正時に各アンテナユニットの非整合性を考慮しているという点にあり、非常に簡単である。この連結構造の欠点は、パイロット・アンテナ230に位置的制限がある点である。較正精度を保証するためには、パイロット・アンテナ230は未較正のスマートアンテナアレイの動作範囲内の離れた位置に設置されねばならないが、このことは、実際の動作環境においては実現が難しい。従って、全方向アンテナをアンテナユニットとして使用する場合においてのみ、近い位置にパイロット・アンテナを設置することができ、この近い位置における特性を遠い位置における特性に置き換えて較正を行うことができる。例えば、環状アンテナアレイを使用する場合、パイロット・アンテナをこの環状アンテナアレイの中心に設置し、構造上の対称性を生かして近い位置における測定の信頼度を高めることができる。
【００３６】
図４は、分配/結合器及び連結器からなる受動ネットワーク240の連結構造、及びこれらとスマートアンテナアレイ201A、201B、…、201Nとのリンクを示している。この連結構造は、N個のアンテナ201に対応するN個の連結器242A、242B、…、242Nと、１つの1：N個の受動分配/結合器241を含む。各連結器242は、各アンテナユニット201A、201B、…、201Nとそれぞれのフィーダ・ケーブル202A、202B、…、202Nとの連結点E1、E2、…、EN上に配置される。連結構造は、アンテナアレイに取り付けられる前に独立して較正されている。
【００３７】
図５は、図４の連結構造を採用した場合の較正方法を示している。この較正方法では、ベクトル・ネットワーク・アナライザ231をパイロット信号のフィーダ・ケーブル端D及び第i番目に較正されるリンクのアンテナ端Eiと接続し、較正されるアンテナアレイの他のアンテナ端E1、E2、…、ENを整合負荷232A、232B、…、232Nにそれぞれ接続する。次いで、このベクトル・ネットワーク・アナライザ231を用いて第i番目に較正されるリンクの伝送係数Ciを測定する。N回測定を行った後、全てのリンクの伝送係数C1、…、Ci、…、CNの値が得られる。図５に示される較正方法は図３に示されたものと同一である。
【００３８】
図４の受動ネットワーク連結構造は、図３のパイロット・アンテナの連結構造と比べて複雑であり、較正時に各アンテナユニット間の非整合性を考慮していない。しかし、図４の連結構造はあらゆるスマートアンテナの較正に便利である。
【００３９】
図６には、連結構造の較正工程が示されている。この較正方法は図３及び図４の連結構造のいずれにも適用できる。連結構造は、スマートアンテナアレイが使用される前に較正され、得られた伝送係数Cはベース・ステーション内部に保存される。
【００４０】
ステップ601で、較正が開始される。ステップ602で、N個のリンクのうち第１番目のリンクに対して較正を行う。即ち、i=1に設定する。ステップ603で、図３もしくは図５に示される方法にて接続を行い、第１番目のリンクの較正を行う。ステップ604で、第１の較正搬送周波数を、J個の動作搬送周波数のうち第１の動作搬送周波数、即ちJ=1に設定する。ステップ605で、第１番目のリンクの動作搬送周波数をこの第1の動作搬送周波数に設定する。ステップ606で、ベクトル・ネットワーク・アナライザを用いて第１のリンクの測定を行う。このとき、較正搬送周波数を第１の動作搬送周波数の伝送係数Ciとする。ステップ607で、この測定結果を記録する。ステップ608、609において、i=Jであるか否かを判断し、i=jでなければJ=J+1を計算し、ステップ605乃至ステップ608を繰り返し実行する。これにより、第１番目のリンクのJ個の動作搬送周波数のそれぞれにおける伝送係数が測定され、伝送係数CIが得られる。ステップ609及び610で、全ての動作搬送周波数の測定が完了するまで前述の測定を繰り返し行う。そして、i=Nであるか否かを判断し、i=Nでなければi=i+1を計算し、ステップ604乃至608を繰り返し実行する。これにより、第N番目のリンクのＪ個の動作搬送周波数のそれぞれにおける伝送係数が測定され、この測定結果を記録する。
【００４１】
各リンクをそれぞれ所要の搬送周波数にて測定し、全ての測定結果を記録することで、連結構造の較正が完了し、全ての伝送係数Cが得られる。
【００４２】
図７には、スマートアンテナアレイの全較正過程が示されている。スマートアンテナアレイは稼動する前に、図６に示される手順にて既に連結構造の較正が完了しており、得られた受信及び発信伝送係数Cが既にベース・ステーション内部に保存されている。
【００４３】
ステップ702で、まず受信較正を行う。ステップ703で、パイロット・トランシーバの発信器が所与の動作搬送周波数にて所定の電圧レベルの信号を発信する。これにより、較正されるベース・ステーションの受信システムが正常な動作電圧レベルで動作することが保証される。ステップ704で、較正されるベース・ステーションの受信システム中の全てのトランシーバが受信状態とされる。即ち、N個のリンクが全て受信状態とされる。ステップ705で、ベースバンド・プロセッサを用いて各受信リンクの出力をそれぞれ検出する。これにより、システムが所与の受信電圧レベルで動作していること、及び各受信器が線状の範囲内で動作していることを保証する。ベースバンド・プロセッサは各リンク受信器の出力に基づき、また式(8)を利用してRi/R1を計算する。ステップ706及び707で、算出されたRi/R1に基づき、再び各受信器中の可変利得増幅器（図２の213、216）を制御することにより、|Ri/R1|=1になるまで各受信リンクの出力を制御する。各受信リンクと基準リンクとの位相差Φ ｉ をベースバンド・プロセッサに記録及び保存しておき、これがスマートアンテナの稼動時に使用されることになる。|R i /R 1 |=1である場合、ステップ７０８で発信較正へ移行する。ステップ７０９〜７１５において、Ｎ個の発信リンクを較正する場合、パイロット・トランシーバの受信器は、各々の発信リンクからの所与の動作搬送周波数の信号を受信する。このとき、上述したように、ある時間においてＮ個の発信リンクのうち１つのみが発信状態にあり、他の全ては休止状態にある（ステップ７１０）。従って、パイロット・トランシーバは毎回、このリンクからの信号のみを受信する。このとき、基準発信リンクの送信レベルが確実に定格の電圧レベルであるように、基準発信リンクが測定され予め較正されていなければならない。この条件下で、パイロット・トランシーバの受信器は各発信リンクからの信号を受信する（ステップ７１１）。次いで、ベースバンド・プロセッサが測定された結果を処理し、Ｔ ｉ ／Ｔ l を式（９）により計算する（ステップ７１４）。その後、この値に基づいて、各発信リンクにおいてＴ ｉ ／Ｔ l ＝１となるまで、各発信器の可変利得増幅器（図２の２１１、２１５）により各発信リンクの出力が制御される（ステップ７１６)。同時に、各受信リンクと基準リンクとの位相差Ψi がベースバンド・プロセッサに記録され、これを以てスマートアンテナのリアルタイム較正が終了する。
【００４４】
本発明の方法及び装置はCDMA無線通信システムを念頭においたものであるが、簡単な変更を加えることで、FDMA及びTDMAの無線通信システムにも応用できる。図１の無線通信ベース・ステーション構造はTDD無線通信システムを例にとっているが、FDD無線通信システム式にも同様に適用できる。無線通信システムの研究開発に携わる当業者であれば、スマートアンテナの基本原理を理解し、本発明の方法及び装置を参照することで、スマートアンテナのリアルタイム較正を実施することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の方法及び装置を用いた無線通信ベース・ステーションの原理図である。
【図２】 図１に示されたアナログ・トランシーバの原理図である。
【図３】 パイロット・アンテナを利用した連結構造を示す図である。
【図４】 分配/結合器及び連結器からなる連結構造の、スマートアンテナアレイにおける接続を示す図である。
【図５】 本発明の他の連結構造を示す図である。
【図６】 連結構造の較正過程を示すフローチャートである。
【図７】 スマートアンテナの較正過程を示すフローチャートである。
本発明は、無線通信システムのスマートアンテナ技術に関し、より詳しくは、スマートアンテナアレイの較正方法及び装置に関する。
【０００２】
最新の無線通信システム、特にCDMA（符号分割多元接続）無線通信システムでは、システム容量を高め、感度を向上させ、低い放出力でより長い通信距離を可能とするために、一般にスマートアンテナが使われている。
【０００３】
中国特許第97 1 04039.7号（「スマートアンテナを備える時間分割二重同期符号分割多元接続無線通信システム」）に、最新のスマートアンテナを採用した無線通信システムのベース・ステーション構造が開示されている。該ベース・ステーション構造は、１つ又は複数のアンテナユニット、対応する無線周波数フィーダ・ケーブル、及び１組の関連する無線周波数トランシーバを有するアンテナアレイを含む。ユーザ端末から送られた信号を受信する際に、アンテナアレイの各アンテナユニットが信号に対し様々な反応を示すことから、ベースバンド・プロセッサが信号の空間的特性ベクトル及び信号到達方向（DOA）を得て、対応するアルゴリズムを用いて受信したアンテナビームに形を与える。任意のアンテナユニット、対応する無線周波数フィーダ・ケーブル及び関連する無線周波数トランシーバが１つのリンクを形成している。上りの受信ビーム形状から得られる各リンクの重みを、下りの発信ビーム形状に使用するので、対称の電波伝送条件下にてスマートアンテナの機能が存分に発揮される。
【０００４】
上記中国特許第97 1 04039.7号では、スマートアンテナによるビームの合成、受信及び発信を正確に行うためには、スマートアンテナアレイを構成している各アンテナユニット、無線周波数フィーダ・ケーブル、及び無線周波数トランシーバが必ずしも整合しないこと、即ち、無線信号が各リンクを通過した後、信号の振幅及び位相変化に差が生じることを理解していなければならない。そして、スマートアンテナシステムにおける各リンク間の差を求める手続こそが、本発明の関与するところのスマートアンテナの較正なのである。
【０００５】
スマートアンテナアレイの較正は、スマートアンテナの核心を成す技術である。スマートアンテナを構成する無線周波数システムにおいて、使用される各種電子素子、特には能動素子の特性は、動作周波数、温度条件及び稼動時間等に対して敏感であり、且つ上述の理由によりもたらされる各リンクの特性の変化は常に同一ではないため、スマートアンテナシステムの較正は随時行う必要がある。
【０００６】
現行のスマートアンテナの較正方法は二種類に大別される。一つは、直接測定する方法である。この方法は、無線周波数トランシーバの各組に対して測定を行い、振幅及び位相に関するデータを獲得し、次いで、測定により得られたアンテナユニット及びフィーダ・ケーブルの振幅、位相特性を加算して１組の較正データとするものである。この方法の較正手順は非常に複雑であり、全ての測定を現場にて実行するのは困難である。特に、既に稼動している無線通信システムでは、較正過程は更に複雑となり、その実行過程は保証できない。もう一つは、アンテナから離れた場所にある１台のパイロット・トランシーバを用いて較正を行う方法である。この方法では、パイロット・トランシーバをマルチパス伝播のない離れた場所に設置することが必要であり、実際のシステム中で実行することは困難である。ゆえに、これら２つの方法の欠点は明らかである。
【０００７】
本発明の目的は、スマートアンテナアレイをリアルタイムで較正する方法及び装置を提供することで、スマートアンテナ・システムの実用化を図ることにある。本発明の装置は、本発明の方法を効果的に実行するためのものである。
【０００８】
本発明のもう一つの目的は、本発明の方法を効果的に実行するための、スマートアンテナアレイを較正するための連結構造の二つの設計及び較正方法を提供することにある。
【０００９】
スマートアンテナアレイを較正するための本発明の方法は、
１）連結構造、フィーダ・ケーブル及びパイロット・トランシーバからなる較正リンクを設置するステップを含み、連結構造とスマートアンテナアレイのN個のアンテナユニットを結合し、パイロット・トランシーバはデジタルバスを介してベース・ステーションのベースバンド・プロセッサと接続されており、
２）スマートアンテナアレイを稼動させる前に、ベクトル・ネットワーク・アナライザを利用して連結構造に対して較正を行い、受信及び発信伝送係数をそれぞれ記録するステップを含み；
３）受信較正を行うステップを含み、該受信較正ステップにおいて、パイロット・トランシーバ内のアナログ発信器が所与の動作搬送周波数にて所定電圧レベルの信号を発信し、較正されるベース・ステーションのN個の受信リンクを全て受信状態とし、ベース・ステーションのベースバンド・プロセッサにより各受信リンクの出力を個別に検出し、
各受信リンクの出力に基づいて、各リンクの受信時における伝送係数と基準リンクの伝送係数との比を算出し、各リンクのアナログ受信器中の可変利得増幅器を制御することにより、各リンクの受信時における伝送係数と基準リンクの伝送係数の振幅比が１となるように各受信リンクの出力を制御し、各受信リンクと基準リンクとの位相差Φをベースバンド・プロセッサ中に記録、保存することを含み、
４）発信較正を行うステップを含み、該発信較正ステップにおいて、N個の発射リンクのうち一度に１個のリンクのみが発信状態に置かれ、その他の発信リンクは全て休止状態にあり、パイロット・トランシーバ内のアナログ受信器が各発信リンクからの信号を所与の動作搬送周波数にて個別に受信し、ベース・ステーションのベースバンド・プロセッサが検出結果を処理し、各リンクの発信時における伝送係数と基準リンクの伝送係数との比を算出し、各リンクのアナログ発信器中の可変利得増幅器を制御することにより、各リンクの発信時における伝送係数と基準リンクの伝送係数の振幅比が１となるように各発信リンクの出力を制御し、各発信リンクと基準リンクとの位相差Ψをベースバンド・プロセッサ中に記録、保存することを含む。
【００１０】
ベクトル・ネットワーク・アナライザを利用した連結構造の較正は、パイロット・アンテナ及び空間結合モードを設置することを含み、ベクトル・ネットワーク・アナライザはパイロット信号のフィーダ・ケーブル端及び未較正のリンクのアンテナユニット端とに接続されており、較正されないリンクのアンテナユニット端には整合負荷が接続されており、所要の各動作搬送周波数にて未較正のリンクの伝送係数を測定及び記録することを含み、N個のリンクの伝送係数の測定及び記録が完了するまで、上述のステップを反復して行うことを含む。
【００１１】
ベクトル・ネットワーク・アナライザを利用した連結構造の較正は、更に、N個の連結器と、これらと接続された１つの1：N個の受動分配/結合器からなる受動ネットワーク連結構造を設置し、N個の連結器がスマートアンテナアレイのN個のアンテナユニットのアンテナ端とそれぞれ接続されており、受動分配/結合器の出力端はパイロット信号のフィーダ・ケーブル端であり、ベクトル・ネットワーク・アナライザはパイロット信号のフィーダ・ケーブル端及び未較正のリンクのアンテナユニット端に接続されており、較正されないリンクのアンテナユニット端には整合負荷が接続されており、所要の各動作搬送周波数にて未較正のリンクの伝送係数を測定及び記録することを含み、N個のリンクの伝送係数の測定及び記録が完了するまで、上述のステップを反復して行うことを含む。
【００１２】
本発明のスマートアンテナアレイの較正装置は、較正済みの結合機構、フィーダ・ケーブル及びパイロット・トランシーバを含み、結合機構はスマートアンテナアレイのN個のアンテナユニットと結合されており、フィーダ・ケーブルは連結構造とパイロット・トランシーバとに接続されており、パイロット・トランシーバはデジタルバスを介してベース・ステーションのベースバンド・プロセッサと接続されている。
【００１３】
連結構造は空間結合モードのパイロット・アンテナを採用しており、パイロット・アンテナは、スマートアンテナアレイを構成するN個のアンテナユニットの輻射(radiation)方向の動作メインローブ内に配置されており、パイロット・アンテナのアンテナ端はパイロット信号のフィーダ・ケーブル端である。
【００１４】
スマートアンテナアレイを構成するN個のアンテナユニットが全(omni)方向アンテナである場合、パイロット・アンテナはアンテナユニットから近い、或いは遠い任意の位置に配置される。
【００１５】
連結構造は受動ネットワークであり、スマートアンテナアレイのN個のアンテナユニットに対応するN個の連結器と、N個の連結器とリンクされた１つの1：N個の受動分配/結合器とを含む。N個の連結器はN個のアンテナユニットのアンテナ端にそれぞれ接続されており、受動分配/結合器の出力端はパイロット信号のフィーダ・ケーブル端となっている。
【００１６】
パイロット・トランシーバは、ベース・ステーションの無線周波数トランシーバと同様の構造を有しており、送受切換器、送受切換器と接続されたアナログ受信器、送受切換器と接続されたアナログ発信器、アナログ受信器と接続されたアナログ/デジタル変換器、及びアナログ発信器と接続されたデジタル/アナログ変換器を含む。送受切換器の無線周波数インタフェースは連結構造のフィーダ・ケーブルと接続されており、またアナログ/デジタル変換器とデジタル/アナログ変換器は上述のデジタルバスに接続されている。
【００１７】
アナログ受信器には、プログラムソフトウェアにより制御される、利得を制御するための可変利得増幅器が設けられている。アナログ発信器には、プログラムソフトウェアにより制御される、利得を制御するための可変利得増幅器が設置されている。
【００１８】
本発明のスマートアンテナアレイの較正方法及び装置は、パイロット・トランシーバと、スマートアンテナアレイと連結された１組の連結構造とを使用する。連結構造は２つの技術上の方式を含む。一つは、アンテナから近い、或いは遠い位置に配置された幾何学的に対称な１つのパイロット・アンテナを用いてスマートアンテナシステムを較正する方法と、この方法を実現するためのアンテナアレイである。パイロット・アンテナ及び関連する較正ソフトウェアとは、無線ベース・ステーションを構成する要素である。もう一つは、一つの連結器と分配/結合器とからなる受動ネットワークを利用して、連結構造を通じてスマートアンテナアレイへの給電と較正とを行うものである。当然のことながら、スマートアンテナを利用するベース・ステーションの較正は、いずれの方法によっても非常に容易に随時行うことができ、また無線周波の部品や素子を随時交換することができる。従って、スマートアンテナシステムを実用化するという問題は完全に解決された。
【００１９】
本発明のスマートアンテナアレイの較正方法及び装置は、CDMA無線通信システムに主眼をおいて設計されているが、簡単な変更を加えるだけで、FDMA（周波数分割多元接続）やTDMA（時分割多元接続）無線通信システムのスマートアンテナアレイの較正に使用することができる。
【００２０】
実施の形態及び図面を参照しながら、本発明の方法及び装置を以下に詳細に説明する。
【００２１】
図１には、本発明の方法及び装置を用いた、スマートアンテナを備える移動通信システム又は無線ユーザループシステム中の一般的なベース・ステーション構造が示されている。このベース・ステーション構造は、較正部分を除き、前出の中国特許第97 1 04039.7号に開示されているものと同様である。該ベース・ステーションの主要構成要素は、N個の同一のアンテナユニット201A、201B、…、201N、N個の略同一のフィーダ・ケーブル202A、202B、…、202N、N個の無線周波数トランシーバ203A、203B、…、203N、及びこれらに対応するベースバンド・プロセッサ204である。全ての無線周波数トランシーバ203にアナログ/デジタル変換器（ADC）及びデジタル/アナログ変換器（DAC）が設けられており、このため全ての無線周波数トランシーバ203のベースバンドに対する出入力はデジタル信号となる。これらの無線周波数トランシーバ203は、高速デジタルバス209を介してベースバンド・プロセッサ204に接続されている。また、無線周波数トランシーバ203は、相互に関連して動作するよう、１つのローカル発振器208を共有している。
【００２２】
スマートアンテナの較正をリアルタイムで実施するため、本発明はこのベース・ステーション構造において、使用される異なるアンテナアレイに基づいて、連結構造205（連結無線周波数回路）、フィーダ・ケーブル206、及びパイロット・トランシーバ207からなる較正リンクを更に追加している。
【００２３】
連結構造205は、N個のフィーダ・ケーブル202A、202B、…、202Nと接続されている。フィーダ・ケーブル206は、連結構造205とパイロット・トランシーバ207との接続に用いられる。パイロット・トランシーバ207は高速デジタルバス209と接続されており、全ての無線周波数トランシーバ203は１つのローカル発振器208を共有している。
【００２４】
図２は、図１の無線周波数トランシーバ203又はパイロット・トランシーバ207の構造を示している。この構造は、送受切換器210、アナログ受信器211、アナログ/デジタル変換器212、アナログ発信器213及びデジタル/アナログ変換器214を含む。アナログ受信器211には、利得を制御するための（プログラムソフトウェアにより制御可能な）、可変利得増幅器215が設けられている。アナログ発信器213には、利得を制御するための（プログラムソフトウェアにより制御可能な）、可変利得増幅器216が設けられている。送受切換器210の無線周波数インタフェース217はフィーダ・ケーブル202及び206に直接接続されている。アナログ/デジタル変換器212及びデジタル/アナログ変換器214は高速デジタルバス209を介してベースバンド・プロセッサ204に接続されている。
【００２５】
図１のベース・ステーション構造を利用するスマートアンテナシステムでは、合計N個の送受信リンクがあり、いずれの送受信リンクもアンテナユニット（201A、201B、…、201N）、フィーダ・ケーブル（202A、202B、…、202N）、無線周波数トランシーバ（203A、203B、…、203N）が接続されて構成される。更に、パイロット・トランシーバ207及び対応する連結構造（205、206）からなる較正リンクがある。
【００２６】
第A番目のリンクを基準リンクと仮定する（どのリンクを基準リンクとしてもよい）と、スマートアンテナシステムに対して行う較正は、所与の動作搬送周波数において得られる、他のリンクと基準リンクとの送受信時の伝送係数の振幅及び位相差を求める形で行われる。従って、本発明によるスマートアンテナの較正は、アンテナのフィーダ・ケーブル及びアナログトランシーバを含むシステム全体に対して行うものである。
【００２７】
図１において、アンテナから離れた場所にあるA点と、ベース・ステーションの各トランシーバ203とベースバンドとの接点であるBA、BB、…、Bi、…、BNNのうちのBi点とを観察基準点とすると、このスマートアンテナの伝送特性は次の式で表される。
受信リンクの伝送特性：Ari=Sri×Ri×br (1)
発信リンクの伝送特性：Bti=Sti×Ti×at (2)
式中、iは1、2、…、Nをとり、それぞれ第1番目から第N番目のリンクを表す。式(1)において、Ariは、A点における発信時に、第i番目のリンクがBi点において受信する信号を表し、Sriは第i番目のリンクが受ける空間伝播上のロスを表し、Riは、第i番目のリンクの受信時の伝送係数を表し、brは受信時のA点の発信信号を表す。式(2)において、BtiはBi点における発信時、受信点A点で受信する、第i番目のリンクからの信号を表し、Stiは第i番目のリンクの発信時の空間伝播上のロスを表し、Tiは、第i番目のリンクの発信時の伝送係数を表し、atは発信時のBi点における発信信号を表す。両式中のbr及びatは共にデジタル信号であり、較正工程を通じて不変でなくてはならない。
【００２８】
本発明の較正作業は、リアルタイムの測定を通じて、第i番目のリンクが受信時及び発信時のそれぞれの伝送係数Ri及びTiと、基準リンクの伝送係数との差を求めることにより行われる。
【００２９】
本発明の方法を実現するための基本的な手段は、パイロット・トランシーバ207、関連するフィーダ・ケーブル206及び連結構造205を設置することにより、前述の基準点Aをアンテナアレイ内、即ち図１のフィーダ・ケーブル206の出力端C点に移動させることである。これにより、式(1)及び(2)はそれぞれ下のように書き換えられる。
受信リンクの伝送特性：ACri=Cri×Ri×br (3)
発信リンクの伝送特性：BCti=Cti×Ti×at (4)
式中、iは1、2、…、Nをとり、それぞれ第１番目から第N番目のリンクを表す。式(1)において、ACriは、C点における発信時、第i番目のリンクがBi点において受信する信号を表し、Criは連結構造が第i番目のリンクに対し受信テストを行った際の伝送係数を表す。式(2)において、BCtiはBi点における発信時に、受信点C点で受信する、第i番目のリンクからの信号を表し、Ctiは連結構造が第i番目のリンクに対し発信テストを行った際の伝送係数を表す。
【００３０】
連結構造205を受動ネットワークとするならば、この連結構造205は互換性を有する。即ち、
Cri=Cti=Ci (5)
【００３１】
式(5)を式(3)及び(4)に代入すると、以下の式が得られる。
受信リンクの伝送特性：Ri=ACri/(Ci×br) (6)
発信リンクの伝送特性：Ti=BCti/(Ci×at) (7)
【００３２】
本発明では、任意のリンクを基準リンクに設定することができる。第１番目のリンクを基準リンクとした場合、上の式(6)及び(7)は以下のようになる。
受信リンクの伝送特性：Ri/R1=ACri×C1/(Ci×ACr1) (8)
発信リンクの伝送特性：Ti/T1=BCti×C1/(Ci×BCt1) (9)
式中、iは2、3、…、Nをとり、それぞれ第２番目から第N番目のリンクを表す。Acr1、BCt1、Acri及びBCtiはリアルタイムで測定することができ、C1及びCiは予め較正を行っておき、連結構造により確定することができる。よって、スマートアンテナシステムに必要なRi/R1及びTi/T1は容易に算出することができる。
【００３３】
図３は、本発明で採用する連結構造、即ちパイロット・アンテナ230を使用する空間結合モードの構造を示している。パイロット・アンテナ230は、未較正のアンテナアレイに対して物理的位置上で相対的に固定されたアンテナである。パイロット・アンテナ230は、アンテナアレイの各アンテナユニットの輻射方向の動作メインローブ内に配置されなければならない。但し、各アンテナユニットが全方向アンテナである場合には、パイロット・アンテナはアンテナユニットに近い位置を含む任意の位置に配置することができる。
【００３４】
この連結構造を利用する較正方法を以下に説明する。ベクトル・ネットワーク・アナライザ231をパイロット・アンテナ230のパイロット信号のフィード・ケーブル端D及び第i番目に較正されるリンクのアンテナ端Eiに接続し、較正されるアンテナアレイの他のアンテナ端E1、E2、…、ENを整合負荷232A、232B、…、232Nにそれぞれ接続する。次いで、このベクトル・ネットワーク・アナライザ231を用いて第i番目に較正されるリンクの伝送係数Ciを測定する。N回測定を行った後、全てのリンクの伝送係数C1、…、Ci、…、CNの値が得られる。
【００３５】
この連結構造の利点は、較正時に各アンテナユニットの非整合性を考慮しているという点にあり、非常に簡単である。この連結構造の欠点は、パイロット・アンテナ230に位置的制限がある点である。較正精度を保証するためには、パイロット・アンテナ230は未較正のスマートアンテナアレイの動作範囲内の離れた位置に設置されねばならないが、このことは、実際の動作環境においては実現が難しい。従って、全方向アンテナをアンテナユニットとして使用する場合においてのみ、近い位置にパイロット・アンテナを設置することができ、この近い位置における特性を遠い位置における特性に置き換えて較正を行うことができる。例えば、環状アンテナアレイを使用する場合、パイロット・アンテナをこの環状アンテナアレイの中心に設置し、構造上の対称性を生かして近い位置における測定の信頼度を高めることができる。
【００３６】
図４は、分配/結合器及び連結器からなる受動ネットワーク240の連結構造、及びこれらとスマートアンテナアレイ201A、201B、…、201Nとのリンクを示している。この連結構造は、N個のアンテナ201に対応するN個の連結器242A、242B、…、242Nと、１つの1：N個の受動分配/結合器241を含む。各連結器242は、各アンテナユニット201A、201B、…、201Nとそれぞれのフィーダ・ケーブル202A、202B、…、202Nとの連結点E1、E2、…、EN上に配置される。連結構造は、アンテナアレイに取り付けられる前に独立して較正されている。
【００３７】
図５は、図４の連結構造を採用した場合の較正方法を示している。この較正方法では、ベクトル・ネットワーク・アナライザ231をパイロット信号のフィーダ・ケーブル端D及び第i番目に較正されるリンクのアンテナ端Eiと接続し、較正されるアンテナアレイの他のアンテナ端E1、E2、…、ENを整合負荷232A、232B、…、232Nにそれぞれ接続する。次いで、このベクトル・ネットワーク・アナライザ231を用いて第i番目に較正されるリンクの伝送係数Ciを測定する。N回測定を行った後、全てのリンクの伝送係数C1、…、Ci、…、CNの値が得られる。図５に示される較正方法は図３に示されたものと同一である。
【００３８】
図４の受動ネットワーク連結構造は、図３のパイロット・アンテナの連結構造と比べて複雑であり、較正時に各アンテナユニット間の非整合性を考慮していない。しかし、図４の連結構造はあらゆるスマートアンテナの較正に便利である。
【００３９】
図６には、連結構造の較正工程が示されている。この較正方法は図３及び図４の連結構造のいずれにも適用できる。連結構造は、スマートアンテナアレイが使用される前に較正され、得られた伝送係数Cはベース・ステーション内部に保存される。
【００４０】
ステップ601で、較正が開始される。ステップ602で、N個のリンクのうち第１番目のリンクに対して較正を行う。即ち、i=1に設定する。ステップ603で、図３もしくは図５に示される方法にて接続を行い、第１番目のリンクの較正を行う。ステップ604で、第１の較正搬送周波数を、J個の動作搬送周波数のうち第１の動作搬送周波数、即ちJ=1に設定する。ステップ605で、第１番目のリンクの動作搬送周波数をこの第1の動作搬送周波数に設定する。ステップ606で、ベクトル・ネットワーク・アナライザを用いて第１のリンクの測定を行う。このとき、較正搬送周波数を第１の動作搬送周波数の伝送係数Ciとする。ステップ607で、この測定結果を記録する。ステップ608、609において、i=Jであるか否かを判断し、i=jでなければJ=J+1を計算し、ステップ605乃至ステップ608を繰り返し実行する。これにより、第１番目のリンクのJ個の動作搬送周波数のそれぞれにおける伝送係数が測定され、伝送係数CIが得られる。ステップ609及び610で、全ての動作搬送周波数の測定が完了するまで前述の測定を繰り返し行う。そして、i=Nであるか否かを判断し、i=Nでなければi=i+1を計算し、ステップ604乃至608を繰り返し実行する。これにより、第N番目のリンクのＪ個の動作搬送周波数のそれぞれにおける伝送係数が測定され、この測定結果を記録する。
【００４１】
各リンクをそれぞれ所要の搬送周波数にて測定し、全ての測定結果を記録することで、連結構造の較正が完了し、全ての伝送係数Cが得られる。
【００４２】
図７には、スマートアンテナアレイの全較正過程が示されている。スマートアンテナアレイは稼動する前に、図６に示される手順にて既に連結構造の較正が完了しており、得られた受信及び発信伝送係数Cが既にベース・ステーション内部に保存されている。
【００４３】
ステップ702で、まず受信較正を行う。ステップ703で、パイロット・トランシーバの発信器が所与の動作搬送周波数にて所定の電圧レベルの信号を発信する。これにより、較正されるベース・ステーションの受信システムが正常な動作電圧レベルで動作することが保証される。ステップ704で、較正されるベース・ステーションの受信システム中の全てのトランシーバが受信状態とされる。即ち、N個のリンクが全て受信状態とされる。ステップ705で、ベースバンド・プロセッサを用いて各受信リンクの出力をそれぞれ検出する。これにより、システムが所与の受信電圧レベルで動作していること、及び各受信器が線状の範囲内で動作していることを保証する。ベースバンド・プロセッサは各リンク受信器の出力に基づき、また式(8)を利用してRi/R1を計算する。ステップ706及び707で、算出されたRi/R1に基づき、再び各受信器中の可変利得増幅器（図２の213、216）を制御することにより、|Ri/R1|=1になるまで各受信リンクの出力を制御する。各受信リンクと基準リンクとの位相差Φ ｉ をベースバンド・プロセッサに記録及び保存しておき、これがスマートアンテナの稼動時に使用されることになる。|R i /R 1 |=1である場合、ステップ７０８で発信較正へ移行する。ステップ７０９〜７１５において、Ｎ個の発信リンクを較正する場合、パイロット・トランシーバの受信器は、各々の発信リンクからの所与の動作搬送周波数の信号を受信する。このとき、上述したように、ある時間においてＮ個の発信リンクのうち１つのみが発信状態にあり、他の全ては休止状態にある（ステップ７１０）。従って、パイロット・トランシーバは毎回、このリンクからの信号のみを受信する。このとき、基準発信リンクの送信レベルが確実に定格の電圧レベルであるように、基準発信リンクが測定され予め較正されていなければならない。この条件下で、パイロット・トランシーバの受信器は各発信リンクからの信号を受信する（ステップ７１１）。次いで、ベースバンド・プロセッサが測定された結果を処理し、Ｔ ｉ ／Ｔ l を式（９）により計算する（ステップ７１４）。その後、この値に基づいて、各発信リンクにおいてＴ ｉ ／Ｔ l ＝１となるまで、各発信器の可変利得増幅器（図２の２１１、２１５）により各発信リンクの出力が制御される（ステップ７１６)。同時に、各受信リンクと基準リンクとの位相差Ψi がベースバンド・プロセッサに記録され、これを以てスマートアンテナのリアルタイム較正が終了する。
【００４４】
本発明の方法及び装置はCDMA無線通信システムを念頭においたものであるが、簡単な変更を加えることで、FDMA及びTDMAの無線通信システムにも応用できる。図１の無線通信ベース・ステーション構造はTDD無線通信システムを例にとっているが、FDD無線通信システム式にも同様に適用できる。無線通信システムの研究開発に携わる当業者であれば、スマートアンテナの基本原理を理解し、本発明の方法及び装置を参照することで、スマートアンテナのリアルタイム較正を実施することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の方法及び装置を用いた無線通信ベース・ステーションの原理図である。
【図２】 図１に示されたアナログ・トランシーバの原理図である。
【図３】 パイロット・アンテナを利用した連結構造を示す図である。
【図４】 分配/結合器及び連結器からなる連結構造の、スマートアンテナアレイにおける接続を示す図である。
【図５】 本発明の他の連結構造を示す図である。
【図６】 連結構造の較正過程を示すフローチャートである。
【図７】 スマートアンテナの較正過程を示すフローチャートである。
Claims (14)
1)スマートアンテナアレイのＮ個のアンテナユニットと連結により接続する構造である連結構造と、フィーダ・ケーブルと、デジタルバスを介してベース・ステーションのベースバンド・プロセッサと接続されるパイロット・トランシーバを有する較正リンクを設置するステップと、
2)前記スマートアンテナを稼動させる前に、前記Ｎ個のアンテナユニットの各受信リンクの受信伝送係数及び各発信リンクの発信伝送係数をそれぞれ記録して、前記連結構造の較正を行うステップと、
3)前記Ｎ個のアンテナユニットの受信リンクのうちの一つを基準リンクとし、各受信リンクと基準リンクの受信伝送係数における振幅が同一となるよう調整し、各受信リンクと基準リンクとの位相差Φを記録する、受信較正を行うステップと、
4)前記Ｎ個のアンテナユニットの発信リンクのうちの一つを基準リンクとし、各発信リンクと基準リンクの発信伝送係数の振幅が同一となるよう調整し、各発信リンクと基準リンクとの位相差Ψを記録する、発信較正を行うステップと、
を有することを特徴とする、スマートアンテナアレイの較正方法。
2)前記スマートアンテナを稼動させる前に、前記Ｎ個のアンテナユニットの各受信リンクの受信伝送係数及び各発信リンクの発信伝送係数をそれぞれ記録して、前記連結構造の較正を行うステップと、
3)前記Ｎ個のアンテナユニットの受信リンクのうちの一つを基準リンクとし、各受信リンクと基準リンクの受信伝送係数における振幅が同一となるよう調整し、各受信リンクと基準リンクとの位相差Φを記録する、受信較正を行うステップと、
4)前記Ｎ個のアンテナユニットの発信リンクのうちの一つを基準リンクとし、各発信リンクと基準リンクの発信伝送係数の振幅が同一となるよう調整し、各発信リンクと基準リンクとの位相差Ψを記録する、発信較正を行うステップと、
を有することを特徴とする、スマートアンテナアレイの較正方法。
前記連結構造の較正は、ベクトル・ネットワーク・アナライザを利用して行われることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
前記ベクトル・ネットワーク・アナライザを利用した連結構造の較正は、
Ａ．前記連結構造として、前記Ｎ個のアンテナユニットと連結により空間的に接続するパイロット・アンテナを設置するステップと、
Ｂ．前記ベクトル・ネットワーク・アナライザはパイロット信号のフィーダ・ケーブル端、及び前記Ｎ個のアンテナユニットの各リンクのうち未較正のリンクのアンテナユニット端に接続され、前記各リンクのうち較正されないリンクのアンテナユニット端は整合負荷に接続されており、各々必要な動作搬送周波数にて前記未較正のリンクの受信及び発信伝送係数を測定及び記録するステップと、
Ｃ．N個のリンクの全ての受信及び発信伝送係数が計測記録されるまで、前記Ｂのステップを繰り返すステップと、
を含むことを特徴とする、請求項１又は２に記載の方法。
Ａ．前記連結構造として、前記Ｎ個のアンテナユニットと連結により空間的に接続するパイロット・アンテナを設置するステップと、
Ｂ．前記ベクトル・ネットワーク・アナライザはパイロット信号のフィーダ・ケーブル端、及び前記Ｎ個のアンテナユニットの各リンクのうち未較正のリンクのアンテナユニット端に接続され、前記各リンクのうち較正されないリンクのアンテナユニット端は整合負荷に接続されており、各々必要な動作搬送周波数にて前記未較正のリンクの受信及び発信伝送係数を測定及び記録するステップと、
Ｃ．N個のリンクの全ての受信及び発信伝送係数が計測記録されるまで、前記Ｂのステップを繰り返すステップと、
を含むことを特徴とする、請求項１又は２に記載の方法。
前記パイロット・アンテナは、スマートアンテナアレイを構成するN個のアンテナユニットに近い位置であって、Ｎ個のアンテナユニットの輻射方向の動作メインローブ内に配置され、パイロット・アンテナ端はパイロット信号のフィーダ・ケーブル端であることを特徴とする、請求項３に記載の方法。
スマートアンテナアレイを構成するN個のアンテナユニットが全方向アンテナである場合、前記パイロット・アンテナをアンテナユニットに近い場所の任意の位置に配置されることを特徴とする、請求項３に記載の方法。
前記受信較正を行うステップが、パイロット・トランシーバ内のアナログ発信器が所与の動作搬送周波数にて所定電圧レベルの信号を発信し、較正されるベース・ステーションのN個の受信リンクを全て受信状態とし、ベース・ステーションのベースバンド・プロセッサにより各受信リンクの出力を個別に検出し、各受信リンクの出力に基づいて、各リンクの受信時における伝送係数と基準リンクの伝送係数との比を算出し、各リンクのアナログ受信器中の可変利得増幅器を制御することにより、各リンクの受信時における伝送係数と基準リンクの伝送係数の振幅比が１となるように各受信リンクの出力を制御し、各受信リンクと基準リンクとの位相差Φをベースバンド・プロセッサ中に記録、保存することを更に含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
前記発信較正を行うステップが、N個の発信リンクのうち一度に１個のリンクのみが発信状態に置かれ、その他の発信リンクは全て休止状態にあり、パイロット・トランシーバ内のアナログ受信器が各発信リンクからの信号を所与の動作搬送周波数にて個別に受信し、ベース・ステーションのベースバンド・プロセッサが検出結果を処理し、各リンクの発信時における伝送係数と基準リンクの伝送係数との比を算出し、各リンクのアナログ発信器中の可変利得増幅器を制御することにより、各リンクの発信時における伝送係数と基準リンクの伝送係数の振幅比が１となるように各発信リンクの出力を制御し、各発信リンクと基準リンクとの位相差Ψをベースバンド・プロセッサ中に記録、保存することを更に含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
前記ベクトル・ネットワーク・アナライザを利用した連結構造の較正は、
Ｄ．Ｎ個の連結器と、これらと接続された１つの受動分配／結合器を有し、Ｎ個の連結器が各々スマートアンテナアレイのＮ個のアンテナユニットのアンテナ端に接続され、前記受動分配/結合器の出力端はパイロット信号のフィーダ・ケーブル端である、連結構造を設置するステップと、
Ｅ．前記ベクトル・ネットワーク・アナライザはパイロット信号のフィーダ・ケーブル端、及び前記Ｎ個のアンテナユニットの各リンクのうち未較正のリンクのアンテナユニット端に接続され、前記各リンクのうち較正されないリンクのアンテナユニット端は整合負荷に接続され、各々必要とされる動作搬送周波数にて前記未較正のリンクの伝送係数を測定及び記録するステップと、
Ｆ．N個のリンクの全ての伝送係数が計測記録されるまで、前記Ｅのステップを繰り返すステップと、
を含むことを特徴とする、請求項１又は２に記載の方法。
Ｄ．Ｎ個の連結器と、これらと接続された１つの受動分配／結合器を有し、Ｎ個の連結器が各々スマートアンテナアレイのＮ個のアンテナユニットのアンテナ端に接続され、前記受動分配/結合器の出力端はパイロット信号のフィーダ・ケーブル端である、連結構造を設置するステップと、
Ｅ．前記ベクトル・ネットワーク・アナライザはパイロット信号のフィーダ・ケーブル端、及び前記Ｎ個のアンテナユニットの各リンクのうち未較正のリンクのアンテナユニット端に接続され、前記各リンクのうち較正されないリンクのアンテナユニット端は整合負荷に接続され、各々必要とされる動作搬送周波数にて前記未較正のリンクの伝送係数を測定及び記録するステップと、
Ｆ．N個のリンクの全ての伝送係数が計測記録されるまで、前記Ｅのステップを繰り返すステップと、
を含むことを特徴とする、請求項１又は２に記載の方法。
スマートアンテナアレイのＮ個のアンテナユニットと連結により接続する構造である、連結構造と、
デジタルバスを介してベース・ステーションのベースバンド・プロセッサと接続するパイロット・トランシーバと、
前記連結構造及び前記パイロット・トランシーバと接続するフィーダ・ケーブルと、
前記連結構造の較正手段であって、前記スマートアンテナを稼動させる前に、前記Ｎ個のアンテナユニットの各受信リンクの受信伝送係数及び各発信リンクの発信伝送係数をそれぞれ記録する、較正手段と、
受信較正手段であって、前記Ｎ個のアンテナユニットの受信リンクのうちの一つを基準リンクとし、各受信リンクと基準リンクの受信伝送係数における振幅が同一となるよう調整し、各受信リンクと基準リンクとの位相差Φを記録する、受信較正手段と、
発信較正手段であって、前記Ｎ個のアンテナユニットの発信リンクのうちの一つを基準リンクとし、各発信リンクと基準リンクの発信伝送係数の振幅が同一となるよう調整し、各発信リンクと基準リンクとの位相差Ψを記録する、発信較正手段と、
を含む、スマートアンテナの較正装置。
デジタルバスを介してベース・ステーションのベースバンド・プロセッサと接続するパイロット・トランシーバと、
前記連結構造及び前記パイロット・トランシーバと接続するフィーダ・ケーブルと、
前記連結構造の較正手段であって、前記スマートアンテナを稼動させる前に、前記Ｎ個のアンテナユニットの各受信リンクの受信伝送係数及び各発信リンクの発信伝送係数をそれぞれ記録する、較正手段と、
受信較正手段であって、前記Ｎ個のアンテナユニットの受信リンクのうちの一つを基準リンクとし、各受信リンクと基準リンクの受信伝送係数における振幅が同一となるよう調整し、各受信リンクと基準リンクとの位相差Φを記録する、受信較正手段と、
発信較正手段であって、前記Ｎ個のアンテナユニットの発信リンクのうちの一つを基準リンクとし、各発信リンクと基準リンクの発信伝送係数の振幅が同一となるよう調整し、各発信リンクと基準リンクとの位相差Ψを記録する、発信較正手段と、
を含む、スマートアンテナの較正装置。
前記連結構造は前記Ｎ個のアンテナユニットと連結により空間的に接続するパイロット・アンテナを含み、前記パイロット・アンテナは、前記N個のアンテナユニットの輻射方向の動作メインローブ内に配置されており、パイロット・アンテナのアンテナ端はパイロット信号のフィーダ・ケーブル端であることを特徴とする、請求項９に記載の装置。
前記Ｎ個のアンテナユニットが全方向アンテナである場合、前記パイロット・アンテナはアンテナユニットから近い場所の任意の位置に配置されることを特徴とする、請求項１０に記載の装置。
前記連結構造は、前記スマートアンテナアレイのN個のアンテナユニットに対応するN個の連結器と、N個の連結器とリンクされた１つの受動分配/結合器とを含み、前記N個の連結器はN個のアンテナユニットのアンテナ端にそれぞれ接続されており、前記受動分配/結合器の出力端はパイロット信号のフィーダ・ケーブル端であることを特徴とする、請求項９に記載の装置。
前記パイロット・トランシーバは、ベース・ステーションの無線周波数トランシーバと同様の構造を有しており、送受切換器、送受切換器と接続されたアナログ受信器、送受切換器と接続されたアナログ発信器、アナログ受信器と接続されたアナログ/デジタル変換器、及びアナログ発信器と接続されたデジタル/アナログ変換器を含み、前記送受切換器の無線周波数インタフェースは連結構造のフィーダ・ケーブルと接続されており、前記アナログ/デジタル変換器とデジタル/アナログ変換器は前記デジタルバスに接続されていることを特徴とする、請求項９に記載の装置。
前記アナログ受信器に、プログラムソフトウェアにより制御される、利得を制御するための可変利得増幅器が設けられており、前記アナログ発信器に、プログラムソフトウェアにより制御される、利得を制御するための可変利得増幅器が設置されていることを特徴とする、請求項１３に記載の装置。
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