JP4471006B2 - 無線通信装置、アンテナ較正方法、およびプログラム - Google Patents

Description

本発明は、無線通信装置、アンテナ較正方法、およびプログラムに関する。

高スループットの無線データ伝送を実現する通信技術として、複数のアンテナを有する無線通信装置を用いるマルチアンテナ技術が挙げられる。マルチアンテナ技術の一例としては、アダプティブ・アレー・アンテナが知られ、マルチアンテナ技術の応用例としては、マルチ入力マルチ出力（ＭＩＭＯ：Multi Input Multi Output）方式の通信システムが知られている。

アダプティブ・アレー・アンテナでは、各送信信号に適当な重み係数を乗算して各アンテナから送信し、また、各アンテナで受信した信号に適当な重み係数を乗算して重み付け合成することで、アレーアンテナ全体での受送信の指向性パターンが制御される。また、ＭＩＭＯ方式では、送信機および受信機の双方が複数のアンテナを有し、送信機が複数の信号ストリームを空間多重して送信し、受信機が受信信号に信号処理を施して複数の信号ストリーム毎に分離する。

いずれのマルチアンテナ技術においても、通信装置が有する送受信の指向性パターンを一致させることで、送受信の双方向でメインローブが希望する方向に向けられ、高スループットのデータ伝送が実現される。ここで、送受信の指向性パターンが一致することは、可逆性が成立するとも称される。

ところが、アダプティブ・アレー・アンテナでは、送受信系統を構成する各素子の特性などにより可逆性が喪失されてしまい、受信時に算出した重み係数を送信時に用いても、送受信の指向性パターンが一致しなくなる。このため、予めアンテナ較正処理として補正値が算出され、補正値により重み係数を補正することで、送受信の指向性パターンが一致される。また、ＭＩＭＯ方式の通信装置でも、空間チャネルの伝達関数と装置内のアナログ部の伝達関数を併せてチャネル行列として認識するので、送信アナログ部と受信アナログ部との間で伝達関数が異なる場合には可逆性が喪失されてしまう。このため、予めアンテナ較正処理が行われ、送受信の指向性パターンが一致される。

可逆性の成立が要求される場合の一例として、ＭＩＭＯ方式の通信装置で送信機が重み係数を用いて複数の信号ストリームを送信する場合が挙げられる。送信機が重み係数を用いることで、送信機および受信機の双方で空間多重および空間分離を最適化することが可能となる。この場合、送信機は、送信機と受信機との間の空間チャネルで成立する可逆性を利用して、受信機から送信された基準信号の受信状況に基づいて伝達関数を取得して重み係数を算出する。しかし、空間チャネルの可逆性が成立しても、通信装置を構成する複数の送受信ブランチでは、製造時の誤差などに起因して、各送信アナログ部と各受信アナログ部との間で伝達関数の特性に（ブランチ）インバランスが存在する。よって、受信機から送信された基準信号の受信状況に基づいて重み係数を算出するために、ブランチインバランスを補正するアンテナ較正処理が必要となる。

アンテナ較正処理は、例えば、下記特許文献１に記載されるように、一般的に次の手順で行われる。従来のアンテナ較正処理では、まず、ブランチ０を送信側、ブランチ１、２を受信側に設定し、ブランチ０から送信した基準信号をブランチ１、２で受信し、その受信状況から各経路でのループバック伝達関数が取得される（第１の取得ステップ）。次に、ブランチ１を送信側、ブランチ０を受信側に設定し、ブランチ１から送信した基準信号をブランチ０で受信し、その受信状況から当該経路でのループバック伝達関数が取得される（第２の取得ステップ）。同様に、ブランチ２を送信側、ブランチ０を受信側に設定し、ブランチ２から送信した基準信号をブランチ０で受信し、その受信状況から当該経路でのループバック伝達関数が取得される（第３の取得ステップ）。そして、全ての経路で取得されたループバック伝達関数に基づいて、補正値となる較正係数を算出し、補正値により重み係数が補正される。なお、基準信号とは、空間チャネルおよび送受信アナログ部を含む経路でループバック伝達関数を取得するために送受信される既知の信号である。

すなわち、従来のアンテナ較正処理では、アンテナの本数（ブランチの数）に相当する回数の取得ステップが必要となる。そして、各取得ステップでは、１つのブランチが送信状態に設定され、他の１つのブランチが受信状態に設定され、残りのブランチが待機状態または受信状態に設定される。各取得ステップでは、アンテナの送受信を切替るために送受信アナログ部の設定が切替えられるが、送受信アナログ部は、過渡応答期間を有するので、設定を切替えた後に回路状態が安定するまで、数１０μ秒に亘って待機する必要がある。

そして、ブランチの設定切替により、送信方向のループバック伝達関数の取得タイミングと、受信方向のループバック伝達関数の取得タイミングとの間で大きな差が生じると、その期間で空間チャネルの状況が変化してしまう場合がある。ここで、アンテナの本数（ブランチの数）が多くなるほど、ブランチの設定切替を多く要し、取得タイミングの差が大きくなる。この場合、空間チャネルの状況の変化がループバック伝達関数に影響を及ぼすことで、送信アナログ部と受信アナログ部との間で伝達関数の差を検知することが困難となる。よって、アンテナ較正処理では、各ブランチの較正係数を適正に算出するために、送信方向と受信方向のループバック伝達関数の取得タイミングの差を可能な限り抑制することが望まれる。

特開２００７−１１６４８９号公報

本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、送信方向と受信方向のループバック伝達関数の取得タイミングの差を抑制することで、各送受信ブランチの較正係数を適正に算出可能な、新規かつ改良された、無線通信装置、アンテナ較正方法、およびプログラムを提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明の第１の観点によれば、アンテナ、およびアンテナに切替可能に接続される送信アナログ部および受信アナログ部を含む送受信ブランチをｎ（ｎ≧３）以上有し、送受信ブランチが第１の組に属するブランチと、第２の組に属する他の残りのブランチとに区分された無線通信装置が提供される。本無線通信装置は、第１の組の各ブランチからアンテナを介して第２の組の各ブランチへ至る全ての経路を含む第１の経路が形成された状態で、第１の組の各ブランチから送信され、第２の組の各ブランチにより受信された基準信号の受信状況に基づいて、第１の経路に含まれる経路毎のループバック伝達関数を取得し、第１の経路と逆の第２の経路が形成された状態で、第２の組の各ブランチから送信され、第１の組の各ブランチにより受信された基準信号の受信状況に基づいて、第２の経路に含まれる経路毎のループバック伝達関数を取得するループバック伝達関数取得部と、取得されたループバック伝達関数に基づいて、送受信ブランチ毎の較正係数を算出する較正係数算出部と、を備えることを特徴とする。

かかる構成によれば、第１の組の各ブランチからアンテナを介して第２の組の各ブランチへ至る全ての経路を含む第１の経路が形成された状態で、第１の経路上で送信された基準信号の受信状況に基づいて、第１の経路に含まれる経路毎のループバック伝達関数が取得される（第１の取得ステップ）。そして、第１の経路と逆の第２の経路が形成された状態で、第２の経路上で送信された基準信号の受信状況に基づいて、第２の経路に含まれる経路毎のループバック伝達関数が取得される（第２の取得ステップ）。そして、取得された第１および第２の経路のループバック伝達関数に基づいて、ブランチ毎の較正係数が算出される。これにより、ブランチ数に拘らずに、ブランチの設定切替を各々に伴う２回の取得ステップのみを用いて、全てのブランチで送受信方向のループバック伝達関数を取得することが可能となる。よって、ブランチの設定切替を最小限の回数に留めることで、送信方向と受信方向のループバック伝達関数の取得タイミングの差を抑制することが可能となり、ブランチ毎の較正係数を適正に算出することができる。

また、上記ループバック伝達関数取得部は、第１の組および第２の組のうち一方の組の各ブランチから送信され、他方の組の各ブランチにより受信されたスカラー行列Ｘ（ｉ、ｊ）（ｉ、ｊ＝１、２、…ｎ）で表される基準信号の受信状況に基づいて、基準信号が送信された経路毎のループバック伝達関数を取得してもよい。かかる構成によれば、一方の組の各ブランチから送信され、他方の組の各ブランチにより受信される基準信号がスカラー行列Ｘ（ｉ、ｊ）で表される。これにより、複数のブランチから送信された基準信号が任意の一ブランチにより実質的に同時に受信された場合でも、各ブランチから送信された基準信号毎の受信状況を知ることが可能となり、基準信号が送信された経路毎のループバック伝達関数を取得することができる。

また、送信側のブランチｊからアンテナを介して受信側のブランチｉへ至る経路のチャネル特性がチャネル行例Ｈ（ｉ、ｊ）（ｉ、ｊ＝１、２、…ｎ）で表され、上記ループバック伝達関数取得部は、第１の組および第２の組のうち一方の組の各ブランチから送信され、他方の組の各ブランチにより受信されたスカラー行列Ｘ（ｉ、ｊ）で表される基準信号の受信状況から、
Ｄ（ｉ、ｊ）＝Ｈ（ｉ、ｊ）Ｘ（ｉ、ｊ）
ここで、Ｄ（ｉ、ｊ）：他方の組の各ブランチにより受信された基準信号の受信状況を表す行列
Ｈ（ｉ、ｊ）：ブランチｊからアンテナを介してブランチｉへ至る経路のチャネル特性を表すチャネル行列
Ｘ（ｉ、ｊ）：一方の組の各ブランチから他方の組の各ブランチに送信される基準信号を表すスカラー行列
に基づいて、基準信号が送信された経路毎のループバック伝達関数を取得してもよい。かかる構成によれば、スカラー行列Ｘ（ｉ、ｊ）で表される基準信号を用いて、Ｄ（ｉ、ｊ）＝Ｈ（ｉ、ｊ）Ｘ（ｉ、ｊ）の関係式より、各ブランチから送信された基準信号毎の受信状況を知ることができる。

ここで、上記スカラー行列Ｘ（ｉ、ｊ）で表される基準信号は、アンテナと送信アナログ部または受信アナログ部との接続状態を切替えることなしに、１つの送信パケットに含まれ、ブランチの数ｎに相当する領域に区分された基準信号の領域で、信号をデジタル的に切替えることにより生成されてもよい。

上記ループバック伝達関数取得部は、第１の組および第２の組のうち一方の組の各ブランチから送信され、他方の組の各ブランチにより受信された、列ベクトル同士が互いに直交する行列Ｐ（ｉ、ｊ）（ｉ、ｊ＝１、２、…ｎ）およびスカラー行列Ｘ（ｉ、ｊ）の積Ｐ（ｉ、ｊ）Ｘ（ｉ、ｊ）で表される基準信号の受信状況から、
Ｄ（ｉ、ｊ）＝Ｈ（ｉ、ｊ）Ｐ（ｉ、ｊ）Ｘ（ｉ、ｊ）Ｐ（ｉ、ｊ）^−１
ここで、Ｐ（ｉ、ｊ）：列ベクトル同士が互いに直交する行列
に基づいて、基準信号が送信された経路毎のループバック伝達関数を取得してもよい。かかる構成によれば、一方の組の各ブランチから送信され、他方の組の各ブランチにより受信される基準信号が、列ベクトル同士が互いに直交する行列およびスカラー行列の積Ｐ（ｉ、ｊ）Ｘ（ｉ、ｊ）で表される。これにより、複数のブランチから送信された基準信号が任意の一ブランチにより実質的に同時に受信された場合でも、各ブランチから送信された基準信号毎の受信状況を知ることが可能となり、基準信号が送信された経路毎のループバック伝達関数を容易に取得することができる。

また、上記第１の組が１つの送受信ブランチにより構成され、第２の組が他の残りの送受信ブランチにより構成されてもよい。かかる構成によれば、ブランチ数に拘らずに、ブランチの設定切替を各々に伴う２回の取得ステップのみを用いて、全てのブランチで送受信方向のループバック伝達関数を取得することが可能となる。

また、上記無線通信装置は、３本以上の送受信ブランチを用いて、マルチ入力マルチ出力（ＭＩＭＯ）通信を行うことができ、また、アダプティブ・アレー・アンテナを構成することができる。また、上記無線通信装置は、１次変調方式として直交周波数分割多重（ＯＦＤＭ）変調方式を用いて通信を行うこともできる。

上記課題を解決するために、本発明の第２の観点によれば、アンテナ、およびアンテナに切替可能に接続される送信アナログ部および受信アナログ部を含む送受信ブランチをｎ（ｎ≧３）以上有し、送受信ブランチが第１の組に属するブランチと、第２の組に属する他の残りのブランチとに区分された無線通信装置に適用されるアンテナ較正方法が提供される。本アンテナ較正方法は、第１の組の各ブランチからアンテナを介して第２の組の各ブランチへ至る全ての経路を含む第１の経路が形成された状態で、第１の組の各ブランチから送信され、第２の組の各ブランチにより受信された基準信号の受信状況に基づいて、第１の経路毎のループバック伝達関数を取得する第１の伝達関数取得ステップと、第１の経路と逆の第２の経路が形成された状態で、第２の組の各ブランチから送信され、第１の組の各ブランチにより受信された基準信号の受信状況に基づいて、第２の経路に含まれる経路毎のループバック伝達関数を取得する第２の伝達関数取得ステップと、取得されたループバック伝達関数に基づいて、送受信ブランチ毎の較正係数を算出する較正係数算出ステップと、を含むことを特徴とする。

かかる方法によれば、ブランチ数に拘らずに、ブランチの設定切替を各々に伴う２回の取得ステップのみを用いて、全てのブランチで送受信方向のループバック伝達関数を取得することが可能となる。

上記課題を解決するために、本発明の第３の観点によれば、前述した本発明の第１の観点による無線通信装置としてコンピュータを機能させるためのプログラムが提供される。ここで、プログラムはいかなるプログラム言語により記述されていてもよい。

本発明によれば、送信時および受信時のループバック伝達関数の取得タイミングの差を抑制することで、各送受信ブランチの較正係数を適正に算出可能な、無線通信装置、アンテナ較正方法、およびプログラムを提供することができる。

以下に、添付した図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

以下では、まず、一般的なアンテナ較正処理について説明し、次に、本発明の実施形態について説明する。なお、本発明の実施形態について、ＭＩＭＯ方式の通信装置を一例として説明するが、本発明は、アダプティブ・アレー・アンテナに対しても同様の原理により適用することができる。

（一般的なアンテナ較正処理）
図１は、本発明の実施形態に係るＭＩＭＯ方式の通信装置の一般的な機能構成を示すブロック図である。本実施形態に係る通信装置１００は、ＯＦＤＭ（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）変調方式を用いており、複数のアンテナ１２２を有し、送信側から空間多重されて送信された信号を、受信側で逆行列演算などの信号分離処理により分離することで、伝送速度を向上することができる。

通信装置は、図１に示すように、アンテナ部１２０、アナログ部１４０、デジタル部１６０、および上位プロセッサ１８０に区分される。アンテナ部１２０は、送信および受信で各々に共用される複数のアンテナ１２２を含んで構成される。

アナログ部１４０の送信系統１４２は、不図示のフィルタ部、モジュレータ部、電力アンプなどを含んで構成され、利用周波数帯への周波数変換によりベースバンド信号を送信信号に変換し、所望の送信電力で送信する。アナログ部１４０の受信系統１４４は、不図示のフィルタ部、デモジュレータ部、低ノイズアンプ（ＬＮＡ）、可変ゲインアンプ（ＶＧＡ）などを含んで構成され、周波数変換により受信信号をベースバンド信号に変換し、ゲイン調整を施して所望の大きさの信号を取得する。アナログ部１４０には、複数のアンテナ１２２に相当する数の送信アナログ部１４２および受信アナログ部１４４が設けられている。

デジタル部１６０は、いずれも不図示である、ＯＦＤＭ変調方式で信号を受信するためのデジタル信号処理部、複数の信号ストリームを空間多重する空間信号多重部、および空間多重された信号を分離する空間信号分離部を含んで構成される。

アンテナ部１２０のアナログ部１４０との接続部には、送信時にアンテナ１２２を送信アナログ部１４２に接続し、受信時にアンテナ１２２を受信アナログ部１４４に接続するための切替スイッチ１２４が設けられている。また、デジタル部１６０のアナログ部１４０との接続部には、アナログ部１４０とデジタル部１６０との間で信号変換を行うためのＡＤ変換器１６１およびＤＡ変換器１６５が設けられている。

ＭＩＭＯ方式の代表例として、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。ＳＶＤ−ＭＩＭＯ方式では、各アンテナに対応するチャネル情報を要素とする数値行列、すなわちチャネル情報行列Ｈを特異値分解してＵＤＶ^Ｈを求める（Ｕ、Ｖ：ユニタリ行列、Ｄ：対角行列）。そして、送信側のアンテナ重み係数行列としてＶを与え、受信側のアンテナ重み係数行列として（ＵＤ）^Ｈを与える。これにより、各ＭＩＭＯチャネルは、各特異値λ_ｉの平方根を対角要素とする対角行列Ｄとして表される。

ＭＩＭＯ方式では、通信装置が有する送受信の指向性パターンを一致させる、すなわち、可逆性を成立させることで、送受信の双方向でメインローブが希望する方向に向けられ、高スループットのデータ伝送が実現される。ＭＩＭＯ方式での可逆性の成立は、送信機から受信機方向へのチャネル行列をＨ_ｄｏｗｎ、受信機から送信機方向へのチャネル行列をＨ_ｕｐとした場合に、Ｈ_ｕｐ＝Ｈ_ｄｏｗｎ ^Ｔとして表される。ＭＩＭＯ方式の通信装置では、空間チャネルの伝達関数と装置内のアナログ部の伝達関数とを併せてチャネル行列として認識するので、送信アナログ部１４２と受信アナログ部１４４との間で伝達関数が異なる場合には可逆性が喪失されてしまう。このため、予めアンテナ較正処理が行われ、送信および受信の指向性パターンが一致される。

アンテナ較正処理は、装置外較正と装置内較正とに大別することができる。装置外較正処理は、較正対象となる通信装置および較正用の送受信装置を用いる。送受信装置は、通信装置から基準信号を受信して通信装置に再送信し、通信装置は、自ら送信した基準信号と送受信装置から受信した基準信号とを比較し、アンテナおよび送受信アナログ部を含む各送受信系統の特性のインバランスを検出して補正する。一方、装置内較正処理は、較正対象となる通信装置のみにより自己完結的に行われる。通信装置は、各送信系統で生成した基準信号を受信系統に折返し、各送信系統から送信した基準信号と受信系統で受信した基準信号とを比較し、アンテナおよび送受信アナログ部を含む各送受信系統の特性のインバランスを検出して補正する。

以下では、アンテナ較正処理について、装置内較正処理を行う場合を一例として説明するが、本発明は、装置外較正処理に対しても同様の原理により適用することができる。

ここでは、例えば、図５に示すように、ブランチ０〜２の３つの送受信ブランチを有する通信装置１０を一例として説明する。通信装置１０に含まれるブランチの番号をｉ、ｉ番目のブランチに属する送信アナログ部４２の伝達関数をＴｘ（ｉ）、同じく受信アナログ部４４の伝達関数をＲｘ（ｉ）、各ブランチに属するアンテナ２２の補正値となる較正係数をＫ（ｉ）とする。この場合、送信アナログ部４２の伝達関数Ｔｘ（ｉ）を補償するように、デジタル部６０で送信信号に補正係数Ｋ（ｉ）を乗算することで、較正を行うことができる。そして、式１に示すように、各ブランチｉで送信アナログ部４２の伝達関数Ｔｘ（ｉ）と受信アナログ部４４の伝達関数Ｒｘ（ｉ）との比が一定になると、較正が完了する。

装置内較正処理では、以下で説明するように、通信装置１０の内部で折返される（ループバック）信号から得られるループバック伝達関数Ｄ（ｉ、ｊ）に基づいて較正係数Ｋ（ｉ）が算出される。

ブランチｉからブランチｊへ送信する経路のループバック伝達関数をＤ（ｉ、ｊ）とする。例えば、ブランチ０を基準ブランチとして較正を行う場合を考える。この場合、式２に示すように、ブランチ０から他の各ブランチ１、２へ送信する経路のループバック伝達関数Ｄ（０、１）、Ｄ（０、２）と、他の各ブランチ１、２から折返されてブランチ０で受信する経路のループバック伝達関数Ｄ（１、０）、Ｄ（２、０）とを取得することになる。

ブランチ０の較正係数Ｋ（０）を基準値１．０とすれば、他の各ブランチ１、２の較正係数Ｋ（１）、Ｋ（２）が式３に示すように算出される。

式３の正否について検算すると、各ブランチで送信アナログ部４２の伝達関数Ｔｘ（ｉ）と受信アナログ部４４の伝達関数Ｒｘ（ｉ）との比が一定となる、較正の条件が満たされていることが分かる。

ここで、ブランチ０を基準として較正を行うので、式３に示したように、ブランチ０の較正係数Ｋ（０）は１．０となる。また、他の各ブランチ１、２の較正係数Ｋ（１）、Ｋ（２）には、ブランチ０の（Ｔｘ（０）／Ｒｘ（０））という値が乗算されている。

図４〜図６は、ループバック伝達関数Ｄ（ｉ、ｊ）を取得する手順を示す説明図である。

各ブランチ０〜２は、送信アナログ部４２および受信アナログ部４４を各々に有し、基準信号の送受信タイミングに応じた切替スイッチ２４の切替により、アンテナ２２に対する接続が切替えられる。また、デジタル部６０は、各ブランチ０〜２の送受信信号に対してデジタル処理を行う。各送信アナログ部４２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、切替スイッチ２４経由でアンテナ２２から伝搬路に送出する。また、各受信アナログ部４４は、伝搬路を介して各アンテナ２２で受信した信号をＲＦ処理してダウンコンバートする。

図４では、基準ブランチとなるブランチ０でアンテナ２２が送信アナログ部４２に接続され、他のブランチ１、２でアンテナ２２が受信アナログ部４４に接続されることで、ブランチ０から送信される基準信号を他の各ブランチ１、２で折返し受信する第１の経路が形成されている。そして、デジタル部６０では、第１の経路でのループバック伝達関数Ｄ（０、１）、Ｄ（０、２）が取得される（第１の取得ステップ）。

図５および図６では、ブランチ０でアンテナ２２が受信アナログ部４２に接続され、ブランチ１またはブランチ２でアンテナ２２が送信アナログ部４４に接続されることで、ブランチ１またはブランチ２から送信される基準信号をブランチ０で折返し受信する第２の経路が形成されている。そして、デジタル部６０では、第２の経路でのループバック伝達関数Ｄ（１、０）、Ｄ（２、０）が取得される（第２および第３の取得ステップ）。

デジタル部６０では、第１および第２の経路で基準信号の折返しにより得られるループバック伝達関数Ｄ（ｉ、ｊ）を取得し、アナログ部４０の伝達関数を補償するための較正係数Ｋ（０）〜Ｋ（２）をブランチ毎に算出する。そして、デジタル部６０は、データ伝送に際して、各送信アナログ部４２への送信信号に較正係数Ｋ（０）〜Ｋ（２）を乗算することで、可逆性が成立するように較正を行う。

前述したように、従来のアンテナ較正処理では、アンテナ２２の本数（ブランチの数）に相当する回数の取得ステップが必要となる。そして、各取得ステップでは、１つのブランチが送信状態に設定され、他の１つのブランチが受信状態に設定され、残りのブランチが待機状態または受信状態に設定される。各取得ステップでは、アンテナ２２の送受信を切替るために送受信アナログ部４２、４４の設定が切替えられるが、送受信アナログ部４２、４４は、過渡応答期間を有するので、設定を切替えた後に回路状態が安定するまで、数１０μ秒に亘って待機する必要がある。

そして、ブランチの設定切替により、送信方向のループバック伝達関数の取得タイミングと、受信方向のループバック伝達関数の取得タイミングとの間で大きな差が生じると、その期間で空間チャネルの状況が変化してしまう場合がある。ここで、アンテナ２２の本数（ブランチの数）が多くなるほど、ブランチの設定切替を多く要し、取得タイミングの差が大きくなる。この場合、空間チャネルの状況の変化がループバック伝達関数に影響を及ぼすことで、送信アナログ部４２と受信アナログ部４４との間で伝達関数の差を検知することが困難となる。よって、アンテナ較正処理では、各ブランチの較正係数を適正に算出するために、送信方向と受信方向のループバック伝達関数の取得タイミングの差を可能な限り抑制することが望まれる。

（本発明の実施形態）
前述した問題点を解消するために、本発明の実施形態に係る無線通信装置およびアンテナ較正方法では、以下で示す方法を用いて、ループバック伝達関数を取得する。なお、以下では、３つの送受信ブランチを有する通信装置でループバック伝達関数を取得する場合を一例として説明するが、本発明は、４つ以上の送受信ブランチを有する通信装置に対しても同様に適用することができる。

図２は、本実施形態に係る無線通信装置のデジタル部の機能構成を示すブロック図である。

デジタル部１６０の受信系統は、ＡＤ変換部１６１、同期部１６２、伝達関数取得部１６３、および較正係数取得部１６４を含んで構成される。受信系統は、受信アナログ部１４４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変換し、パケット発見、同期獲得、周波数オフセット補正などの処理を施す。また、受信系統は、較正処理に際して、ループバック伝達関数取得部としての伝達関数取得部１６３により、他の各ブランチから折返し受信した１つ以上の基準信号の受信状況に基づいて、ブランチ間の経路でのループバック伝達関数を取得する。そして、較正係数算出部としての較正係数取得部１６４は、取得されたループバック伝達関数Ｄ（ｉ、ｊ）を用いて、各ブランチの送受信アナログ部１４２、１４４の較正係数Ｋ（０）〜Ｋ（２）を取得し、後述する送信系統の較正係数乗算部１６７に設定する。

一方、デジタル部１６０の送信系統は、データ生成部１６５、基準信号生成部１６６、較正係数乗算部１６７、およびＤＡ変換部１６８を含んで構成される。データ生成部１６５は、上位プロセッサ１８０から供給される送信データを各ブランチの送信系統に割当てる。また、基準信号生成部１６６は、較正処理に際して、以下で詳述するように、他の各ブランチで受信される基準信号を生成する。較正係数乗算部１６７は、データ伝送に際して、各ブランチへ送信する信号に較正係数Ｋ（ｉ）を乗算することで、較正を行う。

図２および図３は、本実施形態に係るアンテナ較正方法によりループバック伝達関数Ｄ（ｉ、ｊ）を取得する手順を示す説明図である。なお、アンテナ１２２、切替スイッチ１２４、アナログ部１４０（送信アナログ部１４２および受信アナログ部１４４を含む。）、およびデジタル部１６０を含むブランチからなる通信装置１００の構成については、前述した一般的な通信装置１０の機能構成と同様であるので詳細な説明を省略する。

図３および図４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。図３では、ブランチ０でアンテナ１２２が送信アナログ部１４２に接続され、他の各ブランチ１、２でアンテナ１２２が受信アナログ部１４４に接続されることで、ブランチ０から送信される基準信号を他の各ブランチ１、２で折返し受信する第１の経路が形成されている。そして、デジタル部１６０では、ブランチ０から各ブランチ１、２に送信された基準信号の受信状況に基づいて、第１の経路でのループバック伝達関数Ｄ（０、１）、Ｄ（０、２）が取得される（第１の取得ステップ）。

図４では、ブランチ０でアンテナ１２２が受信アナログ部１４４に接続され、ブランチ１およびブランチ２でアンテナ１２２が送信アナログ部１４２に接続されることで、ブランチ１およびブランチ２から送信される基準信号をブランチ０で折返し受信する第２の経路が形成されている。そして、デジタル部１６０では、ブランチ１およびブランチ２からブランチ０に送信された基準信号の受信状況に基づいて、第２の経路でのループバック伝達関数Ｄ（１、０）、Ｄ（２、０）が取得される（第２の取得ステップ）。

そして、取得されたループバック伝達関数Ｄ(ｉ、ｊ)に基づいて、一般的なアンテナ較正方法と同様に、前述した式３により較正係数Ｋ（ｉ）を算出する。そして、算出された較正係数Ｋ（ｉ）を補正値として重み係数を補正する。

ここで、第２の取得ステップでは、ブランチ１およびブランチ２からブランチ０に実質的に同時に基準信号が送信されるので、ブランチ０ではブランチ１およびブランチ２からの基準信号を実質的に同時に受信することになる。よって、デジタル部１６０では、ブランチ１から送信された基準信号の受信状況と、ブランチ２から送信された基準信号の受信状況とを区別することができないという問題が生じる。

以下では、この問題について、一例を挙げて説明する。例えば、式５に示すように、空間チャネルおよび送受信アナログ部１４２、１４４を含む経路の伝達関数がチャネル行列Ｈ_０により表され、既知の基準信号が基準信号行列Ｘ_０により表されるものとする。

ここで、チャネル行列Ｈ_０は、送信側のブランチｊから受信側のブランチｉへ送信する経路の伝達関数を表している。例えば、チャネル行列Ｈ_０の行列要素「ｂ」は、ブランチ１の送信アナログ部１４２の伝達関数と、ブランチ１からブランチ０へ送信する空間チャネルの伝達関数と、ブランチ０の受信アナログ部１４４の伝達関数とからなる伝達関数を意味する。また、基準信号行列Ｘ_０は、同一の行列要素Ｒｅｆからなる３ｘ１行列で表されている。

ブランチ１およびブランチ２から送信された基準信号行列Ｘ_０で表される基準信号は、式６で示す信号としてブランチ０により受信される。なお、送信状態のブランチでは信号を受信できず、また、受信状態のブランチでは信号を送信できないので、チャネル行列Ｈ_０の一部の行列要素に「０」が予め代入されている。

ここで、基準信号行列Ｘ_０の行列要素Ｒｅｆが既知であるので、ブランチ０により受信された信号を行列要素Ｒｅｆで除算すると、式７で示すループバック伝達関数Ｄが取得される。

ここで、式７で表されるループバック伝達関数Ｄでは、ブランチ１からブランチ０へ送信する経路のループバック伝達係数ｂと、ブランチ２からブランチ０へ送信する経路のループバック伝達関数ｃとを区別することができない。よって、ブランチ１からブランチ０へ送信する経路のループバック伝達係数ｂ、およびブランチ２からブランチ０へ送信する経路のループバック伝達関数ｃを取得することができないという問題が生じる。

（第１の実施形態）
このため、以下に示す第１の取得方法を用いることが提案される。提案される第１の取得方法では、式８に示す基準信号行列Ｘ₁に相当する信号が基準信号として送信される。

基準信号行列Ｘ_１で表される基準信号は、３ｘ３行列のスカラー行列である。なお、基準信号行列Ｘ_１の行列要素Ｒｅｆは、実数および複素数のいずれでもよいが、以下では、Ｒｅｆ＝１の場合を想定して説明する。

基準信号行列Ｘ_１は、１つの送信パケット中で、基準信号の領域を３つに区分して基準信号を送信することにより得られる。具体的には、ブランチ２を送信モードにし、ブランチ２の送信データを０にした状態で、ブランチ１から基準信号を送信し、また、ブランチ１を送信モードにし、ブランチ１の送信データを０にした状態で、ブランチ２から基準信号を送信する。ここで、基準信号行列Ｘ_１で表される基準信号は、１つの送信パケット中で、ブランチの設定切替を伴わずに、信号をデジタル的に切替えることにより生成される。このため、ブランチ１からブランチ０に基準信号を送信した後に、ブランチの設定切替を行う必要がないので、ブランチの設定切替え後に生じる過渡応答期間に亘って待機することなしに、ブランチ２からブランチ０に基準信号を送信することができる。

ブランチ１およびブランチ２から送信された基準信号行列Ｘ_１で表される基準信号は、ブランチ０により受信され、ブランチ０により受信された信号から、式９で示すループバック伝達関数Ｄが取得される。

ここで、式９で表されるループバック伝達関数Ｄでは、ブランチ１からブランチ０へ送信する経路のループバック伝達係数ｂ（Ｄ（１、０）に相当）と、ブランチ２からブランチ０へ送信する経路のループバック伝達関数ｃ（Ｄ（２、０）に相当）とを区別して取得することができる。

以上説明した第１の実施形態に係る無線通信装置およびアンテナ較正方法によれば、第１の組の各ブランチからアンテナを介して第２の組の各ブランチへ至る全ての経路を含む第１の経路が形成された状態で、第１の経路上で送信された基準信号の受信状況に基づいて、第１の経路に含まれる経路毎のループバック伝達関数が取得される（第１の取得ステップ）。そして、第１の経路と逆の第２の経路が形成された状態で、第２の経路上で送信された基準信号の受信状況に基づいて、第２の経路に含まれる経路毎のループバック伝達関数が取得される（第２の取得ステップ）。そして、取得された第１および第２の経路のループバック伝達関数に基づいて、送受信ブランチ毎の較正係数が算出される。

これにより、ブランチ数に拘らずに、ブランチの設定切替を各々に伴う２回の取得ステップのみを用いて、全てのブランチで送受信方向のループバック伝達関数を取得することが可能となる。よって、ブランチの設定切替を最小限の回数に留めることで、送信方向と受信方向のループバック伝達関数の取得タイミングの差を抑制することが可能となり、ブランチ毎の較正係数を適正に算出することができる。

なお、コンピュータに上記機能を実現させるためのプログラムを組込むことで、コンピュータを上記無線通信装置として機能させることができる。この場合、プログラムは、上位プロセッサ１８０などに設けられたメモリなどに記憶されており、上位プロセッサ１８０などに設けられた制御部などにより、必要に応じて読出されて実行される。

また、一方の組の各ブランチから送信され、他方の組の各ブランチにより受信される基準信号がスカラー行列Ｘ（ｉ、ｊ）で表される。これにより、複数のブランチから送信された基準信号が任意の一ブランチにより実質的に同時に受信された場合でも、各ブランチから送信された基準信号毎の受信状況を知ることが可能となり、基準信号が送信された経路毎のループバック伝達関数を取得することができる。

（第２の実施形態）
第１の取得方法では、伝達関数ｂ、ｃを取得することができるが、ブランチ０で送信パケットを受信する際のゲイン値の設定が問題となる。具体的には、伝達関数ｂと伝達関数ｃとの差が大きい場合に、共通して設定されるゲイン値（ＡＧＣ固定値）を求めることが比較的困難となる。

このため、以下に示す第２の取得方法を用いることが提案される。提案される第２の取得方法では、式１０に示すように、式９に示した基準信号行列Ｘ_１と行列Ｐ_１との積Ｐ_１Ｘ_１で表される信号が基準信号として送信される。

行列Ｐ_１は、各列ベクトル同士の内積が０となる、すなわち各列ベクトル同士が完全に直交するフルランクの３ｘ３行列である。なお、式１０に示した行列Ｐ_１は、各列ベクトル同士が完全に直交する行列の一例であって、その行列要素は、かかる場合に限定されるものではない。ここで、基準信号として用いられる行列の積Ｐ_１Ｘ_１の右側から行列Ｐ_１の逆行列Ｐ^−１を乗算すると、基準信号行列Ｘ_１を完全に復元することができるので、受信信号の劣化が全く生じない。また、受信信号の劣化がある程度許容される場合には、行列Ｐ_１としてフルランクの行列を用いる代わりに、相対的に低いランクの行列を用いてもよい。

ブランチ１およびブランチ２から送信された基準信号Ｐ_１Ｘ_１は、式１１で示す信号としてブランチ０により受信される。そして、ブランチ０により受信された信号から、式１２に示すループバック伝達関数Ｄが取得される。

ここで、x=exp(-j2π/3)、y=exp(-j4π/3)とすると、

第２の取得方法では、ループバック伝達関数ｂ、ｃを区別して取得することができる。また、式１０で示すように、ブランチ１およびブランチ２から同時に送信された基準信号をブランチ０で受信することになるので、安定したゲイン値で信号を受信することができる。よって、第１の取得方法で問題となった、ブランチ０で送信パケットを受信する際のゲイン値の設定が問題とならない。

以上説明した第２の実施形態に係る無線通信装置およびアンテナ較正方法によれば、一方の組の各ブランチから送信され、他方の組の各ブランチにより受信される基準信号が、列ベクトル同士が互いに直交する行列およびスカラー行列の積Ｐ（ｉ、ｊ）Ｘ（ｉ、ｊ）で表される。これにより、複数のブランチから送信された基準信号が実質的に同時に受信された場合でも、各ブランチから送信された基準信号毎の受信状況を知ることが可能となり、基準信号が送信された経路毎のループバック伝達関数を容易に取得することができる。

（変形例）
なお、前述した例では、３ｘ３行列からなる行列Ｐ_１を用いる場合について説明したが、例えば、４ｘ４行列からなる行列Ｐ_２を用いる場合についても同様に説明される。例えば、空間チャネルおよび送受信アナログ部１４２、１４４を含む経路の伝達関数が式１３に示すように、４ｘ４行列からなるチャネル行列Ｈ_２により表され、基準信号が基準信号行列Ｘ_２により表されるものとする。

この場合も、前述した第２の取得方法の場合と同様に、式１４に示すように、基準信号行列Ｘ_２と行列Ｐ_２との積Ｐ_２Ｘ_２が基準信号として送信される。なお、式１３に示した行列Ｐ_２は、４ｘ４行列からなり、各列ベクトル同士が直交する行列の一例であって、その行列要素は、かかる場合に限定されるものではない。

ブランチ１およびブランチ２から送信された基準信号行列Ｐ_２Ｘ_２で表される基準信号は、式１５で示すように、ブランチ０により受信され、ブランチ０により受信された信号からループバック伝達関数Ｄが取得される。

これにより、４ｘ４行列からなる行列Ｐ_２を用いる場合でも、ループバック伝達関数ｂ、ｃ、ｄを区別して取得することができることが確認される。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は係る例に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

なお、上記実施形態の説明では、ｎ本（ｎ≧３）の送受信ブランチ１４２、１４４のうちの１つを基準ブランチとし、基準ブランチと他の各ブランチとの間で、２回の取得ステップが行われる場合を一例として説明した。しかし、本発明は、例えば、ｎ本（ｎ≧３）の送受信ブランチ１４２、１４４を、１つ以上のブランチからなる第１の組と、他の残りのブランチからなる第２の組とに区分し、第１の組と第２の組との間で、２回の取得ステップが行われる場合にも同様に適用することができる。

また、上記実施形態の説明では、まず、基準ブランチから他の各ブランチへ送信する経路でループバック伝達関数が取得され（第１の取得ステップ）、次に、逆の経路でループバック伝達関数が取得される（第２の取得ステップ）場合について説明した。しかし、第１および第２の取得ステップの実行順序は、相互に交換されてもよい。

本発明の実施形態に係るＭＩＭＯ方式の通信装置の一般的な機能構成を示すブロック図である。 本実施形態に係る無線通信装置のデジタル部の機能構成を示すブロック図である。 本実施形態に係るアンテナ較正方法によりループバック伝達関数を取得する手順を示す説明図（１／２）である。 本実施形態に係るアンテナ較正方法によりループバック伝達関数を取得する手順を示す説明図（２／２）である。 従来のアンテナ較正方法によりループバック伝達関数を取得する手順を示す説明図（１／３）である。 従来のアンテナ較正方法によりループバック伝達関数を取得する手順を示す説明図（２／３）である。 従来のアンテナ較正方法によりループバック伝達関数を取得する手順を示す説明図（３／３）である。

符号の説明

１００ 無線通信装置
１２０ アンテナ部
１２２ アンテナ
１２４ 切替スイッチ
１４０ アナログ部
１４２ アナログ送信部
１４４ アナログ受信部
１６０ デジタル部
１６３ 伝達関数取得部
１６４ 較正係数取得部
１６６ 基準信号生成部
１６８ 較正係数乗算部
１８０ 上位プロセッサ

Claims (9)

1. アンテナおよび前記アンテナに切替可能に接続される送信アナログ部および受信アナログ部を含む送受信ブランチをｎ（ｎ≧３）以上有し、前記送受信ブランチが第１の組に属するブランチと、第２の組に属する他の残りのブランチとに区分された無線通信装置において、
   前記第１の組の各ブランチから前記アンテナを介して前記第２の組の各ブランチへ至る全ての経路を含む第１の経路が形成された状態で、前記第１の組の各ブランチから送信され、前記第２の組の各ブランチにより受信された基準信号の受信状況に基づいて、前記第１の経路に含まれる経路毎のループバック伝達関数を取得し、前記第１の経路に含まれる全ての経路に対応し、逆方向をなす第２の経路が形成された状態で、前記第２の組の各ブランチから送信され、前記第１の組の各ブランチにより受信された基準信号の受信状況に基づいて、前記第２の経路に含まれる経路毎のループバック伝達関数を取得するループバック伝達関数取得部と、
   前記取得されたループバック伝達関数に基づいて、前記送受信ブランチ毎の較正係数を算出する較正係数算出部と
   を備え、
   前記ループバック伝達関数取得部は、次式に基づいて、
   Ｄ（ｉ、ｊ）＝Ｈ（ｉ、ｊ）Ｐ（ｉ、ｊ）Ｘ（ｉ、ｊ）Ｐ（ｉ、ｊ） ^−１ （ｉ、ｊ＝１、２、…ｎ）
   ここで、Ｐ（ｉ、ｊ）：列ベクトル同士が互いに直交する行列
   Ｘ（ｉ、ｊ）：行列の積Ｐ（ｉ、ｊ）Ｘ（ｉ、ｊ）で表され、前記第１または第２の組のうち一方の組の各ブランチから他方の組の各ブランチに送信される基準信号を構成するスカラー行列
   Ｄ（ｉ、ｊ）：前記第１または第２の組のうち他方の組の各ブランチにより受信された基準信号の受信状況を表す行列
   Ｈ（ｉ、ｊ）：送信側のブランチｊから前記アンテナを介して受信側のブランチｉへ至る経路のチャネル特性を表すチャネル行列
   基準信号が送信された経路毎のループバック伝達関数を取得することを特徴とする無線通信装置。
2. 前記基準信号は、前記アンテナと前記送信アナログ部または前記受信アナログ部との接続状態を切替えることなしに、１つの送信パケットに含まれ、ブランチの数ｎに相当する領域に区分された基準信号の領域で、信号をデジタル的に切替えることにより生成されることを特徴とする、請求項１に記載の無線通信装置。
3. 前記ループバック伝達関数取得部は、フルランクの行列Ｐ（ｉ、ｊ）に代えて、相対的に低いランクの行列Ｐ（ｉ、ｊ）を用いることを特徴とする、請求項１または２に記載の無線通信装置。
4. 前記第１の組が１つの送受信ブランチにより構成され、前記第２の組が他の残りの送受信ブランチにより構成されることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の無線通信装置。
5. ３本以上の前記送受信ブランチを用いて、マルチ入力マルチ出力（ＭＩＭＯ）通信を行うことを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の無線通信装置。
6. ３本以上の前記送受信ブランチを用いて、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１〜５のいずれか１項に記載の無線通信装置。
7. １次変調方式として直交周波数分割多重（ＯＦＤＭ）変調方式を用いて通信を行うことを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の無線通信装置。
8. アンテナおよび前記アンテナに切替可能に接続される送信アナログ部および受信アナログ部を含む送受信ブランチをｎ（ｎ≧３）以上有し、前記送受信ブランチが第１の組に属するブランチと、第２の組に属する他の残りのブランチとに区分された無線通信装置に適用されるアンテナ較正方法において、
   前記第１の組の各ブランチから前記アンテナを介して前記第２の組の各ブランチへ至る全ての経路を含む第１の経路が形成された状態で、前記第１の組の各ブランチから送信され、前記第２の組の各ブランチにより受信された基準信号の受信状況に基づいて、前記第１の経路に含まれる経路毎のループバック伝達関数を取得する第１の伝達関数取得ステップと、
   前記第１の経路に含まれる全ての経路に対応し、逆方向をなす第２の経路が形成された状態で、前記第２の組の各ブランチから送信され、前記第１の組の各ブランチにより受信された基準信号の受信状況に基づいて、前記第２の経路に含まれる経路毎のループバック伝達関数を取得する第２の伝達関数取得ステップと、
   前記取得されたループバック伝達関数に基づいて、前記送受信ブランチ毎の較正係数を算出する較正係数算出ステップと
   を含み、
   次式に基づいて、
   Ｄ（ｉ、ｊ）＝Ｈ（ｉ、ｊ）Ｐ（ｉ、ｊ）Ｘ（ｉ、ｊ）Ｐ（ｉ、ｊ） ^−１ （ｉ、ｊ＝１、２、…ｎ）
   ここで、Ｐ（ｉ、ｊ）：列ベクトル同士が互いに直交する行列
   Ｘ（ｉ、ｊ）：行列の積Ｐ（ｉ、ｊ）Ｘ（ｉ、ｊ）で表され、前記第１または第２の組のうち一方の組の各ブランチから他方の組の各ブランチに送信される基準信号を構成するスカラー行列
   Ｄ（ｉ、ｊ）：前記第１または第２の組のうち他方の組の各ブランチにより受信された基準信号の受信状況を表す行列
   Ｈ（ｉ、ｊ）：送信側のブランチｊから前記アンテナを介して受信側のブランチｉへ至る経路のチャネル特性を表すチャネル行列
   基準信号が送信された経路毎のループバック伝達関数が取得されることを特徴とする、アンテナ較正方法。
9. アンテナおよび前記アンテナに切替可能に接続される送信アナログ部および受信アナログ部を含む送受信ブランチをｎ（ｎ≧３）以上有し、前記送受信ブランチが第１の組に属するブランチと、第２の組に属する他の残りのブランチとに区分された無線通信装置に適用されるアンテナ較正処理方法をコンピュータに実行させるためのプログラムであって、
   前記アンテナ較正処理方法は、
   前記第１の組の各ブランチから前記アンテナを介して前記第２の組の各ブランチへ至る全ての経路を含む第１の経路が形成された状態で、前記第１の組の各ブランチから送信され、前記第２の組の各ブランチにより受信された基準信号の受信状況に基づいて、前記第１の経路に含まれる経路毎のループバック伝達関数を取得する第１の伝達関数取得ステップと、
   前記第１の経路に含まれる全ての経路に対応し、逆方向をなす第２の経路が形成された状態で、前記第２の組の各ブランチから送信され、前記第１の組の各ブランチにより受信された基準信号の受信状況に基づいて、前記第２の経路に含まれる経路毎の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、
   前記取得されたループバック伝達関数に基づいて、前記送受信ブランチ毎の較正係数を算出する較正係数算出ステップと
   を含み、
   次式に基づいて、
   Ｄ（ｉ、ｊ）＝Ｈ（ｉ、ｊ）Ｐ（ｉ、ｊ）Ｘ（ｉ、ｊ）Ｐ（ｉ、ｊ） ^−１ （ｉ、ｊ＝１、２、…ｎ）
   ここで、Ｐ（ｉ、ｊ）：列ベクトル同士が互いに直交する行列
   Ｘ（ｉ、ｊ）：行列の積Ｐ（ｉ、ｊ）Ｘ（ｉ、ｊ）で表され、前記第１または第２の組のうち一方の組の各ブランチから他方の組の各ブランチに送信される基準信号を構成するスカラー行列
   Ｄ（ｉ、ｊ）：前記第１または第２の組のうち他方の組の各ブランチにより受信された基準信号の受信状況を表す行列
   Ｈ（ｉ、ｊ）：送信側のブランチｊから前記アンテナを介して受信側のブランチｉへ至る経路のチャネル特性を表すチャネル行列
   基準信号が送信された経路毎のループバック伝達関数が取得されることを特徴とするプログラム。

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