JP5367843B2 - 無線信号処理装置及び無線装置 - Google Patents

Description

本発明は、無線通信に関する。

複数のアンテナ（アダプティブアレイ）を用いた通信を行う際に、受信系統ごとにウェイトと乗算して重み付け合成することによって、干渉を低減する技術がある。送信周波数と受信周波数が同一である場合、受信ウェイトを送信に用いる事で、他の無線装置への与干渉を低減する技術がある。このような無線通信システムでは、一般に、伝搬路（空間）の伝達関数は送信時と受信時で可逆と考えられる。しかし、無線装置内の送信系統と受信系統とは別の回路であり伝達関数が相違し、可逆とは考えにくい。そのため、受信ウェイトを送信に用いたとしても、受信時の指向性と送信時の指向性とが異なってしまうという問題があった。この問題を解決するため、送信系統と受信系統の間のキャリブレーションによって、受信時の指向性と送信時の指向性を揃える技術が開示されている（例えば、特許文献１）。

セルラーシステム等では、物理的に離れて存在する複数の無線装置が、協力して、指向性を有する１つの電波（ビーム）を形成する（以下、協力通信と呼ぶ）ことによって、セルエッジに位置する無線装置の受信電力を向上させ、他の無線装置への与干渉を低減することが可能になる。しかし、複数の無線装置の協力通信を行う際に、複数の無線装置の送信系統、受信系統をいかにキャリブレーションするかについては、開示されていない。

特表２００２−５３０９９８号公報

この発明の課題の１つは、複数の無線装置の協力通信を行う際に、複数の無線装置の送信系統、受信系統をキャリブレーションすることである。

上記鑑みて、本発明の一実施の形態に係る無線信号処理装置は、第１アンテナおよび第２アンテナを有する第１無線装置と、第３アンテナおよび第４アンテナを有する第２無線装置とを用いて協力通信を行うための無線信号処理装置であって、前記第１アンテナの送受信系統と前記第２アンテナの送受信系統とに対してキャリブレーションを行う第１自己キャリブレーション部と、前記第３アンテナの送受信系統と前記第４アンテナの送受信系統とに対してキャリブレーションを行う第２自己キャリブレーション部と、前記第１自己キャリブレーション部と前記第２自己キャリブレーション部とでキャリブレーションを行ったあとに、前記第１アンテナの送受信系統と前記第３アンテナの送受信系統とに対してキャリブレーションを行う相対キャリブレーション部とを備える事を特徴とする。

本発明によれば、複数の無線装置の協力通信を行う際に、複数の無線装置の送信系統、受信系統をキャリブレーションすることが可能となる。

第１の実施形態に係る無線システムを示す図。 第１の実施形態に係る無線システムの動作を示すフローチャート図。 第１の実施形態に係る自己キャリブレーション部を示す図。 第１の実施形態に係るビーム形成の手順を示すフローチャート図。 指向性の形成結果の計算機シミュレーション結果を示す図。 第１の実施形態に係る無線システムの伝搬路の伝達係数を示す図。 第１の実施形態に係る無線システムの伝搬路の伝達係数を示す図。 第１の実施形態に係る無線システムのスロットを示す図。 第１の実施形態に係る無線システムのスロットを示す図。

以下、本発明の実施形態について説明する。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る無線システムを示す図である。第１の実施形態に係る無線システムは、無線装置１００と、無線装置２００と、無線信号処理装置３００とを備え、互いに物理的に離れた場所に設置される。無線信号処理装置３００に接続される無線装置の数は２個に限られず、より多くの無線装置が接続されても良い。無線信号処理装置３００は、多くの無線装置と接続することで、広範囲に存在する他のユーザ端末（例えば、携帯電話等）と通信を行うことができる。

無線信号処理装置３００は、物理的に離れて存在する無線装置１００、２００を用いて協力通信を行う。無線信号処理装置３００は、無線装置１００、２００のキャリブレーションを行う。無線装置１００、２００は、無線信号の送受信処理（周波数変換処理、及びＡＤ／ＤＡ変換処理など）を行う。

無線信号処理装置３００と無線装置１００とは、有線の通信網（例えば、光ファイバー）で接続される。無線信号処理装置３００と無線装置２００とも、有線の通信網で接続される。この無線システムはセルラーシステムであっても良い。無線信号処理装置３００はＢａｓｅ Ｂａｎｄ Ｕｎｉｔ（ＢＢＵ）であっても良い。無線装置１００、２００はＲｅｍｏｔｅ Ｒａｄｉｏ Ｕｎｉｔ（ＲＲＵ）あっても良い。

無線装置１００は、アンテナ１と、アンテナ２と、送信系統１０１、１０２と、受信系統１０３、１０４とを備える。送信系統１０１と受信系統１０３は、アンテナ１を介した無線信号の送信処理と受信処理を行う。送信系統１０２と受信系統１０４は、アンテナ２を介した無線信号の送信処理と受信処理を行う。

無線装置２００は、アンテナ３と、アンテナ４と、送信系統２０１と、送信系統２０２と、受信系統２０３と、受信系統２０４とを備える。送信系統２０１と受信系統２０３は、アンテナ３を介した無線信号の送信処理と受信処理を行う。送信系統２０２と受信系統２０４は、アンテナ４を介した無線信号の送信処理と受信処理を行う。

送信系統１０１、１０２、２０１、２０２は、デジタルアナログ変換部（図示せず）と、アップコンバータ（図示せず）を備える。受信系統１０３、１０４、２０３、２０４は、アナログデジタル変換部（図示せず）と、ダウンコンバータ（図示せず）を備える。送信系統１０１、１０２、２０１、２０２、受信系統１０３、１０４、２０３、２０４は、ノイズ除去用のフィルタ（図示せず）を備えても良い。

信号処理部３００は、自己キャリブレーション部１１０、２１０と、ビーム形成部１１１、２１１と、相対キャリブレーション部３０１とを備える。自己キャリブレーション部１１０は、無線装置１００のアンテナ１、２の送受信系統のキャリブレーションを行う。自己キャリブレーション部２１０は、無線装置２００のアンテナ３、４の送受信系統のキャリブレーションを行う。相対キャリブレーション部３０１は、無線装置１００のアンテナ１（または２）の送受信系統と、無線装置２００のアンテナ３（または４）の送受信系統とのキャリブレーションを行う。

ビーム形成部１１１は、無線装置１００で受信した信号の重み付け合成を行う。ビーム形成部１１１は、無線装置１００から送信する電波であって、ユーザ端末の方向へ指向性を有する電波（ビーム）を形成する。ビーム形成部１１１は、送信ウェイト乗算部１１２と、受信ウェイト乗算部１１３と、受信ウェイト計算部１１４と、送信ウェイト計算部１１５とを備える。受信ウェイト計算部１１４は、無線装置１００がアンテナ１、２から無線信号を受信する際に重み付け合成するためのウェイト（以下、受信ウェイト）を計算する。受信ウェイトは、受信ウェイト計算部１１４によって、無線信号の受信特性（合成後の受信信号強度やＳＮＲ、ＳＩＮＲ）がほぼ最大となるように計算されても良く、複数のウェイトののうち無線信号の受信特性が最大となるウェイトが選択されても良い。受信ウェイト乗算部１１３は、受信ウェイト計算部１１４で計算された受信ウェイトと、無線装置１００で受信した信号とを乗算する。送信ウェイト計算部１１５は、無線装置１００が無線信号を送信する際にビーム形成するためのウェイト（以下、送信ウェイト）を計算する。送信ウェイトは、指向性の方向を向けるユーザ端末からの受信ウェイトに自己キャリブレーション結果を乗算することで計算されても良く、指向性の方向を向けるユーザ端末からの受信ウェイトに自己キャリブレーション結果及び相対キャリブレーション結果を乗算することで計算されても良い。送信ウェイト乗算部１１２は、送信ウェイト計算部１１５で計算された送信ウェイトと、無線装置１００のアンテナ１、２で送信する信号とを乗算する。

ビーム形成部２１１は、無線装置２００で受信した信号の重み付け合成を行う。ビーム形成部２１１は、無線装置２００から送信する電波であって、ユーザ端末の方向へ指向性を有する電波（ビーム）を形成する。送信ウェイト乗算部２１２と、受信ウェイト乗算部２１３と、受信ウェイト計算部２１４と、送信ウェイト計算部２１５とを備える。受信ウェイト計算部２１４は、無線装置２００用の受信ウェイトを計算する。受信ウェイト乗算部２１３は、受信ウェイト計算部２１４で計算された受信ウェイトと、無線装置２００のアンテナ３，４で受信した信号とを乗算する。送信ウェイト計算部２１５は、無線装置２００用の送信ウェイトを計算する。送信ウェイト乗算部２１２は、送信ウェイト計算部２１５で計算された送信ウェイトと、無線装置２００のアンテナ３、４で送信する信号とを乗算する。

図２は、第１の実施形態に係る無線システムのキャリブレーション方法を示すフローチャート図である。キャリブレーションとは、送信時の指向性と受信時の指向性をほぼ同一にする処理であればどのようなものであってもよい。例えば、キャリブレーションとは、複数の送受信系統に対して、送信系統の伝達関数と受信系統の伝達関数との比をそろえることであってもよい。第１ステップで、無線システムは、各無線装置１００、２００内の送受信系統のキャリブレーション（以下、自己キャリブレーションと呼ぶ）を行う（ステップＳ１０１）。第２ステップで、無線システムは、無線装置１００、２００間で送受信時の指向性を互いに向け合う（ビーム形成）（ステップＳ１０２）。第３ステップで、無線装置１００、２００間の送受信系統のキャリブレーション（以下、相対キャリブレーションと呼ぶ）を行う（ステップＳ１０３）。なお、自己キャリブレーション（第１ステップ）が終了した後、無線装置１００、２００間で送受信される既知信号であるキャリブレーション信号の受信レベルが高い場合には、無線装置１００、２００間で送受信時の指向性を互いに向け合うことなく、相対キャリブレーション（第３ステップ）を行っても良い。（第１ステップ：自己キャリブレーション）
図３は、自己キャリブレーション部１１０を示す図である。なお、自己キャリブレーション部２１０も同様である。自己キャリブレーション部１１０は、キャリブレーション信号生成部１１０Ａと、伝達関数推定部１１０Ｂと、キャリブレーション係数計算部１１０Ｃとを備える。

まず、キャリブレーション信号生成部１１０Ａは、無線装置１００の自己キャリブレーションのための既知信号であるキャリブレーション信号を生成する。キャリブレーション信号は、送信ウェイト乗算部１１２を経由して、２つの送信系統１０１、１０２のうち一方の送信系統１０１へ入力される。送信系統１０１は、キャリブレーション信号を、アンテナ１を介して送信する。送信ウェイト乗算部１１２は、自己キャリブレーション時には、キャリブレーション信号に対して、ウェイトの乗算は行わない。送信ウェイト乗算部１１２は、キャリブレーション信号をスルーしても良く、キャリブレーション信号にウェイト［１，１］を乗算しても良い。

次に、受信系統１０４は、アンテナ１から送信されたキャリブレーション信号を、アンテナ２を介して受信する。なお、アンテナ１から送信されたキャリブレーション信号であって受信系統１０３でも受信された信号は、受信ウェイト乗算部１１３によって捨てられても良く、伝達関数推定部１１０Ｂによって捨てられても良い。受信系統１０４で受信されたキャリブレーション信号は、受信ウェイト乗算部１１３を経由して伝達関数推定部１１０Ｂへ入力される。受信ウェイト乗算部１１３は、自己キャリブレーション時には、キャリブレーション信号に対して、ウェイトの乗算は行わない。受信ウェイト乗算部１１３は、キャリブレーション信号をスルーしても良く、キャリブレーション信号にウェイト［１，１］を乗算しても良い。

次に、伝達関数推定部１１０Ｂは、送信系統１０１と受信系統１０４とを経由したキャリブレーション信号を、キャリブレーション信号生成部１１０Ａで生成したキャリブレーション信号で除算または乗算を行う事で、送信系統１０１から受信系統１０４までの伝達関数ｒ_１２が推定できる（数１）。

ここで、Ｔ_１は送信系統１０１の伝達関数、ν_１２はアンテナ１からアンテナ２までの空間（無線区間）の伝達関数、Ｒ_２は受信系統１０３の伝達関数である。

同様に、キャリブレーション信号を、送信系統１０２から送信し、受信系統１０３で受信することで、送信系統１０２から受信系統１０３までの伝達関数ｒ_２１が推定できる（数２）。

ここでＴ_２は送信系統１０２の伝達関数、ν_２１はアンテナ２からアンテナ１までの空間（無線区間）の伝達関数、Ｒ_１は受信系統１０４の伝達関数である。

キャリブレーション係数計算部１１０Ｃは、アンテナ１の送信系統１０１からアンテナ２の受信系統１０４までの伝達関数ｒ_１２（推定値）と、アンテナ２の送信系統１０２からアンテナ２の受信系統１０３までの伝達関数ｒ_２１（推定値）とを用いて、キャリブレーション係数Ｋ_１００を計算する（数３）。

ここで、伝達関数、ν_１２はアンテナ１からアンテナ２までの空間の伝達関数であり、ν_２１はアンテナ２からアンテナ１までの空間の伝達関数であるため、両者は等しいと見なした。

自己キャリブレーション前のアンテナ１の送信系統１０１と受信系統１０３の伝達関数の比はＴ_１／Ｒ_１である。自己キャリブレーション前のアンテナ２の送信系統１０２と受信系統１０４の伝達関数の比はＴ_２／Ｒ_２である。

アンテナ１の送受信系統を基準とし、アンテナ２の送信時にキャリブレーション係数Ｋ_１００を乗算すれば、以下の通り、アンテナ１の送信系統１０１と受信系統１０３の伝達関数の比と、アンテナ２の送信系統１０２と受信系統１０４の伝達関数の比を同一にすることができる（数４）。

ここで、α_１００は、アンテナ１の送信系統１０１と受信系統１０３の伝達関数の比であって、自己キャリブレーション後のアンテナ２の送信系統１０２と受信系統１０４の伝達関数の比である。

キャリブレーション係数Ｋ_１００（自己キャリブレーション結果）は、キャリブレーション係数計算部１１０Ｃから送信ウェイト計算部１１５へ送られ、無線装置１００の自己キャリブレーションは完了する。自己キャリブレーション後、送信ウェイト計算部１１５は、受信ウェイトと、アンテナ２を介して送信する無線信号に乗算するためのキャリブレーション係数Ｋ_１００とを乗算することによって、送信ウェイトを生成する。

このようにすることで、無線装置１００における受信時の指向性と送信時の指向性とが等しくなる。無線装置１００では、受信系統による受信時の指向性を形成するための受信ウェイトを、送信系統による送信時の指向性を形成するための送信ウェイトとして用いると、受信時の指向性と送信時の指向性を等しくすることができる。ここで、上記の全変数は複素数であり、振幅および位相を有する。

自己キャリブレーションを行う際、送信系統１０１がキャリブレーション信号を送信してから受信系統１０４がキャリブレーション信号を受信するまでの期間（同期タイミング）は、送信系統１０２がキャリブレーション信号を送信してから受信系統１０３がキャリブレーション信号を受信するまでの期間と同一とする。このようにすることで、伝達関数の位相ずれの発生を防止できる。

自己キャリブレーション部２１０は、上述と同様に、無線装置２００の自己キャリブレーションを行う。無線装置２００は、アンテナ３とアンテナ４の２つの送受信系統を備える。自己キャリブレーション部２１０は、自己キャリブレーションを行い、アンテナ３の送信系統２０１と受信系統２０３の伝達関数の比と、アンテナ４の送信系統２０２と受信系統２０４の伝達関数の比を同一にする。送信ウェイト乗算部２１２は、アンテナ４を介して送信する無線信号にキャリブレーション係数Ｋ_２００を乗算する。α_２００は、アンテナ３の送信系統２０１と受信系統２０３の伝達関数の比であって、自己キャリブレーション後のアンテナ４の送信系統２０２と受信系統２０４の伝達関数の比である。

自己キャリブレーションが完了した時点（図２のステップＳ１０１完了時）では、α_１００とα_２００とは異なっていてもよい。相対キャリブレーション（図２のステップＳ１０３）で、α_１００とα_２００とをそろえる。

（第２ステップ：指向性の形成）
図４は、無線装置１００、２００間で送受信時の指向性を互いに向け合う（ビーム形成）手順を示す図である。無線装置１００と無線装置２００とが交互に送信しあう参照信号（既知信号）を用いて、送信ウェイト計算部１１２、２１２と受信ウェイト計算部１１３、２１３とが、送受信時の指向性を互いに向け合うための送信ウェイト、受信ウェイトを計算する。以下に、その手順を説明する。

まず、送信ウェイト乗算部１１２は、ビームを形成するための既知信号である参照信号に送信ウェイトを乗算する。無線装置１００の送信系統１０１、１０２は、送信ウェイトが乗算された参照信号を送信する（ステップＳ２０１）。送信ウェイト乗算部１１２が参照信号に乗算する送信ウェイトは、予め定められた初期値とする。初期値は、例えば、送信系統１０１のみを用いるための［１、０］とする。

次に、無線装置２００の受信系統２０３、２０４は、無線装置１００の送信系統１０１から送信された参照信号を受信する。受信系統２０３、２０４で受信された参照信号は、受信ウェイト乗算部２１３へ入力される。受信ウェイト計算部２１４は、受信系統２０３、２０４で受信した参照信号を用いて受信ウェイトを生成する（ステップＳ２０２）。受信ウェイトの生成方法は、多数の方法が知られており、どのような方法であっても良い。以下では例として、無線装置１００から送信される参照信号を用いたＭｉｎｉｍｕｍ Ｍｅａｎ Ｓｑｕａｒｅ Ｅｒｒｏｒ （ＭＭＳＥ）規範で求める方法を説明する。

受信系統２０３、２０４での受信信号ｘをｘ＝［ｘ_１ ｘ_２］^Ｔ、参照信号をｄ_ｒ ^Ｔとする。ｘ１、ｘ２、ｄｒはいずれも縦ベクトルである。（ ）^Ｔは転置を示す。Ｒ_ｘｘ＝Ｅ（ｘｘ^Ｈ）、ｑ_ｘｒ＝Ｅ（ｘｄ_ｒ ^Ｈ）とする。受信ウェイト計算部２１４は、ＭＭＳＥ規範での受信ウェイトを下記の通り生成する（数５）。

Ｅ（ ）はアンサンブル平均を示す。ただし、アンサンブル平均の算出には、有限個のサンプルを使った平均値を用いられる。無線装置２００は、ＭＭＳＥ規範等に従った受信ウェイト（数５）を用いることで、受信時の指向性を無線装置１００の方向に向ける事ができる。

次に、送信ウェイト計算部２１２は、無線装置２００から無線装置１００へ送信する参照信号の送信ウェイトを生成する（ステップＳ２０３）。送信ウェイト計算部２１２は、無線装置２００で受信した参照信号を用いて生成された受信ウェイトと、無線装置２００の自己キャリブレーションの補正係数Ｋ_２００とを乗算することによって、送信ウェイトｗ_ｔｘ（１）、ｗ_ｔｘ（２）を生成する（数６）。

無線装置１００から無線装置２００へ送信された参照信号に関して、ｗ_ｒｘ（１）は受信系統２０３の受信ウェイト、ｗ_ｒｘ（２）は受信系統２０４の受信ウェイトを示す。無線装置２００から無線装置１００へ送信する参照信号に関して、ｗ_ｔｘ（１）は送信系統２０１の送信ウェイト、ｗ_ｔｘ（２）は送信系統２０２の送信ウェイトを示す。

次に、送信ウェイト乗算部２１２は、無線装置２００から無線装置１００へ送信する参照信号と、送信ウェイト計算部２１２によって生成された送信ウェイトｗ_ｔｘとを乗算する。

無線装置２００の送信系統２０１、２０２は、送信ウェイトｗ_ｔｘが乗算された参照信号を、アンテナ３、４を介して送信する（ステップＳ２０４）。

このようにすることで、無線装置２００は、受信ウェイトｗ_ｒｘを自己キャリブレーション結果Ｋ_２００によって補正して送信ウェイトｗ_ｔｘとすることで、無線装置１００の方向に送信時の指向性を向ける事ができる。

この後、ステップＳ２０５〜Ｓ２０７では、上記と同様に、送信ウェイト計算部１１２は、受信ウェイト計算部１１４によって生成された受信ウェイトを、自己キャリブレーション結果Ｋ_１００を用いて補正して送信ウェイトとすることで、無線装置２００の方向に送信時の指向性を向ける事ができる。そして、無線装置１００は、無線装置２００へ参照信号をさらに送信する。これら処理（ステップＳ２０５〜Ｓ２０７）はステップＳ２０２〜Ｓ２０４と同様に行われるため、説明を省略する。さらに、ステップＳ２０１〜ステップＳ２０６を繰り返すほど、無線装置１００、２００間で送受信時の指向性を精度良く互いに向け合うことができる。

ここでは、ステップＳ２０１〜ステップＳ２０６が１回行われた後、次に相対キャリブレーションがなされる例で説明をする。ステップＳ２０６が終了した時点での無線装置１００の送信ウェイトをｗ_{ｔｘ，１００}、受信ウェイトをｗ_{ｒｘ，１００}とし、無線装置２００の送信ウェイトをｗ_{ｔｘ，２００}、受信ウェイトをｗ_{ｒｘ，２００}とする。

図５は、無線装置１００の送信時の指向性の計算機シミュレーション結果を示す図である。太実線は、無線装置１００と無線装置２００の間の伝搬路情報が、正確に取得できた場合の無線装置１００の送信時の指向性（理想特性）である。このとき、各ウェイトはアンテナ１〜４の間の伝搬路で構成される伝搬路行列の特異ベクトルである。

細い点線は、ステップＳ２０１〜Ｓ２０６を１回完了したときの無線装置１００の送信時の指向性を示す。中ぐらいの太さの点線は、ステップＳ２０１〜Ｓ２０６を２回完了したときの無線装置１００の送信時の指向性を示す。太い点線は、ステップＳ２０１〜Ｓ２０６を５回完了したときの無線装置１００の送信時の指向性を示す。ステップＳ２０１〜Ｓ２０６の処理を多く繰り返すほど、無線装置１００の送信時の指向性は、理想特性へ近づく。この計算機シミュレーションの例では「２回」程度の繰り返しでほぼ完全な指向性形成ができている。ただし、無線区間の環境や必要なキャリブレーションの精度に応じて、多数回繰り返してもよい。

なお、上記では、無線装置１００と２００の間で参照信号を互いに送信しながら指向性を形成する例を説明した。しかし、無線装置１００と２００の間で指向性を形成する手法はこれに限らない。例えば、無線装置１００と２００の互いに位置や角度がＧＰＳ等で取得できれば、位置情報、角度情報を元に指向性を形成することができる。

（第３ステップ：相対キャリブレーション）
相対キャリブレーションの手順の概略は以下の通りである。まず、無線装置１００は、送信ウェイトｗ_{ｔｘ，１００}を用いてキャリブレーション信号を送信する。無線装置２００は、受信ウェイトｗ_{ｒｘ，２００}を用いてキャリブレーション信号を受信する。信号処理部３００は、無線装置１００から無線装置２００へ送信されたキャリブレーション信号を用いて、無線装置１００から無線装置２００への伝達関数を計算（推定）する。なお、キャリブレーション信号の生成方法、送信方法、及び伝達関数の計算方法については、自己キャリブレーション処理とほぼ同様であるため説明を省略する。

次に、無線装置２００は、送信ウェイトｗ_{ｔｘ，２００}を用いてキャリブレーション信号を送信する。無線装置１００は、受信ウェイトｗ_{ｒｘ，１００}を用いてキャリブレーション信号を受信する。信号処理部３００は、無線装置２００から無線装置１００へ送信されたキャリブレーション信号を用いて、無線装置２００から無線装置１００への伝達関数を計算（推定）する。

そして、相対キャリブレーション部３０１は、無線装置１００から無線装置２００への伝達関数と、無線装置２００から無線装置１００への伝達関数とを用いて、相対キャリブレーション係数を計算する。

以下では、相対キャリブレーション部３０１による処理の原理について説明する。空間（無線区間）を除いた無線装置１００、２００内の伝達関数を考える。まず、無線装置１００がキャリブレーション信号を送信ウェイトｗ_{ｔｘ，１００}を用いて送信するときの内部伝達関数は、数７となる。

となる。同様に、無線装置１００がキャリブレーション信号を受信ウェイトｗ_{ｒｘ、１００}で受信するときの内部伝達関数は、数８となる。

ｗ_{ｔｘ，１００}（１）及びｗ_{ｔｘ，１００}（２）は、それぞれ、ｗ_{ｔｘ，１００}の第１要素および第二要素である。ｗ_{ｒｘ，１００}（１）及びｗ_{ｒｘ，１００}（２）は、それぞれ、ｗ_{ｒｘ，１００}の第１要素および第二要素である。

数６より、無線装置１００では、

の関係があるから、数７は、

となる。数１０の２行目の展開は、数４の関係を用いた。

数１０における無線装置１００の送信系統内部の伝達関数も含めたウェイトを、新たに定義して、

とおき、無線装置１００の受信系統内部の伝達関数も含めたウェイトを、新たに定義して、

とおけば

の関係がある。

また無線装置２００でも同様に、無線装置２００の送受信系統内部の伝達関数も含めたウェイトを、新たに定義すれば、

の関係がある。

図６は、無線装置１００から無線装置２００への空間（無線区間）の伝達関数を示す図である。無線装置１００のアンテナ１から無線装置２００のアンテナ３までの無線区間の伝達係数はｈ_１３である。無線装置１００のアンテナ１から無線装置２００のアンテナ４までの伝達係数はｈ_１４である。無線装置１００のアンテナ２から無線装置２００のアンテナ３までの伝達係数はｈ_２３である。無線装置１００のアンテナ２から無線装置２００のアンテナ４までの伝達係数はｈ_２２である。無線装置１００から２００までの伝達行列は数１５となる。

図７は、無線装置２００から無線装置１００への空間（無線区間）の伝達関数を示す図である。無線装置２００のアンテナ３から無線装置１００のアンテナ１までの伝達係数は、
ｈ_３１である。無線装置２００のアンテナ３から無線装置１００のアンテナ２までの伝達係数はｈ_３２である。無線装置２００のアンテナ４から無線装置１００のアンテナ１までの伝達係数はｈ_４１である。無線装置２００のアンテナ４から無線装置１００のアンテナ２までの伝達係数はｈ_４２である。無線装置２００から１００までの伝達行列は数１６となる。

数１５、１６の行列は、無線区間のみの伝搬路の伝達行列であるので、Ｈ_{１００，２００}＝Ｈ^Ｔ _{２００，１００}の関係がある。上記より、無線装置１００から無線装置２００の伝達関数ｒ_{１００，２００}は、数１７となる。

と計算できる。簡単のため、数１７では、キャリブレーション信号によって求められた伝達関数を用いて記載した。（ ）^Ｔは転置を示す。数１７では、簡単のために、雑音成分は記載していない。

無線装置１００、２００間の伝搬環境が劣悪である場合に、ビーム形成処理（第２ステップ）を行わずに、相対キャリブレーション（第３ステップ）を行う場合、相対キャリブレーション時に互いへの指向性が形成できない。このような場合、数１７においては、例えば、アンテナ１からのみ送信をしアンテナ３のみで受信をするケース（伝達関数がｒ_{１００，２００}＝ｈ_１３程度）となりえ、雑音によって相対キャリブレーションが正しく実施されない。

ビーム形成処理（第２ステップ）を行ってから、相対キャリブレーション（第３ステップ）を行う場合、図５に示すとおり、無線装置１００の送信系統内部の伝達関数も含めたウェイトは、無線区間の伝搬路にマッチしたベクトル（右特異ベクトル）に近くなり、無線装置２００の受信系統内部の伝達関数も含めたウェイト（左特異ベクトル）に近くになる。そのため、数１７の受信レベルは高くなり、耐雑音性に優れる。

同様に、無線装置２００から無線装置１００への伝達関数ｒ_{１００，２００}は、数１８となる。

となる。数１８の転置は

となる。なお、数１９の４行目から５行目の式の変換では、無線区間の伝搬路は送受で等しいとするＨ_{１００，２００}＝Ｈ^Ｔ _{２００，１００}の関係を用いた。数１９より、ｒ_{１００，２００}とｒ_{２００，１００}との推定結果を用いれば、α_１００とα_２００との比Ｃを計算することができる。相対キャリブレーション部３０１は、ｒ_{１００，２００}とｒ_{２００，１００}との推定結果を用いて、相対キャリブレーション係数Ｃを求める。相対キャリブレーション係数Ｃ（相対キャリブレーション結果）は、相対キャリブレーション部３０１から送信ウェイト計算部１１５へ送られ、無線装置１００、２００の装置キャリブレーションは完了する。

上記の通り、数１７の計算には、ｒ_{１００，２００}とｒ_{２００，１００}の両方が必要である。無線装置１００と無線装置２００とは、信号処理部３００を介して通信網で接続される。そのため、相対キャリブレーション係数の計算は、相対キャリブレーション部３０１ではなく、いずれか一方の無線装置が行っても良い。

なお、無線装置１００と無線装置２００との一方が、信号処理部３００と通信網で接続されない場合、信号処理部３００と通信網で接続されない無線装置は、伝達関数の推定結果を、信号処理部３００と通信網で接続される無線装置へ、伝達関数をフィードバック（通知）してもよい。フィードバック方法は、伝達関数を量子化したデータをフィードバックする方法であっても良く、伝達関数の係数を送信信号としてそのままフィードバックする方法であっても良い。

以上の通り、自己キャリブレーション（第１ステップ）の後、相対キャリブレーション（第３ステップ）を行うことで相対キャリブレーション係数Ｃを計算できる。

まず、無線装置１００、２００のアンテナ１〜４で受信信号を受信するための受信ウェイトを生成したものとする。そして、送信ウェイト計算部１１５は、その受信ウェイトに自己キャリブレーション係数と相対キャリブレーション係数とを乗算して、無線装置１００の送信ウェイトを生成する。送信ウェイト計算部２１５は、その受信ウェイトに自己キャリブレーション係数のみを乗算して、無線装置２００の送信ウェイトを生成する。このようにして、送信ウェイト計算部１１５、２１５によって生成された送信ウェイトを用いて、無線装置１００、２００のアンテナ１〜４で送信信号を送信することで、無線装置１００、２００（アンテナ１〜４）を一体とした受信指向性と送信指向性とをそろえる事ができる。

離れて存在する複数の無線装置１００、２００のキャリブレーションを、まず自己キャリブレーション、次に相対キャリブレーションと２段階で実施することで、離れて存在する複数の無線装置１００、２００が協力して生成する電波の送信指向性を精度良くユーザ端末の方向に向ける事ができる。ユーザ端末の受信性能を大幅に改善する事ができる。キャリブレーション精度の改善により送信時の与干渉を大きく低減できるため、無線システム全体としての容量を増大することができる。

さらに、自己キャリブレーション（第１ステップ）の後、相対キャリブレーション（第３ステップ）の前に、ビーム形成処理（第２ステップ）を行うことで、相対キャリブレーションの精度を向上できる。この場合、無線装置１００、２００（アンテナ１〜４）を一体とした受信指向性と送信指向性とを、より正確に一致させることができる。セルラーシステムでは、干渉を避けるためあるいは設備費の抑制のために無線装置間の距離を離して接地される。このため、お互いのキャリブレーション信号の受信レベルは低く雑音に埋もれてしまう。相対キャリブレーション係数を計算するために用いる伝達関数の推定精度が悪く、キャリブレーション精度が悪化すると言う問題があった。しかし伝搬路にマッチした指向性を形成したあとに相対キャリブレーションを実施することで、離れて存在する複数の無線装置１００、２００でも精度良く相対キャリブレーションを計算でき、キャリブレーション精度を大きく改善できる。

相対キャリブレーションを行う際、無線装置１００がキャリブレーション信号を送信してから無線装置２００がキャリブレーション信号を受信（厳密には、数１７の伝達関数を推定）するまでの期間（同期タイミング）は、無線装置２００がキャリブレーション信号を送信してから無線装置１００がキャリブレーション信号を受信（厳密には、数１７の伝達関数を推定）するまでの期間と同一とする。このようにすることで、伝達関数の位相ずれの発生を防止できる。

（無線スロットの割り当て）
無線システムは、セルラーシステム等で、基地局の役割を有するものであっても良い。送信スロットは、基地局が無線信号を各ユーザ端末（例えば、携帯電話）へ送信するための期間である。受信スロットは、各ユーザ端末が無線信号を基地局へ送信するための期間である。

自己キャリブレーションにおけるキャリブレーション信号の送受信は、送信スロットで行っても良く、各ユーザ端末による信号送信を抑制させた受信スロットで行っても良い。このようにすることで、キャリブレーション信号の受信結果に、ユーザ端末からの受信信号が混入することを避けることができる。

送信系統１０１から受信系統１０４までの伝達関数の測定（数１）を行うためのキャリブレーション信号を送信してから、送信系統１０２から受信系統１０３までの伝達関数の測定（数２）を行うためのキャリブレーション信号を送信するまでの期間は、できるだけ短くする。

図８は、第１の実施形態に係る無線システムにおける自己キャリブレーション（第１ステップ）と、1つのフレーム内の４つの無線スロットとの関係を示す図である。図８のケース１の通り、アンテナ１からアンテナ２へのキャリブレーション信号の送信と、アンテナ２からアンテナ１へのキャリブレーション信号の送信とは、１つの送信スロット（送信スロット１）で行うことができる。図８のケース２の通り、アンテナ１からアンテナ２へのキャリブレーション信号の送信と、アンテナ２からアンテナ１へのキャリブレーション信号の送信とは、隣接する送信スロット（送信スロット１、２）で行うことができる。このようにすることで、数１と数２に係る無線区間の伝達関数を等しいとする仮定を正しいものと扱うことができ、自己キャリブレーションの精度を向上できる。

図９は、第１の実施形態に係る無線システムにおけるビーム形成処理、相対キャリブレーション（第２、３ステップ）と、1つのフレーム内の４つの無線スロットとの関係を示す図である。ビーム形成を行うために交互に送信しあう参照信号は、図９のケース１の通り１つの送信スロット（送信スロット１）で行っても良く、図９のケース２の通り隣接する送信スロット（送信スロット１、２）で行っても良く、別フレームの送信スロットで行っても良い（図示せず）。

ビーム形成を行うための参照信号の送信間隔は、自己キャリブレーション、相対キャリブレーションと比較して長くても、性能劣化は生じにくい。伝搬路の影響を相殺する必要がないためである。たとえ無線装置１００から無線装置２００へ参照信号を送信する際の送信ウェイトがずれてしまっても、無線装置２００による受信ウェイトの生成時に、ずれをある程度吸収することができるためである。

相対キャリブレーションでは、図９のケース１の通り、無線装置１００から無線装置２００へのキャリブレーション信号の送信と、無線装置２００から無線装置１００へのキャリブレーション信号の送信とは、１つの送信スロット（送信スロット１）で行うことができる。相対キャリブレーションでは、図９のケース２の通り、無線装置１００から無線装置２００へのキャリブレーション信号の送信と、無線装置２００から無線装置１００へのキャリブレーション信号の送信とは、隣接する送信スロット（送信スロット１、２）で行うことができる。このようにすることで、無線区間の伝達関数を等しいとする仮定を正しくものと扱うことができ、相対キャリブレーションの精度を向上できる。

（その他の実施形態）
本発明の実施形態は上記の実施形態に限られず拡張、変更可能であり、拡張、変更した実施形態も本発明の技術的範囲に含まれる。

１００、２００：無線装置、３００：信号処理装置
１０１、１０２、２０１、２０２：送信系統
１０３、１０４、２０３、２０４：受信系統
１１０、２１０：自己キャリブレーション部、１１１、２１１：ビーム形成部
１１２、２１２：送信ウェイト乗算部、１１３、２１３：受信ウェイト乗算部
１１４、２１４：受信ウェイト計算部、１１５、２１５：送信ウェイト計算部
１１０Ａ：キャリブレーション信号生成部、１１０Ｂ：伝達関数推定部、１１０Ｃ：キャリブレーション係数計算部
３０１：相対キャリブレーション部

Claims (6)

1. 第１アンテナおよび第２アンテナを有する第１無線装置と、第３アンテナおよび第４アンテナを有する第２無線装置とを用いて協力通信を行うための無線信号処理装置であって、
   前記第１アンテナの第１受信系統の伝達関数と前記第１アンテナの第１送信系統の伝達関数との比と、前記第２アンテナの第２受信系統の伝達関数と前記第２アンテナの第２送信系統の伝達関数との比とをそろえるための第１キャリブレーション係数を計算する第１計算部と、
   前記第３アンテナの第３受信系統の伝達関数と前記第３アンテナの第３送信系統の伝達関数との比と、前記第４アンテナの第４受信系統の伝達関数と前記第４アンテナの第４送信系統の伝達関数との比とをそろえるための第２キャリブレーション係数を計算する第２計算部と、
   前記第１キャリブレーション係数を用いて定められる第１送信ウェイトを用いて前記第１無線装置から送信された第１キャリブレーション信号が、前記第２無線装置によって第１受信ウェイトで受信されることによって得られる信号を用いて、前記第１無線装置から前記第２無線装置への第１伝達関数を推定する第１推定部と、
   前記第２キャリブレーション係数を用いて定められる第２送信ウェイトを用いて前記第２無線装置から送信された第２キャリブレーション信号が、前記第１無線装置によって第２受信ウェイトで受信されることによって得られる信号を用いて、前記第２無線装置から前記第１無線装置への第２伝達関数を推定する第２推定部と、
   前記第１伝達関数と前記第２伝達関数とを用いて、前記第１受信系統の伝達関数と前記第１送信系統の伝達関数の比と、前記第２受信系統の伝達関数と前記第２送信系統の伝達関数の比と、前記第３受信系統の伝達関数と前記第３送信系統の伝達関数の比と、前記第４受信系統の伝達関数と前記第４送信系統の伝達関数の比とをそろえるための第３キャリブレーション係数を計算する第３計算部と、を備える事を特徴とする無線信号処理装置。
2. 第１参照信号が前記第１無線装置から前記第２無線装置へｎ＋１（ｎは１以上の整数）回送信され、第２参照信号が前記第２無線装置から前記第１無線装置へｎ回送信される場合に、
   ｎ回目の第１参照信号を受信するための受信ウェイトは、前記第２無線装置によって、第１参照信号がｎ回目に受信されるときに生成され、
   ｎ回目の第２参照信号を送信するための送信ウェイトは、前記第２無線装置によって、ｎ回目の第１参照信号を受信するときに生成された受信ウェイトと、前記第２キャリブレーション係数との積を用いて生成され、
   ｎ回目の第２参照信号を受信するための受信ウェイトは、前記第１無線装置によって、第２参照信号がｎ回目に受信されるときに生成され、
   ｎ＋１回目の第１参照信号を送信するための第１送信ウェイトは、前記第１無線装置によって、ｎ回目の第２参照信号を受信するときに生成された第２受信ウェイトと、前記第１キャリブレーション係数との積を用いて生成されることを特徴とする請求項１に記載の無線信号処理装置。
3. 前記第１キャリブレーション係数は、前記第１計算部によって、前記第１送信系統から前記第２受信系統へ送信される第３キャリブレーション信号を用いて推定された第３伝達関数と、前記第２送信系統から前記第１受信系統へ送信される第４キャリブレーション信号を用いて推定された第４伝達関数とを用いて計算されたものであって、
   前記第２キャリブレーション係数は、前記第２計算部によって、前記第３送信系統から前記第４受信系統へ送信される第５キャリブレーション信号を用いて推定された第５伝達関数と、前記第４送信系統から前記第３受信系統へ送信される第６キャリブレーション信号を用いて推定された第６伝達関数とを用いて計算されたものであることを特徴とする請
   求項１に記載の無線信号処理装置。
4. 前記第１無線装置と前記第２無線装置と前記無線信号処理装置とによるシステムが無線信号を送信するための送信スロットと、前記システムが無線信号を受信するための受信スロットとのうち送信スロットで、前記第１キャリブレーション信号及び前記第２キャリブレーション信号が、前記第１無線装置と前記第２無線装置との間で送受信されることを特徴とする請求項１に記載の無線信号処理装置。
5. 第１アンテナおよび第２アンテナを有する第１無線装置と、第３アンテナおよび第４アンテナを有する第２無線装置とを用いて協力通信を行うための無線信号処理装置であって、
   前記第１アンテナの送受信系統と前記第２アンテナの送受信系統とに対してキャリブレーションを行う第１自己キャリブレーション部と、
   前記第３アンテナの送受信系統と前記第４アンテナの送受信系統とに対してキャリブレーションを行う第２自己キャリブレーション部と、
   前記第１自己キャリブレーション部と前記第２自己キャリブレーション部とでキャリブレーションを行ったあとに、前記第１アンテナの送受信系統と前記第３アンテナの送受信系統とに対してキャリブレーションを行う相対キャリブレーション部とを備える事を特徴とする無線信号処理装置。
6. 第１アンテナおよび第２アンテナを有する無線装置であり、第３アンテナおよび第４アンテナを有する第２無線装置と協力通信を行う無線装置であって、
   前記第１アンテナの第１受信系統の伝達関数と前記第１アンテナの第１送信系統の伝達関数との比と、前記第２アンテナの第２受信系統の伝達関数と前記第２アンテナの第２送信系統の伝達関数との比とをそろえるための第１キャリブレーション係数を用いて定められる第１送信ウェイトが乗算された第１キャリブレーション信号を、前記第２無線装置へ、送信する無線送信部と、
   前記第３アンテナの第３受信系統の伝達関数と前記第３アンテナの第３送信系統の伝達関数との比と、前記第４アンテナの第４受信系統の伝達関数と前記第４アンテナの第４送信系統の伝達関数との比とをそろえるための第２キャリブレーション係数を用いて定められた第２送信ウェイトが乗算された第２キャリブレーション信号を、前記第２無線装置から、受信する無線受信部とを備え、
   前記無線受信部はさらに、前記第１キャリブレーション信号が第１受信ウェイトで受信されることによって得られる信号を用いて推定された自装置から前記第２無線装置への第１伝達関数と、前記第２キャリブレーション信号が第２受信ウェイトで受信されることによって得られる信号を用いて推定された前記第２無線装置から自装置への第２伝達関数とを用いて計算される係数であって、前記第１受信系統の伝達関数と前記第１送信系統の伝達関数の比と、前記第２受信系統の伝達関数と前記第２送信系統の伝達関数の比と、前記第３受信系統の伝達関数と前記第３送信系統の伝達関数の比と、前記第４受信系統の伝達関数と前記第４送信系統の伝達関数の比とをそろえるための第３キャリブレーション係数が乗算された信号を受信することを特徴とする無線装置。

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