JP6628596B2 - Array antenna device and wireless device - Google Patents

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Description

本発明は、アレーアンテナ装置及び無線装置に関し、例えば、複数のアンテナ素子を有するアレーアンテナの各アンテナ素子のキャリブレーションに適用し得るものである。   The present invention relates to an array antenna device and a wireless device, and can be applied to, for example, calibration of each antenna element of an array antenna having a plurality of antenna elements.

近年、アレーアンテナを用いて、特定方向の通信品質を向上させる技術としてビームフォーミング技術が注目されている。また、ビームを向ける角度を把握するために、MUSIC法等の到来方向推定アルゴリズムも併せて注目されている。   In recent years, a beamforming technique has attracted attention as a technique for improving communication quality in a specific direction using an array antenna. Further, in order to grasp the angle at which the beam is directed, an arrival direction estimation algorithm such as the MUSIC method has also been attracting attention.

アレーアンテナを用いた到来方向推定アルゴリズムやビームフォーミング技術は、アレーアンテナの各アンテナ素子における条件が理想的な環境で定式化されている。   In the direction-of-arrival estimation algorithm and the beamforming technique using the array antenna, the conditions in each antenna element of the array antenna are formulated in an ideal environment.

そのため、各アンテナ素子の各アナログ回路(RF:Radio Frequency回路)における信号の振幅、位相特性の不一致や、各アンテナ素子の配置誤差により、到来方向の推定精度が劣化してしまう。また、ビームも意図した方向から誤差が生じてしまう。   For this reason, the estimation accuracy of the arrival direction is deteriorated due to a mismatch between the amplitude and phase characteristics of the signal in each analog circuit (RF: Radio Frequency circuit) of each antenna element and an arrangement error of each antenna element. In addition, an error occurs in the beam from the intended direction.

したがって、アンテナ素子間のアナログ回路における信号の振幅、位相特性のキャリブレーション(以下、「RFキャリブレーション」と呼ぶ。)、およびアンテナ素子の配置誤差のキャリブレーション(以下、「配置キャリブレーション」と呼ぶ)が必要となる。   Therefore, calibration of signal amplitude and phase characteristics in an analog circuit between antenna elements (hereinafter, referred to as “RF calibration”), and calibration of antenna element placement error (hereinafter, referred to as “placement calibration”). )Is required.

従来、アレーアンテナのRFキャリブレーション技術は、以下のような技術が提案されている。   Conventionally, the following techniques have been proposed as RF calibration techniques for array antennas.

非特許文献1では、到来方向が既知である外部参照信号を用いて、RFキャリブレーションや、配置キャリブレーションを行なう方式が提案されている。   Non-Patent Document 1 proposes a method of performing RF calibration or placement calibration using an external reference signal whose arrival direction is known.

特許文献1〜4のそれぞれでは、アンテナ素子端における送信参照信号を、キャリブレーション用の内部回路へフィードバックすることによって、RFキャリブレーションを行なう方式が提案されている。   Each of Patent Documents 1 to 4 proposes a method of performing RF calibration by feeding back a transmission reference signal at an antenna element end to an internal circuit for calibration.

非特許文献1及び特許文献5には、自装置のアンテナ素子から送信された参照信号を、自装置のアンテナ素子で受信し、RFキャリブレーションを行なう方式が提案されている。   Non-Patent Document 1 and Patent Document 5 propose a method in which a reference signal transmitted from an antenna element of the own apparatus is received by the antenna element of the own apparatus and RF calibration is performed.

特開2006−019991号公報JP 2006-019991 A 特開2006−025047号公報JP 2006-025047 A 特開2008−092061号公報JP 2008-092061 A 特開2010−213217号公報JP 2010-213217 A 国際公開WO/2000/008777パンフレットInternational Publication WO / 2000/008777 Pamphlet

石黒靖博、菊間信良,平山裕,榊原久二男,“SAGEアルゴリズムを用いた高分解能電波到来方向推定のための方形重み付きアレーアンテナ校正法,”信学論(B),vol.J93-B,No.2,pp.303-311,Feb.2010.Yasuhiro Ishiguro, Nobuyoshi Kikuma, Hiroshi Hirayama, Hisashio Sakakibara, "Square Weighted Array Antenna Calibration Method for High Resolution Direction-of-Arrival Estimation Using SAGE Algorithm," IEICE Trans. (B), vol. J93-B, No.2, pp.303-311, Feb.2010. J.Vieira,F.Rusek and F.Tufvesson,“Reciprocity calibration methods for Massive MIMO based on antenna coupling,”IEEE Globecom 2014 Workshop,Dec.,2014.J. Vieira, F. Rusek and F. Tufvesson, “Reciprocity calibration methods for Massive MIMO based on antenna coupling,” IEEE Globecom 2014 Workshop, Dec., 2014.

しかしながら、上述した各従来技術は、以下のような課題が生じ得る。   However, each of the above-described conventional techniques may have the following problems.

非特許文献1の記載技術は、RFキャリブレーションだけでなく、配置キャリブレーションも行なうことができる。しかしながら、キャリブレーションのために、既知の到来方向からの外部参照信号が必要となるため、出荷前でしか、キャリブレーションを実施できないという課題がある。   The technique described in Non-Patent Document 1 can perform not only RF calibration but also placement calibration. However, since the calibration requires an external reference signal from a known arrival direction, there is a problem that the calibration can be performed only before shipment.

特許文献1〜4の記載技術はそれぞれ、キャリブレーション専用回路を備えることが必要となるため、装置の規模やコストを増大させてしまうという課題が生じ得る。   Each of the techniques described in Patent Documents 1 to 4 needs to include a dedicated circuit for calibration, and thus may cause a problem of increasing the scale and cost of the apparatus.

非特許文献2及び特許文献5の記載技術のそれぞれは、ディジタル処理によりキャリブレーションを行なうことができるため、キャリブレーション専用回路は不要である。しかし、非特許文献2の記載技術は、ビームフォーミングと組み合わせる必要があり、受信処理だけではキャリブレーションが不完全のため、到来方向推定アルゴリズムと親和性がないという課題が生じ得る。また、特許文献5の記載技術は、受信処理だけでもキャリブレーションを行なうことができるが、アンテナ素子数Nとしたとき、N個の連立方程式を解く必要があり、処理が複雑となるという課題が生じ得る。 In each of the techniques described in Non-Patent Document 2 and Patent Document 5, calibration can be performed by digital processing, and thus a dedicated calibration circuit is not required. However, the technology described in Non-Patent Document 2 needs to be combined with beamforming, and calibration may be incomplete with only reception processing, which may cause a problem that there is no affinity with an arrival direction estimation algorithm. Further, the technique described in Patent Document 5 can perform calibration only by reception processing, but when the number of antenna elements is N, it is necessary to solve N 2 simultaneous equations, and the processing becomes complicated. Can occur.

また、特許文献1〜5及び非特許文献2の記載技術は、RFキャリブレーションは実施できるが、配置キャリブレーションは実施できていない。   The techniques described in Patent Literatures 1 to 5 and Non-Patent Literature 2 can perform RF calibration, but cannot perform placement calibration.

そこで、本発明は、上記課題に鑑み、外部参照信号を用いずに、自装置のアンテナ素子が送信した参照信号を、他のアンテナ素子が受信して到来方向推定を行なうことができ、演算処理負荷を軽減して、RFキャリブレーション、配置キャリブレーションを実施するアレーアンテナ装置及び無線装置を提供しようとするものである。   In view of the above problem, the present invention provides a method in which a reference signal transmitted by an antenna element of the own apparatus can be received by another antenna element and an arrival direction can be estimated without using an external reference signal. An object of the present invention is to provide an array antenna device and a wireless device that perform RF calibration and placement calibration while reducing the load.

かかる課題を解決するために、第1の本発明に係るアレーアンテナ装置は、(1)複数のアンテナ素子のそれぞれに対応する複数の送受信回路と、(2)複数のアンテナ素子の中から、参照信号を送出するアンテナ素子を順番に選択していき、選択したアンテナ素子の送受信回路に参照信号を与える信号生成部と、(3)参照信号を送出したアンテナ素子以外の複数の他のアンテナ素子の各送受信回路から、参照信号を送出したアンテナ素子と、参照信号を受信した各他のアンテナ素子との間の伝搬路推定値を取得し、伝搬路特性を求めるアンテナ素子間の双方向の伝搬路推定値を記憶する伝搬路推定値記憶部と、(4)アンテナ素子間の双方向の伝搬路推定値のそれぞれから伝搬路の利得成分を除いた利得除外推定値を求め、アンテナ素子間の双方向の利得除外推定値を用いて、各アンテナ素子のキャリブレーション係数を算出するキャリブレーション係数算出部と、各アンテナ素子間の利得除外推定値を用いて算出した各アンテナ素子間の距離誤差に基づいて、各アンテナ素子間の距離を算出するアンテナ間距離算出部と、配置推定対象の前記アンテナ素子と他の各アンテナ素子との間の距離を半径とし、他のアンテナ素子のそれぞれの現在座標を中心とする円を複数設定し、少なくとも2つの円の交点である2座標のうち、配置推定対象のアンテナ素子の現在座標から近いものを、当該配置推定対象のアンテナ素子の配置誤差として推定する配置誤差推定部とを備えることを特徴とする。 In order to solve such a problem, the array antenna device according to the first aspect of the present invention includes: (1) a plurality of transmission / reception circuits corresponding to a plurality of antenna elements; and (2) a plurality of antenna elements. A signal generation unit for sequentially selecting an antenna element for transmitting a signal and providing a reference signal to a transmission / reception circuit of the selected antenna element; and (3) a plurality of other antenna elements other than the antenna element for transmitting the reference signal. From each transmitting / receiving circuit, obtain a propagation path estimation value between the antenna element that has transmitted the reference signal and each of the other antenna elements that have received the reference signal, and obtain a bidirectional propagation path between the antenna elements for obtaining propagation path characteristics. A channel estimation value storage unit for storing the estimated value; and (4) a gain exclusion estimated value obtained by removing a gain component of the channel from each of the bidirectional channel estimation values between the antenna elements. Using a bi-directional gain exclusion estimate, the distance error between the antenna elements calculated using the calibration coefficient calculation unit for calculating a calibration coefficient of each antenna element, the gain exclusion estimation values between the antenna elements Based on the distance between the antenna elements to calculate the distance between the antenna elements, and the distance between the antenna element of the position estimation target and each of the other antenna elements as a radius, the current of each of the other antenna elements A plurality of circles centered on the coordinates are set, and among the two coordinates that are the intersections of at least two circles, the one that is closer to the current coordinate of the antenna element to be estimated is estimated as the arrangement error of the antenna element to be estimated. And a placement error estimating unit that performs the processing.

第2の本発明に係るアレーアンテナ装置は、(1)複数のアンテナ素子のそれぞれに対応する複数の送受信回路と、(2)複数のアンテナ素子の中から、参照信号を送出するアンテナ素子を順番に選択していき、選択したアンテナ素子の送受信回路に参照信号を与える信号生成部と、(3)参照信号を送出したアンテナ素子以外の複数の他のアンテナ素子の各送受信回路から、参照信号を送出したアンテナ素子と、参照信号を受信した各他のアンテナ素子との間の伝搬路推定値を取得し、伝搬路特性を求めるアンテナ素子間の双方向の伝搬路推定値を記憶する伝搬路推定値記憶部と、(4)アンテナ素子間の双方向の伝搬路推定値のそれぞれから伝搬路の利得成分を除いた利得除外推定値を用いて算出した各アンテナ素子間の距離誤差に基づいて、各アンテナ素子間の距離を算出するアンテナ間距離算出部と、(5)配置推定対象のアンテナ素子と他の各アンテナ素子との間の距離を半径とし、他のアンテナ素子のそれぞれの現在座標を中心とする円を複数設定し、少なくとも2つの円の交点である2座標のうち、配置推定対象のアンテナ素子の現在座標から近いものを、当該配置推定対象のアンテナ素子の配置誤差として推定する配置誤差推定部とを備えることを特徴とする。   The array antenna device according to the second aspect of the present invention includes: (1) a plurality of transmitting / receiving circuits corresponding to each of a plurality of antenna elements; and (2) an antenna element for transmitting a reference signal from among the plurality of antenna elements. And a signal generation unit that supplies a reference signal to a transmission / reception circuit of the selected antenna element, and (3) a reference signal from a transmission / reception circuit of a plurality of other antenna elements other than the antenna element that transmitted the reference signal. Propagation path estimation for acquiring a propagation path estimation value between the transmitted antenna element and each of the other antenna elements receiving the reference signal, and storing a bidirectional propagation path estimation value between the antenna elements for obtaining propagation path characteristics A value storage unit and (4) a distance error between the antenna elements calculated using a gain exclusion estimated value obtained by removing a gain component of the propagation path from each of the two-way propagation path estimated values between the antenna elements. And (5) a distance between the antenna element whose arrangement is to be estimated and each of the other antenna elements, and the current distance of each of the other antenna elements. A plurality of circles centered on the coordinates are set, and among the two coordinates that are the intersections of at least two circles, the one that is closer to the current coordinate of the antenna element to be estimated is estimated as the arrangement error of the antenna element to be estimated. And a placement error estimating unit that performs the processing.

第3の本発明に係る無線装置は、複数のアンテナ素子を有する第1の本発明又は第2の本発明のアレーアンテナ装置を備えることを特徴とする。   A wireless device according to a third aspect of the present invention includes the array antenna device according to the first or second aspect of the present invention having a plurality of antenna elements.

本発明によれば、外部参照信号を用いずに、自装置のアンテナ素子が送信した参照信号を、他のアンテナ素子が受信することにより、到来方向推定を行なうことができ、かつ演算処理負荷を軽減して、RFキャリブレーション、配置キャリブレーションを実施できる。   According to the present invention, without using an external reference signal, the reference signal transmitted by the antenna element of the own apparatus is received by another antenna element, so that it is possible to estimate the direction of arrival, and to reduce the calculation processing load. The RF calibration and the placement calibration can be performed with the reduction.

実施形態に係る無線装置の構成を示す構成図である。FIG. 1 is a configuration diagram illustrating a configuration of a wireless device according to an embodiment. 実施形態に係るキャリブレーション処理の動作を示すフローチャートである。6 is a flowchart illustrating an operation of a calibration process according to the embodiment. 実施形態に係るRFキャリブレーション係数算出処理を示すフローチャートである。9 is a flowchart illustrating an RF calibration coefficient calculation process according to the embodiment. 実施形態に係る送信/受信キャリブレーション係数算出処理を示すフローチャートである。9 is a flowchart illustrating a transmission / reception calibration coefficient calculation process according to the embodiment. 実施形態に係るアンテナ素子配置推定処理を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the antenna element arrangement | positioning estimation process which concerns on embodiment. 実施形態に係る伝搬路ゲインキャンセル処理及びオフセット量の算出処理を示すフローチャートである。6 is a flowchart illustrating a channel gain cancellation process and an offset amount calculation process according to the embodiment. 実施形態に係るアンテナ間素子距離誤差算出処理を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the element distance error calculation between antennas concerning embodiment. 実施形態に係るアンテナ素子の実配置の推定処理を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the estimation process of the actual arrangement | positioning of the antenna element which concerns on embodiment. 実施形態に係るアンテナ素子の配置推定処理を説明する説明図である。FIG. 6 is an explanatory diagram illustrating an antenna element arrangement estimation process according to the embodiment. キャリブレーション係数算出部によるRFキャリブレーション実施後の到来方向推定精度のシミュレーション結果を示す図である(その1)。FIG. 9 is a diagram illustrating a simulation result of the direction-of-arrival estimation accuracy after the RF calibration is performed by the calibration coefficient calculation unit (part 1). キャリブレーション係数算出部によるRFキャリブレーション実施後の到来方向推定精度のシミュレーション結果を示す図である(その2)。FIG. 10 is a diagram illustrating a simulation result of the direction-of-arrival estimation accuracy after the RF calibration is performed by the calibration coefficient calculation unit (part 2). 配置誤差推定部による配置キャリブレーションの効果を示す図である。FIG. 9 is a diagram illustrating an effect of arrangement calibration by an arrangement error estimating unit. RFキャリブレーション及び配置キャリブレーションの効果を示す図である。FIG. 7 is a diagram illustrating the effects of RF calibration and placement calibration.

(A)主たる実施形態
以下では、本発明に係るアレーアンテナ装置及び無線装置の実施形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。
(A) Main Embodiment Hereinafter, embodiments of an array antenna device and a radio device according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

(A−1)実施形態の構成
図1は、実施形態に係る無線装置の構成を示す構成図である。
(A-1) Configuration of Embodiment FIG. 1 is a configuration diagram illustrating a configuration of a wireless device according to an embodiment.

図1において、実施形態に係る無線装置1は、N個のアンテナ素子#0〜#N−1、N個のRF回路(図1では、「RF」と表記する。)#0〜#N−1、N個のブランチ#0〜#N−1、信号生成/復調/到来方向推定部11、受信キャリブレーション部12、送信キャリブレーション部13、メモリ14、キャリブレーション係数算出部15、配置誤差推定部16を有する。   In FIG. 1, a wireless device 1 according to the embodiment includes N antenna elements # 0 to # N-1, and N RF circuits (in FIG. 1, denoted as "RF") # 0 to # N-. 1, N branches # 0 to # N-1, signal generation / demodulation / direction-of-arrival estimation unit 11, reception calibration unit 12, transmission calibration unit 13, memory 14, calibration coefficient calculation unit 15, placement error estimation It has a part 16.

無線装置1は、複数のアンテナ素子#0〜#N−1を有するアレーアンテナを備え、ビームフォーマにおける指向性制御、アレーアンテナによる到来波の到来方向推定処理を行なうものである。   The wireless device 1 includes an array antenna having a plurality of antenna elements # 0 to # N-1, and performs directivity control in a beamformer and estimation processing of an arrival direction of an incoming wave by the array antenna.

無線装置1は、自装置内のアンテナ素子から送出された信号を、他の各アンテナ素子が受信し、各ブランチ#0〜#N−1の受信キャリブレーション係数、送信キャリブレーション係数を算出し、これら受信キャリブレーション係数、送信キャリブレーション係数を用いて、各ブランチ#0〜#N−1の受信キャリブレーション、送信キャリブレーションを行なう。つまり、無線装置1のアンテナ素子から送出された信号を参照信号とする。そのため、従来技術のように、外部装置が送信した外部参照信号を使用せず、RFキャリブレーション及び配置キャリブレーションを行なうことができる。   In the wireless device 1, the other antenna elements receive the signal transmitted from the antenna element in the wireless device 1, and calculate the reception calibration coefficient and the transmission calibration coefficient of each of the branches # 0 to # N-1. The reception calibration and the transmission calibration of each of the branches # 0 to # N-1 are performed using the reception calibration coefficient and the transmission calibration coefficient. That is, the signal transmitted from the antenna element of the wireless device 1 is used as the reference signal. Therefore, unlike the related art, the RF calibration and the placement calibration can be performed without using the external reference signal transmitted by the external device.

信号生成/復調/到来方向推定部11は、送信する場合には、送信する信号を変調して、その変調した信号を各ブランチ#0〜#N−1に与える。また、受信する場合、信号生成/復調/到来方向推定部11は、各ブランチ#0〜#N−1から取得した信号を復調する。   When transmitting, the signal generation / demodulation / arrival direction estimating unit 11 modulates a signal to be transmitted and provides the modulated signal to each of the branches # 0 to # N-1. When receiving, the signal generation / demodulation / arrival direction estimating unit 11 demodulates the signals acquired from each of the branches # 0 to # N-1.

ここで、各ブランチ#0〜#N−1のキャリブレーションを実施する場合、信号生成/復調/到来方向推定部11は、複数のブランチ#0〜#N−1の中から、いずれか1個のブランチを順番に選択し、その選択した1個のブランチに対して送信信号を与える。これは、複数のアンテナ素子#0〜#N−1のうち、いずれか1個のアンテナ素子が送信した信号を参照信号とし、他の各アンテナ素子が受信できるようにするためである。なお、送信するブランチの選択順序は、特に限定されるものではない。   Here, when performing calibration of each of the branches # 0 to # N-1, the signal generation / demodulation / arrival direction estimating unit 11 selects one of the branches # 0 to # N-1. Are sequentially selected, and a transmission signal is given to the selected one branch. This is because a signal transmitted by any one of the plurality of antenna elements # 0 to # N-1 is used as a reference signal so that each of the other antenna elements can receive the signal. The order of selecting branches to be transmitted is not particularly limited.

また、信号生成/復調/到来方向推定部11は、所定の到来方向推定アルゴリズムにより、到来波の到来方向を推定する。ここで、到来方向推定アルゴリズムは、様々なアルゴリズムを広く適用できる。例えば、到来方向推定アルゴリズムは、ビームフォーマ法、MUSIC法、ESPRIT法、SAGE法等の最尤推定に基づく方法などがある。なお、実施形態では、到来方向推定アルゴリズムとしてMUSIC法を採用し、誤差1度以下を許容範囲としている。   Further, the signal generation / demodulation / arrival direction estimating unit 11 estimates the arrival direction of the arriving wave using a predetermined arrival direction estimation algorithm. Here, various algorithms can be widely applied to the DOA estimation algorithm. For example, the direction-of-arrival estimation algorithm includes a method based on maximum likelihood estimation such as a beamformer method, a MUSIC method, an ESPRIT method, and a SAGE method. In the embodiment, the MUSIC method is adopted as the direction-of-arrival estimation algorithm, and an error of 1 degree or less is an allowable range.

各アンテナ素子#0〜#N−1は、到来波を捕捉して、捕捉した電波信号を電気信号に変換して各RF回路#0〜#N−1に与えたり、各RF回路#0〜#N−1からの送信信号を電波として送出したりする。   Each of the antenna elements # 0 to # N-1 captures an incoming wave, converts the captured radio signal into an electric signal, and provides the electric signal to each of the RF circuits # 0 to # N-1, or each of the RF circuits # 0 to # N-1. For example, the transmission signal from # N-1 is transmitted as a radio wave.

各RF回路#0〜#N−1は、対応する各アンテナ素子#0〜#N−1の高周波回路であり、送信RF回路Tx、受信RF回路Rx、送信RF回路Txと受信RF回路Rxとを切り替えるスイッチSWを備える。   Each of the RF circuits # 0 to # N-1 is a high-frequency circuit of each of the corresponding antenna elements # 0 to # N-1, and includes a transmission RF circuit Tx, a reception RF circuit Rx, a transmission RF circuit Tx, and a reception RF circuit Rx. Is provided with a switch SW for changing over.

各ブランチ#0〜#N−1は、各アンテナ素子#0〜#N−1に送信信号を給電し、送信信号の無線周波数信号へのアップコンバージョンと、位相及び振幅の制御を行なうものである。   Each of the branches # 0 to # N-1 supplies a transmission signal to each of the antenna elements # 0 to # N-1, performs up-conversion of the transmission signal into a radio frequency signal, and controls the phase and amplitude. .

受信キャリブレーション部12は、後述するキャリブレーション係数算出部15により算出された受信キャリブレーション係数を用いて、受信キャリブレーションを行なうものである。   The reception calibration unit 12 performs reception calibration using the reception calibration coefficient calculated by the calibration coefficient calculation unit 15 described later.

送信キャリブレーション部13は、後述するキャリブレーション係数算出部15により算出された送信キャリブレーション係数を用いて、送信キャリブレーションを行なうものである。   The transmission calibration unit 13 performs transmission calibration using a transmission calibration coefficient calculated by a calibration coefficient calculation unit 15 described later.

メモリ14は、複数のアンテナ素子#0〜#N−1のうち、いずれか1個のアンテナ素子が送信した信号を参照信号とし、他の各アンテナ素子#0〜#N−1が受信した伝搬路特性(伝搬路推定値の結果)を保持するものである。   The memory 14 uses, as a reference signal, a signal transmitted by any one of the plurality of antenna elements # 0 to # N-1, and a propagation signal received by each of the other antenna elements # 0 to # N-1. It holds the channel characteristics (results of the estimated channel value).

キャリブレーション係数算出部15は、メモリ14に保持されている各ブランチ#0〜#N−1の伝搬路推定結果を用いて、受信キャリブレーション係数、送信キャリブレーション係数を算出するものである。なお、キャリブレーション係数算出部15によるキャリブレーション係数の算出処理の詳細な説明は、動作の項で説明する。   The calibration coefficient calculation unit 15 calculates a reception calibration coefficient and a transmission calibration coefficient using the propagation path estimation results of the branches # 0 to # N−1 held in the memory 14. The detailed description of the calibration coefficient calculation processing performed by the calibration coefficient calculation unit 15 will be described in the section on operations.

配置誤差推定部16は、キャリブレーション係数算出部15により算出されたキャリブレーション係数を用いて、アンテナ素子#0〜#N−1の配置誤差を推定するものである。配置誤差推定部16による配置誤差推定処理の詳細な説明は動作の項で説明する。   The arrangement error estimating section 16 estimates the arrangement errors of the antenna elements # 0 to # N-1 using the calibration coefficients calculated by the calibration coefficient calculating section 15. The detailed description of the placement error estimating process by the placement error estimating unit 16 will be described in the section of the operation.

(A−2)実施形態の動作
次に、実施形態に係る無線装置1におけるアレーアンテナのキャリブレーション方法の動作を、図面を参照しながら詳細に説明する。
(A-2) Operation of Embodiment Next, the operation of the array antenna calibration method in the wireless device 1 according to the embodiment will be described in detail with reference to the drawings.

(A−2−1)全体動作
図2は、実施形態に係るキャリブレーション処理の動作を示すフローチャートである。
(A-2-1) Overall Operation FIG. 2 is a flowchart illustrating the operation of the calibration process according to the embodiment.

アレーアンテナの各ブランチ#0〜#N−1の送信キャリブレーション係数、受信キャリブレーション係数を全て初期化する(例えば、「1」とする)(S101)。次に、アレーアンテナの各アンテナ素子#0〜#N−1の現在の位置座標を理想位置に初期化する(S102)。   The transmission calibration coefficient and the reception calibration coefficient of each of the branches # 0 to # N-1 of the array antenna are all initialized (for example, set to "1") (S101). Next, the current position coordinates of each antenna element # 0 to # N-1 of the array antenna are initialized to an ideal position (S102).

次に、キャリブレーションに係る処理の実施回数iを初期化する(S103)。キャリブレーションに係る処理は、後述するように、自装置1の各アンテナ素子#mからの参照信号を受信した各アンテナ素子#nの伝搬路推定値を用いたRFキャリブレーション係数の算出処理(S104〜S109)と、アンテナ素子配置推定処理(S110)とを含む処理である。   Next, the number of executions i of the process relating to the calibration is initialized (S103). The process related to the calibration is, as described later, a process of calculating an RF calibration coefficient using the channel estimation value of each antenna element #n that has received the reference signal from each antenna element #m of the own device 1 (S104). To S109) and an antenna element arrangement estimation process (S110).

自装置1のN個のブランチ#0〜#N−1のうち、参照信号を送信するアンテナ素子#mを特定するため、m=0(0≦m<N)をセットし(S104)、信号生成/復調/到来方向推定部11は、ブランチ#m(0≦m<N)に対して送信信号を与え、アンテナ素子#mが参照信号を送信する(S105)。アンテナ素子#m以外の全てのアンテナ素子が参照信号を受信する(S106)。   M = 0 (0 ≦ m <N) is set to identify the antenna element #m that transmits the reference signal among the N branches # 0 to # N−1 of the own device 1 (S104). The generation / demodulation / arrival direction estimating unit 11 gives a transmission signal to the branch #m (0 ≦ m <N), and the antenna element #m transmits a reference signal (S105). All the antenna elements other than the antenna element #m receive the reference signal (S106).

参照信号を送信した各アンテナ素子#m以外の全てのアンテナ素子の各ブランチは、各アンテナ素子からの受信信号に基づいて、参照信号を送信したアンテナ素子#mとの間の伝搬路特性としての伝搬路推定値を算出する。参照信号を送信したアンテナ素子#m以外の全てのアンテナ素子の各ブランチにより算出された伝搬路推定値は、メモリ14に保持される(S107)。   Each branch of all antenna elements other than each antenna element #m that has transmitted the reference signal has a characteristic as a propagation path characteristic with the antenna element #m that has transmitted the reference signal based on the received signal from each antenna element. Calculate the propagation path estimation value. The channel estimation value calculated by each branch of all the antenna elements other than the antenna element #m that has transmitted the reference signal is stored in the memory 14 (S107).

ここで、信号生成/復調/到来方向推定部11は、全てのアンテナ素子#0〜#N−1が参照信号を送信するアンテナ素子#mとなるように、参照信号を送信するアンテナ素子#mをN個のアンテナ素子#0〜#N−1の中から順番に切り替えて、S104〜S107の処理を繰り返す(S108)。   Here, the signal generation / demodulation / arrival direction estimating unit 11 transmits the reference signal to the antenna element #m such that all the antenna elements # 0 to # N-1 become the antenna element #m for transmitting the reference signal. Are sequentially switched from among the N antenna elements # 0 to # N-1, and the processing of S104 to S107 is repeated (S108).

全てのアンテナ素子#0〜#N−1はそれぞれ参照信号を送出するアンテナ素子#mとなり、参照信号を送信するアンテナ素子#mとなると、キャリブレーション係数算出部15が、メモリ14に保持されている伝搬路推定値を用いて、各ブランチ#0〜#N−1の受信キャリブレーション係数、送信キャリブレーション係数を算出する(S109)。   All the antenna elements # 0 to # N-1 become the antenna elements #m for transmitting the reference signals, respectively. When the antenna elements #m for transmitting the reference signals, the calibration coefficient calculation unit 15 is stored in the memory 14. The reception calibration coefficient and the transmission calibration coefficient of each of the branches # 0 to # N−1 are calculated using the estimated propagation path (S109).

次に、配置誤差推定部16は、全てのアンテナ素子#0〜#N−1のそれぞれの配置推定を行なう(S110)。   Next, arrangement error estimating section 16 estimates the arrangement of all antenna elements # 0 to # N-1 (S110).

参照信号の送受信の処理から配置誤差推定までのキャリブレーションに係る実施回数i(S104〜S110)を所定回数だけ繰り返す(S111)。   The number of times i (S104 to S110) related to the calibration from the process of transmitting and receiving the reference signal to the estimation of the placement error is repeated a predetermined number of times (S111).

キャリブレーション係数算出部15により算出された、送信キャリブレーション係数と、受信キャリブレーション係数とが更新され(S112)、推定したアンテナ素子#0〜#N−1の配置におけるアレー応答ベクトルを算出する(S113)。なお、アレー応答ベクトルの計算方法は、アレー構成(例:一様線形アレー、一様円形アレーなど)によって異なるため割愛する。   The transmission calibration coefficient and the reception calibration coefficient calculated by the calibration coefficient calculation unit 15 are updated (S112), and an array response vector in the estimated arrangement of the antenna elements # 0 to # N-1 is calculated (S112). S113). Note that the method of calculating the array response vector differs depending on the array configuration (eg, a uniform linear array, a uniform circular array, etc.), and will not be described.

(A−2−2)RFキャリブレーション係数の算出処理
次に、図2のキャリブレーション処理におけるRFキャリブレーション係数(送信キャリブレーション係数、受信キャリブレーション係数)の算出処理を、図面を参照しながら説明する。
(A-2-2) Calculation Processing of RF Calibration Coefficient Next, calculation processing of RF calibration coefficients (transmission calibration coefficient, reception calibration coefficient) in the calibration processing of FIG. 2 will be described with reference to the drawings. I do.

図3は、実施形態に係るRFキャリブレーション係数算出処理を示すフローチャートである。   FIG. 3 is a flowchart illustrating an RF calibration coefficient calculation process according to the embodiment.

キャリブレーション係数算出部15は、アンテナ素子間の伝搬路推定値から対応する伝搬路の利得成分(以下、「伝搬路ゲイン」と呼ぶ。)を打ち消す処理(以下、伝搬路ゲインキャンセル処理と呼ぶ。)と、伝搬路ゲインキャンセル処理結果同士の比(除算)の平均化処理とを行なうことで、各ブランチ#0〜#N−1のRFキャリブレーション係数を算出する。   The calibration coefficient calculation unit 15 cancels the gain component of the corresponding channel (hereinafter, referred to as “channel gain”) from the estimated channel value between the antenna elements (hereinafter, referred to as channel gain canceling process). ) And an averaging process of the ratio (division) between the propagation path gain canceling process results to calculate the RF calibration coefficients of each of the branches # 0 to # N-1.

まず、キャリブレーション係数算出部15は、アンテナ素子#mとアンテナ素子#nとの全ての組み合わせの伝搬路推定値を算出するため、m=0をセットし(S201)、n=0をセットする(S202)。なお、m=nの場合(S203)、処理はS205に移行し、m=nとならないように、nの値を更新する(S206)。   First, the calibration coefficient calculation unit 15 sets m = 0 (S201) and sets n = 0 in order to calculate the channel estimation values of all combinations of the antenna element #m and the antenna element #n. (S202). If m = n (S203), the process proceeds to S205, and the value of n is updated so that m = n does not hold (S206).

ここで、アンテナ素子#mにおける送信RF回路#mの係数(利得)をt 、受信RF回路#mの係数(利得)をr とする。また、アンテナ素子#mからアンテナ素子#nへの参照信号の伝搬路における伝搬路ゲインをh n,mとする。 Here, the coefficient of transmission RF circuit #m of the antenna element #m (the gain) t m B, the coefficient of the receiving RF circuit #m (the gain) and r m B. Further, the propagation path gain in the propagation path of the reference signal from the antenna element #m to the antenna elements #n h ~ n, and m.

キャリブレーション係数算出部15は、アンテナ素子#mからアンテナ素子#nへの伝搬路の伝搬路推定値hn,mをメモリ14から読み出し、後述するように伝搬路ゲインキャンセル処理を行なう(S204)。 The calibration coefficient calculation unit 15 reads the channel estimation value hn , m of the channel from the antenna element #m to the antenna element #n from the memory 14 and performs a channel gain canceling process as described later (S204). .

ここで、アンテナ素子#nが、アンテナ素子#mから送出された参照信号を受信したとき、アンテナ素子#mからアンテナ素子#nへの伝搬路の伝搬路推定値hn,mは、式(1)となる。

Figure 0006628596
Here, when the antenna element #n receives the reference signal transmitted from the antenna element #m, the propagation path estimated value h n, m of the propagation path from the antenna element #m to the antenna element #n is represented by the formula ( 1).
Figure 0006628596

式(1)は、アレーアンテナのアンテナ素子間の伝搬であるため、アンテナ素子#mからアンテナ素子#nの伝搬路は見通し内であり、かつ、アンテナ素子間の強い反射波が無い伝搬環境であると考えられる。したがって、アンテナ素子#mからアンテナ素子#nの伝搬路ゲインh n,mを、自由空間伝搬モデルの理論式を用いて式(2)のように推定する。

Figure 0006628596
Since the equation (1) is propagation between the antenna elements of the array antenna, the propagation path from the antenna element #m to the antenna element #n is in line of sight, and in a propagation environment where there is no strong reflected wave between the antenna elements. It is believed that there is. Therefore, the channel gains h to n, m of the antenna elements #m to #n are estimated as in equation (2) using the theoretical equation of the free space propagation model.
Figure 0006628596

ここで、式(2)において、dn,mはアンテナ素子#mとアンテナ素子#nとの間の距離(単位はmとする)を示しており、λは電波の波長(単位はmとする)を示している。 Here, in equation (2), dn , m indicates the distance (unit is m) between antenna element #m and antenna element #n, and λ indicates the wavelength of the radio wave (unit is m and m). Is shown).

キャリブレーション係数算出部15は、式(1)のhn,mから、式(2)で算出される伝搬路ゲインh n,mを打ち消す。これにより、式(3)ように、zn,m=r ・t が得られる。なお、zを利得除外推定値とも呼ぶ。

Figure 0006628596
Calibration coefficient calculation unit 15, h n of the formula (1), from m, the channel gain h ~ n calculated by Equation (2), cancel the m. Thus, equation (3) as, z n, m = r n B · t m B is obtained. Note that z is also called a gain exclusion estimated value.
Figure 0006628596

キャリブレーション係数算出部15は、nの値を更新していき(S206)、S204〜S206の処理を繰り返し、アンテナ素子#mからの参照信号を受信した全てのアンテナ素子#nについてzn,mの値を算出する。 The calibration coefficient calculation unit 15 updates the value of n (S206), repeats the processing of S204 to S206, and repeats zn , m for all antenna elements #n that have received the reference signal from antenna element #m. Is calculated.

さらに、キャリブレーション係数算出部15は、mの値を更新していき(S207)、S201〜S207の処理を繰り返し、参照信号を送出するアンテナ素子を変えた場合の全てアンテナ素子間の組み合わせのzn,mを算出する。 Further, the calibration coefficient calculation unit 15 updates the value of m (S207), repeats the processing of S201 to S207, and changes z of the combination among all antenna elements when the antenna element that transmits the reference signal is changed. Calculate n and m .

そして、キャリブレーション係数算出部15は、全ての組み合わせのzn,mの値を算出し、zn,mの比をとることで、アンテナ素子間の送信係数キャリブレーション係数、受信キャリブレーション係数を算出する(S208)。 Then, the calibration coefficient calculation unit 15 calculates the values of z n, m of all the combinations, and calculates the ratio of z n, m to calculate the transmission coefficient calibration coefficient and the reception calibration coefficient between the antenna elements. It is calculated (S208).

図4は、実施形態に係る送信/受信キャリブレーション係数算出処理を示すフローチャートである。   FIG. 4 is a flowchart illustrating a transmission / reception calibration coefficient calculation process according to the embodiment.

キャリブレーション係数算出部15は、m=1をセットして(S302)、後述する式(5)で示す送信係数の比(図4では「tmp1」と表記)及び式(4)で示す受信係数の比(図4では「tmp2」と表記)を初期化する(S302)。   The calibration coefficient calculation unit 15 sets m = 1 (S302), and sets a transmission coefficient ratio (expressed as “tmp1” in FIG. 4) and a reception coefficient expressed by equation (4), which will be described later. (Referred to as “tmp2” in FIG. 4) is initialized (S302).

次に、キャリブレーション係数算出部15は、n=0をセットする(S303)。なお、m=nのときには処理はS306に移行する(S304)。   Next, the calibration coefficient calculation unit 15 sets n = 0 (S303). When m = n, the process proceeds to S306 (S304).

S305では、キャリブレーション係数算出部15は、後述する式(5)により送信係数の比(tmp1)を求め、後述する式(4)により受信係数の比(tmp2)を求める。   In S305, the calibration coefficient calculation unit 15 obtains a transmission coefficient ratio (tmp1) using Expression (5) described below, and obtains a reception coefficient ratio (tmp2) using Expression (4) described below.

また、キャリブレーション係数算出部15は、m=1としたときのアンテナ素子に対して、nの値を更新してS303〜S307の処理を繰り返し行ない、全てのアンテナ素子#0〜#N−1の送信係数の比及び受信係数の比を求める(S307)。   Further, the calibration coefficient calculation unit 15 updates the value of n for the antenna element when m = 1, repeats the processing of S303 to S307, and repeats the processing of all the antenna elements # 0 to # N−1. Then, the ratio of the transmission coefficient and the ratio of the reception coefficient are obtained (S307).

そして、キャリブレーション係数算出部15は、後述する式(7)に従い、複数の送信係数の比の演算結果を平均化した結果に基づいて、送信キャリブレーション係数を求める。また、キャリブレーション係数算出部15は、後述する式(8)に従い、複数の受信係数の比の演算結果を平均化した結果に基づいて、受信キャリブレーション係数を求める(S308)。   Then, the calibration coefficient calculation unit 15 obtains the transmission calibration coefficient based on the result of averaging the calculation result of the ratio of the plurality of transmission coefficients according to Expression (7) described later. Further, the calibration coefficient calculation unit 15 obtains the reception calibration coefficient based on the result of averaging the calculation result of the ratio of the plurality of reception coefficients according to Expression (8) described later (S308).

その後、キャリブレーション係数算出部15は、mの値を更新して、S301〜S307の処理を繰り返し行う(S309)。   After that, the calibration coefficient calculation unit 15 updates the value of m, and repeats the processing of S301 to S307 (S309).

ここで、キャリブレーション係数算出部15による送信キャリブレーション係数、受信キャリブレーション係数の算出処理の詳細を説明する。   Here, the details of the process of calculating the transmission calibration coefficient and the reception calibration coefficient by the calibration coefficient calculation unit 15 will be described.

キャリブレーション係数算出部15は、zn,mの比をとることで、アンテナ素子間の受信係数の比(相対差)を式(4)のように求めることができ、また、アンテナ素子間の送信係数の比(相対差)を式(5)のように求めることができる。 The calibration coefficient calculation unit 15 can obtain the ratio (relative difference) of the reception coefficient between the antenna elements as shown in Expression (4) by calculating the ratio of z n, m , and The ratio (relative difference) of the transmission coefficients can be obtained as in equation (5).

なお、式(4)は、受信キャリブレーション係数の算出の一例であり、例えば、アンテナ素子#lが送出した参照信号をアンテナ素子#m及びアンテナ素子#nが受信したときのzn,lとzm,lとの比を示している。 Equation (4) is an example of the calculation of the reception calibration coefficient. For example, zn , l when the antenna element #m and the antenna element #n receive the reference signal transmitted by the antenna element # 1 are represented by z The ratio to m, l is shown.

また、式(5)は、送信キャリブレーション係数の算出の一例であり、例えば、アンテナ素子#nが送出した参照信号をアンテナ素子#lが受信したときのzl,nと、アンテナ素子#mが送出した参照信号をアンテナ素子#lが受信したときのzl,mとの比を示している。ただし、n≠m、m≠l,l≠nである。

Figure 0006628596
Equation (5) is an example of calculation of the transmission calibration coefficient. For example, zl , n when antenna element #l receives the reference signal transmitted by antenna element #n , and antenna element #m Shows the ratio with z l, m when the reference signal transmitted by the antenna element # 1 is received. Here, n ≠ m, m ≠ l, and l ≠ n.
Figure 0006628596

式(4)、式(5)は、アンテナ素子#0を基準アンテナ素子とし、各アンテナ素子における送信係数(利得)及び受信係数(利得)と、アンテナ素子#0の送信係数(利得)及び受信係数(利得)との相対差を打ち消すことで、アンテナ素子間の振幅、位相係数を同一と考えることができる。   Equations (4) and (5) use the antenna element # 0 as a reference antenna element, the transmission coefficient (gain) and the reception coefficient (gain) of each antenna element, and the transmission coefficient (gain) and the reception coefficient of the antenna element # 0. By canceling the relative difference from the coefficient (gain), the amplitude and phase coefficient between the antenna elements can be considered to be the same.

例えば、アンテナ素子#mのブランチ#mの送信係数(利得)がt であるとする。そうすると、信号gは送信係数t が乗算されて、送信信号g・t がアンテナ素子#mから送出される。このとき、キャリブレーション係数算出部15が、式(5)に従って、アンテナ素子#mについての送信キャリブレーション係数(補正係数)t /t を算出したとする。この場合、アンテナ素子#mのブランチ#mの送信係数t に、送信キャリブレーション係数t /t を乗算することで、アンテナ素子#mの送信係数は、t ・t /t =t に変換することができる。すなわち、送信キャリブレーション係数を乗じることにより、アンテナ素子#mの送信係数をt からt に校正できる。 For example, it is assumed that the transmission coefficient (gain) of branch #m of antenna element #m is t m B. Then, the signal g is multiplied transmission coefficient t m B, transmission signal g · t m B is transmitted from the antenna element #m. In this case, the calibration coefficient calculation unit 15 according to the equation (5), and to calculate the transmission calibration factor (correction coefficient) t 0 B / t m B of the antenna element #m. In this case, the transmission coefficient t m B of the antenna element #m is multiplied by the transmission calibration coefficient t 0 B / t m B so that the transmission coefficient of the antenna element #m is t m B · t. it can be converted to 0 B / t m B = t 0 B. That is, by multiplying the transmission calibration factor can calibrate the transmission coefficient of the antenna element #m from t m B to t 0 B.

また例えば、アンテナ素子#mのブランチ#mの受信係数(利得)がr であるとする。そうすると、アンテナ素子#mにより受信された信号gは受信係数r が乗算されて、受信RF回路Rx#mから受信信号g・r が出力される。このとき、キャリブレーション係数算出部15が、式(4)に従って、アンテナ素子#mについての受信キャリブレーション係数(補正係数)r /r を算出したとする。この場合、アンテナ素子#mのブランチ#mの受信係数r に、受信キャリブレーション係数r /r を乗算することで、アンテナ#mの受信係数は、r ・r /r =r に変換することができる。すなわち、受信キャリブレーション係数を乗じることにより、アンテナ素子#mの受信係数をr からr に校正できる。 Further, for example, it is assumed that the reception coefficient (gain) of the branch #m of the antenna element #m is r m B. Then, the signal g which is received by the antenna element #m is multiplied reception coefficient r m B, the received signal g · r m B from RF receiving circuit Rx # m is output. In this case, the calibration coefficient calculation unit 15, according to equation (4), reception calibration coefficient for the antenna element #m (correction coefficient) and was calculated r 0 B / r m B. In this case, the reception coefficient r m B branch #m antenna element #m, by multiplying the received calibration coefficients r 0 B / r m B, receiving the coefficient of the antenna #m is, r m B · r 0 can be converted to B / r m B = r 0 B. That is, by multiplying the received calibration coefficient can be calibrated to receive coefficients of the antenna element #m from r m B to r 0 B.

従って、キャリブレーション係数算出部15は、任意のアンテナ素子を基準アンテナ素子とし(例えば、式(4)、式(5)の場合、n=0とし)、式(4)で求まる値を受信キャリブレーション係数とし、式(5)で求まる値を送信キャリブレーション係数として算出する。ただし、l,mの組み合わせによっては、複数のt /t 、r /r の演算結果を得ることが可能となる。 Accordingly, the calibration coefficient calculation unit 15 sets an arbitrary antenna element as a reference antenna element (for example, in the case of Expressions (4) and (5), n = 0), and performs reception calibration on the value obtained by Expression (4). And the value obtained by equation (5) is calculated as the transmission calibration coefficient. However, l, depending on the combination of m, it becomes possible to obtain a plurality of t 0 B / t m B, the operation result of r 0 B / r m B.

キャリブレーション係数算出部15は、式(6)に従って、複数のr /r の演算結果を平均化した結果を、アンテナ素子#mの受信キャリブレーション係数として用いる。また、キャリブレーション係数算出部15は、式(7)に従って、複数のt /t の演算結果を平均化した結果を、アンテナ素子#mの送信キャリブレーション係数として用いる。

Figure 0006628596
Calibration coefficient calculation unit 15, according to equation (6), the results obtained by averaging the calculation results of the plurality of r 0 B / r m B, is used as the reception calibration coefficient of the antenna element #m. Moreover, the calibration coefficient calculation unit 15, according to equation (7), the result of averaging the calculation results of the plurality of t 0 B / t m B, is used as a transmission calibration factor of the antenna element #m.
Figure 0006628596

上記のように、キャリブレーション係数算出部15は、複数のアンテナ素子#0〜#N−1のうち、基準アンテナ素子と他のアンテナ素子との間のそれぞれの組み合わせについて、双方向の伝搬路推定値を求める。   As described above, the calibration coefficient calculation unit 15 performs bidirectional propagation path estimation for each combination between the reference antenna element and another antenna element among the plurality of antenna elements # 0 to # N-1. Find the value.

そして、基準アンテナ素子と他のアンテナ素子との間のそれぞれの組み合わせについて、基準アンテナ素子と他のアンテナ素子との間の伝搬路推定値から、伝搬路ゲインを打ち消した利得除外推定値を求め、伝搬路特性を求めるアンテナ素子間のそれぞれの利得除外推定値を用いて、各アンテナ素子の送信キャリブレーション係数、受信キャリブレーション係数を算出する。また、算出した送信キャリブレーション係数、送信キャリブレーション係数を用いて、各ブランチ#0〜#N−1の送信係数、受信係数を校正する。   Then, for each combination between the reference antenna element and the other antenna element, from the propagation path estimation value between the reference antenna element and the other antenna element, a gain exclusion estimation value that cancels the propagation path gain is obtained. The transmission calibration coefficient and the reception calibration coefficient of each antenna element are calculated by using the respective gain exclusion estimated values between the antenna elements for obtaining the propagation path characteristics. Further, the transmission coefficient and the reception coefficient of each of the branches # 0 to # N-1 are calibrated using the calculated transmission calibration coefficient and the transmission calibration coefficient.

なお、上記の例では、N個のアンテナ素子#0〜#N−1のうち、いずれか1個のアンテナ素子を順番に選択していき、全てのアンテナ素子のそれぞれが参照信号を送出して、アンテナ素子間の組み合わせの双方向の伝搬路推定値を算出して、キャリブレーション係数を算出する場合を例示した。このとき、上記の例では、N個のアンテナ素子から選択した基準アンテナ素子と、この基準アンテナ素子以外の全ての他のアンテナ素子との間の組み合わせの双方向の伝搬路遅延値を算出する場合を例示した。   In the above example, any one of the N antenna elements # 0 to # N-1 is sequentially selected, and each of the antenna elements transmits a reference signal. In the illustrated example, a bidirectional propagation path estimation value of a combination between antenna elements is calculated to calculate a calibration coefficient. At this time, in the above example, the case where the bidirectional propagation path delay value of the combination between the reference antenna element selected from the N antenna elements and all other antenna elements other than the reference antenna element is calculated Was exemplified.

しかし、本発明は、N個のアンテナ素子から選択した1個の基準アンテナ素子と、当該基準アンテナ素子以外の全ての他のアンテナ素子との間の組み合わせの双方向の伝搬路遅延値を算出することに限定されるものではなく、基準アンテナ素子と、他のアンテナ素子の一部のアンテナ素子との間の組み合わせの双方向の伝搬路遅延値を求めるようにしても良い。その場合、キャリブレーション係数算出部15が算出する最低限必要な伝搬路推定値の数は、2×{3×(N−2)−(N−3)}=4N−6個となる。   However, the present invention calculates a bidirectional propagation path delay value of a combination between one reference antenna element selected from N antenna elements and all other antenna elements other than the reference antenna element. The present invention is not limited to this, and the bidirectional propagation path delay value of the combination between the reference antenna element and some of the other antenna elements may be obtained. In that case, the minimum number of propagation path estimation values calculated by the calibration coefficient calculation unit 15 is 2 × {3 × (N−2) − (N−3)} = 4N−6.

これは、式(4)、式(5)に示すように、基準アンテナ素子、キャリブレーション対象のアンテナ素子、仲介となるアンテナ素子の3つのアンテナ素子(式(4)、式(5)のl、m、nに対応)が1組として求められる。そして、1組の3個のアンテナ素子で構成される三角形をいくつ形成できるかということと、重複する三角形の辺がいくつあるかによって、伝搬路推定値の数は決定される。   This is because, as shown in Equations (4) and (5), three antenna elements (1 in Equations (4) and (5)) of a reference antenna element, an antenna element to be calibrated, and an intermediate antenna element , M, and n) are obtained as one set. The number of propagation path estimation values is determined depending on how many triangles formed by one set of three antenna elements can be formed and how many sides of the overlapping triangles are present.

そのため、アンテナ素子がN個の場合、「3×(N−2)」が、辺の数3×三角形の数(N−2)を示し、重複する辺の数(N−3)となり、アンテナ素子間の双方向であるため、最低限必要な伝搬路推定値の数は、上記のように、2×{3×(N−2)−(N−3)}=4N−6個となる。   Therefore, when the number of antenna elements is N, “3 × (N−2)” indicates the number of sides 3 × the number of triangles (N−2) and the number of overlapping sides (N−3). Since it is bidirectional between elements, the minimum number of propagation path estimation values required is 2 × {3 × (N−2) − (N−3)} = 4N−6 as described above. .

(A−2−3)配置キャリブレーション
次に、図2のキャリブレーション処理におけるアンテナ素子の配置推定処理を、図面を参照しながら説明する。
(A-2-3) Arrangement Calibration Next, the antenna element arrangement estimation processing in the calibration processing of FIG. 2 will be described with reference to the drawings.

図5は、実施形態に係るアンテナ配置推定処理を示すフローチャートである。   FIG. 5 is a flowchart illustrating the antenna arrangement estimation processing according to the embodiment.

配置誤差推定部16は、各アンテナ素子#0〜#N−1の配置を推定し、推定した配置に基づいて、アレー応答ベクトルを再計算することで、各アンテナ素子の誤差推定のキャリブレーションを行なう。   The arrangement error estimating unit 16 estimates the arrangement of each of the antenna elements # 0 to # N-1, and recalculates the array response vector based on the estimated arrangement, thereby calibrating the error estimation of each antenna element. Do.

図5に示すように、アンテナ素子配置推定処理は、RFキャリブレーションと同様の伝搬路ゲインキャンセル処理および、後述するオフセット量C^=t ・r の算出処理(S401)と、アンテナ間距離誤差算出処理(S402)と、実配置推定処理(S403)とにより実施される。そして、配置誤差推定部16は、各アンテナ素子の現在の座標を、推定した座標に更新する(S404)。 As shown in FIG. 5, the antenna element arrangement estimating process includes a channel gain canceling process similar to the RF calibration, and a calculation process (S401) of an offset amount C0 0 = t 0 B · r 0 B described later; This is performed by an antenna-to-antenna distance error calculation process (S402) and an actual arrangement estimation process (S403). Then, the arrangement error estimating unit 16 updates the current coordinates of each antenna element to the estimated coordinates (S404).

図6は、実施形態に係る伝搬路ゲインキャンセル処理及びオフセット量C^の算出処理を示すフローチャートである。 FIG. 6 is a flowchart illustrating the propagation path gain cancellation processing and the calculation processing of the offset amount C ^ 0 according to the embodiment.

配置誤差推定部16は、図3のS201〜S207で説明した処理と同様に、伝搬路ゲインキャンセル処理を行なう(S501〜S507)。なお、キャリブレーション係数算出部15が図3のS201〜S207の処理を行なっている場合、配置誤差推定部16は、キャリブレーション係数算出部15による演算結果を利用できる。   The placement error estimating unit 16 performs the channel gain canceling process in the same manner as the processes described in S201 to S207 of FIG. 3 (S501 to S507). Note that when the calibration coefficient calculation unit 15 performs the processing of S201 to S207 in FIG. 3, the arrangement error estimation unit 16 can use the calculation result by the calibration coefficient calculation unit 15.

次に、配置誤差推定部16は、オフセット量C^=t ・r の値を初期化し(S508)、m=1をセットする(S509)。 Next, the placement error estimating unit 16 initializes the value of the offset amount C ^ 0 = t 0 B · r 0 B (S508), and sets m = 1 (S509).

配置誤差推定部16は、伝搬路ゲインキャンセル処理により得られたz´m,0に、式(7)で算出して得た送信キャリブレーション係数を乗じて送信係数をキャリブレーションする。また、配置誤差推定部16は、伝搬路ゲインキャンセル処理により得られたz´0,mに、式(6)で算出して得た受信キャリブレーション係数を乗じて受信係数をキャリブレーションする(S510)。 The arrangement error estimating unit 16 calibrates the transmission coefficient by multiplying z ′ m, 0 obtained by the channel gain canceling process by the transmission calibration coefficient calculated by Expression (7). Further, the placement error estimating unit 16 calibrates the reception coefficient by multiplying z ′ 0, m obtained by the channel gain canceling process by the reception calibration coefficient calculated by the equation (6) (S510). ).

このとき、後述する式(8)に示すように、キャリブレーション実施後は、オフセット量t ・r の値が残留する(S511)。 At this time, as shown in Expression (8) described later, the value of the offset amount t 0 B · r 0 B remains after the calibration is performed (S511).

配置誤差推定部16は、mの値を更新して、S509〜S512の処理を繰り返し行う(S512)。なお、RF誤差について、キャリブレーション係数の算出処理で説明した方法と同様の方法により、送信キャリブレーション係数、受信キャリブレーション係数を乗算することでキャリブレーションできる。   The arrangement error estimating unit 16 updates the value of m, and repeats the processing of S509 to S512 (S512). The RF error can be calibrated by multiplying the transmission calibration coefficient and the reception calibration coefficient by the same method as described in the calibration coefficient calculation process.

ここで、RFキャリブレーション実施後に、配置キャリブレーションを実施する場合の詳細な説明を行なう。   Here, a detailed description will be given of a case where the placement calibration is performed after the RF calibration is performed.

RFキャリブレーション実施後、式(8)に示すように、オフセット量C^=r ・t の係数が残留してしまう。

Figure 0006628596
After the RF calibration is performed, the coefficient of the offset amount C ^ 0 = r 0 B · t 0 B remains as shown in Expression (8).
Figure 0006628596

・t の係数が残留すると、この係数の位相回転量によって、後述する式(16)で検出するアンテナ素子距離誤差量を正しく推定できなくなる。そのため、r ・t を推定して打ち消す必要がある。ここで、式(9)、式(10)によって、r ・t を推定する。

Figure 0006628596
When the coefficient of r 0 B · t 0 B remains, the amount of phase rotation of this coefficient makes it impossible to correctly estimate the antenna element distance error amount detected by Expression (16) described later. Therefore, it is necessary to estimate and cancel r 0 B · t 0 B. Here, r 0 B · t 0 B is estimated by Expressions (9) and (10).
Figure 0006628596

n,m/h^n,mは、r ・t を推定するための誤差要因となる。mあるいはnを変えることで複数のr ・t を含む結果を得ることができる。そのため、配置誤差推定部16は、mあるいはnの値を更新して得た複数のt ・r を平均化する(S513)。平均化によって誤差要因を抑圧し、r ・t を推定する。式(11)のように平均化を行い、r ・t の推定値C^を算出する。

Figure 0006628596
h ~ n, m / h ^ n, m is comprised of an error factor for estimating the r 0 B · t 0 B. By changing m or n, a result including a plurality of r 0 B · t 0 B can be obtained. Therefore, the arrangement error estimating unit 16 averages a plurality of t 0 B · r 0 B obtained by updating the value of m or n (S513). The error factor is suppressed by averaging, and r 0 B · t 0 B is estimated. Averaging is performed as in Expression (11), and an estimated value C ^ 0 of r 0 B · t 0 B is calculated.
Figure 0006628596

送信キャリブレーション、受信キャリブレーションに加え、式(11)で算出した推定値C^により補正を行うことで、後述する式(22)のように、式(14)と等価な結果を得ることができる。 In addition to the transmission calibration and the reception calibration, by performing correction using the estimated value C ^ 0 calculated by the equation (11), a result equivalent to the equation (14) can be obtained as in the following equation (22). Can be.

図7は、実施形態に係るアンテナ素子間距離誤差算出処理を示すフローチャートである。   FIG. 7 is a flowchart illustrating an antenna element distance error calculation process according to the embodiment.

配置誤差推定部16は、アンテナ素子#0〜#N−1の配置誤差によって生じるアンテナ素子間距離誤差を、自装置1のアンテナ素子#mからの参照信号によって検出する。また、配置誤差推定部16は、アンテナ素子間距離誤差を用いて、図9を用いて後述する円の交点からアンテナ素子の実際の配置を推定する。   Arrangement error estimating section 16 detects an inter-antenna element distance error caused by an arrangement error of antenna elements # 0 to # N−1 based on a reference signal from antenna element #m of own apparatus 1. The arrangement error estimating unit 16 estimates the actual arrangement of the antenna elements from the intersection of circles described later with reference to FIG. 9 using the distance error between the antenna elements.

以降では、配置誤差推定部16によるアンテナ素子の配置推定処理の動作を説明する。なお、アレー応答ベクトルの計算方法は、アレー構成(例:一様線形アレー、一様円形アレーなど)によって異なるため割愛する。   Hereinafter, the operation of the antenna element arrangement estimation processing performed by the arrangement error estimation unit 16 will be described. Note that the method of calculating the array response vector differs depending on the array configuration (eg, a uniform linear array, a uniform circular array, etc.), and will not be described.

配置誤差推定部16は、m=1をセットし(S601)、n=0をセットする(S602)。なお、m=nのとき、処理は、S608に移行する(S603)。   The placement error estimating unit 16 sets m = 1 (S601), and sets n = 0 (S602). When m = n, the process proceeds to S608 (S603).

次に、配置誤差推定部16は、zn,mの位相を検出し(S604、S605)、zn,mの位相から、参照信号を送出したアンテナ素子#mと、参照信号を受信したアンテナ素子#nとの間のアンテナ素子間距離誤差を算出し(S606)、アンテナ素子間距離の更新を行なう(S607)。 Next, the placement error estimating unit 16 detects the phase of z n, m (S604, S605), and from the phase of z n, m , the antenna element #m that has transmitted the reference signal and the antenna that has received the reference signal. An error between the antenna elements and the element #n is calculated (S606), and the distance between the antenna elements is updated (S607).

その後、配置誤差推定部16は、nの値を更新して、S602〜S607の処理を繰り返し行う(S609)。また、配置誤差推定部16は、mの値を更新して、S601〜S609の処理を繰り返し行う(S610)。   Thereafter, the arrangement error estimating unit 16 updates the value of n, and repeats the processing of S602 to S607 (S609). Further, the arrangement error estimating unit 16 updates the value of m, and repeats the processing of S601 to S609 (S610).

以下では、配置誤差推定部16によるアンテナ素子間距離誤差の算出処理の詳細を説明する。   Hereinafter, details of the calculation processing of the antenna element distance error by the arrangement error estimating unit 16 will be described.

理想的な配置におけるアンテナ素子#mとアンテナ素子#nとのアンテナ素子間距離をdn,mとし、実配置におけるアンテナ素子間距離をd´n,mとする。d´n,mとdn,mは式(12)のように表せる。ただし、Δdn,mは配置誤差に起因するアンテナ素子間距離の誤差である。

Figure 0006628596
The distance between the antenna elements #m and #n in the ideal arrangement is dn, m, and the distance between the antenna elements in the actual arrangement is d' n, m . d ′ n, m and d n, m can be expressed as in equation (12). Here, Δdn , m is an error in the distance between antenna elements due to an arrangement error.
Figure 0006628596

アンテナ素子#mからアンテナ素子#nの電波伝搬について、自由空間伝搬と仮定すると、伝搬路ゲインは式(13)となる。

Figure 0006628596
Assuming that radio wave propagation from antenna element #m to antenna element #n is free space propagation, the propagation path gain is given by equation (13).
Figure 0006628596

ここで、配置誤差が無いものとして伝搬路ゲインを式(13)によって求め、伝搬路ゲインキャンセル処理を行う。そうすると、式(14)のようにアンテナ素子間距離誤差Δdn,mに起因した位相回転が残る。ただし、式(14)ではRF誤差が無いものとする。

Figure 0006628596
Here, assuming that there is no arrangement error, the channel gain is obtained by equation (13), and channel gain cancellation processing is performed. Then, the phase rotation caused by the antenna element distance error Δdn , m as shown in Expression (14) remains. However, it is assumed that there is no RF error in Expression (14).
Figure 0006628596

したがって、z´n,mの位相からアンテナ素子間距離誤差Δdn,mを式(15)、式(16)のように求めることができ、式(12)によって、d´n,mも算出することができる。

Figure 0006628596
Thus, z 'n, the phase between the antenna elements distance m error [Delta] d n, m of formula (15) can be determined by the equation (16), the equation (12), d'n, m also calculate can do.
Figure 0006628596

配置誤差推定部16は、各アンテナ素子間距離d´n,mをそれぞれ算出する。 The arrangement error estimating unit 16 calculates the distances d ′ n, m between the antenna elements.

図8は、実施形態に係るアンテナ素子の実配置の推定処理を示すフローチャートである。   FIG. 8 is a flowchart illustrating a process of estimating the actual arrangement of the antenna elements according to the embodiment.

配置誤差推定部16は、l=0、m=0、n=0をセットする(S701〜S703)。なお、l≠m、m≠n、n≠l以外の場合、処理はS706に移行する(S704)。   The arrangement error estimating unit 16 sets l = 0, m = 0, and n = 0 (S701 to S703). If l 場合 m, m ≠ n, or n 、 l, the process proceeds to S706 (S704).

配置誤差推定部16は、アンテナ素子#mとアンテナ素子#nとの間のアンテナ素子間距離長を半径として、アンテナ素子#mを中心とした円と、アンテナ素子#nとアンテナ素子#lとの間のアンテナ素子間距離長を半径として、アンテナ素子#mを中心とした円との交点を求める(S705)。   The arrangement error estimating unit 16 determines a circle centered on the antenna element #m, using the distance between antenna elements #m and #n as a radius, the antenna element #n and the antenna element # 1, The intersection with the circle centered on antenna element #m is determined using the distance between antenna elements between as a radius (S705).

配置誤差推定部16は、2つの円の2つの交点のうち、現在のアンテナ素子#lの座標に近い方を選択し(S706)、選択した円の交点の座標の平均化を行なう(S707)。   The arrangement error estimating unit 16 selects the one closer to the current coordinates of the antenna element # 1 from the two intersections of the two circles (S706), and averages the coordinates of the intersections of the selected circles (S707). .

その後、配置誤差推定部16は、nの値を更新してS705〜S707の処理を繰り返し行う(S709)。次に、配置誤差推定部16は、mの値を更新してS705〜S709の処理を繰り返し行う(S710)。   Thereafter, the arrangement error estimating unit 16 updates the value of n and repeats the processing of S705 to S707 (S709). Next, the arrangement error estimating unit 16 updates the value of m and repeats the processing of S705 to S709 (S710).

そして、配置誤差推定部16は、S707で得られた円の交点の座標と、アンテナ素子#lの現在の座標との差分diffをとり(S711)、差分diffにステップ係数を乗じた値を、アンテナ素子#lの現在の座標に加えて、アンテナ素子#lの新座標を算出し、このアンテナ素子#lの新座標を保持する(S712)。   Then, the placement error estimating unit 16 takes a difference diff between the coordinates of the intersection of the circle obtained in S707 and the current coordinates of the antenna element # 1 (S711), and multiplies the difference diff by a step coefficient. The new coordinates of the antenna element # 1 are calculated in addition to the current coordinates of the antenna element # 1, and the new coordinates of the antenna element # 1 are held (S712).

さらに、配置誤差推定部16は、lの値を更新して、全てのアンテナ素子#〜#N−1の実際の配置推定を行なう(S713)。   Further, the arrangement error estimating unit 16 updates the value of 1 and estimates the actual arrangement of all the antenna elements # to # N-1 (S713).

以下では、図8及び図9を参照しながら、配置誤差推定部16によるアンテナ素子の実際の配置推定処理の詳細を説明する。   Hereinafter, the details of the actual placement estimation processing of the antenna elements by the placement error estimation unit 16 will be described with reference to FIGS. 8 and 9.

図9は、実施形態に係るアンテナ素子の配置推定処理を説明する説明図である。   FIG. 9 is an explanatory diagram illustrating an antenna element arrangement estimation process according to the embodiment.

図9(A)及び図9(B)では、8個のアンテナ素子#0〜#7を有する一様円形アレーアンテナである場合を例示している。   FIGS. 9A and 9B illustrate a case of a uniform circular array antenna having eight antenna elements # 0 to # 7.

図9(A)及び図9(B)の第1象限のx軸上のアンテナ素子をアンテナ素子#0とし、アンテナ素子#0から反時計回りに位置する各アンテナ素子を順番にアンテナ素子#1、アンテナ素子#2、…、アンテナ素子#7としている。   The antenna elements on the x-axis in the first quadrant of FIGS. 9A and 9B are referred to as antenna element # 0, and the antenna elements positioned counterclockwise from antenna element # 0 are sequentially assigned to antenna element # 1. , Antenna element # 2,..., Antenna element # 7.

また、図9(A)及び図9(B)において、「×」は各アンテナ素子の理想位置を示し、「●」は各アンテナ素子の実際の位置を示す。   In FIGS. 9A and 9B, “x” indicates an ideal position of each antenna element, and “●” indicates an actual position of each antenna element.

例えば、アンテナ素子#m=1の配置を推定する場合、アンテナ素子#n=0の現在の位置(座標)を中心として、半径d´n,m(=d´0,1)の円の方程式を設定する。また、アンテナ素子#l=2の現在の位置(座標)を中心に、半径d´l,m(=d´2,1)の円の方程式を設定する。ただしx、yはアンテナ素子#nの現在の座標を表す。

Figure 0006628596
For example, when estimating the arrangement of the antenna element # m = 1, an equation of a circle with a radius d ′ n, m (= d ′ 0,1 ) centered on the current position (coordinates) of the antenna element # n = 0. Set. In addition, an equation of a circle having a radius d ′ l, m (= d ′ 2,1 ) is set around the current position (coordinates) of the antenna element # 1 = 2. However x n, y n represents the current coordinate of the antenna elements #n.
Figure 0006628596

式(17)と式(18)の交点座標(xn,l,yn,l)を求める。円の交点(図9(A)及び図9(B)では「■」で示す。)は最大2点で求まる。このとき、2個の円の交点のうち、アンテナ素子#m=1の現在座標からのユークリッド距離が近い方の座標を交点座標として採用する。 The coordinates (x n, l , y n, l ) of the intersection of Expression (17) and Expression (18) are obtained. The intersections of the circles (indicated by “図” in FIGS. 9A and 9B) are obtained at a maximum of two points. At this time, among the intersections of the two circles, the coordinates closer to the Euclidean distance from the current coordinates of the antenna element # m = 1 are adopted as the intersection coordinates.

その後、同様に、アンテナ素子#m=1の配置誤差を推定するために、アンテナ素子n、アンテナ素子l(n≠m、m≠l,l≠n)の組み合わせを変えながら、円の交点を算出する。   Then, similarly, in order to estimate the arrangement error of the antenna element # m = 1, the intersection of the circle is changed while changing the combination of the antenna element n and the antenna element l (n ≠ m, m ≠ l, l ≠ n). calculate.

そして、配置誤差推定部16は、式(19)に従って、算出した全ての交点座標の平均化処理を行う。式(19)において、Pは平均に用いた交点の数である。交点が存在しない場合は、平均化の対象としない。

Figure 0006628596
Then, the arrangement error estimating unit 16 performs an averaging process on all the calculated intersection coordinates according to the equation (19). In equation (19), P is the number of intersections used for averaging. If there is no intersection, it is not subject to averaging.
Figure 0006628596

推定した座標は誤差を含む可能性があるため、現在の座標と推定した座標の差分にステップ係数αを乗算して、アンテナ座標の推定値を算出する。

Figure 0006628596
Since the estimated coordinates may include an error, the difference between the current coordinates and the estimated coordinates is multiplied by a step coefficient α to calculate an estimated value of the antenna coordinates.
Figure 0006628596

全てのmについて(x^,y^)を算出したら、(x,y)=(x^,y^)として現在座標を更新する。更新された座標を用いて、式(14)〜式(20)のアンテナ素子配置推定を繰り返し行い、徐々にアンテナ素子座標を更新してゆく。 After calculating the for all m (x ^ m, y ^ m), updates the (x m, y m) = (x ^ m, y ^ m) current coordinates as. Using the updated coordinates, the antenna element arrangement estimation of Expressions (14) to (20) is repeatedly performed, and the antenna element coordinates are gradually updated.

式(14)〜式(20)では、RF誤差が無いものとして説明を行った。送信、受信RF係数を考慮すると、式(14)は式(21)のように書き直される。

Figure 0006628596
Expressions (14) to (20) have been described assuming that there is no RF error. In consideration of transmission and reception RF coefficients, equation (14) is rewritten as equation (21).
Figure 0006628596

送信キャリブレーション、受信キャリブレーションに加え、式(21)で算出した推定値C^により補正を行うことで、式(22)のように、式(14)と等価な結果を得ることができる。

Figure 0006628596
In addition to the transmission calibration and the reception calibration, by performing correction using the estimated value C ^ 0 calculated by Expression (21), a result equivalent to Expression (14) can be obtained as in Expression (22). .
Figure 0006628596

式(22)によって求めた値を使って、式(15)〜式(20)を行うことで、RF誤差を含む場合にも配置キャリブレーションが可能となる。   By performing Expressions (15) to (20) using the value obtained by Expression (22), arrangement calibration can be performed even when an RF error is included.

ただし、RFキャリブレーションは、式(2)についてアンテナ素子間距離誤差の影響を受け、推定精度が劣化する。一方、配置キャリブレーションは、残留するRF誤差の影響を受け、推定精度が劣化する。したがって、RFキャリブレーションと、配置キャリブレーションを繰り返し行うことによって、互いの処理の精度を徐々に向上させることができる。   However, the RF calibration is affected by the distance error between antenna elements in Expression (2), and the estimation accuracy is degraded. On the other hand, the placement calibration is affected by the remaining RF error, and the estimation accuracy is degraded. Therefore, by repeatedly performing the RF calibration and the placement calibration, the accuracy of each processing can be gradually improved.

(A−3−1)RFキャリブレーションの効果確認
次に、キャリブレーション係数算出部15によるRFキャリブレーション実施後の到来方向推定精度を計算して、RFキャリブレーションの効果を評価する。
(A-3-1) Confirming the Effect of RF Calibration Next, the direction of arrival estimation after the RF calibration is performed by the calibration coefficient calculation unit 15 is calculated, and the effect of the RF calibration is evaluated.

ここでは、アンテナ素子間の電波伝搬が式(2)の通りであり、アンテナ素子の配置誤差は存在しないという条件とする。また、RFキャリブレーションの効果は、計算機シミュレーションにより確認した。   Here, it is assumed that the radio wave propagation between the antenna elements is as shown in Expression (2), and there is no arrangement error of the antenna elements. The effect of RF calibration was confirmed by computer simulation.

図10は、キャリブレーション係数算出部15によるRFキャリブレーション実施後の到来方向推定精度のシミュレーション結果を示す図である(その1)。   FIG. 10 is a diagram illustrating a simulation result of the DOA estimation accuracy after the RF calibration is performed by the calibration coefficient calculation unit 15 (part 1).

図10において、横軸は、到来信号電力値と雑音信号電力値との比(SNR)であり、縦軸は、到来方向推定精度を示すRMSE(Root Mean Square Error)である。   In FIG. 10, the horizontal axis is the ratio (SNR) between the power of the incoming signal and the power of the noise signal, and the vertical axis is the Root Mean Square Error (RMSE) indicating the accuracy of the direction of arrival estimation.

図10における「従来技術」は非特許文献2によるキャリブレーション方式の特性を示す。図10における「理想」は、RF誤差無しの場合の特性である。   “Prior art” in FIG. 10 indicates characteristics of the calibration method according to Non-Patent Document 2. “Ideal” in FIG. 10 is a characteristic when there is no RF error.

図10に示すように、実施形態の技術(図10では「提案技術」と示す)の特性は、「理想」の特性とほぼ一致しており、キャリブレーションが精度良く実施されていることがわかる。   As shown in FIG. 10, the characteristics of the technology of the embodiment (shown as “proposed technology” in FIG. 10) almost match the characteristics of “ideal”, and it can be seen that the calibration is performed with high accuracy. .

図10では、アンテナ素子間の電波伝搬が式(2)の通りとしたが、アンテナ素子間の近傍の通信でも、アンテナ素子を支えるアームからの反射波が存在することも考えられる。   In FIG. 10, the radio wave propagation between the antenna elements is represented by Expression (2). However, it is also conceivable that a reflected wave from the arm supporting the antenna element exists in communication in the vicinity between the antenna elements.

そこで、アンテナ素子間の電波伝搬を、直接波と反射波の2波から構成される大地反射2波モデル(キャリブレーションの伝搬路ゲインキャンセル処理で算出する伝搬路ゲインは式(2)のまま)における特性評価を行った。図11が、シミュレーション結果を示す図である。   Therefore, the radio wave propagation between the antenna elements is a ground reflection two-wave model composed of two waves, a direct wave and a reflected wave (the propagation path gain calculated by the propagation path gain canceling process of the calibration remains the equation (2)). Was evaluated. FIG. 11 shows a simulation result.

図11は、キャリブレーション係数算出部15によるRFキャリブレーション実施後の到来方向推定精度のシミュレーション結果を示す図である(その2)。   FIG. 11 is a diagram illustrating a simulation result of the direction-of-arrival estimation accuracy after the RF calibration is performed by the calibration coefficient calculation unit 15 (part 2).

アンテナ素子高は0.1mとする。反射面の複素相対屈折率は、比較的強い反射が生じる5−0.1j、5−1.0jと、反射は弱いが反射時に位相が大きく回転する、2.5+1.0j、2.5+1.0j、2.5+2.0jについて評価を行った。また、電波の電界方向に対し、反射面が水平であるとし、仰角俯角方向の指向性は無いものとして評価を行った。   The antenna element height is set to 0.1 m. The complex relative refractive indices of the reflecting surface are 5-0.1j and 5-1.0j at which relatively strong reflection occurs, and 2.5 + 1.0j, 2.5 + 1. 0j and 2.5 + 2.0j were evaluated. The evaluation was performed assuming that the reflection surface was horizontal with respect to the direction of the electric field of the radio wave and that there was no directivity in the elevation and depression directions.

図11に示すように、反射波が存在し、伝搬モデルに想定と誤差がある場合、理想条件の特性と比較すると、到来方向推定精度が劣化していることがわかる。しかし、SNR=0dB以上では、到来方向推定精度も1度以下の誤差を達成している。したがって、実伝搬環境が想定するモデルと異なるとしても、本発明によりRFキャリブレーションは可能であると考えられる。   As shown in FIG. 11, when the reflected wave is present and the propagation model has an error from the assumption, the arrival direction estimation accuracy is found to be degraded when compared with the characteristics under ideal conditions. However, when the SNR is 0 dB or more, the DOA estimation accuracy also achieves an error of 1 degree or less. Therefore, even if the actual propagation environment is different from the assumed model, it is considered that the RF calibration can be performed by the present invention.

(A−3−2)配置キャリブレーションの効果確認
次に、配置誤差推定部16による配置キャリブレーションの効果を評価する。
(A-3-2) Confirmation of Effect of Arrangement Calibration Next, the effect of arrangement calibration by the arrangement error estimating unit 16 is evaluated.

図12は、配置誤差推定部16による配置キャリブレーションの効果を示す図である。   FIG. 12 is a diagram illustrating the effect of the placement calibration by the placement error estimating unit 16.

図12において、横軸はアンテナ素子配置誤差[%]であり、縦軸は到来方向推定のRMSEである。   In FIG. 12, the horizontal axis is the antenna element arrangement error [%], and the vertical axis is the RMSE of arrival direction estimation.

配置キャリブレーションの基礎評価のため、RF誤差が存在せず、配置誤差が存在する条件において、キャリブレーションの効果を計算機シミュレーションにより確認した。   For the basic evaluation of the placement calibration, the effect of the calibration was confirmed by computer simulation under the condition that there was no RF error and there was a placement error.

なお、アンテナ素子間の電波伝搬と、伝搬路ゲインキャンセル処理で用いる伝搬路モデルの誤差も含んでおり、アンテナ素子間の電波伝搬は大地反射2波モデルとし、相対複素屈折率は5.0−1.0jとしている。アンテナ素子配置誤差は、波長に対する割合で配置誤差の半径を求め、その半径内に99.7%収まるような正規分布に従い、ランダムに配置誤差を決定した。またキャリブレーションの繰り返し数は5回、ステップ係数は0.5とした。   Note that this also includes errors in radio wave propagation between antenna elements and propagation path models used in propagation path gain cancellation processing. Radio wave propagation between antenna elements is a ground reflection two-wave model, and the relative complex refractive index is 5.0-. 1.0j. For the antenna element arrangement error, the radius of the arrangement error was determined in proportion to the wavelength, and the arrangement error was randomly determined according to a normal distribution that was within 99.7% of the radius. The number of repetitions of calibration was set to 5 and the step coefficient was set to 0.5.

図12に示すように、アンテナ素子配置誤差10%において、配置キャリブレーションを実施いない場合と比較して、到来方向推定精度が約30%程度改善している。また、到来方向推定精度も1度以内の誤差を達成している。   As shown in FIG. 12, when the antenna element arrangement error is 10%, the arrival direction estimation accuracy is improved by about 30% as compared with the case where the arrangement calibration is not performed. In addition, the DOA estimation accuracy also achieves an error within 1 degree.

(A−3−3)RFキャリブレーションと配置キャリブレーションとの効果確認
次に、RFキャリブレーションと配置キャリブレーションとの両方を実施したときの効果を確認する。
(A-3-3) Confirmation of Effect of RF Calibration and Placement Calibration Next, the effect of performing both the RF calibration and the placement calibration is confirmed.

図13は、RFキャリブレーション及び配置キャリブレーションの効果を示す図である。   FIG. 13 is a diagram illustrating the effects of the RF calibration and the placement calibration.

ここでは、RF誤差、配置誤差の両方ともが存在する条件における、キャリブレーション効果の確認を行った。RF誤差が存在する以外は、配置キャリブレーションの効果確認時と同じ条件とする。   Here, the calibration effect was confirmed under the condition where both the RF error and the placement error exist. Except for the presence of an RF error, the conditions are the same as at the time of confirming the effect of the placement calibration.

図13に示すように、配置キャリブレーションまで実施することによって、アンテナ素子配置誤誤差約3%以上の場合に到来方向推定精度が改善しており、アンテナ素子配置誤差に対するロバスト性が向上していることがわかる。また、RFキャリブレーションと配置キャリブレーションとを実施することで、アンテナ素子配置誤差6%でも、到来方向推定精度も1度以下の誤差を達成できる。   As shown in FIG. 13, by performing the placement calibration, the arrival direction estimation accuracy is improved when the error of the antenna element placement is about 3% or more, and the robustness against the antenna element placement error is improved. You can see that. Further, by performing the RF calibration and the placement calibration, even if the antenna element placement error is 6%, the arrival direction estimation accuracy can achieve an error of 1 degree or less.

(A−4)実施形態の効果
以上のように、実施形態によれば、外部参照信号を用いずに、到来方向推定を行なうことができ、かつ演算処理負荷を軽減して、RFキャリブレーション、配置キャリブレーションを実施できる。
(A-4) Effects of Embodiment As described above, according to the embodiment, it is possible to estimate the direction of arrival without using an external reference signal, and reduce the processing load on the RF calibration. Placement calibration can be performed.

(B)他の実施形態
上述した実施形態では、RFキャリブレーションを実施した後に、アンテナ素子間の配置キャリブレーションを実施する場合を例示した。しかし、本発明は、RFキャリブレーションのみを実施する場合も上述した実施形態と同等の有効な効果を奏し、又配置キャリブレーションのみを実施する場合にも上述した実施形態と同等の有効な効果を奏する。
(B) Other Embodiments In the above-described embodiment, the case where the arrangement calibration between the antenna elements is executed after the RF calibration is executed has been exemplified. However, the present invention has the same effective effect as the above-described embodiment even when only the RF calibration is performed, and also has the same effective effect as the above-described embodiment even when only the arrangement calibration is performed. Play.

1…無線装置、アンテナ素子#0〜#N−1、RF回路#0〜#N−1、ブランチ#0〜#N−1、11…信号生成/復調/到来方向推定部、12…受信キャリブレーション部、13…送信キャリブレーション部、14…メモリ、15…キャリブレーション係数算出部、16…配置誤差推定部。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Radio apparatus, antenna elements # 0 to # N-1, RF circuits # 0 to # N-1, Branches # 0 to # N-1, 11 ... Signal generation / demodulation / arrival direction estimating unit, 12 ... Reception calibration , A calibration coefficient calculating unit, and a placement error estimating unit.

Claims (6)

複数のアンテナ素子のそれぞれに対応する複数の送受信回路と、
前記複数のアンテナ素子の中から、参照信号を送出するアンテナ素子を順番に選択していき、選択したアンテナ素子の前記送受信回路に参照信号を与える信号生成部と、
参照信号を送出したアンテナ素子以外の複数の他のアンテナ素子の各送受信回路から、参照信号を送出したアンテナ素子と、参照信号を受信した前記各他のアンテナ素子との間の伝搬路推定値を取得し、伝搬路特性を求めるアンテナ素子間の双方向の伝搬路推定値を記憶する伝搬路推定値記憶部と、
アンテナ素子間の双方向の伝搬路推定値のそれぞれから伝搬路の利得成分を除いた利得除外推定値を求め、アンテナ素子間の双方向の利得除外推定値を用いて、各アンテナ素子のキャリブレーション係数を算出するキャリブレーション係数算出部と
前記各アンテナ素子間の利得除外推定値を用いて算出した前記各アンテナ素子間の距離誤差に基づいて、前記各アンテナ素子間の距離を算出するアンテナ間距離算出部と、
配置推定対象の前記アンテナ素子と他の各アンテナ素子との間の距離を半径とし、前記他のアンテナ素子のそれぞれの現在座標を中心とする円を複数設定し、少なくとも2つの円の交点である2座標のうち、前記配置推定対象のアンテナ素子の現在座標から近いものを、当該配置推定対象のアンテナ素子の配置誤差として推定する配置誤差推定部と
を備えることを特徴とするアレーアンテナ装置。
A plurality of transmitting and receiving circuits corresponding to each of the plurality of antenna elements,
From among the plurality of antenna elements, a signal generation unit that sequentially selects an antenna element that transmits a reference signal, and provides a reference signal to the transmission / reception circuit of the selected antenna element,
From each transmitting / receiving circuit of a plurality of other antenna elements other than the antenna element that transmitted the reference signal, the propagation path estimation value between the antenna element that transmitted the reference signal and each of the other antenna elements that received the reference signal was calculated. A channel estimation value storage unit for acquiring and storing a bidirectional channel estimation value between antenna elements for obtaining channel characteristics;
A gain exclusion estimate is obtained by removing the gain component of the propagation path from each of the bidirectional propagation path estimates between the antenna elements, and calibration of each antenna element is performed using the bidirectional gain exclusion estimate between the antenna elements. A calibration coefficient calculation unit for calculating a coefficient ,
Based on the distance error between the respective antenna elements calculated using the gain exclusion estimated value between the respective antenna elements, an antenna-to-antenna distance calculator that calculates the distance between the respective antenna elements,
The distance between the antenna element whose position is to be estimated and each of the other antenna elements is defined as a radius, a plurality of circles centered on the current coordinates of each of the other antenna elements are set, and the intersection of at least two circles is set. An array antenna device, comprising: an arrangement error estimating unit for estimating, among the two coordinates, an element that is closer to the current coordinates of the antenna element whose arrangement is to be estimated, as an arrangement error of the antenna element whose arrangement is to be estimated .
前記キャリブレーション係数算出部は、前記複数のアンテナ素子のうち、基準アンテナ素子と他の各アンテナ素子との間の双方向の前記伝搬路推定値から求めた前記利得除外推定値を用いて、各アンテナ素子のキャリブレーション係数を算出することを特徴とする請求項1に記載のアレーアンテナ装置。 The calibration coefficient calculation unit, among the plurality of antenna elements, by using the gain exclusion estimation value obtained from two-way the propagation Michi推 value between the reference antenna element and each of the other antenna elements, each 2. The array antenna device according to claim 1, wherein a calibration coefficient of the antenna element is calculated. 前記キャリブレーション係数算出部は、基準アンテナ素子と他の各アンテナ素子との間の前記各利得除外推定値の相対差を平均化したものを各アンテナ素子のキャリブレーション係数とすることを特徴とする請求項2に記載のアレーアンテナ装置。   The calibration coefficient calculation unit may be configured to average a relative difference between the gain exclusion estimated values between the reference antenna element and each of the other antenna elements as a calibration coefficient of each antenna element. The array antenna device according to claim 2. 前記配置誤差推定部は、配置推定対象のアンテナ素子と他の各アンテナ素子との間について、前記2つの円の交点座標のうち一方の交点座標の平均値を、前記配置推定対象のアンテナ素子の配置誤差として推定することを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載のアレーアンテナ装置。 The arrangement error estimating unit calculates an average value of one of the intersection coordinates of the two circles between the antenna element of the arrangement estimation target and each of the other antenna elements, The array antenna device according to any one of claims 1 to 3, wherein the estimation is performed as an arrangement error. 複数のアンテナ素子のそれぞれに対応する複数の送受信回路と、
前記複数のアンテナ素子の中から、参照信号を送出するアンテナ素子を順番に選択していき、選択したアンテナ素子の前記送受信回路に参照信号を与える信号生成部と、
参照信号を送出したアンテナ素子以外の複数の他のアンテナ素子の各送受信回路から、参照信号を送出したアンテナ素子と、参照信号を受信した前記各他のアンテナ素子との間の伝搬路推定値を取得し、伝搬路特性を求めるアンテナ素子間の双方向の伝搬路推定値を記憶する伝搬路推定値記憶部と、
アンテナ素子間の双方向の伝搬路推定値のそれぞれから伝搬路の利得成分を除いた利得除外推定値を用いて算出した前記各アンテナ素子間の距離誤差に基づいて、各アンテナ素子間の距離を算出するアンテナ間距離算出部と、
配置推定対象のアンテナ素子と他の各アンテナ素子との間の距離を半径とし、前記他のアンテナ素子のそれぞれの現在座標を中心とする円を複数設定し、少なくとも2つの円の交点である2座標のうち、前記配置推定対象のアンテナ素子の現在座標から近いものを、当該配置推定対象のアンテナ素子の配置誤差として推定する配置誤差推定部と
を備えることを特徴とするアレーアンテナ装置。
A plurality of transmitting and receiving circuits corresponding to each of the plurality of antenna elements,
From among the plurality of antenna elements, a signal generation unit that sequentially selects an antenna element that transmits a reference signal, and provides a reference signal to the transmission / reception circuit of the selected antenna element,
From the transmission / reception circuits of a plurality of other antenna elements other than the antenna element that transmitted the reference signal, the propagation path estimation value between the antenna element that transmitted the reference signal and the other antenna element that received the reference signal was calculated. A channel estimation value storage unit for acquiring and storing a bidirectional channel estimation value between antenna elements for obtaining channel characteristics;
Based on the distance error between the antenna elements calculated using the gain exclusion estimated value obtained by removing the gain component of the propagation path from each of the bidirectional propagation path estimation values between the antenna elements, the distance between the antenna elements is calculated. An antenna-to-antenna distance calculation unit to calculate
The distance between the antenna element whose position is to be estimated and each of the other antenna elements is defined as a radius, a plurality of circles are set around the current coordinates of each of the other antenna elements, and the intersection of at least two circles is defined as 2 And an arrangement error estimating unit for estimating, from among the coordinates, an element that is closer to the current coordinates of the antenna element whose arrangement is to be estimated, as an arrangement error of the antenna element whose arrangement is to be estimated.
複数のアンテナ素子を有する請求項1〜のいずれかに記載のアレーアンテナ装置を備えることを特徴とする無線装置。 A wireless device comprising the array antenna device according to any one of claims 1 to 5 , comprising a plurality of antenna elements.
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