CN101083516B - 无线通信系统及无线通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明的目的是为了提供一种无线通信系统及无线通信方法。在通过空分多址在相同的时刻、以相同频率与多个终端通信的无线通信系统中，评价在空分多址时得到的各终端的性能，通过决定空分多址的各组的时间分配的第一决定单元分配无线资源。进而，使用第一评价单元和评价各终端及应用所要求的性能的第二评价单元，通过第一决定单元分配无线资源。由此，对于所要求的QoS能够防止无线资源的不足，能够进行向各终端的无线资源的有效分配。

Description

无线通信系统及无线通信方法

技术领域

本发明涉及通过空分多址以相同的频率在相同的时刻与多个终端进行通信的无线通信系统、无线通信方法及其装置，特别涉及考虑通信品质(QoS：Quality of Service)而有效地分配空间、时间资源的无线通信系统、无线通信方法及其装置。

背景技术

能够显著提高无线频率的利用效率及传输速度的天线、信号处理技术受到关注。其中之一是被称为自适应天线阵列(AAA)的技术。在AAA技术中，利用加权系数(权重)调节由多个天线分别收发的信号的振幅和相位。由此信噪比提高，能够使系统的通信容量增大。在利用AAA技术使数据的传输速度高速化的技术中，有称作MIMO(Multiple Input Multiple Output，多输入多输出)的技术。在MIMO系统中，在发送机与接收机之间设定最大为天线数的频道，能够增大通信容量。进而，如果以不同的观点掌握这些技术，则还可以进行(1)对不同的终端传送的空分多址(SDMA：Space Division MultipleAccess)、(2)对相同的终端传送的空分复用(SDM：Space DivisionMultiplexing)那样的分类。SDMA技术是利用加权系数(权重)调节由多个天线分别收发的信号的振幅和相位，通过利用传播线路中的空间的正交性而以相同的频率在相同的时刻将不同的数据系列传送给多个终端的技术。另一方面，SDM技术是利用加权系数(权重)调节由多个天线分别收发的信号的振幅和相位，通过利用传播线路中的空间的正交性而以相同的频率在相同的时刻将不同的数据系列传送给相同的终端的技术。进而，作为复合了SDMA技术和SDM技术的技术，有MIMO-SDMA技术。该技术对不同的终端进行空分多址，对相同的终端进行空分复用。SDMA技术在例如《A-A》中、SDM技术在例如《B-B》中公开了信息。MIMO-SDMA技术在例如《C-C》中公开了信息。

除了这样的无线传送技术的高速化以外，还需要有满足当前各种应用服务的要求的技术。这些应用具有各自的通信所需的传送频带及容许传送延迟的通信品质的要求，已经研究了有关品质保证的各种方式。

A《T.Ohgane，“A Study on a channel allocation scheme with anadaptive array in SDMA”IEEE 47th VTC，Vol.2，1997，p.725-729》A

B《G.J.Foschini，“Layered space-time architecture for wirelesscommunication in fading environment when using multi-elementantennas”，Bell Labs Tech.J，Autumn 1996，p.41-59》B

C《Andre Bourdoux，Nadia Khaled，“Joint Tx-Rx Optimisation forMIMO-SDMA Based on a Null-space Constraint”，IEEE2002.P.171-172》C

在AP(Access Point：基站)与STA(STAtion：终端)进行SDMA的无线通信系统中，分别评价STA的通信品质来实现所要求的通信品质。例如，在由IEEE802.11e定义的EDCA(Enhanced DistributedChannel Access)那样的基于时分的QoS控制方式中，对于通信品质的要求较高的STA优先地分配时间。另一方面，在SDMA中，存在多个AP与多个STA以相同的频率在相同时刻进行通信时的、多个STA的组合(以下称作SDMA组)，可知STA的传送品质因所属的SDMA组而不同。因此，如果分别评价STA而进行资源分配，则在作为SDMA组整体观察时，对于所要求的QoS，有可能在无线资源中产生剩余、或者反之发生不足。此外，也存在考虑了因各SDMA组使STA的传送品质不同的方式，但在相同长度的时间间隙中只假设了包括在1个时间间隙中的期间，同样，在作为SDMA整体观察时，对于所要求的QoS，有可能在无线资源中产生剩余、或者反之发生不足，难以有效地分配无线资源。

发明内容

本发明是鉴于这样的课题而做出的，目的是在于利用了SDMA的无线通信系统中使有限的无线资源有效使用。具体而言，目的是提供一种生成多个SDMA组的候补、通过根据它们的传送品质与所要求的通信品质计算并应用无线资源分配、能够有效地使用无线资源、并且能够提高通信容量的无线通信系统及无线资源控制方法。

在通过SDMA在相同的时刻、以相同频率与多个STA通信的无线通信装置中，其特征在于，将特定的多个STA作为SDMA组，使用评价包含在该SDMA组中的各STA的性能的第一评价单元，通过决定进行SDMA的STA、和各SDMA组的时间分配的第一决定单元分配无线资源。进而，使用第一评价单元和评价各STA及应用所要求的性能的第二评价单元，通过上述第一决定单元进行无线资源的分配。

此外，在第一决定单元中，其特征在于，进行适用以下计算方法的能够实现最佳化的无线资源的分配，所述计算方法包括：使整体的通信容量成为最大的计算方法、将通信容量均等地分配给各终端的计算方法、对应于包括上行及下行的系统的计算方法、对应于考虑QoS的系统的计算方法、以及对应于混合存在有绝对保证型和相对保证型的数据的系统的计算方法。

本发明提供一种无线通信装置，通过空分多址与多个终端通信，其特征在于，包括：传输线路信息收集部，收集该无线通信装置与上述多个终端之间的传输线路的信息；无线资源分配计算部，用以产生作为空分多址组的候补的多个空分多址组候补，所述多个空分多址组候补通过对多个终端进行上述空分多址而形成，通过使用传输线路信息推算属于空分多址组候补的每个终端的通信性能，根据该推算的每个终端的通信性能从多个空分多址组中选择一个空分多址组，并且决定被分配给选定的空分多址组的时间，由此向多个终端分配无线资源；信号处理部，通过该分配的无线资源进行与上述多个终端的通信，上述无线资源分配计算部通过基于下面表达式中定义的制约条件的最佳化计算，进行上述空分多址组的选择和时间分配的决定，

${\mathrm{\α}}_1\left[\begin{array}{c}{X}_{11}\\ X_{12}\\ .\\ .\\ X_{1n}\end{array}\right]+{\mathrm{\α}}_2\left[\begin{array}{c}{X}_{21}\\ X_{22}\\ .\\ .\\ X_{2n}\end{array}\right]+...+{\mathrm{\α}}_m\left[\begin{array}{c}{X}_{m1}\\ X_{m2}\\ .\\ .\\ X_{\mathrm{mn}}\end{array}\right]\≥\left[\begin{array}{c}{\mathrm{TP}}_1\\ {\mathrm{TP}}_2\\ .\\ .\\ {\mathrm{TP}}_n\end{array}\right]$

0≤α₁≤1，0≤α₂≤1，0≤α_m≤1

0≤∑α≤1

其中，α_p是表示空分多址组#p占有的时间比例的未知值，X_pq是表示属于空分多址组#p的终端#q的通信容量的已知值，TP_q是终端#q所要求的通信容量，m是空分多址组的数目，n是终端的数目。

本发明提供一种无线资源分配方法，是通过空分多址与多个终端通信的无线通信装置的无线资源分配方法，其特征在于，包括：第1步骤，收集该无线通信装置与上述多个终端之间的传输线路的信息；第2步骤，生成作为空分多址组的候补的多个空分多址组候补，所述多个空分多址组候补通过对该多个终端进行上述空分多址而形成；第3步骤，通过使用传输线路信息推算属于空分多址组候补的每个终端的通信性能，根据该推算的每个终端的通信性能从多个空分多址组中选择一个空分多址组，并且决定被分配给选定的空分多址组的时间，由此向多个终端分配无线资源；第4步骤，通过该分配的无线资源进行与上述多个终端的通信，所述第3步骤包含基于下面表达式中定义的制约条件的最佳化计算，进行上述空分多址组的选择和时间分配的决定，

${\mathrm{\α}}_1\left[\begin{array}{c}{X}_{11}\\ X_{12}\\ .\\ .\\ X_{1n}\end{array}\right]+{\mathrm{\α}}_2\left[\begin{array}{c}{X}_{21}\\ X_{22}\\ .\\ .\\ X_{2n}\end{array}\right]+...+{\mathrm{\α}}_m\left[\begin{array}{c}{X}_{m1}\\ X_{m2}\\ .\\ .\\ X_{\mathrm{mn}}\end{array}\right]\≥\left[\begin{array}{c}{\mathrm{TP}}_1\\ {\mathrm{TP}}_2\\ .\\ .\\ {\mathrm{TP}}_n\end{array}\right]$

0≤α₁≤1，0≤α₂≤1，0≤α_m≤1

0≤∑α≤1

其中，α_p是表示空分多址组#p占有的时间比例的未知值，X_pq是表示属于空分多址组#p的终端#q的通信容量的已知值，TP_q是终端#q所要求的通信容量，m是空分多址组的数目，n是终端的数目。

根据本发明，通过选择在进行无线资源分配的期间内使用的多个SDMA组的候补、对于所选择的SDMA组的时间进行适应性地分配，来提高无线资源的利用效率，提高通信的稳定性。进而，能够考虑QoS而在确保向绝对保证的STA的通信容量的同时将其余的无线资源向相对保证的STA分配，所以能够期待通信容量的增大。

附图说明

图1是表示本发明的无线通信系统的概况的图。

图2是表示AP101的结构的框图。

图3是表示图2的无线部的图。

图4是表示图2的信号处理部的图。

图5是表示图2的包控制部的图。

图6是表示图2的无线资源分配部的图。

图7是分配无线资源的流程图。

图8是在图7的步骤S302中制作的表的一例(其1)。

图9是在图7的步骤S302中制作的表的一例(其2)。

图10是在图7的步骤S302中制作的表的一例(其3)。

图11是在图7的步骤S303中制作的表的一例(其1)。

图12是在图7的步骤S303中制作的表的一例(其2)。

图13是使用本发明进行无线资源分配的一例。

图14是比较以往方式与本发明方式的特性的曲线图(其1)。

图15是比较以往方式与本发明方式的特性的曲线图(其2)。

具体实施方式

下面参照附图说明本发明的实施例。

图1是表示有关本发明的无线通信系统的概况的图。在图1中，AP101是具备多个天线而能够适应性地改变天线的指向性的基站。AP101也可以连接在有线网络102上。STA103-1～N具备1根以上的天线，在天线为多个的情况下通常适应性地使天线的指向性可变。AP101与STA103存在于可通信的区域中，从AP101朝向STA103发送数据(以下称作“下传输”)，并且从STA103朝向AP101发送数据(以下称作“上传输”)。另外，AP101所具有的天线数、STA103的数量、以及STA103所具有的天线数并不限于此。以下，对本发明的AP101的结构进行详细说明。

图2是表示AP101的结构的框图。AP101具有依次连接了进行与STA的无线通信的多个天线201、无线部202、信号处理部203、调制解调器部204、和包控制部205。并且，作为本发明的特征，具有取得传输线路信息及请求信息、分配无线资源的无线资源分配部206。

图3是表示无线部202的结构的框图。无线部202具有从第一无线部202-1到第m无线部202-m。各无线部具备发送部202-a、接收部202-b、和开关部202-c，通过开关部202-c切换发送部202-a和接收部202-b，以时分进行上传送与下传送。发送部202-a具备增频变频器、电力放大器等，将从信号处理部203输入的信号10从低频变换为高频(输送波)，放大并向天线201输出。无线部202的接收部具备电力放大器、降频变频器等，将由天线201接收到的信号从高频变换为低频，并放大而将信号10向信号处理部203输出。关于信号5，在与无线资源分配部206的说明的同时详细叙述。

图4是表示信号处理部203的结构的框图。信号处理部203具有合成部203-a、权重203-b、和无线传输线路信息计算部203-c。设这里的权重最大具有m×m个值。信号处理部203作为接收处理而将分离提取了从无线部202输入的信号10-1～m的信号20-1～m向调制解调器部204输出。具体而言，将由合成部203-a将输入信号10-1～m和由无线资源分配部206计算的接收信号所需的权重203-b相乘后的信号20-1～m向调制解调器部204输出。作为发送处理，将合成了从调制解调器部204输入的信号20-1后的信号10-1～m向无线部202输出。具体而言，通过合成部203-a将输入信号20-1～m与由无线资源分配部206计算的发送信号所需的权重203-b相乘，将20-1～m向无线部202输出。在无线传输线路信息计算部203-c中，提取AP与各STA之间的无线传输线路的信息。在本实施例中，无线传输线路信息计算部203-c设置在信号处理部203中，但例如也可以设置在无线部202中。此外，信号处理部203也可以作为信号处理的功能而具备OFDM(Orthogonal FrequencyDivision Multiplexing)等的处理所需的FFT、或者IFFT功能。关于信号15，将与无线资源分配部206的说明的同时详细叙述。

在调制解调器部204中进行调制解调处理。在进行调制处理时，将从包控制部205输入的信号30-1～m调制，并将20-1～m向信号处理部203输出。在进行解调处理时，并将从信号处理部203输入的信号20-1～m解调，将30-1～m向包控制部205输出。关于信号25，与无线资源分配部206的说明的同时详细叙述。

图5是表示包控制部205的结构的框图。包控制部205由线路接口部205-a、和缓存管理部205-b构成。线路接口部205-a是与有线网络102的接口及与AP内部的应用的接口，在通信系统中进行作为传送的对象的信息信号及控制信号的收发处理。进行例如基于IEEE802.11的规定的通信处理、即进行PHY帧、MAC帧的变换、MAC帧中的信息信号、控制信号的提取等。将有关在此提取的STA或应用的要求品质(QoS)的信息60向无线资源分配部206输出。在缓存管理部205-b中，进行缓存的管理，以成为由无线资源分配部206计算的无线资源分配。缓存管理部205-b包括储存信息的缓存部、选择缓存部的数据的选择器等。此外，也可以将缓存管理部205-b的缓存量等的无线资源分配所需的信息从60向无线资源分配计算部206输出。与有线网络102的信号40设定为输入了作为STA数的N条信号，但也可以是除此以外的结构。关于信号35，与无线资源分配部206一起说明。

图6是表示无线资源分配部206的结构的图。无线资源分配部206具有无线传输线路信息评价部206-a、请求信息评价部206-b、最佳化部206-c、时序安排部206-d、收发切换部206-e、权重计算部206-f、调制控制部206-g、和缓存控制部206-h。无线资源分配部206对于无线部202、信号处理部203、调制解调器部204、包控制部205，按照分配无线资源的结果进行控制。无线传输线路信息评价部206-a被输入在无线传输线路信息计算部203-c中提取的相对多个STA的传输线路信息50，计算对于各SDMA组的STA的通信性能、例如通信容量。请求信息评价部206-b被输入在线路接口部205-a中提取的请求信息60，计算各STA或应用所要求的通信性能。在最佳化部206-c中，基于由无线传输线路信息评价部206-a和请求信息评价部206-b生成的信号，选择在进行无线资源分配的期间内使用的多个SDMA组的候补，计算对于所选择的SDMA组的时间比例。并且，将使用的SDMA组与它们的时间比例向时序安排部206-d输出。时序安排部206-d按照最佳化部206-c的计算结果进行时序安排。另外，如果在进行无线资源分配的期间内，则只要在各SDMA组使用的时间的总和为由最佳化部206-c计算的时间比例的条件下进行时间安排就可以。在收发切换部206-e中，按照由时序安排部206-d进行时间安排的顺序将切换收发信号5向无线部202输出。在权重计算部206-f中，利用来自无线传输线路信息计算部203-c的信号50计算进行SDMA时的发送及接收权重。按照由时序安排部206-d进行时间安排的顺序将收发的权重信号15输出给信号处理部203。在调制控制部206-g中，按照由时序安排部206-d进行时间安排的顺序，利用来自无线传输线路信息计算部203的信号50，将决定了调制多值数、编码率的控制信号25向调制解调器部204输出。在缓存控制部206-h中，将用来提取由时序安排部206-d进行时间安排后的包的控制信号35向包控制部205输出。

另外，在上述中说明的标号N是STA数，m是与AP101连接的天线根数。无线部202、信号处理部203、调制解调器部204、包控制部205分别具备对应于m及N根的部件，但不需要使用它们的全部。此外，关于天线201、无线部202、信号处理部203、调制解调器部204、包控制部205，作为共用收发的系统的部件进行处理，但收发也可以由分别的系统构成。

图7是表示有关本发明的无线资源分配的处理顺序的流程图。这里，对于提取有关传输线路的信息和有关请求的信息、将这些信息变换为相同的指标例如通信容量、根据这些信息使对各SDMA组进行时间比例最佳化的顺序进行说明。

在步骤S301中，提取AP与各STA之间的无线传输线路。该处理由无线传输线路信息计算部203-c进行。无线传输线路的信息通过规定的方法测量。一个方法是AP测量，另一个方式是STA测量。前者相当于从STA向AP的无线传输线路的信息，后者相当于从AP向STA的无线传输线路的信息，假设将由STA测定的结果通知给AP。以下，说明在后者中提取传输线路矩阵(将天线根数的传输线路应答用矩阵表现)的步骤S301的一例。

在存在具有m根天线的AP和具有n根天线的STA#k的无线通信系统中，STA#k接收的接收信号Rk＝[r_1，k，r_2，k，……，r_n，k]^T可以利用AP与STA#k间的传输线路矩阵Hk及从AP向STA#k的导频信号Tk＝[t_1，k，t_2，k，……，t_m，k]^T，表示为

R_k＝H_kT_k    ……(1)

STA#k通过使用例如ZF(Zero Forcing)那样的检测算法检测传输线路矩阵H_k。

H_k＝R_kT_k ^-1……(2)

另外，该运算也可以利用跨越多次的导频信号的接收结果进行平均化处理。在此情况下，如果传输线路的变动速度足够小，则能够降低噪音的影响，能够提高传输线路状态的推测精度。

步骤S301中的无线传输线路的信息除了信号噪音功率比(SNR：Signal to Noise power Ratio)、信号干扰功率比(SIR：Signal toInterference power Ratio)、接收信号强度指示器(RSSI：ReceivedSignal Strength Indicator等)以外，还包括误码率(BER：Bit ErrorRate)、延迟谱图、调制多值数、编码率或扩散率等的传输线路参数。在利用AAA的情况下，作为构建评价函数时的预备知识而使用期望波的中心频率、到来方向、调制方式、偏波等作为基准信号进行权重的计算，但AAA技术也使用传输线路信息进行评价函数的计算。

接着，在步骤S302中，列举在无线资源分配中使用的SDMA组。SDMA时的组合存在多个，定期地计算它们的传输线路品质。该处理在无线传输线路信息评价部206-a中进行。例如，对存在AP具备4根天线、具备2根天线的STA#1、具备2根天线的STA#2、具备2根天线的STA#3的系统进行说明。在作为SDMA组的候补而将同时连接数限制为2的情况下，如图8所示，具有如₃C₁+₃C₂＝6的STA的组合。但是，不需要进行它们的全部，只要根据处理能力从某种程度的组合之中选择最合适的就可以。另外，在图8中，除了SDMA组的候补以外，还表示了SDMA组的通信容量，但通信容量的计算在步骤S304中进行。

步骤S302的另一形态是关于上面列举的SDMA组的候补的扩展。该处理在无线传输线路信息评价部206-a中进行。在进行MIMO-SDMA的情况下，通过使信号处理部203中的发送及接收权重变化，能够变更流数。例如，对具备4根天线的AP、具备2根天线的STA#1、具备2根天线的STA#2、具备2根天线的STA#3进行MIMO-SDMA的情况进行说明。该系统的流数最大是AP的天线条数的上限为4条。如果设置使用全部4条流的限制，则在图9中同时连接数为3的情况下，流数的分配方法存在候补1、候补2、候补3的至少3种。另外，在没有设置使用全部4条的限制的情况下，存在比上述更多的组合的形式。通过利用该方法将SDMA组的候补扩展，能够选择根据需要的更适合的SDMA组。同样，不需要检索这些全部组合形式，只要根据处理能力从某种程度的组合之中选择最适合的就可以。另外，在图9中，除了SDMA组的候补以外还表示了SDMA组的通信容量，但通信容量的计算在步骤S304中进行。

步骤S302的另一形态是对各SDMA的电力分配方法。该处理在无线传输线路信息评价部206-a中进行。在进行SDMA的情况下，对于各STA的最适合的电力分配已知是按照WF(Water Filling)的定理的。该详细情况通过式6进行说明。但是，该最佳化是向各STA的电力分配的最佳化，即使牺牲功率效率也有可能通过改变分配方法而能够满足要求。例如，对具备4根天线的AP、具备2根天线的STA#1、具备2根天线的STA#2、具备2根天线的STA#3进行MIMO-SDMA的情况进行说明。图10表示同时连接数到2为止，但通过不按照WF而分配功率，如候补1、候补2那样扩展了组合方式。通过使用该方法扩展SDMA组的候补，能够选择根据需要的更适合的SDMA组。同样，不需要进行它们的全部，只要根据处理能力从某种程度的组合之中选择最适合的就可以。另外，在图10中，除了SDMA组的候补以外还表示了SDMA组的通信容量，但通信容量的计算在步骤S304中进行。

也可以将有关步骤S302的以上的3个形态分别组合，来列举SDMA组的候补。

接着，在步骤S303中，为了削减计算量而选择在无线资源分配中使用的SDMA组的候补。该处理在无线资源分配计算部206-a中进行。另外，也可以全部使用在步骤S302中列举的SDMA组，所以步骤S303也可以省略。

在步骤S303中，根据例如在步骤S301中提取的传输线路信息计算表示传输线路间的相关的指标值。该处理在无线资源分配计算部206-a中进行。根据从提取无线传输线路的信息的步骤S301输入的传输线路矩阵，计算例如两根天线间的相关值。即，进行由一个天线形成的传输线路行列、与将由另一个天线形成的传输线路行列共轭转置后的矩阵的矢量相乘，由相乘后的值进行各传输线路矩阵的绝对值的除法。由天线Tx1形成的传输线路矩阵与由天线Tx2形成的传输线路矩阵间的相关值ρ_Tx1Tx2由下式表示。

${\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{Tx}1\mathrm{Tx}2}=\frac{{h_{\mathrm{Tx}1}}^H\·h_{\mathrm{Tx}2}}{\left|h_{\mathrm{Tx}1}\right|\·\left|h_{\mathrm{Tx}2}\right|}...\left(3\right)$

这样计算相关值。但是，在本发明中，由于AP具有多个天线，所以既可以计算由多个天线形成的传输线路特性的组合，也可以计算由适当地选择后的天线形成的传输线路特性。利用式3对每个STA取相关值的总和，选择该值不超过某个阈值(相关性较低)的组合，作为SDMA组的候补。选择该值超过某个阈值(相关性较高)的组合以外的组合。例如，对于具备4根天线的AP、具备2根天线的STA#1、具备2根天线的STA#2、具备2根天线的STA#3，在图11中表示计算了每个STA相关值的总和的一例。在同时连接数2的情况下，组合了STA#1与STA#3的组合时的相关值为0.9，在相关性较高的情况下，能够得到较大的通信容量的可能性较低。所以，将包含有STA#1与STA#3的SDMA组从候补删除。由此，削减了计算量。

步骤S303的另一形态是为了削减计算量而预先预想使用的SDMA组的方法。该处理在无线资源分配计算部206-a中进行。一般，进行SDMA时的通信容量如前面所述，各STA的传输线路矩阵间的相关性越低则越大。这里，不是相关而是推测STA的方向，将分离的STA彼此作为相同的SDMA组进行处理。例如，假设存在具备4根天线的AP、具备2根天线的STA#1、具备2根天线的STA#2、具备2根天线的STA#3的环境。作为推测STA的方向的方法，例如有MUSIC算法(解析由多个天线接收到的数据的共分散矩阵的固有值的方法)、及使具有尖锐的指向性的束旋转360度来检测方向的方法。利用这些到来方向推测方法制作图12所示那样的表。由于在接近方向存在的STA得到较大的通信容量的可能性较低，所以将包含有存在于接近方向的STA的SDMA组候补删除。在图12中，由于AP与STA#1、AP与STA#2的方向接近，所以将包含有STA#1与STA#2的SDMA组从候补中删除。由此，削减了计算量。

步骤S303的另一形态是为了削减计算量而预先预想使用的SDMA组的方法。该处理在无线资源分配计算部206-a中进行。一般，在不进行SDMA而1对1地进行SDM而通信的情况和进行SDMA而1对多地进行通信的情况中，每1台STA的通信容量在前者的情况较大。所以，首先通过RSSI等掌握传输线路状态，如果传输线路状态较差，则该STA不进行SDMA时的计算。由此，减轻了处理。

另外，也可以将有关步骤S303的以上的3个形态分别组合，来选择SDMA组的候补。

接着，在步骤S304中，计算进行了SDMA时的各STA的通信容量。该处理在无线资源分配计算部206-a中进行。对于具备4根天线的AP、具备2根天线的STA#1、具备2根天线的STA#2、具备2根天线的STA#3进行MIMO-SDMA的一例进行说明。此时，STA#1的接收信号R₁、STA#2的接收信号R₂，利用对STA#1的发送信号T₁、对STA#2的发送信号T₂、以及AP与各STA之间的传输线路矩阵H₁₁、H₁₂、H₂₁、H₂₂，表示为，

这里，如果将式(4)展开，则在STA#1的接收信号R₁中，除了期望信号T₁以外，朝向STA#2的发送信号T₂在STA#2的接收信号R₂中，除了期望信号T₂以外，朝向STA#1的发送信号T₁作为各个干涉波叠加。为了抑制干涉波，在AP侧预先调节振幅与相位。例如，在零控方式下预先根据频道矩阵计算空矩阵W以使其为零，发送乘以它以后的信号。另外，关于零控方式，在非专利文献3中公开。

由此，在AP与各STA时间形成相互独立的通信路径。在相互独立的通信路径中考虑MIMO传输、例如固有模式(E-SDM：Eigenbeam Space Division Multiplex)传输的情况。E-SDM的通信容量C由

C＝Blog₂(1+λ_iγ_i)[bps]

$\underset{i=1}{\overset{M_0}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\γ}}_i={\mathrm{\γ}}_0...\left(6\right)$

给出。这里，B是信号带宽，γ_i相当于SNR。λ_i表示固有值，通过将频道矩阵进行奇异值分解(SVD：Singular ValueDecomposition)

$H=V_k\mathrm{\λ}{U}_K^H...\left(7\right)$

得到。通过以上的方法，可得到进行MIMO-SDMA时的各STA的通信容量。虽然通信容量可以这样导出，但也可以将利用近似推测的值作为通信容量使用。在本实施例中，通过206-a进行无线传输线路的评价、即通信容量的计算，但也可以如图6所示那样通过权重计算部206-f进行权重计算。将V及U从权重信号15输入到权重203-b中，利用该权重通过合成部203-a进行相乘。另外，除了E-SDM以外，也可以使用ZF(Zero-Forcing)、MMSE(Minimum MeanSquare Error)等的方式计算权重。

在本实施例中，按照步骤S302、S303、S304的顺序、即SDMA组候补的列举、选择、计算的顺序进行了说明，但也可以是例如S302、S304、S303的顺序。

在步骤S305中，提取各STA或应用的请求信息。该处理在线路接口部205-a中进行。请求信息通过规定的方法测量。一个方法是通过利用例如包含在IEEE802.11e规格中的HCCA(HybridCoordination Function Controlled Channel Access)那样的、预先设定的协议来提取请求信息。在HCCA中，规定在开始通信之前在STA与AP之间进行通信品质的协商。测量请求信息的另一种方法是测量记述在发送来的包中的有关请求的信息。例如解析IEEE802.1D的User’s Priority头而提取请求信息。

步骤S305中的请求信息除了通信容量以外，还包括吞吐量、优先级、应用的种类、缓存量、延迟、缓存量、速度偏差等。

在步骤S306中，将在步骤S305中提取的请求信息变换为与步骤S304相同的指标。该处理在请求信息评价部206-b中进行。例如，将无线传输线路的信息变换为通信容量，但在仅通知了SNR的情况下，将请求信息利用式6变换为通信容量。该值相当于从请求信息评价部206-b向最佳化部206-c输入的信号。此外，根据请求信息、在优先级较高的情况下、或者延迟较大的情况下，也可以将输出给最佳化部206-c的值取较大。

评价传输线路信息及请求信息的指标值用正数表示。使该值越大传输线路的状况越好、或者请求越强，但也可以使用其他指标。此外，也可以为了实现反馈信息量的削减而在AP、STA间共用将传输线路信息及评价了传输线路的信息制表化后的信息，而传递其表号码。

在步骤S307中，根据无线传输线路信息和请求信息选择多个SDMA组的候补，计算对于所选择的SDMA组的时间比例。在该处理中，输入无线传输线路信息评价部206-a的处理、即在步骤S302、S303中选择的有关SDMA组与各STA的通信容量的表(图8～图10)、以及请求信息评价部206-b的处理、即在步骤S306中计算的通信容量，计算使用的SDMA组与对各SDMA组的时间分配。作为满足通信容量所需的SDMA组与各SDMA组所需的时间比例的最佳化的方法的一例，有线性规划法(LP：Linear Programming)。所谓的线性规划法，是在由一次不等式表示的制约条件的范围内求出目的函数的最大值或最小值的方法，已经设计了各种算法。线性规划法由制约条件和目的函数构成，通过改变目的函数，能够在满足制约条件的同时得到对应于系统的目的的结果。

${\mathrm{\α}}_1\left[\begin{array}{c}{X}_{11}\\ X_{12}\\ .\\ .\\ X_{1n}\end{array}\right]+{\mathrm{\α}}_2\left[\begin{array}{c}{X}_{21}\\ X_{22}\\ .\\ .\\ X_{2n}\end{array}\right]+...+{\mathrm{\α}}_m\left[\begin{array}{c}{X}_{m1}\\ X_{m2}\\ .\\ .\\ X_{\mathrm{mn}}\end{array}\right]\≥\left[\begin{array}{c}{\mathrm{TP}}_1\\ {\mathrm{TP}}_2\\ .\\ .\\ {\mathrm{TP}}_n\end{array}\right]$

0≤α₁≤1，0≤α₂≤1，0≤α_m≤1

0≤∑α≤1     ………(8)

其中，设未知数为α_p(SDMA组#p的占有时间的比例)，设已知数为X_pq(包含在SDMA组#p中的STA#q的通信容量)、TP_q(STA#q要求的通信容量)、m(SDMA组数)、n(STA数)。

如果存在满足这些制约式的解(α₁、α₂、……α_m)，则所有的STA能够满足所要求的通信容量。进而，如果根据上述制约条件的作为目的函数而追加

α₁+α₂+···+α_m

                  ……(9)

为最小，则相当于求出在满足要求的同时使系统整体的使用时间为最小那样的α₁，α₂，……，α_m，同样，如果作为目的函数而追加

${\mathrm{\α}}_1\left[\begin{array}{c}{X}_{11}\\ X_{12}\\ .\\ .\\ X_{1n}\end{array}\right]+{\mathrm{\α}}_2\left[\begin{array}{c}{X}_{21}\\ X_{22}\\ .\\ .\\ X_{2n}\end{array}\right]+...+{\mathrm{\α}}_m\left[\begin{array}{c}{X}_{m1}\\ X_{m2}\\ .\\ .\\ X_{\mathrm{mn}}\end{array}\right]...\left(10\right)$

为最大，则相当于求出在满足要求的同时使系统整体的通信容量为最大那样的α₁，α₂，……，α_m。另外，在式8中设右边为0的情况下，成为没有来自STA或应用的请求的状态。

如果扩展到包含上行下行的系统中，则为

0≤α₁≤1，...，0≤α_m≤1，0≤β₁≤1，...，0≤β_m≤1

0≤∑α+∑β≤1                ……(11)

其中，设未知数为α_p(在上行中使用的SDMA组#p的占有时间的比例)、β_p(在下行中使用的SDMA组#p的占有时间的比例)、设已知数为X_pq(包含于在上行中使用的SDMA组#p的STA#q的通信容量)、Y_pq(包含于在下行中使用的SDMA组#p的STA#q的通信容量)、TPX_q(在上行中使用的STA所要求的通信容量)、TPY_q(在下行中使用的STA所要求的通信容量)、m(SDMA组数)、n(STA数)。

由此，能够对包括上行及下行的系统进行最适当的无线资源的分配。

除了上行下行以外还向考虑到优先级的系统扩展。这里，如果将优先级分类为定量保证型(或者Real Time型、例如voice、viedo、streaming等)和相对保证型(或者Non Real Time型、例如e-mail等)的两种，则制约条件为

0≤α₁≤1，...，0≤α_m≤1，0≤β₁≤1，...，0≤β_m≤1

0≤∑α+∑β≤1          ……(12)

其中，设未知数为α_p(在上行中使用的SDMA组#p的占有时间的比例)、β_p(在下行中使用的SDMA组#p的占有时间的比例)、设已知数为X_pq(包含于在上行中使用的SDMA组#p的STA#q的通信容量，定量保证型)、Y_pq(包含于在下行中使用的SDMA组#p的STA#q的通信容量，定量保证型)、X’_pq(包含于在上行中使用的SDMA组#p的STA#q的通信容量，相对保证型)、Y’_pq(包含于在下行中使用的SDMA组#p的STA#q的通信容量，相对保证型)、TPX_q(在上行中使用的STA所要求的通信容量)、TPY_q(在下行中使用的STA所要求的通信容量)、m(SDMA组数)、n(STA数)。

由于设相对保证型STA的请求为0，所以能够对定量保证型STA优先地分配无线资源，进而，如果追加使目的函数式(13)

${\mathrm{\α}}_1\left[\begin{array}{c}{X^{\′}}_{11}\\ {X^{\′}}_{12}\\ .\\ .\\ {X^{\′}}_{1n}\end{array}\right]+...+{\mathrm{\α}}_m\left[\begin{array}{c}{X^{\′}}_{m1}\\ {X^{\′}}_{m2}\\ .\\ .\\ {X^{\′}}_{\mathrm{mn}}\end{array}\right]+{\mathrm{\β}}_1\left[\begin{array}{c}{Y^{\′}}_{11}\\ {Y^{\′}}_{12}\\ .\\ .\\ {Y^{\′}}_{1n}\end{array}\right]+...+{\mathrm{\β}}_m\left[\begin{array}{c}{Y^{\′}}_{m1}\\ {Y^{\′}}_{m2}\\ .\\ .\\ {Y^{\′}}_{\mathrm{mn}}\end{array}\right]...\left(13\right)$

为最大的条件，则能够求出在满足定量保证型STA的请求的同时使相对保证型STA的通信容量的总和为最大那样的α₁，α₂，……，α_m，β₁，β₂，……，β_m。

在步骤S308中，以由最佳化部206-c决定的有关向各STA的无线资源分配的信息、即对SDMA组与相对于各SDMA组的时间为参考地进行时间安排，按照时间安排控制无线部202、信号处理部203、调制解调器部204、反馈控制部205。这里，由于无线资源分配结果表示各SDMA组的时间分配值，所以只要以在进行时间安排的时间间隔中决定的比例进行分配就可以，实际上时间安排的顺序并没有特别限制。另外，作为实现本实施例的一例，有包含在IEEE802.11e的规格中的HCCA。在HCCA中，预先设定协议，以使通过使用轮询法控制技术、AP集中地管理各STA的动作、AP与各STA能够按照AP的时间安排进行无线通信。

图13表示使用本发明进行无线资源分配时的一例(概念图)。设横轴为时间，假设对从a到b的时间进行无线资源分配。纵轴表示通信路容量，通信路容量根据SDMA组而不同。

图14中表示在通过本发明的方式进行无线资源分配的情况下、AP与STA的距离、和不能确保通信容量的概率。设属于系统的STA数为3台。方法1采用MIMO方式。不考虑QoS，而对各STA分配将频道推算间隔10(ms)等分后的时间来进行通信。方法2、3及发明方式都采用MIMO-SDMA方式。其中，方法2不考虑QoS。在模拟中，由于将能够同时连接的STA数的上限设为2台，所以将3台的STA随机地分配到2台和1台的组中。此时，假设分配给各SDMA组的时间全部相同。方法3考虑QoS。从SDMA组中，将不重复使用多个相同的组的组合提取到4组。通过在这些所有的组合中是否存在确保所要求的通信容量的组合，来进行判断。其中，假设分配给各SDMA组的时间相同。最后，在发明方式中，通过线性规划法，由是否满足制约条件来进行判断。表示AP-定量保证型STA间的距离与不能确保所要求的通信容量的概率的关系。比较不考虑QoS的MIMO(方法1)和MIMO-SDMA(方法2)可知，如果不考虑QoS而使用MIMO-SDMA，则在距离15(m)时不能确保所要求的通信容量的概率变差10倍左右。这是因为将分配给SDMA组的时间均等分配，不能确保同时连接的STA数为2台的SDMA组的通信容量的可能性变高。由此，在使用SDMA技术的情况下，可知根据条件会有特性比以往方式差的情况。接着，如果比较不考虑QoS(方法2)与考虑(方法3)的方式，则在距离15(m)时可以看到10⁴左右的改善。最后，可以确认发明方式更加大幅提高了这些特性。

图15中表示AP与相对保证型STA的距离、和相对保证型STA的全部通信容量的关系。假设为除了3台定量保证型STA以外还混合存在相对保证型STA的情况。此时的目的函数使用相对保证型STA的通信容量的总和为最大的式13。设AP与定量保证型STA的距离都为15(m)，设定量保证型STA要求的通信容量都是24(bps)。其中，假设3台定量保证型STA中的两台为下行请求、1台为上行请求。此时，假设上行下行因传播线路的可逆性而能够得到相同的通信容量。随着相对保证型STA数的增加，通信容量也增加。这是因为，由于对各STA赋予了独立的衰减，所以STA数越多，存在可得到较大的通信容量的STA的可能性越高。可知如果使用本发明方式，则能够在满足定量保证型STA的请求的同时确保相对保证型STA的通信容量。

本发明能够应用在无线通信系统中，但在使用空分多址进行无线资源分配而通信时发挥最高性能。

Claims (10)

1.一种无线通信装置，通过空分多址与多个终端通信，其特征在于，包括：

传输线路信息收集部，收集该无线通信装置与上述多个终端之间的传输线路的信息；

无线资源分配计算部，用以产生作为空分多址组的候补的多个空分多址组候补，所述多个空分多址组候补通过对多个终端进行上述空分多址而形成，通过使用传输线路信息推算属于空分多址组候补的每个终端的通信性能，根据该推算的每个终端的通信性能从多个空分多址组中选择一个空分多址组，并且决定被分配给选定的空分多址组的时间，由此向多个终端分配无线资源；

信号处理部，通过该分配的无线资源进行与上述多个终端的通信，

上述无线资源分配计算部通过基于下面表达式中定义的制约条件的最佳化计算，进行上述空分多址组的选择和时间分配的决定，

${\mathrm{\α}}_1\left[\begin{array}{c}{X}_{11}\\ X_{12}\\ .\\ .\\ X_{1n}\end{array}\right]+{\mathrm{\α}}_2\left[\begin{array}{c}{X}_{21}\\ X_{22}\\ .\\ .\\ X_{2n}\end{array}\right]+...+{\mathrm{\α}}_m\left[\begin{array}{c}{X}_{m1}\\ X_{m2}\\ .\\ .\\ X_{\mathrm{mn}}\end{array}\right]\≥\left[\begin{array}{c}{\mathrm{TP}}_1\\ {\mathrm{TP}}_2\\ .\\ .\\ {\mathrm{TP}}_n\end{array}\right]$

0≤α₁≤1，0≤α₂≤1，0≤α_m≤1

0≤∑α≤1

其中，α_p是表示空分多址组#p占有的时间比例的未知值，X_pq是表示属于空分多址组#p的终端#q的通信容量的已知值，TP_q是终端#q所要求的通信容量，m是空分多址组的数目，n是终端的数目。

2.如权利要求1所述的无线通信装置，其特征在于，

具有请求信息部，该请求信息部用于管理各终端所要求的通信性能的信息或者对该终端提供的应用所要求的通信性能的信息；

上述无线资源分配计算部利用上述要求的通信性能进行上述空分多址组的选择和时间分配的决定。

3.如权利要求1或2所述的无线通信装置，其特征在于，上述传输线路信息收集部收集信噪比或干扰比作为上述传输线路信息。

4.如权利要求2所述的无线通信装置，其特征在于，上述要求的通信性能包括该终端或应用所要求的通信容量的信息或者容许的延迟信息。

5.如权利要求1或2所述的无线通信装置，其特征在于，上述无线资源分配计算部根据上述传输线路信息的相关性，决定上述空分多址组候补。

6.一种无线资源分配方法，是通过空分多址与多个终端通信的无线通信装置的无线资源分配方法，其特征在于，包括：

第1步骤，收集该无线通信装置与上述多个终端之间的传输线路的信息；

第2步骤，生成作为空分多址组的候补的多个空分多址组候补，所述多个空分多址组候补通过对该多个终端进行上述空分多址而形成；

第3步骤，通过使用传输线路信息推算属于空分多址组候补的每个终端的通信性能，根据该推算的每个终端的通信性能从多个空分多址组中选择一个空分多址组，并且决定被分配给选定的空分多址组的时间，由此向多个终端分配无线资源；

第4步骤，通过该分配的无线资源进行与上述多个终端的通信，

所述第3步骤包含基于下面表达式中定义的制约条件的最佳化计算，进行上述空分多址组的选择和时间分配的决定，

${\mathrm{\α}}_1\left[\begin{array}{c}{X}_{11}\\ X_{12}\\ .\\ .\\ X_{1n}\end{array}\right]+{\mathrm{\α}}_2\left[\begin{array}{c}{X}_{21}\\ X_{22}\\ .\\ .\\ X_{2n}\end{array}\right]+...+{\mathrm{\α}}_m\left[\begin{array}{c}{X}_{m1}\\ X_{m2}\\ .\\ .\\ X_{\mathrm{mn}}\end{array}\right]\≥\left[\begin{array}{c}{\mathrm{TP}}_1\\ {\mathrm{TP}}_2\\ .\\ .\\ {\mathrm{TP}}_n\end{array}\right]$

0≤α₁≤1，0≤α₂≤1，0≤α_m≤1

0≤∑α≤1

其中，α_p是表示空分多址组#p占有的时间比例的未知值，X_pq是表示属于空分多址组#p的终端#q的通信容量的已知值，TP_q是终端#q所要求的通信容量，m是空分多址组的数目，n是终端的数目。

7.如权利要求6所述的无线资源分配方法，其特征在于，

还包括管理各终端所要求的通信性能的信息、或者对该终端提供的应用所要求的通信性能的信息的步骤；

在上述第3步骤中，利用上述要求的通信性能进行上述空分多址组的选择和时间分配的决定。

8.如权利要求7所述的无线资源分配方法，其特征在于，还包括收集信噪比或干扰比作为上述传输线路信息的步骤。

9.如权利要求7所述的无线资源分配方法，其特征在于，上述要求的通信性能包括该终端或应用所要求的通信容量的信息、或者容许的延迟信息。

10.如权利要求7所述的无线资源分配方法，其特征在于，在上述第2步骤中，根据上述传输线路信息的相关性，决定上述空分多址组候补。

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