JP2013175816A - 無線通信装置、無線通信システム及び無線通信方法 - Google Patents

Abstract

【課題】安定した通信と周波数利用効率を向上させる無線通信装置を提供する。
【解決手段】複数の基地局と複数の端末局の組み合わせの全てないしは一部において、基地局及び端末局の備えるアンテナ間のチャネル情報を取得するチャネル情報取得手段と、チャネル情報取得手段により取得したチャネル情報の推定精度が所定の閾値よりも低い場合において、該チャネル情報をゼロに置換するチャネル情報ゼロ置換手段と、複数の基地局と複数の端末局の備えるアンテナ間のチャネル情報を要素とする全体のチャネル行列を用いて空間分割多重伝送における送信ウェイト及びまたは受信ウェイトを算出するウェイト算出手段と、ウェイト算出手段により算出された送信ウェイト及びまたは受信ウェイトを用いて複数の基地局と複数の端末局との間において空間分割多重伝送を実施させる通信制御手段とを備えた。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数の基地局が同一周波数チャネルを用いて信号送信を行う無線アクセスシステムにおいて、各基地局が協調的に信号伝送を行う無線通信装置、無線通信システム及び無線通信方法に関する。

近年の光アクセス等の普及に伴った様々な大容量サービスに対応するため、無線通信の伝送速度の向上が要求されている。占有する周波数帯域と伝送速度とは比例するため、周波数帯域を拡大することでこれを実現することができる。しかし、実際の周波数資源は有限であるため、周波数帯域の拡大には限界がある。また周波数帯域の増加が生じない伝送速度を向上する方法として、１シンボルあたり２ビットを伝送するＱＰＳＫから１シンボルあたり６ビットを伝送する６４ＱＡＭのような変調多値数の大きい変調方式を用いる方法がある。しかし、多値数の増加に伴い信号点間距離が減少することでノイズによる誤りやハードウェアの特性による誤りが発生しやすくなり、良好な通信の実現に高い信号対雑音比が必要となるため、この方法で伝送速度を大きく向上させることは難しい。

そこで、これらの方法と併用する形で周波数の利用効率を上げて伝送速度を向上する技術として、例えば非特許文献１のようなマルチユーザＭＩＭＯ（空間分割多重）が検討されている。図６は、マルチユーザＭＩＭＯシステムの構成例を示す概略図である。同図に示すように、マルチユーザＭＩＭＯシステムは、基地局装置８０１と、端末装置８０２−１、８０２−２、８０２−３とを具備している。実際に一つの基地局装置８０１が収容する端末装置８０２の数は多数であるが、そのうちの数局を選び出し（同図では３台の端末装置８０２−１〜８０２−３）、通信を行う。以下、端末装置８０２−１〜８０２−３のいずれか、又は全てを示す場合に端末装置８０２という。各端末装置８０２は、基地局装置８０１と比較して送受信アンテナ数が一般に少ない。例えば、基地局装置８０１から端末装置８０２への通信（ダウンリンク）を行う場合について説明する。

基地局装置８０１は、多数のアンテナ素子を用いて複数の指向性ビームを形成する。例えば、各端末装置８０２−１〜８０２−３に対してそれぞれ３つのＭＩＭＯチャネルを割り当て、全体として９系統の信号系列を送信する場合を考える。その際、端末装置８０２−１に対して送信する信号は、端末装置８０２−２及び端末装置８０２−３方向には指向性利得が極端に低くなるように調整し、この結果として端末装置８０２−２及び端末装置８０２−３への干渉を抑制する。同様に、端末装置８０２−２に対して送信する信号は、端末装置８０２−１及び端末装置８０２−３方向には指向性利得が極端に低くなるように調整する。同様の処理を端末装置８０２−３にも施す。このように指向性制御を行う理由は、例えば端末装置８０２−１においては、端末装置８０２−２及び端末装置８０２−３で受信した信号の情報を知る術がないため、端末装置８０２間での協調的な受信処理ができない。すなわち、３本の端末装置８０２−１のみの受信処理において、９系統の全ての信号系列を信号分離することは非常に困難である。そこで、各端末装置８０２−１〜８０２−３には他の端末装置８０２の信号が受信されないように、送信側で干渉分離のための信号処理を事前に行う。以上が既存のマルチユーザＭＩＭＯシステムの概要である。

次に、指向性ビームの形成方法について説明する。ここでは、基地局装置８０１が９つのアンテナ素子を備え、各端末装置８０２−１〜８０２−３が３つのアンテナ素子を備える場合について説明する。例えば、図６において、基地局装置８０１の第ｊ（ｊ＝１，…，９）のアンテナ素子と、端末装置８０２−１の第１のアンテナ素子との間のチャネル情報をｈ_１ｊと表記する。基地局装置８０１の各アンテナ素子（ｊ＝１，…，９）と、端末装置８０２−１の第１のアンテナ素子とのチャネル情報を用いて行ベクトルｈ_１を（ｈ_１１，ｈ_１２，ｈ_１３，…，ｈ_１８，ｈ_１９）と表記する。同様に、基地局装置８０１の第ｊのアンテナ素子と、端末装置８０２−１の第２のアンテナ素子及び第３のアンテナ素子との間のチャネル情報をｈ_２ｊ及びｈ_３ｊと表記し、対応する行ベクトルｈ_２及びｈ_３を（ｈ_２１，ｈ_２２，ｈ_２３，…，ｈ_２８，ｈ_２９）及び（ｈ_３１，ｈ_３２，ｈ_３３，…，ｈ_３８，ｈ_３９）と表記する。端末装置８０２−２及び端末装置８０２−３のアンテナ素子に対して同様の連番をふり、行ベクトルｈ_４〜ｈ_９を（ｈ_４１，ｈ_４２，ｈ_４３，…，ｈ_４８，ｈ_４９）〜（ｈ_９１，ｈ_９２，ｈ_９３，…，ｈ_９８，ｈ_９９）と表記する。

加えて、基地局装置８０１が送信する９系統の信号をｔ_１〜ｔ_９と表記し、これを成分とする列ベクトルをＴｘ_ａｌｌ＝（ｔ_１，ｔ_２，ｔ_３，…，ｔ_８，ｔ_９）^Ｔと表記する。ここで、右肩のＴの文字はベクトル、行列の転置を表す。また同様に、端末装置８０２−１〜８０２−３の９本のアンテナ素子での受信信号をｒ_１〜ｒ_９と表記し、これを成分とする列ベクトルをＲｘ_ａｌｌ＝（ｒ_１，ｒ_２，ｒ_３，…，ｒ_８，ｒ_９）^Ｔと表記する。最後に、行ベクトルｈ_１〜ｈ_９を第１から第９行成分とする行列を、全体チャネル情報行列Ｈ_ａｌｌと表記する。

この場合、マルチユーザＭＩＭＯシステム全体として、（１）式の関係が成り立つ。

これに対し送信指向性制御を行うため、９行９列の送信ウェイト行列Ｗを導入し、（１）式を（２）式のように書き換える。

さらに、送信ウェイト行列Ｗを列ベクトルｗ１〜ｗ９に分解し、Ｗ＝（ｗ_１，ｗ_２，ｗ_３，…，ｗ_８，ｗ_９）と表記すると、（２）式における「Ｈ_ａｌｌ・Ｗ」を（３）式のように表せる。

ここで、例えば６つの行ベクトルｈ_４〜ｈ_９と、３つの列ベクトルｗ_１〜ｗ_３との乗算（各成分の乗算したものの総和、複素ベクトルの場合は内積とは異なる）が全てゼロになるように、ｗ_１〜ｗ_３の値を選ぶことを考える。同時に、行ベクトルｈ_１〜ｈ_３及びｈ_７〜ｈ_９と列ベクトルｗ_４〜ｗ_６との乗算、行ベクトルｈ_１〜ｈ_６と列ベクトルｗ_７〜ｗ_９との乗算が全てゼロになるように、ｗ_４〜ｗ_９の値を選ぶことにする。

すると、（３）式に示す９行９列の行列Ｈ_ａｌｌ・Ｗは、３行３列の部分行列を用いて、（４）式のように表すことができる。

（４）式において、Ｈ_１，１、Ｈ_２，２、及びＨ_３，３は３行３列の行列であり、「０」は成分が全てゼロの３行３列の行列である。このような条件を満たす変換行列を送信ウェイト行列Ｗに選択することで、（４）式は（５−１）式〜（５−３）式で表される３つの関係式に分解できる。

ここで、Ｔｘ_１＝（ｔ_１，ｔ_２，ｔ_３）^Ｔ、Ｔｘ_２＝（ｔ_４，ｔ_５，ｔ_６）^Ｔ、Ｔｘ_３＝（ｔ_７，ｔ_８，ｔ_９）^Ｔ、Ｒｘ_１＝（ｒ_１，ｒ_２，ｒ_３）^Ｔ、Ｒｘ_２＝（ｒ_４，ｒ_５，ｒ_６）^Ｔ、Ｒｘ_３＝（ｒ_７，ｒ_８，ｒ_９）^Ｔとした。このようにして、一つの基地局が１対１でＭＩＭＯ通信を行う、いわゆるシングルユーザＭＩＭＯ通信が３系統、同時並行的に通信を行っている状態とみなすことができるようになる。

次に、送信ウェイトベクトルｗ_１〜ｗ_９の決定方法について説明する。手順としては、端末装置８０２−１に対する送信ウェイトベクトルｗ_１〜ｗ_３を決定し、順次、端末装置８０２−２に対する送信ウェイトベクトルｗ_４〜ｗ_６、端末装置８０２−３に対する送信ウェイトベクトルｗ_７〜ｗ_９を決定する。

始めに、端末装置８０２−２、８０２−３に対する６つの行ベクトルｈ_４〜ｈ_９が張る６次元部分空間における６つの基底ベクトルｅ_４〜ｅ_９を求める。求める方法は、グラムシュミットの直交化法の他、様々な方法があるが、ここでは例としてグラムシュミットの直交化法を例に説明する。

まず、一つの行ベクトルｈ_４に着目し、この方向で絶対値が１のベクトルを基底ベクトルｅ_４とする。基底ベクトルｅ_４は（６）式として表される。

（６）式における（ｈ_４ｈ_４ ^Ｈ）は同一ベクトルの絶対値の２乗を意味するスカラー量であり、この値の平方根での除算は行ベクトルｈ_４を規格化することを意味する。また、「ｈ_４ ^Ｈ」は、行ベクトルｈ_４に対するエルミート共役ベクトルであり、行と列を転置し且つ各成分の複素共役を取ることで得られるベクトルである。

次に、行ベクトルｈ_５に着目し、この行ベクトルの中から基底ベクトルｅ_４方向の成分をキャンセルした行ベクトルｈ_５’を求めた後、さらに規格化する。行ベクトルｈ_５’と基底ベクトルｅ_５とは、（７−１）式及び（７−２）式で表される。

（７−２）式における（ｈ_５ｅ_４ ^Ｈ）は、行ベクトルｈ_５の基底ベクトルｅ_４方向への射影を意味する。同様の処理を（８−１）式及び（８−２）式のように行う。

ここで、（８−１）式におけるΣの総和の範囲は、４≦ｉ≦（ｊ−１）（ｊは５〜９の整数）の整数ｉに対する総和となっている。すなわち、既に確定した規定ベクトル方向の成分をキャンセルすることを意味する。このようにして、６つの基底ベクトルｅ_４〜ｅ_９を求めることができる。

次に、端末装置８０２−１に対する送信ウェイトベクトルｗ_１〜ｗ_３を求める。まず、行ベクトルｈ_１〜ｈ_３から、基底ベクトルｅ_４〜ｅ_９が張る６次元部分空間の成分をキャンセルする。具体的には、（９）式で表される。

ここで、（９）式におけるｊは１〜３の整数であり、Σの総和の範囲は４≦ｉ≦９の整数ｉに対する総和となっている。このようにして求めた行ベクトルｈ_１’〜ｈ_３’の３つのベクトルが張る３次元空間は上述の行ベクトルｈ_４〜ｈ_９のいずれとも直交している。この３次元空間内の３つのベクトル（必ずしも直交ベクトルである必然性はない）を選び、そのベクトルの複素共役ベクトルを送信ウェイトベクトルｗ_１〜ｗ_３として設定すれば、他の端末装置８０２−２、８０２−３への干渉を抑圧することができる。

なお、３つのベクトルの選び方は如何なる方法でも構わないが、例えば特異値分解を行って得られるユニタリー行列を構成する３つの直交ベクトルを用いれば、他の端末装置８０２に干渉を与えない部分空間内に限定された固有モード伝送が可能になり、効率的な伝送が可能になる。

最後に、これと同様の処理を端末装置８０２−２、端末装置８０２−３に対しても行えば、最終的に全体の送信ウェイトベクトルｗ_１〜ｗ_９を求めることができる。以上がマルチユーザＭＩＭＯ技術の基本的な説明である。

上記のマルチユーザＭＩＭＯを複数の基地局に対して適用した技術として、基地局連携マルチユーザＭＩＭＯがある。複数の基地局が連携し、マルチユーザＭＩＭＯによって協調伝送を行うことで本来ならば干渉源となる隣接する基地局からの干渉（セル間干渉）を除去することができるため、通信品質を改善することが可能となる。このようなシステムにおける基地局はいわば広範囲に分散配置された無線信号送受信のための無線モジュールないしはアンテナ部とみなすことも可能である。

図７は、複数の基地局による空間分割多重を実現する無線通信装置の構成を示す図である。図７において、１００はネットワーク、１０１は基地局を制御する制御局、１０２は通信制御部、１０３は受信部、１０４は送信部、１０５はネットワークインターフェース、１０６はＭＡＣ層処理部である。受信部１０３は受信信号処理部１０７、チャネル情報取得部１０８、受信ウェイト生成部１０９にて構成され、送信部１０４は送信信号処理部１１０、送信ウェイト生成部１１１から構成される。１１２ａ〜１１２ｄは基地局であり、制御局１０１と基地局１１２ａ〜１１２ｄは光ファイバ等の有線回線１１３ａ〜１１３ｈで接続される。１１４ａ〜１１４ｂは端末局である。

ここで、図７における構成は各基地局１１２及び各端末局１１４がそれぞれ２本のアンテナを備えている場合を示しているが、１本であっても構わないし、３本以上であっても構わない。もちろん基地局１１２ａ〜１１２ｄ及び端末局１１４ａ〜１１４ｂが異なるアンテナ本数であっても構わない。また、各基地局１１２と受信部１０３及び送信部１０４との間はそれぞれ１本ずつの有線回線で接続されているが、各基地局１１２から制御局１０１まではそれぞれ１本の有線回線で接続し、スイッチによる切り替え等により受信部１０３ないしは送信部１０４へ接続する構成であっても構わない。

次に、図７に示す無線通信装置の動作を説明する。まず、基地局１１２側から端末局１１４側に信号を送信するダウンリンクについて説明する。ネットワーク１００より端末局１１４ａ〜１１４ｂ宛てのダウンリンクのデータがネットワークインターフェース１０５を介し制御局１０１に入力され、続いてＭＡＣ層処理部１０６に入力される。ＭＡＣ層処理部１０６に入力されたデータは個別バッファ等に一時的に保持する。なお、実際のハードウェアでは物理的なバッファは同じであっても構わず、論理的に個別に管理されていればよい。

そしてＭＡＣ層処理部１０６は、基地局１１２ａ〜１１２ｄと通信先の端末局１１４ａ〜１１４ｂとの組み合わせを選択し、選択された組み合わせに対応する端末局１１４に対応するデータを先の個別バッファより読み出し、ＭＡＣ層における処理を実施して送信信号処理部１１０へと出力する。

送信信号処理部１１０は、無線回線で送信する無線パケットを生成して変調処理を行う。ここで、例えばＯＦＤＭ（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）ないしはＯＦＤＭＡ（Orthogonal Frequency Division Multiple Access）変調方式を用いるのであれば、各信号系列の信号に対して周波数成分ごとに変調処理、マルチユーザＭＩＭＯ送信ウェイトの乗算、周波数軸上の信号から時間軸上の信号に変換するＩＦＦＴ（逆高速フーリエ変換）処理、ガードインターバルの挿入やＯＦＤＭシンボル間の波形整形処理、Ｄ／Ａ（デジタル／アナログ）変換、無線周波数信号へのアップコンバート、帯域外の周波数成分を除去するためのフィルタ処理等が行われ、送信すべき電気的な信号を生成する。

このときのマルチユーザＭＩＭＯ送信ウェイトは、ＭＡＣ層処理部１０６から出力される端末局１１４の組み合わせ情報に基づき、送信ウェイト生成部１１１において生成される。このように各種の送信信号処理が施された送信信号は有線回線１１３ａ〜１１３ｄを介して各基地局１１２ａ〜１１２ｄへ出力され、各端末局１１４ａ〜１１４ｂに向けて送信される。これにより同一周波数を用いる各無線局への信号を空間的に分離し、同一周波数・同一時刻に各端末局１１４に対しての通信を可能とする。

なお、下記に示すアップリンクの場合も含めて、通常は有線回線１１３ａ〜１１３ｄは光ファイバで構成されることが多く、その場合には光／電気変換および電気／光変換等を用い、電気的な信号と光信号との変換を行い、伝送路上での損失を回避する。また、送信ウェイト生成部１１１における送信ウェイトの生成には、基地局１１２ａ〜１１２ｄと端末局１１４ａまたは１１４ｂの各アンテナ間のチャネル情報を必要とするが、本図ではその情報の取得ルートを明示せずに、後述するチャネルフィードバックに関する既存の技術で取得できているものとする。

次に、端末局１１４側から基地局１１２側に信号を送信するアップリンクについて説明する。端末局１１４ａ、１１４ｂからアップリンクの信号が基地局１１２ａ〜１１２ｄにて受信されると、受信信号は有線回線１１３ｅ〜１１３ｈを通して受信信号処理部１０７に入力される。受信信号処理部１０７では、無線周波数の信号からベースバンドの信号へのダウンコンバート、帯域外の周波数成分を除去するためのフィルタリング、Ａ／Ｄ変換、ＯＦＤＭ（またはＯＦＤＭＡ）を用いる場合にはＦＦＴ（高速フーリエ変換）処理により時間軸上の信号を周波数軸上の信号に変換（各周波数成分の信号に分離）する等の、各種信号処理が施される。

受信信号処理が施された信号のうち、各周波数成分に分離されたチャネル推定用の既知信号（無線パケットの先頭に付与されるプリアンブル信号等）は、チャネル情報取得部１０８へ出力され、チャネル情報取得部１０８は各端末局１１４ａ、１１４ｂのアンテナと、基地局１１２ａ〜１１２ｄの各アンテナとの間のチャネル情報を周波数成分ごとに推定し、その推定結果を受信ウェイト生成部１０９に出力する。受信ウェイト生成部１０９では、入力されたチャネル情報を基に受信信号に乗算すべき受信ウェイトを周波数成分ごとに算出し、受信信号処理部１０７へ出力する。受信信号処理部１０７では、入力された受信ウェイトを前述の各種信号処理を施した周波数成分ごとの受信信号に対し乗算し、各端末局が同一周波数・同一時刻に送信した信号系列を干渉なく分離する。そして分離されたそれぞれの信号に対して復調処理を施し、再生されたデータをＭＡＣ層処理部１０６へ出力する。

ＭＡＣ層処理部１０６は、ＭＡＣ層に関する処理（例えば、ネットワークインターフェース１０５に対して入出力するデータと、無線回線上で送受信されるデータとの変換、ＭＡＣ層のヘッダ情報の終端など）を行う。また、マルチユーザＭＩＭＯ伝送において同時に空間多重を行う端末装置の組み合わせを含む各種スケジューリング処理を行い、スケジューリング結果を通信制御部１０２に出力する。ＭＡＣ層処理部１０６にて処理された受信データは、ネットワークインターフェース１０５を介して外部機器ないしはネットワークに出力される。また、送信元の端末装置の管理や、全体のタイミング制御など、全体の通信に係る制御を通信制御部１０２が管理する。

図８は、複数の基地局１１２による空間分割多重を実現する端末局の構成を示す図である。図８において、１１４は端末局、１２１はデータ入出力部、１２２はＭＡＣ層処理部、１２３は通信制御部、１２４は受信信号処理部、１２５はチャネル情報取得部、１２６は送信信号処理部、１２７ａ、１２７ｂはアンテナを表す。ここで、図８における構成は端末局が２本のアンテナを備えている場合を示しているが、１本であっても構わないし、３本以上であっても構わない。

次に、図８に示す端末局１１４の動作を説明する。まず、制御局１０１側から端末局１１４側に信号を送信するダウンリンクについて説明する。基地局１１２ａ〜１１２ｄから端末局１１４宛てのダウンリンクの信号がアンテナ１２７ａ〜１２７ｂにて受信されると、受信信号は受信信号処理部１２４に入力される。受信信号処理部１２４は、データ復調のための各種信号処理が施されるが、説明は図７における受信信号処理部１０７と同様であるので省略する。

受信信号処理が施される信号のうち、各周波数成分に分離されたチャネル推定用の既知信号（無線パケットの先頭に付与されるプリアンブル信号等）は、チャネル情報取得部１２５へ出力され、端末局１１４のアンテナ１２７ａ、１２７ｂと、各基地局１１２ａ〜１１２ｄの各アンテナとの間のチャネル情報を周波数成分ごとに推定する。推定したチャネル情報は受信信号のデータ部の復調処理にも用いられる。受信信号処理部１２４において復調処理を施され、再生されたデータ及びチャネル情報取得部１２５において推定されたチャネル情報はＭＡＣ層処理部１２２へ出力される。

ＭＡＣ層処理部１２２は、ＭＡＣ層に関する処理（例えば、データ入出力部１２１に対して入出力するデータと、無線回線上で送受信されるデータとの変換、ＭＡＣ層のヘッダ情報の終端など）を行う。ＭＡＣ層処理部１２２にて処理された受信データは、データ入出力部１２１を介して外部ディスプレイ等に出力される。また、送受信のタイミング制御など、通信に係る制御を通信制御部１０２が管理する。

次に、端末局１１４側から制御局１０１側に信号を送信するアップリンクについて説明する。データ入出力部１２１にデータが入力されると、続いてＭＡＣ層処理部１２２に入力される。ＭＡＣ層処理部１２２では入力されたデータを無線回線上で送受信されるデータへ変換し、ＭＡＣ層のヘッダ情報を付加する等の処理を行い、送信信号処理部１２６へと出力する。

また、チャネル情報取得部１２５にて取得した、制御局１０１へ通知するチャネル推定結果の情報も、ＭＡＣ層における処理を経て送信信号処理部１２６へ入力されるが、例えばＭＡＣ層のヘッダ情報に含めることとしてもよいし、制御情報収容用の無線パケットとして処理を行うこととしてもよい。

送信信号処理部１２６では、無線回線で送信する無線パケットを生成して変調処理を行う。説明は図７における送信信号処理部１１０と同様であるので省略する。送信信号処理が施された信号はアンテナを介して各基地局１１２ａ〜１１２ｄへ送信される。

ここで、制御局１０１の送信ウェイト生成部１１１ないしは受信ウェイト生成部１０９では各基地局１１２ａ〜１１２ｄと各端末局１１４ａ、１１４ｂとの間のチャネル情報が必要となるが、一般的には、アップリンクのチャネル情報はアップリンクにおける端末局１１４側からの受信信号を利用して制御局１０１側がチャネル情報を推定し、ダウンリンクのチャネル情報に関してはダウンリンクの信号を用いて各端末局１１４がチャネル情報を推定し、アップリンクにて送信される制御情報内にチャネル情報を収容して制御局１０１へフィードバックすることにより通知する方法を用いる。

図９、図１０は、従来技術におけるチャネル情報の取得処理動作を示すフローチャートである。従来技術におけるチャネル情報を取得する方法は大別して２種類の方法がある。ここでは、アップリンクの信号を用いてチャネル情報を取得する方法（図９）と、ダウンリンクの信号を用いて取得する方法（図１０）とについて説明する。

図９は、アップリンクにおけるチャネル推定方法の処理動作を示すフローチャートである。図９に示すように、アップリンクの場合、チャネル情報を推定開始する（ステップＳ１０１）と、各端末局１１４から基地局１１２宛てに送信されるチャネル推定用のトレーニング信号などを含む無線パケットを、基地局１１２を介して制御局１０１が受信する（ステップＳ１０２）。制御局１０１は、無線パケットに含まれているトレーニング信号などを用いてチャネル推定を実施し（ステップＳ１０３）、端末局１１４と各基地局１１２間のチャネル行列Ｈ_ｉ，ｊとして保存・管理し（ステップＳ１０４）、処理を終了する（ステップＳ１０５）。ここで、Ｈ_ｉ，ｊは第ｉ端末局と第ｊ基地局との間のチャネル情報を表し、端末局のアンテナ数をＮ_ＭＴ、基地局のアンテナ数をＮ_ＢＳとすると、行列Ｈ_ｉ，ｊのサイズはＮ_ＭＴ×Ｎ_ＢＳである。

アップリンクによる推定方法では、端末局１１４からの信号を複数の基地局１１２が受信できるため、端末局ｉとチャネル推定用の信号を受信可能な各基地局ｊとの間のチャネル行列Ｈ_ｉｊを同時に取得可能である。制御局１０１は、基地局１１２が協調して通信を行う複数の端末局１１４に対し、上記チャネル推定処理を実施する。

図１０は、ダウンリンクにおけるチャネル推定方法の処理動作を示すフローチャートである。同図に示すように、ダウンリンクの場合、チャネル情報を推定開始する（ステップＳ１１１）と、各基地局１１２から送信されるチャネル推定用のトレーニング信号などを含む無線パケットを端末局１１４が受信し（ステップＳ１１２）、端末局１１４はトレーニング信号などを用いてチャネル推定を実施する（ステップＳ１１３）。端末局１１４では、このチャネル推定結果を「制御情報収容用の無線パケット」に収容し、基地局１１２宛てに送信する（ステップＳ１１４）。制御局１０１は、端末局１１４が送信した「制御情報収容用の無線パケット」を、基地局１１２を介して受信し、チャネル情報を取得する（ステップＳ１１５）。そして受信したチャネル情報を端末局１１４と各基地局１１２間のチャネル行列Ｈ_ｉｊとしてメモリ等に保存し、チャネル情報に関するデータベースを構築し（ステップＳ１１６）、処理を終了する（ステップＳ１１７）。上記推定方法を、各基地局１１２が、回線設計上信号を受信可能な各端末局に対して個別に実施する。

なお、ＯＦＤＭ変調方式を用いるのであれば、図９及び図１０に示すチャネル情報の取得処理動作を周波数成分ごとに実施すればよい。

以上はチャネル情報のフィードバックの一例であるが、ダウンリンクのチャネル情報に関しては、アップリンクのチャネル情報の推定結果を利用する方法もある。一般的には、ダウンリンクとその逆方向のアップリンクのチャネル情報は一致しない。それは、ダウンリンク時に送信する基地局１１２のハイパワーアンプと受信側の端末局１１４のローノイズアンプの組み合わせ、及びアップリンク時に送信する端末局１１４のハイパワーアンプと受信する基地局１１２のローノイズアンプの組み合わせが異なることから、ダウンリンクのチャネル情報とアップリンクのチャネル情報との間で複素位相や振幅が異なるためである。

しかしこれは、ダウンリンクにおけるハイパワーアンプと、アップリンクにおけるローノイズアンプとの相違を補正する処理（キャリブレーション処理）を実施することで、アップリンクのチャネル情報からダウンリンクの情報を換算推定することが可能である。具体的には、アップリンクにおけるチャネル情報に、ハイパワーアンプとローノイズアンプとの相違を補正する係数を乗算することによって変換処理を実施することができる。

以上説明したチャネル情報のフィードバック方法のいずれを利用しても構わないが、このようにしてチャネル情報を事前に取得しておき、一般的には実際に通信を行う際にこのチャネル情報を基に送信ウェイトを算出する。また、受信ウェイトに関しても、実際のデータ受信時に行うチャネル推定結果をもとに受信ウェイトを算出することもできるが、上述のチャネルフィードバックにより事前に取得したチャネル情報をもとに受信ウェイトを算出することも可能である。なお、チャネル情報は時間とともに変動するため、状況に応じて例えば周期的に更新することが一般的である。

次に、前述した処理動作によって取得したマルチユーザＭＩＭＯウェイトを用いた送信・受信処理について説明する。図１１、図１２は、基地局連携マルチユーザＭＩＭＯのアップリンクにおける制御局の受信ウェイト算出処理及び受信信号処理を示すフローチャートである。

まず、図１１を参照して受信ウェイト算出処理動作を説明する。端末局１１４からの信号を受信し処理を開始すると（ステップＳ１２１）、ＭＡＣ層処理部１０６より、通信相手となる端末局１１４に関する情報を取得し（ステップＳ１２２）、図９、図１０に示した手順で取得したチャネル情報から、通信相手の端末局１１４と基地局１１２に対応する部分行列Ｈ_ｉ，ｊを読み出し（ステップＳ１２３）、それらを合成して全体の行列Ｈ_ａｌｌを作成する（ステップＳ１２４）。この全体のチャネル行列に対し、受信ウェイト行列を算出し（ステップＳ１２５）、処理を終了し（ステップＳ１２６）、受信したデータに後続する情報（ビット列）の受信信号分離処理を引き続き行う。

なお、ここでは上述のチャネルフィードバックにより事前に取得したチャネル情報をもとに受信ウェイトを算出する場合の例を示したが、受信したデータに付与されたプリアンブル信号などをもとに新規にチャネル推定を行った結果を利用することも可能である。この場合には、ステップＳ１２３の処理においてメモリからの部分行列Ｈ_ｉ，ｊの読み出しの代わりに、チャネル推定処理による部分行列Ｈ_ｉ，ｊの取得に置き換えられる。

次に、図１２を参照して受信信号処理動作を説明する。端末局１１４からの信号を各基地局１１２が受信し、受信処理を開始すると（ステップＳ１３１）、まず制御局１０１は第ｉ基地局が受信した受信信号Ｒ_ｉを全基地局１１２より取得する（ステップＳ１３２）。ここでは、受信した信号ないしそれをダウンコンバートした信号に対し、アナログ／デジタル変換を施す処理までを含む。以降の信号処理は、デジタル化された受信信号に対する処理を意味する。続いて、各基地局１１２に対応する受信信号に対し、ＦＦＴ回路による各周波数成分への分離等の信号処理を行う（ステップＳ１３３）。さらに、図１１に示す処理動作によって算出した受信ウェイトを、周波数成分ごとに各基地局１１２の受信信号に乗算することで、各端末局１１４から送信され空間上にて多重された信号系列を分離し、分離された信号に対する信号検出処理前の推定信号Ｓｉを算出する（ステップＳ１３４）。最後に信号系列ごとの信号検出処理を実施し（ステップＳ１３５）、処理を終了し、ＭＡＣ層へ出力する （ステップＳ１３６）。

図１３、図１４は、基地局連携マルチユーザＭＩＭＯのダウンリンクにおける制御局の送信ウェイト算出処理動作及び送信信号処理動作を示すフローチャートである。まず、図１３を参照して送信ウェイト算出処理動作を説明する。ＭＡＣ層処理部１０６よりデータが入力され、処理を開始すると（ステップＳ１４１）、ＭＡＣ層処理部１０６より、通信相手となる端末局１１４に関する情報を取得し（ステップＳ１４２）、図９、図１０に説明した手順で取得したチャネル情報から、通信相手の端末局１１４と基地局１１２に対応する部分行列Ｈ_ｉ，ｊを読み出し（ステップＳ１４３）、それらを合成して全体の行列Ｈ_ａｌｌを作成する（ステップＳ１４４）。この全体のチャネル行列に対し、送信ウェイト行列を算出し（ステップＳ１４５）、処理を終了し（ステップＳ１４６）、送信データに関する信号処理を引き続き行う。

次に、図１４を参照して送信信号処理を説明する。処理を開始すると（ステップＳ１５１）、ＭＡＣ層処理部１０６より各端末局１１４へ送信すべきデータが入力される（ステップＳ１５２）。宛先端末局１１４ごとの送信すべきデータに対し、各種変調処理等の送信信号処理を実施し、各周波数成分の送信信号を生成する（ステップＳ１５３）。そして図１３に示す処理によって算出した送信ウェイトを、周波数成分ごとに各宛先の送信信号に乗算し、各基地局１１２が送信する信号を生成する（ステップＳ１５４）。さらに、各基地局１１２が送信する信号に対し、ＩＦＦＴによる時間軸上の信号への変換及びガードインターバルの付与、ＯＦＤＭシンボル間の波形整形等の処理、Ｄ／Ａ変換など、一連の信号処理を実施し、これを基地局１１２に転送して各基地局１１２を介して各端末局１１４へ信号を送信し（ステップＳ１５５）、送信処理を完了する（ステップＳ１５６）。

一般的には、基地局１１２が備えるアンテナの総数をＫとし、空間多重された信号系列数（すなわち端末局１１４が備えるアンテナの総数）をＬとすると、ＫとＬは一致する必要はなく、Ｌの値がＫの値以下であれば多数の信号系列の信号を空間多重することができる。

ここで、空間分割多重を行う際に用いる全体のチャネル行列Ｈ_ａｌｌは、取得した部分チャネル行列Ｈ_ｉｊを用いて、アップリンクの場合は（１０）式、また、ダウンリンクの場合は（１１）式のように合成する。

そして、（１０）式、（１１）式に示すチャネル行列Ｈ_ａｌｌを用いてアップリンク、ダウンリンクそれぞれにおける送受信ウェイトを算出する。

なお、上記の信号処理にて用いる送受信ウェイトには、（６）式〜（９）式を用いて説明したグラムシュミットの直交化法の他にもさまざまな算出法が存在する。例えば、チャネル行列Ｈ_ａｌｌの疑似逆行列を求める方法（Zero Forcing、ＺＦ）はダウンリンク、アップリンクの場合においてそれぞれ（１２）式及び（１３）式のように表せる。

同様の送受信ウェイトとして知られているＭＭＳＥウェイトでは、雑音電力をσ^２とすれば、（１４）式及び（１５）式を用いても良い。

その他、ＭＬＤ（Maximum Likelihood Detection）等の非線形の信号処理を行うようにしてもよい。

以上が基地局連携マルチユーザＭＩＭＯの説明であるが、本技術において重要な点は、本来ならばセル間干渉となる他セル間のチャネル情報を相互に取得し、空間分割多重のための送受信ウェイトを算出するところにある。そのため、回線設計上信号が到来し、干渉となるような他のセルとの間におけるチャネル情報は、当該セル間干渉を抑圧するために全て取得することが望ましい。

以上説明を行ったが、マルチユーザＭＩＭＯの典型的な特徴は、アップリンクにおける制御局１０１での送信／受信処理において送信側と受信側との間のチャネル情報を基に、送信／受信の都度、最新のチャネル情報を読み出し（ステップＳ１２３、Ｓ１４３）、読み出したチャネル情報を基に送受信ウェイトを算出する点（ステップＳ１２５、Ｓ１４５）にある。すなわち、送信ウェイト及び受信ウェイトの算出は、送信ないし受信の都度行う点にある。これは、チャネルの時変動に起因したものであり、良好なチャネル推定精度を得るためには周期的にチャネル情報の推定処理をする必要がある。チャネル推定の周期を短く設定するに従い、チャネル推定のための制御情報の送受信が必要になりオーバーヘッドは増大する。

さらに、広範囲に渡り配置される基地局が連携してマルチユーザＭＩＭＯにより空間多重を実施する際には、各セルの基地局と、各セルに存在する端末局間のチャネル情報をそれぞれ個別に推定する必要があり、そのために所望の数の直交したトレーニング信号が必要となる。一般的には、トレーニング信号のパターンそのものが直交していることが好ましいが、そのようなパターンを設定できなければ、空間多重数と同数のシンボル数のオーバーヘッドが必要であり、連携基地局数の増大に従ってそのオーバーヘッドも増大する。そのようなオーバーヘッドは、時々刻々と変動する伝搬環境ではチャネル情報の推定誤差を与える要因となる。

加えて、ＳＮＲないしはＳＩＮＲが小さい受信環境では、雑音及び干渉による誤差がチャネル推定結果に反映される。一般的には、端末局と基地局間の距離が大きいほど、ＳＮＲは小さく、チャネル推定誤差は大きい。図１５に、従来技術における連携基地局と端末局の配置例を示す。例えば、図１５に示すように正６角形の細密充填状態にセルを配置し、基地局を各セルの中心に配置する。各基地局は制御局と有線回線を介して接続されているが、ここではこれを省略している。さらに、多数の端末局が存在する中で、中心セルに存在するひとつのセルに着目し、その端末と周辺基地局との間のパスを図示した。

この場合、中心のセルに存在する端末局と隣接する最近接の６セルの基地局間の伝搬距離（図中実線矢印）に対し、その次隣接の１２セルの基地局との間の伝搬距離（図中点線矢印）は大きく、最近接に対して次隣接のセルからの信号のＳＮＲは小さい。そのため、中心セルの端末局と次隣接の１２セルの基地局間におけるチャネル推定誤差は、隣接する７セルの基地局との間のチャネル推定誤差よりも大きくなる。その他、フェージング等の影響によりＳＮＲは大きく低下することが起こりうるため、そのような環境下では十分な精度でのチャネル推定が行えなくなる。チャネル推定に誤差を含む状態でマルチユーザＭＩＭＯのウェイトを生成すると、誤差の影響により他のセルに属する端末局への与干渉の抑制すなわちヌル制御が崩れ、さらにそのような干渉源にヌルを向けるために通信相手となる所望の端末局への送信／受信電力が奪われることになるため、周波数利用効率の低下につながる。

鷹取泰司他、「次世代高速無線アクセスシステムへの下りリンクマルチユーザＭＩＭＯ技術の適用」電子情報通信学会論文誌 Ｂ、通信 Ｊ９３−Ｂ（９）、 ｐｐ１１２７−１１３９、２０１０年０９月

ところで、複数の基地局が連携してマルチユーザＭＩＭＯ伝送を行う上述の技術を実際のシステムで運用するためには、チャネル推定の誤差を前提とした設計が必要となる。端末局と遠くの基地局との間のチャネル推定は、伝搬路上での減衰に伴い推定精度が下がることになるが、これを改善するためにはさらにオーバーヘッドを大きくして、長時間かけたチャネル推定が必要になる。

しかしながら、このオーバーヘッドの増大は伝送効率を低下させることになるので、不十分なチャネル推定精度を許容する方式を確立し、チャネル推定誤差の影響を抑え、周波数利用効率を改善する手法が要求される。したがって、精度の高い推定値と精度の低い推定値とが混在する状況においても、十分に干渉低減のなされたマルチユーザＭＩＭＯ伝送を行うことが求められている。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、同一時刻・同一周波数を用いて複数のセルが協調して複数の端末局と通信を行う空間分割多重伝送に関する処理において、チャネル推定誤差の影響を抑制し、周波数利用効率を改善する無線通信装置、無線通信システム及び無線通信方法を提供することを目的とする。

本発明は、アンテナを備えた複数の基地局と、前記基地局それぞれと接続された制御局と、前記基地局のいずれかと通信を行うアンテナを備えた複数の端末局とを含み、前記複数の基地局が当該基地局に接続する前記複数の端末局と同一時刻に同一周波数上で通信を行う無線通信システムにおける前記制御局として動作する無線通信装置であって、前記複数の基地局と前記複数の端末局の組み合わせの全てないしは一部において、前記基地局及び前記端末局が備えるアンテナ間のチャネル情報を取得するチャネル情報取得手段と、前記チャネル情報取得手段により取得した前記チャネル情報の推定精度が所定の閾値よりも低い場合において、該チャネル情報をゼロに置換するチャネル情報ゼロ置換手段と、前記複数の基地局と前記複数の端末局が備えるアンテナ間の前記チャネル情報を要素とする全体のチャネル行列を用いて空間分割多重伝送における送信ウェイト及びまたは受信ウェイトを算出するウェイト算出手段と、前記ウェイト算出手段により算出された前記送信ウェイト及びまたは前記受信ウェイトを用いて前記複数の基地局と前記複数の端末局との間において空間分割多重伝送を実施させる通信制御手段とを備えたことを特徴とする。

本発明は、前記チャネル情報取得手段は、回線設計から算出される推定精度が所定の閾値を超えた前記基地局と前記端末局の組み合せに対してのみ前記チャネル情報の取得を実施し、前記チャネル情報ゼロ置換手段は、前記チャネル情報の取得を実施しない前記基地局と前記端末局の組み合せに対してのみ前記チャネル情報にゼロ置換を行なうことを特徴とする。

本発明は、アンテナを備えた複数の基地局と、前記基地局それぞれと接続された制御局と、前記基地局のいずれかと通信を行うアンテナを備えた複数の端末局とを含み、前記複数の基地局が当該基地局に接続する前記複数の端末局と同一時刻に同一周波数上で通信を行う無線通信システムであって、前記制御局は、前記複数の基地局と前記複数の端末局の組み合わせの全てないしは一部において、前記基地局及び前記端末局の備えるアンテナ間のチャネル情報を取得するチャネル情報取得手段と、前記チャネル情報取得手段により取得した前記チャネル情報の推定精度が所定の閾値よりも低い場合において、該チャネル情報をゼロに置換するチャネル情報ゼロ置換手段と、前記複数の基地局と前記複数の端末局の備えるアンテナ間のチャネル情報を要素とする全体のチャネル行列を用いて空間分割多重伝送における送信ウェイト及びまたは受信ウェイトを算出するウェイト算出手段と、前記ウェイト算出手段により算出された前記送信ウェイト及びまたは前記受信ウェイトを用いて前記複数の基地局と前記複数の端末局との間において空間分割多重伝送を実施させる通信制御手段とを備えたことを特徴とする。

本発明は、アンテナを備えた複数の基地局と、前記基地局それぞれと接続された制御局と、前記基地局のいずれかと通信を行うアンテナを備えた複数の端末局とを含み、前記複数の基地局が当該基地局に接続する前記複数の端末局と同一時刻に同一周波数上で通信を行う無線通信システムにおける前記制御局が行う無線通信方法であって、前記複数の基地局と前記複数の端末局の組み合わせの全てないしは一部において、前記基地局及び前記端末局の備えるアンテナ間のチャネル情報を取得するチャネル情報取得ステップと、前記チャネル情報取得ステップにより取得した前記チャネル情報の推定精度が所定の閾値よりも低い場合において、該チャネル情報をゼロに置換するチャネル情報ゼロ置換ステップと、前記複数の基地局と前記複数の端末局の備えるアンテナ間のチャネル情報を要素とする全体のチャネル行列を用いて空間分割多重伝送における送信ウェイト及びまたは受信ウェイトを算出するウェイト算出ステップと、前記ウェイト算出ステップにより算出された前記送信ウェイト及びまたは前記受信ウェイトを用いて前記複数の基地局と前記複数の端末局との間において空間分割多重伝送を実施させる通信制御ステップとを有することを特徴とする。

本発明によれば、同一時刻・同一周波数を用いて複数のセルが協調して複数の端末局と通信を行う空間分割多重伝送に関する処理において、チャネル推定誤差の影響を抑制し、周波数利用効率を改善することが可能になるという効果が得られる。

本発明第１の実施形態におけるチャネル情報推定処理動作を示すフローチャートである。 本発明第２の実施形態におけるチャネル情報推定処理動作を示すフローチャートである。 本発明第３の実施形態におけるチャネル情報推定処理動作を示すフローチャートである。 本発明第３の実施形態におけるチャネル情報推定処理動作を示すフローチャートである。 チャネル推定誤差環境下での周波数利用効率において本発明の効果を示す説明図である。 マルチユーザＭＩＭＯシステムの構成例を示すブロック図である。 無線通信装置の構成例を示すブロック図である。 端末局の構成例を示すブロック図である。 従来技術におけるチャネル情報の取得処理動作を示すフローチャートである。 従来技術におけるチャネル情報の取得処理動作を示すフローチャートである。 基地局連携マルチユーザＭＩＭＯのアップリンクにおける制御局の受信ウェイト算出処理動作を示すフローチャートである。 基地局連携マルチユーザＭＩＭＯのアップリンクにおける制御局の受信信号処理動作を示すフローチャートである。 基地局連携マルチユーザＭＩＭＯのダウンリンクにおける制御局の送信ウェイト算出処理動作を示すフローチャートである。 基地局連携マルチユーザＭＩＭＯのダウンリンクにおける制御局の送信信号処理動作を示すフローチャートである。 従来技術における連携基地局と端末局の配置例

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態による無線通信装置を説明する。まず、本発明の基本的な概念について説明する。従来の基地局連携マルチユーザＭＩＭＯでは送信／受信ウェイトを生成するために全体のチャネル行列Ｈ_ａｌｌに関する全てのチャネル情報、すなわち部分チャネル行列を必要としていた。しかし、チャネル推定のオーバーヘッドないしは劣悪な受信環境に起因するチャネル推定誤差が生じる場合には前述の通り周波数利用効率が低下する結果となる。

そこで、本発明では、チャネル情報の品質がある一定の条件を満たさない、すなわち推定精度が低いものに関しては当該チャネル情報を０に置換し、この部分的に０に置換された新たな全体のチャネル情報をもとにウェイトを生成する。これにより、例えば（１６）式に示すような部分的に０置換されたアップリンクの全体のチャネル行列が生成されることになる。

ここで、（１６）式を詳細に吟味するため、この行列の１列目とＬ列目の部分行列を比較する。１列目（厳密には、部分行列が複数列の行列であれば複数行にまたがる縦長の行列となるが、ここではこのブロック行列をまとめて１行目と呼んでいる）に関しては、３行目以下の行で成分が全てゼロになっている。Ｌ列目に関しては、１〜Ｋ−２行目までの行で成分が全てゼロとなっている。実際には各基地局と他の基地局の位置関係で全体行列の対角成分付近がゼロでその他の部分がゼロというような綺麗な配置にはなっていないかも知れないが、伝搬減衰により信号の届く範囲が限定的であることから、一方の行成分が非ゼロのときに他方の行成分がゼロとなる関係にある列成分は容易に見出すことが可能である。

この際、例えば１行目の部分行列に含まれる列ベクトルとＬ列目の部分行列に含まれる列ベクトルは、内積を取ると全てゼロとなる関係にある。すなわち、相互の列ベクトルが直交関係にあることから、特に相互の直交化のために多次元ベクトル空間の自由度を浪費する必要はなく、これに伴う直交化ロスも生じない。言い換えれば、第ｉセルの端末局へヌルを向けないことを意味するので、０に置換したチャネル情報Ｈ_ｉ，ｊに関しては、第ｊセルの端末局から第ｉ基地局への干渉は抑圧されずにそのまま残ることになる。

一方、当該チャネル情報が推定誤差を大きく含む場合は、それらの列ベクトルの内積がゼロとならないために、僅かながらの干渉であっても演算上はヌル形成のために自由度を浪費し、直交化ロスを生じることになる。さらには、そこまでして行うヌル形成も、その推定誤差を含めて行うヌル形成であるので、正確なヌル形成とは異なり、結果的に新たな干渉を生じさせるリスクを伴う。場合によっては、もともとの干渉電力を低減させずにむしろ干渉量を増大させることも予想される。この様な場合には、その端末局からの干渉をある程度許容し、無駄なヌル形成のために不要な電力を浪費せず、所望信号のための電力を十分に確保することでＳＩＲの低下を抑制することが有効となる。

図５に、本発明における基地局連携ＭＵ−ＭＩＭＯにより達成される周波数利用効率を、計算機シミュレーションにより求めた結果を示す。横軸は周波数利用効率、縦軸は累積確率分布関数（ＣＤＦ）を示す。本シミュレーションにおいては、３７のセルを図１５に示すように六角形状に配置している。また、図の点線は全セルの基地局―端末局間の推定誤差を含むチャネル情報を利用した場合の周波数利用効率、実線は推定誤差を含むチャネル情報のうち自セルおよび最近接のセルからのチャネル情報のみを非ゼロとし、他のチャネル情報にゼロ置換を行った場合の周波数利用効率のＣＤＦを示す。本評価では、チャネル推定精度および信号の伝搬減衰を所定の近似式で与え、送信電力や雑音電力、さらにはゼロ置換するチャネル情報の範囲などをパラメータとして評価しているため、あくまでも一例として特性に関する傾向を示したに過ぎないが、その他の諸条件に対しても同様の効果をみることはできる。

この例に関していえば、本発明の適用においては、配置した３７セル全ての基地局―端末局間のチャネル情報を用いるのではなく、それよりも少ない、自セルと隣接する６セルにおける７つの基地局―端末局間のチャネル情報のみを用い、その他のチャネル情報を０に置換している。このとき、チャネル推定誤差が存在する場合、チャネル行列の一部を０置換した本発明による周波数利用効率のＣＤＦ特性が優位（グラフで右側に位置する）であることがわかる。

以上の動作原理のもと、具体的な本発明の実施形態について以下に説明を行う。
＜第１の実施形態＞
図１は、本発明の第１の実施形態によるアップリンクにおけるチャネル情報取得処理動作を示すフローチャートである。本実施形態における無線通信装置の構成は図７及び図８に示すものと同様であり、送信／受信における信号処理動作においても図１１〜図１４に示すものと同様である。本実施形態の特徴は、制御局１０１のチャネル情報取得部１０８において、取得したチャネル情報の品質を測定し、条件を満たさない場合には当該チャネル情報を０に置換して保存し、送信／受信ウェイト生成に用いるところにある。

これによって信頼度の低いチャネル情報を０に置換し、推定誤差を含むチャネル情報を用いずにウェイトを算出することにより、及び所望電力の低下を抑制し、周波数利用効率を改善することが可能になる。

次に、図１を参照してチャネル情報推定の処理動作を説明する。ダウンリンクのチャネル推定（チャネル情報のフィードバック）は、上述の様に幾つかのバリエーションが存在するが、アップリンクに関しては基地局１１２にて受信した信号をもとにしてチャネル推定が実施されるので、以下ではアップリンクのチャネル推定を中心に説明を行なう。

まず、チャネル情報の推定処理を開始すると（ステップＳ１）、各端末局１１４から基地局１１２宛てに送信されるチャネル推定用のトレーニング信号などを含む無線パケットを、基地局１１２を介して制御局１０１が受信する（ステップＳ２）。制御局１０１は、無線パケットに含まれているトレーニング信号などを用いてチャネル推定を実施する（ステップＳ３）。そして推定したチャネル情報の品質を測定し（ステップＳ４）、測定したチャネル情報の品質が条件を満たすか否かを判別する（ステップＳ５）。

ここで、品質とは、たとえばＥＶＭ（Error Vector Magnitude）を用いる。ＥＶＭとは、受信したシンボルの基準点との差を示す値である。条件としてある値を閾値として定め、送受信局において共有されているトレーニングシンボルの基準点との差からＥＶＭを測定し、測定したＥＶＭが閾値よりも小さい場合には条件を満たすこととすればよい。その他、受信レベルそのものを用いたり、ＳＮＲ（Signal to Noise Power Ratio）やＳＩＮＲ（Signal to Interference and Noise Power Ratio）、ＢＥＲ（Bit Error Rate）の特性から信号品質を推定するなど、いかなる手段を信号品質の指標として用いて構わない。

ステップＳ５にてＹｅｓ（チャネル情報の品質が条件を満たす）の場合、推定したチャネル情報を端末局ｉと基地局ｊ間のチャネル行列Ｈ_ｉ，ｊとしてそのまま保存・管理し（ステップＳ７）、処理を終了する（ステップＳ８）。一方、ステップＳ５にてＮｏ（条件を満たさない）の場合には当該チャネル情報を全て０に置換し、ステップＳ７に移り、チャネル行列Ｈ_ｉ，ｊとして保存し、処理を終了する（ステップＳ８）。

この動作により、部分的に０置換された全体のチャネル行列が生成されることになり、当該チャネル行列を用いて基地局連携によるマルチユーザＭＩＭＯの送信／受信ウェイトを生成する。これにより、チャネル推定誤差による影響を抑制し、周波数利用効率を改善することが可能になる。

なお、以上はアップリンクに関する説明であったが、ダウンリンクに関しても同様の処理が可能である。ダウンリンクのチャネル推定に関しては、先にも説明したとおり、アップリンクのチャネル推定結果を利用する方法と、端末側でのダウンリンクのチャネル推定結果を制御情報に載せてフィードバックする方法とのバリエーションがあるが、そのいずれを用いたとしても、それらの処理の後に確定するダウンリンクのチャネル情報に対し、同様に推定精度が低いチャネル情報のゼロ置換を行なうことで、アップリンクと等価な処理を実施することが可能である。以下に、端末局１１４側よりチャネル情報をフィードバックする場合を例に取り、詳細に説明する。

＜第２の実施形態＞
図２は、本発明の第２の実施形態によるダウンリンクにおけるチャネル情報取得処理動作を示すフローチャートである。第１の実施形態の説明においては、ダウンリンクのチャネル情報に対する推定精度低下時のゼロ置換も基地局１１２側で行う場合を想定して説明したが、ダウンリンクのチャネル推定を図１０に示すように端末局１１４側で行う場合には、ダウンリンクのチャネル情報へのゼロ置換を端末局１１４側で実施することも可能である。この場合の本実施形態における無線通信装置の構成は図７及び図８に示すものと同様であり、送信／受信における信号処理動作においても図１１〜図１４に示すものと同様である。本実施形態の特徴は、端末局１１４のチャネル情報取得部１２５において、取得したチャネル情報の品質を測定し、条件を満たさない場合には当該チャネル情報を０に置換し、制御局１０１へフィードバックするところにある。

これによって信頼度の低いチャネル情報を０に置換して制御局へ通知することにより、推定誤差を含むチャネル情報を用いて強引にウェイトを算出することによるヌル制御の崩れ、及び所望電力の低下を抑制し、周波数利用効率を改善することが可能になる。

図２を参照してチャネル情報推定の処理動作を説明する。まず、チャネル情報の推定処理を開始すると（ステップＳ１１）、制御局１０１のいずれかの基地局１１２から端末局１１４宛てに送信されるチャネル推定用のトレーニング信号などを含む無線パケットを、端末局１１４が受信する（ステップＳ１２）。端末局１１４は、無線パケットに含まれているトレーニング信号などを用いてチャネル推定を実施する（ステップＳ１３）。そして推定したチャネル情報の品質を測定し（ステップＳ１４）、測定したチャネル情報の品質が条件を満たすか否かを判別する（ステップＳ１５）。

ステップＳ１５にてＹｅｓ（チャネル情報の品質が条件を満たす）の場合、端末局１１４は、このチャネル推定結果を「制御情報収容用の無線パケット」に収容し、基地局１１２宛てに送信する（ステップＳ１７）。制御局１０１は、端末局１１４が送信した「制御情報収容用の無線パケット」を、基地局１１２を介して受信し、チャネル情報を取得する（ステップＳ１８）。そして、受信したチャネル情報を端末局ｉと基地局ｊ間のチャネル行列Ｈ_ｉ，ｊとしてメモリ等に保存し（ステップＳ１９）、処理を終了する（ステップＳ２０）。

一方、ステップＳ５にてＮｏ（条件を満たさない）の場合には当該チャネル情報を０に置換し（ステップＳ１６）、ステップＳ１７に移り、処理としてステップＳ１７〜ステップＳ１９を行い、処理を終了する（ステップＳ２０）。以上の動作を制御局に接続される基地局ごとに実施する。

この動作により、部分的に０置換された全体のチャネル行列が取得されることになり、当該チャネル行列を用いて基地局連携によるマルチユーザＭＩＭＯの送信／受信ウェイトを生成する。これにより、チャネル推定誤差による影響を抑制し、周波数利用効率を改善することが可能になる。

また、ステップＳ１７においてチャネル情報を０に置換したものを制御局１０１へ通知する処理としているが、通知そのものを行わないこととしてもよい。その際、制御局１０１では当該端末局１１４に対するチャネル情報を０として送信／受信ウェイトを生成することになり、本発明の意図する効果を同様に得ることが可能となる。

＜第３の実施形態＞
第１、第２の実施形態では、チャネル情報を取得した後にその推定精度を評価してゼロ置換を行なうか否かを判断していた。しかし、基地局１１２の配置は既知であるので、各基地局１１２が主としてカバーするセルを単位としてみた時に、第１近接のセル、第２近接のセル、第３近接のセル・・・など、概ねどのセルからどの程度のレベルで信号受信ができるかは予測可能である。正確には、予測というよりも、回線設計的にチャネル推定精度が所望のレベル以上であるか否かを分別し、所望のレベル以上の精度でチャネル推定が可能であるという範囲内のセル間での相互干渉のみを考慮し、他のセル間は実際にはチャネル推定処理すら行なわず、ゼロ挿入（上述の例におけるゼロ置換に相当）して対応することが可能である。

もしくは、システム設計上チャネル推定を実施可能なセル数が限定される場合、その上限数を超えるチャネル推定を実施できないセル間におけるチャネル情報に対してゼロ挿入を行うこととしてもよい。

従来技術の説明では説明を省略したが、図９、図１０のチャネル情報の取得には、各チャネル情報取得のための無線パケットの送受信が必要となり、面的に広がるサービスエリア内でこれらの無線パケットの衝突を回避するためには、同一周波数・同一時刻上で無線パケットが送信されないように調整する必要がある。しかし、面的な広がりの中である時刻にある周波数において１台しか信号送信が許されないとなると、膨大な時間をかけて順番に信号の送受信を行わなければならないため、実際には局所的なタイミング・周波数の重複を許容してチャネル推定を行なう。このタイミング・周波数が重複するセルは相互の与被干渉が十分に小さな値となる様にシステム全体の運用の設計がなされる。この設計を通して、チャネル推定の要否が判断され、チャネル推定が実施されないセルに対してはゼロ挿入を行うのが本実施形態である。

図３は、本発明の第３の実施形態による送受信ウェイトの算出処理動作を示すフローチャートである。本実施形態における無線通信装置の構成は図７及び図８に示すものと同様であり、送信／受信における信号処理のフローにおいても図１１〜図１４に示すものと同様である。本実施形態の特徴は、回線設計的にないしはシステム設計的にチャネル推定を行なうべきセルを限定し、それらのセル間でのみチャネル推定を実施しそのチャネル情報を非ゼロの値で管理し、その他の取得を行わないチャネル情報の値を０として管理するところにある。

これによってチャネル情報の一部を０として管理することにより、推定誤差を含むチャネル情報を用いて強引にウェイトを算出することによるヌル制御の崩れ、及び所望電力の低下を抑制し、周波数利用効率を改善することが可能になる。

図３を参照して受信ウェイトの算出処理動作を説明する。基本的な動作は図１１と同一であり、ステップＳ１２３とステップＳ１２４の間にステップＳ１２７として、チャネル推定を行なう対象外の部分行列としてゼロ挿入を実施する。

同様に、図４を参照して送信ウェイトの算出処理動作を説明する。基本的な動作は図１３と同一であり、ステップＳ１４３とステップＳ１４４の間にステップＳ１４７として、チャネル推定を行う対象外の部分行列としてゼロ挿入を実施する。この様にして、チャネル情報を測定していない部分行列を含む全体行列Ｈ_ａｌｌが取得できるようになり、送受信ウェイトの算出が可能になる。

なお、ここでのステップＳ１２７およびステップＳ１４７の処理は、全く等価な処理を別の方法でも実現可能である。例えば、従来技術に関連した図９、図１０で説明したチャネル情報の取得フローにおいて、実際のチャネル情報の推定処理の有無に関係なく、全ての組み合わせの部分行列Ｈ_ｉ，ｊを用意するものとし、その初期値として全てにゼロを挿入しておく。実際の運用状態になると、チャネル推定の都度に測定されたチャネル情報が部分行列Ｈ_ｉ，ｊに非ゼロの値として記録される。この状態で、図１１および図１３のステップＳ１２３およびステップＳ１４３を実施すると、チャネル推定が実施されていない部分行列Ｈ_ｉ，ｊの値として各成分がゼロである行列が読み出されるため、結果的に図３のステップＳ１２３とＳ１２７、図４のステップＳ１４３とＳ１４７の処理と等価な動作となる。

ただし、もともと（１６）式で示される行列の各部分行列は殆どが推定精度が低い、すなわち回線設計上、チャネル推定を行なわないセル間のチャネル情報であるため、これらの全てをメモリに記憶するとなると、過剰に大きなメモリ領域を確保する必要がある。図３に示した処理の場合には、実際にチャネル推定を行う非ゼロの成分のみを管理すれば良いため、その分メモリ容量を抑えて処理を行なうことが可能であるという特徴をもつ。

上記の動作により、部分的に０が挿入された全体のチャネル行列が生成されることになり、当該チャネル行列を用いて基地局連携によるマルチユーザＭＩＭＯの送信／受信ウェイトを生成する。これにより、チャネル推定誤差による影響を抑制し、周波数利用効率を改善することが可能になる。

以上説明したように、マルチユーザＭＩＭＯは、一台の基地局が複数の端末に対してビームフォーミングにより同時に送信を行う技術であり、各データ信号の宛先となる端末以外の端末に信号が届かないようにビームフォーミングを行うことによって、干渉を与えることなく同時送信ができる。その応用形態として、複数の基地局が同時に送信を行う場合に、各データ信号の宛先となる端末以外の端末に信号が届かないようにビームフォーミングを行うことによって、セル間の干渉を抑圧しつつ同時送信を行う形態がある。ビームフォーミングを行うためには、全ての基地局と全ての端末との間のチャネル情報を推定してビームを形成する必要があるが、多数の基地局及び端末を含む広範囲なシステムの場合には、その組合せによっては、チャネル情報の推定精度が低いものが存在する。例えば、基地局と端末との間の距離が著しく離れている場合のように推定精度の低いチャネル情報を用いてビームフォーミングを行うと、正しいビームを形成できず、かえって干渉を発生させる可能性がある。

本実施形態では、チャネル情報のそれぞれを評価して、精度が低いと判定されたチャネル情報を０に置換してビームを形成するようにした。チャネル情報が０であることは、当該基地局は当該端末の方向に対してヌルを向ける制御をしないことになるが、誤った方向にビームが向くリスクを低減することができる。また、当該方向を無視することによりアンテナの自由度が増加するため、他の精度の高いチャネル情報が取得された基地局と端末との間のビーム制御にその自由度を振り向けることができ、さらに精度のよいビームを形成することが可能となる。

なお、図１〜図４に示す機能を実現するためのプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行することにより無線通信処理を行ってもよい。なお、ここでいう「コンピュータシステム」とは、ＯＳや周辺機器等のハードウェアを含むものとする。また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ、ＣＤ−ＲＯＭ等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。さらに「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線を介してプログラムが送信された場合のサーバやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリ（ＲＡＭ）のように、一定時間プログラムを保持しているものも含むものとする。

また、上記プログラムは、このプログラムを記憶装置等に格納したコンピュータシステムから、伝送媒体を介して、あるいは、伝送媒体中の伝送波により他のコンピュータシステムに伝送されてもよい。ここで、プログラムを伝送する「伝送媒体」は、インターネット等のネットワーク（通信網）や電話回線等の通信回線（通信線）のように情報を伝送する機能を有する媒体のことをいう。また、上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであってもよい。さらに、前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるもの、いわゆる差分ファイル（差分プログラム）であってもよい。

以上、図面を参照して本発明の実施の形態を説明してきたが、上記実施の形態は本発明の例示に過ぎず、本発明が上記実施の形態に限定されるものではないことは明らかである。したがって、本発明の技術思想及び範囲を逸脱しない範囲で構成要素の追加、省略、置換、その他の変更を行っても良い。

複数の基地局が同一周波数チャネルを用いて信号送信を行う無線アクセスシステムにおいて、各基地局が協調的に信号伝送を行うことが不可欠な用途に適用できる。

１００・・・ネットワーク、１０１・・・制御局、１０２、１２３・・・通信制御部、１０３・・・受信処理部、１０４・・・送信処理部、１０５・・・ネットワークインターフェース、１０６、１２２・・・ＭＡＣ層処理部、１０７、１２４・・・受信信号処理部、１０８、１２５・・・チャネル情報取得部、１０９・・・受信ウェイト生成部、１１０、１２６・・・送信信号処理部、１１１・・・送信ウェイト生成部、１１２ａ〜１１２ｄ・・・基地局、１１３ａ〜１１３ｈ・・・有線回線、１１４、１１４ａ〜１１４ｂ・・・端末局、１２１・・・データ入出力部、１２７ａ〜１２７ｂ・・・アンテナ、８０１・・・基地局、８０２−１、８０２−２、８０２−３・・・端末装置

Claims (4)

1. アンテナを備えた複数の基地局と、前記基地局それぞれと接続された制御局と、前記基地局のいずれかと通信を行うアンテナを備えた複数の端末局とを含み、前記複数の基地局が当該基地局に接続する前記複数の端末局と同一時刻に同一周波数上で通信を行う無線通信システムにおける前記制御局として動作する無線通信装置であって、
   前記複数の基地局と前記複数の端末局の組み合わせの全てないしは一部において、前記基地局及び前記端末局が備えるアンテナ間のチャネル情報を取得するチャネル情報取得手段と、
   前記チャネル情報取得手段により取得した前記チャネル情報の推定精度が所定の閾値よりも低い場合において、該チャネル情報をゼロに置換するチャネル情報ゼロ置換手段と、
   前記複数の基地局と前記複数の端末局が備えるアンテナ間の前記チャネル情報を要素とする全体のチャネル行列を用いて空間分割多重伝送における送信ウェイト及びまたは受信ウェイトを算出するウェイト算出手段と、
   前記ウェイト算出手段により算出された前記送信ウェイト及びまたは前記受信ウェイトを用いて前記複数の基地局と前記複数の端末局との間において空間分割多重伝送を実施させる通信制御手段と
   を備えたことを特徴とする無線通信装置。
2. 前記チャネル情報取得手段は、回線設計から算出される推定精度が所定の閾値を超えた前記基地局と前記端末局の組み合せに対してのみ前記チャネル情報の取得を実施し、
   前記チャネル情報ゼロ置換手段は、前記チャネル情報の取得を実施しない前記基地局と前記端末局の組み合せに対してのみ前記チャネル情報にゼロ置換を行なうことを特徴とする請求項１に記載の無線通信装置。
3. アンテナを備えた複数の基地局と、前記基地局それぞれと接続された制御局と、前記基地局のいずれかと通信を行うアンテナを備えた複数の端末局とを含み、前記複数の基地局が当該基地局に接続する前記複数の端末局と同一時刻に同一周波数上で通信を行う無線通信システムであって、
   前記制御局は、
   前記複数の基地局と前記複数の端末局の組み合わせの全てないしは一部において、前記基地局及び前記端末局の備えるアンテナ間のチャネル情報を取得するチャネル情報取得手段と、
   前記チャネル情報取得手段により取得した前記チャネル情報の推定精度が所定の閾値よりも低い場合において、該チャネル情報をゼロに置換するチャネル情報ゼロ置換手段と、
   前記複数の基地局と前記複数の端末局の備えるアンテナ間のチャネル情報を要素とする全体のチャネル行列を用いて空間分割多重伝送における送信ウェイト及びまたは受信ウェイトを算出するウェイト算出手段と、
   前記ウェイト算出手段により算出された前記送信ウェイト及びまたは前記受信ウェイトを用いて前記複数の基地局と前記複数の端末局との間において空間分割多重伝送を実施させる通信制御手段と
   を備えたことを特徴とする無線通信システム。
4. アンテナを備えた複数の基地局と、前記基地局それぞれと接続された制御局と、前記基地局のいずれかと通信を行うアンテナを備えた複数の端末局とを含み、前記複数の基地局が当該基地局に接続する前記複数の端末局と同一時刻に同一周波数上で通信を行う無線通信システムにおける前記制御局が行う無線通信方法であって、
   前記複数の基地局と前記複数の端末局の組み合わせの全てないしは一部において、前記基地局及び前記端末局の備えるアンテナ間のチャネル情報を取得するチャネル情報取得ステップと、
   前記チャネル情報取得ステップにより取得した前記チャネル情報の推定精度が所定の閾値よりも低い場合において、該チャネル情報をゼロに置換するチャネル情報ゼロ置換ステップと、
   前記複数の基地局と前記複数の端末局の備えるアンテナ間のチャネル情報を要素とする全体のチャネル行列を用いて空間分割多重伝送における送信ウェイト及びまたは受信ウェイトを算出するウェイト算出ステップと、
   前記ウェイト算出ステップにより算出された前記送信ウェイト及びまたは前記受信ウェイトを用いて前記複数の基地局と前記複数の端末局との間において空間分割多重伝送を実施させる通信制御ステップと
   を有することを特徴とする無線通信方法。

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