JP4216304B2 - 無線通信方法、無線通信システムおよび無線局装置 - Google Patents

Description

本発明は、同一の周波数チャネルを用い、異なる複数の送信アンテナを用いてそれぞれ独立な信号系列を空間多重して送信する送信無線局装置と、複数の受信アンテナを用いて信号を受信する受信無線局装置と、を有し、各送受信アンテナ間の伝達関数行列をもとに受信無線局装置側でデータの復調を行うＭＩＭＯ（Multiple-Input Multiple-Output）通信を実現する高速無線アクセスシステムにおいて、ひとつの無線局装置と他の複数の無線局装置が同時に且つ同一周波数チャネル上で空間多重して通信を行うマルチユ−ザＭＩＭＯ通信技術に関する。

近年、２．４ＧＨｚ帯または５ＧＨｚ帯を用いた高速無線アクセスシステムとして、ＩＥＥＥ８０２．１１ｇ規格、ＩＥＥＥ８０２．１１ａ規格などの普及が目覚しい。これらのシステムでは、マルチパスフェージング環境での特性を安定化させるための技術である直交周波数分割多重（ＯＦＤＭ : Orthogonal Frequency Division Multiplexing）変調方式を用い、最大で５４Ｍｂｐｓの伝送速度を実現している。ただし、ここでの伝送速度とは物理レイヤ上での伝送速度であり、実際にはＭＡＣ（Medium Access Control）レイヤでの伝送効率が５０〜７０％程度であるため、実際のスループットの上限値は３０Ｍｂｐｓ程度である。

一方で、有線ＬＡＮの世界ではＥｔｈｅｒｎｅｔ（登録商標）の１００Ｂａｓｅ−Ｔインタフェースをはじめ、各家庭にも光ファイバを用いたＦＴＴＨ（Fiber to the home）の普及から、１００Ｍｂｐｓの高速回線の提供が普及しており、無線ＬＡＮの世界においても更なる伝送速度の高速化が求められている。

そのための技術としては、ＭＩＭＯ技術が有力である。このＭＩＭＯ技術とは、送信局側において複数の送信アンテナから同一チャネル上で異なる独立な信号を送信し、受信局側において同じく複数のアンテナを用いて信号を受信し、各送信アンテナ／受信アンテナ間の伝達関数行列を求め、この行列を用いて送信局側で各アンテナから送信した独立な信号を推定し、データを再生するものである。

ここで、Ｎ本の送信アンテナを用いてＮ系統の信号を送信し、Ｍ本のアンテナを用いて信号を受信する場合を考える。まず、送受信局の各アンテナ間にはＭ×Ｎ個の伝送のパスが存在し、第ｉ送信アンテナから送信され第ｊ受信アンテナで受信される場合の伝達関数をｈ_ｊ、ｉとし、これを第（ｊ、ｉ）成分とするＭ行Ｎ列の行列をＨと表記する。さらに、第ｉ送信アンテナからの送信信号をｔ_ｉとし（ｔ_１，ｔ_２，ｔ_３…ｔ_Ｎ）を成分とする列ベクトルをＴｘ、第ｊ受信アンテナでの受信信号をｒ_ｊとし（ｒ_１，ｒ_２，ｒ_３，…ｒ_Ｍ）を成分とする列ベクトルをＲｘ、第ｊ受信アンテナの熱雑音をｎ_ｊとし（ｎ_１，ｎ_２，ｎ_３，… ｎ_Ｍ）を成分とする列ベクトルをｎと表記する。この場合、以下の関係式（１）が成り立つ。

したがって、受信局側で受信した信号Ｒｘをもとに、送信信号Ｔｘを推定する技術が求められている。このＭＩＭＯ通信においては、伝搬路の情報を利用して、その伝搬路に対して最適な状況で信号を送信することにより、最も効率的に通信を行うことができる。例えば、「無線通信方法、並びに該方法を用いた無線通信システム」（国際公開第０５／０５５４８４号パンフレット）等に記載された固有モードＳＤＭ（Space division Multiplexing）方式を用いたＭＩＭＯ伝送においては、信号の伝送方向のＭＩＭＯチャネルの伝達関数行列Ｈを送信局側で取得できた場合に、この伝達関数行列に対応した送信信号の最適化を行う。具体的には、伝達関数行列Ｈとそのエルミート共役な行列Ｈ^Ｈ（右肩の「Ｈ」の記号はエルミート共役を表す）の積を対角化可能なユニタリ行列Ｕを取得し、このユニタリ行列で送信信号を変換して信号を送信する。このユニタリ変換行列Ｕと伝達関数行列Ｈの間には以下の関係式（２）が成り立つ。

ここで、右辺の行列Λは対角成分のみが値を持ち、その他の成分がゼロである対角行列である。この様な特徴を持つユニタリ行列Ｕを列ベクトルＴｘに作用させて信号を送信することにより、（式１）は以下の式（３）の様に変換される。

この変換により、送信信号はＭＩＭＯチャネル毎に直交化され、受信側での処理において簡易なＺＦ（Zero Forcing）方式を用いた場合であっても、各送信信号をＭＩＭＯチャネル毎のＳＮＲ特性が良好になるように調整される。また、このユニタリ行列の各列ベクトルは、送信信号である列ベクトルＴｘの各成分を各送信アンテナに分配する際の各アンテナに乗算する係数（以降、「送信ウェイト」と呼ぶ）を与える。この送信ウェイトを用いることで、各ＭＩＭＯチャネル毎に直交したビーム形成を行い、それぞれのビーム（固有ビーム）に相当するチャネルの利得がその固有ベクトルの固有値となる。したがって、全ＭＩＭＯチャネルのチャネル容量Ｃの上限は以下の式（４）で与えられる。

ここで式（４）におけるＢは帯域幅、Ｐ_ｉは第ｉ番のＭＩＭＯチャネルの総送信電力、σ^２は雑音電力の分散値を意味する。この式から、どの程度の伝送レートの伝送モード（ここではＱＰＳＫ，６４ＱＡＭ等の変調方式と誤り訂正の符号化率の組み合わせにより規定されるモードを「伝送モード」と定義する）を適用可能か、またさらにどの程度の数のＭＩＭＯチャネルを多重化できるかが推定できる。

ちなみに、式（４）の中の送信電力Ｐ_ｉは全てのＭＩＭＯチャネルに共通の値である必要はなく、また各ＭＩＭＯチャネル毎に伝送モードを変更しても構わない。一般に、注水定理と呼ばれる手法を用いることでこのＰ_ｉの値を最適化することが可能である。この中で、Ｐ_ｉ＝０となるＭＩＭＯチャネルが存在した場合、そのチャネルは実際の伝搬には用いずに、他のＭＩＭＯチャネルに電力を配分した方が効率的であることを意味している。つまり、ＭＩＭＯの多重数を元々の上限値よりも少なく設定することになる。この様にして、多重化するＭＩＭＯチャネルの最適値を判断することも可能である。

以上の固有モードＳＤＭ技術は、送信側で指向性を持った送信ビームを形成し、空間上で多重化する信号を受信側で効率的に信号分離できるようにするものである。ここで、通常のＭＩＭＯ通信、すなわちひとつの送信局とひとつの受信局の間で通信を行うをシングルユーザＭＩＭＯ通信と呼ぶ。無線ＬＡＮや携帯電話等を例に見れば、基地局はサイズ的に比較的大きく、端末局側はポータブルな端末としてサイズは基地局よりも大幅に小さい。この様な小型端末の中に、ＭＩＭＯ通信のための複数のアンテナを実装しても、アンテナ間の距離が短く、アンテナ相関が非常に大きくなってしまう。この場合、（式４）における固有値λ_ｉの値は小さくなる傾向にあり、実際に通信に利用できるＭＩＭＯチャネル数はそれほど多くはない。この様なケースにおいて、ひとつひとつの端末との間では空間多重するＭＩＭＯチャネル数を少なくする一方、複数の異なる端末と同時に同一周波数チャネルで通信するマルチユーザＭＩＭＯ通信が有効である。

図１にマルチユーザＭＩＭＯシステムの構成例を示す。図１において、１０１は基地局、１０２〜１０４は端末局＃１〜＃３を示す。実際にひとつの基地局が収容する端末局数は多数であるが、その中の数局を選び出し（図１では端末局１０２〜１０４）、通信を行う。各端末局は基地局と比較して送受信アンテナ数が一般的に少ない。例えば基地局から端末局方向への通信（ダウンリンク）を行う場合を考える。基地局（１０１）は多数のアンテナを用いて、複数の指向性ビームを形成する。例えば、各端末（１０２〜１０４）に対してそれぞれ３つのＭＩＭＯチャネルを割り当て、全体としては９系統の信号系列を送信する場合を考える。その際、端末局（１０２）に対して送信する信号は、端末局（１０３）および端末局（１０４）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局（１０３）および端末局（１０４）への干渉を抑制する。同様に、端末局（１０３）に対して送信する信号は、端末局（１０２）および端末局（１０４）方向には指向性利得が極端に低くなるように調整する。同様の処理を端末局（１０４）にも施す。

この様に指向性制御を行う理由は、例えば端末局（１０２）においては、端末局（１０３）および端末局（１０４）で受信した信号の情報を知る術がないため、端未間での協調的な受信処理ができない。つまり、アンテナが３本しかない端末局（１０２）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厳しい。そこで、各端末局には他の端末局宛の信号が受信されないように、送信側で干渉分離を事前に行う。

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、以下に説明を加える。例えば図１において、端末局（１０２）の第１受信アンテナと基地局（１０１）の第ｊアンテナとの間の伝達関数をｈ_１ｊと表記することにする。基地局（１０１）のｊ＝１〜９の全てのアンテナに関する伝達関数を用い、行ベクトルｈ_１を（ｈ_１１，ｈ_１２，ｈ_１３，…，ｈ_１８，ｈ_１９）と表記する。同様に端末局（１０２）の第２受信アンテナ、第３受信アンテナと基地局（１０１）との伝達関数をそれぞれｈ_２ｊおよびｈ_３ｊとし、対応する行ベクトルｈ_２およびｈ_３を（ｈ_２１，ｈ_２２，ｈ_２３，…、ｈ_２８，ｈ_２９）、（ｈ_３１，ｈ_３２，ｈ_３３，…，ｈ_３８，ｈ_３９）とする。端末局（１０３）、端末局（１０４）の受信アンテナにも同様の連番をふり、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）とする。加えて、基地局（１０１）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表記する。ここで、右肩のＴはベクトル、行列の転置を表す。また同様に、端末局（１０２〜１０４）の９本のアンテナでの受信信号を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、全体伝達関数行列Ｈ^{［ａｌｌ］}と表記する。この様に表記した場合、システム全体としては以下の関係式が成り立つ。

これはシングルユーザＭＩＭＯにおける（式１）に対応する。同様に（式３）に示すような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、（式３）を以下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ｗ_１〜ｗ_９に分解し、Ｗ＝（ｗ_１，ｗ_２，ｗ_３，…，ｗ_８，ｗ_９）と表記すると、以下の様に表せる。

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の積（各成分の乗算したものの総和をとった値のことである。一方のベクトルの複素共役をとったものとの積ではないので、複素ベクトルの場合にはベクトルの内積とは異なる演算である。）が全てゼロになるようにｗ_１〜ｗ_３を選ぶことを考える。同様に、行ベクトルｈ_１〜ｈ_３およびｈ_７〜ｈ_９と列ベクトルｗ_４〜ｗ_６の積、行ベクトルｈ_１〜ｈ_６と列ベクトルｗ_７〜ｗ_９の積の全てがゼロになるように選ぶことにする。すると、（式７）に示す９行９列の行列は、３行３列の９個の部分行列を用いて表記すると以下のように表すことができる。

ここで、この式において部分行列Ｈ^［１］、Ｈ^［２］、Ｈ^［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。この様な条件を満たす変換行列Ｗを選択することで、（式８）は以下の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。この様にして、３つのシングルユーザＭＩＭＯ通信とみなすことができるようになる。
なお、以上の説明においては端末局（１０２〜１０４）のそれぞれにおいて、各受信アンテナ毎の受信信号を線形合成するための受信ウエイトを仮定せずに説明したが、一般には各端末局において用いるであろう受信ウエイトを想定し、その受信ウエイトを用いた場合に同様の端末局間の信号分離を行うことができればよい。
工藤理一 他、「マルチユーザＭＩＭＯ用下り回線送信指向性制御の屋内実環境における伝送容量評価」、電子情報通信学会２００６年総合大会Ｂ−１−２７７

上述したように、従来技術によりマルチユーザＭＩＭＯ通信が実現可能であるが、例えばＩＥＥＥ８０２．１１ａ／ｂ／ｇ等の無線ＬＡＮで用いられるパケットベースの通信においては問題が残る。これらの無線システムでは、有線区間ではデータ長が可変のＥｔｈｅｒｎｅｔ（登録商標）フレームと呼ばれるパケットを用いて通信を行う。このパケット長は６４バイトから１５１８バイトの間で可変である。また、ＩＥＥＥ８０２．１１ａ／ｂ／ｇ等の無線ＬＡＮシステムでは適応変調が採用され、ＢＰＳＫ、ＱＰＳＫ、１６ＱＡＭ、６４ＱＡＭ等の様々な伝送速度の変調モードを状況に応じて可変制御する。また、先ほどから説明しているＭＩＭＯ通信においても、空間多重する信号系列の多重数を変えれば、同様に伝送速度も可変となる。これらの理由のため、ある端末局との通信に必要となる所要時間は、パケット長に比例すると共に、伝送速度に反比例する。したがって、各端末毎に所要時間にばらつきが発生する。

この状況を図６の従来技術におけるマルチユーザＭＩＭＯ通信のフレーム構成例で示す。この図において、３０１はシグナル用プリアンブル、３０２はシグナル情報、３０３−１〜３０３−３はＭＩＭＯチャネル推定用ロングプリアンブル、３０４−１〜３０４−３はデータペイロードを示す。図６においては横軸は時間を表し、最初にシグナル用プリアンブル（３０１）、次にシグナル情報（３０２）、次にＭＩＭＯチャネル推定用ロングプリアンブル（３０３−１〜３０３−３）、次にデータペイロード（３０４−１〜３０４−３）の順番で送信される。また、ＭＩＭＯチャネル推定用ロングプリアンブル（３０３−１）とデータペイロード（３０４−１）は同一の端末局宛の信号であり、空間多重されたＭＩＭＯ通信をここで行う。

同時に、別の端末局とはＭＩＭＯチャネル推定用ロングプリアンブル（３０３−２）とデータペイロード（３０４−２）、及びＭＩＭＯチャネル推定用ロングプリアンブル（３０３−３）とデータペイロード（３０４−３）を用いて通信する。シグナル情報（３０２）では、後続するＭＩＭＯ通信の割り当ての情報が収容され、データペイロード（３０４−１〜３０４−３）の長さや各端末局に対する伝送速度、空間多重数等の情報が指示される。

一例として、例えばＩＥＥＥ８０２．１１ａ／ｇ等のパラメータを想定し、端末局（１０２）とは６４バイトの信号を伝送速度５４Ｍｂｉｔ／ｓにて通信し、端末局（１０３）とは５００バイトの信号を伝送速度３６Ｍｂｉｔ／ｓにて通信し、端末局（１０４）とは１５１８バイトの信号を伝送速度３６Ｍｂｉｔ／ｓにて通信する場合を考える。この場合、端末局（１０２）との通信は３ＯＦＤＭシンボルで完了するのに対し、端末局（１０３）との通信は２８ＯＦＤＭシンボルを要し、さらに端末局（１０４）との通信は８４ＯＦＤＭシンボルを要する。この様なばらつきがあると、空間多重を行うリソースを有効に活用することができない。したがって、より効率的なマルチユーザＭＩＭＯ通信における空間多重の方法が求められている。

そこでこの発明は、効率的なマルチユーザＭＩＭＯ通信における空間多重することができる無線通信方法、無線通信システムおよび無線局装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明は、第１無線局装置と複数の第２無線局装置により構成され、前記第１無線局装置は複数本のアンテナで構成される第１アンテナ群を備え、前記第２無線局装置はひとつまたは複数本のアンテナで構成される第２アンテナ群を備え、前記第１無線局装置の前記第１アンテナ群と、前記第２無線局装置の全てないしはその一部の前記第２アンテナ群とによるＭＩＭＯ（Multiple Input Multiple Output）チャネルを介して、複数の信号系統を同一周波数チャネルおよび同一時刻に空間多重してＭＩＭＯ通信する無線通信システムにおける無線通信方法であって、前記第１無線局装置が、前記第１無線局装置から前記第２無線局装置方向のフォワードリンク通信におけるデータ、または前記第２無線局装置から前記第１無線局装置方向のバックワード通信におけるデータの有無を前記第２無線局装置毎に検出するステップと、該ステップにおいて前記フォワードリンクまたは前記バックワードリンクのいずれかの通信におけるデータがあると判断された前記第２無線局装置の中からＮ局（Ｎ≧３，Ｎは整数）の第２無線局装置を通信相手予備候補局として選択するステップと、該選択した通信相手予備候補局毎に、送信データ長および通信に用いる空間多重数および各信号系列の伝送速度情報を取得するステップと、前記通信相手予備候補局毎に、前記送信データ長をその送信データを送信する際における空間多重数を考慮した伝送速度で除算した値を換算情報量として算出するステップと、全ての通信相手予備候補局の中からＭ局（Ｎ＞Ｍ≧２，Ｍは整数）の第２無線局装置を通信相手候補局として選択し、当該選択した通信相手候補局それぞれの前記換算情報量の総和の算出と、前記選択した通信相手候補局それぞれの前記換算情報量のうちの最大値検出とを行うステップと、前記換算情報量の総和を換算情報量の最大値で除算した値を収容効率とし、該収容効率が最大となるＭ局の通信相手候補局の組み合わせを前記通信相手予備候補局の中から検索するステップと、前記検索した無線局装置を通信相手としてデータ通信を行うステップと、を有することを特徴とする無線通信方法無線通信方法である。

また本発明は、上述の無線通信方法であって、前記第１無線局装置が、前記通信相手予備候補局に対する換算情報量を取得した後、該換算情報量に応じて、当該換算情報量を昇順または降順にソーティングするステップと、前記ソーティングされた換算情報量に対し、連続したＭ個の換算情報量それぞれに対応する第２無線局装置をＭ局の通信相手候補局として選択するステップと、を有することを特徴とする。

また本発明は、上述の無線通信方法であって、前記第１無線局装置が、前記通信相手候補局として選択されなかった無線局装置についての選択待ち状態継続時間、または通信相手候補局として選択されなかった当該選択処理ルーチンの回数を管理するステップと、前記待ち状態継続時間または前記選択処理ルーチンの回数が、所定の閾値を越えた通信相手予備候補局を特定するステップと、該特定した通信相手予備候補局となる無線局装置を通信相手としてデータ通信を行うステップと、を有することを特徴とする。

また本発明は、第１無線局装置と複数の第２無線局装置により構成され、前記第１無線局装置は複数本のアンテナで構成される第１アンテナ群を備え、前記第２無線局装置はひとつまたは複数本のアンテナで構成される第２アンテナ群を備え、前記第１無線局装置の前記第１アンテナ群と、前記第２無線局装置の全てないしはその一部の前記第２アンテナ群とによるＭＩＭＯ（Multiple Input Multiple Output）チャネルを介して、複数の信号系統を同一周波数チャネルおよび同一時刻に空間多重してＭＩＭＯ通信する無線通信システムであって、前記第１無線局装置が、前記第１無線局装置から前記第２無線局装置方向のフォワードリンク通信におけるデータ、または前記第２無線局装置から前記第１無線局装置方向のバックワード通信におけるデータの有無を前記第２無線局装置毎に検出する手段と、該手段において前記フォワードリンクまたは前記バックワードリンクのいずれかの通信におけるデータがあると判断された前記第２無線局装置の中からＮ局（Ｎ≧３，Ｎは整数）の第２無線局装置を通信相手予備候補局として選択する手段と、該選択した通信相手予備候補局毎に、送信データ長および通信に用いる空間多重数および各信号系列の伝送速度情報を取得する手段と、前記通信相手予備候補局毎に、前記送信データ長をその送信データを送信する際における空間多重数を考慮した伝送速度で除算した値を換算情報量として算出する手段と、全ての通信相手予備候補局の中からＭ局（Ｎ＞Ｍ≧２，Ｍは整数）の第２無線局装置を通信相手候補局として選択し、当該選択した通信相手候補局それぞれの前記換算情報量の総和の算出と、前記選択した通信相手候補局それぞれの前記換算情報量のうちの最大値検出とを行う手段と、前記換算情報量の総和を換算情報量の最大値で除算した値を収容効率とし、該収容効率が最大となるＭ局の通信相手候補局の組み合わせを前記通信相手予備候補局の中から検索する手段と、前記検索した無線局装置を通信相手としてデータ通信を行う手段と、を備えることを特徴とする無線通信システムである。

また本発明は、上述の無線通信システムにおいて、前記第１無線局装置が、前記通信相手予備候補局に対する換算情報量を取得した後、該換算情報量に応じて、当該換算情報量を昇順または降順にソーティングする手段と、前記ソーティングされた換算情報量に対し、連続したＭ個の換算情報量それぞれに対応する第２無線局装置をＭ局の通信相手候補局として選択する手段と、を備えることを特徴とする。

また本発明は、上述の無線通信システムにおいて、前記第１無線局装置が、前記通信相手候補局として選択されなかった無線局装置についての選択待ち状態継続時間、または通信相手候補局として選択されなかった当該選択処理ルーチンの回数を管理する手段と、前記待ち状態継続時間または前記選択処理ルーチンの回数が、所定の閾値を越えた通信相手予備候補局を特定する手段と、該特定した通信相手予備候補局となる無線局装置を通信相手としてデータ通信を行う手段と、を備えることを特徴とする。

また本発明は、第１無線局装置と複数の第２無線局装置により構成され、前記第１無線局装置は複数本のアンテナで構成される第１アンテナ群を備え、前記第２無線局装置はひとつまたは複数本のアンテナで構成される第２アンテナ群を備え、前記第１無線局装置の前記第１アンテナ群と、前記第２無線局装置の全てないしはその一部の前記第２アンテナ群とによるＭＩＭＯ（Multiple Input Multiple Output）チャネルを介して、複数の信号系統を同一周波数チャネルおよび同一時刻に空間多重してＭＩＭＯ通信する無線通信システムにおける前記第１無線局装置であって、前記第１無線局装置から前記第２無線局装置方向のフォワードリンク通信におけるデータ、または前記第２無線局装置から前記第１無線局装置方向のバックワード通信におけるデータの有無を前記第２無線局装置毎に検出する手段と、該手段において前記フォワードリンクまたは前記バックワードリンクのいずれかの通信におけるデータがあると判断された前記第２無線局装置の中からＮ局（Ｎ≧３，Ｎは整数）の第２無線局装置を通信相手予備候補局として選択する手段と、該選択した通信相手予備候補局毎に、送信データ長および通信に用いる空間多重数および各信号系列の伝送速度情報を取得する手段と、前記通信相手予備候補局毎に、前記送信データ長をその送信データを送信する際における空間多重数を考慮した伝送速度で除算した値を換算情報量として算出する手段と、全ての通信相手予備候補局の中からＭ局（Ｎ＞Ｍ≧２，Ｍは整数）の第２無線局装置を通信相手候補局として選択し、当該選択した通信相手候補局それぞれの前記換算情報量の総和の算出と、前記選択した通信相手候補局それぞれの前記換算情報量のうちの最大値検出とを行う手段と、前記換算情報量の総和を換算情報量の最大値で除算した値を収容効率とし、該収容効率が最大となるＭ局の通信相手候補局の組み合わせを前記通信相手予備候補局の中から検索する手段と、該検索において収容効率が最大となる通信相手候補局である無線局装置を通信相手としてデータ通信を行う手段と、を備えることを特徴とする無線局装置である。

本発明によれば、マルチユーザＭＩＭＯ通信において端末局装置毎にデータの送信に要する所要時聞が異なり、その結果、ある端末局装置は早くデータ送信が終わり、他の端末局装置はデータ送信に長い時間を要するといった事態が発生することによる、マルチユーザＭＩＭＯ通信中に安定して高い空間多重数を維持することかできないといった問題を解決し、時間的に周波数資源を効率よく利用して空間多重の通信を実現することが可能となる。

以下、本発明の一実施形態による無線通信システムを図面を参照して説明する。図１は同実施形態による無線通信システムの構成を示すブロック図である。この図において、符号１０１は基地局装置、１０２〜１０３は端末局装置である。なお図１においては端末局装置は３つのみ示したが、無線通信システムにおいて端末局装置は３つ以上存在していてもよい。ここで、基本的に、マルチユーザＭＩＭＯを行う場合、無線通信システムにおいては、同時に空間多重を行う端末局装置の選択は基地局において行う。これは、ダウンリンクの場合のみならず、アップリンクにおいても各端末局装置の送信データの有無、およびその情報量等を基地局装置が逐次収集し、これらの情報をもとに帯域割り当て管理を行う。基地局装置１０１は、ダウンリンクまたはアップリンクのいずれかを選択し、端末局装置とデータの送受信を行うと判断した場合には、その時点で同時に空間多重を行う端末局装置の組合せ判断処理を開始する。以下に示す処理フローは、その組合せ判断処理開始（ステップＳ１）から、端末局装置の選択（グループ化）完了（ステップＳ１１）までの処理を示すものである。

図２に、本発明の第１の実施形態における空間多重を行う端末局装置選択の処理フローを示す。
図２より、まず、基地局装置１０１は、選択処理開始（ステップＳ１）の後、端末局装置（１０２〜１０４）の中から送信すべきデータがある端末局装置を検索し、その中から今回のデータ送信において通信を行う端末局装置の予備候補（すなわち通信相手予備候補局）をＮ（Ｎ≧３：Ｎは整数）局選択する（ステップＳ２）。次に基地局装置１０１は、選択した端末局装置の予備候補に関するデータ長、伝送速度情報を各予備候補の端末局装置より取得する（ステップＳ３）。その後、取得したデータ長を伝送速度で除算し、換算情報量（つまり、そのデータを送信するのに要する所要時間）を導く（ステップＳ４）。そして、以上の処理を行った後、ステップＳ４の算出結果に基づいて、選択したＮ局の予備候補の端末局装置の中から、Ｍ局（Ｍ≧２：Ｍは整数）を通信相手候補局として選択し（ステップＳ５）、それらの端末局装置に対する換算情報量の総和Ｌ_{ｔｏｔａｌ}を算出するとともに（ステップＳ６）、その中の換算情報量のうちの最大値Ｌ_ｍａｘを検索する（ステップＳ７）。そしてステップＳ６およびステップＳ７の処理をもとに、収容効率としてＬ_{ｔｏｔａｌ}／Ｌ_ｍａｘを算出する（ステップＳ８）。なおこの収容効率が大きい値になるほど、通信相手候補となったＭ局の各端末局装置と基地局装置の間の通信に要する所要時間のばらつきが少ないことを示している。

以上の収容効率の計算は、予備候補全体のＮ局の端末局装置の中から、Ｍ局の端末局装置を適宜選び実施する。このＭ局の選択の具体的な方法については第２の実施形態において後述するが、一般には如何なる方法で選択を行ってもよい。つまり、Ｎ局からＭ局を選ぶ全ての組合せである必要はなく、全組合せの中の一部の組合せに対して限定的に評価を行ってもよい。したがって、ステップＳ９において、続けてＭ局の組合せについて収容効率の評価を行うと判断した場合には、上述したステップＳ５〜ステップＳ８を繰り返し行う。また、ステップＳ５からステップＳ９までは、各Ｍ局の組合せにおいて直列的に順番に処理を行う例を示したが、並列的に処理を実施しても構わない。そして、ここで想定している全ての組合せのＭ局の収容効率の算出が完了したと判断すると（ステップＳ９）、基地局装置１０１は収容効率が最大となる組合せのＭ局を選択し（ステップＳ１０）選択処理を完了する（ステップＳ１１）。その後、基地局装置１０１はステップＳ１０において選択したＭ局の端末局装置の組合せで通信を行う。つまり、収容効率が最大となったＭ局の組合せを選択することにより、それらＭ局の各端末局装置との通信に要する時間のばらつきを小さく抑えることが可能となり、端末局装置と基地局装置の間の通信おいて、時間的に周波数資源を効率よく利用して通信することができることとなる。

なお、ここでのデータ長とは、送信されるべき具体的なデータとして例えばＥｔｈｅｒｎｅｔ（登録商標）パケットのパケット長であってもよいし、ＩＥＥＥ８０２．１１等の無線ＬＡＮであれば各種ＭＡＣヘッダ等のオーバヘッド部を含めた長さであっても良い。さらには、ＩＥＥＥ８０２．１１ｎ等の様に、複数のＥｔｈｅｒｎｅｔ（登録商標）パケットを合成して長い無線用のパケットを生成する場合には、その無線用のパケットのペイロード長であっても良い。さらには、ＨｉＳＷＡＮａの様に、固定長の無線用パケットを複数個収容する場合には、その収容すべき無線用パケットの全体の長さであっても良い。また、送信すべきデータが膨大であり、一度に全てを送信せずに、その一部を送信しても構わない。この場合には、一度に送信すべきデータの総量をデータ長とみなす。

また、ここでは空間多重を行う局数をＭ局と固定して説明を行っているが、状況に応じて動的に変更を行っても構わない。その中では、Ｍ＝１としてマルチユーザＭＩＭＯでの通信を行わない時間帯があっても構わない。この際には、１局の無線局のみを選択して通信するため、図２の選択処理フローは使用しない。この様に、マルチユーザＭＩＭＯとシングルユーザＭＩＭＯ（ないしはＳＩＳＯ）伝送が適宜切り替わる場合には、時間的に第１の実施例に示す選択処理を行う時間帯と、行わない時間帯が切り替えられて運用されることになる。

また同様に、Ｎの値も動的に変更を行っても構わない。例えば、Ｎの目標値（ないしはＮの上限値）をＮ＝８と設定した際に、実際にデータを有する端末がこの値に満たないことは容易に想定される。例えば端末局の４局しかデータが無ければ、Ｎ＝４として処理を進めればよい。この際、Ｎ≦Ｍとなる場合があるが、この様な条件においては図２の選択処理は使用する必要がなくなる。この場合にも、選択処理を行う時間帯と選択処理を行わない時間帯を切り替え、必要な時にのみ上記の選択処理を行えばよい。

ここで、Ｎの目標値（ないしはＮの上限値）を大きく設定すると回路規模や処理能力においてインパクトがある場合が多く、本発明の第1の実施形態はこの値を小さめに設定する場合を例にとり、送信すべきデータのある端末局数よりも少ないＮ局を通信相手予備候補局として選択する場合の説明を行っていた。しかしＮの目標値（ないしはＮの上限値）を基地局が収容可能な端末局数の上限値に設定すれば、実効的には本発明におけるステップＳ２の処理は、単に送信すべきデータがある端末局を検索する処理（検索した結果をＮ局の通信相手予備候補局と設定する処理）とみなすことが可能である。

さらに、ステップＳ３において取得する伝送速度情報とは、ＢＰＳＫ、ＱＰＳＫ、１６ＱＡＭ、６４ＱＡＭ等の変調方式と誤り訂正の符号化率等の組合せで決まる伝送速度に加え、ＭＩＭＯ伝送の空間多重数などを考慮したものとして捉えるべきである。例えば、ＩＥＥＥ８０２．１１系の無線ＬＡＮにおいて、６４ＱＡＭ，Ｒ＝３／４（５４Ｍｂｐｓ）と１６ＱＡＭ，Ｒ＝３／４（３６Ｍｂｐｓ）の２つの信号系列をひとつの無線局との間で空間多重する場合には、合計で９０Ｍｂｐｓの伝送速度に相当する。この様に、伝送速度とはＭＩＭＯ伝送を含む、合計の伝送速度として扱う。

図３に、本発明の第２の実施形態における空間多重を行う端末局装置の処理フローを示す。
基本的な動作は第１の実施例と同一であるが、Ｎ局の通信相手予備候補局から、Ｍ局の通信相手候補局を選択する際に、全ての組合せを検索する際には_ＮＣ_Ｍ通りの組合せの選択肢があるのに対し、効率的な選択方法を適用することで検索範囲を狭める際の例である。具体的には、ステップＳ４の後、通信相手予備候補局のＮ局において、換算情報量が小さい方（または大きい方）から順番に並ぶようにソーティングを行い（ステップＳ１２）、それぞれの換算情報量を順番にＬ_１’、Ｌ_２’、Ｌ_３’、・・・、Ｌ_Ｎ’とする。ここで、連続した換算情報量をＭ個選び出すために、カウンタとしてｋを設定し、最初に値をリセットする（ステップＳ１３）。

その後、カウンタ値を１つ繰上げ（ステップＳ１４）、｛Ｌ_ｋ’，Ｌ_ｋ＋ｌ’，・・・，Ｌ_{ｋ＋Ｍ−１}’｝のＭ個の端末局装置（つまりＭ局）を選び出す（ステップＳ１５）。つまり、換算情報量を順番に並べた際の連続するＭ個の端末局装置を選択している。その後、従来どおりステップＳ６〜ステップＳ８を実施する。またステップＳ９に相当する処理としてｋ＝Ｎ−Ｍ＋１に一致しているかどうかを判断する（ステップＳ１６）。もしこの条件に該当すれば、これはステップＳ９の結果「選択処理の完了」に相当し、ステップＳ１０およびステップＳ１１を行う。

以上の処理により、_ＮＣ_Ｍ通りの組合せの選択肢に対し、Ｎ−Ｍ＋１通りの評価だけで済ませることが可能である。１例として、Ｎ＝１０、Ｍ＝４の場合を考えると、_１０Ｃ_４＝２１０通りであるのに対し、１０−４＋１＝７であり、１／３０の処理量で済ませることが出来る。ただし、この検索によって得られる結果は、全検索によって得られる結果と一致するため、特性の劣化は伴わない。

次に、図４に本発明の第３の実施形態における空間多重を行う端末局装置の処理フローを示す。
基本的な動作は第１の実施例と同一であるが、第１の実施例の説明の中でも述べたように、常に送受信の度に、図２（または図３）の様なユーザ選択処理を行うとは限らず、なんらかの適用除外条件に該当した場合には、ユーザ選択を行わずに送信処理を行う場合の例を示している。

具体的には、ステップＳ２において通信相手予備候補局として選択されながら、ステップＳ１０にて選択されずに残された端末局装置の送信待ち時間を管理し、これを判断材料に用いる。基地局装置１０１はステップＳ２で通信相手予備候補局を選択した後、新規に通信相手予備候補局に選ばれた無線局であれば、その選択時刻をメモリ等に記録する（ステップＳ１８）。その後、全ての通信相手予備候補局に対し、現在時刻と各通信相手予備候補局についてステップＳ１８で記録した時刻との差により送信待ち時間を算出する（ステップ１９）。この各端末局装置毎の送信待ち時間に対し、ある閾値を超えた端末局装置の有無を判断し（ステップＳ２０）、閾値を超えた通信相手予備候補局となる端末局装置があればその端末局装置を優先的に通信相手として選択し（ステップＳ２１）、通信を行う（ステップＳｌｌ）。閾値を超えていなければ、従来どおり処理Ｓ３〜処理Ｓ１０を実施する。同様の送信待ち時間の判断においては、必ずしも時刻情報を使う必要もなく、例えばステップＳ２で通信相手候補局に選ばれながらもステップＳ１０において選択されなかった回数を管理しても良い。

図５に、本発明の第４の実施形態における空間多重を行う端末局装置の処理フローを示す。
上述のステップＳ２で通信相手予備候補局を選択した後、新規に通信相手予備候補局に選ばれた端末局装置であれば、その送信待ち回数を管理するカウンタをリセットする（ステップＳ２２）。その後、全ての通信相手予備候補局の送信待ち回数のカウンタ値を参照し、閾値を超えた端末局装置の有無を判断し（ステップＳ２３）、閾値を超えた端末局装置があればその端末局装置を通信相手候補として優先的に選択し（ステップＳ２４）、当該端末局装置と通信を行う（ステップＳ１１）。閾値を超えていなければ、従来どおりステップＳ３〜ステップＳ１０を実施し、ステップＳ１０で選択されなかった通信相手予備候補局に関しては送信待ち回数のカウンタ値をカウントアップする（ステップＳ２５）。その後、処理Ｓ１１を行う。

なお上述の第３および第４の実施例の説明は、第１の実施例に加わる処理として示したが、同様に第２の実施例に加えた処理としてもよい。また、第３および第４の実施例では、本発明における端末局装置の選択処理の適用除外条件として、送信待ち時間や送信待ち回数を例にとって説明したが、その他の典型的な例としては、マルチユーザＭＩＭＯ伝送に非対応の端末局装置が混在して存在している場合なども該当する。この様な場合には、マルチユーザＭＩＭＯ伝送に非対応の端末局装置はシングルユーザＭＩＭＯないしはＳＩＳＯ伝送が基本となるため、当然、適用除外となる。また、送信すべきデータが送信バッファ内に存在する端末局装置の数が１ないし２であった場合、わざわざ端末局装置の選択処理を行う必要はないため、この場合にも同様の適用除外となる。また以上の処理において、各端末局と基地局との通信は必ずしもＭＩＭＯ通信（すなわち端末局あたりの空間多重数が２以上である通信）である必要はない。すなわち、全てないしは一部の端末局との空間多重数が１であっても、全体としてはマルチユーザ（複数端末局）との間で空間多重を行うＭＩＭＯ通信となり、本発明は適用可能である。

以上が本発明の実施形態の説明である。以上述べた実施形態は全て本発明を例示的に示すものであって限定的に示すものではなく、本発明は他の種々の変形態様及び変更態様で実施することが出来る。従って本発明の範囲は特許請求の範囲及びその均等範囲によってのみ規定されるものである。

上述の端末局装置や基地局装置は内部に、コンピュータシステムを有していても構わない。そして、上述した処理の過程は、プログラムの形式でコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記憶されており、このプログラムをコンピュータが読み出して実行することによって、上記処理が行われていても構わない。ここでコンピュータ読み取り可能な記録媒体とは、磁気ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、半導体メモリ等をいう。また、このコンピュータプログラムを通信回線によってコンピュータに配信し、この配信を受けたコンピュータが当該プログラムを実行するようにしても良い。

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良い。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）であっても良い。

無線通信システムの構成を示すブロック図である。 第１実施形態における空間多重を行う端末局装置選択の処理フローを示す。 第２実施形態における空間多重を行う端末局装置の処理フローを示す。 第３実施形態における空間多重を行う端末局装置の処理フローを示す。 第４実施形態における空間多重を行う端末局装置の処理フローを示す。 従来技術におけるマルチユーザＭＩＭＯ通信のフレーム構成例である。

符号の説明

１０１・・・基地局装置
１０２，１０３，１０４・・・端末局装置

Claims (7)

1. 第１無線局装置と複数の第２無線局装置により構成され、前記第１無線局装置は複数本のアンテナで構成される第１アンテナ群を備え、前記第２無線局装置はひとつまたは複数本のアンテナで構成される第２アンテナ群を備え、前記第１無線局装置の前記第１アンテナ群と、前記第２無線局装置の全てないしはその一部の前記第２アンテナ群とによるＭＩＭＯ（Multiple Input Multiple Output）チャネルを介して、複数の信号系統を同一周波数チャネルおよび同一時刻に空間多重してＭＩＭＯ通信する無線通信システムにおける無線通信方法であって、
   前記第１無線局装置が、
   前記第１無線局装置から前記第２無線局装置方向のフォワードリンク通信におけるデータ、または前記第２無線局装置から前記第１無線局装置方向のバックワード通信におけるデータの有無を前記第２無線局装置毎に検出するステップと、
   該ステップにおいて前記フォワードリンクまたは前記バックワードリンクのいずれかの通信におけるデータがあると判断された前記第２無線局装置の中からＮ局（Ｎ≧３，Ｎは整数）の第２無線局装置を通信相手予備候補局として選択するステップと、
   該選択した通信相手予備候補局毎に、送信データ長および通信に用いる空間多重数および各信号系列の伝送速度情報を取得するステップと、
   前記通信相手予備候補局毎に、前記送信データ長をその送信データを送信する際における空間多重数を考慮した伝送速度で除算した値を換算情報量として算出するステップと、
   全ての通信相手予備候補局の中からＭ局（Ｎ＞Ｍ≧２，Ｍは整数）の第２無線局装置を通信相手候補局として選択し、当該選択した通信相手候補局それぞれの前記換算情報量の総和の算出と、前記選択した通信相手候補局それぞれの前記換算情報量のうちの最大値検出とを行うステップと、
   前記換算情報量の総和を換算情報量の最大値で除算した値を収容効率とし、該収容効率が最大となるＭ局の通信相手候補局の組み合わせを前記通信相手予備候補局の中から検索するステップと、
   前記検索した無線局装置を通信相手としてデータ通信を行うステップと、
   を有することを特徴とする無線通信方法。
2. 前記第１無線局装置が、
   前記通信相手予備候補局に対する換算情報量を取得した後、該換算情報量に応じて、当該換算情報量を昇順または降順にソーティングするステップと、
   前記ソーティングされた換算情報量に対し、連続したＭ個の換算情報量それぞれに対応する第２無線局装置をＭ局の通信相手候補局として選択するステップと、
   を有することを特徴とする請求項１に記載の無線通信方法。
3. 前記第１無線局装置が、
   前記通信相手候補局として選択されなかった無線局装置についての選択待ち状態継続時間、または通信相手候補局として選択されなかった当該選択処理ルーチンの回数を管理するステップと、
   前記待ち状態継続時間または前記選択処理ルーチンの回数が、所定の閾値を越えた通信相手予備候補局を特定するステップと、
   該特定した通信相手予備候補局となる無線局装置を通信相手としてデータ通信を行うステップと、
   を有することを特徴とする請求項１に記載の無線通信方法。
4. 第１無線局装置と複数の第２無線局装置により構成され、前記第１無線局装置は複数本のアンテナで構成される第１アンテナ群を備え、前記第２無線局装置はひとつまたは複数本のアンテナで構成される第２アンテナ群を備え、前記第１無線局装置の前記第１アンテナ群と、前記第２無線局装置の全てないしはその一部の前記第２アンテナ群とによるＭＩＭＯ（Multiple Input Multiple Output）チャネルを介して、複数の信号系統を同一周波数チャネルおよび同一時刻に空間多重してＭＩＭＯ通信する無線通信システムであって、
   前記第１無線局装置が、
   前記第１無線局装置から前記第２無線局装置方向のフォワードリンク通信におけるデータ、または前記第２無線局装置から前記第１無線局装置方向のバックワード通信におけるデータの有無を前記第２無線局装置毎に検出する手段と、
   該手段において前記フォワードリンクまたは前記バックワードリンクのいずれかの通信におけるデータがあると判断された前記第２無線局装置の中からＮ局（Ｎ≧３，Ｎは整数）の第２無線局装置を通信相手予備候補局として選択する手段と、
   該選択した通信相手予備候補局毎に、送信データ長および通信に用いる空間多重数および各信号系列の伝送速度情報を取得する手段と、
   前記通信相手予備候補局毎に、前記送信データ長をその送信データを送信する際における空間多重数を考慮した伝送速度で除算した値を換算情報量として算出する手段と、
   全ての通信相手予備候補局の中からＭ局（Ｎ＞Ｍ≧２，Ｍは整数）の第２無線局装置を通信相手候補局として選択し、当該選択した通信相手候補局それぞれの前記換算情報量の総和の算出と、前記選択した通信相手候補局それぞれの前記換算情報量のうちの最大値検出とを行う手段と、
   前記換算情報量の総和を換算情報量の最大値で除算した値を収容効率とし、該収容効率が最大となるＭ局の通信相手候補局の組み合わせを前記通信相手予備候補局の中から検索する手段と、
   前記検索した無線局装置を通信相手としてデータ通信を行う手段と、
   を備えることを特徴とする無線通信システム。
5. 前記第１無線局装置が、
   前記通信相手予備候補局に対する換算情報量を取得した後、該換算情報量に応じて、当該換算情報量を昇順または降順にソーティングする手段と、
   前記ソーティングされた換算情報量に対し、連続したＭ個の換算情報量それぞれに対応する第２無線局装置をＭ局の通信相手候補局として選択する手段と、
   を備えることを特徴とする請求項４に記載の無線通信システム。
6. 前記第１無線局装置が、
   前記通信相手候補局として選択されなかった無線局装置についての選択待ち状態継続時間、または通信相手候補局として選択されなかった当該選択処理ルーチンの回数を管理する手段と、
   前記待ち状態継続時間または前記選択処理ルーチンの回数が、所定の閾値を越えた通信相手予備候補局を特定する手段と、
   該特定した通信相手予備候補局となる無線局装置を通信相手としてデータ通信を行う手段と、
   を備えることを特徴とする請求項４に記載の無線通信システム。
7. 第１無線局装置と複数の第２無線局装置により構成され、前記第１無線局装置は複数本のアンテナで構成される第１アンテナ群を備え、前記第２無線局装置はひとつまたは複数本のアンテナで構成される第２アンテナ群を備え、前記第１無線局装置の前記第１アンテナ群と、前記第２無線局装置の全てないしはその一部の前記第２アンテナ群とによるＭＩＭＯ（Multiple Input Multiple Output）チャネルを介して、複数の信号系統を同一周波数チャネルおよび同一時刻に空間多重してＭＩＭＯ通信する無線通信システムにおける前記第１無線局装置であって、
   前記第１無線局装置から前記第２無線局装置方向のフォワードリンク通信におけるデータ、または前記第２無線局装置から前記第１無線局装置方向のバックワード通信におけるデータの有無を前記第２無線局装置毎に検出する手段と、
   該手段において前記フォワードリンクまたは前記バックワードリンクのいずれかの通信におけるデータがあると判断された前記第２無線局装置の中からＮ局（Ｎ≧３，Ｎは整数）の第２無線局装置を通信相手予備候補局として選択する手段と、
   該選択した通信相手予備候補局毎に、送信データ長および通信に用いる空間多重数および各信号系列の伝送速度情報を取得する手段と、
   前記通信相手予備候補局毎に、前記送信データ長をその送信データを送信する際における空間多重数を考慮した伝送速度で除算した値を換算情報量として算出する手段と、
   全ての通信相手予備候補局の中からＭ局（Ｎ＞Ｍ≧２，Ｍは整数）の第２無線局装置を通信相手候補局として選択し、当該選択した通信相手候補局それぞれの前記換算情報量の総和の算出と、前記選択した通信相手候補局それぞれの前記換算情報量のうちの最大値検出とを行う手段と、
   前記換算情報量の総和を換算情報量の最大値で除算した値を収容効率とし、該収容効率が最大となるＭ局の通信相手候補局の組み合わせを前記通信相手予備候補局の中から検索する手段と、
   該検索において収容効率が最大となる通信相手候補局である無線局装置を通信相手としてデータ通信を行う手段と、
   を備えることを特徴とする無線局装置。
   

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