JP4791158B2 - 無線基地局装置および空間多重送信数制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、空間多重通信を行う無線通信システムの基地局装置に関する。

近年、携帯電話や無線ＬＡＮなどの無線通信システムの基地局やアクセスポイント（以下、無線通信装置と総称する）において、アレイアンテナを用いたスマートアンテナ技術が実用化されている。スマートアンテナ技術の動作原理については、たとえば非特許文献１で説明されている。スマートアンテナ技術により、複数の端末が同一の時間および周波数を共有し、空間多重通信する無線通信装置については、たとえば特許文献１で公開されている。

また、無線通信システムにおけるデータ通信への要求が高まっており、ＩＭＴ−２０００のパケット伝送方式として、下りのピーク伝送速度の高速化、高スループット化等を目的としたcdma2000 1xEV-DO(EVolution Data Only)と呼ばれる方式が標準化されている（たとえば非特許文献２）。この高速パケット通信システムでは、限られた周波数および時間を効率よく利用するためにスケジューリングが実施される。

シングルキャリア通信(1xEV-DOもこれに該当する)におけるスケジューリングは、どの端末に下り通信における時間リソースをどのように割り当てるかを決定する技術であり、送信バッファ内における送信待ちデータについて、送信する順番を制御する。現在、スケジューリングとして、代表的なものに (1)Maximum CIR方式、(2)Round Robin方式及び(3)Proportional Fairness方式の３種類がある。(1)の方式では、無線リンク品質の良い端末ほど優先して送信機会が割り当てられる。無線通信装置近傍の端末との通信機会が増え、遠方の端末との通信機会が減少するため、端末間でのサービス格差が大きくなるスケジューリング方式である。(2)の方式では、全ての端末に対し均等に通信機会が割り当てられる。(1)に対し、遠方の端末との通信機会が増える分、無線通信装置のスループットは低下する。(3)の方式は、（瞬時無線通信品質）／（平均無線通信品質）を評価値として使用し、評価値の大きい端末ほど優先して送信機会が割り当てられるため、通信機会は均等で、かつ(2)より全体の効率に優れている方式である。ただし、端末毎の瞬時無線通信品質を如何に正しく推定するかが課題である。

以上のスケジューリング技術に対し、スマートアンテナ技術による空間多重通信を組み合わせると、時空間スケジューリングを提供することができる。シングルキャリア通信における時空間スケジューリングは、どの端末に下り通信における時間および空間リソースをどのように割り当てるかを決定する技術であり、送信バッファ内における送信待ちデータについて、送信する順番および空間を制御する。このとき、空間多重による同時送信数を増やすほど無線通信装置のスループットは向上する。

特許第３１６７６８２号公報 特開平１０−１４５２８６号公報 B. Widrow, et al. : "Adaptive Antenna Systems, "Proc. IEEE, vol. 55,No. 12, pp. 2143-2159, Dec. 1967 3GPP2 C.S0024-A "cdma2000 High Rate Packet Data Air Interface Specification" （13-42から13-78ページ、2004/3/31） R.O.Schmidt, "Multiple Emitter Location and Signal Parameter Estimation", IEEE Trans. AP-34, 1986 3GPP2 C.S0024-A "cdma2000 High Rate Packet Data Air Interface Specification" （13-7から13-41ページ、2004/3/31）

本発明では、スマートアンテナ技術を搭載した無線通信装置がネットワークを構成している無線通信システムにおける、同無線通信装置による下りパケット通信の課題を解決する。

スマートアンテナ技術を用いた時空間パケットスケジューリング方式では、無線通信装置毎の空間多重による同時送信数が増加するほど無線通信システム全体の効率は向上する。一方、無線通信装置と通信する端末数が増加するほど、端末あたりの通信機会が減少する。このことを図１により説明する。

図１は、無線通信システムの概観を示している。ゲートウェイ１は、他の通信システムとの接続するノードであり、たとえば一般電話網やＩＰ網と接続している。無線通信ネットワーク2は、無線通信装置（基地局装置）4が接続されるネットワークであり、ルータやケーブルで構成される。地理領域5は、無線通信装置と通信が可能な領域である。指向性ビーム7は、端末6と通信するための指向性ビームであり、これが同一時刻で複数ビーム同時に出力されると空間多重通信が実現される。

図１の例では、無線通信装置4-1と通信する端末数が4、無線通信装置4-2と通信する端末数が2である。空間多重通信するビーム数を両無線通信装置共に2としているため、無線通信装置4-2と通信する端末の方が、無線通信装置4-1と通信する端末に対し、単純計算で通信機会が倍となる。その結果、通信相手の無線通信装置によって、端末間の通信機会の格差が生じる問題がある。この問題はさらに、端末に多めの通信機会を与えている無線通信装置が、過剰な空間多重通信により周辺領域に過剰な干渉を及ぼす問題を併発する。

無線通信装置と通信する端末数に応じて、空間多重で同時送信する端末数（空間多重送信数）を制御することで解決する。制御の狙いは、複数の無線通信装置のそれぞれに接続される端末の通信機会、つまり（接続端末数）／（空間多重送信数）を平等にすることである。これを実現するためには、図２のように複数の無線通信装置から接続端末数と空間多重送信数を収集し、（接続端末数）／（空間多重送信数）の比を無線通信装置毎に求めて、これが複数の無線通信装置で平等になるよう、各無線通信装置の空間多重送信数を調整する空間多重送信数制御装置と、接続端末数と空間多重送信数を該多重数制御装置に送信する複数の無線通信装置とを用意することで解決する。図2では、領域（セル）５−１では端末数が４、無線通信装置４−１における空間多重送信数（同じタイミングで用いられる指向性ビーム数）が２、領域５−２では端末数が２、無線通信装置４−１における空間多重送信数が１となっている。

本発明により、無線通信装置間で発生する端末間の通信機会格差、ならびに無線通信装置間の端末スループット格差が減少する。その結果、端末間のサービス格差が小さい無線通信システムを提供できる。また、本発明により、他の無線通信装置と比較して過剰なサービスを提供している無線通信装置の空間多重送信数が減少するため、当該無線通信装置が及ぼす周辺領域への干渉を低減でき、周辺領域を通信可能な地理領域とする無線通信装置と通信する端末の通信品質が改善する。

図３に本発明の構成の一例を示す。空間多重送信数制御装置3は、複数の無線通信装置4とネットワークで接続され、各無線通信装置4からトラフィックの代表値（例えば端末数やスループット、詳しくは後述）を収集し、複数のトラフィック代表値を評価して各無線通信装置4の空間多重送信数を決定し、各無線通信装置4に空間多重数を通知する役割を担う。

無線通信装置4は、地理領域5内に存在する端末6に対し、指向性ビーム7で下り信号を送信する。指向性ビーム7は、空間多重送信数制御装置3から指示された空間多重送信数の分だけ多重出力され、これにより複数端末に対する空間多重送信が実施される。空間多重送信数制御装置3が空間多重数を指示するために、無線通信装置4は下り信号を観測して当該無線通信装置のトラフィック代表値を求め、空間多重送信数制御装置3に送信する。

この実施例では、空間多重送信数制御装置3と無線通信装置4が地理的に離れた位置に設置されていることを想定している。ただし、図４のように空間多重送信数制御装置3をある一つの無線通信装置4に併設しても、本発明の効果は変わらない。

図５は、複数の無線通信装置のトラフィック代表値を参照して無線通信装置の多重数を制御する空間多重送信数制御装置の一例を示す。

トラフィック情報収集部101は、複数の無線通信装置から送信される空間多重送信数とトラフィック代表値、および送信元の無線通信装置の識別番号を受信し、トラフィック記録部102に記録する。記録が完了したら、トラフィック情報収集部101はトラフィック評価部103に記録完了を通知する。

トラフィック評価部103は、トラフィック情報収集部101からの記録完了通知を受けて駆動する。駆動したら、トラフィック評価部103は、トラフィック記録部102から特定の無線通信装置の空間多重送信数とトラフィック代表値を読み出し、図６に示すように無線通信装置毎の空間多重送信数(X)とトラフィック代表値(Y)に対応する点をプロットする。その後、トラフィック評価部103は、プロット済みの全点との２乗誤差の和が最小になる一次近似直線(Y=AX+B)を求める。一次近似直線が得られたら、トラフィック評価部103は、得られた一次近似直線のパラメータ(A,B)と、直線の近似が完了したことを多重数決定部104に通知する。ところで、トラフィック記録部102から空間多重送信数とトラフィック代表値を読み出す特定の無線通信装置の条件は、当該多重数制御装置がトラフィック代表値を収集する無線通信装置である。トラフィック評価部103が、リスト保持部106に記録されている無線通信装置毎のフラグを参照して、該条件に当てはまるかどうかを判定する。

多重数決定部104は、トラフィック評価部103からの近似完了通知を受けて駆動する。駆動したら、多重数決定部104は、トラフィック記録部102から特定の無線通信装置の空間多重送信数とトラフィック代表値を読み出し、トラフィック評価部103から通知された１次近似直線と読み出した値との比較を行う。比較方法については後述する。比較した結果、多重数決定部104は、該特定の無線通信装置の空間多重送信数を決定し、トラフィック記録部102に同空間多重送信数を上書きする。上書きが完了したら、多重数決定部104はトラフィック記録部102に記録されている空間多重送信数が更新されたことを多重数通知部105に通知する。ところで、トラフィック記録部102から空間多重送信数とトラフィック代表値を読み出す特定の無線通信装置の条件は、当該多重数制御装置が多重数を制御する無線通信装置である。多重数決定部104が、リスト保持部106に記録されている無線通信装置毎のフラグを参照して、該条件に当てはまるかどうかを判定する。

多重数通知部105は、多重数決定部104からの更新完了通知を受けて駆動する。駆動したら、多重数通知部105は、トラフィック記録部102から特定の無線通信装置の空間多重送信数を読み出し、特定の無線通信装置に各々の空間多重送信数を通知する。ところで、トラフィック記録部102から空間多重送信数を読み出す特定の無線通信装置の条件は、当該多重数制御装置が多重数を制御する無線通信装置である。多重数通知部105が、リスト保持部106に記録されている無線通信装置毎のフラグを参照して、該条件に当てはまるかどうかを判定する。

以上の空間多重送信数制御装置は、トラフィック記録部102とリスト保持部106はメモリで、トラフィック評価部103と多重数決定部104はCPUやDSPなどの演算装置で、トラフィック情報収集部101と多重数通知部105は、送受信制御のための演算装置とネットワークアダプタで実現できる。

図７は、空間多重送信数制御装置に無線通信装置がトラフィック代表値を報告する際のメッセージシーケンス図である。まず、無線通信装置が空間多重送信数とトラフィック代表値、および自身の無線通信装置の識別番号をトラフィック情報メッセージ(Traffic Information, T-Info)に載せて空間多重送信数制御装置に送信する。同メッセージはトラフィック情報収集部101で受信され、例えばパリティチェックにより誤りがないかどうかをチェックする。誤りがなければ無線通信装置１の例のように、トラフィック情報収集部101は送信元の無線通信装置に対してACK(T-Info Acknowledgement, T-ACK)を送信し、受信したトラフィック代表値などの情報をトラフィック記録部102に記録する。誤りがあれば無線通信装置２の例のように、トラフィック情報収集部101は送信元の無線通信装置に対してNAK(T-Info No ACK, T-NAK)を送信し、トラフィック情報メッセージ(T-Info)の再送を促す。トラフィック情報収集部101によりT-ACKが送信されるまで再送を繰り返す。T-ACK送信後、トラフィック情報収集部101は受信したトラフィック代表値などの情報をトラフィック記録部102に記録する。

図８は、トラフィック情報収集部101の動作フローを示す。まず、空間多重送信数制御装置が起動する(S101-1)と、トラフィック情報収集部101は無線通信装置からのT-Infoメッセージ待ち(S101-2)となる。T-Infoメッセージを受信すると、トラフィック情報収集部101は受信メッセージの誤り検出を行う(S101-3)。誤りがあると判定される(S101-4)と、トラフィック情報収集部101は送信元の無線通信装置に対しT-NAKを送信し、T-Infoの再送を促す(S101-5)。誤りがなければ、トラフィック情報収集部101は送信元の無線通信装置に対しT-ACKを送信し(S101-6)、T-Infoメッセージ内の情報（無線通信装置の空間多重送信数、トラフィック代表値、および無線通信装置の識別番号）を取り出し(S101-7)、トラフィック記録部102に記録する(S101-8)。記録完了後、トラフィック情報収集部101はトラフィック評価部103に対し、記録が完了したという意味のトリガをかける(S101-9)。

図９は、トラフィック記録部102への情報記録例である。図９(a)は、トラフィック代表値を各無線通信装置毎の端末数としたときの記録例である。トラフィック情報収集部101は、該T-Infoメッセージを受けて該T-ACKを送信すると、当該無線通信装置の空間多重送信数とトラフィック代表値、およびそのT-infoメッセージ送信元の無線通信装置の識別番号が組になるようトラフィック記録部102へ記録する。ここでは、トラフィック代表値はそれぞれの無線通信装置と通信を行っている端末の数である。ここに記録された情報は、トラフィック評価部103と、多重数決定部104と、多重数通知部105とが無線通信装置の識別番号毎に選択的に参照する。更に多重数決定部104は、新たに決定した空間多重送信数を上書きする。

図９(b)は、トラフィック代表値を各無線通信装置毎の総スループット[Mbps]としたときの記録例である。空間多重送信数制御装置内での記録の使用方法は、図９(a)と同じである。トラフィック代表値は、各無線通信装置においてどの程度の通信リソースが必要とされているかの目安を示すものである。図9(a)のように端末数とすれば、トラフィック代表値の取得が容易となり、図9(b)のように総スループットとすれば、実際のトラフィック量をより正確に反映したものとなる。

図１０は、トラフィック評価部103の動作フローを示す。まず、空間多重送信数制御装置が起動する(S103-1)と、トラフィック評価部103はトラフィック情報収集部101からのトリガ待ち(S103-2)となる。トリガを受けると、トラフィック評価部103は、トラフィック記録部102から特定の無線通信装置の空間多重送信数とトラフィック代表値を読み出し、計算用バッファにコピーする(S103-3)。

計算用バッファへのコピー方法を図１１で説明する。図１１(a)は、トラフィック記録部102の記録例であり、図９(a)と同一のものである。図１１(b)は、リスト保持部106に記録されている無線通信装置毎のフラグ状態を示している。当該空間多重送信数制御装置は、情報収集フラグが1の無線通信装置からトラフィック代表値などの情報を取得し、多重数決定フラグが1の無線通信装置の多重数を決定する。図１０のステップS103-3では、トラフィック評価部103が情報収集フラグ1の無線通信装置の情報を、図１１(a)から計算用バッファにコピーする。その結果、当該空間多重送信数制御装置が収集した全無線通信装置に関するトラフィック代表値を評価できる。図１１(c)は、計算用バッファにコピーされた結果である。トラフィック評価部103は、空間多重送信数毎に無線通信装置数をカウントし、空間多重送信数毎のトラフィック代表値を全て記録する。

図１０のステップS103-3が終了すると、トラフィック評価部103は計算用バッファの記録から一次近似直線数式１のA,Bを計算する(S103-4)。Aは空間多重送信数とトラフィック代表値の比例係数、Bはオフセット値、Xは空間多重送信数、Yはトラフィック代表値である。具体的には、数式２の２乗誤差を最小にするA,Bを計算する。xは空間多重送信数カウンタ、nは無線通信装置数に関するカウンタであり、Mが空間多重数の最大値、N(x)は空間多重送信数xの無線通信装置数である。N(x)は図１１(c)の上から２段目の数値に、nは図１１(c)のトラフィック代表値のn段目に相当する。y(x,n)は、トラフィック代表値であり、図１１(c)の空間多重送信数xの列、トラフィック代表値のn段目の値に相当する。

一次近似直線の計算(S103-4)が終了すると、トラフィック評価部103は計算が終了したことと近似直線のパラメータ(A,B)を多重数決定部104に通知する(S103-5)。

図１２は、多重数決定部104の動作フローを示す。

まず、空間多重送信数制御装置が起動する(S104-1)と、多重数決定部104はトラフィック評価部103からのトリガ待ち(S104-2)となる。トリガを受けると、多重数決定部104は、トラフィック記録部102から特定の無線通信装置の空間多重送信数とトラフィック代表値を読み出し、計算用バッファにコピーする(S104-3)。

計算用バッファへのコピー方法を図１３で説明する。図１３(a)と(b)は、図１１(a)と(b)と同一のものなので、ここでの説明は省略する。図１３(c)は計算用バッファにコピーされた結果、図１３(a)のうち図１３(b)の多重数決定フラグ1の無線通信装置の段を抜き出したものである(S104-3)。

多重数決定部104は、ここで抜き出された無線通信装置毎に、空間多重送信数に対しトラフィック代表値が大きすぎるか、小さすぎるかを評価し、空間多重送信数を再計算する(S104-4)。再計算の方法は２通りある。

１つ目は、図１４に示すように、当該無線通信装置のトラフィック代表値と一次近似直線を比較して、最も誤差が小さい空間多重送信数(X)を直接指定する方法。もう１つは、図１５に示すように、当該無線通信装置のトラフィック代表値が、当該無線通信装置の空間多重送信数において、一次近似直線に対して閾値(d)以上はなれている場合に、当該無線通信装置の空間多重送信数を１増減する方法である。

再計算が終了すると、多重数決定部104は無線通信装置毎の空間多重通信数をトラフィック記録部102に上書きし(S104-5)、空間多重送信数の更新が終わったことを多重数通知部105に通知する(S104-6)。

図１６は、空間多重送信数制御装置が無線通信装置に空間多重送信数を通知する際のメッセージシーケンス図である。

まず、空間多重送信数制御装置の多重数通知部105が無線通信装置に対し、空間多重送信数を多重数通知メッセージ (Multiplex Information, M-Info)に載せて送信する。同メッセージは無線通信装置が受信し、例えばパリティチェックにより誤りがないかどうかをチェックされる。誤りがなければ無線通信装置１の例のように、無線通信装置が送信元の空間多重送信数制御装置に対してACK(M-Info ACK, M-ACK)を送信する。誤りがあれば無線通信装置２の例のように、無線通信装置が送信元の空間多重送信数制御装置に対してNAK(M-Info NAK, M-NAK)を送信する。無線通信装置からM-ACKを受信するまで、多重数通知部105は再送を繰り返す。

図１７は、多重数通知部105の動作フローを示す。まず、空間多重送信数制御装置が起動する(S105-1)と、多重数通知部105は多重数決定部104からのトリガ待ち(S105-2)、または無線通信装置からのM-Infoメッセージに対する応答待ち(S105-3)となる。多重数通知部105は、多重数決定部104からのトリガを受けると、特定端末に対して空間多重送信数を通知する。通知対象は、リスト保持部106の記録（例えば図１３(b)）を参照して多重数決定フラグ1の無線通信装置に、トラフィック記録部102に記録されている各々の空間多重送信数を、M-Infoメッセージに載せて通知する(S105-4)。多重数通知部105は、無線通信装置からM-Infoメッセージに対する応答を受信すると、そのメッセージがM-NAKかどうかを判定する(S105-5)。もしM-NAKの場合、多重数通知部105は当該無線通信装置に対しM-Infoメッセージを再送する(S105-6)。

図１８は、空間多重送信数制御装置の構成の別の例を示す。本構成は前述の構成の例に、要求送信部107とタイマー108を追加したものである。

要求送信部107は、タイマー108からのトリガを受けて駆動する。駆動したら、要求送信部107は、特定の無線通信装置に各々のトラフィック代表値を当該空間多重制御装置に送信するよう要求するメッセージを送信する。メッセージ送信の際、要求送信部107は、無線通信装置と予め約束しているRequestメッセージを送信する。ところで、要求メッセージの送信先となる特定の無線通信装置の条件は、当該多重数制御装置が多重数を制御する無線通信装置である。要求送信部107が、リスト保持部106に記録されている無線通信装置毎のフラグを参照して、該条件に当てはまるかどうかを判定する。

図１９は、空間多重送信数制御装置から無線通信装置にトラフィック代表値を報告するよう要求する際のメッセージシーケンス図である。まず、空間多重送信数制御装置の要求送信部107が無線通信装置に対し、トラフィック代表値を報告するよう要求するための要求メッセージ(Request)を送信する。同メッセージは無線通信装置が受信し、例えばパリティチェックにより誤りがないかどうかをチェックされる。誤りがなければ無線通信装置１の例のように、無線通信装置が送信元の空間多重送信数制御装置に対してACK(Request ACK, R-ACK)を送信する。誤りがあれば無線通信装置２の例のように、無線通信装置が送信元の空間多重送信数制御装置に対してNAK(Request NAK, R-NAK)を送信する。無線通信装置からR-ACKを受信するまで、要求送信部107は再送を繰り返す。

図２０は、要求送信部107の動作フローを示す。まず、空間多重送信数制御装置が起動する(S107-1)と、要求送信部107はタイマー108からのトリガ待ち(S107-2)、または無線通信装置からのRequestメッセージに対する応答待ち(S107-3)となる。要求送信部107は、タイマー108からのトリガを受けると、特定無線通信装置に対して要求メッセージを送信する。送信対象は、リスト保持部106の記録（例えば図１３(b)）を参照して情報収集フラグ1の無線通信装置に、Requestメッセージを送信する(S107-4)。要求送信部107は、無線通信装置からRequestメッセージに対する応答を受信すると、そのメッセージがR-NAKかどうかを判定する(S107-5)。もしR-NAKの場合、要求送信部107は当該無線通信装置に対しRequestメッセージを再送する(S107-6)。

図２１に、無線通信装置の構成の一例を示す。空間多重数設定部201は、空間多重送信数制御装置から多重数通知メッセージ(M-Info)を受けて当該無線通信装置の空間多重送信数を端末選択部205に通知する。また空間多重数設定部201は、M-Infoに対する応答メッセージを、送信元の空間多重送信数制御装置に送信する。

端末選択部205は、タイマー214からのトリガを受けて、当該無線通信装置と無線通信している端末のうち、空間多重数設定部201から指定された多重数の分だけ端末を選択する。このとき、各指向性ビームにつき端末が１つになるように端末を選択する。選択された端末の識別番号が、下り信号処理部206と重み記録部208に通知される。なお端末選択の際、端末選択部205は少なくとも送信すべき下りデータが存在する（データ残量が０ビットでない）端末から選択するため、データ記録部204の下りデータバッファは参照する。例えば端末選択は、データ残量が０でない端末の間でRound Robin法により多重数の分だけ選択することで実施される。

下り信号処理部206は、端末選択部205から通知された被選択端末の識別番号に基づき、当該端末の下りデータビット系列をデータ記録部204の下りデータバッファから読み出す。読み出されたビット系列は、端末との物理層のプロトコル（例えば非特許文献２）に従いベースバンド信号処理される。ベースバンド信号処理された信号は、端末識別番号と共に重み付け部209の入力信号バッファに書き込まれる。

重み記録部208は、アレイ重み作成部210が作成した端末毎の下り信号に対するアレイ重みを記録している。端末選択部205から端末識別番号の通知を受けると、重み記録部208は通知された端末識別番号毎のアレイ重みを重み付け部209に通知する。

重み付け部209は、下り信号処理部206からバッファに書き込まれたベースバンド処理後の信号をアンテナ素子数分だけ分配し、重み記録部208から通知されたアレイ重みを素子毎に積算し、素子毎のアレイ重み後ベースバンド信号を求める。重みを積算する際、入力ベースバンド信号とアレイ重みの端末識別番号の整合をとる必要がある。

アレイ重み作成部210は、端末からの上り信号を基に各端末が下り通信で使用するアレイ重みを求め、重み記録部208に端末の識別番号と共に記録する。複数の端末が同一のアレイ重みを使用してもよい。例えば、基地局がＭ種類の固定ビームパタンを持ち、Ｍ／３６０度の範囲毎に異なるビームを使用する方法では、アレイ重み作成部210はＭＵＳＩＣアルゴリズム（非特許文献３）により端末からの上り信号の到来方向を推定し、その方向がどのＭ／３６０度の範囲に収まるかを判定して固定ビームパタンの１つを選択し、その固定ビームを生成するアレイ重みと端末識別番号を対応付けて重み記録部208に記録する。

周波数変換部211は、下り信号ベースバンド信号に対してはベースバンドから搬送波帯への変換を、上り搬送波帯信号に対しては搬送波帯からベースバンドへの変換を行う。デュプレクサＤＵＰ212は、上り信号と下り信号の弁別を行う。

上り信号処理部207は、ベースバンド帯に変換された上り信号を、端末との物理層のプロトコル（例えば非特許文献４）に従いベースバンド信号処理を行いビット系列を抽出し、データ記録部204の上り信号バッファに端末の識別番号と共に記録する。また、上り信号処理部207は、複数のアンテナ素子からの信号を入力しており、各々をスペースダイバーシチブランチとしてダイバーシチ合成する。

データ記録部204は、当該無線通信装置と無線通信している各端末のビット系列（音声やデータ）が、下りビット系列、上りビット系列共にバッファに格納されている。下りビット系列は、他の無線通信装置や当該無線通信システムのゲートウェイから当該無線通信装置に送信される。上りビット系列は、当該無線通信装置から他の無線通信装置やゲートウェイに送信される。

トラフィック計測部203は、タイマー214からのトリガを受けて、データ記録部204の下りデータバッファを参照して当該無線通信装置のトラフィック代表値を求め、自局情報発信部202に通知する。トラフィック代表値の求め方は後述する。

自局情報発信部202は、トラフィック計測部203から通知されたトラフィック代表値を特定の多重送信数制御装置に通知する。同情報の通知先は、報告先リスト保持部215に記録されている。

図２２は、トラフィック計測部203が観測するデータ記録部204の下りデータバッファの例を示す。同バッファに記録すべき情報は、送信先となる端末の識別番号と、未送信のビット数と、ビット系列そのものである。下り信号処理部206から端末の識別番号を指定されると、当該識別番号のビット系列の一部または全部が読み出され、読み出されたビット系列がバッファから削除され、読み出した分のビット数も減算される。読み出されるビット数は、端末との物理層のプロトコル（例えば非特許文献２）に従う。読み出しビット数が常時固定のプロトコルでない限り、下り信号処理部206は読み出すビット数を指定する必要もある。他の無線通信装置や当該無線通信システムのゲートウェイからビット系列が受信されると、図２２のフォーマットに従いビット数とビット系列が追加される。なお、図２２の端末00000003はビット数が０である。これは、当該無線通信装置との接続は確立されているものの、この時点で下りデータがないことを示す。

図２３は、トラフィック計測部203の動作フローの１例を示す。トラフィック計測部203は、このフローで一定観測時間内にデータ記録部204の下りデータバッファに一度でもビット数が０でない瞬間があった端末数をカウントし、該当端末を一時記憶する。

まず、無線通信装置が起動すると(S203-1)、観測時間がリセットされる(S203-2)。観測時間がリセットされた時点で、トラフィック計測部203はデータ記録部204の下りデータバッファ（図２２）を参照し、ビット数が０でない端末数をカウントし、S203-6でウェイト時間をおきながら一定時間毎に下りデータバッファの各端末のビット数をチェックする。少なくとも一つの端末でビット数が変化した場合、ビット数が０でない未カウント端末がないかどうかを、該一時記憶と照らし合わせてチェックする(S203-4)。未カウント端末が存在した場合は、ビット数が０でない端末数を加算し、該当端末を該一時記憶に追加する。トラフィック計測部203はS203-4からS203-6を観測時間が終了するまで繰り返し(S203-7)、終了したらその時点のビット数が０でない端末数をトラフィック代表値に決定し(S203-8)、自局情報発信部202に通知する(S203-9)。また、通知完了時点で、該一時記憶はクリアされる。

図２４は、トラフィック計測部203の動作フローの別の例を示す。トラフィック計測部203は、このフローで一定観測時間内にデータ記録部204の下りデータバッファから通信ビット数の総数、すなわち当該無線通信装置のスループットを計測する。

まず、無線通信装置が起動すると(S203-1)、観測時間がリセットされる(S203-2)。観測時間がリセットされた時点で、無線通信装置で通信した総通信ビット数もクリアする(S203-10)。S203-6でウェイト時間をおきながら一定時間毎に下りデータバッファの各端末のビット数をチェックする。少なくとも一つの端末でビット数が変化した場合(S203-11)、ビット数が減少した全端末の総減少ビット数を、該総通信ビット数に加算する(S203-12)。トラフィック計測部203はS203-11からS203-6を観測時間が終了するまで繰り返し(S203-7)、終了したらその時点の該総通信ビット数を観測時間で割った無線通信装置のスループットをトラフィック代表値に決定し(S203-13)、自局情報発信部202に通知する(S203-9)。

図２５は、トラフィック計測部203の動作フローの更に別の例を示す。トラフィック計測部203は、このフローで一定観測時間内にデータ記録部204の下りデータバッファから端末毎の通信ビット数の総数、すなわち端末装置毎のスループットを計測する。

まず、無線通信装置が起動すると(S203-1)、観測時間がリセットされる(S203-2)。観測時間がリセットされた時点で、無線通信装置で通信した端末毎の通信ビット数もクリアする(S203-14)。S203-6でウェイト時間をおきながら一定時間毎に下りデータバッファの各端末のビット数をチェックする。少なくとも一つの端末でビット数が変化した場合(S203-11)、ビット数が減少した各端末の減少ビット数を、該端末毎の通信ビット数に加算する(S203-15)。トラフィック計測部203はS203-11からS203-6を観測時間が終了するまで繰り返し(S203-7)、終了したらその時点の該端末毎の通信ビット数を観測時間で割った端末毎のスループットを降順に並べ、スループット上位から見た端末スループットＮ％値をトラフィック代表値に決定し(S203-13)、自局情報発信部202に通知する(S203-9)。

自局情報発信部202は、図７のシーケンスに従って、多重送信数制御装置にトラフィック代表値を、T-Infoメッセージに載せて送信し、多重送信数制御装置からT-NAKを受けたら再送する。

図２６は、自局情報発信部202の動作フローを示す。まず、無線通信装置が起動する(S202-1)と、自局情報発信部202はトラフィック計測部203からのトリガ待ち(S202-2)、または多重送信数制御装置からのT-Infoメッセージに対する応答待ち(S202-3)となる。自局情報発信部202は、トラフィック計測部203からのトリガを受けると、特定多重送信数制御装置に対してトラフィック代表値を通知する(S202-4)。通知対象は、報告先リスト保持部215に記録されている全多重送信数制御装置である。自局情報発信部202は、多重送信数制御装置からT-Infoメッセージに対する応答を受信すると、そのメッセージがT-NAKかどうかを判定する(S202-5)。もしT-NAKの場合、自局情報発信部202は当該多重送信数制御装置に対しT-Infoメッセージを再送する(S202-6)。

空間多重数設定部201は、図１６のシーケンスに従って、多重送信数制御装置から送信されるM-Infoメッセージを受信し、例えばパリティチェックにより誤りがないかどうかをチェックする。誤りがなければ無線通信装置１の例のように、空間多重数設定部201は送信元の多重送信数制御装置に対してM-ACKを送信し、受信したM-Infoに含まれる空間多重送信数を端末選択部205に通知する。誤りがあれば無線通信装置２の例のように、空間多重数設定部201は送信元の多重送信数制御装置に対してM-NAKを送信し、M-Infoメッセージの再送を促す。

図２７は、空間多重数設定部201の動作フローを示す。まず、無線通信装置が起動する(S201-1)と、空間多重数設定部201は多重送信数制御装置からのM-Infoメッセージ待ち(S201-2)となる。M-Infoメッセージを受信すると、空間多重数設定部201は受信メッセージの誤り検出を行う(S201-3)。誤りがあると判定される(S201-4)と、空間多重数設定部201は送信元の多重送信数制御装置に対しM-NAKを送信し、M-Infoの再送を促す(S201-5)。誤りがなければ、空間多重数設定部201は送信元の多重送信数制御装置に対しM-ACKを送信し(S201-6)、M-Infoメッセージ内の情報（空間多重送信数）を取り出し(S201-7)、端末選択部205に通知する(S201-8)。

図２８は、無線通信装置の構成の別の例を示す。本構成は前述の構成例に対し、報告先リスト保持部215の代わりに要求検出部216が追加されている。

要求検出部216は、空間多重送信数制御装置からトラフィック代表値を送信するよう要求するメッセージ(Request)を受けた時点で自局情報発信部202にトリガをかける。自局情報発信部202は、この構成においては要求検出部216からのトリガを受けてT-Infoの送信動作に入る。前述の構成例では、トラフィック計測部203からトリガを受けて同動作に入っていた。つまり、トリガの発生源が異なる。また、T-Infoの送信先は、この構成においては要求メッセージ(Request)の送信元の空間多重送信数制御装置となる。前述の構成例では、報告先リスト保持部215を参照してT-Infoの送信先を決めていたので、この点も異なる。

要求検出部216は、図１９のシーケンスに従って、多重送信数制御装置から送信されるRequestメッセージを受信し、例えばパリティチェックにより誤りがないかどうかをチェックする。誤りがなければ無線通信装置１の例のように、要求検出部216は送信元の多重送信数制御装置に対してR-ACKを送信し、自局情報発信部202に要求を受信したこと自体（トリガ）と、要求元の多重送信数制御装置の識別番号を通知する。誤りがあれば無線通信装置２の例のように、要求検出部216は送信元の多重送信数制御装置に対してR-NAKを送信する。

図２９は、要求検出部216の動作フローを示す。まず、無線通信装置が起動する(S216-1)と、要求検出部216は多重送信数制御装置からのRequestメッセージ待ち(S216-2)となる。Requestメッセージを受信すると、要求検出部216は受信メッセージの誤り検出を行う(S216-3)。誤りがあると判定される(S216-4)と、要求検出部216は送信元の多重送信数制御装置に対しR-NAKを送信し、Requestの再送を促す(S216-5)。誤りがなければ、要求検出部216は送信元の多重送信数制御装置に対しR-ACKを送信し(S216-6)、要求を受信したこと自体（トリガ）と、要求元の多重送信数制御装置の識別番号を自局情報発信部202に通知する(S216-7)。

自局情報発信部202の動作フローは基本的に図２６に従う。ただし、本構成例においては自局情報発信部202が要求検出部216からのトリガにより駆動するため、S202-2は216からのトリガ受信に変更される。また、S202-4における特定多重送信数制御装置は、要求検出部216が受けたRequestメッセージの発信元である多重送信数制御装置を指す。

図３０に本発明の構成の別の一例を示す。ここでは、空間多重送信数制御装置3と無線通信装置4とが一体の装置と見なされ、各装置がアドホック的に動作する。

空間多重送信数制御装置3は、複数の無線通信装置4とネットワークで接続され、各無線通信装置4からトラフィック代表値を収集し、複数のトラフィック代表値を評価して各無線通信装置4の空間多重送信数を決定し、単一の無線通信装置4に空間多重数を通知する役割を担う。無線通信装置4は、地理領域5内に存在する端末6に対し、指向性ビーム7で下り信号を送信する。指向性ビーム7は、空間多重送信数制御装置3から指示された空間多重送信数の分だけ多重出力され、これにより複数端末に対する空間多重送信が実施される。空間多重送信数制御装置3が空間多重数を指示するために、無線通信装置4は下り信号を観測して当該無線通信装置のトラフィック代表値を求め、空間多重送信数制御装置3に送信する。

図３ないし図４に示す構成との違いは、空間多重送信数の通知先が複数か単数かの違いである。

空間多重送信数の通知先は、空間多重送信数制御装置内のリスト保持部106に、例えば図１３(b)のように記録されている。ここで、多重数決定フラグを複数の無線通信装置で1とすれば第１の実施例、単一の無線通信装置で1とすれば第２の実施例が実施される。この相違点を除けば、図５ないし図２０で示した第１の実施例の空間多重送信数制御装置および無線通信装置と同じものを使用できる。

図３１に本発明の構成の更に別の例を示す。ここでは、無線通信装置4がネットワーク側装置8とフロントエンド側装置9に２分され、ネットワーク側装置8を地理的に集中させたＲＯＦ（特許文献２）の構成である。ネットワーク側装置8とフロントエンド側装置9は光ファイバ11で接続されている。空間多重送信数制御装置3をネットワーク側装置8と併設することで、空間多重送信数制御装置と無線通信装置との間の情報交換が容易になる構成である。

空間多重送信数制御装置3は、複数の無線通信装置4と集中制御装置内10で接続され、各無線通信装置4からトラフィック代表値を収集し、複数のトラフィック代表値を評価して各無線通信装置4の空間多重送信数を決定し、各々の無線通信装置4に空間多重数を通知する役割を担う。無線通信装置4は、地理領域5内に存在する端末6に対し、指向性ビーム7で下り信号を送信する。指向性ビーム7は、空間多重送信数制御装置3から指示された空間多重送信数の分だけ多重出力され、これにより複数端末に対する空間多重送信が実施される。空間多重送信数制御装置3が空間多重数を指示するために、無線通信装置4は下り信号を観測して当該無線通信装置のトラフィック代表値を求め、空間多重送信数制御装置3に送信する。

本実施例を図３、４に示す例と比較すると、空間多重送信数制御装置3は、情報交換の相手が無線通信装置4全体からネットワーク側装置8に変わるだけなので、同様の空間多重送信数制御装置を使用できる。無線通信装置4は、空間多重送信数制御装置3とのインターフェースは変わらず、無線通信装置4の内部構成が変わる。

図３２は、本発明においてＲＯＦ構成無線通信装置を使用する例を示す。

本構成は、図２１に示した構成例をネットワーク側装置8とフロントエンド側装置9に分け、ネットワーク側装置8に電気／光変換機E/O(221)と光／電気変換機O/E(222)、フロントエンド側装置9にも電気／光変換機E/O(224)と光／電気変換機O/E(223)を追加している。これらの電気／光変換機と光／電気変換機は、フロントエンド側装置9のアンテナ素子213の数だけ用意される。ネットワーク側装置8の電気／光変換機E/O(221)とフロントエンド側装置9の光／電気変換機O/E(223)、ならびにネットワーク側装置8の光／電気変換機O/E(222)とフロントエンド側装置9の電気／光変換機E/O(224)は光ファイバで接続されている。本実施例は、図２１に示した構成例と比較して、周波数変換部211と、アレイ重み作成部210および上り信号処理部207との通信手段が電気から光に変化しただけで、各部分の動作は同じである。従って、このＲＯＦ構成無線通信装置は、図２１に示した構成例の無線通信装置と同じ動作をする。

本発明の無線通信装置および空間多重送信数制御装置は、空間多重する複数の無線通信装置のトラフィック状況が考慮されて各無線通信装置の空間多重送信数を制御する。空間多重通信を行う複数の無線通信装置がネットワークを構築している無線通信システム全般に適用できるが、地理領域によってトラフィック状況の偏りが生じがちなセルラシステムに好適である。さらに、無線通信装置をＲＯＦ構成とすると本発明の実現が容易となる。

無線通信システムを示した図 本発明の効果が得られた状態の無線通信システムを示した図 本発明によるシステム構成の第１実施例 本発明によるシステム構成の第１実施例の変形 空間多重送信数制御装置の第１構成例 トラフィック代表値と空間多重送信数との関係の一次近似 無線通信装置がトラフィック代表値を送る際のシーケンス トラフィック情報収集部の動作フロー トラフィック情報記録部への記録フォーマット例 トラフィック評価部の動作フロー トラフィック評価部の計算用バッファの記録例 多重数決定部の動作フロー 多重数決定部の計算用バッファの記録例 無線通信装置の多重送信数を近似直線にフィットさせる多重送信数決定方法 無線通信装置の多重送信数を緩やかに調整する多重送信数決定方法 空間多重送信数制御装置が空間多重送信数を送る際のシーケンス 多重数通知部の動作フロー 空間多重送信数制御装置の第２構成例 空間多重送信数制御装置が無線通信装置にトラフィック代表値を要求するシーケンス 要求送信部の動作フロー 無線通信装置の第１構成例 データ記録部の下りデータバッファの記録フォーマット トラフィック計測部の動作フローの第１実施例 トラフィック計測部の動作フローの第２実施例 トラフィック計測部の動作フローの第３実施例 自局情報発信部の動作フロー 空間多重数設定部の動作フロー 無線通信装置の第２構成例 要求検出部の動作フロー 本発明によるシステム構成の第２実施例 本発明によるシステム構成の第３実施例 本発明によるＲＯＦ構成無線通信装置の第１構成例

符号の説明

1…無線通信システムのゲートウェイ,2…無線通信ネットワーク,3…空間多重送信数制御装置,4…無線通信装置,5…無線通信装置と通信可能な地理領域,6…端末装置,7…指向性ビーム,8…ROF構成の無線通信装置におけるネットワーク側装置, 9…ROF構成の無線通信装置におけるフロントエンド側装置,10…集中制御装置,11…光ファイバ,101…トラフィック情報収集部,102…トラフィック情報記録部,103…トラフィック評価部,104…多重数決定部,105…多重数通知部,106…リスト保持部,107…要求送信部,108…多重送信数制御装置のタイマー,201…空間多重数設定部,202…自局情報発信部,203…トラフィック計測部,204…データ記録部,205…端末選択部,206…下り信号送信部,207…上り信号送信部,208…重み記録部,209…重み付け部,210…アレイ重み作成部,211…周波数変換部,212…デュプレクサDUP,213…アンテナ素子,214…無線通信装置のタイマー,215…報告先リスト保持部,216…要求検出部,221…電気／光変換器,222…光／電気変換器,223…光／電気変換器,224…電気／光変換器。

Claims (10)

1. １または複数の端末に対し空間多重送信する複数の無線通信装置と、該各無線通信装置と通信可能な地理領域が複数組存在し、該各無線通信装置同士がネットワークを介して接続されている無線通信システムにおいて、
   前記各無線通信装置の空間多重送信数を制御する空間多重送信数制御装置であって、
   前記各無線通信装置において該無線通信装置と通信するために接続された前記端末数を含む該無線通信装置毎のトラフィック状態を示すトラフィック代表値を収集するトラフィック情報収集部と、
   該無線通信装置毎の該トラフィック代表値および前記空間多重送信数を記録するトラフィック記録部と、
   前記トラフィック代表値に含まれる前記接続された端末数を基に、前記各無線通信装置毎に前記空間多重送信数が該接続された端末数に比例するように、前記無線通信装置毎の前記空間多重送信数を決定する多重数決定部と、
   該多重数決定部で決定した該空間多重送信数を前記各無線通信装置に通知する多重数通知部とで構成される空間多重送信数制御装置。
2. 請求項１記載の空間多重送信数制御装置であって、
   該トラフィック情報収集部は前記各無線通信装置が送信する該トラフィック代表値と該空間多重送信数を受信し、該トラフィック代表値および該空間多重送信数を該トラフィック記録部に記録することを特徴とする空間多重送信数制御装置。
3. 請求項１記載の空間多重送信数制御装置であって、
   当該空間多重送信数制御装置に制御される前記無線通信装置のリストを保持するリスト保持部を有し、
   該リスト保持部に記録されている前記無線通信装置の一部または全部に対して該無線通信装置毎の該トラフィック代表値と該空間多重送信数の提供を要求するメッセージを送信する要求送信部を具備することを特徴とする空間多重送信数制御装置。
4. 請求項１記載の空間多重送信数制御装置であって、
   前記各無線通信装置の該トラフィック代表値を基に前記各無線通信装置の該トラフィック代表値を評価するトラフィック評価部を有し、
   該トラフィック評価部は、前記トラフィック情報収集部で収集した前記複数の無線通信装置の該トラフィック代表値と該空間多重送信数に対し、前記トラフィック代表値が前記空間多重送信数に比例するよう一次近似を実施する近似演算を実施し、演算結果である一次近似式を前記多重数決定部に通知し、
   前記多重数決定部は、該一次近似式に基づいて前記無線通信装置毎の前記空間多重送信数を決定することを特徴とする空間多重送信数制御装置。
5. 請求項４記載の空間多重送信数制御装置であって、
   該多重数決定部は、該無線通信装置毎にトラフィック代表値と該一次近似式との間で最も誤差が小さくなる空間多重送信数を決定し、該トラフィック記録部に該決定した空間多重送信数を記録することを特徴とする空間多重送信数制御装置。
6. 請求項４記載の空間多重送信数制御装置であって、
   該多重数決定部は、該無線通信装置毎に前記空間多重送信数と前記トラフィック代表値とを該トラフィック記録部から読み出し、該一次近似式の当該空間多重送信数に対する近似値と該トラフィック代表値間の誤差が閾値を超えた前記無線通信装置に関して、前記空間多重送信数を１増減し、該トラフィック記録部に該決定した空間多重送信数を記録することを特徴とする空間多重送信数制御装置。
7. 請求項１記載の空間多重送信数制御装置であって、
   当該空間多重送信数制御装置に制御される前記無線通信装置のリストを保持するリスト保持部を有し、
   該リスト保持部は、前記無線通信装置を一意に特定するための識別番号と、当該多重数制御装置が該トラフィック代表値を収集する前記無線通信装置を特定するためのフラグと、当該多重数制御装置が該空間多重送信数を決定する前記無線通信装置を特定するためのフラグとを管理することを特徴とする空間多重送信数制御装置。
8. 請求項１記載の空間多重送信数制御装置であって、
   当該空間多重送信数制御装置に制御される前記無線通信装置のリストを保持するリスト保持部を有し、
   該多重数通知部は、当該空間多重送信数制御装置に制御される前記無線通信装置の一部または全部に対して該無線通信装置毎の該空間多重送信数を通知することを特徴とする空間多重送信数制御装置。
9. １または複数の端末に対し空間多重送信する複数の無線通信装置と、該各無線通信装置と通信可能な地理領域が複数組存在し、該各無線通信装置同士がネットワークを介して接続されている無線通信システムにおいて、
   当該無線通信装置と無線通信する前記端末毎の下りビット系列および上りビット系列を一時的に記録しておくデータ記録部と、
   前記各無線通信装置毎に定められた該空間多重送信数の分だけ該端末を選択する端末選択部と、
   該端末選択部で選択された被選択端末の下りビット系列を該データ記録部から読み出して該ビット系列をベースバンド信号処理する下り信号処理部と、
   下り通信で使用する送信指向性ビームを生成するためのアレイ重みを、それを使用する前記端末と対応付けて記録する重み記録部と、
   該被選択端末毎のベースバンド処理後の信号に対して当該端末のアレイ重みを該重み記録部から読み出してアンテナ素子毎に重み付けする重み付け部と、
   上り信号と下り信号に対してベースバンドと搬送波周波数の中心周波数変換を行う周波数変換部と、
   前記端末からの上り信号を基に下り通信で使用する該送信指向性ビームを決定して該重み記録部に記録するアレイ重み作成部と、
   前記端末からの上り信号をベースバンド信号処理してビット系列を取り出し、該データ記録部に記録する上り信号処理部とを具備する無線通信装置であって、
   当該各無線通信装置と通信している前記端末の数又は当該各無線通信装置の総スループットをトラフィック代表値として計測するトラフィック計測部と、
   該空間多重送信数制御装置に該トラフィック代表値を送信する自局情報発信部と、
   該空間多重送信数制御装置から指示を受けて当該各無線通信装置の空間多重数として、前記トラフィック代表値に比例するように当該各無線通信装置で使用する前記送信指向性ビームの数を定める空間多重数設定部とを具備することを特徴とする無線通信装置。
10. 請求項９記載の無線通信装置であって、
    該空間多重送信数制御装置からのトラフィック代表値の送信を要求するメッセージを待つ要求検出部を具備し、
    該自局情報発信部が該要求メッセージをトリガとして動作し、要求元の該空間多重送信数制御装置に該トラフィック代表値を送信することを特徴とする無線通信装置。

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