JP4899637B2 - 無線通信システムおよび無線通信方法 - Google Patents

Description

本発明は空間多元接続により同一周波数で同一時刻に複数の端末と通信する無線通信システム，無線通信方法及びその装置に係り，特に通信品質（ＱｏＳ：Ｑｕａｌｉｔｙ ｏｆ Ｓｅｒｖｉｃｅ）を考慮して効率的に空間，時間リソースを割当てる無線通信システム，無線通信方法及びその装置に関する。

無線周波数の利用効率や伝送速度を格段に向上できるアンテナ・信号処理技術が注目を集めている。その一つがアダプティブアレイアンテナ（ＡＡＡ）と呼ばれる技術である。ＡＡＡ技術では，重み付け係数（ウエイト）を用いて複数のアンテナでそれぞれ送受信される信号の振幅と位相を調整する。これにより信号対雑音比が向上し，システムの通信容量を増大させることができる。ＡＡＡ技術を利用して，データの伝送速度を高速化するための技術にＭＩＭＯ（Multiple Input Multiple Output）と呼ばれる技術がある。ＭＩＭＯシステムでは，送信機と受信機との間に最大，アンテナ数までのチャネルを設定して，通信容量を増大させることができる。更に，これらの技術を異なる観点でとらえると
（１）異なる端末に対して伝送する空間多元接続（ＳＤＭＡ：Space Division Multiple Access）
（２）同一の端末に対して伝送する空間多重（ＳＤＭ：Space Division Multiplexing）
のような分類もできる。ＳＤＭＡ技術は，重み付け係数（ウエイト）を用いて複数のアンテナでそれぞれ送受信される信号の振幅と位相を調整し，伝搬路における空間的な直交性を利用することにより同一周波数で同一時刻に異なるデータ系列を複数の端末に伝送する技術である。一方，ＳＤＭ技術は，重み付け係数（ウエイト）を用いて複数のアンテナでそれぞれ送受信される信号の振幅と位相を調整し，伝搬路における空間的な直交性を利用することにより同一周波数で同一時刻に異なるデータ系列を同一の端末に伝送する技術である。更に，ＳＤＭＡ技術とＳＤＭ技術を複合させた技術としてＭＩＭＯ−ＳＤＭＡ技術がある。この技術は異なる端末に対しては空間多元接続を行い，同一の端末に対しては空間多重を行う。ＳＤＭＡ技術は例えば非特許文献１において，ＳＤＭ技術は例えば非特許文献２に情報開示されている。ＭＩＭＯ−ＳＤＭＡ技術は非特許文献３に情報開示されている。

このような無線伝送技術の高速化に加えて，現在多様なアプリケーションサービスの要求を満たす技術が必要とされている。これらのアプリケーションはそれぞれの通信に必要な伝送帯域や許容伝送遅延といった通信品質の要求を持っており，品質保証に関する様々な方式が既に検討されている。

T.Ohgane , "A Study on a channel allocation scheme with an adaptive array in SDMA" IEEE 47th VTC, Vol.2, 1997, p.725-729 G.J.Foschini, "Layered space-time architecture for wireless communication in fading environment when using multi-element antennas", Bell Labs Tech. J, Autumn 1996, p.41-59 Andre Bourdoux, Nadia Khaled, "Joint Tx-Rx Optimisation for MIMO-SDMA Based on a Null-space Constraint", IEEE2002. P.171-172

ＡＰ（Ａｃｃｅｓｓ Ｐｏｉｎｔ：基地局）とＳＴＡ（ＳＴＡｔｉｏｎ：端末）がＳＤＭＡを行わない無線通信システムでは，ＳＴＡの通信品質を個別に評価し要求された通信品質を実現していた。例えばＩＥＥＥ８０２.１１ｅで定義されている，ＥＤＣＡ（Enhanced Distributed Channel Access）のような時分割ベースのＱｏＳ制御方式においては，通信品質の要求が大きいＳＴＡに対して時間を優先的に割当てていた。一方ＳＤＭＡにおいては，ＡＰが複数のＳＴＡと同一周波数で同一時刻に通信するときの，その複数のＳＴＡの組み合わせ（以下，ＳＤＭＡグループと呼ぶ）が複数存在し，ＳＴＡの伝送品質は属するＳＤＭＡグループによって異なることが知られている。このため，ＳＴＡを個別に評価してリソース配分を行うと，ＳＤＭＡグループ全体としてみたときに，要求されたＱｏＳに対して無線リソースに余剰が生じたり，逆に足りなくなる可能性がある。また各ＳＤＭＡグループによってＳＴＡの伝送品質が異なることを考慮した方式も存在するが，同一長のタイムスロットにおいて１タイムスロット分に収まる期間しか想定しておらず，同様に，ＳＤＭＡグループ全体としてみたときに，要求されたＱｏＳに対して無線リソースに余剰が生じたり，逆に足りなくなる可能性があり，無線リソースを効率的に割当てることが難しい。

本発明は，このような課題に鑑み創案されたもので，ＳＤＭＡを用いた無線通信システムにおいて限られた無線リソースの効率的使用を目的とする。具体的には，ＳＤＭＡグループの候補を複数通り生成し，それらの伝送品質と要求される通信品質に基づいて無線リソース配分を計算，適用することにより無線リソースを効率的に使用でき，さらに通信容量を向上することが可能な，無線通信システム及び無線リソース制御方法の提供を目的とする。

ＳＤＭＡにより同一時刻，同一周波数に複数のＳＴＡと通信する無線通信装置において，特定の複数のＳＴＡをＳＤＭＡグループとして，該ＳＤＭＡグループに含まれる各ＳＴＡの性能を評価する第一の評価手段を用いて，ＳＤＭＡするＳＴＡと，各ＳＤＭＡグループの時間配分とを決定する第一の決定手段で，無線リソースを割当てることを特徴とする。さらに，第一の評価手段と，各ＳＴＡ及びアプリケーションの要求する性能を評価する第二の評価手段を用いて，前記第一の決定手段で，無線リソースの割当てを行うことを特徴とする。

また，第一の決定手段において，全体の通信容量を最大にする計算手法，通信容量を各端末に等しく配分する計算手法，上り及び下りを含めたシステムに対応した計算手法，ＱｏＳを考慮したシステムに対応した計算手法，絶対保証型と相対保証型のデータが混在するシステムに対応した計算手法を適用した最適化が可能な無線リソースの割当てを行うことを特徴とする。

本発明によれば，無線リソース割当てを行う期間内に使用する複数のＳＤＭＡグループの候補を選択し，選択されたＳＤＭＡグループに対する時間を適応的に配分することにより無線リソースの利用効率が向上し，通信の安定性が向上する。更に，ＱｏＳを考慮して絶対保証するＳＴＡ向けの通信容量を確保しつつ，余った無線リソースを相対保証するＳＴＡ向けに配分することができるため，通信容量の増大を期待できる。

以下，図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。

図１は，本発明に係る無線通信システムの概略を示す図である。図１において，ＡＰ１０１は複数のアンテナを備え適応的にアンテナの指向性を可変できる基地局である。ＡＰ１０１は有線ネットワーク１０２に接続されていてもよい。ＳＴＡ１０３−１〜Ｎは１本以上のアンテナを備えており，アンテナが複数の場合には通常，適応的にアンテナの指向性を可変させる。ＡＰ１０１とＳＴＡ１０３が通信可能なエリアに存在し，ＡＰ１０１からＳＴＡ１０３に向けてデータが送信され（以下，「下り伝送」と呼ぶ），またＳＴＡ１０３からＡＰ１０１に向けてデータが送信される（以下，「上り伝送」と呼ぶ）。なお，ＡＰ１０１の有するアンテナ数，ＳＴＡ１０３の数，及び各ＳＴＡ１０３の有するアンテナ数は，これに限定されるものではない。以下，本発明のＡＰ１０１の構成について詳述する。

図２は，ＡＰ１０１の構成を示すブロック図である。ＡＰ１０１は，ＳＴＡとの無線通信を行う複数のアンテナ２０１と，無線部２０２と，信号処理部２０３と，モデム部２０４と，パケット制御部２０５とがこの順で接続された構成を有する。そして更に，本発明の特徴として，伝送路情報及び要求情報を取得し，無線リソースを割当てる無線リソース割当て部２０６を有する。

図３は，無線部２０２の構成を示すブロック図である。無線部２０２は第一無線部２０２−１から第ｍ無線部２０２−ｍを含む。各無線部は送信部２０２−ａ，受信部２０２−ｂと，スイッチ部２０２−ｃを備え，送信部２０２−ａと受信部２０２−ｂをスイッチ部２０２−ｃで切り替えて時分割で上り伝送と下り伝送を行う。送信部２０２−ａは，アップコンバータ，電力増幅器等を備え，信号処理部２０３から入力された信号１０を低周波から高周波（搬送波）に変換し，増幅してアンテナ２０１へ出力する。無線部２０２の受信部は，電力増幅器，ダウンコンバータ等を備え，アンテナ２０１で受信された信号を高周波から低周波に変換し，増幅して信号１０を信号処理部２０３へ出力する。信号５に関しては無線リソース割当て部２０６の説明とともに詳述する。

図４は，信号処理部２０３の構成を示すブロック図である。信号処理部２０３は合成部２０３−ａと，ウエイト２０３−ｂと，無線伝送路情報計算部２０３−ｃとを含む。ここでのウエイトは，最大ｍ×ｍ個の値を有しているものとする。信号処理部２０３は，受信処理として，無線部２０２から入力される信号１０−１〜ｍを分離抽出した信号２０−１〜ｍをモデム部２０４へ出力する。具体的には，入力信号１０−１〜ｍと，無線リソース割当て部２０６にて計算した受信信号に必要なウエイト２０３−ｂとを合成部２０３−ａにて乗算した信号２０−１〜ｍをモデム部２０４へ出力する。送信処理として，モデム部２０４から入力される信号２０−１を合成した信号１０−１〜ｍを無線部２０２へ出力する。具体的には，入力信号２０−１〜ｍと，無線リソース割当て部２０６にて計算した送信信号に必要なウエイト２０３−ｂを合成部２０３−ａにて乗算し，２０−１〜ｍを無線部２０２へ出力する。無線伝送路情報計算部２０３−ｃでは，ＡＰと各ＳＴＡとの間の無線伝送路の情報を抽出する。本実施例では無線伝送路情報計算部２０３−ｃが信号処理部２０３に設置されているが，例えば無線部２０２に設置されていてもよい。また，信号処理部２０３は信号処理の機能としてＯＦＤＭ（Ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）などの処理に必要なＦＦＴ，またはＩＦＦＴ機能を備えていてもよい。信号１５に関しては無線リソース割当て部２０６の説明とともに詳述する。

モデム部２０４では，変復調処理を行う。変調処理を行う際には，パケット制御部２０５から入力される信号３０−１〜ｍを変調し，２０−１〜ｍを信号処理部２０３へ出力する。復調処理を行う際には，信号処理部２０３から入力される信号２０−１〜ｍを復調し，３０−１〜ｍをパケット制御部２０５へ出力する。信号２５に関しては無線リソース割当て部２０６の説明とともに詳述する。

図５は，パケット制御部２０５の構成を示すブロック図である。パケット制御部２０５は，回線インタフェース部２０５−ａと，バッファ管理部２０５−ｂとからなる。回線インタフェース部２０５−ａは有線ネットワーク１０２とのインタフェースやＡＰ内部のアプリケーションとのインタフェースであり，通信システムで伝送の対象となる情報信号及び制御信号の送受信処理を行う。例えばＩＥＥＥ８０２.１１に準拠した所定の通信処理，すなわちＰＨＹフレーム，ＭＡＣフレームの変換や，ＭＡＣフレーム中の情報信号，制御信号の抽出などを行う。ここで抽出したＳＴＡやアプリケーションの要求品質（ＱｏＳ）に関する情報６０を無線リソース割当て部２０６へ出力する。バッファ管理部２０５−ｂでは，無線リソース割当て部２０６で計算した無線リソース配分となるよう，バッファの管理を行う。バッファ管理部２０５−ｂは情報を蓄積するバッファ部や，バッファ部のデータを選択するセレクタ等を含む。また，バッファ管理部２０５−ｂのバッファ量などの無線リソース割当てに必要な情報を６０から無線リソース割当て計算部２０６へ出力してもよい。有線ネットワーク１０２との信号４０は，ＳＴＡ数であるＮ本の信号が入力されるとしたが，これ以外の構成でもよい。信号３５に関しては，無線リソース割当て部２０６とともに説明する。

図６は，無線リソース割当て部２０６の構成を示すブロック図である。無線リソース割当て部２０６は，無線伝送路情報評価部２０６−ａと，要求情報評価部２０６−ｂと，最適化部２０６−ｃと，スケジューリング部２０６−ｄと，送受信切替部２０６−ｅと，ウエイト計算部２０６−ｆと，変調制御部２０６−ｇと，バッファ制御部２０６−ｈとを有する。無線リソース割当て部２０６は，無線部２０２，信号処理部２０３，モデム部２０４，パケット制御部２０５に対して，無線リソースを割当てた結果に従って制御する。無線伝送路情報評価部２０６−ａは，無線伝送路情報計算部２０３−ｃにおいて抽出した複数のＳＴＡに対する伝送路情報５０が入力され，各ＳＤＭＡグループのＳＴＡに対する通信性能，例えば通信容量を計算する。要求情報評価部２０６−ｂは，回線インタフェース部２０５−ａにおいて抽出した要求情報６０が入力され，各ＳＴＡまたはアプリケーションの要求する通信性能を計算する。最適化部２０６−ｃでは，無線伝送路情報評価部２０６−ａと要求情報評価部２０６−ｂで生成された信号をもとに，無線リソース割当てを行う期間内に使用する複数のＳＤＭＡグループの候補を選択し，選択されたＳＤＭＡグループに対する時間割合を計算する。そして使用するＳＤＭＡグループと，それらの時間割合をスケジューリング部２０６−ｄへ出力する。スケジューリング部２０６−ｄは，最適化部２０６−ｃの計算結果に従ってスケジューリングを行う。なお，無線リソース割当てを行う期間内であれば，各ＳＤＭＡグループが使用する時間の総和が最適化部２０６で計算した時間割合となる条件でスケジューリングすればよい。送受切替部２０６−ｅでは，スケジューリング部２０６−ｄでスケジューリングした順に送受信を切り替える信号５を無線部２０２へ出力する。ウエイト計算部２０６−ｆでは，ＳＤＭＡした場合の送信及び受信ウエイトを，無線伝送路情報計算部２０３−ｃからの信号５０を用いて計算する。スケジューリング部２０６−ｄでスケジューリングした順に送受のウエイト信号１５を信号処理部２０３へ出力する。変調制御部２０６−ｇでは，スケジューリング部２０６−ｄでスケジューリングした順に，無線伝送路情報計算部２０３−ｃからの信号５０を用いて変調多値数，符号化率を決定した制御信号２５を，モデム部２０４へ出力する。バッファ制御部２０６−ｈでは，スケジューリング部２０６−ｄでスケジューリングしたパケットを抽出するための制御信号３５をパケット制御部２０５へ出力する。

なお，上記で説明した記号ＮはＳＴＡ数であり，ｍはＡＰ１０１に接続されているアンテナ本数である。無線部２０２，信号処理部２０３，モデム部２０４，パケット制御部２０５はそれぞれｍ及びＮ本に対応した部品を備えているが，これら全てを用いる必要はない。また，アンテナ２０１，無線部２０２，信号処理部２０３，モデム部２０４，パケット制御部２０５に関して，送受信の系統を共有するものとして扱っているが，送受信が別々の系統で構成されていてもよい。

図７は，本発明の無線リソース割当てに関する処理手順を示すフローチャートである。ここでは伝送路に関する情報と要求に関する情報を抽出し，これらの情報を同一の指標，例えば，通信容量に変換し，これらの情報に基づいて各ＳＤＭＡグループに対する時間割合を最適化する手順を説明する。

ステップＳ３０１では，ＡＰと各ＳＴＡとの間の無線伝送路の情報を抽出する。この処理は，無線伝送路情報計算部２０３−ｃで行われる。無線伝送路の情報は，所定の方法で測定される。ひとつの方法は，ＡＰが測定することであり，別の方法は，ＳＴＡが測定することである。前者はＳＴＡからＡＰへ向かう無線伝送路の情報に相当し，後者はＡＰからＳＴＡへ向かう無線伝送路の情報に相当し，ＳＴＡにて測定した結果をＡＰに通知するものとする。以下では，後者において伝送路行列（アンテナ本数分の伝送路応答を行列で表現したもの）を抽出するステップＳ３０１の一例を説明する。

ｍ本のアンテナを有するＡＰとｎ本のアンテナを有するＳＴＡ＃ｋが存在する無線通信システムにおいて，ＳＴＡ＃ｋが受信する受信信号Ｒk＝［ｒ_1,k，ｒ_2,k，・・・，ｒ_n,k］^Tは，ＡＰとＳＴＡ＃ｋ間の伝送路行列Ｈｋ及びＡＰからＳＴＡ＃ｋへのパイロット信号Ｔｋ＝［ｔ_1,k，ｔ_2,k，・・・，ｔ_m,k］^Tを用いて，

と表すことができる。ＳＴＡ＃ｋは例えばＺＦ（Zero Forcing）のような検出アルゴリズムを用いることにより伝送路行列Ｈ_ｋを検出する。

なお，この演算は複数回にわたるパイロット信号の受信結果を用いて平均化処理を行ってもよい。その場合は，伝送路の変動速度が十分小さければ，雑音の影響を低減でき，伝送路状態の推定精度を高めることが可能となる。

ステップＳ３０１における無線伝送路の情報は，信号対雑音電力比（ＳＮＲ：Signal to Noise power Ratio），信号対干渉電力比（ＳＩＲ：Signal to Interference power Ratio），受信電力レベル（ＲＳＳＩ：Received Signal Strength Indicatorなど）の他に，誤り率（ＢＥＲ：Bit Error Rate），遅延プロファイル，変調多値数，符号化率又は拡散率等の伝送路パラメータも含まれる。ＡＡＡを用いた場合では，評価関数を構築する際の予備知識として希望波の中心周波数，到来方向，変調方式，偏波などを基準信号として用いてウエイトの算出を行うが，ＡＡＡ技術も伝送路の情報を用いて評価関数の計算を行っている。

次に，ステップＳ３０２では，無線リソース割当てに使用するＳＤＭＡグループを列挙する。ＳＤＭＡした場合の組み合わせは複数存在し，これらの伝送路品質を定期的に算出する。この処理は無線伝送路情報評価部２０６−ａにおいて行われる。例えば，ＡＰが４本のアンテナを備え，２本のアンテナを備えたＳＴＡ＃１，２本のアンテナを備えたＳＴＡ＃２，２本のアンテナを備えたＳＴＡ＃３が存在するシステムを説明する。ＳＤＭＡグループの候補として，同時接続数を２までに制限した場合，図８のように₃Ｃ₁＋₃Ｃ₂＝６通りのＳＴＡの組み合わせがある。しかしこれらの全てを行う必要はなく，処理能力に応じてある程度の組み合わせの中から最適なものを選べばよい。なお，図８ではＳＤＭＡグループの候補に加えて，ＳＤＭＡグループの通信容量も示したが，通信容量の計算はステップＳ３０４で行う。

ステップＳ３０２の別の態様は，上で列挙したＳＤＭＡグループの候補の拡張に関する。この処理は無線伝送路情報評価部２０６−ａにおいて行われる。ＭＩＭＯ−ＳＤＭＡを行う場合，信号処理部２０３における送信及び受信ウエイトを変化させることで，ストリーム数を変更できる。例えば４本のアンテナを備えたＡＰ，２本のアンテナを備えたＳＴＡ＃１，２本のアンテナを備えたＳＴＡ＃２，２本のアンテナを備えたＳＴＡ＃３に対し，ＭＩＭＯ−ＳＤＭＡを行う場合を説明する。このシステムのストリーム数の最大はＡＰのアンテナ本数が上限であり４本となる。ストリーム４本全てを使用する制限を設けると，図９において同時接続数が３の場合，ストリーム数の配分方法は候補１，候補２，候補３の少なくとも３通り存在する。なお，４本全てを使用する制限を設けない場合は，上記より多い組み合わせのパターンが存在する。この方法を用いてＳＤＭＡグループの候補を拡張することで，要求に応じたより適切なＳＤＭＡグループを選択できる。同様にこれらの全ての組み合わせパターンを検索する必要はなく，処理能力に応じてある程度の組み合わせの中から最適なものを選べばよい。なお，図９ではＳＤＭＡグループの候補に加えて，ＳＤＭＡグループの通信容量も示したが，通信容量の計算はステップＳ３０４で行う。

ステップＳ３０２のさらに別の態様は，各ＳＤＭＡに対する電力配分方法である。この処理は無線伝送路情報評価部２０６−ａにおいて行われる。ＳＤＭＡした場合，各ＳＴＡに対する最適な電力配分はＷＦ（Water Filling）の定理に従うことが知られている。この詳細は数６で説明する。しかしながら，この最適化は各ＳＴＡへの電力配分の最適化であり，電力効率を犠牲にしても配分方法を変えることで要求を満たすことができる可能性がある。例えば４本のアンテナを備えたＡＰ，２本のアンテナを備えたＳＴＡ＃１，２本のアンテナを備えたＳＴＡ＃２，２本のアンテナを備えたＳＴＡ＃３に対し，ＭＩＭＯ−ＳＤＭＡを行う場合を説明する。図１０は，同時接続数を２まで示しているが，ＷＦに従わずに電力を配分することで，候補１，候補２のように組み合わせパターンが拡張される。この方法を用いてＳＤＭＡグループの候補を拡張することで，要求に応じたより適切なＳＤＭＡグループを選択できる。同様にこれらの全てを行う必要はなく，処理能力に応じてある程度の組み合わせの中から最適なものを選べばよい。なお，図１０ではＳＤＭＡグループの候補に加えて，ＳＤＭＡグループの通信容量も示したが，通信容量の計算はステップＳ３０４で行う。

ステップＳ３０２に関する以上の３つの形態をそれぞれ組み合わせてＳＤＭＡグループの候補を列挙してもよい。

次に，ステップＳ３０３では，計算量を削減するために，無線リソース割当てに使用するＳＤＭＡグループの候補を選択する。この処理は，無線リソース割当て計算部２０６−ａにおいて行われる。なお，ステップＳ３０２で列挙したＳＤＭＡグループを全て使用しても良いため，ステップＳ３０３は省略することもできる。

ステップＳ３０３において，例えばステップＳ３０１で抽出した伝送路情報から伝送路間の相関を表わす指標値を算出する。この処理は，無線リソース割当て計算部２０６−ａにおいて行われる。無線伝送路の情報を抽出するステップＳ３０１より入力された伝送路行列を基に，例えば，２本のアンテナ間の相関値を計算する。すなわち一方のアンテナで形成される伝送路行列と，もう一方のアンテナで形成される伝送路行列を共役転置したもののベクトル乗算を行ない，乗算した値から各伝送路行列の絶対値の除算を行なう。アンテナＴｘ１によって形成される伝送路行列とアンテナＴｘ２による伝送路行列間の相関値ρ_Tx1Tx2は次式で表される。

このように相関値を計算する。ただし本発明では，ＡＰが複数のアンテナを有するため，全てのアンテナから形成される伝送路特性の組み合わせを計算してもよいし，適当に選択したアンテナから形成される伝送路特性を計算してもよい。数３を用いてＳＴＡ毎に相関値の総和を取り，この値がある閾値を超えない（相関の低い）組み合わせを選択し，ＳＤＭＡグループの候補とする。この値がある閾値を超えた（相関の高い）組み合わせ以外の組み合わせを選択する。例えば，４本のアンテナを備えたＡＰ，２本のアンテナを備えたＳＴＡ＃１，２本のアンテナを備えたＳＴＡ＃２，２本のアンテナを備えたＳＴＡ＃３に対し，ＳＴＡ毎に相関値の総和を計算した一例を図１１に示す。同時接続数２においてＳＴＡ＃１とＳＴＡ＃３を組み合わせた場合の相関値は０．９であり，相関が高い場合は，大きな通信容量を得られる可能性が低い。そこで，ＳＴＡ＃１とＳＴＡ＃３の含まれるＳＤＭＡグループを候補から削除する。これにより，計算量が削減される。

ステップＳ３０３の別の態様は，計算量削減のため，使用するＳＤＭＡグループを予め予想する方法である。この処理は，無線リソース割当て計算部２０６−ａにおいて行われる。一般に，ＳＤＭＡした場合の通信容量は，先に述べたように各ＳＴＡの伝送路行列間の相関が低い程大きくなる。ここでは，相関ではなくＳＴＡの方向を推定し，離れているＳＴＡ同士を同一のＳＤＭＡグループとして扱う。例えば，４本のアンテナを備えたＡＰ，２本のアンテナを備えたＳＴＡ＃１，２本のアンテナを備えたＳＴＡ＃２，２本のアンテナを備えたＳＴＡ＃３が存在する環境を想定する。ＳＴＡの方向を推定する方法としては，例えばＭＵＳＩＣアルゴリズム（複数のアンテナで受信したデータの共分散行列の固有値を解析する方法）や，鋭い指向性を持ったビームを３６０度回転させて方向を検出する方法がある。これらの到来方向推定手法を用いて図１２に示すような表を作成する。近い方向に存在するＳＴＡは，大きな通信容量を得られる可能性が低いため，近い方向に存在するＳＴＡが含まれるＳＤＭＡグループ候補を削除する。図１２では，ＡＰとＳＴＡ＃１，ＡＰとＳＴＡ＃２の方向が近いため，ＳＴＡ＃１とＳＴＡ＃２の含まれるＳＤＭＡグループを候補から削除する。これにより，計算量が削減される。

ステップＳ３０３のさらに別の態様は，計算量削減のため，使用するＳＤＭＡグループを予め予想する方法である。この処理は，無線リソース割当て計算部２０６−ａにおいて行われる。一般に，ＳＤＭＡを行わず１対１でＳＤＭして通信した場合と，ＳＤＭＡを行い１対複数で通信した場合，１台のＳＴＡあたりの通信容量は前者の方が大きい。そこで，はじめにＲＳＳＩ等で伝送路状態を把握し，伝送路状態が劣悪であれば，そのＳＴＡはＳＤＭＡした場合の計算を行わない。これにより，処理が軽減される。

なお，ステップＳ３０３に関する以上の３つの形態をそれぞれ組み合わせてＳＤＭＡグループの候補を選択してもよい。

次に，ステップＳ３０４では，ＳＤＭＡした場合の各ＳＴＡの通信容量を計算する。この処理は，無線リソース割当て計算部２０６−ａにおいて行われる。４本のアンテナを備えたＡＰ，２本のアンテナを備えたＳＴＡ＃１，２本のアンテナを備えたＳＴＡ＃２に対し，ＭＩＭＯ−ＳＤＭＡを行う一例を説明する。この時，ＳＴＡ＃１の受信信号Ｒ₁，ＳＴＡ＃２の受信信号Ｒ₂はＳＴＡ＃１に対する送信信号Ｔ₁，ＳＴＡ＃２に対する送信信号Ｔ₂，及びＡＰと各ＳＴＡとの間の伝送路行列Ｈ₁₁，Ｈ₁₂，Ｈ₂₁，Ｈ₂₂を用いて

と表される。ここで数４を展開するとＳＴＡ＃１の受信信号Ｒ₁において希望信号Ｔ₁の他にＳＴＡ＃２向けの送信信号Ｔ₂が，一方ＳＴＡ＃２の受信信号Ｒ₂において希望信号Ｔ₂の他にＳＴＡ＃１向けの送信信号Ｔ₁が各々の干渉波として重畳される。干渉を抑えるため，ＡＰ側で予め振幅と位相を調整する。例えば，ヌルステアリング方式ではが予めゼロとなるようにチャネル行列からヌル行列Ｗを計算し，これを乗算したものを送信する。なお，ヌルステアリング方式については，非特許文献3に開示されている。

これによりＡＰと各ＳＴＡの間には互いに独立した通信路が形成される。互いに独立した通信路においてＭＩＭＯ伝送，例えば固有モード（Ｅ−ＳＤＭ：Eigenbeam Space Division Multiplex）伝送する場合を考える。Ｅ−ＳＤＭの通信容量Ｃは，

で与えられる。ここでＢは信号帯域幅であり，γ_iはＳＮＲに相当する。λ_iは固有値を表し，チャネル行列を特異値分解（ＳＶＤ：Singular Value Decomposition）

を行うことで得られる。以上の方法により，ＭＩＭＯ−ＳＤＭＡを行った場合の各ＳＴＡの通信容量が得られる。通信容量はこのように導出してもよいが，近似を用いて推定した値を通信容量として用いても良い。本実施例では，無線伝送路の評価，すなわち通信容量の計算と，ウエイトを２０６−ａで計算しているが，図６のようにウエイト計算をウエイト計算部２０６−ｆで行っても良い。Ｖ及びＵはウエイト信号１５からウエイト２０３−ｂに入力され，このウエイトを用いて合成部２０３−ａで乗算される。なお，Ｅ−ＳＤＭの他に，ＺＦ（Zero−Forcing），ＭＭＳＥ（Minimum Mean Square Error）などの方式を用いてウエイトを計算しても良い。

本実施例では，ステップＳ３０２，Ｓ３０３，Ｓ３０４の順，すなわちＳＤＭＡグループ候補の列挙，選択，計算の順に説明を行ったが，例えばＳ３０２，Ｓ３０４，Ｓ３０３の順でもよい。

ステップＳ３０５では，各ＳＴＡまたはアプリケーションの要求情報を抽出する。この処理は，回線インタフェース部２０５−ａにおいて行われる。要求情報は，所定の方法で測定される。ひとつの方法は，例えばＩＥＥＥ８０２.１１ｅの規格に含まれるＨＣＣＡ（Hybrid Coordination Function Controlled Channel Access）のような，予め定められたプロトコルを利用することで要求情報を抽出する。ＨＣＣＡでは，通信を始める前に，ＳＴＡはＡＰとの間で通信品質のネゴシエーションを行うことが規定されている。要求情報を測定する別の方法は，送られてきたパケットに記述された要求に関する情報を測定する。例えばＩＥＥＥ８０２．１ＤのUser's Priorityヘッダを解析して要求情報を抽出する。

ステップＳ３０５における要求情報は，通信容量の他に，スループット，優先度，アプリケーションの種類，バッファ量，遅延，バッファ量，ジッタなども含まれる。

ステップＳ３０６では，ステップＳ３０５で抽出した要求情報をステップＳ３０４と同一の指標に変換する。この処理は，要求情報評価部２０６−ｂにおいて行われる。例えば，無線伝送路の情報を通信容量に変換したが，要求情報がＳＮＲのみ通知された場合，数６を用いて通信容量に変換する。この値は要求情報評価部２０６−ｂから最適化部２０６−ｃへ入力される信号に相当する。また，要求情報から優先度が高い場合や，遅延が大きい場合，最適化部２０６−ｃに出力する値を大きくとっても良い。

伝送路情報及び要求情報を評価した指標値は，正の数で表され，この値が大きい程に伝送路の状況が良い，もしくは要求が強いものとしたが，他の指標を用いてもよい。また，フィードバック情報量の削減のため，伝送路情報や伝送路を評価した情報をテーブル化したものをＡＰ，ＳＴＡ間で共有し，そのテーブル番号を受け渡すようにしてもよい。

ステップＳ３０７では，無線伝送路情報と要求情報をもとに，複数のＳＤＭＡグループの候補を選択し，選択されたＳＤＭＡグループに対する時間割合を計算する。この処理は，無線伝送路情報評価部２０６−ａにおける処理，すなわちステップＳ３０２，Ｓ３０３で選択したＳＤＭＡグループと各ＳＴＡの通信容量に関する表（図８〜図１０）及び，要求情報評価部２０６−ｂにおける処理，すなわちステップＳ３０６で計算した通信容量が入力され，使用するＳＤＭＡグループと各ＳＤＭＡグループに対する時間配分を計算する。通信容量を満たすのに必要なＳＤＭＡグループと各ＳＤＭＡグループに必要な時間割合の最適化を行う手法の一例として，線形計画法（ＬＰ：Linear Programming）がある。線形計画法とは一次不等式で表される制約条件の範囲内で目的関数の最大値あるいは最小値を求める手法であり，既に様々なアルゴリズムが考案されている。線形計画法は制約条件と目的関数からなっており目的関数を変えることで，制約条件を満たしつつシステムの目的に応じた結果を得ることができる。

ただし未知数をα_ｐ（ＳＤＭＡグループ＃ｐの占有時間の割合），既知数をＸ_ｐｑ（ＳＤＭＡグループ＃ｐに含まれるＳＴＡ＃ｑの通信容量），ＴＰ_ｑ（ＳＴＡ＃ｑ が要求する通信容量），ｍ（ＳＤＭＡグループ数），ｎ（ＳＴＡ数）とする。
これらの制約式を満たす解（α_１，α_２，・・・，α_ｍ）が存在すれば，全てのＳＴＡは要求された通信容量を満たすことができる。更に，上記制約条件のもと目的関数として

が最小であることを追加すると，要求を満たしつつシステム全体の使用時間を最小にするようなα_１，α_２，・・・，α_ｍを求めることに相当し，同様に目的関数として

が最大であることを追加すると，要求を満たしつつシステム全体の通信容量を最大にするようなα_１，α_２，・・・，α_ｍを求めることに相当する。なお，数式８において右辺を０とした場合，ＳＴＡまたはアプリケーションからの要求がない状態となる。
上り下りまで含んだシステムに拡張すると，

ただし未知数をα_ｐ（上りに使用するＳＤＭＡグループ＃ｐの占有時間の割合），β_ｐ（下りに使用するＳＤＭＡグループ＃ｐの占有時間の割合），既知数をＸ_ｐｑ（上りに使用するＳＤＭＡグループ＃ｐに含まれるＳＴＡ＃ｑの通信容量），Ｙ_ｐｑ（下りに使用するＳＤＭＡグループ＃ｐに含まれるＳＴＡ＃ｑの通信容量），ＴＰＸ_ｑ（上りに使用するＳＴＡが要求する通信容量），ＴＰＹ_ｑ（下りに使用するＳＴＡが要求する通信容量），ｍ（ＳＤＭＡグループ数），ｎ（ＳＴＡ数）とする。
これにより，上り下り含めたシステムに対し最適な無線リソースの配分が可能となる。

上り下りに加え，優先度まで考慮したシステムへ拡張する。ここでは，優先度を定量保証型（またはReal Time型，例えばvoice，video，streamingなど）と相対保証型（またはNon Real Time型，例えばe-mailなど）の２種類に分類すると，制約条件は

ただし未知数をα_ｐ（上りに使用するＳＤＭＡグループ＃ｐの占有時間の割合），β_ｐ（下りに使用するＳＤＭＡグループ＃ｐの占有時間の割合），既知数をＸ_ｐｑ（上りに使用するＳＤＭＡグループ＃ｐに含まれるＳＴＡ＃ｑの通信容量，定量保証型），Ｙ_ｐｑ（下りに使用するＳＤＭＡグループ＃ｐに含まれるＳＴＡ＃ｑの通信容量，定量保証型），Ｘ’_ｐｑ（上りに使用するＳＤＭＡグループ＃ｐに含まれるＳＴＡ＃ｑの通信容量，相対保証型），Ｙ’_ｐｑ（下りに使用するＳＤＭＡグループ＃ｐに含まれるＳＴＡ＃ｑの通信容量，相対保証型），ＴＰＸ_ｑ（上りに使用するＳＴＡが要求する通信容量），ＴＰＹ_ｑ（下りに使用するＳＴＡが要求する通信容量），ｍ（ＳＤＭＡグループ数），ｎ（ＳＴＡ数）とする。
相対保証型ＳＴＡの要求を０としているため定量保証型ＳＴＡへ優先的に無線リソースを割当てることができ，更に目的関数

が最大となるような条件を追加すると，定量保証型ＳＴＡの要求を満たしつつ相対保証型ＳＴＡの通信容量の総和を最大にするようなα_１，α_２，・・・，α_ｍ，β_１，β_２，・・・，β_ｍを求めることができる。

ステップＳ３０８では，最適化部２０６−ｃで決定した各ＳＴＡへの無線リソース割当てに関する情報，すなわちＳＤＭＡグループと各ＳＤＭＡグループに対する時間を参考にスケジューリングを行い，スケジューリングに従って無線部２０２，信号処理部２０３，モデム部２０４，パケット制御部２０５を制御する。ここで，無線リソース割当て結果は，各ＳＤＭＡグループの時間配分値を表しているため，スケジューリングを行う時間間隔において決定された割合で配分を行えば良く，実際にスケジューリングする順番は特に問わない。なお，本実施例を実現する一例として，ＩＥＥＥ８０２．１１ｅの規格に含まれるＨＣＣＡがある。ＨＣＣＡでは，ポーリング制御技術を使うことによってＡＰが各ＳＴＡの動作を集中的に管理し，ＡＰのスケジューリング通りにＡＰと各ＳＴＡが無線通信を行うことができるよう，プロトコルが予め定められている。

図１３は，本発明を使用して無線リソース割当てを行った場合の一例（概念図）を表している。横軸を時間とし，ａからｂまでの期間を無線リソース割当てしたものとする。縦軸はChannel Capacityを表しており，ＳＤＭＡグループによってChannel Capacityが異なる。

図１４に，本発明方式によって無線リソース割当てを行った場合，ＡＰとＳＴＡとの距離と，通信容量を確保できない確率を示す。システムに属するＳＴＡ数は３台とする。方法１はＭＩＭＯ方式を採用する。ＱｏＳは考慮せず，チャネル推定間隔１０[ｍｓ]を等分割した時間を各ＳＴＡに割当てて通信している。方法２,３及び発明方式は全てＭＩＭＯ-ＳＤＭＡ方式を採用する。ただし方法２はＱｏＳを考慮しない。シミュレーションでは同時接続できるＳＴＡ数の上限を２台としたため，３台のＳＴＡを２台と１台のグループにランダムに割当てる。このとき，各ＳＤＭＡグループに割当てられる時間は全て同一とする。方法３はＱｏＳを考慮する。ＳＤＭＡグループの中から，同一のグループを複数回使用しない組み合わせを４グループまで抽出する。これら全ての組み合わせのうち要求された通信容量を確保するものが存在するかどうかで判定を行う。ただし，各ＳＤＭＡグループに割当てられる時間は同一とする。最後に発明方式では，線形計画法により制約条件を満たせるかどうかで判定を行う。ＡＰ−定量保証型ＳＴＡ間の距離と，要求する通信容量を確保できない確率の関係を示す。ＱｏＳ考慮なしのＭＩＭＯ(方法１)とＭＩＭＯ-ＳＤＭＡ(方法２)を比較すると，ＱｏＳを考慮せずにＭＩＭＯ-ＳＤＭＡを使用すると距離１５[ｍ]において要求する通信容量を確保できない確率が１０倍程度劣化していることが分かる。これは，ＳＤＭＡグループに割当てる時間を等配分していることが原因であり，同時接続するＳＴＡ数が２台のＳＤＭＡグループが通信容量を確保できていない可能性が高い。これより，ＳＤＭＡ技術を用いる場合，条件によっては従来方式よりも特性が劣化する場合があることがわかる。次に，ＱｏＳ考慮なし(方法２)とあり(方法３)の方式を比較すると，距離１５[ｍ]において１０^４程度の改善が見られる。最後に，発明方式はこれらの特性を更に大きく上回っていることが確認できる。

図１５に，ＡＰと相対保証型ＳＴＡとの距離と，相対保証型ＳＴＡの全通信容量との関係を示す。定量保証型ＳＴＡ３台に加えて相対保証型ＳＴＡが混在する場合とする。この時の目的関数は相対保証型ＳＴＡの通信容量の総和が最大となる数１３を用いる。ＡＰと定量保証型ＳＴＡの距離は全て１５［ｍ］とし，定量保証型ＳＴＡが要求する通信容量は全て２４［ｂｐｓ］する。ただし３台の定量保証型ＳＴＡのうち，２台が下り要求で１台が上り要求とする。この時，上り下りは伝搬路の可逆性より同一の通信容量が得られると仮定する。相対保証型ＳＴＡ数の増加に伴い，通信容量も増加している。これは，各ＳＴＡに対し独立なフェージングを与えているため，ＳＴＡ数が多いほど大きな通信容量が得られるＳＴＡが存在する可能性が高いことに起因する。本発明方式を用いると，定量保証型ＳＴＡの要求を満たしつつ，相対保証型ＳＴＡの通信容量を確保できていることが分かる。

本発明は無線通信システムに適用可能だが，空間多元接続を用いて無線リソース割当てを行い通信する際に最も性能を発揮する。

本発明の無線通信システムの概略を示す図である。 ＡＰ１０１の構成を示すブロック図である。 図２の無線部を示す図である。 図２の信号処理部を示す図である。 図２のパケット制御部を示す図である。 図２の無線リソース割当て部を示す図である。 無線リソースを割当てるフローチャートである。 図７のステップＳ３０２において作成する表の一例である（その１）。 図７のステップＳ３０２において作成する表の一例である（その２）。 図７のステップＳ３０２において作成する表の一例である（その３）。 図７のステップＳ３０３において作成する表の一例である（その１）。 図７のステップＳ３０３において作成する表の一例である（その２）。 本発明を使用して無線リソース割当てを行った一例である。 従来方式と本発明方式の特性を比較したグラフである（その１）。 従来方式と本発明方式の特性を比較したグラフである（その２）。

符号の説明

１０１・・・ＡＰ、１０２・・・有線ネットワーク、１０３・・・ＳＴＡ、
２０１・・・ＡＰのアンテナ、２０２・・・無線部、２０２−ａ・・・送信部、２０２−ｂ・・・受信部、２０２−ｃ・・・スイッチ部、２０３・・・信号処理部、２０３−ａ・・・合成部、２０３−ｂ・・・ウエイト、２０３−ｃ・・・無線伝送路情報計算部、２０４・・・モデム部、２０５・・・パケット制御部、２０５−ａ・・・回線インタフェース部、２０７−ｂ・・・バッファ管理部、２０６・・・無線リソース割当て計算部、２０６−ａ・・・無線伝送路情報評価部、２０６−ｂ・・・要求情報評価部、２０６−ｃ・・・最適化部、２０６−ｄ・・・スケジューリング部、２０６−ｅ・・・送受切替部、２０６−ｆ・・・ウエイト計算部、２０６−ｇ・・・変調制御部、２０６−ｈ・・・バッファ制御部。

Claims (6)

1. 空間多元接続により複数の端末と通信する無線基地局であって、
   該無線基地局と前記複数の端末との間の伝送路の情報を収集する伝送路情報部と、
   該端末に提供されるアプリケーションに要求される通信性能を示すアプリケーション要求情報を管理する要求情報部と、
   該複数の端末を空間多元接続した空間多元接続グループの候補である空間多元接続グループ候補を少なくとも一の端末が複数の前記空間多元接続グループの候補に属するように複数とおり生成し、前記伝送路情報を用いて該空間多元接続グループ候補において得られる各端末の通信性能を推定し、
   前記推定された各端末の通信性能と、各端末に要求される要求情報及び該端末に提供されるアプリケーションの要求情報の少なくとも一方と、を制約条件とし、前記基地局が行う通信全体の目的達成の度合いを評価するための目的関数の評価値を、前記制約条件の範囲内で最適化し、前記最適化の結果に基づいて前記複数の空間多元接続グループ候補から空間多元接続グループの選択及び該選択した空間多元接続グループの時間配分を決定し、
   決定された前記時間配分に従って前記複数の端末に無線リソースを割当てる無線リソース割当て計算部と、
   該割当てられた無線リソースにより前記複数の端末との通信を行う信号処理部と、
   を有することを特徴とする無線基地局。
2. 前記伝送路情報部は、前記伝送路情報として信号対雑音または干渉比を収集することを特徴とする請求項１記載の無線基地局。
3. 前記無線リソース割当て計算部は、前記伝送路情報の相関に基づいて前記空間多元接続グループ候補を決定することを特徴とする請求項１記載の無線基地局。
4. 前記無線リソース割当て計算部は、前記最適化は、前記複数の端末とのデータ伝送に必要な時間を最小にすることを評価指標とする最適化計算により前記空間多元接続グループの選択と時間配分の決定を行うことを特徴とする請求項１記載の無線基地局。
5. 前記無線リソース割当て計算部は、前記最適化は、前記要求される通信性能が定量保証型と相対保証型の伝送データが混在することを示す場合には，前記定量保証型の通信性能の要求を満たしつつ前記相対保証型の通信の全体の通信容量を最大にすることを評価指標とする最適化計算により前記空間多元接続グループの選択と時間配分の決定を行うことを特徴とする請求項１記載の無線基地局。
6. 空間多元接続により複数の端末と通信する無線基地局における無線リソース割当て方法であって、
   該無線基地局と前記複数の端末との間の伝送路の情報を収集するステップと、
   該端末に提供されるアプリケーションに要求される通信性能を示すアプリケーション要求情報を管理するステップと、
   該複数の端末を空間多元接続した空間多元接続グループの候補である空間多元接続グループ候補を複数とおり生成するステップと、
   前記アプリケーション要求情報及び前記伝送路情報を用いて該空間多元接続グループ候補において得られる各端末の通信性能を推定し、
   前記推定された各端末の通信性能と、各端末に要求される要求情報及び該端末に提供されるアプリケーションの要求情報の少なくとも一方と、を制約条件とし、前記基地局が行う通信全体の目的達成の度合いを評価するための目的関数の評価値を、前記制約条件の範囲内で最適化し、前記最適化の結果に基づいて前記複数の空間多元接続グループ候補から空間多元接続グループの選択及び該選択した空間多元接続グループの時間配分を決定し、
   決定された前記時間配分に従って前記複数の端末に無線リソースを割当てるステップと、
   該割当てられた無線リソースにより前記複数の端末との通信を行うステップと、を有することを特徴とする無線リソース割当て方法。

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