JP5073021B2 - クラスタ内協調及びクラスタ間干渉回避方法、無線通信システム、集約局及び無線基地局 - Google Patents

Description

本発明は、複数の無線基地局を協調させて無線端末に対する信号を送信する際のクラスタ内協調及びクラスタ間干渉回避方法、無線通信システム、集約局及び無線基地局に関する。

セルラ方式の移動無線通信システムでは、面的周波数利用効率を向上させるために、周波数繰返し回数を出来るだけ少なくすることが求められる。例えば、ＣＤＭＡ（Ｃｏｄｅ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ａｃｃｅｓｓ）方式を用いた第３世代のセルラ方式では、隣接セルで同一周波数帯の電波を利用する１セル周波数繰返し（周波数繰返し回数＝１）が実現されている。

一方、次世代のセルラ方式の下り回線では、ＯＦＤＭＡ（Ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ａｃｃｅｓｓ）方式が有力である。このＯＦＤＭＡ方式を用いたセルラ方式において１セル周波数繰返しを用いる場合、隣接セル及び隣接セクタからの干渉が特性劣化の大きな原因となる。具体的には、隣接セル及び隣接セクタからの干渉電力の増加に伴いＳＩＮＲ（Ｓｉｇｎａｌ−ｔｏ―Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ａｎｄ Ｎｏｉｓｅ ｐｏｗｅｒ Ｒａｔｉｏ）が低下するため、特にＭＩＭＯ（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ−Ｉｎｐｕｔ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ−Ｏｕｔｐｕｔ）伝送を行う際にその効果を発揮することが難しくなる。

したがって、ＯＦＤＭＡ方式でＭＩＭＯ伝送を行うセルラ方式において１セル周波数繰返しを用いる場合、ＭＩＭＯ伝送による著しいスループットの増大効果を得るためには、隣接セル及び隣接セクタからの干渉を回避する必要がある。

そこで、上述のような場合の干渉回避技術として、複数の無線基地局を協調させて１以上の無線端末に対して信号を同時送信する協調送信が注目されている。マルチユーザＭＩＭＯ伝送用のプリコーディング法を用いると、協調する複数の無線基地局のセル又はセクタの集合によって形成される協調クラスタ内の空間を直交化できるので、協調クラスタ内の干渉（すなわち、協調送信を行う無線基地局間の干渉）が回避される（例えば、非特許文献１及び非特許文献２）。

具体的には、非特許文献１に示された協調送信では、隣接する複数の無線基地局が集約局に接続され、集約局が複数の無線基地局を協調させる。協調クラスタは、協調する複数の無線基地局のセルの集合によって形成される。協調クラスタ内では、マルチユーザＭＩＭＯ伝送により、複数の無線基地局による協調送信が行われる。このマルチユーザＭＩＭＯ伝送のプリコーディング方法としてブロック対角化Ｚｅｒｏ−ｆｏｒｃｉｎｇ（ＢＤ−ＺＦ）法を用いると、協調クラスタＣＬ内の空間を直交化できるので、協調クラスタＣＬ内の干渉を回避することが可能になり、ユーザスループットが改善される。

また、非特許文献２に示された協調送信では、図１９に示すように、隣接する３つの無線基地局（１-１、１-２、１-７）、（１-１、１-３、１-４）、（１-１、１-５、１-６）が集約局２に接続され、無線端末２との通信において、集約局２が無線端末２が在圏するエリアを配下とする３つの無線基地局を協調させる。協調クラスタＣＬは、協調する３つの無線基地局１の隣接３セクタによって形成される。さらに、協調クラスタＣＬを形成する隣接３セクタは、各無線基地局１のセクタアンテナからのビームが向き合うように構成されている。協調クラスタＣＬ内では、マルチユーザＭＩＭＯ伝送により、３つの無線基地局１による協調送信が行われる。マルチユーザＭＩＭＯ伝送用のプリコーディング法を用いると、協調クラスタＣＬ内の空間を直交化できるので、協調クラスタＣＬ内の干渉を回避することが可能になり、ユーザスループット及びセルスループットが改善される。

A.Benjebbour, M.Shirakabe, Y.Ohwatari, J.Hagiwara, and T.Ohya, "Evaluation of user throughput for MU-MIMO coordinated wireless networks," IEEE PIMRC 2008, pp.1-5, Sept. 2008. CMCC, "Downlink CoMP-MU-MIMO transmission schemes," 3GPP RAN1 #56, R1-090922, Feb. 2009.

しかしながら、上述の干渉回避技術は、協調クラスタ内の干渉を回避できるが、協調クラスタ間の干渉を回避できないという問題点があった。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、複数の無線基地局による協調送信において、協調クラスタ内の干渉だけでなく協調クラスタ間の干渉回避効果も期待できるクラスタ内協調及びクラスタ間干渉回避方法、無線通信システム、集約局及び無線基地局を提供することを目的とする。

本発明の無線通信システムは、それぞれ複数セクタのセルを形成する複数の無線基地局を備えた無線通信システムであり、複数無線基地局のセルの集合で構成されるクラスタ内において隣接セクタ間で同一周波数領域毎に前記各無線基地局から放射される指向性ビームが向き合うように指向性パタンが定められたクラスタパタンが、指向性パタンと周波数領域の組み合わせを変えて複数用意され、クラスタ間の干渉が所定値以下になるように、前記各クラスタパタンの各クラスタへの割り当てを決定するクラスタパタン決定部と、前記クラスタパタン決定部が決定したクラスタパタンに基づいて、クラスタ単位で前記複数無線基地局に対して周波数領域毎に指向性パタンを割り当てる指向性パタン決定部と、を具備し、前記複数の無線基地局が同一の時間スロットで前記指向性パタンにしたがって指向性ビームを形成し、クラスタ内においてセクタが互いに隣接する一方の前記無線基地局の指向性ビームと同一周波数で向き合う他方の前記無線基地局の指向性ビームとの間で、マルチユーザＭＩＭＯ伝送によるセクタ間のデータ送信協調をすることを特徴とする。

この構成によれば、クラスタ間の干渉が所定値以下になるように、複数種類のクラスタパタンが各クラスタへ割り当てられるので、クラスタ間の干渉を回避できる。しかも、前記クラスタパタンにしたがって指向性パタンを決定するので、複数の無線基地局から無線端末の在圏するエリアの中心に向けて送信される同一周波数領域の指向性ビームが向き合うように構成され、協調送信により無線端末の在圏するエリア内での干渉を防止することができるとともに、当該エリアの中心に位置する無線端末の信号品質の悪化を防止することができる。

また本発明の集約局は、それぞれ複数セクタのセルを形成する複数の無線基地局を備えた無線通信システムにおいて、複数無線基地局のセルの集合で構成されるクラスタ単位で無線基地局を集約する集約局であり、クラスタ内において隣接セクタ間で同一周波数領域毎に前記各無線基地局から放射される指向性ビームが向き合うように指向性パタンが定められたクラスタパタンが、指向性パタンと周波数領域の組み合わせを変えて複数用意され、クラスタ間の干渉が所定値以下になるように、前記各クラスタパタンの各クラスタへの割り当てを決定するクラスタパタン決定部と、前記クラスタパタン決定部が決定したクラスタパタンに基づいて、クラスタ単位で前記複数無線基地局に対して周波数領域毎に指向性パタンを割り当てる指向性パタン決定部と、クラスタ内協調送信するデータ信号を同一クラスタの複数無線基地局に信号分配する信号分配部と、前記信号分配部により複数無線基地局に信号分配されたデータ信号を、マルチユーザＭＩＭＯ伝送用のプリコーディングにより、前記指向性パタン決定部によって周波数領域毎に割り当てられた指向性パタンとなる指向性ビームを形成するプリコーディング部と、を具備したことを特徴とする。

また本発明の制御局装置は、それぞれ複数セクタのセルを形成する複数の無線基地局を備えた無線通信システムにおいて、複数無線基地局のセルの集合で構成されるクラスタ単位で無線基地局を集約している集約局を管理する制御局装置であり、クラスタ内において隣接セクタ間で同一周波数領域毎に前記各無線基地局から放射される指向性ビームが向き合うように指向性パタンが定められたクラスタパタンが、指向性パタンと周波数領域の組み合わせを変えて複数用意され、クラスタ間の干渉が所定値以下になるように、前記各クラスタパタンの各クラスタへの割り当てを決定するクラスタパタン決定部と、前記クラスタパタン決定部で決定されたクラスタパタンを前記各集約局へ通知する通知手段と、を具備したことを特徴とする。

また本発明の無線基地局は、無線通信システムにおいて隣接する他の無線基地局と共に複数セクタのセルを形成する無線基地局であって、複数無線基地局のセルの集合で構成されるクラスタ内において隣接セクタ間で同一周波数領域毎に前記各無線基地局から放射される指向性ビームが向き合うように指向性パタンが定められたクラスタパタンが、指向性パタンと周波数領域の組み合わせを変えて複数用意され、隣接する他のクラスタとのクラスタ間の干渉が所定値以下になるようにクラスタパタンを決定するクラスタパタン決定部と、前記クラスタパタン決定部が決定したクラスタパタンに基づいて自局に対して周波数領域毎に指向性パタンを割り当てる指向性パタン決定部と、クラスタ内協調送信するデータ信号を、マルチユーザＭＩＭＯ伝送用のプリコーディングにより、前記指向性パタン決定部によって周波数領域毎に割り当てられた指向性パタンとなる指向性ビームを形成するプリコーディング部と、を具備したことを特徴とする。

本発明によれば、複数の無線基地局による協調送信において、協調クラスタ内の干渉回避だけでなく、協調クラスタ間の干渉回避効果を期待できる。

本発明の実施形態１に係る無線通信システムの概略構成図である。 実施形態１に係る無線通信システムで形成される協調クラスタを示す図である。 実施形態１に係る指向性パタンを示す図である。 実施形態１に係る指向性パタン選択情報を示す図である。 実施形態１において、偶数周波数ブロックの指向性パタン割当て状態、及び奇数周波数ブロックの指向性パタン割当て状態を示す図を示す図である。 クラスタパタンの構成を説明するためのパタン構成図である。 の実施形態１に係る無線通信システムの全体構成図である。 ２種類のクラスタパタンの構成を説明するためのパタン構成図である。 ２種類のクラスタパタンを配置した場合のクラスタ間干渉の様子を示す図である。 実施形態１に係る３種類の指向性パタンを示す図である。 実施形態１に係る３種類の指向性パタンに対応した指向性パタン選択情報を示す図である。 実施形態１に係る３種類の指向性パタンを用いたクラスタパタン構成例を示す図である。 ３種類のクラスタパタンの構成を説明するためのパタン構成図である。 ３種類のクラスタパタンを配置した場合のクラスタ間干渉の様子を示す図である。 本発明の実施形態１に係る集約局の概略機能ブロック図である。 本発明の実施形態１に係る無線基地局の概略機能ブロック図である。 実施形態１に係る３種類の指向性パタンを用いた指向性パタン選択情報を示す図である。 ３種類のクラスタパタンをダイナミックに配置した場合のクラスタ間干渉の様子を示す図である。 本発明の実施形態２に係る無線基地局の詳細機能ブロック図である。 従来の協調送信システムを説明するための図である。

図１は、本実施形態に係る無線通信システムの概略構成図である。本実施形態の無線通信システムは、複数の無線基地局１０（１０−１乃至１０−７、…）と、複数の無線基地局１０と光ファイバ２０により接続される集約局３０と、集約局３０に接続されるネットワーク網４０とから構成されている。複数の集約局３０は制御局７０によって集約される。同図には１クラスタＣＬだけを図示している。クラスタＣＬは、複数の無線基地局１０−２乃至１０−７が協調送信する単位である。本実施の形態では、中央部に配置された無線基地局１０−１が形成する中央セルＣ−１と、中央の無線基地局１０−１を囲むように配置された他の複数の無線基地局１０−２乃至１０−７が中央セルＣ−１の周囲に隣接して形成する複数の隣接セルセルＣ−２乃至Ｃ−７とで、１つのクラスタＣＬを形成している。このような、複数の無線基地局１０−２乃至１０−７が協調送信する単位であるクラスタＣＬが二次元的に配置されて広域の通信エリアが形成される。本実施の形態は、クラスタ内のクラスタ間の干渉回避を実現すると共に、クラスタ内の干渉合成能力を実現する無線通信システムである。

図２（ａ）は、本実施形態に係る無線通信システムから１つのクラスタだけを取り出した状態を示しており、クラスタ内に形成される部分的な協調エリアが概念的に図示されている。図２（ｂ）は１セルのセクタ構成を示す図であり、本実施形態では１セルは６セクタＳ１乃至Ｓ６で構成されるが、セクタ構成は６セクタに限定されない。

図２（ａ）に示すように、本実施形態に係る無線通信システムでは、１つのクラスタを７つの無線基地局１０−１乃至１０−７で形成している。隣接する３つの無線基地局がそれぞれ１つの協調エリアを形成している。具体的には、隣接する３つの無線基地局（１０-１、１０-２、１０-３）が協調エリアＣＬ１を形成し、隣接する３つの無線基地局（１０-１、１０-３、１０-４）が協調エリアＣＬ２を形成している。以下同様に、隣接する３つの無線基地局（１０-１、１０-４、１０-５）（１０-１、１０-５、１０-６）（１０-１、１０-６、１０-７）（１０-１、１０-７、１０-２）が協調エリアＣＬ３、ＣＬ４、ＣＬ５、ＣＬ６をそれぞれ形成している。図２（ａ）に示す例では、３つの無線端末５０−１，５０−２，５０−３がクラスタ内に在圏しており、無線端末５０−１は無線基地局１０−１の配下、無線端末５０−２は無線基地局１０−２の配下、無線端末５０−３は無線基地局１０−３の配下となっている。

協調エリアＣＬ１乃至ＣＬ６をそれぞれ形成している隣接する３つの無線基地局のセットに対して、同一周波数領域で当該協調エリアＣＬに向けて指向性ビームを互いに向き合う方向で送信する指向性パタンが割り当てられる。

図３は、無線基地局１０に適用される指向性パタンの一例を示す図である。同図（１）に示す指向性パタン１は、垂直方向を基準にして反時計回りに３０度、１５０度、２７０度の方向にピークを持つ３つの指向性ビームから構成される。同図（２）に示す指向性パタン２は、垂直方向を基準にして時計回りに３０度、１５０度、２７０度の方向にピークを持つ３つの指向性ビームから構成される。

図４は指向性パタン１、２と周波数ブロックとの関係を示す図である。無線通信システムのシステム帯域を複数の周波数ブロック１乃至周波数ブロック２ｎ＋１で分割し、奇数番号の周波数ブロックに指向性パタン１を割り当て、偶数番号の周波数ブロックに指向性パタン２を割り当てている。図４に示す割り当て例では、時間軸方向に指向性パタン１、２と周波数ブロックとの対応関係は固定であるが、時間スロット単位で指向性パタン１、２と周波数ブロックとの対応関係を変化させても良い。

図５（ａ）（ｂ）に示すように、１クラスタを構成する全ての無線基地局１０−１乃至１０−７に対して同一周波数領域では同一の指向性パタン１または２を割り当てることで、周波数ブロック毎に所定の協調エリアＣＬが形成される。図５（ａ）に示す例では、偶数番号の周波数ブロックでは１クラスタ内に協調エリアＣＬ２、ＣＬ４、ＣＬ６が形成される。図５（ｂ）に示す例では、奇数番号の周波数ブロックでは１クラスタ内に協調エリアＣＬ１、ＣＬ３、ＣＬ５が形成される。周波数方向に多重することで図２（ａ）に示すように１クラスタ内に協調エリアＣＬ１乃至ＣＬ６が形成される。

ここで、クラスタパタンとクラスタ間干渉との関係について考察する。
図６に示すように、周波数ブロック（ｆ１）では全ての無線基地局１０−１乃至１０−７に対して指向性パタン１を割当て、別の周波数ブロック（ｆ２）では全ての無線基地局１０−１乃至１０−７に対して指向性パタン２を割当てることで、１つのクラスタパタンが構成される。前述した通り、クラスタパタンが適用されるクラスタ内は協調エリアＣＬ１乃至ＣＬ６が形成され、マルチユーザＭＩＭＯ伝送用のプリコーディング法を用いると、協調クラスタＣＬ内の空間を直交化できる。

図７は本実施形態１に係る無線通信システムのシステム構成図であり、クラスタ単位で設置される集約局３０を管理する制御局７０まで示されている。ただし、図７に示す全てのクラスタには、図６に示す同一クラスタパタンのみを繰り返し適用した状態が示されている。図７には同一クラスタパタンのみを繰り返し適用した場合のクラスタ間干渉の様子を示している。個々のクラスタを形成する複数無線基地局１０−１乃至１０−７は同一の集約局３０に接続されている。集約局３０がクラスタを形成する配下の無線基地局１０−１乃至１０−７に対して、図６に示すクラスタパタンを適用してマルチユーザＭＩＭＯ伝送用のプリコーディング法を用いることにより、協調クラスタＣＬ内の空間を直交化している。

しかしながら、１つのクラスタパタンを１単位として、クラスタパタン単位間（以下、単にクラスタ間又はクラスタ境界という）に着目すると、クラスタ境界となる隣接クラスタ間で同一周波数領域での指向性ビームが向き合っていることが分かる。すなわち、全てのクラスタに単一のクラスタパタンを割り当てると、クラスタ境界でクラスタ間干渉が発生してしまう。

本発明者等は、クラスタパタンの種類を増やして、複数種類のクラスタパタンを混在させることにより、クラスタ間干渉を回避する効果があることに着目し、本発明をするに到った。

図８に２種類のクラスタパタンの構成例を示している。
クラスタパタン１は、図６と同様に構成されている。すなわち、図８（ａ）に示すように、周波数ブロック（ｆ１）で全ての無線基地局１０−１乃至１０−７に対して指向性パタン１を割当て、別の周波数ブロック（ｆ２）で全ての無線基地局１０−１乃至１０−７に対して指向性パタン２を割当てることで、クラスタパタン１を構成している。

図８（ｂ）に示すように、クラスタパタン２は、クラスタパタン１とは指向性パタン及び周波数の組み合わせが逆になるようにしている。すなわち、周波数ブロック（ｆ２）で全ての無線基地局１０−１乃至１０−７に対して指向性パタン１を割当て、周波数ブロック（ｆ１）で全ての無線基地局１０−１乃至１０−７に対して指向性パタン２を割当てることで、クラスタパタン２を構成している。

図９はクラスタパタン１とクラスタパタン２の配置例を示している。同図に示すように、クラスタパタンの種類を２つにしたことにより、クラスタ境界の一部では同一周波数領域では３つの指向性ビームが向き合わない領域（最大でも２つの指向性ビームが向き合うだけ）が形成されている。なお、クラスタ境界の一部にはクラスタ間干渉が高いままの箇所も残存しているが、図７に示す全てのクラスタに単一のクラスタパタンを割り当てた場合に比べれば、大幅にクラスタ間干渉を回避できている。

クラスタパタンの種類を増やすことにより、さらにクラスタ間干渉回避効果が高くなると考えられる。クラスタパタンの種類を増やす方法の１つとして、指向性パタンの種類を増加させることが考えられる。図１０に示すように３種類の指向性パタン１１，１２，１３を用いることができる。図１０（１）に示す指向性パタン１１は、垂直方向を基準方向として、反時計回りに４５度、２２５度の２方向にピークを持つ指向性ビームから構成される。図１０（２）に示す指向性パタン１２は、垂直方向を基準方向として、時計回りに４５度、２２５度の２方向にピークを持つ指向性ビームから構成される。図１０（３）に示す指向性パタン１３は、垂直方向を基準方向として、時計回りに９０度、２２５度の２方向にピークを持つ指向性ビームから構成される。

図１１は指向性パタン１１、１２、１３と周波数ブロックとの関係を示す図である。無線通信システムのシステム帯域を複数の周波数ブロックで分割し、周波数ブロック３ｎ＋１（ｎ＝０，１，２、…）に指向性パタン１１を割り当て、周波数ブロック３ｎ＋２（ｎ＝０，１，２、…）に指向性パタン１２を割り当て、周波数ブロック３ｎ＋３（ｎ＝０，１，２、…）に指向性パタン１３を割り当てている。図１１に示す割り当て例では、時間軸方向に指向性パタン１１、１２、１３と周波数ブロックとの対応関係は固定であるが、時間スロット単位で指向性パタン１１、１２、１３と周波数ブロックとの対応関係を変化させても良い。

図１２に３種類の周波数ブロック（ｆ１、ｆ２、ｆ３）と３種類の指向性パタン１１，１２，１３とを組み合わせて１つのクラスタパタンを構成した例が示されている。周波数ブロックｆ１では指向性パタン１１による協調エリアＣＬ１１、ＣＬ１２が形成され、周波数ブロックｆ２では指向性パタン１２による協調エリアＣＬ２１、ＣＬ２２が形成され、周波数ブロックｆ３では指向性パタン１３による協調エリアＣＬ３１、ＣＬ３２が形成される。これら３つの指向性パタン１１，１２，１３を組み合わせてクラスタパタン１が構成されている。クラスタパタン１が適用されたクラスタは、クラスタ内に６つの協調エリアＣＬ１１乃至ＣＬ３２を有する。

図１３には指向性パタン１１，１２，１３と周波数ブロックｆ１、ｆ２、ｆ３との組み合わせにより構成可能な３種類のクラスタパタン１，２，３を示している。クラスタパタン１は、図１２に示すものと同じである。クラスタパタン２は、指向性パタン１１を周波数ブロックｆ３に割当て、指向性パタン１２を周波数ブロックｆ１に割当て、指向性パタン１３を周波数ブロックｆ２に割当てた構成となっている。クラスタパタン３は、指向性パタン１１を周波数ブロックｆ２に割当て、指向性パタン１２を周波数ブロックｆ３に割当て、指向性パタン１３を周波数ブロックｆ１に割当てた構成となっている。

図１４には、図１３に示す３種類のクラスタパタン１，２，３を通信エリアに固定的に割り当てた状態が示されている。同図に示すように、３種類のクラスタパタン１，２，３をほぼ均等に分散配置したことにより、クラスタ境界では同一周波数で指向性ビームが向かい合って干渉する箇所がさらに削減されている。すなわち、クラスタパタンの種類を増やすことにより、クラスタ間干渉回避効果が高くなっていることが確認できる。

次に、本実施形態に係る無線通信システムを構成する集約局３０及び各無線基地局１０の機能構成について説明する。図１５Ａ及びＢは、集約局３０及び各無線基地局１０（第１無線基地局装置から第Ｍ無線基地局装置）の機能ブロック図である。本実施形態では、無線基地局１０の数をＭ、各無線基地局１０のアンテナ素子１１の数をＮｔ、無線端末５０の数をＮｕとする。なお、本実施形態に係る無線通信システムの全体システム構成は図７に示す通りであり、各クラスタを構成する複数無線基地局１０−１乃至１０−７を集約局３０が集約し、これら集約局３０を制御局７０が管理する。

クラスタパタン決定部６１は、集約局３０に接続されている複数の無線基地局１０−１〜１０−７に適用するクラスタパタンを複数種類（例えば、図１３、図１４に示す３種類）の中から決定する。このとき、本実施形態では図１４に示すように３種類のクラスタパタン１，２，３が略均等に配置されるように、クラスタ単位（集約局単位）で各集約局配下の無線基地局１０−１〜１０−７に適用するクラスタパタン１，２，３が決定される。そのため、クラスタパタン決定部６１は、図１３に示すように多数の集約局３０を管理する制御局７０に配置することが望ましい。制御局７０は、多数の集約局３０から報告される対象移動端末のチャネル状態などからクラスタ間干渉が最小又は所望値以下に抑えられるクラスタパタン１，２，３の配置（割当て）を決定する。クラスタ単位で決定したクラスタパタン（１，２又は３）が通知手段を介して各集約局３０へ通知される。または、個々の集約局３０の内部にクラスタパタン決定部６１を備え、集約局３０間で適用するクラスタパタン情報を交換して隣接クラスタ間又は所定エリア内で同一クラスタパタンが適用されないように決定しても良い。または、１つの集約局３０に備えたクラスタパタン決定部６１が他のクラスタまで含めた全体のクラスタパタン配置を決定し、他の集約局３０に対して決定したクラスタパタンを通知するようにしても良い。

集約局３０は、クラスタパタン決定部６１が決定したクラスタパタンに基づいて指向性パタンを無線基地局１０−１乃至１０−７に対して割り当てる。集約局３０は、指向性パタン決定部３１と、信号分配部３２と、同一送信タイミングで送信する無線端末数Ｎｕ個の変調部（第１変調部乃至第Ｎｕ変調部）３３と、プリコーディング部３４と、無線基地局数Ｍ個の送信部（第１送信部乃至第Ｍ送信部）３５とを具備する。

指向性パタン決定部３１は、クラスタパタン決定部６１が決定したクラスタパタン種別が指示される。指向性パタン決定部３１は、例えば、図１３に示すクラスタパタン１が指示されたものとする。指向性パタン決定部３１は、クラスタパタン１に基づいて、配下の複数の無線基地局１０−１乃至１０−７に対してスロット時間毎に周波数ブロックと指向性パタンとの組み合わせを決定してプリコーディング部３４へ指示する。たとえば、図１１に示す時間スロット１のタイミングでは、周波数ブロック３ｎ＋１では指向性パタン１が割り当てられ、周波数ブロック３ｎ＋２では指向性パタン１２割り当てられ、周波数ブロック３ｎ＋３では指向性パタン３が割り当てられ、その結果として時間スロット１ではクラスタパタン１が無線基地局１０−１乃至１０−７に対して割り当てられる。

図１４に示すように、クラスタパタン１が適用されたクラスタに対して隣接している他のクラスタでは、同様にして当該他のクラスタを構成している複数無線基地局１０に対してクラスタパタン２が割り当てられ、さらに他のクラスタに隣接する別のクラスタではクラスタパタン３が割り当てられる。

以上のようにして、クラスタパタン決定部６１によって複数種類のクラスタパタン１，２，３が混在して分散配置されるように、各クラスタに対してクラスタパタンが決定され、決定したクラスタパタンを受けて指向性パタン決定部３１が配下の各無線基地局１０に対して周波数ブロック毎に指向性パタンを決定する。

図１４に示すように、各クラスタに対してクラスタパタン１，２，３を固定的に割り当ててもよい。この場合、クラスタパタン決定部６１はシステム構築時又はクラスタ構成が変化するシステム更新時に、各クラスタに対して割り当てるクラスタパタンを決定し、決定したクラスタパタンを集約局３０の指向性パタン決定部６１に通知する。

信号分配部３２は、集約局３０配下の全無線基地局１０に接続される全無線端末５０−１乃至５０−Ｎｕに対するデータ信号を、ネットワーク網４０から受信し、ネットワーク網４０から受信したデータ信号を無線端末５０−１乃至５０−Ｎｕに分配する。信号分配部３２は、Ｎｕ個の無線端末毎に分配されたデータ信号を、第１変調部３３乃至第Ｎｕ変調部３３にそれぞれ入力する。

変調部３３は、符号化部３３１と、インタリーブ部３３２と、直並列変換部３３３と、サブキャリア数Ｌ及び送信ストリーム数Ｎｒ毎の信号変調部３３４（すなわち、サブキャリア数Ｌ×送信ストリーム数Ｎｒ個の信号変調部３３４）とを具備する。

符号化部３３１は、所定の符号化方法を用いて、信号分配部３２から入力されたデータ信号に対する符号化を行う。ここで、符号化方法としては、ターボ符号を用いても良いし、畳み込み符号を用いても良いし、ＬＤＰＣ符号を用いても良く、本発明は符号化方法に係わりなく実施可能である。符号化部３３１は、符号化が行われたデータ信号をインタリーブ部３３２に入力する。

インタリーブ部３３２は、符号化部３３１から入力されたデータ信号に対するインタリーブを行う。ここで、インタリーブ方法としては、いずれの方法を用いて良く、本発明はインタリーブ方法に係りなく実施可能である。インタリーブ部３３２は、インタリーブが行われたデータ信号を直並列変換部３３３に入力する。

直並列変換部３３３は、インタリーブ部３３２から入力されたデータ信号系列を、サブキャリア数Ｌ及び送信ストリーム数Ｎｒ分のデータ信号に並列変換する。直並列変換部３３３は、サブキャリア数Ｌ毎及び送信ストリーム数Ｎｒ毎のデータ信号を、サブキャリア数Ｌ毎及び送信ストリーム数Ｎｒ毎に設けられた信号変調部３３４に入力する。

各信号変調部３３４は、直並列変換部３３３から入力されたデータ信号に対して多値変調を行う。ここで、変調多値数は、固定的であってもよいし、チャネルの状況に応じて適応的に変更されてもよい。各信号変調部３３４は、多値変調が行われたデータ信号をプリコーディング部３４に入力する。

プリコーディング部３４は、無線端末数Ｎｕ個の変調部３３の各信号変調部３３４から入力されたデータ信号に対して、プリコーディングを行う。プリコーディング部３４は、指向性パタン決定部３１から入力された指向性パタン情報に応じて協調可能なクラスタで（同一周波数で隣接セルのセクタとビームが向き合うセクタ）マルチユーザMIMO(BD-ZF, ZF等)・Coordinated Beamforming(CB)等による複数セル同時プリコーディグを選択する。

プリコーディング部３４は、入力されたデータ信号に対して、選択されたプリコーディング用の送信ウェイトを乗算し、集約局３０配下のＭ個の無線基地局１０の総アンテナ素子数Ｎｔ分のデータ信号（すなわち、無線基地局数Ｍ×各無線基地局１０のアンテナ素子数Ｎｔ分のデータ信号）を生成する。プリコーディング部３４で生成されたＭ×Ｎｔ個のデータ信号は、Ｍ個の無線基地局１０毎に設けられた第１送信部３５乃至第Ｍ送信部３５にそれぞれ入力する。

送信部３５は、各無線基地局１０のアンテナ素子数Ｎｔ毎に、逆フーリエ変換部３５１と、並直列変換部３５２と、ガードインターバル挿入部３５３と、搬送波周波数変調部３５４と、電気−光変換部３５５とを具備する。

逆フーリエ変換部３５１は、プリコーディング部３４から入力されたデータ信号を周波数領域から時間領域に変換する。逆フーリエ変換部３５１は、時間領域に変換されたデータ信号を並直列変換部３５２に変換する。

並直列変換部３５２は、逆フーリエ変換部３５１から入力された、サブキャリア数Ｌ及びアンテナ素子分のデータ信号系列をアンテナ素子数Ｎｔ分のデータ信号系列に直列変換する。並直列変換部３５２は、アンテナ素子数Ｎｔ毎のデータ信号系列を、アンテナ素子数Ｎｔ毎に設けられたガードインターバル挿入部３５３に入力する。

ガードインターバル挿入部３５３は、並直列変換部３５２から入力されたデータ信号系列に対してガードインターバルを挿入し、ガードインターバルが挿入されたデータ信号系列を搬送波周波数変調部３５４に入力する。

搬送波周波数変調部３５４は、ガードインターバル挿入部３５３から入力されたデータ信号系列を搬送波周波数に変調し、変調されたデータ信号を電気−光変換部３５５に入力する。

電気−光変換部３５５は、搬送波周波数変調部３５４から入力されたデータ信号を電気信号から光信号に変調し、変調されたデータ信号を、光ファイバ２０を介して無線基地局１０に入力する。

各無線基地局１０は、集約局３０に光ファイバ２０を介して接続されている。無線基地局１０は、Ｎｔ個のアンテナ素子１１と、Ｎｔ個のアンテナ素子１１にそれぞれ接続されるＮｔ個の光−電気変換部１２と、を具備する。

光−電気変換部１２は、集約局３０から光ファイバ２０を介して入力されたデータ信号を光信号から電気信号に復調し、復調されたデータ信号をアンテナ素子１１に入力する。アンテナ素子１１に入力されたデータ信号は、空間に放射される。

以上のように、集約局３０において各無線基地局１０の個々のアンテナ素子１１へ入力されるデータ信号を生成しており、プリコーディング部３４におけるプリコーディングによって各無線基地局１０から送信される指向性ビームの方向が制御される。

以上の説明では、複数種類のクラスタパタン１，２，３を固定的に割り当てているが、自律的にダイナミックな割り当ても可能である。隣接クラスタからの干渉が最小となるようにクラスタパタンを自律的に決定しても良い。

例えば、図２（ａ）に示すように、無線基地局１０−１乃至１０−３がクラスタ内に在圏する少なくとも３つの無線端末５０−１，５０−２,５０−３に対してデータ信号を送信するものとする。図７に示すように各クラスタを管轄する各集約局３０は、それぞれ配下の無線基地局１０−１乃至１０−３に対してチャネル推定用の参照信号を送信する。無線基地局１０−１乃至１０−３は、自局に接続する無線端末５０−１，５０−２，５０−３（すなわち、協調エリアＣＬ１（図２（ａ））に在圏する無線端末）に対して、集約局３０からの参照信号を送信する。

無線端末５０−１，５０−２，５０−３は、各無線基地局１０−１乃至１０−３から受信した参照信号を用いてチャネル推定し、チャネル推定結果であるチャネル情報を各無線基地局１０−１乃至１０−３に送信する。ここで、各無線端末５０-１，５０-２，５０-３は、チャネル推定情報として、全周波数領域のチャネル推定結果を送信してもよいし、上り回線の逼迫を防ぐために、一部の周波数領域のチャネル推定結果を送信してもよい。

各無線基地局１０−１乃至１０−３は、無線端末５０−１，５０−２，５０−３から受信したチャネル情報をそれぞれ集約局３０に送信し、集約局３０はチャネル推定情報をそのまま上位装置である制御局７０へ送信する。又は、他のクラスタからの干渉情報に変換して上位装置である制御局７０へ送信する。制御局７０に備えたクラスタパタン決定部６１が、隣接クラスタからの干渉が最小となるようにクラスタパタンを決定する。図１７は３つのクラスタパタン１，２，３を自律的にダイナミックに割り当てた一例を示している。

また、以上の説明では図１１に示すように、時間軸方向に指向性パタンと周波数ブロックとの関係は固定であったが、図１６に示すように時間スロット毎に、指向性パタンと周波数ブロックとの組み合わせを切り替えるようにしても良い。たとえば、クラスタにおけるトラヒック量に基づいて、周波数ブロック及び時間スロットに異なる指向性パタンを定めることにより、無線通信システムにおけるスループットを向上させることが可能となる。

また、上述の実施形態の協調送信方法においては、ＭＵ−ＭＩＭＯプリコーディングを行うには、ＢＤ−ＺＦ法やＺｅｒｏ−Ｆｏｒｃｉｎｇ法や非線形プリコーディング、最小２乗誤差（ＭＭＳＥ：Ｍｉｎｉｍｕｍ Ｍｅａｎ Ｓｑｕａｒｅ Ｅｒｒｏｒ）などその他の方法を用いてプリコーディングを行ってもよい。

このように、本実施形態によれば、隣接クラスタからの干渉が抑制されるように複数種類のクラスタパタンを固定的又はダイナミックに配置するので、複数の無線基地局による協調送信において、協調クラスタ内の干渉回避だけでなく、協調クラスタ間の干渉回避効果を期待できる。

以上の説明では、集約局におけるプリコーディング部でＭＩＭＯ伝送処理用にプリコーディングして無線基地局毎に指向性パタンの送信データを生成しているが、上記実施の形態で説明した集約局の機能を無線基地局に搭載しても良い。

図１８は実施の形態２に係る無線通信システムにおける各無線基地局の機能ブロックを示している。
本実施形態２の無線通信システムは、各無線基地局が集約局からＭＩＭＯ伝送処理用にプリコーディングされた送信データを受け取るのではなく、各無線基地局がＭＩＭＯ伝送処理用にプリコーディング機能を備える。無線通信システムは、同一構成を有する複数の無線基地局１０（第１無線基地局１０−１から第Ｍ無線基地局１０-Ｍ）で構成されている。

無線基地局１０は、変調部３３、プリコーディング部３４、送信部３５を備えている。これら各構成要素は前述した集約局３０における対応する各機能要素と同一機能を有する。無線基地局１０は、隣接クラスタからの干渉を回避可能なクラスタパタンに基づいて決定した指向性パタンにしたがって周波数ブロック毎にビーム形成する。

クラスタパタン決定部６１は、接続端末５０からのチャネル推定情報及び隣接クラスタのクラスタパタン決定情報から自局が属しているクラスタのクラスタパタンを複数のクラスタパタンから決定する。指向性パタン決定部３１は決定したクラスタパタンにしたがって自局の指向性パタンを周波数ブロック単位で決定する。周波数ブロック単位で決定した指向性パタンはプリコーディング部３４へ与えられる。

一方、クラスタパタン決定情報は同一クラスタ内の無線基地局１０へクラスタパタン決定情報交換手段３６を介して通知されると共に、隣接クラスタの無線基地局１０へも通知される。隣接クラスタの無線基地局１０内のクラスタパタン決定部６１は、隣接クラスタで決定したクラスタパタンとは異なるクラスタパタンを自局へ適用するクラスタパタンとして決定する。これにより、隣接するクラスタ間では異なるクラスタパタンが適用されることとなり、クラスタ間干渉を回避できることになる。なお、対象端末が配下に在圏していない無線基地局１０はクラスタ間干渉の干渉局とならないので、クラスタパタン及び指向性パタンの決定動作は実行しなくても良い。

また、クラスタを形成する複数の無線基地局１０−１から１０−７は、データ送信前に協調の対象となる無線基地局のセクタ情報、各無線基地局が接続端末である無線端末５０から受信したチャネル情報、協調送信の対象無線端末５０への送信データを、送信データ・チャネル情報交換手段３７を介して共有化する。

なお、クラスタパタン決定情報交換手段３６及び送信データ・チャネル情報交換手段３７は、全ての無線基地局１０が備えていても良いし、特定の無線基地局１０だけが備えていて他の無線基地局へ必要な情報を通知するようにしても良い。

１０−１〜１０−７…無線基地局、２０…光ファイバ、３０…集約局、４０…ネットワーク網、５０−１〜５０−３…無線端末、１１…アンテナ素子、１２…光−電気変換部、３１…指向性パタン決定部、３２…信号分配部、３３…変調部、３４…プリコーディング部、３５…送信部、３６…クラスタパタン決定情報交換手段、３７…送信データ・チャネル情報交換手段、６１…クラスタパタン決定部、３３１…符号化部、３３２…インタリーブ部、３３３…直並列変換部、３３４…信号変調部、３５１…逆フーリエ変換部、３５２…並直列変換部、３５３…ガードインターバル挿入部、３５４…搬送波周波数変調部、３５５…電気−光変換部、Ｃ、Ｃ１〜Ｃ７…セル、ＣＬ、ＣＬ１〜ＣＬ６…協調クラスタ、Ｓ１〜Ｓ６…セクタ

Claims (7)

1. それぞれ複数セクタのセルを形成する複数の無線基地局を備えた無線通信システムであり、
   複数無線基地局のセルの集合で構成されるクラスタ内において隣接セクタ間で同一周波数領域毎に前記各無線基地局から放射される指向性ビームが向き合うように指向性パタンが定められたクラスタパタンが、指向性パタンと周波数領域の組み合わせを変えて複数用意され、クラスタ間の干渉が所定値以下になるように、前記各クラスタパタンの各クラスタへの割り当てを決定するクラスタパタン決定部と、
   前記クラスタパタン決定部が決定したクラスタパタンに基づいて、クラスタ単位で前記複数無線基地局に対して周波数領域毎に指向性パタンを割り当てる指向性パタン決定部と、を具備し、
   前記複数の無線基地局が同一の時間スロットで前記指向性パタンにしたがって指向性ビームを形成し、クラスタ内においてセクタが互いに隣接する一方の前記無線基地局の指向性ビームと同一周波数で向き合う他方の前記無線基地局の指向性ビームとの間で、マルチユーザＭＩＭＯ伝送によるセクタ間のデータ送信協調をする、ことを特徴とする無線通信システム。
2. それぞれ複数セクタのセルを形成する複数の無線基地局を備えた無線通信システムにおいて、複数無線基地局のセルの集合で構成されるクラスタ単位で無線基地局を集約する集約局であり、
   クラスタ内において隣接セクタ間で同一周波数領域毎に前記各無線基地局から放射される指向性ビームが向き合うように指向性パタンが定められたクラスタパタンが、指向性パタンと周波数領域の組み合わせを変えて複数用意され、クラスタ間の干渉が所定値以下になるように、前記各クラスタパタンの各クラスタへの割り当てを決定するクラスタパタン決定部と、
   前記クラスタパタン決定部が決定したクラスタパタンに基づいて、クラスタ単位で前記複数無線基地局に対して周波数領域毎に指向性パタンを割り当てる指向性パタン決定部と、
   クラスタ内協調送信するデータ信号を同一クラスタの複数無線基地局に信号分配する信号分配部と、
   前記信号分配部により複数無線基地局に信号分配されたデータ信号を、マルチユーザＭＩＭＯ伝送用のプリコーディングにより、前記指向性パタン決定部によって周波数領域毎に割り当てられた指向性パタンとなる指向性ビームを形成するプリコーディング部と、
   を具備したことを特徴とする集約局。
3. それぞれ複数セクタのセルを形成する複数の無線基地局を備えた無線通信システムにおいて、複数無線基地局のセルの集合で構成されるクラスタ単位で無線基地局を集約している集約局を管理する制御局装置であり、
   クラスタ内において隣接セクタ間で同一周波数領域毎に前記各無線基地局から放射される指向性ビームが向き合うように指向性パタンが定められたクラスタパタンが、指向性パタンと周波数領域の組み合わせを変えて複数用意され、クラスタ間の干渉が所定値以下になるように、前記各クラスタパタンの各クラスタへの割り当てを決定するクラスタパタン決定部と、
   前記クラスタパタン決定部で決定されたクラスタパタンを前記各集約局へ通知する通知手段と、
   を具備したことを特徴とする制御局装置。
4. 無線通信システムにおいて隣接する他の無線基地局と共に複数セクタのセルを形成する無線基地局であって、
   複数無線基地局のセルの集合で構成されるクラスタ内において隣接セクタ間で同一周波数領域毎に前記各無線基地局から放射される指向性ビームが向き合うように指向性パタンが定められたクラスタパタンが、指向性パタンと周波数領域の組み合わせを変えて複数用意され、隣接する他のクラスタとのクラスタ間の干渉が所定値以下になるようにクラスタパタンを決定するクラスタパタン決定部と、
   前記クラスタパタン決定部が決定したクラスタパタンに基づいて自局に対して周波数領域毎に指向性パタンを割り当てる指向性パタン決定部と、
   クラスタ内協調送信するデータ信号を、マルチユーザＭＩＭＯ伝送用のプリコーディングにより、前記指向性パタン決定部によって周波数領域毎に割り当てられた指向性パタンとなる指向性ビームを形成するプリコーディング部と、
   を具備したことを特徴とする無線基地局。
5. 前記各クラスタに割り当てるクラスタパタンは、固定であることを特徴とする請求項１記載の無線通信システム。
6. 前記各クラスタに割り当てるクラスタパタンは、クラスタ間の干渉状況に応じてダイナミックに切り替えることを特徴とする請求項１記載の無線通信システム。
7. それぞれ複数セクタのセルを形成する複数の無線基地局を備えた無線通信システムにおける協調送信方法であり、
   複数無線基地局のセルの集合で構成されるクラスタ内において隣接セクタ間で同一周波数領域毎に前記各無線基地局から放射される指向性ビームが向き合うように指向性パタンが定められたクラスタパタンが、指向性パタンと周波数領域の組み合わせを変えて複数用意され、クラスタ間の干渉が所定値以下になるように、前記各クラスタパタンの各クラスタへの割り当てを決定する工程と、
   前記決定したクラスタパタンに基づいて、クラスタ単位で前記複数無線基地局に対して周波数領域毎に指向性パタンを割り当て工程と、を具備し、
   前記複数の無線基地局が同一の時間スロットで前記指向性パタンにしたがって指向性ビームを形成し、クラスタ内においてセクタが互いに隣接する一方の前記無線基地局の指向性ビームと同一周波数で向き合う他方の前記無線基地局の指向性ビームとの間で、マルチユーザＭＩＭＯ伝送によるセクタ間のデータ送信協調をする、ことを特徴とする協調送信方法。

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