JP5309363B2

JP5309363B2 - 通信システム、及び通信方法

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Publication number: JP5309363B2
Application number: JP2009109961A
Authority: JP
Inventors: 聞杰姜; 裕介淺井; 泰司鷹取; 匡人溝口
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2009-04-28
Filing date: 2009-04-28
Publication date: 2013-10-09
Anticipated expiration: 2029-04-28
Also published as: JP2010259012A

Description

本発明は、基地局の複数のアンテナと複数のユーザ端末の複数のアンテナとによって、ＭＩＭＯ（Multiple Input Multiple Output）チャネルを構築し、複数のユーザ端末が同一の周波数帯域上で、該ＭＩＭＯチャネルを通して基地局と通信を行う通信システム、及び通信方法に関する。

まず、以下で用いる用語の一部の定義について説明する。
以下では、例えば、
［Ａ］_Ｒ，Ｔ：ＡはＲ行Ｔ列の行列
ａ_ｊ：行列Ａのｊ番目列ベクトル
ａ_ｉ，ｊ：行列Ａのｉ行ｊ列要素
Ａ^Ｈ：行列Ａの複素共役転置
Ａ^Ｔ：行列Ａの転置
Ａ^＋：行列Ａの擬似逆行列
Ｉ：単位行列Ｉ
｜｜ａ｜｜：ベクトルａのノルム
ａ^＊：スカラー（つまり１ｘ１行列）ａの複素共役
｜ａ｜：スカラーａの絶対値
Σ：累加演算
と定義している。

なお、一般的に、行列（ベクトル）等は、太字で示すことになっているが（数式中では太字）、明細書では太字で表わすことができないので、通常の文字を用いているが、前後の内容から容易に推察され得るものである。また、特定の符号において、その上部に「＾」が付されているものがあるが、明細書では、ハット（＾）と表記している。

無線通信においては，限られた周波数資源を用いて大容量化を図るための周波数利用効率の向上が必須となっている。周波数利用効率や情報伝送レートを向上させる技術として、複数の送信側アンテナと複数の受信側アンテナを用いて、ＭＩＭＯ（Multiple Input Multiple Output）チャネルを構築し、複数の信号ストリームを同一の周波数帯域上に多重化して送信する空間多重システム（あるいは、ＭＩＭＯシステム）が提案されている。

図１７は、従来技術によるＭＩＭＯシステムの一構成例を示すブロック図である。図において、ＭＩＭＯシステムの送信機３０では、チャネル符号化回路３０−１により、送信する情報ビットストリームＴｘＤａｔａから符号ビットストリームｂが生成される。該チャネル符号化回路３０−１には、符号化機能の他に、スクランブル機能や、インタリーブ機能などを含むことも可能である。次に、空間信号生成回路３０−２では、符号ビットストリームｂからＴ個の送信信号ストリームＳ_１、Ｓ_２、…、Ｓ_Ｔが生成される。それらの送信信号ストリームＳ_１、Ｓ_２、…、Ｓ_Ｔは、パスバンド変換回路３０−３によりベースバンドからパスバンドに変換され、Ｔ本のアンテナ３０−４−１、３０−４−２、…、３０−４−Ｔを通して同時に同一周波数帯域内において送信される。

ＭＩＭＯシステムの受信機４０では、Ｒ本の受信アンテナ４０−１−１、４０−１−２、…、４０−１−Ｒを用いて空間多重されたＴ個の送信信号を受信して、Ｒ個受信信号が得られる。そのＲ個の受信信号は、まず、ベースバンド変換回路４０−２により、パスバンドからベースバンドに変換され、Ｒ個の受信信号ストリームｘ”_１、ｘ”_２、…、ｘ”_Ｒが生成される。

次に、空間多重信号信号検出器４０−３は、空間多重化された送信符号ビットに対して、推定符号ビットを生成する機能を有し、その処理結果としてＴ本の推定符合ビットストリーム（ハット（＾）ｂ）を出力する。更に、推定符合ビットストリーム（ハット（＾）ｂ）がチャネル復号化回路４０−４を通して復号処理され、最終的には推定情報ビットストリームＲｘＤａｔａが生成される。上記チャネル復号化回路４０−４は、復号化機能の他に、逆スクランブル機能や、逆インタリーブ機能を含むことも可能である。ここで言う信号検出とは、チャネル復号化回路４０−４で正確な復号処理ができるように、推定符号ビットを生成することである。

ここで、チャネル行列Ｈ（以下、数式では太字）は、無線伝搬路のみではなく、送信機３０のベースバンド処理部分から受信機４０のベースバンド処理部分までの区間において、受ける様々な影響を反映したチャネル応答行列を意味する。例えば、送信側で施した異なる空間信号に対する送信電力制御の影響や、パワーアンプによる非線形影響などが全てチャネルの伝搬特性として、チャネル行列Ｈに反映される。

受信機４０では、チャネル行列Ｈを有しているものとする。更に、ＭＩＭＯシステムにおける送受信両側間の周波数、時間、及びサンプリングタイミングの同期が正常に取れていることとする。以上のことを踏まえて、ＭＩＭＯシステムにおける送受信関係式は、以下の数式（１）のように表わせる。

ここで、シングルキャリア通信システムにおいては、ｎは時間インデックスを表し、マルチキャリア通信システム、例えば、ＯＦＤＭ（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）、ＯＦＤＭＡ（Orthogonal Frequency Division Multiple Access）システムにおいては、ｎはサブキャリアインデックスを表す。つまり、本発明技術は、シングルキャリアおよびマルチキャリア通信システムの両方に適用可能である。ｓ（ｎ）とｘ（ｎ）とは、ｎ番目の送信系列と受信系列である。ｗ（ｎ）は、対応する雑音、及び干渉である。Ｈ（ｎ）は、対応するチャネル行列であり、Ｒ行Ｔ列を有し、次式（２）で表される。

ところで、該ＭＩＭＯチャネルの容量を更に向上させるため、図１７に示すような１つの基地局（送信機３０）と１つのユーザ端末（受信機４０）から構成されるポイント対ポイント通信（Ｐ−Ｐ）ではなく、図１８に示すような１つの基地局（送信機５０）と複数のユーザ端末（受信機６０−１、６０−２、…、６０−Ｕ）とから構成されるポイント対マルチポイント通信（Ｐ−ＭＰ）が望ましいことが理論的に証明されている。

図１８で示すように、マルチユーザマルチアンテナシステム（略して、ＭＵ−ＭＩＭＯシステムという）において、基地局である送信機５０では、送信する情報ビットストリームＴｘＤａｔａから、チャネル符号回路５０−１を通して符号ビットストリームｂが生成される。該チャネル符号回路５０−１には、符号化機能の他に、スクランブル機能や、インタリーブ機能を含むことも可能である。次に、空間信号生成回路５０−２は、ｕ番目のユーザに対してＤｕ個の情報信号ストリームを生成し、合計で次式（３）、（４）のようなＤ個の情報信号ストリームｄ_１、ｄ_２、…、ｄ_Ｕを生成する。

数式（４）では、次元Ｄのベクトルｄを用いてＤ個の情報信号を表す。ｄの中身は、次元Ｄ_ｕのベクトルｄ_ｕによって構成される。次に、複数ユーザの間に信号間干渉が抑圧するように、Ｄ個の情報信号ストリームｄ_１、ｄ_２、…、ｄ_Ｕに対して、プリコーディング回路５０−３でプリコーディング（Precoding）を行い、Ｔ個の送信信号ストリームを生成する。Ｄ個の情報信号ストリームと同様に、次式（５）、（６）のように、ユーザ毎に分けられる。

数式（６）では、次元Ｔのベクトルｓを用いてＴ個の送信信号を表す。ｓの中身は、次元Ｔ_ｕのベクトルｓ_ｕによって構成される。次に、ベースバンド変換回路５０−４で、送信信号をベースバンドからパスバンドへ変換し、Ｔ本の基地局アンテナ５０−５−１〜５０−５−Ｕを通して同時に同一周波数帯域内において送信する。

図１８に示すように、ＭＵ−ＭＩＭＯシステムは、Ｕ個のユーザ端末（受信機）６０−１〜６０−Ｕがあって，各ユーザ端末６０−１〜６０−Ｕでは、Ｒ_ｕ本のアンテナを備えている。Ｕ個のユーザ端末６０−１〜６０−Ｕがそれぞれ備えるアンテナの数は、１つあるいは複数のどちらでもよい。それらの合計は、次式（７）、（８）に示すように、合計ユーザアンテナ数Ｒとなる。

数式（８）では、次元Ｒのベクトルｘを用いてＲ個の全ユーザ受信信号を表す。ｘの中身は、各ユーザの受信信号によって構成され、次元Ｒ_ｕのベクトルｘ_ｕで表す。

各ユーザ端末６０−１〜６０−Ｕでは、Ｒ_ｕ本のユーザアンテナを用いて空間信号を受信して、Ｒ_ｕ個の受信信号が得られる。そのＲ_ｕ個の受信信号について、まず、パスバンド変換回路６１−２により、パスバンドからベースバンドへ変換し、Ｒ_ｕ個の受信信号ストリームｘ_１、ｘ_２、…、ｘ_Ｕを生成し、空間信号検出回路６１−３に入力する。空間信号検出回路６１−３は、基地局（送信機）５０でプリコーディングされた送信信号を検出し、Ｄ_ｕ個の推定情報信号ストリームを生成する。

更に、Ｄ_ｕ個の推定情報信号ストリームからチャネル復号に用いる推定符号ビットを生成する。その処理結果として、Ｄ_ｕ個の推定符号ビットストリーム（ハット（＾）ｄ_１〜ハット（＾）ｄ_Ｕ）を出力する。更に、該推定符号ビットがチャネル復号化回路６１−４を通して復号処理され、最終的には、ｕ番目のユーザにおける推定情報ビットストリームが生成される。該チャネル復号化回路６１−４の中には、復号化機能の他に、逆スクランブル機能や、逆インタリーブ機能を含むことも可能である。

以上のことを踏まえて、ＭＵ−ＭＩＭＯシステムにおける送受信関係式は、Ｐ−Ｐ通信のＭＩＭＯと同様に、次式（９）で表すことができる。

ここで、ｎは、時間インデックスを表す。ｓ（ｎ）とｘ（ｎ）とは、ｎ番目のＴ次元送信信号とＲ次元受信信号である。ｗ（ｎ）は、対応する雑音及び干渉である。Ｈ（ｎ）は、対応するチャネル行列であり、次式（１０）で表すように、Ｒ行Ｔ列を有する。

Ｈ_ｕ（ｎ）は、各ユーザにおけるチャネル行列を表し、Ｈ（ｎ）は、各ユーザチャネル行列を合成したものである。

図１８に示すようなＰ−ＭＰ通信の場合に、ＭＵ−ＭＩＭＯシステムの通信容量を最大限に実現するには、基地局（送信機）５０でのユーザスケジューリング及びプリコーディング技術が重要となる。数式（９）を更に次式（１１）、（１２）のように書くことができる。

ここで、ｓ（ｎ）＝Ｐ（ｄ（ｎ）、Ｈ（ｎ））とは、基地局（送信機）５０が、まず、多数のユーザ端末（受信機）からＵ個のユーザ端末（受信機）６０−１〜６０−Ｕを選択するユーザスケジューリングを行い、次に、選択したＵ個のユーザ端末６０−１〜６０−Ｕの情報信号ｄ（ｎ）に対してプリコーディングを行い、送信信号ｓ（ｎ）を生成することを意味する。

ユーザスケジューリング技術は、多数のユーザ端末（受信機）から基地局（送信機）が一度の送信処理で処理し得るＵ個のユーザ端末を選び出す技術である。その実現方法としては、ＳｕｍＣａｐａｃｉｔｙ法、ＦｒｏｂｅｎｉｕｓＮｏｒｍ法、ＩｎｃｒｅｍｅｎｔａｌＣａｐａｃｉｔｙ法、ＣｏｍｐｌｅｔｅＳｅａｒｃｈ法などがある。

プリコーディング技術は、複数のユーザ端末（受信機）の間に同時に送信された信号が干渉し合わないように、基地局（送信機）側で情報信号ｄ（ｎ）から送信信号ｓ（ｎ）を生成する技術である。その実現方法としては、Ｚｅｒｏ−ｆｏｒｃｉｎｇＣｈａｎｎｅｌＩｎｖｅｒｓｅ法、ＭｉｎｉｍｕｍｍｅａｎｓｑｕａｒｅｄｅｒｒｏｒＲｅｇｕｌａｒｉｚｅｄＣｈａｎｎｅｌＩｎｖｅｒｓｅ：ＭＭＳＥ法、ＢｌｏｃｋＤｉａｇｏｎａｌｉｚａｔｉｏｎ法、Ｔｏｍｌｉｎｓｏｎ−Ｈａｒａｓｈｉｍａｐｒｅｃｏｄｉｎｇ法、ＶｅｃｔｏｒＰｒｅｃｏｄｉｎｇ法、ＤｉｒｔｙＰａｐｅｒＣｏｄｉｎｇ法等がある。詳細については非特許文献１、２を参照されたい。

しかし、数式（１２）で示すような、ユーザスケジューリング技術や、プリコーディング技術を用いて、ＭＵ−ＭＩＭＯシステムの容量を最大化するには、基地局（送信機）が全てのユーザ端末のチャネル行列Ｈ（ｎ）（つまり、チャネル情報）を有することが前提条件となる。無線通信の場合では、ユーザ端末の移動性や、伝播路の時変動などの原因により、送信側の基地局で正確なチャネル情報を把握することが一般的に困難である。

また、複数のユーザ端末がある場合では、各ユーザが求める通信の伝送レートや、品質などのレベルが異なる。例えば、あるユーザは、高い伝送レートを所望するが、一方で、他のユーザは、高い通信信頼性を求める。このように、１つの基地局で同時に様々なユーザの通信要望に答えるのが困難である。

また、複数のユーザ端末が異なる通信規格となる可能性がある。例えば、無線ＬＡＮの場合には、あるユーザ端末は、ＩＥＥＥ８０２．１１ａ準拠であり、あるユーザ端末は、ＩＥＥＥ８０２．１１ｎ準拠であり、あるユーザ端末は、今後実用化されるＩＥＥＥ８０２．１１ａｃ準拠であるかも知れない。しかしながら、１つの基地局で、同時に様々な通信規格に準拠する多数の端末と通信を実現するのは困難である。

更に、システムが占有するチャネル周波数帯域幅の拡大などの原因により、異なる基地局の間で干渉が起こり易くなる。結果として、多数のユーザ端末が通信できなくなったり、あるいは通信品質が著しく劣化することになる。このような諸課題を解決するには、新たな通信構成方法が必要である。

Title: An Introduction to the Multi-User MIMO Downlink Authors: Quentin H. Spencer, Christian B. Peel, A. Lee Swindlehurst, Martin Haardt Source: IEEE Communications Magazine, pp 60-67, October 2004. Title: Shifting the MIMO Paradigm: From single-user to multiuser communications Authors: David Gesbert, Marios Kountouris, Robert W. Heath Jr., Chan-Byoung Chae, and Thomas Salzer Source: IEEE Signal Processing Magazine, pp 36-46, September 2007.

上述した従来のＭＵ−ＭＩＭＯシステムにおいては、以下の課題が存在する。
まず、ユーザスケジューリング技術や、プリコーディング技術を用いてＭＵ−ＭＩＭＯシステムの容量を最大化するには、基地局が全てのユーザ端末のチャネル行列Ｈ（ｎ）（つまり、チャネル情報）を有することが前提条件となる。しかしながら、無線通信の場合では、ユーザ端末の移動性や、伝播路の時変動などの原因により、基地局で全てのユーザ端末の正確なチャネル情報を把握することが一般的に困難である。

また、複数のユーザ端末がある場合では、各ユーザが求める通信の要求が異なる。例えば、あるユーザは、高い伝送レートを所望するが、一方で、他のユーザは、高い通信信頼性を求めるように、１つの基地局で、同時に様々なユーザの通信要望を応えるのが困難である。

また、複数のユーザ端末が、異なる通信規格となる可能性があるため、１つの基地局で、同時に様々な通信規格に準拠する端末と通信を実現するのが困難である。

さらに、システムが占有するチャネル周波数帯域幅の拡大などの原因により、異なる基地局の間に干渉が起こり易くなり、結果として、多数のユーザ端末が通信できなくなったり、あるいは通信品質が著しく劣化することになる。

本発明は、このような事情を考慮してなされたものであり、その目的は、通信全体の効率を向上させることができ、基地局が複数のユーザ端末のチャネル情報を容易に把握することができるとともに、異なる通信要望を有する複数のユーザ端末に対して同時対応することができる通信システム、及び通信方法を提供することにある。

上述した課題を解決するために、本発明は、複数のアンテナを有する親基地局と、それぞれが１つあるいは複数のアンテナを有する複数のユーザ端末との間でＭＩＭＯチャネルを構築し、前記複数のユーザ端末が該ＭＩＭＯチャネルを通して前記親基地局と通信を行う通信システムであって、前記親基地局と前記複数のユーザ端末との間に複数の子基地局を備え、前記複数の子基地局は、互いに連携して動作し、前記親基地局及び前記複数のユーザ端末から通信に係る通信情報の収集を行い、前記収集した通信情報に基づいて、前記複数のユーザ端末から一部のユーザ端末を選択するユーザスケジューリングを行い、前記選択したユーザ端末と前記親基地局との間に通信ルートの割り当てを行い、前記割り当てた通信ルートに対して前記通信情報に基づいて通信リソースの割り当てを行い、前記割り当てた通信リソースに基づいて、前記子基地局ごとに異なる通信方式であって、前記割り当てた通信ルートで用いる物理層通信方式及びＭＡＣ層通信方式の選択を行い、前記の諸処理を含めて、前記親基地局と前記複数のユーザ端末との間の通信を制御し、前記通信情報は、伝送レート、通信品質、又は通信規格情報であることを特徴とする通信システムである。

本発明は、上記の発明において、前記複数の子基地局は、更に、前記親基地局と互いに連携して動作し、前記親基地局及び前記複数のユーザ端末から通信に係る前記通信情報の収集を行い、前記収集した通信情報に基づいて、前記複数のユーザ端末から一部のユーザ端末を選択するユーザスケジューリングを行い、前記選択したユーザ端末と前記親基地局との間に通信ルートの割り当てを行い、前記割り当てた通信ルートに前記通信情報に基づいて通信リソースの割り当てを行い、前記割り当てた通信リソースに基づいて、前記子基地局ごとに異なる通信方式であって、前記割り当てた通信ルートで用いる物理層通信方式及びＭＡＣ層通信方式の選択を行い、前記の諸処理を含めて、前記親基地局と前記複数のユーザ端末との間の通信を制御することを特徴とする。

本発明は、上記の発明において、前記親基地局は、複数の親基地局からなり、前記複数の子基地局は互いに連携して動作し、前記複数の親基地局及び前記複数のユーザ端末から通信に係る前記通信情報の収集を行い、前記収集した通信情報に基づいて、前記複数のユーザ端末から一部のユーザ端末を選択するユーザスケジューリングを行い、前記選択したユーザ端末と前記複数の親基地局との間に通信ルートの割り当てを行い、前記割り当てた通信ルートに対して前記通信情報に基づいて通信リソースの割り当てを行い、前記割り当てた通信リソースに基づいて、前記子基地局ごとに異なる通信方式であって、前記割り当てた通信ルートで用いる物理層通信方式及びＭＡＣ層通信方式の選択を行い、前記の諸処理を含めて、前記複数の親基地局と前記複数のユーザ端末との間の通信を制御することを特徴とする。

本発明は、上記の発明において、前記親基地局は、複数の親基地局からなり、前記複数の子基地局は、更に、前記複数の親基地局と互いに連携して動作し、前記複数の親基地局及び前記複数のユーザ端末から通信に係る前記通信情報の収集を行い、前記収集した通信情報に基づいて、前記複数のユーザ端末から一部のユーザ端末を選択するユーザスケジューリングを行い、前記選択したユーザ端末と前記複数の親基地局との間に通信ルートの割り当てを行い、前記割り当てた通信ルートに前記通信情報に基づいて通信リソースの割り当てを行い、前記割り当てた通信リソースに基づいて、前記子基地局ごとに異なる通信方式であって、前記割り当てた通信ルートで用いる物理層通信方式及びＭＡＣ層通信方式の選択を行い、前記の諸処理を含めて、前記複数の親基地局と前記複数のユーザ端末との間の通信を制御することを特徴とする。

本発明は、上記の発明において、前記複数の子基地局または親基地局は、階層化されており、互いに連携して動作することを特徴とする。

上述した課題を解決するために、本発明は、複数のアンテナを有する親基地局と、それぞれが１つあるいは複数のアンテナを有する複数のユーザ端末との間でＭＩＭＯチャネルを構築し、前記複数のユーザ端末が該ＭＩＭＯチャネルを通して前記親基地局と通信を行う通信方法であって、前記親基地局と前記複数のユーザ端末との間に複数の子基地局を備え、前記複数の子基地局は、互いに連携して動作し、前記親基地局及び前記複数のユーザ端末から通信に係る通信情報の収集を行うステップと、前記収集した通信情報に基づいて、前記複数のユーザ端末から一部のユーザ端末を選択するユーザスケジューリングを行うステップと、前記選択したユーザ端末と前記親基地局との間に通信ルートの割り当てを行うステップと、前記割り当てた通信ルートに対して前記通信情報に基づいて通信リソースの割り当てを行うステップと、前記割り当てた通信リソースに基づいて、前記子基地局ごとに異なる通信方式であって、前記割り当てた通信ルートで用いる物理層通信方式及びＭＡＣ層通信方式の選択を行うステップと、前記の諸処理を含めて、前記親基地局と前記複数のユーザ端末との間の通信を制御するステップとを含み、前記通信情報は、伝送レート、通信品質、又は通信規格情報であることを特徴とする通信方法である。

本発明は、上記の発明において、前記複数の子基地局は、更に、前記親基地局と互いに連携して動作し、前記親基地局及び前記複数のユーザ端末から通信に係る前記通信情報の収集を行うステップと、前記収集した通信情報に基づいて、前記複数のユーザ端末から一部のユーザ端末を選択するユーザスケジューリングを行うステップと、前記選択したユーザ端末と前記親基地局との間に通信ルートの割り当てを行うステップと、前記割り当てた通信ルートに前記通信情報に基づいて通信リソースの割り当てを行うステップと、前記割り当てた通信リソースに基づいて、前記子基地局ごとに異なる通信方式であって、前記割り当てた通信ルートで用いる物理層通信方式及びＭＡＣ層通信方式の選択を行うステップと、前記の諸処理を含めて、前記親基地局と前記複数のユーザ端末との間の通信を制御するステップとを含むことを特徴とする。

本発明は、上記の発明において、前記親基地局は、複数の親基地局からなり、前記複数の子基地局は、互いに連携して動作し、前記複数の親基地局及び前記複数のユーザ端末から通信に係る前記通信情報の収集を行うステップと、前記収集した通信情報に基づいて、前記複数のユーザ端末から一部のユーザ端末を選択するユーザスケジューリングを行うステップと、前記選択したユーザ端末と前記複数の親基地局との間に通信ルートの割り当てを行い、前記割り当てた通信ルートに対して前記通信情報に基づいて通信リソースの割り当てを行うステップと、前記割り当てた通信リソースに基づいて、前記子基地局ごとに異なる通信方式であって、前記割り当てた通信ルートで用いる物理層通信方式及びＭＡＣ層通信方式の選択を行うステップと、前記の諸処理を含めて、前記複数の親基地局と前記複数のユーザ端末との間の通信を制御するステップとを含むことを特徴とする。

本発明は、上記の発明において、前記親基地局は、複数の親基地局からなり、前記複数の子基地局は、更に、前記複数の親基地局と互いに連携して動作し、前記複数の親基地局及び前記複数のユーザ端末から通信に係る前記通信情報の収集を行うステップと、前記収集した通信情報に基づいて、前記複数のユーザ端末から一部のユーザ端末を選択するユーザスケジューリングを行うステップと、前記選択したユーザ端末と前記複数の親基地局との間に通信ルートの割り当てを行うステップと、前記割り当てた通信ルートに前記通信情報に基づいて通信リソースの割り当てを行うステップと、前記割り当てた通信リソースに基づいて、前記子基地局ごとに異なる通信方式であって、前記割り当てた通信ルートで用いる物理層通信方式及びＭＡＣ層通信方式の選択を行うステップと、前記の諸処理を含めて、前記複数の親基地局と前記複数のユーザ端末との間の通信を制御するステップとを含むことを特徴とする。

この発明によれば、通信全体の効率を向上させることができ、基地局が複数のユーザ端末のチャネル情報を把握するとともに、異なる通信要望を有する複数のユーザ端末に対して同時対応することができるという利点が得られる。

ＭＵ−ＭＩＭＯシステムの親基地局とユーザ端末とを、ノードに抽象化した概念図である。本第１実施形態による通信システムＡの構成を示す概念図である。本第１実施形態による通信システムＡの他の構成を示す概念図である。本第１実施形態による通信システムＡにおいて、子基地局ＣＡＰの通信制御を説明するためのフローチャートである。本第１実施形態による、子基地局ＣＡＰの通信制御をより一般的な書き方で示す概念図である。本第１実施形態における送信機及び受信機の構成を示すブロック図である。本第１実施形態による送信機１０と受信機２０とによる通信形態（Ｐ−Ｐ）を抽象化した概念図である。本第１実施形態による送信機１０と受信機２０とによる通信形態（Ｐ−ＭＰ）を抽象化した概念図である。本第１実施形態による送信機１０と受信機２０とによる通信形態（ＭＰ−Ｐ）を抽象化した概念図である。本第１実施形態による送信機１０と受信機２０とによる通信形態（ＭＰ−ＭＰ）を抽象化した概念図である。本第２実施形態による通信システムＢの構成を示す概念図である。本第２実施形態による通信システムＢの他の構成を示す概念図である。本第３実施形態による通信システムＣの構成を示す概念図である。本第３実施形態による通信システムＣの他の構成を示す概念図である。本第４実施形態による通信システムＤの構成を示す概念図である。本第４実施形態による通信システムＤの他の構成を示す概念図である。従来技術によるＭＩＭＯシステム（ポイント対ポイント通信）の一構成例を示すブロック図である。従来技術によるＭＩＭＯシステム（ポイント対マルチポイント通信）の一構成例を示すブロック図である。

以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。
本発明は、親基地局（ＡＰ：Access Point）と複数のユーザ端末（ＵＴ：User Terminal）との間に、複数の子基地局（ＣＡＰ：Child Access Point）を導入することを特徴する。更に、複数の子基地局ＣＡＰの間、あるいは子基地局ＣＡＰと親基地局ＡＰの間で互いに連携させ、子基地局ＣＡＰごとに、ユーザスケジューリングや、通信ルート選択、通信リソースの割り当て、通信方式の選択などのプリコーディングなどの通信制御を行うことを特徴とする。ここで、複数の子基地局ＣＡＰは、それぞれ異なる定められた通信要望に応じた通信制御を行う。これにより、親基地局が行っていた処理が複数の子基地局で分散され、通信全体の効率を向上させることができ、基地局が複数のユーザ端末のチャネル情報を把握するとともに、異なる通信要望を有する複数のユーザ端末に対して同時対応することができるという効果を奏する。なお、本発明において、連携とは、互いに通信可能な状態にあり、リソース割り当てに係る各種情報等の通信制御情報を互いに送受信し、互いに送受信した情報に基づいて各種動作を制御することを意味する。

Ａ．発明の概要
図１は、一般的なＭＵ−ＭＩＭＯシステムの親基地局とユーザ端末とを、ノードに抽象化した概念図である。親基地局（ＡＰ）１では、各ユーザ端末（ＵＴ）２のチャネル情報を把握した上、全てのユーザ端末（ＵＴ）２からユーザスケジューリングによって一部のユーザ端末ＵＴ（実線）だけを選択する。次に、選択した各ユーザ端末（ＵＴ）２（実線）に向けて、プリコーディングによって生成した送信信号を送信し、各ユーザ端末（ＵＴ）２との通信を実現する（ＡＰ−ＵＴ間の矢印）。ここで、親基地局ＡＰ側が各ユーザ端末（ＵＴ）２のチャネル情報を把握し、ユーザスケジューリングとプリコーディングとを行うことが、大容量通信を実現するための前提条件となる。

上記前提条件を実現する１つとしては、各ユーザ端末ＵＴからチャネル推定用パイロット信号を頻繁に親基地局ＡＰ側に送信し、親基地局ＡＰがそれらの信号を用いてチャネル推定することが考えられる。あるいは，各ユーザ端末（ＵＴ）２からパイロット信号の変わりにユーザ端末（ＵＴ）２側で推定したチャネル情報を親基地局ＡＰ側にフィードバック信号として送ることも可能である。しかし、このような場合には、パイロット信号や、フィードバック信号が通信にとって大きなオーバーヘッドとなり、通信全体の効率が低下してしまう。一方、もし親基地局ＡＰ側で各ユーザ端末（ＵＴ）２のチャネル情報を適切に把握できない場合には、ＭＵ−ＭＩＭＯでは、正確なユーザスケジューリングとプリコーディングとができず、通信品質が悪くなり、容量増大するどころか、逆に低下することになる。

Ｂ．第１実施形態
本発明の第１実施形態について説明する。
図２は、本第１実施形態による通信システムＡの構成を示す概念図である。図２に示すように、通信システムＡでは、親基地局（ＡＰ）１とユーザ端末（ＵＴ）２との間に、複数の子基地局（ＣＡＰ：Child Access Point）３を導入することを特徴とする。親基地局（ＡＰ）１側は、各ユーザ端末（ＵＴ）２のチャネルを把握する代わりに、各子基地局（ＣＡＰ）３のチャネルを把握すれば良いことになる。ここで、各子基地局（ＣＡＰ）３には、それぞれ異なるチャネルが予め定められており、定められたチャネルに基づいた通信制御を行う。

まず、子基地局（ＣＡＰ）３は、固定であるため、親基地局（ＡＰ）１と子基地局（ＣＡＰ）３との間のチャネル情報の変動は、ユーザチャネル情報の変動に比べ、著しく緩やかになる。つまり、従来のＭＵ−ＭＩＭＯにおける、ユーザスケジューリングとプリコーディングとが必要とする各ユーザ端末（ＵＴ）２のチャネル情報と比べ、親基地局（ＡＰ）１側で、より容易に、かつ正確にチャネル情報を取得することができる。

また、子基地局（ＣＡＰ）３の数を、ユーザ端末（ＵＴ）２の数よりはるかに少なくすれば、親基地局（ＡＰ）１側で把握すべきチャネル情報の量も、従来のＭＵ−ＭＩＭＯに比べて著しく低減する。したがって、チャネル推定に必要なパイロット信号、あるいはフィードバック信号の数と頻度との双方が著しく低減することになる。

更に、子基地局（ＣＡＰ）３とユーザ端末（ＵＴ）２との間に、スケジューリングや、プリコーディングを行うには、ユーザ端末（ＵＴ）２のチャネル情報が必要になるが、子基地局（ＣＡＰ）３の導入によって処理するユーザ端末（ＵＴ）２が分散されるため、各子基地局（ＣＡＰ）３が必要とするユーザ端末（ＵＴ）２のチャネル情報が従来のＭＵ−ＭＩＭＯの親基地局（ＡＰ）１に比べて著しく減少する。

従来のＭＵ−ＭＩＭＯシステムでは、親基地局（ＡＰ）１が各ユーザ端末（ＵＴ）２のチャネル情報を把握する必要がある他に、異なる通信要望を有する複数のユーザ端末（ＵＴ）２への同時対応や、異なる標準仕様に準拠する複数のユーザ端末（ＵＴ）２への同時対応が困難であった。異なる通信要望の例としては、高い伝送レートを必要とするユーザ端末（ＵＴ）２と高いダイバシチ効果を必要とするユーザ端末（ＵＴ）２とに対して、異なる時空間符号や、コンスタレーションを同一の送信信号に組み込めるような信号フォーマットの構築が困難である。異なる標準仕様の例としては、無線ＬＡＮでは、ＩＥＥＥ８０２．１１ａのユーザ端末（ＵＴ）２とＩＥＥＥ．８０２．１１ｎのユーザ端末（ＵＴ）２と今後実現されるＩＥＥＥ８０２．１１ａｃのユーザ端末（ＵＴ）２とが同時に親基地局（ＡＰ）１と通信することは困難である。

本第１実施形態では、上記従来技術の課題を解決するため、図２に示すように、１つの親基地局（ＡＰ）１と複数のユーザ端末（ＵＴ）２の間に子基地局（ＣＡＰ）３を導入し、子基地局が互いに連携して通信制御を行うことを特徴とする。更に、図３のように、子基地局（ＣＡＰ）３が階層化され、互いに連携可能となっており、通信の制御の最適化における自由度を向上させる構成であっても良い。階層化とは、ワンホップ通信、つまり送信局Ａから受信局Ｂまでだけではなく、マルチホップ通信、つまり送信局Ａから受信局Ｂへ、更に受信した局Ｂから局Ｃへ、更に受信した局Ｃから局Ｄへと、複数の局を介して通信を継続していくことを意味する。階層化の際に介する局は、親基地局でも子基地局でもユーザ端末でも良い。一階層の場合には、送信局Ａから受信局Ｂまでのみの通信を意味し、つまり、ワンホップ通信に相当する。

図４は、本第１実施形態による通信システムＡにおいて、子基地局（ＣＡＰ）３の通信制御を説明するためのフローチャートである。まず、子基地局（ＣＡＰ）３では、親基地局（ＡＰ）１及び関連するユーザ端末（ＵＴ）２からのチャネルや、伝送レート、通信品質、通信規格情報、通信要求などの通信情報の収集を行う（ステップＳ１）。

次に、全てのユーザ端末（ＵＴ）２からスケジューリングによって一部のユーザ端末（ＵＴ）２を選択する（ステップＳ２）。ここで、それぞれの子基地局（ＣＡＰ）３は、自身に予め定められた通信情報に応じてユーザ端末（ＵＴ）２を選択するユーザスケジューリングを行なう。ここでは、子基地局（ＣＡＰ）３は、ユーザ端末（ＵＴ）２から収集した通信情報と、自身に定められたチャネルや、伝送レート、通信品質、通信規格情報に基づいて、自身が一度の送信処理で処理し得るユーザ端末を選択する。ユーザスケジューリングには、具体的には、上述したようにSum Capacity法，Frobenius Norm法，Incremental Capacity法，Complete Search法などが適用できる。

次に、選択したユーザ端末（ＵＴ）２と子基地局（ＣＡＰ）３との間、子基地局（ＣＡＰ）３と親基地局（ＡＰ）１との間に対して、具体的にどの通信ルートを介して通信を行うかを選択する（ステップＳ３）。図２では、異なる線種の矢印で示すように、３つの通信ルートＲ１、Ｒ２、Ｒ３を選択した例を示している。通信ルートＲ１においては、ユーザ端末（ＵＴ）２が子基地局（ＣＡＰ）３を介して、親基地局と（ＡＰ）１との通信を行う。通信ルートＲ２においては、ユーザ端末（ＵＴ）２が子基地局（ＣＡＰ）３を介して、親基地局（ＡＰ）１との通信を行う。通信ルートＲ３においては、ユーザ端末（ＵＴ）２が子基地局（ＣＡＰ）３を介さずに、親基地局（ＡＰ）１と直接に通信を行う。

次に、それぞれの子基地局（ＣＡＰ）３は、選択した通信ルートに対して、それぞれ異なる通信ルートＲ１、Ｒ２、Ｒ３が互いに干渉し合わないように、更に、同一通信ルート内の各ホップ間が互いに干渉し合わないように、時間や、周波数、直交符号などの通信リソースの割り当てを行う（ステップＳ４）。図２、図３では、通信ルートＲ１には、周波数チャネルＦ１とＦ２、通信ルートＲ２には、周波数チャネルＦ１とＦ３、通信ルートＲ３には、周波数チャネルＦ１とＦ４を割り当てる例を示している。このように、複数の子基地局（ＣＡＰ）３は連携して通信リソースの割り当てを行う。

次に、各通信ルートＲ１、Ｒ２、Ｒ３に割り当てた通信リソースに基づいて、ＭＵプリコーディングや、ＯＦＤＭＡ、ＭＩＭＯ−ＯＦＤＭ、ＣＤＭＡ（Code Division Multiple Access）などの物理層通信方式、及びＣＳＭＡ（Carrier Sense Multiple Access）や、ＡｌｏｈａなどのＭＡＣ層通信方式を選択する（ステップＳ５）。

図２、図３では、通信ルートＲ１においては、ユーザ端末（ＵＴ）２が子基地局（ＣＡＰ）３を介して、ＭＵプリコーディング通信方式を選択し、通信ルートＲ２においては、ユーザ端末（ＵＴ）２が子基地局（ＣＡＰ）３を介して、ＭＩＭＯ−ＯＦＤＭＡ方式を選択し、通信ルートＲ３においては、ユーザ端末（ＵＴ）２が子基地局（ＣＡＰ）３を介さずに親基地局と直接に、時空間符号通信方式を選択した例を示している。

更に、各通信方式においても、様々な技術・手法が考えられる。例えば、ＭＵプリコーディング方式については、Ｚｅｒｏ−ｆｏｒｃｉｎｇＣｈａｎｎｅｌＩｎｖｅｒｓｅ法、ＭｉｎｉｍｕｍｍｅａｎｓｑｕａｒｅｄｅｒｒｏｒＲｅｇｕｌａｒｉｚｅｄＣｈａｎｎｅｌＩｎｖｅｒｓｅ：ＭＭＳＥ法、ＢｌｏｃｋＤｉａｇｏｎａｌｉｚａｔｉｏｎ法、Ｔｏｍｌｉｎｓｏｎ−Ｈａｒａｓｈｉｍａｐｒｅｃｏｄｉｎｇ法、ＶｅｃｔｏｒＰｒｅｃｏｄｉｎｇ法、ＤｉｒｔｙＰａｐｅｒＣｏｄｉｎｇ法などがある。

あるいは、部分的なチャネル情報を用いたプリコーディング方法、部分的なチャネル情報の例としては、チャネルの統計性質やコードブックや、量子化されたチャネル行列などが考えられる。複数のユーザ端末間の干渉を抑圧するようなＭＵプリコーディング方法であれば、前記の既存技術および今後発明される技術も含めて適用可能である。ＭＵプリコーティング方式以外の通信方式についても同様である。

また、図４に示す子基地局（ＣＡＰ）３による通信制御動作は、一例であり、通信情報収集、ユーザスケジューリング、通信ルート選択、通信リソース割り当て、通信方式選択の実行順番を変えてもよい。また、実行順番を、チャネルの状態や、ユーザ要望などの情報を頼りに、動的に変えるようにしてもよい。

図５は、本第１実施形態による、子基地局（ＣＡＰ）３の通信制御をより一般的な書き方で示す概念図である。図５において、図４のステップに対応する各ブロックには、同じステップを付けているが、その実行順番を限定するものではない。

図６は、本第１実施形態における送信機及び受信機の構成を示すブロック図である。ここでいう送信機と受信機とは通信の制御を行う子基地局のことである。図６の実線は、通信における情報信号であり、二重線は、通信における制御信号である。送信機１０では、前述した図４あるいは図５に示す通信制御動作を通信制御回路１０−４で行い、そして制御信号をＭＡＣ層（ＭｅｄｉａＡｃｃｅｓｓＣｏｎｔｒｏｌＬａｙｅｒ）回路１０−１、ＰＨＹ層（ＰｈｙｓｉｃａｌＬａｙｅｒ）回路１０−２へ送り、通信の制御を行う。勿論、ＰＨＹ層回路１０−２の中には、様々な基本物理層回路が含まれている。例えば、ＰＨＹ層回路１０−２全体は、ベースバンド回路とＲＦ（ＲａｄｉｏＦｒｅｑｕｅｎｃｙ）回路とから構成される。更に、ＰＨＹ層回路１０−２のベースバンド回路部分は、チャネル符号回路、空間信号生成回路、マルチキャリア変調回路などの様々な回路を備えることができる。ＭＡＣ層回路１０−１についても、ＰＨＹ層回路１０−２と同様に、様々な基本回路から構成されることになる。

受信機２０では、前述した図４あるいは図５に示す通信制御動作を通信制御回路２０−４で行い、そして制御信号をＭＡＣ層（ＭｅｄｉａＡｃｃｅｓｓＣｏｎｔｒｏｌＬａｙｅｒ）回路２０−３、ＰＨＹ層（ＰｈｙｓｉｃａｌＬａｙｅｒ）回路２０−２へ送り、通信の制御を行う。受信機２０のＰＨＹ層回路２０−２の中も、様々な基本物理層回路が含まれている。ＰＨＹ層回路２０−２全体は、ＲＦ（ＲａｄｉｏＦｒｅｑｕｅｎｃｙ）回路とベースバンド回路とから構成される。更に、ＰＨＹ層回路２０−２のベースバンド回路部分は、チャネル推定回路、同期回路、空間信号検出回路、チャネル復号回路、マルチキャリア復調回路などのさまざまな回路を備えることができる。ＭＡＣ層回路２０−３についても、ＰＨＹ層回路２０−２と同様に、様々な基本回路から構成されることになる。

更に、図７は、上述した送信機１０と受信機２０とによる通信形態を抽象化した概念図である。図７は、送信機１０と受信機２０とによるＰ−Ｐ（ＰｏｉｎｔｔｏＰｏｉｎｔ）通信を意味する。また、図８は、送信機１０と複数の受信機２０１、２０２、…、２０ＮとによるＰ−ＭＰ（ＰｏｉｎｔｔｏＭｕｌｔｉ−Ｐｏｉｎｔ）通信を意味する。また、図９は、複数の送信機１０１、１０２、…、１０Ｍと受信機２０とによるＭＰ−Ｐ（Ｍｕｌｔｉ−ＰｏｉｎｔｔｏＰｏｉｎｔ）通信を意味する。最後に、図１０は、複数の送信機１０１、１０２、…、１０Ｍと複数の受信機２０１、２０２、…、２０ＮとによるＭＰ−ＭＰ（Ｍｕｌｔｉ−ＰｏｉｎｔｔｏＭｕｌｔｉ−Ｐｏｉｎｔ）通信を意味する。本第１実施形態は、それらのいずれの通信シナリオにおいても適用可能である。

Ｃ．第２実施形態
本第２実施形態では、上記従来技術の課題を解決するため、図１１に示すように、１つの親基地局（ＡＰ）１と複数のユーザ端末（ＵＴ）２の間に子基地局（ＣＡＰ）３を導入し、１つの親基地局（ＡＰ）１と子基地局（ＣＡＰ）３が互いに連携して通信制御を行うことを特徴とする。更に、図１２のように、子基地局（ＣＡＰ）３が階層化され、互いに連携可能とし、通信の制御の最適化における自由度を向上させる構成であっても良い。

なお、複数の子基地局（ＣＡＰ）３は、前述した第１実施形態の通信システムＡと同様に、図４（または図５）に示すフローチャートに従った処理を行い、複数の親基地局（ＡＰ）１間で干渉が起こらないように、通信リソースの割り当てを行う。

また、図１１、図１２に示すように、異なる線種の矢印で、３つの通信ルートＲ１、Ｒ２、Ｒ３を選択した例を示している。通信ルートＲ１においては、ユーザ端末（ＵＴ）２が子基地局（ＣＡＰ）３を介して、親基地局（ＡＰ）１との通信を行う。通信ルートＲ２においては，ユーザ端末（ＵＴ）２が子基地局（ＣＡＰ）３を介して、親基地局と（ＡＰ）１との通信を行う。通信ルートＲ３においては，ユーザ端末（ＵＴ）２が子基地局（ＣＡＰ）３を介さずに、親基地局（ＡＰ）１と直接に通信を行う。

また、図１１、図１２に示すように、通信ルートＲ１においては、ユーザ端末（ＵＴ）２が子基地局（ＣＡＰ）３を介して、ＭＵプリコーディング通信方式を選択し、通信ルートＲ２においては、ユーザ端末（ＵＴ）２が子基地局（ＣＡＰ）３を介して、ＭＩＭＯ−ＯＦＤＭＡ方式を選択し、通信ルートＲ３においては、ユーザ端末（ＵＴ）２が子基地局（ＣＡＰ）３を介さずに親基地局と直接に、時空間符号通信方式を選択した例を示している。

更に、各通信方式においても、第１実施形態と同様に、様々な技術・手法が考えられる。例えば、ＭＵプリコーディング方式については、Ｚｅｒｏ−ｆｏｒｃｉｎｇＣｈａｎｎｅｌＩｎｖｅｒｓｅ法、ＭｉｎｉｍｕｍｍｅａｎｓｑｕａｒｅｄｅｒｒｏｒＲｅｇｕｌａｒｉｚｅｄＣｈａｎｎｅｌＩｎｖｅｒｓｅ：ＭＭＳＥ法、ＢｌｏｃｋＤｉａｇｏｎａｌｉｚａｔｉｏｎ法、Ｔｏｍｌｉｎｓｏｎ−Ｈａｒａｓｈｉｍａｐｒｅｃｏｄｉｎｇ法、ＶｅｃｔｏｒＰｒｅｃｏｄｉｎｇ法、ＤｉｒｔｙＰａｐｅｒＣｏｄｉｎｇ法などがある。

また、第１実施形態と同様に、図４に示す、子基地局（ＣＡＰ）３による通信制御動作は、一例であり、図５に示すように、通信情報収集、ユーザスケジューリング、通信ルート選択、通信リソース割り当て、通信方式選択の実行順番を変えてもよい。また、実行順番を、チャネルの状態や、ユーザ要望などの情報を頼りに、動的に変えるようにしてもよい。また、本第２実施形態においても、上述した第１実施形態と同様に、図７から図１０に示す、いずれの通信シナリオにおいても適用可能である。ここでいう送信機と受信機とは、通信の制御を行う子基地局あるいは親基地局のどちらでもあり得る。

Ｄ．第３実施形態
本第３実施形態では、上記従来技術の課題を解決するため、図１３に示すように、複数の親基地局（ＡＰ）１と複数のユーザ端末（ＵＴ）２の間に子基地局（ＣＡＰ）３を導入し、子基地局（ＣＡＰ）３が互いに連携して通信制御を行うことを特徴とする。更に、図１４のように、子基地局（ＣＡＰ）３が階層化となっても良い。更に、図１４のように、複数の親基地局（ＡＰ）１が階層化され、互いに連携可能とし、通信の制御の最適化における自由度を向上させる構成であっても良い。更に、親基地局（ＡＰ）１が互いに通信し合っても通信し合わなくても良い。

本第３実施形態では、図１３、図１４に示すように、異なる線種の矢印で、３つの通信ルートＲ１、Ｒ２、Ｒ３を選択した例を示している。通信ルートＲ１においては、ユーザ端末（ＵＴ）２が子基地局（ＣＡＰ）３を介して、親基地局（ＡＰ）１との通信を行う。通信ルートＲ２においては、ユーザ端末（ＵＴ）２が子基地局（ＣＡＰ）３を介して、親基地局と（ＡＰ）１との通信を行う。通信ルートＲ３においては、ユーザ端末（ＵＴ）２が子基地局（ＣＡＰ）３を介さずに、親基地局（ＡＰ）１と直接に通信を行う。

また、図１３、図１４に示すように、通信ルートＲ１には、周波数チャネルＦ１とＦ２、通信ルートＲ２には、周波数チャネルＦ１とＦ３、通信ルートＲ３には、周波数チャネルＦ１とＦ４を割り当てる例を示している。このように、複数の子基地局（ＣＡＰ）３は連携して通信リソースの割り当てを行う。

また、図１３、図１４に示すように、通信ルートＲ１においては、ユーザ端末（ＵＴ）２が子基地局（ＣＡＰ）３を介して、ＭＵプリコーディング通信方式を選択し、通信ルートＲ２においては、ユーザ端末（ＵＴ）２が子基地局（ＣＡＰ）３を介して、ＭＩＭＯ−ＯＦＤＭＡ方式を選択し、通信ルートＲ３においては、ユーザ端末（ＵＴ）２が子基地局（ＣＡＰ）３を介さずに親基地局と直接に、時空間符号通信方式を選択した例を示している。

あるいは、部分的なチャネル情報を用いたプリコーディング方法、部分的なチャネル情報の例としては、チャネルの統計性質やコードブックや、量子化されたチャネル行列などが考えられる。複数のユーザ端末間の干渉を抑圧するようなＭＵプリコーディング方法であれば、前記の既存技術および今後発明される技術も含めて適用可能である。ＭＵプリコーティング方式以外の通信方式についても同様である．

また、第１実施形態と同様に、図４に示す、子基地局（ＣＡＰ）３による通信制御動作は、一例であり、図５に示すように、通信情報収集、ユーザスケジューリング、通信ルート選択、通信リソース割り当て、通信方式選択の実行順番を変えてもよい。また、実行順番を、チャネルの状態や、ユーザ要望などの情報を頼りに、動的に変えるようにしてもよい。また、本第３実施形態においても、上述した第１実施形態と同様に、図７から図１０に示す、いずれの通信シナリオにおいても適用可能である。ここでいう送信機と受信機とは通信の制御を行う子基地局のことである。

Ｅ．第４実施形態
本第４実施形態では、上記従来技術の課題を解決するため、図１５に示すように、複数の親基地局（ＡＰ）１と複数のユーザ端末（ＵＴ）２の間に子基地局（ＣＡＰ）３を導入し、複数の親基地局（ＡＰ）１と子基地局（ＣＡＰ）３が互いに連携して通信制御を行うことを特徴とする。更に、図１６のように、子基地局（ＣＡＰ）３が階層化され、互いに連携可能とし、通信の制御の最適化における自由度を向上させる構成であっても良い。更に、図１６のように、複数の親基地局（ＡＰ）１が階層化され、互いに連携可能とし、通信の制御の最適化における自由度を向上させる構成であっても良い。

本第４実施形態では、図１５、図１６に示すように、異なる線種の矢印で、３つの通信ルートＲ１、Ｒ２、Ｒ３を選択した例を示している。通信ルートＲ１においては、ユーザ端末（ＵＴ）２が子基地局（ＣＡＰ）３を介して、親基地局（ＡＰ）１との通信を行う。通信ルートＲ２においては、ユーザ端末（ＵＴ）２が子基地局（ＣＡＰ）３を介して、親基地局と（ＡＰ）１との通信を行う。通信ルートＲ３においては、ユーザ端末（ＵＴ）２が子基地局（ＣＡＰ）３を介さずに、親基地局（ＡＰ）１と直接に通信を行う。

また、図１５、図１６に示すように、通信ルートＲ１には、周波数チャネルＦ１とＦ２、通信ルートＲ２には、周波数チャネルＦ１とＦ３、通信ルートＲ３には、周波数チャネルＦ１とＦ４を割り当てる例を示している。このように、複数の子基地局（ＣＡＰ）３は連携して通信リソースの割り当てを行う。

また、図１５、図１６に示すように、通信ルートＲ１においては、ユーザ端末（ＵＴ）２が子基地局（ＣＡＰ）３を介して、ＭＵプリコーディング通信方式を選択し、通信ルートＲ２においては、ユーザ端末（ＵＴ）２が子基地局（ＣＡＰ）３を介して、ＭＩＭＯ−ＯＦＤＭＡ方式を選択し、通信ルートＲ３においては、ユーザ端末（ＵＴ）２が子基地局（ＣＡＰ）３を介さずに親基地局と直接に、時空間符号通信方式を選択した例を示している。

また、第１実施形態と同様に、図４に示す、子基地局（ＣＡＰ）３による通信制御動作は、一例であり、図５に示すように、通信情報収集、ユーザスケジューリング、通信ルート選択、通信リソース割り当て、通信方式選択の実行順番を変えてもよい。また、実行順番を、チャネルの状態や、ユーザ要望などの情報を頼りに、動的に変えるようにしてもよい。また、本第４実施形態においても、上述した第１実施形態と同様に、図７から図１０に示す、いずれの通信シナリオにおいても適用可能である。ここでいう送信機と受信機とは通信の制御を行う子基地局あるいは複数ある親基地局のどちらでもあり得る。

本発明は、様々な無線通信システム、特にマルチユーザ無線通信システムへ適用することができる。例えば，標準化されたあるいはこれから標準化される実システムとして，セルラーシステムを代表するＬＴＥや４Ｇ、無線ＬＡＮシステムを代表するＩＥＥＥ８０２．１１ｎやＩＥＥＥ.８０２．１１ａｃ、あるいは無線ＭＡＮシステムを代表するＩＥＥＥ８０２．１６−２００４、ＩＥＥＥ８０２．１６ｅなどの標準規格に準拠した無線システムが挙げられる。

また、上述した第１から第４実施形態においては、受信側のチャネル行列の獲得には、様々な方法を用いることが考えられる。例えば、信号パケットの先頭部、中間部、あるいは後尾部に挿入されるパイロット信号を利用して、チャネル推定を行うことで得られる。また、パイロット信号を用いずに、ブラインドでチャネル推定を行い、チャネル行列を算出することも可能である。また、受信側では、直接にチャネルの推定を行わないが、送信側から推定したチャネル行列情報を受信側に送ることによって、受信側にチャネル行列を持たせてもよい。つまり、最終的に受信側がチャネル行列を獲得できる方法であるならば如何なる方法、手段を用いてもよい。

また、上述した第１から第４実施形態においては、送受信両側、あるいは片側だけでアンテナ選択技術を用いる場合、実際の送信アンテナ本数をＴａとし、Ｔは、Ｔａ本の送信アンテナの中から選択された実際に送信に用いるアンテナの数を意味する。つまり、Ｔ≦Ｔａである。同様に、実際の受信アンテナ本数をＲａとし、Ｒは、Ｒａ本の受信アンテナの中から選択された実際に受信に用いるアンテナの数を意味する。つまり、Ｒ≦Ｒａである。

また、上述した第１から第４実施形態においては、図３または図４に示す処理は、コンピュータシステム内で実行される。そして、上述した各処理過程は、プログラムの形式でコンピュータが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実現される。すなわち、上記各処理は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）などの中央演算処理装置がＲＯＭ（Read Only Memory）や、ＲＡＭ（Random Access Memory）などの記憶装置に上記プログラムを読み出して、情報の加工・演算処理を実行することにより、実現されるものであってもよい。ここで、コンピュータが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（Compact Disc Read Only Memory）、ＤＶＤ−ＲＯＭ（Digital Versatile Disc Read Only Memory）、半導体メモリなどをいう。

上述した第１から第４実施形態によれば、子基地局（ＣＡＰ）３を導入し、更に通信の制御を行うことにより、子基地局（ＣＡＰ）３と親基地局（ＡＰ）１との間のチャネル情報の把握が容易になり、子基地局（ＣＡＰ）３と親基地局（ＡＰ）１との間のスケジューリングや、プリコーディング処理がより容易に実行することができる。また、親基地局（ＡＰ）１が通信するユーザ端末（ＵＴ）２が各子基地局（ＣＡＰ）３に分散されるので、各子基地局（ＣＡＰ）３でユーザスケジューリングとプリコーディングを実施する必要なユーザチャネル情報の量が著しく減少し、処理負荷もそれに伴い低減することができる。

また、上述した第１から第４実施形態によれば、子基地局（ＣＡＰ）３を導入し、更に通信の制御を行うことにより、各ユーザ端末（ＵＴ）２の通信要望に合わせて、子基地局（ＣＡＰ）３から異なるスケジューリング、通信のルート、通信のリソース、通信の方式を提供することが可能となり、ユーザ端末（ＵＴ）２からの様々な通信要望や、通信品質ＱｏＳに対応することができる。

また、上述した第１から第４実施形態によれば、子基地局（ＣＡＰ）３を導入し、更に通信の制御を行うことにより、異なる標準仕様に準拠するユーザ端末（ＵＴ）２に対して、通信リソースを適切に割り当てた上で、各子基地局（ＣＡＰ）３が各ユーザ端末（ＵＴ）２が有する標準仕様に合わせて通信を行うことができる。

また、上述した第１から第４実施形態によれば、子基地局（ＣＡＰ）３を導入し、更に通信の制御を行うことにより、通信システムが占有するチャネル周波数帯域幅が拡大しても、各親基地局（ＡＰ）１間が干渉し合わないように子基地局（ＣＡＰ）３が通信リソースの割り当てを行うことができ、親基地局（ＡＰ）１間の干渉を回避することができる。

１親基地局
２ユーザ端末
３子基地局
Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３通信ルート
１０送信機
２０受信機
１０−１、２０−３ＭＡＣ層回路
１０−２、２０−２ＰＨＹ層回路
１０−４、２０−４通信制御回路

Claims

複数のアンテナを有する親基地局と、それぞれが１つあるいは複数のアンテナを有する複数のユーザ端末との間でＭＩＭＯチャネルを構築し、前記複数のユーザ端末が該ＭＩＭＯチャネルを通して前記親基地局と通信を行う通信システムであって、
前記親基地局と前記複数のユーザ端末との間に複数の子基地局を備え、
前記複数の子基地局は、
互いに連携して動作し、
前記親基地局及び前記複数のユーザ端末から通信に係る通信情報の収集を行い、
前記収集した通信情報に基づいて、前記複数のユーザ端末から一部のユーザ端末を選択するユーザスケジューリングを行い、
前記選択したユーザ端末と前記親基地局との間に通信ルートの割り当てを行い、
前記割り当てた通信ルートに対して前記通信情報に基づいて通信リソースの割り当てを行い、
前記割り当てた通信リソースに基づいて、前記子基地局ごとに異なる通信方式であって、前記割り当てた通信ルートで用いる物理層通信方式及びＭＡＣ層通信方式の選択を行い、
前記の諸処理を含めて、前記親基地局と前記複数のユーザ端末との間の通信を制御し、
前記通信情報は、伝送レート、通信品質、又は通信規格情報である
ことを特徴とする通信システム。
前記複数の子基地局は、
更に、前記親基地局と互いに連携して動作し、
前記親基地局及び前記複数のユーザ端末から通信に係る前記通信情報の収集を行い、
前記収集した通信情報に基づいて、前記複数のユーザ端末から一部のユーザ端末を選択するユーザスケジューリングを行い、
前記選択したユーザ端末と前記親基地局との間に通信ルートの割り当てを行い、
前記割り当てた通信ルートに前記通信情報に基づいて通信リソースの割り当てを行い、
前記割り当てた通信リソースに基づいて、前記子基地局ごとに異なる通信方式であって、前記割り当てた通信ルートで用いる物理層通信方式及びＭＡＣ層通信方式の選択を行い、
前記の諸処理を含めて、前記親基地局と前記複数のユーザ端末との間の通信を制御する
ことを特徴とする請求項１記載の通信システム。
前記親基地局は、複数の親基地局からなり、
前記複数の子基地局は互いに連携して動作し、
前記複数の親基地局及び前記複数のユーザ端末から通信に係る前記通信情報の収集を行い、
前記収集した通信情報に基づいて、前記複数のユーザ端末から一部のユーザ端末を選択するユーザスケジューリングを行い、
前記選択したユーザ端末と前記複数の親基地局との間に通信ルートの割り当てを行い、
前記割り当てた通信ルートに対して前記通信情報に基づいて通信リソースの割り当てを行い、
前記割り当てた通信リソースに基づいて、前記子基地局ごとに異なる通信方式であって、前記割り当てた通信ルートで用いる物理層通信方式及びＭＡＣ層通信方式の選択を行い、
前記の諸処理を含めて、前記複数の親基地局と前記複数のユーザ端末との間の通信を制御する
ことを特徴とする請求項１記載の通信システム。
前記親基地局は、複数の親基地局からなり、
前記複数の子基地局は、
更に、前記複数の親基地局と互いに連携して動作し、
前記複数の親基地局及び前記複数のユーザ端末から通信に係る前記通信情報の収集を行い、
前記収集した通信情報に基づいて、前記複数のユーザ端末から一部のユーザ端末を選択するユーザスケジューリングを行い、
前記選択したユーザ端末と前記複数の親基地局との間に通信ルートの割り当てを行い、
前記割り当てた通信ルートに前記通信情報に基づいて通信リソースの割り当てを行い、
前記割り当てた通信リソースに基づいて、前記子基地局ごとに異なる通信方式であって、前記割り当てた通信ルートで用いる物理層通信方式及びＭＡＣ層通信方式の選択を行い、
前記の諸処理を含めて、前記複数の親基地局と前記複数のユーザ端末との間の通信を制御する
ことを特徴とする請求項１記載の通信システム。
前記複数の子基地局または親基地局は、
階層化されており、互いに連携して動作することを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の通信システム。
複数のアンテナを有する親基地局と、それぞれが１つあるいは複数のアンテナを有する複数のユーザ端末との間でＭＩＭＯチャネルを構築し、前記複数のユーザ端末が該ＭＩＭＯチャネルを通して前記親基地局と通信を行う通信方法であって、
前記親基地局と前記複数のユーザ端末との間に複数の子基地局を備え、
前記複数の子基地局は、
互いに連携して動作し、
前記親基地局及び前記複数のユーザ端末から通信に係る通信情報の収集を行うステップと、
前記収集した通信情報に基づいて、前記複数のユーザ端末から一部のユーザ端末を選択するユーザスケジューリングを行うステップと、
前記選択したユーザ端末と前記親基地局との間に通信ルートの割り当てを行うステップと、
前記割り当てた通信ルートに対して前記通信情報に基づいて通信リソースの割り当てを行うステップと、
前記割り当てた通信リソースに基づいて、前記子基地局ごとに異なる通信方式であって、前記割り当てた通信ルートで用いる物理層通信方式及びＭＡＣ層通信方式の選択を行うステップと、
前記の諸処理を含めて、前記親基地局と前記複数のユーザ端末との間の通信を制御するステップと
を含み、
前記通信情報は、伝送レート、通信品質、又は通信規格情報である
ことを特徴とする通信方法。
前記複数の子基地局は、
更に、前記親基地局と互いに連携して動作し、
前記親基地局及び前記複数のユーザ端末から通信に係る前記通信情報の収集を行うステップと、
前記収集した通信情報に基づいて、前記複数のユーザ端末から一部のユーザ端末を選択するユーザスケジューリングを行うステップと、
前記選択したユーザ端末と前記親基地局との間に通信ルートの割り当てを行うステップと、
前記割り当てた通信ルートに前記通信情報に基づいて通信リソースの割り当てを行うステップと、
前記割り当てた通信リソースに基づいて、前記子基地局ごとに異なる通信方式であって、前記割り当てた通信ルートで用いる物理層通信方式及びＭＡＣ層通信方式の選択を行うステップと、
前記の諸処理を含めて、前記親基地局と前記複数のユーザ端末との間の通信を制御するステップと
を含むことを特徴とする請求項６記載の通信方法。
前記親基地局は、複数の親基地局からなり、
前記複数の子基地局は互いに連携して動作し、
前記複数の親基地局及び前記複数のユーザ端末から通信に係る前記通信情報の収集を行うステップと、
前記収集した通信情報に基づいて、前記複数のユーザ端末から一部のユーザ端末を選択するユーザスケジューリングを行うステップと、
前記選択したユーザ端末と前記複数の親基地局との間に通信ルートの割り当てを行い、前記割り当てた通信ルートに対して前記通信情報に基づいて通信リソースの割り当てを行うステップと、
前記割り当てた通信リソースに基づいて、前記子基地局ごとに異なる通信方式であって、前記割り当てた通信ルートで用いる物理層通信方式及びＭＡＣ層通信方式の選択を行うステップと、
前記の諸処理を含めて、前記複数の親基地局と前記複数のユーザ端末との間の通信を制御するステップと
を含むことを特徴とする請求項６記載の通信方法。
前記親基地局は、複数の親基地局からなり、
前記複数の子基地局は、
更に、前記複数の親基地局と互いに連携して動作し、
前記複数の親基地局及び前記複数のユーザ端末から通信に係る前記通信情報の収集を行うステップと、
前記収集した通信情報に基づいて、前記複数のユーザ端末から一部のユーザ端末を選択するユーザスケジューリングを行うステップと、
前記選択したユーザ端末と前記複数の親基地局との間に通信ルートの割り当てを行うステップと、
前記割り当てた通信ルートに前記通信情報に基づいて通信リソースの割り当てを行うステップと、
前記割り当てた通信リソースに基づいて、前記子基地局ごとに異なる通信方式であって、前記割り当てた通信ルートで用いる物理層通信方式及びＭＡＣ層通信方式の選択を行うステップと、
前記の諸処理を含めて、前記複数の親基地局と前記複数のユーザ端末との間の通信を制御するステップと
を含むことを特徴とする請求項６記載の通信方法。
前記複数の子基地局または親基地局は、
階層化されており、互いに連携して動作することを特徴とする請求項６から９のいずれかに記載の通信方法。