JP5867611B2

JP5867611B2 - 無線通信システム

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Publication number: JP5867611B2
Application number: JP2014539519A
Authority: JP
Inventors: 紅陽陳; 伊藤　章; 章伊藤
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2012-10-02
Filing date: 2012-10-02
Publication date: 2016-02-24
Anticipated expiration: 2032-10-02
Also published as: US9781731B2; JPWO2014054125A1; WO2014054125A1; US20150208431A1

Description

本開示は、無線通信システムに関する。

無線通信網に接続される装置又は機器は増加の一途を辿り、マシン通信（Machine-to-Machine communication:Ｍ２Ｍ）と呼ばれる通信形式は、近い将来において典型的な無線通信形式の一つとなると考えられている。

マシン通信は、装置又は機器が通信ネットワークを介して接続され、装置又は機器間の自律的な情報交換（コミュニケーション）を通じてサービスを実現する。マシン通信は、ＩＴＵ−Ｔ（International Telecommunication Union-Telecommunication Standardization Sector）,３ＧＰＰ（3rd Generation Partnership Project）などのような標準化団体やフォーラムなどで標準化作業が進められている。３ＧＰＰでは、マシン通信（Ｍ２Ｍ）は、Machine Type Communication (ＭＴＣ)と呼ばれている。

RP-111112 "Proposed SID: Provision of low-cost MTC UEs based on LTE". Vodafone Group. 3GPP TSG RAN plenary # 53. R1-112912 "Overview on low-cost MTC UEs based on LTE". Huawei, HiSilicon, CMCC. 3GPP RAN1#66bis. R1-112917 "Considerations on approaches for low-cost MTC UEs". Sony Corporation / Sony Europe Ltd. 3GPP RAN1#66bis. R1-112929 "Standards aspects impacting UE costs". Ericsson, ST-Ericsson. 3GPP RAN1#66bis.

エネルギー消費は、マシン通信システム（Ｍ２Ｍシステム）の設計において検討すべき課題の一つである。データ送信は、エネルギー消費の大きいタスクの一つである。

本開示は、マシン通信を行う無線通信システムにおいて、データ送信に係る消費電力の低減を図ることを目的とする。

本開示の技術は、基地局と、複数の無線端末とを含む無線通信システムである。

前記基地局は、
前記複数の無線端末から受信される信号の位相と無線端末の位置情報との少なくとも一方を用いて前記複数の無線端末を１以上のグループにグループ分けする処理と、各グループの無線端末が端末間協調送信を実行するためのリソースを各グループの無線端末から受信される同期信号の受信電力に基づき割り当てる処理とを実行する制御装置と、
各グループの識別情報,及び前記リソースの割り当て結果を各無線端末に送信する送信装置と、
を含む。

前記複数の無線端末のそれぞれは、
前記位置情報及び前記品質情報を含む信号と、前記同期信号とを送信するとともに、前記リソースの割り当て結果を受信する通信装置と、
割り当てられたリソースを用いた前記端末間協調送信によって前記基地局へ送信すべきデータをグループ内で共有するための処理を自律的に実行する制御装置とを含む。

本開示によれば、マシン通信を行う無線通信システムにおいて、データ送信に係る消費電力の低減を図ることができる。

図１は、実施形態におけるマシン通信システムのネットワーク構成例を示す。図２は、グルーピング方法（グルーピング処理）の例を示すフローチャートである。図３は、スケジューリング方法（スケジューリング処理）の例を示すフローチャートである。図４は、スケジューリングにおける無線リソースの割り当て例を示す。図５は、実施形態に係る基地局１の構成例を示す。図６は、実施形態に係るＭＴＣデバイス（Ｍ２Ｍデバイス）の一例である移動端末の構成例を示す。図７は、端末間協調送信（結合送信）のための手順を示すシーケンス例を示す。図８は、変形例に係るシーケンス図を示す。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。実施形態の構成は例示であり、本発明は実施形態の構成に限定されない。

以下の実施形態では、マシン通信システム（Ｍ２Ｍシステム）が適用される無線通信システム（無線通信網）の例示として、Long Term Evolution (ＬＴＥ) -Advanced 網について説明する。但し、以下に説明する技術は、ＧＳＭ（Global System for Mobile Communications），ＵＴＭＳ（Universal Mobile Telecommunications System（Ｗ−ＣＤＭＡ）），ＬＴＥのような３ＧＰＰにおける無線通信規格に従った無線通信システムに加えて、Wi-FiやWiMAXのようなIEEE 802.16e（無線ＬＡＮ）に基づく無線通信規格に従う無線通信システムについても適用可能である。

図１は、実施形態におけるマシン通信システムのネットワーク構成例を示す。図１に示すマシン通信システムは、基地局（ｅＮＢ）１と、複数のＭＴＣデバイス（MTC device）２とを含む。ＭＴＣデバイスは、Ｍ２Ｍデバイスの一例である。複数のＭＴＣデバイス２は、ＭＴＣＵＥ（Machine Type Communication User Equipment）と呼ばれる移動端末であり、基地局及び他のＭＴＣＵＥとの間で自律的な（ユーザの判断を介しない）情報交換（コミュニケーション）を実行することができる。以下の説明において、ＭＴＣデバイスを“移動端末”と表記する。但し、移動端末は無線端末の一例であり、ＭＴＣデバイス（Ｍ２Ｍデバイス）として適用される無線端末は、移動端末及び固定端末を含むことができる。

複数の移動端末２は、地理的なエリアにおいて、分散配置された状態となっている。図１において、複数の移動端末２は、２以上の移動端末２からなる複数のグループにグルーピングされる。図１に示す例では、６つの移動端末２が例示されており、これらの移動端末２が、二つのグループに分割されている。１つのグループに属する移動端末２の１つは、代表デバイス（グループヘッド）として機能することができる。

グループ内の複数の移動端末２は、基地局１へ送信すべきデータを共有する。データの共有は、移動端末２間の通信、又はグループヘッドを介した通信により行うことができる。そして、グループ内の複数の移動端末２は、基地局１へ送信すべきデータを移動端末間の協調送信（端末間協調送信）により基地局１へ送信する。すなわち、複数の移動端末２は、基地局１へ送信すべきデータを共通メッセージ信号として、同期をとって同時に基地局１へ送信する。このような協調送信は、結合送信（Joint Transmission）と呼ばれる。

端末間協調送信において、複数の移動端末２が備える複数の送信アンテナは、仮想アンテナアレイとして機能し、基地局１に対するビームフォーミング（beamforming:指向性）が形成される。地理的に離れた複数の移動端末２の複数の送信アンテナが１つのビームフォーミングを形成するという意味で、分配ビームフォーミング（distributed beamforming）と呼ぶことができる。分配ビームフォーミングによって、セルのカバレッジが効率的に拡張され得る。

また、共通メッセージ信号の協調送信において、複数の送信アンテナが協働することによって、各移動端末２における送信電力が低減され得る。一般に、Ｋ（Ｋは正の整数）個のアンテナ素子を有するアンテナアレイで、Ｋ倍の電力低減が得られる（各アンテナ素子の送信電力が１／Ｋとなる）ことが知られている。従って、各移動端末２の消費電力の低減を図ることができる。

本実施形態では、移動端末２と基地局１との間のチャネル位相、及び移動端末２間の距離に基づき、複数の移動端末２が複数の異なるグループに分割（グルーピング）される。そして、各グループ内の複数の移動端末２において、分配ビームフォーミングに基づく共通メッセージ信号の端末間協調送信方法が適用される。

分配ビームフォーミングは、基地局１で測定されたリソース品質情報、例えば、ＳＩＮＲ（Signal-to-Interference and Noise power Ratio: 信号対干渉雑音比）に基づいて実現されることができる。基地局１は、各無線リソースから測定されたＳＩＮＲに従って複数のグループから高品質を有するグループを選択する。選択されたグループ内の各移動端末２から送信される信号の位相は概ね揃っている。このため、ビームフォーミングゲイン（受信電力の向上）を得ることができる。換言すれば、グループ内の各移動端末２の送信信号の位相が同様であるとき、当該グループから送信される共通メッセージ信号のＳＩＮＲは良好なものとなる。従って、上述したようなＳＩＮＲ値に従ったリソース割り当てを実施することによって、ビームフォーミングゲインが達成される。

ＳＩＮＲ（リソース品質）の測定は、例えば、各移動端末２で実施される受信品質測定に基づくＣＱＩ（Channel Quality Indicator：チャネル品質情報）のフィードバックによって実現されることができる。ＣＱＩは、ＣＳＩ（Channel State Information）参照信号に含まれて送信される。ＣＱＩは品質情報の一例である。

基地局１は、各無線リソースに対するＣＱＩフィードバックを各移動端末２から受けることで、品質の良いグループを選択することができる。換言すれば、グループにおける各移動端末２の送信信号の位相が同様であるとき、グループ内のＣＱＩはより良くなり、このＣＱＩに従ったリソース割り当てで、ビームフォーミングゲインを獲得することができる。

＜システムモデル＞
ここで、１つの基地局１と、Ｎ個の移動端末２とを含むマシン通信網（マシン通信システム）を想定する。例えば、Ｎ個の移動端末２のうち、基地局１において良好な（例えばグループ内で最高の）チャネル状態情報を有する移動端末２が、基地局１によってグループヘッドとして動作するために選択される。基地局１によるグループヘッドの選択結果は、各移動端末２にフィードバックされる。これによって、Ｎ個の移動端末２は、選択されたグループヘッドを有する仮想アンテナアレイのグループを形成する。

各移動端末２は、基地局１へ送信すべきデータを有している。データは、移動端末２の間で交換される。例えば、各移動端末２は、データをグループヘッドの移動端末２へ送る。グループヘッドは、グループ内の全ての移動端末２へデータをブロードキャストする。これによって、移動端末２間で基地局１へ送信すべきデータ（共通メッセージ）が共有された状態となる。

グループ内の移動端末２は、基地局１へ同時に共通メッセージ信号を送信する（端末間協調送信を行う）ために分配ビームフォーミングを使用する。ここで、各移動端末２からの信号の位相が揃っている場合、基地局1における受信電力は大きくなる（大きなビームフォーミングゲインが得られる）。移動端末２（ＭＴＣデバイス）が固定又は低度の移動性を持つとき、無線チャネルにおける変動は低速となる。

狭帯域信号のために、チャネルが静的で、且つｉ（ｉ＝1, …, N）番目の移動端末２と基地局１との間のチャネルは複素スカラーでモデル化されると仮定する。この場合、チャネルｈは式（１）で表現される。

見通し（Line Of Sight: LOS）チャネルにおいて、i番目のチャネルｈ_iの位相γ_iでは、式（１ａ）で表現される。式（１ａ）において、τ_iは、ｉ番目の移動端末２と基地局１との間の伝搬遅延であり、ｄ_iは対応する距離であり、ｃは光の速度である。

移動端末２は、現在キャリア（current carrier）を用いる信号ｓ(t)の変調によって基地局１へ共通メッセージ信号を送信する。現在キャリアｘ(t)は、以下の式（２）で表現される。

式（２）において、ｆ_cは、ｉ番目の移動端末２の現在キャリア周波数であり、Ψ_iは初期位相（initial phase）である。基地局１の受信信号ｒ_eNB（端末間協調送信信号）は、以下の式（３）で与えられる。ｎ(t)はノイズを示す。

＜グルーピング方法＞
各移動端末２と基地局１との間のチャネルの位相及び移動局間の距離は、グループの分割（グルーピング）のために使用される。図２は、グルーピング方法（グルーピング処理）の例を示すフローチャートである。

基地局１は、最初に、各移動端末２から受信されるパイロット信号であるＳＲＳ（Sounding Reference Signal:サウンディング参照信号）を受信する（図２の０１）。基地局１は、パイロット信号に基づいてチャネルの位相を測定し、チャネルの位相の類似性を用いて複数の移動端末２を１以上のグループに分割する（図２の０２）。すなわち、基地局１における高位レイヤは、事前の実験結果に基づく位相の類似性の閾値（範囲）を有しており、閾値に基づき位相の類似性が認められる移動端末２を同一のグループに入れる。

また、基地局１は、各移動端末２から受信された移動端末２の位置情報を受信する。位置情報は、パイロット信号とともに、又は別の信号で受信される。各移動端末２は、ＧＰＳ（Global Positioning System）機能を有し、当該ＧＰＳ機能を用いて得た位置情報を基地局１に送ることができる。基地局１は、各移動端末２の位置情報を用いて、同一のグループ内の移動端末２の位置からグループの地理的な中心位置を決定する（図２の０３）。

グループの中心は、例えば、以下のようにして決定される。すなわち、１つのグループにｊ（ｊは正の整数:1,…,j）個の移動端末２が属している場合、各移動端末２の位置は、平面座標（ｘｙ座標）系において（ｘｊ，ｙｊ）で示すことができる。グループの中心位置は、各移動端末のｘ座標及びｙ座標の平均を算出することにより得られる。すなわち、グループの中心位置(x, y)は、((x1+x2,…,+xj)/j,(y1+y2,…,+yj)/j)で求められる。

基地局１は、決定されたグループの中心位置から所定距離以上離れた移動端末２を、当該グループから除去することができる（図２の０４）。そのような移動端末２は、結合送信の前におけるデータ交換が困難であると考えられるからである。具体的には、基地局１の高位レイヤは、中心からの距離の閾値を有しており、中心からの距離が閾値よりも長い移動端末２がグループから除去される。距離の閾値は、例えば、実験によって得ることができる。なお、０４の処理は、選択的に適用することが可能である。

０１〜０４の処理によって、グループのメンバとなる移動端末２が決定される。さらに、基地局１は、上述したような手法を用いて、グループヘッドの移動端末２を決定する（図２の０５）。その後、基地局１は、例えば、ＰＤＣＣＨ（Physical Downlink Control CHannel：下りリンク制御チャネル）を介して、グループの識別子であるグループＩＤと、グループヘッドの移動端末２の情報（グループヘッド情報）とをメンバ（グループヘッドを含む）の各移動端末へ送信（フィードバック）する（図２の０６）。

なお、グループの中心位置は、他の方法により求めることもできる。例えば、複数の移動端末２の位置を直線で結ぶことにより形成される直線、三角形、四角形、５以上の多角形の中点又は中心をグループの中心位置として決定することができる。あるいは、グループの中心位置を決定する前に、グループヘッドを決定し、グループヘッドの座標をグループの中心として決定し、グループヘッドの座標から距離の閾値を半径とする円内に含まれる移動端末２を最終的なグループメンバとして決定することができる。

＜グルーピング後のＵＥスケジューリング＞
以下、グルーピング後の移動端末２におけるスケジューリングの手順の概要について説明する。図３は、スケジューリング方法（スケジューリング処理）の例を示すフローチャートである。

（手順１：図３の１１）第１に、複数の移動端末２は、上述したグルーピング処理（図２）により、基地局１からグループＩＤ及びグループヘッド情報を受信することによって、ｋ（ｋは正の整数）個のグループ、すなわちＧ₁，Ｇ₂，・・・，Ｇ_kに分割される。図１では、６つの移動端末２が二つのグループＧ１とグループＧ２とに分割されたケースが例示されている。

（手順２：図３の１２）第２に、各グループに属する複数の移動端末２は、グループ間の時分割で、基地局１に対し、グループ内において同一のタイムスロットを用いて同期信号を送信する。すなわち、ｋ番目のグループにおけるｉ番目のＵＥは、式（４）によって表現される信号を送信する。

このようにして、グループ間で異なるタイムスロットを用いて、各グループの移動端末２から同期信号が送信される。ｋ番目のグループから基地局１が受信するキャリア周波数ｆ_c1の受信信号は、以下の式（５）で表現される。

式（５）において、ｎ_kは、ｋ番目のグループにおける移動端末２の数である。基地局１は、全てのグループの周波数ｆ_c1における受信信号電力を測定する。受信信号電力は、以下の式（５ａ）で表現される。

（手順３：図３の１３）第３に、基地局は、各グループの受信信号電力のうち、所定の電力を有するグループ、例えば、最大受信電力を有するグループに対し、当該周波数ｆ_c1を割り当てる。例えば、以下の式（５ｂ）の条件が満たされる場合には、キャリア周波数ｆ_c1はグループＧ１へ割り当てられる。

（手順４：図３の１４）第４に、基地局１は、キャリア周波数ｆ_ci（ｉ＝２，・・・，Ｌ）を変更し、最大受信電力に対応するグループへ周波数が割り当てられるように上記手順（１）〜（４）を繰り返す。

図４は、スケジューリングにおける無線リソースの割り当て例を示す。図４は、図１に示すように、グループＧ１とグループＧ２とがあるケースにおける無線リソースの割り当て状況を例示する。無線リソースは、複数のキャリア周波数あるいはリソースブロック（図４ではｃ０〜ｃ４を例示）と、サブフレームＳ１，Ｓ２，・・・とで定義される。

図４において、サブフレームＳ１のキャリア周波数ｃ０〜ｃ４におけるグループＧ１の測定が行われ、サブフレームＳ２のキャリア周波数ｃ０〜ｃ４におけるグループＧ２の測定が行われていると仮定する。

そして、図３を用いて説明したスケジューリングの（手順１）〜（手順４）によって、キャリア周波数ｃ０，ｃ１，ｃ３に関しては、グループＧ１の受信信号電力がグループＧ２より大きいと判定され、その結果、キャリア周波数ｃ０，ｃ１，ｃ３がグループＧ１に割り当てられている。これに対し、キャリア周波数ｃ２及びｃ４に関しては、グループＧ２の受信信号電力がグループＧ１より大きいと判定され、その結果、キャリア周波数ｃ２，ｃ４がグループＧ２に割り当てられている。グループＧ１及びＧ２は、割り当てられたリソースを用いて端末間協調送信を実施することができる。

＜基地局の構成例＞
図５は、実施形態に係る基地局１の構成例を示す。図５は、例として、無線アクセス方式に直交周波数分割多重アクセス（Orthogonal Frequency Division Multiple Access：OFDMA）方式が適用された無線通信システム（移動通信システム）における基地局の構成が示されている。

図５において、基地局１は、受信アンテナ２１と、ＲＦ（Radio Frequency）プロセッサ（RF processor：ＲＦ送受信回路）２２と、ベースバンドプロセッサ（Baseband processor）２３と、送信アンテナ２４とを備えている。ベースバンドプロセッサ２３は、制御装置の一例である。ＲＦプロセッサ２２は、通信装置、送信装置、受信装置の一例である。

ＲＦプロセッサ２２は、無線（ＲＦ）信号に係る処理を司る。ＲＦプロセッサ２２は、受信アンテナ２１に接続されたＲＦ受信回路（受信機: RF Receiver）２５と、送信アンテナ２４に接続されたＲＦ送信回路（送信機：RF Transmitter）２６とを含んでいる。ＲＦ受信回路２５は、受信アンテナ２１で受信される、移動端末２から無線信号（アップリンク（ＵＬ）信号）のダウンコンバート、増幅等の処理を行い、得られた信号をベースバンドプロセッサ２３に入力する。ＲＦ送信回路２６は、ベースバンドプロセッサ２３から入力される信号のアップコンバートや増幅を行い、得られた無線信号を送信アンテナ２４からダウンリンク（ＤＬ）信号として移動端末２へ送信する。

ベースバンドプロセッサ２３は、例えば、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）やＣＰＵ(Central Processing Unit)のような汎用プロセッサ、又は専用プロセッサの適用によって実現される。ベースバンドプロセッサ２３は、図示しない記憶装置（補助記憶装置）に記憶されたプログラムを主記憶装置（メインメモリ）にロードして実行する。

これによって、ベースバンドプロセッサ２３は、以下のような処理、あるいは機能を実現する。すなわち、ベースバンドプロセッサ２３は、サイクリックプレフィックス除去処理（Cyclic Prefix (CP) removal）２８，及び高速フーリエ変換（FFT）２９を行うとともに、物理チャネルを分離する物理チャネル分離部（Physical Channel Separator）３０として機能する。

また、ベースバンドプロセッサ２３は、物理チャネル分離部３０で分離されたユーザデータチャネルの信号（データ信号）に対するデータ信号復調部（Data Signal Demodulator）３１，及びデータチャネルの復号処理を行うチャネルデコーダ（Channel Decoder）３２として機能する。

また、ベースバンドプロセッサ２３は、物理チャネル分離部３０で分離された制御チャネルの信号（制御信号）に対する制御信号復調部（Control Signal Demodulator）３３，及び制御チャネルの復号処理を行うチャネルデコーダ（Channel Decoder）３４として機能する。

また、ベースバンドプロセッサ２３は、物理チャネル分離部３０で分離されたパイロットチャネルの信号（パイロット信号）に基づくチャネル推定処理（Channel Estimation）３３，及び制御チャネルの復号処理を行うチャネルデコーダ（Channel Decoder）３４として機能する。チャネル推定処理３３によって得られたチャネル推定結果は、チャネルデコーダ３２及び３４に与えられ、チャネル復号処理に利用される。

また、ベースバンドプロセッサ２３は、グループ決定及びグループヘッド選択処理（Group Determination and Group Head Selection）３９を実行する。すなわち、ベースバンドプロセッサ２３は、チャネルデコーダ３４による制御チャネルのデコード結果として得られた移動端末の位置情報（Location Information）と、位相測定処理３６によって得られた位相測定結果とを用い、グルーピング処理（図２）を行うグルーピングプロセッサとして機能する。グルーピング処理によって、グループ決定及びグループヘッド選択が行われ、グループＩＤ及びグループヘッド情報（Group ID, Group Head (GH) Information）が生成される。ベースバンドプロセッサ２３は、図示しない記憶装置の記憶領域に記憶された位相の閾値（範囲）と距離の閾値とを用いて、グループ決定及びグループヘッド選択処理３９を行う。

また、ベースバンドプロセッサ２３は、パイロット信号の位相測定処理（Phase Measurement）３６を実行する測定部(measurer)として機能する。また、ベースバンドプロセッサ２３は、物理チャネル分離部３０で分離された同期信号に対する復調処理を実行する同期信号復調部（Synchronization Signal Demodulator）３７として機能する。また、ベースバンドプロセッサ２３は、同期信号の復調結果に基づいて、ユーザに対するスケジューリング処理を行うスケジューラ（User Scheduler）３８として機能する。

スケジューラ３８は、同期信号の復調結果に基づく移動端末２のスケジューリング、すなわち、各グループに対する無線リソース割り当て処理（図５）を実行する。このとき、スケジューラ３８は、例えばＲＦ受信回路２５（ＲＦプロセッサ２６）又はブロードバンドプロセッサ２３（例えば、同期信号復調部３７）で測定される各同期信号の受信電力を用いて、上述したようなグループに対するキャリア周波数及びサブフレームの割り当てを決定する。スケジューラ３８は、リソース（キャリア周波数）割り当て結果を含むユーザスケジューリング情報（User Scheduling Information）を生成する。

また、ベースバンドプロセッサ２３は、ダウンリンク（ＤＬ）制御信号生成部（Downlink (DL) Control Signal Generator）４０として機能する。ダウンリンク信号生成部４０は、グループＩＤ及びグループヘッド情報を含む制御信号、あるいは、ユーザスケジューリング情報を含む制御信号を生成する生成部（Generator）である。

また、ベースバンドプロセッサ２３は、制御信号生成部４０で生成された制御信号に対する逆高速フーリエ変換処理（ＩＦＦＴ）４１を行い、ＩＦＦＴ４１によって得られた信号にＣＰを付与するＣＰ付加処理（CP Adding）４２を行う。ＣＰ付加処理４２を経た信号は、ＲＦ送信回路２６で無線信号に変換され、送信アンテナ２４から送信される。

上述した基地局１の構成は例示であり、例えば、ＲＦプロセッサ２２及びベースバンドプロセッサ２３によって実現される処理及び機能（図５に示した各ブロック）は、ＩＣ(Integrated Circuit), ＬＳＩ(Large Scale Integrated circuit), ＡＳＩＣ(Application Specific Integrated Circuit)のような集積回路の少なくとも１つ、又はこれらの集積回路の２以上の組み合わせによって実現することができる。また、ベースバンドプロセッサ２３によって実現される処理及び機能は、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）のようなプログラマブルロジックデバイス（ＰＬＤ）、あるいは、集積回路とＰＬＤの組み合わせによって実現することもできる。

＜Ｍ２Ｍデバイスの構成例＞
図６は、実施形態に係るＭＴＣデバイス（Ｍ２Ｍデバイス）の一例である移動端末２の構成例を示す。図６は、例として、ＯＦＤＭＡ方式が適用された移動通信システムにおけるＵＥの構成を示す。

図６において、移動端末２は、受信アンテナ５１に接続されたＲＦ受信回路（RF Receiver）５２と、送信アンテナ５３に接続されたＲＦ送信回路（RF Transmitter）５４とを含むＲＦプロセッサ（ＲＦ送受信回路）５５と、ベースバンドプロセッサ５６とを備える。ベースバンドプロセッサ５６は、制御装置の一例である。ＲＦプロセッサ５５は、通信装置の一例である。

ＲＦプロセッサ５５が行う処理及び機能は、図５に示したＲＦプロセッサ２６が行う処理及び機能と同様であるので、説明を省略する。ベースバンドプロセッサ５６は、ベースバンドプロセッサ２３（図５）と同様に、ＤＳＰやＣＰＵのような汎用のプロセッサ、又は専用のプロセッサによって実現される。ベースバンドプロセッサ５６は、図示しない補助記憶装置に記憶されたプログラムを主記憶装置にロードして実行することによって、以下のような処理の実行、及び機能の実現を行う。

すなわち、ベースバンドプロセッサ５６は、ＲＦ受信回路５２からの信号（受信信号）に対する信号の復調処理を行う信号復調部（Signal Demodulator）５７として機能する。信号復調部５７は、ＣＰ除去，ＦＦＴ，物理チャネル分離，チャネル推定，データ信号及び制御信号の復調処理、及びデータチャネル及び制御チャネルの復号処理を行う。

また、ベースバンドプロセッサ５６は、信号復調部５７によって得られた受信信号の復調結果に基づくスケジューリングを行うスケジューラ５８として機能する。スケジューラ５８は、復調結果として、基地局１から送信されたグループＩＤ及びＧＨ情報や、スケジューリング情報を受け取る。スケジューラ５８は、グループＩＤ及びＧＨ情報に基づき、グループ内の移動端末２との情報交換や、同期信号の送信、協調送信のためのスケジューリングを行う。

ベースバンドプロセッサ５６は、パイロット信号（参照信号：Reference Signal:例えばＳＲＳ）を生成する参照信号生成処理（Ref. Signal）５９と、グループ内の移動端末２との同期信号の生成処理（SYN. Signal）６０とを実行する。

また、ベースバンドプロセッサ５６は、データチャネルトラフィックに係る処理（Data Traffic）６１と、データチャネルのエンコード処理（Channel Encode）６２とを行う。これによって、ユーザデータ（例えば、端末間協調送信のための共通メッセージ）がユーザチャネルで伝送される状態となる。

また、ベースバンドプロセッサ５６は、制御チャネルトラフィックに係る処理６３（Control Traffic）と、制御チャネルのエンコード処理（Channel Encode）６２とを行う。これによって、ＣＱＩ（ＳＩＮＲ）のような移動端末２でのＤＬ受信電力に基づく品質情報を含む制御情報が制御チャネルで伝送される状態となる。

ベースバンドプロセッサ５６は、物理チャネルマルチプレクサ（Physical Channel Multiplexer）６５として機能し、データチャネル，制御チャネル，パイロットチャネル，同期信号チャネルの多重化を行う。多重化された信号に対して、ＩＦＦＴ処理（IFFT）６６，ＣＰ付加処理（CP Adding）６７とが実行される。ＣＰ付加処理６７を経た信号は、ＲＦ送信回路５４に入力され、アップリンクの無線信号に変換されて送信アンテナ５３から送信される。

移動端末２は、さらに、ＧＰＳ受信機（GPS Receiver）６８を備えている。ＧＰＳ受信機６８は、ＧＰＳ衛星からの受信信号を受信する。受信信号は、ベースバンドプロセッサ５６で実行される移動端末２の位置算出処理（UE Position Calculation）６９において使用される。位置算出処理６９によって算出された移動端末２の位置情報は、制御チャネルで基地局１へ送信される制御情報の一部となる。

移動端末２は、さらに、Ｄ２Ｄ通信プロセッサ（Device-to-Device Communication Processor）７０を備えている。Ｄ２Ｄ通信プロセッサ７０は、送受信アンテナ７１と接続された送受信機（Receiver and Transmitter）７２と、コントローラ(Controller)７３とを備えている。送受信機７２は、グループ内の他の移動端末２との間で交換される情報の送受信に係る処理を司る。送受信機７２によって、端末間協調送信の対象となるデータの送受信がグループヘッドとの間で行われる。Ｄ２Ｄ通信プロセッサ７０は、端末間通信装置の一例である。

コントローラ７３は、送受信機７２の動作及び処理を制御する。例えば、コントローラ７３は、グループヘッドを介してグループメンバ間で共有すべきデータの送受信を制御する。例えば、他の移動端末２へ送信すべきデータをスケジューラ５８から受け取り、送受信機７２及び送受信アンテナ７１を用いてグループヘッドへ送信する。また、コントローラ７３は、グループヘッドから受信された他の移動端末２からのデータをスケジューラ５８に供給する。

なお、上記したＲＦプロセッサ５５，ベースバンドプロセッサ５６及びＤ２Ｄ通信プロセッサ７０が実行する処理及び機能（図６の各ブロック）は、ＩＣ，ＬＳＩ，ＡＳＩＣのような集積回路の少なくとも１つ、あるいはこれらの集積回路の２以上の組み合わせ、あるいは、集積回路とＰＬＤ（又は専用又は汎用のプロセッサ）との組み合わせによって実現することができる。

＜端末間協調送信（結合送信）のためのシーケンス＞
図７は、端末間協調送信（結合送信）のための手順を示すシーケンス例を示す。図７に示す例では、１つの基地局１（ｅＮＢ）と、ｅＮＢに接続された６つの移動端末２（ＵＥ１〜ＵＥ６）とがある。但し、図７においてＵＥ４，ＵＥ５及びＵＥ６は、まとめて図示されている。以下の説明において、ＵＥ１〜ＵＥ６を区別しない場合には、“ＵＥ”と表記する。

最初に、各ＵＥは、それぞれ、参照信号，位置情報，品質情報（ＣＱＩ（ＳＩＮＲ））とを含む信号をｅＮＢへ送る。例えば、各ＵＥは、参照信号（パイロット信号）を含むパイロットチャネルと，品質情報（ＣＱＩ（ＳＩＮＲ））及び位置情報を含む制御チャネルとが多重化された信号を生成し、ｅＮＢへ送る（図７＜１＞）。

ｅＮＢでは、各ＵＥからの参照信号のチャネル推定処理３５及び位相測定処理３６が行われ、さらに、グループ決定及びグループヘッド選択処理３９が実行される（図７＜２＞）。図７に示す例では、位相測定結果及び位置情報に基づき、メンバがＵＥ１〜ＵＥ２であるグループＧ１と、メンバがＵＥ３〜ＵＥ６であるグループＧ２とが決定される。

さらに、グループＧ１内のＵＥ１〜ＵＥ３のＣＱＩ（ＳＩＮＲ）に基づき、ＵＥ０がグループヘッドとして選択される。グループＧ２では、例えばＵＥ４がグループヘッドとして選択されたと仮定する。

ｅＮＢは、グループＧ１のＵＥ１〜ＵＥ３に対して、グループＩＤ及びグループヘッド情報を送信する（図７＜３ａ＞）。このとき、ｅＮＢは、ＵＥ１〜ＵＥ３に対して、同期信号送信用のタイムスロットを知らせる。同様に、ｅＮＢは、グループＧ２のＵＥ４〜ＵＥ６に対して、グループＩＤ及びグループヘッド情報を送信する（図７＜３ｂ＞）。このとき、ｅＮＢは、ＵＥ４〜ＵＥ６に対して、同期信号送信用のタイムスロットとして、グループＧ１用のタイムスロットと異なるタイムスロットを知らせる。

グループＧ１のＵＥ１〜ＵＥ３は、グループＧ１に対してｅＮＢが指定したタイムスロットにおいて、アップリンクのキャリア周波数ｆ_c1の同期信号をｅＮＢへ送信する（図７＜４ａ＞）。また、グループＧ２のＵＥ４〜ＵＥ６は、ｅＮＢによって指定されたグループＧ２用のタイムスロット（Ｇ１用のタイムスロットと異なる）で、周波数ｆ_c1の同期信号をｅＮＢへ送信する（図７＜４ｂ＞）。

ｅＮＢは、周波数ｆ_c1に関して、各グループＧ１，Ｇ２の受信電力を測定し（図７＜５＞）、受信電力が最大のグループに対して周波数ｆ_c1を割り当てる。図７の例では、グループＧ１に周波数ｆｃ１が割り当てられ、割り当て結果がＵＥ１〜ＵＥ３に送信される（図７＜６＞）。

図示しないが、図７＜４ａ＞，＜４ｂ＞，＜５＞及び＜６＞の手順は、他のアップリンクのキャリア周波数ｆ_c2〜ｆ_cLに関して、繰り返し実行される。その後、各グループＧ１及びＧ２では、分配フォーミング（協調送信）のためのスケジューリングが行われる。

各グループＧ１，Ｇ２で、分配ビームフォーミング（協調送信）のためのデータ交換がグループ内のＵＥ間でグループヘッドを介して行われる。図７に示す例では、ＵＥ２が共有すべきデータ１をグループヘッド（ＵＥ０）に送信し（図７＜７＞）、ＵＥ３が共有すべきデータ２をグループヘッド（ＵＥ０）に送信する（図７＜８＞）。ｅＮＢ（基地局１）から受信されるグループヘッド情報は、グループヘッドのアドレスを含んでおり、各ＵＥは、グループヘッドのアドレスとグループＩＤとをグループヘッドへ送信すべきデータとともに送信する。グループヘッド（ＵＥ０）は、グループＩＤに基づいて、各メンバから受信されたデータと、グループヘッド自身が保持するデータとの少なくとも一方を用いて、協調送信でｅＮＢ（基地局）へ送信する共通メッセージを生成する。図７の例では、グループヘッド（ＵＥ０）は、データ１及びデータ２を含む共通メッセージ（common message）を生成し、グループメンバ（ＵＥ２，ＵＥ３）へブロードキャストする（図７＜９＞）。このとき、ブロードキャストされる共通メッセージにグループＩＤが付与される。これによって、グループ内の各ＵＥ２及びＵＥ３は、共通メッセージを取り込むことができる。

なお、図７＜９＞において、グループヘッド（ＵＥ０）が、データ１及びデータ２をそれぞれブロードキャストし、グループメンバ（ＵＥ２，ＵＥ３）が各自で共通メッセージを生成するようにすることもできる。

そして、ＵＥ１〜ＵＥ３は、割り当てられたキャリア周波数（例えばｆ_c1）を用いて、共通メッセージを同じタイミングでｅＮＢへ送信する（図７＜１０＞）。これによって、地理的に分散配置されたＵＥ１〜ＵＥ３から同一の共通メッセージがｅＮＢへ送信されることにより、分配ビームフォーミングが形成される。上記の＜１＞〜＜１０＞の処理ないし動作は、ユーザが介在することなく基地局（ｅＮＢ）−移動端末（ＵＥ）間、及び移動端末（ＵＥ）間で自律的に実行される。

本実施形態によれば、マシン通信システムのトータル電力消費は、分配ビームフォーミングゲイン（受信電力向上）によって低減される。例えば、分配ビームフォーミングによって、個々の移動端末２が単独で共通メッセージを送信する場合に比べて、移動端末２における送信電力、すなわち電力消費が抑えられる。また、グループ内の各移動端末２が同一の送信電力で共通メッセージ信号を送信することが仮定される場合には、セルのカバレッジは拡張される。

また、本実施形態におけるグルーピング方法は、ビームフォーミングの効果を促進する。なぜなら、同一グループ内の各移動端末２から送信される共通メッセージ信号の位相はほぼ同じとなるからである。

また、本実施形態では、共通メッセージがグループ内の複数の移動端末２から同時に送信されるにあたり、当該データは事前にグループ内で交換される。このため、各移動端末２が個々に基地局１にアクセスすることが回避されるので、制御チャネルオーバヘッドを低減することができる。

また、本実施形態では、グループ毎にグループヘッドが選択され、グループヘッドを介してグループ内でのデータ交換が行われる。グループヘッドが各メンバからのデータを受信し、一括して各メンバに配信（ブロードキャスト）することによって、メンバ間のデータ交換に係る通信量を減らすことができる。このため、グループヘッドの選択に係る処理は、選択的に適用することができる。

また、本実施形態は、チャネルの位相が単一のパスの伝搬距離に依存しないマルチパス環境において使用されることができる。受信電力は異なるキャリア周波数により変動するからである。従って、各キャリア周波数においてビームフォーミングゲインを得ることができる。

＜変形例＞
上述した実施形態においては、位相と位置情報とからグループを決定する例について説明した。これに対し、位相情報を用いることなく位置情報を用いてグループを決定することが可能である。図８は、変形例のシーケンスを示す。

すなわち、変形例では、位相測定処理３６（図５）は実行されず、グループ決定及びグループヘッド選択処理３９において、位置情報からグループが決定される。例えば、移動端末２が位置可能な範囲（例えばセル）の全体エリアが所定数の分割エリア（グリッド）に分割され、各グリッド内に位置する１以上の移動端末２が各グループにグルーピングされる。

図８においては、図７に示す＜２＞の処理の代わりに、＜２Ａ＞の処理が行われる点で、図７のシーケンスと異なる。図８に示す＜３ａ＞以降の処理は、図７と同じであるので説明を省略する。変形例においても、＜５＞において、最大受信電力を有するグループに対してキャリア周波数が割り当てられる。最大受信電力を有するグループからの同期信号は、位相が揃っていることを期待できるからである。このように、グループ決定処理では、位相と位置情報との少なくとも一方を用いてグループを決定することができる。また、最大受信電力を有するグループの受信電力が所定の閾値を超えている場合に、位相が整列していると判定してキャリア周波数の割り当てを行うようにすることもできる。

１・・・ｅＮＢ（基地局）
２・・・Ｍ２Ｍデバイス（移動端末、ＵＥ）
２２,５５・・・ＲＦプロセッサ（通信装置）
２３,５６・・・ベースバンドプロセッサ（制御装置）
３６・・・位相測定処理
３８・・・ユーザスケジューラ
３９・・・グループ決定及びグループヘッド選択処理
５８・・・スケジューラ

Claims

基地局と、複数の無線端末とを含み、
前記基地局は、
前記複数の無線端末から受信される信号の位相と無線端末の位置情報との少なくとも一方を用いて前記複数の無線端末を１以上のグループにグループ分けする処理と、各グループの無線端末が端末間協調送信を実行するためのリソースを各グループの無線端末から受信される同期信号の受信電力に基づき割り当てる処理とを実行する制御装置と、
各グループの識別情報及び前記リソースの割り当て結果を各無線端末に送信する送信装置と、
を含み、
前記複数の無線端末のそれぞれは、
前記位置情報を含む信号と、前記同期信号とを送信するとともに、前記リソースの割り当て結果を受信する通信装置と、
割り当てられたリソースを用いた前記端末間協調送信によって前記基地局へ送信すべきデータをグループ内で共有するための処理を自律的に実行する制御装置とを含む
無線通信システム。
前記基地局の制御装置は、前記複数の無線端末から受信される品質情報を用いて各グループのグループヘッドを選択する処理を行い、
前記送信装置は、前記選択されたグループヘッドの情報を前記複数の無線端末へ送信し、
前記グループ内の無線端末は、当該グループのグループヘッドを介してデータ交換を行うことで、前記基地局へ送信すべきデータをグループ内で共有する
請求項１に記載の無線通信システム。
前記制御装置は、前記位置情報を用いて各グループの中心位置を決定し、前記中心位置から閾値以上離れた移動端末を、グループから除外する
請求項１又は２に記載の無線通信システム。
前記制御装置は、受信信号の位相が所定の閾値内に収まる無線端末を１つのグループにグループ分けする
請求項１から３のいずれか１項に記載の無線通信システム。
前記制御装置は、前記複数の無線端末が位置するエリアが分割された所定の複数の分割エリアにそれぞれ位置する無線端末を１つのグループにグループ分けする
請求項１から３のいずれか１項に記載の無線通信システム。
前記制御装置は、１つのグループに属する無線端末のうち、最も良い品質を示す品質情報に対応する無線端末をグループヘッドとして選択する
請求項２から５のいずれか１項に記載の無線通信システム。
複数の無線端末から受信される信号の位相と無線端末の位置情報との少なくとも一方を用いて前記複数の無線端末を１以上のグループにグループ分けする処理と、各グループの無線端末が端末間協調送信を実行するためのリソースを各グループの無線端末から受信される同期信号の受信電力に基づき割り当てる処理とを実行する制御装置と、
各グループの識別情報,及び前記リソースの割り当て結果を各無線端末に送信する送信装置と、
前記グループの無線端末から端末間協調送信により送信されたデータを受信する受信装置と
を含む基地局。
位置情報を含む信号を基地局へ送信する送信装置と、
前記基地局から、端末間協調送信を行うグループの識別情報を受信する受信装置と、
前記グループに属する他の無線端末とともに同期信号を前記基地局へ送信する処理と、前記基地局から受信される、前記同期信号の受信電力を用いて割り当てられたリソースを用いた端末間協調送信によって前記基地局へ送信すべきデータを前記グループ内で共有するための処理とを自律的に実行する制御装置と
を含む無線端末。
基地局が、
複数の無線端末から受信される信号の位相と無線端末の位置情報との少なくとも一方を用いて前記複数の無線端末を１以上のグループにグループ分けし、
各グループの識別情報を前記複数の無線端末へ送信し、
各グループの無線端末が端末間協調送信を実行するためのリソースを各グループの無線端末から受信される同期信号の受信電力に基づき割り当てる
ことを含む基地局の端末間協調送信制御方法。
位置情報を含む信号を基地局へ送信し、
前記基地局から、端末間協調送信を行うグループの識別情報を受信し、
前記グループに属する他の無線端末とともに同期信号を前記基地局へ送信し、
前記基地局から受信される、前記同期信号の受信電力を用いて割り当てられたリソースを用いた端末間協調送信によって前記基地局へ送信すべきデータを前記グループ内で共有するための処理を自律的に実行する
ことを含む無線端末の端末間協調送信制御方法。