JP6392175B2 - 無線通信システム、無線通信方法および無線通信プログラム - Google Patents
無線通信システム、無線通信方法および無線通信プログラム Download PDFInfo
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本発明は、複数の無線局を収容する無線セルが混在する通信無線ネットワークにおいて、多数の無線局が同一周波数および同一時刻に送信する無線信号による干渉を回避するための干渉アライメント（ＩＡ：Interference Alignment）技術を用いた無線通信システム、無線通信方法および無線通信プログラムに関する。
多数の無線局が送信する無線信号が互いに干渉してスループットが低下することを回避するために、従来の無線通信システムでは、電波資源を周波数軸、時間軸、空間軸、またはそれらの組合せにより分割し、各無線局が割り当てられた電波資源の範囲内で通信を行うことにより他の無線局との干渉を回避している。
一方、近年新たな干渉制御の技術アプローチとして干渉アライメント（ＩＡ）技術が提案されている（非特許文献１）。ＩＡ技術は、従来のように多数の無線局で利用できる電波資源を分割するのではなく、各無線局が電波資源全体を利用できるように無線局間に生じる干渉を許容している。そして、分割しない代わりに各無線局が送信する無線信号は他の無線局への干渉であることを認識し、個々の無線局が受ける多数の干渉信号が最終的に調整されるように、送信側の無線局のおよび受信側の無線局の信号処理を工夫する。ＩＡ技術の干渉制御に対する新たな考え方は、学術およびエンジニアリングの両分野から注目され、干渉制御における理論上および応用上の有効性が立証されつつある。
このＩＡ技術を実現するには、送受信ウェイトを生成することがキーとなる。通信自由度の最適利用の観点からは、非特許文献２で提案されている反復型送受信ウェイト生成方法がよく知られている。さらに、反復型送受信ウェイト生成を高度化する技術も非特許文献３，４，５などで提案されている。これらは、多様体上での最適化やメッセージパッシングアルゴリズムなどを利用して、反復回数の低減もしくは生成したウェイトによる伝送容量の向上を図っている。
ところで、ＩＡ技術による干渉制御を実現するには、正確に送受信ウェイトを生成することが必要不可欠である。しかし、反復型送受信ウェイトの演算には大きな処理時間が必要になるが、無線通信にはその通信媒体である無線伝搬路の時間変動を伴うため、その間に伝搬路情報が陳腐化する。結果として、伝搬路情報の時間変動に応じた正確な送受信ウェイトの生成が困難になり、ＩＡ技術による干渉制御の実用化が難しくなる。
なお、送受信ウェイト生成における伝搬路情報の時間変動問題を考慮した伝搬路予測付きウェイト生成技術がある（非特許文献６，７）。しかし、非特許文献６の提案法では、伝搬路の予測に言及したものの、送受信ウェイトの生成に特化した、トレーニング信号送信から伝搬路情報の予測を経て最終的に送受信ウェイト生成されるまでの一連の処理の手順が明確になっていない。また、非特許文献７の伝搬路情報の予測技術も同様である。
V. Cadambe and S. Jafar,"Interference alignment and degrees of freedom of the K-user interference channel, "IEEE Trans. Infomation Theory, vol.54, no.8, pp.3425-3441, Aug. 2008
K. Gomadam, V. R. Cadambe and S. A. Jafar,"A Distributed Numerical Approach to Interference Alignment and Applications to Wireless Interference Networks,"IEEE Trans. Inf. Theory, vol.57, no.6, pp.3309-3322, June 2011
I. Santamaria, O. Gonzalez, R.W. Heath Jr., and S.W. Peters,"Maximum sum-rate interference alignment algorithms for MIMO channels, " IEEE Global Communications Conference (GLOBECOM 2010), Miami, FL, USA, Dec. 2010
M. Rezaee and M. Guillaud,"Interference channel sum rate optimization on the Grassmann manifold, "in Proc. of International Symposium on Wireless Communication Systems (ISWCS), 2012
M. Guillaud, M. Rezaee and G. Matz, "Interference Alignment via Message-Passing, "IEEE ICC, pp.5741-5746, June 2012
D. Anming, Z. Haixia and Y. Dongfeng, "Achievable rate improvement through channel prediction for interference alignment," in Proc. Asia-Pacic Conference on Communications (APCC), pp.293-298, Aug. 2013
T. Al-Naffouri, "An em-based forward-backward kalman filter for the estimation of time-variant channels in ofdm, "IEEE Trans. Signal Processing, vol.55, no.7, pp.3924-3930, 2007
従来の反復型送受信ウェイト生成方法の課題として以下のものが挙げられる。
(1) トレーニング信号の送信から最終的に送受信ウェイトが生成されるまでの一連の信号処理の手順が確立されていない。
(2) 送受信ウェイト計算では、送信局と受信局の無線媒体上でのやり取りを通して、交互にウェイトの更新を行うことは、無線チャネルを長く占有してしまい、電波資源の利用効率が悪い。
(3) 反復型送受信ウェイト計算の反復回数に伴う処理時間の増大と、伝搬路情報の時間変動の問題で、生成した送受信ウェイトの正確さが欠ける。
(1) トレーニング信号の送信から最終的に送受信ウェイトが生成されるまでの一連の信号処理の手順が確立されていない。
(2) 送受信ウェイト計算では、送信局と受信局の無線媒体上でのやり取りを通して、交互にウェイトの更新を行うことは、無線チャネルを長く占有してしまい、電波資源の利用効率が悪い。
(3) 反復型送受信ウェイト計算の反復回数に伴う処理時間の増大と、伝搬路情報の時間変動の問題で、生成した送受信ウェイトの正確さが欠ける。
本発明は、伝搬路情報の推定に必要なトレーニング信号の送信から伝搬路情報の予測を経て送受信ウェイトが生成されるまでの一連の信号処理の手順を確立し、伝搬路情報の時間変動に追随した正確な送受信ウェイトを算出することができる無線通信システム、無線通信方法および無線通信プログラムを提供することを目的とする。
第１の発明は、互いに同一周波数および同一時刻に無線通信を行う複数組の送信局と受信局があり、各送受信局間の伝搬路情報に応じてそれぞれ送信ウェイトおよび受信ウェイトを設定し、各受信局が受信する所望信号以外の干渉信号を消去する無線通信システムにおいて、各送信局に接続される中央処理局と、送信局または受信局の少なくとも一方で、各送受信局間の伝搬路情報を推定し、その推定した伝搬路情報を中央処理局に通知する伝搬路情報推定手段と、中央処理局で、推定した伝搬路情報と保存してある過去の伝搬路情報に基づき、伝送開始時刻における伝搬路情報を予測する伝搬路情報予測手段と、中央処理局で、伝送開始時刻の伝搬路情報に基づき送信ウェイトおよび受信ウェイトを生成し、さらに生成した送受信ウェイトを保存するとともに、過去の送受信ウェイトを初期値として反復ウェイト計算を行って送信ウェイトおよび受信ウェイトを生成する送受信ウェイト生成手段とを備え、送受信ウェイト生成手段は、伝送開始時刻を設定し、その伝送開始時刻に合わせて予測した伝搬路情報について、反復ウェイト計算の終了がその設定時間を超えていれば伝送開始時刻を再設定し、その伝送開始時刻に合わせて再予測した伝搬路情報に基づき、反復ウェイト計算を再度行って送信ウェイトおよび受信ウェイトを更新する構成である。
第２の発明は、互いに同一周波数および同一時刻に無線通信を行う複数組の送信局と受信局があり、各送受信局間の伝搬路情報に応じてそれぞれ送信ウェイトおよび受信ウェイトを設定し、各受信局が受信する所望信号以外の干渉信号を消去する無線通信方法において、各送信局に接続される中央処理局を備え、送信局または受信局の少なくとも一方で、各送受信局間の伝搬路情報を推定し、その推定した伝搬路情報を中央処理局に通知する第１のステップと、中央処理局で、推定した伝搬路情報と保存してある過去の伝搬路情報に基づき、伝送開始時刻における伝搬路情報を予測する第２のステップと、中央処理局で、伝送開始時刻の伝搬路情報に基づき送信ウェイトおよび受信ウェイトを生成し、さらに生成した送受信ウェイトを保存するとともに、過去の送受信ウェイトを初期値として反復ウェイト計算を行って送信ウェイトおよび受信ウェイトを生成する第３のステップとを有し、第３のステップは、伝送開始時刻を設定し、その伝送開始時刻に合わせて予測した伝搬路情報について、反復ウェイト計算の終了がその設定時間を超えていれば伝送開始時刻を再設定し、その伝送開始時刻に合わせて再予測した伝搬路情報に基づき、反復ウェイト計算を再度行って送信ウェイトおよび受信ウェイトを更新する。
第３の発明の無線通信プログラムは、第１の発明の無線通信システムの各手段における処理をコンピュータに実行させ、送信ウェイトおよび前記受信ウェイトを生成する。
本発明は、トレーニング信号を用いて伝搬路情報を推定する処理、推定した伝搬路情報から伝送開始時刻における伝搬路情報を予測し、その伝送開始時刻の伝搬路情報に基づき送受信ウェイトを生成するまでの一連の処理手順を確立したため、多用な通信プロトコルへ対応でき、ＩＡ技術の実用性を高めることができる。
さらに、本発明は、送受信ウェイト生成を行う中央処理局を導入し、反復ウェイト計算を中央処理局の内部で行うため、無線チャネルの長期間占有による電波資源の無駄使いを回避することができる。
さらに、本発明は、送受信ウェイト生成において、時変動する伝搬路情報に追随して伝送開始時刻における伝搬路情報を予測し、その予測した伝搬路情報に基づいて送受信ウェイトを生成するため、より高い干渉制御精度を実現することができる。
図１は、本発明の無線通信システムの構成例を示す。
図１において、互いに同一周波数および同一時刻に無線通信を行うＫ組（Ｋは２以上の整数）の送信局１−１〜１−Ｋと受信局２−１〜２−Ｋが存在する。その場合、受信局２−ｉ（ｉは１〜Ｋの整数）は、無線通信を行う送信局１−ｉからの所望信号以外に、その他の送信局からＫ−１個の干渉信号も受信する。図１では、所望信号を実線矢印で示し、干渉信号を点線矢印で示す。その干渉信号を各受信局で消去できるように、各送信局１−１〜１−Ｋに送信ウェイトＶ1 〜ＶK を設定し、各受信局２−１〜２−Ｋに受信ウェイトＵ1 〜ＵK を設定する。
図１において、互いに同一周波数および同一時刻に無線通信を行うＫ組（Ｋは２以上の整数）の送信局１−１〜１−Ｋと受信局２−１〜２−Ｋが存在する。その場合、受信局２−ｉ（ｉは１〜Ｋの整数）は、無線通信を行う送信局１−ｉからの所望信号以外に、その他の送信局からＫ−１個の干渉信号も受信する。図１では、所望信号を実線矢印で示し、干渉信号を点線矢印で示す。その干渉信号を各受信局で消去できるように、各送信局１−１〜１−Ｋに送信ウェイトＶ1 〜ＶK を設定し、各受信局２−１〜２−Ｋに受信ウェイトＵ1 〜ＵK を設定する。
本発明の無線通信システムでは、各送信局１−１〜１−Ｋに接続される中央処理局３において、各送信局１−１〜１−Ｋから送受信ウェイトの生成に必要な伝搬路情報Ｈ1,1 〜ＨK,K を有線あるいは無線経路を介して収集し、それに基づいて送受信ウェイトを生成する処理を行い、生成した送受信ウェイトを有線あるいは無線経路を介して各送信局１−１〜１−Ｋおよび各受信局２−１〜２−Ｋに通知する。
なお、中央処理局３は、一部あるいは全部の送信局の内部に配備することも可能であり、その場合には図１に示す一部の経路を省くことができる。
以下、送信局または受信局の少なくとも一方がトレーニング信号を用いて伝搬路情報を推定し、推定した伝搬路情報に基づいて伝送開始時刻における伝搬路情報を予測し、予測した伝搬路情報に基づいて送受信ウェイトを生成するまでの手順について説明する。伝搬路情報の推定は、送信局１、受信局２、双方で行う３パターンがあり、伝送開始時刻における伝搬路情報の予測は、送信局１、受信局２、中央処理局３のいずれかが行う３パターンがあり、送受信ウェイトの生成は中央処理局３が行うが、それぞれの有効な組合せによる各実施例について以下に説明する。
（実施例１）
実施例１は、伝搬路情報の推定と、推定した伝搬路情報に基づき伝送開始時刻における伝搬路情報の予測を受信局が行い、予測した伝搬路情報に基づく送受信ウェイトの生成を中央処理局が行う手順を示す。なお、本発明の実施範囲は、伝搬路情報の予測に用いる方式やアルゴリズムに限定されるものではない。
実施例１は、伝搬路情報の推定と、推定した伝搬路情報に基づき伝送開始時刻における伝搬路情報の予測を受信局が行い、予測した伝搬路情報に基づく送受信ウェイトの生成を中央処理局が行う手順を示す。なお、本発明の実施範囲は、伝搬路情報の予測に用いる方式やアルゴリズムに限定されるものではない。
図２は、本発明の実施例１における処理手順を示す。
図２において、送信局は、受信局に向けて伝搬路情報推定に必要なトレーニング信号を含むパケットを送信する（Ｓ11）。
図２において、送信局は、受信局に向けて伝搬路情報推定に必要なトレーニング信号を含むパケットを送信する（Ｓ11）。
受信局は、トレーニング信号を含むパケットを受信し、このトレーニング信号に基づき伝搬路情報を推定する（Ｓ12）。受信局は、推定した伝搬路情報と保存してある過去の伝搬路情報に基づき、伝送開始時刻における伝搬路情報を予測する（Ｓ13）。受信局は、送信局に向けて予測した伝送開始時刻の伝搬路情報を含むパケットを送信する（Ｓ14）。
送信局は、伝送開始時刻の伝搬路情報を含むパケットを受信し、中央処理局へ通知する（Ｓ15）。
中央処理局は、伝送開始時刻の伝搬路情報に基づき、保存してある過去のウェイト情報を初期値として送受信ウェイトを生成する（Ｓ16）。なお、過去のウェイト情報がなければ初期値設定を行う。
ただし、受信局がトレーニング信号を受信する時刻から伝送開始時刻までには、受信局の伝搬路情報推定所要時間、受信局の伝搬路情報予測所要時間、受信局から送信局へフィードバック所要時間、中央処理局の反復ウェイト計算所要時間、送信局の通信チャネル獲得所要時間などがすべて含まれるものとする。
実施例１において、受信局が伝搬路情報の予測を行うメリットは次の通りである。
(1) 送信局と受信局との間のやり取りが時分割複信（ＴＤＤ：Time Division Duplex）モード、あるいは周波数分割複信（ＦＤＤ：Frequency Division Duplex ）モードのいずれにも対応できるので、適用できる通信シナリオの幅が広い。
(2) 受信局で推定した伝搬路情報を送信局へフィードバックし、送信局でその推定した伝搬路情報に基づき伝搬路情報の予測を行う手法に比べて、フィードバックをせずに早いタイミングで伝搬路情報の予測が開始できることと、フィードバックエラーが回避できることから、保存してある過去に推定した伝搬路情報の回数が少ないあるいは予測アルゴリズムの次数が制限される場合では、比較的に有効な予測が期待できる。
(1) 送信局と受信局との間のやり取りが時分割複信（ＴＤＤ：Time Division Duplex）モード、あるいは周波数分割複信（ＦＤＤ：Frequency Division Duplex ）モードのいずれにも対応できるので、適用できる通信シナリオの幅が広い。
(2) 受信局で推定した伝搬路情報を送信局へフィードバックし、送信局でその推定した伝搬路情報に基づき伝搬路情報の予測を行う手法に比べて、フィードバックをせずに早いタイミングで伝搬路情報の予測が開始できることと、フィードバックエラーが回避できることから、保存してある過去に推定した伝搬路情報の回数が少ないあるいは予測アルゴリズムの次数が制限される場合では、比較的に有効な予測が期待できる。
（実施例２）
実施例２は、伝搬路情報の推定を受信局が行い、推定した伝搬路情報に基づき伝送開始時刻における伝搬路情報の予測を送信局が行い、予測した伝搬路情報に基づく送受信ウェイトの生成を中央処理局が行う手順を示す。なお、本発明の実施範囲は、伝搬路情報の予測に用いる方式やアルゴリズムに限定されるものではない。
実施例２は、伝搬路情報の推定を受信局が行い、推定した伝搬路情報に基づき伝送開始時刻における伝搬路情報の予測を送信局が行い、予測した伝搬路情報に基づく送受信ウェイトの生成を中央処理局が行う手順を示す。なお、本発明の実施範囲は、伝搬路情報の予測に用いる方式やアルゴリズムに限定されるものではない。
図３は、本発明の実施例２における処理手順を示す。
図３において、送信局は、受信局に向けて伝搬路情報推定に必要なトレーニング信号を含むパケットを送信する（Ｓ21）。
図３において、送信局は、受信局に向けて伝搬路情報推定に必要なトレーニング信号を含むパケットを送信する（Ｓ21）。
受信局は、トレーニング信号を含むパケットを受信し、このトレーニング信号に基づき伝搬路情報を推定する（Ｓ22）。受信局は、送信局に向けて推定した伝搬路情報を含むパケットを送信する（Ｓ23）。
送信局は、推定した伝搬路情報を含むパケットを受信し、その伝搬路情報と保存してある過去の伝搬路情報に基づき、伝送開始時刻における伝搬路情報を予測し、中央処理局へ通知する（Ｓ24）。
中央処理局は、伝送開始時刻の伝搬路情報に基づき、保存してある過去のウェイト情報を初期値として送信受信ウェイトを生成する（Ｓ25）。なお、過去のウェイト情報がなければ初期値設定を行う。
ただし、受信局がトレーニング信号を受信する時刻から伝送開始時刻までには、受信局の伝搬路情報推定所要時間、受信局から送信局へフィードバック所要時間、送信局の伝搬路情報予測所要時間、中央処理局の反復ウェイト計算所要時間、送信局の通信チャネル獲得所要時間などがすべて含まれるものとする。
実施例２において、送信局が伝搬路情報の予測を行うメリットは次の通りである。
(1) 伝搬路情報の予測に必要な過去の伝搬路情報を受信局で保存する必要はなくなる。例えば、送信局は無線セルの基地局、受信局は無線セルの端末である場合では、端末に比べ基地局の方が高いハードウェアの調整幅があるため、受信局の記録負荷および計算負荷を軽減できる。
(2) 送信局は無線セルの基地局、受信局は無線セルの端末である場合では、端末に比べ基地局の方が高い記録能力および計算能力がある。従って、過去の伝搬路情報の量を増やしたり、予測アルゴリズムの次数を増やしたりすることで、受信局より高い精度の伝搬路情報の予測が可能である。
(1) 伝搬路情報の予測に必要な過去の伝搬路情報を受信局で保存する必要はなくなる。例えば、送信局は無線セルの基地局、受信局は無線セルの端末である場合では、端末に比べ基地局の方が高いハードウェアの調整幅があるため、受信局の記録負荷および計算負荷を軽減できる。
(2) 送信局は無線セルの基地局、受信局は無線セルの端末である場合では、端末に比べ基地局の方が高い記録能力および計算能力がある。従って、過去の伝搬路情報の量を増やしたり、予測アルゴリズムの次数を増やしたりすることで、受信局より高い精度の伝搬路情報の予測が可能である。
（実施例３）
実施例３は、伝搬路情報の推定を送信局が行い、推定した伝搬路情報に基づき伝送開始時刻における伝搬路情報の予測を送信局が行い、予測した伝搬路情報に基づく送受信ウェイトの生成を中央処理局が行う手順を示す。なお、本発明の実施範囲は、伝搬路情報の予測に用いる方式やアルゴリズムに限定されるものではない。
実施例３は、伝搬路情報の推定を送信局が行い、推定した伝搬路情報に基づき伝送開始時刻における伝搬路情報の予測を送信局が行い、予測した伝搬路情報に基づく送受信ウェイトの生成を中央処理局が行う手順を示す。なお、本発明の実施範囲は、伝搬路情報の予測に用いる方式やアルゴリズムに限定されるものではない。
図４は、本発明の実施例３における処理手順を示す。
図４において、受信局は、送信局に向けて伝搬路情報推定に必要なトレーニング信号を含むパケットを送信する（Ｓ31）。
図４において、受信局は、送信局に向けて伝搬路情報推定に必要なトレーニング信号を含むパケットを送信する（Ｓ31）。
送信局は、トレーニング信号を含むパケットを受信し、このトレーニング信号に基づき伝搬路情報を推定する（Ｓ32）。送信局は、推定した伝搬路情報と保存してある過去の伝搬路情報に基づき、伝送開始時刻における伝搬路情報を予測し、中央処理局へ通知する（Ｓ33）。
中央処理局は、伝送開始時刻の伝搬路情報に基づき、保存してある過去のウェイト情報を初期値として送受信ウェイトを生成する（Ｓ34）。なお、過去のウェイト情報がなければ初期値設定を行う。
ただし、送信局がトレーニング信号を受信する時刻から伝送開始時刻までには、送信局の伝搬路情報推定所要時間、送信局の伝搬路情報予測所要時間、中央処理局の反復ウェイト計算所要時間、送信局の通信チャネル獲得所要時間などがすべて含まれるものとする。
実施例３は、送信局と受信局との間のやり取りが時分割複信（ＴＤＤ）モードで行うことを想定して、送信局から受信局へ向かう伝搬路情報と受信局から送信局へ向かう伝搬路情報の交換性を利用し、送信局において送信局から受信局へ向かう伝搬路情報を推定している。また、実施例２に比べて、送信局がトレーニング信号を受信する時刻から伝送開始時刻までの前処理が少ないことから、より早いタイミングで伝搬路情報の予測を開始することができる。
（実施例４）
実施例４は、伝搬路情報の推定を受信局および送信局が行い、推定した伝搬路情報に基づき伝送開始時刻における伝搬路情報の予測を送信局が行い、予測した伝搬路情報に基づく送受信ウェイトの生成を中央処理局が行う手順を示す。なお、本発明の実施範囲は、伝搬路情報の予測に用いる方式やアルゴリズムに限定されるものではない。
実施例４は、伝搬路情報の推定を受信局および送信局が行い、推定した伝搬路情報に基づき伝送開始時刻における伝搬路情報の予測を送信局が行い、予測した伝搬路情報に基づく送受信ウェイトの生成を中央処理局が行う手順を示す。なお、本発明の実施範囲は、伝搬路情報の予測に用いる方式やアルゴリズムに限定されるものではない。
図５は、本発明の実施例４における処理手順を示す。
図５において、送信局は、受信局に向けて伝搬路情報推定に必要なトレーニング信号を含むパケットを送信する（Ｓ41）。
図５において、送信局は、受信局に向けて伝搬路情報推定に必要なトレーニング信号を含むパケットを送信する（Ｓ41）。
受信局は、トレーニング信号を含むパケットを受信し、このトレーニング信号に基づき伝搬路情報を推定する（Ｓ42）。受信局は、送信局に向けて推定した伝搬路情報およびトレーニング信号を含むパケットを送信する（Ｓ43）。
送信局は、受信局で推定した伝搬路情報およびトレーニング信号を含むパケットを受信し、このトレーニング信号に基づき伝搬路情報を推定する（Ｓ44）。送信局は、受信局と送信局の一方または双方で推定した伝搬路情報と、保存してある過去の伝搬路情報に基づき、伝送開始時刻における伝搬路情報を予測し、中央処理局へ通知する（Ｓ45）。
中央処理局は、伝送開始時刻の伝搬路情報に基づき、保存してある過去のウェイト情報を初期値として送受信ウェイトを生成する（Ｓ46）。なお、過去のウェイト情報がなければ初期値設定を行う。
ただし、受信局がトレーニング信号を受信する時刻から伝送開始時刻までには、受信局の伝搬路情報推定所要時間、受信局から送信局へフィードバック所要時間、送信局の伝搬路情報推定所要時間、送信局の伝搬路情報予測所要時間、中央処理局の反復ウェイト計算所要時間、送信局の通信チャネル獲得所要時間などがすべて含まれるものとする。
実施例４は、送信局と受信局との間のやり取りが時分割複信（ＴＤＤ）モードで行うことを想定して、送信局から受信局へ向かう伝搬路情報と受信局から送信局へ向かう伝搬路情報の交換性を利用している。また、受信局と送信局の双方で推定した伝搬路情報を利用することにより、伝搬路推定の精度を高めて伝送開始時刻における伝搬路情報の予測に用いることができる。
ところで、実施例１〜４では、トレーニング信号を受信する時刻から伝送開始時刻までには、伝搬路情報推定の所要時間、推定した伝搬路情報のフィードバックの所要時間、伝搬路情報予測の所要時間、反復ウェイト計算の所要時間などをすべて含む必要がある。その中で、反復ウェイト計算の所要時間は他の所要時間と違って、確定的な時間ではなく確率的な時間である。すなわち、反復ウェイト計算は確率的な振る舞いをする伝搬路情報や反復計算の初期値設定などによって終了までの所要時間（所要反復回数）が確率的に変動する。
この特徴を踏まえて、実施例１〜４では、確率的に変動する反復ウェイト計算の所要時間の上限値を使って、伝送開始時刻を設定している。その場合、反復ウェイト計算が予定より早く収束して計算が完了した場合では、すぐにＩＡ伝送を開始できずに伝送開始時刻までに待つ必要がある。さらに、ウェイト計算の所要時間の上限値を使って伝送開始時刻を設定すると、より遠い将来の伝搬路情報を予測しなければならないため、予測した伝搬路情報の正確さおよびその予測した伝搬路情報に基づく送受信ウェイトの正確さも劣化するおそれがある。
したがって、以下に示す実施例５〜７では、実施例２〜４において送信局が行っていた伝送開始時刻における伝搬路情報の予測を中央処理局が行うようにし、反復ウェイト計算の所要時間の確率的な振る舞いに対して、伝送開始時刻の設定および伝搬路情報の予測を動的に行うことを特徴とする。
具体的には、まず反復ウェイト計算の所要時間を短く見積もって、対応する伝送開始時刻の設定および伝搬路情報の予測を行う。ここで、見積もった所要時間内で（予測した伝搬路情報に基づく）送受信ウェイト更新が収束して計算が完了できれば、直ちに設定した伝送開始時刻からＩＡ伝送を始める。一方、見積もった所要時間内で（予測した伝搬路情報に基づく）送受信ウェイト更新が収束せず計算が完了できなければ、反復ウェイト計算の所要時間をより長い時間に見直し、対応する伝送開始時刻を更新した上で、伝搬路情報の再予測を行う。そして、再予測した伝搬路情報に基づき、反復ウェイト計算を続けていく。
（実施例５）
実施例５は、伝搬路情報の推定を受信局が行い、推定した伝搬路情報に基づき伝送開始時刻における伝搬路情報の予測および予測した伝搬路情報に基づく送受信ウェイトの生成を中央処理局が行う手順を示す。なお、本発明の実施範囲は、伝搬路情報の予測に用いる方式やアルゴリズムに限定されるものではない。
実施例５は、伝搬路情報の推定を受信局が行い、推定した伝搬路情報に基づき伝送開始時刻における伝搬路情報の予測および予測した伝搬路情報に基づく送受信ウェイトの生成を中央処理局が行う手順を示す。なお、本発明の実施範囲は、伝搬路情報の予測に用いる方式やアルゴリズムに限定されるものではない。
図６は、本発明の実施例５における処理手順を示す。実施例５は、実施例２における送信局と中央処理局の処理手順を変更するものである。
図６において、送信局は、受信局に向けて伝搬路情報推定に必要なトレーニング信号を含むパケットを送信する（Ｓ51）。
図６において、送信局は、受信局に向けて伝搬路情報推定に必要なトレーニング信号を含むパケットを送信する（Ｓ51）。
受信局は、トレーニング信号を含むパケットを受信し、このトレーニング信号に基づき伝搬路情報を推定する（Ｓ52）。受信局は、送信局に向けて推定した伝搬路情報を含むパケットを送信する（Ｓ53）。
送信局は、推定した伝搬路情報を含むパケットを受信し、中央処理局へ通知する（Ｓ54）。
中央処理局は、伝送開始時刻を設定し、推定した伝搬路情報と保存してある過去の伝搬路情報に基づき、設定した伝送開始時刻における伝搬路情報を予測する。さらに、予測した伝搬路情報に基づき、保存してある過去のウェイト情報を初期値として送受信ウェイトを生成する。なお、過去のウェイト情報がなければ初期値設定を行う。そして、反復ウェイト計算時間が設定時間を超えた場合には伝搬路情報の再予測を行い、さらに終了条件を満たすまで送受信ウェイトの更新を繰り返す（Ｓ55）。
中央処理局は、伝送開始時刻を設定し、推定した伝搬路情報と保存してある過去の伝搬路情報に基づき、設定した伝送開始時刻における伝搬路情報を予測する。さらに、予測した伝搬路情報に基づき、保存してある過去のウェイト情報を初期値として送受信ウェイトを生成する。なお、過去のウェイト情報がなければ初期値設定を行う。そして、反復ウェイト計算時間が設定時間を超えた場合には伝搬路情報の再予測を行い、さらに終了条件を満たすまで送受信ウェイトの更新を繰り返す（Ｓ55）。
終了条件の設定としては、残留干渉成分の制限値や最大伝送開始時刻や最大送受信ウェイト更新回数など実システムの要求に合せて多様なものが考えられる。本発明の実施範囲は終了条件の設定によって制限されるものではない。
ただし、受信局がトレーニング信号を受信する時刻から伝送開始時刻までには、受信局の伝搬路情報推定所要時間、受信局から送信局へフィードバック所要時間、送信局から中央処理局への情報通知時間、中央処理局の伝搬路情報予測所要時間および反復ウェイト計算所要時間、送信局の通信チャネル獲得所要時間などがすべて含まれるものとする。
図７は、実施例５における中央処理局のステップＳ55の処理手順を示す。
図７(a) において、伝送開始時刻を設定し、その伝送開始時刻に合わせて伝搬路情報を予測する（Ｓ101 ）。次に、以下の手順で送受信ウェイトの更新を行う。送信ウェイトと予測した伝搬路情報に基づき、受信局における干渉行列を更新する（Ｓ102 ）。受信局における干渉行列に基づき、受信ウェイトを更新する（Ｓ103 ）。受信ウェイトと予測した伝搬路情報に基づき、送信局における干渉行列を更新する（Ｓ104 ）。送信局における干渉行列に基づき、送信ウェイトを更新する（Ｓ105 ）。
図７(a) において、伝送開始時刻を設定し、その伝送開始時刻に合わせて伝搬路情報を予測する（Ｓ101 ）。次に、以下の手順で送受信ウェイトの更新を行う。送信ウェイトと予測した伝搬路情報に基づき、受信局における干渉行列を更新する（Ｓ102 ）。受信局における干渉行列に基づき、受信ウェイトを更新する（Ｓ103 ）。受信ウェイトと予測した伝搬路情報に基づき、送信局における干渉行列を更新する（Ｓ104 ）。送信局における干渉行列に基づき、送信ウェイトを更新する（Ｓ105 ）。
次に、反復ウェイト計算が終わった時点で、ステップＳ101 で設定した伝送開始時刻の設定時間を超えたか否かをチェックする（Ｓ106 ）。反復ウェイト計算が終わった時点で設定時間を超えていれば、設定した伝送開始時刻に合わせて予測した伝搬路情報が陳腐化しているので、ステップＳ101 に戻り、再設定した伝送開始時刻に合せて伝搬路情報を再予測する。これにより、反復ウェイト計算の収束スピードに応じて伝搬路情報の予測回数を制御することができる。
一方、反復ウェイト計算が終わった時点で設定時間を超えていなければ、更新された送受信ウェイトが上記の終了条件を満たすか否かを判定する（Ｓ107 ）。ここで、終了条件を満たしていれば処理を終了し、終了条件を満たしていなければ、ステップＳ102 に戻って送受信ウェイトの更新を繰り返す。
図７(b) に示す処理手順は、図７(a) に示す受信ウェイトを更新するステップＳ102 ，Ｓ103 と、送信ウェイトを更新するステップＳ104 ，Ｓ105 の順番を逆にし、先に送信ウェイトを更新するステップＳ104 ，Ｓ105 を行い、次に受信ウェイトを更新するステップＳ102 ，Ｓ103 を行う。
また、図７の処理手順で用いる受信局における干渉行列および送信局における干渉行列は、例えば非特許文献２〜５に示されるような公知の多様な定義が可能である。なお、本発明の実施範囲は干渉行列の定義によって制限されるものではない。
実施例５において、中央処理局が伝搬路情報の予測を行うメリットは次の通りである。(1) 伝搬路情報の予測に必要な過去の伝搬路情報は、受信局または送信局で保存する必要がなく、送信局や受信局の記録負荷および計算負荷を軽減できる。
(2) 中央処理局は、送信局および受信局から独立してより高いハードウェアの調整幅があるため、高度な記録能力と計算能力を備えることで過去の伝搬路情報の回数を増やしたり、予測アルゴリズムの次数を増やしたりすることで、受信局または送信局より高い精度の伝搬路情報の予測が可能である。
(3) 受信局または送信局が単独で個別の伝搬路情報を予測する場合に比べ、中央処理局では統合的に全部の伝搬路情報の予測を行うため、単独予測より高い予測精度が得られる。
(2) 中央処理局は、送信局および受信局から独立してより高いハードウェアの調整幅があるため、高度な記録能力と計算能力を備えることで過去の伝搬路情報の回数を増やしたり、予測アルゴリズムの次数を増やしたりすることで、受信局または送信局より高い精度の伝搬路情報の予測が可能である。
(3) 受信局または送信局が単独で個別の伝搬路情報を予測する場合に比べ、中央処理局では統合的に全部の伝搬路情報の予測を行うため、単独予測より高い予測精度が得られる。
（実施例６）
実施例６は、伝搬路情報の推定を送信局が行い、推定した伝搬路情報に基づき伝送開始時刻における伝搬路情報の予測および予測した伝搬路情報に基づく送受信ウェイトの生成を中央処理局が行う手順を示す。なお、本発明の実施範囲は、伝搬路情報の予測に用いる方式やアルゴリズムに限定されるものではない。
実施例６は、伝搬路情報の推定を送信局が行い、推定した伝搬路情報に基づき伝送開始時刻における伝搬路情報の予測および予測した伝搬路情報に基づく送受信ウェイトの生成を中央処理局が行う手順を示す。なお、本発明の実施範囲は、伝搬路情報の予測に用いる方式やアルゴリズムに限定されるものではない。
図８は、本発明の実施例６における処理手順を示す。実施例６は、実施例３における送信局と中央処理局の処理手順を変更するものである。
図８において、受信局は、送信局に向けて伝搬路情報推定に必要なトレーニング信号を含むパケットを送信する（Ｓ61）。
図８において、受信局は、送信局に向けて伝搬路情報推定に必要なトレーニング信号を含むパケットを送信する（Ｓ61）。
送信局は、トレーニング信号を含むパケットを受信し、このトレーニング信号に基づき伝搬路情報を推定し、中央処理局へ通知する（Ｓ62）。
中央処理局は、伝送開始時刻を設定し、推定した伝搬路情報と保存してある過去の伝搬路情報に基づき、設定した伝送開始時刻における伝搬路情報を予測する。さらに、予測した伝搬路情報に基づき、保存してある過去のウェイト情報を初期値として送受信ウェイトを生成する。なお、過去のウェイト情報がなければ初期値設定を行う。そして、反復ウェイト計算時間が設定時間を超えた場合には伝搬路情報の再予測を行い、さらに終了条件を満たすまで送受信ウェイトの更新を繰り返す（Ｓ63）。
中央処理局は、伝送開始時刻を設定し、推定した伝搬路情報と保存してある過去の伝搬路情報に基づき、設定した伝送開始時刻における伝搬路情報を予測する。さらに、予測した伝搬路情報に基づき、保存してある過去のウェイト情報を初期値として送受信ウェイトを生成する。なお、過去のウェイト情報がなければ初期値設定を行う。そして、反復ウェイト計算時間が設定時間を超えた場合には伝搬路情報の再予測を行い、さらに終了条件を満たすまで送受信ウェイトの更新を繰り返す（Ｓ63）。
このステップＳ63は、実施例５のステップＳ55と同じであり、図７(a),(b) に示す送受信ウェイトの更新処理が行われる。
終了条件の設定としては、残留干渉成分の制限値や最大伝送開始時刻や最大送受信ウェイト更新回数など実システムの要求に合せて多様なものが考えられる。本発明の実施範囲は終了条件の設定によって制限されるものではない。
終了条件の設定としては、残留干渉成分の制限値や最大伝送開始時刻や最大送受信ウェイト更新回数など実システムの要求に合せて多様なものが考えられる。本発明の実施範囲は終了条件の設定によって制限されるものではない。
ただし、上記の送信局がトレーニング信号を受信する時刻から伝送開始時刻までには、送信局の伝搬路情報推定所要時間、送信局から中央処理局への情報通知時間、中央処理局の伝搬路情報予測所要時間および反復ウェイト計算所要時間、送信局の通信チャネル獲得所要時間などがすべて含まれるものとする。
（実施例７）
実施例７は、伝搬路情報の推定を受信局および送信局が行い、推定した伝搬路情報に基づき伝送開始時刻における伝搬路情報の予測および予測した伝搬路情報に基づく送受信ウェイトの生成を中央処理局が行う手順を示す。なお、本発明の実施範囲は、伝搬路情報の予測に用いる方式やアルゴリズムに限定されるものではない。
実施例７は、伝搬路情報の推定を受信局および送信局が行い、推定した伝搬路情報に基づき伝送開始時刻における伝搬路情報の予測および予測した伝搬路情報に基づく送受信ウェイトの生成を中央処理局が行う手順を示す。なお、本発明の実施範囲は、伝搬路情報の予測に用いる方式やアルゴリズムに限定されるものではない。
図１０は、本発明の実施例７における処理手順を示す。実施例７は、実施例４における送信局と中央処理局の処理手順を変更するものである。
図１０において、送信局は、受信局に向けて伝搬路情報推定に必要なトレーニング信号を含むパケットを送信する（Ｓ71）。
図１０において、送信局は、受信局に向けて伝搬路情報推定に必要なトレーニング信号を含むパケットを送信する（Ｓ71）。
受信局は、トレーニング信号を含むパケットを受信し、このトレーニング信号に基づき伝搬路情報を推定する（Ｓ72）。受信局は、送信局に向けて推定した伝搬路情報およびトレーニング信号を含むパケットを送信する（Ｓ73）。
送信局は、受信局で推定した伝搬路情報およびトレーニング信号を含むパケットを受信し、このトレーニング信号に基づき伝搬路情報を推定し、受信局と送信局の一方または双方で推定した伝搬路情報を中央処理局へ通知する（Ｓ74）。
中央処理局は、伝送開始時刻を設定し、推定した伝搬路情報と保存してある過去の伝搬路情報に基づき、設定した伝送開始時刻における伝搬路情報を予測する。さらに、予測した伝搬路情報に基づき、保存してある過去のウェイト情報を初期値として送受信ウェイトを生成する。なお、過去のウェイト情報がなければ初期値設定を行う。そして、反復ウェイト計算時間が設定時間を超えた場合には伝搬路情報の再予測を行い、さらに終了条件を満たすまで送受信ウェイトの更新を繰り返す（Ｓ75）。
このステップＳ75は、実施例５のステップＳ55と同じであり、図７(a),(b) に示す送受信ウェイトの更新処理が行われる。
終了条件の設定としては、残留干渉成分の制限値や最大伝送開始時刻や最大送受信ウェイト更新回数など実システムの要求に合せて多様なものが考えられる。本発明の実施範囲は終了条件の設定によって制限されるものではない。
終了条件の設定としては、残留干渉成分の制限値や最大伝送開始時刻や最大送受信ウェイト更新回数など実システムの要求に合せて多様なものが考えられる。本発明の実施範囲は終了条件の設定によって制限されるものではない。
ただし、上記の受信局がトレーニング信号を受信する時刻から伝送開始時刻までには、受信局および送信局の伝搬路情報推定所要時間、受信局から送信局へフィードバック所要時間、送信局から中央処理局への情報通知時間、中央処理局の伝搬路情報予測所要時間および反復ウェイト計算所要時間、送信局の通信チャネル獲得所要時間などがすべて含まれるものとする。
（評価例）
図１０は、本発明を評価するシミュレーション結果を示す。
図１０(a) において、定量数値評価に使用した諸元を示し、３つの送受信局ペアがあって、ここの送受信局は２本のアンテナを備えている。また、無線伝搬路の時変動として最大ドプラー周波数を8.8Hz とする。
図１０は、本発明を評価するシミュレーション結果を示す。
図１０(a) において、定量数値評価に使用した諸元を示し、３つの送受信局ペアがあって、ここの送受信局は２本のアンテナを備えている。また、無線伝搬路の時変動として最大ドプラー周波数を8.8Hz とする。
ここでは、図１に示す無線通信システムの構成において、理想ＩＡ技術、従来のＩＡ技術、本発明の実施例１によるＩＡ技術を適用した場合の伝送容量特性を示す。理想ＩＡ技術とは、送信局が常に伝送開始時刻の伝搬路情報が完璧に把握でき、それに基づいてＩＡ送受信ウェイトを生成することを意味している。図１０(b) から本発明技術によって生成した送受信ウェイトによる伝送容量は、理想ＩＡ技術とほぼ同じであることが確認できる。一方、従来ＩＡ技術（非特許文献２）では、無線伝搬路の時変動を送受信ウェイト生成の中に十分反映していないため、本発明ＩＡ技術に比べて大幅の容量特性の劣化が確認できる。
本発明の無線通信システムの送信局、受信局、中央処理局において、伝搬路情報の推定処理および予測処理と、送受信ウェイトの生成処理は、コンピュータと上記の処理を行うコンピュータプログラムにより実現することができる。このコンピュータプログラムは、コンピュータが読み取り可能な記憶媒体に記憶することも、ネットワークを介して提供することも可能なものである。
１−１〜１−Ｋ 送信局
２−１〜２−Ｋ 受信局
３ 中央処理局
２−１〜２−Ｋ 受信局
３ 中央処理局
Claims (4)
- 互いに同一周波数および同一時刻に無線通信を行う複数組の送信局と受信局があり、各送受信局間の伝搬路情報に応じてそれぞれ送信ウェイトおよび受信ウェイトを設定し、各受信局が受信する所望信号以外の干渉信号を消去する無線通信システムにおいて、
前記各送信局に接続される中央処理局と、
前記送信局または前記受信局の少なくとも一方で、前記各送受信局間の伝搬路情報を推定し、その推定した伝搬路情報を前記中央処理局に通知する伝搬路情報推定手段と、
前記中央処理局で、前記推定した伝搬路情報と保存してある過去の伝搬路情報に基づき、伝送開始時刻における伝搬路情報を予測する伝搬路情報予測手段と、
前記中央処理局で、前記伝送開始時刻の伝搬路情報に基づき前記送信ウェイトおよび前記受信ウェイトを生成し、さらに生成した送受信ウェイトを保存するとともに、過去の送受信ウェイトを初期値として反復ウェイト計算を行って前記送信ウェイトおよび前記受信ウェイトを生成する送受信ウェイト生成手段と
を備え、
前記送受信ウェイト生成手段は、前記伝送開始時刻を設定し、その伝送開始時刻に合わせて予測した前記伝搬路情報について、前記反復ウェイト計算の終了がその設定時間を超えていれば前記伝送開始時刻を再設定し、その伝送開始時刻に合わせて再予測した伝搬路情報に基づき、前記反復ウェイト計算を再度行って前記送信ウェイトおよび前記受信ウェイトを更新する構成である
ことを特徴とする無線通信システム。 - 請求項１に記載の無線通信システムにおいて、
前記送受信ウェイト生成手段は、前記伝送開始時刻を設定し、その伝送開始時刻に合わせて予測した前記伝搬路情報に基づき、所定の終了条件を満たすまで前記反復ウェイト計算を繰り返す構成である
ことを特徴とする無線通信システム。 - 互いに同一周波数および同一時刻に無線通信を行う複数組の送信局と受信局があり、各送受信局間の伝搬路情報に応じてそれぞれ送信ウェイトおよび受信ウェイトを設定し、各受信局が受信する所望信号以外の干渉信号を消去する無線通信方法において、
前記各送信局に接続される中央処理局を備え、
前記送信局または前記受信局の少なくとも一方で、前記各送受信局間の伝搬路情報を推定し、その推定した伝搬路情報を前記中央処理局に通知する第１のステップと、
前記中央処理局で、前記推定した伝搬路情報と保存してある過去の伝搬路情報に基づき、伝送開始時刻における伝搬路情報を予測する第２のステップと、
前記中央処理局で、前記伝送開始時刻の伝搬路情報に基づき前記送信ウェイトおよび前記受信ウェイトを生成し、さらに生成した送受信ウェイトを保存するとともに、過去の送受信ウェイトを初期値として反復ウェイト計算を行って前記送信ウェイトおよび前記受信ウェイトを生成する第３のステップと
を有し、
前記第３のステップは、前記伝送開始時刻を設定し、その伝送開始時刻に合わせて予測した前記伝搬路情報について、前記反復ウェイト計算の終了がその設定時間を超えていれば前記伝送開始時刻を再設定し、その伝送開始時刻に合わせて再予測した伝搬路情報に基づき、前記反復ウェイト計算を再度行って前記送信ウェイトおよび前記受信ウェイトを更新する
ことを特徴とする無線通信方法。 - 請求項１に記載の無線通信システムの各手段における処理をコンピュータに実行させ、前記送信ウェイトおよび前記受信ウェイトを生成することを特徴とする無線通信プログラム。
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