JP6849067B2 - 基地局装置、無線通信システム、方法及びプログラム - Google Patents

基地局装置、無線通信システム、方法及びプログラム Download PDF

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Description

本発明は、基地局装置、無線通信システム、方法及びプログラムに関する。
モバイルブロードバンドの利用の急増により、数多くの新しいアプリケーションが生まれている。ソーシャルネットワーキングは、多くのユーザがインターネットにアクセスするためにモバイルネットワークを利用する例（複数）の１つである。このようなアプリケーションでは、インターネットからユーザへのダウンリンクトラフィックの量とユーザからインターネットへのアップリンクトラフィックの量は比較的等しいことが観察されている。これは、ダウンリンクの負荷が一般的にアップリンクの負荷より重いというインターネットトラフィックに伝統的見方を破り、モバイルネットワークの事業者は、アップリンクトラフィックの量を増加させるために、そのネットワークを最適化することの重要性を認識するようになった。モバイルネットワーク事業者は、アップリンクを潜在的な新たな収益の鍵として認識し始めており、それは、例えば、クラウドストレージ、モノのインターネット（ＩｏＴ）、インテリジェントトラフィックシステム（ＩＴＳ）などのアプリケーション（用途）からもたらされる。したがって、モバイルブロードバンドの将来のために、アップリンクデータ通信性能を最適化することは、限られた無線リソースを有効に利用し営業利益を最大限に高めるための鍵の一つになる。非特許文献（ＮＰＬ）１に記載されている第３世代パートナーシッププロジェクト（Third Generation Partnership Project:３ＧＰＰ）ロングタームエボリューション（Long Term Evolution:ＬＴＥ）などの規格で既に採用されている１つのアプローチでは、ダウンリンクとアップリンクの両方でMulti-Input Multi-Output（ＭＩＭＯ）通信を可能にするために、基地局（Base Station:ＢＳ）とユーザ端末（User Terminal：ＵＴ）の両方で複数のアンテナを使用し、それによって無線ネットワークシステムにおけるスペクトル使用効率を向上させる。
一般的に、複数のアンテナ(multiple-antenna)を有する基地局がユーザ端末からアップリンクデータ送信を受信するために、基地局は以下のステップを行う。
まず、基地局は、ユーザ端末から送信されたパイロット信号を用いてアップリンクチャネルを推定する。パイロット信号は、ＬＴＥ用語ではサウンディング基準信号（Sounding Reference Signal：ＳＲＳ）とも呼ばれる。非特許文献２に記載されているチャネル推定の典型的な手順を図７に示す。典型的なチャネル推定手順は単に各アンテナで受信された信号をパイロット信号の逆数で乗算する。
そして、基地局は、チャネル推定に基づいてユーザ端末のアップリンクデータ送信をスケジューリングする。
最後に、基地局はユーザ端末からのアップリンクデータ送信を検出する。
アップリンクデータ送信のスケジューリング及び検出はよく研究されており、それに関しては、例えば非特許文献３を参照することができる。
ユーザ端末が電力制限されており、深いフェージング伝搬環境の影響下にあるとき、ユーザ端末から送信され、基地局の各アンテナで受信されるパイロット信号のレベルは、雑音のレベルよりも低い可能性がある。この場合、基地局における典型的なチャネル推定手順は、推定精度が悪く、その結果、高ビット誤り率（high error bit rate）及び低スループットなど、アップリンクデータ受信性能が劣化する。図７に模式的に示される典型的なチャネル推定手順の例については後で説明する。
受信したパイロット信号のレベルを雑音のレベル以上に上げるために、チャネル推定を行う前に、ビームフォーミング技術を基地局に実装することができる。これにより、チャネル推定精度及びアップリンクデータの受信性能を向上できる。ビームフォーミングとチャネル推定との組み合わせは、本書ではビームフォーミングチャネル推定手順として称される。
図８は、典型的なビームフォーミングチャネル推定手順の一例を模式的に示す図である。基地局１０は、ビームフォーマとして、Ｎ個の空間方向のそれぞれについてＭ個の乗算器１０９と、Ｎ個の加算器１１０を備えている。ここで、Ｍは２以上の所定の整数、Ｎは所定の正の整数である。Ｍ個の乗算器１０９は、Ｍ個のアンテナ（複数のアンテナ）１０１でそれぞれ受信した信号を対応する重み付け係数で乗算してＭ個の重み付け結果を生成する。加算器１１０のそれぞれは、Ｍ個の乗算器１０９からのＭ個の重み付け結果を合計し、それにより、指定された空間方向
Figure 0006849067
（ｉ＝１，…，Ｎ）におけるパイロット信号のエネルギーを増幅する。フェーズドアレイ法などの重み付け係数を決定するための方法はよく研究されており、例えば、非特許文献４を参照することができる。次に、ビームフォーミングされた受信信号をパイロット信号の逆数により乗算することができる：
１／Ｘｐ（ｋ）、
ここで、ｋは、指定された空間方向
Figure 0006849067
（ｉ＝１，…，Ｎ）に対するチャネル推定値〜Ｈｓi（ｋ）を得るためのサブキャリアインデックスである。
実際には、ビームフォーミングチャネル推定手順において、チャネル推定値を得るために選択する空間方向の数は、計算量の制約のため、通常、限られている。また、最高のチャネル推定精度を保証するために、最大のビームフォーミングされた受信信号のエネルギーを与えるものから順番に、限られた数の空間方向
Figure 0006849067
（ｉ＝１，…，Ｎ）が選択される。つまり、限られた数の空間方向におけるチャネル推定値を選択的に向上させるために、ビームフォーミングチャネル推定手順における計算は、典型的なチャネル推定手順よりもさらに複雑になる。これは、すべての空間方向について偏りのないチャネル推定値を一度に与える典型的なチャネル推定手順とは対照的である。
3GPP, "TS 36.213 v11.8.0: E-UTRA physical layer procedures (Release 11)," 3GPP, September 2014. J. C. Hancock and P. A. Wintz, "Signal detection theory," McGraw-Hill, 1966. R. Zhang, "Scheduling for maximum capacity in SDMA/TDMA networks," IEEE International Conference on Acoustics, Speech, and Signal Processing (ICASSP), 2002. N. Blaunstein and C. Christodoulou, "Radio propagation and adaptive antennas for wireless communication links," John Wiley & Sons, 2007.
上記の非特許文献１〜４の全開示内容は、引用をもって本書に組み込み記載されているものとする。
以下の分析は、本発明の発明者によってなされたものである。
上記ビームフォーミングチャネル推定手順は、雑音に対してパイロット信号のレベルを上げ、限られた数の空間方向に対するチャネル推定の向上には効果的である。しかし、伝搬環境が雑音と比較して比較的大きいチャネル利得を有する場合、アップリンクデータの受信性能を不必要に制限する。これは、ビームフォーミングチャネル推定手順においては、部分的なチャネル状態情報（Channel State Information：ＣＳＩ）しか得られないからであり、その結果、完全なＣＳＩ（full CSI）が得られる場合と比較して、アップリンクデータ送信スケジューリングの決定は準最適なものとなる。
この場合、代わりに、典型的なチャネル推定を使用することができる。これは、典型的なチャネル推定は一度に全ての空間的方向に対してバイアスのないチャネル推定（unbiased channel estimation）を提供するので、完全なＣＳＩと等価であるためである。
このため、基地局とユーザ端末との間の伝搬環境の状況に基づいて、基地局がチャネル推定手順を適応的に選択することを可能にする技術は、アップリンクデータの受信性能を常に保証することに大いに貢献するであろう。しかしながら、現在そのような技術はまだ確立されていない。
したがって、本発明の目的は、基地局がチャネル推定精度を保証し、アップリンクデータの受信性能を向上することをそれぞれ可能にする装置、システム、方法及びプログラムを提供することである。
本開示の第１の側面によれば、端末と無線通信する基地局装置であり、
複数のアンテナと、
少なくとも、前記端末から送信され前記アンテナが受信したパイロット信号の信号品質を表す第１のメトリックを算出するメトリック計算部と、
前記第１のメトリックに基づいて前記端末を分類する端末分類部と、
第１のタイプとして分類された前記端末については、予め定められた数のパイロット信号の方向に前記アンテナに対してビームフォーミングを行った後、前記ビームフォーミングされた方向においてチャネル推定を行い、一方、第２のタイプとして分類された前記端末については、前記アンテナに対してビームフォーミングを行わずにチャネル推定を行うチャネル推定部と、
を含む基地局装置が提供される。
本開示の第２の側面によれば、複数のアンテナを有する基地局による方法であり、
少なくとも、端末から送信され前記アンテナが受信したパイロット信号の信号品質を表す第１のメトリックを算出し、
前記第１のメトリックに基づいて前記端末を分類し、
第１のタイプとして分類された前記端末については、予め定められた数のパイロット信号の方向に前記アンテナに対してビームフォーミングを行った後、前記ビームフォーミングされた方向においてチャネル推定を行い、一方、第２のタイプとして分類された前記端末については、前記アンテナに対してビームフォーミングを行わずにチャネル推定を行う、
ことを含む方法が提供される。
本開示の第３の側面によれば、複数のアンテナを有する基地局を含むコンピュータに、
少なくとも、ユーザ端末から送信され前記アンテナが受信したパイロット信号の信号品質を表す第１のメトリックを算出し、
前記第１のメトリックに基づいて前記端末を分類し、
第１のタイプとして分類された前記端末については、予め定められた数のパイロット信号の方向に前記アンテナに対してビームフォーミングを行った後、前記ビームフォーミングされた方向においてチャネル推定を行い、一方、第２のタイプとして分類された前記端末については、前記アンテナに対してビームフォーミングを行わずにチャネル推定を行う処理を、
実行させるプログラムが提供される。
本開示の第４の側面によれば、上記本発明の第３の側面に記載されたプログラムを記憶する、ＲＯＭ（Read Only Memory）、又はＲＡＭ（Random Access Memory）、又は、ＥＥＰＲＯＭ（Electrically and Erasable Programmable Read Only Memory）、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）、ＣＤ（Compact Disc）、又はＤＶＤ（Digital Versatile Disc）等の半導体ストレージのような非一時的な記録媒体が提供される。
本発明によれば、基地局は、チャネル推定精度及びアップリンクデータの受信性能を向上させることができる。
本発明のさらに他の特徴及び利点は、本発明を実施することが企図されている最良の形態の単なる例示により、本発明の実施形態のみを図示及び説明した添付の図面と併せて以下の詳細な説明から当業者には容易に明らかになるであろう。理解されるように、本発明は、他の異なる実施形態が可能であり、そのいくつかの詳細は、本発明から逸脱することなく、様々な明白な点において変更可能である。従って、図面及び説明は、本質的に例示的であり、限定的とみなされるべきではない。
一実施形態による移動通信システムの一例を示す図である。 一実施形態による基地局の構成の一例を示す図である。 第１の実施形態における一連の動作を模式的に示す図である。 第１の実施形態における基地局の動作の一例を示す流れ図である。 第２の実施形態における一連の動作を示す図である。 第２の実施形態における基地局の動作の一例を示す流れ図である。 チャネル推定手順の一例を示す図である。 チャネル推定手順の一例を示す図である。 第３の実施形態の一例を示す図である。
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。まず、実施形態を説明するために共通して用いられる移動通信システム及び装置について、図１及び図２を参照しながら説明する。
図１は、一実施形態による無線通信システム（移動通信システム）の一例を示す図である。図１を参照すると、移動通信システム１は、複数のアンテナ（１０１）を有する基地局（ＢＳとも称される）（１０）と、単一のアンテナ（２０１）を持つユーザ端末（ＵＴとも称される）（２０）とを含む。基地局（１０）の複数のアンテナ（１０１）はＢＳアンテナ（１０１）とも称される。なお、図１において、単一のアンテナ（２０１）を有するユーザ端末（２０）は、簡略化のためにのみ与えられている。実施形態は、単一のアンテナ２０１を有するユーザ端末２０に限定されず、任意の数のアンテナを有するユーザ端末２０に適用することができることは勿論である。ユーザ端末と端末は同義に使用されてもよい。
基地局（１０）は、ユーザ端末（２０）に無線アクセスを提供する。基地局（１０）の無線カバレッジ（３０）（ＢＳ無線カバレッジとも称される）内に存在するユーザ端末（２０）は、アップリンク方向とダウンリンク方向の両方で基地局（１０）と通信することができる。より具体的には、ユーザ端末（２０）はアップリンクパイロット信号を基地局（１０）に送信するように構成される。アップリンクパイロット信号は、ＬＴＥ （Long Term Evolution）システムにおけるＳＲＳ（Sounding Reference Signal）に対応してもよい。ＳＲＳは、ユーザ端末（ＬＴＥのユーザ機器（ＵＥ））がアップリンク方向に送信する基準信号であり、チャネル帯域幅の一部分におけるアップリンクチャネル品質を推定するために、ｅＮｏｄｅＢ（ＬＴＥの基地局）によって使用される。ＳＲＳは、周波数スケジューリング及びリンク適応決定を行うためにｅＮｏｄｅＢによって使用され得る。
基地局（１０）は、アップリンクパイロット信号を用いたチャネル推定の結果に基づいて、アップリンクデータスケジューリング情報をユーザ端末（２０）に送信するように構成される。そして、ユーザ端末（２０）は、受信したアップリンクデータスケジューリング情報に基づいてアップリンクデータを基地局（１０）に送信することができる。
図２は、基地局（１０）の構成例を示す図である。ＢＳアンテナ（１０１）は、ユーザ端末（２０）からの受信とユーザ端末（２０）への送信の両方に使用される。アンテナ（１０１）からの受信とアンテナ（１０１）への送信との選択は、受信／送信スイッチ（１０２）によって制御される。 受信／送信スイッチ（１０２）によって選択された受信信号は、アップリンクパイロット信号の受信とアップリンクデータの受信との間でデマルチプレクスするパイロット／データスイッチ（１０３）に転送される。
ユーザ端末（２０）が送信したアップリンクパイロット信号を受信すると、アップリンクパイロット信号は、パイロット／データスイッチ（１０３）によって、アップリンクパイロット信号の受信ＳＮＲ（Signal to Noise Ratio：信号対雑音比）を表す少なくとも１つのメトリックを算出するメトリック計算部（１０４）に転送される。
ユーザ端末分類部（１０５）は、メトリック計算部（１０４）によって算出されたメトリックに基づいて、パイロット信号の送信元であるユーザ端末（２０）を２つのタイプにカテゴライズ（分類）する。
チャネル推定部（１０６）は、ユーザ端末（２０）のタイプに従って、チャネル推定手順を行う。
チャネル推定がチャネル推定部（１０６）によって得られた後、スケジューリング部（１０７）は、ユーザデータのスケジューリング（ユーザ端末（２０）のアップリンクデータ送信）を行う。
スケジューリング結果は、アップリンクデータのスケジューリング情報としてまとめられる。基地局１０は、アンテナ１０１を介してアップリンクデータのスケジューリング情報をユーザ端末２０に送信する。アップリンクデータのスケジューリング情報は、割り当てられた物理無線リソース、プリコーディングベクトル／マトリックス、及び変調符号化方式（Modulation and Coding Scheme：ＭＣＳ）に関する情報を含んでもよい。
アップリンクデータのスケジューリング情報は、それぞれ、ＬＴＥ用語における物理リソースブロック（Physical Resource Block：ＰＲＢ）割り当て、プリコーディングマトリックスインジケータ（Precoding Matrix Indicator：ＰＭＩ）、及びＭＣＳインデックスに対応する。
アップリンクデータのスケジューリング情報は、ユーザ端末（２０）によってアップリンクデータを基地局（１０）に送信するために使用される。
基地局１０のデータ検出部１０８は、ユーザ端末２０から送信されたアップリンクデータを受信すると、信号検出を行う。データ検出部（１０８）は、信号検出を行う際に、割り当てられた物理無線リソースで受信信号を復調及び復号する。信号検出の処理結果は、通信プロトコルにおいて上位層のプロトコルエンティティに転送されるバイナリデータである。ＬＴＥシステムでは、アップリンクデータの受信及び信号検出は、それぞれ物理（ＰＨＹ）層及び媒体アクセス制御（Medium Access Control：ＭＡＣ）層で行われる。その後、基地局（ｅＮｏｄｅＢ）のＭＡＣ層エンティティからのバイナリデータは、無線リンク制御（Radio Link Control：ＲＬＣ）層エンティティに転送される。
なお、図２は、実施形態に関連する機能ブロック及び信号経路を示しており、基地局（１０）の他の周知の基本機能は省略されている。
以下では、通信システム及び基地局が、それぞれ図１及び図２を参照して説明したものと同様の構成を有する２つの実施形態について説明する。
＜第１の実施形態＞
第１の実施形態では、基地局（１０）は、最初に、ユーザ端末（２０）からアップリンクパイロット信号を受信する。
ビームフォーミングがＢＳアンテナ（１０１）に適用されていないと仮定される場合、基地局（１０）は、受信したアップリンクパイロット信号のＳＮＲを表す第１のメトリックを算出する。
基地局（１０）は、第１のメトリックを予め定められた閾値と比較する。基地局（１０）は、比較結果を用いて、ユーザ端末（２０）を２つのタイプに分類する。より具体的には、第１のメトリックが該予め定められた閾値より小さいとき、基地局（１０）はユーザ端末（２０）を第１のタイプに分類する。そうでなければ、基地局（１０）は、ユーザ端末（２０）を第２のタイプに分類する。
そして、基地局（１０）は、ユーザ端末（２０）のタイプに基づいてチャネル推定を行う。
ユーザ端末（２０）が第１のタイプである場合、基地局（１０）は、まずＢＳアンテナ（１０１）に対して、予め定められた数の受信パイロット信号方向にビームフォーミングを実行する。
ビームフォーミングを実行した後、基地局（１０）はビームフォーミングされた方向についてチャネル推定値を算出する。
一方、ユーザ端末（２０）が第２のタイプである場合、基地局（１０）はＢＳアンテナ（１０１）に対してビームフォーミングを行うことなくチャネル推定値を算出する。
次に、基地局（１０）は、チャネル推定値に基づいて、アップリンクデータの送信をスケジュールし、アップリンクデータのスケジューリング情報をユーザ端末（２０）に送信する。
基地局（１０）は、ユーザ端末（２０）から対応するアップリンクデータを受信すると、信号検出を行い、バイナリデータを得る。
以下、図３及び図４を参照して、第１の実施形態について詳細に説明する。図３は、基地局（１０）とユーザ端末（２０）の動作を示す図である。
ユーザ端末（２０）は、アップリンクパイロット信号を基地局（１０）に送信する（Ｓ１１０１）。
次に、基地局（１０）は第１のメトリックを算出する（Ｓ１１０２）。ビームフォーミングがＢＳアンテナ（１０１）に適用されていない場合、第１のメトリックはアップリンクパイロット信号の受信ＳＮＲを表す。
図７は、基地局（２０）のＢＳアンテナ（１０１）にビームフォーミングが適用されていない場合を図式化している。
Figure 0006849067
によって表される第１のメトリックは以下のように与えられる。
Figure 0006849067

（式１）
Figure 0006849067

（式２）
Figure 0006849067

（式３）
Figure 0006849067

（式４）
Figure 0006849067

（式５）
Figure 0006849067

（式６）
ここで、
Figure 0006849067
はアンサンブル平均を表し、
Figure 0006849067
はベクトルノルムを表す。
Figure 0006849067
はユーザ端末（２０）から送信されたパイロット信号であり、ｋはサブキャリアインデックスである。
上付き文字Ｔは転置演算子である。

Figure 0006849067
（ｉ＝１〜Ｍ）は、ＢＳアンテナ（１０１）のうちｉ番目のアンテナで受信された受信パイロット信号であり、M×１のベクトル
Figure 0006849067
のｉ番目の要素である。
Figure 0006849067
は受信パイロットシンボルの信号電力である。
Figure 0006849067
（ｉ＝１〜Ｍ）は、
Figure 0006849067
のチャネルベクトル
Figure 0006849067
のｉ番目の要素である。
Figure 0006849067
（ｉ＝１〜Ｍ）はＢＳアンテナ（１０１）のｉ番目のアンテナの雑音であり、
Figure 0006849067
の雑音ベクトル
Figure 0006849067
のｉ番目の要素である。
Figure 0006849067
は、アンテナ毎、サブキャリア毎の雑音電力である。雑音電力は、基地局（１０）の雑音指数仕様、又は、例えば、無通信の期間中に基地局（１０）が行う雑音推定処理のいずれかから求めることができる。
Figure 0006849067
のＭ倍、すなわち
Figure 0006849067
は、サブキャリアインデックスｋに対するＢＳアンテナ（１０１）の雑音電力である。
第１のメトリックを得た後、基地局（１０）は第１のメトリックを予め定められた閾値と比較し、比較結果に基づいて、ユーザ端末を２つのタイプに分類する（Ｓ１１０３）。
予め定められた閾値は、図７に示すような典型的なチャネル推定手順を基地局（１０）が行うことを可能にする、最小のアップリンクパイロット信号の受信ＳＮＲを表す。即ち、基地局（１０）はＢＳアンテナ（１０１）に対してビームフォーミングを実行することなくチャネル推定値を算出する。所定の閾値は、実際のシステム動作の前に閾値最適化を行うことで求められる。
ユーザ端末のタイプ及び所定の閾値をそれぞれ、
Figure 0006849067
及び
Figure 0006849067
とする。
Figure 0006849067
は次のように表すことができる。
Figure 0006849067

（式７）
ここで、
Figure 0006849067
と
Figure 0006849067
とは、それぞれ、第１のタイプと第２のタイプを表す。
次に、基地局（１０）は、
Figure 0006849067
に基づいてチャネル推定を行う（Ｓ１１０４）。
Figure 0006849067

である場合、基地局（１０）はビームフォーミングチャネル推定手順を行う。
図８を参照して、基地局（１０）のビームフォーミングチャネル推定手順を説明する。基地局（１０）は最初にＢＳアンテナ（１０１）に対して予め定められた数（Ｎ）の受信パイロット信号方向
Figure 0006849067
にビームフォーミングを行う。
次に、基地局（１０）は、予め定められた数（Ｎ）のビームフォーミング方向についてチャネル推定値を算出する。
Figure 0006849067

である場合、基地局（１０）は、図７を参照して説明したような典型的なチャネル推定手順を行う。即ち、基地局（１０）はＢＳアンテナ（１０１）に対してビームフォーミングを行うことなくチャネル推定値を計算する。
以下に、
Figure 0006849067
と
Figure 0006849067
との２つのケースを説明する。
Figure 0006849067

の場合について、図８に示すような例を考える。
Figure 0006849067

を、ビームフォーミングされた受信パイロット信号方向の予め定められた数とする。
Figure 0006849067
はＢＳアンテナ１０１のアンテナ数
Figure 0006849067
よりも小さい。
該予め定められた数の方向は、通常、ハードウェアの計算量の制約に基づいて決定される。
Figure 0006849067
が与えられると、ビームフォーミングチャネル推定手順は、第１及び第２のステップを実行する。
第１のステップは、雑音に対するアップリンクパイロット信号の最大レベルを有する
Figure 0006849067
の方向を決定する。
第２のステップは、チャネル推定値を得るためにビームフォーミングされた受信信号をアップリンクパイロット信号の逆数で乗算する。
第１のステップは次のように表すことができる。
Figure 0006849067

（式８）
ここで、
Figure 0006849067
と
Figure 0006849067
とは、アンテナアレイに平行な平面から測定されたビームフォーミングされた角度方向及び対応する
Figure 0006849067
のビームフォーミング重み係数ベクトルをそれぞれ示す。例えば、第１のステップでは、
Figure 0006849067
の試行毎に
Figure 0006849067
の値を算出し、
Figure 0006849067
の
Figure 0006849067
個の最大値（N largest values）を生成する
Figure 0006849067
個の
Figure 0006849067
（即ち
Figure 0006849067
）だけを保存する。
図８は、ＢＳアンテナ（１０１）が、均一線形アレイであり、フェーズドアレイ重み付け方法を採用していると仮定される場合の具体例を示している。
従って、
Figure 0006849067
（式９）
ここで、“exp”は自然対数ベースの指数関数、
Figure 0006849067
はアレイ内の隣接アンテナ間の間隔の長さ、
Figure 0006849067
はパイロット信号の波長を表し、
Figure 0006849067
である。
加算器１１０ｎ（ｎ＝１、…、Ｎ）の出力は以下のように与えられる。
Figure 0006849067
（式１０）
ここで、ｎ-tｈ番目の重みベクトル
Figure 0006849067
は、式９の
Figure 0006849067
を、ｎ-tｈ番目の方向

Figure 0006849067
に置き換えることによって得られる。

Figure 0006849067
（式１１)
Figure 0006849067
のチャネル推定ベクトル
Figure 0006849067
を得るための第２ステップの式は次のように表すことができる。
Figure 0006849067

（式１２）
Figure 0006849067

の場合について、図７に示すような例を考える。
基地局（１０）において、各アンテナにおける受信信号は、チャネル推定値を得るためにアップリンクパイロット信号の逆数で直接乗算される。
Figure 0006849067
のチャネル推定ベクトル
Figure 0006849067
は、次のように表すことができる。
Figure 0006849067

（式１３）
チャネル推定値が得られた後、基地局（１０）はアップリンクデータ送信をスケジュールする（Ｓ１１０５）。
基地局（１０）は、ユーザ端末（２０）にアップリンクデータのスケジューリング情報を送信する（Ｓ１１０６）。
次に、Ｓ１１０４のチャネル推定動作について説明する。
基地局（１０）は、まず、得られたチャネル推定値に基づいて、サブキャリアごとに、将来のアップリンクデータ送信の受信信号対雑音比（ＳＮＲ）を推定する。
サブキャリアごとの受信ＳＮＲを
Figure 0006849067
と表し、基地局（１０）はアップリンクデータ検出プロセスにおいて最大比合成（Maximum Ratio Combining：ＭＲＣ）受信を使用すると仮定する。
最大比合成（ＭＲＣ）は、ＳＮＲを最大にするために重みｗを取得する。
wHy(k)=wH~h(k)Xp(k)+wHz(k)
とすると、受信ＳＮＲの推定値は以下のように与えられる。

Figure 0006849067
（式１４）
ここで、
上付き文字Ｈは、エルミート演算子を表し（転置及び複素共役をとる）、
〜ｈ（ｋ）は、ユーザ端末のタイプに依り、式１２で定義された〜ｈＳ（ｋ）、又は式１３で定義された〜ｈ（ｋ）のいずれかであり、そして

Figure 0006849067
は基地局（１０）に事前に知られている平均送信信号電力である。
従って、
Figure 0006849067
は次のように表すことができる。
Figure 0006849067

（式１５）
次に、サブキャリアごとの受信ＳＮＲ（又はSignal to Interference- plus Noise Ratio：ＳＩＮＲ（信号対干渉プラス雑音比））推定に基づいて、基地局（１０）は、送信可能なデータの量を最大にする、割り当てられたサブキャリアの数、物理的位置、及びＭＣＳの組み合わせを決定するため、それらの間の所定の関係を用いて検索を行う。
検索結果を用いて、基地局（１０）は、ユーザ端末（２０）に送信するアップリンクデータのスケジューリング情報を作成する。
ＬＴＥシステムでは、送信可能データ量と、ＭＣＳ及び割り当てられたサブキャリアの数との間の所定の関係は、トランスポートブロックサイズ（Transport Block Size:ＴＢＳ）テーブルによって提供される。
網羅的検索又は順次検索などの最適な組み合わせを見つけるための検索アルゴリズムもまた広く研究されてきたため、詳細な説明は省略する。
次に、ユーザ端末（２０）は、アップリンクデータのスケジューリング情報を受信すると、アップリンクデータを基地局（１０）に送信する（Ｓ１１０７）。
次に、基地局（１０）は、アップリンクデータの検出を行う（Ｓ１１０８）。
次に、上述したＳ１１０４のチャネル推定動作とＳ１１０５のスケジューリング動作を用いたアップリンクデータ検出について説明する。
基地局（１０）はまず受信信号に対してＭＲＣ受信を行う。ＭＲＣ受信信号は、
Figure 0006849067

として示す。
Figure 0006849067
は次のように表すことができる。
Figure 0006849067

（式１６）
Figure 0006849067


（式１７）
ここで、上付き文字Ｈは複素共役転置演算子（エルミート演算子）であり、
Figure 0006849067
はアップリンクデータを表す。
Figure 0006849067
（ｎ＝１、…Ｎ）は式１１のものと同じ
Figure 0006849067
ベクトルである。
Figure 0006849067
…,
Figure 0006849067

Figure 0006849067
は
Figure 0006849067
ベクトル、
Figure 0006849067
は
Figure 0006849067
行列である。
ＭＲＣ受信後、基地局（１０）は
Figure 0006849067
を復調し、つづいて復号する。復調及び復号化に関する詳細はよく知られているので、冗長を避けるためにその説明は省略する。
なお、第１の実施形態の応用は上述した例に限定されない。第１の実施形態の本質は、様々な状況に適用することができる。
例えば、複数のアンテナを有するユーザ端末の場合、メトリック計算部１０４は、基地局の異なるアンテナからの複数のアップリンクパイロット信号を考慮することになる。メトリック計算部１０４は、最初に複数のアップリンクパイロット信号について複数のメトリックを計算してもよい。そして、メトリック計算部（１０４）は、統計的平均などの手段により、複数のメトリックに基づいて１つの代表メトリックを作成してもよい。その後、ユーザ端末分類部（１０５）は、該代表メトリックに基づいて、ユーザ端末を２つのタイプに分類してもよい。
チャネル推定部（１０６）は、複数のアップリンクパイロット信号に対応するチャネル推定値を取得するために、ユーザ端末のタイプに応じたチャネル推定手順を実行する。
複数のアンテナ（１０１）を有するユーザ端末（２０）のためのスケジューリング及び検出については、第１の実施形態において、割り当てられた物理無線リソース、ＭＣＳ、及び、送信可能なデータ量に加えて、ユーザ端末側で実施されるプリコーディングベクトル／行列の適用を考慮に入れてもよい。また、ユーザ端末（２０）でのプリコーディングベクトル／行列の使用に応じて、基地局（１０）で採用される受信方式を変更してもよい。
別の重要なシナリオは、複数のユーザ端末（２０）が、同じ基地局（１０）からサービス提供を受ける場合である。この場合、第１の実施形態のメトリック計算部（１０４）は、異なるユーザ端末からの複数のアップリンクパイロット信号を扱ってもよい。その後、ユーザ端末タイプの分類及びチャネル推定の動作は、対応するメトリックを使用して、各ユーザ端末に対して別々に実行されてもよい。
複数のユーザ端末のシナリオにおけるスケジューリング及び検出については、第１の実施形態において、上述の他のパラメータに加えて、複数のユーザ端末の数及びアイデンティティを考慮してもよい。さらに、基地局における受信方式は、マルチユーザ干渉を考慮する線形受信機又は非線形マルチユーザ検出（multi-user detection:ＭＵＤ）方式など、複数のユーザ端末の検出をサポートする方式に変更してもよい。
以下、基地局（１０）の動作について説明する。図４は、基地局（１０）の動作を説明する図である。ステップＳ１２０１では、基地局（１０）が、アップリンクパイロット信号を受信したか否かを定期的に確認する。
基地局（１０）は、アップリンクパイロット信号を受信すると、第１メトリックを算出する（Ｓ１２０２）。
次に、第１のメトリックに従ってユーザ端末のタイプが分類される（Ｓ１２０３）。
その後、基地局（１０）は、ユーザ端末タイプに基づいてチャネル推定を行う（Ｓ１２０４）。
基地局（１０）は、チャネル推定値を得た後、アップリンクデータ送信をスケジュールし（Ｓ１２０５）、アップリンクデータのスケジューリング情報をユーザ端末に送信する（Ｓ１２０６）。
基地局（１０）は、ユーザ端末（２０）からのアップリンクデータを定期的に確認する（Ｓ１２０７）。
基地局（１０）は、アップリンクデータを受信すると、信号検出を行う（Ｓ１２０８）。
図６の各動作の詳細は既に説明したので、簡潔のため省略する。
第１のメトリックは、基地局（１０）とユーザ端末（２０）との間の伝搬環境の状態を表す。さらに、第１のメトリックは、チャネル推定手順を適応的に選択するために使用される。従って、基地局１０は常に高いチャネル推定精度と最大のアップリンクデータ受信性能を確保することができる。
＜第２の実施形態＞
第２の実施形態では、第１の実施形態に対して、１つの追加及び１つの修正がなされる。即ち、第２の実施形態では、第１のメトリックに加えて第２のメトリックが導入される。
第２のメトリックは、ビームフォーミングが適用されていると仮定された場合のアップリンクパイロット信号の受信ＳＮＲを表す。この追加により、ユーザ端末の２つのタイプへの分類は、第１のメトリックと第２のメトリックとの間の比較結果に基づいて行われる。
より具体的には、第１のメトリックが第２のメトリックよりも小さい場合、ユーザ端末（２０）は第１のタイプとして分類される。そうでない場合、ユーザ端末（２０）は第２のタイプとして分類される。
この追加及び変更により、第２の実施形態では、 第１の実施形態と相違して、予め定められた閾値を事前に用意する必要がない。従って、第２の実施形態は、所定のビームフォーミング方向の数又はＢＳアンテナ（１１０）の数などの影響因子の変化に適応させた操作によく適している。
次に、第２の実施形態について、図５と図６とを参照して説明する。図５は、第２の実施形態のシーケンスを説明する図である。第１の実施形態と同様に、ユーザ端末（２０）は、アップリンクパイロット信号を基地局（１０）に送信する（Ｓ１１０１）。
次に、基地局（１０）は第１のメトリックを算出する（Ｓ１１０２）。第１のメトリックに加えて、基地局（１０）は第２のメトリックも算出する（Ｓ２１０１）。第２のメトリックは、ビームフォーミングが適用されていると仮定した場合のアップリンクパイロット信号の受信ＳＮＲを表す。
以下、図６の例を参照して、第２のメトリックの算出について説明する。
ビームフォーミング方向の予め定められた数
Figure 0006849067
が与えられると、２つのステップで第２のメトリックを算出する。
第１のステップは、雑音に対して最大レベルのアップリンクパイロット信号を有する
Figure 0006849067
個の方向を決定することである。
第２のステップでは、それらの方向に基づいてアップリンクパイロット信号の受信ＳＮＲを算出する。
第１のステップは、第１の実施形態におけるビームフォーミングチャネル推定手順で行われたものと同じである。従って、第２の実施形態における第１ステップは、式８で表すこともできる。
第２のステップにおけるアップリンクパイロット信号のサブキャリアごとの受信ＳＮＲは、
Figure 0006849067
と表され、以下のように表すことができる。
Figure 0006849067
（式１８）
Figure 0006849067

（式１９）
ここで、
Figure 0006849067
と
Figure 0006849067
はそれぞれ式９と式２で与えられている。
第１のメトリック及び第２のメトリックが計算された後、基地局（１０）は、第１のメトリックと第２のメトリックとを比較することによってユーザ端末を２つのタイプに分類する（Ｓ２１０２）。この演算の式は次のように表すことができる。
Figure 0006849067

（式２０）
次に、基地局（１０）は、
Figure 0006849067
に基づいてチャネル推定を行う（Ｓ１１０４）。
チャネル推定値が得られた後、基地局（１０）は、アップリンクデータ送信をスケジュールし（Ｓ１１０５）、次にアップリンクデータのスケジューリング情報をユーザ端末（２０）に送信する（Ｓ１１０６）。
ユーザ端末（２０）は、アップリンクデータのスケジューリング情報を受信すると、アップリンクデータを基地局（１０）に送信する（Ｓ１１０７）。
最後に、基地局（１０）は、アップリンクデータの検出を行う（Ｓ１１０８）。ステップＳ１１０４〜Ｓ１１０８は、前記第１の実施形態と同様であるため、説明を省略する。
前記第１の実施形態と同様、第２の実施形態は、本書に記載された例に限定されない様々な状況に適用することができる。
図６は、基地局（１０）の動作を説明する図である。前記第１の実施形態と同様、基地局（１０）は、アップリンクパイロット信号を受信したか否かを定期的に確認する（Ｓ１２０１）。
基地局（１０）は、アップリンクパイロット信号を受信すると、第１メトリックを算出する（Ｓ１２０２）。
第１のメトリックに加えて、基地局（１０）は、第２のメトリックも算出する（Ｓ２２０１）。
そして、第１のメトリックと第２のメトリックとの間の比較結果に応じてユーザ端末タイプが分類される（Ｓ２２０２）。
その後、基地局（１０）は、ユーザ端末タイプに基づいてチャネル推定を行う（Ｓ１２０４）。
チャネル推定値を得た後、基地局（１０）はアップリンクデータ送信をスケジュールし（Ｓ１２０５）、アップリンクデータのスケジューリング情報をユーザ端末に送信する（Ｓ１２０６）。基地局（１０）は、ユーザ端末（２０）からのアップリンクデータを定期的に確認する（Ｓ１２０７）。アップリンクデータを受信すると、基地局（１０）は信号検出を行う（Ｓ１２０８）。
なお、図６の各動作の詳細については、既に前のサブセクションで説明したので、ここでは冗長を避けるために説明は省略する。
第２の実施形態によれば、前記第１の実施形態と同様の効果を奏する上に、前記第１の実施形態と違って所定の閾値を予め用意する必要がない。これにより、所定のビームフォーミング方向の数又はＢＳアンテナの数などの影響因子の変化に対して動作を適応的に最適化することが可能になる。
別の実施形態における基地局（１０）の構成を示す図９を参照すると、基地局（１０）は、プロセッサ（１２１）と、少なくとも１つのプログラムを記憶するメモリ（１２２）とを含む。送信機／受信機（１２３）は、変調と復調を行うベースバンド処理ユニット（図示せず）と、周波数変換を行い複数のアンテナ１０１との間でＲＦ（Radio Frequency：無線周波数）信号を送受信するＲＦ送受信部（図示せず）とを含んでもよい。通信インタフェース（１２４）は、基地局（１０）と、サービングゲートウェイ（ＳＧＷ）、モビリティ管理エンティティ（ＭＭＥ）、及び／又は、それぞれの所定のプロトコルを使用する１つ又は複数の隣接基地局などのコアネットワークノードとの間の通信を実行するように適合されている。プロセッサ（１２１）は、メモリ（１２２）から読み込んだプログラムを実行して、第１又は第２の実施形態で説明したような機能を実行するように構成される。
なお、上記の非特許文献の各開示を、本書に引用をもって繰り込むものとする。本発明の全開示（請求の範囲を含む）の枠内において、さらにその基本的技術思想に基づいて、実施形態ないし実施例の変更・調整が可能である。また、本発明の請求の範囲の枠内において種々の開示要素（各請求項の各要素、各実施例の各要素、各図面の各要素等を含む）の多様な組み合わせ乃至選択が可能である。すなわち、本発明は、請求の範囲を含む全開示、技術的思想にしたがって当業者であればなし得るであろう各種変形、修正を含むことは勿論である。
１０ 基地局（ＢＳ）
２０ ユーザ端末（ＵＴ）
３０ ＢＳ無線カバレッジ
１０１ ＢＳアンテナ
１０２ 受信／送信スイッチ
１０３ パイロット／データスイッチ
１０４ メトリック計算部
１０５ ユーザ端末分類部
１０６ チャネル推定部
１０７ スケジューリング部
１０９１１〜１０９ＮＭ 乗算器
１１０１〜１１０Ｎ 加算器
１２１ プロセッサ
１２２ メモリ
１２３ 送信機／受信機
１２４ 通信インタフェース
２０１ ＵＴアンテナ

Claims (10)

  1. 複数のアンテナと、
    少なくとも、端末から送信され前記アンテナが受信したパイロット信号の信号品質を表す第１のメトリックを算出するメトリック計算部と、
    前記第１のメトリックに基づいて前記端末を分類する端末分類部と、
    第１のタイプとして分類された前記端末については、前記アンテナに対して予め定められた数の方向にビームフォーミングを行った後、前記ビームフォーミングされた方向においてチャネル推定を行い、第２のタイプとして分類された前記端末については、前記アンテナに対してビームフォーミングを行わずにチャネル推定を行うチャネル推定部と、
    を含むことを特徴とする基地局装置。
  2. 前記メトリック計算部は、ビームフォーミングが適用されていない前記パイロット信号の信号品質を表す前記第１のメトリックを算出する、ことを特徴とする請求項１に記載の基地局装置。
  3. 前記端末分類部は、前記第１のメトリックと所定の閾値との間の比較に基づいて前記端末を少なくとも２つのタイプに分類する、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の基地局装置。
  4. 前記メトリック計算部は、ビームフォーミングが適用された前記パイロット信号の信号品質を表す第２のメトリックを算出し、
    前記端末分類部は、前記第１のメトリックと前記第２のメトリックとの間の比較に基づいて前記端末を少なくとも２つのタイプに分類する、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の基地局装置。
  5. 前記チャネル推定部は、ビームフォーミングを行うときに、受信した前記パイロット信号のレベルの大きい方からＮ個（Ｎは前記予め定められた数）の値（N largest values）をそれぞれ与える前記Ｎ個の方向についてビームフォーミングの重みを決定する、ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の基地局装置。
  6. 前記チャネル推定部は、ビームフォーミングが適用されるとき、ビームフォーミングされた受信信号を前記パイロット信号の逆数で乗算することによって、前記Ｎ個の方向についてそれぞれのチャネル推定値を取得し、前記ビームフォーミングされた受信信号は、前記アンテナそれぞれで受信された前記パイロット信号と対応するビームフォーミングの重み係数との乗算の各結果を前記アンテナの数について総和することによって得られる、ことを特徴とする請求項５に記載の基地局装置。
  7. 複数のアンテナを有する基地局による方法であり、
    少なくとも、端末から送信され前記アンテナが受信したパイロット信号の信号品質を表す第１のメトリックを算出し、
    前記第１のメトリックに基づいて前記端末を分類し、
    第１のタイプとして分類された前記端末については、前記アンテナに対して予め定められた数の方向にビームフォーミングを行った後、前記ビームフォーミングされた方向においてチャネル推定を行い、第２のタイプとして分類された前記端末については、前記アンテナに対してビームフォーミングを行わずにチャネル推定を行う、方法。
  8. ビームフォーミングが適用されていない前記パイロット信号の信号品質を表す前記第１のメトリックを算出する、請求項７に記載の方法。
  9. 端末と、
    請求項１乃至６のいずれか１項に記載の基地局装置と、
    を含むことを特徴とする無線通信システム。
  10. 複数のアンテナを有する基地局に含まれるコンピュータに、
    少なくとも、端末から送信され前記アンテナが受信したパイロット信号の信号品質を表す第１のメトリックを算出し、
    前記第１のメトリックに基づいて前記端末を分類し、
    第１のタイプとして分類された前記端末については、前記アンテナに対して予め定められた数の方向にビームフォーミングを行った後、前記ビームフォーミングされた方向においてチャネル推定を行い、第２のタイプとして分類された前記端末については、前記アンテナに対してビームフォーミングを行わずにチャネル推定を行う処理を、
    実行させるプログラム。
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