WO2025257904A1 - 無線通信システム、無線通信装置、無線通信方法および無線通信用プログラム装置 - Google Patents

無線通信システム、無線通信装置、無線通信方法および無線通信用プログラム装置

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WO2025257904A1
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antennas
weight
transmitting
signals
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光洋 立神
大介 五藤
喜代彦 糸川
史洋 山下
武 鬼沢
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Nippon Telegraph and Telephone Corp
NTT Inc USA
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    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B7/00—Radio transmission systems, i.e. using radiation field
    • H04B7/02—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas
    • H04B7/04—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas
    • H04B7/0413—MIMO systems
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L27/00—Modulated-carrier systems
    • H04L27/26—Systems using multi-frequency codes

Definitions

  • This disclosure relates to a wireless communication system, a wireless communication device, a wireless communication method, and a wireless communication program, and in particular to a wireless communication system, a wireless communication device, a wireless communication method, and a wireless communication program that are suitable for maximizing the transmission capacity of spatial multiplexing transmission using MIMO.
  • MIMO Multiple-Input and Multiple-Output
  • Non-Terrestrial Networks Non-Terrestrial Networks
  • various usage patterns of wireless communication are envisioned, including direct accommodation of terrestrial mobile terminals, mobile backhaul, and accommodation of IoT terminals.
  • transmission capacity will increase compared to existing satellite communication services. Therefore, there is a demand for increased capacity in the lines (hereinafter referred to as "feeder links") connecting satellites, airborne platforms such as HAPS (High Altitude Platform Stations), and terrestrial gateway stations (GWs).
  • feeder links connecting satellites, airborne platforms such as HAPS (High Altitude Platform Stations), and terrestrial gateway stations (GWs).
  • Non-Patent Document 2 proposes a method using Massive MIMO.
  • Massive MIMO disclosed in Non-Patent Document 2
  • multiple antennas are placed on an airborne platform such as a LEO (Low Earth Orbit) satellite, and many small antennas are placed on the ground over a wide area.
  • LEO Low Earth Orbit
  • the number of spatial multiplexes can be increased by installing many transmitting antennas and many receiving antennas, which is expected to increase transmission capacity.
  • Non-Patent Document 3 discloses a method for efficiently performing MIMO demodulation in wireless communications using Massive MIMO.
  • receiving antennas on the ground are placed over a wide area, which results in large variations in the distance between the transmitting antenna placed in the sky and the multiple receiving antennas placed on the ground. Because the propagation time of a wireless signal is proportional to the distance, large propagation delays are likely to be superimposed on the received signal at a distant terrestrial antenna.
  • Non-Patent Document 3 to eliminate the effects of this delay, multiple transmitting antennas in the sky transmit OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplex) signals with a GI (Guard Interval) called a CP (Cyclic Prefix) embedded in each symbol.
  • the CP is a signal wave obtained by cutting out the latter half of the signal wave that makes up each symbol, and its length (CP length) is set based on the maximum difference in propagation delay time between the transmitting and receiving antennas.
  • Non-Patent Document 3 Multiple receiving antennas placed on the ground receive OFDM signals with propagation delay times corresponding to their respective installation locations.
  • the signals received by each receiving antenna are collected in a combiner at the ground station.
  • the multiple received signals collected at a single combiner each have different delays superimposed on them, but the combiner in Non-Patent Document 3 ignores the CP contained in these signals. Because the CP is set based on the maximum difference in propagation delay times, ignoring this section leaves a portion unaffected by the propagation delay time. Therefore, according to the method proposed in Non-Patent Document 3, the terrestrial combiner can combine the received signals from multiple receiving antennas without the effects of propagation delay time.
  • Non-Patent Document 3 equalization processing for MIMO demodulation is then performed based on the composite signal generated in this manner. As a result, the method in Non-Patent Document 3 achieves efficient, high-capacity propagation through wireless communication using Massive MIMO.
  • 3GPP TR 38.821 Solutions for NR to Support Non-Terrestrial Networks (NTN) (Release 16), V16.1.0, May 2021 "Proposal of a Hierarchical Base Station Configuration for Ultra-Wide Area Massive MIMO Systems," Institute of Electronics, Information and Communication Engineers General Conference, B-3-5, Tategami Mitsuhiro, Goto Daisuke, Itokawa Kiyohiko, Yamashita Fumihiro, March 2023 "Proposal of a Demodulation Method Using OFDM for Satellite MIMO Using Large-Scale Gateway Antennas," Institute of Electronics, Information and Communication Engineers General Conference, B-3-6, March 2024
  • Non-Patent Document 3 in order to eliminate the effects of propagation delay time, the CP length must always be set to the maximum difference in propagation delay time. Because a CP must be provided for each symbol, the longer the CP length, the lower the communication frame efficiency. In this respect, the method in Non-Patent Document 3 has characteristics that are contrary to maximizing propagation capacity.
  • a third object of this disclosure is to provide a wireless communication method that maximizes propagation capacity while eliminating the effects of propagation delay time associated with MIMO implementation through simple processing.
  • a fourth object of this disclosure is to provide a wireless communication program that maximizes propagation capacity while eliminating the effects of propagation delay time associated with implementing MIMO through simple processing.
  • a first aspect is a wireless communication system including a transmitting station that transmits wireless signals using a plurality of transmitting antennas, and a receiving station that aggregates and processes received signals that arrive at the plurality of receiving antennas,
  • the transmitting station The radio wave has a beamforming function that changes the irradiation range of the radio signal, A process of setting a plurality of weight candidates to be used in the beamforming; A process of setting a CP length for removing a propagation delay time difference superimposed on the received signal for each of the plurality of weight candidates; a process of estimating a transmission capacity achieved by the wireless signal using the weight candidate and the CP length set for the weight candidate; transmitting beamformed radio signals from the plurality of transmitting antennas using a combination of the weight candidate and the CP length that maximizes the transmission capacity;
  • the receiving station A process of setting an ignore interval based on the CP length for received signals that have reached some or all of the plurality of receiving antennas; A process of eliminating an influence of a propagation delay time from the
  • a third aspect is a wireless communication method for achieving spatial multiplexing transmission between a transmitting station that transmits radio signals using a plurality of transmitting antennas and a plurality of receiving antennas that convert the radio signals into received signals, the method comprising: the transmitting station has a beamforming function for varying an irradiation range of the wireless signal; setting a plurality of weight candidates to be used in the beamforming; setting a CP length for removing a propagation delay time difference superimposed on the received signal for each of the plurality of weight candidates; a step of estimating a transmission capacity achieved by the wireless signal using the weight candidate and the CP length set for the weight candidate; a step in which the transmitting station transmits beamformed radio signals from the plurality of transmitting antennas using a combination of a weight candidate and a CP length that maximizes the transmission capacity; setting an ignore interval based on the CP length for received signals that have reached some or all of the plurality of receiving antennas; a step of eliminating an influence of a propagation delay time from
  • a fourth aspect is a computer-readable program for wireless communication that causes a transmitting station to execute a process of transmitting wireless signals from a plurality of transmitting antennas toward a plurality of receiving antennas for providing received signals to a receiving station, the program comprising: the transmitting station has a beamforming function for varying an irradiation range of the wireless signal; A process of setting a plurality of weight candidates to be used in the beamforming; A process of setting a CP length for removing a propagation delay time difference superimposed on the received signal for each of the plurality of weight candidates; a process of estimating a transmission capacity achieved by the wireless signal using the weight candidate and the CP length set for the weight candidate; a process of transmitting beamformed radio signals from the plurality of transmitting antennas using a combination of the weight candidate and the CP length that maximizes the transmission capacity; It is preferable that the transmitting station includes a program for causing the transmitting station to execute the above.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration of a wireless communication system according to a first embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 2 is a block diagram for functionally explaining the configuration of the transmitting station shown in FIG. 1 .
  • FIG. 2 is a block diagram for functionally explaining the configuration of the receiving station shown in FIG. 1 .
  • FIG. 2 is a diagram for explaining basic functions of the transmitting station shown in FIG. 1 .
  • FIG. 10 is a diagram illustrating a state in which a signal not including a CP is transmitted with a propagation delay time.
  • 1 is a diagram showing how a signal including a CP is transmitted with a propagation delay time.
  • 3 is a diagram showing how the transmitting station shown in FIG. 2 transmits a signal to a narrow area by beamforming.
  • FIG. 3 is a diagram showing how the transmitting station shown in FIG. 2 transmits a signal over a wide area with beamforming.
  • 3 is a flowchart illustrating the flow of processing executed in the transmitting station shown in FIG. 2 .
  • 4 is a flowchart for explaining the flow of processing executed by the receiving antenna and the receiving station shown in FIG. 3 .
  • FIG. 1 is a diagram for explaining an example in which a technique for maximizing transmission capacity using beamforming is applied to wireless communication between a terrestrial base station and a wireless terminal.
  • the transmitting station 10 is equipped with multiple aerial antennas 12-1 to 12-Tx, as shown in the figure.
  • aerial antennas 12 function as both transmitting and receiving antennas.
  • the system of this embodiment includes an antenna unit 30 located on the ground.
  • the antenna unit 30 includes multiple ground antennas 32-1 to 32-Rx that are arranged over a wide area and spaced apart from one another. Hereinafter, these will be referred to as "ground antennas 32" with the subscripts omitted unless there is a need to distinguish between them.
  • the ground antenna 32 functions as both a transmitting antenna and a receiving antenna.
  • the system of this embodiment further includes a receiving station 40 installed on the ground.
  • the receiving station 40 is connected to all of the terrestrial antennas 32 via wired or wireless paths. Signals received by each of the terrestrial antennas 32 are collected at the receiving station 40 via the above-mentioned paths and processed at the receiving station 40.
  • FIG. 2 is a block diagram for functionally explaining the configuration of the transmitting station 10 shown in Figure 1.
  • the function of each block shown in Figure 2 may be implemented in circuitry or processing circuitry including a general-purpose processor programmed to achieve that function, an application-specific processor, an integrated circuit, an ASIC (Application Specific Integrated Circuits), a CPU (a Central Processing Unit), a conventional circuit, and/or a combination thereof.
  • a processor includes transistors and other circuits and is considered to be circuitry or processing circuitry.
  • a processor may also be a programmed processor that executes a program stored in a memory.
  • circuit refers to hardware that is programmed to implement a described function, or hardware that implements that function.
  • the hardware may be any hardware disclosed in this specification, or any hardware that is programmed to implement the described function, or that is known to execute such a program.
  • the circuitry is the combination of the hardware and the software used to configure the hardware and/or processor.
  • the information on the weight candidates calculated by the weight calculation unit 16 is provided to the CP length calculation unit 18.
  • the CP length calculation unit 18 performs the following process for each of the received weight candidates: (1) Estimate the propagation path by beamforming realized by the weight candidates; (2) Estimate the propagation delay time that occurs at each of the plurality of ground antennas 32 when that propagation path is used; (3) Calculate the CP length required to eliminate the influence of the propagation delay based on the propagation delay time profile (hereinafter referred to as the "delay profile").
  • the CP length calculated by the CP length calculation unit 18 is provided to the transmission capacity calculation unit 20.
  • the transmission capacity calculation unit 20 calculates the transmission capacity that can be secured between the astronomical antenna 12 and the terrestrial antenna 32.
  • the transmission capacity is determined primarily by the characteristics of the propagation path followed by the radio signal and the length of the CP incorporated in the radio signal. In other words, the transmission capacity is determined primarily by two factors: the beamforming weight and the CP length.
  • the CP length calculation unit 18 calculates the transmission capacity corresponding to each weight candidate based on a combination of the weight candidates calculated by the weight calculation unit 16 and the CP length calculated by the CP length calculation unit 18.
  • the calculation results of the transmission capacity calculation unit 20 are provided to the control information calculation unit 22.
  • the control information calculation unit 22 compares the multiple transmission capacities calculated for combinations of weight candidates and CP lengths, and determines the combination that results in the maximum transmission capacity.
  • the weight candidate and CP length information determined by the control information calculation unit 22 is provided to the transmission signal generation unit 24 and beamforming unit 26.
  • the transmission signal generation unit 24 performs serial-to-parallel conversion (S/P conversion), error correction, desired modulation processing, etc. to generate a signal for MIMO transmission. Furthermore, it generates a frame signal that incorporates a CP for each symbol so that the effects of propagation delay time can be eliminated on the receiving side.
  • the beamforming unit 26 performs beamforming using the weight candidates determined by the control information calculation unit 22. As a result, radio signals are transmitted from the multiple overhead antennas 12 in a manner that is expected to maximize propagation capacity.
  • Fig. 3 is a block diagram for functionally explaining the configuration of the receiving station 40 shown in Fig. 1.
  • the functions of the receiving station 40 shown in Fig. 3 may be implemented in a programmed general-purpose processor or the like, similar to the case of the transmitting station 10.
  • an antenna unit 30 including multiple ground antennas 32 is placed on the ground.
  • the ground antennas 32 are placed over a wide area and spaced apart from one another. By placing the ground antennas 32 at large distances from one another, multiple channels with low correlation are formed between the aerial antenna 12 and each of the ground antennas 32.
  • Each ground antenna 32 functions as a transmitting/receiving antenna, and upon receiving a radio signal from the aerial antenna 12, it transmits the signal to a transmitting/receiving unit 34-1 to 34-Rx (hereinafter referred to as a "transmitting/receiving unit 34" unless a distinction is necessary).
  • the transmitter/receiver units 34 each transmit the signal received from the corresponding terrestrial antenna 32 to the receiving station 40. This transmission is performed via wireless communication or wired communication such as RoF (Radio on Fiber) using optical fiber.
  • RoF Radio on Fiber
  • the receiving station 40 is equipped with receiving units 42-1 to 42-Rx (hereinafter referred to as “receiving units 42" unless a distinction is required) corresponding to each of the transmitting and receiving units 34.
  • the receiving units 42 output signals received from the transmitting and receiving units 34 of the antenna unit 30 to combining units 44-1 to 44-Nmix (hereinafter referred to as “combining units 44" unless a distinction is required).
  • combining units 44 When signals from the transmitting and receiving units 34 are transmitted via optical fiber, the receiving units 42 also convert the optical signals into electrical signals.
  • the combiner 44 combines signals transmitted from multiple receivers 42 without performing any processing such as synchronization to generate a pseudo-multipath signal.
  • This pseudo-multipath signal is a signal that interferes in the time domain by combining multiple signals with different propagation delay times.
  • the pseudo-multipath signals generated by each combiner 44 are provided to equalizers 46-1 to 46-Nmix (hereinafter referred to as "equalizer 46" unless a distinction is required).
  • the equalization unit 46 performs time/frequency equalization on the pseudo multipath signals provided by the synthesis unit 44.
  • the signals processed by the equalization unit 46 are collected in the MIMO demodulation unit 48.
  • the MIMO demodulation unit 48 performs MIMO equalization on the spatially multiplexed signals generated by the above processing, separating them.
  • FIGS. 4 is a diagram for explaining the basic functions of the transmitting station 10 in this embodiment. More specifically, the area on the right side of Fig. 4 shows how each of the astronomical antennas 12 transmits a radio signal so that the signal reaches all of the terrestrial antennas 32.
  • the area on the left side of Figure 4 shows an example of a delay profile that occurs under such circumstances. More specifically, the area on the left side of Figure 4 shows the relationship between the received power of the signals that, after being sent as described above, reach the combiner 44 via each of the terrestrial antennas 32, and the propagation delay time superimposed on them.
  • the terrestrial antenna 32-1 on the far left is the "short-distance antenna” with the shortest distance from the aerial antenna 12.
  • the terrestrial antenna 32-Rx on the far right is the "long-distance antenna” with the longest distance from the aerial antenna 12.
  • Signals that reach the combiner 44 via a short-distance antenna have high received power and a small propagation delay time.
  • signals that pass through a long-distance antenna have low received power and a large propagation delay time.
  • Figure 5A shows how four signals are propagated sequentially with delays. Each signal contains multiple symbols (i), (i+1), and (i+2) in succession. Signals such as those shown in Figure 5A arrive sequentially in time series at the combiner 44. If the combiner 44 simply combines these signals, interference will occur between the two different symbols near the symbol boundaries.
  • Figure 5B shows the signal shown in Figure 5A with a CP incorporated as a guard interval.
  • the CP is given a length (CP length) equivalent to the maximum propagation delay time between the four signals.
  • the CP has content that overlaps with part of the latter half of each symbol, and is incorporated at the beginning of that symbol. For example, a CP that overlaps with the latter half of symbol (i+1) is incorporated at the beginning of symbol (i+1).
  • the interference caused by propagation delay can be removed. Then, by combining the four signals while ignoring the CP, a combined signal that is not affected by propagation delay can be obtained.
  • the transmitting station 10 When the transmitting station 10 performs the broad transmission shown in Figure 4, the maximum propagation delay time difference between when terrestrial antenna 32-1 starts receiving and when terrestrial antenna 32-Rx starts receiving is the period during which symbol interference occurs between signals. Therefore, if a CP with the same length as the maximum propagation delay time difference is incorporated into the signals sent from each astronomical antenna 12, it is possible to eliminate the effects of propagation delay time. For this reason, the transmitting station 10 of this embodiment transmits signals incorporating a CP with such a length from each astronomical antenna 12. On the other hand, the combining unit 44 of the receiving station 40 generates a combined signal while ignoring the CP, thereby mitigating or eliminating the effects of propagation delay.
  • the CP is a portion that is ignored by the receiving station 40. Therefore, the longer the CP length, the lower the signal frame efficiency and the lower the propagation capacity that can be ensured between the transmitting station 10 and the receiving station 40. For this reason, in order to ensure a large propagation capacity, it is preferable that the CP length is as short as possible.
  • the transmitting station 10 can use its beamforming function to control the range over which signals are emitted from the aerial antenna 12. By narrowing the range of the aerial antenna 12 and allowing only some of the terrestrial antennas 32 to receive the signal, the difference in propagation delay between received signals can be reduced compared to when all of the terrestrial antennas 32 receive the signal.
  • Figure 6 shows the situation when the transmitting station 10 sets the beamforming (BF) weights so that the radiation range of the aerial antenna 12 is narrowed to three terrestrial antennas 32-1 to 32-3.
  • the maximum propagation delay difference between received signals is the time from when terrestrial antenna 32-1 begins reception to when terrestrial antenna 32-3 begins reception. Therefore, the CP length required to eliminate the effects of propagation delay is significantly shorter than in the case shown in Figure 4.
  • the frame efficiency of the radio signal increases, which is advantageous for ensuring transmission capacity in terms of the information density of the radio signal.
  • the radiation range of the radio signal is limited to shorten the CP length, fewer terrestrial antennas 32 are effectively used, resulting in reduced gain and increased channel correlation, which in turn degrades transmission capacity. For this reason, narrowing the radiation range and shortening the CP length does not necessarily result in a large transmission capacity.
  • Figure 7 shows a situation in which the transmitting station 10 sets the beamforming weights so as to obtain a wider irradiation range than the case shown in Figure 4.
  • the situation obtained is inferior to the situation shown in Figure 4 in terms of CP length, but is superior to the situation shown in Figure 4 in terms of reception area.
  • the narrower the irradiation range of the transmitting station 10 the easier it is to ensure transmission capacity in terms of CP length; conversely, the wider the irradiation range, the more terrestrial antennas 32 are in operation, making it easier to ensure transmission capacity.
  • the obtainable transmission capacity changes depending on the weights adopted and CP length set by the transmitting station 10 under the specific relative positional relationship between the multiple terrestrial antennas 32 and the transmitting station 10 and the specific channel conditions.
  • the transmission capacity is estimated for each of the weight candidates that can be adopted by the transmitting station 10, and the weight that will generate the maximum transmission capacity is determined based on a comparison of these.
  • the transmitting station 10 sets the CP length necessary to eliminate the effects of propagation delay when using the determined weight, and transmits the radio signal using that weight and CP length.
  • Flow of processing executed at the transmitting station] 8 is a flowchart illustrating the flow of processing executed in the transmitting station 10 to realize the above-described function.
  • first, channel information between the plurality of sky antennas 12 and the plurality of terrestrial antennas 32 is acquired (step 100).
  • the channel information can be acquired by a known method using, for example, pilot signals.
  • the weight candidates are determined, for example, by the following method.
  • (1) The specific relative positional relationship between the transmitting station 10 and the terrestrial antenna 32 is obtained.
  • (2) The transmitting station 10 extracts a combination of one or more terrestrial antennas 32 that can irradiate by beamforming.
  • (3) The weights corresponding to the extracted combinations are determined as weight candidates.
  • step 104 it is then determined whether calculation of transmission capacity has been completed for all weight candidates. If it is determined that calculation has been completed for all candidates, steps 106 to 111 are skipped and processing proceeds to step 112.
  • the weight candidate to be processed this time is identified. Then, the delay profile associated with beamforming using that candidate is estimated (step 106).
  • the transmitting station 10 is aware of its relative positional relationship with all terrestrial antennas 32. In step 106, the distance from the transmitting station 10 to each terrestrial antenna 32 is estimated based on this relative positional relationship. Furthermore, the propagation delay time occurring at each terrestrial antenna 32 is estimated based on these distances.
  • the CP length required to eliminate the effects of propagation delay is set based on the estimated delay profile (step 108). Specifically, the maximum propagation delay time included in the delay profile estimated in step 106 above is set as the CP length.
  • step 110 the transmission capacity obtained when the weight candidate currently being processed is adopted is calculated. Specifically, the transmission capacity obtained when a channel established by beamforming using the weight candidate being processed transmits a frame including the above CP length is calculated. Once this process is complete, the process of step 104 above is executed again.
  • the condition in step 104 above is met.
  • the maximum transmission capacity is then extracted from all of the calculated transmission capacities (step 112). Furthermore, the weight and CP length that result in the extracted maximum transmission capacity are determined as parameters to be used in wireless communication.
  • the transmitting station 10 generates signals to be transmitted from each of the astronomical antennas 12 using the determined weights and CP lengths (step 114). Then, after beamforming corresponding to the weights has been performed, radio signals are transmitted from the astronomical antennas 12 to the terrestrial antennas 32 using spatial multiplexing transmission (MIMO transmission) (step 116).
  • MIMO transmission spatial multiplexing transmission
  • FIG. 9 is a flowchart illustrating the flow of processing executed in the antenna unit 30 and the receiving station 40 to realize the above-described functions in this embodiment.
  • a radio signal is received by one or more terrestrial antennas 32 that are the target of irradiation by beamforming (step 120).
  • the signal received by the terrestrial antenna 32 is transmitted to the receiving station 40 via a wired or wireless path (step 122).
  • the multiple signals collected via the multiple receiving units 42 are combined in the combining unit 44.
  • the receiving station 40 Prior to this combination, the receiving station 40 is provided with CP length information from the transmitting station 10.
  • the transmitting station 10 may transmit this information, for example, prior to transmitting the radio signal, or may include it in the header of the radio signal.
  • the combining unit 44 combines the multiple collected signals based on the CP length information, ignoring any periods that overlap with the CP of the earliest signal. As a result, the combining unit 44 generates a pseudo-multipath signal (step 124).
  • the receiving station 40 performs equalization processing related to time and frequency (step 126).
  • MIMO demodulation is performed (step 128).
  • spatial multiplexing transmission is achieved between the transmitting station 10 and the receiving station 40.
  • the spatial multiplexing transmission achieved in this embodiment is carried out using a combination of weights and CP lengths determined to achieve the maximum transmission capacity in a real-world environment. Therefore, the wireless communication system of this embodiment can ensure a larger transmission capacity than when all terrestrial antennas 32 are always operated as receiving antennas and a fixed CP length is used.
  • FIG. 10 is a diagram illustrating a modification of the first embodiment of the present disclosure.
  • the system shown in Fig. 10 includes a base station 50 located on the ground and a terminal device 52 that establishes communication with the base station 50.
  • the base station 50 and the terminal device 52 are assumed to support MIMO communication.
  • the base station 50 is also assumed to have a beamforming function.
  • an NTN is assumed to use multiple terrestrial antennas 32 distributed over a wide area, but the present disclosure is not limited to this.
  • the method of setting the optimal CP length using the beamforming function may also be applied to a terrestrial mobile communication system such as that shown in FIG. 10.
  • the base station 50 can calculate the CP length required to eliminate propagation delay for each of the multiple weight candidates that can be used. It can also estimate the transmission capacity corresponding to each combination of weight candidate and CP length. Then, by adopting the combination of weight and CP length that produces the maximum transmission capacity, it is possible to ensure the maximum transmission capacity that conforms to actual conditions between the base station 50 and the terminal device 52, just as in the first embodiment.
  • Transmitting station 12 12-1 to 12-Tx Aerial antenna 16 Weight calculation unit 20 Transmission capacity calculation unit 22 Control information calculation unit 30 Antenna unit 32, 32-1 to 32-Rx Ground antenna 40 Receiving station 44, 44-1 to 44-Nmix Signal combination unit 46, 46-1 to 46-Nmix Signal equalization unit 48 MIMO demodulation unit 50 Base station 52 Terminal device

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Radio Transmission System (AREA)

Abstract

送信局１０はビームフォーミングの機能を有し、ビームフォーミングに用いるウェイト候補を複数設定する。ウェイト候補のそれぞれについて、受信アンテナ３２－１～３２－Rxの受信信号に重畳する伝搬遅延時間差を除去するためのCP長を設定する。ウェイト候補と、当該ウェイト候補について設定されたCP長とを用いる無線信号によって達成される伝送容量を推定する。伝送容量を最大とするウェイト候補とCP長の組み合わせ用いて複数の送信アンテナ１２－１～１２－Txからビームフォーミングが施された無線信号を送出する。受信局４０は、複数の受信アンテナ３２－１～３２－Rxの一部または全てに到達した受信信号に、CP長に基づく無視区間を設定する。無視区間を無視することで受信信号から伝搬遅延時間の影響を排除する。伝搬遅延時間の影響が排除された受信信号に時間/周波数等化とMIMO復調を施して無線信号を復元する。

Description

無線通信システム、無線通信装置、無線通信方法および無線通信用プログラム装置
　この開示は、無線通信システム、無線通信装置、無線通信方法および無線通信用プログラムに係り、特に、MIMOによる空間多重伝送の伝送容量を最大化するうえで好適な無線通信システム、無線通信装置、無線通信方法および無線通信用プログラムに関する。
　無線通信の分野では、複数の送信アンテナと複数の受信アンテナとを用いるMIMO（Multiple-Input and Multiple-Output）技術を用いた空間多重伝送が知られている。近年では、MIMOを用いた空間多重による伝送の大容量化が様々な領域で求められている。
　例えば、下記の非特許文献１が開示する非地上系ネットワーク（NTN：Non-Terrestrial Networks）を用いた無線通信では、地上モバイル端末の直接収容、モバイルバックホール、IoT端末収容等を含めた無線通信の様々な利用形態が想定される。このような無線通信のシステムでは、既存の衛星通信サービスと比較し伝送容量が増加することが想定される。そのため、衛星やHAPS（High Altitude Platform Station）等の上空プラットフォームと地上ゲートウェイ局（GW）の間を接続する回線（以下、「フィーダリンク」とする）の大容量化が求められている。
　フィーダリンクを大容量化する手法としては、例えば下記非特許文献２が、Massive MIMOを用いる手法を提案している。非特許文献２が開示するMassive MIMOでは、LEO（Low Earth Orbit）衛星等の上空プラットフォームに複数のアンテナが配置されると共に、多数の小型アンテナが広域に亘って地上に配置される。このような構成によれば、多数の送信アンテナと多数の受信アンテナを設置することで空間多重の数が増やせるため、伝送容量の拡大が期待できる。
　また、下記非特許文献３は、Massive MIMOを用いる無線通信に伴うMIMO復調を効率的に行う手法を開示している。Massive MIMOを用いる通信では、地上の受信アンテナが広域に亘って配置されるため、上空に配置される送信アンテナと、地上に配置される複数の受信アンテナとの距離に大きなバラツキが生ずる。無線信号の伝搬時間はその距離に比例するため、遠方の地上アンテナの受信信号には大きな伝搬遅延が重畳し易い。
　非特許文献３では、その遅延の影響を排除するため、上空の複数の送信アンテナから、個々のシンボルにCP（Cyclic Prefix）と呼ばれるGI（Guard Interval）を埋め込んだOFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplex）信号を送信する。CPは、個々のシンボルを構成する信号波の後半一部を切り取った信号波であり、その長さ（CP長）は、送受信アンテナ間の伝搬遅延時間の最大差に基づいて設定される。
　地上に配置された複数の受信アンテナは、それぞれの設置位置に応じた伝搬遅延時間を伴ってOFDM信号を受信する。非特許文献３では、個々の受信アンテナにより受信された信号は、地上局の合成器に集められる。一つの合成器に集まる複数の受信信号には、それぞれ異なる遅延が重畳しているが、非特許文献３の合成器は、それらの信号に含まれるCPを無視する。CPは、伝搬遅延時間の最大差に基づいて設定されているため、その区間が無視されると、伝搬遅延時間の影響を受けていない部分が残存する。このため、非特許文献３が提案する手法によれば、地上の合成器は、複数の受信アンテナの受信信号を、伝搬遅延時間の影響を排除した状態で合成することができる。
　非特許文献３では、以後、このようにして生成される合成信号に基づいて、MIMO復調のための等化処理が実行される。その結果、非特許文献３の手法では、Massive MIMOを用いた無線通信により、効率的に大容量の伝搬が実現される。
3GPP TR 38.821, Solutions for NR to Support Non-Terrestrial Networks (NTN) (Release 16)、V16.1.0、2021年5月 「超広域Massive MIMOシステムにおける階層型基地局構成の提案」、電子情報通信学会総合大会、B-3-5、立神 光洋、五藤 大介、糸川 喜代彦、山下 史洋、2023年3月 「大規模GWアンテナを利用する衛星MIMOにおけるOFDMを用いた復調方式の提案」、電子情報通信学会総合大会」、B-3-6、2024年3月
　しかしながら、非特許文献３が開示する上記の手法では、伝搬遅延時間の影響を排除するために、CP長を、常に伝搬遅延時間の最大差に設定しておく必要がある。CPは、シンボル毎に設ける必要があることから、CP長が長いほど、通信のフレーム効率が低下する。この点で、非特許文献３の手法は、伝搬容量の最大化に反する特性を有している。
　本開示は、上記の課題を解決するため、MIMOの実施に伴う伝搬遅延時間の影響を簡易な処理で排除しつつ伝搬容量の最大化を図ることのできる無線通信システムを提供することを第１の目的とする。
　また、本開示は、MIMOの実施に伴う伝搬遅延時間の影響を簡易な処理で排除しつつ伝搬容量の最大化を図ることのできる無線通信装置を提供することを第２の目的とする。
　また、本開示は、MIMOの実施に伴う伝搬遅延時間の影響を簡易な処理で排除しつつ伝搬容量の最大化を図るための無線通信方法を提供することを第３の目的とする。
　また、本開示は、MIMOの実施に伴う伝搬遅延時間の影響を簡易な処理で排除しつつ伝搬容量の最大化を図るための無線通信用プログラムを提供することを第４の目的とする。
　第１の態様は、複数の送信アンテナを用いて無線信号を送信する送信局と、複数の受信アンテナに到達した受信信号を集約して処理する受信局とを含む無線通信システムであって、
　前記送信局は、
　前記無線信号の照射範囲を可変とするビームフォーミングの機能を有し、
　前記ビームフォーミングに用いるウェイト候補を複数設定する処理と、
　前記複数のウェイト候補のそれぞれについて、前記受信信号に重畳する伝搬遅延時間差を除去するためのCP長を設定する処理と、
　前記ウェイト候補と、当該ウェイト候補について設定された前記CP長とを用いる前記無線信号によって達成される伝送容量を推定する処理と、
　前記伝送容量を最大とするウェイト候補とCP長の組み合わせ用いて前記複数の送信アンテナからビームフォーミングが施された無線信号を送出する処理と、を実行するように構成され、
　前記受信局は、
　前記複数の受信アンテナの一部または全てに到達した受信信号に、前記CP長に基づく無視区間を設定する処理と、
　前記無視区間を無視することで前記受信信号から伝搬遅延時間の影響を排除する処理と、
　前記伝搬遅延時間の影響が排除された前記受信信号に等化処理および空間多重伝送復調処理を施して前記無線信号を復元する処理と、を実行するように構成されていることが望ましい。
　また、第２の態様は、受信信号を受信局に提供するための複数の受信アンテナに向けて、複数の送信アンテナを用いて無線信号を送信する無線通信装置であって、
　前記無線信号の照射範囲を可変とするビームフォーミングの機能を有し、
　前記ビームフォーミングに用いるウェイト候補を複数設定する処理と、
　前記複数のウェイト候補のそれぞれについて、前記受信信号に重畳する伝搬遅延時間差を除去するためのCP長を設定する処理と、
　前記ウェイト候補と、当該ウェイト候補について設定された前記CP長とを用いる前記無線信号によって達成される伝送容量を推定する処理と、
　前記伝送容量を最大とするウェイト候補とCP長の組み合わせ用いて前記複数の送信アンテナからビームフォーミングが施された無線信号を送出する処理と、
　を実行するように構成されていることが望ましい。
　また、第３の態様は、複数の送信アンテナを用いて無線信号を送信する送信局と、前記無線信号を受信信号に変換する複数の受信アンテナとの間で空間多重伝送を実現するための無線通信方法であって、
　前記送信局は、前記無線信号の照射範囲を可変とするビームフォーミングの機能を有し、
　前記ビームフォーミングに用いるウェイト候補を複数設定するステップと、
　前記複数のウェイト候補のそれぞれについて、前記受信信号に重畳する伝搬遅延時間差を除去するためのCP長を設定するステップと、
　前記ウェイト候補と、当該ウェイト候補について設定された前記CP長とを用いる前記無線信号によって達成される伝送容量を推定するステップと、
　前記送信局が、前記伝送容量を最大とするウェイト候補とCP長の組み合わせ用いて前記複数の送信アンテナからビームフォーミングが施された無線信号を送出するステップと、
　前記複数の受信アンテナの一部または全てに到達した受信信号に、前記CP長に基づく無視区間を設定するステップと、
　前記無視区間を無視することで前記受信信号から伝搬遅延時間の影響を排除するステップと、
　前記伝搬遅延時間の影響が排除された前記受信信号に等化処理および空間多重伝送復調処理を施して前記無線信号を復元するステップと、
　を含むことが望ましい。
　また、第４の態様は、受信信号を受信局に提供するための複数の受信アンテナに向けて、複数の送信アンテナから無線信号を送信させる処理を送信局に実行させるためのコンピュータ読み取り可能な無線通信用プログラムであって、
　前記送信局は、前記無線信号の照射範囲を可変とするビームフォーミングの機能を有し、
　前記ビームフォーミングに用いるウェイト候補を複数設定させる処理と、
　前記複数のウェイト候補のそれぞれについて、前記受信信号に重畳する伝搬遅延時間差を除去するためのCP長を設定させる処理と、
　前記ウェイト候補と、当該ウェイト候補について設定された前記CP長とを用いる前記無線信号によって達成される伝送容量を推定させる処理と、
　前記伝送容量を最大とするウェイト候補とCP長の組み合わせ用いて前記複数の送信アンテナからビームフォーミングが施された無線信号を送出させる処理と、
　を前記送信局に実行させるプログラムを含むことが望ましい。
　第１乃至第４の態様によれば、MIMOの実施に伴う伝搬遅延時間の影響を簡易な処理で排除しつつ伝搬容量の最大化を図ることができる。
本開示の実施の形態１の無線通信システムの構成を説明するための図である。 図１に示す送信局の構成を機能的に説明するためのブロック図である。 図１に示す受信局の構成を機能的に説明するためのブロック図である。 図１に示す送信局の基本の機能を説明するための図である。 CPを含まない信号が伝搬遅延時間を伴って送信される様子を示す図である。 CPを含む信号が伝搬遅延時間を伴って送信される様子を示す図である。である。 図２に示す送信局がビームフォーミングにより狭域に信号を送信する様子を示す図である。 図２に示す送信局がビームフォーミングを伴って広域に信号を送信する様子を示す図である。 図２に示す送信局で実行される処理の流れを説明するためのフローチャートである。 図３に示す受信アンテナおよび受信局で実行される処理の流れを説明するためのフローチャートである。 ビームフォーミングを用いて伝送容量を最大化する手法を地上の基地局と無線端末との間の無線通信に適用する例を説明するための図である。
実施の形態１．
［実施の形態１の構成］
（全体構成）
　図１は本開示の実施の形態１の無線通信システムの構成を説明するための図である。図１に示すように、本実施形態のシステムは送信局１０を備えている。送信局１０は、GEO（Geostationary Orbit）衛星、LEO衛星、或いはHAPS等、NTNを構成するための上空プラットフォームに搭載される無線通信用の装置である。
　本実施形態において、送信局１０は、図示の通り、複数の上空アンテナ１２－１～１２－Txを備えている。以下、これらを区別する必要がない場合は、添え字の符号を省略して「上空アンテナ１２」と称す。上空アンテナ１２は、送信アンテナと受信アンテナの双方として機能する。
　本実施形態のシステムは、地上に配置されたアンテナ部３０を備えている。アンテナ部３０には、広範囲に亘り互いに十分に離間するように配置された複数の地上アンテナ３２－１～３２－Rxが含まれている。これらについても、相互に区別する必要がない場合は、添え字の符号を省略して、以下「地上アンテナ３２」と称す。地上アンテナ３２も、上空アンテナ１２と同様に送信アンテナと受信アンテナの双方として機能する。
　本実施形態のシステムは、更に、地上に設置された受信局４０を備えている。受信局４０は、有線または無線の経路を介して地上アンテナ３２の全てと接続されている。地上アンテナ３２のそれぞれで受信された信号は、上記の経路を介して受信局４０に集められ、受信局４０において処理される。
（送信局の詳細）
　図２は、図１に示す送信局１０の構成を機能的に説明するためのブロック図である。図２に示す各ブロックの機能は、当該機能を実現するようにプログラムされた汎用プロセッサ、特定用途プロセッサ、集積回路、ASICs (Application Specific Integrated Circuits)、CPU (a Central Processing Unit)、従来型の回路、および／又はそれらの組合せを含むcircuitry又はprocessing circuitryにおいて実装されてもよい。プロセッサは、トランジスタやその他の回路を含み、circuitry又はprocessing circuitryとみなされる。プロセッサは、メモリに格納されたプログラムを実行するprogrammed processorであってもよい。
　本明細書において、circuitry、「部」または「ユニット」または「手段」は、記載された機能を実現するようにプログラムされたハードウェア、又はその機能を実現するハードウェアである。当該ハードウェアは、本明細書に開示されているあらゆるハードウェア、または、当該記載された機能を実現するようにプログラムされた、または、そのプログラムを実行するものとして知られているあらゆるハードウェアであってもよい。
　当該ハードウェアがcircuitryのタイプであるとみなされるプロセッサである場合、当該circuitry、「部」または「ユニット」または「手段」は、ハードウェアと、当該ハードウェアおよび／またはプロセッサを構成するために用いられるソフトウェアの組合せである。
　図２に示すように、送信局１０は、チャネル情報取得部１４を備えている。チャネル情報取得部１４は、上空アンテナ１２と地上アンテナ３２との間に形成されるチャネルの情報を取得するための要素である。チャネル情報は、パイロット信号を用いる既知の方法、送信局１０および地上アンテナ３２の位置に基づく既知の方法、或いはシミュレーションに基づく既知の方法等、既知の任意の方法で取得することができる。
　チャネル情報取得部１４が取得したチャネル情報はウェイト算出部１６に提供される。送信局１０は、上空アンテナ１２のそれぞれから送出する信号に適当なウェイト処理を施すことにより、任意の方向に高出力の信号を送出するビームフォーミングを実施することができる。ウェイト算出部１６は、取得したチャネル情報に基づいて、任意のビームフォーミングを実現するウェイトを算出する。より具体的には、ウェイト算出部１６は、最適なビームフォーミングを決定する準備として、実現可能な複数のビームフォーミングのそれぞれに対応するウェイト候補を算出する。
　ウェイト算出部１６が算出したウェイト候補の情報は、CP長算出部１８に提供される。CP長算出部１８は、受け取ったウェイト候補のそれぞれに関して以下の処理を実行する：
　（１）ウェイト候補により実現されるビームフォーミングよる伝搬経路を推定する；
　（２）その伝搬経路が用いられた場合に、複数の地上アンテナ３２のそれぞれに生ずる伝搬遅延時間を推定する；
　（３）伝搬遅延時間のプロファイル（以下、「遅延プロファイル」とする）に基づいて伝搬遅延の影響を排除するのに必要なCP長を算出する。
　CP長算出部１８によって算出されたCP長は、伝送容量算出部２０に提供される。伝送容量算出部２０は、上空アンテナ１２と地上アンテナ３２との間に確保できる伝送容量を算出する。伝送容量は、主として、無線信号が辿る伝搬経路の特性と、無線信号に組み込まれるCPの長さにより決定される。つまり、伝送容量は、主として、ビームフォーミングのウェイトとCP長の二つの要素によって決定される。本実施形態において、CP長算出部１８は、ウェイト算出部１６が算出したウェイト候補と、CP長算出部１８が算出したCP長との組み合わせに基づき、ウェイト候補のそれぞれに対応する伝送容量を算出する。
　伝送容量算出部２０の算出結果は制御情報算出部２２に提供される。制御情報算出部２２は、ウェイト候補とCP長との組み合わせに対して算出された複数の伝送容量を比較して、最大の伝送容量を生じさせる組み合わせを決定する。
　制御情報算出部２２によって決定されたウェイト候補とCP長の情報は、送信信号生成部２４とビームフォーミング部２６に提供される。送信信号生成部２４は、直列並列変換（S/P変換）、誤り訂正、所望の変調処理等を実施してMIMO伝送のための信号を生成する。更に、受信側で伝搬遅延時間の影響が排除できるようにシンボル毎にCPを組み込んだフレーム信号を生成する。
　ビームフォーミング部２６は、制御情報算出部２２によって決定されたウェイト候補を用いたビームフォーミングを実施する。これにより、複数の上空アンテナ１２から、伝搬容量の最大化が期待できる状態で無線信号が送信される。
（受信局の詳細）
　図３は、図１に示す受信局４０の構成を機能的に説明するためのブロック図である。図３に示す受信局４０の機能は、送信局１０の場合と同様に、プログラムされた汎用プロセッサ等に実装されてもよい。
　本実施形態において、地上には、複数の地上アンテナ３２を含むアンテナ部３０が配置される。地上アンテナ３２は、互いに離間した状態で広範囲に亘って配置される。地上アンテナ３２が互いに大きく離間して配置されることで、上空アンテナ１２と個々の地上アンテナ３２との間には相関の低い複数チャネルが形成される。地上アンテナ３２は、それぞれ送受信アンテナとして機能し、上空アンテナ１２からの無線信号を受信すると、その信号を送受信部３４－１～３４－Rx（以下、区別の必要が無ければ「送受信部３４」とする）に伝送する。
　送受信部３４は、それぞれ、対応する地上アンテナ３２から受け取った信号を受信局４０に送信する。この送信は、無線通信、または光ファイバを用いるRoF（Radio on Fiber）等の有線通信により行われる。
　受信局４０は、送受信部３４のそれぞれに対応する受信部４２－１～４２－Rx（以下、区別の必要がなければ「受信部４２」とする）を備えている。受信部４２は、アンテナ部３０の送受信部３４から受け取った信号を合成部４４－１～４４－Nmix（以下、区別の必要がなければ「合成部４４」とする）へ出力する。送受信部３４からの信号が光ファイバを介して送信されてくる場合、受信部４２は、光信号を電気信号に変換する処理も行う。
　合成部４４は、複数の受信部４２から送信されてくる信号を、同期等の処理を施すことなく合成して疑似的なマルチパス信号を生成する。この疑似的なマルチパス信号は、伝搬遅延時間が異なる複数の信号が合成されることにより、時間領域で干渉した信号となる。個々の合成部４４で生成された疑似的なマルチパス信号は、等化部４６－１～４６－Nmix（以下、区別の必要がなければ「等化部４６」とする）に提供される。
　等化部４６は、合成部４４から提供された疑似的なマルチパス信号に、時間/周波数等化の処理を施す。等化部４６で処理された信号は、MIMO復調部４８に集められる。MIMO復調部４８は、上記の処理で生成される空間多重信号に対しMIMO等化の処理を施して、それらを分離する。
［実施の形態１の動作］
　以下、図４乃至図８を参照して本実施形態の無線通信システムの動作を説明する。
　図４は、本実施形態における送信局１０の基本機能を説明するための図である。より具体的には、図４右側の領域は、上空アンテナ１２のそれぞれが、地上アンテナ３２の全てに到達するように無線信号を送出している様子を示している。
　他方、図４左側の領域は、このような状況下で発生する遅延プロファイルの一例を示している。より具体的には、図４左側の領域は、上記のように送出された後、地上アンテナ３２のそれぞれを介して合成部４４に到達した信号の受信電力と、それらに重畳している伝搬遅延時間の関係を示している。
　図４に示す例では、左端の地上アンテナ３２－１が、上空アンテナ１２からの距離が最も短い「近距離アンテナ」となる。また、右端の地上アンテナ３２－Rxが、上空アンテナ１２からの距離が最も長い「遠距離アンテナ」となる。近距離アンテナを経由して合成部４４に到達する信号は、受信電力が大きく、かつ、小さな伝搬遅延時間を伴うものとなる。これに対して、遠距離アンテナを経由する信号は、受信電力が小さく、かつ、大きな伝搬遅延時間を伴うものとなる。
　図５Aは、四つの信号が、遅延を伴って順次伝搬される様子を示している。個々の信号には、複数のシンボル(i)、(i+1)、(i+2)が連続的に収められているものとする。合成部４４には、図５Aに示すような信号が時系列で順次到来する。合成部４４が、これらの信号を単純に合成すると、シンボルの境界付近では、二つの異なるシンボルに干渉が生ずる。
　図５Bは、図５Aに示す信号にガードインターバルとしてCPが組み込まれた様子を示している。CPには、四つの信号間に生ずる最大の伝搬遅延時間に相当する長さ（CP長）が与えられている。CPは、個々のシンボルの後半一部と重なる内容を有し、当該シンボルの先頭に組み込まれる。例えば、シンボル(i+1)の先頭には、当該シンボル(i+1)の後半と重複するCPが組み込まれる。
　四つの信号のうち最も先行する信号に付されたCPをガードインターバルとして無視すると、伝搬遅延に起因する干渉部分が除去できる。そして、CPを無視して四つの信号を合成すれば、伝搬遅延の影響を受けていない合成信号を得ることができる。
　再び図４を参照して説明を続ける。送信局１０が図４に示すブロードな送信を実施する場合、地上アンテナ３２－１が受信を開始してから、地上アンテナ３２－Rxが受信を開始するまでの最大伝搬遅延時間差が、信号間にシンボル干渉を生じさせる期間となる。従って、個々の上空アンテナ１２から送出される信号に、その最大伝搬遅延時間差と同じ長さを持つCPを組み込めば伝搬遅延時間の影響を排除することが可能である。このため、本実施形態の送信局１０は、このような長さを持つCPを組み込んだ信号を上空アンテナ１２のそれぞれから送出する。他方、受信局４０の合成部４４は、CPを無視して合成信号を生成することで伝搬遅延の影響を緩和または排除する。
［ビームフォーミングの導入］
　CPは、上記の通り受信局４０において無視される部分である。従って、CP長が長いほど、信号のフレーム効率は低下し、送信局１０と受信局４０との間に確保できる伝搬容量が低下する。このため、大きな伝搬容量を確保するためにはCP長は短いほど好ましい。
　ここで、本実施形態の送信局１０は、ビームフォーミングの機能により、上空アンテナ１２から信号を照射する範囲を制御することができる。そして、上空アンテナ１２の照射範囲を狭めて一部の地上アンテナ３２にだけ信号を受信させれば、地上アンテナ３２の全てが信号を受信する場合に比して、受信信号間の伝搬遅延差を小さくすることができる。
　図６は、上空アンテナ１２の照射範囲が三台の地上アンテナ３２－１～３２－３に絞られるように、送信局１０がビームフォーミング（BF）のウェイトを設定した場合の様子を示している。この場合、受信信号間に生ずる最大の伝搬遅延差は、地上アンテナ３２－１が受信を開始してから、地上アンテナ３２－３が受信を開始するまでの時間となる。このため、伝搬遅延の影響を排除するために必要なCP長は、図４に示す場合に比して大幅に短縮される。
　必要なCP長が短くなれば、無線信号のフレーム効率が上昇するため、無線信号の情報密度の点では伝送容量の確保に有利な状況となる。一方で、CP長を短くするために無線信号の照射範囲を限定すれば、有効活用される地上アンテナ３２が減って利得の低下やチャネル相関の上昇が生じ、その影響で伝送容量が劣化する。このため、照射範囲を狭めてCP長を短くすれば大きな伝送容量が得られるものでもない。
　図７は、図４に示す場合に比して広い照射範囲が得られるように送信局１０がビームフォーミングのウェイトを設定した場合の様子を示している。このようなウェイトを設定すれば、CP長の面では図４に示す状況に劣るが、受信エリアの面では図４に示す状況に優れる状況が得られる。
　以上説明した通り、本実施形態のシステムは、送信局１０の照射範囲を絞るほどCP長の観点で伝送容量が確保し易い状態となり、他方、照射範囲を広げるほど稼働する地上アンテナ３２が増えて伝送容量が確保し易い状態となる。つまり、本実施形態のシステムでは、複数の地上アンテナ３２と送信局１０との具体的な相対的位置関係および具体的なチャネル状態の下で、送信局１０がどのようなウェイトを採用してどのようなCP長を設定するかに応じて、得られる伝送容量に変化が生ずる。
　そこで、本実施形態では、送信局１０で採用し得るウェイト候補のそれぞれについて伝送容量を試算し、それらの比較に基づいて、最大の伝送容量を発生させるウェイトを決定することとした。そして、送信局１０は、決定されたウェイトを用いるにあたって伝搬遅延の影響排除に必要なCP長を設定し、そのウェイトとCP長を用いて無線信号を送信する。
［送信局で実行される処理の流れ］
　図８は、上記の機能を実現するために送信局１０において実行される処理の流れを説明するためのフローチャートである。図８に示すルーチンでは、先ず、複数の上空アンテナ１２と複数の地上アンテナ３２との間のチャネル情報が取得される（ステップ１００）。チャネル情報は、例えば、パイロット信号を用いた既知の手法で取得することができる。
　次に、ビームフォーミングのウェイト候補が算出される（ステップ１０２）。本ステップ１０２では、例えば、以下のような手法でウェイト候補が決定される。
（１）送信局１０と地上アンテナ３２との具体的な相対的位置関係を取得する。
（２）送信局１０がビームフォーミングによって照射可能な１台以上の地上アンテナ３２の組み合わせを抽出する。
（３）抽出された組み合わせのそれぞれに対応するウェイトをウェイト候補として決定する。
　上記の処理が終わると、次に、全てのウェイト候補について伝送容量の算出が終わっているかが判別される（ステップ１０４）。その結果、全候補についての算出終了が認められればステップ１０６～１１１がジャンプされ、次にステップ１１２の処理が実行される。
　一方、全候補についての算出終了が認められない場合は、今回の処理対象とするウェイト候補が特定される。そして、その候補を用いたビームフォーミングに伴う遅延プロファイルが推定される（ステップ１０６）。送信局１０は、全ての地上アンテナ３２との相対的な位置関係を把握している。本ステップ１０６では、その相対的な位置関係に基づき、送信局１０から個々の地上アンテナ３２までの距離が推定される。更に、それらの距離に基づいて個々の地上アンテナ３２に生ずる伝搬遅延時間が推定される。
　上記の処理が終わると、次に、推定された遅延プロファイルに基づいて、伝搬遅延の影響排除に必要なCP長が設定される（ステップ１０８）。ここでは、具体的には、上記ステップ１０６で推定した遅延プロファイルに含まれる最大の伝搬遅延時間がCP長として設定される。
　次に、今回の処理対象としたウェイト候補を採用した場合に得られる伝送容量が算出される（ステップ１１０）。具体的には、ここでは、処理対象のウェイト候補によるビームフォーミングで確立されるチャネルが、上記のCP長を含むフレームを伝送した場合に得られる伝送容量が算出される。この処理が終わると、上記ステップ１０４の処理が再び実行される。
　全てのウェイト候補について伝送容量が算出されると、上記ステップ１０４の条件が成立する。この場合、次に、算出済みの全ての伝送容量の中から最大の伝送容量が抽出される（ステップ１１２）。更に、抽出された最大伝送容量を生じさせるウェイトとCP長が、無線通信に用いるパラメータとして決定される。
　以後、送信局１０では、決定されたウェイトとCP長を用いて上空アンテナ１２のそれぞれから送信する信号が生成される（ステップ１１４）。そして、上記ウェイトに対応するビームフォーミングが施された状態で、空間多重伝送（MIMO伝送）の手法により、上空アンテナ１２から地上アンテナ３２に向けて無線信号が送出される（ステップ１１６）。
［アンテナ部および受信局で実行される処理の流れ］
　図９は、本実施形態において、上記の機能を実現するためにアンテナ部３０および受信局４０において実行される処理の流れを説明するためのフローチャートである。図９に示すルーチンでは、先ず、ビームフォーミングの照射対象とされた一つ以上の地上アンテナ３２により無線信号が受信される（ステップ１２０）。
　次に、地上アンテナ３２で受信された信号が、有線または無線の経路を介して受信局４０に伝送される（ステップ１２２）。
　受信局４０では、複数の受信部４２を経由して集まった複数の信号が合成部４４において合成される。受信局４０には、その合成に先立ってCP長の情報が送信局１０から提供されている。送信局１０はその情報を、例えば、無線信号の送信に先立って送信してもよいし、無線信号のヘッダに含めて送信してもよい。合成部４４は、CP長の情報に基づいて最先信号のCPと重なる期間を無視したうえで、集まった複数の信号を合成する。これにより合成部４４では、疑似的なマルチパス信号が生成される（ステップ１２４）。
　以後、受信局４０では、時間と周波数に関する等化処理が実行される（ステップ１２６）。次いで、MIMO復調が実行される（ステップ１２８）。以上の処理により、送信局１０と受信局４０との間での空間多重伝送が実現される。
　本実施形態で実現される空間多重伝送は、現実の環境下で最大の伝送容量を実現するものとして決定されたウェイトとCP長の組み合わせを用いて実施される。このため、本実施形態の無線通信システムによれば、全ての地上アンテナ３２を常に受信アンテナとして稼働させることとして固定値のCP長を用いる場合に比して、大きな伝送容量を確保することができる。
［実施の形態１の変形例］
　図１０は、本開示の実施の形態１の変形例を説明するための図である。図１０に示すシステムは、地上に配置される基地局５０と、基地局５０との通信を確立する端末装置５２を含んでいる。基地局５０および端末装置５２は、MIMO通信に対応しているものとする。また、基地局５０はビームフォーミングの機能を備えているものとする。
　上述した実施の形態１では、広域に分散配置される複数の地上アンテナ３２を用いるNTNを想定しているが、本開示はこれに限定されるものではない。ビームフォーミングの機能を用いて最適なCP長を設定する手法は、図１０に示すような、地上に配置される移動通信システムに適用してもよい。
　すなわち、図１０に示すような無線通信システムでは、基地局５０が広指向のビームフォーミングを行うと、端末装置５２に到達するマルチパス信号に大きな伝搬遅延差が生じ易い。他方、基地局５０が狭指向のビームフォーミングを行うと、端末装置５２に到達するマルチパス信号に重畳する伝搬遅延差は小さくなる。そして、広指向のビームフォーミングで形成されるチャネルと狭指向のビームフォーミングで形成されるチャネルは、それぞれ異なる伝送容量を生じさせることがある。
　このため、図１０に示す変形例において、基地局５０は、採用できる複数のウェイト候補のそれぞれについて伝搬遅延を排除するのに必要なCP長を計算することができる。また、それぞれのウェイト候補とCP長に組み合わせに対応する伝送容量を推定することができる。そして、最大の伝送容量を生じさせるウェイトとCP長の組み合わせを採用することで、基地局５０と端末装置５２との間に、実施の形態１の場合と同様に、現実の状況に則した最大の伝送容量を確保することができる。
　尚、図１０に示す変形例では、マルチパス伝搬の過程で複数の経路が無線区間において合成される。このため、実施の形態１において受信局４０に搭載した合成部４４の機能は、必ずしも変形例の端末装置５２に搭載する必要はない。
１０　送信局
１２、１２－１～１２－Tx　上空アンテナ
１６　ウェイト算出部
２０　伝送容量算出部
２２　制御情報算出部
３０　アンテナ部
３２、３２－１～３２－Rx　地上アンテナ
４０　受信局
４４、４４－１～４４－Nmix　信号合成部
４６、４６－１～４６－Nmix　信号等化部
４８　MIMO復調部
５０　基地局
５２　端末装置

Claims (4)

  1. 　複数の送信アンテナを用いて無線信号を送信する送信局と、複数の受信アンテナに到達した受信信号を集約して処理する受信局とを含む無線通信システムであって、
    　前記送信局は、
    　前記無線信号の照射範囲を可変とするビームフォーミングの機能を有し、
    　前記ビームフォーミングに用いるウェイト候補を複数設定する処理と、
    　前記複数のウェイト候補のそれぞれについて、前記受信信号に重畳する伝搬遅延時間差を除去するためのCP長を設定する処理と、
    　前記ウェイト候補と、当該ウェイト候補について設定された前記CP長とを用いる前記無線信号によって達成される伝送容量を推定する処理と、
    　前記伝送容量を最大とするウェイト候補とCP長の組み合わせ用いて前記複数の送信アンテナからビームフォーミングが施された無線信号を送出する処理と、を実行するように構成され、
    　前記受信局は、
    　前記複数の受信アンテナの一部または全てに到達した受信信号に、前記CP長に基づく無視区間を設定する処理と、
    　前記無視区間を無視することで前記受信信号から伝搬遅延時間の影響を排除する処理と、
    　前記伝搬遅延時間の影響が排除された前記受信信号に等化処理および空間多重伝送復調処理を施して前記無線信号を復元する処理と、を実行するように構成された
    　無線通信システム。
  2. 　受信信号を受信局に提供するための複数の受信アンテナに向けて、複数の送信アンテナを用いて無線信号を送信する無線通信装置であって、
    　前記無線信号の照射範囲を可変とするビームフォーミングの機能を有し、
    　前記ビームフォーミングに用いるウェイト候補を複数設定する処理と、
    　前記複数のウェイト候補のそれぞれについて、前記受信信号に重畳する伝搬遅延時間差を除去するためのCP長を設定する処理と、
    　前記ウェイト候補と、当該ウェイト候補について設定された前記CP長とを用いる前記無線信号によって達成される伝送容量を推定する処理と、
    　前記伝送容量を最大とするウェイト候補とCP長の組み合わせ用いて前記複数の送信アンテナからビームフォーミングが施された無線信号を送出する処理と、
    　を実行するように構成された無線通信装置。
  3. 　複数の送信アンテナを用いて無線信号を送信する送信局と、前記無線信号を受信信号に変換する複数の受信アンテナとの間で空間多重伝送を実現するための無線通信方法であって、
    　前記送信局は、前記無線信号の照射範囲を可変とするビームフォーミングの機能を有し、
    　前記ビームフォーミングに用いるウェイト候補を複数設定するステップと、
    　前記複数のウェイト候補のそれぞれについて、前記受信信号に重畳する伝搬遅延時間差を除去するためのCP長を設定するステップと、
    　前記ウェイト候補と、当該ウェイト候補について設定された前記CP長とを用いる前記無線信号によって達成される伝送容量を推定するステップと、
    　前記送信局が、前記伝送容量を最大とするウェイト候補とCP長の組み合わせ用いて前記複数の送信アンテナからビームフォーミングが施された無線信号を送出するステップと、
    　前記複数の受信アンテナの一部または全てに到達した受信信号に、前記CP長に基づく無視区間を設定するステップと、
    　前記無視区間を無視することで前記受信信号から伝搬遅延時間の影響を排除するステップと、
    　前記伝搬遅延時間の影響が排除された前記受信信号に等化処理および空間多重伝送復調処理を施して前記無線信号を復元するステップと、
    　を含む無線通信方法。
  4. 　受信信号を受信局に提供するための複数の受信アンテナに向けて、複数の送信アンテナから無線信号を送信させる処理を送信局に実行させるためのコンピュータ読み取り可能な無線通信用プログラムであって、
    　前記送信局は、前記無線信号の照射範囲を可変とするビームフォーミングの機能を有し、
    　前記ビームフォーミングに用いるウェイト候補を複数設定させる処理と、
    　前記複数のウェイト候補のそれぞれについて、前記受信信号に重畳する伝搬遅延時間差を除去するためのCP長を設定させる処理と、
    　前記ウェイト候補と、当該ウェイト候補について設定された前記CP長とを用いる前記無線信号によって達成される伝送容量を推定させる処理と、
    　前記伝送容量を最大とするウェイト候補とCP長の組み合わせ用いて前記複数の送信アンテナからビームフォーミングが施された無線信号を送出させる処理と、
    　を前記送信局に実行させるプログラムを含む無線通信用プログラム。
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