JP2011019101A - 送信指向性制御装置及び送信指向性制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の通信セルが独立に動作するような環境でも、干渉信号を受信する際の情報のみで、他セルの干渉に与えることなく、ＳＤＭＡ−ＯＦＤＭを効率的に実現することができる送信指向性制御装置と送信指向性制御方法を提供する。
【解決手段】アクセスポイント装置と通信を行っている端末に対する空間分割多重アクセスを実現するための第１の送信ウエイトをサブキャリア単位で形成し、アクセスポイント装置と通信を行っていない端末に対しては、直交周波数分割多重における逆フーリエ変換後の信号に対して、端末からのみの信号を入力情報として端末に信号が到来しない第２の送信ウエイトを形成し、第１の送信ウエイトは、第２の送信ウエイトが決定された後、第２の送信ウエイトを考慮してアクセスポイント装置と端末の間で得られるチャネル応答行列を用いて決定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＳＤＭＡ（Spatial Division Multiplexing）−ＯＦＤＭ（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）を効率的に実現する送信指向性制御装置及び送信指向性制御方法に関する。

近年、携帯電話や無線ＬＡＮシステムにおいて、限られた周波数帯域で１００Ｍｂｐｓ〜１Ｇｂｐｓ程度の超高速無線通信を実現するための検討が行われている。このような無線通信システムを実現するためには、周波数、時間、符号を端末毎に分割するだけでなく、空間領域を用いた技術により周波数利用効率を向上させながら、伝送速度を改善するための検討を行う必要がある。そのための技術としては、ＭＩＭＯ（Multiple-Input Multiple-Output）−ＯＦＤＭ（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）技術が近年非常に注目を集めている。このＭＩＭＯ技術とは、送信局側において複数の送信アンテナから同一チャネル上で異なる独立な信号を送信し、受信局側において同じく複数のアンテナを用いて信号を受信し、各送信アンテナ／受信アンテナ間の伝達関数行列を求め、この行列を用いて送信局側で各アンテナから送信した独立な信号を推定し、データを再生するものである。ＯＦＤＭとＭＩＭＯを組み合わせるためには、サブキャリア単位でＭＩＭＯ信号処理を実現すればよい。ＭＩＭＯ技術を用いた理論的な最大伝送容量Ｃは（１）式で求めることができる（例えば、非特許文献１参照）。

（１）式において、ρは信号対雑音電力比、Ｍは送信アンテナ素子数、Ｉ_Ｎは、受信素子数Ｎ×Ｎの単位行列である。また、Ｈは、送信アンテナと受信アンテナ間の伝搬チャネル応答を表す伝達関数行列であり、（２）式で記述することができる。

ここでｈ_ｉｊはｉ番目の送信アンテナからｊ番目の受信アンテナへの伝搬路のチャネル応答である。

ところで、ＭＩＭＯ技術で得られる通信容量は、送受信の両方のアンテナ素子数に比例して増大することが知られている。アクセスポイントのアンテナは比較的ハードウェアの制約が少ないため、素子数を増加させることが許容できるが、小型の端末を考えた場合、多数のアンテナ素子を配置することができない。

この問題を解消するための技術として、マルチユーザＭＩＭＯ（Multi User−ＭＩＭＯ）技術が提案されている。マルチユーザＭＩＭＯは、ＳＤＭＡ（Spatial Division Multiplexing）とも呼ばれる。ＭＵ−ＭＩＭＯやＳＤＭＡについては、非特許文献２などに開示されている。ＳＤＭＡでは、アクセスポイント側に多数のアンテナ素子を持たせ、端末側は比較的少数の素子を持たせ、アクセスポイントと複数の端末とで同時に仮想的なＭＩＭＯチャネルを形成する。ここで、アクセスポイントと同時接続する総端末数をＮ、アクセスポイントのアンテナ数をＭとすると、理想的には（１）式で得られるチャネル容量を得ることが可能である。

したがって、マルチユーザＭＩＭＯは、小型の端末を考えた場合もトータルのシステムの通信容量を増大させることができる技術として注目されている。ＳＤＭＡの送信機をＯＦＤＭに適用した場合の構成を図１３示す。図１３において、送信ウエイト形成部５と送信ウエイト計算部８を除くデータ生成部１、誤り訂正部２、インターリーバ３、変調部４、ＩＦＦＴ（Inversed Fast Fourier Transform）部６、ＧＩ（Guard Interval）付加部７及びＮ個のアンテナ９は、従来のＯＦＤＭ変調器と同等である（例えば、非特許文献３参照）。また、ＯＦＤＭでは、送受のチャネル情報をサブキャリア毎に得るため、（２）式をサブキャリア単位で得ることになり、サブキャリア毎に送信ウエイトを決定する。送信ウエイトの決定方法はさまざまな手法が提案されているが、非特許文献２に示す方法がよく知られている方法である。

大鐘「ＭＩＭＯシステムの基礎と要素技術」アンテナ・伝播における設計・解析手法ワークショップ、Ｗ２９、３０」 Q.H.Spencer et.al, IEEE Trans.Sig.Processing, vol.52、 no.2, Feb.2004 改定３版８０２．１１高速無線ＬＡＮ教科書、第４章、８８−９７頁

しかしながら、前述したＳＤＭＡ技術では、以下のような問題を有している。図１４に示すように、一般に、無線通信システムでは、複数（図１４においては２つ）のアクセスポイント（ＡＰ；Access Point）ＡＰ１、ＡＰ２がそれぞれのサービスエリアを有するマルチセル環境であり、自セル（アクセスポイントＡＰ１がサービスをするエリア）内の端末からだけではなく、周辺セル（アクセスポイントＡＰ２がサービスをするエリア）からの信号が干渉として到来する。さらに、多数のアクセスポイントが一定エリア内に多数設置されると、この問題は大きくなる。

図１４に示す例は、アクセスポイントＡＰ２がＳＤＭＡを行う場合のダウンリンク伝送において、アクセスポイントＡＰ２から端末１−１への干渉を示している。図１４では、アクセスポイントＡＰ２が端末２−１と端末２−２に対しＳＤＭＡを行う場合、ＳＤＭＡでは、これら両方の端末２−１、２−２にお互いに干渉が届かないようにアクセスポイントＡＰ２側で指向性を形成して送信する。しかし、アクセスポイントＡＰ１と通信している端末１−１については注目しないため、図１４のように端末１−１がアクセスポイントＡＰ１のサービスエリアの端付近に位置すると、端末２−１と端末２−２に送信する信号が端末１−１に干渉として到達してしまう。

一般にＳＤＭＡ技術は、このような複数アクセスポイントが存在する環境ではなく、屋内無線ＬＡＮやホットスポットのような環境で用いられることが想定されており、いわゆるシングルセル環境で評価されてきたが、実際の環境では複数のアクセスポイントが同一周波数で動作する環境を想定する必要があり、この場合は、他セルからの干渉がＳＤＭＡの伝送の特性を劣化させるという問題がある。

従来技術では、干渉除去をおこなうために、受信側では、アレーアンテナのアンテナ毎の振幅と位相を制御することで他セルからの干渉を除去することができる。送信側では、受信側で得たアレーアンテナの振幅・位相値を用いることで、他セルへの回避することも可能である。ＭＩＭＯおよびマルチユーザＭＩＭＯ技術では、複数の信号を受信側で分離する処理が行われており、複数の信号を分離する技術を干渉信号除去にいかすことができる。この方法として、ＺＦ（Zero Forcing）法やＭＭＳＥ（Minimum Mean Square）法などが一般によく知られている（非特許文献１参照）。これら方法を使う場合には、受信側で干渉信号における予め定められた既知信号（トレーニング信号）を正しく推定するか、干渉信号に対する伝搬チャネル推定を行う必要がある。

しかしながら、アクセスポイントＡＰ１の通信セルと、アクセスポイントＡＰ２の通信セルは独立に動作しており、干渉信号がどのようなタイミングで到来するかはアクセスポイントＡＰ２側のアクセスポイントと端末は推定することが困難であるため、既知信号の推定や干渉信号の伝搬チャネル推定を行うことは困難であるという問題がある。ＯＦＤＭへの適用を考えると、図１３に示す従来の構成では、サブキャリア単位でウエイトを計算し形成する必要があるが、このためには、受信側で所望信号と干渉信号のＦＦＴタイミングが一致している必要があり、図１３に示す送信ウエイト計算部８と送信ウエイト形成部５では、他セルからの干渉に対応できないという問題がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、複数の通信セルが独立に動作するような環境でも、干渉信号を受信する際の情報のみで、他セルの干渉に与えることなく、ＳＤＭＡ−ＯＦＤＭを効率的に実現することができる送信指向性制御装置と送信指向性制御方法を提供することを目的とする。

本発明は、複数のアンテナと該アンテナと同数の送信機を具備する直交周波数分割多重通信方式と空間分割多重アクセス方式を組み合わせたアクセスポイント装置の送信指向性を制御する送信指向性制御装置であって、前記アクセスポイント装置と通信を行っている端末に対する空間分割多重アクセスを実現するための第１の送信ウエイトをサブキャリア単位で形成し、前記アクセスポイント装置と通信を行っていない端末に対しては、直交周波数分割多重における逆フーリエ変換後の信号に対して、前記端末からのみの信号を入力情報として前記端末に信号が到来しない第２の送信ウエイトを形成し、前記第１の送信ウエイトは、前記第２の送信ウエイトが決定された後、前記第２の送信ウエイトを考慮して前記アクセスポイント装置と前記端末の間で得られるチャネル応答行列を用いて決定することを特徴とする。

本発明は、前記第１の送信ウエイトを求めるために、前記アクセスポイント装置と前記端末の間で得られるチャネル応答行列を用いて前記第１の送信ウエイトを計算する第１の送信ウエイト計算部と、前記第１の送信ウエイト計算部で決定した信号を、前記直交周波数分割多重通信方式の変調信号出力をサブキャリアと送信データ数単位で重みづけを行う第１の送信ウエイト形成部とを備え、前記第２の送信ウエイトを求めるために、前記アクセスポイント装置と通信を行っていない端末の信号を受信し、前記受信信号の相関行列の逆行列と全要素が０以外となる任意のベクトルの乗算により前記第２の送信ウエイトを求めることを特徴とする。

本発明は、複数のアンテナと該アンテナと同数の送信機を具備する直交周波数分割多重通信方式と空間分割多重アクセス方式を組み合わせたアクセスポイント装置の送信指向性を制御する送信指向性制御装置における送信指向性制御方法であって、送信ウエイト計算結果の値をすべて１とし、前記アクセスポイント装置は自セル内の端末からチャネル情報を取得する第１のステップと、前記アクセスポイント装置と前記端末間の信号対雑音電力比を測定する第２のステップと、自セル内の端末のみが一定時間の間、送信しないための禁止信号を前記アクセスポイント装置から端末へ送信する第３のステップと、前記一定時間の間、他セルからの信号を受信し、干渉電力を推定する第４のステップと、前記干渉電力より、信号電力と、干渉と雑音を加えた電力との電力比の値を求める第５のステップと、前記端末の中で前記電力比の値の最小値がしきい値以下となる場合は、干渉除去を実現するウエイト値を計算し、該ウエイト値を受信した信号に対して与える第６のステップと、前記電力比の値の最小値が前記しきい値以上となる場合は、前記ウエイト値をすべて１に設定する第７のステップと、前記アクセスポイント装置が前記ウエイト値を用いて、自セル内の端末からチャネル情報を取得する第８のステップと、前記チャネル情報から前記空間分割多重アクセス方式用の送信ウエイト値を計算し、該ウエイト値を与える第９のステップとを有することを特徴とする。

本発明は、複数のアンテナと該アンテナと同数の送信機を具備する直交周波数分割多重通信方式と空間分割多重アクセス方式を組み合わせたアクセスポイント装置の送信指向性を制御する送信指向性制御装置における送信指向性制御方法であって、前記アクセスポイント装置が、ウエイト値をすべて１として自セル内の端末からチャネル情報を取得する第１のステップと、前記アクセスポイント装置と端末間の信号対雑音電力比を測定する第２のステップと、自セル内のアクセスポイント装置または端末から信号を受信可能なアクセスポイント装置または端末に対して一定期間信号が送信できないようにする制御信号を送信する第３のステップと、前記一定期間に、送信禁止されているアクセスポイント装置または端末以外の干渉電力を推定する第４のステップと、前記干渉電力より、信号電力と、干渉と雑音を加えた電力との電力比の値を求める第５のステップと、前記端末の中で前記電力比の値の最小値がしきい値以下となる場合は、干渉除去を実現するウエイト値を計算し、該ウエイト値を受信した信号に対して与える第６のステップと、前記電力比の値の最小値がしきい値以上となる場合は、前記ウエイト値をすべて１に設定する第７のステップと、前記アクセスポイント装置が、前記ウエイト値を用いて、前記送信禁止となったアクセスポイント装置または端末からチャネル情報を取得する第８のステップと、前記自セル以外のアクセスポイント装置または端末からのチャネル情報から干渉除去用の送信ウエイト値を計算する第９のステップと、前記送信ウエイト値を自セルのアクセスポイント装置または端末のチャネル情報に乗算する第１０のステップと、ＳＤＭＡ用の送信ウエイト値を計算し、該ウエイト値を前記送信ウエイト値を乗算した信号に対して与える第１１のステップとを有することを特徴とする。

本発明は、他のセルが従来システムであり、伝搬チャネル情報を取得するためのアクセスポイント装置とのやりとりができない場合は、前記第８のステップ、第９のステップ、第１０のステップ、第１１のステップに代えて、干渉除去を実現するウエイト値を計算し、該ウエイト値を受信した信号に対して与える第１２のステップと、前記アクセスポイント装置が前記ウエイト値を用いて、自セル内の端末からチャネル情報を取得する第１３のステップと、前記チャネル情報から前記空間分割多重アクセス方式用の送信ウエイト値を計算し、該ウエイト値を与える第１４のステップとを行うことを特徴とする。

本発明は、前記第１のステップから前記第９のステップを開始する前に、前記アクセスポイント装置の送信電力を上昇させる第１０のステップと、前記第１のステップから前記第９のステップを実行した後に、得られた干渉信号数が前記アクセスポイント装置のアンテナ数を超える場合に、前記アクセスポイント装置の送信電力を低減させ、得られた干渉信号数が前記アクセスポイント装置のアンテナ数を超え無い場合に、前記アクセスポイント装置の送信電力を上昇させる第１１のステップとをさらに有することを特徴とする。

本発明は、前記第１のステップから前記第１１のステップを開始する前に、前記アクセスポイント装置の送信電力を上昇させる第１２のステップと、前記第１のステップから前記第１１のステップを実行した後に、得られた干渉信号数が前記アクセスポイント装置のアンテナ数を超える場合に、前記アクセスポイント装置の送信電力を低減させ、得られた干渉信号数が前記アクセスポイント装置のアンテナ数を超え無い場合に、前記アクセスポイント装置の送信電力を上昇させる第１３のステップとをさらに有することを特徴とする。

本発明は、前記干渉除去を実現するウエイト値は、前記アクセスポイント装置と通信を行っていない端末の信号を受信し、前記受信信号の相関行列の逆行列と全要素が０以外となる任意のベクトルの乗算により求めることを特徴とする。

本発明によれば、他セルのシステムが従来のシステムであって、隣のセルに本発明の装置が具備されていないような状態であったとしても、本発明により、従来システムに対して干渉を受けたり、与えるたりすることなく他セルからの干渉の影響があっても良好な通信を実現することができる。また、自セル内の信号が干渉信号のみである区間の間、干渉信号を端末が測定すれば、複数のアンテナを有する端末に対しても適用できる。また、干渉信号のみを受信する機構を従来の無線ＬＡＮの制御信号で実現できるため従来システムとの親和性も高いという効果が得られる。

本発明の第１の実施形態の構成を示すブロック図である。 送信ウエイト計算部１１と送信ウエイト形成部１０と入出力の関係を示す図である。 図１に示す送信指向性制御装置の送信動作を示すフローチャートである。 通信セルがオーバーラップする場合を示す図である。 第２の実施形態における送信指向性制御装置の動作を示すフローチャートである。 第３の実施形態における送信指向性制御装置の動作を示すフローチャートである。 第４の実施形態における送信指向性制御装置の動作を示す図である。 第４の実施形態における送信指向性制御装置の動作を示す図である。 第４の実施形態における送信指向性制御装置の動作を示す図である。 第４の実施形態における送信指向性制御装置の動作を示す図である。 第４の実施形態における送信指向性制御装置の動作を示す図である。 第４の実施形態における送信指向性制御装置の動作を示す図である。 ＳＤＭＡをＯＦＤＭに適用した場合の構成を示すブロック図である。 従来技術の問題点を示す図である。

＜第１の実施形態＞
以下、図面を参照して、本発明の第１の実施形態による送信指向性制御装置を説明する。図１は同実施形態の構成を示すブロック図である。この図において、図１３に示す従来の装置と同一の部分には同一の符号を付し、その説明を省略する。この図に示す装置が図１３に示す装置と異なる点は、送信ウエイト形成部５に加えて、新たな送信ウエイト形成部１０と、送信ウエイト計算部８に加えて、新たな送信ウエイト計算部１１が設けられている点である。ＩＦＦＴ部６とＧＩ付加部７によりＩＦＦＴ（Inversed Fast Fourier Transform）とＧＩ（Guard Interval）付加後のいわゆる時系列の信号が、送信ウエイトを形成する送信ウエイト形成部１０の入力となり、ここでウエイトを与えるため計算を送信ウエイト計算部１１が行う。

また、図１に示すように、送信ウエイト形成部５では、送信データストリーム（＝＜アンテナ数以下）×ＯＦＤＭのサブキャリア数だけウエイトを求める必要があるのに対し、送信ウエイト形成部１０ではアンテナ数分のウエイトを必要とし、送信ウエイト形成部５よりも求める必要があるウエイト数が少ない。また、送信ウエイト計算部８は、受信側で入力を推定したアクセスポイントと自セル内の端末間の伝搬チャネル応答とし、ＯＦＤＭのサブキャリア単位で送信ウエイトを計算する。これに対し、他セルの干渉信号の既知信号区間の位置を推定することが難しいため、干渉信号のチャネル推定が難しくなる。また、干渉信号が存在する場合、自セルのアクセスポイントと端末間のチャネル推定がうまく機能しないため、送信ウエイト計算部８が正しく動作しない。そこで、本発明では、送信ウエイト計算部１１で予め干渉信号のみを受信し、干渉信号を低減する送信指向性を形成する。また、送信ウエイト計算部１１では、干渉波の受信信号のみを入力とし、受信信号の相関行列のみで干渉波を除去する構成となっており、干渉信号の既知信号の推定やタイミングの推定や、干渉信号に対するチャネルの推定を必要としないことが特徴である。さらに、送信ウエイト計算部１１で計算したウエイトを送信ウエイト形成部１０で反映させることで、他セルからの干渉が除去・回避された形で、自セルの端末に対してはチャネル推定が可能となる。

図２に、送信ウエイト計算部１１と送信ウエイト形成部１０と入出力の関係を示す。図２に示すように、受信機１〜Ｎに入力された受信信号ｘ_１，ｘ_２，・・・，ｘ_Ｎ∈Ｃ（Ｃは複素数）をメモリ１２に一旦記憶し、これらを送信ウエイト計算部１１に入力する。送信ウエイト計算部１１では（３）式により受信信号の相関行列Ｒ_ＸＸを求める。

ここで、Ｘは受信信号ベクトル（Ｎｘ１：Ｎはアンテナ数）を表し、上添え字Ｈ、Ｔはそれぞれ複素共役転置と転置を表している。

次に、送信ウエイトをＲ_ＸＸの逆行列を用いて、（４）式により計算して与える。

ここで、ＷはＮｘ１のベクトルを表し、Ｐは拘束ベクトルである。Ｐはすべての要素が０でなければどのようなベクトルを与えてもよい。

この方法では、干渉信号の受信信号のみの情報を必要とするだけなので、送信信号の相関行列のみで干渉波を除去する構成となっており、干渉信号の既知信号の推定やタイミングの推定やチャネルの推定を必要としない。最後に、求めたウエイトと送信信号を乗算器により乗算する。よって、この演算を予め求めることができれば、他セルからの干渉を回避することができるとともに、自セル内のＳＤＭＡ用の送信ウエイトを決定するためのチャネル推定を実現することが可能となる。

送信ウエイト計算部１１のウエイト制御の目的は、他セルからの干渉低減を目的としているため、干渉波に変化がなければ、自セル内の通信する端末が変わったとしてもウエイトの更新は行わない。すなわち、送信ウエイト計算部１１の制御間隔は、送信ウエイト計算部８の制御間隔よりも同程度以上の周期で行われる。干渉信号の変化は、（３）式で求められた結果を所定の時間間隔で比較し、その類似度が低くなった場合、送信ウエイト計算部１１のウエイト計算を改めて行えばよい。

図１、図２に示す送信指向性制御装置を実際に実現するには、干渉信号のみを受信し、これを送信ウエイト計算部１１の入力とする必要がある。ここで、図１に示す送信指向性制御装置の送信動作について図３を参照して説明する。図３は、図１に示す送信指向性制御装置の送信動作を示すフローチャートである。まず、他セルからの干渉信号のみを受信するため、自セル内の端末のみが一定時間の間、送信を行わないようにするための禁止信号をアクセスポイントから端末へ送信する（ステップＳ１）。例えば、図４において、端末１−１への干渉信号を回避する場合、端末２−１、端末２−２及びアクセスポイントＡＰ２が送信を停止することになる。このように、アクセスポイント及び端末に送信停止のための信号を送るための処理動作は無線ＬＡＮシステムなどでは実際に導入されている技術であるが、本発明においては、自セル内に存在する端末のみが送信を停止するための制御信号を送ることが特徴である。この動作により、図４に示すアクセスポイントＡＰ２と端末２−１、端末２−２はアクセスポイントＡＰ１と端末１−１からの干渉信号を受けることができる。またステップＳ１ではある一定区間の間送信を停止するように端末に指示を与える。

次に、ステップＳ１で指定した時間の間、他セルからの信号を受信し、干渉電力を推定する（ステップＳ２）。図４に示す例の場合、アクセスポイントＡＰ１からの干渉電力は小さく、端末１−１はサービスエリアの端に存在するため、端末１−１からの干渉電力は大きくなる。

次に、干渉電力が問題になるか否かを判定するしきい値αを設け、干渉電力がαより大きいか否かを判定する（ステップＳ３）。図４に示す例においては、干渉電力が大きくなる端末１−１からの干渉が問題になるとして判定されることになる。

この判定の結果、干渉電力がしきい値αより大きい場合、送信ウエイト計算部１１を動作させ、ステップＳ２において受信した信号に対して、送信ウエイト計算部１１により干渉除去を実現するウエイトを計算し、求めたウエイト値を送信ウエイト形成部１０により与える（ステップＳ４）。送信ウエイトの計算は図２に示す方法を使用する。

一方、干渉電力がしきい値αより小さく、干渉が問題にならないと判定した場合、送信ウエイト形成部１０は求めるべきウエイトをすべて１に設定する（ステップＳ５）。すなわち、この場合は、送信ウエイト形成部１０をスルーすることと等価となる。

次に、ステップＳ４、Ｓ５において設定された送信ウエイト計算部１１が求めたウエイト値を用いて、アクセスポイントは自セル内の端末からチャネル情報を取得する（ステップＳ６）。この状態では、他セルへ問題となる干渉を回避しながら自セル内にチャネル推定のための信号のやりとりを行うことができる。

次に、送信ウエイト計算部８を用いて、ステップＳ６において得られたチャネル情報からＳＤＭＡ用の送信ウエイトを計算し、送信ウエイト形成部５により求めたウエイト値を与える（ステップＳ７）。この処理動作は従来のＳＤＭＡの送信指向性制御法を用いればよいが、ＳＤＭＡを行う際には、（アンテナ数−干渉信号数）以下を、空間多重数とする必要がある。

＜第２の実施形態＞
次に、図５を参照して、本発明の第２の実施形態による送信指向性制御装置を説明する。図５は、第２の実施形態における送信指向性制御装置の動作を示すフローチャートである。図５に示す処理動作は、基本的な動作は図３に示す処理動作と同じであるが、自セル内の端末とアクセスポイント間の通信品質を求めておくことが図３に示す処理動作と異なる。図３に示す処理動作においては、干渉電力のしきい値を求める場合、自セルのサービスエリア端とアクセスポイント付近との間で所望信号の電力が異なり、干渉電力のしきい値が与える影響は大きく異なる。よって、所望信号の電力を推定しておけば、端末の位置に関係なく問題となる干渉信号を推定することができる。

まず、送信ウエイト計算部１１が出力するウエイト値をすべて１とし、アクセスポイントは自セル内の端末からチャネル情報を取得する（ステップＳ１１）。この場合、端末からの信号はチャネル推定した信号ではなく、干渉信号を推定するときと同じように受信信号でもよい。

次に、アクセスポイントと端末間の信号対雑音電力比であるＳＮＲ（Signal to Noise power Ratio）を測定する（ステップＳ１２）。続いて、他セルからの干渉信号のみを受信するため、自セル内の端末のみが一定時間の間、送信を行わないようにするための禁止信号をアクセスポイントから端末へ送信する（ステップＳ１３）。

次に、ステップＳ１３で指定した時間の間、他セルからの信号を受信し、干渉電力を推定する（ステップＳ１４）。次に、所望信号電力／（干渉信号電力＋雑音電力）であるＳＩＮＲ（Signal to Interference plus Noise power Ratio）を求め、求めたＳＩＮＲの値が予め所望信号電力が考慮されて決められているしきい値βより小さいか否かを判定する（ステップＳ１５）。この判定の結果、ＳＩＮＲがしきい値βより小さい場合、送信ウエイト計算部１１を動作させ、ステップＳ１４において受信した信号に対して、送信ウエイト計算部１１により干渉除去を実現するウエイトを計算し、求めたウエイト値を送信ウエイト形成部１０により与える（ステップＳ１６）。

一方、ＳＩＮＲがしきい値βより大きい場合、送信ウエイト形成部１０は求めるべきウエイトをすべて１に設定する（ステップＳ１７）。すなわち、この場合は、送信ウエイト形成部１０をスルーすることと等価となる。

次に、設定された送信ウエイト計算部１１のウエイト値を用いて、アクセスポイントは自セル内の端末からチャネル情報を取得する（ステップＳ１８）。この状態では、他セルへ問題となる干渉を回避しながら自セル内にチャネル推定のための信号のやりとりを行うことができる。続いて、送信ウエイト計算部８を用いて、ステップＳ１８において得られたチャネル情報からＳＤＭＡ用の送信ウエイトを計算し、送信ウエイト形成部５により求めたウエイト値を与える（ステップＳ１９）。

＜第３の実施形態＞
以上説明した処理動作では、自セルの通信セルを止めて干渉を取り出すことを想定していたが、実際は、図４に示すように通信セルがさらにオーバーラップする可能性もある。具体的には、図４の場合では、アクセスポイントＡＰ２にとっては、干渉源を端末１−１だけ見なせばよかったが、アクセスポイントＡＰ１からの干渉も問題となる。このような環境では、干渉電力はかなり多くなるため、反対にチャネル推定することも可能となってくる。もし干渉信号のチャネルを推定できる場合は、図１に示す送信ウエイト計算部８を用いて干渉信号を除去するウエイトを計算した方が精度よく干渉信号を回避することが可能となる。第３の実施形態による方法は、従来の無線ＬＡＮのプロトコルを使用することで、このような環境に対して良好に動作させるためのものである。まず、前提として、無線ＬＡＮにおいてアクセス制御を行う場合の標準規格では、各局がＣＴＳ（Clear to Send）という信号を送り、このＣＴＳ信号を受信可能なアクセスポイント及び端末にすべてＮＡＶ（Network Allocation Vector）というある一定期間だけ送信を禁止するための機能がある。

以下、図６を参照して、無線ＬＡＮにおいてアクセス制御を行う場合の標準規格を適用したアクセス制御機能を利用した処理動作を説明する。図６は、第３の実施形態における送信指向性制御装置の動作を示すフローチャートである。まず、送信ウエイト計算部１１が出力するウエイト値をすべて１とし、アクセスポイントは自セル内の端末からチャネル情報を取得する（ステップＳ１１）。この場合、端末からの信号はチャネル推定した信号ではなく、干渉信号を推定するときと同じように受信信号でもよい。次に、アクセスポイントＡＰと端末間の信号対雑音電力比であるＳＮＲ（Signal to Noise power Ratio）を測定する（ステップＳ１２）。

次に、アクセスポイントからＣＴＳ信号送信を用いることで、自セル内だけではなくＣＴＳ信号を受信できるすべてのアクセスポイント及び端末が送信しないようにする（ステップＳ２１）。このような処理は無線ＬＡＮのＩＥＥＥ８０２．１１ａ、ｎのアクセス制御をそのまま利用できる利点もある。

次に、ステップＳ２１で指定した時間内に、ＣＴＳ信号で送信禁止されているアクセスポイント及び端末以外からの干渉電力を推定する（ステップＳ２２）。続いて、所望信号電力／（干渉信号電力＋雑音電力）であるＳＩＮＲ（Signal to Interference plus Noise power Ratio）を求め、求めたＳＩＮＲの値が予め所望信号電力が考慮されて決められているしきい値βより小さいか否かを判定する（ステップＳ１５）。この判定の結果、ＳＩＮＲがしきい値βより小さい場合、送信ウエイト計算部１１を動作させ、ステップＳ１４において受信した信号に対して、送信ウエイト計算部１１により干渉除去を実現するウエイトを計算し、求めたウエイト値を送信ウエイト形成部１０により与える（ステップＳ１６）。一方、ＳＩＮＲがしきい値βより大きい場合、送信ウエイト形成部１０は求めるべきウエイトをすべて１に設定する（ステップＳ１７）。

次に、ステップＳ１６、Ｓ１７において設定された送信ウエイト計算部１１の値を用いて、アクセスポイントはステップＳ２１で送信禁止となったアクセスポイント及び端末からチャネル情報を取得する（ステップＳ２３）。すなわち、精度の比較的高い信号のチャネル情報のみ取得していることになる。続いて、送信ウエイト計算部８を用いて、ステップＳ２３により得られた、自セル以外の局からのチャネル情報から干渉除去用の送信ウエイトを計算する（ステップＳ２４）。先の例とは異なり、伝搬チャネル情報が取得できるような状態ではサブキャリア単位で干渉所除去を行った方が精度よく干渉回避ができる。

次に、送信ウエイト計算部８を用いて、ステップＳ２４において得られた送信ウエイトを自セルのアクセスポイント及び端末のチャネル情報に乗算し、修正されたチャネル情報ｈ’を得る（ステップＳ２５）。端末が１素子でアクセスポイントがＮ素子ある場合において、ある端末に対するチャネル情報をｈとし、ステップＳ２４において得た干渉情報をＷとし、これらをサブキャリア数分だけ（５）式により計算する。なお、（５）式において「・」はベクトルの内積を表している。

次に、この乗算した信号に対してＳＤＭＡ用の送信ウエイトを計算し、求めたウエイト値を送信ウエイト形成部５により与える（ステップＳ２６）。図６に示す処理動作のステップＳ２３において、他セルのアクセスポイント及び端末が従来システムであり、チャネル情報を取得するためのアクセスポイントＡＰ２とのやりとりができない場合があるが、この場合は、図６に示すステップＳ２３以降は、図５のステップＳ１６、Ｓ１８、Ｓ１９を行うようにする。すなわち、この場合は、他セルからの信号は、図５で説明した方法を行うことで、チャネル情報に関するやりとりができなくても干渉回避を実現することができる。

＜第４の実施形態＞
これまでの説明は、すべてアクセスポイントが送信する電力は予め規定されたものであったが、端末がサービスエリア端に存在する場合に送信電力制御ができると端末の伝送レートを向上させることができる。ただし、他セルへの干渉が増大する。第４の実施形態は、このような問題を解決するためのものである。図７〜図１２は、第４の実施形態における送信指向性制御装置の動作を示す図である。

図７〜図１０に第３の実施形態における送信指向性制御装置の動作を示す。図７〜図１０において、アクセスポイントをＡＰ１またはＡＰ２と称する。図１１は図５の処理動作に送信電力制御動作を組み合わせた場合の動作を示すフローチャートである。図１２は図６の処理動作に送信電力制御を組み合わせた場合の動作を示すフローチャートである。図１１と図１２の違いは、図３に示す処理動作を用いるか、図６に示す処理動作を用いるかの違いであり、本質的には変わらない。したがって、ここでは、図７〜１０と、図１１を参照して動作の説明を行う。

まず、図７＜Ｓｔｅｐ１＞ではアクセスポイントＡＰ１は端末１−１と通信を開始しようとする状態にある。アクセスポイントＡＰ２はすでに２つの端末２−１、２−２とＳＤＭＡが実現できている。一方、端末１−１はアクセスポイントＡＰ１と通信ができるものの、サービスエリア端に存在しているために伝送レートが著しく低くなっている。そこで、図１１に示すように、サービスエリア端にいる端末１−１の伝送レートを向上させるために、アクセスポイントＡＰ１の送信電力をあげる（ステップＳ３１）。

次に、この状態であると、図８の＜Ｓｔｅｐ２＞に示すように隣のサービスエリアとの干渉が問題となる。すなわち、端末１−１はアクセスポイントＡＰ１からの受信感度は向上するが、アクセスポイントＡＰ２との間で干渉が発生し、伝送レートを向上させることができない。また、端末２−１とアクセスポイントＡＰ１との間でも干渉が発生する。

そこで、図９＜Ｓｔｅｐ３＞と図１１に示すように、前述した図５に示す指向性制御を動作させ（ステップＳ１１〜Ｓ１９）、送信電力上昇を停止する（ステップＳ３３）。こうすることで、アクセスポイントＡＰ１は送信電力を下げることなく、かつ端末１−１は伝送レートを下げることなく通信を行うことができる。また、アクセスポイントＡＰ２への通信にも支障は生じない。

そして、さらに新たに設置されるアクセスポイントＡＰ３が存在し（図１０＜Ｓｔｅｐ４＞）、これにより干渉が増えた場合、問題となる干渉数がアンテナ数を超えると、干渉を十分に避けることができなくなる。よって、図１１に示すように、他セルの干渉数がアンテナ数を超えるか否かを判定し（ステップＳ３４）、超える場合はアクセスポイントＡＰ１の送信電力を下げる（ステップＳ３５）。さらに、図５に示す処理動作を間に挟んで、他セルの干渉数がアンテナ数を超えない場合はアクセスポイントＡＰ１の送信電力を上げ、他セルの干渉数がアンテナ数を超える場合はアクセスポイントＡＰ１の送信電力を下げることで、干渉量を考慮しながら端末へはできるだけ高い伝送レートを供給することができる。なお、図１２に示す処理動作についても前述した処理動作と同様である。

アクセスポイントならびにこれと通信する複数の端末で構成される複数のセルが近接すると、セル間の干渉が発生するので、その回避をする必要がある。従来のＳＤＭＡ技術では、同一の周波数チャネルを複数の無線セルで共用するケースは考慮していないため、このようなセルが近接する環境下では伝送特性が劣化するという問題があった。一方、ＯＦＤＭ（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）は、多数のサブキャリアに信号をのせるデジタル変調方式の一種であり、一般に、送信時において各サブキャリアに対するウエイトの形成が必要となる。ＳＤＭＡの変調方式にＯＦＤＭを適用する場合においても、従来技術として、図１３に示す構成をアクセスポイント装置に設けることが知られていた。本発明では、ＳＤＭＡの変調方式にＯＦＤＭを適用するＳＤＭＡ−ＯＦＤＭにおいて、近接する他セルとの無線波干渉を回避するために、第二の送信ウエイト形成部１０をアクセスポイント装置内に設け、この送信ウエイト形成部１０においては、他セルからの干渉信号のみの情報を元に、セル間の干渉を回避するように決定されたウエイトの値をウエイト形成する。このウエイトの値は、これまでのようなサブキャリアごとではなくサブキャリア共通で決定される値となっている。これにより、ＳＤＭＡの複数セルが存在する環境下において、セル間の干渉を回避することが可能となる。

なお、図１に示す送信ウエイト形成部１０、送信ウエイト計算部１１の機能を実現するためのプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行することにより送信指向性制御処理を行ってもよい。なお、ここでいう「コンピュータシステム」とは、ＯＳや周辺機器等のハードウェアを含むものとする。また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ、ＣＤ−ＲＯＭ等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。さらに「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線を介してプログラムが送信された場合のサーバやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリ（ＲＡＭ）のように、一定時間プログラムを保持しているものも含むものとする。

また、上記プログラムは、このプログラムを記憶装置等に格納したコンピュータシステムから、伝送媒体を介して、あるいは、伝送媒体中の伝送波により他のコンピュータシステムに伝送されてもよい。ここで、プログラムを伝送する「伝送媒体」は、インターネット等のネットワーク（通信網）や電話回線等の通信回線（通信線）のように情報を伝送する機能を有する媒体のことをいう。また、上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであってもよい。さらに、前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるもの、いわゆる差分ファイル（差分プログラム）であってもよい。

ＳＤＭＡ（Spatial Division Multiplexing）−ＯＦＤＭ（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）を効率的に実現することが不可欠な用途に適用できる。

１・・・データ形成部、２・・・誤り訂正部、３・・・インターリーバ、４・・・変調部、５・・・送信ウエイト形成部、６・・・ＩＦＦＴ部、７・・・ＧＩ付加部、８・・・送信ウエイト計算部、９・・・アンテナ、１０・・・送信ウエイト形成部、１１・・・送信ウエイト計算部、ＡＰ１、ＡＰ２、ＡＰ３・・・アクセスポイント

Claims (8)

1. 複数のアンテナと該アンテナと同数の送信機を具備する直交周波数分割多重通信方式と空間分割多重アクセス方式を組み合わせたアクセスポイント装置の送信指向性を制御する送信指向性制御装置であって、
   前記アクセスポイント装置と通信を行っている端末に対する空間分割多重アクセスを実現するための第１の送信ウエイトをサブキャリア単位で形成し、
   前記アクセスポイント装置と通信を行っていない端末に対しては、直交周波数分割多重における逆フーリエ変換後の信号に対して、前記端末からのみの信号を入力情報として前記端末に信号が到来しない第２の送信ウエイトを形成し、
   前記第１の送信ウエイトは、前記第２の送信ウエイトが決定された後、前記第２の送信ウエイトを考慮して前記アクセスポイント装置と前記端末の間で得られるチャネル応答行列を用いて決定することを特徴とする送信指向性制御装置。
2. 前記第１の送信ウエイトを求めるために、前記アクセスポイント装置と前記端末の間で得られるチャネル応答行列を用いて前記第１の送信ウエイトを計算する第１の送信ウエイト計算部と、
   前記第１の送信ウエイト計算部で決定した信号を、前記直交周波数分割多重通信方式の変調信号出力をサブキャリアと送信データ数単位で重みづけを行う第１の送信ウエイト形成部とを備え、
   前記第２の送信ウエイトを求めるために、前記アクセスポイント装置と通信を行っていない端末の信号を受信し、前記受信信号の相関行列の逆行列と全要素が０以外となる任意のベクトルの乗算により前記第２の送信ウエイトを求めることを特徴とする請求項１に記載の送信指向性制御装置。
3. 複数のアンテナと該アンテナと同数の送信機を具備する直交周波数分割多重通信方式と空間分割多重アクセス方式を組み合わせたアクセスポイント装置の送信指向性を制御する送信指向性制御装置における送信指向性制御方法であって、
   送信ウエイト計算結果の値をすべて１とし、前記アクセスポイント装置は自セル内の端末からチャネル情報を取得する第１のステップと、
   前記アクセスポイント装置と前記端末間の信号対雑音電力比を測定する第２のステップと、
   自セル内の端末のみが一定時間の間、送信しないための禁止信号を前記アクセスポイント装置から端末へ送信する第３のステップと、
   前記一定時間の間、他セルからの信号を受信し、干渉電力を推定する第４のステップと、
   前記干渉電力より、信号電力と、干渉と雑音を加えた電力との電力比の値を求める第５のステップと、
   前記端末の中で前記電力比の値の最小値がしきい値以下となる場合は、干渉除去を実現するウエイト値を計算し、該ウエイト値を受信した信号に対して与える第６のステップと、
   前記電力比の値の最小値が前記しきい値以上となる場合は、前記ウエイト値をすべて１に設定する第７のステップと、
   前記アクセスポイント装置が前記ウエイト値を用いて、自セル内の端末からチャネル情報を取得する第８のステップと、
   前記チャネル情報から前記空間分割多重アクセス方式用の送信ウエイト値を計算し、該ウエイト値を与える第９のステップと
   を有することを特徴とする送信指向性制御方法。
4. 複数のアンテナと該アンテナと同数の送信機を具備する直交周波数分割多重通信方式と空間分割多重アクセス方式を組み合わせたアクセスポイント装置の送信指向性を制御する送信指向性制御装置における送信指向性制御方法であって、
   前記アクセスポイント装置が、ウエイト値をすべて１として自セル内の端末からチャネル情報を取得する第１のステップと、
   前記アクセスポイント装置と端末間の信号対雑音電力比を測定する第２のステップと、
   自セル内のアクセスポイント装置または端末から信号を受信可能なアクセスポイント装置または端末に対して一定期間信号が送信できないようにする制御信号を送信する第３のステップと、
   前記一定期間に、送信禁止されているアクセスポイント装置または端末以外の干渉電力を推定する第４のステップと、
   前記干渉電力より、信号電力と、干渉と雑音を加えた電力との電力比の値を求める第５のステップと、
   前記端末の中で前記電力比の値の最小値がしきい値以下となる場合は、干渉除去を実現するウエイト値を計算し、該ウエイト値を受信した信号に対して与える第６のステップと、
   前記電力比の値の最小値がしきい値以上となる場合は、前記ウエイト値をすべて１に設定する第７のステップと、
   前記アクセスポイント装置が、前記ウエイト値を用いて、前記送信禁止となったアクセスポイント装置または端末からチャネル情報を取得する第８のステップと、
   前記自セル以外のアクセスポイント装置または端末からのチャネル情報から干渉除去用の送信ウエイト値を計算する第９のステップと、
   前記送信ウエイト値を自セルのアクセスポイント装置または端末のチャネル情報に乗算する第１０のステップと、
   ＳＤＭＡ用の送信ウエイト値を計算し、該ウエイト値を前記送信ウエイト値を乗算した信号に対して与える第１１のステップと
   を有することを特徴とする送信指向性制御方法。
5. 他のセルが従来システムであり、伝搬チャネル情報を取得するためのアクセスポイント装置とのやりとりができない場合は、前記第８のステップ、第９のステップ、第１０のステップ、第１１のステップに代えて、
   干渉除去を実現するウエイト値を計算し、該ウエイト値を受信した信号に対して与える第１２のステップと、
   前記アクセスポイント装置が前記ウエイト値を用いて、自セル内の端末からチャネル情報を取得する第１３のステップと、
   前記チャネル情報から前記空間分割多重アクセス方式用の送信ウエイト値を計算し、該ウエイト値を与える第１４のステップと
   を行うことを特徴とする請求項４に記載の送信指向性制御方法。
6. 前記第１のステップから前記第９のステップを開始する前に、前記アクセスポイント装置の送信電力を上昇させる第１０のステップと、
   前記第１のステップから前記第９のステップを実行した後に、得られた干渉信号数が前記アクセスポイント装置のアンテナ数を超える場合に、前記アクセスポイント装置の送信電力を低減させ、得られた干渉信号数が前記アクセスポイント装置のアンテナ数を超え無い場合に、前記アクセスポイント装置の送信電力を上昇させる第１１のステップと
   をさらに有することを特徴とする請求項３に記載の送信指向性制御方法。
7. 前記第１のステップから前記第１１のステップを開始する前に、前記アクセスポイント装置の送信電力を上昇させる第１２のステップと、
   前記第１のステップから前記第１１のステップを実行した後に、得られた干渉信号数が前記アクセスポイント装置のアンテナ数を超える場合に、前記アクセスポイント装置の送信電力を低減させ、得られた干渉信号数が前記アクセスポイント装置のアンテナ数を超え無い場合に、前記アクセスポイント装置の送信電力を上昇させる第１３のステップと
   をさらに有することを特徴とする請求項４に記載の送信指向性制御方法。
8. 前記干渉除去を実現するウエイト値は、前記アクセスポイント装置と通信を行っていない端末の信号を受信し、前記受信信号の相関行列の逆行列と全要素が０以外となる任意のベクトルの乗算により求めることを特徴とする請求項３から５のいずれかに記載の送信指向性制御方法。

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