JP5406919B2 - 無線通信システムおよび統合基地局 - Google Patents

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Description

本発明は、無線通信システムにおいて、複数の送受信アンテナを持つ複数の基地局と、各基地局に従属する複数の端末のデータ送受信を行う方法に関する。
近年、無線通信システムの高速化に伴い、周波数利用効率向上の観点から、複数アンテナからデータを送信して複数アンテナで受信するMIMO(Multiple Input Multiple Output)技術が、無線LANや移動通信など、多くの無線規格で採用されている。
送信局１つと受信局１つの1対１での無線通信(Point to Point)では、無線伝搬路の持つ通信容量を最大限に引き出す方式として、非特許文献４に開示されている固有モード伝送方式が知られている。この固有モード伝送方式では、送受信アンテナ間の無線伝搬路特性としてチャネル行列Hを固有分解（Singular Value Decomposition）して、固有分解で得られた行列を送信ベクトル信号と受信ベクトル信号に重み付け計算することで、伝送路の持つ容量を最大限に引き出す。無線LANのようにユーザがあまり移動せず準静的な環境を前提としたシステムでは、無線伝搬路の変動が少ないため、この方式は適している。
送信局１つに対して受信局がN局の１対Nの無線通信（BC: Broadcast Channel）の通信容量や、送信局Mに対して受信局１局のM対１の無線通信（MAC: Multiple Access Channel）の通信容量に関して、情報理論の観点から多くの研究がなされている。Broadcast Channelの通信容量に関しては、非特許文献１のDirty Paper Codingがシステム容量の上限を与える方式として紹介され、非特許文献2では、容量を最大限引き出すための方式が存在することを証明している。
そこで、複数の送信局が協調連携して、見かけ上で送信局側のアンテナ総数を増大させ、上記のDirty Paper Codingを行うことによって、システム全体のスループットを向上させる方式の概念が非特許文献3に開示されている。
従来の無線通信システムでは、基地局から端末に同時に送信する際に、隣接する基地局とは周波数を分け（ＦＤＭＡ: Frequency Division Multiple Access）、セル構造を設計して遠く離れた場所で周波数再利用する方法や、同じ周波数で複数の基地局が送信してもコードで多重化して受信側で同じコードで信号を取り出すCDMA(Code Division Multiple Access)の方法などが知られている。また、複数の基地局を時分割（TDMA: Time Division Multiple Access）する方法も知られている。また、近年では前述の文献で開示されているように、複数の基地局が連携し、複数の端末に空間分割（SDMA: Space Division Multiple Access）で通信する方式の概念も開示されている。これらの多重アクセス技術については、システムの標準規格に基づいて決定され運用されている。
セルラ通信の次世代標準規格では、非特許文献5に開示がなされているように、複数の基地局が連携して送信する複数基地局間協調通信の概念が開示されている。
："Writing on dirty paper", "IEEE Trans. Inform. Theory, vol. 29, issue 3", "May 1983", "M. Costa 著", "IEEE 発行", "p.440, Figure 1: Variation of Gaussian-Shannon channel" ：W. Yu and J. M. Cioffi, "Sum capacity of Gaussian vector broadcast channels", IEEE Trans. Inform. Theory, Vol. 50, No.9, pp. 1875-1892, Sept. 2004 ：S. Shamai and B. Zaidel, "Enhancing the cellular downlink capacity via co-processing at the transmitting end", in Proceedings of IEEE Vehicular Tech. Conf., May 2001-Spring, pp. 1745-1749. ："MIMOチャンネルにおける空間分割多重方式とその基本特性", "電子情報通信学会論文誌 B Vol.J87_B No.9", "September 2004", "電子情報通信学会 発行", "大鐘武雄、西村寿彦、小川恭孝 著" ：3GPP（3rd Generation Partnership Project） TR_36.814_041: Technical Specification Group Radio Access Network;Further Advancements for E-UTRA、Physical Layer Aspects
非特許文献４では、受信側で測定したチャネル情報を送信側にフィードバックするため、無線伝搬路の変動が大きい場合には、通信を行うときの実際のチャネル状態が、フィードバックされたチャネル状態と異なるため、通信性能が劣化するという欠点がある。
非特許文献２では、非特許文献４に開示されている１対１の固有モード伝送方式に比べると、１対NのBC: Broadcast Channelでは、ユーザ数の増加に伴い受信側のアンテナ総数が多くなるため、システム全体で提供できる通信容量は増大してしまう。
非特許文献２及び４の開示では、送受信間の空間に形成されるチャネル情報を瞬時に送信側で把握しないと成立しない。実際のシステムでは、受信側でチャネル情報を測定し、受信側から送信側へのフィードバックリンクを用いてチャネル情報を送信側に通知する。このフィードバックにかかる遅延時間の間に、チャネルが変動することにより、性能劣化が大きく実現手段が難しいとされている。
更に、１対NのBroadcast Channelの通信容量は、送信局のアンテナ数の制約によって提供できる通信容量が制限されてしまう。
また、非特許文献５には、複数基地局の協調通信を常に動作させるのか、従来のように１つの基地局と、その従属している端末との通信を行うのかについて明確な通信手順については開示がなされていない。上述に述べた複数の基地局が連携し、複数の端末に同時通信する基地局間協調通信方式は、システムが提供できる容量を多くする可能性がある。一方、システムが同時に扱う端末の数や送受信アンテナの数が増大することによって、送受信間でやり取りするチャネルの情報量が多くなり、端末で測定したチャネル情報をフィードバックするオーバヘッドが増大して実質的なスループット増加に繋がらない場合がある。端末は静止しているものから、移動しているものまで、様々なチャネル情報を持っているため、時々刻々と変化するチャネル情報を常に最新に保つためには、このフィードバックを適切なタイミングで行う必要がある。
また、端末が要求する通信トラフィック量が多くない場合には、基地局間が連携せずとも、単独の基地局で１つまたは複数の端末と通信を行う従来の通信方法でも、要求を満たしている場合もあるため、常時、複数基地局による協調通信をする必要はない。
複数の送受信アンテナを利用した無線システムを前提として、端末が要求する通信速度を満たしつつ、最適な通信モードを選択する通信方式を提供することを目的とする。また、通信方式を切り替えた場合に、フィードバック量が増大してしまう課題に対してフィードバック量を削減する方式を提供して、周波数利用効率の効率低下を防ぐ通信方式を提供する。
上述の課題の少なくとも一つを解決するため、ある一定時間のフレーム時間を分割し、基地局間で干渉を回避して同時には一つの基地局が送信権を握って基地局間時分割多重通信を行う時間帯（基地局時分割多重通信）と、複数の基地局間で同時に通信する時間帯（基地局同時通信）と分割する方式を提供する。基地局同時通信の時間帯を更に分割して、複数基地局間で同時に送信しても、複数基地局間の相互干渉が無視できる程度に小さく空間分割されている状況である通信の時間帯（干渉回避基地局同時通信）と、干渉が無視できない場合は、複数基地局のアンテナをまとめて一つの大きな基地局と見なして、複数基地局間に渡って信号処理を行うことによって干渉ではなく所望波として通信を行う時間帯（基地局間協調通信）とを提供する。
フィードバック量増大の課題に対しては、複数基地局の複数アンテナと複数端末の複数アンテナ間のチャネル情報を全てフィードバックするのではなく、フィードバックをするかしないか判断するために必要な情報を基地局経由で端末に事前に通知を行い、端末でフィードバックをするかしないか自律的に判断を行い、必要であればフィードバックを行い、不要であればフィードバックを実施しない。
また、端末から基地局にフィードバックを行う際に、端末が基地局時分割多重通信、もしくは干渉回避基地局同時通信、もしくは基地局間協調通信を行った場合に推定される通信速度を計算し、この推定通信速度が要求速度を満たしているのかどうか判定することによって、望ましいのか通信方式を選択して基地局側に通知し、基地局側で複数の端末から集められたチャネル情報と望ましい通信方式とから最終的な通信方式を決定して端末に通知を行って決められた通信方式に従って通信を行う。
フィードバック判断の情報を報知することによって、端末が自律的にフィードバック情報を送信するかしないかを決定することによって、端末数が増大したときのフィードバック量を削減することができる。基地局側では、フィードバック判断情報の閾値を設定しなおすことによって、端末から多くのフィードバック情報を得たり、逆に絞ったりすることが可能であり、フィードバック精度が欲しい状況とフィードバック情報量とのトレードオフの関係を考慮して基地局側でフィードバック量をコントロールすることが可能になる。
また、基地局時分割多重通信、もしくは干渉回避基地局同時通信、もしくは基地局間協調通信の通信方式のいずれに決定するか基地局側に全ての処理を任せるのではなく、端末側で各通信方式における推定通信速度を求めて要求通信速度の要求を満たしているのかどうか判定を分散処理によって行うことで、基地局側で通信方式を決定する計算時間を大幅に短縮することができる。これによって、短い制御周期で通信方式を切替することが可能になり、チャネル変動に対する追従性を向上して、性能劣化を防ぐことができる。
本発明の実施形態における無線システム全体構成図 本発明の別の実施形態における無線システム全体構成の説明図 基地局間干渉回避通信の説明図 基地局間干渉利用通信の説明図 システムチャネルモデルの説明図 基地局間時分割多重通信時における制御シーケンスの説明図 基地局間空間分割多重通信時における制御シーケンスの説明図 基地局間協調通信時（シングルユーザMIMO）における制御シーケンスの説明図 本発明の実施形態における基地局間干渉回避通信と基地局間協調通信の混在方式に関する説明図 本発明の実施形態におけるチャネル情報収集に関する制御シーケンスの説明図 基地局間時分割多重通信時における干渉回避通信と基地局間協調通信に関する制御シーケンスの説明図 本発明の実施形態における通信手順を行うために必要な制御信号フォーマットの説明図 本発明の実施形態におけるスーパー基地局の構成に関する説明図 スーパー基地局のアンテナスイッチ制御部の動作に関する説明図 スーパー基地局の制御部のフローチャートを示す図 本発明の実施形態における基地局無線部の構成に関する説明図 本発明の実施形態における端末の構成に関する説明図 端末の制御部のフローチャートを示す図 基地局間時分割通信での各スロットにおける電波の状態を示した図 基地局間空間分割多重通信の電波の状態を示した図 基地局間協調通信時の制御シーケンスの電波の状態を示した図
図１を用いて、無線システム全体構成について説明する。基地局制御局101aは、配下の基地局102a、102b、・・・を管理し、基地局間の協調連携通信を実現する。図1の例では、ある時点において、基地局102aと基地局102bが基地局間協調通信を行い、端末103aと103cへデータを送信している様子を示している。端末103aと端末103cは、所望の信号を分離して受信処理を行う。このとき、基地局制御局が基地局間協調送信のための送信信号を形成し、基地局102aと基地局102bのトータル8本の送信アンテナを利用して、端末103aと103bの合計4本の受信アンテナに対するチャネル情報を取得し、8x4のBroadcast Channelに対する信号処理を行う。
また、基地局制御局101aは、ゲートウェイ104を介して、他の基地局制御局101bに接続しており、配下の基地局情報をお互いに交換することで、異なる周波数を割り当てることで干渉を回避し、場合によっては基地局制御局間も協調通信を行うことが可能な構成となっている。基地局協調制御によって、送信アンテナ数が増大することによって、システム全体のスループットを向上することができる。この実施例においては、基地局102aで行うモデム信号処理の機能を基地局制御局101aにも持つ必要がある。
図２を用いて、別の実施形態における基地局間協調通信の実現方法について説明する。図１の実施例である基地局制御局101aの機能を置換える統合基地局105と、基地局102aの機能のうちアナログ無線部分に関わる機能を持つ基地局無線部110a・110ｂ（RFU: Radio Frequency Unit）を用いる。
統合基地局105は、制御部106と１つ以上、複数の基地局信号処理部107a・107b(BBU: Base Band Unit)と、アンテナスイッチ制御部108と基地局無線部インタフェース変換ユニット109とイーサインタフェース部111とから構成される。基地局信号処理部107aは、例えば送信アンテナ4本、受信アンテナ4本相当のMIMO信号処理や、送信アンテナ8本と受信アンテナ8本までのMIMO信号処理など、扱うアンテナ本数に応じて信号処理量をスケーラブルに変更することができる。また、アンテナスイッチ制御部108によって、基地局信号処理部107a・107ｂと基地局無線部110a・110ｂの各アンテナへの接続方法を可変とすることによって、各基地局無線部がカバーしているエリア境界にいる端末の場合、端末に対して最も有効に作用するアンテナを選択して、基地局信号処理部でまとめて信号処理をすることによって、信号処理量コストに対する通信速度パフォーマンスのコストパフォーマンスに優れたアーキテクチャとなっている。基地局無線部インタフェース変換ユニットでは、基地局無線部110a・110ｂと統合基地局105の間を接続するための通信規格フォーマットに変換する機能を持つ。例えば、光接続によってCPRI（Common Public Radio Interface）接続などに準拠したインタフェース変換機能を持つ。
図３に基地局間干渉回避通信に関する説明図を示す。基地局102aと端末103aが、所望波（Ｓ）である電波３１０により通信を行っているとき、基地局102bから端末103cに送信しているデータ信号の電波３２０が、基地局102bから端末103aに届いた場合、その電波３３０は、端末103aにとっては干渉波（点線の矢印３３０）として扱われる。基地局102aからの所望波の受信電力をSとし、干渉波の電力をIとし、端末における熱雑音の電力をNとしたとき、Sに対するIとNの合計電力の比SINRが端末103aの通信速度を決定することになる。基地局102aに十分近ければ、SがIとNに比べて十分大きいため、SINRが大きく高い通信速度を実現するが、基地局102aのセル３５０aと基地局103aのセル３５０ｂにおけるセル境界に端末103aがある場合は、所望波Sと干渉波Iの電力比率がほぼ同程度となるため、SINRが小さくなり通信速度が劣化してしまうという問題がある。
このため、従来技術のアプローチでは、干渉信号を避けるために、基地局102aが通信している時間帯は、基地局102bは電波を出さないように時間分割する方法、基地局102aと基地局102ｂが同時に送信しても中心周波数をずらすことによって周波数が重ならないように周波数分割して通信する方法（セル設計によって周波数をずらす）や、更には、基地局102aと基地局102ｂでアンテナ指向性パターンを決めておき、端末103aの場所では、基地局102aからの所望波は十分に届くが、基地局102ｂから送信される電波が干渉波として届かないように空間的に分割する方法などが知られている。これらは基本的に干渉信号を回避しようとして設計されたシステムである。
これらの方式に対して、基地局間から同時に送信された信号が十分にぶつかり合う領域を積極的に利用し、基地局間協調通信を行うことでシステムが潜在的に保有している周波数リソースの利用効率を向上する基地局間協調通信方式が出現してきた。
図４を用いて基地局間協調通信方式について説明する。この方式が図３と大きく異なる点は、基地局無線部110ｂから端末103ｃに送信された電波４５０が、端末103aに届く際には、従来は干渉波Iとして扱われていたが、統合基地局105の導入によって、干渉波Iでなく端末103aにとっても所望波Sとして変換している点が異なる。複数の基地局無線部110a・110ｂが協調して、ある時間に一つの端末103aとのみ通信している場合、統合基地局105の基地局信号処理部107aは、シングルユーザMIMO処理を行えばよく、基地局間協調シングルユーザMIMO（CoMP-SU-MIMO: Coordinated Multi Point Single User MIMO）通信４７０と呼ぶ。
複数の基地局無線部110a・110ｂが協調して、同時に二つ以上の端末に対して通信を実現させる場合は、統合基地局105の基地局信号処理部はマルチユーザMIMO信号処理を行う。このとき、基地局間協調マルチユーザMIMO通信４９０（CoMP-MU-MIMO: Coordinated Multi Point Multi User MIMO）と呼ぶ。
図5を用いて、上述のシングルユーザMIMO信号処理やマルチユーザMIMO信号処理についてのシステムチャネルモデルについて説明する。
基地局無線部110aの複数の送信アンテナから送信される信号ベクトルをx1とし、基地局無線部110ｂからの信号ベクトルをx2とする。基地局無線部110a・110ｂと端末103a・103ｃ間における送信アンテナ4本と受信アンテナ2本の間での電波伝達チャネル行列（4x2）に関してH11, H12, H21, H22と定義する。端末103aの受信アンテナにおける受信信号ベクトルをy1として、端末103cの受信信号ベクトルをy2とする。
まず、x1とy1の関係について着目する。もし、基地局無線部110aが端末103aと通信しているとき、干渉回避通信によって、周囲から干渉信号がなかった場合はH21の成分が全て0であるのと等価な状態であり、
Figure 0005406919
 と表すことができる。ここでn1は、受信信号に加算される熱雑音である。
時分割や周波数分割、空間分割が行えていた場合、同時に端末103aに対してシングルユーザMIMO処理を行う実施例として、固有モード伝送方式の例を説明する。まず、チャネルH11を固有値分解する。
Figure 0005406919
 ここで、U11, V11はエルミート行列であり、Σは固有値を対角成分に持つ対角行列である。
送信信号をs1として送信ビームフォーミング行列V1を上記で固有値分解したV11とすると、
Figure 0005406919
 数式１・２・３より、
Figure 0005406919
 次に、受信信号y1に対して受信ビームフォーミング行列U1を数式２のU11の複素共役転置行列U11Ｈとすると、
Figure 0005406919
 となる。U11Ｈはユニタリ行列であるから、熱雑音n1の電力を増幅させない。このため、対角成分の二乗が所望信号の電力Sとなり、ノイズの電力NとのSN比によって通信速度が決定される。他にも、チャネル行列H11の逆行列をU１とするゼロフォーシングや、受信電力と干渉電力の最小二乗和を最小とするMMSE（Minimum Mean Square Error）を受信側で行い、送信側では何も行わないなどの手法を用いてシングルユーザMIMO処理を実現してもよい。
次に干渉回避通信時におけるマルチユーザMIMO通信処理について、Zero Forcing THP(Tomlinson Harashima Precoder)方式について説明する。基地局無線部110aが送信した信号を、端末103aと端末103cで同時に受信している場合について説明する。このとき、基地局無線部110ｂが信号を送信していない状態であり、H21とH22の成分が0であるのと等価であるとする。このとき、端末103aに対しては数式１で表され、端末103cの受信信号ベクトルy2に対しては次の数式6で表すことができる。
Figure 0005406919
 このとき、H11とH12から合成した、Hに対して数式７のようにLQ分解する。
Figure 0005406919
 送信ビームフォーミング行列としてQの複素共役転置行列QＨをかけると、
Figure 0005406919
 となる。ここでLは下三角行列である。
Figure 0005406919
 信号s11に対しては、干渉波がなく、所望波l11×s11で伝わる。S21の信号に関しては、所望波l22×s21と干渉波l21×s11が存在するが、送信側で干渉波が既知の信号であり、これを送信前に差し引く処理を行うことで干渉を取り除いて送信することができる。このような事前等化信号処理はZero Forcing THP(Tomlinson Harashima Precoder)として知られている。符号間干渉を削減するためのTHP方式を空間方向の干渉除去に応用した方式である。また、信号処理のパワー増大を防ぐために干渉を削減したフィードバックループとパワー調整用のModulo演算を活用する。受信側にも同様なModulo演算を必要とする。このようにZero Forcing THP方式を用いることによって、マルチユーザMIMO信号処理が可能となる。また、次の数式１０のように、H12を固有値分解し、数式２とあわせて、受信ビームフォーミング行列を求める。
Figure 0005406919
 求めた受信ビームフォーミング行列までを伝搬路として考えて、
Figure 0005406919
 とすることで、この新しい伝搬路に対してLQ分解を行って、Zero Forcing THP方式を用いてマルチユーザMIMO信号処理を行ってもよい。
次に基地局無線部110aと基地局無線部110bが同時に電波を送信することによって基地局間協調通信時のシングルユーザMIMO信号処理について説明する。
端末103aでの受信ベクトルy1は、次の数式12で表すことができる。
Figure 0005406919
 H11とH21で合成された伝搬チャネルHに対して、固有モード分解を行う。
Figure 0005406919
 送信側のビームフォーミング行列Vとしては、数式13のVを統合基地局105で行い、受信側のビームフォーミング行列U1としては数式13のUの複素共役転置行列UＨを用いれば固有モード伝送のシングルユーザMIMO信号処理を実現することができる。送信側で何もせずとも、受信側でH11, H21で合成されたチャネルHの逆行列を受信ビームフォーミングとするZero Forcingや、合成チャネルHに対するMMSE信号処理を受信側で行ってもシングルユーザMIMO処理を実現することができる。
次に、基地局間協調通信時のマルチユーザMIMO信号処理について説明する。基地局無線部110aと110ｂが同時に送信して、端末103aと103ｃに対して同時送信している場合である。このとき、数式１４が成り立つ。
Figure 0005406919
 ここで、数式8と見比べると、H11がH11,H21に増え、H12がH12とH22に増えた違いのみである。Hに対してLQ分解を実施し、送信側ビームフォーミング行列にQの複素共役転置行列QＨをかけ、下三角行列のLの成分で干渉成分を事前にキャンセルして等化するZero Forcing THP方式を適用することによって、基地局協調通信時のマルチユーザMIMO信号処理を行うことが可能である。
図６に基地局間時分割通信時の制御シーケンスを示す。基地局102aまたは基地局無線部110aから端末に既知のパターンを載せたリファレンス信号６１５aを送信する（６１０a）。端末103aは、このリファレンス信号を受信すると、既知のパターンと照合することによって、送信アンテナから受信アンテナ間のチャネル行列を推定処理を行う（６１３a）。この場合、端末103aは基地局102aまたは基地局無線部110aが送信したリファレンス信号を受信しないため、図５で説明したチャネル行列としてはH11（ｊ）のみが測定されることになる。
リファレンス信号に引き続いて基地局102aもしくは基地局無線部110aからデータ信号６２５aが送信される（６２０a）。このとき、基地局102aもしくは基地局無線部110aから送信された信号は、上述のシングルユーザMIMOもしくはマルチユーザMIMOのいずれかの送信処理６１２aが行われているものとする。この送信処理には、端末103aが過去にチャネル推定して得たチャネル行列（この場合は、Ｈ１１（ｊ−１））をベースとして処理がなされている。端末103aは、プロトコル処理などによって、あらかじめシングルユーザMIMO処理がなされたものか、マルチユーザMIMO処理がなされたものかを把握している状態でデータ信号を受信し、受信側でのビームフォーミングなど受信処理（６２３a）を行う。
また、リファレンス信号に対してチャネル推定して得られたチャネル情報もしくは、送受信でチャネル情報データベースのインデックス情報を表すコードブックID（６３５a）を端末103aから基地局102aもしくは基地局無線部110aにフィードバックして通知する（６３０a）。コードブックIDを通知する場合、例えば、上述のシングルユーザMIMO処理の場合は、送信側のビームフォーミング行列であるVとして、最も望ましい行列を求めて、その行列のインデックス情報を通知する。
この制御シーケンスでは、データ信号は過去のチャネル情報をベースに送信処理を行う例について説明したが、チャネル情報のフィードバックを行ってから、送信側が最新のチャネル情報を用いて送信処理を行ってからデータ信号を送信してもよい。
次のスロット＃２では、基地局102ｂもしくは基地局無線部110ｂに従属している端末103ｃに対して、上記と同様の処理を行う(610b,612b,625b)。端末103cは、端末103aと同様に、リファレンス信号615bを受信し、チャネル推定処理を行う（６１３ｃ）。また、端末103cは、データ信号６２５ｂ、基地局102bから受信し（６２０ｂ）、受信処理を行う（６２３ｂ）。このとき、端末103ｃで受信したリファレンス信号６１５bは、基地局102ｂもしくは基地局無線部110ｂのみが送信したものであるため、チャネル推定結果は図５で説明したH22になる。
端末103cは、リファレンス信号615bに対してチャネル推定して得られたチャネル情報もしくは、送受信でチャネル情報データベースのインデックス情報を表すコードブックID（６３５b）を端末103cから基地局102bもしくは基地局無線部110aにフィードバックして通知する（６３０b）。
図１９は、図６における基地局間時分割通信での各スロットにおける電波の状態を示した図である。スロット＃１のときは、基地局１１０aからチャネルＨ１１で端末１０３aと通信を行い、スロット＃2のときは、基地局１１０ｂからチャネルＨ２２で端末103ｃと通信を行う。
図７に基地局間空間分割多重（周波数分割多重）通信時の制御シーケンスを示す。基地局102aもしくは基地局無線部110aと、基地局102ｂもしくは基地局無線部110ｂから同時に既知のパターンであるリファレンス信号を送信する。端末103aと103ｃは、リファレンス信号を受信するとチャネル推定を行う。このとき、端末103aのチャネル推定結果では、基地局102ｂもしくは基地局無線部110ｂからの信号は空間分割か周波数分割によって見えない状態であるため、H11のみがチャネル推定結果として得られることになる。同様にして端末103ｃでのチャネル推定結果もH22のみとなる。
基地局102aもしくは基地局無線部110aや基地局102ｂもしくは基地局無線部110ｂは、プロトコル手順などによってあらかじめ決めたシングルユーザMIMO処理かマルチユーザMIMO信号処理を実施してデータ信号を同時に送信する。このとき、送信側で必要とするチャネル情報については、過去のスロットで端末からフィードバックされた情報を用いているものとする。
端末103aと103ｃは受信したデータ信号に対してシングルユーザMIMOかマルチユーザMIMOの受信処理を実施してデータ信号を復元する。その後、端末103a・103cは基地局102aもしくは基地局無線部110a、基地局102ｂもしくは基地局無線部110ｂに対して推定したチャネル情報、もしくはコードブックIDをフィードバックする。この制御シーケンスでは、データ信号は過去のチャネル情報をベースに送信処理を行う例について説明したが、チャネル情報のフィードバックを行ってから、送信側が最新のチャネル情報を用いて送信処理を行ってからデータ信号を送信してもよい。
続くスロット＃２でも、スロット＃１と同様な処理を実施する。
図２０は、図７のシーケンスの結果、基地局間空間分割多重通信の模式図である。同じスロットで、端末１０３aと端末１０３ｃにそれぞれ基地局無線部１０２a,１０２bからチャネルＨ１１，Ｈ２２で通信を行っていることを示している。
図８に基地局間協調通信時の制御シーケンス説明図を示す。まず、チャネル測定スロット＃１で、基地局無線部110aからリファレンス信号が送信される。このリファレンス信号の生成は、基地局無線部110a内で生成してもよいし、統合基地局105で生成した信号を基地局無線部110a経由で送信してもよい。このリファレンス信号を受信した端末103a・103ｂは、チャネル推定を行い、それぞれチャネル行列H11とH12を得る。次のチャネル測定スロット#2で基地局無線部110ｂからリファレンス信号が送信され、端末103a・103cでチャネル推定結果としてチャネル行列H21とH22を得る。続くデータ通信スロット#3では、あらかじめプロトコル処理で決められたシングルユーザMIMO処理かマルチユーザMIMO処理にしたがって送信信号処理を行ってデータ信号を送信する。図８の例では、データスロット＃３には端末103aのみのシングルユーザMIMO処理を行った場合を例として記載している。データ信号が統合基地局105で生成され、基地局無線部110aと基地局無線部110ｂの両方を経由して、同時に端末103aに到達する。
端末103aでは、あらかじめプロトコル処理で決められたシングルユーザMIMO処理かマルチユーザMIMO処理かに従って受信処理を実行し、データ信号を復元する。データ信号の受信処理を行った後、チャネル情報H11, H21の情報を統合基地局105にフィードバックする。このフィードバックはデータ通信スロットでデータ信号を受信した後の実施例について説明したが、チャネル測定スロット内で行ってもよい。ただし、フィードバックするためには、端末103aと103ｃの複数端末のフィードバックを多重化しなければならないため、時間的に分割するなどフィードバックチャネルも個別に持つ必要がある。また、チャネル測定スロット＃１の時点では、H21に関する情報が揃っていないため、端末にとって周囲基地局すべての情報をそろえてから通知できるようにプロトコルでフィードバックするタイミングを定めておく必要がある。
続くデータ通信スロット＃４では、端末103cに対するデータ信号の送信や、チャネル情報H12、H22のフィードバックなどを行う。
この例では、シングルユーザMIMO処理の実施例について説明したが、マルチユーザMIMO処理で端末103aと端末103cを同時に収容してもよい。
図２１は、基地局間協調通信時の制御シーケンスの電波の状態を示した図である。チャネル測定スロット＃１のときは、基地局無線部１０２aは、端末１０３aとはチャネルＨ１１で通信し、端末１０３ｃとはチャネルＨ１２で通信する。一方、チャネル測定スロット＃１のときは、基地局無線部１０２ｂは、端末１０３aとはチャネルＨ２１で通信し、端末１０３ｃとはチャネルＨ２２で通信する。
図９に、本発明の実施形態における基地局間干渉回避通信と基地局間協調通信の混在方式に関する説明図を示す。上述の図６・図７・図８の各通信方式において、端末と基地局間の電波伝搬条件によって、うまく動作する場合もあれば、逆にうまく動作しない場合が存在する。そこで、図９のようにこれらの方式を混在させて、各通信方式の時間帯を分離したフレーム構造で通信方式を切り替えることを考える。
時間軸９００に従って、フレームを大きく３つの時間帯に分けて運用する。
最初の１つ目の時間帯は、基地局時分割通信時間９１０として割り当てる。この時間内を複数スロットに時分割し、各スロットでは、１１０a、１１０bから１つずつ基地局無線部を選び、選ばれた基地局無線部からのデータ通信を行う。図では、基地局無線部１１０ｂが選ばれた場合に、基地局無線部１１０ｂが端末１０３ｄと通信する例を示している。
二つ目の時間帯９３０は、空間分割可能な組合せの端末を選び、それぞれの端末に対して複数の基地局無線部から同時に送信する。例えば、基地局無線部に近い端末を選べば、SINR比が高いため、複数の基地局無線部が同時に伝送したとしても端末の要求速度を満たすことができる。
三つ目の時間帯９５０は、基地局協調通信を行う時間帯である。セルエッジの端末などを救済するのに使う。基地局無線部１１０aと基地局無線部１１０ｂの電波の干渉を利用した基地局間協調通信の時間帯である。
これらの時間帯については、システムとして事前に固定割当で運用してもよいし、各時間帯において運用される端末数などの比に応じてダイナミックに運用時間を可変としてもよい。例えば、基地局協調通信を必要とする端末の数が0、かつ空間分割可能な組合せの端末数0である場合、基地局時分割通信のみとしてもよいし、逆にすべての端末が基地局間協調通信のみである場合は、基地局間協調通信のみの時間帯でフレームを占有してもよい。フレームをNスロットに分割して、Nスロットを上記の三つの時間帯に属する端末数で比例配分してダイナミックに運用すればよい。なお、時間帯９３０と９５０は、基地局同時通信の時間帯である。また、時間帯９１０と９３０は、基地局間干渉回避通信の時間帯である。
図10に、本発明の実施形態において、チャネル情報収集フェーズの制御シーケンスの説明図を示す。上述の図6から図8の例では、端末がチャネル推定したチャネル情報を常にフィードバックすることを前提として説明した。しかし、一つの基地局ないし基地局無線部が扱う端末の数が増えると、フィードバック量が増大し、フィードバックを行うこと事態がプロトコルオーバヘッドを増大させ、スループット劣化要因となってしまう。そこで、本実施例では、フィードバックをするかしないか判断を端末側で行うことができるように、フィードバック判断情報を報知情報と一緒にブロードキャストする構成をとる。統合基地局105は、周期的に報知情報の要素としてフィードバック判断情報を、基地局無線部110a、110b経由で流す（1010a、1010b、1020a、1020b）。端末103は報知情報が含まれている制御チャネルからフィードバック判断情報を取得し、復号する。
次に、統合基地局105は既知のパターンであるリファレンス信号を基地局無線部110a・110ｂ経由で逐次送信する（1030a、1030b、1040a、1040b）。リファレンス信号そのものは、統合基地局105で生成してもよいし、基地局無線部110a・110ｂで生成してもよい。これらのリファレンス信号を端末103a・103ｂ・103c・103dで受信して、チャネル推定によってチャネル情報を蓄える（1050a,1050b,1050c,1050d,1060a、1060b、1060c、1060d）。各端末103a・103ｂ・103c・103dでは、得られたチャネル情報と先のフィードバック判断情報を活用して、チャネル情報をフィードバックするかしないか判断を行う（1070a,1070b,1070c,1070d）。フィードバックを行う端末は、チャネル情報と端末が好ましい通信方式の候補をフィードバックチャネルとして統合基地局105に通知を行う。図１０の例では、端末103a、103ｂ、103cは、チャネル情報及び通信方式候補1085を基地局無線部110a、110b、110cを経由して、統合基地局105に通知する（1080a、1080b、1080c）。図10の端末103dは、フィードバック判断によってフィードバックをあげないでよいと判断した（１０７０ｄ）ので、1080a,1080b,1080cのようなスーパー基地局への通知は行わない。統合基地局105が、リファレンス信号を送信してから、フィードバックチャネルを受信するまでの時間が、チャネル情報収集期間１０９９に相当する。
そして、統合基地局105は、得られた情報をベースとして各端末に対する通信方式を決定し(1090)、干渉回避基地局時分割通信か、干渉回避基地局間同時通信か、基地局協調同時通信かを端末に通知して、各々の通信を実行する(1093、1095、1097)。
図11に本発明の実施形態における干渉回避通信と基地局協調通信時の制御シーケンスの説明図を示す。図10の制御シーケンスによって、端末のチャネル情報を得て、統合基地局105が各端末の通信方式を決定する処理（１０９０）の後、フレームを３つの時間帯に分ける。
１つ目の時間帯は、干渉回避基地局間時分割通信１０９３である。図11の例では端末103dが干渉回避基地局間時分割通信である場合を示している。統合基地局105は、基地局無線部110bを経由して、端末103dに対して決定した通信方式の情報とスケジューリング情報を通知し（１１１３，１１２３）、その後データ信号を送信する（１１３３，１１４３）。
スケジューリング情報と通信方式情報、データ信号は統合基地局105で生成してもよいし、基地局無線部110bでクローズして生成してもよい。基地局無線部110bでクローズして生成する場合には、基地局無線部110bにもベースバンド信号処理が必要となる。
ここで、スケジューリング情報とは、例えば3GPPのRelease8など標準規格化されている内容と同一のものであって、MCS(Modulation Coding Scheme)やOFDMの使用するリソースブロックなどの情報である。
通信方式情報は、干渉回避通信なのか基地局協調通信なのか、シングルユーザMIMO処理なのかマルチユーザMIMO処理なのかなどを表す情報である。また、通信を行うスロット番号や、利用する基地局とアンテナを特定するID、また受信ビームフォーミングに関わる情報としてコードブックを利用する場合はコードブックIDや、受信ウェイト行列なども送信側から通知してもらう（フィードフォワードする）場合もある。
これらの通知情報に従ってデータ信号が基地局無線部110bから基地局無線部110bを介して送信され（１１３３、１１４３）、端末103dは通知された処理にしたがってデータ信号を復元する受信処理を行う（１１２３）。端末103dは、データ信号についているCRC符号などによって受信フレーム単位でAck/Nack信号を生成して送信側にフィードバックする（1153,1163）。このフィードバックに際して、選ばれた通信方式がOKだったのかNGだったのかを判断して（１１４３）、通信方式のOK・NG情報もフィードバックする。
通信方式がOK・NGの判定基準としては、要求した通信速度を現状の通信方式で十分サポートできていると判断すればOKで、通信方式を変更しないと要求速度を満たすことができないと判断した場合はNGとする。例えば、端末103dでは干渉回避基地局時分割通信が選択された訳であるが、この通信方式では要求速度を満たせてなく、かつ基地局間協調通信であれば要求通信速度を満たせる可能性がある場合に通信方式をNGとしてフィードバック通知する。
次に、干渉回避基地局間同時通信の時間帯１０９５について説明する。統合基地局105は、基地局無線部110a・110b経由でスケジューリング情報＋通信方式情報を端末103b・103cに通知し（1115a,1125a,1115b,1125b）、データ信号を送付する(1135a,1135b,1145a,1145b)。スケジューリング情報、データ信号の生成などは基地局無線部110aに閉じて行ってもよいし、統合基地局105で行ってもよい。
端末103ｂ・103cは空間分割された状態なので、各々通信方式情報で指定されたスロット番号で、シングルユーザMIMOかマルチユーザMIMO信号処理されたデータ信号に対する受信処理(1123)を行うことによって復元する。また、各端末103b・103cでも上述のように通信方式がOKなのかNGなのかを判定し(1193)、フレームに対するAck／Nack信号と一緒に通信方式OK／NGの結果をフィードバックする(1155b,1155c,1165a,1165b)。
最後に基地局間協調同時通信（干渉利用）の時間帯1097について説明する。統合基地局105で、スケジューリング情報と通信方式情報を端末103aに通知する(1117,1127)。この制御信号を通知する経路としては、端末103aが従属しているか、もしくは最も伝搬ゲインの高いアンテナを有する基地局無線部110aを経由して端末103aに通知されることを想定している。この情報も基地局無線部110a・110b両方を経由して同時に送信する場合であってもよい。
データ信号を基地局無線部110a経由の信号(1137a.1147a)と基地局無線部110b経由の信号(1137b,1147b)で同時送信を行う。端末103aは、通信方式情報に記載された基地局協調通信やシングルユーザMIMOもしくはマルチユーザMIMO信号処理にしたがってデータ信号の受信処理(1123)を行って信号を復元する。また、同様にして通信方式の結果がOKなのかNGなのか判定を行い(1193)、フレームに対するAck／Nack信号とあわせて統合基地局105にフィードバックを行う(1157a,1157b,1167a,1167b)。通信方式OK・NGの判断例としては、端末103aの要求速度が干渉回避基地局時分割通信でも十分そうであると判断した場合に、通信方式NGと出すことが可能である。
図12に本発明の実施形態における制御信号のフォーマットの説明図を示す。
まず、(A)は、基地局から端末へ通知する報知情報１２１０とフィードバック判断情報１２５０を示す。報知情報１２１０は、3GPP標準などの規格に規定されている報知情報を指しており、基地局ID等含んでいる。この報知情報に追加する情報要素として、フィードバック判断情報を追記する。フィードバック判断情報１２５０は、フィードバックモード１２５１、フィードバック判断種別１２５３、フィードバック判断閾値１２５５、干渉利用通信閾知１２５７、基地局利用チャネル情報１２５９などが情報構成要素としてある。フィードバックモード１２５１に格納された番号に対応するフィードバックのモードが指定される。１が指定されると端末が従属している基地局の送信アンテナに対するチャネル情報をフィードバックするよう指定される。２が指定されている場合は、端末が観測することのできる周囲基地局全部の送信アンテナからのチャネル情報をフィードバックする。3が指定されている場合には、フィードバック判断種別に従って、測定される情報がフィードバック判断閾値を満たす条件の場合にチャネル情報を返す。
フィールド判断閾値１２５７には、チャネル相関変動係数の閾値Ａ、復号誤り率の閾値B、全基地局からのSINRの閾値C、従属基地局からのSINRの閾値D、および基地局協調通信での改善指標の閾値Eの少なくとも一つが指定される。
フィードバック判断種別１２５３で、１が指定されていた場合には基地局利用チャネル情報１２５９と端末で測定したチャネル推定結果の相関値を計算する。この相関値の単位時間当たりの変化速度をチャネル変動相関係数と呼ぶ。このチャネル変動相関係数がフィードバック判断閾値１２５５が示す値Aよりも大きい場合には、基地局利用チャネルの情報では追従できないほど変化が早いことを意味しており、新しいチャネル情報を端末から基地局にフィードバックする。
フィードバック判断種別１２５３で、２が指定されていた場合には復号結果の誤り率を測定し、誤り率がフィードバック判断閾値１２５５が示す値Bよりも大きい場合、セルエッジにいる可能性があるため、端末は、チャネル情報を基地局に通知する。
フィードバック判断種別１２５３で、３が指定されていた場合には、端末は、全基地局アンテナから送信されたリファレンス信号から端末受信アンテナまでのチャネル行列を計算する。端末は、計算結果から送信アンテナと受信アンテナ間の伝搬路ゲインが高い順に並べ受信アンテナ数分のパスの受信電力をSとし、それ以外の送信アンテナからの受信電力をIとしてSINRを測定する。このSINRがフィードバック判断閾値Cよりも大きい場合は、基地局協調通信による性能向上が見込まれることから、端末は、チャネル情報をフィードバックする。
フィードバック判断種別１２５３で、４が指定されていた場合には、従属基地局アンテナから送信されたリファレンス信号の受信電力をSとして、従属基地局以外の基地局アンテナから送信されたリファレンス信号の受信電力をIとしてSINRを測定し、SINRがフィードバック判断閾値Dよりも大きい場合、既に空間分割多重効果のある端末である可能性が高いので、端末は、チャネル情報を基地局にフィードバックする。
フィードバック判断種別１２５３で、５が指定されていた場合には、後述の基地局協調通信における改善指標を測定し、改善指標が、フィードバック判断閾値１２５５が示す値Eよりも大きい場合、基地局協調通信による効果が高いものと判断して、チャネル情報を端末から基地局にフィードバックする。
ここで基地局協調通信における改善指標の実施例について説明する。従属基地局アンテナから送信されたリファレンス信号から、所望波となる送信アンテナを選んだ場合の所望波の受信電力をＳとし、従属基地局からの送信アンテナで所望波とならずに干渉として寄与する送信アンテナから送信されたリファレンス信号の受信電力と、従属基地局以外の基地局アンテナから送信されたリファレンス信号の受信電力をIと定義する。Ｎは熱雑音の電力を表しており、ガウス雑音信号に対して、受信側でのビームフォーミング処理を行った後の雑音強調後の電力を表す。このとき、次の数式１５での通信容量が実際の通信速度の目安となる。
Figure 0005406919
 一方、基地局協調通信によって、干渉電力Iを全て所望波として活用できたとすると、次の数式１６による通信容量が通信速度として向上が見込まれる。
Figure 0005406919
 よって、基地局協調通信における改善指標としては、
Figure 0005406919
 などがあげられる。
また、通信容量を計算せずに、下記を指標とすることもできる。
Figure 0005406919
 上記の指標が高い端末は、基地局間協調によって速度改善効果が高い。
上述のように、フィードバック判断種別とフィードバック判断閾値を用いた制御をすることによって、閾値の条件を厳しく設定すれば、チャネル情報をフィードバックする端末の数が少なくなり、閾値の条件を緩く設定すればチャネル情報をフィードバックする端末の数が多くなって、フィードバックの制御信号情報量を制御することが可能になる。また、端末からのフィードバックとして基地局協調通信に役立つ端末であるか、そうでないか等、フィードバック判断種別の役割によって、基地局側で欲しい端末の情報を効率的にかき集めることが可能になる。
次に、図１２（B）に示しているように、端末から基地局へのフィードバックとしてチャネル情報＋通信方式候補の制御信号フォーマット1220について説明する。この制御信号には、チャネル情報（CQI、PMI、RI、H等）１２２２と通信方式候補１２２４、速度向上志向１２２６、要求通信速度１２２８を構成要素として持つ。チャネル情報（CQI、PMI、RI、H等）は、3GPP標準などで標準化規格されているチャネル受信品質のインデックスであるCQI (Channel Quality Indicator) 、送信ビームフォーミング向けに好ましい行列のインデックスであるPMI(Preferred precoding Matrix Index)、チャネル行列のランク数を通知するRI(Rank Index)を指している。また、IEEE802.11nなどの規格ではチャネル行列H、そのものを制御信号としてフィードバックしてもよい。
通信方式候補１２２４としては、干渉回避通信か、基地局協調通信かを示す値いずれかが指定される。端末側では空間分割多重については判断できないので、基地局間が干渉回避通信を行うのが望ましいか、基地局協調通信を行うのが望ましいのかを判断して統合基地局105に通知する。
通信速度向上志向１２２６は、基地局協調通信により速度向上の要否のいずれかを示す値が指定される。この値は、統合基地局105で通信方式を決定する際に必要なパラメータで、要求通信速度を満たせない場合に、基地局協調通信で速度向上を望む端末なのか、満たせない場合、基地局協調通信には対応できず通信速度向上が不要であるかを明示する。
次に、図１２の（C）に示す基地局から端末に通知するスケジューリング情報１２４２＋通信方式情報１２４４の制御信号のフォーマット１２４０について説明する。スケジューリング情報１２４２は、変調方法や符号化などのテーブルであるMCS（Modulation and Coding Scheme）や、OFDMのどのサブキャリアを利用するかリソースブロックに関する情報など、3GPP標準規格などで定められているものと同様のものを指している。通信方式情報１２４４には、１が指定されている場合は干渉回避通信、２が指定されている場合には基地局間協調通信（干渉利用）を行う。続く信号処理方式１２４６では、送信側で行われる信号処理方式シングルユーザMIMO（SU-MIMO）の固有モード伝送か、マルチユーザMIMO(MU-MIMO)のZero Forcing THP方式など指定する。この指定には、上記以外にも、SU-MIMOで受信Zero Forcing、SU-MIMOで受信MMSEなど実装される信号処理方式を特定できればよい情報である。スロット番号１２４７は、実際にデータ信号がフレームの中の何番目のスロットで送信されるかを指定する。また、使用するアンテナIDのセット情報を通知する。この際、複数基地局に跨って、複数のアンテナが使用される場合もIDで区別できる体系が必要である。
受信ビームフォーミング情報１２４９では、例えば、マルチユーザMIMOの信号処理で、受信側ビームフォーミング行列を送信側で計算した結果を端末に通知する場合などに用いる。例えば、Zero Forcing THP方式以外にも、非特許文献にあるGDFE(General Decision Feedback Equalizer)を活用した場合は、端末の受信ビームフォーミング行列を送信側から設定する必要がある。この場合、SU-MIMO信号処理の固有モード伝送で、送信側ビームフォーミング行列Vを指定するのに、受信側でVに最も近い行列を表すコードブックインデックスを通知する方法と同じように、受信ビームフォーミングウェイト行列に対するコードブックを用意して、コードブックインデックスを通知してもよい。
図１３を用いて、本発明の実施形態における統合基地局105の構成について説明する。統合基地局105は、無線制御部106と、１つまたは複数の基地局信号処理部107a・107ｂと、アンテナスイッチ制御部108と、基地局無線部インタフェース変換ユニット109と、イーサインタフェース部111とから構成される。まず、イーサインタフェース部では、ゲートウェイ装置などから送られてきたイーサネット上のパケット分解・組み立ての処理を行い、ヘッダ情報を読み取ってIPアドレスもしくはMACアドレスによってデータの振り分け処理を行う。統合基地局105アドレス宛のデータは制御部106への制御信号として扱われる。基地局信号処理部107a・107ｂにデータを振り分ける際は、どのあて先のデータ信号が、どの基地局無線部110a・110ｂと括り付けられているか関係を示すテーブルを制御部106がイーサインタフェース部111に逐次設定する。イーサインタフェース部111は、このテーブルを参照して基地局無線部110a・110ｂにデータ信号を振り分けすることが可能となる。
基地局信号処理部107aは、データ信号と制御信号の多重化・分離処理を行うデータ・制御信号多重・分離部1306と、上述のシングルユーザMIMO信号処理、および符号化・復号処理・変調・復調などのモデム処理を行うSU-MIMOモデム処理部1307と、上述のマルチユーザMIMO信号処理および符号化・復号処理・変調・復調などのモデム処理を行うMU-MIMOモデム処理部1308と、リファレンス信号生成部1309と、通信切替制御部1310とから構成される。ここで、SU-MIMOモデム処理部1307とMU-MIMOモデム処理部1308のうち、共通部分となる符号化・復号処理・変調・復調などのモデム処理については、別々のモジュールにせずとも１つのブロック構成としてもよい。基地局信号処理部107aでは、まずデータ・制御信号多重・分離部1306で、イーサインタフェース部111からのデータ信号と無線制御部106との制御信号の多重化および分離処理を行う。通信切替制御部1310は、無線制御部106の通信方式判断処理部1304で、シングルユーザMIMO処理かマルチユーザMIMO処理か判断した結果を受けて、SU-MIMOモデム処理部1307、もしくはMU-MIMOモデム処理部1308が、データ・制御信号多重・分離部1306とアンテナスイッチ制御部108とに接続されるように切り替える。また、統合基地局105がリファレンス信号を生成して送信する場合は、リファレンス信号の送信タイミングに、リファレンス信号生成部1309とアンテナスイッチ制御部108が接続されるように切り替える。アンテナスイッチ制御部108は、上述のように基地局信号処理部107a・107ｂと基地局無線部110a・110ｂの各アンテナへの接続を切り替える。後述の図14にて詳細を記述する。基地局無線部インタフェース変換ユニット109は、基地局無線部110a・110ｂと統合基地局105の間を接続するための通信規格フォーマットに変換する機能を持つ。例えば、光接続によってCPRI（Common Public Radio Interface）接続などに準拠したインタフェース変換機能を持つ。
無線制御部106は、報知情報＋フィードバック判断情報生成部1301と、プロトコル処理部1302と、通信方式判断処理部1303と、端末のチャネル情報・通信方式候補データベース1304とで構成される。報知情報＋フィードバック判断情報生成部1301では、図12に記載した制御信号を生成してプロトコル処理部1302に渡す。プロトコル処理部1302は、図10および図11に記載したプロトコルにしたがって制御信号の送受信処理を行う。プロトコル処理によって、端末から集めたチャネル情報や通信方式候補に関するデータを、端末のチャネル情報・通信方式候補データベース1303に蓄える。このデータベースは、端末のIDを検索キーとして、チャネル情報と通信方式候補を抽出できる構造をとっているものとする。この端末のチャネル情報・通信方式候補データベース1303を利用して、通信方式判断処理部1304は、図15で後述するアルゴリズムに従って通信方式を決定する。決定した通信方式は、プロトコル処理部1302に渡され、図11で説明したようにスケジューリング情報と一緒に通信方式情報として各端末にも通知される。また、決定した通信方式に従って送受信のモデム処理を実行させるため、基地局信号処理部107aの通信切替制御部1310に通知することによって、SU-MIMOモデム処理部1307もしくはMU-MIMOモデム処理部1308を切り替える。
図14を用いてアンテナスイッチ制御部108の動作に関して説明する。この例では、フレーム内に干渉回避基地局間同時通信の時間帯１０９５と基地局間協調同時通信（干渉利用）の時間帯１０９７に分けて、アンテナスイッチ制御部108が接続切替を行っている様子について記述している。
まず、干渉回避基地局間同時通信の時間帯１０９５では、基地局無線部110aと端末103ｂでシングルユーザMIMO通信を行い、同じ時間帯に基地局無線部110bが端末103ｃと端末103ｄの複数端末に対してマルチユーザMIMO通信を同時に行っている。この場合、基地局無線部110aから送信された電波は、端末103ｃ・103dへの干渉による影響が少なく、逆に基地局無線部110ｂが送信した電波は端末103ｂへの干渉による影響が少なく同時通信を可能にしている。例えば、端末103ｂが基地局無線部110aに近く、端末103ｃ・103ｄが基地局無線部110ｂに近く、十分大きな所望波を得られる場合などを想定している。このとき、アンテナスイッチ制御部108は、基地局信号処理部107aのSU-MIMOモデム処理部1307と基地局無線部110aのアンテナ4本を接続し、基地局信号処理部107ｂのMU-MIMOモデム処理部1308と基地局無線部110ｂのアンテナ4本を接続するようにスイッチする。
次に、基地局間強調同時通信（干渉利用）の時間帯１０９７について説明する。このとき、端末103aに対して基地局無線部110aのアンテナ2本と基地局無線部110ｂのアンテナ2本を利用してシングルユーザMIMO通信を行っている。このとき、アンテナスイッチ制御部108は、基地局信号処理部107aのSU-MIMOモデム処理部1307の出力4本を、基地局無線部110aの2本のアンテナと、基地局無線部110ｂの2本のアンテナに接続するようにスイッチする。このようにして、例えば、セル境界にいる端末103aが有効に利用できるアンテナを選択して、アンテナスイッチ制御部108が接続形態を切り替えるようにして、シングルユーザMIMO処理を実現することができる。
図15に、統合基地局105の無線制御部１０６が行う処理のフローチャートを示す。無線制御部１０６は、電源投入直後やリセット後は端末のチャネル情報・通信方式候補データベースがない状態である。そこで、まず、報知情報＋フィードバック判断情報生成部1301は、フィードバック判断情報を生成して報知情報として端末にブロードキャストして流す（１５０１）。図１０では、１０１０a、１０１０bに対応する。無線制御部１０６は、プロトコル処理部1302は、各端末からチャネル情報や通信方式候補を制御信号として受け取り、端末のチャネル情報・通信方式候補データベース1303に記録する（１５０２）。これによって、データベースが蓄積された状態になる。これ以降は、プロトコル処理部1302は、定期的にフィードバック判断情報と報知情報をブロードキャストする１５０１と、端末から収集したチャネル情報と通信方式候補を端末のチャネル情報・通信方式候補データベース1303にアップデートする１５０２の処理を繰り返す。報知情報＋フィードバック判断情報生成部1301は情報に変化が生じた場合は変更作業を行い、情報に変化がない場合は同じ情報を定期的にブロードキャストする。
そして、通信方式判断処理部１３０４は、端末のチャネル情報・通信方式候補データベース1303を参照し、ある場合（１５５０）、端末が指定した通信方式候補によって、次の二つのグループに分ける（１５０３）。端末が通信方式を指定していない場合、もしくは端末からの通信方式指定情報が未取得の場合、もしくは端末が干渉回避通信を指定しているグループをＡとし、端末が基地局間協調通信（干渉利用）を指定しているグループをＢとする。次に、通信方式判断処理部１３０４は、グループＡの端末の推定通信速度を求める（１５０４）。まず、シングルキャリアfにおける通信容量を次の数式19によって求める。
Figure 0005406919
 ここで、従属基地局アンテナから送信されたリファレンス信号から、所望波となる送信アンテナを選んだ場合の所望波の受信電力をＳとし、従属基地局からの送信アンテナで所望波とならずに干渉として寄与する送信アンテナから送信されたリファレンス信号の受信電力と、従属基地局以外の基地局アンテナから送信されたリファレンス信号の受信電力をIと定義する。Ｎは熱雑音の電力を表しており、ガウス雑音信号に対して、受信側でのビームフォーミング処理を行った後の雑音強調後の電力を表す。nＡは、グループＡに属する端末の総数を表す。
数式19で求めたVＡ(f)と変調多値数で実際に送信可能なビット数を比較することで、このサブキャリアで送信可能な情報量を得る。例えば、VＡ(f)が6.8bit/s/Hzである場合、64QAMを用いて6bit/s/Hzまで送信可能である。この送信可能な情報量を全サブキャリアについて総和を求め、この総和を推定通信速度とする。
次にグループＢの推定通信速度の求め方について説明する。まず、サブキャリアfにおいて基地局間協調通信を行った場合の通信容量を求める。S,I,Nの定義は数式19と同様である。ｎＢは、グループＢに属する端末の総数を表す。
Figure 0005406919
 同様にして、数式20で求めたVＢ(f)と変調多値数で実際に送信可能なビット数を比較することで、このサブキャリアで送信可能な情報量を得る。送信可能な情報量を全サブキャリアについて総和を求め、この総和を推定通信速度とする。
それぞれ求めた各端末の推定通信速度が、要求速度を満たすか満たさないか比較する。グループＡで推定通信速度が要求速度を満たす端末のグループをＡ１、満たさない端末のグループをＡ２とし、グループＢで推定通信速度が要求速度を満たす端末のグループをＢ１、満たさない端末のグループをＢ２とする。
次に１５１１で、通信方式判断処理部１３０４は、グループＡ２の端末のうち、通信速度向上を期待する端末とグループＢ１の端末をあわせてグループＣとする。ここで、通信速度向上を期待するかどうかの判断については、図１２で説明したように、端末からチャネル情報+通信方式候補の制御信号で通信速度向上志向の情報要素によって通知され、統合基地局105の端末のチャネル情報・通信方式候補データベース1303に記録されているものとする。
１５０６では、新しく構成されたグループＣに対して推定通信速度を求める。
数式20と同様にして、サブキャリアfにおいて基地局間協調通信を行った場合の通信容量を求める。
Figure 0005406919
 S,I,Nの定義は数式19と同様である。nＣは、グループＣに属する端末の総数を表す。数式21で求めたVＣ(f)と変調多値数で実際に送信可能なビット数を比較することで、このサブキャリアで送信可能な情報量を得る。送信可能な情報量を全サブキャリアについて総和を求め、この総和を推定通信速度とする。
１５０７では、グループＣ全ての端末の推定通信速度が要求通信速度を満たしているかどうか判定する。満たしていれば１５１０へ、満たしていなければ１５０８に移行する。１５０８では、推定通信速度と要求通信速度の差分がもっとも大きな端末を１つ選んで、これをグループＤに追加し、選ばれた１つの端末を除いたグループＣを新たなグループＣとする。１５０９では、新たなグループＣを構成する端末数を調べ、１つもない場合は１５１０に１つ以上ある場合は１５０６に戻って、新たなグループＣでの推定通信速度を再計算する。このようにして通信方式判断処理部１３０４は、１５０６から１５０９をループ処理することによって、基地局間協調通信によって要求通信速度を満たす端末のグループＣを確定させていく。
１５１０では、通信方式判断処理部１３０４は、グループＣを基地局間協調通信を行い、それ以外のグループＡ１・Ｂ２・Ｄについては干渉回避通信を行うと通信方式を決定する。
１５１１では、通信方式判断処理部１３０４は、干渉回避通信を行うと決めた端末のうち、端末の組み合わせを任意に作り、基地局間で同時に伝送しても要求通信速度を満たす端末に対して基地局間同時送信による干渉回避通信を行い、要求速度を満たさない端末に対しては基地局間時分割による干渉回避通信を行うもの決定する。
グループＡ１・Ｂ２・Ｄを新たにグループＥと定義する。同時通信を行う端末グループを任意に形成してＥ１とし、それ以外をＥ２とする。次の数式２２によってサブキャリアfの通信容量を求めて、上記と同様にして推定通信速度を求める。
Figure 0005406919
 ただし、ここで干渉項のＩについては、同時通信を行うグループＥ１の各端末に対して、もし送信側でビームフォーミングを行う場合は、ビームフォーミングを行った後に他の端末に干渉として与える電力の計算を行うものとする。
１５１１の後は１５０３に戻る。このようにして、通信方式判断処理部1304が端末のチャネル情報・通信方式候補データベース1303を参照して、定期的に、もしくは端末からの情報更新があった際のイベントドリブン式に通信方式を判断することを繰り返す。図１０の１０９０に対応する。
図１６に本発明の実施形態における基地局無線部の構成図を示す。基地局無線部は、１本ないし複数本のアンテナ1601a・1601ｂ・1601ｃ・1601ｄと、無線部1602とシリアルパラレル変換部と局間インタフェース部1604とで構成される。
無線部1602は、アンテナ1601a・1601ｂ・1601ｃ・1601ｄで送受信切替え機能をもつ共用器と、共用器に接続された受信器および送信器からなる。受信器は、アンテナからの受信信号をフィルタリング処理し、ベースバンド帯域のアナログ信号に変換した後、ディジタル信号に変換（Ａ／Ｄ変換）して、シリアルパラレル変換部1603に出力する。一方、送信器は、シリアルパラレル変換部1603 から出力されたディジタル信号をアナログ信号に変換（Ｄ／Ａ変換）し、周波数帯域の変換と電力増幅を行った後、共用器に出力する機能を持つ。シリアルパラレル変換部1603は、4本のアンテナ信号を局間インタフェース部1604に渡すためにシリアルパラレル変換処理を行う。局間インタフェース部1604は、統合基地局105や基地局制御局101aや、他の基地局無線部110ｂや他の基地局102aなどと通信を行うためのパケット分解・組み立て処理などを行う。
上記は最も単純な基地局無線部の構成であるが、この基地局無線部に基地局信号処理部1606と無線制御部1612を有した構成であってもよい。
この場合、モデムＯＮ・ＯＦＦ切替部1605によって、無線部1602とシリアルパラレル変換部1603の代わりに、無線部1602と基地局信号処理部1606を接続し、基地局信号処理部の出力を局間インタフェース部1604に接続を切り替える。
基地局信号処理部1606と無線制御部1612の機能は、スーパー基地局の基地局信号処理部107aと無線制御部106の機能と基本的には同等のものを持っている。ただし、基地局信号処理部1606は、基地局無線部のアンテナ1601a・1601ｂ・1601ｃ・1601ｄのみに対してシングルユーザMIMOやマルチユーザMIMO信号処理を行う。つまり、基地局無線部に従属している端末に対してしか信号処理を行うことができない。基地局間協調通信を行うことができず、干渉回避通信のみをサポートする。また、無線制御部1612では報知情報とフィードバック判断情報をスーパー基地局の代わりに報知する機能を有している。通信方式を判断するための材料を端末から十分に揃えることができないため、この無線制御部1612では通信方式の判断は行わない。仮に統合基地局105が存在しない場合に、単独の基地局として機能する場合は、従来の基地局と同様のものとしてシングルユーザMIMO、マルチユーザMIMO通信機能をサポートする。なお、無線制御部１０６を構成する機能は、統合基地局105にあるものとして構成したが、基地局のいずれかが、無線制御部１０６に相当する機能を有し、端末の通信方式の判断を行ってもよい。または、基地局制御局101aが、無線制御部１０６を構成し、複数の基地局を制御して、基地局間の連携を制御してもよい。
図１７に本発明の実施形態における端末の構成図を示す。端末は、１本ないし複数本のアンテナ1701a・1701ｂと、無線部1702と、信号処理部1703と、制御部1709と、外部インタフェース1714とで構成される。無線部1702は、基地局無線部における無線部1602と同様の構成である。信号処理部1703は、チャネル推定部1704と、SU-MIMOモデム処理1705と、MU-MIMOモデム処理1706と、通信切替制御部1707と、データ・制御信号多重・分離部1708とで構成される。
チャネル推定部1704以外は、統合基地局105や基地局無線部110aの基地局信号処理部と同等の機能を持つ。チャネル推定部1704では、リファレンス信号を受信すると、リファレンス信号のパターンが既知の信号を用いているため、伝搬路のアンテナ間の利得を測定することができ、送信アンテナと受信アンテナ間の伝搬路ゲインをチャネル行列として測定し、結果を制御部1711のチャネル情報データ1711に蓄える。このチャネル推定部1704の機能は、統合基地局105や基地局無線部110aの基地局信号処理部にもあってもよい。この場合、端末側からリファレンス信号を送信して、基地局無線部で受信したチャネル情報を測定することが可能になる。
制御部1709では、プロトコル処理部1710と、チャネル推定結果のチャネル情報データ1711と、フィードバック判定処理部1712と、フィードバック判断情報1713から構成される。制御部1709は図18で後述するアルゴリズムにしたがって、チャネル情報データ1711とフィードバック判断情報1713からフィードバック送信の可否とフィードバック時に通信方式候補をフィードバック判定処理部1712で決定し、図10・図11のプロトコルに従って、統合基地局105や基地局無線部110aと制御信号をやりとりする機能を持つ。外部インタフェース1714は、例えば端末における入出力デバイスとして、例えばマイクやスピーカなどに接続するインタフェース機能を持つ。例えば、コーデック1715では、音声コーデック処理やデータ通信のコーデック処理などを行うことによって音声端末やデータ通信端末としての外部インタフェース変換の役割を担う。
図18を用いて端末の制御部で実行されるフローチャートについて説明する。図１８は、図１０の１０５０、１０６０，１０７０，１０８０に対応する。また、図１１の１１２３，１１４３、１１５３，１１５５，１１５７に対応する。
電源投入後の端末は、まだ報知情報を受信しておらず、フィードバック判断情報のない状態から始まる。そこで、１８０１では、報知情報を受信してフィードバック判断情報1713としてデータベースに保存する。この報知情報は定期的にブロードキャストされているので、プロトコル処理部1710は定期的に情報を受信して、フィードバック判断情報を適宜アップデートする処理を行う。フィードバック判断情報がデータベースにある場合（１８５０）、１８０２以降では、フィードバック判断情報を得て、フィードバック判定処理部1712がフィードバックの可否や通信方式候補を決定する。１８０２では、リファレンス信号を受信し、チャネル推定部1704によってチャネル情報を推定し、推定結果をチャネル情報データ1711として蓄積する。１８０３では、フィードバック判断情報を参照して、フィードバック判断種別を調べる。フィードバック判断種別によって、図１２で上述のチャネル変動相関係数や、復号誤り率、全基地局からのＳＩＮＲ、従属基地局からのＳＩＮＲ、基地局協調通信での改善指標などの数値を計算する。基地局協調通信での改善指標については、数式１７・数式１８など複数の候補があるが、それぞれの指標が特定できるようにフィードバック判断種別には別々の値を用いて特定できるようにする。
１８０４では、上記の数値の計算結果が、フィードバック判断閾値の条件を満たしているかどうか判断する。フィードバック判断閾値の条件を満たしていなければ、端末はフィードバック情報を送信せずに、１８０２に戻る。フィードバック判断閾値の条件を満たしていた場合は、１８０５に移る。
１８０５では、従属基地局からのチャネル情報から干渉回避通信を行った場合の推定通信速度を求めて、推定通信速度が要求通信速度を満たしているかどうか判定を行う。ここで推定通信速度の求め方について記述する。まず、シングルキャリアfにおける通信容量を次の数式23によって求める。
Figure 0005406919
 ここで、従属基地局アンテナから送信されたリファレンス信号から、所望波となる送信アンテナを選んだ場合の所望波の受信電力をＳとし、従属基地局からの送信アンテナで所望波とならずに干渉として寄与する送信アンテナから送信されたリファレンス信号の受信電力をIと定義する。Ｎは熱雑音の電力を表しており、ガウス雑音信号に対して、受信側でのビームフォーミング処理を行った後の雑音強調後の電力を表す。nは、従属基地局に属している端末の総数を表す。
数式23で求めたV(f)と変調多値数で実際に送信可能なビット数を比較することで、このサブキャリアで送信可能な情報量を得る。この送信可能な情報量を全サブキャリアについて総和を求め、この総和を推定通信速度とする。
１８０５で推定通信速度が要求通信速度を満たしていれば、１８０６で通信方式を干渉回避通信とし、推定通信速度が要求通信速度を満たしていない場合、１８０７に以降する。１８０７では、基地局協調通信で速度向上を期待している場合は、１８０８で通信方式を基地局協調通信とし、速度向上を期待していない場合は、１８０６で通信方式を干渉回避通信とする。１８０６や１８０８で通信方式の候補を決定したら、１８０９に移行し、１８０９では図１２に記載した制御信号を生成してプロトコル手順に従って通信方式候補やチャネル情報をスーパー基地局もしくは基地局無線部にフィードバック通知する。
また、基地局協調通信での改善指標としては、数式１７・数式１８など、サブキャリアでの通信容量がフラットな場合は、通信容量を指標として判断してもよいが、サブキャリア毎に特性が異なる場合は、全サブキャリアを用いた推定通信速度を使って改善指標を計算してもよい。
基地局間協調通信を行った場合の推定通信速度は、数式16によってサブキャリアの通信容量を計算し、変調多値数で実際に送信可能なビット数と通信容量を比較することで、このサブキャリアで送信可能な情報量を得る。この送信可能な情報量を全サブキャリアについて総和を求め、この総和を基地局間協調通信における推定通信速度とする。
一方、基地局協調通信を行わない場合の推定通信速度としては、数式23によって求めた通信容量から、変調多値数で実際に送信可能なビット数と通信容量を比較することで、このサブキャリアで送信可能な情報量を得る。この送信可能な情報量を全サブキャリアについて総和を求め、この総和を基地局間協調通信を行わなかった場合の推定通信速度とする。
基地局協調通信での改善指標として、基地局協調通信を行った場合の推定通信速度が、基地局協調通信を行わなかった場合の推定通信速度の比であるもの、基地局協調通信を行った場合の推定通信速度が、基地局協調通信を行わなかった場合の推定通信速度の差の絶対値であるもの、前記の絶対値を基地局通信を行わなかった場合の推定通信速度で割ったものとして活用してもよい。
本発明は、無線通信システムにおいて、複数の送受信アンテナを持つ複数の基地局と、各基地局に従属する複数の端末のデータ送受信を行う方法に利用可能である。

Claims (10)

  1. 複数のアンテナを持つ複数の第一の基地局と、複数のアンテナを持つ複数の端末で構成される無線通信システムにおいて、
    第一の基地局間で干渉を回避していずれか一の第一の基地局が送信権を握って基地局間時分割多重通信を行う時間帯（基地局時分割多重通信）と、複数の第一の基地局間で同時に送信しても、複数の第一の基地局間の相互干渉が無視できる程度に小さく空間分割されている状況である通信の時間帯（干渉回避基地局同時通信）と、複数の第一の基地局間のアンテナに渡った信号処理を行って通信を行う時間帯（基地局間協調通信）とに分割し基地局アンテナと端末アンテナ間のチャネル情報を第一の基地局または第二の基地局で収集し、収集したチャネル情報から計算される各通信方式における推定通信速度と端末の要求速度を満足するかどうか判断することによって、通信方式を決定し、前記決定した通信方式が割り当てられている時間帯に第二の基地局が、第一の基地局を介して端末と通信を行うことを特徴とする無線通信システム。
  2. 請求項１記載の無線通信システムであって、
    送信アンテナと受信アンテナ間のチャネル情報を端末で測定するために必要な既知パターンのリファレンス信号を基地局アンテナから送信する手段と、端末がチャネル情報をどのような形でフィードバックするかフィードバック方法を指定する情報を端末に通知する手段を第一の基地局または第二の基地局が有し、端末は、前記リファレンス信号によってチャネル情報を測定し、測定したチャネル情報を前記のフィードバック方法を指定する情報に従って、フィードバックを行うか行わないか判断し、その判断結果に基づいてチャネル情報を基地局または第二の基地局にフィードバックすることを特徴とする無線通信システム。
  3. 請求項２記載の無線通信システムであって、
    フィードバック方法を指定する情報として、基地局協調通信を行った場合の推定通信速度が、基地局協調通信を行わなかった場合の推定通信速度の比が一定値以上である端末のみがフィードバックをすることを特徴とする無線通信システム。
  4. 請求項２記載の無線通信システムであって、
    フィードバック方法を指定する情報として、基地局協調通信を行った場合の推定通信速度が、基地局協調通信を行わなかった場合の推定通信速度の差の絶対値が一定値以上である端末のみがフィードバックをすることを特徴とする無線通信システム。
  5. 請求項２記載の無線通信システムであって、
    フィードバック方法を指定する情報として、基地局協調通信を行った場合の推定通信速度が、基地局協調通信を行わなかった場合の推定通信速度の差の絶対値を、基地局協調通信を行わなかった場合の推定通信速度で割った値が一定値以上である端末のみがフィードバックをすることを特徴とする無線通信システム。
  6. 端末と無線通信をする複数の第一の基地局に接続される統合基地局であって、
    前記統合基地局は、第一の基地局間で干渉を回避していずれか一の第一の基地局が送信権を握って基地局間時分割多重通信を行う時間帯（基地局時分割多重通信）と、複数の第一の基地局間で同時に送信しても、複数の第一の基地局間の相互干渉が無視できる程度に小さく空間分割されている状況である通信の時間帯（干渉回避基地局同時通信）と、複数の第一の基地局間のアンテナに渡った信号処理を行って通信を行う時間帯（基地局間協調通信）とに分割し基地局アンテナと端末アンテナ間のチャネル情報を収集し、収集したチャネル情報から計算される各通信方式における推定通信速度と端末の要求速度を満足するかどうか判断することによって、通信方式を決定し、前記決定した通信方式が割り当てられている時間帯に、第一の基地局を介して端末と通信を行うことを特徴とする統合基地局。
  7. 請求項６記載の統合基地局であって、
    前記統合基地局は、送信アンテナと受信アンテナ間のチャネル情報を端末で測定するために必要な既知パターンのリファレンス信号を基地局アンテナから送信する手段と、端末がチャネル情報をどのような形でフィードバックするかフィードバック方法を指定する情報を端末に通知する手段を有することを特徴とする統合基地局。
  8. 請求項７記載の統合基地局であって、
    フィードバック方法を指定する情報として、基地局協調通信を行った場合の推定通信速度が、基地局協調通信を行わなかった場合の推定通信速度の比が一定値以上である端末のみがフィードバックをすることを特徴とする統合基地局。
  9. 請求項７記載の統合基地局であって、
    フィードバック方法を指定する情報として、基地局協調通信を行った場合の推定通信速度が、基地局協調通信を行わなかった場合の推定通信速度の差の絶対値が一定値以上である端末のみがフィードバックをすることを特徴とする統合基地局。
  10. 請求項７記載の統合基地局であって、
    フィードバック方法を指定する情報として、基地局協調通信を行った場合の推定通信速度が、基地局協調通信を行わなかった場合の推定通信速度の差の絶対値を、基地局協調通信を行わなかった場合の推定通信速度で割った値が一定値以上である端末のみがフィードバックをすることを特徴とする統合基地局。
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