JP7003324B2 - 下位無線基地局、空間多重ストリーム数の制御方法、制御回路およびプログラム - Google Patents

Description

本発明は、ＭＩＭＯ（Multiple-Input Multiple-Output）方式が適用される無線通信システムにおける下位無線基地局および空間多重ストリーム数の制御方法に関する。

近年、第５世代移動体通信システムを適用した技術の研究、および第５世代移動体通信システムの標準化に向けた活動が活発化している。移動体通信システムのトラフィック量は、２０２０年代には２０１０年の１０００倍以上になると想定されている。このため、広い周波数幅を確保することで、伝送量を増やすことができる第５世代移動体通信システムの実現に向けて、無線リソースの有効活用および伝送効率の向上への関心が高まっている。

第５世代移動体通信システム以降の無線リソースの有効活用および伝送効率の向上の方法の一例として、送受信機双方に複数のアンテナを設置したＭＩＭＯシステムに、空間分割多元接続（ＳＤＭＡ：Space Division Multiple Access）方式を適用したマルチユーザＭＩＭＯ（ＭＵ（Multi-User）－ＭＩＭＯ）システムが挙げられる。ＭＵ－ＭＩＭＯシステムは、複数のアンテナを備える基地局と、複数のアンテナを備える複数の端末とを備え、基地局が同一の無線周波数帯において複数の端末に対して同時伝送を行うシステムである。

第５世代移動体通信以降では、従来の移動体通信、すなわち第４世代移動体通信以前と同様の周波数帯に加えて、従来よりも高い周波数帯の電波の活用も見込まれている。周波数が高くなると電波は直進性が強くなり、伝搬距離に対する減衰が大きくなる。高い周波数の電波は、ビルなどの建物にぶつかると遮蔽されてしまうことと、基地局の伝搬距離が短くなることから、高い周波数帯を用いる場合は、１つの基地局がカバーする通信エリア、すなわちセルは従来よりも小さくなり、基地局の数は、第４世代移動体通信以前より増加すると見込まれる。このため、各セルを形成する基地局、すなわち移動端末と無線接続可能な基地局は簡素な構成で実現されることが望ましい。特許文献１は、上位無線基地局と下位無線基地局に分割されて構成された無線基地局システムを開示する。上位無線基地局は、上位スケジューラ部にてデータ伝送を行う端末の選定と、各端末のデータ伝送速度またはデータ伝送量を決定し、これらを下位無線基地局に通知する。下位無線基地局は、上位スケジューラにより決定された端末と端末のデータ伝送速度に基づいて、各端末の信号ストリーム数を決定し、各端末に対してＭＵ－ＭＩＭＯプリコーディングを行うことで送信先端末にＭＵ－ＭＩＭＯ伝送を行う。特許文献１に記載の無線基地局システムは、上位無線基地局と、移動端末と無線接続可能な基地局である下位無線基地局とで構成されるため、下位無線基地局は簡素な構成で実現される。

国際公開第２０１９／００３２９８号

しかしながら、特許文献１に記載の下位無線基地局は、上位スケジューラによって決定された端末へ信号ストリームを伝送するが、この信号ストリームは、端末が備える複数のアンテナ間、または端末間の空間相関が高い信号ストリームである場合がある。このような空間相関が高い信号ストリームをＭＵ－ＭＩＭＯに含めてプリコーディングを適用すると下位無線基地局のスループットおよび信号電力対干渉雑音電力比（ＳＩＮＲ：Signal-to-Interference plus Noise power Ratio）などの通信品質が劣化するという問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、スループットおよび通信品質の劣化を抑制することができる下位無線基地局を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る下位無線基地局は、信号ストリームを割り当てる複数の送信先端末と、複数の送信先端末のデータ伝送速度とを上位無線基地局から通知され、複数の送信先端末およびデータ伝送速度に基づいて、複数の送信先端末のそれぞれに少なくとも１ストリームを割当てかつデータ伝送速度の速い送信先端末に対応する行ほど上に配置されるように複数の送信先端末に対応する伝送路の状態に基づく行列を算出し、行列の要素の絶対値があらかじめ定められたしきい値を満たさない伝送路を用いないように送信先端末の信号ストリーム数を決定するランク制御部と、送信先端末に対応する信号ストリームにMulti User－Multiple Input Multiple Outputプリコーディングを行う信号処理部と、を備えることを特徴とする。

本発明にかかる下位無線基地局は、スループットおよび通信品質の劣化を抑制することができるという効果を奏する。

実施の形態にかかる無線基地局システムの構成例を示す図 実施の形態にかかる上位基地局の構成例を示す図 実施の形態にかかる下位基地局の構成例を示す図 実施の形態の制御回路の構成例を示す図

以下に、本発明の実施の形態にかかる下位無線基地局および空間多重ストリーム数の制御方法を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態．
図１は、実施の形態にかかる無線基地局システムの構成例を示す図である。無線基地局システム１００は、上位基地局１０と、下位基地局２０－１～２０－Ｍ（Ｍは１以上の整数）と、を備える。上位基地局１０は、後述する上位スケジューリングを行う無線基地局である。下位基地局２０－１～２０－Ｍを区別せずに示すときは、適宜、下位基地局２０と称する。下位基地局２０は、後述する下位スケジューリングを行う無線基地局である。

無線基地局システム１００は、ＭＢＨ（Mobile Back Haul）と接続し、ＭＢＨとの間でデータの送受信を行う。ＭＢＨとは、３ＧＰＰ（Third Generation Partnership Project）またはＩＴＵ－Ｒ（International Telecommunication Union Radiocommunication Sector）で規定されるネットワークであり、ＳＧＳＮ（Serving General-packet-radio-service Support Node）などの上位ネットワーク装置が設置されたサイトの間と、基地局とを接続するネットワークである。ＳＧＳＮは、３ＧＰＰで規定されている移動端末のコアネットワークを構成するノードの１つで、パケット通信時のユーザの認証、ＩＰ（Internet Protocol）アドレスなどの情報の制御を行う。

無線基地局システム１００が備える各下位基地局２０が形成するセルには、移動端末９０－１－１～９０－Ｍ－Ｋ_Ｍが存在している。下位基地局２０－ｍ（ｍは１≦ｍ≦Ｍの整数）が形成するセルには、ｊ（ｊは１以上の整数）台の移動端末９０－ｍ－１～９０－ｍ－ｊが存在している。各端末のダウンリンクデータ、すなわち基地局から端末へ向かう方向の通信のデータは、ＭＢＨから無線基地局システム１００へ入力され、無線基地局システム１００から各端末へ送信される。本実施の形態の無線基地局システム１００は、ＭＵ－ＭＩＭＯ方式が適用されている。

ここで、一般的なＭＵ－ＭＩＭＯシステムについて説明する。ＭＵ－ＭＩＭＯシステムにおけるダウンリンク（以下、ＭＵ－ＭＩＭＯダウンリンクという）では、基地局から各端末へ同時に信号を送る。なお、アップリンクは本発明ではＭＵ－ＭＩＭＯ方式の対象外とする。

ＭＵ－ＭＩＭＯダウンリンクの通信性能は、基地局と端末との間の伝送路状態に大きく依存する。このため、基地局は、ＭＵ－ＭＩＭＯダウンリンクの伝送を行う端末の組み合わせと、各端末にダウンリンクを伝送する信号ストリーム数、すなわち、ランク数（ＲＩ：Rank Indicator）と、各信号のストリームの変調方式と、誤り訂正符号化方式であるＭＣＳ（Modulation and Coding Scheme）とを決定する必要がある。なぜならば、ＲＩとＭＣＳは伝送路状態に応じて決定される必要があるからである。信号ストリームとは、基地局が各端末に伝送する空間多重信号系列のことである。なお、ＲＩは、ＩＥＥＥ８０２．１１ｎ、ＬＴＥ（Long Term Evolution）－Ａｄｖａｎｃｅｄなどの規格で用いられる信号ストリーム数を示し、ＭＣＳは一次変調方式と誤り訂正符号化方式の組み合わせを示すインデックスである。

基地局は、決定されたＭＣＳの変調方式と誤り訂正符号化方式とを用いて、データ伝送速度を決定する。ＭＵ－ＭＩＭＯダウンリンクの伝送を行う端末の組み合わせと、各端末にダウンリンクを伝送する信号ストリーム数ＲＩと、各信号ストリームのＭＣＳとを決定する処理は、一般にスケジューリングと呼ばれ、スケジューリングを行う処理部は一般にスケジューラと呼ばれる。

また、基地局には、スケジューリングに必要な端末毎の伝送路状態を示す伝送路情報、すなわち、ＣＳＩ（Channel State Information）を取得するＣＳＩ取得部が備えられている。ここで、ＣＳＩとは、基地局アンテナポートと端末アンテナポートとの間のＭＩＭＯ伝送路行列を複素数で表現したものを指すが、これに限らず、例えば伝送路行列を実数表現したものであってもよく、アンテナポートではなくビーム空間に対応するポートであっても良い。

基地局は、端末から基地局へ送信されるアップリンクの信号を用いてＣＳＩを推定することによって、各端末のＣＳＩを取得可能である。基地局が各端末のＣＳＩを取得する方法は、これに限らず、例えば、端末側で推定したＣＳＩ推定値が、端末側から基地局へフィードバックされる方法であってもよい。

基地局では、スケジューラで決定した情報に基づき、ＭＵ－ＭＩＭＯダウンリンクのための無線信号処理、すなわち、ＭＵ－ＭＩＭＯ信号処理を行い、基地局が備える複数のアンテナからＭＵ－ＭＩＭＯダウンリンクの信号を送信する。ＭＵ－ＭＩＭＯ信号処理としては、各端末向けのデータ信号に対する誤り訂正符号化および一次変調により生成された複数の信号ストリームについて全端末分を空間多重化するプリコーディングが挙げられる。しかしプリコーディングに限らず、ＭＵ－ＭＩＭＯ信号処理は、ＭＵ－ＭＩＭＯダウンリンクを実現する無線信号処理であればいかなる処理であってもよい。

これまでに説明した一般的なＭＵ－ＭＩＭＯシステムでは、基地局は、階層化されていないが、本実施の形態の無線基地局システム１００では、特許文献１にて開示されているように、一般的なＭＵ－ＭＩＭＯシステムの基地局のスケジューラの機能を、上位基地局１０と下位基地局２０とに振り分ける。すなわち、一般的なＭＵ－ＭＩＭＯシステムの基地局のスケジューラを、上位基地局１０の上位スケジューラ部と下位基地局２０の下位スケジューラ部とに分ける。一般的なＭＵ－ＭＩＭＯシステムの基地局に備えられているＣＳＩ取得部は、下位基地局２０に備えられる。ＭＵ－ＭＩＭＯ信号処理は下位基地局２０で行う。上位基地局１０と下位基地局２０とは一般的に有線接続され通信するが、これに限らず、無線で通信してもよい。

図２は、本実施の形態にかかる上位基地局１０の構成例を示す図である。上位基地局１０はリソース制御部１１を有する。リソース制御部１１は、Ｍ台の下位基地局２０それぞれに対応するＭ個の上位スケジューラ部１２－１～１２－Ｍを有する。上位スケジューラ部１２－１～１２－Ｍを区別せずに示すときは、適宜、上位スケジューラ部１２と称する。

上位スケジューラ部１２－ｍは、ｊ台の移動端末から実際にデータ伝送を行うＬ_ｍ（Ｌ_ｍは１以上ｊ以下の整数）台の移動端末を選定する。選定する方法は、下位基地局２０－ｍから通知されたｊ台分の端末容量指標またはＣＳＩと、ＭＢＨから入力されるｊ台分の移動端末に対するデータ伝送速度またはデータ伝送量の要求値（またはデータ伝送のための待機バッファ量）とを考慮し選定する方法である。また、上位スケジューラ部１２－ｍは、各移動端末のデータ伝送速度、またはデータ伝送量を決定する。この処理を上位スケジューリングと称する。なお、各移動端末の端末容量指標は実数スカラ量であり、詳細については特許文献１に記載されている。

上位スケジューラ部１２－ｍは、選定した送信先端末と、各送信先端末の要求データ伝送速度とを、下位基地局２０－ｍに通知する。なお送信先端末とは、上位スケジューラ部１２－ｍが選定したＬ_ｍ台の移動端末である。上位スケジューリングの具体的なアルゴリズムとしては、例えば、上位スケジューラ部１２－ｍは、ｊ台の移動端末のうち所要の端末容量指標以上となる移動端末から、データ伝送要求値の大きいものから順にＬ_ｍ台の送信先端末を選定する方法がある。選定された送信先端末の要求データ伝送速度は、当該送信先端末の端末容量指標を超えないもののうち最大となるデータ伝送速度を用いることができるが、この限りではない。

図３は、本実施の形態にかかる下位基地局２０の構成例を示す図である。ここでは、Ｍ台の下位基地局２０のうち下位基地局２０－ｍを例に挙げて説明する。下位基地局２０－１～２０－Ｍは全て同じ構成である。下位基地局２０－ｍが備えるアンテナの数はＴ_ｍ（Ｔ_ｍは１以上の整数）、下位基地局２０－ｍが形成するセルに存在する移動端末数はｊとする。

下位基地局２０－ｍは、下位スケジューラ部２１と、無線ベースバンド信号処理部２２と、無線ＲＦ（Radio Frequency）信号処理部２３と、Ｔ_ｍ本のアンテナ２４－１～２４－Ｔ_ｍとを備える。下位スケジューラ部２１は、ランク制御部２１１を備える。無線ベースバンド信号処理部２２は、ＣＳＩ取得部２２１とＭＵ－ＭＩＭＯ信号処理部２２２とを備える。また、ＣＳＩ取得部２２１を単に取得部とも称する。ＭＵ－ＭＩＭＯ信号処理部２２２を単に信号処理部とも称する。無線ＲＦ信号処理部２３を単に無線信号処理部とも称する。下位スケジューラは、単にスケジューラとも呼ばれる。

ＣＳＩ取得部２２１は、移動端末９０－ｍ－１～９０－ｍ－ｊから下位基地局２０－ｍへのアップリンク信号から推定することにより、ＣＳＩを取得し、このＣＳＩを下位スケジューラ部２１に入力する。推定方法については特に限定されず、一般的な方法でよい。ＭＵ－ＭＩＭＯ信号処理部２２２は、上位スケジューラ部１２で選定されたＬ_ｍ台の送信先端末のＭＵ－ＭＩＭＯダウンリンク用ベースバンド信号を生成する。無線ＲＦ信号処理部２３は、ＭＵ－ＭＩＭＯダウンリンク用ベースバンド信号を無線ＲＦ周波数の無線信号に変換する。アンテナ２４－１～２４－Ｔ_ｍは無線ＲＦ信号を各送信先端末に送出する。

下位スケジューラ部２１は、ＣＳＩ取得部２２１から入力されるｊ台の端末のＣＳＩを、上位スケジューラ部１２－ｍが取扱い易いように端末の伝送路能力として値を抽象化、すなわち単一の実数スカラ量に変換する。伝送路能力とは、当該端末に対してダウンリンク伝送可能なデータ容量を示す。伝送路能力は、一般に伝送路情報から算出可能である。今後は端末数およびアンテナ数が増加することが予想され、これにより伝送路情報自体の情報量が増え、伝送路情報自体を送信すると回線が逼迫する可能性がある。伝送路情報自体の代わりに端末に対してダウンリンク伝送可能なデータ容量を示す単一の実数スカラ量を用いると回線の逼迫を抑制することができる。下位スケジューラ部２１は単一の実数スカラ量に変換されたＣＳＩである端末容量指標を上位スケジューラ部１２へ送信する。

ＣＳＩの特徴を表現可能な、すなわち抽象化可能なスカラ量として、ＭＩＭＯ伝送容量が挙げられる。ＭＩＭＯ伝送容量は、通信容量、チャネル容量、またはShannon容量とも呼ばれる。本実施の形態では、特許文献１にて開示されている端末容量指標Ｃ_ｍ,j(f)を用いるものとする。ｆは、下位基地局２０－ｍと、移動端末９０－ｍ－ｊとの間の無線ＲＦ周波数である。下位基地局２０がＣＳＩを上位基地局１０へ通知する場合、ＣＳＩを端末毎にＭＩＭＯ伝送路行列Ｈ_ｍ,ｊ(f)の行列要素数分だけ上位基地局１０に通知する必要があったが、ＣＳＩを実数スカラ量であるＣ_ｍ,j(f)に抽象化することにより、当該通知に係る情報伝送量を（Ｈ_ｍ,ｊ(f)の行列要素数×２）分の１に削減することができる。例えば、移動端末９０－ｍ－ｊの受信アンテナポート数が４、下位基地局２０－ｍのアンテナポート数をＮ_ｍ＝１６とすると、本抽象化（ＣＳＩを単一の実数スカラ量に変換すること）により、ＣＳＩ（複素数行列）がこのまま通知される場合に比べて情報伝送量を１／１２８に削減できる。

下位スケジューラ部２１は、上位基地局１０の上位スケジューラ部１２－ｍから通知されるＬ_ｍ台の送信先端末について、併せて通知された各送信先端末の要求データ伝送速度に基づき、各送信先端末のＲＩとＭＣＳを決定する。この処理手続きを下位スケジューリングと称する。また下位スケジューリングは、上位基地局１０により通知される１つ以上の移動端末のなかから選択された移動端末である送信先端末と送信先端末のデータ伝送速度とに基づいて、送信先端末の信号ストリーム数および変調符号化方式を決定するスケジューラであるともいえる。

実施の形態にかかる無線基地局システム１００のハードウェア構成について説明する。リソース制御部１１、上位スケジューラ部１２、下位スケジューラ部２１、無線ベースバンド信号処理部２２、ランク制御部２１１、ＣＳＩ取得部２２１、およびＭＵ－ＭＩＭＯ信号処理部２２２は、各処理を行う電子回路である処理回路により実現される。無線ＲＦ信号処理部２３は、送信機および受信機である。

本処理回路は、専用のハードウェアであっても、メモリ及びメモリに格納されるプログラムを実行するＣＰＵ（Central Processing Unit、中央演算装置）を備える制御回路であってもよい。ここでメモリとは、例えば、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、フラッシュメモリなどの、不揮発性または揮発性の半導体メモリ、磁気ディスク、光ディスクなどが該当する。図４は、実施の形態の制御回路の構成例を示す図である。この制御回路は例えば、図４に示す構成の制御回路４００となる。処理回路が、専用のハードウェアである場合、処理回路は、例えば、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）、またはこれらを組み合わせたものである。

図４に示すように、制御回路４００は、ＣＰＵであるプロセッサ４００ａと、メモリ４００ｂとを備える。図４に示す制御回路４００により実現される場合、プロセッサ４００ａがメモリ４００ｂに記憶された、各処理に対応するプログラムを読みだして実行することにより実現される。また、メモリ４００ｂは、プロセッサ４００ａが実施する各処理における一時メモリとしても使用される。

無線基地局システム１００では、上位基地局１０から下位基地局２０へ、ＭＵ－ＭＩＭＯ伝送を行う複数の送信先端末と各送信先端末のデータ伝送速度が指示される。このとき下位基地局２０は、上位基地局１０からの指示に基づき下位スケジューリングを行う。ここで、ＭＵ－ＭＩＭＯ伝送では送信先端末の組み合わせおよび各送信先端末への信号ストリーム数によって全体のＭＩＭＯ伝送路行列の構成が変わり、これらのパラメータの決定が伝送特性に影響を及ぼす。このため、下位基地局２０が伝送するストリーム数を仮決めするための基準があるほうがよいと考えられる。例えば、下位基地局２０は、上位基地局１０からのＭＵ－ＭＩＭＯ伝送を行う複数の送信先端末と各送信先端末のデータ伝送速度の指示に加えて、下位スケジューリングにおいて全送信先端末に少なくとも１つ信号ストリームを割り当てることが挙げられる。また、例えば、下位基地局２０は、下位スケジューリングにおいて、送信先端末に要求されるデータ伝送速度が速い送信先端末に優先して信号ストリームを割り当てることが挙げられる。１つのストリームが伝送される時間は、３ＧＰＰで規定されるサブフレームまたはスロットの単位で決定される。ＬＴＥの場合、１ｍｓごとにストリームが伝送される。５Ｇ（5th Generation）の場合、０．５ｍｓまたは０．２５ｍｓごとにストリームが伝送される。本発明にかかるランク制御部２１１は、上記の下位スケジューリング基準を満たすよう、暫定プリコーディング行列演算に基づき各送信先端末へ伝送する信号ストリーム数を決定する。

暫定プリコーディング行列演算について説明する。暫定プリコーディング行列演算は、信号ストリーム数を決定するための逆行列を規範とした演算である。また、暫定プリコーディング行列演算は、後述するＭＵ－ＭＩＭＯ信号処理部２２２がダウンリンク伝送に用いるＭＵ－ＭＩＭＯプリコーディングのためのプリコーディング行列演算とは異なるものである。

例として、無線基地局システム１００では、送信先端末台数Ｌ_ｍ＝４、基地局送信アンテナポート数Ｔ_ｍ＝８、各端末が２本の受信アンテナポートを備えるものとする。４台の送信先端末をそれぞれ端末ａ、端末ｂ、端末ｃ、端末ｄとする。各端末に対応する２行８列（行数：受信アンテナポート数、列数：基地局送信アンテナポート数Ｔ_ｍ）の伝送路行列Ａａ、Ａｂ、Ａｃ、Ａｄを、それぞれ式（１）、式（２）、式（３）、および式（４）のように定義する。なお、本明細書では、数式においては行列を示す文字を太字で表すが、本文中では通常文字で示す。

各端末の伝送路行列を部分行列として構成した８行８列の全体伝送路行列Ａを式（５）のように定義する。全体伝送路行列Ａは複数の送信先端末に対応する伝送路の状態を示す行列であるともいえる。

ここで、各端末に要求されるデータ伝送速度は端末ｄが最も速く、次に端末ｂ、端末ａ、端末ｃの順に速くなるものとする。これに基づき、ランク制御部２１１は、前述した下位スケジューリングのデータ伝送速度が速い送信先端末を優先するように優先順を反映し、全体伝送路行列Ａの部分行列を式（６）のように入れ替える。全体伝送路行列Ａの部分行列を式（６）のように入れ替えた行列を全体伝送路行列Ａ￣とする。式（６）で下位スケジューリングのデータ伝送速度が速い送信先端末を優先するように優先順を反映させる理由については後述する。

更に、前述した下位スケジューリングの全送信先端末に少なくとも１ストリームの信号伝送を行うようにするために、ランク制御部２１１は、各端末から受信ポートに対応するアンテナを１つずつピックアップし４行分を端末ｄ、端末ｂ、端末ａ、端末ｃの優先順で上から並べ、次に残る４行を同様の優先順で並べる。これを全体伝送路行列Ａ￣￣とする。全体伝送路行列Ａ￣￣は、式（７）で表される。

式（７）においてａ_ｉ（ｉ＝１、２、…、７）は８次元ベクトルであり、ａ^Ｔはベクトル及び行列の転置を示す。以上の行列内の行の入替は伝送路行列の特性を変えずに演算の利便性を改善する操作である。

次に、全体伝送路行列Ａ￣￣の逆行列を考える。一般に全体伝送路行列は長方形行列（横長）であるため、ランク制御部２１１は、全体伝送路行列のＭＰ（Moore-Penrose）一般逆行列を用いて伝送路空間の直交化を図る。暫定プリコーディング行列Ｗは、式（８）に示される全体伝送路行列Ａ￣￣のＭＰ一般逆行列により求められる。ＭＰ一般逆行列は、複数の送信先端末に対応する伝送路の状態に基づいて算出される行列とも呼ばれる。

式（８）においてＡ^＋１はＭＰ一般逆行列の演算子、Ａ^Ｈはベクトル及び行列のエルミート転置である。ここで、実質的な逆行列演算では正方行列部分（Ａ￣￣Ａ￣￣^Ｈ）^－１を用いるため、Ａ￣￣Ａ￣￣^Ｈを行列Ｂとおく。行列Ｂは、式（９）で表される。

式（９）において、ｂ_ｉ，ｊはｂ_ｉ，ｊ＝ａ^Ｔ _ｉ ａ＊_ｊの関係にある。また、行列Ｂはエルミート行列である。行列Ｂの逆行列演算としてガウス・ジョルダン法を適用する。ガウス・ジョルダン法は、ガウスの消去法、または掃き出し法とも呼ばれる。ガウス・ジョルダン法は３つの行基本変形を活用し対象の行列を対角化するとともに対象の行列の逆行列も算出できる手法である。１つ目の行基本変形は、２つの行を入れ替える変形である。２つ目の行基本変形は、ある行を０でない値で定数倍する変形である。３つ目の行基本変形は、ある行に他のある行の定数倍を加える変形である。ガウス・ジョルダン法は線形代数における古典的な逆行列解法（連立一次方程式解法）であり、ここでは詳細な原理の説明は省く。演算対象の８次エルミート行列Ｂと、初期値として単位行列を設定した８次正方行列Ｃをそれぞれ部分行列とした８行１６列の拡大行列Ｄを式（１０）のように定義する。

拡大行列Ｄにガウス・ジョルダン法を用いることで逆行列は算出される。演算対象の部分行列Ｂの範囲がＮ次正方行列のとき、ガウス・ジョルダン法は計Ｎステージの演算ステージを要し、第ｎ（ｎ＝１、２、…、Ｎ）ステージの演算では、ランク制御部２１１は、部分行列Ｂの第ｎ列の要素のうち対角要素であるｎ行ｎ列要素が１、ｎ行ｎ列以外の要素が０となるよう行基本変形を適用する。拡大行列Ｄの行全体に適用されるため、第１ステージから第Ｎステージまで演算を実施すると、最終的に部分行列Ｂの範囲は単位行列となり、部分行列Ｃの範囲は逆行列として算出される。

ここで、ｎ行ｎ列要素を１とするにはｎ行ｎ列要素の値の逆数を第ｎ行に乗ずれば良い。このとき、ｎ行ｎ列要素の大きさが極めて小さい場合、この逆数は０で割ることに近くなるため発散傾向となり、このようなケースを避ける必要がある。各行は受信アンテナポートに対応しており、この事象が生じるのは当該受信アンテナポートに起因して端末アンテナ間及び端末間の空間相関が高い場合である。このため、当該受信アンテナポートをＭＵ－ＭＩＭＯに含めてプリコーディングを適用すると伝送性能が劣化する可能性がある。本発明では、しきい値τを導入し、ランク制御部２１１が第ｎステージで対角要素の大きさをチェックする。しきい値τは０より大きい実数スカラ値であり、対角要素の絶対値がしきい値τより小さい場合には、部分行列Ｂ及びＣの第ｎ行及び第ｎ列を削除し、部分行列Ｂ及びＣの次数を１つ減らして演算を進める。すなわち、拡大行列Ｄの行数が１つ減り、列数が２つ減ることとなる。全演算ステージが終了した後に残る拡大行列Ｄの行数が、算出されるＭＵ－ＭＩＭＯのランク数である。式（６）で下位スケジューリングのデータ伝送速度が速い送信先端末を優先するように優先順を反映させた理由について説明する。ガウス・ジョルダン法による逆行列演算は、一般的に上の行から処理を行う。このため、少なくとも最初の行が省かれて逆行列演算されることはなく、最優先で逆行列演算される。例えば、式（９）の２行目は、１行目と直交化が行われ、３行目は、１行目および２行目との直交化が行われる。このように、下の行ほど直交化が行われる行が増えるため、下の行ほど直交化による対角要素がしきい値以下となりやすく、下の行ほど除かれる確率が高くなる。

適用例を説明する。第１ステージでは、ランク制御部２１１は、まず部分行列Ｂの１行１列要素ｂ_７，７の大きさ｜ｂ_７，７｜としきい値τを比較する。ここでは｜ｂ_７，７｜≧τであるとする。この場合、通常のガウス・ジョルダン法に従って第１ステージの演算を行う。第１ステージ演算の結果、拡大行列Ｄは、式（１１）の形となる。

第２ステージでは、ランク制御部２１１は、まず第１ステージ演算後の部分行列Ｂの範囲の２行２列要素の大きさ｜ｂ_３，３ ^（１）｜としきい値τとを比較する。ここでは｜ｂ_３，３ ^（１）｜≧τであるとする。この場合、通常のガウス・ジョルダン法に従って第２ステージの演算を行う。第２ステージ演算の結果、拡大行列Ｄは、式（１２）の形となる。

このように、第３ステージから第５ステージまで対角要素の大きさがしきい値τ以上の大きさであるとすると、第５ステージ終了後は、拡大行列Ｄは、式（１３）の形となる。

第６ステージにおいて、ランク制御部２１１は、部分行列Ｂの範囲の６行６列要素の大きさ｜ｂ_４，４ ^（５）｜としきい値τとを比較すると、｜ｂ_４，４ ^（５）｜＜τであったとする。この場合、当該受信アンテナポートが悪条件であることから、ランク制御部２１１は、第６行と部分行列Ｂの範囲の第６列及び部分行列Ｃの範囲の第６列を除く。拡大行列Ｄは、式（１４）の形となる。このランク制御部２１１の動作は、複数の送信先端末およびデータ伝送速度に基づいて、複数の送信先端末に対応する伝送路の状態に基づいて算出される行列を算出し、行列の要素の絶対値があらかじめ定められたしきい値を満たさない伝送路を用いないように送信先端末の信号ストリーム数を決定する動作といえる。

これにより、下位基地局２０は、端末ｂには信号ストリームを１つのみ伝送することとなり、端末ｂのＲＩは１となる。引き続き、ランク制御部２１１は、変形後の部分行列Ｂの範囲の６行６列要素の大きさ｜ｂ_２，２ ^（５）｜としきい値τとを比較し、｜ｂ_２，２ ^（５）｜≧τであるとする。この場合、通常のガウス・ジョルダン法に従って第６ステージの演算を行う。第６ステージ演算の結果、拡大行列Ｄは、式（１５）の形となる。

第７ステージも対角要素がしきい値以上の大きさとすると、ランク制御部２１１は、通常のガウス・ジョルダン法に従って第７ステージの演算を行い、一連の演算の結果、最終的に拡大行列Ｄは、式（１６）の形となる。

ここで、行列Ａ’￣￣は、式（１７）に表されるとおり、行列Ａ￣￣から第６行を除いた７行８列の行列となる。

式（１６）の行列の左半分の部分行列はＡ’￣￣Ａ’￣￣^Ｈの逆行列として算出される。これを用いて、暫定プリコーディング行列はランク制御部２１１によって、式（１８）のように計算される。

結果として、端末ｂは信号ストリームの数が１、その他の端末ａ、端末ｃ、端末ｄは信号ストリーム数が２として算出された。よって、ＭＵ－ＭＩＭＯトータルの信号ストリーム数は７となる。

以上のように、本発明のランク制御部２１１が行う暫定プリコーディング行列演算により、前述の下位スケジューリング基準に即したランク制御を実現できる。なお、暫定プリコーディング行列適用時の第ｎストリームのＳＮＲは、１アンテナ送信時のＳＮＲをγ_０とすると、式（１９）のように第ｎストリームのプリコーディングベクトルにより推定することができる。

下位スケジューラ部２１におけるＭＣＳ決定の具体的な方法を例示する。１つ目の例として、各送信先端末の信号ストリーム数、すなわちＲＩは決定しているため、通知された要求データ伝送速度の大きい端末から順に、要求データ伝送速度を満たすようＲＩに応じてＭＣＳを決定する。２つ目の例として、決定したＲＩとともに前述の暫定プリコーディング行列のベクトルを用いたＳＮＲ推定値を用いてＭＣＳを決定する。このように各送信先端末について順にＭＣＳを決定していく。ここでは２つのＭＣＳ決定方法を例示したが、この限りではなく、他の方法を用いても良い。

ＭＵ－ＭＩＭＯ信号処理部２２２では、送信先端末に対応する信号ストリームにＭＵ－ＭＩＭＯプリコーディングを行うが、プリコーディング方法に制限は無く、ブロック対角化に代表される線形プリコーディングを行っても良いし、ＴＨＰ（Tomlinson Harashima Precoding）に代表される非線形プリコーディングを行っても良い。非線形プリコーディングを適用する場合、下位スケジューラ部２１では、Ｌ_ｍ台の送信先端末の順序も決定する。決定する規範として、例えば端末容量指標の大きさとする、前述した暫定プリコーディング行列のベクトルを用いたＳＮＲ推定値の順とする、下位基地局２０から見た端末の角度の順とする、端末間の位置関係が地理的に近い順、または遠い順とする、端末の移動速度の順とする、などが挙げられるが、これらの限りではない。

以上説明したように、本実施の形態では、第４世代移動体通信において１基の基地局が行っていた処理を、上位基地局１０と下位基地局２０とで分ける。詳細には、上位基地局１０が、ＭＵ－ＭＩＭＯダウンリンクの伝送を行う端末の組み合わせを決定する処理を行い、下位基地局２０が、各端末にダウンリンクを伝送する信号ストリーム数ＲＩと、各信号ストリームのＭＣＳとを決定する処理を行う。また、下位基地局２０は、ランク制御部２１１を備え、ランク制御部２１１は、上位基地局１０からの送信先端末への伝送の指示に従いながらＭＰ一般逆行列を用いることで送信先端末ごとに伝送路空間を直交化することで伝送可能な信号ストリーム数を求める。したがって、下位基地局２０は、しきい値以下の行列要素があらわれる行および列を除き、端末アンテナ間および端末間の空間相関が高い信号ストリームを割り当てないことで、スループットおよび通信品質の劣化を抑制することができる。

以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。

１０ 上位基地局、１１ リソース制御部、１２－１～１２－Ｍ 上位スケジューラ部、２０，２０－１～２０－Ｍ 下位基地局、２１ 下位スケジューラ部、２２ 無線ベースバンド信号処理部、２３ 無線ＲＦ信号処理部、２４－１～２４－Ｔ_ｍ アンテナ、９０－１－１～９０－Ｍ－Ｋ_Ｍ 移動端末、１００ 無線基地局システム、２１１ ランク制御部、２２１ ＣＳＩ取得部、２２２ ＭＵ－ＭＩＭＯ信号処理部、４００ 制御回路、４００ａ プロセッサ、４００ｂ メモリ。

Claims (10)

1. 信号ストリームを割り当てる複数の送信先端末と、前記複数の送信先端末のデータ伝送速度とを上位無線基地局から通知され、前記複数の送信先端末および前記データ伝送速度に基づいて、前記複数の送信先端末のそれぞれに少なくとも１ストリームを割当てかつ前記データ伝送速度の速い前記送信先端末に対応する行ほど上に配置されるように前記複数の送信先端末に対応する伝送路の状態に基づく行列を算出し、前記行列の要素の絶対値があらかじめ定められたしきい値を満たさない伝送路を用いないように前記送信先端末の信号ストリーム数を決定するランク制御部と、
   前記送信先端末に対応する前記信号ストリームにMulti User－Multiple Input Multiple Outputプリコーディングを行う信号処理部と、
   を備えることを特徴とする下位無線基地局。
2. 前記行列は、
   Moore-Penrose一般逆行列であることを特徴とする請求項１に記載の下位無線基地局。
3. 前記ランク制御部は、
   前記Moore-Penrose一般逆行列を算出する時にガウス・ジョルダン法を用いることを特徴とする請求項２に記載の下位無線基地局。
4. 前記ランク制御部は、
   前記ガウス・ジョルダン法の演算の中で前記Moore-Penrose一般逆行列の中の要素の絶対値がしきい値より小さい場合、前記要素に対応する行および列を削除することを特徴とする請求項３に記載の下位無線基地局。
5. 上位無線基地局と、前記上位無線基地局と通信する複数の下位無線基地局とで構成される無線基地局システムの空間多重ストリーム数の制御方法であって、
   下位無線基地局が、
   信号ストリームを伝送する複数の送信先端末と、前記複数の送信先端末のデータ伝送速度とを上位無線基地局から通知され、前記複数の送信先端末および前記データ伝送速度に基づいて、前記複数の送信先端末のそれぞれに少なくとも１ストリームを割当てかつ前記データ伝送速度の速い前記送信先端末に対応する行ほど上に配置されるように前記複数の送信先端末に対応する伝送路の状態に基づく行列を算出し、前記行列の要素の絶対値があらかじめ定められたしきい値を満たさない伝送路を用いないように前記送信先端末の信号ストリーム数を決定する第１のステップと、
   前記送信先端末に対応する前記信号ストリームにMulti User－Multiple Input Multiple Outputプリコーディングを行う第２のステップと、
   を含むことを特徴とする空間多重ストリーム数の制御方法。
6. 前記行列は、
   Moore-Penrose一般逆行列であることを特徴とする請求項５に記載の空間多重ストリーム数の制御方法。
7. 前記第１のステップは、
   前記Moore-Penrose一般逆行列を算出する時にガウス・ジョルダン法を用いることを特徴とする請求項６に記載の空間多重ストリーム数の制御方法。
8. 前記第１のステップは、
   前記ガウス・ジョルダン法の演算の中で前記Moore-Penrose一般逆行列の中の要素の絶対値がしきい値より小さい場合、前記要素に対応する行および列を削除することを特徴とする請求項７に記載の空間多重ストリーム数の制御方法。
9. 下位無線基地局を制御するための制御回路であって、
   信号ストリームを伝送する複数の送信先端末と、前記複数の送信先端末のデータ伝送速度とを上位無線基地局から通知され、前記複数の送信先端末および前記データ伝送速度に基づいて、前記複数の送信先端末のそれぞれに少なくとも１ストリームを割当てかつ前記データ伝送速度の速い前記送信先端末に対応する行ほど上に配置されるように前記複数の送信先端末に対応する伝送路の状態に基づく行列を算出し、前記行列の要素の絶対値があらかじめ定められたしきい値を満たさない伝送路を用いないように前記送信先端末の信号ストリーム数を決定するステップと、
   前記送信先端末に対応する前記信号ストリームにMulti User－Multiple Input Multiple Outputプリコーディングを行うステップと、
   を前記下位無線基地局に実行させることを特徴とする制御回路。
10. 下位無線基地局を制御するためのプログラムであって、
    信号ストリームを伝送する複数の送信先端末と、前記複数の送信先端末のデータ伝送速度とを上位無線基地局から通知され、前記複数の送信先端末および前記データ伝送速度に基づいて、前記複数の送信先端末のそれぞれに少なくとも１ストリームを割当てかつ前記データ伝送速度の速い前記送信先端末に対応する行ほど上に配置されるように前記複数の送信先端末に対応する伝送路の状態に基づく行列を算出し、前記行列の要素の絶対値があらかじめ定められたしきい値を満たさない伝送路を用いないように前記送信先端末の信号ストリーム数を決定するステップと、
    前記送信先端末に対応する前記信号ストリームにMulti User－Multiple Input Multiple Outputプリコーディングを行うステップと、
    を前記下位無線基地局に実行させることを特徴とするプログラム。

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