JP6179985B2 - 無線通信システム、共同受信装置及びユーザ端末 - Google Patents

Description

本発明は、同一の移動体内に存在する多数の端末の移動通信（グループモビリティ）における無線通信システム、共同受信装置及びユーザ端末に関する。

ＬＴＥ（Long Term Evolution）やＬＴＥの後継システム（例えば、ＬＴＥアドバンスト、ＦＲＡ（Future Radio Access）、４Ｇなどともいう）では、半径数百メートルから数キロメートル程度の相対的に大きいカバレッジを有するマクロセルと重複して、半径数メートルから数十メートル程度の相対的に小さいカバレッジを有するスモールセル（ピコセル、フェムトセルなどを含む）が配置される無線通信システム（例えば、Heterogeneous networkともいう）が検討されている（例えば、非特許文献１）。

かかる無線通信システムでは、マクロセルとスモールセルとの双方で同一の周波数帯を用いるシナリオ（例えば、co-channelともいう）や、マクロセルとスモールセルとで異なる周波数帯を用いるシナリオ（例えば、separate frequencyともいう）が検討されている。具体的には、後者のシナリオでは、マクロセルにおいて、相対的に低い周波数帯（例えば、２ＧＨｚ）を用い、スモールセルにおいて相対的に高い周波数帯（例えば、３．５ＧＨｚ、１０ＧＨｚなど）を用いることも検討されている。

3GPP TR 36.814"E-UTRA Further advancements for E-UTRA physical layer aspects"

ところで、従来の無線通信システムでは、同一の移動体（例えば、電車、バス、船など）内に存在する多数の端末の移動通信（グループモビリティ、Group Mobility、ＧＭなどとも呼ばれる）において、各端末が個別に無線基地局との通信を行う。このため、移動体内の端末間干渉などによってシステムパフォーマンスが低下してしまう恐れがあった。特に、多数のユーザ端末を含んだ移動体の移動速度が高速である場合に、システムパフォーマンスの低下が顕著になるという課題があった。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、同一の移動体内に多数の端末が存在する場合であっても、システムパフォーマンスの低下を抑制する無線通信システム、共同受信装置及びユーザ端末を提供することを目的とする。

本発明の無線通信システムは、移動体内に存在する複数のユーザ端末と無線基地局との無線通信システムであって、前記ユーザ端末は、前記無線基地局から送信された信号を受信する受信部と、前記無線基地局から送信された信号を前記移動体内に配置される共同受信装置に送信する送信部と、を有し、前記共同受信装置は、前記複数のユーザ端末から送信された信号に基づいて、各ユーザ端末宛ての信号を検出する受信信号検出部と、検出した信号を各ユーザ端末に送信する送信部と、を有し、前記ユーザ端末は、前記共同受信装置が検出した前記ユーザ端末宛ての信号を前記受信部で受信して復調することを特徴とする。

本発明によれば、同一の移動体内に存在する多数の端末の移動通信（グループモビリティ）に対して、システムパフォーマンスの低下を抑制することができる。

本実施の形態に係る無線通信システムが適用されるネットワーク構成の概念図の一例である。 移動体内の複数のユーザ端末が直接連携する構成の概念図の一例である。 本実施の形態に係る無線通信システムの概略説明図である。 本実施の形態に係る無線通信システムのシステムモデルの説明図である。 本実施の形態に係る共同受信処理を示すフローチャートである。 本実施の形態に係る無線通信システムのブロック図である。 本実施の形態に係る無線基地局の全体構成図である。 本実施の形態に係るユーザ端末の全体構成図である。 本実施の形態に係る共同受信装置の全体構成図である。 本実施の形態に係る共同受信装置のベースバンド信号処理部の構成例を示すブロック図である。

図１は、本実施の形態に係る無線通信システムが適用されるネットワーク構成の概念図の一例である。図１に示すネットワーク構成は、セルを形成する無線基地局と、無線基地局と通信するユーザ端末（ＵＥ：User Equipment）とを含む。図１においては、移動体（車両）が移動しており、多数のユーザ端末が移動体に内包されている。なお、本実施の形態におけるユーザ端末は、移動端末装置も固定端末装置も含む。

図１に示すネットワーク構成において、無線基地局は、中央制御局（上位局装置、上位ノードとも呼ばれる）と接続される。この中央制御局は、コアネットワークに接続される。中央制御局には、例えば、アクセスゲートウェイ装置、無線ネットワークコントローラ（ＲＮＣ）、モビリティマネジメントエンティティ（ＭＭＥ）などが含まれる。なお、中央制御局が設置される場所には、特に限定されない。また、中央制御局の一部又は全部の機能を無線基地局に設けた構成としてもよい。

従来の無線通信システムでは、同一の移動体（例えば、電車、バス、船など）内に存在する多数の端末における移動通信（グループモビリティ、Group Mobility、ＧＭなどとも呼ばれる）において、各端末が個別に無線基地局との通信を行う。このため、端末間干渉などによってシステムパフォーマンスが低下してしまう恐れがあった。

例えば、図１において、無線基地局と複数のユーザ端末が、同一無線リソース（同一時間・周波数チャネル）において通信を行うＭＵ−ＭＩＭＯ（Multi User ＭＩＭＯ）システムを構成する場合について説明する。無線基地局からユーザ端末への下り無線リンクにおいて、無線基地局は、複数アンテナを用いてユーザ多重を行うと共に、ユーザ端末からフィードバックされるチャネル状態情報（ＣＳＩ：Channel State Information）に基づいて、ユーザ間干渉が発生しないようにプリコーディングを行う必要がある。しかしながら、移動体が高速に移動する場合、ＣＳＩの時間変動が大きいため、フィードバックによる時間差により精度の高いプリコーディングが困難となる。このため、端末間干渉が生じ、通信パフォーマンスが低下する。

グループモビリティにおける上記課題への対策として、移動体内の複数のユーザ端末同士が連携することが考えられる。例えば、図２に示すように、ユーザ端末同士で制御信号や送受信信号を交換し、協調して送受信処理を行うことで、等価的なアンテナ数を増加させ送受信性能を改善することが可能である。なお、同一移動体内に存在する複数のユーザ端末は、移動体の位置の変化と比較して、相互の相対的な位置関係の変化は限りなく小さいため、ユーザ端末間は安定した近距離通信が可能である。

しかしながら、移動体内のユーザ端末数が多数存在する場合には、上記ユーザ端末同士の連携方式を用いると、多数のユーザ端末が信号交換を行う必要があるため、信号交換による通信オーバヘッドが増大する。この結果、ユーザ端末の負荷が大きくなり、無線リソースの利用効率が低下する恐れがあった。

そこで、本発明者らは、グループモビリティに対して、移動体内のユーザ端末が無線基地局から受信した信号を一旦共同受信装置に集約し、当該共同受信装置が一括で信号検出処理（共同受信処理）を実施した後、信号検出結果を各ユーザ端末に返信して、ユーザ端末は当該信号検出結果を復調してデータを取得することで、通信オーバヘッドを抑制しつつ、ユーザ端末間の干渉を除去して多重化効果を向上することができることを着想した。この構成によれば、通信システム全体のシステムパフォーマンスの低下を抑制することが可能となる。

以下、本実施の形態に係る無線通信システムを詳細に説明する。図３は、本実施の形態に係る無線通信システムの概略構成図である。図３においては、移動体内に共同受信装置が配置されており、ユーザ端末が無線基地局から受信した信号（以下、仮受信信号とも呼ぶ）を共同受信装置に送信する。複数のユーザ端末の仮受信信号を集約して用いることで、実質的に受信アンテナの数をユーザ端末数分増加することができ、信号の高品質な受信が可能となる。

また、ユーザ端末と共同受信装置の相対的な位置関係は比較的安定しているため、当該機器間の通信パフォーマンスが比較的に高いと考えられる。したがって、共同受信装置を介することによる遅延は小さい。また、共同受信装置に受信信号検出処理を任せることにより、ユーザ端末が簡易な構成であっても、高品質な信号の分離が可能となる。

図４及び５を参照して、本実施の形態に係る本実施の形態に係る無線通信システムによって実現される信号処理について説明する。図４は、本実施の形態に係る無線通信システムのシステムモデルの説明図である。また、図５は、本実施の形態に係る共同受信処理を示すフローチャートである。以下、図５については、図４の説明に伴って参照する。

図４においては、基地局の送信アンテナ数をＮ、ユーザ端末数をＫ、共同受信装置の受信アンテナ数をＭと表している。また、本実施の形態に係るユーザ端末のアンテナ数は１以上であっても良いが、図４では例としてアンテナ数が１の場合を説明する。

図４Ａは、無線基地局から送信された信号がユーザ端末を介して共同受信装置に到達するまでのシステムモデルを、図４Ｂは、共同受信装置で検出された受信信号がユーザ端末に返信されるシステムモデルを示している。また、前者は図５のステップＳＴ１１−ＳＴ１３に、後者は図５のステップＳＴ１４−ＳＴ１５に対応している。

まず、無線基地局は、プリコーディング行列Ｐ（Ｎ×Ｋ行列）を用いてデータ信号ｓ（Ｋ次元ベクトル）にプリコーディングを行い、ユーザ端末に対して信号を送信する（図５のステップＳＴ１１）。

次に、各ユーザ端末は、無線基地局から送信された信号を受信する（図５のステップＳＴ１２）。ここで、無線基地局から送信された信号がユーザ端末に受信されるまでに、信号は無線チャネルの影響を受ける。無線チャネルは送信アンテナの数だけ存在するため、無線基地局から第ｋ（ｋ＝１、…、Ｋ）ユーザ端末へのチャネル応答ｈ_ｋはＮ次元ベクトルで表される。

以上を考慮すると、第ｋユーザ端末における仮受信信号ｒ_ｋは、式１で表される。

式１より、各ユーザ端末をまとめて考えた場合の仮受信信号ｒ（Ｋ次元ベクトル）は、式２で表される。

次に、第ｋユーザ端末は、仮受信信号ｒ_ｋを共同受信装置へ送信する（図５のステップＳＴ１３）。この際、プリコーディングウェイトｑ_ｋを用いて仮受信信号ｒ_ｋにプリコーディングを行い、送信する。ここで、ｑ_ｋをｋ行ｋ列の成分（対角成分）としたＫ×Ｋ対角行列を、プリコーディング行列Ｑと表す。

各ユーザ端末から送信された信号が共同受信装置に受信されるまでに、信号は無線チャネルの影響を受ける。ここで、第ｋユーザ端末と共同受信装置間のチャネル応答をg_ｋ（Ｎ次元ベクトル）と表すと、各ユーザ端末と共同受信装置間のチャネル行列Ｇ（Ｍ×Ｋ行列）はＧ＝(g₁ g₂ … g_K)である。

次に、共同受信装置は、検出した受信信号を、プリコーディング行列Ｗ（Ｍ×Ｍ行列）を用いてプリコーディングして、各ユーザ端末に返信する（図５のステップＳＴ１５）。ここで、共同受信装置間と各ユーザ端末のチャネル行列は安定していて、変動が小さいと考えられるため、共同受信装置から各ユーザ端末へのチャネル行列はＧ^Ｔとみなしても良い。以上を考慮すると、各ユーザ端末が共同受信装置から受信する受信信号をまとめて表した受信信号Ｙ（Ｋ次元ベクトル）は、式４で表される。

式２と式４を比較すると、無線基地局から直接受信する信号（仮受信信号）が、そのままでは時間変動が大きいチャネル行列Ｈに影響されてしまうのに対して、共同受信装置から受信する検出信号は、安定した高品質なチャネル行列Ｇに影響されるのみである。したがって、共同受信装置により検出された受信信号を用いることで高品質な信号の受信が可能となる。

以下、図６を参照して、本実施の形態に係る無線通信システムの構成を説明する。図６は、本実施の形態に係る無線通信システム（無線通信システム１０）のブロック図である。図６に示すように、無線通信システム１０は、セルを形成する無線基地局１００と、移動体２００と、移動体２００に内包される複数のユーザ端末３００と、移動体２００に搭載される共同受信装置４００と、から構成される。図６では簡単のため移動体２００内のユーザ端末３００は３つ（ユーザ端末３００ａ−３００ｃ）とする構成を示しているが、ユーザ端末数はこれに限られない。また、図６に示す無線通信システム１０は、例えば、ＬＴＥシステム、ＬＴＥ−Ａシステム、ＩＭＴ−Ａｄｖａｎｃｅｄ、４Ｇ、ＦＲＡ（Future Radio Access）などであっても良い。また、本実施の形態に係る無線通信システムの構成は、図６に示した構成に限られない。

また、図６においては、移動体２００に内包される全ユーザ端末３００（３００ａ−３００ｃ）が共同受信装置４００に信号を転送する例を示すが、移動体２００内に存在するユーザ端末３００のうち、一部のユーザ端末で構成されるユーザ端末群のみが信号を転送する構成としても良い。

無線基地局１００は、所定のセルを形成してユーザ端末３００との通信を実施する。本実施の形態においては、無線基地局１００は、特に限定されない。例えば、無線基地局１００は、相対的に広いカバレッジを有するセル（マクロセル）を形成する無線基地局（マクロ基地局）であっても良い。また、無線基地局１００は、局所的なカバレッジを有するセル（スモールセル）を形成する無線基地局（スモール基地局）であっても良い。なお、マクロ基地局は、ＭｅＮＢ（Macro eNodeB）、送信ポイント（transmission point）、ｅＮｏｄｅＢ（ｅＮＢ）などと呼ばれても良い。また、スモール基地局は、ＳｅＮＢ（Small eNodeB）、ＲＲＨ（Remote Radio Head）、ピコ基地局、フェムト基地局、Ｈｏｍｅ ｅＮｏｄｅＢ、送信ポイント、ｅＮｏｄｅＢ（ｅＮＢ）などと呼ばれてもよい。

無線基地局１００の送受信アンテナは、複数のアンテナ素子を有するＭＩＭＯ（Multiple Input Multiple Output）構成を有する。当該構成により、ビームフォーミングを利用して、移動体２００の移動に好適に追従し、安定した通信品質を保証することが可能となる。

ここで、ビームフォーミング（ＢＦ）とは、複数のアンテナ素子において、それぞれの送受信信号に対して振幅、位相を制御することによって、送受信ビームに指向性を持たせ、かつビームの形状を変更できる技術である。このビームフォーミングにおいては、一般にアンテナ素子数が多いほど高度な制御が可能である。言い換えると、アンテナ素子数に応じてビーム数、各ビームの形状（水平面におけるビームの幅、垂直面におけるビームの幅など）、ビームの方向及び利得を詳細に制御できる。例えば、ビームの幅を狭くすること（すなわち、細いビームを形成すること）により、高い利得（電力密度）を得ることができる。

無線基地局１００は、チャネル行列Ｈの複素共役転置を用いて放射角（ＡｏＤ：Angle of Departure）を算出し、当該ＡｏＤに基づいて選択したプリコーディングウェイトを用いてビームフォーミングを適用すると共に、移動体２００内の複数のユーザ端末３００に対して空間分割多重を行う。また、共同受信装置４００に信号を転送する移動体２００内の複数のユーザ端末３００への通信は、同一の無線リソースを利用しても良い。

なお、チャネル行列Ｈは、チャネル状態情報（ＣＳＩ：Channel State Information）などのユーザ端末からのフィードバック情報から得られる。また、無線基地局と移動体内のユーザ端末とのチャネルは時間変動が大きいと考えられるため、チャネル行列Ｈは、時間平均値を用いることが好ましい。また、ユーザ端末から送信される信号の到来方向を検出したり、ユーザ端末の方向を推定したりすることによって、ユーザ端末の方向にビームフォーミングしても良い。

ここで、ユーザ端末の方向は、制御情報やデータベースによっても取得することができる。例えば、現在の時刻などに基づいてデータベースから移動体２００の大まかな位置を取得してユーザ端末の方向を推定しても良いし、中央制御局から地理的位置に関する情報を受信しても良い。なお、地理的位置に関する情報の取得としては、例えばＧＰＳ（Global Positioning System、全地球測位システム）、測域センサ（レーザスキャナとも呼ぶ）などを用いることができる。

なお、無線基地局１００の送受信アンテナは、多数（例えば、１００個以上）のアンテナ素子を有するＭａｓｓｉｖｅ−ＭＩＭＯ（３次元（３Ｄ）／Ｍａｓｓｉｖｅ ＭＩＭＯともいう）構成であれば、さらに高度なビームフォーミングが可能で、さらに高い品質の通信が可能である。

ここで、Ｍａｓｓｉｖｅ−ＭＩＭＯ伝送方式とは、多数のアンテナ素子を用いてデータを送信することでデータレート（周波数利用効率）を向上させる技術である。大量のアンテナ素子を用いてデータを送信することから、少数のアンテナ素子を用いる場合と比べて多重化に伴う伝送効率を改善でき、従来よりも高速な無線通信が可能となる。また、多数のアンテナ素子の組合せにより高度なビームフォーミングが可能となる。

移動体２００は、移動する物体であり、例えば、電車、車、バス、船などである。なお、移動体２００の移動経路は特に限定されない。つまり、移動体２００は、所定の経路に従って移動する物体であっても良いし、規則性なく自由に移動する物体であっても良い。

ユーザ端末３００は、ＬＴＥ、ＬＴＥ−Ａ、ＦＲＡなどの各種通信方式に対応した端末であり、無線基地局１００と単独で通信可能である。また、ユーザ端末３００は、無線基地局１００から受信した信号を共同受信装置４００に転送する。なお、本実施の形態に係るユーザ端末は、移動通信端末だけでなく固定通信端末を含んでよい。

上述したように、第ｋユーザ端末は、プリコーディングウェイトｑ_ｋを用いて仮受信信号ｒ_ｋにプリコーディングを行い、共同受信装置に送信する。ここで、ユーザ端末の有する送受信アンテナ数が１の場合、全ユーザ端末を考慮したプリコーディング行列Ｑは、スカラーｑ_ｋを対角成分とした対角行列である。つまり、この場合のプリコーディングは、仮受信信号の電力を増減させるように機能する。例えば、仮受信信号の受信電力が小さい場合にはｑ_ｋとして大きい値を、仮受信信号の受信電力が大きい場合にはｑ_ｋとして小さい値を用いることにより、共同受信装置における転送信号の受信レベルを均一化することができる。これにより、共同受信装置のダイナミックレンジを低減することが可能となる。

また、ユーザ端末の有する送受信アンテナ数が２以上の場合、全ユーザ端末を考慮したプリコーディング行列Ｑは、アンテナ数に応じた行列ｑ_ｋを対角成分としたブロック対角行列である。この場合のプリコーディングは、共同受信装置に対して指向性を持つビームを形成するように制御することが可能である。したがって、ユーザ端末の位置及びチャネル状態に応じたプリコーディングが可能である。

共同受信装置４００は、複数のユーザ端末３００から仮受信信号を受信し、一括で受信信号の検出（共同受信処理）を行う。そして、検出した受信信号を、各ユーザ端末に返信する。なお、本実施の形態においては、共同受信装置４００は、無線基地局１００との間で直接信号を送受信しない構成とするが、これに限られない。

受信信号の検出は、逐次干渉キャンセル（ＳＩＣ：Successive Interference Cancellation）、最尤検出法（ＭＬＤ：Maximum Likelihood Detection）などを利用することができる。例えば、ＳＩＣを用いる場合は、共同受信装置に集約された各仮受信信号に対して、信号電力対干渉及び雑音電力比（ＳＩＮＲ：Signal to Interference plus Noise Ratio）が大きい順番に、軟判定（ソフト判定）チャネル復号信号を用いて受信信号の推定値であるレプリカを生成し、そのレプリカを各ユーザ端末の受信信号から取り除くという非線形干渉キャンセルを、各ユーザ端末の受信信号が検出されるまで行う。

なお、本実施の形態におけるＳＩＮＲについて、共同受信するユーザ端末間の干渉は信号（Ｓ）として考える。つまり、干渉（Ｉ）は、他セルからの干渉などであり、ユーザ端末間の干渉は含まない。

検出した受信信号は、共同受信装置から各ユーザ端末のチャネル状態に応じて、最適な送信方法を用いて返信する。この際、無線基地局からユーザ端末への通信に用いられる送信方法と異なる方法を用いて良い。例えば、変調多値数、符号化方法、符号化率、通信方式などを適切に変更することができる。なお、ユーザ端末が仮受信信号を共同受信装置に送信する場合にも同様に、チャネル状態に応じて、最適な送信方法を用いて送信しても良い。

また、検出した信号の返信方法は、無線通信以外の方法を使うことができる。例えば、移動体内の照明（ＬＥＤ照明、有機ＥＬ照明など）によって、可視光線帯域の電磁波を用いた可視光通信を利用しても良い。また、移動体内に共同受信装置と有線接続するための通信用コネクタを有し、ユーザ端末を当該通信用コネクタに接続することで、共同受信装置と有線通信を行っても良い。

また、共同受信装置に係る信号の送受信については、多重化技術を用いることにより通信効率を向上することができる。例えば、共同受信装置に搭載された複数の送受信アンテナを用いて、同時に複数のユーザ端末から送信された仮受信信号を受信しても良い（空間分割多重）。また、ユーザ端末と共同受信装置間の無線リンクに時間分割多重、周波数分割多重などを適用しても良い。

以上、本実施の形態に係る無線通信システムによれば、グループモビリティに対して、移動体内のユーザ端末が無線基地局から受信した信号をそのまま一旦共同受信装置に集約し、当該共同受信装置が一括で信号検出処理を実施した後、信号検出結果を各ユーザ端末に返信する。これにより、通信オーバヘッドを抑制しつつ、ユーザ端末間の干渉を除去して多重化効果を向上することが可能となり、無線通信システム全体のシステムパフォーマンスの低下を抑制することができる。

（ユーザ端末の選択）
上述した共同受信処理においては、移動体内の全ユーザ端末を利用するのではなく、特定のユーザ端末群に対して実施する方が、システムパフォーマンスの低下を効果的に抑制できることが考えられる。そこで、本実施の形態に係る無線通信システムにおいては、移動体内に存在するユーザ端末の中から共同受信処理を行う共同受信対象として選択されたユーザ端末のみが、無線基地局からの信号を共同受信装置に送信して共同受信処理を実施する構成とすることができる。以下では、共同受信対象となるユーザ端末の選択方法について説明する。

ユーザ端末の選択は、無線基地局、共同受信装置及び中央制御局のいずれかで実施される。無線基地局以外で選択が実施される場合には、当該選択結果は無線基地局に通知されることが好ましい。また、共同受信装置がユーザ端末の選択候補を決定し、当該選択候補に関する情報を無線基地局、中央制御局などに通知して、当該選択候補に関する情報に基づいて共同受信対象となるユーザ端末を決定するように構成しても良い。例えば、複数のユーザ端末に個別の番号（１−１０）を割当てておき、共同受信装置がユーザ端末１、３、４及び７を選択候補として決定した場合には、“１”、“３”、“４”、“７”を示す情報を無線基地局に通知する構成とすることができる。また、無線基地局は、通知された選択候補に関する情報に基づいて共同受信対象を決定し、決定したユーザ端末を示す情報を、ユーザ端末を介して共同受信装置に通知することができる。

なお、本実施の形態においては、無線基地局との通信要求があるユーザ端末を選択するが、これに限られない。例えば、無線基地局との通信要求がない（いわゆるアイドル状態）ユーザ端末を選択することができる。この場合、アイドル状態のユーザ端末からの仮受信信号を、非アイドル状態のユーザ端末の信号検出のサポートに用いることができる。また、共同受信装置はアイドル状態のユーザ端末に対しては、受信信号の検出結果を返信しなくても良い。

本実施の形態において、ユーザ端末及び共同受信装置は、受信品質を測定する機能を有する。そして、上記共同受信対象は、無線基地局及びユーザ端末間の無線リンクの受信品質と、ユーザ端末及び共同受信装置間の無線リンクの受信品質と、のうち小さい方の値が所定の値以上となるユーザ端末から選択される。例えば、受信品質としてＳＩＮＲを測定する場合、共同受信対象は、無線基地局及びユーザ端末間の無線リンクのＳＩＮＲと、ユーザ端末及び共同受信装置間の無線リンクのＳＩＮＲと、のうち小さい方の値が所定の値以上となるユーザ端末から選択される。これにより、受信信号の検出が精度良く実現可能である。なお、上述したように、ユーザ端末間の干渉は、ＳＩＮＲのＩ成分ではなくＳ成分に含める点に留意すべきである。また、ＳＩＮＲではなくＳＮＲ（Signal to Noise Ratio）に基づいて選択を行っても良い。

また、ユーザ端末の選択は、チャネル応答が大きい端末から構成されるように選択することができる。具体的には、無線基地局からユーザ端末へのチャネル応答と、ユーザ端末から共同受信装置へのチャネル応答との全体を考慮することで、無線基地局がユーザ端末を介して共同受信装置と通信するチャネルが良好となるユーザ端末を選択する。チャネル応答の大きさは、例えばチャネル応答のフロベニウスノルムによって計算することができる。

また、ユーザ端末の選択は、上記の式３に示した等価チャネル行列Ｃのランク（階数）が最大となるように決定しても良い。具体的には、所定のユーザ端末数で共同受信を実施する場合に、Ｃのランクが最大（＝所定のユーザ端末数）になるように、ユーザ端末を選択する。

なお、共同受信対象となるユーザ端末数については、無線基地局及び共同受信装置の性能や、チャネル状態などに基づいて適宜変更しても良い。例えば、受信品質に基づいてユーザ端末の選択を実施する場合、上述した２つの受信品質の小さい方の値が所定の値以上であるユーザ端末から、さらに限定したユーザ端末を共同受信対象としても良い。例えば、受信品質の小さい方の値が所定の値以上であるユーザ端末から、大きい順に所定の数のユーザ端末を選択することができる。また、共同受信の効果を発揮するためには、複数のユーザ端末を選択することが好ましいが、選択されるユーザ端末数は１としても良い。

（チャネル推定）
本実施の形態においては、無線基地局及びユーザ端末間のチャネル状態と、ユーザ端末及び共同受信装置間のチャネル状態とを推定して制御に用いる。無線基地局及びユーザ端末間のチャネル状態については、無線基地局がユーザ端末に対して送信する信号に、所定の直交符号系列を多重することで、各ユーザ端末で当該直交符号系列を用いて推定することができる。ここで、直交符号系列を多重した信号としては、チャネル推定用の参照信号を無線リソースに含めて、参照信号を利用してユーザ端末がチャネル推定を実施することができる。例えば、参照信号としては、ＬＴＥ−Ａシステムで利用されるＣＳＩ−ＲＳ（Channel State Information Reference Signal）、ＤＭ−ＲＳ（DeModulation Reference Signal）、ＣＲＳ（Cell-specific Reference Signal）などを用いてもよい。

ユーザ端末及び共同受信装置間のチャネル状態については、ユーザ端末が仮受信信号に対して直交符号系列を時間多重して共同受信装置に送信することで、共同受信装置が当該直交符号系列を用いてチャネル推定を実施することができる。また、共同受信装置がユーザ端末に直交符号系列を送信して、ユーザ端末がチャネル推定を実施しても良い。

また、ユーザ端末が仮受信信号に対して直交符号系列を時間多重して共同受信装置に送信する場合には、共同受信装置で無線基地局及びユーザ端末間のチャネル状態と、ユーザ端末及び共同受信装置間のチャネル状態とを一括で推定する構成としても良い。この場合、ユーザ端末でのチャネル推定処理が不要となり、ユーザ端末における処理負荷を低減することができる。

（無線基地局、ユーザ端末及び共同受信装置の構成）
以下、本実施の形態に係る無線基地局１００、ユーザ端末３００及び共同受信装置４００の構成について図７−１０を参照して説明する。

図７は、本実施の形態に係る無線基地局の全体構成図である。図７に示されるように、本実施の形態に係る無線基地局１００は、ＭＩＭＯ伝送のための複数の送受信アンテナ１０１と、アンプ部１０２と、送信部１０３ａと、受信部１０３ｂと、ベースバンド信号処理部１０４と、呼処理部１０５と、伝送路インタフェース１０６を備えている。なお、複数の送受信アンテナ１０１は、Ｍａｓｓｉｖｅ ＭＩＭＯ用のアンテナ素子で構成されてもよい。

下りリンクにより無線基地局１００からユーザ端末３００に送信されるユーザデータは、中央制御局から伝送路インタフェース１０６を介してベースバンド信号処理部１０４に入力される。

ベースバンド信号処理部１０４では、入力されたユーザデータに対して、ＰＤＣＰ（Packet Data Convergence Protocol）レイヤの処理、ユーザデータの分割・結合、ＲＬＣ（Radio Link Control）再送制御の送信処理などのＲＬＣレイヤの送信処理、ＭＡＣ（Medium Access Control）再送制御（例えば、ＨＡＲＱ（Ｈｙｂｒｉｄ ＡＲＱ）の送信処理）、スケジューリング、伝送フォーマット選択、チャネル符号化、ＤＦＴ（Discrete Fourier Transform、離散フーリエ変換）処理、ＩＦＦＴ（Inverse Fast Fourier Transform、逆高速フーリエ変換）処理、プリコーディング処理などが行われて各送信部１０３ａに出力される。また、下り制御信号に関しても、チャネル符号化や逆高速フーリエ変換などの送信処理が行われて、各送信部１０３ａに出力される。

また、ベースバンド信号処理部１０４で行うプリコーディング処理は、無線基地局１００、共同受信装置４００、中央制御局のいずれかで決定された共同受信対象である複数のユーザ端末３００に対して、当該ユーザ端末の方向に向けてビームフォーミングされるようにウェイトを決定する。ここで、チャネル状態を示すＣＳＩ（Channel State Information）などのユーザ端末からのフィードバック情報や、アンテナ素子の重み付けに用いられるＡＯＡ（Angle of Arrival）やＡＯＤ（Angle of Departure）などに基づいて、ビームフォーミングを行っても良い。

また、ベースバンド信号処理部１０４において、所定の無線リソースに直交符号系列を多重するようスケジューリングを行っても良い。ここで、直交符号系列を多重した信号として、チャネル推定用の参照信号を無線リソースに含めて、参照信号を利用してユーザ端末がチャネル推定を実施することができる。例えば、参照信号としては、ＬＴＥ−Ａシステムで利用されるＣＳＩ−ＲＳ、ＤＭ−ＲＳ、ＣＲＳなどを用いてもよい。

各送信部１０３ａは、ベースバンド信号処理部１０４からアンテナ毎にプリコーディングして出力された下り信号を無線周波数帯に変換する。アンプ部１０２は、周波数変換された無線周波数信号を増幅して、複数の送受信アンテナ１０１を介して、複数のユーザ端末に対して空間分割多重を行いながら送信する。

一方、上り信号については、各送受信アンテナ１０１で受信された無線周波数信号がそれぞれアンプ部１０２で増幅され、各受信部１０３ｂで周波数変換されてベースバンド信号に変換され、ベースバンド信号処理部１０４に入力される。

ベースバンド信号処理部１０４では、入力された上り信号に含まれるユーザデータに対して、ＦＦＴ（Fast Fourier Transform、高速フーリエ変換）処理、ＩＤＦＴ（Inverse Discrete Fourier Transform、逆離散フーリエ変換）処理、誤り訂正復号、ＭＡＣ再送制御の受信処理、ＲＬＣレイヤ、ＰＤＣＰレイヤの受信処理などを行い、伝送路インタフェース１０６を介して中央制御局に出力する。呼処理部１０５は、通信チャネルの設定や解放などの呼処理や、基地局の状態管理や、無線リソースの管理を行う。

図８は、本実施の形態に係るユーザ端末の全体構成図である。図８に示されるように、ユーザ端末３００は、送受信アンテナ３０１と、アンプ部３０２と、送信部３０３ａと、受信部３０３ｂと、ベースバンド信号処理部３０４と、アプリケーション部３０５とを備えている。なお、送受信アンテナ３０１はＭＩＭＯ伝送のために複数アンテナから構成されることが好ましいが、１つのアンテナから構成されても良い。

下り信号については、複数の送受信アンテナ３０１で受信された無線周波数信号がそれぞれアンプ部３０２で増幅され、受信部３０３ｂで周波数変換され、ベースバンド信号処理部３０４に入力される。ベースバンド信号処理部３０４では、ＦＦＴ処理や、誤り訂正復号、再送制御の受信処理などを行って復調することにより、ユーザデータを抽出する。この下り信号に含まれるユーザデータは、アプリケーション部３０５に出力される。アプリケーション部３０５は、物理レイヤやＭＡＣレイヤより上位のレイヤに関する処理などを行う。また、下りリンクのデータの内、報知情報もアプリケーション部３０５に出力される。また、共同受信装置４００から信号を受信した場合にも、上述したような復調によって抽出された当該信号に含まれるユーザデータや報知情報をアプリケーション部３０５に出力する。

ユーザ端末３００は、無線基地局又は共同受信装置から、自端末が共同受信対象であると通知された場合、ベースバンド信号処理部３０４に入力された信号（仮受信信号）を、電力を増減させるように再度プリコーディングして各送信部３０３ａに出力し、アンプ部３０２を経由して送受信アンテナ３０１により共同受信装置４００に転送する。ここで、プリコーディングは、仮受信信号の受信電力が小さい場合には送信電力を増加するように、仮受信信号の受信電力が大きい場合には送信電力を増加するように、実施される。

また、ユーザ端末３００が有するベースバンド信号処理部３０４は、受信信号の所定の無線リソースに含まれる所定の直交符号系列を用いて、無線基地局１００及びユーザ端末３００間のチャネル状態を推定する。直交符号系列を多重した信号として、チャネル推定用の参照信号を用いることができる。例えば、参照信号としては、ＣＳＩ−ＲＳ、ＤＭ−ＲＳ、ＣＲＳなどを用いてもよい。

ベースバンド信号処理部３０４においては、仮受信信号に対して直交符号系列を時間多重するよう無線リソースのスケジューリングを行っても良い。これにより、共同受信装置４００が当該直交符号系列を用いて、ユーザ端末３００及び共同受信装置４００間のチャネル推定を実施することができる。

また、ユーザ端末３００は、共同受信装置４００から信号を受信し、当該受信信号の所定の無線リソースに含まれる直交符号系列を用いて、ユーザ端末３００及び共同受信装置４００間のチャネル推定を実施する構成としても良い。

また、ユーザ端末３００は、ユーザ端末３００及び／又は共同受信装置４００で推定されたチャネル状態に対応するチャネル状態情報（ＣＳＩ）を生成し、送信部３０３ａに出力する。なお、ＣＳＩには、ＣＱＩ（Channel Quality Indicator）、ＰＭＩ（Precoding Matrix Indicator）、ＲＩ（Rank Indicator）などが含まれてもよい。

また、ユーザ端末３００は、無線基地局１００及び／又は共同受信装置４００からの受信信号のＳＩＮＲを測定する機能を有し、無線基地局１００又は共同受信装置４００に対して測定したＳＩＮＲを送信しても良い。これにより、共同受信対象となるユーザ端末を好適に決定することができる。

一方、上りリンクのユーザデータについては、アプリケーション部３０５からベースバンド信号処理部３０４に入力される。ベースバンド信号処理部３０４では、ＭＡＣ再送制御や、チャネル符号化、プリコーディング、ＤＦＴ処理、ＩＦＦＴ処理などが行われて各送信部３０３ａに出力される。送信部３０３ａは、ベースバンド信号処理部３０４から出力されたベースバンド信号を無線周波数帯に変換する。その後、アンプ部３０２は、周波数変換された無線周波数信号を増幅して送受信アンテナ３０１により送信する。

図９は、本実施の形態に係る共同受信装置の全体構成図である。図９に示されるように、共同受信装置４００は、送受信アンテナ４０１と、アンプ部４０２と、送信部４０３ａと、受信部４０３ｂと、ベースバンド信号処理部４０４と、を備えている。なお、送受信アンテナ４０１はＭＩＭＯ伝送のために複数アンテナから構成されることが好ましいが、１つのアンテナから構成されても良い。

ユーザ端末３００からの仮受信信号については、複数の送受信アンテナ４０１で受信された無線周波数信号がそれぞれアンプ部４０２で増幅され、受信部４０３ｂで周波数変換され、ベースバンド信号処理部４０４に入力される。ベースバンド信号処理部４０４では、ＦＦＴ処理や、誤り訂正復号、再送制御の受信処理などがなされる。また、ベースバンド信号処理部４０４では、複数のユーザ端末３００から取得した仮受信信号を用いて、一括で受信信号の検出を行う。

検出された各ユーザ端末の受信信号などの外部に送信する信号については、ベースバンド信号処理部４０４でＭＡＣ再送制御、チャネル符号化、プリコーディング、ＤＦＴ処理、ＩＦＦＴ処理などが行われて各送信部４０３ａに出力される。送信部４０３ａは、ベースバンド信号処理部４０４から出力されたベースバンド信号を無線周波数帯に変換する。その後、アンプ部４０２は、周波数変換された無線周波数信号を増幅して送受信アンテナ４０１により送信する。

また、検出した信号の返信方法は、無線通信以外の方法を用いても良く、例えば、共同受信装置４００が移動体２００内の照明（ＬＥＤ照明、有機ＥＬ照明など）を制御することができる場合には、当該照明により可視光線帯域の電磁波を用いた可視光通信を行うことでユーザ端末３００に受信信号を通知しても良い。また、移動体２００内に共同受信装置４００と有線接続するための通信用コネクタを有し、ユーザ端末３００が当該通信用コネクタに接続されている場合には、共同受信装置４００が有線通信によりユーザ端末３００に受信信号を通知しても良い。

図１０は、本実施の形態に係る共同受信装置が有するベースバンド信号処理部の構成例を示すブロック図である。なお、図１０では、一部の構成のみを示しているが、共同受信装置４００は、必要な構成を不足なく備えているものとする。

ベースバンド信号処理部４０４は、受信品質測定部４１１と、受信信号検出部４１２と、チャネル推定部４１３と、共同受信対象選択部４１４と、を有する。受信部４０３ｂが出力した受信信号は、受信品質測定部４１１と、受信信号検出部４１２と、チャネル推定部４１３と、に入力される。

受信品質測定部４１１は、ユーザ端末３００からの受信信号の品質を測定する。ここで、受信信号の品質としては、信号電力対干渉及び雑音電力比（ＳＩＮＲ：Signal to Interference plus Noise Ratio）、ＳＮＲ（Signal to Noise Ratio）、ＲＳＲＰ（Reference Signal Received Power）などを用いることができる。なお、ＳＩＮＲを用いる場合、移動体２００内の共同受信対象であるユーザ端末３００間の干渉は、ＳＩＮＲのＩ成分ではなくＳ成分に含める。

受信信号検出部４１２は、複数のユーザ端末３００から取得した仮受信信号を用いて、一括で受信信号の検出を行う。受信信号の検出は、逐次干渉キャンセル（ＳＩＣ：Successive Interference Cancellation）、最尤検出法（ＭＬＤ：Maximum Likelihood Detection）などを利用することができる。なお、各ユーザ端末における仮受信電力の送信電力などに関する情報を干渉除去に利用しても良い。

チャネル推定部４１３は、無線リンクのチャネル状態を推定する。具体的には、ユーザ端末から所定の無線リソースに割当られた直交符号系列を受信した場合には、当該直交符号系列を用いて、ユーザ端末３００及び共同受信装置４００間のチャネル推定を実施する。また、チャネル推定部４１３は、無線基地局１００及びユーザ端末間３００のチャネル状態と、ユーザ端末３００及び共同受信装置間４００のチャネル状態とを一括で推定する構成としても良い。

一方、共同受信装置４００において、チャネル推定部４１３を有しない構成とすることもできる。この場合、共同受信装置が所定の無線リソースに直交符号系列を割当ててユーザ端末３００に送信することにより、ユーザ端末３００が当該直交符号系列を用いて、ユーザ端末３００及び共同受信装置４００間のチャネル推定を実施する構成としても良い。

共同受信対象選択部４１４は、移動体内に存在するユーザ端末３００の中から、一括で信号検出処理（共同受信処理）を実施すべきである共同受信対象を選択する。また、共同受信装置４１４は、ユーザ端末３００の選択候補を決定し、当該選択候補に関する情報を無線基地局１００などに通知して、当該選択候補に関する情報に基づいて共同受信対象となるユーザ端末３００を決定するように構成しても良い。

共同受信対象選択部４１４は、共同受信対象の選択及び共同受信対象の選択候補の決定に関して、受信品質測定部４１１が測定した受信信号の品質、チャネル推定部４１３が推定したチャネル推定結果などに基づいて実施することができる。また、当該選択及び決定において、ユーザ端末３００から、無線基地局及びユーザ端末間、ユーザ端末及び共同受信装置間の無線リンクのいずれかに係る受信品質及び／又はチャネル状態に関する情報を受信して利用しても良い。

なお、受信品質測定部４１１が測定した受信信号の品質は、ユーザ端末３００及び／又は無線基地局１００に通知することが好ましい。また、チャネル推定部４１３が推定したチャネル推定結果は、ユーザ端末３００及び／又は無線基地局１００に通知することが好ましい。また、共同受信対象選択部４１４が選択した共同受信対象に関する情報は、ユーザ端末３００及び／又は無線基地局１００に通知することが好ましい。

また、本実施の形態では、共同受信装置４００が共同受信対象選択部４１４を含む構成としているが、これに限られない。例えば、無線基地局１００が共同受信対象選択部４１４を有し、ユーザ端末からのフィードバック情報により共同受信対象を選択して、ユーザ端末３００及び共同受信装置４００に通知する構成とすることができる。

以上のように、本実施の形態に係る無線通信システムによれば、グループモビリティに対して、移動体内のユーザ端末が無線基地局から受信した信号をそのまま一旦共同受信装置に集約し、当該共同受信装置が一括で信号検出処理を実施した後、信号検出結果を各ユーザ端末に返信する。これにより、通信オーバヘッドを抑制しつつ、ユーザ端末間の干渉を除去して多重化効果を向上し、無線通信システム全体のシステムパフォーマンスの低下を抑制することが可能となる。

以上、上述の実施形態を用いて本発明について詳細に説明したが、当業者にとっては、本発明が本明細書中に説明した実施形態に限定されるものではないということは明らかである。本発明は、特許請求の範囲の記載により定まる本発明の趣旨及び範囲を逸脱することなく修正及び変更態様として実施することができる。従って、本明細書の記載は、例示説明を目的とするものであり、本発明に対して何ら制限的な意味を有するものではない。

１０ 無線通信システム
１００ 無線基地局
１０１ 送受信アンテナ
１０２ アンプ部
１０３ａ 送信部
１０３ｂ 受信部
１０４ ベースバンド信号処理部
１０５ 呼処理部
１０６ 伝送路インタフェース
２００ 移動体
３００、３００ａ、３００ｂ、３００ｃ ユーザ端末
３０１ 送受信アンテナ
３０２ アンプ部
３０３ａ 送信部
３０３ｂ 受信部
３０４ ベースバンド信号処理部
３０５ アプリケーション部
４００ 共同受信装置
４０１ 送受信アンテナ
４０２ アンプ部
４０３ａ 送信部
４０３ｂ 受信部
４０４ ベースバンド信号処理部
４１１ 受信品質測定部
４１２ 受信信号検出部
４１３ チャネル推定部
４１４ 共同受信対象選択部

Claims (10)

1. 移動体内に存在する複数のユーザ端末と無線基地局との無線通信システムであって、
   前記ユーザ端末は、前記無線基地局から送信された信号を受信する受信部と、前記無線基地局から送信された信号を前記移動体内に配置される共同受信装置に送信する送信部と、を有し、
   前記共同受信装置は、前記複数のユーザ端末から送信された信号に基づいて、各ユーザ端末宛ての信号を検出する受信信号検出部と、検出した信号を各ユーザ端末に送信する送信部と、を有し、
   前記ユーザ端末は、前記共同受信装置が検出した前記ユーザ端末宛ての信号を前記受信部で受信して復調することを特徴とする無線通信システム。
2. 前記ユーザ端末の送信部は、前記無線基地局から送信された信号に直交符号系列を時間多重して前記共同受信装置に送信し、
   前記共同受信装置は、無線リンクのチャネル状態を推定するチャネル推定部を有し、
   前記共同受信装置のチャネル推定部は、前記ユーザ端末から送信された信号に含まれる前記直交符号系列に基づいて、前記ユーザ端末及び前記共同受信装置間の無線リンクのチャネル状態を推定することを特徴とする請求項１に記載の無線通信システム。
3. 前記共同受信装置のチャネル推定部は、前記ユーザ端末から転送された信号に含まれる前記無線基地局から受信した信号に基づいて、前記無線基地局及び前記ユーザ端末間の無線リンクのチャネル状態を推定することを特徴とする請求項１又は２に記載の無線通信システム。
4. 前記共同受信装置の受信信号検出部は、移動体内に存在するユーザ端末の中から、共同受信処理を行う共同受信対象として選択された所定のユーザ端末宛ての信号を検出することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の無線通信システム。
5. 前記共同受信対象は、前記無線基地局及び前記ユーザ端末間の無線リンクの受信品質と、前記ユーザ端末及び前記共同受信装置間の無線リンクの受信品質と、のうち小さい方の値が所定の値以上となる前記ユーザ端末から選択されることを特徴とする請求項４に記載の無線通信システム。
6. 前記共同受信装置の受信信号検出部は、前記複数のユーザ端末から転送された信号に対して逐次干渉キャンセル（ＳＩＣ：Successive Interference Cancellation）を行って、各ユーザ端末宛ての信号を検出することを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の無線通信システム。
7. 前記無線基地局は、前記複数のユーザ端末に対してビームフォーミングを行うことにより空間分割多重して信号を送信することを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の無線通信システム。
8. 移動体内に存在する複数のユーザ端末と無線基地局との無線通信に用いられる共同受信装置であって、
   前記無線基地局から送信された信号を、前記複数のユーザ端末から受信する受信部と、
   前記複数のユーザ端末から送信された信号に基づいて、各ユーザ端末宛ての信号を検出する受信信号検出部と、
   検出した信号を各ユーザ端末に送信する送信部と、を有し、前記移動体内に配置されることを特徴とする共同受信装置。
9. 前記共同受信装置は、無線リンクのチャネル状態を推定するチャネル推定部を有し、
   前記チャネル推定部は、前記ユーザ端末から送信された信号に含まれる直交符号系列に基づいて、前記ユーザ端末及び前記共同受信装置間の無線リンクのチャネル状態を推定し、
   前記直交符号系列は、前記無線基地局から送信された信号に、前記ユーザ端末によって時間多重して送信されたことを特徴とする請求項８に記載の共同受信装置。
10. 移動体内に存在し、無線基地局と通信するユーザ端末であって、
    前記無線基地局から送信された信号を、前記移動体内に配置される共同受信装置に送信する送信部と、
    前記ユーザ端末から送信された信号に基づいて前記共同受信装置が検出した前記ユーザ端末宛ての信号を受信する受信部と、を有することを特徴とするユーザ端末。
    

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