(57)【要約】【課題】Massive MIMO局への初期接続時にエリアカバレッジを確保しつつ、最適なビーム検出を行なう。【解決手段】２次元配置された複数のアンテナ素子を有する第１の無線基地局と、ユーザ装置とを含む無線通信システムにおいて、前記第１の無線基地局は、前記ユーザ装置の初期接続時に、前記第１の無線基地局のエリア内およびその近傍に位置する全てのユーザ装置に送信される下りリンクユーザ共通信号に複数の異なるプリコーディングを適用し、前記適用されるプリコーディングを切り換えながら前記下りリンクユーザ共通信号を送信し、前記ユーザ装置は、前記複数の異なるプリコーディングが適用された前記下りリンクユーザ共通信号の中から所望のプリコーディングを選択し、前記選択結果を前記第１の無線基地局に通知し、前記第１の無線基地局は、前記ユーザ装置に対するデータ信号を、前記選択結果に基づくプリコーディングベクトルでプリコーディングして送信する。【選択図】図２
2014199997.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２次元配置された複数のアンテナ素子を有する第１の無線基地局と、
ユーザ装置と、
を含み、
前記第１の無線基地局は、前記ユーザ装置の初期接続時に、前記第１の無線基地局のエリア内およびその近傍に位置する全てのユーザ装置に送信される下りリンクユーザ共通信号に複数の異なるプリコーディングを適用し、前記適用されるプリコーディングを切り換えながら前記下りリンクユーザ共通信号を送信し、
前記ユーザ装置は、前記複数の異なるプリコーディングが適用された前記下りリンクユーザ共通信号の中から所望のプリコーディングを選択し、前記選択結果を前記第１の無線基地局に通知し、
前記第１の無線基地局は、前記ユーザ装置に対するデータ信号を、前記選択結果に基づくプリコーディングベクトルでプリコーディングして送信する、
ことを特徴とする無線通信システム。
【請求項２】
前記ユーザ装置と無線通信する第２の無線基地局、
をさらに含み、
前記第１の無線基地局は、前記第２の無線基地局からの情報に基づいて、前記ユーザ装置の初期接続時に、前記下りリンクユーザ共通信号に適用するプリコーディングを切り替えながら前記下りリンクユーザ共通信号を送信し、
前記ユーザ装置は、前記選択したプリコーディングを前記第１の無線基地局または前記第２の無線基地局に通知する、
ことを特徴とする請求項１に記載の無線通信システム。
【請求項３】
前記下りユーザ共通信号は、同期信号、参照信号、報知信号、ディスカバリ信号等を含むことを特徴とする請求項１または２に記載の無線通信システム。
【請求項４】
前記第１の無線基地局は、前記下りユーザ共通信号に対するプリコーディングを、時間的、周波数的、または前記複数のアンテナ素子のグループごとに切り換え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。
【請求項５】
前記第１の無線基地局は、前記下りユーザ共通信号を、連続的、間欠的、周期的に送信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。
【請求項６】
前記第１の無線基地局は、前記下りユーザ共通信号を、前記第２の無線基地局からのトリガ信号に基づいて送信することを特徴とする請求項２に記載の無線通信システム。
【請求項７】
各々が２次元配置された複数のアンテナ素子を有する複数の無線基地局と、
ユーザ装置と、
を含み、
前記ユーザ装置は、前記複数の無線基地局のいずれかに初期接続する際に、記複数の無線基地局に対して上りリンク信号を送信し、
前記上りリンク信号に基づき、前記複数の無線基地局間で、前記ユーザ装置が接続すべき無線基地局を選択し、
前記選択された無線基地局から、前記ユーザ装置に対し、所定のプリコーディングベクトルでプリコーディングされたデータ信号を送信する、
ことを特徴とする無線通信システム。
【請求項８】
前記選択された無線基地局は、前記ユーザ装置からの前記上りリンク信号を前記複数のアンテナ素子で受信し、前記上りリンク信号の到来方向を推定して、前記データ信号のための前記所定のプリコーディングベクトルを決定することを特徴とする請求項７に記載の無線通信システム。
【請求項９】
前記選択された無線基地局は、当該無線基地局のエリア内およびその近傍に位置する全ユーザに共通に送信される下りリンクユーザ共通信号を、複数の異なるプリコーディングベクトルでプリコーディングし、前記プリコーディングを切り替えながら送信し、
前記複数のプリコーディングベクトルの中から、前記ユーザ装置によって選択されたプリコーディングベクトルを用いて、前記ユーザ装置に対するデータ信号を送信する、
ことを特徴とする請求項７に記載の無線通信システム。
【請求項１０】
前記上りリンク信号は、復調基準信号、サウンディング基準信号、ランダムアクセスチャネル、物理上り共有チャネルを含むことを特徴とする請求項７〜９に記載の無線通信システム。
【請求項１１】
２次元配置された複数のアンテナ素子を有する無線基地局装置であって、
前記無線基地局のエリア内およびその近傍に位置する全ユーザに共通に送信される下りリンクユーザ共通信号を生成する信号生成部と、
前記下りリンクユーザ共通信号に対し、プリコーディングベクトルを切り換えながら複数の異なるプリコーディングを適用するプリコーディング乗算部と、
前記下りユーザ共通信号を複数の異なるビームフォーミングで送信する送信部と、
を有し、
前記プリコーディング乗算部は、前記複数のプリコーディングベクトルの中から前記ユーザ装置によって選択されたプリコーディングベクトルを用いて、前記ユーザ装置に対するデータ信号をプリコーディングし、
前記送信部は、前記データ信号を前記選択されたプリコーディングベクトルに対応するビーム形状で送信することを特徴とする無線基地局装置。
【請求項１２】
前記下りユーザ共通信号は、同期信号、参照信号、ディスカバリ信号の全てまたはいずれかを含むことを特徴とする請求項１１に記載の無線基地局装置。
【請求項１３】
前記プリコーディング乗算部は、前記下りユーザ共通信号に対するプリコーディングを時間的、周波数的、または前記複数のアンテナ素子のグループごとに切り換えることを特徴とする請求項１１記載の無線基地局装置。
【請求項１４】
前記送信部は、前記下りユーザ共通信号を、連続的、間欠的、または周期的に送信することを特徴とする請求項１１〜１３のいずれか１項に記載の無線基地局装置。
【請求項１５】
２次元配置された複数のアンテナ素子を有する無線基地局であって、
前記複数のアンテナ素子で、ユーザ装置から上りリンク信号を受信する受信部と、
前記上りリンク信号の到来方向の推定結果に基づいて、前記データ信号のためのプリコーディングベクトルを生成するプリコーディングベクトル生成部と、
前記プリコーディングベクトルを用いて前記ユーザ装置に対するデータ信号にプリコーディングを適応するプリコーディング部と、
前記プリコーディングされた前記データ信号を前記複数のアンテナ素子から前記ユーザ装置に送信する送信部と、
を有することを特徴とする無線基地局装置。
【請求項１６】
前記プリコーディング部は、当該無線基地局装置のエリア内およびその近傍に位置する全ユーザに共通に送信される下りリンクユーザ共通信号を、複数の異なるプリコーディングベクトルを適用してプリコーディングし、前記適用されるプリコーディングベクトルを順次切り替え、
前記送信部は、前記プリコーディングベクトルの切り替えに応じて、前記下りリンクユーザ共通信号を異なるビームフォーミングで送信する、
ことを特徴とする請求項１５に記載の無線基地局装置。
【請求項１７】
前記上りリンク信号は、復調基準信号、サウンディング基準信号、ランダムアクセスチャネル、物理上り共有チャネルを含むことを特徴とする請求項１５または１６に記載の無線基地局装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、無線通信技術の分野に関し、特に、３Ｄ-ＭＩＭＯ（Three Dimensional Multiple Input Multiple Output）方式の無線通信システムと無線基地局装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
３ＧＰＰ（Third Generation Partnership Project）におけるＬＴＥ（Long Term Evolution）標準規格のリリース８−１１では、基地局のアンテナ素子を横方向に複数配置し、水平方向のビームフォーミングを行う技術が採用されている。
【０００３】
リリース１２標準化においては、縦方向と横方向に２次元配置した多数のアンテナ素子を基地局に搭載し、水平方向に加えて垂直方向にビームを形成する三次元ＭＩＭＯ（３Ｄ−ＭＩＭＯ）が検討されつつある（たとえば、非特許文献１および２参照）。垂直方向（仰俯角方向）と水平方向（方位角方向）にビームを形成することによって、システム特性の改善が期待される。
【０００４】
３ＧＰＰ標準化上は、送信アンテナ数が８以下の場合の３Ｄ−ＭＩＭＯを垂直ビームフォーミングと称し、送信アンテナが８より大きい場合（１６，３２，６４…など）を、ＦＤ−ＭＩＭＯ（Full Dimension-MIMO）と称している。ＦＤ−ＭＩＭＯはMassive MIMOと呼ばれることが多い。
【０００５】
Massive MIMOは、非常に多くの基地局アンテナ素子を用いて鋭いビームを形成することによって周波数利用効率を改善することができる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】3GPP TSG RAN#58, RP-121994, "Study on Downlink Enhancement for Elevation Beamforming for LTE"
【非特許文献２】3GPP TSG RAN#58, RP-122015, "New SID Proposal: Study on Full Dimension for LTE"
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
アンテナサイズの小型化を考慮すると、Massive MIMOは最大で数十ＧＨｚといった比較的高い周波数帯で運用されることが想定される。アンテナ素子間の距離は、波長に依存するからである。
【０００８】
高い周波数帯を適用すると、伝搬ロスによる伝送特性の劣化が顕著になる。これを補うには、非常に多数の基地局アンテナを用いてビーム利得を大きくする必要がある。そうするとアンテナが大型化する。このように、アンテナ数およびビーム利得と、伝搬ロスとはトレードオフの関係にある。
【０００９】
ここで、データ信号については、基地局はユーザ装置からフィードバックされる伝搬路情報（ＣＳＩ：Channel State Information）に基づきビームフォーミングを行うことが可能である。ＴＤＤ方式の場合は、伝送路の双対性に基づいて基地局で直接伝搬路を推定してビームフォーミングすることも可能である。
【００１０】
これに対し、ユーザ装置がMassive MIMO局に初期接続するときは、Massive MIMO局でユーザ装置に対する最適なビームが不明である。そのため、十分なカバレッジを確保できないという問題がある。また、カバレッジホールを埋める観点から、同期信号や報知チャネルやセル固有参照信号(ＣＲＳ：Cell-specific Reference Signal)など、セル内の全ユーザ（または複数のユーザ）に送信される信号には、一般的にプリコーディングは行われない。
【００１１】
そこで、本発明は３Ｄ−ＭＩＭＯ方式の無線基地局への初期接続時に、セルのカバレッジを確保しつつ適切なビーム検出を実現する構成を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を実現するために、本発明のひとつの態様では、無線通信システムは、
２次元配置された複数のアンテナ素子を有する第１の無線基地局(20)と、
ユーザ装置(30)と、
を含み、
前記第１の無線基地局は、前記ユーザ装置の初期接続時に、前記第１の無線基地局のエリア内およびその近傍に位置する全てのユーザ装置に送信される下りリンクユーザ共通信号に複数の異なるプリコーディングを適用し、前記適用されるプリコーディングを切り換えながら前記下りリンクユーザ共通信号を送信し、
前記ユーザ装置は、前記複数の異なるプリコーディングが適用された前記下りリンクユーザ共通信号の中から所望のプリコーディングを選択し、前記選択結果を前記第１の無線基地局に通知し、
前記第１の無線基地局は、前記ユーザ装置に対するデータ信号を、前記選択結果に基づくプリコーディングベクトルでプリコーディングして送信する、
ことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
３Ｄ−ＭＩＭＯを採用する無線基地局への初期接続時に、セルのカバレッジを確保するとともに、最適なビーム検出が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】第１実施形態の無線通信システムの概略図である。
【図２】第１実施形態の無線通信システムで行なわれる動作のシーケンス図である。
【図３】Massive MIMO局が行う同期信号のプリコーディング切り替えを示す模式図である。
【図４】Massive MIMO局が有する二次元アレイアンテナの配置例を示す図である。
【図５】第２実施形態の無線通信システムの概略図である。
【図６】第２実施形態の無線通信システムで行われる動作のシーケンス図である。
【図７】Massive MIMO局の構成例である。
【図８】ユーザ装置の構成例である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
実施形態では、マクロ基地局のエリア内に、３Ｄ−ＭＩＭＯ方式の無線基地局が存在する無線通信システムにおいて、一般にビームフォーミングを適用しない信号に対して、プリコーディングによる水平方向、垂直方向、あるいはそれらを組み合わせた３次元のビーム形成を行うことによって、エリアカバレッジを確保する。
【００１６】
一般的にビームフォーミングを適用しない信号とは、たとえば、同期信号、報知チャネル、ＣＲＳ（Cell-specific Reference Signal）、３ＧＰＰリリース１２標準規格で検討されているディスカバリ信号などである。これらの信号は、セル内のすべてのユーザに報知されるため、明細書および特許請求の範囲では「下りユーザ共通信号」と称することとする。
【００１７】
セル内の全ユーザに送信される下りユーザ共通信号に対してビームフォーミングを適用する場合、初期接続時のようにユーザ装置への最適なビームが不明なときでも、３Ｄ−ＭＩＭＯ局で最適なビームを検出できる構成が必要になる。
【００１８】
これを実現するために、実施形態では、
（１）３Ｄ−ＭＩＭＯ局が連続的、定期的、あるいは間欠的に、異なるビームフォーミングで下りリンクユーザ共通信号を送信する方法と、
（２）ユーザ装置からの上りリンク情報を利用する方法、
を提案する。
＜第１実施形態＞
図１は、本発明が適用される無線通信システム１Ａの概略構成図である。無線通信システム１Ａは、広範囲をカバーするマクロ基地局（第２の無線基地局）１０と、マクロ基地局１０のエリア２内またはその周辺に位置し、２次元配置したアンテナアレイを有する３Ｄ−ＭＩＭＯ局（第１の無線基地局）２０と、ユーザ装置３０を含む。３Ｄ−ＭＩＭＯ局２０のアンテナ数は８以下であっても、８を超える数であってもよいが、実施形態では８を超えるアンテナを有するものとする。この意味で、３Ｄ−ＭＩＭＯ局２０を適宜「Massive MIMO局２０」と称する。なお、図示の便宜上、単一のMassive MIMO局２０が描かれているが、マクロ基地局１０のエリア２内およびその周辺には、複数のMassive MIMO局２０が存在してもよい。
【００１９】
Massive MIMO局２０は、自局がカバーするエリア３に、指向性の高いビームで信号の送信を行う。Massive MIMO局２０は、データ信号のみならず、同期信号、ＣＲＳ、ディスカバリ信号など、一般的にビームフォーミングを行わない下りリンクユーザ共通チャネルで伝送される信号にもプリコーディングを適用して、カバレッジを拡大する。
【００２０】
第１実施形態では、Massive MIMO局２０は、下りリンクユーザ共通信号を異なるビームフォーミングで送信することによって、ユーザ装置３０への最適なビームを検出する。以下の記載では、下りリンクユーザ共通チャネルで伝送される信号として、同期信号を例にとって説明する。
【００２１】
図２は、図１の無線通信システム１Ａで行われる動作のシーケンス図である。マクロ基地局１０は、Massive MIMO局２０とユーザ装置３０に対してアシスト情報を送信する（Ｓ１０１）。マクロ基地局１０からMassive MIMO局２０へのアシスト情報の送信は、バックホールを介した通信でもよいし、無線伝送であってもよい。
【００２２】
アシスト情報には、ユーザ装置３０に隣接するMassive MIMO局２０の同期信号系列、同期信号の時間／周波数的な多重位置、送信アンテナ数、同期信号系列に付加するビームフォーミング情報などが含まれている。これらの情報は、Massive MIMO局２０に割り当てられる物理セルＩＤ（ＰＣＩＤ）またはバーチャルセルＩＤ（ＶＣＩＤ）等に紐付けられる周波数ホッピングパターンに基づいてホッピングを行うことにより、干渉白色化をおこなってもよい。
【００２３】
Massive MIMO局２０は、アシスト情報に基づいて自セルのエリア３内に、同期信号を送信する（Ｓ１０２）。同期信号は、Massive MIMO局２０が連続的、間欠的、周期的に送信してもよいし、マクロ基地局１０からのトリガ信号を契機として送信を開始してもよい。マクロ基地局１０からのトリガに基づく場合は、Massive MIMO局２０の同期信号の送信頻度を削減することができる。
【００２４】
Massive MIMO局２０は、複数のプリコーディングベクトルを切り換えながら同期信号を送信する。図２の例では、プリコーディングベクトル（ＰＶ）０〜７によりビーム形成を行う。
【００２５】
図３は、Massive MIMO局２０が行う同期信号のプリコーディング切り替え例を示す。図３（Ａ）では、Massive MIMO局２０は、ＴＴＩ（Transmission Time Interval）などの複数の時間スロットを用いて、プリコーディングベクトルを切り換える。これによりエリアカバレッジを確保しつつ、最適なプリコーディングベクトルを選択する。
【００２６】
たとえば、時間ｔ１でプリコーディングベクトル０を用いて第１の方向にビームを形成し、時間ｔ２でプリコーディングベクトル１を用いて第２の方向にビームを形成する。以下同様に、時間ｔ８まで、プリコーディングベクトルを切り換えながら同期信号を送信する。
【００２７】
図３（Ｂ）では、Massive MIMO局２０は、周波数的に同期信号のプリコーディングを切り換える。周波数的な切り替えの単位は、リソースブロックごと、サブバンドごと、サブキャリアごと等、任意である。周波数ｆ１でプリコーディングベクトル０を用いて第１の方向に送信し、周波数ｆ２でプリコーディングベクトル１を用いて第２の方向に送信する。以下同様に、周波数ｆ８まで、プリコーディングベクトルを切り換えながら同期信号を送信する。
【００２８】
図３（Ｃ）では、Massive MIMO局２０は、２次元アンテナアレイを構成する複数のアンテナを複数のアンテナグループに分割し、アンテナグループごとにプリコーディングを切り換える。このとき、アンテナグループごとに直交する系列を割り当てて、最適なビームを選択するようにしてもよい。
【００２９】
Massive MIMO局２０は、直交する複数の同期信号系列を多重して送信してもよい。送信アンテナを用いて複数時間スロットにわたって同一の信号を送信し、ユーザ装置３０で時間ダイバーシチ利得を得てもよい。また、図３（Ａ）と図３（Ｃ）を組み合わせた切り換え方法や、図３（Ｂ）と図３（Ｃ）を組み合わせた切り替え方法を採用してもよい。
【００３０】
図４は、Massive MIMO局２０が有する２次元アンテナアレイ５の構成例である。図４（Ａ）は、複数のアンテナ素子を１つのアンテナとした場合の例を示す。各クロスマークは、互いに直交する偏波素子を表わす。ひとつの偏波について４つの素子で１アンテナを構成する場合、４つの素子は２アンテナに相当する。全体では、縦に２、横に１６、偏波が２で２×１６×２＝６４アンテナ素子となる。
【００３１】
図４（Ｂ）は、単一素子が１アンテナポートとなる場合を示す。この場合、８×８＝６４アンテナ素子となる。
【００３２】
図４（Ｃ）は、直交する偏波素子を配置した例を示す。各偏波素子は２つの偏波方向を扱うので、８×８×２＝１２８アンテナ素子となる。
【００３３】
図４（Ｄ）は、単一偏波素子を用いた例を示す。この場合、８×８＝６４アンテナ素子となる。図３（Ｃ）のプリコーディング切り替え方法は、図４の複数のアンテナ素子をグループ化して、グループごとに異なるプリコーディングベクトルでビームフォーミングを行うものである。
【００３４】
図２に戻って、Massive MIMO局２０のエリア３内に位置するユーザ装置３０は、Massive MIMO局２０からの同期信号を受信し、同期処理およびプリコーディングベクトルの選択を行う（Ｓ１０３）。図３（Ａ）の場合は、ユーザ装置３０は、時間的にｔ１〜ｔ８にわたって同期信号を受信し、最適なビーム（プリコーディングベクトル）を選択することができる。最適なビームの選択は、移動機で予め保持するレプリカ信号と受信信号の相関値で決定しても良い。あるいは、ｔ１から順に同期信号を受信し、相関値が一定の閾値を超えた時点でのビームを選択してもよい。たとえば、ｔ３で受信した同期信号の相関値がしきい値を超えたときは、ユーザ装置３０はインデックス３のビーム（プリコーディングベクトル）を最適ビームとして選択する。
【００３５】
図３（Ｂ）の方法では、ユーザ装置３０はｆ１〜ｆ８のすべてで同期信号を受信し、最適な周波数成分でのビーム（プリコーディングベクトル）を選択することができる。あるいは、ｆ１から順に走査して、一定の閾値を超えた時点でのビームを選択してもよい。
【００３６】
図３（Ｃ）の方法では、ユーザ装置３０はアンテナグループ１〜８による同期信号を受信し、最適なアンテナグループでのビーム（プリコーディングベクトル）を選択してもよい。あるいは、アンテナグループ１により送信される信号から順に受信し、閾値を超えた時点でのビームを選択してもよい。
【００３７】
次に、ユーザ装置は、同期完了として、選択したプリコーディングベクトルをMassive MIMO局２０またはマクロ基地局１０に通知する（Ｓ１０４）。選択したビームは、ビームフォーミング番号（インデックス）を通知することで足りる。このフィードバック情報から、Massive MIMO局２０は、ユーザ装置３０にとっての最適ビームを知ることができる。
【００３８】
これにより下りリンクの同期が確立され、Massive MIMO局２０からユーザ装置３０に対するデータ送信が行われる（Ｓ１０５）。なお、図示はしないが、同期完了および選択ビームの通知がユーザ装置３０からマクロ基地局１０に送信された場合は、マクロ基地局１０からMassive MIMO局２０に対する制御信号に基づいて、Massive MIMO局２０からユーザ装置３０へのデータ送信が開始されてもよい。
【００３９】
同期信号に替えてＣＲＳ（参照信号）を用いてセル検出を行なう場合も同様である。ユーザ装置３０は、時間的（ｔ１〜ｔ８など）、周波数的（ｆ１〜ｆ８など）、あるいはアンテナグループ１〜８ごとに異なるビーム形成でMassive MIMO局２０から送信されるＣＲＳを受信し、最適ビーム番号をMassive MIMO局２０またはマクロ基地局１０に通知する。
【００４０】
なお、マクロ基地局１０が送信するアシスト情報の中には、複数のMassive MIMO局２０に関する情報が含まれていてもよい。この場合、ユーザ装置３０は複数のMassive MIMO局２０に対して同期処理を行なうことにより、Massive MIMO局２０の選択（セル検出）を高精度に行うことができる。また、セル検出をＣＲＳに基づいて行う場合は、アシスト情報にＣＲＳの信号系列や多重位置に関する情報が含まれる。
【００４１】
上記のようにマクロ局１０からのアシスト情報を用いることは、有効な方法であるが、必須とは限らず、Massive MIMO局２０とユーザ装置３０のみで動作することも可能である。この場合は、たとえば、Massive MIMO局２０は、図３に示すように、あらかじめ設定されたプリコーディングベクトル（たとえばＶ０−Ｖ７）に応じて時間、周波数、アンテナグループ等を切り替えながら同期信号等の下りリンクユーザ共通信号を送信し続ける。ユーザ装置３０は、同期あるいは相関がとれた時点でのプリコーディングベクトルをMassive-MIMO局に通知する。この方法によっても、初期接続時のセルカバレッジの確保と適切なビーム検出を実現することができる。
また、本方法はマクロ局からのアシスト情報が非常に有効ではあるが、必須とは限らず、Massive MIMO局および移動局のみで動作することも可能である。
＜第２実施形態＞
次に、第２実施形態の無線通信システムとセル検出方法について説明する。第２実施形態では、ユーザ装置３０からMassive MIMO局２０への上りリンク信号を利用して、ユーザ装置３０が接続すべきMassive MIMO局２０と、最適な下りリンクプリコーディングベクトルが選択される。
【００４２】
図５は、第２実施形態の無線通信システム１Ｂの概略図である。無線通信システム１Ｂは、マクロ基地局１０と、マクロ基地局１０のサービスエリア内に位置するMassive MIMO局２０−１、２０−１、２０−３と、ユーザ装置３０を含む。ユーザ装置３０は、マクロ基地局１０から送信されるアシスト情報に基づいて、Massive MIMO局２０−１、２０−２、２０−３に上りリンク信号を送信する。
【００４３】
図６は、図５の無線通信システム１Ｂで行われる動作のシーケンス図である。まず、マクロ基地局１０は、自セルのエリア２内に在圏するユーザ装置３０と、Massive MIMO局２０−１〜２０−３に、アシスト情報を送信する（Ｓ２０１）。アシスト情報には、複数のMassive MIMO局２０−１、２０−２、２０−３の同期信号系列、同期信号の時間／周波数的な多重位置、送信アンテナ数、上りリンク信号送信タイミング、同期信号系列に付加されるビームフォーミング情報などが含まれる。
【００４４】
ユーザ装置３０は、Massive MIMO局２０−１〜２０−３に、上りリンク信号を送信する（Ｓ２０２）。上りリンク信号は、復調基準信号（ＤＭ−ＲＳ：Demodulation Reference signal）やサウンディング基準信号（ＳＲＳ）のような参照信号、ランダムアクセスチャネル（ＲＡＣＨ）などLTEで既に規定されている参照信号、物理チャネルでも良いし、新たに規定される信号でも良い。参照信号は、物理上りリンク共有チャネル（ＰＵＳＣＨ）に多重されてもよい。
【００４５】
Massive MIMO局２０−１〜２０−３の各々は、上りリンク送信タイミングに合わせてユーザ装置３０から上りリンク信号を受信し、たとえば受信信号の電波強度に基づいて最適なMassive MIMO局２０を選択する（Ｓ２０３）。Massive MIMO局２０の選択は、Massive MIMO局２０−１〜２０−３からの受信強度情報に基づいてマクロ基地局１０が選択してもよいし、複数のMassive MIMO局２０−１〜２０−３の間の協調動作によって選択されてもよい。
【００４６】
選択されたMassive MIMO局２０は、上りリンク信号が同期信号である場合は同期処理を行なう。同時に、複数の受信アンテナで受信する上りリンク信号から、たとえば到来方向（ＤＯＡ）の推定を行って、下りリンクのプリコーディングベクトルを選択する（Ｓ２０４）。
【００４７】
選択したプリコーディングベクトル（ウエイト）を生成し、ユーザ装置３０に対するデータ信号を所定のビームフォーミングで送信する（Ｓ２０５）。
【００４８】
ユーザ装置３０に搭載されているアンテナ素子数は限定的であり、下りリンクのような鋭いビームフォーミング利得を得ることはできない。そこで、ユーザ装置３０は同期信号（あるいは参照信号）の送信を時間的に複数回行って、時間ダイバーシチを得る方法を組み合わせてもよい。
【００４９】
上記の方法は、マクロ局１０からのアシスト情報の利用が有効ではあるが、必須とは限らず、第１実施形態と同様にMassive MIMO局２０とユーザ装置３０のみで動作することも可能である。
また、本方法はマクロ局からのアシスト情報が非常に有効ではあるが、必須とは限らず、Massive MIMO局および移動局のみ動作することも可能である。
＜装置構成＞
図７は、第１実施形態および第２実施形態で用いられるMassive MIMO局２０の概略構成図である。Massive MIMO局２０は、多数のアンテナ２１−１〜２１−Ｎを有し、アンテナ数に応じた無線（ＲＦ）送信回路２３−１〜２３−Ｎと無線（ＲＦ）受信回路２４−１〜２４−Ｎを有する。図示はしないが、Massive MIMO局２０がマクロ基地局１０とバックホールで接続される場合は、バックホール通信回路を有する。
【００５０】
下りユーザ共通チャネル生成部３９は、自局のセル内の全ユーザに報知される下りリンクユーザ共通信号を生成する。下りリンクユーザ共通信号は、同期信号、参照信号、ディスカバリ信号などである。プリコーディングウエイト生成部４４は、下りリンクユーザ共通信号を、複数の異なる指向性のビームで送信するためのプリコーディングウエイト（ベクトル）を生成する。ここで生成されるプリコーディングウエイトは、たとえば、送信される信号の水平方向の位相回転量、垂直方向の位相回転量、偏波間の位相回転量を表わす。
【００５１】
プリコーディング乗算部４０は、プリコーディングウエイト生成部４４で生成されるプリコーディングベクトルを時間的、周波数的、あるいはアンテナグループごとに切り換えて、下りユーザ共通信号の信号系列に線形処理を施す。線形処理が施された下りユーザ共通信号は、ＲＦ送信回路２３−１〜２３−Ｎで高周波信号に変換され、デュプレクサ２２−１〜２２−Ｎを介して、送信アンテナ２１−１〜２１−Ｎから所望のビーム形状および方向に送信される。
【００５２】
ＲＦ受信回路２４−１〜２４−Ｎは、アンテナ２１−１〜２１−Ｎで受信された上りリンク信号を、デュプレクサ２２−１〜２２−Ｎを介して受け取る。受信信号がユーザ装置３０によるプリコーディングベクトルの選択結果（ビーム番号など）などのフィードバック制御情報である場合、フィードバック制御情報はチャネル推定部４５とフィードバック制御情報復調部４３とに供給され、復調結果がプリコーディングウエイト生成部４４に入力される。プリコーディング切り換え部４１は、選択されたビーム（プリコーディングベクトル）でユーザ装置３０に送信するデータのプリコーディングを行う。
【００５３】
受信信号が、ユーザ装置３０からの上りリンク参照信号である場合は、たとえば受信信号から到来方向の推定を行い、推定結果をプリコーディングウエイト生成部４４に供給する。プリコーディングウエイト生成部は、推定された到来方向に応じて下りリンクのプリコーディングベクトルを選択する。
【００５４】
初期接続を行ったユーザ装置３０へのデータ信号は、シリアル−パラレル変換器２５、チャネル符号化部２６−１〜２６−Ｎ、データ変調部２７−１〜２７−Ｎ、コードワード−レイヤマッピング部２８を介して、プリコーディング切り換え部４１で、最適なプリコーディングが施される。データ信号に参照信号を分散させて送信する場合は、プリコーディングが施されたデータ信号と参照信号が、マルチプレクサ４２で多重されて、アンテナ２１−１〜２１−Ｎから所定のビーム形状で送信される。
【００５５】
なお、受信系列での受信タイミング推定、ＣＰ（Cyclic Prefix）除去、ＦＦＴ，ＩＤＦＴや、送信系列でのＩＦＦＴ、ＣＰ付加などの処理は、発明と直接関連しないため図示および説明を省略する。
【００５６】
図８は、ユーザ装置３０の概略構成図である。無線(ＲＦ）受信回路５２−１〜５２−Ｍは、複数の異なるプリコーディングベクトルＰＶ０〜ＰＶ７で線形処理された下りリンクユーザ共通信号を、アンテナ３１−１〜３１−Ｍおよびデュプレクサ５１−１〜５１−Ｍを介して受信する。ＲＦ受信回路５２−１〜５２−Ｍは、時間ｔ１〜ｔ８にわたって、あるいは周波数成分ｆ１〜ｆ８にわたって、あるいはアンテナグループ１〜８に対応して、下りリンクユーザ共通信号を受信する。
【００５７】
下りリンクユーザ共通信号が同期信号である場合、プリコーディングベクトル選択部５３は、マクロ基地局１０からのアシスト情報に含まれる同期信号系列と、受信した同期信号の系列の間の相関が最も高い信号のビーム、あるいは所定のしきい値を超えたときのビームを選択する。下りリンクユーザ共通信号が参照信号である場合も同様に、アシスト情報に含まれる参照信号系列と、受信した参照信号との比較に基づき、最適なビーム（プリコーディングベクトル）を選択する。
【００５８】
フィードバック制御信号生成部５６は、プリコーディングベクトル選択部５３が選択したプリコーディングベクトル（ビーム番号）を通知するためのフィードバック制御情報を生成する。フィードバック制御情報は、ＲＦ送信回路５７−１〜５７−Ｍおよびデュプレクサ５１−１〜５１−Ｍを介して、アンテナ３１−１〜３１−ＭからMassive MIMO局２０またはマクロ基地局１０へ送信される。
【００５９】
上りリンク参照信号生成部６１は、Massive MIMO局２０に初期接続する際に送信する同期信号、参照信号、またはランダムアクセスチャネル（ＲＡＣＨ）などを生成する。参照信号はマルチプレクサ６２により図示しない上りリンク共有チャネル（ＰＵＳＣＨ）に多重されてもよい。
【００６０】
ＲＦ受信回路５２−１〜５２−Ｎは、Massive MIMO局２０から下りリンクのデータ信号を受信する。このデータ信号は、フィードバック制御信号または上りリンク参照信号に基づいてプリコーディングされて送信されてくる。データ信号は、チャネル推定部５４のチャネル推定結果に基づいてデータチャネル信号復調部５８で復調され、チャネル復号部５９で復号される。
【００６１】
上述した構成および方法により、ユーザ装置３０の初期接続時にMassive MIMO局のカバレッジを確保しつつ、最適なビーム検出を効率的に行なうことができる。
【００６２】
上記では、Massive MIMO局２０でマクロ基地局１０からのアシスト情報を用いる方法（第１実施形態）と、Massive MIMO局２０でユーザ装置３０からの上りリンク信号を用いる方法（第２実施形態）を記載したが、これらを組み合わせてもよい。たとえば、ユーザ装置３０からの上りリンク信号を用いてセル（Massive MIMO局）選択を行った後に、Massive MIMO局２０で異なるプリコーディングベクトル（ＰＶ０〜ＰＶ７）によるビームフォーミングを適用してもよい。
【００６３】
本発明は、ＰＳＳ（Primary Synchronization Signal）／ＳＣＣ（Secondary Synchronization Signal）などの同期信号、ＣＲＳなどの参照信号、ディスカバリ信号の他にも、一般にビームフォーミングを適用していない下りリンクユーザ共通信号に適用可能である。
【００６４】
また、初期接続時だけではなく、ハンドオーバーおよびセルリセレクションにも適用可能である。
【００６５】
さらに、ビームフォーミングに加えて電力制御（振幅制御）を行ってもよい。
【符号の説明】
【００６６】
１Ａ，１Ｂ  無線通信システム
２  マクロ基地局のサービスエリア
３  Massive MIMO局のサービスエリア
５  二次元アンテナアレイ
１０  マクロ基地局
２０、２０−１〜２０−３  Massive MIMO局
２１−１〜２１−Ｎ  アンテナ
２３−１〜２３−Ｎ  Massive MIMO局の無線送信回路
２４−１〜２４−Ｎ  Massive MIMO局の無線受信回路
３０  ユーザ装置
４０  下りリンクユーザ共通信号生成部
４１  プリコーディング乗算部
４３  フィードバック制御情報復調部
４４  プリコーディングウエイト生成部
５２−１〜５２−Ｍ  ユーザ装置の無線受信回路
５３  プリコーディングベクトル選択部
５６  フィードバック制御信号生成部
５７−１〜５７−Ｍ  ユーザ装置の無線送信回路
６１  上りリンクユーザ参照信号生成部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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