(57)【要約】      （修正有）【課題】理論的に最適なプリコーディング技術を提供する。【解決手段】送信装置は、入力シンボル系列をプリコーディング行列を用いてプリコーディングする手段と、プリコーディングの結果得られる系列を無線信号に変換する手段と、を備える。該送信装置を含む複数の送信装置が互いに異なる周波数帯域を使用して受信装置に無線信号を送信し、該送信装置から送信される無線信号は、受信装置において、該送信装置に割り当てられた周波数帯域の第１成分と該周波数帯域とは異なる周波数帯域の第２成分とを有し、プリコーディング行列は、第１成分に係る受信強度を第２成分に係る受信強度と受信ノイズ強度との和で除して得られる値を極大化するよう決定される。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力シンボル系列をプリコーディング行列を用いてプリコーディングする手段と、
プリコーディングの結果得られる系列を無線信号に変換する手段と、を備える送信装置であって、
前記送信装置を含む複数の送信装置が互いに異なる周波数帯域を使用して受信装置に無線信号を送信し、
前記送信装置から送信される無線信号は、前記受信装置において、前記送信装置に割り当てられた周波数帯域の第１成分と該周波数帯域とは異なる周波数帯域の第２成分とを有し、
前記プリコーディング行列は、前記第１成分に係る受信強度を前記第２成分に係る受信強度と受信ノイズ強度との和で除して得られる値を極大化するよう決定される送信装置。
【請求項２】
前記送信装置と前記受信装置との間の遅延の分布に関するパラメータを取得する手段をさらに備え、
前記プリコーディング行列は前記遅延の分布に基づき決定される請求項１に記載の送信装置。
【請求項３】
前記パラメータは遅延の最大値および前記受信装置のセルのサイズのうちの少なくともひとつを含む請求項２に記載の送信装置。
【請求項４】
前記複数の送信装置の数を取得する手段をさらに備え、
前記プリコーディング行列は取得された前記数に基づき決定される請求項１から３のいずれか１項に記載の送信装置。
【請求項５】
前記プリコーディングする手段は、前記送信装置が前記受信装置と遅延に関して同期されていない状態で動作する請求項１から４のいずれか１項に記載の送信装置。
【請求項６】
前記変換する手段は、前記プリコーディングの結果得られる系列をＯＦＤＭ（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）処理する手段を含む請求項１から５のいずれか１項に記載の送信装置。
【請求項７】
前記遅延の分布は伝搬遅延の分布と同期ずれの分布の両方、またはいずれか一方を含む請求項２または３または５に記載の送信装置。
【請求項８】
入力シンボル系列をプリコーディング行列を用いてプリコーディングすることと、
プリコーディングの結果得られる系列を無線信号に変換することと、を含む送信装置の制御方法であって、
前記送信装置を含む複数の送信装置が互いに異なる周波数帯域を使用して受信装置に無線信号を送信し、
前記送信装置から送信される無線信号は、前記受信装置において、前記送信装置に割り当てられた周波数帯域の第１成分と該周波数帯域とは異なる周波数帯域の第２成分とを有し、
前記プリコーディング行列は、前記第１成分に係る受信強度を前記第２成分に係る受信強度と受信ノイズ強度との和で除して得られる値を極大化するよう決定される制御方法。
【請求項９】
入力シンボル系列をプリコーディング行列を用いてプリコーディングする機能と、
プリコーディングの結果得られる系列を無線信号に変換する機能と、を送信装置に実現させるためのコンピュータプログラムであって、
前記送信装置を含む複数の送信装置が互いに異なる周波数帯域を使用して受信装置に無線信号を送信し、
前記送信装置から送信される無線信号は、前記受信装置において、前記送信装置に割り当てられた周波数帯域の第１成分と該周波数帯域とは異なる周波数帯域の第２成分とを有し、
前記プリコーディング行列は、前記第１成分に係る受信強度を前記第２成分に係る受信強度と受信ノイズ強度との和で除して得られる値を極大化するよう決定されるコンピュータプログラム。
【請求項１０】
請求項１から７のいずれか１項に記載の送信装置から送信される無線信号を受信する手段と、
受信された無線信号に、前記変換する手段における変換処理の逆変換処理を行う手段と、
逆変換処理の結果得られる系列を、前記プリコーディング行列に対応するコンバイニング行列を用いてコンバイニングする手段と、を備える受信装置。
【請求項１１】
請求項１から７のいずれか１項に記載の送信装置から送信される無線信号を受信することと、
受信された無線信号に、前記変換する手段における変換処理の逆変換処理を行うことと、
逆変換処理の結果得られる系列を、前記プリコーディング行列に対応するコンバイニング行列を用いてコンバイニングすることと、を含む前記受信装置の制御方法。
【請求項１２】
請求項１から７のいずれか１項に記載の送信装置から送信される無線信号を受信する機能と、
受信された無線信号に、前記変換する手段における変換処理の逆変換処理を行う機能と、
逆変換処理の結果得られる系列を、前記プリコーディング行列に対応するコンバイニング行列を用いてコンバイニングする機能と、を前記受信装置に実現させるためのコンピュータプログラム。
【請求項１３】
送信装置と受信装置とを備える通信システムであって、
前記送信装置は、
入力シンボル系列をプリコーディング行列を用いてプリコーディングする手段と、
プリコーディングの結果得られる系列を無線信号に変換する手段と、を備え、
前記受信装置は、
前記送信装置から送信される無線信号を受信する手段と、
受信された無線信号に、前記変換する手段における変換処理の逆変換処理を行う手段と、
逆変換処理の結果得られる系列を、コンバイニング行列を用いてコンバイニングする手段と、を備え、
前記送信装置を含む複数の送信装置が互いに異なる周波数帯域を使用して前記受信装置に無線信号を送信し、
前記送信装置から送信される無線信号は、前記受信装置において、前記送信装置に割り当てられた周波数帯域の第１成分と該周波数帯域とは異なる周波数帯域の第２成分とを有し、
前記プリコーディング行列は、前記第１成分に係る受信強度を前記第２成分に係る受信強度と受信ノイズ強度との和で除して得られる値を極大化するよう決定され、
前記プリコーディング行列と前記コンバイニング行列とは対応する通信システム。
【請求項１４】
下りリンクの制御信号に伝搬遅延の分布に関するパラメータを含めることと、
基地局に属するユーザ端末の数を特定することと、
前記パラメータおよび特定された前記数に基づき、互いに対応するプリコーディング行列およびコンバイニング行列を決定することと、
基地局とユーザ端末とが伝搬遅延に関して同期されていない状態で、決定された前記プリコーディング行列およびコンバイニング行列を用いて上りリンクの通信を行うことと、を含む通信方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、送信装置、受信装置、制御方法、通信システムおよび通信方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在普及が進んでいるロングタームエボリューション（ＬＴＥ）では、ＯＦＤＭ（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）が採用されている。ＯＦＤＭでは、各ＯＦＤＭシンボルの先頭にサイクリックプレフィックス（Cyclic-Prefix）と呼ばれるガード区間を設けることにより、前ＯＦＤＭシンボルの遅延波が次のＯＦＤＭシンボルにおよぼすシンボル間干渉（Inter-Symbol Interference、以下、ＩＳＩと称す）やサブキャリア間の直交性の崩れに起因するサブキャリア間干渉を低減または除去できる。
【０００３】
しかしながら、サイクリックプレフィックスは、実質的にデータ伝送を行うことができない区間であると共に、隣接シンボル又は他の信号への干渉源となりうる。これに対して、非特許文献１には、ＤＦＴＳ（Discrete Fourier Transform Spread）−ＯＦＤＭの信号において、送信系のＤＦＴへの入力系列に含まれる（時間領域の）シンボルの始めと終わりのいくつかを「０」とすることで、出力時間信号のテール（tail）の強度の低減を目指す技術が開示されている。テールの強度を十分小さく抑えることで、そのテールに対応する時間範囲では、隣接シンボル又は他の信号に対する干渉が十分に小さくなることが期待される。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】G. Berardinelli, F. Tavares, T. Sorensen, P. Mogensen, and K. Pajukoski, "Zero-tail dft-spread-ofdm signals," in Globecom Workshops (GC Wk-shps), 2013 IEEE, Dec 2013, pp. 229-234.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
非特許文献１に記載される手法は経験的に設計されたプリコーディングのひとつと考えられる。実際、ユーザ端末の数や遅延はセルごと、時間ごとに様々に変わるので、経験的なプリコーディングでは良い結果を生まない状況も発生しうる。
【０００６】
本発明はこうした課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、理論的に最適なプリコーディング技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明のある態様は、送信装置に関する。この送信装置は、入力シンボル系列をプリコーディング行列を用いてプリコーディングする手段と、プリコーディングの結果得られる系列を無線信号に変換する手段と、を備える。該送信装置を含む複数の送信装置が互いに異なる周波数帯域を使用して受信装置に無線信号を送信し、該送信装置から送信される無線信号は、受信装置において、該送信装置に割り当てられた周波数帯域の第１成分と該周波数帯域とは異なる周波数帯域の第２成分とを有し、プリコーディング行列は、第１成分に係る受信強度を第２成分に係る受信強度と受信ノイズ強度との和で除して得られる値を極大化するよう決定される。極大化は最大化を含む。
【０００８】
本発明の別の態様は、受信装置である。この受信装置は、送信装置から送信される無線信号を受信する手段と、受信された無線信号に、変換する手段における変換処理の逆変換処理を行う手段と、逆変換処理の結果得られる系列を、プリコーディング行列に対応するコンバイニング行列を用いてコンバイニングする手段と、を備える。
【０００９】
なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや、本発明の構成要素や表現を装置、方法、システム、コンピュータプログラム、コンピュータプログラムを格納した記録媒体などの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、理論的に最適なプリコーディング技術を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施の形態に係る通信システムの模式図である。
【図２】図２（ａ）、（ｂ）は、開ループ型同期における伝搬遅延の影響を説明する説明図である。
【図３】図１に示される通信システムにおける干渉グラフを示す模式図である。
【図４】システムモデルを示す模式図である。
【図５】円形セルモデルを示す模式図である。
【図６】マルチパス遅延とパス電力との関係の一例を示すグラフである。
【図７】図１の通信システムの機能および構成を示すブロック図である。
【図８】Ｐ行列保持部の一例を示すデータ構造図である。
【図９】図１の通信システムにおける一連の処理の流れを示すチャートである。
【図１０】遅延を説明するための模式図である。
【図１１】図１０に対応する遅延と電力との関係の一例を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、各図面において説明上重要ではない部材の一部は省略して表示する。
【００１３】
図１は、実施の形態に係る通信システム１００の模式図である。通信システム１００は、基地局１０２と３つのユーザ端末１０６、１０８、１１０とを含む。基地局（Base Station、ＢＳ）とユーザ端末（User Equipment、ＵＥ）とはＯＦＤＭをベースとした送受信機を使用して無線通信を行う。基地局１０２の通信可能な範囲（セルと称す）１０２ａには３つのユーザ端末１０６、１０８、１１０が存在し、そのそれぞれは基地局１０２と無線リンクを確立している。図１の例では３つのユーザ端末を使用するが、ユーザ端末の数はこれに限られず、任意であってもよい。
【００１４】
基地局１０２は３つのユーザ端末１０６、１０８、１１０のそれぞれに基地局１０２との通信のための無線リソースを割り当てる。無線リソースは使用可能な期間または使用可能な周波数帯域もしくはその両方により特定される。本実施の形態では、上りリンク（Uplink）にＳＣ−ＦＤＭＡ（Single-Carrier Frequency-Division Multiple Access）が採用され、３つのユーザ端末１０６、１０８、１１０がある期間において互いに異なる周波数帯域を使用して基地局１０２に無線信号を送信する。
【００１５】
図２（ａ）、（ｂ）は、開ループ型同期（Open-Loop Synchronization、ＯＬＳ）における伝搬遅延の影響を説明する説明図である。上りリンク、下りリンク（Downlink）のいずれにおいても、理想的な状況では干渉は発生しない。しかしながら、現実には同期タイミングのずれや開ループ型同期（Open-Loop Synchronization、ＯＬＳ）における伝搬遅延により干渉が生じうる。例えば、上りリンクのある期間において第１ユーザ端末１０６、第２ユーザ端末１０８、第３ユーザ端末１１０にそれぞれ周波数帯域Ａ、周波数帯域Ｂ、周波数帯域Ｃが割り当てられた場合を考える。周波数帯域Ａと周波数帯域Ｂと周波数帯域Ｃとは隣り合うものの重なり合わない。図２（ｂ）に周波数帯域の関係が図示される。
【００１６】
ＯＬＳでは上りリンクの伝搬遅延は補償されない。したがって、図２（ａ）に示されるように、何も工夫をしなければ、ユーザ端末１０６、１０８、１１０からの無線信号は基地局１０２における対応する受信ウインドウ（Receiver window）から伝搬遅延の分だけはみ出す。また、ユーザ端末１０６、１０８、１１０と基地局１０２との距離によって伝搬遅延τ１、τ２、τ３は異なるので、はみ出し方もユーザ端末により異なる。受信される無線信号と受信ウインドウとの時間的なずれは帯域外輻射（Out-Of-Band radiation）を発生させる。
【００１７】
図２（ｂ）は帯域外輻射による基地局１０２における受信信号の干渉を示す。伝搬遅延により受信ウインドウ内に、信号がゼロ付近から急激に立ち上がる部分が現れる。するとその部分が周波数ドメインでは高周波成分となって現れ、基地局１０２で受信した無線信号のスペクトルが広がってしまう。図２（ｂ）の上段に示されるスペクトルは、伝搬遅延がない理想的な場合の、第２ユーザ端末１０８から送信され基地局１０２で受信された無線信号のスペクトルである。このスペクトルは第２ユーザ端末１０８に割り当てられた周波数帯域Ｂの中に収まっている。これに対して、図２（ｂ）の下段に示されるスペクトルは、伝搬遅延を伴う実際の場合の、第２ユーザ端末１０８から送信され基地局１０２で受信された無線信号のスペクトルである。高周波成分によりスペクトルが広がり、周波数帯域Ｂの両隣の周波数帯域Ａ、Ｃに帯域外輻射が現れる。この帯域外輻射により、第２ユーザ端末１０８から送信される無線信号が、基地局１０２における受信段階で、第１ユーザ端末１０６や第３ユーザ端末１１０から送信される無線信号に干渉することとなる。
【００１８】
図３は、図１に示される通信システム１００における干渉グラフを示す模式図である。第１ユーザ端末１０６に周波数帯域Ａが割り当てられると、第１ユーザ端末１０６はその周波数帯域Ａの無線信号を生成する。基地局１０２は、周波数帯域Ａで受信した信号を、第１ユーザ端末１０６からの信号として取得する。各ユーザ端末から送信された無線信号が、基地局１０２によって受信された信号のうちそのユーザ端末に割り当てられた周波数帯域の成分に及ぼす作用を信号作用と称す。図３では信号作用を実線の矢印で示す。
【００１９】
上述の通り、ＯＬＳでは帯域外輻射の存在により、ユーザ端末から送信される無線信号は基地局１０２によって受信ウインドウ内で受信されると干渉し合う。例えば、第１ユーザ端末１０６から送信される無線信号は、基地局１０２において、該第１ユーザ端末１０６に割り当てられた周波数帯域Ａとは異なる周波数帯域Ｂ、Ｃの成分を有する。各ユーザ端末から送信された無線信号が、基地局１０２によって受信された信号のうちそのユーザ端末に割り当てられた周波数帯域とは異なる周波数帯域の成分に及ぼす作用を干渉作用と称す。図３では干渉作用を破線の矢印で示す。
【００２０】
本実施の形態では、ユーザ端末の送信側のベースバンド処理の前段にプリコーディング処理を設け、基地局１０２の受信側のベースバンド処理の後段に対応するコンバイニング処理を設ける。各ユーザ端末のプリコーディング行列は、そのユーザ端末を起点とする信号作用に係る受信強度を、そのユーザ端末を起点とする干渉作用に係る受信強度と受信ノイズ強度との和で除して得られる値（Signal to Leakage plus Noise Ratio、以下、ＳＬＮＲと称す）を最大化するよう決定される。例えば、第１ユーザ端末１０６のＳＬＮＲは、信号作用３０２に係る受信強度を分子とし、干渉作用３０４、３０６に係る受信強度と周波数帯域Ａの受信ノイズ強度との和を分母とする。第１ユーザ端末１０６のプリコーディング行列はこのＳＬＮＲを最大化するよう決定される。これにより、ＯＬＳにおける帯域外輻射の影響を極小化または最小化することができる。
【００２１】
図４は、システムモデルを示す模式図である。ユーザ（ユーザ端末）ｕのデータはまずプリコーダ（precoder）においてプリコーディング行列Ｐｕにより変換される。プリコーダの出力は送信部（transmitter）に入り、無線信号に変換されて基地局に送信される。送信部の処理はΦｕで表され、ユーザｕのチャネルはＨ（ｄｕ）で表される。ユーザｉについても同様に、ユーザｉのデータはプリコーディング行列Ｐｉによる変換、送信部での処理Φｉを経てチャネルＨ（ｄｉ）で送信される。基地局では、ユーザｕについて、チャネルＨ（ｄｕ）からの寄与と、チャネルＨ（ｄｉ）からの寄与（干渉分）と、受信部ノイズ（receiver noise）ｎと、が加算されて受信部（receiver）に入る。受信部の処理はΨｕで表される。受信部の出力ｒｕはコンバイナ（combiner）に入り、コンバイナにおいてコンバイニング行列Ｃｕにより変換される。コンバイナからユーザｕの推定データ（estimated data）が出力される。ユーザｉについても同様に、チャネルＨ（ｄｕ）からの寄与（干渉分）とチャネルＨ（ｄｉ）からの寄与と受信部ノイズｎとの和は受信部での処理Ψｉを経てｒｉとして出力され、ｒｉはコンバイナ行列Ｃｉにより変換され、推定データとして出力される。なお、ｄｉはユーザｉの上りリンクにおける遅延を表す。
【００２２】
このモデルにおいて、ｒｉは以下のように表される。
【数１】
2018023079.tif 000002
ここで、ＮＵＥは基地局と通信するユーザ端末すなわち基地局をサービング基地局とするユーザ端末の数を表す。
【００２３】
ユーザｉについてのＳＬＮＲであるΛｉは以下のように表される。
【数２】
2018023079.tif 000003
ここで、
【数３】
2018023079.tif 000004
【数４】
2018023079.tif 000005
【数５】
2018023079.tif 000006
【数６】
2018023079.tif 000007
である。αはノイズ強度（noise power）を表し、Ｉは単位行列（identity matrix）を表す。
【００２４】
Λｉを最大化することを考える。Ｂｉの特異値分解（singular value decomposition）は以下のように表される。
【数７】
2018023079.tif 000008
ここで得られるＵＢ，ｉ、ＤＢ，ｉを用いると、Ａｉについて以下の式が成立する。
【数８】
2018023079.tif 000009
これらの結果から、Λｉを最大化するＰｉは以下のように求まる。
【数９】
2018023079.tif 000010
このＰｉに対応するＣｉは以下のように表される。
【数１０】
2018023079.tif 000011
【００２５】
上記のＰｉ、Ｃｉを算出する際、チャネルＨ（ｄｕ）は、ランダムな遅延ｄｕを除いて理想的であると仮定する。遅延ｄｕは統計的な分布にしたがうものとして扱われる。図５は、円形セルモデルを示す模式図である。基地局ＢＳから距離ｒにあるユーザ端末ＵＥの伝搬遅延Ｔｐは、光速をｃとすると以下のように表される。
Ｔｐ＝ｒ／ｃ
ある伝搬遅延の値ｔと、それに対する距離Ｒ＝ｔ・ｃについて、確率関数は以下のように表される。
Ｐ（Ｔｐ≦ｔ）＝Ｒ２／ｒｍａｘ２
ｒｍａｘはセルのサイズすなわち最大セル半径である。確率分布関数は以下のように表される。
ｐ（ｔ）＝Ｐ（Ｔｐ＝ｔ）＝２Ｒ／ｒｍａｘ２
伝搬遅延の分布について最大セル半径のみが利用可能な情報である場合、円形セルモデルが最良のモデルである。本実施の形態では、円形セルモデルを採用する。
【００２６】
上りリンクにおける遅延Ｔｕｐは、基地局における、ＯＬＳのユーザ端末から送信された無線信号の遅延である。ＯＬＳのユーザ端末は、それが位置する場所で、下りリンクの信号に同期する。この同期におけるタイミングは下りリンクの伝搬時間を考慮しないものである。したがって、
Ｔｕｐ＝２（直接パスの伝搬遅延＋マルチパス成分）＝２（Ｔｐ＋τａｖｅ）
となる。ここで、τａｖｅは電力平均されたマルチパス遅延である。パス電力をＰ（τ）と表し、ｐ（τ）を以下のように定義する。
【数１１】
2018023079.tif 000012
【００２７】
図６は、マルチパス遅延τとパス電力Ｐ（τ）との関係の一例を示すグラフである。τａｖｅは以下のように定義される。
【数１２】
2018023079.tif 000013
【００２８】
図４に示されるモデルから、伝搬遅延の分布と送信部の特性と受信部の特性と関与するユーザ端末の数とが与えられると、Λｉを最大化するＰｉ、Ｃｉを決めることができる。伝搬遅延の分布を決めるパラメータは、伝搬遅延の最大値またはセルのサイズと、電力平均されたマルチパス遅延と、を含む。
【００２９】
以下では、通信システムにおいて送信部の特性および受信部の特性は既知であり、マルチパス遅延を考慮せず、伝搬遅延の分布およびユーザ端末の数が状況やセルに応じて変わる場合を説明する。しかしながら、それ以外の通信システム、例えばユーザ端末の数が固定であったり受信部・送信部の特性が可変であったりマルチパス遅延の影響を考慮したりする通信システムにも本実施の形態に係る技術的思想を適用できることは、本明細書に触れた当業者には明らかである。
【００３０】
図７は、図１に示される通信システム１００の機能および構成を示すブロック図である。ここに示す各ブロックは、ハードウエア的には、コンピュータのＣＰＵをはじめとする素子や機械装置で実現でき、ソフトウエア的にはコンピュータプログラム等によって実現されるが、ここでは、それらの連携によって実現される機能ブロックを描いている。したがって、これらの機能ブロックはハードウエア、ソフトウエアの組合せによっていろいろなかたちで実現できることは、本明細書に触れた当業者には理解されるところである。
【００３１】
第１ユーザ端末１０６は、プリコーディング部５０２と、送信部５０４と、Ｐ行列決定部５０６と、Ｐ行列保持部５０８と、を備える。Ｐ行列決定部５０６は、伝搬遅延の最大値とユーザ端末の数とを取得する。Ｐ行列決定部５０６は、Ｐ行列保持部５０８を参照し、取得された情報に対応するプリコーディング行列（以下、Ｐ行列と称す）を決定する。Ｐ行列決定部５０６は、決定されたＰ行列をプリコーディング部５０２に渡す。
【００３２】
図８は、Ｐ行列保持部５０８の一例を示すデータ構造図である。Ｐ行列保持部５０８は、伝搬遅延の最大値とユーザ端末の数とＰ行列とを対応付けて保持する。通信システム１００の管理者は、伝搬遅延の最大値とユーザ端末の数との様々な組み合わせに対してＰ行列を上述の通りに算出し、その結果をＰ行列保持部５０８に登録する。後述のＣ行列保持部５２０はＰ行列保持部５０８に対応する。Ｃ行列保持部５２０は伝搬遅延の最大値とユーザ端末の数とコンバイニング行列（以下、Ｃ行列と称す）とを対応付けて保持する。同じ（伝搬遅延の最大値、ユーザ端末の数）に対応するＰ行列とＣ行列とは対応し、特にそれらは上述のＰｉとＣｉとの関係と同じ関係を有する。
【００３３】
図７に戻り、プリコーディング部５０２は、送信対象のユーザデータを表す入力シンボル系列を、Ｐ行列決定部５０６で決定されたＰ行列を用いてプリコーディングする。送信部５０４は、プリコーディング部５０２におけるプリコーディングの結果得られる系列をＯＦＤＭ処理することで無線信号に変換し、上りリンクチャネル５２６に送信する。送信部５０４はマッピング部５１０とＩＤＦＴ部５１２とを含む。
【００３４】
マッピング部５１０は、入力された系列を直列／並列変換し、所望の周波数帯域または割り当てられている周波数帯域にマッピングし、それ以外の周波数帯域に無信号（０信号）をマッピングすることで周波数領域の系列を生成して、ＩＤＦＴ部５１２に出力する。
【００３５】
ＩＤＦＴ部５１２は、マッピング部５１０が出力した系列に対してＩＤＦＴ（Inverse Discrete Fourier Transform）処理を行う。送信部５０４は、ＩＤＦＴ処理の結果得られる信号により搬送波を変調し、所望の無線周波数帯域を有する無線信号を生成する。送信部５０４は生成された無線信号を増幅してアンテナから送信する。
【００３６】
基地局１０２は、コンバイニング部５１４と、受信部５１６と、Ｃ行列決定部５１８と、Ｃ行列保持部５２０と、を含む。Ｃ行列決定部５１８は、Ｐ行列決定部５０６が取得したものと同じ伝搬遅延の最大値とユーザ端末の数とを取得する。Ｃ行列決定部５１８は、Ｃ行列保持部５２０を参照し、取得された情報に対応するＣ行列を決定する。Ｃ行列決定部５１８は、決定されたＣ行列をコンバイニング部５１４に渡す。
【００３７】
受信部５１６は、上りリンクチャネル５２６から無線信号を受信する。受信部５１６は、受信された無線信号に、送信部５０４における変換処理の逆変換処理を行う。受信部５１６は、デマッピング部５２２とＤＦＴ部５２４とを含む。ＤＦＴ部５２４は、ＩＤＦＴ部５１２におけるＩＤＦＴ処理とは逆のＤＦＴ処理を行う。デマッピング部５２２は、マッピング部５１０におけるマッピング処理とは逆のデマッピング処理を行う。コンバイニング部５１４は、受信部５１６における逆変換処理の結果得られる系列を、Ｃ行列決定部５１８によって決定されたＣ行列を用いてコンバイニングする。コンバイニング部５１４は、コンバイニングの結果得られるシンボル系列を推定ユーザデータを表すものとして出力する。
【００３８】
以上の構成による通信システム１００の動作を説明する。
図９は、通信システム１００における一連の処理の流れを示すチャートである。第１ユーザ端末１０６はＯＬＳの状態にある、すなわち伝搬遅延に関して基地局１０２と同期していない。基地局１０２は、伝搬遅延の最大値および基地局１０２に属するユーザ端末の数を測定する（Ｓ９０２）。基地局１０２と伝搬遅延に関して同期した状態（閉ループ型同期（Closed Loop Synchronization、ＣＬＳ））にある他のユーザ端末がある場合、基地局１０２はそのユーザ端末に係るタイミングアドバンス処理のパラメータから、伝搬遅延の最大値を推定してもよい。
【００３９】
基地局１０２は、ステップＳ９０２により得られた伝搬遅延の最大値およびユーザ端末の数を、下りリンクの報知チャネルを通じて、第１ユーザ端末１０６を含むセル１０２ａ内の複数のユーザ端末に通知する（Ｓ９０４）。例えば、基地局１０２は下りリンクの報知チャネルにより伝送される制御信号のメイン情報ブロック（Main Information Block）に、最大値および数を量子化された状態で追加する。第１ユーザ端末１０６は、下りリンクの報知チャネルを通じてメイン情報ブロックを受信し、受信されたブロックから最大値および数を取得する。第１ユーザ端末１０６は、取得された最大値および数に基づいてＰ行列を決定する（Ｓ９０６）。基地局１０２は、ステップＳ９０２により得られた最大値および数に基づいてＣ行列を決定する（Ｓ９０８）。第１ユーザ端末１０６は、送信シンボル系列を、ステップＳ９０６で決定されたＰ行列を用いてプリコーディングする（Ｓ９１０）。第１ユーザ端末１０６は、伝搬遅延を補償することなく、無線信号を基地局１０２に送信する（Ｓ９１２）。基地局１０２は、受信した無線信号から得られる受信シンボル系列を、ステップＳ９０８で決定されたＣ行列を用いてコンバイニングする（Ｓ９１４）。
【００４０】
上述の実施の形態において、保持部の例は、ハードディスクや半導体メモリである。また、本明細書の記載に基づき、各部を、図示しないＣＰＵや、インストールされたアプリケーションプログラムのモジュールや、システムプログラムのモジュールや、ハードディスクから読み出したデータの内容を一時的に記憶する半導体メモリなどにより実現できることは本明細書に触れた当業者には理解される。
【００４１】
本実施の形態に係る通信システム１００によると、ＳＬＮＲが最大化されるようにＰ行列とＣ行列とが選択されるので、ＯＬＳにおける帯域外輻射による干渉の影響を最小化または極小化することができる。本実施の形態は、伝搬遅延についての同期がない状態で理論的に最適なＰ行列およびＣ行列を提供する。
【００４２】
本実施の形態に係るプリコーディング／コンバイニングはＯＬＳによる上りリンク通信を前提とする端末に適用可能である。ＩＯＴ（Internet Of Things）などのマシン型通信（Machine-Type Communication）では、マシン側の通信装置のコストを低減しかつ電力消費を抑えて電池を長持ちさせるため、データ送信の前の同期処理を省略するＯＬＳが多く採用される。このような場合に本実施の形態に係るプリコーディング／コンバイニングを適用すると、通信品質を良好に維持できる。
【００４３】
以上、実施の形態に係る通信システム１００の構成と動作について説明した。この実施の形態は例示であり、各構成要素や各処理の組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解される。
【００４４】
実施の形態では、円形セルモデルが採用される場合について説明したが、これに限られない。伝搬遅延の分布について他の情報、例えばセルの形状や障害物の情報等、が得られる場合などでは他のセルモデルが採用されてもよく、そのような場合にも本実施の形態に係る技術的思想を適用できる。例えば、セルにおいてユーザ端末と基地局との間の最小距離ｒｍｉｎを定義することができる。すなわち、ｒｍｉｎ＜Ｒ＜ｒｍａｘとなる。この場合、確率分布関数は、
ｐ（ｔ）＝Ｐ（Ｔｐ＝ｔ）＝２Ｒ／（ｒｍａｘ２−ｒｍｉｎ２）
となる。
【００４５】
実施の形態では、基地局１０２からユーザ端末へ伝搬遅延の最大値およびユーザ端末の数を報知し、ユーザ端末はその情報を使用してＰ行列を決定する場合について説明したが、これに限られない。例えば、最大値および数の組を特定するＩＤを用意し、Ｐ行列保持部はＩＤとＰ行列とを対応付けて保持し、Ｃ行列保持部はＩＤとＣ行列とを対応付けて保持してもよい。基地局１０２は最大値および数の測定結果に対応するＩＤを特定し、特定されたＩＤをユーザ端末に報知してもよい。基地局１０２、ユーザ端末はそれぞれ特定されたＩＤに対応するＣ行列、Ｐ行列をＣ行列保持部、Ｐ行列保持部を参照して決定してもよい。
【００４６】
実施の形態では、ＯＬＳの第１ユーザ端末１０６から基地局１０２への信号の送信について説明したが、これに限られず、例えば第１ユーザ端末１０６がＣＬＳになる前の信号の送受信など、ユーザ端末と基地局との間で伝搬遅延の補償がなされていない任意の状況に、本実施の形態に係る技術的思想を適用可能である。
【００４７】
実施の形態では、上りリンクの場合すなわち第１ユーザ端末１０６がプリコーディングし、基地局１０２がコンバイニングする場合について説明したが、これに限られない。例えば、下りリンクの場合すなわち基地局１０２がプリコーディングし、第１ユーザ端末１０６がコンバイニングする場合にも、本実施の形態に係る技術的思想を適用できる。
【００４８】
実施の形態において、Ｐ行列およびＣ行列を、時間的に重ね合わされるデータ信号とパイロット信号との間の干渉を抑えるかなくすように決定してもよい。この場合、送信側のプリコーディングおよび受信側のコンバイニングはそれぞれ追加の入力、すなわちパイロット系列を受ける。パイロット系列は、データ信号に重ね合わされるパイロット信号を生成するためのものである。
【００４９】
実施の形態では、上りリンクにおける遅延Ｔｕｐを評価するために電力平均されたマルチパス遅延τａｖｅを用いる場合を説明したが、これに限られない。図１０は、遅延を説明するための模式図である。図１１は、図１０に対応する遅延と電力との関係の一例を示すグラフである。図１０においてＴ１はタイミングオフセット（Timing Offset,TO）を表し、τｎは第ｎパスのマルチパス遅延を表す。図１１の電力遅延プロファイル（power delay profile）Ｐ（τ）は図１０に対応する。
【００５０】
本変形例では、Ｎｐをパスの数とするとき、
【数１３】
2018023079.tif 000014
を満たす組のリスト
【数１４】
2018023079.tif 000015
からなるチャネル電力遅延プロファイルの評価を用いる。具体的には、集合
【数１５】
2018023079.tif 000016
に対して離散的なランダム変数Ｔｍｐが定義される。Ｔｍｐの確率分布は以下の通りである。
【数１６】
2018023079.tif 000017
【００５１】
離散的なランダム変数Ｄは以下のように定義される。
Ｄ＝Ｔ１＋Ｔｍｐ
Ｔ１はタイミングオフセットすなわち第１パスのランダム遅延である。Ｄの分布は、Ｔ１の分布の評価とＴｍｐの分布の評価とに基づいて計算される。計算により得られたＤの分布は、上述のプリコーディング行列およびコンバイナ行列の算出に使用される。
【符号の説明】
【００５２】
１００  通信システム、  １０２  基地局、  １０６  第１ユーザ端末、  １０８  第２ユーザ端末、  １１０  第３ユーザ端末。
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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