(57)【要約】【課題】マルチユーザ環境におけるビームフォーミング方式において、所要の通信品質を満たす無線端末をできるだけ多く選択するスケジューリングを行う。【解決手段】本発明の基地局は、複数のアンテナを用いてｍ個のビームを形成する第１のビーム形成手段と、前記ｍ個のビームのそれぞれでパイロット信号を送信するパイロット信号送信手段と、各前記無線端末から前記ｍ個のビームの受信状態値を受信する受信状態値受信手段と、各前記無線端末の所要通信品質の情報を取得する通信品質取得手段と、使用するｎ（１≦ｎ≦ｍ）個の前記ビームと、前記ｎ個のビームを割り当てるｎ台の無線端末とを、前記ｎ台の前記無線端末がそれぞれの前記所要通信品質を満たすように、決定するスケジューリング手段と、前記ｎ台の各無線端末に対し前記ビームを形成する第２のビーム形成手段と、前記各無線端末に対して形成されたビームによりデータを送信するデータ送信手段と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のアンテナを用いて複数の無線端末と通信する基地局であって、
前記複数のアンテナを用いてｍ（ｍは１以上の整数）個のビームを形成する第１のビーム形成手段と、
前記ｍ個のビームのそれぞれでパイロット信号を送信するパイロット信号送信手段と、
各前記無線端末の各々から前記ｍ個のビームの受信状態値を受信する受信状態値受信手段と、
各前記無線端末がそれぞれ必要とする所要通信品質の情報を取得する通信品質取得手段と、
各前記無線端末の前記ｍ個のビームに対する受信状態値に基づき、前記ｎ台の無線端末がそれぞれの前記所要通信品質を満たすように、前記ｍ個のビームのうち使用するｎ（１≦ｎ≦ｍ）個のビームと、前記ｎ個のビームを割り当てるｎ台の無線端末とを決定するスケジューリング手段と、
前記スケジューリング手段によって決定された前記ｎ台の各無線端末に対しそれぞれ対応する前記ｎ個のビームを形成する第２のビーム形成手段と、
前記各無線端末に対して形成されたビームにより前記各無線端末に対しそれぞれデータを送信するデータ送信手段と、
を備えたことを特徴とする基地局。
【請求項２】
前記スケジューリング手段は、前記使用するｎ個のビームとしてｍ個のビームを決定し、前記ｍ個のビームを割り当てるｍ台の無線端末を決定し、
前記ｍ個のビームに対して各々の所要通信品質を満たすような無線端末の割り当てがないときは、前記ｍ個のビームのうち使用するｍ−１個のビームと、前記ｍ−１個のビームを割り当てるｍ−１台の無線端末とを決定することを特徴とする請求項１に記載の基地局。
【請求項３】
前記スケジューリング手段は、前記ｍ個のビームにおけるｍ−１個のビームの組み合わせのいずれについても、各々の所要通信品質を満たすような無線端末の割り当てがないときは、前記ｍ個のビームを対象に、前記複数の無線端末の全てが前記所要通信品質を満たさないビームを特定し、
特定したビームを対象に、前記所要通信品質と、前記ｍ個のビームに対する前記受信状態値から求まる通信品質との差分が最小の無線端末を検出し、検出した無線端末の当該差分が最大のビームを検出し、
前記ｍ個のビームから、検出したビームを除いたｍ−１個のビームを用いて、前記ｍ−１個のビームのうち使用するｍ−２個のビームと、前記ｍ−２個のビームを割り当てるｍ−２台の前記無線端末とを決定する
ことを特徴とする請求項２に記載の基地局。
【請求項４】
前記スケジューリング手段は、前記ｍ個のビームにおけるｍ−１個のビームの組み合わせのいずれについても、各々の所要通信品質を満たすような無線端末の割り当てがないときは、
前記ｍ個のビームと前記複数の無線端末とから生成される、ｍ−１個のビームと、ｍ−１台の前記無線端末との組み合わせのそれぞれについて、各前記無線端末がそれぞれの前記所要通信品質を満たさないビームの個数を計算し、
計算した個数が最小である前記組み合わせを選択し、
選択した組み合わせに含まれるｍ−１個のビームを用いて、前記ｍ−１個のビームのうち使用するｍ−２個のビームと、前記ｍ−２個のビームを割り当てるｍ−２台の前記無線端末とを決定する
ことを特徴とする請求項２に記載の基地局。
【請求項５】
前記スケジューリング手段は、前記ｍ個のビームにおけるｍ−１個のビームの組み合わせのいずれについても、各々の所要通信品質を満たすような無線端末の割り当てがないときは、
前記ｍ個のビームと前記複数の無線端末とから生成される、ｍ−１個のビームと、ｍ−１台の前記無線端末との組み合わせのそれぞれについて、各前記無線端末がそれぞれの前記所要通信品質を満たさないビームを特定し、
特定したビームを対象に、前記所要通信品質と、前記ｍ−１個の各ビームに対する前記受信状態値から求まる通信品質との差分が最小の無線端末を検出し、
検出した無線端末の前記差分を前記特定したビームの全てについて合計し、
合計値が最小である前記組み合わせを選択し、
選択した組み合わせに含まれるｍ−１個のビームを用いて、前記ｍ−１個のビームのうち使用するｍ−２個のビームと、前記ｍ−２個のビームを割り当てるｍ−２台の前記無線端末とを決定する
ことを特徴とする請求項２に記載の基地局。
【請求項６】
前記複数の無線端末のうち、データを優先して送信するべき優先端末を特定する優先端末特定手段をさらに有し、
前記スケジューリング手段は、前記優先端末を含むように各前記ビームを割り当てる無線端末を決定する
ことを特徴とする請求項１に記載の基地局。
【請求項７】
前記スケジューリング手段は、前記優先端末を含むような各前記ビームへの端末割り当てが存在しないとき、
前記ｍ個のビームを対象に、前記優先端末について、前記ｍ個のビームに対する前記受信状態値から求まる前記通信品質が最小のビームを検出し、
前記ｍ個のビームのうち、検出したビームを除いたｍ−１個のビームを用いて、前記ｍ−１個のビームのうち使用するｍ−２個のビームと、前記ｍ−２個のビームを割り当てるｍ−２台の前記無線端末とを、前記優先端末を含むように、決定する
ことを特徴とする請求項６に記載の基地局。
【請求項８】
前記スケジューリング手段は、
前記使用するｎ個のビームとしてｍ個のビームを決定し、前記ｍ個のビームに対して、まず前記優先端末を割り当て、次いで残りのビームに対して、前記優先端末と異なる非優先端末を順次割り当て、
前記優先端末の割り当てが成功したが、前記非優先端末の割り当てが失敗したとき、
前記残りのビームのうち前記所要通信品質を満たす非優先端末が存在しなかったビームを対象に、前記所要通信品質と、前記ｍ個のビームに対する前記受信状態値から求まる通信品質との差分が最小の非優先端末を検出し、検出した非優先端末の当該差分が最大のビームを検出し、
前記ｍ個のビームから、検出したビームを除いたｍ−１個のビームを用いて、前記ｍ−１個のビームのうち使用するｍ−２個のビームと、前記ｍ−２個のビームを割り当てるｍ−２台の前記無線端末とを、前記優先端末を含むように、決定する
ことを特徴とする請求項６に記載の基地局。
【請求項９】
前記スケジューリング手段は、
前記使用するｎ個のビームとしてｍ個のビームを決定し、前記ｍ個のビームを割り当てるｍ台の無線端末を、前記優先端末を含むように決定し、
前記優先端末を含むような各前記ビームへの端末割り当てが存在しないとき、前記ｍ個のビームのうち使用するｍ−１個のビームと、前記ｍ−１個のビームを割り当てるｍ−１台の無線端末とを前記優先端末を含むように決定し、
前記ｍ個のビームにおけるｍ−１個のビームの組み合わせのいずれについても、前記優先端末を含むような割り当てがないときは、
前記ｍ個のビームと前記複数の無線端末とから生成される、ｍ−１個のビームと、前記優先端末を含むｍ−１台の前記無線端末との組み合わせのそれぞれについて、各前記無線端末がそれぞれの前記所要通信品質を満たさないビームの個数を計算し、
計算した個数が最小である前記組み合わせを選択し、
選択した組み合わせに含まれるｍ−１個のビームを用いて、前記ｍ−１個のビームのうち使用するｍ−２個のビームと、前記ｍ−２個のビームを割り当てるｍ−２台の前記無線端末とを、前記優先端末を含むように、決定する
ことを特徴とする請求項６に記載の基地局。
【請求項１０】
前記スケジューリング手段は、
前記使用するｎ個のビームとしてｍ個のビームを決定し、前記ｍ個のビームを割り当てるｍ台の無線端末を、前記優先端末を含むように決定し、
前記優先端末を含むような各前記ビームへの端末割り当てが存在しないとき、前記ｍ個のビームのうち使用するｍ−１個のビームと、前記ｍ−１個のビームを割り当てるｍ−１台の無線端末とを前記優先端末を含むように決定し、
前記ｍ個のビームにおけるｍ−１個のビームの組み合わせのいずれについても、前記優先端末を含むような割り当てがないときは、
前記ｍ個のビームと前記複数の無線端末とから生成される、ｍ−１個のビームと、前記優先端末を含むｍ−１台の前記無線端末との組み合わせのそれぞれについて、各前記無線端末がそれぞれの前記所要通信品質を満たさないビームを特定し、
特定したビームを対象に、前記所要通信品質と、前記ｍ−１個の各ビームに対する前記受信状態値から求まる通信品質との差分が最小の無線端末を検出し、
検出した無線端末の前記差分を前記特定したビームの全てについて合計し、
合計値が最小である前記組み合わせを選択し、
選択した組み合わせに含まれるｍ−１個のビームを用いて、前記ｍ−１個のビームのうち使用するｍ−２個のビームと、前記ｍ−２個のビームを割り当てるｍ−２台の前記無線端末とを、前記優先端末を含むように、決定する
ことを特徴とする請求項６に記載の基地局。
【請求項１１】
前記スケジューリング手段は、各前記無線端末がそれぞれの前記所要通信品質を満たすような前記ｎ個のビームと前記ｎ台の無線端末との組み合わせを複数生成し、複数の前記組み合わせのそれぞれについて計算される総チャネル容量に基づいて、前記複数の組み合わせの中から１つの前記組み合わせを選択する
ことを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項に記載の基地局。
【請求項１２】
前記スケジューリング手段は、各前記無線端末がそれぞれの前記所要通信品質を満たすような前記ｎ個のビームと前記ｎ台の無線端末との組み合わせを複数生成し、複数の前記組み合わせに含まれる各前記無線端末に対して送信すべきデータの発生からの経過時間に基づき、前記複数の組み合わせの中から１つの前記組み合わせを選択する
ことを特徴とする請求項１〜１１のいずれか一項に記載の基地局。
【請求項１３】
前記複数の無線端末にそれぞれあらかじめ優先度が設定され、
前記スケジューリング手段は、各前記無線端末がそれぞれの前記所要通信品質を満たすような前記ｎ個のビームと前記ｎ台の無線端末との組み合わせを複数生成し、複数の前記組み合わせに含まれる各前記無線端末について設定された優先度に基づいて、前記複数の組み合わせの中から１つの前記組み合わせを選択する
ことを特徴とする請求項１〜１２のいずれか一項に記載の基地局。
【請求項１４】
総チャネル容量を規範とするスケジューリングを行う第２のスケジューリング手段と、
スケジューリングを行う前記第１のスケジューリング手段および前記第２のスケジューリング手段を切り替えるスケジューリング制御手段と、
をさらに備えたことを特徴とする請求項１ないし１３のいずれか一項に記載の基地局。
【請求項１５】
前記スケジューリング制御手段は、前記複数の無線端末の中にデータを優先して送信するべき優先端末が存在するときは、前記優先端末へ送信するデータの種類、または前記優先端末の前記所要通信品質に応じて前記第１および第２のスケジューリング手段の切り替えを行う
ことを特徴とする請求項１４に記載の基地局。
【請求項１６】
前記スケジューリング制御手段は、前記複数の無線端末の各々へ送信するデータの種類の割合に応じて前記第１および第２のスケジューリング手段の切り替えを行う
ことを特徴とする請求項１４に記載の基地局。
【請求項１７】
前記複数の無線端末にはそれぞれ優先度が設定され、
前記スケジューリング制御手段は、所定値以上の優先度をもつ各前記無線端末の各々へ送信するデータの種類の割合に応じて前記第１および第２のスケジューリング手段の切り替えを行う
ことを特徴とする請求項１４に記載の基地局。
【請求項１８】
前記スケジューリング制御手段は、前記複数の無線端末の台数、または、前記複数の無線端末間の空間相関に応じて前記第１および第２のスケジューリング手段の切り替えを行う
ことを特徴とする請求項１４に記載の基地局。
【請求項１９】
システムクロックをさらに備え、
前記スケジューリング制御手段は、前記システムクロックの時刻、およびスケジューリングの実行回数に応じて前記第１および第２のスケジューリング手段の切り替えを行う
ことを特徴とする請求項１４に記載の基地局。
【請求項２０】
ｍ（ｍは１以上の整数）個のアンテナを用いて複数の無線端末と通信する基地局であって、
前記ｍ個のアンテナのそれぞれによりパイロット信号を送信するパイロット信号送信手段と、
各前記無線端末の各々から前記ｍ個のアンテナとの間の伝搬路応答の情報を受信する伝搬路応答受信手段と、
各前記無線端末がそれぞれ必要とする所要通信品質の情報を取得する通信品質取得手段と、
各前記無線端末の前記ｍ個のアンテナに対する伝搬路応答の情報に基づき、前記ｎ台の前記無線端末がそれぞれの前記所要通信品質を満たすように、前記ｍ個のアンテナのうち使用するｎ（１≦ｎ≦ｍ）個の前記アンテナと、前記ｎ個のアンテナを割り当てるｎ台の無線端末とを決定するスケジューリング手段と、
前記ｎ台の各無線端末にそれぞれ割り当てられたアンテナとそれぞれの前記伝搬路応答の情報とに従い、前記ｎ台の各無線端末に対してｎ個のビームを形成するビーム形成手段と、
各前記無線端末に対して形成されたビームにより各前記無線端末に対しそれぞれデータを送信するデータ送信手段と、
を備えたことを特徴とする基地局。
【請求項２１】
前記スケジューリング手段は、前記使用するｎ個のアンテナとしてｍ個のアンテナを決定し、前記ｍ個のアンテナを割り当てるｍ台の無線端末を決定し、
前記ｍ個のアンテナに対して各々の所要通信品質を満たすような無線端末の割り当てがないときは、前記ｍ個のアンテナのうち使用するｍ−１個のアンテナと、前記ｍ−１個のアンテナを割り当てるｍ−１台の無線端末とを決定する
ことを特徴とする請求項２０に記載の基地局。
【請求項２２】
総チャネル容量を規範とするスケジューリングを行う第２のスケジューリング手段と、
スケジューリングを行う前記第１のスケジューリング手段および前記第２のスケジューリング手段を切り替えるスケジューリング制御手段と、
をさらに備えたことを特徴とする請求項２０に記載の基地局。
【請求項２３】
複数のアンテナを用いて複数の無線端末と通信するコンピュータにおいて実行する通信プログラムであって、
前記複数のアンテナを用いてｍ（ｍは１以上の整数）個のビームを形成する第１のビーム形成ステップと、
前記ｍ個のビームのそれぞれでパイロット信号を送信するパイロット信号送信ステップと、
各前記無線端末の各々から前記ｍ個のビームの受信状態値を受信する受信状態値受信ステップと、
各前記無線端末がそれぞれ必要とする所要通信品質の情報を取得する通信品質取得ステップと、
各前記無線端末の前記ｍ個のビームに対する受信状態値に基づき、前記ｎ台の無線端末がそれぞれの前記所要通信品質を満たすように、前記ｍ個のビームのうち使用するｎ（１≦ｎ≦ｍ）個のビームと、前記ｎ個のビームを割り当てるｎ台の無線端末とを決定するスケジューリングステップと、
前記スケジューリングステップによって決定された前記ｎ台の各無線端末に対しそれぞれ対応する前記ｎ個のビームを形成する第２のビーム形成ステップと、
前記各無線端末に対して形成されたビームにより前記各無線端末に対しそれぞれデータを送信するデータ送信ステップと、
を備えたことを特徴とする通信プログラム。
【請求項２４】
複数のアンテナを用いて複数の無線端末と通信するコンピュータにおいて実行する通信方法であって、
前記複数のアンテナを用いてｍ（ｍは１以上の整数）個のビームを形成する第１のビーム形成ステップと、
前記ｍ個のビームのそれぞれでパイロット信号を送信するパイロット信号送信ステップと、
各前記無線端末の各々から前記ｍ個のビームの受信状態値を受信する受信状態値受信ステップと、
各前記無線端末がそれぞれ必要とする所要通信品質の情報を取得する通信品質取得ステップと、
各前記無線端末の前記ｍ個のビームに対する受信状態値に基づき、前記ｎ台の無線端末がそれぞれの前記所要通信品質を満たすように、前記ｍ個のビームのうち使用するｎ（１≦ｎ≦ｍ）個のビームと、前記ｎ個のビームを割り当てるｎ台の無線端末とを決定するスケジューリングステップと、
前記スケジューリングステップによって決定された前記ｎ台の各無線端末に対しそれぞれ対応する前記ｎ個のビームを形成する第２のビーム形成ステップと、
前記各無線端末に対して形成されたビームにより前記各無線端末に対しそれぞれデータを送信するデータ送信ステップと、
を備えたことを特徴とする通信方法。
【請求項２５】
ｍ（ｍは１以上の整数）個のアンテナを用いて複数の無線端末と通信するコンピュータにおいて実行する通信プログラムであって、
前記ｍ個のアンテナのそれぞれによりパイロット信号を送信するパイロット信号送信ステップと、
各前記無線端末の各々から前記ｍ個のアンテナとの間の伝搬路応答の情報を受信する伝搬路応答受信ステップと、
各前記無線端末がそれぞれ必要とする所要通信品質の情報を取得する通信品質取得ステップと、
各前記無線端末の前記ｍ個のアンテナに対する伝搬路応答の情報に基づき、前記ｎ台の前記無線端末がそれぞれの前記所要通信品質を満たすように、前記ｍ個のアンテナのうち使用するｎ（１≦ｎ≦ｍ）個の前記アンテナと、前記ｎ個のアンテナを割り当てるｎ台の無線端末とを決定するスケジューリングステップと、
前記ｎ台の各無線端末にそれぞれ割り当てられたアンテナとそれぞれの前記伝搬路応答の情報とに従い、前記ｎ台の各無線端末に対してｎ個のビームを形成するビーム形成ステップと、
各前記無線端末に対して形成されたビームにより各前記無線端末に対しそれぞれデータを送信するデータ送信ステップと、
を備えたことを特徴とする通信プログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数のアンテナを用いて無線通信を行う基地局、無線通信方法および通信プログラムに関わり、たとえばスケジューリングを行う基地局に関する。
【背景技術】
【０００２】
既存の無線通信を高速化する伝送方式として、複数の送信アンテナおよび複数の受信アンテナを用いて通信を行うMIMO（Multiple Input Multiple Output）と呼ばれる伝送方式が提案されている。MIMO伝送方式は、複数の送信アンテナから独立なストリームを同一周波数で多重化して送信し、受信装置では混信ストリームを空間フィルタリングまたは最尤判定により分離する。MIMO伝送方式の1つに、ビームフォーミング方式がある。
【０００３】
ビームフォーミング方式ではビームを形成して通信することにより、空間的に多重化（SDMA, Spatial Division Multiple Access）を行うことができ、同時に複数のユーザ端末と通信を行うことができる。送信装置におけるビームフォーミング方式には各ユーザ端末からフィードバックされた送受信装置アンテナ間の伝搬路応答に基づきビームを形成する、ZF（Zero-Forcing）やDPC（Dirty Paper Cording）と呼ばれる方法の他に、フィードバック量を低減するために基地局が予めランダムに形成したビームで通信を行うランダムビームフォーミングの手法も知られている。ランダムビームフォーミング方式では、送受信機アンテナ間の伝搬路応答は用いず、基地局がランダムに形成したビームで通信を行う。
【０００４】
マルチユーザ環境でのランダムビームフォーミング方式では、基地局はユーザ端末からのフィードバック情報（基地局が形成したビームで送信される既知信号の受信状態の情報）に基づき、使用するビームおよび使用するビームに割り当てるユーザ端末を選択する。これをスケジューリングと呼び、スケジューリングはチャネル容量を最大にする選択を行うことが一般的であった。
【０００５】
スケジューリング方法の1つである最適スケジューリング方法では、全てのビームの組み合わせ毎に各ビームを割り当てるユーザ端末の組み合わせについてチャネル容量を計算する。そして、チャネル容量を最大になるときの、ビームとユーザ端末との組み合わせを選択する。しかしながら最適スケジューリング方法では、全探索を行うために計算量が膨大となり、ユーザ数やビーム数の増加に伴い計算量は指数的に増加する。スケジューリングに要する時間は計算量に比例するため、計算量が多いことは全体のスループットを低下させる要因となる。そこで計算量を低減したスケジューリング方法が提案されており、そのうちの1つであるGreedy方法では、最も伝搬路の状態の良好な1ユーザをまず選択し、以降は既に選択されたユーザに逐次的に組み合わせていくことでユーザの組み合わせを決定していく。これによりチャネル容量を最大化しつつ計算負荷を低減している（例えば非特許文献1）。
【非特許文献１】Vicario, J.L. Bosisio, R. Spagnolini, U. Carles Anton-Haro, “Adaptive Beam Selection Techniques for Opportunistic Beamforming,” in Proc. PIMRC, Sep. 2004.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述したような従来におけるチャネル容量の最大化を目的としたスケジューリングでは、特に伝搬路状態の良い少数のユーザ端末の特性がシステム全体において支配的となるため、選択されるユーザ端末数が少なくなることがあり、また、ユーザ端末間で通信機会に不平等が生じる。
【０００７】
たとえば上述したGreedy方法では、先に選択されたユーザ端末は後に選択されるユーザ端末からの干渉を考慮せずに選択されるため、新たにユーザ端末を加えることにより発生する干渉により、必ずしも選択するユーザ端末数の増加に伴いチャネル容量の総和が増加するとは限らない。この場合、先に選択された少数のユーザ端末だけが選択されることとなるため、選択されるユーザ端末数は少なくなり、ユーザ端末間の通信機会の不平等も顕著になる。
【０００８】
また、チャネル容量を最大化する目的のスケジューリングは、大きなサイズのデータを送信するべく高い伝送速度で送信可能なユーザ端末を選択する場合には有効であるが、例えばIP電話のサービスのようにデータのサイズが小さく高い伝送速度は必要でないが同時に通信を行うユーザ端末を多く選択する場合には適していない。
【０００９】
さらに、チャネル容量を最大化する目的のスケジューリングにより選択されたユーザ端末の中には、所要の通信品質を満たさないユーザ端末も含まれる可能性があり、そのようなユーザ端末とデータ通信を行ったとしても受信に失敗し、再送が必要になる等、通信の効率は劣化してしまう。
【００１０】
本発明は、所要の通信品質を満たす無線端末（ユーザ端末）をできるだけ多く選択することを可能としたケジューリングを行う無線通信装置、通信プログラムおよび無線通信方法を計算量の少ないものとして提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の一態様としての基地局は、
複数のアンテナを用いて複数の無線端末と通信する基地局であって、
前記複数のアンテナを用いてｍ（ｍは１以上の整数）個のビームを形成する第１のビーム形成手段と、
前記ｍ個のビームのそれぞれでパイロット信号を送信するパイロット信号送信手段と、
各前記無線端末の各々から前記ｍ個のビームの受信状態値を受信する受信状態値受信手段と、
各前記無線端末がそれぞれ必要とする所要通信品質の情報を取得する通信品質取得手段と、
各前記無線端末の前記ｍ個のビームに対する受信状態値に基づき、前記ｎ台の無線端末がそれぞれの前記所要通信品質を満たすように、前記ｍ個のビームのうち使用するｎ（１≦ｎ≦ｍ）個のビームと、前記ｎ個のビームを割り当てるｎ台の無線端末とを決定するスケジューリング手段と、
前記スケジューリング手段によって決定された前記ｎ台の各無線端末に対しそれぞれ対応する前記ｎ個のビームを形成する第２のビーム形成手段と、
前記各無線端末に対して形成されたビームにより前記各無線端末に対しそれぞれデータを送信するデータ送信手段と、
を備えたことを特徴とする。
【００１２】
本発明の一態様としての通信プログラムは、
複数のアンテナを用いて複数の無線端末と通信するコンピュータにおいて実行する通信プログラムであって、
前記複数のアンテナを用いてｍ（ｍは１以上の整数）個のビームを形成する第１のビーム形成ステップと、
前記ｍ個のビームのそれぞれでパイロット信号を送信するパイロット信号送信ステップと、
各前記無線端末の各々から前記ｍ個のビームの受信状態値を受信する受信状態値受信ステップと、
各前記無線端末がそれぞれ必要とする所要通信品質の情報を取得する通信品質取得ステップと、
各前記無線端末の前記ｍ個のビームに対する受信状態値に基づき、前記ｎ台の無線端末がそれぞれの前記所要通信品質を満たすように、前記ｍ個のビームのうち使用するｎ（１≦ｎ≦ｍ）個のビームと、前記ｎ個のビームを割り当てるｎ台の無線端末とを決定するスケジューリングステップと、
前記スケジューリングステップによって決定された前記ｎ台の各無線端末に対しそれぞれ対応する前記ｎ個のビームを形成する第２のビーム形成ステップと、
前記各無線端末に対して形成されたビームにより前記各無線端末に対しそれぞれデータを送信するデータ送信ステップと、
を備えたことを特徴とする。
【００１３】
本発明の一態様としての通信方法は、
複数のアンテナを用いて複数の無線端末と通信するコンピュータにおいて実行する通信方法であって、
前記複数のアンテナを用いてｍ（ｍは１以上の整数）個のビームを形成する第１のビーム形成ステップと、
前記ｍ個のビームのそれぞれでパイロット信号を送信するパイロット信号送信ステップと、
各前記無線端末の各々から前記ｍ個のビームの受信状態値を受信する受信状態値受信ステップと、
各前記無線端末がそれぞれ必要とする所要通信品質の情報を取得する通信品質取得ステップと、
各前記無線端末の前記ｍ個のビームに対する受信状態値に基づき、前記ｎ台の無線端末がそれぞれの前記所要通信品質を満たすように、前記ｍ個のビームのうち使用するｎ（１≦ｎ≦ｍ）個のビームと、前記ｎ個のビームを割り当てるｎ台の無線端末とを決定するスケジューリングステップと、
前記スケジューリングステップによって決定された前記ｎ台の各無線端末に対しそれぞれ対応する前記ｎ個のビームを形成する第２のビーム形成ステップと、
前記各無線端末に対して形成されたビームにより前記各無線端末に対しそれぞれデータを送信するデータ送信ステップと、
を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明により、所要の通信品質を満たすユーザ端末をできるだけ多く選択することを可能としたケジューリングを計算量の少ないものとして実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、図面を参照しながら本実施の形態について詳細に説明する。
【００１６】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係るランダムビームフォーミングMIMOシステムの構成図である。
【００１７】
このMIMOシステムは、基地局10と、複数のユーザ端末20とを備える。
【００１８】
基地局10は、デジタル信号処理部110、Nt個のアナログ回路部120、上位情報信号処理部130、Nt本のアンテナ140を備える。デジタル信号処理部110の詳細構成を図４に示す。デジタル信号処理部110はデータ信号送信処理部111、フィードバック信号受信処理部112、スケジューリング部113および所要通信品質情報取得部114を有する。
【００１９】
各ユーザ端末20は、デジタル信号処理部210、Nr個のアナログ回路部220、上位情報信号処理部230およびNr本のアンテナ240を備える。ユーザ端末20毎にアンテナ数は異なっても良い。ユーザ端末20におけるデジタル信号処理部210の詳細構成を図５に示す。デジタル信号処理部210はデータ信号受信処理部211、およびフィードバック信号送信処理部212を有する。
【００２０】
図3は、ランダムビームフォーミングMIMOシステムにおいて基地局10が各ユーザ端末20にデータを送信するまでの処理の流れを示すフローチャートである。以下、図３のフローチャートに基づいて、基地局10内の各要素の動作および各ユーザ端末20内の各要素の動作について説明する。本フローチャートの処理は大きく、伝搬路情報取得過程Ａ１と、スケジューリング過程Ａ２と、ユーザデータ送信過程Ａ３とからなる。
【００２１】
（伝搬路情報取得過程Ａ１）
基地局10のデータ信号送信処理部111は、ユーザデータを送信する前に、アンテナNt本を用いて形成されるNt個のビームにより既知の情報信号（パイロット信号）を送信する（Ｓ１１）。図２には２個のビームをランダムに形成してパイロット信号を送信する例が示される。データ信号送信処理部111は、複数のアンテナを用いて複数のビームを形成する第１のビーム形成手段と、複数のビームでパイロット信号を送信するパイロット信号送信手段とを備える。基地局10から送信されるNt次元信号ベクトルをxとすると、xは次式（1）で表される。
【数１】
2009232256.tif 000003
であり、sはNt次元パイロット信号ベクトル、Vはsに乗算されるNt×Ntの送信ウェイト行列である。全ユーザ端末の総数（ユーザ総数）はKであるとする。
【００２２】
各ユーザ端末20は基地局10から送信されたパイロット信号を受信する（Ｓ１２）。このとき、k番目（1≦k≦K）のユーザ端末20において受信されるNr次元信号ベクトルをy(k)とすると、y(k)は次式（2）で表される。
【数２】
2009232256.tif 000004
であり、H(k)は基地局10とk番目のユーザ端末20との送受信機アンテナ間の伝搬路応答を要素とするNr×Nt次元伝搬路行列、W(k)はユーザ端末で受信信号に乗算されるNr×Nrの受信ウェイト行列である。n(k)は、各要素がユーザ端末20に含まれるアナログ回路220の雑音を表すNr次元雑音ベクトルである。前記受信ウェイト行列W(k)は、例えば、ユーザ端末で推定される実効伝搬路行列
【数３】
2009232256.tif 000005
に対し
【数４】
2009232256.tif 000006
として一般逆行列を乗じるZF法や、最小二乗誤差を最小にするMMSE（Minimum Mean Square Error）法といった空間フィルタリングを行う方法の他に、次式のように伝搬路行列を特異値分解して得られる左特異行列を用いる最大比合成法もある。
【数５】
2009232256.tif 000007
【００２３】
受信ウェイト行列の生成にはこれらの方法以外のいかなる手法を用いても良い。
【００２４】
ユーザ端末20は、Nr本のアンテナ240により受信された受信信号y(k)をアナログ回路220により処理してデジタル信号としデジタル信号処理部210に通知する。受信時のアナログ回路220は、低雑音増幅器、周波数変換器、アナログデジタル（A/D）変換器、フィルタを含む一般的な構成を有し、したがって詳細な説明は省略する。
【００２５】
デジタル信号処理部210におけるデータ信号受信処理部211は、アナログ回路220から通知されたデジタル信号を復調および復号する。そして、式（2）中のパイロット信号s（既知信号）を利用して、各ビームに対する受信状態値を推定することにより、受信状態ベクトル（フィードバック情報）を生成する（Ｓ１３）。つまり、k番目のユーザ端末の各ビームに対する受信状態値はNt次元ベクトルg(k)として次式（4）で表される。
【数６】
2009232256.tif 000008
ここで、g(k)bはk番目のユーザ端末のb番目のビームに対する受信電力を表す。尚、
【数７】
2009232256.tif 000009
は、基地局のb番目のアンテナと、k番目のユーザ端末のi番目のアンテナとの間の実効伝搬路応答ベクトルを表す。受信状態値としては、通信路の一状態を表すものであれば、式（4）で計算される受信電力に限定されず、他のいかなる指標を算出しても良い。
【００２６】
ユーザ端末のデータ信号受信処理部211は、このようにフィードバック情報として、受信状態ベクトルg(k)を算出すると、これをフィードバック信号送信処理部212に通知する。ただし、フィードバック情報は式（4）で算出される受信状態ベクトルg(k)でなくてもよく、式（4）において二乗の処理を行わない受信状態ベクトルg(k)であっても、実効伝搬路応答を要素とするNt次元ベクトルでも良い。
【００２７】
フィードバック信号送信処理部212は、データ信号処理部211から通知された受信状態ベクトルg(k)を情報信号として用いて符号化および変調を行うことによりフィードバック信号を生成し、生成したフィードバック信号を、アンテナ240を介して基地局10に送信する（Ｓ１４）。したがって、ユーザ端末からのフィードバック信号には、当該ユーザ端末の各ビームに対する受信状態の情報が含まれる。
【００２８】
ただし、あるユーザ端末がいずれかのビームに対して受信状態が悪い場合には、当該あるユーザ端末は、当該ビームに対する受信状態の情報をフィードバックしなくても良く、また、いずれのビームに対しても受信状態が悪い場合には、当該ユーザ端末はフィードバック自体を行わなくても良い。フィードバック信号に適用する符号化方式および変調方式は、基地局側で復号および復調が可能であればいかなる方式を用いても良い。
【００２９】
基地局10は、ユーザ端末20からのフィードバック信号を受信し、これをアナログ回路120により処理してデジタル信号を生成し、生成したデジタル信号をデジタル信号処理部110におけるフィードバック信号受信処理部112に通知する（Ｓ１５）。受信時のアナログ回路120は、低雑音増幅器、周波数変換器、アナログデジタル（A/D）変換器、フィルタを含む一般的な構成であり、したがって詳細な説明は省略する。
【００３０】
フィードバック信号受信処理部112は、アナログ回路120から通知されたデジタル信号を復調および復号し、各ユーザ端末の受信状態ベクトルg(k)の情報を得る。フィードバック信号受信処理部112は各ユーザ端末から受信状態値を受信する受信状態値受信手段を有する。なお復調および復号の方法は本発明の本質に影響を与えないため詳細な説明を省略する。フィードバック信号受信処理部112は、各ユーザ端末の受信状態ベクトルg(k)をスケジューリング部113に通知する。
【００３１】
（スケジューリング過程Ａ２）
スケジューリング部113は、フィードバック信号受信処理部112から通知された各ユーザ端末の各ビームに対する受信状態ベクトルg(k)（1≦k≦K）と、所要通信品質情報取得部（通信品質取得手段）114から与えられる各ユーザ端末の所要通信品質情報とに基づき、使用ビームおよび各使用ビームに割り当てるユーザ端末を決定（スケジューリング）する（Ｓ１６）。Ｋは上述したとおりユーザ端末の総数（ユーザ総数）を表す。本実施形態におけるスケジューリングは、従来のようにチャネル容量を最大化するのではなく、所要の信号品質を満たすユーザ端末をできだけ多く選択する。スケジューリングの詳細は後述する。
【００３２】
ここで、所要通信品質情報取得部114は、上位情報信号処理部130が保持するユーザデータの種類（たとえばインターネットデータ、VoIPデータなど）に応じてユーザ端末毎に所要通信品質を所要通信品質情報として決定してスケジューリング部113に通知している。所要通信品質はユーザデータを送信するために最低限必要な伝搬路状態の品質でも良いし、当該ユーザデータを送信するのに望ましい通信速度を達成するために必要な伝搬路状態の品質でも良い。所要通信品質は、基地局10がユーザデータを送信し、ユーザ端末20において受信成功となるために予め見積もられた品質である。所要通信品質は、後述する受信品質（あるいはチャネル容量）と比較可能な物理量であればどのような指標を用いても良い。受信品質あるいはチャネル容量はたとえば通信品質に相当する。
【００３３】
スケジューリング部113は、スケジューリングの結果として、使用ビームと、各使用ビームに割り当てるユーザ端末と、割り当てるユーザ端末の使用ビームに対する受信品質（あるいはチャネル容量）とを含むスケジューリング情報を取得する。スケジューリング部113は、取得したスケジューリング情報をデータ信号送信処理部111に通知する。
【００３４】
（ユーザデータ送信過程Ａ３）
データ信号送信処理部111は、スケジューリング部113から通知されたスケジューリング情報（使用ビームと、各使用ビームに割り当てるユーザ端末と、使用ビームに割り当てられたユーザ端末の受信品質（あるいはチャネル容量））に基づき、上位情報信号処理部130が保持する各ユーザ端末のユーザデータを各ビームのストリームに割り当て、送信する処理を行う（Ｓ１７）。データ信号送信処理部111は、スケジューリング情報に基づき、各ユーザ端末に各々の使用ビームを形成する第２のビーム形成手段と、各ユーザ端末宛のデータを各ユーザ端末に対して形成されたビームで送信するデータ送信手段とを備える。
【００３５】
具体的には、データ信号送信処理部111は、スケジューリングにより選択された各ユーザ端末へのデータを、当該ユーザ端末の受信品質（あるいはチャネル容量）に見合った符号化率および変調方式により符号化および変調し、各ユーザ端末へのビームを形成するためのウェイトを乗算する。本発明における符号化方式・変調方式は、ユーザ端末20が復号および復調できる方式であればいかなる方式を用いても良い。データ信号送信処理部111は、各ユーザ端末に対して生成した変調信号と、ウェイトとを用いて、アンテナ140毎のデジタル信号を生成する。データ信号送信処理部111は、アンテナ140毎に生成したデジタル信号をアナログ回路120に送る。
【００３６】
アナログ回路120は、データ信号送信処理部111から受けたデジタル信号をアナログ信号に変換し、アナログ信号を各アンテナ140を介して各ユーザ端末に送信する。送信時のアナログ回路120は、低雑音増幅器、周波数変換器、アナログデジタル（A/D）変換器、フィルタを含む一般的な構成であり、したがって詳細な説明は省略する。
【００３７】
以下、スケジューリング部113により行うスケジューリング方法について具体的に説明する。本スケジューリングでは、使用ビーム数を最大数から検討開始し、各ビームにおいて所要通信品質を満たすユーザ端末が存在すればこのときの使用ビームとユーザ端末との組（そのような組が複数の存在するときはそのうちの１つ）をスケジューリング結果として採用する。検討ビーム数におけるいずれかのビームにおいて所要通信品質を満たすユーザ端末が存在しない場合には、使用ビーム数を減らして同様の処理を行ことを繰り返し行う。
【００３８】
図6は、本実施形態におけるスケジューリング手順をフローチャートである。基地局10のアンテナ数をNtとし、1つのユーザ端末に割り当てるビーム数は1ビームまでとする。スケジューリング部113は各ユーザ端末からのフィードバック情報（各ビームに対する受信状態の情報）と、各ユーザ端末の所要通信品質とを取得しているものとする。
【００３９】
（１−１）全ビームを使用ビーム候補とする（m=Nt）。
【００４０】
（１−２）各ユーザ端末からのフィードバック情報に基づき、各ユーザ端末の各使用ビーム候補に対する受信品質（あるいはチャネル容量）を計算する。スケジューリング部113は、各ユーザ端末の各ビームに対する受信品質を計算する受信品質計算手段を備える。またスケジューリング部113は各ユーザ端末の各ビームに対するチャネル容量を計算するチャネル容量計算手段を有する。
【００４１】
ここでk番目のユーザ端末の、b番目のビームに対する受信品質
【数８】
2009232256.tif 000010
は、フィードバック情報から得られた受信状態ベクトルg(k)の要素を用いて次式（5）で表される。
【数９】
2009232256.tif 000011
である。
ここで、σ2は雑音電力、Ptは総送信電力を表す。式（５）では各ユーザ端末への電力割当は均一としているが、総計がPtとなればいかなる分配としても良く、電力分配方法としては各ユーザ端末の通信品質の逆数に応じて電力を配分することで最大のチャネル容量が得られる注水定理がよく知られている。
【００４２】
また、Bは使用ビームの集合を表し、例えばB={1,4}とは、1番目のビームと4番目のビームを使用することを示す。
【００４３】
受信品質としては式（５）に示すSINRに限定されず、SIR（Signal to Interference Ratio、信号対干渉電力比）でも良く、伝搬路の品質を表すのであれば他の計算式及び規範を用いても良い。
【００４４】
また受信品質
【数１０】
2009232256.tif 000012
を用いてk番目のユーザ端末がb番目のビームに対して得られるチャネル容量R(k)bは、次式（6）により求められる。
【数１１】
2009232256.tif 000013
【００４５】
次に、ビームを複数使用する場合の総チャネル容量CQは次式（7）で表される。
【数１２】
2009232256.tif 000014
【００４６】
Qは、上述したように、使用ビームとユーザ端末との１つの組み合わせを示し、例えばQ={(1,3),(3,2)}とは、3番目のビームに1番目のユーザ端末を割り当て、2番目のビームに3番目のユーザ端末を割り当てるということである。チャネル容量及び総チャネル容量の計算方法は、式（6）及び式（7）だけに限定せず、通信可能な情報の量を表すのであれば、他の計算式及び規範を用いても良い。
【００４７】
スケジューリング部113は、各ユーザ端末の各使用ビーム候補に対する受信品質を計算したら、ビーム毎に所要通信品質を満たすユーザ端末が存在するかどうかを検査する。全てのビームにおいて所要通信品質を満たすユーザ端末が存在すれば（YES）、ステップ（１−３）へ進む。少なくともいずれか１つの使用ビーム候補において所要通信品質を満たすユーザ端末が存在しなければ（NO）、ステップ（１−４）へ進む。
【００４８】
（１−３）各使用ビーム候補（m個）と、それぞれのビームでの所要通信品質を満たすユーザ端末との１つの組み合わせQ（複数存在するときはそのうちの１つ）と、この組み合わせＱにおける各ユーザ端末のチャネル容量の集合（あるいは受信品質の集合）Dとをスケジューリング結果とする。
【００４９】
各使用ビーム候補（m個）と、それぞれのビームでの所要通信品質を満たすユーザ端末との組み合わせが複数存在するときは、総チャネル容量が最大の組み合わせをＱとして選択する。他の選択方法として、ユーザ端末宛のユーザデータの発生から現在までの遅延時間が最大、あるいは優先度が最大であるユーザ端末を含む組み合わせを選択してよい。あるいは前記遅延時間および前記優先度とを組み合わせたメトリック、または総チャネル容量と遅延時間と優先度とを組み合わせたメトリックが最大のユーザ端末を含む組み合わせを選択してもよい。あるいは前者または後者のメトリックの総計が最大となる組み合わせを選択しても良い。
【００５０】
（１−４）現在の使用ビーム候補（m個）をもとに、m-1個の使用ビーム候補の組み合わせを生成する。そして、組み合わせ毎に、各ユーザ端末の各使用ビーム候補に対する受信品質を計算する。
【００５１】
少なくとも１つの組み合わせにおける各ビームについて所要通信品質を満たすユーザ端末が存在すれば（YES）、ステップ（１−５）に進み、そのような組み合わせが１つも存在しなければステップ（１−６）へ進む。
【００５２】
（１−５）各ビームにおいて所要通信品質を満たすユーザ端末が存在する組み合わせのうち１つを選択して（すなわち現在の使用ビーム候補から１つの使用ビーム候補を除去して）、ステップ（１−３）へ進む。
【００５３】
（１−６）ｍが１より大きいかどうかを判定し、１より大きいときはステップ（１−７）へ進み、１以下のときは、通信可能なユーザ端末は存在しないと判断し（（１−８））、スケジューリングを終了する。
【００５４】
（１−７）現在の使用ビーム候補から１本の使用ビーム候補を除外し、mから１を引き算する（m=m-1）。そして、ステップ（１−４）へ戻る。現在の使用ビーム候補から除外する使用ビーム候補はたとえば以下［１］、［２］または［３］のようにして決定する。
［１］現在の使用ビーム候補を使用するとした場合において、各ユーザ端末の各使用ビーム候補に対する受信品質と、各ユーザ端末の所要通信品質との差分を計算し、差分が最も小さいユーザ端末を特定する。そして、特定したユーザ端末の差分を各使用ビーム候補間で比較したときに最も大きい差分が得られる使用ビーム候補を、除外する対象とする。
［２］ステップ（１−４）で生成した組み合わせ毎に、所要通信品質を満たすユーザ端末が存在しない使用ビーム候補の個数を計算し、計算した個数が最小である組み合わせを特定し、現在の使用ビーム候補のうち当該特定した組み合わせに含まれていない使用ビーム候補を、除外する対象とする。
［３］ステップ（１−４）で生成した組み合わせ毎に、所要通信品質を満たすユーザ端末が存在しない使用ビーム候補を特定し、特定した使用ビーム候補に対する各ユーザ端末の受信品質と、各ユーザ端末の所要通信品質との差分の最小値を求め、求めた最小値を各特定した使用ビーム候補間で総計し、総計値（合計値）が最小であったときの組み合わせを選択する（すなわち総計値が最小であったときに用いられていなかった使用ビーム候補を除外する対象とする）。
【００５５】
本発明者らは、本実施形態におけるスケジューリング方法の優位性を示すために計算機シミュレーションを行い、従来のスケジューリング方法と、本実施形態でのスケジューリング方法との性能比較を行った。従来のスケジューリング方法としては、総チャネル容量を最大化することを目的とする全探索を行う最適スケジューリング方法を採用した。シミュレーションの結果に基づき作成したグラフを図7と図8に示す。
【００５６】
図7は基地局（送信装置）10のアンテナ数Nt=3、ユーザ端末（受信装置）20のアンテナ数Nr =1、伝搬路の発生モデルがi.i.d、SNR（信号対雑音電力比）=10dBとした場合のユーザ数Kに対する総チャネル容量を示す。
【００５７】
図7のグラフG1に示すように、所要通信品質を用いない上記最適スケジューリング方法により得られる総チャネル容量は高い特性を示していることが分かる。しかしながら、所要通信品質をSINR=9.4dBと設定した場合にこれを満たさないユーザ端末のチャネル容量を差し引いた特性は、グラフG3に示すように、大きく劣化していることが分かる。これに対し、所要通信品質をSINR=9.4dBとした場合の本実施形態でのスケジューリング方法により得られる総チャネル容量は、グラフG2に示すように、安定した高い特性を達成していることがわかる。
【００５８】
図8は、図７と同じ条件下で、選択されるユーザ数を比較した結果を示す。上記最適スケジューリング方法に比べ、本実施形態におけるスケジューリング方法の方が、大きなユーザ選択数特性が得られていることが理解される。たとえばユーザ数が100人の場合には、本実施形態のスケジューリング方法では、上記最適スケジューリング方法の約1.5倍のユーザ選択数が得られている。よって、本実施形態でのスケジューリング方法の方が、上記最適スケジューリング方法よりも多くのユーザ端末を選択できていることが理解される。
【００５９】
以上のように、本実施形態によれば、ランダムビームフォーミングMIMOシステムでのスケジューリングにおいて、所要の通信品質を満たすユーザ端末を持つビームを多く残すことができ、一度のスケジューリングにおいて所要通信品質を満たすユーザ端末を多く選択することができる。また、本実施形態によれば、伝搬路状態が特に優れているユーザ端末を必ずしも選択しないため、ユーザ間の不平等性を軽減できる。さらに、全ての使用ビーム候補において所要通信品質を満たすユーザ端末が存在する場合には、このときの使用ビーム数未満の使用ビーム数については検討せずにスケジューリングを終えるため、計算負荷を低減することもできる。
【００６０】
（第２の実施形態）
本実施形態における基地局およびユーザ端末の構成は図1、図4および図5と同一であり、データ送信までの一連の流れも図3のフローチャートの流れと同一である。
【００６１】
本実施形態が第1の実施形態と異なる点は、スケジューリング実行時に、ビームを優先的に割り当てるべき1以上のユーザ端末（優先端末）があらかじめ選択されている点にある。スケジューリングでは、あらかじめ選択されているユーザ端末（優先端末）に所要通信品質を満たすビームを割り当てることを前提に、できるだけ多くの別のユーザ端末にも所要通信品質を満たすビームを割り当てる。ここで、あらかじめ選択される1以上のユーザ端末（優先端末）は、たとえば、それまでの通信機会の回数、当該ユーザ端末宛ユーザデータの発生から現在までの遅延時間、ユーザ端末の優先度、これら以外の任意の判断基準、に応じて決定される。
【００６２】
以下に本実施形態における具体的なスケジューリング方法を説明する。
【００６３】
図9は本実施形態におけるスケジューリング手順を示すフローチャートである。
【００６４】
送信装置10のアンテナ数をNt、あらかじめ選択したユーザ数をM0、1つのユーザ端末に割り当てるビーム数は1ビームまでとする。スケジューリング部113は各ユーザ端末のフィードバック情報（各ビームに対する受信状態の情報）と、所要通信品質情報と、あらかじめ選択したユーザ端末の情報を保持しているものとする。
【００６５】
（２−１）全ビームを使用ビーム候補とする（使用ビーム候補数m=Nt）。すなわち、使用ビーム数を最大数から検討開始する。
【００６６】
（２−２）あらかじめ選択したユーザ数M0が、使用ビーム候補数m以下であれば（YES）、ステップ（２−３）へ進み、あらかじめ選択されているユーザ数M0が使用ビーム候補数ｍよりも大きければ（NO）、あらかじめ選択さしたユーザ数M0のユーザ端末を同時に選択できないと判断し（（２−８））、スケジューリングを終了する。
【００６７】
（２−３）全m個の使用ビーム候補を使用するとしたとき、あらかじめ選択したユーザ数M0の各ユーザ端末の受信品質を算出する。ユーザ数M0の各ユーザ端末にそれぞれ所要通信品質を満たすビームが存在すれば（YES）、ステップ（２−４）へ進み、あらかじめ選択されたユーザ端末のうちの１つでも所要通信品質を満たすビームが存在しなければ、ステップ（２−６）へ進む。
【００６８】
（２−４）ユーザ数M0の各ユーザ端末がそれぞれ使用ビーム候補のうちのいずれかのビームに割り当てられた結果、余りの使用ビーム候補が存在すれば（YES）、ステップ（２−５）へ進む。余りのビームがなければ（NO）、ステップ（２−７）へ進む。
【００６９】
（２−５）余りのビーム候補に対して、前記あらかじめ選択されたユーザ端末と異なる他のユーザ端末の受信品質を算出し、余りの使用ビーム候補全てに対してそれぞれ所要通信品質を満たすユーザ端末が存在すればステップ（２−７）へ進み、余りの使用ビーム候補のうち所要通信品質を満たすユーザ端末が存在しないビーム候補が１つでも存在すれば、ステップ（２−６）へ進む。
【００７０】
（２−６）使用ビーム候補から1ビームを除外し、またm=m-1とし、ステップ（２−２）へ戻る。
【００７１】
このとき除外するビームとしては、たとえば、あらかじめ選択された各ユーザ端末について、ステップ（２−３）で求めた各使用ビーム候補の受信品質と、事前に通知されている所要通信品質との差分に基づき、受信特性が最も悪い（差分が最も大きい）1ビームを対象としてもよい。または、あらかじめ選択されたユーザ端末について、各使用ビーム候補の受信品質が最も低いビームを対象としてもよい。
【００７２】
あるいは、ステップ（２−５）において余りの使用ビーム候補に割り当てるべきユーザ端末（非優先端末）を探索した際、所要通信品質を満たすユーザ端末（非優先端末）が存在しなかったビームを対象に、所要通信品質と実際の通信品質（受信品質）との差分が最小のユーザ端末（非優先端末）を検出し、検出したユーザ端末（非優先端末）の当該差分を上記対象とするビーム間において比較し、この差分が最大であるビームを選択する。
【００７３】
あるいは、他の規範により1ビームを選択しても良い。
【００７４】
（２−７）ｍ個の使用ビーム候補と、それぞれの使用ビーム候補で所要通信品質を満たすユーザ端末との組み合わせQと、各ユーザ端末のチャネル容量の集合（あるいは受信品質の集合）Dをスケジューリング結果とする。
【００７５】
組み合わせが複数存在する場合には総チャネル容量が最大の組み合わせをQとして選択し、このときの各ユーザ端末のチャネル容量の集合Dをスケジューリング結果とする。
【００７６】
他の選択方法として、ユーザ端末宛のユーザデータの発生から現在までの遅延時間が最大の組み合わせ、優先度が最大であるユーザ端末を含む組み合わせ、あるいは前記遅延時間および優先度を合わせたメトリックが最大の組み合わせを選択してもよい。あるいは、総チャネル容量と遅延時間と優先度を合わせたメトリックが最大のユーザ端末を含む組み合わせを選択してもよい。あるいは前者または後者のメトリックの総計が最大となる組み合わせを選択してもよい。
【００７７】
以上のように、本実施形態によれば、第1の実施形態の効果に加え、あらかじめ何らかの規範により選択されたユーザ端末（優先端末）に所要通信品質を満たすビームを割り当てた上、さらに他のユーザ端末にも所要通信品質を満たすビームを割り当てることができる。
【００７８】
（第３の実施形態）
本実施形態における基地局（送信装置）およびユーザ端末（受信装置）の構成は、基本的に、図1、図4、および図5と同一であり、データ送信までの一連の流れも基本的に図3のフローチャートの流れと同一である。
【００７９】
本実施形態が第1、第2の実施形態と異なる点は、基地局のアンテナから送信するパイロット信号がランダムビーム送信ではなく、無指向性送信であり、また、ユーザ端末が基地局にフィードバックする情報が、ビームの受信状態ではなく、送受信機アンテナ間の伝搬路応答を要素とする伝搬路行列である点である。
【００８０】
以下の説明においてはビームフォーミング方法として線形ビームフォーミング方式の１つであるZF法を例に話を進めるが、ZF法でなくても誤差を最小にするMMSE法であっても良く、DPC法やVP（Vector Perturbation）法といった非線形ビームフォーミング方式でも良い。
【００８１】
また、以降の説明では簡単のためにユーザ端末（受信装置）20のアンテナを単数（Nr =1）とするが、複数であっても良く、複数の場合には単数アンテナを持つ受信装置の集合として扱うことで、本実施形態を適用することができる。
【００８２】
（伝搬路情報取得過程Ａ１）
基地局10はユーザデータを送信する前に、ユーザ端末20に既知の情報信号（パイロット信号）を送信する（Ｓ１１）。
【００８３】
各ユーザ端末20は基地局10から送信されたパイロット信号を受信する（Ｓ１２）k番目（1≦k≦K）のユーザ端末20における受信信号をy(k)とすると、y(k)は次式（8）で表される。
【数１３】
2009232256.tif 000015
但し、sはNt次元パイロット信号ベクトルであり、h(k)は基地局10とk番目のユーザ端末20との送受信機アンテナ間の伝搬路応答を要素とするNt次元伝搬路ベクトル、n(k)は、各要素がユーザ端末20に含まれるアナログ回路220の雑音を表すNr次元雑音ベクトルである。
【００８４】
ユーザ端末20では、Nr本のアンテナ240を介して受信した受信信号y(k)をアナログ回路220により処理してデジタル信号を生成し、生成したデジタル信号をデジタル信号処理部210に通知する。受信時のアナログ回路220は、低雑音増幅器、周波数変換器、アナログデジタル（A/D）変換器、フィルタを含む一般的な構成であるため、詳細な説明は省略する。
【００８５】
ユーザ端末20におけるデータ信号受信処理部211では、アナログ回路220から通知されたデジタル信号を復調・復号する。このとき式（8）中のパイロット信号sは既知であるため、各ユーザ端末はh(k)を推定することができ、これをフィードバック情報としてフィードバック信号送信処理部212に通知する（Ｓ１３、Ｓ１４）。このとき、フィードバック情報はh(k)であってもよいし、基地局10においてパイロット信号sにNt×Nt次元送信ウェイト行列Vが乗算されていればNt次元実効伝搬路ベクトル
【数１４】
2009232256.tif 000016
でも良い。
【００８６】
ユーザ端末20におけるフィードバック信号送信処理部212では、データ信号受信処理部211から通知されたフィードバック情報（伝搬路行列h(k)）を情報信号として符号化および変調してフィードバック信号を生成し、生成したフィードバック信号を基地局10に向けて送信する。符号化方式・変調方式は、基地局10側で復号・復調が可能であればいかなる方式を用いても良い。また、送信時のアナログ回路220は、フィルタ、デジタルアナログ（D/A）変換器、周波数変調器、電力増幅器を含む一般的な構成であり、詳細な説明は省略する。
【００８７】
基地局10はユーザ端末20からのフィードバック信号を受信すると（Ｓ１５）、受信したフィードバック信号をアナログ回路120により処理してデジタル信号とし、該デジタル信号をフィードバック信号受信処理部112に通知する。受信時のアナログ回路120は、低雑音増幅器、周波数変換器、アナログデジタル（A/D）変換器、フィルタを含む一般的な構成であるため、詳細な説明は省略する。
【００８８】
フィードバック信号受信処理部112では、アナログ回路120から通知されたデジタル信号を復調・復号することにより、伝搬路ベクトルh(k)の情報を得る。このときの復調・復号の方法は本発明の本質に影響を与えないため詳細な説明は省略する。フィードバック信号受信処理部112は各ユーザ端末からの受信状態ベクトルh(k)をスケジューリング部113に通知する。
【００８９】
（スケジューリング過程Ａ２）
スケジューリング部113では、フィードバック信号受信処理部112より通知された各ユーザ端末の伝搬路ベクトルh(k)（1≦k≦K）と、所要通信品質情報取得部114より通知された各ユーザ端末の所要通信品質情報とに基づき、スケジューリングを行う。本実施形態におけるスケジューリングの詳細は後述する。ここでのスケジューリングとは、基地局10が、通信するユーザ端末を選択することを指し、スケジューリング部113はスケジューリングの結果として、選択されたユーザ端末と、このときの送信ウェイトと、各ユーザ端末の受信品質（あるいはチャネル容量）とを、スケジューリング情報としてデータ信号送信処理部111に通知する。
【００９０】
（ユーザデータ送信過程Ａ３）
データ信号送信処理部111ではスケジューリング部113より通知されたスケジューリング情報（選択したユーザ端末と、このときの送信ウェイトと、各ユーザ端末の受信品質（あるいはチャネル容量））に基づき、上位情報信号処理部130が保持するユーザデータを、各ユーザ端末の送信ウェイトにより形成されるビームのストリームに割り当て、送信する処理を行う。
【００９１】
具体的には、選択された各ユーザ端末へのユーザデータを、各ユーザ端末の受信品質（あるいはチャネル容量）に見合った符号化率および変調方式により符号化および変調し、変調された各データに対し、各ユーザ端末の送信ウェイトを乗算する。符号化方式・変調方式は、ユーザ端末が復号・復調できる方式であればいかなる方式を用いても良い。送信ウェイト乗算後のデジタル信号はアナログ回路120に送られる。
【００９２】
アナログ回路120は、主として、データ信号送信処理部111から通知されたデジタル信号をアナログ信号に変換する処理を行い、得られたアナログ信号をアンテナ140を介して送信する。送信時のアナログ回路120は、フィルタ、デジタルアナログ（D/A）変換器、周波数変調器、電力増幅器を含む一般的な構成であり、詳細な説明は省略する。
【００９３】
以下に本実施形態における具体的なスケジューリング方法を説明する。
【００９４】
本実施形態におけるスケジューリング手順では送信アンテナとユーザ端末との全組み合わせのうち、各ユーザ端末が所要通信品質を満たす組み合わせが１つでも存在すれば、このときの組み合わせの１つを選択して、スケジューリングを終了する。各ユーザ端末が所要通信品質を満たす組み合わせが１つも存在しなければ、送信アンテナ数、すなわち選択ユーザ数を1つ下げて、同様の処理を行うことを繰り返す。
【００９５】
図10は本実施形態におけるスケジューリング手順を示すフローチャートである。
【００９６】
基地局10のアンテナ数をNtとする。スケジューリング部113は各ユーザ端末のフィードバック情報（送受信機間伝搬路行列）と、各ユーザ端末の所要通信品質情報を保持しているものとする。
【００９７】
（３−１）使用アンテナ数ｍを、基地局10のアンテナ数Nt（最大数）とする（m=Nt）。すなわち、使用ビーム数（ユーザ数）を最大数（＝送信アンテナ数）から検討開始する。
【００９８】
（３−２）使用アンテナm本と、全ユーザ端末のうちのmユーザ端末との全組み合わせについて、各ユーザ端末の受信品質を算出する。受信品質はたとえば以下に示す計算方法に基づき計算できる。
【００９９】
M(1≦M≦Nt)多重時のユーザ端末の組み合わせQにおける伝搬路行列HQは、各ユーザ端末の伝搬路ベクトルを割り当てられた送信アンテナの順に組み合わせることで次式のように表すことができる。
【数１５】
2009232256.tif 000017
【０１００】
ZF法では伝搬路行列の逆行列を送信ウェイトとすることでユーザ間の干渉を抑圧する。送信ウェイトVは次式（9）で表わされる。
【数１６】
2009232256.tif 000018
このとき、k(k∈Q)番目のユーザ端末の受信品質γkは、HQを用いて次式（10）で表される。
【数１７】
2009232256.tif 000019
但し、Pkはk番目のユーザ端末に割り当てられた送信電力、Ptは総送信電力である。Pkは式（11）に示すように全ユーザ端末で均一にする必要はなく、総計がPtとなればいかなる分配としても良い。電力分配方法としては各ユーザ端末の通信品質の逆数に応じて電力を配分することで最大のチャネル容量が得られる注水定理がよく知られている。
【０１０１】
ここで受信品質γkを用いてk番目のユーザ端末が得られるチャネル容量R(k)は、次式（12）により表される。
【数１８】
2009232256.tif 000020
【０１０２】
また総チャネル容量CQは次式（13）で表される。
【数１９】
2009232256.tif 000021
【０１０３】
上記に基づき、使用アンテナm本と、mユーザ端末との全組み合わせについて、各ユーザ端末の受信品質を算出したら、mユーザ端末が各々の所要通信品質を満たすような組み合わせが存在するかどうかを検査し、存在すれば（YES）、ステップ（３−３）へ進み、存在しなければ（NO）、ステップ（Ｓ３−４）に進む。この際、なんらかの規範により第２の実施形態のようにM0台のユーザ端末（優先端末）があらかじめ選択されている場合には、当該M0台のユーザ端末が含まれる組み合わせを選択するものとする。
【０１０４】
（３−３）上記組み合わせにおけるユーザ端末の集合をQとし、式（9）により得られる送信ウェイトV、式（12）により得られる各ユーザ端末のチャネル容量の集合（あるいは受信品質の集合）Dをスケジューリング結果とする。
【０１０５】
上記組み合わせが複数存在する場合には例えば式（13）により算出される総チャネル容量が最大の組み合わせにおけるユーザ端末の集合をQとして選択し、これに対応する送信ウェイトV、各ユーザ端末のチャネル容量の集合（受信品質の集合）Dをスケジューリング結果とする。
【０１０６】
他の選択方法としてユーザ端末宛のユーザデータの発生から現在までの遅延時間が最大である組み合わせ、優先度が最大であるユーザ端末を含む組み合わせ、あるいは前記遅延時間および優先度を合わせたメトリックが最大の組み合わせを選択してもよい。あるいは、総チャネル容量と遅延時間と優先度を合わせたメトリックが最大のユーザを含む組み合わせを選択してもよい。あるいは前者または後者の前記メトリックの総計が最大となる組み合わせを選択してもよい。
【０１０７】
（３−４）使用アンテナ数mを1つ下げ（m=m-1）、使用アンテナ数mが1以上かどうかを判定し（（３−５））、１以上であれば（YES）、ステップ（３−２）へ戻る。使用アンテナ数mが1未満であれば（NO）、通信可能なユーザ端末が存在しないと判定し（（３−６））、スケジューリングを終了する。
【０１０８】
以上のように、本実施形態によれば、ユーザ端末からフィードバックされる情報が送受信機アンテナ間の伝搬路応答を要素とする伝搬路行列であるビームフォーミング法であっても、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。
【０１０９】
（第４の実施形態）
本実施形態における基地局およびユーザ端末の構成は基本的に図1、図4および図5と同様であり、データ送信までの一連の流れも基本的に図3のフローチャートの流れと同一である。
【０１１０】
本実施形態がここまでに述べた第1〜3の実施形態と異なる点は、スケジューリング実行時に、所要通信品質を満たすユーザ端末をできるだけ多く選択する本発明のスケジューリング方法（第１〜第３の実施形態のいずれかのスケジューリング方法）と、チャネル容量を規範とする（最大化する）スケジューリング方法（たとえばGreedy方法）とを状況に応じて切り替える点にある。本実施形態において、スケジューリング部113は、チャネル容量を規範とするスケジューリング方法を実行する第２のスケジューリング手段と、スケジューリング方法を切り替えるスケジューリング制御手段とを含んでいる。
【０１１１】
図11は本実施形態におけるスケジューリング手順を示すフローチャートである。
【０１１２】
基地局10のアンテナ数をNtとする。スケジューリング部113は各ユーザ端末からのフィードバック情報（各ビームに対する受信状態の情報あるいは送受信機アンテナ間の伝搬路行列）と、所要通信品質の情報とを保持しているものとする。また、データを優先的に送信するべきユーザ端末（優先端末）があらかじめ選択されている場合には、該ユーザ端末の情報も保持しているものとする。
【０１１３】
（４−１）スケジューリングにおいて本発明のスケジューリングと、チャネル容量を最大化するスケジューリングとのどちらが必要かを決定する。すなわち所要通信品質を満たすユーザ数を規範とするスケジューリングと、チャネル容量を規範とするスケジューリングとのいずれが必要がを決定する。
【０１１４】
このとき、判断基準として、あらかじめデータを優先的に送信するべきユーザ端末（優先端末）が選択されていれば、当該ユーザ端末宛のユーザデータの種類に応じて判断しても良いし、当該ユーザ端末（優先端末）の所要通信品質で判断しても良い。たとえばユーザデータの種類がインターネットデータであればチャネル容量を規範とするスケジューリング方法が必要であると判断し、VoIPデータであれば本発明のスケジューリング方法が必要であると判断する。
【０１１５】
または、基地局10が持っている送信すべき全部のユーザデータあるいは、送信優先度の高い（たとえば所定値以上）一部のユーザデータの種類の割合に応じて判断しても良い。あるいは、ユーザ端末数、または、送信すべきユーザデータが存在するユーザ端末数で判断しても良い。
【０１１６】
または、両スケジューリング方法をとを周期的に切り替えても良く、あるいは、時刻とスケジューリング回数とに基づき切り替えてもよい。時刻はたとえばシステムクロックから取得できる。
【０１１７】
または、フィードバック情報から例えば下記の式（14）により算出されるユーザ全体の空間相関値EZにより判断しても良い。
【数２０】
2009232256.tif 000022
但し、式（14）中のZi,jは、i番目とj番目のユーザ端末の空間相関値を表す。
【０１１８】
各ユーザ端末からのフィードバック情報が各ビームに対する受信状態を要素とする受信状態ベクトルであり、i番目とj番目のユーザ端末からフィードバックされる受信状態ベクトルがそれぞれg(i)、g(j)で表わされる場合には
【数２１】
2009232256.tif 000023
となる。
【０１１９】
また、各ユーザ端末からのフィードバック情報が送受信機間の伝搬路応答を要素とする伝搬路ベクトルであり、i番目とj番目のユーザ端末からフィードバックされる伝搬路ベクトルがそれぞれh(i)、h(j)で表わされる場合には
【数２２】
2009232256.tif 000024
となる。
【０１２０】
ユーザ全体の空間相関値および2ユーザの空間相関値の算出方法は式（14）、式（15）、式（16）だけに限定せず、組み合わせるユーザ端末の空間的な関係の指標が得られるのであれば他の算出方法を用いても良い。
【０１２１】
以上のような判断基準により状況を判断し、本発明のスケジューリングが必要の場合には（YES）、ステップ（４−２）へ進み、チャネル容量を規範とするスケジューリングが必要な場合には（NO）、ステップ（４−３）へ進む。
【０１２２】
（４−２）所要通信品質を満たすユーザ数の最大化するスケジューリング方法を実行する。具体的には第1〜3の実施形態におけるスケジューリング方法のいずれかを実行する。
【０１２３】
（４−３）チャネル容量の最大化するスケジューリング方法を実行する。具体例として、例えばGreedy方法があるが、他のチャネル容量を最大化するスケジューリング方法であれば、異なるスケジューリング方法を用いてもよい。
【０１２４】
以上のように、本実施形態によれば、状況に応じてスケジューリング方法を最適なものに切り替えることができるため、さまざまなアプリケーションが入り混じった無線通信システムにおいて、サービス全体の品質を向上させることができる。
【０１２５】
なお、以上に説明した各実施形態における基地局およびユーザ端末は、例えば、汎用のコンピュータ装置を基本ハードウェアとして用いることでも実現することが可能である。すなわち、基地局におけるデジタル信号処理部、フィードバック信号受信処理部、スケジューリング部、データ信号送信処理部等、ならびに、ユーザ端末における、デジタル信号処理部、データ信号受信処理部、フィードバック信号送信処理部は、上記のコンピュータ装置に搭載されたプロセッサにプログラムを実行させることにより実現することができる。このとき、基地局およびユーザ端末は、上記のプログラムをコンピュータ装置にあらかじめインストールすることで実現してもよいし、CD-ROMなどの記憶媒体に記憶して、あるいはネットワークを介して上記のプログラムを配布して、このプログラムをコンピュータ装置に適宜インストールすることで実現してもよい。
【０１２６】
なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
【図面の簡単な説明】
【０１２７】
【図１】本発明の一実施の形態にかかる無線通信システムの構成を示すブロック図。
【図２】ランダムビームフォーミング方式を適用したMIMO伝送方式の概念図。
【図３】ランダムビームフォーミング方式でデータ送信が行われるまでの処理の流れを示すフローチャート。
【図４】基地局（送信装置）におけるデジタル信号処理部の構成を示すブロック図。
【図５】ユーザ端末（受信装置）におけるデジタル信号処理部の構成を示すブロック図。
【図６】第１の実施形態に係るスケジューリング方法を説明するフローチャート。
【図７】第１の実施形態に係るスケジューリング方法により得られる総チャネル容量を従来のスケジューリング方法と比較して示す図。
【図８】第１の実施形態に係るスケジューリング方法により得られるユーザ多重数の最大化効果を従来のスケジューリング方法と比較して示す図。
【図９】第２の実施形態に係るスケジューリング方法を説明するフローチャート。
【図１０】第３の実施形態に係るスケジューリング方法を説明するフローチャート。
【図１１】第４の実施形態に係るスケジューリング方法を説明するフローチャート。
【符号の説明】
【０１２８】
10・・・基地局
110・・・デジタル信号処理部
111・・・データ信号送信処理部
112・・・フィードバック信号受信処理部
113・・・スケジューリング部
114・・・所要通信品質情報取得部
120・・・アナログ回路
130・・・上位情報信号処理部
140・・・アンテナ
20・・・ユーザ端末
210・・・デジタル信号処理部
211・・・データ信号受信処理部
212・・・フィードバック信号送信処理部
220・・・アナログ回路
230・・・上位情報信号処理部
240・・・アンテナ
【図１】
2009232256.tif 000025
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2009232256.tif 000029
【図６】
2009232256.tif 000030
【図７】
2009232256.tif 000031
【図８】
2009232256.tif 000032
【図９】
2009232256.tif 000033
【図１０】
2009232256.tif 000034
【図１１】
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