特開 2022-130896 通信プログラム、基地局および通信システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022130896

(43)【公開日】2022-09-07

(54)【発明の名称】通信プログラム、基地局および通信システム

(51)【国際特許分類】

   H04J 99/00 20090101AFI20220831BHJP

   H04L 27/26 20060101ALI20220831BHJP

   H04B 7/0452 20170101ALI20220831BHJP

   H04W 74/08 20090101ALI20220831BHJP

【ＦＩ】

H04J99/00 100

H04L27/26 410

H04B7/0452

H04W74/08

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021029542

(22)【出願日】2021-02-26

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）令和２年度、総務省、第５世代移動通信システムの更なる高度化に向けた研究開発 産業技術力強化法第１７条の適用を受ける特許出願

(71)【出願人】

【識別番号】504133110

【氏名又は名称】国立大学法人電気通信大学

(74)【代理人】

【識別番号】100205350

【弁理士】

【氏名又は名称】狩野 芳正

(74)【代理人】

【識別番号】100117617

【弁理士】

【氏名又は名称】中尾 圭策

(72)【発明者】

【氏名】原 郁紀

(72)【発明者】

【氏名】石橋 功至

【テーマコード（参考）】

5K067

【Ｆターム（参考）】

5K067AA13

5K067AA14

5K067EE02

5K067EE10

5K067GG01

5K067KK03

(57)【要約】

【課題】複数の端末と基地局との間の無線通信を、低遅延で、かつ、効率よく行う。
【解決手段】通信プログラムは、複数の端末との無線通信を行う基地局の処理を、基地局の演算装置に実行させて実現する。処理は、時間同期している複数の端末のうちの少なくとも１つのアクティブ端末が、互いに独立にかつ基地局に対してグラントフリーに送信する、複数のＯＦＤＭシンボルを含むリソースブロック信号を、複数のアンテナ素子で受信することと、リソースブロック信号に基づいてアクティブ端末を検出することと、アクティブ端末から基地局へリソースブロック信号が伝播した伝播路のインパルス応答を推定することと、インパルス応答に基づいて伝播路の周波数応答を補完することと、周波数応答に基づいてリソースブロックに含まれるデータを推定することとを含む。
【選択図】図４

【特許請求の範囲】

【請求項1】

複数の端末との無線通信を行う基地局の処理を、前記基地局の演算装置に実行させることによって実現する通信プログラムであって、
前記処理は、
時間同期している前記複数の端末のうちの、少なくとも１つのアクティブ端末が、互いに独立に、かつ、前記基地局に対してグラントフリーに送信する、複数のＯＦＤＭシンボルを含むリソースブロック信号を、複数のアンテナ素子を含むアンテナで受信することと、
前記リソースブロック信号に基づいて、前記アクティブ端末を検出することと、
検出した前記アクティブ端末から前記基地局へ前記リソースブロック信号が伝播した伝播路のインパルス応答を推定することと、
推定した前記インパルス応答に基づいて、前記伝播路の周波数応答を補完することと、
補完した前記周波数応答に基づいて、前記リソースブロック信号に含まれるデータを推定することと
を含む
通信プログラム。

【請求項2】

請求項１に記載の通信プログラムにおいて、
前記インパルス応答を推定することは、
前記複数の端末から前記複数のアンテナ素子の各々への前記伝播路のそれぞれについて、前記複数のアンテナ素子が受信した前記リソースブロック信号に含まれるパイロット情報の各々との組み合わせに係るインパルス応答を推定すること
を含む
通信プログラム。

【請求項3】

請求項１または２に記載の通信プログラムにおいて、
前記周波数応答を補完することは、
前記リソースブロック信号の内部に拡散されている信号をインパルス応答の推定値に基づいて変換することによって前記周波数応答を推定すること
を含む
通信プログラム。

【請求項4】

複数の端末との無線通信を行う基地局であって、
時間同期している前記複数の端末のうちの、少なくとも１つのアクティブ端末が、互いに独立に、かつ、前記基地局に対してグラントフリーに送信する、複数のＯＦＤＭシンボルを含むリソースブロック信号を受信する複数のアンテナ素子を含むアンテナと、
演算装置と
を備え、
前記演算装置は、
前記リソースブロック信号に基づいて、前記アクティブ端末を検出し、
検出した前記アクティブ端末から前記基地局へ前記リソースブロック信号が伝播した伝播路のインパルス応答を推定し、
推定した前記インパルス応答に基づいて、前記伝播路の周波数応答を補完し、
補完した前記周波数応答に基づいて、前記リソースブロック信号に含まれるデータを推定する
基地局。

【請求項5】

基地局と、
前記基地局と無線通信を行う複数の端末と
を備え、
前記複数の端末は、時間同期しており、少なくとも１つのアクティブ端末を含み、
前記少なくとも１つのアクティブ端末は、互いに独立に、かつ、前記基地局に対してグラントフリーに、複数のＯＦＤＭシンボルを含むリソースブロック信号を送信し、
前記基地局は、
複数のアンテナ素子を含み、前記リソースブロック信号を受信するアンテナと、
演算装置と
を備え、
前記演算装置は、
前記リソースブロック信号に基づいて、前記アクティブ端末を検出し、
検出した前記アクティブ端末から前記基地局へ前記リソースブロック信号が伝播した伝播路のインパルス応答を推定し、
推定した前記インパルス応答に基づいて、前記伝播路の周波数応答を補完し、
補完した前記周波数応答に基づいて、前記リソースブロック信号に含まれるデータを推定する
通信システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は通信プログラムと、この通信プログラムを用いて動作する基地局と、この基地局を用いる通信システムとに関する。

【背景技術】

【0002】

近年、ＩｏＴ（Ｉｎｔｅｒｎｅｔ ｏｆ Ｔｈｉｎｇｓ：モノのインターネット）などの発展により、多数の無線端末による低遅延通信の実現が、第５世代移動通信システムの高度化（Ｂｅｙｏｎｄ ５Ｇ）や、第６世代移動通信システム（６Ｇ）などで求められている。

【0003】

この解決策として、多数の無線端末が基地局からの許可（グラント）を受けずにランダムに伝送を行うことのできる、ＧＦ－ＮＯＭＡ（Ｇｒａｎｔ Ｆｒｅｅ Ｎｏｎ Ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ａｃｃｅｓｓ：グラントフリー非直交多元接続）が注目を集めている。

【0004】

しかしながら、ＧＦ－ＮＯＭＡではアクティブとなる無線端末、通信路利得および送信データの全てを推定する必要があり、遅延を数ミリ秒以下に抑えようとする厳しい制約下では、多数の無線端末によるデータ伝送を可能とする有効な検討がなされていない。

【0005】

上記に関連して、特許文献１（特開２０１９－００４３１１号公報）には、送信装置が開示されている。この送信装置は、設定部と、通信処理部とを備える。この設定部は、グラントフリー送信可能リソース、及び互いに異なる所定の情報に対応する複数の送信パターンに関する設定を行う。この通信処理部は、グラントフリー送信可能リソースにおいて、複数の送信パターンの中から選択した送信パターンを用いてデータをグラントフリー送信する。

【0006】

また、特許文献２（特表２０２０－５２４４３７号公報）には、無線デバイスによって、第１のタイプの構成済み周期的許可の１つ以上の第１の構成パラメータを含む無線リソース制御メッセージを受信する方法が開示されている。この方法において、１つ以上の第１の構成パラメータは、第１のタイプの構成済み周期的許可のアップリンク許可のリソースを識別するタイミングオフセットおよびシンボル番号と、第１のタイプの構成済み周期的許可の第１の周期性であって、第１の周期性が、第１のタイプの構成済み周期的許可の２つの続くリソース間の時間間隔を示す、第１の周期性と、第１のタイプの構成済み周期的許可の１つ以上の復調基準信号パラメータと、を示す。この方法は、無線リソース制御メッセージに応答して、構成済み周期的許可をアクティブ化することと、タイミングオフセット、シンボル番号、および第１の周期性に基づいて、第１のタイプの構成済み周期的許可のアップリンク許可のリソースの１つ以上のシンボルを決定することと、リソースを介して、１つ以上の復調基準信号パラメータを用いる１つ以上のトランスポートブロックを送信することと、を含む。

【0007】

また、非特許文献１（Y. Zhou, M. Herdin, A. M. Sayeed, E. Bonek著、「Experimental study of MIMO channel statics and capacity via the virtual channel representation」、Univ. Wisconsin-Madison Tech. Rep.、２００７年）には、端末と基地局の間の伝播路における周波数応答のモデルが記載されている。

【0008】

また、非特許文献２（M. Ke, Z. Gao, Y. Wu, et al.著、「Compressive sensing-based adaptive active user detection and channel estimation: Massive access meets massive MIMO」、IEEE Trans. Signal Process.、vol. 68、pp. 764-779、２０２０年１月）には、ＧＭＭＶ－ＡＭＰ（Ｇｅｎｅｒａｌｉｚｅｄ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ Ｖｅｃｔｏｒ Ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｅ Ｍｅｓｓａｇｅ Ｐａｓｓｉｎｇ）が記載されている。

【0009】

また、非特許文献３（T. Takahashi, S. Ibi, and S. Sampei著、「Design of adaptively scaled belief in multi-dimensional signal detection for higher-order modulation」、IEEE Trans. Commun.、vol. 67、no. 3、pp. 1986-2001、２０１９年３月）には、ＧａＢＰ（Ｇａｕｓｓｉａｎ Ｂｅｌｉｅｆ Ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ：ガウス近似確率伝播法）が記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0010】

【特許文献1】特開２０１９－００４３１１号公報

【特許文献2】特表２０２０－５２４４３７号公報

【非特許文献】

【0011】

【非特許文献1】Y. Zhou, M. Herdin, A. M. Sayeed, E. Bonek著、「Experimental study of MIMO channel statics and capacity via the virtual channel representation」、Univ. Wisconsin-Madison Tech. Rep.、２００７年

【非特許文献2】M. Ke, Z. Gao, Y. Wu, et al.著、「Compressive sensing-based adaptive active user detection and channel estimation: Massive access meets massive MIMO」、IEEE Trans. Signal Process.、vol. 68、pp. 764-779、２０２０年１月

【非特許文献3】T. Takahashi, S. Ibi, and S. Sampei著、「Design of adaptively scaled belief in multi-dimensional signal detection for higher-order modulation」、IEEE Trans. Commun.、vol. 67、no. 3、pp. 1986-2001、２０１９年３月

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0012】

複数の端末と基地局との間の無線通信を、低遅延で、かつ、効率よく行う。その他の課題と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。

【課題を解決するための手段】

【0013】

以下に、（発明を実施するための形態）で使用される番号を用いて、課題を解決するための手段を説明する。これらの番号は、（特許請求の範囲）の記載と（発明を実施するための形態）との対応関係を明らかにするために付加されたものである。ただし、それらの番号を、（特許請求の範囲）に記載されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならない。

【0014】

一実施の形態によれば、通信プログラムは、複数の端末との無線通信を行う基地局の処理を、基地局の演算装置に実行させることによって実現する。処理は、時間同期している複数の端末のうちの、少なくとも１つのアクティブ端末が、互いに独立に、かつ、基地局に対してグラントフリーに送信する、複数のＯＦＤＭシンボルを含むリソースブロック信号を、複数のアンテナ素子を含むアンテナで受信することと、リソースブロック信号に基づいてアクティブ端末を検出することとを含む。処理は、検出したアクティブ端末から基地局へリソースブロック信号が伝播した伝播路のインパルス応答を推定することとをさらに含む。処理は、推定したインパルス応答に基づいて伝播路の周波数応答を補完することと、補完した周波数応答に基づいてリソースブロックに含まれるデータを推定することとをさらに含む。

【0015】

一実施の形態によれば、基地局は、複数の端末との無線通信を行う。基地局は、アンテナと、演算装置とを備える。アンテナは、時間同期している複数の端末のうちの、少なくとも１つのアクティブ端末が、互いに独立に、かつ、基地局に対してグラントフリーに送信する、複数のＯＦＤＭシンボルを含むリソースブロック信号を受信する複数のアンテナ素子を含む。演算装置は、リソースブロック信号に基づいてアクティブ端末を検出し、検出したアクティブ端末から基地局へリソースブロック信号が伝播した伝播路のインパルス応答を推定し、推定したインパルス応答に基づいて伝播路の周波数応答を補完し、補完した周波数応答に基づいてリソースブロックに含まれるデータを推定する。

【0016】

一実施の形態によれば、通信システムは、基地局と、基地局と無線通信を行う複数の端末とを備える。複数の端末は、時間同期しており、少なくとも１つのアクティブ端末を含む。少なくとも１つのアクティブ端末は、互いに独立に、かつ、基地局に対してグラントフリーに、複数のＯＦＤＭシンボルを含むリソースブロック信号を送信する。基地局は、複数のアンテナ素子を含み、リソースブロック信号を受信するアンテナと、演算装置とを備える。演算装置は、リソースブロック信号に基づいてアクティブ端末を検出し、検出したアクティブ端末から基地局へリソースブロック信号が伝播した伝播路のインパルス応答を推定し、推定したインパルス応答に基づいて伝播路の周波数応答を補完し、補完した周波数応答に基づいてリソースブロックに含まれるデータを推定する。

【発明の効果】

【0017】

一実施の形態によれば、複数の端末と基地局との間の無線通信を、低遅延で、かつ、効率よく行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】図１は、一実施の形態による通信システムの一構成例を示す図である。

【図2】図２は、一実施の形態による基地局の一構成例を示すブロック回路図である。

【図3】図３は、一実施の形態による端末の一構成例を示すブロック回路図である。

【図4】図４は、一実施の形態による通信プログラムの一構成例を示すフローチャートである。

【図5】図５は、一実施の形態によるリソースブロックの一構成例を示す図である。

【図6A】図６Ａは、一実施の形態で行われる演算の一例を概略的に示す図である。

【図6B】図６Ｂは、関連技術で行われる演算の一例を概略的に示す図である。

【図7】図７は、一実施の形態による通信システムの動作をシミュレーションするために用いる諸元の一例を示す表である。

【図8】図８は、一実施の形態による通信システムの動作のシミュレーション結果の一例を示すグラフである。

【図9】図９は、一実施の形態による通信システムの動作のシミュレーション結果の一例を示すグラフである。

【図10】図１０は、一実施の形態による通信システムの動作のシミュレーション結果の一例を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0019】

添付図面を参照して、本発明による通信プログラム、基地局および通信システムを実施するための形態を以下に説明する。

【0020】

（実施の形態）
図１に示すように、一実施の形態による通信システム１は、基地局２と、複数の端末３とを含む。基地局２は、複数の端末３との間で無線通信を行う。

【0021】

図２に示すように、基地局２は、バス２０と、アンテナ２１と、演算装置２２と、記憶装置２３とを備える。バス２０は、アンテナ２１、演算装置２２および記憶装置２３を、互いに通信可能に接続している。

【0022】

アンテナ２１は、図１に示した複数のアンテナ素子２１１～２１Ｍを備えるアレイアンテナである。アンテナ素子２１１～２１Ｍの総数をアンテナ素子数Ｍとして示す。一例として、アンテナ２１は、Ｍ個のアンテナ素子２１１～２１Ｍを、所定の間隔で配置した線形アレイアンテナであってもよい。ここで、所定の間隔は、無線通信で使用する周波数の半波長であってもよい。

【0023】

基地局２は、いわゆるコンピュータを含んでいてもよい。つまり、基地局２が有する機能は、演算装置２２が、記憶装置２３に格納されている所定のプログラムを実行することによって実現される処理を含んでいてもよい。一例として、演算装置２２が、記憶装置２３に格納されている通信プログラム２３１を実行することによって、基地局２は端末３との間で無線通信を行ってもよい。

【0024】

通信プログラム２３１は、非一時的で有形の記録媒体２４から読み出されて記憶装置２３に格納されたものであってもよい。通信プログラム２３１は、アンテナ２１または他の図示しないインタフェースを介して受信されて記憶装置２３に格納されたものであってもよい。

【0025】

図３に示すように、端末３は、バス３０と、アンテナ３１と、演算装置３２と、記憶装置３３とを備える。バス３０は、アンテナ３１、演算装置３２および記憶装置３３を、互いに通信可能に接続している。

【0026】

端末３は、いわゆるコンピュータを含んでいてもよい。つまり、端末３が有する機能は、演算装置３２が、記憶装置３３に格納されている所定のプログラムを実行することによって実現される処理を含んでいてもよい。一例として、演算装置３２が、記憶装置３３に格納されている通信プログラム３３１を実行することによって、端末３は基地局２との間で無線通信を行ってもよい。

【0027】

通信プログラム３３１は、非一時的で有形の記録媒体３４から読み出されて記憶装置３３に格納されたものであってもよい。通信プログラム３３１は、アンテナ３１または他の図示しないインタフェースを介して受信されて記憶装置３３に格納されたものであってもよい。

【0028】

一般的に、端末３は、限られた時間帯において基地局２との間で無線通信を行い、他の時間帯においては基地局２との間で無線通信を行わない。図１の例では、無線通信を行っている状態の端末３を、無線通信を行っていない状態の端末３と区別して、アクティブ端末３Ａ、３Ｂ、３Ｃと表している。

【0029】

複数の端末３の総数を、端末数Ｋと呼ぶ。また、ある瞬間におけるアクティブ端末３Ａ、３Ｂ、３Ｃの総数を、アクティブ端末数Ｋａと呼ぶ。図１の例では、Ｋは８であり、Ｋａは３であるが、これらの数値は一例にすぎず、一実施形態を限定しない。

【0030】

アクティブ端末３Ａ、３Ｂ、３Ｃのそれぞれは、図１に示された瞬間においては基地局２との間で無線通信を行っている状態にあるが、別の瞬間においては基地局２との間で無線通信を行っていない状態にあってもよい。また、図１に示されたアクティブ端末３Ａ、３Ｂ、３Ｃ以外の端末３は、図１に示された瞬間においては基地局２との間で無線通信を行っていない状態にあるが、別の瞬間においては基地局２との間で無線通信を行っている状態にあってもよい。

【0031】

一実施の形態において、アクティブ端末３Ａ、３Ｂ、３Ｃは、互いに独立に、かつ、グラントフリーに、送信信号を基地局２に送信する。言い換えれば、基地局２は、複数の端末３のうちのどれがアクティブ端末３Ａ、３Ｂ、３Ｃであるかを把握する前に、アクティブ端末３Ａ、３Ｂ、３Ｃから送信された信号を受信する。また、アクティブ端末３Ａ、３Ｂ、３Ｃを含む複数の端末３も、どの端末３がアクティブ端末３Ａ、３Ｂ、３Ｃであるかを把握していなくてよい。ただし、アクティブ端末３Ａ、３Ｂ、３Ｃを含む複数の端末３は、時間同期している。

【0032】

図４のフローチャートを参照して、一実施の形態による通信システム１の動作の一例について説明する。図４のフローチャートでは、主に基地局２の動作について説明する。基地局２が動作を開始すると、図４のフローチャートのステップＳ０１が実行される。ステップＳ０１が実行される前に、複数の端末３が時間を同期していることが好ましい。

【0033】

ステップＳ０１において、複数の端末３のうちのアクティブ端末３Ａ、３Ｂ、３Ｃが、互いに独立に信号を送信し、基地局２はこれらの信号を、複数のアンテナ素子２１１～２１Ｍのそれぞれで受信する。このとき、アクティブ端末３Ａ、３Ｂ、３Ｃは、基地局２からのグラントを取得してない。言い換えれば、アクティブ端末３Ａ、３Ｂ、３Ｃは、信号の送信をグラントフリーに行う。

【0034】

アクティブ端末３Ａ、３Ｂ、３Ｃのそれぞれが送信する信号の単位をリソースブロックと呼ぶ。１つのリソースブロックは、複数のＯＦＤＭシンボルを含む。アクティブ端末３Ａ、３Ｂ、３Ｃのそれぞれが送信する信号を、便宜上、リソースブロック信号と呼ぶ。

【0035】

図５は、一実施の形態によるリソースブロック信号の一構成例を示す図である。図５において、横軸は時間を表し、縦軸は周波数を表す。時間軸上の単位時間を、便宜上、時間スロットと呼ぶ。また、周波数軸上の単位周波数幅を、便宜上、サブキャリア幅と呼ぶ。全てのアクティブ端末３Ａ、３Ｂ、３Ｃが送信するリソースブロック信号は、同じ構成を有している。

【0036】

リソースブロック信号の構成について説明する。図５に示すように、１つのリソースブロック信号は、複数の時間スロットにまたがっており、また、複数のサブキャリア幅にまたがっている。１つのリソースブロック信号は、時間スロットごとに１つのＯＦＤＭシンボルを含む。言い換えれば、１つのリソースブロック信号は、連続する複数の時間スロットのそれぞれに１つずつ送信される複数のＯＦＤＭシンボルとして構成される。１つのリソースブロック信号に含まれるＯＦＤＭシンボルの総数を、ＯＦＤＭシンボル数Ｔと呼ぶ。

【0037】

１つのＯＦＤＭシンボルは、データを送信するためのデータ用サブキャリアと、その他の情報を送信するためのパイロット用サブキャリアとを含む。１つのＯＦＤＭシンボルのうち、データ用サブキャリアの集合を、データ部と呼ぶ。１つのデータを複数のサブキャリアに直接マッピングしながら送信するため、１つのデータを送信するのに用いるサブキャリア数を、データサブキャリア数Ｄと呼ぶ。１つのＯＦＤＭシンボルに含まれるパイロット用サブキャリアの総数を、パイロットサブキャリア数Ｐと呼ぶ。１つのＯＦＤＭシンボルのうち、パイロット用サブキャリアの集合を、パイロット部と呼ぶ。アクティブ端末３Ａ、３Ｂ、３Ｃは、それぞれ固有の非直交系列を用いて、パイロット情報をパイロット部に配置し、上述のマッピングに従って、データをデータ部に配置する。

【0038】

図５の例では、データ用サブキャリアを白く表しており、パイロット用サブキャリアを薄いハッチングで表している。なお、図５の例では、使用されない不使用サブキャリアを濃いハッチングで表している。ＦＦＴ（Ｆａｓｔ Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ：高速フーリエ変換）を行うデータの総数をＦＦＴサイズと呼ぶとき、ＦＦＴサイズは２のべき乗である必要があるが、１つのＯＦＤＭシンボルで使用されるサブキャリアの総数が２のべき乗ではない場合に、ＦＦＴサイズとの差を埋めるために不使用サブキャリアが定義されてもよい。

【0039】

図５に示すように、一実施の形態では、データ用サブキャリアを時間の経過に関わらず常に同じ周波数帯域に配置してもよい。同様に、一実施の形態では、パイロット用サブキャリアを時間の経過に関わらず常に同じ周波数帯域に配置してもよい。

【0040】

基地局２が受信するリソースブロックのうち、ＯＦＤＭシンボルのパイロット部に対応する受信信号について説明する。基地局２は、まず、受信したリソースブロックに含まれるＴ個のＯＦＤＭシンボルのそれぞれについて、ＣＰ（Ｃｙｃｌｉｃ Ｐｒｅｆｉｘ：サイクリックプレフィックス）の除去を行う。基地局２が受信した信号のうち、ＣＰを除去したｔ番目のＯＦＤＭシンボルのパイロット部に対応する部分を、パイロット部受信信号ｙ（ｔ）と呼ぶ。パイロット部受信信号ｙ（ｔ）は、以下の「数１」式のように表現できる。

【数1】

【0041】

「数１」式において、「Ａ」はアクティブ端末３Ａ、３Ｂ、３Ｃの集合である。「ｋ」は端末３の番号である。「ｔ」はＯＦＤＭシンボルの番号である。「ｓ_ｋ ^（ｔ）」はｋ番目の端末３のｔ番目のＯＦＤＭシンボルにおける拡散系列であり、Ｐ個の複素数要素で構成されるベクトルであり、これらＰ個の複素数のそれぞれの振幅値は１である（１からＰまでの整数ｐにおいて｜ｓ_ｋ，ｐ ^（ｔ）｜＝１）。「Ｇ_ｋ」はｋ番目の端末３と基地局２との間のＣＦＲ（Ｃｈａｎｎｅｌ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｒｅｓｐｏｎｓｅ：伝播路の周波数応答）であり、［ｇ_ｋ，１，・・・，ｇ_ｋ，Ｐ］^Ｔで表されるＰ行Ｍ列の行列であり、１からＰまでの整数ｐにおいて「ｇ_ｋ，ｐ」はＭ個の複素数要素で構成されるベクトルであり、一実施形態では非特許文献１（Y. Zhou, M. Herdin, A. M. Sayeed, E. Bonek著、「Experimental study of MIMO channel statics and capacity via the virtual channel representation」、Univ. Wisconsin-Madison Tech. Rep.、２００７年）に記載のモデルに従う。「Ｚ^（ｔ）」は雑音であり、Ｐ×Ｍ個の複素数要素で構成されるＰ行Ｍ列の行列であり、これらの要素のそれぞれはＣＮ（０，σ_ｎ ^２）に従う。

【0042】

ステップＳ０２において、基地局２は、複数の端末３の中からアクティブ端末３Ａ、３Ｂ、３Ｃを検出する。言い換えれば、基地局２は、Ｋ個の端末３のそれぞれが、アクティブ端末集合Ａに含まれるかどうかを推定する。アクティブ端末３Ａ、３Ｂ、３Ｃの検出には、非特許文献２（M. Ke, Z. Gao, Y. Wu, et al.著、「Compressive sensing-based adaptive active user detection and channel estimation: Massive access meets massive MIMO」、IEEE Trans. Signal Process.、vol. 68、pp. 764-779、２０２０年１月）に記載のＧＭＭＶ－ＡＭＰ（Ｇｅｎｅｒａｌｉｚｅｄ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ Ｖｅｃｔｏｒ Ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｅ Ｍｅｓｓａｇｅ Ｐａｓｓｉｎｇ）アルゴリズムが用いられてもよい。ＧＭＭＶ－ＡＭＰアルゴリズムによって算出される信用指標（Ｂｅｌｉｅｆ Ｉｎｄｉｃａｔｏｒ）γ_ｋ，ｍ ^（ｑ）を用いて、ｋ番目の端末３について指標γ_ｋ，ｍaxが得られる。ｋ番目の端末３について指標γ_ｋ，ｍaxは、以下の「数２」式のように定義される。

【数2】

【0043】

「数２」式において、「ｋ」は端末３の番号であり、１からＫまでの整数である。「ｌ」は伝播路の番号であり、１からＬまでの整数である。「Ｌ」はＣＩＲ（Ｃｈａｎｎｅｌ Ｉｍｐｕｌｓｅ Ｒｅｓｐｏｎｓｅ：伝播路のインパルス応答）のタップ長である。「ｑ」はＧＭＭＶ－ＡＭＰアルゴリズムに含まれる繰り返し処理を繰り返した回数を表す整数である。

【0044】

ｋ番目の端末３の指標γ_ｋ，ｍaxは０から１までの範囲に含まれ、指標γ_ｋ，ｍaxが１に近ければ近いほどｋ番目の端末３がアクティブ端末集合Ａに含まれている期待値が高く、反対に指標γ_ｋ，ｍaxが０に近ければ近いほどｋ番目の端末３がアクティブ端末集合Ａに含まれていない期待値が高い。そこで、０と１との間の閾値を適宜に設定し、ｋ番目の端末３の指標γ_ｋ，ｍaxがこの閾値より大きければｋ番目の端末３はアクティブ端末集合Ａに含まれると推定し、反対にｋ番目の端末３の指標γ_ｋ，ｍaxがこの閾値以下であればｋ番目の端末３はアクティブ端末集合Ａに含まれないと推定する。閾値は、例えば１／２である。閾値の設定は、ステップＳ０１が実行される前に行われてもよい。

【0045】

ステップＳ０３において、基地局２は、アクティブ端末３Ａ、３Ｂ、３Ｃと、アンテナ素子２１１～２１Ｍとの間の伝播路のそれぞれについて、インパルス応答を推定する。インパルス応答の推定値は、以下の「数３」式の関係により得られる。一実施の形態によれば、伝播路のインパルス応答を直接的に推定することに注目されたい。

【数3】

【0046】

「数３」式において、「Ｘ^（ｑ）」（正確には、「Ｘ」の上にハット記号がある）は、ＧＭＭＶ－ＡＭＰアルゴリズムにおけるｑ回目の繰り返し処理における受信信号の推定値である。「Ｐ」はパイロットサブキャリア数である。「Ｔ」はＯＦＤＭシンボル数である。「Ｈ」（正確には、「Ｈ」の上にハット記号がある）はインパルス応答の推定値である。

【0047】

ステップＳ０４において、基地局２は、推定したインパルス応答に基づいて、データ部に対応する周波数応答を補完する。「数１」式の周波数応答「Ｇ_ｋ」のうち、ｋ番目の端末３と基地局２との間のｐ番目のパイロット用サブキャリアにおける周波数応答は、以下の「数４」式のようにモデル化される。

【数4】

【0048】

「数４」式において、「Ｌ_ｐａｔｈ」は伝播路の総数である。１からＬ_ｐａｔｈまでの整数ｌにおいて「β_ｋ，ｌ」はｌ番目の伝播路のチャネル利得であり、ＣＮ（０，１／Ｌ_ｐａｔｈ）に従う。「φ_ｋ，ｌ」はｋ番目の端末３からｌ番目の伝播路を介して基地局２のアンテナ２１に信号が到達する到来角である。「ａ（φ_ｋ，ｌ）」は到来角φ_ｋ，ｌに応じたアンテナアレイ応答ベクトルである。「τ_ｋ，ｌ」はｌ番目の伝播路の遅延量であり、［０，Ｎ_ｃｐ／Ｂ_ｓ］の範囲に含まれ、「Ｎ_ｃｐ」はＣＰ長（サイクリックプレフィックスの長さ）であり、「Ｂ_ｓ」は帯域幅である。「Ｎ」は全サブキャリア数である。

【0049】

「数１」式を、インパルス応答を用いて表現し直すと、以下の「数５」が得られる。

【数5】

【0050】

「数５」式において、「Ｆ_Ｐ，Ｌ」（正確には、「Ｆ」の上にバー記号がある）はＮ行Ｎ列の離散フーリエ変換行列のパイロット部に対応する、Ｐ行Ｌ列の、各列のノルムを正規化した行列である。「Ｐ」はパイロットサブキャリア数である。「Ｌ」はインパルス応答のタップ長である。「Ｈ_ｋ」はｋ番目の端末３と基地局２との間のインパルス応答であり、Ｌ行Ｍ列の行列である。「Ｍ」はアンテナ素子数である。「Ａ^（ｔ）」は以下のように定義される。
Ａ^（ｔ）＝［Ａ_１ ^（ｔ），．．．，Ａ_Ｋ ^（ｔ）］
ここで、端末３の番号ｋが１からＫまでの整数であるとき、Ａ_ｋ ^（ｔ）は以下の「数６」式のように定義される。

【数6】

【0051】

「数５」式において、「Ｈ」（正確には、「Ｈ」の上にチルダ記号がある）は以下の「数７」式のように定義される。

【数7】

ここで、端末３の番号ｋが１からＫまでの整数であるとき、「Ｈ_ｋ」（正確には、「Ｈ」の上にチルダ記号がある）は、以下の「数８」式のように定義される。

【数8】

【0052】

ステップＳ０５において、基地局２は、受信したリソースブロック信号に含まれるデータ部のデータを推定する。このとき、ステップＳ０２で推定したアクティブ端末３Ａ、３Ｂ、３Ｃに対応する、ステップＳ０４で得られた周波数応答を用いて、データの推定を行う。非特許文献３（T. Takahashi, S. Ibi, and S. Sampei著、「Design of adaptively scaled belief in multi-dimensional signal detection for higher-order modulation」、IEEE Trans. Commun.、vol. 67、no. 3、pp. 1986-2001、２０１９年３月）に記載されたＧａＢＰ（Ｇａｕｓｓｉａｎ Ｂｅｌｉｅｆ Ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ：ガウス近似確率伝播法）を用いることで、リソースブロック信号のデータ部を、以下の「数９」式に基づいて効率的に推定することができる。

【数9】

【0053】

「数９」式において、「ｙ_１，ｄ ^（ｔ）」～「ｙ_Ｍ，ｄ ^（ｔ）」は、ｍが１からＭまでの整数であるときの、以下の「数１０」式で表される。

【数10】

【0054】

「数１０」式において、「ｙ_ｍ，ｄ ^（ｔ）」はｔ番目のＯＦＤＭシンボルのデータ部に対応する、ｍ番目のアンテナ素子２１ｍで受信した信号である。「ｘ_ｋ，ｄ ^（ｔ）」はｋ番目の端末３のデータシンボルである。「ｇ_{ｋ，ｄ，ｍ}」はデータ部に対応するｋ番目の端末３と基地局２との間の伝播路の周波数応答である。「Ｇ_ｄ，ｍ」はアクティブ端末３Ａ、３Ｂ、３Ｃの周波数応答を横方向に並べて得られる行列である。「ｘ_ｄ ^（ｔ）」はアクティブ端末３Ａ、３Ｂ、３Ｃのデータシンボルを並べて得られるベクトルである。「ｚ_ｍ，ｄ ^（ｔ）」は各要素がＣＮ（０，σ_ｎ ^２）に従う雑音である。

【0055】

残りのデータについては、以下の「数１１」式を用いて補完することができる。

【数11】

【0056】

「数１１」式において、ｍが１からＭまでの整数であるとき、「ｇ_{ｋ，ｄ，ｍ}」（正確には、「ｇ」の上にハット記号がある）はｋ番目の端末３から送信され、ｄ番目のデータ用サブキャリアに含まれ、ｍ番目のアンテナ素子２１ｍで受信された周波数応答の推定値である。「Ｍ」はアンテナ素子数である。「Ｆ_Ｄ，Ｌ」はＮ行Ｎ列の離散フーリエ変換行列のデータ部に対応する、Ｄ行Ｌ列の行列である。「Ｄ」はデータサブキャリア数である。「Ｌ」はインパルス応答のタップ数である。「Ｈ_ｋ」（正確には、「Ｈ」の上にはハット記号がある）はｋ番目の端末３のインパルス応答の推定値である。

【0057】

Ｔ個のＯＦＤＭシンボル全体に対応した受信信号は、以下の「数１２」式で与えられる。

【数12】

【0058】

「数１２」式において、「Ａ」は観測行列であり、以下の「数１３」式のように定義され、また、以下の「数１４」式の条件を満たす。

【数13】

【数14】

【0059】

「数１２」式において、「Ｘ」は所望信号であり、以下の「数１５」式のように定義される。

【数15】

なお、遅延領域における伝播路のスパース性により、所望信号Ｘは行スパースな行列であり、非特許文献２のＧＭＭＶ－ＡＭＰアルゴリズムを用いて推定される。

【0060】

このように、一実施の形態では、アンテナ領域と遅延時間領域に係るインパルス応答を推定し、拡散されている受信信号をインパルス応答の推定値に基づいて変換することによって周波数応答を推定する。その一方で、関連技術においては、アンテナ領域と周波数領域に係る周波数応答を推定する。この違いを、図６Ａと図６Ｂとを参照して概略的に説明する。

【0061】

図６Ａは、一実施の形態で行われる演算の一例を概略的に示す図である。左側の列にある太線の正方形は、Ｍ個のアンテナ素子２１１～２１Ｍのそれぞれが受信したＰ×Ｔ個のパイロット情報にそれぞれ対応するＭ×Ｐ×Ｔ個のノードを表す。中央の列にある円は、アンテナ素子２１１～２１Ｍのそれぞれが受信した信号が伝播したＫ×Ｌ個の伝播路のインパルス応答にそれぞれ対応するＭ×Ｋ×Ｌ個のノードを表す。右側の列にあるハッチングされた正方形は、それぞれのアンテナ素子２１１～２１Ｍのそれぞれに対応するＫ×Ｌ個のインパルス応答が非零になるかどうかという状態を模擬するＭ×Ｋ×Ｌ個のノードを表す。

【0062】

左側の列にある太線の正方形の各々は、中央の列にある円の各々に接続されており、これらの接続を示す線のそれぞれは、それぞれの線が接続する正方形と円が表すパイロット情報と伝播路との組み合わせに係る演算を行うことを示している。言い換えれば、一実施の形態では、複数の端末３から複数のアンテナ素子２１１～２１Ｍの各々への伝播路のそれぞれについて、複数のアンテナ素子２１１～２１Ｍが受信したリソースブロック信号に含まれるパイロット情報の各々との組み合わせに係るインパルス応答を推定する。中央の列にある円と、右側の列にある細線の正方形とは、行ごとに一対一対応で接続されており、これらの接続を示す線のそれぞれは、伝播路のインパルス応答の値に応じて、対応する端末３がアクティブか非アクティブかを推定する演算、すなわち、アクティブ端末３Ａ、３Ｂ、３Ｃの検出に関する演算を行うことを示している。

【0063】

図６Ｂは、関連技術で行われる演算の一例を概略的に示す図である。図６Ｂは、Ｐ枚のレイヤーを含んでいる。これらのレイヤーは、Ｐ個のパイロット用サブキャリアのそれぞれにおいて独立した演算が行われることを示している。それぞれのレイヤーにおいて、左側の列にある太線の正方形は、Ｍ個のアンテナ素子２１１～２１Ｍのそれぞれが受信したＴ個のパイロット情報にそれぞれ対応するＭ×Ｔ個のノードを表す。それぞれのレイヤーにおいて、中央の列にある円は、それぞれのアンテナ素子２１１～２１Ｍと、Ｋ個の端末３との間で行われる無線通信の周波数応答とにそれぞれ対応するＭ×Ｋ個のノードを表す。それぞれのレイヤーにおいて、右側の列にあるハッチングされた正方形は、それぞれのアンテナ素子２１１～２１Ｍに対応する伝播路の周波数応答が非零になるかどうかという状態を模擬するＭ×Ｋ個のノードを表す。

【0064】

左側の列にある太線の正方形の各々は、中央の列にある円の各々に接続されており、これらの接続を示す線のそれぞれは、それぞれの線が接続する正方形と円が表すパイロット情報と端末３との組み合わせに係る演算を行うことを示している。言い換えれば、パイロット情報と端末３との組み合わせごとに周波数応答の推定を行うことを示している。中央の列にある円と、右側の列にある細線の正方形とは、行ごとに一対一対応で接続されており、これらの接続を示す線のそれぞれは、伝播路の周波数応答の値に応じて、対応する端末３がアクティブか非アクティブかを推定する演算、すなわち、アクティブ端末３Ａ、３Ｂ、３Ｃの検出に関する演算を行うことを示している。

【0065】

このように、図６Ｂに示した関連技術ではサブキャリアごとに独立して周波数応答の推定を行う。その一方で、図６Ａに示した一実施の形態では全てのサブキャリアをまとめてインパルス応答の推定を行い、インパルス応答の推定値に基づいて周波数応答の推定を行う。

【0066】

図７に示すシミュレーション諸元を用いてコンピュータシミュレーションを行い、一実施の形態によるシミュレーション結果と、理論値と、図６Ｂに係る関連技術によるシミュレーション結果とを比較した結果を以下に示す。

【0067】

図８は、一実施の形態による通信システム１の動作のシミュレーション結果の一例を示すグラフである。図８において、横軸はＳＮＲ（Ｓｉｇｎａｌ ｔｏ Ｎｏｉｓｅ Ｒａｔｉｏ：信号対雑音比）を示し、縦軸はＮＭＳＥ（Ｎｏｒｍａｌｉｚｅｄ Ｍｅａｎ Ｓｑｕａｒｅ Ｅｒｒｏｒ：正規化平均二乗誤差）を示す。図８はグラフＧ１、Ｇ２、Ｇ３を含む。グラフＧ１は、一実施形態によるシミュレーション結果を示す。グラフＧ２は、一実施形態においてアクティブ端末集合Ａが既知である場合の理論値を示す。グラフＧ３は、図６Ｂに係る関連技術によるシミュレーション結果を示す。

【0068】

図８に示すように、グラフＧ１はグラフＧ３よりも下側に位置しており、このことは一実施の形態の性能が関連技術の性能を上回っていることを示している。また、グラフＧ１とグラフＧ２との差は小さく、このことは一実施の形態の性能が理想に近いことを示している。

【0069】

図９は、一実施の形態による通信システム１の動作のシミュレーション結果の一例を示すグラフである。図９において、横軸はＳＮＲを示し、縦軸はＡＥＲ（Ａｃｔｉｖｉｔｙ Ｅｒｒｏｒ Ｒａｔｅ：アクティビティエラーレート）を示す。図９はグラフＧ４、Ｇ５を含む。グラフＧ４は、一実施形態によるシミュレーション結果を示す。グラフＧ５は、図６Ｂに係る関連技術によるシミュレーション結果を示す。

【0070】

図９に示すように、グラフＧ４はグラフＧ５よりも下側に位置しており、このことは一実施の形態の性能が関連技術の性能を上回っていることを示している。

【0071】

図１０は、一実施の形態による通信システム１の動作のシミュレーション結果の一例を示すグラフである。図１０において、横軸はＳＮＲを示し、縦軸はＢＥＲ（Ｂｉｔ Ｅｒｒｏｒ Ｒａｔｅ：ビットエラーレート）を示す。図１０はグラフＧ６、Ｇ７、Ｇ８を含む。グラフＧ６は、一実施形態によるシミュレーション結果を示す。グラフＧ７は、一実施形態においてアクティブ端末集合Ａが既知である場合の理論値を示す。グラフＧ８は、一実施形態においてアクティブ端末集合Ａと伝播路が既知である場合の理論値を示す。

【0072】

図１０に示すように、グラフＧ６はグラフＧ７およびグラフＧ８より上側に位置しているものの、グラフＧ７との差は非常に小さく、グラフＧ８との差も十分小さい。このことは、一実施の形態の性能が十分に良いと評価できることを示している。

【0073】

以上に説明したように、一実施の形態によれば、複数の端末３と基地局２との間の無線通信を、低遅延で、かつ、効率よく行うことができる。

【0074】

一実施の形態の変形例について説明する。図５の例では、１つのリソースブロックのパラメータが、時間軸上の長さは時間スロットの８倍であり、周波数軸上の長さは単位サブキャリアの１２倍である場合について説明したが、これらの数値は一例であり、一実施の形態を限定しない。例えば、リソースブロックの時間軸上のパラメータと周波数軸上のパラメータを第５世代移動通信システムのパラメータに一致させることで、一実施の形態による通信プログラム２３１、基地局２および通信システム１を第５世代移動通信システムで使用することが可能となる。

【0075】

以上、発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。また、実施の形態に説明したそれぞれの特徴は、技術的に矛盾しない範囲で自由に組み合わせることが可能である。

【符号の説明】

【0076】

１ 通信システム
２ 基地局
２０ バス
２１ アンテナ
２１１～２１Ｍ アンテナ素子
２２ 演算装置
２３ 記憶装置
２３１ 通信プログラム
２４ 記録媒体
３ 端末
３Ａ、３Ｂ、３Ｃ アクティブ端末
３０ バス
３１ アンテナ
３２ 演算装置
３３ 記憶装置
３３１ 通信プログラム
３４ 記録媒体
Ｂ_ｓ 帯域幅
Ｄ データサブキャリア数
Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３、Ｇ４、Ｇ５、Ｇ６、Ｇ７、Ｇ８ グラフ
Ｋ 端末数
Ｋａ アクティブ端末数
Ｌ インパルス応答のタップ長
Ｌ_ｐａｔｈ 伝播路数
Ｍ アンテナ素子数
Ｎ 全サブキャリア数
Ｐ パイロットサブキャリア数
Ｔ ＯＦＤＭシンボル数

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6A】

【図6B】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】