特開 2023-3300 制御装置、リソース割り当て方法、及びプログラム

(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】P2023003300

(43)【公開日】2023-01-11

(54)【発明の名称】制御装置、リソース割り当て方法、及びプログラム

(51)【国際特許分類】

   H04W 28/16 20090101AFI20221228BHJP

【ＦＩ】

H04W28/16

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021104389

(22)【出願日】2021-06-23

(71)【出願人】

【識別番号】000004226

【氏名又は名称】日本電信電話株式会社

(71)【出願人】

【識別番号】504176911

【氏名又は名称】国立大学法人大阪大学

(74)【代理人】

【識別番号】100107766

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠重

(74)【代理人】

【識別番号】100070150

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠彦

(74)【代理人】

【識別番号】100124844

【弁理士】

【氏名又は名称】石原 隆治

(72)【発明者】

【氏名】田行 里衣

(72)【発明者】

【氏名】宮原 和大

(72)【発明者】

【氏名】池上 大介

(72)【発明者】

【氏名】木村 達明

【テーマコード（参考）】

5K067

【Ｆターム（参考）】

5K067DD11

5K067EE02

5K067EE10

5K067EE16

(57)【要約】

【課題】ＮＯＭＡを利用する無線通信システムにおいて、複数の基地局が持つリソースを複数の端末に割り当てる処理を高速に行う
【解決手段】制御装置において、各基地局が持つサブキャリアの各端末に対する割り当ての情報の初期値を算出する演算部と、前記初期値に基づいて、各端末に与えられた通信容量の平均値が最大となる各端末への電力割り当ての情報を算出する演算部と、前記電力割り当ての情報に基づいて、各端末に与えられた通信容量の平均値が最大となる各端末へのサブキャリア割り当ての情報を算出するためのハミルトニアンを生成する生成部と、最適化演算を行う装置に前記ハミルトニアンを入力し、前記装置から、演算結果として、前記サブキャリア割り当ての情報を取得する収集部と、前記電力割り当ての情報と前記サブキャリア割り当ての情報を出力する出力部とを備える。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

制御区域内に存在する複数の基地局が持つリソースの複数の端末への割り当てを算出する制御装置であって、
各基地局が持つサブキャリアの各端末に対する割り当ての情報の初期値を算出するサブキャリア割り当て初期値演算部と、
前記サブキャリア割り当て初期値演算部により算出された前記初期値に基づいて、各端末に与えられた通信容量の平均値が最大となる各端末への電力割り当ての情報を算出する電力割り当て最適解演算部と、
前記電力割り当て最適解演算部により算出された前記電力割り当ての情報に基づいて、各端末に与えられた通信容量の平均値が最大となる各端末へのサブキャリア割り当ての情報を算出するためのハミルトニアンを生成するハミルトニアン生成部と、
前記ハミルトニアン生成部によって生成された前記ハミルトニアンを目的関数として最適化演算を行う装置に前記ハミルトニアンを入力し、前記装置から、演算結果として、前記サブキャリア割り当ての情報を取得するサブキャリア割り当て最適解収集部と、
前記電力割り当ての情報と前記サブキャリア割り当ての情報を出力する出力部と
を備える制御装置。

【請求項2】

前記サブキャリア割り当て初期値演算部は、同一基地局の同一サブキャリアを割り当てられる端末数は最大２までとする条件のもと、前記初期値を算出し、
前記電力割り当て最適解演算部は、各基地局での各サブキャリアへの電力の割り当ては均一とする条件のもと、前記電力割り当ての情報を算出する
請求項１に記載の制御装置。

【請求項3】

前記ハミルトニアンは、ＱＵＢＯ形式によるハミルトニアンである
請求項１又は２に記載の制御装置。

【請求項4】

前記サブキャリア割り当て最適解収集部により取得された前記サブキャリア割り当ての情報を前記電力割り当て最適解演算部に入力し、前記電力割り当て最適解演算部が前記サブキャリア割り当ての情報に基づいて、各端末に与えられた通信容量の平均値が最大となる各端末への電力割り当ての情報を算出する
請求項１ないし３のうちいずれか１項に記載の制御装置。

【請求項5】

制御区域内に存在する複数の基地局が持つリソースの複数の端末への割り当てを算出する制御装置が実行するリソース割り当て方法であって、
各基地局が持つサブキャリアの各端末に対する割り当ての情報の初期値を算出するサブキャリア割り当て初期値演算ステップと、
前記サブキャリア割り当て初期値演算ステップにより算出された前記初期値に基づいて、各端末に与えられた通信容量の平均値が最大となる各端末への電力割り当ての情報を算出する電力割り当て最適解演算ステップと、
前記電力割り当て最適解演算ステップにより算出された前記電力割り当ての情報に基づいて、各端末に与えられた通信容量の平均値が最大となる各端末へのサブキャリア割り当ての情報を算出するためのハミルトニアンを生成するハミルトニアン生成ステップと、
前記ハミルトニアン生成ステップによって生成された前記ハミルトニアンを目的関数として最適化演算を行う装置に前記ハミルトニアンを入力し、前記装置から、演算結果として、前記サブキャリア割り当ての情報を取得するサブキャリア割り当て最適解収集ステップと、
前記電力割り当ての情報と前記サブキャリア割り当ての情報を出力する出力ステップと
を備えるリソース割り当て方法。

【請求項6】

コンピュータを、請求項１ないし４のうちいずれか１項に記載の制御装置における各部として機能させるためのプログラム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、無線ネットワークにおけるリソース割り当て技術に関連し、特に、通信品質の観点からリソースの割り当てを最適化する技術に関するものである。

【背景技術】

【0002】

近年のセルラーネットワークでは、トラヒック需要の急激な増加に伴い、大規模接続、スループット性能の向上が求められている。それらの要求に対して、５Ｇで提案されている技術の一つとして、利用効率を高める非直交多元接続技術（ＮＯＭＡ：Non-Orthogonal Multiple Access）が注目されている。従来のＬＴＥ（Long Term Evolution）やＬＴＥ－Ａｄｖａｎｃｅｄでは直交周波数多元接続技術（ＯＦＤＭＡ：Orthogonal Frequency Division Multiple Access）が用いられており、無線周波数帯を複数の直交サブキャリアに分割して、それぞれを１つのＵＥ（User Equipment）に割り当てることで、ＵＥ間の干渉を避けていた。

【0003】

一方、ＮＯＭＡでは、同じ時間、同じ周波数、同じ符号化方式のもと、送信電力を変えることで同じチャネルに複数のＵＥを多重化して送信し、受信時にはＳＩＣ（Successive Interference Cancellation）を用いることで復号を可能とし、多元接続を実現している。これにより、ＮＯＭＡでは限られた周波数資源の有効活用が可能となり、大規模接続やスループット性能の向上の実現が期待される。

【0004】

このＮＯＭＡ技術の活用のためには、ＵＥへのリソース割り当てとして、サブキャリア割り当てと電力割り当てを同時に最適化することが必要であり、非特許文献１ではリソース割り当ての最適化手法が提案されている。非特許文献１では１つの基地局（ＢＳ：Base Station）を対象としているが、実環境では、複数ＢＳで同時にリソース割り当てを行うため、他のＢＳからの干渉波を考慮する必要がある。また、複数ＢＳ、複数のサブキャリア、複数の電力の割り当ての組み合わせ数が更に膨大となるため、計算時間が割り当ての時間間隔に対して長くなってしまうことが懸念される。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0005】

【非特許文献1】Sun, Yan, et al. "Optimal joint power and subcarrier allocation for MC-NOMA systems." 2016 IEEE Global Communications Conference (GLOBECOM). IEEE, 2016.

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

実環境でＮＯＭＡを利用するためには、他のＢＳからの干渉波を考慮した上で、複数のＢＳで同時にリソース割り当てを最適化する必要がある。また、複数のＢＳにおける、複数のサブキャリアの割り当て、及び電力の割り当てを同時に考慮し、通信品質を最適化するリソース割り当て方法は組み合わせ数が膨大であるため、最適化のために長い計算時間を要し、リソース割り当て時間間隔内の算出が難しい。

【0007】

本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであって、ＮＯＭＡを利用する無線通信システムにおいて、各端末の通信品質を最適化するように、複数の基地局が持つリソースを複数の端末に割り当てる処理を高速に行うための技術を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

開示の技術によれば、制御区域内に存在する複数の基地局が持つリソースの複数の端末への割り当てを算出する制御装置であって、
各基地局が持つサブキャリアの各端末に対する割り当ての情報の初期値を算出するサブキャリア割り当て初期値演算部と、
前記サブキャリア割り当て初期値演算部により算出された前記初期値に基づいて、各端末に与えられた通信容量の平均値が最大となる各端末への電力割り当ての情報を算出する電力割り当て最適解演算部と、
前記電力割り当て最適解演算部により算出された前記電力割り当ての情報に基づいて、各端末に与えられた通信容量の平均値が最大となる各端末へのサブキャリア割り当ての情報を算出するためのハミルトニアンを生成するハミルトニアン生成部と、
前記ハミルトニアン生成部によって生成された前記ハミルトニアンを目的関数として最適化演算を行う装置に前記ハミルトニアンを入力し、前記装置から、演算結果として、前記サブキャリア割り当ての情報を取得するサブキャリア割り当て最適解収集部と、
前記電力割り当ての情報と前記サブキャリア割り当ての情報を出力する出力部と
を備える制御装置が提供される。

【発明の効果】

【0009】

開示の技術によれば、ＮＯＭＡを利用する無線通信システムにおいて、各端末の通信品質を最適化するように、複数の基地局が持つリソースを複数の端末に割り当てる処理を高速に行うことが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】本発明の実施の形態におけるシステムの構成例を示す図である。

【図2】制御装置の構成例を示す図である。

【図3】制御装置の動作例を示すフローチャートである。

【図4】制御装置の構成例を示す図である。

【図5】制御装置の動作例を示すフローチャートである。

【図6】装置のハードウェア構成例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、図面を参照して本発明の実施の形態（本実施の形態）を説明する。以下で説明する実施の形態は一例に過ぎず、本発明が適用される実施の形態は、以下の実施の形態に限られるわけではない。

【0012】

（システム構成例）
図１に本実施の形態におけるシステムの全体構成例を示す。図１に示すように、本実施の形態におけるシステムは、複数のＢＳ（基地局）と複数のＵＥ（端末）を備え、ＢＳとＵＥ間で無線通信を行う。ＢＳとＵＥとの間の無線通信方式は特定のものに限定されないが、例えば５Ｇ（ＮＲ）、６Ｇ等の無線通信方式である。また、ＢＳとＵＥ間の無線通信方式が無線ＬＡＮであってもよい。本実施の形態においては、ＢＳとＵＥとの間の無線通信にＮＯＭＡが利用される。

【0013】

図１に示すように、制御区域（制御対象区間）にある複数のＢＳの制御を行う制御装置１００が備えられる。制御装置を集中制御サーバと呼んでもよい。制御装置１００は、移動体通信網のコアネットワークを構成する装置であってもよいし、コアネットワーク外のネットワーク上の装置であってもよいし、あるＢＳあるいはあるＵＥが制御装置１００の役割を有していてもよい。

【0014】

制御装置１００は、各ＵＥの通信品質が最適になるように、制御区域内に存在する各ＢＳの各ＵＥに対するサブキャリア割り当て及び電力割り当てを決定し、決定した割り当て情報を各ＢＳに通知する。具体的な最適化の計算方法については後述する。なお、「サブキャリア」と「電力」を総称して「リソース」と呼んでもよい。

【0015】

（装置構成、動作概要）
図２に、制御装置１００の機能構成例を示す。図２に示すように、制御装置１００は、データ収集部１１０、サブキャリア割り当て初期値演算部１２０、電力割り当て最適解演算部１３０、ハミルトニアン生成部１４０、サブキャリア割り当て最適解収集部１５０、割り当て実行部１６０を備える。図２の矢印線で示すように演算結果等が機能部間で受け渡しされる。各機能部は、他の機能部に情報を渡す手段と、他の機能部から情報を受け取る手段を含む。なお、割り当て実行部１６０を出力部と呼んでもよい。

【0016】

また、アニーリングマシン２００がネットワークを介して制御装置１００に接続されている。アニーリングマシン２００は、制御装置１００の内部に備えられていてもよい。アニーリングマシン２００は、量子アニーリングの技術により、組合せ最適化処理を高速かつ高精度に実行する装置である。

【0017】

なお、以下の説明においてアニーリングマシン２００が実行することとしている最適解算出処理を高速に実行できる装置であれば、アニーリングマシン２００以外の装置をアニーリングマシン２００に代えて使用してもよい。

【0018】

制御装置１００における処理の流れを図３のフローチャートを参照して説明する。

【0019】

Ｓ１において、データ収集部１１０は、各ＵＥの位置を、当該ＵＥと通信を行うＢＳから受信し、制御装置１００の内部に入力する。なお、各ＢＳの位置については制御装置１００が予め保持しているものとする。

【0020】

ＢＳの位置とＵＥの位置は、後述するチャネルゲインの算出に利用される。なお、データ収集部１１０が、各ＵＥからサブキャリア毎のチャネル状態情報を取得し、取得したチャネル状態情報を用いてチャネルゲインを算出してもよい。

【0021】

Ｓ２において、サブキャリア割り当て初期値演算部１２０は、同一ＢＳの同一サブキャリアを割り当てられるＵＥ数は最大２までとする条件のもと、各ＢＳの持つサブキャリアの各ＵＥに対する割り当ての情報の初期値を算出する。

【0022】

Ｓ３において、電力割り当て最適解演算部１３０は、サブキャリア割り当て初期値演算部１２０から、各ＢＳの持つサブキャリアの各ＵＥに対する割り当ての情報の初期値を受け取り、当該割り当ての情報の初期値により各ＢＳでの各サブキャリアへの電力の割り当ては均一であるという条件のもと、各ＵＥに与えられた通信容量の平均値が最大となる各ＵＥへの電力割り当てを演算する。

【0023】

Ｓ４において、ハミルトニアン生成部１４０は、電力割り当て最適解演算部１３０から各ＵＥへの電力割り当て情報を受け取り、各ＵＥへの電力割り当て情報をもとに、各ＵＥに与えられた通信容量の平均値が最大となるサブキャリア割り当てを算出するためのハミルトニアンを生成し、生成したハミルトニアンをアニーリングマシン２００へ出力する。ハミルトニアン生成部１４０が生成するハミルトニアンは、例えばＱＵＢＯ形式によるハミルトニアンである。

【0024】

アニーリングマシン２００は、ハミルトニアン生成部１４０により生成されたハミルトニアンを目的関数として入力し、目的関数を最小化するような変数割り当てを出力する。

【0025】

Ｓ５において、サブキャリア割り当て最適解収集部１５０は、アニーリングマシン２００から出力された、目的関数を最小化するような変数割り当てを受信（収集）する。当該変数割り当てはサブキャリア割り当て最適解に相当する。つまり、当該変数割り当ては、各ＢＳの持つサブキャリアの各ＵＥに対する割り当ての情報である。サブキャリア割り当て最適解収集部１５０は、サブキャリア割り当て最適解を割り当て実行部１６０に渡す。割り当て実行部１６０には、電力割り当て最適解演算部１３０から電力割り当て最適解も渡される。

【0026】

Ｓ６において、割り当て実行部１６０は、各ＢＳに対して、サブキャリア割り当て情報と電力割り当て情報を送信する。各ＢＳでは、これらの情報に基づいて、各ＵＥへのサブキャリア割り当て及び電力割り当てを実行し、通信を行う。

【0027】

制御装置１００が、最適化問題を解く時間幅、つまりリソース割り当ての制御を行う時間幅をＣＴＩ（Control Time Interval）と呼び、ＣＴＩは任意の時間幅で設定する。

【0028】

制御装置１００が、あるＣＴＩにおける制御を実施するにあたり、制御対象となる区域内のＵＥをＵＥ集合Ｎとして、これらのＵＥから、各ＵＥ位置ｘ_ｎが前の制御時刻で割り当てられたＢＳを通じて制御装置１００に申告される。当該申告された各ＵＥ位置ｘ_ｎが、データ収集部１１０により入力される。

【0029】

もし前の制御時刻に割り当てられたＢＳが存在しない場合は、受信電力が最も高いプライマリＢＳを通じて申告されるとする。なお、これらの情報は過去の各ＵＥ位置ｘ_ｎあるいは別の情報源から推定、予測した値でも構わない。

【0030】

この場合、位置推定・予測機能は制御装置１００内にあってもよい。制御装置１００において、各ＢＳ位置ｙ_ｓが既知のもと、ユーザの通信品質を最適化するリソース割り当てを算出する。上記で説明した最適化問題をＣＴＩ毎に実施して実施結果に基づきＵＥに対して各サブキャリアの割り当てを行う。

【0031】

（最適化問題の詳細）
制御装置１００は、最適化問題を解くことで、各ＢＳにおける各ＵＥに対するリソース割り当てを決定する。その最適化問題について詳細に説明する。

【0032】

ＮＯＭＡが利用可能な環境の下、制御装置１００の制御区域にあるＵＥ集合をＮ＝｛１，２，…，Ｎ｝とし、ＢＳ集合をＢ＝｛１，２，…，Ｓ｝とする。各ＢＳのサブキャリア集合をＭ＝｛１，２，…，Ｍ｝とする。

【0033】

ｎ番目のＵＥに対して、ｓ番目のＢＳがｍ番目のサブキャリアを割り当てているかどうかをｖ_{ｓ，ｍ，ｎ}と表す。ｖ_{ｓ，ｍ，ｎ}∈｛０，１｝として、０のときを割り当てなし、１のときを割り当てありとする。

【0034】

続いて、チャネルモデル及びＮＯＭＡのモデルの説明を行う。本実施の形態では、各ＵＥの通信品質として通信容量を扱う。通信容量はＳＩＮＲを用いて表される。ＳＩＮＲ（Signal-to-Interference-plus-Noise Ratio）はＵＥの受信信号と干渉の比で表わされる。

【0035】

ｓ番目のＢＳからｍ番目のサブキャリアを割り当てた際のｎ番目のＵＥのチャネルゲインを｜ｇ_{ｓ，ｍ，ｎ}｜^２として、当該サブキャリアに対するＢＳの送信電力をＰ_{ｓ，ｍ，ｎ}とすると、ＵＥの受信信号はＰ_{ｓ，ｍ，ｎ}｜ｇ_{ｓ，ｍ，ｎ}｜^２で表現される。

【0036】

ＮＯＭＡでは、２つ以上のＵＥをＮＯＭＡグループとして、それらのＵＥに対して同じサブキャリアを割り当てるが、送信電力の強さを変えることで多重化している。その際、チャネルゲインがより小さいＵＥに対して、より強い送信電力で割り当てを行う。ＮＯＭＡグループに含まれるＵＥは、グループ内のより大きなチャネルゲインを持つＵＥへの信号をＳＩＣにより復号することで得たい信号を受信することができる。

【0037】

ｎ番目のＵＥが受ける干渉は、同じＢＳの同じサブキャリアを割り当てられたＮＯＭＡグループに含まれるＵＥへの信号から受ける干渉と、他のＢＳからの干渉があり、それぞれ、Ｉ_ｎと＾Ｉ_ｎとする。なお、明細書のテキストにおける記載の便宜上、文字の頭の上に記載される"＾"は、"＾Ｉ_ｎ"にように、文字の前に記載している。

【0038】

ＮＯＭＡグループに含まれるＵＥへの信号から受ける干渉Ｉ_ｎについて説明する。ｎ´番目のＵＥがｎ番目のＵＥと同じＮＯＭＡグループに所属しているとき、ｎ´番目のＵＥへのチャネルゲインの方が大きい場合、つまり、｜ｇ_{ｓ，ｍ，ｎ´}｜^２＞｜ｇ_{ｓ，ｍ，ｎ}｜^２のときは、ｎ番目のＵＥは、ｎ´番目のＵＥへの信号の干渉の影響を受けるが、ｎ´番目のＵＥへのチャネルゲインの方が小さい場合、つまり、｜ｇ_{ｓ，ｍ，ｎ´}｜^２＜｜ｇ_{ｓ，ｍ，ｎ}｜^２のときは、ｎ番目のＵＥは、ｎ´番目のＵＥへの信号をＳＩＣにより復号することで干渉の影響を受けない。

【0039】

ここで、ｓ番目のＢＳに対してｎ番目のＵＥよりチャネルゲインが大きいＵＥ集合をＮ_ｓ，ｎ＝｛ｎ´｜ｎ´∈Ｎ，｜ｇ_{ｓ，ｍ，ｎ´}｜^２＞｜ｇ_{ｓ，ｍ，ｎ}｜^２｝として、ノイズをＮ_０とすると、ｎ番目のＵＥのＳＩＮＲは数式（１）－（３）で表される。ただし、ここでは１つのＵＥに対しては最大１つのサブキャリアが割り当てられるとしている。

【0040】

【数1】

【0041】

【数2】

【0042】

【数3】

ｎ番目のＵＥの通信容量はＳＩＮＲを用いて、数式（４）で表される。

【0043】

【数4】

以下では、通信品質としてＵＥ間の平均通信容量の最大化を例として、最適化問題を解くことでリソース割り当てを決定する。可用帯域のＵＥ平均は数式（５）で表される。

【0044】

【数5】

これを最大化する
ｖ：＝｛ｖ_{ｓ，ｍ，ｎ}│ｓ∈Ｂ，ｍ∈Ｍ，ｎ∈Ｎ｝
Ｐ：＝｛Ｐ_{ｓ，ｍ，ｎ}｜ｓ∈Ｂ，ｍ∈Ｍ，ｎ∈Ｎ｝
を算出した結果に基づきリソース割り当てを行う。ここで、各ＢＳの電力の最大値をＰ_Ｔ、ｓ番目のＢＳのｍ番目のサブキャリアに割り当てた電力Ｐ_ｓ，ｍとしたとき、各ＢＳはＭ個のサブキャリアに対して電力を均等に割り当てるとする。つまり、Σ_{ｎ´´∈Ｎ}ｖ_{ｊ，ｍ，ｎ´´}が０より大きいとき、Ｐ_ｓ，ｍ＝（１／Ｍ）×Ｐ_Ｔが成り立つ。以上の最適化問題は下記の数式（６）－（９）により表される。

【0045】

【数6】

【0046】

【数7】

【0047】

【数8】

【0048】

【数9】

ここで、制約条件となる数式（７）－（９）について説明する。数式（７）は、１つのＵＥに対しては、１つのＢＳの１つのサブキャリアのみが割り当てられることを示す。数式（８）は、１つのＮＯＭＡグループに含まれるＵＥ数は最大２つ（２ユーザＮＯＭＡ）であることを示す。数式（９）は、ｓ番目のＢＳのｍ番目のサブキャリアに割り当てた電力（１／Ｍ）×Ｐ_Ｔは、ｓ番目のＢＳのｍ番目のサブキャリアが割り当てられたＵＥへの電力の和と等しいことを示す。なお、これらの制約は一例である。

【0049】

（最適化問題を解く方法について）
制御装置１００は、上記の最適化問題を解くことにより、各ＢＳの有する複数サブキャリアと電力の各ＵＥに対する割り当てを決定する。以下では、数式（６）－（９）の最適化問題を解く方法について説明する。

【0050】

まずは、サブキャリア割り当て初期値演算部１２０が、ｖの初期値を決定する。初期値の決定方法は、ランダムに与える、もしくはＢＳとＵＥの距離を加味して、近い順に割り当てるとして決定してもよい。

【0051】

電力割り当て最適解演算部１３０は、ｖの初期値のもとで、Ｐを最適化する。具体的には、サブキャリア割り当て初期値演算部１２０から受け取った、各ＢＳの持つサブキャリアの各ＵＥに対する割り当ての情報の初期値のもとで、各ＢＳでの各サブキャリアへの電力の割り当ては均一とする条件の下、各ＵＥに与えられた通信容量の平均値が最大となるように各ＵＥへの電力割り当てを演算する。

【0052】

具体的には、例えば、参考文献１「J. Zhu, J. Wang, Y. Huang, S. He, X. You, and L. Yang, "On optimal power allocation for downlink non-orthogonal multiple access systems," IEEE J. Sel. Areas Commun., vol. 35, no. 12, pp. 2744-2757, Dec. 2017.」の手法を用いてＰを最適化することができる。

【0053】

本実施の形態では、ここで得られたＰにおいて、最適なｖを算出する最適化問題をアニーリングマシン２００で演算する。その際に、当該問題をアニーリングマシン２００への入力可能な形式に変換する必要がある。

【0054】

ハミルトニアン生成部１４０が実行する、最適化問題をアニーリングマシン２００への入力可能な形式へ変換する方法を説明する。本実施の形態では、最適化問題をＱＵＢＯ（Quadratic Unconstrained Binary Optimization）形式に変換し、アニーリングマシン２００への入力とする。なお、ＱＵＢＯ形式を用いることは一例である。

【0055】

ＱＵＢＯ形式を用いる場合、アニーリングマシン２００へは、０か１を取る変数（ビット）からなるハミルトニアンを入力し、ハミルトニアンを最小化する変数の値を算出する。

【0056】

入力可能な形式へ変換するため、Ｐが与えられた場合の数式（６）－（９）の最適化問題は、数式（１０）に示す通り、イェンセン不等式を用いた近似により、通信容量のＵＥ平均の上限をＴ^＊として、Ｔ^＊の最大化問題と置き換える。

【0057】

【数10】

さらに、ｌｏｇ（１＋Ｘ）は単調増加関数であることより、ｌｏｇ（１＋Ｘ）の最大化問題は、Ｘの最大化問題に置き換えることができる。つまり、Ｔ^＊の最大化問題は、ＳＩＮＲのＵＥ平均の最大化問題と置き換えることができる。置き換えた新たな最適化問題を数式（１１）－（１４）に示す。

【0058】

【数11】

【0059】

【数12】

【0060】

【数13】

【0061】

【数14】

したがって、ＳＩＮＲのＱＵＢＯ形式を考える。Ω_{ｓ，ｍ，ｎ，ｎ´}＝Ｐ_{ｓ，ｍ，ｎ}｜ｇ_{ｓ，ｍ，ｎ´}｜^２と置くと、数式（１）－（３）は、数式（１５）－（１７）で書き換えられ、数式（１５）は数式（１６）を用いて数式（１８）に変形できる。

【0062】

【数15】

【0063】

【数16】

【0064】

【数17】

【0065】

【数18】

数式（１８）の第一項はＮＯＭＡグループ内のＵＥからの干渉を受ける場合で、第二項はＳＩＣによりＮＯＭＡグループ内のＵＥからの干渉を受けない場合を意味する。

【0066】

ここで、Σ_{ｎ´´∈Ｎ}ｖ_{ｊ，ｍ，ｎ´´}が１もしくは２のとき、Σ_{ｎ´´∈Ｎ}ｖ_{ｊ，ｍ，ｎ´´}Ｐ_{ｊ，ｍ，ｎ´´}＝（１／Ｍ）×Ｐ_Ｔとなることを用いると、数式（１９）に示すようにｗ_ｊ，ｍを定義すると、数式（２０）が成り立つ。ただし、Θ_{ｊ，ｍ，ｎ}＝（１／Ｍ）×Ｐ_Ｔ｜ｇ_{ｊ，ｍ，ｎ}｜^２とした。

【0067】

【数19】

【0068】

【数20】

数式（２０）は、ｗ_ｊ，ｍに関して高々（Ｓ－１）次多項式で表せ、数式（２１），（２２）とおくと、ｎ番目のＵＥのＳＩＮＲは数式（２３）となる。

【0069】

【数21】

【0070】

【数22】

【0071】

【数23】

これは、ｖ_{ｊ，ｍ，ｎ}に関して高々２Ｓ次多項式となるため、参考文献２「Dattani, Nike. "Quadratization in discrete optimization and quantum mechanics." arXiv preprint arXiv: 1901.04405 (2019). https://arxiv.org/abs/1901.04405」に記載の方法、システムにより二次多項式へ変換可能となる。以上より、数式（２４）の問題となり、最小化するハミルトニアンは数式（２５）となる。

【0072】

【数24】

【0073】

【数25】

ここで、Ｃ_１，Ｃ_２は、最適化係数を表し、ａ_ｓ，ｍは０か１の値を持つ追加の補助ビットを表す。

【0074】

ハミルトニアン生成部１４０がＨを生成し、アニーリングマシン２００に入力し、アニーリングマシン２００が、ｍｉｎｉｍｉｚｅ Ｈを満たすｖを算出し、サブキャリア割り当て最適解収集部１５０へ出力する。

【0075】

割り当て実行部１６０は、サブキャリア割り当て最適解収集部１５０により得られたｖと、電力割り当て最適解演算部１３０により得られたＰとを各ＢＳに通知する。各ＢＳは、これらのリソース割り当て情報に基づいて、各ＵＥへのサブキャリア割り当てを行って、割り当てられた電力で信号信号を行う。

【0076】

なお、例えば、ある特定のＢＳが、制御装置１００として機能する場合、当該特定のＢＳは自身でＵＥと通信するとともに、他のＢＳにリソース割り当て情報を通知する。

【0077】

（繰り返し演算について）
上記の例のように、１つのＣＴＩにおいて、１回の電力割り当て最適演算と１回のサブキャリア割り当て最適演算を行うこととしても良いし、最適演算により算出されたｖに基づき、再度Ｐを最適化するという操作を行っても良いし、Ｐの最適化とｖの最適化を複数回繰り返し実施してもよい。それによって得られたｖ、Ｐに基づき、各ＢＳはＵＥに対してサブキャリア及び電力の割り当てを行う。

【0078】

Ｐの最適化とｖの最適化を繰り返し行う場合の制御装置１００の構成例を図４に示す。また、図５は、この場合のフローチャートを示す。

【0079】

図４、図５に示すように、アニーリングマシン２００により算出されたｖが、サブキャリア割り当て最適解収集部１５０から電力割り当て最適演算部１３０に渡される。電力割り当て最適演算部１３０は、そのｖのもとで、最適なＰを算出する。そのＰによりＨが生成され、そのＰのもとで最適化されたｖが算出される。このような繰り返しが例えば予め定めた回数だけ行われる。また、最適化したＵＥの平均通信品質が閾値よりも良くなるまで繰り返すこととしてもよい。

【0080】

（装置のハードウェア構成例）
制御装置１００は、例えば、コンピュータに、本実施の形態で説明する処理内容を記述したプログラムを実行させることにより実現可能である。より具体的には、当該プログラムは、サブキャリア割り当て初期値を演算するモジュール、電力割り当ての最適解を演算するモジュール、及び、ハミルトニアンを生成するモジュールを少なくとも含む。

【0081】

上記プログラムは、コンピュータが読み取り可能な記録媒体（可搬メモリ等）に記録して、保存したり、配布したりすることが可能である。また、上記プログラムをインターネットや電子メール等、ネットワークを通して提供することも可能である。

【0082】

図６は、上記コンピュータのハードウェア構成例を示す図である。図６のコンピュータは、それぞれバスＢＳで相互に接続されているドライブ装置１０００、補助記憶装置１００２、メモリ装置１００３、ＣＰＵ１００４、インタフェース装置１００５、表示装置１００６、入力装置１００７、出力装置１００８等を有する。

【0083】

当該コンピュータでの処理を実現するプログラムは、例えば、ＣＤ－ＲＯＭ又はメモリカード等の記録媒体１００１によって提供される。プログラムを記憶した記録媒体１００１がドライブ装置１０００にセットされると、プログラムが記録媒体１００１からドライブ装置１０００を介して補助記憶装置１００２にインストールされる。但し、プログラムのインストールは必ずしも記録媒体１００１より行う必要はなく、ネットワークを介して他のコンピュータよりダウンロードするようにしてもよい。補助記憶装置１００２は、インストールされたプログラムを格納すると共に、必要なファイルやデータ等を格納する。

【0084】

メモリ装置１００３は、プログラムの起動指示があった場合に、補助記憶装置１００２からプログラムを読み出して格納する。ＣＰＵ１００４は、メモリ装置１００３に格納されたプログラムに従って、当該装置に係る機能を実現する。インタフェース装置１００５は、ネットワークに接続するためのインタフェースとして用いられる。例えば、インタフェース装置１００５は、ハミルトニアンをアニーリングマシン２００に入力し、演算結果をアニーリングマシン２００から受信する。

【0085】

表示装置１００６はプログラムによるＧＵＩ（Ｇｒａｐｈｉｃａｌ Ｕｓｅｒ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）等を表示する。入力装置１００７はキーボード及びマウス、ボタン、又はタッチパネル等で構成され、様々な操作指示を入力させるために用いられる。出力装置１００８は演算結果を出力する。

【0086】

（実施の形態の効果等）
以上、説明したように、制御装置１００において、各ＵＥの通信品質の最適化を実現するリソースの割り当てを高速に算出するため、当該最適化問題を、ＱＵＢＯ（Quadratic Unconstrained Binary Optimization）形式等の目的関数を入力として目的関数を最小化するような変数割り当てを出力する装置（例：アニーリングマシン２００）へ入力可能な形式への変換を行うこととし、当該装置の演算結果を用いてリソース割り当てを行うこととした。

【0087】

これにより、ＵＥが複数ＢＳに接続可能な状況において、限られたリソースの中でＵＥの通信品質を最大化する割り当ての最適解の高速な算出が可能となる。これにより、個々のＵＥの通信品質を向上するネットワークの提供が可能となる。

【0088】

（実施の形態のまとめ）
本明細書には、少なくとも下記各項の制御装置、リソース割り当て方法、及びプログラムが記載されている。
（第１項）
制御区域内に存在する複数の基地局が持つリソースの複数の端末への割り当てを算出する制御装置であって、
各基地局が持つサブキャリアの各端末に対する割り当ての情報の初期値を算出するサブキャリア割り当て初期値演算部と、
前記サブキャリア割り当て初期値演算部により算出された前記初期値に基づいて、各端末に与えられた通信容量の平均値が最大となる各端末への電力割り当ての情報を算出する電力割り当て最適解演算部と、
前記電力割り当て最適解演算部により算出された前記電力割り当ての情報に基づいて、各端末に与えられた通信容量の平均値が最大となる各端末へのサブキャリア割り当ての情報を算出するためのハミルトニアンを生成するハミルトニアン生成部と、
前記ハミルトニアン生成部によって生成された前記ハミルトニアンを目的関数として最適化演算を行う装置に前記ハミルトニアンを入力し、前記装置から、演算結果として、前記サブキャリア割り当ての情報を取得するサブキャリア割り当て最適解収集部と、
前記電力割り当ての情報と前記サブキャリア割り当ての情報を出力する出力部と
を備える制御装置。
（第２項）
前記サブキャリア割り当て初期値演算部は、同一基地局の同一サブキャリアを割り当てられる端末数は最大２までとする条件のもと、前記初期値を算出し、
前記電力割り当て最適解演算部は、各基地局での各サブキャリアへの電力の割り当ては均一とする条件のもと、前記電力割り当ての情報を算出する
第１項に記載の制御装置。
（第３項）
前記ハミルトニアンは、ＱＵＢＯ形式によるハミルトニアンである
第１項又は第２項に記載の制御装置。
（第４項）
前記サブキャリア割り当て最適解収集部により取得された前記サブキャリア割り当ての情報を前記電力割り当て最適解演算部に入力し、前記電力割り当て最適解演算部が前記サブキャリア割り当ての情報に基づいて、各端末に与えられた通信容量の平均値が最大となる各端末への電力割り当ての情報を算出する
第１項ないし第３項のうちいずれか１項に記載の制御装置。
（第５項）
制御区域内に存在する複数の基地局が持つリソースの複数の端末への割り当てを算出する制御装置が実行するリソース割り当て方法であって、
各基地局が持つサブキャリアの各端末に対する割り当ての情報の初期値を算出するサブキャリア割り当て初期値演算ステップと、
前記サブキャリア割り当て初期値演算ステップにより算出された前記初期値に基づいて、各端末に与えられた通信容量の平均値が最大となる各端末への電力割り当ての情報を算出する電力割り当て最適解演算ステップと、
前記電力割り当て最適解演算ステップにより算出された前記電力割り当ての情報に基づいて、各端末に与えられた通信容量の平均値が最大となる各端末へのサブキャリア割り当ての情報を算出するためのハミルトニアンを生成するハミルトニアン生成ステップと、
前記ハミルトニアン生成ステップによって生成された前記ハミルトニアンを目的関数として最適化演算を行う装置に前記ハミルトニアンを入力し、前記装置から、演算結果として、前記サブキャリア割り当ての情報を取得するサブキャリア割り当て最適解収集ステップと、
前記電力割り当ての情報と前記サブキャリア割り当ての情報を出力する出力ステップと
を備えるリソース割り当て方法。
（第６項）
コンピュータを、第１項ないし第４項のうちいずれか１項に記載の制御装置における各部として機能させるためのプログラム。

【0089】

以上、本実施の形態について説明したが、本発明はかかる特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

【符号の説明】

【0090】

１００ 制御装置
１１０ データ収集部
１２０ サブキャリア割り当て初期値演算部
１３０ 電力割り当て最適解演算部
１４０ ハミルトニアン生成部
１５０ サブキャリア割り当て最適解収集部
１６０ 割り当て実行部
１０００ ドライブ装置
１００１ 記録媒体
１００２ 補助記憶装置
１００３ メモリ装置
１００４ ＣＰＵ
１００５ インタフェース装置
１００６ 表示装置
１００７ 入力装置
１００８ 出力装置

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】