特開 2024-141209 通信システム、基地局および通信方法

(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】P2024141209

(43)【公開日】2024-10-10

(54)【発明の名称】通信システム、基地局および通信方法

(51)【国際特許分類】

   H04L 27/26 20060101AFI20241003BHJP

   H04J 99/00 20090101ALI20241003BHJP

   H04B 7/0413 20170101ALI20241003BHJP

   H04W 72/0453 20230101ALI20241003BHJP

   H04W 72/0446 20230101ALI20241003BHJP

   H04W 72/115 20230101ALI20241003BHJP

【ＦＩ】

H04L27/26 110

H04J99/00 100

H04B7/0413

H04W72/0453

H04W72/0446

H04W72/115

【審査請求】未請求

【請求項の数】14

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023052725

(22)【出願日】2023-03-29

【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４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」委託研究 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】上田 康平

(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）】

5K067AA23

5K067CC02

5K067CC04

5K067EE02

5K067EE10

(57)【要約】

【課題】ＧＦ－ＮＯＭＡ通信のデータレートを向上する。
【解決手段】複数の端末は、所定のデータ構造を有する送信信号（４）を、グラントフリー通信で、互いに独立に送信する。基地局は、複数の端末から受信した複数の送信信号のそれぞれに含まれるデータ信号（４２）を、データ構造に基づいて推定する。基地局の指定部（２２１）は、それぞれの端末に固有のデータ構造を指定する。基地局の受信部（２２２）は、複数の送信信号を１つの受信信号（５）としておのおのが受信する複数のアンテナ（２０）を備える。基地局の推定部（２２３）は、グラントフリー通信に係る複数の確率分布の関係性をモデル化したファクターグラフ（９０、９２）と、データ構造とに基づいてデータ信号を推定する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

所定のデータ構造を有する送信信号を、通信許可の取得を省略したグラントフリー通信で、互いに独立に送信する複数の端末と、
前記複数の端末から受信した複数の前記送信信号のそれぞれに含まれるデータ信号を、前記データ構造に基づいて推定する基地局と
を備え、
前記基地局は、
前記複数の端末のそれぞれに固有の前記データ構造と、前記複数の端末が前記送信信号を所定の精度で同期して送信するためのタイミングとを指定する指定部と、
前記複数の送信信号を１つの受信信号としておのおのが受信する複数のアンテナを備える受信部と、
前記グラントフリー通信に係る複数の確率分布の関係性をモデル化したファクターグラフと、前記データ構造とに基づいて前記データ信号を推定する推定部と、
推定した前記データ信号を表す情報を外部に出力する出力部と
を備え、
前記複数の確率分布は、
所定の前記タイミングで前記複数の端末のうち前記送信信号を送信したアクティブ端末の集合を表すアクティビティの確率分布と、
前記複数のアクティブ端末から前記基地局の前記複数のアンテナへ届いた前記複数の送信信号がおのおの通過した通信路の確率分布と、
前記受信信号の確率分布と、
前記データ信号の確率分布と
を含む
通信システム。

【請求項2】

請求項１に記載の通信システムにおいて、
前記送信信号は、
互いに異なる複数の時間スロットでそれぞれ送信される複数のＯＦＤＭ（Ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ：直交周波数分割多重）シンボル
を含み、
前記複数のＯＦＤＭシンボルのそれぞれは、
互いに異なる複数の周波数帯域にそれぞれ割り当てられた複数のサブキャリア成分
を含み、
前記データ構造を有する前記送信信号は、
パイロット信号を含む第１ＯＦＤＭシンボルと、
前記データ信号を含み、前記第１ＯＦＤＭシンボルより後の時間スロットで送信される第２ＯＦＤＭシンボルと、
前記パイロット信号を含み、前記第２ＯＦＤＭシンボルより後の時間スロットで送信される第３ＯＦＤＭシンボルと
を含み、
前記基地局の前記指定部は、前記第２ＯＦＤＭシンボルに含まれる前記複数のサブキャリア成分のうち、前記データ信号を含む使用サブキャリア成分と、前記データ信号を含まない不使用サブキャリア成分との配置を、それぞれの前記端末に固有のパターンとして指定する
通信システム。

【請求項3】

請求項２に記載の通信システムにおいて、
前記データ構造を有する前記送信信号は、
前記第１ＯＦＤＭシンボルより後、かつ、前記第３ＯＦＤＭシンボルより前の時間スロットで送信される複数の前記第２ＯＦＤＭシンボル
を含み、
同一の前記端末が送信する前記送信信号に含まれる前記複数の第２ＯＦＤＭシンボルのそれぞれは、前記使用サブキャリア成分および前記不使用サブキャリア成分の配置において同一の前記パターンを有する
通信システム。

【請求項4】

請求項３に記載の通信システムにおいて、
前記指定部は、前記データ構造を指定するとき、
前記複数のアクティブ端末のうち、２つ以上のアクティブ端末が、同一の前記時間スロットにおいて、同一のサブキャリアで前記データ信号を送信することと、
同一の前記ＯＦＤＭシンボルにおける複数のサブキャリア成分で互いに異なる前記データ信号を送信することと
を許容する
通信システム。

【請求項5】

請求項４に記載の通信システムにおいて、
前記第１ＯＦＤＭシンボルおよび前記第３ＯＦＤＭシンボルのそれぞれは、前記複数のサブキャリア成分の全てに前記パイロット信号が配置されている
通信システム。

【請求項6】

請求項５に記載の通信システムにおいて、
前記送信信号が含む前記複数のＯＦＤＭシンボルのうち、
前記第１ＯＦＤＭシンボルは前記複数の時間スロットのうちの最初の時間スロットで送信され、
前記第３ＯＦＤＭシンボルは前記複数の時間スロットのうちの最後の時間スロットで送信される
通信システム。

【請求項7】

請求項２～６のいずれか一項に記載の通信システムにおいて、
前記推定部は、
第１繰り返し処理として、前記アクティビティの推定処理と、前記通信路の推定処理と、搬送波周波数オフセットの推定処理とを、所定の第１条件が満たされるまで繰り返し、
前記第１繰り返し処理に含まれる第２繰り返し処理として、前記通信路の確率分布と、前記アクティビティの確率分布との関係性をモデル化した第１ファクターグラフに基づいてノード間のメッセージを更新する処理を、所定の第２条件が満たされるまで繰り返し、
前記第２繰り返し処理に含まれる第３繰り返し処理として、前記データ信号の確率分布と、受信信号の確率分布との関係性をモデル化した第２ファクターグラフに基づいてノード間のメッセージを更新する処理を、所定の第３条件が満たされるまで繰り返し、
前記第１繰り返し処理、前記第２繰り返し処理および前記第３繰り返し処理で得られた結果に基づいて、前記データ信号を推定する
通信システム。

【請求項8】

請求項７に記載の通信システムにおいて、
前記推定部は、さらに、
前記複数のアクティブ端末の番号を前記複数の端末の番号に変換する変換行列を確率分布の分散のビリーフを算出し、
前記第１条件は、
前記アクティビティの推定値と前記ビリーフとの間に誤りが無いこと、または、前記第１繰り返し処理を繰り返した回数が所定の第１閾値に達すること
を含む
通信システム。

【請求項9】

請求項７に記載の通信システムにおいて、
前記第１ファクターグラフは、
前記複数のアクティブ端末と、前記複数のサブキャリア成分と、前記複数のアンテナとの組み合わせごとの、前記通信路の確率分布を表す第１変数ノードと、
前記複数のアクティブ端末と、前記複数のサブキャリア成分と、前記複数のアンテナとの組み合わせごとの、前記通信路および前記アクティビティの積の確率分布を表す第２変数ノードと、
前記複数のサブキャリア成分と、前記複数のアンテナとの組み合わせごとの、前記アクティビティの尤度比の正規化表現を表す確率分布を表す第３変数ノードと、
前記第１変数ノード、前記第２変数ノードおよび前記第３変数ノードのそれぞれの前記確率分布の関係を拘束する関数を表す第１ファクターノードと、
前記第２変数ノードの前記確率分布を拘束する関数を表す第２ファクターノードと、
前記第３変数ノードの前記確率分布を拘束する関数を表す第３ファクターノードと
を含む
通信システム。

【請求項10】

請求項９に記載の通信システムにおいて、
前記第２繰り返し処理は、
前記第１ファクターノード、前記第２ファクターノードおよび前記第３ファクターノードのそれぞれの前記関数に基づいて、前記第１変数ノード、前記第２変数ノードおよび前記第３変数ノードのそれぞれの前記確率分布を更新する処理
を含み、
前記第２条件は、
前記第２繰り返し処理を繰り返した回数が所定の第２閾値に達すること
を含む
通信システム。

【請求項11】

請求項７に記載の通信システムにおいて、
前記第２ファクターグラフは、
前記複数のアクティブ端末と、前記複数のサブキャリア成分と、前記複数のアンテナとの組み合わせごとの、前記データ信号の確率分布を表す第４変数ノードと、
前記複数のアクティブ端末と、前記複数のサブキャリア成分と、前記複数のアンテナとの組み合わせごとの、前記アクティビティおよび前記通信路の組み合わせの確率分布を表す第５変数ノードと、
前記複数のアクティブ端末と、前記複数のサブキャリア成分と、前記複数のアンテナとの組み合わせごとの、前記データ信号と、前記アクティビティおよび前記通信路の組み合わせとの積の確率分布を表す第６変数ノードと、
前記複数のサブキャリア成分と、前記複数のアンテナとの組み合わせごとの、前記第６変数ノードの前記確率分布を前記複数のアクティブ端末ごとに加算した総和の確率分布を表す第７変数ノードと、
前記第４変数ノードの前記確率分布を拘束する関数を表す第４ファクターノードと、
前記第４変数ノード、前記第５変数ノードおよび前記第６変数ノードのそれぞれの前記確率分布の関係を拘束する関数を表す第５ファクターノードと、
前記前記第６変数ノードおよび前記第７変数ノードのそれぞれの前記確率分布の関係を拘束する関数を表す第６ファクターノードと、
前記第７変数ノードの前記確率分布を拘束する関数を表す第７ファクターノードと
を含む
通信システム。

【請求項12】

請求項１１に記載の通信システムにおいて、
前記第３繰り返し処理は、
前記第４ファクターノード、前記第５ファクターノード、前記第６ファクターノードおよび前記第７ファクターノードのそれぞれの前記関数に基づいて、前記第４変数ノード、前記第５変数ノード、前記第６変数ノードおよび前記第７変数ノードのそれぞれの前記確率分布を更新する処理
を含み、
前記第３条件は、
前記第３繰り返し処理を繰り返した回数が所定の第３閾値に達すること
を含む
通信システム。

【請求項13】

所定のデータ構造を有する送信信号を、通信許可の取得を省略したグラントフリー通信で、互いに独立に送信する複数の端末のそれぞれに、固有の前記データ構造と、前記複数の端末が前記送信信号を所定の精度で同期して送信するためのタイミングとを指定する指定部と、
前記複数の送信信号を１つの受信信号としておのおのが受信する複数のアンテナを備える受信部と、
前記複数の端末から受信した複数の前記送信信号のそれぞれに含まれるデータ信号を、前記グラントフリー通信に係る複数の確率分布の関係性をモデル化したファクターグラフと、前記データ構造とに基づいて推定する推定部と、
推定した前記データ信号を表す情報を外部に出力する出力部と
を備え、
前記複数の確率分布は、
所定の前記タイミングで前記複数の端末のうち前記送信信号を送信したアクティブ端末の集合を表すアクティビティの確率分布と、
前記複数のアクティブ端末から前記複数のアンテナへ届いた前記複数の送信信号がおのおの通過した通信路の確率分布と、
前記受信信号の確率分布と、
前記データ信号の確率分布と
を含む
基地局。

【請求項14】

所定のデータ構造を有する送信信号を、通信許可の取得を省略したグラントフリー通信で、互いに独立に送信する複数の端末のそれぞれに、固有の前記データ構造と、前記複数の端末が前記送信信号を所定の精度で同期して送信するためのタイミングとを指定することと、
前記複数の送信信号を１つの受信信号として、複数のアンテナのおのおので受信することと、
前記複数の端末から受信した複数の前記送信信号のそれぞれに含まれるデータ信号を、前記グラントフリー通信に係る複数の確率分布の関係性をモデル化したファクターグラフと、前記データ構造とに基づいて推定することと、
推定した前記データ信号を表す情報を外部に出力することと
を含み、
前記複数の確率分布は、
所定の前記タイミングで前記複数の端末のうち前記送信信号を送信したアクティブ端末の集合を表すアクティビティの確率分布と、
前記複数のアクティブ端末から前記複数のアンテナへ届いた前記複数の送信信号がおのおの通過した通信路の確率分布と、
前記受信信号の確率分布と、
前記データ信号の確率分布と
を含む
通信方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は通信システム、基地局および通信方法に関し、例えば、グラントフリーな通信システムに好適に利用できるものである。

【背景技術】

【0002】

第５世代移動通信システム（５Ｇ）では、ｅＭＢＢ（ｅｎｈａｎｃｅｄ Ｍｏｂｉｌｅ Ｂｒｏａｄｂａｎｄ）技術による高速大容量通信、ＵＲＬＬＣ（Ｕｌｔｒａ－Ｒｅｌｉａｂｌｅ ａｎｄ Ｌｏｗ Ｌａｔｅｎｃｙ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ）技術による高信頼通信および低遅延通信、ｍＭＴＣ（ｍａｓｓｉｖｅ ｍａｃｈｉｎｅ－ｔｙｐｅ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ）技術による多数端末との同時接続などが実現されている。第５世代移動通信システムの高度化（５Ｇ＋）や第６世代移動通信システム（６Ｇ）では、さらなる要求を複数同時に満たすことが求められている。

【0003】

一例として、多数同時接続と低遅延の要求を同時に満たすシステムが検討されている。このような通信システムとして、ＧＦ－ＮＯＭＡ（Ｇｒａｎｔ－Ｆｒｅｅ Ｎｏｎ－Ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ａｃｃｅｓｓ：グラントフリー非直交多元接続）がある。ＧＦ－ＮＯＭＡはグラントフリー通信の特徴を有しており、ユーザ端末が基地局から通信許可（グラント）を取得する工程を省略することによって、低遅延性を確保することができる。また、ＧＦ－ＮＯＭＡは非直交多元接続通信の特徴を有しており、時間領域および周波数領域を組み合わせた複数のリソースのうち、同一のリソースを複数のユーザ端末が共有することで、１つの基地局で多数のユーザ端末を収容できる。

【0004】

ＧＦ－ＮＯＭＡ通信では、基地局が、アクティブユーザ検出と、通信路推定と、データ信号検出とを行う。アクティブユーザ検出とは、基地局と通信可能な複数のユーザ端末のうち、注目している時刻に信号を送信したアクティブ端末の集合を検出するための処理である。通信路推定とは、アクティブ端末が基地局へ送信した信号が通った通信路を推定するための処理である。データ信号検出とは、複数のアクティブ端末から同時に送信された複数の信号に含まれるデータ信号を個別に検出するための処理である。

【0005】

上記に関連して、非特許文献１（Ｔ． Ｈａｒａ， ａｎｄ Ｋ． Ｉｓｈｉｂａｓｈｉ、“Ｇｒａｎｔ－Ｆｒｅｅ Ｎｏｎ－Ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ａｃｃｅｓｓ Ｗｉｔｈ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ－Ａｎｔｅｎｎａ Ｂａｓｅ Ｓｔａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｉｔｓ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ Ｒｅｃｅｉｖｅｒ Ｄｅｓｉｇｎ”、ＩＥＥＥ Ａｃｃｅｓｓ、ｖｏｌ． ７、ｐｐ． １７５７１７～１７５７２６、２０１９年）には、アクティブユーザ検出と通信路推定とを行った後、データ信号検出を行う手法が開示されている。この手法は、ＭＭＶ－ＡＭＰ（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ Ｖｅｃｔｏｒ Ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｅ Ｍｅｓｓａｇｅ Ｐａｓｓｉｎｇ）技術を用いる。

【0006】

ただし、非特許文献１は、データを拡散する先の信号を送信するために比較的長い時間を必要とするため、データレートが低下する、という観点から現実的とは言い難い。

【0007】

非特許文献２（Ｈ． Ｉｉｍｏｒｉ， Ｔ． Ｔａｋａｈａｓｈｉ， Ｋ． Ｉｓｈｉｂａｓｈｉ， Ｇ． Ｔ． Ｆ． ｄｅ Ａｂｒｅｕ， ａｎｄ Ｗ． Ｙｕ、“Ｇｒａｎｔ－Ｆｒｅｅ Ａｃｃｅｓｓ ｖｉａ Ｂｉｌｉｎｅａｒ Ｉｎｆｅｒｅｎｃｅ ｆｏｒ Ｃｅｌｌ－Ｆｒｅｅ ＭＩＭＯ Ｗｉｔｈ Ｌｏｗ－Ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ Ｐｉｌｏｔｓ”、ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ． Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｃｏｍｍｕｎ．、ｖｏｌ． ２０、ｎｏ． １１、ｐｐ． ７６９４－７７１０、２０２１年１１月）には、アクティブユーザ検出と、通信路推定と、データ信号検出とを同時に行う手法が開示されている。この手法は、双線形推論を用い、データの拡散を行わないため、比較的高いデータレートを維持することができる。

【0008】

ただし、非特許文献２は、同時推定を行うために、ユーザ端末と同じ数のアンテナを基地局に設ける必要がある、という観点から現実的とは言い難い。

【0009】

非特許文献３（Ｙ． Ｚｈａｎｇ， Ｚ． Ｙｕａｎ， Ｑ． Ｇｕｏ， Ｚ． Ｗａｎｇ， Ｊ． Ｘｉ， ａｎｄ Ｙ． Ｌｉ、“Ｂａｙｅｓｉａｎ ｒｅｃｅｉｖｅｒ ｄｅｓｉｇｎ ｆｏｒ ｇｒａｎｔ－ｆｒｅｅ ＮＯＭＡ ｗｉｔｈ ｍｅｓｓａｇｅ ｐａｓｓｉｎｇ ｂａｓｅｄ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄ ｓｉｇｎａｌ ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ”、ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ． Ｖｅｈ． Ｔｅｃｈｎｏｌ．、ｖｏｌ． ６９、ｎｏ． ８、ｐｐ． ８６４３～８６５６、２０２０年８月）では、ＯＦＤＭ（Ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ－Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ：直交周波数分割多重）を改良したＬＤＳ－ＯＦＤＭ（Ｌｏｗ Ｄｅｎｓｉｔｙ Ｓｉｇｎａｔｕｒｅ ＯＦＤＭ）に基づく手法が開示されている。この手法は、各ユーザ端末が送信する信号で使用する複数のサブキャリアの組み合わせパターンを利用して、アクティブユーザ検出と、通信路推定と、データ信号検出とを同時に行う。

【0010】

ただし、非特許文献３の手法は、１つのＯＦＤＭシンボルに含まれる複数のサブキャリアのそれぞれで同一のデータシンボルだけが伝送可能であるため、データレートが低下する、という観点から現実的とは言い難い。

【0011】

非特許文献４（Ｌ． Ｙａｎｇ， Ｐ． Ｆａｎ， Ｄ． ＭｃＬｅｒｎｏｎ ａｎｄ Ｌ． Ｚｈａｎｇ、“Ｄａｔａ－Ａｉｄｅｄ Ａｃｔｉｖｅ Ｕｓｅｒ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ Ｗｉｔｈ Ｆａｌｓｅ Ａｌａｒｍ Ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ ｉｎ Ｇｒａｎｔ－Ｆｒｅｅ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ”、ｉｎ ＩＥＥＥ Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ、ｖｏｌ． １２、ｎｏ． １、ｐｐ． １４３～１４７、２０２３年１月）では、ＬＤＳ－ＯＦＤＭに基づいてデータ信号を用いて性能を向上したＧＦ－ＮＯＭＡの手法が開示されている。この手法では、データ信号の構造を利用して、データ信号検出の工程でアクティブユーザ検出の誤りを修正することができる。

【0012】

ただし、非特許文献４の手法は、１つのＯＦＤＭシンボルに含まれる複数のサブキャリアのそれぞれで同一のデータシンボルだけが伝送可能であるため、データレートが低下するのみならず、基地局において通信路が既知であることが前提となっており、かつ、実装上の課題である搬送波周波数オフセットへの対処が困難である、という観点から現実的とは言い難い。

【0013】

非特許文献５（上田康平，原郁紀，石橋功至、“ＯＦＤＭを用いたグラントフリー非直交多元接続のための期待値最大化による搬送波周波数オフセット補償”、第４５回情報理論とその応用シンポジウム、ｖｏｌ． ６９、ｐｐ． ８２～８７、２０２２年１１月）では、搬送波周波数オフセットを推定する精度を向上するために、送信フレームに含まれる最初および最後のＯＦＤＭシンボルにパイロット信号を配置する手法が開示されている。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0014】

【非特許文献1】Ｔ． Ｈａｒａ， ａｎｄ Ｋ． Ｉｓｈｉｂａｓｈｉ、“Ｇｒａｎｔ－Ｆｒｅｅ Ｎｏｎ－Ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ａｃｃｅｓｓ Ｗｉｔｈ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ－Ａｎｔｅｎｎａ Ｂａｓｅ Ｓｔａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｉｔｓ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ Ｒｅｃｅｉｖｅｒ Ｄｅｓｉｇｎ”、ＩＥＥＥ Ａｃｃｅｓｓ、ｖｏｌ． ７、ｐｐ． １７５７１７～１７５７２６、２０１９年

【非特許文献2】Ｈ． Ｉｉｍｏｒｉ， Ｔ． Ｔａｋａｈａｓｈｉ， Ｋ． Ｉｓｈｉｂａｓｈｉ， Ｇ． Ｔ． Ｆ． ｄｅ Ａｂｒｅｕ， ａｎｄ Ｗ． Ｙｕ、“Ｇｒａｎｔ－Ｆｒｅｅ Ａｃｃｅｓｓ ｖｉａ Ｂｉｌｉｎｅａｒ Ｉｎｆｅｒｅｎｃｅ ｆｏｒ Ｃｅｌｌ－Ｆｒｅｅ ＭＩＭＯ Ｗｉｔｈ Ｌｏｗ－Ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ Ｐｉｌｏｔｓ”、ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ． Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｃｏｍｍｕｎ．、ｖｏｌ． ２０、ｎｏ． １１、ｐｐ． ７６９４～７７１０、２０２１年１１月

【非特許文献3】Ｙ． Ｚｈａｎｇ， Ｚ． Ｙｕａｎ， Ｑ． Ｇｕｏ， Ｚ． Ｗａｎｇ， Ｊ． Ｘｉ， ａｎｄ Ｙ． Ｌｉ、“Ｂａｙｅｓｉａｎ ｒｅｃｅｉｖｅｒ ｄｅｓｉｇｎ ｆｏｒ ｇｒａｎｔ－ｆｒｅｅ ＮＯＭＡ ｗｉｔｈ ｍｅｓｓａｇｅ ｐａｓｓｉｎｇ ｂａｓｅｄ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄ ｓｉｇｎａｌ ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ”、ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ． Ｖｅｈ． Ｔｅｃｈｎｏｌ．、ｖｏｌ． ６９、ｎｏ． ８、ｐｐ． ８６４３～８６５６、２０２０年８月

【非特許文献4】Ｌ． Ｙａｎｇ， Ｐ． Ｆａｎ， Ｄ． ＭｃＬｅｒｎｏｎ ａｎｄ Ｌ． Ｚｈａｎｇ、“Ｄａｔａ－Ａｉｄｅｄ Ａｃｔｉｖｅ Ｕｓｅｒ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ Ｗｉｔｈ Ｆａｌｓｅ Ａｌａｒｍ Ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ ｉｎ Ｇｒａｎｔ－Ｆｒｅｅ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ”、ｉｎ ＩＥＥＥ Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ、ｖｏｌ． １２、ｎｏ． １、ｐｐ． １４３～１４７、２０２３年１月

【非特許文献5】上田康平，原郁紀，石橋功至、“ＯＦＤＭを用いたグラントフリー非直交多元接続のための期待値最大化による搬送波周波数オフセット補償”、第４５回情報理論とその応用シンポジウム、ｖｏｌ． ６９、ｐｐ． ８２～８７、２０２２年１１月

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0015】

上記状況に鑑み、本開示は、ＧＦ－ＮＯＭＡ通信のデータレートを向上する通信システム、基地局および通信方法を提供することを目的の１つとする。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】

【0016】

以下に、発明を実施するための形態で使用される番号・符号を用いて、課題を解決するための手段を説明する。これらの番号・符号は、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の一例を示すために、参考として、括弧付きで付加されたものである。よって、括弧付きの記載により、特許請求の範囲は、限定的に解釈されるべきではない。

【0017】

一実施の形態によれば、通信システム（１）は、複数の端末（３）と、基地局（２）とを備える。複数の端末（３）は、所定のデータ構造を有する送信信号（４）を、通信許可の取得を省略したグラントフリー通信で、互いに独立に送信する。基地局（２）は、複数の端末（３）から受信した複数の送信信号（４）のそれぞれに含まれるデータ信号（４２）を、データ構造に基づいて推定する。基地局（２）は、指定部（２２１）と、受信部（２２２）と、推定部（２２３）と、出力部（２２４）とを備える。指定部（２２１）は、それぞれの端末（３）に固有のデータ構造と、複数の端末（３）が送信信号（４）を所定の精度で同期して送信するためのタイミングとを指定する。受信部（２２２）は、複数の送信信号（４）を１つの受信信号（５）としておのおのが受信する複数のアンテナ（２０）を備える。推定部（２２３）は、グラントフリー通信に係る複数の確率分布の関係性をモデル化したファクターグラフ（９０、９２）と、データ構造とに基づいてデータ信号（４２）を推定する。出力部（２２４）は、推定したデータ信号（４２）を表す情報を外部に出力する。複数の確率分布は、所定のタイミングで複数の端末（３）のうち送信信号（４）を送信したアクティブ端末（３０１）の集合を表すアクティビティの確率分布と、複数のアクティブ端末（３０１）から基地局（２）の複数のアンテナ（２０）へ届いた複数の送信信号（４）がおのおの通過した通信路の確率分布と、受信信号（５）の確率分布と、データ信号（４２）の確率分布とを含む。

【0018】

一実施の形態によれば、基地局（２）は、指定部（２２１）と、受信部（２２２）と、推定部（２２３）と、出力部（２２４）とを備える。指定部（２２１）は、所定のデータ構造を有する送信信号（４）を、通信許可の取得を省略したグラントフリー通信で、互いに独立に送信する複数の端末（３）のそれぞれに、固有のデータ構造と、複数の端末（３）が送信信号（４）を所定の精度で同期して送信するためのタイミングとを指定する。受信部（２２２）は、複数の送信信号（４）を１つの受信信号（５）としておのおのが受信する複数のアンテナ（２０）を備える。推定部（２２３）は、複数の端末（３）から受信した複数の送信信号（４）のそれぞれに含まれるデータ信号（４２）を、グラントフリー通信に係る複数の確率分布の関係性をモデル化したファクターグラフ（９０、９２）と、データ構造とに基づいて推定する。出力部（２２４）は、推定したデータ信号（４２）を表す情報を外部に出力する。複数の確率分布は、所定のタイミングで複数の端末（３）のうち送信信号（４）を送信したアクティブ端末（３０１）の集合を表すアクティビティの確率分布と、複数のアクティブ端末（３０１）から基地局（２）の複数のアンテナ（２０）へ届いた複数の送信信号（４）がおのおの通過した通信路の確率分布と、受信信号（５）の確率分布と、データ信号（４２）の確率分布とを含む。

【0019】

一実施の形態によれば、通信方法は、所定のデータ構造を有する送信信号（４）を、通信許可の取得を省略したグラントフリー通信で、互いに独立に送信する複数の端末（３）のそれぞれに、固有のデータ構造と、複数の端末（３）が送信信号（４）を所定の精度で同期して送信するためのタイミングとを指定すること（Ｓ２２）を含む。通信方法は、さらに、複数の送信信号（４）を１つの受信信号（５）として、複数のアンテナ（２０）のおのおので受信すること（Ｓ２３１）を含む。通信方法は、さらに、複数の端末（３）から受信した複数の送信信号（５）のそれぞれに含まれるデータ信号（４２）を、グラントフリー通信に係る複数の確率分布の関係性をモデル化したファクターグラフ（９０、９２）と、データ構造とに基づいて推定すること（Ｓ２３３～Ｓ２３８）を含む。通信方法は、さらに、推定したデータ信号（４２）を表す情報を外部に出力すること（Ｓ２３９）を含む。複数の確率分布は、所定のタイミングで複数の端末（３）のうち送信信号（４）を送信したアクティブ端末（３０１）の集合を表すアクティビティの確率分布と、複数のアクティブ端末（３０１）から基地局（２）の複数のアンテナ（２０）へ届いた複数の送信信号（４）がおのおの通過した通信路の確率分布と、受信信号（５）の確率分布と、データ信号（４２）の確率分布とを含む。

【発明の効果】

【0020】

一実施の形態によれば、ＧＦ－ＮＯＭＡ通信のデータレートを向上することができる。

【図面の簡単な説明】

【0021】

【図1】図１は、一実施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、一実施形態によるユーザ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、一実施形態による通信方法のうち、基地局およびユーザ端末が行う処理の一例を示すシーケンス図である。

【図5A】図５Ａは、一実施形態による通信方法のうち、基地局が行う処理の一例を示すフローチャートの一部である。

【図5B】図５Ｂは、一実施形態による通信方法のうち、基地局が行う処理の一例を示すフローチャートの一部である。

【図6A】図６Ａは、ユーザ端末が送信する送信信号が有するデータ構造の一例を示す図である。

【図6B】図６Ｂは、基地局が受信する受信信号の構造の一例を示す図である。

【図7】図７は、受信信号に含まれるパイロット部の、周波数領域における行列表現を表す図である。

【図8】図８は、それぞれのユーザ端末に固有のデータ構造について説明するための図である。

【図9】図９は、受信信号に含まれるデータ部の、周波数領域における行列表現を表す図である。

【図10A】図１０Ａは、受信信号が与えられた場合の事後分布を表すファクターグラフの一部である。

【図10B】図１０Ｂは、受信信号が与えられた場合の事後分布を表すファクターグラフの一部である。

【図11】図１１は、図１０Ａのファクターノードについて説明するための図である。

【図12】図１２は、図１０Ｂのファクターノードについて説明するための図である。

【図13】図１３は、コンピュータシミュレーションで用いた諸元を表す表である。

【図14】図１４は、アクティビティの尤度に係るコンピュータシミュレーションの結果の一例を示すグラフである。

【図15】図１５は、搬送波周波数オフセットの推定と、信号対雑音比と、ビットエラーレートとの関係に係るコンピュータシミュレーションの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】

【0022】

添付図面を参照して、本開示による通信システム、基地局および通信方法を実施するための形態を以下に説明する。

【0023】

（実施の形態）
図１に示すように、一実施形態による通信システム１は、基地局２と、複数のユーザ端末３とを含む。基地局２は複数のアンテナ２０を備え、ユーザ端末３のそれぞれは１つのアンテナを備える。基地局２との通信が可能な領域を通信領域１０と呼ぶ。通信領域１０の内側に存在するユーザ端末３のうち、注目している時刻に信号を送信しているユーザ端末３をアクティブ端末３０１と呼び、その他のユーザ端末３を非アクティブ端末３０２と呼ぶ。

【0024】

図２に示すように、一実施形態による基地局２は、例えば、いわゆるコンピュータとして構成されてもよい。図２の例において、基地局２は、バス２１と、演算装置２２と、記憶装置２３と、第１通信装置２４と、第２通信装置２５と、入出力装置２６とを備える。バス２１は、演算装置２２、記憶装置２３、第１通信装置２４、第２通信装置２５および入出力装置２６を、相互に通信可能に接続するように構成されてもよい。

【0025】

演算装置２２は、指定部２２１と、受信部２２２と、推定部２２３と、出力部２２４とを備える。記憶装置２３は、プログラム記憶部２３１と、データベース２３２とを備える。演算装置２２は、プログラム記憶部２３１に格納されているプログラムを実行することによって、指定部２２１、受信部２２２、推定部２２３および出力部２２４の処理を実現する。指定部２２１、受信部２２２、推定部２２３および出力部２２４は、それぞれ、演算装置２２および記憶装置２３が協働して処理を実現する仮想的な機能ブロックである。指定部２２１、受信部２２２、推定部２２３および出力部２２４が実現する処理の詳細については、後述する。

【0026】

演算装置２２が実行するプログラムは、記録媒体２３０から読み出されてプログラム記憶部２３１に格納されてもよい。記録媒体２３０は、非一時的で有形の媒体（ｎｏｎ－ｔｒａｎｓｉｔｏｒｙ ａｎｄ ｔａｎｇｉｂｌｅ ｍｅｄｉａ）であってもよい。

【0027】

第１通信装置２４は、複数のアンテナ２０を備える。複数のアンテナ２０のおのおのは、複数のユーザ端末３から送信される複数の送信信号を、１つの受信信号として受信する。第１通信装置２４は、複数のアンテナ２０がそれぞれ受信した複数の受信信号を処理する。また、第１通信装置２４は、アンテナ２０を介してユーザ端末３へ向けて信号を送信してもよい。

【0028】

第２通信装置２５は、図示しないネットワークを介して、別の通信装置との間で有線通信および／または無線通信を行ってもよい。演算装置２２が実行するプログラムは、第２通信装置２５を介して外部から受信されてプログラム記憶部２３１に格納されてもよい。

【0029】

入出力装置２６は、使用者に情報を出力し、使用者が入力する操作を受け付ける。一例として、入出力装置２６は、画像を出力する表示装置、音声を出力するスピーカー、音声入力を受け付けるマイクロフォン、押下操作を受け付けるボタン、キー入力操作を受け付けるキーボードなどを含む。

【0030】

図３に示すように、一実施形態によるユーザ端末３は、例えばスマートフォン端末やタブレット端末であり、いわゆるコンピュータとして構成されてもよい。図３の例において、ユーザ端末３は、バス３１と、演算装置３２と、記憶装置３３と、第１通信装置３４と、第２通信装置３５と、入出力装置３６とを備えている。バス３１は、演算装置３２、記憶装置３３、第１通信装置３４、第２通信装置３５および入出力装置３６を、相互に通信可能に接続するように構成されてもよい。

【0031】

演算装置３２は、設定部３２１、生成部３２２および送信部３２３を備える。記憶装置３３は、プログラム記憶部３３１と、指定情報記憶部３３２とを備える。演算装置３２は、プログラム記憶部３３１に格納されているプログラムを実行することによって、設定部３２１、生成部３２２および送信部３２３の処理を実現する。設定部３２１、生成部３２２および送信部３２３は、それぞれ、演算装置３２および記憶装置３３が協働して処理を実現する仮想的な機能ブロックである。設定部３２１、生成部３２２および送信部３２３が実現する処理の詳細については、後述する。

【0032】

演算装置３２が実行するプログラムは、記録媒体３３０から読み出されてプログラム記憶部３３１に格納されてもよい。記録媒体３３０は、非一時的で有形の媒体であってもよい。

【0033】

第１通信装置３４は、アンテナ３０を備える。第１通信装置３４は、アンテナ３０を介して送信信号を送信する。また、第１通信装置３４は、アンテナ３０を介して基地局２が送信する信号を受信してもよい。

【0034】

第２通信装置３５は、図示しないネットワークを介して、別の通信装置との間で有線通信および／または無線通信を行ってもよい。演算装置３２が実行するプログラムは、第２通信装置３５を介して外部から受信されてプログラム記憶部３３１に格納されてもよい。

【0035】

入出力装置３６は、使用者に情報を出力し、使用者が入力する操作を受け付ける。一例として、入出力装置３６は、画像を出力する表示装置、音声を出力するスピーカー、音声入力を受け付けるマイクロフォン、押下操作を受け付けるボタン、キー入力操作を受け付けるキーボード、タッチ操作を受け付けるとともに画像の出力を行うタッチパネルなどを含む。

【0036】

図４のシーケンス図を参照して、一実施形態による通信システム１のうち、基地局２およびユーザ端末３が行う処理の一例について説明する。図４のシーケンス図のうち、基地局２が実行する処理は、基地局２が起動したときに開始してもよい。同様に、図４のシーケンス図のうち、ユーザ端末３が実行する処理は、ユーザ端末３が起動したときに開始してもよい。図４のシーケンス図では、１つのユーザ端末３の処理を示しているが、実際には、複数のユーザ端末３が互いに独立に同様の処理を実行してもよい。

【0037】

図４のステップＳ２１において、基地局２が周囲のユーザ端末３に向けて基地局情報信号を送信する。より詳細には、図２に示した基地局２の指定部２２１が第１通信装置２４を制御して複数のアンテナ２０を介した無線通信で基地局情報信号を送信する。基地局情報信号は、図１に示した通信領域１０の内側に存在するユーザ端末３に対して、基地局２と通信を行うための準備として、基地局２への登録要求を促すための信号である。一例として、基地局２は、基地局情報信号を送信する処理を、所定の周期ごとに定期的に実行してもよい。

【0038】

基地局情報信号を受信したユーザ端末３は、図４のステップＳ３１において、基地局２に向けて登録要求信号を送信する。より詳細には、図３に示したユーザ端末３の設定部３２１が登録要求信号を生成し、生成した登録要求信号を、第１通信装置３４を制御して、基地局２に向けて送信する。登録要求信号は、ユーザ端末３が基地局２と通信を行うための準備として、基地局２への登録要求を行うための信号である。一例として、登録要求信号には、ユーザ端末３に固有の識別情報が含まれてもよい。

【0039】

登録要求信号を受信した基地局２は、図４のステップＳ２２において、登録要求信号を送信したユーザ端末３に向けて指定信号を送信する。より詳細には、図２に示した基地局２の指定部２２１が、登録要求信号を送信したユーザ端末３に固有のデータ構造を生成し、生成したデータ構造を表す情報を含む指定信号を生成し、生成した指定信号を当該ユーザ端末３に向けて送信する。データ構造は、ユーザ端末３が基地局２とＧＦ－ＮＯＭＡ（Ｇｒａｎｔ－Ｆｒｅｅ Ｎｏｎ－Ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ａｃｃｅｓｓ：グラントフリー非直交多元接続）通信を行うために用いられる。ＧＦ－ＮＯＭＡはグラントフリー通信の特徴を有しており、ユーザ端末３が基地局２から通信許可（グラント）を取得する工程を省略することによって、低遅延性を確保することができる。また、ＧＦ－ＮＯＭＡは非直交多元接続通信の特徴を有しており、時間領域および周波数領域を組み合わせた複数のリソースのうち、同一のリソースを複数のユーザ端末３が共有することで、１つの基地局で多数のユーザ端末３を収容できる。

【0040】

基地局２は、ユーザ端末３ごとに固有のデータ構造を指定する。一例として、使用可能な複数のデータ構造の集合が事前にデータベース２３２に格納されていて、指定部２２１は格納されている複数のデータ構造のいずれかをユーザ端末３に固有のデータ構造として選択してもよい。指定部２２１は、ユーザ端末３の識別情報を、選択したデータ構造に対応付けて、データベース２３２に格納してもよい。データ構造の具体例については後述する。

【0041】

指定信号は、さらに、ユーザ端末３がＧＦ－ＮＯＭＡ通信によって送信信号を送信するタイミングを指定してもよい。

【0042】

指定信号を受信したユーザ端末３は、図４のステップＳ３２において、指定信号に含まれる情報が表すデータ構造を設定する。より詳細には、図３に示したユーザ端末３の設定部３２１が、基地局２から指定信号を用いて指定されたデータ構造を、指定情報記憶部３３２に格納して、送信信号を生成するために使用するデータ構造として設定する。

【0043】

データ構造を設定したことによって基地局２とＧＦ－ＮＯＭＡ通信を行う準備が完了したユーザ端末３は、その後、図４のステップＳ３３において、他のユーザ端末３とは互いに独立な任意のタイミングで送信信号を生成して基地局２に向けて送信する。より詳細には、図３に示したユーザ端末３の生成部３２２が、指定されたデータ構造を有する送信信号を生成する。生成した送信信号は、送信時刻まで記憶装置３３に格納されていてもよい。そして、図３の送信部３２３が、基地局２から指定されたタイミングに同期して、送信信号を送信する。

【0044】

ユーザ端末３が送信した送信信号を受信した基地局２は、図４のステップＳ２３において、送信信号に含まれるデータ信号を推定する。より詳細には、図２に示した基地局２の受信部２２２が、複数のアンテナ２０のそれぞれおよび第１通信装置２４を介して、ユーザ端末３が送信した送信信号を、受信信号として受信する。この観点において、機能ブロックとしての受信部２２２は、第１通信装置２４と、複数のアンテナ２０とを含んでもよい。ここで、受信信号には、複数のユーザ端末３がそれぞれ送信した複数の送信信号が時間軸上および周波数軸上に重なり合った状態で含まれていてもよい。また、複数のアンテナ２０は互いに十分な距離だけ離れており、第１通信装置２４はそれぞれのアンテナ２０で受信信号を受信する。そして、図２に示した基地局２の推定部２２３は、複数のアンテナ２０がそれぞれ受信した複数の受信信号から、それぞれのユーザ端末３が送信した送信信号に含まれるデータ信号を推定する。

【0045】

図５Ａおよび図５Ｂのフローチャートを参照して、図４のステップＳ２３において基地局２がデータ信号を推定する手法について説明する。図５Ａおよび図５Ｂのフローチャートに示した処理は、基地局２が受信信号を受信したときに開始してもよい。図５Ａおよび図５Ｂのフローチャートの処理が開始すると、図５ＡのステップＳ２３１が実行される。

【0046】

図５ＡのステップＳ２３１において、図２の受信部２２２が、図１のアクティブ端末３０１から送信信号を受信する。前述のとおり、アクティブ端末３０１とは、注目している時刻に送信信号を送信したユーザ端末３である。受信部２２２は、受信信号として受信した送信信号を、記憶装置２３に格納してもよい。

【0047】

図５ＡのステップＳ２３１の後、ステップＳ２３２が実行される。図５ＡのステップＳ２３２において、図２の推定部２２３が、送信信号に含まれるデータ信号を推定する推定処理の初期化を行う。推定部２２３が推定処理の初期化を行うことによって、推定処理で用いられるパラメータの値が初期値に設定される。

【0048】

図５ＡのステップＳ２３２の後、ステップＳ２３３が実行される。図５ＡのステップＳ２３３において、図２の推定部２２３が、アクティビティ、通信路および搬送波周波数オフセットを推定する。アクティビティは、ユーザ端末３のうち、注目している時刻に送信信号を送信したアクティブ端末３０１の集合を表す。通信路は、複数のアクティブ端末３０１から基地局２の複数のアンテナ２０へ届いた複数の送信信号が各々通過したチャネルである。搬送波周波数オフセットは、それぞれのアクティブ端末３０１と基地局２との間における搬送波周波数のずれを表す。搬送波周波数のずれは、主に、ユーザ端末３が備えるクロック回路の精度が比較的低いことが原因で起こる。その結果として、基地局２が受信する受信信号において位相回転が発生し、通信品質が劣化する。ステップＳ２３３の処理の詳細については、後述する。

【0049】

図５ＡのステップＳ２３３の後、ステップＳ２３４が実行される。図５ＡのステップＳ２３４において、図２の推定部２２３が、通信路およびアクティビティのファクターグラフのメッセージを更新する。ファクターグラフとは、任意の数式を、この数式に登場する変数の確率分布を表す変数ノードと、これらの変数の間で行う演算を表すファクターノードとの接続関係を表すグラフである。ファクターグラフに基づいてノード間のメッセージを更新する処理は、あるファクターノードに接続された変数ノードが表す確率分布を、そのファクターノードに接続された他の変数ノードが表す確率分布と、そのファクターノードが表す演算とに基づいて、より確からしい確率分布に更新する処理を含む。ステップＳ２３４の処理の詳細については、後述する。

【0050】

図５ＡのステップＳ２３４の後、ステップＳ２３５が実行される。図５ＡのステップＳ２３５において、図２の推定部２２３が、受信信号およびデータ信号のファクターグラフのメッセージを更新する。ステップＳ２３５の処理の詳細については、後述する。

【0051】

図５ＡのステップＳ２３５の後、図５ＢのステップＳ２３６が実行される。ステップＳ２３６において、図２の推定部２２３が、図５ＡのステップＳ２３５の処理の結果が所定の条件を満たしたか否かを判定する。条件を満たしていない場合（Ｎｏ）、処理は図５ＡのステップＳ２３５へ戻る。言い換えれば、条件を満たすまで、図５ＡのステップＳ２３５から図５ＢのステップＳ２３６までの処理が繰り返される。一例として、この条件は、図５ＡのステップＳ２３５から図５ＢのステップＳ２３６までの処理を繰り返した回数が所定の閾値に到達したときに満たされる。条件を満たしている場合（Ｙｅｓ）、処理は図５ＢのステップＳ２３７へ進む。

【0052】

図５ＢのステップＳ２３７において、図２の推定部２２３が、図５ＡのステップＳ２３４の処理の結果が所定の条件を満たしたか否かを判定する。条件を満たしていない場合（Ｎｏ）、処理は図５ＡのステップＳ２３４へ戻る。言い換えれば、条件を満たすまで、図５ＡのステップＳ２３４から図５ＢのステップＳ２３７までの処理が繰り返される。一例として、この条件は、図５ＡのステップＳ２３４から図５ＢのステップＳ２３７までの処理を繰り返した回数が所定の閾値に到達したときに満たされる。条件を満たしている場合（Ｙｅｓ）、処理は図５ＢのステップＳ２３８へ進む。

【0053】

図５ＢのステップＳ２３８において、図２の推定部２２３が、図５ＡのステップＳ２３３の処理の結果が所定の条件を満たしたか否かを判定する。条件を満たしていない場合（Ｎｏ）、処理は図５ＡのステップＳ２３３へ戻る。言い換えれば、条件を満たすまで、図５ＡのステップＳ２３３から図５ＢのステップＳ２３８までの処理が繰り返される。一例として、この条件は、図５ＡのステップＳ２３３でアクティビティを推定した結果が、図５ＢのステップＳ２３８で算出するアクティビティの確率分布ｖ_ｋのビリーフと一致するときに満たされ、さらに、図５ＡのステップＳ２３４から図５ＢのステップＳ２３７までの処理を繰り返した回数が所定の閾値に到達したときにも満たされる。条件を満たしている場合（Ｙｅｓ）、処理は図５ＢのステップＳ２３９へ進む。

【0054】

図５ＢのステップＳ２３９において、図２の出力部２２４が、推定部２２３が推定したデータ信号を出力する。より詳細には、図５ＡのステップＳ２３３から図５ＢのステップＳ２３８までの三重ループ処理で得られたデータ信号の推定値を、図２の出力部２２４が外部に出力する。一例として、出力部２２４は、第２通信装置２５を制御して、データ信号の推定値を外部の装置へ出力してもよい。

【0055】

図５ＢのステップＳ２３９の後、図５Ａおよび図５Ｂに示したフローチャートの処理は終了する。

【0056】

ユーザ端末３が送信する送信信号が有するデータ構造の一例について説明する。前述のとおり、複数のユーザ端末３は、互いに独立に、送信信号を送信する。言い換えれば、それぞれのユーザ端末３は、他のユーザ端末３が送信信号をいつ送信するかに関係無く、任意のタイミングで送信信号を送信する。ただし、それぞれのユーザ端末３が送信信号の送信を開始するタイミングは、基地局２が事前に指定したタイミングと同期している。したがって、複数のユーザ端末３が同時に複数の送信信号をそれぞれ送信する場合がある。図６Ａの例では、ユーザ番号に対応する奥行き方向の軸に沿って送信信号４Ａ、４Ｂ、４Ｃが、手前から奥へ向かって並べられている。ユーザ番号は、例えば、基地局２が複数のユーザ端末３を管理するために用いる、ユーザ端末３に固有の識別番号であってもよい。以降、複数の送信信号４Ａ、４Ｂ、４Ｃを区別しないとき、これらを送信信号４と呼ぶ場合がある。

【0057】

１つの送信信号４は、複数のＯＦＤＭ（Ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ－Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ：直交周波数分割多重）シンボルを含む。複数のＯＦＤＭシンボルは、互いに異なる複数の時間スロットでそれぞれ送信される。図６Ａの例では、時間に対応する横軸に沿って複数のＯＦＤＭシンボルが並べられている。

【0058】

それぞれのＯＦＤＭシンボルは、互いに異なる複数の周波数帯域にそれぞれ割り当てられた複数のサブキャリア成分を含む。図６Ａの例では、周波数に対応する縦軸に沿って複数のサブキャリアが並べられている。

【0059】

それぞれの送信信号４に含まれる複数のＯＦＤＭシンボルのうち、２つのＯＦＤＭシンボルはパイロット信号４１を含み、その他のＯＦＤＭシンボルはデータ信号４２を含む。時間に対応する横軸において、パイロット信号４１を含む２つのＯＦＤＭシンボルの間に、データ信号４２を含むＯＦＤＭシンボルが配置されている。より好ましくは、それぞれの送信信号４に含まれる複数のＯＦＤＭシンボルのうち、時間軸上で最初および最後にそれぞれ送信される２つのＯＦＤＭシンボルにパイロット信号４１を含む。これは、非特許文献５（上田康平，原郁紀，石橋功至、“ＯＦＤＭを用いたグラントフリー非直交多元接続のための期待値最大化による搬送波周波数オフセット補償”、第４５回情報理論とその応用シンポジウム、ｖｏｌ． ６９、ｐｐ． ８２～８７、２０２２年１１月）でも開示されているように、最初のＯＦＤＭシンボルに含まれるパイロット信号４１と、最後のＯＦＤＭシンボルに含まれるパイロット信号４１とに基づいて搬送波周波数オフセットを算出することで、搬送波周波数オフセットをより高く精度で推定することが可能となるからである。

【0060】

それぞれの送信信号４に含まれるＯＦＤＭシンボルのうち、データ信号４２を含むＯＦＤＭシンボルに含まれる、データ信号４２の周波数に対応する縦軸における配置について説明する。それぞれのＯＦＤＭシンボルに含まれる複数のサブキャリア成分のうち、一部のスロットにはデータ信号４２が配置され、その他のスロットにはデータ信号４２が配置されない。図６Ａの例では、データ信号４２が配置されたスロットをハッチングで表し、空きスロット４３を空白で表している。１つのＯＦＤＭシンボルのうち、データ信号４２が配置されるサブキャリアのスロットと、データ信号４２が配置されないサブキャリアの空きスロット４３とが配置されるパターンは、それぞれのユーザ端末３に固有であり、図４のステップＳ２２で基地局２がそれぞれのユーザ端末３に指定するデータ構造に含まれる。このようなパターンは、非特許文献３（Ｙ． Ｚｈａｎｇ， Ｚ． Ｙｕａｎ， Ｑ． Ｇｕｏ， Ｚ． Ｗａｎｇ， Ｊ． Ｘｉ， ａｎｄ Ｙ． Ｌｉ、“Ｂａｙｅｓｉａｎ ｒｅｃｅｉｖｅｒ ｄｅｓｉｇｎ ｆｏｒ ｇｒａｎｔ－ｆｒｅｅ ＮＯＭＡ ｗｉｔｈ ｍｅｓｓａｇｅ ｐａｓｓｉｎｇ ｂａｓｅｄ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄ ｓｉｇｎａｌ ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ”、ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ． Ｖｅｈ． Ｔｅｃｈｎｏｌ．、ｖｏｌ． ６９、ｎｏ． ８、ｐｐ． ８６４３～８６５６、２０２０年８月）および非特許文献４（Ｌ． Ｙａｎｇ， Ｐ． Ｆａｎ， Ｄ． ＭｃＬｅｒｎｏｎ ａｎｄ Ｌ． Ｚｈａｎｇ、“Ｄａｔａ－Ａｉｄｅｄ Ａｃｔｉｖｅ Ｕｓｅｒ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ Ｗｉｔｈ Ｆａｌｓｅ Ａｌａｒｍ Ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ ｉｎ Ｇｒａｎｔ－Ｆｒｅｅ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ”、ｉｎ ＩＥＥＥ Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ、ｖｏｌ． １２、ｎｏ． １、ｐｐ． １４３～１４７、２０２３年１月）でも開示されているＬＤＳ－ＯＦＤＭ（Ｌｏｗ Ｄｅｎｓｉｔｙ Ｓｉｇｎａｔｕｒｅ ＯＦＤＭ）を応用したものである。

【0061】

基地局２が受信する受信信号の構造の一例について説明する。受信信号において、ＯＦＤＭシンボルが送信された時間スロットと、ＯＦＤＭシンボルに含まれるサブキャリア成分の周波数スロットとを組み合わせたデータスロットの受信電力は、当該データスロットに重ね合わされたデータ信号４２の総数に応じて異なる。すなわち、そのデータスロットで送信されたデータ信号４２が多ければ多いほど、そのデータスロットの受信電力は高い。図６Ｂの例では、データスロットの受信電力を４段階の濃さで表している。すなわち、図６Ｂに示した受信信号５の下から２行目の周波数スロットのように、図６Ａに示したデータ信号４２の、ユーザ番号軸方向の総数がゼロである場合には、図６Ｂのデータスロットを空白で表している。図６Ｂに示した受信信号５の下から３行目および４行目のように、図６Ａに示したデータ信号４２の、ユーザ番号軸方向の総数が１である場合には、図６Ｂのデータスロットを薄いハッチングで示している。図６Ｂに示した受信信号５の上から２行目のように、図６Ａに示したデータ信号４２の、ユーザ番号軸方向の総数が３である場合には、図６Ｂのデータスロットを濃いハッチングで示している。図６Ｂに示した受信信号５の下から１行目のように、図６Ａに示したデータ信号４２の、ユーザ番号軸方向の総数が２である場合には、図６Ｂのデータスロットを中間的な濃さのハッチングで示している。

【0062】

また、図６Ａに示すように、全てのアクティブ端末３０１が基地局２と同期したタイミングで送信信号４を送信し、かつ、全ての送信信号４において最初および最後のＯＦＤＭシンボルにパイロット信号４１が配置されているため、図６Ｂに示すように、受信信号５における最初および最後のＯＦＤＭシンボルにもパイロット信号５１が配置されている。

【0063】

受信信号５のパイロット部について説明する。受信信号５のうち、パイロット信号が配置されているパイロット部は、周波数領域において、以下の「数１」式のように表される。「数１」式の２行目から作業目への変換は、以下の「数２」式から得られる。

【0064】

【数1】

【数2】

ここで、「Ｙ_ｐ ^ｔ」は周波数領域における受信信号５のうち、ｔ番目のＯＦＤＭシンボルに対応するパイロット部を表す。「Ｗ」は離散フーリエ変換行列であり、Ｎ行Ｎ列の複素数行列である。「Ｎ」はＯＦＤＭシンボルに含まれるサブキャリアの総数である。「Ｙ～^ｔ」（正確には、チルダ記号「～」は「Ｙ」の上にある）は、時間領域における受信信号５を表す。「ｕ」はユーザ端末３の番号を表す。「Ｕ」はユーザ端末３の総数を表す。「ξ_ｕ」はｕ番目のユーザ端末３がアクティブ端末３０１または非アクティブ端末３０２のどちらであるかを表す二値変数であり、ｕ番目のユーザ端末３がアクティブ端末３０１である場合に「ξ_ｕ＝１」であり、ｕ番目のユーザ端末３が非アクティブ端末３０２である場合に「ξ_ｕ＝０」である。「Λ_ｕ ^ｔ」はｕ番目のユーザ端末３の搬送波周波数オフセットによる位相回転を表す位相回転行列であり、Ｎ行Ｎ列の複素数行列である。「Ａ～_ｕ ^ｔ」（正確には、チルダ記号「～」は「Ａ」の上にある）は、時間領域におけるパイロット行列である。「Ｈ_ｕ」は、ｕ番目のユーザ端末３の通信路行列であり、Ｐ行Ｍ列の複素数行列である。「Ｐ」は遅延タップ数である。「Ｍ」は基地局２が備えるアンテナ２０の総数である。「Ｚ～^ｔ」（正確には、チルダ記号「～」は「Ｚ」の上にある）は時間領域における雑音成分を表す。「Ｐ_ｕ ^ｔ」はｕ番目のユーザ端末３における搬送波周波数オフセットの影響を表し、上記の「数２」式のように定義される。「Ａ_ｕ ^ｔ」は周波数領域における既知のパイロット行列であり、Ｎ行Ｐ列の複素数行列である。「Ｚ^ｔ」は周波数領域における雑音成分を表す。

【0065】

上記の「数１」式の３行目の部分は、図７のように表される。図７に示した行列「Ｐ_ｕ ^ｔ」のうち、ハッチングの部分は、搬送波周波数オフセットの影響が存在することを表す。また、図７に示した行列「Ｈ_ｕ ^ｔ」のうち、ハッチングの部分は、Ｐ個ある遅延タップのうちの一部の遅延タップで、送信信号がまばらに到来している状態を表す。

【0066】

送信信号４のデータ信号４２をサブキャリアの一部に配置するデータ構造の、それぞれのユーザ端末３に固有のパターンについて説明する。

【0067】

【数3】

ここで、「Ｓ」はＬＤＳ行列であり、それぞれの要素がゼロまたは１であるＮ行Ｕ列の二値行列である。「ｓ_１」～「ｓ_Ｕ」は、１番からＵ番までのユーザ端末３にそれぞれ対応するデータ構造のパターン行列であり、「ｓ_１」～「ｓ_Ｕ」のそれぞれは、それぞれの要素がゼロまたは１であるＮ行１列の二値行列である。注目している番号のユーザ端末３に固有のデータ構造のパターンにおいて、データ信号４２が配置されているサブキャリアに対応する要素は１であり、データ信号４２が配置されていないサブキャリアに対応する要素はゼロである。

【0068】

上記の「数３」式の行列Ｓは、図８のように表される。図８の例において、横軸はユーザ端末３の番号に対応し、縦軸はサブキャリアの番号に対応する。図８の例において、ユーザ端末３の番号と、サブキャリアの番号との組み合わせのそれぞれにおいて、データ信号４２が配置されているマスに対応する要素はハッチングで表し、データ信号４２が配置されていないマスに対応する要素は空白で表している。図８の例では、パターン行列ｓ_１は図６Ａに示した送信信号４Ａのデータ構造に対応し、パターン行列ｓ_２は図６Ａに示した送信信号４Ｂのデータ構造に対応し、パターン行列ｓ_３は図６Ａに示した送信信号４Ｃのデータ構造に対応している。

【0069】

受信信号５のデータ部について説明する。受信信号５のうち、データ信号４２が配置されているデータ部は、周波数領域において、以下の「数４」式のように表される。「数４」式の１行目から２行目への変換は、以下の「数５」式および「数６」式から得られる。「数４」式の２行目から３行目への変換は、以下の「数７」式から得られる。

【0070】

【数4】

【数5】

【数6】

【数7】

ここで、「Ｙ^ｔ」は周波数領域における受信信号５の、ｔ番目のＯＦＤＭシンボルに対応するデータ部を表す。「ｋ」はアクティブ端末３０１の番号を表す１からＫまでの整数である。「Ｋ」はアクティブ端末３０１の総数である。「Ａ」（正確には、「Ａ」は筆記体である）は、アクティブ端末３０１の集合を表す。「Ｗ」は離散フーリエ変換行列であり、Ｎ行Ｎ列の複素数行列である。「Ｎ」はＯＦＤＭシンボルに含まれるサブキャリアの総数である。「Λ_ｋ ^ｔ」はｋ番目のアクティブ端末３０１の搬送波周波数オフセットによる位相回転を表す位相回転行列であり、Ｎ行Ｎ列の複素数行列である。「ｘ_ｋ ^ｔ」はｋ番目のアクティブ端末３０１がｔ番目のＯＦＤＭシンボルで送信するデータを表す行列であり、Ｎ行１列の複素数行列である。「Ｑ_ｋ」はｋ番目のアクティブ端末３０１の通信路行列を周波数領域に変換した行列である。「Ｚ^ｔ」は周波数領域における雑音成分を表す。「Ｐ_ｋ ^ｔ」はｋ番目のアクティブ端末３０１の搬送波周波数オフセットの影響を表し、上記の「数５」式のように定義される。「Ｇ_ｋ」は上記の「数６」のように定義されるＮ行Ｍ列の複素数行列である。「ｖ_ｋ」は、集合Ａ（正確には、「Ａ」は筆記体である）におけるｋ番目のアクティブ端末３０１がｕ番目のユーザ端末３である関係性において、番号ｋから番号ｕへ変換する関数である。

【0071】

上記の「数４」式の３行目の部分は、図９のように表される。図９に示した行列「Ｐ_ｋ ^ｔ」のうち、ハッチングの部分は、搬送波周波数オフセットの影響が存在することを表す。また、図９に示した行列「ｓ＿ｖ_ｋ」（正確には、「ｖ_ｋ」は「ｓ」の添え字である）のうち、ハッチングの部分は、図８に示したデータ構造（例：パターン行列Ｓ_１）でデータ信号４２が存在することを表す。

【0072】

上記の「数４」式の３行目の部分を行列形式で表現すると、以下の「数８」式が得られる。

【0073】

【数8】

【0074】

上記の「数８」を、データ部に含まれる全てのＯＦＤＭシンボルをスタックした表現に変換すると、以下の「数９」式および「数１０」式が得られる。

【0075】

【数9】

【数10】

ここで、「Ｙ」は受信信号５を表す。「Ｘ」はデータ信号４２を表す。「Ｇ」はアクティビティおよび通信路を表す。「Ｚ」は雑音を表す。

【0076】

一実施形態では、データ信号を最大事後確率に基づいた検出手法によって推定する。より詳細には、データ信号および通信路に関する事前分布を利用して得られるファクターグラフにおける各パラメータの値を、メッセージパッシング手法に基づいて事後確率が最大となるように推定する。このとき、ファクターグラフのノード間で交換されるメッセージを更新することによって、推定値の更新を繰り返し行う。さらに、アクティビティおよび通信路の推定結果を利用することで、各パラメータについて良好な初期値を得ることができる。

【0077】

受信信号５の行列Ｙが与えられた場合の事後分布は、ベイズの定理を用いて、以下の「数１１」式のように表される。

【0078】

【数11】

ここで、「ｐ」は、続く括弧の中身の確率分布を表す。「Ｘ」はデータ信号４２を表す。「Ｇ」はアクティビティおよび通信路の組み合わせを表す。「Ｑ」は通信路を表す。「ｖ」はアクティビティを表す。「Ｙ」は受信信号５を表す。上記の「数１１」式の１行目において、左辺は受信信号５の行列Ｙが与えられた場合の、データ信号行列Ｘ、アクティビティおよび通信路の組み合わせの行列Ｇ、通信路行列Ｑおよびアクティビティ行列ｖの事前分布を表す。上記の「数１１」式の１行目において、右辺は左辺にベイズの定理を適用することで得られる。

【0079】

上記の「数１１」式の２行目において、左側の総乗は、受信信号５の行列Ｙと、データ信号５２の行列Ｘとの事後分布を表し、図１０Ａのファクターグラフのように表される。図１０Ａのファクターグラフは、サブキャリアの番号ｎが１である場合のファクターグラフ９０１から、サブキャリアの番号ｎがＮである場合のファクターグラフ９０Ｎまでの、合計Ｎ個のファクターグラフ９０を含む。以降、サブキャリアの番号ｎに対応するファクターグラフ９０を、ファクターグラフ９０ｎと呼ぶ。それぞれのファクターグラフ９０ｎは、アンテナ２０の番号ｍが１である場合のファクターグラフ９１ｎ１から、アンテナ２０の番号ｍがＭである場合のファクターグラフ９１ｎＭまでの、合計Ｍ個のファクターグラフ９１を含む。図１０Ａの例では、サブキャリアの番号が１である場合に対応するファクターグラフ９０１は、ファクターグラフ９１１１からファクターグラフ９１１Ｍまでの、合計Ｍ個のファクターグラフ９１を含む。同様に、サブキャリアの番号がＮである場合に対応するファクターグラフ９０Ｎは、ファクターグラフ９１Ｎ１からファクターグラフ９１ＮＭまでの、合計Ｍ個のファクターグラフ９１を含む。

【0080】

それぞれのファクターグラフ９０は、さらに、アクティブ端末３０１の番号ｋが１である場合のデータ信号ｘ_１，ｎ ^ｔの確率分布を表す変数ノード６１から、アクティブ端末３０１の番号ｋがＫである場合のデータ信号ｘ_Ｋ，ｎ ^ｔの確率分布を表す変数ノード６６までの、合計Ｋ個の変数ノードを含む。それぞれのファクターグラフ９０は、さらに、アクティブ端末３０１の番号ｋが１である場合のデータ信号ｘ_１，ｎ ^ｔの確率分布を拘束する関数のファクターノード６０から、アクティブ端末３０１の番号ｋがＫである場合のデータ信号ｘ_Ｋ，ｎ ^ｔの確率分布を拘束するファクターノード６５までの、合計Ｋ個のファクターノードを含む。それぞれのファクターグラフ９１が含むファクターノード６２、７０、７２および変数ノード６３、６４、６８、６９、７１については、後述する。

【0081】

上記の「数１１」式の２行目において、右側の総乗は、通信路行列Ｑと、アクティビティ行列ｖとの事後分布を表し、図１０Ｂのファクターグラフのように表される。図１０Ｂのファクターグラフは、アクティブ端末３０１の番号ｋが１である場合のファクターグラフ９２１から、アクティブ端末３０１の番号ｋがＫである場合のファクターグラフ９２Ｋまでの、合計Ｋ個のファクターグラフ９２を含む。以降、アクティブ端末３０１の番号ｋに対応するファクターグラフ９２を、ファクターグラフ９２ｋと呼ぶ。それぞれのファクターグラフ９２ｋは、アンテナ２０の番号ｍが１である場合のファクターグラフ９３ｋ１から、アンテナ２０の番号ｍがＭである場合のファクターグラフ９３ｋＭまでの、合計Ｍ個のファクターグラフ９３を含む。図１０Ｂの例では、アクティブ端末３０１の番号ｋが１であるファクターグラフ９２１は、ファクターグラフ９３１１からファクターグラフ９３１Ｍまでの、合計Ｍ個のファクターグラフ９３を含む。同様に、アクティブ端末３０１の番号ｋがＫであるファクターグラフ９２Ｋは、ファクターグラフ９３Ｋ１からファクターグラフ９３ＫＭまでの、合計Ｍ個のファクターグラフ９３を含む。

【0082】

それぞれのファクターグラフ９２ｋは、さらに、アクティビティｖ_ｋの確率分布を表す変数ノード８８と、アクティビティｖ_ｋの確率分布を拘束する関数を表すファクターノード８９とを含む。それぞれのファクターグラフ９３が含むファクターノード８１、８２、８５、８６および変数ノード８０、８３、８４、８７については、後述する。

【0083】

図１１を参照して、図１０Ａに示したファクターグラフ９１のそれぞれが含むファクターノード６２、７０、７２および変数ノード６３、６４、６８、６９、７１について説明する。図１１は、図１０Ａに示したファクターグラフから、１つのファクターグラフ９０を抽出したものである。サブキャリアの番号がｎであり、かつ、アンテナ２０の番号がｍであるファクターグラフ９１は、アクティブ端末３０１の番号ｋが１である場合のアクティビティおよび通信路の組み合わせの確率分布ｇ_{１，ｎ，ｍ}を表す変数ノード６３から、アクティブ端末３０１の番号ｋがＫである場合のアクティビティおよび通信路の組み合わせの確率分布ｇ_{Ｋ，ｎ，ｍ}を表す変数ノード６８までの、合計Ｋ個の変数ノード６３、６８を含む。

【0084】

サブキャリアの番号がｎであり、かつ、アンテナ２０の番号がｍであるファクターグラフ９１は、さらに、サブキャリアの番号がｎであり、かつ、アンテナ２０の番号がｍであるファクターグラフ９１は、アクティブ端末３０１の番号ｋが１である場合の確率分布Ψ_{１，ｎ，ｍ} ^ｔを表す変数ノード６４から、アクティブ端末３０１の番号ｋがＫである場合の確率分布Ψ_{Ｋ，ｎ，ｍ} ^ｔを表す変数ノード６９までの、合計Ｋ個の変数ノード６４、６９を含む。アクティブ端末３０１の番号が１からＫまでの任意の整数ｋであるとき、変数ノード６４、６９が表す確率分布Ψ_{ｋ，ｎ，ｍ} ^ｔは、データ信号ｘ_ｋ，ｎ ^ｔと、アクティビティおよび通信路の組み合わせの確率分布ｇ_{ｋ，ｎ，ｍ}との積の確率分布として、以下の「数１２」式のように定義される。

【0085】

【数12】

【0086】

サブキャリアの番号がｎであり、かつ、アンテナ２０の番号がｍであるファクターグラフ９１は、さらに、確率分布φ_ｎ，ｍ ^ｔを表す変数ノード７１を含む。確率分布φ_ｎ，ｍ ^ｔは、アクティブ端末３０１の番号ｋを１からＫまで走査した場合の、確率分布Ψ_{ｋ，ｎ，ｍ} ^ｔの総和として、以下の「数１３」式のように定義される。

【0087】

【数13】

【0088】

サブキャリアの番号がｎであり、かつ、アンテナ２０の番号がｍであるファクターグラフ９１は、さらに、アクティブ端末３０１の番号ｋが１である場合のファクターノード６２から、アクティブ端末３０１の番号ｋがＫである場合のファクターノード６７までの、合計Ｋ個のファクターノード６２、６７を含む。ファクターノード６２、６７は、アクティブ端末３０１の番号が１からＫまでの任意の整数ｋであるときの、変数ノード６１、６６が表す確率分布ｘ_ｋ，ｎ ^ｔと、変数ノード６３、６８が表す確率分布ｇ_{ｋ，ｎ，ｍ}と、変数ノード６４、６９が表す確率分布Ψ_{ｋ，ｎ，ｍ} ^ｔとの関係を拘束する関数を表す。

【0089】

サブキャリアの番号がｎであり、かつ、アンテナ２０の番号がｍであるファクターグラフ９１は、さらに、ファクターノード７０を含む。ファクターノード７０は、アクティブ端末３０１の番号が１からＫまでの任意の整数ｋであるときの、変数ノード６４、６９が表す確率分布Ψ_{ｋ，ｎ，ｍ} ^ｔと、変数ノード７１が表す確率分布φ_ｎ，ｍ ^ｔとの関係を拘束する関数を表す。

【0090】

サブキャリアの番号がｎであり、かつ、アンテナ２０の番号がｍであるファクターグラフ９１は、さらに、ファクターノード７２を含む。ファクターノード７２は、変数ノード７１が表す確率分布φ_ｎ，ｍ ^ｔを拘束する関数を表す。

【0091】

図１２を参照して、図１０Ｂに示したファクターグラフ９３のそれぞれが含むファクターノード８１、８２、８５、８６および変数ノード８０、８３、８４、８７について説明する。図１２は、図１０Ｂに示したファクターグラフから、１つのファクターグラフ９２を抽出したものである。アクティブ端末３０１の番号がｋであり、かつ、アンテナ２０の番号がｍであるファクターグラフ９３は、サブキャリアの番号が１である場合のアクティビティおよび通信路の組み合わせの確率分布ｇ_{ｋ，１，ｍ}を表す変数ノード８０から、サブキャリアの番号がＮである場合のアクティビティおよび通信路の組み合わせの確率分布ｇ_{ｋ，Ｎ，ｍ}を表す変数ノード８４までの、合計Ｎ個の変数ノード８０、８４を含む。

【0092】

アクティブ端末３０１の番号がｋであり、かつ、アンテナ２０の番号がｍであるファクターグラフ９３は、さらに、サブキャリアの番号が１である場合の通信路の確率分布ｑ_{ｋ，１，ｍ}を表す変数ノード８３から、サブキャリアの番号がＮである場合の通信路の確率分布ｑ_{ｋ，Ｎ，ｍ}を表す変数ノード８７までの、合計Ｎ個の変数ノード８３、８７を含む。

【0093】

アクティブ端末３０１の番号がｋであり、かつ、アンテナ２０の番号がｍであるファクターグラフ９３は、さらに、サブキャリアの番号が１である場合のファクターノード８１から、サブキャリアの番号がＮである場合のファクターノード８５までの、合計Ｎ個のファクターノード８１、８５を含む。ファクターノード８１、８５は、サブキャリアの番号が１からＮまでの任意の整数ｎであるときの変数ノード８０、８４が表す確率分布ｇ_{ｋ，ｎ，ｍ}と、サブキャリアの番号が１からＮまでの任意の整数ｎであるときの変数ノード８３、８７が表す確率分布ｑ_{ｋ，ｎ，ｍ}と、アクティビティの確率分布ｖ_ｋとの関係を拘束する関数を表す。

【0094】

アクティブ端末３０１の番号がｋであり、かつ、アンテナ２０の番号がｍであるファクターグラフ９３は、さらに、サブキャリアの番号が１である場合のファクターノード８２から、サブキャリアの番号がＮである場合のファクターノード８６までの、合計Ｎ個のファクターノード８２、８６を含む。ファクターノード８２、８６は、サブキャリアの番号が１からＮまでの任意の整数ｎであるときの変数ノード８３、８７が表す確率分布ｑ_{ｋ，ｎ，ｍ}を拘束する関数を表す。

【0095】

図５Ａおよび図５Ｂのフローチャートに含まれる各ステップの処理について、図１０Ａおよび図１０Ｂのファクターグラフを参照してより詳細に説明する。

【0096】

図５ＡのステップＳ２３３の処理は、非特許文献５と同様に行ってもよい。

【0097】

図５ＡのステップＳ２３４においてメッセージが更新されるファクターグラフは、図１０Ｂに示した、通信路行列Ｑと、アクティビティ行列ｖとの事後分布を表すファクターグラフ９２である。より詳細には、図５ＡのステップＳ２３４において、変数ノード８０、８４が表す確率分布ｇ_{ｋ，ｎ，ｍ}の更新処理と、変数ノード８３、８７が表す確率分布ｑ_{ｋ，ｎ，ｍ}の更新処理と、変数ノード８８が表す確率分布ｖ_ｋの更新処理とが行われる。それぞれの確率分布を更新する処理として、それぞれの確率分布を近似した正規分布の平均値および分散の更新を、それぞれの確率分布を表す変数ノードに接続されているファクターノードの関数に基づいて行う。

【0098】

一例として、変数ノード８８が表す確率分布ｖ_ｋの更新処理は、任意のユーザ端末３がアクティブであるか否かを表す尤度比について正規化した値λ_ｋ，ｎ ^ａｃｔと、任意のユーザ端末３が非アクティブであるか否かを表す尤度比について正規化した値λ_ｋ，ｎ ^{ｆａｌｓｅ}とを算出することによって行ってもよい。これらの値λ_ｋ，ｎ ^ａｃｔ、λ_ｋ，ｎ ^{ｆａｌｓｅ}は、以下の「数１４」式および「数１５」式を用いてそれぞれ算出してもよい。

【0099】

【数14】

【数15】

ここで、「β_ｋ，ｎ ^ａｃｔ」は、任意のユーザ端末３がアクティブであるか否かを表す尤度比を表す。「β_ｋ，ｎ ^{ｆａｌｓｅ}」は、任意のユーザ端末３が非アクティブであるか否かを表す尤度比を表す。

【0100】

図５ＡのステップＳ２３５においてメッセージが更新されるファクターグラフは、図１０Ａに示した、データ信号４２と、受信信号５との事後分布を表すファクターグラフ９０である。より詳細には、図５ＡのステップＳ２３５において、変数ノード６１、６６が表す確率分布ｘ_ｋ，ｎ ^ｔの更新処理と、変数ノード６３、６８が表す確率分布ｇ_{ｋ，ｎ，ｍ}の更新処理と、変数ノード６４、６９が表す確率分布Ψ_{ｋ，ｎ，ｍ} ^ｔの更新処理と、変数ノード７１が表す確率分布φ_ｎ，ｍ ^ｔの更新処理とが行われる。

【0101】

一例として、変数ノード６１、６６が表す確率分布ｘ_ｋ，ｎ ^ｔの更新処理は、ＯＦＤＭシンボルに含まれるデータ信号５２に対する尤度比について正規化した値ζ_{ｋ，ｎ，ｍ} ^ｒ，ｔを算出することによって行ってもよい。この値ζ_{ｋ，ｎ，ｍ} ^ｒ，ｔは、以下の「数１６」式を用いて算出してもよい。

【0102】

【数16】

ここで、「ｍ←＿Ψ_{ｋ，ｎ，ｍ’}」（正確には、「←」は「ｍ」の上にあり、「Ψ_{ｋ，ｎ，ｍ’}」は「ｍ」の添え字である）は、変数ノード６４、６９が表す確率分布Ψ_{ｋ，ｎ，ｍ’}の平均値を、変数ノード６４、６９の左側に接続されているファクターノード６２、６７が表す関数に基づいて算出した結果を表す。「ｍ←←＿ｇ_{ｋ，ｎ，ｍ’}」（正確には、２つの「←」はともに「ｍ」の上にあり、「ｇ_{ｋ，ｎ，ｍ’}」は「ｍ」の添え字である）は、変数ノード６３、６８が表す確率分布ｇ_{ｋ，ｎ，ｍ’}の平均値を、変数ノード６３、６８の左側のファクターノード６２、６７のさらに左側の変数ノード６１が表す確率分布ｘ_ｋ，ｎ ^ｔに基づいて算出した結果を表す。「ｖ←＿Ψ_{ｋ，ｎ，ｍ’}」（正確には、「←」は「ｖ」の上にあり、「Ψ_{ｋ，ｎ，ｍ’}」は「ｖ」の添え字である）は、変数ノード６４、６９が表す確率分布Ψ_{ｋ，ｎ，ｍ’}の分散を、変数ノード６４、６９の左側に接続されているファクターノード６２、６７が表す関数に基づいて算出した結果を表す。「ｖ←←＿ｇ_{ｋ，ｎ，ｍ’}」（正確には、２つの「←」はともに「ｖ」の上にあり、「ｇ_{ｋ，ｎ，ｍ’}」は「ｖ」の添え字である）は、変数ノード６３、６８が表す確率分布ｇ_{ｋ，ｎ，ｍ’}の分散を、変数ノード６３、６８の左側のファクターノード６２、６７のさらに左側の変数ノード６１が表す確率分布ｘ_ｋ，ｎ ^ｔに基づいて算出した結果を表す。

【0103】

図５ＢのステップＳ２３８において、図５ＡのステップＳ２３３でアクティビティを推定した結果が、図５ＢのステップＳ２３８で算出するアクティビティの確率分布ｖ_ｋのビリーフと一致せず、かつ、図５ＡのステップＳ２３３から図５ＢのステップＳ２３８までの処理を繰り返した回数が所定の閾値に到達していない場合、処理は図５ＡのステップＳ２３３へ戻る。このとき、ステップＳ２３３において、アクティビティの推定を改めて行う。なお、図５ＡのステップＳ２３３でアクティビティを推定した結果の確認は、アクティビティの確率分布ｖ_ｋのビリーフの代わりに、確率分布ｘ_ｋ，ｎ ^ｔのビリーフを用いて行ってもよいし、確率分布ｖ_ｋおよび確率分布ｘ_ｋ，ｎ ^ｔを併用して行ってもよい。

【0104】

以上に説明したように、一実施形態による通信システム１、基地局２および通信方法は、図６Ａに示したデータ構造を送信信号４に利用し、数１１式に示した事後確率の分布を図１０Ａおよび図１０Ｂに示したファクターグラフで表現し、これらのファクターグラフに含まれる変数ノードが表す各種パラメータの確率分布を更新する処理を図５Ａおよび図５Ｂに示したフローチャートに含まれる三重の繰り返し処理で実行する。その結果、データ構造に含まれるパイロット信号４１を用いて搬送波周波数オフセットを精度よく補償し、複数のユーザ端末３に固有のデータ構造に基づいて、アクティブであるか否かについて誤検出したユーザ端末３のアクティビティを訂正することができる。さらに、１つのＯＦＤＭシンボルに含まれる複数のサブキャリアにそれぞれ異なるデータ信号４２を配置することができるので、データレートの向上も得られる。

【0105】

発明者らは、以上の優れた作用効果を、コンピュータシミュレーションによって確認した。このコンピュータシミュレーションについて説明する。

【0106】

図１３は、コンピュータシミュレーションで用いた諸元を表す表である。図１３に示す例では、ユーザ数、すなわちユーザ端末３の総数（Ｕ）は、１００である。アクティブユーザ数（Ｋ）、すなわちアクティブ端末３０１の総数は、５である。基地局のアンテナ数（Ｍ）、すなわち基地局２のアンテナ２０の総数は、８である。サブキャリア数（Ｎ）は、２４である。ＯＦＤＭシンボル数は、１４である。使用サブキャリア数、すなわちそれぞれのＯＦＤＭシンボルに含まれるサブキャリアのうち、データ信号４２を配置するサブキャリアの総数は、６である。

【0107】

図１４は、基地局２が受信した受信信号５に基づいて、ユーザ端末３のうち、アクティブ端末３０１として推定部２２３が推定した合計６台のユーザ端末３が実際にアクティブであるか否かを表す尤度の、図５Ａおよび図５Ｂのフローチャートに示した処理の繰り返し回数の増加に応じた変化をシミュレーションによって得られた結果を表すグラフである。図１４は、合計６本のグラフＧ１１～Ｇ１６を含む。６本のグラフＧ１１～Ｇ１６は、合計６台のユーザ端末３にそれぞれ対応する。６本のグラフＧ１１～Ｇ１６に共通して、横軸は処理の繰り返し回数を表し、縦軸は合計６台のユーザ端末３のアクティビティの尤度を表す。図１４の例では、処理の繰り返し回数が増大するにつれて、当初は６台と推定されたユーザ端末３のうち、グラフＧ１４に対応する１台のユーザ端末３については尤度が下がり、すなわち非アクティブと推定され、残るグラフＧ１１、Ｇ１２、Ｇ１３、Ｇ１５、Ｇ１６にそれぞれ対応する５台のユーザ端末３については尤度が上がり、すなわちアクティブと推定され、正しい推定が行われたことが確認された。

【0108】

図１５は、搬送波周波数オフセットの推定と、信号対雑音比と、ビットエラーレートとの関係について、コンピュータシミュレーションによって得られた結果を表すグラフである。図１５は、合計３本のグラフＧ２１、Ｇ２２、Ｇ２３を含む。グラフＧ２１は、搬送波周波数オフセットを無視した場合に対応する。グラフＧ２２は、一実施形態による手法で搬送波周波数オフセットを推定した場合に対応する。グラフＧ２３は、理想的な比較対象として、搬送波周波数オフセットが既知である場合に対応する。３本のグラフＧ２１、Ｇ２２、Ｇ２３に共通して、横軸は信号対雑音比を表し、縦軸はビットエラーレートを表す。コンピュータシミュレーションの結果、一実施形態による手法で搬送波周波数オフセットを推定した場合、搬送波周波数オフセットを無視した場合と比較して非常に優れた結果が得られ、搬送波周波数オフセットが既知である場合にほぼ等しい結果が得られた。このことは、一実施形態による手法が優れた作用効果を有していることを意味する。

【0109】

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】

【0110】

１ 通信システム
１０ 通信領域
２ 基地局
２０ アンテナ
２１ バス
２２ 演算装置
２２１ 指定部
２２２ 受信部
２２３ 推定部
２２４ 出力部
２３ 記憶装置
２３０ 記録媒体
２３１ プログラム記憶部
２３２ データベース
２４ 第１通信装置
２５ 第２通信装置
２６ 入出力装置
３ ユーザ端末
３０ アンテナ
３０１ アクティブ端末
３０２ 非アクティブ端末
３１ バス
３２ 演算装置
３２１ 設定部
３２２ 生成部
３２３ 送信部
３３ 記憶装置
３３０ 記録媒体
３３１ プログラム記憶部
３３２ 指定情報記憶部
３４ 第１通信装置
３５ 第２通信装置
３６ 入出力装置
４、４Ａ、４Ｂ、４Ｃ 送信信号
４１ パイロット信号
４２ データ信号
４３ 空きスロット
５ 受信信号
５１ パイロット信号
５２ データ信号
５３ 空きスロット
６０、６２、６５、６７、７０、７２ ファクターノード
６１、６３、６４、６６、６８、６９、７１ 変数ノード
８０、８３、８４、８７、８８ 変数ノード
８１、８２、８５、８６、８９ ファクターノード
９０（９０１、９０Ｎ） ファクターグラフ
９１（９１１１、９１１Ｍ、９１Ｎ１、９１ＮＭ） ファクターグラフ
９２、９２１、９２Ｋ ファクターグラフ
９３、９３１１、９３１Ｍ、９３Ｋ１、９３ＫＭ ファクターグラフ
Ｇ１１、Ｇ１２、Ｇ１３、Ｇ１４、Ｇ１５、Ｇ１６ グラフ
Ｇ２１、Ｇ２２、Ｇ２３ グラフ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5A】

【図5B】

【図6A】

【図6B】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10A】

【図10B】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】