(57)【要約】【課題】送信装置、中継装置及び受信装置を含みMIMO方式で信号を伝送する無線中継システムにおいて、システム全体の誤り率及び／又は容量を改善すること。【解決手段】無線中継装置は、複数のアンテナを利用して、送信装置からの信号を受信装置に中継する。無線中継装置は、送信装置との間の無線チャネル特性を表す前方チャネル行列H1と、その無線中継装置自身の送信及び受信に起因する回り込みチャネル行列Gとを推定するチャネル推定部26と、受信装置との間の無線チャネル特性を表す後方チャネル行列H2、前方チャネル行列H1及び回り込みチャネル行列Gを利用して繰り返し処理を行い、キャンセル行列Cを導出するウェイト最適化部251と、主信号経路の中継信号に、フィードバック経路でキャンセル行列Cにより重み付けされた信号を加え、その中継信号を修正するフィードバック補償部23とを有する。【選択図】図３
2010068151.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
送信装置からの信号を複数の受信アンテナを介して受信し、該信号から導出した中継信号を複数の送信アンテナから受信装置に送信する無線中継装置であって、
前記送信装置及び当該無線中継装置間の無線チャネル特性を表す前方チャネル行列H1と、当該無線中継装置自身の送信及び受信に起因して前記中継信号に及ぶ干渉を表す回り込みチャネル行列Gとを少なくとも推定するチャネル推定部と、
当該無線中継装置及び前記受信装置間の無線チャネル特性を表す後方チャネル行列H2と、前記前方チャネル行列H1と、前記回り込みチャネル行列Gとを利用して繰り返し処理を行い、少なくともキャンセル行列Cを導出するウェイト最適化部と、
主信号経路の中継信号に、フィードバック経路で前記キャンセル行列Cにより重み付けされた信号を加え、該中継信号を修正するフィードバック補償部と、
を有する無線中継装置。
【請求項２】
前記受信装置に対する平均的な総送信電力が所定値Prになることを求める拘束条件の下で、前記送信装置から送信された信号yと前記受信装置で受信された信号xとの平均的な誤差が小さくなるように、少なくとも前記キャンセル行列Cを反復的に更新することで、前記ウェイト最適化部は前記繰り返し処理を行う
ようにした請求項１記載の無線中継装置。
【請求項３】
更新前のラグランジュ乗数μを用いて次式に従ってキャンセル行列Cが更新され、
更新後のキャンセル行列Cを用いて次式に従ってラグランジュ乗数μが更新され、
C={[H1FFHH1H＋σ12I] [H2HFHH1H]-1 [H2HH2＋μI]＋G}W−I，
μ=tr{U}/Pr，
U=H2H[I−H2W(I＋C−GW)-1H1F][W(I＋C−GW)-1H1F]H−σ12H2HH2[W(I＋C−GW)-1][ W(I＋C−GW)-1]H，
H1は前記前方チャネル行列を表し、
H2は前記後方チャネル行列を表し、
Gは前記回り込みチャネル行列を表し、
Cは前記キャンセル行列を表し、
Fは単位行列に比例するプリコーディング行列を表し、
Wは前記主信号経路での重み付けに使用されるウェイト行列を表し、
Iは単位行列を表し、
μは前記ラグランジュ乗数を表し、
Prは前記総送信電力に対する前記所定値を表し、
σ12は熱雑音電力を表す
ようにした請求項２記載の無線中継装置。
【請求項４】
前記主信号経路の中継信号にウェイト行列Wによる重み付けを行い、該中継信号を修正するフィードフォーワード補償部を更に有し、
前記ウェイト最適化部は、前記前方チャネル行列H1と、前記後方チャネル行列H2と、前記回り込みチャネル行列Gとを利用して繰り返し処理を行い、少なくともキャンセル行列C及び前記ウェイト行列Wを導出する
ようにした請求項１記載の無線中継装置。
【請求項５】
前記受信装置に対する平均的な総送信電力が所定値Prになることを求める拘束条件の下で、前記送信装置から送信された信号yと前記受信装置で受信された信号xとの平均的な誤差が小さくなるように、少なくとも前記キャンセル行列C及び前記ウェイト行列Wを反復的に更新することで、前記ウェイト最適化部は前記繰り返し処理を行う
ようにした請求項４記載の無線中継装置。
【請求項６】
更新前のラグランジュ乗数μ及びウェイト行列Wを用いて次式に従ってキャンセル行列Cが更新され、
更新後のキャンセル行列C及び更新前のウェイト行列Wを用いて次式に従ってラグランジュ乗数μが更新され、
更新後のキャンセル行列C及び更新後のラグランジュ乗数μを用いて次式に従ってウェイト行列Wが更新され、
C={[H1FFHH1H＋σ12I] [H2HFHH1H]-1 [H2HH2＋μI]＋G}W−I，
W={[H1FFHH1H＋σ12I] [H2HFHH1H]-1 [H2HH2＋μI]＋G}-1(I＋C)，
μ=tr{U}/Pr，
U=H2H[I−H2W(I＋C−GW)-1H1F][W(I＋C−GW)-1H1F]H−σ12H2HH2[W(I＋C−GW)-1][ W(I＋C−GW)-1]H，
H1は前記前方チャネル行列を表し、
H2は前記後方チャネル行列を表し、
Gは前記回り込みチャネル行列を表し、
Cは前記キャンセル行列を表し、
Fは単位行列に比例するプリコーディング行列を表し、
Wは前記ウェイト行列を表し、
Iは単位行列を表し、
μは前記ラグランジュ乗数を表し、
Prは前記総送信電力に対する前記所定値を表し、
σ12は熱雑音電力を表す
ようにした請求項５記載の無線中継装置。
【請求項７】
前記送信装置でのプリコーディングに使用されるプリコーディング行列Fを、前記送信装置に通知する通知部を更に有し、
前記ウェイト最適化部は、前記前方チャネル行列H1と、前記後方チャネル行列H2と、前記回り込みチャネル行列Gとを利用して繰り返し処理を行い、少なくともキャンセル行列C及び前記プリコーディング行列Fを導出する
ようにした請求項１記載の無線中継装置。
【請求項８】
前記送信装置からの平均的な総送信電力が所定値P0になり、前記受信装置に対する平均的な総送信電力が所定値Prになることを求める拘束条件の下で、前記送信装置から送信された信号yと前記受信装置で受信された信号xとの平均的な誤差が小さくなるように、少なくとも前記キャンセル行列C及び前記プリコーディング行列Fを反復的に更新することで、前記ウェイト最適化部は前記繰り返し処理を行う
ようにした請求項７記載の無線中継装置。
【請求項９】
更新前の第１，第２ラグランジュ乗数μ1，μ2及びプリコーディング行列Fを用いて次式に従ってキャンセル行列Cが更新され、
更新後のキャンセル行列C、更新前のプリコーディング行列F及び第１ラグランジュ乗数μ1を用いて次式に従って第２ラグランジュ乗数μ2が更新され、
更新後のキャンセル行列C、更新前のプリコーディング行列F及び更新後の第２ラグランジュ乗数μ2を用いて次式に従って第１ラグランジュ乗数μ1が更新され、
更新後のキャンセル行列C、第１及び第２ラグランジュ乗数μ1，μ2を用いて次式に従ってプリコーディング行列Fが更新され、
C={[H1FFHH1H＋σ12I] [H2HFHH1H]-1 [H2HH2＋μI]＋G}W−I，
F={[W(I＋C−GW)-1H1]H [H2HH2＋μ2I] W(I＋C−GW)-1H1＋μ1I]}-1・[H2 W(I＋C−GW)-1H1]H
μ1=tr{U1}/P0，
U1=[W(I＋C−GW)-1H1]HH2H [I−H2W(I＋C−GW)-1H1F]FH−μ2[W(I＋C−GW)-1H1]H [W(I＋C−GW)-1H1]FFH，
μ2=tr{U2}/Pr，
U2=H2H[I−H2W(I＋C−GW)-1H1F][W(I＋C−GW)-1H1F]H−σ12H2HH2[W(I＋C−GW)-1][ W(I＋C−GW)-1]H，
H1は前記前方チャネル行列を表し、
H2は前記後方チャネル行列を表し、
Gは前記回り込みチャネル行列を表し、
Cは前記キャンセル行列を表し、
Fは前記プリコーディング行列を表し、
Wは前記ウェイト行列を表し、
Iは単位行列を表し、
μ1，μ2は前記第１，第２ラグランジュ乗数を表し、
P0は前記送信装置に対する平均的な総送信電力を表し、
Prは前記総送信電力に対する前記所定値を表し、
σ12は熱雑音電力を表す
ようにした請求項８記載の無線中継装置。
【請求項１０】
前記主信号経路の中継信号にウェイト行列Wによる重み付けを行い、該中継信号を修正するフィードフォーワード補償部と、
前記送信装置でのプリコーディングに使用されるプリコーディング行列Fを、前記送信装置に通知する通知部と、
を更に有し、前記ウェイト最適化部は、前記前方チャネル行列H1と、前記後方チャネル行列H2と、前記回り込みチャネル行列Gとを利用して繰り返し処理を行い、キャンセル行列C、ウェイト行列W及び前記プリコーディング行列Fを導出する
ようにした請求項１記載の無線中継装置。
【請求項１１】
前記送信装置からの平均的な総送信電力が所定値P0になり、前記受信装置に対する平均的な総送信電力が所定値Prになることを求める拘束条件の下で、前記送信装置から送信された信号yと前記受信装置で受信された信号xとの平均的な誤差が小さくなるように、前記キャンセル行列C、前記ウェイト行列及び前記プリコーディング行列Fを反復的に更新することで、前記ウェイト最適化部は前記繰り返し処理を行う
ようにした請求項１０記載の無線中継装置。
【請求項１２】
更新前の第１，第２ラグランジュ乗数μ1，μ2、ウェイト行列W及びプリコーディング行列Fを用いて次式に従ってキャンセル行列Cが更新され、
更新後のキャンセル行列C、更新前のウェイト行列W、プリコーディング行列F及び第１ラグランジュ乗数μ1を用いて次式に従って第２ラグランジュ乗数μ2が更新され、
更新後のキャンセル行列C、更新前のウェイト行列W、プリコーディング行列F及び更新後の第２ラグランジュ乗数μ2を用いて次式に従って第１ラグランジュ乗数μ1が更新され、
更新後のキャンセル行列C、第１，第２ラグランジュ乗数μ1，μ2及び更新前のウェイト行列Wを用いて次式に従ってプリコーディング行列Fが更新され、
更新後のキャンセル行列C、プリコーディング行列F、第１及び第２ラグランジュ乗数μ1，μ2を用いて次式に従ってウェイト行列Wが更新され、
C={[H1FFHH1H＋σ12I] [H2HFHH1H]-1 [H2HH2＋μI]＋G}W−I，
W={[H1FFHH1H＋σ12I] [H2HFHH1H]-1 [H2HH2＋μI]＋G}-1(I＋C)，
F={[W(I＋C−GW)-1H1]H [H2HH2＋μ2I] W(I＋C−GW)-1H1＋μ1I]}-1・[H2 W(I＋C−GW)-1H1]H
μ1=tr{U1}/P0，
U1=[W(I＋C−GW)-1H1]HH2H [I−H2W(I＋C−GW)-1H1F]FH−μ2[W(I＋C−GW)-1H1]H [W(I＋C−GW)-1H1]FFH，
μ2=tr{U2}/Pr，
U2=H2H[I−H2W(I＋C−GW)-1H1F][W(I＋C−GW)-1H1F]H−σ12H2HH2[W(I＋C−GW)-1][ W(I＋C−GW)-1]H，
H1は前記前方チャネル行列を表し、
H2は前記後方チャネル行列を表し、
Gは前記回り込みチャネル行列を表し、
Cは前記キャンセル行列を表し、
Fは前記プリコーディング行列を表し、
Wは前記ウェイト行列を表し、
Iは単位行列を表し、
μ1，μ2は前記第１，第２ラグランジュ乗数を表し、
P0は前記送信装置に対する平均的な総送信電力を表し、
Prは前記総送信電力に対する前記所定値を表し、
σ12は熱雑音電力を表す
ようにした請求項１１記載の無線中継装置。
【請求項１３】
前記受信装置へ中継信号を送信する際の送信電力を制御する送信電力制御部を更に有する請求項１乃至１２の何れか1項に記載の無線中継装置。
【請求項１４】
送信装置からの信号を複数の受信アンテナを介して受信し、該信号から導出した中継信号を複数の送信アンテナから受信装置に送信する無線中継方法であって、
前記送信装置及び当該無線中継装置間の無線チャネル特性を表す前方チャネル行列H1と、当該無線中継装置自身の送信及び受信に起因して前記中継信号に及ぶ干渉を表す回り込みチャネル行列Gとを少なくとも推定するチャネル推定ステップと、
当該無線中継装置及び前記受信装置間の無線チャネル特性を表す後方チャネル行列H2と、前記前方チャネル行列H1と、前記回り込みチャネル行列Gとを利用して繰り返し処理を行い、少なくともキャンセル行列Cを導出するウェイト最適化ステップと、
主信号経路の中継信号に、フィードバック経路で前記キャンセル行列Cにより重み付けされた信号を加え、該中継信号を修正するフィードバック補償ステップと、
を有する無線中継方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般に無線中継を行う移動通信の技術分野に関連し、特に無線中継システムにおける無線中継装置及び無線中継方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
移動通信の技術分野では、カバレッジエリアをできるだけ広く確保することが重要である。このため、次世代の無線通信システムに関し、無線中継技術を利用することが検討されている。無線中継技術では、例えば下りリンクでは、基地局からの送信信号を中継局が受信し、信号増幅を行った後に中継局が移動局に向けて再送信を行う。これにより、移動局における受信信号電力を増大させることができ、カバレッジの拡張が可能になる。
【０００３】
一方、周波数の利用効率の向上を図ることも重要である。このため、上記の無線中継技術に多入力多出力(MIMO：  Multiple-Input  Multiple-Output) 技術を適用することが検討されている。非特許文献１は、MIMOを適用した無線中継システムを開示しており、この無線中継システムでは、ビット誤り率を最小にするように、アンテナ間及びユーザ間の干渉を抑圧するための重み行列が最適化される。
【０００４】
中継局は、下りリンクについては基地局からの信号を受信し、移動局に信号を送信する一方、上りリンクについては移動局からの信号を受信し、基地局へ信号を送信する。この場合において、下りリンク及び上りリンクに関わらず、信号送信及び信号受信が同時に行われる場合、中継局から送信した信号が当該中継局で受信され、回路が発振してしまうことが懸念される。これは、回り込み干渉又は自己干渉(self-interference)と呼ばれ、この干渉が強い場合、正しく信号を中継することができなくなってしまう。特許文献１に記載の発明は、この回り込みチャネルを推定し、回り込み干渉を除去するためのフィードバック型の重み行列（キャンセリング行列）を用意し、回り込み干渉を除去しつつ、アンテナ間及びユーザ間の干渉を抑圧する。この発明では、フィードフォーワード型の重み行列（Precoding／Weighting行列）が、例えばゼロフォーシング(ZF:  Zero-Forcing)法で設定され、アンテナ間及びユーザ間干渉を抑圧しようとしている。
【特許文献１】国際公開第2008／004916号パンフレット
【非特許文献１】N．  Lee，  H．  Park，  and  J．  Chun，  "Linear  precoder  and  decoder  for  two-way  AF  MIMO  relaying  system，"  Proc．  of  VTC-2008  Spring，  May  2008
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
非特許文献１に記載の発明は、アンテナ間及びユーザ間の干渉を抑圧するための重み行列を最適化しようとしているが、回り込み干渉を考慮していない。従って回り込み干渉が懸念される場合には、十分な受信信号品質を得られないことが懸念される。
【０００６】
特許文献１に記載の発明は、回り込み干渉だけでなくアンテナ間及びユーザ間の干渉をも抑圧するために重み行列を決定している。その際、回り込み干渉、アンテナ間干渉及びユーザ間干渉を除去する処理は、それぞれ別個独立に行われている。このため、個々の干渉除去処理で何らかの対策が講じられたとしても、システム全体から見ると、却って誤り率特性や容量が劣化していることが懸念される。
【０００７】
本発明の課題は、送信装置、中継装置及び受信装置を含みMIMO方式で信号を伝送する無線中継システムにおいて、システム全体の誤り率及び／又は容量を改善することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明では、送信装置からの信号を複数の受信アンテナを介して受信し、該信号から導出した中継信号を複数の送信アンテナから受信装置に送信する無線中継装置が使用される。当該無線中継装置は、
前記送信装置及び当該無線中継装置間の無線チャネル特性を表す前方チャネル行列H1と、当該無線中継装置自身の送信及び受信に起因して前記中継信号に及ぶ干渉を表す回り込みチャネル行列Gとを少なくとも推定するチャネル推定部と、
当該無線中継装置及び前記受信装置間の無線チャネル特性を表す後方チャネル行列H2と、前記前方チャネル行列H1と、前記回り込みチャネル行列Gとを利用して繰り返し処理を行い、少なくともキャンセル行列Cを導出するウェイト最適化部と、
主信号経路の中継信号に、フィードバック経路で前記キャンセル行列Cにより重み付けされた信号を加え、該中継信号を修正するフィードバック補償部と、
を有する無線中継装置である。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、送信装置、中継装置及び受信装置を含みMIMO方式で信号を伝送する無線中継システムにおいて、システム全体の誤り率を改善することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
上記目的を達成するために、本発明の第１の特徴は、本発明に係る複数送受信アンテナを有する無線中継機能を持つ無線通信装置は、無線基地局機能を持つ無線通信装置−無線中継機能を持つ無線通信装置間チャネルH1と、回り込みチャネルGとを推定するチャネル推定部26と、フィードバック型の(Cancelling)重み行列(キャンセル行列)Cにより生成された信号を、受信アンテナで受信した信号から差し引くキャンセリング部23と、前記チャネル推定部において推定されたチャネルH1及び回り込みチャネルGと、無線中継機能を持つ無線通信装置−移動端末の無線通信装置間チャネルH2とを用いて、無線中継機能を持つ無線通信装置のフィードバック型のキャンセル行列Cの最適化を行う最適重み行列計算部251とを備える。
【００１１】
回り込み干渉、アンテナ間干渉及びユーザ間干渉を抑圧するための重み行列の生成を、それらの相互作用を考慮しながら総合的に行うことで、システムの誤り率特性及び/又は容量を改善することができる。
【００１２】
本発明の第２の特徴によれば、上記本発明の第１の特徴における無線中継機能を持つ無線通信装置において、フィードフォーワード型の重み行列(ウェイト行列)Wを、キャンセリング部23で処理された後の信号に乗算するウェイティング部24をさらに備る。最適重み行列計算部252は、チャネル推定部26において推定されたチャネルH1及び回り込みチャネルGと、前記無線中継機能を持つ無線通信装置に通知された移動端末との間のチャネルH2を用いて、無線中継機能を持つ無線通信装置のフィードバック型のキャンセル行列C及びフィードフォーワード型の重み行列Wの最適化を行う。
【００１３】
キャンセル行列Cだけでなくウェイト行列Wも適宜更新することで、システム全体の誤り率特性及び/又は容量を更に改善させることができる。
【００１４】
本発明の第３の特徴によれば、上記本発明の第１の特徴における無線中継機能を持つ無線通信装置において、最適重み行列計算部において算出されたプリコーディング重み行列(プリコーディング行列)Fを、無線基地局機能を持つ無線通信装置BSに通知する重み行列通知部28をさらに備える。最適重み行列計算部253は、チャネル推定部26において推定されたチャネルH1及び回り込みチャネルGと、前記無線中継機能を持つ無線通信装置に通知された移動端末との間のチャネルH2を用いて、無線中継機能を持つ無線通信装置のフィードバック型のキャンセル行列C及び無線基地局機能を持つ無線通信装置のフィードフォーワード型のプリコーディング行列Fの最適化を行う。
【００１５】
キャンセル行列Cだけでなくプリコーディング行列Fも適宜更新することで、システム全体の誤り率特性及び/又は容量を更に改善させることができる。
【００１６】
本発明の第４の特徴によれば、上記本発明の第１の特徴における無線中継機能を持つ無線通信装置において、フィードフォーワード型のWeighting重み行列Wを、キャンセリング部23で処理された後の信号に乗算するウェイティング部24をさらに備え、且つ最適重み行列計算部254において算出されたプリコーディング行列Fを、無線基地局機能を持つ無線通信装置BSに通知する重み行列通知部28をさらに備える。最適重み行列計算部254は、チャネル推定部26において推定されたチャネルH1及び回り込みチャネルGと、前記無線中継機能を持つ無線通信装置に通知された移動端末との間のチャネルH2を用いて、無線中継機能を持つ無線通信装置のフィードバック型のキャンセル行列C、フィードフォーワード型の重み行列W、及び無線基地局機能を持つ無線通信装置のフィードフォーワード型のプリコーディング行列Fの最適化を行う。
【００１７】
キャンセル行列C、重み行列W及びプリコーディング行列Fの総てを互いの相互作用を考慮しながら適宜更新することで、システム全体の誤り率特性及び/又は容量を更に改善させることができる。
【００１８】
本発明の第５の特徴によれば、上記本発明の第１乃至４の特徴を備えた無線中継機能を持つ無線通信装置において、無線中継機能を持つ無線通信装置の総送信電力を制御する送信電力制御部が備わっている。これにより、上記の最適化された行列で修正された中継信号を、適切な総送信電力で送信することができ、システム全体の誤り率特性の向上等に貢献できる。
【００１９】
本発明の第６の特徴によれば、複数送受信アンテナを有する無線中継機能を持つ無線通信装置の無線送信方法が使用される。本方法は、受信アンテナで受信した信号を用いて、無線基地局機能を持つ無線通信装置−無線中継機能を持つ無線通信装置間チャネルH1と、回り込みチャネルGとを推定するステップと、前記推定されたチャネルH1及び回り込みチャネルGと、前記無線中継機能を持つ無線通信装置に通知された、移動端末の無線通信装置との間チャネルH2とを用いて、繰返し処理に基づいて、無線中継機能を持つ無線通信装置のフィードバック型のキャンセル行列Cの最適化を行う最適重み行列計算ステップと、前記算出された、フィードバック型のキャンセル行列Cにより生成される信号を受信アンテナで受信した信号から差し引くステップとを有する。
【００２０】
本発明の第７の特徴によれば、上記本発明の第６の特徴における無線送信方法において、前記最適重み行列計算ステップは、チャネル推定部において推定されたチャネルH1及び回り込みチャネルGと、前記無線中継機能を持つ無線通信装置に通知された移動端末との間のチャネルH2とを用いて、繰返し処理に基づいて、無線中継機能を持つ無線通信装置のフィードバック型のキャンセル行列C及びフィードフォーワード型の重み行列Wの最適化を行う。算出されたフィードフォーワード型の重み行列Wは、キャンセリング部で処理された後の信号に乗算される。
【００２１】
本発明の第８の特徴によれば、上記本発明の第６の特徴における無線送信方法において、前記最適重み行列計算ステップは、チャネル推定部において推定されたチャネルH1及び回り込みチャネルGと、前記無線中継機能を持つ無線通信装置に通知された移動端末との間のチャネルH2を用いて、繰返し処理に基づいて、無線中継機能を持つ無線通信装置のフィードバック型のキャンセル行列C及び無線基地局機能を持つ無線通信装置のフィードフォーワード型のプリコーディング行列Fの最適化を行う。算出されたプリコーディング行列Fは、無線基地局機能を持つ無線通信装置に通知される。
【００２２】
本発明の第９の特徴によれば、上記本発明の第６の特徴における無線送信方法において、前記最適重み行列計算ステップは、チャネル推定部において推定されたチャネルH1及び回り込みチャネルGと、前記無線中継機能を持つ無線通信装置に通知された移動端末との間のチャネルH2を用いて、繰返し処理に基づいて、無線中継機能を持つ無線通信装置のフィードバック型のキャンセル行列C、フィードフォーワード型の重み行列W、及び無線基地局機能を持つ無線通信装置のフィードフォーワード型のプリコーディング行列Fの最適化を行う。前記算出されたフィードフォーワード型の重み行列Wは、キャンセリング部で処理された後の信号に乗算される。算出されたプリコーディング行列Fは、無線基地局機能を持つ無線通信装置に通知される。
【００２３】
本発明の第１０の特徴によれば、上記本発明の第６乃至９の特徴における無線送信方法において、無線通信装置の総送信電力も制御される。
【００２４】
添付図面を参照しながら本発明の実施例が説明される。図中、同一又は類似の部分には、同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、実際の寸法や厳密な装置構成を示すことは意図されていないことに留意すべきである。
【００２５】
以下のような観点から本発明の実施例が説明される。
【００２６】
１．第1の実施例（F∝I，W=I）
１．１  無線通信システムの構成
１．２  無線通信装置のモデルブロック
１．３  無線中継装置
１．４  行列の最適化
１．５  総送信電力の制御
１．６  作用及び効果
２．第２の実施例（F∝I，W≠I）
２．１  無線中継装置
２．２  行列の最適化
２．３  総送信電力の制御
２．４  作用及び効果
３．第３の実施例（一般的なF，W=I）
３．１  無線中継装置
３．２  行列の最適化
３．３  総送信電力の制御
３．４  作用及び効果
４．第４の実施例（一般的なF，W≠I）
４．１  無線中継装置
４．２  行列の最適化
４．３  総送信電力の制御
４．４  作用及び効果
５．第５の実施例
【実施例１】
【００２７】
以下、本発明の第１の実施例(F∝I，W=I)が説明される。
【００２８】
（１．１  無線通信システムの構成）
本願では或る量がベクトルや行列であることを強調するため、それを表す文字が太字で表現される場合がある。しかしながら混乱のおそれがなければ、太字でない文字がベクトルや行列を表現する場合もあることに留意を要する。
【００２９】
図１は無線中継システムの構成を示す。以下の図面では、本発明と特に関連のある部分が主に説明される。本実施例においては下りリンクに本発明を適用した場合の例が説明される。しかしながらこのことは本発明に必須でなく、本発明は上りリンクにも同様に適用可能である(これについては、図１１等で更に言及される。)。図１に示すように、無線中継システムは、無線基地局機能を持つ無線通信装置BS10と、無線中継機能を持つ無線通信装置RS20と、前記無線基地局機能を持つ無線通信装置BS10との直接通信は不可能な複数の移動端末の通信装置MS30とを含む。下りリンクの例を説明する際、無線基地局機能を持つ無線通信装置BS10は「送信装置」、無線中継機能を持つ無線通信装置RS20は「中継装置」、移動端末の通信装置MS30は「受信装置」と言及される。上りリンクの説明をする際は、移動端末の通信装置MS30が「送信装置」、無線中継機能を持つ無線通信装置RS20が「中継装置」、無線基地局機能を持つ無線通信装置BS10が「受信装置」と言及される。なお、無線基地局機能を持つ無線通信装置BS10及び無線中継機能を持つ無線通信装置RS20は、複数のアンテナを有し、移動端末の通信装置MS30各々は、単一のアンテナを有するものとする。但しこれは説明の便宜を図るために過ぎず、移動端末が複数のアンテナを有する場合にも本発明は適用可能である。
【００３０】
基地局機能を持つ無線通信装置BS10と無線中継機能を持つ無線通信装置RS20との間の無線リンク40は、H1で示されるチャネル特性を有するものとする。一般に、H1はMr,RS×Mt,BSの次元を有する行列で表現され、説明の便宜上この行列を「前方チャネル行列」と呼ぶことにする。Mr,RSは無線通信装置RS20の受信アンテナの数を表す。Mt,BSは無線通信装置BS10の送信アンテナの数を表す。従って前方チャネル行列H1は、以下の形で表される。
【００３１】
【数１】
2010068151.tif 000003
上記の式(1)において、h1,1は無線通信装置BS10における送信アンテナ111と、無線通信装置RS20における受信アンテナ211の間のチャネル特性を表す。同様に、hMr,BS,Mt,RSは、無線通信装置BS10における送信アンテナ11Mt,BSと、無線通信装置RS20における受信アンテナ21Mr,RSの間のチャネル特性を表す。なお、以下の説明では簡明化を図るため、図１に示すように、Mr,RS=Mt,BS=Mとする。但し、送受信アンテナ数が異なる場合にも本発明は当然に適用可能である。
【００３２】
同様にして、無線中継機能を持つ無線通信装置RS20と移動端末の無線通信装置MS30との間の無線リンク50は、H2で示されるチャネル特性を有するものとする。一般に、H2はMMS×Mt,RSの次元を有する行列で表現され、説明の便宜上この行列を「後方チャネル行列」と呼ぶことにする。MMSは移動端末である無線通信装置MS30の数を表す。Mt,RSは無線通信装置RS20の送信アンテナの数を表す。再び、以下の説明では簡明化を図るため、図１に示すように、Mr,RS=Mt,BS=Mとする。但し、送受信アンテナ数が異なる場合にも本発明は当然に適用可能である。
【００３３】
また、無線通信装置RS20の送信アンテナ22から無線通信装置RS20の受信アンテナ21の間の無線リンク60は、Gで示されるチャネル特性を有するものとする。この無線リンク60に起因して、無線通信装置RS20からの送信信号が、その無線中継装置RS20で再び受信され、無線中継装置RS20が中継する信号に干渉を及ぼす。この干渉は、「回り込み干渉」と言及される。GはMt,RS×Mr,RSの次元を有する行列で表現され、説明の便宜上この行列を「回り込みチャネル行列」と呼ぶことにする。Mt,RSは無線通信装置RS20の送信アンテナの数を表す。Mr,RSは無線通信装置RS20の受信アンテナの数を表す。再び、以下の説明では簡明化を図るため、図１に示すように、Mt,RS＝Mr,RS=Mとする。但し、送受信アンテナ数が異なる場合にも本発明は当然に適用可能である。
【００３４】
（１．２  無線通信装置のモデルブロック）
図2は、本発明の実施例に係る無線通信装置のモデルブロックを示す図である。無線通信装置BS10は、データストリームであるM次元の送信信号ベクトルxを、プリコーディング部12においてプリコーディング行列Fを乗算した後に送信する。ここで、xは成分数又は要素数がMのベクトルで表現され、各要素はMS1〜MSMへ送信する送信シンボルを表す。無線通信装置BS10から送信された信号は、H1のチャネル特性を持つ無線リンク40を介して、無線通信装置RS20で受信される。その際、Gで示されるチャネル特性を持つ無線リンク60によって干渉信号(回り込み干渉信号)も受信される。
【００３５】
無線通信装置RS20は、複数の受信アンテナでそれらの信号を受信し、各受信アンテナで受信された信号には、熱雑音n1が足し合わされる。ここで、熱雑音n1は要素数Mのベクトルで表現され、各要素は受信アンテナ211〜21Mで足し合わされる熱雑音成分を表す。熱雑音n1を含む受信信号は、キャンセリング部23で修正された後、フィードフォーワード型の重み行列Wで重み付けされ、無線通信装置MS30に送信（中継）される。キャンセリング部23は、フィードバック型のキャンセル行列Cにより生成された信号を、主信号から減算する。従ってこの場合における「フィードバック」は、中継信号を伝送する主信号経路の出力側から入力側へ向かう経路での重み付け処理に関連する。そして、「フィードフォーワード」は、主信号経路での重み付け処理に関連する。本願は、重み行列Wが、何らかのフィードバック信号や通知に従って適応的に制御されることを排除するものではない。このことは、プリコーディング行列Fについても当てはまる。即ち、本願は、プリコーディング行列Fが、何らかのフィードバック信号や通知に従って適応的に制御されることも排除するものでもない。
【００３６】
上述したように、キャンセル行列C及び重み行列Wの次元はM×Mである。キャンセリング部23の出力信号は、要素数Mのベクトルvと言及される。無線通信装置RS20から送信された信号は、H2のチャネル特性を持つ無線リンク50を介して、各無線通信装置MS301〜MS30Mで受信され、それぞれにおいて熱雑音が足し合わされる。この場合の熱雑音を表すベクトルn2は、要素数Mであり、各要素はMS301〜MS30Mにおいて足し合わされる熱雑音成分を表すこととする。また、受信信号ベクトルyも要素数はMであり、各要素は熱雑音が足し合わされた後のMS301〜MS30Mにおける各受信信号成分を表すこととする。
【００３７】
以下、主な信号の数式表現を示す。キャンセリング部23における回り込み干渉除去後の信号vは、次式(2)のように表すことができる。
【００３８】
【数２】
2010068151.tif 000004
ただし、Iは行列サイズM x Mの単位行列(Identity  Matrix)である。
【００３９】
下りリンクにおける最終的な受信装置である無線通信装置MS30で受信された信号yは、次式(3)のように表すことができる。
【００４０】
【数３】
2010068151.tif 000005
上記の数式(2)に示す信号vを式(3)に代入することにより、信号yは以下の式で表すことができる。
【００４１】
【数４】
2010068151.tif 000006
（１．３  無線中継装置）
図３を参照しながら、本実施例に係る一つの無線中継システムにおける無線中継機能を持つ無線通信装置RS20の機能構成について説明する。図３には、受信アンテナ21と、送信アンテナ22と、回り込み干渉除去及びアンテナ間・ユーザ間干渉抑圧を目的とするキャンセリング部23と、最適重み行列計算部251と、チャネル推定部26と、送信電力制御部27とが示されている。
【００４２】
受信アンテナ21は、基地局である無線通信装置BS10から送信された信号を受信する機能を有する。
【００４３】
キャンセリング部23は、フィードバック型のキャンセル行列Cにより、回り込み干渉、アンテナ間干渉及びユーザ間干渉を抑圧のための信号を生成し、生成した信号を受信アンテナ21で受信した信号から差し引く機能を有する。
【００４４】
最適重み行列計算部251は、チャネル行列H1,H2,Gを用いて繰り返し計算を行い、少なくともキャンセル行列Cの最適化を行う機能を有する。第１の実施例ではキャンセル行列Cの最適化が主に行われるが、後述の他の実施例ではキャンセル行列Cだけでなく、プリコーディング行列F及び／又は重み行列Wの最適化も行われる。周波数分割複信方式(FDD：Frequency  Division  Duplex)がシステムで使用されている場合、上りリンクと下りリンクで周波数が違うので、図示されているように、チャネル行列H1，Gについてはチャネル推定部26で自ら推定するが、後方チャネル行列H2については移動局から通知を受けることが好ましい。一方、時間分割複信方式(TDD： Time  Division  Duplex)がシステムで使用される場合、上下リンクで周波数が同じなので、前方チャネル行列H1だけでなく後方チャネル行列H2も無線中継装置RS20で推定されてよい。
【００４５】
チャネル推定部26は受信信号を用いてチャネル特性を推定する機能を有する。この推定は、例えば受信信号中のパイロットチャネルを調べることで行われてもよい。
【００４６】
送信電力制御部27は無線通信装置RS20での送信電力を制御する機能を有する。例えば、総送信電力が定格の所定値以下になるように送信電力が制御されてもよい。更には、個々の送信アンテナ毎に送信電力が制御されてもよい。
【００４７】
送信アンテナ22は無線通信装置MS30に信号を送信（中継）する機能を有する。
（１．４  行列の最適化）
次に、本発明の第１実施例に係る無線中継機能を持つ無線通信装置RS20において、フィードバック型のキャンセル行列Cを最適化する手法について説明する。第１実施例においては、無線基地局機能を持つ無線通信装置BS10は、プリコーディング行列Fを用いたフィードフォーワード型のプリコーディングを行わないものとする。つまり、無線通信装置BS10でのプリコーディング行列Fを√(P0/M)Iとする。ただし、P0は無線基地局機能を持つ無線通信装置BS10での総送信電力である。Iは単位行列である。このとき、図2に示される基地局機能を持つ無線通信装置BS10は、送信信号ベクトルxの各要素を、各送信アンテナから送信することになる。
【００４８】
更に、第１実施例では、中継局である無線通信装置RS20におけるフィードフォーワード型の重み付けを行わない。つまり、無線通信装置RS20での重み行列WをIとする。したがって、本実施例においては、図2に示す中継局機能を持つ無線通信装置20は、キャンセリング部23で処理された後の信号vの各要素が、各送信アンテナから送信される。しかしながら、以下の説明においては、一般的な数式が先ず導出され、その後にF,Wの具体的形式が代入されるようにする。
【００４９】
第１実施例の無線中継機能を持つ無線通信装置RS20におけるフィードバック型のキャンセル行列Cの算出手法は、受信誤り率を最小とすることを目的とし、次式(5)のように表すことができる。
【００５０】
【数５】
2010068151.tif 000007
ただし、trは対角成分の和をとる演算子(トレース：trace)であり、Prは無線中継機能を持つ無線通信装置RS20の総送信電力である。Eは平均値又は期待値をとることを表す。上付き文字のHは複素共役転置をとることを表す。式(5)の第1行目は、送信信号xと受信信号yとの平均的な2乗誤差が最小になるように、キャンセル行列Cを算出することを表す。式(5)の第2行目は、
tr{E[(Wv)(Wv)H]}=Pr
を表し、無線中継機能を持つ無線通信装置RS20の総送信電力がPrとなることを求める拘束条件を表す。
【００５１】
キャンセル行列Cの最適解を導出するため、式(5)は式(6)に示すようなラグランジュの双対問題（Lagrangian  Dual  Problem）に置き換えられる。
【００５２】
【数６】
2010068151.tif 000008
ただし、μはラグランジュ乗数（Lagrange  Multiplier）である。そして、式(6)に示すラグランジュの双対問題の最適解は、次式(7)に示すようなカルーシュ・クーン・タッカー(KKT:  Karush-Kuhn-Tucker)条件を用いることで算出できる。
【００５３】
【数７】
2010068151.tif 000009
ここで、▽は微分演算子を表し、式(7)の第1行の計算を行うために、以下の式(8)〜式(12)に示すような行列微分公式を適用する。
【００５４】
【数８】
2010068151.tif 000010
ここで、上付き文字のHは複素共役転置を表し、＊は複素共役を表し、Tは転置を表す。
以上の式(8)〜式(12)に示す行列微分公式を適用することで、式(7)の最適解は式(13)のように表すことができる。
【００５５】
【数９】
2010068151.tif 000011
ただし、σ12は無線通信装置RS20での熱雑音電力である。
【００５６】
式(13)を参照するに、無線通信装置RS20におけるキャンセル行列Cの最適解は、閉形式では表現されていない。従って最適解は反復的な数値計算アルゴリズムで逐次近似しながら導出される。
【００５７】
図４はそのようなアルゴリズムの概略を示す。第１実施例では、プリコーディング行列Fは√(P0/M)Iであり、重み行列WはIであり、上記の数式にこれらが代入される。
【００５８】
ステップS1では、キャンセル行列Cとラグランジュ乗数μの初期値が設定される。下付のカッコ内の数字[n]は反復的な更新回数を表す。
【００５９】
ステップS2では、前回のラグランジュ乗数μ[n-1]を用いて、式(13)の第1行目の計算を行うことにより、キャンセル行列Cが更新される。
【００６０】
ステップS3では、更新後のキャンセル行列C[n]を用いて、式(13)の第3行目及び第2行目の計算を行うことにより、ラグランジュ乗数μが更新される。
【００６１】
ステップS4では、キャンセル行列C[n]の値が収束しているか否かが検査される。具体的には、今回導出されたキャンセル行列の値C[n]と、前回の繰返し処理で導出されたキャンセル行列の値C[n-1]との差のノルムが計算される。このノルムが、εより小さければ収束したものと判断され、アルゴリズムは終了する。そうでなければステップS2，S3を再度行う。なお、無限ループに入るのを避けるため、所定の反復回数でアルゴリズムが強制的に止められてもよい。収束条件の判定法は上記に限らず適切な如何なる判定基準が使用されてもよい。
【００６２】
（１．５  総送信電力の制御）
図４のアルゴリズムで算出された重み行列Cを用いて、キャンセリング部23は中継する信号を修正する。修正後の信号ｖには、
√(Pr/Pr,pro)  ・・・(14)
の値が乗算される。式(14)の値を乗算することにより、無線中継機能を持つ無線通信装置RS20の総送信電力はPrに制限される。ただし、Pr,proは送信電力制御を行う前の電力であり、次式(15)で表すことができる。
【００６３】
【数１０】
2010068151.tif 000012
（１．６  作用及び効果）
以上説明したように、無線中継機能を持つ無線通信装置RS20において、チャネル行列H1，H2，Gが互いに関連するようなモデルブロック(図２)を想定しているので、キャンセル行列Cを反復的に更新しながら最適化することで、システム全体のビット誤り率特性を改善できる。また、無線中継機能を持つ無線通信装置RS20において総送信電力の制御を行うことにより、無線通信装置RS20において許容される最大送信電力での信号送信が可能となるため、ビット誤り率特性の更なる改善が期待できる。
【実施例２】
【００６４】
以下、本発明の第２実施例(Ｆ∝Ｉ,Ｗ≠Ｉ)が説明される。上述の第１実施例と共通する部分についての重複的な説明は省略される。上述の第１実施例では、無線中継機能を持つ無線通信装置RS20において、フィードバック型のキャンセル行列Cが最適化されたが、第２実施例では、キャンセル行列Cだけでなく重み行列Wも最適化される。但し、第２実施例においても、第１実施例と同様に、無線基地局機能を持つ無線通信装置BS10におけるプリコーディングは行わない。即ち、プリコーディング行列F＝√(P0/M)Iであるとする。
【００６５】
（２．１  無線中継装置）
図５は、本実施例に係る中継機能を持つ無線通信装置RS20の機能構成を示す。無線通信装置RS20は、第1実施例と同様に、受信アンテナ21と、送信アンテナ22と、回り込み干渉除去を目的とするキャンセリング部23と、最適重み行列計算部252と、チャネル推定部26と、送信電力制御部27とを有する。第１実施例とは異なり、無線通信装置RS20はアンテナ間干渉及びユーザ間干渉の抑圧を主目的とするウェイティング部24を更に有する(そのような目的は厳密な意味ではなく、実際には行列C,Wの双方で干渉の抑圧が行われる。)。受信アンテナ21、送信アンテナ22、キャンセリング部23、チャネル推定部26、及び送信電力制御部27については、上述した第１実施例と同様であり、説明を省略する。
【００６６】
ウェイティング部24はフィードフォーワード型の重み行列Wを乗算する機能を有する。上述したように、「フィードフォーワード」は、主信号経路での重み付け処理を意味する。
【００６７】
最適重み行列計算部252は、チャネル行列H1,H2,Gに基づいて繰り返し計算を行うことで、無線通信装置RS20におけるキャンセル行列C及び重み行列Wを最適化する。
【００６８】
（２．２  行列の最適化）
次に、本発明の第２実施例に係る無線中継機能を持つ無線通信装置RS20において、キャンセル行列C及び重み行列Wを共に最適化する手法について説明する。上述したように、本実施例でも、基地局である無線通信装置BS10におけるプリコーディングは行われない。つまり、無線通信装置BS10でのプリコーディング行列Fは√(P0/M)Iである。しかしながら、以下の説明においては、一般的な数式が先ず導出され、その後にプリコーディング行列Fの具体的表現が代入されるようにする。
【００６９】
本発明の第２実施例に係る無線中継機能を持つ無線通信装置RS20におけるキャンセル行列Cと重み行列Wの結合的な算出手法は、受信誤り率を最小とすることを目的とし、式(16)のように表すことができる。
【００７０】
【数１１】
2010068151.tif 000013
ただし、式(16)の第1行目は、受信信号ベクトルyと送信信号ベクトルxの平均的な2乗誤差が最小になるように、キャンセル行列Cと重み行列Wを算出することを表す。式(16)の第２行目は、式(5)に関して説明したように、無線通信装置RS20の総送信電力がPrとなることを求める拘束条件を表す。
【００７１】
キャンセル行列C及び重み行列Wの最適解を導出するため、式(16)は式(17)に示すようなラグランジュの双対問題（Lagrangian  Dual  Problem）に置き換えられる。
【００７２】
【数１２】
2010068151.tif 000014
ただし、μはラグランジュ乗数（Lagrange Multiplier）である。
【００７３】
式(17)に示すラグランジュの双対問題の最適解は式(18)に示すようなカルーシュ・クーン・タッカー(KKT:  Karush-Kuhn-Tucker)条件を用いることで算出できる。
【００７４】
【数１３】
2010068151.tif 000015
そして、式(8)〜式(12)に示す行列微分公式を適用することで、式(18)の最適解は式(19)のように表すことができる。
【００７５】
【数１４】
2010068151.tif 000016
式(19)を参照するに、無線通信装置RS20におけるキャンセル行列C及び重み行列Wの最適解は、閉形式では表現されていない。従って最適解は反復的な数値計算アルゴリズムで逐次近似しながら導出される。
【００７６】
図６はそのようなアルゴリズムの概略を示す。第２実施例では、プリコーディング行列Fは√(P0/M)Iであり、上記の数式にそれらが代入される。
【００７７】
ステップS1では、キャンセル行列C、重み行列W及びラグランジュ乗数μの初期値が設定される。下付のカッコ内の数字は反復的な更新回数を表す。
【００７８】
ステップS2では、前回のラグランジュ乗数μ[n-1]及び重み行列W[n-1]を用いて、式(19)の１番目の計算を行うことにより、キャンセル行列Cが更新される。
【００７９】
ステップS3では、更新後のキャンセル行列C[n]及び前回の重み行列W[n-1]を用いて、式(19)の３番目及び４番目の計算を行うことにより、ラグランジュ乗数μが更新される。
【００８０】
ステップS4では、更新後のキャンセル行列C[n]及びラグランジュ乗数μ[n]を用いて、式(19)の２番目の計算を行うことにより、重み行列Wが更新される。
【００８１】
ステップS5では、キャンセル行列C[n]及び重み行列W[n]の値が収束しているか否かが検査される。具体的には、今回導出されたキャンセル行列の値C[n]と前回の繰返し処理で導出されたキャンセル行列の値C[n-1]との差の第１ノルムが用意される。更に、今回導出された重み行列の値W[n]と前回の繰返し処理で導出された重み行列の値W[n-1]との差の第２ノルムも用意される。第１及び第２ノルムの大きい方が、εより小さければ収束したものと判断され、アルゴリズムは終了する。そうでなければステップS2，S3，S4が再度行われる。なお、無限ループに入るのを避けるため、所定の反復回数でアルゴリズムが強制的に止められてもよい。収束条件の判定法は上記に限らず適切な如何なる判定基準が使用されてもよい。
【００８２】
（２．３  総送信電力の制御）
図６のアルゴリズムで算出された重み行列Cを用いて、キャンセリング部23は中継する信号を修正する。この修正後の信号ｖに対して、重み行列Wによる重み付けが、ウェイティング部24で行われる。ウェイティング部24からの出力は、送信電力制御部27による送信電力制御の下に送信される。送信電力制御については、上述した第１実施例と同様であり、説明を省略する。
【００８３】
（２．４  作用及び効果）
以上説明したように無線通信装置RS20では、チャネル行列H1，H2，Gが互いに関連するようなモデルブロック(図２)が想定され、キャンセル行列Cだけでなく重み行列Wも相互に関連しながら最適化されるので、システム全体のビット誤り率特性を更に改善できる。また、無線中継機能を持つ無線通信装置RS20において総送信電力の制御を行うことにより、無線通信装置RS20において許容される最大送信電力での信号送信が可能となるため、ビット誤り率特性の更なる改善が期待できる。
【実施例３】
【００８４】
以下、本発明の第３実施例（一般的なF，W=I）が説明される。上述の第１，２実施例と共通する部分についての重複的な説明は省略される。上述の第１実施例では、無線中継機能を持つ無線通信装置RS20において、フィードバック型のキャンセル行列Cが最適化されたが、第３実施例では、キャンセル行列Cだけでなくプリコーディング行列Fも最適化される。但し、第３実施例では、第１実施例と同様に、フィードフォーワード型の重み行列Wによる重み付けは行われない。W=Iである。
【００８５】
（３．１  無線中継装置）
図７は、本実施例に係る中継機能を持つ無線通信装置RS20の機能構成を示す。無線通信装置RS20は、第１実施例と同様に、受信アンテナ21と、送信アンテナ22と、回り込み干渉除去及びアンテナ間・ユーザ間干渉抑圧を目的とするキャンセリング部23と、最適重み行列計算部253と、チャネル推定部26と、送信電力制御部27とを有する。第１実施例とは異なり、無線通信装置RS20は、重み行列通知部28を有する。受信アンテナ21、送信アンテナ22、キャンセリング部23、チャネル推定部26、及び送信電力制御部27については、上述した第１実施例と同様であるので、説明を省略する。
【００８６】
最適重み行列計算部253は、チャネル行列H1,H2,Gに基づいて繰り返し処理を行うことで、無線通信装置RS20におけるキャンセル行列C及び無線通信装置BS10におけるプリコーディング行列Fを最適化する。
【００８７】
重み行列通知部28は、最適重み行列計算部253において算出されたプリコーディング行列Fを、無線基地局機能を持つ無線通信装置BS10に通知する機能を有する。無線通信装置BS10は、この通知を受信し、プリコーディング行列Fを更新し、更新後のプリコーディング行列を次回の信号送信に使用する。
【００８８】
（３．２  行列の最適化）
次に、本発明の第３実施例に係る無線中継機能を持つ無線通信装置RS20において、キャンセル行列C及びプリコーディング行列Fを共に最適化する手法について説明する。キャンセル行列C及びプリコーディング行列Fの結合的な算出手法は、受信誤り率を最小とすることを目的とし、式(20)のように表すことができる。
【００８９】
【数１５】
2010068151.tif 000017
ただし、P0は無線基地局機能を持つ無線通信装置BS10での総送信電力である。式(20)の第１行目は、受信信号ベクトルyと送信信号ベクトルxの平均的な2乗誤差が最小になるように、キャンセル行列C及びプリコーディング行列Fを算出することを表す。式(20)の第２行目は、無線基地局機能を持つ無線通信装置BS10の総送信電力がP0となることを求める拘束条件を表す。式(20)の第３行目は、無線中継機能を持つ無線通信装置RS20の総送信電力がPrとなることを求める拘束条件を表す。
【００９０】
キャンセル行列C及びプリコーディング行列Fの最適解を導出するため、式(20)は式(21)に示すようなラグランジュの双対問題（Lagrangian  Dual  Problem）に置き換えられる。
【００９１】
【数１６】
2010068151.tif 000018
ただし、μ1,μ2はラグランジュ乗数（Lagrange  Multipliers）である。
【００９２】
式(21)に示すラグランジュの双対問題の最適解は、式(22)に示すようなカルーシュ・クーン・タッカー(KKT:  Karush- Kuhn-Tucker)条件を用いることで算出できる。
【００９３】
【数１７】
2010068151.tif 000019
そして、式(8)〜式(12)に示す行列微分公式を適用することで、式(22)の最適解は式(23)のように表すことができる。
【００９４】
【数１８】
2010068151.tif 000020
式(23)を参照するに、キャンセル行列C及びプリコーディング行列Fの最適解は、閉形式では表現されていない。従って最適解は反復的な数値計算アルゴリズムで逐次近似しながら導出される。
【００９５】
図６はそのようなアルゴリズムの概略を示す。第３実施例では、重み行列WはIであり、上記の数式にそれらが代入される。
【００９６】
ステップS1では、キャンセル行列C、プリコーディング行列F及び第１，第２ラグランジュ乗数μ1，μ2の初期値が設定される。図中、下付のカッコ内の数字は反復的な更新回数を表す。
【００９７】
ステップS2では、前回の第１，第２ラグランジュ乗数μ1[n-1],μ2[n-1]及びプリコーディング行列F[n-1]を用いて、式(23)の１番目の計算を行うことにより、キャンセル行列Cが更新される。
【００９８】
ステップS3では、更新後のキャンセル行列C[n]及び前回のプリコーディング行列F[n-1]及び第１ラグランジュ乗数μ1[n-1]を用いて、式(23)の５番目及び６番目の計算を行うことにより、第２ラグランジュ乗数μ2が更新される。
【００９９】
ステップS4では、更新後のキャンセル行列C[n]及び前回のプリコーディング行列F[n-1]及び更新後の第２ラグランジュ乗数μ2[n]用いて、式(23)の３番目及び４番目の計算を行うことにより、第１ラグランジュ乗数μ1が更新される。
【０１００】
ステップS5では、更新後のキャンセル行列C[n]及び第１，第２ラグランジュ乗数μ1[n],μ2[n]を用いて、式(23)の２番目の計算を行うことにより、プリコーディング行列Fが更新される。
【０１０１】
ステップS6では、キャンセル行列C[n]及びプリコーディング行列F[n]の値が収束しているか否かが検査される。具体的には、今回導出されたキャンセル行列の値C[n]と前回の繰返し処理で導出されたキャンセル行列の値C[n-1]との差の第１ノルムが用意される。更に、今回導出されたプリコーディング行列の値F[n]と前回の繰返し処理で導出されたプリコーディング行列の値F[n-1]との差の第２ノルムも用意される。第１及び第２ノルムの大きい方が、εより小さければ収束したものと判断され、アルゴリズムは終了する。そうでなければステップS2,S3,S4,S5が再度行われる。なお、無限ループに入るのを避けるため、所定の反復回数でアルゴリズムが強制的に止められてもよい。収束条件の判定法は上記に限らず適切な如何なる判定基準が使用されてもよい。
【０１０２】
（３．３  総送信電力の制御）
図８のアルゴリズムで算出された重み行列Cを用いて、キャンセリング部23は中継する信号を修正する。修正後の信号は、送信電力制御部27による電力制御の下で送信される。送信電力制御については第１実施例と同様であり、説明を省略する。
【０１０３】
本実施例では、最適重み行列計算部はプリコーディング行列Fも更新する。更新後のプリコーディング行列Fは、重み行列通知部28により、無線基地局機能を持つ無線通信装置BS10に通知される。無線通信装置BS10は、総送信電力をP0に制限する。このため、無線通信装置BS10におけるプリコーディング部12の出力に対して、次式(24)の値を乗算した後に信号の送信を行う。
【０１０４】
√(P0/P0,pro)  ・・・(24)
ただし、P0,proは総合送信電力制御を行う前の電力であり、式(25)で表すことができる。
【０１０５】
P0,pro＝tr{FFH}  ・・・(25)
（３．４  作用及び効果）
以上説明したように無線通信装置RS20では、チャネル行列H1,H2,Gが互いに関連するモデルブロック(図２)が想定され、キャンセル行列Cだけでなく、プリコーディング行列Fも相互に関連しながら最適化されるので、システム全体のビット誤り率特性を更に改善できる。また、無線通信装置BS10及びRS20において総送信電力の制御を行うことにより、無線通信装置BS10及びRS20それぞれにおいて許容される最大送信電力で信号を送信できるようになり、ビット誤り率特性の更なる改善を図ることができる。
【実施例４】
【０１０６】
以下、本発明の第４実施例(一般的なF，W≠I)が説明される。第４実施例ではキャンセル行列Cだけでなく、プリコーディング行列Fも重み行列Wも最適化される。
【０１０７】
（４．１  無線中継装置）
図９は、本実施例に係る無線中継機能を持つ無線通信装置RS20の構成を示す。無線通信装置RS20は、第１実施例と同様に、受信アンテナ21と、送信アンテナ22と、回り込み干渉除去を目的とするキャンセリング部23と、最適重み行列計算部254と、チャネル推定部26と、送信電力制御部27とを有する。無線通信装置RS20は、第１実施例とは異なり、アンテナ間・ユーザ間干渉抑圧を目的とするウェイティング部24と、重み行列通知部28とを有する。
【０１０８】
受信アンテナ21、送信アンテナ22、キャンセリング部23、チャネル推定部26、及び送信電力制御部27については、上述した第１実施例と同様であり、説明を省略する。ウェイティング部24については、上述した第２実施例と同様であり、説明を省略する。そして、重み行列通知部28については、上述した第３実施例と同様であり、説明を省略する。
【０１０９】
最適重み行列計算部254は、チャネル行列H1,H2,Gに基づいて繰り返し処理を行うことで、無線通信装置RS20におけるキャンセル行列C及び重み行列Wと、無線通信装置BS10におけるプリコーディング行列Fとを最適化する。
【０１１０】
（４．２  行列の最適化）
次に、本発明の第４実施例に係る無線中継機能を持つ無線通信装置RS20において、キャンセル行列C、重み行列W及びプリコーディング行列Fを共に最適化する手法について説明する。第１実施例と同様に、最適化の手法は、受信誤り率を最小とすることを目的とし、式(26)のように表すことができる。
【０１１１】
【数１９】
2010068151.tif 000021
ただし、式(26)の第１行目は、受信信号ベクトルyと送信信号ベクトルxの平均的な2乗誤差が最小となるように、キャンセル行列C、重み行列W及びプリコーディング行列Fを算出することを表す。式(26)の第２行目は、無線基地局機能を持つ無線通信装置BS10の総送信電力がP0となることを求める拘束条件を表す。式(26)の第３行目は、無線中継機能を持つ無線通信装置RS20の総送信電力がPrとなることを求める拘束条件を表す。
【０１１２】
キャンセル行列C、重み行列W及びプリコーディング行列Fの最適解を導出するため、式(26)は式(27)に示すようなラグランジュの双対問題（Lagrangian Dual Problem）に置き換えられる。
【０１１３】
【数２０】
2010068151.tif 000022
ただし、μ1,μ2は第１,第２ラグランジュ乗数（Lagrange  Multipliers）である。
【０１１４】
式(27)に示すラグランジュの双対問題の最適解は式(28)に示すようなカルーシュ・クーン・タッカー(KKT:  Karush-Kuhn-Tucker)条件を用いることで算出できる。
【０１１５】
【数２１】
2010068151.tif 000023
そして、式(8)〜式(12)に示す行列微分公式を適用することで、式(28)の最適解は式(29)のように表すことができる。
【０１１６】
【数２２】
2010068151.tif 000024
式(29)を参照するに、キャンセル行列C、重み行列W及びプリコーディング行列Fの最適解は、閉形式では表現されていない。従って最適解は反復的な数値計算アルゴリズムで逐次近似しながら導出される。
【０１１７】
図１０はそのようなアルゴリズムの概略を示す。ステップS1では、キャンセル行列C、重み行列W、プリコーディング行列F及び第１，第２ラグランジュ乗数μ1，μ2の初期値が設定される。図中、下付のカッコ内の数字は反復的な更新回数を表す。
【０１１８】
ステップS2では、前回の重み行列W[n-1]、プリコーディング行列F[n-1]及び第１，第２ラグランジュ乗数μ1[n-1],μ2[n-1]を用いて、式(29)の１番目の計算を行うことにより、キャンセル行列Cが更新される。
【０１１９】
ステップS3では、更新後のキャンセル行列C[n]、前回の重み行列W[n-1]、プリコーディング行列F[n-1]及び第１ラグランジュ乗数μ1[n-1]を用いて、式(29)の６番目及び７番目の計算を行うことにより、第２ラグランジュ乗数μ2が更新される。
【０１２０】
ステップS4では、更新後のキャンセル行列C[n]、前回の重み行列W[n-1]、プリコーディング行列F[n-1]及び更新後の第２ラグランジュ乗数μ2[n]用いて、式(29)の４番目及び５番目の計算を行うことにより、第１ラグランジュ乗数μ1が更新される。
【０１２１】
ステップS5では、更新後のキャンセル行列C[n]、前回の重み行列W[n-1]、及び更新後の第１，第２ラグランジュ乗数μ1[n],μ2[n]を用いて、式(29)の３番目の計算を行うことにより、プリコーディング行列Fが更新される。
【０１２２】
ステップS5では、更新後のキャンセル行列C[n]、プリコーディング行列F[n]、及び第１，第２ラグランジュ乗数μ1[n],μ2[n]を用いて、式(29)の２番目の計算を行うことにより、重み行列Wが更新される。
【０１２３】
ステップS6では、キャンセル行列C[n]、重み行列W[n]及びプリコーディング行列F[n]の値が収束しているか否かが検査される。具体的には、今回導出されたキャンセル行列の値C[n]と前回の繰返し処理で導出されたキャンセル行列の値C[n-1]との差の第１ノルムが用意される。今回導出された重み行列の値W[n]と前回の繰返し処理で導出された重み行列の値W[n-1]との差の第２ノルムも用意される。更に、今回導出されたプリコーディング行列の値F[n]と前回の繰返し処理で導出されたプリコーディング行列の値F[n-1]との差の第３ノルムも用意される。第１、第２及び第３ノルムの内最大のものが、εより小さければ収束したものと判断され、アルゴリズムは終了する。そうでなければステップS2,S3,S4,S5,S6が再度行われる。なお、無限ループに入るのを避けるため、所定の反復回数でアルゴリズムが強制的に止められてもよい。収束条件の判定法は上記に限らず適切な如何なる判定基準が使用されてもよい。
【０１２４】
（４．３  総送信電力の制御） 
図１０のアルゴリズムで算出された重み行列C,F,Wを用いて、無線通信装置RS20で中継される信号は説明済みの方法で修正され、送信電力制御部27により制御された電力(総送信電力)で送信される。無線通信装置BS10におけるプリコーディング部12の出力に対しても総送信電力は制御される。無線通信装置RS20における総送信電力の制御については、上述した第１実施例と同様であり、説明を省略する。また、無線通信装置BS10における総送信電力の制御については、上述した第３実施例と同様であり、説明を省略する。
【０１２５】
（４．４  作用及び効果）
以上説明したように、無線中継機能を持つ無線通信装置RS20において、チャネル行列H1,H2,Gが互いに関連するようなモデルブロック(図２)が想定され、キャンセル行列Cだけでなく、重み行列Wもプリコーディング行列Fも相互に関連しながら最適化されるので、システム全体のビット誤り率特性は顕著に改善される。また、無線通信装置BS10及びRS20において総送信電力の制御を行うことにより、無線通信装置BS10及びRS20それぞれにおいて許容される最大送信電力を用いて信号を送信することが可能になり、ビット誤り率特性を更に改善できる。
【実施例５】
【０１２６】
上述した実施例では、説明の便宜上、下りリンク通信を例にとって説明したが、本発明は下りリンクに限定されるものではなく、上りリンク通信に適用されてもよい。
【０１２７】
図１１は本発明が上りリンクに適用された場合のシステム構成を示す。図１と本質的には同じであるが、図１の場合とは逆に、前方チャネルH1'は、移動端末の無線通信装置MS  1〜MS Mから、無線中継機能を有する無線通信装置RSへの無線リンクのチャネル特性を表す。後方チャネルH2'は、無線中継機能を有する無線通信装置RSから、無線基地局機能を有する無線通信装置BSへの無線リンクのチャネル特性を表す。回り込みチャネルG'は、無線中継機能を有する無線通信装置RSの上りリンクにおける送信アンテナから受信アンテナに至る無線リンクのチャネル特性を表す。
【０１２８】
図１２は図１１のシステム構成に対するモデルブロック図を示す。図２及び図１２を比較して分かるように、無線通信装置RSにおける信号処理の方法は下りリンクでも上りリンクでも実質的に同じである。従って図１３に示されるように、無線中継機能を有する無線通信装置RSの機能ブロック図は、図３の機能ブロック図と実質的に同じになる。なお、プリコーディング行列F,F'を通知する宛先は上下リンク何れの場合でも無線通信装置BSであるが、それは下りリンクの場合は上流側にあり、上りリンクの場合は下流側にある点が異なる。
【０１２９】
上述した実施例では、単一アンテナを有する移動端末(無線通信装置)MSが複数台含まれるように無線中継システムは構成されていたが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、複数のアンテナを有する単一または複数の移動端末の無線通信装置MS30が、無線中継システムに含まれていてもよい。
【０１３０】
上述した実施例では、受信誤り率を最小とすることを目的として、回り込み干渉、アンテナ間干渉及びユーザ間干渉を抑圧する方法が説明されたが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、受信容量を最大とすることを目的として、回り込み干渉、アンテナ間干渉及びユーザ間干渉が抑圧されてもよい。
【産業上の利用可能性】
【０１３１】
本発明は、MIMO方式で無線信号を中継することでカバレッジを拡張する適切な如何なるシステムに適用されてもよい。例えば本発明は、HSDPA/HSUPA方式のW-CDMAシステム、LTE方式のシステム、IMT-Advancedシステム、WiMAX, Wi-Fi方式のシステム等に適用されてもよい。
【０１３２】
以上、本発明は特定の実施例を参照しながら説明されたが、本開示の一部をなす文、式および図面等は、本発明を限定するように解釈されるべきではない。説明された実施例は単なる例示に過ぎず、本発明の精神から逸脱することなく、当業者は様々な変形例、修正例、代替例、置換例等を理解するであろう。発明の理解を促すため具体的な数値例を用いて説明がなされたが、特に断りのない限り、それらの数値は単なる一例に過ぎず適切な如何なる値が使用されてもよい。発明の理解を促すため具体的な数式を用いて説明がなされたが、特に断りのない限り、それらの数式は単なる一例に過ぎず適切な如何なる代替的な数式が使用されてもよい。実施例又は項目の区分けは本発明に本質的ではなく、２以上の実施例又は項目に記載された事項が必要に応じて組み合わせて使用されてよい。説明の便宜上、本発明の実施例に係る装置は機能的なブロック図を用いて説明されたが、そのような装置はハードウエアで、ソフトウエアで又はそれらの組み合わせで実現されてもよい。
【図面の簡単な説明】
【０１３３】
【図１】無線中継システムの構成を示す図である。
【図２】無線中継システムのモデルブロックを示す図である。
【図３】第１実施例に係る無線通信装置RS20の機能構成を示す図である。
【図４】第１実施例に係る無線通信装置RS20で最適な重み行列を算出する方法例を示すフローチャートである。
【図５】第２実施例に係る無線通信装置RS20の機能構成を示す図である。
【図６】第２実施例に係る無線通信装置RS20で最適な重み行列を算出する方法例を示すフローでチャートである。
【図７】第３実施例に係る無線通信装置RS20の機能構成を示す図である。
【図８】第３実施例に係る無線通信装置RS20で最適な重み行列を算出する方法例を示すフローでチャートである。
【図９】第４実施例に係る無線通信装置RS20の機能構成を示す図である。
【図１０】第４実施例に係る無線通信装置RS20で最適な重み行列を算出する方法例を示すフローでチャートである。
【図１１】上りリンクに関するシステム構成を示す図である。
【図１２】図１１のシステム構成に対して使用可能な計算モデルを示す図である。
【図１３】図１１のシステム構成で使用可能な無線通信装置RSを示す図である。
【符号の説明】
【０１３４】
10/20/30  無線通信装置
BS  無線基地局
RS  無線中継装置
MS  移動端末
21  受信アンテナ
22  送信アンテナ
23  キャンセリング部
24  ウェイティング部
251/252/253/254  最適重み行列計算部
26  チャネル推定部
27  送信電力制御部
28  重み行列通知部
【図１】
2010068151.tif 000025
【図２】
2010068151.tif 000026
【図３】
2010068151.tif 000027
【図４】
2010068151.tif 000028
【図５】
2010068151.tif 000029
【図６】
2010068151.tif 000030
【図７】
2010068151.tif 000031
【図８】
2010068151.tif 000032
【図９】
2010068151.tif 000033
【図１０】
2010068151.tif 000034
【図１１】
2010068151.tif 000035
【図１２】
2010068151.tif 000036
【図１３】
2010068151.tif 000037