(57)【要約】      （修正有）【課題】マルチリレー構成の協調通信システムにおける下り／上りマルチユーザＭＩＭＯの利用によってスループットを向上させる。【解決手段】発信局１０は、複数の中継局で通信路状態情報を推定するためのフレームを送出するフレーム送出部と、複数の中継局１１−ｎから通知される、自装置とそれぞれの中継局との間における通信路状態情報に基づいて選択される複数の中継局のうち、所定の選択基準を上回る通信路状態情報を有する中継局に対して、下りマルチユーザＭＩＭＯ伝送を行う下りマルチユーザＭＩＭＯ伝送部とを備え、複数の中継局は、各々、推定するためのフレームに基づいて、自装置と発信局との間の通信路状態情報を推定し、通信路状態情報を発信局、他の中継局及び宛先局に通知する通知部と、発信局からの下りマルチユーザＭＩＭＯ伝送に対して、宛先局１２へ上りマルチユーザＭＩＭＯ伝送を行う上りマルチユーザＭＩＭＯ伝送部とを備える。【選択図】図１
2014027348.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１スロットにおいてパケットを送信する発信局と、前記発信局が前記第１スロットにおいて送信したパケットを受信し、受信したパケットを第２スロットで宛先局へ送出する複数の中継局と、前記パケットの宛先である宛先局とを具備する無線通信システムであって、
前記発信局は、
前記複数の中継局で通信路状態情報を推定するためのフレームを送出するフレーム送出部と、
前記複数の中継局から通知される、自装置とそれぞれの中継局との間における通信路状態情報に基づいて選択される前記複数の中継局のうち、所定の選択基準を上回る通信路状態情報を有する中継局に対して、下りマルチユーザＭＩＭＯ伝送を行う下りマルチユーザＭＩＭＯ伝送部と
を備え、
前記複数の中継局は、各々、
前記推定するためのフレームに基づいて、自装置と前記発信局との間の前記通信路状態情報を推定し、前記通信路状態情報を前記発信局、他の中継局及び前記宛先局に通知する通知部と、
前記発信局からの下りマルチユーザＭＩＭＯ伝送に対して、前記宛先局へ上りマルチユーザＭＩＭＯ伝送を行う上りマルチユーザＭＩＭＯ伝送部と
を備える無線通信システム。
【請求項２】
第１スロットにおいてパケットを送信する発信局と、前記発信局が前記第１スロットにおいて送信したパケットを受信し、受信したパケットを第２スロットで宛先局へ送出する複数の中継局と、前記パケットの宛先である宛先局とを具備する無線通信システムが行う無線通信方法であって、
前記発信局が、前記複数の中継局で通信路状態情報を推定するためのフレームを送出するフレーム送出ステップと、
前記中継局が、前記推定するためのフレームに基づいて、自装置と前記発信局との間の前記通信路状態情報を推定し、前記通信路状態情報を前記発信局、他の中継局及び前記宛先局に通知する通知ステップと、
前記発信局が、前記複数の中継局から通知される、自装置とそれぞれの中継局との間における通信路状態情報に基づいて選択される前記複数の中継局のうち、所定の選択基準を上回る通信路状態情報を有する中継局に対して、下りマルチユーザＭＩＭＯ伝送を行う下りマルチユーザＭＩＭＯ伝送ステップと、
前記中継局が、前記発信局からの下りマルチユーザＭＩＭＯ伝送に対して、前記宛先局へ上りマルチユーザＭＩＭＯ伝送を行う上りマルチユーザＭＩＭＯ伝送ステップと
を有する無線通信方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マルチリレー協調中継伝送でデータ信号の空間多重化伝送と時空間符号化伝送を行い、スループット・誤り率特性の向上を実現する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、発信局と宛先局以外の無線局に協調中継伝送を行わせることで通信特性を向上させる協調通信方式が注目を集めており、多くの研究がなされている。協調中継伝送における通信方式のシステムモデルは、主に中継局フォワード方式、協調システム構成（トポロジー）、協調プロトコルの三要素により決定付けられる。
【０００３】
中継局フォワード方式とは、中継局が発信局から受信した信号に対して、どのような信号処理を行い、宛先局へ伝送するかを示すものである。中継局フォワード方式の最も代表的なものは、ＤＦ（Decode-and-Forward）法と、ＡＦ（Amplify-and-Forward）法との二つである。ＤＦ法は、中継局が受信した信号を再生してから、再生した信号を宛先局に伝送する手法である。ＡＦ法は、中継局が受信した信号を増幅し、増幅した信号を宛先局に伝送する手法である。
【０００４】
協調システム構成（トポロジー）は、協調通信方式を用いた無線通信システムを構成する発信局、中継局、及び宛先局の個数と、当該無線通信システム内において行われる協調中継ホップ数とを示すものである。例えば、協調通信方式を用いた無線通信システムで、発信局（Source；Ｓ）と、宛先局（Destination；Ｄ）とを具備し、発信局が送信した信号を中継する中継局（Relay；Ｒ）が二つ存在する２リレー２ホップ構成などが考えられる。２リレー構成等のマルチリレー構成では、一般に、発信局から中継局への送受信と、中継局から宛先局への送受信とに対して、無線資源（時間及び周波数）の１スロットを割り当てるため、無線通信システム全体における、送受信における１周期を２スロットとすることが多い。
【０００５】
協調プロトコルとは、無線通信システムの１周期における各無線局（発信局、中継局、及び宛先局）間における送受信関係の組合せを示すものである。
【０００６】
図６（ａ）、（ｂ）は、中継局フォワード方式としてＤＦ法を用いた、Ｎ局の中継局のマルチリレー構成を有する無線通信（協調通信）システムの構成を示すブロック図である。なお、図６において、[]内の数は、各無線局のアンテナ数を表す。発信局１０、第ｎ中継局１１−ｎ（ｎ＝１、２、…、Ｎ）、宛先局１２は、各々、ＭＩＭＯ（multiple-input multiple-output）システムで見られるような複数のアンテナを持つマルチアンテナ構成を有する。発信局１０、第ｎ中継局１１−ｎ、宛先局１２は、各々、アンテナの本数をＮＳ、ＮＲｎ、ＮＤとする。協調プロトコルとして、図６（ａ）に示す第１スロットで発信局１０が複数の中継局１１−１〜１１−Ｎに対してパケットをブロードキャスト送信し、また、図６（ｂ）に示す第２スロットで複数の中継局１１−１〜１１−Ｎが宛先局１２へ同時送信するものを想定する。
【０００７】
［第１スロット（Ｓ−Ｒ通信）］
第１スロットにおける第ｎ中継局１１−ｎがそれぞれ受信する第Ｑ番目の受信信号ＹＲｎ，Ｑ∈［ＮＲｎ×１］は、次式（１）として表される。
【０００８】
【数１】
2014027348.tif 000003
【０００９】
ここで、ＨＳＲｎ∈［ＮＲｎ×ＮＳ］は、それぞれ発信局１０と第ｎ中継局１１−ｎとの間における通信路応答であり、その分散をＬＳＲｎとする。ＸＱ∈［ＮＳ×１］は、第１スロットで発信局１０が送出する第Ｑ番目の信号である。ＷＲｎ，Ｑ∈［ＮＲｎ×１］は、それぞれ第ｎ中継局１１−ｎにおける付加白色ガウス雑音であり、その雑音電力は、各無線局で全て等しいと仮定してσ２である。各中継局１１−１〜１１−Ｎは、受信した信号を復号し、第２スロットで宛先局１２へ向けて送出する。
【００１０】
［第２スロット（Ｒ−Ｄ通信）］
第２スロットにおける宛先局１２が受信する受信信号Ｙ２，Ｑ∈［ＮＤ×１］は、次式（２）で表される。
【００１１】
【数２】
2014027348.tif 000004
【００１２】
ここで、ＨＲＤｎ∈［ＮＤ×ＮＲｎ］は、第ｎ中継局１１−ｎと宛先局１２とにおける通信路応答であり、その分散をＬＲｎＤとする。ＸＲｎ，Ｑ∈［ＮＲｎ×１］は、それぞれ第ｎ中継局１１−ｎが送出する信号である。ＷＱは、第２スロットにおいて、宛先局１２で発生する付加雑音であり、その雑音電力は、上記の各無線局で全て等しいと記載した通り、σ２である。
【００１３】
［レートＡの定義］
レートＡを、周波数利用効率（ｂｉｔ／ｓ／Ｈｚ）を複素信号点毎のビット数Ｍと符号化率Ｒｃで割った値として定義する。例えば、レートＡ＝１で、１６−ＱＡＭ（Ｍ＝４）、符号化率Ｒｃ＝１／２のシステムでの周波数利用効率は、１×４×０．５＝２ｂｉｔ／ｓ／Ｈｚである。また、従来の直接通信のＳＩＳＯ（single-input single-output）は、レートＡ＝１である。本検討のマルチリレー協力システムで、第１、第２スロットのレートがそれぞれＡ１、Ａ２であるとき、発信局１０から宛先局１２への伝送を考慮した総レートは、次式（３）で表される。
【００１４】
【数３】
2014027348.tif 000005
【００１５】
従来技術によるマルチリレー協調通信は、中継局１１−１〜１１−Ｎにより異なる通信路を生成し、ダイバーシチ効果を得る（例えば非特許文献１参照）。ダイバーシチ効果を得る方法の一つとして時空間符号化（ＳＴＣ；space-time coding）がある。従来システムでは、第１、第２スロットともに多重化無しの直交ＳＴＣを利用した伝送が行われる。
【００１６】
図７は、従来技術の無線通信システムによるフレームシーケンス図である。なお、図７では、発信局１０を（Ｓ）、中継局１１−１〜１１−Ｎを（Ｒ１）〜（ＲＮ）、宛先局１２を（Ｄ）で示している。以下では、データフレームの送受信信号処理を、一例として、Ｎｓ＝４、Ｎ＝２、ＮＲ１＝ＮＲ２＝２、ＮＤ＝２として説明する。
【００１７】
［第１スロット（Ｓ−Ｒ通信、ＳＴＣ）］
Ｎｓ＝４のときは、アラモーティ符号を拡張して得られる４×４直交ＳＴＣ（例えば非特許文献２、（４０）式を参照）が使用できる。このとき、発信局１０が送出する第Ｑ（＝４ｑ−３、４ｑ−２、４ｑ−１、４ｑ）番目の信号ＸＱは、次式（４）と表される。
【００１８】
【数４】
2014027348.tif 000006
【００１９】
ここで、ＳＱは複素信号点である。上記の４×４直交ＳＴＣ［Ｘ４ｑ−３，Ｘ４ｑ−２，Ｘ４ｑ−１，Ｘ４ｑ］から各中継局１１−１〜１１−Ｎは、受信信号復号部（図示略）で、Ｓ３ｑ−２，Ｓ３ｑ−１，Ｓ３ｑを復号する。送出信号ＸＱのＱ＝４ｑ−３、４ｑ−２、４ｑ−１、４ｑの４区間に対し、ＳＱをＱ＝３ｑ−２、３ｑ−１、３ｑの３点を含んでいることから、そのレートは、Ａ１＝３／４である。
【００２０】
［第２スロット（Ｒ−Ｄ通信、ＳＴＣ）］
第２スロットでは、第ｎ中継局１１−ｎがそれぞれＸＲｎ，Ｑ∈［ＮＲｎ（＝２）×１］を送信する。第２スロットの送受信システムの入力（送信）の次元は、ＮＲｎ×Ｎ＝２・２＝４なので、第１スロットと同様に送信信号として、次式（５）に示す４×４直交ＳＴＣを使用できる。
【００２１】
【数５】
2014027348.tif 000007
【００２２】
上記の４×４直交ＳＴＣから宛先局１２は、受信信号復号部（図示略）で、Ｓ３ｑ−２、Ｓ３ｑ−１、Ｓ３ｑを復号する。数式（５）について、数式（４）と同様に、そのレートは、Ａ２＝３／４である。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００２３】
【非特許文献１】G. Sharma, V. Ganwani, B. Desai, and N. Merchant, “Performance analysis of maximum likelihood detection for decode and forward MIMO relay channels in Rayleigh fading,” IEEE Trans. Wireless Commun., vol. PP, no. 99, pp. 1-10, Sep. 2010.
【非特許文献２】V. Tarokh, H. Jafarkhani, and A. R. Calderbank, “Space-time block codes from orthogonal designs,” IEEE Trans. Inform. Theory, vol. 45, pp. 1456-1467, July 1999.
【非特許文献３】Q. Spencer, A. L. Swindlehurst, and M. Haardt, “Zero-forcing methods for downlink spatial multiplexing in multiuser MIMO channels,” IEEE Trans. Signal Process., vol. 52, no. 2, pp. 461-471, Feb. 2004.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２４】
上述のように、従来技術の無線通信システムでは、発信局１０から宛先局１２への伝送の総レートは、Ａ＝３／８である。上記例で見られるように、従来技術では、送信アンテナの自由度を多重化無しのＳＴＣに利用するため、各第１、第２スロットのレートＡ１、Ａ２は、１以下となり、発信局１０から宛先局１２への伝送の総レートＡは、１／２以下となる。
【００２５】
このように、従来技術による、時空間符号化を用いたマルチリレー構成の協調通信システムでは、各送信スロットが空間多重されていないため、発信局１０から宛先局１２への伝送の総レートが非常に小さくなり、レートの向上が期待できないという問題がある。
【００２６】
上記事情に鑑み、本発明は、マルチリレー構成の協調通信システムにおける下り／上りマルチユーザＭＩＭＯの利用によってスループットを向上させる技術の提供を目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００２７】
本発明の一態様は、第１スロットにおいてパケットを送信する発信局と、前記発信局が前記第１スロットにおいて送信したパケットを受信し、受信したパケットを第２スロットで宛先局へ送出する複数の中継局と、前記パケットの宛先である宛先局とを具備する無線通信システムであって、前記発信局は、前記複数の中継局で通信路状態情報を推定するためのフレームを送出するフレーム送出部と、前記複数の中継局から通知される、自装置とそれぞれの中継局との間における通信路状態情報に基づいて選択される前記複数の中継局のうち、所定の選択基準を上回る通信路状態情報を有する中継局に対して、下りマルチユーザＭＩＭＯ伝送を行う下りマルチユーザＭＩＭＯ伝送部とを備え、前記複数の中継局は、各々、前記推定するためのフレームに基づいて、自装置と前記発信局との間の前記通信路状態情報を推定し、前記通信路状態情報を前記発信局、他の中継局及び前記宛先局に通知する通知部と、前記発信局からの下りマルチユーザＭＩＭＯ伝送に対して、前記宛先局へ上りマルチユーザＭＩＭＯ伝送を行う上りマルチユーザＭＩＭＯ伝送部とを備える無線通信システムである。
【００２８】
本発明の一態様は、第１スロットにおいてパケットを送信する発信局と、前記発信局が前記第１スロットにおいて送信したパケットを受信し、受信したパケットを第２スロットで宛先局へ送出する複数の中継局と、前記パケットの宛先である宛先局とを具備する無線通信システムが行う無線通信方法であって、前記発信局が、前記複数の中継局で通信路状態情報を推定するためのフレームを送出するフレーム送出ステップと、前記中継局が、前記推定するためのフレームに基づいて、自装置と前記発信局との間の前記通信路状態情報を推定し、前記通信路状態情報を前記発信局、他の中継局及び前記宛先局に通知する通知ステップと、前記発信局が、前記複数の中継局から通知される、自装置とそれぞれの中継局との間における通信路状態情報に基づいて選択される前記複数の中継局のうち、所定の選択基準を上回る通信路状態情報を有する中継局に対して、下りマルチユーザＭＩＭＯ伝送を行う下りマルチユーザＭＩＭＯ伝送ステップと、前記中継局が、前記発信局からの下りマルチユーザＭＩＭＯ伝送に対して、前記宛先局へ上りマルチユーザＭＩＭＯ伝送を行う上りマルチユーザＭＩＭＯ伝送ステップとを有する無線通信方法である。
【発明の効果】
【００２９】
本発明により、マルチリレー構成の協調通信システムにおける下り／上りマルチユーザＭＩＭＯの利用によってスループットを向上させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の実施形態における無線通信システムの構成を示すブロック図である。
【図２】発明の実施形態による無線通信システムのフレームシーケンス図である。
【図３】本実施形態による無線通信システムの送受信手順を示す概念図である。
【図４】本実施形態による発信局（Ｓ）の他の構成例を示すブロック図である。
【図５】本実施形態による第ｎ中継局（Ｒｎ）の他の構成例を示すブロック図である。
【図６】Ｎ局の中継局のマルチリレー構成を有する無線通信（協調通信）システムの構成を示すブロック図である。
【図７】従来技術の無線通信システムによるフレームシーケンス図である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。
図１は、本発明の実施形態における無線通信システムの構成を示すブロック図である。なお、無線通信システム全体の構成は、図６と同様であるので説明を省略する。図１において、発信局１０は、送信信号生成部１０−１と、送信ビームフォーミング形成部１０−２と、ＣＳＩ−ＦＢ（通信路状態情報フィードバック）処理部１０−３と、パスバンド（ＢＢ−ＲＦ）変換部１０−４−１〜１０−４−ＮＳと、ベースバンド（ＲＦ−ＢＢ）変換部１０−５−１〜１０−５−ＮＳと、スイッチ部１０−６−１〜１０−６−ＮＳと、ＮＳ本の送受信アンテナ１０−７−１〜１０−７−ＮＳとを備えている。
【００３２】
送信信号生成部１０−１は、伝送する情報ビット列に対し、各中継局１１−ｎへの下りマルチユーザＭＩＭＯ、時空間符号、ＣＳＤ（cyclic shift diversity）伝送を行うためのベースバンド信号処理（ベースバンド表現のデータ信号生成）を行う。送信ビームフォーミング形成部１０−２は、データ信号を各中継局１１−ｎへ下りマルチユーザＭＩＭＯ伝送を行うための送信ビームフォーミングを形成する。
【００３３】
パスバンド（ＢＢ−ＲＦ）変換部１０−４−１〜１０−４−ＮＳは、送信ビームフォーミング形成部１０−２から出力されたベースバンド信号をパスバンド変換（ベースバンド信号−無線周波数変換）する。スイッチ部１０−６−１〜１０−６−ＮＳは、アンテナの送受信切替を行う。ベースバンド（ＲＦ−ＢＢ）変換部１０−５−１〜１０−５−ＮＳは、送受信アンテナ１０−７−１〜１０−７−ＮＳで受信したパスバンド信号をベースバンド変換（無線周波数信号−ベースバンド変換）する。ＣＳＩ−ＦＢ処理部１０−３は、各中継局１１−ｎからフィードバックされる通信路状態情報を処理する。
【００３４】
第ｎ中継局１１−ｎは、スイッチ部１１−１−１〜１１−１−ＮＲｎと、ベースバンド（ＲＦ−ＢＢ）変換部１１−２−１〜１１−２−ＮＲｎと、受信信号復号部１１−３と、受信信号記憶部１１−４と、送信信号生成部１１−５と、パスバンド（ＢＢ−ＲＦ）変換部１１−６−１〜１１−６−ＮＲｎと、ＮＲｎ本の送受信アンテナ１１−７−１〜１１−７−ＮＲｎとを備えている。
【００３５】
スイッチ部１１−１−１〜１１−１−ＮＲｎは、送受信アンテナ１１−７−１〜１１−７−ＮＲｎの送受信切替を行う。ベースバンド（ＲＦ−ＢＢ）変換部１１−２−１〜１１−２−ＮＲｎは、受信したパスバンド信号をベースバンド変換（無線周波数信号−ベースバンド変換）する。受信信号復号部１１−３は、受信信号から情報ビット列を復号する。受信信号記憶部１１−４は、第１スロットと第２スロットの間、復号された受信信号（情報ビット列）を記憶する。送信信号生成部１１−５は、復号された情報ビット列を、宛先局１２への上りマルチユーザＭＩＭＯ、時空間符号、ＣＳＤ伝送を行うためのベースバンド信号処理を行う。パスバンド（ＢＢ−ＲＦ）変換部１１−６−１〜１１−６−ＮＲｎは、送信信号生成部から出力されたベースバンド信号をパスバンド変換（ベースバンド信号−無線周波数変換）する。
【００３６】
宛先局１２は、ＮＤ本の受信アンテナ１２−１−１〜１２−１−ＮＤと、ベースバンド（ＲＦ−ＢＢ）変換部１２−２−１〜１２−２−ＮＤと、マルチユーザ検出部１２−３と、受信信号復号部１２−４とを備えている。ベースバンド（ＲＦ−ＢＢ）変換部１２−２−１〜１２−２−ＮＤは、受信アンテナ１２−１−１〜１２−１−ＮＤで受信したパスバンド信号をベースバンド変換（無線周波数信号−ベースバンド変換）する。マルチユーザ検出部１２−３は、複数の中継局１１−１〜１１−ｎから上りマルチユーザＭＩＭＯ伝送された信号をマルチユーザ検出する。受信信号復号部１２−４は、マルチユーザ検出された受信信号から情報ビット列を復号する。
【００３７】
図２は、発明の実施形態による無線通信システムのフレームシーケンス図である。また、図３は、本実施形態による無線通信システムの送受信手順を示す概念図である。図４は、本実施形態による発信局（Ｓ）の他の構成例を示すブロック図である。図５は、本実施形態による第ｎ中継局（Ｒｎ）の他の構成例を示すブロック図である。なお、図２、図３では、発信局１０を（Ｓ）、中継局１１−１〜１１−Ｎを（Ｒ１）〜（ＲＮ）、宛先局１２を（Ｄ）で示している。
【００３８】
本実施形態による無線通信システムでは、発信局（Ｓ）から複数の中継局（Ｒ１）〜（ＲＮ）へ伝送する第１スロットで、下りマルチユーザＭＩＭＯを、複数の中継局（Ｒ１）〜（ＲＮ）から宛先局１２へ伝送する第２スロットで、上りマルチユーザＭＩＭＯを、それぞれ利用する。以下、その送受信手順について説明する。
【００３９】
初めに発信局（Ｓ）がＮ局の中継局（Ｒ１）〜（ＲＮ）に対して、通信路状態情報を各中継局（Ｒ１）〜（ＲＮ）が推定するためのフレーム（サウンディングフレーム）をブロードキャスト送信する（手順Ｓ１）。これにより、各中継局（Ｒ１）〜（ＲＮ）は、自装置と発信局（Ｓ）間の通信路応答ＨＳＲｎを通信路推定する。通信路推定により得られる通信路応答の値を、通信路状態情報（ＣＳＩ：channel state information）と呼ぶ。
【００４０】
下りマルチユーザＭＩＭＯでは、受信局ごとに届けたい信号を分離するために、発信局（Ｓ）がＣＳＩ−ＦＢ処理部１０−３によるＣＳＩを利用し、送信ビームフォーミング形成部１０−２で送信ビームフォーミングを形成する。そのために、ＣＳＩのフィードバック（ＦＢ：feedback）を受信局（この場合、中継局）から送信局（この場合、発信局）へ行う必要があり、そのときの伝送フレームをＣＳＩ−ＦＢフレームと呼ぶ。Ｎ局の中継局（Ｒ１）〜（ＲＮ）は、第１から第Ｎまで順にＣＳＩ−ＦＢフレームを送出する（手順Ｓ２）。
【００４１】
このとき、発信局（Ｓ）だけでなく、送出元以外の各中継局と宛先局（Ｄ）もＣＳＩ−ＦＢフレームを受信できることに注意されたい。手順Ｓ２が終了した時点で、全無線局は、発信局（Ｓ）と第１から第Ｎまでの中継局（Ｒ１）〜（ＲＮ）間のＣＳＩ  ＨＳＲ１、…、ＨＳＲＮを取得している。
【００４２】
このＮ個のＣＳＩに基づいて、所定の選択基準を上回るＣＳＩを有する中継局を選択し、そうでない中継局を休止させる（手順Ｓ３）。全無線局がＣＳＩを取得しているため、どの中継局が選択されたか、または休止するかを他の制御フレーム送受信無しに、全無線局は把握することができる。図３には、中継局Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ５が選択され、中継局Ｒ４が休止となっている状態が示されている。
【００４３】
続いて、発信局（Ｓ）は、選択されている中継局（図３では、休止している中継局Ｒ４を除く、中継局Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ５）に対して送信ビームフォーミングによる下りマルチユーザＭＩＭＯでデータフレーム伝送を行う（手順Ｓ４、第１スロット）。
【００４４】
そして、休止している中継局を除く中継局（Ｒ１）〜（ＲＮ）（図３では、休止している中継局Ｒ４を除く、中継局Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ５）は、宛先局（Ｄ）へ上りマルチユーザＭＩＭＯでデータフレーム伝送を行う（手順Ｓ５、第２スロット）。
【００４５】
以下では、具体的な実施例として第１、第２スロットの送受信処理について説明する。
［第１スロット（Ｓ−Ｒ通信、下りマルチユーザＭＩＭＯ）］
第１スロットで下りマルチユーザＭＩＭＯの送信を発信局が行う場合、その送出する第Ｑ番目の信号は、次式（６）となる。
【００４６】
【数６】
2014027348.tif 000008
【００４７】
ここで、Ｍｎ∈［ＮＳ×Ｒｎ］は、第ｎ中継局の為の送信ビームフォーミングを形成する変調行列である。Ｓｎ，Ｑ∈［Ｒｎ×１］は、第ｎ中継局に伝送される１≦Ｒｎ≦ＮＲｎ個の複素信号点のベクトルであり、第１スロットの発信局−第ｎ中継局間の通信のレートは、それぞれＲｎとなる。これと、数式（１）より、第１スロットにおける第ｎ中継局がそれぞれ受信する第Ｑ番目の受信信号ＹＲｎ，Ｑ∈［ＮＲｎ×１］は、次式（７）として表される（非特許文献３、（１）式）。
【００４８】
【数７】
2014027348.tif 000009
【００４９】
第ｎ中継局は、それぞれ受信信号復号部にて受信信号ＹＲｎ，ＱからＳｎ，Ｑを復号する。
【００５０】
数式（８）に示す場合には、すべてのアンテナ自由度を下りマルチユーザＭＩＭＯによる空間多重に利用することができる。
【００５１】
【数８】
2014027348.tif 000010
【００５２】
また、数式（９）の場合には、すべてのアンテナ自由度を多重化に利用することはできないが、図４に示すように、発信局１０に、通信特性向上のための送信ダイバーシチ信号処理を行う送信ダイバーシチ信号処理部１０−８を備え、ダイバーシチ利用することで通信特性を向上させることができる。
【００５３】
【数９】
2014027348.tif 000011
【００５４】
例えば、ＮＳの空間多重化を実現しながらダイバーシチ効果を得るために、数式（１０）に示す、余剰の自由度を時空間符号に用いる。または、送信ビームフォーミングによる送信ダイバーシチ効果を得ることもできる。
【００５５】
【数１０】
2014027348.tif 000012
【００５６】
［第２スロット（Ｒ−Ｄ通信、上りマルチユーザＭＩＭＯ＋送信ダイバーシチ）］
数式（１１）の場合には、すべてのアンテナ自由度を上りマルチユーザＭＩＭＯによる空間多重に利用することができる。
【００５７】
【数１１】
2014027348.tif 000013
【００５８】
上りマルチユーザＭＩＭＯで送信信号処理を行わないならば、ＸＲｎ，Ｑ＝Ｓｎ，Ｑなので、数式（７）より第２スロットでの宛先局の受信信号は、次式（１２）となる。
【００５９】
【数１２】
2014027348.tif 000014
【００６０】
このように、一般の上りマルチユーザＭＩＭＯ  と同じ送受信信号処理が行える。
【００６１】
また、数式（１３）の場合には、すべてのアンテナ自由度を多重化に利用することはできないが、図５に示すように、第ｎ中継局１１−ｎに、通信特性向上のための送信ダイバーシチ信号処理を行う送信ダイバーシチ信号処理部１１−８を備え、ダイバーシチ利用することで通信特性を向上させることができる。
【００６２】
【数１３】
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【００６３】
例えば、ＮＤの空間多重化を実現しながらダイバーシチ効果を得るために、数式（１４）に示す、余剰の自由度を時空間符号に用いる。または、送信ビームフォーミングによる送信ダイバーシチ効果を得ることもできる。但し、この手法では、各中継局で全中継局−宛先局間の通信路情報が必要である。
【００６４】
【数１４】
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【００６５】
上述した実施形態によれば、各送信スロットが空間多重されるため、発信局１０から宛先局１２への伝送の総レートが改善され、かつ、周りの無線局がＣＳＩ−ＦＢを受信することができ、制御信号の交換なく、選択された中継局を把握することができるため、制御オーバーヘッドを削減することができる。
【００６６】
例えば、従来システムの一例で挙げられるシステムＮＳ＝４、Ｎ＝２、ＮＲ１＝ＮＲ２＝２、ＮＤ＝２であれば、それぞれのスループットに比例するレートＡは、従来技術の無線通信システムでは、３／８となり、本実施形態の無線通信システムでは、発明システムでは、４／３となる。本発明では、第１・第２スロットのレートは、それぞれＡ１＝４、Ａ２＝２であり、数式（３）よりＡ＝４／３と算出される。
【００６７】
なお、上述した実施形態において、ＯＦＤＭシステムに限ることなく、直交周波数分割多元接続（Orthogonal Frequency Division Multiple Access；ＯＦＤＭＡ）システムや、マルチキャリア符号分割多元接続（Multi Carrier-Code Division Multiple Access；ＭＣ−ＣＤＭＡ）を用いるようにしてもよい。
【００６８】
また、図６で示した協調プロトコル（第１、第２スロットでの発信局１０、中継局１１−１〜１１−Ｎ、宛先局１２の送受信関係）だけでなく、他の考え得る協調プロトコルを用いるようにしてもよい。例えば、第２スロットでは、発信局１０が信号送出を行う、第１スロットで宛先局１２が発信局１０からの信号を受信する、等が考えられる。また、送信ダイバーシチについては、ＣＳＤ等を用いてもよい。
【００６９】
また、上述した発信局１０、第ｎ中継局１１−ｎ、宛先局１２などにおける各機能を実現するためのプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行するようにしてもよい。なお、ここでいう「コンピュータシステム」とは、ＯＳや周辺機器等のハードウェアを含むものであってもよい。また、「コンピュータシステム」は、ＷＷＷシステムを利用している場合であれば、ホームページ提供環境（あるいは表示環境）も含むものとする。また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ、フラッシュメモリ等の書き込み可能な不揮発性メモリ、ＣＤ−ＲＯＭ等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。
【００７０】
さらに「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線を介してプログラムが送信された場合のサーバやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリ（例えばＤＲＡＭ（Dynamic Random Access Memory））のように、一定時間プログラムを保持しているものも含むものとする。また、上記プログラムは、このプログラムを記憶装置等に格納したコンピュータシステムから、伝送媒体を介して、あるいは、伝送媒体中の伝送波により他のコンピュータシステムに伝送されてもよい。ここで、プログラムを伝送する「伝送媒体」は、インターネット等のネットワーク（通信網）や電話回線等の通信回線（通信線）のように情報を伝送する機能を有する媒体のことをいう。また、上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであっても良い。さらに、前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるもの、いわゆる差分ファイル（差分プログラム）であっても良い。
【００７１】
以上、この発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計等も含まれる。
【符号の説明】
【００７２】
１０…発信局，  １０−１…送信信号生成部，  １０−２…送信ビームフォーミング形成部，  １０−３…ＣＳＩ−ＦＢ処理部，  １０−４−１〜１０−４−ＮＳ…ＢＢ−ＲＦ変換部，  １０−５−１〜１０−５−ＮＳ…ＲＦ−ＢＢ変換部，  １０−６−１〜１０−６−ＮＳ…スイッチ部，  １０−７−１〜１０−７−ＮＳ…送受信アンテナ，  １０−８、１１−８…送信ダイバーシチ信号処理部，  １１−１〜１１−Ｎ、１１−ｎ…第ｎ中継局，  １１−１−１〜１１−１−ＮＲｎ…スイッチ部，  １１−２−１〜１１−２−ＮＲｎ…ベースバンド（ＲＦ−ＢＢ）変換部，  １１−３…受信信号復号部，  １１−４…受信信号記憶部，  １１−５…送信信号生成部，  １１−６−１〜１１−６−ＮＲｎ…パスバンド（ＢＢ−ＲＦ）変換部，  １１−７−１〜１１−７−ＮＲｎ…送受信アンテナ，  １２…宛先局，  １２−１−１〜１２−１−ＮＤ…受信アンテナ，  １２−２−１〜１２−２−ＮＤ…ベースバンド（ＲＦ−ＢＢ）変換部，  １２−３…マルチユーザ検出部，  １２−４…受信信号復号部
【図１】
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【図２】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図３】
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