(57)【要約】【課題】それぞれのノードのチャネルの伝送品質に適応して、通信システム全体の通信容量を向上させること。【解決手段】この中継ノード１２ｋは、ソースノード１１から受信信号Ｙｋを受信する受信部２２と、自装置とソースノード１１との間の後方チャネルのＳＮＲと、自装置と宛先ノード１３との間の前方チャネルのＳＮＲとを測定するチャネル推定部２３と、後方チャネル及び前方チャネルのＳＮＲ比に応じて、自装置における中継方法をＱＲ−Ｐ−ＺＦ法、ＱＲ−Ｐ−ＱＲ法、及びＺＦ−Ｐ−ＱＲ法の中から選択する中継選択部２５と、選択された中継方法に応じた送信ウエイト行列を受信信号Ｙｋに乗ずることによって中継信号Ｘｋに変換する中継信号処理部２６と、中継信号Ｘｋを宛先ノード１３に送信する送信部２８とを備える。【選択図】図２
2008054215.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ソースノードから送信された送信信号を、多入力多出力（ＭＩＭＯ）方式を使用して宛先ノードに中継する中継ノードであって、
前記ソースノードから前記送信信号を受信する受信手段と、
自装置と前記ソースノードとの間の伝送路である後方チャネルの伝送品質と、自装置と前記宛先ノードとの間の伝送路である前方チャネルの伝送品質とのうちの少なくとも一方を測定する測定手段と、
前記測定手段によって推定された前記後方チャネルの伝送品質及び前記前方チャネルの伝送品質のうちの少なくともいずれか一方に応じて、自装置における前記送信信号の変換スキームである中継方法を複数の中継方法の中から選択する選択手段と、
前記選択手段によって選択された中継方法に応じた変換行列を前記送信信号に乗ずることによって中継信号に変換する変換手段と、
前記変換手段によって変換された前記中継信号を前記宛先ノードに送信する送信手段と、
を備えることを特徴とする中継ノード。
【請求項２】
前記変換手段によって変換された前記中継信号に対して、前記宛先ノード側で前記複数の中継方法間で同相合成が可能になるように行列演算を施す行列演算手段を更に備え、
前記送信手段は、前記行列演算手段によって行列演算が施された前記中継信号を送信する、
ことを特徴とする請求項１記載の中継ノード。
【請求項３】
前記測定手段によって測定された前記後方チャネルの伝送品質及び前記前方チャネルの伝送品質のうちの少なくともいずれか一方に応じて、前記送信信号を前記宛先ノードに中継するか否かを判断する判断手段を更に備え、
前記送信手段は、前記判断手段から前記送信信号を中継すると判断された場合に、前記中継信号を送信する、
ことを特徴とする請求項１又は２記載の中継ノード。
【請求項４】
前記測定手段は、前記後方チャネルの伝送品質及び前記前方チャネルの伝送品質の両方を測定し、
前記選択手段は、前記測定手段によって推定された前記後方チャネルの伝送品質及び前記前方チャネルの伝送品質に応じて、前記後方チャネル及び前記前方チャネルのそれぞれにＱＲ分解を行うＱＲ−Ｐ−ＱＲ法と、前記後方チャネル及び前記前方チャネルのそれぞれにＱＲ分解及びゼロフォーシング（ＺＦ）を行うＱＲ−Ｐ−ＺＦ法と、前記後方チャネル及び前記前方チャネルのそれぞれにゼロフォーシング（ＺＦ）及びＱＲ分解を行うＺＦ−Ｐ−ＱＲ法との中から中継方法を選択し、
前記行列演算手段は、前記選択手段によって前記ＱＲ−Ｐ−ＺＦ法が選択された場合は、前記変換手段の出力行列の行の順番が逆転するような行列演算を施し、前記選択手段によって前記ＺＦ−Ｐ−ＱＲ法が選択された場合は、前記変換手段の出力行列の列の順番が逆転するような行列演算を施す、
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の中継ノード。
【請求項５】
前記測定手段は、前記後方チャネルの伝送品質及び前記前方チャネルの伝送品質の両方を測定し、
前記選択手段は、前記測定手段によって測定された前記後方チャネルの伝送品質及び前記前方チャネルの伝送品質の比に応じて中継方法を選択する、
ことを特徴とする請求項４記載の中継ノード。
【請求項６】
ソースノードから送信された送信信号を、多入力多出力（ＭＩＭＯ）方式を使用して宛先ノードに中継する中継方法であって、
受信手段が、前記ソースノードから前記送信信号を受信する受信ステップと、
測定手段が、自装置と前記ソースノードとの間の伝送路である後方チャネルの伝送品質と、自装置と前記宛先ノードとの間の伝送路である前方チャネルの伝送品質とのうちの少なくとも一方を測定する測定ステップと、
選択手段が、前記測定ステップによって推定された前記後方チャネルの伝送品質及び前記前方チャネルの伝送品質のうちの少なくともいずれか一方に応じて、自装置における前記送信信号の変換スキームである中継方法を複数の中継方法の中から選択する選択ステップと、
変換手段が、前記選択ステップによって選択された中継方法に応じた変換行列を前記送信信号に乗ずることによって中継信号に変換する変換ステップと、
送信手段が、前記変換ステップによって変換された前記中継信号を前記宛先ノードに送信する送信ステップと、
を備えることを特徴とする中継方法。  
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、多入力多出力（ＭＩＭＯ）方式を用いて無線信号を中継する中継ノード及び中継方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、無線信号を中継するための技術として、マルチホップ方式とＭＩＭＯ方式とを組み合わせたＭＩＭＯマルチホップシステムが注目されている。マルチホップ方式は、信号の送信元であるソースノードとその信号の宛先である宛先ノードとの間に存在する１以上の中継ノードを介して、ソースノードから宛先ノードに信号を伝送する。この方式は、信号を中継することにより受信可能範囲が拡大されること、通信可能な地域が理論上制限されないこと、無線ネットワークを速やかに構築できること等の利点を有する。一方、ＭＩＭＯ方式は、複数の送信アンテナ及び受信アンテナを用いて無線信号を送受信することで無線空間を多様に活用して通信容量を増やそうとする通信方式である。
【０００３】
このＭＩＭＯマルチホップシステムに関して、中継ノードにおいてソースノードと宛先ノードとの間のチャネル行列に基づいて送信ウエイト行列を計算し、その送信ウエイト行列を受信信号に乗ずることによって、中継ノード間及び各中継ノードの複数アンテナ間のダイバーシティ利得を向上させる技術が、下記非特許文献１，２及び下記特許文献１，２に記載されている。すなわち、非特許文献１，２には、そのような方式として、ＱＲ−Ｐ−ＱＲ、ＱＲ−Ｐ−ＺＦ、ＺＦ−Ｐ−ＱＲを提案している。ＱＲ−Ｐ−ＱＲは、ソースノード側の後方チャネル及び宛先ノード側の前方チャネルを対象にＱＲ分解を行う方式、ＱＲ−Ｐ−ＺＦは、後方チャネル及び前方チャネルのそれぞれを対象にＱＲ分解及びゼロフォーシング（ＺＦ:zero-forcing）を行う方式、ＺＦ−Ｐ−ＱＲは、後方チャネル及び前方チャネルのそれぞれを対象にゼロフォーシング及びＱＲ分解を行う方式である。
【非特許文献１】H. Shi, T. Abe, T. Asai, and H. Yoshino , “A Relaying Scheme usingQR Decomposition with Phase Control for MIMO Wireless Networks”, Proc. IEEEInternational Conf. On Communications Seoul ,２００５年５月、ｐ２７０５−２７１１
【非特許文献２】H. Shi, T. Abe, T. Asai, and H. Yoshino , “Relay Techniques in MIMOWireless Networks”, Proc. IEEE Vehicular Technology Conf. ,２００５年９月、ｐ２４３８−２４４３
【特許文献１】特開２００６−１４８８６７号公報
【特許文献２】特開２００６−１４８８６８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、各中継ノードの前方チャネル及び後方チャネルの伝送品質の比率（例えば、ＳＮＲ比）が変化した場合、最高の通信容量を達成する中継方法が異なってくる。従って、複数の中継ノードが異なるチャネルの伝送品質を有する場合に、全中継ノードが画一的に中継方法を選択すると、通信システム全体において必ずしも最適な中継方法を選択することを保証できなくなくなり、通信容量が低下してしまう傾向にあった。
【０００５】
そこで、本発明は、かかる課題に鑑みて為されたものであり、それぞれのノードのチャネルの伝送品質に適応して、通信システム全体の通信容量を向上させることが可能な中継ノード及び中継方法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】
【０００６】
上記課題を解決するため、本発明の中継ノードは、ソースノードから送信された送信信号を、多入力多出力（ＭＩＭＯ）方式を使用して宛先ノードに中継する中継ノードであって、ソースノードから送信信号を受信する受信手段と、自装置とソースノードとの間の伝送路である後方チャネルの伝送品質と、自装置と宛先ノードとの間の伝送路である前方チャネルの伝送品質とのうちの少なくとも一方を測定する測定手段と、測定手段によって推定された後方チャネルの伝送品質及び前方チャネルの伝送品質のうちの少なくともいずれか一方に応じて、自装置における送信信号の変換スキームである中継方法を複数の中継方法の中から選択する選択手段と、選択手段によって選択された中継方法に応じた変換行列を送信信号に乗ずることによって中継信号に変換する変換手段と、変換手段によって変換された中継信号を宛先ノードに送信する送信手段とを備える。
【０００７】
或いは、本発明の中継方法は、ソースノードから送信された送信信号を、多入力多出力（ＭＩＭＯ）方式を使用して宛先ノードに中継する中継方法であって、受信手段が、ソースノードから送信信号を受信する受信ステップと、測定手段が、自装置とソースノードとの間の伝送路である後方チャネルの伝送品質と、自装置と宛先ノードとの間の伝送路である前方チャネルの伝送品質とのうちの少なくとも一方を測定する測定ステップと、選択手段が、測定ステップによって推定された後方チャネルの伝送品質及び前方チャネルの伝送品質のうちの少なくともいずれか一方に応じて、自装置における送信信号の変換スキームである中継方法を複数の中継方法の中から選択する選択ステップと、変換手段が、選択ステップによって選択された中継方法に応じた変換行列を送信信号に乗ずることによって中継信号に変換する変換ステップと、送信手段が、変換ステップによって変換された中継信号を宛先ノードに送信する送信ステップとを備える。
【０００８】
このような中継ノード及び中継方法によれば、後方チャネルの伝送品質と前方チャネルの伝送品質との少なくとも一方が測定され、その伝送品質に応じて自装置において適用する中継方法が選択され、選択された中継方法に応じた変換行列が乗算されることにより、ソースノードから受信された送信信号が中継信号に変換された後、その中継信号が宛先ノードに送信される。これにより、それぞれの中継ノードの後方チャネル又は前方チャネルの伝送品質に適した中継方法が選択されて、その中継方法によって送信信号が処理されるので、それぞれの中継ノードによって中継される際の通信容量が増大する結果、通信システム全体の通信容量を効果的に向上させることができる。
【０００９】
変換手段によって変換された中継信号に対して、宛先ノード側で複数の中継方法間で同相合成が可能になるように行列演算を施す行列演算手段を更に備え、送信手段は、行列演算手段によって行列演算が施された中継信号を送信することが好ましい。この場合、宛先ノードにおいて複数の中継ノードからの中継信号が受信される場合に、各中継ノードからの中継信号が同相合成されるので、システム全体の通信容量を更に向上させることができる。
【００１０】
また、測定手段によって測定された後方チャネルの伝送品質及び前方チャネルの伝送品質のうちの少なくともいずれか一方に応じて、送信信号を宛先ノードに中継するか否かを判断する判断手段を更に備え、送信手段は、判断手段から送信信号を中継すると判断された場合に、中継信号を送信することも好ましい。こうすれば、後方チャネルの伝送品質又は前方チャネルの伝送品質に応じて中継ノードで送信信号を中継するか否かが判断されるので、通信容量が確保されない状態での中継ノードの無駄な信号中継を防止することができる。
【００１１】
さらに、測定手段は、後方チャネルの伝送品質及び前方チャネルの伝送品質の両方を測定し、選択手段は、測定手段によって推定された後方チャネルの伝送品質及び前方チャネルの伝送品質に応じて、後方チャネル及び前方チャネルのそれぞれにＱＲ分解を行うＱＲ−Ｐ−ＱＲ法と、後方チャネル及び前方チャネルのそれぞれにＱＲ分解及びゼロフォーシング（ＺＦ）を行うＱＲ−Ｐ−ＺＦ法と、後方チャネル及び前方チャネルのそれぞれにゼロフォーシング（ＺＦ）及びＱＲ分解を行うＺＦ−Ｐ−ＱＲ法との中から中継方法を選択し、行列演算手段は、選択手段によってＱＲ−Ｐ−ＺＦ法が選択された場合は、変換手段の出力行列の行の順番が逆転するような行列演算を施し、選択手段によってＺＦ−Ｐ−ＱＲ法が選択された場合は、変換手段の出力行列の列の順番が逆転するような行列演算を施すことも好ましい。かかる構成を採れば、後方チャネル及び前方チャネルの両方の伝送品質に基づいて、ＱＲ−Ｐ−ＱＲ法、ＱＲ−Ｐ−ＺＦ法、及びＺＦ−Ｐ−ＱＲ法の中から最適な中継方法が選択され、宛先ノードにおいて同相合成が可能となるように、その中継方法に応じて中継信号に行列演算が施されるので、システム全体での通信容量がより効果的に向上する。
【００１２】
またさらに、測定手段は、後方チャネルの伝送品質及び前方チャネルの伝送品質の両方を測定し、選択手段は、測定手段によって測定された後方チャネルの伝送品質及び前方チャネルの伝送品質の比に応じて中継方法を選択することも好ましい。この場合、ＱＲ−Ｐ−ＱＲ法、ＱＲ−Ｐ−ＺＦ法、及びＺＦ−Ｐ−ＱＲ法の通信容量の特性は、後方チャネルの伝送品質及び前方チャネルの伝送品質の比に大きく依存するため、より確実に通信容量を向上させることができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、それぞれのノードのチャネルの伝送品質に適応して、通信システム全体の通信容量を向上させることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、図面とともに本発明による中継ノード及び中継方法の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１５】
図１は、本発明の好適な一実施形態にかかる通信システム１の構成を示す図である。この通信システム１は、多入力多出力（ＭＩＭＯ）方式を用いてソースノードから宛先ノードに向けて無線信号を伝送するシステムであり、ソースノード１１と、Ｋ（Ｋは１以上の整数）個の中継ノード１２１，…，１２ｋ，１２ｋ＋１，…１２Ｋと、宛先ノード１３とから構成されている。
【００１６】
この通信システム１においては、ソースノード１１から宛先ノード１３を宛先にした無線信号が送信されると、中継ノード１２１，…，１２ｋ，１２ｋ＋１，…１２Ｋが１ホップでその無線信号を中継することが可能とされている。ここで、通信システム１の中継ノード１２１，…，１２Ｋの機能は、簡単化のため全て同一であるとする。このとき、ソースノード１１と中継ノード１２ｋ（ｋ＝１，…Ｋ）との間の後方チャネル、及び中継ノード１２ｋと宛先ノード１３との間の前方チャネルにおける無線通信はＭＩＭＯ方式で行われる。
【００１７】
なお、中継ノード１２１，…，１２ｋ，１２ｋ＋１，…１２Ｋは、再生中継方式によって無線信号を中継する場合には、マルチホップで信号を中継可能に構成されていてもよい。また、ソースノード１１及び宛先ノード１３も中継ノードとして動作することがありうるので、ソースノード１１及び宛先ノード１３にも中継ノード１２ｋと同様な機能が備わっていてもよい。
【００１８】
次に、図２及び図３を参照しながら、中継ノード１２ｋの構成について説明する。
【００１９】
中継ノード１２ｋは、機能的には、図２に示すように、受信部２２（受信手段）とチャネル推定部（測定手段）２３と中継判断部（判断手段）２４と中継選択部（選択手段）２５と中継信号処理部（変換手段）２６と変換行列乗算部（行列演算手段）２７と送信部（送信手段）２８とを備えて構成されている。また、中継ノード１２ｋは、ソースノード１１及び宛先ノード１３との間で無線信号を送受信するためのＭ個（Ｍは、２以上の整数）の無線アンテナ２１１，…，２１Ｍを有しており、受信部２２及び送信部２８は、無線アンテナ２１１，…，２１Ｍを介して信号を送受信する。ここでは、簡単化のため全ての中継ノード１２ｋ（ｋ＝１，…Ｋ）の無線アンテナの本数を同一と仮定しているが、ソースノード１１及び宛先ノード１３を含めて異なる本数の無線アンテナを備えていてもよい。
【００２０】
また、図３は、中継ノード１２ｋのハードウェア構成図である。中継ノード１２ｋは、物理的には、図３に示すように、ＣＰＵ１０１、主記憶装置であるＲＡＭ１０２及びＲＯＭ１０３、ハードディスク等の補助記憶装置１０５、無線ネットワークカード等の信号送受信デバイスである通信モジュール１０４などを含むコンピュータシステムとして構成されている。図２において説明した各機能は、図３に示すＣＰＵ１０１、ＲＡＭ１０２等のハードウェア上に所定のコンピュータソフトウェアを読み込ませることにより、ＣＰＵ１０１の制御のもとで通信モジュール１０４を動作させるとともに、ＲＡＭ１０２や補助記憶装置１０５におけるデータの読み出し及び書き込みを行うことで実現される。また、通信モジュール１０４は、無線アンテナ２１１，…，２１Ｍを介して無線信号を送受信可能に構成される。
【００２１】
以下、中継ノード１２ｋの各機能要素について詳細に説明する。
【００２２】
受信部２２は、無線アンテナ２１１，…，２１Ｍを介してソースノード１１から送信信号Ｓを受信する。すなわち、受信部２２は、後方チャネルを伝搬してきたソースノード１１からの送信信号Ｓを、Ｍ個の信号成分を有する受信信号Ｙｋ＝（Ｙｋ１，…，ＹｋＭ）として受信する。また、受信部２２は、受信信号Ｙｋに対して、周波数変換、帯域制限等の受信フロントエンドにおける処理や、無線アンテナ２１１，…，２１Ｍ毎の重み付け等の各種処理を実行する。さらに、受信部２２は、後述するチャネル推定部２３によって推定された後方チャネルのチャネル行列Ｈを用いて、受信信号Ｙｋからヘッダを分析することによって、送信信号Ｓの宛先を判定する。受信部２２は、宛先が自装置ではないと判定した場合、上記各種処理が施された受信信号Ｙｋを中継選択部２５に出力するとともに、判定した受信信号Ｙｋの宛先情報をチャネル推定部２３に出力する。
【００２３】
チャネル推定部２３は、ソースノード１１と中継ノード１２ｋとの間の伝送路である後方チャネルのチャネル行列Ｈｋ、及び中継ノード１２ｋと宛先ノード１３との間の伝送路である前方チャネルのチャネル行列Ｇｋを推定する。ここで、「チャネル行列」とは、ＭＩＭＯ方式において各無線アンテナに対応する信号を行列演算によって合成分離する際に用いられる行列である。具体的には、チャネル推定部２３は、ソースノード１１から受信信号Ｙｋに先立って受信されたパイロット信号を受信部２２を介して受信し、そのパイロット信号に基づいてチャネル行列Ｈｋを推定する。同様に、チャネル推定部２３は、宛先ノード１３から受信されたパイロット信号を受信部２２を介して受信し、そのパイロット信号に基づいてチャネル行列Ｇｋを推定する。ここで、宛先ノード１３からのパイロット信号は、受信信号Ｙｋのヘッダ中の宛先情報をもとに判別される。
【００２４】
また、チャネル推定部２３は、後方チャネル及び前方チャネルのチャネル状態の良否を判定するために、パイロット信号等の受信信号及びチャネル行列Ｈｋ，Ｇｋに基づいて、後方チャネル及び前方チャネルの伝送品質を測定する。例えば、測定する伝送品質としては、ＳＮＲ（信号対雑音比：Signal to Noise Ratio）、ＳＩＲ（Signal to Interference Ratio）、パスロス（伝搬損）比等が挙げられる。チャネル推定部２３は、測定した伝送品質情報を中継判断部２４及び中継選択部２５に出力するとともに、推定したチャネル行列Ｈｋ，Ｇｋを受信部２２及び中継信号処理部２６に出力する。
【００２５】
中継判断部２４は、チャネル推定部２３から受け取った伝送品質情報に基づいて、受信信号Ｙｋを宛先ノード１３に中継するか否かを判断し、その判断結果を中継選択部２５に出力するとともに、送信部２８を介してソースノード１１にその判断結果を送信する。具体的には、中継判断部２４は、チャネル推定部２３によって前方チャネル及び後方チャネルの平均受信ＳＮＲであるＳＮＲＦＣｋ，ＳＮＲＢＣｋが測定された場合は、予め定められている閾値ＴｈＳＮＲを用いて、下記式（１）；
ＳＮＲＢＣｋ≧ＴｈＳＮＲ      …（１）
が成立する場合に、受信信号Ｙｋを中継すると判断する。一方、中継判断部２４は、上記式（１）が成立しない場合は、受信信号Ｙｋを中継しないと判断し、判断結果に関する情報をソースノード１１に送信する。この閾値ＴｈＳＮＲは、実験や理論又は計算機シミュレーションにより事前に決められて中継ノード１２ｋ内に記憶される。
【００２６】
中継選択部２５は、中継判断部２４によって受信信号Ｙｋを中継すると判断された場合に、チャネル推定部２３から渡された伝送品質情報に基づいて、複数の中継方法の中から受信信号Ｙｋの変換スキームである中継方法を選択する。選択対象の中継方法としては、後方チャネル及び前方チャネルのそれぞれにＱＲ分解を行うＱＲ−Ｐ−ＱＲ法、後方チャネル及び前方チャネルのそれぞれにＱＲ分解及びゼロフォーシング（ＺＦ）を行うＱＲ−Ｐ−ＺＦ法、後方チャネル及び前方チャネルのそれぞれにＺＦ及びＱＲ分解を行うＺＦ−Ｐ−ＱＲ法が設定される。
【００２７】
すなわち、中継選択部２５は、チャネル推定部２３によってＳＮＲＦＣｋ，ＳＮＲＢＣｋが測定された場合は、前方チャネルと後方チャネルとの間のＳＮＲ比αｋ＝ＳＮＲＢＣｋ／ＳＮＲＦＣｋを計算する。そして、中継選択部２５は、下記式（２）；
β  ＜  αｋ    …（２）
が成り立つ場合に、中継方法としてＺＦ−Ｐ−ＱＲ法を選択し、下記式（３）；
γ  ＜  αｋ  ＜  β    …（３）
が成り立つ場合に、ＱＲ−Ｐ−ＱＲ法を選択し、下記式（４）；
αｋ  ＜  γ    …（４）
が成り立つ場合に、ＱＲ−Ｐ−ＺＦ法を選択する。ここで、β，γはβ＞γとなるスカラーであり、事前に設定された閾値である。中継選択部２５は、選択した中継方法を特定する中継方法情報を中継信号処理部２６及び変換行列乗算部２７に出力する。
【００２８】
また、中継選択部２５は、選択した中継方法に対応して、中継信号処理部２６のＱＲ−Ｐ−ＺＦ演算部２６ａ、ＱＲ−Ｐ−ＱＲ演算部２６ｂ、又はＺＦ−Ｐ−ＱＲ演算部２６ｃ（図４参照）のいずれかに、受信信号Ｙｋを転送する。
【００２９】
中継信号処理部２６は、中継選択部２５によって選択された中継方法に応じた変換行列を、受信信号Ｙｋに乗算することによって出力行列Ｄｋに変換する。この中継信号処理部２６は、図４に示すように、ウエイト行列設定部３３ａ、ＱＲ分解部３１ａ、及びＺＦ処理部３２ａを含むＱＲ−Ｐ−ＺＦ演算部２６ａと、ウエイト行列設定部３３ｂ、及びＱＲ分解部３１ｂを含むＱＲ−Ｐ−ＱＲ演算部２６ｂと、ウエイト行列設定部３３ｃ、ＱＲ分解部３１ｃ、及びＺＦ処理部３２ｃを含むＺＦ−Ｐ−ＱＲ演算部２６ｃとを備えている。
【００３０】
ＱＲ分解部３１ａ，３１ｂ，３１ｃは、チャネル推定部２３から受け取ったチャネル行列チャネル行列Ｈｋ，Ｇｋを、ユニタリ行列と三角行列との積に分解する。より詳細には、ＱＲ分解部３１ａ，３１ｂ，３１ｃは、チャネル行列Ｈｋから、下記式（５）；
Ｈｋ＝ＱｋＲｋ    …（５）
で表されるようなユニタリ行列Ｑｋと三角行列Ｒｋとを導出する。この三角行列Ｒｋは、第ｉ行（２≦ｉ≦Ｍ）の行列要素のうち１〜（ｉ−１）列の行列要素がゼロであるような行列であり、下記式（６）により表される。
【数１】
2008054215.tif 000003
また、ＱＲ分解部３１ａ，３１ｂ，３１ｃは、チャネル行列Ｇｋから、下記式（７）；
Ｇｋ＝ＰｋＨＯｋＨ    …（７）
で表されるような三角行列ＰｋＨとユニタリ行列ＯｋＨとを導出する（上付きのＨは、共役転置を表す。以下、同じ。）。この三角行列Ｐｋは、第ｉ行（２≦ｉ≦Ｍ）の行列要素のうち１〜（ｉ−１）列の行列要素がゼロであるような下記式（８）により表される行列であり、三角行列ＰｋＨは下三角行列になる。
【数２】
2008054215.tif 000004
ＱＲ分解部３１ａ，３１ｂ，３１ｃは、求めたユニタリ行列Ｑｋ，Ｏｋと三角行列Ｒｋ，Ｐｋとを、ウエイト行列設定部３３ａ，３３ｂ，３３ｃにそれぞれ出力する。
【００３１】
ＺＦ処理部３２ａは、チャネル推定部２３からチャネル行列Ｇｋを受け取って、チャネル行列ＧｋにＺＦ法で行われる処理を施し、チャネル行列Ｇｋのムーアペンローズ逆行列Ｆｋを、下記式（９）により算出する。
Ｆｋ＝ＧｋＨ（ＧｋＧｋＨ）−１    …（９）
ＺＦ処理部３２ａは、算出した行列Ｆｋをウエイト行列設定部３３ａに出力する。
【００３２】
ＺＦ処理部３２ｃは、チャネル推定部２３からチャネル行列Ｈｋを受け取って、チャネル行列ＨｋにＺＦ法で行われる処理を施し、チャネル行列Ｈｋのムーアペンローズ逆行列Ｊｋを、下記式（１０）により算出する。
Ｊｋ＝（ＨｋＨＨｋ）−１ＨｋＨ    …（１０）
ＺＦ処理部３２ｃは、算出した行列Ｊｋをウエイト行列設定部３３ｃに出力する。
【００３３】
ウエイト行列設定部３３ａは、行列Ｆｋ，Ｑｋ，Ｒｋに基づいて、ＱＲ−Ｐ−ＺＦ法に応じた送信ウエイト行列を求めて、下記式（１１）を用いて、その送信ウエイト行列を受信信号Ｙｋに乗算することによって出力行列Ｄｋに変換する。
Ｄｋ＝ＥｋＦｋＡｋＱｋＨＹｋ    …（１１）
なお、行列Ａｋは、三角行列Ｒｋを用いて下記式（１２）；
【数３】
2008054215.tif 000005
から求められる対角行列であり、ゼロでない行列要素は三角行列Ｒｋの対角成分から導き出される。すなわち、ａｋｍ＝ｒｍｍ＊である（上付き「＊」は共役複素数を表す）。また、係数Ｅｋは、中継ノードの送信電力が一定値Ｐになるように制御する係数であり、下記式（１３）；
【数４】
2008054215.tif 000006
で定義される。式（１３）中、Ｐは、ソースノード１１における全送信電力、σ２は、雑音電力を表す。ウエイト行列設定部３３ａは、求めた出力行列Ｄｋを変換行列乗算部２７に出力する。
【００３４】
ウエイト行列設定部３３ｂは、行列Ｏｋ，Ｑｋ，Ｐｋ，Ｒｋに基づいて、ＱＲ−Ｐ−ＱＲ法に応じた送信ウエイト行列を求めて、下記式（１４）を用いて、その送信ウエイト行列を受信信号Ｙｋに乗算することによって出力行列Ｄｋに変換する。
Ｄｋ＝ＥｋＯｋＣｋＱｋＨＹｋ    …（１４）
なお、行列Ｃｋは、三角行列Ｐｋ，Ｒｋを用いて下記式（１５）；
【数５】
2008054215.tif 000007
から求められ、ｉ行ｊ列の行列要素においてｉ＋ｊ≠Ｍ＋１である行列要素がゼロであり、行又は列の順序を逆転すると対角行列になるような反転対角行列である。ここで、行列要素ｃｉｋは、下記式（１６）；
【数６】
2008054215.tif 000008
により定義される。上記式中、変換行列Πは、下記式（１７）で表される。
【数７】
2008054215.tif 000009
また、係数Ｅｋは、下記式（１８）；
【数８】
2008054215.tif 000010
で定義される。ウエイト行列設定部３３ｂは、求めた出力行列Ｄｋを変換行列乗算部２７に出力する。
【００３５】
ウエイト行列設定部３３ｃは、行列Ｊｋ，Ｏｋ，Ｐｋに基づいて、ＺＦ−Ｐ−ＱＲ法に応じた送信ウエイト行列を求めて、下記式（１９）を用いて、その送信ウエイト行列を受信信号Ｙｋに乗算することによって出力行列Ｄｋに変換する。
Ｄｋ＝ＥｋＯｋＢｋＪｋＹｋ    …（１９）
なお、行列Ａｋは、三角行列Ｐｋを用いて式（１２）と同様にして求められ、係数Ｅｋは、行列Ｊｋ，Ｐｋ，Ａｋを用いて式（１３）と同様にして求められる。ウエイト行列設定部３３ｃは、求めた出力行列Ｄｋを変換行列乗算部２７に出力する。
【００３６】
図２に戻って、変換行列乗算部２７は、中継信号処理部２６によって変換された出力行列Ｄｋに対して、宛先ノード１３側で複数の中継方法間で同相合成が可能になるように行列演算を施す。具体的には、中継選択部２５によって中継方法としてＱＲ−Ｐ−ＺＦ法が選択された場合には、変換行列乗算部２７は、中継信号処理部２６から出力された出力行列Ｄｋに対して上記式（１７）で表される変換行列Πを乗算することによって、下記式（２０）；
Ｘｋ＝ＥｋＦｋΠＡｋＱｋＨＹｋ    …（１０）
により出力行列Ｘｋを生成する。ここで、変換行列Πは、ある行列の前に乗算した場合には、その行列の行の順番を逆転させ、ある行列の後ろに乗算した場合には、その行列の列の順番を逆転させる。
【００３７】
一方、中継選択部２５によって中継方法としてＱＲ−Ｐ−ＱＲ法が選択された場合には、変換行列乗算部２７は、中継信号処理部２６から出力された出力行列Ｄｋをそのまま出力行列Ｘｋに設定する。
【００３８】
さらに、中継選択部２５によって中継方法としてＺＦ−Ｐ−ＱＲ法が選択された場合には、変換行列乗算部２７は、中継信号処理部２６から出力された出力行列Ｄｋに対して変換行列Πを乗算することによって、下記式（２１）；
Ｘｋ＝ＥｋＯｋΠＢｋＪｋＹｋ    …（２１）
により出力行列Ｘｋを生成する。変換行列乗算部２７は、生成した出力行列Ｘｋを送信部２８に出力する。
【００３９】
送信部２８は、中継判断部２４によって受信信号Ｙｋを中継すると判断された場合に、出力行列Ｘｋ＝（Ｘｋ１，…，ＸｋＭ）をＭ個の信号成分を有する中継信号として、複数の無線アンテナ２１１，…，２１Ｍを介して宛先ノード１３に送信する。このとき、送信部２８は、中継信号に対して、周波数変換、帯域制限、電力増幅、無線アンテナ毎の重み付け等の信号処理を行う。
【００４０】
次に、図５〜８を参照して通信システム１の動作について説明する。図５は、通信システム１においてソースノード１１から宛先ノード１３に向けて送信信号Ｓが中継される際の動作を示すシーケンス図、図６〜図８は、それぞれ、図４のＱＲ−Ｐ−ＺＦ演算部２６ａ、ＱＲ−Ｐ−ＱＲ演算部２６ｂ、及びＺＦ−Ｐ−ＱＲ演算部２６ｃの送信信号Ｓの中継時の動作を示すフローチャートである。
【００４１】
まず、図５を参照して、通信システム１においてソースノード１１から宛先ノード１３に向けて送信信号Ｓが中継される際の動作について説明する。ソースノード１１から送信信号Ｓが送信された時には、ソースノード１１から所定の範囲内の中継ノードがその信号Ｓを受信することができる。この所定範囲は、１ホップで無線信号が伝搬可能な範囲であるとする。Ｋ個の中継ノード１２ｋ（ｋ＝１，…Ｋ）は、ソースノード１１から受信された信号に対して同様な信号処理を施して、宛先ノード１３にその信号を中継する。図５においては、Ｋ個の中継ノード１２ｋ（ｋ＝１，…Ｋ）のうちの１つのノードの動作について図示されている。
【００４２】
最初に、送信信号Ｓの送信に先立って、ソースノード１１及び宛先ノード１３からパイロット信号Ｌｋ，Ｚｋが送信され、これらのパイロット信号Ｌｋ，Ｚｋが中継ノード１２ｋによって受信される（ステップＳ０１及びＳ０２）。これに対して、中継ノード１２ｋのチャネル推定部２３は、受信したパイロット信号Ｌｋ，Ｚｋに基づいてチャネル推定を行って、後方チャネルのチャネル行列Ｈｋ及び前方チャネルのチャネル行列Ｇｋを推定する（ステップＳ０３）。さらに、チャネル推定部２３は、後方チャネル及び前方チャネルの伝送品質として平均受信ＳＮＲを測定する（ステップＳ０４）。
【００４３】
次に、中継ノード１２ｋの中継判断部２４は、測定された後方チャネルの平均受信ＳＮＲＢＣｋを閾値ＴｈＳＮＲと比較することによって、受信信号Ｙｋを中継するか否かを判断する（ステップＳ０５）。そして、中継判断部２４は、判断の結果に関する情報をソースノード１１に送信する（ステップＳ０６）。その後、ソースノード１１から送信信号Ｓが送信される（ステップＳ０７）。ソースノード１１からの送信信号Ｓは、後方チャネルを伝搬する間にそのチャネルの特性によって、下記式（２２）；
Ｙｋ＝ＨｋＳ＋ｎｋ    …（２２）
で表される受信信号Ｙｋに変化した状態で、受信部２２において受信される（ステップＳ０８）。ここで、上記式中、ｎｋは雑音成分を示す。
【００４４】
受信信号Ｙｋが受信部２２によって受信されると、中継選択部２５によって、後方チャネル及び前方チャネルの平均受信ＳＮＲの比に基づいて、中継方法が選択される（ステップＳ０９）。その後、中継信号処理部２６は、選択された中継方法がＱＲ−Ｐ−ＺＦ法、ＱＲ−Ｐ−ＱＲ法、又はＺＦ−Ｐ−ＱＲ法のどれであるかに応じて送信ウエイト行列を計算し、その送信ウエイト行列を受信信号Ｙｋに乗ずる（ステップＳ１０）。次に、変換行列乗算部２７は、ＱＲ−Ｐ−ＺＦ法が選択された場合は、中継信号処理部２６からの出力行列Ｄｋにおける送信ウエイト行列の行の順番が逆転するように、変換行列Πを出力行列Ｄｋに乗算し、ＺＦ−Ｐ−ＱＲ法が選択された場合は、中継信号処理部２６からの出力行列Ｄｋにおける送信ウエイト行列の列の順番が逆転するように、変換行列Πを出力行列Ｄｋに乗算する（ステップＳ１１）。
【００４５】
最後に、中継ノード１２ｋの送信部２８が、変換行列乗算部２７の出力行列Ｘｋを中継信号として宛先ノード１３に送信する（ステップＳ１２）。これに対して、宛先ノード１３によって、信号を中継する全ての中継ノード１２ｋ（ｋ＝１，…Ｋ）からの信号が重畳受信され、下記式（２３）；
【数９】
2008054215.tif 000011
で表される受信信号ＹＲが得られる（ステップＳ１３）。そして、宛先ノード１３では、受信信号ＹＲから信号Ｘｋ，Ｙｋが検出された後、送信信号Ｓが検出される（ステップＳ１４）。
【００４６】
上記のステップＳ１０の送信ウエイト行列の算出手順について図６〜８を参照して詳細に説明すると、選択された中継方法がＱＲ−Ｐ−ＺＦ法である場合、中継信号処理部２６は、まず、ＱＲ分解及びＺＦを実行して、ユニタリ行列Ｑｋ、三角行列Ｒｋ、及びムーアペンローズ逆行列Ｆｋを算出する（ステップＳ１０１）。次に、中継信号処理部２６は、三角行列Ｒｋの対角成分から変換行列Ａｋを求める（ステップＳ１０２）。そして、中継信号処理部２６は、式（１１）を用いて受信信号Ｙｋに送信ウエイト行列を乗ずることによって、出力行列Ｄｋを算出する（ステップＳ１０３）。
【００４７】
一方、選択された中継方法がＱＲ−Ｐ−ＱＲ法である場合、中継信号処理部２６は、ＱＲ分解を実行して、ユニタリ行列Ｑｋ，Ｏｋ、及び三角行列Ｒｋ，Ｐｋを算出する（ステップＳ２０１）。次に、中継信号処理部２６は、三角行列Ｒｋ，Ｐｋから変換行列Ｃｋを求める（ステップＳ２０２）。そして、中継信号処理部２６は、式（１４）を用いて受信信号Ｙｋに送信ウエイト行列を乗ずることによって、出力行列Ｄｋを算出する（ステップＳ２０３）。
【００４８】
選択された中継方法がＺＦ−Ｐ−ＱＲ法である場合、中継信号処理部２６は、まず、ＱＲ分解及びＺＦを実行して、ユニタリ行列Ｏｋ、三角行列Ｐｋ、及びムーアペンローズ逆行列Ｊｋを算出する（ステップＳ３０１）。次に、中継信号処理部２６は、三角行列Ｐｋの対角成分から変換行列Ｂｋを求める（ステップＳ３０２）。そして、中継信号処理部２６は、式（１９）を用いて受信信号Ｙｋに送信ウエイト行列を乗ずることによって、出力行列Ｄｋを算出する（ステップ３０３）。
【００４９】
以上説明した中継ノード１２ｋ及びそれを用いた中継方法よれば、後方チャネルの伝送品質と前方チャネルの伝送品質とが測定され、その伝送品質に応じて自装置において適用する中継方法がＱＲ−Ｐ−ＺＦ法、ＱＲ−Ｐ−ＱＲ法、又はＺＦ−Ｐ−ＱＲ法の中から選択され、選択された中継方法に応じた送信ウエイト行列が乗算されることにより、ソースノード１１から受信された送信信号Ｓが中継信号Ｘｋに変換された後、その中継信号Ｘｋが宛先ノード１３に送信される。ここで、ＱＲ−Ｐ−ＺＦ法、ＱＲ−Ｐ−ＱＲ法、及びＺＦ−Ｐ−ＱＲ法等の中継方法に関しては、後方チャネル及び前方チャネルの伝送品質によって最高通信容量を達成する中継方法が異なる。これにより、それぞれの中継ノード１２ｋの後方チャネル又は前方チャネルの伝送品質に適した中継方法が選択されて、その中継方法によって送信信号Ｓが処理されるので、それぞれの中継ノード１２ｋによって中継される際の通信容量が増大する結果、通信システム１全体の通信容量を効果的に向上させることができる。
【００５０】
また、中継ノード１２ｋの中継信号処理部２６によって変換された出力行列Ｄｋに対して、宛先ノード１３側で複数の中継方法間で同相合成が可能になるように行列演算を施されて中継信号Ｘｋとして送信される。これにより、宛先ノード１３において複数の中継ノード１２１，…，１２Ｋからの中継信号が受信される場合に、各中継ノードからの中継信号が同相合成されるので、通信システム１全体の通信容量を更に向上させることができる。
【００５１】
図９は、中継ノード１２ｋにおいて算出される送信ウエイト行列のイメージを示す図である。同図には、各中継方式に関して変換行列Πを乗ずる前後の送信ウエイト行列が上下に示されている。このように、ＱＲ−Ｐ−ＺＦ法が中継方法として選択された場合は、変換行列Πを乗ずる前は、送信ウエイト行列は右上三角の行列が導かれるが、変換行列Πが乗算されると、送信ウエイト行列は、右下三角の行列となる。一方、ＺＦ−Ｐ−ＱＲ法が中継方法として選択された場合は、変換行列Πを乗ずる前は、送信ウエイト行列は左下三角の行列が導かれるが、変換行列Πが乗算されると、送信ウエイト行列は、右下三角の行列となる。また、ＱＲ−Ｐ−ＱＲ法が中継方法として選択された場合は、送信ウエイト行列は右下三角の行列のままで変化しない。このような送信ウエイト行列が設定されることで、宛先ノード１３側では中継方法に関係なく複数の中継ノード１２ｋからの中継信号Ｘｋの同相合成が可能になり、中継ノード１２ｋで信号を中継する際の信号電力が大きくなり、ノイズに対しても強くなるので、結果として通信容量が増大する。
【００５２】
また、チャネル推定部２３によって測定された後方チャネルの伝送品質に応じて、送信信号Ｓを宛先ノード１３に中継するか否かを判断するので、後方チャネ通信容量が確保されない状態での中継ノード１２ｋの無駄な信号中継を防止することができる。
【００５３】
また、中継選択部２５は、後方チャネル及び前方チャネルのＳＮＲ比に応じて中継方法を選択する。ＱＲ−Ｐ−ＱＲ法、ＱＲ−Ｐ−ＺＦ法、及びＺＦ−Ｐ−ＱＲ法の通信容量の特性は、後方チャネルの伝送品質及び前方チャネルの伝送品質の比に大きく依存することから、この場合には、より確実に通信容量を向上させることができる。
【００５４】
なお、本発明は、前述した実施形態に限定されるものではない。例えば、チャネル推定部２３が測定する伝送品質としては、平均受信ＳＮＲの他、瞬時ＳＮＲ等の他の伝送品質を測定して、それに基づいて中継方法を判断してもよい。
【００５５】
また、中継選択部２５は、後方チャネル又は前方チャネルのいずれか一方の伝送品質に応じて中継方法を選択するようにしてもよいし、中継判断部２４は、後方チャネル又は前方チャネルのいずれか一方の伝送品質に応じて送信信号Ｓを中継するか否かを判断してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明の好適な一実施形態にかかる通信システム１の構成を示す図である。
【図２】図１の中継ノードの機能構成を示すブロック図である。
【図３】図１の中継ノードのハードウェア構成を示す図である。
【図４】図２の中継信号処理部の構成を詳細に示すブロック図である。
【図５】図１の通信システムにおいて送信信号が中継される際の動作を示すシーケンス図である。
【図６】図５の送信ウエイト行列算出時の動作を詳細に示すフローチャートである。
【図７】図５の送信ウエイト行列算出時の動作を詳細に示すフローチャートである。
【図８】図５の送信ウエイト行列算出時の動作を詳細に示すフローチャートである。
【図９】図２の中継ノードにおいて算出される送信ウエイト行列のイメージを示す図である。
【符号の説明】
【００５７】
１…通信システム、１１…ソースノード、１２ｋ…中継ノード、１３…宛先ノード、２２…受信部（受信手段）、２３…チャネル推定部（測定手段）、２４…中継判断部（判断手段）、２５…中継選択部（選択手段）、２６…中継信号処理部（変換手段）、２７…変換行列乗算部（行列演算手段）、２８…送信部（送信手段）、Ｓ…送信信号、Ｘｋ…中継信号。
【図１】
2008054215.tif 000012
【図２】
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【図３】
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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８】
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【図９】
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