(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
中継機能を有する複数のノード装置を有し、前記各ノード装置は、複数本のＭＩＭＯアンテナを搭載するとともに、前記各ノード装置間に、前向きリンク又は後向きリンクを張ることにより、無線通信システムを構築するマルチホップ無線通信システムであって、
ネットワークコーディングの受信方式に、多入力多出力（ＭＩＭＯ）方式を適用し、更に、時空間ブロック符号化(ＳＴＢＣ)方式を適用し、
前記ノード装置は、
前記アンテナにて無線受信した無線受信信号から、ＳＴＢＣ受信データ生成処理を行い、ＳＴＢＣ受信データを生成する、ＳＴＢＣ受信データ生成手段と、
前記アンテナにて無線受信したトレーニング信号から推定されたチャネル情報から、ＳＴＢＣチャネル行列生成処理を行い、ＳＴＢＣ等価チャネル行列を生成する、ＳＴＢＣチャネル行列生成手段と、
生成されたＳＴＢＣ等価チャネル行列と、生成されたＳＴＢＣ受信データとから、ＭＩＭＯ検波処理を行い、推定シンボルを推定するＭＩＭＯ検波手段と、
推定された推定シンボルから、ネットワーク復号処理を行い、前向きリンク及び後向きリンクへの連続する２シンボルの中継信号を生成するネットワーク復号手段と、
宛先制御処理を行う中継制御手段と、
生成された中継信号から、連続する２つの送信シンボルのネットワーク符号化処理を行い、連続する２つの送信信号を生成する、ネットワーク符号化手段と、
前記ネットワーク符号化手段で生成された送信信号から、ＳＴＢＣ送信データ生成処理を行い、ＳＴＢＣ送信データを生成する、ＳＴＢＣ送信データ生成手段と、
生成されたＳＴＢＣ送信データに、トレーニング信号を付加して、トレーニング信号付加処理を行うトレーニング信号付加手段と、
を備え、
トレーニング信号が付加されたＳＴＢＣ送信データを、無線送信信号として送信することを特徴とするマルチホップ無線通信システム。
【請求項２】
前記中継制御手段は、生成された中継信号が自ノード宛の信号であるか、又は、他ノード宛の信号であるかを判断する前記宛先制御処理を行い、生成された中継信号が自ノード宛の信号であると判断された場合に、前記ノード装置の処理は終了し、一方、生成された中継信号が他ノード宛の信号であると判断された場合、生成された中継信号を前タイムスロット送信データとして、次のタイムスロットのネットワーク復号処理を行うために、保存する請求項１に記載のマルチホップ無線通信システム。
【請求項３】
前記ＭＩＭＯ検波処理では、ＭＩＭＯ受信にＺＦアルゴリズム又はＭＭＳＥアルゴリズムを用いる請求項２に記載のマルチホップ無線通信システム。
【請求項４】
前記マルチホップ無線通信システムでは、第（ｋ−１）ノードと第（ｋ＋１）ノードが送信状態の場合、第（ｋ−１）ノードの連続する２つの送信信号
0005358807.tif 000440
は次の２つの数式を用いて、モデル化され、
0005358807.tif 000441
また、第（ｋ＋１）ノードの連続する２つの送信信号
0005358807.tif 000442
は次の２つの数式を用いて、モデル化され、
0005358807.tif 000443
ただし、
0005358807.tif 000444
は第（ｋ−１）ノードの前向きリンクへの連続する２つの送信シンボルであり、
0005358807.tif 000445
は第（ｋ−１）ノードの後向きリンクへの連続する２つの送信シンボルであり、
0005358807.tif 000446
は第（ｋ＋１）ノードの前向きリンクへの連続する２つの送信シンボルであり、
0005358807.tif 000447
は第（ｋ＋１）ノードの後向きリンクへの連続する２つの送信シンボル（送信信号）であり、ｑはラティス符号化の格子サイズである請求項３に記載のマルチホップ無線通信システム。
【請求項５】
前記ＳＴＢＣ送信データ生成手段では、
第（ｋ−１）ノードについて、連続する２つの送信信号
0005358807.tif 000448
を用いて、
0005358807.tif 000449
に基づき、２時刻にわたる４つの送信シンボルを含むＳＴＢＣ送信データ（１時刻、２時刻にわたる送信信号行列
0005358807.tif 000450
を生成し、
また、第（ｋ＋１）ノードについて、連続する２つの送信信号
0005358807.tif 000451
を用いて、
0005358807.tif 000452
に基づき、２時刻にわたる４つの送信シンボルを含むＳＴＢＣ送信データ（１時刻、２時刻にわたる送信信号行列
0005358807.tif 000453
を生成する請求項４に記載のマルチホップ無線通信システム。
【請求項６】
第ｋノードが受信状態の場合に、前記ＳＴＢＣ受信データ生成手段では、第（ｋ−１）ノード及び第（ｋ＋１）ノードのＳＴＢＣ送信データを前記アンテナにて受信し、次の数式に基づき、ＳＴＢＣ受信データを生成し、
0005358807.tif 000454
ただし、
0005358807.tif 000455
は第ｋノードの時刻１と時刻２にわたる等価受信信号ベクトルであり、
0005358807.tif 000456
で表し、
0005358807.tif 000457
は送信信号ベクトルであり、
0005358807.tif 000458
で表し、
0005358807.tif 000459
は時刻１と時刻２の等価加法性雑音ベクトルであり、
0005358807.tif 000460
で表し、また、
0005358807.tif 000461
は第ｋノードのＳＴＢＣ等価チャネル行列であり、ブロック直交行列となっている請求項５に記載のマルチホップ無線通信システム。
【請求項７】
前記ＭＩＭＯ検波手段では、第ｋノードについて、次の数式に基づき、ＭＩＭＯ受信により、推定シンボル
0005358807.tif 000462
を推定するＭＩＭＯ検波処理を行い、
0005358807.tif 000463
ただし、
0005358807.tif 000464
は第ｋノードの受信ウェイト行列であり、
0005358807.tif 000465
は第ｋノードのＳＴＢＣ受信データであり、
ＭＩＭＯ受信にＺＦアルゴリズムを用いる場合に、第ｋノードの受信ウェイト行列
0005358807.tif 000466
は、次の数式によって計算され、
0005358807.tif 000467
ただし、
0005358807.tif 000468
は第ｋノードのＳＴＢＣ等価チャネル行列であり、
また、ＭＩＭＯ受信にＭＭＳＥアルゴリズムを用いる場合に、第ｋノードの受信ウェイト行列
0005358807.tif 000469
は、次の数式によって計算され、
0005358807.tif 000470
ただし、Ｐはノードあたりの総送信電力であり、σ２は受信アンテナあたりの雑音電力である請求項６に記載のマルチホップ無線通信システム。
【請求項８】
中継機能を有する複数のノード装置を有し、前記各ノード装置は、複数本のＭＩＭＯアンテナを搭載するとともに、前記各ノード装置間に、前向きリンク又は後向きリンクを張ることにより、無線通信システムを構築するマルチホップ無線通信システムであって、
前記ノード装置は、
前記アンテナにて無線受信したトレーニング信号から推定されたチャネル情報と、前記アンテナにて無線受信した無線受信信号とから、ＭＩＭＯ検波処理を行い、推定シンボルを推定するＭＩＭＯ検波手段と、
推定された推定シンボルから、ネットワーク復号処理を行い、中継信号を生成するネットワーク復号手段と、
宛先制御処理を行う中継制御手段と、
生成された中継信号から、ネットワーク符号化処理を行い、送信信号を生成する、ネットワーク符号化手段と、
前記ネットワーク符号化手段で生成された送信信号にトレーニング信号を付加して、トレーニング信号付加処理を行うトレーニング信号付加手段と、
を備え、
トレーニング信号が付加された送信信号を、無線送信信号として送信することを特徴とするマルチホップ無線通信システム。
【請求項９】
前記中継制御手段は、生成された中継信号が自ノード宛の信号であるか、又は、他ノード宛の信号であるかを判断する前記宛先制御処理を行い、生成された中継信号が自ノード宛の信号であると判断された場合に、前記ノード装置の処理は終了し、一方、生成された中継信号が他ノード宛の信号であると判断された場合、生成された中継信号を前タイムスロット送信データとして、次のタイムスロットのネットワーク復号処理を行うために、保存する請求項８に記載のマルチホップ無線通信システム。
【請求項１０】
前記ＭＩＭＯ検波処理では、ＭＩＭＯ受信にＺＦアルゴリズム又はＭＭＳＥアルゴリズムを用いる請求項９に記載のマルチホップ無線通信システム。
【請求項１１】
中継機能を有する複数のノード装置を有し、前記各ノード装置は、複数のＭＩＭＯアンテナを搭載するとともに、前記各ノード装置間に無線リンクを張ることにより、２つの経路が１つのノード装置で交差するクロス型２次元マルチホップ通信システムを構築するマルチホップ無線通信システムであって、
前記各ノード装置は、受信状態と送信状態を交互に繰り返すようになっており、送受信処理を行い、データを中継伝送し、
交差点ノード装置及び当該交差点ノード装置に隣接する隣接ノード装置に、２次元ＭＩＭＯネットワークコーディングを適用することにより、単一チャネルで２次元の双方向フローのマルチホップ中継を実現することを特徴とするマルチホップ無線通信システム。
【請求項１２】
中継機能を有する複数のノード装置を有し、前記各ノード装置は、複数のＭＩＭＯアンテナを搭載するとともに、前記各ノード装置間に無線リンクを張ることにより、２つの経路が４つのノード装置を介して交差するロータリー型２次元マルチホップ通信システムを構築するマルチホップ無線通信システムであって、
前記各ノード装置は、受信状態と送信状態を交互に繰り返すようになっており、送受信処理を行い、データを中継伝送し、
ロータリーノード装置及び当該ロータリーノード装置に隣接する隣接ノード装置に、２次元ＭＩＭＯネットワークコーディングを適用することにより、単一チャネルで２次元のロータリー型の双方向フローのマルチホップ中継を実現することを特徴とするマルチホップ無線通信システム。
【請求項１３】
中継機能を有する複数のノード装置を有し、前記各ノード装置は、複数のＭＩＭＯアンテナを搭載するとともに、前記各ノード装置間に無線リンクを張ることにより、２つの経路が部分的に結合し、部分的に結合した経路が共通経路を構成するツリー型２次元マルチホップ通信システムを構築するマルチホップ無線通信システムであって、
前記各ノード装置は、受信状態と送信状態を交互に繰り返すようになっており、送受信処理を行い、データを中継伝送し、
前記共通経路上のノード装置及びそれに隣接する隣接ノード装置に、２次元ＭＩＭＯネットワークコーディングを適用することにより、単一チャネルで２次元のツリー型の双方向フローのマルチホップ中継を実現することを特徴とするマルチホップ無線通信システム。
【請求項１４】
前記２つの経路は経路Ｈと経路Ｖであり、
前記２次元ＭＩＭＯネットワークコーディングが適用されたノード装置は、
前記アンテナにて無線受信したトレーニング信号から推定されたチャネル情報と、前記アンテナにて無線受信した無線受信信号とから、ＭＩＭＯ検波処理を行い、推定シンボルを推定するＭＩＭＯ検波手段と、
前記ＭＩＭＯ検波手段にて推定された前向きリンク及び後向きリンクの推定シンボルから、経路Ｈにおけるネットワーク復号処理を行い、経路Ｈの中継信号を生成する、経路Ｈにおけるネットワーク復号手段と、
経路Ｈにおける宛先制御処理を行う、経路Ｈにおける中継制御手段と、
生成された経路Ｈの中継信号から、経路Ｈにおけるネットワーク符号化処理を行い、経路Ｈの送信信号を生成する、経路Ｈにおけるネットワーク符号化手段と、
前記経路Ｈにおけるネットワーク符号化手段にて生成された経路Ｈの送信信号に、経路Ｈにおけるトレーニング信号を付加して、経路Ｈにおけるトレーニング信号付加処理を行う、経路Ｈにおけるトレーニング信号付加手段と、
前記ＭＩＭＯ検波手段にて推定された上向きリンク及び下向きリンクの推定シンボルから、経路Ｖにおけるネットワーク復号処理を行い、経路Ｖの中継信号を生成する、経路Ｖにおけるネットワーク復号手段と、
経路Ｖにおける宛先制御処理を行う、経路Ｖにおける中継制御手段と、
生成された経路Ｖの中継信号から、経路Ｖにおけるネットワーク符号化処理を行い、経路Ｖの送信信号を生成する、経路Ｖにおけるネットワーク符号化手段と、
前記経路Ｖにおけるネットワーク符号化手段にて生成された経路Ｖの送信信号に、経路Ｖにおけるトレーニング信号を付加して、経路Ｖにおけるトレーニング信号付加処理を行う、経路Ｖにおけるトレーニング信号付加手段と、
を備え、
経路Ｈにおけるトレーニング信号が付加された経路Ｈにおけるネットワーク符号化された送信データと、経路Ｖにおけるトレーニング信号が付加された経路Ｖにおけるネットワーク符号化された送信データに対し、ＭＩＭＯ空間多重処理を行ってから無線送信信号として送信する請求項１１乃至請求項１３の何れかに記載のマルチホップ無線通信システム。
【請求項１５】
前記経路Ｈにおける中継制御手段は、生成された経路Ｈの中継信号が自ノード宛の信号であるか、又は、他ノード宛の信号であるかを判断する前記経路Ｈにおける宛先制御処理を行い、生成された経路Ｈの中継信号が自ノード宛の信号であると判断された場合に、前記ノード装置の処理は終了し、一方、生成された経路Ｈの中継信号が他ノード宛の信号であると判断された場合、生成された経路Ｈの中継信号を、経路Ｈにおける前タイムスロット送信データとして、次のタイムスロットの経路Ｈにおけるネットワーク復号処理を行うために、保存し、
前記経路Ｖにおける中継制御手段は、生成された経路Ｖの中継信号が自ノード宛の信号であるか、又は、他ノード宛の信号であるかを判断する前記経路Ｖにおける宛先制御処理を行い、生成された経路Ｖの中継信号が自ノード宛の信号であると判断された場合に、前記ノード装置の処理は終了し、一方、生成された経路Ｖの中継信号が他ノード宛の信号であると判断された場合、生成された経路Ｖの中継信号を、経路Ｖにおける前タイムスロット送信データとして、次のタイムスロットの経路Ｖにおけるネットワーク復号処理を行うために、保存する請求項１４に記載のマルチホップ無線通信システム。
【請求項１６】
前記ＭＩＭＯ検波処理では、ＭＩＭＯ受信にＺＦアルゴリズム又はＭＭＳＥアルゴリズムを用いる請求項１５に記載のマルチホップ無線通信システム。
【請求項１７】
前記複数のノード装置から、前記２次元ＭＩＭＯネットワークコーディングが適用されたノード装置を除いて残ったノード装置に、１次元ＭＩＭＯネットワークコーディングを適用する請求項１１乃至請求項１６の何れかに記載のマルチホップ無線通信システム。
【請求項１８】
中継機能を有する複数のノード装置を有し、前記各ノード装置は、複数のＭＩＭＯアンテナを搭載するとともに、前記各ノード装置間に無線リンクを張ることにより、２つの経路が１つのノード装置で交差するクロス型２次元マルチホップ通信システムを構築するマルチホップ無線通信システムであって、
前記各ノード装置は、受信状態と送信状態を交互に繰り返すようになっており、送受信処理を行い、データを中継伝送し、
交差点ノード装置及び当該交差点ノード装置に隣接する隣接ノード装置に、２次元ＳＴＢＣ−ＭＩＭＯネットワークコーディングを適用することにより、単一チャネルで２次元のＳＴＢＣ処理された双方向フローのマルチホップ中継を実現することを特徴とするマルチホップ無線通信システム。
【請求項１９】
中継機能を有する複数のノード装置を有し、前記各ノード装置は、複数のＭＩＭＯアンテナを搭載するとともに、前記各ノード装置間に無線リンクを張ることにより、２つの経路が４つのノード装置を介して交差するロータリー型２次元マルチホップ通信システムを構築するマルチホップ無線通信システムであって、
前記各ノード装置は、受信状態と送信状態を交互に繰り返すようになっており、送受信処理を行い、データを中継伝送し、
ロータリーノード装置及び当該ロータリーノード装置に隣接する隣接ノード装置に、２次元ＳＴＢＣ−ＭＩＭＯネットワークコーディングを適用することにより、単一チャネルで２次元のロータリー型のＳＴＢＣ処理された双方向フローのマルチホップ中継を実現することを特徴とするマルチホップ無線通信システム。
【請求項２０】
中継機能を有する複数のノード装置を有し、前記各ノード装置は、複数のＭＩＭＯアンテナを搭載するとともに、前記各ノード装置間に無線リンクを張ることにより、２つの経路が部分的に結合し、部分的に結合した経路が共通経路を構成するツリー型２次元マルチホップ通信システムを構築するマルチホップ無線通信システムであって、
前記各ノード装置は、受信状態と送信状態を交互に繰り返すようになっており、送受信処理を行い、データを中継伝送し、
前記共通経路上のノード装置及びそれに隣接する隣接ノード装置に、２次元ＳＴＢＣ−ＭＩＭＯネットワークコーディングを適用することにより、単一チャネルで２次元のツリー型のＳＴＢＣ処理された双方向フローのマルチホップ中継を実現することを特徴とするマルチホップ無線通信システム。
【請求項２１】
前記２つの経路は経路Ｈと経路Ｖであり、
前記２次元ＳＴＢＣ−ＭＩＭＯネットワークコーディングが適用されたノード装置は、
前記アンテナにて無線受信した無線受信信号から、ＳＴＢＣ受信データ生成処理を行い、ＳＴＢＣ受信データを生成する、ＳＴＢＣ受信データ生成手段と、
前記アンテナにて無線受信したトレーニング信号から推定されたチャネル情報から、ＳＴＢＣチャネル行列生成処理を行い、ＳＴＢＣ等価チャネル行列を生成する、ＳＴＢＣチャネル行列生成手段と、
生成されたＳＴＢＣ等価チャネル行列と、生成されたＳＴＢＣ受信データとから、ＭＩＭＯ検波処理を行い、推定シンボルを推定するＭＩＭＯ検波手段と、
前記ＭＩＭＯ検波手段にて推定された前向きリンク及び後向きリンクの推定シンボルから、経路Ｈにおけるネットワーク復号処理を行い、前向きリンク及び後向きリンクへの連続する２シンボルの経路Ｈの中継信号を生成する、経路Ｈにおけるネットワーク復号手段と、
経路Ｈにおける宛先制御処理を行う、経路Ｈにおける中継制御手段と、
生成された経路Ｈの中継信号から、連続する２つの送信シンボルの経路Ｈにおけるネットワーク符号化処理を行い、連続する２つの経路Ｈの送信信号を生成する、経路Ｈにおけるネットワーク符号化手段と、
前記経路Ｈにおけるネットワーク符号化手段にて生成された経路Ｈの送信信号から、経路ＨにおけるＳＴＢＣ送信データ生成処理を行い、経路ＨにおけるＳＴＢＣ送信データを生成する、経路ＨにおけるＳＴＢＣ送信データ生成手段と、
生成された経路ＨにおけるＳＴＢＣ送信データに、経路Ｈにおけるトレーニング信号を付加して、経路Ｈにおけるトレーニング信号付加処理を行う、経路Ｈにおけるトレーニング信号付加手段と、
前記ＭＩＭＯ検波手段にて推定された上向きリンク及び下向きリンクの推定シンボルから、経路Ｖにおけるネットワーク復号処理を行い、上向きリンク及び下向きリンクへの連続する２シンボルの経路Ｖの中継信号を生成する、経路Ｖにおけるネットワーク復号手段と、
経路Ｖにおける宛先制御処理を行う、経路Ｖにおける中継制御手段と、
生成された経路Ｖの中継信号から、連続する２つの送信シンボルの経路Ｖにおけるネットワーク符号化処理を行い、連続する２つの経路Ｖの送信信号を生成する、経路Ｖにおけるネットワーク符号化手段と、
前記経路Ｖにおけるネットワーク符号化手段にて生成された経路Ｖの送信信号から、経路ＶにおけるＳＴＢＣ送信データ生成処理を行い、経路ＶにおけるＳＴＢＣ送信データを生成する、経路ＶにおけるＳＴＢＣ送信データ生成手段と、
生成された経路ＶにおけるＳＴＢＣ送信データに、経路Ｖにおけるトレーニング信号を付加して、経路Ｖにおけるトレーニング信号付加処理を行う、経路Ｖにおけるトレーニング信号付加手段と、
を備え、
経路Ｈにおけるトレーニング信号が付加された経路ＨにおけるＳＴＢＣ送信データと、経路Ｖにおけるトレーニング信号が付加された経路ＶにおけるＳＴＢＣ送信データに対し、ＭＩＭＯ空間多重処理を行ってから無線送信信号として送信する請求項１８乃至請求項２０の何れかに記載のマルチホップ無線通信システム。
【請求項２２】
前記経路Ｈにおける中継制御手段は、生成された経路Ｈの中継信号が自ノード宛の信号であるか、又は、他ノード宛の信号であるかを判断する前記経路Ｈにおける宛先制御処理を行い、生成された経路Ｈの中継信号が自ノード宛の信号であると判断された場合に、前記ノード装置の処理は終了し、一方、生成された経路Ｈの中継信号が他ノード宛の信号であると判断された場合、生成された経路Ｈの中継信号を、経路Ｈにおける前タイムスロット送信データとして、次のタイムスロットの経路Ｈにおけるネットワーク復号処理を行うために、保存し、
前記経路Ｖにおける中継制御手段は、生成された経路Ｖの中継信号が自ノード宛の信号であるか、又は、他ノード宛の信号であるかを判断する前記経路Ｖにおける宛先制御処理を行い、生成された経路Ｖの中継信号が自ノード宛の信号であると判断された場合に、前記ノード装置の処理は終了し、一方、生成された経路Ｖの中継信号が他ノード宛の信号であると判断された場合、生成された経路Ｖの中継信号を、経路Ｖにおける前タイムスロット送信データとして、次のタイムスロットの経路Ｖにおけるネットワーク復号処理を行うために、保存する請求項２１に記載のマルチホップ無線通信システム。
【請求項２３】
前記ＭＩＭＯ検波処理では、ＭＩＭＯ受信にＺＦアルゴリズム又はＭＭＳＥアルゴリズムを用いる請求項２２に記載のマルチホップ無線通信システム。
【請求項２４】
前記複数のノード装置から、前記２次元ＳＴＢＣ−ＭＩＭＯネットワークコーディングが適用されたノード装置を除いて残ったノード装置に、１次元ＳＴＢＣ−ＭＩＭＯネットワークコーディングを適用する請求項１８乃至請求項２３の何れかに記載のマルチホップ無線通信システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、送信元ノードと宛先ノードとの間に、他の中継ノードを経由して情報（データ）を無線伝送するマルチホップ無線通信技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
時間や場所に拘束されることなく、社会生活に関するあらゆる情報の取得を可能にするユビキタスネットワーク社会への期待が膨らんでいる。ユビキタスネットワーク社会の実現には、通信事業者が提供する公衆系無線ネットワークのみならず、家庭・オフィスなどのプライベートな空間でユーザ自らが設置・運営する無線ネットワーク（プライベート無線ネットワーク）が構築され、それらの相互補完が必要となる。多種多様な無線ノード（以下、単に「ノード」と言う。）が遍在する環境でのネットワークを実現する手法の１つとして、ノード間の直接通信だけでなく、他のノードを経由して情報（データ）を伝送するマルチホップ無線通信システム（マルチホップ無線ネットワーク）が注目されている。
【０００３】
マルチホップ無線ネットワークは、ネットワークトポロジーを柔軟に構成可能であり、基地局やバックボーン回線などのインフラに依存することなく、広範囲に亘る情報の伝送を可能とするという特徴を有する。
【０００４】
ちなみに、マルチホップ無線ネットワークにおいて中継ノードの中継方法としては、増幅転送法（Amplify-and-Forward）と復号転送法（Decode-and-Forward）の２種類に大別される。なお、復号転送法とは、中継ノードが、受信信号を復号し、そして、復号した受信信号に対して再度符号化を行ってから、中継（再送）する方法である。
【０００５】
マルチホップ無線ネットワークでは、送信元ノードから送信されたデータを、隣接ノードが中継しながら、宛先ノードまで伝送するようにしており、各ノード間には、送受信のための無線リンクが構築され、トラヒックやネットワーク構成により、ブロードキャスト、マルチキャスト、ユニキャストのトラヒックが発生する（非特許文献１を参照）。したがって、同時にすべての無線リンクを利用することで、伝送特性（スループット特性）が向上することになる（非特許文献２を参照する）。
【０００６】
しかしながら、マルチホップ無線ネットワークでは、同一チャネルを同時に利用し送信しているノード間に、無線リンクを構築することは困難なため、無線リンク構築率及び利用率が低いという問題点や、同一チャネルの無線リンクを同時に利用することにより、隣接ノードからの干渉問題が生じるという問題点を有しており、高効率なマルチホップ無線ネットワークを実現することができない。
【０００７】
上記問題点を解決するために、本発明の発明者らは、無線リンク構築率及び利用率を高めるとともに、隣接ノードの与干渉・被干渉回避をも実現する無線ネットワークとして、双方向伝送するＭＩＭＯマルチホップ／メッシュネットワークを提案した（非特許文献６を参照）。
【０００８】
非特許文献６に開示されたＭＩＭＯマルチホップ／メッシュネットワークは、送信ノードと受信ノードが交互に存在し、各ノードは中継機能を有しており、前向きリンクと後向きリンクを同時に送受信するものである。非特許文献６に開示されたＭＩＭＯマルチホップ／メッシュネットワークは、前向きリンクと後向きリンクの信号を空間的に多重し、アンテナの送受信ウェイトにより、隣接ノードの干渉回避を実現している。
【０００９】
計算機による数値シミュレーションに基づいた解析により、非特許文献６に開示されたＭＩＭＯマルチホップ／メッシュネットワークは、従来のＭＩＭＯアルゴリズムを適用したマルチホップ無線ネットワークよりも、伝送容量を改善できることが明らかにされている。
【００１０】
ここで、非特許文献６に開示されたＭＩＭＯマルチホップ／メッシュネットワークについて簡単に説明する。
【００１１】
非特許文献６に記載されたＭＩＭＯマルチホップ／メッシュネットワークのモデルを図１に模式的に示す。図１中の下部は、隣接リンクに着目したネットワークの信号モデルを示している。
【００１２】
図１に示すＭＩＭＯマルチホップ／メッシュネットワークのモデルでは、３素子のＭＩＭＯアンテナを用いて、前向きリンク１ストリームと後向きリンク１ストリームを多重化し、１つのノードが送信又は受信する総ストリーム数Ｋは、２ストリームとなる。したがって、１つの所望信号に対して、３つの干渉信号が存在することになる。
【００１３】
ここで、前向きリンクのストリーム数をＫＦ、後向きリンクへのストリーム数をＫＢとすると、図１のＭＩＭＯマルチホップ／メッシュネットワークでは、下記数１で示す条件を満たす場合に、線形アルゴリズム及び非線形アルゴリズムを一般的なトポロジーに適用することができる。
【００１４】
【数１】
0005358807.tif 000002
換言すれば、図１のＭＩＭＯマルチホップ／メッシュネットワークにおいて、前向きリンク１ストリームと後向きリンク１ストリームを多重化する双方向伝送では、最低３素子（Ｍ＝３）のＭＩＭＯアンテナ（つまり、最低３本のアンテナ）が必要となる。
【００１５】
ところで、近年、ネットワークコーディングが検討されている。ネットワークコーディングは、送信データの符号化を行うことにより、ネットワークのリソースを節約することが可能となるというメリットを有する（非特許文献３及び非特許文献４を参照）。例えば、ネットワークコーディングにより、送信ノードが前向きリンクと後向きリンクへの送信信号を符号化して、１つの送信信号とすることで、同時に同一のデータ（送信データ）として送信することが可能となり、よって、同一送信ノードからの与干渉回避を実現することができる。
【非特許文献１】アイ.  エフ.  アキイルデズ（I.F.Akyildiz）、ワン  シドン（Wang  Xudong）共著,「ア  サーベイ  オン  ワイヤレス  メッシュ  ネットワーク（A  survey  on  wireless  mesh  networks）」,ＩＥＥＥ  コミュニケイションズ  マガジン（IEEE  Communications  Magazine）,第43巻,p.S23S30,2005年9月
【非特許文献２】イー.  バン  デァ  メーレン（E.  van  de  Meulen）著,「ア  サーベイ  オフ  マルチウェイ  チャネルズ  イン  インフォメイション  スィーオリ：  1961-1976（A  survey  of  multi-way  channels  in  information  theory:1961-1976）」,ＩＥＥＥ  トランス.  インフ.  スィーオリ（IEEE  Trans.  Inf.  Theory）第23巻,p.1-37,1977年1月
【非特許文献３】アール.  アヒルスウェディ（R.  Ahlswede）、エヌ.  カイ（N.  Cai）、エス.  ワイ.  アール.  リー（S.‐Y.  R.  Li）、アール.  ダブリュ.  イェング（R.  W.  Yeung）共著,「ネットワーク  インフォメイション  フロー（Network  information  flow）」,ＩＥＥＥ  トランス.  インフ.  スィーオリ（IEEE  Trans.  Inf.  Theory）,第46巻,p.1204,2000年7月
【非特許文献４】ピー.  ポポビスキ（P.Popovski）、エイチ.  ヨモ（H.Yomo）共著,「フィジカル  ネットワーク  コーディング  イン  ツーウェイ  ワイヤレス  リレー  チャネルズ（Physical  Network  Coding  in  Two-Way  Wireless  Relay  Channels）」,ＩＥＥＥ  インターナショナル  カンファレンス  オン  コミュニケイションズ（ＩＣＣ‘０７）（IEEE  International  Conference  on  Communications(ICC’07)）,p.707-712,2007年6月
【非特許文献５】ブィ.  タロク（V.  Tarokh）、エイチ.  ジャファクハニ（H.  Jafarkhani）、エイ.  アール.カルデバンク（A.  R.  Calderbank）共著,「スペース  タイム  ブロック  コーディング  フロム  オスアゴナル  デザインズ（Space  time  block  Coding  from  orthogonal  designs）」,ＩＥＥＥ  トランス.  インフ.  スィーオリ（IEEE  Trans.  Inf.  Theory）,第45巻,第5号,p.1456-1467,1999年7月
【非特許文献６】エフ.  オノ（F.Ono）、ケイ.  サカグチ（K. Sakaguchi）共著,「ＭＩＭＯ  アパシャル  スペクトル  シェアリング  フォー  ハイ  エフィシェンシー  メッシュ  ネットワーク（MIMO  Spatial  Spectrum  Sharing  for  High  Efficiency  Mesh  Network）」,ＩＥＩＣＥ  トランスアクションズ（IEICE  Transactions）,第E91-B巻,p.62-69,2008年1月
【非特許文献７】エス.  エム.  アラモウティ（S.M. Alamouti）著,「ア  シンプル  トランスミッター  ダイバーシティ  スキーム  フォー  ワイヤレス  コミュニケーションズ（A  simple  transmitter  diversity  scheme  for  wireless  communications）」,ＩＥＥＥ  ジャーナル  オン  セレクトイド  エリア  イン  コミュニケーションズ（IEEE  Journal  on  Selected  Area  in  Communications）,第16巻,p.1451-1458,1998年10月
【非特許文献８】ハーミッド  ジェファーカニ（Hamid  Jafarkhani）著，「ア  クェイザイ  オーソゴナル  スペース  タイム  ブロック  コード（A  Quasi-Orthogonal  Space−Time  Block  Code）」,ＩＥＥＥ  トランスアクションズ  オン  コミュニケーションズ（IEEE  TRANSACTIONS  ON  COMMUNICATIONS），第49巻,第1号,p.1-4,2001年1月
【非特許文献９】ニン  ヤン（Ning  Yang）、マソウド  サレヒ(Masoud  Salehi)共著，「ア  ニュー  フル  レート  スペース  タイム  ブロック  コード  フォー  スリー  トランスミット  アンテナ  システムズ(A  New  Full  Rate  Space  Time  Block  Code  for  Three  Transmit  Antenna  Systems)」,ビヒクル  テクノロジー  カンファレンス（Vehicular  Technology  Conference,  2006.  VTC-2006  Fall  2006  IEEE  64th）,p.1-5,2006年9月
【非特許文献１０】アルクバスワミ  パルラジ（Arqvaswami  Paulraj）、ロヒット  ナバー（Rohit  Nabar）、ジハナンジャ  ゴア（Ghananjay  Gore）共著,「イントロダクション  トゥー  スペース  タイム  ワイヤレス  コミュニケーションズ（Introduction  to  Space-Time  Wireless  ommunications）」,ケンブリッジ  ユニバーシティー  プレス（Cambridge  University  Press）,2003年
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
前述したように、非特許文献６に開示されたＭＩＭＯマルチホップ／メッシュネットワークによれば、リンク多重及び隣接ノードの干渉回避を実現することができる。
【００１７】
しかしながら、非特許文献６に開示されたＭＩＭＯマルチホップ／メッシュネットワークは、
（イ）リンク多重と隣接ノードの干渉回避を実現するために、必要なノードあたりのアンテナ本数が最低３本であり、リンクの多重数よりもアンテナ本数が多いとの問題点、及び
（ロ）各ノードのアンテナの送受信ウェイトを決定するためには、送受信ノード両方がチャネル情報を必要とするため、処理が複雑になるとの問題点を有している。
【００１８】
本発明は、上述のような事情から成されたものであり、本発明の目的は、上記の問題点（イ）、問題点（ロ）を解決するために、ＭＩＭＯネットワークコーディング技術（１次元ＭＩＭＯネットワークコーディング及び２次元ＭＩＭＯネットワークコーディング）を用い、高効率・高信頼な双方向無線中継伝送を簡易に実現した、マルチホップ無線通信システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
本発明は、中継機能を有する複数のノード装置を有し、前記各ノード装置は、複数本のＭＩＭＯアンテナを搭載するとともに、前記各ノード装置間に、前向きリンク又は後向きリンクを張ることにより、無線通信システムを構築するマルチホップ無線通信システムに関し、本発明の上記目的は、ネットワークコーディングの受信方式に、多入力多出力（ＭＩＭＯ）方式を適用し、更に、時空間ブロック符号化(ＳＴＢＣ)方式を適用し、前記ノード装置は、前記アンテナにて無線受信した無線受信信号から、ＳＴＢＣ受信データ生成処理を行い、ＳＴＢＣ受信データを生成する、ＳＴＢＣ受信データ生成手段と、前記アンテナにて無線受信したトレーニング信号から推定されたチャネル情報から、ＳＴＢＣチャネル行列生成処理を行い、ＳＴＢＣ等価チャネル行列を生成する、ＳＴＢＣチャネル行列生成手段と、生成されたＳＴＢＣ等価チャネル行列と、生成されたＳＴＢＣ受信データとから、ＭＩＭＯ検波処理を行い、推定シンボルを推定するＭＩＭＯ検波手段と、推定された推定シンボルから、ネットワーク復号処理を行い、前向きリンク及び後向きリンクへの連続する２シンボルの中継信号を生成するネットワーク復号手段と、宛先制御処理を行う中継制御手段と、生成された中継信号から、連続する２つの送信シンボルのネットワーク符号化処理を行い、連続する２つの送信信号を生成する、ネットワーク符号化手段と、前記ネットワーク符号化手段で生成された送信信号から、ＳＴＢＣ送信データ生成処理を行い、ＳＴＢＣ送信データを生成する、ＳＴＢＣ送信データ生成手段と、生成されたＳＴＢＣ送信データに、トレーニング信号を付加して、トレーニング信号付加処理を行うトレーニング信号付加手段とを備え、トレーニング信号が付加されたＳＴＢＣ送信データを、無線送信信号として送信することによって効果的に達成される。
【００２１】
また、本発明の上記目的は、前記中継制御手段は、生成された中継信号が自ノード宛の信号であるか、又は、他ノード宛の信号であるかを判断する前記宛先制御処理を行い、生成された中継信号が自ノード宛の信号であると判断された場合に、前記ノード装置の処理は終了し、一方、生成された中継信号が他ノード宛の信号であると判断された場合、生成された中継信号を前タイムスロット送信データとして、次のタイムスロットのネットワーク復号処理を行うために、保存することによってより効果的に達成される。
【００２２】
また、本発明の上記目的は、前記ＭＩＭＯ検波処理では、ＭＩＭＯ受信にＺＦアルゴリズム又はＭＭＳＥアルゴリズムを用いることによってより効果的に達成される。
【００２３】
また、本発明の上記目的は、前記マルチホップ無線通信システムでは、第（ｋ−１）ノードと第（ｋ＋１）ノードが送信状態の場合、第（ｋ−１）ノードの連続する２つの送信信号
0005358807.tif 000003
は次の２つの数式を用いて、モデル化され、
0005358807.tif 000004
また、第（ｋ＋１）ノードの連続する２つの送信信号
0005358807.tif 000005
は次の２つの数式を用いて、モデル化され、
0005358807.tif 000006
ただし、
0005358807.tif 000007
は第（ｋ−１）ノードの前向きリンクへの連続する２つの送信シンボルであり、
0005358807.tif 000008
は第（ｋ−１）ノードの後向きリンクへの連続する２つの送信シンボルであり、
0005358807.tif 000009
は第（ｋ＋１）ノードの前向きリンクへの連続する２つの送信シンボルであり、
0005358807.tif 000010
は第（ｋ＋１）ノードの後向きリンクへの連続する２つの送信シンボル（送信信号）であり、ｑはラティス符号化の格子サイズであることによってより効果的に達成される。
【００２４】
また、本発明の上記目的は、前記ＳＴＢＣ送信データ生成手段では、第（ｋ−１）ノードについて、連続する２つの送信信号
0005358807.tif 000011
を用いて、
0005358807.tif 000012
に基づき、２時刻にわたる４つの送信シンボルを含むＳＴＢＣ送信データ（１時刻、２時刻にわたる送信信号行列
0005358807.tif 000013
を生成し、また、第（ｋ＋１）ノードについて、連続する２つの送信信号
0005358807.tif 000014
を用いて、
0005358807.tif 000015
に基づき、２時刻にわたる４つの送信シンボルを含むＳＴＢＣ送信データ（１時刻、２時刻にわたる送信信号行列
0005358807.tif 000016
を生成することによってより効果的に達成される。
【００２５】
また、本発明の上記目的は、第ｋノードが受信状態の場合に、前記ＳＴＢＣ受信データ生成手段では、第（ｋ−１）ノード及び第（ｋ＋１）ノードのＳＴＢＣ送信データを前記アンテナにて受信し、次の数式に基づき、ＳＴＢＣ受信データを生成し、
0005358807.tif 000017
ただし、
0005358807.tif 000018
は第ｋノードの時刻１と時刻２にわたる等価受信信号ベクトルであり、
0005358807.tif 000019
で表し、
0005358807.tif 000020
は送信信号ベクトルであり、
0005358807.tif 000021
で表し、
0005358807.tif 000022
は時刻１と時刻２の等価加法性雑音ベクトルであり、
0005358807.tif 000023
で表し、また、
0005358807.tif 000024
は第ｋノードのＳＴＢＣ等価チャネル行列であり、ブロック直交行列となっていることによってより効果的に達成される。
【００２６】
また、本発明の上記目的は、前記ＭＩＭＯ検波手段では、第ｋノードについて、次の数式に基づき、ＭＩＭＯ受信により、推定シンボル
0005358807.tif 000025
を推定するＭＩＭＯ検波処理を行い、
0005358807.tif 000026
ただし、
0005358807.tif 000027
は第ｋノードの受信ウェイト行列であり、
0005358807.tif 000028
は第ｋノードのＳＴＢＣ受信データであり、ＭＩＭＯ受信にＺＦアルゴリズムを用いる場合に、第ｋノードの受信ウェイト行列
0005358807.tif 000029
は、次の数式によって計算され、
0005358807.tif 000030
ただし、
0005358807.tif 000031
は第ｋノードのＳＴＢＣ等価チャネル行列であり、また、ＭＩＭＯ受信にＭＭＳＥアルゴリズムを用いる場合に、第ｋノードの受信ウェイト行列
0005358807.tif 000032
は、次の数式によって計算され、
0005358807.tif 000033
ただし、Ｐはノードあたりの総送信電力であり、σ２は受信アンテナあたりの雑音電力であることによってより効果的に達成される。
【００２７】
また、本発明の上記目的は、中継機能を有する複数のノード装置を有し、前記各ノード装置は、２本のＭＩＭＯアンテナを搭載するとともに、前記各ノード装置間に、前向きリンク又は後向きリンクを張ることにより、無線通信システムを構築するマルチホップ無線通信システムであって、前記ノード装置は、前記アンテナにて無線受信したトレーニング信号から推定されたチャネル情報と、前記アンテナにて無線受信した無線受信信号とから、ＭＩＭＯ検波処理を行い、推定シンボルを推定するＭＩＭＯ検波手段と、推定された推定シンボルから、ネットワーク復号処理を行い、中継信号を生成するネットワーク復号手段と、宛先制御処理を行う中継制御手段と、生成された中継信号から、ネットワーク符号化処理を行い、送信信号を生成する、ネットワーク符号化手段と、前記ネットワーク符号化手段で生成された送信信号にトレーニング信号を付加して、トレーニング信号付加処理を行うトレーニング信号付加手段とを備え、トレーニング信号が付加された送信信号を、無線送信信号として送信することによってより効果的に達成される。
【００２８】
また、本発明の上記目的は、中継機能を有する複数のノード装置を有し、前記各ノード装置は、複数のＭＩＭＯアンテナを搭載するとともに、前記各ノード装置間に無線リンクを張ることにより、２つの経路が１つのノード装置で交差するクロス型２次元マルチホップ通信システムを構築するマルチホップ無線通信システムであって、前記各ノード装置は、受信状態と送信状態を交互に繰り返すようになっており、送受信処理を行い、データを中継伝送し、交差点ノード装置及び当該交差点ノード装置に隣接する隣接ノード装置に、２次元ＭＩＭＯネットワークコーディングを適用することにより、単一チャネルで２次元の双方向フローのマルチホップ中継を実現することによって効果的に達成される。
【００２９】
また、本発明の上記目的は、中継機能を有する複数のノード装置を有し、前記各ノード装置は、複数のＭＩＭＯアンテナを搭載するとともに、前記各ノード装置間に無線リンクを張ることにより、２つの経路が４つのノード装置を介して交差するロータリー型２次元マルチホップ通信システムを構築するマルチホップ無線通信システムであって、前記各ノード装置は、受信状態と送信状態を交互に繰り返すようになっており、送受信処理を行い、データを中継伝送し、ロータリーノード装置及び当該ロータリーノード装置に隣接する隣接ノード装置に、２次元ＭＩＭＯネットワークコーディングを適用することにより、単一チャネルで２次元のロータリー型の双方向フローのマルチホップ中継を実現することによって効果的に達成される。
【００３０】
また、本発明の上記目的は、中継機能を有する複数のノード装置を有し、前記各ノード装置は、複数のＭＩＭＯアンテナを搭載するとともに、前記各ノード装置間に無線リンクを張ることにより、２つの経路が部分的に結合し、部分的に結合した経路が共通経路を構成するツリー型２次元マルチホップ通信システムを構築するマルチホップ無線通信システムであって、前記各ノード装置は、受信状態と送信状態を交互に繰り返すようになっており、送受信処理を行い、データを中継伝送し、前記共通経路上のノード装置及びそれに隣接する隣接ノード装置に、２次元ＭＩＭＯネットワークコーディングを適用することにより、単一チャネルで２次元のツリー型の双方向フローのマルチホップ中継を実現することによって効果的に達成される。
【００３１】
また、本発明の上記目的は、前記２つの経路は経路Ｈと経路Ｖであり、前記２次元ＭＩＭＯネットワークコーディングが適用されたノード装置は、前記アンテナにて無線受信したトレーニング信号から推定されたチャネル情報と、前記アンテナにて無線受信した無線受信信号とから、ＭＩＭＯ検波処理を行い、推定シンボルを推定するＭＩＭＯ検波手段と、前記ＭＩＭＯ検波手段にて推定された前向きリンク及び後向きリンクの推定シンボルから、経路Ｈにおけるネットワーク復号処理を行い、経路Ｈの中継信号を生成する、経路Ｈにおけるネットワーク復号手段と、経路Ｈにおける宛先制御処理を行う、経路Ｈにおける中継制御手段と、生成された経路Ｈの中継信号から、経路Ｈにおけるネットワーク符号化処理を行い、経路Ｈの送信信号を生成する、経路Ｈにおけるネットワーク符号化手段と、前記経路Ｈにおけるネットワーク符号化手段にて生成された経路Ｈの送信信号に、経路Ｈにおけるトレーニング信号を付加して、経路Ｈにおけるトレーニング信号付加処理を行う、経路Ｈにおけるトレーニング信号付加手段と、前記ＭＩＭＯ検波手段にて推定された上向きリンク及び下向きリンクの推定シンボルから、経路Ｖにおけるネットワーク復号処理を行い、経路Ｖの中継信号を生成する、経路Ｖにおけるネットワーク復号手段と、経路Ｖにおける宛先制御処理を行う、経路Ｖにおける中継制御手段と、生成された経路Ｖの中継信号から、経路Ｖにおけるネットワーク符号化処理を行い、経路Ｖの送信信号を生成する、経路Ｖにおけるネットワーク符号化手段と、前記経路Ｖにおけるネットワーク符号化手段にて生成された経路Ｖの送信信号に、経路Ｖにおけるトレーニング信号を付加して、経路Ｖにおけるトレーニング信号付加処理を行う、経路Ｖにおけるトレーニング信号付加手段とを備え、経路Ｈにおけるトレーニング信号が付加された経路Ｈにおけるネットワーク符号化された送信データと、経路Ｖにおけるトレーニング信号が付加された経路Ｖにおけるネットワーク符号化された送信データに対し、ＭＩＭＯ空間多重処理を行ってから無線送信信号として送信することによって効果的に達成される。
【００３２】
また、本発明の上記目的は、前記複数のノード装置から、前記２次元ＭＩＭＯネットワークコーディングが適用されたノード装置を除いて残ったノード装置に、１次元ＭＩＭＯネットワークコーディングを適用することによって効果的に達成される。
【００３３】
また、本発明の上記目的は、中継機能を有する複数のノード装置を有し、前記各ノード装置は、複数のＭＩＭＯアンテナを搭載するとともに、前記各ノード装置間に無線リンクを張ることにより、２つの経路が１つのノード装置で交差するクロス型２次元マルチホップ通信システムを構築するマルチホップ無線通信システムであって、前記各ノード装置は、受信状態と送信状態を交互に繰り返すようになっており、送受信処理を行い、データを中継伝送し、交差点ノード装置及び当該交差点ノード装置に隣接する隣接ノード装置に、２次元ＳＴＢＣ−ＭＩＭＯネットワークコーディングを適用することにより、単一チャネルで２次元のＳＴＢＣ処理された双方向フローのマルチホップ中継を実現することによって効果的に達成される。
【００３４】
また、本発明の上記目的は、中継機能を有する複数のノード装置を有し、前記各ノード装置は、複数のＭＩＭＯアンテナを搭載するとともに、前記各ノード装置間に無線リンクを張ることにより、２つの経路が４つのノード装置を介して交差するロータリー型２次元マルチホップ通信システムを構築するマルチホップ無線通信システムであって、前記各ノード装置は、受信状態と送信状態を交互に繰り返すようになっており、送受信処理を行い、データを中継伝送し、ロータリーノード装置及び当該ロータリーノード装置に隣接する隣接ノード装置に、２次元ＳＴＢＣ−ＭＩＭＯネットワークコーディングを適用することにより、単一チャネルで２次元のロータリー型のＳＴＢＣ処理された双方向フローのマルチホップ中継を実現することによって効果的に達成される。
【００３５】
また、本発明の上記目的は、中継機能を有する複数のノード装置を有し、前記各ノード装置は、複数のＭＩＭＯアンテナを搭載するとともに、前記各ノード装置間に無線リンクを張ることにより、２つの経路が部分的に結合し、部分的に結合した経路が共通経路を構成するツリー型２次元マルチホップ通信システムを構築するマルチホップ無線通信システムであって、前記各ノード装置は、受信状態と送信状態を交互に繰り返すようになっており、送受信処理を行い、データを中継伝送し、前記共通経路上のノード装置及びそれに隣接する隣接ノード装置に、２次元ＳＴＢＣ−ＭＩＭＯネットワークコーディングを適用することにより、単一チャネルで２次元のツリー型のＳＴＢＣ処理された双方向フローのマルチホップ中継を実現することによって効果的に達成される。
【００３６】
また、本発明の上記目的は、前記２つの経路は経路Ｈと経路Ｖであり、前記２次元ＳＴＢＣ−ＭＩＭＯネットワークコーディングが適用されたノード装置は、前記アンテナにて無線受信した無線受信信号から、ＳＴＢＣ受信データ生成処理を行い、ＳＴＢＣ受信データを生成する、ＳＴＢＣ受信データ生成手段と、前記アンテナにて無線受信したトレーニング信号から推定されたチャネル情報から、ＳＴＢＣチャネル行列生成処理を行い、ＳＴＢＣ等価チャネル行列を生成する、ＳＴＢＣチャネル行列生成手段と、生成されたＳＴＢＣ等価チャネル行列と、生成されたＳＴＢＣ受信データとから、ＭＩＭＯ検波処理を行い、推定シンボルを推定するＭＩＭＯ検波手段と、前記ＭＩＭＯ検波手段にて推定された前向きリンク及び後向きリンクの推定シンボルから、経路Ｈにおけるネットワーク復号処理を行い、前向きリンク及び後向きリンクへの連続する２シンボルの経路Ｈの中継信号を生成する、経路Ｈにおけるネットワーク復号手段と、経路Ｈにおける宛先制御処理を行う、経路Ｈにおける中継制御手段と、生成された経路Ｈの中継信号から、連続する２つの送信シンボルの経路Ｈにおけるネットワーク符号化処理を行い、連続する２つの経路Ｈの送信信号を生成する、経路Ｈにおけるネットワーク符号化手段と、前記経路Ｈにおけるネットワーク符号化手段にて生成された経路Ｈの送信信号から、経路ＨにおけるＳＴＢＣ送信データ生成処理を行い、経路ＨにおけるＳＴＢＣ送信データを生成する、経路ＨにおけるＳＴＢＣ送信データ生成手段と、生成された経路ＨにおけるＳＴＢＣ送信データに、経路Ｈにおけるトレーニング信号を付加して、経路Ｈにおけるトレーニング信号付加処理を行う、経路Ｈにおけるトレーニング信号付加手段と、前記ＭＩＭＯ検波手段にて推定された上向きリンク及び下向きリンクの推定シンボルから、経路Ｖにおけるネットワーク復号処理を行い、上向きリンク及び下向きリンクへの連続する２シンボルの経路Ｖの中継信号を生成する、経路Ｖにおけるネットワーク復号手段と、経路Ｖにおける宛先制御処理を行う、経路Ｖにおける中継制御手段と、生成された経路Ｖの中継信号から、連続する２つの送信シンボルの経路Ｖにおけるネットワーク符号化処理を行い、連続する２つの経路Ｖの送信信号を生成する、経路Ｖにおけるネットワーク符号化手段と、前記経路Ｖにおけるネットワーク符号化手段にて生成された経路Ｖの送信信号から、経路ＶにおけるＳＴＢＣ送信データ生成処理を行い、経路ＶにおけるＳＴＢＣ送信データを生成する、経路ＶにおけるＳＴＢＣ送信データ生成手段と、生成された経路ＶにおけるＳＴＢＣ送信データに、経路Ｖにおけるトレーニング信号を付加して、経路Ｖにおけるトレーニング信号付加処理を行う、経路Ｖにおけるトレーニング信号付加手段とを備え、経路Ｈにおけるトレーニング信号が付加された経路ＨにおけるＳＴＢＣ送信データと、経路Ｖにおけるトレーニング信号が付加された経路ＶにおけるＳＴＢＣ送信データに対し、ＭＩＭＯ空間多重処理を行ってから無線送信信号として送信することによって効果的に達成される。
【００３７】
また、本発明の上記目的は、前記複数のノード装置から、前記２次元ＳＴＢＣ−ＭＩＭＯネットワークコーディングが適用されたノード装置を除いて残ったノード装置に、１次元ＳＴＢＣ−ＭＩＭＯネットワークコーディングを適用することによって効果的に達成される。
【発明の効果】
【００３８】
１次元ＭＩＭＯネットワークコーディングを用いる本発明のマルチホップ無線通信システムによれば、ＳＴＢＣブロードキャストとＭＩＭＯマルチプルアクセスを、ネットワークコーディングに組み合わせることにより、全てのリンクにおいて前向きリンクと後向きリンクを多重化した高効率・高信頼な双方向無線中継伝送を簡易に実現できるという優れた効果を奏する。
【００３９】
本発明の１次元ＭＩＭＯネットワークコーディングでは、送信ノード（ノードが送信状態の場合）がノード内の信号に対する与干渉回避、受信ノード（ノードが受信状態の場合）がノード間の被干渉回避を行うことにより、隣接ノードからの干渉なく通信することが可能となる。
【００４０】
つまり、１次元ＭＩＭＯネットワークコーディングを用いる本発明に係るマルチホップ無線通信システムによれば、従来のマルチホップ無線ネットワークの問題点である同一チャネル干渉を回避するとともに、双方向伝送を２本のアンテナで実現するという顕著な作用効果を奏する。
【００４１】
リンク多重と隣接ノードの干渉回避を実現するために、非特許文献６に開示されたＭＩＭＯマルチホップ／メッシュネットワークでは、前述のように必要なノードあたりのアンテナ本数が最低３本である必要があるのに対して、本発明のマルチホップ無線通信システムでは、２本のアンテナで十分である。１次元ＭＩＭＯネットワークコーディングを用いる本発明によれば、アンテナ本数を減少することができる。
【００４２】
また、非特許文献６に開示されたＭＩＭＯマルチホップ／メッシュネットワークでは、送受信ノードでチャネル情報が必要で、チャネル情報のフィードバックが必要で、そのため、処理が複雑になるのに対して、本発明のマルチホップ無線通信システムでは、ノードが受信状態の場合に、即ち、受信ノードだけは、チャネル情報が必要で、チャネル情報のフィードバックが不要で、そのため、処理が複雑にならない。
【００４３】
特に、本発明によれば、各中継ノードにおいて、ネットワークコーディングされた送信信号に、更に時空間ブロック符号化（ＳＴＢＣ）方式を適用することにより、ブラインドのＭＩＭＯ送信ダイバーシチも実現され、大容量・高信頼なマルチノード通信を実現したという優れた効果をも奏する。
【００４４】
また、本発明の発明者らは、更に研究を重ね、１次元トポロジーを有する無線メッシュネットワークに適用する「１次元ＭＩＭＯネットワークコーディング」技術を拡張することにより、２次元メッシュトポロジーを有する無線メッシュネットワークに適用する「２次元ＭＩＭＯネットワークコーディング」技術を発明した。
【００４５】
クロス型、ロータリー型、ツリー型といった２次元メッシュトポロジーに、本発明の２次元ＭＩＭＯネットワークコーディングを適用したマルチホップ無線通信システム（ＭＩＭＯ無線メッシュネットワーク）によれば、４素子以上のアンテナ素子を搭載するＭＩＭＯノードを配置することで、単一チャネルによる高効率な２次元双方向マルチホップネットワークを実現するという非常に優れた効果を奏する。
【００４６】
また、クロス型に適用した本発明の２次元ＭＩＭＯネットワークコーディングを適用したマルチホップ無線通信システム（２ＤＭＮＣ１）によれば、交差点付近の中継ノードの余剰アンテナを用いて、経路間及び交差点への与・被干渉を回避する協力ヌルビームフォーミングも合わせて適用することが可能になり、更なる効率の改善を実現するという本願独自な顕著な作用効果を奏する。
【００４７】
シミュレーションによる数値解析でも、本発明の二次元ＭＩＭＯネットワークコーディング各方式の有効性が検証された。シミュレーション結果から、本発明の二次元ＭＩＭＯネットワークコーディング各方式によれば、従来方式に比べて、ネットワークのエンド・ツー・エンド伝送容量が大幅に増加されたことは良く分かる。
【００４８】
また、遠距離干渉を無視できない環境においても、本発明の協力ヌルビームフォーミング・アルゴリズムを適用することにより、エンド・ツー・エンド伝送容量を大幅に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】
【００４９】
本発明に係るマルチホップ無線通信システムは、送信元ノード（以下、「送信元ノード装置」とも言う。）と宛先ノード（以下、「宛先ノード装置」とも言う。）との間に、少なくとも１つのノード（以下、「ノード装置」とも言う。）を経由してデータ（情報）を無線伝送するものであり、各ノードが中継機能を有するとともに、Ｍ本のＭＩＭＯアンテナ（Ｍ素子のアレーアンテナ）を搭載しており、各ノード間に無線リンクを張ることにより、マルチホップ無線通信システムを構築する。
【００５０】
本発明のマルチホップ無線通信システムにおいて、ノードの中継方法として、復号転送法（Decode-and-Forward）を用いる。
【００５１】
本発明に係るマルチホップ無線通信システムは、ＭＩＭＯネットワークコーディング技術＜１次元ＭＩＭＯネットワークコーディング及び２次元ＭＩＭＯネットワークコーディング＞（詳細に後述する）を用いることにより、全てのリンクにおいて、前向きリンクと後向きリンク、又は／及び、上向きリンクと下向きリンクを多重化した高効率・高信頼な双方向無線中継伝送を簡易に実現した。
【００５２】
本発明で言う「１次元ＭＩＭＯネットワークコーディング」は、２種類のものに分けることができる。
【００５３】
１つは、ネットワークコーディングの送受信方式に、多入力多出力（Multiple  Input  Multiple  Output；以下、「ＭＩＭＯ」と称する。）方式を適用し、更に、時空間ブロック符号化(Space  Time  Block  Coding；以下、「ＳＴＢＣ」と称する。)方式を適用したものであり、以下、「ＳＴＢＣを適用したＭＩＭＯネットワークコーディング」又は「１次元ＳＴＢＣ−ＭＩＭＯネットワークコーディング」とも言う。
【００５４】
より詳細に説明すると、ＳＴＢＣを適用したＭＩＭＯネットワークコーディングは、ＳＴＢＣブロードキャストとＭＩＭＯマルチプルアクセスを、ネットワークコーディングに組み合わせたものである。
【００５５】
もう１つは、ネットワークコーディングの送受信方式にＭＩＭＯ方式を適用したものであり、以下、「ＳＴＢＣを適用しないＭＩＭＯネットワークコーディング」とも言う。
【００５６】
なお、時空間ブロック符号化(ＳＴＢＣ)方式は、Siavash  M.  AlamoutiやVahid  Tarokhらによって提案されたものである（非特許文献５を参照）。時空間ブロック符号化(ＳＴＢＣ)方式は、送信ダイバーシティ技術の１つであり、送信ノードでは、同一の送信シンボルついて時間的に直交するように符号化し、複数のアンテナを用いて送信し、そして、受信ノードでは、チャネル推定値を用いて受信信号を分離・合成することで、ダイバーシチ利得を得られるとの特徴を有する。
【００５７】
以下、本発明を実施するための最良の形態を、図面及び数式を参照して詳細に説明する。
【００５８】
なお、ここで、本発明の第１実施形態に係るマルチホップ無線通信システム及び本発明の第２実施形態に係るマルチホップ無線通信システムを説明するために、使用される数式において、使用する数学記号について説明する。［・］＊は［・］の複素共役を表す。［・］−１は［・］の一般逆行列を表す。［・］Ｈは［・］の複素共役転置を表す。［・］Ｔは［・］の転置を表す。
＜１＞本発明の第１実施形態に係るマルチホップ無線通信システム
まず、本発明の第１実施形態に係るマルチホップ無線通信システムについて説明する。本発明の第１実施形態に係るマルチホップ無線通信システムでは、「ＳＴＢＣを適用しないＭＩＭＯネットワークコーディング」を用いる。
＜１−１＞信号モデル
本発明の第１実施形態に係るマルチホップ無線通信システムのモデルを図２に模式的に示す。図２中の下部は、隣接リンクに着目した無線通信システムの信号モデルを示している。図２に示されたように、各ノードは送受信（送受信処理）を行い、データを中継伝送する。
【００５９】
以下では、本発明の第１実施形態に係るマルチホップ無線通信システムにおいて、あるノードに隣接する２つのリンク（前向きリンク及び後向きリンク）に着目して、各ノードが複数本のＭＩＭＯアンテナを搭載した場合の信号モデルを定式化する。
【００６０】
まず、本発明の第１実施形態に係るマルチホップ無線通信システムでは、第（ｋ−１）ノードと第（ｋ＋１）ノードが送信状態の場合、それぞれの送信信号
0005358807.tif 000034
は、下記数２、数３を用いて、モデル化することができる。
【００６１】
【数２】
0005358807.tif 000035
【００６２】
【数３】
0005358807.tif 000036
ここで、
0005358807.tif 000037
は第（ｋ−１）ノードの前向きリンク及び後向きリンクへの送信シンボル（送信信号）であり、
0005358807.tif 000038
は第（ｋ＋１）ノードの前向きリンク及び後向きリンクへの送信シンボル（送信信号）である。また、ｑはラティス符号化の格子サイズである。
【００６３】
つまり、本発明の第１実施形態に係るマルチホップ無線通信システムでは、第（ｋ−１）ノードと第（ｋ＋１）ノードが送信状態の場合において、上記数２、数３に基づいて、ネットワーク符号化処理（ネットワークエンコード処理）がそれぞれ行われ、第（ｋ−１）ノードにも、第（ｋ＋１）ノードにも、前向きリンク及び後向きリンクへの２つの送信シンボルを含む１つの送信信号が生成される。
【００６４】
次に、本発明の第１実施形態に係るマルチホップ無線通信システムでは、第ｋノードが受信状態の場合に、第（ｋ−１）ノード及び第（ｋ＋１）ノードの送信信号
0005358807.tif 000039
を受信する第ｋノードの受信信号
0005358807.tif 000040
は、下記数４を用いて、モデル化することができる。
【００６５】
【数４】
0005358807.tif 000041
ここで、
0005358807.tif 000042
は第（ｋ−１）ノードから第ｋノードへのチャネルベクトルであり、
0005358807.tif 000043
は第（ｋ＋１）ノードから第ｋノードへのチャネルベクトルである。また、
0005358807.tif 000044
は加法性雑音ベクトルである。
【００６６】
つまり、「ＳＴＢＣを適用しないＭＩＭＯネットワークコーディング」を用いた本発明の第１実施形態に係るマルチホップ無線通信システムにおいて、第ｋノードが受信状態の場合に、第ｋノードの前向きリンクでは、
0005358807.tif 000045
が所望信号であり、
0005358807.tif 000046
が干渉信号となり、また、第ｋノードの後向きリンクでは、
0005358807.tif 000047
が所望信号であり、
0005358807.tif 000048
が干渉信号となる。
【００６７】
そして、本発明では、＜１−２＞で詳述する「ＭＩＭＯ受信方式」により、干渉回避を行い、前向きリンク及び後向きリンクの信号を同時に受信復号する。
＜１−２＞ＭＩＭＯ検波処理におけるＭＩＭＯ受信方式
＜１−１＞で述べたように、「ＳＴＢＣを適用しないＭＩＭＯネットワークコーディング」を用いた本発明の第１実施形態に係るマルチホップ無線通信システムでは、あるノードには、隣接ノードからの送信信号により、１つの干渉信号が発生する。
【００６８】
一般に、Ｍ素子のアレーアンテナ（Ｍ本のＭＩＭＯアンテナ）を用いた線形アルゴリズムでは、（Ｍ−１）の干渉信号をキャンセルすることができる。
【００６９】
そこで、ＳＴＢＣを適用しないＭＩＭＯネットワークコーディングを用いた本発明のマルチホップ無線通信システムでは、受信ウェイトのみを用いて、干渉信号をキャンセルする。
【００７０】
本発明の第１実施形態に係るマルチホップ無線通信システムにおいて、第（ｋ−１）ノード及び第（ｋ＋１）ノードの送信信号を受信する第ｋノードでは、下記数５に基づき、ＭＩＭＯ受信により、推定シンボル
0005358807.tif 000049
を推定するＭＩＭＯ検波処理を行う。
【００７１】
【数５】
0005358807.tif 000050
ここで、
0005358807.tif 000051
は第ｋノードの受信ウェイト行列である。また、
0005358807.tif 000052
は、第（ｋ−１）ノードの送信信号
0005358807.tif 000053
の推定値であり、
0005358807.tif 000054
は第（ｋ＋１）ノードの送信信号
0005358807.tif 000055
の推定値である。また、
0005358807.tif 000056
は、第ｋノードの受信信号である。
【００７２】
例えば、ＭＩＭＯ受信にゼロフォーシング（ＺＦ）アルゴリズムを用いる場合に、第ｋノードの受信ウェイト行列
0005358807.tif 000057
は、下記数６によって計算される。
【００７３】
【数６】
0005358807.tif 000058
ただし、
0005358807.tif 000059
は第（ｋ−１）ノードから第ｋノードへのチャネルベクトル
0005358807.tif 000060
と、第（ｋ＋１）ノードから第ｋノードへのチャネルベクトル
0005358807.tif 000061
の２つのチャネルベクトルをまとめたチャネル行列である。
【００７４】
また、例えば、ＭＩＭＯ受信にＭＭＳＥアルゴリズムを用いる場合に、第ｋノードの受信ウェイト行列
0005358807.tif 000062
は、下記数７によって計算される。
【００７５】
【数７】
0005358807.tif 000063
ただし、Ｐはノードあたりの総送信電力である。また、σ２は受信アンテナあたりの雑音電力である。
【００７６】
上記数６及び数７から分かるように、ＳＴＢＣを適用しないＭＩＭＯネットワークコーディングを用いた本発明のマルチホップ無線通信システムでは、あるノードが受信状態の場合（例えば、第ｋノードが受信状態の場合）に、当該ノードの受信ウェイト（受信ウェイト行列）を計算するために、隣接ノード間のチャネル情報（チャネル行列）が必要となる。
＜１−３＞ネットワーク復号処理及び中継制御処理
本発明の第１実施形態に係るマルチホップ無線通信システムにおいて、＜１−１＞と＜１−２＞で述べたように、第ｋノードが受信状態の場合に、第ｋノードの後向きリンクは第（ｋ＋１）ノードの送信信号を、第ｋノードの前向きリンクは第（ｋ−１）ノードの送信信号を、ＭＩＭＯ受信方式により干渉回避を行いながら同時に受信復号する。
【００７７】
ＭＩＭＯ検波処理により得られた推定シンボル
0005358807.tif 000064
に基づき、第ｋノードは、ネットワーク復号処理を行い、中継信号を生成し、そして、生成した中継信号が自ノード宛の信号（データ）であるか、又は、他ノード宛の信号（データ）であるかを判断する「中継（宛先）制御処理」を行う。つまり、第ｋノードが中継状態になり、以下、中継状態にある第ｋノードを中継ノードとも言う。
【００７８】
中継ノードである第ｋノードでは、下記数８及び数９が成り立つ。
【００７９】
【数８】
0005358807.tif 000065
【００８０】
【数９】
0005358807.tif 000066
ただし、
0005358807.tif 000067
は、前タイムスロット（ｎ−１）に、第ｋノードの前向きリンク及び後向きリンクに送信した信号（シンボル）である。
0005358807.tif 000068
は、タイムスロット（ｎ−）に、第（ｋ−１）ノードの後向きリンクに送信した信号（シンボル）である。
0005358807.tif 000069
は、タイムスロット（ｎ）に、第（ｋ＋１）ノードの前向きリンクに送信した信号（シンボル）である。また、
0005358807.tif 000070
は、第ｋノードがネットワーク復号処理のために、メモリに保存しておいた前タイムスロットに送信した前向きリンクおよび後向きリンクへの送信信号である。
【００８１】
本発明の第１実施形態に係るマルチホップ無線通信システムにおいて、第ｋノードでは、下記数１０、数１１に基づき、ネットワーク復号処理（ネットワークデコード処理）を行い、中継信号
0005358807.tif 000071
を生成する。
【００８２】
【数１０】
0005358807.tif 000072
【００８３】
【数１１】
0005358807.tif 000073
非特許文献３及び非特許文献４に記載された従来のネットワークコーディングを用いた無線通信システムでは、各ノードが１本のアンテナにより信号を受信し、復号するようにしている。
【００８４】
それに対して、「ＳＴＢＣを適用しないＭＩＭＯネットワークコーディング」を用いた本発明の第１実施形態に係るマルチホップ無線通信システムでは、各ノードが複数のアンテナ（複数のＭＩＭＯアンテナ）により信号を受信し、復号するようにしている。
【００８５】
このように、本発明では、複数のアンテナ（複数のＭＩＭＯアンテナ）を利用することにより、＜２＞で詳述する本発明の第２実施形態に係るマルチホップ無線通信システムにおいて、更に時空間ブロック符号化（ＳＴＢＣ）方式を適用することが可能になり、無線通信システムの性能を更に改善することができる。
＜２＞本発明の第２実施形態に係るマルチホップ無線通信システム
次に、本発明の第２実施形態に係るマルチホップ無線通信システムについて説明する。本発明の第２実施形態に係るマルチホップ無線通信システムでは、「ＳＴＢＣを適用したＭＩＭＯネットワークコーディング」を用いる。
【００８６】
つまり、本発明の第１実施形態に係るマルチホップ無線通信システムの通信品質を更に向上させるために、本発明の発明者らは、本発明の第１実施形態に係るマルチホップ無線通信システムに、更に時空間ブロック符号化(ＳＴＢＣ)を適用することにより、「ＳＴＢＣを適用したＭＩＭＯネットワークコーディング」を用いた本発明の第２実施形態に係るマルチホップ無線通信システムを発明した。
＜２−１＞信号モデル
図２を用いて、本発明の第２実施形態に係るマルチホップ無線通信システムのモデルを模式的に示すことができる。図２中の下部は、隣接リンクに着目した無線通信システムの信号モデルを示している。図２に示されたように、各ノードは送受信（送受信処理）を行い、データを中継伝送する。
【００８７】
また、図３は、本発明の第２実施形態に係るマルチホップ無線通信システムにおいて、第ｋノードにおける送受信処理の主な流れを説明するための模式図である。
【００８８】
以下では、本発明の第２実施形態に係るマルチホップ無線通信システムにおいて、あるノードに隣接する２つのリンク（前向きリンク及び後向きリンク）に着目して、各ノードが複数本のＭＩＭＯアンテナを搭載し、そして、時空間ブロック符号化(ＳＴＢＣ)にAlamouti符号を用いた場合の信号モデルを定式化する。なお、Alamouti符号の詳細については、非特許文献７に記載されている。
【００８９】
まず、本発明の第２実施形態に係るマルチホップ無線通信システムでは、第（ｋ−１）ノードと第（ｋ＋１）ノードが送信状態の場合、第（ｋ−１）ノードの連続する２つの送信信号
0005358807.tif 000074
は、下記数１２、数１３を用いて、モデル化することができる。また、第（ｋ＋１）ノードの連続する２つの送信信号
0005358807.tif 000075
は、下記数１４、数１５を用いて、モデル化することができる。
【００９０】
【数１２】
0005358807.tif 000076
【００９１】
【数１３】
0005358807.tif 000077
【００９２】
【数１４】
0005358807.tif 000078
【００９３】
【数１５】
0005358807.tif 000079
ここで、
0005358807.tif 000080
は第（ｋ−１）ノードの前向きリンクへの連続する２つの送信シンボル（送信信号）である。
0005358807.tif 000081
は第（ｋ−１）ノードの後向きリンクへの連続する２つの送信シンボル（送信信号）である。
0005358807.tif 000082
は第（ｋ＋１）ノードの前向きリンクへの連続する２つの送信シンボル（送信信号）である。
0005358807.tif 000083
は第（ｋ＋１）ノードの後向きリンクへの連続する２つの送信シンボル（送信信号）である。また、ｑはラティス符号化の格子サイズである。
【００９４】
つまり、本発明の第２実施形態に係るマルチホップ無線通信システムでは、第（ｋ−１）ノードと第（ｋ＋１）ノードが送信状態の場合において、上記数１２、数１３、数１４、数１５に基づいて、連続する２つの送信シンボルのネットワーク符号化処理（ネットワークエンコード処理）がそれぞれ行われ、第（ｋ−１）ノードに、前向きリンクへの連続する２つの送信シンボル及び後向きリンクへの連続する２つの送信シンボルを含む、連続する２つの送信信号
0005358807.tif 000084
が生成され、そして、第（ｋ＋１）ノードにも、前向きリンクへの連続する２つの送信シンボル及び後向きリンクへの連続する２つの送信シンボルを含む、連続する２つの送信信号
0005358807.tif 000085
が生成される。
【００９５】
次に、本発明の第２実施形態に係るマルチホップ無線通信システムでは、第（ｋ−１）ノードでは、上記数１２、数１３により生成された連続する２つの送信信号
0005358807.tif 000086
を用いて、下記数１６に基づき、ＳＴＢＣ符号化処理（ＳＴＢＣ送信データ生成処理）を行い、２時刻にわたる４つの送信シンボルを含むＳＴＢＣ送信データ（１時刻、２時刻にわたる送信信号行列
0005358807.tif 000087
を生成する。
【００９６】
【数１６】
0005358807.tif 000088
また、第（ｋ＋１）ノードでは、上記数１４、数１５により生成された連続する２つの送信信号
0005358807.tif 000089
を用いて、下記数１７に基づき、ＳＴＢＣ符号化処理（ＳＴＢＣ送信データ生成処理）を行い、２時刻にわたる４つの送信シンボルを含むＳＴＢＣ送信データ（１時刻、２時刻にわたる送信信号行列
0005358807.tif 000090
を生成する。
【００９７】
【数１７】
0005358807.tif 000091
上記数１６及び数１７から分かるように、本発明の「ＳＴＢＣを適用したＭＩＭＯネットワークコーディング」は、非特許文献５及び非特許文献７に記載された従来の時空間ブロック符号化(ＳＴＢＣ)方式とは異なる。
【００９８】
つまり、「ＳＴＢＣを適用したＭＩＭＯネットワークコーディング」を用いた本発明の第２実施形態に係るマルチホップ無線通信システムでは、各ノードが２時刻で（ｎ時刻とｎ＋１時刻で）、前向きリンク及び後向きリンクへ４つの送信シンボルを送信していることになる。
【００９９】
次に、本発明の第２実施形態に係るマルチホップ無線通信システムでは、第ｋノードが受信状態の場合に、第（ｋ−１）ノード及び第（ｋ＋１）ノードのＳＴＢＣ送信データ（２時刻にわたる送信信号行列）を受信する、第ｋノードの受信信号（２時刻にわたる受信信号行列）は、下記数１８を用いて、モデル化することができる。
【０１００】
【数１８】
0005358807.tif 000092
ただし、
0005358807.tif 000093
は第ｋノードの時刻ｎと時刻ｎ＋１の受信信号行列である。
0005358807.tif 000094
は時刻ｎと時刻ｎ＋１の加法性雑音行列である。また、
0005358807.tif 000095
は第（ｋ−１）ノードから第ｋノードへのチャネル行列であり、
0005358807.tif 000096
は第（ｋ＋１）ノードから第ｋノードへのチャネル行列である。
0005358807.tif 000097
は第（ｋ−１）ノードの時空間ブロック符号化された送信信号行列（第（ｋ−１）ノードのＳＴＢＣ送信データ）である。
0005358807.tif 000098
は第（ｋ＋１）ノードの時空間ブロック符号化された送信信号行列（第（ｋ＋１）ノードのＳＴＢＣ送信データ）である。
【０１０１】
ここで、第ｋノードの２時刻にわたる受信信号行列
0005358807.tif 000099
をベクトル化することにより、上記数１８の等価表現である下記数１９が成立する。
【０１０２】
【数１９】
0005358807.tif 000100
ただし、
0005358807.tif 000101
は第ｋノードの時刻１と時刻２にわたる等価受信信号ベクトルであり、下記数２０で表す。
0005358807.tif 000102
は送信信号ベクトルであり、下記数２１で表す。
0005358807.tif 000103
は時刻１と時刻２の等価加法性雑音ベクトルであり、下記数２２で表す。また、
0005358807.tif 000104
は第ｋノードのＳＴＢＣ等価チャネル行列であり、ブロック直交行列となっており、下記数２３で表す。
【０１０３】
【数２０】
0005358807.tif 000105
【０１０４】
【数２１】
0005358807.tif 000106
【０１０５】
【数２２】
0005358807.tif 000107
【０１０６】
【数２３】
0005358807.tif 000108
ただし、
0005358807.tif 000109
は第（ｋ−１）ノードの第１送信アンテナから第ｋノードの第１受信アンテナへのチャネル係数である。
0005358807.tif 000110
は第（ｋ＋１）ノードの第１送信アンテナから第ｋノードの第１受信アンテナへのチャネル係数である。
0005358807.tif 000111
は第（ｋ−１）ノードの第２送信アンテナから第ｋノードの第１受信アンテナへのチャネル係数である。
0005358807.tif 000112
は第（ｋ＋１）ノードの第２送信アンテナから第ｋノードの第１受信アンテナへのチャネル係数である。
0005358807.tif 000113
は第（ｋ−１）ノードの第１送信アンテナから第ｋノードの第２受信アンテナへのチャネル係数である。
0005358807.tif 000114
は第（ｋ＋１）ノードの第１送信アンテナから第ｋノードの第２受信アンテナへのチャネル係数である。
0005358807.tif 000115
は第（ｋ−１）ノードの第２送信アンテナから第ｋノードの第２受信アンテナへのチャネル係数である。
0005358807.tif 000116
は第（ｋ＋１）ノードの第２送信アンテナから第ｋノードの第２受信アンテナへのチャネル係数である。
＜２−２＞ＳＴＢＣ復号処理（ＳＴＢＣ受信データ生成処理）及びＭＩＭＯ検波処理
本発明の第２実施形態に係るマルチホップ無線通信システムにおいて、第ｋノードが受信状態の場合、第ｋノードは、第（ｋ−１）ノード及び第（ｋ＋１）ノードのＳＴＢＣ送信データを受信し、上記数１９に基づき、ＳＴＢＣ復号処理（ＳＴＢＣ受信データ生成処理）を行い、ＳＴＢＣ受信データを生成する。
【０１０７】
次に、ＳＴＢＣ復号処理（ＳＴＢＣ受信データ生成処理）により、第ｋノードのＳＴＢＣ受信データが生成された後に、第ｋノードでは、下記数２４に基づき、ＭＩＭＯ受信により、推定シンボル
0005358807.tif 000117
を推定するＭＩＭＯ検波処理を行う。
【０１０８】
【数２４】
0005358807.tif 000118
ここで、
0005358807.tif 000119
は第ｋノードの受信ウェイト行列である。また、
0005358807.tif 000120
は第ｋノードのＳＴＢＣ受信データである。
【０１０９】
例えば、ＭＩＭＯ受信にゼロフォーシング（ＺＦ）アルゴリズムを用いる場合に、第ｋノードの受信ウェイト行列
0005358807.tif 000121
は、下記数２５によって計算される。
【０１１０】
【数２５】
0005358807.tif 000122
ただし、
0005358807.tif 000123
は上記数２３により生成された第ｋノードのＳＴＢＣ等価チャネル行列である。
【０１１１】
また、例えば、ＭＩＭＯ受信にＭＭＳＥアルゴリズムを用いる場合に、第ｋノードの受信ウェイト行列
0005358807.tif 000124
は、下記数２６によって計算される。
【０１１２】
【数２６】
0005358807.tif 000125
ただし、Ｐはノードあたりの総送信電力である。また、σ２は受信アンテナあたりの雑音電力である。
＜２−３＞ネットワーク復号処理及び中継制御処理
本発明の第２実施形態に係るマルチホップ無線通信システムにおいて、＜２−２＞で述べたＭＩＭＯ検波処理により得られた推定シンボル
0005358807.tif 000126
に基づき、第ｋノードは、ネットワーク復号処理を行い、中継信号を生成し、そして、生成した中継信号が自ノード宛の信号（データ）であるか、又は、他ノード宛の信号（データ）であるかを判断する「中継（宛先）制御処理」を行う。つまり、第ｋノードが中継状態になり、以下、中継状態にある第ｋノードを中継ノードとも言う。
【０１１３】
「ＳＴＢＣを適用したＭＩＭＯネットワークコーディング」を用いた本発明の第２実施形態に係るマルチホップ無線通信システムにおいて、中継ノードである第ｋノードでは、下記数２７、数２８、数２９及び数３０が成り立つ。
【０１１４】
【数２７】
0005358807.tif 000127
【０１１５】
【数２８】
0005358807.tif 000128
【０１１６】
【数２９】
0005358807.tif 000129
【０１１７】
【数３０】
0005358807.tif 000130
ただし、
0005358807.tif 000131
は、前タイムスロット（ｎ−１）に、第ｋノードの前向きリンク及び後向きリンクに送信した連続する２つの信号（シンボル）である。
0005358807.tif 000132
は、タイムスロット（ｎ）に、第（ｋ−１）ノードの後向きリンクに送信した連続する２つの信号（シンボル）である。
0005358807.tif 000133
は、タイムスロット（ｎ）に、第（ｋ＋１）ノードの前向きリンクに送信した連続する２つの信号（シンボル）である。また、
0005358807.tif 000134
は、第ｋノードがネットワーク復号処理のために、メモリに保存しておいた前タイムスロットに送信した前向きリンクおよび後向きリンクへの連続する２つの送信シンボルである。
【０１１８】
本発明の第２実施形態に係るマルチホップ無線通信システムにおいて、第ｋノードでは、下記数３１、数３２、数３３及び数３４に基づき、ネットワーク復号処理（ネットワークデコード処理）を行い、前向きリンク及び後向きリンクへの連続する２シンボルの中継信号（ネットワーク復号したデータ）
0005358807.tif 000135
を生成する。
【０１１９】
【数３１】
0005358807.tif 000136
【０１２０】
【数３２】
0005358807.tif 000137
【０１２１】
【数３３】
0005358807.tif 000138
【０１２２】
【数３４】
0005358807.tif 000139
＜２−４＞チャネル推定処理
本発明の第１実施形態に係るマルチホップ無線通信システムにおいて、また、本発明の第２実施形態に係るマルチホップ無線通信システムにおいても、各ノードが受信状態の場合、当該ノードでは、チャネル情報を推定するチャネル推定処理を行う必要がある。
【０１２３】
ここで、本発明におけるチャネル推定処理の一具体例を示す。
【０１２４】
第（ｋ−１）ノードは、下記数３５で表すように、トレーニング信号行列
0005358807.tif 000140
を第ｋノードに送信する。ただし、
0005358807.tif 000141
の各行（各送信アンテナに相当）は、互いに直交している系列である。
【０１２５】
【数３５】
0005358807.tif 000142
ただし、
0005358807.tif 000143
は、第（ｋ−１）ノードからのトレーニング信号に相当する第ｋノードの受信信号行列である。
0005358807.tif 000144
は、第（ｋ−１）ノードから第ｋノードへのチャネル行列である。また、
0005358807.tif 000145
は第ｋノードの加法性雑音行列である。
【０１２６】
次に、本発明では、下記数３６に基づき、等価なチャネルベクトルを推定する。
【０１２７】
【数３６】
0005358807.tif 000146
ただし、
0005358807.tif 000147
は、第（ｋ−１）ノードから第ｋノードへのチャネル行列の推定値である。
＜３＞本発明の第２実施形態に係るマルチホップ無線通信システムにおけるノード装置
ここで、本発明の第２実施形態に係るマルチホップ無線通信システムにおけるノード装置について説明する。
【０１２８】
図４は本発明の第２実施形態に係るマルチホップ無線通信システムにおけるノード装置（以下、「ノード装置１」とも言う。）の一構成例を示すブロック図である。図５は図４に示すノード装置１の動作手順を示すフローチャートである。
【０１２９】
図４に示すように、ノード装置１は、複数本のＭＩＭＯアンテナと、ＲＦトランシーバ１０と、フレーム処理部１５と、ＳＴＢＣ受信データ生成処理（Ｓ１０）を行うＳＴＢＣ受信データ生成部２０と、チャネル推定処理（Ｓ２０）を行うチャネル推定部３０と、ＳＴＢＣチャネル行列生成処理（Ｓ３０）を行うＳＴＢＣチャネル行列生成部５０と、ＭＩＭＯ検波処理（Ｓ４０）を行うＭＩＭＯ検波部４０と、ネットワーク復号処理（Ｓ４５）を行うネットワーク復号部６０と、宛先（中継）制御処理（Ｓ５０）を行う中継制御部７０と、ネットワーク符号化処理（Ｓ６０）を行うネットワーク符号化部９０と、ＳＴＢＣ送信データ生成処理（Ｓ７０）を行うＳＴＢＣ送信データ生成部１００と、トレーニング信号付加処理（Ｓ８０）を行うトレーニング信号付加部１１０とを備える。なお、図示されていないが、ノード装置１は、データ信号等を格納・保存するための記憶手段（メモリ）を備える。
【０１３０】
図４に示すように、ノード装置１は、トレーニング信号付加部１１０から出力された無線送信信号を、ＲＦトランシーバ１０を経由してＭＩＭＯアンテナにて無線送信するとともに、ＲＦトランシーバ１０とフレーム処理部１５を経由してＭＩＭＯアンテナにて無線受信した無線受信信号をＳＴＢＣ受信データ生成部２０に入力し、無線受信したトレーニング信号をチャネル推定部３０に入力する。
【０１３１】
図４に示すように、ＲＦトランシーバ１０は、ノード装置１が受信状態のときは、アンテナで受信したアナログ信号をダウンコンバートし、デジタル信号として、受信処理部（フレーム処理部１５）に出力し、また、逆にノード装置１が送信状態のときは、デジタル送信信号（トレーニング信号付加部１１０から出力された無線送信信号）をアップコンバートし、アナログ信号としてアンテナより出力（送信）する機能を有する。また、受信処理部（フレーム処理部１５）からは、デジタル信号である無線受信信号とトレーニング信号が出力される。
【０１３２】
図５に示すように、ノード装置１において、無線受信した無線受信信号から、数１９に基づき、ＳＴＢＣ受信データ生成処理を行い、ＳＴＢＣ受信データを生成する（Ｓ１０）。無線受信したトレーニング信号から、数３６に基づき、チャネル推定処理を行い、チャネル情報を推定する（Ｓ２０）。Ｓ２０で推定されたチャネル情報から、数２３に基づき、ＳＴＢＣチャネル行列生成処理を行い、ＳＴＢＣ等価チャネル行列を生成する（Ｓ３０）。
【０１３３】
Ｓ３０で生成されたＳＴＢＣ等価チャネル行列と、Ｓ１０で生成されたＳＴＢＣ受信データとから、例えば、ＭＩＭＯ受信にゼロフォーシング（ＺＦ）アルゴリズムを用いる場合に、数２４と数２５に基づき、また、ＭＩＭＯ受信にＭＭＳＥアルゴリズムを用いる場合に、数２４と数２６に基づき、ＭＩＭＯ検波処理を行い、推定シンボルを推定する（Ｓ４０）。
【０１３４】
Ｓ４０で推定された推定シンボルから、数３１、数３２、数３３、数３４に基づき、ネットワーク復号処理を行い、前向きリンク及び後向きリンクの連続する２シンボルの中継信号を生成する（Ｓ４５）。そして、生成された中継信号（ネットワーク復号したデータ）が自ノード宛の信号であるか、又は、他ノード宛の信号であるかを判断する中継（宛先）制御処理（Ｓ５０）を行い、生成された中継信号が自ノード宛の信号であると判断された場合に、つまり、ノード装置１自身（自ノード）が宛先ノードであるため、ノード装置１の処理は終了する。
【０１３５】
一方、Ｓ５０で生成された中継信号が他ノード宛の信号であると判断された場合に、つまり、自ノードが中継ノードである場合に、数２７、数２８、数２９及び数３０に示すように、生成された中継信号（ネットワーク復号したデータ）を前タイムスロット送信データとして、次のタイムスロットのネットワーク復号処理を行うために、メモリに保存する。
【０１３６】
次に、送信処理においては、Ｓ５０で生成された中継信号から、数１２、数１３、数１４、数１５に基づき、連続する２つの送信シンボルのネットワーク符号化処理を行い、連続する２つの送信信号を生成する（Ｓ６０）。
【０１３７】
Ｓ６０で生成された送信信号（ネットワーク符号化された送信データ）から、数１６、数１７に基づき、ＳＴＢＣ送信データ生成処理を行い、ＳＴＢＣ送信データを生成する（Ｓ７０）。Ｓ７０で生成されたＳＴＢＣ送信データに、数３６に基づくチャネル推定処理のためのトレーニング信号を付加して、トレーニング信号付加処理を行う（Ｓ８０）。最後に、Ｓ８０でトレーニング信号が付加されたＳＴＢＣ送信データを、無線送信信号として送信する。
【０１３８】
以上のように、ノード装置１は、送受信処理を行い、データ（信号）を中継伝送する。
＜４＞本発明の第１実施形態に係るマルチホップ無線通信システムにおけるノード装置
ここで、本発明の第１実施形態に係るマルチホップ無線通信システムにおけるノード装置について説明する。
【０１３９】
図６は本発明の第１実施形態に係るマルチホップ無線通信システムにおけるノード装置（以下、「ノード装置２」とも言う。）の一構成例を示すブロック図である。図７は図６に示すノード装置２の動作手順を示すフローチャートである。
【０１４０】
図６に示すように、ノード装置２は、複数本のＭＩＭＯアンテナと、ＲＦトランシーバ１０と、フレーム処理部１５と、チャネル推定処理（Ｓ２０）を行うチャネル推定部３０と、ＭＩＭＯ検波処理（Ｓ４０）を行うＭＩＭＯ検波部４０と、ネットワーク復号処理（Ｓ４５）を行うネットワーク復号部６０と、宛先（中継）制御処理（Ｓ５０）を行う中継制御部７０と、ネットワーク符号化処理（Ｓ６０）を行うネットワーク符号化部９０と、トレーニング信号付加処理（Ｓ８０）を行うトレーニング信号付加部１１０とを備える。なお、図示されていないが、ノード装置２は、データ信号等を格納・保存するための記憶手段（メモリ）を備える。
【０１４１】
図６に示すように、ノード装置２は、トレーニング信号付加部１１０から出力された無線送信信号を、ＲＦトランシーバ１０を経由してＭＩＭＯアンテナにて無線送信するとともに、ＲＦトランシーバ１０とフレーム処理部１５を経由してＭＩＭＯアンテナにて無線受信した無線受信信号をＭＩＭＯ検波部４０に入力し、無線受信したトレーニング信号をチャネル推定部３０に入力する。
【０１４２】
図６に示すように、ＲＦトランシーバ１０は、ノード装置２が受信状態のときは、アンテナで受信したアナログ信号をダウンコンバートし、デジタル信号として、受信処理部（フレーム処理部１５）に出力し、また、逆にノード装置２が送信状態のときは、デジタル送信信号（トレーニング信号付加部１１０から出力された無線送信信号）をアップコンバートし、アナログ信号としてアンテナより出力（送信）する機能を有する。また、受信処理部（フレーム処理部１５）からは、デジタル信号である無線受信信号とトレーニング信号が出力される。
【０１４３】
図７に示すように、ノード装置２において、無線受信したトレーニング信号から、数３６に基づき、チャネル推定処理を行い、チャネル情報を推定する（Ｓ２０）。Ｓ２０で推定されたチャネル情報と、無線受信した無線受信信号とから、例えば、ＭＩＭＯ受信にゼロフォーシング（ＺＦ）アルゴリズムを用いる場合に、数５及び数６に基づき、また、ＭＩＭＯ受信にＭＭＳＥアルゴリズムを用いる場合に、数５及び数７に基づき、ＭＩＭＯ検波処理を行い、推定シンボルを推定する（Ｓ４０）。
【０１４４】
Ｓ４０で推定された推定シンボルから、数１０、数１１に基づき、ネットワーク復号処理を行い、中継信号を生成する（Ｓ４５）。そして、生成された中継信号（ネットワーク復号したデータ）が自ノード宛の信号であるか、又は、他ノード宛の信号であるかを判断する中継（宛先）制御処理（Ｓ５０）を行い、生成された中継信号が自ノード宛の信号であると判断された場合に、つまり、ノード装置２自身（自ノード）が宛先ノードであるため、ノード装置２の処理は終了する。
【０１４５】
一方、Ｓ５０で生成された中継信号が他ノード宛の信号であると判断された場合に、つまり、自ノードが中継ノードである場合に、数８及び数９に示すように、生成された中継信号（ネットワーク復号したデータ）を前タイムスロット送信データとして、次のタイムスロットのネットワーク復号処理を行うために、メモリに保存する。
【０１４６】
次に、送信処理においては、Ｓ５０で生成された中継信号から、数２、数３に基づき、ネットワーク符号化処理を行い、送信信号を生成する（Ｓ６０）。
【０１４７】
Ｓ６０で生成された送信信号（ネットワーク符号化された送信データ）に、数３６に基づくチャネル推定処理のためのトレーニング信号を付加して、トレーニング信号付加処理を行う（Ｓ８０）。最後に、Ｓ８０でトレーニング信号が付加されたネットワーク符号化された送信データを、無線送信信号として送信する。
【０１４８】
以上のように、ノード装置２は、送受信処理を行い、データ（信号）を中継伝送する。
以上では、本発明の第１実施形態及び第２実施形態に係るマルチホップ無線通信システムについて詳細に説明したが、本発明はそれらの実施形態に限定されることはなく、本発明では、各ノードの送信アンテナ数が２本の場合、Alamouti−ＳＴＢＣを用いるが、例えば、各ノードの送信アンテナ数が３本以上の場合（各ノードは３素子以上のアレーアンテナを搭載している場合）は、例えば、非特許文献８及び非特許文献９に記載されたような任意の時空間ブロック符号化（ＳＴＢＣ）方式を本発明に適用することが可能である。
【０１４９】
また、上述した本発明の実施形態では、ＭＩＭＯ検波処理において、具体例として、ＭＩＭＯ受信にゼロフォーシング（ＺＦ）アルゴリズムとＭＭＳＥアルゴリズムを使用したが、本発明はそれに限定されることはなく、例えば、非特許文献１０に記載されたような任意のＭＩＭＯ検波方式（ＭＩＭＯ検波処理）を適用することも可能である。
【０１５０】
更に、上述した本発明の実施形態では、数１２、数１３、数１４、数１５に基づき、又は数２、数３に基づき、ネットワーク符号化処理を行うようにしているが、本発明におけるネットワーク符号化処理は、それらの数式に基づく演算操作に限定されることはなく、他の演算操作によるネットワーク符号化処理を本発明に適用することも勿論可能である。
【０１５１】
また更に、上述した本発明の実施形態では、数３１、数３２、数３３、数３４に基づき、又は、数１０、数１１に基づき、ネットワーク復号処理を行うようにしているが、本発明におけるネットワーク復号処理はそれらの数式に基づく演算操作に限定されることはなく、他の演算操作によるネットワーク復号処理を本発明に適用することも勿論可能である。
【０１５２】
また更に、上述した２種類の本発明の「１次元ＭＩＭＯネットワークコーディング」にＯＦＤＭ方式を適用することにより、「ＭＩＭＯ−ＯＦＤＭネットワークコーディング」を構成し、本発明に係るマルチホップ無線通信システムは、その「ＭＩＭＯ−ＯＦＤＭネットワークコーディング」を用いることが可能である。
【０１５３】
具体的に、例えば、図４及び図６において、トレーニング信号付加部１１０の後に、即ち、トレーニング信号付加部１１０とＲＦトランシーバ１０との間に、「ＯＦＤＭ変調部」を備え、また、フレーム処理部１５（受信処理部）の前に、即ち、ＲＦトランシーバ１０とフレーム処理部１５との間に、「ＯＦＤＭ復調部」を備えることにより、「ＭＩＭＯ−ＯＦＤＭネットワークコーディング」を用いた本発明に係るマルチホップ無線通信システムのノード装置を構成することができる。
【０１５４】
このような「ＭＩＭＯ−ＯＦＤＭネットワークコーディング」を用いた本発明に係るマルチホップ無線通信システムのノード装置において、上述した「ＭＩＭＯ方式」、「ネットワークコーディング送受信方式」、「ＳＴＢＣ方式」は、ＯＦＤＭの各サブキャリア単位で処理する。
＜５＞計算機シミュレーションによる性能評価
ここでは、本発明の有効性（性能）を検証するために、計算機シミュレーションによる理論解析により、本発明に係るマルチホップ無線通信システムの一具体実施例であるマルチホップ無線ネットワークの伝送容量の数値解析を行い、本発明のマルチホップ無線通信システムは従来の無線ネットワークより性能改善が改善されたことを確認した。
＜５−１＞シミュレーション条件
計算機による数値シミュレーションを行う条件は、以下の通りである。
条件１：
１次元マルチホップ無線ネットワークを構成し、そして、ネットワーク内のノード数は８ノードである。
条件２：
数値シミュレーション用のシナリオを図８に示す。図８に示す（Ａ），（Ｂ），（Ｃ），（Ｄ），（Ｅ），（Ｆ），（Ｇ）の７通りのシナリオの分類である。
条件３：
ＭＩＭＯマルチホップ／メッシュネットワークにおける各ノードのアンテナ本数は３本とする。また、スマートアンテナメッシュネットワーク、及びリンク毎ＭＩＭＯメッシュネットワークは、各ノードのアンテナ本数は２本とする。
条件４：
隣接ノードとの距離は、全て等しくｄとする。
条件５：
隣接する任意のノードにおける任意の送受信アンテナ間のチャネルは、互いに独立で同一の分布（Independently  Identical  Distributed、ＩＩＤ）のフラットレイリーフェージングチャネルに従うものとする。また、それらの電力は、距離により減衰するものとし、パスロス定数は３.５である。全てのチャネルは、見通し外（Non Line  Of  Sight、ＮＬＯＳ）環境を想定した人工的な環境である。
条件６：
シナリオ（Ｄ）、即ち、リンク毎ＭＩＭＯメッシュネットワークでは、それぞれのリンクにおいて固有モード(Singular  Value  Decompositon、ＳＶＤ)ＭＩＭＯ伝送する。固有モードＭＩＭＯ伝送では、各リンクのチャネル行列の右及び左特異行列を、それぞれ送信ウェイト及び受信ウェイトとして用いる。
条件７：
ネットワークチャネルキャパシティを表す値として、第４ノードの総チャネルキャパシティを評価する。
条件８：
ノードあたりの合計送信電力はＰであり、受信アンテナあたりの雑音電力はσ２である。したがって、仮にチャネルゲインが１であったとすると、各チャネルのＰ／σ２は、各リンクのアンテナあたりの信号対雑音電力（Signal  to  Noise  Ratio、ＳＮＲ）である。
＜５−２＞数値解析結果
図９にモンテカルロシミュレーションにより計算した各シナリオのＳＮＲに対する平均総キャパシティを示す。図９は、本発明に係るマルチホップ無線通信システム（マルチホップ無線ネットワーク）の基礎解析のために、距離３ｄ以上のノードからの干渉信号は無視している。
【０１５５】
図９より、シナリオ（Ｄ）、即ち、リンク毎ＭＩＭＯメッシュネットワークの性能は、２ストリーム伝送することでそれぞれのリンク内で多重利得が得られるため、ＳＩＳＯメッシュネットワーク（デュアル・チャネル）の約２倍となり、スマートアンテナメッシュネットワークは、１チャネルで干渉回避できることから、ＳＩＳＯメッシュネットワーク（デュアル・チャネルの２倍以上となる。
【０１５６】
一方、３本のアンテナを用いて実現されるＭＩＭＯマルチホップ／メッシュネットワークは、リンク多重と同時に干渉除去を実現し最大化ウェイトによりアレイ利得とダイバーシチ利得を得ているために、ＳＩＳＯメッシュネットワーク（デュアル・チャネル）の４倍を達成できるが、送信ダイバーシチ利得だけを得ている本発明に係るマルチホップ無線ネットワークでも約３.５倍を達成することができる。
以上では、「１次元ＭＩＭＯネットワークコーディング」を利用した、本発明の第１実施形態に係るマルチホップ無線通信システム、及び本発明の第２実施形態に係るマルチホップ無線通信システムについて詳細に述べた。
【０１５７】
上述した本発明のマルチホップ無線通信システム（第１実施形態及び第２実施形態）では、１次元ＭＩＭＯネットワークコーディングを利用することにより、双方向のマルチホップ中継を単一チャネルで高効率に実現しているので、以下、本発明の第１実施形態に係るマルチホップ無線通信システム、と本発明の第２実施形態に係るマルチホップ無線通信システムを、「１次元ＭＩＭＯネットワークコーディングを用いた単一チャネルによる双方向ＭＩＭＯメッシュネットワーク（１ＤＭＮＣ）」とも称する。
【０１５８】
一般的に、２次元トポロジーを有する２次元メッシュネットワークでは、複数のデータフローが存在するため、１次元ＭＩＭＯネットワークコーディング（１ＤＭＮＣ）の技術を２次元に拡張することは大変重要である。１次元ＭＩＭＯネットワークコーディングの技術をいくつかの交差する経路が存在するトポロジーを含む２次元メッシュネットワークに適用する場合（図１０（ｂ）参照）に、１次元ＭＩＭＯネットワーク符号化された複数の経路（ルート）が２次元的に展開され、互いに交差しているので、同一チャネル干渉を回避するために、それぞれの経路は異なるチャネルが割り当てられなければならない。
【０１５９】
そこで、本発明の発明者らは、研究を重ねた結果として、１次元ＭＩＭＯネットワークコーディングの技術に基づいて拡張して得られた２次元ＭＩＭＯネットワークコーディングを用い、単一チャネルによる２次元双方向ＭＩＭＯメッシュネットワーク（後述する本発明の第３実施形態〜第８実施形態に係るマルチホップ無線通信システム）（例えば、図１０（ｃ）、図１０（ｄ）を参照すること。）を発明した。本発明の単一チャネルによる２次元双方向ＭＩＭＯメッシュネットワークの各ノードは４本のアンテナを持つ。
【０１６０】
本発明で言う「２次元ＭＩＭＯネットワークコーディング」は、大きく２種類のものに分けることができる。１つはＳＴＢＣを適用した２次元ＭＩＭＯネットワークコーディングであり、以下、「２次元ＳＴＢＣ−ＭＩＭＯネットワークコーディング」とも称する。
【０１６１】
もう１つは、ＳＴＢＣを適用しない２次元ＭＩＭＯネットワークコーディングであり、以下、「２次元ＭＩＭＯネットワークコーディング」とも称する。
【０１６２】
なお、ここで、本発明の第３実施形態〜第８実施形態に係るマルチホップ無線通信システムを説明するために、使用される数式において、使用する数学記号について説明する。
ｘ
はスカラー変数を表す。
0005358807.tif 000148
はベクトル変数を表す。
0005358807.tif 000149
はマトリックス変数を表す。［・］Ｔは［・］の転置を表す。［・］Ｈは［・］のエルミート転置を表す。Ｅ［・］はランダムプロセスのサンプル平均を表す。
0005358807.tif 000150
のｉ番目の列を表す。
0005358807.tif 000151
のｉ番目の成分を表す。また、記号Σはｋ＋１とｋ−１の成分を加算することを意味する。
＜６＞本発明の第３実施形態に係るマルチホップ無線通信システム（２次元ＭＩＭＯネットワークコーディングを用いたクロス型（Cross  type）２次元マルチホップ通信システム(２ＤＭＮＣ１)）
本発明の２次元ＭＩＭＯネットワークコーディングは、図１０及び図１１に示すような二つの経路（route）が交差するようなネットワークトポロジーを有する無線メッシュネットワークに適用する。
【０１６３】
本発明では、このような無線メッシュネットワークにおいて、交差する二つの経路を経路Ｖと経路Ｈにする。経路が交差する位置に存在するノードを交差点ノードＣとし、経路Ｖ及び経路Ｈ上には、交差点ノードを含む
0005358807.tif 000152
個のノードがそれぞれ存在する。
【０１６４】
本発明では、ノード番号に経路を識別する記号(Ｈ、Ｖ)を付加して標記する。例えば、経路Ｖの（ｋ−１）番目のノードはＶ（ｋ−１）となる。２次元ＭＩＭＯネットワークコーディングを用いる本発明のマルチホップ無線通信システムでは、それぞれのノードは４本のＭＩＭＯアンテナ（Ｍ＝４）を搭載していることを前提とする。また、図１１（Ａ）に示すクロス型２次元ＭＩＭＯメッシュネットワーク（２ＤＭＮＣ１）では、Ｃ＝Ｖ（ｋ）＝Ｈ（ｋ）である。
【０１６５】
図１０及び図１１に示すようなトポロジーを有する無線メッシュネットワーク内には、前向き、後向き、下向き、上向きの四つの情報のフローが存在する。前向きフロー(Ｆ)は経路Ｈ上のノードＨ（１）からノードＨ（Ｋ）へ、後向きフロー(Ｂ)は経路Ｈ上のノードＨ（Ｋ）からノードＨ（１）へ、下向きフロー(Ｄ)は経路Ｖ上のノードＶ（Ｋ）からＶ（１）へ、上向きフロー(Ｕ)は経路Ｖ上のノードＶ（１）からＶ（Ｋ）へ流れるものである。
【０１６６】
本発明の２次元ＭＩＭＯネットワークコーディングを用いることにより、単一チャネルだけを用いて、これら四つのフローが同時にネットワーク内を流れる情報伝達法を実現することができる。
【０１６７】
図１２と図１３に示すように、本発明では、ネットワーク内にあるノードは、受信状態(Ｒｘ)と送信状態(Ｔｘ)を交互に繰り返すとなるものとする。
【０１６８】
例えば、図１２では、タイムスロットｎにおいて、経路Ｈ上のノードＨ（ｋ±１）及び経路Ｖ上のノードＶ（ｋ±１）が送信状態にあり、その他のノードは受信状態にある。また、タイムスロットｎ＋１において、交差点ノードＣ、経路Ｈ上のノードＨ（ｋ±２）及び経路Ｖ上のノードＶ（ｋ±２）が送信状態にあり、その他のノードは受信状態にある。
【０１６９】
本発明では、交差点ノードＣ及びその隣接ノード以外のノードは、実施形態１及び実施形態２に詳細に説明した１次元ＭＩＭＯネットワークコーディングを行う。
【０１７０】
よって、以下では、交差点ノード及びその隣接ノードの送受信アルゴリズム(即ち、２次元ネットワークコーディング)について述べる。
【０１７１】
本発明では、以下の標記を用いる。ノードＷのタイムスロットｎのときのフローＬは、
0005358807.tif 000153
と表す。例えば、ノードＣのタイムスロットｎのときの前向きフローは
0005358807.tif 000154
後向きフローは
0005358807.tif 000155
下向きフローは
0005358807.tif 000156
上向きフローは
0005358807.tif 000157
とそれぞれ表わす。
【０１７２】
また、送信ノードが一つのアンテナ（二つのアンテナ）で信号を送信するとき、送信ノード(Ｔ)と受信ノード(Ｒ)の間のチャネル応答ベクトル（行列）は、
0005358807.tif 000158
と表す。そして、ノードＲにおける平均０、分散
0005358807.tif 000159
の雑音ベクトルは
0005358807.tif 000160
と表す。
【０１７３】
さらに、情報フローＬ上のノードΩＬ＝｛Ｗ(１),Ｗ(２),…,Ｗ(Ｎ)｝では、情報はノードＷ（ｋ−１）からＷ（ｋ）へ流れるため、下記数式が成り立つ。
【０１７４】
【数３７】
0005358807.tif 000161
本発明では、上記数３７で表す関係を「フロー不変の法則」と呼ぶ。フローとそのフローに一致するノードのセットを表１に示す。
【０１７５】
【表１】
0005358807.tif 000162
以下、本発明の第３実施形態に係るマルチホップ無線通信システムについて説明する。本発明の第３実施形態に係るマルチホップ無線通信システムとは、２次元ＭＩＭＯネットワークコーディングを用いたクロス型（Cross  type）２次元マルチホップ通信システム(２ＤＭＮＣ１)である。
【０１７６】
図１２に、タイムスロットｎにおいて、本発明の第３実施形態に係るクロス型２次元マルチホップ通信システム(２ＤＭＮＣ１)の情報伝達を説明するための模式図を示す。図１３に、タイムスロット（ｎ＋１）において、本発明の第３実施形態に係るクロス型２次元マルチホップ通信システム(２ＤＭＮＣ１)の情報伝達を説明するための模式図を示す。
【０１７７】
また、図１４に、タイムスロットｎにおいて、本発明の第３実施形態に係るクロス（左折・右折）型２次元マルチホップ通信システムの情報伝達を説明するための模式図を示す。図１５に、タイムスロット（ｎ＋１）において、本発明の第３実施形態に係るクロス（左折・右折）型２次元マルチホップ通信システムの情報伝達を説明するための模式図を示す。
【０１７８】
図１６は、本発明に係る２次元ＭＩＭＯネットワークコーディングを用いる２次元マルチホップ通信システムにおけるノード装置（以下、「ノード装置３」とも言う。）の一構成例を示すブロック図である。図１７は図１６に示すノード装置３の動作手順を示すフローチャートである。
【０１７９】
以下では、図１２及び図１３に示すクロス型マルチホップ通信システムについて、図１６及び図１７を参照した上で、２ＤＭＮＣ１におけるノード（ノード装置）の送受信アルゴリズム（２次元ＭＩＭＯネットワークコーディング）を詳細に説明する。
【０１８０】
なお、図１４と図１５に示すクロス（左折・右折）型マルチホップ通信システムについては、図１２及び図１３に示すクロス（直線）型マルチホップ通信システムと全く同様の処理（送受信アルゴリズム）で、２次元ＭＩＭＯネットワークコーディングを行うことが可能である。従って、その説明は省略するが、直線的に交差する以外に、２種類の左折・右折型のクロス形態があり、これら３種類を使い分けたり、切り替えてマルチホップ通信システムを構成することが可能であるのは明らかである。
【０１８１】
図１６に示すように、ノード装置３は、複数本（４本）のＭＩＭＯアンテナと、ＲＦトランシーバ１００と、フレーム処理部１５０と、チャネル推定処理（Ｓ２００）を行うチャネル推定部３００と、ＭＩＭＯ検波処理（Ｓ４００）を行うＭＩＭＯ検波部４００と、経路Ｈにおけるネットワーク復号処理（Ｓ４５１）を行う経路Ｈにおけるネットワーク復号部６０１と、経路Ｈにおける宛先（中継）制御処理（Ｓ５０１）を行う経路Ｈにおける中継制御部７０１と、経路Ｈにおけるネットワーク符号化処理（Ｓ６０１）を行う経路Ｈにおけるネットワーク符号化部９０１と、経路Ｈにおけるトレーニング信号付加処理（Ｓ８０１）を行う経路Ｈにおけるトレーニング信号付加部１１０１と、経路Ｖにおけるネットワーク復号処理（Ｓ４５２）を行う経路Ｖにおけるネットワーク復号部６０２と、経路Ｖにおける宛先（中継）制御処理（Ｓ５０２）を行う経路Ｖにおける中継制御部７０２と、経路Ｖにおけるネットワーク符号化処理（Ｓ６０２）を行う経路Ｖにおけるネットワーク符号化部９０２と、経路Ｖにおけるトレーニング信号付加処理（Ｓ８０２）を行う経路Ｖにおけるトレーニング信号付加部１１０２とを備える。なお、図示されていないが、ノード装置３は、データ信号等を格納・保存するための記憶手段（メモリ）を備える。
【０１８２】
図１６に示すように、ノード装置３は、経路Ｈにおけるトレーニング信号付加部１１０１から出力された経路Ｈの無線送信信号と、経路Ｖにおけるトレーニング信号付加部１１０２から出力された経路Ｖの無線送信信号を、ＲＦトランシーバ１００を経由してＭＩＭＯアンテナにて無線送信するとともに、ＲＦトランシーバ１００とフレーム処理部１５０を経由してＭＩＭＯアンテナにて無線受信した無線受信信号をＭＩＭＯ検波部４００に入力し、無線受信したトレーニング信号をチャネル推定部３００に入力する。
【０１８３】
図１６に示すように、ＲＦトランシーバ１００は、ノード装置３が受信状態のときは、アンテナで受信したアナログ信号をダウンコンバートし、デジタル信号として、受信処理部（フレーム処理部１５０）に出力し、また、逆にノード装置３が送信状態のときは、デジタル送信信号（経路Ｈにおけるトレーニング信号付加部１１０１から出力された経路Ｈの無線送信信号と、経路Ｖにおけるトレーニング信号付加部１１０２から出力された経路Ｖの無線送信信号）をアップコンバートし、アナログ信号としてアンテナより出力（送信）する機能を有する。また、受信処理部（フレーム処理部１５０）からは、デジタル信号である無線受信信号とトレーニング信号が出力される。
【０１８４】
図１７に示すように、ノード装置３において、無線受信したトレーニング信号から、チャネル推定処理を行い、チャネル情報を推定する（Ｓ２００）。Ｓ２００で推定されたチャネル情報と、無線受信した無線受信信号（データ）とから、ＭＩＭＯ検波処理を行い、推定シンボルを推定する（Ｓ４００）。
【０１８５】
Ｓ４００で推定された前向きリンク及び後向きリンクの推定シンボルから、経路Ｈにおけるネットワーク復号処理を行い、経路Ｈの中継信号を生成する（Ｓ４５１）。そして、生成された経路Ｈの中継信号（ネットワーク復号したデータ）が自ノード宛の信号であるか、又は、他ノード宛の信号であるかを判断する経路Ｈにおける中継（宛先）制御処理（Ｓ５０１）を行い、生成された経路Ｈの中継信号が自ノード宛の信号であると判断された場合に、つまり、ノード装置３自身（自ノード）が宛先ノードであるため、ノード装置３の処理は終了する。
【０１８６】
一方、Ｓ５０１で生成された経路Ｈの中継信号が他ノード宛の信号であると判断された場合に、つまり、自ノードが中継ノードである場合に、生成された中継信号（ネットワーク復号したデータ）を経路Ｈにおける前タイムスロット送信データとして、次のタイムスロットの経路Ｈにおけるネットワーク復号処理を行うために、メモリに保存する。
【０１８７】
また、Ｓ４００で推定された上向きリンク及び下向きリンクの推定シンボルから、経路Ｖにおけるネットワーク復号処理を行い、経路Ｖの中継信号を生成する（Ｓ４５２）。そして、生成された経路Ｖの中継信号（ネットワーク復号したデータ）が自ノード宛の信号であるか、又は、他ノード宛の信号であるかを判断する経路Ｖにおける中継（宛先）制御処理（Ｓ５０２）を行い、生成された経路Ｖの中継信号が自ノード宛の信号であると判断された場合に、つまり、ノード装置３自身（自ノード）が宛先ノードであるため、ノード装置３の処理は終了する。
【０１８８】
一方、Ｓ５０２で生成された経路Ｖの中継信号が他ノード宛の信号であると判断された場合に、つまり、自ノードが中継ノードである場合に、生成された中継信号（ネットワーク復号したデータ）を経路Ｖにおける前タイムスロット送信データとして、次のタイムスロットの経路Ｈにおけるネットワーク復号処理を行うために、メモリに保存する。
【０１８９】
次に、送信処理においては、Ｓ５０１で生成された経路Ｈの中継信号から、経路Ｈにおけるネットワーク符号化処理を行い、経路Ｈの送信信号を生成する（Ｓ６０１）。
【０１９０】
Ｓ６０１で生成された経路Ｈの送信信号（経路Ｈにおけるネットワーク符号化された送信データ）に、チャネル推定処理のための経路Ｈにおけるトレーニング信号を付加して、経路Ｈにおけるトレーニング信号付加処理を行う（Ｓ８０１）。
【０１９１】
また、送信処理においては、Ｓ５０２で生成された経路Ｖの中継信号から、経路Ｖにおけるネットワーク符号化処理を行い、経路Ｖの送信信号を生成する（Ｓ６０２）。
【０１９２】
Ｓ６０２で生成された経路Ｖの送信信号（経路Ｖにおけるネットワーク符号化された送信データ）に、チャネル推定処理のための経路Ｖにおけるトレーニング信号を付加して、経路Ｖにおけるトレーニング信号付加処理を行う（Ｓ８０２）。
【０１９３】
最後に、Ｓ８０１でトレーニング信号が付加された経路Ｈにおけるネットワーク符号化された送信データと、Ｓ８０２でトレーニング信号が付加された経路Ｖにおけるネットワーク符号化された送信データに対し、ＭＩＭＯ空間多重処理（Ｓ１０００）を行ってから無線送信信号として送信する。
【０１９４】
以上のように、ノード装置３は、送受信処理を行い、データ（信号）を中継伝送する。
＜６−１＞タイムスロットｎ
図１２に示すように、タイムスロットｎにおいて、ノードＨ（ｋ±１）とノードＶ（ｋ±１）は送信ノードであり、それぞれの送信信号
0005358807.tif 000163
は下記数式で表される。
【０１９５】
つまり、経路Ｈにおけるネットワーク符号化処理は、下記数３８に基づき行われる。
【０１９６】
【数３８】
0005358807.tif 000164
また、経路Ｖにおけるネットワーク符号化処理は、下記数３９に基づき行われる。
【０１９７】
【数３９】
0005358807.tif 000165
ただし、ｑは送信電力を制限するためのラティス符号の格子サイズである。
【０１９８】
これらの送信信号は、送信ノードの４つのアンテナの一つを用いて送信される。そして、交差点ノードＣにおける受信信号
0005358807.tif 000166
は下記数４０で表される。
【０１９９】
つまり、４ストリームの受信信号は、数４０によって表される。
【０２００】
【数４０】
0005358807.tif 000167
【０２０１】
【数４１】
0005358807.tif 000168
【０２０２】
【数４２】
0005358807.tif 000169
ノードＣは、４つのアンテナを有しているため、送信された４つの信号は、下記の線形アルゴリズムにより、推定することが可能である。
【０２０３】
つまり、４ストリームのＭＩＭＯ検波処理は、下記数４３に基づき、行われる。
【０２０４】
【数４３】
0005358807.tif 000170
ここで、ＭＭＳＥ受信ウェイト
0005358807.tif 000171
は下記数４４となる。
【０２０５】
【数４４】
0005358807.tif 000172
【０２０６】
【数４５】
0005358807.tif 000173
また、ＺＦ受信ウェイトは下記数４６となる。
【０２０７】
【数４６】
0005358807.tif 000174
【０２０８】
【数４７】
0005358807.tif 000175
ただし、Ｐはノードあたりの総送信電力である。また、σ２は受信アンテナあたりの雑音電力である。
0005358807.tif 000176
はネットワーク復号とフロー不変の法則により、下記数４８〜数５１のように推定することができる。
【０２０９】
つまり、経路Ｈにおけるネットワーク復号処理は、数４８と数４９に基づき、行われる。
【０２１０】
【数４８】
0005358807.tif 000177
【０２１１】
【数４９】
0005358807.tif 000178
また、経路Ｖにおけるネットワーク復号処理は、数５０と数５１に基づき、行われる。
【０２１２】
【数５０】
0005358807.tif 000179
【０２１３】
【数５１】
0005358807.tif 000180
以上の処理（アルゴリズム）により、ノードＣは周囲のノードから送信された四つのフロー(ノードＨ（ｋ−１）からの前向きフロー、ノードＨ（ｋ＋１）からの後向きフロー、ノードＶ（ｋ＋１）からの下向きフロー、ノードＶ（ｋ−１）からの上向きフロー)を受信した。
【０２１４】
最後に、ノードＣは受信した信号の宛先を確認し、自ノード宛でない場合は、以下の中継制御を行う。
【０２１５】
つまり、経路Ｈにおける中継制御処理は、数５２と数５３に基づき、行われる。
【０２１６】
【数５２】
0005358807.tif 000181
【０２１７】
【数５３】
0005358807.tif 000182
また、経路Ｖにおける中継制御処理は、数５４と数５５に基づき、行われる。
【０２１８】
【数５４】
0005358807.tif 000183
【０２１９】
【数５５】
0005358807.tif 000184
＜６−２＞タイムスロット（ｎ＋１）
図１３に示すように、次のタイムスロット（ｎ＋１）では、ノードＣは送信ノードになる。送信ノードは、周囲のノードからタイムスロットｎで受信した信号をネットワークコーディングする。経路Ｈ上のノードは経路Ｖ上の信号についての情報を有しておらず、経路Ｖ上のノードも経路Ｈ上の信号についての情報を有していない。
【０２２０】
そこで、ノードＣにおいて、前向きと後向きフロー及び下向きと上向きフローが、それぞれ下記数５６、数５７のように、ネットワークコーディングされる。
【０２２１】
つまり、経路Ｈにおけるネットワーク符号化処理は、下記数５６に基づき、行われる。
【０２２２】
【数５６】
0005358807.tif 000185
また、経路Ｖにおけるネットワーク符号化処理は、下記数５７に基づき、行われる。
【０２２３】
【数５７】
0005358807.tif 000186
ノードＣは複数アンテナ（４本）をもっているため、経路Ｈ上のネットワークコーディングされた信号と経路Ｖ上のネットワークコーディングされた信号を、任意の二つのアンテナから空間多重送信することができる。
【０２２４】
つまり、２ストリーム空間多重送信処理は、下記数５８に基づき、行われる。
【０２２５】
【数５８】
0005358807.tif 000187
さらに、同じタイムスロットにおいて、ノードＨ（ｋ±２）とノードＶ（ｋ±２）は送信ノードであり、それらのネットワークコーディングされた送信信号は、下記数５９、数６０で与えられる。
【０２２６】
つまり、経路Ｈにおけるネットワーク符号化処理は、下記数５９に基づき、行われる。
【０２２７】
【数５９】
0005358807.tif 000188
また、経路Ｖにおけるネットワーク符号化処理は、下記数６０に基づき、行われる。
【０２２８】
【数６０】
0005358807.tif 000189
ノードＨ（ｋ±１）(同様にＶ（ｋ±１）)の受信信号は、下記数６１で与えられる。
【０２２９】
つまり、３ストリームの受信信号は下記数６１で表す。
【０２３０】
【数６１】
0005358807.tif 000190
【０２３１】
【数６２】
0005358807.tif 000191
【０２３２】
【数６３】
0005358807.tif 000192
数６１では、送信信号は線形受信ウェイトを用いることで検出できる。検出された信号は下記数６４で与えられる。
【０２３３】
つまり、ＭＩＭＯ検波処理は、下記数６４に基づき、行われる。
【０２３４】
【数６４】
0005358807.tif 000193
ただし、ＭＭＳＥの場合は
0005358807.tif 000194
であり、ＺＦの場合は
0005358807.tif 000195
である。
0005358807.tif 000196
から、ノードＨ（ｋ±１）は所望の前向きと後向きフローの情報を復号することができる。
【０２３５】
つまり、経路Ｈにおけるネットワーク復号処理は、下記数６５〜数６８に基づき、行われる。
【０２３６】
【数６５】
0005358807.tif 000197
【０２３７】
【数６６】
0005358807.tif 000198
【０２３８】
【数６７】
0005358807.tif 000199
【０２３９】
【数６８】
0005358807.tif 000200
ここで、
0005358807.tif 000201
は経路Ｈ上のフローではないため、ノードＨ（ｋ±１）で復号処理は行わない。
【０２４０】
最後に、ノードＨ（ｋ±１）は受信した信号の宛先を確認し、自ノード宛でない場合は以下の中継制御を行う。
【０２４１】
つまり、経路Ｈにおける中継制御処理は、下記数６９〜数７２に基づき、行われる。
【０２４２】
【数６９】
0005358807.tif 000202
【０２４３】
【数７０】
0005358807.tif 000203
【０２４４】
【数７１】
0005358807.tif 000204
【０２４５】
【数７２】
0005358807.tif 000205
同様に、
0005358807.tif 000206
から、ノードＶ（ｋ±１）は所望の下向きフローと上向きフローの情報を復号および中継制御することができる。
【０２４６】
本発明では、上述した処理を偶数および奇数のタイムスロットで繰り返すことにより、単一チャネルで二次元の双方向フローのマルチホップ中継を実現する。
＜７＞本発明の第４実施形態に係るマルチホップ無線通信システム（２次元ＳＴＢＣ−ＭＩＭＯネットワークコーディングを用いたクロス型（Cross  type）２次元マルチホップ通信システム(２ＤＳＴＢＣＭＮＣ１)）
以下、本発明の第４実施形態に係るマルチホップ無線通信システムについて説明する。本発明の第４実施形態に係るマルチホップ無線通信システムとは、２次元ＳＴＢＣ−ＭＩＭＯネットワークコーディングを用いたクロス型（Cross  type）２次元マルチホップ通信システム(２ＤＳＴＢＣＭＮＣ１)である。
【０２４７】
つまり、本発明の第４実施形態に係るクロス型２次元マルチホップ通信システム(２ＤＳＴＢＣＭＮＣ１)では、本発明の第３実施形態に係るクロス型２次元マルチホップ通信システム(２ＤＭＮＣ１)に、ＳＴＢＣ処理（ＳＴＢＣ機能）を組合わせることで、より信頼性の高いマルチホップ中継を実現することが可能となる。
【０２４８】
ただし、２ＤＳＴＢＣＭＮＣ１では、交差点ノードとそれに隣接するノード以外のノードは、実施形態２に詳細に説明した１次元ＳＴＢＣ−ＭＩＭＯネットワークコーディングを行っているとする。
【０２４９】
図１８は、本発明に係る２次元ＭＩＭＯネットワークコーディングを用いる２次元マルチホップ通信システムにおけるノード装置（以下、「ノード装置４」とも言う。）の一構成例を示すブロック図である。図１９は図１８に示すノード装置４の動作手順を示すフローチャートである。
【０２５０】
図１６に示すノード装置３と比較すれば分かるように、ノード装置４は、ノード装置３にＳＴＢＣ機能を追加して構成される。ＳＴＢＣ機能を除いて、ノード装置４の構成や動作は、基本的にノード装置３と同じである。
【０２５１】
以下では、図１２及び図１３に示すクロス型マルチホップ通信システムについて、図１８及び図１９を参照した上で、２ＤＳＴＢＣＭＮＣ１におけるノード（ノード装置）の送受信アルゴリズム（２次元ＳＴＢＣ−ＭＩＭＯネットワークコーディング）を詳細に説明する。
【０２５２】
図１８に示すように、ノード装置４は、複数本（４本）のＭＩＭＯアンテナと、ＲＦトランシーバ１００と、フレーム処理部１５０と、ＳＴＢＣ受信データ生成処理（Ｓ１００）を行うＳＴＢＣ受信データ生成部２００と、チャネル推定処理（Ｓ２００）を行うチャネル推定部３００と、ＳＴＢＣチャネル行列生成処理（Ｓ３００）を行うＳＴＢＣチャネル行列生成部５００と、ＭＩＭＯ検波処理（Ｓ４００）を行うＭＩＭＯ検波部４００と、経路Ｈにおけるネットワーク復号処理（Ｓ４５１）を行う経路Ｈにおけるネットワーク復号部６０１と、経路Ｈにおける宛先（中継）制御処理（Ｓ５０１）を行う経路Ｈにおける中継制御部７０１と、経路Ｈにおけるネットワーク符号化処理（Ｓ６０１）を行う経路Ｈにおけるネットワーク符号化部９０１と、経路ＨにおけるＳＴＢＣ送信データ生成処理（Ｓ７０１）を行う経路ＨにおけるＳＴＢＣ送信データ生成部１００１と、経路Ｈにおけるトレーニング信号付加処理（Ｓ８０１）を行う経路Ｈにおけるトレーニング信号付加部１１０１と、経路Ｖにおけるネットワーク復号処理（Ｓ４５２）を行う経路Ｖにおけるネットワーク復号部６０２と、経路Ｖにおける宛先（中継）制御処理（Ｓ５０２）を行う経路Ｖにおける中継制御部７０２と、経路Ｖにおけるネットワーク符号化処理（Ｓ６０２）を行う経路Ｖにおけるネットワーク符号化部９０２と、経路ＶにおけるＳＴＢＣ送信データ生成処理（Ｓ７０２）を行う経路ＶにおけるＳＴＢＣ送信データ生成部１００２と、経路Ｖにおけるトレーニング信号付加処理（Ｓ８０２）を行う経路Ｖにおけるトレーニング信号付加部１１０２とを備える。なお、図示されていないが、ノード装置４は、データ信号等を格納・保存するための記憶手段（メモリ）を備える。
【０２５３】
図１８に示すように、ノード装置４は、経路Ｈにおけるトレーニング信号付加部１１０１から出力された経路Ｈの無線送信信号と、経路Ｖにおけるトレーニング信号付加部１１０２から出力された経路Ｖの無線送信信号を、ＲＦトランシーバ１００を経由してＭＩＭＯアンテナにて無線送信するとともに、ＲＦトランシーバ１００とフレーム処理部１５０を経由してＭＩＭＯアンテナにて無線受信した無線受信信号をＳＴＢＣ受信データ生成部２００に入力し、無線受信したトレーニング信号をチャネル推定部３００に入力する。
【０２５４】
図１８に示すように、ＲＦトランシーバ１００は、ノード装置４が受信状態のときは、アンテナで受信したアナログ信号をダウンコンバートし、デジタル信号として、受信処理部（フレーム処理部１５０）に出力し、また、逆にノード装置４が送信状態のときは、デジタル送信信号（経路Ｈにおけるトレーニング信号付加部１１０１から出力された経路Ｈの無線送信信号と、経路Ｖにおけるトレーニング信号付加部１１０２から出力された経路Ｖの無線送信信号）をアップコンバートし、アナログ信号としてアンテナより出力（送信）する機能を有する。また、受信処理部（フレーム処理部１５０）からは、デジタル信号である無線受信信号とトレーニング信号が出力される。
【０２５５】
図１９に示すように、ノード装置４において、無線受信した無線受信信号（データ）から、ＳＴＢＣ受信データ生成処理を行い、ＳＴＢＣ受信データを生成する（Ｓ１００）。無線受信したトレーニング信号から、チャネル推定処理を行い、チャネル情報を推定する（Ｓ２００）。Ｓ２００で推定されたチャネル情報から、ＳＴＢＣチャネル行列生成処理を行い、ＳＴＢＣ等価チャネル行列を生成する（Ｓ３００）。
【０２５６】
Ｓ３００で生成されたＳＴＢＣ等価チャネル行列と、Ｓ１００で生成されたＳＴＢＣ受信データとから、ＭＩＭＯ検波処理を行い、推定シンボルを推定する（Ｓ４００）。
【０２５７】
Ｓ４００で推定された前向きリンク及び後向きリンクの推定シンボルから、経路Ｈにおけるネットワーク復号処理を行い、前向きリンク及び後向きリンクの連続する２シンボルの経路Ｈの中継信号を生成する（Ｓ４５１）。そして、生成された経路Ｈの中継信号（ネットワーク復号したデータ）が自ノード宛の信号であるか、又は、他ノード宛の信号であるかを判断する経路Ｈにおける中継（宛先）制御処理（Ｓ５０１）を行い、生成された経路Ｈの中継信号が自ノード宛の信号であると判断された場合に、つまり、ノード装置４自身（自ノード）が宛先ノードであるため、ノード装置４の処理は終了する。
【０２５８】
一方、Ｓ５０１で生成された経路Ｈの中継信号が他ノード宛の信号であると判断された場合に、つまり、自ノードが中継ノードである場合に、生成された経路Ｈの中継信号（ネットワーク復号したデータ）を経路Ｈにおける前タイムスロット送信データとして、次のタイムスロットの経路Ｈにおけるネットワーク復号処理を行うために、メモリに保存する。
【０２５９】
また、Ｓ４００で推定された上向きリンク及び下向きリンクの推定シンボルから、経路Ｖにおけるネットワーク復号処理を行い、上向きリンク及び下向きリンクの連続する２シンボルの経路Ｖの中継信号を生成する（Ｓ４５２）。そして、生成された経路Ｖの中継信号（ネットワーク復号したデータ）が自ノード宛の信号であるか、又は、他ノード宛の信号であるかを判断する経路Ｖにおける中継（宛先）制御処理（Ｓ５０２）を行い、生成された経路Ｖの中継信号が自ノード宛の信号であると判断された場合に、つまり、ノード装置４自身（自ノード）が宛先ノードであるため、ノード装置４の処理は終了する。
【０２６０】
一方、Ｓ５０２で生成された経路Ｖの中継信号が他ノード宛の信号であると判断された場合に、つまり、自ノードが中継ノードである場合に、生成された経路Ｖの中継信号（ネットワーク復号したデータ）を経路Ｖにおける前タイムスロット送信データとして、次のタイムスロットの経路Ｖにおけるネットワーク復号処理を行うために、メモリに保存する。
【０２６１】
次に、送信処理においては、Ｓ５０１で生成された経路Ｈの中継信号から、連続する２つの送信シンボルの経路Ｈにおけるネットワーク符号化処理を行い、連続する２つの経路Ｈの送信信号を生成する（Ｓ６０１）。
【０２６２】
Ｓ６０１で生成された経路Ｈの送信信号（経路Ｈにおけるネットワーク符号化された送信データ）から、経路ＨにおけるＳＴＢＣ送信データ生成処理を行い、経路ＨにおけるＳＴＢＣ送信データを生成する（Ｓ７０１）。Ｓ７０１で生成された経路ＨにおけるＳＴＢＣ送信データに、チャネル推定処理のためのトレーニング信号を付加して、経路Ｈにおけるトレーニング信号付加処理を行う（Ｓ８０１）。
【０２６３】
また、送信処理においては、Ｓ５０２で生成された経路Ｖの中継信号から、連続する２つの送信シンボルの経路Ｖにおけるネットワーク符号化処理を行い、連続する２つの経路Ｖの送信信号を生成する（Ｓ６０２）。
【０２６４】
Ｓ６０２で生成された経路Ｖの送信信号（経路Ｖにおけるネットワーク符号化された送信データ）から、経路ＶにおけるＳＴＢＣ送信データ生成処理を行い、経路ＶにおけるＳＴＢＣ送信データを生成する（Ｓ７０２）。Ｓ７０２で生成された経路ＶにおけるＳＴＢＣ送信データに、チャネル推定処理のためのトレーニング信号を付加して、経路Ｖにおけるトレーニング信号付加処理を行う（Ｓ８０２）。
【０２６５】
最後に、Ｓ８０１でトレーニング信号が付加された経路ＨにおけるＳＴＢＣ送信データと、Ｓ８０２でトレーニング信号が付加された経路ＶにおけるＳＴＢＣ送信データに対し、ＭＩＭＯ空間多重処理（Ｓ１０００）を行ってから無線送信信号として送信する。
【０２６６】
以上のように、ノード装置４は、送受信処理を行い、データ（信号）を中継伝送する。
＜７−１＞タイムスロットｎ
図１２に示すように、タイムスロットｎにおいて、ノードＨ（ｋ±１）及びノードＶ（ｋ±１）が送信ノードになり、ノードＣが受信ノードになる。ノードＨ（ｋ±１）及びノードＶ（ｋ±１）の連続する２つの送信シンボルは、下記数７３〜数７６で表される。
【０２６７】
つまり、経路Ｈにおけるネットワーク符号化処理は、下記数７３、数７４に基づき行われる。
【０２６８】
【数７３】
0005358807.tif 000207
【０２６９】
【数７４】
0005358807.tif 000208
また、経路Ｖにおけるネットワーク符号化処理は、下記数７５、数７６に基づき行われる。
【０２７０】
【数７５】
0005358807.tif 000209
【０２７１】
【数７６】
0005358807.tif 000210
ただし、
0005358807.tif 000211
はそれぞれ前向きフロー（前向きリンク）と後向きフロー（後向きリンク）の第１シンボルであり、
0005358807.tif 000212
はそれぞれ上向きフロー（上向きリンク）と下向きフロー（下向きリンク）の第１シンボルである。また、
0005358807.tif 000213
はそれぞれ前向きフローと後向きフローの第２シンボルであり、
0005358807.tif 000214
はそれぞれ上向きフローと下向きフローの第２シンボルである。
【０２７２】
ノードＨ（ｋ±１）及びノードＶ（ｋ±１）において、ＳＴＢＣ処理された送信信号は下記数７７、数７８となる。
【０２７３】
つまり、経路ＨにおけるＳＴＢＣ送信データ生成処理は、下記数７７に基づき、行われる。
【０２７４】
【数７７】
0005358807.tif 000215
また、経路ＶにおけるＳＴＢＣ送信データ生成処理は、下記数７８に基づき、行われる。
【０２７５】
【数７８】
0005358807.tif 000216
そして、受信ノードＣの２シンボルにわたる受信信号行列
0005358807.tif 000217
は、下記数７９で表される。
【０２７６】
つまり、ＳＴＢＣ処理された４ストリームの受信信号は、数７９によって表される。
【０２７７】
【数７９】
0005358807.tif 000218
次に、受信信号行列を下記数８０に基づき、ベクトル化する。
【０２７８】
つまり、ＳＴＢＣ受信データ生成処理は、下記数８０に基づき、行われる。
【０２７９】
【数８０】
0005358807.tif 000219
ただし、
0005358807.tif 000220
である。
【０２８０】
上記数８０で表す受信信号ベクトルは、ＳＴＢＣ等価チャネル行列
0005358807.tif 000221
を用いて、下記数８１によって表現できる。
【０２８１】
【数８１】
0005358807.tif 000222
ただし、下記数８２〜数８６が成立する。
【０２８２】
つまり、ＳＴＢＣチャネル行列生成処理は、下記数８２〜数８６に基づき、行われる。
【０２８３】
【数８２】
0005358807.tif 000223
【０２８４】
【数８３】
0005358807.tif 000224
【０２８５】
【数８４】
0005358807.tif 000225
【０２８６】
【数８５】
0005358807.tif 000226
【０２８７】
【数８６】
0005358807.tif 000227
ノードＣはＳＴＢＣにより等価的に八つのアンテナを有しているため、送信された２シンボルにわたる八つの信号は、下記の線形アルゴリズムにより推定することが可能である。
【０２８８】
つまり、ＭＩＭＯ検波処理は、下記数８７に基づき、行われる。
【０２８９】
【数８７】
0005358807.tif 000228
ここで、ＭＭＳＥ受信ウェイト
0005358807.tif 000229
は下記数８８となる。
【０２９０】
【数８８】
0005358807.tif 000230
【０２９１】
【数８９】
0005358807.tif 000231
また、ＺＦ受信ウェイトは下記数９０となる。
【０２９２】
【数９０】
0005358807.tif 000232
【０２９３】
【数９１】
0005358807.tif 000233
ただし、Ｐはノードあたりの総送信電力である。また、σ２は受信アンテナあたりの雑音電力である。
【０２９４】
推定されたシンボルから、２ＤＭＮＣ１と同様に、各フローの信号を復号することができる。
【０２９５】
つまり、経路Ｈにおけるネットワーク復号処理は、下記数９２〜数９５に基づき、行われる。
【０２９６】
【数９２】
0005358807.tif 000234
【０２９７】
【数９３】
0005358807.tif 000235
【０２９８】
【数９４】
0005358807.tif 000236
【０２９９】
【数９５】
0005358807.tif 000237
また、経路Ｖにおけるネットワーク復号処理は、下記数９６〜数９９に基づき、行われる。
【０３００】
【数９６】
0005358807.tif 000238
【０３０１】
【数９７】
0005358807.tif 000239
【０３０２】
【数９８】
0005358807.tif 000240
【０３０３】
【数９９】
0005358807.tif 000241
最後に、ノードＣは受信した信号の宛先を確認し、自ノード宛でない場合は、以下の中継制御を行う。
【０３０４】
つまり、経路Ｈにおける中継制御処理は、下記数１００〜数１０３に基づき、行われる。
【０３０５】
【数１００】
0005358807.tif 000242
【０３０６】
【数１０１】
0005358807.tif 000243
【０３０７】
【数１０２】
0005358807.tif 000244
【０３０８】
【数１０３】
0005358807.tif 000245
また、経路Ｖにおける中継制御処理は、下記数１０４〜数１０７に基づき、行われる。
【０３０９】
【数１０４】
0005358807.tif 000246
【０３１０】
【数１０５】
0005358807.tif 000247
【０３１１】
【数１０６】
0005358807.tif 000248
【０３１２】
【数１０７】
0005358807.tif 000249
＜７−２＞タイムスロット（ｎ＋１）
図１３に示すように、次のタイムスロット（ｎ＋１）では、ノードＨ（ｋ±２）、ノードＶ（ｋ±２）及びノードＣが送信ノードになり、ノードＨ（ｋ±１）及びノードＶ（ｋ±１）が受信ノードになる。ノードＣにおいて、前向きフローと後向きフローおよび上向きフローと下向きフローの連続する２つの送信シンボルは、下記数１０８〜数１１１に基づきそれぞれネットワークコーディングされる。
【０３１３】
つまり、経路Ｈにおけるネットワーク符号化処理は、下記数１０８、数１０９に基づき、行われる。
【０３１４】
【数１０８】
0005358807.tif 000250
【０３１５】
【数１０９】
0005358807.tif 000251
また、経路Ｖにおけるネットワーク符号化処理は、下記数１１０、数１１１に基づき、行われる。
【０３１６】
【数１１０】
0005358807.tif 000252
【０３１７】
【数１１１】
0005358807.tif 000253
また、ノードＨ（ｋ±２）及びノードＶ（ｋ±２）の連続する２つの送信２シンボルも、下記数１１２〜数１１５に基づき、それぞれネットワークコーディングされる。
【０３１８】
つまり、経路Ｈにおけるネットワーク符号化処理は、下記数１１２、数１１３に基づき、行われる。
【０３１９】
【数１１２】
0005358807.tif 000254
【０３２０】
【数１１３】
0005358807.tif 000255
また、経路Ｖにおけるネットワーク符号化処理は、下記数１１４、数１１５に基づき、行われる。
【０３２１】
【数１１４】
0005358807.tif 000256
【０３２２】
【数１１５】
0005358807.tif 000257
ノードＣでは、ネットワーク符号化された経路Ｈおよび経路Ｖの信号が、下記数１１６、数１１７に基づき、それぞれＳＴＢＣ処理される。
【０３２３】
つまり、経路ＨにおけるＳＴＢＣ送信データ生成処理は、下記数１１６に基づき、行われる。
【０３２４】
【数１１６】
0005358807.tif 000258
また、経路ＶにおけるＳＴＢＣ送信データ生成処理は、下記数１１７に基づき、行われる。
【０３２５】
【数１１７】
0005358807.tif 000259
ノードＣでは、ＳＴＢＣ処理された経路Ｈおよび経路Ｖの２ストリームの信号を４つのアンテナを用いて空間多重送信する。
【０３２６】
つまり、ＳＴＢＣ処理された２ストリームの空間多重送信処理は、下記数１１８に基づき、行われる。
【０３２７】
【数１１８】
0005358807.tif 000260
また、ノードＨ（ｋ±２）及びノードＶ（ｋ±２）でも、下記数１１９、数１２０に基づき、それぞれＳＴＢＣ処理が行われる。
【０３２８】
つまり、経路ＨにおけるＳＴＢＣ送信データ生成処理は、下記数１１９に基づき、行われる。
【０３２９】
【数１１９】
0005358807.tif 000261
また、経路ＶにおけるＳＴＢＣ送信データ生成処理は、下記数１２０に基づき、行われる。
【０３３０】
【数１２０】
0005358807.tif 000262
受信ノードＨ（ｋ±１）の２シンボルにわたる受信信号行列は下記数１２１で表される。また、ノードＶ（ｋ±１）も同様に与えられる。
【０３３１】
つまり、ＳＴＢＣ処理された３ストリームの受信信号は、下記数１２１で表される。
【０３３２】
【数１２１】
0005358807.tif 000263
次に、受信信号行列を下記数１２２に基づき、ベクトル化する。
【０３３３】
つまり、ＳＴＢＣ受信データ生成処理は、下記数１２２に基づき、行われる。
【０３３４】
【数１２２】
0005358807.tif 000264
ただし、下記数１２３が成立する。
【０３３５】
【数１２３】
0005358807.tif 000265
上記数１２２で表す受信信号ベクトルは、ＳＴＢＣ等価チャネル行列
0005358807.tif 000266
を用いて、下記数１２４によって表現できる。
【０３３６】
【数１２４】
0005358807.tif 000267
ただし、下記数１２５〜数１２９が成立する。
【０３３７】
つまり、ＳＴＢＣチャネル行列生成処理は、下記数１２５〜数１２９に基づき、行われる。
【０３３８】
【数１２５】
0005358807.tif 000268
【０３３９】
【数１２６】
0005358807.tif 000269
【０３４０】
【数１２７】
0005358807.tif 000270
【０３４１】
【数１２８】
0005358807.tif 000271
【０３４２】
【数１２９】
0005358807.tif 000272
ノードＨ（ｋ±１）はＳＴＢＣにより等価的に八つのアンテナを有しているため、送信されたシンボルにわたる六つの信号は、下記の線形アルゴリズムにより推定することが可能である。
【０３４３】
つまり、ＭＩＭＯ検波処理は、下記数１３０に基づき、行われる。
【０３４４】
【数１３０】
0005358807.tif 000273
ここで、ＭＭＳＥ受信ウェイト
0005358807.tif 000274
は下記数１３１となる。
【０３４５】
【数１３１】
0005358807.tif 000275
また、ＺＦ受信ウェイトは下記数１３２となる。
【０３４６】
【数１３２】
0005358807.tif 000276
推定されたシンボルから、２ＤＭＮＣ１と同様に、各フローの信号を復号することができる。
【０３４７】
つまり、経路Ｈにおけるネットワーク復号処理は、下記数１３３〜数１４０に基づき、行われる。
【０３４８】
【数１３３】
0005358807.tif 000277
【０３４９】
【数１３４】
0005358807.tif 000278
【０３５０】
【数１３５】
0005358807.tif 000279
【０３５１】
【数１３６】
0005358807.tif 000280
【０３５２】
【数１３７】
0005358807.tif 000281
【０３５３】
【数１３８】
0005358807.tif 000282
【０３５４】
【数１３９】
0005358807.tif 000283
【０３５５】
【数１４０】
0005358807.tif 000284
ここで、
0005358807.tif 000285
は経路Ｈ上のフローではないため、ノードＨ（ｋ±１）で復号処理は行わない。
【０３５６】
最後に、ノードＨ（ｋ±１）は受信した信号の宛先を確認し、自ノード宛でない場合は以下の中継制御を行う。
【０３５７】
つまり、経路Ｈにおける中継制御処理は、下記数１４１〜数１４８に基づき、行われる。
【０３５８】
【数１４１】
0005358807.tif 000286
【０３５９】
【数１４２】
0005358807.tif 000287
【０３６０】
【数１４３】
0005358807.tif 000288
【０３６１】
【数１４４】
0005358807.tif 000289
【０３６２】
【数１４５】
0005358807.tif 000290
【０３６３】
【数１４６】
0005358807.tif 000291
【０３６４】
【数１４７】
0005358807.tif 000292
【０３６５】
【数１４８】
0005358807.tif 000293
同様に、
0005358807.tif 000294
から、ノードＶ（ｋ±１）は所望の下向きフローと上向きフローの情報を復号および中継制御することができる。
【０３６６】
本発明では、上述した処理を偶数および奇数のタイムスロットで繰り返すことにより、単一チャネルで二次元のＳＴＢＣ処理された双方向フローのマルチホップ中継を実現する。
＜８＞本発明の第５実施形態に係るマルチホップ無線通信システム（２次元ＭＩＭＯネットワークコーディングを用いたロータリー型（Rotary  type）２次元マルチホップ通信システム(２ＤＭＮＣ２)）
以下、本発明の第５実施形態に係るマルチホップ無線通信システムについて説明する。本発明の第５実施形態に係るマルチホップ無線通信システムとは、２次元ＭＩＭＯネットワークコーディングを用いたロータリー型（Rotary  type）２次元マルチホップ通信システム(２ＤＭＮＣ２)である。
【０３６７】
本発明の第５実施形態に係るロータリー型２次元マルチホップ通信システム(２ＤＭＮＣ２)では、図２０と図２１に示すロータリー型のネットワークトポロジーを有する。図２０と図２１から分かるように、交差点ノードＣは存在しないため、周囲の４つのノードが経路Ｈと経路Ｖの情報フローの中継を行う。
【０３６８】
例えば、ノードＶ（ｋ＋１）は、タイムスロットｎで経路Ｈと経路Ｖのどちらの情報も受信し、タイムスロット（ｎ＋１）で、経路Ｖと経路Ｈの二つのストリームをブロードキャストする。ノードＨ（ｋ−１）も同様である。また、経路Ｈの情報フローの中継には、ノードＶ（ｋ＋１）またはＶ（ｋ−１）のどちらか品質の良い一方を用いることができる。同様に、また経路Ｖの情報フローの中継には、ノードＨ（ｋ＋１）またはＨ（ｋ−１）のどちらか品質の良い一方を用いることができる。
【０３６９】
ここでは、ノードＶ（ｋ＋１）およびＨ（ｋ−１）が中継に用いられる場合の説明をする。このときの伝送サイクルは、次のようになる。図２０に示すように、タイムスロットｎでは、ノードＨ（ｋ±１）、ノードＨ（ｋ±３）、ノードＶ（ｋ±２）は送信ノードであり、その他のノードは受信ノードである。
【０３７０】
次のタイムスロット（ｎ＋１）では、図２１に示すように、送信ノードは受信ノードになり、受信ノードは送信ノードとなる。
【０３７１】
ただし、２ＤＭＮＣ２では、ロータリーノードおよびその隣接ノード以外のノードは、実施形態１及び実施形態２に詳細に説明した１次元ＭＩＭＯネットワークコーディングを行っているとする。
【０３７２】
以下では、２ＤＭＮＣ２におけるロータリーノードおよびその隣接ノードの送受信アルゴリズム（２次元ＭＩＭＯネットワークコーディング）について述べる。
＜８−１＞タイムスロットｎ
図２０に示すように、タイムスロットｎのとき、ノードＨ（ｋ−１）は、経路Ｈの前向きフロー及び後向きフローをネットワーク符号化し、送信信号
0005358807.tif 000295
を生成する。また、ノードＨ（ｋ−１）は、同時に、経路Ｖの上向きフロー及び下向きフローをネットワーク符号化し、送信信号
0005358807.tif 000296
を生成する。次に、ノードＨ（ｋ−１）は、生成された
0005358807.tif 000297
の２ストリームを空間多重送信する。
【０３７３】
同時に、ノードＨ（ｋ＋１）は、経路Ｈの前向きフロー及び後向きフローをネットワーク符号化して、送信信号
0005358807.tif 000298
を生成する。同様に、ノードＨ（ｋ−３）は
0005358807.tif 000299
を生成し送信する。また、ノードＶ（ｋ±２）は、上向きフロー及び下向きフローをそれぞれネットワーク符号化して
0005358807.tif 000300
を生成して送信する。
【０３７４】
このとき、ノードＶ（ｋ＋１）は、ノードＨ（ｋ−１）から２ストリーム、ノードＨ（ｋ＋１）から１ストリーム、ノードＶ（ｋ＋２）から１ストリームの計４ストリームを受信し、ＭＩＭＯ検波処理を行い、ネットワーク復号処理を行い、中継制御処理を行うことで、次のタイムスロットの前向き・後向きおよび上向き・下向きの４つのフローを生成する。
【０３７５】
一方、ノードＶ（ｋ−１）は、同様に、ノードＨ（ｋ−１）から２ストリーム、ノードＨ（ｋ＋１）から１ストリーム、ノードＶ（ｋ−２）から１ストリームの計４ストリームを受信し、ＭＩＭＯ検波処理を行うが、経路Ｈの信号は破棄し、経路Ｖの信号のみに対してネットワーク復号処理・中継制御処理を行い、次のタイムスロットの上向き・下向きの２つのフローを生成する。
【０３７６】
また、ノードＨ（ｋ−２）は、ノードＨ（ｋ−１）から２ストリーム、ノードＨ（ｋ−３）から１ストリームの計３ストリームを受信し、ＭＩＭＯ検波処理を行うが、経路Ｖの信号は破棄し、経路Ｈの信号のみに対してネットワーク復号処理・中継制御処理を行い、次のタイムスロットの前向き・後向きの２つのフローを生成する。
＜８−２＞タイムスロット（ｎ＋１）
図２１に示すように、タイムスロット（ｎ＋１）のとき、ノードＶ（ｋ＋１）は、経路Ｖの上向き及び下向きフローをネットワーク符号化し、送信信号
0005358807.tif 000301
を生成する。また、ノードＶ（ｋ＋１）は、同時に、経路Ｈの前向き及び後向きフローをネットワーク符号化し、送信信号
0005358807.tif 000302
を生成する。次に、ノードＶ（ｋ＋１）は、生成された
0005358807.tif 000303
の２ストリームを空間多重送信する。
【０３７７】
同時に、ノードＶ（ｋ−１）は、経路Ｖの上向きフロー及び下向きフローをネットワーク符号化して、送信信号
0005358807.tif 000304
を生成する。同様に、ノードＶ（ｋ＋３）は
0005358807.tif 000305
を生成し送信する。また、ノードＨ（ｋ±２）は、前向きフロー及び後向きフローをそれぞれネットワーク符号化して
0005358807.tif 000306
を生成して送信する。
【０３７８】
このとき、ノードＨ（ｋ−１）は、ノードＶ（ｋ＋１）から２ストリーム、ノードＶ（ｋ−１）から１ストリーム、ノードＨ（ｋ−２）から１ストリームの計４ストリームを受信し、ＭＩＭＯ検波処理を行い、ネットワーク復号処理を行い、中継制御処理を行うことで、次のタイムスロットの前向き・後向きおよび上向き・下向きの４つのフローを生成する。
【０３７９】
一方、ノードＨ（ｋ＋１）は、同様に、ノードＶ（ｋ＋１）から２ストリーム、ノードＶ（ｋ−１）から１ストリーム、ノードＨ（ｋ＋２）から１ストリームの計４ストリームを受信し、ＭＩＭＯ検波を行うが、経路Ｖの信号は破棄し、経路Ｈの信号のみに対してネットワーク復号処理・中継制御処理を行い、次のタイムスロットの前向き・後向きの２つのフローを生成する。
【０３８０】
また、ノードＶ（ｋ＋２）は、ノードＶ（ｋ＋１）から２ストリーム、ノードＶ（ｋ＋３）から１ストリームの計３ストリームを受信し、ＭＩＭＯ検波処理を行うが、経路Ｈの信号は破棄し、経路Ｖの信号のみに対してネットワーク復号処理・中継制御処理を行い、次のタイムスロットの上向き・下向きの２つのフローを生成する。
【０３８１】
本発明では、以上の処理を偶数および奇数のタイムスロットで繰り返すことにより、単一チャネルで二次元のロータリー型の双方向フローのマルチホップ中継を実現する。
【０３８２】
なお、図１６に示すノード装置３を、本発明の第５実施形態に係るロータリー型２次元マルチホップ通信システム(２ＤＭＮＣ２)におけるノード（ノード装置）として利用できることは、言うまでも無い。
＜９＞本発明の第６実施形態に係るマルチホップ無線通信システム（２次元ＳＴＢＣ−ＭＩＭＯネットワークコーディングを用いたロータリー型（Rotary  type）２次元マルチホップ通信システム(２ＤＳＴＢＣＭＮＣ２)）
以下、本発明の第６実施形態に係るマルチホップ無線通信システムについて説明する。本発明の第６実施形態に係るマルチホップ無線通信システムとは、２次元ＳＴＢＣ−ＭＩＭＯネットワークコーディングを用いたロータリー型（Rotary  type）２次元マルチホップ通信システム(２ＤＳＴＢＣＭＮＣ２)である。
【０３８３】
つまり、本発明の第６実施形態に係るロータリー型２次元マルチホップ通信システム(２ＤＳＴＢＣＭＮＣ２)では、本発明の第５実施形態に係るロータリー型２次元マルチホップ通信システム(２ＤＭＮＣ２)に、ＳＴＢＣ処理（ＳＴＢＣ機能）を組合わせることで、より信頼性の高いマルチホップ中継を実現することが可能となる。
【０３８４】
ただし、２ＤＳＴＢＣＭＮＣ２では、ロータリーノードとそれに隣接するノード以外のノードは、実施形態２に詳細に説明した１次元ＳＴＢＣ−ＭＩＭＯネットワークコーディングを行っているとする。
＜９−１＞タイムスロットｎ
図２０に示すように、タイムスロットｎのとき、ノードＨ（ｋ−１）は、経路Ｈの前向きフロー及び後向きフローの連続する２シンボルをネットワーク符号化することで、送信信号
0005358807.tif 000307
を計算し、計算した
0005358807.tif 000308
を用いて経路ＨのＳＴＢＣ送信データを生成する。また、ノードＨ（ｋ−１）は、同時に、経路Ｖの上向きフロー及び下向きフローの連続する２シンボルをネットワーク符号化することで、送信信号
0005358807.tif 000309
を計算し、計算した
0005358807.tif 000310
を用いて経路ＶのＳＴＢＣ送信データを生成する。次に、ノードＨ（ｋ−１）は、生成された２つのＳＴＢＣ送信データを４つのアンテナを用いて空間多重送信する。
【０３８５】
同時に、ノードＨ（ｋ＋１）は、経路Ｈの前向きフロー及び後向きフローの連続する２シンボルをネットワーク符号化することで、送信信号
0005358807.tif 000311
を計算し、計算した
0005358807.tif 000312
を用いて経路ＨのＳＴＢＣ送信データを生成して送信する。同様に、ノードＨ（ｋ−３）は
0005358807.tif 000313
を計算し、計算した
0005358807.tif 000314
を用いて経路ＨのＳＴＢＣ送信データを生成して送信する。また、ノードＶ（ｋ±２）は、上向き及び下向きフローの連続する２シンボルをそれぞれネットワーク符号化することで、
0005358807.tif 000315
を計算し、計算した
0005358807.tif 000316
を用いて経路ＶのＳＴＢＣ送信データを生成して送信する。
【０３８６】
このとき、ノードＶ（ｋ＋１）は、ノードＨ（ｋ−１）からＳＴＢＣ処理された２ストリーム、ノードＨ（ｋ＋１）からＳＴＢＣ処理された１ストリーム、ノードＶ（ｋ＋２）からＳＴＢＣ処理された１ストリームの計４ストリームを受信し、ＳＴＢＣ受信データとＳＴＢＣチャネル行列を生成することで、ＭＩＭＯ検波処理を行い、ネットワーク復号処理を行い、中継制御処理を行うことで、次のタイムスロットの前向き・後向きおよび上向き・下向きの４つのフローの連続する２シンボルを生成する。
【０３８７】
一方、ノードＶ（ｋ−１）は、同様に、ノードＨ（ｋ−１）からＳＴＢＣ処理された２ストリーム、ノードＨ（ｋ＋１）からＳＴＢＣ処理された１ストリーム、ノードＶ（ｋ−２）からＳＴＢＣ処理された１ストリームの計４ストリームを受信し、ＳＴＢＣ受信データとＳＴＢＣチャネル行列を生成することで、ＭＩＭＯ検波処理を行うが、経路Ｈの信号は破棄し、経路Ｖの信号のみに対してネットワーク復号処理・中継制御処理を行い、次のタイムスロットの上向き・下向きの２つのフローの連続する２シンボルを生成する。
【０３８８】
また、ノードＨ（ｋ−２）は、ノードＨ（ｋ−１）からＳＴＢＣ処理された２ストリーム、ノードＨ（ｋ−３）からＳＴＢＣ処理された１ストリームの計３ストリームを受信し、ＳＴＢＣ受信データとＳＴＢＣチャネル行列を生成することで、ＭＩＭＯ検波処理を行うが、経路Ｖの信号は破棄し、経路Ｈの信号のみに対してネットワーク復号処理・中継制御処理を行い、次のタイムスロットの前向き・後向きの２つのフローの連続する２シンボルを生成する。
＜９−２＞タイムスロット（ｎ＋１）
図２１に示すように、タイムスロット（ｎ＋１）のとき、ノードＶ（ｋ＋１）は、経路Ｖ上の上向き及び下向きフローの連続する２シンボルをネットワーク符号化することで、
0005358807.tif 000317
を計算し、計算した
0005358807.tif 000318
を用いて経路ＶのＳＴＢＣ送信データを生成する。また、ノードＶ（ｋ＋１）は、同時に、経路Ｈ上の前向き及び後向きフローの連続する２シンボルをネットワーク符号化することで、
0005358807.tif 000319
を計算し、計算した
0005358807.tif 000320
を用いて経路ＨのＳＴＢＣ送信データを生成する。次に、ノードＶ（ｋ＋１）は、生成された２つのＳＴＢＣ送信データを４つのアンテナを用いて空間多重送信する。
【０３８９】
同時に、ノードＶ（ｋ−１）は、経路Ｖの上向き及び下向きフローの連続する２シンボルをネットワーク符号化することで、
0005358807.tif 000321
を計算し、計算した
0005358807.tif 000322
を用いて経路ＶのＳＴＢＣ送信データを生成して送信する。同様に、ノードＶ（ｋ＋３）は
0005358807.tif 000323
を計算し、計算した
0005358807.tif 000324
を用いて経路ＶのＳＴＢＣ送信データを生成して送信する。また、ノードＨ（ｋ±２）は、前向き及び後向きフローの連続する２シンボルをそれぞれネットワーク符号化することで、
0005358807.tif 000325
を計算し、計算した
0005358807.tif 000326
を用いて経路ＨのＳＴＢＣ送信データを生成して送信する。
【０３９０】
このとき、ノードＨ（ｋ−１）は、ノードＶ（ｋ＋１）からＳＴＢＣ処理された２ストリーム、ノードＶ（ｋ−１）からＳＴＢＣ処理された１ストリーム、ノードＨ（ｋ−２）からＳＴＢＣ処理された１ストリームの計４ストリームを受信し、ＳＴＢＣ受信データとＳＴＢＣチャネル行列を生成することで、ＭＩＭＯ検波処理を行い、ネットワーク復号処理を行い、中継制御処理を行うことで、次のタイムスロットの前向き・後向きおよび上向き・下向きの４つのフローの連続する２シンボルを生成する。
【０３９１】
一方、ノードＨ（ｋ＋１）は、同様に、ノードＶ（ｋ＋１）からＳＴＢＣ処理された２ストリーム、ノードＶ（ｋ−１）からＳＴＢＣ処理された１ストリーム、ノードＨ（ｋ＋２）からＳＴＢＣ処理された１ストリームの計４ストリームを受信し、ＳＴＢＣ受信データとＳＴＢＣチャネル行列を生成することで、ＭＩＭＯ検波処理を行うが、経路Ｖの信号は破棄し、経路Ｈの信号のみに対してネットワーク復号処理・中継制御処理を行い、次のタイムスロットの前向き・後向きの２つのフローの連続する２シンボルを生成する。
【０３９２】
また、ノードＶ（ｋ＋２）は、ノードＶ（ｋ＋１）からＳＴＢＣ処理された２ストリーム、ノードＶ（ｋ＋３）からＳＴＢＣ処理された１ストリームの計３ストリームを受信し、ＳＴＢＣ受信データとＳＴＢＣチャネル行列を生成することで、ＭＩＭＯ検波処理を行うが、経路Ｈの信号は破棄し、経路Ｖの信号のみに対してネットワーク復号処理・中継制御処理を行い、次のタイムスロットの上向き・下向きの２つのフローの連続する２シンボルを生成する。
【０３９３】
本発明では、以上の処理を偶数および奇数のタイムスロットで繰り返すことにより、単一チャネルで二次元のロータリー型のＳＴＢＣ処理された双方向フローのマルチホップ中継を実現する。
【０３９４】
なお、図１８に示すノード装置４を、本発明の第６実施形態に係るロータリー型２次元マルチホップ通信システム(２ＤＳＴＢＣＭＮＣ２)におけるノード（ノード装置）として利用できることは、言うまでも無い。
＜１０＞本発明の第７実施形態に係るマルチホップ無線通信システム（２次元ＭＩＭＯネットワークコーディングを用いたツリー型（Tree  type）ＭＩＭＯメッシュネットワーク(２ＤＭＮＣ３)）
以下、本発明の第７実施形態に係るマルチホップ無線通信システムについて説明する。本発明の第７実施形態に係るマルチホップ無線通信システムとは、２次元ＭＩＭＯネットワークコーディングを用いたツリー型（Tree  type）２次元マルチホップ通信システム(２ＤＭＮＣ３)である。
【０３９５】
本発明の第７実施形態に係るツリー型２次元マルチホップ通信システム(２ＤＭＮＣ３)では、図２２と図２３に示すツリー型のネットワークトポロジーを有する。図２２と図２３から分かるように、ツリー型のトポロジーは、クロス型のトポロジーの経路Ｈと経路Ｖの一部が１つの経路に縮退したものである。
【０３９６】
例えば、ノード（ｋ−３）＝Ｈ（ｋ−３）＝Ｖ（ｋ−３）、（ｋ−２）＝Ｈ（ｋ−２）＝Ｖ（ｋ−２）、（ｋ−１）＝Ｈ（ｋ−１）＝Ｖ（ｋ−１）、（ｋ）＝Ｈ（ｋ）＝Ｖ（ｋ）までは、経路が１つであり（共通経路）、ノードＨ（ｋ）＝Ｖ（ｋ）で、経路Ｈと経路Ｖに分岐する。
【０３９７】
よって、ノード（ｋ−３）、（ｋ−２）、（ｋ−１）、（ｋ）では、経路Ｈと経路Ｖの区別なく両経路の中継を行う。つまり、共通経路とは、２ストリームを多重化した１次元のＭＩＭＯネットワークコーディングである。このときの伝送サイクルは次のようになる。
【０３９８】
図２２に示すように、タイムスロットｎでは、ノード（ｋ−３）、ノード（ｋ−１）、ノードＨ（ｋ＋１）、ノードＶ（ｋ＋１）は送信ノードであり、その他のノードは受信ノードである。次のタイムスロット（ｎ＋１）では、図２３に示すように、送信ノードは受信ノードになり、受信ノードは送信ノードとなる。
【０３９９】
ただし、２ＤＭＮＣ３では、共通経路上のノードとそれに隣接するノード以外のノードは、実施形態１及び実施形態２に詳細に説明した１次元ＭＩＭＯネットワークコーディングを行っているとする。
【０４００】
以下では、２ＤＭＮＣ３における共通経路上のノードとそれに隣接するノードの送受信アルゴリズム（２次元ＭＩＭＯネットワークコーディング）について述べる。
＜１０−１＞タイムスロットｎ
図２２に示すように、タイムスロットｎのとき、ノード（ｋ−１）は、経路Ｈの前向き及び後向きフローをネットワーク符号化し、送信信号
0005358807.tif 000327
を生成する。また、ノード（ｋ−１）は、同時に、経路Ｖ上の上向き及び下向きフローをネットワーク符号化し、送信信号
0005358807.tif 000328
を生成する。
【０４０１】
次に、ノード（ｋ−１）は、生成された
0005358807.tif 000329
の２つのストリームを空間多重送信する。同様に、ノード（ｋ−３）は、
0005358807.tif 000330
を空間多重送信している。ただし、共通経路上のノードでは、経路Ｈと経路Ｖの区別はないため、ネットワーク符号の組合せは限定されるものではない。
【０４０２】
このとき、ノード（ｋ−２）は、ノード（ｋ−３）からの２ストリームと、ノード（ｋ−１）からの２ストリームの計４ストリームを受信し、ＭＩＭＯ検波処理を行い、ネットワーク復号処理を行い、中継制御処理を行うことで、次のタイムスロットの前向き・後向きおよび上向き・下向きの４つのフローを生成する。ただし、前向きと上向きおよび後向きと下向きの４つのフローは、それぞれ共通経路で伝送されることとなる。
【０４０３】
また、ノード（ｋ）は、ノード（ｋ−１）からの２ストリームと、ノードＨ（ｋ＋１）からの１ストリームと、ノードＶ（ｋ＋１）からの１ストリームを受信し、ＭＩＭＯ検波処理を行い、ネットワーク復号処理を行い、中継制御処理を行うことで、次のタイムスロットの前向き・後向きおよび上向き・下向きの４つのフローを生成する。ただし、後向きと下向きの二つのフローは共通経路で伝送されることとなる。
＜１０−２＞タイムスロット（ｎ＋１）
図２３に示すように、タイムスロット（ｎ＋１）のとき、ノード（ｋ−２）は、経路Ｈの前向き及び後向きフローをネットワーク符号化し、送信信号
0005358807.tif 000331
を生成する。また、ノード（ｋ−２）は同時に、経路Ｖ上の上向き及び下向きフローをネットワーク符号化し、送信信号
0005358807.tif 000332
を生成する。
【０４０４】
次に、ノード（ｋ−２）は、生成された
0005358807.tif 000333
の２つのストリームを空間多重送信する。ただし、共通経路上のノードでは、経路Ｈと経路Ｖの区別はないため、ネットワーク符号の組合せは限定されるものではない。
【０４０５】
ノード（ｋ）では、経路Ｈの前向き及び後向きフローをネットワーク符号化し、送信信号
0005358807.tif 000334
を生成する。また、ノード（ｋ）は、同時に、経路Ｖ上の上向き及び下向きフローをネットワーク符号化し、送信信号
0005358807.tif 000335
を生成する。次に、ノード（ｋ）は、生成された
0005358807.tif 000336
の２つのストリームを空間多重送信する。ただし、ノード（ｋ）では経路Ｈと経路Ｖのフローは分岐するため、ネットワーク符号の組合せは、前向きと後向きおよび上向きと下向きに限定される。
【０４０６】
このとき、ノード（ｋ−１）は、ノード（ｋ−２）からの２ストリームと、ノード（ｋ）からの２ストリームの計４ストリームを受信し、ＭＩＭＯ検波処理を行い、ネットワーク復号処理を行い、中継制御処理を行うことで、次のタイムスロットの前向き・後向きおよび上向き・下向きの４つのフローを生成する。ただし、前向きと上向きおよび後向きと下向きの四つのフローは、それぞれ共通経路で伝送されることとなる。
【０４０７】
また、ノードＨ（ｋ＋１）は、ノード（ｋ）からの２ストリームと、ノードＨ（ｋ＋２）からの１ストリームの計３ストリームを受信し、ＭＩＭＯ検波処理を行うが、経路Ｖの信号は破棄し、経路Ｈの信号のみネットワーク復号処理・中継制御処理を行い、次のタイムスロットの前向き・後向きの２つのフローを生成する。
【０４０８】
同様に、ノードＶ（ｋ＋１）は、ノード（ｋ）からの２ストリームと、ノードＶ（ｋ＋２）からの１ストリームの計３ストリームを受信し、ＭＩＭＯ検波処理を行うが、経路Ｈの信号は破棄し、経路Ｖの信号のみネットワーク復号処理・中継制御処理を行い、次のタイムスロットの上向き・下向きの２つのフローを生成する。
【０４０９】
本発明では、以上の処理を偶数および奇数のタイムスロットで繰り返すことにより、単一チャネルで二次元のツリー型の双方向フローのマルチホップ中継を実現する。
【０４１０】
なお、図１６に示すノード装置３を、本発明の第７実施形態に係るツリー型２次元マルチホップ通信システム(２ＤＭＮＣ３)におけるノード（ノード装置）として利用できることは、言うまでも無い。
＜１１＞本発明の第８実施形態に係るマルチホップ無線通信システム（２次元ＳＴＢＣ−ＭＩＭＯネットワークコーディングを用いたツリー型（Tree  type）２次元マルチホップ通信システム(２ＤＳＴＢＣＭＮＣ３)）
以下、本発明の第８実施形態に係るマルチホップ無線通信システムについて説明する。本発明の第８実施形態に係るマルチホップ無線通信システムとは、２次元ＳＴＢＣ−ＭＩＭＯネットワークコーディングを用いたツリー型（Tree  type）２次元マルチホップ通信システム(２ＤＳＴＢＣＭＮＣ３)である。
【０４１１】
つまり、本発明の第８実施形態に係るツリー型２次元マルチホップ通信システム(２ＤＳＴＢＣＭＮＣ３)では、本発明の第７実施形態に係るツリー型２次元マルチホップ通信システム(２ＤＭＮＣ３)に、ＳＴＢＣ処理（ＳＴＢＣ機能）を組合わせることで、より信頼性の高いマルチホップ中継を実現することが可能となる。
【０４１２】
ただし、２ＤＳＴＢＣＭＮＣ３では、共通経路上のノードとそれに隣接するノード以外のノードは、実施形態２に詳細に説明した１次元ＳＴＢＣ−ＭＩＭＯネットワークコーディングを行っているとする。
＜１１−１＞タイムスロットｎ
図２２に示すように、タイムスロットｎのとき、ノード（ｋ−１）は、経路Ｈの前向き及び後向きフローの連続する２シンボルをネットワーク符号化することで、送信信号
0005358807.tif 000337
を計算し、計算した
0005358807.tif 000338
を用いて経路ＨのＳＴＢＣ送信データを生成する。
【０４１３】
また、ノード（ｋ−１）は、同時に、経路Ｖ上の上向き及び下向きフローの連続する２シンボルをネットワーク符号化することで、送信信号
0005358807.tif 000339
を計算し、計算した
0005358807.tif 000340
を用いて経路ＶのＳＴＢＣ送信データを生成する。
【０４１４】
次に、ノード（ｋ−１）は、生成された２つのＳＴＢＣ送信データを４つのアンテナを用いて空間多重送信する。
【０４１５】
同様に、ノード（ｋ−３）は
0005358807.tif 000341
を計算し、計算した
0005358807.tif 000342
を用いて経路Ｈと経路ＶのＳＴＢＣ送信データを生成し、生成された２つのＳＴＢＣ送信データを４つのアンテナを用いて空間多重送信している。ただし、共通経路上のノードでは、経路Ｈと経路Ｖの区別はないため、ネットワーク符号の組合せは限定されるものではない。
【０４１６】
このとき、ノード（ｋ−２）は、ノード（ｋ−３）からのＳＴＢＣ処理された２ストリームと、ノード（ｋ−１）からのＳＴＢＣ処理された２ストリームの計４ストリームを受信し、ＳＴＢＣ受信データとＳＴＢＣチャネル行列を生成することで、ＭＩＭＯ検波処理を行い、ネットワーク復号処理を行い、中継制御処理を行うことで、次のタイムスロットの前向き・後向きおよび上向き・下向きの４つのフローの連続する２シンボルを生成する。ただし、前向きと上向きおよび後向きと下向きの四つのフローは、それぞれ共通経路で伝送されることとなる。
【０４１７】
また、ノード（ｋ）は、ノード（ｋ−１）からのＳＴＢＣ処理された２ストリームと、ノードＨ（ｋ＋１）からのＳＴＢＣ処理された１ストリームと、ノードＶ（ｋ＋１）からのＳＴＢＣ処理された１ストリームを受信し、ＳＴＢＣ受信データとＳＴＢＣチャネル行列を生成することで、ＭＩＭＯ検波処理を行い、ネットワーク復号処理を行い、中継制御処理を行うことで、次のタイムスロットの前向き・後向きおよび上向き・下向きの４つのフローの連続する２シンボルを生成する。ただし、後向きと下向きは共通経路で伝送されることとなる。
＜１１−２＞タイムスロット（ｎ＋１）
図２３に示すように、タイムスロット（ｎ＋１）のとき、ノード（ｋ−２）は、経路Ｈの前向き及び後向きフローの連続する２シンボルをネットワーク符号化することで、送信信号
0005358807.tif 000343
を計算し、計算した
0005358807.tif 000344
を用いて経路ＨのＳＴＢＣ送信データを生成する。
【０４１８】
また、ノード（ｋ−２）は、同時に、経路Ｖ上の上向き及び下向きフローの連続する２シンボルをネットワーク符号化することで、送信信号
0005358807.tif 000345
を計算し、計算した
0005358807.tif 000346
を用いて経路ＶのＳＴＢＣ送信データを生成する。
【０４１９】
次に、ノード（ｋ−２）は、生成された２つのＳＴＢＣ送信データを４つのアンテナを用いて空間多重送信する。ただし、共通経路上のノードでは、経路Ｈと経路Ｖの区別はないため、ネットワーク符号の組合せは限定されるものではない。
【０４２０】
ノード（ｋ）は、経路Ｈの前向き及び後向きフローの連続する２シンボルをネットワーク符号化することで、送信信号
0005358807.tif 000347
を計算し、計算した
0005358807.tif 000348
を用いて経路ＨのＳＴＢＣ送信データを生成する。
【０４２１】
また、ノード（ｋ）は、同時に、経路Ｖ上の上向き及び下向きフローの連続する２シンボルをネットワーク符号化することで、送信信号
0005358807.tif 000349
を計算し、計算した
0005358807.tif 000350
を用いて経路ＶのＳＴＢＣ送信データを生成する。
【０４２２】
次に、ノード（ｋ）は、生成された２つのＳＴＢＣ送信データを４つのアンテナを用いて空間多重送信する。ただし、ノード（ｋ）では、経路Ｈと経路Ｖのフローは分岐するため、ネットワーク符号の組合せは、前向きと後向きおよび上向きと下向きに限定される。
【０４２３】
このとき、ノード（ｋ−１）は、ノード（ｋ−２）からのＳＴＢＣ処理された２ストリームと、ノード（ｋ）からのＳＴＢＣ処理された２ストリームの計４ストリームを受信し、ＳＴＢＣ受信データとＳＴＢＣチャネル行列を生成することで、ＭＩＭＯ検波処理を行い、ネットワーク復号処理を行い、中継制御処理を行うことで、次のタイムスロットの前向き・後向きおよび上向き・下向きの４つのフローの連続する２シンボルを生成する。ただし、前向きと上向きおよび後向きと下向きの四つのフローは、それぞれ共通経路で伝送されることとなる。
【０４２４】
また、ノードＨ（ｋ＋１）は、ノード（ｋ）からのＳＴＢＣ処理された２ストリームと、ノードＨ（ｋ＋２）からのＳＴＢＣ処理された１ストリームの計３ストリームを受信し、ＳＴＢＣ受信データとＳＴＢＣチャネル行列を生成することで、ＭＩＭＯ検波処理を行うが、経路Ｖの信号は破棄し、経路Ｈの信号のみネットワーク復号処理・中継制御処理を行い、次のタイムスロットの前向き・後向きの２つのフローの連続する２シンボルを生成する。
【０４２５】
同様に、ノードＶ（ｋ＋１）は、ノード（ｋ）からのＳＴＢＣ処理された２ストリームと、ノードＶ（ｋ＋２）からのＳＴＢＣ処理された１ストリームの計３ストリームを受信し、ＳＴＢＣ受信データとＳＴＢＣチャネル行列を生成することで、ＭＩＭＯ検波処理を行うが、経路Ｈの信号は破棄し、経路Ｖの信号のみネットワーク復号処理・中継制御処理を行い、次のタイムスロットの上向き・下向きの２つのフローの連続する２シンボルを生成する。
【０４２６】
本発明では、以上の処理を偶数および奇数のタイムスロットで繰り返すことにより、単一チャネルで二次元のツリー型のＳＴＢＣ処理された双方向フローのマルチホップ中継を実現する。
【０４２７】
なお、図１８に示すノード装置４を、本発明の第８実施形態に係るツリー型２次元マルチホップ通信システム(２ＤＳＴＢＣＭＮＣ３)におけるノード（ノード装置）として利用できることは、言うまでも無い。
＜１２＞２ＤＭＮＣ１における干渉を考慮した協力ヌルビームフォーミング（cooperative  null  beamforming）
無線通信路のブロードキャスト性のため、受信ノードは、所望信号以外に周りの送信ノードからの干渉波を受ける。干渉源が受信ノードの近くにある程、信号対干渉雑音比（ＳＩＮＲ）特性が劣化する。
【０４２８】
そこで、本発明の発明者らは、クロス型のネットワークトポロジーを有する２次元マルチホップ通信システムにおける干渉を考慮した協力ヌルビームフォーミングの各アルゴリズム、即ち、２ＤＭＮＣ１に対する干渉低減方法（Ａ型，Ｂ型，Ｃ型）を以下のように提案する。
【０４２９】
受信ノードは、距離ｄ離れた送信ノードからの信号だけを所望信号とし、他の信号を干渉信号とする。本発明では、同経路上のノードからの干渉を同経路干渉（intra-route  interference）と言い、そうでない干渉を経路間干渉（inter-route  interference）と言う。
【０４３０】
２ＤＭＮＣ１では、同経路干渉の最少干渉距離が３ｄであり、１ＤＭＮＣの最少干渉距離と同程度で無視することができる。しかし、特にノードＣの受信時に、全てのアンテナが四つの所望信号の受信に使われ、ダイバシチオーダーの劣化に加え、ノードＨ（ｋ±３）とノードＶ（ｋ±３）からの距離３ｄ干渉を受けるため、ノードＣはネットワークのボトルネックとなる。また、１次元から２次元へ拡張した２ＤＭＮＣ１は、経路間干渉の最少干渉距離が
0005358807.tif 000351
となり、通常の干渉距離３ｄよりも短くなる。
【０４３１】
従って、ネットワークの特性を向上するために、上述した同経路干渉及び経路間干渉を低減する必要がある。以下では、上述した干渉の低減方法を具体的に述べる。
【０４３２】
本発明では、干渉低減方法（Ａ型，Ｂ型，Ｃ型）を２ＤＭＮＣ１に適用する際に、送受信ノードが送受信時に全ての四本のアンテナを用いることを前提とする。送信ノードＴとその受信ノードＲに対して、
0005358807.tif 000352
は送信ノードＴの送信ウェイトを表し、
0005358807.tif 000353
は受信ノードＲの受信ウェイトを表し、
0005358807.tif 000354
は送信ノードＴと受信ノードＲの間の伝搬チャネル行列を表す。
【０４３３】
ただし、
0005358807.tif 000355
は送信ノードＴの送信ストリーム数を表し、
0005358807.tif 000356
は受信ノードＲの所望信号の数を表す。また、下記で詳述する協力ヌルビームフォーミングに参加しない送信ノードの送信ウェイトは、一般に
0005358807.tif 000357
になる。
＜１２−１＞Ａ型干渉低減方法
まず、Ａ型干渉低減方法について説明する。Ａ型干渉低減方法とは、タイムスロットｎにおけるノードＣに対する距離３ｄ干渉を低減するための干渉低減方法であり、即ち、ノードＣに対する距離３ｄ干渉を低減するための最小固有値ビームフォーミング・アルゴリズムである。
【０４３４】
図２４に示すように、タイムスロットｎにおいて、ノードＣは、四つの所望信号を受信しながら、ノードＨ（ｋ±３）とノードＶ（ｋ±３）からの四つの距離３ｄ干渉を受けるため、ネットワークのボトルネックとなる。
【０４３５】
本発明のＡ型干渉低減方法（最小固有値ビームフォーミング・アルゴリズム）では、ノードＨ（ｋ±３）とノードＶ（ｋ±３）で適切に送信ビームフォーミングを行う（適切な送信ウェイトを選択する）ことにより、距離３ｄ干渉を低減する。
【０４３６】
ここで、ノードＨ（ｋ−３）に関して、送信ビームの選択方法（送信ウェイトの計算方法）について説明する。なお、ノードＨ（ｋ＋３）とノードＶ（ｋ±３）は、ノードＨ（ｋ−３）と同様な方法で、送信ビームの選択を行うことができるので、それらノードの送信ビームの選択方法は省略する。
【０４３７】
受信ウェイトを含むノードＣとノードＨ（ｋ−３）の間の実効伝搬チャネル行列
0005358807.tif 000358
は、特異値分解を用いて、下記数１４９に表現することができる。
【０４３８】
【数１４９】
0005358807.tif 000359
ただし、
0005358807.tif 000360
であり、
0005358807.tif 000361
の第ｉ特異値である。また、ユニタリ行列
0005358807.tif 000362
は、それぞれ
0005358807.tif 000363
の左特異行列及び右特異行列である。
【０４３９】
Ａ型干渉低減方法では、ノードＨ（ｋ−３）の送信ウェイトを行列
0005358807.tif 000364
の最後の列ベクトルとする。つまり、
0005358807.tif 000365
である。これにより、ノードＨ（ｋ−３）からノードＣへの干渉電力
0005358807.tif 000366
は、下記数１５０により計算される。
【０４４０】
【数１５０】
0005358807.tif 000367
0005358807.tif 000368
がフルランクである場合に、干渉電力
0005358807.tif 000369
の最少特異値の二乗に相当する。逆に、
0005358807.tif 000370
がフルランクでない場合に、干渉電力
0005358807.tif 000371
はゼロの値になる。
＜１２−２＞Ｂ型干渉低減方法
次に、Ｂ型干渉低減方法について説明する。Ｂ型干渉低減方法とは、タイムスロット（ｎ＋１）における距離
0005358807.tif 000372
干渉を除去するための協力ヌルビームフォーミング・アルゴリズムである。
【０４４１】
図２５に示すように、タイムスロット（ｎ＋１）において、ノードＨ（ｋ−１）は、ノードＨ（ｋ−２）及びノードＣから三つの所望信号以外に、ノードＶ（ｋ±２）からの二つの距離
0005358807.tif 000373
干渉を受ける。４本のアンテナしか持っていないノードＨ（ｋ−１）は、全ての干渉信号を除去することができない。
【０４４２】
そこで、本発明のＢ型干渉低減方法では、ノードＨ（ｋ−１）におけるノードＶ（ｋ−２）からの距離
0005358807.tif 000374
干渉に対する受信ヌルビームフォーミング、及びノードＶ（ｋ＋２）におけるノードＨ（ｋ−１）への距離
0005358807.tif 000375
干渉を除去する送信ヌルビームフォーミングの協力ヌルビームフォーミング・アルゴリズムを適用することにより、距離
0005358807.tif 000376
干渉を除去する。
【０４４３】
なお、ノードＨ（ｋ＋１）においても、このＢ型干渉低減方法（上記協力ヌルビームフォーミング・アルゴリズム）を適応できることは、言うまでも無い。
【０４４４】
ここで、ノードＨ（ｋ±１）における受信ヌルビームフォーミングのための受信ウェイトと、ノードＶ（ｋ±２）における送信ヌルビームフォーミングのための送信ウェイトが互いに影響しあうため、逐次的に求める必要がある。
【０４４５】
ここで、
0005358807.tif 000377
をノードＶ（ｋ−２）におけるノードＨ（ｋ＋１）への干渉を除去するための送信ウェイトとする。その時、ノードＶ（ｋ−２）からの干渉を部分的に除去するために、ノードＨ（ｋ−１）は、下記数１５１に基づき、ＭＭＳＥ受信ウェイト
0005358807.tif 000378
を計算する。
【０４４６】
【数１５１】
0005358807.tif 000379
ここで、
0005358807.tif 000380
に依存するノードＨ（ｋ−１）の受信信号ベクトルである。上記数１５１により計算されたＭＭＳＥ受信ウェイトは、Wiener解である。
【０４４７】
具体的に、
0005358807.tif 000381
は、ノードＨ（ｋ−１）の所望信号の期待値である。また、
0005358807.tif 000382
は、受信信号の共分散行列であり、次のように干渉チャネル行列で表現することができる。
【０４４８】
【数１５２】
0005358807.tif 000383
次に、ノードＨ（ｋ−１）への干渉を除去するためのノードＶ（ｋ＋２）の送信ウェイト
0005358807.tif 000384
は、下記数１５３により計算される。
【０４４９】
【数１５３】
0005358807.tif 000385
計算したノードＶ（ｋ＋２）の送信ウェイト
0005358807.tif 000386
を用いて、同様に、ノードＨ（ｋ＋１）のＭＭＳＥ受信ウェイト
0005358807.tif 000387
は、下記数１５４に基づき、計算される。
【０４５０】
【数１５４】
0005358807.tif 000388
そして、ノードＶ（ｋ−２）の送信ウェイト
0005358807.tif 000389
は、下記数１５５により、計算される。
【０４５１】
【数１５５】
0005358807.tif 000390
本発明のＢ型協力ヌルビームフォーミング・アルゴリズム（Ｂ型干渉低減方法）では、上記の送受信ウェイトを逐次的な手順で計算する。つまり、Ｂ型協力ヌルビームフォーミング・アルゴリズムは、ステップＢ１〜ステップＢ４から構成される。
ステップＢ１（初期化処理）
ノードＶ（ｋ−２）の送信ウェイト
0005358807.tif 000391
及び閾値
0005358807.tif 000392
の初期値を設定する。ただし、Δは計算ループ（繰り返す処理）を停止するための適切の閾値である。
ステップＢ２（協力ヌリング（Cooperative  nulling））
ノードＨ（ｋ−１）のＭＭＳＥ受信ウェイト
0005358807.tif 000393
ノードＶ（ｋ＋２）の送信ウェイト
0005358807.tif 000394
ノードＨ（ｋ＋１）のＭＭＳＥ受信ウェイト
0005358807.tif 000395
及びノードＶ（ｋ−２）の送信ウェイト
0005358807.tif 000396
は、下記数式に基づき、算出される。
【０４５２】
【数１５６】
0005358807.tif 000397
【０４５３】
【数１５７】
0005358807.tif 000398
【０４５４】
【数１５８】
0005358807.tif 000399
【０４５５】
【数１５９】
0005358807.tif 000400
ステップＢ３（干渉電力（Interference  power）の算出）
ノードＶ（ｋ±２）からノードＨ（ｋ−１）への干渉電力
0005358807.tif 000401
と、ノードＶ（ｋ±２）からノードＨ（ｋ＋１）への干渉電力
0005358807.tif 000402
は、下記数式に基づき、それぞれ算出される。
【０４５６】
【数１６０】
0005358807.tif 000403
【０４５７】
【数１６１】
0005358807.tif 000404
ステップＢ４
0005358807.tif 000405
が成立するまでに、ステップＢ２〜ステップＢ３の処理を繰り返す。
なお、ノードＶ（ｋ±１）における距離
0005358807.tif 000406
干渉を除去するために、ノードＨ（ｋ±２）及びノードＶ（ｋ±１）に対して、上述したＢ型協力ヌルビームフォーミング・アルゴリズムを適応すれば良い。
＜１２−３＞Ｃ型干渉低減方法
次に、Ｃ型干渉低減方法について説明する。Ｃ型干渉低減方法とは、タイムスロットｎにおける距離
0005358807.tif 000407
干渉を除去するための協力ヌルビームフォーミング・アルゴリズムである。
【０４５８】
図２６に示すように、タイムスロットｎにおいて、ノードＶ（ｋ＋２）は、ノードＶ（ｋ＋１）及びノードＶ（ｋ＋３）からの所望信号以外に、ノードＨ（ｋ＋１）からの距離
0005358807.tif 000408
干渉を受ける。４本のアンテナを持っているノードＶ（ｋ＋２）は、自分で干渉信号を除去できるが、所望信号のダイバシチオーダーが劣化してしまう問題が発生する。
【０４５９】
そこで、本発明のＣ型干渉低減方法では、上述したＢ型協力ヌルビームフォーミング・アルゴリズムの原理を、ノードＨ（ｋ±１）及びノードＶ（ｋ±２）に適応することにより、上述したノードＶ（ｋ＋２）における所望信号のダイバシチオーダーの劣化問題を解決する。
【０４６０】
本発明のＣ型協力ヌルビームフォーミング・アルゴリズム（Ｃ型干渉低減方法）では、ノードＨ（ｋ±１）及びノードＶ（ｋ±２）の送受信ウェイトを逐次的な手順で計算する。つまり、Ｃ型協力ヌルビームフォーミング・アルゴリズムは、ステップＣ１〜ステップＣ４から構成される。
ステップＣ１（初期化処理）
ノードＨ（ｋ−１）の送信ウェイト
0005358807.tif 000409
及び閾値
0005358807.tif 000410
の初期値を設定する。ただし、Δは計算ループ（繰り返す処理）を停止するための適切の閾値である。
ステップＣ２（協力ヌリング（Cooperative  nulling））
ノードＶ（ｋ＋２）のＭＭＳＥ受信ウェイト
0005358807.tif 000411
ノードＨ（ｋ＋１）の送信ウェイト
0005358807.tif 000412
ノードＶ（ｋ−２）のＭＭＳＥ受信ウェイト
0005358807.tif 000413
及びノードＨ（ｋ−１）の送信ウェイト
0005358807.tif 000414
は、下記数式に基づき、算出される。
【０４６１】
【数１６２】
0005358807.tif 000415
【０４６２】
【数１６３】
0005358807.tif 000416
【０４６３】
【数１６４】
0005358807.tif 000417
【０４６４】
【数１６５】
0005358807.tif 000418
ステップＣ３（干渉電力（Interference  power）の算出）
ノードＨ（ｋ±１）からノードＶ（ｋ＋２）への干渉電力
0005358807.tif 000419
と、ノードＨ（ｋ±１）からノードＶ（ｋ−２）への干渉電力
0005358807.tif 000420
は、下記数式に基づき、それぞれ算出される。
【０４６５】
【数１６６】
0005358807.tif 000421
【０４６６】
【数１６７】
0005358807.tif 000422
ステップＣ４
0005358807.tif 000423
が成立するまでに、ステップＣ２〜ステップＣ３の処理を繰り返す。
なお、ノードＨ（ｋ＋２）における所望信号のダイバシチオーダーの劣化問題を解決するために、ノードＶ（ｋ±１）及びノードＨ（ｋ±２）に対して、上述したＣ型協力ヌルビームフォーミング・アルゴリズムを適応すれば良い。
＜１２−４＞協力ヌルビームフォーミング機能を備えたノード装置
ここで、クロス型のネットワークトポロジーを有する本発明に係る２次元マルチホップ通信システムに利用できる、本発明の協力ヌルビームフォーミング機能を備えたノード装置について説明する。
【０４６７】
図２７は、図１６に示すノード装置に本発明の協力ヌルビームフォーミング機能を加えて構成されたノード装置の構成を示すブロック図である。また、図２８図２７に示すノード装置の動作手順を示すフローチャートである。図２７に示すノード装置５は、クロス型のネットワークトポロジーを有する本発明に係る２次元マルチホップ通信システムに利用できる。
【０４６８】
ノード装置５は、ノード装置３に、＜１２−２＞及び＜１２−３＞で述べた本発明の協力ヌルビームフォーミング機能を追加して構成されるノード装置である。図１６に示すノード装置３と比較すれば分かるように、ノード装置５は、協力ヌルビームフォーミング機能を除いて、その構成や動作は、基本的にノード装置３と同じである。
【０４６９】
ノード装置５における協力ヌルビームフォーミング機能、即ち、ヌルビームウェイト生成処理、受信ヌルビーム形成処理、経路Ｈにおける送信ヌルビーム形成処理、及び経路Ｖにおける送信ヌルビーム形成処理については、上述したＢ型協力ヌルビームフォーミング・アルゴリズム、又はＣ型協力ヌルビームフォーミング・アルゴリズムに基づいて行われる。
＜１２−５＞協力ヌルビームフォーミング・アルゴリズムの更なる検討
上述した本発明の協力ヌルビームフォーミング・アルゴリズムでは、ノード間の伝搬路情報及び送受信ウェイトの交換を必要としている。この作業をリアルタイム的に実現するのは困難なところもある。
【０４７０】
しかし、バックボーンネットワークにおいて、伝搬チャネルの時間変動が激しくないこと、やシミュレーション結果で分かった逐次的な送受信ウェイト計算の速い収束性の性質を用いて、協力ヌルビームフォーミング・アルゴリズムを実現するため、大きく２つの段階に分けれる。
＜１２−５−１＞初期段階
初期段階において、ネットワークを展開する時に、伝搬チャネルが静的であると仮定する。つまり、下記で説明する作業を行う間に、全ての伝搬チャネルの時間変動が生じないことにする。また、初期段階に各ノードの送受信ウェイトを確立するために、データ伝送を行わず伝搬チャネルを推定するためのプリアンブルだけの送受信を行う。また、各ノードを区別するため、全てのプリアンブル信号が直交するとする。
【０４７１】
一般性を失わず、ネットワークの最初の送受信状態は、図２６で示すタイムスロットｎであると仮定する。各送信ノードの初期送信ウェイトは、単位行列の第一列目とする。ここで、ノードＨ（ｋ±１）及びノードＶ（ｋ±２）に着目して説明する。周りの信号を受信するノードＶ（ｋ±２）は、プリアンブル信号から伝搬チャネルを推定し、仮の受信ウェイトを計算する。
【０４７２】
次のタイムスロット（ｎ＋１）にノードＶ（ｋ±１）は、送信ノードになり、自分のプリアンブルの後ろ、仮の受信ウェイトを乗じたプリアンブルを付加して送信する。この時、ノードＨ（ｋ±１）は受信状態となり、図２５で示すように、協調ヌルビームフォーミングが成立したとしても、ノードＨ（ｋ＋１）（またＨ（ｋ−１））は、ノードＶ（ｋ＋２）（またＶ（ｋ−２））からの信号を受信することができる。
【０４７３】
受信したプリアンブル信号から、ノードＨ（ｋ＋１）（またノードＨ（ｋ−１））は、上記数１６３(また上記数１６５)のように、ノードＶ（ｋ＋１）（またノードＶ（ｋ−１））へ干渉を与えないように送信ウェイトを更新し、プリアンブルに乗算して送信する。このループを数回実行することにより、送受信ノードの協力ヌルビームフォーミングウェイトが成立する。
＜１２−５−２＞運用段階
運用段階においても、伝搬チャネルの変動性が低いと仮定する。伝搬チャンネルの微変動に対する協調ヌルビームフォーミングを保持するために、２つの方法がある。
【０４７４】
１つの方法とは、初期段階のような作業を常に行うことである。ただし、伝送するデータがプリアンブルの後方に付加される。もう１つの方法とは、協調ヌルビームフォーミングに参加するノードに対して、タイムスロットの一部分を、干渉を監視するために使い、干渉量を送信ノードへフィードバックする。送受信の周期性から、このフィードバックの実現は難しくない。送信ノードでは、フィードバック量に基づいて適応信号処理を行い、準最適の送信ウェイトを保持する。この技術をトラッキングと言う。
＜１３＞数値解析
本発明の発明者らは数値計算を行い、本発明の二次元ＭＩＭＯネットワークコーディング各方式の有効性を検証した。シミュレーションでは、全ての隣接ノード間のストリーム当たりの平均信号対雑音比（ＳＮＲ）が同じように設定される。つまり、全ての信号ストリームが等電力で送信される。
【０４７５】
また、ネットワークにおいて信号ストリームの数及びノードの数が異なるため、公平な比較を行うために、ストリーム毎の送信電力αｉは、下記数１６８によりに正規化される。
【０４７６】
【数１６８】
0005358807.tif 000424
ただし、上記数１６８の分子及び分母がそれぞれ二時刻周期におけるノードの数やストリーム数を表す。そして、伝搬チャネルは、フラットレイリーフェージングに従うと仮定する。また、伝搬環境は準静的であり、つまり、時刻毎の伝搬チャネルが不変であると仮定する。
【０４７７】
本発明の二次元ＭＩＭＯネットワークコーディング各方式の比較対象として、次の方式１,方式２,方式３を検討した。
＜方式１＞：
経路毎に４チャネルを使うマルチチャネル単一方向ＳＩＳＯメッシュネットワーク(β＝１／８、図１０(ａ)、ノード当りのアンテナ本数：１)、即ち、従来のマルチチャネルSISO（8  channel）
＜方式２＞：
経路毎に４チャネルを使うマルチチャネルＭＩＭＯメッシュネットワーク(β＝１／８、図１０(ａ)、ノード当りのアンテナ本数：４)、即ち、従来のマルチチャネルＭＩＭＯlink-by-link MIMO  (8  channel)
＜方式３＞：
経路毎に１チャネルを使い、且つ一次元ＭＩＭＯネットワークコーディングを利用する双方向ＭＩＭＯメッシュネットワーク(β＝１／２、図１０(ｂ)、ノード当りのアンテナ本数：４)、即ち、本発明の一次元ＭＩＭＯネットワークコーディング１ＤＭＮＣ（2  channel）
また、評価に使う値として、ネットワークのエンド・ツー・エンド伝送容量を用いる。エンド・ツー・エンド伝送容量は、次のように計算される。
【０４７８】
まず、受信ノードＲの特定の所望信号のインデックスをｐとする。ただし、インデックスｐは、受信ノードＲが受信状態となる時刻におけるネットワーク全体の信号ストリームの中のグローバルインデックスである。伝搬チャネル行列、各送信ノードの送信ウェイト及び受信ノードＲ自体の受信ウェイトから、簡易に所望信号
0005358807.tif 000425
の瞬時伝送容量
0005358807.tif 000426
を計算することができる。ノードＲは表１における
0005358807.tif 000427
に属すれば、
0005358807.tif 000428
がノードＲの
0005358807.tif 000429
の所望信号となるようなグローバルインデックス
0005358807.tif 000430
が存在する。ただし、
0005358807.tif 000431
はＦ，Ｂ，Ｄ，Ｕをまとめて表現した記号である。
【０４７９】
従って、
0005358807.tif 000432
を計算できる。このように、前向きフロー、後向きフロー、下向きフロー、上向きフローのエンド・ツー・エンド伝送容量は、下記数１６９〜数１７２により計算することができる。
【０４８０】
【数１６９】
0005358807.tif 000433
【０４８１】
【数１７０】
0005358807.tif 000434
【０４８２】
【数１７１】
0005358807.tif 000435
【０４８３】
【数１７２】
0005358807.tif 000436
つまり、あるフローのエンド・ツー・エンド伝送容量は、そのフロー上にあるノードの平均伝送容量の最小値であることを意味する。
【０４８４】
上記各フローのエンド・ツー・エンド伝送容量に基づいて、フロー当りの平均エンド・ツー・エンド伝送容量
0005358807.tif 000437
は、下記数１７３により計算される。
【０４８５】
【数１７３】
0005358807.tif 000438
＜１３−１＞遠距離干渉が存在しない場合
各従来方式及び本発明のフロー当りの平均エンド・ツー・エンド伝送容量を図２９に示す。図２９から、時間あるいは周波数（資源）利用効率が悪いため、マルチチャネルＳＩＳＯの特性が一番悪いことが分かる。また、図２９から、リンク毎にＭＩＭＯを導入することで空間多重の効果により、マルチチャネルＳＩＳＯの低い資源利用効率を改善できることが分かる。さらに、図２９から、マルチチャネルＳＩＳＯと比べて、マルチチャネルＭＩＭＯの特性の方が四倍以上改善したことが確認できる。
【０４８６】
ネットワークコーディングを導入することも資源利用効率をよくする一つの手段である。図２９から分かるように、一次元ＭＩＭＯネットワークコーディングを利用する本発明の二次元メッシュネットワークでは、マルチチャネルＭＩＭＯよりも、フロー当り１ｂｐｓ／Ｈｚの改善を実現する。
【０４８７】
そして、本発明の二次元ＭＩＭＯネットワークコーディング各方式の伝送容量特性が最も良いことは、図２９から一目瞭然である。
【０４８８】
本発明の二次元ＭＩＭＯネットワークコーディング各方式では、空間・時間・周波数資源を効率よく使えるため、マルチチャネルＳＩＳＯよりも８倍近くの伝送容量増大まで達成している。ただし、２ＤＭＮＣ１及び２ＤＭＮＣ２の小さな特性の差は、上記数１６８で与えられる正規化電力の差によるものである。全体の帯域幅５ＭＨｚのシステムを考えると、ＳＮＲ＝３０ｄＢにおいて、ネットワーク伝送容量の等価値は、それぞれ２４Ｍｂｐｓ(マルチチャネルＳＩＳＯ)、８８Ｍｂｐｓ(マルチチャネルＭＩＭＯ)、１０４Ｍｂｐｓ(一次元ＭＩＭＯネットワークコーディング)、１６４Ｍｂｐｓ(二次元ＭＩＭＯネットワークコーディング)である。
＜１３−２＞遠距離干渉が存在する場合
遮蔽物の少ない等の特性の伝搬環境において、遠距離干渉の影響を無視することができない。減衰係数γ＝３．５の伝搬環境におけるエンド・ツー・エンド伝送容量特性を図３０に表す。
【０４８９】
図３０より、遠距離干渉の影響を無視できない時に、全ての方式の伝送容量特性が劣化することが分かる。しかし、このような環境の中でも、本発明の伝送容量特性が他の方式と比べて優れていることは確認できる。
【０４９０】
図３０に基づき、２ＤＭＮＣ１に対して協力ヌルビームフォーミングの各アルゴリズムを導入した後の結果について説明する。
【０４９１】
まず、ノードＣに対する距離３ｄ干渉を低減するための最小固有値ビームフォーミング・アルゴリズム（Ａ型干渉低減方法）を導入することで、高いＳＮＲエリアでは、伝送容量が前と比べてフロー当り１ｂｐｓ／Ｈｚ程度改善する。
【０４９２】
また、距離
0005358807.tif 000439
干渉を除去するための協力ヌルビームフォーミング・アルゴリズム（Ｂ型干渉低減方法及びＣ型干渉低減方法）を更に導入する効果として、本発明では、最終的にエンド・ツー・エンド伝送容量がフロー当り５ｂｐｓ／Ｈｚ近くまで達成できる。
以上では、２次元ＭＩＭＯネットワークコーディングを用いた本発明に係る２次元マルチホップ通信システムについて、上述した複数の具体的な実施形態を用いて詳細に説明したが、本発明はそれらの実施形態に限定されることはない。
【０４９３】
上述した本発明の実施形態では、ＭＩＭＯ検波処理において、具体例として、ＭＩＭＯ受信にゼロフォーシング（ＺＦ）アルゴリズムとＭＭＳＥアルゴリズムを使用したが、本発明はそれに限定されることはなく、例えば、非特許文献１０に記載されたような任意のＭＩＭＯ検波方式（ＭＩＭＯ検波処理）を適用することも可能である。
【０４９４】
また、上述した本発明の実施形態では、特定な数式に基づき、ネットワーク符号化処理を行うようにしているが、本発明におけるネットワーク符号化処理は、それらの数式に基づく演算操作に限定されることはなく、他の演算操作によるネットワーク符号化処理を本発明に適用することも勿論可能である。
【０４９５】
また更に、上述した本発明の実施形態では、特定の数式に基づき、ネットワーク復号処理を行うようにしているが、本発明におけるネットワーク復号処理はそれらの数式に基づく演算操作に限定されることはなく、他の演算操作によるネットワーク復号処理を本発明に適用することも勿論可能である。
【図面の簡単な説明】
【０４９６】
【図１】既存のＭＩＭＯマルチホップ／メッシュネットワークを説明するための模式図である。
【図２】本発明に係るマルチホップ無線通信システムを説明するための模式図である。
【図３】時空間ブロック符号を適用したＭＩＭＯネットワークコーディングを用いた本発明のマルチ無線通信システムにおいて、第ｋノードにおける送受信処理を説明するための模式図である。
【図４】本発明の第２実施形態に係るマルチホップ無線通信システムにおけるノード装置（ノード装置１）の構成を示すブロック図である。
【図５】図４に示すノード装置１の動作手順を示すフローチャートである。
【図６】本発明の第１実施形態に係るマルチホップ無線通信システムにおけるノード装置（ノード装置２）の構成を示すブロック図である。
【図７】図６のノード装置２の動作手順を示すフローチャートである。
【図８】数値シミュレーション用のシナリオ（Ａ），（Ｂ），（Ｃ），（Ｄ），（Ｅ），（Ｆ），（Ｇ）を示す模式図である。
【図９】モンテカルロシミュレーションにより計算した各シナリオのＳＮＲに対する平均総キャパシティを示すグラフである。
【図１０】クロス型やロータリー型トポロジーを有する無線メッシュネットワーク及びネットワーク内の情報フローを説明するための模式図である。
【図１１】本発明の２ＤＭＮＣ１及び２ＤＭＮＣ２を説明するための模式図である。
【図１２】タイムスロットｎにおいて、本発明の第３実施形態に係るマルチホップ無線通信システム（クロス型２次元マルチホップ通信システム）の情報伝達を説明するための模式図である。
【図１３】タイムスロットｎ＋１において、本発明の第３実施形態に係るマルチホップ無線通信システム（クロス型２次元マルチホップ通信システム）の情報伝達を説明するための模式図である。
【図１４】タイムスロットｎにおいて、本発明の第３実施形態に係るマルチホップ無線通信システム（クロス（左折・右折）型２次元マルチホップ通信システム）の情報伝達を説明するための模式図である。
【図１５】タイムスロット（ｎ＋１）において、本発明の第３実施形態に係るマルチホップ無線通信システム（クロス（左折・右折）型２次元マルチホップ通信システム）の情報伝達を説明するための模式図である。
【図１６】本発明に係る２次元ＭＩＭＯネットワークコーディングを用いる２次元マルチホップ通信システムにおけるノード装置の一構成例を示すブロック図である。
【図１７】図１６に示すノード装置の動作手順を示すフローチャートである。
【図１８】本発明に係る２次元ＭＩＭＯネットワークコーディングを用いる２次元マルチホップ通信システムにおけるノード装置の一構成例を示すブロック図である。
【図１９】図１８に示すノード装置の動作手順を示すフローチャートである。
【図２０】タイムスロットｎにおいて、本発明の第５実施形態に係るマルチホップ無線通信システム（ロータリー型２次元マルチホップ通信システム）の情報伝達を説明するための模式図である。
【図２１】タイムスロット（ｎ＋１）において、本発明の第５実施形態に係るマルチホップ無線通信システム（ロータリー型２次元マルチホップ通信システム）の情報伝達を説明するための模式図である。
【図２２】タイムスロットｎにおいて、本発明の第７実施形態に係るマルチホップ無線通信システム（ツリー型２次元マルチホップ通信システム）の情報伝達を説明するための模式図である。
【図２３】タイムスロットｎ＋１において、本発明の第７実施形態に係るマルチホップ無線通信システム（ツリー型２次元マルチホップ通信システム）の情報伝達を説明するための模式図である。
【図２４】本発明のＡ型干渉低減方法（最小固有値ビームフォーミング・アルゴリズム）を説明するための模式図である。
【図２５】本発明のＢ型干渉低減方法（Ｂ型協力ヌルビームフォーミング・アルゴリズム）を説明するための模式図である。
【図２６】本発明のＣ型干渉低減方法（Ｃ型協力ヌルビームフォーミング・アルゴリズム）を説明するための模式図である。
【図２７】図１６に示すノード装置に協力ヌルビームフォーミング機能を加えて構成されたノード装置の構成を示すブロック図である。
【図２８】図２７に示すノード装置の動作手順を示すフローチャートである。
【図２９】遠距離干渉が存在しない場合のＳＮＲに対する平均エンド・ツー・エンドキャパシティを示すグラフである。
【図３０】遠距離干渉が存在した場合のＳＮＲに対する平均エンド・ツー・エンドキャパシティを示すグラフである。
【符号の説明】
【０４９７】
１、２、３、４、５    ノード装置
１０、１００    ＲＦトランシーバ
１５、１５０    フレーム処理部
２０、２００    ＳＴＢＣ受信データ生成部
３０、３００    チャネル推定部
４０、４００    ＭＩＭＯ検波部
５０、５００    ＳＴＢＣチャネル行列生成部
６０    ネットワーク復号部
７０    中継制御部
９０    ネットワーク符号化部
１００    ＳＴＢＣ送信データ生成部
１１０    トレーニング信号付加部
３５０    ヌルビームウェイト生成部
４１０    受信ヌルビーム形成機能を有するＭＩＭＯ検波部
６０１    経路Ｈにおけるネットワーク復号部
６０２    経路Ｖにおけるネットワーク復号部
７０１    経路Ｈにおける中継制御部
７０２    経路Ｖにおける中継制御部
９０１    経路Ｈにおけるネットワーク符号化部
９０２    経路Ｖにおけるネットワーク符号化部
９５１    経路Ｈにおける送信ヌルビーム形成部
９５２    経路Ｖにおける送信ヌルビーム形成部
１００１    経路ＨにおけるＳＴＢＣ送信データ生成部
１００２    経路ＶにおけるＳＴＢＣ送信データ生成部
１１０１    経路Ｈにおけるトレーニング信号付加部
１１０２    経路Ｖにおけるトレーニング信号付加部
【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８】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図３】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図２９】
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【図３０】
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