(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基地局と少なくとも１つの端末とが同一周波数で通信する際に、これ以外の干渉波が到来する環境下で、前記基地局と通信を行っていない通信局を中継局として用いる通信システムであって、
前記基地局は、２本以上のアンテナ素子を具備し、
前記端末は、１本以上のアンテナ素子を具備し、
前記中継局は、前記干渉波が有する、前記基地局と前記端末とで既知であるトレーニング区間と該トレーニング区間での受信信号とに基づいて、前記干渉波が到来する区間と到来しない区間とを推定する第１の推定手段と、前記トレーニング区間と該トレーニング区間からの受信信号とを用いて、前記干渉波と自己との間の第１の伝達関数を推定する第２の推定手段とを具備し、
前記中継局は、前記干渉波が到来しない区間を用いて、前記干渉波を前記端末に転送することを特徴とする通信システム。
【請求項２】
前記基地局は、
前記干渉波の到来する時間に前記端末への送信タイミングを合わせる送信タイミング決定手段と、
前記送信タイミングであって、かつ、前記干渉波の前記トレーニング区間以外のデータ区間において、前記中継局に対して受信信号がほぼゼロになるような指向性を用いて前記端末に信号を送信する送信制御手段と、
を更に具備することを特徴とする請求項１記載の通信システム。
【請求項３】
前記中継局は、
前記データ区間での受信信号と前記第１の伝達関数とに基づいて、前記データ区間の干渉波を推定する第３の推定手段と、
前記基地局からの送信信号を一旦停止し、前記干渉波の到来しない区間を用いて、前記第３の推定手段により推定した干渉波を前記端末に送信する干渉信号送信手段と、
を更に具備することを特徴とする請求項２記載の通信システム。
【請求項４】
前記端末は、
前記干渉波のトレーニング区間を用いて、前記基地局と前記端末間の第２の伝達関数、前記干渉波と前記端末間の第３の伝達関数、及び前記中継局と前記端末間の第４の伝達関数を推定する第４の推定手段と、
前記送信タイミングであって、かつ、前記干渉波の前記トレーニング区間以外のデータ区間に前記基地局から送信された信号の当該端末での受信信号と、前記干渉波の到来しない区間を用いて、前記中継局から送信された干渉波の当該端末での受信信号と、前記第３の伝達関数とに基づいて、干渉波を除去する干渉波除去手段と、
を具備することを特徴とする請求項３記載の通信システム。
【請求項５】
基地局と少なくとも１つの端末とが同一周波数で通信する際に、これ以外の干渉波が到来する環境下で、前記基地局と通信を行っていない通信局を中継局として用いる通信方法であって、
前記中継局により、前記基地局と前記端末とで既知である前記干渉波が有するトレーニング区間と該トレーニング区間での受信信号とに基づいて、前記干渉波が到来する区間と到来しない区間とを推定する第１のステップと、
前記中継局により、前記トレーニング区間と該トレーニング区間からの受信信号とを用いて、前記干渉波と自己との間の第１の伝達関数を推定する第２のステップと、
前記中継局により、前記第２のステップで推定された前記第１の伝達関数を前記基地局と前記端末に通知する第３のステップと、
前記基地局により、前記干渉波の到来する時間に前記端末への送信タイミングを合わせる第４のステップと、
前記端末により、前記干渉波のトレーニング区間を用いて、前記基地局と前記端末間の第２の伝達関数、前記干渉波と前記端末間の第３の伝達関数、及び前記中継局と前記端末間の第４の伝達関数を推定する第５のステップと、
前記基地局により、前記送信タイミングであって、かつ、前記干渉波の前記トレーニング区間以外のデータ区間において、前記中継局に対して受信信号がほぼゼロになるような指向性を用いて前記端末に信号を送信する第６のステップと、
前記中継局により、前記データ区間での受信信号と前記第１の伝達関数とに基づいて、前記データ区間の干渉波を推定する第７のステップと、
前記中継局により、前記基地局からの送信信号を一旦停止し、前記干渉波の到来しない区間を用いて、前記第７のステップで推定された干渉波を前記端末に送信する第８のステップと、
前記端末により、前記第６のステップで前記基地局から送信された信号の当該端末での受信信号と、前記第８のステップで前記中継局から送信された干渉波の当該端末での受信信号と、前記第５のステップで推定された前記第３の伝達関数とに基づいて、干渉波を除去する第９のステップと、
を含むことを特徴とする通信方法。
【請求項６】
前記第８のステップは、前記中継局のアンテナ本数をＮ、前記端末のアンテナの本数をＭとした場合、前記第７のステップで推定された干渉波を、Ｋ分割（ＫはＭとＮの中で最小値）し、Ｋ本のアンテナから送信することを特徴とする請求項５記載の通信方法。
【請求項７】
前記第５のステップは、
前記トレーニング区間を第１の区間、第２の区間、及び第３の区間に分割し、
前記第１の区間では、前記基地局の送信を停止させ、前記中継局の送信を停止させ、前記第１の区間における前記端末の受信信号と、前記第１の区間における干渉波とに基づいて、前記干渉波と前記端末間の第３の伝達関数を推定し、
前記第２の区間では、前記基地局に信号を送信させ、前記中継局の送信を停止させ、前記第２の区間における前記端末の受信信号と、前記第２の区間における干渉波と、前記第３の伝達関数とに基づいて、前記中継局と端末間の第４の伝達関数を推定し、
前記第３の区間では、前記基地局の送信を停止させ、前記中継局に信号を送信させ、前記第３の区間における前記端末の受信信号と、前記第３の区間における干渉波と、前記第３の伝達関数とに基づいて、前記基地局と前記端末間の第２の伝達関数を推定する、
ことを特徴とする請求項５記載の通信方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、隣接セルからの干渉波が存在する環境においても、中継局を用いた協調的な干渉キャンセル技術を用いることにより、効率的にマルチユーザ環境で空間分割多重伝送を行う通信システム及び通信方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、携帯電話や、無線ＬＡＮシステムにおいて、限られた周波数帝城で１００Ｍｂｐｓ〜１Ｇｂｐｓ程度の超高速無線通信を実現するための技術が検討されている。こういった無線通信システムを実現するためには、周波数、時間、符号をユーザ端末毎に分割するだけでなく、空間領域を用いた技術により周波数利用効率を向上させながら、伝送速度を改善するための検討が行われている。
【０００３】
そのための技術としては、ＭＩＭＯ（Multiple-Input Multiple-Output）技術が非常に注目を集めている。このＭＩＭＯ技術とは、送信局側において複数の送信アンテナから同一チャネル上で異なる独立な信号を送信し、受信局側において同じく複数のアンテナを用いて信号を受信し、各送信アンテナ／受信アンテナ間の伝達関数行列を求め、この行列を用いて、送信局側で各アンテナから送信した独立な信号を推定し、データを再生するものである。
【０００４】
ＭＩＭＯ技術を用いた理論的な最大伝送容量Ｃは、次式（１）で求めることが、理論的に導出することができる。この事実は、例えば、非特許文献１などに記載されている。
【０００５】
【数１】
0004538039.tif 000002
【０００６】
上記数式（１）において、ρは信号対雑音電力比、Ｍは送信アンテナ素子数、ベクトルＩＮは、受信素子数Ｎ×Ｎの単位行列である。また、ベクトルＨは、送信アンテナと受信アンテナ間の伝搬チャネル応答を表す伝達関数行列であり、次式（２）で記述することができる。
【０００７】
【数２】
0004538039.tif 000003
【０００８】
ここでｈｉｊはｉ番目の送信アンテナからｊ番目の受信アンテナへの伝搬路のチャネル応答である。
【０００９】
ところで、ＭＩＭＯで得られる通信容量は、送受信の両方のアンテナ素子数に比例して増大することが知られている。ここで、基地局アンテナは、比較的ハードウエアの制約が少ないため、素子数を増加させることが許容できるが、小型の端末を考えた場合、多数のアンテナ素子を配置することができない。
【００１０】
この問題を解消するための技術として、図１１に示すマルチユーザＭＩＭＯ技術が提案されている。この事実は、例えば、文献１（Q.H.  Spencer et. al IEEE Trans. Sig. Processing, vol. 52, no.2, Feb.２００４）などに開示されている。図示するように、マルチユーザＭＩＭＯでは、基地局１側に多数のアンテナ素子をもたせ、端末ＭＳ＃１、ＭＳ＃２、ＭＳ＃３側は比較的少数の素子をもたせ、基地局１と複数の端末ＭＳ＃１〜ＭＳ＃３とで同時に仮想的なＭＩＭＯチャネルを形成する。ここで、基地局１と同時接続する総端末数をＮ、基地局１のアンテナ数をＭとすると、理想的には数式（１）で得られるチャネル容量を得ることが可能である。したがって、マルチユーザは、小型の端末を考えた場合もトータルのシステムの通信容量を増大させることができる技術として注目されている。
【特許文献１】Mohinder Jankiraman,Space-time codes and MIMO systems, Artech House Inc.,2004, p.23-24.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
上述したＭＩＭＯ及びマルチユーザＭＩＭＯ技術は、図１２に示すような問題点が存在する。図１２に示すように、一般に、セルラシステムなどに代表される屋外などの無線通信システムでは、複数の基地局がそれぞれのサービスエリアを有するマルチセル環境であり、自セル（ある基地局がサービスをするエリア）内の端末からだけではなく、周辺セル（他の基地局がサービスをするエリア）からの信号が干渉として到来する。
【００１２】
ここで、各セル間で信号の送受信タイミングを同期させる場合、この干渉量は、比較的抑えることができるが、この場合、システム内の制御が複雑になる。一方、図１２に示すアクセスポイントＡＰ間で自律分散的に動作させることを考える。この場合、例えば、図示するように、ある端末（移動局）ＭＳが通信するアクセスポイントＡＰに対し、このアクセスポイントＡＰが形成するゾーン（点線の円内）の端にいるような場合には、周辺セルからの端末ＭＳからの信号が最も大きな干渉となる（太線の矢印）。
【００１３】
一般に、ＭＩＭＯや、マルチユーザＭＩＭＯ技術は、このようなマルチセル環境ではなく、屋内無線ＬＡＮや、ホットスポットのような環境で用いられることが想定されており、いわゆるシングルセル環境で評価されてきた。しかしながら、実際の屋外環境では、マルチセル環境を想定する必要があり、この場合には、周辺セルからの干渉がＭＩＭＯ伝送の特性を劣化させるという問題がある。
【００１４】
ＭＩＭＯ及びマルチユーザＭＩＭＯ技術では、一般に、複数の信号を受信側で分離する処理が行われる。この複数の信号を分離する方法として、ＺＦ（Zero Forcing）法や、ＭＭＳＥ（Minimum Mean Square）法がよく知られている。この事実は、文献２（大鐘、ＭＩＭＯシステムの基礎と要素技術、アンテナ・伝播における設計・解析手法ワークショップ、Ｗ２９、３０）などに開示されている。
【００１５】
図１３は、ＺＦ法を用いた場合の干渉除去を示す概念図である。この方法を応用して、干渉信号に対しても伝搬チヤネルの推定を行うことができれば、ＺＦ法や、ＭＭＳＥ法を、周辺セルからの干渉波の除去に用いることができる。図１３において、ｈはそれぞれ送信と受信局の間のチヤネル応答を表す。図１１において、所望信号と干渉信号をＳ、Ｉとすると、端末ＭＳのアンテナ＃１、＃２で受信される信号ｘ１、ｘ２は、次式（３）、（４）で与えられる。
【００１６】
【数３】
0004538039.tif 000004
【００１７】
【数４】
0004538039.tif 000005
【００１８】
ここで、ｎは、熱雑音を表す。数式（３）、（４）を行列化すると、次式（５）で表される。
【００１９】
【数５】
0004538039.tif 000006
【００２０】
上記数式（３）において、雑音電力を無視すると、次式（６）で干渉信号を推定できる。
【００２１】
【数６】
0004538039.tif 000007
【００２２】
ここで、チルダ（〜：上付き波線記号）ｓ、チルダ（〜）ｉは、それぞれ所望信号及び干渉信号の推定値である。数式（６）により、ＺＦにより、所望信号を復元できる。この際、干渉信号は完全に除去される。
【００２３】
しかしながら、一般に、ＭＩＭＯや、マルチユーザＭＩＭＯを実現する場合、端末のアンテナと同数もしくはそれに近い数の信号を空間分割多重することが想定される。すなわち、これに対し、さらに干渉波が追加されると、トータルの信号数が端末のアンテナと同数もしくは超えることになる。こういった環境では、干渉除去を行うことによるＺＦ法や、ＭＭＳＥ法の特性が大きく劣化することが知られている。これは、数式（５）から数式（６）を導出するにあたり、雑音電力が無視されているが、信号数が多くなると、実際は、雑音の電力が無視できなくなるためである。この事実は、例えば、文献３（西森ほか、屋内実環境における送信選択ダイバーシチを用いたＭＩＭＯ−ＺＦ構成の効果  電子情報通信学会ソサエティ大会予稿、Ｂ−１−２４３）に開示されている。したがって、マルチセルのような環境でも、マルチユーザＭＩＭＯ伝送を実現することが可能な技術を提供する必要がある。
【００２４】
本発明は、このような事情を考慮してなされたものであり、その目的は、マルチセル環境において、周辺セルからの干渉が存在する場合であっても、効率的なマルチユーザＭＩＭＯ伝送を実現することができる通信システム及び通信方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２５】
上述した課題を解決するために、本発明は、基地局と少なくとも１つの端末とが同一周波数で通信する際に、これ以外の干渉波が到来する環境下で、前記基地局と通信を行っていない通信局を中継局として用いる通信システムであって、前記基地局は、２本以上のアンテナ素子を具備し、前記端末は、１本以上のアンテナ素子を具備し、前記中継局は、前記干渉波が有する、前記基地局と前記端末とで既知であるトレーニング区間と該トレーニング区間での受信信号とに基づいて、前記干渉波が到来する区間と到来しない区間とを推定する第１の推定手段と、前記トレーニング区間と該トレーニング区間からの受信信号とを用いて、前記干渉波と自己との間の第１の伝達関数を推定する第２の推定手段とを具備し、前記中継局は、前記干渉波が到来しない区間を用いて、前記干渉波を前記端末に転送することを特徴とする通信システムである。
【００２６】
本発明は、上記の発明において、前記基地局は、前記干渉波の到来する時間に前記端末への送信タイミングを合わせる送信タイミング決定手段と、前記送信タイミングであって、かつ、前記干渉波の前記トレーニング区間以外のデータ区間において、前記中継局に対して受信信号がほぼゼロになるような指向性を用いて前記端末に信号を送信する送信制御手段と、を更に具備することを特徴とする。
【００２７】
本発明は、上記の発明において、前記中継局は、前記データ区間での受信信号と前記第１の伝達関数とに基づいて、前記データ区間の干渉波を推定する第３の推定手段と、前記基地局からの送信信号を一旦停止し、前記干渉波の到来しない区間を用いて、前記第３の推定手段により推定した干渉波を前記端末に送信する干渉信号送信手段と、を更に具備することを特徴とする。
【００２８】
本発明は、上記の発明において、前記端末は、前記干渉波のトレーニング区間を用いて、前記基地局と前記端末間の第２の伝達関数、前記干渉波と前記端末間の第３の伝達関数、及び前記中継局と前記端末間の第４の伝達関数を推定する第４の推定手段と、前記送信タイミングであって、かつ、前記干渉波の前記トレーニング区間以外のデータ区間に前記基地局から送信された信号の当該端末での受信信号と、前記干渉波の到来しない区間を用いて、前記中継局から送信された干渉波の当該端末での受信信号と、前記第３の伝達関数とに基づいて、干渉波を除去する干渉波除去手段と、を具備することを特徴とする。
【００２９】
また、上述した課題を解決するために、本発明は、基地局と少なくとも１つの端末とが同一周波数で通信する際に、これ以外の干渉波が到来する環境下で、前記基地局と通信を行っていない通信局を中継局として用いる通信方法であって、前記中継局により、前記基地局と前記端末とで既知である前記干渉波が有するトレーニング区間と該トレーニング区間での受信信号とに基づいて、前記干渉波が到来する区間と到来しない区間とを推定する第１のステップと、前記中継局により、前記トレーニング区間と該トレーニング区間からの受信信号とを用いて、前記干渉波と自己との間の第１の伝達関数を推定する第２のステップと、前記中継局により、前記第２のステップで推定された前記第１の伝達関数を前記基地局と前記端末に通知する第３のステップと、前記基地局により、前記干渉波の到来する時間に前記端末への送信タイミングを合わせる第４のステップと、前記端末により、前記干渉波のトレーニング区間を用いて、前記基地局と前記端末間の第２の伝達関数、前記干渉波と前記端末間の第３の伝達関数、及び前記中継局と前記端末間の第４の伝達関数を推定する第５のステップと、前記基地局により、前記送信タイミングであって、かつ、前記干渉波の前記トレーニング区間以外のデータ区間において、前記中継局に対して受信信号がほぼゼロになるような指向性を用いて前記端末に信号を送信する第６のステップと、前記中継局により、前記データ区間での受信信号と前記第１の伝達関数とに基づいて、前記データ区間の干渉波を推定する第７のステップと、前記中継局により、前記基地局からの送信信号を一旦停止し、前記干渉波の到来しない区間を用いて、前記第７のステップで推定された干渉波を前記端末に送信する第８のステップと、前記端末により、前記第６のステップで前記基地局から送信された信号の当該端末での受信信号と、前記第８のステップで前記中継局から送信された干渉波の当該端末での受信信号と、前記第５のステップで推定された前記第３の伝達関数とに基づいて、干渉波を除去する第９のステップと、を含むことを特徴とする通信方法である。
【００３０】
本発明は、上記の発明において、前記第８のステップは、前記中継局のアンテナ本数をＮ、前記端末のアンテナの本数をＭとした場合、前記第７のステップで推定された干渉波を、Ｋ分割（ＫはＭとＮの中で最小値）し、Ｋ本のアンテナから送信することを特徴とする。
【００３１】
本発明は、上記の発明において、前記第５のステップは、前記トレーニング区間を第１の区間、第２の区間、及び第３の区間に分割し、前記第１の区間では、前記基地局の送信を停止させ、前記中継局の送信を停止させ、前記第１の区間における前記端末の受信信号と、前記第１の区間における干渉波とに基づいて、前記干渉波と前記端末間の第３の伝達関数を推定し、前記第２の区間では、前記基地局に信号を送信させ、前記中継局の送信を停止させ、前記第２の区間における前記端末の受信信号と、前記第２の区間における干渉波と、前記第３の伝達関数とに基づいて、前記中継局と端末間の第４の伝達関数を推定し、前記第３の区間では、前記基地局の送信を停止させ、前記中継局に信号を送信させ、前記第３の区間における前記端末の受信信号と、前記第３の区間における干渉波と、前記第３の伝達関数とに基づいて、前記基地局と前記端末間の第２の伝達関数を推定する、ことを特徴とする
【発明の効果】
【００３２】
この発明によれば、中継局では、干渉波が有する、基地局と端末とで既知であるトレーニング区間と該トレーニング区間での受信信号とに基づいて、干渉波が到来する区間と到来しない区間とを推定し、トレーニング区間と該トレーニング区間からの受信信号とを用いて、干渉波と自己との間の第１の伝達関数を推定し、干渉波が到来しない区間を用いて、前記干渉波を前記端末に転送する。したがって、マルチセル環境において、周辺セルからの干渉が存在する場合であっても、効率的なマルチユーザＭＩＭＯ伝送を実現することができるという利点が得られる。
【００３３】
また、本発明によれば、基地局では、干渉波の到来する時間に端末への送信タイミングを合わせ、該送信タイミングであって、かつ、干渉波のトレーニング区間以外のデータ区間において、中継局に対して受信信号がほぼゼロになるような指向性を用いて端末に信号を送信する。したがって、マルチセル環境において、周辺セルからの干渉が存在する場合であっても、効率的なマルチユーザＭＩＭＯ伝送を実現することができるという利点が得られる。
【００３４】
また、本発明によれば、中継局では、データ区間での受信信号と第１の伝達関数とに基づいて、データ区間の干渉波を推定し、基地局からの送信信号を一旦停止し、干渉波の到来しない区間を用いて、推定した干渉波を端末に送信する。したがって、マルチセル環境において、周辺セルからの干渉が存在する場合であっても、効率的なマルチユーザＭＩＭＯ伝送を実現することができるという利点が得られる。
【００３５】
また、この発明によれば、端末では、干渉波のトレーニング区間を用いて、基地局と端末間の第２の伝達関数、干渉波と端末間の第３の伝達関数、及び中継局と端末間の第４の伝達関数を推定し、送信タイミングであって、かつ、干渉波のトレーニング区間以外のデータ区間に基地局から送信された信号の当該端末での受信信号と、干渉波の到来しない区間を用いて、中継局から送信された干渉波の当該端末での受信信号と、第３の伝達関数とに基づいて、干渉波を除去する。したがって、マルチセル環境において、周辺セルからの干渉が存在する場合であっても、効率的なマルチユーザＭＩＭＯ伝送を実現することができるという利点が得られる。
【００３６】
また、この発明によれば、中継局により、基地局と端末とで既知である干渉波が有するトレーニング区間と該トレーニング区間での受信信号とに基づいて、干渉波が到来する区間と到来しない区間とを推定し、中継局により、トレーニング区間と該トレーニング区間からの受信信号とを用いて、干渉波と自己との間の第１の伝達関数を推定し、中継局により、第１の伝達関数を基地局と端末に通知し、基地局により、干渉波の到来する時間に端末への送信タイミングを合わせ、端末により、記干渉波のトレーニング区間を用いて、基地局と端末間の第２の伝達関数、干渉波と端末間の第３の伝達関数、及び中継局と端末間の第４の伝達関数を推定し、基地局により、送信タイミングであって、かつ、干渉波のトレーニング区間以外のデータ区間において、中継局に対して受信信号がほぼゼロになるような指向性を用いて端末に信号を送信し、中継局により、データ区間での受信信号と第１の伝達関数とに基づいて、データ区間の干渉波を推定し、中継局により、基地局からの送信信号を一旦停止し、干渉波の到来しない区間を用いて、推定された干渉波を端末に送信し、端末により、基地局から送信された信号の当該端末での受信信号と、中継局から送信された干渉波の当該端末での受信信号と、推定された第３の伝達関数とに基づいて、干渉波を除去する。したがって、マルチセル環境において、周辺セルからの干渉が存在する場合であっても、効率的なマルチユーザＭＩＭＯ伝送を実現することができるという利点が得られる。
【００３７】
また、この発明によれば、中継局のアンテナ本数をＮ、前記端末のアンテナの本数をＭとした場合、推定された干渉波を、Ｋ分割（ＫはＭとＮの中で最小値）し、Ｋ本のアンテナから送信する。したがって、干渉波の到来しない区間内の時間を全部使う必要がなくなるため、通信効率を向上することができるという利点が得られる。
【００３８】
また、この発明によれば、トレーニング区間を第１の区間、第２の区間、及び第３の区間に分割し、第１の区間では、基地局の送信を停止させ、中継局の送信を停止させ、第１の区間における端末の受信信号と、第１の区間における干渉波とに基づいて、干渉波と端末間の第３の伝達関数を推定し、第２の区間では、基地局に信号を送信させ、中継局の送信を停止させ、第２の区間における端末の受信信号と、第２の区間における干渉波と、第３の伝達関数とに基づいて、中継局と端末間の第４の伝達関数を推定し、第３の区間では、基地局の送信を停止させ、中継局に信号を送信させ、第３の区間における端末の受信信号と、第３の区間における干渉波と、第３の伝達関数とに基づいて、基地局と端末間の第２の伝達関数を推定する。したがって、マルチセル環境において、周辺セルからの干渉が存在する場合であっても、効率的なマルチユーザＭＩＭＯ伝送を実現することができるという利点が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３９】
以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。
【００４０】
図１は、本実施形態による通信システムによる通信動作を示す概念図である。
本実施形態では、図１に示すように、中継局ＩＳ（Interference station）が受信した信号を端末ＭＳ＃１、＃２に送ることと、干渉信号の伝搬チャネルの推定を行うために、アクセスポイントＡＰと端末ＭＳ＃１、＃２との通信タイミングを、図２に示す区間ｔ１にすることを特徴としている。また、干渉波を端末ＭＳ＃１、＃２に中継局ＩＳから送る場合には、干渉波が到来しない区間（後述する図２の区間ｔ２）とすることを特徴としている。
【００４１】
図２は、干渉信号のフォーマットを示す概念図である。図２には、ＴＤＭＡ（Time Division Multiple Access）を用いる場合の信号の到来タイミングを示している。ＴＤＭＡでは、図２に示すように、周期的に信号が送信される。また、通信信号の先頭には、プリアンブルや、ユニークワードと呼ばれるアクセスポイントＡＰと端末ＭＳ間で同期確立を行うための信号が設けられる。このような信号は、一般に、トレーニング信号と呼ばれる。この信号は、例え周辺セルの干渉波であったとしても、この形式は変わらない。
【００４２】
さらに、このトレーニング信号の信号系列、すなわち、ビットパターンは、上り回線（ＭＳ→ＡＰ）、下り回線（ＡＰ→ＭＳ）で異なる。よって、図１に示す中継局ＩＳでは、アクセスポイントＡＰから端末ＭＳ＃１、＃２に信号が送信される際に、周辺セルからの干渉が到来すると、これらを区別することができる。したがって、中継局ＩＳは、周辺セルからの干渉波を推定することができる。
【００４３】
図３は、本実施形態による端末ＭＳの略構成を示すブロック図である。なお、基本的な構成に付いては省略している。図３において、端末ＭＳ＃１、＃２は、伝達関数推定部１０−１（第４の推定手段）と、干渉波除去部（干渉波除去手段）１０−２とを備えている。伝達関数推定部１０−１は、干渉波のプリアンブル区間（ｔ１内）に基づいて、アクセスポイントＡＰ−端末ＭＳ間、干渉−端末ＭＳ間、中継局ＩＳ−端末ＭＳ間の伝達関数を推定する。干渉波除去部１０−２は、干渉波のデータ区間（ｔ１内のプリアンブル区間以外）での受信信号と、干渉波が到来しない区間（ｔ２）で、中継局ＩＳから分割送信された際の受信信号と、上記伝達関数推定部１０−１で推定された干渉−ＭＳ間の伝達関数に従って、干渉波を除去する。
【００４４】
図４は、本実施形態による中継局ＩＳの略構成を示すブロック図である。なお、基本的な構成に付いては省略している。図４において、中継局ＩＳは、干渉波到来時間推定部２０−１（第１の推定手段）と、伝達関数推定部（第２の推定手段）２０−２と、データ区間干渉信号推定部（第３の推定手段）２０−３と、干渉信号送信部（干渉信号送信手段）２０−４とを備えている。干渉波到来時間推定部２０−１は、干渉波のプリアンブル区間（ｔ１内）を利用し、干渉信号が到来する時間と到来しない時間とを推定する。伝達関数推定部２０−２は、受信信号と干渉波のプリアンブルとから干渉−ＩＳ間の伝達関数を推定する。
【００４５】
データ区間干渉信号推定部２０−３は、データ区間での自身による受信信号と上記伝達関数推定部２０−２で得られた干渉−ＩＳ間の伝達関数とを用いて、データ区間の干渉信号を推定する。干渉信号送信部２０−４は、干渉波の到来しない区間（ｔ２）を用いて、端末ＭＳに干渉信号をＫ分割して、Ｋ本のアンテナにより送信（Ｋ＝ｍｉｎ（Ｍ，Ｎ）：Ｍ；ＩＳのアンテナ本数，Ｎ；ＭＳのアンテナ本数）する。
【００４６】
図５は、本実施形態によるアクセスポイントＡＰの略構成を示すブロック図である。なお、基本的な構成に付いては省略している。図５において、アクセスポイントＡＰは、送信タイミング決定部（送信タイミング決定手段）３０−１と、送信制御部（送信制御手段）３０−２とを備えている。送信タイミング決定部３０−１は、中継局ＩＳから伝達関数を通知されると、自身の送信タイミングを区間ｔ１のタイミングに合わせる。送信制御部３０−２は、干渉波のデータ区間（ｔ１内のプリアンブル区間以外）で、中継局ＩＳに対して受信信号が０になるような指向性で端末ＭＳに信号を送信する。
【００４７】
図６は、本実施形態による制御手順を説明するためのフローチャートである。
まず、中継局ＩＳは、干渉波のプリアンブル区間（ｔ１内）を利用し、干渉信号が到来する時間と到来しない時間を推定するとともに、受信信号と干渉波のプリアンブルとから干渉−ＩＳ間の伝達関数を推定する（ステップＳ１：第１、第２のステップ）。具体的には、まず、周辺セルからの干渉波の到来を観測する。この観測する基準としては、周辺セルからの干渉波のトレーニング信号を用いる。もし、この干渉波のトレーニング信号から伝達関数が推定できれば、干渉信号が大きくなっていることを表すことになる。
【００４８】
すなわち、この干渉信号がマルチユーザＭＩＭＯ伝送に影響を与える。また、図２に示すように、干渉波のトレーニング信号を復号できれば、その後に到来する区間ｔ１も推定できる。さらに、この干渉信号が到来しない区間ｔ２も推定できる。また、干渉波のトレーニング信号ｉｐと自身における受信信号ｘ（ｊ）とを用いれば、次式（７）により干渉と中継局ＩＳ間の伝達関数ｈＥＩ（ｊ）を推定することができる。但し、ここで、ｊは、中継局ＩＳのｊ番目のアンテナを表す。
【００４９】
【数７】
0004538039.tif 000008
【００５０】
次に、中継局ＩＳは、ステップＳ１で推定した伝達関数を、アクセスポイントＡＰと端末ＭＳ＃１、＃２に通知する（ステップＳ２：第３のステップ）。これを受け、アクセスポイントＡＰは、端末ＭＳに送信するタイミングを干渉波が到来する区間ｔ1に合わせる（ステップＳ２：第４のステップ）。実際には、これは、次のフレームにより開始される。この処理により、図１の場合、アクセスポイントＡＰの送信タイミングの先頭が図１の干渉波のトレーニング区間となる。
【００５１】
次に、端末ＭＳ＃１、＃２は、干渉波のプリアンブル区間（図１：ｔ１内）を利用し、アクセスポイントＡＰ−端末ＭＳ間、干渉−端末ＭＳ間、中継局ＩＳ−端末ＭＳ間の伝達関数を推定する（ステップＳ３：第５のステップ）。
【００５２】
ここで、図７は、本実施形態による伝達関数推定のための信号送信区間を示す概念図である。図７に示すように、干渉信号は、全部の区間に到来するため、まず、区間１では、干渉−端末ＭＳ間の伝達関数ｈＥＭを、区間１で端末ＭＳにおいて受信される信号ｘｐ１とこの区間の干渉波のトレーニング信号ｉｐ１とを用いて推定する。端末ＭＳが複数のアンテナを備える場合には、次式（８）に従って端末ＭＳの各アンテナで同じ処理を行う。
【００５３】
【数８】
0004538039.tif 000009
【００５４】
次に、区間２では、中継局ＩＳ−端末ＭＳ間での伝達関数ｈＩＭ（ｊ）を受信信号ｘＰ３（ｊ）と中継局ＩＳからのトレーニング信号ＳＰ’（ｊ）とを用いて推定する（ｊは、中継局ＩＳのｊ番目のアンテナで、ｊ＝１〜Ｌである）。但し、この区間２では、干渉信号も含まれるので、区間１で推定した結果と、この区間２の干渉のトレーニング信号ｉＰ３（ｊ）とを用いることで、中継局ＩＳ−端末ＭＳ間での伝達関数を推定する。また、中継局ＩＳは、複数本のアンテナを持っているので、時間的に区間２をアンテナ本数分（Ｌ個）に分割し、分割毎に中継局ＩＳ−端末ＭＳ間の伝達関数を推定する。端末ＭＳが複数のアンテナを備える場合には、次式（９）に従って端末ＭＳの各アンテナで同じ処理を行う。
【００５５】
【数９】
0004538039.tif 000010
【００５６】
次に、区間３では、アクセスポイントＡＰ−端末ＭＳ間での伝達関数ｈＡＭ（ｋ）を受信信号ｘＰ２（ｋ）と、アクセスポイントＡＰからのトレーニング信号ＳＰ（ｋ）とを用いて推定する（ｋは、アクセスポイントＡＰのｋ番目のアンテナで、ｋ＝１〜Ｍである）。但し、この区間で３は、干渉信号も含まれるので、区間1で推定した結果と、この区間３の干渉のトレーニング信号ｉＰ２（ｋ）とを用いることで、アクセスポイントＡＰ−端末ＭＳ間での伝達関数を推定する。また、アクセスポイントＡＰは、複数本のアンテナを持っているので、時間的に区間２をアンテナ本数分（Ｍ個）に分割し、分割毎にアクセスポイントＡＰ−端末ＭＳ間の伝達関数を推定する。端末ＭＳが複数のアンテナを備える場合には、次式（１０）に従って端末ＭＳの各アンテナで同じ処理を行う。
【００５７】
【数１０】
0004538039.tif 000011
【００５８】
次に、アクセスポイントＡＰは、干渉波のデータ区間（図２：ｔ１内のプリアンブル区間以外）で、中継局ＩＳに対して受信信号が０になるような指向性で端末ＭＳ＃１、＃２に信号を送信する（ステップＳ４：第６のステップ）。このように制御することで、中継局ＩＳは、干渉信号だけを受信することができる。また、アクセスポイントＡＰと中継局ＩＳとは、基地局と中継局の関係であるので、両者の間の伝達関数は予め推定可能であり、この変動も小さいので、予めアクセスポイントＡＰで用意した中継局ＩＳの伝達関数から、アクセスポイントＡＰから中継局ＩＳに対して受信信号が０になるような指向性を生成することは可能である。よって、データ区間では、端末ＭＳと中継局ＩＳとで得られる受信信号は、次式（１１）、（１２）で与えることができる。ここで、データ区間における所望信号と干渉信号は、それぞれｓＤ、ｉＤである。
【００５９】
【数１１】
0004538039.tif 000012
【００６０】
【数１２】
0004538039.tif 000013
【００６１】
次に、中継局ＩＳは、データ区間での受信信号と、ステップＳ１で得られた干渉−中継局ＩＳ間の伝達関数、すなわち数式（１３）を用いて、データ区間の干渉信号を推定する（ステップＳ５：第７のステップ）。ここで、ｉＤは、推定されたデータ区間の干渉信号を表している。
【００６２】
【数１３】
0004538039.tif 000014
【００６３】
次に、中継局ＩＳは、干渉波の到来しない区間（ｔ２）を用いて、端末ＭＳ＃１、＃２に干渉信号をＫ分割して、Ｋ本のアンテナにより送信（Ｋ＝ｍｉｎ（Ｍ，Ｎ）：Ｍ；ＩＳのアンテナ本数，Ｎ；ＭＳのアンテナ本数）し、端末ＭＳ＃１、＃２では、中継局ＩＳから分割されて送信された干渉信号を受信する（ステップＳ６：第８のステップ）。
【００６４】
ここで、本実施形態では、干渉信号が中継局ＩＳと端末ＭＳ＃１、＃２の両方で複数のアンテナ素子を持っている場合、ＭＩＭＯ技術により干渉信号の送信信号を短縮することを実現する。
【００６５】
図８（ａ）〜（ｃ）は、所望信号の送信（ＡＰ→ＭＳ）、干渉→ＭＳ、ＩＳ→ＭＳの時間の到来タイミングの関係をＭＳのアンテナ素子数毎に示す概念図である。図８（ａ）〜（ｃ）に示すように、仮に、中継局ＩＳが端末ＭＳと同数のアンテナを持ち、端末ＭＳが複数のアンテナを持っているとすると、図８（ａ）、（ｂ）のように、干渉信号をアンテナ毎に分割して送信することができる。これは、区間ｔ２内の時間を全部使う必要がなくなるため、通信効率を向上することができるという利点がある。
【００６６】
次に、端末ＭＳは、ステップＳ４で得られた端末ＭＳの受信信号と、ステップＳ６で得られた端末ＭＳの受信信号と、ステップ３で得られた干渉−ＭＳ間の伝達関数とにより、次式（１４）に従って干渉波を除去する（ステップＳ７：第９のステップ）。
【００６７】
【数１４】
0004538039.tif 000015
【００６８】
上述した実施形態によれば、周辺セルからの干渉波が存在する環境でも、干渉波のトレーニング区間と中継局ＩＳとを利用することで所望信号を推定することができる。特に、中継局ＩＳが端末ＭＳに同時に干渉信号を転送できるため、マルチユーザが同時に干渉を受けてしまう場合に有効である。
【００６９】
次に、本実施形態による効果を計算機シミュレーションを用いて説明する。通信効率Ｅｆを、次式（１５）を用いて評価した。これを規格化通信容量（Normalized transmission efficiency）と呼ぶことにする。
【００７０】
【数１５】
0004538039.tif 000016
【００７１】
ここで、Ｔｅｗ、Ｔｅｏは、それぞれ干渉が存在する場合と、１ユーザの場合に干渉が存在しない場合との達成可能な周波数利用効率［ｂｉｔ／ｓ／Ｈｚ］である。簡単化のため、伝搬ロスの係数を３．５とした。本実施形態による通信特性は、伝搬チャネルの推定が重要となるため、実際に想定される誤差として、実際のチャネルにＳＮＲ（γとする）に半比例する誤差を与えた。すなわち、真の伝達関数をｈとすると、誤差込みのチャネルｈは、次式（１６）で与えられる。ここで、△ｈは、チャネル誤差を表す。ここで、ｈと△ｈとは、複素数であり、平均０、分散０のガウス分布に従うものとした。
【００７２】
【数１６】
0004538039.tif 000017
【００７３】
遅延プロファイルは、指数分布モデルを用いた。遅延分散は、１００ｎｓ、アクセスポイントＡＰと端末ＭＳとの角度広がりは、１０度と３６０度とした。１波の干渉波が存在する環境を想定した。アクセスポイントＡＰ、中継局ＩＳ、端末ＭＳのアンテナ数は、それぞれ１２、６、４とし、干渉波＋所望波が４波となるようにした。ＳＮＲは、端末ＭＳのサービスエリア端を模擬し、ＳＮＲ＝１０〜２０ｄＢで変化するものとした。端末ＭＳが複数の位置に配置し、１００００回の試行を行い、それぞれの達成可能な周波数利用効率の平均値を求めた。伝送に用いる変調方式は、ＢＥＲ＝１０−３を満たすＳＩＮＲから決定した。ＢＥＲとＳＩＮＲとの関係は、エラーファンクションで得られるので、この関数を用いてＳＩＮＲからＢＥＲを得た。比較としては、ＭＩＭＯの復号方法として知られているＺＦ法を用いた干渉除去を比較した。
【００７４】
図９は、アクセスポイントＡＰと中継局ＩＳとの位置関係を示す概念図である。図示するように、アクセスポイントＡＰと端末ＭＳの通信エリアをｄｍａｘとすると、その半分の距離（ｄｍａｘ／２）に４局の中継局ＩＳを配置した。
【００７５】
図１０は、本実施形態による効果を示す図である。ユーザ数を横軸として、規格化通信容量（Normalized transmission efficiency）を縦軸としている。ユーザ数が１の場合には、干渉波の転送が効率よくないため、従来技術によるＺＦ法のほうが高い効率が得られるが、ユーザ数が増加すると、干渉波を同時にユーザに転送できるので、本実施形態による通信方法の方が高い効率を示していることが分かる。よって、本実施形態は、マルチユーザＭＩＭＯで干渉が存在する場合、従来の方法に対し、効率的な伝送を行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００７６】
【図１】本実施形態による通信システムによる通信動作を示す概念図である。
【図２】干渉信号のフォーマットを示す概念図である。
【図３】本実施形態による端末ＭＳの略構成を示すブロック図である。
【図４】本実施形態による中継局ＩＳの略構成を示すブロック図である。
【図５】本実施形態によるアクセスポイントＡＰの略構成を示すブロック図である。
【図６】本実施形態による制御手順を説明するためのフローチャートである。
【図７】本実施形態による伝達関数推定のための信号送信区間を示す概念図である。
【図８】所望信号の送信（ＡＰ→ＭＳ）、干渉→ＭＳ、ＩＳ→ＭＳの時間の到来タイミングの関係をＭＳのアンテナ素子数毎に示す概念図である。
【図９】アクセスポイントＡＰと中継局ＩＳとの位置関係を示す概念図である。
【図１０】本実施形態による効果を示す図である。
【図１１】従来技術による、マルチユーザＭＩＭＯ技術を説明するための概念図である。
【図１２】従来技術による、ＭＩＭＯ及びマルチユーザＭＩＭＯ技術による問題を説明するための概念図である。
【図１３】従来技術によるＺＦ法を用いた場合の干渉除去を示す概念図である。
【符号の説明】
【００７７】
ＩＳ  中継局
ＡＰ  アクセスポイント
ＭＳ  端末
１０−１  伝達関数推定部
１０−２  干渉波除去部
２０−１  干渉波到来時間推定部
２０−２  伝達関数推定部
２０−３  データ区間干渉信号推定部
２０−４  干渉信号送信部
３０−１  送信タイミング決定部
３０−２  送信制御部
【図１】
0004538039.tif 000018
【図２】
0004538039.tif 000019
【図３】
0004538039.tif 000020
【図４】
0004538039.tif 000021
【図５】
0004538039.tif 000022
【図６】
0004538039.tif 000023
【図７】
0004538039.tif 000024
【図８】
0004538039.tif 000025
【図９】
0004538039.tif 000026
【図１０】
0004538039.tif 000027
【図１１】
0004538039.tif 000028
【図１２】
0004538039.tif 000029
【図１３】
0004538039.tif 000030