(57)【要約】【課題】マルチユーザＭＩＭＯ下りリレーリンク通信路において、ＩＵＩ(Inter-User Interference)の干渉除去及び周波数利用率の向上を実現する通信システムを提供する。【解決手段】基地局１０、リレー局２０及び複数のユーザ端末３０−１〜３０−Ｎｄとの間でマルチユーザＭＩＭＯ下りリンクリレー伝送を行う通信システムである。各ユーザ端末３０−１〜３０−Ｎｄは複数の受信アンテナを備える。基地局１０またはリレー局２０は、各ユーザ端末３０−１〜３０−Ｎｄにおけるユーザ間干渉を抑圧するように送信ウェイトを乗算する。【選択図】図１
2012257190.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基地局装置、リレー局装置及び複数の受信端末装置との間でマルチユーザＭＩＭＯ下りリンクリレー伝送を行う通信システムであって、
前記各受信端末装置は複数の受信アンテナを備え、
前記基地局装置または前記リレー局装置は、前記各受信端末におけるユーザ間干渉を抑圧するように送信ウェイトを乗算することを特徴とする通信システム。
【請求項２】
前記基地局装置は、前記各受信端末装置におけるユーザ間干渉を抑圧するような送信ウェイトを乗算することを特徴とする請求項１に記載の通信システム。
【請求項３】
前記基地局装置は、前記リレー局装置におけるユーザ間干渉を抑圧するような送信ウェイトを乗算し、
前記リレー局装置は、前記各受信端末装置におけるユーザ間干渉を抑圧するような送信ウェイトを乗算することを特徴とする請求項１に記載の通信システム。
【請求項４】
前記リレー局装置は、ユーザ選択を行うことを特徴とする請求項３に記載の通信システム。
【請求項５】
前記リレー局装置は、前記選択したユーザの送信利得を最大化することを特徴とする請求項４に記載の通信システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
第４世代の移動通信システム等では、高速・大容量が要求され、下り回線のカバレッジの拡大や周波数利用率の向上が求められる。本発明は、次世代移動通信システムに対して、基地局に比べ安価なリレー局(Relay Station: RS)の導入を考える。リレー局では基地局からの信号受信後、信号を処理し、再送信する。よって、セルラー通信の下り回線において、ユーザ端末(User Destination：UD)での受信電力を強め、セルエッジでの誤り特性を大きく改善することが可能となる。
【背景技術】
【０００２】
第１の従来技術として、マルチユーザＭＩＭＯ下りリンク伝送方式に於いて、基地局とユーザ端末がそれぞれ複数本の送受信アンテナを持ち、同一時刻、同一周波数において、各ユーザへ向け異なる送信情報を伝送でき、伝送容量や周波数利用率の増加が計れる。しかし、各ユーザに対して所望の通信品質を満たせない場合がある。例えば、基地局からの距離が離れているセルエッジエリアにおけるユーザにおいて、距離減衰やシャドウイングなどの影響で受信電力が大幅に低下する場合や、同時に大勢のユーザ端末が通信を行う場合のチャンネル配分の非最適化の問題などである。
【０００３】
第２の従来技術として（非特許文献１参照）、ＱＲ分解に基づくＤＰＣ伝送方式では、通信路容量の損失を避けることはできるが、ユーザ端末の受信アンテナ数が１本に制限される。しかしながら、次世代の携帯などの移動通信システムのユーザ端末では最大４本のアンテナが実装可能になると予想される。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】C. Li, Y. Iwanami, E. Okamoto, “Comparison study for Tomlinson-Harashima Precoding based on MMSE criteria in Multiuser MIMO downlink system”, IEEE TENCON 2009, 2009年11月
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
マルチユーザＭＩＭＯ下り回線において、基地局からの距離が離れているセルエッジエリアでは、基地局からの信号が減衰して誤り率が増加するため、高速度通信の実現が困難になる。そこで基地局とユーザ間にリレー局を設置する。このとき、システムの周波数利用効率高めるために、基地局とリレー局において最適な送信ウェイトの設計と送信電力の配分が必要となる。
【０００６】
本発明は、斯かる実情に鑑み、マルチユーザＭＩＭＯ下りリンクリレー伝送において、ＩＵＩ(Inter-User Interference)の干渉除去及び周波数利用率の向上を実現する通信システムを提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、基地局装置、リレー局装置及び複数の受信端末装置との間でマルチユーザＭＩＭＯ下りリンクリレー伝送を行う通信システムであって、
前記各受信端末装置は複数の受信アンテナを備え、前記基地局装置または前記リレー局装置は、前記各受信端末におけるユーザ間干渉を抑圧するように送信ウェイトを乗算することを特徴とする。
【０００８】
ここで、前記基地局装置は、前記各受信端末装置におけるユーザ間干渉を抑圧するような送信ウェイトを乗算することを特徴とする。
【０００９】
また、前記基地局装置は、前記リレー局装置におけるユーザ間干渉を抑圧するような送信ウェイトを乗算し、前記リレー局装置は、前記各受信端末装置におけるユーザ間干渉を抑圧するような送信ウェイトを乗算することを特徴とする。
さらに前記リレー局装置は、ユーザ選択を行うことを特徴とする。
そして、前記リレー局装置は、前記選択したユーザの送信利得を最大化することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、マルチユーザＭＩＭＯ下りリレー回線において、基地局装置またはリレー局装置が、複数のアンテナを備えた各受信端末におけるユーザ間干渉を抑圧するように送信ウェイトを乗算するので、ユーザ端末間のＩＵＩを除去でき、各ユーザ端末に対するマルチストリーム送信を可能とする。また、リレー局ではユーザ選択することにより送信ユーザダイバーシティ効果を得ることができる。また、リレー局装置が前記選択したユーザの送信利得を最大化するので、基地局では送信電力の等配分を行い、リレー局では注水定理による送信電力配分行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】マルチユーザＭＩＭＯ下りリンクリレー伝送モデルを示す図である。
【図２】ユーザ端末アンテナ間が無相関の場合における提案方式のシステムキャパシティーレート特性（Ｎｄ＝２）の図である。
【図３】ユーザ端末アンテナ間が有相関の場合における提案方式のシステムキャパシティーレート特性（Ｎｄ＝２）の図である。
【図４】異なる端末ユーザ数の場合における提案方式のシステムキャパシティーレート特性（Ｎｄ＝２）の図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態を添付図面を参照して説明する。
【００１３】
まず本発明の概略を図１に示す。基地局１０の送信アンテナ数をＮｓ、リレー局２０のアンテナ数をＮｒ、ユーザ端末数をＮｄとする。また、ｎｄ（２，１）をｋ番目のユーザ端末３０−ｋの受信アンテナ数とする。基地局１０から、各々異なった各ユーザ向けの送信データを、同時刻に同一のキャリヤ周波数を用いて、空間多重して伝送する。基地局１０からの送信は２つのタイムスロットに分けられ、第１のタイムスロットでは、基地局１０からリレー局２０へデータが送信される。第２のタイムスロットでは、リレー局２０が基地局１０から受信したデータを中継処理して各ユーザ端末３０−１〜３０−Ｎｄにブロードキャストする。基地局１０とリレー局２０との間の通信路行列をＨ１、リレー局２０からユーザ端末３０−１〜３０−Ｎｄとの間の通信路行列をＨ２＝［Ｈ２，１Ｔ…Ｈ２，ｋＴ…Ｈ２，ＮｄＴ］とする。
【００１４】
第１のタイムスロットにおいて、リレー局２０の受信信号は次のようになる。
【数１】
2012257190.tif 000003
【００１５】
ここで、Ｍ１∈ＣＮｓ×Ｎｓ，Ｘ２＝［ｘ１Ｔ…ｘ１Ｔ…ｘＮｓＴ］∈ＣＮｓ×１  及び  Ｗ１∈ＣＮｒ×１は、それぞれ基地局１０の送信ウェイト行列、基地局１０の送信信号及びリレー局２０の受信ガウス雑音である。基地局１０での送信電力制限はｔｒ（ＭＭＨ）＝Ｐ１と表せる。
【００１６】
第２のタイムスロットにおいて、リレー局２０で送信ウェイトＦ∈ＣＮｒ×Ｎｒを用いて受信信号ＹＲを増幅し、ユーザ端末３０−１〜３０−Ｎｄに送信する。このとき、ｋ番目ユーザ端末３０−ｋの受信信号は（数２）になる。
【数２】
2012257190.tif 000004
【００１７】
ここで、ｗ２，ｋはｋ番目のユーザにおける受信ガウス雑音である。リレー局２０での送信電力制限はｔｒ（ＦＨ１ＭＭＨＨ１ＨＦＨ）＋ｔｒ（ＦＨＦＨ）＝Ｐ２と表せる。
【００１８】
基地局１０における送信ウェイトの設計法について説明する。
【００１９】
まず、システム全体のチャネル行列ＨＧを次のように定義する。
【数３】
2012257190.tif 000005
【００２０】
基地局１０での送信ウェイトＭとリレー局２０での送信ウェイトＦは（数４）になる。
【数４】
2012257190.tif 000006
【００２１】
ここで、Г１＝ｄｉａｇ（ｐ１，…ｐ２，…ｐＮｄ），Ｍ−＝［Ｍ−１，…，Ｍ−ｋ，…，Ｍ−Ｎｄ］はそれぞれ電力配分行列とＩＵＩ（Inter-User Interference）除去行列である。ｋ番目のユーザ端末３０−ｋについて、ｋより前の（ｋ−１）個のユーザに関するチャネルで構成された行列Ｈ＾Ｊ，ｋに対し特異値分解（ＳＶＤ）を行う。
【数５】
2012257190.tif 000007
【００２２】
ここで、Ｎｓ−ｓｉｇｍａｊ＝１ｋ−１ｎｄ（ｊ）列のユニタリベクトルを持つ行列Ｖｊ，ｋ０はＨ＾Ｊ，ｋのヌルスペースである。
Ｖｊ，ｋ０の列ベクトルをＭ−ｋの候補とする。Ｍ−１は、Ｈ＾Ｊ，１の固有ベクトルで作られる。
【００２３】
マルチユーザＭＩＭＯリレー通信路の等価通信路行列は（数６）と表される。
【数６】
2012257190.tif 000008
【００２４】
ユーザ端末３０−１〜３０−Ｎｄにおいて、受信信号にデコーダーを掛け、他ユーザからの干渉を完全に除去する。ユーザ端末３０−１〜３０−Ｎｄにおけるデコーダー行列は次の様になる。
【数７】
2012257190.tif 000009
【００２５】
デコーダー行列Ｄをユーザ端末受信信号ＹＲに乗算すると次式を得る。
【数８】
2012257190.tif 000010
【００２６】
ここで、（数７）のブロック三角行列ＨＧの対角線上におけるｈ’ｋｋＨにコレスキー分解を適用している。また、Ｗ’＝ＤＨ２ＦＷ１＋Ｗ２，Ｇｋ＝ｄｉａｇ（Ｒｋ）（ＲｋＨ）−１である。ユーザｋにおけるｉ番目の信号ストリームの実効ＳＩＮＲ(Signal-to-Interference and Noise power Ratio)は次の様になる。
【数９】
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【００２７】
ここで、ｒｉ（ｋ）は（数８）にある三角行列Ｒｋの対角要素である。全リレーシステムのチャネルキャパシティレートは次式になる。
【数１０】
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【００２８】
基地局１０とリレー局２０における送信ウェイトの分離設計法を説明する。
【００２９】
まず、第１リンクのH1行列に特異値分解を行う。
【数１１】
2012257190.tif 000013
【００３０】
ここで、∧１＝ｄｉａｇ（λ１（１），…，λ１（ｋ），…，λ１（Ｎｄ）），λ１，ｉ（ｋ）∈λ１（ｋ）はＨ１の特異値で構成される対角行列であり、Ｕ１∈ＣＮｒ×ＮｒとＶ１∈ＣＮｓ×Ｎｓはユニタリー行列である。基地局１０での送信ウェイトＭとリレー局２０での送信ウェイトＦは次式で表される。
【数１２】
2012257190.tif 000014
ここで、Ｆ＝Ｕ１ＨГ２１／２は第１リンクＨ１に対して、Ｆ＝［Ｆ１，２…Ｆ１，ｋ…Ｆ１，Ｎｄ］は第２リンクＨ２に対してユーザ間の干渉を除去する。同様に、ユーザｋに対するリレー局２０の送信ウェイトは次の操作で求められる。
【数１３】
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【００３１】
ここで、ヌルスペースＶ２，ｋ０を用いてユーザｋ（ｋ＝２，…，Ｎｄ）の送信ウェイトＦ２、ｋを作り、Ｈ２，１の固有ベクトルをＦ２，１とする。リレーマルチユーザＭＩＭＯ通信路の等価通信路行列を次式で表す。
【数１４】
2012257190.tif 000016
【００３２】
デコーダー行列Ｄをユーザ端末受信信号ＹＲに乗算すると次式を得る。
【数１５】
2012257190.tif 000017
【００３３】
ユーザｋにおけるｉ番目の信号ストリームの実効ＳＩＮＲは次のようになる。
【数１６】
2012257190.tif 000018
【００３４】
リレーシステム全体のチャネルキャパシティレートは（数１７）になる。
【数１７】
2012257190.tif 000019
【００３５】
ここで、λ１，ｉ（ｋ）はＨｋおけるユーザ端末ｋ番目データストリームに対するチャネル利得である。
一つのセルにおける全ユーザの集合とし、ＵからＮｄ個のユーザを選択する。リレー局２０における低計算量ユーザ選択アルゴリズムの提案を次に示す。
【数１８】
2012257190.tif 000020
【００３６】
更に、リレー局はユーザの順序付けに加えて、各端末の送信利得の最大化を次のアルゴリズムにより行う。
【数１９】
2012257190.tif 000021
【実施例】
【００３７】
マルチユーザＭＩＭＯリレー下り回線における準静的フラットレイリーフェージング通信路（Quasi-static Rayleigh fading channel）において、ユーザ毎に２ストリームを送信する。図１において、基地局１０の送信アンテナ数が４本、リレー局２０のアンテナ数が４本、ユーザ端末３０の数が２或いは４、ユーザ当りの受信アンテナ数２とする。
【００３８】
リレー局２０における送信ユーザダイバーシティの増加を考えて基地局１０では等電力配分し、リレー局２０では注水定理による電力配分を用いる。ここで、同一セルにおいてユーザ端末数が多い場合に対し、周波数利用効率を確保する手法として、ユーザ端末３０の組み合わせの選択が有効である。
【００３９】
各ユーザ３０に向け２ストリーム信号を送信する場合の、システムキャパシティーレート特性を図２に示す。図２により、分離設計方式では、リレー局２０の送信ユーザダイバーシティを用いているため、統合設計方式と比べ、より優れたシステムキャパシティーレートが得られる。また、システムキャパシティーレートの上界はＣ（Ｈ１）／２から得られる。図３に示すように、ユーザ端末３０の受信アンテナ間に相関が存在する場合、キャパシティーレートの損失が生じる。相関係数Ｒｃｕ＝０．６，ＳＮＲ＝１０（ｄＢ）の場合、無相関の場合と比べると０．９ｂｉｔ／ｓ／Ｈｚのキャパシティーレートの減少を生じる。図４に示すように、ユーザ端末数が多い場合、ユーザの選択を行うことで、送信ユーザダイバーシティ効果が得られるため、システムキャパシティーレートが上界値に近づくことが分かる。しかし、基地局における統合設計方式では、全ユーザの組み合わせを考えなければならない。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
マルチユーザＭＩＭＯリレー下り回線における送信ウェイトの設計と送信電力の配分に関する発明である。マルチユーザＭＩＭＯ下りリンク技術では、複数ユーザ端末向けの信号が同一周波数を用い同時に送信され、多数のユーザアンテナが同時に利用される。基地局からの距離が遠いセルエッジエリアでは、基地局からの信号が減衰して誤り率が増加するため、高速度な通信の実現が困難になる。この場合、基地局とユーザ端末の間の適当な場所に基地局に比べ安価なリレー局を設置し、ユーザ端末での受信電力を強め、セルエッジでの誤り特性を大きく改善することが可能である。ＡＦ(Amplify & Forward)リレー伝送方式では、リレー局での復調処理の必要が無く、基地局から受信した信号を単に増幅してユーザ端末に再送信するので、回路構成が簡単で効果的な中継伝送方式である。本発明では、マルチユーザＭＩＭＯ下りリンクＡＦリレー伝送方式に関し、各ユーザ端末での複数受信アンテナによる受信を可能とし、また各ユーザ端末に対するマルチストリーム送信を可能とした。優れた周波数利用効率を実現できる下りリンクディジタル無線通信方式としての利用可能性がある。
【符号の説明】
【００４１】
１０  基地局
２０  リレー局
３０−１〜３０−Ｎｄ  ユーザ端末
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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