(57)【要約】【課題】ＭＵ−ＭＩＭＯ伝送方式と物理層無線ネットワークコーディングとを組み合わせた通信を行う。【解決手段】無線通信システムは通信装置、中継装置、複数の端末装置とを備え、通信装置は、端末装置宛の信号に対して、自装置と中継装置との間のチャネルに対応する第１行列の逆行列と、中継装置と端末装置との間のチャネルに対応する第２行列の逆行列とを乗算して中継装置に送信し、端末装置は、通信装置が中継装置に信号を送信したタイミングと同じタイミングで通信装置宛の信号を中継装置に送信し、中継装置は、通信装置が送信した信号と、端末装置が送信した信号とが伝送路において重畳された信号を受信し、受信した信号に対して第２行列の逆行列を乗算し、乗算した信号に更に第２行列の逆行列を乗算して通信装置及び端末装置に送信し、通信装置及び端末装置は、中継装置から受信した信号から送信した信号を除去することにより自装置宛の信号を抽出する。【選択図】図２
2013219664.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のアンテナを有する通信装置と、複数の端末装置と、前記通信装置と前記端末装置との間の通信を中継する中継装置とを備え、各装置間の通信にＭＩＭＯ伝送方式を適用し、同一の周波数帯域にて通信を行う無線通信システムであって、
前記通信装置は、
前記端末装置宛の信号に対して、自装置と前記中継装置との間の伝送路におけるチャネル特性を示す第１のチャネル行列の逆行列と、前記中継装置と前記端末装置との間の伝送路におけるチャネル特性を示す第２のチャネル行列とを乗算する第１のプレコーディングを行う手段と、
前記第１のプレコーディングにより得られた信号を前記中継装置に送信する手段とを備え、
前記端末装置は、
前記通信装置が前記中継装置に信号を送信したタイミングと同じタイミングで前記通信装置宛の信号を前記中継装置に送信する手段を備え、
前記中継装置は、
前記通信装置が送信した信号と、複数の前記端末装置が送信した信号とが伝送路において重畳された信号を受信し、受信した信号に対して前記第２のチャネル行列の逆行列を乗算することで前記複数の端末装置それぞれが送信した信号を分離する手段と、
分離した信号に対して更に前記第２のチャネル行列の逆行列を乗算する第２のプレコーディングを行う手段と、
前記第２のプレコーディングにより得られた信号を前記通信装置及び前記端末装置に送信する手段とを備え、
前記通信装置は、
前記中継装置から受信した信号に対して、前記第２のチャネル行列を乗算し、前記端末装置宛に送信した信号を除去することにより、自装置宛の信号を抽出する手段を更に備え、
前記端末装置は、
前記中継装置から受信した信号から前記通信装置宛に送信した信号を除去することにより、自装置宛の信号を抽出する手段を更に備える
ことを特徴とする無線通信システム。
【請求項２】
複数のアンテナを有する通信装置と、複数の端末装置と、前記通信装置と前記端末装置との間の通信を中継する中継装置とを備え、各装置間の通信にＭＩＭＯ伝送方式を適用し、同一の周波数帯域にて通信を行う無線通信システムにおける通信装置であって、
前記端末装置宛の信号に対して、自装置と前記中継装置との間の伝送路におけるチャネル特性を示す第１のチャネル行列の逆行列と、前記中継装置と前記端末装置との間の伝送路におけるチャネル特性を示す第２のチャネル行列とを乗算する第１のプレコーディングを行う手段と、
前記第１のプレコーディングにより得られた信号を前記中継装置に送信する手段と、
自装置が前記中継装置に信号を送信したタイミングと同じタイミングで前記端末装置から前記中継装置に送信された自装置宛の信号と、自装置が前記中継装置に送信した信号とが伝送路において重畳された信号に対して前記第２のチャネル行列の逆行列を乗算し、乗算した信号に対して更に前記第２のチャネル行列の逆行列を乗算する第２のプレコーディングが行われた信号を前記中継装置から受信する手段と、
前記中継装置から受信した信号に対して、前記第２のチャネル行列を乗算し、前記端末装置宛に送信した信号を除去することにより、自装置宛の信号を抽出する手段と
を備えることを特徴とする通信装置。
【請求項３】
複数のアンテナを有する通信装置と、複数の端末装置と、前記通信装置と前記端末装置との間の通信を中継する中継装置とを備え、各装置間の通信にＭＩＭＯ伝送方式を適用し、同一の周波数帯域にて通信を行う無線通信システムにおける中継装置であって、
前記通信装置が送信した信号であって前記通信装置と前記中継装置との間の伝送路におけるチャネル特性を示す第１のチャネル行列の逆行列と、前記中継装置と前記端末装置値の間の伝送路におけるチャネル特性を示す第２のチャネル行列とが乗算された信号と、複数の前記端末装置が送信した信号とが伝送路において重畳された信号を受信し、受信した信号に対して前記第２のチャネル行列の逆行列を乗算することで、複数の前記端末装置それぞれが送信した信号を分離する手段と、
分離した信号に対して更に前記第２のチャネル行列の逆行列を乗算するプレコーディングを行う手段と、
前記プレコーディングにより得られた信号を前記通信装置及び前記端末装置に送信する手段と
を備えることを特徴とする中継装置。
【請求項４】
複数のアンテナを有する通信装置と、複数の端末装置と、前記通信装置と前記端末装置との間の通信を中継する中継装置とを備え、各装置間の通信にＭＩＭＯ伝送方式を適用し、同一の周波数帯域にて通信を行う無線通信システムにおける無線通信方法であって、
前記通信装置が、前記端末装置宛の信号に対して、自装置と前記中継装置との間の伝送路におけるチャネル特性を示す第１のチャネル行列の逆行列と、前記中継装置と前記端末装置との間の伝送路におけるチャネル特性を示す第２のチャネル行列とを乗算する第１のプレコーディングを行い、前記第１のプレコーディングにより得られた信号を前記中継装置に送信するステップと、
前記端末装置が、前記通信装置が前記中継装置に信号を送信したタイミングと同じタイミングで前記通信装置宛の信号を前記中継装置に送信するステップと、
前記中継装置が、前記通信装置が送信した信号と、複数の前記端末装置が送信した信号とが伝送路において重畳された信号を受信し、受信した信号に対して前記第２のチャネル行列の逆行列を乗算することで前記複数の前記端末装置それぞれが送信した信号を分離する手段と、
分離した信号に対して更に前記第２のチャネル行列の逆行列を乗算する第２のプレコーディングを行い、前記第２のプレコーディングにより得られた信号を前記通信装置及び前記端末装置に送信するステップと、
前記通信装置が、前記中継装置から受信した信号に対して、前記第２のチャネル行列を乗算し、前記端末装置宛に送信した信号を除去することにより、自装置宛の信号を抽出するステップと、
前記端末装置が、前記中継装置から受信した信号から前記通信装置宛に送信した信号を除去することにより、自装置宛の信号を抽出するステップと
を有することを特徴とする無線通信方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、無線通信システム、通信装置、中継装置、及び無線通信方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、複数の端末装置に対する信号を空間で多重することによりシステムスループットを向上させる手段として、マルチユーザ（Multi-User：ＭＵ）−ＭＩＭＯ（Multiple-Input Multiple-Output）伝送方式が研究・実用化が進められている。また、無線によるネットワーク環境を柔軟に構築する手段として、マルチホップ無線を適用した無線通信システムが注目されている。例えば、ＭＵ−ＭＩＭＯ伝送方式を用いた無線通信システムのサービスエリアをマルチホップ無線により拡張する場合、１つのアクセスポイントと、Ｎ台の端末装置（又は端末グループ）が１つの中継装置を介して双方向の通信を行う中継形態（１：１：Ｎ中継）が考えられる。この場合、中継装置とＮ台の端末装置とはＭＵ−ＭＩＭＯ伝送方式を用いて通信を行い、アクセスポイントは中継装置を介してエントランスを提供する形態となる。このような、無線通信システムにおいて、各端末装置が情報ストリームをＭ本送信する（又はＭ本受信する）と仮定した場合、中継装置は（Ｎ×Ｍ）本のアンテナを備える必要がある。また、中継装置とアクセスポイントとの間の通信帯域がスループット向上におけるボトルネックとなることを回避するために、アクセスポイントにも（Ｎ×Ｍ）本のアンテナを備え、中継装置とアクセスポイントとの間において（Ｎ×Ｍ）多重の空間多重（Space Division Multiplexing：ＳＤＭ）通信を行うことが望ましい。
【０００３】
ここで、マルチホップ無線を適用した無線通信システムのスループットを更に向上させる技術として、無線ネットワークコーディング（Wireless Network Coding：ＷＮＣ）技術が注目されている（例えば、非特許文献１）。ＷＮＣとは、中継装置が伝達方向の異なる情報を合成して転送することにより、伝達方向の異なる情報を異なるタイミングで別々に送信する場合に比べて中継に要する時間を削減して、スループットを向上させる技術である。
【０００４】
以下に、マルチホップ無線を適用した無線通信システムにおける中継処理の一例と、マルチホップ無線とＷＮＣとを適用した無線通信システムにおける中継処理の一例を示す。なお、以下に示す例ではＮ＝２、Ｍ＝１である。
図３は、マルチホップ無線を適用した無線通信システム９００における中継処理の概要を示す図である。同図では、無線通信システム９００がアクセスポイント９１、中継装置９２、及び２つの端末装置９３ａ、９３ｂを備える場合における中継処理の概要が示されている。ここでは、アクセスポイント９１と中継装置９２とがＳＤＭのＭＩＭＯ伝送方式を用いて通信を行い、中継装置９２と端末装置９３ａ、９３ｂとがＭＵ−ＭＩＭＯ伝送方式を用いて通信を行う。また、アクセスポイント９１と中継装置９２とが２本のアンテナを有する。また、中継装置９２からアクセスポイント９１への通信におけるチャネル特性を示す行列ＨＡ（以下、チャネル行列ＨＡという。）を次式（１−１）とし、中継装置９２から端末装置９３ａ、９３ｂへの通信におけるチャネル特性を示す行列ＨＢ（以下、チャネル行列ＨＢという。）を次式（１−２）としている。
【０００５】
【数１】
2013219664.tif 000003
【０００６】
時刻Ｔ３１において、アクセスポイント９１は端末装置９３ａ、９３ｂ宛の情報ストリームＳＡを中継装置９２にＳＤＭ−ＭＩＭＯ伝送方式を用いて送信する。中継装置９２は、受信した信号ＲＡに対してチャネル行列ＨＡの逆行列を乗じて情報ストリームＳＡを得る。
時刻Ｔ３２において、中継装置９２は、情報ストリームＳＡを端末装置９３ａ、９３ｂにＭＵ−ＭＩＭＯ伝送方式を用いて送信する。
時刻Ｔ３３において、端末装置９３ａ、９３ｂは中継装置９２に情報ストリームＳＢを同時に送信する。中継装置９２は、受信した信号ＲＢに対してチャネル行列ＨＢの逆行列を乗じて、端末装置９３ａ、９３ｂから送信された情報ストリームＳＢを得る。
時刻Ｔ３４において、中継装置９２は、情報ストリームＳＢをＳＤＭ−ＭＩＭＯ伝送方式を用いて送信する。
このように、マルチホップ無線を適用した無線通信システム９００では、中継装置９２がチャネル行列の逆行列を受信した信号に乗じて中継すべき信号を得て、信号の転送を行う。時刻Ｔ３１における中継装置９２の処理と、時刻Ｔ３４における中継装置９２の処理とを数式にて表すと、次式（２−１）及び式（２−２）となる。
【０００７】
【数２】
2013219664.tif 000004
【０００８】
ここで、式（２−１）及び式（２−２）において、チャネル行列ＨＡ、ＨＢを転置行列としているのは、チャネル行列ＨＡ、ＨＢを中継装置９２の送信に対応して定めた行列を用いて中継装置９２の受信処理を表しているためである。
【０００９】
図４は、マルチホップ無線とＷＮＣとを適用した無線通信システム９１０における中継処理の概要を示す図である。同図における無線通信システム９１０は、図３における無線通信システム９００と同じ構成である。
時刻Ｔ４１において、アクセスポイント９１は、端末装置９３ａ、９３ｂ宛の情報ストリームＳＡ（＝（ｓＡ１，ｓＡ２）Ｔ）を中継装置９２にＳＤＭ−ＭＩＭＯ伝送方式を用いて送信する。中継装置９２は、受信した信号ＲＡに対してチャネル行列ＨＡＴの逆行列を乗じて情報ストリームＳＡを得る。ここで、情報ストリームｓＡ１は端末装置９３ａ宛の信号であり、情報ストリームｓＡ２は端末装置９３ｂ宛の信号である。
時刻Ｔ４２において、端末装置９３ａ、９３ｂはアクセスポイント９１宛の情報ストリームＳＢ（＝（ｓＢ１，ｓＢ２）Ｔ）を同時に中継装置９２に送信する。中継装置９２は、受信した信号ＲＢに対してチャネル行列ＨＢＴの逆行列を乗じて、端末装置９３ａ、９３ｂから送信された情報ストリームＳＢを得る。
【００１０】
時刻Ｔ４３において、中継装置９２は、受信した情報ストリームＳＡと情報ストリームＳＢとを合成（ネットワーク符号化）し、合成により得られた情報ストリームＳＣに対して、チャネル行列ＨＢの逆行列を用いたＭＵ−ＭＩＭＯプリコーディングにより信号Ｙを算出する。中継装置９２は、信号Ｙをアクセスポイント９１及び端末装置９３ａ、９３ｂに送信する。
端末装置９３ａは、自装置が送信した情報ストリームｓＢ１を用いて、受信した信号ＲＳ１から自装置宛の情報ストリームｓＡ１を復号する。端末装置９３ｂは、端末装置９３ａと同様に、自装置が送信した情報ストリームｓＢ２を用いて、受信した信号ＲＳ２から自装置宛の情報ストリームｓＡ２を復号する。アクセスポイント９１は、受信した信号ＲＡＰに対してチャネル行列ＨＡの逆行列とチャネル行列ＨＢとを乗算して情報ストリームＳＣを算出する。そして、アクセスポイント９１は、自装置が送信した情報ストリームＳＡを用いて、信号Ｙから自装置宛の情報ストリームＳＢを復号する。
【００１１】
このように、マルチホップ無線とＷＮＣとを適用した無線通信システム９１０では、中継装置９２がアクセスポイント９１及び端末装置９３ａ、９３ｂから受信した信号を合成（ネットワーク符号化）して同時に送信することにより、中継処理に要する時間（スロット）を減らしてシステムスループットを向上させることができる。また、アクセスポイント９１と、端末装置９３ａ、９３ｂとは、中継装置９２から受信した信号から自装置が送信した信号をキャンセルすることによって、自装置宛に送信された信号を抽出する。
【００１２】
なお、時刻Ｔ４１及び時刻Ｔ４２における中継装置９２の処理は、図３の時刻Ｔ３１及び時刻Ｔ３３における中継装置９２の処理と同じであり、上述の式（２−１）及び式（２−２）で表される。時刻Ｔ４３におけるネットワーク符号化の処理、及びＭＵ−ＭＩＭＯプリコーディングの処理は、次式（３−１）及び次式（３−２）で表される。
【００１３】
【数３】
2013219664.tif 000005
【００１４】
式（３−１）における「○」の中に「＋」が記載されている記号は排他的論理和演算を示す。すなわち、情報ストリームＳＣは情報ストリームＳＡのビット列と情報ストリームＳＢのビット列との排他的論理和により算出される。ビットレベルのネットワーク符号化は任意の線形符号により実現可能であるが、ここに示した例では、最も簡易な排他的論理和演算を用いてネットワーク符号化を行う。
また、時刻Ｔ４３における、端末装置９３ａの処理は次式（４）で表され、端末装置９３ｂの処理は次式（５）で表され、アクセスポイント９１の処理は次式（６）で表される。
【００１５】
【数４】
2013219664.tif 000006
【００１６】
【数５】
2013219664.tif 000007
【００１７】
【数６】
2013219664.tif 000008
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１８】
【非特許文献１】大槻暢朗、淺井祐介、杉山隆利、「高効率マルチホップ無線システムを実現する無線ネットワークコーディング技術の研究開発」、ＮＴＴ技術ジャーナル、日本電信電話株式会社、２００９年１２月、ｖｏｌ．２１、Ｎｏ．１２、ｐｐ．５７−６０
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
無線ネットワークコーディングの一つである物理層無線ネットワークコーディングは、アクセスポイントと端末装置とが中継装置に対して同時に送信し、中継装置が重畳された信号を受信し、受信した信号をアクセスポイントと端末装置とに送信する。物理層無線ネットワークコーディングを適用したシステムでは、２回の送信で中継処理が完了するため、伝送効率の観点からは、図３及び図４に示した中継処理より優れている。
【００２０】
図５は、ＭＵ−ＭＩＭＯ伝送方式と物理層無線ネットワークコーディングと組み合わせて適用した無線通信システム９２０における中継処理の概要を示す図である。同図における無線通信システム９２０は、図３における無線通信システム９００と同じ構成である。
時刻Ｔ５１において、アクセスポイント９１は、端末装置９３ａ、９３ｂ宛の情報ストリームＳα（＝（ｓα１，ｓα２）Ｔ）を中継装置９２にＳＤＭ−ＭＩＭＯ伝送方式を用いて送信する。端末装置９３ａ、９３ｂは、アクセスポイント９１宛の情報ストリームＳβ（＝（ｓβ１，ｓβ２）Ｔ）を中継装置９２にＭＵ−ＭＩＭＯ伝送方式を用いて送信する。中継装置９２は、受信した信号Ｒに対してチャネル行列ＨＡＴの逆行列を乗算して信号Ｓχを算出する。
【００２１】
時刻Ｔ５２において、中継装置９２は、信号Ｓχに対して、チャネル行列ＨＢの逆行列を用いたＭＵ−ＭＩＭＯプリコーディングにより信号Ｙを算出する。中継装置９２は、算出した信号Ｙをアクセスポイント９１及び端末装置９３ａ、９３ｂに送信する。アクセスポイント９１は、受信した信号ＲＡＰに対してチャネル行列ＨＡの逆行列とチャネル行列ＨＢとを乗算する。そして、アクセスポイント９１は、乗算により得られた信号から自装置が送信した情報ストリームＳαをキャンセルし、更にチャネル行列ＨＢの逆行列を乗算して自装置宛の情報ストリームＳβを得る。
【００２２】
一方、端末装置９３ａは、受信した信号ＲＢ１に端末装置９３ｂが中継装置９２に送信した情報ストリームｓβ２（残留干渉）が含まれているため、アクセスポイント９１が自装置宛に送信した情報ストリームｓα１を得ることができない。同様に、端末装置９３ｂも、受信した信号ＲＢ２に端末装置９３ａが中継装置９２に送信した情報ストリームｓβ１（残留干渉）が含まれているため、アクセスポイント９１が自装置宛に送信した情報ストリームｓα２を得ることができない。
【００２３】
時刻Ｔ５１における中継装置９２の処理は次式（７−１）で表される。時刻Ｔ５２における中継装置９２の処理は次式（７−２）で表される。
【００２４】
【数７】
2013219664.tif 000009
【００２５】
時刻Ｔ５２におけるアクセスポイント９１の処理は次式（８）で表される。また、時刻Ｔ５２において、端末装置９３ａが受信する信号ＲＢ１、及び端末装置９３ｂが受信する信号ＲＢ２は、次式（９）及び次式（１０）により表される。
【００２６】
【数８】
2013219664.tif 000010
【００２７】
【数９】
2013219664.tif 000011
【００２８】
【数１０】
2013219664.tif 000012
【００２９】
端末装置９３ａが受信する信号ＲＢ１の残留干渉は式（９）における３行目の第３項「ｈＲ１＿Ｂ２ｓβ２」であり、端末装置９３ｂが受信する信号ＲＢ２の残留干渉波は式（１０）における３行目の第２項「ｈＲ２＿Ｂ１ｓβ１」である。
このように、ＭＵ−ＭＩＭＯ伝送方式と物理層無線ネットワークコーディングと組み合わせて適用した場合、端末装置９３が他の端末装置９３から中継装置９２に送信した信号による干渉を受けて、受信した信号から自装置宛の信号を抽出できないという問題がある。
【００３０】
本発明は、上記問題を解決すべくなされたもので、その目的は、ＭＵ−ＭＩＭＯ伝送方式と物理層無線ネットワークコーディングとを組み合わせた通信を行うことができる無線通信システム、通信装置、中継装置、及び無線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】
【００３１】
上記問題を解決するために、本発明は、複数のアンテナを有する通信装置と、複数の端末装置と、前記通信装置と前記端末装置との間の通信を中継する中継装置とを備え、各装置間の通信にＭＩＭＯ伝送方式を適用し、同一の周波数帯域にて通信を行う無線通信システムであって、前記通信装置は、前記端末装置宛の信号に対して、自装置と前記中継装置との間の伝送路におけるチャネル特性を示す第１のチャネル行列の逆行列と、前記中継装置と前記端末装置との間の伝送路におけるチャネル特性を示す第２のチャネル行列とを乗算する第１のプレコーディングを行う手段と、前記第１のプレコーディングにより得られた信号を前記中継装置に送信する手段とを備え、前記端末装置は、前記通信装置が前記中継装置に信号を送信したタイミングと同じタイミングで前記通信装置宛の信号を前記中継装置に送信する手段を備え、前記中継装置は、前記通信装置が送信した信号と、複数の前記端末装置が送信した信号とが伝送路において重畳された信号を受信し、受信した信号に対して前記第２のチャネル行列の逆行列を乗算することで前記複数の端末装置それぞれが送信した信号を分離する手段と、分離した信号に対して更に前記第２のチャネル行列の逆行列を乗算する第２のプレコーディングを行う手段と、前記第２のプレコーディングにより得られた信号を前記通信装置及び前記端末装置に送信する手段とを備え、前記通信装置は、前記中継装置から受信した信号に対して、前記第２のチャネル行列を乗算し、前記端末装置宛に送信した信号を除去することにより、自装置宛の信号を抽出する手段を更に備え、前記端末装置は、前記中継装置から受信した信号から前記通信装置宛に送信した信号を除去することにより、自装置宛の信号を抽出する手段を更に備えることを特徴とする無線通信システムである。
【００３２】
また、上記問題を解決するために、本発明は、複数のアンテナを有する通信装置と、複数の端末装置と、前記通信装置と前記端末装置との間の通信を中継する中継装置とを備え、各装置間の通信にＭＩＭＯ伝送方式を適用し、同一の周波数帯域にて通信を行う無線通信システムにおける通信装置であって、前記端末装置宛の信号に対して、自装置と前記中継装置との間の伝送路におけるチャネル特性を示す第１のチャネル行列の逆行列と、前記中継装置と前記端末装置との間の伝送路におけるチャネル特性を示す第２のチャネル行列とを乗算する第１のプレコーディングを行う手段と、前記第１のプレコーディングにより得られた信号を前記中継装置に送信する手段と、自装置が前記中継装置に信号を送信したタイミングと同じタイミングで前記端末装置から前記中継装置に送信された自装置宛の信号と、自装置が前記中継装置に送信した信号とが伝送路において重畳された信号に対して前記第２のチャネル行列の逆行列を乗算し、乗算した信号に対して更に前記第２のチャネル行列の逆行列を乗算する第２のプレコーディングが行われた信号を前記中継装置から受信する手段と、前記中継装置から受信した信号に対して、前記第２のチャネル行列を乗算し、前記端末装置宛に送信した信号を除去することにより、自装置宛の信号を抽出する手段とを備えることを特徴とする通信装置である。
【００３３】
また、上記問題を解決するために、本発明は、複数のアンテナを有する通信装置と、複数の端末装置と、前記通信装置と前記端末装置との間の通信を中継する中継装置とを備え、各装置間の通信にＭＩＭＯ伝送方式を適用し、同一の周波数帯域にて通信を行う無線通信システムにおける中継装置であって、前記通信装置が送信した信号であって前記通信装置と前記中継装置との間の伝送路におけるチャネル特性を示す第１のチャネル行列の逆行列と、前記中継装置と前記端末装置値の間の伝送路におけるチャネル特性を示す第２のチャネル行列とが乗算された信号と、複数の前記端末装置が送信した信号とが伝送路において重畳された信号を受信し、受信した信号に対して前記第２のチャネル行列の逆行列を乗算することで、複数の前記端末装置それぞれが送信した信号を分離する手段と、分離した信号に対して更に前記第２のチャネル行列の逆行列を乗算するプレコーディングを行う手段と、前記プレコーディングにより得られた信号を前記通信装置及び前記端末装置に送信する手段とを備えることを特徴とする中継装置である。
【００３４】
また、上記問題を解決するために、本発明は、複数のアンテナを有する通信装置と、複数の端末装置と、前記通信装置と前記端末装置との間の通信を中継する中継装置とを備え、各装置間の通信にＭＩＭＯ伝送方式を適用し、同一の周波数帯域にて通信を行う無線通信システムにおける無線通信方法であって、前記通信装置が、前記端末装置宛の信号に対して、自装置と前記中継装置との間の伝送路におけるチャネル特性を示す第１のチャネル行列の逆行列と、前記中継装置と前記端末装置との間の伝送路におけるチャネル特性を示す第２のチャネル行列とを乗算する第１のプレコーディングを行い、前記第１のプレコーディングにより得られた信号を前記中継装置に送信するステップと、前記端末装置が、前記通信装置が前記中継装置に信号を送信したタイミングと同じタイミングで前記通信装置宛の信号を前記中継装置に送信するステップと、前記中継装置が、前記通信装置が送信した信号と、複数の前記端末装置が送信した信号とが伝送路において重畳された信号を受信し、受信した信号に対して前記第２のチャネル行列の逆行列を乗算することで前記複数の前記端末装置それぞれが送信した信号を分離する手段と、分離した信号に対して更に前記第２のチャネル行列の逆行列を乗算する第２のプレコーディングを行い、前記第２のプレコーディングにより得られた信号を前記通信装置及び前記端末装置に送信するステップと、前記通信装置が、前記中継装置から受信した信号に対して、前記第２のチャネル行列を乗算し、前記端末装置宛に送信した信号を除去することにより、自装置宛の信号を抽出するステップと、前記端末装置が、前記中継装置から受信した信号から前記通信装置宛に送信した信号を除去することにより、自装置宛の信号を抽出するステップとを有することを特徴とする無線通信方法である。
【発明の効果】
【００３５】
この発明によれば、通信装置が端末装置に送信する信号に対して、中継装置と端末装置との間の伝送路に対応する第１のチャネル行列の逆行列と、通信装置と中継装置との間の伝送路に対する第２のチャネル行列の逆行列とを乗算する第１のプレコーディングを行う。これにより、中継装置は、端末装置宛の信号と中継装置宛の信号とが伝送路において重畳された信号に対して、第２のチャネル行列の逆行列を乗算することにより、伝送路の影響を除くことができる。更に、中継装置が第２のチャネル行列の逆行列を乗算する第２のプレコーディングを行って信号を送信することにより、通信装置及び端末装置は、受信信号から伝送路の影響を除くとともに、自装置が送信した信号を受信した信号からキャンセルすることにより、自装置宛の信号を抽出することができる。
このように、通信装置が予め取得した第１及び第２のチャネル行列を用いて第１のプレコーディングを行うことにより、無線通信システムはＭＵ−ＭＩＭＯ伝送方式と物理層無線ネットワークコーディングとを組み合わせた通信を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明に係る一実施形態における無線通信システム１００の構成を示す概略図である。
【図２】本実施形態の無線通信システム１００における中継処理の一例を示すシーケンス図である。
【図３】マルチホップ無線を適用した無線通信システム９００における中継処理の概要を示す図である。
【図４】マルチホップ無線とＷＮＣとを適用した無線通信システム９１０における中継処理の概要を示す図である。
【図５】ＭＵ−ＭＩＭＯ伝送方式と物理層無線ネットワークコーディングと組み合わせて適用した無線通信システム９２０における中継処理の概要を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態における無線通信システム、通信装置、中継装置、及び無線通信方法を説明する。
【００３８】
図１は、本発明に係る一実施形態における無線通信システム１００の構成を示す概略図である。同図に示すように、無線通信システム１００は、２本のアンテナ（Ａ１，Ａ２）を有するアクセスポイント１と、２本のアンテナ（Ｒ１，Ｒ２）を有する中継装置２と、１本のアンテナ（Ｂ１）を有する端末装置３ａと、１本のアンテナ（Ｂ２）を有する端末装置３ｂとを備えている。
アクセスポイント１は、端末装置３ａ、３ｂに情報ストリームを１本ずつ計２本の情報ストリームを、中継装置２を介して送信する。端末装置３ａ、３ｂは、中継装置２を介して情報ストリームを１本ずつアクセスポイント１に送信する。中継装置２は、アクセスポイント１から受信する情報ストリームを端末装置３ａ、３ｂに転送し、端末装置３ａ、３ｂから受信する情報ストリームをアクセスポイント１に転送する。また、アクセスポイント１、中継装置２、及び端末装置３ａ、３ｂは時間的に同期しており、同一の周波数帯域を用いて無線通信を行う。すなわち、無線通信システム１００における中継形態は１：１：２中継であり、１（Ｍ＝１）本の情報ストリームを送受信する２（Ｎ＝２）台の端末装置３ａ、３ｂと中継装置２とがＭＵ−ＭＩＭＯ伝送方式を用いた通信を行い、アクセスポイント１と中継装置２とが２（Ｍ×Ｎ＝２）多重の空間多重通信を行う。また、無線通信システム１００は、アクセスポイント１と、端末装置３ａ、３ｂとが同じタイミング（フレーム）において中継装置２に送信を行う物理層無線ネットワークコーディングを適用した中継処理を行う。
【００３９】
ここで、図１に示すように、中継装置２からアクセスポイント１への通信におけるチャネル特性を示すチャネル行列ＨＡ（チャネル状態情報：ＣＳＩ）は式（１１−１）で表され、中継装置２から端末装置３ａ、３ｂへの通信におけるチャネル特性を示すチャネル行列ＨＢは式（１１−２）で表される。なお、式（１１−２）におけるベクトルｈＲ＿Ｂ１及びベクトルｈＲ＿Ｂ２は、次式（１１−３）で表される。
【００４０】
【数１１】
2013219664.tif 000013
【００４１】
式（１１−１）から式（１１−３）において、行列又はベクトルの要素ｈＸ＿Ｙは、アンテナＸからアンテナＹへの伝送におけるチャネル特性を示す。
また、アクセスポイント１から端末装置３ａ、３ｂへ送信する情報ストリームをベクトルＳＡとし、端末装置３ａ、３ｂからアクセスポイント１へ送信する情報ストリームをベクトルＳＢとする。ベクトルＳＡ、ＳＢは次式（１２−１）及び次式（１２−２）で表される。なお、ｓα１はアクセスポイント１から端末装置３ａへ送信する情報ストリームを表し、ｓα２はアクセスポイント１から端末装置３ｂへ送信する情報ストリームを表す。ｓβ１は端末装置３ａからアクセスポイント１へ送信する情報ストリームを表し、ｓβ２は端末装置３ｂからアクセスポイント１へ送信する情報ストリームを表す。
【００４２】
【数１２】
2013219664.tif 000014
【００４３】
図２は、本実施形態の無線通信システム１００における中継処理の一例を示すシーケンス図である。
時刻Ｔ２１において、アクセスポイント１は、端末装置３ａ、３ｂ宛に送信する情報ストリームＳαに対してＭＵ−ＭＩＭＯプリコーディングを行う。このＭＵ−ＭＩＭＯプリコーディングでは、予め取得しておいたチャネル行列ＨＡ及びチャネル行列ＨＢを用いて行う。具体的には、チャネル行列ＨＡの逆行列とチャネル行列ＨＢとを情報ストリームＳαに乗算して送信信号Ｔｘを算出する。アクセスポイント１は、算出した送信信号Ｔｘを各アンテナ（Ａ１，Ａ２）から中継装置２に送信する。また、端末装置３ａ、３ｂは、それぞれがアクセスポイント１宛の情報ストリームｓβ１、ｓβ２（＝Ｓβ）を中継装置２に送信する。
【００４４】
中継装置２が受信する信号Ｒは、アクセスポイント１から中継装置２までの伝送路においてチャネル行列ＨＡが送信信号Ｔｘに乗じられた信号と、端末装置３ａ、３ｂから中継装置２までの伝送路においてチャネル行列ＨＢが情報ストリームＳβに乗じられた信号とが重畳された信号となる。すなわち、中継装置２は、アクセスポイント１と端末装置３ａ、３ｂとが同じタイミングで送信した信号を、伝送路で重畳された信号として受信する。
中継装置２は、受信した信号Ｒに対してチャネル行列ＨＢＴの逆行列を乗じることにより、アクセスポイント１から送信された情報ストリームＳαと、端末装置３ａ、３ｂから送信された情報ストリームＳβとが合成された情報ストリームＳδを算出する。
ここで、アクセスポイント１におけるプリコーディング処理は次式（１３−１）により表され、中継装置２が受信する信号Ｒ及び情報ストリームＳδは次式（１３−２）により表される。
【００４５】
【数１３】
2013219664.tif 000015
【００４６】
なお、式（１３−１）及び式（１３−２）において、情報ストリームＳα、Ｓβに乗じる行列ＨＡ、ＨＢが転置行列となっているのは、チャネル行列ＨＡ、ＨＢを中継装置２の送信に対応して定めた行列を用いて中継装置２の受信処理を表しているためである。
【００４７】
時刻Ｔ２２において、中継装置２は、２つの情報ストリームＳα、Ｓβが合成された情報ストリームＳδに対してチャネル行列ＨＢの逆行列を乗じることにより、ＭＵ−ＭＩＭＯプリコーディング処理を行う。中継装置２は、ＭＵ−ＭＩＭＯプリコーディングの処理により得られた送信信号Ｙをアクセスポイント１及び端末装置３ａ、３ｂに２つのアンテナ（Ｒ１、Ｒ２）から送信する。
【００４８】
送信信号Ｙは、中継装置２から端末装置３ａ、３ｂまでの伝送路においてチャネル行列ＨＢが乗じられたＭＵ−ＭＩＭＯ信号として端末装置３ａ、３ｂそれぞれに到達する。端末装置３ａ、３ｂは、自装置から送信された情報ストリームと、アクセスポイント１から送信された情報ストリームとが合成された情報ストリームＲＢ１、ＲＢ２を受信する。したがって、各端末装置３ａ、３ｂは、受信した情報ストリームから自装置が送信した情報ストリームをキャンセルすることによって、アクセスポイント１から自装置宛に送信された情報ストリームを抽出する。
【００４９】
また、送信信号Ｙは、中継装置２からアクセスポイント１までの伝送路において、チャネル行列ＨＡが乗じられたＳＤＭ−ＭＩＭＯ信号としてアクセスポイント１に到達する。アクセスポイント１は、受信した信号ＲＡＰに対してチャネル行列ＨＡの逆行列とチャネル行列ＨＢとを乗じることにより、合成された情報ストリームを得ることができる。したがって、アクセスポイント１は、自装置が送信した２本の情報ストリームを合成された情報ストリームからキャンセルすることにより、端末装置３ａ、３ｂが自装置宛に送信した情報ストリームを抽出することができる。
【００５０】
ここで、中継装置２におけるＭＵ−ＭＩＭＯプリコーディング処理を式（１４）に示し、アクセスポイント１における受信処理を式（１５）に示し、端末装置３ａにおける受信処理を式（１６）に示し、端末装置３ｂにおける受信処理を式（１７）に示す。
【００５１】
【数１４】
2013219664.tif 000016
【００５２】
【数１５】
2013219664.tif 000017
【００５３】
【数１６】
2013219664.tif 000018
【００５４】
【数１７】
2013219664.tif 000019
【００５５】
上述のように、本実施形態における無線通信システム１００の特徴は、アクセスポイント１と中継装置２との間のチャネル特性を示すチャネル行列ＨＡ（チャネル情報）、及び中継装置２と端末装置３ａ、３ｂとの間のチャネル特性を示すチャネル行列ＨＢ（チャネル情報）とをアクセスポイント１が予め取得し、当該チャネル行列を用いて端末装置３ａ、３ｂ宛の情報ストリーム（信号）に対してＭＵ−ＭＩＭＯプリコーディングを行って中継装置２に送信することである。
これにより、中継装置２において、受信した信号Ｒに対してチャネル行列ＨＢの逆行列を乗算して、アクセスポイント１が送信した情報ストリームＳαと、端末装置３ａ、３ｂが送信した情報ストリームＳβとを合成した情報ストリームＳδを得ることができる。情報ストリームＳδには、図５に示した中継処理のように伝送路の影響が含まれていないので、端末装置３ａ、３ｂは残留干渉を含まない信号を受信することができ、自装置が送信した情報ストリームを受信した信号から減算して除去することにより、自装置宛の情報ストリームを抽出することができる。
以上のように、無線通信システム１００は、ＭＵ−ＭＩＭＯ伝送方式と物理層無線ネットワークコーディングとを組み合わせた通信を行うことにより、中継処理に要する時間（スロット）を削減することができ、システムスループットを向上させることができる。
【００５６】
なお、上述の実施形態において、アクセスポイント１及び中継装置２が２本のアンテナを有し、端末装置３ａ、３ｂが１本のアンテナを有する構成について説明したが、これに限ることなく、アクセスポイント１と端末装置３ａ、３ｂとの間で伝送される情報ストリームの数に応じた複数のアンテナをアクセスポイント１、中継装置２、及び端末装置３ａ、３ｂが有するようにしてもよい。また、無線通信システム１００が２つの端末装置３ａ、３ｂを備える構成について説明したが、これに限ることなく、３つ以上の端末装置を備える構成としてもよい。
なお、本発明におけるチャネル行列ＨＡ，ＨＢの逆行列は、当該チャネル行列によるＭＩＭＯの混信を相殺するよう働く空間フィルタであってもよい。すなわち雑音の影響までを考慮したＭＭＳＥ（Minimum Mean Square Error：最小平均平方誤差）空間フィルタであってもよい。また、固有値伝送を行う場合は、固有値伝送を行うためのプリコーディング行列までを含めてチャネル行列として捉えることで逆行列を算出してもよい。
【００５７】
なお、本発明におけるアクセスポイント（通信装置）、中継装置、及び端末装置の機能を実現するためのプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行することによりプリコーディング処理や、受信処理を行ってもよい。なお、ここでいう「コンピュータシステム」とは、ＯＳや周辺機器等のハードウェアを含むものとする。また、「コンピュータシステム」は、ホームページ提供環境（あるいは表示環境）を備えたＷＷＷシステムも含むものとする。また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ、ＣＤ−ＲＯＭ等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。更に「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線を介してプログラムが送信された場合のサーバやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリ（ＲＡＭ）のように、一定時間プログラムを保持しているものも含むものとする。
【００５８】
また、上記プログラムは、このプログラムを記憶装置等に格納したコンピュータシステムから、伝送媒体を介して、あるいは、伝送媒体中の伝送波により他のコンピュータシステムに伝送されてもよい。ここで、プログラムを伝送する「伝送媒体」は、インターネット等のネットワーク（通信網）や電話回線等の通信回線（通信線）のように情報を伝送する機能を有する媒体のことをいう。また、上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであっても良い。更に、前述した機能をコンピュータシステムに既に記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるもの、いわゆる差分ファイル（差分プログラム）であっても良い。
【符号の説明】
【００５９】
１，９１…アクセスポイント（通信装置）
２，９２…中継装置
３ａ，３ｂ，９３，９３ａ，９３ｂ…端末装置
１００，９００，９１０，９２０…無線通信システム
【図１】
2013219664.tif 000020
【図２】
2013219664.tif 000021
【図３】
2013219664.tif 000022
【図４】
2013219664.tif 000023
【図５】
2013219664.tif 000024