JP2006148868A - 通信システム、通信ノード及び通信方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 マルチホップ方式及びＭＩＭＯ方式を用いてソースノードから目的ノードへ信号を伝送する場合において、目的ノードにおける受信信号品質の劣化を従来よりも抑制する通信システムを得ること。
【解決手段】 通信システムを構成する中継ノードは、ソースノードとの間のチャネル行列Ｈ_ｋに基づいて、第１のユニタリ行列Ｑを求める手段と、目的ノードとの間のチャネル行列Ｇ_ｋに基づいて、第２のユニタリ行列Ｏ_ｋ（又はムーアペンローズ逆行列Ｆ_ｋ）を求める手段と、ソースノード及び目的ノードとの間のチャネル行列に基づいて、変換行列Ａ_ｋを求める手段と、第１のユニタリ行列、変換行列及び第２のユニタリ行列（又はムーアペンローズ逆行列）を受信信号に乗算する手段と、乗算後の信号を目的ノードへ送信する手段とを備える。目的ノードは、受信信号から所望信号を検出する手段を備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、一般に無線通信の技術分野に関し、特にマルチホップ方式及び多入力多出力（ＭＩＭＯ：Ｍｕｌｔｉ Ｉｎｐｕｔ Ｍｕｌｉｔ Ｏｕｔｐｕｔ）方式を使用する通信ノード及び通信方法に関する。

この種の技術分野では、マルチホップ方式とＭＩＭＯ方式（又はマルチアンテナ方式）を組み合せたシステム（ＭＩＭＯマルチホップシステム）が近年注目されている。マルチホップ方式は、ソースノードと目的ノード（ターゲットノード又は宛先ノード等と呼んでもよい）との間に存在する１以上の中継ノードを通じて、ソースから宛先へ信号を伝送する。この方式は、中継することによりカバレッジが拡大し、通信可能な地域が理論上制限されないこと、無線ネットワークを速やかに構築できること等の利点を有する。ＭＩＭＯ方式は、複数の送信アンテナ及び複数の受信アンテナを用いて信号を送受信し、空間を多様に活用することで、通信容量を増やそうとするものである。

ＭＩＭＯマルチホップシステムにおける信号伝送は、概して次のようにして行われる。先ず、ソースノードから送信された信号Ｓが、中継ノードにて受信され、その受信信号Ｙは次のように表現される。

Ｙ＝ＨＳ＋ｎ ・・・（１）
ここで、Ｈはソース及び中継ノード間のチャネル行列を表し、Ｓは送信信号ベクトルを表し、ｎは雑音を表す。次に、ゼロフォーシング（ＺＦ：Ｚｅｒｏ−ｆｏｒｃｉｎｇ）法により送信信号Ｓが検出される。この方法は、擬似的逆行列（ｐｓｅｕｄｏ ｉｎｖｅｒｓｅ ｍａｔｒｉｘ）Ｗ_１＝（Ｈ^ＨＨ）^−１Ｈ^Ｈ を算出し、この擬似的逆行列Ｗ_１を規格化係数と共に受信信号Ｙに乗算することで、送信信号Ｓを検出しようとするものである。上付き文字の「Ｈ」は共役転置を表す。

Ｗ_１Ｙ＝Ｓ＋Ｗ_１ｎ ・・・（２）
ここで、記号‖・‖は、ノルムを表し、任意の行列Ａに関し、次式で定義される量である：
‖Ａ‖＝（Ｔｒ（Ｅ［ＡＡ^Ｈ］））^１／２ ・・・（３）
ただし、Ｔｒ（・）は、括弧内の行列の対角成分の総和、即ちトレース（ｔｒａｃｅ）を表し、Ｅ［・］は括弧内の量を平均化することを表す。特に、ベクトル量Ｖ＝（ｖ_１，ｖ_２，．．．，ｖ_Ｍ）^Ｔに関するノルム‖Ｖ‖は、
‖Ｖ‖＝［｜ｖ_１｜^２＋｜ｖ_２｜^２＋・・・＋｜ｖ_Ｍ｜^２］^１／２
となる。上付き文字の「Ｔ」は転置を表す。なお、上記のような擬似的逆行列はムーアペンローズ逆行列（Ｍｏｏｒｅ−Ｐｅｎｒｏｓｅ ｉｎｖｅｒｓｅ ｍａｔｒｉｘ）に該当する。一般にムーアペンローズ逆行列Ｂはｎ行ｍ列の行列Ａに対してＡＢＡ＝Ａを成立させるｍ行ｎ列の行列として定義される。上記の例では、行列Ｈに対してＨＷ_１Ｈ＝Ｈが成立している。

次に、擬似的逆行列Ｗ_２＝（Ｇ^ＨＧ）^−１Ｇ^Ｈ が算出される。Ｇは中継ノード及び目的ノード間のチャネル行列である。この擬似的逆行列Ｗ_２が、規格化係数Ｅと共に（２）式の両辺に乗算される。

Ｅ（Ｗ_２Ｗ_１）Ｙ＝ＥＷ_２（Ｓ＋Ｗ_１ｎ） ・・・（４）
但し、Ｅ＝１／（‖Ｗ_１‖‖Ｗ_２‖）×√（Ｐ_ｓ／（Ｐ_ｓ＋σ_ｎ ^２））であり、Ｐ_ｓは送信電力であり、σ^２は雑音に関する分散である。
このようにして算出された信号が、中継ノードから目的ノードへ送信される。目的ノードにおける受信信号Ｙ_Ｒは、次式で表現される。

Ｙ_Ｒ＝ＧＥＷ_２Ｗ_１Ｙ＋ｎ_Ｒ ・・・（５）
ここで、ｎ_Ｒは雑音を表す。（５）式は、Ｗ_１，Ｗ_２の定義により、次のように表現できる：
Ｙ_Ｒ＝Ｅ（Ｓ＋Ｗ_１ｎ）＋ｎ_Ｒ ・・・（６）
これにより、目的ノードにて、送信信号Ｓを直ちに得ることができる。このようなシステムについては、例えば非特許文献１に記載されている。
Ｒｏｈｉｔ Ｕ．Ｎａｂａｒ，ｅｔ ａｌ．，"Ｃａｐａｃｉｔｙ Ｓｃａｌｉｎｇ Ｌａｗｓ ｉｎ ＭＩＭＯ Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｗｎｅｔｗｏｒｋｓ"，Ａｌｌｅｒｔｏｎ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ，Ｃｏｎｔｒｏｌ，ａｎｄ Ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ，Ｍｏｎｔｉｃｅｌｌｏ，ＩＬ．ｐｐ．３７８−３８９，Ｏｃｔ．２００３

（６）式を参照するに、受信信号は、送信信号Ｓに対する因子として１／（‖Ｗ_１‖‖Ｗ_２‖）を含んでいることが分かる。このような因子‖Ｗ_１‖，‖Ｗ_２‖は、中継ノードで行われる送信電力制御に不可欠である。しかしながら、Ｗ_１，Ｗ_２はチャネル行列Ｈ，Ｇの逆行列に相当し、雑音増幅の影響を受けるので、信号品質が劣化してしまうという問題がある。更に、（６）式を参照するに、ソース及び中継ノード間で導入された雑音ｎが、受信信号に大きく寄与する形で含まれている。従って、ホップ数が増えるほどこの種の雑音に起因する信号劣化も大きくなってしまう問題もある。

本発明は、上記問題点の少なくとも１つに対処するためになされたものであり、その課題は、マルチホップ方式及びＭＩＭＯ方式を用いてソースノードから目的ノードへ信号を伝送する場合において、目的ノードにおける受信信号品質の劣化を従来よりも抑制する通信システム、通信ノード及び通信方法を提供することである。

本発明では、ソースノードから送信された送信信号を中継ノードを介して目的ノードに伝送させる通信システムが使用される。前記中継ノードは、前記ソースノード及び／又は目的ノードの間のチャネル行列に基づいて、１以上の変換行列を求める手段と、前記ソースノード及び／又は目的ノードの間のチャネル行列に基づいて、ＱＲ分解を行うＱＲ分解手段と、少なくとも変換行列を信号に乗算する手段と、乗算後の信号を前記目的ノードへ送信する手段とを備る。前記目的ノードは、受信信号から所望信号を検出する手段を備える。

本発明によれば、マルチホップ方式及びＭＩＭＯ方式を用いてソースノードから目的ノードへ信号を伝送する場合において、目的ノードにおける受信信号品質の劣化を従来よりも抑制することができる。

本明細書及び特許請求の範囲における「ユニタリ行列」は、正規行列であることは必須ではなく、行数と列数が異なってもよいことに留意を要する。本明細書及び特許請求の範囲における「ユニタリ行列」は、行列の各列（又は、行列の各行）が互いに直交する行列をいう。従って、ある正方行列Ａを対角化する正規行列が「ユニタリ行列」に含まれるのはもちろんのこと、Ｍ×Ｎ型の非正方行列Ｂを対角化するＮ×Ｍ型の非正方行列も「ユニタリ行列」に含まれる。

本発明の一態様によれば、前記第１のユニタリ行列は、ソースノード及び中継ノード間のチャネル行列を三角行列を含む積に分解することによって得られ、前記第２のユニタリ行列は、中継ノード及び目的ノード間のチャネル行列を三角行列を含む積に分解することによって得られる。本発明の一態様によれば、前記変換行列のｉ行ｊ列の行列要素は、ｉ＋ｊが所定値でないならば（行列要素の行番号及び列番号の合計が所定値でないならば）、０である。

本発明の一態様で使用される通信ノードは、ソースノードとの間のチャネル行列Ｈを第1の三角行列Ｒを含む積に分解する手段と、目的ノードとの間のチャネル行列Ｇを第２の三角行列Ｐを含む積に分解する手段と、前記第1及び第２の三角行列に基づいて変換行列Ａを生成する手段と、ユニタリ行列、前記変換行列及び別のユニタリ行列を受信信号に乗算する手段と、乗算後の信号を前記目的ノードへ送信する手段とを備える。前記変換行列Ａのｉ行ｊ列の行列要素は、ｉ＋ｊが所定値でないならば０である。

ユニタリ行列及び変換行列を用いて中継信号が生成されるので、信号損失及び信号品質劣化を抑制しつつマルチホップすることが可能になる。

本発明の一態様によれば、前記変換行列が、第１のユニタリ行列と、交換行列と、第２のユニタリ行列の共役転置行列との積に基づいて算出される。これにより、目的ノードにて複数の中継ノードからの中継信号を合成する際に、同相合成を行うことができる。合成係数に虚数成分（位相成分）が含まれていないので、合成時に相殺される成分はなく、各中継ノードからの中継信号を目的ノードにてコヒーレントに合成（同相合性）することができる。

本発明の一態様によれば、目的ノードにて、逐次型干渉キャンセル法を用いて、信号検出が行われる。

本発明の一態様によれば、前記中継ノードを介し、前記目的ノードから前記ソースノードに至るフィードバックチャネルを利用して、前記送信信号のレート及び送信電力の情報が、前記目的ノードから前記ソースノードに送信され、前記情報は前記目的ノードにおいてチャネル推定値に基づいて求められる。

本発明の一態様によれば、ソースノードから送信された送信信号を中継ノードを介して目的ノードに伝送させる方法が使用される。本方法は、前記中継ノードにおいて、前記ソースノードとの間のチャネル行列を第1の三角行列を含む積に分解し、前記目的ノードとの間のチャネル行列を第２の三角行列を含む積に分解するステップと、前記第1及び第２の三角行列に基づいて変換行列を生成するステップであって、前記変換行列のｉ行ｊ列の行列要素は、ｉ＋ｊが所定値でないならば０であるところのステップと、ユニタリ行列、前記変換行列及び別のユニタリ行列を受信信号に乗算するステップと、乗算後の信号を前記目的ノードへ送信するステップとを実行する。本方法は、前記目的ノードにおいて、前記第１，第２の三角行列及び前記変換行列に基づいて、第３の三角行列を生成するステップと、前記第３の三角行列を用いて受信信号から前記送信信号を検出するステップとを実行する。

本発明の一態様によれば、ソースノードから送信された送信信号を中継ノードを介して目的ノードに伝送させる方法が使用される。本方法では、前記中継ノードにおいて、前記ソースノードとの間のチャネル行列を第1の三角行列を含む積に分解し、前記目的ノードとの間のチャネル行列を第２の三角行列を含む積に分解するステップと、受信信号にユニタリ行列を乗算するステップと、前記第１の三角行列を用いて乗算後の信号から前記送信信号を検出するステップと、検出された送信信号に、変換行列及び前記第２のユニタリ行列を乗算するステップと、乗算後の信号を前記目的ノードへ送信するステップとが実行される。本方法では、前記目的ノードにおいて、前記第２の三角行列を用いて受信信号から前記送信信号を検出するステップとが実行される。

中継ノードにて信号検出を行うので、中継ノードでホッピングする毎にノイズが加算されてしまうことを効果的に抑制することができる。目的ノードにてユニタリ変換を必要としないので、目的ノードにおける信号処理負担を軽減することができる。

本発明の一態様によれば、通信システムに使用される中継ノードが、前記ソースノードとの間のチャネル行列に基づいて、ユニタリ行列を求める手段と、前記目的ノードとの間のチャネル行列に基づいて、ムーアペンローズ逆行列を求める手段と、前記ソースノードとの間のチャネル行列に基づいて、対角行列を求める手段と、前記ユニタリ行列、対角行列及び前記ムーアペンローズ逆行列を受信信号に乗算する手段と、乗算後の信号を前記目的ノードへ送信する手段とを備える。これにより、中継ノード数の多少によらず、中継ノードにおけるノイズの増幅度を小さくすることができる。

本発明の一態様によれば、通信システムに使用される中継ノードが、前記ソースノードとの間のチャネル行列に基づいてムーアペンローズ逆行列を求める手段と、前記目的ノードとの間のチャネル行列に基づいてユニタリ行列と対角行列求める手段と、前記ユニタリ行列、対角行列及び前記ムーアペンローズ逆行列を受信信号に乗算する手段と、乗算後の信号を前記目的ノードへ送信する手段とを備える。

以下に説明される本発明の実施例では、ＱＲ分解を行う際にＱをユニタリ行列、Ｒを三角行列に変換しているが、本発明はこれに限られるものではなく、チャネル容量を増大させる他の変換が使用されてもよい。たとえば、Ｒが完全に三角行列でない場合、すなわち上三角行列又は下三角行列のゼロ成分が完全に０でない場合であっても、完全に０である場合と比較してチャネル容量が増大する行列Ｒが存在することを本発明者は発見した。

図１１には、本発明による様々な実施例での主な特徴が示されている。図１１の一覧表では比較のため従来例による手法も掲げられている。各実施例の手法は単独で使用されてもよいし、組み合せて使用されてもよい。

図１は、本発明の一実施例による通信システムの全体図を示す。この通信システムは、マルチホップ方式及びＭＩＭＯ方式を採用する。図１には、ソースノード１２と、Ｋ（≧１）個の中継ノード１４−ｋ（１≦ｋ≦Ｋ）と、目的ノード１６とを有する。ソースノード及び中継ノード間の通信並びに中継ノード及び目的ノード間の通信は、ＭＩＭＯ方式で行われる。ソースノード１２から目的ノード１６への信号伝送は、マルチホップ方式で行われる。本実施例では、簡単のため、ソースノードから目的ノードへ１ホップで信号を中継できるＫ個の中継ノードが存在することが想定されている。ホップ数は更に多く設定されてもよい。

ソースノード１２は、互いに区別される複数の信号を、例えばＭ個の複数のアンテナからそれぞれ送信する。本実施例では、ＭＩＭＯ方式が採用されるので、複数のアンテナは互いに独立に信号を送信する。各アンテナから送信される個々の信号は、それらをベクトル成分とする１つの送信信号ベクトルＳを構成する。

Ｋ個の中継ノードの各々は、ソースノードからの信号を受信し、所定の信号処理を行うことで中継信号を生成し、中継信号を目的ノードにそれぞれ送信する。Ｋ個の中継ノードは、それぞれ同様な構成及び機能を有し、それについては後述される。

目的ノードは、Ｋ個の中継ノードから送信された中継信号を受信し、ソースノードから送信された送信信号ベクトルＳの内容を検出する。

図２は、複数の中継ノードの内の１つ（１４−ｋ）に関するブロック図である。中継ノード１４−ｋは、複数のアンテナ２２−１〜Ｍと、受信手段２４と、チャネル推定手段２５と、中継信号生成手段２６と、送信手段２８とを有する。また、ソースノードや目的ノードも、中継ノードになる可能性があるので、このような基本的な構成は、中継ノードだけでなく、ソースノードや目的ノードにも備わっている。

本実施例では、ソースノード１２、中継ノード１４−１〜Ｋ、目的ノード１６は、簡単のため、いずれも送受信にＭ個のアンテナを利用する。しかし、一般的には、各ノードで異なる本数のアンテナが使用されてもよいし、送信及び受信に異なる本数のアンテナが使用されてもよい。

受信手段２４は、Ｍ個のアンテナ２２−１〜Ｍから受信された受信信号ｙ_ｋに関する適切な信号処理を行う。その信号処理には、例えば、周波数変換や帯域制限等の受信フロントエンドにおける処理や、アンテナ毎の重み付け等が含まれる。受信信号Ｙ_ｋは、アンテナ数Ｍに対応するＭ個の成分を有する受信信号ベクトルでもある。また、受信手段２４は、受信信号のヘッダを分析することで、目的ノードが何であるかを判別し、その目的ノードに受信信号が転送される。目的ノードが１ホップで到達可能でないならば、別の中継ノードに受信信号が転送される。

チャネル推定部２５は、ソースノード１２と中継ノード１４−ｋとの間のチャネル行列Ｈ_ｋを推定する。ソースノード１２から送信された個々のパイロットチャネルを受信することで、チャネル行列Ｈの行列要素が導出される。同様に、チャネル推定部２５は、中継ノード１４−ｋと目的ノード１６との間のチャネル行列Ｇ_ｋも推定する。チャネル推定部２５は必要に応じてチャネル状態の良否も推定する。例えば受信信号に基づいてＳＮＲやＳＩＲを測定することで、無線伝搬路の状態の良否を判別することができる。チャネル状態の良否は後述の実施例で特に使用される。

中継信号生成手段２６は、受信信号Ｙ_ｋ及びチャネル推定結果に基づいて、中継信号Ｘ_ｋを生成する。送信信号Ｘ_ｋは、アンテナ数Ｍに対応するＭ個の成分を有する送信信号ベクトルでもある。中継信号生成手段２６の詳細については、後述される。

送信手段２８は、中継信号Ｘ_ｋを複数のアンテナを通じて目的ノード１６に送信するための信号処理を行う。信号処理には、例えば、周波数変換、帯域制限、電力増幅、アンテナ毎の重み付け等の処理が含まれる。

図３は、中継信号生成手段２６の機能ブロック図を示す。中継信号生成手段は、ＱＲ分解部３２と、ウエイト計算部３４と、ウエイト設定部３６とを有する。

ＱＲ分解部３２は、チャネル推定部２５から、チャネル行列Ｈ_ｋ，Ｇ_ｋに関する情報を受信する。ＱＲ分解部３２は、チャネル行列Ｈ_ｋを、ユニタリ行列Ｑ_ｋと三角行列Ｒ_ｋとの積の形式に分解する。言い換えれば、次式を満たすユニタリ行列Ｑ_ｋ及び三角行列Ｒ_ｋが求められる。

Ｈ_ｋ＝Ｑ_ｋＲ_ｋ ・・・（７）
但し、三角行列Ｒ_ｋの第ｉ行の行列要素のうち、１乃至（ｉ−１）番目の列の行列要素はゼロであり（２≦ｉ≦Ｍ）、次の（８）式のように表現される。

また、ＱＲ分解部３２は、チャネル行列Ｇ_ｋを、三角行列Ｐ_ｋ ^Ｈとユニタリ行列Ｏ_ｋ ^Ｈとの積の形式に分解する（上付き文字の「Ｈ」は共役転置を表す）。

Ｇ_ｋ＝Ｐ_ｋ ^ＨＯ_ｋ ^Ｈ ・・・（９）
但し、三角行列Ｐ_ｋの第ｉ行（２≦ｉ≦Ｍ）の行列要素のうち、１乃至（ｉ−１）番目の列の行列要素はゼロであり、三角行列Ｐ_ｋは、次の（１０）式のように表現される。

行列Ｐ_ｋは上三角行列なので、行列Ｐ_ｋ ^Ｈは下三角行列になる。

ウエイト計算部３４は、チャネル行列Ｈ_ｋ，Ｇ_ｋ及びそれらのＱＲ分解形式に関する情報に基づいて、受信信号Ｙ_ｋに与えるウエイト又は重み係数を算出する。ウエイトの具体的な内容は、動作説明の際に説明される。

ウエイト設定部３６は、所定の行列演算を実行し、受信信号Ｙ_ｋを中継信号Ｘ_ｋに変換する。

図４は、本実施例における動作を説明するフローチャートを示す。ソースノード１２は、Ｍ個１組の信号成分を有する送信信号ベクトルＳを、周辺の中継ノードにＭ個のアンテナから無線送信する。ソースノード１２から所定の範囲内の中継ノードは、その信号を受信することができる。この所定の範囲は、１ホップで到達可能な距離と呼んでもよい。説明の便宜上、Ｋ個の中継ノードが、ソースノードからの信号を受信し、それらが同様な信号処理を行って、目的ノードに信号を中継するものとする。図４では、ｋ番目（１≦ｋ≦Ｋ）の中継ノードの動作が主に説明されているが、他の中継ノードでも同様な信号処理が行われる。

まず、ソースノード１２及び目的ノード１６は、パイロット信号Ｌ_ｋ，Ｚ_ｋをそれぞれ送信する。ステップ４０１にて、中継ノード１４−ｋは、受信したパイロット信号Ｌ_ｋ，Ｚ_ｋに基づいて、チャネル推定を行い、ソースノード１２との間のチャネル行列Ｈ及び目的ノード１６との間のチャネル行列Ｇを求める。

ステップ４０２では、ソースノード１２が、Ｍ個１組の信号成分を有する送信信号ベクトルＳを、周辺の中継ノードにＭ個のアンテナから無線送信する。

ステップ４０４では、ソースノード１２からの信号が中継ノードで受信され、受信信号Ｙ_ｋは次式のように表現できる。

Ｙ_ｋ＝Ｈ_ｋＳ＋ｎ_ｋ ・・・（１１）
ここで、Ｈ_ｋは、上述したように、ソースノード１２とｋ番目の中継ノードとの間のチャネル行列を表す。ｎ_ｋは雑音成分を表す。

ステップ４０６では、チャネル行列に関するＱＲ分解が行われる。これは、図３のＱＲ分解部３２にて行われる。これにより、チャネル行列Ｈ_ｋは、ユニタリ行列Ｑ_ｋと三角行列Ｒ_ｋとの積の形式に分解される（Ｈ_ｋ＝Ｑ_ｋＲ_ｋ）。また、チャネル行列Ｇ_ｋは、三角行列Ｐ_ｋ ^Ｈとユニタリ行列Ｏ_ｋ ^Ｈとの積の形式に分解される（Ｇ_ｋ＝Ｐ_ｋ ^ＨＯ_ｋ ^Ｈ）。

ステップ４０８では、三角行列Ｐ_ｋ，Ｒ_ｋに基づいて、変換行列Ａ_ｋが算出される。変換行列Ａ_ｋの算出は、図３のウエイト計算部３４にて行われる。変換行列Ａのｉ行ｊ列の行列要素は、ｉ＋ｊがＭ＋１でないならばゼロであり、変換行列Ａ_ｋは（１２）式のように表現される。

即ち、変換行列Ａは行又は列の並ぶ順序を反転すると対角行列になる行列（反転対角行列）である。ｉ＋ｊがＭ＋１であるときの行列要素は（Ａ_ｋ）_{ｉ，Ｍ−ｉ＋１}＝ａ_ｉ ^ｋは、以下の（１３）式で表現される。

但し、行列Πは交換行列を表し、以下の（１４）式で表現される。

ステップ４１０では、中継信号Ｘ_ｋが算出される。中継信号Ｘ_ｋは、
Ｘ_ｋ＝Ｅ_ｋＯ_ｋＡ_ｋＱ_ｋ ^ＨＹ_ｋ ・・・（１５）
により算出される。ここで、係数Ｅ_ｋは、以下の（１６）式で定義されるスカラー量である。

ここで、Ｐはソースノードにおける全送信電力を表し、σ^２は雑音電力を表す。

ステップ４１２では、中継信号Ｘ_ｋが、目的ノード１６に送信される。

ステップ４１４では、その信号を中継する全ての中継ノードからの信号が、目的ノード１６にて受信される。受信信号Ｙ_Ｒは次の（１７）式のように表現できる。

但し、ｎ_Ｒ、ｎは雑音成分を表す。この場合において、（７）、（９）及び（１１）式により、
Ｑ_ｋ ^ＨＹ_ｋ＝Ｑ_ｋ ^Ｈ（Ｈ_ｋＳ＋ｎ_ｋ）
＝Ｑ_ｋ ^Ｈ（Ｑ_ｋＲ_ｋＳ＋ｎ_ｋ）
＝Ｒ_ｋＳ＋Ｑ_ｋ ^Ｈｎ_ｋ
が成立することに加えて、（９）、（１６）式及び上記の結果により、
Ｇ_ｋＸ_ｋ＝Ｐ_ｋ ^ＨＯ_ｋ ^Ｈ・Ｅ_ｋＯ_ｋＡ_ｋＱ_ｋ ^ＨＹ_ｋ
＝Ｅ_ｋＰ_ｋ ^ＨＡ_ｋＱ_ｋ ^ＨＹ_ｋ
＝Ｅ_ｋＰ_ｋ ^ＨＡ_ｋＲ_ｋＳ＋Ｅ_ｋＰ_ｋ ^ＨＡ_ｋＱ_ｋ ^Ｈｎ_ｋ
＝Ｅ_ｋＴ_ｋＳ＋（雑音成分）
が成立することが用いられている。但し、Ｔ_ｋ＝Ｐ_ｋ ^ＨＡ_ｋＲ_ｋ である。

行列Ｔ_ｋは、（８）、（１０）及び（１６）式により、以下の（１８）式のように表現できる。

更に、（１３）式を考慮すると、変換行列Ａ_ｋのゼロでない行列要素ａ_ｉ ^ｋは、ｐ_ｉｉ（ｒ_{Ｍ−ｉ＋１ Ｍ−ｉ＋１}）^＊ ／｜ｐ_ｉｉ（ｒ_{Ｍ−ｉ＋１ Ｍ−ｉ＋１}）^＊｜であることが分かる。但し、上付き文字の「＊」は複素共役を表す。従って、Ｔ_ｋＳは、第１成分から第Ｍ成分までが順に

ステップ４１６では、（１７）、（１８）式に基づいて、送信信号Ｓが検出される。信号検出は、逐次型干渉キャンセル法（Ｔ_ｋの非対角成分を順に削除する方法）を用いて行われる。逐次型キャンセル法が理想的に行われると仮定した場合に、目的ノードにおいて、チャネル推定値に基づいて、各送信ストリームの等価的な信号対雑音比（λｍ）が、以下のように計算される：

ここで、σ_ｒ ^２，σ_ｄ ^２は、それぞれ雑音ｎ_ｋ，ｎ_Ｒの分散であり、Ｐはソースノードの全送信電力である。（２０−１）式によれば、各ストリームＳ_１，．．．，Ｓ_Ｍのレートを独立に制御した場合のソースノード及び目的ノード間の通信容量は、以下のように表現できる：

各ストリームのレートに関する情報は、目的ノードからソースノードへフィードバックすることで、ソースノードに伝えることができる。また、各ストリームの電力を個々に制御することも可能である。

（１９）式に示されるように、Ｔ_ｋの非対角成分が削除され、各中継ノードから得られる信号ベクトルの個々の成分Ｓ_１〜Ｓ_Ｍには、正の実数が乗算され、それらは信号成分が目的ノードで合成されている。合成時の係数に虚数成分（位相成分）が含まれていないので、合成時に相殺される成分はなく、同相の最大比合成を行うことができる。言い換えれば、目的ノードで、各中継ノードからの中継信号をコヒーレントに同相合成することができる。

また、スカラー量Ｅ_ｋその他の係数は、主にユニタリ行列の変換に基づいて算出されるので、既存の技術と比べて雑音増大の影響が少ない。そのような処理は、信号損失を抑制する観点から好都合である。従って、本実施例によれば、信号品質を大きく劣化させていた従来の問題を軽減することができる。

図５は、第２実施例における中継ノードに使用される中継信号生成手段２６の機能ブロック図を示す。中継信号生成部２６は、ＱＲ分解部３２と、ウエイト計算部３４と、第１のウエイト設定部３６と、信号検出部３９と、第２のウエイト設定部６２とを有する。本実施例における動作では、目的ノード１６は、図５のような構成及び機能を有していてもよいし、図３に示されるような構成及び機能を有していてもよい。

ＱＲ分解部３２は、チャネル推定部２５から、チャネル行列Ｈ_ｋ，Ｇ_ｋに関する情報を受信する。ＱＲ分解部３２は、チャネル行列Ｈ_ｋを、ユニタリ行列Ｑ_ｋと三角行列Ｒ_ｋとの積の形式に分解する（Ｈ_ｋ＝Ｑ_ｋＲ_ｋ）。また、ＱＲ分解部３２は、チャネル行列Ｇ_ｋを、三角行列Ｐ_ｋ ^Ｈとユニタリ行列Ｏ_ｋ ^Ｈとの積の形式に分解する（Ｇ_ｋ＝Ｐ_ｋ ^ＨＯ_ｋ ^Ｈ）。

ウエイト計算部３４は、チャネル行列Ｈ_ｋ，Ｇ_ｋ及びそれらのＱＲ分解形式に関する情報に基づいて、受信信号Ｙ_ｋに与えるウエイトを算出する。

第１のウエイト設定部３６は、ウエイト計算部で算出されたウエイトＱ_ｋ ^Ｈを受信信号Ｙ_ｋに乗算し、その各成分を出力する。

信号検出部３９は、ウエイト設定部３６で重み付けされた受信信号と、三角行列に関する情報に基づいて、ソースノードから送信された送信信号Ｓ_ｋ＝（Ｓ_ｋ１，．．．，Ｓ_ｋＭ）^Ｔを検出し、出力する。

第２のウエイト設定部６２は、ウエイト計算部で算出されたウエイトＡ_ｋＯ_ｋ ^Ｈを受信信号Ｓ_ｋに乗算し、中継信号Ａ_ｋＯ_ｋ ^ＨＳ_ｋの各成分を出力する。

図６は、本実施例における動作を説明するフローチャートを示す。まず、ソースノード１２及び目的ノード１６は、パイロット信号Ｌ_ｋ，Ｚ_ｋをそれぞれ送信する。ステップ７０１にて、中継ノード１４−ｋは、受信したパイロット信号Ｌ_ｋ，Ｚ_ｋに基づいて、チャネル推定を行い、ソースノード１２との間のチャネル行列Ｈ及び目的ノード１６との間のチャネル行列Ｇを求める。

ステップ７０２では、ソースノード１２が、Ｍ個１組の信号成分を有する送信信号ベクトルＳを、周辺の中継ノードに無線送信する。

ステップ７０４では、ソースノード１２からの信号が受信され、受信信号ｙ_ｋは次式のように表現できる。記号の意味は、（１１）式で説明したものと同様である。

Ｙ_ｋ＝Ｈ_ｋＳ＋ｎ_ｋ
ステップ７０６では、チャネル行列に関するＱＲ分解が行われる。これにより、チャネル行列Ｈ_ｋは、ユニタリ行列Ｑ_ｋと三角行列Ｒ_ｋとの積の形式に分解される（Ｈ_ｋ＝Ｑ_ｋＲ_ｋ）。チャネル行列Ｇ_ｋは、三角行列Ｐ_ｋとユニタリ行列Ｏ_ｋとの積の形式に分解される（Ｇ_ｋ＝Ｐ_ｋＯ_ｋ）。

ステップ７０８では、受信信号Ｙ_ｋにユニタリ行列Ｑ^Ｈを乗じることで、ユニタリ変換が行われる。ユニタリ変換後の受信信号ｚ_ｋは、次式のように表現される。

ｚ_ｋ＝Ｑ_ｋ ^ＨＹ_ｋ
＝Ｒ_ｋＳ＋Ｑ_ｋ ^Ｈｎ_ｋ
行列Ｒ_ｋは上三角行列であるので、雑音を省略すると、次式が成立する。

ｚ_ｋ１＝ｒ_１１Ｓ_１＋ｒ_１２Ｓ_２＋・・・＋ｒ_１ＭＳ_Ｍ
ｚ_ｋ２＝ｒ_２２Ｓ_２＋・・・＋ｒ_２ＭＳ_Ｍ
・・・・・
ｚ_ｋＭ−１＝ｒ_{Ｍ−１Ｍ−１}Ｓ_Ｍ−１＋ｒ_Ｍ−１ＭＳ_Ｍ
ｚ_ｋＭ＝ｒ_ＭＭＳ_Ｍ
ステップ７１０では、ユニタリ変換後の受信信号から、送信信号Ｓが検出される。先ず、Ｍ番目の受信信号ｚ_ｋＭに要素に着目し、既知のｚ_ｋＭ及びｒ_ＭＭに基づいて、Ｓ_Ｍが検出される。次に、Ｍ−１番目の受信信号ｚ_ｋＭ−１に着目し、既知のｒ_{Ｍ−１Ｍ−１}、ｒ_ＭＭ及びＳ_Ｍに基づいて、Ｓ_Ｍ−１が検出される。以下同様にして、送信信号成分が順に検出される。

ステップ７１２では、検出された送信信号Ｓ_ｋに行列Ａ_ｋＯ_ｋ ^Ｈを乗じることで、更なる変換が行われる。但し、行列Ａ_ｋは、
Ａ_ｋ＝ｄｉａｇ（Ｐ_ｋ ^Ｈ）
で表現される対角行列ある。

ステップ７１４では、変換後の信号Ｏ_ｋ ^ＨＳ_ｋが、目的ノード１６に送信される。

ステップ７１６では、その信号を中継する全ての中継ノードからの信号が、目的ノード１６にて受信される。受信信号Ｙ_Ｒは次の（２１）式のように表現できる。

但し、ｎ_Ｒは雑音成分を表す。この場合において、チャネル行列Ｇ_ｋが、Ｇ_ｋ＝Ｐ_ｋＯ_ｋのように分解できることが利用されている。Ｐ_ｋは三角行列であるので、それらＫ個を合成しても三角行列になる。合成後の行列をＤ（行列要素をｄ_ｉｊ）としている。三角行列Ｐ_ｋ及びユニタリ行列Ｏ_ｋに関する情報は、目的ノードでＱＲ分解を行うことで見出してもよいし、各中継ノードから通知を受けてもよい。（２１）式は、雑音を省略すると、次のように表現できる。

Ｙ_Ｒ１＝ｄ_１１Ｓ_１＋ｄ_１２Ｓ_２＋・・・＋ｄ_１ＭＳ_Ｍ
Ｙ_Ｒ２＝ｄ_２２Ｓ_２＋・・・＋ｄ_２ＭＳ_Ｍ
・・・・・
Ｙ_ＲＭ−１＝ｄ_{Ｍ−１Ｍ−１}Ｓ_Ｍ−１＋ｄ_Ｍ−１ＭＳ_Ｍ
Ｙ_ＲＭ＝ｄ_ＭＭＳ_Ｍ
ステップ７１８では、信号検出が行われる。信号検出は、ステップ５１０におけるものと同様な手順で行われる。先ず、Ｍ番目の受信信号Ｙ_ＲＭに要素に着目し、既知のＹ_ＲＭ及びｄ_ＭＭに基づいて、Ｓ_Ｍが検出される。次に、Ｍ−１番目の受信信号Ｙ_ＲＭ−１に着目し、既知のｄ_{Ｍ−１Ｍ−１}、ｄ_Ｍ―１Ｍ及びＳ_Ｍに基づいて、Ｓ_Ｍ−１が検出される。以下同様にして、送信信号成分が順に検出される。

本実施例によれば、目的ノードにて、図５のステップ５１６のようなユニタリ変換を省略することができる。

図７は、本発明の一実施例により信号伝送を行なった際のシミュレーション結果を示す。（Ａ），（Ｂ）の各図において、横軸は全送信電力対雑音電力比（ＰＮＲ：Ｐｏｗｅｒ ｔｏ Ｎｏｉｓｅ Ｒａｔｉｏｎ）を表し、縦軸は容量（ｂｐｓ／Ｈｚ）を表す。図７（Ａ）は、送信及び受信アンテナ数が共に４本であり、１ホップで到達可能な２つの中継ノード（Ｋ＝２）が、ソース及び目的ノード間に存在する場合のシミュレーション結果を示す。理論限界として示されるグラフは、理論的な容量の限界値を示す。従来例として示されるグラフは、ゼロフォーシング法を用いて信号を中継した場合のグラフを示す。実施例１として示されるグラフは、本発明の第１実施例による方法を実行することによって得られるグラフを示す。図７（Ｂ）の場合も同様であり、送信及び受信アンテナ数が共に４本であるが、４つの中継ノード（Ｋ＝４）が存在した場合のシミュレーション結果を示す。（Ａ），（Ｂ）のグラフを参照するに、送信電力が増えるにつれて、容量も多くなっていることが分かる。何れの場合も、本発明による方法が、従来例よりも優れた容量を与えることが示される。

図８は、本発明の一実施例による中継信号生成手段の機能ブロック図を示す。これは、図２の中継信号生成手段２６に使用可能である。本実施例による中継信号生成手段は、ＱＲ分解部８２と、ＺＦ処理部８３と、ウエイト計算部８４と、ウエイト設定部８６とを有する。

ＱＲ分解部８２は、チャネル推定部２５からチャネル行列Ｈ_ｋ（ソースノードとｋ番目の中継ノードとの間のチャネル行列）に関する情報を受信する。ＱＲ分解部８２は、チャネル行列Ｈ_ｋを、次式のように、ユニタリ行列Ｑ_ｋと三角行列Ｒ_ｋとの積の形式に分解する。

Ｈ_ｋ＝Ｑ_ｋＲ_ｋ ・・・（４１）
但し、三角行列Ｒ_ｋの第ｉ行（２≦ｉ≦Ｍ）の行列要素のうち、１乃至（ｉ−１）番目の列の行列要素はゼロであり、次の（４２）式のように表現される。

ＺＦ処理部８３は、チャネル推定部２５からチャネル行列Ｇ_ｋ（ｋ番目の中継ノードと目的ノードとの間のチャネル行列）に関する情報を受信する。ＺＦ処理部８３は、ゼロフォーシング法で行われるような処理を行い、チャネル行列Ｇ_ｋのムーアペンローズ逆行列Ｆ_ｋを算出する。

Ｆ_ｋ＝Ｇ_ｋ ^Ｈ（Ｇ_ｋＧ_ｋ ^Ｈ）^−１ ・・・（４３）
ウエイト計算部８４は、各種の行列Ｈ_ｋ，Ｇ_ｋ，Ｒ_ｋに関する情報に基づいて、受信信号Ｙ_ｋに与えるウエイトを算出する。ウエイトの具体的な内容は、動作説明の際に説明される。

ウエイト設定部８６は、所定の行列演算を実行し、受信信号Ｙ_ｋを中継信号Ｘ_ｋに変換する。

図９は、本実施例における動作を説明するフローチャートを示す。ソースノード１２は、Ｍ個１組の信号成分を有する送信信号ベクトルＳを、周辺の中継ノードにＭ個のアンテナから無線送信する。ソースノード１２から所定の範囲内の中継ノードは、その信号を受信することができる。説明の便宜上、Ｋ個の中継ノードが、ソースノードからの信号を受信し、それらが同様な信号処理を行って、目的ノードに信号を中継するものとする。図４では、ｋ番目（１≦ｋ≦Ｋ）の中継ノードの動作が主に説明されているが、他の中継ノードでも同様な信号処理が行われる。

まず、ソースノード１２及び目的ノード１６は、パイロット信号Ｌ_ｋ，Ｚ_ｋをそれぞれ送信する。ステップ９０１にて、中継ノード１４−ｋは、受信したパイロット信号Ｌ_ｋ，Ｚ_ｋに基づいて、チャネル推定を行い、ソースノード１２との間のチャネル行列Ｈ_ｋ及び目的ノード１６との間のチャネル行列Ｇ_ｋを求める。

ステップ９０２では、ソースノード１２が、Ｍ個１組の信号成分を有する送信信号ベクトルＳを、周辺の中継ノードにＭ個のアンテナから無線送信する。

ステップ９０４では、ソースノード１２からの信号が中継ノードで受信され、受信信号Ｙ_ｋは次式のように表現できる。

Ｙ_ｋ＝Ｈ_ｋＳ＋ｎ_ｋ ・・・（４４）
ここで、Ｈ_ｋは、上述したように、ソースノード１２とｋ番目の中継ノードとの間のチャネル行列を表す。ｎ_ｋは雑音成分を表す。

ステップ９０６では、チャネル行列に関するＱＲ分解が行われる。これは、図８のＱＲ分解部８２にて行われる。これにより、チャネル行列Ｈ_ｋは、ユニタリ行列Ｑ_ｋと三角行列Ｒ_ｋとの積の形式に分解される（Ｈ_ｋ＝Ｑ_ｋＲ_ｋ）。また、このステップでは、ＺＦ処理部８３にて、チャネル行列Ｇ_ｋに関するムーアペンローズ逆行列Ｆ_ｋが算出される。
Ｆ_ｋ＝Ｇ_ｋ ^Ｈ（Ｇ_ｋＧ_ｋ ^Ｈ）^−１ ・・・（４５）
ステップ９０８では、三角行列Ｒ_ｋに基づいて、変換行列Ａ_ｋが算出される。次式に示されるように、変換行列Ａ_ｋは対角行列であり、ゼロでない行列要素は、三角行列Ｒ_ｋの対角成分から導出される。

但し、ｒ_ｍｍは（４２）式による三角行列Ｒ_ｋの対角成分であり、＊は共役複素数を表す。

ステップ９１０では、中継信号Ｘ_ｋが算出される。中継信号Ｘ_ｋは、
Ｘ_ｋ＝Ｅ_ｋＦ_ｋＡ_ｋＱ_ｋ ^ＨＹ_ｋ ・・・（４８）
により算出される。ここで、係数Ｅ_ｋは、以下の（４９）式で定義されるスカラー量である。

ここで、Ｐはソースノードにおける全送信電力を表し、σ^２は雑音電力を表す。

ステップ９１２では、中継信号Ｘ_ｋが、目的ノード１６に送信される。

ステップ９１４では、その信号を中継する全ての中継ノードからの信号が、目的ノード１６にて受信される。受信信号Ｙ_Ｒは次の（４９）式のように表現できる。

但し、ｎ_Ｒ、ｎは雑音成分を表す。

ステップ９１６では、送信信号Ｓが検出される。（５０）式に含まれている行列Ａ_ｋは対角行列であり、Ｒ_ｋは三角行列であるので、それらの積も三角行列になる。従って、信号検出は、逐次型干渉キャンセル法（非対角成分を順に削除する方法）を用いて行われる。

（５０）式に登場するＡ_ｋＲ_ｋの表す行列の内で支配的な行列要素は対角成分であり、これらは正の実数になる。従って、各中継ノードから得られる信号ベクトルの個々の成分Ｓ_１〜Ｓ_Ｍには、正の実数が乗算され、それらは信号成分が目的ノードで合成されている。合成時の係数に虚数成分（位相成分）が含まれていないので、合成時に相殺される成分は少なく、同相の最大比合成を行うことができる。本実施例によっても、目的ノードで、各中継ノードからの中継信号をコヒーレントに同相合成することができる。しかも、本実施例では、変換行列である対角行列Ａ_ｋは、三角行列Ｒ_ｋの行列要素から直ちに導出できる。従って、中継ノードでゼロフォーシング法を行っていた従来法と高々同程度の演算負担で、本実施例による演算処理を行うことができる。

本発明の第５実施例では第２実施例と同様に中継ノードで信号検出が行われる。中継ノードでは、受信信号Ｙ_ｋにユニタリ行列Ｑ^Ｈを乗じることで、ユニタリ変換が行われる。ユニタリ変換後の受信信号ｚ_ｋは、次式のように表現される。

ｚ_ｋ＝Ｑ_ｋ ^ＨＹ_ｋ
＝Ｒ_ｋＳ＋Ｑ_ｋ ^Ｈｎ_ｋ
行列Ｒ_ｋは上三角行列であるので、雑音を省略すると、次式が成立する。

ｚ_ｋ１＝ｒ_１１Ｓ_１＋ｒ_１２Ｓ_２＋・・・＋ｒ_１ＭＳ_Ｍ
ｚ_ｋ２＝ｒ_２２Ｓ_２＋・・・＋ｒ_２ＭＳ_Ｍ
・・・・・
ｚ_ｋＭ−１＝ｒ_{Ｍ−１Ｍ−１}Ｓ_Ｍ−１＋ｒ_Ｍ−１ＭＳ_Ｍ
ｚ_ｋＭ＝ｒ_ＭＭＳ_Ｍ
このユニタリ変換後の受信信号から、送信信号Ｓが検出される。先ず、Ｍ番目の受信信号ｚ_ｋＭに要素に着目し、既知のｚ_ｋＭ及びｒ_ＭＭに基づいて、Ｓ_Ｍが検出される。次に、Ｍ−１番目の受信信号ｚ_ｋＭ−１に着目し、既知のｒ_{Ｍ−１Ｍ−１}、ｒ_ＭＭ及びＳ_Ｍに基づいて、Ｓ_Ｍ−１が検出される。以下同様にして、送信信号成分が順に検出される。

本実施例では検出された信号Ｓ_１，．．．，Ｓ_Ｍが目的ノードにそのまま送信される。この点、変換行列Ａ_ｋ＝ｄｉａｇ（Ｐ_ｋ ^Ｈ）による信号処理が行われる第２実施例と異なる。

目的ノードでの受信信号Ｙ_Ｒは次式（５４）のように表現できる。

但し、ｎ_Ｒは雑音成分を表す。チャネル行列Ｇ_ｋは、ΣＧ_ｋ＝ＯＰのように分解できる。Ｏは１つのユニタリ行列であり、Ｐは１つの三角行列である。この関係を利用すると、受信信号は、次式（５５）に示されるように、

となる。

Ｐは三角行列であるので、説明済みの逐次型の信号検出法を利用することで、目的ノードで各信号成分が検出できる。

本実施例によれば、中継ノードでの処理を簡略化できる（特に、図７のステップ７１２の処理を省略できる）。但し、目的ノードで受信信号にユニタリ変換を施す必要がある（Ｏ^ＨＹ_Ｒ）。

図１０Ａは、本発明の一実施例による中継信号生成手段の機能ブロック図を示す。これは、図２の中継信号生成手段２６に使用可能である。本実施例による中継信号生成手段は、ＱＲ分解部８２と、ＺＦ処理部８３と、ウエイト計算部８４と、ウエイト設定部８６とを有する。これらの要素の機能は図８で説明済みのものと同様であるが、演算内容が異なる。

ＱＲ分解部８２は、チャネル推定部２５からチャネル行列Ｇ_ｋ（目的ノードとｋ番目の中継ノードとの間のチャネル行列）に関する情報を受信する。実施例４ではチャネル行列Ｈ_ｋがＱＲ分解部に入力されていたことに留意を要する。ＱＲ分解部８２は、チャネル行列Ｇ_ｋを、次式のように、ユニタリ行列Ｏ_ｋと三角行列Ｐ_ｋとの積の形式に分解する。

Ｇ_ｋ＝Ｐ_ｋ ^ＨＯ_ｋ ^Ｈ
ＺＦ処理部８３は、チャネル推定部２５からチャネル行列Ｈ_ｋ（ソースノードとｋ番目の中継ノードとの間のチャネル行列）に関する情報を受信する。実施例４ではチャネル行列Ｇ_ｋがＺＦ処理部に入力されていたことに留意を要する。ＺＦ処理部８３は、ゼロフォーシング法で行われるような処理を行い、チャネル行列Ｈ_ｋのムーアペンローズ逆行列Ｊ_ｋを算出する。

Ｊ_ｋ＝（Ｈ_ｋ ^ＨＨ_ｋ）^−１Ｈ_ｋ ^Ｈ
ウエイト計算部８４は、各種の行列Ｈ_ｋ，Ｇ_ｋ，Ｐ_ｋに関する情報に基づいて、受信信号Ｙ_ｋに与えるウエイトを算出する。ウエイトの具体的な内容は、動作説明の際に説明される。

ウエイト設定部８６は、所定の行列演算を実行し、受信信号Ｙ_ｋを中継信号Ｘ_ｋに変換する。

図１０Ｂは、本実施例における動作を説明するフローチャートを示す。図９のフローと同様に、ソースノード１２及び目的ノード１６は、パイロット信号Ｌ_ｋ，Ｚ_ｋをそれぞれ送信する。ステップ１００１にて、中継ノード１４−ｋは、受信したパイロット信号Ｌ_ｋ，Ｚ_ｋに基づいて、チャネル推定を行い、ソースノード１２との間のチャネル行列Ｈ_ｋ及び目的ノード１６との間のチャネル行列Ｇ_ｋを求める。

ステップ１００２では、ソースノード１２が、Ｍ個１組の信号成分を有する送信信号ベクトルＳを、周辺の中継ノードにＭ個のアンテナから無線送信する。

ステップ１００４では、ソースノード１２からの信号が中継ノードで受信され、受信信号Ｙ_ｋは次式のように表現できる。

Ｙ_ｋ＝Ｈ_ｋＳ＋ｎ_ｋ
ここで、Ｈ_ｋは、上述したように、ソースノード１２とｋ番目の中継ノードとの間のチャネル行列を表す。ｎ_ｋは雑音成分を表す。

ステップ１００６では、チャネル行列に関するＱＲ分解が行われる。これは、図１０ＡのＱＲ分解部８２にて行われる。これにより、チャネル行列Ｇ_ｋは、ユニタリ行列Ｏ_ｋと三角行列Ｐ_ｋとの積の形式に分解される（Ｇ_ｋ＝Ｐ_ｋ ^ＨＯ_ｋ ^Ｈ）。また、このステップでは、ＺＦ処理部８３にて、チャネル行列Ｈ_ｋに関するムーアペンローズ逆行列Ｊ_ｋが算出される。
Ｊ_ｋ＝（Ｈ_ｋ ^ＨＨ_ｋ）^−１Ｈ_ｋ ^Ｈ
ステップ１００８では変換行列Ｂ_ｋが算出される。変換行列Ｂ_ｋは対角行列であり、ゼロでない行列要素は、三角行列Ｐ_ｋの対角成分から導出される。（Ｂ_ｋの行列要素は実施例４の対角行列Ａ_ｋと同様に算出できる。）
ステップ１０１０では、中継信号Ｘ_ｋが算出される。中継信号Ｘ_ｋは、
Ｘ_ｋ＝Ｅ_ｋＯ_ｋＢ_ｋＪ_ｋＹ_ｋ
により算出される。ここで、係数Ｅ_ｋは上記の（４９）式で定義されるスカラー量である。

ステップ１０１２では、中継信号Ｘ_ｋが、目的ノード１６に送信される。

ステップ１０１４では、その信号を中継する全ての中継ノードからの信号が、目的ノード１６にて受信される。受信信号Ｙ_Ｒは
Ｙ_Ｒ＝ΣＥ_ｋＰ_ｋ ^ＨＢ_ｋＳ＋ｎ_Ｒ
のように表現できる。但し、ｎ_Ｒは雑音成分を表す。

ステップ１０１６では、送信信号Ｓが検出される。受信信号を表す式に含まれている行列Ｂ_ｋは対角行列であり、Ｐ_ｋは三角行列であるので、それらの積も三角行列になる。従って、信号検出は、逐次型干渉キャンセル法（非対角成分を順に削除する方法）を用いて行われる。

この式に登場するＰ_ｋＢ_ｋの表す行列の内で支配的な行列要素は対角成分であり、これらは正の実数になる。従って、各中継ノードから得られる信号ベクトルの個々の成分Ｓ_１〜Ｓ_Ｍには、正の実数が乗算され、それらは信号成分が目的ノードで合成されている。合成時の係数に虚数成分（位相成分）が含まれていないので、合成時に相殺される成分は少なく、同相の最大比合成を行うことができる。本実施例によっても、目的ノードで、各中継ノードからの中継信号をコヒーレントに同相合成することができる。しかも、本実施例では、変換行列である対角行列Ｂ_ｋは、三角行列Ｐ_ｋの行列要素から直ちに導出できる。従って、中継ノードでゼロフォーシング法を行っていた従来法と高々同程度の演算負担で、本実施例による演算処理を行うことができる。

第６実施例ではチャネルの状況に応じて、実施例１、４や６で記述された方法が適応的に変更される。変更する基準はチャネル状態の良否に準拠してもよい。例えば、中継ノードで送信元（ソースノード）との間のチャネル状態ＳＮＲ_Ｈ、及び送信先（目的ノード）との間のチャネル状態ＳＮＲ_Ｇが算出される。この場合において、
ＳＮＲ_Ｈ＞＞ＳＮＲ_Ｇ
ならば、送信元及び中継ノード間のチャネル状態が非常に良好なので、チャネル行列Ｈ及びＨから導出される行列を高精度に求めることができる。従って、中継ノードでゼロフォーシング法を実行しても雑音は過剰に大きくならない。このような場合は実施例６の方法が選択される。或いは、
ＳＮＲ_Ｈ＜＜ＳＮＲ_Ｇ
ならば、中継ノード及び送信先間のチャネル状態が非常に良好なので、チャネル行列Ｇ及びＧから導出される行列を高精度に求めることができる。従って、目的ノードでゼロフォーシング法を実行しても雑音は過剰に大きくならない。このような場合は実施例４の方法が選択される。そして、上記以外の場合に実施例１の方法が選択されてもよい。

ＭＩＭＯ方式及びマルチホップ方式を採用する通信システムの全体図を示す。 中継ノードのブロック図を示す。 本発明の一実施例による中継信号生成手段の機能ブロック図を示す。 本発明の一実施例による動作を説明するフローチャートを示す。 本発明の一実施例による中継信号生成手段の機能ブロック図を示す。 本発明の一実施例による動作を説明するフローチャートを示す。 本発明に関するシミュレーション結果を示す図である。 本発明の一実施例による中継信号生成手段の機能ブロック図を示す。 本発明の一実施例による動作を説明するフローチャートを示す。 本発明の一実施例による中継信号生成手段の機能ブロック図を示す。 本発明の一実施例による動作を説明するフローチャートを示す。 各実施例及び従来例による手法を対比する一覧表を示す。

符号の説明

１２ ソースノード； １４−１〜Ｋ 中継ノード； １６ 目的ノード；
２２−１〜Ｍ アンテナ； ２４ 受信手段； ２５ チャネル推定手段； ２６ 中継信号生成手段； ２８ 送信手段；
３２ ＱＲ分解部； ３４ ウエイト計算部； ３６ ウエイト設定部； ３９ 信号検出部；
６２ ウエイト設定部；
８２ ＱＲ分解部； ８３ ＺＦ処理部； ８４ ウエイト計算部； ８６ ウエイト設定部

Claims (15)

1. ソースノードから送信された送信信号を中継ノードを介して目的ノードに伝送させる通信システムであって、前記中継ノードは、
   前記ソースノード及び／又は目的ノードの間のチャネル行列に基づいて、１以上の変換行列を求める手段と、
   前記ソースノード及び／又は目的ノードの間のチャネル行列に基づいて、ＱＲ分解を行うＱＲ分解手段と、
   少なくとも変換行列を信号に乗算し、中継信号を生成する手段と、
   前記中継信号を前記目的ノードへ送信する手段とを備え、
   前記目的ノードは、受信信号から所望信号を検出する手段を備える
   ことを特徴とする通信システム。
2. ソースノード及び目的ノード間で信号を中継する通信ノードであって、
   前記ソースノードとの間のチャネル行列に基づいて、第１のユニタリ行列を求める手段と、
   前記目的ノードとの間のチャネル行列に基づいて、第２のユニタリ行列を求める手段と、
   チャネル行列のＱＲ分解から導出される三角行列に基づいて変換行列を求める手段と、
   第１のユニタリ行列、変換行列及び第２のユニタリ行列の少なくとも１つを受信信号に乗算し、中継信号を生成する手段と、
   前記中継信号を前記目的ノードへ送信する手段と、
   を備えることを特徴とする通信ノード。
3. ソースノード及び目的ノード間で信号を中継する通信ノードであって、
   ソースノードから送信された送信信号を検出する手段と、
   チャネル行列のＱＲ分解から導出される三角行列に基づいて変換行列を求める手段と、
   前記ソースノード及び目的ノードとの間のチャネル行列に基づいて、ユニタリ行列を求める手段と、
   変換行列、ユニタリ行列を送信信号に乗算し、中継信号を生成する手段と、
   前記中継信号を前記目的ノードへ送信する手段と、
   を備えることを特徴とする通信ノード。
4. ソースノードから送信された送信信号を目的ノードに中継する通信ノードであって、
   前記目的ノードとの間のチャネル行列に基づいてユニタリ行列を求める手段と、
   前記ソースノードとの間のチャネル行列に基づいてムーアペンローズ逆行列を求める手段と、
   チャネル行列のＱＲ分解から導出される三角行列に基づいて変換行列を求める手段と、
   上記行列ユニタリ行列、ムーアペンローズ逆行列及び変換行列を受信信号に乗算し、中継信号を生成する手段と、
   前記生成された中継信号を前記目的ノードへ送信する手段と、
   を備えることを特徴とする通信ノード。
5. ソースノードから送信された送信信号を目的ノードに中継する通信ノードであって、
   前記ソースノードとの間のチャネル行列に基づいてユニタリ行列を求める手段と、
   前記目的ノードとの間のチャネル行列に基づいてムーアペンローズ逆行列を求める手段と、
   チャネル行列のＱＲ分解から導出される三角行列に基づいて変換行列を求める手段と、
   上記行列ユニタリ行列、ムーアペンローズ逆行列及び変換行列を受信信号に乗算し、中継信号を生成する手段と、
   前記生成された中継信号を前記目的ノードへ送信する手段と、
   を備えることを特徴とする通信ノード。
6. 前記第１のユニタリ行列は、ソースノード及び中継ノード間のチャネル行列を三角行列を含む積に分解することによって得られ、
   前記第２のユニタリ行列は、中継ノード及び目的ノード間のチャネル行列を三角行列を含む積に分解することによって得られる
   ことを特徴とする請求項１記載の通信ノード。
7. 目的ノードにて、逐次型干渉キャンセル法を用いて、信号検出が行われる
   ことを特徴とする請求項１，２，３又は４の何れか１項に記載の通信ノード。
8. 前記中継ノードを介し、前記目的ノードから前記ソースノードに至るフィードバックチャネルを利用して、前記送信信号のレート及び送信電力の情報が、前記目的ノードから前記ソースノードに送信され、前記情報は前記目的ノードにおいてチャネル推定値に基づいて求められる
   ことを特徴とする請求項１，２，３又は４の何れか１項に記載の通信ノード。
9. 前記変換行列のｉ行ｊ列の行列要素は、ｉ＋ｊが所定値でないならば０である
   ことを特徴とする請求項１，２又は３の何れか１項に記載の通信ノード。
10. 請求項１に記載の通信システムであって、前記中継ノードは、
    前記ソースノードから受信した受信信号及び前記ソースノードとの間のチャネル行列に基づいて前記送信信号を検出する手段を備え、検出後の送信信号に前記ユニタリ行列及び前記変換行列を乗算する
    ことを特徴とする通信ノード。
11. 前記ユニタリ行列は、目的ノード及び中継ノード間のチャネル行列を三角行列を含む積に分解することによって得られる
    ことを特徴とする請求項１０記載の通信ノード。
12. ソースノードから送信された送信信号を中継ノードを介して目的ノードに伝送させる通信方法であって、
    前記ソースノード及び／又は目的ノードの間のチャネル行列に基づいて、１以上の変換行列を求めるステップと、
    前記ソースノード及び／又は目的ノードの間のチャネル行列に基づいて、ＱＲ分解を行うステップと、
    少なくとも変換行列を信号に乗算し、中継信号を生成するステップと、
    前記中継信号を前記目的ノードへ送信するステップとを前記中継ノードで行い、
    受信信号から所望信号を検出するステップを前記目的ノードで行う
    ことを特徴とする通信方法。
13. ソースノードから送信された送信信号を中継ノードを介して目的ノードに伝送させる通信方法であって、
    前記ソースノードとの間のチャネル行列に基づいて、第１のユニタリ行列を求めるステップと、
    前記目的ノードとの間のチャネル行列に基づいて、第２のユニタリ行列を求めるステップと、
    チャネル行列のＱＲ分解から導出される三角行列に基づいて変換行列を求めるステップと、
    第１のユニタリ行列、変換行列及び第２のユニタリ行列の少なくとも１つを受信信号に乗算し、中継信号を生成するステップと、
    前記中継信号を前記目的ノードへ送信するステップとを前記中継ノードで行い、
    受信信号から所望信号を検出するステップを前記目的ノードで行う
    ことを特徴とする通信方法。
14. ソースノードから送信された送信信号を中継ノードを介して目的ノードに伝送させる通信方法であって
    無線伝搬路のチャネル行列に基づいてユニタリ行列及びムーアペンローズ逆行列を求めるステップと、
    チャネル行列のＱＲ分解から導出される三角行列に基づいて変換行列を求めるステップと、
    上記行列ユニタリ行列、ムーアペンローズ逆行列及び変換行列を受信信号に乗算し、中継信号を生成するステップと
    前記生成された中継信号を前記目的ノードへ送信するステップと、
    受信信号から所望信号を検出するステップを前記目的ノードで行う
    ことを特徴とする通信方法。
15. 第１、第２及び第３の中継信号生成手段と、第1、第２及び第３の何れかの中継信号生成手段で生成された中継信号を選択する選択手段と、選択された中継信号を前記目的ノードへ送信する送信手段とを有し、ソースノード及び目的ノード間で信号を中継する通信ノードであって、前記第1の中継信号生成手段は、
    前記ソースノードとの間のチャネル行列に基づいて、第１のユニタリ行列を求める手段と、
    前記目的ノードとの間のチャネル行列に基づいて、第２のユニタリ行列を求める手段と、
    チャネル行列のＱＲ分解から導出される三角行列に基づいて変換行列を求める手段と、
    第１のユニタリ行列、変換行列及び第２のユニタリ行列の少なくとも１つを受信信号に乗算し、中継信号を生成する手段と、
    を有し、前記第２の中継信号生成手段は、
    前記ソースノードとの間のチャネル行列に基づいてムーアペンローズ逆行列を求める手段と、
    前記目的ノードとの間のチャネル行列に基づいてユニタリ行列を求める手段と、
    チャネル行列のＱＲ分解から導出される三角行列に基づいて変換行列を求める手段と、
    上記行列ユニタリ行列、ムーアペンローズ逆行列及び変換行列を受信信号に乗算し、中継信号を生成する手段と、
    を有し、前記第３の中継信号生成手段は、
    前記ソースノードとの間のチャネル行列に基づいてユニタリ行列を求める手段と、
    前記目的ノードとの間のチャネル行列に基づいてムーアペンローズ逆行列を求める手段と、
    チャネル行列のＱＲ分解から導出される三角行列に基づいて変換行列を求める手段と、
    上記行列ユニタリ行列、ムーアペンローズ逆行列及び変換行列を受信信号に乗算し、中継信号を生成する手段と、
    を有することを特徴とする通信ノード。

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