JP2007325259A

JP2007325259A - マルチユーザ送信ダイバーシティ及び中継方法並びにシステム

Info

Publication number: JP2007325259A
Application number: JP2007142141A
Authority: JP
Inventors: Xiangming Li; 祥明李; Anxin Li; 安新李; Mingshu Wang; 明曙王; Hidetoshi Kayama; 英俊加山
Original assignee: NTT Docomo Inc
Current assignee: NTT Docomo Inc
Priority date: 2006-05-30
Filing date: 2007-05-29
Publication date: 2007-12-13
Anticipated expiration: 2027-05-29
Also published as: JP4865641B2; CN101083497A; CN101083497B

Abstract

【課題】複数のユーザが送信した信号を信号集合点に集合し、マルチユーザ信号を線形変換して、変換された信号を複数のチャネルに入れて伝送することを目的とする。
【解決手段】無線通信システムにおけるマルチ通信端末送信ダイバーシティ及び送信ダイバーシティ中継方法であって、前記複数の通信端末が、それぞれのアクセスチャネルを使用して信号を送信するステップと、信号集合点が、前記複数の通信端末を介して送信された信号を受信し、前記複数の通信端末が送信した信号を線形変換するステップと、複数のチャネルを使用して線形変換された信号を転送し、前記複数のチャネルのうち各チャネルのそれぞれが、複数の通信端末が送信した信号の一つの線形組合せを転送するステップと、受信側にて信号集合点で転送された信号を復調するステップとを含む方法。
【選択図】図７

Description

本発明は、マルチユーザ送信ダイバーシティ及び中継の方法並びにシステムに関し、具体的には、マルチユーザ・マルチチャネルの無線通信システムにおいて、信号集合送信点で符号を連合して送信ダイバーシティ及び中継を実現し、無線通信システムの有効性及び信頼性を向上させる方法及びシステムに関する。

無線移動通信システムにおいて、移動局又は基地局からアンテナを介して発信された信号は、無線移動チャネルを通じ、複雑な伝送環境を介して受信側の受信アンテナに到着する。伝送環境によって、受信アンテナが受信した信号は、各反射、回折や分散の分量及びチャネル雑音の複合であるので、大きい歪みが発生してしまう。また、移動チャネルにおいて、移動局の運動又はチャネル環境の変更によってチャネル特性は時間につれて変化し、受信した信号には、ドップラー効果によってより大きい歪みが発生してしまう。このように、無線移動チャネルは、実際には時間変動の周波数選択性フェージングチャネルとなる。この場合に、無線移動チャネルを使用して高速マルチメディア業務のアクセスを実現することは、巨大なチャレンジに直面することとなる。また、マルチパス伝送及び時間変動の特徴以外に、無線移動チャネルのパスロスは、伝送距離の増加につれて指数的に増加されてしまう。

従来は、無線中継及びダイバーシティの方法によって無線チャネルの信号フェージングに対処している。無線セルラー通信ネットワーク、無線自己組織ネットワーク、及び無線センサーネットワークでは、ネットワークの作用範囲内に幾つかの無線中継局を設置することで、ネットワークのスループットや伝送信頼性を顕著に高めることができる。Aria Nosratinna, Todd E. Hunter及びAhmadreza Hedayatが発表した題目を「Coopertive communication in wireless networks」とする論文は、これに関して説明している（具体的には、非特許文献１を参照）。

図１(Ａ)及び１(Ｂ)は、両ユーザ間で中継によってデュプレックス通信を実現する手順模式図をそれぞれ示している。図１(Ａ)に示すように、双方向通信に参加する両ユーザを、それぞれ番号Ｕ_０及びＵ_１で表す。まず、ユーザＵ_０は、送信しようとするデータシンボルＳ_０を無線チャネルを介して送信し、中継局Ｒは当該信号を受信して検出した後、一つの中継チャネルを使用して当該シンボルを受信ユーザＵ_１に伝送する。そして、ユーザＵ_１はデータシンボルＳ_１を送信し、中継局は当該データシンボルＳ_１を検出してユーザＵ_０に転送する。このようにして、時間分割方式を採用すると、一回の双方向データ伝送の完成には、４つのタイムスロットが必要である。周波数分割や符号分割方式を採用するシステムでは、それぞれ４つの周波数帯域と４つの符号チャネルが必要である。

図２は、典型的な無線中継のブロック図を示している。ここで、ユーザＵ_０とユーザＵ_１とは、それぞれアクセスチャネル１及び２を介して該当するデータシンボルＳ_０及びＳ_１を送信する。中継局における単一ユーザ検出器３，４は、ユーザＵ_０及びユーザＵ_１が送信したデータシンボルＳ_０及びＳ_１を受信し、中継チャネル５，６を介してデータシンボルＳ_０、Ｓ_１をそれぞれ受信側に転送する。実際の無線移動通信システムにおいては、時間分割、周波数分割、符号分割方式及びこれらの方式の組合せを採用してもよい。Peter Larsson（ピーター・ラルソン）などが発表した題目を「Coded b-directional relaying」（具体的には、非特許文献２を参照）とする論文は、典型的な中継方式に対して改良を行っている。

図１(Ｂ)に示す手順模式図において、ユーザＵ_０及びユーザＵ_１は、それぞれの送信しようとする信号Ｓ_０及びＳ_１を中継局に送信し、中継局が両信号Ｓ_０及びＳ_１を検出し、信号Ｓ_０とＳ_１を重ね合わせて、一つの中継チャネルによって転送する。無線チャネル自分のブロードキャスト特性によって、該当受信側ユーザＵ_０及びＵ_１は、いずれも当該複合信号を受信することができる。また、ユーザＵ_０及びユーザＵ_１は、何れも自分が送信した信号を正確に把握しているため、受信側で複合信号から自分が送信した信号を減算することによって相手が自分に伝送した信号を抽出することができる。図３は、ラルソン等が提示した方法を採用した無線中継のブロック図を示す。ここで、ユーザＵ_０及びユーザＵ_１は、それぞれアクセスチャネル１及び２を介して該当するデータシンボルＳ_０及びＳ_１を送信する。中継局における単一ユーザ検出器３，４は、ユーザＵ_０及びユーザＵ_１が送信したデータシンボルＳ_０及びＳ_１を受信し、モジュロ２加算器５によって受信したデータシンボルＳ_０及びＳ_１を加算して複合信号を取得し、一つの中継チャネル６を介してデータシンボルＳ_０及びＳ_１を該当する受信側に転送する。受信側は、受信した複合信号から自分が送信した信号を減算することで相手が自分に伝送した信号を抽出することができる。図１において、Ｓ_０及びＳ_１は有限域で定義された情報を表し、図面における両シンボルの加算は有限域ＧＦ（ｑ）において定義された加算であり、ｑは変調多値数である。

これによれば、ラルソンなどが提示した方法によって双方向通信を完成するには三個のチャネルだけで済むことが分かる。伝送誤りによるトラフィック損失を考慮しない場合、ラルソンなどが提示した方法は典型的な方法と比べて、その帯域幅効率が１／３向上する。言い換えれば、同じ伝送帯域幅の条件では、そのネットワークスループットが１／３向上する。

実際の無線システムでは、システムの伝送信頼性に対する要求がシステムの伝送有効性に対する要求より高い場合がある。無線通信の応用において、伝送信頼性を向上させるために多く用いられる方法は、ダイバーシティ技術を採用することである。マルチアンテナシステムを含む多種類のダイバーシティ技術が研究されてきた。マルチアンテナシステムは、無線通信システムの有効性及び信頼性を有効に向上させ得るが、当該方法は、送信機及び受信機により多くのアンテナを配置する必要があり、ハードウェアのコストが増加するとともに、移動デバイスの小型化及び微型化には不利である。

また、マルチユーザ・マルチチャネルの無線通信システムにおいて、典型的な送信及び中継方式は、ユーザ毎にチャネルを独立に分配して、各ユーザは、それぞれの独立のチャネルを使用してその信号を伝送し、チャネルのフェージングに対抗しにくくなるので、その伝送信頼性がよくない。ラルソンなどが提示した符号双方向中継方法は、中継局にて両ユーザの送信した信号をモジュロ−２加算の方法によって重ね合わせ、一つの中継チャネルを介して伝送することとなり、典型的な中継と比べて、両ユーザ毎に一つのチャネルを節約でき、伝送の有効性が向上する。しかしながら、ラルソンなどが提示した中継方法は、伝送の信頼性を考慮していない。
IEEE Communications magazine, Oct. 2005, pp.74-80 The 5th Scandianvian WS on wireless AD-hoc networks (AdHoc’05), Stockholm, Sweden, May 2005

前記の課題に鑑みて、本発明は、複数のユーザが送信した信号を信号集合点に集合し、マルチユーザ信号を線形変換して、変換された信号を複数のチャネルに入れて伝送する、無線通信システムにおけるマルチユーザ送信ダイバーシティ及び送信ダイバーシティ中継の方法及びシステムを提供することを目的とする。

本発明の一アスペクトによると、複数の通信端末と中継局からなる無線通信システムにおける複数通信端末の送信ダイバーシティ及び送信ダイバーシティ中継方法であって、前記複数の通信端末がそれぞれのアクセスチャネルを使用して信号を送信するステップと、前記中継局が前記複数の通信端末から送信された信号ベクトルを受信し、前記信号ベクトルを線形変換するステップと、前記中継局は複数の中継チャネルを使用して前記線形変換された信号を転送し、前記複数の中継チャネルのうち各中継チャネルのそれぞれは、前記線形変換された信号の一つを転送するステップと、受信側において前記中継局から転送された信号を復調するステップとを含む方法を提供する。

本発明の他のアスペクトによると、複数の通信端末と中継局からなる無線通信システムにおける複数通信端末の送信ダイバーシティ及び送信ダイバーシティ中継システムであって、それぞれのアクセスチャネルを使用して信号を送信する複数の送信機と、前記複数の通信端末から送信された信号ベクトルを受信し、前記受信した信号ベクトルを線形変換し、前記線形変換された信号を転送する中継局と、中継局が転送した信号を復調する複数の受信機とを備えるシステムを提供する。

本発明は、マルチユーザ信号を信号集合送信サイトにて連合符号化して、複数の送信チャネルを利用して連合符号化された信号を送信する。信号集合送信サイトの各送信チャネルの信号は、いずれも複数のユーザ信号を含むので、送信ダイバーシティを実現し、無線フェージングチャネルの伝送信頼性を有効に向上することができる。同時に、ユーザの数及び信号集合送信サイトの送信チャネルの数を選択することで、システムの帯域幅効率を柔軟に変更し、伝送有効性を保証することができる。このようにして、本発明の送信ダイバーシティ及び送信ダイバーシティ中継は、伝送有効性及び信頼性の両方併せて考慮している。同時に、受信側について、本発明の送信ダイバーシティ及び送信ダイバーシティ中継は、トレリス復号化方法を採用して受信信号を最尤検出することができるので、復調複雑度が低い。

本発明の前記並びにその他の目的、特徴、及び利点は、以下に示す実施形態の説明を、添付図面と照らし合わせて読むと、より完全に明らかとなるであろう。

以下、本発明の実施例である無線通信システムにおけるマルチユーザ送信ダイバーシティ及び送信ダイバーシティ中継の方法及びシステムについて図面を参照して説明するが、本発明への理解に対する混淆を防止するために、説明において、本発明にとって不必要と思われる細部及び機能を省略する。

本発明の一実施例として、まず、無線通信システムにおける両ユーザが一つの中継局を介して双方向通信を実現する場合を考えみる。図４は、両ユーザの場合における、本実施例に係る送信ダイバーシティ中継プロセスの模式図を示している。

無線通信システムの伝送信頼性を向上するためには、４つのチャネルを使用することが考えられる。典型的な方法と異なる点は、中継局が二つの中継チャネルによって両ユーザの信号を独立に送信するのではなく、両信号を線形に組合わせて、それぞれのチャネルが一つの線形組合せ結果を伝送することである。具体的には、図４に示すように、第０の中継チャネルは、両ユーザＵ_０及びＵ_１が送信する信号Ｓ_０とＳ_１との和（Ｓ_０＋Ｓ_１）を伝送し、第１の中継チャネルは、両ユーザＵ_０及びユーザＵ_１が送信する信号Ｓ_０とＳ_１との差（Ｓ_０−Ｓ_１）を伝送する。注意すべき処は、ここでの加減法は複素数域に定義されるものであり、ラルソンなどが提示した方法では、有限域演算を使用していることである。つまり、図４に示すプロセスにおいて、Ｓ_０及びＳ_１は有限域ＧＦ（ｑ）に定義される情報を代表し、ｘ_０及びｘ_１は、Ｓ_０及びＳ_１がｑ進法コンステレーションマッピングされた複素数信号点を代表している。現在、各アクセスチャネルは、何れも二つのユーザの信号を含むので、送信ダイバーシティを実現する。

しかしながら、本発明は二つのユーザに限定されるものではなく、Ｎユーザに直接拡張することができる。本発明の他の実施例によると、まず、Ｎユーザ、Ｎ個のソース側送信チャネル及びＮ個の中継チャネルの場合を考える。Ｎ個のユーザは、総計２Ｎ個のチャネルを使用し、各ユーザは平均して２つのチャネルを使用する。二つのユーザの場合、両ユーザが送信した信号に対して両者の送信する信号の和及び両者が送信する信号の差を中継局にてそれぞれ計算する。実際には、このような計算を２点フーリエ変換又は２点アダマール変換と見なすことができる。通信システム中においてＮ個のユーザが通信しているとき、Ｎ＞２の場合、Ｎ点フーリエ変換又はＮ点アダマール変換を採用してもよい。Ｎ＞２の場合、Ｎ点アダマール変換は、Ｎが４の整数倍の時しか使用できないが、フーリエ変換は任意の自然数Ｎに対して採用してもよく且つ直交される。そこで、フリーエ変換を送信ダイバーシティ行列として使用することができる。つまり、中継局は、Ｎ個の情報ソースが送信した信号シンボルを検出した後、フーリエ行列を使用してこのＮ点の信号シンボルを線形変換し、取得したＮ個の結果をＮ個の中継チャネルを通じて送信する。この時、アクセスチャネル毎に送信された信号は、何れもＮ個のユーザの信号シンボルの線形組合せであり、複数のユーザの信号を含むので、送信ダイバーシティを実現する。Ｎユーザ、Ｎアクセスチャネル、Ｎ中継チャネルの送信ダイバーシティ中継は、図５に示すようになる。図５において、ｚ_ｉはｘ_０，ｘ_１，…，ｘ_Ｎ−１の線形組合せの結果である。但し、ｘ_ｊはユーザの送信した信号ｓ_ｊがｑ進法コンステレーションマッピングされた複素数信号点であり、ｉ，ｊ＝０，１，…，Ｎ−１となる。

実際の無線通信の応用では、伝送の有効性及び信頼性の両方を併せて考慮すべき場合がある。この時、図６に示すＮユーザ、Ｎアクセスチャネル、Ｍ中継チャネル送信ダイバーシティ方式を採用してもよい。当該システムのブロック図は、図７に示すようになる（後述する）。Ｎ＜Ｍの時、図５の方法を採用して符号化するが、図５に示す前Ｍ個の線形組合結果のみを送信する。Ｎ＞Ｍであれば、コンステレーションマッピングされた複素数信号点ｘ_０，ｘ_１，…，ｘ_Ｎ−１及びその共役を取り、そして一つの２Ｎ目の線形変換行列を使用してそれを線形変換する（ここで、仮にＭが２Ｎ以下であるとする）。そして、変換して取得されたシーケンス中の前Ｍ個のエレメントを、Ｍ個の中継チャネルに対応して送入して送信する。総計のチャネル数が（Ｍ＋Ｎ）であるので、平均して各ユーザが使用しているチャネル数は、（Ｍ＋Ｎ）／Ｎとなる。これは、ＮとＭの値を変更することでシステムの帯域幅効率を柔軟に配置できることを説明している。同時に、各チャネルのそれぞれが伝送している信号は、何れも複数のユーザの信号を含むので、送信ダイバーシティを実現するとともに、信号伝送の信頼性を保証できる。

図７は、本発明に基づくマルチユーザ送信ダイバーシティ及び送信ダイバーシティ中継システムのブロック図を示している。当該システムは、送信側となる複数のユーザＵ_１，Ｕ２，…，Ｕ_ｎと、中継局７１と、受信側となる複数のユーザＵ_１，Ｕ２，…，Ｕ_ｎとを含む。中継局７１には、単一ユーザ検出器７１１，７１２，…，７１ｎと、マルチユーザ連合エンコーダ７２とを含む。例えば、送信側と受信側は、セルラー電話、携帯情報端末（ＰＤＡ）、携帯式コンピュータなどのような移動通信端末であってもよい。また、ユーザ端末（移動通信端末）Ｕ_１，Ｕ２，…，Ｕ_ｎには、復調器７３１，７３２，…，７３ｎを含む。実例としては、トレリス符号復調器の採用が挙げられる。本発明はこれに限定されるものではなく、他のタイプの復調器を採用してもよいことは勿論である。

以下に、本発明の実施例のユーザ送信ダイバーシティ及び送信ダイバーシティ中継システムの操作を説明する。送信側となる複数のユーザＵ_１，Ｕ２，…，Ｕ_ｎは、アクセスチャネル１，２，…，Ｎを介してそれぞれの信号を中継局７１に送信する。中継局７１における単一ユーザ検出器７１１，７１２，…，７１ｎは、それぞれ複数のユーザＵ_１，Ｕ２，…，Ｕ_ｎがアクセスチャネル１，２，…，Ｎを介して送信した信号を検出する。その後、検出したユーザ信号をマルチユーザ連合エンコーダ７２に提供し、マルチユーザ連合エンコーダ７２は、フーリエ行列を採用してこのＮ点の信号シンボルを線形変換し、取得したＮ個の結果をＭ個の中継チャネルに送入して送信する。この時、各アクセスチャネル毎に送信された信号は、いずれもＮ個のユーザの信号シンボルの線形組合せであり、複数のユーザの信号を含むので、送信ダイバーシティを実現する。しかし、本発明はこれに限定されるものではなく、他の線形変換方法、例えばアダマール変換を採用してもよい。マルチユーザ連合エンコーダ７２の処理において、中継チャネルの数がＭ＜Ｎとなる場合、ｚ_ｉはｘ_０，ｘ_１，…，ｘ_Ｎ−１の線形組合せの結果となる。Ｍ＞Ｎとなる場合、ｚ_ｉはｘ_０，ｘ_１，…，ｘ_Ｎ−１及びその共役の線形組合せの結果となる。ｘ_ｊはｓ_ｊがｑ進法コンステレーションマッピングされた複素数信号点ｉ＝０，１，…，Ｎ−１、ｊ＝０，１，…，Ｍ−１となる。そして、変換して取得されたシーケンスにおける前Ｍ個のエレメントを、対応してＭ個の中継チャネルに送入して送信する。総計のチャネル数が（Ｍ＋Ｎ）であるので、平均して各ユーザが使用しているチャネル数が（Ｍ＋Ｎ）／Ｎとなる。受信側となるＵ_１，Ｕ２，…，Ｕ_ｎにおけるトレリス符号復調器７３１，７３２，…，７３ｎは、受信した送信ダイバーシティ中継信号を復調し、最終的に送信側が送信した原始信号を回復する。

E.Viterbo及びJ.Boutrosが発表した題目を「A universal lattice code decoder for fading channel」とする論文（具体的には、IEEE Trans. Inform. Theory, vol.45, July 1999, pp.1639-1642を参照）、O.Damen, A.Chkeif及びJ.C.Belfioreが発表した題目を「Lattice code decoder for space-time codes」とする論文（具体的には、 IEEE Communication Letters, vol.4(5), May 2001, pp.161-163を参照）、A.M.Chan及びI.Leeが発表した題目を「A new reduced-complexity sphere decoder for multiple antenna systems」とする論文（具体的には、In ICC02,vol.1,,May 2002, pp.460-464）、及びX.Li及びX.Cuiが発表した題目を「Application of lattice code decoder to SC-CP for short block length」とする論文（具体的には、IEE Electronics letters, vol.40(15), July 2004,pp. 954-955を参照）には、トレリス符号について説明されている。本発明への理解に対する混淆を防止するために、これに対する説明は省略する。

マルチユーザ送信ダイバーシティは、一つの移動端末が複数のチャネルを使用して複数の移動端末と通信する場合に適用している。典型的な例は、セルラーシステムにおける基地局がＮ個の独立の無線チャネルを介してＭ個の移動端末と通信する（Ｍ＜Ｎとしてもよい）ことである。ダウンリンク通信を考えると、基地局はまずＮ個のユーザ信号に対してＮ点線形変換を行い、変換された前Ｍ個の信号をＭ個のチャネルによって送信する。これによって、マルチユーザ直接送信ダイバーシティを実現する。

実際には、マルチユーザ無線通信システムにおいて、若干のユーザ信号がある点に集合される場合があれば、即ち信号集合送信サイトがあれば、本発明に係る送信ダイバーシティ方法を応用して伝送信頼性を向上することができる。

マルチユーザ送信ダイバーシティを使用すると、受信信号は、複数のユーザ信号が線形変換符号化行列及びチャネル行列を経た作用の結果であり、各受信チャネルが取得するのは、いずれもマルチユーザ複合信号である。最も優れた検出性能を得るために、最尤検出方法を使用してもよい。ユーザ数及び変調多値数がいずれも非常に小さい場合、全ての送信可能な信号シーケンスを全列挙して最尤検出を行うことができる。ユーザ数又は変調多値数が高い場合、全列挙法（exhaustion method）の複雑度が高すぎるので、実際のシステムでは受けることがあり得ない。そこで、本発明の一実施例では、マルチユーザ送信ダイバーシティ信号が受信側にてトレリス符号の形式として表示可能であり、それ故に、トレリス復号化アルゴリズムによって送信ダイバーシティ信号を最尤検出することを提示する。これによれば、送信ダイバーシティ及び送信ダイバーシティ中継をトレリス符号アルゴリズムに転換して処理することができる。本発明はこれに限定されるものではなく、他の復号化アルゴリズムを採用してもよいことは勿論である。

本発明を更によく理解するために、以下に、本発明のマルチユーザ送信ダイバーシティ及び送信ダイバーシティ中継並びにそのトレリス符号数学表現を記述する。

複数のユーザ端末が直接通信し又は中継を介して通信する無線システムを考える。マルチユーザグループにおいてどの二つ或いはそれ以上のユーザが通信を行うかを考える必要がない、それは当該作業が上位層に任せることができるからである。Ｎ個のユーザ端末が送信した信号がある一つのサイトに集合して、当該集合点にてターゲットユーザ端末に伝送することにしてもよい。一つのユーザ端末が複数のユーザ端末と直接に通信するシステムでは、無線セルラーシステムにおける基地局と複数の移動局との通信を例とすれば、ソース側ユーザ即ち基地局をユーザ集合点としてもよい。複数のユーザが中継局を介して転送するシステムでは、中継局をユーザ信号の集合点としてもよい。集合点が複数のユーザ端末に信号を送信する方式が同じであるので、以下、中継方式を例として記述する。本発明はこれに限定されるものではないことは勿論である。

普遍性が失われないようにするため、図５に示すように、Ｎ個のユーザ端末が中継局を介してＮ個のアクセスチャネル及びＮ個の中継チャネルによって通信することとしてもよい。まず、各ユーザ端末のそれぞれは、一つの独立したアクセスチャネルを使用して信号を中継局に伝送する。中継局は、Ｎ個の情報ソースが送信してきた信号を検出して転送する。各ユーザのそれぞれは一つのアクセスチャネルを使用するので、中継局にて単一ユーザ検出器を使用して各ユーザの信号を独立的に検出することとなり、当該検出方法は簡単且つ複雑度が低い。そこで以下に、中継局の信号送信及び最終受信局の信号検出を記述する。

中継局が検出したＮ個のユーザから送信されてきた信号ベクトルを

とする。ここで、

は、検出された第ｉ番のユーザ信号である。ここで、上付き文字Ｔは、行列の転置を表す。異なるユーザは、異なる変調方式を使用してもよく、異なる送信電力を使用してもよい。簡単にするとともに普遍性が失われないようにするため、ここで、全てのユーザ端末が同じ変調方式及び送信電力を使用することとする。送信ダイバーシティを実現するために、中継局において下記の式（１）で与えられる行列を使用してユーザが送信した信号

に対して線形変換を行う。

ここで、ｗは

を満足する、線形変換行列である。Ｎ段階のアダマール行列又はフリーエ変換行列を使用してもよい。例えば、フーリエ変換行列を採用するとき、

となる。普遍性が失われないようにするため、ユーザＵ_０が受信信号を検出することとしてもよい。ユーザＵ_０が第ｉ番の中継チャネルのパスロスが

であり、受信者がチャネル情報を正確に推定したとを仮定する。そして、ユーザＵ_０が受信した信号ベクトルは下記の式（２）で表すことができる。

式において、

は受信信号ベクトルであり、

はガウス雑音ベクトルを表している。ここで、

は、分布が

となる独立複素ガウス雑音である。ユーザ端末Ｕ_０は、自分が送信した信号を完全に把握しており、当該既知信号を受信信号から削除することで、下記の式(３)を導出することができることに注意されたい。

前記の式（３）において、簡単化するため、

とし、それはユーザ端末Ｕ_０が受信した他の端末の信号及び雑音を表し、

として、式（３）を書き直して下記の式（４）で表す受信信号を得る。

複素ベクトル又は複素行列

に対して、標記

を導入してもよく、ここで、

は、それぞれその実部及び虚部を表す。このようにして、式（４）は更に式（５）として表される。

ここで、

とし、

とし、及び

としてもよい。そして、式（５）は下記の式（６）として表される。

このようにして、マルチユーザ送信ダイバーシティ信号は、受信側にて標準のトレリス符号形式として表される。前記の式（６）において、Ａは一つの２(Ｎ−１)×２Ｎのトレリス符号生成行列に相当し、ｕはトレリス符号の１×２(Ｎ−１)座標ベクトルに相当する。そうして、受信機側にてトレリス符号アルゴリズムを採用してマルチユーザ送信ダイバーシティ信号を最尤検出することができる。

以下に、トレリス符号のアルゴリズムを説明する。ここで、前記の２(Ｎ−１)×２Ｎ階生成行列のトレリス符号の課題を例としてトレリス復号化アルゴリズムを説明する。

としてもよい。これによって、マルチユーザ送信ダイバーシティ受信信号の最尤シーケンスをサーチする問題は、下記のような問題、即ち、全ての可能な送信シーケンスにおいてベクトル

を選択して

を極小化することに転換される。ここで、シンボル

は、ユークリッド・ノルムを表す。つまり、式（７）で表される問題に転換される。

簡単にするため、

としてもよい。行列Ａは正確に把握されているので、

とすることができ、

となる。ここで、上付き文字+は、行列の擬似逆行列を求めることを表す。

とすると、

となる。このように、

を極小化することは、

を極小化することと等価である。

は、式（８）として表される。

としてもよい。Ｇは対称正値定符号行列であるので、Cholesky分解によってこれを

として分解することができ、式（８）におけるＲは、下記の式（９）に与える上三角行列として表される。

このように、

は、下記の式（１０）に与える形式として表される。

定数Ｃを予め決めることができ、そして、当該プロセスを

が成立つベクトル

をサーチすることに転換する。つまり、

をサーチして、下記の不等式（１１）が成立させる

不等式（１１）を成立させるにすると、下記の式（１２）となる。

の何れに対しても成立すべきである。そして、

としてもよい。これらのシンボルを応用して式（１２）を書き直すと、下記の不等式（１３）を導出し得る。

から逆方向繰り返しを行う。

とし、不等式（１３）から

分量の範囲を解き、式（１４）で表す。

不等式（１４）におけるシンボル

は、それぞれａを下回らない整数，及びaを越えない整数を表す。不等式（１４）を満足する

毎に対して、不等式（１５）で表す

に対応する範囲を取得し得る。

としていれば、

となり、不等式（１３）を応用して下記の式（１６）を導出する。

としてもよい。また、

としてもよい。

となる場合、取得したベクトル

は、超球

内の一点となるべきである。また、下記の式（１７）

は、点ｕと実際の受信信号点との超球

内の距離を表す。当該距離がＣより小ければ、

を使用してＣの値を更新し，再度繰り返しを行う。

を成立させる一つの新しいｕがサーチできなくなるなったら、繰り返しを停止させるとともに、前回取得した

を満足するベクトルｕを検出器として出力する。

前記プロセスに基づき、図８にトレリス復号化アルゴリズムのフローチャートを示す。図８において、

はベクトルｕの分量

の値の集合を表している。例えば、QPSK及び16QAMコンステレーションを使用するなら、

はそれぞれ{-1,1}及び{-3,-1,1,3}（図９図示の通り）となる。また、

は、

との間において集合

から取得できるエレメントの数を表し、

は、これらの全てのエレメントを列挙することを表し、

は、

エレメントを

に対して距離を求めることを表し、これらのエレメントを距離の小さい順に従って順序付ける。パラメータ

となり、

となることに注意すること。復号化アルゴリズムは下記の通りである。まず、ステップＳ８０１において、受信した信号、本端末が送信した信号及びチャネルパラメータ、並びに送信符号化行列に基づいて、ベクトルｒ、及びトレリス符号生成行列Ａを算出し、初期球の半径

（アルバート・銭（Ａ．Ｍ．Ｃｈａｎ）の仕事により、本アルゴリズムの収束性は初期値の選択に依存せず、収束速度も初期値にほとんど関係ないので、選び取る初期球内に信号点があればいい）を設定する。

送信信号コンステレーションに基づいて信号集合

を確定する。確定された

を復号化アルゴリズムの入力とする。その後，ステップS802において、対称正値定符号行列

を算出し、Cholesky分解を使用して行列Ｇを

に分解する。ここでＲは上三角行列である。行列Ｒのエレメントに基づいて、

を計算する。行列Ａの擬似逆行列

を計算し、これによって

を得る。続いて、ステップＳ８０３において、初期球の半径Ｃを、繰り返しプロセスに使用される距離度量

と、後向繰り返しパラメータ

に代入する。計数値ｉを採用して後向繰り返しのステップ位置を記録する。ステップＳ８０４において、繰り返し開始時の計数値を

に設定する。

そして、ステップＳ８０５において、当該繰り返し計数値は、繰り返しの進行につれてステップＳ８１４にて変更される。第

について、まず、先の式（１４）に従って受信点の取り得る値の

を計算し、信号の値の集合

に基づいて取り得る信号点数

を算出し、これらの信号点を列挙して列挙ベクトル

を取得し、そしてこれらの信号点と

との距離の小さい順に順序付けてベクトル

を得る。ｉステップ目の繰り返しについて、

をｉステップ目の信号点計数器とし、トライされた信号点数を記録する。例えば、

ステップ目について、取り得る信号点数は

であるので、最大のトライ可能な信号点数が

となる。

ステップＳ８０６において、信号点計数器

は１インクリメントされ、ｉステップ目にトライしようとする信号点を指向する。ステップＳ８０７において、iステップ目の全ての信号点が既にトライされたか否かを検出する。

となれば、全てトライされたことが分かり、ｉステップ目からｉ−１ステップ目まで通行可能な通路がないことを表明している。この時、ステップＳ８０８に移行し、ステップＳ８０８において計数器ｉを検出し、当該計数値が

であれば、現在の球半径

では、サーチしている球にいかなる信号点も含まれていないことが分かる。この場合、ステップＳ８１０に移行し、前回の通過でき且つ記録された信号点

の球度量パラメータ

を出力してプログラムを終了する。ステップＳ８０８にて計数値ｉが

より小さいことが見出されれば、ステップＳ８０９に移行し、計数器ｉを１インクリメントし、一ステップ後退して、Ｓ８０６に移行して先のステップにてまだトライされていない信号点にトライする。ステップＳ８０７において、

となれば、ステップＳ８１１に移行して第

の信号点に対するトライを行う。ステップＳ８１１では、計数器ｉを検出する。ｉ＝１であれば、一つの通路はトライに成功していることが分かる。この時、ステップＳ８１５に移行し、当該通路の度量（当該通路の信号点から受信点までの距離）を計算する。ステップＳ８１６において、新たに取得した度量が既存の記録された度量より小さいか否かを判断する。新たな度量が小であれば、新たに取得した信号点は記録された信号点より優れていることが分かる。この時、ステップＳ８１７に移行し、新たな信号点度量を採用して度量

及び他のパラメータを更新し、ステップＳ８０６に移行して次回の繰り返しを行う。ステップＳ８１６では、新たに取得した度量値が記録された記録度量より大であれば、当該信号点を破棄し、フローはステップＳ８０６に移行して本ステップの次の信号点にトライする。ステップＳ８１１において、ｉ＞１が成立するのであれば、フローはまだ中間ステップにあることが分かり、この時ステップＳ８１２に移行する。ステップＳ８１２において繰り返しパラメータ

を計算し、次いでステップＳ８１３にて

を計算し、ステップＳ８１４にて計数器ｉを変更し、次いでステップＳ８０５に移行して次回の繰り返しを開始する。

図１０乃至図１４は、本発明に係るマルチユーザ送信ダイバーシティ及び送信ダイバーシティ中継、従来の送信及び中継、並びにラルソンの符号化双方向中継のビット誤り性能の比較結果をそれぞれ示している。比較に際して使用するチャネルは、レイリー・フェージングチャネルであり、ユーザ、チャネル、情報ソースシンボルグループによって、そのチャネルは独立してランダムに変化する、即ち使用するチャネルは高速フェージングチャネルである。与えられた実例において、中継局がある場合には、各送信シンボルエネルギーは平均して情報ソース局及び中継局に分配される。全てのユーザが使用する変調方式は同じである。信号集合点では、送信ダイバーシティ方式がフーリエ変換行列を使用してマルチユーザ信号を符号化することで、送信ダイバーシティの目的を達する。中継方法については、中継局は情報ソース局が送信してきた信号を受信して転送する。マルチユーザ送信ダイバーシティについて、最終の受信ユーザはトレリス復号化方法を使用して信号を最尤検出する。

図１０及び図１１は、それぞれ本発明に係るマルチユーザ送信ダイバーシティ中継と従来中継方法のＱＰＳＫ変調を使用するときのビット誤り性能の比較結果を示している。ここで、図１０は、各チャネルの帯域幅が１ヘルツで、帯域幅効率が１ビット／秒／ヘルツの場合における比較結果を示している。図１１は、１６ＱＡＭで変調し、帯域幅効率が２ビット／秒／ヘルツの場合における比較結果を表している。これによれば、ビット誤り率性能は連合符号化のユーザ数の増加につれて向上し、ユーザ数が極めて大きくなる場合、ＱＰＳＫ及び１６ＱＡＭのいずれかに対して、マルチユーザ送信ダイバーシティは約３デシベルの性能利得（図面では１６個のユーザを無窮ユーザ数の参考としている）。ユーザ数が小の場合、ユーザ数の増加は、ビット誤り性能を顕著に改善することができる。しかし、ユーザ数が大きい場合には、ユーザ数を増加することは顕著な性能改善をもたらし得ない。例えば、ＱＰＳＫについては、２個のユーザによる連合ダイバーシティ送信は２．１ｄＢの利得を提供でき、６個のユーザの場合は２．６ｄＢの利得を提供する。１６ＱＡＭに対しては、２個のユーザによる連合ダイバーシティ送信は１．７ｄＢの利得を提供でき、６個のユーザの場合には２．１ｄＢの利得を提供する。実際の応用に際して、性能及び複雑度の要求に応じて、連合ダイバーシティ送信のユーザ数を適当に選択し、大きすぎる値の設定は不必要である。

図１２は、ラルソン符号化双方向中継がＱＰＳＫ変調（帯域幅効率が１．３３ビット／秒／ヘルツ）を使用した時及び２個のユーザ送信ダイバーシティ中継が８ＰＳＫ変調（帯域幅効率が１．５ビット／秒／ヘルツ）を使用した時における、異なる帯域幅効率の時のビット誤り率性能の比較結果を示している。図１２から分かるように、両者のビット誤り率性能はほぼ同じである。２個のユーザ送信ダイバーシティ中継の帯域幅効率はラルソン中継の帯域幅効率より高いので、伝送誤りによるトラフィック損失を除いて、２個のユーザ送信ダイバーシティ中継はより高いネットワーク正味スループットを実現する。

図１３は、ラルソン符号化双方向中継が８ＰＳＫ変調を使用し、そして２個のユーザ送信ダイバーシティ中継が１６ＱＡＭ変調を使用し、帯域幅効率が同じで２ビット／秒／ヘルツの場合のビット誤り率性能の比較結果を示している。図１３から分かるように、本発明の方案に基づいて、２個のユーザ送信ダイバーシティ中継のビット誤り率性能はラルソン中継の性能より優れている。例えば、ビット誤り率が10^-4である時に、２個のユーザ送信ダイバーシティ中継は、ラルソン中継より約１．７ｄＢ優れていた。同様に、伝送誤りによるトラフィック損失を除いて、２個のユーザ送信ダイバーシティ中継はより高いネットワーク正味スループットを実現する。

図１４は、一つのユーザが複数のユーザと直接通信する、例えば無線セルラー通信システムにおける基地局と複数の移動局との通信について、マルチユーザ送信ダイバーシティの使用及び不使用に際して、ＱＰＳＫ変調（帯域幅効率が２ビット／秒／ヘルツ）を応用したときのビット誤り性能の比較結果を示している。図１４から分かるように、本発明に係るマルチユーザ送信ダイバーシティは、ダイバーシティしない時のビット誤り性能より明らかに優れている。連合符号化のユーザ数を増加するの性能改善に対する作用が明らかである。同時に、マルチユーザ送信ダイバーシティの性能に対する改善は、中継があるときの改善よりもっと顕著である。これは、マルチユーザシステムでは、情報ソース局から中継局までの伝送が伝送誤りを引き起こす場合があり、当該誤りは、送信ダイバーシティの性能に対する改善を大きく制限するからである。これより、実際のマルチユーザ送信ダイバーシティ中継システムについては、初段の伝送性能を向上させることが、システム全体の伝送性能の向上に対して重要であることが分かる。初段の伝送性能を向上させる方法は数多くある、例えば、適当なチャネル符号を使用すること、ソース局に中継局より大きい電力を分配することなどがある。

本発明では、マルチユーザ信号を信号集合送信サイトにて連合符号化して、複数の送信チャネルによって連合符号化された信号を送信する。また、本発明の送信ダイバーシティ及び送信ダイバーシティ中継は、伝送有効性及び信頼性を併せて考慮している。同時に、受信側において、本発明の送信ダイバーシティ及び送信ダイバーシティ中継は、トレリス復号化などのような方法を採用して受信信号を最尤検出するので、復調の複雑度が低い。

ここまで、本発明について好ましい実施例を基にして説明してきた。本発明の精神及び範囲から逸脱しない限り、様々な変更、交換及び追加を行ってもよいことが、当業者にとって理解し得るであろう。そこで、本発明の範囲は前記特定の実施例に限定されるものと理解してはならず、添付した請求の範囲によって限定されるものである。

図１(Ａ)及び１(Ｂ)は、従来技術において両ユーザ間に中継によってデュプレックス通信を実現する手順模式図をそれぞれ示したものである。図２は、従来の無線中継のブロック図を示したものである。図３は、従来技術においてラルソン等が提示した方法を採用した無線中継のブロック図を示したものである。図４は、本発明の一実施例に係るユーザ送信ダイバーシティ中継プロセスの模式図を示しており、ここでは、両ユーザの場合での送信ダイバーシティ中継のプロセスを与えている。図５は、本発明の他の実施例に係るＮ個のユーザ、Ｎ個のアクセスチャネル、Ｎ個の中継チャネルでの送信ダイバーシティ中継プロセスを示す模式図である。図６は、本発明の更なる他の実施例に係るＮ個のユーザ、Ｎ個のアクセスチャネル、Ｍ個の中継チャネルでの送信ダイバーシティ中継プロセスを示す模式図である。本発明の実施例に係るＮユーザ、Ｎアクセスチャネル、Ｍ中継チャネルでの送信ダイバーシティ中継システムを示すブロック図である。図８は本発明の実施例に係るトレリス復号化アルゴリズムを採用したフローチャートを示したものである。図９は本発明に係るＱＰＳＫ及び１６ＱＡＭを実例とする送信信号コンステレーション模式図及びグレーマッピングを示したものである。図１０は、それぞれ本発明に係るマルチユーザ送信ダイバーシティ中継と従来中継方法のＱＰＳＫ変調及び１６ＱＡＭ変調を使用した場合でのビット誤り性能の比較結果を示した模式図である。図１１は、それぞれ本発明に係るマルチユーザ送信ダイバーシティ中継と従来中継方法のＱＰＳＫ変調及び１６ＱＡＭ変調を使用した場合でのビット誤り性能の比較結果を示した模式図である。図１２は、ラルソン符号化双方向中継がＱＰＳＫ変調を使用した時及び本発明の２個のユーザ送信ダイバーシティ中継が８ＰＳＫ変調を使用した時における、異なる帯域幅効率の場合でのビット誤り率性能の比較結果を示した模式図である。図１３は、ラルソン符号化双方向中継及び本発明のマルチユーザ送信ダイバーシティ中継の同じ帯域幅効率の場合におけるのビット誤り率性能の比較結果を示した模式図である。図１４は、無線セルラーシステムのダウンリンク方向の基地局のマルチユーザ送信ダイバーシティの使用及び不使用の場合におけるビット誤り性能の比較結果を示した模式図である。

符号の説明

Ｕ_０-Ｕ_n…ユーザ、３，４…単一ユーザ検出器、５…モジュロ２加算器、７１…中継局、７２…マルチユーザ連合エンコーダ、７１１，７１２，…単一ユーザ検出器、７３１，７３２，…トレリス符号復調器

Claims

複数の通信端末と中継局からなる無線通信システムにおける複数通信端末の送信ダイバーシティ及び送信ダイバーシティ中継方法であって、
前記複数の通信端末がそれぞれのアクセスチャネルを使用して信号を送信するステップと、
前記中継局が前記複数の通信端末から送信された信号ベクトルを受信し、前記信号ベクトルを線形変換するステップと、
前記中継局は複数の中継チャネルを使用して前記線形変換された信号を転送し、前記複数の中継チャネルのうち各中継チャネルのそれぞれは、前記線形変換された信号の一つを転送するステップと、
受信側において前記中継局から転送された信号を復調するステップとを含む方法。
前記複数の通信端末が送信した信号ベクトルを線形変換するステップは、フーリエ変換によって受信した信号ベクトルを変換することを含むことを特徴とする請求項１に記載する方法。
前記複数の通信端末が送信したベクトル信号を線形変換するステップは、アダマール変換によって受信した信号ベクトルを変換することを含むことを特徴とする請求項１に記載する方法。
受信側にて中継局で転送された信号を復調するステップは、トレリス復号化方法によって受信した信号を最尤検出するステップを含むことを特徴とする請求項１に記載する方法。
前記中継局は通信端末であることを特徴とする請求項１に記載する方法。
前記中継局は基地局であることを特徴とする請求項１に記載する方法。
Ｎ個の独立のアクセスチャネルとＭ個の中継チャネルを有し、且つＭ＜Ｎとなる場合、前記中継局は、Ｎ個のアクセスチャネルより信号ベクトルを受信し、前記信号ベクトルを線形変換し、そして前記Ｍ個の中継チャネルを用いて前記線形変換されたＮ個の信号の内、Ｍ個の信号を転送することを特徴とする請求項１に記載する方法。
使用する前記中継チャネルは、時間分割システムのタイムスロットを含むことを特徴とする請求項１に記載する方法。
使用する前記中継チャネルは、符号分割システムの符号チャネルを含むことを特徴とする請求項１に記載する方法。
使用する前記中継チャネルは、周波数分割システムの周波数帯域を含むことを特徴とする請求項１に記載する方法。
使用する前記チャネルは、時間分割システムのタイムスロット、符号分割システムの符号チャネル、及び周波数分割システムの周波数帯域による組合せを含むことを特徴とする請求項１に記載する方法。
複数の通信端末と中継局からなる無線通信システムにおける複数通信端末の送信ダイバーシティ及び送信ダイバーシティ中継システムであって、
それぞれのアクセスチャネルを使用して信号を送信する複数の送信機と、
前記複数の通信端末から送信された信号ベクトルを受信し、前記受信した信号ベクトルを線形変換し、前記線形変換された信号を転送する中継局と、
中継局が転送した信号を復調する複数の受信機とを備えるシステム。
前記中継局は、前記複数の通信端末が送信した信号ベクトルを線形変換し、各中継チャネルを使用して、前記線形変換された個々の信号を転送する手段をさらに備えることを特徴とする請求項１２に記載するシステム。
前記線形変換は、フーリエ変換によって受信した信号ベクトルを変換することを特徴とする請求項１２に記載するシステム。
前記線形変換は、アダマール変換によって受信した信号ベクトルを変換することを特徴とする請求項１２に記載するシステム。
前記受信機は、受信した前記線形変換信号に対してトレリス復号化演算を行うことで、複数送信機の信号が合成された信号から、所望の受信信号を最尤検出するトレリス符号復調器を備えることを特徴とする請求項１２に記載するシステム。