JP2011077565A

JP2011077565A - 無線中継システム、中継装置、及び中継方法

Info

Publication number: JP2011077565A
Application number: JP2009223620A
Authority: JP
Inventors: Yunjian Jia; 雲健賈; Takeshi Tamaki; 剛玉木
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2009-09-29
Filing date: 2009-09-29
Publication date: 2011-04-14

Abstract

【課題】 MIMO/MU-MIMOシステムにおける複数レイヤの信号に対応する中継局の処理軽量化と低コスト化をできるとともに空間伝搬路の利得を向上させる。
【解決手段】中継局は、基地局が送信した複数レイヤの信号に対して、基地局と中継局間の第一の伝搬路及び中継局と端末間の第二の伝搬路の状態に基づいて、複数のレイヤの信号に対し、非線形処理を行い、中継局から複数の端末へＭＵ−ＭＩＭＯ送信処理を行う、態様とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、一般には無線通信に関し、特に、中継装置、当該中継装置を用いて各通信装置間の無線信号の中継を行う無線通信システム、および当該無線通信システムにおいて使用される中継方法に関する。

最近、無線通信システムのカバレッジやスループットを改善するため、中継局の利用は注目が集まっている。一般な形態としては、中継局は、送信局と受信局との間に配置され、送信局から送信された信号を中継局で処理して受信局へ送信することで、伝送距離又は壁などの障害物による無線信号の劣化を改善する。移動体通信システム（セルラーシステム）の規格を策定する標準化団体3GPP（The 3rd Generation Partnership Project）では、基地局との距離が遠いセルエージにおけるスループットの改善、または様々な無線環境で通信品質の確保に中継が重要なツールとして検討されている。また、無線MAN（Metropolitan Access Network）の規格を策定する標準化団体IEEE802.16も、中継を検討するTask Groupを設立して、ネットワークのカバレッジ拡大やスループット向上、ネットワークの展開コストの低減を図る。

中継局は信号に対する処理により、非再生中継と再生中継と2つに大別される。非再生中継は、単純な形態として、中継局が受信した信号を増幅して受信局へ転送する。再生中継は、中継局が受信した信号を復調して復号してから、再符号化して再変調することにより中継信号を生成して、受信局へ送信する。前者は増幅転送方式（amplify-and-forward）として知られ、後者は、復号転送方式（decode-and-forward）として知られる。非再生中継局は再生中継局より処理が簡単であり、比較的低コストだと考えられる。

一方、無線通信の伝送速度と品質を高めるため、従来の時間リソースと周波数リソースを利用する以上、空間リソースの活用は重要な研究対象になっている。周波数利用効率を向上できる多入力多出力（Multiple-Input Multiple-Output，以下MIMOと記す）技術は注目が集まっている。MIMOは送信局と受信局の両方で複数のアンテナを配置して、送信局が同一周波数を用いた複数の信号ストリーム、すなわち複数レイヤの信号を同時に送信し、受信局がこの複数レイヤの信号を同時に受信できる技術である。

さらに、1台の送信局から複数レイヤの信号を送信して、複数の受信局（各受信局は1個/複数のアンテナを持つ）が同時に接続できるマルチユーザMIMO（MU-MIMO）に関する研究が進められている。非特許文献１にあるとおり、3GPPの次世代無線通信に向ける標準であるLTE（Long Term Evolution）には、MIMOとMU-MIMOとの使用が規格された。さらに非特許文献2にあるとおり、LTEの増強版となるLTE-Advancedでは、MIMOとMU-MIMOの利用がより重要になると考えられる。

３GPP TS ３６.２１１ "Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Physical Channels and Modulation (Release ８)" ３GPP TR ３６.８１４ "Further Advancements for E-UTRA; Physical Layer Aspects"

非特許文献１や非特許文献２に開示される無線通信システムでは、基地局は複数のアンテナを配置し、複数レイヤの信号を１台/複数の端末に同時に送信することは一般な形態になることが可能となる。上記無線通信システムに応用される中継局は、上記基地局から送信された1台の端末に対するMIMO信号）或いは複数の端末に対するMU-MIMO信号に対応するため、複数の送受信アンテナが配置されると考えられる。これで、基地局と中継局との間の伝搬路は、MIMO空間伝搬路になり、中継局と1台/複数の端末との間の伝搬路は、MIMO/MU-MIMO空間伝搬路になる。このため、非再生中継局には、従来のように基地局から送信された信号を受信して増幅してから再送信する処理のみではなく、複数レイヤの信号に対するMIMO受信処理とMIMO/MU-MIMO送信処理を行い、端末が受信した信号に上記の2つの空間伝搬路の利得を取得しなければならない。

しかしながら、上記非再生中継局では、取得できる空間伝搬路利得と、中継処理の複雑さ及びシステムオーバーヘッドは著しく対立している。この原因は、中継局は、基地局との間のMIMO伝播路1に対する受信側となり、1台/複数の端末との間のMIMO/MU-MIMO伝播路2に対する送信側となって、1回の信号転送において、この2つの空間伝播路に対応する処理が必要である。

まず、上記空間伝搬路１において、送信側である基地局と受信側である中継局との両方で線形処理を行う方式は空間伝搬路1の利得を最大に取得できるが、これで空間伝播路1に関する情報を基地局へ報告する必要がある。伝搬路状態の変動により、基地局と中継局は、頻繁な伝搬路情報と制御信号の交換が発生し、オーバーヘッドの増加によりデータスループットが低下する問題がある。

一方、オーバーヘッドを低減するため、基地局が伝搬路情報を依存しなく送信する場合、受信側、即ち中継局の処理のみで空間伝搬路の利得を最大に取得できるのは、非線形処理を行うDFE（Decision Feedback Equalization）である。さらに、上記空間伝搬路2に対して、送信側となる中継局は非線形処理を用いるDPC（Dirty Paper Coding）方式により空間伝搬路2の利得を最大に取得できる。

つまり、上記２つの空間伝搬路の利得を最大に取得するため、ＤＦＥとＤＰＣ方式を利用し、中継局が信号を1回中継する時、上記空間伝搬路1に対する受信非線形処理と、上記空間伝搬路2に対する送信非線形処理の両方を行う必要がある。中継局は処理の複雑さにより実装するコストが高くなるという問題が存在する。

本発明の目的は、上記２つの空間伝搬路を効率よく利用することができるとともに中継処理の複雑さを低減できる方法及び中継装置を提供することで、中継局の処理の負荷の削減と低コスト化を図ることにある。

本発明の態様は、上記課題の少なくともいずれかを解決するために、中継局は、基地局が送信した複数レイヤの信号に対して、基地局と中継局間の第一の伝搬路及び中継局と端末間の第二の伝搬路の状態に基づいて、複数のレイヤの信号に対し、非線形処理を行い、中継局から複数の端末へＭＵ−ＭＩＭＯ送信処理を行う、態様とする。

本発明の態様により、無線空間の伝搬路の効率的な利用と中継処理の負荷削減を可能にした。

本発明の実施形態における無線通信システムを示す図である。本実施形態における信号の送受信及び処理の流れの図である。本実施形態における中継局の構成図である。本実施形態における中継局の中継処理部の構成図である。

以下、本発明を実施するための形態を図面を用いて説明する。

図1は、本実施形態における無線通信システムを例示している。無線通信システムは、1つの基地局１１０を１つのセル１００に備えることができ、この基地局１００は複数のアンテナ１１５を用いて複数レイヤの信号を1つ以上の端末へ同時に送信する。無線通信システムは、基地局１１０から送信される複数レイヤの信号を、複数の端末１３０a、１３０ｂに中継する中継局１２０を備える。中継局１２０は、複数の送受信アンテナ１２１，１２９、ＲＦ受信部１２３，ＲＦ送信部１２７、中継処理部１２５を備える。本実施形態により、基地局との間の空間伝搬路と、1つ以上の端末との間の空間伝搬路との利得を最大に取得できることとともに、中継局の処理軽量化が実現できる。この技術は、通信システムによって、任意の適切な無線通信プロトコル（例えば、OFDM、OFDMA、CDMA、TDMA等）とともに用いることができるということが理解されよう。

以下は、基地局１１０が送信用アンテナ１１５を２つ用いて、中継局が受信用アンテナ１２１、送信用アンテナ１２９いずれも２つを用いる場合の例を説明する。さらに、ある周波数と時間スロットで、基地局は同時に2つのレイヤの信号を２つの端末１３０a,130b（各端末が受信用アンテナを１つ用いる）に送信する場合を説明する。

基地局から送信される信号には、参照信号部とデータ信号部とが、含まれる。

図2は、基地局１１０と中継局１２０と2つの端末130a、130bとの信号流れを示す。基地局１１０は、まず中継信号１２０が既知している参照信号２１２を送信する（２１０）。中継局は、受信された参照信号と既知の参照信号を対照することにより、基地局との間の空間伝搬路１を推定する（２２２）。また、中継局１２０は、２つの端末130a、130bに、既知の参照信号２２４を送信する（２２３）。各端末130a,130bは、２つ端末のいずれも受信された参照信号と既知の参照信号とを比較し、各端末130a,130bは、中継局１２０との間の空間伝搬路を推定する（２３１）。

そして、各端末130a、130bは、それぞれに推定した伝搬路情報（チャネル情報２３２a、232b）を中継局に報告する（２３２a,２３２b）。中継局１２０は、各端末からチャネル情報２３２a,２３２bを受け取り、２つの端末との間の空間伝搬路2に関する情報を収集する（２２６）。中継局１２０は、基地局に参照信号２１２に対するＡＣＫ／ＮＡＣＫ２１３を返す（２１４）。

中継局１２０は、複数の端末宛のデータ信号２１５を、基地局１１０から受け取る（２１６）。中継局１２０は、上記空間伝搬路１と空間伝搬路2の情報を用いて、基地局から送信される信号２１５のデータ部に対して中継処理（２２８）を行い、中継信号２２７を2つの端末130a,130bへ送信する（２２９）。2つの端末130a,130bは、この中継信号２２７を受信して復調及び復号処理を行い、基地局からのデータを得る。そして、端末１３０a,１３０bは、中継信号２２７に対応するＡＣＫ/NACK234a、２３４bを中継局１２０に返し（２３５）、中継局は、ＡＣＫ/NACK234の受信に応じて、基地局にデータ信号２１５に対応するＡＣＫ/NACK219を返す（２１８）。以上が、図２の説明である。

本実施形態における中継局１２０の構成を図３を用いて詳細に説明する。受信アンテナ１２１で信号を受信し、RF受信部１２３によってベースバンド信号へ変換する。このベースバンド信号に含まれる参照信号部を用いて、伝搬路情報推定部３１０により基地局１１０と中継局１２０との間の空間伝搬路1を推定する（図２の２２２）。伝播路情報推定部３１０による空間伝搬路推定結果である、空間伝搬路１の情報をH1とする。一方、また、端末の報告を用いて、伝搬路情報収集部３２５は、中継局と端末との間の空間伝搬路２の状態を示す情報を得る（図２の２２６）。つまり、アンテナ３９０を介して受信した端末１３０a、ｂからの信号を、ＲＦ受信部３８０が、ベースバンド信号に変換する。伝搬路収集部３２５は、ベースバンド信号から空間伝搬路2の情報を、中継局１２０と各端末との組み合わせごとに得る。得られた空間伝搬路２の情報をH2とする。空間伝搬路１の情報H1と空間伝搬路２の情報H2とを伝搬路情報推定部310と伝搬路情報収集部３２５から受け、中継処理用パラメータ算出部３２０は、中継処理に必要とするパラメータＬを生成する（図２の２２８）。生成方法の例を、以下の式により算出される。

式(1)のように、H1に対してQL分解し、ユニタリ行列Q1と下三角行列L1との積に変形する。式(2)のように、H2に対してLQ分解し、下三角行列L2とユニタリ行列Q2との積に変形する。そして、式(3)と式(4)に示すL1とL2とのそれぞれの成分による、レイヤ毎に総合影響を対応する下三角行列Lを式(5)のように作成する。

図４は、非線形処理部３５０の詳細を示す図である。そして、中継処理部１２５には、図４に示すように、RF受信部１２３で変換されたベースバンド信号に含まれるデータ部に対して、レイヤ毎にプレ行列乗算部３４０は、行列Q1Hを掛け、非線形処理部３５０に出力する。プレ行列乗算部３４０からの出力が、非線形処理部３５０により処理され、処理されたものを、ポスト行列乗算部に出力する。そして、非線形処理部３５０からの出力に対し、ポスト行列乗算部３６０により行例Q2Hを掛ける。

なお、Q1H、Q2Hは、式（６）（７）に示されるように、それぞれ、Q1、Q2のエルミート転置行列である。

ただし、Iは単位行列を表す。

また、非線形処理部３５０は、ＭＯＤＵＬＯ部４１０、４２０を備える。非線形処理部３５０には、2つレイヤの信号に対して、第１レイヤの信号は直接にMODULO部４１０により信号振幅を調整し、ＲＦ送信部１２７に出力する（図２の２２８）。一方、第2レイヤの信号に対して、上記下三角行列Lに従って、第2レイヤ信号に係数４３０を掛けた結果と第1レイヤの調整結果との和を計算した後、MODULO部４２０により信号振幅を調整し、ＲＦ送信部１２７に出力する（図２の２２８）。

図３に戻り、この出力は中継信号のデータ部として、RF送信部１２７によりRF送信を変換し、中継信号２２７として送信する（図２の２２９）。なお、ＲＦ送信部１２７及びＲＦ受信部１２３、３８０は、ＲＦ送受信部として構成されていてもよい。また、端末からの信号を送受信するよう構成されるアンテナが、アンテナ１２９、アンテナ３９０の代わりに構成されてもよい。また、中継局は、端末、基地局からの信号を送受信するアンテナを複数備え、アンテナ１２９、３９０、１２１の代わりに構成されてもよい。

上記実施形態で説明された、中継局による中継処理により、基地局から送信された信号が上記の中継局に介して端末が受信した時、上記2つの空間伝搬路から取得する利得は、レイヤ１の信号に対して

となり、レイヤ２の信号に対して

となる。

それぞれのレイヤは、最大のDPC増益を取得することができる。また、中継局は基地局に空間伝搬路に関する情報を報告をせずにオーバーヘッドを低減しつつ、1つの非線形処理で基地局と中継局の間の空間伝搬路と中継局と1つ以上の端末との間の空間伝搬路の利得を最大化できる。

また、上述の実施形態により、無線空間の伝搬路の効率的な利用と中継処理の負荷削減を可能にした。また、複数レイヤの信号に対応する中継局の処理の負荷の削減や、低コスト化を実現することができる。

本実施形態は、基地局、中継局、端末を有する無線通信システムで、中継局が、基地局からの端末への信号を中継する処理を例をして説明した。しかし、受信局と送信局間で行われる無線通信を行う中継局に対しても、適用できる。つまり、無線通信により、送信局から受信局まで無線信号を送受信する際に、無線信号を中継する中継局を備える無線通信システムでも、本実施形態説明した中継局の処理が適用可能である。

また、図１では、基地局に対して、一つの中継局での例を説明したが、複数の中継局が一つのセル１００にあってもよい。また、無線通信システムに複数のセルがあってもよく、一つ以上の基地局が各セル内に信号を送信する構成であってもよい。

上述の説明により、下記の本発明の態様が開示された。

一つの態様は、中継局は、複数の端末に対する基地局が送信した複数レイヤの信号に対して、2つの空間伝搬路による影響を考慮し、1つの非線形処理部を用い、レイヤ毎の対応により、2つの空間伝搬路の利得を最大に取得する。それにより、中継処理の複雑さとのを解消し、空間伝搬路の効率よい利用を可能とした。

一つの態様は、中継局は、1つの非線形処理で、MIMO受信処理とMIMO送信処理が処理する。つまり、基地局から送信した各ユーザへの信号を分離しないまま、チャネル1の干渉とチャネル2の干渉を事前に把握し、次の中継局から送信する中継信号を生成する。その結果、1つの非線形処理によって、2つのチャネルの干渉対策を含めた2つの増益を得る。基地局から複数の信号に対する受信MIMO処理と、端末に発送する中継信号に対する送信MIMO処理を順番的に処理することが不要となる。

一つの態様は、中継局は、上記2つの空間伝搬路情報をベースして、上記2つの空間伝搬路のいずれも逐次に信号のレイヤ毎に干渉を加える形に変換し、上記2つの空間伝搬路の影響に基づいた1つの非線形処理を行うことを備える。この態様により、中継局から基地局へ空間伝搬路情報を報告するフィードバック負荷を低減することとともに、中継処理の複雑度を抑えることができる。

一つの態様は、基地局から、複数の端末への、複数レイヤの信号を中継する中継局を備える無線通信システムにおける中継方法であった、基地局との間の伝搬路情報を推定する伝播路推定ステップ、端末との間の伝搬路情報を推定するチャネル推定ステップと、前記基地局との間の空間伝搬路に対するチャネル変換行列算出ステップと、前記受信局との間の空間伝搬路に対するチャネル変換行列算出ステップと、上記2つのチャネル変換した後、非線形処理係数算出ステップと、前記チャネル変換行列を受信信号に乗算し、非線形処理された信号に前記チャネル変換行列を乗算して中継信号を生成する中継信号生成ステップと、前記中継信号を送信する中継信号送信ステップとを備える。

また、一つの態様は、中継局を介して、基地局から送信された信号を受信する端末を備える無線通信システムにおける中継方法であって、中継局との間の伝搬路情報を推定するチャネル推定ステップと、前記伝搬路推定ステップにより推定された情報に基づいて、送信信号を推定する送信信号推定ステップとを有する。

１１０：基地局、１２０：中継局、１３０：端末、１１５、１２１、１２９、１３０：アンテナ、１２３：ＲＦ受信部、１２７：ＲＦ送信部、１２５：中継処理部、セル：１００

Claims

無線信号を用いて通信を行う無線通信システムにおいて、
複数レイヤの信号を同時に送信する送信局と、同時にこの複数レイヤの信号を受信する１つ以上の受信局との間で、複数の送信アンテナ、受信アンテナを用いて前記送信局から送信された複数レイヤの信号を中継する中継局であって、
前記送信局と前記中継局の間の第１の空間伝搬路に関する情報を推定する伝搬路情報推定部と、
前記中継局と前記１つ以上の受信局との間の第２の空間伝搬路に関する情報を収集する伝搬路情報収集部と、
前記第１の空間伝搬路に関する情報と前記第２の空間伝搬路に関する情報とを用いてパラメータを算出する中継処理用パラメータ算出部と、
前記パラメータを用いて1つの非線形処理部により前記2つの空間伝搬路の利得を取得する中継信号処理部と、
を備えることを特徴とする中継局。
請求項１記載の中継局において、
前記中継処理用パラメータ算出部は、前記第１の空間伝搬路と前記第２の空間伝搬路とのいずれも逐次にレイヤ毎に干渉を加える形に変換し、前記2つの空間伝搬路のレイヤ毎への影響を総合的に反映するパラメータを算出することを特徴とする中継局。
請求項１記載の中継局において、
前記中継信号処理部は、1つの非線形処理で前記パラメータ算出手段による算出したパラメータを用いて、前記第１の空間伝搬路と前記第２の空間伝搬路との影響に対応することを特徴とする中継局。
請求項１に記載の中継局において、
前記中継信号処理部は、前記第１の空間伝搬路に対応してから前記第２の空間伝搬路に対応することではなく、レイヤ毎に前記2つの伝搬路の対応を行うことを特徴とする中継局。
請求項１に記載の中継局において、
前記中継信号処理部は、前記送信局が送信された元の複数レイヤの信号を互いに混合したまま、前記受信局に送信する中継信号を生成することを特徴とする中継局。
無線通信システムであって、
１つ以上の端末と、
前記端末へ複数レイヤの信号を同時に送信する基地局と、
前記基地局から前記端末への前記信号の通信を中継する中継局と、を備え、
前記中継局は、
前記中継局は、複数の送受信アンテナで送受信される信号に対して、ベースバンド信号に変換するRF処理部と、
伝搬路情報推定機能と、伝搬路情報収集機能と、レイヤ毎に、基地局と中継局との間の伝搬路及び中継局と端末との間の伝搬路の影響基づいて、1つの非線形処理で前記複数レイヤの信号に対する中継処理を行う機能を有するベースバンド処理部と、を有することを特徴とする無線通信システム。
請求項６において、
前記中継局は、前記基地局と中継局の間の伝搬路情報をレイヤ毎に干渉を加える形を変換する機能と、
中継局と前記1つ以上の端末との間の伝搬路情報をレイヤ毎に干渉を加える形を変形する機能と、
上記２つの伝搬路により総合的にレイヤ毎に干渉を加える影響を計算する機能と、
上記総合的な影響を対応する機能とを備えて、
前記総合的な影響を対応する機能は、１つの非線形処理を用いてレイヤの順番に干渉を対応することを備えた
ことを特徴とする無線通信システム。
請求項６において、
前記基地局と前記中継局によりMIMOシステムが構成されている、
前記中継局と1つの端末によりMU-MIMOシステムが構成されている、
ことを特徴とする無線通信システム。
基地局から1つ以上の端末へ送信された複数レイヤの信号に対して、中継局が前記信号を中継する中継処理方法であって、
前記中継局において、
前記基地局と前記中継局との間の空間伝搬路情報推定を行い、
前記中継局と１つ以上の端末との間の空間伝搬路情報収集を行い、
上記２つの空間伝搬路情報を用いて、上記2つの空間伝搬路の影響と相当する1つの総合影響に変換し、1つの非線形処理により上記2つの空間伝搬路の利得を取得する
ことを特徴とする無線通信システムにおける中継処理方法。