JP2012090112A

JP2012090112A - 通信装置、通信方法、および通信システム

Info

Publication number: JP2012090112A
Application number: JP2010235697A
Authority: JP
Inventors: Takeo Fujii; 威生藤井; Kensuke Fujii; 健介藤井
Original assignee: University of Electro Communications NUC
Current assignee: University of Electro Communications NUC
Priority date: 2010-10-20
Filing date: 2010-10-20
Publication date: 2012-05-10
Anticipated expiration: 2030-10-20
Also published as: JP5765758B2; WO2012053523A1; US20130208654A1; US9282468B2

Abstract

【課題】複数のセルのそれぞれのセル端におけるチャネル容量を増大させることができるようにする。
【解決手段】隣接セルの基地局である送信局１−１，１−２によるデータ伝送はMIMO伝送により行われる。中継局２においては、送信局１−１と送信局１−２の双方の送信局が送信する電波が受信され、送信局１−１が伝送するデータと送信局１−２が伝送するデータが取得される。また、中継局２においては、マルチユーザMIMO伝送によって、隣接セルの受信局であるデータ伝送が行われる。送信局１−１から伝送されたデータは、中継局２を介して受信局３−１により受信され、送信局１−２から伝送されたデータは、中継局２を介して受信局３−２により受信される。本発明は、セルラーシステムに適用することが可能である。
【選択図】図１

Description

本発明は、通信装置、通信方法、および通信システムに関し、特に、複数のセルのそれぞれのセル端におけるチャネル容量を増大させることができるようにした通信装置、通信方法、および通信システムに関する。

IMT-Advancedなどの次世代携帯電話規格では、100Mbpsを超えるレベルの通信の高速・大容量化が求められている。このような通信速度を実現するための方式として、複数アンテナを持つ通信局を用いて空間多重分割を行うMIMO(Multiple Input Multiple Output)伝送が検討されている。

MIMO伝送によれば、送信側では、複数のアンテナで同時に異なるデータを送信し、受信側では、受信したデータを合成することによって、伝送路の容量を拡大することが可能となり、通信の高速化を実現することが可能になる。また、送信側から受信側に対して複数の経路を通って電波が届くことから、障害物が多く存在する場合であっても、通信品質の劣化を抑えることが可能になる。

ところで、セルラーシステムにおいては、特に、受信信号電力の低いセルの境界付近における通信の高速・大容量化について様々な手法が検討されている。その手法の一つとして、中継局を用いた中継伝送がある（非特許文献１）。中継伝送は、送信局から送信された信号の電力を中継局において増幅し、電力を増幅した信号を再送して受信局に受信させることによって、受信局における受信信号の電力を増大させ、チャネル容量を増大させる手法である。中継伝送の方法には、中継局で受信した信号の電力増幅のみを行うAmplify-and-Forward(AF)法と、中継局で受信した信号を復調・復号してから、再復号・再変調を行うDecode-and-Forward(DF)型などがある。

中継伝送を行うことによって、一般的に、送信局との通信可能エリア外でも通信が可能になるといったことや、送信局から受信局に送られた信号と中継局から受信局に送られた信号を用いてダイバーシチ効果を受信局側で得ることでチャネル容量を増大させることができるといった利点がある。

しかしながら、マルチセル環境において、あるセル内に設置された中継局により増幅された信号が他のセルの受信局に対して干渉を与えてしまい、干渉信号電力の増大によってSINR(Signal to Interference and Noise Ratio)の低下が生じたり、チャネル容量の減少が生じたりしてしまうことがある。このことは、下り回線の場合の受信局や上り回線の場合の送信局がセルの境界付近に存在する場合に特に顕著なものになり、通信エリア拡大の障害になっている。

そこで、特にセルの境界付近において他のセルからの干渉がある場合の通信品質を改善する技術が各種提案されている。例えば、特許文献１には、あるセル内に設置された中継局において周辺セルからの干渉を検出し、検出した干渉の情報を同じセルの境界付近に存在している端末に通知して、その端末において干渉成分を除去させる技術が開示されている。

特開２００９−１０５８４２号公報

R. U. Nabar, H. Blocskei, and F. W. Kneubuhler, "Fading relay channels: performance limits and space-time signal design," IEEE Journal on Selected Areas in Communications, vol. 22, No. 6, pp. 1099-1109, 2004.

上記特許文献１に開示されている技術においては、送信局からの信号の電力を中継局で増幅させることが行われていない。中継局は、単に、周辺セルからの干渉を検出し、検出した干渉の情報を端末に通知しているのみである。

また、中継局がそれぞれ異なる複数のセルの信号を受信し、それぞれのセルに存在している複数の端末にデータを伝送するといったような、セル間をまたいだ形でのマルチユーザMIMO伝送については検討されていない。

本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであり、複数のセルのそれぞれのセル端におけるチャネル容量を増大させることができるようにするものである。

本発明の一側面の通信装置は、それぞれ異なるセルに存在し、MIMO伝送によりデータの伝送を行う複数の送信装置のそれぞれと自身との間の通信路の状態を推定する第１の推定手段と、前記第１の推定手段により推定された通信路の状態に基づいて決定した受信ウエイトを用いて、前記複数の送信装置から伝送されたデータをそれぞれ受信する受信手段と、前記受信手段により受信されたデータを、前記複数の送信装置がデータの伝送を行っているそれぞれの前記セル内に存在する複数の受信装置に対してマルチユーザMIMO伝送により伝送する伝送手段とを備える。

前記セルは隣接するセルであり、通信装置が、隣接するセルの境界付近に存在するようにすることができる。

前記複数の受信装置のそれぞれと自身との間の通信路の状態を推定する第２の推定手段をさらに設けることができる。この場合、前記伝送手段には、前記第２の推定手段により推定された通信路の状態に基づいて決定した送信ウエイトを用いて、前記受信手段により受信されたデータを伝送させることができる。

本発明の一側面の通信方法は、それぞれ異なるセルに存在し、MIMO伝送によりデータの伝送を行う複数の送信装置のそれぞれと自身との間の通信路の状態を推定し、推定した通信路の状態に基づいて決定した受信ウエイトを用いて、前記複数の送信装置から伝送されたデータをそれぞれ受信し、受信したデータを、前記複数の送信装置がデータの伝送を行っているそれぞれの前記セル内に存在する複数の受信装置に対してマルチユーザMIMO伝送により伝送するステップを含む。

本発明の他の側面の通信システムは、複数の送信装置と、通信装置と、複数の受信装置とから構成される通信システムにおいて、前記複数の送信装置のそれぞれは、異なるセルに存在し、他の送信装置との間でデータの伝送タイミングの同期を確立する同期手段と、前記同期手段により同期が確立された伝送タイミングに従って、MIMO伝送によりデータを伝送する伝送手段とを備え、前記通信装置は、前記複数の送信装置のそれぞれと自身との間の通信路の状態を推定する推定手段と、前記推定手段により推定された通信路の状態に基づいて決定した受信ウエイトを用いて、前記複数の送信装置から伝送されたデータをそれぞれ受信する受信手段と、前記受信手段により受信されたデータを、前記複数の受信装置に対してマルチユーザMIMO伝送により伝送する伝送手段とを備え、前記複数の受信装置のそれぞれは、前記複数の送信装置がデータの伝送を管理するそれぞれの前記セル内に存在し、前記通信装置と自身との間の通信路の状態を推定する推定手段と、前記推定手段により推定された通信路の状態に基づいて決定した受信ウエイトを用いて、前記通信装置から伝送されたデータを受信する受信手段とを備える。

本発明の一側面においては、それぞれ異なるセルに存在し、MIMO伝送によりデータの伝送を行う複数の送信装置のそれぞれと自身との間の通信路の状態が推定され、推定された通信路の状態に基づいて決定した受信ウエイトを用いて、前記複数の送信装置から伝送されたデータがそれぞれ受信される。また、受信されたデータが、前記複数の送信装置がデータの伝送を行っているそれぞれの前記セル内に存在する複数の受信装置に対してマルチユーザMIMO伝送により伝送される。

本発明の他の側面においては、複数の送信装置のそれぞれにおいて、他の送信装置との間でデータの伝送タイミングの同期が確立され、同期が確立された伝送タイミングに従って、MIMO伝送によりデータが伝送される。また、通信装置において、前記複数の送信装置のそれぞれと自身との間の通信路の状態が推定され、推定された通信路の状態に基づいて決定した受信ウエイトを用いて、前記複数の送信装置から伝送されたデータがそれぞれ受信され、受信されたデータが、複数の受信装置に対してマルチユーザMIMO伝送により伝送される。さらに、前記複数の受信装置のそれぞれにおいて、前記通信装置と自身との間の通信路の状態が推定され、推定された通信路の状態に基づいて決定した受信ウエイトを用いて、前記通信装置から伝送されたデータが受信される。

本発明によれば、複数のセルのそれぞれのセル端におけるチャネル容量の増大とビット誤り率の低減を実現させることができる。

本発明の一実施形態に係る通信システムの構成例を示す図である。送信局の構成例を示すブロック図である。中継局の構成例を示すブロック図である。受信局の構成例を示すブロック図である。中継局の処理について説明するフローチャートである。シミュレーションモデルを示す図である。シミュレーションに用いたパラメータを示す図である。各伝送方法の送信時間スロットを示す図である。シミュレーション結果を示す図である。シミュレーション結果を示す他の図である。アップリンクのデータ伝送について説明する図である。

＜通信システムの構成例＞
図１は、本発明の一実施形態に係る通信システムの構成例を示す図である。

図１の通信システムはセルラー方式の通信システムであり、送信局１−１，１−２、中継局２、および受信局３−１，３−２から構成される。送信局１−１と受信局３−１はセルＣ１内に存在し、送信局１−２と受信局３−２はセルＣ２内に存在する。セルＣ１とセルＣ２は隣接するセルであり、中継局２はセルＣ１とセルＣ２の境界付近に存在する。

送信局１−１，１−２は、それぞれ、2GHz帯などの所定の周波数帯域の電波を使って、それぞれが存在するセル内の端末に対してデータを伝送する基地局である。送信局１−１はセルＣ１内の端末に対してデータを伝送し、送信局１−２はセルＣ２内の端末に対してデータを伝送する。点線矢印で示すように、送信局１−１，１−２によるデータ伝送は同期（シンボル同期）を確保して行われる。

送信局１−１，１−２によるデータ伝送はMIMO伝送により行われる。送信側のアンテナ（送信アンテナ）の数をT本、受信側のアンテナ（受信アンテナ）の数をR本とするMIMO伝送をT×R MIMO伝送とすると、N本の送信アンテナを有する送信局１−１と、セルＣ１に存在し、N本の受信アンテナを有する受信局３−１との間では、矢印＃１で示すようにN×N MIMO伝送が行われることになる。同様に、N本の送信アンテナを有する送信局１−２と、セルＣ２に存在し、N本の受信アンテナを有する受信局３−２の間では、矢印＃２で示すようにN×N MIMO伝送が行われることになる。図１においてはN=2である。

中継局２は2N本の受信アンテナを有する通信装置である。中継局２は、セルＣ１とセルＣ２において行われる送信局−受信局間のMIMO伝送中にも、2N本の受信アンテナを使って、送信局１−１と送信局１−２の双方が送信する電波を受信し、送信局１−１が伝送するデータと送信局１−２が伝送するデータを取得する。同期を確保してデータ伝送を行う送信局１−１と送信局１−２を１つの局と考えると、送信局−中継局間では、矢印＃１１，＃１２で示すように2N×2N MIMO伝送が行われていることになる。

また、中継局２は2N本の送信アンテナを有している。中継局２は、マルチユーザMIMO伝送によって、送信局１−１から伝送されてきたデータを受信局３−１に伝送し、送信局１−２から伝送されてきたデータを受信局３−２に伝送する。中継局−受信局間では、矢印＃２１，＃２２で示すように2N×(N,2)のマルチユーザMIMO伝送が行われていることになる。(N,2)は、N本の受信アンテナを有する受信局が2局あることを表す。中継局２においては、送信局１−１，１−２から伝送されてきたデータを表す信号の電力の増幅が適宜行われる。また、マルチユーザMIMO伝送により、送信局１−１からのデータは、中継局２により、受信局３−１のみで受信され、受信局３−２では受信されないように送信アンテナでの重みづけされる。一方、送信局１−２からのデータは、中継局２により、受信局３−２のみで受信され、受信局３−１では受信されないように送信アンテナで重みづけされる。結果として、中継局からの送信信号は、それぞれの受信局へのデータがお互いに影響受けないように伝送することが可能となる。

受信局３−１，３−２は、それぞれ、携帯電話機やパーソナルコンピュータなどの端末であり、マルチユーザMIMO伝送によって中継局２から伝送されてきたデータを受信する。送信局１−１から伝送されたデータは、中継局２を介して受信局３−１により受信され、送信局１−２から伝送されたデータは、中継局２を介して受信局３−２により受信されることになる。

このように、図１の通信システムにおいては、マルチセル環境において、隣接する複数のセルの送信局からのデータが、MIMO伝送を用いて中継局に伝送され、マルチユーザMIMO伝送を用いて、中継局から、隣接するセル内に存在する受信局にそれぞれ伝送される。

これにより、受信局３−１においてはセルＣ２からの干渉を低減させることができ、受信局３−２においてはセルＣ１からの干渉を低減させることができるといったように、隣接するセルからの干渉を、双方のセルにおいて低減させることができる。また、送信局からの信号が中継局において増幅されて再送されるため、受信局における受信信号の電力を上げることができる。特に、隣接セルからの干渉を受けやすく、かつ送信局からの信号の受信電力が弱まりやすいセル端におけるチャネル容量を増大させることが可能になる。

例えば、送信局からの信号を中継局において単に増幅させて再送するとした場合、中継局が受ける隣接セルからの干渉成分も増幅してしまうことになるが、MIMO伝送によって送信局から伝送されてきたデータを分離した後に信号電力を増幅し、マルチユーザMIMO伝送によって受信局に伝送することにより、隣接セルからの干渉成分を中継局において除去することができ、上述したようにセル端におけるチャネル容量を増大させることが可能になる。

＜各装置の構成例＞
図２は、送信局１−１の構成例を示すブロック図である。送信局１−１と送信局１−２には、適宜、図１には示していない中央制御局４がインターネットなどのネットワークを介して接続される。伝送の対象となるデータ系列は符号化部１１に入力される。

符号化部１１は、入力されたデータ系列を所定の符号化方式で符号化し、符号化して得られたデータをインターリーバ１２に出力する。

インターリーバ１２は、符号化部１１から供給されたデータのインターリーブを行い、インターリーブ後のデータをS/P(Serial/Parallel)変換部１３に出力する。

S/P変換部１３は、インターリーバ１２から供給されたシリアルのデータをパラレルのデータに変換し、各ブランチのデータを変調部１４−１乃至１４−Ｎにそれぞれ出力する。

変調部１４−１乃至１４−Ｎは、S/P変換部１３から供給されたデータをBPSK(Binary Phase Shift Keying)、QPSK(Quadrature Phase Shift Keying)、16QAM(Quadrature Amplitude Modulation)などの所定の変調方式で変調し、変調後のデータを重み付け部１５に出力する。

重み付け部１５は、変調部１４−１乃至１４−Ｎから供給された各ブランチのデータに所定の送信ウエイトを乗算することによって重み付けを行い、重み付け後の各ブランチのデータを送信部１６−１乃至１６−Ｎに出力する。重み付け部１５においては、例えば、E-SDM(Eigenbeam - Space Division Multiplexing)方式で伝送するための送信ウエイトを用いて重み付けが行われる。MIMO空間多重方式には、主に、送信アンテナ毎にデータを送信する空間分割多重（SDM(Space Division Multiplexing)）方式と、送信ビーム毎にデータを送信する固有ビーム空間分割多重（E-SDM）方式がある。

送信部１６−１乃至１６−Ｎは、重み付け部１５から供給されたデータに対してD/A変換などの処理を施し、得られた各ブランチの信号を送信制御部１９による制御に従ってRF(Radio Frequency)変換部１７−１乃至１７−Ｎにそれぞれ出力する。例えば、RF変換部１７−１乃至１７−Ｎに対する信号の出力タイミングが送信制御部１９により制御される。

RF変換部１７−１乃至１７−Ｎは、各ブランチの信号をRF信号に変換し、送信アンテナ１８−１乃至１８−Ｎから送信する。

送信制御部１９は、中央制御局４の同期部４Ａと通信を行い、同期部４Ａから送信される同期信号を受信する。送信制御部１９は、送信局１−１から伝送されるデータと、送信局１−２から伝送されるデータの同期が確保されるように、送信部１６−１乃至１６−Ｎによるデータの出力タイミングを同期信号に基づいて制御する。これにより、例えば時間領域で見た場合、送信局１−１により伝送されたデータ（シンボル）と送信局１−２により伝送されたデータの開始タイミングが一致し、それぞれのデータを中継局２において復調することが可能になる。

内蔵同期部２０は、中継局２の内蔵同期部と通信を直接行うことによって同期信号を送受信し、送信局１−２との間でデータの同期を確保する。また、内蔵同期部２０は、例えばGPS(Global Positioning System)からの信号を受信し、受信した信号に含まれる時刻情報に基づいて、送信局１−２との間でデータの同期を確保する。中央制御局４から送信されてきた同期信号に基づいてデータの同期が確保される場合、内蔵同期部２０が設けられないようにすることも可能である。

送信局１−２も、図２に示す送信局１−１の構成と同様の構成を有している。送信局１−２の構成の説明については省略する。

図３は、中継局２の構成例を示すブロック図である。

IF(Intermediate Frequency)変換部３２−１乃至３２−２Ｎは、送信局１−１，１−２からの電波が受信されることに応じて受信アンテナ３１−１乃至３１−２Ｎから供給されたRF信号をIF信号に変換する。変換処理によって得られたIF信号に対しては、適宜、A/D変換などの処理が施され、得られたデータが重み付け部３５に出力される。IF変換部３２−１乃至３２−２Ｎにより得られたデータは通信路推定部３３にも供給される。

通信路推定部３３は、IF変換部３２−１乃至３２−２Ｎから供給されたデータに基づいてパイロット信号を検出し、送信局１−１と中継局２間、送信局１−２と中継局２間のそれぞれのチャネル状態を推定する。通信路推定部３３は、送信局１−１と中継局２間のチャネル状態と、送信局１−２と中継局２間のチャネル状態を表す情報を演算部３４に出力する。

演算部３４は、通信路推定部３３により推定されたチャネル状態に基づいて、送信局１−１から伝送されたデータと送信局１−２から伝送されたデータを分離するための受信ウエイトの演算を行う。例えば、ZF(Zero Forcing)やMMSE(Minimum Mean Square Error)などの信号分離法でデータの分離を行うための受信ウエイトが求められる。演算部３４は、演算により求めた受信ウエイトを重み付け部３５に出力する。

重み付け部３５は、IF変換部３２−１乃至３２−２Ｎから供給された各ブランチのデータに、演算部３４により求められた受信ウエイトを乗算することによって重み付けを行い、重み付け後の各ブランチのデータを復調部３６−１乃至３６−２Ｎに出力する。

復調部３６−１乃至３６−２Ｎは、重み付け部３５から供給されたデータに対して、送信局１−１，１−２において用いられた変調方式に対応した方式の復調処理を施す。復調部３６−１乃至３６−２Ｎは、復調処理によって得られたデータを蓄積部３７−１乃至３７−２Ｎに出力し、蓄積させる。

変調部３８−１乃至３８−２Ｎは、各ブランチのデータを蓄積部３７−１乃至３７−２Ｎから読み出し、送信局１−１，１−２において用いられている変調方式と同じ変調方式で変調し、変調後のデータを重み付け部３９に出力する。

重み付け部３９は、変調部３８−１乃至３８−２Ｎから供給された各ブランチのデータに、演算部４６により求められた送信ウエイトを乗算することによって重み付けを行い、重み付け後の各ブランチの信号を送信部４０−１乃至４０−２Ｎに出力する。

送信部４０−１乃至４０−２Ｎは、重み付け部３９から供給されたデータに対してD/A変換などの処理を施し、得られた信号をRF変換部４１−１乃至４１−２Ｎに出力する。

RF変換部４１−１乃至４１−２Ｎは、各ブランチの信号をRF信号に変換し、送信アンテナ４２−１乃至４２−２Ｎから送信する。

IF変換部４４−１乃至４４−２Ｎは、例えば受信局３−１，３−２からの電波が受信されることに応じて受信アンテナ４３−１乃至４３−２Ｎから供給されたRF信号をIF信号に変換する。この例においては、受信局３−１，３−２も、N×N MIMO伝送によってアップリンク方向にデータを伝送する機能を有している。変換処理によって得られたIF信号に対しては、IF変換部３２−１乃至３２−２Ｎにより得られたIF信号と同様にA/D変換などの処理が適宜施され、得られたデータが通信路推定部４５に出力される。

通信路推定部４５は、IF変換部４４−１乃至４４−２Ｎから供給されたデータに基づいてパイロット信号を検出し、中継局２と受信局３−１間、中継局２と受信局３−２間のそれぞれのチャネル状態を推定する。通信路推定部４５は、中継局２と受信局３−１間のチャネル状態と、中継局２と受信局３−２間のチャネル状態を表す情報を演算部４６に出力する。

演算部４６は、通信路推定部４５により推定されたチャネル状態に基づいて、マルチユーザMIMO伝送によってデータを送信するための送信ウエイトの演算を行う。演算部４６は、演算により求められた送信ウエイトを重み付け部３９に出力する。

例えば、演算部４６は、中継局２と受信局３−１間および受信局３−２間のチャネル状態に基づいて、マルチユーザMIMO伝送により、送信局１−１からのデータが、受信局３−１のみで受信され、受信局３−２では受信されないように、受信局３−１に伝送するデータに乗算する重みを計算する。一方、演算部４６は、送信局１−２からのデータが、受信局３−２のみで受信され、受信局３−１では受信されないように、受信局３−２に伝送するデータに乗算する重みを計算する。結果として、中継局からの送信信号は、それぞれの受信局へのデータがお互いに影響受けないように伝送することが可能となる。結果として所望信号のSNR（信号対雑音電力比）を増大させることが可能になる。

図４は、受信局３−１の構成例を示すブロック図である。受信局３−２も、図４に示す受信局３−１の構成と同様の構成を有している。

IF変換部６２−１乃至６２−Ｎは、中継局２からの電波が受信されることに応じて受信アンテナ６１−１乃至６１−Ｎから供給されたRF信号をIF信号に変換する。変換処理によって得られたIF信号に対しては、適宜、A/D変換などの処理が施され、得られたデータが重み付け部６５に出力される。IF変換部６２−１乃至６２−Ｎにより得られたデータは通信路推定部６３にも供給される。

通信路推定部６３は、IF変換部６２−１乃至６２−Ｎから供給されたデータに基づいてパイロット信号を検出し、中継局２と受信局３−１間のチャネル状態を推定する。通信路推定部６３は、中継局２と受信局３−１間のチャネル状態を表す情報を演算部６４に出力する。

演算部６４は、通信路推定部６３により推定されたチャネル状態に基づいて、マルチユーザMIMO伝送によって中継局２から伝送されたデータを受信するための受信ウエイトの演算を行う。演算部６４は、演算により求めた受信ウエイトを重み付け部６５に出力する。

重み付け部６５は、IF変換部６２−１乃至６２−Ｎから供給された各ブランチのデータに、演算部６４により求められた受信ウエイトを乗算することによって重み付けを行い、重み付け後の各ブランチのデータを復調部６６−１乃至６６−Ｎに出力する。

復調部６６−１乃至６６−Ｎは、重み付け部６５から供給されたデータに対して、中継局２において用いられている変調方式に対応した方式の復調処理を施す。復調部６６−１乃至６６−Ｎは、復調処理によって得られたデータをP/S変換部６７に出力する。

P/S変換部６７は、復調部６６−１乃至６６−Ｎから供給されたパラレルのデータをシリアルのデータに変換して合成し、合成後のデータをデインターリーバ６８に出力する。

デインターリーバ６８は、P/S変換部６７から供給されたデータのデインターリーブを行い、デインターリーブ後のデータを復号部６９に出力する。

復号部６９は、デインターリーバ６８から供給されたデータを、送信局１−１において用いられている符号化方式に対応した方式で復号し、得られたデータからなるデータ系列を出力する。

＜中継局２の動作＞
ここで、図５のフローチャートを参照して、中継局２の処理について説明する。

ステップＳ１において、IF変換部３２−１乃至３２−２Ｎは、それぞれ、受信アンテナ３１−１乃至３１−２Ｎから供給されたRF信号をIF信号に変換し、A/D変換、FFTなどの処理を施すことによって、隣接する各セルの送信局である送信局１−１，１−２からのデータを受信する。

ステップＳ２において、通信路推定部３３は、IF変換部３２−１乃至３２−２Ｎにより受信されたデータからパイロット信号を検出し、検出したパイロット信号に基づいて、送信局１−１と中継局２間、送信局１−２と中継局２間のそれぞれのチャネル状態を推定する。

ステップＳ３において、演算部３４は、送信局１−１と中継局２間、送信局１−２と中継局２間のそれぞれのチャネル状態に基づいて演算を行い、送信局１−１からのデータと送信局１−２からのデータを分離して受信するための受信ウエイトを決定する。

ステップＳ４において、送信局１−１から送信されたデータと送信局１−２から送信されたデータの受信が開始される。すなわち、受信アンテナ３１−１乃至３１−２Ｎから供給されたRF信号がIF変換部３２−１乃至３２−２ＮにおいてIF信号に変換され、IF信号に対して、A/D変換、FFTなどの処理が施される。各処理が施されることによって得られた各ブランチのデータに対して、演算部３４により求められた受信ウエイトを用いた重み付けが重み付け部３５において行われる。重み付け後の各ブランチのデータに対して復調部３６−１乃至３６−２Ｎにおいて復調処理が施されることによって、送信局１−１から送信されたデータと送信局１−２から送信されたデータが受信され、蓄積部３７−１乃至３７−２Ｎに記憶される。

ステップＳ５において、IF変換部４４−１乃至４４−２Ｎは、受信アンテナ４３−１乃至４３−２Ｎから供給されたRF信号をIF信号に変換し、A/D変換、FFTなどの処理を施すことによって、隣接する各セルの受信局である受信局３−１，３−２からの信号を受信する。IF変換部４４−１乃至４４−２Ｎは、受信した信号を通信路推定部４５に出力する。

ステップＳ６において、通信路推定部４５は、IF変換部４４−１乃至４４−２Ｎにより受信されたデータからパイロット信号を検出し、検出したパイロット信号に基づいて、中継局２と受信局３−１間、中継局２と受信局３−２間のそれぞれのチャネル状態を推定する。

ステップＳ７において、演算部４６は、中継局２と受信局３−１間、中継局２と受信局３−２間のそれぞれのチャネル状態に基づいて演算を行い、送信局１−１からのデータと送信局１−２からのデータを送信するための送信ウエイトを決定する。

ステップＳ８において、受信局３−１と受信局３−２に対するデータの送信が開始される。すなわち、蓄積部３７−１乃至３７−２Ｎに記憶された各ブランチのデータに対して、変調部３８−１乃至３８−２Ｎにおいて変調が施され、変調後のデータに対して、演算部４６により求められた送信ウエイトを用いた重み付けが重み付け部３９において行われる。重み付け後の各ブランチのデータに対して、適宜、IFFT、D/A変換などの処理が送信部４０−１乃至４０−２Ｎにおいて施される。各処理が施されることによって得られた信号が、RF変換部４１−１乃至４１−２ＮにおいてRF信号に変換され、送信アンテナ４２−１乃至４２−２Ｎから送信される。データの送信が終了した後、処理は終了される。

以上の処理により、信号電力を中継局２において増幅させることができ、受信局３−１，３−２におけるチャネル容量を増大させることが可能になる。また、送信局１−１，１−２からのデータを中継局２において一度分離し、その後マルチユーザMIMO伝送を用いて伝送するによって、単に信号電力を増幅させて再送する場合と較べて、隣接セルからの干渉を抑えることが可能になる。

さらに、これらのことを、送信局側、受信局側の構成を大きく変更することなく実現することが可能になる。すなわち、MIMO伝送に際して送信局１−１，１−２が行う処理のうち、既存の送信局が行う処理と異なるのはデータの同期を確保する処理が追加されている点だけであり、チャネル状態を共有するなどの他の処理を送信局１−１と送信局１−２に行わせる必要がない。これにより、図１の通信システムを実現する際のコストを抑えることができる。

＜シミュレーション結果＞
ここで、図１の通信システムと同様のモデルを想定した計算機シミュレーションによる通信品質の評価について説明する。

図６はシミュレーションモデルを示す図である。図６の２つの六角形が隣接セルを表す。以下、左側のセルをセル１、右側のセルをセル２として説明する。それぞれの六角形の中心にある黒丸が基地局（送信局）、２つの六角形の間にある白丸が中継局を表す。端末（受信局）は、色を付して示す範囲内にランダムに配置される。

半径Ｒの破線の円は、基地局と、従来の中継局（単に信号を増幅して再送する中継局）との距離を表し、色を付して示す範囲内であって、破線の円上の所定の位置に従来の中継局が配置される。以下、セル端に配置した中継局は、白丸の位置に配置された中継局（本発明の中継局）のことを意味し、セル内に配置した中継局は、色を付して示す範囲内であって、破線の円上の所定の位置に配置された従来の中継局のことを意味するものとする。

図６の左側の六角形が例えば図１のセルＣ１に相当し、右側の六角形がセルＣ２に相当する。左側の六角形の中心にある黒丸が送信局１−１に相当し、右側の六角形の中心にある黒丸が送信局１−２に相当する。左側の六角形と右側の六角形の間にある白丸が中継局２に相当する。受信局３−１の位置は、図６の左側の六角形内部の色が付されている範囲内の位置に相当し、受信局３−２の位置は、図６の右側の六角形内部の色が付されている範囲内の位置に相当する。

シミュレーションに用いた各パラメータを図７に示す。図７に示すように、周波数帯域は2.0GHzであり、周波数帯域幅は5MHzであり、セル半径は1000mであり、中継局をセル内に配置したときの基地局−中継局間半径（図６のＲ）は500mである。また、距離減衰(r[km])は128.1+37.6log10(r)dBであり、シャドウイング標準偏差は8dBであり、屋内透過減衰は20dBである。基地局のアンテナ数は2であり、セル内に配置した中継局のアンテナ数は2であり、セル端に配置した中継局のアンテナ数は4であり、端末のアンテナ数は2である。基地局の送信電力は43dBmであり、セル内に配置した中継局の送信電力は37dBmであり、セル端に配置した中継局の送信電力は40dBmであり、雑音電力密度は-169dBm/Hzである。

このようなパラメータの設定に従って、MIMO直接伝送法、MIMO通常中継伝送法、MIMO TDMA中継伝送法、マルチユーザMIMO中継伝送法（本発明手法）の４つの伝送方法について評価を行う。

ここで、MIMO直接伝送法は、N×N MIMO伝送を用いて基地局から端末にデータを直接伝送する方法である。中継局によってデータを中継させることは行われない。伝送方式はE-SDMとする。

また、MIMO通常中継伝送法は、各セルにおいて、セル内に配置した中継局を介して送信局から端末にデータを伝送する方法である。各ノード間、すなわち、各セルの基地局−中継局間、中継局−端末間においてN×N MIMO伝送がそれぞれ行われる。基地局−端末間と中継局−端末間の伝送方式はE-SDMであり、基地局と中継局ではZFによりウエイト演算が行われるものとする。

MIMO TDMA中継伝送法は、セル１の基地局とセル２の基地局との中心に2N本のアンテナを有する中継局を配置し、その中継局を介してデータを伝送する方法である。干渉なく中継を行うことができるようにするために、送信時間スロットを３つに分けて伝送が行われる。中継局によるデータの受信は、2N×2N MIMO伝送を用いて、双方のセルの基地局からのデータを同時に受信するようにして行われる。また、中継局によるデータの送信は2N×NのMIMO伝送を用いて、中継局からセル１の端末に対する伝送と、中継局からセル２の端末に対する伝送とで送信時間スロットを分けて行われる。時間スロットについては図８を参照して後述する。基地局−端末間と中継局−端末間の伝送方式はE-SDMであり、ウエイト演算がZFにより行われるものとする。

マルチユーザMIMO中継伝送法は、セル１の基地局とセル２の基地局との中心に2N本のアンテナを有する中継局を配置し、その中継局を介してデータを伝送する方法である。中継局によるデータの受信は、2N×2N MIMO伝送を用いて、双方のセルの基地局からのデータを同時に受信するようにして行われる。また、中継局によるデータの送信は、2N×(N,2)のマルチユーザMIMO伝送を用いて、空間分割多重によって行われる。基地局−端末間の伝送方式はE-SDMであり、ウエイト演算がZFにより行われるものとする。

図８は、各方法によってデータを伝送する場合の送信時間スロットの使い方を示す図である。図８の横軸は時間を表す。横軸の上側がセル１における伝送内容を表し、横軸の下側がセル２における伝送内容を表す。BS(Base Station)は基地局、RS(Relay Station)は中継局、MS(Mobile Station)は端末をそれぞれ表す。BS,RS,MSに付されている数字は、存在するセルを表す。

MIMO直接伝送法によってデータを伝送する場合の送信時間スロットの使い方を１段目に示す。この場合、１スロット分の所定の時間全体を使って、セル１においてはBS1からMS1に対してデータの伝送が行われ、セル２においてはBS2からMS2に対してデータの伝送が行われる。

MIMO通常中継伝送法によってデータを伝送する場合の送信時間スロットの使い方を２段目に示す。この場合、１スロット分の所定の時間全体を二分割し、１スロット目に、セル１においてはBS1からRS1とMS1に対してデータの伝送が行われ、セル２においてはBS2からRS2とMS2に対してデータの伝送が行われる。また、２スロット目に、セル１においてはRS1からMS1に対してデータの伝送が行われ、セル２においてはRS2からMS2に対してデータの伝送が行われる。

MIMO TDMA中継伝送法によってデータを伝送する場合の送信時間スロットの使い方を３段目に示す。この場合、１スロット分の所定の時間全体を三分割し、１スロット目に、セル１においてはBS1からRSとMS1に対してデータの伝送が行われ、セル２においてはBS2からRSとMS2に対してデータの伝送が行われる。また、２スロット目に、セル１において、RSからMS1に対してデータの伝送が行われ、３スロット目に、セル２において、RSからMS2に対してデータの伝送が行われる。一方のセルにおいて行われる中継局−端末間の伝送が、他方のセルにおいて行われる中継局−端末間の伝送に干渉を与えてしまうことを防ぐことができるが、伝送に時間がかかってしまう。

マルチユーザMIMO中継伝送法によってデータを伝送する場合の送信時間スロットの使い方を４段目に示す。この場合、１スロット分の所定の時間全体を二分割し、１スロット目に、セル１においてはBS1からRSとMS1に対してデータの伝送が行われ、セル２においてはBS2からRSとMS2に対してデータの伝送が行われる。また、２スロット目に、マルチユーザMIMO伝送によって、セル１においてはRSからMS1に対してデータの伝送が行われ、セル２においてはRSからMS2に対してデータの伝送が行われる。

図９は、各方法でのデータ伝送をシミュレーションした場合のCDF(Cumulative Distribution Function)特性を示す図である。図９の縦軸はCDFを表し、横軸はチャネル容量を表す。実線の曲線で示されるように、マルチユーザMIMO中継伝送法によれば、0〜4bit/Hz付近の、伝送容量の低い領域においてチャネル容量の増加率が高く、最も良い伝送特性を得ることができる。

図１０は、CDF５％時のデータ伝送をシミュレーションした場合のチャネル容量を示す図である。CDF５％時のチャネル容量は、IMT-advancedなどの規格においてセル端のチャネル容量として定義されている。図１０に示すように、CDF５％時のチャネル容量についても、マルチユーザMIMO中継伝送法によれば最も良い伝送特性を得ることができる。例えば、CDF５％時のマルチユーザMIMO中継伝送法のチャネル容量は、MIMO TDMA中継伝送法のチャネル容量の５倍近くになる。

＜変形例＞
以上においては、基地局から端末方向のダウンリンクのデータ伝送について説明したが、端末から基地局方向のアップリンクのデータ伝送にも、上述したマルチユーザMIMO中継伝送法を用いることが可能である。

この場合、図１の送信局１−１，１−２には、図２の構成の他に、図４の構成が含まれる。また、受信局３−１，３−２には、図４の構成の他に、図２の構成が含まれる。アップリンクのデータ伝送においては、送信局１−１，１−２は受信局として機能し、受信局３−１，３−２は送信局として機能することになる。なお、送信アンテナと受信アンテナは共有することが可能である。受信局３−１と受信局３−２の間では、データの伝送タイミングの同期が確保される。

図１１は、マルチユーザMIMO中継伝送法によってアップリンクのデータ伝送を行う場合の通信システムの例を示す図である。

セルＣ１に存在し、N本の送信アンテナを有する受信局３−１と、N本の受信アンテナを有する送信局１−１との間では、矢印＃１で示すようにN×N MIMO伝送が行われる。同様に、セルＣ２に存在し、N本の送信アンテナを有する受信局３−２と、N本の受信アンテナを有する送信局１−２の間では、矢印＃２で示すようにN×N MIMO伝送が行われる。

中継局２は、2N本の受信アンテナを使って、受信局３−１と受信局３−２の双方の受信局が送信する電波を受信し、受信局３−１が伝送するデータと受信局３−２が伝送するデータを取得する。同期を確保してデータ伝送を行う受信局３−１と受信局３−２を１つの局と考えると、受信局−中継局間では、矢印＃２１，＃２２で示すように2N×2N MIMO伝送が行われていることになる。

また、中継局２は、矢印＃１１，＃１２で示すように2N×(N,2)のマルチユーザMIMO伝送によって、受信局３−１から伝送されてきたデータを送信局１−１に送信し、受信局３−２から伝送されてきたデータを送信局１−２に送信する。

送信局１−１，１−２は、それぞれ、マルチユーザMIMO伝送によって中継局２から伝送されてきたデータを受信する。受信局３−１から伝送されたデータは、中継局２を中継して送信局１−１により受信され、受信局３−２から伝送されたデータは、中継局２を中継して送信局１−２により受信される。

以上のように、マルチユーザMIMO中継伝送法は、アップリンク、ダウンリンクの双方のデータ伝送に適用することが可能である。マルチユーザMIMO中継伝送法を用いることによって、アップリンクのデータ伝送も効率的に行うことが可能になる。

また、以上においては、隣接するセルの数が２である場合について説明したが、３以上のセルの送信局からの信号を中継局において受信し、中継局から、それぞれのセル内に存在する受信局に対してマルチユーザMIMOによって信号を伝送するようにしてもよい。

本発明の実施の形態は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。

１−１，１−２送信局，２中継局，３−１，３−２受信局，３１−１乃至３１−２Ｎ受信アンテナ，３２−１乃至３２−２Ｎ IF変換部，３３通信路推定部，３４演算部，３５重み付け部，３６−１乃至３６−２Ｎ復調部，３７−１乃至３７−２Ｎ蓄積部，３８−１乃至３８−２Ｎ変調部，３９重み付け部，４０−１乃至４０−２Ｎ送信部，４１−１乃至４１−２Ｎ RF変換部，４２−１乃至４２−２Ｎ送信アンテナ，４３−１乃至４３−２Ｎ受信アンテナ，４４−１乃至４４−２Ｎ IF変換部，４５通信路推定部，４６演算部

Claims

それぞれ異なるセルに存在し、MIMO伝送によりデータの伝送を行う複数の送信装置のそれぞれと自身との間の通信路の状態を推定する第１の推定手段と、
前記第１の推定手段により推定された通信路の状態に基づいて決定した受信ウエイトを用いて、前記複数の送信装置から伝送されたデータをそれぞれ受信する受信手段と、
前記受信手段により受信されたデータを、前記複数の送信装置がデータの伝送を行っているそれぞれの前記セル内に存在する複数の受信装置に対してマルチユーザMIMO伝送により伝送する伝送手段と
を備える通信装置。
前記セルは隣接するセルであり、隣接するセルの境界付近に存在する
請求項１に記載の通信装置。
前記複数の受信装置のそれぞれと自身との間の通信路の状態を推定する第２の推定手段をさらに備え、
前記伝送手段は、前記第２の推定手段により推定された通信路の状態に基づいて決定した送信ウエイトを用いて、前記受信手段により受信されたデータを伝送する
請求項１に記載の通信装置。
それぞれ異なるセルに存在し、MIMO伝送によりデータの伝送を行う複数の送信装置のそれぞれと自身との間の通信路の状態を推定し、
推定した通信路の状態に基づいて決定した受信ウエイトを用いて、前記複数の送信装置から伝送されたデータをそれぞれ受信し、
受信したデータを、前記複数の送信装置がデータの伝送を行っているそれぞれの前記セル内に存在する複数の受信装置に対してマルチユーザMIMO伝送により伝送する
ステップを含む通信方法。
複数の送信装置と、通信装置と、複数の受信装置とから構成される通信システムにおいて、
前記複数の送信装置のそれぞれは、異なるセルに存在し、
他の送信装置との間でデータの伝送タイミングの同期を確立する同期手段と、
前記同期手段により同期が確立された伝送タイミングに従って、MIMO伝送によりデータを伝送する伝送手段と
を備え、
前記通信装置は、
前記複数の送信装置のそれぞれと自身との間の通信路の状態を推定する推定手段と、
前記推定手段により推定された通信路の状態に基づいて決定した受信ウエイトを用いて、前記複数の送信装置から伝送されたデータをそれぞれ受信する受信手段と、
前記受信手段により受信されたデータを、前記複数の受信装置に対してマルチユーザMIMO伝送により伝送する伝送手段と
を備え、
前記複数の受信装置のそれぞれは、前記複数の送信装置がデータの伝送を管理するそれぞれの前記セル内に存在し、
前記通信装置と自身との間の通信路の状態を推定する推定手段と、
前記推定手段により推定された通信路の状態に基づいて決定した受信ウエイトを用いて、前記通信装置から伝送されたデータを受信する受信手段と
を備える
通信システム。