JP4435808B2

JP4435808B2 - 無線通信システムにおける中継

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Description

本発明は、無線通信システムにおける中継に関し、特に、限定はしないが、無線のセルラー通信システム及び／又は無線ローカルエリアネットワーク（ＷＬＡＮ）での中継に関する。

現代の無線電気通信システムで提案されてきたのは、信号源から直接受信した信号群と中継ユニットから受信した信号群とを組み合わせることによって受信品質を改善することである。図１が図示するのはセルラー通信システムのシナリオであり、このシナリオでは、中継局の利用により通信品質が向上している。セルラー通信システムは、例えば無線ローカルエリアネットワーク（ＷＬＡＮ）などである。本例では、基地局（ＢＳ）１０１が信号を送信し、信号は携帯端末（ＭＴ）１０３で受信される。加えて、信号は中継局（ＲＳ）１０５にも受信され、ＲＳ１０５は信号をＭＴ１０３に中継する。すると、ＭＴ１０３は、ＢＳ１０１からの信号とＲＳ１０５からの信号とを組み合わせることができるので、受信の質が改善される。このような中継システムを効率的に動作させる為に重要なのは、中継通信に効率的なアプローチを用いることである。現行の商用の無線メッシュネットワークでは、復号＆転送（Ｄｅｃｏｄｅ＆Ｆｏｒｗａｒｄ、Ｄ＆Ｆ）技術として知られている中継技術が用いられている。図１のシステムがＤ＆Ｆ技術を用いている例では、ＢＳ１０１はデータパケットをＭＴ１０３に送信し、このデータパケットは更にＲＳ１０５にも受信される。次にＲＳ１０５はデータパケットの復号を試み、正常に復号されれば、ＲＳ１０５はパケットを再符号化してＭＴに転送する。このアプローチによって、多くの状況で性能が改善されその信頼性は向上する。具体的には、ＭＴ１０３がＢＳ１０１及びＲＳ１０５の両方の範囲内にいる場合、その処理能力を、ＢＳ１０１からの送信とＲＳ１０５からの送信とを組み合わせることによって、改善できる。

Ｄ＆Ｆシステムの例は、（非特許文献１）に開示されており、（非特許文献１）は更に、このような協力Ｄ＆Ｆが、ＢＳ‐ＲＳのリンクが良好な場合（即ち、ＢＳ‐ＲＳのリンクの処理能力がＢＳ‐ＭＴのリンク及びＲＳ‐ＭＴのリンクの処理能力を大きく上回っている場合）には、有効に働き、大幅に処理能力を改善できることを実証する。これは一般的に、ＲＳが、例えば、指向性アンテナ群及びＢＳからの見通し内伝搬の恩恵を受けるように、選択されたサイトにオペレータにより配備されている場合である。しかし、他の状況では、Ｄ＆Ｆシステムの性能は最良にならない。例えば、ＢＳ１０１が、幾つかの潜在的な中継装置のどれもが弱い信号を受信するところに位置しているＭＴ１０３に送信する場合がある。そのような場合、上記の改善は、上述の（非特許文献１）に図示のように、実質上小さくなり、たとえＲＳ１０５とＭＴ１０３とがすぐそばにあっても、通信の処理能力は実質的上低下する。このようなシナリオでの性能を改善する為に、他の中継法が提案されてきた。具体的には、増幅＆転送（Ａ＆Ｆ）として知られているアプローチが提案されてきた。協力Ａ＆Ｆでは、ＲＳ１０５は受信したデータパケットの復号を試みない。そうではなくて、ＲＳ１０５は受信した信号をサンプリング（Ａ／Ｄ変換）し、サンプル信号を直接ＭＴ１０３に送信する。するとＭＴ１０３はＲＳ１０５及びＢＳ１０１からの信号を組み合わせることができるので、ＭＴ１０３及びＲＳ１０５のそれぞれのアンテナ（単数又は複数）を含む仮想アンテナシステムによって、受信機を効果的に実施できる。

しかし、Ａ＆Ｆの不利点は、ＲＳ１０５からＭＴ１０３へのサンプリングしたデータと通信する為にＡ＆Ｆが実質的な資源を使用しそれによって処理能力が下がることである。例えば、時分割複信（ＴＤＤ）システムでは、ＢＳ１０１からＲＳ１０５及びＭＴ１０１への通信は１つのタイムスロットで行われ、第２のタイムスロットはＲＳ１０５からＭＴ１０３へのサンプル群の通信に用いられる。従って、信号の中継は第２のタイムスロット全体を使う。このせいで実質的にはシステムの処理能力が下がり、具体的には、達成される協力処理能力は半分となる。この不利点に対処する為に、圧縮転送として知られている中継方式が提案されてきた。このアプローチには、ＭＴ１０３への送信に先立ってＲＳ１０５のサンプル群を圧縮することが含まれる。圧縮は、Ｗｙｎｅｒ−Ｚｉｖ型情報源符号化と呼ばれる非常に複雑で専門化された量子化技術により補助情報を用いて行われる。Ｗｙｎｅｒ−Ｚｉｖ型情報源符号化の更に詳しい記述は、（非特許文献２）にある。圧縮転送技術においては、ＭＴ１０３は、ＢＳ１０１から受信した信号と、ＲＳ１０５から受信した圧縮されたサンプル群との間の相関を活用して、中継信号を再構成する。それに応じて、Ｗｙｎｅｒ−Ｚｉｖ型符号化はこの相関を用いて圧縮されたサンプル群を生成し、従ってシステムは、ＲＳ１０５がＢＳ１０１からＭＴ１０３へのリンクのチャネル状態情報を持っていることを要求するが、この要求は多くの場合に非現実的である。更に、このアプローチは、非常に複雑な上に実質的な計算資源を必要とする。
Ｇ．Ｋｒａｍｅｒ、Ｍ．Ｇａｓｔｐａｒ、Ｐ．Ｇｕｐｔａ "ＣｏｏｐｅｒａｔｉｖｅＳｔｒａｔｅｇｉｅｓａｎｄＣａｐａｃｉｔｙＴｈｅｏｒｅｍｓｆｏｒＲｅｌａｙＮｅｔｗｏｒｋｓ" ＩＥＥＥＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｎＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＴｈｅｏｒｙ．Ｖｏｌ５１．Ｎｏ９．Ｓｅｐ２００５Ａ．Ｄ．Ｗｙｎｅｒ "Ｔｈｅｒａｔｅ−ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎｆｕｎｃｔｉｏｎｆｏｒｓｏｕｒｃｅｃｏｄｉｎｇｗｉｔｈｓｉｄｅｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎａｔｔｈｅｄｅｃｏｄｅｒ ‐II：ＧｅｎｅｒａｌＳｏｕｒｃｅｓ" ＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎａｎｄＣｏｎｔｒｏｌ，Ｖｏｌ３８、ｐｐ６０‐８０、１９７８

それ故に、改善された中継システムは有利であり、特に、柔軟性が高く、複雑度が低く、実装が容易で、処理能力の高い、及び／又は、性能の改善されたシステムが有利である。

従って、本発明は、好ましくは、１つ以上の上述の不利点を個々に、又は幾つかの組み合わせを、緩和するか、軽減するか、なくそうと努める。本発明の第１の態様に係り、提供される通信システムは、第１の通信ユニットと第２の通信ユニットとを備え、前記第１の通信ユニットが、通信源の通信ユニットから送信された第１の信号を受信することにより第１の受信信号サンプル群を生成する受信フロントエンドと、第１の受信信号サンプル群が、第１の通信ユニットの少なくとも１つのアンテナが受信した信号群をダウンコンバートした時間領域信号サンプル群に対応しており、第１の受信信号サンプル群のノイズ表示を生成する手段と、ノイズ表示に関連する量子化レベル群を用いて第１の受信信号サンプル群を量子化した結果生じるノイズ寄与が基準を満たすよう、第１の受信信号サンプル群の量子化レベル群を決定する決定手段と、決定された量子化レベル群を用いて第１の受信信号サンプル群を量子化することにより、量子化された信号サンプル群を生成する手段と、量子化された信号サンプル群を第２の通信ユニットに送信する送信手段とを具備し、第２の通信ユニットが、量子化された信号サンプル群を第１の通信ユニットから受信する手段と、通信源の通信ユニットから送信された第１の信号を受信することにより、第２の受信信号サンプル群を生成する手段と、第２の受信信号サンプル群と量子化された信号サンプル群とに応じて第１の信号の多入力多出力つまりＭＩＭＯの受信を行う受信手段とを具備している。

本発明によって中継通信システムを改善できる。特に、複雑度を低くする、及び／又は、実装を容易にすることができる。本発明によって、低複雑度を保ちつつ、通信システムの処理能力を高められる、及び／又は、性能を改善できる。具体的には、本発明によって、多くのシナリオで、中継を基礎としないＭＩＭＯシステムによって得られるものに類似した性能により、低複雑度及び効率的な実装を実現できる。具体的には、復号＆転送及び増幅＆転送の技術と比較して、本発明により、例えば、通信を改善できる、及び／又は、処理能力を高められる。圧縮転送技術と比較して、本発明により、例えば、複雑度を低くすることができる。第１の受信信号サンプル群は、具体的には、受信フロントエンドのフィルタリング、増幅、ダウンコンバージョンの各動作に続き、受信したアンテナ信号をアナログ・デジタル変換して生成されたサンプル群である。第１の受信信号サンプル群は、具体的には、デジタル信号処理を行わないアナログ・デジタル変換のサンプル群に対応する。ノイズ表示及び／又はノイズ寄与は、信号対ノイズ比の値として決定される。本発明の任意選択の特質に係り、基準に、ノイズ表示がノイズ寄与を第１のマージンの分だけ超えるという条件が含まれる。これによって、低複雑度を保ちつつ、性能を効率的にすることができる。ノイズ成分及び／又はノイズ寄与は、例えば線形又は対数の目盛で、決定され、評価され、及び／又は、比較される。例えば、基準には、ノイズ表示がノイズ寄与を所定のｄＢマージンの分だけ超えるという条件が含まれる場合がある。ノイズ表示は、第１の受信信号サンプル群のノイズエネルギーに対応する場合がある。

本発明の任意選択の特質に係り、通信システムが、通信源の通信ユニットと第２の通信ユニットとの間の通信の処理能力の測定に応じて第１のマージンを決定する手段を備えている。これによって、性能を改善でき、多くのシナリオで、達成可能な処理能力を実質的に高めることができる。第１のマージンを決定する手段は、例えば、通信源の通信ユニットから第１の通信ユニットへのリンク、第１の通信ユニットから第２の通信ユニットへのリンク及び／又は通信源の通信ユニットから第２の通信ユニットへのリンクチャネル状態情報を受信し、チャネル状態情報（単数又は複数）に基づき第１のマージンの異なる値についての処理能力の測定を決定する。次に、第１のマージンを決定する手段は、処理能力を最も高くできる第１のマージンの値を選択する。第１のマージンを決定する手段は、例えば、第１の通信ユニットに含まれたり、一部又は全部が本システムのその他の所に設置されたりしている。

本発明の任意選択の特質に係り、装置が、第１の通信ユニットと第２の通信ユニットとの間の通信リンクの処理能力の測定に応じて第１のマージンを決定する手段を備えている。これによって、性能を改善でき、多くのシナリオで、処理能力を実質的に高めることができる。第１のマージンを決定する手段は、例えば、通信されるデータ量が自由に使用できる資源に依存するよう、第１のマージンを決定する。第１のマージンを決定する手段は、例えば、第１の通信ユニットに含まれたり、一部又は全部が本システムのその他の所に設置されたりしている。

本発明の任意選択の特質に係り、ノイズ寄与に、量子化ノイズの寄与とクリッピングノイズの寄与とが含まれている。これによって、性能を改善できる、及び／又は、最良の量子化レベルを選択する際の柔軟性を付加できる。
本発明の任意選択の特質に係り、第１の通信ユニットが量子化された信号サンプル群の複数のセットを生成するよう配列されており、各セットが、第１の通信ユニットの複数のアンテナのうち別個のアンテナが受信した第１の信号の時間領域の受信信号サンプル群に対応しており、送信手段が、量子化された受信サンプル群の複数のセットを第２の通信ユニットに送信するよう配列されている。ＭＩＭＯ受信を行う受信手段は、ＭＩＭＯ受信の量子化された信号サンプル群のあらゆるセットを含むことができる。この特質によって性能を改善でき、具体的には、ＭＩＭＯシステムに対応する性能を、アンテナの数を増やすことで提供できる。

本発明のもう１つの態様に係り、提供される中継通信ユニットは、通信源の通信ユニットから送信された第１の信号を受信することにより第１の受信信号サンプル群を生成する受信フロントエンドと、第１の受信信号サンプル群が、少なくとも１つのアンテナから受信した信号群をダウンコンバートした時間領域信号サンプル群に対応しており、第１の受信信号サンプル群のノイズ表示を生成する手段と、ノイズ表示に関連する量子化レベル群を用いて第１の受信信号サンプル群を量子化した結果生じるノイズ寄与が基準を満たすよう、第１の受信信号サンプル群の量子化レベル群を決定する決定手段と、決定された量子化レベル群を用いて第１の受信信号サンプル群を量子化することにより、量子化された信号サンプル群を生成する手段と、量子化された信号サンプル群を第２の通信ユニットに送信する送信手段とを備えている。

本発明のもう１つの態様に係り、通信システムの通信の方法が提供され、この方法は、第１の通信ユニットを備えており、この第１の通信ユニットが行うのは、通信源の通信ユニットから送信された第１の信号を受信することにより受信フロントエンドが第１の受信信号サンプル群を生成する工程と、第１の受信信号サンプル群が少なくとも１つのアンテナから受信した信号をダウンコンバートした時間領域信号サンプル群に対応する工程と、第１の受信信号サンプル群のノイズ表示を生成する工程と、ノイズ表示に関連する量子化レベル群を用いて第１の受信信号サンプル群を量子化した結果生じるノイズ寄与が基準を満たすよう、第１の受信信号サンプル群の量子化レベルを決定する工程と、決定された量子化レベル群を用いて第１の受信信号サンプル群を量子化することにより、量子化された信号サンプル群を生成する工程と、量子化された信号サンプル群を第２の通信ユニットに送信する工程であり、この第２の通信ユニットが行うのは、量子化された信号サンプル群を第１の通信ユニットから受信する工程と、通信源の通信ユニットから送信された第１の信号を受信することにより、第２の受信信号サンプル群を生成する工程と、第２の受信信号サンプル群と量子化された信号サンプル群とに応えて第１の信号の多入力多出力つまりＭＩＭＯの受信を行う工程である。

上記の態様及び他の態様と、本発明の特質及び利点は、以下に記載される実施形態（単数又は複数）から明白となりこれらを参照して説明される。以下の説明の焦点は、それぞれ別個のセルにある遠隔通信装置の為に機能する基地局群を持つセルラー通信システムに適用可能な本発明の実施形態である。セルラー通信システムは例えば、ＩＥＥＥ８０２．１６ｅネットワークなどの広範囲の無線ローカルエリアネットワークである。しかし、当然のことながら、本発明はこの応用に限定されてはおらず、通信ユニット同士間での信号の中継が可能な多くの他の通信システムに適用できる。

記載の実施形態は、図１に図示のシステムなどのシステムで実施される場合があり、この実施形態群をそのシステムに関連して記載する。この具体例では、ＢＳ１０１はＩＥＥＥ８０２．１６ｅに準拠した基地局であり、ＭＴ１０３はＩＥＥＥ８０２．１６ｅに準拠した遠隔局である。同様に、ＲＳ１０５もＩＥＥＥ８０２．１６ｅ対応の通信ユニットの場合があり、ＢＳ１０１からのＩＥＥＥ８０２．１６ｅの通信を受信する。ＲＳ１０５は、例えば、ＷＬＡＮアクセスポイントや、携帯情報端末や、移動電話や、好適な通信及び処理の機能を有する他の装置でよい。本例では、ＢＳ１０１は、ＩＥＥＥ８０２．１６ｅ規格が広範囲の技術でありその一般的なセルサイズはおよそ７〜１０ｋｍでありおよそ５０ｋｍの範囲まで可能なので、相対的に大きいセルの通信ユニット群をサポートする。従って、図示のシステムはＴＤＤ直交周波数分割多重（ＯＦＤＭ）システムであるが、当然のことながら、記載する原理及びアプローチは、例えば周波数分割複信（ＦＤＤ）などの他の変調技術及び多重化技術にも適用可能である。本システムでは、性能を改善すべく中継法を用いる。本アプローチは、宛先通信ユニット群（具体的には図１のＭＴ１０３）が、任意の帯域で受信した信号をサンプリングできる受信機能を装備した１つ以上の他の無線デバイス（例えば図１のＲＳ１０５）に近いという仮定に基づいている。次にサンプル群は低複雑度の量子化プロセスにより圧縮される。そしてこの装置群は一般的に短距離の高率接続（例えばＩＥＥＥ８０２．１１ｎ又は超広帯域の通信リンク）を用いて、圧縮されたサンプル群を宛先通信ユニットに転送する。次に宛先通信ユニットは、ＭｕｌｉｔｐｌｅＩｎＭｕｌｔｉｐｌｅＯｕｔ（ＭＩＭＯ）プロセスによって、中継用装置（単数又は複数）からのサンプル群を局所的に生成された受信サンプル群と組み合わせる。通信資源の要求値を減らす為に、中継用装置は、サンプル群を宛先に転送する前に、サンプル群を圧縮する。具体的には、中継用装置が、受信した時間領域の複素ベースバンドサンプル群を、低複雑度のアプローチを用いて量子化する。更に、量子化により引き起こされるノイズ寄与と受信した信号群のノイズ成分との比較に応じて、量子化を行うので、量子化によりサンプル群を最も少ないビット数に減らせると同時に、ビットレートの低減の影響を受けても性能が容認できないレベルにはならないことが保証される。

図２がＲＳ１０５を更に詳細に図示する。ＲＳ１０５にはアナログ受信フロントエンド２０１があり、アナログ受信フロントエンド２０１はＢＳ１０１からの無線信号を受信しフィルタへと進み、当業者には既知のように信号を増幅しダウンコンバートする。本例では、受信フロントエンド２０１の出力はアナログ複素ベースバンド信号である。受信フロントエンド２０１はアナログ・デジタル変換器２０３に結合されており、アナログ・デジタル変換器２０３はアナログ複素ベースバンド信号をサンプリングして受信信号サンプル群のストリームを生成する。アナログ・デジタル変換器２０３は、１サンプルあたり定数のビットを生成する高精度変換器である。アナログ・デジタル変換器２０３の一般的な分解能は、１サンプルあたりビット数８、１０、１２である。サンプリングレートは、受信した信号の帯域に依存し、一般的には、ナイキスト基準を満たす為に信号の帯域の２倍を上回るよう選択される。アナログ・デジタル変換器２０３により行われるサンプリングは、時間領域で行われる。従って、図１の通信システムはＯＦＤＭ通信を利用しているが、サンプリングは、受信した時間領域信号に関して、周波数領域に変換することなく、又は、個々のＯＦＤＭキャリア又はサブチャネルを考慮することなく、直接的に行われる。

当然のことながら複素ベースバンド信号については、アナログ・デジタル変換器２０３が２つの並列アナログ・デジタル変換器を備えていたり、単一のアナログ・デジタル変換器がＩチャネル及びＱチャネルを交互にサンプリングしたりする。アナログ・デジタル変換器２０３はノイズプロセッサ２０５に結合されており、ノイズプロセッサ２０５には受信信号サンプル群が送り込まれる。ノイズプロセッサ２０５は、受信した信号についてのノイズ表示を生成するよう配列されており、ノイズ表示は受信信号サンプル群のノイズエネルギーを示す。具体的には、ノイズプロセッサ２０５は受信した信号の信号対ノイズ比を生成する。

別の例として、ノイズプロセッサ２０５はノイズエネルギーや電力推定値などのノイズ信号推定値を直接生成する。信号対ノイズ比又はノイズエネルギーをサンプル群のストリームから決定する方法及びアルゴリズムは、当業者には周知であり、本発明の価値を損なうことなく好適な方法又はアルゴリズムのどれでも使用できる。ノイズを制限する場合の具体例としては、ノイズプロセッサ２０５は単位ｄＢの信号対ノイズ比を、現在受信した信号の単位ｄＢｍの受信した信号強度を測定して単位ｄＢｍのノイズレベルを減じることによって、決定する。ノイズプロセッサ２０５は量子化レベルプロセッサ２０７に結合されており、量子化レベルプロセッサ２０７は量子化レベルのセットを決定し、このセットを用いて、受信した信号サンプル群のＭＴ１０１への送信の前にこの信号サンプル群を量子化することができる。単純な実施形態では、量子化レベルプロセッサ２０７は、単純に、サンプルごとにビットを幾つ用いるかを決定できる、及び／又は、送信するサンプル群の最大値（即ちクリッピングレベル）を決定できる。他の実施形態では、同一でなく非線形の量子化レベルのセットを決定できる。例えば、量子化レベルプロセッサは、サンプル群並びに間隔同士間の境界に量子化レベルを幾つ用いるかを決定できる。量子化レベルプロセッサ２０７は、第１の受信信号サンプル群を量子化した結果生じるノイズ寄与を考慮して量子化レベルを決定する。量子化レベルは、具体的には、受信した信号のノイズ表示に関連するこのノイズ寄与が任意の基準を満たすように選択される。具体例としては、量子化レベルの決定を、受信した信号のノイズエネルギーが量子化によるノイズ寄与よりも所定のマージンの分だけ上回るよう行う。ノイズエネルギー及びノイズ寄与は、信号対ノイズの値で表すことができるので、量子化レベルプロセッサ２０７は、具体的には、受信した信号の信号対ノイズ比が信号対ノイズの寄与を所定数のｄＢだけ下回るように、（実際の）サンプルごとに用いるビット数ｎ_Ｑ，ＲＳを決定できる。一般的な値は、例えば５ｄＢである。

本例では、量子化レベルプロセッサ２０７はノイズ寄与を、受信した信号サンプル群を粗い量子化レベルへと量子化することにより引き起こされた量子化ノイズの寄与と、量子化に続くダイナミックレンジの（潜在的な）制限による歪みにより引き起こされたクリッピングノイズの寄与との組み合わせとして決定する。しかし、当然のことながら、実施形態によっては、量子化レベルプロセッサ２０７がノイズ寄与を、これらの測定の１つのみに基づき決定する場合がある。例えば、量子化されたサンプル群に同一のダイナミックレンジを用いた場合、クリッピングノイズは大したことはないと考えられる場合がある。量子化レベルプロセッサ２０７は量子化プロセッサ２０９に結合されており、量子化プロセッサ２０９は更にアナログ・デジタル変換器２０３に結合されている。量子化プロセッサ２０９は、アナログ・デジタル変換器２０３から受信信号サンプル群を受信し、続けて、量子化レベルプロセッサ２０７により決定された量子化レベル群を用いてサンプル群を量子化することにより、サンプル群を圧縮する。単純な例としては、量子化レベルプロセッサ２０７は、付加的なクリッピングを導入しないことと、受信した信号を表すには３ビットで十分であることを決定できる。それに応じて、量子化プロセッサ２０９は単純に、受信した信号サンプル群の最上位ビット３つを選択する。従って、受信した信号のノイズよりも量子化によるノイズ寄与を確実に実質上小さく抑えると、受信した信号サンプル群を、決定された量子化レベル群を用いて圧縮しても、通信の性能の著しい劣化は起きないことが保証される。従って、通信資源の要求値を減らすことによって、性能の改善が達成される。量子化プロセッサ２０９は送信ユニット２１１に結合されており、送信ユニット２１１には量子化プロセッサ２０９から量子化された信号サンプル群が送り込まれる。送信ユニット２１１は、量子化された信号サンプル群を含んだデータパケットを生成し、このデータパケットをＭＴ１０３に送信する。

本例では、送信ユニット２１１は、データパケットを異なる通信規格を用いてＭＴ１０３と通信させるよう配列されており、その後でこの通信規格はＢＳ１０１の通信に用いられる。具体的には、送信ユニット２１１はＢＳ１０１よりも狭域の通信技術を用いて通信するよう配列される。この具体例では、送信ユニット２１１はＭＴ１０３を、ＩＥＥＥ、８０２．１１（例えばＩＥＥＥ８０２．１１ａ、ｂ、ｎ）の通信規格又は超広帯域即ちＵＷＢの通信規格を用いて通信させるよう配列されている。従って、本システムが提供するアプローチでは、別個の通信規格の個々の利益と特徴とを生かすことができ、特に、狭域通信リンクを使用して広範囲通信システムの性能を改善することが可能になる。量子化されたサンプル群に加えて、送信ユニット１１１は更にデータパケット中に種々の情報を含めている。特に、送信ユニット２１１は、ＭＴ１０３がデータパケットからサンプル群を抜き出せるよう、量子化されたサンプルごとのビット数と量子化されたサンプル群の送信される数の表示を含めることができる。更に、不均質又は非線形の量子化などの、より複雑な量子化では、データパケットには、例えば、用いられる実際の量子化レベルや、用いられるクリッピングレベル等の情報が含まれる場合がある。実施形態によっては、送信ユニット２１１は更に受信した信号の信号対ノイズ比の表示も供給する。この値を、ＲＳ１０５から受信した信号群とＭＴ１０３がＢＳ１０１から直接受信した信号群とを組み合わせる際に、ＭＴ１０３が用いる場合がある。例えば、ＲＳ１０５からの量子化された信号サンプル群を、ＭＴ１０３で組み合わせる前に、信号対ノイズ比に応えて重み付けする場合がある。実施形態によっては、送信ユニット２１１は更に、ＲＳ１０５とＭＴ１０３との間の通信リンクのリンク品質に応えて送信フォーマットを選択するよう配列される。例えば、リンク品質が低い場合には強い誤り訂正符号を用い、リンク品質が高い場合には弱い誤り訂正符号を用いる。

図３がＭＴ１０３を更に詳細に図示する。ＭＴ１０３には広範囲受信フロントエンド３０１があり、広範囲受信フロントエンド３０１には、ＢＳ１０１からの無線信号を受信しフィルタへと進み、当業者には既知のように信号を増幅しダウンコンバートする。本例では、広範囲受信フロントエンド３０１の出力はアナログ複素ベースバンド信号である。

広範囲受信フロントエンド３０１はアナログ・デジタル変換器３０３に結合されており、アナログ・デジタル変換器３０３はアナログ複素ベースバンド信号をサンプリングして受信信号サンプル群のストリームを生成する。アナログ・デジタル変換器３０３は、１サンプルあたり定数のビットを生成する高精度変換器である。アナログ・デジタル変換器３０３の一般的な分解能は、１サンプルあたりビット数８、１０、１２である。サンプリングレートは、受信した信号の帯域に依存し、一般的には、ナイキスト基準を満たす為に信号の帯域の２倍を上回るよう選択される。当然のことながら複素ベースバンド信号については、アナログ・デジタル変換器３０３が２つの並列アナログ・デジタル変換器を備えていたり、単一のアナログ・デジタル変換器がＩチャネル及びＱチャネルを交互にサンプリングしたりする。従って、ＭＴ１０３とＲＳ１０５には、時間領域複素ベースバンドサンプル群を生成する同様な（又は機能的に実質的には同一の）受信フロントエンドがある。更に、本例では、ＭＴには第２のアンテナがあり、第２のアンテナは、関連する広範囲受信フロントエンド３０５とアナログ・デジタル変換器３０７とを備えており、時間領域複素ベースバンドサンプル群の第２のストリームを生成する。ＭＴ１０３には更に、ＲＳ１０５から狭域通信リンクを介してのデータパケットを受信できる狭域受信機３０９がある。狭域受信機３０９は具体的にはＩＥＥＥ８０２．１１又はＵＷＢの受信機でよい。狭域受信機３０９は更に、受信したデータパケットをＲＳ１０５からの情報を用いて解析し、量子化された信号サンプル群をデータパケットから抜き出す。従って、狭域受信機３０５の出力は、ＲＳ１０５が受信した時間領域の複素ベースバンド信号サンプル群に対応する量子化された信号サンプル群である。狭域受信機３０９と、アナログ・デジタル変換器３０３と３０５のそれぞれは、更にＭＩＭＯ受信プロセッサ３０７に結合されており、ＭＩＭＯ受信プロセッサ３０７は、ＢＳ１０１から送信された信号の多入力多出力つまりＭＩＭＯの受信を、ＲＳ１０５からの量子化された信号サンプル群と、ＭＴ１０３単独で生成した信号サンプル群の２つのセットとを用いて行う。更に、実施形態によっては、ＭＴ１０３は、複数の別個の中継器からの信号サンプル群を受信するよう配列され、ＭＩＭＯ受信プロセッサ３０７は、ＭＩＭＯ受信のより多くの又はすべての中継器から受信した信号サンプル群を含むよう配列されている。

ＭＩＭＯシステムでは、通信は複数の送受信アンテナに基づいている。具体的には、ＭＩＭＯ技術は、空間的に分離されている送信アンテナ群からのダイバーシティをただ提供するだけではなく、アンテナごとに少なくとも部分的に分離した送信回路を持つ送信機を利用するので、別個のサブ信号をアンテナの各々から送信させることができる。受信機は、複数の受信アンテナ群からの信号を受信したり、複数の送信アンテナ及び受信アンテナの数及び個々の特徴を考慮したジョイントディテクションを行ったりする。これによって、セルラー通信システムのスペクトル効率を実質的に改善しうる。ＭＩＭＯシステムでは、個々の送受信アンテナ同士間のチャネルの違いを活用してスペクトル効率を改善する為に送受信側に多数のアンテナが設けられている。このようなシステムでは、データの別個のストリームが別個の送信アンテナで、同時に、かつ、同一の周波数で送信される。従って、別個のアンテナの送信した信号は、互いに干渉する。特に、１つの受信アンテナが、信号群のうちの１つを受信するだけでなく、送信機により送信された並列な信号のすべてを受信する。受信アンテナｑが受信した信号は以下のように表せる。

ここで、ｈ_ｑｐ（ｔ）は送信アンテナｐと受信アンテナｑとの間の通信チャネルのチャネル伝達関数であり、ｓ_ｐ（ｔ）はアンテナｐで送信された信号であり、Ｎは送信アンテナの数である。従って、受信機が受信した受信信号の合計は以下のように表せる。

ここで、Ｘ（ｔ）は、ｑ番目の要素としてｘ_ｑ（ｔ）を持つベクトルを示し、Ｈ（ｔ）は、（ｑ、ｐ）番目の要素としてｈ_ｑｐ（ｔ）を持つ行列を示し、Ｓ（ｔ）は、ｐ番目の要素としてｓ_ｐ（ｔ）を持つベクトルを示す。従って、送信する信号は、受信した信号と、送信アンテナの各々から受信アンテナの各々へのチャネル群のチャネル推定値群とから推定される。例えば、送信する信号群を、最小２乗法又はゼロフォーシング（ｚｅｒｏｆｏｒｃｉｎｇ）技術を用いて決定するＭＩＭＯ受信機が既知である。このように、受信機は、複数の送信アンテナから送信され複数の受信アンテナで受信された信号のジョイントディテクションを行う。理論と実際の研究により、ＭＩＭＯ技術が実質上改善されたスペクトル効率を供給し、結果、著しく処理能力の高い通信システムをもたらすであろうことが示されている。記載の例では、従って、ＢＳ１０１に複数の送信アンテナがあり（図１では４つ示されている）、この送信アンテナ群はＭＩＭＯ技術を用いてＭＴ１０３と通信する。中継器を利用しない場合、ＭＩＭＯ通信は４つのうちの１つの送信アンテナ及び２つの受信アンテナに適する。

しかし、ＲＳ１０５を利用する場合、ＭＩＭＯ通信は事実上、４つのうちの１つの送信アンテナ及び３つの受信アンテナに適する。加えて、ＲＳ１０５のアンテナを設置する位置が有利であればあるほど、性能が改善される。従って、記載のシステムによって性能を改善することができ、同時にＲＳ１０５からＭＴ１０３へのサンプル群と通信する際のオーバヘッド及び資源の要求値を減らせる。更に、サンプル群の圧縮を行うアプローチは、極めて効率的かつ非常に低複雑度である。以下では、量子化レベルプロセッサ２０７が量子化レベルを決定する方法の具体例を記載する。本例で用いる量子化は均一であり、量子化間隔のサイズが同一である。本例では、ＲＳ１０５での量子化に必要なビット数ｎ_Ｑ，ＲＳを、ｎ_Ｑ，ＲＳビットのＡ／Ｄ変換器について、信号に対する、量子化雑音にクリッピングノイズを加えたものの比の数式から、決定する。注目すべきは、量子化プロセッサ２０９は有用な信号を量子化するのみならず、熱雑音をも量子化することであり、熱雑音は信号対ノイズ比が低いと無視できなくなるおそれがある。以下ではσ_ｓ ^２がＯＦＤＭの信号サンプル群の分散を示し、σ_ｎ ^２がノイズ分散を示す。従って、受信信号サンプル群の分散の合計はσ_ｓ ^２＝σ_ｓ ^２＋σ_ｎ ^２である。前述のように、サンプル群の信号対ノイズ比の表示１０ｌｏｇ_１０（σ_ｓ ^２／σ_ｎ ^２）が、ＭＴ１０３に送信されるデータパケットに含まれる場合がある。ＯＦＤＭ信号及び熱雑音の両方がそれぞれ分散σ_ｓ ^２及びσ_ｎ ^２でガウス分布していると仮定すると、レート歪み理論は以下のように示される（例えば_Ref117311286、Ｔ．Ｃｏｖｅｒ、Ｊ．Ａ．Ｔｈｏｍａｓ “ＥｌｅｍｅｎｔｓｏｆＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＴｈｅｏｒｙ” Ｗｉｌｅｙ−Ｉｎｔｅｒｓｃｉｅｎｃｅ、１９９１_Ref117311286を参照）。

ここで、Ｄは量子化雑音にクリッピングノイズを加えたものの分散、即ち、Ｄは量子化により引き起こされるノイズ寄与に対応する。なおまた、本例では、量子化レベルプロセッサ２０７は、量子化ノイズ寄与の信号対ノイズ比が受信した信号の信号対ノイズ比よりｍｄＢだけ高くなくてはならないという簡単な制約を用いる。即ち以下の数式である。

これは以下の数式を導く（ｎ_Ｑ，ＲＳが整数であるという制約の下で）。

注目すべきは、この数式は、量子化の領域の最適な位置が要求されるという点で、楽観的だということである。しかし、ダイナミックレンジが［−Ｅ；＋Ｅ］でＥ＝Ｋ．σの均一な量子化の工程と仮定し、ここでＫはＡ／Ｄのバックオフである。この場合は、量子化の工程のサイズは次のようになる。

そして量子化ノイズ分散は次のように表せる。

クリッピングノイズは次のように与えられる。

歪みの合計は次のようになる。

信号に対し量子化雑音にクリッピングノイズを加えたものの最も良い値を、Ａ／ＤのバックオフＫに関する比σ^２／Ｄを最大にすることで得られる。以下の表は、所定のビット数で達成可能な、信号に熱雑音を加えたものに対する量子化雑音にクリッピングノイズを加えたものの比を示す。

従って、受信した信号の信号対ノイズ比およそ１５ｄＢ〜２０ｄＢについては、性能を著しく劣化させずにビット数を４ビット〜６ビットに減らすことができる。当然のことながら、受信信号ノイズと量子化ノイズ寄与との間に課されたマージンは、競合する要求事項同士の間のトレードオフである。具体的には、マージンが大きければ、圧縮／量子化により引き起こされる劣化は小さい。しかし、マージンが小さければ、ビット数は減り、それに応じて、ＲＳ１０５とＭＴ１０３との間の通信の資源の要求値も減る。それに応じて、実施形態によっては、通信システムは、現在の状況に応じて用いられるマージンを動的に修正する機能を備えている場合がある。例えば、実施形態によっては、マージンは、第１の通信ユニットと第２の通信ユニットとの間の通信リンクの処理能力の測定に応えて決定される。処理能力の測定は、例えば、狭域エアインタフェースを介する通信の現在使用可能な処理能力の測定及び／又はこの通信に用いられるエアインタフェースの負荷表示である。単純な例としては、負荷表示が小さいと、マージンは大きくなり、これによって、使用可能な資源が多いので多数のビットを通信させる処理能力が高いことが示される。しかし、負荷表示が大きい場合、用いられるマージンは小さく、その結果、通信する為のデータビットは少なくなるが、データ圧縮により引き起こされる劣化は大きい。

実施形態によっては、マージンはＢＳ１０１とＭＴ１０３との間の組み合わせられた通信の処理能力の測定に応えて決定される。ＢＳ１０１とＭＴ１０３との間の通信の処理能力の測定は、具体的には、ＢＳ１０１からＭＴ１０３への直接通信だけでなく、ＢＳ１０１からＲＳ１０５へとＲＳ１０５からＭＴ１０３への通信も考慮に入れた処理能力をも組み合わせたものである。特に、ＢＳ１０１からＭＴ１０３への通信の全体的な資源使用はマージンの関数として決定される。この資源使用には、ＢＳ１０１からＭＴ１０３への通信だけでなくＲＳ１０５からＭＴ１０３への通信の寄与も含まれる。例えば、信号対ノイズ比のマージンが高くなると、ＢＳ１０１からの通信の資源使用は潜在的に少なくなる（中継リンクからの寄与の改善に必要な電力が低い為）が、ＲＳ１０５からＭＴ１０３への通信の資源使用は多い。従って、正確なチャネル状態に応じて、別個のマージン値が最良である場合があり、システムは、現在のチャネル状態を考慮に入れてそれぞれのマージンについて組み合わせた資源使用を計算する機能を備えている場合がある。その場合、全体的な資源使用を最も低くするマージン値を用いることができる。当然のことながら、マージンの決定は、ＢＳ１０１、ＭＴ１０３、及び／又は、ＲＳ１０５を含む、任意の好適な場所で決定される。例えば、ＭＴ１０３は、受信した信号からチャネル状態情報を決定し、その情報をＢＳ１０１に通信する場合があり、ＢＳ１０１は続けてマージン値を決定する場合がある。この値をその後でＲＳ１０５に通信することができ、ＲＳ１０５は続けて決定された値を適用できる。先に記載の例では、ＲＳ１０５にはアンテナが１つだけあるので、ＭＩＭＯ通信を４×２の通信から４×３の通信に増やす。しかし、当然のことながら、他の実施形態では、ＲＳ１０５にはアンテナが複数あってもよく、同一のアプローチを用いてアンテナごとに別々の量子化された信号サンプルストリームを生成してもよい。そのような場合、別個のアンテナのサンプル群がＭＩＭＯ受信に含まれる場合には、このサンプル群はＭＴ１０３に送信される。従って、ＲＳ１０５で複数のアンテナを使用することによって通信を更に改善できる。

例えば、ＲＳ１０５のアンテナが２つの場合には、通信は事実上、一般的な４×４のＭＩＭＯ通信に類似する。このような実施形態では、データパケットはＲＳ１０５のアンテナの数の表示を含んでいてもよく、この場合にはＭＴ１０３は受信したデータを抜き出してＭＩＭＯ受信を修正し、アンテナの数に対応する。チャネル状態が異なるので、自動利得制御がアンテナごとに個々に行われる場合、量子化された信号そのものの分散は同一ではあるが、異なるアンテナの信号対ノイズ比はさまざまである。それに応じて、データパケットには個々のアンテナごとの信号対ノイズ比の表示が含まれる場合がある。同様に、別個のアンテナの量子化された信号サンプル群が各様に量子化される／圧縮されるよう、量子化レベルはアンテナごとに個々に決定される場合がある。

図４が図示しているのは、通信システムの通信の方法の例である。この方法は前述のシステムに適用できる。本方法は工程４０１から始まり、工程４０１では、第１の通信ユニットの受信フロントエンドが、通信源の通信ユニットから送信された第１の信号を受信することにより、第１の受信信号サンプル群を生成する。第１の受信信号サンプル群が対応しているのは、少なくとも１つのアンテナから受信した信号群をダウンコンバートした時間領域信号サンプル群である。工程４０１には工程４０３が続き、工程４０３では、第１の受信信号サンプル群のノイズ表示が生成される。工程４０３には工程４０５が続き、工程４０５では、ノイズ表示に関連する量子化レベル群を用いて第１の受信信号サンプル群を量子化した結果生じるノイズ寄与が基準を満たすよう、第１の受信信号サンプル群の量子化レベルが決定される。工程４０５には工程４０７が続き、工程４０７では、決定された量子化レベル群を用いて第１の受信信号サンプル群を量子化することにより、量子化された信号サンプル群が生成される。工程４０７には工程４０９が続き、工程４０９では、量子化された信号サンプル群が第１の通信ユニットから第２の通信ユニットへと送信される。工程４０９には工程４１１が続き、工程４１１では、第２の通信ユニットは第１の通信ユニットからの量子化された信号サンプル群を受信する。工程４１１には工程４１３が続き、工程４１３では、通信源の通信ユニットから送信された第１の信号を受信することにより、第２の受信信号サンプル群が生成される。工程４１３には工程４１５が続き、工程４１５では、第２の受信信号サンプル群と量子化された信号サンプル群とに応えて、第１の信号の多入力多出力つまりＭＩＭＯの受信が行われる。

当然のことながら、以上の記述は明確にする為に本発明の実施形態を異なる機能的なユニット及びプロセッサに関し記載した。しかし、本発明の価値を損なうことなく、異なる機能的なユニット又はプロセッサに機能を任意に好適に分配してもよいことは、明白であろう。例えば、別々のプロセッサ又はコントローラにより行われる図示の機能は、同一のプロセッサ又はコントローラにより行われてもよい。それ故に、特定の機能的なユニットへの言及は当然、厳密な論理的又は物理的な構造又は構成を示すものではなく、記載の機能を提供する好適な手段への言及と見なされるべきである。本発明は、ハードウェアや、ソフトウェアや、ファームウェアや、これらの組み合わせなどの、任意の好適な形態で実施可能である。本発明を任意選択で、少なくとも部分的に、１つ以上のデータプロセッサ及び／又はデジタル信号プロセッサで走るコンピュータソフトウェアとして実施してもよい。本発明の実施形態の要素及び部品を、物理的、機能的、論理的に、任意の好適なやり方で実施してもよい。実際に、機能を、単一のユニットで実施しても、複数のユニットで実施しても、他の機能的なユニットの一部として実施してもよい。よって、本発明を単一のユニットで実施してもよいし、異なるユニット及びプロセッサに物理的に及び機能的に分配してもよい。

本発明は幾つかの実施形態に関連して記載されたが、本明細書で述べた特定の形態に限定することは意図していない。そうではなく、本発明の範囲は添付の請求項によってのみ制限される。加えて、特定の実施形態に関連して特質が記載されたように見えるが、当業者は、記載の実施形態の種々の特質を本発明に従って組み合わせ可能であることを認識するであろう。請求項では、用語「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」は、他の要素又は工程の存在を除外するものではない。更に、個々にリストアップされたが、複数の、手段や、要素や、方法の工程などを、例えば単一のユニット又はプロセッサによって実施してよい。加えて、個々の特質が異なる請求項に含まれているが、これらの請求項は有利に組み合わせられる可能性があり、異なる請求項に包含することは、特質を組み合わせることが実現可能でない及び／又は有利であることを含意しない。更に、特質を請求項の１つのカテゴリに包含することは、そのカテゴリへの限定を含意するのではなく、特質が他の請求カテゴリにも必要に応じて等しく適用可能であることを示す。更に、請求項の特質の順番は、特質を機能させなければならない任意の特定の順番を含意せず、特に方法の請求項の個々の工程の順番は、工程がこの順番で行われなくてはならないことを含意しない。そうではなく、工程を任意の好適な順番で行うことができる。

無線通信システムの説明図。本発明のある実施形態に係る通信ユニットの説明図。本発明のある実施形態に係る通信ユニットの説明図。本発明のある実施形態に係る通信の方法の説明図。

Claims

第１の通信ユニットと第２の通信ユニットとからなる通信システムであって、
第１の通信ユニットは、
信号源の通信ユニットから送信された第１の信号を受信することにより第１の受信信号サンプル群を生成する受信フロントエンドであって、前記第１の受信信号サンプル群は、前記第１の通信ユニットの少なくとも１つのアンテナが受信した信号をダウンコンバートした時間領域信号サンプル群に対応している、前記受信フロントエンドと、
前記第１の受信信号サンプル群のノイズ表示を生成する手段と、
前記ノイズ表示に関連する量子化レベル群を用いて、前記第１の受信信号サンプル群を量子化した結果生じるノイズ寄与が基準を満たすよう、前記第１の受信信号サンプル群の前記量子化レベル群を決定する決定手段と、
前記決定された量子化レベル群を用いて前記第１の受信信号サンプル群を量子化することにより、量子化された信号サンプル群を生成する手段と、
前記量子化された信号サンプル群を第２の通信ユニットに送信する送信手段と、を具備し、
第２の通信ユニットは、
前記量子化された信号サンプル群を前記第１の通信ユニットから受信する手段と、
前記通信源の通信ユニットから送信された前記第１の信号を受信することにより、第２の受信信号サンプル群を生成する手段と、
前記第２の受信信号サンプル群と前記量子化された信号サンプル群とに応じて前記第１の信号の多入力多出力つまりＭＩＭＯの受信を行う受信手段と、を具備した、通信システム。
前記基準に、ノイズ表示がノイズ寄与を第１のマージンの分だけ超えるという条件が含まれた請求項１に記載の通信システム。
前記通信システムが、前記通信源の通信ユニットと前記第２の通信ユニットとの間の通信の処理能力の測定に応じて前記第１のマージンを決定する手段を備えた、請求項２に記載の通信システム。
前記装置が、前記第１の通信ユニットと前記第２の通信ユニットとの間の通信リンクの処理能力の測定に応じて前記第１のマージンを決定する手段を備えた、請求項２又は３に記載の通信システム。
前記ノイズ寄与に、量子化ノイズの寄与とクリッピングノイズの寄与とが含まれた、請求項１〜４に記載の通信システム。
前記第１の受信信号サンプル群が複素ベースバンドサンプル群である、請求項１〜５に記載の通信システム。
前記送信手段が更に、量子化されたサンプルごとのビットの数の表示を送信するよう配列されている、請求項１〜６に記載の通信システム。
前記送信手段が更に、送信する量子化されたサンプル群の数の表示を送信するよう配列されている、請求項１〜７に記載の通信システム。
中継通信ユニットであって、
通信源の通信ユニットから送信された第１の信号を受信することにより第１の受信信号サンプル群を生成する受信フロントエンドであって、前記第１の受信信号サンプル群が、少なくとも１つのアンテナから受信した信号をダウンコンバートした時間領域信号サンプル群に対応している、前記受信フロントエンドと、
前記第１の受信信号サンプル群のノイズ表示を生成する手段と、
前記ノイズ表示に関連する量子化レベル群を用いて前記第１の受信信号サンプル群を量子化した結果生じるノイズ寄与が基準を満たすよう、前記第１の受信信号サンプル群の前記量子化レベル群を決定する決定手段と、
前記決定された量子化レベル群を用いて前記第１の受信信号サンプル群を量子化することにより、量子化された信号サンプル群を生成する手段と、
前記量子化された信号サンプル群を第２の通信ユニットに送信する送信手段と、
を備えた中継通信ユニット。