JP4564012B2 - 中継を利用する無線通信ネットワークのための方法およびシステム - Google Patents

Description

（発明の分野）
本発明は通信性能を高めるための中継によってサポートされた無線通信に関し、特に本発明は２ホップ無線通信ネットワークにおける通信を実行するための方法およびシステムに関する。

（発明の背景）
無線／セルラー（携帯）通信ネットワークおよびシステムにおける開発の主な推進力は、他の多くの点とは別に、カバー範囲を広げ、またはより増加したデータレートをサポートするか、またはその双方の組み合わせを提供することである。同時に、システムを構築し、維持するコストの点も重要であり、将来においてもさらに重要となることが推定される。データレートが増加し、および／または通信距離が長くなるにつれて、電池消費量が増加するという問題も別の重要な分野である。

最近までにセルラーネットワークの現在の３つの世代を含む無線ネットワークのトポロジーは、あまり変わっていない。このトポロジーはネットワークにおける送受信エンティティとしての固定無線基地局および移動局を有するセルラーアーキテクチャを特徴とし、このネットワークでは通信は一般にこれら２つのエンティティしか関係しない。ネットワークの別のアプローチとして、周知のマルチホップネットワークを例として挙げることができる。このマルチホップネットワークにおける無線シナリオでは、１回の通信は中継コンフィギュレーションのうちの複数の送受信エンティティに関係する。かかるシステムは通信（中継）エンティティの間のパス損失を大幅に低減できる可能性をする。このことはエンドツーエンド（ＥＴＥ）ユーザーに利益を与えることができる。

最近、マルチホップネットワークに共通する多くの特徴および利点を有する別のタイプのトポロジーが注目されているが、このトポロジーは２つの（または数個の）ホップ中継だけに限定されている。マルチホップネットワークと対照的に、上記トポロジーは並行性の特徴を利用しており、高度なアンテナシステムからのテーマも採用している。この新しいタイプのトポロジーを利用するこれらネットワークは、共通する基準としての多数の局間の協動を有する。最近の研究文献では、数種の名称、例えば協動中継、協動ダイバーシティ、協動符号化、バーチャルアンテナアレイなどと称されている。本願では「協動中継」および「協動方式／方法」なる用語は多数の局間での協動を使用するすべてのシステムおよびネットワーク、ならびにこれらシステムで使用される方式／方法をそれぞれ含むことを意味する。文献［１］にこの協動通信方式の包括的な概略が記載されている。中継される信号の種々のフォーマットを配備でき、１つの信号はデコードされ、再変調され、転送されるか、または単に増幅され、転送できるようになっている。前者の方法は復号化および転送、すなわち転送中継、すなわち再生中継として知られており、他方、後者の方法は増幅および転送中継、すなわち非再生中継として知られている。再生中継および非再生中継のいずれも、例えば従来のマルチホッピングおよび中継解決方法によりそれぞれ周知となっている。これら２つのアプローチの種々の特徴については［２］に記載されている。

無線通信における協動中継の一般的な利点は、データレートが大きく、（異なる形態のダイバーシティに起因して）事故発生率が少なく、バッテリー寿命が長く（例えば携帯電話に対しては）カバー範囲が広いことである。

協動中継を利用する種々の方式およびトポロジーは情報理論の分野における理論的モデルとしてこれまで示唆されており、実際のネットワークのための示唆として示唆されており、例えば数ケースでは研究室でのテストシステムとして示唆されている。上記引用文献［１］の３７〜３９ページ、４１〜４４ページには、これらの例が記載されている。どのエンティティがデータをおくるのか、どこへデータを送るのか、どのエンティティが協動するのかに基づき、いくつかの協動方式に分けることができる。図１ａ〜１ｆには（従来技術の）異なるトポロジーが略図で示されており、これら図にはトラヒックがどこで発生されるか、どれが無線送信用の受信者であるか、パスであるかを示している。

図１ａに示される古典的な中継チャンネルは、中継器を利用することにより宛て先と通信したいソースから成る。中継器はノイズのあるチャンネルを通してソースが送信した信号を受信し、この信号を処理し、処理した信号を宛て先へ転送する。宛て先局は、ソースと中継器の送信信号の重なりを観察する。中継器は送るための情報を有していないので、中継器の目標はソースから宛て先局への情報の流れの全レートを最大にすることである。引用文献［１］、［７］および［３］には古典的な中継チャンネルが研究されており、［３］では［７］において受信機ダイバーシティが援用されている。３ステーション形態の古典的中継チャンネルは多数の中継局を全く利用しないので、上記の利点は有していない。

図１ｂにはより将来性のあるアプローチ、すなわちパラレル中継チャンネルが略図で示されており、ここではカバー範囲がオーバーラップする（サポート中継器を有するセルラー基地局のような）中継器を利用する無線システム、すなわち受信機は多数の中継器から受信した重なった信号を利用する利点を享受できる。このことは、中継器が接近しているシステムで自動的に起きることである。最近、情報理論の研究はこのケースを解決した。当該特定のケースは［４］および［５］においてシャインによって研究されている。シャインは４つのノード、すなわち１台の送信機と１台の受信機と２つの中間的な中継器だけを有する協動指向ネットワークに関して情報理論の研究を行った。１に等しい伝搬損失を有する実際の値のチャンネルについて研究した。各中継器は非再生中継、すなわち純粋な増幅を行う。実際の値の伝搬損失の簡単な仮定により、受信機のアンテナに信号がコヒーレントに加算される。個々の中継器の電力条件のもとで、シャインは受信機のＳＮＲを最大にするよう、増幅率を選択できることも示しているが、シャインは増幅率のための明確な式を誘導していない。局の１つは最大パワーで送信し、一方、他方の局はそれよりも低い、他のあるパワーで送信する。シャインの方式の欠点は２つの中継局だけに限定し、利得１（従って基本的かつ実際の伝搬の仮定を無視している）を有する実際の値のチャンネルで誘導される情報理論の分析だけでは、この方法を実際に実行可能にする手段および機構に欠けていることである。例えば、プロトコル、パワー制御およびＲＲＭ機構、複雑性およびオーバーヘッドの問題については全く解決されていない。２つの中継局だけを解決することだけに関すれば、中継器の数を多くする結果となるような、より高いアンテナの利得およびダイバーシティの利点については検討もされていなければ、利用もされていない。

最近、数人の研究者により、中継によるマルチアクセスチャンネルの概念（一般化されたフィードバックを伴うマルチアクセスチャンネルとしても知られる）について研究がされており、図１ｃに略図が示されている。この概念は二人のユーザーが協動し、すなわち各々が送信したい情報を交換し、その後、各ユーザーが自己の情報だけでなく他のユーザーの情報も１台の受信機へ送信するということに関係する。このようにする利点は、協動によりダイバーシティの利得が得られることにある。研究された方式は実質的に２つの方式がある。すなわち協動ダイバーシティと符号化された協動ダイバーシティについて研究された。例えば［１］では研究のレポートがされており、ダイバーシティに関して種々のフォーム、例えばアラマウティダイバーシティ、受信ダイバーシティ、コヒーレントな組み合わせに基づくダイバーシティについて調査がされている。一般に調査された方式およびトポロジーは送信前にデータを復号化することに依存している。このことは更に、協動するように局を接近させなければならず、従って、大きなスケールのグループを形成する場合には、より遠距離の中継器との協動だけでなく、多数の潜在的な中継器も排除することを意味する。これら方式の別の欠点は、接近し、かつ同時に送信する局がある可能性が少ないことである。これら欠点は、調査対象のトポロジーにあまり実用性がないことを意味する。図１ｄに示されている中継を行う一斉送信チャンネルは基本的は図１ｃに示されたトポロジーの反転トポロジーであり、従って、同じ深刻な欠点を共有する。

図１ｃに示されているトポロジーの更なる拡張は、図１ｅに示されている中継を行ういわゆる干渉チャンネルであり、ここでは、２台の受信機について検討している。このトポロジーについては、引用文献［８］および［１］において研究されているが、受信機間の協動はないので、協動中継によって得られる可能性を利用していない。

図１ｆに略図で示されているようなレポートされている別のトポロジーは、バーチャルアンテナアレイチャンネルと時々称されるトポロジーであり、例えば引用文献［９］に記載されている。この概念では、通信中の局と隣接する中継ノードとの間の（大きな）バンド幅を拡張することが想定されるので、位相および振幅情報を保持できるようにする直交リソースを通して非干渉信号を転送することはできない。このアーキテクチャでは、ＭＩＭＯ（マルチ入力マルチ出力）通信（更に他の時空間符号化方法）も単一アンテナ受信機によって可能となる。このトポロジーは送信に対しても等価的に使用できる。一般的な想定は中継局が受信機（または送信機）に接近していることである。このことは、１つの中継器だけでなく、使用できる全体の数の可能な中継器を探す確率も制限する。大きな実際の欠点は、処理のために受信機へ非干渉チャンネルを通して信号を中継するのに極めて広いバンド幅の拡張が必要となることである。

協動中継は引用文献［１０］に記載されているような（リッチフィードバックを行う送信ダイバーシティ、ＴＤＲＦとも称される）における送信ダイバーシティ概念といくつかの表面的な類似性があり、これについては図１ｇに略図で示されている。この概念に不可欠なことは、例えばセルラーシステム内の基地局における固定設置されアンテナを有する送信機が各アンテナ素子から受信機のアンテナへの（フェージング効果およびランダム位相を可能にする）チャンネルパラメータを探し、この情報を使って送信機内での重み付けおよび位相調整の後で（ノイズのない）信号を送り、受信機のアンテナにコヒーレントに追加し、信号対ノイズ比を最大にすることを保証することである。完全に既知のチャンネルを用い、固定された基地局で実現される送信ダイバーシティは、性能上の大きな利点を提供するが、１つのデバイスまたは１つのアンテナサイトで実現できるアンテナ素子の数に関して実用上の制限も存在する。従って、達成できる性能の向上の程度に限度がある。基地局指向送信ダイバーシティの欠点は送信機と受信機との間の大きな障害が大きなパス損失を生じさせることでもある。

従って、当技術分野では協動中継は、例えばキャパシティおよびフレキシビリティを大きくする上で大きな潜在力を有することが立証されている。更に、当技術分野で提案されるトポロジーおよび方法は、協動中継を行うネットワークの推定される利点をフルにするものではない。

（発明の概要）
本技術分野の方法の状態では、送信パラメータに適合する際には第１リンク、第２リンクまたはそれらの組み合わせの質については検討されていない。これによって、性能が低下し、リソースを非効率的に利用する結果となっている。

従って、上記従来技術の大きな欠点は、転送手順に関与する１つ１つのリンクまたは複数のリンク（第１および第２リンク）の組み合わせの質に応答して中継器の送信パラメータに適合できないことである。よって従来技術は協動中継ネットワークの推定される利点をこれまでフルに活用できなかった。

明らかに送信パラメータに適合する際に、第１リンクまたは第２リンク、またはそれらの組み合わせの質を検討し、よって協動中継ネットワークの推定される利点を良好に活用できるような協動中継ネットワークのための改良された方法およびシステムが望まれている。

本発明の目的は、従来技術の欠点を克服した方法、中継局およびシステムを提供することにあり、この目的は、請求項１記載の方法、請求項１２記載の中継局および請求項１６記載のシステムによって達成される。

この課題は中継局によって実行される第１リンクから第２リンクへの信号の転送に適合できるよう、第１リンクおよび第２リンクの双方の推定される無線チャンネル特性を使用できるようにする方法、中継局およびシステムを提供することにある。

２ホップ無線通信ネットワークにおける通信を実行するための、本発明に係わる方法では、１台の送信機、１台の受信機および少なくとも１つの中継局が１回の通信セッションに関与する。中継局は、送信機と中継局の間にある第１リンクから、中継局と受信機の間にある第２リンクへ信号を転送する。少なくとも１つの中継局によって実行される転送は、少なくとも第１リンクの推定される無線チャンネル特性の応答として適合される。この転送は第２リンクと第２リンクの双方の推定される無線チャンネル特性に対する応答として適合することが好ましい。

本発明に係わる中継局は、２ホップ無線通信ネットワークにおいて使用するようになっており、この場合、ネットワークは１台の送信機と、１台の受信機と、少なくとも１つの中継局とを備える。中継局は送信機と中継局の間にある第１リンクから、中継局と受信機の間にある第２リンクへ信号を送信するようになっており、中継局には第１リンクおよび第２リンクの双方の特徴に基づく転送に適合するための手段が設けられている。

本発明によれば、送信セッション中に存在する実際の条件に対し、第２リンク上での転送を良好に調整することが可能であり、更にこの転送は条件の変化に対して良好に調整できる。

本発明によって可能となる１つの利点は、異なる送信パラメータを決定し、これらを最適にするのに、個々の無線パスのより正確かつ信頼できる特性の決定を利用できるということである。従って、例えば協動中継ネットワークの能力をよりフルに利用することができる。

更に別の利点は、中継局において第１リンクおよび第２リンクの特徴を有利に実現できることである。従って、本発明に係わる方法は、ネットワーク内の機能の分散を容易にし、送信機から受信機へデータを送信するのに必要とされるプロトコルのオーバーヘッドの量を大幅に増加することなく、１回の通信セッションにおける中継局の数を増加できる。

本発明に係わる方法およびシステムの更に別の利点は、第１リンクおよび第２リンクの改善された特徴により多数の中継局を備えた協動中継を行うネットワークの推定される利点のフル活用を促進することである。コヒーレントな組み合わせ設定で使用される本発明によれば、中継局の数の増加と共に指向性の利得およびダイバーシティの利得が増加する。指向性の利得自身は、レンジの拡張および／またはデータレートの強化に使用できる大きなＳＮＲを提供し、ダイバーシティの利得は通信のロバストネスを高め、時間経過に対するより均一な通信の質を提供できる。指向性の利得およびダイバーシティの利得は、従来の種々の高度なアンテナの解決方法（この場合、アンテナは送信機または受信機のいずれかに設置される）によって提供できるが、提案される解決方法は一般に基地局または移動ターミナルで見られるような物理的な空間的制限に一般に限定されるものではない。従って、基地局または移動局におけるアンテナの数よりも多い数の中継局を使用できるという潜在性が存在し、よってより大きな指向性の利得およびダイバーシティの利得を提供できる。

本発明の実施例は従属請求項に記載されており、添付図面および請求項を遣唐使柄、本発明の次の詳細な説明を読めば、本発明の上記以外の目的、利点および新規な特徴が明らかとなろう。

（発明の詳細な説明）
次に図面を参照して本発明の実施例について説明する。

図２に概略を述べたネットワークは本発明を有利に実施した協動中継ネットワークの一例である。この図は基地局２１０（ＢＳ）と、複数の中継局２１５（ＲＳ）と、複数の移動局（ＭＳ）２２０〜２２３とを備えた無線ネットワークの１つのセル２０５を示す。図に示されるように、中継局２１５はマストに取り付けられているが、例えばビルに取り付けることもできる。見通し条件をアレンジできるようにする際に、固定中継局を使用してもよく、ＳＮＲ（信号対ノイズ比）または干渉抑制を改善するために基地局に向いた指向性アンテナを使用してもよく、一般に電源ネットワークを使用する際に固定中継局は送信電力を厳しく制限しなくてもよい。しかしながら、ユーザー移動ターミナルのような移動中継器を固定中継器の相補的ターミナルとして使用したり、独立して使用することもできる。移動局２２１および２２２は、移動中継器の一例、すなわち一時的に中継器としても機能する移動局である。移動局２２０は、基地局２１０とアクティブに通信状態にある。矢印で示されるような信号は基本的には２つのホップ、すなわち中継局２１５または移動中継器２２１、２２２として働く移動局を介することを特徴とする複数のパスを同時に使用する。送信は、例えば隣接するセルからの干渉を受け、この干渉効果は異なるパスを通して変化する。

通信性能を高めるのに中継器に基づく通信を使用するが、直接のＢＳからＭＳへの通信も使用できることに留意すべきである。実際にＢＳとＭＳとの間の基本的な低レートの信号は、中継器によってサポートされた通信チャンネルをセットアップすることが必要なことがある。例えばＭＳチャンネルへの中継はアプリオリに既知ではないので、ページングのようなセルラーシステムの機能はコヒーレントな組み合わせに基づく中継を使用しなくてもよく、その代わりに通話設定および同様な手順の間にＢＳからＭＳへの直接通信が使用されることが好ましい。

図２に概略が示された実ワールドのセルラーシステムは図３に示されたシステムモデルによってモデル化されており、この場合、ここでは任意の数Ｋ個の中継局と共に一対の送信機および受信機に説明が集中されている。このような表示は送信機としての基地局２１０および受信機としての移動局２２０に適合するものであるが、このような構成に限定されているわけではない。基地局２１０と移動局２２０との通信を、２つのメインパートを含むものとして説明できる。すなわちリンク１と称す基地局２１０から中継局２１５：ｋへの通信およびリンク２と称す中継局２１５：ｋから移動局２２０への通信について説明する。

送信機、すなわちＢＳ２１０はパワーＰ_ＢＳで送信を行い、各中継局２１５：ｋ（ここでｋ∈｛1,2,...,K｝であり、Ｋは中継局の総数である）が信号を受信し、総パワーＰ_ｋで再送信する。すべての中継局２１５：ｋの集団送信パワーをＰ_ＲＳと表示する。ｈ_１，ｋは基地局２１０から中継局ｋ２１５：ｋへの複素パス利得であり、ｈ_２，ｋは中継局ｋから移動局への複素パス利得である。すなわちｈ_１，ｋおよびｈ_２，ｋは個々の信号パスを特徴とする。受信機、すなわちＭＳ２２０はＣ_ｒと表示される全信号を受信し、全ノイズＮ_ｒを受ける。

一般に現実的なシナリオでは、１つのセル内の１つのＢＳは、複数の移動局との通信に同時に関与している。このことは、図３に従ってモデル化されたような各通信を検討することによって想到できる。説明を明瞭にするために、本願では１つのＢＳ、１つのＭＳおよび複数の中継局に関係する１回の通信セッションしか検討しない。しかしながら、当業者であれば明らかなように、本発明のアーキテクチャおよび方法／方式は、基地局と移動局との間の複数の同時通信の場合にも容易に適用できる。

当業者であれば理解できるように、上記モデルに係わるネットワークでは、かかるネットワークによって提供される可能性および能力をフルに活用するには、多数のパラメータを設定しなければならず、かつ最適にすることが好ましい。更に、前に述べたように、従来システムにはマルチ中継システムとして欠点があるが、仮定される複雑性に起因し、マルチ中継システムについては説明しない。検討しなければならず、最適にすることが好ましいパラメータとして、基地局２１０および各中継局２１５：ｋ（通信において使用しなければならない中継局）の送信パワー、（コヒーレントな組み合わせを使用する場合の）位相制御、符号化、（遅延ダイバーシティの場合の）遅延、安定なパラメータ（ビーム形成、空間多重化）などを挙げることができるが、これらだけに限定されるものではない。送信を制御し、最適にするのに必要とされるパラメータを送信パラメータ（ＴＰ）と称す。好ましい最適化として受信側移動局での特定のＳＮＲを得るための基地局２１０および中継局２１５：ｋの送信パワーを最適化することが挙げられるが、これらだけに限定されるものではない。これら送信パワーは、異なるエンティティの電力消費量および例えばセル並びに隣接するセル内の干渉レベルに関するサービスの所定の質すなわち容量に対応する。

すべての最適化にとって基本的であり、かつ無線リソースを効率的に利用するのに必要なことは、第１リンクおよび第２リンクにおける無線パスの特性を正確に決定し、かつ送信パラメータにおける変化がどのように全体の性能に影響するかを管理することである。本発明に係わる方法は、第２リンクで転送するための送信パラメータを決定するために中継局２１５：ｋが第１リンクと第２リンクの双方のチャンネル特性を使用する方法を提供するものである。更にこの方法によれば、各中継局２１５：ｋはオプションとして、例えば受信機２２０によって認識されるようなフル通信の質の測定値に第２リンクでの転送をオプションで適合させることができる。フルの通信の質の測定値を共通送信パラメータと称す。

２ホップ無線通信ネットワークにおける通信を実行する本発明に係わる方法では、送信機２１０と、受信機２２０と、少なくとも１つの中継局２１５が通信セッションに関与する。中継局２１５は、送信機２１０と中継局２１５の間の第１リンクから、中継局２１５と受信機２２０との間の第２リンクへ信号を転送する。少なくとも１つの中継局２１５によって実行される転送は少なくとも第１リンクの推定される無線チャンネル特性に対する応答として適合される。この転送は第１リンクと第２リンクの双方の推定無線チャンネル特性に対する応答として適合することが好ましい。

次に図４のフローチャートを参照し、本発明に係わる方法について説明する。この方法は次のメインステップを含む。
４００： リンク１のｋ個のパスでパイロット信号を送る。
４１０： リンク１のｋ個のパスの特性を決定する。
４２０： リンク２のｋ個のパスでパイロット信号を送る。
４３０： リンク２のｋ個のパスの特性を決定する。
４４０： 各中継局２１５に対する相対的送信パラメータを決定する。ここで各相対的パラメータはリンク１またはリンク１とリンク２の組み合わせのそれぞれのパスの特性の決定に基づく。
４５０： 各中継局２１５：ｋがそれぞれの相対的送信パラメータを使用して受信機２２０に対し、リンク２での転送を適合させる。
オプションとしてこの方法は次のステップを含む。
４４５： フル通信の質を表す共通送信パラメータを決定する。
４４７： 中継局（２１５）へ共通送信パラメータを配信し、その後、ステップ４５０を次のステップ４５０’に置換する。
４５０’： 各中継局２１５：ｋはそれぞれの相対的送信パラメータおよび共通送信パラメータを使って受信機２２０に対する第２リンクでの転送を適合させる。

「パイロット信号」および「パイロット信号の送信」とは、任意の種類のチャンネル推定シンボルを送ることと解釈すべきであり、「ハローメッセージ」もこの目的に使用できる。

パイロットの送信は、上記順序で行う必要はなく、リンク１および２で同時に行ってもよいと留意すべきである。

ステップ４１０および４３０における無線パスの特性の決定は、使用される送信技術、可能な場合には特性の決定を利用しなければならない最適化のタイプにも適合させることが好ましい。特性の決定は第１リンクおよび第２リンクのそれぞれの各パスの特性を決定する複素パス利得ｈ１，ｋおよびｈ２，ｋを推定することを含むことができるが、このことだけに限定されるものではない。

２つのリンク、中継器への送信機および受信機への中継器があるので、局が送信し、局がチャンネルを推定する４つの可能性がある。これら４つの可能性は表１に要約されている。この目的は、本発明のいくつかの異なる実現アプローチをとることができることを示すことにある。

ある局でチャンネル推定を実行したと仮定すると、収集情報の処理をどの局が実行するか、すなわちどの局が相対的送信パラメータを決定するかが問題にもなる。基本的には３つの選択肢、すなわち送信機ＢＳ２１０、受信機ＭＳ２２０または中継局ＲＳ２１５の組がある。リンク２での転送の調整を実行しなければならないのは、中継局であるので、この局が相対的送信パラメータを決定する好ましい場所である。中継局がパイロット信号を送信する場合、チャンネルの特性の決定の表示を中継局に戻すようにレポートしなければならない。この代わりに中継局がパイロット信号を受信する場合、チャンネルの特性の決定の表示は（ケース１に対応して）どの場所にもレポートする必要はない。ケース１は多くの状況ではオーバーヘッド信号を最小にするので、好ましい代替方法である。他方、中継局をできるだけ簡単に維持し、受信機および／または送信機、または受信機もしくは送信機に関連するエンティティでのすべての計算を実行したいことがある。従って、テーブル１のケース４が望ましい場合、中継局を除く他のエンティティですべての推定および計算を実行する。それぞれの転送を調整するために、中継局に必要とされる情報が各中継局に送られる。図示するように、多くの可能な組み合わせが存在し、本発明はその特定の１つだけに限定されるものではない。

次に図５ａを参照して上記ケース１を実行できるようになっている、本発明に係わる好ましいシステムについて説明する。各中継局２１５：ｋはチャンネルの特性の決定を実行するための手段２１６と、チャンネルの特性の決定に基づき、相対的送信パラメータ２１７を決定するための手段と、相対的送信パラメータおよびオプションとして共通送信パラメータに基づき、転送を調整するための手段２１８を有する。この受信機２２０は集団信号２２１の品質測定を実行するための手段およびオプションとしての共通送信パラメータ２２２を決定するための手段を有する。調整する２１５：ｋへの直接一斉送信または送信機２１０を介するかのいずれかにおいて、受信機２２０から中継局２１５：ｋへ共通送信パラメータが配信される。中継局２１５：ｋは共通送信パラメータを受信し、それらの相対送信パラメータを組み合わせて信号の転送を調整する。このことは、受信機２２０と中継局２１５：ｋとの間の論理制御ループを含むものと理解できよう。別の論理制御ループが存在し、出力パワー、変調モードなどの送信機の送信パラメータを調整する別の論理制御ループが、一般に受信機２２０と送信機２１０との間に存在する。従って、本発明の好ましい実施例は、中継局に共通送信パラメータを提供する受信機２２０と中継局２１５：ｋとの間の第１制御ループ５０５と、受信機２２０から送信機２１０へ送信情報をフィードバックする第２制御ループ５１０を含む。

上記ケース３−４を実行できるようになっており、図５ｂを参照して説明する別の実施例では、チャンネルの特性の決定を実行するための手段２１６と、相対送信パラメータ２１７および共通送信パラメータ２２０の双方を決定するための手段が、例えば受信機２２０内に集中的に設けられている。受信機は中継局２１５および／または送信機２１０からのパイロットの処理されていない結果を受信し、受信機は必要な推定を実行し、すべての相対送信パラメータを含む一斉送信されたメッセージ、または各中継局への専用メッセージのいずれかとして、相対送信パラメータおよび共通送信パラメータに関する情報を送る。これとは異なり、送信機が第２リンクの無線パスの推定を実行してもよい（ケース２）ので、このための手段を有することができる。これと別の方法は、特性の決定および送信パラメータの決定を実行することである。しかしながら、受信機と送信機とはすべての中継局への一斉送信メッセージとして、または各中継局への専用メッセージとして、中継局へのすべての送信パラメータ情報と共に、収集メッセージまたは複数のメッセージに影響するように通信することが好ましい。別の方法はネットワーク内の他の場所、例えば無線ネットワークコントローラ（ＲＮＣ）または同様な機能を有するエンティティで送信パラメータの決定および特性の決定を実行することである。

既に説明したように、本発明によって異なる送信パラメータをより正確かつ信頼できる状態で決定し、最適にすることが可能となる。次に、これによって中継ネットワークの能力、特に協動中継ネットワークの能力をフルに活用することが可能となる。

本発明に係わる方法により、ネットワーク内の機能の分散を容易にし、送信機から受信機へデータを送信するのに必要なプロトコルオーバーヘッドの量を大幅に大きくすることなく、通信セッションにおける中継局の数を増加することが可能となる。

本発明に係わる方法を効率的に実現するには、転送パラメータを判断するのに、双方のリンクの無線パスの特性の決定および可能な場合には共通する質の測定値を考慮することが望ましい。後に効率的な方法の概略を述べ、詳細な説明の末尾に「分析式の誘導」なる含まれる式の完全な誘導について示す。次に、異なる実施例を示す送信パワー、位相および中継局の活動を管理し、最適にするために手順をどのように適合させるかも後述する。

各中継局ｋは次の式で示される総パワーで送信を行う。

ここで、Ｐ_ＲＳはすべての中継局の集団送信パワーであり、ａ_ｋは中継局ｋ∈｛1,2,...,Ｋ｝に対する正規化されていない複素利得ファクターであり、Ｋは中継局の総数である。

「分析式の誘導」では、下記の式（２）および（３）の場合に、（受信された信号が単位パワーに正規化されることを条件に）最大受信機のＳＮＲが得られることが示される。
すなわち、

の場合、

Ｐ_ＢＳは基地局の送信パワーであるときに、σ^２ _ＲＳ，ｋは任意の中継局におけるノイズ＋干渉レベルであり、σ^２ _ＭＳは移動局におけるノイズレベルであり、ｈ_１，ｋは基地局から中継局ｋへの複素パス利得であり、最後に、ｈ_２，ｋは中継局ｋから移動局への複素パス利得である。

信号ｙ_ｋを受信する中継局ｋは次の信号を送信しなければならないことを証明できる（詳細な誘導式を参照）。

Γ_ＲＳ，ｋは第１リンクの無線パスを示し、Γ_ＭＳ，ｋは第２リンクの無線パスを示す。ここで、双方のリンクの無線特性は、転送を行う各中継局で考慮する。Γ_ＲＳ，ｋおよびΓ_ＭＳ，ｋは各中継局で計算することが望ましいが、必ずしも計算しなくてもよい。

Σ｜ａ_ｋ｜^２なる項はφと表示されるパワー正規化ファクターとして働き、この項は各中継器によって別々に決定できないことが判る。その代わりに、他の適当な局でφを決定し、中継器へ配信しなければならないことが示唆される。１／φは共通送信パラメータに対応し、下記の式は中継局ｋに対する相対的送信パラメータに対応する。

集団中継送信パワー制限下にある受信機の達成可能な最大ＳＮＲは次のように決定できる。

より近似して検討すると、各個々の中継器からΓ^{（ｍａｘ）} _ＥｆｆへのＳＮＲの寄与分は、各中継局がすべての中継送信パワーＰ_ＲＳで自ら送信をした場合の寄与分に等しい。

更に再生コヒーレント組み合わせと非再生コヒーレント組み合わせのための「分析式の誘導」も示す。再生コヒーレント組み合わせと非再生コヒーレント組み合わせを検討すると、興味ある見解は、再生アプローチのほうが一般に非再生アプローチよりも劣るということである。その理由は、必要による再生中継は送信機のまわりの領域に制限され、すべての利用できる中継器を最適に利用できないからである。換言すれば、信号を復号化できなくてもコヒーレントな組み合わせを使用するときに寄与できるからである。どのケースにおいても、非再生方式と再生方式の組み合わせのほうが、非再生方法しか検討しない場合よりも若干良好に働く。次に説明するパワーおよび位相制御のための機構は独立したものであり、再生中継を利用する場合にも包括的である。

位相制御
第１実施例として、本発明に係わる論理アーキテクチャおよび方法は、コヒーレントな組み合わせを容易にするのに適合されている。コヒーレントな組み合わせの前提は、受信機において信号の位相が整合していることである。このことは、送信機２１０から中継局２１５への複素位相だけでなく、中継局２１５から受信機２２０への複素位相も補償することによって可能とされる。実際に、各中継局では、受信された信号ｙ_ｋに位相ファクターｅ^{−ｊ・ａｒｇ（ａ} _ｋ ^）を乗算する。ここで、

である。

従って、各個々の中継局において外在的または内在的チャンネル位相情報を利用できるようにしなければならない。位相情報を誘導する際に２つの基本方式を使用できる。１つは閉ループ制御に基づくものであり、１つは開ループ制御に基づくものである。（単一リンクを通して使用される）ＦＤＤのように、チャンネルの往復性を利用できないとき、または高い制御の精度が必要とされるときには、閉ループ制御を使用しなければならない。その代わりに開ループ制御方式は、例えばチャンネルコヒーレント時間内に作動するチャンネルサウンディングと共に、（単一リンクを通して使用される）ＴＤＤによって可能とされるチャンネル往復性を利用する。１つの局に対する送信／受信チェインにおける非対称に起因し、開ループ制御は一般に閉ループ制御よりも正確ではない。これら違いによりハードウェアの設計に努力が向けられ、これら違いは、常に改良された設計によって補償できる。更に、予備的な閉ループ制御サイクルを組み込むと、スタティックな開ループエラーを補償できる。しかしながら、本発明では、位相誤差は基本的には±９０度までにすることができ、（極めて効率的とは言えないが）他の中継された信号とコヒーレントに組み合わせできる。従って、絶対的な位相精度は絶対必要なものではなく、ある程度好ましいものである。閉ループ制御方式は一般に測定の結果をレポートする外在的信号に依存するので、より多くの通信リソースを消費し、開ループ方式に対するレイテンシーを招く。ＴＤＤ対ＦＤＤに関するこの説明は、あるときの単一リンクを通したデュプレックス技術、すなわち中継局から受信機へのリンクを通したデュプレックス技術を検討するものであるが、時間および周波数分割に基づくネットワークにおける通信全体の特性を決定することも可能である。例えばリンク１とリンク２とは１つのバンドを共用してもよいし、異なるバンドを使用してもよい。しかしながら、本発明の見地からはチャンネル位相情報を決定し、中継局における位相補償のために使用する限り、デュプレックス方式とマルチアクセス方式との任意の組み合わせを使用できる。

閉ループ制御と開ループ制御にはどの局がパイロット信号を送るかという問題と密接に関係している。この問題については既に表１を参照して説明した。位相調整をしなければならないのは中継局であるので、この中継局はａｒｇ｛ａ_ｋ｝を決定するための自然な場所である。中継局がパイロット信号を送る場合、中継局へ位相（またはチャンネル）パラメータをレポートし、戻す必要がある。このことは、閉ループのケースに対応している。代わりに中継局がパイロット信号を受信する場合、位相（またはチャンネル）パラメータをどこにもレポートする必要はない。このことは開ループの場合に対応している。このことは、位相（すなわちチャンネル）情報を制御パケット内で遠くに送らなければならないか、または同じ局内に維持できるかどうかに応じて、無線リソースの効率、パワー消費量だけでなく、実現の複雑さにも影響することは明らかである。上記から判るように、どの場合においても多数の可能性が存在し、我々は最も将来性のあるものを選択する。次にデュプレックスとマルチアクセスとの好ましい組み合わせについて説明する。しかしながら、当業者であれば理解できるように、極めて多数の可能性が存在し、本発明は下記に例示するものだけに限定されるものではない。

オープンループタイプであり、「十分な」コヒーレンス時間を有するＴＤＤに対して適当なケース１（表１参照）は、２つの送信しか必要でなく、すべての中継局で処理が分散されるので、信号化の複雑性を最も低くする。ここで、送信機だけでなく、意図する受信機も各中継器が双方のチャンネルをトラッキングできるように十分であることが多いか、または必要な場合にチャンネル推定シンボルを発生する。その後、中継局はａｋの位相ファクターを決定するチャンネル位相を推定する。

パワー（電力）制御
位相制御とは別にリソースの効率的な通信を行うための第２の重要な特徴は、パワー制御にある。このパワー制御が満足できる通信の質を保証するための手段を提供できるからである。本発明に係わる論理アーキテクチャおよび方法は、効率的なパワー制御のために容易に使用できるようになっている。このパワー制御方法は受信機における有効なＳＮＲが目標とするＳＮＲ、すなわちΓ_０に向かって制御されており、これによって所望するリンクの質がアサートされるということに基づいている。当然ながら、このターゲットとするＳＮＲは時間と共にどのようにリンクモードまたはＱｏＳ条件が変化するかに応じて時間と共に変化し得る。本発明に係わる論理アーキテクチャおよび方法によれば、送信機および各中継器において別々にパワーを調整できる。中継器のパワー制御は共通するだけでなく、個々の中継成分も有する。集団パワーを最小にするという目的は、マルチアクセスの干渉を最小にするだけでなく、中継器の電力消費量を最小にするという問題も解決する。しかしながら、ＭＳが送信機として働くとき、ＭＳのための電力消費量および放射パワーを大幅に最小にするための方法としてパワー制御を使用することができ、このことは特にＭＳのバッテリーの寿命を長くする。

最高レベルにおいて、パワー制御の問題は次のように定めることができる。

このことは、ある制限、例えばＰ_ＲＳ＝ΣＰ_ｋのもとで、ＰＢＳを固定したまま達成することが好ましいが、他の制限も検討できる。すなわち総送信パワーＰ_ＲＳ＋Ｐ_ＢＳを最小化すること、または中継器によって誘導される干渉の発生の局所化を考慮することができる。次の記載において、Ｐ_ＢＳの固定された（または比較的低速の）適合化と共に、Ｐ_ＲＳ＝ΣＰ_ｋの最小化を仮定する。このことはダウンリンクにおいて妥当な設計目標であるが、アップリンクに対しては送信パワーを最小にすることがより大きな関心となり得る。しかしながら、中継器が移動でき、バッテリーのパワーで中継を行う場合、中継器と送信機とのパワーの合計を最小にすることができる。

このことはパワー制御の基本的機能である。実際的な見地から特にコヒーレントな組み合わせと共に協動中継ネットワーク全般におけるパワーを制御する全タスクは、使用パワーＰ_ＢＳおよびＰ_ｋの前の知識を使用し、所望する通信の質を満たすようにこれらパラメータを更新することである。

閉／開ループ、ＴＤＤ／ＦＤＤ、制御特徴の配信に応じてリンクの利得を数個の方法で推定できるので、パワー制御は位相制御と、その特性の多くを共用する。従って、ある範囲の別の実現例を考え付くことができる。位相制御の説明と同様な次の説明では、送信機と受信機がチャンネル推定信号を発生し、チャンネル利得の往復性を仮定できるが、本発明はこのことだけに限定されるものではない。

本明細書に提案するパワー制御は、各中継局のための分散成分、相対送信パワーと、すべての中継器に共通する成分、共通する送信パワーの双方を有する。次のように方式が働く。チャンネル推定により、パイロット信号を送るために使用されるパワーの知識をもって各中継局は送信機および受信機にそれぞれ向かうそれぞれのパス利得を決定できるし、更に同時に干渉レベルおよびノイズレベルも推定できる。パス利得の測定値およびＰ_ＲＳおよびσ^２ _ＭＳに関する情報に基づき、Γ_ＭＳ，ｋを決定することができる。

可能な場合にはパス利得、干渉推定値によるノイズおよびＰ_ＢＳの知識、すなわち単に受信された信号における直接ＳＮＲ測定値に基づいて、中継局におけるＳＮＲ、すなわちΓ_ＲＳ，ｋも決定できる。これに基づき、完全に分散した態様で各中継局において相対的送信パワーレベルを決定できる。しかしながら、集団送信パワーが集団送信パワーＰ_ＲＳに等しいか、または少なくとも近似することを保証するために、各相対送信パワーレベルを正規化ファクターφでスケーリングする必要がある。このことは、共通パワー制御の部分である。φが過度に小さい場合、最適なＰ_ＲＳよりも大きいパワーを送り、従って投資する送信パワーに対してより最適な相対パワー割り当て量が存在する。φが過度に大きい場合でもこのことは有効である。従って、意図するパワーＰ_ＲＳが中継器による集団送信パワーレベルとなるように最適リソースの投資が、φを制御することが重要である。注意として、φが有効ＳＮＲを改善するだけの値と同じように多少小さい場合、性能の見地からこのことは重要な問題ではない。その理由は、受信機の内部ノイズの相対的な影響が小さくなるからである。

次に、図５に示された論理アーキテクチャを参照すると、共通送信パラメータである正規化ファクターを決定するだけでなく、これを受信機から配信することも好ましい。このことは、論理アーキテクチャとして見なすべきである。すべての制御情報を送信機へ転送し、次に制御情報を、例えば中継局へ再配信することも可能であるからである。受信機２２０と中継局２１５：ｋとの間の第１制御ループ５０５は、中継局にＰ_ＲＳを提供するが、一方、受信機２２０から送信機２１０への第２制御ループ５１０は送信機にＰ_ＢＳを提供する。オプションとして送信機がセルラーシステム内のバックボーン接続された基地局が有するものと同様な協動ＴＸ−ＲＳ−ＲＸリンクの多くのグループを含む全無線システムの良好な見通しを有する場合、送信機は全システムを最適化を促進する追加的特徴を含むことができる。

次に、受信機における制御ループを実現する１つの方法について説明し、Ｐ_ＢＳが固定されている（または低速で制御される）と仮定する。ｎで表示される時間で行われる送信から受信機は当該コヒーレントに組み合わされた信号のパワーＣ_ｒ、受信機で測定された中継器によって誘発されたノイズＮ_ｒおよび受信機内の内部ノイズＮ_ｉを測定する。これら値および条件化されたΓ０に基づき、受信機はＰ^{（ｎ＋１）} _ＲＳおよび正規化ファクターの更新値φ^{（ｎ＋１）}を決定する。このことは、次のように目的関数によるマッピングとして記載できる。

次に受信機はマルチキャスト制御メッセージを通してすべての中継器に更新値Ｐ^{（ｎ＋１）} _ＲＳおよびφ^{（ｎ＋１）}を配信する。このアイデアを示すためにＰＲＳは前の送信から固定されたままであるが、正規化ファクターを適用化すべきであると仮定する。「分析式の誘導」なる章では、最適な正規化をするには次の式に従って受信された信号Ｃ_ｒと総受信ノイズ、干渉ノイズと受信機の内部ノイズＮ_ｒ＋Ｎ_ｉとのバランスが必要であることを示した。

受信機によって既知となっている前の正規化ファクターφ^（ｎ）および式をバランスさせるために必要である更新値φ^{（ｎ＋１）}を含むことにより関係式は次のようになる。

この関係式は簡単な二次式を解くことによってφ^{（ｎ＋１）}を生じさせる。Ｐ_ＲＳとφの双方を更新しなければならない場合、測定された信号レベルと共に上記バランスの方程式、受信機のＳＮＲ、Γの関係を使用し、Ｐ_ＲＳおよびφを解くことができる。線形技術、例えばテーラー展開および微分をこの目的のために使用し、ΔＰ_ＲＳおよびΔφを解くことが望ましい。

最初の送信に対し、正規化ファクターはアプリオリに与えられていないことに留意されたい。パワーを迅速に適合させるためには異なる戦略をとることができる。例えば中継器はΓ_０について知り、それらの（コヒーレントな組み合わせの）ＳＮＲの寄与分を決定することもできるので、まず各中継器によって送信パワーの上限を最初に決定できる。各中継器があるファクターで上限より下に留まる場合、制御ループによりパワーを逐次ランプ関数に従って増加することができるので、進行中の通信が急に妨害されることはない。これによって他の通信局のための制御ループが分散かつ制御された態様で新しい干渉ソースに適合できるようになる。

任意の中継器内で送信パワーの限界が生じた場合でも、パワー制御ループはすべての条件下でＳＮＲを最大化することを保証する。

正規化ファクターを決定するための可能な、より正確な別の方法は、各中継器における｜ａ_ｋ｜の項を決定し、次にこれを受信機へ送り、受信機にてΣ｜ａ_ｋ｜^２を計算し、よって正規化ファクターφを発生する。その後、前の実施例と同じようにすべての中継器にφを配信する。信号量を小さくし、すべての中継器のサブセットだけをサンプリングすることにより、すなわち最も重要な中継器の一部をサンプリングし、Σ｜ａ_ｋ｜^２の項の十分良好な推定値を発生することにより、許容できるレベルでこの信号量を維持する。このことは、本発明固有の大きなダイバーシティ利得に起因し、フェージングチャンネルにおいてもΣ｜ａ_ｋ｜^２の項が短い時間にわたって一般に大きく変化しないような動機とされる。

コヒーレントな組み合わせに関連してパワー制御について説明したが、他のタイプの中継協動方式、例えば種々の中継器によって誘導される送信ダイバーシティ、例えばアラモッチダイバーシティにおけるパワー制御のためにこのフレームワークを適用することもできる。このフレームワークはパワー制御が送信機のパワーと、個々の中継器のパワーと、中継器の集団パワーとの組み合わせを検討するという点で類似している。中継器によって誘導される送信ダイバーシティの別の例として、（周期的／線形）遅延ダイバーシティがある。各中継器は中継された信号に対してランダムまたは制御された線形（または周期的）遅延を加えるので、人工的な周波数の選択性が生じ得る。遅延ダイバーシティはＣＤＭＡおよびＯＦＤＭに基づく通信から周知の送信ダイバーシティとなっている。

この章を要約するために、本発明は現実的なチャンネルにおけるコヒーレントな組み合わせに基づく協動中継のための性能の最適化を保証するための原理として、特に集団中継送信パワー制限のもとで信号対ノイズ比を最適にするための原理として、パワー制御を制御することを示唆する。このパワー制御原理はコヒーレントな組み合わせに基づく協動中継ネットワークに限定されず、また他の協動中継指向ネットワークは、同じ原理を使用できるが、使用される方式に対して最適目標が最も適す。更にリンク１およびリンク２の双方を通したチャンネルサウンディングおよび利得パラメータの推定に基づくプロトコルのための基本特徴が示唆される。低い複雑性、低い信号オーバーヘッドおよび少ない総電力消費量に基づく（位相制御との共通性を有する）プロトコル設計のための妥当な設計の選択肢についても概略を述べた。特に中継および送信機のパワー制御を含むパワー制御ループの組み合わせを使用できることが示された。最後に、各中継器におけるだけでなく、共通パワー制御部分にもおける分散型パワー制御決定で中継器のための制御ループを構築でき、この場合、中継器の全体の組を共同して制御することが実証された。

図６のフローチャートには本発明の方法および効率的なパワー制御および位相制御のためのアーキテクチャを使用する実施例のメインステップが示されている。この方法は次のステップを含む。

６００： 送信機２１０’から中継局２１５：ｋにリンク１のｋ個のパス上でパイロット信号を送る。
６１０： 各中継局２１５：ｋがリンク１のｋ個のチャンネルｈ_１，ｋを推定する；更にΓ_ＲＳｋを計算するために干渉およびノイズレベルも推定する。
６２０： 受信機２２０’から中継局２１５：ｋにリンク２のｋ個のパス上でパイロット信号を送る。
６３０： 各中継局２１５：ｋがリンク２のｋ個のチャンネルからのそれぞれのチャンネルｈ_２，ｋを推定する。
６４０： 各チャンネル２１５：ｋがチャンネル推定値に基づき、相対的送信パラメータを決定する。
６５０： 受信機２２０’が正規化ファクターφを決定する。
６６０： 受信機２２０’が受信機２２０’が中継局２１５：ｋへ正規化ファクターφ，Ｐ_ＲＳおよびσ^２ _ＲＳを一斉送信する。
６７０： 信号ｙｋの受信時に各中継局２１５：ｋが一斉送信されたφ，Ｐ_ＲＳおよび局部的に決定されたΓ_ＭＳ，ｋおよびΓ_ＲＳ，ｋ、およびチャンネル推定値ｈ_１，ｋ、ｈ_２，ｋの位相を使って次の信号を送る。

ここで、パラメータΓ_ＲＳ，ｋは、チャンネル推定値Ｐ_ＢＳおよびσ^２ _ＲＳに基づいて計算され、パラメータΓ_ＭＳ，ｋはＰＲＳおよびσ^２ _ＭＳに基づいて計算される。

受信機への最初の送信を検討すると、（パワーループが将来のリンクの質について知ることなく）例えば中継器はφｋ＝ｃ・｜ａ_ｋ｜^２となるように、受信した正規化ファクターφを変更し、その上限を定めることができる。ここで、ｃ≦１は受信機から送られるか、またはアプリオリに公知である。
６７５： 受信機２２０’は制御情報を送信機２１０’（Ｐ_ＢＳ）へフィードバックする。

ステップ６６０で表示される第１制御ループは更に次のサブステップを含むことができる。
６６０：１ 受信機は時間ｎで受信された信号の質、またはより詳細にはコヒーレントに組み合わされた信号のパワーＣ_ｒ、受信機で測定される中継器で誘導されるノイズＮ_ｒおよび受信機における内部ノイズＮ_ｉを測定する。

６６０：２ 受信機はステップ６７５：１の測定に基づき、更に所望するΓ_０ターゲットに条件下されて、正規化ファクターφ^{（ｎ＋１）}および集団中継器パワーＰ^{（ｎ＋１）} _ＲＳのうちの少なくとも１つの更新値を決定する。

６６０：３ 受信機はマルチキャスト制御メッセージを通してすべての中継器に更新値Ｐ^{（ｎ＋１）} _ＲＳおよびφ^{（ｎ＋１）}を配信する。

同様に、ステップ６７５で表示された第２制御ループはオプションとして６７５：１を含むことができる。受信機は送信機（ＢＳ）のパワーＰ^{（ｎ＋１）} _ＢＳを更新する。

これとは異なり、中継局によって推定および計算を行うべきでない場合、例えば受信機内の中心機能にパイロット信号の未処理の結果が転送され、各中継局に対応する送信パラメータが送信される。

中継局起動制御
本発明の方法およびアーキテクチャは通信設定時または通信セッション中に通信内にどの中継局２１５：ｋを含めるかを判断するのに有利に使用できる。一部の中継がリンク（送信機−中継器および中継器−受信機）またはその双方で、悪いＳＮＲ条件を受ける場合、これら中継器は全体のＳＮＲの改善にほとんど寄与しないことがある。更にこれら中継器は受信、送信および信号処理の機能に起因して大きなパワーを消費し得る。また、一部の制御手段によって中継器の干渉の発生をより少ない中継器に局所化させることも重要である。従って、中継器の一部を使用することは無駄であると考えられる。従って、望ましい機能は所定の基準に基づき、中継器を起動することである。かかる基準はリンク、双方のリンクまたは有効なＳＮＲへの寄与分における許容できるＳＮＲのプリセットされた低いスレッショルドとすることができる。この限界は一部のエンティティ、好ましくは受信局は瞬間的な有効ＳＮＲに関する情報を有するので、これらによって適合化でき、制御することもできる。従って、中継器は、受信機から、例えばパワー制御情報およびキャンセル推定シンボルと共に中継器起動ＳＮＲスレッショルドΓ_{Ａｃｔｉｖｅ}を受信でき、このスレッショルドと推定ＳＮＲ寄与分とを比較し、スレッショルドを越えた場合、送信を許可したり、許可しないようにする。この中継器起動ＳＮＲスレッショルドΓ_{Ａｃｔｉｖｅ}は、受信機２２０’が決定することが好ましく、中継器２１５へ配信された共通送信パラメータに対応する。各中継局が（相対的送信パラメータに対応する）局部的パラメータを使用する実際の判断プロセスは、本発明の方法およびアーキテクチャによって提供される態様で中継局へ配信される。送信前に各中継器で実行されるこのテストは、次のように式を定めることができる。

しかしながら、別の中継器ダイバーシティ技術を含む中継方法に応じた他の条件も使用できる。例えば中継起動条件は次の式に従った目的関数ｆ_２としてより一般的に特性を決定することができる。

更にΓ_{Ａｃｔｉｖｅ}を含む一斉送信されたメッセージは、更にフィールドを含むことができ、これらフィールドは含まなければならないか、または単に使用が認められるか、または排除すべきか、もしくはそれらの組み合わせとされる特定の中継器を（指定された中継アドレスを通して）ピンポイントするように使用できる。所定の中継器をアドレス指定する別の方法は、例えばアドレスのレンジに基づくことができ、これによって関係する中継器の数を所望するように制限できる。

上記説明および式（９）から受信機２２０’は、例えばＭＳの移動に起因して微弱になりつつあるＳＮＲを受けると、スレッショルドΓ_{Ａｃｔｉｖｅ}を小さくすることにより、送信パワーを増加することを命令したり、および／またはより多くの中継局２１４を含むように選択できる。その他の通信の質の条件、例えばパケットレートまたはビットエラーレートを受信機で使用し、共通パラメータ、例えばすべての中継パワーのジョイント送信パワースケールの変化をトリガーすることもできる。
下記のようにステップ６５０〜６７０を変更することにより、図６を参照して説明したパワーおよび位相制御アルゴリズム内に中継起動制御を組み込むことができる。

６５０では、受信機２２０’は起動ＳＮＲスレッショルドΓ_{Ａｃｔｉｖｅ}も判断する。
６６０において、受信機２２０’は中継局２１５：ｋにΓ_{Ａｃｔｉｖｅ}も一斉送信する。
６７０にて、各中継局２１５：ｋはまず、例えば式（９）に従い、起動ＳＮＲスレッショルドΓ_{Ａｃｔｉｖｅ}を使って一斉送信するかを判断する。

本発明に係わる方法およびアーキテクチャはこれまで例示したもの以外のトポロジーに適合できる。図５のトポロジーは、例えば図７に示されるように、各中継局に多数のアンテナを含むように変更できる。このようにする利点は全体のアンテナの指向性利得を同様にしたまま、中継局の数を減少できることである。各アンテナのエレメントがコヒーレンス距離よりも大きく分離されている場合、ダイバーシティ利得も得られる。いずれにおいても、このことはほぼ同じ性能を得ながら、コストを低減できる。しかしながら、中継器の数を減らすことはシャドウィングに起因する致命的な影響（すなわち対数の通常のフェージング）があり、これは注意深く実施しなければならない。信号、処理およびプロトコルの見地から、各アンテナを別個の中継局として扱うことができる。しかしながら、このアプローチの別の利点は、内側リソースおよびその他のリソースを共用できることである。更に意図しない受信機への干渉の発生を緩和するように、アンテナ間で中継を内部で潜在的に調整することができる。

更に送信機２１０から受信機２２０へのダイレクト信号をも組み込むことにより通信の質を更に改善できる。送信機からの信号を組み込むための主な方法は少なくとも２つ考え付くことができる。図８は送信機からのダイレクト送信も検討したときのトポロジーを示す。

第１方法では、２つの通信フェーズが必要である。受信機は第１フェーズにおいて送信機から直接受信した信号と、第２フェーズからの中継送信信号とを組み合わせる。このことは、古典的な中継チャンネルにおける受信機をベースとする組み合わせに多少類似するが、コヒーレントな組み合わせに基づく中継である。最大比または干渉除去の組み合わせを使用できる。

第２方法では送信中継指向のコヒーレントな組み合わせ、すなわち１つの通信フェーズしか使用せず、送信機から受信機へのダイレクトな信号と、中継信号とのコヒーレントな組み合わせに対してしか使用しない。このことは、中継器が分離したアンテナを通して同時に中継器が送受信できる場合に可能となり得る。ａ_ｋの位相は次のように、中継された信号とダイレクト信号との整合を保証しなければならない。

ここで、ｈ_{ＢＳ，ＭＳ}は基地局から移動局への複素チャンネルであり、コヒーレントな組み合わせに対してダイレクト信号を組み込んだ結果、中継器はダイレクト信号に対するその位相を適応的に調整しなければならないことになる。これに対して閉ループを使用できる。正規化ファクターのパワー制御と同じように、受信機は次の計算された位相保証から減算するように、デルタ位相θと共に中継局の全グループへ位相制御メッセージを発生する。

基地局が送信によりノイズを誘導しないとき、その送信パワーは中継に必要とされるような最適性能を得るように調整する必要はない。その代わりに、基地局の送信パワーの増加と共に、性能が単調に増加する。しかしながら１つのオプションは総送信パワー、集団中継パワーおよび基地局のパワーを最小にしようとすることである。このためのパラメータ設定は基地局を１つの中継器と見なすような再生中継に関する説明で誘導した設定に類似する。上記のほかに、マルチアンテナを使用する中継の説明と同様に、送信機において多数のアンテナ素子を使用することもできる。

相対送信パラメータおよび共通送信パラメータの誘導は、各サブキャリアを別々に扱うことにより、マルチキャリア送信、例えばＯＦＤＭも直接適用できる。このことは、サブキャリアごとの共通の振幅正規化、位相および分散中継器振幅補償を含む。これを行うために、ＦＦＴ処理−ＩＦＦＴ処理を通る経路を辿るか、または時間ドメインのフィルタリングが可能である。パワー制御はサブキャリアごとの性能を最適にするように、正規化ファクターφおよび中継器のパワー表示Ｐ_ＲＳをベクトルとして送ることができる。より現実的な解決案は、すべてのサブキャリアに作用するスカラーとしてφおよびＰ_ＲＳを送ることである。サブキャリアを最適にする場合、パワー制御は望む通信の質を満たすよう、すべてのサブキャリアを通した総送信パワーを最小にしようとすることができる。これによって、周波数領域に置いてあるダイバーシティ利得が得られる。

ＯＦＤＭの別の特徴は、上記送信−中継指向のコヒーレントな組み合わせのための好ましい選択肢である。この理由は、周期的なプリフィックスによって所定の短い中継転送レイテンシーが認められることであり、この場合、迅速な送信を可能とする時間領域のフィルタを通して位相および振幅が変更される。

単一のキャリア送信、例えばＣＤＭＡのために、周波数選択的なチャンネルを用いる場合、ＯＦＤＭに類似した周波数領域での操作を使用でき、また、オプションとして最も強力な信号パスにて、またはＯＦＤＭで説明したような時間領域のフィルタを用いることにより、位相の整合を実行できる。

コヒーレントな組み合わせを作動させるためには中継局の周波数と共通ソースとを同期化することが重要である。セルラーシステムでは、クロック精度は移動局よりも基地局のほうが一般に良好であるので、ＢＳが自然なソースとなる。この機能はチャンネル間干渉を緩和する、従来のＯＦＤＭ受信機の実現例で実行されているような正式な周波数オフセット補償を利用できる。

しかしながら、中継器が利用できる場合には、周波数の同期化のためにＧＰＳをオプションで利用できる。以上で、主にコヒーレントな組み合わせに関連して本発明について説明したが、本発明はこれだけに限定されるものではない。本発明は、２ホップ（協動）中継のための種々のタイプの現在および予知される方法に適用できる。最も一般的なケースでは、中継器の送信パラメータは第１リンクの通信特性、第２リンクの通信特性またはそれらの組み合わせの機能となる。（コヒーレントな組み合わせに適した）複素チャンネル利得から生じる通信の質について説明したが、（ダイバーシティおよび／または空間マルチプレクス利得を提供する）他の方式を検討するときには、他のリンクの特徴のメトリックスがより適当なものとなり得る。例えばアラモンティダイバーシティに対しては複素チャンネル利得ｈの代わりに、平均パス利得メトリックスＧを使用することがより好ましい。

以上で、現に最も実用的で、かつ好ましい実施例と見なされる実施例に基づき、本発明について説明したが、本発明はここに開示した実施例だけに限定されるものではなく、むしろ逆に、添付した特許請求の範囲に含まれる種々の変形例および均等物をカバーすると理解すべきである。

詳細な誘導
この分析において、任意に位置するＫ個の中継局が存在すると仮定する。各中継局ｋ∈｛1,2,...,K｝は、所望する信号の減衰バージョン、例えば複素ガウス信号ｘ〜Ｎ(0,1)としてモデル化される信号だけでなく、次の式に従ったノイズ＋干渉項ｎ_ＲＳ，ｋから成る信号を受信する。

ここで、ｈ_１，ｋは基地局から中継局ｋまでの複素パス利得であり、Ｐ_ＢＳは基地局の送信パワーである。

中継器ではｙ_ｋは（分析トラクタビリティのための）単位パワーに正規化され、出力ｚ_ｋを発生する複素パワーが乗算される。その後、リンク２を通して受信機へｚ_ｋが送られ、途中、複素パス利得ｈ_２，ｋで減衰される。この場合、他の中継器からの信号が重ねられ、ノイズおよび干渉信号が加算される。

増幅および位相調整前に各中継器が受信したパワー＋ノイズを単位パワーに正規化したと仮定すると、各極ｋが次の送信パワーを使用したとすることにより、分析内に中継送信パワー制限を組み込むことができる。

ここで、Ｐ_ＲＳはすべての中継局の全送信パワーであり、ａ_ｋは中継局ｋに対する正規化されていない複素利得ファクターである。

集団パワー制限された中継送信に対し、受信機（ここでは移動局、すなわちＭＳを仮定）におけるＳＮＲを次のように記載できる。

ここで、σ^２ _ＭＳは移動局におけるノイズ＋干渉レベルである。
コヒーレントな組み合わせのための条件は、信号を位相整合することであり、これは次の式を保証することによって達成できる。

ここでｃ_１は任意の定数である。
コヒーレントな組み合わせの結果生じる有効ＳＮＲの式を次のように書き換えることができる。

ここで、中継局ｋが自らすべての集団中継局送信パワーを使用する場合に、ＳＮＲであるという意味において、Γ_ＭＳ，ｋは仮想的ＳＮＲであることに留意されたい。ＳＮＲの式は次のフォームとなることが理解できよう。

上の式は、次の式

を使用することにより、更に下記の式となる。

次に、分子は次のコーシーシュワルツの不等式によって、上限が定められる。

従って、最適なｂ_ｋの等式が得られるので、その結果、ＳＮＲは次のようになる。

この式は次のようにＳＮＲで好ましく表記できる。

識別により、次の場合に最大のＳＮＲに達することができることが理解できる。

ここで、定数Ｃｏｎｓｔは、好ましく１に設定できる任意の定数である。
パワー制御の見地から分子は最適なＳＮＲに対するデノミネータの平方であると指摘することは興味あることである。従って、この知識はパワー制御の対象として使用できる。
逆変換を使用すると次の式が得られる。

もしくは、ＳＮＲで表記すると次の式が得られる。

ここで、信号ｙ_ｋを受信する中継器は次の式を決定することにより、ｚ_ｋを決定できる。

再生中継の追加
中継局におけるＳＮＲが十分に大きい場合、信号を中継する前に、受信した信号を復号化してもよい。このふるまいをモデル化するために、最小ＳＮＲよりも大きい、Γ_{Ｄｅｃｏｄｅ}が復号化のために十分であるとする。このようにする利点は、致命的なノイズ（および干渉波）の転送をすべて共に防止できることであり、この結果、受信機におけるＳＮＲが更に高まる。しかしながらこの場合、復号化された信号は、次のように、第２ホップのためだけに位相補償しなければならない。すなわち、

前の式における局に対してσ^２ _ＲＳ,ｋ＝０と設定することにより、乗算率｜ａ_ｋ｜の大きさだけでなく、ＳＮＲの寄与分も誘導できる。ノイズのない（再生）送信と、ノイズのある（非再生）送信との双方の組み合わせは次のようなフォームとなる。

Γ_ＲＳ，ｋ＜Γ_{Ｄｅｃｏｄｅ}は再生中継と非再生中継とが組み合わされたシナリオにおける性能を評価するのに有効なモデルにすぎないことに留意されたい。実際には、Γ_ＲＳ，ｋ＜Γ_{Ｄｅｃｏｄｅ}に対応する上記式は非再生的に信号が転送されないときに使用され、Γ_ＲＳ，ｋ＞Γ_{Ｄｅｃｏｄｅ}に対応する下記の式は信号が再生的に転送されないときに使用される。

参考文献
［１］ Ｊ.Ｎ.レインマン著、「無線ネットワークにおける協動ダイバーシティ：アルゴリズムおよびアーキテクチャ」、博士論文、マサチューセッツ工科大学、マサチューセッツ州ケンブリッジ、２００２年８月＜論文＞
［２］ Ｊ.Ｎ.レインマンおよびＧ.Ｗ.ウォーネル著、「無線アドホックネットワークにおける分散型空間ダイバーシティを実現するための効率的なプロトコル」、高度通信および情報配信に関するＡＲＬ連邦研究所シンポジウム議事録（ＡＴＩＲＰ−２００１年）、（メリーランド州カレッジパーク）、２００１年３月＜レポート＞
［３］ Ｊ.Ｎ.レインマンおよびＧ.Ｗ.ウォーネル著、「無線ネットワークのためのエネルギー効率の良好なアンテナの共用および中継」、ＩＥＥＥ無線通信およびネットワーク会議議事録（ＷＣＮＣ−２０００年）（イリノイ州シカゴ）２０００年９月
［４］ Ｂ.シャインおよびＲ.ガラガー著、「ガウス並行中継ネットワーク」、情報理論に関するＩＥＥＥ国際シンポジウム、ＩＳＩＴ２０００、イタリア・ソレント、２０００年６月２５日〜３０日
［５］ Ｂ.シャイン著、「ネットワーク情報理論における分散調整」博士論文、６４〜６８ページ、ＭＩＴ、マサチューセッツ州ケンブリッジ、２００１年８月、リップマン、ブレッタス
［６］ Ｔ.Ｍ.カバーおよびＡ.Ａ.エル ガマル著、「リレーチャンネルのための容量理論」、情報理論に関するＩＥＥＥトランザクション、第２５巻、第５号、５７２〜５８４ページ、１９７９年９月
［７］ Ｅ.Ｖ.Ｄ.ミューレン著、「３ターミナル通信チャンネル」、応用確率における進歩、第３巻１２０〜１５４ページ、１９７１年
［８］ Ａ.センドナリス、Ｅ.エルキップ、Ｂ.アーザング著、「セル内のユーザーの協動によるＣＤＭＡセル容量の増加」、電気およびコンピュータ工学部、ライス大学、ポスタータイトル、１９９７年１１月１１日
［９］ Ｍ.ドーラー、Ｅ.レフラン、Ｈ.アフバミ著、「将来の無線移動通信システムのための仮想アンテナアレイ」、ＩＣＴ２００２、２００２年６月
［１０］ Ｇ.Ｗ.ウォーネル、Ｖ.プアー著、「無線通信：信号処理の概観」（プレンティスホール出版、信号処理シリーズ）プレンティスホール社：初版（１９９８年４月）

協動中継を利用する従来技術のトポロジーの略図である。 協動中継を利用する従来技術のトポロジーの略図である。 協動中継を利用する従来技術のトポロジーの略図である。 協動中継を利用する従来技術のトポロジーの略図である。 協動中継を利用する従来技術のトポロジーの略図である。 協動中継を利用する従来技術のトポロジーの略図である。 協動中継を利用する従来技術のトポロジーの略図である。 本発明に係わる協動中継を利用するセルラーシステムを略図で示す。 本発明で使用されるパラメータおよび用語を説明するために使用される略式モデルである。 本発明に係わる方法のフローチャートである。 本発明に係わる協動中継ネットワークのための２つの別の論理アーキテクチャのうちの１つの略図である。 本発明に係わる協動中継ネットワークのための２つの別の論理アーキテクチャのうちの他方の略図である。 本発明に係わる方法の一実施例のフローチャートである。 マルチアンテナと共に中継局を利用する本発明の別の実施例の略図である。 送信機と受信機との間でダイレクト通信を利用する本発明の別の実施例の略図である。

Claims (19)

1. 送信機（２１０）と、受信機（２２０）と、少なくとも１つの中継局（２１５）とが１回の通信セッションに関与し、前記中継局（２１５）が前記送信機（２１０）と前記中継局（２１５）との間の第１リンクから前記中継局（２１５）と前記受信機（２２０）との間の第２リンクへ信号を転送する２ホップ無線通信ネットワークにおいて通信を実行する方法であって、
   前記少なくとも１つの中継局（２１５）によって実行される前記転送が、前記第１リンクおよび前記第２リンクの双方の推定される無線チャンネル特性に対する応答として適合化され、
   前記通信セッションが複数の中継局（２１５）に関係し、それぞれの転送が各中継局に固有の相対的送信パラメータおよびすべての中継局に共通する共通送信パラメータに基づいて適合化される
   ことを特徴とする方法。
2. パイロット信号を使用することにより、前記第１リンクおよび前記第２リンクの無線パスの特性を決定するステップ（４１０、４３０）と、
   前記第１リンクおよび前記第２リンクの各中継局のパスのチャンネル推定値の双方に少なくとも部分的に基づき、少なくとも１つの相対的送信パラメータを決定するステップ（４４０）と、
   少なくとも１つの共通送信パラメータを決定するステップ（４４５）と、
   少なくとも前記共通送信パラメータをすべての中継局へ配信するステップと、
   前記第２リンクにて前記第１リンクからの信号を転送するステップ（４５０；４５０’）とを備え、
   各中継局の相対的送信パラメータおよび共通送信パラメータに基づき、転送された信号が適合化されることを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 送信された信号の前記適合化が位相の調整を含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
4. 送信された信号の前記適合化が送信パワーの調整を含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
5. 送信された信号の前記適合化が送信パワーおよび位相の調整を含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
6. 送信された信号の前記適合化がダイバーシティに関係するパラメータの調整を含むことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の方法。
7. 送信された信号の前記適合化が遅延ダイバーシティに関係するパラメータの調整を含むことを特徴とする請求項６記載の方法。
8. 送信された信号の前記適合化が時空間符号化されたダイバーシティに関係するパラメータの調整を含むことを特徴とする請求項６記載の方法。
9. 前記第２リンク上でのその後の送信に適合するよう、中継局のそれぞれの相対的送信パラメータおよび共通送信パラメータを使用する前記ステップが、信号ｙ_kの受信時に、信号
   

   

   （ここで、パラメータΓ_RS,kおよびΓ_MS,kはチャンネル推定値ｈ_1,kおよびｈ_2,kに基づく局部的に決定された相対的送信パラメータであり、Ｐ_BSは送信機の送信パワーであり、σ² _RSは中継局におけるノイズおよび干渉レベルであり、Ｐ_RSはすべての中継局からの集団送信パワーであり、σ² _MSは各受信機におけるノイズレベルであり、正規化ファクターφは受信機（２２０’）が受ける通信全体の品質に基づく共通パラメータである）を送信すること（６７０）を含むことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の方法。
10. 送信機（２１０）と、受信機（２２０）と、少なくとも１つの中継局（２１５）とを備え、前記中継局（２１５）が前記送信機（２１０）と前記中継局（２１５）との間の第１リンクから前記中継局（２１５）と前記受信機（２２０）との間の第２リンクへの信号の転送に適合化された２ホップ無線通信ネットワークにおいて使用されるように適合された中継局（２１５）であって、
    前記第１リンクと前記第２リンクの双方の無線チャンネル特性に基づいて前記転送を適合化する手段（２１８）と、
    チャンネルの特性の決定を実行するための手段（２１６）と、
    前記チャンネルの特性の決定に基づき、各中継局に固有の相対的送信パラメータを決定するための手段（２１７）とを備え、
    前記転送が前記相対的送信パラメータに少なくとも部分的に基づくことを特徴とする中継局（２１５）。
11. すべての中継局に共通する共通送信パラメータを受信するための手段を更に備え、
    前記転送が前記相対的送信パラメータおよび前記共通送信パラメータに少なくとも部分的に基づくことを特徴とする請求項１０記載の中継局。
12. 送信機（２１０）と、受信機（２２０）と、少なくとも１つの中継局（２１５）とを備え、前記中継局（２１５）が前記送信機（２１０）と前記中継局（２１５）との間の第１リンクから前記中継局（２１５）と前記受信機（２２０）との間の第２リンクへの信号の転送に適合化された２ホップ無線通信ネットワークにおいて通信するように適合されたシステムであって、
    前記中継局（２１５）は前記第２リンクにおける転送のために前記第１リンクおよび前記第２リンクの双方の無線チャネル特性を使用し、
    前記中継局（２１５）は、チャンネルの特性の決定を実行するための手段（２１６）と、前記チャンネルの特性の決定に基づき、各中継局に固有の相対的送信パラメータを決定するための手段（２１７）とを備え、
    前記転送が前記相対的送信パラメータに少なくとも部分的に基づくことを特徴とするシステム。
13. 前記システムは前記送信機（２１０’）と前記受信機（２２０’）との間の通信全体の品質に基づいてすべての中継局に共通する共通送信パラメータを決定するための手段を備え、
    前記中継局（２１５）は共通送信パラメータを受信するための手段を更に備え、
    前記第２リンクでの転送が前記相対的送信パラメータおよび前記共通送信パラメータに少なくとも部分的に基づくことを特徴とする請求項１２記載のシステム。
14. 送信機（２１０）と、受信機（２２０）と、少なくとも１つの中継局（２１５）とを備え、前記中継局（２１５）が前記送信機（２１０）と前記中継局（２１５）との間の第１リンクから前記中継局（２１５）と前記受信機（２２０）との間の第２リンクへの信号の転送に適合化された２ホップ無線通信ネットワークにおいて使用されるように適合された受信機（２２０’）であって、
    少なくとも前記第１リンクの特性の決定に基づいて各中継局に固有の少なくとも１つの相対的送信パラメータを決定するための手段と、
    前記相対的送信パラメータを前記中継局へ配信するための手段と
    を備えることを特徴とする受信機（２２０’）。
15. 前記決定手段が通信セッションに関与している中継局（２１５）の各々に対して１つずつ複数の相対的送信パラメータを決定するように適合されたことを特徴とする請求項１４記載の受信機（２２０’）。
16. 前記相対的送信パラメータが前記第１リンクおよび前記第２リンクの双方の特性の決定に基づくことを特徴とする請求項１４または１５記載の受信機（２２０’）。
17. 前記送信機（２１０’）と前記受信機（２２０’）との間の通信全体の品質に基づいてすべての中継局に共通する共通送信パラメータを決定するための手段を更に備えることを特徴とする請求項１４乃至１６のいずれか１項に記載の受信機（２２０’）。
18. 請求項１４乃至１７のいずれか１項に記載の受信機（２２０’）を備え、２ホップ無線通信ネットワークで使用するように適合された基地局（２１０）。
19. 請求項１４乃至１７のいずれか１項に記載の受信機（２２０’）を備え、２ホップ無線通信ネットワークで使用するように適合された移動局（２２０）。

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