JP5149111B2 - 無線中継装置及び無線中継方法 - Google Patents
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Description
前記送信装置及び当該無線中継装置間の無線チャネル特性を表す前方チャネル行列H1と、当該無線中継装置自身の送信及び受信に起因して前記中継信号に及ぶ干渉を表す回り込みチャネル行列Gとを少なくとも推定するチャネル推定部と、
当該無線中継装置及び前記受信装置間の無線チャネル特性を表す後方チャネル行列H2と、前記前方チャネル行列H1と、前記回り込みチャネル行列Gとを利用して繰り返し処理を行い、少なくともキャンセル行列Cを導出するウェイト最適化部と、
主信号経路の中継信号に、フィードバック経路で前記キャンセル行列Cにより重み付けされた信号を加え、該中継信号を修正するフィードバック補償部と、
を有する無線中継装置である。
1.1 無線通信システムの構成
1.2 無線通信装置のモデルブロック
1.3 無線中継装置
1.4 行列の最適化
1.5 総送信電力の制御
1.6 作用及び効果
2.第2の実施例(F∝I,W≠I)
2.1 無線中継装置
2.2 行列の最適化
2.3 総送信電力の制御
2.4 作用及び効果
3.第3の実施例(一般的なF,W=I)
3.1 無線中継装置
3.2 行列の最適化
3.3 総送信電力の制御
3.4 作用及び効果
4.第4の実施例(一般的なF,W≠I)
4.1 無線中継装置
4.2 行列の最適化
4.3 総送信電力の制御
4.4 作用及び効果
5.第5の実施例
本願では或る量がベクトルや行列であることを強調するため、それを表す文字が太字で表現される場合がある。しかしながら混乱のおそれがなければ、太字でない文字がベクトルや行列を表現する場合もあることに留意を要する。
図2は、本発明の実施例に係る無線通信装置のモデルブロックを示す図である。無線通信装置BS10は、データストリームであるM次元の送信信号ベクトルxを、プリコーディング部12においてプリコーディング行列Fを乗算した後に送信する。ここで、xは成分数又は要素数がMのベクトルで表現され、各要素はMS1〜MSMへ送信する送信シンボルを表す。無線通信装置BS10から送信された信号は、H1のチャネル特性を持つ無線リンク40を介して、無線通信装置RS20で受信される。その際、Gで示されるチャネル特性を持つ無線リンク60によって干渉信号(回り込み干渉信号)も受信される。
図3を参照しながら、本実施例に係る一つの無線中継システムにおける無線中継機能を持つ無線通信装置RS20の機能構成について説明する。図3には、受信アンテナ21と、送信アンテナ22と、回り込み干渉除去及びアンテナ間・ユーザ間干渉抑圧を目的とするキャンセリング部23と、最適重み行列計算部251と、チャネル推定部26と、送信電力制御部27とが示されている。
(1.4 行列の最適化)
次に、本発明の第1実施例に係る無線中継機能を持つ無線通信装置RS20において、フィードバック型のキャンセル行列Cを最適化する手法について説明する。第1実施例においては、無線基地局機能を持つ無線通信装置BS10は、プリコーディング行列Fを用いたフィードフォーワード型のプリコーディングを行わないものとする。つまり、無線通信装置BS10でのプリコーディング行列Fを√(P0/M)Iとする。ただし、P0は無線基地局機能を持つ無線通信装置BS10での総送信電力である。Iは単位行列である。このとき、図2に示される基地局機能を持つ無線通信装置BS10は、送信信号ベクトルxの各要素を、各送信アンテナから送信することになる。
tr{E[(Wv)(Wv)H]}=Pr
を表し、無線中継機能を持つ無線通信装置RS20の総送信電力がPrとなることを求める拘束条件を表す。
図4のアルゴリズムで算出された重み行列Cを用いて、キャンセリング部23は中継する信号を修正する。修正後の信号vには、
√(Pr/Pr,pro) ・・・(14)
の値が乗算される。式(14)の値を乗算することにより、無線中継機能を持つ無線通信装置RS20の総送信電力はPrに制限される。ただし、Pr,proは送信電力制御を行う前の電力であり、次式(15)で表すことができる。
図5は、本実施例に係る中継機能を持つ無線通信装置RS20の機能構成を示す。無線通信装置RS20は、第1実施例と同様に、受信アンテナ21と、送信アンテナ22と、回り込み干渉除去を目的とするキャンセリング部23と、最適重み行列計算部252と、チャネル推定部26と、送信電力制御部27とを有する。第1実施例とは異なり、無線通信装置RS20はアンテナ間干渉及びユーザ間干渉の抑圧を主目的とするウェイティング部24を更に有する(そのような目的は厳密な意味ではなく、実際には行列C,Wの双方で干渉の抑圧が行われる。)。受信アンテナ21、送信アンテナ22、キャンセリング部23、チャネル推定部26、及び送信電力制御部27については、上述した第1実施例と同様であり、説明を省略する。
次に、本発明の第2実施例に係る無線中継機能を持つ無線通信装置RS20において、キャンセル行列C及び重み行列Wを共に最適化する手法について説明する。上述したように、本実施例でも、基地局である無線通信装置BS10におけるプリコーディングは行われない。つまり、無線通信装置BS10でのプリコーディング行列Fは√(P0/M)Iである。しかしながら、以下の説明においては、一般的な数式が先ず導出され、その後にプリコーディング行列Fの具体的表現が代入されるようにする。
図6のアルゴリズムで算出された重み行列Cを用いて、キャンセリング部23は中継する信号を修正する。この修正後の信号vに対して、重み行列Wによる重み付けが、ウェイティング部24で行われる。ウェイティング部24からの出力は、送信電力制御部27による送信電力制御の下に送信される。送信電力制御については、上述した第1実施例と同様であり、説明を省略する。
以上説明したように無線通信装置RS20では、チャネル行列H1,H2,Gが互いに関連するようなモデルブロック(図2)が想定され、キャンセル行列Cだけでなく重み行列Wも相互に関連しながら最適化されるので、システム全体のビット誤り率特性を更に改善できる。また、無線中継機能を持つ無線通信装置RS20において総送信電力の制御を行うことにより、無線通信装置RS20において許容される最大送信電力での信号送信が可能となるため、ビット誤り率特性の更なる改善が期待できる。
図7は、本実施例に係る中継機能を持つ無線通信装置RS20の機能構成を示す。無線通信装置RS20は、第1実施例と同様に、受信アンテナ21と、送信アンテナ22と、回り込み干渉除去及びアンテナ間・ユーザ間干渉抑圧を目的とするキャンセリング部23と、最適重み行列計算部253と、チャネル推定部26と、送信電力制御部27とを有する。第1実施例とは異なり、無線通信装置RS20は、重み行列通知部28を有する。受信アンテナ21、送信アンテナ22、キャンセリング部23、チャネル推定部26、及び送信電力制御部27については、上述した第1実施例と同様であるので、説明を省略する。
次に、本発明の第3実施例に係る無線中継機能を持つ無線通信装置RS20において、キャンセル行列C及びプリコーディング行列Fを共に最適化する手法について説明する。キャンセル行列C及びプリコーディング行列Fの結合的な算出手法は、受信誤り率を最小とすることを目的とし、式(20)のように表すことができる。
図8のアルゴリズムで算出された重み行列Cを用いて、キャンセリング部23は中継する信号を修正する。修正後の信号は、送信電力制御部27による電力制御の下で送信される。送信電力制御については第1実施例と同様であり、説明を省略する。
ただし、P0,proは総合送信電力制御を行う前の電力であり、式(25)で表すことができる。
(3.4 作用及び効果)
以上説明したように無線通信装置RS20では、チャネル行列H1,H2,Gが互いに関連するモデルブロック(図2)が想定され、キャンセル行列Cだけでなく、プリコーディング行列Fも相互に関連しながら最適化されるので、システム全体のビット誤り率特性を更に改善できる。また、無線通信装置BS10及びRS20において総送信電力の制御を行うことにより、無線通信装置BS10及びRS20それぞれにおいて許容される最大送信電力で信号を送信できるようになり、ビット誤り率特性の更なる改善を図ることができる。
図9は、本実施例に係る無線中継機能を持つ無線通信装置RS20の構成を示す。無線通信装置RS20は、第1実施例と同様に、受信アンテナ21と、送信アンテナ22と、回り込み干渉除去を目的とするキャンセリング部23と、最適重み行列計算部254と、チャネル推定部26と、送信電力制御部27とを有する。無線通信装置RS20は、第1実施例とは異なり、アンテナ間・ユーザ間干渉抑圧を目的とするウェイティング部24と、重み行列通知部28とを有する。
次に、本発明の第4実施例に係る無線中継機能を持つ無線通信装置RS20において、キャンセル行列C、重み行列W及びプリコーディング行列Fを共に最適化する手法について説明する。第1実施例と同様に、最適化の手法は、受信誤り率を最小とすることを目的とし、式(26)のように表すことができる。
図10のアルゴリズムで算出された重み行列C,F,Wを用いて、無線通信装置RS20で中継される信号は説明済みの方法で修正され、送信電力制御部27により制御された電力(総送信電力)で送信される。無線通信装置BS10におけるプリコーディング部12の出力に対しても総送信電力は制御される。無線通信装置RS20における総送信電力の制御については、上述した第1実施例と同様であり、説明を省略する。また、無線通信装置BS10における総送信電力の制御については、上述した第3実施例と同様であり、説明を省略する。
以上説明したように、無線中継機能を持つ無線通信装置RS20において、チャネル行列H1,H2,Gが互いに関連するようなモデルブロック(図2)が想定され、キャンセル行列Cだけでなく、重み行列Wもプリコーディング行列Fも相互に関連しながら最適化されるので、システム全体のビット誤り率特性は顕著に改善される。また、無線通信装置BS10及びRS20において総送信電力の制御を行うことにより、無線通信装置BS10及びRS20それぞれにおいて許容される最大送信電力を用いて信号を送信することが可能になり、ビット誤り率特性を更に改善できる。
BS 無線基地局
RS 無線中継装置
MS 移動端末
21 受信アンテナ
22 送信アンテナ
23 キャンセリング部
24 ウェイティング部
251/252/253/254 最適重み行列計算部
26 チャネル推定部
27 送信電力制御部
28 重み行列通知部
Claims (9)
- 送信装置からの信号を複数の受信アンテナを介して受信し、該信号から導出した中継信号を複数の送信アンテナから受信装置に送信する無線中継装置であって、
前記送信装置及び当該無線中継装置間の無線チャネル特性を表す前方チャネル行列H1と、当該無線中継装置自身の送信及び受信に起因して前記中継信号に及ぶ干渉を表す回り込みチャネル行列Gとを少なくとも推定するチャネル推定部と、
当該無線中継装置及び前記受信装置間の無線チャネル特性を表す後方チャネル行列H2と、前記前方チャネル行列H1と、前記回り込みチャネル行列Gとを利用して繰り返し処理を行い、少なくともキャンセル行列Cを導出するウェイト最適化部と、
主信号経路の中継信号に、フィードバック経路で前記キャンセル行列Cにより重み付けされた信号を加え、該中継信号を修正するフィードバック補償部と、
前記送信装置でのプリコーディングに使用されるプリコーディング行列Fを、前記送信装置に通知する通知部と
を有し、前記ウェイト最適化部は、前記前方チャネル行列H 1 と、前記後方チャネル行列H 2 と、前記回り込みチャネル行列Gとを利用して繰り返し処理を行い、少なくともキャンセル行列C及び前記プリコーディング行列Fを導出する、無線中継装置。 - 前記送信装置からの平均的な総送信電力が所定値P0になり、前記受信装置に対する平均的な総送信電力が所定値Prになることを求める拘束条件の下で、前記送信装置から送信された信号yと前記受信装置で受信された信号xとの平均的な誤差が小さくなるように、少なくとも前記キャンセル行列C及び前記プリコーディング行列Fを反復的に更新することで、前記ウェイト最適化部は前記繰り返し処理を行う
ようにした請求項1記載の無線中継装置。 - 更新前の第1,第2ラグランジュ乗数μ1,μ2及びプリコーディング行列Fを用いて次式に従ってキャンセル行列Cが更新され、
更新後のキャンセル行列C、更新前のプリコーディング行列F及び第1ラグランジュ乗数μ1を用いて次式に従って第2ラグランジュ乗数μ2が更新され、
更新後のキャンセル行列C、更新前のプリコーディング行列F及び更新後の第2ラグランジュ乗数μ2を用いて次式に従って第1ラグランジュ乗数μ1が更新され、
更新後のキャンセル行列C、第1及び第2ラグランジュ乗数μ1,μ2を用いて次式に従ってプリコーディング行列Fが更新され、
C={[H1FFHH1 H+σ1 2I] [H2 HFHH1 H]-1 [H2 HH2+μI]+G}W−I,
F={[W(I+C−GW)-1H1]H [H2 HH2+μ2I] W(I+C−GW)-1H1+μ1I]}-1・[H2 W(I+C−GW)-1H1]H
μ1=tr{U1}/P0,
U1=[W(I+C−GW)-1H1]HH2 H [I−H2W(I+C−GW)-1H1F]FH−μ2[W(I+C−GW)-1H1]H [W(I+C−GW)-1H1]FFH,
μ2=tr{U2}/Pr,
U2=H2 H[I−H2W(I+C−GW)-1H1F][W(I+C−GW)-1H1F]H−σ1 2H2 HH2[W(I+C−GW)-1][ W(I+C−GW)-1]H,
H1は前記前方チャネル行列を表し、
H2は前記後方チャネル行列を表し、
Gは前記回り込みチャネル行列を表し、
Cは前記キャンセル行列を表し、
Fは前記プリコーディング行列を表し、
Wは前記ウェイト行列を表し、
Iは単位行列を表し、
μ1,μ2は前記第1,第2ラグランジュ乗数を表し、
P0は前記送信装置に対する平均的な総送信電力を表し、
Prは前記総送信電力に対する前記所定値を表し、
σ1 2は熱雑音電力を表す
ようにした請求項2記載の無線中継装置。 - 送信装置からの信号を複数の受信アンテナを介して受信し、該信号から導出した中継信号を複数の送信アンテナから受信装置に送信する無線中継装置であって、
前記送信装置及び当該無線中継装置間の無線チャネル特性を表す前方チャネル行列H1と、当該無線中継装置自身の送信及び受信に起因して前記中継信号に及ぶ干渉を表す回り込みチャネル行列Gとを少なくとも推定するチャネル推定部と、
当該無線中継装置及び前記受信装置間の無線チャネル特性を表す後方チャネル行列H2と、前記前方チャネル行列H1と、前記回り込みチャネル行列Gとを利用して繰り返し処理を行い、少なくともキャンセル行列Cを導出するウェイト最適化部と、
主信号経路の中継信号に、フィードバック経路で前記キャンセル行列Cにより重み付けされた信号を加え、該中継信号を修正するフィードバック補償部と、
前記主信号経路の中継信号にウェイト行列Wによる重み付けを行い、該中継信号を修正するフィードフォーワード補償部と、
前記送信装置でのプリコーディングに使用されるプリコーディング行列Fを、前記送信装置に通知する通知部と
を有し、前記ウェイト最適化部は、前記前方チャネル行列H 1 と、前記後方チャネル行列H 2 と、前記回り込みチャネル行列Gとを利用して繰り返し処理を行い、キャンセル行列C、ウェイト行列W及び前記プリコーディング行列Fを導出する、無線中継装置。 - 前記送信装置からの平均的な総送信電力が所定値P0になり、前記受信装置に対する平均的な総送信電力が所定値Prになることを求める拘束条件の下で、前記送信装置から送信された信号yと前記受信装置で受信された信号xとの平均的な誤差が小さくなるように、前記キャンセル行列C、前記ウェイト行列及び前記プリコーディング行列Fを反復的に更新することで、前記ウェイト最適化部は前記繰り返し処理を行う
ようにした請求項4記載の無線中継装置。 - 更新前の第1,第2ラグランジュ乗数μ1,μ2、ウェイト行列W及びプリコーディング行列Fを用いて次式に従ってキャンセル行列Cが更新され、
更新後のキャンセル行列C、更新前のウェイト行列W、プリコーディング行列F及び第1ラグランジュ乗数μ1を用いて次式に従って第2ラグランジュ乗数μ2が更新され、
更新後のキャンセル行列C、更新前のウェイト行列W、プリコーディング行列F及び更新後の第2ラグランジュ乗数μ2を用いて次式に従って第1ラグランジュ乗数μ1が更新され、
更新後のキャンセル行列C、第1,第2ラグランジュ乗数μ1,μ2及び更新前のウェイト行列Wを用いて次式に従ってプリコーディング行列Fが更新され、
更新後のキャンセル行列C、プリコーディング行列F、第1及び第2ラグランジュ乗数μ1,μ2を用いて次式に従ってウェイト行列Wが更新され、
C={[H1FFHH1 H+σ1 2I] [H2 HFHH1 H]-1 [H2 HH2+μI]+G}W−I,
W={[H1FFHH1 H+σ1 2I] [H2 HFHH1 H]-1 [H2 HH2+μI]+G}-1(I+C),
F={[W(I+C−GW)-1H1]H [H2 HH2+μ2I] W(I+C−GW)-1H1+μ1I]}-1・[H2 W(I+C−GW)-1H1]H
μ1=tr{U1}/P0,
U1=[W(I+C−GW)-1H1]HH2 H [I−H2W(I+C−GW)-1H1F]FH−μ2[W(I+C−GW)-1H1]H [W(I+C−GW)-1H1]FFH,
μ2=tr{U2}/Pr,
U2=H2 H[I−H2W(I+C−GW)-1H1F][W(I+C−GW)-1H1F]H−σ1 2H2 HH2[W(I+C−GW)-1][ W(I+C−GW)-1]H,
H1は前記前方チャネル行列を表し、
H2は前記後方チャネル行列を表し、
Gは前記回り込みチャネル行列を表し、
Cは前記キャンセル行列を表し、
Fは前記プリコーディング行列を表し、
Wは前記ウェイト行列を表し、
Iは単位行列を表し、
μ1,μ2は前記第1,第2ラグランジュ乗数を表し、
P0は前記送信装置に対する平均的な総送信電力を表し、
Prは前記総送信電力に対する前記所定値を表し、
σ1 2は熱雑音電力を表す
ようにした請求項5記載の無線中継装置。 - 前記受信装置へ中継信号を送信する際の送信電力を制御する送信電力制御部を更に有する請求項1乃至6の何れか1項に記載の無線中継装置。
- 送信装置からの信号を複数の受信アンテナを介して受信し、該信号から導出した中継信号を複数の送信アンテナから受信装置に送信する無線中継方法であって、
前記送信装置及び当該無線中継装置間の無線チャネル特性を表す前方チャネル行列H1と、当該無線中継装置自身の送信及び受信に起因して前記中継信号に及ぶ干渉を表す回り込みチャネル行列Gとを少なくとも推定するチャネル推定ステップと、
当該無線中継装置及び前記受信装置間の無線チャネル特性を表す後方チャネル行列H2と、前記前方チャネル行列H1と、前記回り込みチャネル行列Gとを利用して繰り返し処理を行い、少なくともキャンセル行列Cを導出するウェイト最適化ステップと、
主信号経路の中継信号に、フィードバック経路で前記キャンセル行列Cにより重み付けされた信号を加え、該中継信号を修正するフィードバック補償ステップと
を有し、前記送信装置でのプリコーディングに使用されるプリコーディング行列Fが、前記送信装置に通知され、
前記ウェイト最適化ステップにおいて、前記前方チャネル行列H 1 と、前記後方チャネル行列H 2 と、前記回り込みチャネル行列Gとを利用して繰り返し処理を行い、少なくともキャンセル行列C及び前記プリコーディング行列Fを導出する、無線中継方法。 - 送信装置からの信号を複数の受信アンテナを介して受信し、該信号から導出した中継信号を複数の送信アンテナから受信装置に送信する無線中継方法であって、
前記送信装置及び当該無線中継装置間の無線チャネル特性を表す前方チャネル行列H1と、当該無線中継装置自身の送信及び受信に起因して前記中継信号に及ぶ干渉を表す回り込みチャネル行列Gとを少なくとも推定するチャネル推定ステップと、
当該無線中継装置及び前記受信装置間の無線チャネル特性を表す後方チャネル行列H2と、前記前方チャネル行列H1と、前記回り込みチャネル行列Gとを利用して繰り返し処理を行い、少なくともキャンセル行列Cを導出するウェイト最適化ステップと、
主信号経路の中継信号に、フィードバック経路で前記キャンセル行列Cにより重み付けされた信号を加え、該中継信号を修正するフィードバック補償ステップと
を有し、前記主信号経路の中継信号にウェイト行列Wによる重み付けを行うことで該中継信号が修正され、
前記送信装置でのプリコーディングに使用されるプリコーディング行列Fが、前記送信装置に通知され、
前記ウェイト最適化ステップにおいて、前記前方チャネル行列H 1 と、前記後方チャネル行列H 2 と、前記回り込みチャネル行列Gとを利用して繰り返し処理を行い、キャンセル行列C、ウェイト行列W及び前記プリコーディング行列Fを導出する、無線中継方法。
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