JP5170252B2 - チャネルリソースを再利用する無線通信方法、システム、及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、無線中継通信技術に関する。

無線通信システムにおいて、ノイズが支配的なネットワークやデッドスポットにおいては一般に、中継ノードを導入する必要がある。それは、到達範囲の問題を解決するためである。中継システムは、下記非特許文献１に示されるように、ＩＥＥＥ ８０２．１６ｊ標準規格（ＩＥＥＥ：Ｔｈｅ Ｉｎｓｔｉｔｕｅ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ：米国電気電子学会）において既に採用されている。また、標準化団体３ＧＰＰ（３ｒｄ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ Ｐａｒｔｎｅｒｓｈｉｐ Ｐｒｏｊｅｃｔ）にて標準化作業が進められているＬＴＥ―アドバンスト（Ｌｏｎｇ Ｔｅｒｍ Ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ Ａｄｖａｎｃｅｄ）等の新たな携帯電話の通信規格においても、中継システムは同様に発展させられてゆくと思われる。これらの詳細については、下記非特許文献２〜８に開示されている。

中継ノードは、異なる目的で適用され得る。田舎の地域においては、中継はセル到達範囲を改善することを目指している。都会のホットスポットでは、中継は高次スペクトラム効率を達成することを目指している。そして、デッドスポットでは、中継は、到達範囲の穴となる部分にいるユーザのための到達範囲の問題を解決することを目指している。例えばＬＴＥアドバンスト通信規格においては、下記非特許文献８に開示されているように、中継システムは、Ｌ１（レイヤ１）、Ｌ２（レイヤ２）、及びＬ３（レイヤ３）の中継に関連して異なる機能を有する３タイプに分類される。それらは、制御チャネル、データ処理、及び高レイヤインタフェースに関して、様々な複雑性を要求する。

Ｌ１中継は、簡単な解決策として、物理レイヤのソースからの受信信号を単純に増幅及び中継のみを行う。そのようなタイプの中継は、時として測定し易く、制御し易く、そして電力制御のし易い高機能リピータと見なされるが、Ｌ２及びＬ３中継に比較してごく少ない遅延で、受信データ電力を高めることを目指している。しかしながら、その欠点は、中継処理によってノイズ成分もまた増幅されてしまうことである。

Ｌ２中継は、いくつかの基本的な機能を含む。それは、信号ソースからの受信データブロックを復号及び再符号化することができ、それでレイヤ２信号を目標に向けて転送することができる。この中継においては、復号されたデータブロックは、正確に処理することができる。そして、中継ノードによって、ノイズが増幅されることはない。リソース利用に対する高い信頼性を有し、より効率的なリンクを提供するリンク適合が、各ホップに対して個別に実行される。それに加えて、Ｌ２中継において、より高いスループットとより広い到達範囲に関する利益を提供することのできるレシオリソースマネジメント（ＲＲＭ）技術が、実施される。Ｌ２中継では、無線プロトコルメディアアクセス制御（ＭＡＣ：Ｍｅｄｉｕｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｃｏｎｔｒｏｌ）、無線リソース制御（ＲＲＣ：Ｒａｄｉｏ Ｒｅｓｏｕｒｃｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ）、無線リンク制御（ＲＬＣ：Ｒａｄｉｏ Ｌｉｎｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ）のいくつかの修正が必要である。

Ｌ３中継ノードは、インターネットプロトコル（ＩＰ）レイヤを使って、ユーザ段階のトラヒックデータを転送する。Ｌ３中継は、Ｓ１及びＸ２インタフェースを介した伝送機能を提供するため、無線プロトコルの著しい修正は要求しない。しかしながら、より高いスループットを達成するために、いくつかの改良を適用することはできる。Ｌ３中継を達成するためには、ヘッダのパッキングとアンパッキングが必要であるため、Ｌ２中継に比較して、よりコスト効率のよい迂回中継及びより高いオーバヘッドが必要とされる。しかしながら、Ｌ３中継のリソース使用は、Ｌ２中継のそれに比較してより少ない。ひとつ気になる点は、迂回リンクのスループットは、全体のシステム能力に対するボトルネックとなるかもしれないということである。

ここで、Ｌ２中継の技術に注目する。中継システムを導入する目的は、達成可能な全体のシステムスループットや到達範囲などといったリンク効率を改善することである。中継システムは一般に、リンク間の干渉を回避するために各リンクに対して直交特性を有する独立チャネルを使用する。このことは、チャネルリソースの必要量は、リレーホップ数に比例するということである。２ホップ中継では例えば、２つの直交チャネルリソースが使用されなければならない。

図１は、従来のＬ２中継システムを示す図である。図１に示されるように、ネットワークモデルの説明として、一般性を失わずに、ネットワークは、１つの無線基地局（以下、「ｅＮｏｄｅ−Ｂ」という）と、１つの中継ノード（以下、「ＲＮ」（Ｒｅｌａｙ Ｎｏｄｅ）という）と、両者がサービスを供給するＵＥ０及びＵＥ１と表記される２つの移動端末（ＵＥ：Ｕｓｅｒ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ）を含むものと、単純に仮定する。更に、ＵＥ０は、物理的にｅＮｏｄｅ−Ｂにより近く、それに対してＵＥ１は、そのｅＮｏｄｅ−Ｂからはかなり遠く、大きな伝搬損失を生じると仮定する。このように、ｅＮｏｄｅ−ＢとＵＥ１の間のリンク性能は、選択的に中継機構を使用することによって改善される必要がある。そのような移動体環境において、ｅＮｏｄｅ−Ｂは、近くの端末ＵＥ０のためには、１段階プロトコルを使った単一ホップＤＬ（ダウンリンク）を実施する。またその間、ＲＮは、帯域内中継処理を考慮して、遠い端末ＵＥ１のために、２段階プロトコルを使った２ホップ中継を実施する。

以下の説明では、単一の又は複数の受信器によって受信することのできるただ１つのデータパケットを配信するデータチャネルとして定義され、Ｌｉｎｋ−χ（χ＝１，２，・・・）と表記される用語を導入する。

図１において、まず、フェーズ１において、データパケット（Ｄａｔａ−１と表記される）は、Ｌｉｎｋ−１を使ってｅＮｏｄｅ−ＢからＲＮに配信される。その間に、そのデータパケットは、中継で結ぶための拡張信号として、Ｌｉｎｋ−２上でＵＥ１によって受信される。ただし、この信号は非常に弱く信頼性の低い信号である。

フェーズ２において、ＲＮは、そのパケットを復号し再度符号化する。その結果得られる正確に同一の変調符号化方式（ＭＣＳ：Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ Ｃｏｄｉｎｇ Ｓｃｈｅｍｅ）を有する新しく形成されたデータパケット（Ｄａｔａ−１と表記される）が、ＲＮによって、Ｌｉｎｋ−３を使って送信される。なお、Ｄａｔａ−１が有するＭＣＳは、チャネルを識別しながら異なるＭＣＳとすることもできる。ＵＥ１の受信器では、最小自乗誤差器（ＭＭＳＥ：Ｍｉｎｉｍｕｍ Ｍｅａｎ Ｓｑｕａｒｅ Ｅｒｒｏｒ）又は最大レシオ結合器（ＭＲＣ：Ｍａｘｉｍａｌ Ｒａｔｉｏ Ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ）が、全ての必要とされる信号を効率的に収集した上で、そのデータパケットを復号する。

フェーズ３において、新たなデータパケット（Ｄａｔａ−０と表記される）は、Ｌｉｎｋ−４を使って、ｅＮｏｄｅ−ＢからＵＥ０に配信される。
以上の図１に示されるように、従来のＬ２中継システムでは、ｅＮｏｄｅ−ＢからＲＮ、ＲＮからＵＥ、ｅＮｏｄｅ−ＢからＵＥ直接という３つのリンクを、それぞれ混在なく通信可能とするために、少なくとも３つのチャネルリソースが必要であった。当然のことながら、実際のＬ２中継システムでは、多くのｅＮｏｄｅ−Ｂ、多くのＲＮ、非常に多くのＵＥに対応させるために、非常に多くのチャネルリソースが必要となる。

チャネルリソースは、周波数帯域を有効に利用するためにも、少しでも削減されることが大きな課題である。
802.16j-06/026r4, Air Interface for Fixed and Mobile Broadband Wireless Access Systems: Multihop Relay Specification, 2007-06-06. Ericsson, "Self backhauling and lower layer relaying", R1-082470, June 30-July 4, 2008. Samsung, "Application of network coding in LTE-advanced relay", R1-082327, June 30-July 4, 2008. Panasonic, "Evaluation Methodologies for the SLS with Relay", R1-082397, June 30-July 4, 2008. LG Electronics, "Consideration on relaying frame structure design in LTE-A FDD mode", R1-082944, August 18-22, 2008. Panasonic, "Discussion on the TD relay and FD relay for FDD system", R1-083002, August 18-22, 2008. Qualcomm Europe, "Operation of relays in LTE-A", R1-083191, August 18-22, 2008. China Mobile, Vodafone, and Huawei, "Application Scenarios for LTE-Advanced Relay", R1-082975, August 18-22, 2008.

本発明の課題は、無線中継通信システムにおいて、チャネルリソースを削減することにある。
以下に示される態様は、データを中継して送信する処理を含む無線通信システム又はそれと同等の処理を実行する無線通信方法、或いは、個別の無線通信装置を前提とする。

第１の無線通信装置は、第１の送信フェーズにおいて、第１のデータを送信する処理と、第２の送信フェーズにおいて、第２のデータを送信する処理を実行する。
第２の無線通信装置は、第１の送信フェーズにおいて、第１の無線通信装置から第１のデータを受信し、その第１のデータの中継データを生成する処理と、第２の送信フェーズにおいて、その中継データを第１の無線通信装置が第２のデータを送信するのと同時に、その第２のデータの送信に使われるチャネルリソースと同じチャネルリソースを使って、第１のデータの中継データを送信する処理を実行する。

ここでチャネルリソースはOFDMAベース、ＣＤＭＡベース、ＴＤＭＡベース、いずれでも良い。
第３の無線通信装置は、第１の送信フェーズにおいて、第１の無線通信装置から送信された第１のデータを受信して復調及び復号しその復号結果を保持する処理と、第２の送信フェーズにおいて、チャネルリソースから受信した第２のデータと第１のデータの中継データとが混合されたデータに対して保持した第１のデータの復号結果に基づいてキャンセル処理を実行し第２のデータを抽出する処理と、第２の送信フェーズにおいて、第２の無線通信装置から送信された第１のデータの中継データを受信して抽出する処理を実行する。

上述の態様において、第１の送信フェーズと第２の送信フェーズとで、異なるチャネルリソースを使用するように構成することができる。
上述の態様において、第２の送信フェーズにおいて、第１の無線通信装置が第３の無線通信装置その１に向けて第２のデータを送信するときに、その第２のデータの送信電力を制御するように構成することができる。

上述の態様において、第１のデータ、第２のデータ、及び第３のデータはそれぞれ、情報データと制御データとを含み、その制御データは、宛先の無線通信装置を特定する宛先識別情報を含み、第１の無線通信装置、第２の無線通信装置、及び第３の無線通信装置はそれぞれ、受信データに含まれる制御データ内の宛先識別情報を識別してその受信データに含まれる情報データを受信するか否かを決定するように構成することができる。

上述の態様において、第１の送信フェーズにおいて第１の無線通信装置から第２の無線通信装置に送信される第１のデータの制御データとして、第２の無線通信装置から第３の無線通信装置その２に送信される第１のデータの中継データの送信スケジュール情報を含み、第２の無線通信装置は、その送信スケジュール情報に基づいて第１のデータの中継データを第３の無線通信装置その２に送信するように構成することができる。

従来のＬ２中継システムを示す図である。 本実施形態によるチャネルリソース再利用による中継方式のシステム構成を示す図である。 本実施形態によるＵＥの受信器の構成を示す図である。 本実施形態によるシステムフレームの構成例を示す図である。 本実施形態による送信タイミング例を示す図である。 クラスにおけるセル及び中継局レイアウトの例を示す図である。 中央セルにおけるセクタ−１、セクタ−２、セクタ−３によってサービスが供給されるＵＥ散布の例を示す図である。 屋上上方の中央セルにおけるＲＮ−１、ＲＮ−２、及びＲＮ−３によってサービスが供給されるＵＥ散布の例を示す図である。 ｅＮｏｄｅ−ＢからＵＥ、ＲＮからｅＮｏｄｅ−Ｂ、及びＲＮからＵＥへのリンクに対するジオメトリ（長期間ＳＩＮＲ）に対するＣＤＦの例を示す図である。 ＲＮからＵＥ１へのリンクに対するジオメトリ（長期間ＳＩＮＲ）に対するＣＤＦの例を示す図である。 ｅＮｏｄｅ−ＢからＳＩＣ受信器有り／無しのＵＥ０へのリンクに対するジオメトリ（長期間ＳＩＮＲ）に対するＣＤＦの例を示す図である。 ｅＮｏｄｅ−Ｂ及びＲＮからの所望の信号及び干渉を含むＵＥ０及びＵＥ１による受信電力に対するＣＤＦの例を示す図である。

以下、図面を参照しながら、最良の実施形態（以下、「本実施形態」という）について詳細に説明する。
本実施形態は、ｅＮｏｄｅ−Ｂ（第１の無線通信装置）、ＲＮ（第２の無線通信装置）、及びＵＥ０（第３の無線通信装置その１）とＵＥ１（第３の無線通信装置その２）とからなる無線通信ネットワークが構成される。

本実施形態における焦点は、Ｌ２中継におけるものである。中継ネットワークにおいては幸いに、ＲＮからサービスの供給を受けるＵＥにおいては、そのＵＥがｅＮｏｄｅ−Ｂから遠いため、ｅＮｏｄｅ−Ｂ群からの干渉を含む信号電力の受信はより小さくなるという、興味深い特性が存在する。この有用な特性により、ＲＮ及びｅＮｏｄｅ−Ｂは、同じ周波数帯域を再利用することによって、異なるユーザをターゲットとする複数の信号を同時に送信することができるというヒントが与えられる。この結果、同じチャネルリソースを使って、ＲＮは、セル端ユーザにサービスを提供し、その間、ｅＮｏｄｅ−Ｂはセル中央ユーザにサービスを提供する。このことは、チャネルリソース使用の削減と、中継が含まれるネットワークにおいて、中継が含まれない場合と同一数のリンクを効率的に達成することを目指している。

これに加えて、ＵＥ側においては、逐次干渉除去（ＳＩＣ：Ｓｕｃｃｅｓｓｉｖｅ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ Ｃａｎｃｅｌｌａｔｉｏｎ）処理によってリンク品質を高めることができる。例えば、ｅＮｏｄｅ−Ｂからサービスの供給を受けている第１のＵＥは、フェーズ１においてｅＮｏｄｅ−ＢからＲＮへ送信される第１のパケットをも受信し復号することができる。次に、ＲＮが上記第１のパケットを復号及び再符号化して生成した中継パケットをｅＮｏｄｅ−Ｂから遠隔に位置する第２のＵＥへ向けて送信しようとするフェーズ２のタイミングにおいて、第１のＵＥが、ｅＮｏｄｅ−Ｂから新規の第２のパケットを、上記中継パケットが使用するのと同じチャネルリソースを使って受信することを仮定する。従来は、第２のパケットの受信は、フェーズ３において行われていた。この仮定において、第１のＵＥは、ｅＮｏｄｅ−Ｂからの第２のパケットとＲＮから第２のＵＥに向けて送信される中継パケットを同じチャネルリソースから同時に受信することとなる。この場合、第１のＵＥは、ＲＮから受信した中継パケットを、フェーズ１にて受信し予め復号して保持しておいた第１のパケットによってキャンセル処理し、ｅＮｏｄｅ−Ｂからの第２のパケットのみを正確に抽出することができる。このことは、従来は、中継を利用するＵＥ及び利用しないＵＥに対してパケットを混在なく配信するために３フェーズ＝３つのチャネルリソースが必要であったのが、２フェーズ＝２つのチャネルリソースで済むことになる。これが本実施形態の基本的な動作である。

本実施形態を通じて、周波数分割多重（ＦＤＤ：Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｄｕｐｌｅｘ）による単一入力複数出力（ＳＩＭＯ：Ｓｉｎｇｌｅ Ｉｎｐｕｔ ａｎｄ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｏｕｔｐｕｔ）のシナリオを想定しているが、複数入力複数出力（ＭＩＭＯ：Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｉｎｐｕｔ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｏｕｔｐｕｔ）及び時間分割多重（ＴＤＤ：Ｔｉｍｅ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｄｕｐｌｅｘ）もまた、良好に動作する。以下の説明では、まず、ネットワークモデルについて説明し、中継に基づくチャネルリソースの再利用について説明する。加えて、ＵＥの装置構成、通信に必要なフレーム構造、電力制御、及び関連する制御チャネル設計について、詳細に検討する。最後に、システム性能を評価するために、信頼できるデータ証明を使って、その挙動が正しいことを示すために、システムレベルベースシミュレーションを行った結果を説明する。

図２は、本実施形態によるチャネルリソース再利用による中継方式のシステム構成を示す図である。本実施形態では、同図に示されるように、データパケット送信のために、２段階プロトコルを採用する。ここで、各段階における全てのリンクは、ＳＩＭＯ又はＭＩＭＯリンクと仮定できる。

フェーズ１（第１の送信フェーズ）において、データパケット（Ｄａｔａ−１と表記される）（第１のデータ）は、ｅＮｏｄｅ−ＢからＲＮに配信される（Ｌｉｎｋ−１）。その間、そのデータパケットは、各々ＵＥ０及びＵＥ１の両方によって受信される（Ｌｉｎｋ−３及びＬｉｎｋ−２）。ＵＥ０及びＵＥ１によって受信されるリンク品質は、全く異なる。前者のＬｉｎｋ−３は、後者のＬｉｎｋ−２よりもはるかに良い品質である。この段階で最も重要なことは、送信されたＤａｔａ−１パケットは、ＲＮとＵＥ０によって確実に継承されることである。即ち、ＲＮは、Ｄａｔａ−１パケットを中継のために処理し、ＵＥ０は、Ｄａｔａ−１パケットを続くフェーズ２におけるＳＩＣのために処理する。

また、ｅＮｏｄｅ−Ｂは、ＲＮとの間で確立するＬｉｎｋ−１又はＵＥ０との間で確立するＬｉｎｋ−３のうち、品質が悪いほうのＭＣＳを選択することによって、Ｄａｔａ−１のためのＭＣＳを決定する。

フェーズ２（第２の送信フェーズ）では、ＲＮは、Ｄａｔａ−１パケットを復号し再度符号化する。その結果得られる正確に同一のＭＣＳを有する新しく形成された中継データパケット（Ｄａｔａ−１と表現される）が、ＲＮからＵＥ１に送信される（Ｌｉｎｋ−４）。なお、Ｄａｔａ−１が有するＭＣＳは、チャネルを識別しながら異なるＭＣＳとすることもできる。このＤａｔａ−１中継パケットは、ＵＥ０でも同時に受信される（Ｌｉｎｋ−５）。

一方、ｅＮｏｄｅ−Ｂは、フェーズ２において、Ｌｉｎｋ−４でのチャネルリソースと同じチャネルリソースを再利用して、新しいデータパケット（Ｄａｔａ−０と表記される）（第２のデータ）をＵＥ０に向けて配信する（Ｌｉｎｋ−６）。このＤａｔａ−０パケットは、非常に弱い信号としてＵＥ１でも受信され得る（Ｌｉｎｋ−７）。

ＵＥ１の受信器は、フェーズ１とフェーズ２において、ＭＭＳＥが、全ての必要とされる信号（Ｌｉｎｋ−２とＬｉｎｋ−４からの信号）を収集し、ｅＮｏｄｅ−Ｂからの干渉を効率的に抑制しながら、ＲＮからのＤａｔａ−１中継パケットを受信する。

一方、ＵＥ０の受信器は、フェーズ２において、同じチャネルリソース上で受信されるｅＮｏｄｅ−ＢからのＤａｔａ−０パケット（Ｌｉｎｋ−６）とＲＮからのＤａｔａ−１パケット（Ｌｉｎｋ−５）について、Ｄａｔａ−１パケットの成分をフェーズ１で受信し復号して保持しておいたＤａｔａ−１パケット成分によってキャンセル処理（ＳＩＣ処理）し、Ｄａｔａ−０パケットのみを正確に抽出する。

以上の制御処理により、中継系統毎に、従来は、中継を利用するＵＥ及び利用しないＵＥに対してパケットを混在なく配信するために３フェーズ＝３つのチャネルリソースが必要であったのが、２フェーズ＝２つのチャネルリソースで済むことになる。このチャネルリソース数は、送信器が中継無しに行う数と同じである。

ここで、受信信号の結合を考慮しながらＵＥ１に対する受信信号を数式化してみる。その意図するところは、図２で同じチャネルリソースがＬｉｎｋ−４及びＬｉｎｋ−６において周波数再利用されるとしたときの効力を明らかにすることである。

ＵＥ１は、２つの受信アンテナを装備していると仮定し、フェーズ１及びフェーズ２における受信信号を、それぞれ、

及び

と表記すれば、これらは次式で与えられる。

ここで、

はデータシンボルであり、

は、標準偏差

を有する加算性ホワイトガウシアンノイズ（ＡＷＧＮ：Ａｄｄｉｔｉｖｅ ＷｈｉｔｅＧａｕｓｓｉａｎ Ｎｏｉｓｅ）＋干渉である。そして、

は、Ｌｉｎｋ−２、Ｌｉｎｋ−４、及びＬｉｎｋ−７に対するチャネル応答を示す。また、

は、

及び、

となり、数１式は下記のように簡単に変形できる。

ここで、

は、次式のように定義される。

もし、

であると仮定すれば、

の標準偏差

は、次式のように表現できる。

設計信号

を拡張するために、数２式と数５式を結合する前に、最大レシオ結合の効果を持たせるべく数５式にファクタを重み付けする必要がある。重み付けファクタ、

は、次のように定義される。

このようにして、結果的に得られる結合信号は、次のように表される。

ここで、

の標準偏差は、次のように定義される。

これにより、数１０式は、行列表現で次のように表される。

ＭＭＳＥは、設計信号

を復号でき、干渉

を抑制できる。

ＲＮ受信器に関して言えば、従来の中継器と本実施形態での中継器とで同じ構成を採用することができる。一方、本実施形態による中継方式を採用するＵＥ受信器は、従来の中継器の他に、主にＳＩＣ機構を伴うより多くの機能を有する。

本実施形態によるＵＥの受信器の構成を、図３に示す。
アンテナからＲＦ（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）部３０１にて受信された受信信号から、制御チャネル受信部３０２がまず、フェーズ１又はフェーズ２を指示する制御チャネルを最初に抽出する。

ＳＩＣ制御部３０３は、フェーズ１信号が受信されたのかフェーズ２信号が受信されたのかを決定する。
もしフェーズ１信号が受信されたならば、ＳＩＣ制御部３０３は、スイッチＳ１のＡ点をオンする。
この結果、フェーズ１信号が、復調部３０４で復調され、復号部３０５で復号される。その結果得られるデータは、キャンセル処理のためにバッファ部３０６に保持される。

他方、もしフェーズ２信号が受信されたならば、ＳＩＣ制御部３０３は、スイッチＳ２を接続し、バッファ部３０６に保持されていたフェーズ１の復号データを出力させる。バッファ部３０６から出力されたフェーズ１の復号データは、符号化部３０７で再符号化され変調部３０８で再変調されることにより、適切なＭＣＳレベルを有するＳＩＣ処理のためのパケット信号が生成される。

また、ＳＩＣ制御部３０３は、ＳＩＣ処理の準備が整ったタイミングで、スイッチＳ１のＢ点をオンする。この結果、受信信号に対して、キャンセラ部３０９にて干渉信号（図２のＤａｔａ−１に対応）のキャンセル処理（ＳＩＣ処理）が実施され、本来受信されるべき成分（図２のＤａｔａ−０に対応）のみが抽出される。この信号は、復調部３１０で復調され、復号部３１１で復号されて、後段の信号処理へ出力される。

次に、本実施形態における中継通信方式でのフレーム構成について説明する。
ここでは、ＦＤＤ（周波数分割多重）システムにおいて中継を行うＤＬ（ダウンリンク）フレーム構成について説明する。なお、本実施形態の方式は、ＴＤＤシステムに対しても良好に動作する。ＦＤＤにて中継を行うフレーム構成は、ｅＮｏｄｅ−Ｂ、ＲＮ、及びＵＥ間のリンクに対して設計される。

まず、繰返し送信される送信ウインドウとして定義されるシステムフレームによって構成されるＤＬフレーム構成を考える。図４（ａ）に示されるように、従来の中継システムでは、システムフレームは、互いに直交するチャネルを使ったｅＮＢ−ｔｏ−ＲＮ、ＲＮ−ｔｏ−ＵＥ、ｅＮＢ−ｔｏ−ＵＥとして表記される３フェーズに対応する３つのサブフレームを含む。ここで、ｅＮＢ−ｔｏ−ＲＮは、ｅＮｏｄｅ−ＢからＲＮに向かう制御チャネルを示す。また、ＲＮ−ｔｏ−ＵＥは、ＲＮからＵＥに向かう制御チャネルを示す。そして、ｅＮＢ−ｔｏ−ＵＥは、ｅＮｏｄｅ−ＢからＵＥに向かう制御チャネルを示す。

これに対して本実施形態の中継システムでは、図４（ｂ）に示されるように、システムフレームは、同様に互いに直交するチャネルを使ったｅＮＢ−ｔｏ−ＲＮ、及びＲＮ−ｔｏ−ＵＥ／ｅＮＢ−ｔｏ−ＵＥとして表記される２フェーズに対応する２つのサブフレームを含む。ＲＮ−ｔｏ−ＵＥ／ｅＮＢ−ｔｏ−ＵＥは、ＲＮからＵＥに向かう制御チャネルとｅＮｏｄｅ−ＢからＵＥに向かう制御チャネルが同じチャネルリソース上にマッピングされることを示している。

従来の中継方式では、３つのサブフレームがデータ送信において異なる役割を担っている。第１のサブフレームでは、ｅＮｏｄｅ−ＢはデータをＲＮに配信する。第２のサブフレームでは、ＲＮは、復号されたデータパケットを対応するＵＥに転送する。最後に第３のサブフレームでは、ｅＮｏｄｅ−Ｂは、ＲＮが介在しない直接リンクとして、データパケットをサービス供給先のＵＥに送信する。

一方、本実施形態の中継方式では、サブフレームの数＝チャネルリソースは２つに削減される。それによって、より高い送信効率が提供される。即ち、第１のサブフレームでは、ｅＮｏｄｅ−ＢはデータをＲＮに配信する。そして、第２のサブフレームでは、ｅＮｏｄｅ−Ｂ及びＲＮの両方が、それぞれのデータパケットを個別のサービス供給先ＵＥに同時に送信する。この結果、周波数の再利用の大きな効果が得られる。

本実施形態の中継方式では、ＵＥ１は、ＲＮから所望の信号を受信し、ｅＮｏｄｅ−Ｂからの干渉も受ける。一般に、ｅＮｏｄｅ−Ｂからの送信電力は、ＲＮからよりも非常に大きい。これは、ＵＥ１に著しい影響を与える結果となる。ＵＥ１への干渉を軽減することによりそのような影響を和らげるために、Ｌｉｎｋ−３を供給するｅＮｏｄｅ−Ｂは、電力制御を行うことができる、或いは、適切に電力割当てを行うことができる。

勿論、もし無線通信ネットワークを構成する各セルが、周波数同時再利用機構を有する送信を実行するように設定されていないならば、送信電力を下げるような制御は行われるべきではない。本実施形態の方式に基づいて周波数の再利用を行うセルにおいてのみ、送信電力を下げるような制御が行われる。その制御量は、干渉の影響や達成可能なＭＣＳレベルのような要因に基づいて決定される。

次に、本実施形態の中継方式における制御チャネル設計について説明する。本実施形態による、同じチャネルリソースを使った同時データ送信を行う中継方式を実現するために、いくつかの追加的な制御チャネルが設定される。

Ｌｉｎｋ−１においては、データパケットのほかに、ｅＮｏｄｅ−Ｂは、制御チャネルを使って制御信号を送信する必要がある。その制御信号は、ＲＮ ＩＤ及びＵＥ ＩＤを含む。ＲＮ ＩＮは、複数のＲＮの中から１つのＲＮを識別するたの識別情報である。ＵＥ ＩＤは、複数のＵＥの中から１つのＵＥを識別するための識別情報である。全てのＵＥとＲＮは、制御信号を復号する。一方、制御チャネルによって指示されたＲＮ ＩＤ及びＵＥ ＩＤに対応するＲＮ及びＵＥのみが、データパケットを復号する。復号されたデータパケットは、次に来るサブフレームにおいて、ＳＩＣ処理の目的で使用される。

図５は、中継処理における２つのフェーズ間の送信タイミングを例示した図である。ＣＣＨ１、ＣＣＨ２、及びＣＣＨ３の制御チャネルにおける内容はそれぞれ異なり、以下のように分類される。
・ＣＣＨ１：ＭＣＳ、チャネルリソース指標、受信ＲＮ ＩＤ、受信ＵＥ０ ＩＤ、受信ＵＥ１ ＩＤ等。
・ＣＣＨ２：ＭＣＳ、チャネルリソース指標、受信ＵＥ１ ＩＤ等。
・ＣＣＨ３：ＭＣＳ、チャネルリソース指標、受信ＵＥ０ ＩＤ等。

本実施形態による中継システムの性能を従来の中継システムとの比較によって評価するために、システムレベルシミュレーションを実施した。ここでは、まず、ｅＮｏｄｅ−Ｂ及びＲＮの配置を含むセルレイアウトと、ＵＥ散布について説明する。その後、送信電力及びパス損失モデルのような詳細パラメータを設定する。そして、いくらかの直感的な言及と共に、システムレベルベースシミュレーションの結果を示す。

まず、セルレイアウト及びＵＥ散布について説明する。システムレベルシミュレーションを、７クラスタからなるセルネットワークにおいて実施した。各クラスタは、１９個の六角形セルから構成され、各セルは３セクタを含む。各ＲＮは、セクタの境界に配置され、それにより、１つのセルにおいて全部で３つのＲＮが動作する。そのセクタのアンテナは、その視準（ｂｏｒｅ−ｓｉｇｈｔ ｐｏｉｎｔ）が六角形の端に向けられる。そして、全方向性アンテナを有する各ＲＮは、各セクタのセンターに配置される。それらのｅＮｏｄｅ−Ｂ及びＲＮの対応の例は、図６に示される。同図において、菱形のプロット及び円形のプロットはそれぞれ、ｅＮｏｄｅ−Ｂ及びＲＮとして表記される。このときのそのシステムパラメータ群を、下記表１に示す。

外側セルからの干渉の発生を精密にモデル化するために、観測対象クラスタが中央に配置されその側辺に６個のコピーが対称に配置される、センター六角形クラスタの７つのコピーからなる周囲包み込み型ネットワーク構造が採用された。

このネットワーク構造を使って、いわゆるジオメトリと呼ばれるリンクコストを計算した。そのジオメトリは、長期間信号対干渉・雑音電力比（ＳＩＮＲ：Ｓｉｇｎａｌ−ｔｏ−Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ，ａｎｄ Ｎｏｉｓｅ ｐｏｗｅｒ Ｒａｔｉｏ）として定義される。それは、所望の信号電力対受信されたトータルの干渉＋加算性ホワイトガウシアンノイズ（ＡＷＧＮ）の比である。下記表２に、詳細なシステムレベル仮定条件を示す。

システムレベルシミュレーションにおいて、注目すべきは３つのリンクである。それらは各々、ｅＮｏｄｅ−ＢからＵＥ１（ＲＮによってサービスが供給される）、ＲＮからＵＥ１、及びｅＮｏｄｅ−ＢからＵＥ０（ｅＮｏｄｅ−Ｂによってサービスが供給される）である。対応するパス損失及びシャドウイングは、表３に示される。

システムレベルシミュレーションにおいては、中継ノードは、屋上上方に配置されると想定されている。

図７は、ネットワークにおけるＵＥ散布の例を図示したものである。それにおいては、ＵＥは、センターセルのセクタ−１、セクタ−２、及びセクタ−３によってサービスが供給される。このケースにおいて、各セクタにＲＮが含まれる。ＵＥがｅＮｏｄｅ−Ｂによってサービスが供給されるかＲＮによってサービスが供給されるかは、ｅＮｏｄｅ−ＢからＵＥへのジオメトリとＲＮからＵＥへのジオメトリの間で比較された受信ジオメトリに基づく。このケースでは、ｅＮｏｄｅ−ＢからのＵＥジオメトリのほうが、ＲＮからのよりも高い。

図８は、ネットワークにおけるＵＥ散布の例を示す図である。ここでは、ＵＥ群は、センターセルにおけるＲＮ−１、ＲＮ−２、及びＲＮ−３によってサービスを供給される。このケースでは、各セクターに属するＲＮがあり、ＲＮからのＵＥジオメトリのほうが、ｅＮｏｄｅ−Ｂからのものよりも高い。ｅＮｏｄｅ−Ｂ及びＲＮは、長期間のフェージング変動により若干のオーバーラップを有する異なるエリアにおいて、個別にそれらに対応するＵＥにサービスを供給していることが観測できる。

図９は、中継無しでｅＮｏｄｅ−Ｂから全てのＵＥ、ＲＮからＵＥ１、ｅＮｏｄｅ−ＢからＵＥ１、ｅＮｏｄｅ−ＢからＵＥ０、及びｅＮｏｄｅ−ＢからＲＮの各サービス供給リンクに対するジオメトリ（又は長期間ＳＩＮＲ）対ＣＤＦ（Ｃｕｍｕｌａｔｉｖｅ Ｄｅｎｓｉｔｙ Ｆｕｎｃｔｉｏｎ：累積密度関数）の例を示した図である。中継後は、ＲＮからＵＥ１へのリンクの信頼性が非常によくなっていることがわかる。そして、ｅＮｏｄｅ−ＢからＲＮへのリンクに比較したときに、少なくとも４ｄＢの利得が達成されていることがわかる。更に、ＲＮからＵＥ１へのリンクに比較したときに、大きな利得（１０ｄＢ利得以上）が達成されていることがわかる。加えて、ｅＮｏｄｅ−ＢからＵＥ０へのリンク品質は、ｅＮｏｄｅ−ＢからＲＮへのリンク品質よりも常によい。それは、ＵＥ０は、ｅＮｏｄｅ−ＢからＲＮへ送信されたパケットを検出しＳＩＣ処理できるからであるということを証明している。

図１０は、ＲＮからＵＥ１へのリンクに対するジオメトリ対ＣＤＦを示している。このケースでは、ｅＮｏｄｅ−ＢからＵＥ０へのリンクにおいて、電力制御が導入されている。ｅＮｏｄｅ−Ｂからの送信電力が４６ｄＢｍから３１ｄＢｍへ削減されたときに、ＲＮからＵＥ１へのリンクに対するＳＩＮＲは、ｅＮｏｄｅ−Ｂからの干渉の削減により、徐々に改善されていることがわかる。

図１１は、ｅＮｏｄｅ−Ｂからの送信電力を削減することによるｅＮｏｄｅ−ＢからＵＥ０へのリンクに対するシステム性能の影響を示す図である。そのリンクに対するｅＮｏｄｅ−Ｂからの適切な送信電力は、４０ｄＢｍであることがわかる。それは、フルパワーよりも６ｄＢ低い。それよりも更なる送信電力の削減は、Ｌｉｎｋ−３のシステム性能の受け入れられない低下を招く。加えて、６ｄＢの送信電力削減で、ＳＩＣは、２ｄＢ以上のＳＩＮＲ利得を与えることができる。

図１２は、ｅＮｏｄｅ−Ｂ及びＲＮからの所望の信号（実線）及び干渉（破線）を含むＵＥ０及びＵＥ１による受信電力対ＣＤＦを示す図である。このケースでは、ｅＮｏｄｅ−Ｂからの電力制御は伴わない。この結果より、ｅＮｏｄｅ−Ｂからのフルパワー送信で、Ｉ−ｅＮＢ−ｔｏ−ＵＥ０として表記されるｅＮｏｄｅ−ＢからＵＥ０への干渉は極めて大きく、一方、Ｄ−ＲＮ−ｔｏ−ＵＥ０として表記されるＲＮからＵＥ０への干渉は小さい。このことは、電力制御により、ｅＮｏｄｅ−ＢからＵＥ０への干渉を削減することは、Ｄ−ｅＮＢ−ｔｏ−ＵＥ０として表記されるｅＮｏｄｅ−ＢからＵＥ０へのリンクに対する望ましい電力を削減することに等しい。結果として、ｅＮｏｄｅ−Ｂ−ｔｏ−ＵＥ０のリンクによって生じた干渉からの顕著な影響を生じる。

以上説明した本実施形態において、フェーズ１にてｅＮｏｄｅ−ＢからＲＮに送信されるデータの制御チャネルに、ＲＮからＵＥ１に中継データを送信するためのスケジューラ情報を持たせるように構成することも可能である。

Claims (13)

1. 第１の無線通信装置から第２の無線通信装置を中継して第３の無線通信装置にデータを送信する処理を含む無線通信方法において、
   第１の送信フェーズにおいて、前記第１の無線通信装置から前記第２の無線通信装置に第１のデータを送信する第１のステップと、
   前記第１の送信フェーズにおいて、前記第３の無線通信装置のうちの１つである第３の無線通信装置その１にて、前記第１の無線通信装置から送信された前記第１のデータを受信して復調及び復号し、その復号結果を保持する第２のステップと、
   第２の送信フェーズにおいて、前記第１の無線通信装置から前記第３の無線通信装置その１に向けて第２のデータを送信すると同時に、前記第２の無線通信装置から前記第１のデータの中継データを前記第３の無線通信装置の他の１つである第３の無線通信装置その２に向けて前記第２のデータと同じチャネルリソースを使って送信する第３のステップと、
   前記第２の送信フェーズにおいて、前記第３の無線通信装置その１にて、前記チャネルリソースから受信した前記第２のデータと前記第１のデータの中継データとが混合されたデータに対して、第２のステップにて保持した前記第１のデータの復号結果に基づいてキャンセル処理を実行し、前記第２のデータを抽出する第４のステップと、
   を含むことを特徴とする無線通信方法。
2. 前記第１の送信フェーズと前記第２の送信フェーズとで、異なるチャネルリソースを使用する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の無線通信方法。
3. 前記第２の送信フェーズにおいて、前記第１の無線通信装置が前記第３の無線通信装置その１に向けて前記第２のデータを送信するときに、該第２のデータの送信電力を制御する第５のステップを更に含む、
   ことを特徴とする請求項１又は２の何れか１項に記載の無線通信方法。
4. 前記第１のデータ、前記第２のデータ、及び前記第１のデータの中継データはそれぞれ、情報データと制御データとを含み、該制御データは、宛先の無線通信装置を特定する宛先識別情報を含み、
   前記第１の無線通信装置、前記第２の無線通信装置、及び前記第３の無線通信装置はそれぞれ、受信データに含まれる前記制御データ内の宛先識別情報を識別して該受信データに含まれる情報データを受信するか否かを決定する、
   ことを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の無線通信方法。
5. 前記第１の送信フェーズにおいて前記第１の無線通信装置から前記第２の無線通信装置に送信される前記第１のデータの制御データとして、前記第２の無線通信装置から前記第３の無線通信装置その２に送信される前記第１のデータの中継データの送信スケジュール情報を含み、
   前記第２の無線通信装置は、該送信スケジュール情報に基づいて前記第１のデータの中継データを前記第３の無線通信装置その２に送信する、
   ことを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の無線通信方法。
6. データを中継して送信する処理を含む無線通信システムにおいて、
   第１の送信フェーズにおいて、第１のデータを送信する処理と、第２の送信フェーズにおいて、第２のデータを送信する処理を実行する第１の無線通信装置と、
   前記第１の送信フェーズにおいて、前記第１の無線通信装置から前記第１のデータを受信し、該第１のデータの中継データを生成する処理と、前記第２の送信フェーズにおいて、該中継データを前記第１の無線通信装置が前記第２のデータを送信するのと同時に、該第２のデータの送信に使われるチャネルリソースと同じチャネルリソースを使って、前記第１のデータの中継データを送信する処理を実行する第２の無線通信装置と、
   前記第１の送信フェーズにおいて、前記第１の無線通信装置から送信された前記第１のデータを受信して復調及び復号しその復号結果を保持する処理と、前記第２の送信フェーズにおいて、前記チャネルリソースから受信した前記第２のデータと前記第１のデータの中継データとが混合されたデータに対して前記保持した前記第１のデータの復号結果に基づいてキャンセル処理を実行し前記第２のデータを抽出する処理と、前記第２の送信フェーズにおいて、前記第２の無線通信装置から送信された前記第１のデータの中継データを受信して抽出する処理を実行する第３の無線通信装置と、
   を含むことを特徴とする無線通信システム。
7. 前記第１の送信フェーズと前記第２の送信フェーズとで、異なるチャネルリソースを使用する、
   ことを特徴とする請求項６に記載の無線通信システム。
8. 前記第２の送信フェーズにおいて、前記第１の無線通信装置が前記第３の無線通信装置その１に向けて前記第２のデータを送信するときに、該第２のデータの送信電力を制御する、
   ことを特徴とする請求項６又は７の何れか１項に記載の無線通信システム。
9. 前記第１のデータ、前記第２のデータ、及び前記第１のデータの中継データはそれぞれ、情報データと制御データとを含み、該制御データは、宛先の無線通信装置を特定する宛先識別情報を含み、
   前記第１の無線通信装置、前記第２の無線通信装置、及び前記第３の無線通信装置はそれぞれ、受信データに含まれる前記制御データ内の宛先識別情報を識別して該受信データに含まれる情報データを受信するか否かを決定する、
   ことを特徴とする請求項６乃至８の何れか１項に記載の無線通信システム。
10. 前記第１の送信フェーズにおいて前記第１の無線通信装置から前記第２の無線通信装置に送信される前記第１のデータの制御データとして、前記第２の無線通信装置から前記第３の無線通信装置その２に送信される前記第１のデータの中継データの送信スケジュール情報を含み、
    前記第２の無線通信装置は、該送信スケジュール情報に基づいて前記第１のデータの中継データを前記第３の無線通信装置その２に送信する、
    ことを特徴とする請求項６乃至９の何れか１項に記載の無線通信システム。
11. 請求項６乃至１０の何れか１項に記載の処理を実行する第１の無線通信装置。
12. 請求項６乃至１０の何れか１項に記載の処理を実行する第２の無線通信装置。
13. 請求項６乃至１０の何れか１項に記載の処理を実行する第３の無線通信装置。

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