JP5473528B2 - 無線通信システム、基地局、リレー局及び端末 - Google Patents

Description

本発明は、複数の送受信アンテナを備えた基地局と端末とが同じ周波数を用いて、複数の送受信アンテナを備えたリレー局を介して双方向の通信を行う無線通信システム等に関する。

近年のデータ通信量の増加に伴う周波数資源の逼迫を解決するために、新たな無線周波数を移動体通信用として割り当て、割り当てられた周波数帯域を使用する新たな移動体通信システムの構築（例えば、ＩＭＴ−Ａｄｖａｎｃｅｄシステム）が進められている。このような新たな移動体通信システム用としては、これまでのシステムに割り当てられていた周波数帯に比べて高い周波数帯が割り当てられることとなるが、より高い周波数の信号はより大きく減衰することから、これまでのシステムに比べてカバレッジが狭くなってしまう。このような問題を解決する手段として、基地局−端末間の通信を中継するリレー局をセル内に設ける方法がある。

リレー局には、受信した信号を増幅して送信するだけのもの（Ａｍｐｌｉｆｙ−ａｎｄ‐Ｆｏｒｗａｒｄ：ＡＦタイプ）や、一旦復調、復号し誤りがなければ再変調して送信するもの（Ｄｅｃｏｄｅ‐ａｎｄ‐Ｆｏｒｗａｒｄ：ＤＦタイプ）等があり、リレー局を介して基地局と基地局から遠く離れた端末（セルエッジ近傍に位置する端末）が通信を行うことにより、それらの端末の受信特性を劣化させることなく、セルのカバレッジをこれまでのシステムと同様に維持することが可能となる。

このようなリレー局を備えた無線通信システムの一例を図１１に示す。図１１に示すように、基地局９０と、端末９４とが、リレー局９２を介して接続されている。ここで、基地局９０から端末９４へ信号を伝送する場合には、リレー局９２を介することにより１フレーム分の信号を２フレームかかって伝送することになる。

また、端末９４から基地局９０へ信号を伝送する場合にも同様に、リレー局９２を介することにより１フレーム分の信号を２フレームかかって伝送することになる。したがって、基地局９０と端末９４が同じ周波数を用いて互いの信号を送受信し合うためには、４フレーム分の時間リソースが必要となる。このため、伝送効率が低下するという問題がある。

このような問題に対する対策として、Ｔｗｏ−ｗａｙ ｒｅｌａｙｉｎｇやＢｉ−ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ ｒｅｌａｙｉｎｇと呼ばれる双方向通信方法が提案されている。この方法は、例えば図１２に示すように、まず基地局９０がリレー局９２に信号を伝送し、次のフレームで端末がリレー局に信号を伝送する。但し、ここでは説明の簡略化のため、それぞれの信号が受ける伝搬路変動は省略している。

リレー局９２では、それぞれのフレームで受信した信号を合成し、合成した信号を３番目のフレームで基地局９０と端末９４宛に報知する。この３番目のフレームでは、基地局９０と端末９４とは２つの信号が混在した信号をそれぞれ受信することとなり、通常は元のデータを再生することができない。

しかし、この場合には、基地局９０及び端末９４は自身が送信した信号を把握しているため、受信信号から自身の送信信号を減算すれば、相手側から送信された信号を検出することができる。これにより、通常は４フレーム必要となるリレー局９２を介した双方向通信を３フレームで実現することができ、周波数利用効率を向上させることができる。

また、図１２では、基地局９０と端末９４とが異なるフレームでリレー局９２への伝送を行う構成としているが、基地局９０と端末９４とが同時にリレー局９２への伝送を行う構成としてもよく、この場合にはリレー局９２を介した双方向通信を２フレームで実現することができる。

さらに、ここでは、リレー局９２において受信信号の復号を行わない、ＡＦタイプの構成について説明したが、リレー局９２で各信号の復号を行うことが可能な場合（基地局９０と端末９４とが異なるフレームで信号伝送する場合や、基地局９０と端末９４とが同時に信号伝送するもののリレー局９２が複数の受信アンテナを備える場合等）には、リレー局９２で一旦信号を復号し、復号された２つのデータを合成して基地局及び端末へ報知する構成としてもよい。この場合には、基地局９０及び端末９４から送信された２つのデータの排他的論理和をとった信号を変調してそれぞれに報知する手法が用いられる。

このような手法を用いることにより、リレー局９２を介した通信を行う場合にも、必要な時間リソースを削減することができ、効率良い双方向通信を実現することが可能となる。

また、このＴｗｏ−ｗａｙ ｒｅｌａｙｉｎｇ（Ｂｉ−ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ ｒｅｌａｙｉｎｇ）をＭＩＭＯ（Ｍｕｌｔｉ−Ｉｎｐｕｔ Ｍｕｌｔｉ−Ｏｕｔｐｕｔ）通信に適用する手法が非特許文献１に示されている。

非特許文献１では、基地局、リレー局、端末がそれぞれ２本ずつのアンテナを有し、基地局及び端末からそれぞれ２ストリームのデータ（アンテナ毎に異なるデータ）が伝送される場合について検討されている。このような場合に、非特許文献１では、リレー局が基地局及び端末に向けて信号伝送する際に信号に送信ウェイトを乗算し、この信号を受信した基地局と端末では、既知の干渉（自身が送信した信号）の減算後の信号に受信ウェイトを乗算する構成が示されている（図１３）。

基地局と１つの端末のＭＩＭＯ通信では、基地局および端末はそれぞれ自身が送信した２つの信号（基地局はｕ_１とｕ_２を、端末はｖ_１とｖ_２）を把握しており、これらの信号に伝搬路変動等を乗算した信号を受信信号から減算することができる。また、受信信号から自己干渉（自身が送信した既知の干渉）を減算した後の信号は、２つの希望信号（基地局にとってはｖ_１とｖ_２、端末にとってはｕ_１とｕ_２）と雑音の和であり、通常のＭＩＭＯと同様の処理（ここでは受信ウェイトを乗算して信号分離）を施すことができる。このような送受信ウェイトを乗算することにより、基地局及び端末における信号検出を良好な特性で行うことが可能となり、効率良く双方向通信を実現することができる。

非特許文献２では、基地局が複数の端末と同時に通信を行うマルチユーザＭＩＭＯ（Ｍｕｌｔｉ−Ｕｓｅｒ−ＭＩＭＯ：ＭＵ−ＭＩＭＯ）通信にＴｗｏ−ｗａｙ ｒｅｌａｙｉｎｇ（Ｂｉ−ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ ｒｅｌａｙｉｎｇ）を適用する手法が示されている。この非特許文献２では、基地局、リレー局がそれぞれ２本ずつのアンテナを有し、２つの端末がそれぞれ１本ずつのアンテナを有する場合について、３つの時間リソース（フレーム）を用いた双方向通信が検討されている（図１４）。

図１４に示すように、１つ目のフレームでは、基地局から端末Ａ宛の信号がリレー局へ伝送されるのと同時に、端末Ａから基地局宛の信号がリレー局へ伝送される。この時、端末Ａからリレー局へ送信される信号は、端末Ｂにおいても受信、復調され、この復調された信号は、後に、既知の干渉信号として利用される。

また、２つ目のフレームでは、基地局から端末Ｂ宛の信号がリレー局へ伝送されるのと同時に、端末Ｂから基地局宛の信号がリレー局へ伝送される。この時、端末Ｂからリレー局へ送信される信号は、端末Ａにおいても受信、復調され、この復調された信号は、後に、既知の干渉信号として利用される。

最後に、３つ目のフレームでは、リレー局が基地局及び２つの端末から受信した信号を復調、復号し再度変調して合成した信号を、基地局及び２つの端末に向けて報知する。この信号を受信した基地局及び２つの端末では、それぞれ必要な信号を検出するために干渉となっている信号を減算する必要があるが、基地局は自身が送信した２つの端末宛の信号を把握しているため、この減算を行うことができ、希望信号を抽出することができる。

また、２つの端末においても、自身が送信した信号を把握しており、さらに、もう一方の端末が送信した信号を既に受信していることから、これも干渉信号として減算することができる。ＭＵ−ＭＩＭＯ通信を行う場合には、通常、各端末は自身の送信信号しか把握していないため、干渉を適切に減算することができず、双方向通信を実現することが難しいが、非特許文献２のように、一方の端末が送信した信号をもう一方の端末で意図的に受信、復調することにより互いの端末が送信した信号を既知の干渉として把握し、減算に利用することができる。

N. Lee et al, "Linear Precoder and Decoder Design for Two-Way AF MIMO Relaying System," VTC Spring 2008, May 2008. L. Weng et al, "MU-MIMO Relay System with Self-interference Cancellation," WCNC 2007, Mar. 2007.

ＭＵ−ＭＩＭＯ環境では、自身が送信した信号と他端末が送信した信号、基地局が他端末宛に送信した信号が干渉として希望信号と合成されることとなるが、各端末は自身の送信信号しか把握していないため、干渉（他端末が送信した信号と基地局が他端末宛に送信した信号）を適切に減算することができず、非特許文献１に示されているような送受信ウェイトを用いた双方向通信を実現することはできない。

また、非特許文献２に示されている手法を用いることにより、ＭＵ−ＭＩＭＯ環境においても各端末において減算すべき干渉信号（他端末が送信した信号）を把握することができるが、他端末がリレー局へ信号を送信している最中にその信号を受信、復調する処理が必要となり、端末間の距離が離れている場合には実現が困難である。また、この処理は、端末の消費電力や端末の送信データに対するプライバシーの観点からも好ましくない。さらに、非特許文献２に示されている手法では、３つの時間リソースが必要となるが、必要なリソースを更に削減した高効率なシステムの実現が望まれる。

上述した課題に鑑み、本発明が目的とするところは、複数アンテナを備えた基地局と複数の端末の間のＭＵ−ＭＩＭＯ双方向通信を、リレー局を介して行う場合に、少ないリソースで効率良く実現する通信システム等を提供することである。

上述した課題に鑑み、本発明の無線通信システムは、
複数の送受信アンテナを備えた基地局と、複数の端末とが同じ周波数を用いて、複数の送受信アンテナを備えたリレー局を介して双方向の通信を行う無線通信システムであって、
第一の時間フレームにおいて、前記基地局が第一の伝搬路情報に基づく第一のウェイトを前記複数の端末宛のそれぞれ異なる信号に乗算して送信すると共に、前記複数の端末が前記基地局宛の信号をそれぞれ送信し、
前記リレー局は、
前記第一の時間フレームにおいて前記基地局と前記端末とが送信した信号を受信し、第二の伝搬路情報に基づく第二のウェイトを前記受信した信号に乗算し、
第二の時間フレームにおいて、前記リレー局が前記第二のウェイトを乗算した信号を前記基地局と前記複数の端末に向けて送信し、
前記基地局および前記複数の端末は、
前記リレー局が送信した信号をそれぞれ受信し、
前記複数の端末のそれぞれにおいて、前記第一の時間フレームにおいて自己がそれぞれ送信した信号を基に干渉信号を生成し、前記生成された干渉信号を前記受信した信号から減算することにより、前記第一の時間フレームにおいて前記基地局から送信された信号を検出し、
前記基地局は、
前記第一の時間フレームにおいて自己が送信した信号を基に干渉信号を生成し、前記生成された干渉信号を前記受信した信号から減算することにより、前記第一の時間フレームにおいて前記複数の端末から送信された信号を検出する、
ことを特徴とする。

本発明の基地局は、
複数の送受信アンテナを備え、複数の端末と同じ周波数を用いて、複数の送受信アンテナを備えたリレー局を介して双方向の通信を行う無線通信システムにおける基地局であって、
前記複数の端末が信号をそれぞれ送信する第一の時間フレームにおいて、第一の伝搬路情報に基づく第一のウェイトを前記複数の端末宛のそれぞれ異なる信号に乗算して送信し、
前記第一の時間フレームにおいて前記リレー局が受信した信号を復調することなく生成された信号であって前記リレー局が第二の時間フレームにおいて送信した信号を受信し、
前記第一の時間フレームにおいて自己が送信した信号を基に干渉信号を生成し、前記生成された干渉信号を前記受信した信号から減算することにより、前記第一の時間フレームにおいて前記複数の端末から送信された信号を検出することを特徴とする。

本発明のリレー局は、
複数の送受信アンテナを備えた基地局と、複数の端末とが同じ周波数を用いて行う双方向通信を中継する、複数の送受信アンテナを備えたリレー局であって、
第一の時間フレームにおいて前記基地局と前記端末とが送信した信号を受信し、第二の伝搬路情報に基づく第二のウェイトを前記受信した信号に乗算し、
第二の時間フレームにおいて、前記リレー局が前記第二のウェイトを乗算した信号を前記基地局と前記複数の端末に向けて送信し、
前記第一の時間フレームにおいて受信する信号の数が、自己が備える送受信アンテナ数よりも多いことを特徴とする。

本発明の端末は、
複数の送受信アンテナを備えた基地局と同じ周波数を用いて、複数の送受信アンテナを備えたリレー局を介して双方向の通信を行う無線通信システムにおける端末であって、
第一の時間フレームにおいて、少なくとも一つ以上の別の端末と共に前記基地局宛のそれぞれ異なる信号を前記リレー局へ送信し、
前記第一の時間フレームにおいて前記リレー局が受信した信号を復調することなく生成された信号であって前記リレー局が第二の時間フレームにおいて送信した信号を受信し、
前記第一の時間フレームにおいて自己が送信した信号を基に干渉信号を生成し、前記生成された干渉信号を前記受信した信号から減算することにより、前記第一の時間フレームにおいて前記基地局から送信された信号を検出することを特徴とする。

本発明を用いることにより、複数アンテナを備えた基地局と端末の間のＭＵ−ＭＩＭＯ双方向通信を、リレー局を介して行う場合に、少ないリソース（フレーム数２）で効率良く実現することができる。具体的には、基地局及びリレー局において、ＭＵ−ＭＩＭＯ環境下における双方向通信に適したウェイトを送信信号にそれぞれ乗算して送信することにより、未知の干渉が混在した信号を各端末が受信せずに済むよう制御することができる。このウェイト乗算制御により、各端末では、希望信号と既知の干渉のみの合成信号を受信することができ、既知の干渉を減算することにより希望信号を効率良く検出することができる。また、基地局側でも既知の干渉信号の減算を行うことができ、さらに、受信ウェイトを乗算することにより良好な受信特性を得ることができる。

第１実施形態における無線通信システムの概要を説明するための図である。 第１実施形態における無線通信システムの概要を説明するための図である。 第１実施形態における基地局の構成を説明するための図である。 第１実施形態におけるリレー局の構成を説明するための図である。 第１実施形態における端末の構成を説明するための図である。 第３実施形態における動作を説明するための図である。 第３実施形態における基地局の構成を説明するための図である。 第３実施形態におけるリレー局の構成を説明するための図である。 第３実施形態における端末の構成を説明するための図である。 第５実施形態における動作を説明するための図である。 従来の無線通信システムの動作について説明するための図である。 従来の無線通信システムの動作について説明するための図である。 従来の無線通信システムの動作について説明するための図である。 従来の無線通信システムの動作について説明するための図である。

つづいて、本発明を適用した無線通信システム１について説明する。図１は、無線通信システム１の概要を説明するための図である。図１に示すように、無線通信システム１には、基地局１０と、リレー局２０を介して端末３０（端末Ａ及び端末Ｂ）が接続されている。

ここで、本発明を適用した無線通信システム１の概要について説明する。すなわち、本発明は複数アンテナを備えた基地局と複数の端末の間のＭＵ−ＭＩＭＯ双方向通信を、リレー局を介して行う場合に、少ないリソースで効率良く実現する方法に関するものである。

具体的には、図２に示すように、１つ目の時間フレームで基地局１０と端末３０（端末Ａ、Ｂ）がそれぞれリレー局２０への信号伝送を行い、２つ目の時間フレームでリレー局２０から基地局１０及び２つの端末３０へ向けて信号の報知が行われる。この時、基地局１０及びリレー局２０において、ＭＵ−ＭＩＭＯ環境下における双方向通信に適したウェイト（Ｗ_ＴＸ、Ｗ_ＲＳ）を送信信号にそれぞれ乗算することにより、未知の干渉が混在した信号を各端末が受信せずに済むよう制御する。このウェイト乗算制御により、各端末では、希望信号と既知の干渉のみの合成信号を受信することができ、既知の干渉を減算することにより希望信号を効率良く検出することができる。

すなわち、端末Ａでは干渉減算によりｕ_１が、端末Ｂでは干渉減算によりｕ_２がそれぞれ得られることとなる。また、端末が複数アンテナを備える場合には、既知の干渉減算後の信号に対して最尤検出を行うことも可能であり、また、信号にウェイトを乗算して送受信することもできる。

また、基地局側でも既知の干渉信号の減算を行うことができ、さらに、受信ウェイト（Ｗ_ＲＸ）を乗算することにより端末から送信された信号を検出することができる。すなわち、フレーム２において、基地局１０では、干渉減算後、Ｗ_ＲＸを乗算すると、ｖ_１、ｖ_２が得られることとなる。また、基地局１０では、既知の干渉減算後の信号に対して最尤検出を行うことも可能であり、良好な受信特性を得ることができる。

このような本発明を適用することにより、フレーム１で受信する信号（基地局と端末から送信される信号）を復号するために必要な数のアンテナをリレー局が備えていない場合においても、少ない時間リソース（フレーム数２）でＭＵ−ＭＩＭＯ Ｔｗｏ−ｗａｙ ｒｅｌａｙｉｎｇを効率良く実現することができる。

〔第１実施形態〕
それでは、本発明を適用した第１実施形態について説明する。第１実施形態では、受信信号を元通り（送信信号と一致するよう）に補償するＺＦ（Zero Forcing）の考え方をベースとした送受信ウェイトを用いる場合のＭＵ−ＭＩＭＯ Ｔｗｏ−ｗａｙ ｒｅｌａｙｉｎｇについて示す。

まず、図２に示す３つのウェイトＷ_ＴＸ、Ｗ_ＲＳ、Ｗ_ＲＸの数式表現を以下に示す。但し、基地局１０、リレー局２０はそれぞれ２本、２つの端末３０はそれぞれ１本のアンテナを有し、図２では、基地局１０からリレー局２０へ信号伝送する際に信号が受ける伝搬路変動を表す行列をＨ、その逆（リレー局２０から基地局１０）をＨの転置行列Ｈ^Ｔとしており、また、端末３０（端末Ａ、端末Ｂ）からリレー局２０へ信号伝送する際に信号が受ける伝搬路変動を表す行列をＧ、その逆（リレー局２０から端末３０）をＧの転置行列Ｇ^Ｔとしている。

詳しく述べると、基地局１０のアンテナ１からリレー局２０のアンテナ１へ信号が伝送される際に受ける伝搬路変動がｈ_１１、基地局１０のアンテナ１からリレー局２０のアンテナ２の伝搬路変動がｈ_２１、基地局１０のアンテナ２からリレー局２０のアンテナ１の伝搬路変動がｈ_１２、基地局１０のアンテナ２からリレー局２０のアンテナ２の伝搬路変動がｈ_２２である。

また、端末Ａのアンテナからリレー局２０のアンテナ１へ信号が伝送される際に受ける伝搬路変動がｇ_１１、端末Ａのアンテナからリレー局２０のアンテナ２の伝搬路変動がｇ_２１、端末Ｂのアンテナからリレー局２０のアンテナ１の伝搬路変動がｇ_１２、端末Ｂのアンテナからリレー局２０のアンテナ２の伝搬路変動がｇ_２２となっている。これらの伝搬路変動を式で表すと以下のようになり、基地局１０及びリレー局２０はこれらの行列を予め把握しているものとする。

このように、基地局１０とリレー局２０、端末３０とリレー局２０との間の伝搬路変動がＨやＧといった行列で表される場合に、本発明によるＭＵ−ＭＩＭＯ Ｔｗｏ−ｗａｙ ｒｅｌａｙｉｎｇに適したウェイト（Ｗ_ＴＸ、Ｗ_ＲＳ、Ｗ_ＲＸ）は以下のように表される。

但し、αは基地局の送信電力を正規化する係数であり、以下の式で表される。

ここで、基地局の総送信電力をＰ_ＢＳ、基地局から送信される（Ｗ_ＴＸを乗算する前の）信号の共分散行列をＱ_ｕとしており、ｔｒ（Ｘ）は行列Ｘのトレース（対角成分の和）を表している。また、基地局から送信される（Ｗ_ＴＸを乗算する前の）２つの信号の電力が等しいものとし、Ｑ_ｕ＝(Ｐ_BS／Ｍ)Ｉとおくと、αは以下のように表される。

但し、Ｍはアンテナ数（端末数）を表しており、ここでは「２」となる。また、Ｉは単位行列である。

また、βはリレー局の送信電力を正規化する係数であり、以下の式で表される。ここで、リレー局の総送信電力をＰ_ＲＳ、２つの端末から送信される信号の共分散行列をQ_v、リレー局における雑音電力をσ_ＲＳの２乗としている。Ｇ^＊は行列Ｇの複素共役行列を表す。

ここで、Ｑ_u＝(Ｐ_BS／Ｍ)Ｉ、２つの端末から送信される信号の電力が等しいものとし、Ｑ_v＝(Ｐ_MS／Ｍ)Ｉとすると、βは以下のように表される。但し、端末の総送信電力（２つの端末の送信電力を合わせた電力）をＰ_ＭＳとしている。

また、式（６）に示すリレー局ウェイトが用いられる場合には、基地局における受信ウェイトは以下のように表される。

以上の式（３）〜（９）のような送受信ウェイトを用いる場合の基地局１０及び２つの端末３０における受信信号を以下に示す。但し、基地局１０から端末Ａ宛の送信信号をｕ_１、基地局から端末Ｂ宛の送信信号をｕ_２、端末Ａの送信信号をｖ_１、端末Ｂの送信信号をｖ_２としている。また、説明の簡略化のため、雑音成分は省略している。

まず、図２の１フレーム目でリレー局が受信する信号ｙ_ＲＳは以下のように表される。

また、２フレーム目でリレー局が送信する信号ｘ_ＲＳは以下のように表される。

この式（１３）で表される信号は伝搬路を経由して、端末では以下のように受信される。

この式（１４）から分かるように、本発明によるウェイトを用いた場合、端末Ａでは希望信号のｕ_１と自ら送信した既知の干渉信号ｖ_１の合成信号が受信され、未知の干渉信号は混在していない。したがって、受信信号から既知の干渉信号ｖ_１に送信電力の正規化係数βを乗算したものを減算することにより、希望信号ｕ_１を抽出することができる。

また同様に、端末Ｂにおいても、希望信号のｕ_２と自ら送信した既知の干渉信号ｖ_２の合成信号が受信され、未知の干渉信号は混在していないため、受信信号から既知の干渉信号ｖ_２に送信電力の正規化係数βを乗算したものを減算することにより、希望信号ｕ_２を抽出することができる。但し、送信電力の正規化係数βについては、リレー局２０から各端末３０へ予め通知しておく必要がある。

このように、式（３）で表される送信ウェイトを基地局において送信信号に乗算し、式（６）で表されるウェイトをリレー局２０において送信信号に乗算することにより、未知の干渉が混在した信号を各端末が受信せずに済むよう制御することができる。つまり、各端末３０では希望信号と既知の干渉のみの合成信号を受信することができ、既知の干渉を減算することにより希望信号を効率良く検出することができる。

また、式（１１）で表される信号は、基地局では信号ｙ_ＢＳとして以下のように受信される。

基地局ではｕ_１とｕ_２のいずれも把握しており、受信信号から干渉成分として減算することができる。式（１５）から干渉成分を減算すると以下のようになる。

これに式（９）で表される受信ウェイトを乗算すると、

となり、希望信号ｖを得ることができる。ここでは、式（１５）の受信信号に対して、まず干渉成分を減算してから式（９）の受信ウェイトを乗算しているが、逆に、受信ウェイトを乗算してから干渉成分を減算することでも希望信号を抽出することができる。この時の受信ウェイトは式（９）と同じでよい。

以上のように、本実施形態による送信ウェイトを基地局１０及びリレー局２０において信号に乗算することにより、未知の干渉が混在した信号を各端末３０が受信せずに済むよう制御することが可能となり、既知の干渉信号の減算を行うことによりＭＵ−ＭＩＭＯ Ｔｗｏ−ｗａｙ ｒｅｌａｙｉｎｇを効率良く実現することができる。また、基地局１０においても干渉信号の減算と受信ウェイトの乗算を行うことにより希望信号を得ることができる。

また、ここでは基地局において既知の干渉減算後の受信信号に受信ウェイトを乗算して端末から送信された希望信号を検出する例について示したが、受信ウェイトの乗算は行わず、干渉減算後の信号に対して最尤検出（Maximum Likelihood Detection：ＭＬＤ）を行うようにしてもよい。この最尤検出は、総ての送信信号候補と伝搬路推定値を乗算した結果が受信信号に最も近くなる送信信号候補を選ぶことにより信号を検出する方法であり、演算量は増加するものの、より良好な受信特性を得ることができる。

ここで、本実施の形態における基地局１０の装置構成を図３に示す。図３に示すように、本実施形態における基地局１０の送信部１００は、変調部１０２と、送信ウェイト乗算部１０４と、Ｄ／Ａ変換部１０６（１０６ａ及び１０６ｂ）と、無線部１０８（１０８ａ及び１０８ｂ）と、送信アンテナ部１１０（１１０ａ及び１１０ｂ）（送信アンテナ１、２）とを備えて構成される。

また、受信部１５０は、受信アンテナ部１５２（１５２ａ及び１５２ｂ）（受信アンテナ１、２）と、無線部１５４（１５４ａ及び１５４ｂ）と、Ａ／Ｄ変換部１５６（１５６ａ及び１５６ｂ）と、干渉減算部１５８と、受信ウェイト乗算部１６０と、復調部１６２とを備えて構成される。

送信部１００では、まず、２つの送信データ（端末Ａ宛と端末Ｂ宛）の変調が変調部１０２で行われ、変調された信号に対して送信ウェイト乗算部１０４において式（３）で表される送信ウェイトの乗算が行われる。但し、リレー局２０からのフィードバック等により、基地局１０では総ての伝搬路を予め把握しているものとする。

送信ウェイト乗算部１０４における送信ウェイト乗算後の２つの信号は、それぞれＤ／Ａ変換部１０６へ入力され、デジタル信号からアナログ信号へ変換される。そして、無線部１０８において無線送信可能な周波数帯へ周波数変換された後、送信アンテナ部１１０からそれぞれ送信される。

また、受信部１５０では、リレー局２０から送信された信号がまず受信アンテナ部１５２で受信され、無線部１５４でそれぞれＡ／Ｄ変換可能な周波数に変換された後、Ａ／Ｄ変換部１５６においてアナログ信号からデジタル信号へ変換される。

そして、干渉減算部１５８において干渉の減算が行われることになるが、この干渉減算部１５８には変調部１０２から自己の送信信号が入力され、既知の干渉信号として利用される。また、ここでは、既知の干渉信号に乗算されている伝搬路も把握しており、その伝搬路と自己の送信信号およびα、βといった係数が乗算された信号が干渉として減算される。この干渉減算後の信号は受信ウェイト乗算部１６０に入力され、式（７）で表される受信ウェイトの乗算が行われた後、復調部１６２で復調され、端末から送信されリレー局を経由して到来したデータが再生される。

このような基地局１０の装置構成とすることにより、ＭＵ−ＭＩＭＯ Ｔｗｏ−ｗａｙ ｒｅｌａｙｉｎｇに適した送信ウェイトを乗算した信号を送信することができ、また、自己の送信信号を干渉信号として受信信号から減算し、受信ウェイトを乗算して希望信号を効率良く得ることができる。更に、先に述べたように、受信ウェイトの乗算は行わず、既知の干渉減算後の信号に対して最尤検出を行う構成としてもよい。

尚、図３では、送信アンテナと受信アンテナをそれぞれ２本ずつ設ける構成となっているが、本実施形態は送信と受信を同時に行う構成ではないため、全体で２本のアンテナを設け、切り替えスイッチによって送信と受信を切り替える構成とすることもできる。また、送信アンテナと受信アンテナを３本以上とする構成としてもよいことは勿論である。

次に、本実施形態におけるリレー局２０の装置構成を図４に示す。図４に示すように、本実施形態におけるリレー局２０は、受信アンテナ部２００（２００ａ及び２００ｂ）と、無線部２０２（２０２ａ及び２０２ｂ）並びに２１０（２１０ａ及び２１０ｂ）と、Ａ／Ｄ変換部２０４（２０４ａ及び２０４ｂ）と、ウェイト乗算部２０６と、Ｄ／Ａ変換部２０８（２０８ａ及び２０８ｂ）と、送信アンテナ部２１２（２１２ａ及び２１２ｂ）とを備えて構成される。

基地局１０及び２つの端末３０から送信された信号は、リレー局２０の受信アンテナ部２００で受信され、無線部２０２において無線周波数からＡ／Ｄ変換可能な周波数に周波数変換される。この信号は、次に、Ａ／Ｄ変換部２０４においてアナログ信号からデジタル信号へ変換された後、ウェイト乗算部２０６において式（６）で表されるウェイトが乗算される。

そして、Ｄ／Ａ変換部２０８においてデジタル信号からアナログ信号に変換され、無線部２１０において無線送信可能な周波数へ周波数変換された後に送信アンテナ部２１２から基地局１０や端末３０へ向けて送信される。

通常、リレー局では、リレー局と基地局、端末の間の距離減衰を考慮して受信信号の電力を増幅する処理が行われるが、本実施形態では、これは無線部２１０で行われるものとする。このようなリレー局２０の装置構成とすることにより、基地局１０及び端末３０から送信された信号を受信し、受信信号にＭＵ−ＭＩＭＯ Ｔｗｏ−ｗａｙ ｒｅｌａｙｉｎｇに適したウェイトを乗算し、基地局１０や端末３０に向けて再度送信することが可能となり、端末３０が未知の干渉の混在した信号を受信せずに済むよう制御することができる。

尚、図４では、送信アンテナと受信アンテナをそれぞれ２本ずつ設ける構成となっているが、本実施形態は送信と受信を同時に行う構成ではないため、全体で２本のアンテナを設け、切り替えスイッチによって送信と受信を切り替える構成とすることもできる。また、同時にＭＵ−ＭＩＭＯ通信を行う端末数（ストリーム数）と同じ数であれば、送信アンテナと受信アンテナを３本以上とする構成としてもよい。

つづいて、本実施形態における端末３０の装置構成を図５に示す。但し、端末３０（本実施形態においては端末Ａ、Ｂ）は同一の構成であるものとする。図５に示すように、本実施形態における端末３０の送信部３００は、変調部３０２と、Ｄ／Ａ変換部３０４と、無線部３０６と、送信アンテナ部３０８とを備えて構成されている。また、受信部３５０は、受信アンテナ部３５２と、無線部３５４と、Ａ／Ｄ変換部３５６と、干渉減算部３５８と、復調部３６０とを備えて構成されている。

この送信部３００では、まず送信データが変調部３０２で変調され、Ｄ／Ａ変換部３０４でデジタル信号からアナログ信号へ変換される。そして、無線部３０６において無線送信可能な周波数へ周波数変換された後、送信アンテナ部３０８から送信される。

また、受信部３５０では、受信アンテナ部３５２で受信された信号が無線部３５４においてＡ／Ｄ変換可能な周波数へ周波数変換され、Ａ／Ｄ変換部３５６においてアナログ信号からデジタル信号へ変換される。そして、干渉減算部３５８において干渉の減算が行われるが、この干渉減算部３５８には自己の送信信号が変調部３０２より入力され、既知の干渉信号として利用される。

この自己の送信信号とリレー局２０から予め通知された係数βが乗算された信号が、干渉信号として受信信号から減算される。このように干渉信号を減算された信号は、復調部３６０において復調され、基地局１０から送信されリレー局２０を経由して到来したデータが再生される。このような端末３０の装置構成とすることにより、自己が送信した信号を干渉信号として受信信号から減算することができ、希望信号を検出することが可能となる。

尚、図５では、送信アンテナと受信アンテナをそれぞれ１本ずつ設ける構成となっているが、本実施の形態は送信と受信を同時に行う構成ではないため、全体で１本のアンテナを設け、切り替えスイッチによって送信と受信を切り替える構成とすることもできる。

以上のような基地局１０、リレー局２０、端末３０の装置構成とすることにより、本実施の形態によるウェイトを基地局１０及びリレー局２０において信号に乗算することができ、未知の干渉が混在した信号を各端末が受信せずに済むよう制御することが可能となる。そして、基地局１０及び端末３０において既知の干渉信号の減算を行うことにより、フレーム１で受信する信号（基地局と端末から送信される信号）を復号するために必要な数のアンテナをリレー局が備えていない場合においても、少ないリソース（フレーム数２）でＭＵ−ＭＩＭＯ Ｔｗｏ−ｗａｙ ｒｅｌａｙｉｎｇを効率良く実現することができる。

また、本実施形態では、１つ目の時間フレームと２つ目の時間フレームの伝送に用いられる周波数が同一であるものとしていたが、複数の周波数チャネルを備えたシステムにおいては、１つ目の時間フレームと２つ目の時間フレームで異なる周波数チャネルを用いるようにしてもよい。

このような場合に、例えば、１つ目の時間フレームで基地局１０からリレー局２０へ信号を伝送する際の伝搬路行列をＨ_１、２つの端末３０からリレー局２０へ信号を伝送する際の伝搬路行列をＧ_１、２つ目の時間フレームでリレー局２０から基地局１０へ信号を伝送する際の伝搬路行列をＨ_２、リレー局２０から２つの端末３０へ信号を伝送する際の伝搬路行列をＧ_２とすると、本実施の形態における送受信ウェイトはそれぞれ次のように表される。

このような送受信ウェイトを用いることにより、１つ目の時間フレームと２つ目の時間フレームで異なる周波数チャネルを用いる場合にも、未知の干渉が混在した信号を各端末が受信せずに済むよう制御することが可能となり、ＭＵ−ＭＩＭＯ Ｔｗｏ−ｗａｙ ｒｅｌａｙｉｎｇを効率良く実現することができる。

また、それぞれの装置構成については、本実施の形態で示した構成に、１つ目の時間フレームと２つ目の時間フレームで用いる周波数チャネルを切り替える周波数チャネル切り替え部を追加することにより実現することができる。

また、本実施形態では、基地局及びリレー局は全ての伝搬路変動を予め把握しているものとしている。しかし、基地局はリレー局と端末間の伝搬路変動を直接知ることができないため、総ての伝搬路変動を把握するためには、リレー局と端末間の伝搬路変動を基地局へ通知する必要がある。これに対しリレー局では、基地局及び各端末から送信された信号を直接受信することができるため、基地局との間の伝搬路及び端末との間の伝搬路を直接知ることが可能である。このため、リレー局において推定された各伝搬路行列を用いて送受信ウェイト（または送信ウェイトのみ）を算出し、算出した結果をリレー局から基地局へ通知する構成としてもよい。このような構成により、基地局とリレー局で別々にウェイトを算出せずに済み、手順の簡略化を図ることができる。

〔第２実施形態〕
第１実施形態では、ＺＦ（Zero Forcing）の考え方をベースとした送受信ウェイトを用いる場合のＭＵ−ＭＩＭＯ Ｔｗｏ−ｗａｙ ｒｅｌａｙｉｎｇについて示したが、この場合には、信号を元通りに補償しようとするため雑音成分を強調してしまうことがある。そこで、本発明を適用した第２実施形態では、雑音成分の影響も考慮した送受信ウェイトについて示す。

第１実施形態と同様、図２に示す３つのウェイトＷ_ＴＸ、Ｗ_ＲＳ、Ｗ_ＲＸの数式表現を以下に示す。まず、Ｗ_ＴＸは以下のように表される。

但し、αは基地局の送信電力を正規化する係数であり以下の式で表される。また、σ_ＭＳの２乗は端末の雑音電力であり、式（２４）右辺第２項は（ ）内の行列の非対角成分のみで構成される行列を表している。

また、Ｗ_ＲＳは以下のように表される。

ここで、ｖｅｃ（ ）は、（ ）内の行列をベクトル表記に変形（ｒｅｓｈａｐｅ）したものであり、式（２７）右辺第１項、第２項はクロネッカー積を表している。

また、βはリレー局の送信電力を正規化する係数であり以下の式で表される。

また、Ｗ_ＲＸは以下のように表される。

但し、σ_ＢＳの２乗は基地局の雑音電力である。

以上のような送受信ウェイトを用いることにより、雑音の影響を考慮した重み付けを行うことができ、第１実施形態で示したウェイトを用いる場合に比べて良好な特性でＭＵ−ＭＩＭＯ Ｔｗｏ−ｗａｙ ｒｅｌａｙｉｎｇを実現することができる。

また、本実施形態における基地局１０、リレー局２０、端末３０は第１実施形態で示したものと同一の構成で実現することができる。但し、それぞれのウェイト乗算部で用いるウェイトや、α、βといった係数はそれぞれ本実施形態で示したものとする。

〔第３実施形態〕
以上の実施形態では、基地局１０、リレー局２０の受信アンテナ数をそれぞれ２、端末数を２とし、各端末はそれぞれ１つのアンテナを備えているものとしているが、それ以上の送受信アンテナ数、端末数の場合においても、その状況に対応した伝搬路行列を用いることにより本発明は適用可能である。

例えば、基地局１０、リレー局２０の受信アンテナ数をそれぞれ４とし、１つのアンテナを備える端末が４端末存在する場合は、以上の実施形態で２×２であった伝搬路行列を４×４とし、２×１であった送信信号ベクトルを４×１とすることに対応しており、このような対応を行うことによりこれまでに示したウェイトを２×２の場合と同様に用いることができる。

また、図６に示すように基地局１０、リレー局２０の受信アンテナ数をそれぞれ４とし、それぞれ２つのアンテナを備える端末が２端末存在する場合にも、これまでの実施形態で示したウェイトを用いてＭＵ−ＭＩＭＯ Ｔｗｏ−ｗａｙ ｒｅｌａｙｉｎｇを実現することができる。これらと同様に、基地局１０、リレー局２０の受信アンテナ数をそれぞれ４とし、３つのアンテナを備える端末と１つのアンテナを備える端末の２端末が存在する場合にも、本発明は適用可能である。

しかし、これらのウェイトは、基地局から送信される各ストリーム（Ｗ_ＴＸを乗算する前の変調信号）が端末側で分離されて受信されるようにするウェイトであるが、図６に示すように、端末が複数のアンテナを備える場合には必ずしも総てのストリームを分離するようなウェイトを用いる必要はなく、端末にとって未知の干渉が到来しないようなウェイトであればよい。

これは、例えば、図６に示す端末Ａにとっての干渉信号はｕ_３、ｕ_４、ｖ_３、ｖ_４であり、これらの信号は端末Ａの受信信号に混在しないようにする必要があるが、ｕ_１、ｕ_２は希望信号であり、ｖ_１、ｖ_２はいずれも既知の干渉である。したがって、基地局とリレー局のウェイト制御によりこれらの信号（ｕ_１、ｕ_２、ｖ_１、ｖ_２）を分離する必要はなく、これらの信号が混在した（加算された）信号を端末が受信し、端末での処理によりこれらを分離して希望信号を検出する構成としてもよい。

そこで、以下の実施形態では、端末が複数のアンテナを備える場合に、各ストリームを完全に分離することなく端末が未知の干渉を受信せずに済むようなウェイト制御について示す。

まず第３実施形態では、図６に示すように基地局１０、リレー局２０の受信アンテナ数をそれぞれ４とし、それぞれ２つのアンテナを備える端末が２端末存在する場合について、リレー局で用いるウェイトを第１実施形態で示したものとするときの基地局において用いるウェイトについて示す。第１実施形態におけるリレー局のウェイトは以下の式（３０）で示されていた。

但し、βは式（２８）で表される、リレー局における送信電力を正規化する係数であり、本実施形態では各伝搬路行列（Ｈ、Ｇ）は４×４の行列である。このウェイトを用いる場合の端末における受信信号ベクトルは式（１４）より以下のように表される。ここで、Ｗ_ＴＸ＝αＷ_ＴＸ’としており、簡単のため雑音成分は無視している。αは式（２５）で表される、基地局における送信電力を正規化する係数である。

式（３１）の右辺第２項からわかるように、式（３０）で示すウェイトをリレー局で用いる場合には、２つの端末から送信された信号（ストリーム）は完全に分離されてそれぞれの端末で受信されることとなり、別の端末から送信された未知の干渉が受信信号に混在することはない。したがって、各端末で自身の送信信号にβを乗算した結果を受信信号から減算することにより、既知の干渉成分を除去することができる。

式（３１）の右辺第１項は基地局から端末宛に送信された希望信号成分を表しているが、別の端末宛の信号は（例えば、端末Ａ宛の信号は端末Ｂにとって）未知の干渉となるため、このような未知の干渉がそれぞれの端末で受信せずに済むようなウェイト制御を基地局において行う必要がある。

このような目的のために、第１、第２実施形態では、端末宛の４つの信号（ストリーム）が総て分離されてそれぞれの端末で受信されるように制御していたが、本実施形態ではこれらとは異なるウェイト制御について示す。ここで、式（３１）の第１項より、基地局から送信された信号が各端末で受信されるまでに経由する仮想的な伝搬路をＦ＝Ｇ^−１Ｈとおく。本実施形態におけるウェイト制御は、この伝搬路Fにブロック対角化と呼ばれる処理を適用して、各ストリームを完全に分離することなく端末が未知の干渉を受信せずに済むようにするものである。
本実施形態に適したブロック対角化（Block Diagonalization）について以下に説明する。説明のため、仮想伝搬路Ｆを以下のように表す。

ここで、Ｆ_１、Ｆ_２はいずれも２×４の行列であり、Ｆ_１は端末Ａで受信される信号が経由する伝搬路を、Ｆ_２は端末Ｂで受信される信号が経由する伝搬路をそれぞれ示している。本実施形態で適用するブロック対角化では、まず、このような伝搬路Ｆを構成するＦ_１、Ｆ_２に対してそれぞれ特異値分解（Singular Value Decomposition）を行う。特異値分解とは、ｍ×ｎの行列Ｊを、ｍ×ｍのユニタリ行列Ｓ、対角成分以外は０で対角成分は行列Ｊの特異値となるｍ×ｎの行列D、ｎ×ｎのユニタリ行列の複素共役転置行列T^Hの積で表すことであり、以下のように書くことができる。

この特異値分解を式（３２）のＦ_１、Ｆ_２にそれぞれ施すと以下のように表すことができる。

ここで、式（３４）の両辺に右側からＴ_１を乗算すると、Ｔ_１はユニタリ行列であることから以下のようになる。

この結果より、Ｆ_１の１行目とＴ_１の３列目、４列目の積はいずれも０となることがわかる。また、Ｆ_１の２行目とＴ_１の３列目、４列目の積も同様に０となることがわかる。これは、つまり、Ｔ_１の３列目、４列目を乗算された信号がＦ_１の伝搬路を経由すると、受信側では信号が全く受信されないということを示しており、Ｆ_２について特異値分解を行った結果についても同様のことが言える。

このような性質を利用して、基地局から送信される信号のうち、各端末にとっての未知の干渉を端末が受信せずに済むように制御する、つまり仮想的な伝搬路Ｆをブロック対角化することができる基地局の送信ウェイトは以下のように表すことができる。

この式（３７）で表される送信ウェイトを基地局で用いた場合には、式（３１）の右辺第１項は以下のように表される。

但し、ｆ^’ _１１等は以下の式で表される。

式（３８）より、端末Ａで受信される信号はｕ_１とｕ_２が合成された信号でありｕ_３、ｕ_４は混在していないことがわかる。また、端末Ｂで受信される信号についても同様に、ｕ_３とｕ_４の合成信号であるが、ｕ_１とｕ_２は混在していない。つまり、ブロック対角化を施した送信ウェイトを基地局で乗算した信号を送信することにより、各端末にとっての希望信号が混在した信号（ストリーム毎に分離されていない信号）を受信し、基地局が別の端末宛に送信する未知の干渉は受信せずに済むように制御できている。

このように、ブロック対角化を施した式（３７）で示される送信ウェイトを基地局で用い、式（３０）で示されるウェイトをリレー局において用いることにより、各端末にとって未知の干渉が混在した信号を受信せずに済むように制御することができる。

各端末では、受信信号から既知の干渉信号（式（３１）の右辺第２項）を減算した後に残った、希望信号の合成信号に対して最尤検出等を行って、希望信号（ストリーム）を分離すればよい。線形ウェイトを乗算することにより各希望信号（ストリーム）が総て分離されて端末で受信される第１、第２実施形態に比べ、本実施形態では、異なる端末宛のストリームは線形ウェイトにより分離するものの、一つの端末宛の複数ストリームは分離しないため、アンテナ間に相関がある場合等、線形処理による分離が適さない状況においては良好な受信特性が得られる可能性が高まる。

但し、式（３８）で示す行列の左上の２×２の行列を端末Ａで、右下の２×２の行列を端末Ｂでそれぞれ把握しておく必要がある。このためには、データ信号の伝送に先立って、既知の伝搬路推定用信号を基地局から送信する必要があるが、この際に、データ信号の伝送時と同じウェイトを基地局及びリレー局において乗算し、それらの処理を施された伝搬路推定用信号を受信することにより、必要な仮想伝搬路の変動を推定することができる。また、最尤検出を行わず、受信信号に対してＺＦ、ＭＭＳＥ（Minimum Mean Square Error）等の線形処理を行って信号検出する構成としてもよい。

一方、基地局側では、希望信号と上述の基地局送信ウェイトが乗算された自身の送信信号が混在した信号が受信されるが、基地局送信ウェイトが乗算された自身の送信信号は既知の干渉であるため、これまでの実施形態と同様に受信信号から減算できる。

本実施形態では、リレー局において第１実施形態と同一のウェイトを乗算しているため、既知の干渉減算後の信号は第１実施形態と同じ信号となる。したがって、第１実施形態と同一の受信ウェイトを乗算して希望信号を検出することが可能であり、また、最尤検出を行うこともできる。

ここで、本実施の形態における基地局１０の装置構成を図７に示す。図７に示すように、本実施形態における基地局１０は、図３に示す装置のアンテナ数を増やした構成となっており、図３と共通の符号を付している。但し、図７に示す基地局装置では受信ウェイトの乗算は行わず、復調部１６２において希望信号の最尤検出を行う構成としている。また、この基地局装置では、送信ウェイト乗算部１０４において上述のブロック対角化を適用した送信ウェイトが乗算されることとなる。

次に、本実施形態におけるリレー局２０の装置構成を図８に示す。図８に示すように、本実施形態におけるリレー局２０は、図４に示す装置のアンテナ数を増やした構成となっており、図４と共通の符号を付している。先に述べたように、ウェイト乗算部２０６で乗算されるウェイトは、第１実施形態で示したウェイトと同じ式で表すことができるものである。

次に、本実施形態における端末３０の装置構成を図９に示す。図９に示すように、本実施形態における端末３０は、図５に示す装置のアンテナ数を増やした構成となっており、図５と共通の符号を付している。

但し、送信する信号（ストリーム）は２つであり、ｖ_１とｖ_２の組かｖ_３とｖ_４の組のいずれかが送信されることとなる。また、先に述べたように、本実施形態では、２つの希望信号（ストリーム）が分離されずに受信されるため、端末側の受信処理により希望信号を分離して検出する必要があるが、図９に示す端末装置では、復調部３６０において最尤検出を行うものとしている。

以上のような装置構成とし、先に示したブロック対角化を施した送信ウェイトを乗算した信号を送信することにより、希望信号をストリーム毎に完全に分離することなく端末が未知の干渉を受信せずに済むように制御することができる。

〔第４実施形態〕
第３実施形態では、ブロック対角化により算出したウェイトを基地局において用い、リレー局においてＺＦの考え方をベースとしたウェイトを用いる場合について示したが、基地局と同様にリレー局においてもブロック対角化を利用して算出したウェイトを用いて信号の伝送を行うことができる。第４実施形態では、ブロック対角化を利用して算出したウェイトをリレー局でも用いる場合について示す。

まず、式（１４）や式（３１）の第１式にも示すように、本発明によるＭＵ−ＭＩＭＯ Ｔｗｏ−ｗａｙ Ｒｅｌａｙｉｎｇを行う場合の端末における受信信号は以下のように表される。但し、簡単のため、雑音成分は無視している。

この式（４０）の第２項は、フレーム１で各端末から送信されリレー局で受信された信号に、リレー局でウェイトを乗算し、フレーム２でリレー局から送信された信号を表しており、自身が送信した既知の干渉と別の端末から送信された未知の干渉が含まれる項である。本発明によるＭＵ−ＭＩＭＯ Ｔｗｏ−ｗａｙ Ｒｅｌａｙｉｎｇを実現するためには、まず、各端末の受信信号に別の端末から送信された未知の干渉が混在しないようにＷ_ＲＳで制御する必要がある。本実施の形態ではブロック対角化を用いてＷ_ＲＳを算出するが、ここで、式（４０）の第２項を以下のように書き直す。但し、βは式（２８）で表される、リレー局における送信電力を正規化する係数である。

この式（４１）では、リレー局ウェイトＷ_ＲＳをＷ’_ＲＳ１とＷ’_ＲＳ２の積で表すように式（４０）の第２項を書き直している。このうち、Ｗ’_ＲＳ１は左側に乗算されているＧ^Ｔを第３実施形態における仮想伝搬路Ｆとみなしてブロック対角化を行うための行列であり、Ｗ’_ＲＳ２は右側に乗算されているＧを第３実施形態における仮想伝搬路Ｆとみなしてブロック対角化を行うための行列である。つまり、Ｇ^ＴＷ’_ＲＳ１が式（３８）で示すようなブロック対角化された行列となり、Ｗ’_ＲＳ２Ｇも同様にブロック対角化された行列となる。

そして、それらの積（Ｇ^ＴＷ’_ＲＳ１Ｗ’_ＲＳ２Ｇ）もやはりブロック対角化された行列となるため、以上のような２回のブロック対角化を行うことにより、式（４０）第２項において各端末の受信信号に別の端末から送信された未知の干渉が混在しないように制御可能なＷ_ＲＳ（＝Ｗ’_ＲＳ１Ｗ’_ＲＳ２）を得ることができる。

但し、Ｗ’_ＲＳ１の算出は第３実施形態で示したものと同じ要領で行うことができるが、Ｗ’_ＲＳ２は少し異なる手順で算出する必要がある。これは、ブロック対角化する対象の仮想伝搬路行列ＧがＷ’_ＲＳ２の右側に乗算されているためであり、第３実施形態の式（３２）に対応する仮想伝搬路行列は以下のように表される。

ここで、Ｇ_１、Ｇ_２はいずれも４×２の行列である。これらの行列Ｇ_１、Ｇ_２について特異値分解すると、その結果はそれぞれ以下のようになる。

このように得られたユニタリ行列Ｓ_１とＳ_２を用いて、Ｗ’_ＲＳ２は以下のように得られる。

但し、ｓ^＊はｓの複素共役を表している。このような手順によりＷ’_ＲＳ２が得られ、Ｗ’_ＲＳ１と併せて、フレーム１で各端末から送信され、フレーム２でリレー局から送信される信号が経由する仮想伝搬路行列をブロック対角化することができ、自身が送信した既知の信号（干渉）はストリーム毎に分離せずに、別の端末から送信された未知の干渉を各端末が受信せずに済むように制御することができる。そして、端末では、ブロック対角化された行列のうち、自身の受信信号に含まれる小行列を把握することにより既知の干渉を減算することができる。

また、基地局で用いる送信ウェイトについては、第３実施形態における仮想伝搬路行列ＦをＦ＝Ｇ^ＴＷ_ＲＳＧ（但し、Ｗ_ＲＳは本実施形態で得られるウェイト）とおいて、第３実施形態と同様のブロック対角化を行うことにより得ることができる。

このようにブロック対角化された信号を受信する端末では、第３実施形態と同様に、既知の干渉減算後に最尤検出や受信ウェイトの乗算等を行って希望信号を検出することができる。基地局においても、これまでの実施形態と同様に、既知の干渉減算後に最尤検出や受信ウェイトの乗算等を行って希望信号を検出することができる。

以上のように、本実施形態では、リレー局においてもブロック対角化を利用したウェイトを用いる例について示したが、本実施形態における基地局、リレー局、端末のそれぞれの装置は第３実施形態で示したもの（図７、８，９）と同一の構成で実現することができる。

〔第５実施形態〕
第３、第４実施形態では、基地局１０、リレー局２０の受信アンテナ数がそれぞれ４で、それぞれ２つのアンテナを備える端末が２端末存在するような場合、つまり各端末が備えるアンテナ数が同じである場合について、ブロック対角化を利用したウェイトについて示したが、本発明によるＭＵ−ＭＩＭＯ Ｔｗｏ−ｗａｙ Ｒｅｌａｙｉｎｇは、図１０に示すようにアンテナ数が異なる端末が存在する場合についても対応可能である。第５実施形態では、このような場合のウェイト制御について述べる。

まず、第１、第２実施形態で示したように、総てのストリームが分離されて受信されるような制御は、図１０に示すような場合においても同様に適用可能である。

また、第３、第４実施形態で示したようなブロック対角化を利用したウェイトによる制御についても、適用可能である。但し、端末Ａと端末Ｂでは希望信号（ストリーム）の数、干渉（ストリーム）の数が異なるため、このことを考慮したブロック対角化を行う必要がある。

ここで、第３実施形態を例にとると、具体的には、式（３２）の仮想伝搬路行列を構成するＦ_１を３×４の行列、Ｆ_２を１×４の行列として、以降の演算を行う必要がある。この時、第３実施形態と同様に、Ｆ_１は端末Ａで受信される信号が経由する伝搬路を、Ｆ_２は端末Ｂで受信される信号が経由する伝搬路をそれぞれ示している。これらＦ_１、Ｆ_２を第３実施形態と同様に特異値分解すると以下のように表すことができる。

そして、仮想的な伝搬路Ｆをブロック対角化することができる基地局の送信ウェイトは以下のように表される。

このようなウェイトを用いることにより、図１０に示すような異なる数のアンテナを備えた複数の端末が存在する場合にも、基地局から送信された信号が端末に到来する際に経由する伝搬路をブロック対角化することができ、総てのストリームを分離しないような制御を行いつつ、未知の干渉が各端末で受信されないようにすることができる。

ここでは、第３実施形態を例としたが、第４実施形態のようにリレー局におけるブロック対角化を利用したウェイト制御についても同様に適用することができ、図１０に示すような異なる数のアンテナを備えた複数の端末が存在する場合のＭＵ−ＭＩＭＯ Ｔｗｏ−ｗａｙ Ｒｅｌａｙｉｎｇを実現することができる。

このように、本発明によるＭＵ−ＭＩＭＯ Ｔｗｏ−ｗａｙ Ｒｅｌａｙｉｎｇでは、総ての端末が同じ数のアンテナを備えている必要はなく、異なる数のアンテナを備えた端末が複数存在する状況においても、リレー局を介した効率の良い伝送を行うことができる。

また、以上の実施形態では、２つの端末と双方向通信を行う複数アンテナを備えた装置を基地局と呼び、基地局と端末の双方向通信を中継する複数アンテナを備えた装置をリレー局と呼んでいるが、複数アンテナを備えた端末が複数の端末と双方向通信を行うようなシステムにおいても本発明は適用可能であり、さらに、中継を専門とするリレー局ではなく、通常は基地局として動作する装置がリレー局の役割を担うようにしてもよい。また、複数のアンテナを備える端末がリレー局として動作する構成の場合にも、本発明は適用可能である。

さらに、基地局送信ウェイトとリレー局送信ウェイトの最適化を図るためには、まず最適化基準（伝送レートを最も高く、またはＭＳＥ（Ｍｅａｎ Ｓｑｕａｒｅ Ｅｒｒｏｒ）を最小に、等）を設定し、それらの基準に対応するそれぞれのウェイトの式を算出する。このように得られた基地局送信ウェイトとリレー局送信ウェイトは、それぞれ相互に関連し合っているため、一度の演算で最適値を得ることはできず、繰り返し演算により最適化を図らなければならない。

具体的には、どちらかのウェイトを初期化し、初期化したウェイトを用いて別のウェイトの算出を行う。そして、算出されたウェイトを用いて、もう一方のウェイト（先に初期化した方のウェイト）の値の更新を行うといった処理を２つのウェイトの値が収束するまで繰り返し行う。そして最終的に得られた値が、それぞれの最適化基準における最適ウェイトと言うことができる。本発明による基地局送信ウェイトとリレー局送信ウェイトは、このような繰り返し処理によっても求めることができる。

１ 無線通信システム
１０ 基地局
１００ 送信部
１０２ 変調部
１０４ 送信ウェイト乗算部
１０６、１０６ａ、１０６ｂ Ｄ／Ａ変換部
１０８、１０８ａ、１０８ｂ 無線部
１１０、１１０ａ、１１０ｂ 送信アンテナ部
１５０ 受信部
１５２、１５２ａ、１５２ｂ 受信アンテナ部
１５４、１５４ａ、１５４ｂ 無線部
１５６、１５６ａ、１５６ｂ Ａ／Ｄ変換部
１５８ 干渉減算部
１６０ 受信ウェイト乗算部
１６２ 復調部
２０ リレー局
２００、２００ａ、２００ｂ 受信アンテナ部
２０２、２０２ａ、２０２ｂ 無線部
２０４、２０４ａ、２０４ｂ Ａ／Ｄ変換部
２０６ 送信ウェイト乗算部
２０８、２０８ａ、２０８ｂ Ｄ／Ａ変換部
２１０、２１０ａ、２１０ｂ 無線部
２１２、２１２ａ、２１２ｂ 送信アンテナ部
３０ 端末
３００ 送信部
３０２ 変調部
３０４ Ｄ／Ａ変換部
３０６ 無線部
３０８ 送信アンテナ部
３５０ 受信部
３５２ 受信アンテナ部
３５４ 無線部
３５６ Ａ／Ｄ変換部
３５８ 干渉減算部
３６０ 復調部

Claims (19)

1. 複数の送受信アンテナを備えた基地局と、複数の端末とが同じ周波数を用いて、複数の送受信アンテナを備えたリレー局を介して双方向の通信を行う無線通信システムであって、
   第一の時間フレームにおいて、前記基地局が第一の伝搬路情報に基づく第一のウェイトを前記複数の端末宛のそれぞれ異なる信号に乗算して送信すると共に、前記複数の端末が前記基地局宛の信号をそれぞれ送信し、
   前記リレー局は、
   前記第一の時間フレームにおいて前記基地局と前記端末とが送信した信号を受信し、第二の伝搬路情報に基づく第二のウェイトを前記受信した信号に乗算し、
   第二の時間フレームにおいて、前記リレー局が前記第二のウェイトを乗算した信号を前記基地局と前記複数の端末に向けて送信し、
   前記基地局および前記複数の端末は、
   前記リレー局が送信した信号をそれぞれ受信し、
   前記複数の端末のそれぞれにおいて、前記第一の時間フレームにおいて自己がそれぞれ送信した信号を基に干渉信号を生成し、前記生成された干渉信号を前記受信した信号から減算することにより、前記第一の時間フレームにおいて前記基地局から送信された信号を検出し、
   前記基地局は、
   前記第一の時間フレームにおいて自己が送信した信号を基に干渉信号を生成し、前記生成された干渉信号を前記受信した信号から減算することにより、前記第一の時間フレームにおいて前記複数の端末から送信された信号を検出する、
   ことを特徴とする無線通信システム。
2. 前記基地局は、前記第一の伝搬路情報に基づく第三のウェイトを前記干渉信号減算後の信号に乗算して、前記複数の端末から送信された信号を検出することを特徴とする請求項１記載の無線通信システム。
3. 前記第一の時間フレームにおいて前記リレー局が受信する信号の数は、前記リレー局が備えるアンテナ数よりも多いことを特徴とする請求項１又は２のいずれかに記載の無線通信システム。
4. 前記第一の伝搬路情報は、前記基地局と前記リレー局の間の伝搬路情報と、前記リレー局と前記複数の端末の間の伝搬路情報とから少なくとも構成され、
   前記第二の伝搬路情報は、少なくとも前記リレー局と前記複数の端末との間の伝搬路情報から構成されることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の無線通信システム。
5. 前記基地局は前記第一の伝搬路情報を取得して前記第一のウェイトを算出することを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の無線通信システム。
6. 前記基地局は前記リレー局から前記第一のウェイトを示す情報を取得することを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の無線通信システム。
7. 前記リレー局は前記第二の伝搬路情報を取得して前記第二のウェイトを算出することを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の無線通信システム。
8. 前記第一のウェイトおよび前記第二のウェイトは、さらに前記基地局または前記リレー局の送信電力を用いて算出されるウェイトであることを特徴とする請求項５から７のいずれか一項に記載の無線通信システム。
9. 前記端末が前記第一の時間フレームにおいて前記基地局宛に送信する信号はひとつであることを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載の無線通信システム。
10. 複数の送受信アンテナを備え、複数の端末と同じ周波数を用いて、複数の送受信アンテナを備えたリレー局を介して双方向の通信を行う無線通信システムにおける基地局であって、
    前記複数の端末が信号をそれぞれ送信する第一の時間フレームにおいて、第一の伝搬路情報に基づく第一のウェイトを前記複数の端末宛のそれぞれ異なる信号に乗算して送信し、
    前記第一の時間フレームにおいて前記リレー局が受信した信号を復調することなく生成された信号であって前記リレー局が第二の時間フレームにおいて送信した信号を受信し、
    前記第一の時間フレームにおいて自己が送信した信号を基に干渉信号を生成し、前記生成された干渉信号を前記受信した信号から減算することにより、前記第一の時間フレームにおいて前記複数の端末から送信された信号を検出することを特徴とする基地局。
11. 前記第一の伝搬路情報に基づく第三のウェイトを前記干渉信号減算後の信号に乗算して、前記複数の端末から送信された信号を検出することを特徴とする請求項１０に記載の基地局。
12. 前記第一の時間フレームにおいて自己が送信した信号の数と、前記第二のフレームにおいて受信した信号の数が等しいことを特徴とする請求項１０又は１１のいずれかに記載の基地局。
13. 前記第二の時間フレームにおいて受信する信号の数が、前記リレー局が備えるアンテナ数よりも多いことを特徴とする請求項１０から１２のいずれか一項に記載の基地局。
14. 前記第一の伝搬路情報は、前記基地局と前記リレー局の間の伝搬路情報と、前記リレー局と前記複数の端末の間の伝搬路情報とから少なくとも構成されることを特徴とする請求項１０から１３のいずれか一項に記載の基地局。
15. 前記第一の伝搬路情報を取得して前記第一のウェイトを算出することを特徴とする請求項１０から１４のいずれか一項に記載の基地局。
16. 前記第一のウェイトを示す情報を前記リレー局から取得することを特徴とする請求項１０から１４のいずれか一項に記載の基地局。
17. 複数の送受信アンテナを備えた基地局と、複数の端末とが同じ周波数を用いて行う双方向通信を中継する、複数の送受信アンテナを備えたリレー局であって、
    第一の時間フレームにおいて前記基地局と前記端末とが送信した信号を受信し、第二の伝搬路情報に基づく第二のウェイトを前記受信した信号に乗算し、
    第二の時間フレームにおいて、前記リレー局が前記第二のウェイトを乗算した信号を前記基地局と前記複数の端末に向けて送信し、
    前記第一の時間フレームにおいて受信する信号の数が、自己が備える送受信アンテナ数よりも多いことを特徴とするリレー局。
18. 前記第一の時間フレームにおいて前記基地局が用いるウェイトを示す情報を前記基地局へ通知することを特徴とする請求項１７に記載のリレー局。
19. 複数の送受信アンテナを備えた基地局と同じ周波数を用いて、複数の送受信アンテナを備えたリレー局を介して双方向の通信を行う無線通信システムにおける端末であって、
    第一の時間フレームにおいて、少なくとも一つ以上の別の端末と共に前記基地局宛のそれぞれ異なる信号を前記リレー局へ送信し、
    前記第一の時間フレームにおいて前記リレー局が受信した信号を復調することなく生成された信号であって前記リレー局が第二の時間フレームにおいて送信した信号を受信し、
    前記第一の時間フレームにおいて自己が送信した信号を基に干渉信号を生成し、前記生成された干渉信号を前記受信した信号から減算することにより、前記第一の時間フレームにおいて前記基地局から送信された信号を検出することを特徴とする端末。

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