WO2011024226A1

WO2011024226A1 - 中継装置

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Publication number: WO2011024226A1
Application number: PCT/JP2009/004186
Authority: WO
Inventors: 菊池祥平; 青木亜秀
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2009-08-28
Filing date: 2009-08-28
Publication date: 2011-03-03
Anticipated expiration: 2012-02-28

Abstract

　送信装置から受信装置へ直接送信される無線信号を中継する中継装置は、送信装置から第１信号を受信する受信部（３２、３３）と、第１信号に含まれるｎ個のビットから、ｍ個のビットを抽出する抽出３４と、ｍ個のビットを含む第２信号を受信装置へ送信する送信部（３５、３６）とを備える部ことを特徴とする。

Description

中継装置

　本発明は、無線信号の中継に関する。

　送信局（送信元）と受信局（宛先）との間に無線信号を中継する中継局を配置した中継システムが注目されている。ＡＦ（Ａｍｐｌｉｔｕｄｅ　ａｎｄ　Ｆｏｒｗａｒｄ）方式では、中継局は、送信局からの信号を復調せずに増幅だけしてそのまま受信局へ送信（中継）する。ＤＦ（Ｄｅｃｏｄｅ　ａｎｄ　Ｆｏｒｗａｒｄ）方式では、中継局は、送信局からの信号を復調し再度符号化して受信局へ送信（中継）する。

　非特許文献１では、ＡＦ、ＤＦ方式で、受信局が、送信局から直接送信された信号と、中継局から中継された信号との両方を用いて、空間ダイバーシチ効果により通信品質を向上させる技術（協調通信や協力通信）が開示されている。

　しかしながら、非特許文献１に開示される技術では、中継局によって中継される信号が、リンクの負荷を増大させ、また受信局側の受信処理の負荷を増大させるとの問題があった。

Ｊ．Ｎ．Ｌａｎｅｍａｎ他，"Ｃｏｏｐｅｒａｔｉｖｅ　ｄｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｉｎ　ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｎｅｔｗｏｒｋｓ：　ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ　ｐｒｏｔｏｃｏｌｓ　ａｎｄ　ｏｕｔａｇｅ　ｂｅｈａｖｉｏｒ，"　ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ　ｏｎ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｔｈｅｏｒｙ，Ｖｏｌ．５０，ｐｐ．３０６２－３０８０，Ｄｅｃ．２００４．

　この発明の課題の１つは、受信局側の受信処理の負荷を低減させながら、協調通信を可能とする中継装置を提供することである。

　上記鑑みて、本発明の一実施の形態に係る中継装置は、送信装置から受信装置へされる無線信号を中継する中継装置であって、前記無線信号を受信して第１信号を取り出す受信部と、前記第１信号に含まれるｎ（ｎは２以上の整数）個のビットから、ｍ（ｍは１以上ｎ未満の整数）個のビットを抽出する抽出部と、前記ｍ個のビットを含む第２信号を、前記受信装置へ送信する送信部とを備えることを特徴とする。

　本発明によれば、受信局側の受信処理の負荷を低減させながら、協調通信を可能とする。

第１の実施形態に係る中継システムを示す図。第１の実施形態に係る送信局を示す図。第１の実施形態に係る中継局を示す図。第１の実施形態に係る受信局を示す図。第１の実施形態に係る中継システムの動作を示すフローチャート。第１信号のマッピングを示す図。第１信号の探索範囲を示す図。第１信号のマッピングを示す図。第１信号のマッピングを示す図。

　以下、本発明の実施形態について説明する。

（第１の実施形態）
　図１は、第１の実施形態に係る中継システムを示す図である。中継システムは、送信局１１と中継局１２と受信局１３とを備える。送信局１１は、第１期間（第１スロット）で第１信号を受信局１３へ（直接）送信する。受信局１３と中継局１２は、第１期間に、第１信号を受信する。第１信号の宛先アドレスは、受信局１３のアドレスである。中継局１２は、中継先を特定する中継先情報（例えば、受信局１３のアドレス）を予め保持する。中継局１２は、１つ以上の中継先情報のいずれかと、受信した信号の宛先とが合致する場合に、受信した信号を中継する。中継局１２は、第１期間のあと、第２期間（第２スロット）で、第１信号から情報量を削減して（間引いて）生成した第２信号を受信局１３へ送信（中継）する。受信局１３は、第２期間に、第２信号を受信する。受信局１３は、送信局１１から受信した第１信号と中継局１２から受信した第２信号とを合成して復調する。

　図２は、第１の実施形態に係る送信局１１を示す図である。送信局１１は、変調部２１と、無線部２２と、アンテナ２３とを備える。送信信号は、図示しない上位層処理部で生成される。変調部２１は、送信信号を、変調方式に従って変調（マッピング）する。無線部２２は、変調された送信信号に、送信処理（ＲＦ（Ｒａｄｉｏ　Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）関連の処理）を行う。無線部２２は、送信信号から所定の周波数帯域を抽出するフィルタと、送信信号の周波数を変換する周波数変換器と、デジタル信号をアナログ信号へ変換するＤＡ（Ｄｉｇｉｔａｌ－ｔｏ－Ａｎａｌｏｇ）変換器と、送信信号を増幅する電力増幅器とを備える。無線部２２は、アンテナ２３を介して、第１期間に送信信号を送信する。

　図３は、第１の実施形態に係る中継局１２を示す図である。中継局１２は、アンテナ３１と、無線部３２と、復調部３３と、抽出部３４と、変調部３５と、無線部３６と、アンテナ３７とを備える。無線部３２は、アンテナ３１を介して、第１期間中に第１信号を受信する。無線部３２は、第１信号に、受信処理（ＲＦ（Ｒａｄｉｏ　Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）関連の処理）を行う。無線部３２は、第１信号を増幅する電力増幅器と、アナログ信号をデジタル信号へ変換するＡＤ（Ａｎａｌｏｇ－ｔｏ－Ｄｉｇｉｔａｌ）変換器と、第１信号の周波数を変換する周波数変換器と、第１信号から所定の周波数帯域を抽出するフィルタとを備える。復調部３３は、無線部３２で受信処理がなされた第１信号を、復調する。抽出部３４は、復調部３３で復調された第１信号に含まれる複数のビット（ｎ（ｎは２以上の整数）個のビット）から、一部のビット（ｍ（ｍは１以上ｎ未満の整数）個のビット）を抽出する（残りの（ｎ－ｍ）ビットを間引く）。抽出部３４は、ｍ個のビットを含む第２信号を生成する。変調部３５は、第２信号を、第１信号の変調方式よりも伝送レートが低く誤り耐性の強い変調方式によって変調（マッピング）する。無線部３６は、変調された第２信号に、送信処理（ＲＦ関連の処理）を行う。無線部３６は、アンテナ３７を介して、第２期間に、第２信号を受信局１３へ送信する。

　図４は、第１の実施形態に係る受信局１３を示す図である。受信局１３は、アンテナ４１と、無線部４２と、第１記憶部４３と、第２記憶部４４と、復調部４５とを備える。無線部４２は、アンテナ４１を介して、無線信号を受信する。無線部４２と、受信した無線信号に、受信処理（ＲＦ関連の処理）を行う。第１記憶部４３は、第１期間に、送信局１１から受信した第１信号（直接波）を一時的に記憶する。第２記憶部４４は、第２期間に、中継局１２から受信した第２信号を一時的に記憶する。復調部４５は、まず、第２信号を復調する。そして、復調部４５は、次に、第２信号の復調結果を用いて、第１信号を復調する。復調部４５は、第２信号に含まれるｍ個のビットを既知とした場合の信号点の候補に探索候補点を絞ることができる。このようにすることで、受信局１３の受信負荷を低減するとともに、精度の高い復調が可能となる。なお、復調部４５は、第２信号に含まれるｍビットと、第１信号に含まれるｎビット中のｍビットとの双方を用いて、尤度判定し、第１信号を復調してもよい。

　図５は、中継システムの動作を示す図である。送信局１１は、第１期間で、ｎビットを含む第１信号を、中継局１２と、受信局１３へ送信する。中継局１２は、信号を復調した後に特定のビット（（ｎ－ｍ）ビット）を間引き、残りのｍビットを含む第２信号を再度変調して、受信局１３へ送信する。受信局１３は、送信局１１から受信した第１信号と、中継局１２から受信した第２信号を合成して、所望の信号を復調する。

　以下では、第１信号のマッピング方法として、グレイマッピングを採用した場合を考える。このマッピング方法は、汎用的に用いられる直交振幅変調（Ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ　Ａｍｐｌｉｔｕｄｅ　Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ、以下ＱＡＭ）で適用可能である。

　図６は、グレイマッピングでマッピング方法を示す図である。以下では、変調方式を１６ＱＡＭとし、第１信号のビット数ｎを４ビットとし、第２信号のビット数ｍを２ビットとした例で説明する。

　中継局１２は、第１信号の信号点を復調して、４ビット中２ビットを間引いて残りの２ビットを中継（送信）する。中継局１２は、４ビット中の任意の２ビットを間引くのではなく、特定の２ビットを間引く。中継局１２は、４ビット（ｎビット）のすべてが未知とした場合の信号点の候補間の最小距離が、中継する２ビット（ｎ－ｍビット）の値が既知であるとした場合の信号点の候補間の最小距離よりも、長くなるように、２ビット（ｍビット）を抽出する。このようにすることで、受信局１３は、中継局１２から受信する２ビット（ｍビット）を用いて、残りの２ビット（ｎ－ｍビット）の探索を容易かつ高精度に行うことができる。

　図７は、第２信号を既知とした場合の第１信号の探索範囲を示す図である。この例では、中継局１２は、受信した４ビットの信号のうち、左から１ビット目と３ビット目の信号を間引き、２ビット目の０と４ビット目の０のみを中継する。中継局１２は、４ビットの信号のうち、奇数番目（１番目、３番目）のビットすべてを抽出するか、偶数番目（２番目、４番目）のビットすべてを抽出してもよい。

　中継局１２は、中継する２ビットを、１６ＱＡＭよりも誤り耐性の強いＱＰＳＫ変調を用いて中継する。このようにすることで、中継局１２と受信局１３間のリンクへの負荷が軽減される。より誤り耐性の強い変調方式を用いて、ビットあたりの電力を高めて伝送することが可能となる。第１信号のすべてのビット（４ビット）を中継する場合と比べ、高い伝送精度を実現できる。

　受信局１３は、中継局１２からＱＰＳＫ変調でロバストに送られた２ビットの信号の復調結果から、２番目のビットと４番目のビットが共に０であることを決定する。受信局１３は、２番目のビットと４番目のビットが共に０との第２信号の復号結果を用いることで、送信局１１から送られた第１信号の探索候補点を絞ることが可能となる。図７の例では、第１信号の信号点の１６個の候補から、４つの信号点の候補７１～７４の４点に絞られる。

　図７に示すように、復調部４５が、第１信号の信号点の１６個の候補から第１信号を複合する際には、第１信号の信号点の１６個の候補の最小の信号点間の距離は２／３である。一方、復調部４５が、４つの信号点の候補７１～７４から第１信号の残りの（ｎ－ｍ）ビットを復号する際には、最小の信号点間の距離は４／３である。このように、抽出部３４は、受信局１３での探索候補の信号点間の最小距離をできるだけ大きくするように、第１信号から特定の（ｎ－ｍ）ビットを間引く。

　中継局１２と、受信局１３とは、中継局１２がｎビット中のいずれのｍビットを中継するかについての情報を共有する。中継局１２がｎビット中のいずれのｍビットを中継するかについての情報は、間引くビット数や間引き方（何番目のビットを間引くのか）であっても良く、間引くビットの番号で合っても良く、中継するビットの番号であっても良い。この中継局１２と受信局１３とで共有される情報は、中継局１２が予め受信局１３へ通知しても良く、中継局１２が第２信号とともに受信局１３へ通知しても良い。

　中継局１２で何ビットを間引き、何ビットを中継するかは、変調方式、マッピング方法、および通信精度と回線の負荷のトレードオフから決定される。間引くビットを少なくし、多くのビットを中継すれば、受信局１３での残りのビットの探索候補点は少なくなり、かつ信号点間距離も大きくなると考えられ、受信精度を向上できる。中継局１２と受信局１３間のリンクにかかる負荷はあまり軽減されない。

　一方で、間引くビットを増やし、中継するビットを減らせば、受信局１３での探索候補も多く、信号点間距離があまり大きくならず、中継ビット数が多い場合に比べて伝送精度が劣化するおそれがある。中継局１２と受信局１３間のリンク負荷が軽減されるという利点がある。

　最適な中継ビット数ｍは、中継局で受信したビット数や信号のマッピング方法によって変化する。復調部４５が第２信号の復号結果を用いて第１信号の探索候補点を絞り、探索候補点（信号点）間の最小距離を大きくすることで、リンクにかかる負荷を軽減することができ、中継局－受信局間の伝送性能を改善できる。中継局１２が第１信号に含まれるすべての情報（ビット）を中継しなくても、受信局１３は、ロバストに信号を復元できる。送信局１１及び受信局１３で符号化・復号化処理を行わずとも、ロバストな伝送が可能となる。受信局１３は、中継局１２からロバストに送られた第２信号を用いて、第１信号の情報の一部を復元できるため、送信局１１から送られた第1信号を復元する際の探索点の数を絞り、かつ探索する信号点間の距離を広くとることが可能となる。

　送信局１１から受信局１３へ直接送られた第１信号と、中継局１２により中継された大２信号とのダイバーシチにより受信精度を高める協力通信において、送信局１３のマッピング方法に合わせて中継局１２が特定のビットを間引き、残りのビットだけを受信局１３に中継する。これにより、回線の非効率性や受信局１３の処理負担の問題を解消し、送信局１１から受信局１３へ、確実に無線信号を送信することができる。

　送信局１１から中継局１２と受信局１３、及び、中継局１２から受信局１３とすべてのリンクで同一の変調方式（１６ＱＡＭ）により第１信号すべて（４ビットの信号）を送る従来の方法に比べて、リンクにかかる負荷を軽減することができ、中継局－受信局間の伝送性能を改善することができる。中継局１２は、中継する残りのビットを、信号に含まれるビット数が減少したため、よりロバストなマッピング方式によって送信できる。

（変形例１）
　第１の実施形態では、第１信号のマッピング方法がグレイマッピングである例を示したが、その他のマッピング方法であってもよい。マッピング方法は、第２信号の復調結果を用いて、第１信号の探索候補を限定できればどのようなものであっても良い。以下に、グレイマッピング以外のマッピング方法について、２つの例を示す。

　図８、図９に示すマッピングの例では、第１信号を４ビット、間引くビット数を２ビット、中継する第２信号を２ビットとする。ここで、抽出部３４が上位２ビットを間引き、下位２ビットを抽出することで、第１信号の探索候補（信号点）の最小距離を拡大することができる。

　図８、図９は、第１信号のマッピングを示す図である。第１象限では上位２ビットは００である。第２象限では上位２ビットは１０である。第３象限では上位２ビットは１１である。第４象限では上位２ビットは０１である。下位２ビットが００である信号点は、灰色で塗りつぶされた丸で示す。下位２ビットが０１である信号点は、縦横の十字模様の丸で示す。下位２ビットが１０である信号点は、斜めの十字模様の丸で示す。下位２ビットが１１である信号点は、点々模様の丸で示す。

　図８の例では、第２信号の復号結果（３番目のビットが０、４番目のビットが０）を用いることで、受信局１３の復調部４５は、第１信号の探索候補を候補点８１～８４に絞ることができる。このようにすることで、第１信号の探索候補（信号点）の最小距離を２倍に長くする事ができる。

　図９の例では、第２信号の復号結果（３番目のビットが０、４番目のビットが０）を用いることで、受信局１３の復調部４５は、第１信号の探索候補を候補点９１～９４に絞ることができる。このようにすることで、第１信号の探索候補（信号点）の最小距離を大幅に長くする事ができる。中継局１２が特定のビットを間引くことで、受信局１３が第２信号の復調結果を用いて、第１信号の探索候補点（信号点）ができるだけ均一に絞りこむことができ、探索候補点間の最小距離を長くできる。

（変形例２）
　第１の実施形態及びその変形例１では、送信局１１、中継局１２、受信局１３で通信される信号は、符号化されていない。しかし、送信局１１、中継局１２、受信局１３は、通信する信号を、符号化することができる。

　送信局１１は、入力される送信信号に対して、畳み込み符号やターボ符号などの符号化を行う符号化部（図示せず）をさらに有していても良い。変調部２１は、符号化部によって符号化された送信信号を変調する。

　受信局１３は、復調部４５の復調結果を、送信局１１の符号化部に対応する方式で復号する復号部（図示せず）をさらに有していても良い。復号部は、復号結果を受信信号として出力する。

　このように、送信局１１が送信する信号を符号化し、受信局１３が受信した信号を復号することで、誤り耐性をさらに高めることができる。

　なお、中継局１２は、例えば、半導体集積回路（チップ）として実現することができる。即ち、復調部３３と、抽出部３４と、変調部３５とを、１つまたは複数の半導体集積回路で実現できる。この１つまたは複数の半導体集積回路は、コネクタピンを介して、外部（アンテナや、他の半導体集積回路、無線部、ファームウェアなど）と信号の入出力を行う。

　なお、受信局１３は、例えば、半導体集積回路（チップ）として実現することができる。即ち、第１記憶部４３と、第２記憶部４４と、復調部４５とを、１つまたは複数の半導体集積回路で実現できる。この１つまたは複数の半導体集積回路は、コネクタピンを介して、外部（アンテナや、他の半導体集積回路、無線部、ファームウェアなど）と信号の入出力を行う。

（その他の実施形態）
　本発明の実施形態は上記の実施形態に限られず拡張、変更可能であり、拡張、変更した実施形態も本発明の技術的範囲に含まれる。

１１：送信局、１２：中継局、１３：受信局、２１：変調部、２２：無線部、２３：アンテナ、３１：アンテナ、３２：無線部、３３：復調部、３４：抽出部、３５：変調部、３６：無線部、３７：アンテナ、４１：アンテナ、４２：無線部、４３：第１記憶部、４４：第２記憶部、４５：復調部、７１～７４、８１～８４、９１～９４：候補点

Claims

　送信装置から受信装置へされる無線信号を中継する中継装置であって、
　前記無線信号を受信して第１信号を取り出す受信部と、
　前記第１信号に含まれるｎ（ｎは２以上の整数）個のビットから、ｍ（ｍは１以上ｎ未満の整数）個のビットを抽出する抽出部と、
　前記ｍ個のビットを含む第２信号を、前記受信装置へ送信する送信部とを備えることを特徴とする中継装置。
　前記抽出部は、前記第１信号の変調方式での信号点配置において、前記ｎ個のビットのすべてが未知とした場合の信号点の候補間の最小距離が、前記ｎ個のビットのうち前記ｍ個のビットの値が既知であるとした場合の信号点の候補間の最小距離よりも、長くなるように、前記ｍ個のビットを抽出し、
　前記送信部は、前記第１信号の変調方式よりも伝送レートの低い変調方式で、前記第２信号を送信することを特徴とする請求項１に記載の中継装置。
　前記第１信号が送信される際の信号点配置はグレイマッピングであり、
　前記抽出部は、前記ｎ個のビットの偶数番目のみを抽出するか、前記ｎ個のビットの奇数番目のみを抽出することを特徴とする請求項２の記載の中継装置。
　前記送信部は、前記ｎ個のビット中のいずれの前記ｍ個のビットを中継するかについての情報を、前記受信装置へ送信することを特徴とする請求項３に記載の中継装置。
　前記第１信号と前記第２信号とは、前記受信装置によって受信され、
　前記第１信号は、前記受信装置によって、前記第２信号に含まれる前記ｍ個のビットが既知とされた場合の信号点の候補に探索候補点を絞って、復調されることを特徴とする中継装置。