無線通信システム、リレー局装置、通信装置、無線通信方法
【課題】複数の通信装置間で同じリソースを用いてリレー局を介したデータ交換を行う場合に、少ない時間スロット数（２フェーズ）で効率良く伝送する。
【解決手段】複数のアンテナを備えた３以上の通信装置が、同じリソースを用い、複数のアンテナを備えたリレー局を介して、それぞれのデータ交換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各通信装置が前記リレー局へ信号を送信し、前記第一の時間フレームにおいて送信された信号を受信した前記リレー局は、前記受信信号に基づく信号を前記第一の時間フレームとは異なる第二の時間フレームにおいて前記各通信装置へ送信することを特徴とする無線通信システム。
【解決手段】複数のアンテナを備えた３以上の通信装置が、同じリソースを用い、複数のアンテナを備えたリレー局を介して、それぞれのデータ交換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各通信装置が前記リレー局へ信号を送信し、前記第一の時間フレームにおいて送信された信号を受信した前記リレー局は、前記受信信号に基づく信号を前記第一の時間フレームとは異なる第二の時間フレームにおいて前記各通信装置へ送信することを特徴とする無線通信システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、無線通信システム、リレー局装置、通信装置、無線通信方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
２つの無線通信装置（基地局装置‐端末装置間または端末装置同士間等）がリレー局（中継局）を介してそれぞれのデータ（信号）を交換する双方向通信（Ｔｗｏ−ｗａｙ Ｒｅｌａｙ， Ｂｉ−ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ Ｒｅｌａｙなどとも呼ばれる）方式は、リレー局を備えたシステムにおける伝送効率の低下を改善する方式として、盛んに検討が行われている。また、双方向通信方式の応用として、３つ以上の無線通信装置が１つのリレー局を介して、それぞれのデータを交換するＭｕｌｔｉ−ｗａｙ Ｒｅｌａｙ方式も提案されている（下記非特許文献１参照）。
【０００３】
非特許文献１では、データを交換する複数の通信装置が、それぞれ１本のアンテナを有し、リレー局装置が、データ交換を行う複数の通信装置の数分だけのアンテナを有する場合において、データを交換する通信装置数だけの時間スロット（フェーズ）で、全ての通信装置間のデータ交換を行う方法が提案されている。ここで、３つの通信装置がそれぞれ保持するデータを、リレー局を介して他の２つの通信装置に通知する場合の例を図１に示す。非特許文献１に記載の方法では、データを交換する通信装置数がＮである場合に、全ての通信装置間でデータ交換するために必要となる時間スロット数はＮであり、したがって図１に示す場合には、データ交換に要する時間スロット数は３となる。図１では、この３つの時間スロットをそれぞれｔ＝１，２，３で表わしている。但し、図１では、データを交換する３つの通信装置はそれぞれ１本のアンテナを有し、リレー局は３本のアンテナを有するものとしている。
【０００４】
図１に示すように、ここでは第１から第３までの通信装置１０１〜１０３が同じリソースを用い、リレー局１００を介して、それぞれが保持するデータを交換するものとし、第１の通信装置１０１が保持するデータを変調した信号をＳ１０１、第２の通信装置１０２が保持するデータを変調した信号をＳ１０２、第３の通信装置１０３が保持するデータを変調した信号をＳ１０３とする。この場合には、第１の通信装置１０１の希望信号はＳ１０２とＳ１０３、第２の通信装置１０２の希望信号はＳ１０３とＳ１０１、第３の通信装置１０３の希望信号はＳ１０１とＳ１０２となる。このような構成において、非特許文献１に記載の方法では、まず３つの通信装置１０１〜１０３までがそれぞれの保持するデータ（信号）をリレー局１００に送信し、リレー局１００においては、各通信装置１０１〜１０３から送信された信号（Ｓ１０１、Ｓ１０２、Ｓ１０３）が混在した信号が受信される（ｔ＝１）。
【０００５】
このように、複数の通信装置が１つの宛先装置（ここではリレー局１００）にそれぞれの信号を送信する時間スロット（フェーズ）はマルチアクセスフェーズと呼ばれる。このように３つの信号（Ｓ１０１、Ｓ１０２、Ｓ１０３）が混在した信号に対して、リレー局１００は３つのアンテナを有しているため、受信後にそれぞれの信号を分離することができる。
【０００６】
マルチアクセスフェーズで受信した信号をそれぞれ分離したリレー局１００は、次に、各通信装置１０１から１０３までへ、それぞれの希望信号を送信する。まず、ｔ＝２では、通信装置１０１宛にＳ１０２を、通信装置１０２宛にＳ１０３を、通信装置１０３宛にＳ１０１をそれぞれ送信する。このように、１つの送信源（この場合はリレー局１００）が複数の宛先装置（第１から第３までの通信装置１０１〜１０３）に信号を送信する時間スロット（フェーズ）は、ブロードキャストフェーズと呼ばれる。
【０００７】
この時、リレー局１００では、各通信装置に干渉を与えないような送信ウェイトを送信信号に乗算して伝送を行う。非特許文献１では、この送信ウェイトの例として、ＺＦ（Ｚｅｒｏ Ｆｏｒｃｉｎｇ）やＭＭＳＥ（Ｍｉｎｉｍｕｍ Ｍｅａｎ Ｓｑｕａｒｅ Ｅｒｒｏｒ）と呼ばれる基準で求められた送信ウェイトを用いるものとしている。このような処理を行って伝送することにより、通信装置１０１はＳ１０２を、通信装置１０２はＳ１０３を、通信装置１０３はＳ１０１をそれぞれ干渉なく受信することができる。
【０００８】
また、ｔ＝３もブロードキャストフェーズであり、リレー局１００は、通信装置１０１宛にＳ１０３を、通信装置１０２宛にＳ１０１を、通信装置１０３宛にＳ１０２をそれぞれ送信する。この時にも、ｔ＝２の際と同様に、リレー局１００では、各通信装置１０１から１０３に干渉を与えないような送信ウェイトを乗算して伝送を行う。このような処理を行って伝送することにより、通信装置１０１はＳ１０３を、通信装置１０２はＳ１０１を、通信装置１０３はＳ１０２をそれぞれ干渉なく受信することができる。
【０００９】
以上の構成により、３つの通信装置がそれぞれ保持するデータを、リレー局を介して３つの時間スロットで交換することができ、各通信装置がリレー局を介してそれぞれ個別にデータを交換する場合に比べ、伝送効率を大幅に改善することができる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】A. Amah, A. Klein, “Non-Regenerative Multi-Way Relaying with Linear Beamforming,” PIMRC 2009, Sep. 2009.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
非特許文献１に記載のＭｕｌｔｉ−ｗａｙ Ｒｅｌａｙ方式では、データを交換する通信装置数と同じだけの時間スロット数が必要であるが、更に伝送効率を高めるためには、より少ない時間スロット数でデータ交換を行う必要がある。
【００１２】
また、非特許文献１では、リレー局が有するアンテナ数が通信装置数と同じという前提であり、リレー局のアンテナ数が少ない場合には、効率良く伝送することができないという問題がある。
【００１３】
本発明は、複数の通信装置間で同じリソースを用いてリレー局を介したデータ交換を行う場合に、少ない時間スロット数（２フェーズ）で効率良く伝送する技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は、複数の通信装置間で同じリソースを用いてリレー局を介したデータ交換を行う場合に、第１フェーズにおいて各通信装置がリレー局に信号を伝送し、リレー局は、第１フェーズで受信した信号を、第２フェーズで各通信装置に伝送することを特徴とする。これにより、各通信装置は、受信した信号から自己干渉を減算することにより、希望信号を抽出することができる。
【００１５】
本発明の一観点によれば、複数のアンテナを備えた３以上の通信装置が、同じリソースを用い、複数のアンテナを備えたリレー局を介して、それぞれのデータ交換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各通信装置が前記リレー局へ信号を送信し、前記第一の時間フレームにおいて送信された信号を受信した前記リレー局は、前記受信信号に基づく信号を前記第一の時間フレームとは異なる第二の時間フレームにおいて前記各通信装置へ送信することを特徴とする無線通信システムが提供される。
【００１６】
前記データ交換を行う前記各通信装置がそれぞれ送信する信号は、自身以外の全ての通信装置にとって共通の希望信号であることが好ましい。
【００１７】
また、前記リレー局が有するアンテナ数は、前記データ交換を行う通信装置数よりも少ないことが好ましい。
【００１８】
前記リレー局は、セルを制御する基地局装置であっても良い。また、前記リレー局は、複数の無線ＬＡＮ端末の通信を制御するアクセスポイントであっても良い。
【００１９】
また、本発明は、複数のアンテナを備えた３以上の通信装置が、同じリソースを用い、複数のアンテナを備えたリレー局を介して、それぞれのデータ交換を行う無線通信システムにおけるリレー局であって、第一の時間フレームにおいて前記各通信装置が前記リレー局へ送信した信号を受信し、前記受信信号に基づく信号を前記第一の時間フレームとは異なる第二の時間フレームにおいて前記各通信装置へ送信することを特徴とするリレー局である。
【００２０】
また、本発明は、複数のアンテナを備えた３以上の通信装置が、同じリソースを用い、複数のアンテナを備えたリレー局を介して、それぞれのデータ交換を行う無線通信システムにおける通信装置であって、第一の時間フレームにおいてそれぞれの通信装置が前記リレー局へ信号を送信し、前記第一の時間フレームにおいて送信された信号を受信した前記リレー局からの、前記受信信号に基づき、前記第一の時間フレームとは異なる第二の時間フレームにおいて各通信装置への送信された信号を受信することを特徴とする通信装置である。
【００２１】
本発明の他の観点によれば、複数のアンテナを備えた３以上の通信装置が、同じリソースを用い、複数のアンテナを備えたリレー局を介して、それぞれのデータ交換を行う無線通信システムにおける通信方法であって、第一の時間フレームにおいて前記各通信装置が前記リレー局へ信号を送信するステップと、前記第一の時間フレームにおいて送信された信号を受信した前記リレー局が、前記受信信号に基づく信号を前記第一の時間フレームとは異なる第二の時間フレームにおいて前記各通信装置へ送信するステップとを有することを特徴とする無線通信方法が提供される。
【発明の効果】
【００２２】
本発明を用いることにより、複数の通信装置間で同じリソースを用いてリレー局を介したデータ交換を行う場合に、少ない時間スロット数（２フェーズ）で効率良く伝送することができる。また、リレー局のアンテナ数が少ない場合にも、２フェーズでの伝送を実現することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】データを交換する３つの通信装置はそれぞれ１本のアンテナを有し、リレー局は３本のアンテナを有するシステム構成例を示す図である。
【図２】本発明による第１の実施形態による通信システムの構成例を示す図である。
【図３】図２のリレー局の一構成例を示す機能ブロック図である。
【図４】図２の通信装置の一構成例を示す機能ブロック図である。
【図５】本発明による第２の実施形態による通信システムの構成例を示す図である。
【図６】図５のリレー局の一構成例を示す機能ブロック図である。
【図７】図５の通信装置の一構成例を示す機能ブロック図である
【図８】本発明の第３の実施の形態によるセルラシステムへの適用例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下に、本発明の実施の形態による通信技術について、図面を参照しながら説明を行う。
【００２５】
（第１の実施形態）
図２は、本発明による第１の実施形態における、複数のアンテナを有するリレー局１０を介して、複数のアンテナを有する複数の通信装置（図１では第１から第３までの通信装置１１〜１３の３つの通信装置で例示している。）がそれぞれ保持するデータを２フェーズ（ｔ＝１，２）で全て交換する方法について示す図である。但し、各通信装置１１〜１３までは、同じリソースを用いるものとする。また、ここでは、各通信装置１１〜１３までが有するアンテナ数を２とし、リレー局１０が有するアンテナ数を３としている。このようなシステムにおいて、第１の通信装置１１が保持するデータを変調した信号をＳ１１、第２の通信装置１２が保持するデータを変調した信号をＳ１２、第３の通信装置１３が保持するデータを変調した信号をＳ１３とする。この場合には、第１の通信装置１１の希望信号はＳ１２とＳ１３、第２の通信装置１２の希望信号はＳ１３とＳ１１、第３の通信装置１３の希望信号はＳ１１とＳ１２となる。つまり、各通信装置１１〜１３までは、自身が保持するデータを複数の宛先に送信し、宛先となる複数の通信装置は、送信源となる通信装置から送信された同じデータを受信することとなる。
【００２６】
このようなシステムにおいて、まず第１フェーズ（ｔ＝１）では、各通信装置１１〜１３までが、自身が有するデータを変調した信号をリレー局１０へ送信する。つまり、このフェーズは先に述べたマルチアクセスフェーズである。ここで、第１の通信装置１１とリレー局１０との間の伝搬路をＨ１、第２の通信装置１２とリレー局１０との間の伝搬路をＨ２、第３の通信装置１３とリレー局１０との間の伝搬路をＨ３とすると、第１フェーズのリレー局１０における受信データ信号ｙＲは次式で表わされる。但し、ここでは、各通信装置１１〜１３までは、それぞれ１つのアンテナ（アンテナ１）からのみデータ信号を送信するものとし、各伝搬路はそれぞれＨ１＝［ｈ１−（１−１） ｈ２−（１−１） ｈ３−（１−１）］Ｔ、Ｈ２＝［ｈ１−（２−１） ｈ２−（２−１） ｈ３−（２−１）］Ｔ、Ｈ３＝［ｈ１−（３−１） ｈ２−（３−１） ｈ３−（３−１）］Ｔと表わされるものとする。ここで、例えば、ｈ２−（３−１）は、第３の通信装置１３のアンテナ１とリレー局１０のアンテナ２の間の伝搬路を表わしている。また、リレー局１０における雑音成分をｎＲとする。
【００２７】
【数１】
【００２８】
この式（１）は次のように書くこともできる。
【数２】
【００２９】
したがって、リレー局１０において式（３）で表わされる受信ウェイトＷＲ（ＲＸ）を乗算することにより、各通信装置から送信された信号をそれぞれ分離することができる。
【００３０】
【数３】
【００３１】
この式（３）は、ＺＦ（Ｚｅｒｏ Ｆｏｒｃｉｎｇ）基準による受信ウェイトであるが、これとは別に、雑音の分散も考慮して、ＭＭＳＥ（Ｍｉｎｉｍｕｍ Ｍｅａｎ Ｓｑｕａｒｅ Ｅｒｒｏｒ）基準等による受信ウェイトを用いて信号を分離してもよい。但し、各通信装置とリレー局１０との間の伝搬路は予め把握できているものとする。または、各通信装置からは、データ信号だけでなく、伝搬路推定用のパイロット信号も送信されているものとし、リレー局１０では、これらのパイロット信号を用いて各通信装置との間の伝搬路を推定することができるものとする。この時に、各通信装置から送信されるパイロット信号がリレー局１０において干渉し合わないように、時間的にずらして送信する等が必要となる。
【００３２】
例えば、第１の通信装置１１がパイロット信号を送信するタイミングでは他の通信装置（第２、第３の通信装置１２、１３）は送信を行わず、第２の通信装置１２がパイロット信号を送信するタイミングでは他の通信装置（第３、第１の通信装置１３、１１）は送信を行わず、第３の通信装置１３がパイロット信号を送信するタイミングでは他の通信装置（第１、第２の通信装置１１、１２）は送信を行わないというような制御を行うこととなる。
【００３３】
また、マルチキャリア伝送システムを対象とする場合には、各通信装置１１〜１３までがそれぞれ異なるサブキャリアでパイロット信号を送信することにより、パイロット信号が互いに干渉し合わないようにしてもよい。さらに、各通信装置１１〜１３までにおいて異なる拡散符号を用いてパイロット信号を拡散して送信し、リレー局１０においてそれぞれの拡散符号を用いて逆拡散することにより、各通信装置１１〜１３から送信されたパイロット信号を分離し、それぞれの伝搬路を推定することもできる。
【００３４】
上記の式（３）の受信ウェイトを受信信号ｙＲに乗算することにより、各通信装置１１〜１３から送信された信号をそれぞれ分離することができる。受信信号には雑音が含まれるため、各通信装置１１〜１３から送信された信号そのものが得られるわけではなく、ここでは、受信ウェイト乗算後の結果をＳＲ＝［Ｓ１１’ Ｓ１２’ Ｓ１３’］Ｔとする。
【００３５】
次に、リレー局１０は、このように分離された全ての信号を３つの通信装置１１〜１３宛に送信する。つまり、第２フェーズはブロードキャストフェーズである。但し、ＳＲのうち、各通信装置１１〜１３が希望する信号のみを受信できるように、リレー局１０において送信ウェイトを乗算して送信する。この送信ウェイトは、以下のように求めることができる。但し、各通信装置１１〜１３とリレー局１０との間の伝搬路は事前に把握できているものとする。
【００３６】
まず、リレー局１０と各通信装置１１〜１３との間の伝搬路は、各通信装置１１〜１３とリレー局１０との間の伝搬路の複素共役転置行列となり、例えば、リレー局１０と第１の通信装置１１の間の伝搬路を次式に示す。但し、リレー局１０では３つのアンテナから信号が送信され、第１の通信装置１１では２つのアンテナで信号を受信するものとする。
【００３７】
【数４】
【００３８】
リレー局１０では、この伝搬路に特異値分解（ＳＶＤ：Ｓｉｎｇｕｌａｒ Ｖａｌｕｅ Ｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ）を施す。この演算は次のように表わすことができる。ここで、Ｕ１は２行２列のユニタリ行列、Ｄ１は対角成分が正の実数である２行３列の行列、Ｖ１は３行３列のユニタリ行列である。
【００３９】
【数５】
【００４０】
このように得られるＶ１の３列目のベクトル（Ｖ１（３））を右からＨ１Ｈに乗算すると、その結果はゼロベクトルとなる。これは、Ｖ１（３）を送信信号に乗算してリレー局１０から送信した場合、第１の通信装置１１には信号が届かないことを意味する。つまり、第１の通信装置１１の希望信号でない信号にＶ１（３）を乗算して送信することにより、その他の通信装置に信号を送信しつつ、第１の通信装置１１への干渉を回避することができる。リレー局１０と第２の通信装置１２の間の伝搬路行列、リレー局１０と第３の通信装置１３の間の伝搬路行列についても、式（５）と同様の演算を施し、それらの通信装置に信号が届かないように制御できるベクトルをそれぞれ算出する。第２の通信装置１２に対するこのようなベクトルをＶ２（３）、第２の通信装置１２に対するこのようなベクトルをＶ３（３）とすると、リレー局１０が送信時に用いる送信ウェイトＷＲ（ＴＸ）は、ＷＲ（ＴＸ）＝［Ｖ１（３） Ｖ２（３） Ｖ３（３）］となる。この送信ウェイトＷＲ（ＴＸ）をＳＲ＝［Ｓ１１’ Ｓ１２’ Ｓ１３’］Ｔに乗算して送信することにより、第１の通信装置１１ではＳ１２’とＳ１３’のみが受信されるように制御することができる。
【００４１】
また、同様に、第２の通信装置１２ではＳ１３’とＳ１１’のみが、第３の通信装置１３ではＳ１１’とＳ１２’のみが受信されるように制御することができる。また、リレー局１０において受信信号を分離し、再送信する際には、上記のような送信ウェイトを乗算するだけでなく、それらの信号を増幅してから送信する構成としてもよい。
【００４２】
このような送信ウェイトを乗算されて送信された信号が、第１の通信装置１１で受信される場合の受信信号ｙ１１は次式で表わされる。但し、第１の通信装置１１における雑音成分をｎ１１とする。
【００４３】
【数６】
【００４４】
ここで、先に述べたように、Ｈ１ＨＶ１（３）はゼロベクトルとなるため、式（６）は次のように変形できる。
【００４５】
【数７】
【００４６】
つまり、第１の通信装置１１では、［Ｓ１２’ Ｓ１３’］Ｔが等価的な伝搬路［Ｈ１ＨＶ２（３） Ｈ１ＨＶ３（３）］を経由した信号が受信されることとなる。したがって、Ｓ１２’とＳ１３’が混在した受信信号ｙ１１からそれぞれを分離するためには、等価伝搬路［Ｈ１ＨＶ２（３） Ｈ１ＨＶ３（３）］の逆行列を受信ウェイトＷ１１（ＲＸ）として受信信号ｙ１１に乗算すればよい。この場合の第１の通信装置１１における受信ウェイトはＺＦ基準によるウェイトとなるが、これとは別に、ＭＭＳＥ基準等による受信ウェイトを用いて信号を分離してもよい。但し、このような受信ウェイトを算出するためには、リレー局１０において、伝搬路推定用のパイロット信号を新たに付加して、データ信号と共に送信する必要がある。さらに、このパイロット信号は、データ信号に乗算したものと同一の送信ウェイトを乗算して送信しなければならない。また、リレー局１０から送信されたパイロット信号が互いに干渉し合わないように、時間、サブキャリア、拡散符号等の異なる無線リソースを用いて各アンテナから送信する必要もある。
【００４７】
第２、第３の通信装置１２、１３においても、第１の通信装置１１と同様の処理を行うことにより、それぞれの希望する２つずつの信号を受信し、分離して得ることができる。以上のような構成とすることにより、複数の通信装置がそれぞれ保持するデータを、リレー局を介して、２つの時間スロットで交換することができる。これにより、Ｍｕｌｔｉ−ｗａｙ Ｒｅｌａｙ方式の伝送効率を大幅に向上することが可能となる。
【００４８】
ここで、以上のような伝送を実現するリレー局１０の装置構成例を図３に示す。図３に示すように、本実施形態におけるリレー局１０は、受信アンテナ部２０−１〜３、３０−１〜３、第１〜第３までの受信アンテナ側の無線部２１−１〜３、第１〜第３までの送信アンテナ側の無線部２９−１〜３、第１〜第３までのＡ／Ｄ変換部２２−１〜３、伝搬路推定部２３、ウェイト算出部２４、受信ウェイト乗算部２５、送信ウェイト乗算部２６、パイロット信号生成部２７、第１〜第３までのＤ／Ａ変換部２８−１〜３から構成される。但し、図３では、説明を簡単にするために、合計で６つのアンテナが記載されているが、送信と受信とが同時に行われることはないため、実際には、アンテナ部２０−１〜３と３０−１〜３は共用することができる。したがって、リレー局１０におけるアンテナ数は３でもよい。
【００４９】
このリレー局１０では、まず、マルチアクセスフェーズにおいて第１〜第３までの各通信装置１１〜１３から送信された信号をアンテナ部２０−１〜３でそれぞれ受信する。アンテナ部２０−１〜３で受信された信号は、次に、第１〜第３までの無線部２１−１〜３において無線周波数からＡ／Ｄ変換可能な周波数へと周波数変換され、第１〜第３までのＡ／Ｄ変換部２２−１〜３へ入力される。第１〜第３までのＡ／Ｄ変換部２２−１〜３では、受信したアナログ信号をディジタル信号に変換する処理が行われ、ディジタル信号に変換された伝搬路推定用のパイロット信号は伝搬路推定部２３へ、データ信号は受信ウェイト乗算部２５へそれぞれ入力される。
【００５０】
伝搬路推定部２３では、受信パイロット信号を基にした伝搬路の推定が行われる。この伝搬路の推定は、データ信号の伝送に先だって予め行っておいてもよく、また、第１〜第３までの各通信装置の各アンテナからパイロット信号が送信される場合には、それを基に各通信装置の全てのアンテナとリレー局１０との間の伝搬路を推定することができる。ここでは、全ての通信装置の全てのアンテナとの間の伝搬路を推定できるものとする。
【００５１】
このように推定された伝搬路は、ウェイト算出部２４に入力され、ウェイトの算出に用いられる。ウェイト算出部２４では、上述の受信ウェイトＷＲ（ＲＸ）や送信ウェイトＷＲ（ＴＸ）が算出され、それぞれ受信ウェイト乗算部２５に入力される。受信ウェイト乗算部２５では、ウェイト算出部２４から入力された受信ウェイトを受信データ信号に乗算する処理が行われ、データ信号が分離されることとなる。そして分離されたデータ信号は送信ウェイト乗算部２６へ入力され、ウェイト算出部２４から入力された送信ウェイトとの乗算が行われる。この送信ウェイト乗算部２６には、パイロット信号生成部２７において生成された伝搬路推定用のパイロット信号も入力され、データ信号と同じく、送信ウェイトとの乗算が行われる。但し、先に述べたように、リレー局１０から送信されたパイロット信号が互いに干渉し合わないように、時間、周波数（サブキャリア）、符号等のいずれかの無線リソースが異なるよう送信する必要がある。
【００５２】
送信ウェイト乗算部２６において送信ウェイトＷＲ（ＴＸ）を乗算されたパイロット信号とデータ信号は、第１〜第３までのＤ／Ａ変換部２８−１〜３に入力され、ディジタル信号からアナログ信号へ変換される。そして、それらの信号は、第１〜第３までの送信アンテナ側無線部２９−１〜３において無線送信可能な周波数へ周波数変換され、ブロードキャストフェーズとしてアンテナ部３０−１〜３からそれぞれ送信されることとなる。ここで、先に述べたように、再送信する信号に対する増幅が行われる場合には、第１〜第３までの送信アンテナ側無線部２９−１〜３でそれぞれ行われることとなる。
【００５３】
このようなリレー局１０の構成とすることにより、マルチアクセスフェーズにおいて第１〜第３までの各通信装置から送信された信号を受信し、それぞれのデータ信号に分離した後、送信ウェイトを乗算して、ブロードキャストフェーズにおいて再送信することができる。但し、ここでは、データ信号に対して受信ウェイトと送信ウェイトを別々に乗算するものとしているが、まとめて１つのウェイトとして乗算する構成としてもよい。
【００５４】
また、本実施形態における通信装置の構成を図４に示す。ここで、本実施形態における３つの通信装置（第１から第３までの通信装置１１〜１３）は全て同じ構成である例について説明する。図４に示すように、本実施形態における通信装置は、アンテナ部４０−１〜２（受信側）、５２−１〜２（送信側）、第１及び第１の受信アンテナ側無線部４１−１〜２、第１及び第２の送信アンテナ側無線部５１−１〜２、第１及び第２のＡ／Ｄ変換部４２−１〜２、伝搬路推定部４３、ウェイト算出部４４、受信ウェイト乗算部４５、復調部４６、上位層４７、変調部４８、パイロット信号生成部４９、第１及び第２のＤ／Ａ変換部５０−１〜２から構成される。以下では、リレー局１０における機能と同じ機能のブロックについては説明を省略する。
【００５５】
この通信装置では、まず、マルチアクセスフェーズにおいてリレー局１０にデータ送信が行われる。この時、送信データが上位層４７から変調部４８へ入力され、変調部４８において送信データが変調され、変調されたデータ信号に伝搬路推定用のパイロット信号が付加され、これらの信号がアンテナ部から送信されることとなる。図４では、２つのアンテナ（第１及び第１の送信アンテナ側アンテナ部５２−１〜２）から送信されるような記載となっているが、先に述べたように、片方のアンテナからのみデータ信号を送信する構成としてもよい。
【００５６】
また、ブロードキャストフェーズでは、リレー局１０から送信された信号をアンテナ部４０−１〜２で受信し、第１及び第２の無線部４１−１〜２、第１及び第２のＡ／Ｄ変換部４２−１〜２を経由してディジタル信号に変換された信号のうち、伝搬路推定用のパイロット信号を伝搬路推定部４３へ、データ信号を受信ウェイト乗算部４５へ入力する。伝搬路推定部４３では、パイロット信号を基に伝搬路の推定が行われ、推定結果はウェイト算出部４４へ入力される。ウェイト算出部４４では、受信ウェイトＷ１ｎ（ＲＸ）（ｎ＝１〜３）が算出され、その後、受信ウェイト乗算部４５において、受信データ信号と受信ウェイトの乗算が行われる。この乗算により、リレー局１０から送信された希望信号をそれぞれ分離することができ、復調部４６において各信号を復調することができる。そして、復調部４６で復調されたデータは上位層４７へ送られることとなる。
【００５７】
このような構成とすることにより、マルチアクセスフェーズではリレー局１０へ信号を送信し、ブロードキャストフェーズでは、リレー局１０から送信された信号を受信し、希望信号を分離して復調することができる。
【００５８】
以上のようなリレー局、通信装置の構成とすることにより、複数の通信装置がそれぞれ保持するデータを、リレー局を介して、２つの時間スロットで交換することができ、Ｍｕｌｔｉ−ｗａｙ Ｒｅｌａｙ方式の伝送効率を大幅に向上することが可能となる。
【００５９】
ここで、本実施形態では、リレー局１０を介してデータを交換する通信装置数が３の場合を例として説明したが、これに限らず、３以上の通信装置間でデータ交換を行ってもよい。但し、この場合には、通信装置と同じ数のアンテナをリレー局１０が有し、各通信装置は、データ交換を行う全通信装置数−１のアンテナを有する必要がある。
【００６０】
また、本実施形態におけるリレー局１０では、受信したデータ信号を復調せずに、送信ウェイトを乗算して再送信する構成としていたが、一旦復調を行い、再度変調した信号に送信ウェイトを乗算して送信する構成としてもよい。
【００６１】
さらに、マルチアクセスフェーズにおいて各通信装置がデータ送信する際に、送信データ信号に送信ウェイトを乗算する構成としてもよい。この場合には、例えば、通信装置とリレー局１０の間の伝搬路を基に送信ビームを形成するようなユニタリベクトルを送信ウェイトとして、１つのデータ信号に乗算して、複数のアンテナ部から送信するといった構成とすることができる。
【００６２】
（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施の形態による通信技術について図面を参照しながら説明を行う。
【００６３】
第１の実施形態では、データ交換を行う通信装置数（＝全データ信号数）分のアンテナをリレー局１０が有する場合について記載したが、本実施形態では、リレー局が有するアンテナ数が通信装置数より少ない場合について説明する。
【００６４】
このような場合の概要を図５に示す。図５に示すように、本実施の形態では、リレー局６０、第１から第３までの通信装置６１〜６３では、それぞれ２本ずつのアンテナを有するものとする。このように、リレー局６０が有するアンテナ数が、通信装置数未満である場合にも２つの時間スロット（フェーズ）で、各通信装置がデータ交換を行う方法について説明する。但し、第１の実施形態と同様、第１フェーズ（ｔ＝１）はマルチアクセスフェーズであり、第２フェーズ（ｔ＝２）はブロードキャストフェーズである。また、第１から第３までの各通信装置から送信される信号数、第１から第３までの各通信装置の希望信号数は第１の実施形態と同じものとする。
【００６５】
まず、マルチアクセスフェーズでは、第１の実施形態と同様に、第１から第３までの各通信装置からリレー局６０へデータ送信が行われる。この時、第１から第３までの各通信装置では、それぞれ片方のアンテナからデータ信号を送信する構成としてもよいし、任意の送信ウェイトをデータ信号に乗算し、送信ウェイト乗算後の信号を２本のアンテナから送信する構成としてもよい。また、データ信号と共に伝搬路推定用のパイロット信号も送信され、受信側での伝搬路推定に用いられる。
【００６６】
但し、第１の実施形態においても述べたように、パイロット信号の送信に際しては、第１から第３までの各通信装置から送信されるパイロット信号がリレー局６０において干渉し合わないように、時間、周波数（サブキャリア）、符号等のいずれかの無線リソースが異なるよう送信する必要がある。例えば、異なる時間リソースによりパイロット信号を送信する場合には、第１の通信装置６１がパイロット信号を送信するタイミングでは他の通信装置（第２及び第３の通信装置６２、６３）は送信を行わず、第２の通信装置６２がパイロット信号を送信するタイミングでは他の通信装置（第３及び第１の通信装置６３、６１）は送信を行わず、第３の通信装置６３がパイロット信号を送信するタイミングでは他の通信装置（第１及び第２の通信装置６１、６２）は送信を行わないというような制御を行うこととなる。
【００６７】
このように各通信装置から送信されたデータ信号及びパイロット信号を、リレー局６０では２本のアンテナで受信することとなる。この時の受信信号ｙＲは次式で表わされる。
【００６８】
【数８】
【００６９】
但し、ここでは、第１から第３までの各通信装置はそれぞれ送信ウェイトをデータ信号に乗算して送信を行うものとしており、ｖ１（＝［ｖ１１ ｖ１２］Ｔ）、ｖ２（＝［ｖ２１ ｖ２２］Ｔ）、ｖ３（＝［ｖ３１ ｖ３２］Ｔ）は第１から第３までの通信装置６１〜６３の送信ウェイトをそれぞれ表わしている。また、各伝搬路（Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３）はそれぞれ次の２行２列の行列で表わされる。但し、例えば、ｈ２−（３−１）は、通信装置６３のアンテナ１とリレー局６０のアンテナ２の間の伝搬路を表わしている。
【００７０】
【数９】
【００７１】
また、式（８）は次のように書くことができる。
【数１０】
【００７２】
第１の実施形態では、各通信装置から送信される信号と同じ数のアンテナをリレー局が有していたため、リレー局において各信号を分離することができたが、式（１０）からもわかるように、本実施の形態では、２本の受信アンテナで３つのデータ信号を受信するため、受信信号を分離することができない。そこで、本実施形態におけるリレー局６０では、マルチアクセスフェーズにおいて各通信装置から受信したデータ信号を、ブロードキャストフェーズにおいてそのまま再送信する。
【００７３】
ここで、パイロット信号についても、受信した信号をそのまま再送信するものとする。この場合には、先に述べたように、第１から第３までの各通信装置は、パイロット信号同士が干渉し合わないように異なる無線リソースでパイロット信号の送信を行っていることから、リレー局６０から再送信されるパイロット信号も同様となる。つまり、第１の通信装置６１から送信されたパイロット信号と、第２の通信装置６２から送信されたパイロット信号と、第３の通信装置６３から送信されたパイロット信号がそれぞれ異なる無線リソースで再送信される。但し、データ信号、パイロット信号共に増幅してから再送信する構成としてもよい。
【００７４】
先に述べたように、ブロードキャストフェーズでは、マルチアクセスフェーズで受信した信号をそのまま再送信するため、例えば第１の通信装置６１における受信信号は次式で表わされる。
【００７５】
【数１１】
【００７６】
また、第２の通信装置６２における受信信号は、式（１０）で表わされる信号が伝搬路Ｈ２Ｈを経由した信号で、第３の通信装置６３における受信信号は、式（１０）で表わされる信号が伝搬路Ｈ３Ｈを経由した信号であり、いずれも式（１１）と同様の形式で表わすことができる。
【００７７】
これらの式（１０）、（１１）からわかるように、第１から第３までの各通信装置は２本のアンテナで３つのデータ信号を受信しているため、受信信号を分離することができず、希望信号を得ることができない。しかし、３つのデータ信号のうち、１つのデータ信号は自身がマルチアクセスフェーズにおいて送信した信号であり、どのような信号であるかを把握できているため、自身が送信した信号（ブロードキャストフェーズでは自己干渉となる信号）を受信信号から減算することにより、２つの希望データ信号を抽出することができる。但し、データ信号が受ける等価的な伝搬路変動ＨｎＨＨｖ（ｎ＝１〜３）は、パイロット信号を基に推定できるものとしている。このような処理はＳｅｌｆ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ Ｃａｎｃｅｌｌａｔｉｏｎと呼ばれることもあり、次式で表わされる。ここでは、通信装置６１における減算処理を対象としているが、他の通信装置についても同様の処理を行うことができる。
【００７８】
【数１２】
【００７９】
このように、自身が送信したデータ信号を減算することにより、希望信号のみを抽出することができる。したがって、２本のアンテナで２つのデータ信号を受信していることとなり、等価的な伝搬路変動も把握できているため、それらのデータ信号を分離することができる。そして、分離した２つのデータ信号を復調し、第２の通信装置６２及び第３の通信装置６３から送信されたデータを得ることができる。
【００８０】
以上のような処理を行うことにより、リレー局が有するアンテナ数が通信装置数より少ない場合においても、複数の通信装置がそれぞれ保持するデータを、リレー局を介して、２つの時間スロットで交換することができる。これにより、Ｍｕｌｔｉ−ｗａｙ Ｒｅｌａｙ方式の伝送効率を大幅に向上することが可能となる。
【００８１】
ここで、本実施形態におけるリレー局６０の構成を図６に示す。図６に示すように、本実施形態におけるリレー局６０は、受信アンテナ部７０−１〜２、送信アンテナ７５−１〜２、第１及び第２の受信アンテナ側無線部７１−１〜２、第１及び第２の送信アンテナ側無線部７４−１〜２、第１及び第２のＡ／Ｄ変換部７２−１〜２、第１及び第２のＤ／Ａ変換部７３−１〜２から構成される。但し、図３では、説明を簡単にするために、合計で４つのアンテナが記載されているが、送信と受信が同時に行われることはないため、実際には、受信アンテナ部７０−１〜２と送信７５−１〜２は共用できる。したがって、リレー局６０におけるアンテナ数は２でよい。
【００８２】
この図６に示すリレー局６０は、先に述べたように、マルチアクセスフェーズにおいて各通信装置６１〜６３から送信された信号を受信アンテナ部７０−１〜２において受信し、Ａ／Ｄ変換、Ｄ／Ａ変換を行って、そのままアンテナ部７５−１〜２から再送信する構成となっている。但し、再送信する際に、データ信号及びパイロット信号を増幅してもよく、このような増幅は第１及び第２の送信アンテナ側無線部７４−１〜２において行われる。また、ここではＡ／Ｄ変換、Ｄ／Ａ変換を行う構成となっているが、マルチアクセスフェーズの時間内にアナログ信号を保持しておけるような構成であれば、必ずしもこれらの変換を行う必要はない。
【００８３】
次に、本実施形態における通信装置の構成例を図７に示す。ここで、本実施形態における３つの通信装置（第１から第３までの通信装置６１〜６３）は全て同じ構成であるものとする。図７に示すように、本実施形態における通信装置は、第１及び第２の受信アンテナ部８０−１〜２、第１及び第２の送信アンテナ部９５−１〜２、第１及び第２の受信アンテナ側無線部８１−１〜２、第１及び第２の送信アンテナ側無線部９４−１〜２、第１及び第２のＡ／Ｄ変換部８２−１〜２、伝搬路推定部８３、自己干渉生成部８４、ウェイト算出部８５、減算部８６、受信ウェイト乗算部８７、復調部８８、上位層８９、変調部９０、パイロット信号生成部９１、送信ウェイト乗算部９２、Ｄ／Ａ変換部９３−１〜２から構成される。
【００８４】
この通信装置では、まず、マルチアクセスフェーズにおいてリレー局６０にデータ送信が行われる。この時、上位層８９から変調部９０へ入力された送信データが、変調部９０において変調され、変調されたデータ信号に伝搬路推定用のパイロット信号が付加される。そして、これらの信号に対して送信ウェイト（ｖ１、ｖ２、ｖ３）が乗算され、第１及び第２のＤ／Ａ変換部９３−１〜２、第１及び第２の送信アンテナ側無線部９４−１〜２を経由して、アンテナ部から送信されることとなる。但し、送信ウェイトは任意のベクトルでよく、通信装置とリレー局６０との間の伝搬路を基に算出されるベクトルを用いることもできる。また、変調部９０において得られるデータ信号は、ブロードキャストフェーズにおいて受信された信号から、自己干渉として減算されることから、自己干渉生成部８４にも入力される。
【００８５】
一方、ブロードキャストフェーズでは、図７の通信装置は、リレー局６０から送信された信号を第１及び第２の受信アンテナ部８０−１〜２で受信し、第１及び第２の受信アンテナ側無線部８１−１〜２、第１及び第２のＡ／Ｄ変換部８２−１〜２を経由してディジタル信号に変換された信号のうち、伝搬路推定用のパイロット信号を伝搬路推定部８３へ、データ信号を減算部８６へ入力する。伝搬路推定部８３では、パイロット信号を基に伝搬路の推定が行われ、推定結果は自己干渉生成部８４とウェイト算出部８５へ入力される。この推定結果はＨｎＨＨｖ（ｎ＝１〜３）であり、自己干渉生成部８４では、マルチアクセスフェーズにおいて自身が送信した信号とＨｎＨＨｖ（ｎ＝１〜３）の乗算が行われる。この演算により、式（１２）の上側の式の最終項が算出される。そして、減算部８６において、式（１２）に示すような、受信信号と自己干渉の減算が行われ、受信信号から希望信号のみが抽出される。
【００８６】
このように、減算部８６での減算処理により、自身が送信した信号が干渉として混在していた受信信号から、希望信号のみを抽出することができるが、減算部８６から出力される信号は２つの希望信号が分離されていない信号であることから、次に、受信ウェイト乗算部で希望信号を分離する受信ウェイトを乗算する必要がある。このような受信ウェイトは、伝搬路推定部８３において推定された伝搬路変動を基に、ウェイト算出部８５において算出される。この受信ウェイトの算出方法としては、推定された行列ＨｎＨＨｖ（ｎ＝１〜３）のうち、希望信号に関連する要素だけ抜き出した行列の逆行列を算出する方法等がある。また、２つの希望信号を分離できるその他の受信ウェイトを算出するようにしてもよい。
【００８７】
そして、ウェイト算出部８５で算出された受信ウェイトは、受信ウェイト乗算部８７へ入力され、受信ウェイト乗算部８７において、減算部８６の出力信号と受信ウェイトの乗算が行われる。この乗算により、リレー局６０から送信された希望信号をそれぞれ分離することができ、復調部８８において各信号を復調することができる。そして、復調部８８で復調されたデータは上位層８９へ送られることとなる。
【００８８】
このような構成とすることにより、マルチアクセスフェーズではリレー局６０へ信号を送信し、ブロードキャストフェーズでは、リレー局６０から送信された信号を受信し、自己干渉の減算と希望信号の分離を行い、分離された希望信号をそれぞれ復調することができる。
【００８９】
以上のようなリレー局、通信装置の構成とすることにより、リレー局が有するアンテナ数が少ない場合であっても、複数の通信装置がそれぞれ保持するデータを、リレー局を介して、２つの時間スロットで交換することができ、Ｍｕｌｔｉ−ｗａｙ Ｒｅｌａｙ方式の伝送効率を大幅に向上することが可能となる。
【００９０】
ここで、本実施形態では、リレー局６０を介してデータを交換する通信装置数が３の場合を例として説明したが、これに限らず、３以上の通信装置間でデータ交換を行ってもよい。但し、この場合には、通信装置数−１のアンテナをリレー局６０と各通信装置が有する必要がある。
【００９１】
（第３の実施形態）
これまでの実施形態では、複数の通信装置間でリレー局を介したデータ交換を行うＭｕｌｔｉ−ｗａｙ Ｒｅｌａｙ方式を用いるシステムにおいて、少ない時間スロット数（２フェーズ）で効率良く伝送する方法について示してきたが、本実施形態では、Ｍｕｌｔｉ−ｗａｙ Ｒｅｌａｙの適用例について示す。
【００９２】
まず、セルラシステムへの適用例を図８に示す。図８は、マクロ基地局１００が制御するマクロセル内に、第１から第３までのピコ基地局１０１〜１０３が制御するピコセルと、第１から第３までのフェムト基地局１０４〜１０６が制御するフェムトセルが存在するシステムを表わしている。また、各フェムトセルはピコ基地局１０１が制御するピコセル内に存在している。一般に、これらのセルがカバーする領域の大きさは、フェムトセル＜ピコセル＜マクロセルの順であり、本実施形態においても、この関係を満たすものとする。
【００９３】
このようなシステムでは、マクロセル−ピコセル、マクロセル−フェムトセル、ピコセル−フェムトセルの間でそれぞれ干渉が生じ、非常に複雑な干渉状況となる。また、図８の各フェムトセルは近接しており、フェムトセル間でも大きな干渉が生じてしまう。このような状況で良好な伝送特性を得るためには、できるだけセル間で干渉し合わないような制御を行う必要がある。一般に、このような制御は干渉コーディネーションと呼ばれている。
【００９４】
この干渉コーディネーションを効果的に行うためには、各セルの送信電力やリソース割り当て、受信レベル、伝搬路等に関する制御情報をセル間で共有し、それに応じた制御を行う必要がある。例えば、フェムトセル間の干渉コーディネーションを行う場合に、各フェムトセルにおける伝搬路変動に関する情報を共有できれば、その伝搬路変動に関する情報を基に、他のフェムトセルに信号が届かないようなビームフォーミングを各フェムト基地局において行うといった制御も可能となる。
【００９５】
したがって、この場合には、複数のフェムト基地局間で互いの情報を交換する必要があるが、フェムト基地局はインターネット等の有線ネットワークに接続されているため、インターネットから通信事業者のネットワークを経由して他のフェムト基地局とデータを交換する方法は時間がかかってしまうという問題がある。このような場合には、フェムト基地局間でデータを交換している間にそれぞれの伝搬路が変動してしまい、有効な情報共有ができない。
【００９６】
そこで、基地局間のデータ交換を無線伝送により行うこととし、その際にＭｕｌｔｉ−ｗａｙ Ｒｅｌａｙを適用する。例えば、第１から第３までのフェムト基地局１０４〜１０６で互いの情報（制御情報等）を交換する際に、有線ネットワーク経由で情報交換するのではなく、ピコ基地局１０１をリレー局として利用し、Ｍｕｌｔｉ−ｗａｙ Ｒｅｌａｙを行う。ここで、第１、第２の実施形態におけるＭｕｌｔｉ−ｗａｙ Ｒｅｌａｙを適用する場合には、３つのフェムト基地局が、それぞれの情報を２つの時間スロットで交換することが可能となる。つまり、マルチアクセスフェーズでは、各フェムト基地局からピコ基地局１０１にデータ伝送が行われ、ブロードキャストフェーズでは、ピコ基地局１０１から各フェムト基地局へ伝送が行われることとなる。このように基地局間（または基地局とリレー局間等）で無線伝送を行う制御は、Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｂａｃｋｈａｕｌと呼ばれることもあり、本実施の形態は、Ｗｉｒｅｌｅｓｓ ＢａｃｋｈａｕｌをＭｕｌｔｉ−ｗａｙ Ｒｅｌａｙにより実現する方法に関するものであるといえる。
【００９７】
ここで、Ｍｕｌｔｉ−ｗａｙ Ｒｅｌａｙを用いた、各フェムト基地局による互いの情報交換は、予め決められたタイミングで定期的に行ってもよいし、通信事業者のネットワークから通知された情報等に基づいて不定期に行うようにしてもよい。不定期に行う場合には、例えば、通信事業者のネットワークから各フェムト基地局に対し、Ｍｕｌｔｉ−ｗａｙ Ｒｅｌａｙによる情報交換を実施するタイミングやその際に用いるリソース、どのような情報を交換するか、リレー局となる基地局（マクロ基地局であるかピコ基地局であるか）等に関する制御情報が通知され、それらの情報に従って各フェムト基地局はＭｕｌｔｉ−ｗａｙ Ｒｅｌａｙによる情報交換を行うこととなる。このようにＭｕｌｔｉ−ｗａｙ Ｒｅｌａｙを実施するための制御情報はリレー局となる基地局（マクロ基地局やピコ基地局等）にも通知される。
【００９８】
また、Ｍｕｌｔｉ−ｗａｙ Ｒｅｌａｙによる情報交換を、マクロ基地局やピコ基地局からの指示情報に基づいて行うようにしてもよい。この場合には、例えば、マクロ基地局やピコ基地局が、自セル内に位置する複数のフェムト基地局に、Ｍｕｌｔｉ−ｗａｙ Ｒｅｌａｙによる情報交換を指示する情報を通知し、その指示情報を受け取った複数のフェムトセルが指示情報に従って、Ｍｕｌｔｉ−ｗａｙ Ｒｅｌａｙを行うといったこととなる。その指示情報には、Ｍｕｌｔｉ−ｗａｙ Ｒｅｌａｙを実施するタイミングやその際に用いるリソース、どのような情報を交換するか等に関する制御情報が通知される。また、この場合には、指示情報を通知した基地局がリレー局として動作する構成としてもよい。
【００９９】
または、いずれかのフェムト基地局が、Ｍｕｌｔｉ−ｗａｙ Ｒｅｌａｙによる情報交換の開始を主導するようにしてもよい。これは、例えば、まず第１のフェムト基地局１０４が、他のフェムト基地局（第２、第３のフェムト基地局１０５、１０６）との情報交換を希望する旨を第１のピコ基地局１０１へ通知し、第１のピコ基地局１０１がリレー局として動作して、その旨を第２、第３のフェムト基地局１０５、１０６に通知する。第２、第３のフェムト基地局１０５、１０６も情報交換を希望する場合には、その旨を第１のピコ基地局１０１に返送する。その際に、複数のフェムト基地局が同時にピコ基地局への返送を行ってもよいし、ピコ基地局から通知された番号に従って、各フェムト基地局が順番に、Ｍｕｌｔｉ−ｗａｙ Ｒｅｌａｙによる情報交換を希望する旨の通知を行うようにしてもよい。このような情報を受けた第１のピコ基地局１０１は、それらのフェムト基地局間での情報交換を行うタイミングやリソースに関する情報を各フェムト基地局に通知する。そして、各フェムト基地局は、第１のピコ基地局１０１から通知された情報に従って（通知されたリソースを用いて）、Ｍｕｌｔｉ−ｗａｙ Ｒｅｌａｙによる情報交換を実施する。また、このようなＭｕｌｔｉ−ｗａｙ Ｒｅｌａｙを行う場合に、それぞれの基地局で送信電力の制御を行うようにしてもよい。この送信電力制御は、例えば、ピコ基地局で信号が受信される際の受信電力が同程度になるように行ってもよく、ピコ基地局が各フェムト基地局の送信電力を制御するようにしてもよい。
【０１００】
このように、Ｍｕｌｔｉ−ｗａｙ Ｒｅｌａｙをセルラシステムの基地局間のデータ交換に適用することにより、フェムト基地局間のように有線ネットワーク経由での適応的な情報共有が難しい基地局同士においても、効率良くデータ交換を行うことが可能となり、有効な情報共有を実現することができる。
【０１０１】
本実施形態では、フェムト基地局間でのデータ交換を例として説明したが、これに限らず、ピコ基地局間のデータ交換を、マクロ基地局をリレー局として利用することにより行うようにしてもよい。また、マクロ基地局と複数のフェムト基地局の間でのデータ交換を、ピコ基地局をリレー局として利用して行ってもよい。また、本実施形態のように、セルラシステムにＭｕｌｔｉ−ｗａｙ Ｒｅｌａｙを適用する場合には、必ずしも２つの時間スロットでデータ交換を行う必要はなく、２つ以上の時間スロットを用いるようにしてもよい。
【０１０２】
（第４の実施形態）
第３の実施形態では、Ｍｕｌｔｉ−ｗａｙ Ｒｅｌａｙをセルラシステムの基地局間のデータ交換に適用する例を示したが、本実施形態では、別のシステムへの適用例について述べる。
【０１０３】
まず、無線ＬＡＮシステムへの適用について述べる。無線ＬＡＮシステムへ適用する場合、データ交換を行う無線ＬＡＮ端末は図２に示す通信装置、無線ＬＡＮシステムのアクセスポイント（ＡＰ）は図２のリレー局として動作することとなる。また、ＡＰがなく、アドホックモードで動作する場合には、いずれかの端末がリレー局として動作してもよい。
【０１０４】
無線ＬＡＮシステムにおいてＭｕｌｔｉ−ｗａｙ Ｒｅｌａｙによるデータ交換を行う場合には、まず、いずれかの無線ＬＡＮ端末が、他の複数の無線ＬＡＮ端末とのデータ交換を希望する旨をＡＰへ通知し、ＡＰがリレー局として動作して、その旨を他の複数の無線ＬＡＮ端末に通知する。他の複数の無線ＬＡＮ端末も情報交換を希望する場合には、その旨をＡＰに返送する。その際に、複数の無線ＬＡＮ端末が同時にＡＰへの返送を行ってもよいし、ＡＰから通知された番号に従って、各無線ＬＡＮ端末が順番に、Ｍｕｌｔｉ−ｗａｙ Ｒｅｌａｙによる情報交換を希望する旨の通知を行うようにしてもよい。このような情報を受けたＡＰは、それらの無線ＬＡＮ端末間での情報交換を行うタイミングやリソース、パケットサイズ等に関する情報を各無線ＬＡＮ端末に通知する。そして、無線ＬＡＮ端末は、ＡＰから通知された情報に従って（通知されたリソースを用いて）、Ｍｕｌｔｉ−ｗａｙ Ｒｅｌａｙによるデータ交換を実施する。
【０１０５】
このような手順により、無線ＬＡＮシステムにおいてもＭｕｌｔｉ−ｗａｙ Ｒｅｌａｙによるデータ交換を行うことが可能となり、複数の端末間のデータ交換を効率良く実現できる。このように、各端末が有するデータをできるだけ短い時間で効率良く交換することが必要となるアプリケーションとしては、例えば、無線ＬＡＮを介して複数のプレイヤーが同時に参加するゲームが挙げられる。この場合、複数のプレイヤーがそれぞれ操作するゲーム機が端末となり、設置されたリレー局（ＡＰ）を介して、それぞれの操作結果を互いに通知し合うこととなる。特に、リアルタイム性が要求される内容のゲームを、３名以上のプレイヤーで行う場合には、Ｍｕｌｔｉ−ｗａｙ Ｒｅｌａｙによるデータ交換が非常に有効であると考えられる。
【０１０６】
また、無線ＬＡＮシステムの他に、交通システム等にもＭｕｌｔｉ−ｗａｙ Ｒｅｌａｙによるデータ交換を適用することができる。これは、例えば、交差点にリレー局を設置しておき、交差点で停車中または走行中の複数の自動車間で様々なデータを交換するといった状況が考えられる。この場合には、交差点に設置されたリレー局がビーコンなどを送信し、複数の自動車に設置された通信装置がそのビーコンを受信して同期し、同期後に自身の有するデータを送信するといった手順により、Ｍｕｌｔｉ−ｗａｙ Ｒｅｌａｙによるデータ交換を開始することができる。
【０１０７】
混雑状況に関する情報や事故情報等、様々な方角から来る自動車から様々な情報をリアルタイムで取得して活用することにより、高度な道路交通システムを実現することができる。交通量の多い地点では、情報交換を行う対象となる自動車も多数となることから、Ｍｕｌｔｉ−ｗａｙ Ｒｅｌａｙによるデータ交換の適用が重要となる。
【０１０８】
上記の実施の形態において、添付図面に図示されている構成等については、これらに限定されるものではなく、本発明の効果を発揮する範囲内で適宜変更することが可能である。その他、本発明の目的の範囲を逸脱しない限りにおいて適宜変更して実施することが可能である。
【０１０９】
また、本実施の形態で説明した機能を実現するためのプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行することにより各部の処理を行ってもよい。尚、ここでいう「コンピュータシステム」とは、ＯＳや周辺機器等のハードウェアを含むものとする。
【０１１０】
また、「コンピュータシステム」は、ＷＷＷシステムを利用している場合であれば、ホームページ提供環境（あるいは表示環境）も含むものとする。
【０１１１】
また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ、ＣＤ−ＲＯＭ等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。さらに「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線を介してプログラムを送信する場合の通信線のように、短時間の間、動的にプログラムを保持するもの、その場合のサーバやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリのように、一定時間プログラムを保持しているものも含むものとする。また前記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであっても良く、さらに前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるものであっても良い。
【産業上の利用可能性】
【０１１２】
本発明は、通信装置に利用可能である。
【符号の説明】
【０１１３】
１０…リレー局、１１〜１３…通信装置、２０…アンテナ、２１…無線部、２２…Ａ／Ｄ変換部、２３…伝搬路推定部、２４…ウェイト算出部、２５…受信ウェイト乗算部、２６…送信ウェイト乗算部、２７…パイロット信号生成部、２８…Ｄ／Ａ変換部、２９…無線部、３０…アンテナ、４０…アンテナ、４１…無線部、４２…Ａ／Ｄ変換部、４３…伝搬路推定部、４４…ウェイト算出部、４５…受信ウェイト乗算部、４６…復調部、４７…上位層、４８…変調部、４９…パイロット信号生成部、５０…Ｄ／Ａ変換部、５１…無線部、５２…アンテナ。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、無線通信システム、リレー局装置、通信装置、無線通信方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
２つの無線通信装置（基地局装置‐端末装置間または端末装置同士間等）がリレー局（中継局）を介してそれぞれのデータ（信号）を交換する双方向通信（Ｔｗｏ−ｗａｙ Ｒｅｌａｙ， Ｂｉ−ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ Ｒｅｌａｙなどとも呼ばれる）方式は、リレー局を備えたシステムにおける伝送効率の低下を改善する方式として、盛んに検討が行われている。また、双方向通信方式の応用として、３つ以上の無線通信装置が１つのリレー局を介して、それぞれのデータを交換するＭｕｌｔｉ−ｗａｙ Ｒｅｌａｙ方式も提案されている（下記非特許文献１参照）。
【０００３】
非特許文献１では、データを交換する複数の通信装置が、それぞれ１本のアンテナを有し、リレー局装置が、データ交換を行う複数の通信装置の数分だけのアンテナを有する場合において、データを交換する通信装置数だけの時間スロット（フェーズ）で、全ての通信装置間のデータ交換を行う方法が提案されている。ここで、３つの通信装置がそれぞれ保持するデータを、リレー局を介して他の２つの通信装置に通知する場合の例を図１に示す。非特許文献１に記載の方法では、データを交換する通信装置数がＮである場合に、全ての通信装置間でデータ交換するために必要となる時間スロット数はＮであり、したがって図１に示す場合には、データ交換に要する時間スロット数は３となる。図１では、この３つの時間スロットをそれぞれｔ＝１，２，３で表わしている。但し、図１では、データを交換する３つの通信装置はそれぞれ１本のアンテナを有し、リレー局は３本のアンテナを有するものとしている。
【０００４】
図１に示すように、ここでは第１から第３までの通信装置１０１〜１０３が同じリソースを用い、リレー局１００を介して、それぞれが保持するデータを交換するものとし、第１の通信装置１０１が保持するデータを変調した信号をＳ１０１、第２の通信装置１０２が保持するデータを変調した信号をＳ１０２、第３の通信装置１０３が保持するデータを変調した信号をＳ１０３とする。この場合には、第１の通信装置１０１の希望信号はＳ１０２とＳ１０３、第２の通信装置１０２の希望信号はＳ１０３とＳ１０１、第３の通信装置１０３の希望信号はＳ１０１とＳ１０２となる。このような構成において、非特許文献１に記載の方法では、まず３つの通信装置１０１〜１０３までがそれぞれの保持するデータ（信号）をリレー局１００に送信し、リレー局１００においては、各通信装置１０１〜１０３から送信された信号（Ｓ１０１、Ｓ１０２、Ｓ１０３）が混在した信号が受信される（ｔ＝１）。
【０００５】
このように、複数の通信装置が１つの宛先装置（ここではリレー局１００）にそれぞれの信号を送信する時間スロット（フェーズ）はマルチアクセスフェーズと呼ばれる。このように３つの信号（Ｓ１０１、Ｓ１０２、Ｓ１０３）が混在した信号に対して、リレー局１００は３つのアンテナを有しているため、受信後にそれぞれの信号を分離することができる。
【０００６】
マルチアクセスフェーズで受信した信号をそれぞれ分離したリレー局１００は、次に、各通信装置１０１から１０３までへ、それぞれの希望信号を送信する。まず、ｔ＝２では、通信装置１０１宛にＳ１０２を、通信装置１０２宛にＳ１０３を、通信装置１０３宛にＳ１０１をそれぞれ送信する。このように、１つの送信源（この場合はリレー局１００）が複数の宛先装置（第１から第３までの通信装置１０１〜１０３）に信号を送信する時間スロット（フェーズ）は、ブロードキャストフェーズと呼ばれる。
【０００７】
この時、リレー局１００では、各通信装置に干渉を与えないような送信ウェイトを送信信号に乗算して伝送を行う。非特許文献１では、この送信ウェイトの例として、ＺＦ（Ｚｅｒｏ Ｆｏｒｃｉｎｇ）やＭＭＳＥ（Ｍｉｎｉｍｕｍ Ｍｅａｎ Ｓｑｕａｒｅ Ｅｒｒｏｒ）と呼ばれる基準で求められた送信ウェイトを用いるものとしている。このような処理を行って伝送することにより、通信装置１０１はＳ１０２を、通信装置１０２はＳ１０３を、通信装置１０３はＳ１０１をそれぞれ干渉なく受信することができる。
【０００８】
また、ｔ＝３もブロードキャストフェーズであり、リレー局１００は、通信装置１０１宛にＳ１０３を、通信装置１０２宛にＳ１０１を、通信装置１０３宛にＳ１０２をそれぞれ送信する。この時にも、ｔ＝２の際と同様に、リレー局１００では、各通信装置１０１から１０３に干渉を与えないような送信ウェイトを乗算して伝送を行う。このような処理を行って伝送することにより、通信装置１０１はＳ１０３を、通信装置１０２はＳ１０１を、通信装置１０３はＳ１０２をそれぞれ干渉なく受信することができる。
【０００９】
以上の構成により、３つの通信装置がそれぞれ保持するデータを、リレー局を介して３つの時間スロットで交換することができ、各通信装置がリレー局を介してそれぞれ個別にデータを交換する場合に比べ、伝送効率を大幅に改善することができる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】A. Amah, A. Klein, “Non-Regenerative Multi-Way Relaying with Linear Beamforming,” PIMRC 2009, Sep. 2009.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
非特許文献１に記載のＭｕｌｔｉ−ｗａｙ Ｒｅｌａｙ方式では、データを交換する通信装置数と同じだけの時間スロット数が必要であるが、更に伝送効率を高めるためには、より少ない時間スロット数でデータ交換を行う必要がある。
【００１２】
また、非特許文献１では、リレー局が有するアンテナ数が通信装置数と同じという前提であり、リレー局のアンテナ数が少ない場合には、効率良く伝送することができないという問題がある。
【００１３】
本発明は、複数の通信装置間で同じリソースを用いてリレー局を介したデータ交換を行う場合に、少ない時間スロット数（２フェーズ）で効率良く伝送する技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は、複数の通信装置間で同じリソースを用いてリレー局を介したデータ交換を行う場合に、第１フェーズにおいて各通信装置がリレー局に信号を伝送し、リレー局は、第１フェーズで受信した信号を、第２フェーズで各通信装置に伝送することを特徴とする。これにより、各通信装置は、受信した信号から自己干渉を減算することにより、希望信号を抽出することができる。
【００１５】
本発明の一観点によれば、複数のアンテナを備えた３以上の通信装置が、同じリソースを用い、複数のアンテナを備えたリレー局を介して、それぞれのデータ交換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各通信装置が前記リレー局へ信号を送信し、前記第一の時間フレームにおいて送信された信号を受信した前記リレー局は、前記受信信号に基づく信号を前記第一の時間フレームとは異なる第二の時間フレームにおいて前記各通信装置へ送信することを特徴とする無線通信システムが提供される。
【００１６】
前記データ交換を行う前記各通信装置がそれぞれ送信する信号は、自身以外の全ての通信装置にとって共通の希望信号であることが好ましい。
【００１７】
また、前記リレー局が有するアンテナ数は、前記データ交換を行う通信装置数よりも少ないことが好ましい。
【００１８】
前記リレー局は、セルを制御する基地局装置であっても良い。また、前記リレー局は、複数の無線ＬＡＮ端末の通信を制御するアクセスポイントであっても良い。
【００１９】
また、本発明は、複数のアンテナを備えた３以上の通信装置が、同じリソースを用い、複数のアンテナを備えたリレー局を介して、それぞれのデータ交換を行う無線通信システムにおけるリレー局であって、第一の時間フレームにおいて前記各通信装置が前記リレー局へ送信した信号を受信し、前記受信信号に基づく信号を前記第一の時間フレームとは異なる第二の時間フレームにおいて前記各通信装置へ送信することを特徴とするリレー局である。
【００２０】
また、本発明は、複数のアンテナを備えた３以上の通信装置が、同じリソースを用い、複数のアンテナを備えたリレー局を介して、それぞれのデータ交換を行う無線通信システムにおける通信装置であって、第一の時間フレームにおいてそれぞれの通信装置が前記リレー局へ信号を送信し、前記第一の時間フレームにおいて送信された信号を受信した前記リレー局からの、前記受信信号に基づき、前記第一の時間フレームとは異なる第二の時間フレームにおいて各通信装置への送信された信号を受信することを特徴とする通信装置である。
【００２１】
本発明の他の観点によれば、複数のアンテナを備えた３以上の通信装置が、同じリソースを用い、複数のアンテナを備えたリレー局を介して、それぞれのデータ交換を行う無線通信システムにおける通信方法であって、第一の時間フレームにおいて前記各通信装置が前記リレー局へ信号を送信するステップと、前記第一の時間フレームにおいて送信された信号を受信した前記リレー局が、前記受信信号に基づく信号を前記第一の時間フレームとは異なる第二の時間フレームにおいて前記各通信装置へ送信するステップとを有することを特徴とする無線通信方法が提供される。
【発明の効果】
【００２２】
本発明を用いることにより、複数の通信装置間で同じリソースを用いてリレー局を介したデータ交換を行う場合に、少ない時間スロット数（２フェーズ）で効率良く伝送することができる。また、リレー局のアンテナ数が少ない場合にも、２フェーズでの伝送を実現することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】データを交換する３つの通信装置はそれぞれ１本のアンテナを有し、リレー局は３本のアンテナを有するシステム構成例を示す図である。
【図２】本発明による第１の実施形態による通信システムの構成例を示す図である。
【図３】図２のリレー局の一構成例を示す機能ブロック図である。
【図４】図２の通信装置の一構成例を示す機能ブロック図である。
【図５】本発明による第２の実施形態による通信システムの構成例を示す図である。
【図６】図５のリレー局の一構成例を示す機能ブロック図である。
【図７】図５の通信装置の一構成例を示す機能ブロック図である
【図８】本発明の第３の実施の形態によるセルラシステムへの適用例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下に、本発明の実施の形態による通信技術について、図面を参照しながら説明を行う。
【００２５】
（第１の実施形態）
図２は、本発明による第１の実施形態における、複数のアンテナを有するリレー局１０を介して、複数のアンテナを有する複数の通信装置（図１では第１から第３までの通信装置１１〜１３の３つの通信装置で例示している。）がそれぞれ保持するデータを２フェーズ（ｔ＝１，２）で全て交換する方法について示す図である。但し、各通信装置１１〜１３までは、同じリソースを用いるものとする。また、ここでは、各通信装置１１〜１３までが有するアンテナ数を２とし、リレー局１０が有するアンテナ数を３としている。このようなシステムにおいて、第１の通信装置１１が保持するデータを変調した信号をＳ１１、第２の通信装置１２が保持するデータを変調した信号をＳ１２、第３の通信装置１３が保持するデータを変調した信号をＳ１３とする。この場合には、第１の通信装置１１の希望信号はＳ１２とＳ１３、第２の通信装置１２の希望信号はＳ１３とＳ１１、第３の通信装置１３の希望信号はＳ１１とＳ１２となる。つまり、各通信装置１１〜１３までは、自身が保持するデータを複数の宛先に送信し、宛先となる複数の通信装置は、送信源となる通信装置から送信された同じデータを受信することとなる。
【００２６】
このようなシステムにおいて、まず第１フェーズ（ｔ＝１）では、各通信装置１１〜１３までが、自身が有するデータを変調した信号をリレー局１０へ送信する。つまり、このフェーズは先に述べたマルチアクセスフェーズである。ここで、第１の通信装置１１とリレー局１０との間の伝搬路をＨ１、第２の通信装置１２とリレー局１０との間の伝搬路をＨ２、第３の通信装置１３とリレー局１０との間の伝搬路をＨ３とすると、第１フェーズのリレー局１０における受信データ信号ｙＲは次式で表わされる。但し、ここでは、各通信装置１１〜１３までは、それぞれ１つのアンテナ（アンテナ１）からのみデータ信号を送信するものとし、各伝搬路はそれぞれＨ１＝［ｈ１−（１−１） ｈ２−（１−１） ｈ３−（１−１）］Ｔ、Ｈ２＝［ｈ１−（２−１） ｈ２−（２−１） ｈ３−（２−１）］Ｔ、Ｈ３＝［ｈ１−（３−１） ｈ２−（３−１） ｈ３−（３−１）］Ｔと表わされるものとする。ここで、例えば、ｈ２−（３−１）は、第３の通信装置１３のアンテナ１とリレー局１０のアンテナ２の間の伝搬路を表わしている。また、リレー局１０における雑音成分をｎＲとする。
【００２７】
【数１】
【００２８】
この式（１）は次のように書くこともできる。
【数２】
【００２９】
したがって、リレー局１０において式（３）で表わされる受信ウェイトＷＲ（ＲＸ）を乗算することにより、各通信装置から送信された信号をそれぞれ分離することができる。
【００３０】
【数３】
【００３１】
この式（３）は、ＺＦ（Ｚｅｒｏ Ｆｏｒｃｉｎｇ）基準による受信ウェイトであるが、これとは別に、雑音の分散も考慮して、ＭＭＳＥ（Ｍｉｎｉｍｕｍ Ｍｅａｎ Ｓｑｕａｒｅ Ｅｒｒｏｒ）基準等による受信ウェイトを用いて信号を分離してもよい。但し、各通信装置とリレー局１０との間の伝搬路は予め把握できているものとする。または、各通信装置からは、データ信号だけでなく、伝搬路推定用のパイロット信号も送信されているものとし、リレー局１０では、これらのパイロット信号を用いて各通信装置との間の伝搬路を推定することができるものとする。この時に、各通信装置から送信されるパイロット信号がリレー局１０において干渉し合わないように、時間的にずらして送信する等が必要となる。
【００３２】
例えば、第１の通信装置１１がパイロット信号を送信するタイミングでは他の通信装置（第２、第３の通信装置１２、１３）は送信を行わず、第２の通信装置１２がパイロット信号を送信するタイミングでは他の通信装置（第３、第１の通信装置１３、１１）は送信を行わず、第３の通信装置１３がパイロット信号を送信するタイミングでは他の通信装置（第１、第２の通信装置１１、１２）は送信を行わないというような制御を行うこととなる。
【００３３】
また、マルチキャリア伝送システムを対象とする場合には、各通信装置１１〜１３までがそれぞれ異なるサブキャリアでパイロット信号を送信することにより、パイロット信号が互いに干渉し合わないようにしてもよい。さらに、各通信装置１１〜１３までにおいて異なる拡散符号を用いてパイロット信号を拡散して送信し、リレー局１０においてそれぞれの拡散符号を用いて逆拡散することにより、各通信装置１１〜１３から送信されたパイロット信号を分離し、それぞれの伝搬路を推定することもできる。
【００３４】
上記の式（３）の受信ウェイトを受信信号ｙＲに乗算することにより、各通信装置１１〜１３から送信された信号をそれぞれ分離することができる。受信信号には雑音が含まれるため、各通信装置１１〜１３から送信された信号そのものが得られるわけではなく、ここでは、受信ウェイト乗算後の結果をＳＲ＝［Ｓ１１’ Ｓ１２’ Ｓ１３’］Ｔとする。
【００３５】
次に、リレー局１０は、このように分離された全ての信号を３つの通信装置１１〜１３宛に送信する。つまり、第２フェーズはブロードキャストフェーズである。但し、ＳＲのうち、各通信装置１１〜１３が希望する信号のみを受信できるように、リレー局１０において送信ウェイトを乗算して送信する。この送信ウェイトは、以下のように求めることができる。但し、各通信装置１１〜１３とリレー局１０との間の伝搬路は事前に把握できているものとする。
【００３６】
まず、リレー局１０と各通信装置１１〜１３との間の伝搬路は、各通信装置１１〜１３とリレー局１０との間の伝搬路の複素共役転置行列となり、例えば、リレー局１０と第１の通信装置１１の間の伝搬路を次式に示す。但し、リレー局１０では３つのアンテナから信号が送信され、第１の通信装置１１では２つのアンテナで信号を受信するものとする。
【００３７】
【数４】
【００３８】
リレー局１０では、この伝搬路に特異値分解（ＳＶＤ：Ｓｉｎｇｕｌａｒ Ｖａｌｕｅ Ｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ）を施す。この演算は次のように表わすことができる。ここで、Ｕ１は２行２列のユニタリ行列、Ｄ１は対角成分が正の実数である２行３列の行列、Ｖ１は３行３列のユニタリ行列である。
【００３９】
【数５】
【００４０】
このように得られるＶ１の３列目のベクトル（Ｖ１（３））を右からＨ１Ｈに乗算すると、その結果はゼロベクトルとなる。これは、Ｖ１（３）を送信信号に乗算してリレー局１０から送信した場合、第１の通信装置１１には信号が届かないことを意味する。つまり、第１の通信装置１１の希望信号でない信号にＶ１（３）を乗算して送信することにより、その他の通信装置に信号を送信しつつ、第１の通信装置１１への干渉を回避することができる。リレー局１０と第２の通信装置１２の間の伝搬路行列、リレー局１０と第３の通信装置１３の間の伝搬路行列についても、式（５）と同様の演算を施し、それらの通信装置に信号が届かないように制御できるベクトルをそれぞれ算出する。第２の通信装置１２に対するこのようなベクトルをＶ２（３）、第２の通信装置１２に対するこのようなベクトルをＶ３（３）とすると、リレー局１０が送信時に用いる送信ウェイトＷＲ（ＴＸ）は、ＷＲ（ＴＸ）＝［Ｖ１（３） Ｖ２（３） Ｖ３（３）］となる。この送信ウェイトＷＲ（ＴＸ）をＳＲ＝［Ｓ１１’ Ｓ１２’ Ｓ１３’］Ｔに乗算して送信することにより、第１の通信装置１１ではＳ１２’とＳ１３’のみが受信されるように制御することができる。
【００４１】
また、同様に、第２の通信装置１２ではＳ１３’とＳ１１’のみが、第３の通信装置１３ではＳ１１’とＳ１２’のみが受信されるように制御することができる。また、リレー局１０において受信信号を分離し、再送信する際には、上記のような送信ウェイトを乗算するだけでなく、それらの信号を増幅してから送信する構成としてもよい。
【００４２】
このような送信ウェイトを乗算されて送信された信号が、第１の通信装置１１で受信される場合の受信信号ｙ１１は次式で表わされる。但し、第１の通信装置１１における雑音成分をｎ１１とする。
【００４３】
【数６】
【００４４】
ここで、先に述べたように、Ｈ１ＨＶ１（３）はゼロベクトルとなるため、式（６）は次のように変形できる。
【００４５】
【数７】
【００４６】
つまり、第１の通信装置１１では、［Ｓ１２’ Ｓ１３’］Ｔが等価的な伝搬路［Ｈ１ＨＶ２（３） Ｈ１ＨＶ３（３）］を経由した信号が受信されることとなる。したがって、Ｓ１２’とＳ１３’が混在した受信信号ｙ１１からそれぞれを分離するためには、等価伝搬路［Ｈ１ＨＶ２（３） Ｈ１ＨＶ３（３）］の逆行列を受信ウェイトＷ１１（ＲＸ）として受信信号ｙ１１に乗算すればよい。この場合の第１の通信装置１１における受信ウェイトはＺＦ基準によるウェイトとなるが、これとは別に、ＭＭＳＥ基準等による受信ウェイトを用いて信号を分離してもよい。但し、このような受信ウェイトを算出するためには、リレー局１０において、伝搬路推定用のパイロット信号を新たに付加して、データ信号と共に送信する必要がある。さらに、このパイロット信号は、データ信号に乗算したものと同一の送信ウェイトを乗算して送信しなければならない。また、リレー局１０から送信されたパイロット信号が互いに干渉し合わないように、時間、サブキャリア、拡散符号等の異なる無線リソースを用いて各アンテナから送信する必要もある。
【００４７】
第２、第３の通信装置１２、１３においても、第１の通信装置１１と同様の処理を行うことにより、それぞれの希望する２つずつの信号を受信し、分離して得ることができる。以上のような構成とすることにより、複数の通信装置がそれぞれ保持するデータを、リレー局を介して、２つの時間スロットで交換することができる。これにより、Ｍｕｌｔｉ−ｗａｙ Ｒｅｌａｙ方式の伝送効率を大幅に向上することが可能となる。
【００４８】
ここで、以上のような伝送を実現するリレー局１０の装置構成例を図３に示す。図３に示すように、本実施形態におけるリレー局１０は、受信アンテナ部２０−１〜３、３０−１〜３、第１〜第３までの受信アンテナ側の無線部２１−１〜３、第１〜第３までの送信アンテナ側の無線部２９−１〜３、第１〜第３までのＡ／Ｄ変換部２２−１〜３、伝搬路推定部２３、ウェイト算出部２４、受信ウェイト乗算部２５、送信ウェイト乗算部２６、パイロット信号生成部２７、第１〜第３までのＤ／Ａ変換部２８−１〜３から構成される。但し、図３では、説明を簡単にするために、合計で６つのアンテナが記載されているが、送信と受信とが同時に行われることはないため、実際には、アンテナ部２０−１〜３と３０−１〜３は共用することができる。したがって、リレー局１０におけるアンテナ数は３でもよい。
【００４９】
このリレー局１０では、まず、マルチアクセスフェーズにおいて第１〜第３までの各通信装置１１〜１３から送信された信号をアンテナ部２０−１〜３でそれぞれ受信する。アンテナ部２０−１〜３で受信された信号は、次に、第１〜第３までの無線部２１−１〜３において無線周波数からＡ／Ｄ変換可能な周波数へと周波数変換され、第１〜第３までのＡ／Ｄ変換部２２−１〜３へ入力される。第１〜第３までのＡ／Ｄ変換部２２−１〜３では、受信したアナログ信号をディジタル信号に変換する処理が行われ、ディジタル信号に変換された伝搬路推定用のパイロット信号は伝搬路推定部２３へ、データ信号は受信ウェイト乗算部２５へそれぞれ入力される。
【００５０】
伝搬路推定部２３では、受信パイロット信号を基にした伝搬路の推定が行われる。この伝搬路の推定は、データ信号の伝送に先だって予め行っておいてもよく、また、第１〜第３までの各通信装置の各アンテナからパイロット信号が送信される場合には、それを基に各通信装置の全てのアンテナとリレー局１０との間の伝搬路を推定することができる。ここでは、全ての通信装置の全てのアンテナとの間の伝搬路を推定できるものとする。
【００５１】
このように推定された伝搬路は、ウェイト算出部２４に入力され、ウェイトの算出に用いられる。ウェイト算出部２４では、上述の受信ウェイトＷＲ（ＲＸ）や送信ウェイトＷＲ（ＴＸ）が算出され、それぞれ受信ウェイト乗算部２５に入力される。受信ウェイト乗算部２５では、ウェイト算出部２４から入力された受信ウェイトを受信データ信号に乗算する処理が行われ、データ信号が分離されることとなる。そして分離されたデータ信号は送信ウェイト乗算部２６へ入力され、ウェイト算出部２４から入力された送信ウェイトとの乗算が行われる。この送信ウェイト乗算部２６には、パイロット信号生成部２７において生成された伝搬路推定用のパイロット信号も入力され、データ信号と同じく、送信ウェイトとの乗算が行われる。但し、先に述べたように、リレー局１０から送信されたパイロット信号が互いに干渉し合わないように、時間、周波数（サブキャリア）、符号等のいずれかの無線リソースが異なるよう送信する必要がある。
【００５２】
送信ウェイト乗算部２６において送信ウェイトＷＲ（ＴＸ）を乗算されたパイロット信号とデータ信号は、第１〜第３までのＤ／Ａ変換部２８−１〜３に入力され、ディジタル信号からアナログ信号へ変換される。そして、それらの信号は、第１〜第３までの送信アンテナ側無線部２９−１〜３において無線送信可能な周波数へ周波数変換され、ブロードキャストフェーズとしてアンテナ部３０−１〜３からそれぞれ送信されることとなる。ここで、先に述べたように、再送信する信号に対する増幅が行われる場合には、第１〜第３までの送信アンテナ側無線部２９−１〜３でそれぞれ行われることとなる。
【００５３】
このようなリレー局１０の構成とすることにより、マルチアクセスフェーズにおいて第１〜第３までの各通信装置から送信された信号を受信し、それぞれのデータ信号に分離した後、送信ウェイトを乗算して、ブロードキャストフェーズにおいて再送信することができる。但し、ここでは、データ信号に対して受信ウェイトと送信ウェイトを別々に乗算するものとしているが、まとめて１つのウェイトとして乗算する構成としてもよい。
【００５４】
また、本実施形態における通信装置の構成を図４に示す。ここで、本実施形態における３つの通信装置（第１から第３までの通信装置１１〜１３）は全て同じ構成である例について説明する。図４に示すように、本実施形態における通信装置は、アンテナ部４０−１〜２（受信側）、５２−１〜２（送信側）、第１及び第１の受信アンテナ側無線部４１−１〜２、第１及び第２の送信アンテナ側無線部５１−１〜２、第１及び第２のＡ／Ｄ変換部４２−１〜２、伝搬路推定部４３、ウェイト算出部４４、受信ウェイト乗算部４５、復調部４６、上位層４７、変調部４８、パイロット信号生成部４９、第１及び第２のＤ／Ａ変換部５０−１〜２から構成される。以下では、リレー局１０における機能と同じ機能のブロックについては説明を省略する。
【００５５】
この通信装置では、まず、マルチアクセスフェーズにおいてリレー局１０にデータ送信が行われる。この時、送信データが上位層４７から変調部４８へ入力され、変調部４８において送信データが変調され、変調されたデータ信号に伝搬路推定用のパイロット信号が付加され、これらの信号がアンテナ部から送信されることとなる。図４では、２つのアンテナ（第１及び第１の送信アンテナ側アンテナ部５２−１〜２）から送信されるような記載となっているが、先に述べたように、片方のアンテナからのみデータ信号を送信する構成としてもよい。
【００５６】
また、ブロードキャストフェーズでは、リレー局１０から送信された信号をアンテナ部４０−１〜２で受信し、第１及び第２の無線部４１−１〜２、第１及び第２のＡ／Ｄ変換部４２−１〜２を経由してディジタル信号に変換された信号のうち、伝搬路推定用のパイロット信号を伝搬路推定部４３へ、データ信号を受信ウェイト乗算部４５へ入力する。伝搬路推定部４３では、パイロット信号を基に伝搬路の推定が行われ、推定結果はウェイト算出部４４へ入力される。ウェイト算出部４４では、受信ウェイトＷ１ｎ（ＲＸ）（ｎ＝１〜３）が算出され、その後、受信ウェイト乗算部４５において、受信データ信号と受信ウェイトの乗算が行われる。この乗算により、リレー局１０から送信された希望信号をそれぞれ分離することができ、復調部４６において各信号を復調することができる。そして、復調部４６で復調されたデータは上位層４７へ送られることとなる。
【００５７】
このような構成とすることにより、マルチアクセスフェーズではリレー局１０へ信号を送信し、ブロードキャストフェーズでは、リレー局１０から送信された信号を受信し、希望信号を分離して復調することができる。
【００５８】
以上のようなリレー局、通信装置の構成とすることにより、複数の通信装置がそれぞれ保持するデータを、リレー局を介して、２つの時間スロットで交換することができ、Ｍｕｌｔｉ−ｗａｙ Ｒｅｌａｙ方式の伝送効率を大幅に向上することが可能となる。
【００５９】
ここで、本実施形態では、リレー局１０を介してデータを交換する通信装置数が３の場合を例として説明したが、これに限らず、３以上の通信装置間でデータ交換を行ってもよい。但し、この場合には、通信装置と同じ数のアンテナをリレー局１０が有し、各通信装置は、データ交換を行う全通信装置数−１のアンテナを有する必要がある。
【００６０】
また、本実施形態におけるリレー局１０では、受信したデータ信号を復調せずに、送信ウェイトを乗算して再送信する構成としていたが、一旦復調を行い、再度変調した信号に送信ウェイトを乗算して送信する構成としてもよい。
【００６１】
さらに、マルチアクセスフェーズにおいて各通信装置がデータ送信する際に、送信データ信号に送信ウェイトを乗算する構成としてもよい。この場合には、例えば、通信装置とリレー局１０の間の伝搬路を基に送信ビームを形成するようなユニタリベクトルを送信ウェイトとして、１つのデータ信号に乗算して、複数のアンテナ部から送信するといった構成とすることができる。
【００６２】
（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施の形態による通信技術について図面を参照しながら説明を行う。
【００６３】
第１の実施形態では、データ交換を行う通信装置数（＝全データ信号数）分のアンテナをリレー局１０が有する場合について記載したが、本実施形態では、リレー局が有するアンテナ数が通信装置数より少ない場合について説明する。
【００６４】
このような場合の概要を図５に示す。図５に示すように、本実施の形態では、リレー局６０、第１から第３までの通信装置６１〜６３では、それぞれ２本ずつのアンテナを有するものとする。このように、リレー局６０が有するアンテナ数が、通信装置数未満である場合にも２つの時間スロット（フェーズ）で、各通信装置がデータ交換を行う方法について説明する。但し、第１の実施形態と同様、第１フェーズ（ｔ＝１）はマルチアクセスフェーズであり、第２フェーズ（ｔ＝２）はブロードキャストフェーズである。また、第１から第３までの各通信装置から送信される信号数、第１から第３までの各通信装置の希望信号数は第１の実施形態と同じものとする。
【００６５】
まず、マルチアクセスフェーズでは、第１の実施形態と同様に、第１から第３までの各通信装置からリレー局６０へデータ送信が行われる。この時、第１から第３までの各通信装置では、それぞれ片方のアンテナからデータ信号を送信する構成としてもよいし、任意の送信ウェイトをデータ信号に乗算し、送信ウェイト乗算後の信号を２本のアンテナから送信する構成としてもよい。また、データ信号と共に伝搬路推定用のパイロット信号も送信され、受信側での伝搬路推定に用いられる。
【００６６】
但し、第１の実施形態においても述べたように、パイロット信号の送信に際しては、第１から第３までの各通信装置から送信されるパイロット信号がリレー局６０において干渉し合わないように、時間、周波数（サブキャリア）、符号等のいずれかの無線リソースが異なるよう送信する必要がある。例えば、異なる時間リソースによりパイロット信号を送信する場合には、第１の通信装置６１がパイロット信号を送信するタイミングでは他の通信装置（第２及び第３の通信装置６２、６３）は送信を行わず、第２の通信装置６２がパイロット信号を送信するタイミングでは他の通信装置（第３及び第１の通信装置６３、６１）は送信を行わず、第３の通信装置６３がパイロット信号を送信するタイミングでは他の通信装置（第１及び第２の通信装置６１、６２）は送信を行わないというような制御を行うこととなる。
【００６７】
このように各通信装置から送信されたデータ信号及びパイロット信号を、リレー局６０では２本のアンテナで受信することとなる。この時の受信信号ｙＲは次式で表わされる。
【００６８】
【数８】
【００６９】
但し、ここでは、第１から第３までの各通信装置はそれぞれ送信ウェイトをデータ信号に乗算して送信を行うものとしており、ｖ１（＝［ｖ１１ ｖ１２］Ｔ）、ｖ２（＝［ｖ２１ ｖ２２］Ｔ）、ｖ３（＝［ｖ３１ ｖ３２］Ｔ）は第１から第３までの通信装置６１〜６３の送信ウェイトをそれぞれ表わしている。また、各伝搬路（Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３）はそれぞれ次の２行２列の行列で表わされる。但し、例えば、ｈ２−（３−１）は、通信装置６３のアンテナ１とリレー局６０のアンテナ２の間の伝搬路を表わしている。
【００７０】
【数９】
【００７１】
また、式（８）は次のように書くことができる。
【数１０】
【００７２】
第１の実施形態では、各通信装置から送信される信号と同じ数のアンテナをリレー局が有していたため、リレー局において各信号を分離することができたが、式（１０）からもわかるように、本実施の形態では、２本の受信アンテナで３つのデータ信号を受信するため、受信信号を分離することができない。そこで、本実施形態におけるリレー局６０では、マルチアクセスフェーズにおいて各通信装置から受信したデータ信号を、ブロードキャストフェーズにおいてそのまま再送信する。
【００７３】
ここで、パイロット信号についても、受信した信号をそのまま再送信するものとする。この場合には、先に述べたように、第１から第３までの各通信装置は、パイロット信号同士が干渉し合わないように異なる無線リソースでパイロット信号の送信を行っていることから、リレー局６０から再送信されるパイロット信号も同様となる。つまり、第１の通信装置６１から送信されたパイロット信号と、第２の通信装置６２から送信されたパイロット信号と、第３の通信装置６３から送信されたパイロット信号がそれぞれ異なる無線リソースで再送信される。但し、データ信号、パイロット信号共に増幅してから再送信する構成としてもよい。
【００７４】
先に述べたように、ブロードキャストフェーズでは、マルチアクセスフェーズで受信した信号をそのまま再送信するため、例えば第１の通信装置６１における受信信号は次式で表わされる。
【００７５】
【数１１】
【００７６】
また、第２の通信装置６２における受信信号は、式（１０）で表わされる信号が伝搬路Ｈ２Ｈを経由した信号で、第３の通信装置６３における受信信号は、式（１０）で表わされる信号が伝搬路Ｈ３Ｈを経由した信号であり、いずれも式（１１）と同様の形式で表わすことができる。
【００７７】
これらの式（１０）、（１１）からわかるように、第１から第３までの各通信装置は２本のアンテナで３つのデータ信号を受信しているため、受信信号を分離することができず、希望信号を得ることができない。しかし、３つのデータ信号のうち、１つのデータ信号は自身がマルチアクセスフェーズにおいて送信した信号であり、どのような信号であるかを把握できているため、自身が送信した信号（ブロードキャストフェーズでは自己干渉となる信号）を受信信号から減算することにより、２つの希望データ信号を抽出することができる。但し、データ信号が受ける等価的な伝搬路変動ＨｎＨＨｖ（ｎ＝１〜３）は、パイロット信号を基に推定できるものとしている。このような処理はＳｅｌｆ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ Ｃａｎｃｅｌｌａｔｉｏｎと呼ばれることもあり、次式で表わされる。ここでは、通信装置６１における減算処理を対象としているが、他の通信装置についても同様の処理を行うことができる。
【００７８】
【数１２】
【００７９】
このように、自身が送信したデータ信号を減算することにより、希望信号のみを抽出することができる。したがって、２本のアンテナで２つのデータ信号を受信していることとなり、等価的な伝搬路変動も把握できているため、それらのデータ信号を分離することができる。そして、分離した２つのデータ信号を復調し、第２の通信装置６２及び第３の通信装置６３から送信されたデータを得ることができる。
【００８０】
以上のような処理を行うことにより、リレー局が有するアンテナ数が通信装置数より少ない場合においても、複数の通信装置がそれぞれ保持するデータを、リレー局を介して、２つの時間スロットで交換することができる。これにより、Ｍｕｌｔｉ−ｗａｙ Ｒｅｌａｙ方式の伝送効率を大幅に向上することが可能となる。
【００８１】
ここで、本実施形態におけるリレー局６０の構成を図６に示す。図６に示すように、本実施形態におけるリレー局６０は、受信アンテナ部７０−１〜２、送信アンテナ７５−１〜２、第１及び第２の受信アンテナ側無線部７１−１〜２、第１及び第２の送信アンテナ側無線部７４−１〜２、第１及び第２のＡ／Ｄ変換部７２−１〜２、第１及び第２のＤ／Ａ変換部７３−１〜２から構成される。但し、図３では、説明を簡単にするために、合計で４つのアンテナが記載されているが、送信と受信が同時に行われることはないため、実際には、受信アンテナ部７０−１〜２と送信７５−１〜２は共用できる。したがって、リレー局６０におけるアンテナ数は２でよい。
【００８２】
この図６に示すリレー局６０は、先に述べたように、マルチアクセスフェーズにおいて各通信装置６１〜６３から送信された信号を受信アンテナ部７０−１〜２において受信し、Ａ／Ｄ変換、Ｄ／Ａ変換を行って、そのままアンテナ部７５−１〜２から再送信する構成となっている。但し、再送信する際に、データ信号及びパイロット信号を増幅してもよく、このような増幅は第１及び第２の送信アンテナ側無線部７４−１〜２において行われる。また、ここではＡ／Ｄ変換、Ｄ／Ａ変換を行う構成となっているが、マルチアクセスフェーズの時間内にアナログ信号を保持しておけるような構成であれば、必ずしもこれらの変換を行う必要はない。
【００８３】
次に、本実施形態における通信装置の構成例を図７に示す。ここで、本実施形態における３つの通信装置（第１から第３までの通信装置６１〜６３）は全て同じ構成であるものとする。図７に示すように、本実施形態における通信装置は、第１及び第２の受信アンテナ部８０−１〜２、第１及び第２の送信アンテナ部９５−１〜２、第１及び第２の受信アンテナ側無線部８１−１〜２、第１及び第２の送信アンテナ側無線部９４−１〜２、第１及び第２のＡ／Ｄ変換部８２−１〜２、伝搬路推定部８３、自己干渉生成部８４、ウェイト算出部８５、減算部８６、受信ウェイト乗算部８７、復調部８８、上位層８９、変調部９０、パイロット信号生成部９１、送信ウェイト乗算部９２、Ｄ／Ａ変換部９３−１〜２から構成される。
【００８４】
この通信装置では、まず、マルチアクセスフェーズにおいてリレー局６０にデータ送信が行われる。この時、上位層８９から変調部９０へ入力された送信データが、変調部９０において変調され、変調されたデータ信号に伝搬路推定用のパイロット信号が付加される。そして、これらの信号に対して送信ウェイト（ｖ１、ｖ２、ｖ３）が乗算され、第１及び第２のＤ／Ａ変換部９３−１〜２、第１及び第２の送信アンテナ側無線部９４−１〜２を経由して、アンテナ部から送信されることとなる。但し、送信ウェイトは任意のベクトルでよく、通信装置とリレー局６０との間の伝搬路を基に算出されるベクトルを用いることもできる。また、変調部９０において得られるデータ信号は、ブロードキャストフェーズにおいて受信された信号から、自己干渉として減算されることから、自己干渉生成部８４にも入力される。
【００８５】
一方、ブロードキャストフェーズでは、図７の通信装置は、リレー局６０から送信された信号を第１及び第２の受信アンテナ部８０−１〜２で受信し、第１及び第２の受信アンテナ側無線部８１−１〜２、第１及び第２のＡ／Ｄ変換部８２−１〜２を経由してディジタル信号に変換された信号のうち、伝搬路推定用のパイロット信号を伝搬路推定部８３へ、データ信号を減算部８６へ入力する。伝搬路推定部８３では、パイロット信号を基に伝搬路の推定が行われ、推定結果は自己干渉生成部８４とウェイト算出部８５へ入力される。この推定結果はＨｎＨＨｖ（ｎ＝１〜３）であり、自己干渉生成部８４では、マルチアクセスフェーズにおいて自身が送信した信号とＨｎＨＨｖ（ｎ＝１〜３）の乗算が行われる。この演算により、式（１２）の上側の式の最終項が算出される。そして、減算部８６において、式（１２）に示すような、受信信号と自己干渉の減算が行われ、受信信号から希望信号のみが抽出される。
【００８６】
このように、減算部８６での減算処理により、自身が送信した信号が干渉として混在していた受信信号から、希望信号のみを抽出することができるが、減算部８６から出力される信号は２つの希望信号が分離されていない信号であることから、次に、受信ウェイト乗算部で希望信号を分離する受信ウェイトを乗算する必要がある。このような受信ウェイトは、伝搬路推定部８３において推定された伝搬路変動を基に、ウェイト算出部８５において算出される。この受信ウェイトの算出方法としては、推定された行列ＨｎＨＨｖ（ｎ＝１〜３）のうち、希望信号に関連する要素だけ抜き出した行列の逆行列を算出する方法等がある。また、２つの希望信号を分離できるその他の受信ウェイトを算出するようにしてもよい。
【００８７】
そして、ウェイト算出部８５で算出された受信ウェイトは、受信ウェイト乗算部８７へ入力され、受信ウェイト乗算部８７において、減算部８６の出力信号と受信ウェイトの乗算が行われる。この乗算により、リレー局６０から送信された希望信号をそれぞれ分離することができ、復調部８８において各信号を復調することができる。そして、復調部８８で復調されたデータは上位層８９へ送られることとなる。
【００８８】
このような構成とすることにより、マルチアクセスフェーズではリレー局６０へ信号を送信し、ブロードキャストフェーズでは、リレー局６０から送信された信号を受信し、自己干渉の減算と希望信号の分離を行い、分離された希望信号をそれぞれ復調することができる。
【００８９】
以上のようなリレー局、通信装置の構成とすることにより、リレー局が有するアンテナ数が少ない場合であっても、複数の通信装置がそれぞれ保持するデータを、リレー局を介して、２つの時間スロットで交換することができ、Ｍｕｌｔｉ−ｗａｙ Ｒｅｌａｙ方式の伝送効率を大幅に向上することが可能となる。
【００９０】
ここで、本実施形態では、リレー局６０を介してデータを交換する通信装置数が３の場合を例として説明したが、これに限らず、３以上の通信装置間でデータ交換を行ってもよい。但し、この場合には、通信装置数−１のアンテナをリレー局６０と各通信装置が有する必要がある。
【００９１】
（第３の実施形態）
これまでの実施形態では、複数の通信装置間でリレー局を介したデータ交換を行うＭｕｌｔｉ−ｗａｙ Ｒｅｌａｙ方式を用いるシステムにおいて、少ない時間スロット数（２フェーズ）で効率良く伝送する方法について示してきたが、本実施形態では、Ｍｕｌｔｉ−ｗａｙ Ｒｅｌａｙの適用例について示す。
【００９２】
まず、セルラシステムへの適用例を図８に示す。図８は、マクロ基地局１００が制御するマクロセル内に、第１から第３までのピコ基地局１０１〜１０３が制御するピコセルと、第１から第３までのフェムト基地局１０４〜１０６が制御するフェムトセルが存在するシステムを表わしている。また、各フェムトセルはピコ基地局１０１が制御するピコセル内に存在している。一般に、これらのセルがカバーする領域の大きさは、フェムトセル＜ピコセル＜マクロセルの順であり、本実施形態においても、この関係を満たすものとする。
【００９３】
このようなシステムでは、マクロセル−ピコセル、マクロセル−フェムトセル、ピコセル−フェムトセルの間でそれぞれ干渉が生じ、非常に複雑な干渉状況となる。また、図８の各フェムトセルは近接しており、フェムトセル間でも大きな干渉が生じてしまう。このような状況で良好な伝送特性を得るためには、できるだけセル間で干渉し合わないような制御を行う必要がある。一般に、このような制御は干渉コーディネーションと呼ばれている。
【００９４】
この干渉コーディネーションを効果的に行うためには、各セルの送信電力やリソース割り当て、受信レベル、伝搬路等に関する制御情報をセル間で共有し、それに応じた制御を行う必要がある。例えば、フェムトセル間の干渉コーディネーションを行う場合に、各フェムトセルにおける伝搬路変動に関する情報を共有できれば、その伝搬路変動に関する情報を基に、他のフェムトセルに信号が届かないようなビームフォーミングを各フェムト基地局において行うといった制御も可能となる。
【００９５】
したがって、この場合には、複数のフェムト基地局間で互いの情報を交換する必要があるが、フェムト基地局はインターネット等の有線ネットワークに接続されているため、インターネットから通信事業者のネットワークを経由して他のフェムト基地局とデータを交換する方法は時間がかかってしまうという問題がある。このような場合には、フェムト基地局間でデータを交換している間にそれぞれの伝搬路が変動してしまい、有効な情報共有ができない。
【００９６】
そこで、基地局間のデータ交換を無線伝送により行うこととし、その際にＭｕｌｔｉ−ｗａｙ Ｒｅｌａｙを適用する。例えば、第１から第３までのフェムト基地局１０４〜１０６で互いの情報（制御情報等）を交換する際に、有線ネットワーク経由で情報交換するのではなく、ピコ基地局１０１をリレー局として利用し、Ｍｕｌｔｉ−ｗａｙ Ｒｅｌａｙを行う。ここで、第１、第２の実施形態におけるＭｕｌｔｉ−ｗａｙ Ｒｅｌａｙを適用する場合には、３つのフェムト基地局が、それぞれの情報を２つの時間スロットで交換することが可能となる。つまり、マルチアクセスフェーズでは、各フェムト基地局からピコ基地局１０１にデータ伝送が行われ、ブロードキャストフェーズでは、ピコ基地局１０１から各フェムト基地局へ伝送が行われることとなる。このように基地局間（または基地局とリレー局間等）で無線伝送を行う制御は、Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｂａｃｋｈａｕｌと呼ばれることもあり、本実施の形態は、Ｗｉｒｅｌｅｓｓ ＢａｃｋｈａｕｌをＭｕｌｔｉ−ｗａｙ Ｒｅｌａｙにより実現する方法に関するものであるといえる。
【００９７】
ここで、Ｍｕｌｔｉ−ｗａｙ Ｒｅｌａｙを用いた、各フェムト基地局による互いの情報交換は、予め決められたタイミングで定期的に行ってもよいし、通信事業者のネットワークから通知された情報等に基づいて不定期に行うようにしてもよい。不定期に行う場合には、例えば、通信事業者のネットワークから各フェムト基地局に対し、Ｍｕｌｔｉ−ｗａｙ Ｒｅｌａｙによる情報交換を実施するタイミングやその際に用いるリソース、どのような情報を交換するか、リレー局となる基地局（マクロ基地局であるかピコ基地局であるか）等に関する制御情報が通知され、それらの情報に従って各フェムト基地局はＭｕｌｔｉ−ｗａｙ Ｒｅｌａｙによる情報交換を行うこととなる。このようにＭｕｌｔｉ−ｗａｙ Ｒｅｌａｙを実施するための制御情報はリレー局となる基地局（マクロ基地局やピコ基地局等）にも通知される。
【００９８】
また、Ｍｕｌｔｉ−ｗａｙ Ｒｅｌａｙによる情報交換を、マクロ基地局やピコ基地局からの指示情報に基づいて行うようにしてもよい。この場合には、例えば、マクロ基地局やピコ基地局が、自セル内に位置する複数のフェムト基地局に、Ｍｕｌｔｉ−ｗａｙ Ｒｅｌａｙによる情報交換を指示する情報を通知し、その指示情報を受け取った複数のフェムトセルが指示情報に従って、Ｍｕｌｔｉ−ｗａｙ Ｒｅｌａｙを行うといったこととなる。その指示情報には、Ｍｕｌｔｉ−ｗａｙ Ｒｅｌａｙを実施するタイミングやその際に用いるリソース、どのような情報を交換するか等に関する制御情報が通知される。また、この場合には、指示情報を通知した基地局がリレー局として動作する構成としてもよい。
【００９９】
または、いずれかのフェムト基地局が、Ｍｕｌｔｉ−ｗａｙ Ｒｅｌａｙによる情報交換の開始を主導するようにしてもよい。これは、例えば、まず第１のフェムト基地局１０４が、他のフェムト基地局（第２、第３のフェムト基地局１０５、１０６）との情報交換を希望する旨を第１のピコ基地局１０１へ通知し、第１のピコ基地局１０１がリレー局として動作して、その旨を第２、第３のフェムト基地局１０５、１０６に通知する。第２、第３のフェムト基地局１０５、１０６も情報交換を希望する場合には、その旨を第１のピコ基地局１０１に返送する。その際に、複数のフェムト基地局が同時にピコ基地局への返送を行ってもよいし、ピコ基地局から通知された番号に従って、各フェムト基地局が順番に、Ｍｕｌｔｉ−ｗａｙ Ｒｅｌａｙによる情報交換を希望する旨の通知を行うようにしてもよい。このような情報を受けた第１のピコ基地局１０１は、それらのフェムト基地局間での情報交換を行うタイミングやリソースに関する情報を各フェムト基地局に通知する。そして、各フェムト基地局は、第１のピコ基地局１０１から通知された情報に従って（通知されたリソースを用いて）、Ｍｕｌｔｉ−ｗａｙ Ｒｅｌａｙによる情報交換を実施する。また、このようなＭｕｌｔｉ−ｗａｙ Ｒｅｌａｙを行う場合に、それぞれの基地局で送信電力の制御を行うようにしてもよい。この送信電力制御は、例えば、ピコ基地局で信号が受信される際の受信電力が同程度になるように行ってもよく、ピコ基地局が各フェムト基地局の送信電力を制御するようにしてもよい。
【０１００】
このように、Ｍｕｌｔｉ−ｗａｙ Ｒｅｌａｙをセルラシステムの基地局間のデータ交換に適用することにより、フェムト基地局間のように有線ネットワーク経由での適応的な情報共有が難しい基地局同士においても、効率良くデータ交換を行うことが可能となり、有効な情報共有を実現することができる。
【０１０１】
本実施形態では、フェムト基地局間でのデータ交換を例として説明したが、これに限らず、ピコ基地局間のデータ交換を、マクロ基地局をリレー局として利用することにより行うようにしてもよい。また、マクロ基地局と複数のフェムト基地局の間でのデータ交換を、ピコ基地局をリレー局として利用して行ってもよい。また、本実施形態のように、セルラシステムにＭｕｌｔｉ−ｗａｙ Ｒｅｌａｙを適用する場合には、必ずしも２つの時間スロットでデータ交換を行う必要はなく、２つ以上の時間スロットを用いるようにしてもよい。
【０１０２】
（第４の実施形態）
第３の実施形態では、Ｍｕｌｔｉ−ｗａｙ Ｒｅｌａｙをセルラシステムの基地局間のデータ交換に適用する例を示したが、本実施形態では、別のシステムへの適用例について述べる。
【０１０３】
まず、無線ＬＡＮシステムへの適用について述べる。無線ＬＡＮシステムへ適用する場合、データ交換を行う無線ＬＡＮ端末は図２に示す通信装置、無線ＬＡＮシステムのアクセスポイント（ＡＰ）は図２のリレー局として動作することとなる。また、ＡＰがなく、アドホックモードで動作する場合には、いずれかの端末がリレー局として動作してもよい。
【０１０４】
無線ＬＡＮシステムにおいてＭｕｌｔｉ−ｗａｙ Ｒｅｌａｙによるデータ交換を行う場合には、まず、いずれかの無線ＬＡＮ端末が、他の複数の無線ＬＡＮ端末とのデータ交換を希望する旨をＡＰへ通知し、ＡＰがリレー局として動作して、その旨を他の複数の無線ＬＡＮ端末に通知する。他の複数の無線ＬＡＮ端末も情報交換を希望する場合には、その旨をＡＰに返送する。その際に、複数の無線ＬＡＮ端末が同時にＡＰへの返送を行ってもよいし、ＡＰから通知された番号に従って、各無線ＬＡＮ端末が順番に、Ｍｕｌｔｉ−ｗａｙ Ｒｅｌａｙによる情報交換を希望する旨の通知を行うようにしてもよい。このような情報を受けたＡＰは、それらの無線ＬＡＮ端末間での情報交換を行うタイミングやリソース、パケットサイズ等に関する情報を各無線ＬＡＮ端末に通知する。そして、無線ＬＡＮ端末は、ＡＰから通知された情報に従って（通知されたリソースを用いて）、Ｍｕｌｔｉ−ｗａｙ Ｒｅｌａｙによるデータ交換を実施する。
【０１０５】
このような手順により、無線ＬＡＮシステムにおいてもＭｕｌｔｉ−ｗａｙ Ｒｅｌａｙによるデータ交換を行うことが可能となり、複数の端末間のデータ交換を効率良く実現できる。このように、各端末が有するデータをできるだけ短い時間で効率良く交換することが必要となるアプリケーションとしては、例えば、無線ＬＡＮを介して複数のプレイヤーが同時に参加するゲームが挙げられる。この場合、複数のプレイヤーがそれぞれ操作するゲーム機が端末となり、設置されたリレー局（ＡＰ）を介して、それぞれの操作結果を互いに通知し合うこととなる。特に、リアルタイム性が要求される内容のゲームを、３名以上のプレイヤーで行う場合には、Ｍｕｌｔｉ−ｗａｙ Ｒｅｌａｙによるデータ交換が非常に有効であると考えられる。
【０１０６】
また、無線ＬＡＮシステムの他に、交通システム等にもＭｕｌｔｉ−ｗａｙ Ｒｅｌａｙによるデータ交換を適用することができる。これは、例えば、交差点にリレー局を設置しておき、交差点で停車中または走行中の複数の自動車間で様々なデータを交換するといった状況が考えられる。この場合には、交差点に設置されたリレー局がビーコンなどを送信し、複数の自動車に設置された通信装置がそのビーコンを受信して同期し、同期後に自身の有するデータを送信するといった手順により、Ｍｕｌｔｉ−ｗａｙ Ｒｅｌａｙによるデータ交換を開始することができる。
【０１０７】
混雑状況に関する情報や事故情報等、様々な方角から来る自動車から様々な情報をリアルタイムで取得して活用することにより、高度な道路交通システムを実現することができる。交通量の多い地点では、情報交換を行う対象となる自動車も多数となることから、Ｍｕｌｔｉ−ｗａｙ Ｒｅｌａｙによるデータ交換の適用が重要となる。
【０１０８】
上記の実施の形態において、添付図面に図示されている構成等については、これらに限定されるものではなく、本発明の効果を発揮する範囲内で適宜変更することが可能である。その他、本発明の目的の範囲を逸脱しない限りにおいて適宜変更して実施することが可能である。
【０１０９】
また、本実施の形態で説明した機能を実現するためのプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行することにより各部の処理を行ってもよい。尚、ここでいう「コンピュータシステム」とは、ＯＳや周辺機器等のハードウェアを含むものとする。
【０１１０】
また、「コンピュータシステム」は、ＷＷＷシステムを利用している場合であれば、ホームページ提供環境（あるいは表示環境）も含むものとする。
【０１１１】
また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ、ＣＤ−ＲＯＭ等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。さらに「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線を介してプログラムを送信する場合の通信線のように、短時間の間、動的にプログラムを保持するもの、その場合のサーバやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリのように、一定時間プログラムを保持しているものも含むものとする。また前記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであっても良く、さらに前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるものであっても良い。
【産業上の利用可能性】
【０１１２】
本発明は、通信装置に利用可能である。
【符号の説明】
【０１１３】
１０…リレー局、１１〜１３…通信装置、２０…アンテナ、２１…無線部、２２…Ａ／Ｄ変換部、２３…伝搬路推定部、２４…ウェイト算出部、２５…受信ウェイト乗算部、２６…送信ウェイト乗算部、２７…パイロット信号生成部、２８…Ｄ／Ａ変換部、２９…無線部、３０…アンテナ、４０…アンテナ、４１…無線部、４２…Ａ／Ｄ変換部、４３…伝搬路推定部、４４…ウェイト算出部、４５…受信ウェイト乗算部、４６…復調部、４７…上位層、４８…変調部、４９…パイロット信号生成部、５０…Ｄ／Ａ変換部、５１…無線部、５２…アンテナ。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のアンテナを備えた３以上の通信装置が、同じリソースを用い、
複数のアンテナを備えたリレー局を介して、それぞれのデータ交換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各通信装置が前記リレー局へ信号を送信し、
前記第一の時間フレームにおいて送信された信号を受信した前記リレー局は、前記受信信号に基づく信号を前記第一の時間フレームとは異なる第二の時間フレームにおいて前記各通信装置へ送信することを特徴とする無線通信システム。
【請求項２】
前記データ交換を行う前記各通信装置がそれぞれ送信する信号は、
自身以外の全ての通信装置にとって共通の希望信号であることを特徴とする請求項１に記載の無線通信システム。
【請求項３】
前記リレー局が有するアンテナ数は、
前記データ交換を行う通信装置数よりも少ないことを特徴とする請求項１または２に記載の無線通信システム。
【請求項４】
前記リレー局は、セルを制御する基地局装置であることを特徴とする請求項１から３までのいずれか１項に記載の無線通信システム。
【請求項５】
前記リレー局は、複数の無線ＬＡＮ端末の通信を制御するアクセスポイントであることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の無線通信システム。
【請求項６】
複数のアンテナを備えた３以上の通信装置が、同じリソースを用い、
複数のアンテナを備えたリレー局を介して、それぞれのデータ交換を行う無線通信システムにおけるリレー局であって、
第一の時間フレームにおいて前記各通信装置が送信した信号を受信し、
前記受信信号に基づく信号を前記第一の時間フレームとは異なる第二の時間フレームにおいて前記各通信装置へ送信することを特徴とするリレー局。
【請求項７】
複数のアンテナを備えた３以上の通信装置が、同じリソースを用い、
複数のアンテナを備えたリレー局を介して、それぞれのデータ交換を行う無線通信システムにおける通信装置であって、
第一の時間フレームにおいてそれぞれの通信装置が前記リレー局へ信号を送信し、
前記第一の時間フレームにおいて送信された信号を受信した前記リレー局からの、前記受信信号に基づき、前記第一の時間フレームとは異なる第二の時間フレームにおいて各通信装置への送信された信号を受信することを特徴とする通信装置。
【請求項８】
複数のアンテナを備えた３以上の通信装置が、同じリソースを用い、
複数のアンテナを備えたリレー局を介して、それぞれのデータ交換を行う無線通信システムにおける通信方法であって、
第一の時間フレームにおいて前記各通信装置が前記リレー局へ信号を送信するステップと、
前記第一の時間フレームにおいて送信された信号を受信した前記リレー局が、前記受信信号に基づく信号を前記第一の時間フレームとは異なる第二の時間フレームにおいて前記各通信装置へ送信するステップと
を有することを特徴とする無線通信方法。
【請求項１】
複数のアンテナを備えた３以上の通信装置が、同じリソースを用い、
複数のアンテナを備えたリレー局を介して、それぞれのデータ交換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各通信装置が前記リレー局へ信号を送信し、
前記第一の時間フレームにおいて送信された信号を受信した前記リレー局は、前記受信信号に基づく信号を前記第一の時間フレームとは異なる第二の時間フレームにおいて前記各通信装置へ送信することを特徴とする無線通信システム。
【請求項２】
前記データ交換を行う前記各通信装置がそれぞれ送信する信号は、
自身以外の全ての通信装置にとって共通の希望信号であることを特徴とする請求項１に記載の無線通信システム。
【請求項３】
前記リレー局が有するアンテナ数は、
前記データ交換を行う通信装置数よりも少ないことを特徴とする請求項１または２に記載の無線通信システム。
【請求項４】
前記リレー局は、セルを制御する基地局装置であることを特徴とする請求項１から３までのいずれか１項に記載の無線通信システム。
【請求項５】
前記リレー局は、複数の無線ＬＡＮ端末の通信を制御するアクセスポイントであることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の無線通信システム。
【請求項６】
複数のアンテナを備えた３以上の通信装置が、同じリソースを用い、
複数のアンテナを備えたリレー局を介して、それぞれのデータ交換を行う無線通信システムにおけるリレー局であって、
第一の時間フレームにおいて前記各通信装置が送信した信号を受信し、
前記受信信号に基づく信号を前記第一の時間フレームとは異なる第二の時間フレームにおいて前記各通信装置へ送信することを特徴とするリレー局。
【請求項７】
複数のアンテナを備えた３以上の通信装置が、同じリソースを用い、
複数のアンテナを備えたリレー局を介して、それぞれのデータ交換を行う無線通信システムにおける通信装置であって、
第一の時間フレームにおいてそれぞれの通信装置が前記リレー局へ信号を送信し、
前記第一の時間フレームにおいて送信された信号を受信した前記リレー局からの、前記受信信号に基づき、前記第一の時間フレームとは異なる第二の時間フレームにおいて各通信装置への送信された信号を受信することを特徴とする通信装置。
【請求項８】
複数のアンテナを備えた３以上の通信装置が、同じリソースを用い、
複数のアンテナを備えたリレー局を介して、それぞれのデータ交換を行う無線通信システムにおける通信方法であって、
第一の時間フレームにおいて前記各通信装置が前記リレー局へ信号を送信するステップと、
前記第一の時間フレームにおいて送信された信号を受信した前記リレー局が、前記受信信号に基づく信号を前記第一の時間フレームとは異なる第二の時間フレームにおいて前記各通信装置へ送信するステップと
を有することを特徴とする無線通信方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１３−３１０９５（Ｐ２０１３−３１０９５Ａ）
【公開日】平成２５年２月７日（２０１３．２．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１６７０８８（Ｐ２０１１−１６７０８８）
【出願日】平成２３年７月２９日（２０１１．７．２９）
【出願人】（０００００５０４９）シャープ株式会社 (33,933)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年２月７日（２０１３．２．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年７月２９日（２０１１．７．２９）
【出願人】（０００００５０４９）シャープ株式会社 (33,933)
【Ｆターム（参考）】
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