無線通信システム、及び無線通信方法
【課題】協調通信方式による伝送においてチャネル周波数応答の推定精度を向上させる。
【解決手段】無線通信システムは、発信局と中継局と宛先局とを具備し、発信局が、自局に備えられているアンテナの本数に応じて行数及び列数が定められるユニタリ行列に基づいて生成されたトレーニング信号を、第１スロット及び第２スロットで送信されるパケットに配置し、宛先局が、第２スロットにおいて、発信局が送信したパケットと、中継局が転送したパケットとを受信し、受信したパケットそれぞれに含まれるトレーニング信号に基づいて、発信局と自局との間のチャネル周波数応答の推定値と、中継局を介した発信局と自局との間のチャネル周波数応答の推定値を算出し、算出した推定値に基づいて、第２スロットにおいて受信した信号から、発信局が送信したパケットと、中継局が転送したパケットとを分離し、分離したパケットに含まれるデータ信号を復調する。
【解決手段】無線通信システムは、発信局と中継局と宛先局とを具備し、発信局が、自局に備えられているアンテナの本数に応じて行数及び列数が定められるユニタリ行列に基づいて生成されたトレーニング信号を、第１スロット及び第２スロットで送信されるパケットに配置し、宛先局が、第２スロットにおいて、発信局が送信したパケットと、中継局が転送したパケットとを受信し、受信したパケットそれぞれに含まれるトレーニング信号に基づいて、発信局と自局との間のチャネル周波数応答の推定値と、中継局を介した発信局と自局との間のチャネル周波数応答の推定値を算出し、算出した推定値に基づいて、第２スロットにおいて受信した信号から、発信局が送信したパケットと、中継局が転送したパケットとを分離し、分離したパケットに含まれるデータ信号を復調する。
【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、及び無線通信方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、発信局と宛先局以外の無線局に協調中継伝送を行わせる事で通信特性を向上させる協調通信方式が注目を集めている。このため、協調中継伝送については、多くの研究がなされている。協調中継伝送における通信方式のシステムモデルは、主に中継局伝送プロトコル、協調システム構成、協調プロトコルの三要素により決定づけられる。
【０００３】
中継局伝送プロトコルとは、中継局が発信局から受信した信号に対してどのような信号処理を行い、宛先局へ伝送するかを示すものである。中継局伝送プロトコルの最も基本的なものはＤＦ（Decode-and-Forward）法と、ＡＦ（Amplify-and-Forward）法との二つである。ＤＦ法は、中継局が受信した信号を復調、復号をする再生を行ってから、再生した信号に対して符号化、変調をして宛先局に伝送する手法である。ＡＦ法は、中継局が受信した信号を増幅し、増幅した信号を中継局に伝送する手法である。
【０００４】
また、協調システム構成は、協調通信方式を用いた無線通信システムを構成する発信局、中継局、及び宛先局としての通信装置の個数と、当該無線通信システム内において行われる協調中継ホップ数を示すものである。例えば、協調通信方式を用いた無線通信システムの最も単純な構成は、発信局（Source；Ｓ）と、発信局が送信した信号を中継する中継局（Relay；Ｒ）と、宛先局（Destination；Ｄ）とを具備する１−Ｒｅｌａｙ２−ＨＯＰ（１Ｒ２Ｈ）構成である。
１Ｒ２Ｈ構成では、一般に、発信局から中継局への送受信と、中継局から宛先局への送受信とに対して、無線資源（時間及び周波数）の１スロットを割り当てるため、無線通信システム全体における、送受信における１周期を２スロットとすることが多い。
【０００５】
また、協調プロトコルとは、無線通信システムの１周期における各通信装置（発信局、中継局、及び宛先局）間における送受信関係の組合せを示すものである。
図９は、１Ｒ２Ｈ構成を有する無線通信システム９における協調プロトコルの一例を示す図である。同図に示すように、無線通信システム９は、発信局９１と、中継局９２と、宛先局９３とを具備する。発信局９１と中継局９２と宛先局９３とは、ＯＦＤＭ変調を用いた無線通信を行い、無線通信システム９の１周期は、スロット１とスロット２との２つのスロットに分けられている。
【０００６】
スロット１において、発信局９１が中継局９２及び宛先局９３へのブロードキャスト送信を行い、スロット２において、発信局９１及び中継局９２が宛先局９３へ同時送信をする。このとき、中継局９２は、スロット１で受信したサブパケットＰ１の増幅などを行うために、スロット２でサブパケットＰ１を送信するまでに処理時間Ｄｒを要する。また、発信局９１は、スロット２において、サブパケットＰ２を送信するタイミングを、中継局９２がサブパケットＰ１を送信するタイミングと合わせるために、待機時間Ｄｓ経過した後に、送信を行う。待機時間Ｄｓは、処理時間Ｄｒに応じて予め定められる。
宛先局９３は、スロット１において、発信局９１が送信する一種類の信号（サブパケットＰ１）を受信し、スロット２において、発信局９１が送信する信号（サブパケットＰ２）と、中継局９２が送信する信号（サブパケットＰ２）との二種類の信号が合成された信号を受信する。
図９に示す協調プロトコルは、プロトコルＩ、又はＭＩＭＯ（Multiple-Input Multiple-Output）型と呼ばれている（非特許文献１）。
【０００７】
図１０は、１Ｒ２Ｈ構成を有する無線通信システム９における協調プロトコルの他の例を示す図である。同図に示すように、スロット１において、発信局９１が中継局９２にサブパケットＰ１を送信し、スロット２において、発信局９１及び中継局９２が宛先局９３へ同時送信する。宛先局９３は、スロット２において、発信局９１が送信するサブパケットＰ１と、中継局９２が送信するサブパケットＰ２との二種類のサブパケットが合成された信号を受信する。スロット１において、宛先局９３が発信局９１から送信されたサブパケットＰ１に対して受信の処理を行わない点が、図９において示したプロトコルＩと異なる。
図１０に示す協調プロトコルは、プロトコルIII、又はＭＩＳＯ（Multiple-Input Single-Output）型と呼ばれている。
【０００８】
以下、無線通信システム９において、協調プロトコルとしてプロトコルＩ、又はプロトコルIIIを適用した場合の発信局９１、中継局９２、及び宛先局９３の送受信関係を周波数領域で説明する。
【０００９】
（プロトコルＩ）
協調プロトコルとしてプロトコルＩを適用した場合、スロット１において、発信局９１が中継局９２及び宛先局９３に対してサブパケットＰ１をブロードキャスト送信する。このとき、宛先局９３が受信する受信信号Ｙｄ１は、周波数領域において、次式（１）として表される。
【００１０】
【数１】
【００１１】
ここで、受信信号Ｙｄ１は［ＮＲｄ×１］のベクトルであり、Ｐｓ１はスロット１における発信局９１の送信電力である。行列Ｈｓｄは発信局９１と宛先局９３との間におけるチャネル周波数応答（Channel Frequency Response；ＣＦＲ）を要素とする［ＮＲｄ×ＮＴｓ］のチャネル周波数応答行列である。Ｘ１は、サブパケットＰ１に対応する送信信号である。Ｗｄ１は宛先局９３におけるスロット１での付加白色ガウス雑音（Additive White Gaussian Noise；ＡＷＧＮ）の周波数領域表現を要素とする［ＮＲｄ×１］のベクトルである。ここで、ＮＴｓは発信局９１が有する送信アンテナの数であり、ＮＴｒは中継局９２が有する送信アンテナの数であり、ＮＲｒは中継局９２が有する受信アンテナの数であり、ＮＲｄは宛先局９３が有する受信アンテナの数である。
また、スロット１における中継局９２が受信する受信信号Ｙｒ１は、次式（２）として表される。
【００１２】
【数２】
【００１３】
ここで、受信信号Ｙｒ１は［ＮＲｒ×１］のベクトルであり、Ｈｓｒは発信局９１と中継局９２との間におけるチャネル周波数応答を要素とする［ＮＲｒ×ＮＴｓ］のチャネル周波数応答行列である。Ｗｒ１は中継局９２におけるスロット１での付加白色ガウス雑音の周波数領域表現を要素とする［ＮＲｒ×１］のベクトルである。ここで、ＮＲｒは中継局９２が有するアンテナの数である。
【００１４】
中継局９２は、スロット１において受信した受信信号Ｙｒ１を増幅係数αｒで増幅し、増幅した受信信号をスロット２において宛先局９３に送信する。発信局９１は、送信信号Ｘ２（パケットＰ２）を宛先局９３に送信する。このとき、発信局９１と中継局９２とから送信信号が同時に送信されることと、受信時の付加雑音の存在を考慮すると、スロット２における宛先局９３が受信する受信信号Ｙｄ２は、次式（３）で表される。増幅係数αｒは、［ＮＲｒ×ＮＴｒ］の行列であり、中継局９２が受信信号Ｙｒ１を増幅する特性に応じて定められる。
【００１５】
【数３】
【００１６】
ここで、受信信号Ｙｄ２は［ＮＲｄ×１］のベクトルであり、Ｐｒ２はスロット２における中継局９２の送信電力であり、Ｐｓ２はスロットにおける発信局９１の送信電力である。行列Ｈｒｄは中継局９２と宛先局９３におけるチャネル周波数応答を要素とする［ＮＲｄ×ＮＴｒ］のチャネル周波数応答行列である。Ｗ’ｄ２は宛先局９３におけるスロット２での付加白色ガウス雑音の周波数領域表現を要素とする［ＮＲｄ×１］のベクトルである。
式（１）と式（３）とをまとめると、式（４）と表すことができる。
【００１７】
【数４】
【００１８】
ここで、中継局伝送プロトコルにＡＦ法を用いた場合、式（４）における行列Ｈ１１、Ｈ２１、及びＨ２２は、それぞれが次式（５−１）〜（５−３）として表される。
【００１９】
【数５】
【００２０】
また、中継局伝送プロトコルにＤＦ法を用いた場合、式（４）における行列Ｈ１１、Ｈ２１、及びＨ２２は、それぞれが次式（６−１）〜（６−３）として表される。
【００２１】
【数６】
【００２２】
このとき、宛先局９３において、チャネル周波数応答を示す行列Ｈ１１、Ｈ２１、Ｈ２２の推定値を算出できれば、算出した行列Ｈ１１、Ｈ２１、Ｈ２２の推定値を用いて、スロット２で受信した受信信号Ｙｄ２に含まれる送信信号Ｘ１及びＸ２を分離し、送信信号Ｘ１及びＸ２の復調、復号を行うことができる。
【００２３】
（プロトコルIII）
協調プロトコルにプロトコルＩを適用した場合、プロトコルＩと異なり、宛先局９３は、発信局９１が送信する信号Ｘ１（サブパケットＰ１）を受信しない。ゆえに、プロトコルIIIでは、上記の式（１）で表される受信信号Ｙｄ１が存在せず、宛先局９３がスロット２において受信する受信信号Ｙｄ２は、次式（７）により表される。
【００２４】
【数７】
【００２５】
このとき、宛先局９３において、行列Ｈ２１、Ｈ２２の推定値を算出できれば、スロット２で受信した受信信号Ｙｄ２に含まれる送信信号Ｘ１及びＸ２を分離して、送信信号Ｘ１及びＸ２の復調、復号を行うことができる。
【００２６】
続いて、無線通信システム９において、協調プロトコルとしてプロトコルＩ、又はプロトコルIIIを適用した場合のチャネル推定について説明する。
【００２７】
（プロトコルＩ）
宛先局９３は、発信局９１が送信する送信信号Ｘ１が既知の信号（トレーニング信号）である場合、式（１）に基づいて、チャネル周波数応答行列Ｈ１１を推定することができる。しかし、スロット２では、発信局９１が送信する送信信号Ｘ２が既知の信号（トレーニング信号）であったとしても、発信局９１と中継局９２とが送信を行うので、それぞれから送信される送信信号Ｘ１及びＸ２が相互に干渉してしまう。そのため、宛先局９３は、受信する送信信号Ｘ１及びＸ２に基づいて、チャネル周波数応答行列Ｈ２１及びＨ２２を適切に推定することができない。
【００２８】
（プロトコルIII）
プロトコルIIIでは、宛先局９３は、スロット１において受信する信号を処理せず、スロット２において受信する受信信号Ｙｄ２は式（７）で表される。したがって、スロット２では、プロトコルＩを用いた場合と同様に、発信局９１が送信する送信信号Ｘ２と、中継局９２が送信する送信信号Ｘ１とがともに既知の信号（トレーニング信号）であったとしても、送信信号Ｘ１及びＸ２が相互に干渉してしまう。そのため、宛先局９３は、受信する送信信号Ｘ１及びＸ２に基づいて、チャネル周波数応答行列Ｈ２１及びＨ２２を適切に推定することができない。
【００２９】
そこで、非特許文献２では、単数アンテナ（Single-Input Single-Output；ＳＩＳＯ）構成を用いた協調通信方式を適用したシステムにおいて、相互干渉を回避する手法の検討がなされている。この手法は、発信局９１と宛先局９３との間におけるチャネル周波数応答を推定する期間において、中継局９２と宛先局９３との間におけるチャネル周波数応答を推定するための信号（トレーニング信号）を送信しないようにする、というものである。すなわち、非特許文献２の手法では、トレーニング信号の直交性を保つために、各トレーニング信号を異なる期間で送信する。
【００３０】
図１１は、複数アンテナ（ＭＩＭＯ）構成におけるトレーニング信号の配置の一例を示す概略図である。同図に示す例は、非特許文献２の手法を複数アンテナ構成に適用した場合の例であり、発信局９１が２つの送信アンテナを有する場合を示している（ＮＴｓ＝２）。また、パケットを構成するサブパケットＰ１及びサブパケットＰ２において、トレーニング信号を配置する４ＯＦＤＭシンボル分の領域を４つに分け、各領域を時間順にＬ１〜Ｌ８としている。
【００３１】
サブパケットＰ１の領域Ｌ１においてアンテナ１にトレーニング信号Ｃを割り当て、領域Ｌ２においてアンテナ２にトレーニング信号Ｃを割り当てる。また、サブパケットＰ２の領域Ｌ７においてアンテナ１にトレーニング信号Ｃを割り当て、領域Ｌ８においてアンテナ２にトレーニング信号Ｃを割り当てる。このようなトレーニング信号の配置は、スキャッタード型と呼ばれる。発信局９１及び中継局９２がスロット２においてトレーニング信号Ｃを異なるタイミングで送信することにより、宛先局９３が受信する各トレーニング信号Ｃの直交性を確保している。このとき、トレーニング信号Ｃは、すべてのサブキャリアに対して割り当てられる。
【００３２】
このように、トレーニング信号の構成は、各要素がＣとなる対角行列として表すことができる。発信局９１のアンテナの数が２つの場合（ＮＴｓ＝２）、トレーニング信号の構成は、図１１に示すように、４行４列の対角行列として表すことができる。図１１に示す例において、対角行列の第１行目及び第３行目の要素は、送信局（発信局９１及び中継局９２）が有するアンテナ１から送信されるトレーニング信号であり、第２行目及び第４行目の要素は、送信局が有するアンテナ２から送信されるトレーニング信号である。また、第１列目から第４列目の要素は、それぞれが領域Ｌ１〜Ｌ８で送信されるトレーニング信号として割り当てられている。すなわち、図１１において、「Ｃ」が記されていない領域Ｌ１〜Ｌ８の領域には、トレーニング信号を割り当てない。
【００３３】
このようなトレーニング信号Ｃの割り当てを行うことにより、スロット２において、領域Ｌ１、Ｌ２では中継局９２が有するアンテナ１、２からトレーニング信号Ｃが送信され、領域Ｌ７、Ｌ８では発信局９１が有するアンテナ１、２からトレーニング信号Ｃが重複することなく送信される。これにより、トレーニング信号Ｃの相互干渉が生じることを防ぎ、トレーニング信号Ｃの直交性を維持することができる。このとき、受信局（中継局９２及び宛先局９３）は、受信したトレーニング信号Ｃと、受信局に予め記憶されているトレーニング信号Ｃとに基づいて、チャネル推定を行うことができる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００３４】
【非特許文献１】R. U. Nabar, H. Bolcskei, and F.W. Kneubuhler, “Fading relay channels: Performance limits and space-time signal design,” IEEE J. Sel. Areas Commun., vol. 22, no. 6, pp. 1099-1109, Jun. 2004.
【非特許文献２】Z. Zhao, et al, “Application of Cooperative Diversity in 802.11a Ad-hoc Networks,” ICCCN’07, 1016-1021, Aug. 2007.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００３５】
しかしながら、上述のように配置されたトレーニング信号Ｃに基づいて推定されたチャネル周波数応答には、スロット２における発信局９１から送信されるサブパケットＰ２のデータと、中継局９２から送信されるサブパケットＰ１のデータとが相互に干渉する影響が反映されていない。そのため、トレーニング信号に基づいて得られるチャネル周波数応答の推定値と、各サブパケットに含まれるデータに対するチャネル周波数応答とに差が生じてしまう。推定値にこのような差が生じてしまうと、受信信号から各サブパケットに含まれるデータを分離する際の精度が低くなり、データを正しく復調、復号できなくなることがある。このように、上述のように配置されたトレーニング信号Ｃを用いたチャネル周波数応答の推定には、改善の余地がある。
【００３６】
本発明は、このような事情を考慮してなされたものであり、協調通信方式を用いた伝送において、チャネル周波数応答の推定精度を向上させる無線通信システム、及び無線通信方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００３７】
上記問題を解決するために、本発明は、一つの無線チャネルを時分割して得られる第１スロット及び第２スロットにおいてデータ信号を含むパケットを送信する発信局と、前記パケットの宛先である宛先局と、前記発信局が第１スロットにおいて送信したパケットを受信し、受信したパケットを第２スロットにおいて前記宛先局へ送信する転送を行う中継局とを具備する無線通信システムであって、前記発信局は、自局に備えられているアンテナの本数に応じて行数及び列数が定められるユニタリ行列に基づいて生成されたトレーニング信号を、前記第１スロットで送信されるパケット及び前記第２スロットで送信されるパケットに配置するトレーニング配置部を備え、前記宛先局は、第２スロットにおいて、前記発信局が送信した前記パケットと、前記中継局が転送した前記パケットとを受信し、受信したパケットそれぞれに含まれるトレーニング信号に基づいて、前記発信局と自局との間のチャネル周波数応答の推定値と、前記中継局を介した前記発信局と自局との間のチャネル周波数応答の推定値を算出するチャネル推定部と、前記チャネル推定部が算出した推定値に基づいて、第２スロットにおいて受信した信号から、前記発信局が送信した前記パケットと、前記中継局が転送した前記パケットとを分離し、分離したパケットに含まれるデータ信号を復調するデータ復調部とを備えることを特徴とする無線通信システムである。
【００３８】
また、本発明は、上記に記載の発明において、前記ユニタリ行列は、前記発信局に備えられているアンテナの本数がＮ本の場合、２Ｎ次の正方行列であり、前記トレーニング配置部は、前記ユニタリ行列を２つのＮ行２Ｎ列の部分行列に分割し、一方の部分行列の各行の要素をトレーニング信号として各アンテナに対応させて第１スロットに配置し、他方の部分行列の各行の要素をトレーニング信号として各アンテナに対応させて第２スロットに配置することを特徴とする。
また、本発明は、上記に記載の発明において、前記トレーニング配置部は、第１スロット及び第２スロットにおいて、前記トレーニング信号を配置する領域を２Ｎ個に分割し、前記分割された各領域に、前記部分行列の各列の要素を順に配置することを特徴とする。
また、本発明は、上記に記載の発明において、前記チャネル推定部は、第２スロットにおいて、受信した２つの前記パケットに含まれるトレーニング信号と、予め記憶している前記トレーニング信号のレプリカ信号とを用いて前記推定値を算出することを特徴とする。
【００３９】
また、本発明は、一つの無線チャネルを時分割して得られる第１スロット及び第２スロットにおいてデータ信号を含むパケットを送信する発信局と、前記パケットの宛先である宛先局と、前記発信局が第１スロットにおいて送信したパケットを受信し、受信したパケットを第２スロットにおいて前記宛先局へ送信する転送を行う中継局とを具備する無線通信システムにおける無線通信方法であって、前記発信局が、自局に備えられているアンテナの本数Ｎに応じて行数及び列数が定められるユニタリ行列に基づいて生成されたトレーニング信号を、前記第１スロットで送信されるパケット及び前記第２スロットで送信されるパケットに配置するトレーニング配置ステップと、前記宛先局が、第２スロットにおいて、前記発信局が送信した前記パケットと、前記中継局が転送した前記パケットとを受信し、受信したパケットそれぞれに含まれるトレーニング信号に基づいて、前記発信局と自局との間のチャネル周波数応答の推定値と、前記中継局を介した前記発信局と自局との間のチャネル周波数応答の推定値を算出するチャネル推定ステップと、前記宛先局が、前記チャネル推定ステップにおいて算出した推定値に基づいて、第２スロットにおいて受信した信号から、前記発信局が送信した前記パケットと、前記中継局が転送した前記パケットとを分離し、分離したパケットに含まれるデータ信号を復調するデータ復調ステップとを有することを特徴とする無線通信方法である。
【発明の効果】
【００４０】
この発明によれば、第２スロットにおいて、発信局から受信するパケットに含まれるトレーニング信号と、中継局から受信するパケットに含まれるトレーニング信号とは、ユニタリ行列に基づいて生成されているため直交性が保たれているので、チャネル推定部は、第２スロットにおいて発信局及び中継局から受信したトレーニング信号に対して、トレーニング信号を生成する際に用いたユニタリ行列の逆行列を用いた演算を行うことにより、チャネル周波数応答の推定値を算出することができる。このように、トレーニング信号自体の直交性を利用して、発信局から送信されたパケットと、中継局から送信されたパケットとが相互干渉した状態の受信信号からチャネル周波数応答の推定値を算出することにより、推定値の精度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】第１実施形態における無線通信システム１の構成を示す概略ブロック図である。
【図２】同実施形態における発信局１１の情報ビット列を送信する処理と、宛先局１３の情報ビット列を復元する処理とのフローチャートである。
【図３】同実施形態におけるトレーニング信号の割当ての一例を示す概略図である。
【図４】第２実施形態における無線通信システム２の構成を示す概略ブロック図である。
【図５】同実施形態におけるトレーニング信号の割当ての一例を示す概略図である。
【図６】同実施形態において、４×４のＩＥＥＥ８０２．１１ｎのＨＴ−ＬＴＦを利用した場合の一例を示す概略図である。
【図７】同実施形態において、４×４のＩＥＥＥ８０２．１１ｎのＨＴ−ＬＴＦを利用した場合の一例を示す概略図である。
【図８】本発明の要部の構成を説明する図である。
【図９】１Ｒ２Ｈ構成を有する無線通信システム９における協調プロトコルの一例を示す図である。
【図１０】１Ｒ２Ｈ構成を有する無線通信システム９における協調プロトコルの他の例を示す図である。
【図１１】複数アンテナ（ＭＩＭＯ）構成におけるトレーニング信号の配置の一例を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００４２】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態における無線通信システム、及び無線通信方法を説明する。
【００４３】
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態における無線通信システム１の構成を示す概略ブロック図である。同図に示すように、無線通信システム１は、通信装置としての発信局１１と中継局１２と宛先局１３とを具備し、協調通信方式を用いた１Ｒ２Ｈ（1-Relay2-Hop）の構成を有する。無線通信システム１では、発信局１１から中継局１２への送受信と、発信局１１及び中継局１２から宛先局１３への送受信とそれぞれに対して、無線資源（時間及び周波数）の１スロットが割り当てられ、２スロット（スロット１及びスロット２）を１周期として無線通信が行われる。
【００４４】
また、各局がＯＦＤＭ変調を用いた無線通信を行う。発信局１１は宛先局１３に伝送する情報ビット列を送信し、中継局１２は発信局１１から受信した情報ビット列を宛先局１３に送信する中継を行い、宛先局１３は発信局１１及び中継局１２から情報ビット列を受信する。以下、中継局伝送プロトコルとしてＡＦ法を適用し、発信局１１及び中継局１２が有する送信アンテナは１つであり、中継局１２及び宛先局１３が有する受信アンテナが１つである場合（ＮＴｓ＝ＮＴｒ＝１、ＮＲｒ＝ＮＲｄ＝１）、すなわち、単数アンテナ（ＳＡ）システムの場合について説明する。
【００４５】
発信局１１は、チャネル符号化部１１１と、データ変調部１１２と、直交トレーニング配置部１１３と、周波数−時間変換部１１４と、パスバンド変換部１１５を備えている。
チャネル符号化部１１１には、宛先局１３に送信する情報ビット列（情報ビットストリーム）が入力される。チャネル符号化部１１１は、入力された情報ビット列に対して誤り訂正符号化を行い符号化ビットに変換し、得られた符号化ビットを出力する。
【００４６】
データ変調部１１２は、予め定められた変換の規則を用いて、チャネル符号化部１１１が出力する符号化ビットをコンスタレーションマッピングして複素ＱＡＭ（Quadrature Amplitude Modulation）シンボルに変換する。このとき、データ変調部１１２は、変換した複素ＱＡＭを各サブキャリアに対応付ける。このとき、各サブキャリアに対応付けられた複素ＱＡＭシンボルを全体として周波数領域複素シンボルという。また、データ変調部１１２は、スロットの数に応じて、変換により得られた周波数領域複素シンボルを分割する。ここでは、周波数領域複素シンボルをスロット１及びスロット２に対応させて２つのストリームに分割する。
【００４７】
また、データ変調部１１２は、ストリームに分けられた周波数領域複素シンボルそれぞれに対してＫ個のシンボルを一単位としてブロック化し、ブロックごとに逆離散フーリエ変換（Inverse Discrete Fourier Transform；ＩＤＦＴ）を施す。ここで、スロット１に対応するブロックを構成する周波数領域複素シンボルの値を要素とする［ＮＴｓ×１］のベクトルを周波数領域複素シンボルベクトルＸ１とし、スロット２に対応するブロックを構成する周波数領域複素シンボルの値を要素とする［ＮＴｓ×１］のベクトルを周波数領域複素シンボルベクトルＸ２とする。更に、データ変調部１１２は、ＩＤＦＴを施した周波数領域複素シンボルベクトルＸ１、Ｘ２に対して、ガードインターバル（Guard Interval；ＧＩ）を付加して出力する。このとき、データ変調部１１２は、スロット１において送信するサブパケットＰ１に周波数領域複素シンボルベクトルＸ１を割り当て、スロット２において送信するパケットに周波数領域複素シンボルベクトルＸ２を割り当てる。
【００４８】
直交トレーニング配置部１１３には、データ変調部１１２からスロット１及びスロット２に対応するパケットが入力される。直交トレーニング配置部１１３は、各パケットにトレーニング信号を割当て出力する。このトレーニング信号は、ユニタリ行列に基づいて予め定められた既知の信号である。トレーニング信号は、情報ビット列と同様に、各サブキャリアに割り当てられ、ＯＦＤＭ変調されて送信される。各サブキャリア上に配置されたトレーニング信号を周波数領域トレーニング信号という。この周波数領域トレーニング信号の周波数領域複素シンボル値をＣとする。
【００４９】
また、直交トレーニング配置部１１３は、情報ビット列に対応する周波数領域複素シンボルＸ１、Ｘ２と同様に、周波数領域複素シンボルＣに対してＩＤＦＴを施した後に、ガードインターバルを付加する。また、直交トレーニング配置部１１３は、複数のトレーニング信号をスロットごとに割り当て、スロット１で送信するサブパケットＰ１と、スロット２で送信するサブパケットＰ２とを生成する。サブパケットＰ１及びＰ２には、例えば、トレーニング信号と、データ（周波数領域複素シンボルベクトルＸ１、Ｘ２）とが時間軸上で分けて配置される。すなわち、スロット１に割り当てられたデータと、スロット１に割り当てられたトレーニング信号とを連結したものをサブパケットＰ１とする。また、スロット２に割り当てられたデータと、スロット２に割り当てられたトレーニング信号とを連結したものをサブパケットＰ２とする。
【００５０】
周波数−時間変換部１１４は、直交トレーニング配置部１１３が生成するサブパケットＰ１及びサブパケットＰ２それぞれに対して、ＩＤＦＴを用いて周波数領域の信号から時間領域の信号へ変換し、変換したサブパケットＰ１と、変換したサブパケットＰ２とを含むパケットを出力する。
パスバンド変換部１１５は、周波数−時間変換部１１４が出力するパケットをベースバンドからパスバンド（搬送波の周波数帯域）に変換する。また、パスバンド変換部１１５は、接続されているアンテナを介して、変換したパケットのうち、スロット１においてサブパケットＰ１を送信し、スロット２においてサブパケットＰ２を送信する。このとき、パスバンド変換部１１５は、サブパケットＰ１を送信してから、待機時間Ｄｓ経過した後に、サブパケットＰ２を送信する。ここで、待機時間Ｄｓは、中継局１２における中継の処理に要する処理時間Ｄｒに応じて定められる。パスバンド変換部１１５が、時間Ｄｓ経過した後にサブパケットＰ２を送信することにより、宛先局１３において、中継局１２からのサブパケットＰ１と、サブパケットＰ２とが受信されるタイミングをそろえる。なお、伝搬経路等による時間のずれは、ガードインターバルにより補償される。
【００５１】
宛先局１３は、ベースバンド変換部１３１と、時間−周波数変換部１３２と、チャネル推定部１３３と、データ復調部１３４と、チャネル復号部１３５とを備えている。
ベースバンド変換部１３１は、接続されているアンテナを介して、発信局１１及び中継局１２から送信された信号を受信し、受信した信号をパスバンドからベースバンドに変換し、変換した信号を時間−周波数変換部１３２に出力する。
時間−周波数変換部１３２は、ベースバンド変換部１３１から入力される信号に対して、ガードインターバルの除去と、ＤＦＴ（Discrete Fourier Transform；離散フーリエ変換）を用いた時間領域の信号から周波数領域の信号への変換とを行い、チャネル推定部１３３に出力する。
【００５２】
チャネル推定部１３３は、直交トレーニング配置部１１３が配置するトレーニング信号の基になるユニタリ行列（レプリカ信号）を予め記憶しており、当該レプリカ信号と、時間−周波数変換部１３２から入力される信号とに基づいて、自局と発信局１１との間のチャネル周波数応答と、中継局１２を介した自局と発信局１１との間のチャネル周波数応答とを推定する。
データ復調部１３４は、チャネル推定部１３３が推定したチャネル周波数応答に基づいて、時間−周波数変換部１３２が変換した信号に含まれるパケットの分離と、チャネル等化を行う。また、データ復調部１３４は、分離したパケットそれぞれに対して、周波数領域複素シンボルを検出し、各符号化ビットに対応する検出値（軟判定値）をチャネル復号部１３５に出力する。
チャネル復号部１３５は、データ復調部１３４から入力される検出値に対して、チャネル復号化を行い、復号した情報ビット列を出力する。
【００５３】
図２は、本実施形態における発信局１１の情報ビット列を送信する処理と、宛先局１３の情報ビット列を復元する処理とのフローチャートである。
【００５４】
図２（ａ）は、発信局１１における送信の処理を示すフローチャートである。
発信局１１において、チャネル符号化部１１１に情報ビット列が入力されると、チャネル符号化部１１１が入力された情報ビット列に対して、予め定められた符号化率で誤り訂正符号化を行う（ステップＳ１０１）。
データ変調部１１２は、チャネル符号化部１１１が符号化した情報ビット列を変調し、スロット１において送信するサブパケットＰ１に割り当てる周波数領域複素シンボルベクトルＸ１と、スロット２において送信するサブパケットＰ２に割り当てる周波数領域複素シンボルベクトルＸ２とを生成する（ステップＳ１０２）。
【００５５】
直交トレーニング配置部１１３は、データ変調部１１２が生成した周波数領域複素シンボルベクトルＸ１及びＸ２と、予め定められたトレーニング信号と連結して、サブパケットＰ１及びサブパケットＰ２を出力する（ステップＳ１０３）。
周波数−時間変換部１１４は、直交トレーニング配置部１１３が出力するサブパケットＰ１及びサブパケットＰ２を時間領域の信号に変換する（ステップＳ１０４）。
パスバンド変換部１１５は、周波数−時間変換部１１４が変換した信号をパスバンドに変換し、アンテナを介して送信する（ステップＳ１０５）。
【００５６】
図２（ｂ）は、宛先局１３における受信の処理を示すフローチャートである。
ベースバンド変換部１３１は、アンテナを介して、発信局１１及び中継局１２から送信された信号を受信し、受信した信号をベースバンドに変換する（ステップＳ２０１）。
時間−周波数変換部１３２は、ベースバンド変換部１３１が変換した信号を周波数領域の信号に変換する（ステップＳ２０２）。
チャネル推定部１３３は、時間−周波数変換部１３２が変換した信号から、発信局１１と自局との間のチャネル周波数応答の推定値を算出する。また、チャネル推定部１３３は、発信局１１と中継局１２との間のチャネル周波数応答と、中継局１２と自局との間のチャネル周波数応答とを合成したチャネル周波数応答の推定値を算出する（ステップＳ２０３）。
【００５７】
データ復調部１３４は、チャネル推定部１３３が推定したチャネル周波数応答の推定値に基づいて、ベースバンド変換部１３１が変換した信号からサブパケットＰ１とサブパケットＰ２とを分離し、分離したサブパケットＰ１及びサブパケットＰ２に含まれるデータを復調して、それぞれの軟判定値を出力する（ステップＳ２０４）。
チャネル復号部１３５は、データ復調部１３４が出力した軟判定値を用いて、誤り訂正復号を行い、情報ビット列を復元して出力する（ステップＳ２０５）。
【００５８】
以下、本実施形態の無線通信システム１において、協調プロトコルとして、プロトコルＩを適用した場合と、プロトコルIIIを適用した場合とにおけるトレーニング信号の割当てについて説明する。
【００５９】
＜プロトコルＩを適用した場合＞
図３は、本実施形態におけるトレーニング信号の割当ての一例を示す概略図である。
直交トレーニング配置部１１３は、サブパケットＰ１におけるトレーニング信号を配置する領域に含まれる領域Ｌ１及び領域Ｌ２と、サブパケットＰ２におけるトレーニング信号を配置する領域に含まれる領域Ｌ３及び領域Ｌ４とに対して、次式（８）で表される行列の各要素に応じた信号を割り当てる。
【００６０】
【数８】
【００６１】
図３に示すように、直交トレーニング配置部１１３は、[２×２]（＝[２ＮＴｓ×２ＮＴｓ]，ＮＴｓ＝１）のユニタリ行列Ａ２を用いてＣＡ２で表される行列の各要素に応じた信号をトレーニング信号としてサブパケットＰ１及びサブパケットＰ２に割り当てる。ここで、Ｃは周波数領域複素シンボルである。
具体的には、行列ＣＡ２の第１行の要素がスロット１で送信されるトレーニング信号に対応し、第２行の要素がスロット２で送信されるトレーリング信号に対応している。また、行列ＣＡ２の第１列の要素がスロット１の領域Ｌ１及びスロット２の領域Ｌ３で送信されるトレーニング信号に対応し、第２列の要素がスロット１の領域Ｌ２及びスロット２の領域Ｌ４で送信されるトレーニング信号に対応している。
【００６２】
上述のように、直交トレーニング配置部１１３がトレーニング信号を各サブパケットに配置することにより、宛先局１３がスロット２において中継局１２から受信するサブパケットＰ１のトレーニング信号と、宛先局１３が発信局１１から受信するサブパケットＰ２のトレーニング信号との直交性を維持することができる。
このとき、宛先局１３において、時間−周波数変換部１３２がチャネル推定部１３３に出力する受信信号Ｙは、次式（９）として表される。
【００６３】
【数９】
【００６４】
ここで、Ｙｄ１１はスロット１における１番目のトレーニング信号（領域Ｌ１に配置された信号Ａ）に対応する受信信号であり、Ｙｄ１２はスロット１における２番目のトレーニング信号（領域Ｌ２に配置された信号Ｂ）に対応する受信信号であり、Ｙｄ２１はスロット２における１番目のトレーニング信号（領域Ｌ３に配置された信号Ａ’及び領域Ｌ１に配置された信号Ａ）に対応する受信信号であり、Ｙｄ２２はスロット２における２番目のトレーニング信号（領域Ｌ４に配置された信号Ｂ’及び領域Ｌ２に配置された信号Ｂ）に対応する受信信号である。
【００６５】
また、Ｈ１１はスロット１における発信局１１と宛先局１３との間のチャネル周波数応答である。Ｈ２１は、スロット１における発信局１１と中継局１２との間のチャネル周波数応答と、スロット２における中継局１２と宛先局１３との間のチャネル周波数応答とを合成したチャネル周波数応答である。Ｈ２２は、スロット２における発信局１１と宛先局１３との間のチャネル周波数応答である。
また、Ｗｄ１１、Ｗｄ１２はスロット１における熱雑音であり、Ｗｄ２１、Ｗｄ２２はスロット２における熱雑音である。Ｃは周波数領域複素シンボルの値である。
【００６６】
チャネル推定部１３３は、式（９）に対して、右からＣ−１Ａ２Ｈ（行列Ａ２Ｈは、行列Ａ２のエルミート共役である。）を乗算する次式（１０）を演算することにより、チャネル周波数応答Ｈ１１、Ｈ２１、Ｈ２２の推定値を算出する。
【００６７】
【数１０】
【００６８】
宛先局１３において、チャネル推定部１３３が式（１０）を用いて、チャネル周波数応答Ｈ１１、Ｈ２１、Ｈ２２の推定を行うことにより、スロット２における発信局１１と宛先局１３との間のチャネル周波数応答の推定値と、スロット２における発信局１１から中継局１２を経由して宛先局１３までの合成チャネル周波数応答の推定値とを算出することができる。なお、データ復調部１３４とチャネル復号部１３５とは、チャネル推定部１３３が推定した各チャネル周波数応答の推定値を用いて、信号に含まれるサブパケットＰ１及びサブパケットＰ２の分離、チャネル等化を行い、サブパケットＰ１及びサブパケットＰ２それぞれに含まれるデータの復調、復号を行い宛先局１３が送信した情報ビット列（情報ビットストリーム）を復元する。
【００６９】
＜プロトコルIIIを適用した場合＞
プロトコルＩを適用した場合と同様に、直交トレーニング配置部１１３がトレーニング信号を各サブパケットに配置する。宛先局１３において、時間−周波数変換部１３２がチャネル推定部１３３に出力する受信信号Ｙは、次式（１１）として表される。
【００７０】
【数１１】
【００７１】
宛先局１３は、チャネル推定部１３３が次式（１２）を用いてチャネル周波数応答Ｈ２１、Ｈ２２の推定値を算出し、データ復調部１３４及びチャネル復号部１３５が復調、復号を行い、発信局１１が送信した情報ビット列を復元する。
【００７２】
【数１２】
【００７３】
このように、プロトコルIIIを適用した場合においても、サブパケットＰ１とサブパケットＰ２とが相互に干渉する影響を反映したチャネル周波数応答の推定値を算出することができるので、チャネル周波数応答を推定する精度を向上させることができる。
【００７４】
（第２実施形態）
図４は、第２実施形態における無線通信システム２の構成を示す概略ブロック図である。同図に示すように無線通信システム２は、通信装置としての発信局２１と中継局２２と宛先局２３とを具備し、協調通信方式を用いた１Ｒ２Ｈの構成を有する。無線通信システム２では、第１実施形態の無線通信システム１（図１）と同様に、発信局２１から中継局２２への送受信と、発信局２１及び中継局２２から宛先局２３への送受信とそれぞれに対して、無線資源の１スロットが割り当てられ、２スロットを１周期として無線通信が行われる。また、各局がＯＦＤＭ変調を用いた無線通信を行う。
【００７５】
また、無線通信システム２において、第１実施形態の無線通信システム１と同様に、発信局２１は宛先局２３に伝送する情報ビット列を送信し、中継局２２は発信局２１から受信した情報ビット列を宛先局２３に送信する中継を行い、宛先局２３は発信局２１及び中継局２２から情報ビット列を受信する。以下、中継局伝送プロトコルとしてＡＦ法を適用し、発信局２１及び中継局２２が有する送信アンテナは２つであり、中継局２２及び宛先局２３が有する受信アンテナが２つである場合（ＮＴｓ＝ＮＴｒ＝２、ＮＲｒ＝ＮＲｄ＝２）、すなわち、複数アンテナ（Multi-Antenna；ＭＡ）システムの場合について説明する。以下、無線通信システム２において、無線通信システム１と同じ部分には同じ符号を付して、その説明を省略する。
【００７６】
無線通信システム２は、各局の間の無線通信にＭＩＭＯ方式を適用している点が、第１実施形態の無線通信システム１と異なる。
発信局２１は、直並列変換部２１６と、アンテナの数（ＮＴｓ＝２）に応じて２つの送信部２１７（送信部２１７−１、送信部２１７−２）とを備えている。直並列変換部２１６には、宛先局２３に送信する情報ビット列が入力される。また、直並列変換部２１６は、入力された情報ビット列に対して、シリアル−パラレル変換を行い２つのビット列を生成し、一方のビット列を送信部２１７−１に出力し、他方のビット列を送信部２１７−２に出力する。
【００７７】
送信部２１７−１は、チャネル符号化部１１１と、データ変調部１１２と、直交トレーニング配置部１１３と、周波数−時間変換部１１４と、パスバンド変換部１１５とを有している。チャネル符号化部１１１には、直並列変換部２１６からビット列が入力される。送信部２１７−２は、送信部２１７−２と同じ構成を有している。送信部２１７−１及び送信部２１７−２は、それぞれが入力されるビット列を、それぞれに接続されているアンテナから送信する。
【００７８】
宛先局２３は、アンテナの数（ＮＲｓ＝２）に応じて２つの受信部２３６（受信部２３６−１、受信部２３６−１）と、並直列変換部２３７とを備えている。受信部２３６−１は、ベースバンド変換部１３１と、時間−周波数変換部１３２と、チャネル推定部１３３と、データ復調部１３４と、チャネル復号部１３５とを有している。受信部２３６−２は、受信部２３６−１と同じ構成を有している。受信部２３６−１及び受信部２３６−２は、それぞれが受信した信号からビット列を復元し、 復元したビット列を並直列変換部２３７に出力する。並直列変換部２３７は、受信部２３６−１と受信部２３６−２とからビット列が入力され、入力されるビット列に対してパラレル−シリアル変換を行い、発信局２１が送信した情報ビット列を復元して出力する。
【００７９】
以下、本実施形態の無線通信システム２において、各送信部２１７が有する直交トレーニング配置部１１３によるトレーニング信号の割当てについて説明する。
図５は、本実施形態におけるトレーニング信号の割当ての一例を示す概略図である。各直交トレーニング配置部１１３は、発信局２１が有するアンテナの数が２（＝ＮＴｓ）のとき、[４×４]（＝[２ＮＴｓ×２ＮＴｓ]）のユニタリ行列Ａ２ＮＴｓを用いて行列ＣＡ２ＮＴｓで表される行列の各要素に応じた信号をトレーニング信号として各サブパケットに割り当てる。サブパケットＰ１及びサブパケットＰ２において、トレーニング信号を配置する領域は、それぞれに４ＯＦＤＭシンボル分あり、１ＯＦＤＭシンボル分の領域ごとに分けられている。各領域はサブパケットＰ１から時間順にＬ１〜Ｌ８としている。
【００８０】
図５に示すように、送信部２１７−１の直交トレーニング配置部１１３が、行列ＣＡ２ＮＴｓの第１行の要素（Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ）をサブパケットＰ１の領域Ｌ１〜Ｌ４にトレーニング信号として順に割り当て、送信部２１７−１のパスバンド変換部１１５が（Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ）をトレーニング信号として割り当てられたサブパケットＰ１をアンテナ１から送信する。また、送信部２１７−２の直交トレーニング配置部１１３が、行列ＣＡ２ＮＴｓの第２行の要素（Ａ’，Ｂ’，Ｃ’，Ｄ）をサブパケットＰ１の領域Ｌ１〜Ｌ４のトレーニング信号として順に割り当て、送信部２１７−２のパスバンド変換部１１５が（Ａ’，Ｂ’，Ｃ’，Ｄ）をトレーニング信号として割り当てられたサブパケットＰ１をアンテナ２から送信する。
【００８１】
また、送信部２１７−１の直交トレーニング配置部１１３が、行列ＣＡ２ＮＴｓの第３行の要素（Ｅ，Ｆ，Ｇ，Ｈ）をサブパケットＰ２の領域Ｌ５〜Ｌ８にトレーニング信号として順に割り当て、送信部２１７−１のパスバンド変換部１１５が（Ｅ，Ｆ，Ｇ，Ｈ）をトレーニング信号として割り当てられたサブパケットＰ２をアンテナ１から送信する。また、送信部２１７−２の直交トレーニング配置部１１３は、行列ＣＡ２ＮＴｓの第４行の要素（Ｅ’，Ｆ’，Ｇ’，Ｈ’）をサブパケットＰ２の領域Ｌ５〜Ｌ８にトレーニング信号として順に割り当て、送信部２１７−２のパスバンド変換部１１５が（Ｅ’，Ｆ’，Ｇ’，Ｈ’）をトレーニング信号として割り当てられたサブパケットＰ２をアンテナ２から送信する。
【００８２】
上述のように、各直交トレーニング配置部１１３は、［２ＮＴｓ×２ＮＴｓ］のユニタリ行列Ａ２ＮＴｓを用いて行列ＣＡ２ＮＴｓで表される行列の第１行から第ＮＴｓ行までの要素それぞれをサブパケットＰ１のトレーニング信号として割り当て、第（ＮＴｓ＋１）行から第２ＮＴｓ行までの要素それぞれをサブパケットＰ２のトレーニング信号として割り当てる。このとき、各サブパケットに割り当てられるトレーニング信号は直交性を有するので、宛先局２３は、スロット１及びスロット２において受信するトレーニング信号に基づいて、チャネル周波数応答の推定値を算出することができる。
【００８３】
以下、協調プロトコルとして、プロトコルＩを適用した場合と、プロトコルIIIを適用した場合とにおける宛先局２３の各チャネル推定部１３３が行うチャネル推定について説明する。
【００８４】
＜プロトコルＩを適用した場合＞
時間−周波数変換部１３２からチャネル推定部１３３に入力される受信信号Ｙｄ１、Ｙｄ２は、次式（１３）で表される。
【００８５】
【数１３】
【００８６】
ここで、受信信号Ｙｄ１、Ｙｄ２は［ＮＲｄ×２ＮＴｓ］の行列であり、Ｗｄ１及びＷｄ２は熱雑音を表す［ＮＲｄ×２ＮＴｓ］の行列である。また、Ｈ１１はスロット１における発信局２１と宛先局２３との間のチャネル周波数応答を表す。Ｈ２１は、スロット１における発信局２１と中継局２２との間のチャネル周波数応答と、スロット２における中継局２２と宛先局２３との間のチャネル周波数応答との合成チャネル周波数応答を表す。Ｈ２２は、スロット２における発信局２１と宛先局２３との間のチャネル周波数応答を表す。また、Ｈ１１、Ｈ２１、Ｈ２２は［ＮＲｄ×ＮＴｓ］の行列である。ＳＩＳＯ構成からＭＩＭＯ構成への拡張は、このように行列の定義を行うことで得られる。
【００８７】
宛先局２３において、チャネル推定部１３３が次式（１４）を用いてチャネル周波数応答Ｈ１１、Ｈ２１、Ｈ２２の推定値を算出し、データ復調部１３４及びチャネル復号部１３５が復調、復号を行い、発信局２１が送信した情報ビット列を復元する。
【００８８】
【数１４】
【００８９】
上述のように、サブパケットＰ１とサブパケットＰ２とにトレーニング信号を割り当てることにより、ＭＩＭＯ構成においても、受信部２３６−１及び受信部２３６−２が有するチャネル推定部１３３は、式（１４）の演算を用いて、サブパケットＰ１とサブパケットＰ２とが相互に干渉する影響を反映したチャネル周波数応答Ｈ１１、Ｈ２１、Ｈ２２の推定値を算出することができる。これにより、チャネル周波数応答の推定の精度を向上させることができる。
【００９０】
ここで、４×４のＩＥＥＥ８０２．１１ｎのＨＴ−ＬＴＦ（High Throughput Long Training Field）を利用した場合の送受信関係について説明する。
図６は、本実施形態において、４×４のＩＥＥＥ８０２．１１ｎのＨＴ−ＬＴＦを利用した場合の一例を示す概略図である。ここでは、ＯＦＤＭブロックごとの時変動がない場合を示している。同図に示すように、発信局２１において、４×４のユニタリ行列ＣＡ２ＮＴｓにおける第１行の各要素（Ｃ，−Ｃ，Ｃ，Ｃ）をサブパケットＰ１のアンテナ１から送信されるトレーニング信号として割り当て、第２行の各要素（Ｃ，Ｃ，−Ｃ，Ｃ）をサブパケットＰ１のアンテナ２から送信されるトレーニング信号として割り当てる。また、第３行の各要素（Ｃ，Ｃ，Ｃ，−Ｃ）をサブパケットＰ２のアンテナ１から送信されるトレーニング信号として割り当て、第４行の各要素（−Ｃ，−Ｃ，Ｃ，Ｃ）をサブパケットＰ２のアンテナ２から送信されるトレーニング信号として割り当てる。
【００９１】
このとき、宛先局２３における受信信号Ｙは次式（１５−１）及び（１５−２）により表される。
【００９２】
【数１５】
【００９３】
ここで、Ｙｄｉｊ，ｍはスロットｉのｊ番目のトレーニング信号（ＯＦＤＭシンボル）をｍ番目の受信アンテナで受信した受信信号である。Ｈ１１，ｍｎはスロット１における発信局２１のｎ番目の送信アンテナと宛先局２３のｍ番目の受信アンテナとの間のチャネル周波数応答（ＣＦＲ）である。Ｈ２１，ｍｎは中継局２２を介した発信局２１のｎ番目の送信アンテナと宛先局２３のｍ番目の受信アンテナとの間のチャネル周波数応答である。Ｈ２２，ｍｎはスロット２における発信局２１のｎ番目の送信アンテナと宛先局２３のｍ番目の受信アンテナとの間におけるチャネル周波数応答である。Ｗｄｉｊ，ｍはスロットｉでのｊ番目のトレーニング信号（ＯＦＤＭシンボル）のｍ番目の受信アンテナにおける付加白色ガウス雑音（ＡＷＧＮ）である。Ｃはトレーニング信号の周波数領域複素シンボルである。
チャネル推定部１３３は、次式（１６）を用いて各チャネル周波数応答の推定値を算出する。
【００９４】
【数１６】
【００９５】
ＩＥＥＥ８０２．１１ｎで規定される無線ＬＡＮに適用した場合においても、上述のように、ユニタリ行列Ａ２ＮＴｓに基づいて、トレーニング信号を各サブパケットに割り当て、サブパケットＰ１とサブパケットＰ２とが相互に干渉する影響を反映したチャネル周波数応答の推定値を算出することができるので、チャネル周波数応答を推定する精度を向上させることができる。
【００９６】
＜プロトコルIIIを適用した場合＞
続いて、協調プロトコルにプロトコルIIIを適用した場合について説明する。
プロトコルIIIを適用した場合、時間−周波数変換部１３２からチャネル推定部１３３に入力される受信信号Ｙは、次式（１７）で表される。
【００９７】
【数１７】
【００９８】
宛先局２３において、受信部２３６−１及び受信部２３６−２が有するチャネル推定部１３３が次式（１８）を用いて各チャネル周波数応答の推定値を算出し、データ復調部１３４及びチャネル復号部１３５が復調、復号を行い、発信局２１が送信した情報ビット列を復元する。
【００９９】
【数１８】
【０１００】
このように、サブパケットＰ１とサブパケットＰ２にトレーニング信号を割り当てることにより、ＭＩＭＯ構成においてプロトコルIIIを適用した場合においても、受信部２３６−１及び受信部２３６−２が有するチャネル推定部１３３は、式（１８）の演算を用いて、サブパケットＰ１とサブパケットＰ２とが相互に干渉する影響を反映したチャネル周波数応答の推定値を算出することができる。これにより、チャネル周波数応答の推定の精度を向上させることができる。
【０１０１】
ここで、プロトコルIIIを適用した場合において、４×４のＩＥＥＥ８０２．１１ｎのＨＴ−ＬＴＦ（High Throughput Long Training Field）を利用したときの送受信関係について説明する。
図７は、本実施形態において、４×４のＩＥＥＥ８０２．１１ｎのＨＴ−ＬＴＦを利用した場合の一例を示す概略図である。同図に示すように、発信局２１において、４×４のユニタリ行列ＣＡ２ＮＴｓにおける第１行の各要素（Ｃ，−Ｃ，Ｃ，Ｃ）をサブパケットＰ１のアンテナ１から送信されるトレーニング信号として割り当て、第２行の各要素（Ｃ，Ｃ，−Ｃ，Ｃ）をサブパケットＰ１のアンテナ２から送信されるトレーニング信号として割り当てる。また、第３行の各要素（Ｃ，Ｃ，Ｃ，−Ｃ）をサブパケットＰ２のアンテナ１から送信されるトレーニング信号として割り当て、第４行の各要素（−Ｃ，−Ｃ，Ｃ，Ｃ）をサブパケットＰ２のアンテナ２から送信されるトレーニング信号として割り当てる。
このとき、宛先局２３における受信信号Ｙは次式（１９−１）及び（１９−２）により表される。
【０１０２】
【数１９】
【０１０３】
そして、受信部２３６が有するチャネル推定部１３３は、次式（２０）を用いて各チャネル周波数応答の推定値を算出する。
【０１０４】
【数２０】
【０１０５】
協調プロトコルとしてプロトコルIIIを用い、ＩＥＥＥ８０２．１１ｎで規定される無線ＬＡＮに適用した場合においても、上述のように、ユニタリ行列Ａ２ＮＴｓに基づいて、トレーニング信号を各サブパケットに割り当て、サブパケットＰ１とサブパケットＰ２とが相互に干渉する影響を反映したチャネル周波数応答の推定値を算出することができるので、チャネル周波数応答を推定する精度を向上させることができる。
【０１０６】
図８は、本発明の要部の構成を説明する図である。本発明は、データ信号の送信元である発信局と、当該データ信号の宛先である宛先局と、発信局から送信された当該データ信号を受信して当該宛先局へ転送する中継局とが、一つの無線チャネルを時分割して得られるタイムスロットの２つを使用して当該データ信号の送受信を行う無線通信システムにおけるチャネル推定の精度を向上させるものである。
同図において、発信局がスロット１で送信するサブパケットＰ１、及びスロット２で送信するサブパケットＰ２それぞれに配置するトレーニング信号の構成が示されている。発信局が備えるアンテナ数をＮＴｓとしたとき、［２ＮＴｓ×２ＮＴｓ］のユニタリ行列を予め定め、当該ユニタリ行列の［ＮＴｓ×２ＮＴｓ］の部分行列を各サブパケットにトレーニング信号として配置することにより、トレーニング信号の直交性を維持する。宛先局において、チャネル推定部は、トレーニング信号自体の直交性を利用して、発信局から送信されたパケットと、中継局から送信されたパケットとが相互干渉した状態の受信信号からチャネル周波数応答の推定値を算出することにより、推定値の精度を向上させることができる。
【０１０７】
本発明に係る第１及び第２実施形態の無線通信システムでは、発信局において、直交トレーニング配置部１１３が、自局に備えられているアンテナの本数ＮＴｓに応じて、予め定められる［２ＮＴｓ×２ＮＴｓ］のユニタリ行列Ａ２ＮＴｓに基づいて生成されたトレーニング信号を、スロット１で送信するサブパケットＰ１及びスロット２で送信するサブパケットＰ２に配置する。
宛先局では、スロット２において、ベースバンド変換部１３１が、発信局から受信するサブパケットＰ２と、中継局から受信するサブパケットＰ１とを受信する。また、チャネル推定部１３３が、サブパケットＰ１及びサブパケットＰ２に含まれるトレーニング信号に基づいて、自局と発信局との間のチャネル周波数応答の推定値と、中継局を介した自局と発信局との間のチャネル周波数応答（合成チャネル周波数応答）の推定値とを算出する。また、データ復調部１３４が、チャネル推定部１３３が算出した推定値に基づいて、スロット２において受信した信号からサブパケットＰ１及びサブパケットＰ２を分離し、分離したサブパケットＰ１及びサブパケットＰ２に含まれるデータを復調する。
【０１０８】
ユニタリ行列Ａ２ＮＴｓの各行の要素をトレーニング信号として各サブパケットに順に配置しているので、各トレーニング信号の直交性を維持することができるので、スロット２において、宛先局が各トレーニング信号を合成した信号を受信しても、ユニタリ行列Ａ２ＮＴｓ（トレーニング信号のレプリカ信号）の逆行列Ａ２ＮＴｓ−１を用いた演算により、チャネル周波数応答の推定値を算出することができる。このとき、宛先局が自局と発信局及び中継局との間のチャネル全てを通じてトレーニング信号を同時に受信するので、チャネル推定部１３３は、各チャネル間においる信号が相互に干渉する影響が反映された推定値を算出することができ、推定精度を改善させることができる。
その結果、宛先局において、サブパケットＰ１及びサブパケットＰ２の分離、及び各サブパケットに含まれるデータの復調の精度を向上させることができ、受信時の誤りによる再送を低減させて、無線通信システムのスループットを向上させることができる。
【０１０９】
ところで、図１１において示したように、トレーニング信号を受信するタイミングが重複しないようにトレーニング信号を配置してトレーニング信号の直交性を維持する場合、トレーニング信号を配置しない各領域の送信電力を０（零）にすることになる。この場合、宛先局では、トレーニング信号が送信されていない無信号状態と、トレーニング信号が送信されているときとの電力格差の問題が生じる。
具体的には、宛先局が実際にデータを受信する際、宛先局は、自局と発信局との間の各チャネルを通じて自局に到達する信号を合成した信号を受信する。これに対して、トレーニング信号を受信する際、宛先局は、自局と発信局との間のいずれかのチャネルを通じて自局に到達するトレーニング信号を受信する。これにより、データを受信する際の受信電力と、トレーニング信号を受信する際の受信電力とに差（電力格差）が生じてしまい、チャネル推定に誤差が生じてしまうという問題があった。また、実際には、送信電力を０（零）にすることができず、トレーニング信号にノイズが含まれてしまうという問題もあった。
本発明に係る第１及び第２実施形態の無線通信システムでは、図３、図５、図６、及ぶ図７に示したように、宛先局がトレーニング信号を受信する際、宛先局と発信局との間の各チャネルを通じて宛先局に到達する各トレーニング信号を合成した信号を受信するようにしているので、上述の電力格差を生じさせることなく、チャネル周波数応答の推定精度を向上させることができる。
【０１１０】
なお、上記の第１及び第２実施形態では、中継局伝送プロトコルとしてＡＦ法を適用した場合について説明したが、これに限ることなく、中継局伝送プロトコルにＤＦ（Decode-and-Forward）法や、ＣＦ（Compress-and-Forward）法などを適用してもよい。ＤＦ法を適用する場合、中継局は、受信した信号から情報ビット列を宛先局と同様に復元し、復元した情報ビット列を発信局と同様に送信する。すなわち、中継局は送信部２１７及び受信部２３６を備えるようにしてもよい。このとき、中継局において、各サブパケットに配置するトレーニング信号は、上述したようにユニタリ行列Ａ２ＮＴｓの要素に基づいた信号を用いて、各トレーニング信号の直交性を維持するようにする。
【０１１１】
また、第２実施形態の無線通信システム２において、例えば、協調プロトコルにプロトコルＩを適用し、中継局伝送プロトコルに選択ＤＦ法を適用した場合、宛先局２３のチャネル推定部１３３の処理は、以下のようになる。
選択ＤＦ法では、中継局２２は、受信ＳＮＲ（Signal-Noise Ratio；信号対雑音比）が予め定めたしきい値以下の場合や、受信したパケットを正しく復号できない場合、受信した信号を宛先局２３に中継（フォワード）しない。ここでは、中継局２２がフォワードをする場合と、フォワードをしない場合とに分けて、宛先局２３のチャネル推定部１３３における処理について説明する。
【０１１２】
[中継局２２がフォワードする場合]
上記の第２実施形態において説明したように、式（１４）を用いて、各チャネル周波数応答の推定値を算出する。
【０１１３】
[中継局２２がフォワードしない場合]
宛先局２３における受信信号Ｙｄ１、Ｙｄ２は、次式（２１）で表される。
【０１１４】
【数２１】
【０１１５】
チャネル推定部１３３は、式（１４）と同様に、受信信号Ｙｄ１、Ｙｄ２と逆行列Ｃ−１Ａ２ＮＴｓＨとの積を算出することにより、チャネル周波数応答Ｈ１１、Ｈ２２の推定値を算出することができる。このとき、チャネル推定部１３３は、次式（２２）で表される演算を行う。
【０１１６】
【数２２】
【０１１７】
このように、チャネル推定部１３３は、中継局伝送プロトコルに選択ＤＦ法を適用した場合においても、ＡＦ法を適用した場合と同様に、チャネル周波数応答の推定値を算出することができる。
【０１１８】
また、第２実施形態の無線通信システム２において、協調プロトコルにプロトコルIIIを適用し、中継局伝送プロトコルに選択ＤＦ法を適用した場合におけるチャネル推定部１３３における処理は以下のようになる。
【０１１９】
[中継局２２がフォワードする場合]
上記の第２実施形態において説明したように、式（１８）を用いて、各チャネル周波数応答の推定値を算出する。
【０１２０】
[中継局２２がフォワードしない場合]
中継局２２がフォワードする場合と同様に、式（１８）を用いて、各チャネル周波数応答の推定値を算出する。
このように、チャネル推定部１３３は、中継局伝送プロトコルに選択ＤＦ法を適用した場合においても、ＡＦ法を適用した場合と同様に、チャネル周波数応答の推定値を算出することができる。
【０１２１】
なお、中継局２２がフォワードしない場合には、協調プロトコルにプロトコルＩを適用した場合において中継局２２がフォワードしないときの式（２１）同様に、チャネル周波数応答Ｈ２１を０として扱うことができる。この場合、宛先局２３における受信信号Ｙｄ２は、次式（２３）で表される。
【０１２２】
【数２３】
【０１２３】
ここで、式（２３）における行列Ａ２ＮＴｓ（ｈ）は、[２ＮＴｓ×２ＮＴｓ]のユニタリ行列Ａ２ＮＴｓのうち、サブパケットＰ２にトレーニング信号として配置した部分行列であり、例えば、第（ＮＴｓ＋１）行目から第２ＮＴｓ行目までユニタリ行列Ａ２ＮＴｓの部分行列である。中継局２２がフォワードしない場合、チャネル推定部１３３は、次式（２４）に示すように、受信信号Ｙｄ２と、擬似逆行列Ｃ−１Ａ２ＮＴｓ（ｈ）Ｈとの積を演算することにより、チャネル周波数応答の推定値を算出することができる。
【０１２４】
【数２４】
【０１２５】
このとき、宛先局２３は、中継局２２からフォワードをするか否かを示す制御信号を受信することにより、チャネル推定部１３３は、式（１８）に替えて、式（２４）を用いた演算をすることにより、演算量を削減することができる。
【０１２６】
また、上記の第１及び第２実施形態において、チャネル符号化部１１１は、宛先局（１３、２３）に伝送する情報ビット列が漏洩することを防ぐために、入力される情報ビット列に対して、所定のスクランブルコードを用いてスクランブルを行うようにしてもよい。また、チャネル符号化部１１１は、マルチパス波による影響を軽減するために、巡回シフトディレイ（Cyclic Shift Delay；ＣＳＤ）を追加するようにしてもよい。
また、上記の第１及び第２実施形態において、マルチキャリアシステムとしてＯＦＤＭ変調を用いた場合について説明したが、これに限ることなく、直交周波数分割多元接続（Orthogonal Frequency Division Multiple Access；ＯＦＤＭＡ）システムや、マルチキャリア符号分割多元接続（Multi Carrier-Code Division Multiple Access；ＭＣ−ＣＤＭＡ）を用いるようにしてもよい。
【０１２７】
また、上記の第１及び第２実施形態において、［２ＮＴｓ×２ＮＴｓ］のユニタリ行列の第１行から第ＮＴｓ行までの部分行列をサブパケットＰ１に割り当て、第（ＮＴｓ＋１）行から第２ＮＴｓ行までの部分行列をサブパケットＰ２に割り当てる構成について説明したが、これに限らずともよい。［２ＮＴｓ×２ＮＴｓ］のユニタリ行列の２ＮＴｓ行うち任意のＮＴｓ行からなる部分行列をサブパケットＰ１に割り当て、サブパケットＰ１に割り当てた行以外のＮＴｓ行からなる部分行列をサブパケットＰ２に割り当てるようにしてもよい。
また、上記の第２実施形態において、送信アンテナ及び受信アンテナが２本ずつのＭＩＭＯ構成について説明したが、これに限ることなく、送信アンテナ及び受信アンテナそれぞれを３本以上にしてもよい。
【符号の説明】
【０１２８】
１，２，９…無線通信システム
１１，２１，９１…発信局
１２，２２，９２…中継局
１３，２３，９３…宛先局
１１１…チャネル符号化部
１１２…データ変調部
１１３…直交トレーニング配置部
１１４…周波数−時間変換部
１１５…パスバンド変換部
１３１…ベースバンド変換部
１３２…時間−周波数変換部
１３３…チャネル推定部
１３４…データ復調部
１３５…チャネル復号部
２１６…直並列変換部
２１７，２１７−１，２１７−２…送信部
２３６，２３６−１，２３６−２…受信部
２３７…並直列変換部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、無線通信システム、及び無線通信方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、発信局と宛先局以外の無線局に協調中継伝送を行わせる事で通信特性を向上させる協調通信方式が注目を集めている。このため、協調中継伝送については、多くの研究がなされている。協調中継伝送における通信方式のシステムモデルは、主に中継局伝送プロトコル、協調システム構成、協調プロトコルの三要素により決定づけられる。
【０００３】
中継局伝送プロトコルとは、中継局が発信局から受信した信号に対してどのような信号処理を行い、宛先局へ伝送するかを示すものである。中継局伝送プロトコルの最も基本的なものはＤＦ（Decode-and-Forward）法と、ＡＦ（Amplify-and-Forward）法との二つである。ＤＦ法は、中継局が受信した信号を復調、復号をする再生を行ってから、再生した信号に対して符号化、変調をして宛先局に伝送する手法である。ＡＦ法は、中継局が受信した信号を増幅し、増幅した信号を中継局に伝送する手法である。
【０００４】
また、協調システム構成は、協調通信方式を用いた無線通信システムを構成する発信局、中継局、及び宛先局としての通信装置の個数と、当該無線通信システム内において行われる協調中継ホップ数を示すものである。例えば、協調通信方式を用いた無線通信システムの最も単純な構成は、発信局（Source；Ｓ）と、発信局が送信した信号を中継する中継局（Relay；Ｒ）と、宛先局（Destination；Ｄ）とを具備する１−Ｒｅｌａｙ２−ＨＯＰ（１Ｒ２Ｈ）構成である。
１Ｒ２Ｈ構成では、一般に、発信局から中継局への送受信と、中継局から宛先局への送受信とに対して、無線資源（時間及び周波数）の１スロットを割り当てるため、無線通信システム全体における、送受信における１周期を２スロットとすることが多い。
【０００５】
また、協調プロトコルとは、無線通信システムの１周期における各通信装置（発信局、中継局、及び宛先局）間における送受信関係の組合せを示すものである。
図９は、１Ｒ２Ｈ構成を有する無線通信システム９における協調プロトコルの一例を示す図である。同図に示すように、無線通信システム９は、発信局９１と、中継局９２と、宛先局９３とを具備する。発信局９１と中継局９２と宛先局９３とは、ＯＦＤＭ変調を用いた無線通信を行い、無線通信システム９の１周期は、スロット１とスロット２との２つのスロットに分けられている。
【０００６】
スロット１において、発信局９１が中継局９２及び宛先局９３へのブロードキャスト送信を行い、スロット２において、発信局９１及び中継局９２が宛先局９３へ同時送信をする。このとき、中継局９２は、スロット１で受信したサブパケットＰ１の増幅などを行うために、スロット２でサブパケットＰ１を送信するまでに処理時間Ｄｒを要する。また、発信局９１は、スロット２において、サブパケットＰ２を送信するタイミングを、中継局９２がサブパケットＰ１を送信するタイミングと合わせるために、待機時間Ｄｓ経過した後に、送信を行う。待機時間Ｄｓは、処理時間Ｄｒに応じて予め定められる。
宛先局９３は、スロット１において、発信局９１が送信する一種類の信号（サブパケットＰ１）を受信し、スロット２において、発信局９１が送信する信号（サブパケットＰ２）と、中継局９２が送信する信号（サブパケットＰ２）との二種類の信号が合成された信号を受信する。
図９に示す協調プロトコルは、プロトコルＩ、又はＭＩＭＯ（Multiple-Input Multiple-Output）型と呼ばれている（非特許文献１）。
【０００７】
図１０は、１Ｒ２Ｈ構成を有する無線通信システム９における協調プロトコルの他の例を示す図である。同図に示すように、スロット１において、発信局９１が中継局９２にサブパケットＰ１を送信し、スロット２において、発信局９１及び中継局９２が宛先局９３へ同時送信する。宛先局９３は、スロット２において、発信局９１が送信するサブパケットＰ１と、中継局９２が送信するサブパケットＰ２との二種類のサブパケットが合成された信号を受信する。スロット１において、宛先局９３が発信局９１から送信されたサブパケットＰ１に対して受信の処理を行わない点が、図９において示したプロトコルＩと異なる。
図１０に示す協調プロトコルは、プロトコルIII、又はＭＩＳＯ（Multiple-Input Single-Output）型と呼ばれている。
【０００８】
以下、無線通信システム９において、協調プロトコルとしてプロトコルＩ、又はプロトコルIIIを適用した場合の発信局９１、中継局９２、及び宛先局９３の送受信関係を周波数領域で説明する。
【０００９】
（プロトコルＩ）
協調プロトコルとしてプロトコルＩを適用した場合、スロット１において、発信局９１が中継局９２及び宛先局９３に対してサブパケットＰ１をブロードキャスト送信する。このとき、宛先局９３が受信する受信信号Ｙｄ１は、周波数領域において、次式（１）として表される。
【００１０】
【数１】
【００１１】
ここで、受信信号Ｙｄ１は［ＮＲｄ×１］のベクトルであり、Ｐｓ１はスロット１における発信局９１の送信電力である。行列Ｈｓｄは発信局９１と宛先局９３との間におけるチャネル周波数応答（Channel Frequency Response；ＣＦＲ）を要素とする［ＮＲｄ×ＮＴｓ］のチャネル周波数応答行列である。Ｘ１は、サブパケットＰ１に対応する送信信号である。Ｗｄ１は宛先局９３におけるスロット１での付加白色ガウス雑音（Additive White Gaussian Noise；ＡＷＧＮ）の周波数領域表現を要素とする［ＮＲｄ×１］のベクトルである。ここで、ＮＴｓは発信局９１が有する送信アンテナの数であり、ＮＴｒは中継局９２が有する送信アンテナの数であり、ＮＲｒは中継局９２が有する受信アンテナの数であり、ＮＲｄは宛先局９３が有する受信アンテナの数である。
また、スロット１における中継局９２が受信する受信信号Ｙｒ１は、次式（２）として表される。
【００１２】
【数２】
【００１３】
ここで、受信信号Ｙｒ１は［ＮＲｒ×１］のベクトルであり、Ｈｓｒは発信局９１と中継局９２との間におけるチャネル周波数応答を要素とする［ＮＲｒ×ＮＴｓ］のチャネル周波数応答行列である。Ｗｒ１は中継局９２におけるスロット１での付加白色ガウス雑音の周波数領域表現を要素とする［ＮＲｒ×１］のベクトルである。ここで、ＮＲｒは中継局９２が有するアンテナの数である。
【００１４】
中継局９２は、スロット１において受信した受信信号Ｙｒ１を増幅係数αｒで増幅し、増幅した受信信号をスロット２において宛先局９３に送信する。発信局９１は、送信信号Ｘ２（パケットＰ２）を宛先局９３に送信する。このとき、発信局９１と中継局９２とから送信信号が同時に送信されることと、受信時の付加雑音の存在を考慮すると、スロット２における宛先局９３が受信する受信信号Ｙｄ２は、次式（３）で表される。増幅係数αｒは、［ＮＲｒ×ＮＴｒ］の行列であり、中継局９２が受信信号Ｙｒ１を増幅する特性に応じて定められる。
【００１５】
【数３】
【００１６】
ここで、受信信号Ｙｄ２は［ＮＲｄ×１］のベクトルであり、Ｐｒ２はスロット２における中継局９２の送信電力であり、Ｐｓ２はスロットにおける発信局９１の送信電力である。行列Ｈｒｄは中継局９２と宛先局９３におけるチャネル周波数応答を要素とする［ＮＲｄ×ＮＴｒ］のチャネル周波数応答行列である。Ｗ’ｄ２は宛先局９３におけるスロット２での付加白色ガウス雑音の周波数領域表現を要素とする［ＮＲｄ×１］のベクトルである。
式（１）と式（３）とをまとめると、式（４）と表すことができる。
【００１７】
【数４】
【００１８】
ここで、中継局伝送プロトコルにＡＦ法を用いた場合、式（４）における行列Ｈ１１、Ｈ２１、及びＨ２２は、それぞれが次式（５−１）〜（５−３）として表される。
【００１９】
【数５】
【００２０】
また、中継局伝送プロトコルにＤＦ法を用いた場合、式（４）における行列Ｈ１１、Ｈ２１、及びＨ２２は、それぞれが次式（６−１）〜（６−３）として表される。
【００２１】
【数６】
【００２２】
このとき、宛先局９３において、チャネル周波数応答を示す行列Ｈ１１、Ｈ２１、Ｈ２２の推定値を算出できれば、算出した行列Ｈ１１、Ｈ２１、Ｈ２２の推定値を用いて、スロット２で受信した受信信号Ｙｄ２に含まれる送信信号Ｘ１及びＸ２を分離し、送信信号Ｘ１及びＸ２の復調、復号を行うことができる。
【００２３】
（プロトコルIII）
協調プロトコルにプロトコルＩを適用した場合、プロトコルＩと異なり、宛先局９３は、発信局９１が送信する信号Ｘ１（サブパケットＰ１）を受信しない。ゆえに、プロトコルIIIでは、上記の式（１）で表される受信信号Ｙｄ１が存在せず、宛先局９３がスロット２において受信する受信信号Ｙｄ２は、次式（７）により表される。
【００２４】
【数７】
【００２５】
このとき、宛先局９３において、行列Ｈ２１、Ｈ２２の推定値を算出できれば、スロット２で受信した受信信号Ｙｄ２に含まれる送信信号Ｘ１及びＸ２を分離して、送信信号Ｘ１及びＸ２の復調、復号を行うことができる。
【００２６】
続いて、無線通信システム９において、協調プロトコルとしてプロトコルＩ、又はプロトコルIIIを適用した場合のチャネル推定について説明する。
【００２７】
（プロトコルＩ）
宛先局９３は、発信局９１が送信する送信信号Ｘ１が既知の信号（トレーニング信号）である場合、式（１）に基づいて、チャネル周波数応答行列Ｈ１１を推定することができる。しかし、スロット２では、発信局９１が送信する送信信号Ｘ２が既知の信号（トレーニング信号）であったとしても、発信局９１と中継局９２とが送信を行うので、それぞれから送信される送信信号Ｘ１及びＸ２が相互に干渉してしまう。そのため、宛先局９３は、受信する送信信号Ｘ１及びＸ２に基づいて、チャネル周波数応答行列Ｈ２１及びＨ２２を適切に推定することができない。
【００２８】
（プロトコルIII）
プロトコルIIIでは、宛先局９３は、スロット１において受信する信号を処理せず、スロット２において受信する受信信号Ｙｄ２は式（７）で表される。したがって、スロット２では、プロトコルＩを用いた場合と同様に、発信局９１が送信する送信信号Ｘ２と、中継局９２が送信する送信信号Ｘ１とがともに既知の信号（トレーニング信号）であったとしても、送信信号Ｘ１及びＸ２が相互に干渉してしまう。そのため、宛先局９３は、受信する送信信号Ｘ１及びＸ２に基づいて、チャネル周波数応答行列Ｈ２１及びＨ２２を適切に推定することができない。
【００２９】
そこで、非特許文献２では、単数アンテナ（Single-Input Single-Output；ＳＩＳＯ）構成を用いた協調通信方式を適用したシステムにおいて、相互干渉を回避する手法の検討がなされている。この手法は、発信局９１と宛先局９３との間におけるチャネル周波数応答を推定する期間において、中継局９２と宛先局９３との間におけるチャネル周波数応答を推定するための信号（トレーニング信号）を送信しないようにする、というものである。すなわち、非特許文献２の手法では、トレーニング信号の直交性を保つために、各トレーニング信号を異なる期間で送信する。
【００３０】
図１１は、複数アンテナ（ＭＩＭＯ）構成におけるトレーニング信号の配置の一例を示す概略図である。同図に示す例は、非特許文献２の手法を複数アンテナ構成に適用した場合の例であり、発信局９１が２つの送信アンテナを有する場合を示している（ＮＴｓ＝２）。また、パケットを構成するサブパケットＰ１及びサブパケットＰ２において、トレーニング信号を配置する４ＯＦＤＭシンボル分の領域を４つに分け、各領域を時間順にＬ１〜Ｌ８としている。
【００３１】
サブパケットＰ１の領域Ｌ１においてアンテナ１にトレーニング信号Ｃを割り当て、領域Ｌ２においてアンテナ２にトレーニング信号Ｃを割り当てる。また、サブパケットＰ２の領域Ｌ７においてアンテナ１にトレーニング信号Ｃを割り当て、領域Ｌ８においてアンテナ２にトレーニング信号Ｃを割り当てる。このようなトレーニング信号の配置は、スキャッタード型と呼ばれる。発信局９１及び中継局９２がスロット２においてトレーニング信号Ｃを異なるタイミングで送信することにより、宛先局９３が受信する各トレーニング信号Ｃの直交性を確保している。このとき、トレーニング信号Ｃは、すべてのサブキャリアに対して割り当てられる。
【００３２】
このように、トレーニング信号の構成は、各要素がＣとなる対角行列として表すことができる。発信局９１のアンテナの数が２つの場合（ＮＴｓ＝２）、トレーニング信号の構成は、図１１に示すように、４行４列の対角行列として表すことができる。図１１に示す例において、対角行列の第１行目及び第３行目の要素は、送信局（発信局９１及び中継局９２）が有するアンテナ１から送信されるトレーニング信号であり、第２行目及び第４行目の要素は、送信局が有するアンテナ２から送信されるトレーニング信号である。また、第１列目から第４列目の要素は、それぞれが領域Ｌ１〜Ｌ８で送信されるトレーニング信号として割り当てられている。すなわち、図１１において、「Ｃ」が記されていない領域Ｌ１〜Ｌ８の領域には、トレーニング信号を割り当てない。
【００３３】
このようなトレーニング信号Ｃの割り当てを行うことにより、スロット２において、領域Ｌ１、Ｌ２では中継局９２が有するアンテナ１、２からトレーニング信号Ｃが送信され、領域Ｌ７、Ｌ８では発信局９１が有するアンテナ１、２からトレーニング信号Ｃが重複することなく送信される。これにより、トレーニング信号Ｃの相互干渉が生じることを防ぎ、トレーニング信号Ｃの直交性を維持することができる。このとき、受信局（中継局９２及び宛先局９３）は、受信したトレーニング信号Ｃと、受信局に予め記憶されているトレーニング信号Ｃとに基づいて、チャネル推定を行うことができる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００３４】
【非特許文献１】R. U. Nabar, H. Bolcskei, and F.W. Kneubuhler, “Fading relay channels: Performance limits and space-time signal design,” IEEE J. Sel. Areas Commun., vol. 22, no. 6, pp. 1099-1109, Jun. 2004.
【非特許文献２】Z. Zhao, et al, “Application of Cooperative Diversity in 802.11a Ad-hoc Networks,” ICCCN’07, 1016-1021, Aug. 2007.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００３５】
しかしながら、上述のように配置されたトレーニング信号Ｃに基づいて推定されたチャネル周波数応答には、スロット２における発信局９１から送信されるサブパケットＰ２のデータと、中継局９２から送信されるサブパケットＰ１のデータとが相互に干渉する影響が反映されていない。そのため、トレーニング信号に基づいて得られるチャネル周波数応答の推定値と、各サブパケットに含まれるデータに対するチャネル周波数応答とに差が生じてしまう。推定値にこのような差が生じてしまうと、受信信号から各サブパケットに含まれるデータを分離する際の精度が低くなり、データを正しく復調、復号できなくなることがある。このように、上述のように配置されたトレーニング信号Ｃを用いたチャネル周波数応答の推定には、改善の余地がある。
【００３６】
本発明は、このような事情を考慮してなされたものであり、協調通信方式を用いた伝送において、チャネル周波数応答の推定精度を向上させる無線通信システム、及び無線通信方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００３７】
上記問題を解決するために、本発明は、一つの無線チャネルを時分割して得られる第１スロット及び第２スロットにおいてデータ信号を含むパケットを送信する発信局と、前記パケットの宛先である宛先局と、前記発信局が第１スロットにおいて送信したパケットを受信し、受信したパケットを第２スロットにおいて前記宛先局へ送信する転送を行う中継局とを具備する無線通信システムであって、前記発信局は、自局に備えられているアンテナの本数に応じて行数及び列数が定められるユニタリ行列に基づいて生成されたトレーニング信号を、前記第１スロットで送信されるパケット及び前記第２スロットで送信されるパケットに配置するトレーニング配置部を備え、前記宛先局は、第２スロットにおいて、前記発信局が送信した前記パケットと、前記中継局が転送した前記パケットとを受信し、受信したパケットそれぞれに含まれるトレーニング信号に基づいて、前記発信局と自局との間のチャネル周波数応答の推定値と、前記中継局を介した前記発信局と自局との間のチャネル周波数応答の推定値を算出するチャネル推定部と、前記チャネル推定部が算出した推定値に基づいて、第２スロットにおいて受信した信号から、前記発信局が送信した前記パケットと、前記中継局が転送した前記パケットとを分離し、分離したパケットに含まれるデータ信号を復調するデータ復調部とを備えることを特徴とする無線通信システムである。
【００３８】
また、本発明は、上記に記載の発明において、前記ユニタリ行列は、前記発信局に備えられているアンテナの本数がＮ本の場合、２Ｎ次の正方行列であり、前記トレーニング配置部は、前記ユニタリ行列を２つのＮ行２Ｎ列の部分行列に分割し、一方の部分行列の各行の要素をトレーニング信号として各アンテナに対応させて第１スロットに配置し、他方の部分行列の各行の要素をトレーニング信号として各アンテナに対応させて第２スロットに配置することを特徴とする。
また、本発明は、上記に記載の発明において、前記トレーニング配置部は、第１スロット及び第２スロットにおいて、前記トレーニング信号を配置する領域を２Ｎ個に分割し、前記分割された各領域に、前記部分行列の各列の要素を順に配置することを特徴とする。
また、本発明は、上記に記載の発明において、前記チャネル推定部は、第２スロットにおいて、受信した２つの前記パケットに含まれるトレーニング信号と、予め記憶している前記トレーニング信号のレプリカ信号とを用いて前記推定値を算出することを特徴とする。
【００３９】
また、本発明は、一つの無線チャネルを時分割して得られる第１スロット及び第２スロットにおいてデータ信号を含むパケットを送信する発信局と、前記パケットの宛先である宛先局と、前記発信局が第１スロットにおいて送信したパケットを受信し、受信したパケットを第２スロットにおいて前記宛先局へ送信する転送を行う中継局とを具備する無線通信システムにおける無線通信方法であって、前記発信局が、自局に備えられているアンテナの本数Ｎに応じて行数及び列数が定められるユニタリ行列に基づいて生成されたトレーニング信号を、前記第１スロットで送信されるパケット及び前記第２スロットで送信されるパケットに配置するトレーニング配置ステップと、前記宛先局が、第２スロットにおいて、前記発信局が送信した前記パケットと、前記中継局が転送した前記パケットとを受信し、受信したパケットそれぞれに含まれるトレーニング信号に基づいて、前記発信局と自局との間のチャネル周波数応答の推定値と、前記中継局を介した前記発信局と自局との間のチャネル周波数応答の推定値を算出するチャネル推定ステップと、前記宛先局が、前記チャネル推定ステップにおいて算出した推定値に基づいて、第２スロットにおいて受信した信号から、前記発信局が送信した前記パケットと、前記中継局が転送した前記パケットとを分離し、分離したパケットに含まれるデータ信号を復調するデータ復調ステップとを有することを特徴とする無線通信方法である。
【発明の効果】
【００４０】
この発明によれば、第２スロットにおいて、発信局から受信するパケットに含まれるトレーニング信号と、中継局から受信するパケットに含まれるトレーニング信号とは、ユニタリ行列に基づいて生成されているため直交性が保たれているので、チャネル推定部は、第２スロットにおいて発信局及び中継局から受信したトレーニング信号に対して、トレーニング信号を生成する際に用いたユニタリ行列の逆行列を用いた演算を行うことにより、チャネル周波数応答の推定値を算出することができる。このように、トレーニング信号自体の直交性を利用して、発信局から送信されたパケットと、中継局から送信されたパケットとが相互干渉した状態の受信信号からチャネル周波数応答の推定値を算出することにより、推定値の精度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】第１実施形態における無線通信システム１の構成を示す概略ブロック図である。
【図２】同実施形態における発信局１１の情報ビット列を送信する処理と、宛先局１３の情報ビット列を復元する処理とのフローチャートである。
【図３】同実施形態におけるトレーニング信号の割当ての一例を示す概略図である。
【図４】第２実施形態における無線通信システム２の構成を示す概略ブロック図である。
【図５】同実施形態におけるトレーニング信号の割当ての一例を示す概略図である。
【図６】同実施形態において、４×４のＩＥＥＥ８０２．１１ｎのＨＴ−ＬＴＦを利用した場合の一例を示す概略図である。
【図７】同実施形態において、４×４のＩＥＥＥ８０２．１１ｎのＨＴ−ＬＴＦを利用した場合の一例を示す概略図である。
【図８】本発明の要部の構成を説明する図である。
【図９】１Ｒ２Ｈ構成を有する無線通信システム９における協調プロトコルの一例を示す図である。
【図１０】１Ｒ２Ｈ構成を有する無線通信システム９における協調プロトコルの他の例を示す図である。
【図１１】複数アンテナ（ＭＩＭＯ）構成におけるトレーニング信号の配置の一例を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００４２】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態における無線通信システム、及び無線通信方法を説明する。
【００４３】
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態における無線通信システム１の構成を示す概略ブロック図である。同図に示すように、無線通信システム１は、通信装置としての発信局１１と中継局１２と宛先局１３とを具備し、協調通信方式を用いた１Ｒ２Ｈ（1-Relay2-Hop）の構成を有する。無線通信システム１では、発信局１１から中継局１２への送受信と、発信局１１及び中継局１２から宛先局１３への送受信とそれぞれに対して、無線資源（時間及び周波数）の１スロットが割り当てられ、２スロット（スロット１及びスロット２）を１周期として無線通信が行われる。
【００４４】
また、各局がＯＦＤＭ変調を用いた無線通信を行う。発信局１１は宛先局１３に伝送する情報ビット列を送信し、中継局１２は発信局１１から受信した情報ビット列を宛先局１３に送信する中継を行い、宛先局１３は発信局１１及び中継局１２から情報ビット列を受信する。以下、中継局伝送プロトコルとしてＡＦ法を適用し、発信局１１及び中継局１２が有する送信アンテナは１つであり、中継局１２及び宛先局１３が有する受信アンテナが１つである場合（ＮＴｓ＝ＮＴｒ＝１、ＮＲｒ＝ＮＲｄ＝１）、すなわち、単数アンテナ（ＳＡ）システムの場合について説明する。
【００４５】
発信局１１は、チャネル符号化部１１１と、データ変調部１１２と、直交トレーニング配置部１１３と、周波数−時間変換部１１４と、パスバンド変換部１１５を備えている。
チャネル符号化部１１１には、宛先局１３に送信する情報ビット列（情報ビットストリーム）が入力される。チャネル符号化部１１１は、入力された情報ビット列に対して誤り訂正符号化を行い符号化ビットに変換し、得られた符号化ビットを出力する。
【００４６】
データ変調部１１２は、予め定められた変換の規則を用いて、チャネル符号化部１１１が出力する符号化ビットをコンスタレーションマッピングして複素ＱＡＭ（Quadrature Amplitude Modulation）シンボルに変換する。このとき、データ変調部１１２は、変換した複素ＱＡＭを各サブキャリアに対応付ける。このとき、各サブキャリアに対応付けられた複素ＱＡＭシンボルを全体として周波数領域複素シンボルという。また、データ変調部１１２は、スロットの数に応じて、変換により得られた周波数領域複素シンボルを分割する。ここでは、周波数領域複素シンボルをスロット１及びスロット２に対応させて２つのストリームに分割する。
【００４７】
また、データ変調部１１２は、ストリームに分けられた周波数領域複素シンボルそれぞれに対してＫ個のシンボルを一単位としてブロック化し、ブロックごとに逆離散フーリエ変換（Inverse Discrete Fourier Transform；ＩＤＦＴ）を施す。ここで、スロット１に対応するブロックを構成する周波数領域複素シンボルの値を要素とする［ＮＴｓ×１］のベクトルを周波数領域複素シンボルベクトルＸ１とし、スロット２に対応するブロックを構成する周波数領域複素シンボルの値を要素とする［ＮＴｓ×１］のベクトルを周波数領域複素シンボルベクトルＸ２とする。更に、データ変調部１１２は、ＩＤＦＴを施した周波数領域複素シンボルベクトルＸ１、Ｘ２に対して、ガードインターバル（Guard Interval；ＧＩ）を付加して出力する。このとき、データ変調部１１２は、スロット１において送信するサブパケットＰ１に周波数領域複素シンボルベクトルＸ１を割り当て、スロット２において送信するパケットに周波数領域複素シンボルベクトルＸ２を割り当てる。
【００４８】
直交トレーニング配置部１１３には、データ変調部１１２からスロット１及びスロット２に対応するパケットが入力される。直交トレーニング配置部１１３は、各パケットにトレーニング信号を割当て出力する。このトレーニング信号は、ユニタリ行列に基づいて予め定められた既知の信号である。トレーニング信号は、情報ビット列と同様に、各サブキャリアに割り当てられ、ＯＦＤＭ変調されて送信される。各サブキャリア上に配置されたトレーニング信号を周波数領域トレーニング信号という。この周波数領域トレーニング信号の周波数領域複素シンボル値をＣとする。
【００４９】
また、直交トレーニング配置部１１３は、情報ビット列に対応する周波数領域複素シンボルＸ１、Ｘ２と同様に、周波数領域複素シンボルＣに対してＩＤＦＴを施した後に、ガードインターバルを付加する。また、直交トレーニング配置部１１３は、複数のトレーニング信号をスロットごとに割り当て、スロット１で送信するサブパケットＰ１と、スロット２で送信するサブパケットＰ２とを生成する。サブパケットＰ１及びＰ２には、例えば、トレーニング信号と、データ（周波数領域複素シンボルベクトルＸ１、Ｘ２）とが時間軸上で分けて配置される。すなわち、スロット１に割り当てられたデータと、スロット１に割り当てられたトレーニング信号とを連結したものをサブパケットＰ１とする。また、スロット２に割り当てられたデータと、スロット２に割り当てられたトレーニング信号とを連結したものをサブパケットＰ２とする。
【００５０】
周波数−時間変換部１１４は、直交トレーニング配置部１１３が生成するサブパケットＰ１及びサブパケットＰ２それぞれに対して、ＩＤＦＴを用いて周波数領域の信号から時間領域の信号へ変換し、変換したサブパケットＰ１と、変換したサブパケットＰ２とを含むパケットを出力する。
パスバンド変換部１１５は、周波数−時間変換部１１４が出力するパケットをベースバンドからパスバンド（搬送波の周波数帯域）に変換する。また、パスバンド変換部１１５は、接続されているアンテナを介して、変換したパケットのうち、スロット１においてサブパケットＰ１を送信し、スロット２においてサブパケットＰ２を送信する。このとき、パスバンド変換部１１５は、サブパケットＰ１を送信してから、待機時間Ｄｓ経過した後に、サブパケットＰ２を送信する。ここで、待機時間Ｄｓは、中継局１２における中継の処理に要する処理時間Ｄｒに応じて定められる。パスバンド変換部１１５が、時間Ｄｓ経過した後にサブパケットＰ２を送信することにより、宛先局１３において、中継局１２からのサブパケットＰ１と、サブパケットＰ２とが受信されるタイミングをそろえる。なお、伝搬経路等による時間のずれは、ガードインターバルにより補償される。
【００５１】
宛先局１３は、ベースバンド変換部１３１と、時間−周波数変換部１３２と、チャネル推定部１３３と、データ復調部１３４と、チャネル復号部１３５とを備えている。
ベースバンド変換部１３１は、接続されているアンテナを介して、発信局１１及び中継局１２から送信された信号を受信し、受信した信号をパスバンドからベースバンドに変換し、変換した信号を時間−周波数変換部１３２に出力する。
時間−周波数変換部１３２は、ベースバンド変換部１３１から入力される信号に対して、ガードインターバルの除去と、ＤＦＴ（Discrete Fourier Transform；離散フーリエ変換）を用いた時間領域の信号から周波数領域の信号への変換とを行い、チャネル推定部１３３に出力する。
【００５２】
チャネル推定部１３３は、直交トレーニング配置部１１３が配置するトレーニング信号の基になるユニタリ行列（レプリカ信号）を予め記憶しており、当該レプリカ信号と、時間−周波数変換部１３２から入力される信号とに基づいて、自局と発信局１１との間のチャネル周波数応答と、中継局１２を介した自局と発信局１１との間のチャネル周波数応答とを推定する。
データ復調部１３４は、チャネル推定部１３３が推定したチャネル周波数応答に基づいて、時間−周波数変換部１３２が変換した信号に含まれるパケットの分離と、チャネル等化を行う。また、データ復調部１３４は、分離したパケットそれぞれに対して、周波数領域複素シンボルを検出し、各符号化ビットに対応する検出値（軟判定値）をチャネル復号部１３５に出力する。
チャネル復号部１３５は、データ復調部１３４から入力される検出値に対して、チャネル復号化を行い、復号した情報ビット列を出力する。
【００５３】
図２は、本実施形態における発信局１１の情報ビット列を送信する処理と、宛先局１３の情報ビット列を復元する処理とのフローチャートである。
【００５４】
図２（ａ）は、発信局１１における送信の処理を示すフローチャートである。
発信局１１において、チャネル符号化部１１１に情報ビット列が入力されると、チャネル符号化部１１１が入力された情報ビット列に対して、予め定められた符号化率で誤り訂正符号化を行う（ステップＳ１０１）。
データ変調部１１２は、チャネル符号化部１１１が符号化した情報ビット列を変調し、スロット１において送信するサブパケットＰ１に割り当てる周波数領域複素シンボルベクトルＸ１と、スロット２において送信するサブパケットＰ２に割り当てる周波数領域複素シンボルベクトルＸ２とを生成する（ステップＳ１０２）。
【００５５】
直交トレーニング配置部１１３は、データ変調部１１２が生成した周波数領域複素シンボルベクトルＸ１及びＸ２と、予め定められたトレーニング信号と連結して、サブパケットＰ１及びサブパケットＰ２を出力する（ステップＳ１０３）。
周波数−時間変換部１１４は、直交トレーニング配置部１１３が出力するサブパケットＰ１及びサブパケットＰ２を時間領域の信号に変換する（ステップＳ１０４）。
パスバンド変換部１１５は、周波数−時間変換部１１４が変換した信号をパスバンドに変換し、アンテナを介して送信する（ステップＳ１０５）。
【００５６】
図２（ｂ）は、宛先局１３における受信の処理を示すフローチャートである。
ベースバンド変換部１３１は、アンテナを介して、発信局１１及び中継局１２から送信された信号を受信し、受信した信号をベースバンドに変換する（ステップＳ２０１）。
時間−周波数変換部１３２は、ベースバンド変換部１３１が変換した信号を周波数領域の信号に変換する（ステップＳ２０２）。
チャネル推定部１３３は、時間−周波数変換部１３２が変換した信号から、発信局１１と自局との間のチャネル周波数応答の推定値を算出する。また、チャネル推定部１３３は、発信局１１と中継局１２との間のチャネル周波数応答と、中継局１２と自局との間のチャネル周波数応答とを合成したチャネル周波数応答の推定値を算出する（ステップＳ２０３）。
【００５７】
データ復調部１３４は、チャネル推定部１３３が推定したチャネル周波数応答の推定値に基づいて、ベースバンド変換部１３１が変換した信号からサブパケットＰ１とサブパケットＰ２とを分離し、分離したサブパケットＰ１及びサブパケットＰ２に含まれるデータを復調して、それぞれの軟判定値を出力する（ステップＳ２０４）。
チャネル復号部１３５は、データ復調部１３４が出力した軟判定値を用いて、誤り訂正復号を行い、情報ビット列を復元して出力する（ステップＳ２０５）。
【００５８】
以下、本実施形態の無線通信システム１において、協調プロトコルとして、プロトコルＩを適用した場合と、プロトコルIIIを適用した場合とにおけるトレーニング信号の割当てについて説明する。
【００５９】
＜プロトコルＩを適用した場合＞
図３は、本実施形態におけるトレーニング信号の割当ての一例を示す概略図である。
直交トレーニング配置部１１３は、サブパケットＰ１におけるトレーニング信号を配置する領域に含まれる領域Ｌ１及び領域Ｌ２と、サブパケットＰ２におけるトレーニング信号を配置する領域に含まれる領域Ｌ３及び領域Ｌ４とに対して、次式（８）で表される行列の各要素に応じた信号を割り当てる。
【００６０】
【数８】
【００６１】
図３に示すように、直交トレーニング配置部１１３は、[２×２]（＝[２ＮＴｓ×２ＮＴｓ]，ＮＴｓ＝１）のユニタリ行列Ａ２を用いてＣＡ２で表される行列の各要素に応じた信号をトレーニング信号としてサブパケットＰ１及びサブパケットＰ２に割り当てる。ここで、Ｃは周波数領域複素シンボルである。
具体的には、行列ＣＡ２の第１行の要素がスロット１で送信されるトレーニング信号に対応し、第２行の要素がスロット２で送信されるトレーリング信号に対応している。また、行列ＣＡ２の第１列の要素がスロット１の領域Ｌ１及びスロット２の領域Ｌ３で送信されるトレーニング信号に対応し、第２列の要素がスロット１の領域Ｌ２及びスロット２の領域Ｌ４で送信されるトレーニング信号に対応している。
【００６２】
上述のように、直交トレーニング配置部１１３がトレーニング信号を各サブパケットに配置することにより、宛先局１３がスロット２において中継局１２から受信するサブパケットＰ１のトレーニング信号と、宛先局１３が発信局１１から受信するサブパケットＰ２のトレーニング信号との直交性を維持することができる。
このとき、宛先局１３において、時間−周波数変換部１３２がチャネル推定部１３３に出力する受信信号Ｙは、次式（９）として表される。
【００６３】
【数９】
【００６４】
ここで、Ｙｄ１１はスロット１における１番目のトレーニング信号（領域Ｌ１に配置された信号Ａ）に対応する受信信号であり、Ｙｄ１２はスロット１における２番目のトレーニング信号（領域Ｌ２に配置された信号Ｂ）に対応する受信信号であり、Ｙｄ２１はスロット２における１番目のトレーニング信号（領域Ｌ３に配置された信号Ａ’及び領域Ｌ１に配置された信号Ａ）に対応する受信信号であり、Ｙｄ２２はスロット２における２番目のトレーニング信号（領域Ｌ４に配置された信号Ｂ’及び領域Ｌ２に配置された信号Ｂ）に対応する受信信号である。
【００６５】
また、Ｈ１１はスロット１における発信局１１と宛先局１３との間のチャネル周波数応答である。Ｈ２１は、スロット１における発信局１１と中継局１２との間のチャネル周波数応答と、スロット２における中継局１２と宛先局１３との間のチャネル周波数応答とを合成したチャネル周波数応答である。Ｈ２２は、スロット２における発信局１１と宛先局１３との間のチャネル周波数応答である。
また、Ｗｄ１１、Ｗｄ１２はスロット１における熱雑音であり、Ｗｄ２１、Ｗｄ２２はスロット２における熱雑音である。Ｃは周波数領域複素シンボルの値である。
【００６６】
チャネル推定部１３３は、式（９）に対して、右からＣ−１Ａ２Ｈ（行列Ａ２Ｈは、行列Ａ２のエルミート共役である。）を乗算する次式（１０）を演算することにより、チャネル周波数応答Ｈ１１、Ｈ２１、Ｈ２２の推定値を算出する。
【００６７】
【数１０】
【００６８】
宛先局１３において、チャネル推定部１３３が式（１０）を用いて、チャネル周波数応答Ｈ１１、Ｈ２１、Ｈ２２の推定を行うことにより、スロット２における発信局１１と宛先局１３との間のチャネル周波数応答の推定値と、スロット２における発信局１１から中継局１２を経由して宛先局１３までの合成チャネル周波数応答の推定値とを算出することができる。なお、データ復調部１３４とチャネル復号部１３５とは、チャネル推定部１３３が推定した各チャネル周波数応答の推定値を用いて、信号に含まれるサブパケットＰ１及びサブパケットＰ２の分離、チャネル等化を行い、サブパケットＰ１及びサブパケットＰ２それぞれに含まれるデータの復調、復号を行い宛先局１３が送信した情報ビット列（情報ビットストリーム）を復元する。
【００６９】
＜プロトコルIIIを適用した場合＞
プロトコルＩを適用した場合と同様に、直交トレーニング配置部１１３がトレーニング信号を各サブパケットに配置する。宛先局１３において、時間−周波数変換部１３２がチャネル推定部１３３に出力する受信信号Ｙは、次式（１１）として表される。
【００７０】
【数１１】
【００７１】
宛先局１３は、チャネル推定部１３３が次式（１２）を用いてチャネル周波数応答Ｈ２１、Ｈ２２の推定値を算出し、データ復調部１３４及びチャネル復号部１３５が復調、復号を行い、発信局１１が送信した情報ビット列を復元する。
【００７２】
【数１２】
【００７３】
このように、プロトコルIIIを適用した場合においても、サブパケットＰ１とサブパケットＰ２とが相互に干渉する影響を反映したチャネル周波数応答の推定値を算出することができるので、チャネル周波数応答を推定する精度を向上させることができる。
【００７４】
（第２実施形態）
図４は、第２実施形態における無線通信システム２の構成を示す概略ブロック図である。同図に示すように無線通信システム２は、通信装置としての発信局２１と中継局２２と宛先局２３とを具備し、協調通信方式を用いた１Ｒ２Ｈの構成を有する。無線通信システム２では、第１実施形態の無線通信システム１（図１）と同様に、発信局２１から中継局２２への送受信と、発信局２１及び中継局２２から宛先局２３への送受信とそれぞれに対して、無線資源の１スロットが割り当てられ、２スロットを１周期として無線通信が行われる。また、各局がＯＦＤＭ変調を用いた無線通信を行う。
【００７５】
また、無線通信システム２において、第１実施形態の無線通信システム１と同様に、発信局２１は宛先局２３に伝送する情報ビット列を送信し、中継局２２は発信局２１から受信した情報ビット列を宛先局２３に送信する中継を行い、宛先局２３は発信局２１及び中継局２２から情報ビット列を受信する。以下、中継局伝送プロトコルとしてＡＦ法を適用し、発信局２１及び中継局２２が有する送信アンテナは２つであり、中継局２２及び宛先局２３が有する受信アンテナが２つである場合（ＮＴｓ＝ＮＴｒ＝２、ＮＲｒ＝ＮＲｄ＝２）、すなわち、複数アンテナ（Multi-Antenna；ＭＡ）システムの場合について説明する。以下、無線通信システム２において、無線通信システム１と同じ部分には同じ符号を付して、その説明を省略する。
【００７６】
無線通信システム２は、各局の間の無線通信にＭＩＭＯ方式を適用している点が、第１実施形態の無線通信システム１と異なる。
発信局２１は、直並列変換部２１６と、アンテナの数（ＮＴｓ＝２）に応じて２つの送信部２１７（送信部２１７−１、送信部２１７−２）とを備えている。直並列変換部２１６には、宛先局２３に送信する情報ビット列が入力される。また、直並列変換部２１６は、入力された情報ビット列に対して、シリアル−パラレル変換を行い２つのビット列を生成し、一方のビット列を送信部２１７−１に出力し、他方のビット列を送信部２１７−２に出力する。
【００７７】
送信部２１７−１は、チャネル符号化部１１１と、データ変調部１１２と、直交トレーニング配置部１１３と、周波数−時間変換部１１４と、パスバンド変換部１１５とを有している。チャネル符号化部１１１には、直並列変換部２１６からビット列が入力される。送信部２１７−２は、送信部２１７−２と同じ構成を有している。送信部２１７−１及び送信部２１７−２は、それぞれが入力されるビット列を、それぞれに接続されているアンテナから送信する。
【００７８】
宛先局２３は、アンテナの数（ＮＲｓ＝２）に応じて２つの受信部２３６（受信部２３６−１、受信部２３６−１）と、並直列変換部２３７とを備えている。受信部２３６−１は、ベースバンド変換部１３１と、時間−周波数変換部１３２と、チャネル推定部１３３と、データ復調部１３４と、チャネル復号部１３５とを有している。受信部２３６−２は、受信部２３６−１と同じ構成を有している。受信部２３６−１及び受信部２３６−２は、それぞれが受信した信号からビット列を復元し、 復元したビット列を並直列変換部２３７に出力する。並直列変換部２３７は、受信部２３６−１と受信部２３６−２とからビット列が入力され、入力されるビット列に対してパラレル−シリアル変換を行い、発信局２１が送信した情報ビット列を復元して出力する。
【００７９】
以下、本実施形態の無線通信システム２において、各送信部２１７が有する直交トレーニング配置部１１３によるトレーニング信号の割当てについて説明する。
図５は、本実施形態におけるトレーニング信号の割当ての一例を示す概略図である。各直交トレーニング配置部１１３は、発信局２１が有するアンテナの数が２（＝ＮＴｓ）のとき、[４×４]（＝[２ＮＴｓ×２ＮＴｓ]）のユニタリ行列Ａ２ＮＴｓを用いて行列ＣＡ２ＮＴｓで表される行列の各要素に応じた信号をトレーニング信号として各サブパケットに割り当てる。サブパケットＰ１及びサブパケットＰ２において、トレーニング信号を配置する領域は、それぞれに４ＯＦＤＭシンボル分あり、１ＯＦＤＭシンボル分の領域ごとに分けられている。各領域はサブパケットＰ１から時間順にＬ１〜Ｌ８としている。
【００８０】
図５に示すように、送信部２１７−１の直交トレーニング配置部１１３が、行列ＣＡ２ＮＴｓの第１行の要素（Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ）をサブパケットＰ１の領域Ｌ１〜Ｌ４にトレーニング信号として順に割り当て、送信部２１７−１のパスバンド変換部１１５が（Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ）をトレーニング信号として割り当てられたサブパケットＰ１をアンテナ１から送信する。また、送信部２１７−２の直交トレーニング配置部１１３が、行列ＣＡ２ＮＴｓの第２行の要素（Ａ’，Ｂ’，Ｃ’，Ｄ）をサブパケットＰ１の領域Ｌ１〜Ｌ４のトレーニング信号として順に割り当て、送信部２１７−２のパスバンド変換部１１５が（Ａ’，Ｂ’，Ｃ’，Ｄ）をトレーニング信号として割り当てられたサブパケットＰ１をアンテナ２から送信する。
【００８１】
また、送信部２１７−１の直交トレーニング配置部１１３が、行列ＣＡ２ＮＴｓの第３行の要素（Ｅ，Ｆ，Ｇ，Ｈ）をサブパケットＰ２の領域Ｌ５〜Ｌ８にトレーニング信号として順に割り当て、送信部２１７−１のパスバンド変換部１１５が（Ｅ，Ｆ，Ｇ，Ｈ）をトレーニング信号として割り当てられたサブパケットＰ２をアンテナ１から送信する。また、送信部２１７−２の直交トレーニング配置部１１３は、行列ＣＡ２ＮＴｓの第４行の要素（Ｅ’，Ｆ’，Ｇ’，Ｈ’）をサブパケットＰ２の領域Ｌ５〜Ｌ８にトレーニング信号として順に割り当て、送信部２１７−２のパスバンド変換部１１５が（Ｅ’，Ｆ’，Ｇ’，Ｈ’）をトレーニング信号として割り当てられたサブパケットＰ２をアンテナ２から送信する。
【００８２】
上述のように、各直交トレーニング配置部１１３は、［２ＮＴｓ×２ＮＴｓ］のユニタリ行列Ａ２ＮＴｓを用いて行列ＣＡ２ＮＴｓで表される行列の第１行から第ＮＴｓ行までの要素それぞれをサブパケットＰ１のトレーニング信号として割り当て、第（ＮＴｓ＋１）行から第２ＮＴｓ行までの要素それぞれをサブパケットＰ２のトレーニング信号として割り当てる。このとき、各サブパケットに割り当てられるトレーニング信号は直交性を有するので、宛先局２３は、スロット１及びスロット２において受信するトレーニング信号に基づいて、チャネル周波数応答の推定値を算出することができる。
【００８３】
以下、協調プロトコルとして、プロトコルＩを適用した場合と、プロトコルIIIを適用した場合とにおける宛先局２３の各チャネル推定部１３３が行うチャネル推定について説明する。
【００８４】
＜プロトコルＩを適用した場合＞
時間−周波数変換部１３２からチャネル推定部１３３に入力される受信信号Ｙｄ１、Ｙｄ２は、次式（１３）で表される。
【００８５】
【数１３】
【００８６】
ここで、受信信号Ｙｄ１、Ｙｄ２は［ＮＲｄ×２ＮＴｓ］の行列であり、Ｗｄ１及びＷｄ２は熱雑音を表す［ＮＲｄ×２ＮＴｓ］の行列である。また、Ｈ１１はスロット１における発信局２１と宛先局２３との間のチャネル周波数応答を表す。Ｈ２１は、スロット１における発信局２１と中継局２２との間のチャネル周波数応答と、スロット２における中継局２２と宛先局２３との間のチャネル周波数応答との合成チャネル周波数応答を表す。Ｈ２２は、スロット２における発信局２１と宛先局２３との間のチャネル周波数応答を表す。また、Ｈ１１、Ｈ２１、Ｈ２２は［ＮＲｄ×ＮＴｓ］の行列である。ＳＩＳＯ構成からＭＩＭＯ構成への拡張は、このように行列の定義を行うことで得られる。
【００８７】
宛先局２３において、チャネル推定部１３３が次式（１４）を用いてチャネル周波数応答Ｈ１１、Ｈ２１、Ｈ２２の推定値を算出し、データ復調部１３４及びチャネル復号部１３５が復調、復号を行い、発信局２１が送信した情報ビット列を復元する。
【００８８】
【数１４】
【００８９】
上述のように、サブパケットＰ１とサブパケットＰ２とにトレーニング信号を割り当てることにより、ＭＩＭＯ構成においても、受信部２３６−１及び受信部２３６−２が有するチャネル推定部１３３は、式（１４）の演算を用いて、サブパケットＰ１とサブパケットＰ２とが相互に干渉する影響を反映したチャネル周波数応答Ｈ１１、Ｈ２１、Ｈ２２の推定値を算出することができる。これにより、チャネル周波数応答の推定の精度を向上させることができる。
【００９０】
ここで、４×４のＩＥＥＥ８０２．１１ｎのＨＴ−ＬＴＦ（High Throughput Long Training Field）を利用した場合の送受信関係について説明する。
図６は、本実施形態において、４×４のＩＥＥＥ８０２．１１ｎのＨＴ−ＬＴＦを利用した場合の一例を示す概略図である。ここでは、ＯＦＤＭブロックごとの時変動がない場合を示している。同図に示すように、発信局２１において、４×４のユニタリ行列ＣＡ２ＮＴｓにおける第１行の各要素（Ｃ，−Ｃ，Ｃ，Ｃ）をサブパケットＰ１のアンテナ１から送信されるトレーニング信号として割り当て、第２行の各要素（Ｃ，Ｃ，−Ｃ，Ｃ）をサブパケットＰ１のアンテナ２から送信されるトレーニング信号として割り当てる。また、第３行の各要素（Ｃ，Ｃ，Ｃ，−Ｃ）をサブパケットＰ２のアンテナ１から送信されるトレーニング信号として割り当て、第４行の各要素（−Ｃ，−Ｃ，Ｃ，Ｃ）をサブパケットＰ２のアンテナ２から送信されるトレーニング信号として割り当てる。
【００９１】
このとき、宛先局２３における受信信号Ｙは次式（１５−１）及び（１５−２）により表される。
【００９２】
【数１５】
【００９３】
ここで、Ｙｄｉｊ，ｍはスロットｉのｊ番目のトレーニング信号（ＯＦＤＭシンボル）をｍ番目の受信アンテナで受信した受信信号である。Ｈ１１，ｍｎはスロット１における発信局２１のｎ番目の送信アンテナと宛先局２３のｍ番目の受信アンテナとの間のチャネル周波数応答（ＣＦＲ）である。Ｈ２１，ｍｎは中継局２２を介した発信局２１のｎ番目の送信アンテナと宛先局２３のｍ番目の受信アンテナとの間のチャネル周波数応答である。Ｈ２２，ｍｎはスロット２における発信局２１のｎ番目の送信アンテナと宛先局２３のｍ番目の受信アンテナとの間におけるチャネル周波数応答である。Ｗｄｉｊ，ｍはスロットｉでのｊ番目のトレーニング信号（ＯＦＤＭシンボル）のｍ番目の受信アンテナにおける付加白色ガウス雑音（ＡＷＧＮ）である。Ｃはトレーニング信号の周波数領域複素シンボルである。
チャネル推定部１３３は、次式（１６）を用いて各チャネル周波数応答の推定値を算出する。
【００９４】
【数１６】
【００９５】
ＩＥＥＥ８０２．１１ｎで規定される無線ＬＡＮに適用した場合においても、上述のように、ユニタリ行列Ａ２ＮＴｓに基づいて、トレーニング信号を各サブパケットに割り当て、サブパケットＰ１とサブパケットＰ２とが相互に干渉する影響を反映したチャネル周波数応答の推定値を算出することができるので、チャネル周波数応答を推定する精度を向上させることができる。
【００９６】
＜プロトコルIIIを適用した場合＞
続いて、協調プロトコルにプロトコルIIIを適用した場合について説明する。
プロトコルIIIを適用した場合、時間−周波数変換部１３２からチャネル推定部１３３に入力される受信信号Ｙは、次式（１７）で表される。
【００９７】
【数１７】
【００９８】
宛先局２３において、受信部２３６−１及び受信部２３６−２が有するチャネル推定部１３３が次式（１８）を用いて各チャネル周波数応答の推定値を算出し、データ復調部１３４及びチャネル復号部１３５が復調、復号を行い、発信局２１が送信した情報ビット列を復元する。
【００９９】
【数１８】
【０１００】
このように、サブパケットＰ１とサブパケットＰ２にトレーニング信号を割り当てることにより、ＭＩＭＯ構成においてプロトコルIIIを適用した場合においても、受信部２３６−１及び受信部２３６−２が有するチャネル推定部１３３は、式（１８）の演算を用いて、サブパケットＰ１とサブパケットＰ２とが相互に干渉する影響を反映したチャネル周波数応答の推定値を算出することができる。これにより、チャネル周波数応答の推定の精度を向上させることができる。
【０１０１】
ここで、プロトコルIIIを適用した場合において、４×４のＩＥＥＥ８０２．１１ｎのＨＴ−ＬＴＦ（High Throughput Long Training Field）を利用したときの送受信関係について説明する。
図７は、本実施形態において、４×４のＩＥＥＥ８０２．１１ｎのＨＴ−ＬＴＦを利用した場合の一例を示す概略図である。同図に示すように、発信局２１において、４×４のユニタリ行列ＣＡ２ＮＴｓにおける第１行の各要素（Ｃ，−Ｃ，Ｃ，Ｃ）をサブパケットＰ１のアンテナ１から送信されるトレーニング信号として割り当て、第２行の各要素（Ｃ，Ｃ，−Ｃ，Ｃ）をサブパケットＰ１のアンテナ２から送信されるトレーニング信号として割り当てる。また、第３行の各要素（Ｃ，Ｃ，Ｃ，−Ｃ）をサブパケットＰ２のアンテナ１から送信されるトレーニング信号として割り当て、第４行の各要素（−Ｃ，−Ｃ，Ｃ，Ｃ）をサブパケットＰ２のアンテナ２から送信されるトレーニング信号として割り当てる。
このとき、宛先局２３における受信信号Ｙは次式（１９−１）及び（１９−２）により表される。
【０１０２】
【数１９】
【０１０３】
そして、受信部２３６が有するチャネル推定部１３３は、次式（２０）を用いて各チャネル周波数応答の推定値を算出する。
【０１０４】
【数２０】
【０１０５】
協調プロトコルとしてプロトコルIIIを用い、ＩＥＥＥ８０２．１１ｎで規定される無線ＬＡＮに適用した場合においても、上述のように、ユニタリ行列Ａ２ＮＴｓに基づいて、トレーニング信号を各サブパケットに割り当て、サブパケットＰ１とサブパケットＰ２とが相互に干渉する影響を反映したチャネル周波数応答の推定値を算出することができるので、チャネル周波数応答を推定する精度を向上させることができる。
【０１０６】
図８は、本発明の要部の構成を説明する図である。本発明は、データ信号の送信元である発信局と、当該データ信号の宛先である宛先局と、発信局から送信された当該データ信号を受信して当該宛先局へ転送する中継局とが、一つの無線チャネルを時分割して得られるタイムスロットの２つを使用して当該データ信号の送受信を行う無線通信システムにおけるチャネル推定の精度を向上させるものである。
同図において、発信局がスロット１で送信するサブパケットＰ１、及びスロット２で送信するサブパケットＰ２それぞれに配置するトレーニング信号の構成が示されている。発信局が備えるアンテナ数をＮＴｓとしたとき、［２ＮＴｓ×２ＮＴｓ］のユニタリ行列を予め定め、当該ユニタリ行列の［ＮＴｓ×２ＮＴｓ］の部分行列を各サブパケットにトレーニング信号として配置することにより、トレーニング信号の直交性を維持する。宛先局において、チャネル推定部は、トレーニング信号自体の直交性を利用して、発信局から送信されたパケットと、中継局から送信されたパケットとが相互干渉した状態の受信信号からチャネル周波数応答の推定値を算出することにより、推定値の精度を向上させることができる。
【０１０７】
本発明に係る第１及び第２実施形態の無線通信システムでは、発信局において、直交トレーニング配置部１１３が、自局に備えられているアンテナの本数ＮＴｓに応じて、予め定められる［２ＮＴｓ×２ＮＴｓ］のユニタリ行列Ａ２ＮＴｓに基づいて生成されたトレーニング信号を、スロット１で送信するサブパケットＰ１及びスロット２で送信するサブパケットＰ２に配置する。
宛先局では、スロット２において、ベースバンド変換部１３１が、発信局から受信するサブパケットＰ２と、中継局から受信するサブパケットＰ１とを受信する。また、チャネル推定部１３３が、サブパケットＰ１及びサブパケットＰ２に含まれるトレーニング信号に基づいて、自局と発信局との間のチャネル周波数応答の推定値と、中継局を介した自局と発信局との間のチャネル周波数応答（合成チャネル周波数応答）の推定値とを算出する。また、データ復調部１３４が、チャネル推定部１３３が算出した推定値に基づいて、スロット２において受信した信号からサブパケットＰ１及びサブパケットＰ２を分離し、分離したサブパケットＰ１及びサブパケットＰ２に含まれるデータを復調する。
【０１０８】
ユニタリ行列Ａ２ＮＴｓの各行の要素をトレーニング信号として各サブパケットに順に配置しているので、各トレーニング信号の直交性を維持することができるので、スロット２において、宛先局が各トレーニング信号を合成した信号を受信しても、ユニタリ行列Ａ２ＮＴｓ（トレーニング信号のレプリカ信号）の逆行列Ａ２ＮＴｓ−１を用いた演算により、チャネル周波数応答の推定値を算出することができる。このとき、宛先局が自局と発信局及び中継局との間のチャネル全てを通じてトレーニング信号を同時に受信するので、チャネル推定部１３３は、各チャネル間においる信号が相互に干渉する影響が反映された推定値を算出することができ、推定精度を改善させることができる。
その結果、宛先局において、サブパケットＰ１及びサブパケットＰ２の分離、及び各サブパケットに含まれるデータの復調の精度を向上させることができ、受信時の誤りによる再送を低減させて、無線通信システムのスループットを向上させることができる。
【０１０９】
ところで、図１１において示したように、トレーニング信号を受信するタイミングが重複しないようにトレーニング信号を配置してトレーニング信号の直交性を維持する場合、トレーニング信号を配置しない各領域の送信電力を０（零）にすることになる。この場合、宛先局では、トレーニング信号が送信されていない無信号状態と、トレーニング信号が送信されているときとの電力格差の問題が生じる。
具体的には、宛先局が実際にデータを受信する際、宛先局は、自局と発信局との間の各チャネルを通じて自局に到達する信号を合成した信号を受信する。これに対して、トレーニング信号を受信する際、宛先局は、自局と発信局との間のいずれかのチャネルを通じて自局に到達するトレーニング信号を受信する。これにより、データを受信する際の受信電力と、トレーニング信号を受信する際の受信電力とに差（電力格差）が生じてしまい、チャネル推定に誤差が生じてしまうという問題があった。また、実際には、送信電力を０（零）にすることができず、トレーニング信号にノイズが含まれてしまうという問題もあった。
本発明に係る第１及び第２実施形態の無線通信システムでは、図３、図５、図６、及ぶ図７に示したように、宛先局がトレーニング信号を受信する際、宛先局と発信局との間の各チャネルを通じて宛先局に到達する各トレーニング信号を合成した信号を受信するようにしているので、上述の電力格差を生じさせることなく、チャネル周波数応答の推定精度を向上させることができる。
【０１１０】
なお、上記の第１及び第２実施形態では、中継局伝送プロトコルとしてＡＦ法を適用した場合について説明したが、これに限ることなく、中継局伝送プロトコルにＤＦ（Decode-and-Forward）法や、ＣＦ（Compress-and-Forward）法などを適用してもよい。ＤＦ法を適用する場合、中継局は、受信した信号から情報ビット列を宛先局と同様に復元し、復元した情報ビット列を発信局と同様に送信する。すなわち、中継局は送信部２１７及び受信部２３６を備えるようにしてもよい。このとき、中継局において、各サブパケットに配置するトレーニング信号は、上述したようにユニタリ行列Ａ２ＮＴｓの要素に基づいた信号を用いて、各トレーニング信号の直交性を維持するようにする。
【０１１１】
また、第２実施形態の無線通信システム２において、例えば、協調プロトコルにプロトコルＩを適用し、中継局伝送プロトコルに選択ＤＦ法を適用した場合、宛先局２３のチャネル推定部１３３の処理は、以下のようになる。
選択ＤＦ法では、中継局２２は、受信ＳＮＲ（Signal-Noise Ratio；信号対雑音比）が予め定めたしきい値以下の場合や、受信したパケットを正しく復号できない場合、受信した信号を宛先局２３に中継（フォワード）しない。ここでは、中継局２２がフォワードをする場合と、フォワードをしない場合とに分けて、宛先局２３のチャネル推定部１３３における処理について説明する。
【０１１２】
[中継局２２がフォワードする場合]
上記の第２実施形態において説明したように、式（１４）を用いて、各チャネル周波数応答の推定値を算出する。
【０１１３】
[中継局２２がフォワードしない場合]
宛先局２３における受信信号Ｙｄ１、Ｙｄ２は、次式（２１）で表される。
【０１１４】
【数２１】
【０１１５】
チャネル推定部１３３は、式（１４）と同様に、受信信号Ｙｄ１、Ｙｄ２と逆行列Ｃ−１Ａ２ＮＴｓＨとの積を算出することにより、チャネル周波数応答Ｈ１１、Ｈ２２の推定値を算出することができる。このとき、チャネル推定部１３３は、次式（２２）で表される演算を行う。
【０１１６】
【数２２】
【０１１７】
このように、チャネル推定部１３３は、中継局伝送プロトコルに選択ＤＦ法を適用した場合においても、ＡＦ法を適用した場合と同様に、チャネル周波数応答の推定値を算出することができる。
【０１１８】
また、第２実施形態の無線通信システム２において、協調プロトコルにプロトコルIIIを適用し、中継局伝送プロトコルに選択ＤＦ法を適用した場合におけるチャネル推定部１３３における処理は以下のようになる。
【０１１９】
[中継局２２がフォワードする場合]
上記の第２実施形態において説明したように、式（１８）を用いて、各チャネル周波数応答の推定値を算出する。
【０１２０】
[中継局２２がフォワードしない場合]
中継局２２がフォワードする場合と同様に、式（１８）を用いて、各チャネル周波数応答の推定値を算出する。
このように、チャネル推定部１３３は、中継局伝送プロトコルに選択ＤＦ法を適用した場合においても、ＡＦ法を適用した場合と同様に、チャネル周波数応答の推定値を算出することができる。
【０１２１】
なお、中継局２２がフォワードしない場合には、協調プロトコルにプロトコルＩを適用した場合において中継局２２がフォワードしないときの式（２１）同様に、チャネル周波数応答Ｈ２１を０として扱うことができる。この場合、宛先局２３における受信信号Ｙｄ２は、次式（２３）で表される。
【０１２２】
【数２３】
【０１２３】
ここで、式（２３）における行列Ａ２ＮＴｓ（ｈ）は、[２ＮＴｓ×２ＮＴｓ]のユニタリ行列Ａ２ＮＴｓのうち、サブパケットＰ２にトレーニング信号として配置した部分行列であり、例えば、第（ＮＴｓ＋１）行目から第２ＮＴｓ行目までユニタリ行列Ａ２ＮＴｓの部分行列である。中継局２２がフォワードしない場合、チャネル推定部１３３は、次式（２４）に示すように、受信信号Ｙｄ２と、擬似逆行列Ｃ−１Ａ２ＮＴｓ（ｈ）Ｈとの積を演算することにより、チャネル周波数応答の推定値を算出することができる。
【０１２４】
【数２４】
【０１２５】
このとき、宛先局２３は、中継局２２からフォワードをするか否かを示す制御信号を受信することにより、チャネル推定部１３３は、式（１８）に替えて、式（２４）を用いた演算をすることにより、演算量を削減することができる。
【０１２６】
また、上記の第１及び第２実施形態において、チャネル符号化部１１１は、宛先局（１３、２３）に伝送する情報ビット列が漏洩することを防ぐために、入力される情報ビット列に対して、所定のスクランブルコードを用いてスクランブルを行うようにしてもよい。また、チャネル符号化部１１１は、マルチパス波による影響を軽減するために、巡回シフトディレイ（Cyclic Shift Delay；ＣＳＤ）を追加するようにしてもよい。
また、上記の第１及び第２実施形態において、マルチキャリアシステムとしてＯＦＤＭ変調を用いた場合について説明したが、これに限ることなく、直交周波数分割多元接続（Orthogonal Frequency Division Multiple Access；ＯＦＤＭＡ）システムや、マルチキャリア符号分割多元接続（Multi Carrier-Code Division Multiple Access；ＭＣ−ＣＤＭＡ）を用いるようにしてもよい。
【０１２７】
また、上記の第１及び第２実施形態において、［２ＮＴｓ×２ＮＴｓ］のユニタリ行列の第１行から第ＮＴｓ行までの部分行列をサブパケットＰ１に割り当て、第（ＮＴｓ＋１）行から第２ＮＴｓ行までの部分行列をサブパケットＰ２に割り当てる構成について説明したが、これに限らずともよい。［２ＮＴｓ×２ＮＴｓ］のユニタリ行列の２ＮＴｓ行うち任意のＮＴｓ行からなる部分行列をサブパケットＰ１に割り当て、サブパケットＰ１に割り当てた行以外のＮＴｓ行からなる部分行列をサブパケットＰ２に割り当てるようにしてもよい。
また、上記の第２実施形態において、送信アンテナ及び受信アンテナが２本ずつのＭＩＭＯ構成について説明したが、これに限ることなく、送信アンテナ及び受信アンテナそれぞれを３本以上にしてもよい。
【符号の説明】
【０１２８】
１，２，９…無線通信システム
１１，２１，９１…発信局
１２，２２，９２…中継局
１３，２３，９３…宛先局
１１１…チャネル符号化部
１１２…データ変調部
１１３…直交トレーニング配置部
１１４…周波数−時間変換部
１１５…パスバンド変換部
１３１…ベースバンド変換部
１３２…時間−周波数変換部
１３３…チャネル推定部
１３４…データ復調部
１３５…チャネル復号部
２１６…直並列変換部
２１７，２１７−１，２１７−２…送信部
２３６，２３６−１，２３６−２…受信部
２３７…並直列変換部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一つの無線チャネルを時分割して得られる第１スロット及び第２スロットにおいてデータ信号を含むパケットを送信する発信局と、前記パケットの宛先である宛先局と、前記発信局が第１スロットにおいて送信したパケットを受信し、受信したパケットを第２スロットにおいて前記宛先局へ送信する転送を行う中継局とを具備する無線通信システムであって、
前記発信局は、
自局に備えられているアンテナの本数に応じて行数及び列数が定められるユニタリ行列に基づいて生成されたトレーニング信号を、前記第１スロットで送信されるパケット及び前記第２スロットで送信されるパケットに配置するトレーニング配置部
を備え、
前記宛先局は、
第２スロットにおいて、前記発信局が送信した前記パケットと、前記中継局が転送した前記パケットとを受信し、受信したパケットそれぞれに含まれるトレーニング信号に基づいて、前記発信局と自局との間のチャネル周波数応答の推定値と、前記中継局を介した前記発信局と自局との間のチャネル周波数応答の推定値を算出するチャネル推定部と、
前記チャネル推定部が算出した推定値に基づいて、第２スロットにおいて受信した信号から、前記発信局が送信した前記パケットと、前記中継局が転送した前記パケットとを分離し、分離したパケットに含まれるデータ信号を復調するデータ復調部と
を備える
ことを特徴とする無線通信システム。
【請求項２】
前記ユニタリ行列は、前記発信局に備えられているアンテナの本数がＮ本の場合、２Ｎ次の正方行列であり、
前記トレーニング配置部は、前記ユニタリ行列を２つのＮ行２Ｎ列の部分行列に分割し、一方の部分行列の各行の要素をトレーニング信号として各アンテナに対応させて第１スロットに配置し、他方の部分行列の各行の要素をトレーニング信号として各アンテナに対応させて第２スロットに配置する
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】
前記トレーニング配置部は、第１スロット及び第２スロットにおいて、前記トレーニング信号を配置する領域を２Ｎ個に分割し、前記分割された各領域に、前記部分行列の各列の要素を順に配置する
ことを特徴とする請求項２に記載の無線通信システム。
【請求項４】
前記チャネル推定部は、
第２スロットにおいて、受信した２つの前記パケットに含まれるトレーニング信号と、予め記憶している前記トレーニング信号のレプリカ信号とを用いて前記推定値を算出する
ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の無線通信システム。
【請求項５】
一つの無線チャネルを時分割して得られる第１スロット及び第２スロットにおいてデータ信号を含むパケットを送信する発信局と、前記パケットの宛先である宛先局と、前記発信局が第１スロットにおいて送信したパケットを受信し、受信したパケットを第２スロットにおいて前記宛先局へ送信する転送を行う中継局とを具備する無線通信システムにおける無線通信方法であって、
前記発信局が、自局に備えられているアンテナの本数Ｎに応じて行数及び列数が定められるユニタリ行列に基づいて生成されたトレーニング信号を、前記第１スロットで送信されるパケット及び前記第２スロットで送信されるパケットに配置するトレーニング配置ステップと、
前記宛先局が、第２スロットにおいて、前記発信局が送信した前記パケットと、前記中継局が転送した前記パケットとを受信し、受信したパケットそれぞれに含まれるトレーニング信号に基づいて、前記発信局と自局との間のチャネル周波数応答の推定値と、前記中継局を介した前記発信局と自局との間のチャネル周波数応答の推定値を算出するチャネル推定ステップと、
前記宛先局が、前記チャネル推定ステップにおいて算出した推定値に基づいて、第２スロットにおいて受信した信号から、前記発信局が送信した前記パケットと、前記中継局が転送した前記パケットとを分離し、分離したパケットに含まれるデータ信号を復調するデータ復調ステップと
を有することを特徴とする無線通信方法。
【請求項１】
一つの無線チャネルを時分割して得られる第１スロット及び第２スロットにおいてデータ信号を含むパケットを送信する発信局と、前記パケットの宛先である宛先局と、前記発信局が第１スロットにおいて送信したパケットを受信し、受信したパケットを第２スロットにおいて前記宛先局へ送信する転送を行う中継局とを具備する無線通信システムであって、
前記発信局は、
自局に備えられているアンテナの本数に応じて行数及び列数が定められるユニタリ行列に基づいて生成されたトレーニング信号を、前記第１スロットで送信されるパケット及び前記第２スロットで送信されるパケットに配置するトレーニング配置部
を備え、
前記宛先局は、
第２スロットにおいて、前記発信局が送信した前記パケットと、前記中継局が転送した前記パケットとを受信し、受信したパケットそれぞれに含まれるトレーニング信号に基づいて、前記発信局と自局との間のチャネル周波数応答の推定値と、前記中継局を介した前記発信局と自局との間のチャネル周波数応答の推定値を算出するチャネル推定部と、
前記チャネル推定部が算出した推定値に基づいて、第２スロットにおいて受信した信号から、前記発信局が送信した前記パケットと、前記中継局が転送した前記パケットとを分離し、分離したパケットに含まれるデータ信号を復調するデータ復調部と
を備える
ことを特徴とする無線通信システム。
【請求項２】
前記ユニタリ行列は、前記発信局に備えられているアンテナの本数がＮ本の場合、２Ｎ次の正方行列であり、
前記トレーニング配置部は、前記ユニタリ行列を２つのＮ行２Ｎ列の部分行列に分割し、一方の部分行列の各行の要素をトレーニング信号として各アンテナに対応させて第１スロットに配置し、他方の部分行列の各行の要素をトレーニング信号として各アンテナに対応させて第２スロットに配置する
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】
前記トレーニング配置部は、第１スロット及び第２スロットにおいて、前記トレーニング信号を配置する領域を２Ｎ個に分割し、前記分割された各領域に、前記部分行列の各列の要素を順に配置する
ことを特徴とする請求項２に記載の無線通信システム。
【請求項４】
前記チャネル推定部は、
第２スロットにおいて、受信した２つの前記パケットに含まれるトレーニング信号と、予め記憶している前記トレーニング信号のレプリカ信号とを用いて前記推定値を算出する
ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の無線通信システム。
【請求項５】
一つの無線チャネルを時分割して得られる第１スロット及び第２スロットにおいてデータ信号を含むパケットを送信する発信局と、前記パケットの宛先である宛先局と、前記発信局が第１スロットにおいて送信したパケットを受信し、受信したパケットを第２スロットにおいて前記宛先局へ送信する転送を行う中継局とを具備する無線通信システムにおける無線通信方法であって、
前記発信局が、自局に備えられているアンテナの本数Ｎに応じて行数及び列数が定められるユニタリ行列に基づいて生成されたトレーニング信号を、前記第１スロットで送信されるパケット及び前記第２スロットで送信されるパケットに配置するトレーニング配置ステップと、
前記宛先局が、第２スロットにおいて、前記発信局が送信した前記パケットと、前記中継局が転送した前記パケットとを受信し、受信したパケットそれぞれに含まれるトレーニング信号に基づいて、前記発信局と自局との間のチャネル周波数応答の推定値と、前記中継局を介した前記発信局と自局との間のチャネル周波数応答の推定値を算出するチャネル推定ステップと、
前記宛先局が、前記チャネル推定ステップにおいて算出した推定値に基づいて、第２スロットにおいて受信した信号から、前記発信局が送信した前記パケットと、前記中継局が転送した前記パケットとを分離し、分離したパケットに含まれるデータ信号を復調するデータ復調ステップと
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９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１２−２２２７９５（Ｐ２０１２−２２２７９５Ａ）
【公開日】平成２４年１１月１２日（２０１２．１１．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−９０２３１（Ｐ２０１１−９０２３１）
【出願日】平成２３年４月１４日（２０１１．４．１４）
【出願人】（０００００４２２６）日本電信電話株式会社 (13,992)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１１月１２日（２０１２．１１．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年４月１４日（２０１１．４．１４）
【出願人】（０００００４２２６）日本電信電話株式会社 (13,992)
【Ｆターム（参考）】
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