JP2007282046A - 通信装置および無線中継システム - Google Patents

Abstract

【課題】他の通信装置と協調動作を行うことにより、自身または他の通信装置が備えたアンテナ数を超える多重数のＭＩＭＯ伝送を実現する通信装置を得ること。
【解決手段】本発明にかかる通信装置は、ＭＩＭＯ伝送された受信信号をデジタル信号に変換するＡＤ変換部（１３）と、ＡＤ変換部（１３）が出力したデジタル信号を保持しておくバッファメモリ部（１４）と、他の通信装置との間で予め決定しておいた信号読み出し速度でバッファメモリ部（１４）からデジタル信号を読み出し、読み出したデジタル信号をアナログ信号に変換するＤＡ変換部（１５）と、受信信号が自装置宛に送信された信号でない場合、アナログ信号をペイロードに格納し、ペイロードにヘッダ情報を付与して生成した信号を中継信号として受信信号の宛先通信装置に対して送信する中継信号生成手段（セレクタ（１９），中継送信部（２０））と、を備えることとした。
【選択図】 図３

Description

本発明は、ＭＩＭＯ（Multi-Input Multi-Output）によるデータ伝送を行う通信装置および無線中継システムに関するものであり、特に、複数の通信装置が協調動作を行うことにより、データ伝送を行う通信装置が備えるアンテナ数を超える多重数のＭＩＭＯ多重伝送を実現する通信装置および無線中継システムに関するものである。

無線端末（通信装置）を協調動作させることにより仮想的に構築されたＭＩＭＯ伝送路においてデータをＭＩＭＯ多重伝送し、通信容量を改善する技術が開示されている（たとえば非特許文献１参照）。

下記非特許文献１の記載によれば、無線端末に短距離通信用送受信機を組み合わせ、短距離通信用送受信機を用いて接続された複数の無線端末がアドホックネットワークを構築する。そして、ある端末（データの送信元端末）がこのアドホックネットワークを介して送信信号をアドホックネットワーク内の複数の無線端末に分配し、複数の無線端末のアンテナを用いて、データの送信先である基地局に対してデータをＭＩＭＯ多重伝送する。すなわち、アドホックネットワーク内の複数の無線端末が、ＭＩＭＯ多重伝送を行いたい送信元無線端末から受け取った信号を分担して基地局へ送信（転送）することにより、データの送信元無線端末が備えるアンテナ数を超える多重数のＭＩＭＯ多重伝送を実現する。また、逆方向のデータ伝送時も同様に、アドホックネットワーク内の複数の無線端末のアンテナを用いて、ＭＩＭＯ多重伝送を行う。

このようにすることで、無線端末筐体の大きさに関する制約などにより無線端末１台あたりのアンテナ本数が少ない場合であっても、ＭＩＭＯ多重伝送によるスループットや周波数利用効率の改善といった効果を亨受できる。

鈴木秀格、村田英一、栗原宏、荒木純道、「ＵＷＢ無線通信によるアドホックネットワークを利用したセルラＭＩＭＯ空間多重伝送」、2003年電子情報通信学会通信ソサイエティ大会講演論文集 B-5-222, p.599.

しかしながら、上記従来の複数の端末を協調動作させて仮想的にＭＩＭＯ伝送路を構築する方式では、前述の短距離通信のような協調端末間の無線伝送方式に関して、その送受信機の具体的な実現方式が開示されていない、という問題があった。協調動作によるＭＩＭＯ伝送を実現するためには、はじめにこの短区間通信用送受信機を実現しなければならないが、前述の非特許文献１を含め、ほとんどの文献で短区間通信用送受信機の実現性は考慮されておらず、それが実現可能であるとの仮定のもとに説明がなされている。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、ＭＩＭＯ多重伝送路を仮想的に構築するために必要な、短区間通信を実現する通信装置および無線中継システムを得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、他の通信装置と協調動作を行いながら、当該他の通信装置または／および自装置が備えるアンテナ数を超える多重数でＭＩＭＯ多重伝送された受信信号を、必要に応じて当該他の通信装置へ中継送信する通信装置であって、前記ＭＩＭＯ伝送された受信信号（ＭＩＭＯ受信信号）をデジタル信号に変換するＡＤ変換手段と、前記ＡＤ変換手段が出力したデジタル信号を保持しておく信号保持手段と、前記他の通信装置との間で予め決定しておいた信号読み出し速度で前記信号保持手段から前記デジタル信号を読み出し、当該読み出したデジタル信号をアナログ信号に変換するＤＡ変換手段と、前記ＭＩＭＯ受信信号が自装置宛に送信された信号でない場合、前記アナログ信号をペイロードに格納し、当該ペイロードにヘッダ情報を付与して生成した信号を中継信号として前記受信信号の宛先通信装置に対して送信する中継信号生成手段と、を備えることを特徴とする。

この発明によれば、受信したＭＩＭＯ信号をアナログ形式の信号として無線フレームのペイロードに載せて他の端末へ中継送信することとしたので、ＭＩＭＯ多重伝送路を仮想的に構築するために必要な、短区間通信を実現しつつ、デジタル形式の信号として中継送信する場合と比較して、中継に必要な伝送帯域を大幅に削減することができ、無線中継システムのコスト削減や中継装置の小型化・低消費電力化に寄与することができる、という効果を奏する。

以下に、本発明にかかる通信装置および無線中継システムの実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

図１は、本発明にかかる通信装置が、ＭＩＭＯ伝送された受信信号に基づいて生成された情報またはＭＩＭＯ伝送する送信信号に基づいて生成された情報を、協調動作を行う他の通信装置との間で送受信する際に使用する無線中継用フレームの構成例を示す図である。この無線中継用フレーム（以下、無線フレームと呼ぶ）１は、ヘッダ（Header）２およびペイロード（Payload）３により構成される。

ヘッダ２には、無線中継（無線フレームの送受信動作）を制御するための制御信号や、無線中継を行う通信装置同士が通信を確立するための同期信号など、通信装置間で中継される送受信信号以外の信号が含まれる。ヘッダ２の信号は、デジタル方式で変調され、含まれる情報はデジタル形式で表現される。一方、ペイロード３は、通信装置間で中継送信される無線信号を含む。また、ペイロード３の信号は、中継送信される信号の波形をアナログ変調方式で変調したものや、変調処理を施さずに中継送信される信号の波形をそのままの形で格納したものである。

後述する実施の形態においては、このような構成の無線フレーム１を繰り返し伝送することによって無線中継を行う。なお、ペイロード３に載せる信号の時間スケールは元の信号（中継送信を行う前の信号）と必ずしも同じでなくてもよく、たとえば元の信号をメモリ等に一旦格納し、その２倍の速さで再生するなど、時間的に圧縮したものとしてもよい。

実施の形態１．
本実施の形態においては、本発明にかかる通信装置が協調動作を行う他の通信装置に対して、上述した構成の無線中継フレーム（無線フレーム）を使用して受信信号を中継する動作について説明する。図２は、本発明にかかる無線中継システムの実施の形態１の構成例を示す図である。この無線中継システムは、ＢＳ（Base Station：基地局）４と、ＭＳ（Mobile Station：端末）６−１および６−２と、により構成される。ＢＳ１は、信号をＭＩＭＯ伝送することが可能な２本のアンテナ（アンテナ５−１および５−２）を備え、ＭＳ６−１，６−２は、それぞれＢＳ４との間で信号の送受信を行うためのアンテナ７−１，７−２と、ＢＳ４からの受信信号またはＢＳ４への送信信号を他のＭＳとの間でやり取りするためのアンテナ８−１，８−２と、を備える。

また、図２は、ＢＳ４がＭＩＭＯ伝送した信号（ＭＩＭＯ信号）Ｓ１１２およびＳ１２２をＭＳ６−２が受信し、それらを中継信号Ｓ２００としてＭＳ６−１へ転送（中継送信）することによって、送信アンテナ本数と受信アンテナ本数がそれぞれ２本のＭＩＭＯ伝送路を仮想的に構築する場合の例を示している。以下、この図を使用して、ＭＳ６−２が受信信号（ＭＩＭＯ信号Ｓ１１２およびＳ１２２）をＭＳ６−１へ中継する場合の動作を説明する。

ＢＳ４は、アンテナ５−１および５−２を使用して、ＭＩＭＯ信号をＭＳ６−１に向けて送信する。ＭＳ６−１はアンテナ７−１を１本しか持たないため、ＭＳ６−２のアンテナ７−２と合わせた２本のアンテナを用いてＭＩＭＯ信号Ｓ１１１、Ｓ１２１、Ｓ１１２およびＳ１２２を受信し、信号分離と復調処理を行う。このとき、ＢＳ４からＭＳ６−１へ直接送られるＭＩＭＯ信号Ｓ１１１（アンテナ５−１からアンテナ７−１への送信信号）およびＳ１２１（アンテナ５−２からアンテナ７−１への送信信号）はそのままＭＳ６−１で利用可能だが、ＢＳ４からＭＳ６−２へ送られるＭＩＭＯ信号Ｓ１１２（アンテナ５−１からアンテナ７−２への送信信号）およびＳ１２２（アンテナ５−２からアンテナ７−２への送信信号）はＭＳ６−２からＭＳ６−１へ中継しなければならない。そのため、ＭＳ６−２は、ＭＩＭＯ信号Ｓ１１２およびＳ１２２に基づいて生成した信号を中継信号Ｓ２００として中継用のアンテナ８−１からＭＳ６−１（アンテナ８−２）へ中継送信する。なお、中継の際には、図１に示した無線フレーム１を用いる。

ＭＳ６−２において、アンテナ７−２にはＭＩＭＯ信号Ｓ１１２とＭＩＭＯ信号Ｓ１２２が加算された信号が入力される。ＭＳ６−２は、この入力信号（受信信号）に対して、フィルタリング，増幅，周波数変換，などのアナログ信号処理を実行する。またここで入力信号およびそのアナログ信号処理結果を被変調波形として変調処理を行う場合もある。このようにアナログ信号処理された結果は、無線フレーム１のペイロード３のサイズに応じて適宜分割され、ペイロード３に格納される。なお、ペイロード３に格納される信号は、一旦記憶素子に格納され、あるタイミングで再生されたものを用いてもよい。その場合、再生速度は記録速度と必ずしも一緒でなくてもよい。たとえば、ペイロード３に格納される信号の帯域に余裕があるときは、再生速度を２倍にして中継に要する時間を半減するといった処理を行ってもよい。

ＭＳ６−１は、受信した無線フレーム１（中継信号Ｓ２００）のヘッダ２に格納された情報を用いて無線中継システムの同期や制御を行う。また、ＭＳ６−１は、ＭＳ６−２から受信した無線フレーム１のペイロード３に格納された信号に基づいてＭＩＭＯ信号Ｓ１１２およびＳ１２２を復元し、それらをＢＳ４から直接受信したＭＩＭＯ信号Ｓ１１１およびＳ１２１と組み合わせてＭＩＭＯ信号の分離や復調処理を行う。

なお、上述した説明においては、ＭＳ６−１宛のＭＩＭＯ信号を受信したＭＳ６−２が、その受信信号をＭＳ６−１へ中継する場合について説明したが、この中継動作と並行して、ＭＳ６−２宛のＭＩＭＯ信号を受信したＭＳ６−１が、その受信信号をＭＳ６−２へ中継することも、中継回線の帯域が許す範囲で可能である。

つづいて、本発明にかかる通信装置が中継信号（無線フレーム）を生成し、協調動作を行う他の通信装置に対して、生成した中継信号を送信する動作を説明する。図３は、本発明にかかる通信装置の構成例を示す図であり、図２に示したＭＳ６−１および６−２に相当する装置の構成例を示している。

この通信装置は、アンテナ７，アンテナ８，切替部１１と，ＭＩＭＯ受信部１２，請求項１に記載のＡＤ変換手段に相当するＡＤ変換部１３，請求項１および請求項１０に記載の信号保持手段に相当するバッファメモリ部１４，請求項１に記載のＤＡ変換手段に相当するＤＡ変換部１５，制御部１６，アナログ信号処理部１７，変調部１８，セレクタ１９，中継送信部２０，切替部２１，中継受信部２２，アナログ信号処理部２３，復調部２４，請求項１０に記載のＡＤ変換手段に相当するＡＤ変換部２５，請求項１０に記載のＤＡ変換手段に相当するＤＡ変換部２６，ＭＩＭＯ送信部２７，を備える。なお、セレクタ１９および中継送信部２０が中継信号生成手段に相当する。

まず、図３に基づいて、受信した自装置宛でないＭＩＭＯ信号を、宛先装置である他の通信装置へ中継送信する動作を説明する。

送信元の装置から送信されたＭＩＭＯ信号Ｓ１００は、アンテナ７で受信され、アンテナ７の出力は切替部１１によってＭＩＭＯ受信部１２に入力される。ＭＩＭＯ受信部１２は、入力信号に対して、増幅，フィルタリング，周波数変換，などのアナログ信号処理を実行する。ＡＤ変換部１３は、ＭＩＭＯ受信部１２からの入力信号を量子化し、量子化後のデジタル信号をバッファメモリ部１４に格納する。その後、バッファメモリ部１４に格納されたデジタル信号は、ＤＡ変換部１５により読み出され、ＤＡ変換部１５においてアナログ信号に戻される。なお、バッファメモリ部１４へのデータ格納／読み出し制御、ＤＡ変換部１５の信号変換速度などは制御部１６によって制御される。また、制御部１６は、信号の中継送信先ＭＳとの間で予め決定しておいた条件に基づいて各部の制御を行う。このようにして得られたアナログ信号に対してアナログ信号処理部１７は、当該信号をスペクトラムマスクに適合させるためのフィルタリング処理，中継回線で処理利得を得るための拡散処理，などを実行し、無線フレーム１のペイロード３（図１参照）に載せる信号を生成する。

一方、変調部１８は、制御部１６から出力された制御情報，同期用プリアンブル信号，などに基づいてヘッダ２に載せる信号を生成する。そして、セレクタ１９は、制御部１６の指示に従い、変調部１８からの出力信号と、アナログ信号処理部１７からの出力信号を時間的に結合して無線フレーム１と同じフォーマットの信号を生成する。中継送信部２０は、セレクタ１９からの出力信号の増幅やフィルタリング処理などを行い、処理の結果得られた信号を中継信号Ｓ２００として、切替部２１およびアンテナ８を介して宛先ＭＳへ送信する。なお、無線フレームの生成動作の詳細については後述する。

次に、複数のＭＳが協調動作を行うことにより、信号の送信元ＭＳが備えるアンテナ数を超える多重数で信号をＭＩＭＯ伝送する動作について説明する。図３において、アンテナ８が、他のＭＳ（ＭＩＭＯ伝送する信号の送信元ＭＳ）から宛先装置に対して送信してほしいＭＩＭＯ信号を復元するための情報を含む中継信号を受信すると、その受信信号は、切替部２１を介して中継受信部２２に入力される。中継受信部２２は、入力信号の増幅や周波数変換，フィルタリング，などの処理を実行する。中継受信部２２における処理の結果のうち、中継信号のヘッダに格納されていた信号は復調部２４に渡され、ペイロードに格納されていた信号はアナログ信号処理部２３に渡される。復調部２４は、受け取った信号に基づいた同期処理，受け取った信号からの制御情報の取り出し，などを行い、さらに、取り出した制御情報を制御部１６へ渡す。また、アナログ信号処理部２３は、上記アナログ信号処理部１７が実行する処理に対応した、フィルタリング処理，逆拡散処理，などを実行する。

ＡＤ変換部２５は、制御部１６に指示された変換速度でアナログ信号処理部２３からの出力信号を量子化する。ＡＤ変換部２５からの出力信号は、バッファメモリ部１４に一旦格納される。そして、一旦格納された信号は、制御部１６が指示するタイミングでＤＡ変換部２６に対して出力され、ＤＡ変換部２６は、バッファメモリ部１４からの入力信号をアナログ信号に変換する。このとき、バッファメモリ部１４に格納されている信号が時間的に圧縮された状態であれば、バッファメモリ部１４は、この信号が時間伸展され、圧縮される前の状態に戻るようなタイミングで、ＤＡ変換部に対して信号を出力する。なお、制御部１６は、上記中継信号の送信元ＭＳとの間で予め決定しておいた条件に基づいてバッファメモリ部１４およびＡＤ変換部２５の制御を行う。そして、ＭＩＭＯ送信部２７が、ＤＡ変換部２６からの入力信号に対してフィルタリング，周波数変換，増幅，などの処理を実行する。ＭＩＭＯ送信部２７からの出力信号は、切替部１１を介してアンテナ７よりＭＩＭＯ信号として宛先装置へ送信される。

つづいて、本発明にかかる通信装置（ＭＳ）が無線フレームを生成する動作について詳細に説明する。図４は、ＭＩＭＯ信号受信時の無線フレーム生成動作例を示す図である。図４において、３１、３２および３４はペイロード，３３は無線フレームのヘッダ，３５はヘッダ３３およびペイロード３４を含んだ無線フレームである。なお、その他の部分は、図３に示した通信装置から無線フレーム生成動作に関連する部分のみを抽出して図示したものである。そのため、図３に示した通信装置と対応する部分に同一の符号を付している。

受信信号Ｓ１００は、アンテナ７およびＭＩＭＯ受信部１２を介してＡＤ変換部１３に入力され、量子化されたのちバッファメモリ部１４に格納される。格納された情報は、ペイロード３４に納めることが可能な情報量の単位毎に、逐次無線フレーム化される。以下、無線フレーム化処理を図４に基づいて具体的に説明する。

ペイロード３１は、バッファメモリ部１４に格納される情報（ＡＤ変換部１３の出力信号）から、処理単位（ペイロード３４に納めることが可能な情報量）分の情報を切り出して図示したものである。バッファメモリ部１４に格納された情報は、無線中継システムで逐次処理するためにペイロード３２としてＤＡ変換部１５により読み出される。図４では、ペイロード３１に格納された情報の書き込み速度とペイロード３２に格納された情報の読み出し速度が異なる場合を図示しており、ペイロード３２の読み出し速度がペイロード３１の書き込み速度よりも速いため、読み出し後の信号（ペイロード３２）は時間的に圧縮された状態になる。このようにすることで、ＭＩＭＯ信号を中継するＭＳが複数存在する場合にそれらの中継信号を時間多重して互いに干渉を与えないような状態で送信することが可能となる。なお、ＤＡ変換部１５は、制御部１６により指示されたタイミング（速度）でバッファメモリ部１４から情報を読み出す。ＤＡ変換部１５は、ペイロード３２をアナログ信号に変換し、アナログ信号処理部１７は、アナログ変換後のペイロード３２に対してフィルタリング処理，拡散処理，などを実行し、その処理結果をペイロード３４としてセレクタ１９へ出力する。一方、変調部１８が制御情報，同期用プリアンブル信号，などに基づいて生成した信号であるヘッダ３３もセレクタ１９に入力される。そして、セレクタ１９は、入力されたヘッダ３３とペイロード３４を結合して無線フレーム３５を生成する。

受信したＭＩＭＯ信号を中継送信する通信装置が、以上の無線フレーム生成動作を繰り返し実行して生成した無線フレームを他の装置へ送信し、一方、これらを受信した装置が無線フレームのペイロードに含まれる信号に基づいて、無線フレームの送信元の通信装置が受信したＭＩＭＯ信号を復元することで、元のＭＩＭＯ信号Ｓ１００を中継する。また、複数の通信装置が協調動作を行うことにより信号の送信元通信装置が備えるアンテナ数を超えた多重数のＭＩＭＯ伝送を行うには、上述した手順と逆の動作を実行する。なお、上述したとおり無線フレームのペイロードに含まれる信号はアナログ形式の信号である。

ここで、アンテナ７の入力信号に基づいて生成した信号をアナログ形式でペイロードに格納する利点について説明する。たとえば、従来のＭＩＭＯ通信装置として“樋口健一、新博行、川本潤一郎、川合裕之、前田規行、佐和橋 衛、「最大データレート１Ｇｂｐｓを実現するＭＩＭＯチャネル用ブロードバンドパケット無線アクセス実験装置の概要」、2005年電子情報通信学会総合大会講演論文集 B-5−69, p.518.”において開示されている装置では送信アンテナ４本、受信アンテナ４本のＭＩＭＯ多重伝送をＡ／Ｄ変換速度１３５ＭＨｚで実現している。このときの量子化ビット数は不明だが、たとえばＩ−ｃｈおよびＱ−ｃｈの量子化ビット数を各１６ｂｉｔと仮定すると、Ａ／Ｄ変換器からの出力をデジタル形式で中継する場合、無線中継システムは１７Ｇｂｐｓ以上の膨大な伝送帯域が必要であり、中継が困難となる。これをＡ／Ｄ変換器からの出力よりも後段の信号、たとえば復調結果のようなものを用いれば伝送情報量が大幅に削減できるが、ＭＩＭＯ信号の処理にはすべてのアンテナの出力を使用する必要があるため、削減できる量も自ずと限られてしまう。

一方、アンテナ７−２入力に基づいて生成した信号をアナログ形式の信号としてペイロード３に格納することができれば、中継に必要な帯域は中継したい信号の無線帯域幅で決まるため、デジタル形式で中継する場合に比べて大幅に伝送情報量の削減が可能となり、中継の実現性が増加する。たとえば前述の非特許文献２に示されたシステムは無線帯域が約１００ＭＨｚなので、この信号を表現できる中継帯域が確保すればよい。

また、上述した構成の無線フレーム１を使用して信号の中継を行うことにより、無線中継システムを簡易に構成することが可能となる。具体的には、ヘッダ２は既存のシステムのものを流用し、ペイロード３に、本来載せていたデジタル形式の信号に代えて上述したアナログ信号を載せて利用する。これにより、既存のシステムの枠組を流用して無線中継システムを構築することが可能となり、結果として無線中継システムを簡易に構成することができる。また、このようにすることで、他の既存システム、たとえばＵＷＢ（Ultra Wide Band）無線通信を利用した短区間通信システムを運用しながら、その一部を中継用に流用することによって、中継制御は既存システムを利用し、中継送信する信号のみを独自の形式でペイロードに載せて中継することも可能となる。

なお、本実施の形態では、ＭＳ同士で中継を行う場合に関して説明を行ったが、中継元となる装置は中継機能を持つものならば何でもよい。たとえば、中継機能に特化した小型中継装置をＭＳの周囲に配置して、この小型中継装置が仮想的にＭＩＭＯ多重通信路を構築するといったことも可能である。

また、本実施の形態では、ＢＳから送信されるＭＩＭＯ信号を複数のＭＳで受信する場合について説明したが、これは、たとえばアドホックネットワークのような、対等なＭＳ同士でネットワークを構成するようなシステム内において送信されるＭＩＭＯ信号であっても同様の中継を行うことは可能である。

このように、本実施の形態においては、通信装置（ＭＳ）は、受信したＭＩＭＯ信号を中継送信先の通信装置が復元するための信号を、アナログ形式の信号として無線フレームのペイロードに載せて他の通信装置へ中継送信することとした。これにより、ＭＩＭＯ多重伝送路を仮想的に構築するために必要な、短区間通信を実現しつつ、デジタル形式の信号として中継送信する場合と比較して、中継に必要な伝送帯域を大幅に削減することができ、無線中継システムのコスト削減や通信装置の小型化・低消費電力化に寄与することができる。

また、信号中継用の無線フレームのヘッダとして既存の無線システムにおいて使用しているフレームのヘッダと同一形式のものを使用することとし、中継方式として既存の無線システムを流用しやすい形とした。これにより、無線中継システム構築のコスト削減効果が得られる。

また、通信装置は、さらに、アナログ変換後の信号を時間圧縮して他の装置へ中継送信することとした。これにより、ＭＩＭＯ信号を中継する装置が複数存在する場合、各装置が中継信号を時間多重して送信することができる。

実施の形態２．
つづいて、実施の形態２の通信装置および無線中継システムについて説明する。図５は、実施形態２の無線中継システムの構成例を示す図である。図５において、１−２〜１−７は無線フレ−ム，２−２〜２−７はヘッダ，３−２〜３−７はペイロ−ド，４はＢＳ（基地局），５−１〜５−４はＢＳが備えるアンテナ，Ｓ１００−１〜Ｓ１００−８はＭＩＭＯ信号，６−１〜６−４はＭＳ（通信装置），７−１〜７−４はＭＳが備えるＭＩＭＯ信号送受信用のアンテナ，８−１〜８−４はＭＳが備えるＭＩＭＯ信号中継用のアンテナ，３３はＭＩＭＯ伝送路である。また、図５は、４台のＭＳ６−１〜６−４が協調動作して４×４のＭＩＭＯ伝送路４０を構築し、ＭＳ６−１にＭＩＭＯ信号Ｓ１００−１〜Ｓ１００−８を集約する場合を示している。

図５に基づいて、各ＭＳが受信したＭＩＭＯ信号をＭＳ−６−１に集約する動作を説明する。ＢＳ４から送信された信号はＭＩＭＯ伝送路４０を介して、アンテナ５−１〜５−４の出力が互いに多重されたＭＩＭＯ信号Ｓ１００−１〜Ｓ１００−８として各ＭＳに受信される。ＭＩＭＯ信号Ｓ１００−１およびＳ１００−５は、信号の宛先であるＭＳ６−１に直接入力され、一方、ＭＩＭＯ信号Ｓ１００−２〜Ｓ１００−４およびＳ１００−６〜Ｓ１００−８は、それぞれＭＳ６−２〜６−４によって６−１へ中継される。具体的には、ＭＳ６−２は、ヘッダ２−２とペイロード３−２の組み合わせからなる無線フレーム１−２にてＭＩＭＯ信号Ｓ１００−２を中継し、また、ヘッダ２−５とペイロード３−５の組み合わせからなる無線フレーム１−５にてＭＩＭＯ信号Ｓ１００−５を中継する。ＭＳ６−３は、ヘッダ２−３とペイロード３−３の組み合わせからなる無線フレーム１−３にてＭＩＭＯ信号Ｓ１００−３を中継し、また、ヘッダ２−６とペイロード３−６の組み合わせからなる無線フレーム１−６にてＭＩＭＯ信号Ｓ１００−６を中継する。ＭＳ６−４は、ヘッダ２−４とペイロード３−４の組み合わせからなる無線フレーム１−４にてＭＩＭＯ信号Ｓ１００−４を中継し、また、ヘッダ２−７とペイロード３−７の組み合わせからなる無線フレーム１−７にてＭＩＭＯ信号Ｓ１００−７を中継する。

なお、上記無線フレーム１−２〜１−７は、互いに干渉を与えないような状態で多重送信される。たとえば、ＭＳ６−２〜６−４は、無線フレーム１−２〜１−４を時間多重させて、互いに直交分離した状態でＭＳ６−１へ中継する。また、ペイロード３−２〜３−４は、上述した実施の形態２の手順により生成されたものであり、時間圧縮された信号を格納している。ＭＩＭＯ信号Ｓ１００−６〜Ｓ１００−８に対応する無線フレーム１−５〜１−７も同様にＭＳ６−１へ中継される。図５は、無線フレーム１−２〜１−４および１−５〜１−７が時分割多重された状態でＭＳ６−１へ送信されている様子を示している。

また、ＭＩＭＯ信号を中継するＭＳの数は、周囲のＭＳの数などによって適宜追加／削除する。この追加／削除処理に関する制御は、無線中継システムの中で実行し、その方法は、ヘッダ内に含まれる制御信号のみを使用して行ってもよいし、上述した実施の形態のように既存の無線システムの枠組を流用して無線中継システムを構築する場合は、流用する無線システムが持つ制御手段（制御方法）を使用して行ってもよい。さらには両者を使用して行ってもよい。

なお、図４に示した例において、ＭＳ６−１〜６−４は、ＭＩＭＯ信号Ｓ１００−１〜Ｓ１００−８を受信するアンテナをそれぞれ１本しか持たない場合を記載したが、本発明はアンテナ本数を限定するものではなく、ＭＳが複数のアンテナを持っている場合であっても同様に適用可能であり、同様の効果が得られる。

また、本実施の形態においては、複数のＭＳがＭＩＭＯ信号を中継する場合に、各ＭＳが中継信号を時分割多重して送信する場合について示したが、これに限らず、周波数分割多重や符号分割多重など別の多重手法を使用してもよいし、複数の多重方法を組み合わせて使用してもよい。

このように、本実施の形態においては、無線中継システムの各通信装置がＭＩＭＯ多重通信路を仮想的に構築することとした。これにより、各ＭＳが備えるアンテナ数を超えた多重数のＭＩＭＯ多重通信路が実現可能となり、伝送速度の向上や通信品質の改善を図ることができる。

また、本実施の形態によれば、ＭＩＭＯ通信に供するアンテナの間隔を、無線中継によって離すことができるので、ＭＳに複数のアンテナを実装する場合と比較してアンテナ間隔を広くすることが可能となり、アンテナ相関の低減や開口面積増加による利得の向上などによる通信品質の改善を図ることができる。

さらに、本実施の形態によれば、中継ＭＳを無線中継システムに追加することや、無線中継システムから削除することが柔軟に実現可能となるので、ＭＩＭＯ多重通信路の大きさを必要に応じて設定することが可能となり、運用の柔軟性やユーザの利便性、通信品質の改善といった効果を得ることができる。

実施の形態３．
つづいて、実施の形態３の通信装置および無線中継システムについて説明する。図６は、実施の形態３の無線中継システムがＭＩＭＯ信号を中継する場合の制御シーケンスの一例を示す図である。なお、本実施の形態の無線中継システムの構成は、上述した実施の形態１と同様である。図６において、４はＢＳ，６−１〜６−４はＭＳである。また、Ｍ１〜Ｍ１７は、各ＭＳ（ＭＳ６−１〜６−４）がＢＳ４から受信したＭＩＭＯ信号，Ｒ１〜Ｒ１１は、各ＭＳが受信したＭＩＭＯ信号に基づいて生成した信号など、受信したＭＩＭＯ信号の宛先ＭＳとその他のＭＳとの間でやり取りする中継信号である。図６は、ＭＳ６−２〜６−４が、受信したＭＩＭＯ信号または当該信号に基づいて生成した信号をその宛先であるＭＳ６−１へ中継することにより、ＢＳ４から送信されるＭＩＭＯ信号をＭＳ６−１が受信する場合の、ＭＳ６−１〜６−４の中継制御シーケンスを示している。

図６に基づいて、ＭＳ６−２〜６−４が受信したＭＩＭＯ信号をＭＳ−６−１へ中継する動作を説明する。まず、はじめにＢＳ４とＭＳ６−１とが、ＭＩＭＯ信号に関する同期確立や初期設定などの制御を行う。この制御は、ＢＳ４から送信されるＭＩＭＯ信号Ｍ１およびＭＳ６−１が受信するＭＩＭＯ信号Ｍ２によって実行される。次に、中継信号Ｒ１〜Ｒ４を用いて、ＭＳ６−１とＭＳ６−１が中継動作を依頼するＭＳ６−２〜６−４との間で無線中継システムの初期設定（たとえば、中継信号の送受信タイミングの決定）を行う。図６は、ＭＳ６−２、ＭＳ６−３、ＭＳ６−４の順に設定を実行する場合の例を示している。無線中継システムの初期設定が完了すると、ＭＳ６−１〜６−４は、協調動作を開始し、ＭＳ６−１は中継された自装置宛のＭＩＭＯ信号を受信する。なお、ＭＳ６−１は、必要とするＭＩＭＯ多重数に応じて上記無線中継システムの初期設定を行うＭＳの数を変更する。これにより、協調動作を行うＭＳの数を可変とすることができる。

ＢＳ４から送信されたＭＩＭＯ信号Ｍ３は、ＭＳ６−１〜６−４において、それぞれＭＩＭＯ信号Ｍ４〜Ｍ７として受信される。ＭＳ６−１〜６−４は、受信したＭＩＭＯ信号Ｍ４〜Ｍ７をメモリなどに一旦格納する。

同様に、ＢＳ４から送信されたＭＩＭＯ信号Ｍ８は、ＭＳ６−１〜６−４において、それぞれＭＩＭＯ信号Ｍ９〜Ｍ１２として受信される。ＭＳ６−１〜６−４は、受信したＭＩＭＯ信号Ｍ９〜Ｍ１２をメモリなどに一旦格納する。また、これらのＭＩＭＯ信号受信処理と並行して、無線中継システム上でＭＳ６−２〜６−４により中継信号Ｒ５〜Ｒ８を用いた中継処理（中継信号生成送信処理）が行われる。具体的には、ＭＳ６−２は、格納しておいたＭＩＭＯ信号Ｍ５に基づいて中継信号Ｒ６を生成し、ＭＳ６−１へ送信する。同様にＭＳ６−３およびＭＳ６−４は、格納しておいたＭＩＭＯ信号Ｍ６およびＭ７に基づいて中継信号Ｒ７およびＲ８を生成し、ＭＳ６−１へ送信する。なお、各ＭＳは、上述した実施の形態２で示した無線フレーム生成動作を行うことにより中継信号を生成する。そして、ＭＳ６−１は、中継信号Ｒ６〜Ｒ８の受信結果である中継信号Ｒ５に基づいて元の（ＭＳ６−２〜６−４が受信した）ＭＩＭＯ信号Ｍ５〜Ｍ７を復元し、自身が保持しているＭＩＭＯ信号Ｍ４と合わせてＭＩＭＯ復調・復号処理を行う。以下、ＭＳ６−１〜６−４は、ＭＩＭＯ信号Ｍ９〜Ｍ１２、Ｍ１３〜Ｍ１７およびそれ以降に受信したＭＩＭＯ信号についても同様に中継処理を行う。

このように、本実施の形態においては、無線中継システムの各通信装置がＭＩＭＯ多重通信路を仮想的に構築することとした。これにより、各通信装置が備えるアンテナ数を超えた多重数のＭＩＭＯ多重通信路が実現可能となり、伝送速度の向上や通信品質の改善を図ることができる。

また、本実施の形態によれば、ＭＩＭＯ通信に供するアンテナの間隔を、無線中継によって離すことができるので、１つの通信装置に複数のアンテナを実装してＭＩＭＯ通信する場合と比較してアンテナ間隔を広くすることが可能となり、アンテナ相関の低減や開口面積増加による利得の向上などによる通信品質の改善を図ることができる。

さらに、本実施の形態によれば、中継ＭＳ（信号を中継する通信装置）を無線中継システムに追加することや、無線中継システムから削除することが柔軟に実現可能となるので、ＭＩＭＯ多重通信路の大きさを必要に応じて設定することが可能となり、運用の柔軟性やユーザの利便性、通信品質の改善といった効果を得ることができる。

実施の形態４．
つづいて、実施の形態４の通信装置および無線中継システムについて説明する。本実施の形態の無線中継システムの構成は、上述した実施の形態１と同様である。図７は本発明にかかる通信装置の実施の形態４の構成例を示す図である。本実施の形態の通信装置は、信号の送信元装置が送信した信号を直接受信するためのアンテナ７，送信元装置からの受信信号を他の装置との間でやり取りするためのアンテナ８，ＭＩＭＯ受信部１２，ＡＤ変換部１３，バッファメモリ部１４−１，分離識別保持手段に相当するバッファメモリ部１４−２，制御部１６ａ，中継受信部２２，アナログ信号処理部２３，復調部２４，請求項８に記載の中継信号ＡＤ変換手段に相当するＡＤ変換部２５，信号出力手段に相当するセレクタ５１，復調部５２，復号部５３，を備える。なお、図７は、複数の通信装置から中継されたＭＩＭＯ信号を集約してＭＩＭＯ復調を行う通信装置において、通信装置が直接受信したＭＩＭＯ信号と他の通信装置から受信した中継信号に基づいて復元したＭＩＭＯ信号とを合わせて、ＭＩＭＯ復調処理を行う通信装置の一例を示している。また、図７において、上述した実施の形態２の通信装置の構成要素と同じ処理を行う部分については同一の符号を付している。そのため、本実施の形態においては、それら同一符号を付した構成要素についての詳しい説明を省略する。

本実施の形態の通信装置（ＭＳ）が受信したＭＩＭＯ信号および中継信号に基づいて行うＭＩＭＯ復調処理を説明する。ＭＩＭＯ受信部１２は、アンテナ７を介して受信したＭＩＭＯ信号に対して、フィルタリング処理，周波数変換処理を行い、ＡＤ変換部１３は、ＭＩＭＯ受信部１２の出力信号を量子化する。そして、ＡＤ変換部１３の出力は、バッファメモリ部１４−１に格納される。

中継受信部２２は、アンテナ８を介して受信した中継信号に対して、増幅処理，フィルタリング処理，周波数変換処理，などを行う。アナログ信号処理部２３は、中継信号の送信側が行った中継信号生成処理と逆の処理（フィルタリング処理、逆拡散処理、など）を、中継信号のペイロードに格納されている信号に対して行い、元のＭＩＭＯ信号を復元する。ただし、ここで復元した信号は、時間圧縮されたＭＩＭＯ信号で、元のＭＩＭＯ信号とはタイムスケールが一致しない場合がある。そして、ＡＤ変換部２５は、アナログ信号処理部２３により復元された信号の量子化を行い、量子化後のデジタル信号は、バッファメモリ部１４−２に格納される。なお、バッファメモリ部１４−２は、制御部１６ａにより制御され、ここでは、制御部１６ａが、バッファメモリ部１４−２上の記憶区画が中継元のＭＳ毎に独立となるように、制御を行う。すなわち、他の複数のＭＳから中継信号を受信した場合、ＭＳは、それらの中継信号に対して上記処理を行うことにより得られた上記デジタル信号を、中継信号の送信元（中継元）ＭＳ毎に異なる記憶区画に格納しておく。

バッファメモリ部１４−１の出力信号およびバッファメモリ部１４−２の出力信号は、セレクタ５１へ入力される。このとき、制御部１６ａは、バッファメモリ部１４−２およびセレクタ５１の制御を行い、セレクタ５１が、バッファメモリ部１４−１およびバッファメモリ部１４−２に格納されている各信号を、適切な順番に並び替えて適切なタイミングで出力するようにする。すなわち、制御部１６ａにより制御されたセレクタ５１は、ＭＩＭＯ送信側の装置において生成され、ＭＩＭＯ伝送される前の変調信号と同様の信号が復調部５２へ入力されるように、バッファメモリ部１４−１および１４−２から受け取った各信号を並び替え、さらに、必要に応じてそれらの出力タイミングを調整して（信号を時間伸展して）出力する。これにより、復調部５２以降の処理が正常に行われるようにする。なお、上記バッファメモリ１４−１および１４−２は別個に備える必要はなく、１つのバッファメモリのみを備え、これを共用するような構成としてもよい。そして、復調部５２は、セレクタ５１から受け取った信号に対してＭＩＭＯ信号処理や復調処理といったデジタル信号処理を行い、復調部５２からの出力信号は復号部５３に渡されて、復号される。

また、図８は、図７に示した通信装置（ＭＳ）においてバッファメモリ部１４−１および１４−２を用いて実現した機能をＦＩＦＯ（First-In First-Out）で実現する場合の構成例を示したものである。この場合のＭＳは、図７に示したＭＳのバッファメモリ１４−１および１４−２，制御部１６ａ，セレクタ５１に代えて、ＦＩＦＯ６１〜６４，制御部１６ｂ，セレクタ５１ｂを備え、さらにセレクタ６０が追加された構成となる。なお、その他の部分の構成は図７に示したＭＳと同様であるため同一の符号を付している。

図８に示した構成のＭＳが受信したＭＩＭＯ信号および中継信号に基づいて行うＭＩＭＯ復調処理と、図７に示した構成のＭＳが行うＭＩＭＯ復調処理との違いについて説明する。図８に示した構成のＭＳにおいては、ＡＤ変換部１３の出力がＦＩＦＯ６１に入力され、ＡＤ変換部２５の出力がセレクタ６０を介してＦＩＦＯ６２〜６４へ入力される。また、ＦＩＦＯ６１〜６４の出力は、セレクタ５１ｂを介して復調部５２へ入力される。このとき、制御部１６ｂは、ＡＤ変換部２５の出力を、中継元のＭＳ毎に別々のＦＩＦＯに格納されるように制御する。すなわち、他の複数のＭＳから中継信号を受信した場合、ＭＳは、それらの中継信号に基づいて得られたデジタル信号（ＡＤ変換部２５の出力）を、中継信号の送信元ＭＳ毎に別々のＦＩＦＯに格納しておく。また、制御部１６ｂは、ＦＩＦＯ６１〜６４の出力タイミングなどを制御して、復調部５２が、各ＦＩＦＯに格納している信号を適切なタイミングで処理できるようにする。

このように、本実施の形態においては、ＭＩＭＯ信号の送信元の装置から直接受信したＭＩＭＯ信号と、他のＭＳにより中継された信号（ＭＩＭＯ信号を復元するための中継信号）に基づいて、送信元装置から送信されたＭＩＭＯ信号を復元し、その復元された信号に対して適切な順序やタイミングでＭＩＭＯ復調処理を行うこととした。これにより、ＭＳが備えるアンテナ数を超えた多重数のＭＩＭＯ多重通信が可能となるので、装置自体のサイズやコストが増大するのを防止しつつ通信容量を増加させることができる。

以上のように、本発明にかかる通信装置は、ＭＩＭＯによるデータ伝送を行う通信システムに有用であり、特に、複数の通信装置が協調動作を行うことにより、データの送受信を行う通信装置が備えるアンテナ数を超える多重数のＭＩＭＯ多重伝送を実現する通信システムを構成する通信装置に適している。

無線中継用フレームの構成例を示す図である。 本発明にかかる無線中継システムの実施の形態１の構成例を示す図である。 本発明にかかる通信装置の実施の形態１の構成例を示す図である。 ＭＩＭＯ信号受信時の無線フレーム生成動作例を示す図である。 実施形態２の無線中継システムの構成例を示す図である。 実施の形態３の無線中継システムがＭＩＭＯ信号を中継する場合の制御シーケンスの一例を示す図である。 本発明にかかる通信装置の実施の形態４の構成例を示す図である。 本発明にかかる通信装置の実施の形態４の構成例を示す図である。

符号の説明

１、１−２、１−３、１−４、１−５、１−６、１−７、３５ 無線中継用フレーム（無線フレーム）
２、２−２、２−３、２−４、２−５、２−６、２−７、３３ ヘッダ（Header）
３、３−２、３−３、３−４、３−５、３−６、３−７、３１、３２、３４ ペイロード（Payload）
４ ＢＳ（基地局）
５−１、５−２、５−３、５−４、７、７−１、７−２、７−３，７−４、８、８−１、８−２、８−３、８−４ アンテナ
６−１、６−２、６−３、６−４ ＭＳ（通信装置）
１１、２１ 切替部
１２ ＭＩＭＯ受信部
１３、２５ ＡＤ変換部
１４、１４−１、１４−２ バッファメモリ部
１５、２６ ＤＡ変換部
１６、１６ａ、１６ｂ 制御部
１７、２３ アナログ信号処理部
１８ 変調部
１９、５１、５１ｂ、６０ セレクタ
２０ 中継送信部
２２ 中継受信部
２４、５２ 復調部
２７ ＭＩＭＯ送信部
４０ ＭＩＭＯ伝送路
５３ 復号部
６１、６２、６３、６４ ＦＩＦＯ

Claims (14)

1. 他の通信装置と協調動作を行いながら、当該他の通信装置または／および自装置が備えるアンテナ数を超える多重数でＭＩＭＯ多重伝送された受信信号を、必要に応じて当該他の通信装置へ中継送信する通信装置であって、
   前記ＭＩＭＯ伝送された受信信号（ＭＩＭＯ受信信号）をデジタル信号に変換するＡＤ変換手段と、
   前記ＡＤ変換手段が出力したデジタル信号を保持しておく信号保持手段と、
   前記他の通信装置との間で予め決定しておいた信号読み出し速度で前記信号保持手段から前記デジタル信号を読み出し、当該読み出したデジタル信号をアナログ信号に変換するＤＡ変換手段と、
   前記ＭＩＭＯ受信信号が自装置宛に送信された信号でない場合、前記アナログ信号をペイロードに格納し、当該ペイロードにヘッダ情報を付与して生成した信号を中継信号として前記ＭＩＭＯ受信信号の宛先通信装置に対して送信する中継信号生成手段と、
   を備えることを特徴とする通信装置。
2. 前記中継信号生成手段は、前記ペイロードのサイズを、既存のシステムにおいて使用しているサイズと同じサイズとし、前記ヘッダ情報を、当該既存のシステムにおいて使用しているヘッダ情報と同じ内容のヘッダ情報を使用して、前記中継信号を生成することを特徴とする請求項１に記載の通信装置。
3. 前記信号読み出し速度を、前記信号保持手段に対して前記デジタル信号が書き込まれた速度よりも速い速度とすることを特徴とする請求項１または２に記載の通信装置。
4. 前記協調動作を行う他の通信装置が複数存在する場合、
   前記中継信号生成手段は、前記宛先通信装置とは異なる他の通信装置が送信する中継信号と自装置が送信する中継信号とが互いに干渉を与えないように、前記中継信号を時分割多重送信することを特徴とする請求項１、２または３に記載の通信装置。
5. 前記時分割多重送信に代えて、符号分割多重送信を行うことを特徴とする請求項４に記載の通信装置。
6. 前記時分割多重送信に代えて、周波数分割多重送信を行うことを特徴とする請求項４に記載の通信装置。
7. 他の通信装置との協調動作を開始するにあたり、
   自装置がＭＩＭＯ伝送される信号の宛先通信装置となる場合、他の各通信装置との間で前記信号中継条件を決定し、
   自装置がＭＩＭＯ伝送される信号の宛先通信装置とならない場合、ＭＩＭＯ伝送される信号の宛先通信装置との間で前記信号中継条件を決定することを特徴とする請求項１〜６のいずれか一つに記載の通信装置。
8. さらに、
   自装置宛にＭＩＭＯ伝送された信号を受信した他の通信装置が当該受信信号に基づいて生成および送信した中継信号を受信した場合、当該中継信号に含まれるアナログ信号をデジタル信号に変換する中継信号ＡＤ変換手段と、
   前記中継信号ＡＤ変換手段が出力したデジタル信号を、前記中継信号の送信元通信装置毎に分離識別して異なる保持領域に保持する分離識別保持手段と、
   前記分離識別保持手段に保持しているデジタル信号および送信元の通信装置から直接受信したＭＩＭＯ伝送信号の並び替えを行い、並び替えた信号の出力タイミングを必要に応じて調整することにより、ＭＩＭＯ送信側の装置において生成されたＭＩＭＯ伝送される前の変調信号と同様の信号を出力する信号出力手段と、
   を備え、
   前記信号出力手段が出力した信号を復調することを特徴とする請求項１〜７のいずれか一つに記載の通信装置。
9. 前記分離識別保持手段を、ＦＩＦＯ（First-In First-Out）とすることを特徴とする請求項８に記載の通信装置。
10. 送信元通信装置から、宛先通信装置への送信信号に基づいて生成した中継信号を、受け取り、当該中継信号に基づいて生成した復元信号を、当該送信元通信装置と協調動作を行いながら当該宛先通信装置へＭＩＭＯ送信することにより、当該送信元通信装置が備えるアンテナ数を超える多重数のＭＩＭＯ多重伝送を実現する通信装置であって、
    前記中継信号をデジタル信号に変換するＡＤ変換手段と、
    前記ＡＤ変換手段が出力したデジタル信号を保持しておく信号保持手段と、
    前記送信元通信装置との間で予め決定しておいた信号出力速度で前記信号保持手段から出力された前記デジタル信号を受け取り、当該受け取ったデジタル信号をアナログ信号に変換するＤＡ変換手段と、
    前記ＤＡ変換出力手段からの出力信号を前記宛先通信装置に対してＭＩＭＯ送信するＭＩＭＯ送信手段と、
    を備えることを特徴とする通信装置。
11. 前記信号出力速度を、前記信号保持手段に対して前記デジタル信号が入力された速度よりも遅い速度とすることを特徴とする請求項１０に記載の通信装置。
12. 協調動作の開始時に、前記送信元通信装置との間で前記前記信号出力速度を決定することを特徴とする請求項１０または１１に記載の通信装置。
13. 請求項１〜９のいずれか一つに記載の通信装置と同様の中継信号送信処理を行う中継信号送信機と、
    請求項１０、１１または１２に記載の通信装置と同様の中継信号受信処理を行う中継信号受信機と、
    を備えることを特徴とする通信装置。
14. 請求項１３に記載の通信装置を複数備えたことを特徴とする無線中継システム。

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