專利名稱：中繼節(jié)點和中繼方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及使用多輸入多輸出(MIMO )方式對無線信號進行中 繼的中繼節(jié)點和中繼方法。
背景技術(shù)：
近年來，作為用于對無線信號進行中繼的技術(shù)，組合了多跳躍 (multi-hop )方式和MIMO方式的MIMO多跳躍系統(tǒng)很引人注目。 多跳躍方式是經(jīng)由存在于作為信號發(fā)送方的源節(jié)點和作為該信號的 目的地的目的地節(jié)點之間的l個以上的中繼節(jié)點，將信號從源節(jié)點傳 送到目的地節(jié)點。該方式具有以下的優(yōu)點通過對信號進行中繼而擴 大接收可能范圍，能夠通信的區(qū)域理論上沒有限制，能夠迅速地構(gòu)筑 無線網(wǎng)絡(luò)。另一方面，MIMO方式是通過使用多個發(fā)送天線和接收天 線發(fā)送接收無線信號，多樣地靈活運用無線空間而增加通信容量的通 信方式。對于該MIMO多跳躍系統(tǒng)，在下述的非專利文獻l、 2和下述的 專利文獻1、 2中，記載了以下的技術(shù)，即在中繼節(jié)點中根據(jù)源節(jié)點 和目的地節(jié)點之間的信道矩陣計算發(fā)送加權(quán)矩陣，將該發(fā)送加權(quán)矩陣 與接收信號相乘，由此提高中繼節(jié)點之間和各中繼節(jié)點的多個天線之 間的發(fā)散增益。即，在非專利文獻1、 2中，作為這樣的方式，提出 了 QR - P - QR、 QR - P - ZF、 ZF - P - QR。 QR - P - QR是將源節(jié) 點側(cè)的后方信道和目的地節(jié)點側(cè)的前方信道作為對象進行QR分解的 方式，QR - P - ZF是將后方信道和前方信道的各個作為對象進行QR 分解和迫零(ZF: Zero Forcing)的方式，ZF - P - QR是將后方信 道和前方信道的各個作為對象進行迫零和QR分解的方式。非專利文獻1: H. Shi， T. Abe， T. Asai， and H. Yoshino， "A
Relaying Scheme using QR Decomposition with Phase Control for MIMO Wireless Networks", Proc. IEEE International Conf. On Communication Seoul, 2005年5月，p2705 ~ 2711非專利文獻2: IL Shi， T. Abe， T. Asai， and H. Yoshino， "Relay Technique in MIMO Wireless Networks", Proc. IEEE Vehicular Technology Conf. ， 2005年9月，p2438 ~ 2443專利文獻l:日本特開2006 - 148867號公報專利文獻2:日本特開2006 - 148868號公才艮但是，在各中繼節(jié)點的前方信道和后方信道的傳送質(zhì)量的比例 (例如SNR比)變化了的情況下，達到最高的通信容量的中繼方法 變得不同。因此，在多個中繼節(jié)點具有不同的信道傳送質(zhì)量的情況下， 如果全部中繼節(jié)點統(tǒng)一地選擇中繼方法，則在通信系統(tǒng)全體中，必然 無法保證能夠選擇出最優(yōu)的中繼方法，有通信容量降低的傾向。發(fā)明內(nèi)容因此，本發(fā)明就是鑒于該問題而提出的，其目的在于提供一種 能夠適應(yīng)于各個節(jié)點的信道的傳送質(zhì)量地，提高通信系統(tǒng)全體的通信 容量的中繼節(jié)點和中繼方法。為了解決上述問題，本發(fā)明的中繼節(jié)點是使用多輸入多輸出 (MIMO)方式將從源節(jié)點發(fā)送的發(fā)送信號中繼到目的地節(jié)點的中繼 節(jié)點，具備從源節(jié)點對發(fā)送信號進行接收的接收單元；測量作為本 裝置與源節(jié)點之間的傳送路徑的后方信道的傳送質(zhì)量、作為本裝置與 目的地節(jié)點之間的傳送路徑的前方信道的傳送質(zhì)量之中的至少任意 一個的測量單元；與由測量單元推測出的后方信道的傳送質(zhì)量和前方 信道的傳送質(zhì)量之中的至少任意一個對應(yīng)地，從多個中繼方法中選擇 作為本裝置中的發(fā)送信號的變換方式的中繼方法的選擇單元；通過將 發(fā)送信號乘以與由選擇單元選擇出的中繼方法對應(yīng)的變換矩陣，來變 換為中繼信號的變換單元；將由變換單元變換了的中繼信號發(fā)送到目 的地節(jié)點的發(fā)送單元。
或者，本發(fā)明的中繼方法是使用多輸入多輸出(MIMO)方式將 從源節(jié)點發(fā)送的發(fā)送信號中繼到目的地節(jié)點的中繼方法，包括接收 單元從源節(jié)點對發(fā)送信號進行接收的接收步驟；測量單元測量作為本 裝置與源節(jié)點之間的傳送路徑的后方信道的傳送質(zhì)量、作為本裝置與 目的地節(jié)點之間的傳送路徑的前方信道的傳送質(zhì)量之中的至少任意 一個的測量步驟；選擇單元與由測量步驟推測出的后方信道的傳送質(zhì) 量和前方信道的傳送質(zhì)量之中的至少任意一個對應(yīng)地，從多個中繼方 法中選擇作為本裝置中的發(fā)送信號的變換方式的中繼方法的選擇步 驟；變換單元通過將發(fā)送信號乘以與由選擇步驟選擇出的中繼方法對 應(yīng)的變換矩陣，來變換為中繼信號的變換步驟；發(fā)送單元將由變換步 驟變換了的中繼信號發(fā)送到目的地節(jié)點的發(fā)送步驟。根據(jù)這樣的中繼節(jié)點和中繼方法，測量后方信道的傳送質(zhì)量和前 方信道的傳送質(zhì)量的至少任意一個，與該傳送質(zhì)量對應(yīng)地選擇適用于 本裝置中的中繼方法，并與對應(yīng)于選擇出的中繼方法的變換矩陣進行 相乘，由此在將從源節(jié)點接收到的發(fā)送信號變換為中繼信號后，將該 中繼信號發(fā)送到目的地節(jié)點。由此，選擇適合于各個中繼節(jié)點的后方 信道或前方信道的傳送質(zhì)量的中繼方法，通過該中繼方法處理發(fā)送信 號，因此，通過各個中繼節(jié)點進行中繼時的通信容量增大，.其結(jié)果是 能夠有效地提高通信系統(tǒng)全體的通信容量。理想的是還包括針對由變換單元進行了變換的中繼信號，實施 矩陣計算使得在目的地節(jié)點側(cè)在多個中繼方法之間能夠進行同相合成的矩陣計算單元，其中發(fā)送單元對由矩陣計算單元實施了矩陣計算 的中繼信號進行發(fā)送。在該情況下，在目的地節(jié)點中接收來自多個中 繼節(jié)點的中繼信號的情況下，對來自各中繼節(jié)點的中繼信號進行同相 合成，因此能夠進一步提高系統(tǒng)全體的通信容量。另外，理想的是還包括與由測量單元測量出的后方信道的傳送 質(zhì)量和前方信道的傳送質(zhì)量之中的至少任意一個對應(yīng)地，判斷是否將 發(fā)送信號中繼到目的地節(jié)點的判斷單元，其中發(fā)送單元在判斷單元判 斷出對發(fā)送信號進行中繼的情況下，發(fā)送中繼信號。這樣，與后方信
道的傳送質(zhì)量或前方信道的傳送質(zhì)量對應(yīng)地，判斷是否在中繼節(jié)點中 對發(fā)送信號進行中繼，因此能夠防止在無法確保通信容量的狀態(tài)下由 中繼節(jié)點中繼無用的信號。進而，理想的是測量單元測量后方信道的傳送質(zhì)量和前方信道的 傳送質(zhì)量的雙方，選擇單元與由測量單元推測出的后方信道的傳送質(zhì)量和前方信道的傳送質(zhì)量對應(yīng)地，從以下的方法中選擇中繼方法對 后方信道和前方信道的各個進行QR分解的QR-P-QR法；對后方 信道和前方信道的各個進行QR分解和迫零(ZF)的QR - P - ZF法； 對后方信道和前方信道的各個進行迫零(ZF)和QR分解的ZF-P -QR法，矩陣計算單元在由選擇單元選擇出QR-P-ZF法的情況 下，實施使變換單元的輸出矩陣的行的順序逆轉(zhuǎn)那樣的矩陣計算，在 由選擇單元選擇出ZF-P-QR法的情況下，實施使變換單元的輸出 矩陣的列的順序逆轉(zhuǎn)那樣的矩陣計算。如果采用該結(jié)構(gòu)，則根據(jù)后方 信道和前方信道的雙方的傳送質(zhì)量，從QR - P - QR法、QR - P - ZF 法和ZF - P - QR法中選擇最優(yōu)的中繼方法，與該中繼方法對應(yīng)地對 中繼信號實施矩陣計算，使得能夠在目的地節(jié)點中進行同相合成，因 此能夠更有效地提高系統(tǒng)全體的通信容量。進而，理想的是測量單元測量后方信道的傳送質(zhì)量和前方信道的 傳送質(zhì)量的雙方，選擇單元與由測量單元測量出的后方信道的傳送質(zhì) 量和前方信道的傳送質(zhì)量的比對應(yīng)地選擇中繼方法。在該情況下，QR -P-QR法、QR-P-ZF法、ZF-P-QR法的通信容量的特性很 大地依存于后方信道的傳送質(zhì)量和前方信道的傳送質(zhì)量的比，能夠進 一步確實地提高通信容量。


圖1是表示本發(fā)明的適合的一個實施例的通信系統(tǒng)1的結(jié)構(gòu)的圖。圖2是表示圖1的中繼節(jié)點的功能結(jié)構(gòu)的框圖。 圖3是表示圖1的中繼節(jié)點的硬件結(jié)構(gòu)的圖。
圖4是詳細地表示圖2的中繼信號處理部件的結(jié)構(gòu)的框圖。圖5是表示在圖1的通信系統(tǒng)中中繼發(fā)送信號時的動作的時序圖。圖6是詳細地表示圖5的發(fā)送加權(quán)矩陣計算時的動作的流程圖。 圖7是詳細地表示圖5的發(fā)送加權(quán)矩陣計算時的動作的流程圖。 圖8是詳細地表示圖5的發(fā)送加權(quán)矩陣計算時的動作的流程圖。 圖9是表示在圖2的中繼節(jié)點中計算的發(fā)送加權(quán)矩陣的圖形的圖。
具體實施方式
以下，與附圖一起詳細地說明中繼節(jié)點和中繼方法的適合的實施 例。另外，在附圖的說明中，向同一要素附加同一符號，并省略重復(fù) 的說明。圖1是表示本發(fā)明的適合的一個實施例的通信系統(tǒng)1的結(jié)構(gòu)的 圖。該通信系統(tǒng)l是使用多輸入多輸出(MIMO)方式從源節(jié)點向目 的地節(jié)點傳送無線信號的系統(tǒng)，由源節(jié)點11、 K(K是1以上的整數(shù)) 個中繼節(jié)點12i........ 12k、 12k+1.......12K、目的地節(jié)點13構(gòu)成。在該通信系統(tǒng)1中，如果從源節(jié)點11向目的地節(jié)點13發(fā)送無線信號，則中繼節(jié)點12i........ 12k、 12k+1.......12K能夠通過l次跳躍(hop)對該無線信號進行中繼。在此，為了簡化，假設(shè)通信系統(tǒng)l的中繼節(jié)點12！........ 12k的功能都相同。這時，源節(jié)點ll與中繼節(jié)點12k(k-l、 ......K)之間的后方信道、中繼節(jié)點12k與目的地節(jié)點13之間的前方信道的無線通信是MIMO方式。另外，中繼節(jié)點12i........ 12k、 12k+1.......12K在通過再生中繼方式對無線信號進行中繼的情況下，也可以構(gòu)成為能夠通過多跳躍 對信號進行中繼。另外，源節(jié)點ll和目的地節(jié)點13也可以作為中繼 節(jié)點而動作，因此源節(jié)點ll和目的地節(jié)點13也可以具有與中繼節(jié)點 12k—樣的功能。接著， 一邊參考圖2和圖3， 一邊說明中繼節(jié)點12k的結(jié)構(gòu)。
在功能上，中繼節(jié)點12k如圖2所示那樣，具備接收部件22(接 收單元)、信道推測部件(測量單元)23、中繼判斷部件(判斷單元) 24、中繼選擇部件(選擇單元)25、中繼信號處理部件(變換單元) 26、變換矩陣乘法部件(矩陣計算單元)27、發(fā)送部件(發(fā)送單元) 28。另外，中繼節(jié)點12k具有用于在源節(jié)點11與目的地節(jié)點13之間發(fā)送接收無線信號的M( M是2以上的整數(shù))個無線天線.......21M，接收部件22和發(fā)送部件28經(jīng)由無線天線21,.......2lM對信號進行發(fā)送接收。在此，為了簡化，假設(shè)全部的中繼節(jié)點12k(k-l........K)的無線天線個數(shù)都一樣，但也可以包含源節(jié)點ll和目的地節(jié)點13在 內(nèi)而具備不同個數(shù)的無線天線。另外，圖3是中繼節(jié)點12k的硬件結(jié)構(gòu)圖。物理上，中繼節(jié)點12k 如圖3所示那樣，構(gòu)成為包括CPU101、作為主存儲裝置的RAM102 和ROM103、硬盤等輔助存儲裝置105、無線網(wǎng)絡(luò)卡等作為信號發(fā)送 接收設(shè)備的通信模塊104等的計算機系統(tǒng)。通過使圖3所示的 CPUIOI、 RAM102等硬件讀入規(guī)定的計算機軟件，在CPU101的控 制下使通信模塊104動作，同時由RAM102和輔助存儲裝置105進行 數(shù)據(jù)的讀出和寫入，來實現(xiàn)在圖2中說明了的各功能。另外，通信模塊104構(gòu)成為能夠經(jīng)由無線天線2h.......2lM對無線信號進行發(fā)送接收。以下，詳細說明中繼節(jié)點12k的各功能要素。接收部件22經(jīng)由無線天線.......2lM從源節(jié)點11接收發(fā)送信號S。即，接收部件22將由后方信道傳送的來自源節(jié)點11的發(fā)送信號S作為具有M個信號成分的接收信號Yk- (Ykl........ YkM)進行接收。另外，接收部件22對接收信號Yk執(zhí)行頻率變換、頻帶限制等的接收前端的處理、每個無線天線.......21M的加權(quán)等的各種處理。進而，接收部件22使用由后述的信道推測部件23推測出的后 方信道的信道矩陣H,根據(jù)接收信號Yk對頭(Head)進行分析，由 此判斷發(fā)送信號S的目的地。接收部件22在判斷出目的地不是本裝 置的情況下，將實施了上述各種處理的接收信號Yk輸出到中繼選擇
部件25,同時將判斷出的接收信號Yk的目的地信息輸出到信道推測 部件23。信道推測部件23推測作為源節(jié)點11與中繼節(jié)點12k之間的傳送 路徑的后方信道的信道矩陣Hk、作為中繼節(jié)點12k與目的地節(jié)點13 之間的傳送路徑的前方信道的信道矩陣Gk。在此，"信道矩陣，，是指在 MIMO方式中通過矩陣計算而對與各無線天線對應(yīng)的信號進行合成 分離時使用的矩陣。具體地說，信道推測部件23經(jīng)由接收部件22接 收在接收信號Yk之前從源節(jié)點11接收到的導(dǎo)頻信號，根據(jù)該導(dǎo)頻信 號，推測信道矩陣Hk。同樣，信道推測部件23經(jīng)由接收部件22接收 從目的地節(jié)點13接收到的導(dǎo)頻信號，根據(jù)該導(dǎo)頻信號推測信道矩陣 Gk。在此，才艮據(jù)接收信號Yk的頭中的目的地信息，判別來自目的地 節(jié)點13的導(dǎo)頻信號。另外，信道推測部件23為了判斷后方信道和前方信道的信道狀 態(tài)是否良好，根據(jù)導(dǎo)頻信號等接收信號和信道矩陣Hk、 Gk,測量后 方信道和前方信道的傳送質(zhì)量。例如作為所測量的傳送質(zhì)量，可以列 舉SNR (信噪比Signal to Noise Ratio ) 、 SIR ( Signal to Interference Ratio)、路徑損耗(傳輸損失)比等。信道推測部件23將測量出的 傳送質(zhì)量信息輸出到中繼判斷部件24和中繼選擇部件25，同時將推 測出的信道矩陣Hk、 Gk輸出到接收部件22和中繼信號處理部件26。中繼判斷部件24根據(jù)從信道推測部件23接收到的傳送質(zhì)量信 息，判斷是否將接收信號Yk中繼到目的地節(jié)點13，將該判斷結(jié)果輸 出到中繼選擇部件25，同時經(jīng)由發(fā)送部件28將該判斷結(jié)果發(fā)送到源 節(jié)點ll。具體地說，中繼判斷部件24在由信道推測部件23測量出作 為前方信道和后方信道的平均接收SNR的SNRFCk、SNRBCk的情況下，使用預(yù)定的閾值ThsNR，在下式(1)成立的情況下，<formula>formula see original document page 11</formula> ... (l)判斷為要對接收信號Yk進行中繼。另一方面，中繼判斷部件24 在上述公式(1)不成立的情況下，判斷為不對接收信號Yk進行中繼， 將與判斷結(jié)果有關(guān)的信息發(fā)送到源節(jié)點11。根據(jù)試驗、理論、或由計
算機模擬系統(tǒng)事先確定該閾值Ths冊，并存儲到中繼節(jié)點12k內(nèi)。中繼選擇部件25在由中繼判斷部件24判斷為對接收信號Yk進 行中繼的情況下，根據(jù)從信道推測部件23發(fā)送來的傳送質(zhì)量信息， 從多個中繼方法中選擇作為接收信號Yk的變換方式的中繼方法。作 為選擇對象的中繼方法，設(shè)定有對后方信道和前方信道的各個進行 QR分解的QR - P - QR法；對后方信道和前方信道的各個進行QR 分解和迫零(ZF )的QR - P - ZF法；對后方信道和前方信道的各個 進行ZF和QR分解的ZF - P - QR法。即，中繼選擇部件25在由信道推測部件23測量出SNRFCk、 SNRBck的情況下，計算前方信道與后方信道之間的SNR比otk = SNRBCk/SNRFCk。然后，中繼選擇部件25在下式(2)成立的情況下， ^ < ak …(2)選擇ZF-P-QR法作為中繼方法，在下式(3)成立的情況下， 7 < ak < /5 ... (3)選擇QR-P-QR法，在下式(4)成立的情況下，ak < y …(4)選擇QR-P-ZF法。在此，p、 Y是p〉y的量度(scaler)，是 事先設(shè)定的閾值。中繼選擇部件25將用于確定選擇出的中繼方法的 中繼方法信息輸出到中繼信號處理部件26和變換矩陣乘法部件27。另外，中繼選擇部件25與選擇出的中繼方法對應(yīng)地，將接收信 號Yk轉(zhuǎn)送到中繼信號處理部件26的QR - P - ZF計算部件26a、 QR - P - QR計算部件26b、 ZF - P - QR計算部件26c (參考圖4 )的任 意一個。中繼信號處理部件26將與由中繼選擇部件25選擇出的中繼方法 對應(yīng)的變換矩陣乘以接收信號Yk，而變換為輸出矩陣Dk。該中繼信 號處理部件26如圖4所示那樣，具備包含加權(quán)矩陣設(shè)置部件33a、 QR分解部件31a和ZF處理部件32a的QR - P - ZF計算部件26a、 包含加權(quán)矩陣設(shè)置部件33b、 QR分解部件31b的QR - P - QR計算 部件26b、包含加權(quán)矩陣i殳置部件33C、 QR分解部件31C、 ZF處理 部件32c的ZF - P - QR計算部件26c。QR分解部件31a、 31b、 31c將從信道推測部件23接收到的信 道矩陣Hk、 Gk分解為單一 (unitary)矩陣和三角矩陣的積。更詳細 地說，QR分解部件31a、 31b、 31c根據(jù)信道矩陣Hk，導(dǎo)出由下式(5)表示的單一矩陣Qk和三角矩陣Rk。Hk = QkRk …(5)該三角矩陣Rk是第i行(2S匕M)的矩陣要素中的1~ (i-l) 列的矩陣要素為0那樣的矩陣，用下式(6)表示。及* =0 r,謝(6)另外，QR分解部件31a、 31b、 31c根據(jù)信道矩陣Gk，導(dǎo)出用下 式(7)表示的三角矩陣PkH和單一矩陣Ok11 (上標H表示共軛倒置。以下相同)。Gk=PkHOkH ... (7)該三角矩陣Pk是第i行(2S匕M)的矩陣要素中的1~ (i-l) 列的矩陣要素為0那樣的用下式(8)表示的矩陣，三角矩陣PkH為下 三角矩陣?！瑼"'.(8)QR分解部件31a、 31b、 31c將求出的單一矩陣Qk、 Ok和三角 矩陣Rk、 Pk分別輸出到加權(quán)矩陣設(shè)置部件33a、 33b、 33c。ZF處理部件32a從信道推測部件23接收信道矩陣Gk，對信道 矩陣Gk實施用ZF法進行的處理，通過下式(9)計算出信道矩陣Gk 的Moore-Penrose逆矩陣Fk。Fk = GkH (GkGkH) 一(9)ZF處理部件32a將計算出的矩陣Fk輸出到加權(quán)矩陣設(shè)置部件33a, ZF處理部件32c從信道推測部件23接收信道矩陣Hk，對信道 矩陣Hk實施用ZF法進行的處理，通過下式(10)計算出信道矩陣 Hk的Moore-Penrose逆矩陣Jk。Jk= (HkHHk)-化h …(1 0)ZF處理部件32c將計算出矩陣Jk輸出到加權(quán)矩陣設(shè)置部件33c。 加權(quán)矩陣設(shè)置部件33a根據(jù)矩陣Fk、 Qk、 Rk,求出與QR-P-ZF法對應(yīng)的發(fā)送加權(quán)矩陣，使用下式(11)，將該發(fā)送加權(quán)矩陣乘以接收信號Yk，由此變換為輸出矩陣Dk。Dk = EkFkAkQkHYk …(1 1)另外，矩陣Ak是使用三角矩陣Rk才艮據(jù)下式(12)求出的對角矩陣:<formula>formula see original document page 14</formula>根據(jù)三角矩陣Rk的對角成分導(dǎo)出不是0的矩陣要素。即，akm =rmn;(上標"*"表示共軛復(fù)數(shù))。另外，系數(shù)Ek是進行控制使得 中繼節(jié)點的發(fā)送功率為一定值P的系數(shù)，用下式(13)定義。<formula>formula see original document page 14</formula>在公式(13)中，P是源節(jié)點11的全部發(fā)送功率，<72表示噪聲 功率。加權(quán)矩陣設(shè)置部件33a將求出的輸出矩陣Dk輸出到變換矩陣 乘法部件27。加權(quán)矩陣設(shè)置部件33b根據(jù)矩陣Ok、 Qk、 Pk、 Rk,求出與QR -P-QR法對應(yīng)的發(fā)送加權(quán)矩陣，使用下式(14)，將該發(fā)送加權(quán)矩陣乘以接收信號Yk，由此變換為輸出矩陣Dk。Dk = EkOkCkQkHYk …(14)另外，矩陣Ck是^^吏用三角矩陣Pk、 Rk才艮據(jù)下式(15)求出的對 角矩陣，<formula>formula see original document page 15</formula>(15)
是在i行j列的矩陣要素中，i + #M + l的矩陣要素為0，如果 行或列的順序逆轉(zhuǎn)則成為對角矩陣的反轉(zhuǎn)對角矩陣。在此，矩陣要素 C,用下式(16)定義。<formula>formula see original document page 15</formula>(16)在上述公式中，變換矩陣n用下式(17)表示,<formula>formula see original document page 15</formula>n)另外，系數(shù)Ek用下式(18)定義,(18)<formula>formula see original document page 15</formula>(尸[rr {(if CA )(ffC^}] +脅2加權(quán)矩陣設(shè)置部件33b將求出的輸出矩陣Dk輸出到變換矩陣乘 法部件27。加權(quán)矩陣設(shè)置部件33c根據(jù)矩陣Jk、 Ok、 Pk，求出與ZF-P-QR法對應(yīng)的發(fā)送加權(quán)矩陣，使用下式(19)，將該發(fā)送加權(quán)矩陣乘 以接收信號Yk，由此變換為輸出矩陣Dk。<formula>formula see original document page 15</formula>... (1 9)另外，矩陣Ak是使用三角矩陣Pk與公式(12) —樣地求出的矩 陣，系數(shù)Ek使用矩陣Jk、 Pk 、 Ak,與公式(13) —樣地求出。加權(quán) 矩陣設(shè)置部件33c將求出的輸出矩陣Dk輸出到變換矩陣乘法部件27。返回到圖2，變換矩陣乘法部件27對由中繼信號處理部件26進 行了變換的輸出矩陣Dk實施矩陣計算，使得在目的地節(jié)點13側(cè)能夠 在多個中繼方法之間進行同相合成。具體地說，在由中繼選擇部件25 選擇QR-P-ZF法作為中繼方法的情況下，變換矩陣乘法部件27 對從中繼信號處理部件26輸出的輸出矩陣Dk，乘以用上述公式(17 ) 表示的變換矩陣n，由此根據(jù)下式(20)生成輸出矩陣Xk。Xk = EkFknAkQkHYk …(2 0)在此，變換矩陣n在與某矩陣之前相乘了的情況下，使該矩陣的行的順序逆轉(zhuǎn)，在與某矩陣之后相乘了的情況下，使該矩陣的列的 順序逆轉(zhuǎn)。另一方面，在由中繼選擇部件25選擇QR-P-QR法作為中繼 方法的情況下，變換矩陣乘法部件27將從中繼信號處理部件26輸出 的輸出矩陣Dk原樣地設(shè)置為輸出矩陣Xk。進而，在由中繼選擇部件25選擇ZF-P-QR法作為中繼方法 的情況下，變換矩陣乘法部件27對從中繼信號處理部件26輸出的輸出矩陣Dk，乘以變換矩陣n，由此根據(jù)下式(21)生成輸出矩陣Xk。Xk = EkOkIIBk jkYk …(2 1)變換矩陣乘法部件27將生成的輸出矩陣Xk輸出到發(fā)送部件28。發(fā)送部件28在由中繼判斷部件24判斷出對接收信號Yk進行中繼的情況下，將輸出矩陣Xk- (Xkl........ X固)作為具有M個信號成分的中繼信號，經(jīng)由多個無線天線2!U.......、 2lM發(fā)送到目的地節(jié)點13。這時，發(fā)送部件28對中繼信號進行頻率變換、頻帶限制、 功率放大、每個無線天線的加權(quán)等信號處理。接著，參考圖5~圖8說明通信系統(tǒng)1的動作。圖5是表示在通 信系統(tǒng)1中從源節(jié)點11向目的地節(jié)點13中繼發(fā)送信號S時的動作的 時序圖。圖6~圖8分別是表示圖4的QR-P-ZF計算部件26a、 QR - P - QR計算部件26b、 ZF - P - QR計算部件26c在對發(fā)送信號 S的中繼時的動作的流程圖。首先，參考圖5說明在通信系統(tǒng)1中從源節(jié)點11向目的地節(jié)點 13中繼發(fā)送信號S時的動作。在從源節(jié)點11發(fā)送了發(fā)送信號S時， 從源節(jié)點11的規(guī)定范圍內(nèi)的中繼節(jié)點能夠接收該信號S。假設(shè)該規(guī)定 范圍是能夠通過1次跳躍傳輸無線信號的范圍。K個中繼節(jié)點12k ( k=1.......K)對從源節(jié)點11接收到的信號實施同樣的信號處理，將該信號中繼到目的地節(jié)點13。在圖5中，圖示了 K個中繼節(jié)點12k (k=l.......K)中的一個節(jié)點的動作。
最初，在發(fā)送信號S的發(fā)送之前，從源節(jié)點11和目的地節(jié)點13 發(fā)送導(dǎo)頻信號Lk、 Zk，由中繼節(jié)點12k接收這些導(dǎo)頻信號Lk、 Z"步 驟S01和S02)。對此，中繼節(jié)點12k的信道推測部件23根據(jù)接收到 的導(dǎo)頻信號Lk、 Zk進行信道推測，推測后方信道的信道矩陣Hk和前 方信道的信道矩陣Gk (步驟S03 )。進而，信道推測部件23推測平 均接收SNR作為后方信道和前方信道的傳送質(zhì)量(步驟S04)。接著，中繼節(jié)點12k的中繼判斷部件24將測量出的后方信道的 平均接收SNRBck與閾值ThSNR比較，由此判斷是否對接收信號Yk進 行中繼(步驟S05)。然后，中繼判斷部件24將與判斷結(jié)果有關(guān)的信 息發(fā)送到源節(jié)點11 (步驟S06)。然后，從源節(jié)點11對發(fā)送信號S 進行發(fā)送(步驟S07 )。來自源節(jié)點11的發(fā)送信號S在傳輸后方信道 的期間根據(jù)該信道的特性，在變化為用下式(22)表示的接收信號 Yk的狀態(tài)下，在接收部件22中被接收(步驟S08)。Yk = HkS + nk …(2 2)在此，在上述公式中，Ilk表示噪聲成分。如果由接收部件22接收到接收信號Yk，則由中繼選擇部件25 根據(jù)后方信道和前方信道的平均接收SNR的比，選擇中繼方法(步 驟S09)。然后，中繼信號處理部件26與選擇出的中繼方法是QR-P-ZF法、QR-P-QR法和ZF-P-QR法的哪一個對應(yīng)地，計算 出發(fā)送加權(quán)矩陣，將該發(fā)送加權(quán)矩陣乘以接收信號Yk (步驟S10 )。 接著，變換矩陣乘法部件27在選擇了 QR-P-ZF法的情況下，將變 換矩陣n乘以輸出矩陣Dk，使得來自中繼信號處理部件26的輸出矩 陣Dk中的發(fā)送加權(quán)矩陣的行的順序逆轉(zhuǎn)，在選擇了 ZF - P - QR法的 情況下，將變換矩陣n乘以輸出矩陣Dk，使得來自中繼信號處理部 件26的輸出矩陣Dk中的發(fā)送加權(quán)矩陣的列的順序逆轉(zhuǎn)(步驟Sll)。最后，中繼節(jié)點12k的發(fā)送部件28將變換矩陣乘法部件27的輸 出矩陣Xk作為中繼信號發(fā)送到目的地節(jié)點13 (步驟S12)。對此， 通過目的地節(jié)點13，對來自對信號進行中繼的全部中繼節(jié)點12k(k =1.......K)的信號進行疊加接收，得到用下式(23)表示的接收信號YR (步驟S13 )。^-fc^+ …(23)然后，在目的地節(jié)點13中，在從接收信號YR中檢測出信號Xk、 Yk后，檢測發(fā)送信號S (步驟S14 )。如果參考圖6 8詳細地說明上述步驟S10的發(fā)送加權(quán)矩陣的計 算步驟，則在選擇出的中繼方法是QR-P-ZF法的情況下，中繼信 號處理部件26首先執(zhí)行QR分解和ZF，計算出單一矩陣Qk、三角矩 陣Rk、 Moore-Penrose逆矩陣Fk (步驟S101)。接著，中繼信號處 理部件26根據(jù)三角矩陣Rk的對角成分求出變換矩陣Ak(步驟S102 )。 然后，中繼信號處理部件26使用公式(11)將發(fā)送加權(quán)矩陣乘以接 收信號Yk，由此計算出輸出矩陣Dk (步驟S103)。另一方面，在選擇出的中繼方法是QR-P-QR法的情況下，中繼信號處理部件26執(zhí)行QR分解，計算出單一矩陣Qk、 Ok、三角矩 陣Rk、 Pk(步驟S201)。接著，中繼信號處理部件26根據(jù)三角矩陣 Rk、 Pk求出變換矩陣Ck (步驟S202)。然后，中繼信號處理部件26 使用公式(14 )將發(fā)送加權(quán)矩陣乘以接收信號Yk，由此計算出輸出矩 陣Dk (步驟S203 )。在選擇出的中繼方法是ZF-P-QR法的情況下，中繼信號處理 部件26首先執(zhí)行QR分解和ZF，計算出單一矩陣Ok、三角矩陣Pk、 Moore-Penrose逆矩陣Jk (步驟S301)。接著，中繼信號處理部件 26根據(jù)三角矩陣Pk的對角成分求出變換矩陣Bk(步驟S302 )。然后， 中繼信號處理部件26使用公式(19)將發(fā)送加權(quán)矩陣乘以接收信號 Yk，由此計算出輸出矩陣Dk (步驟S303)。根據(jù)以上說明了的中繼節(jié)點12k和使用它的中繼方法，測量后方 信道的傳送質(zhì)量和前方信道的傳送質(zhì)量，與該傳送質(zhì)量對應(yīng)地，從 QR - P - ZF法、QR - P - QR法和ZF - P - QR法中選擇在本裝置中 適用的中繼方法，并乘以與選擇出的中繼方法對應(yīng)的發(fā)送加權(quán)矩陣， 由此在將從源節(jié)點ll接收到的發(fā)送信號S變換為中繼信號Xk后，將 該中繼信號Xk發(fā)送到目的地節(jié)點13。在此，對于QR-P-ZF法、 QR-P-QR法和ZF-P-QR法等中繼方法，根據(jù)后方信道和前方 信道的傳送質(zhì)量，達到最高通信容量的中繼方法是不同的。由此，選 擇適合于各個中繼節(jié)點12k的后方信道或前方信道的傳送質(zhì)量的中繼 方法，通過該中繼方法對發(fā)送信號S進行處理，因此通過各個中繼節(jié) 點12k進行中繼時的通信容量增大，其結(jié)果是能夠有效地提高通信系 統(tǒng)1全體的通信容量。另外，針對由中繼節(jié)點12k的中繼信號處理部件26進行了變換 的輸出矩陣Dk,實施矩陣計算使得在目的地節(jié)點13側(cè)能夠在多個中 繼方法之間進行同相合成，并作為中繼信號Xk進行發(fā)送。由此，在目的地節(jié)點13中接收來自多個中繼節(jié)點.......12k的中継信號的情況下，對來自各中繼節(jié)點的中繼信號進行同相合成，因此能夠進一 步提高通信系統(tǒng)1全體的通信容量。圖9是表示在中繼節(jié)點12k中計算的發(fā)送加權(quán)矩陣的圖形的圖。在該圖中，對于各中繼方式，在上下表示出乘以變換矩陣n前后的發(fā)送加權(quán)矩陣。這樣，在選擇QR-P-ZF法作為中繼方法的情況下， 在乘以變換矩陣n之前，導(dǎo)出右上三角的矩陣作為發(fā)送加權(quán)矩陣，但如果乘以變換矩陣n，則發(fā)送加權(quán)矩陣成為右下三角的矩陣。另一方面，在選擇ZF-P-QR法作為中繼方法的情況下，在乘以變換矩陣n之前，導(dǎo)出左下三角的矩陣作為發(fā)送加權(quán)矩陣，但如果乘以變換矩 陣n，則發(fā)送加權(quán)矩陣成為右下三角的矩陣。另外，在選擇qr-p-QR法作為中繼方法的情況下，發(fā)送加權(quán)矩陣原樣為右下三角的矩 陣而沒有變化。通過設(shè)置這樣的發(fā)送加權(quán)矩陣，在目的地節(jié)點13側(cè)， 能夠與中繼方法無關(guān)地對來自多個中繼節(jié)點12k的中繼信號Xk進行同 相合成，在由中繼節(jié)點12k對信號進行中繼時的信號功率變大，相對 于噪聲變強，因此作為結(jié)果增大了通信容量。另外，與由信道推測部件23測量出的后方信道的傳送質(zhì)量對應(yīng) 地，判斷是否將發(fā)送信號S中繼到目的地節(jié)點13，因此能夠防止在沒 有確保后方信道通信容量的狀態(tài)下由中繼節(jié)點12k中繼無用的信號。另外，中繼選擇部件25與后方信道和前方信道的SNR比對應(yīng)地
選擇中繼方法。QR-P-QR法、QR-P-ZF法和ZF-P-QR法的 通信容量的特性很大地依存于后方信道的傳送質(zhì)量和前方信道的傳 送質(zhì)量的比，因此在該情況下，能夠更確實地提高通信容量。另外，本發(fā)明并不只限于上述的實施例。例如作為信道推測部件 23所測量的傳送質(zhì)量，除了平均接收SNR以外，還可以測量瞬時SNR 等其他傳送質(zhì)量，根據(jù)它判斷中繼方法。另外，中繼選擇部件25也可以與后方信道和前方信道的任意一 個的傳送質(zhì)量對應(yīng)地選擇中繼方法。中繼判斷部件24也可以與后方 信道和前方信道的任意一個的傳送質(zhì)量對應(yīng)地判斷是否對發(fā)送信號S 進行中繼。
權(quán)利要求
1.一種中繼節(jié)點，使用多輸入多輸出方式將從源節(jié)點發(fā)送的發(fā)送信號中繼到目的地節(jié)點，其特征在于包括接收單元，從上述源節(jié)點接收上述發(fā)送信號；測量單元，測量作為本裝置與上述源節(jié)點之間的傳送路徑的后方信道的傳送質(zhì)量、作為本裝置與上述目的地節(jié)點之間的傳送路徑的前方信道的傳送質(zhì)量中的至少任意一個；選擇單元，與由上述測量單元推測出的上述后方信道的傳送質(zhì)量和上述前方信道的傳送質(zhì)量之中的至少任意一個對應(yīng)地，從多個中繼方法中選擇作為本裝置中的上述發(fā)送信號的變換方式的中繼方法；變換單元，通過將與由上述選擇單元選擇出的中繼方法對應(yīng)的變換矩陣乘以上述發(fā)送信號，來變換為中繼信號；發(fā)送單元，將由上述變換單元進行了變換的上述中繼信號發(fā)送到上述目的地節(jié)點。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的中繼節(jié)點，其特征在于還包括 矩陣計算單元，對由上述變換單元進行了變換的上述中繼信號實施矩陣計算，使得能夠在上述目的地節(jié)點側(cè)在上述多個中繼方法之間 進行同相合成，其中上述發(fā)送單元發(fā)送由上述矩陣計算單元實施了矩陣計算的上述 中繼信號。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的中繼節(jié)點，其特征在于還包括 判斷單元，與由上述測量單元測量出的上述后方信道的傳送質(zhì)量和上述前方信道的傳送質(zhì)量之中的至少任意一個對應(yīng)地，判斷是否將 上述發(fā)送信號中繼到上述目的地節(jié)點，其中在從上述判斷單元判斷出中繼上述發(fā)送信號的情況下，上述發(fā)送 單元發(fā)送上述中繼信號。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1~3中的任意一項所述的中繼節(jié)點，其特征在于上述測量單元對上述后方信道的傳送質(zhì)量和上述前方信道的傳 送質(zhì)量的雙方進行測量，上述選擇單元與由上述測量單元推測出的上述后方信道的傳送 質(zhì)量和上述前方信道的傳送質(zhì)量對應(yīng)地，從以下的方法中選擇中繼方法對上述后方信道和上述前方信道的各個進行QR分解的QR - P -QR法；對上述后方信道和上述前方信道的各個進行QR分解和迫零 的QR-P-ZF法；對上述后方信道和上述前方信道的各個進行迫零 和QR分解的ZF - P - QR法，上述矩陣計算單元在由上述選擇單元選擇了上述QR-P-ZF法 的情況下，實施矩陣計算使得上述變換單元的輸出矩陣的行的順序逆 轉(zhuǎn)，在由上述選擇單元選擇了上述ZF-P-QR法的情況下，實施矩 陣計算使得上述變換單元的輸出矩陣的列的順序逆轉(zhuǎn)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的中繼節(jié)點，其特征在于 上述測量單元對上述后方信道的傳送質(zhì)量和上述前方信道的傳送質(zhì)量的雙方進行測量，上述選擇單元與由上述測量單元測量出的上述后方信道的傳送 質(zhì)量和上述前方信道的傳送質(zhì)量的比對應(yīng)地，選擇中繼方法。
6. —種中繼方法，使用多輸入多輸出方式將從源節(jié)點發(fā)送的發(fā) 送信號中繼到目的地節(jié)點，其特征在于包括接收單元從上述源節(jié)點接收上述發(fā)送信號的接收步驟； 測量單元測量作為本裝置與上述源節(jié)點之間的傳送路徑的后方信道的傳送質(zhì)量、作為本裝置與上述目的地節(jié)點之間的傳送路徑的前方信道的傳送質(zhì)量之中的至少任意一個的測量步驟；選擇單元與由上述測量步驟推測出的上述后方信道的傳送質(zhì)量和上述前方信道的傳送質(zhì)量之中的至少任意一個對應(yīng)地，從多個中繼 方法中選擇作為本裝置中的上述發(fā)送信號的變換方式的中繼方法的選 擇步驟；變換單元通過將上述發(fā)送信號乘以與由上述選擇步驟選擇出的 中繼方法對應(yīng)的變換矩陣，來變換為中繼信號的變換步驟；發(fā)送單元將由上述變換步驟變換了的上述中繼信號發(fā)送到上述 目的地節(jié)點的發(fā)送步驟。
全文摘要
本發(fā)明的中繼節(jié)點(12_k)具備從源節(jié)點(11)對接收信號(Y_k)進行接收的接收部件(22)；測量本裝置與源節(jié)點(11)之間的后方信道的SNR、本裝置與目的地節(jié)點(13)之間的前方信道的SNR的信道推測部件(23)；與后方信道和前方信道的SNR比對應(yīng)地，從QR-P-ZF法、QR-P-QR法和ZF-P-QR法中選擇本裝置的中繼方法的中繼選擇部件(25)；通過將接收信號(Y_k)乘以與選擇出的中繼方法對應(yīng)的發(fā)送加權(quán)矩陣，來變換為中繼信號(X_k)的中繼信號處理部件(26)；將中繼信號(X_k)發(fā)送到目的地節(jié)點(13)的發(fā)送部件(28)。
文檔編號H04B7/14GK101136682SQ200710148118
公開日2008年3月5日 申請日期2007年8月28日 優(yōu)先權(quán)日2006年8月28日
發(fā)明者吉野仁, 慧 時, 淺井孝浩 申請人:株式會社Ntt都科摩