JP2006148388A - 無線通信システム、無線通信装置及び無線通信方法、並びにコンピュータ・プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】 ＭＩＭＯ送受信機の余剰のアンテナ・リソースを効率よく活用してＭＩＭＯ通信方式のマルチホップ・ネットワークを実現する。
【解決手段】 送信端末は、自らの送受信プロセスに割り当てたＲＦ送受信リソースのみを用いて情報伝送を行なう。また、他の端末からの経由要求があれば、受信パケットを解読し、送信機に切り替えて、他の端末のパケット経由伝送プロセスのために割り当てたＲＦ送受信リソースを用いて次の情報経由端末を探索するか、受信端末に直接伝送する。一方、受信端末は、他の端末からの経由要求があれば、次の情報経由端末を探索するか、受信端末に直接伝送する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、無線ＬＡＮ（Ｌｏｃａｌ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）若しくはＰＡＮ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）のように複数の無線局間で相互に通信を行なう無線通信システム、無線通信装置及び無線通信方法、並びにコンピュータ・プログラムに係り、特に、複数のアンテナを持つ送信機と複数のアンテナを持つ受信機が対となって、空間多重を利用して複数の論理的なチャネルを形成した通信（ＭＩＭＯ（Ｍｕｌｔｉ Ｉｎｐｕｔ Ｍｕｌｔｉ Ｏｕｔｐｕｔ）通信）により伝送容量の拡大を行なう無線通信システム、無線通信装置及び無線通信方法、並びにコンピュータ・プログラムに関する。

さらに詳しくは、本発明は、空間多重を利用したＭＩＭＯ通信を利用して、１以上の中継局を介して送信元の通信局から送信先の通信局へマルチホップ伝送するマルチホップ・ネットワークを効率的に実現する無線通信システム、無線通信装置及び無線通信方法、並びにコンピュータ・プログラムに係り、特に、ＭＩＭＯ送受信機の余剰のアンテナ・リソースを効率よく活用してＭＩＭＯ通信方式のマルチホップ・ネットワークを実現する無線通信システム、無線通信装置及び無線通信方法、並びにコンピュータ・プログラムに関する。

有線方式によるＬＡＮ配線からユーザを解放するシステムとして、無線ＬＡＮが注目されている。無線ＬＡＮによれば、オフィスなどの作業空間において、有線ケーブルの大半を省略することができるので、パーソナル・コンピュータ（ＰＣ）などの通信端末を比較的容易に移動させることができる。近年では、無線ＬＡＮシステムの高速化、低価格化に伴い、その需要が著しく増加してきている。特に最近では、人の身の回りに存在する複数の電子機器間で小規模な無線ネットワークを構築して情報通信を行なうために、パーソナル・エリア・ネットワーク（ＰＡＮ）の導入が検討されている。

無線ネットワークは、ＬＳＩの高集積化・低消費電力化とも相俟って性能が飛躍的に向上し、世界的にも広く利用される状況となり、標準化が進められている。また、無線ＬＡＮ装置は、コンピュータ周辺機器と同じ程度に低価格化してきており、旧来のコンピュータ・ネットワークという用途以外に、オフィスにおける周辺機器の接続や、家庭内の情報家電間におけるストリーム系高品質動画像伝送など、さまざまな局面での利用が図られている。

例えば、２．４ＧＨｚ帯や、５ＧＨｚ帯など、監督官庁の免許が不要な周波数帯域を利用して、異なった無線通信システム並びに無線通信装置が規定されている。無線ネットワークに関する標準的な規格として、ＩＥＥＥ（Ｔｈｅ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ）８０２．１１（例えば、非特許文献１を参照のこと）や、ＨｉｐｅｒＬＡＮ／２（例えば、非特許文献２又は非特許文献３を参照のこと）やＩＥＥＥ８０２．１５．３、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ通信などを挙げることができる。ＩＥＥＥ８０２．１１規格については、無線通信方式や使用する周波数帯域の違いなどにより、ＩＥＥＥ８０２．１１ａ規格、ＩＥＥＥ８０２．１１ｂ規格…などの各種無線通信方式が存在する。

無線ネットワークでは、各端末の通信範囲が電波の届く距離に限定される。このため、通信相手が自己の通信範囲に収容されているとは限らず、ネットワークの利用効率が落ちるという問題がある。そこで、多数の端末をアクセス・ポイントの介在なしに相互に接続するという、「マルチホップ通信」が有力であると思料される。マルチホップ伝送によれば、周波数利用効率を上げることができるとされている。

マルチホップ方式により端末間で通信を行なう場合、例えば、送信元の端末は自己の通信範囲でパケットをブロードキャストする。以下、パケットを受信できた他の端末はさらに自己の通信範囲で受信パケットを再ブロードキャストするという動作を、すべての端末が受信するまで繰り返し実行する（例えば、特許文献１を参照のこと）。したがって、送信元の通信局は、近隣に存在する周辺局を経由して通信を行なうことで、遠距離の受信局と直接通信する場合に比し送信電力が低減し、且つ、遠距離の通信局又はアクセス・ポイントとの通信が可能となる。

従来のマルチホップ通信システムでは、単一のＲＦ送受信部を備えた送受信端末間で無線通信を行なうＳＩＳＯ（Ｓｏｆｔ Ｉｎｐｕｔ Ｓｏｆｔ Ｏｕｔｐｕｔ）通信方式が主流であった。この場合、大容量のデータを複数の端末にわたって経由するというよりも、むしろアドホックな（若しくは制御局と被制御局の関係を有しないで自律分散的な）通信環境下で以下に効率よく遠くの端末を情報伝送するかが課題となる。情報を経由する端末は、周波数、符号や時間の限られた通信リソースを配分することになり、一度に大容量のデータをやり取りすることは困難である。

一方、無線通信の高速化を実現する技術の１つとしてＭＩＭＯ（Ｍｕｌｔｉ−Ｉｎｐｕｔ Ｍｕｌｔｉ−Ｏｕｔｐｕｔ）通信が注目を集めている。これは、送信機側と受信機側の双方において複数のアンテナ素子を備え、空間多重した伝送路（以下、「ＭＩＭＯチャネル」とも呼ぶ）を実現することにより、伝送容量の拡大を図り、通信速度向上を達成する技術である。

ＭＩＭＯ通信方式は、送信機において複数アンテナに送信データを分配して送出し、複数の仮想的なＭＩＭＯチャネルを利用して伝送し、受信機では複数アンテナにより受信した信号から信号処理によって受信データを得るという、チャネルの特性を利用した通信方式であり、単なる送受信アダプティブ・アレーとは相違する。ＭＩＭＯ通信によれば、周波数帯域を増大させることになく、アンテナ本数に応じて通信容量を増やすことができるので、周波数利用効率がよい。

ＭＩＭＯ通信システムでは、送受信機各々に複数のアンテナが装備されている。この場合のチャネル・モデルは、送信機周りの電波環境（伝達関数）と、チャネル空間の構造（伝達関数）と、受信機周りの電波環境（伝達関数）で構成される。

送信機は、多重化信号を送出する前に、受信機側でチャネル推定を行なうためのトレーニング信号を、例えばアンテナ毎に時分割で送信する。これに対し、受信機では、チャネル推定部でトレーニング信号を利用してチャネル推定を行ない、各アンテナ対に対応したチャネル情報行列Ｈを算定し、これに基づいてＳＮ比を向上させ、復号の確度を高める。

そして、送信機は、複数の送信データを空間／時間符号して多重化しＭ本のアンテナに分配して、複数のＭＩＭＯチャネルに送出し、受信側は、チャネル経由でＮ本のアンテナにより受信した受信信号を空間／時間復号して受信データを得る。各アンテナから伝送される信号を多重する際にはクロストーク（Ｃｒｏｓｓｔａｌｋ）が発生するが、受信側ではチャネル行列を利用して適切な信号処理を施すことにより多重化された各信号をクロストーク無しに正しく取り出すことができる訳である。

ＭＩＭＯ伝送を構成方法としてはさまざまな方式が提案されているが、アンテナのコンフィギュレーションに応じていかにしてチャネル情報を送受信間でやり取りするかが実装上の大きな課題となる。例えば、送信機と受信機が互いに独立して空間多重伝送を行なうオープンループ型のＭＩＭＯ伝送方式と、この方法の発展形として、受信側から送信側にもチャネル情報をフィードバックして送受信間で理想的な空間直交チャネルを作り出すクローズドループ型のＭＩＭＯ伝送方式に大別される。

オープンループ型のＭＩＭＯ伝送方式として、Ｖ−ＢＬＡＳＴ（Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｂｅｌｌ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｉｅｓ Ｌａｙｅｒｅｄ Ｓｐａｃｅ Ｔｉｍｅ）方式を挙げることができる（例えば、特許文献２を参照のこと）。送信側では、特にアンテナ重み係数行列を与えず、単純にアンテナ毎に信号を多重化して送る。この場合、アンテナ重み係数行列を得るためのフィードバック手続きが一切省略される。

また、クローズドループ型のＭＩＭＯ伝送の理想的な形態の１つとして、伝播路関数の特異値分解（ＳＶＤ：Ｓｉｎｇｕｌａｒ Ｖａｌｕｅ Ｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ）を利用したＳＶＤ−ＭＩＭＯ方式が知られている（例えば、非特許文献４を参照のこと）。ＳＶＤ−ＭＩＭＯ伝送では、各アンテナ対に対応するチャネル情報を要素とした数値行列すなわちチャネル情報行列Ｈを特異値分解してＵＤＶ^Hを求め、送信側のアンテナ重み係数行列としてＶを与えるとともに、受信側のアンテナ重み係数行列としてＵ^Hを与える。これによって、それぞれのＭＩＭＯチャネルは、各固有値λ_iの平方根を対角要素に持つ対角行列Ｄとして表され、全くクロストーク無しに信号を多重化して伝送することができる。ＳＶＤ−ＭＩＭＯ伝送方式によれば、送信機側と受信機側の双方において、空間分割すなわち空間直交多重された論理的に独立した複数の伝送路を実現することができる。理論的には最大の通信容量を達成することができ、例えば送受信機がアンテナを２本ずつ持てば、最大２倍の伝送容量が得られる。

このようにＭＩＭＯ通信方式によれば複数のＲＦ送受信部を１つの無線機に集約して大容量データ伝送を実現することができる。ところが、ユーザが常に最大容量のデータを伝送したいとは限らないため、オーバスペックとなるケースが多くなる。ユーザが大容量通信を要求するか否かなどの利用状況に応じて、使用するＲＦ送受信部を減らしたりすることは可能である。しかしながら、常に最大容量の伝送が可能となる装備は、端末の小型化や効率化の上では問題である。

米国特許第５，７４０，３６３号明細書 特開平１０−８４３２４号公報 Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｔａｎｄａｒｄ ＩＳＯ／ＩＥＣ ８８０２−１１：１９９９（Ｅ） ＡＮＳＩ／ＩＥＥＥ Ｓｔｄ ８０２．１１， １９９９ Ｅｄｉｔｉｏｎ， Ｐａｒｔ１１：Ｗｉｒｅｌｅｓｓ ＬＡＮ Ｍｅｄｉｕｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｃｏｎｔｒｏｌ（ＭＡＣ） ａｎｄ Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｌａｙｅｒ（ＰＨＹ） Ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎｓ ＥＴＳＩ Ｓｔａｎｄａｒｄ ＥＴＳＩ ＴＳ １０１ ７６１−１ Ｖ１．３．１ Ｂｒｏａｄｂａｎｄ Ｒａｄｉｏ Ａｃｃｅｓｓ Ｎｅｔｗｏｒｋｓ（ＢＲＡＮ）； ＨＩＰＥＲＬＡＮ Ｔｙｐｅ ２； Ｄａｔａ Ｌｉｎｋ Ｃｏｎｔｒｏｌ（ＤＬＣ） Ｌａｙｅｒ； Ｐａｒｔ１： Ｂａｓｉｃ Ｄａｔａ Ｔｒａｎｓｐｏｒｔ Ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ ＥＴＳＩ ＴＳ １０１ ７６１−２ Ｖ１．３．１ Ｂｒｏａｄｂａｎｄ Ｒａｄｉｏ Ａｃｃｅｓｓ Ｎｅｔｗｏｒｋｓ（ＢＲＡＮ）； ＨＩＰＥＲＬＡＮ Ｔｙｐｅ ２； Ｄａｔａ Ｌｉｎｋ Ｃｏｎｔｒｏｌ（ＤＬＣ） Ｌａｙｅｒ； Ｐａｒｔ２： Ｒａｄｉｏ Ｌｉｎｋ Ｃｏｎｔｒｏｌ（ＲＬＣ） ｓｕｂｌａｙｅｒ ｈｔｔｐ：／／ｒａｄｉｏ３．ｅｅ．ｕｅｃ．ａｃ．ｊｐ／ＭＩＭＯ（ＩＥＩＣＥ＿ＴＳ）．ｐｄｆ（平成１５年１０月２４日現在）

本発明の目的は、複数のアンテナを持つ送信機と複数のアンテナを持つ受信機が対となって、空間多重を利用して複数の論理的なチャネルを形成したＭＩＭＯ通信により伝送容量の拡大を行なうことができる、優れた無線通信システム、無線通信装置及び無線通信方法、並びにコンピュータ・プログラムを提供することにある。

本発明のさらなる目的は、空間多重を利用したＭＩＭＯ通信を利用して、１以上の中継局を介して送信元の通信局から送信先の通信局へマルチホップ伝送するマルチホップ・ネットワークを効率的に実現することができる、優れた無線通信システム、無線通信装置及び無線通信方法、並びにコンピュータ・プログラムを提供することにある。

本発明のさらなる目的は、ＭＩＭＯ送受信機の余剰のアンテナ・リソースを効率よく活用してＭＩＭＯ通信方式のマルチホップ・ネットワークを実現することができる、優れた無線通信システム、無線通信装置及び無線通信方法、並びにコンピュータ・プログラムを提供することにある。

本発明は、上記課題を参酌してなされたものであり、その第１の側面は、信号の送受信を行なう複数の送受信リソースを備えた通信局を含んだ複数の通信局が通信動作を行なう無線通信システムであって、複数の送受信リソースを備えた通信局のうち少なくとも一部は、自局が持つ各送受信リソースを第１又は第２の送受信プロセスに割り当て、それぞれに割り当てられた送受信リソースを用いて前記第１及び第２の送受信プロセスの動作を実行することを特徴とする無線通信システムである。

但し、ここで言う「システム」とは、複数の装置（又は特定の機能を実現する機能モジュール）が論理的に集合した物のことを言い、各装置や機能モジュールが単一の筐体内にあるか否かは特に問わない（以下、同様）。

本発明に係る無線通信システムで動作する通信局のうち少なくとも一部は、複数の送受信リソースを備えているが、前記第１及び第２の送受信プロセスのうち少なくとも一方に２以上の送受信リソースを割り当てる。そして、当該送受信プロセスにおいて複数の論理的なチャネルを形成したＭＩＭＯ通信を行なうことができる。

ここで言う前記第１の送受信プロセスは、例えば、利用者の要求に応じた自局の送受信プロセスである。また、前記第２の送受信プロセスは、例えば、他の端末のパケット経由伝送プロセスである

通信局は、前記第１の送受信プロセスにおいて、相手先と通信範囲が遠く、他端末による情報経由が必要であれば、情報経由が可能である端末を探し、当該端末へ情報伝送することができる。

また、通信局は、前記第２の送受信プロセスに割り当てられ送受信リソースのみを用いて他の端末からの情報経由要求があるまで受信待機する。そして、他の端末からの経由要求を受信したことに応答して、該プロセスに割り当てたＲＦ送受信リソースを用いて、受信パケットを解読し、送信機に切り替えて、次の情報経由端末を探索し又は受信端末に直接伝送することができる。

また、複数の送受信リソースを備えた通信局は、前記第１及び第２の送受信プロセスを同時に起動するときには、前記第１及び前記第２の送受信リソースによる通信動作に対し、直交多重化方式を適用することにより、互いの送受信プロセスの干渉を回避することができる。ここで言う直交多重化方式として、例えば、ＳＤＭＡ（Ｓｐａｃｅ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ａｃｃｅｓｓ：空間分割多元接続）通信方式、直交シーケンス方式、直交変調方式、Ｃｙｃｌｉｃ Ｄｅｌａｙ技術などを挙げることができる。

無線通信の高速化を実現する技術の１つとして、複数の送受信リソースを備えた通信局間で複数の論理チャネルを形成して多重データ通信を実現するＭＩＭＯ通信方式が注目を集めている。ところが、ユーザが常に最大容量のデータを伝送したいとは限らないため、オーバスペックとなるケースが多くなる、という問題がある。

これに対し、本発明に係る無線通信システムでは、複数の送受信リソースを備えた各通信局が自局の送受信プロセスに必要なだけの送受信リソースを用いてＭＩＭＯ通信若しくはその他の通信方式によりデータ伝送を行なう。これとともに、各通信局における空きＲＦ送受信リソースを用いてパケットリレーを行なうという情報経由システムを構築し、効率のよいマルチホップ・ネットワークを実現する。

したがって、本発明によれば、各ＭＩＭＯ通信局は、複数のＲＦ送受信部を備えて空間多重を利用した通信を行なうことができるが、自らのＲＦ送受信リソースを自身の送受信プロセスと他の通信端末のためのパケット経由伝送プロセスに効率よく配分することで、ＲＦ送受信リソースの有効活用によりネットワーク・システム全体の効率化を図ることができる。

また、本発明に係る無線通信システムは、基本的には複数のＲＦ送受信リソースを備え、各ＲＦリソースを柔軟に活用しながらＭＩＭＯ通信を行なうＭＩＭＯ通信機で構成されるが、１つのＲＦ送受信リソースを備えた従来のＳＩＳＯ無線機を含めることもできる。

また、本発明の第２の側面は、信号の送受信を行なう複数の送受信リソースを用いて通信動作を行なうための処理をコンピュータ・システム上で実行するようにコンピュータ可読形式で記述されたコンピュータ・プログラムであって、
前記の各送受信リソースを第１又は第２の送受信プロセスに割り当てるリソース割り当てステップと、
前記第１の送受信プロセスに割り当てられた送受信リソースを用いて、前記第１の送受信プロセスの動作を制御する第１の通信制御ステップと、
前記第２の送受信プロセスに割り当てられた送受信リソースを用いて、前記第１の送受信プロセスの動作を制御する第２の通信制御ステップと、
を具備することを特徴とするコンピュータ・プログラムである。

本発明の第２の側面に係るコンピュータ・プログラムは、コンピュータ・システム上で所定の処理を実現するようにコンピュータ可読形式で記述されたコンピュータ・プログラムを定義したものである。換言すれば、本発明の第２の側面に係るコンピュータ・プログラムをコンピュータ・システムにインストールすることによってコンピュータ・システム上では協働的作用が発揮され、無線通信装置として動作する。このような無線通信装置を複数起動して無線ネットワークを構築することによって、本発明の第１の側面に係る無線通信システムと同様の作用効果を得ることができる。

本発明によれば、送受信機間で互いに複数のＲＦ送受信部を備えて、空間分割多重を利用したＭＩＭＯ通信方式を用いてマルチホップ・ネットワークを実現する際に、余剰なＲＦ送受信リソースを効率よく活用して送受信を同時運用し、効率よく、送信端末と受信端末以外の端末がパケット経由転送を行なう情報経由サービスを実現することができる。

また、本発明によれば、複数のＲＦ送受信リソースを備えたＭＩＭＯ無線機と１つのＲＦ送受信リソースを備えたＳＩＳＯ無線機を、基地局若しくはアクセス・ポイント主導の管理の下、あるいは自律分散的にリソース配分をさせることで、効率且つ高速なマルチホップ・ネットワークを実現することができる。

また、本発明によれば、オーバスペックとなる利用ケースが多いＭＩＭＯ無線機ＲＦ処理回路などのアンテナ・リソースを有効活用しその通信能力を最大限生かすことで、ネットワーク全体の効率化を図ることができる。また、ＭＩＭＯ送受信機の豊富な情報伝送能力を利用して、マルチホップ・ネットワークを実現する上で、高速かつ大容量なパケットリレーを実現することができる。

本発明のさらに他の目的、特徴や利点は、後述する本発明の実施形態や添付する図面に基づくより詳細な説明によって明らかになるであろう。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳解する。

本発明は、複数のアンテナを持つ送信機と複数のアンテナを持つ受信機が対となって信号を空間的に多重化して通信するＭＩＭＯ通信システムに関する。ＭＩＭＯ通信方式によれば複数のＲＦ送受信部を１つの無線機に集約して大容量データ伝送を実現することができるが、ユーザが常に最大容量のデータを伝送したいとは限らないため、オーバスペックとなるケースが多くなる。そこで、本発明では、各端末の空きＲＦ送受信リソースを用いてパケットリレーを行なうという情報経由システムにより、効率のよいマルチホップ・ネットワークを実現する。

本発明に係る無線通信装置は、複数のＲＦ送受信部を備えて空間多重を利用した通信を行なうことができるが、自らのＲＦ送受信リソースを自身の送受信プロセスと他の通信端末のためのパケット経由伝送プロセスに効率よく配分することで、ＲＦ送受信リソースの有効活用によりネットワーク・システム全体の効率化を図る。

本発明に係る無線通信装置は、送信端末として以下のように動作する。

（１）利用者の要求に応じて、自らの送受信プロセスに割り当てたＲＦ送受信リソースのみを用いて、情報伝送を行なう。このとき、相手先と通信範囲が遠く、他端末による情報経由が必要であれば、情報経由が可能である端末を探し、当該端末へ情報伝送する。
（２）必要に応じて、他の端末のパケット経由伝送プロセスのために割り当てたＲＦ送受信リソースを用いて、他の端末からの情報経由要求があるまで受信待機しておくことも可能である。
（３）他の端末からの経由要求があれば、他の端末のパケット経由伝送プロセスのために割り当てたＲＦ送受信リソースを用いて、受信パケットを解読し、送信機に切り替えて、次の情報経由端末を探索するか、又は受信端末に直接伝送する。
（４）上記の処理は、ＲＦ送受信リソースをすべて自らの送受信プロセスに割り当ててもよいし、他の端末のパケット経由伝送プロセスのために、自らのＲＦ送受信リソースをすべて割り当ててもよいこととする。

また、本発明に係る無線通信装置は、受信端末若しくは受信待機期間においては、以下のように動作する。

（１）利用者の要求に応じて、自らの送受信プロセスに割り当てたＲＦ送受信リソースを用いて、受信待機する。
（２）他の端末からの経由要求があれば、受信パケットを解読し、送信機に切り替えて、次の情報経由端末を探索するか、受信端末に直接伝送する。
（３）上記の処理は、ＲＦ送受信リソースをすべて自らの送受信プロセスに割り当ててよいし、他の端末のパケット経由伝送プロセスのために、自らのＲＦ送受信リソースをすべて割り当ててもよいこととする。

本発明に係る無線通信システムによれば、複数のＲＦ送受信リソースを備えたＭＩＭＯ無線機と、１つのＲＦ送受信リソースを備えた従来のＳＩＳＯ無線機で構成される。そして、基地局若しくはアクセス・ポイント主導の管理の下、あるいは自律分散的にリソース配分をさせることで、効率且つ高速なマルチホップ・ネットワークを実現することができる。

図１には、本発明の一実施形態に係る送信機及び受信機それぞれの構成を模式的に示している。

図示の無線通信装置は、送受信の双方において複数のＲＦリソースを備え、空間多重したＭＩＭＯチャネルを実現する。各ＲＦリソースは、アンテナ素子と、ＲＦ送受信部と、Ｄ／Ａ変換部及びＡ／Ｄ変換部で構成される。ＭＩＭＯ通信方式では、データ送信時には、デジタル処理部において処理された１つの送信データをＭＩＭＯ通信に関わる各ＲＦリソースに分配して送出する。また、データ受信時には、ＭＩＭＯ通信に関わる各ＲＦリソースにより受信した信号からデジタル処理部によって１つの受信データを得る。

ＭＩＭＯ通信方式によれば複数のＲＦ送受信部を１つの無線機に集約して大容量データ伝送を実現することができるが、ユーザが常に最大容量のデータを伝送したいとは限らない。そこで、本実施形態に係る無線通信装置は、ＭＩＭＯ通信時においてもすべてのＲＦリソースを使用するのではなく、必要に応じたＲＦリソースのみを用いてＭＩＭＯ通信を行なう。

この結果、無線通信装置はＭＩＭＯ通信時においても余剰のＲＦ送受信リソースを得ることになるが、これら空きＲＦリソースを有効活用して、ネットワーク・システム全体の効率化を図る。例えば、自らのＲＦ送受信リソースを自身の送受信プロセスと他の通信端末のためのパケット経由伝送プロセスに効率よく配分することで、各端末の空きＲＦ送受信リソースを用いてパケットリレーを行なうという情報経由システムを構築し、効率のよいマルチホップ・ネットワークを実現する。

本実施形態に係る無線通信装置がこのようなＲＦリソースの柔軟且つ有効な活用を行なうために、従来のＭＩＭＯ送受信機とは相違し、デジタル処理部は柔軟なアーキテクチャを採用して、必要に応じて各ＲＦリソースの活用目的を変更し、自らのデータを送信したり、あるいは他端末の情報を経由するためにリソースを割いたりする目的で、無線機を柔軟に再構成する。

また、無線通信装置は、利用者の要求やネットワークからの要求に応じて、柔軟且つ適応的に無線機構成を再構成するための制御部を備えている。制御部による制御方法にはさまざま考えられる。例えば上述したように、ユーザの要求に応じて、各々のＲＦリソースを自律的に決定し、他の無線端末の情報経由を行なう際のＲＦリソースを割り当てることで、ＭＩＭＯ送受信機のオーバスペックの問題やマルチホップ・ネットワークの高速化を図る。

なお、ＲＦリソースの配分については、無線通信装置自身が自律的に行なうのではなく、外部の無線基地局若しくはアクセス・ポイントが集中管理を行なうようにしてもよい。

また、無線通信装置がＭＩＭＯ送受信と同時に、空きＲＦリソースを周辺端末のためのパケットリレーなど別の用途に用いる場合には、これらの通信動作が干渉しないようにしなければならない。そこで、各用途に分配されたＲＦリソース間で直交多重化方式を適用することにより、互いの送受信プロセスの干渉を回避するようにしてもよい。ここで言う直交多重化方式として、例えば、ＳＤＭＡ（Ｓｐａｃｅ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ａｃｃｅｓｓ：空間分割多元接続）通信方式、直交シーケンス方式、直交変調方式、Ｃｙｃｌｉｃ Ｄｅｌａｙ技術などを挙げることができる。例えば、複数のアンテナ素子によって構成されるアダプティブ・アレー・アンテナにおいて、それぞれのアンテナ素子で受信される受信信号に適当な重み付けを行ない加算合成することによって、受信ビーム形成を適応的に行ない（すなわち、指向性を適応的に変化させて）、複数の相手との同時通信を実現し、通信容量を増加させることができる（例えば、菊間信良著「アレーアンテナによる適応信号処理」（科学記述出版、ＩＳＢＮ４−８７６５３−０５４−８）を参照のこと）。また、その他、空きＲＦリソースを用いた送信信号と自らの送信信号の直交性を高める目的で、エネルギー分割多重化方式を用いた直交変調を施し信号多重を行なう方法が挙げられる。加えて、意図的に両信号に異なるＣｙｃｌｉｃ Ｄｅｌａｙを与えることで時間的な直交性を実現し互いのチャネル間干渉成分を抑圧し、さらにｊｏｉｎｔ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ方式などを用いて高精度に自分宛の信号を判別する方法なども考えられる。

デジタル処理部は、例えばデジタル信号処理回路（ＤＳＰ：Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）やＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ａｒｒａｙ）などのデジタル論理回路を用いてソフトウェア無線処理を行なうことにより、柔軟なアーキテクチャを実現し、ＲＦリソースの柔軟且つ有効な活用を行なうことができる。

ソフトウェア無線処理では、ＲＦリソースの配分方法に応じて、デジタル処理部の回路構成を再構築することで柔軟且つ効率的に信号処理系の動作を行なう。ソフトウェア無線処理の回路構成の変更方法として、（１）処理回路の内容を記載したソフトウェア情報をダウンロードして再構成する方法や、（２）処理回路を制御する情報のみをダウンロードして再構成する方法、そして、（３）あらかじめ内部又は外部メモリに蓄えられた回路情報を用いて要求に応じて回路を再構成する方法が挙げられる。なお、デジタル処理部がソフトウェア無線処理を行なわない場合には、可能性のあるすべての復号処理回路をあらかじめ用意し、動作準備をしておき、要求に応じてすべての処理回路をオン／オフ操作することになる。

図２には、デジタル処理部の構成例を模式的に示している。図示のデジタル処理部は、コア論理部と、回路再構成論理部と、制御論理部で構成される。

コア論理部には、あらゆるケースに共通して必要なコア演算部を設けておく。そして、処理の最適を行なうべき演算部は、回路再構成論理部に格納することにする。

回路再構成論理部の構成方法については、上述した３つのソフトウェア無線処理のうちどれかを制限するものではない。なお、コア論理部と回路再構成論理部の両論理部を制御する信号は、制御論理部にて生成し、さまざまな要求に柔軟に対応する。

例えば、ＲＦリソースの数に応じて、チャネル行列Ｈの逆行列を求める演算部は、処理を行なうべき行列の要素数が変わることになり、処理の最適化を行なうために、要求に応じて処理系を再構築することが望ましい。

逆に、あらかじめ内部又は外部メモリに蓄えられた回路情報を用いて要求に応じて再構成する方法や処理回路を制御する情報のみをダウンロードして再構成する方法では、すべての要求に応じた逆行列演算部を設けることになり、再構成にかかる時間が短縮される半面、メモリ領域や回路規模の冗長度が大きくなる。

その他、チャネル行列生成に用いる処理系や空間多重された信号を分離する際に用いる処理系など、用途に応じて、最適化を図る必要のある部分は多々あり、複数のＲＦリソースを抱えるＭＩＭＯ無線機においては、消費電力の低減や回路規模削減に対するその効果を大いに期待することができる。

本実施形態に係る無線通信装置は、基本的には、複数のＲＦ送受信部を備えて空間多重を利用した通信を行なうが、自らのＲＦ送受信リソースを自身の送受信プロセスと他の通信端末のためのパケット経由伝送プロセスに効率よく配分する。この結果、ＲＦ送受信リソースの有効活用によりネットワーク・システム全体の効率化を図る。

図３には、本実施形態に係る無線通信装置における通信動作手順をフローチャートの形式で示している。

まず、周辺端末からのアクセスがあるか否かをチェックする（ステップＳ１）。

そして、周辺端末からのアクセスがある場合には、続いて、そのアクセスが情報経由の依頼であるか否かをチェックする（ステップＳ２）。情報経由の依頼である場合には、さらにその依頼を受けるか否かを判断する（ステップ３）。

周辺端末からの情報経由の依頼を受ける場合、その送信データ量や伝搬路状況などに応じて、必要なＲＦリソースを算出し（ステップＳ４）、情報経由に必要となる十分な空きリソースが自局に存在するかどうかをチェックする（ステップＳ５）。

ここで、周辺端末の情報経由に必要な十分な空きＲＦリソースがない場合には、要求元の周辺端末に対し、経由拒否の連絡を行ない（ステップＳ６）、当該処理ルーチンの開始以降の処理に移行する（ステップＳ７）。

一方、周辺端末の情報経由に必要な十分な空きＲＦリソースがある場合には（ステップＳ５）、要求元の周辺端末に対し、経由受け入れの連絡を行なう（ステップＳ８）。そして、未だ必要な空きリソースがあるかどうかをチェックする（ステップＳ９）。ここで、十分な空きリソースがない場合には、要求されている情報中継処理を実行するが（ステップＳ１０）、十分な空きＲＦリソースがある場合には、この空きＲＦリソースを用いて当該処理ルーチンの開始以降の処理に移行する（ステップＳ１１）。

周辺端末からのアクセスが情報経由の依頼でない場合には（ステップＳ２）、続いて、別途、送信要求があるか否かをチェックする（ステップＳ１２）。別途、送信要求がない場合には、必要なＲＦリソースを用いて当該アクセスについての受信処理を行なう（ステップＳ１３）。

別途、送信要求がある場合には（ステップＳ１２）、続いて、必要な空きＲＦリソースが存在するかどうかをチェックする（ステップＳ１６）。

送信要求に対し必要な空きＲＦリソースが存在する場合には、送信処理を行なうとともに（ステップＳ１８）、空きリソースで当該処理ルーチンの開始以降の処理に移行する（ステップＳ１７）。また、送信要求に対し必要な空きＲＦリソースがない場合には、当該処理ルーチンの開始以降の処理に移行する（ステップＳ１９）。

また、周辺端末からのアクセスがない場合には（ステップＳ１）、続いて、自局に送信要求があるかどうかをチェックする（ステップＳ１４）。

自局に送信要求がない場合には、当該処理ルーチンの開始以降の処理に移行する（ステップＳ１９）。

一方、自局に送信要求がある場合には、その送信データ量や伝搬路状況などに応じて、必要なＲＦリソースを算出する（ステップＳ１５）。そして、必要な空きＲＦリソースが存在するかどうかをチェックする（ステップＳ１６）。

送信要求に対し必要な空きＲＦリソースが存在する場合には、送信処理を行なうとともに（ステップＳ１８）、空きリソースで当該処理ルーチンの開始以降の処理に移行する（ステップＳ１７）。また、送信要求に対し必要な空きＲＦリソースがない場合には、当該処理ルーチンの開始以降の処理に移行する（ステップＳ１９）。

無線通信装置は、上述したような通信動作手順を実行することにより、送信端末として動作するときには、
（１）自らの送受信プロセスに割り当てたＲＦ送受信リソースのみを用いて情報伝送を行なう。また、他端末による情報経由が必要であれば、情報経由が可能である端末へ情報伝送する。
（２）他の端末のパケット経由伝送プロセスのために割り当てたＲＦ送受信リソースを用い、受信待機する。
（３）他の端末からの経由要求があれば、他の端末のパケット経由伝送プロセスのために割り当てたＲＦ送受信リソースを用い、次の情報経由端末を探索するか、又は受信端末に直接伝送する。

また、無線通信装置が受信端末として動作するときには、
（１）自らの送受信プロセスに割り当てたＲＦ送受信リソースを用いて、受信待機する。
（２）他の端末からの経由要求があれば、次の情報経由端末を探索するか、受信端末に直接伝送する。

図４には、本発明の実施形態に係る無線通信システムの構成例を示している。無線通信システムは、基本的には複数のＲＦ送受信リソースを備え、各ＲＦリソースを柔軟に活用しながらＭＩＭＯ通信を行なうＭＩＭＯ通信機で構成されるが、１つのＲＦ送受信リソースを備えた従来のＳＩＳＯ無線機（図示しない）を含めることができる。ＳＩＳＯ無線機も、周辺のＭＩＭＯ通信機に対し、余剰のＲＦリソースを自局のパケット経由伝送プロセスに割り当てるように、要求することができる。

図４に示す例では、端末Ａ、Ｂ、ＣそしてＤの４台のＭＩＭＯ無線機が存在するマルチホップ・ネットワークが存在していると仮定する。同図に示すように、それぞれのＭＩＭＯ通信機が各自のＲＦ送受信リソースを用いて通信動作を行い、端末Ａ→端末Ｄ、端末Ｂ→端末Ｄ、そして、端末Ｄ→端末Ｃという経路でパケット送受信がそれぞれ行なわれている。ここでは説明の簡素化のため、すべての端末は３つのＲＦ送受信リソースを備えているものとする。

ここで、端末Ａと端末Ｄは、２つのＲＦ送受信リソースを自局の送受信プロセスに割り当てるとともに、残り１つのＲＦ送受信リソースを他端末のため（すなわち、他の端末のパケット経由伝送プロセス）に受信待機している。

端末Ｂは、端末Ｃと連絡を取りたいが、直接にデータ伝送できない範囲にいる。このため、両端末Ｂ及びＣの受信可能範囲にある端末Ｄに対し情報経由の依頼を行なう。その結果、端末Ｄからは、受信待機している残り１つのＲＦ送受信リソースを用いて情報経由してもらうという了解を得る。

端末Ｃは、すべてのＲＦ送受信リソースを自らのデータ送受信プロセスに割り当てており、受信ダイバーシチの効果を用いて、安定した通信環境で、端末Ｄからの経由情報を受信する。

以上、特定の実施形態を参照しながら、本発明について詳解してきた。しかしながら、本発明の要旨を逸脱しない範囲で当業者が該実施形態の修正や代用を成し得ることは自明である。

補足であるが、送受信ステップの際に、送受信端末は、必ずしもアンテナなどのＲＦ送受信回路の数を合わせる必要はない。送信側が受信側よりも多くＲＦリソースを割り当てた場合には、Ａｌａｍｏｕｔｉなどの送信ダイバーシチの方法を用いて、効果的にパケット送受信すればよい。

また、受信側が送信側よりも多くＲＦリソースを割り当てた場合には、最大比合成やＢＬＡＳＴ（Ｂｅｌｌ Ｌａｙｅｒｅｄ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ Ｓｐａｃｅ Ｔｉｍｅ ｃｏｄｅ）などの受信ダイバーシチの方法を用いて、効果的にパケット送受信すればよい。

送受信手順については、無線ＬＡＮで一般に用いられているＲＴＳ／ＣＴＳプロセスや、その他のＭｅｓｈ Ｎｅｔｗｏｒｋや、Ｍｕｌｔｉ−ｈｏｐ Ｎｅｔｗｏｒｋに提案されているプロトコルを用いればよく、その方法については本発明の要旨を特に限定するものではない。

要するに、例示という形態で本発明を開示してきたのであり、本明細書の記載内容を限定的に解釈するべきではない。本発明の要旨を判断するためには、特許請求の範囲を参酌すべきである。

図１は、本発明の一実施形態に係る無線通信装置の構成を模式的に示した図である。 図２は、デジタル処理部の構成例を模式的に示した図である。 図３は、本実施形態に係る無線通信装置における通信動作手順を示したフローチャートである。 図４は、本発明の実施形態に係る無線通信システムの構成例を示した図である。

Claims (16)

1. 信号の送受信を行なう複数の送受信リソースを備えた通信局を含んだ複数の通信局が通信動作を行なう無線通信システムであって、
   複数の送受信リソースを備えた通信局のうち少なくとも一部は、自局が持つ各送受信リソースを第１又は第２の送受信プロセスに割り当て、それぞれに割り当てられた送受信リソースを用いて前記第１及び第２の送受信プロセスの動作を実行する、
   ことを特徴とする無線通信システム。
2. 複数の送受信リソースを備えた通信局は、前記第１及び第２の送受信プロセスのうち少なくとも一方に２以上の送受信リソースを割り当て、当該送受信プロセスにおいて複数の論理的なチャネルを形成したＭＩＭＯ通信を行なう、
   ことを特徴とする請求項１に記載の無線通信システム。
3. 前記第１の送受信プロセスは利用者の要求に応じた自局の送受信プロセスであり、前記第２の送受信プロセスは他の端末のパケット経由伝送プロセスである、
   ことを特徴とする請求項１に記載の無線通信システム。
4. 通信局は、前記第１の送受信プロセスにおいて、相手先と通信範囲が遠く、他端末による情報経由が必要であれば、情報経由が可能である端末を探し、当該端末へ情報伝送する、
   ことを特徴とする請求項３に記載の無線通信システム。
5. 通信局は、前記第２の送受信プロセスに割り当てられ送受信リソースのみを用いて他の端末からの情報経由要求があるまで受信待機し、他の端末からの経由要求を受信したことに応答して、該プロセスに割り当てたＲＦ送受信リソースを用いて、受信パケットを解読し、送信機に切り替えて、次の情報経由端末を探索し又は受信端末に直接伝送する、
   ことを特徴とする請求項３に記載の無線通信システム。
6. 複数の送受信リソースを備えた通信局は、前記第１及び第２の送受信プロセスを同時に起動するときには、前記第１及び前記第２の送受信リソースによる通信動作に対し直交多重化方式を適用する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の無線通信システム。
7. 前記直交多重化方式は、空間分割多元接続（ＳＤＭＡ）方式である、
   ことを特徴とする請求項６に記載の無線通信システム。
8. 信号の送受信を行なう複数の送受信リソースを備えた無線通信装置であって、
   前記の各送受信リソースを第１又は第２の送受信プロセスに割り当てるリソース割り当て手段と、
   それぞれに割り当てられた送受信リソースを用いて、前記第１及び第２の送受信プロセスの動作を制御する通信制御手段と、
   を具備することを特徴とする無線通信装置。
9. 前記第１及び第２の送受信プロセスのうち少なくとも一方には２以上の送受信リソースが割り当てられ、前記通信制御手段は、当該送受信プロセスにおいて複数の論理的なチャネルを形成したＭＩＭＯ通信を行なう、
   ことを特徴とする請求項８に記載の無線通信装置。
10. 前記第１の送受信プロセスは利用者の要求に応じた自局の送受信プロセスであり、前記通信制御手段は該プロセスに割り当てられ送受信リソースのみを用いて情報伝送を行なう、
    ことを特徴とする請求項８に記載の無線通信装置。
11. 前記通信制御手段は、前記第１の送受信プロセスにおける相手先と通信範囲が遠く、他端末による情報経由が必要であれば、情報経由が可能である端末を探し、当該端末へ情報伝送する、
    ことを特徴とする請求項１０に記載の無線通信装置。
12. 前記第２の送受信プロセスは他の端末のパケット経由伝送プロセスであり、
    前記通信制御手段は、該プロセスに割り当てられ送受信リソースのみを用いて他の端末からの情報経由要求があるまで受信待機し、他の端末からの経由要求を受信したことに応答して、該プロセスに割り当てたＲＦ送受信リソースを用いて、受信パケットを解読し、送信機に切り替えて、次の情報経由端末を探索し又は受信端末に直接伝送する、
    ことを特徴とする請求項８に記載の無線通信装置。
13. 前記通信制御手段は、前記第１及び第２の送受信プロセスを同時に起動するときには、前記第１及び前記第２の送受信リソースによる通信動作に対し直交多重化方式を適用する、
    ことを特徴とする請求項８に記載の無線通信装置。
14. 前記直交多重化方式は、空間分割多元接続（ＳＤＭＡ）方式である、
    ことを特徴とする請求項１３に記載の無線通信装置。
15. 信号の送受信を行なう複数の送受信リソースを用いて通信動作を行なう無線通信方法であって、
    前記の各送受信リソースを第１又は第２の送受信プロセスに割り当てるリソース割り当てステップと、
    前記第１の送受信プロセスに割り当てられた送受信リソースを用いて、前記第１の送受信プロセスの動作を制御する第１の通信制御ステップと、
    前記第２の送受信プロセスに割り当てられた送受信リソースを用いて、前記第１の送受信プロセスの動作を制御する第２の通信制御ステップと、
    を具備することを特徴とする無線通信方法。
16. 信号の送受信を行なう複数の送受信リソースを用いて通信動作を行なうための処理をコンピュータ・システム上で実行するようにコンピュータ可読形式で記述されたコンピュータ・プログラムであって、
    前記の各送受信リソースを第１又は第２の送受信プロセスに割り当てるリソース割り当てステップと、
    前記第１の送受信プロセスに割り当てられた送受信リソースを用いて、前記第１の送受信プロセスの動作を制御する第１の通信制御ステップと、
    前記第２の送受信プロセスに割り当てられた送受信リソースを用いて、前記第１の送受信プロセスの動作を制御する第２の通信制御ステップと、
    を具備することを特徴とするコンピュータ・プログラム。
    

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