JP2008148299A - Method for route selection in cooperative relay network - Google Patents

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Neelesh B Mehta
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ジョナサン・エス・イェディディア
Zhifeng Tao
ジフェング・タオ
Zafer Sahinoglu
ザファー・サヒノグル
Philip V Orlik
フィリップ・ヴィ・オーリック
Jin Zhang
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To select an optimal route in an ad-hoc network. <P>SOLUTION: The method selects a route in a wireless cooperative relay network of nodes, the nodes including a source, a set of relays, and a destination. A codeword is encoded as a data stream. The data stream is transmitted from a source to a destination via a set of relays. Mutual information is accumulated at a particular node to decode the data stream and recover the codeword. Then, a route from the source to the destination is selected based on channel state information between the nodes while transmitting and accumulating. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、包括的には、ワイヤレスネットワークに関し、より詳細には、協調ネットワークにおける情報の送信に関する。   The present invention relates generally to wireless networks, and more particularly to transmitting information in a collaborative network.

アドホックネットワーク
アドホックワイヤレスリレーネットワークは、セルラーネットワーク等の従来の構造化ネットワークを上回る多くの利点を有する。アドホックワイヤレスネットワークは、固定されているインフラストラクチャを必要としない。これは、コストを削減することができる。信号は、異なるルートを介して送信することができるので、信頼性は増加する。中間リレーノードがより短いホップを介して信号を受信して再送信できるので、エネルギー消費を削減することができる。全送信エネルギーが減少するので、ネットワークの寿命が長くなり、また、干渉が少なくなり、スペクトル効率が改善される。
Ad hoc networks Ad hoc wireless relay networks have many advantages over traditional structured networks such as cellular networks. Ad hoc wireless networks do not require a fixed infrastructure. This can reduce costs. Since the signal can be transmitted via different routes, the reliability is increased. Energy consumption can be reduced because the intermediate relay node can receive and retransmit signals over shorter hops. Since the total transmission energy is reduced, the lifetime of the network is increased, interference is reduced, and spectral efficiency is improved.

アドホックリレーネットワークの不利な点として、送信元ノードから宛先ノードへのルートを指定する必要がある。このルートは、情報のリレーに関与するノード列、送信プロトコル、ノードにおけるエネルギー割り当て、及び送信スケジュールを指定する。   As a disadvantage of the ad hoc relay network, it is necessary to specify a route from the source node to the destination node. This route specifies a sequence of nodes involved in relaying information, a transmission protocol, an energy allocation at the node, and a transmission schedule.

従来のアドホックリレーネットワークでは、送信元ノードは、通常、エラー訂正符号で情報を符号化し、この情報は、ルートのノード列を介して送信される。符号化された情報は、コードワード(codeword)と呼ばれる。本明細書で使用されるように、コードワードは、データバイトのファイル又はブロックとすることができる。   In a conventional ad hoc relay network, a transmission source node normally encodes information with an error correction code, and this information is transmitted via a route node sequence. The encoded information is called a codeword. As used herein, a codeword can be a file or block of data bytes.

レートレス符号
チャネル状態情報(CSI)が知られていない状況では、弱いブロックエラー訂正符号は、雑音によって通信を信頼できないものとする可能性がある一方、強いブロックエラー訂正符号は、エネルギーを浪費する。レートレス符号はこの問題を解決する。ブロックエラー訂正符号を使用して情報を所定のビット数として符号化する代わりに、情報は、潜在的に無限のビットストリームに符号化される。そして、受信機は、情報が復元されるまでフローのビットを復号するだけである。
Rateless codes In situations where the channel state information (CSI) is unknown, weak block error correction codes can make communications unreliable due to noise, while strong block error correction codes waste energy. . Rateless codes solve this problem. Instead of encoding information as a predetermined number of bits using a block error correction code, the information is encoded into a potentially infinite bit stream. The receiver then only decodes the bits of the flow until the information is restored.

レートレス符号には、ファウンテン符号、パンクチャード低レートブロック符号、リードソロモン符号、畳み込み符号、及びターボ符号が含まれる。レートレス符号は、最初は、消失チャネル用に設計された。しかしながら、レートレス符号は、加法性白色ガウス雑音(AWGN)チャネルにも良好に機能する。また、レートレス符号は、イーサネット(登録商標)アプリケーション、ポイントツーポイントアプリケーション、ブロードキャストアプリケーション、及びマルチキャストアプリケーションにも使用されてきた。   Rateless codes include fountain codes, punctured low rate block codes, Reed-Solomon codes, convolutional codes, and turbo codes. Rateless codes were originally designed for erasure channels. However, rateless codes also work well for additive white Gaussian noise (AWGN) channels. Rateless codes have also been used for Ethernet applications, point-to-point applications, broadcast applications, and multicast applications.

ルーティングプロトコル
リレーノードは、前のノードから信号を受信する。ノードは、増幅転送プロトコル(amplify-and-forward protocol)で信号を増幅することもできるし、ノードは、復号転送プロトコル(decode-and-forward protocol)で信号の情報を復号し、その情報を再符号化し、次に、信号を次のノードへ再送信することもできる。このプロセスは、信号が宛先ノードによって受信されるまで続く。このようなリレー方式は、マルチホップルーティングとして知られている。従来は、どの時点においても、1つのノードしか、送信元ノードから宛先ノードへの連続した複数のホップを有する単一のルートを使用して次のノードへ信号を転送していない。
Routing protocol A relay node receives a signal from a previous node. The node can amplify the signal using the amplify-and-forward protocol, or the node can decode the signal information using the decode-and-forward protocol, and re-decode the information. It is also possible to encode and then retransmit the signal to the next node. This process continues until a signal is received by the destination node. Such a relay system is known as multi-hop routing. Conventionally, at any point in time, only one node forwards the signal to the next node using a single route having multiple consecutive hops from the source node to the destination node.

マルチホップアドホックリレーネットワークにおいて最適なルートを選択するための多数の方法が知られている。「フラッディング(flooding)」と呼ばれる1つの方法では、各ノードは、そのノードのアドレス及び送信に使用されるエネルギー(又は電力)と共に情報をブロードキャストする。宛先ノードは、その後、自身が受信する積算された情報量から最適なルートを選択することができる。ルートに参加しているノードは、その後、フィードバック情報を使用してそのルートの通知を受けることができる。   A number of methods are known for selecting an optimal route in a multi-hop ad hoc relay network. In one method called “flooding”, each node broadcasts information along with the node's address and the energy (or power) used for transmission. The destination node can then select an optimal route from the accumulated amount of information received by itself. Nodes participating in the route can then be notified of the route using the feedback information.

すべてのチャネル状態情報が単一のロケーションで入手可能である場合、最適なルートは、ネットワークにおける全エネルギー消費を最小にする最適化技法又は他の最適化基準を使用して決定することができる。最適なルートの決定の分散型方法も知られている。   If all channel state information is available at a single location, the optimal route can be determined using optimization techniques or other optimization criteria that minimize the total energy consumption in the network. Distributed methods of determining the optimal route are also known.

アドホックネットワークのもう1つの課題は、フロー制御である。フロー制御では、送信元ノードは、連続したビットストリーム(フロー)を送信し、リレーノードは、宛先ノードへのいくつかの並列リンク上に同時にフローを方向付ける。リレーノードは、このような複数のフローを受信することができ、フローが宛先ノードに到達するまで、ネットワークの後続のリレーへフローを再配信することができる。   Another challenge for ad hoc networks is flow control. In flow control, the source node sends a continuous bit stream (flow) and the relay node directs the flow simultaneously on several parallel links to the destination node. The relay node can receive multiple such flows and can redistribute the flow to subsequent relays in the network until the flow reaches the destination node.

協調リレーネットワーク
協調リレーネットワークは、単一ルートマルチホッピングの代わりとなるものを提供する。協調リレーネットワークでは、複数のノードが同時に情報を送信することができる。従来(最新式)の協調リレーネットワークでは、複数のノードは、同じ情報を送信し、受信ノードは、情報を復号する前に、信号のすべてからエネルギーを積算する。これは、受信ノードにおけるダイバーシティ次数(diversity order)を増加させることができる。加えて、ルートダイバーシティ(route diversity)を得るために情報をいくつかの並列ルート上に同時に送信することができる。したがって、フェードが深くなる確率が減少する。さらに、エネルギーの積算によって、送信のエネルギー効率が増加する。
Cooperative Relay Network Cooperative relay networks provide an alternative to single-route multihopping. In a cooperative relay network, a plurality of nodes can transmit information simultaneously. In a conventional (modern) cooperative relay network, multiple nodes transmit the same information, and the receiving node accumulates energy from all of the signals before decoding the information. This can increase the diversity order at the receiving node. In addition, information can be sent simultaneously on several parallel routes to obtain route diversity. Therefore, the probability that the fade becomes deep is reduced. Furthermore, the energy efficiency of transmission increases due to energy integration.

協調通信を使用するネットワークは、並列ルート選択及び特定のリンクの符号選択等の異なる一組の問題を有する。協調という仮定の下での予想エネルギーコスト及びネットワークトポロジーも課題である。   Networks using coordinated communication have a different set of problems such as parallel route selection and code selection for specific links. Expected energy costs and network topology under the assumption of cooperation are also challenges.

従来技術のルート選択技法及び最適化技法は、一般に、ルートに沿ったノードがエネルギー積算を行うものと仮定している。しかしながら、その方法で選択されたルートは、ノードが相互情報量を積算するネットワークで使用されるとき、準最適(sub-optimal)となる。したがって、従来技術のルーティング方法は、本発明によるネットワークに適用可能ではない。   Prior art route selection and optimization techniques generally assume that nodes along the route perform energy accumulation. However, the route selected in that way becomes sub-optimal when used in a network where nodes accumulate mutual information. Therefore, the prior art routing method is not applicable to the network according to the present invention.

2006年3月16日にMolisch他によって出願された、本願の同一譲受人に譲渡された特許出願第11/377,711号の「Cooperative Relay Networks using Rateless Codes」に記載されているルーティングプロトコルは、十分な相互情報量を有するどのノードも送信に参加するものと仮定する。準同期プロトコルでは、特定のスケジューリング方式が仮定され、送信元と宛先との間には、2つのホップしか許可されない。2ホップネットワークは、相対的に制限的であることは明らかである。   The routing protocol described in “Cooperative Relay Networks using Rateless Codes” of patent application 11 / 377,711, filed March 16, 2006, by Molisch et al. Assume that any node with sufficient mutual information participates in the transmission. In the semi-synchronous protocol, a specific scheduling scheme is assumed and only two hops are allowed between the source and the destination. Clearly, a two-hop network is relatively restrictive.

非同期方式は、ノードの送信の開始時刻及び継続時間について特別な仮定を行い、送信電力を等しく割り当てる。   Asynchronous schemes make special assumptions about the start time and duration of a node's transmission and allocate transmission power equally.

サイズに制約のないネットワークにおいてより一般的な方法でルート選択を改善することが望まれている。   It would be desirable to improve route selection in a more general way in networks without size constraints.

本発明の実施の形態は、受信ノードが2つ以上の送信ノードからの相互情報量を積算できるワイヤレス協調リレーネットワークにおいて、情報を通信するための方法を提供する。より詳細には、複数のリレーノードが、情報の異なって符号化されたバージョンを送信する。受信機は、復号中に、その異なるバージョンの相互情報量を結合することができる。本発明は、このようなノードを有するネットワークにおいてルート、送信電力、及び送信時間を選択するための方法を提供する。   Embodiments of the present invention provide a method for communicating information in a wireless cooperative relay network in which a receiving node can accumulate mutual information from two or more transmitting nodes. More specifically, multiple relay nodes send different encoded versions of information. The receiver can combine the different versions of mutual information during decoding. The present invention provides a method for selecting a route, transmission power, and transmission time in a network having such nodes.

本発明の実施の形態は、送信時間、ネットワーク寿命、エネルギー消費、スループット(throughput)、信号対干渉比、若しくは他の適した基準、又はこれらの組み合わせの点から性能を最適化することができる。実施の形態は、ネットワークトポロジー及びノード間の送信チャネルの状態に従って、ルーティング、送信電力、スケジューリング、送信時間、及び使用される符号を動的に調整することによってこの最適化を達成する。   Embodiments of the present invention can optimize performance in terms of transmission time, network lifetime, energy consumption, throughput, signal to interference ratio, or other suitable criteria, or combinations thereof. Embodiments achieve this optimization by dynamically adjusting routing, transmission power, scheduling, transmission time, and used codes according to the network topology and the state of the transmission channel between nodes.

この最適化は、最適な組み合わせルートの総当り数値探索(brute-force numerical search)、集中化準最適繰り返し探索(centralized suboptimal iterative search)、又は非集中化準最適繰り返し探索(decentralized suboptimal iterative search)を使用することができる。   This optimization involves performing a brute-force numerical search, a centralized suboptimal iterative search, or a decentralized suboptimal iterative search for the optimal combination route. Can be used.

図1及び図2は、本発明の実施の形態による協調リレーネットワーク100及び200を示している。協調リレーネットワーク100は、送信元ノード111、一組のN個のリレーノード121〜124、及び、宛先ノード131を、すなわち、送信元、リレー、及び、宛先を、含む。また、本発明のこの実施の形態は、図2に示すような複数のリレー「ホップ」と共に使用できることも理解されるべきである。この場合、リレー125は、「中間」リレー126にとって「送信元」としても動作する。この方式は、追加のホップに拡張することができる。   1 and 2 show cooperative relay networks 100 and 200 according to an embodiment of the present invention. The cooperative relay network 100 includes a transmission source node 111, a set of N relay nodes 121 to 124, and a destination node 131, that is, a transmission source, a relay, and a destination. It should also be understood that this embodiment of the present invention can be used with multiple relay "hops" as shown in FIG. In this case, the relay 125 also operates as a “source” for the “intermediate” relay 126. This scheme can be extended to additional hops.

場合によっては、通信遮断(outage)等の制約条件に従って、送信時間、ネットワーク寿命、エネルギー消費、スループット、信号対雑音比、若しくは他の適した基準、又はこれらの組み合わせの点からネットワークの性能を最適化することが望まれている。ここで、通信遮断は、所定の時間内又は所定のエネルギー内で送信が成功していないものと定義される。   In some cases, network performance is optimized in terms of transmission time, network lifetime, energy consumption, throughput, signal-to-noise ratio, or other suitable criteria, or combinations thereof, according to constraints such as outage It is hoped that Here, the communication interruption is defined as a transmission not successful within a predetermined time or within a predetermined energy.

送信元ノードは、一組のN個のリレーノードを介して宛先ノードへコードワードを送信する。これらのノードは、単一のルートを形成することもできるし、複数の並列ルートを形成することもできる。コードワードは、たとえば、データバイト(情報)のファイルとすることができる。リレーノードは、復号転送技法を使用する。コードワードは、スケーリングされたナット/Hz(nats/Hz)で与えられる、サイズHtargetの帯域幅正規化エントロピー(bandwidth-normalized entropy)を有する。ここで、1ナットは、自然単位の情報量であり、オイラーの定数2.718…である。 The source node transmits the codeword to the destination node via a set of N relay nodes. These nodes can form a single route or multiple parallel routes. The codeword can be, for example, a file of data bytes (information). The relay node uses a decoding transfer technique. The codeword has a bandwidth-normalized entropy of size H target , given in scaled nuts / Hz (nats / Hz). Here, one nut is the amount of information in natural units, which is Euler's constant 2.718.

送信元、さらにリレーは、レートレス符号を使用して、コードワードを符号化する。すべてのノードは、半2重モードで動作する。すなわち、ノードは、送信又は受信のいずれかを行うことができるが、双方を同時に行うことはできない。しかしながら、他の(ブロック)エラー訂正符号も符号化に使用できることに留意すべきである。一般化されたブロック符号の場合、積算された情報量は、それらの符号内に構築された冗長性を含む。   The source, as well as the relay, encodes the codeword using a rateless code. All nodes operate in half-duplex mode. That is, the node can either transmit or receive, but not both at the same time. However, it should be noted that other (block) error correction codes can also be used for encoding. In the case of generalized block codes, the accumulated amount of information includes the redundancy built in those codes.

以下では、ダイレクトシーケンススペクトル拡散技法による送信が可能であるものとする。拡散は、柔軟且つ非集中的な方法で異なるデータストリームの送信を可能にし、それらのデータストリームは受信機において区別可能であるので、このような手法は、リレーネットワークに役立つ。ノードnの送信電力はPである。ノード間の伝播チャネルは、周波数フラットブロックフェージングチャネルとしてモデル化される。チャネル利得は、振幅のレイリーフェージングに対応して、独立した指数分布である。この場合もまた、これらの仮定は、一例を提供するためにのみ置かれていること、及び、場合によっては残りのバッテリー寿命、平均チャネル状態、又は瞬時チャネル状態によって変化する、異なる複数のアクセス方式、さらには、異なるノードの異なる送信電力を本方法と共に使用できることに留意されたい。 In the following, it is assumed that transmission by the direct sequence spread spectrum technique is possible. Such an approach is useful for relay networks because spreading allows transmission of different data streams in a flexible and decentralized manner, and these data streams are distinguishable at the receiver. Transmit power of node n i is P i. The propagation channel between nodes is modeled as a frequency flat block fading channel. The channel gain is an independent exponential distribution corresponding to the Rayleigh fading of the amplitude. Again, these assumptions are made only to provide an example, and different access schemes that may vary depending on the remaining battery life, average channel conditions, or instantaneous channel conditions. It is further noted that different transmit powers of different nodes can be used with the method.

本受信機は、相互情報量を積算する受信機である。これらの受信機は、同時に到達する場合がある異なるリレーからのさまざまな情報ストリームを区別することができる。たとえば、受信機は、マルチユーザ検出を使用して、異なるレートレス符号を区別することができる。CDMAシステムでは、データストリームがチップ継続時間よりも長い相対遅延で到達したときに、受信機は、異なるリレーノードからの受信データストリームを処理することができる。   This receiver is a receiver that accumulates mutual information. These receivers can distinguish different information streams from different relays that may arrive at the same time. For example, the receiver can distinguish between different rateless codes using multi-user detection. In a CDMA system, when the data stream arrives with a relative delay longer than the chip duration, the receiver can process the received data streams from different relay nodes.

受信機は、レートレス符号復号器を含み、その結果、異なるリレーノードからのデータストリームを区別することができ、リレーノードによって送信された信号の相互情報量を積算することができる。この場合もまた、従来のブロックエラー訂正符号も使用できることが強調される。   The receiver includes a rateless code decoder so that the data streams from the different relay nodes can be distinguished and the mutual information of the signals transmitted by the relay nodes can be integrated. Again, it is emphasized that conventional block error correction codes can also be used.

CDMAシステムについての本発明の一実施形態では、宛先が、異なるデータストリームを分離して、それらのデータストリームに含まれる情報を抽出するために、異なるノードは異なる拡散符号を使用する。しかしながら、異なる拡散符号は、常に必要とは限らない。たとえば、すべてのリレーが同じ符号、すなわちレートレス符号又はブロック符号を使用して、自身の信号を宛先へ同期して送信するとき、同じ拡散符号を使用することができる。   In one embodiment of the invention for a CDMA system, different nodes use different spreading codes in order for the destination to separate different data streams and extract the information contained in those data streams. However, different spreading codes are not always necessary. For example, the same spreading code can be used when all relays use the same code, ie rateless code or block code, to send their signals synchronously to the destination.

擬似同期送信
図3に示すように、コードワード301は、レートレス符号311及び任意選択で拡散符号312を使用して符号化され(310)、データストリーム320が生成される。コードワード301は、ビットのあらゆる任意の集まり、すなわち「情報」とすることができる。送信元(S)325は、宛先(D)327によって受信されるデータストリームを一組のリレーノード(R)326へブロードキャストする(330)。データストリームのブロードキャストは、パケットの形にすることができる。
Pseudo Synchronous Transmission As shown in FIG. 3, codeword 301 is encoded (310) using rateless code 311 and optionally spreading code 312 to generate data stream 320. Codeword 301 can be any arbitrary collection of bits, or “information”. The source (S) 325 broadcasts the data stream received by the destination (D) 327 to a set of relay nodes (R) 326 (330). The broadcast of the data stream can be in the form of a packet.

図4に示すように、リレーノードが、データストリームを復号してコードワードを復元するのに十分な相互情報量を積算するとすぐに、そのリレーは、受信が成功したことの確認応答(ACK)400を送信元へ返信する。   As shown in FIG. 4, as soon as the relay node accumulates enough mutual information to decode the data stream and recover the codeword, the relay acknowledges that the reception was successful (ACK). 400 is returned to the sender.

送信元は、所定の個数の確認応答400を受信した後、場合によっては、送信元からのブロードキャストの終了をリレーノードに通知した後に、ブロードキャストを終了する。   The transmission source ends the broadcast after receiving a predetermined number of confirmation responses 400 and, in some cases, notifies the relay node of the end of the broadcast from the transmission source.

同時に、リレーノードは、復元されたコードワードをデータストリームに再符号化し、受信から送信に切り換わる。   At the same time, the relay node re-encodes the recovered codeword into a data stream and switches from reception to transmission.

この第2のフェーズの間、2つの場合を考えることができる。第1は、すべてのリレーノードが同じレートレス符号で符号化されたデータストリーム410を送信する場合である。レートレス符号は、送信元によって使用されたものと同じものとすることができる。ランダムに配置されたリレーノードからの送信に固有の遅延差のために、データストリームは、わずかに異なる遅延で宛先に到達する。以下では、それらの遅延はチップ継続時間よりも長いが、シンボル継続時間よりもはるかに短いものと仮定する。この仮定は、大きな拡散率を有するダイレクトシーケンスCDMAシステムで達成することができる。宛先は、リレーノードから受信されたデータストリームの相互情報量を積算することができる。   During this second phase, two cases can be considered. The first is when all relay nodes transmit a data stream 410 encoded with the same rateless code. The rateless code can be the same as that used by the source. Due to the delay differences inherent in transmissions from randomly placed relay nodes, the data stream reaches its destination with slightly different delays. In the following, it is assumed that these delays are longer than the chip duration but much shorter than the symbol duration. This assumption can be achieved in a direct sequence CDMA system with a large spreading factor. The destination can accumulate the mutual information amount of the data stream received from the relay node.

第2は、各リレーノードが、データストリーム410の送信に異なるレートレス符号及び異なる拡散符号を使用する場合である。この場合、宛先は、異なるリレーノードからの信号を、それらの異なるリレーノードの異なる拡散符号を通じて区別することができ、相互情報量を積算する。宛先は、送信元によってブロードキャストされたデータストリーム309も使用できることに留意すべきである。   The second is when each relay node uses a different rateless code and a different spreading code for transmission of the data stream 410. In this case, the destination can distinguish signals from different relay nodes through different spreading codes of those different relay nodes and accumulates mutual information. It should be noted that the destination can also use a data stream 309 broadcast by the source.

いずれの場合も、図5に示すように、宛先は、リレー及び場合によっては送信元によって送信されたデータストリームの復号に成功してコードワード301を復元するとすぐに、信号500をリレーノードへ及び場合によっては送信元へもブロードキャストして、送信を終了する。   In any case, as shown in FIG. 5, as soon as the destination successfully decodes the data stream sent by the relay and possibly the source and restores the codeword 301, it sends the signal 500 to the relay node. In some cases, broadcasting is also performed to the transmission source, and transmission is terminated.

直観的には、単一のレートレス符号の使用と複数のレートレス符号の使用との間の相違は、消失確率pを有する消失チャネル(erasure channel)上で2つのリレーを使用するバイナリシグナリングの簡単な例について最も容易に理解することができる。それらのリレーが同じレートレス符号を使用する場合、各ビットは、確率p で消失することになり、その結果、1−p ビットが、リレー送信ごとに有効に受信される。 Intuitively, binary signaling using the difference, two relays on erasure channel (erasure channel) with the loss probability p e between the use or using multiple rateless single rateless The simplest example can be most easily understood. If those relays use the same rateless code, each bit will be lost with probability p e 2 so that 1-p e 2 bits are effectively received per relay transmission.

他方、2つの異なるレートレス符号が使用される場合、送信は独立しており、リレー送信ごとに2(1−p)ビットが受信される。2つのプロトコルに必要とされる受信機の複雑さは、大きくは異ならないことに留意されたい。受信機のアナログ/デジタル変換器(ADC)のサンプリングレートが、シンボルレートと同一である場合、双方の受信機は、L個の相関器を必要とする。第1の場合では、すべての相関器は、同じ拡散シーケンスとの相関を形成し、最大比合成に従って結果を加える。 On the other hand, if two different rateless codes are used, the transmission is independent and 2 (1- pe ) bits are received for each relay transmission. Note that the receiver complexity required for the two protocols is not significantly different. If the sampling rate of the analog / digital converter (ADC) of the receiver is the same as the symbol rate, both receivers require L correlators. In the first case, all correlators form a correlation with the same spreading sequence and add the results according to maximum ratio combining.

或いは、受信機は、単一の相関器のみを使用することもできる。この相関器の出力は、各シンボル継続時間中にL回サンプリングされる。これによって、或るハードウェアの複雑さが省かれる。しかしながら、信号は、異なるリレーノードから不規則な間隔で到達する可能性があり、したがって、ADCがチップレートでサンプリングする能力を必要とする可能性がある。ADCのこの高速サンプリングは、電力(したがって、エネルギー)消費を大幅に増加させ、したがって、バッテリー電源のセンサネットワークアプリケーションにとって望ましくない場合がある。   Alternatively, the receiver can use only a single correlator. The correlator output is sampled L times during each symbol duration. This saves some hardware complexity. However, signals can arrive at irregular intervals from different relay nodes, and thus may require the ability of the ADC to sample at the chip rate. This fast sampling of the ADC greatly increases power (and therefore energy) consumption and may therefore be undesirable for battery powered sensor network applications.

第2の場合では、各相関器は、異なるリレーノードからの信号の検出に使用される。主要な相違は復号器にある。復号器は、複数のレートレス符号が使用される場合に、より複雑となる。第2の方法は、1つのコードワードの送信に複数の拡散符号を使い果たすので、改善された符号化利得がこの影響を部分的に相殺するものの、第2の方法のスペクトル効率はより悪くなる。   In the second case, each correlator is used to detect signals from different relay nodes. The main difference is in the decoder. The decoder becomes more complex when multiple rateless codes are used. The second method uses up multiple spreading codes to transmit one codeword, so the improved coding gain partially offsets this effect, but the spectral efficiency of the second method is worse.

また、第1の場合及び第2の場合の組み合わせも使用できることに留意されたい。   Note also that combinations of the first and second cases can be used.

非同期送信
上述したような擬似同期送信では、リレーノードは、送信元ノードによってブロードキャストされたデータストリームしか受信しない。しかしながら、レートレス符号を使用するとき、リレーノードは、他のリレーがデータストリームをより高速に復号するのを「援助する」こともでき、したがって、送信プロセスを加速することができ、したがって、エネルギー消費を削減することができる。このアイデアは、リレーがコードワードを復号するのに十分な情報量を受信するとすぐに、そのリレーノードが、再符号化されたデータストリームを宛先へ送信することを開始するということである。この送信は、まだ受信モードにある他のリレーノードによっても受信可能である。したがって、送信モードにあるリレーノードは、まだ受信しているリレーノードが、データストリームをより高速に復号するのを援助する。すなわち、他のリレーは、ブロードキャストデータストリーム及び再符号化されたデータストリームの双方を復号する。
Asynchronous transmission In pseudo-synchronous transmission as described above, the relay node receives only the data stream broadcast by the source node. However, when using rateless codes, the relay node can also “help” other relays to decode the data stream faster, thus accelerating the transmission process and thus energy. Consumption can be reduced. The idea is that as soon as the relay receives a sufficient amount of information to decode the codeword, the relay node starts sending the re-encoded data stream to the destination. This transmission can also be received by other relay nodes that are still in receive mode. Thus, a relay node that is in transmission mode helps a relay node that is still receiving to decode the data stream faster. That is, other relays decode both the broadcast data stream and the re-encoded data stream.

図3に示すように、送信元ノードは、割り当てられた拡散符号及びレートレス符号を使用して、リレーノードのすべてへデータストリームをブロードキャストすることにより始動する。   As shown in FIG. 3, the source node starts by broadcasting the data stream to all of the relay nodes using the assigned spreading code and rateless code.

すべてのリレーノードは、相互情報量を絶えず積算する。送信元は、所与の拡散符号による送信が開始すると、受信機による雑音の不要な受信を回避するように信号で伝える。送信元は、図4について説明したように送信を停止する。   All relay nodes continuously accumulate mutual information. When transmission by a given spreading code is started, the transmission source signals to avoid unnecessary reception of noise by the receiver. The transmission source stops transmission as described with reference to FIG.

図6に示すように、リレーノードは、コードワードを復号するのに十分な情報を有するとすぐに、受信モードから送信モードに切り換わる。リレーは、自身に割り当てられた拡散符号及びレートレス符号を使用して、コードワードをデータストリーム601として再送信する。受信モードにあるリレーノードは、すべての拡散符号を同時に観測するので、送信元ノードからのデータストリーム330及び宛先へ送信中のリレーノードからのデータストリーム602を受信することができ、それらのすべてのノードからの相互情報量を積算して、データストリームをより高速に復号する。   As shown in FIG. 6, as soon as the relay node has enough information to decode the codeword, it switches from the reception mode to the transmission mode. The relay retransmits the codeword as a data stream 601 using the spreading code and rateless code assigned to it. A relay node in receive mode observes all spreading codes simultaneously, so it can receive a data stream 330 from the source node and a data stream 602 from the relay node that is transmitting to the destination, The mutual information amount from the nodes is accumulated, and the data stream is decoded at a higher speed.

宛先ノードは、異なるリレーのすべてのデータストリームを連続的に受信し、したがって、さまざまなリレーノードからの情報量を積算する。上述したように、宛先は、送信元から直接受信されたコントリビューション309も使用することができる。   The destination node continuously receives all the data streams of the different relays and thus accumulates the amount of information from the various relay nodes. As described above, the destination can also use a contribution 309 received directly from the source.

宛先は、送信元データストリームを復号してコードワードを復元することに成功するとすぐに、図5に示すように、信号500をリレーノードへ及びおそらく送信元へもブロードキャストして、送信を終了する。   As soon as the destination successfully decodes the source data stream and recovers the codeword, it broadcasts the signal 500 to the relay node and possibly to the source as shown in FIG. .

宛先がコードワードの復元に成功するまで送信は続くものと仮定する。送信元がリレーノードを監視し、すべてのリレーノードが送信モードにあるとすぐに送信を停止する場合に、いくらかのエネルギーを節減することができる。   Assume that transmission continues until the destination successfully recovers the codeword. Some energy can be saved if the source monitors the relay nodes and stops transmitting as soon as all relay nodes are in transmit mode.

ルート検出
上記プロトコルは、どのノードが送信に参加するのか、それらのノードの電力及び送信時間を暗に決定することによって機能する。しかしながら、それらのパラメータを明示的に最適化すること、すなわち最適なルート(ルート上のノードのパラメータを含む)を見つけることに相当するプロセスが、好都合となり得る。以下では、そのサイズ又はホップ数において制限のないネットワークにおいて、この最適なルートを見つける方法を説明する。
Route Detection The above protocol works by implicitly determining which nodes participate in transmission, their power and transmission time. However, a process equivalent to explicitly optimizing those parameters, ie finding the optimal route (including the parameters of the nodes on the route) may be advantageous. The following describes how to find this optimal route in a network that is unlimited in its size or number of hops.

仮定
協調ネットワークにおけるルートの最適化は、より多くの自由パラメータを最適化する必要があるので、特に困難である。したがって、一定の量のオーバーヘッド送信がネットワークで避けられないことを認識しつつ、いくつかの単純化する仮定を行う。
Assumptions Optimization of routes in a cooperative network is particularly difficult because more free parameters need to be optimized. Therefore, some simplifying assumptions are made, recognizing that a certain amount of overhead transmission is unavoidable in the network.

(i)ネットワークのノードは、地理的にランダムに分布している。一部のノード又は全部のノードのロケーションが、GPS又は超広帯域測位を通じて判明していることは可能ではあるが、必要ではない。このようなサイド情報は、情報を転送すべき方向の情報を提供するのに役立つので、ルーティングプロセスによって使用することができる。以下では、このようなサイド情報を考慮しない。しかしながら、このようなサイド情報を、情報量を積算する協調ネットワークにおけるルーティングに使用することは、本特許の一部である。   (I) The nodes of the network are geographically randomly distributed. It is possible but not necessary that the location of some or all nodes is known through GPS or ultra-wideband positioning. Such side information can be used by the routing process as it helps provide information in the direction in which the information should be transferred. In the following, such side information is not considered. However, it is part of this patent to use such side information for routing in a collaborative network that accumulates information.

(ii)単純化するために、ルート選択は集中化される。しかしながら、特に大きなネットワークでは、分散型ルーティングも使用することができる。   (Ii) Route selection is centralized for simplicity. However, distributed routing can also be used, especially in large networks.

(iii)瞬時CSI又は平均CSIも中央で知られている。チャネル状態情報の量は変化し得る。通常、瞬時CSI又は平均CSIのいずれかが知られている状況を考える。CSIは、観測中の雑音及び干渉、並びに/又は、CSIがネットワークを通じて送信される時の量子化、並びに/又は、CSIの測定とルーティングプロセスでのその使用との間の遅延によるチャネルの変化によって、雑音を有する可能性がある。以下の説明では、完全な瞬時CSI又は完全な平均CSIのみを考える。しかしながら、CSIの他の形も、この説明の一部として含まれる。CSIを獲得して配信するコストを全エネルギーコストに組み入れることができる。   (Iii) Instantaneous CSI or average CSI is also known in the middle. The amount of channel state information can vary. Consider a situation in which either instantaneous CSI or average CSI is usually known. CSI is due to noise and interference under observation, and / or quantization when CSI is transmitted through the network, and / or channel changes due to delays between CSI measurement and its use in the routing process. , May have noise. In the following description, only complete instantaneous CSI or complete average CSI is considered. However, other forms of CSI are included as part of this description. The cost of acquiring and distributing CSI can be incorporated into the total energy cost.

(iv)各ノードは、異なる送信機からの相互情報量を完全に積算するものと仮定する。この仮定を近似したものは、レートレス符号が使用されるときに実現することができ、異なるレートレス符号は、異なる時間−周波数拡散符号を使用し、その結果、受信機は符号を区別することができる。また、有限サイズの送信元ワードのレートレス符号は、理想的な特性を有しないものと仮定する。たとえば、オーバーヘッドが、シャノンの限界よりも大きい可能性がある。以下では、レートレス符号の非理想性は無視する。また、1つのノードが、複数の拡散符号及び/又はファウンテン符号を使用して、トランスポートブロックサイズの限界を迂回することも可能である。   (Iv) Assume that each node fully accumulates mutual information from different transmitters. An approximation of this assumption can be realized when rateless codes are used, where different rateless codes use different time-frequency spreading codes so that the receiver distinguishes the codes. Can do. Further, it is assumed that a rateless code of a finite size source word does not have ideal characteristics. For example, the overhead may be greater than the Shannon limit. In the following, the non-ideality of rateless codes is ignored. It is also possible for one node to bypass the transport block size limit using multiple spreading codes and / or fountain codes.

(v)明示的な別段の言及がない限り、ネットワークにおけるすべての拡散符号は、完全に直交し、その結果、或るレートレス符号を使用するビットストリーム又はフローの送信は、他のレート符号で符号化されたビットストリームの送信とは干渉しないものと仮定する。   (V) Unless explicitly stated otherwise, all spreading codes in the network are completely orthogonal, so that transmission of bitstreams or flows that use one rateless code will be transmitted with other rate codes. Assume that it does not interfere with the transmission of the encoded bitstream.

(vi)また、各ノードは、任意に低い信号対雑音比の信号を受信できるものと仮定し、受信機における同期及びチャネル推定にオーバーヘッドは必要とされないものと仮定する。これは、一定の同期及びチャネル推定のオーバーヘッドが存在する下で理想化された仮定である。   (Vi) It is also assumed that each node can receive an arbitrarily low signal-to-noise signal, and that no overhead is required for synchronization and channel estimation at the receiver. This is an idealized assumption in the presence of constant synchronization and channel estimation overhead.

(vii)ノードが情報を復号することに成功したという情報のフィードバック400は瞬時であるものと仮定され、いかなるオーバーヘッドをも要しない。しかしながら、本明細書で説明する技法は、このフィードバック情報の有限のオーバーヘッド及び遅延した送信が使用されるときにも適用可能である。   (Vii) Information feedback 400 that the node has successfully decoded the information is assumed to be instantaneous and does not require any overhead. However, the techniques described herein are also applicable when this finite overhead and delayed transmission of feedback information is used.

(viii)送信は、単一のノードが単一の受信ノードへ情報を送信する場合にユニキャストとすることができる。送信は、複数の、場合によっては相関されるノード(複数のフロー)及び/又は複数の宛先ノード(マルチキャスト)を含むように一般化することもできる。   (Viii) Transmission can be unicast when a single node transmits information to a single receiving node. The transmission can also be generalized to include multiple, possibly correlated nodes (multiple flows) and / or multiple destination nodes (multicast).

(ix)チャネルは、遅延分散を示さず、どの時点においても、単一スカラーの複素減衰係数(complex attenuation coefficient)によって特徴付けることができるものと仮定する。しかしながら、この減衰のフェージング(時間変動)の可能性も考慮に入れる。遅延分散が存在する場合、拡散符号が、その影響を減らすのに使用される。   (Ix) It is assumed that the channel does not exhibit delay dispersion and can be characterized by a single scalar complex attenuation coefficient at any point in time. However, the possibility of fading (time variation) of this attenuation is also taken into account. If there is a delay spread, the spreading code is used to reduce the effect.

(x)送信元ノードは、宛先ノードが前のコードワードの復号に成功した後にしか、新たなコードワードの送信を開始しないものと仮定する。このように、どの時点においても、送信元ノードからの1つのメッセージしかネットワークには存在しない。   (X) Assume that the source node starts transmitting a new codeword only after the destination node has successfully decoded the previous codeword. Thus, at any point in time, there is only one message from the source node in the network.

最適化モデル
従来のアドホックルーティングは、以下の自由パラメータ、すなわち、協調するノード、各ノードにおける送信電力、及びノードが送信を行う順序を使用する。
Optimization Model Conventional ad hoc routing uses the following free parameters: cooperating nodes, transmit power at each node, and the order in which the nodes transmit.

協調リレーネットワークは、ネットワークの各ノードiについて以下のパラメータ、すなわち、レートレス符号C(t)、拡散符号、送信の開始時刻t、及び送信の継続時間τも決定する。 The cooperative relay network also determines the following parameters for each node i of the network: rateless code C i (t), spreading code, transmission start time t i , and transmission duration τ.

目標は、以下の基準、すなわち、ネットワークの全エネルギー消費、送信元ノードから宛先ノードへの全送信時間、送信のスペクトル効率、及びネットワークの寿命のいずれかの組み合わせを最適化することである。   The goal is to optimize any combination of the following criteria: total energy consumption of the network, total transmission time from the source node to the destination node, the spectral efficiency of transmission, and the lifetime of the network.

スペクトル効率の1つの有用な尺度として、送信ノードの周りの「ブロッキングエリア」を定義する(ただし、スペクトル効率の他の尺度も、同様に、本方法で使用することができる)。ブロッキングエリアでは、ノードからの放射が非常に強いので、他の通信を受信することができない。厳密に言えば、ブロッキングエリアのサイズは、受信機の検出しきい値と、環境における伝播状態とに依存する。「ブロッキング時間」は、ノードが送信を行っている時である。ブロッキングエリアとブロッキング時間との積をスペクトル効率の尺度とすることができる。コードワードを送信するのに必要とされる拡散符号の総数は、スペクトル効率を特徴付けるさらに別のパラメータである。   As one useful measure of spectral efficiency, we define a “blocking area” around the transmitting node (although other measures of spectral efficiency can be used in the method as well). In the blocking area, radiation from the node is so strong that other communications cannot be received. Strictly speaking, the size of the blocking area depends on the detection threshold of the receiver and the propagation state in the environment. “Blocking time” is when the node is transmitting. The product of the blocking area and the blocking time can be a measure of spectral efficiency. The total number of spreading codes required to transmit a codeword is yet another parameter that characterizes spectral efficiency.

ノードが利用できるエネルギーの量は有限であるものと仮定する。すなわち、ノードはバッテリー動作しているものと仮定する。ネットワークの寿命は、最初のノードが自身の利用可能な全エネルギーを使用した時に「満了し」、動作を停止する。ネットワークの寿命の他の定義は、「その時刻後に、送信元から宛先への可能なルートが存在しなくなるという時刻」、又は「ネットワークが分割するのに要する時間」等である。ネットワーク分割(network partitioning)は、ネットワークを完全に切断された部分に分離する広範囲のトポロジー変更である。これは、進行中のネットワークルーティング及び上位レイヤアプリケーションに対して、突然の重大な混乱を引き起こす可能性がある。   Assume that the amount of energy available to a node is finite. That is, the node is assumed to be battery operated. The lifetime of the network “expires” when the first node uses all of its available energy and stops working. Another definition of the lifetime of the network is “time when there is no possible route from the source to the destination after that time” or “time required for the network to divide”. Network partitioning is an extensive topology change that separates the network into completely disconnected parts. This can cause sudden and serious disruption to ongoing network routing and higher layer applications.

最適化基準は、線形関数又は非線形関数の形にすることもできるし、厳密制約条件の形にすることもできる。最適化基準の例としては、たとえば、コードワードの送信時間と送信エネルギーとの加重和を使用するペナルティ関数、又は、送信時間τに対する厳密制約条件がある。   The optimization criterion can be in the form of a linear or non-linear function, or it can be in the form of a strict constraint. Examples of optimization criteria include, for example, a penalty function that uses a weighted sum of codeword transmission time and transmission energy, or a strict constraint on transmission time τ.

積算された相互情報量
上記仮定では、積算された相互情報量は以下のように述べることができる。送信元ノードnは、N個のリレーノードnを介して宛先ノードnN+1へコードワードを送信する。各ノードは、時刻tにおいて、継続時間τの間、電力P及び拡散符号Cで送信を開始する。拡散符号Cは拡散利得SFを有する。指示関数I(t)は、t<t<t+τの場合は1であり、それ以外の場合は0である。受信信号の電力は、最小しきい値電力εよりも大きくなければならない。さらに、伝達関数hijは、ノードiからノードjへの複素(complex)振幅ベースバンドチャネル利得である。さらに、コードワードは、単位帯域幅に正規化されたエントロピーHtargetを有する。その場合、時刻tにおいてノードiに積算された相互情報量は、
Accumulated mutual information amount Under the above assumption, the accumulated mutual information amount can be described as follows. The source node n 0 through the N-number of the relay nodes n i and transmits the codeword to the destination node n N + 1. Each node starts transmission at time t i with power P i and spreading code C i for duration τ i . The spreading code C i has a spreading gain SF. The instruction function I i (t) is 1 when t i <t <t i + τ i , and is 0 otherwise. The power of the received signal must be greater than the minimum threshold power ε. Furthermore, the transfer function h ij is the complex amplitude baseband channel gain from node i to node j. In addition, the codeword has entropy H target normalized to unit bandwidth. In that case, the mutual information amount accumulated in the node i at time t is

Figure 2008148299
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となる。ここで、Nは雑音の電力である。この定式化は、残留干渉が雑音のように働き、受信機の結合検出等、どの干渉抑圧メカニズムによっても抑圧されないことを暗に仮定している。 It becomes. Here, N 0 is noise power. This formulation implicitly assumes that residual interference acts like noise and is not suppressed by any interference suppression mechanism such as receiver coupling detection.

干渉抑圧が使用される場合、上記式の分母は、結合検出受信機の出力における干渉プラス雑音電力に置き換えられる。問題の複雑さを低減するために、ノードの送信電力が一定であるものと仮定する。また、tmin,0=0と定義し、且つ、0<i≦N+1の場合はH(tmin,i)=Htargetによって暗にtmin,iを定義する。 If interference suppression is used, the denominator in the above equation is replaced by interference plus noise power at the output of the joint detection receiver. In order to reduce the complexity of the problem, assume that the transmission power of the node is constant. Further, defined as t min, 0 = 0, and defines implicitly t min, i by 0 <i ≦ N + 1 case of H i (t min, i) = H target.

t≧tmin,iという制約条件を課す。換言すれば、どのノードも、そのノードがコードワードを復号した後にしか、送信を開始することができない。さらに、送信時間をt+τ≦tmin,N+1となるように制約することは理に適っており、その結果、コードワードが復号された後、ノードは送信を行わない。 A constraint condition of t ≧ t min, i is imposed. In other words, any node can only start transmitting after it has decoded the codeword. Furthermore, it makes sense to constrain the transmission time to be t i + τ i ≦ t min, N + 1 , so that the node does not transmit after the codeword is decoded.

信号獲得の実際的な要件を考慮したい場合、制約条件P≧εを設ける。また、各ノードは、ハードウェア制限による最大電力制約条件P≦Pmaxも有する。ノードnによって消費される全エネルギーは、 If it is desired to consider the practical requirements for signal acquisition, the constraint P i ≧ ε i is provided. Each node also has a maximum power constraint P i ≦ P max due to hardware limitations. The total energy consumed by the node n i,

Figure 2008148299
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であり、ネットワークにおける全エネルギーは、 And the total energy in the network is

Figure 2008148299
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である。Eには、受信に必要とされるエネルギー、さらには、チャネル状態情報を取得してそのチャネル状態情報を中央ノードのような適切な受信者へ転送するのに必要とされるエネルギーも含めることができることに留意されたい。 It is. E i also includes the energy required for reception, as well as the energy required to obtain the channel state information and forward the channel state information to an appropriate recipient such as a central node. Note that you can.

所与の拡散符号Cのブロッキングエリアは、A(t)によって示される。このA(t)から、スペクトル効率Sの尺度を導出することができる。 The blocking area for a given spreading code C m is denoted by A m (t). From this A m (t), a measure of the spectral efficiency S can be derived.

ペナルティ関数D(E,…,EN+1,tmin,N+1,S)を最小にするものとする。ここで、関数Dは、パラメータの線形関数若しくは非線形関数とすることができ、且つ/又は、厳密制約条件を有することができる。たとえば、サービス品質制約条件は、Pr(tmin,N+1>tadmissible)<outageとすることができる。ここで、tadmissibleは、メッセージが送信元ノードから宛先ノードへ進むのに許容できる時間であり、outageは、許容できる通信遮断確率である。 It is assumed that the penalty function D (E 0 ,..., E N + 1 , t min, N + 1 , S) is minimized. Here, the function D can be a linear or non-linear function of parameters and / or can have strict constraints. For example, the service quality constraint condition may be Pr (t min, N + 1 > t admissible ) <outage. Here, t admissible is an allowable time for the message to travel from the source node to the destination node, and outage is an allowable communication interruption probability.

一般的な最適化手順
上記説明は、最適化問題の理論的な定式化を提供する。未知のパラメータの解は、焼きなまし法(simulated annealing)、遺伝的アルゴリズム(genetic algorithms)、モンテカルロシミュレーション(Monte-Carlo simulations)等の従来のあらゆる標準的な最適化方法によって得ることができる。この最適化は、中央ロケーションで行うこともできるし、又は分散形式で行うこともできる。
General Optimization Procedure The above description provides a theoretical formulation of the optimization problem. The solution of the unknown parameter can be obtained by any conventional standard optimization method such as simulated annealing, genetic algorithms, Monte-Carlo simulations. This optimization can be done at a central location or in a distributed fashion.

図7は、送信に消費される全エネルギーの制約条件に従って、コードワードの送信時間を最小にする最適化の一例を示している。   FIG. 7 shows an example of optimization that minimizes the transmission time of the codeword according to the constraint on the total energy consumed for transmission.

ノード701、送信元ノード702、及び、宛先ノード703のネットワークが与えられた場合、最適化プロセスは、最適な非協調ルート711を選択する(710)ことによって開始する。ここで、各ノードは、そのノードが十分な相互情報量を積算するとすぐにコードワードを復号する。最適な非協調ルートは、従来の技法に従って選択することができる。   Given a network of nodes 701, source nodes 702, and destination nodes 703, the optimization process begins by selecting 710 an optimal non-cooperative route 711. Here, each node decodes the codeword as soon as the node accumulates a sufficient amount of mutual information. The optimal non-cooperative route can be selected according to conventional techniques.

最適なルートの探索を単純化するために、最初に、許容できる全エネルギーの1/Nを各ノードに割り当てる(720)。これは、全エネルギーの制約条件を自動的に満たす。   In order to simplify the search for the optimal route, 1 / N of the total allowable energy is first assigned to each node (720). This automatically satisfies the total energy constraint.

エネルギーを割り当てられた最適な非協調ルートから開始し、焼きなまし法を使用して、全送信時間を減少させるノード及び電力設定を見つけることができる。ルートに沿った次のノードがコードワードをまだ復号できるように電力設定及び送信時間を調整する。   Starting from the optimal uncoordinated route with energy allocation, an annealing method can be used to find nodes and power settings that reduce the total transmission time. Adjust the power setting and transmission time so that the next node along the route can still decode the codeword.

焼きなまし法プロセスは、以下のように動作することができる。ノード731の複数の対をランダムに選択する(730)。選択されたこれらの対のエネルギーを以下のように調整する(740)。ノードの一方に割り当てられたエネルギーを小さな量Δだけ増加させ、他方のノードのエネルギーを同じ量だけ減少させる。   The annealing process can operate as follows. A plurality of pairs of nodes 731 are selected at random (730). The energy of these selected pairs is adjusted as follows (740). Increase the energy assigned to one of the nodes by a small amount Δ and decrease the energy of the other node by the same amount.

エネルギーが調整された一対のノード741について、電力設定及び送信時間設定、すなわち上述した制約条件を満たす設定の実現可能性を判断する(750)。次に、電力設定を選択して更新する(760)。この設定は、ランダムに選択することもできるし、又は代替的に、送信元ノードから宛先ノードへのコードワードの全送信時間が最小となる実現可能な設定を選択することもできる。その結果の送信時間が、前の電力割り当ての送信時間よりも小さい場合には、電力設定を適切に更新する。この結果、送信時間が長くなる場合には、送信時間ペナルティと共に減少する或る確率pで更新を行い、たとえそれが性能の減少につながり、最適化中にいずれかの極小値を避けることになっても、電力を更新する。   For the pair of nodes 741 whose energy has been adjusted, the feasibility of the power setting and transmission time setting, that is, the setting that satisfies the above-described constraint conditions is determined (750). Next, the power setting is selected and updated (760). This setting can be chosen randomly, or alternatively, a feasible setting that minimizes the total transmission time of the codeword from the source node to the destination node. If the resulting transmission time is less than the previous power allocation transmission time, the power settings are updated appropriately. As a result, if the transmission time becomes long, the update is performed with a certain probability p that decreases with the transmission time penalty, which leads to a decrease in performance and avoids any local minima during optimization. Even update the power.

最適化プロセスは、収束するまで、又は、一定の最大数の繰り返しステップが実行されるまで繰り返す(770)。   The optimization process is repeated (770) until convergence or a certain maximum number of iteration steps have been performed.

特定の最適化手順
多数の特別な場合を説明する。これらは、本発明の実施形態の例として機能するが、本発明の一般的な適用範囲を限定するものと解釈されるべきではない。
Specific optimization procedures Describe a number of special cases. These serve as examples of embodiments of the invention, but should not be construed as limiting the general scope of the invention.

フラッディング(Flooding)
フラッディング技法の期間中、各ノードは、そのノードがコードワードを復号するとすぐに、時刻t=tmin,iにおいて最大許容可能電力Pmaxにて情報の送信を開始する。ノードは、宛先ノードがコードワードを復号するまで送信を続ける。これによって、全送信時間が最小にされる。リレーノードによるどの送信も、たとえ、そのリレーから宛先までの距離が送信元から宛先までの距離よりも長くても、他のノードにおけるこの送信からの干渉の抑圧が完全であるとの仮定の下で、全送信時間の削減につながることは注目すべきである。直観的には、このようなリレーノードによる送信は、宛先により近いノードによる送信を高速化するのに役立ち、したがって、それらの送信の受信機がより早く送信を開始することを可能にし、これによって、全送信時間が減少する。しかしながら、これは、エネルギー、さらにスペクトル資源を浪費する。
Flooding
During the flooding technique, each node begins transmitting information at the maximum allowable power P max at time t = t min, i as soon as the node decodes the codeword. The node continues to transmit until the destination node decodes the codeword. This minimizes the total transmission time. Any transmission by a relay node assumes that the suppression of interference from this transmission at other nodes is complete, even if the distance from the relay to the destination is greater than the distance from the source to the destination. It should be noted that this leads to a reduction in the total transmission time. Intuitively, transmissions by such relay nodes help to speed up transmissions by nodes closer to the destination, thus allowing receivers of those transmissions to begin transmission earlier, thereby , The total transmission time is reduced. However, this wastes energy and even spectrum resources.

スペクトル効率を改善する1つの方法は、互いから十分に分離されたノードの拡散符号を再利用することである。2つのノードi及びjを考え、ノードkからノードiへの伝達関数hikが、所定のしきい値を超えるか、すなわち、ノードiが、ノードkによって受信される相互情報量に「大きく」貢献するか否かを判定する。すべてのノードkについて、ノードjからノードkへの伝達関数hjkが、必要とされる信号対干渉比であるファクタZよりも小さい場合、ノードi及びjは、同じ拡散符号を使用することができる。 One way to improve spectral efficiency is to reuse the spreading codes of nodes that are well separated from each other. Given two nodes i and j, the transfer function h ik from node k to node i exceeds a predetermined threshold, ie node i is “large” in the mutual information received by node k. Determine whether to contribute. For all nodes k, if the transfer function h jk from node j to node k is smaller than the factor Z, which is the required signal-to-interference ratio, nodes i and j may use the same spreading code. it can.

減分ノード控除
この手法では、最初に、ネットワークのフラッディングを使用して、ルートと電力の割り当てとを選択する。次に、各ノードについて、そのノードがネットワークから控除された場合に、電力消費の減少及び送信時間の増加を決定する。送信時間の増加がしきい値よりも小さい場合、そのノードは控除される。同様に、控除による全送信時間の増加が小さい場合に、ノードのブロッキングエリア及びブロッキング時間による干渉を増加させるノードも控除することができる。
Decrement Node Deduction In this approach, network flooding is first used to select routes and power allocation. Next, for each node, it is determined to reduce power consumption and increase transmission time when that node is deducted from the network. If the increase in transmission time is less than the threshold, the node is deducted. Similarly, if the increase in total transmission time due to deduction is small, nodes that increase interference due to the blocking area and blocking time of the node can also be deducted.

増分ノード追加
この手法では、上述したような最良の非協調ルートにおけるノードから開始する。ネットワークにおける可能性のある各ノードについて、そのノードが協調形式でもルートに含まれる場合に、所与のエネルギー消費及び所与の送信時間についての全送信時間の減少を別個に求める。減少が最大であるノードがルートに追加される。この手順は、さらに別のノードの追加が性能の小さな改善しか与えなくなるまで、又は、参加するノードの個数が所定のしきい値に達するまで繰り返される。
Incremental node addition This approach starts with the node in the best non-cooperative route as described above. For each potential node in the network, if the node is also included in the route in a coordinated fashion, the reduction in total transmission time for a given energy consumption and a given transmission time is determined separately. The node with the greatest decrease is added to the route. This procedure is repeated until the addition of another node gives only a small improvement in performance, or until the number of participating nodes reaches a predetermined threshold.

非集中化終了
非集中化手法では、各ノードは、そのノードがコードワードを復号した後に送信を開始する。送信は、宛先ノードに「より近い」k個のノードがコードワードを復号した後に停止される。
Decentralized termination In the decentralized approach, each node starts transmitting after it decodes the codeword. Transmission stops after k nodes “closer” to the destination node decode the codeword.

好ましい実施形態の例として本発明を説明してきたが、本発明の精神及び範囲内において、他のさまざまな適応及び変更を行えることが理解されるべきである。したがって、本発明の真の精神及び範囲内に入るこのようなすべての変形及び変更をカバーすることが添付の特許請求の範囲の目的である。   Although the invention has been described by way of examples of preferred embodiments, it is to be understood that various other adaptations and modifications can be made within the spirit and scope of the invention. Accordingly, it is the object of the appended claims to cover all such variations and modifications that fall within the true spirit and scope of the present invention.

本発明の一実施形態による協調リレーネットワークの図である。1 is a diagram of a cooperative relay network according to an embodiment of the present invention. FIG. 本発明の一実施形態による協調リレーネットワークの図である。1 is a diagram of a cooperative relay network according to an embodiment of the present invention. FIG. 本発明の一実施形態によるプロトコルのブロードキャストステップを示す図である。FIG. 4 is a diagram illustrating a protocol broadcast step according to an embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態によるプロトコルの確認応答ステップを示す図である。FIG. 6 is a diagram illustrating a protocol acknowledgment step according to an embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態によるプロトコルの終了ステップを示す図である。FIG. 6 is a diagram illustrating a protocol termination step according to an embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態による同期プロトコルの送信ステップを示す図である。FIG. 5 is a diagram illustrating a synchronization protocol transmission step according to an embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態による送信時間最適化のブロック図である。FIG. 6 is a block diagram of transmission time optimization according to an embodiment of the present invention.

Claims (26)

ノードから成るワイヤレス協調リレーネットワークにおけるルート選択方法であって、前記ノードは、送信元、一組のリレー、及び、宛先を含み、該方法は、
コードワードをデータストリームとして符号化するステップと、
前記送信元から前記宛先へ前記一組のリレーを介して前記データストリームを送信するステップと、
特定のノードにおいて相互情報量を積算して、前記データストリームを復号し、前記コードワードを復元するステップと、
送信及び積算を行っている間、前記ノード間のチャネル状態情報に基づいて、前記送信元から前記宛先へのルートを選択するステップと
を備えたことを特徴とするノードから成るワイヤレス協調リレーネットワークにおけるルート選択方法。
A route selection method in a wireless cooperative relay network comprising nodes, the node comprising a source, a set of relays, and a destination, the method comprising:
Encoding the codeword as a data stream;
Transmitting the data stream via the set of relays from the source to the destination;
Accumulating mutual information at a specific node, decoding the data stream, and restoring the codeword;
Selecting a route from the transmission source to the destination based on channel state information between the nodes during transmission and integration. Route selection method.
前記符号は、ブロックエラー訂正符号であることを特徴とする請求項1に記載の方法。   The method of claim 1, wherein the code is a block error correction code. 前記符号は、レートレス符号であることを特徴とする請求項1に記載の方法。   The method of claim 1, wherein the code is a rateless code. 拡散符号を使用して前記コードワードを符号化するステップをさらに備えたことを特徴とする請求項1に記載の方法。   The method of claim 1, further comprising encoding the codeword using a spreading code. 前記コードワードは、ビットを任意に積算したものであることを特徴とする請求項1に記載の方法。   The method of claim 1, wherein the codeword is an arbitrarily accumulated bit. 前記データストリームは、パケットとしてブロードキャストされることを特徴とする請求項1に記載の方法。   The method of claim 1, wherein the data stream is broadcast as packets. 前記ルートは、該ルートにおけるノードを識別し、識別された該ノードのそれぞれによって使用される電力、送信時間、及び、拡散符号を指定することを特徴とする請求項1に記載の方法。   The method of claim 1, wherein the route identifies nodes in the route and specifies the power, transmission time, and spreading code used by each of the identified nodes. 前記指定することは、前記ノード間の前記チャネル状態情報に基づくことを特徴とする請求項7に記載の方法。   The method of claim 7, wherein the specifying is based on the channel state information between the nodes. 前記チャネル状態情報は、中央ロケーションにおいて知られており、前記ルートは、該中央ロケーションにおいて選択されることを特徴とする請求項1に記載の方法。   The method of claim 1, wherein the channel state information is known at a central location and the route is selected at the central location. 前記ルートは、該ルートにおけるノードを識別し、前記方法は、
前記ネットワークにおけるすべてのノードへ前記ルートをブロードキャストするステップ
をさらに備えたことを特徴とする請求項1に記載の方法。
The route identifies a node in the route, and the method includes:
The method of claim 1, further comprising: broadcasting the route to all nodes in the network.
前記チャネル状態情報は、前記ノードのすべてのサブセットにおいて知られており、該チャネル状態情報は、分散形式で求められることを特徴とする請求項1に記載の方法。   The method of claim 1, wherein the channel state information is known in all subsets of the nodes, and the channel state information is determined in a distributed format. 前記選択するステップは、最適化プロセス及び最適化基準を使用することを特徴とする請求項1に記載の方法。   The method of claim 1, wherein the selecting step uses an optimization process and optimization criteria. 前記最適化基準は、前記データストリームの送信時間が所定のしきい値を超える確率を最小にすることを特徴とする請求項12に記載の方法。   The method of claim 12, wherein the optimization criterion minimizes the probability that the transmission time of the data stream exceeds a predetermined threshold. 前記最適化基準は、前記ネットワークにおけるエネルギー消費を最小にすることを特徴とする請求項12に記載の方法。   The method of claim 12, wherein the optimization criterion minimizes energy consumption in the network. 前記最適化基準は、前記ノードのすべてにおける最大エネルギー消費を最小にすることを特徴とする請求項12に記載の方法。   The method of claim 12, wherein the optimization criterion minimizes maximum energy consumption at all of the nodes. 前記最適化基準は、前記ネットワークにおけるデータスループットを最大にすることを特徴とする請求項12に記載の方法。   The method of claim 12, wherein the optimization criterion maximizes data throughput in the network. 前記最適化基準は、前記ネットワークの寿命を最大にすることを特徴とする請求項12に記載の方法。   The method of claim 12, wherein the optimization criterion maximizes the lifetime of the network. 前記最適化基準は、送信時間、エネルギー消費、スループット、及び、前記ネットワークの寿命の線形結合であることを特徴とする請求項12に記載の方法。   The method of claim 12, wherein the optimization criterion is a linear combination of transmission time, energy consumption, throughput, and lifetime of the network. 前記最適化基準は、送信時間、エネルギー消費、スループット、及び、前記ネットワークの寿命の非線形結合であることを特徴とする請求項12に記載の方法。   The method of claim 12, wherein the optimization criterion is a non-linear combination of transmission time, energy consumption, throughput, and lifetime of the network. 前記最適化プロセスは、ペナルティ関数を最小にすることを特徴とする請求項12に記載の方法。   The method of claim 12, wherein the optimization process minimizes a penalty function. 前記最適化プロセスは、近似であり、数値最適化方法を使用することを特徴とする請求項12に記載の方法。   The method of claim 12, wherein the optimization process is approximate and uses a numerical optimization method. 前記最適化プロセスは、焼きなまし法を使用することを特徴とする請求項12に記載の方法。   The method of claim 12, wherein the optimization process uses an annealing method. 前記最適化プロセスは、遺伝的アルゴリズムを使用することを特徴とする請求項12に記載の方法。   The method of claim 12, wherein the optimization process uses a genetic algorithm. 前記最適化プロセスは、ノードを繰り返し追加して、前記ペナルティ関数の最大の改善につながる準最適なルートを選択することを特徴とする請求項20に記載の方法。   21. The method of claim 20, wherein the optimization process repeatedly adds nodes to select a sub-optimal route that leads to maximum improvement of the penalty function. 前記最適化プロセスは、前記ペナルティ関数の最大の改善につながる準最適なルートからノードを繰り返し控除することを特徴とする請求項20に記載の方法。   The method of claim 20, wherein the optimization process iteratively subtracts nodes from a sub-optimal route that leads to a maximum improvement of the penalty function. 前記最適化プロセスは、所定のルートから、前記積算された相互情報量の量を実質的に増加させないノードを繰り返し控除することであることを特徴とする請求項25に記載の方法。   26. The method of claim 25, wherein the optimization process is iteratively subtracting nodes from a predetermined route that do not substantially increase the amount of accumulated mutual information.
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