JP2005236752A - マルチホップ無線ネットワークシステム - Google Patents

Abstract

【課題】 複数の経路があるマルチホップ無線ネットワークの複数の経路を通じてデータを送信し、伝送特性の向上を図る。
【解決手段】（ａ）の送信元ノード２１０では、符号化器２１２で通信路符号化し、変調器２１６で変調を行っているが、従来技術と異なり、符号化器２１２の出力をパケット化部２１４で中継経路を指定して経路ごとにパケット化し、複数経路（この場合２経路）に対して信号を送信する。宛先ノード２６０における受信装置（（ｃ）参照）では、複数経路からの信号が復調器２６２で復調された後、脱パケット化・バッファ部２６３で硬判定されたバイナリデータのパケットを外して、経路ごとに一旦バッファに蓄える。そして、信頼性情報算出器２６５においてダイバシチ合成を行い、信頼度を考慮した合成を行う。合成復号器２６７においてその合成した信号に基づき誤り訂正が行われる。
【選択図】図２

Description

本発明は、マルチホップ無線ネットワークに関するものである。

マルチホップ無線ネットワークでは、送信元ノードから宛先ノードまで中継ノードを経由してデータが伝送される。このマルチホップ無線ネットワークは、今後の移動体通信システムでの利用が検討されている。他にも、このマルチホップ無線ネットワークは、ある特定地域だけで使用することも可能である。このため、例えば駅構内や公共施設、マンションなどと言った様々な場所での無線ネットワーク構築に利用可能である。

従来のマルチホップ無線ネットワークの構成を図１に示す。図１（ａ）はネットワーク構成、図１（ｂ）は送信装置の構成、図１（ｃ）は受信装置の構成を示す。マルチホップ無線ネットワークを構成する各ノード１１０〜１６０は、図１（ｂ），図１（ｃ）に示す送信装置、受信装置の構成を有している。
一般的な送信元ノード１１０における送信装置では、図１（ｂ）に示すように、バイナリの入力データを符号化器１１２において通信路符号化した後、パケット化部１１４でパケットを構成し、変調器１１６で変調して中継ノード１４０，１５０へ送信される。中継ノード１４０，１５０では、再生中継が行われる。これは、一旦受信された信号を復調し、硬判定を行ってバイナリのデータに戻し、再度変調を行うといった操作が行なわれる。宛先ノード１６０の受信装置では、図１（ｃ）に示すように、復調器１６２で復調された信号を、脱パケット化部１６４でパケットを外し、復号器１６６において復号処理と共に誤り訂正処理が行われる。

マルチホップ無線ネットワークでは、送信元ノードから宛先ノードまでの経路としていくつか選択することが可能であるのだが、従来の技術ではある一つの経路を選び、その経路のみでデータを送信する（非特許文献１参照）。
マルチホップ無線ネットワークでは、複数経路を用いてパケットを送信することが可能である（非特許文献２参照）。しかし、これは、ネットワークトポロジーの変化の影響を減らす手法として考えられたものである。
北岸弓子 上原秀幸 山本 亮 横山光雄 伊藤大雄 ，「マルチホップ無線ネットワークにおける優先領域に基づく中継制御法」，電子情報通信学会論文誌 pp.2119-2128，VOL.J85-B No.12 December 2002 Aristotelis Tsirigos, Zygmunt J. Haas, "Multipath Routing in the Presence of Freaquent Topologial Changes," IEEE Communications Magazine, pp. 132-138, Nov. 2001

無線環境では、フェージング等の様々な外乱を受けるため、しばしば伝送されるデータに誤りが生じる。一つの経路のみを用いた場合はその影響を大きく受け、特性が劣化してしまう。
本発明の目的は、複数の経路があるマルチホップ無線ネットワークの一部あるいは全ての経路を通じてデータを送信し、それらの経路を経て到着した信号を利用して、伝送特性の向上を図ることである。

上述の発明の目的を達成するために、本発明は、送信元ノードから、中継ノードで中継して宛先ノードに伝送されるマルチホップ無線ネットワークシステムであって、複数経路を経て宛先ノードに到達するように、変調して送信する送信元ノードと、復調した後、複数経路で伝送された信号を、信頼度を考慮して合成して受信する宛先ノードとを備えることを特徴とする。
送信元ノードから、中継ノードで中継して宛先ノードに伝送されるマルチホップ無線ネットワークシステムの受信システムであって、復調器と、復調された経路ごとの信号を、パケットを外して信頼度を含めて合成する合成器と、合成された信号を復号化する復号化器とを備えることを特徴とする。
前記合成器は、経路数による平均をとることで合成するとよい。また、経路ごとに信頼度に応じた重みを乗じて合成してもよい。

上述の構成により、マルチホップ無線ネットワークシステムにおいて、誤り率が減少するとともに、システム全体のデータ伝送の効率も向上する。

図面を用いて、実施形態の構成を説明する。
図２は、本発明の実施形態の概略を示す図である。図２（ａ）はネットワーク構成、図２（ｂ）は送信装置の構成、図２（ｃ）は受信装置の構成を示す。マルチホップ無線ネットワークを構成する各ノード２１０〜２６０は、図２（ｂ），図２（ｃ）に示す送信装置、受信装置の構成を有している。
図２（ａ）で示すように、本発明の実施形態では、複数の経路があるマルチホップ無線ネットワークの一部あるいは全ての経路（図２（ａ）では２経路）を通じてデータを送信し、それらの経路を経て到着したデータをダイバシチ合成・復号することで、特性の向上を図るものである。
図２（ａ）の送信元ノード２１０では、従来技術と同様に符号化器２１２で通信路符号化し、変調器２１６で変調を行っているが、従来技術と異なり、符号化器２１２の出力をパケット化部２１４で中継経路を指定して経路ごとにパケット化し、複数経路（この場合２経路）に対して信号を送信する。なお、符号化器２１２からの出力は経路ごとに異なってもよく、また、同一でもよい。例えば、経路ごとにビット位置を変更したりすることができる。
中継ノード２２０，２３０，２４０，２５０では、従来技術と同じく再生中継が行われる。宛先ノード２６０における受信装置（図２（ｃ）参照）では、複数経路からの信号が復調器２６２で復調された後、脱パケット化・バッファ部２６３で硬判定されたバイナリデータのパケットを外して、経路ごとに一旦バッファに蓄える。そして、信頼性情報算出器２６５においてダイバシチ合成を行い、信頼度を考慮した合成を行う。合成復号器２６７においてその信頼性情報に基づき誤り訂正が行われる。
中継ノードを経由して宛先ノードに伝送された信号は、再生中継された信号であるため、硬判定された信号（バイナリデータ）に対してダイバシチ合成をしなければならない。そのため、信頼性情報算出器２６５の入力は硬判定値（バイナリデータ）になっている。信頼性情報算出器２６５では、複数経路から得られた各ビットにおける硬判定値からそのビットにおける確からしさを信頼性情報として算出し、出力する。この出力は軟出力にすることで確からしさをより忠実に表すことが可能となる。

[実施例１]
図３には、具体的な構成の一例として、通信路符号化として、畳み込み符号化を用い、信頼度による合成の手法として、平均化の手法を用いたものを示す。
図３（ａ）に示す送信装置では、入力された信号は、畳み込み符号化器２１３で畳み込み符号化して、畳み込み符号化器２１３からの同じ信号に対してパケット化部２１４で経路ごとにパケット化し、それを変調器２１６で変調し、複数経路（経路数Ｎ）に対して送信する。
受信装置（図３（ｂ）参照）では、それぞれの経路（経路数Ｎ）で伝送されたパケットを復調器２６２で復調して硬判定された後、脱パケット化バッファ部２６３でパケットを外して一旦バッファに蓄える。信頼性情報算出器２７５では、バッファに蓄えられた経路ごとに硬判定されたＮ個の信号に対して、信頼度を考慮したダイバシチ合成を行う。具体的には、以下に示すように、硬判定された経路ごとの値の合計を経路数で割って平均をとることで信頼度を考慮した合成が行われる。

例えば、３つの経路を用いて＋１という値を伝送し、受信側で復調されたデータが＋１、＋１、−１となった場合、信頼性情報算出器２７５からの信頼度による合成出力は＋１／３となる。この信頼度による合成出力を用いてビタビ復号器２７６でビタビ復号する。これは、信頼度に応じた軟出力合成といえる。

上述の具体的な構成における効果を確認するために、シミュレーション実験を行った。シミュレーション条件は次の表の通りである。

図４にパケット損失率特性を示す。図４では経路が２本および３本の場合の本発明による特性、従来方式として１つの経路のみを用いた場合の特性、および複数経路を用いているがダイバシチ合成・信頼性情報算出を行わず、単に正しくデータが伝送された経路を選択した場合の特性が示してある。複数経路によるダイバシチ合成を行っているため、複数経路を用いたことによる特性向上が確認できる。これは、単に正しく伝送された経路を選択した場合よりもはるかに向上しており、ダイバシチ合成による利得があるのがわかる。
次に複数経路にデータを送信することによるトラヒックの増加量を検討するために、総トラヒック特性を調べる。図５にホップ数で正規化した総トラヒック特性を示す。総トラヒック特性は、ＡＲＱ（Automatic Repeat Request：自動再送制御（自動再送要求））を用いて、誤りが検出されなくなるまでパケットの再送を行った際に、ネットワーク中に送信されたパケットの総数をホップ数で正規化したものである。例えば、２つの経路を用いて送信を行い、一度で正しく伝送された場合は２と数えている。
図５のグラフによると、信号電力が大きい場合は、複数経路を用いなくてもパケットの伝送に成功するために、従来方式のほうが特性が良くなっているが、信号電力が小さい場合をみてみると、複数経路の方式による特性の方が従来方式よりよくなっている。つまり、結果として複数経路で送った方がトラヒック量を軽減でき、信号電力も小さくすることができる。
以上より、パケット損失率だけでなく、トラヒック量という観点からも複数経路を用いた方が特性が良くなるため、複数経路で送る方式の有効性が高いことが確認できる。

[実施例２]
図６には、別の具体的な構成の一例として、通信路符号化として畳み込み符号化を用いて、経路ごとに異なるビット系列を生成し、経路ごとに信頼度に応じた重みをつけて合成する手法を用いたものを示す。
図６（ａ）に示した送信装置では、入力された信号は、畳み込み符号化器２２２で畳み込み符号化し、これをシリアル／パラレル変換器２２４でシリアル／パラレル変換して、送信する経路数のビット系列を生成する。符号化器２２０の出力をパケット化部２２６で経路ごとにパケット化する。このとき、パケットごとに誤り検出のためのＣＲＣ符号化またはパリティ符号化も行う。
図６（ｂ）に示す受信装置では、それぞれの経路で伝送されたパケットを復調器２６２で復調して硬判定された後、脱パケット化バッファ部２８５でパケットを外して一旦バッファに蓄える。パケットを外すときに、それぞれの経路ごとにパケットの誤り検出も行われる。信頼性情報算出器２８０では、各経路ごとに重み係数決定部２８１で誤り検出の結果に応じた重み係数を決める。例えば、誤りが検出された場合は重み係数を０．５、検出されなかった場合は重み係数を１とする。この重み係数を経路ごとに乗算器２８２で乗算し、パラレル／シリアル変換器２８３でパラレル／シリアル変換して、信頼性情報算出器２８０の出力を得る。この信頼性情報算出器２８０からの合成出力を用いてビタビ復号器２７６でビタビ復号する。このようにして、信頼度に応じた軟出力合成を行うこともできる。

[その他の実施例]
図３の構成では、平均をとることで信頼性情報を含んだ軟合成を行っているが、例えば、奇数の硬出力から多数決を用いて合成出力とし、信頼度を考慮した合成としてもよい。これにより、あるビットが誤る確率を１つの経路を伝送されたビットが誤る確率より低くすることができる。これはダイバーシチ効果を得ていることになる。この多数決の手法は、奇数の経路を経由して伝送する場合に適用することができる。
図３や図６の構成では、通信路符号化として畳み込み符号化を用いているが、ターボ符号化を用いてもよい。

従来のマルチホップ無線ネットワークの構成を示す図である。 実施形態のマルチホップ無線ネットワークの構成を示す図である。 畳み込み符号と平均による軟出力合成を用いた構成例を示す図である。 図３の構成例によるシミュレーション結果（パケット損失率）を示す図である。 図３の構成例によるシミュレーション結果（総トラヒック）を示す図である。 畳み込み符号と経路ごとの重みによる軟出力合成を用いた構成例を示す図である。

Claims (4)

1. 送信元ノードから、中継ノードで中継して宛先ノードに伝送されるマルチホップ無線ネットワークシステムであって、
   複数経路を経て宛先ノードに到達するように、変調して送信する送信元ノードと、
   復調した後、複数経路で伝送された信号を、信頼度を考慮して合成して受信する宛先ノードと
   を備えることを特徴とするマルチホップ無線ネットワークシステム。
2. 送信元ノードから、中継ノードで中継して宛先ノードに伝送されるマルチホップ無線ネットワークシステムの受信システムであって、
   復調器と
   復調された経路ごとの信号を、パケットを外して信頼度を含めて合成する合成器と、
   合成された信号を復号化する復号化器と
   を備えることを特徴とする受信システム。
3. 請求項２に記載の受信システムにおいて、
   前記合成器は、経路数による平均をとることで合成することを特徴とする受信システム。
4. 請求項２に記載の受信システムにおいて、
   前記合成器は、経路ごとに信頼度に応じた重みを乗じて合成することを特徴とする受信システム。

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