JP2007505530A - 無線リレー回路で協同ダイバーシティを活用する方法およびシステム - Google Patents

Abstract

無線リレーネットワークで信号を伝送する方法であって、発信源と、送信先と、中間に介在する少なくとも１つのリレーとの間で伝送が行われ、少なくとも１つのリレーは復号転送リレーとして機能し、伝送は少なくとも２つの段階で行われる、無線リレーネットワークで信号を伝送する方法において、少なくとも１つのリレーが、ネットワークの他のコンポーネントについての情報とは関わりなく、発信源または少なくとも１つの他のリレーから受信された信号を復号化して転送するかどうか決定する方法である。

Description

本発明は、一般に、無線リレーネットワークで信号を伝送する方法およびシステムに関する。この方法は基本的にプロトコルで表現される。本発明は、無線リレーシステム、ないし無線ネットワーク等の無線環境におけるリレーシステムによって提供される２種類の手段を同時に利用する。すなわち、ダイバーシティ利得（「ｄｉｖｅｒｓｉｔｙ ｇａｉｎｓ」）と経路損失低減（「ｐａｔｈｌｏｓｓ ｓａｖｉｎｇｓ」）である。復号化と転送をするための中間リレー（ｄｅｃｏｄｅ−ａｎｄ−ｆｏｒｗａｒｄ−ｒｅｌａｙ）は、発信源から送信先までの伝送をサポートするものである。送信先は、発信源とリレーから得られる信号を合成する。本発明の１つの基本的特徴は、情報を送信先へ転送するかしないかを、リレーノードが独立して決定することにある。それにより、誤りを含んだ伝送のリスクが最低限に抑えられる一方で、フェージングチャネルを介した通信のための真の構造的な「ダイバーシティ利得」が提供される。このことは、「経路損失低減」との組み合せによって、直接伝送と比べても従来式のリレー動作と比べても有意な改善につながる。

無線ネットワークの設計は、高まりつつあるコストの圧力に直面している。著しく高いデータ処理量を、ほとんど全ての地域において妥当なコストで提供しなければならない。将来的な世代のインフラストラクチャーをベースとするネットワークの接続予算見積りによって課せられる制約を考慮すれば、射程距離とデータ処理量の妥協を図れるようにするために、採算のとれる選択肢としてリレーイングが浮上する。

特に、モバイル端末機器をリレーとして利用するのが魅力的であると思われる。このことは、追加のインフラストラクチャーの設置を必要としないからである。基本的に記憶・転送方式で作動するリレーは、情報源とこれに付属する送信先との間のエンドツーエンド減衰を減らすことを可能にする。この場合、リレー連鎖の各々のリレーは、それぞれ直前の先行リレーによって送信された情報だけに頼らざるをえず、送信先は、この連鎖の最後のリレーから受信をするにすぎないのが普通である。これを従来式のリレーイングと呼ぶことにする。

近年、協同リレーイングという構想が注目されている。これに関しては非特許文献１、および非特許文献２、ならびにこれらの文献に掲げられている参考文献を参照されたい。それぞれのリレー間の協同を可能にし、発信源から送信先のリレーまでの全ての伝送路を組み合わせることによって、リレーイングシステムの空間ダイバーシティを利用することができる。これを協同リレーイングと呼ぶことにする。後述するように、従来式のリレープロトコルを少しだけ変更し、コンバイナの複合性を送信先に組み込むことによって、空間ダイバーシティ利得を得ることができる。それによって協同リレーイングは、リレーをベースとする利用構想を改善するための興味深い候補のひとつとなる。

２つの利用者間における協同リレーイングの情報理論の基本は、上に掲げた非特許文献１に記載されている。これに類似するアイデアは、上に掲げた非特許文献２に掲載されている。最近、様々な実用的システムの出力挙動が調査されており（非特許文献３参照）、このような調査から、協同システムの出力挙動は主としてエラー伝搬を防ぐかどうかにかかっている。

ただし、調査された復号転送プロトコルの大半は、次に掲げる欠点のうちの１つまたは複数を有している。すなわち、これらはフィードバックを必要としており、チャネル状態情報（ＣＳＩ）を送信者の側で利用できなくてはならず、もしくは、リレーによって誘起されるエラー伝搬が十分には特定されない（あるいは、単にエラー伝搬が起こっていないものと想定される）。

Ｊ．Ｎ．Ｌａｎｅｍａｎ，Ｄ．Ｎ．Ｃ．Ｔｓｅ，およびＧ．Ｗ．Ｗｏｒｎｅｌｌ著「ワイヤレスネットワークにおける協同ダイバーシティ：効率的なプロトコルと不具合挙動（Ｃｏｏｐｅｒａｔｉｖｅ Ｄｉｖｅｒｓｉｔｙ ｉｎ Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｎｅｔｗｏｒｋｓ：Ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ Ｐｒｏｔｏｃｏｌｓ ａｎｄ Ｏｕｔａｇｅ Ｂｅｈａｖｉｏｒ）」２００２年１月、ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．Ｉｎｆｏｒｍ．Ｔｈｅｏｒｙ Ｍ．Ｄｏｈｌｅｒ，Ａ．Ｇｋｅｌｉａｓ，およびＨ．Ａｇｈｖａｍｉ著「２ホップ分散型ＭＩＭＯ通信システム（２−Ｈｏｐ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ＭＩＭＯ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ）」ＩＥＥＥ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ、２００３年６月 Ｅ．Ｚｉｍｍｅｒｍａｎｎ，Ｐ．Ｈｅｒｈｏｌｄ，Ｇ．Ｆｅｔｔｗｅｉｓ著「実用的ワイヤレスシステムにおける協同ダイバーシティプロトコルのパフォーマンスについて（Ｏｎ ｔｈｅ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ Ｃｏｏｐｅｒａｔｉｖｅ Ｄｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｐｒｏｔｏｃｏｌｓ ｉｎ Ｐｒａｃｔｉｃａｌ Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｓｙｓｔｅｍｓ）」Ｐｒｏｃ．５８ｔｈ Ｖｅｈｉｃ．Ｔｅｃｈｎ．Ｃｏｎｆ．、オルランド、ＦＬ、２００３年１０月

したがって本発明の課題は、従来技術の欠点を取り除くと同時に、最善の伝送を実現することができる方法およびシステムを提供することにある。

この課題は請求項１に記載の方法によって解決され、および請求項１２に記載のシステムによって解決される。その他の構成要件や実施形態は従属請求項に記載されている。

すなわち本発明の第１の態様では、上述の課題は、発信源と、送信先と、中間に介在する少なくとも１つのリレーとの間で伝送が行われ、少なくとも１つのリレーは復号転送リレーとして機能し、伝送は少なくとも２つの段階で行われる、無線リレーネットワークで信号を伝送する方法によって解決される。この方法は、少なくとも１つのリレーが、ネットワークの他のコンポーネントについての情報とは関わりなく、発信源または少なくとも１つの他のリレーから受信された信号を復号化して転送するかどうか決定することを特徴としている。

情報を送信先へ転送するかどうかリレーノードが独立して決定することで、一連の利点が得られる。例えばエラー伝搬の危険性が最低限に抑えられる。にもかかわらず、同時に、フェージングチャネルを介した通信のための構造的なダイバーシティ利得が実際に提供される。無線ネットワークにおいて中間に介在する複数のリレーを介して、すなわち複数のホップによって、信号が送信先へ伝送されるべき場合にも、本発明による方法を有利に適用することができる。以下の説明においては、便宜上、中間に介在するリレーだけを基本的に対象とする。

本発明のシステムにより、上に挙げた従来技術の欠点を克服することができると同時に、従来式のリレーイングシステムの減衰削減と、協同リレーイングシステムのダイバーシティ利得とを活用することができる。

復号化に関する決定をするために、リレーで受信された信号の特性を利用するのが格別に好ましい。この特性は信号自体から得ることができ、あるいは、信号と関連する情報から得ることができる。

本発明による方法の１つの実施形態では、復号化と転送に関する決定をするために、受信された信号の信号対雑音比が測定される。リレーでのこの測定は、信号の品質についての情報を与えることができ、それにより、転送に関する決定の基礎とすることができる。この実施形態における決定は、閾値との比較によって行うのが格別に好ましい。その場合、信号対雑音比が復号化閾値を下回っている信号がリレーで受信されると、その信号は復号化されず、送信先への転送も行われない。このようにして、エラー伝搬をすでに初期段階で簡単なやり方で防ぐことができる。信号対雑音比が決定基準として適している理由は、例えばチャネル状態や発信源または送信先の状態といったシステムの他のコンポーネントの状態を知る必要なしに、リレーで検出することができるからである。

リレーの復号化閾値は、伝送を最適化するためのパラメータとして利用されるのが好ましい。

さらに本発明では、伝送の各段階に割り当てられた送信出力が、伝送を最適化するためのパラメータとして利用される。送信出力は、パラメータとしての復号化閾値と組み合わせて利用するのが格別に好ましい。このようにして、エラー伝搬と、達成可能なダイバーシティ利得とに関わる妥協を見出すことができる。

別の実施形態では、復号化と転送に関する決定をするために、送信された信号の誤り検出記号が利用される。すなわちこの誤り検出記号は、信号の特性、特に信号の品質を推し量ることができる、信号と関連した情報である。

原則として、公知のあらゆる誤り検出記号を利用することができる。記号の例としては、例えば巡回冗長検査（ＣＲＣ）や低密度パリティ検査符号（ＬＤＰＣ）がある。

誤り検出記号を用いて復号化エラーが認識されたときは、リレーがその信号を送信先へ転送しない。

本発明の方法では、発信源が１つまたは複数のリレーおよび送信先へ信号を１度だけ伝送すれば十分であり得る。それにより、他の方法と比べたときの利点を得ることができる。例えば、この実施形態を有する本発明の方法は、１つまたは複数のリレーの側で非転送が生じた場合に、発信源が信号を繰り返して送信先に送る方法よりもはるかに簡素である。つまり後者の場合には、発信源は１つまたは複数のリレーの状態に関する情報を有していなくてはならない。

本発明の方法は、発生する誤り率が最低限に抑えられるように設計されるのが好ましい。１つの実施形態では、そのために発生源とリレーと送信先の間の減衰損失の知見が、伝送を最適化するために利用される。

本発明の方法により、無線ネットワークのリレー回路で協同ダイバーシティを活用する簡単な方法が与えられる。

別の態様では、本発明は、少なくとも１つの発信源と、送信先と、中間に介在する少なくとも１つの復号転送リレーとを含む無線リレーネットワークで信号を伝送するシステムを対象としている。このリレーは、信号の復号化と転送について決定をするための決定ユニットを含むことを特徴とする。この決定ユニットは、プログラムを実行するために構成されたプロセッサを含んでいてよい。１つの実施形態では、決定ユニットは、受信された信号の信号対雑音比を測定するための測定ユニットを含んでいる。あるいは、測定ユニットを決定ユニットとは別個に施工して、決定ユニットと接続することも考えられる。さらに決定ユニットは、信号対雑音比の閾値との比較をするための比較ユニットを含んでいる。送信先は、それぞれの信号を合成するための合成ユニットを含んでいるのが好ましい。このユニットでは、特に、以前に発信源から得られた信号を、リレーから受信された符号化された信号と合成することができる。最後に送信先は、受信された信号が内部で記憶される記憶ユニットを含んでいてよい。このような記憶される信号は、特に、発信源から受信された信号である。

リレーが信号を転送しないことを決定した場合でも復調を実行できるようにするために、本発明のシステムでは、復調ユニットは記憶された信号にアクセスすることができるように構成されている。そのために、復調ユニットは記憶ユニットと少なくとも一時的に接続することができる。

リレーはモバイル端末機器であるのが好ましく、携帯電話であるのが格別に好ましい。

本発明のシステムは、本発明の方法を実施するのに適するように構成されている。本発明の方法について説明した利点や構成要件は、本発明のシステムについても内容的に当てはまり、その限りにおいて適用可能である。

次に、添付の図面を参照しながら本発明についてあらためて詳細に説明する。
図１は、本発明によるシステムの２通りの実施形態である。
図２は、本発明による方法のそれぞれのパラメータの依存性である。
図３は、１つの実施形態の出力挙動と他の方法との比較である。
図４は、本発明による方法と従来式のリレーイング（Ｌ３ＤＦ）の、直接伝送と比べたときのＳＮＲ利得である。

以下においては本発明の方法のことをプロトコルとも呼び、特に単純なＡｄＤＦプロトコルとも呼ぶ。本発明は、無線リレーシステムによって提供される２つの可能性（ダイバーシティ利得と減衰削減（ｐａｔｈｌｏｓｓ ｓａｖｉｎｇｓ））を同時に利用する単純なプロトコルを提供する。以下の説明においてこのプロトコルをさらに分析する。中間に介在する少なくとも１つの復号転送リレーが、発信源から送信先への伝送をサポートする。送信先は、発信源とリレーから受信した信号を合成する。提案されるシステムおよび方法の基本的特徴は、情報を送信先へ転送するか否かをリレーノードが独立して決定することにあり、それにより、エラー伝搬の危険が最低限に抑えられるのに対して、フェージングチャネルを介しての通信のための構造的なダイバーシティ利得は実際に提供される。このことは、減衰削減との組み合せで、直接伝送に比べても従来式のリレーイングに比べても有意な利得につながる。

次に、本発明のプロトコルを援用しながら本発明について詳しく説明する。

単純でアダプティブな復号転送プロトコル（ａｄａｐｔｉｖｅ ｄｅｃｏｄｅ−ａｎｄ−ｆｏｒｗａｒｄ ＡｄＤＦ）が提案される。出願人の知見によれば、この用語は上に挙げた非特許文献１で用いられたのが最初である。

アダプティブな復号転送プロトコルでは、本発明によれば、単純でアダプティブな復号転送プロトコルと、複雑でアダプティブな復号転送プロトコルとが区別される。

まず、単純なＡｄＤＦ（ｓｉｍｐｌｅ ＡｄＤＦ）について説明する。発信源が情報を送信先に直接送るとともにリレーを介しても送信先に送る、図１（ａ）に示す状況を想定する。この通信は、直交制約（同時に１つの周波数で送信と受信を同時に行うことはできない）によって規定される次の２段階で行われる。

段階１で発信源が情報を送信する。リレーと送信先はいずれも雑音が混じって減衰したバージョンでこの信号を受信し、送信先はこのバージョンを後で処理するために記憶する。リレーは、受信した信号の有効な信号対雑音比（ＳＮＲ）を測定し、これが復号化閾値ＳＮＲ_decを上回っていれば信号を復号化する。そうでない場合には復号化を行わない。別案として、巡回冗長検査（ＣＲＣ）またはこれに類似する誤り検出方法をベースとして、転送についての決定を行うこともできる。検査に合格したときは、すなわち受信された信号に誤りがないと認識されたときは、転送が行われる。そうでない場合には転送が行われない。

リレーが復号を行うことを決定した場合、段階２で、新たに符号化されたバージョンをあらためて送信先に送る。送信先は、この信号の受信されたバージョンと、以前に発信源から受信して記憶していたサンプルとを合成する。そうでない場合、すなわちリレーが復号化を行わないと決定した場合は、リレーが単に作動停止する。送信先は、十分な信号強度がないことによってこの状況を認識し、復調のためには段階１で記憶していたバージョンに頼らざるをえない。

このプロトコルは空間ダイバーシティ利得を実現する。良好なチャネル条件にあるリレーが当初の情報のコピーを頻繁に復号化し、相関関係にないチャネルを介してこれを送信先に送るからである。それと同時に減衰削減からの利点も得ることができる。すなわち、発信源と送信先の間に配置されたリレーステーションが、発信源から送られたメッセージを送信先よりもはるかに高い信頼度で受信し、しかも、送信先に「到達する」のにかなり低い送信出力しか使わなくてすむからである。

次に、上に挙げた非特許文献１で提案されているプロトコルである複雑なＡｄＤＦ（ｃｏｍｐｌｅｘ ＡｄＤＦ）について説明する。これはリレーが復号化を行わないと決定した場合についてのみ、単純なＡｄＤＦプロトコルと異なっている。先ほど述べたように、この場合、単純なＡｄＤＦプロトコルではリレーも発信源も作動停止する。しかし複雑なＡｄＤＦプロトコルでは、発信源がメッセージを繰り返すことによって、このような「作動停止」が妨げられる。そして送信先は、両方の段階で受信した両方のバージョンを合成する。標準繰り返し符号化から生じるこのような利得は、発信源がリレーの復号化状態についての情報を有していなければならないので、いっそう高い複雑性を生じさせる。

信号を伝送する方法およびシステムを設計するためには、影響を及ぼすこれらのパラメータ、および必要となる妥協点に留意しなければならない。

２つのパラメータがプロトコルの出力挙動を規定する。復号化閾値ＳＮＲ_decは、発信源から送信された信号をリレーが復号化する最小限の信号対雑音比を定義する。この点に関わる妥協に留意しなければならない。すなわち、高い閾値ＳＮＲ_decは復号化エラーの確率を引き下げ、それにより、転送を行うリレーによって引き起こされるエラー伝搬のリスクは最低限に抑えられる。他方、そのように高い復号化閾値は、リレーが復号化と転送を行うケースの回数を減らし、そのためにダイバーシティのメリットが減少する。転送の決定を行うのにＣＲＣまたはその他の誤り検出機構を利用すれば、閾値ＳＮＲ_decの選択をしなくてすむ。

第２の重要なパラメータは、伝送の段階１で発信源によって割り当てられる出力の割合である。公正な比較を行うためには、協同リレーシステムの全消費エネルギーが、対応する直接システムの全消費エネルギーを上回らないことが重要である。したがって段階１では、発信源による送信のために使うことができる出力の割合ｐを利用することができ、それにより、１−ｐの出力割合が第２段階のために残される（０≦ｐ≦１）。ここでも妥協がある。すなわちｐを非常に大きく選択すると、このことは、リレーが高い確率で復号化を行うという結果につながるが、最終的には、段階２でダイバーシティ利得を供給するための出力をリレーに残さないことになる。本明細書の取組は、厳密で保守的な出力制約に依拠していることをここに明記しておく。リレーに追加の出力を付け加えることができるなら、このことは、検討しているプロトコルの魅力をいっそう高めることができる。

パラメータＳＮＲ_decおよびｐの最善の設定については、ＩＩＩ項で説明する。

次に、様々なプロトコルの出力挙動との比較について説明する。

単純なＡｄＤＦと複雑なＡｄＤＦプロトコルの両方について検討し、それぞれの出力挙動を、直接的なＳＩＳＯ通信、２分路送信ダイバーシティ（Ｓ．Ｍ．Ａｌａｍｏｕｔｉ著「無線通信のための単純な伝送ダイバーシティ技術（Ａ Ｓｉｍｐｌｅ Ｔｒａｎｓｍｉｔ Ｄｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｆｏｒ Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ）」、ＩＥＥＥ Ｊ．Ｓｅｌｅｃｔ．Ａｒｅａｓ Ｃｏｍｍ．、１６号８番、１４５１−１４５８頁、１９９８年１０月参照）、および従来式のリレーイングと比較する。従来式のリレーイングでは、リレーはいかなる場合にも復号化を行い、送信先はリレーから送られる信号だけを受信する。これをレイヤー３復号転送リレーイング（Ｌ３ＤＦ）とも呼ぶ。

次に、出力挙動分析、特に誤り確率の分析について説明する。

この項では、着目するプロトコルについてのエンドツーエンドビット誤り率を求めることを目標とする。

そのために、変調スキーマ、チャネルモデル、ネットワークジオメトリー、およびエネルギーに関して次のような仮定を行う：

変調スキーマ：分析されるリレープロトコルの２段階の性質は、直接伝送のスペクトル効率に比べて、個々の段階のスペクトル効率を２倍にすることを要求する。特に、一例として次の２通りのケースについて考察する。
（ｉ）直接伝送についての二位相偏移変調（ｂｉｎａｒｙ ｐｈａｓｅ ｓｈｉｆｔ ｋｅｙｉｎｇ ＢＰＳＫ）とリレースキーマについての四位相偏移変調（ｑｕａｔｅｒｎａｒｙ ｐｈａｓｅ ｓｈｉｆｔ ｋｅｙｉｎｇ ＱＰＳＫ）、および、（ｉｉ）直接伝送についてのＱＰＳＫとリレースキーマについての１６ＱＡＭ（１６直交振幅変調）。ＢＰＳＫ／ＱＰＳＫ比較は若干公正さを欠くことに留意すべきである。すなわち、ＱＰＳＫとＢＰＳＫは同じ出力挙動を有しているので、２倍のスペクトル効率がリレーの場合には事実上損失なく達成される。この理由から、減衰削減と空間ダイバーシティから得られる利得が、高次変調スキーマにより惹起される信号対雑音比損失と競合するＱＰＳＫ／１６ＱＡＭのケースについて考察する。ビット誤り率は、両方のケースにおいて、Ｑ関数を用いて次式により評価することができる。

このとき、ＢＰＳＫおよびＱＰＳＫについてはａ＝１，ｂ＝２であり、グレーマッピング（Ｊｏｈｎ Ｇ．Ｐｒｏａｋｉｓ著「デジタル通信（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ）」マグローヒル国際版（ＭｃＧｒａｗ−Ｈｉｌｌ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｅｄｉｔｉｏｎｓ）、第４版（２００２年）の式（５．２−８０）をシンボル誤り率ＳＥＲではなくビットエラー率を得るために適合化）の１６ＱＡＭについてはａ＝４／ｌｏｇ₂（１６）＝１，ｂ＝４／５である。

チャネルモデル：通信は符号化されずに行われ、記号としては定周波数フェージングチャネルを介して行われる。分析は符号ごとのベースで行うが、その結果は、ブロックフェージングを想定した場合の符号化されないブロックベースのスキーマにも同じく当てはまる。チャネル係数の値｜ｈ_iJ｜はレイリー分布に従う。したがってチャネル出力｜ｈ_iJ｜²は指数分布している。この指数分布のパラメータをσ^-2 _i,jと仮定すると、チャネルの平均出力σ² _i,jを変えることによって、減衰と距離の効果を記録することができる。

ネットワークジオメトリー：対称なネットワーク構造と非対称なネットワーク構造を区別することができる（図１参照）。図１には、対称なネットワーク構造と非対称なネットワーク構造が示されている。協同リレーイングは、発信源とリレーの間の協同の相互利点を際立たせるために、対称なネットワークの事例に絞られることが多い。対称性を犠牲にすれば、従来式のリレーイングとの関連でしばしば考察される非対称シナリオの減衰削減を利用することができる。これを考慮に入れるため、一般妥当性を損なうことなく、減衰すなわち平均のチャネル出力σ_i,j ²を次式により相対的なリレー位置ｒの関数として変調する。

このときαは減衰指数であり、０＜ｒ＜１である。本明細書ではα＝３の場合に的を絞ることにする。

エネルギー：直接伝送については情報ビットごとにＳＮＲ＝Ｅ_b／Ｎ₀を仮定し、リレーイングの場合には、この情報ビットが発信源とリレーの間で第１段階の出力割合ｐに基づいて分割される。

次に、ビット誤りの確率の算定について考察する。

以下の分析においては、転送の決定が復号化閾値ＳＮＲ_decをベースとして行われる場合に的を絞る。ＣＲＣやその他の誤り検出機構を利用すれば、エラー伝搬は最初から除外される。

復号化の確率の考察から始める。そのために、発信源から送信された信号をリレーが復号化する確率を考察する。リレーは、受信した信号対雑音比ＳＮＲが、選択された復号化閾値ＳＮＲ_decよりも大きいときに復号化を行う。目下のＳＮＲは、フェージングチャネル出力｜ｈ_s,r｜²と、第１段階に割り当てられた出力割合ｐと、平均ＳＮＲとによって算定される。したがって復号化のケースは次式で表される。

チャネル出力｜ｈ_s,r｜²は、σ² _s,rを平均値として指数分布しているので、復号化確率は次式として計算される。

次に、ビットエラーの確率の算定結果について説明する。

アダプティブな復号転送プロトコルの誤り確率は、次式として公式化することができる。

このときＰ_decは復号化確率（４）であり、Ｐ_e ^(Div)は、発信源およびリレーから送信先までの組み合されたダイバーシティ伝送で誤りが発生する確率である。さらにＰ_e ^(Direct)は、復号化を行わないことをリレーが決定した場合の誤りの確率であり、この場合には送信先は発信源からの直接通信を信頼せざるを得ない。両方の誤り事例について次に検討する。

ダイバーシティ伝送：この伝送は、リレーが復号化と転送を行うと決定した場合に該当する。この場合、送信先は、発信源から第１の段階で受信した信号と、リレーから第２の段階で受信した信号とを合成する。その結果として生じる誤り確率は次のとおりである。

リレーが正確に復号化をするか否かに応じて、相互に排斥しあう２通りのエラー事例が、送信先での決定の誤りにつながる可能性がある。

第１に、復号化閾値の選択が適切でない場合に、リレーで決定の誤りが生じる危険性がある。この決定の誤りは確率Ｐ_e ^(s,r)で発生し、復号化閾値ＳＮＲ_decと、リレーにおける有効な平均ＳＮＲとに依存して決まる。復号化閾値γ₀＝ＳＮＲ_decと平均ＳＮＲ

については、復号化リレーにおける閉じた形式の誤りの確率は、後で説明する式（２１）の結果を用いて次のように算定することができる。

このような決定誤りが生じた場合、リレーは誤りを含んだ信号を送信先に伝送する。このことはエラー伝搬につながる。送信先が、発信源とリレーの矛盾する情報に直面する確率が高いからである。その結果として生じる誤り確率をＰ_e ^(x)≦１／２で近似する。このようなエラー伝搬は、リレーにおけるＳＮＲ_decの適切な選択によって防止すべきであり、ないしは、ＣＲＣまたはその他の誤り検出機構を利用することによって全面的に除去すべきである。

第２に、リレーが正確に復号化をした場合（その確率は１−Ｐ_e ^(s,r)）、リレーは新たに符号化された信号を送信先に送る。このことは、空間ダイバーシティの望ましい利用ケースである。なぜなら送信先はこの信号を、第１の段階で発信源から受信したバージョンと合成するからである。このダイバーシティ組み合わせの誤り率Ｐ_e ⁽²⁾は、該当する２つのチャネルの有効なＳＮＲに依存して決まる。これらのＳＮＲは、発信源から送信先までのチャネルについては

であり、リレーから送信先までのチャネルについては

である。Ｐ_e ⁽²⁾の閉じた解は、補遺Ｃの式（２２）で、新たなケース

について与えられている。

ダイバーシティ伝送が行われない場合：リレーが復号化を行わないと決定したときは、送信先は、発信源から送信先への直接的なチャネルに頼らざるを得ない。リレーと発信源が第２の段階で作動停止する、提案される単純なＡｄＤＦプロトコルについては、送信先の有効ＳＮＲはｐσ² _s,dＳＮＲである。複雑なＡｄＤＦプロトコルについては、発信源は、送信段階については出力割合ｐを利用し、段階２における繰り返し符号化については１−ｐの割合を利用し、その結果、送信先における合成された有効ＳＮＲは（ｐ＋（１−ｐ））σ² _s,dＳＮＲ＝σ² _s,dＳＮＲとなる。したがって、発信源から送信先へのリレーイングチャネルを介しての通信については次式が成り立つ（Ｊｏｈｎ Ｇ．Ｐｒｏａｋｉｓ著「デジタル通信（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ）」マグローヒル国際版（ＭｃＧｒａｗ−Ｈｉｌｌ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｅｄｉｔｉｏｎｓ）、第４版（２００２年）の式（１４．３−７））：

ただし、

ここにおいて、レイリーフェージングチャネルを介しての提案されるプロトコルの誤り確率について、閉じた解が得られた（（４）、（６）、（７）、（２２）、および（５）の（８）を用いて）。

次に、プロトコルの最適化について説明する。

提案されるプロトコルを規定する２つのパラメータは、第１段階の出力割合ｐと、リレーにおける復号化閾値ＳＮＲ_decであることを再度指摘しておく。この両者は、結果として生じるビット誤り率ＢＥＲが最低限に抑えられるように選択されるべきである。式が基本的に代数的でないために、閉じた最適化規則を導き出すことは不可能である。級数展開による簡素化についても、残念ながら同じことがいえる。

それでも、得られた閉じた式を用いて、最善のパラメータを数的に決定することができる。このことは、ひいては経験的な規則を立てることも可能にする。図２は、ＳＮＲと、ＢＰＳＫ／ＱＰＳＫシナリオのネットワークジオメトリーとの種々の組み合わせについて、そのつど結果として生じる最善のパラメータを示している。

図２は、誤り確率を最低限に抑える最善なパラメータ組み合わせを示しており、すなわち、最善の出力割合ｐ^(opt)ないし最善の復号化閾値ＳＮＲ_dec ^(opt)を示している。最善の値は、ＳＮＲおよびネットワーク構造に依存して決まる。これらの結果は、ＢＰＳＫ／ＱＰＳＫスキーマについての数的評価（５）によって得られたものである。それぞれの目盛は、２ｄＢのステップ幅のＳＮＲ値に対応している。

一例として、リレーが発信源と送信先の間の半分のところに配置されており（ｒ＝０，５）、リレーにおけるＳＮＲ＝１６ｄＢ、第１段階の出力割合ｐ＝０，８、復号化閾値ＳＮＲ_dec＝６ｄＢである場合を選択する。一般に、この図面から見てとれるように、最善の出力割合ｐ^(opt)はＳＮＲにそれほど強く依存しておらず、むしろ、その根底にあるネットワークジオメトリーから主要な影響を受ける。発信源からリレーまでの相対距離が大きくなるほど、いっそう高い出力が発信源からの伝送のために割り当てられるべきであることが認められる。これは直感的な結論である。

次に、最適化規則について検討する。プロトコルは、ダイバーシティ利得を最大化することを目指しているということを再度指摘しておく。このことは、基本的に、２つのダイバーシティ分路の等しいＳＮＲによって実現される。本件の場合で言えば、そのためには発信源から送信先までのチャネルと、リレーから送信先までのチャネルとのＳＮＲが等しいことが前提条件となる。しかしながら、リレーにおけるダイバーシティ利得と復号化誤り確率の間の妥協を考慮するために、スケーリング係数ｓを導入する。その結果、第１段階の最適化された出力割合ｐについて、次の条件が得られる。

この条件は、ｐについて式を解くと次式のようになる。

曲線の模倣により、

が適切であることが見出されている。さらに、最善の復号化閾値について近似式が得られている。その結果からわかることは、次式

に基づいてＳＮＲ_decを選択すれば、これが最善の出力割合（１１）とともに適用された場合に、エラーの確率を最低限に抑えるということである。パラメータは、ＢＰＳＫ／ＱＰＳＫについてはＡ＝１であり、ＱＰＳＫ／１６−ＱＡＭシナリオについてはＡ＝１，５である。最後に、対称なネットワークも非対称なネットワークとまったく同様に、σ² _s，r＝σ² _r，dで大きなＳＮＲについてパラメータ化できることが判明している。

次に、出力挙動限界について検討する。

ＡｄＤＦプロトコルの出力挙動を検討する前に、３通りの異なる選択肢について簡単に考察する。

１）直接伝送：誤り率は、発信源から送信先への直接的なチャネルのＳＮＲを表すＳＮＲ_eff＝σ² _s，dＳＮＲで、式（８）によって与えられる。

２）送信ダイバーシティ：各々の分路でＳＮＲが等しいときの２分路ダイバーシティシステムについての誤り率は、Ｊｏｈｎ Ｇ．Ｐｒｏａｋｉｓ著「デジタル通信（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ）」マグローヒル国際版（ＭｃＧｒａｗ−Ｈｉｌｌ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｅｄｉｔｉｏｎｓ）、第４版（２００２年）の式（１４．４−１５）によって与えられる。

１つの例はＡｌａｍｏｕｔｉのスキーマ［４］である。発信源と送信先の間の両方のチャネルの有効ＳＮＲは、ＳＮＲ_eff＝ｐσ² _s，dＳＮＲであり、送信ダイバーシティについてはｐ＝０．５である。

３）レベル３での復号化と転送：従来式のリレーイングの場合、リレーは単純な転送器として反応し、送信先はリレーによって送信された情報だけに依存している。このプロトコルの出力挙動は次式のとおりである。

このとき、Ｐ_s ^(s,r)およびＰ_s ^(r,d)は２つの連続するレイリーフェージングチャネルを介しての通信についての誤り率であり、ｐσ² _s，rＳＮＲないし（１−ｐ）σ² _r，dＳＮＲの有効ＳＮＲで式（８）によって与えられる。プロトコルは減衰削減からメリットを得るが、空間ダイバーシティからのメリットはない。ビット誤り率ＢＥＲはＰ_e ^(s,r)＝Ｐ_e ^(r,d)で明らかに最低限に抑えられており、このことは次式の最善の出力割合につながる。

次に、ＡｄＤＦプロトコルとその従来式のスキーマとの比較にとりかかる。

すなわち要約して言うと、以下のような結論を下すことができる。

対称なネットワークの出力挙動について議論することから始める。図３は、提案されるＡｄＤＦプロトコルの出力挙動と、複雑なＡｄＤＦプロトコルおよびその出力限界とを比較したものである。

図３は、直接伝送、レイヤー３でのリレーイング（Ｌ３ＤＦ）、および送信ダイバーシティの比較で、提案されるアダプティブな復号転送プロトコルのシンボル誤り率に対するビット誤り率を示している。対称なネットワークである。実線はシミュレーションであり、四角形は分析である（ＡｄＤＦについて）。

両方のＡｄＤＦプロトコルは、直接送信や従来式のリレーイングに比べてダイバーシティ利得を実現している。例えば協同プロトコルは、例えばＢＥＲ＝１０^-2のとき、およそ２−３ｄＢの利得を達成している。複雑なプロトコルは、その単純な対応物よりもほんのわずかしか良好に機能していないことに留意すべきである。その理由は、小さい出力割合１−ｐしか利用することができない段階２での繰り返し符号化の利得が、さほど重要でないという事実にある。単純なＡｄＤＦと複雑なＡｄＤＦは出力挙動に関して非常に類似していると結論づけることができる。したがって、明細書の以下の記述においては単純なバージョンだけに的を絞る。最終的には分析とシミュレーション結果が一致することがわかっており、相違点は式（６）のＰ_e ^(x)の近似に起因している。

次に非対称なネットワークについて考察する。提案されるＡｄＤＦプロトコルは、ダイバーシティ利得と減衰削減の両方からメリットを得るために設計されている。後者の利点を、リレーが発信源と送信先の間に配置されている非対称なネットワークではっきりさせることにする。実際、図４によって確認されるように、単純なＡｄＤＦプロトコルを利用することによって本質的な改善を得ることができる。

図４は、直接送信と比べたときの、単純なＡｄＤＦと従来式のリレーイング（Ｌ３ＤＦ）のＳＮＲ利得を示している。Ｌ３ＤＦは減衰削減を利用しているのに対して、協同ＡｄＤＦプロトコルはこれに加えてダイバーシティ利得からもメリットを得ている。パラメータは、ＢＥＲ＝１０^-2、減衰指数α＝３，０である。

このグラフは、検討対象である両方の変調スキーマ（ＢＰＳＫ／ＱＰＳＫとＱＰＳＫ／１６−ＱＡＭ）の符号化されない設定について、ＢＥＲ＝１０^-2で直接送信と比較したときのＳＮＲ利得を説明的な出力測定として示している。

ダイバーシティの利用によって協同プロトコルは、両方のスペクトル効率について、および調査した全てのリレー位置について、従来式のリレープロトコルを少なくとも３ｄＢだけ凌駕していることがわかる。２番目として、高いスペクトル効率の利用によって発生するＳＮＲ損失（上に挙げた非特許文献１参照）は、直接伝送と比較したとき、対応するリレープロトコルの出力挙動の劣化につながると断定される。例えば発信源と送信先の半分のところにリレーを配置し（ｒ＝０．５）、協同リレー伝送のためにＱＰＳＫを利用すると、ＢＰＳＫを用いた直接伝送に比べて６，６ｄＢのＳＮＲ利得につながる。直接的なＱＰＳＫ伝送に代えて１６−ＱＡＭリレー伝送を利用すると、この利得は３，６ｄＢまで低下する。最終的に負のＳＮＲ利得になることからして、１６−ＱＡＭを用いる従来式のＬ３ＤＦプロトコルは、直接的なＱＰＳＫ伝送よりも機能性が劣っていることがわかる。この結果は出力、遅延、帯域幅の厳密な標準化の下で得られたものであることを再度強調しておきたい。

プロトコルの具体化に関しては、提案される単純なＡｄＤＦプロトコルは従来式のリレーイングプロトコルに類似していると言うことができる。復号化と転送を行うかどうかをリレーが独立して決定するので、フィードバック情報の必要性はない。実際にプロトコルは、平均ＳＮＲないしＣＲＣまたはその他の誤り検出機構を使用しているかどうかの知見と、対応するノード間における平均の長期間減衰にのみ依存して決まる。したがって、送信者の側ではチャネル状態情報についての明確な知見は必要ないが、通常の場合と同じく、受信者の側での合成と復調のためのチャネル係数の見積りは必要である。同期化に関しては、従来式のリレーイングについてと同じ前提条件が当てはまる。

本発明により、従来式のリレーイングの減衰削減と、協同リレーイングの空間ダイバーシティ利得とを組み合わせるように設計された、単純でアダプティブな復号転送プロトコルが提案された。リレーによって利用される復号化閾値と、発信源からの伝送に割り当てられる全出力の割合という２つのパラメータが、特定のＳＮＲ規則と減衰条件に合わせてプロトコルを適合化することを可能にする。エンドツーエンド誤り確率について得られる閉じた方程式は、パラメータを適合化するための規則を見出すのに役立つ。この規則は、平均ＳＮＲおよび平均減衰についての知見に基づくものであり、送信者の側ではチャネル状態情報を必要としない。

単純なＡｄＤＦスキーマは、直接送信と比べて最大７デシベルのＳＮＲ利得を示すのに対して、従来式のリレーイングは３デシベルを達成することが示されている。この結果は、レイリーフェージングチャネルを介するシンボルごとの通信について、出力、帯域幅、および遅延の厳密な標準化のもとで得られたものである。最後に付言しておくと、協同プロトコルは従来式のリレーイングと同数の伝送ノードを有しており、このことは、干渉が制限されたシナリオでのシステムレベル出力挙動の成功を約束する第１の徴候である。

こうした結果を考慮するならば、提案されるアダプティブな復号転送プロトコルは、将来の無線ネットワークにとって１つの興味深い候補であると信じることができる。

次に、上の説明で用いた誤り確率について説明する。

まず、任意のフェージング統計について誤り確率を考察する。

以下においては、フェージングチャネルを介してのＢＰＳＫ、ＱＰＳＫ、および１６−ＱＡＭ信号化について、様々な誤り確率を算定する。このようなフェージングチャネルの統計を確率密度関数ｐ_γ（γ）によって記述することとし、このときγは信号対雑音比であり、γ_a≦γ≦γ_bである。レイリーフェージングチャネルについては、ＳＮＲは、一例としてγ_a＝０かつγ_b→∞で指数分布している。一般的な確率密度関数（ｐｄｆ）ｐ_γ（γ）について誤り確率を導き出すことからまず始めて、次いで、これを特殊な事例に当てはめていく。

誤りの平均確率は次式で与えられる。

ただし、Ｐ_e（γ）は様々な変調スキーマについて式（１）に準ずる。次式

を導入すると、式（１６）の部分積分によって次式が得られる。

Ｑ関数の定義、およびライプニッツ規則（Ｉ．Ｓ．Ｇｒａｄｓｈｔｅｙｎ ａｎｄ Ｉ．Ｍ．Ｒｙｚｈｉｋ著「積分、級数、および積の表（Ｔａｂｌｅ ｏｆ Ｉｎｔｅｇｒａｌｓ，Ｓｅｒｉｅｓ，ａｎｄ Ｐｒｏｄｕｃｔｓ）」）アカデミックプレス（Ａｃａｄｅｍｉｃ Ｐｒｅｓｓ）、サンディエゴ、カリフォルニア州、第５版（１９９４年）の２３頁、式（０．４１０）参照）を適用すると、簡素化の後に次式のような形となる。

そして、この一般的な結果を利用して、考察されるべき特別なフェージング統計についての誤り確率ｐ_γ（γ）を算定する。

次に、復号化リレーにおける誤り関数を求める。

目下のＳＮＲが閾値γ₀を上回った場合にのみ検知が実行される、ただ１つのレイリーフェージングチャネルを介しての通信という特別な事例を考察する。結果として生じる有効ＳＮＲのｐｄｆは、打ち切られた指数関数である。

このとき、

はレイリーフェージングチャネルの平均ＳＮＲであり、

は、ｐｄｆよりも下の単位面を保証する標準化定数である。

そして一般的な結果（１８）を当てはめる。解かれるべき問題については、ｐｄｆはγ_a＝γ０かつγ_b→∞で裏づけられているので、式（１９）を式（１７）に適用して

となる。その結果、次式のようになる。

次式

を代入し（このときｔは新たな積分変数として導入されている）、Ｑ関数の定義を当てはめると、このことは次式をもたらす。

γ₀＝０，ａ＝１，ｂ＝２については、レイリーフェージングチャネルを介してのＢＰＳＫ／ＱＰＳＫ伝送の周知の誤り確率が得られる。この点に関してはＪｏｈｎ Ｇ．Ｐｒｏａｋｉｓ著「デジタル通信（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ）」マグローヒル国際版（ＭｃＧｒａｗ−Ｈｉｌｌ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｅｄｉｔｉｏｎｓ）、第４版（２００２年）の式（１４．３−７）を参照のこと。

最後に、ダイバーシティ受信の誤り確率を考察する。

Ｌダイバーシティ分路の最大比合成法（ＭＲＣ）について得られる誤り確率を算定するためには、ＬランダムＳＮＲ変数の合計のｐｄｆを計算しなければならない。本件の分散したダイバーシティプロトコルについては、２つの信号が異なるターミナルから伝送され、様々に減衰しながらチャネルを通過する。

したがって、最大比合成器の入力部における様々な平均ＳＮＲ

を想定した。この場合、標準結果を当てはめることはできない［５］。合成されたＳＮＲのｐｄｆを計算することから始める。両方の指数関数ｐｄｆの各々は次式によって与えられる。

相関関係にない２つのランダム変数の合計のｐｄｆは、対応するｐｄｆの終結式である。

これは、γ₁≠γ₂について次式のように簡素化される。

式（１７）より次式が得られる。

これを式（１８）に用いて、代入式（２０）をあらためて適用すると、最終的に、平均ＳＮＲ

が異なる２つのレイリーフェージングチャネルのＭＲＣについて、誤り確率が次式として得られる。

本発明によるシステムの２通りの実施形態である。 本発明による方法のそれぞれのパラメータの依存性である。 １つの実施形態の出力挙動と他の方法との比較である。 本発明による方法と従来式のリレーイング（Ｌ３ＤＦ）の、直接伝送と比べたときのＳＮＲ利得である。

Claims (20)

1. 無線リレーネットワークで信号を伝送する方法であって、発信源と、送信先と、中間に介在する少なくとも１つのリレーとの間で伝送が行われ、少なくとも１つのリレーは復号転送リレーとして機能し、伝送は少なくとも２つの段階で行われる、無線リレーネットワークで信号を伝送する方法において、少なくとも１つのリレーが、ネットワークの他のコンポーネントについての情報とは関わりなく、発信源または少なくとも１つの他のリレーから受信された信号を復号化して転送するかどうか決定することを特徴とする方法。
2. 復号化と転送について決定するために、受信された信号の信号対雑音比が測定される、請求項１に記載の方法。
3. 前記リレーは、信号対雑音比が復号化閾値を下回っている信号を受信したときには、当該信号を復号化して送信先へ転送しない、請求項２に記載の方法。
4. 前記リレーの復号化閾値が伝送を最適化するためのパラメータとして利用される、請求項３に記載の方法。
5. 伝送の各段階に割り当てられた送信出力が伝送を最適化するためのパラメータとして利用される、請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
6. 復号化と転送について決定するために、受信された信号の誤り検出記号が利用される、請求項１に記載の方法。
7. 前記誤り検出記号として巡回冗長検査符号または低密度パリティ検査符号が利用される、請求項６に記載の方法。
8. 前記リレーは前記誤り検出記号によって復号化エラーを認識したときには当該信号を送信先へ転送しない、請求項６または７に記載の方法。
9. 発信源は１つまたは複数の前記リレーおよび送信先に信号を１回だけ伝送する、請求項１から８のいずれか一項に記載の方法。
10. 結果として生じる誤り率を最低限に抑えるために設計されている、請求項１から９のいずれか一項に記載の方法。
11. 発信源と、前記リレーと、送信先との間の減衰損失の知見が伝送を最適化するために利用される、請求項１０に記載の方法。
12. 少なくとも１つの発信源と、送信先と、中間に介在する少なくとも１つの復号転送リレーとを含む、無線リレー回路で信号を伝送するシステムにおいて、前記リレーは信号の復号化と転送について決定をするための決定ユニットを含むことを特徴とする、無線リレーネットワークで信号を伝送するシステム。
13. 前記決定ユニットは受信された信号の信号対雑音比を測定するための測定ユニットを含んでいる、請求項１２に記載のシステム。
14. 前記決定ユニットは信号対雑音比の閾値と比較をするための比較ユニットを含んでいる、請求項１３に記載のシステム。
15. 前記決定ユニットは誤り検出記号によって誤り検出をするためのユニットを含んでいる、請求項１２に記載のシステム。
16. 送信先はそれぞれの信号を合成するための合成ユニットを含んでいる、請求項１２から１５のいずれか一項に記載のシステム。
17. 送信先は、受信された信号が内部で記憶される記憶ユニットを含んでいる、請求項１２から１６のいずれか一項に記載のシステム。
18. 送信先は、記憶されている信号にアクセスすることができる復調ユニットを含んでいる、請求項１７に記載のシステム。
19. 前記リレーはモバイル端末機器である、請求項１２から１８のいずれか一項に記載のシステム。
20. 請求項１から１０のいずれか一項に記載の方法を実施するために設計されている、請求項１２から１９のいずれか一項に記載のシステム。
    

Images