JP2010141605A - 無線通信システム、及び無線通信方法 - Google Patents

Abstract

【課題】情報フレーム間の情報量の差に起因するネットワーク符号化利得の低下を抑制する。
【解決手段】フレーム・アグリゲーション制御部５−３は、フレーム集約の対象となる情報フレームの数ｎを決定する。フレーム・アグリゲーション部５−４は、情報フレームの数ｎに従って、送信バッファ５−２の先頭からｎ＿１個目までの情報フレームａ（１）〜ａ（ｎ＿１）を対象としてフレーム集約を行い、集約情報フレームを生成し、変調部５−６で変調して送信する。一方、ネットワーク復号部５−１０は、復調部５−９により無線フレームＸ’から復調された情報フレームｘ’と、情報フレームａ’との排他的論理和を取ることにより情報フレームｂ’を取得する。情報フレーム復元部５−１１は、情報フレームｂ’からｎ＿２個の情報フレームｂ（１）〜ｂ（ｎ＿２）を生成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ネットワーク符号化を用いたマルチホップ無線通信を行う無線通信システム、及び無線通信方法に関する。

近年、マルチホップ通信のスループットの向上を目的として、マルチホップ無線通信を行う際に、中継局において到着した複数局宛の信号の排他的論理和を取ることで多重化し配信し、宛先局において復号を行うネットワーク符号化技術が注目されている。ネットワーク符号化技術では、マルチホップ中継を行うネットワーク上の中継局において、複数の情報系列を線形符号化（代表的な例として、排他的論理和が挙げられる）を用いて、複数のマルチキャスト通信や、ユニキャスト通信などを多重化した上で、各宛先局において復号操作を行うことにより、ネットワーク符号化を用いない場合に比べて、スループットの向上を図ることができる。

ネットワーク符号化を用いたマルチホップ無線ネットワークは、無線通信の同報性とネットワーク符号を活用することにより、スループットの向上を実現する。中継局の役割を果たすノードは、複数の送信局ノードから受信したフレームを線形符号によって符号化し、受信局に中継する。受信局は、同様に他のノードから受信したフレーム、あるいは自身が保持しているフレームを用いて、符号化されたパケットを復号し、元の情報を得ることができる（例えば、非特許文献１、非特許文献２参照）。

以下では、具体例として、Ａｌｉｃｅ＆Ｂｏｂトポロジ、及びＸトポロジを挙げて、従来の無線によるネットワーク符号化技術について説明する。ネットワーク符号化・復号には、排他的論理和を用いるものとする。

（１）Ａｌｉｃｅ＆Ｂｏｂトポロジ
図３は、無線マルチホップトポロジ（Ａｌｉｃｅ＆Ｂｏｂトポロジ）を説明するためのノード構成を示す概念図である。図３において、無線マルチホップトポロジでは、両端の送受信局（ｎｏｄｅ−１、ｎｏｄｅ−２）が互いにｎｏｄｅ−Ｒを介して情報のやり取りを行う場合について考える。以下、論理情報として定義されるフレームを情報フレーム、論理情報を無線信号へと変調されたフレームを無線フレームと記述する。また、単一の周波数チャネルを全ての局で共有することを前提とする。すなわち、ある局が無線フレームの送信を行っている間、他の全ての局は、同時刻に無線フレームを送信しないものとする。

図４は、Ａｌｉｃｅ＆Ｂｏｂトポロジにおいて、ネットワーク符号化を用いない場合の通信手順を示す概念図である。図４に示すように、ネットワーク符号化を用いない場合、時刻Ｔ１において、ｎｏｄｅ−１が情報フレームａを無線フレームＡに変調し、ｎｏｄｅ−Ｒへと送信する。ｎｏｄｅ−Ｒは、無線フレームＡを受信し、情報フレームａに復調する。次に、時刻Ｔ２において、ｎｏｄｅ−Ｒが情報フレームａを無線フレームＡに変調し、ｎｏｄｅ−２へと送信する。ｎｏｄｅ−２は、無線フレームＡを受信し、情報フレームａに復調する。

次に、時刻Ｔ３において、ｎｏｄｅ−２が情報フレームｂを無線フレームＢに変調し、ｎｏｄｅ−Ｒへと送信する。ｎｏｄｅ−Ｒは、無線フレームＢを受信し、情報フレームｂに復調する。時刻Ｔ４において、ｎｏｄｅ−Ｒが情報フレームｂを無線フレームＢに変調し、ｎｏｄｅ−１へと送信する。ｎｏｄｅ−１は、無線フレームＢを受信し、情報フレームｂに復調する。このような手順をとる必要があるため、ｎｏｄｅ−１とｎｏｄｅ−２が互いに情報をやり取りするためには、４つのタイムスロットが必要となる。

次に、図５は、Ａｌｉｃｅ＆Ｂｏｂトポロジにおいて、ネットワーク符号化を用いた場合の通信手順を示す概念図である。図５に示すように、ネットワーク符号化を用いた場合には、まず、時刻Ｔ１において、ｎｏｄｅ−１が情報フレームａを無線フレームＡに変調し、ｎｏｄｅ−Ｒへと送信する。ｎｏｄｅ−Ｒは、無線フレームＡを受信し、情報フレームａに復調する。時刻Ｔ２において、ｎｏｄｅ−２が情報フレームｂを無線フレームＢに変調し、ｎｏｄｅ−２へと送信する。ｎｏｄｅ−Ｒは、無線フレームＢを受信し、情報フレームｂに復調する。次に、時刻Ｔ３では、ｎｏｄｅ−Ｒが情報フレームａと情報フレームｂに対してネットワーク符号化を行い、情報フレームｘを生成する。情報フレームｘは、無線フレームＸに変調され、ｎｏｄｅ−１、及びｎｏｄｅ−２に対して同報送信される。

ｎｏｄｅ−１は、自身が時刻Ｔ１において送信した情報フレームａと時刻Ｔ３において受信した無線フレームＸの復調結果である情報フレームｘとを用いてネットワーク復号を行うことにより、情報フレームｂを取得する。ｎｏｄｅ−２においても同様に、自身が時刻２において送信した情報フレームｂと時刻Ｔ３において受信した無線フレームＸの復調結果である情報フレームｘとを用いてネットワーク復号を行うことにより、情報フレームａを取得する。

以後、ネットワーク符号化される前の情報フレームのうち、宛先局において既知となり、他方の無線フレームを導出するためにネットワーク符号化された無線フレームとネットワーク復号される無線フレームとを、鍵フレームと呼ぶ。例えば、ｎｏｄｅ−１においては、情報フレームｘから情報フレームｂを取得するために必要となる情報フレームａが鍵フレームとなる。

上述したように、ネットワーク符号化を用いた手順では、必要となるタイムスロット数が３となる。ネットワーク符号化を用いない場合と用いた場合とを比較すると、ネットワーク符号化を適用することにより、ｎｏｄｅ−１とｎｏｄｅ−２とが情報のやり取りを行うために消費するタイムスロット数は、３／４になる。すなわち、ネットワーク符号化の適用によるスループット増大効果（以後、これを「ネットワーク符号化利得」と呼ぶ。また、「ＮＣ利得」と略記する）は、その逆数の４／３となる。

次に、図６は、従来技術による、Ａｌｉｃｅ＆Ｂｏｂトポロジでの送受信局（ｎｏｄｅ−１、２）の構成例を示すブロック図である。送受信局１は、情報フレーム生成部１−１、送信バッファ１−２、鍵フレーム記憶部１−３、変調部１−４、ＴＤＤスイッチ１−５、送受信アンテナ１−６、復調部１−７、ネットワーク復号部１−８、受信情報復元部１−９から構成される。

以下に、送受信局１がｎｏｄｅ−１である場合について、その動作を説明する。送信情報は、情報フレーム生成部１−１により情報フレームに変換され、送信バッファ１−２に格納される。送信を行うタイミング、すなわち時刻Ｔ１において、送信バッファ１−２に格納されている先頭の情報フレームａは、変調部１−４により無線フレームＡに変換され、送受信アンテナ１−６によりｎｏｄｅ−Ｒへと送信される。

同時に、当該情報フレームａは、鍵フレーム記憶装置１−３に記憶される。時刻Ｔ３において、ネットワーク符号化された無線フレームＸ（情報フレームａと、ｎｏｄｅ−２から送信された情報フレームｂとをネットワーク符号化することにより生成される情報フレームｘを変調したもの）を送受信アンテナ１−６により受信し、復調部１−７により情報フレーム（ｘとする）へと復調を行う。

ＴＤＤスイッチ１−５は、時刻Ｔ１において変調部１−４の出力と送受信アンテナ１−６を接続し、時刻Ｔ３においては送受信アンテナ１−６と復調部１−７とを接続する。送信情報フレームｘから情報フレームｂを取得するために、ネットワーク復号部１−８では、情報フレームｘと、時刻Ｔ１において鍵フレーム記憶装置１−３に記憶された情報フレームａとの排他的論理和を取ることによりネットワーク復号操作を行い、情報フレームｂを取得する。情報フレームｂは、情報復元部１−９により受信情報へと変換される。

次に、図７は、従来技術による中継局（ｎｏｄｅ−Ｒ）の構成例を示すブロック図である。中継局２は、送受信アンテナ２−１、ＴＤＤスイッチ２−２、復調部２−３、情報フレーム記憶装置２−４、ネットワーク符号化器２−５、変調部２−６から構成される。以下に、その動作を説明する。時刻Ｔ１においては、ｎｏｄｅ−１から送信された無線フレームＡを送受信アンテナ２−１により受信し、復調部２−３により情報フレームａへと復調する。

情報フレームａは、情報フレーム記憶装置２−４に記憶される。時刻ｎにおいて、ｎｏｄｅ−２から送信された無線フレームＢを送受信アンテナ２−１により受信し、復調部２−３により情報フレームｂへと復調する。ネットワーク符号化器２−５において、情報フレームｂと、時刻Ｔ１において取得し、情報フレーム記憶装置２−４により保持されている情報フレームａとの排他的論理和を取得し、ネットワーク符号化された情報フレームｘを生成する。時刻Ｔ３において、情報フレームｘは、変調部２−６により無線フレームＸへと変換され、送受信アンテナ２−１によりｎｏｄｅ−１、及びｎｏｄｅ−２に対して同報送信される。なお、ＴＤＤスイッチ２−２は、時刻Ｔ１、及びＴ２において送受信アンテナ２−１と復調部２−１とを接続し、時刻Ｔ３においては、変調部２−６と送受信アンテナ２−６とを接続する。

（２）Ｘトポロジ
次に、Ｘトポロジについて説明する。
図８は、無線マルチホップトポロジ（Ｘトポロジ）を説明するためのノード構成を示す概念図である。図８に示すように、送信局２局（ｎｏｄｅ−Ｓ１、ｎｏｄｅ−Ｓ２）、中継局１局（ｎｏｄｅ−Ｒ）、受信局２局（ｎｏｄｅ−Ｄ１、ｎｏｄｅ−Ｄ２）から構成されるＸトポロジにおいて、各送信局ｎｏｄｅ−Ｓ１、ｎｏｄｅ−Ｓ２から送信された情報が双方の受信局ｎｏｄｅ−Ｄ１、ｎｏｄｅ−Ｄ２に到達することが必要となるマルチキャスト通信を考える。

図９は、Ｘトポロジにおいて、ネットワーク符号化を用いない場合の通信手順を示す概念図である。図９に示すように、ネットワーク符号化を用いない場合には、まず、時刻Ｔ１において、ｎｏｄｅ−Ｓ１が情報フレームａを無線フレームＡに変調し、ｎｏｄｅ−Ｒ、及びｎｏｄｅ−Ｄ１へと送信する。ｎｏｄｅ−Ｒ、及びｎｏｄｅ−Ｄ１は、無線フレームＡを受信し、情報フレームａに復調する。次に、時刻Ｔ２において、ｎｏｄｅ−Ｒが情報フレームａを無線フレームＡに変調し、ｎｏｄｅ−Ｄ２へと送信する。ｎｏｄｅ−Ｄ２は、無線フレームＡを受信し、情報フレームａに復調する。

次に、時刻Ｔ３において、ｎｏｄｅ−Ｓ２が情報フレームｂを無線フレームＢに変調し、ｎｏｄｅ−Ｒ、及びｎｏｄｅ−Ｄ２へと送信する。ｎｏｄｅ−Ｒ、及びｎｏｄｅ−Ｄ１は、無線フレームＢを受信し、情報フレームｂに復調する。次に、時刻Ｔ４において、ｎｏｄｅ−Ｒが情報フレームｂを無線フレームＢに変調し、ｎｏｄｅ−Ｄ１へと送信する。ｎｏｄｅ−Ｄ１は、無線フレームＢを受信し、情報フレームｂに復調する。

このような手順をとる必要があるため、中継局であるｎｏｄｅ−Ｒを用いてｎｏｄｅ−Ｄ１とｎｏｄｅ−Ｄ２との双方に対して、情報フレームａ、及びｂを送信するためには、４つのタイムスロットが必要となる。

次に、図１０は、Ｘトポロジにおいて、ネットワーク符号化を用いた場合の通信手順を示す概念図である。図１０に示すように、ネットワーク符号化を用いた場合には、まず、時刻Ｔ１において、ｎｏｄｅ−Ｓ１が情報フレームａを無線フレームＡに変調し、ｎｏｄｅ−Ｒ、及びｎｏｄｅ−Ｄ１へと送信する。ｎｏｄｅ−Ｒ、及びｎｏｄｅ−Ｄ１は、無線フレームＡを受信し、情報フレームａに復調して記憶する。次に、時刻Ｔ２において、ｎｏｄｅ−Ｓ２が情報フレームｂを無線フレームＢに変調し、ｎｏｄｅ−Ｒ、及びｎｏｄｅ−Ｄ２へと送信する。ｎｏｄｅ−Ｒ、及びｎｏｄｅ−Ｄ１は、無線フレームＢを受信し、情報フレームｂに復調して記憶する。次に、時刻Ｔ３において、ｎｏｄｅ−Ｒが情報フレームａと情報フレームｂに対してネットワーク符号化を行い、情報フレームｘを生成する。情報フレームｘは、無線フレームＸへと変調され、ｎｏｄｅ−Ｄ１、及びｎｏｄｅ−Ｄ２に対して同報送信をされる。

ｎｏｄｅ−Ｄ１は、自身が時刻Ｔ１においてｎｏｄｅ−Ｓ１から受信した情報フレームａを鍵フレームとして、時刻Ｔ３において受信した無線フレームＸを復調した結果得られる情報フレームｘに対してネットワーク復号を行うことにより、情報フレームｂの情報系列を取得する。ｎｏｄｅ−Ｄ２においても同様に、自身が時刻２において受信した情報フレームｂを鍵フレームとして、時刻Ｔ３において受信した無線フレームＸを復調した結果である情報フレームｘに対してネットワーク復号を行うことにより、情報フレームａを取得する。

したがって、ネットワーク符号化を用いた手順では、必要となるタイムスロット数は３である。したがって、ＮＣ利得は、Ａｌｉｃｅ＆Ｂｏｂトポロジと同様、４／３となる。

次に、図１１は、従来技術による、Ｘトポロジでの送信局の構成例を示すブロック図である。送信局３は、情報フレーム生成部３−１、送信バッファ３−２、変調部３−３、送信アンテナ３−４から構成される。

以下に、送信局がｎｏｄｅ−Ｓ１である場合について、その動作を説明する。送信情報は、情報フレーム生成部３−１により情報フレームに変換され、送信バッファ３−２に格納される。送信を行うタイミング、すなわち時刻Ｔ１において、送信バッファ３−２に格納されている先頭の情報フレームａは、変調部３−３により無線フレームＡに変換され、送受信アンテナ３−４によりｎｏｄｅ−Ｒならびにｎｏｄｅ−Ｄ１へと同報送信される。

次に、中継局であるｎｏｄｏ−Ｒの構例成は、Ａｌｉｃｅ＆Ｂｏｂトポロジの例に挙げたものと同様となる（図７）。以下にその動作を示す。時刻Ｔ１においては、ｎｏｄｅ−Ｓ１から送信された無線フレームＡを送受信アンテナ２−６により受信し、復調部２−１により情報フレームａへと復調する。情報フレームａは、情報フレーム記憶装置２−２に記憶される。次に、時刻Ｔ２において、ｎｏｄｅ−Ｓ２から送信された無線フレームＢを送受信アンテナ２−６により受信し、復調部２−１により情報フレームｂへと復調する。ネットワーク符号化器２−３では、情報フレームｂと、時刻Ｔ１において取得し、情報フレーム記憶装置２−２により保持されている情報フレームａとの排他的論理和を取得し、ネットワーク符号化された情報フレームｘを生成する。

次に、時刻Ｔ３において、情報フレームは、変調部２−４により無線フレームＸへと変換され、送受信アンテナ２−６によりｎｏｄｅ−Ｄ１、及びｎｏｄｅ−Ｄ２に対して同報送信される。なお、ＴＤＤスイッチ２−５は、時刻Ｔ１、及びＴ２において送受信アンテナ２−６と復調部２−１とを接続し、時刻Ｔ３においては、変調部２−４と送受信アンテナ２−６とを接続する。

次に、図１２は、従来技術による、Ｘトポロジでの受信局の構成例を示すブロック図である。受信局４は、受信アンテナ４−１、復調部４−２、鍵フレーム記憶装置４−３、ネットワーク復号部４−４、受信情報復元部４−５から構成される。

以下に、受信局がｎｏｄｅ−Ｄ１である場合について、その動作を説明する。時刻Ｔ１において、ｎｏｄｅ−Ｓ１から送信された無線フレームＡを受信アンテナ４−１により受信し、復調部４−２により情報フレームａを取得し、鍵フレーム記憶装置４−３に格納するとともに、受信情報復元部４−５により受信情報系列へと復元する。次に、時刻Ｔ３において、ｎｏｄｅ−Ｒから送信されたネットワーク符号化された無線フレームＸを受信アンテナ４−１により受信し、復調部４−２により情報フレームｘを取得する。続いて、ネットワーク復号部４−４において、情報フレームｘと、時刻Ｔ１において受信し、鍵フレーム記憶装置４−３において格納されている情報フレームａとの排他的論理和を取ることによりネットワーク復号を行い、情報フレームｂを取得する。情報フレームｂは、情報フレームａと同様、受信情報復元部４−５へと入力され、受信情報系列へと復元される。

上述した従来技術による構成例では、情報のフローがｎｏｄｅ−Ｓ１ならびにｎｏｄｅ−Ｓ２から、ｎｏｄｅ−Ｄ１ならびにｎｏｄｅ−Ｄ２への一方のみの場合について説明したが、当然逆の情報フロー、すなわちｎｏｄｅ−Ｄ１ならびにｎｏｄｅ−Ｄ２から、ｎｏｄｅ−Ｓ１ならびにｎｏｄｅ−Ｓ２へのフローも併せて存在するシステムも考えられる。そのようなシステムは、ｎｏｄｅ−Ｓ１、ｎｏｄｅ−Ｓ２、ｎｏｄｅ−Ｄ１、ｎｏｄｅ−Ｄ２のそれぞれについて、送信器と受信器の両方の機能を持たせることにより実現可能である。

上述したように、従来技術において、ネットワーク符号化を行わない場合と比較して、同時に複数局宛の信号を配信できることから通信に必要な時間を短くすることができ、周波数利用効率（本発明ではＮＣ利得）を向上することができるという特徴がある。
Sachin Katti, Hariharan Rahul, et al "XORs in The Air: Practical Wireless Network Coding, "Proc. ACM SIGCOMM 2006, Pisa, Italy, Sep. 2006, pp. 243-254. R. Ahlswede, S. Li, and R. Yeung, "Network information flow," IEEE Trans. Inf. Theory, vol.46, no.4, pp.1204-1216, Jul.2000.

上述した従来技術によるネットワーク符号化無線通信システムでは、無線フレームの長さ、すなわち情報源である情報フレームに含まれる情報量は常に一定であるという前提があった。すなわち、上述した２つの従来技術において、情報フレームａと情報フレームｂに含まれる情報量は常に同一である。

しかしながら、例えば、ＩＰ（インターネットプロトコル）においては、フレーム長を既定の上限値以下の範囲で任意に設定することが可能である。また、このＩＰレイヤと、下位レイヤ（データリンクレイヤならびに物理レイヤ）の間で透過性を持たせたＥｔｈｅｒｎｅｔ（登録商標；ＩＥＥＥ８０２．３系有線ＬＡＮ）においても、上位レイヤが可変フレーム長をサポートするＩＰを前提にしているため、同様にフレーム長は可変である。また、Ｅｔｈｅｒｎｅｔ（登録商標）の無線版的位置づけであるＩＥＥＥ８０２．１１系無線ＬＡＮシステムにおいても、同様に可変長フレームを前提としている。

各ノードがＩＥＥＥ８０２．１１無線ＬＡＮに基づき動作するＡｌｉｃｅ＆Ｂｏｂトポロジを例に挙げると、情報フレームａと情報フレームｂとの間の情報量に差がある場合において、ネットワーク符号化技術を適用する場合、ネットワーク符号化が行われた情報フレームｘのフレーム長は、情報フレームａと情報フレームｂのうち、フレーム長が長いものと等しくする必要がある。一例として、情報フレームａの方が情報フレームｂより含まれる情報量が多いとすると、情報フレームｂに対しては、ネットワーク符号化を行う前段階において、ダミーデータを挿入する等の処理を行い、含まれる情報量を等価的に同一にした上でネットワーク符号化操作を行う。

図１３は、情報フレームａに含まれる情報量をＬ＿ａ、情報フレームｂに含まれる情報量をＬ＿ｂとし、Ｌ＿ａとＬ＿ｂの差（Ｌ＿ｄｉｆｆとする）とＮＣ利得との関係を示す概念図である。Ｌ＿Ａは、１５００Ｂｙｔｅに固定し、Ｌ＿Ｂを０＜Ｌ＿Ｂ≦１５００の範囲で変化させた。Ｌ＿ｄｉｆｆ＝０の場合には、無線フレーム間の情報量は同一であり、ＮＣ利得の最大値である４／３（１．３３３…）が得られているが、Ｌ＿ｄｉｆｆの増加、すなわち情報フレームａと情報フレームｂとの間の情報量の差が大きくなるとともに、ＮＣ利得が低下していることが分かる。例えば、Ｌ＿ｄｉｆｆ＝１４００Ｂｙｔｅ（Ｌ＿ｂ＝１００Ｂｙｔｅ）の場合には、ネットワーク符号化利得は、１．０３に留まり、ネットワーク符号化導入による効果がほぼ失われてしまう。

このように、従来技術では、多重化する信号のフレーム長は、一定であることを前提としており、実際の通信において可変長である信号を扱う場合には、ダミーデータを挿入することでフレーム長を揃えるため、実際の情報量の観点からは、ネットワークコーディング利得が低下してしまうという問題があった。

本発明は、このような事情を考慮してなされたものであり、その目的は、情報フレーム間の情報量の差に起因するネットワーク符号化利得の低下を抑制することができる無線通信システム、及び無線通信方法を提供することにある。

上述した課題を解決するために、本発明は、送受信局と中継局を有し、送信信号をネットワーク符号化して通信を行う無線通信システムにおいて、前記中継局は、受信信号を復調して情報フレームを生成する復調手段と、前記情報フレームを記憶する情報フレーム記憶手段と、前記記憶した２つの情報フレームの排他的論理和を取ることでネットワーク符号化を行うネットワーク符号化手段と、ネットワーク符号化された前記情報フレームを変調して送信する変調手段とを具備し、前記送受信局は、送信すべき信号を情報フレームとして生成する情報フレーム生成手段と、前記情報フレームを記憶する送信バッファ手段と、前記送信バッファ手段に格納されている複数の情報フレームをまとめて１つの集約情報フレームとして生成するフレーム・アグリゲーション手段と、前記集約情報フレームを鍵フレームとして記憶する鍵フレーム記憶手段と、前記集約情報フレームを変調して送信する変調手段と、受信信号を復調してネットワーク符号化された集約情報フレームを生成する復調手段と、前記ネットワーク符号化された集約情報フレームを、前記鍵フレーム記憶手段で記憶している鍵フレームと排他的論理和を取ることでネットワーク復号を行うネットワーク複号手段と、前記ネットワーク復号された複数の情報フレームを受信信号として受信する受信情報復元手段とを具備し、前記中継局は、前記送受信局から送信される集約情報フレームを前記情報フレームとして排他的論理和を取ることを特徴とする無線通信システムである。

本発明は、上記の発明において、前記送受信局のフレーム・アグリゲーション手段は、前記送信バッファ手段に格納されている複数の情報フレームのうち、先頭の情報フレームから、情報フレームの情報量の和が所定の第１の閾値を超えない情報フレームまでを、まとめて１つの集約情報フレームとして生成することを特徴とする。

本発明は、上記の発明において、前記送受信局のフレーム・アグリゲーション手段は、前記送信バッファ手段に格納されている複数の情報フレームのうち、先頭の情報フレームから、情報フレームの情報量の和が所定の第２の閾値を超える情報フレームまでを、まとめて１つの集約情報フレームとして生成することを特徴とする。

本発明は、上記の発明において、前記送受信局のフレーム・アグリゲーション手段は、前記送信バッファ手段に格納されている複数の情報フレームのうち、先頭の情報フレームから予め定められたＮ番目の情報フレームまでを、まとめて１つの集約情報フレームとして生成することを特徴とする。

また、上述した課題を解決するために、本発明は、送受信局と中継局により、送信信号をネットワーク符号化して通信を行う無線通信方法において、前記中継局は、受信信号を復調して情報フレームを生成する復調ステップと、前記情報フレームを記憶する情報フレーム記憶ステップと、前記記憶した２つの情報フレームの排他的論理和を取ることでネットワーク符号化を行うネットワーク符号化ステップと、ネットワーク符号化された前記情報フレームを変調して送信する変調ステップとを含み、前記送受信局は、送信すべき信号を情報フレームとして生成する情報フレーム生成ステップと、前記情報フレームを記憶するバッファリングステップと、前記バッファリングされている複数の情報フレームをまとめて１つの集約情報フレームとして生成するフレーム・アグリゲーションステップと、前記集約情報フレームを鍵フレームとして記憶する鍵フレーム記憶ステップと、前記集約情報フレームを変調して送信する変調ステップと、受信信号を復調してネットワーク符号化された集約情報フレームを生成する復調ステップと、前記ネットワーク符号化された集約情報フレームを、前記鍵フレーム記憶ステップで記憶している鍵フレームと排他的論理和を取ることでネットワーク復号を行うネットワーク複号ステップと、前記ネットワーク復号された複数の情報フレームを受信信号として受信する受信情報復元ステップとを含み、前記中継局は、前記送受信局から送信される集約情報フレームを前記情報フレームとして排他的論理和を取ることを特徴とする。

本発明は、上記の発明において、前記送受信局のフレーム・アグリゲーションステップは、前記バッファリングされている複数の情報フレームのうち、先頭の情報フレームから、情報フレームの情報量の和が所定の第１の閾値を超えない情報フレームまでを、まとめて１つの集約情報フレームとして生成することを特徴とする。

本発明は、上記の発明において、前記送受信局のフレーム・アグリゲーションステップは、前記バッファリングされている複数の情報フレームのうち、先頭の情報フレームから、情報フレームの情報量の和が所定の第２の閾値を超える情報フレームまでを、まとめて１つの集約情報フレームとして生成することを特徴とする。

本発明は、上記の発明において、前記送受信局のフレーム・アグリゲーションステップは、前記送信バッファ手段に格納されている複数の情報フレームのうち、先頭の情報フレームから予め定められたＮ番目の情報フレームまでを、まとめて１つの集約情報フレームとして生成することを特徴とする。

この発明によれば、マルチホップ無線ネットワークに対して、可変長の情報フレームを集約した集約無線フレームを生成し、ネットワーク符号化の対象となる集約無線フレーム間で互いの情報量の差が小さくなるよう制御を行うことにより、ネットワーク符号化利得の低下を抑制することができるという利点が得られる。

以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。

本発明では、可変フレーム長をサポートするマルチホップ無線通信システムにネットワーク符号化技術を適用する場合において、ＮＣ利得の低下の原因となる各発呼局が送信する無線フレーム、すなわちネットワーク符号化の対象となる無線フレーム間の長さの差を減らすために、各発呼局において、複数の情報フレームを１つの無線フレームに集約するフレーム・アグリゲーション技術を適用する。

各発呼局において、フレーム・アグリゲーションを適用した後のフレーム（以後、これを集約情報フレームと呼ぶ）に含まれる情報量を既定の範囲内の長さにする制御を行った上で中継局に送信を行う。これにより、ネットワーク符号化が行われた無線フレームに占める、各発呼局が送信する無線フレーム間の長さの差の割合、すなわちダミーデータの挿入割合を低下させ、ＮＣ利得の低減を抑制し、ネットワーク符号化の効果を維持することが可能となる。

図１は、本発明の実施形態による、Ａｌｉｃｅ＆Ｂｏｂモデル用いた場合の送受信器の構成を示すブロック図である。図において、送受信局５は、情報フレーム生成部５−１、送信バッファ５−２、フレーム・アグリゲーション制御部５−３、フレーム・アグリゲーション部５−４、鍵フレーム記憶部５−５、変調部５−６、ＴＤＤスイッチ５−７、送受信アンテナ５−８、復調部５−９、ネットワーク復号部５−１０、情報フレーム復元部５−１１、受信情報復元部５−１２から構成される。

情報フレーム生成部５−１は、送信情報を情報フレームに変換し、送信バッファ５−２に供給する。送信バッファ５−２は、情報フレーム生成部５−１により変換された情報フレームを格納する。フレーム・アグリゲーション制御部５−３は、送信バッファ５−２に格納されている情報フレームを参照し、フレーム集約の対象となる情報フレームの数ｎを決定し、フレーム・アグリゲーション部５−４を制御する。

フレーム・アグリゲーション部５−４は、フレーム・アグリゲーション制御部５−３の制御の下、送信を行うタイミングにおいて、送信バッファ５−２に格納されている先頭からｎ＿１個目までの情報フレーム（これをａ（１）、ａ（２）、…、ａ（ｎ＿１）とする）を対象として、フレーム集約を行い、集約情報フレームを生成し、鍵フレーム記憶部５−５、及び変調部５−６に供給する。鍵フレーム記憶部５−５は、フレーム・アグリゲーション部５−４で生成された集約情報フレームを格納する。

変調部５−６は、集約情報フレームを無線フレームＡ’に変換し、ＴＤＤスイッチ５−７を介して、送受信アンテナ５−８に供給する。ＴＤＤスイッチ５−７は、時刻Ｔ１において変調部５−６の出力と送受信アンテナ５−８を接続し、時刻Ｔ３においては送受信アンテナ５−８と復調部５−９とを接続する。

送受信アンテナ５−８は、ＴＤＤスイッチ５−７を介して、変調部５−６により変換された無線フレームＡ’を送信するとともに、中継局であるｎｏｄｅ−Ｒからネットワーク符号化された無線フレームＸ’を受信し、ＴＤＤスイッチ５−７を介して、復調部５−９に供給する。復調部５−９は、送受信アンテナ５−８により中継局であるｎｏｄｅ−Ｒから受信した、ネットワーク符号化された無線フレームＸ’を、情報フレームｘ’に復調し、ネットワーク復号部５−１０に供給する。

なお、無線フレームＸ’とは、集約情報フレームａ’と、ｎｏｄｅ−２から送信された集約情報フレームｂ’とをネットワーク符号化することにより生成される情報フレームｘ’を変調したものである。また、集約情報フレームｂ’は、時刻ｎに、ｎｏｄｅ−２において、ｎ＿２個の情報フレームｂ（１）、ｂ（２）、…、ｂ（ｎ＿２）に対して、集約情報フレームａ’と同様にフレーム・アグリゲーションが行われたものである。

ネットワーク復号部５−１０は、ネットワーク符号化された情報フレームｘ’から情報フレームｂ’を取得するために、情報フレームｘ’と、鍵フレーム記憶装置５−５に記憶された情報フレームａ’との排他的論理和を取ることによりネットワーク復号操作を行い、情報フレームｂ’を取得し、情報フレーム復元部５−１１に供給する。情報フレーム復元部５−１１は、情報フレームｂ’からｎ＿２個の情報フレームｂ（１）、ｂ（２）、…、ｂ（ｎ＿２）を生成し、受信情報復元部５−１２に供給する。受信情報復元部５−１２は、ｎ＿２個の情報フレームｂ（１）、ｂ（２）、…、ｂ（ｎ＿２）を受信情報に変換して出力する。

次に、上述した送受信局５がｎｏｄｅ−１（図５参照）である場合について、その動作を説明する。まず、送信情報は、情報フレーム生成部５−１により情報フレームに変換され、送信バッファ５−２に格納される。送信を行うタイミング、すなわち時刻Ｔ１において、フレーム・アグリゲーション部５−４により、送信バッファ５−２に格納されている先頭からｎ＿１個目までの情報フレームａ（１）〜ａ（ｎ＿１）を対象としてフレーム集約が行われ、集約情報フレームが生成される。

フレーム集約の対象となる情報フレームの数ｎは、フレーム・アグリゲーション部５−４を制御するフレーム・アグリゲーション制御部５−３により、送信バッファ５−２に格納されている情報フレームが参照され、決定される。次に、上記集約情報フレームは、鍵フレーム記憶装置５−５に入力され格納されるとともに、変調部５−６により無線フレームＡ’に変換され、送受信アンテナ５−８によりｎｏｄｅ−Ｒに送信される。

次に、時刻Ｔ３において、送受信アンテナ５−８により、中継局であるｎｏｄｅ−Ｒから、ネットワーク符号化された無線フレームＸ’が受信され、復調部５−９により情報フレームｘに復調される。ネットワーク符号化された情報フレームｘ’から情報フレームｂ’を取得するために、ネットワーク復号部５−１０により、情報フレームｘ’と、時刻Ｔ１において鍵フレーム記憶装置５−５に記憶された情報フレームａ’との排他的論理和を取ることによりネットワーク復号操作が行われ、情報フレームｂ’が取得される。情報フレーム復元部５−１１では、情報フレームｂ’からｎ＿２個の情報フレームｂ（１）、ｂ（２）、…、ｂ（ｎ＿２）が生成され、受信情報復元部５−１２により受信情報に変換されて出力される。

なお、中継局の構成例としては、フレーム・アグリゲーションが行われた集約情報フレームを従来技術における中継局の情報フレームと等価に扱う形態が考えられる。

各局においてフレーム・アグリゲーションを適用した後の集約情報フレームを制御する具体的な手法としては、下記（１）〜（３）の方法がある。

（１）各送信局において送信バッファに格納された情報フレームについて、先頭の情報フレームからｎ（ｎ＝１、２、３、…）番目のフレームまでの情報量の和をＣ（ｎ）とする。Ｃ（ｎ）が規定の閾値Ｌ＿ｕｔｈを超えない条件で最大のｎ（＝ｎ＿ｕｔｈ）を選択し、ｎ＿ｕｔｈ個のフレームに対してフレーム・アグリゲーションを行い、無線フレームに変換した上で送信する。中継局においては、従未技術と同様に、各無線フレームを受信するとともにネットワーク符号化を行い、符号化された無線フレームを複数の宛先局へと同報送信する。各宛先局では、受信したネットワーク符号化された無線フレームに対して、鍵フレームとの排他的論理和を導出することにより、もう一方の未知の無線フレームを取得する。

（２）各送信局において送信バッファに格納されたフレームについて、先頭のフレームからｎ（ｎ＝１、２、３、…）番目のフレームまでの情報量の和をＣ（ｎ）とする。Ｃ（ｎ）が規定の閾値Ｌ＿ｏｔｈを超える範囲で最小のｎ（＝ｎ＿ｏｔｈ）を選択し、ｎ＿ｏｔｈ個のフレームに対してフレーム・アグリゲーションを行い、無線フレームに変換した上で送信する。中継局においては、従来技術と同様に、各無線フレームを受信するとともにネットワーク符号化を行い、符号化された無線フレームを複数の宛先局へと同報送信する。各宛先局では、受信したネットワーク符号化された無線フレームに対して、鍵フレームとの排他的論理和を導出することにより、他方の未知の無線フレームを取得する。

（３）各送信局において送信バッファに格納されたフレームについて、先頭のフレームから規定のｎ＿ｔｈ番目のフレームまでを対象としてフレーム・アグリゲーションを行い、無線フレームに変換した上で送信する。中継局においては、従来技術と同様に、各無線フレームを受信するとともにネットワーク符号化を行い、符号化された無線フレームを複数の宛先局へと同報送信する。各宛先局では、受信したネットワーク符号化された無線フレームに対して、鍵フレームとの排他的論理和を導出することにより、他方の未知の無線フレームを取得する。

ここで、図２（ａ）、（ｂ）は、上記（２）の制御方法を用いた場合におけるフレーム・アグリゲーションの一例を示す概念図である。図において、各情報フレームの情報量は、ａ（１）→４００Ｂｙｔｅ、ａ（２）→２００Ｂｙｔｅ、ａ（３）→１２００Ｂｙｔｅ、ｂ（１）→２００Ｂｙｔｅ、ｂ（２）→７００Ｂｙｔｅ、ｂ（３）→４００Ｂｙｔｅである。

まず、前述した従来技術では、フレーム・アグリゲーションを用いない場合、送信バッファに格納されている情報フレームを１つずつ逐次送信を行うため、図２（ａ）に示すように、ネットワーク符号化された情報フレームｘ（ｋ）の情報量は、ｎｏｄｅ−１の送信する情報フレームａ（ｋ）とｎｏｄｅ−２の送信する情報フレームｂ（ｋ）とのうち、フレーム長が長い情報フレームと同一となる。すなわち、ｘ（１）→４００Ｂｙｔｅ、ｘ（２）→７００Ｂｙｔｅ、ｘ（３）→１２００Ｂｙｔｅとなる。したがって、従来技術の場合には、ａ（１）、ａ（２）、ａ（３）、ｂ（１）、ｂ（２）、ｂ（３）全ての無線フレームに対してネットワーク符号化を行って送受信すると、５４００Ｂｙｔｅの情報を送信する必要がある。

―方、本発明の実施形態では、上記（１）の制御方法を用いた場合（なお、Ｌ＿ｕｔｈ＝１９００Ｂｙｔｅとする。ｎｏｄｅ−１のｎ＿ｕｔｈならびにｎｏｄｅ−２のｎ＿ｕｔｈのいずれも３となる）、図２（ｂ）に示すように、集約情報フレームａ’の情報量は１８００Ｂｙｔｅ、集約情報フレームｂ’の情報量は１３００Ｂｙｔｅとなる。集約情報フレームａ’ならびにｂ’に対してネットワーク符号化を行うと、処理後のネットワーク符号化された集約情報フレームｘ’の長さは、集約情報フレームａ’とｂ’のうちの情報量の多いものと同一となるため、１８００Ｂｙｔｅとなる。したがって、本発明の実施形態の場合、ａ（１）、ａ（２）、ａ（３）、ｂ（１）、ｂ（２）、ｂ（３）全ての無線フレームに対してネットワーク符号化を行って送受信するために必要な送信情報量は４９００Ｂｙｔｅに留まり、従来技術に比べ、ｎｏｄｅ−Ｒが送信する情報量を５００Ｂｙｔｅ削減することが可能となる。

上述した実施形態によれば、ネットワーク符号化を用いたマルチホップ無線ネットワークにおいて、無線フレームをそのまま送信するのではなく、送信局において、送信バッファにある複数の信号を集約（アグリゲーション）することでフレーム長を一定として送信し、中継局において、アグリゲーション後のフレーム同士で排他的論理和を取ることより、可変長の信号を扱う場合であってもネットワークコーディング利得の低下を抑制することができるという効果が得られる。

なお、上述した実施形態において、情報フレーム生成部５−１、フレーム・アグリゲーション制御部５−３、フレーム・アグリゲーション部５−４、変調部５−６復調部５−９、ネットワーク復号部５−１０、情報フレーム復元部５−１１、受信情報復元部５−１２などの機能を実現するためのプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行することにより、符号化処理、及び復号化処理を行ってもよい。なお、ここでいう「コンピュータシステム」とは、ＯＳや周辺機器等のハードウェアを含むものであってもよい。また、「コンピュータシステム」は、ＷＷＷシステムを利用している場合であれば、ホームページ提供環境（あるいは表示環境）も含むものとする。また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ、フラッシュメモリ等の書き込み可能な不揮発性メモリ、ＣＤ−ＲＯＭ等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。

さらに「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線を介してプログラムが送信された場合のサーバやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリ（例えばＤＲＡＭ（Dynamic Random Access Memory））のように、一定時間プログラムを保持しているものも含むものとする。また、上記プログラムは、このプログラムを記憶装置等に格納したコンピュータシステムから、伝送媒体を介して、あるいは、伝送媒体中の伝送波により他のコンピュータシステムに伝送されてもよい。ここで、プログラムを伝送する「伝送媒体」は、インターネット等のネットワーク（通信網）や電話回線等の通信回線（通信線）のように情報を伝送する機能を有する媒体のことをいう。また、上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであっても良い。さらに、前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるもの、いわゆる差分ファイル（差分プログラム）であっても良い。

本発明の実施形態による、Ａｌｉｃｅ＆Ｂｏｂモデル用いた場合の送受信器の構成を示すブロック図である。 本発明の実施形態の効果の一例を示す概念図である。 無線マルチホップトポロジ（Ａｌｉｃｅ＆Ｂｏｂトポロジ）を説明するためのノード構成を示す概念図である。 Ａｌｉｃｅ＆Ｂｏｂトポロジにおいて、ネットワーク符号化を用いない場合の通信手順を示す概念図である。 Ａｌｉｃｅ＆Ｂｏｂトポロジにおいて、ネットワーク符号化を用いた場合の通信手順を示す概念図である。 従来技術による、Ａｌｉｃｅ＆Ｂｏｂトポロジでの送受信局（ｎｏｄｅ−１、２）の構成例を示すブロック図である。 従来技術による中継局（ｎｏｄｅ−Ｒ）の構成例を示すブロック図である。 無線マルチホップトポロジ（Ｘトポロジ）を説明するためのノード構成を示す概念図である。 Ｘトポロジにおいて、ネットワーク符号化を用いない場合の通信手順を示す概念図である。 Ｘトポロジにおいて、ネットワーク符号化を用いた場合の通信手順を示す概念図である。 従来技術による、Ｘトポロジでの送信局の構成例を示すブロック図である。 従来技術による、Ｘトポロジでの受信局の構成例を示すブロック図である。 情報フレームａに含まれる情報量をＬ＿ａ、情報フレームｂに含まれる情報量をＬ＿ｂとし、Ｌ＿ａとＬ＿ｂの差（Ｌ＿ｄｉｆｆとする）とＮＣ利得との関係を示す概念図である。

符号の説明

５ 送受信局
５−１ 情報フレーム生成部
５−２ 送信バッファ
５−３ フレーム・アグリゲーション制御部
５−４ フレーム・アグリゲーション部
５−５ 鍵フレーム記憶部
５−６ 変調部
５−７ ＴＤＤスイッチ
５−８ 送受信アンテナ
５−９ 復調部
５−１０ ネットワーク復号部
５−１１ 情報フレーム復元部
５−１２ 受信情報復元部

Claims (8)

1. 送受信局と中継局を有し、送信信号をネットワーク符号化して通信を行う無線通信システムにおいて、
   前記中継局は、
   受信信号を復調して情報フレームを生成する復調手段と、
   前記情報フレームを記憶する情報フレーム記憶手段と、
   前記記憶した２つの情報フレームの排他的論理和を取ることでネットワーク符号化を行うネットワーク符号化手段と、
   ネットワーク符号化された前記情報フレームを変調して送信する変調手段と
   を具備し、
   前記送受信局は、
   送信すべき信号を情報フレームとして生成する情報フレーム生成手段と、
   前記情報フレームを記憶する送信バッファ手段と、
   前記送信バッファ手段に格納されている複数の情報フレームをまとめて１つの集約情報フレームとして生成するフレーム・アグリゲーション手段と、
   前記集約情報フレームを鍵フレームとして記憶する鍵フレーム記憶手段と、
   前記集約情報フレームを変調して送信する変調手段と、
   受信信号を復調してネットワーク符号化された集約情報フレームを生成する復調手段と、
   前記ネットワーク符号化された集約情報フレームを、前記鍵フレーム記憶手段で記憶している鍵フレームと排他的論理和を取ることでネットワーク復号を行うネットワーク複号手段と、
   前記ネットワーク復号された複数の情報フレームを受信信号として受信する受信情報復元手段と
   を具備し、
   前記中継局は、前記送受信局から送信される集約情報フレームを前記情報フレームとして排他的論理和を取る
   ことを特徴とする無線通信システム。
2. 前記送受信局のフレーム・アグリゲーション手段は、
   前記送信バッファ手段に格納されている複数の情報フレームのうち、先頭の情報フレームから、情報フレームの情報量の和が所定の第１の閾値を超えない情報フレームまでを、まとめて１つの集約情報フレームとして生成すること
   を特徴とする請求項１記載の無線通信システム。
3. 前記送受信局のフレーム・アグリゲーション手段は、
   前記送信バッファ手段に格納されている複数の情報フレームのうち、先頭の情報フレームから、情報フレームの情報量の和が所定の第２の閾値を超える情報フレームまでを、まとめて１つの集約情報フレームとして生成すること
   を特徴とする請求項１記載の無線通信システム。
4. 前記送受信局のフレーム・アグリゲーション手段は、
   前記送信バッファ手段に格納されている複数の情報フレームのうち、先頭の情報フレームから予め定められたＮ番目の情報フレームまでを、まとめて１つの集約情報フレームとして生成すること
   を特徴とする請求項１記載の無線通信システム。
5. 送受信局と中継局により、送信信号をネットワーク符号化して通信を行う無線通信方法において、
   前記中継局は、
   受信信号を復調して情報フレームを生成する復調ステップと、
   前記情報フレームを記憶する情報フレーム記憶ステップと、
   前記記憶した２つの情報フレームの排他的論理和を取ることでネットワーク符号化を行うネットワーク符号化ステップと、
   ネットワーク符号化された前記情報フレームを変調して送信する変調ステップと
   を含み、
   前記送受信局は、
   送信すべき信号を情報フレームとして生成する情報フレーム生成ステップと、
   前記情報フレームを記憶するバッファリングステップと、
   前記バッファリングされている複数の情報フレームをまとめて１つの集約情報フレームとして生成するフレーム・アグリゲーションステップと、
   前記集約情報フレームを鍵フレームとして記憶する鍵フレーム記憶ステップと、
   前記集約情報フレームを変調して送信する変調ステップと、
   受信信号を復調してネットワーク符号化された集約情報フレームを生成する復調ステップと、
   前記ネットワーク符号化された集約情報フレームを、前記鍵フレーム記憶ステップで記憶している鍵フレームと排他的論理和を取ることでネットワーク復号を行うネットワーク複号ステップと、
   前記ネットワーク復号された複数の情報フレームを受信信号として受信する受信情報復元ステップと
   を含み、
   前記中継局は、前記送受信局から送信される集約情報フレームを前記情報フレームとして排他的論理和を取る
   ことを特徴とする無線通信方法。
6. 前記送受信局のフレーム・アグリゲーションステップは、
   前記バッファリングされている複数の情報フレームのうち、先頭の情報フレームから、情報フレームの情報量の和が所定の第１の閾値を超えない情報フレームまでを、まとめて１つの集約情報フレームとして生成すること
   を特徴とする請求項５記載の無線通信方法。
7. 前記送受信局のフレーム・アグリゲーションステップは、
   前記バッファリングされている複数の情報フレームのうち、先頭の情報フレームから、情報フレームの情報量の和が所定の第２の閾値を超える情報フレームまでを、まとめて１つの集約情報フレームとして生成すること
   を特徴とする請求項５記載の無線通信方法。
8. 前記送受信局のフレーム・アグリゲーションステップは、
   前記送信バッファ手段に格納されている複数の情報フレームのうち、先頭の情報フレームから予め定められたＮ番目の情報フレームまでを、まとめて１つの集約情報フレームとして生成すること
   を特徴とする請求項５記載の無線通信方法。

Images