JP2013229681A - 中継装置及び中継方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ネットワークコーディングを用いた通信においてスループットの低下を軽減すること。
【解決手段】第一装置から受信した第二装置宛の信号と、第二装置から受信した第一装置宛の信号と、をネットワークコーディングによって符号化し、符号化された信号を第一装置及び第二装置に送信することによって中継処理を行う。受信された信号が送信元によって受信応答の送信が求められている信号（例えばＴＣＰパケット）である場合、信号の送信先から受信応答を受信する前に、送信元に受信応答を送信する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ネットワークコーディング技術に関する。

ネットワークコーディング技術（Network Cording）を用いたマルチホップネットワークが提案されている（特許文献１参照）。ネットワークコーディング技術は、複数の異なる宛先局へのパケットを中継局が符号化することにより１つにまとめ、複数の宛先局へ同時にブロードキャストすることにより無線資源を節約し、システムスループットを向上させる技術である。
図７は、ネットワークコーディング技術を用いてＴＣＰ（Transmission Control Protocol）に基づいた通信を行った場合の動作の具体例を示す図である。基地局装置ＡＰは端末局装置ＳＴＡ宛のＴＣＰセッションを１つ（ＴＣＰセッションＡ）持ち、端末局装置ＳＴＡは基地局装置ＡＰ宛のＴＣＰセッションを２つ（ＴＣＰセッションＢ及びＤ）持つ。基地局装置ＡＰは、端末局装置ＳＴＡ宛のＴＣＰセッションＡのデータパケット９０１を中継局装置Ｒへ送信する。中継局装置Ｒは、基地局装置ＡＰからデータパケット９０１を受信すると、タイマーをスタートし、ネットワークコーディング技術を用いてデータパケット９０１と共に送信できるパケットの受信まで待機する。

端末局装置ＳＴＡは、基地局装置ＡＰ宛のＴＣＰセッションＢのデータパケット９０２を中継局装置Ｒへ送信する。中継局装置Ｒは、タイマーがタイムアウトする前に、端末局装置ＳＴＡからデータパケット９０２を受信する。データパケット９０２は、先に受信したデータパケット９０１と共にネットワークコーディング技術を用いて送信可能なデータである。そのため、中継局装置Ｒは、データパケット９０１及びデータパケット９０２を用いて符号化処理を実行し、符号化パケット９０３を生成する。そして、中継局装置Ｒは、生成した符号化パケット９０３を、基地局装置ＡＰ及び端末局装置ＳＴＡに対して送信する。

端末局装置ＳＴＡは、中継局装置Ｒから受信した符号化パケット９０３と、自身が先に送信したデータパケット９０２と、に基づいて復号化処理を行い、基地局装置ＡＰから送信されたデータパケット９０１を復元する。端末局装置ＳＴＡは、データパケット９０１に対応するＡＣＫパケット９０４を中継局装置Ｒに送信する。また、端末局装置ＳＴＡは、基地局装置ＡＰ宛のＴＣＰセッションＤのデータパケット９０５を中継局装置Ｒへ送信する。

中継局装置Ｒは、端末局装置ＳＴＡからＡＣＫパケット９０４を受信すると、タイマーをスタートし、ネットワークコーディング技術を用いてＡＣＫパケット９０４と共に送信できるパケットの受信まで待機する。中継局装置Ｒは、ＡＣＫパケット９０４を受信した後にデータパケット９０５を受信する。ただし、データパケット９０５は、ＡＣＫパケット９０４と共にネットワークコーディング技術を用いて送信できるパケットではない。そのため、中継局装置Ｒは待機を続ける。

基地局装置ＡＰは、中継局装置Ｒから受信した符号化パケット９０３と、自身が先に送信したデータパケット９０１と、に基づいて復号化処理を行い、端末局装置ＳＴＡから送信されたデータパケット９０２を復元する。基地局装置ＡＰは、データパケット９０２に対応するＡＣＫパケット９０６を中継局装置Ｒに送信する。

中継局装置Ｒは、基地局装置ＡＰからＡＣＫパケット９０６を受信する。ＡＣＫパケット９０６は、ＡＣＫパケット９０４と共にネットワークコーディング技術を用いて送信できるパケットである。そのため、中継局装置Ｒは、ＡＣＫパケット９０４及びＡＣＫパケット９０６を用いて符号化処理を実行し、符号化パケット９０７を生成する。そして、中継局装置Ｒは、生成した符号化パケット９０７を、基地局装置ＡＰ及び端末局装置ＳＴＡに対して送信する。

端末局装置ＳＴＡは、中継局装置Ｒから受信した符号化パケット９０７と、自身が先に送信したＡＣＫパケット９０４と、に基づいて復号化処理を行い、基地局装置ＡＰから送信されたＡＣＫパケット９０６を復元する。
基地局装置ＡＰは、中継局装置Ｒから受信した符号化パケット９０７と、自身が先に送信したＡＣＫパケット９０６と、に基づいて復号化処理を行い、端末局装置ＳＴＡから送信されたＡＣＫパケット９０４を復元する。基地局装置ＡＰは、ＡＣＫパケット９０４を受信したことによって、先に送信したデータパケット９０１が端末局装置ＳＴＡによって無事に受信されたと判断する。そのため、基地局装置ＡＰは、ＴＣＰセッションＡの次のデータパケット９０８を中継局装置Ｒに送信する。

中継局装置Ｒは、基地局装置ＡＰからデータパケット９０８を受信する。データパケット９０８は、先に受信しているデータパケット９０５と共にネットワークコーディング技術を用いて送信できるパケットである。そのため、中継局装置Ｒは、データパケット９０５及びデータパケット９０８を用いて符号化処理を実行し、符号化パケット９０９を生成する。そして、中継局装置Ｒは、生成した符号化パケット９０９を、基地局装置ＡＰ及び端末局装置ＳＴＡに対して送信する。以上が、図６に示される処理の流れである。

上述した処理では、ＲＴＴ（Round Trip Time）が長くなってしまうという問題がある。例えば、基地局装置ＡＰが送信したデータパケット９０１は、ネットワークコーディング技術を用いて送信できるパケット（データパケット９０２）が受信されるまで、中継局装置Ｒによって保持される。また、データパケット９０１に対するＡＣＫパケット９０４は、端末局装置ＳＴＡから送信された後、ネットワークコーディング技術を用いて送信できるパケット（ＡＣＫパケット９０６）が受信されるまで、中継局装置Ｒによって保持される。そのため、データパケット９０１が送信された時刻（Ｔｓ９）から、ＡＣＫパケット９０４が受信される時刻（Ｔｅ９）までの時間は、ネットワークコーディング技術を用いない場合に比べて長くなってしまうおそれがある。送信元と送信先との間のＲＴＴが大きくなるとＴＣＰのスループットが低下する。そのため、たとえデータリンク層及びＩＰ層で発揮できる最大スループットがネットワークコーディング技術の適用により改善されたとしても、実効的なＴＣＰスループットは逆に劣化してしまう問題がある。

また、ＴＣＰを用いたマルチホップネットワークに関連する技術の一つとして、非特許文献１に開示された技術がある。非特許文献１に記載の発明は、ＴＣＰを中継局装置で終端する技術である。

特開２０１０−１４１６０５号公報

非特許文献１：高速移動通信向けワイヤレスTCPの開発、NTT DoCoMo テクニカルジャーナル Vol.14, No.4.

しかしながら、非特許文献１に記載された発明には以下のような問題がある。例えば、基地局装置ＡＰが送信したデータパケット９０１と、端末局装置ＳＴＡが送信したデータパケット９０２とを中継局装置Ｒがネットワークコーディングし、符号化パケット９０３を基地局装置ＡＰ及び端末局装置ＳＴＡにブロードキャストした場合について説明する。基地局装置ＡＰは、端末局装置ＳＴＡから送信されたデータパケット９０２を復元するため、自身が送信したデータパケット９０１を用い、中継局装置Ｒから受信した符号化パケット９０３を復号する。端末局装置ＳＴＡも同様である。復号化するためには、過去に自装置が送信したパケットのうち、いずれのパケットが符号化パケット９０３内に含まれているか推定する必要がある。

中継局装置Ｒが中継する符号化パケットに含まれるデータパケットと、過去に基地局装置ＡＰが送信したデータパケットが同一セッションのパケットであれば、ヘッダのシーケンス番号などに基づいて推定することが可能である。しかしながら、非特許文献１に開示された技術のように中継局装置ＲでＴＣＰを終端してしまうと以下のような問題が生じる。この場合、中継局装置Ｒが中継する符号化パケットに含まれているデータパケットと、過去に基地局装置ＡＰが送信したデータパケットとは、ペイロードは同じであるがＴＣＰセッションが異なるためＴＣＰヘッダが異なってしまう。そのため、ＴＣＰヘッダに基づいて符号化パケットに含まれるデータパケットを推定することができない。したがって、ネットワークコーディングによって符号化された符号化パケットを復号化することが困難となってしまう。このように、非特許文献１に開示された技術は、ネットワークコーディングに適用することができない。

上記事情に鑑み、本発明は、ネットワークコーディングを用いた通信においてＴＣＰスループットを改善する技術の提供を目的としている。

本発明の一態様は、第一装置から受信した第二装置宛の信号（例えば、実施形態における「ＴＣＰパケット」及び「ＡＣＫパケット」）と、前記第二装置から受信した前記第一装置宛の信号（例えば、実施形態における「ＴＣＰパケット」及び「ＡＣＫパケット」）と、をネットワークコーディングによって符号化する符号化部と、前記符号化部によって符号化された信号（例えば、実施形態における「符号化パケット」）を前記第一装置及び前記第二装置に送信する中継部と、を備え、前記中継部は、受信された信号が送信元によって受信応答（例えば、実施形態における「ＡＣＫパケット」）の送信が求められている信号（例えば、実施形態における「ＴＣＰパケット」）である場合に、前記信号の送信先から前記受信応答を受信する前に、前記送信元に前記受信応答を送信する、中継装置である。

本発明の一態様は、上記の中継装置であって、前記符号化部は、前記第一装置及び前記第二装置が、前記符号化された信号を復号化する際に必要となる情報（例えば、実施形態における「ＮＣヘッダ情報」）を、符号化することなく前記符号化された信号に付与する。

本発明の一態様は、上記の中継装置であって、前記受信応答と前記信号とを結合する結合部をさらに備え、前記符号化部は、前記結合部によって結合された信号がある場合、前記結合された信号をネットワークコーディングによって符号化する。

本発明の一態様は、第一装置から受信した第二装置宛の信号と、前記第二装置から受信した前記第一装置宛の信号と、をネットワークコーディングによって符号化する符号化ステップと、前記符号化ステップによって符号化された信号を前記第一装置及び前記第二装置に送信する中継ステップと、を有し、前記中継ステップにおいて、受信された信号が送信元によって受信応答の送信が求められている信号である場合に、前記信号の送信先から前記受信応答を受信する前に、前記送信元に前記受信応答を送信する、中継方法である。

本発明により、ネットワークコーディングを用いた通信においてＴＣＰスループットを改善することが可能となる。

本発明の中継局装置２００を含む通信システムにおけるネットワークコーディング処理の流れの例を示す図である。 中継局装置２００の機能構成を表す概略ブロック図である。 中継局装置２００の中継処理の流れを示すフローチャートである。 符号化パケットの構成例を示す図である。 符号化パケットの構成例を示す図である。 符号化パケットの構成例を示す図である． ネットワークコーディング技術を用いてＴＣＰに基づいた通信を行った場合の動作の具体例を示す図である。

［概略］
図１は、本発明の中継局装置（Ｒ）２００を含む通信システムにおけるネットワークコーディング処理の流れの例を示す図である。中継局装置２００は、基地局装置（ＡＰ）と端末局装置（ＳＴＡ）との間の無線通信を中継する。中継局装置２００は、ネットワークコーディング技術を用いて中継処理を行う。基地局装置は、ＴＣＰのセッション数が２つであり、Ａセッション及びＣセッションの通信を行う。端末局装置は、ＴＣＰのセッション数が２つであり、Ｂセッション及びＤセッションの通信を行う。中継局装置２００は、基地局装置又は端末局装置からＴＣＰパケットを受信すると、ＴＣＰパケットの宛先からＡＣＫパケットを受信していなくとも、ＴＣＰパケットの送信元に対しＡＣＫパケットを送信する。その際、中継局装置は、ＴＣＰパケットとＡＣＫパケットとをネットワークコーディング技術により符号化し、生成した符号化パケットを送信元と宛先にブロードキャストする。そのため、ＴＣＰパケットの送信元におけるＲＴＴが短くなり、ＴＣＰのスループットを改善することが可能となる。また、ネットワークコーディングによる無線資源の効率的活用により、ＭＡＣ層・ＩＰ層で達成可能な最大システムスループットの向上が可能となる。

［詳細］
以下、図１を用いて本発明の中継局装置２００を含む通信システムの処理の流れについて説明する。まず、基地局装置が、端末局装置宛のデータパケット１０１を中継局装置２００へ送信する。データパケット１０１は、ＴＣＰパケットであり、セッションＡのパケットである。中継局装置２００は、基地局装置からデータパケット１０１を受信すると、受信したデータパケット１０１を受信バッファに記憶する。中継局装置２００は、ネットワークコーディング技術を用いてデータパケット１０１と共に送信できるパケットが既に受信バッファに存在するか否か判定する。この時点ではそのようなパケットが受信バッファに存在しない。そのため、中継局装置２００は、ＡＣＫタイマーをスタートして待機する。

次に、端末局装置が、基地局装置宛のデータパケット１０２を中継局装置２００へ送信する。データパケット１０２は、ＴＣＰパケットであり、セッションＢのパケットである。中継局装置２００は、データパケット１０１のＡＣＫタイマーがタイムアウトする前に、端末局装置からデータパケット１０２を受信する。データパケット１０２は、先に受信したデータパケット１０１と共にネットワークコーディング技術を用いて送信可能なデータである。そのため、中継局装置２００は、ネットワークコーディング技術を用いた中継処理を実行する。中継処理の内容は以下の通りである。

まず、中継局装置２００は、データパケット１０１に対するＡＣＫパケット（ＡＣＫ−Ａ１）と、データパケット１０２に対するＡＣＫパケット（ＡＣＫ−Ｂ１）とを生成する。次に、中継局装置２００は、基地局装置に対して送信される複数のパケット（データパケット１０２及びＡＣＫ−Ａ１）に対し、アグリゲーションを行う。中継局装置２００は、端末局装置に対して送信される複数のパケット（データパケット１０１及びＡＣＫ−Ｂ１）に対しても、アグリゲーションを行う。

中継装置２００は、アグリゲーションによって生成された二つのパケットに対して符号化処理を実行し、符号化パケット１０３を生成する。そして、中継局装置２００は、生成した符号化パケット１０３を、基地局装置及び端末局装置に対して送信する。符号化パケット１０３の送信によって、データパケット１０１に対するＡＣＫパケット（ＡＣＫ−Ａ１）は送信されたこととなる。そのため、中継局装置２００は、動作させていたＡＣＫタイマーをリセットする。

中継装置２００は、符号化パケット１０３に含まれているパケットを識別するための情報（以下、「ＮＣヘッダ情報」という。）を、符号化パケット１０３のヘッダに記録する。基地局装置及び端末局装置は、ＮＣヘッダ情報を参照することによって、符号化パケット１０３に含まれている各パケットを識別することができる。
端末局装置は、中継局装置２００から符号化パケット１０３を受信すると、符号化パケット１０３のヘッダに含まれているＮＣヘッダ情報に基づいて、符号化パケット１０３に含まれているパケットを判定する。端末局装置は、符号化パケット１０３に、自身が先に送信したデータパケット１０２と、データパケット１０１（ＴＣＰ−Ａ１）に対して自身が送信すべきＡＣＫパケット（ＡＣＫ−Ａ１）とが含まれていると判定する。この判定に応じて、端末局装置は、データパケット１０１に対して送信するＡＣＫパケット（ＡＣＫ−Ａ１）を生成する。

端末局装置は、生成したＡＣＫパケット（ＡＣＫ−Ａ１）及びデータパケット１０２に対してアグリゲーションを行う。端末局装置は、アグリゲーションによって生成されたパケット及び符号化パケット１０３に基づいて復号化処理を行い、基地局装置から送信されたデータパケット１０１と、自身が先に送信したデータパケット１０２に対するＡＣＫパケット（ＡＣＫ−Ｂ１）とがアグリゲーションされたパケットを取得する。端末局装置は、取得したパケットに対してアグリゲーションを解除し、データパケット１０１及びＡＣＫパケット（ＡＣＫ−Ｂ１）を復元する。端末局装置のＴＣＰセッションＢは、自身が先に送信したデータパケット１０２に対するＡＣＫパケット（ＡＣＫ−Ｂ１）を受信したことによって、データパケット１０２が宛先（基地局装置）に到達したと判定する。

また、端末局装置は、データパケット１０１を受信したことに応じて、データパケット１０１に対応するＡＣＫパケット１０４を中継局装置２００に送信する。中継局装置２００は、端末局装置からＡＣＫパケット１０４を受信すると、その内容に基づいて、過去に自身が既に送信したＡＣＫパケットであるか否か判定する。この場合、ＡＣＫパケット１０４は、符号化パケット１０３に含まれているＡＣＫパケット（ＡＣＫ−Ａ１）と同じ内容のＡＣＫパケットである。そのため、中継局装置２００は、受信したＡＣＫパケット１０４を中継せずに廃棄する。

また、端末局装置は、基地局装置宛のデータパケット１０５を中継局装置２００へ送信する。データパケット１０５は、ＴＣＰパケットであり、セッションＤのパケットである。中継局装置２００は、基地局装置からデータパケット１０５を受信すると、受信したデータパケット１０５を受信バッファに記憶する。中継局装置２００は、ネットワークコーディング技術を用いてデータパケット１０５と共に送信できるパケットが既に受信バッファに存在するか否か判定する。この時点ではそのようなパケットが受信バッファに存在しない。そのため、中継局装置２００は、ＡＣＫタイマーをスタートして待機する。

基地局装置は、中継局装置２００から符号化パケット１０３を受信すると、符号化パケット１０３のヘッダに含まれているＮＣヘッダ情報に基づいて、符号化パケット１０３に含まれているパケットを判定する。基地局装置は、符号化パケット１０３に、自身が先に送信したデータパケット１０１と、データパケット１０２（ＴＣＰ−Ｂ１）に対して自身が送信すべきＡＣＫパケット（ＡＣＫ−Ｂ１）とが含まれていると判定する。この判定に応じて、基地局装置は、データパケット１０２に対して送信するＡＣＫパケット（ＡＣＫ−Ｂ１）を生成する。

基地局装置は、生成したＡＣＫパケット（ＡＣＫ−Ｂ１）及びデータパケット１０１に対してアグリゲーションを行う。基地局装置は、アグリゲーションによって生成されたパケット及び符号化パケット１０３に基づいて復号化処理を行い、端末局装置から送信されたデータパケット１０２と、自身が先に送信したデータパケット１０１に対するＡＣＫパケット（ＡＣＫ−Ａ１）とがアグリゲーションされたパケットを取得する。基地局装置は、取得したパケットに対してアグリゲーションを解除し、データパケット１０２及びＡＣＫパケット（ＡＣＫ−Ａ１）を復元する。基地局装置のＴＣＰセッションＡは、自身が先に送信したデータパケット１０１に対するＡＣＫパケット（ＡＣＫ−Ａ１）を受信したことによって、データパケット１０１が宛先（端末局装置）に到達したと判定する。

また、基地局装置は、データパケット１０２を受信したことに応じて、データパケット１０２に対応するＡＣＫパケット１０６を中継局装置２００に送信する。中継局装置２００は、基地局装置からＡＣＫパケット１０６を受信すると、その内容に基づいて、過去に自身が既に送信したＡＣＫパケットであるか否か判定する。この場合、ＡＣＫパケット１０６は、符号化パケット１０３に含まれているＡＣＫパケット（ＡＣＫ−Ｂ１）と同じ内容のＡＣＫパケットである。そのため、中継局装置２００は、受信したＡＣＫパケット１０６を中継せずに廃棄する。
また、基地局装置は、端末局装置宛のデータパケット１０７を中継局装置２００へ送信する。データパケット１０７は、ＴＣＰパケットであり、セッションＡの２番目のパケットである。

中継局装置２００は、ＡＣＫタイマーがタイムアウトする前に、基地局装置からデータパケット１０７を受信する。データパケット１０７は、先に受信したデータパケット１０５と共にネットワークコーディング技術を用いて送信可能なデータである。そのため、中継局装置２００は、中継処理を実行する。中継処理の内容は以下の通りである。
まず、中継局装置２００は、データパケット１０５に対するＡＣＫパケット（ＡＣＫ−Ｄ１）と、データパケット１０７に対するＡＣＫパケット（ＡＣＫ−Ａ２）とを生成する。次に、中継局装置２００は、基地局装置に対して送信される複数のパケット（データパケット１０５及びＡＣＫ−Ａ２）に対し、アグリゲーションを行う。中継局装置２００は、端末局装置に対して送信される複数のパケット（データパケット１０７及びＡＣＫ−Ｄ１）に対しても、アグリゲーションを行う。

中継装置２００は、アグリゲーションによって生成された二つのパケットに対して符号化処理を実行し、符号化パケット１０８を生成する。そして、中継局装置２００は、生成した符号化パケット１０８を、基地局装置及び端末局装置に対して送信する。符号化パケット１０８の送信によって、データパケット１０５に対するＡＣＫパケット（ＡＣＫ−Ｄ１）は送信されたこととなる。そのため、中継局装置２００は、動作させていたＡＣＫタイマーをリセットする。

端末局装置は、中継局装置２００から符号化パケット１０８を受信すると、符号化パケット１０８のヘッダに含まれているＮＣヘッダ情報に基づいて、符号化パケット１０８に含まれているパケットを判定する。端末局装置は、符号化パケット１０８に、自身が先に送信したデータパケット１０５と、データパケット１０７（ＴＣＰ−Ａ２）に対して自身が送信すべきＡＣＫパケット（ＡＣＫ−Ａ２）とが含まれていると判定する。この判定に応じて、端末局装置は、データパケット１０７に対して送信するＡＣＫパケット（ＡＣＫ−Ａ２）を生成する。

端末局装置は、生成したＡＣＫパケット（ＡＣＫ−Ａ２）及びデータパケット１０５に対してアグリゲーションを行う。端末局装置は、アグリゲーションによって生成されたパケット及び符号化パケット１０８に基づいて復号化処理を行い、基地局装置から送信されたデータパケット１０７と、自身が先に送信したデータパケット１０５に対するＡＣＫパケット（ＡＣＫ−Ｄ１）とがアグリゲーションされたパケットを取得する。端末局装置は、取得したパケットに対してアグリゲーションを解除し、データパケット１０７及びＡＣＫパケット（ＡＣＫ−Ｄ１）を復元する。端末局装置のＴＣＰセッションＤは、自身が先に送信したデータパケット１０５に対するＡＣＫパケット（ＡＣＫ−Ｄ１）を受信したことによって、データパケット１０５が宛先（基地局装置）に到達したと判定する。

また、端末局装置は、データパケット１０７を受信したことに応じて、データパケット１０７に対応するＡＣＫパケット１０９を中継局装置２００に送信する。中継局装置２００は、端末局装置からＡＣＫパケットを受信すると、その内容に基づいて、過去に自身が既に送信したＡＣＫパケットであるか否か判定する。この場合、受信されたＡＣＫパケットは、符号化パケット１０８に含まれているＡＣＫパケット（ＡＣＫ−Ａ２）と同じ内容のＡＣＫパケットである。そのため、中継局装置２００は、受信したＡＣＫパケット１０９を中継せずに廃棄する。

基地局装置は、中継局装置２００から符号化パケット１０８を受信すると、符号化パケット１０８のヘッダに含まれているＮＣヘッダ情報に基づいて、符号化パケット１０８に含まれているパケットを判定する。基地局装置は、符号化パケット１０８に、自身が先に送信したデータパケット１０７と、データパケット１０５（ＴＣＰ−Ｄ１）に対して自身が送信すべきＡＣＫパケット（ＡＣＫ−Ｄ１）とが含まれていると判定する。この判定に応じて、基地局装置は、データパケット１０５に対して送信するＡＣＫパケット（ＡＣＫ−Ｄ１）を生成する。

基地局装置は、生成したＡＣＫパケット（ＡＣＫ−Ｄ１）及びデータパケット１０７に対してアグリゲーションを行う。基地局装置は、アグリゲーションによって生成されたパケット及び符号化パケット１０８に基づいて復号化処理を行い、端末局装置から送信されたデータパケット１０５と、自身が先に送信したデータパケット１０７に対するＡＣＫパケット（ＡＣＫ−Ａ２）とがアグリゲーションされたパケットを取得する。基地局装置は、取得したパケットに対してアグリゲーションを解除し、データパケット１０５及びＡＣＫパケット（ＡＣＫ−Ａ２）を復元する。基地局装置のＴＣＰセッションＡは、自身が先に送信したデータパケット１０７に対するＡＣＫパケット（ＡＣＫ−Ａ２）を受信したことによって、データパケット１０７が宛先（端末局装置）に到達したと判定する。

また、基地局装置が、端末局装置宛のデータパケット１１０を中継局装置２００へ送信する。データパケット１１０は、ＴＣＰパケットであり、セッションＣのパケットである。中継局装置２００は、基地局装置からデータパケット１１０を受信すると、受信したデータパケット１１０を受信バッファに記憶する。中継局装置２００は、ネットワークコーディング技術を用いてデータパケット１１０と共に送信できるパケットが既に受信バッファに存在するか否か判定する。この時点ではそのようなパケットが受信バッファに存在しない。そのため、中継局装置２００は、ＡＣＫタイマーをスタートして待機する。

次に、基地局装置は、データパケット１０５を受信したことに応じて、データパケット１０５に対応するＡＣＫパケット１１１を中継局装置２００に送信する。中継局装置２００は、基地局装置からＡＣＫパケット１１１を受信すると、その内容に基づいて、過去に自身が既に送信したＡＣＫパケットであるか否か判定する。この場合、受信されたＡＣＫパケットは、符号化パケット１０８に含まれているＡＣＫパケット（ＡＣＫ−Ｄ１）と同じ内容のＡＣＫパケットである。そのため、中継局装置２００は、受信したＡＣＫパケット１１１を中継せずに廃棄する。

その後、ＡＣＫタイマーがタイムアウトすると、中継局装置２００は、タイムアウトしたＡＣＫタイマーに関するデータパケット１１０に対するＡＣＫパケット（ＡＣＫ−Ｃ１）を生成する。次に、中継局装置２００は、生成されたＡＣＫパケット（ＡＣＫ−Ｃ１）及びデータパケット１１０に対して符号化処理を実行し、符号化パケット１１２を生成する。そして、中継局装置２００は、生成した符号化パケット１１２を、基地局装置及び端末局装置に対して送信する。

端末局装置は、中継局装置２００から符号化パケット１１２を受信すると、符号化パケット１１２のヘッダに含まれているＮＣヘッダ情報に基づいて、符号化パケット１１２に含まれているパケットを判定する。端末局装置は、符号化パケット１１２に、データパケット１１０（ＴＣＰ−Ｃ１）に対して自身が送信すべきＡＣＫパケット（ＡＣＫ−Ｃ１）が含まれていると判定する。端末局装置は、ＡＣＫパケット（ＡＣＫ−Ｃ１）を生成し、生成したＡＣＫパケット及び符号化パケット１１０に基づいて復号化処理を行う。この復号化処理によって、端末局装置は、基地局装置から送信されたデータパケット１１０を復元する。端末局装置は、データパケット１１０に対応するＡＣＫパケット１１３を中継局装置２００に送信する。中継局装置２００は、端末局装置からＡＣＫパケット１１３を受信すると、その内容に基づいて、過去に自身が既に送信したＡＣＫパケットであるか否か判定する。この場合、受信されたＡＣＫパケットは、符号化パケット１１０に含まれているＡＣＫパケット（ＡＣＫ−Ｃ１）と同じ内容のＡＣＫパケットである。そのため、中継局装置２００は、受信したＡＣＫパケット１１３を中継せずに廃棄する。

基地局装置は、中継局装置２００から符号化パケット１１２を受信すると、符号化パケット１１２のヘッダに含まれているＮＣヘッダ情報に基づいて、符号化パケット１１２に含まれているパケットを判定する。基地局装置は、符号化パケット１１２に、自身が先に送信したデータパケット１１０が含まれていると判定する。この判定に応じて、基地局装置は、自身が先に送信したデータパケット１１０と符号化パケット１１２に基づいて復号処理を実行し，ＡＣＫパケット（ＡＣＫ−Ｃ１）を復元する。基地局装置のＴＣＰセッションＣは、自身が先に送信したデータパケット１１０に対するＡＣＫパケット（ＡＣＫ−Ｃ１）を受信したことによって、データパケット１１０が宛先（端末局装置）に到達したと判定する。
以上が、図１に示される処理の流れである。

図２は、中継局装置２００の機能構成を表す概略ブロック図である。中継局装置２００は、バスで接続されたＣＰＵ（Central Processing Unit）やメモリや補助記憶装置などを備え、中継プログラムを実行する。中継局装置２００は、中継プログラムの実行によって、通信部２０１、中継部２０２、符号化部２０３、結合部２０４及び計時部２０５を備える装置として機能する。なお、中継局装置２００の各機能の全て又は一部は、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）やＰＬＤ（Programmable Logic Device）やＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）等のハードウェアを用いて実現されても良い。中継プログラムは、コンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録されても良い。コンピュータ読み取り可能な記録媒体とは、例えばフレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ、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である。中継プログラムは、電気通信回線を介して送受信されても良い。

通信部２０１は、基地局装置及び端末局装置と通信する。通信部２０１は、基地局装置及び端末局装置と無線通信する。
中継部２０２は、パケットを中継する。具体的には以下の通りである。中継部０２は、通信部２０１によって受信されたパケットを一時的に保持するための受信バッファを備える。中継部２０２は、端末局装置から受信したパケットを受信バッファに保持し、中継処理を行うことによって基地局装置へ中継する。また、中継部２０２は、基地局装置から受信したパケットを受信バッファに保持し、中継処理を行うことによって端末局装置へ中継する。

符号化部２０３は、中継部２０２の制御に応じて、二つのパケットに対して符号化処理（ネットワークコーディング）を行い、符号化パケットを生成する。符号化処理は、例えばデータのビット列の排他的論理和を算出することによって行われても良い。符号化処理の対象となるパケットの一方又は双方は、アグリゲーション処理によって複数のパケットが結合されたパケットであっても良い。
結合部２０４は、中継部２０２の制御に応じて、複数のパケットに対して結合処理（アグリゲーション処理）を行い、１つの結合パケットを生成する。
計時部２０５は、中継部２０２の制御に応じて、ＡＣＫタイマー及びＷＮＣタイマーとして動作する。ＡＣＫタイマー並びにＷＮＣタイマーがタイムアウトするまでの時間は、そのアプリケーションに依存する。

図３は、中継局装置２００の中継処理の流れを示すフローチャートである。まず、通信部２０１がパケットを受信する（ステップＳ１０１）。中継部２０２は、通信部２０１によって受信されたパケットを受信バッファに保持する。中継部２０２は、新たに受信されたパケットと共にネットワークコーディング（ＷＮＣ：Wireless Network Cording）で送信できるパケット（以下、「対向パケット」という。）が既に受信バッファに存在するか否か判定する（ステップＳ１０２）。対向パケットが受信バッファに存在する場合（ステップＳ１０２−ＹＥＳ）、中継部２０２は、新たに受信されたパケット並びに受信バッファに存在する対向パケットがＴＣＰパケット（ＴＣＰのデータパケット）であるか否か判定する（ステップＳ１０３）。ＡＣＫパケットはＴＣＰパケットに含まれない。例えば、図１における各データパケットが、図３のフローチャートにおけるＴＣＰパケットに相当する。一方、図１における各ＡＣＫパケットは、図３のフローチャートにおけるＴＣＰパケットに相当しない。

双方のパケットがＴＣＰパケットである場合（ステップＳ１０３−両方ＹＥＳ）、中継部２０２は、新たに受信されたパケットに対するＡＣＫパケットを生成する。結合部２０４は、新たに受信されたパケットに対するＡＣＫパケットと、対向パケットと、をアグリゲーションによって結合する（ステップＳ１０４）。また中継部２０２は、対向パケットのＡＣＫパケットを生成する。結合部２０４は対向パケットに対するＡＣＫパケットと、新たに受信されたパケットと、をアグリゲーションによって結合する（ステップＳ１０５）。符号化部２０３は、アグリゲーションによって生成された２つの連結パケットに対する符号化処理を行い、符号化パケットを生成する。中継部２０２は生成された符号化パケットを、新たに受信されたパケットの送信元及び送信先の装置に送信する（ステップＳ１０６）。

新たに受信されたパケット及び対向パケットのうち、片方のみがＴＣＰパケットである場合（ステップＳ１０３−片方のみＹＥＳ）、中継部２０２はＴＣＰパケットであるパケットのＡＣＫパケットを生成する。連結部２０４はＡＣＫパケットと、ＴＣＰパケットではないパケット（ｎｏｎ−ＴＣＰパケット）とをアグリゲーションによって結合する（ステップＳ１０７）。符号化部２０４はＴＣＰパケットとアグリゲーションにより生成された連結パケットに対する符号化処理を行い、符号化パケットを生成する。中継部２０２は生成された符号化パケットを、新たに受信されたパケットの送信元及び送信先の装置に送信する（ステップＳ１０８）。

ステップＳ１０３の処理において、新たに受信されたパケット並びに対向パケットの両方がＴＣＰパケットで無い場合（ステップＳ１０３−ＮＯ）、符号化部２０４は新たに受信されたパケットと、対向パケットに対する符号化処理を行い、符号化パケットを生成する。中継部２０２は生成された符号化パケットを、新たに受信されたパケットの送信先と、対向パケットの送信先の装置とに送信する（ステップＳ１０９）。

ステップＳ１０２の処理において、対向パケットが受信バッファに存在しない場合（ステップＳ１０２−ＮＯ）、中継部２０２は、新たに受信されたパケットがＴＣＰパケット（ＴＣＰのデータパケット）であるか否か判定する（ステップＳ１１０）。新たに受信されたパケットがＴＣＰパケットである場合（ステップＳ１１０−ＹＥＳ）、中継部２０２は、計時部２０５を制御してＡＣＫタイマーをスタートさせる（ステップＳ１１１）。

その後、ＡＣＫタイマーがタイムアウトする前に、ステップＳ１０１において受信されたパケットの対向パケットが受信された場合（ステップＳ１１２−ＮＯ，ステップＳ１０１）、ステップＳ１０２以降の処理に戻る。

１回目のステップＳ１０１において受信されたパケットの対向パケットが受信されることなくＡＣＫタイマーがタイムアウトした場合（ステップＳ１１２−ＹＥＳ）、中継部２０２は、ステップＳ１０１において受信されたパケットのＡＣＫパケットを生成する。中継部２０２は、生成したＡＣＫパケットと、ステップＳ１０１において受信されたパケットと、に対して符号化処理を行い、符号化パケットを生成する。中継部２０２は、生成された符号化パケットを、ステップＳ１０１において受信されたパケットの送信元及び送信先の装置に送信する（ステップＳ１１３）。

ステップＳ１１０の処理において、新たに受信されたパケットがＴＣＰパケットでない場合（ステップＳ１０７−ＮＯ）、中継部２０２は、計時部２０５を制御してＷＮＣタイマーをスタートさせる（ステップＳ１１４）。
ステップＳ１１４の処理の後、ステップＳ１０１において受信されたパケットの対向パケットが受信されることなくＷＮＣタイマーがタイムアウトした場合（ステップＳ１１５−ＹＥＳ）、中継部２０２は、ステップＳ１０１において受信されたパケットを、その送信元の装置に送信する（ステップＳ１１６）。

一方、ステップＳ１１４の処理の後、ＷＮＣタイマーがタイムアウトする前に、ステップＳ１０１において受信されたパケットの対向パケットが受信された場合（ステップＳ１１５−ＮＯ，ステップＳ１０１）、ステップＳ１０２以降の処理に戻る。

以上の処理により、図３に示されるフローチャートの処理が終了する。

図４は、基地局装置から端末局装置へ送信されたＴＣＰパケット（データパケット）と、端末局装置から基地局装置へ送信されＴＣＰパケットと、に対して中継局装置２００がネットワークコーディングを行うことによって生成する符号化パケットの構成例を示す図である。例えば、図１における符号化パケット１０３及び符号化パケット１０８、図３のステップＳ１０３において両方ともＴＣＰパケットである場合に送信される符号化パケット、が図４の構成を有する。

ネットワークコーディングの対象となるデータは、端末局装置宛のＴＣＰパケット（TCP-data-A to STA）と、端末局装置宛のＡＣＫパケット（TCP-ack-B to SA）と、基地局装置宛のＴＣＰパケット（TCP-data-B to AP）と、基地局装置宛のＡＣＫパケット（TCP-ack-A to AP）と、である。端末局装置宛のＡＣＫパケット（TCP-ack-B to STA）は、基地局装置宛のＴＣＰパケット（TCP-data-B to AP）に対するＡＣＫパケットである。基地局装置宛のＡＣＫパケット（TCP-ack-A to AP）は、端末局装置宛のＴＣＰパケット（TCP-data-A to STA）に対するＡＣＫパケットである。

図４に示す例では、基地局装置宛のＴＣＰパケット（TCP-data-B to AP）と、基地局装置宛のＡＣＫパケット（TCP-ack-A to AP）と、がアグリゲーションされる。同様に、端末局装置宛のＴＣＰパケット（TCP-data-A to STA）と、端末局装置宛のＡＣＫパケット（TCP-ack-B to STA）と、がアグリゲーションされる。そして、アグリゲーション後の各データの排他的論理和を算出することによって、ネットワークコーディングが行われる。排他的論理和では、二つの引数のビット数を一致させる必要がある。そのため、ペイロードの短いパケットに対してゼロパディングを行うことによって、ビット数を調整する。図４の場合は基地局装置宛のＴＣＰパケット（TCP-data-B to AP）に対してゼロパディングを行うことによって、ビット数が調節される。

また、図４に示される符号化パケットには、ヘッダ情報として、ＮＣヘッダ（NC header）及びＭＡＣヘッダ（MAC header）が付与される。ＭＡＣヘッダには、送信元（中継局装置２００）のＭＡＣアドレスと、送信先（端末局装置又は基地局装置）のＭＡＣアドレスとが格納される。ＮＣヘッダには、ＮＣヘッダ情報が格納される。ＮＣヘッダ情報は、本技術が行われているか否かの情報と、ネットワークコーディングが行われているか否かの情報と、双方向データを含むか否かの情報と、符号化パケットに含まれているパケットを表す識別情報と、が含まれる。双方向データを含むか否かの情報は、双方向のＴＣＰパケットを含むか否かを表す。すなわち、双方向データを含むか否かの情報は、基地局装置から端末局装置へのＴＣＰパケットと、端末局装置から基地局装置宛へのＴＣＰパケットと、の双方を含むか否かを表す。

図４に示される符号化パケットを受信した基地局装置は、識別情報から符号化パケットに含まれる自身が送信したＴＣＰパケット（TCP-data-A to STA）を判別できる。また基地局装置は、自身が送信したＴＣＰパケットに対して中継局装置が生成し、符号化パケットに含まれているＡＣＫパケット（TCP-ack-A to AP）を推定できる。そのため、基地局装置は、図４に示される符号化パケットを復号化し、符号化パケットに含まれるＴＣＰパケット（TCP-data-B to AP）を復元することができる。端末局装置も同様である。

図５は、基地局装置から端末局装置へ送信されたＴＣＰパケットに対して中継局装置２００がネットワークコーディングを行うことによって生成する符号化パケットの構成例を示す図である。例えば、図１における符号化パケット１１０、図３のステップＳ１１３において送信される符号化パケット、が図５の構成を有する。
ネットワークコーディングの対象となるデータは、端末局装置宛のＴＣＰパケット（TCP-data-A to STA）と、基地局装置宛のＡＣＫパケット（TCP-ack-A to AP）と、である。基地局装置宛のＡＣＫパケット（TCP-ack-A to AP）は、端末局装置宛のＴＣＰパケット（TCP-data-A to STA）に対するＡＣＫパケットである。

図５に示す例では、端末局装置宛のＴＣＰパケット（TCP-data-A to STA）の全体がネットワークコーディングの対象になるのではなく、ペイロード部分（TCP-data to STA）のみがネットワークコーディングの対象となる。これは、ＩＰヘッダ並びにＴＣＰヘッダを符号化せずに残すことによって、符号化パケットに含まれるパケットの識別を容易にするためである。なお、図４と同様に、ＩＰヘッダ並びにＴＣＰヘッダを含めてネットワークコーディングの対象としてもよい。端末局装置宛のＴＣＰパケット（TCP-data-A to STA）のペイロード部分（TCP-data to STA）と、基地局装置宛のＡＣＫパケット（TCP-ack-A to AP）との排他的論理和を算出することによって、ネットワークコーディングが行われる。排他的論理和では、二つの引数のビット数を一致させる必要がある。そのため、ペイロードの短いパケットに対してゼロパディングを行うことによって、ビット数を調整する。図５の場合は端末局装置宛のＡＣＫパケット（TCP-ack-A to AP）に対してゼロパディングを行うことによって、ビット数が調節される。

また、図５に示される符号化パケットには、ヘッダ情報として、ＮＣヘッダ及びＭＡＣヘッダが付与される。ＮＣヘッダ及びＭＡＣヘッダの中身については、原則として図４において説明した通りである。図５に示される符号化パケットでは、ＴＣＰデータのヘッダ部分がネットワークコーディングの対象とならない。そのため、図５に示される符号化パケットを受信した端末局装置は、符号化パケットに含まれるＴＣＰパケット（TCP-data to STA）に対するＡＣＫパケット（TCP-ack-A to AP）を生成できる。そのため、図５に示される符号化パケットを復号化し、符号化パケットに含まれるＴＣＰパケット（TCP-data to STA）を復元することができる。

図６は、基地局装置から端末局装置へ送信されたＴＣＰパケット（データパケット）と、端末局装置から基地局装置へ送信されたＵＤＰパケットと、に対して中継局装置２００がネットワークコーディングを行うことによって生成する符号化パケットの構成例を示す図である。例えば、図３のステップＳ１０３において片方のみＴＣＰパケットである場合に送信される符号化パケット、が図６の構成を有する。

図６に示す例では、基地局装置宛のＵＤＰパケット（UDP-data-B to AP）と、基地局装置宛のＡＣＫパケット（TCP-ack-A to AP）と、がアグリゲーションされる。そして、アグリゲーションにより生成された連結パケットと、ＴＣＰデータパケットとの排他的論理和を算出することによって、ネットワークコーディングが行われる。排他的論理和では、二つの引数のビット数を一致させる必要がある。そのため、ペイロードの短いパケットに対してゼロパディングを行うことによって、ビット数を調整する。図６の場合は端末局装置宛のＴＣＰパケット（TCP-data-A to STA）に対してゼロパディングを行うことによって、ビット数が調節される。

また、図６に示される符号化パケットには、ヘッダ情報として、ＮＣヘッダ及びＭＡＣヘッダが付与される。ＮＣヘッダ及びＭＡＣヘッダの中身については、原則として図４において説明した通りである。図６に示される符号化パケットを受信した基地局装置は、識別情報から符号化パケットに含まれる自身が送信したＴＣＰパケット（TCP-data-A to STA）を判別できる。また基地局装置は、自身が送信したＴＣＰパケットに対して中継局装置が生成し、符号化パケットに含まれているＡＣＫパケット（TCP-ack-A to AP）を推定できる。そのため、図６に示される符号化パケットを復号化し、符号化パケットに含まれるＵＤＰパケット（UDP-data-B to AP）を復元することができる。

端末局装置は、識別情報に基づいて、符号化パケットに含まれる自身が送信したＵＤＰパケット（UDP-data-B to AP）を判別する。そのため、端末局装置は、符号化パケットに含まれるＴＣＰパケット（TCP-data-A to STA）のＩＰヘッダ及びＵＤＰヘッダ部分を推定できる。端末局装置は、推定結果に基づいて、TCP-ack-A to APについても生成可能である。そのため、端末局装置は、図６に示される符号化パケットを符号化し、符号化パケットに含まれるＴＣＰパケット（TCP-data-A to STA）を復元することができる。

以上のように構成された中継局装置２００を含む通信システムでは、ネットワークコーディングを用いた通信においてＴＣＰスループットを改善することが可能となる。さらに、ＭＡＣ層・ＩＰ層において達成可能な最大システムスループットの向上が可能となる。以下、詳細に説明する。
中継局装置２００は、中継するデータ（ＴＣＰパケット）に対してＡＣＫパケットを疑似的に作成し、ＡＣＫパケット（疑似ＡＣＫ）と中継するデータに対してネットワークコーディングして送信する。そのため、ＴＣＰパケットの送信元の装置がＡＣＫパケットを受信するまでに要する時間（ＲＴＴ）を短縮し、ＴＣＰのスループットを改善することが可能となる。

また、中継局装置２００は、ネットワークコーディングしたデータを復号化する際に必要となる情報を、符号化しない領域（ヘッダ領域）に格納する。また、ネットワークコーディングされたデータ（符号化パケット）を復号化する際に必要となるデータを正確に判定することが可能となり、精度良く復号化しネットワークコーディングの効率を向上させることが可能となる。

＜変形例＞
中継局装置２００の通信部２０１は、基地局装置及び端末局装置と有線通信しても良い。
中継局装置２００の通信相手は、基地局装置及び端末装置に限定される必要は無い。また、中継局装置２００の通信相手は、２台に限定される必要は無く、複数台であれば何台であっても良い。
符号化パケットに含まれているパケットを表す識別情報は、例えば各ＴＣＰパケットのＴＣＰヘッダに含まれているシーケンス番号であっても良い。また、各ＵＤＰパケットのＵＤＰヘッダに含まれているシーケンス番号であっても良い。また、独自の識別番号が用いられてもよい。

以上、この発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計等も含まれる。

２００…中継局装置， ２０１…通信部， ２０２…中継部， ２０３…符号化部， ２０４…結合部， ２０５…計時部

Claims (4)

1. 第一装置から受信した第二装置宛の信号と、前記第二装置から受信した前記第一装置宛の信号と、をネットワークコーディングによって符号化する符号化部と、
   前記符号化部によって符号化された信号を前記第一装置及び前記第二装置に送信する中継部と、
   を備え、前記中継部は、受信された信号が送信元によって受信応答の送信が求められている信号である場合に、前記信号の送信先から前記受信応答を受信する前に、前記送信元に前記受信応答を送信する、中継装置。
2. 前記符号化部は、前記第一装置及び前記第二装置が、前記符号化された信号を復号化する際に必要となる情報を、符号化することなく前記符号化された信号に付与する、請求項１に記載の中継装置。
3. 前記受信応答と前記信号とを結合する結合部をさらに備え、
   前記符号化部は、前記結合部によって結合された信号がある場合、前記結合された信号をネットワークコーディングによって符号化する、請求項１又は２に記載の中継装置。
4. 第一装置から受信した第二装置宛の信号と、前記第二装置から受信した前記第一装置宛の信号と、をネットワークコーディングによって符号化する符号化ステップと、
   前記符号化ステップによって符号化された信号を前記第一装置及び前記第二装置に送信する中継ステップと、
   を有し、
   前記中継ステップにおいて、受信された信号が送信元によって受信応答の送信が求められている信号である場合に、前記信号の送信先から前記受信応答を受信する前に、前記送信元に前記受信応答を送信する、中継方法。

Images