JP4607519B2 - 無線通信システムにおける肯定応答／否定応答情報の消失復号化最適化 - Google Patents

Description

本発明は肯定応答／否定応答情報の消失復号化に関する。

ＣＤＭＡ２００１ｘ ＥＶ−ＤＶでのＲ−ＡＣＫＣＨ（逆リンク肯定応答通信路）またはＵＭＴＳでのＵＬ ＨＳ−ＤＰＣＣＨ（上りリンク高速−専用物理制御通信路）におけるＡＣＫ／ＮＡＣＫ（肯定応答／否定応答）フィールドは、反復ブロック符号によって独立して誤り制御される。ＣＤＭＡ２００１ｘ ＥＶ−ＤＶでは、Ｒ−ＡＣＫＣＨは、２４回の記号反復を伴う１．２５ｍｓ当たり１ビットＡＣＫ／ＮＡＣＫのＰＣＧ（出力制御グループ）を含む。ＵＭＴＳでは、肯定応答ビットは１０ビットに反復符号化され、１スロットで伝送される。受け取った通信に応答して送られるＡＣＫは、その通信が適正に受け取られたことを示す。通信に応答して送られるＮＡＣＫは、その通信が適正に受け取られなかったことを示す。ＡＣＫに応答する際には、送信側は次の送信用データを送信する。しかし、ＮＡＣＫに応答する際には、送信側は、ＨＡＲＱプロトコルの種類に応じて、否定応答された送信または別の冗長バージョンを再送する。ＥＶ−ＤＶおよびＨＳＤＰＡのＡＣＫ／ＮＡＣＫフィールドは、ＡＣＫ／ＮＡＣＫデータが送信されなかったときには、共にＤＴＸである（すなわち、送信側出力がゼロに設定される）。Ｒ−ＡＣＫＣＨおよびＨＳ−ＤＰＣＣＨフィールドはエラーフリーではないので、各受信ＡＣＫ／ＮＡＣＫ情報の信頼性を評価することは重要である。

信頼性を向上させるために、ＥＶ−ＤＶおよびＵＭＴＳでのＨＳＤＰＡ（高速データ・パケット・アクセス）をサポートするチャネル要素のレーク受信機設計には３状態復号化機構が含まれる。この３状態復号化機構は、任意の信頼できないフィードバック情報を消失させる消失という新しい状態を付加する。信頼できないフィードバック情報は、信頼できない無線通信路による情報破損またはＤＬ（下りリンク）高速データの検出失敗が原因でＡＣＫ／ＮＡＣＫが送信されなかったことによって生じる。現在は、フィードバック情報がＡＣＫ、ＮＡＣＫ、または消失のどれに適するかを定義するために２つの閾値が設定される。受信フィードバック情報の出力レベルが第１の閾値を下回るときには、そのフィードバック情報はＡＣＫであると判定される。そのフィードバック情報が、第１の閾値より大きい第２の閾値を上回るときには、そのフィードバック情報がＮＡＣＫであると判定される。また、フィードバック情報の出力が第１と第２の閾値を含むそれらの間にあるときには、そのフィードバック情報は消去される。消去の結果、消失したフィードバック情報がＮＡＣＫとみなされることになる。

この３状態復号化戦略のメリットは、どんな信頼できないフィードバック情報でも消去してスループットを損なう誤りを最低限に抑えることである。例えば、ＮＡＣＫがＡＣＫとして復号化されると、受信側はデータを失い、別の再送要求を出さなければならなくなる。また、ＡＣＫがＮＡＣＫであるとみなされた場合には、不必要なデータ再送が行われる。これらの誤りは両方ともシステム・スループットに影響を与える。３状態復号化戦略は、どんな信頼できないフィードバック情報も、ＨＡＲＱプロトコルに渡すのではなく消失させるものである。これは、特に、ＮＡＣＫをＡＣＫであるとみなすことによるより有害なスループット誤りを軽減するのに役立つ。しかし、フィードバック情報の消失は、所望のフィードバック情報を失うという後退をもたらし、ＡＣＫ／ＮＡＣＫ消失の結果として、ＨＡＲＱにおける下りリンク高速データ情報を再送が行われることになる。したがって、フィードバック情報をどのようにして適正に消失させるか判定することは重要である。明らかなように、これにはＡＣＫ／ＮＡＣＫの閾値を適正に決定することが関与する。

本発明は、肯定応答（ＡＣＫ）／否定応答（ＮＡＣＫ）フィードバック情報の消失復号化の方法を提供する。

この方法の１つの例示的実施形態では、ＡＣＫ、ＮＡＣＫ、または消失の検出に使用される消失復号化閾値がスループット性能のために最適化されている。１つの例示的実施形態では、受信ＡＣＫ／ＮＡＣＫフィードバック情報の状態検出の際の少なくとも１つの可能な誤りタイプでのデータ・スループットへの影響に基づいて、少なくとも１つの閾値が導出される。例えば、１つの可能な誤りタイプはＮＡＣＫの検出失敗である。この例では、ＮＡＣＫの検出に失敗した場合の影響は、再送される平均総ビット数のコストとして表される。別の例示的実施形態では、少なくとも１つの閾値は、受信ＡＣＫ／ＮＡＣＫフィードバック情報の状態が正しく検出された場合のデータ・スループットへの影響に基づいて導出される。

本発明は、以下の詳細な説明および添付の図面を読めばより完全に理解されるであろう。図面中、類似の要素は類似の参照番号で表す。図面は例示のためのものにすぎず、したがって、本発明を限定するものではない。

ユニバーサル移動体通信システム（ＵＭＴＳ）は、通常、ＵＭＴＳターミナル地上無線接続網（ＵＴＲＡＮ）と呼ばれる無線接続網を含む。ＵＴＲＡＮは様々な別個の基幹回線網（ＣＮ）とのインターフェイスを提供し得る。また、基幹回線網も、他の外部ネットワーク（ＩＳＤＮ／ＰＳＤＮなど）とやりとりして、例えば、ＵＴＲＡＮ内の、無線ネットワーク制御装置（ＲＮＣ）および無線基地局（ＢＴＳ、ノードＢとも呼ばれる）によるサービスの提供を受ける複数の無線ユーザ、すなわちユーザ機器（ＵＥ）との間で情報を受け渡すことができる。

以下の本発明の説明はＵＭＴＳネットワークに基づくものであるが、本明細書で図示し、説明する例示的実施形態は例示のためのものにすぎず、決して限定するためのものではないことに留意すべきである。例えば、本発明は、ＣＤＭＡ２００１ｘＥＶ−ＤＶにも等しく適用可能である。したがって、当分野の技術者には様々な変更形態が明らかであろう。

以下で使用する場合には、無線基地局（ＢＴＳ）とノードＢとは同義であり、インターネットなどのパケット交換データ網（ＰＳＤＮ）と、１つまたは複数の移動局との間のデータ接続性を提供する機器を記述し得る。また、以下で使用する場合には、ユーザ、ユーザ機器（ＵＥ）、加入者、移動体、移動局、および相手局は同義であり、無線通信網における無線リソースのリモート・ユーザを記述するものである。

ＡＣＫ／ＮＡＣＫフィールドの信頼性行列の解析
背景技術で論じたように、ＨＡＲＱは再送の必要性を判定するためにＵＥからのＡＣＫ／ＮＡＣＫフィードバックを必要とする（ＨＡＲＱは、ＡＣＫ／ＮＡＣＫフィードバックがエラーフリーである場合には、フェージング通信路によって生じるフレーム誤りを補償するための通常の誤り制御動作を有する）。ノードＢによって考慮される、任意のユーザごとの特定フレームにおけるＨＡＲＱ機能の平均データ・スループット（Ｄ）は以下の通りである。

式中、Ｎ_{Ｔｏｔａｌ}はＨＡＲＱ動作における所与のパケットでの情報ビット数であり、Ｋは正常なＨＡＲＱ動作での総送信数であり、Ｐ_{Ｎａｃｋ，ｊ}は、再送のためにＢＴＳによって復号化されたｊ番目の送信での否定応答（ＮＡＣＫ）の確率であり、Ｐ_{Ａｃｋ，Ｋ}は、ＢＴＳによって復号化された肯定応答（ＡＣＫ）およびｋ番目の送信における正常なＨＡＲＱ動作の考慮の確率であり、Ｐ_{Ｅｒａｓｕｒｅ，ｊ}は、受信ＡＣＫ／ＮＡＣＫフィールドが信頼できないとみなされたときに、ＢＴＳによって解読されたｊ番目の送信の消失の確率である。したがって、再送は、否定応答の受信またはフィードバック情報消失によって生じ得る。ＵＥによって検出されたフレーム誤りは、ＡＣＫ／ＮＡＣＫレポートで誤りが検出されなかった場合には、ＢＴＳから送信されたものと同じになるはずである。３状態２元消失通信路遷移トレリスの図を図１に示す。

図１において、Ｐ_ｆｅ，ｊは、ｊ番目の送信におけるＤＬ ＰＤＣＨ／ＨＳ−ＰＤＳＣＨ（下りリンク・パケット・データ通信路／高速−パケット・データ共用通信路）フレーム誤りの確率であり、Ｐ_ｍ，ｊは、ＤＬ ＰＤＳＣＨ／ＨＳ−ＳＣＣＨ（下りリンク・パケット・データ制御通信路／高速−共用制御通信路）の検出失敗の確率である。移動体にあるＨＡＲＱプロトコルは、特定のパケットのｊ番目の送信において、それぞれ、確率Ｐ_ｆｅ，ｊ、１−Ｐ_ｆｅ，ｊ−Ｐ_ｍ，ｊおよびＰ_ｍ，ｊを用いて、受信ＤＬ ＰＤＣＨ／ＨＳ−ＰＤＳＣＨのＣＲＣ検査結果または不受信に基づいて、否定応答を生成し、肯定応答を生成し、何も生成しない（ヌル）。Ｐ_ｅ１、Ｐ_ｅ２、およびＰ_ｅ３は、移動体（ｓ）における送信情報からＢＴＳ（ｒ）における受信情報への遷移確率として以下のように定義される。
Ｐ_ｅ１＝Ｐ（ｒ＝ＮＡＣＫ｜ｓ＝ＡＣＫ）
Ｐ_ｅ２＝Ｐ（ｒ＝ＡＣＫ｜ｓ＝ＮＡＣＫ） （２）
Ｐ_ｅ３＝Ｐ（ｒ＝ＮＡＣＫ｜ｓ＝ＮＵＬＬ）
Ｐ_{ｅｒａｓｕｒｅ１}、Ｐ_{ｅｒａｓｕｒｅ２}、およびＰ_{ｅｒａｓｕｒｅ３}は、移動体が、それぞれ、肯定応答を送信し、否定応答を送信し、または何も送信しなかったときの受信側での消失の遷移確率である。Ｐ_{Ｎａｃｋ，ｊ}、Ｐ_{Ａｃｋ，ｊ}、およびＰ_{ｅｒａｓｕｒｅ，ｊ}は、それぞれ、ｊ番目の送信でのＢＴＳ受信側における否定応答、肯定応答、および消失復号化出力の確率である。ＢＴＳにおける否定応答、肯定応答、および消失の確率は、以下のように公式化され得る。
Ｐ_{Ｎａｃｋ，ｊ}＝Ｐ_ｆｅ，ｊ（１−Ｐ_ｅ２−Ｐ_{ｅｒａｓｕｒｅ２}）＋（１−Ｐ_ｆｅ，ｊ−Ｐ_ｍ，ｊ）Ｐ_ｅ１＋Ｐ_ｍ，ｊＰ_ｅ３ （３）
Ｐ_{Ａｃｋ，ｊ}＝（１−Ｐ_ｆｅ，ｊ−Ｐ_ｍ，ｊ）（１−Ｐ_ｅ１−Ｐ_{ｅｒａｓｕｒｅ１}）＋Ｐ_ｆｅ，ｊＰ_ｅ２＋Ｐ_ｍ，ｊ（１−Ｐ_ｅ３−Ｐ_{ｅｒａｓｕｒｅ３}） （４）
Ｐ_{ｅｒａｓｕｒｅ，ｊ}＝Ｐ_ｆｅ，ｊＰ_{ｅｒａｓｕｒｅ２}＋Ｐ_ｍ，ｊＰ_{ｅｒａｓｕｒｅ３}＋（１−Ｐ_ｆｅ，ｊ−Ｐ_ｍ，ｊ）Ｐ_{ｅｒａｓｕｒｅ１} （５）

ＡＣＫ／ＮＡＣＫ検出のリスク関数
式（１）におけるＨＡＲＱ動作でのスループットの定義は、否定応答の検出失敗のペナルティを捕捉しない。背景技術で論じたように、消失復号化の目的は、この検出失敗の確率を最小限に抑えると共に、ＡＣＫ／ＮＡＣＫが送信されない確率によって生じる検出誤りを最小限に抑えることである。設定された閾値に基づいた消失の確率が高い場合には、ＡＣＫ／ＮＡＣＫフィールドでの誤りの確率は小さい。ＡＣＫ／ＮＡＣＫビットが消失した結果、再送が行われるので、消失確率が高いとスループットのコストも高くなる。したがって、このコストは、データ・スループット解析に組み込む必要がある。このために、否定応答の検出失敗の影響を明らかにするＨＡＲＱ動作の、本明細書ではリスク関数と呼ぶ目的関数が以下のように提供される。
Ｒ＝Ｃ_ｆＮ_ｆＰ_{ｍｉｓｓｅｄ＝ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ}−Ｃ_ｃＤ （６）
式中、Ｃ_ｆは、ＮＡＣＫをＡＣＫと誤って検出した場合のスループット・コストであり、（−Ｃ_ｃ）は、ＡＣＫを正しく検出した場合のスループット・コストであり、Ｎ_ｆは、検出失敗パケットのビット数であり、Ｐ_{ｍｉｓｓｅｄ＝ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ}は、検出失敗の確率であり、これはＰ_ｆｅ，Ｋ×Ｐ_ｅ２に等しい。このリスク関数の第１項は、否定応答の検出に失敗したときに再送される平均総ビット数のコストである。このリスク関数の第２項は、フィードバック情報で肯定応答が正しく検出されたときのデータ・スループットの加算値（負のリスク）である。式（６）のリスク関数は、再送をトリガする否定応答の検出失敗のコストと、平均データ・スループットの負のコストの差として定義される。式（１）をこのリスク関数に代入すると以下のようになる。

ＡＣＫ／ＮＡＣＫ検出の統計的モデル化
ＡＣＫ／ＮＡＣＫフィールドの検出は、無線通信路を介した受信信号の検出としてモデル化し得る。ゼロ平均および分散σ^２を有するＡＷＧＮ（白色ガウス雑音）通信路Ｎ（０，σ^２）を介した受信信号検出の試験仮説を図２に示す。

フィードバック情報を復号化する際の消失の確率は、ＡＣＫおよびＮＡＣＫを検出するための閾値によって決定される。図２において、Ａおよび−Ｂは、それぞれ、累積された否定応答および肯定応答記号の平均軟出力である。また、図２において、ｘおよび−ｙは、ＡＣＫ／ＮＡＣＫの検出または消失の判定のための閾値である。この復号化は、その試験仮説として以下のように３つの仮説を有する。
Ｈ_０：肯定応答（ビット「１」、信号出力振幅「−Ｂ」）が送信される
Ｈ_１：否定応答（ビット「０」、信号出力振幅「Ａ」）が送信される
Ｈ_２：応答が送信されない

ＡＷＧＮでの誤り反復の遷移確率（Ｐ_ｅ１、Ｐ_ｅ２、Ｐ_ｅ３）および消失反復の遷移確率Ｐ_{ｅｒａｓｕｒｅ１}、Ｐ_{ｅｒａｓｕｒｅ２}、Ｐ_{ｅｒａｓｕｒｅ３}は以下の通りである。

消失復号化リスク関数Ｒは、以下の式（１４）に示すように、２つの消失閾値ｘおよびｙに関するこのリスク関数Ｒの偏微分によって最適化することができよう。

次いで、ＡＷＧＮ通信路を介したｊ番目の通信の肯定応答の確率Ｐ_{Ａｃｋ，ｊ}、否定応答の確率Ｐ_{Ｎａｃｋ，ｊ}、および消失の確率Ｐ_{ｅｒａｓｕｒｅ，ｊ}を得るために、式（８）、（９）、（１０）、（１１）、（１２）、（１３）を式（３）、（４）、（５）に代入する。次いで、Ｐ_{Ｎａｃｋ，ｊ}、Ｐ_{Ａｃｋ，ｊ}、Ｐ_{ｅｒａｓｕｒｅ，ｊ}の結果を式（７）に代入することによって、ＡＷＧＮ通信路を介した信号のリスク関数Ｒを得ることができる。ＡＷＧＮ通信路を介した信号検出のリスク関数Ｒは、２つの消失閾値ｘおよびｙの関数になる。さらに、第２の閾値ｘが第１の閾値ｙに等しいと想定すると、このリスク関数を以下の式（１５）で示すように表すことができる。

式（１５）から、リスク関数Ｒは消失閾値ｙのみの関数であることがわかる。したがって、リスク関数Ｒの最適化は、閾値ｙだけに関してこのリスク関数を微分することによって得ることができる。この最適化の結果を以下に示す。

式中、

である。

式（１６）にはｙの閉形式解がない。したがって、ｙを求めるために数値的方法が実行される。すなわち、所望の解決における様々な可能なｙ値での式（１６）の結果が生成され、ゼロに最も近い結果を生じるｙ値がｙ値として選択される。次いで、ｘ閾値が選択されたｙ値と等しくなるように設定される。

明らかなように、最適化されたｙ値も変数Ｋ、Ｐ_ｍ，ｊおよびＰ_ｆｅの関数である。ＨＡＲＱにおける送信数Ｋは、ＤＬ予定送信の出力設定およびその時点における無線通信路条件に左右される。ＤＬ高速データでのフレーム誤り率の確率Ｐ_ｆｅおよびｊ番目の送信でのＤＬ指示通信路の検出失敗の確率Ｐ_ｍ，ｊは静的通信路モデル化では一定であるとみなされる。したがって、システム設計者は、所与のシステム、またはシステムの個々のサービス領域でさえもの消失閾値を適合させるためのツールとして本発明の方法を利用することが可能である。

数値結果
以下は、３状態ＡＣＫ／ＮＡＣＫ消失復号化での最適化閾値の、数値解析による証明である。この数値解析における静的パラメータは以下の通りである。
Ｐ_ｍ＝０．０１
Ｐ_ｆ，１＝０．０５およびＰ_ｆ，２＝０．００５
絶対肯定応答出力＝絶対否定応答出力（Ｂ＝Ａ）
ＨＡＲＱごとの平均送信（Ｋ）＝２

図３に、この数値解析の結果を、Ｃ_ｆ＝２Ｃ_ｃ、Ｃ_ｆ＝４Ｃ_ｃ、Ｃ_ｆ＝６Ｃ_ｃの３曲線で示す。図３の結果は、検出失敗のコストＣ_ｆが正しいスループットのコストＣ_ｃよりも相対的に高いときには、ブロックＳＮ比（信号対雑音比）が高いほど消失閾値は低いことを示す。

本発明を以上のように説明したが、本発明を様々に変形し得ることは自明であろう。そうした変形形態は、本発明の精神および範囲からの逸脱であるとみなすべきではなく、当分野の技術者には自明のことであろうが、そうした改変形態のすべては、本発明の範囲内に含まれるべきものである。

３状態２元消失通信路遷移トレリスを示す図である。 ゼロ平均および分散σ^２を有するＡＷＧＮ（白色ガウス雑音）通信路Ｎ（０，σ^２）による受信信号検出の試験仮説を示す図である。 本発明による数値解析を使用した３状態ＡＣＫ／ＮＡＣＫ消失復号化のための最適化閾値の結果を示す図である。

Claims (8)

1. 肯定応答（ＡＣＫ）／否定応答（ＮＡＣＫ）フィードバック情報の消失復号化の方法であって、
   受信ＡＣＫ／ＮＡＣＫフィードバック情報の状態を検出する際の少なくとも１つの可能な誤りタイプでのデータ・スループットへの影響に基づいて導出された少なくとも１つの閾値を使用して、関連する送信データでの前記受信ＡＣＫ／ＮＡＣＫフィードバック情報の状態を検出する工程を含み、
   前記可能な誤りタイプがＮＡＣＫの検出失敗であり、そして、
   前記データ・スループットへの影響が、ＮＡＣＫの検出に失敗した場合に再送される平均総ビット数のコストによって表される、方法。
2. 前記データ・スループットへの影響が、前記少なくとも１つの閾値を導出するのに用いる目的関数によって表され、前記目的関数は、ＮＡＣＫの誤検出のコストを表す重み変数を含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記データ・スループットへの影響が、前記少なくとも１つの閾値を導出するのに用いる目的関数によって表され、前記目的関数は、
   Ｃ _ｆ Ｎ _ｆ Ｐ _{ｍｉｓｓｅｄ＝ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ}
   を含み、Ｃ _ｆ は、ＮＡＣＫをＡＣＫと誤って検出した場合のスループット・コストであり、Ｎ _ｆ は検出失敗パケットのビット数であり、Ｐ _{ｍｉｓｓｅｄ＝ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ} は、検出失敗の確率である、請求項１に記載の方法。
4. 前記閾値が、さらに、前記受信ＡＣＫ／ＮＡＣＫフィードバック情報の前記状態が正しく検出された場合のデータ・スループットへの影響に基づいて導出される、請求項１に記載の方法。
5. 前記受信ＡＣＫ／ＮＡＣＫフィードバック情報の前記状態が正しく検出された場合のデータ・スループットへの前記影響が、前記受信ＡＣＫ／ＮＡＣＫフィードバック情報の前記状態が正しく検出された場合の前記データ・スループットの負のコストとして表される請求項４に記載の方法。
6. 肯定応答（ＡＣＫ）／否定応答（ＮＡＣＫ）フィードバック情報の消失復号化の方法であって、
   ＮＡＣＫの検出失敗によって生じる少なくとも１つの上位層プロトコルからの再送のスループット・コストの原因となるＨＡＲＱスループット性能に基づいて消失復号化ＡＣＫ／ＮＡＣＫフィードバック情報の消失閾値を最適化する工程を含み、
   前記再送のスループット・コストが、ＮＡＣＫの検出に失敗した場合に再送される平均総ビット数のコストによって表される、方法。
7. ＡＣＫ、ＮＡＣＫおよび消失のうちの少なくとも１つを検出する際に、少なくとも１つの誤りタイプに対応するデータ・スループットへの少なくとも１つの影響を明らかにする目的関数を用いる工程を含み、
   前記誤りタイプがＮＡＣＫの検出失敗であり、そして、
   前記データ・スループットへの影響が、ＮＡＣＫの検出に失敗した場合に再送される平均総ビット数のコストによって表される、無線通信の方法。
8. 前記目的関数が、さらに、受信ＡＣＫ／ＮＡＣＫフィードバック情報の状態が正しく検出された場合のデータ・スループットへの影響を明らかにする請求項７に記載の方法。

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