JP4705978B2

JP4705978B2 - 通信中継装置

Info

Publication number: JP4705978B2
Application number: JP2008235001A
Authority: JP
Inventors: クリストフ・ハウスル; フランク・シュレッケンバッハ; イオニアス・オイコノミディス; ゲルハルト・バオホ
Original assignee: NTT Docomo Inc
Current assignee: NTT Docomo Inc
Priority date: 2005-06-01
Filing date: 2008-09-12
Publication date: 2011-06-22
Anticipated expiration: 2026-06-01
Also published as: CN1881965A; CN100588191C; EP1729435A1; EP1729435B1; JP2006352855A; JP4272663B2; US20060291440A1; DE602005005031D1; JP2009050008A; DE602005005031T2

Description

本発明は、デジタル通信システム、特にデジタル通信ネットワーク、に関する。

デジタル通信ネットワークは、１つ以上のソース、中間ノード（リレー）及び１つ以上のシンク（sink）で構成される。情報はネットワーク上でソースからシンクへ伝送されなければならないが、ノードは多くの場合、時間変動する妨害を伴う帯域制限されたチャネルによって接続される。技術的な目的は全伝送パワーが制約されても、ビット誤り率が低い高品質通信を実現することにある。

ネットワーク上でソースからシンクまでデータを伝送するための従来のソリューションは、情報をネットワークを通じてルーティングすることである。情報をエラーから保護するため、ソースは情報をチャネル符号化し、リレーはその情報をチャネル復号器で再構築して、その情報を再びチャネル符号化した上でそれを次のリレーまたはシンクに送ろうとする。シンクは、このシンクに送られてきた全ての情報を考慮してその情報を再構築しようとする。Ｂ．Ｚｈａｏ及びＭ．Ｖａｌｅｎｔｉ共著の「ＤｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄＴｕｒｂｏＣｏｄｅｄＤｉｖｅｒｓｉｔｙｆｏｒｔｈｅＲａｙｌｅｉｇｈＣｈａｎｎｅｌ」、ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＬｅｔｔｅｒｓ、２００３年、第３９巻、ｐ．７８６−７８７には、１つのソース、１つのリレー及び１つのシンクを備えているシステムにおいて、分散型ターボ符号がどのように使用できるかが示されている。ターボ符号は非反復チャネル符号化スキームよりもはるかに優れたパフォーマンスを提供する反復チャネル符号（iterative channel codes）である。

さらに、Ｂ．Ｚｈａｏ及びＭ．Ｖａｌｅｎｔｉ共著の「ＰｒａｃｔｉｃａｌＲｅｌａｙＮｅｔｗｏｒｋｓ：ＡＧｅｎｅｒａｌｉｚａｔｉｏｎｏｆＨｙｂｒｉｄ−ＡＲＱ」、ＩＥＥＥＪｏｕｒｎａｌｏｎＳｅｌｅｃｔｅｄＡｒｅａｓｉｎＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ、２００５年１月、第２３巻、第１号、ｐ．７−１８には、リレーのより現実的かつより柔軟な利用を可能にする中継ネットワークのためのハイブリッド自動反復要求（hybrid-automatic repeat request）プロトコルの一般化が提示されている。

このプロトコルに従って、ソースはチャネル符号化された情報をシンクに送信するようになっている。リレーもこの伝送を接続待ち（listen）する。リレーがソースの情報を復号することが可能な場合、リレーは追加的な冗長情報をシンクに送ることができる。衝突通信期間（contention period）において、これらのリレーの１つまたはソースが追加的な冗長情報とともに次のブロックを送信するかどうかが、決定される。このときリレー及びソースはそれらの復号に成功したかどうかを互いに知らせ合う。

しかしながら、従来のソリューションは、使用されるパワー配分、帯域幅及びビット誤り率に関して、データを伝送する次善最適な可能性を提供するだけである。

さらに、低密度パリティ検査（low-density parity-check：ＬＤＰＣ)符号の反復復号は、Ｔ．Ｊ．Ｒｉｃｈａｒｄｓｏｎ、Ｍ．Ａ．Ｓｈｏｋｒｏｌｌａｈｉ及びＲ．Ｌ．Ｕｒｂａｎｋｅ共著の「ＤｅｓｉｇｎｏｆＣａｐａｃｉｔｙ−Ａｐｐｒｏａｃｈｉｎｇｉｒｒｅｇｕｌａｒｌｏｗｄｅｎｓｉｔｙｐａｒｉｔｙ−ｃｈｅｃｋｃｏｄｅｓ」、ＩＥＥＥＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｎＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＴｈｅｏｒｙ、２００１年２月、第４７巻、第２号、ｐ．６１９−６３７に示されるように、符号長を大きくする（approaching capacity）またはＡＷＧＮ（additive Gaussian white noise：加法性白色ガウス雑音）チャネルのための強力な方法である。

そこで本発明の課題は、改善された特性を有するデータ伝送の可能性を提供することにある。

上記課題は、請求項１に記載された通信中継装置、請求項９に記載された通信中継システム、請求項１０に記載されたネットワーク符号化された情報ユニット・シーケンスを提供するための方法によって解決される。

上記課題を解決するため、本発明は、ネットワーク符号化された情報ユニット・シーケンスを提供するための通信中継装置を提供する。当該通信中継装置は、第１の無線チャネルを監視し、第１のデータソースから第１の無線チャネルを介して第１のチャネル符号化された一連の情報ユニットを受信し、該第１のチャネル符号化された一連の情報ユニットを復号して第１の復号された一連の情報ユニットを取得するように構成されている第１のチャネル復号器と、第１の無線チャネルとは互いに異なる第２の無線チャネルを監視し、第２のデータソースから第２の無線チャネルを介して第２のチャネル符号化された一連の情報ユニットを受信し、該第２のチャネル符号化された一連の情報ユニットを復号して第２の復号された一連の情報ユニットを取得ように構成されている第２のチャネル復号器と、第１及び第２の復号された一連の情報ユニットの情報をネットワーク符号化してネットワーク符号化された情報ユニット・シーケンスを提供するよう構成されており、更に、該ネットワーク符号化された情報ユニット・シーケンスをデータシンクに無線送信ように構成されているネットワーク符号器とを備えている。

さらに、本発明は、ネットワーク符号化された情報ユニット・シーケンスを提供するための方法を提供する。当該方法は、第１のデータソースから第１の無線チャネルを介して第１のチャネル符号化された一連の情報ユニットを受信し、該第１のチャネル符号化された一連の情報ユニットを復号して第１の復号された一連の情報ユニットを取得するステップと、第２のデータソースから、第１の無線チャネルとは互いに異なる第２の無線チャネルを介して第２のチャネル符号化された一連の情報ユニットを受信し、該第２のチャネル符号化された一連の情報ユニットを復号して第２の復号された一連の情報ユニットを取得するステップと、第１及び第２の復号された一連の情報ユニットの情報をネットワーク符号化してネットワーク符号化された情報ユニット・シーケンスを提供するステップと、ネットワーク符号化された情報ユニット・シーケンスをデータシンクに無線送信するステップとを含んでいる。

加えて、本発明は、第１及び第２のチャネル復号器出力シーケンスを提供するための通信受信機を提供する。当該通信受信機は、第１及び第２のデータソースの情報を含むネットワーク符号化された一連の情報ユニットを受信するよう構成されており、このネットワーク符号化された一連の情報ユニットを復号してネットワーク復号器シーケンスを提供するよう構成されたネットワーク復号器と、第１のデータソースから第１の無線チャネルを介して第１のチャネル符号化された一連の情報ユニットを受信し、ネットワーク復号器シーケンスを使用してこの第１のチャネル符号化された一連の情報ユニットを復号して第１のチャネル復号器出力シーケンスを取得するよう構成された第１のチャネル復号器と、第２のデータソースから、第１の無線チャネルとは互いに異なる第２の無線チャネルを介して、第２のチャネル符号化された一連の情報ユニットを受信し、更に、ネットワーク復号器シーケンスを使用してこの第２のチャネル符号化された一連の情報ユニットを復号して第２のチャネル復号器出力シーケンスを取得するよう構成された第２のチャネル復号器とを備えている。

さらに、本発明は、第１及び第２のチャネル復号器出力シーケンスを提供するための方法を提供する。当該方法は、第１及び第２のデータソースの情報を含むネットワーク符号化された一連の情報ユニットをネットワーク復号器で受信するステップと、ネットワーク符号化された一連の情報ユニットを復号してネットワーク復号器シーケンスを提供するステップと、第１のデータソースから第１のチャネルを介して第１のチャネル符号化された一連の情報ユニットを第１のチャネル復号器で受信するステップと、ネットワーク復号器シーケンスを使用して第１のチャネル符号化された一連の情報ユニットを第１のチャネル復号器で復号して第１のチャネル復号器出力シーケンスを取得するステップと、第２のデータソースから、第１のチャネルとは互いに異なる第２のチャネルを介して、第２のチャネル符号化された一連の情報ユニットを第２のチャネル復号器で受信するステップと、ネットワーク復号器シーケンスを使用して第２のチャネル符号化された一連の情報ユニットを第２のチャネル復号器で復号して第２のチャネル復号器出力シーケンスを取得するステップとを含んでいる。

本発明は、２つのデータソースから１つのデータシンクへデータを伝送するための通信リレー（communication relay）であって、２つのデータソースの情報、例えば２つの移動端末の情報がネットワーク符号化された信号に組み合わされるものが使用される場合に、伝送特性の改善が実現可能である、という所見に基づいている。このシステム設計において、リレーは２つのデータソースのチャネル符号化されたデータを受信して、それをチャネル復号するようになっている。次に、２つのデータソースの受信データは１つのネットワーク符号化（又はネットワーク・チャネル符号化）されたデータストリームに組み合わされる。このデータストリームにおいて、２つのデータソースのデータは、例えば特別な署名またはヘッダによって識別される。好ましくは、このネットワーク符号化作業に特別な符号を用いることによって、このネットワーク符号化されたデータストリームは更にチャネル符号化もされる。ネットワーク符号化作業の後、ネットワーク符号化されたデータはデータシンクに伝送されるようになっている。データシンクではネットワーク復号作業が実行可能であり、その際、２つのデータソースから直接受信された情報を復号するために２つのデータソースの（ネットワーク復号された）情報が追加的に利用できるようになっている。

本発明は、同じ伝送パワー及び同じ帯域幅が使用されてもこの新規なソリューションはより低いビット誤り率のデータ伝送を可能にする、という利点を提供する。言い換えると、同じＱｏＳ（サービス品質）を取得するのに必要な伝送パワーはより少なくて済む、あるいは帯域幅が同じでもより高いデータスループットが達成可能である。

特に、レートに適合したネットワーク・チャネル符号及び一般化（拡張された）されたハイブリッドＡＲＱプロトコルが使用される場合、分散型リレー編成（decentralized relay organization）が可能である。これは以下の利点を有する。
１．リレーの利用の選択が自由である。無線システムではリレーは常に利用できるわけではないので、これは重要である。
２．ソースにおける追加要件は全く無い。これはリレーが利用可能かどうかをソースが知る必要はないことを意味する。
３．シンク（例えば、セルラ方式に基づいた移動体通信システムにおける基地局）は中継伝送を編成する必要はない。

本発明のアプローチは衝突通信期間（contention period）が全く必要でないという利点を有する。これはより有効なプロトコルを可能にする。

こうして、本発明のアプローチは、ネットワークをより経済的に編成することを可能にする。これは特に中継伝送を用いたセルラ方式に基づいた移動体通信システムに適用される。特に、ネットワーク符号化及び反復復号の組み合わせを用いて、帯域幅を節約することが可能であり、かつ、必要な伝送パワーもより少なくて済む。これにより、帯域幅が少なく貴重な特に無線での活用において、コストが効率的に節約される。さらに、送信機のバッテリ寿命が節約可能である。このことは移動体通信システムにおいて経済的に重要な利点である。

反復ネットワーク・チャネル復号を使用するシステムへの一般化されたハイブリッドＡＲＱプロトコルの拡張と適応はアドホックネットワークのより現実的な改善を可能にする。こうしてリレーが関与する可能な用途が広がる。リレーはセルの拡大を可能にするので、セルラ方式に基づいた移動体通信システムにおいてリレーを使用することはインフラのコストを低減する。それ故、或る特定のエリアをカバーするのに必要なセル及び基地局はより少なくて済む。

以下、本発明の実施の最良の形態を添付図面を参照して詳細に説明する。

図中、同一または類似の構成要素には、同一または類似の符号が付されてある。またこれらの要素の説明の繰り返しは省略される。

２つのソース、１つのリレー及び１つのシンク（例えば、図１に示されているセルラ方式に基づいた移動体通信システムにおけるアップリンク（uplink））が存在するネットワークにおいて、２つのソース（例えばユーザ）ＭＳ１及びＭＳ２が、ブロック長Ｋのブロックｕ₁及びｕ₂に分割された統計的に独立したデータをシンク（基地局）ＢＳに伝送しようとしている。この伝送をサポートするため、弱い第１のチャネル１００または弱いチャネル１１０の場合でも、第１のソースＭＳ１と第２のソースＭＳ２からデータが提供されるリレーＲが使用されている。リレーＲは、第１及び第２のソースＭＳ１及びＭＳ２から受信した情報を中継チャネル１３０を介してシンクＢＳに伝送することができる。

図２に本発明のアプローチの実施形態のブロック図を示している。情報ユニット（例えばビット）ｕ₁及びｕ₂は、ブロック長Ｎのチャネル符号化された情報ユニット・シーケンスｘ₁（ＭＳ１におけるチャネル符号器１のもの）及びｘ₂（ＭＳ２におけるチャネル符号器２のもの）を出力するチャネル符号器によって伝送エラーから保護されるようになっている。リレーＲ、これはチャネル２００及びチャネル２０２を介した伝送からチャネル符号化された情報ユニット・シーケンスｘ₁（ｙ₁₄）及びｘ₂（ｙ₂₄）の配信版を受信するものであって、受信したシーケンスを復号することができ、線形ネットワーク符号化（linear network coding）を使用することによって更なるエラー保護を提供している。これは、リレーが第１のソースＭＳ１から情報ｙ₁₄を受信して第１のチャネル復号器１（２０４）において情報ｙ₁₄を復号して第１の推定値ｕ＾₁₄を取得し、その一方でリレーが第２のソースＭＳ２から情報ｙ₂₄を受信して第２のチャネル復号器２（２０６）において情報ｙ₂₄を復号して第２の推定値ｕ＾₂₄を取得する、ということを意味している。両方の推定値ｕ＾₁₄及びｕ＾₂₄は、ブロック長Ｎ_Rを有するネットワーク符号化された情報ユニット（例えばビット）ｘ₄に一緒に線形結合される。この合同ネットワーク符号化（joint network-encoding）作業は、図２に示しているネットワーク符号器２０８において実行される。ここで、ネットワーク符号器２０８は、第１及び第２のデータソースの情報を１つのデータストリームに組み合わせるためのネットワーク符号（network code）を使用することができる。この組み合わされたデータストリームは、通信中継装置Ｒをデータシンク（基地局ＢＳ）と繋げるチャネル１３０を介してネットワーク符号化されたデータストリームが伝送されるときに、エラー保護を改善するため、特別なネットワーク・チャネル符号（例えば、低密度パリティ検査符号ＬＤＰＣ＝low-density parity-check code）を選択することによって、チャネル符号化されるようになっている。前述の内容にかかわらず、通信中継装置Ｒの出力データストリームｘ₄は、推定値ｕ＾₁₄及びｕ＾₂₄から引き出された第１及び第２の両方のデータソースの情報で構成されるということがこのシーケンスの主要な特徴であることから、本記述では単に“ネットワーク符号化された”一連の情報ユニットｘ₄と示されている。シンクＢＳ（基地局）において、ネットワーク／チャネル合同復号器（joint network/channel decoder）は、第１のソースから送られたデータを含むと想定される第１の出力情報シーケンスｕ＾₁₃と第２のソースから送られたデータを含むと想定される第２の出力情報シーケンスｕ＾₂₃とを提供するよう構成されることができる。シンクが第１及び第２のソースとリレーからそれぞれ受信する情報シーケンスから第１及び第２の出力情報シーケンス（ｕ＾₁₃，ｕ＾₂₃）を引き出すための正確な方法についてはより詳細に後述される。

以下、本例において使用されるチャネル・モデルをより詳細に議論する。ここでは、ｉ∈｛１，２，４｝に対して、
ｙ_i3＝ａ_i・ｘ_i＋ｎ_i
によって記述することができる一般的なＡＷＧＮフェーディング・チャネルの場合について議論される。上式においてノイズｎ_iはゼロ平均値（zero mean）かつ分散σ²のガウス型であり、符号ブロックの要素ｘ_iは−１または＋１のいずれかである。Ｅ［ａ_i ²］＝１によって制約されるチャネル係数ａ_iはレイリー分散型で多経路伝搬及び送信機の移動によるフェーディングを表している。３つのチャネルのフェーディング係数ａ_i（ｉ∈｛１，２，４｝）は統計的に独立しており、１つのブロックでは一定である。

フェーディングは、リレーが移動する（例えば別のユーザがリレーである）場合に、リレーＲから基地局ＢＳまでのチャネルにおいて現れるだけなので、このチャネルの第２のモデルも考慮される。つまりリレーが静的である（例えば信号機に設置された）場合、このチャネルはフェーディングの無い（ａ₄＝１）加法性白色ガウス雑音（ＡＷＧＮ）チャネルであることが想定される。

以下、チャネル・ネットワーク符号化をより詳細に触れることにする。ＬＤＰＣ符号は、導入部で一部既に言及されたように、パリティ検査行列Ｈまたは対応するタナー（Tanner）グラフを通じて特性を示すことができる。このセクションでは、タナーグラフはチャネル符号及びネットワーク符号を表現するためのフレームワークを提供し、それらを同時復号することを可能にすることが示されている。

まず、チャネル符号化（channel coding）を取り扱う。本実施形態ではＭＳ１及びＭＳ２におけるチャネル符号化に線形ブロック符号（例えばＬＤＰＣ符号）が使用されている。レートＲ＝Ｋ／Ｎの２つのＬＤＰＣ符号は、Ｎ列（Ｎ−Ｋ）行の疎な（sparse）パリティ検査行列Ｈ_i（ｉ∈｛１，２｝）で指定される線形ブロック符号である。ＬＤＰＣ符号のタナーグラフは、以下詳細に説明されるが、一方の側にあるＮ個の変数ノード（variable nodes）と、他方の側にあるＮ−Ｋ個のチェックノード（check nodes）とで構成されている。各変数ノードは例えば符号ビットを表しており、各チェックノードは例えばＨ_iの１つの行に対応するパリティ検査式を表している。符号ビットｘ_i＝ｕ_iＧ_i（ｉ∈｛１，２｝）は、情報ビットから、生成行列Ｇ_iを掛け合わせることによって生成されるが、それは条件Ｇ_iＨ_i ^T＝０を満たす必要がある。

次に、ネットワーク符号化をより詳細に取り扱う。ネットワーク符号器は、正しく復元されることが想定される復号された情報ビットｕ＾₁₄＝ｕ₁及びｕ＾₂₄＝ｕ₂を線形結合して、以下のようなネットワーク符号ビットを計算する。

ここで、ＧはリレーＲにおけるネットワーク符号器２０８の生成行列を表している。レートＲ_R＝（２・Ｋ）／Ｎ_Rを有するネットワーク符号は、シンクＢＳ（基地局）における復号をサポートすることができるＮ_R個の追加のパリティ検査式を提供している。チャネル符号とは対照的に、ネットワーク符号はＭＳ１及びＭＳ２の情報ビットを組み合わせる。それ故、ＭＳ１、ＭＳ２及びリレーにおける符号化作業は次のように一緒に記述することができる。

異なる符号化の動作は、それぞれ空間的に分散して処理されるが、それらは、次式で与えられるシステムレートを有する１つのネットワーク・チャネル符号として取り扱われることになる。

ネットワーク・チャネル符号のパリティ検査行列Ｈは、ＧＨ^T＝０を満たす必要があり、２・（Ｎ−Ｋ）＋Ｎ_R行及び２・Ｎ＋Ｎ_R列を含んでいる。シンクＢＳ（基地局）にある復号器は、ネットワーク・チャネル符号のパリティ検査行列Ｈに対応するタナーグラフ上でメッセージパッシング・アルゴリズム（message-passing algorithm）を処理し、従ってネットワーク符号化スキームによって提供されるダイバシティを利用することができる。

さらに、ネットワーク・チャネル符号の構築に焦点をより詳細に絞る。ここでは、例えばＬＤＰＣ符号としてネットワーク・チャネル符号をいかに構築するかについて考慮される必要があるが、符号器が空間的に分散していても、これは完全なネットワーク・チャネル符号に対して１ステップで行われるであろう。ネットワーク・チャネル符号のレートはＲ_S＝１−ｄ_v／ｄ_cで与えられる。ｄ_vは変数ノードの平均重み（average degree）、ｄ_cはチェックノードの平均重みである。分散型ネットワーク・チャネル符号化のため、チャネル符号に属するパリティ検査式は同一チャネル符号の符号ビットを含むことだけが許されるが、ネットワーク符号のパリティ検査式の制約は一切存在しない。これらの拘束条件を保てば、我々はネットワーク・チャネル符号として任意の線形ブロック符号を利用することができる。

ネットワーク・チャネル符号に対応するタナーグラフの構造を図３（ａ）に示す。円は変数ノードを表し、四角はチェックノードを表している。このグラフは、２つのチャネル符号（上と下の部分）及びネットワーク符号（中間部分）の３つの部分で構成されている。それぞれの部分は、フェーディング係数（fading factors）が統計的に独立した異なるチャネルからメッセージパッシング・アルゴリズムを初期化する情報を取得するようになっている。ネットワーク符号が第１のソースＭＳ１及び第２のソースＭＳ２の情報を組み合わせるように、そのチェックノードは３つ全ての符号部分の変数ノードを結び付け、このため全てのチャネルの受信情報が１つのソース（ユーザ）の情報ビットを復号するのに使用されるようになっている。これにより、３つの独立したフェーディング・チャネルによって提供されるダイバシティを活用することが可能となる。例えば、第１のソースＭＳ１からシンクＢＳ（基地局）への伝送が非常に強いフェーディング（ａ_i＝０）を有する場合、第２のソースＭＳ２からの受信情報及びリレーからの受信情報のみから、第１のソースＭＳ１のみの情報ビットを再構築することが可能である。

さらに、ネットワーク符号化はチャネル符号化と組み合わされる。ＬＤＰＣ符号のパフォーマンスはブロック長に大きく依存するので、ネットワーク・チャネル符号の同時復号は、２つのソース（ユーザ）の情報が一緒に復号される際に、復号に使用されるタナーグラフがより大きなブロック長を有するという利点がある。このポジティブな効果はＡＷＧＮチャネルにも利用することができ、ネットワーク符号化が３つ以上のソース（ユーザ）の情報に適用される場合に、より大きな意味を持つ。

ネットワーク符号は２つのチャネル符号を結び付けて組み合わせることから、図３（ａ）において、ネットワーク符号化によって提供されるダイバシティを有効に活用することができる。図３（ｂ）において、リレーが存在するがネットワーク符号化が存在しない第１の参照システムのタナーグラフの構造が開示されている。この図では、第１のソースＭＳ１及び第２のソースＭＳ２から発する情報は、本発明において実現される同時ネットワーク符号化された情報ユニット・シーケンスには組み合わされない。それ故、図３（ｂ）は、中継チャネルを介して伝送されたそれぞれの情報の２本の分離した経路を示しているだけである。図３（ｃ）には、リレーが存在しない第２の参照システムのタナーグラフの構造が開示されている。この図では、第１及び第２のソースからシンク（基地局）への第１及び第２のチャネル上の伝送のみが示されている。公平に比較するため、システム２Ｎ＋Ｎ_Rにおける符号ビットの総和は一定のままである。

図４に、通信受信機として動作する基地局ＢＳであることが前提となっているシンクのより詳細なブロック図を示している。基地局ＢＳは、第１のチャネル復号器４００と、ネットワーク復号器４０２と、第２のチャネル復号器４０４とを備えている。第１のチャネル復号器４００は、図２からわかるように第１のデータソースＭＳ１からチャネル１００を介して第１のチャネル符号化された情報ユニット・シーケンスｙ₁₃を受信するように構成されている。ネットワーク復号器４０２は、図２に示しているように通信中継装置Ｒからチャネル１３０を介してネットワーク符号化された一連の情報ユニットｙ₄₃を受信するように構成されている。第２のチャネル復号器４０４は、これも図２に示しているように第２のデータソースＭＳ２から第２のチャネル１１０を介して第２のチャネル符号化された情報ユニット・シーケンスｙ₂₃を受信するように構成されている。チャネル復号器１及び２（４００及び４０４）は、ｕ₁及びｕ₂についての推定された（ソフト）情報を経路４１０及び経路４０８を介してネットワーク復号器４０２に配信するようになっている。ネットワーク符号化された一連の情報ユニットは、第１及び第２のデータソースＭＳ１及びＭＳ２から発する情報を含んで構成されているので、ネットワーク復号器４０２は、第１のチャネル復号器４００及び第２のチャネル復号器４０４に提供される、ネットワーク復号器シーケンス４０６及び４０７を計算するように構成されている。このとき（計算の際）ネットワーク復号器が経路４１０及び４０８を介して受信する（ソフト）情報が使用される必要がある。さらに、ネットワーク復号器４０２は、第２のデータソースから発する情報から第１のデータソースから発する情報を分離するため、ネットワーク復号アルゴリズムを実行するように構成されている。こうして、ネットワーク復号器は、両方のチャネル復号器に、受信されチャネル符号化された一連の情報ユニットを再構築するために、両方のチャネル復号器４００及び４０４において使用できる更なる量の（ソフト）情報を提供して、第１のチャネル復号器４００が、最適な場合では正確に（図２に示すように）第１のデータソースＭＳ１によって送信されている情報シーケンスｕ₁である第１のチャネル復号器出力シーケンスｕ＾₁₃を出力することができるようにする。同じ方法が第２のチャネル復号器４０４の復号にも適用され、最適な場合には、それにより第２のデータソースＭＳ２から送信されている情報シーケンスｕ₂を完全に再構築することが可能である。このとき、第２のチャネル復号器出力シーケンスｕ＾₂₃は第２のデータソースＭＳ２を介して送信されている情報シーケンスｕ₂に等しい。チャネル復号器１及び２（４００及び４０４）からネットワーク復号器４０２への経路４０６及び経路４０７を介した（ソフト）情報の送信と、ネットワーク復号器からチャネル復号器１及び２（４００及び４０４）への経路４０８及び４１０を介した（ソフト）情報の送信とは、好ましくは幾度か繰り返される必要があるが、このときチャネル復号器におけるｕ₁及びｕ₂の推定は毎回改善される。これに関連して、ネットワーク復号器シーケンス４０６は両方のチャネル復号器４００及び４０４において両方のデータソースから送られた情報を再構築するための追加的な冗長情報またはオリジナル情報を含むことに言及することができる。さらに、図２に示しているチャネル１００が強いフェーディングを有する場合、ネットワーク復号器４０２に第２のデータソースＭＳ２に関して送信された情報が与えられたならば第１のデータソースＭＳ１によって送信された情報は完全に再構築可能である。これはネットワーク復号器４０２が次のような復号アルゴリズムを適用することができることを意味する。この復号アリゴリズムでは、データシンクによって受信された第２のチャネル符号化された一連の情報ユニットｙ₂₃または第２のチャネル復号器出力シーケンスｕ＾₂₃が、復号器経路４０８を通じてネットワーク復号器４０２に提供され、ネットワーク復号器４０２では、受信されたネットワーク符号化された一連の情報ユニットと、データシンクによって受信された第２のチャネル符号化された一連の情報ユニットｙ₂₃または第２のチャネル復号器出力シーケンスｕ＾₂₃とが、データシンクによって受信された第１のチャネル符号化された一連の情報ユニットｙ₁₃が、第１のデータソースＭＳ１によって伝送されるデータｕ₁を再構築するのに使用することができるような方法で、関連付けされている。極端なケースでは、第１のチャネル符号化された一連の情報ユニットｙ₁₃が、チャネル１００上での伝送途中で完全に失われた場合に、第１のチャネル復号器出力シーケンスは、ネットワーク復号器シーケンス４０６から完全に再構築することも可能である。同じように、図２に示しているチャネル１１０が強いフェーディングを有する場合、ネットワーク復号器４０２に第１のデータソースＭＳ１に関して送信された情報が与えられたならば、第２のデータソースＭＳ２によって送信された情報は完全に再構築可能である。これはネットワーク復号器４０２が次のような復号アルゴリズムを適用することができることを意味する。この復号アリゴリズムでは、データシンクＢＳによって受信された第１のチャネル符号化された一連の情報ユニットｙ₁₃または第１のチャネル復号器出力シーケンスｕ＾₁₃が、復号器経路４１０を通じてネットワーク復号器４０２に提供され、ネットワーク復号器４０２では、受信されたネットワーク符号化された一連の情報ユニットと、データシンクによって受信された第１のチャネル符号化された一連の情報ユニットｙ₁₃または第１のチャネル復号器出力シーケンスｕ＾₁₃とが、データシンクによって受信された第２のチャネル符号化された一連の情報ユニットｙ₂₃が、第２のデータソースＭＳ２によって伝送されるデータｕ₂を再構築するのに使用することができるような方法で、関連付けされている。極端なケースでは、第２のチャネル符号化された一連の情報ユニットｙ₂₃がチャネル１１０上での伝送途中で完全に失われた場合に、第２のチャネル復号器出力シーケンスは、ネットワーク復号器シーケンス４０７から完全に再構築することも可能である。

ここで反復ネットワーク・チャネル同時復号を適用する３つのシステムを比較する。２人のユーザ、１つのリレー及びブロック・レイリー・フェーディング・チャネル（block Rayleigh fading channels）を備えているシステムのシミュレーション結果は、反復ネットワーク・チャネル同時復号を適用するシステムによって実現される利点を裏付けている。我々は、平均重みｄｃ＝６のチェックノードと、平均重みｄｖ＝３の変数ノードと、図５の表に示しているパラメータとで正則ＬＤＰＣ符号を使用した。このパラメータ選択は、同じ帯域幅が３つのシステムによって使用されることを保証している。

ネットワーク・チャネル符号はメッセージパッシング・アルゴリズムを３０回繰り返して復号されている。図６に、固定（ＡＷＧＮ）リレーまたは移動（ブロック・レイリー・フェーディング）リレーにおいてネットワーク符号化を適用するシステムのビット誤り率（ＢＥＲ）のシミュレーション結果を開示している。このシステムは参照システムと比較して有意な利得を達成している。

図７に、固定（ＡＷＧＮ）リレーまたは移動（ブロック・レイリー・フェーディング）リレーにおいてネットワーク符号化を適用するシステムのフレーム誤り率（ＦＥＲ）のシミュレーション結果を開示している。このシステムは参照システムと比較して有意な利得を達成している。

図６は信号対ノイズ比（ＳＮＲ）Ｅ_b／Ｎ₀（ｄＢ単位）に対するビット誤り率（ＢＥＲ）、図７は信号対ノイズ比（ＳＮＲ）Ｅ_b／Ｎ₀（ｄＢ単位）に対するフレーム誤り率（ＦＥＲ）を示している。反復ネットワーク・チャネル同時復号を適用するシステムは参照システムと比較して有意な利得を実現している。リレーが存在するがネットワーク符号化が存在しないシステムの利得はずっと低いことから、ネットワーク符号化の適用は主に利得に関与することがわかる。

図８に３つ以上のソース（ユーザ）が存在する状況でネットワーク・チャネル同時復号が適用可能な２つの可能な設定を示している。全てのソース（ユーザ）の情報はタナーグラフ上で同時に復号される。

３つ以上のソース（ユーザ）の場合のネットワーク・チャネル同時復号の適用はいくつかの方法で実施することができる。例えば、数個のソース（ユーザ）が１つのリレーを利用することができる（図８（ａ）参照）。別の興味ある設定は、各リレーが１対のソース（ユーザ）だけに利用されるが各ソース（ユーザ）は複数のリレーを利用する場合（図８（ｂ）参照）である。ソースは、数個の移動データソースまたは１つの移動データソース、及び１つの固定データソース（例えば基地局）であることが可能である。

図８（ｂ）に８つのソース（ユーザ）及び８つのリレーを有する可能な設定を示している。全てのソース（ユーザ）からのデータは、１つのグラフ上で復号されることになる。両方のケースとも、グラフの長さは大きく拡張できる。これにより、特に遅延制約条件のために短いブロック長が使用される用途において、パフォーマンスが改善されることになる。

さらに、Ｂ．Ｚｈａｏ及びＭ．Ｖａｌｅｎｔｉ共著の「ＰｒａｃｔｉｃａｌＲｅｌａｙＮｅｔｗｏｒｋｓ：ＡＧｅｎｅｒａｌｉｚａｔｉｏｎｏｆＨｙｂｒｉｄ−ＡＲＱ」、ＩＥＥＥＪｏｕｒｎａｌｏｎＳｅｌｅｃｔｅｄＡｒｅａｓｉｎＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ、２００５年１月、第２３巻、第１号、ｐ．７−１８に記載された一般化されたハイブリッドＡＲＱプロトコルは以下のように拡張される。この場合もやはり、（１つ以上の）ソースがチャネル符号化された情報をシンクに送信するようになっている。リレーもこの伝送を接続待ち（listen）する。リレーが成功裏に復号することが可能な場合、リレーは、冗長情報が追加されたパケットを直交チャネルでリクエストすることなくシンクに送信するようになっている（例えば、データシンクにおける再構築特性を改善するため冗長情報のみがデータシンクに送信される）。この追加的な冗長情報は、数個のソースの情報が正しく復号された場合にはネットワーク符号の出力であり、１つのソースの情報のみが正しく復号された場合にはチャネル符号の出力である。このパケットのヘッダは、どの（１つまたは複数の）ソースがこのパケットに含まれるかの情報を含んでいる。したがって、シンクはどのリレーがどの情報を成功裏に復号したかを知り、全てのソースの情報が復号されるまでソースの１つまたはリレーからより多くの冗長情報をリクエストすることができる。これは一定の基準によって判定される（例えば、シンクへの接続のＳＮＲ及びまだ復号されていないソース（ユーザ）の情報）。この拡張では衝突通信期間は必要ない。しかしながら、受信機はこの受信機への冗長情報の再送を求めるために（否定の）ＡＣＫ信号もリレーに送信することができる。

こうして、ルーティング及び反復符号化スキームの組み合わせは、ネットワーク符号化と反復符号化スキームの組み合わせに拡張される。（１つまたは複数の）ソースは、情報を１つのシンクへ送信するために共通のリレーを使用するようになっている。ソースにおいて情報は、チャネル符号化され、リレーは、チャネル復号器でその情報の再構築を試みる。リレーはネットワーク符号化を実行し、このことは、ネットワーク符号化はリレーが異なるソースから伝送されたデータを組み合わせることを意味している。シンクは、ソースからチャネル符号ビットを取り出し、リレーからネットワーク符号ビットを取り出すようになっている。

チャネル符号及びネットワーク符号は、ネットワーク・チャネル符号と称される単一の分散型線形ブロック符号によって記述される。ここでは、例えば低密度パリティ検査（ＬＤＰＣ）符号が考慮されている。ネットワーク・チャネル符号は、シンクにおいて反復型メッセージパッシング・アルゴリズムを使って復号されるようになっている。こうして、ネットワーク・チャネル同時復号が実行される。さらに、第１及び第２のチャネル復号器４００、４０４とネットワーク復号器４０２と間での経路４０６、４０７、４０８及び４１０を介した（ソフト）情報の交換は数回繰り返すことができる。

１つのシンク及び１つのリレーが存在するがネットワーク符号化を実行しないシステムへの分散型ＬＤＰＣ符号の使用は、記述したシステムの特殊なケースである。この特殊なケースは、Ｂ．Ｚｈａｏ及びＭ．Ｖａｌｅｎｔｉ共著の「ＤｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄＴｕｒｂｏＣｏｄｅｄＤｉｖｅｒｓｉｔｙｆｏｒｔｈｅＲａｙｌｅｉｇｈＣｈａｎｎｅｌ」、ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＬｅｔｔｅｒｓ、２００３年、第３９巻、ｐ．７８６−７８７に提示された分散型ターボ符号に相当する。

ここに提案されたアプローチは、数個のソース、数個のリレー及び数個のシンクを利用する場合にも容易に拡張することが可能である。

さらに、Ｂ．Ｚｈａｏ及びＭ．Ｖａｌｅｎｔｉ共著の「ＰｒａｃｔｉｃａｌＲｅｌａｙＮｅｔｗｏｒｋｓ：ＡＧｅｎｅｒａｌｉｚａｔｉｏｎｏｆＨｙｂｒｉｄ−ＡＲＱ」、ＩＥＥＥＪｏｕｒｎａｌｏｎＳｅｌｅｃｔｅｄＡｒｅａｓｉｎＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ、２００５年１月、第２３巻、第１号、ｐ．７−１８に記載された一般化されたハイブリッドＡＲＱプロトコルの拡張は、シンクがソースの１つまたはリレーの１つが次のパケットを送信するかどうかを判定する場合に提案されている。このとき衝突通信期間は一切必要ない。（拡張された）一般化されたハイブリッドＡＲＱプロトコルは、ネットワーク・チャネル符号がレートに適合する場合に、反復型ネットワーク・チャネル復号を使用するシステムに適応かつ適用されることが可能である。

まとめると、本発明は、１つまたは数個のソース、中間ノード（リレー）及び１つまたは数個のシンクが存在する通信ネットワークを想定している。中間通信チャネルは、時間変動する妨害（time-varying disturbance）を伴う帯域制限されたチャネルである。

信頼性が高く効率的な伝送を可能にするため、分散型線形ブロック符号が提案されている。ソースはデータをチャネル符号化し、その符号化されたデータをノード及びシンクに伝送する。ノードでは、異なるソースからのデータが線形ネットワーク符号を通じて組み合わされる。シンクでは、チャネル符号及びネットワーク符号が同時に考慮され、単一グラフ上で復号される。グラフ上の復号は通常、メッセージパッシング・アルゴリズムで実行される。低密度パリティ検査（ＬＤＰＣ）符号はこの分散型符号によく適した候補である。

さらに、ノードが分散した編成でハイブリッドＡＲＱプロトコルが提案されている。そこでは、ノードが利用可能なソースからのデータをネットワーク符号を通じて組み合わせ、明示的にリクエストすることなく、この追加的な冗長情報をシンクに送信するようになっている。

さらに、本発明の方法の特定の実施要件に応じて、本発明の方法は、ハードウェアまたはソフトウェアの形態で実施が可能である。本発明の実施は、本発明の方法が実行されるようにプログラム実行可能なコンピュータシステムと連携することができるデジタル記憶媒体、特に電子的に読み取り可能な制御信号をその上に有しているディスクまたはＣＤを使用して行うことができる。一般に、本発明は、従って、コンピュータ上で実行された場合に、本発明の方法を少なくとも１つ実行するよう構成されたプログラムコードが機械読み取り可能な媒体に記憶されているコンピュータプログラム製品である。言い換えると、本発明の方法は、コンピュータ上で実行された場合に、本発明の方法を実行するためのプログラムコードを有するコンピュータプログラムである。

本発明の利用形態の概略図である。本発明の第１の実施形態のブロック図である。（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）はそれぞれ、図２に示している本発明の実施形態による復号化の異なるタナーグラフを示した図である。本発明の通信受信機の実施形態のブロック図である。本発明の実施形態に使用される変数の特別な組み合わせを示している表である。本発明の実施形態を含んでいる数個のシステム設計のビット誤り率をグラフで比較した図である。本発明の実施形態を含んでいる数個のシステム設計のフレーム誤り率をグラフで比較した図である。（ａ）は１つのリレーが３つ以上のデータソースからのデータ伝送を目的とシステム設計の概略図、（ｂ）は各データソースが２つ以上のリレーを利用するシステム設計の概略図である。

符号の説明

１００，１１０データソースから通信受信機へのチャネル
１３０通信中継装置から通信受信機へのチャネル
２００，２０２データソースから通信中継装置へのチャネル
２０４，２０６通信中継装置内チャネル復号器
２０８通信中継装置内ネットワーク復号器
４００，４０４通信受信機内チャネル復号器
４０２通信受信機内ネットワーク復号器
４０６，４０７ネットワーク復号器シーケンス
４１０，４０８ソフト復号器情報シーケンス

Claims

第１の無線チャネル（２００）を監視し、第１のデータソース（ＭＳ１）から第１の無線チャネル（２００）を介して第１のチャネル符号化された一連の情報ユニット（ｙ_１４）を受信し、前記第１のチャネル符号化された一連の情報ユニット（ｙ_１４）を復号して第１の復号された一連の情報ユニット（ｕ＾_１４）を取得するように構成されている第１のチャネル復号器（２０４）と、
前記第１の無線チャネル（２００）とは互いに異なる第２の無線チャネル（２０２）を監視し、第２のデータソース（ＭＳ２）から前記第２の無線チャネル（２０２）を介して第２のチャネル符号化された一連の情報ユニット（ｙ_２４）を受信し、前記第２のチャネル符号化された一連の情報ユニット（ｙ_２４）を復号して第２の復号された一連の情報ユニット（ｕ＾_２４）を取得するように構成されている第２のチャネル復号器（２０６）と、
前記第１及び第２の復号された一連の情報ユニット（ｕ＾_１４，ｕ＾_２４）の情報を組み合わせ、更に合同でネットワーク・チャネル符号化して、ネットワーク・チャネル符号化された情報ユニット・シーケンス（Ｘ_４）を提供するように構成されており、ここで、前記組み合わせ及び前記合同ネットワーク・チャネル符号化を表現するタナーグラフが、前記第１のチャネル符号化された一連の情報ユニット、前記第２のチャネル符号化された一連の情報ユニット、及び前記ネットワーク・チャネル符号化された情報ユニット・シーケンス（Ｘ_４）の符号ビットを表す変数ノードに接続するチェックノードを有するものであり、更に、前記ネットワーク・チャネル符号化された情報ユニット・シーケンス（ｘ_４）をデータシンク（ＢＳ）に無線送信するように構成されているネットワーク符号器（２０８）と
を含んでいる、ネットワーク・チャネル符号化された情報ユニット・シーケンス（Ｘ_４）を提供するための通信中継装置（Ｒ）。
前記第１のチャネル復号器（２０４）及び前記第２のチャネル復号器（２０６）は、移動性の前記無線チャネル（２００，２０２）を監視するように構成されており、前記データソース（ＭＳ１，ＭＳ２）は移動性のデータソースである、請求項１に記載の通信中継装置（Ｒ）。
前記ネットワーク符号器（２０８）は、線形ブロック符号または畳み込み符号を使用してネットワーク・チャネル符号化を実行するよう構成されている、請求項１または２に記載の通信中継装置（Ｒ）。
前記線形ブロック符号は低密度パリティ検査符号である、請求項３に記載の通信中継装置（Ｒ）。
前記第１及び第２の無線チャネルとは互いに異なる第３の無線チャネルを監視し、第３のデータソース（ＭＳ３）から第３の無線チャネルを介して第３のチャネル符号化された一連の情報ユニットを受信し、前記第３のチャネル符号化された一連の情報ユニットを復号して、第３の復号された一連の情報ユニットを取得するように構成されている第３のチャネル復号器を更に備えており、
前記ネットワーク符号器（２０８）は、前記第１、第２及び第３の復号された一連の情報ユニットをネットワーク・チャネル符号化して、前記ネットワーク・チャネル符号化された情報ユニット・シーケンス（ｘ_４）を提供するように構成されている、請求項１ないし４のいずれか一項に記載の通信中継装置（Ｒ）。
前記第１のチャネル復号器（２０４）は、前記第１のチャネル符号化された一連の情報ユニット（ｙ_１４）が正しく復号できるかどうかを判定し、前記第１のデータソース（ＭＳ１）によって送られた信号（ｕ_１）を正しく再構築するための冗長情報を包含する前記第１の復号された一連の情報ユニット（ｕ＾_１４）を提供するように構成されているか、または前記第２のチャネル復号器（２０６）は、前記第２のチャネル符号化された一連の情報ユニット（ｙ_２４）が正しく復号できるかどうかを判定し、前記第２のデータソース（ＭＳ２）によって送られた信号（ｕ_２）を正しく再構築するための冗長情報を包含する前記第２の復号された一連の情報ユニット（ｕ＾_２４）を提供するように構成されている、請求項１ないし５のいずれか一項に記載の通信中継装置（Ｒ）。
前記ネットワーク符号器（２０８）は、前記データシンク（ＢＳ）からＡＣＫ信号を受信し、前記ネットワーク符号器（２０８）は、前記ＡＣＫ信号に応答して更なるネットワーク・チャネル符号化された情報を送信するように構成されている、請求項６に記載の通信中継装置（Ｒ）。
請求項１ないし７のいずれか一項に記載されている第１の通信中継装置（Ｒ１）であって、前記第１の通信中継装置（Ｒ１）の第１のチャネル復号器は、前記第１のデータソース（ＭＳ１）から前記第１のチャネル符号化された一連の情報ユニットを受信するように構成されており、前記第１の通信中継装置（Ｒ１）の第２のチャネル復号器は、前記第２のデータソース（ＭＳ２）から前記第２のチャネル符号化された一連の情報ユニットを受信するように構成されており、前記第１の通信中継装置（Ｒ１）のネットワーク符号器は、前記第１のネットワーク・チャネル符号化された情報ユニット・シーケンスを提供して、該第１のネットワーク・チャネル符号化された情報ユニット・シーケンスを前記データシンク（ＢＳ）に送信するように構成されている第１の通信中継装置（Ｒ１）と、
請求項１ないし７のいずれか一項に記載されている第２の通信中継装置（Ｒ２）であって、前記第２の通信中継装置（Ｒ２）の第１のチャネル復号器は、第３のデータソース（ＭＳ３）から第３のチャネル符号化された一連の情報ユニットを受信するように構成されており、前記第２の通信中継装置（Ｒ２）の第２のチャネル復号器は、前記第２のデータソース（ＭＳ２）から前記第２のチャネル符号化された一連の情報ユニットを受信するように構成されており、前記第２の通信中継装置（Ｒ２）のネットワーク符号器は、第２のネットワーク・チャネル符号化された情報ユニット・シーケンスを提供して、該第２のネットワーク・チャネル符号化された情報ユニット・シーケンスを前記データシンク（ＢＳ）に送信するよう構成されている第２の通信中継装置（Ｒ２）と
を備えている、通信中継システム。
ネットワーク・チャネル符号化された情報ユニット・シーケンス（ｘ_４）を提供するための方法であって、
第１のデータソース（ＭＳ１）から第１の無線チャネル（２００）を介して第１のチャネル符号化された一連の情報ユニット（ｙ_１４）を受信し、該第１のチャネル符号化された一連の情報ユニット（ｙ_１４）を復号して第１の復号された一連の情報ユニット（ｕ＾_１４）を取得するステップと、
第２のデータソース（ＭＳ２）から、前記第１の無線チャネル（２００）とは互いに異なる第２の無線チャネル（２０２）を介して第２のチャネル符号化された一連の情報ユニット（ｙ_２４）を受信し、該第２のチャネル符号化された一連の情報ユニット（ｙ_２４）を復号して第２の復号された一連の情報ユニット（ｕ＾_２４）を取得するステップと、
前記第１及び第２の復号された一連の情報ユニット（ｕ＾_１４，ｕ＾_２４）の情報を組み合わせ、更に合同でネットワーク・チャネル符号化して、ネットワーク・チャネル符号化された情報ユニット・シーケンス（Ｘ_４）を提供するステップであって、前記組み合わせ及び前記合同ネットワーク・チャネル符号化を表現するタナーグラフが、前記第１のチャネル符号化された一連の情報ユニット、前記第２のチャネル符号化された一連の情報ユニット、及び前記ネットワーク・チャネル符号化された情報ユニット・シーケンス（Ｘ_４）の符号ビットを表す変数ノードに接続するチェックノードを有するものである、ステップと、
前記ネットワーク・チャネル符号化された情報ユニット・シーケンス（ｘ_４）をデータシンク（ＢＳ）に無線送信するステップと
を含んでいる通信中継方法。
コンピュータ上で実行される場合に、請求項９に記載された方法を前記コンピュータが実行できるようにするプログラムコードを備えているコンピュータプログラム。