JP4739448B2 - 移動体通信システムの中継局 - Google Patents

Description

本発明は、中継局を使用する移動通信システムにおける無線通信の分野のものである。

従来の中継の概念は、例えば、増幅転送中継法（amplify-and-forward method）、復号転送中継法のような標準の中継法から構成される。増幅転送中継法は、雑音増幅の処理を犠牲にして低い遅延を実現しているが、復号転送中継法（decode-and-forward relaying）は、復号に起因する中継局での処理遅延を生じさせる。更に、中継局での復号誤りは、送り先での復号に有害な影響を生じさせ得る。

無線ネットワークにおける中継局の明示された目的は、同じセル内の他のユーザの伝送を容易にすることである。ここで、１つの重要な利点は、非特許文献１で示されるように、協調ダイバーシチを提供することである。非特許文献２によって示されるようなネットワーク符号化の概念は、元来、有線ネットワークのスループットを増加するために開発されたが、非特許文献３、非特許文献４、非特許文献５、及び非特許文献６で示されるように、無線ネットワークへネットワーク符号化を適用することにより、フェージング・チャネルの効果に対して効果的に対処でき、それによって協調ダイバーシチを提供することができる。

共通の仮定として、中継ノード又は中継局がソースメッセージを完全に復元できると仮定すると、非特許文献７及び非特許文献８の戦略によって示されるように、復号転送法（ＤＦ）に基づく中継プロトコルへ研究が制限される。或いは、中継ノードに誤り検出スキームが存在すると仮定して、復号後に残存誤りが残る場合、中継ノードが全く伝送を行わないような戦略へ研究が制限される。

図１３は、マルチホップ中継を利用するシナリオ及び無線ネットワークを示している。図１３は、記号又は伝送語ｘ_１を伝送しているソース（source：発信元）ｓ_１を示している。ｘ_１は、中継局ｒ及び送り先ｄによって受信される。図１３は、第２の記号又は伝送語ｘ_２を伝送している第２のソースｓ_２を示している。ｘ_２もまた、中継局ｒ及び送り先ｄによって受信される。更に、中継局ｒは、記号ｘ_ｒを伝送する。ｘ_ｒもまた、送り先によって受信される。

全体を通して、２つのソースｓ_１、ｓ_２と、１つの中継局ｒと、送り先ｄとを有する図１３の多元接続中継通信路（ＭＡＲＣ＝Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ａｃｃｅｓｓ Ｒｅｌａｙ Ｃｈａｎｎｅｌ）が考察される。ネットワークジオメトリとして、中継局はソースよりも送り先に近いと仮定されており、従って、ソースと中継局との間の通信路品質が低すぎて、信頼できる復号を中継局で許容することができない。しかしながら、中継局と送り先リンクとの間は、中継局が送り先に近いため、より高いレートをサポートすることができる。そのようなシナリオの場合、中継局は、非特許文献９によって説明されるネットワーク符号化からのアイデアを利用して、ネットワーク符号化メッセージ

の対数尤度比（ＬＬＲ）を形成し、これらのＬＬＲをアナログ形式で送り先へ伝送して、非特許文献１０で示されるように、受信機のパフォーマンスを著しく高めることができる。

中継に関する他のアプローチは、非特許文献１１、非特許文献１２、非特許文献１３、及び非特許文献１４の中に見出される。

非特許文献１５において、著者らは、図１４に示されるネットワーク符号化の概念を開示している。図１４は、情報語ｕ_１を第１の記号又は伝送語ｘ_１へ符号化する第１の符号器１４１０を示している。ｘ_１は、中継局１４５０及び送り先１４７０へ伝送される。更に、図１４は、第２の符号器１４２０を示している。符号器１４２０は、第２の情報語ｕ_２を第２の記号又は伝送語ｘ_２へ符号化する。ｘ_２もまた、中継局１４５０及び送り先１４７０へ伝送される。図１４で示されるように、中継局１４５０では、２つの記号が受信され、加法的白色ガウス雑音ｎ_ｒ（ＡＷＧＮ＝Ａｄｄｉｔｉｖｅ Ｗｈｉｔｅ Ｇａｕｓｓｉａｎ Ｎｏｉｓｅ）によって重畳される。図１４で「復号器１」１４５１及び「復号器２」１４５２と名付けられた２つの復号器が、中継局１４５０において動作する。

理想的には、２つの復号器１４５１及び１４５２は、情報語ｕ_１及びｕ_２を復号する。２つの復号された情報語は、次いで図１４の加法１４５３によって示されるように組み合わせられ、この組み合わされたものは、図１４で示される符号器１４５４によって符号化される。符号化され組み合された記号ｘ_Ｒは、中継局１４５０から送り先１４７０へ伝送され、送り先１４７０でＡＷＧＮ ｎ_Ｂによって重畳される。３つの記号又は受信語、すなわち、「符号器１」１４１０からのｙ_１、「符号器２」１４２０からのｙ_２、中継局１４５０からのｙ_Ｒが、送り先１４７０で受信される。送り先１４７０では、情報語ｕ_１及びｕ_２を復号するために結合復号（joint decoding）を利用することができる。図１４で示される概念の１つの欠点は、遅延が生じることである。この遅延は、情報語を導出するために受信信号を中継局１４５０で復号すること、及び前記情報語の組み合わせを中継局１４５０で再び符号化することに関連づけられる。

他の従来のアプローチは、図１５に示されている。図１５は、図１４で説明されたコンポーネントと類似のコンポーネントを示しているが、中継局１４５０では、復号された情報語ｕ_１及びｕ_２を組み合わせる代わりに、結合符号器（joint encoder）１４５５が利用される。結合符号器１４５５は、増加されたブロック長を使用できるという利点がある。これは、繰り返し復号（iterative decoding）に対して特に有利である。結合符号器１４５５は、増加されたダイバーシチを可能にし、これは送り先１４７０にある結合復号器で利用することができる。しかしながら、中継局において受信された信号を復号すること、及び復号された信号を再度の結合して符号化することは、依然として高い遅延を伴う。この遅延は、特に増加されたブロック長が使用されるときに生じる。また、中継局１４５０での復号誤りから別の問題が起こる。すなわち、復号誤りが、再符号化されて送り先１４７０へ拡張又は転送されるという問題が起こる。

更に、他の従来のアプローチが図１６に示されている。図１６は、図１４及び図１５において既に紹介されたコンポーネントと類似のコンポーネントを示している。図１６は、中継局１４５０から送り先１４７０へのアナログ伝送のアプローチを示している。アナログ伝送は、例えば、基地局又はノードＢで実現できる。上記で説明された概念との主な相違は、中継局１４５０における復号器１４５１及び１４５２が、情報語ｕ_１及びｕ_２の対数尤度比（ＬＬＲ＝Ｌｏｇ Ｌｉｋｅｌｉｈｏｏｄ Ｒａｔｉｏ）に関して軟情報（soft information）を提供することである。図１６の上部には、一般情報語ｕのＬＬＲへの洞察を提供するための方程式が示されている。一般的な場合、情報語ｕは１つのビットだけを備え、このビットは２つの値、すなわち、＋１又は−１を取ることができる。いわゆる軟情報は、ビットが＋１に等しい確率とビットが−１に等しい確率との商を考慮することによって決定され得る。これは、図１６の上部の方程式で示される。

商の対数を取ることは、軟情報を線形化し、正の実数の範囲から実数の全範囲へ商をマップする。その結果、ＬＬＲの符号を取ることは、硬判定検出器（hard decision detector）に対応する。ＬＬＲの大きさは、信頼性情報（reliability information）に対応する。

図１６の中継局１４５０において、復号器１４５１及び１４５２は、対応する情報語ｕ_１及びｕ_２のＬＬＲを決定する。更に、図１６は、中継局１４５０において、第２の復号器１４５２の出力でのＬＬＲが、ＬＬＲをインタリーブするインタリーバ１４５６へ提供されることを示している。第２の復号器からのインタリーブされたＬＬＲは、組み合わせ器１４５７によって組み合わされ、その後、アナログ伝送が使用されて、組み合わせの情報を送り先１４７０へ伝送する。ＬＬＲに関しての信頼性情報は、送り先１４７０の結合復号器へ提供される。しかしながら、２つの復号器１４５１及び１４５２によって軟情報を決定するため、依然として中継局１４５０で長い遅延が起こる。

図１７は、図１６と同じシナリオを示しているが、送り先又はノードＢの詳細が提供される。図１７から分かるように、ＬＬＲは、送り先１４７０において３つの検出器１４７１、１４７２、及び１４７３によって３つの受信信号ｙ_１、ｙ_２、及びｙ_Ｒについて決定される。図１７は、結合繰り返し復号（joint iterative decoding）の概念を示している。検出器１４７１によって提供された対数尤度比は、最初のステップで、第１の復号器１４７５へ提供される。これは、情報語ｕ_１のＬＬＲを決定するためである。復号器１４７５の入力で提供されたＬＬＲは、伝送された符号語の事後知識（posteriori knowledge）に対応する。復号器１４７５の出力では、事後知識と復号器１４７５の出力との差を評価することによって、情報語ｕ_１の事前知識（prior knowledge）が決定される。事前知識はＬＬＲに関して依然として利用可能である。その後、この事前知識は、中継局１４５０で決定された組み合わせによって得られた受信信号ｙ_Ｒから検出器１４７３によって決定されたＬＬＲと、組み合わせ器１４７６によって組み合わせることができる。

この組み合わせは、例えば、情報語ｕ_１及びｕ_２のＸＯＲの組み合わせに対する組み合わせＬＬＲを決定することによって決定できる。続いて、正確な組み合わせの導出が提供される。これは

によって表される。第１の情報語の事前知識及び組み合わせＬＬＲから、第２の情報語の事後知識を決定できる。この事後知識は、デインタリーバ１４７７によってデインタリーブされる。デインタリーバ１４７７は、中継局１４５０のインタリーバ１４５６に対応する。デインタリーバ１４７７の出力でのデインタリーブされたＬＬＲを、第２の受信信号ｙ_２から検出器１４７２によって検出されたＬＬＲと組み合わせ、第２の復号器１４７８へ入力として提供できる。第２の復号器１４７８は、第２の情報語ｕ_２のＬＬＲを自身の出力で提供し、このＬＬＲから、外因性情報とも呼ばれる先天的情報を決定するために、検出器１４７２及びデインタリーバ１４７７からの事後知識が差し引かれ得る。

インタリーバ１４７９の後、インタリーブされたＬＬＲは、組み合わせ器１４８０によって検出器１４７３の出力と再び組み合わせることができる。第１の情報語ｕ_１の後天的情報は、組み合わせ器１４８０の出力において利用可能であり、検出器１４７１の出力における事後知識と再び組み合わせることができる。上記の説明は、ターボ復号の原理と類似する結合繰り返し復号器（joint iterative decoder）の最初の繰り返しループに対応する。情報語ｕ_１及びｕ_２の一層信頼できる情報を決定するため、複数の繰り返しループが上記の説明に倣って実行され得る。

図１８は、中継局１４５０で不良又は弱い無線通信路が経験され、従ってゼロに等しいかゼロに近いＬＬＲが決定される場合を示している。結果として、送り先１４７０では、ゼロに等しいＬＬＲが検出器１４７３によって決定される。すなわち、非常に信頼性のない情報のみが利用可能である。その結果、組み合わせ器１４７６及び１４８０によって実行された組み合わせも、ゼロのＬＬＲを産出する。従って、復号器の中で、検出器１４７３のＬＬＲは、検出器１４７１及び１４７２によって決定されたＬＬＲに影響を与えない。言い換えれば、もし中継局１４５０での復号が非常に信頼できないものであれば、送り先での復号は、検出器１４７１及び１４７２の出力だけに基づいたものとなる。この場合、繰り返しプロセスは何の利益も提供しない。

図１９は、図１９の左側に描かれるシナリオに対するビット誤り率（ＢＥＲ＝Ｂｉｔ Ｅｒｒｏｒ Ｒａｔｅ）のシミュレーション結果を示している。このシナリオでは、２つのソース１９０１及び１９０２が信号を中継局１９０３及び送り先１９０４へ伝送する。更に、全てのリンク上で信号対雑音比（ＳＮＲ＝Ｓｉｇｎａｌ−ｔｏ−Ｎｏｉｓｅ Ｒａｔｉｏ）、すなわち、ソース１９０１及び１９０２と中継局１９０３との間のリンクのＳＮＲ_ｓｒと、ソース１９０１及び１９０２と送り先１９０４との間のリンクのＳＮＲ_ｓｄと、中継局１９０３と送り先１９０４との間のリンクに対するＳＮＲ_ｒｄとが与えられる。図１９の右側では、ソース１９０１及び１９０２と送り先１９０４との間のリンクのＢＥＲ対ＳＮＲが、図チャートによって描かれる。シミュレーションについては、リンクが対称であること、すなわち、双方のソース１９０１及び１９０２から中継局１９０３へのリンク上で類似のＳＮＲが起こるものと仮定されている。更に、図１９の右側に描かれる結果については、ＳＮＲ_ｓｒ＝５ｄＢであることが仮定され、中継局１９０３と送り先１９０４との間の異なるＳＮＲ_ｒｄについて結果が示されている。この結果は、もし中継局１９０３と送り先１９０４との間のリンクの信号品質が高くなるならば、顕著な利益がＢＥＲで得られ得ることを示している。

図２０は、類似のシミュレーション結果を示している。しかしながら、図２０の結果については、ソース１９０１及び１９０２と中継局１９０３との間のリンクのＳＮＲは、０ｄＢであると仮定されている。すなわち、図１９で考察される場合よりも多くの誤りが中継局１９０３で起こる。しかしながら、中継局１９０３と送り先１９０４との間のリンク上の信号品質が高くなるにつれて、ＢＥＲの利得が得られうることが依然として観察できる。

図２１は、図１６の支援を受けて説明される中継局１４５０からのアナログ伝送を使用する類似のシナリオを示している。図２１の下部には、組み合わされたＬＬＲであるＬ（ｕ_Ｒ）が示されている。図２１の下部にある図チャートから、組み合わされたＬＬＲは、ガウス分布に近似することが分かる。アナログ伝送が使用されるので、組み合わされたＬＬＲを確実に伝送するためには、ＡＷＧＮによって重畳されることも考慮して、大きな伝送電力が利用されなければならない。

図２２は、大きな伝送電力を利用しなければならない問題を少なくとも部分的に克服する選択肢を示している。中継局１４５０では、組み合わされたＬＬＲが信号プロセッサ１４５８によって処理される。その信号プロセッサ１４５８では、組み合わされたＬＬＲの双曲線正接が、決定され、その後、軟ビット伝送とも呼ばれるアナログ伝送に使用される。
また、図２３には、図２２に類似する選択肢が示されている。そこでは、量子化器１４５９が使用され、中継局１４５０及び１９０３で、それぞれＬＬＲを量子化する。図２３の右側の上部には、上記で検討されたシナリオが示されている。このシナリオには、２つのソース１９０１及び１９０２と、中継局１９０３と、送り先１９０４とが関与している。図２３の左側に描かれたシミュレーション結果の場合、ソース１９０１及び１９０２と中継局１９０３との間のリンクのＳＮＲ_ｓｒは３ｄＢであると仮定されている。図２３の右側の下部には、中継局１４５０又は１９０３の詳細が描かれ、量子化器１４５９が示されている。

左側の図チャートでは、２つの量子化領域が点線によって分離されると仮定して、ＬＬＲの確率密度Ｌ_Ｒが示されている。２つの正方形は、送り先１９０４へ伝送される量子化器の値を表す。２つだけの量子化領域を有することは、量子化値ごとに１つだけのビットを中継局１９０３から送り先１９０４へ伝送することに対応する。このシナリオでは、伝達情報又は相互情報に関して、量子化に起因する劣化は、ほとんど起こらないこと、すなわち、量子化に起因する情報喪失は、ほとんどないことが観察される。

図２４は、ソース１９０１又は１９０２と送り先１９０４との間のリンクのＢＥＲ対ＳＮＲ_ｓｄのシミュレーション結果を示している。このシミュレーションでは、ソース１９０１及び１９０２と中継局１９０３との間のＳＮＲ_ｓｒは、３ｄＢであると仮定されている。また、中継局１９０３と送り先１９０４との間のＳＮＲ_ｒｄは、０ｄＢであると仮定されている。図２４の左側の図チャートは、ＢＥＲシミュレーション結果を示している。アナログ伝送は、正方形マーカによって表示され、軟ビットアナログ伝送は三角形マーカによって表示され、２つの量子化領域、すなわち、量子化器値ごとに１つだけのビットを使用する量子化器伝送は円形マーカによって表示されている。量子化値を使用するとき、ソースと送り先との間の高いＳＮＲに対してのみ劣化が起こり、ソースと送り先との間のやや低いＳＮＲに対しては、量子化値の伝送はＢＥＲの改善を提供することが観察される。これは、低いＳＮＲのアナログ伝送に対してＡＷＧＮが高い影響を及ぼすことに起因する。

図２５は、他のシミュレーションシナリオを示している。ここでは、あるシナリオに対して５つの量子化器領域が仮定されており、そのシナリオとは、ＳＮＲ_ｓｒ＝０ｄＢ、すなわち、ＳＮＲが上記の検討されたシナリオよりも低いシナリオである。５つの量子化器領域が仮定されているので、情報源符号化（source coding）の後で平均して２．３ビットが量子化値ごとに伝送されなければならない。図２５の左側の図チャートは、量子化器１４５９の入力におけるＬＬＲの確率密度を示しており、量子化器領域は、点線で分離され、代表値は、正方形マーカによって示されている。

図２６は、ソース１９０１及び１９０２と中継局１９０３との間のリンクに対してＳＮＲ_ｓｒ＝３ｄＢが仮定され、中継局１９０３と送り先１９０４との間のリンクに対して０．４４ｄＢのＳＮＲが仮定されるときのＢＥＲのシミュレーション結果を示している。図２６の左側の図チャートは、アナログ伝送が正方形マーカによって表示され、軟ビット伝送が三角形マーカによって表示され、量子化伝送が円形マーカによって表示されるシミュレーション結果を示している。シミュレーション結果は、量子化が使用されるとき劣化が全く観察されないことを示している。

図２７は、中継局１４５０から送り先１４７０への量子化伝送が使用される他の軟中継及びネットワーク符号化の概念を示している。図２７の上部には方程式が示され、組み合わせ器１４５７によるＬＬＲの組み合わせを詳細に示している。組み合わせ器１４５７の出力は、情報語ｕ_１及びｕ_２のＸＯＲ組み合わせによって得ることのできるＬＬＲに対応する。ＸＯＲ組み合わせは、図２７の上部の方程式の中で左を指す矢印演算子によって示されている。更に、図２７は、中継局１４５０の中で、組み合わされたＬＬＲをＺへ量子化する量子化器１４５９と、量子化され組み合わされたＬＬＲを情報源符号化する情報源符号器１４６０と、送り先１４７０へ伝送する前に情報源符号化され組み合わされたＬＬＲを通信路符号化する符号器１４６１とを示している。

図２７で描かれる例において、量子化された信号Ｚ内で

に関する関連情報を保存しながら、Ｌ_ｒをできるだけ圧縮することは、量子化器１４５９のタスクである。これは、図２７の下部にある方程式によって表されている。この方程式は、ＬＬＲ Ｌ_ｒと選ばれた量子化器Ｚとの間の伝達情報Ｉ（Ｌ_ｒ，Ｚ）と、組み合わせ情報語Ｕ_ｒと選ばれた量子化器Ｚとの間の伝達情報Ｉ（Ｕ_ｒ，Ｚ）との差を最小にするように、所与のＬＬＲに対する量子化器領域Ｚの分布が選ばれるべきことを示している。これは、方程式の中で因子βに基づくラグランジュ問題として表される。

図２８は、類似のシナリオを示しているが、もし符号器１４１０、１４２０と中継局１４５０との間のリンクの１つ、例えば、図２８の符号器１４１０と中継局１４５０との間のリンクが劣化するならば、組み合わせＬＬＲはゼロになることを示している。従って、ソースと中継局との間のリンク上で、最初のホップのＳＮＲを量子化器の設計で考慮に入れることができる。

図２９は、信号品質を考慮に入れるため、ＬＬＲを量子化器１４５９によって結合して量子化する他の中継局１４５０を示している。これについて、図３０は、量子化器の詳細を示している。図３０の左側には、復号後の相互情報が１．９８ビットに等しい対称リンクに対する量子化器が示されている。量子化後の関連相互情報又は伝達情報は、１．９３ビットに等しく、２つだけの量子化器領域が利用されるので、中継局１４５０と基地局又は送り先１４７０との間のリンク上で情報源符号化ビットを符号化するためには、１ビットだけが必要である。量子化器領域は、図３０の上部の左側に図示されている。

図３０の右側には、復号後の相互情報が１．１６ビットに等しい非対称リンクに対する量子化器が示されている。量子化後の関連相互情報は、１．０８ビットに等しく、５つの量子化器領域が利用されるので、平均して２．１ビットが情報源符号化ビットごとに必要である。

従来の概念を要約すると、中継は、カバレージ限度を合理的コストで克服するための有望な方法である。しかしながら、直接的中継法は０．５の容量ペナルティ因子を導く。というのは、タイムスロットを２つのホップへ分割しなければならないからである。他の問題は、中継での処理遅延である。この遅延は、往復遅延が、許容できない程度まで大きくなり、上記の説明された概念に従って中継局で復号されることに起因する。中継局での復号遅延を回避するための増幅転送中継法の代案は、処理遅延を低くするが、これらのスキームは中継での雑音増幅から悩まされる。

Ａ．Ｓｅｎｄｏｎａｒｉｓ，Ｅ．Ｅｒｋｉｐ，ａｎｄ Ｂ．Ａａｚｈａｎｇ，「Ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ ｕｐｌｉｎｋ ｃａｐａｃｉｔｙ ｖｉａ ｕｓｅｒ ｃｏｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｄｉｖｅｒｓｉｔｙ，」ｉｎ Ｐｒｏｃ．ＩＥＥＥ Ｉｎｔ．Ｓｙｍｐ．ｏｎ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｔｈｅｏｒｙ，１９９８ Ｒ．Ａｈｌｓｗｅｄｅ，Ｎ．Ｃａｉ，Ｓ．Ｒ．Ｌｉ，ａｎｄ Ｒ．Ｗ．Ｙｅｕｎｇ，「Ｎｅｔｗｏｒｋ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｆｌｏｗ，」ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．Ｉｎｆ．Ｔｈｅｏｒｙ，ｖｏｌ．４６，ｎｏ．４，ｐｐ．１２０４−１２１６，Ａｐｒ．２０００ Ｘ．Ｂａｏ ａｎｄ Ｊ．Ｌｉ，「Ｍａｔｃｈｉｎｇ ｃｏｄｅ−ｏｎ−ｇｒａｐｈ ｗｉｔｈ ｎｅｔｗｏｒｋ−ｏｎ−ｇｒａｐｈ：Ａｄａｐｔｉｖｅ ｎｅｔｗｏｒｋ ｃｏｄｉｎｇ ｆｏｒ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｒｅｌａｙ ｎｅｔｗｏｒｋｓ，」ｉｎ Ｐｒｏｃ．４３ｒｄ Ａｎｎ．Ａｌｌｅｒｔｏｎ Ｃｏｎｆ．ｏｎ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，Ｃｏｎｔｒｏｌ，ａｎｄ Ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ，２００５ Ｃ．Ｈａｕｓｌ，Ｆ．Ｓｃｈｒｅｃｋｅｎｂａｃｈ，Ｉ．Ｏｉｋｏｎｏｍｉｄｉｓ，Ｇ．Ｂａｕｃｈ，「Ｉｔｅｒａｔｉｖｅ ｎｅｔｗｏｒｋ ａｎｄ ｃｈａｎｎｅｌ ｄｅｃｏｄｉｎｇ ｏｎ ａ ｔａｎｎｅｒ ｇｒａｐｈ，」ｉｎ Ｐｒｏｃ．４３ｒｄ Ａｎｎ．Ａｌｌｅｒｔｏｎ Ｃｏｎｆ．ｏｎ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，Ｃｏｎｔｒｏｌ，ａｎｄ Ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ，２００５ Ｙ．Ｃｈｅｎ，Ｓ．Ｋｉｓｈｏｒｅ，ａｎｄ Ｊ．Ｌｉ，「Ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｄｉｖｅｒｓｉｔｙ ｔｈｒｏｕｇｈ ｎｅｔｗｏｒｋ ｃｏｄｉｎｇ，」ｉｎ Ｐｒｏｃ．ＩＥＥＥ Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ ａｎｄ Ｎｅｔｗｏｒｋｉｎｇ Ｃｏｎｆ．，２００６ Ｌ．Ｘｉａｏ，Ｔ．Ｅ．Ｆｕｊａ，Ｊ．Ｋｌｉｅｗｅｒ，ａｎｄ Ｄ．Ｊ．Ｃｏｓｔｅｌｌｏ，Ｊｒ．，「Ｎｅｓｔｅｄ ｃｏｄｅｓ ｗｉｔｈ ｍｕｌｔｉｐｌｅ ｉｎｔｅｒｐｒｅｔａｔｉｏｎｓ，」ｉｎ Ｐｒｏｃ．４０ｔｈ Ａｎｎ．Ｃｏｎｆ．ｏｎ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ ａｎｄ Ｓｙｓｔｅｍｓ，２００６ Ｔ．Ｍ．Ｃｏｖｅｒ ａｎｄ Ａ．Ａ．Ｅｌ Ｇａｍａｌ，「Ｃａｐａｃｉｔｙ ｔｈｅｏｒｅｍｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｒｅｌａｙ ｃｈａｎｎｅｌ，」ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．Ｉｎｆ．Ｔｈｅｏｒｙ，ｖｏｌ．ＩＴ−２５，ｎｏ．５，ｐｐ．５７２−５８４，Ｓｅｐ．１９７９、Ｇ．Ｋｒａｍｅｒ，Ｍ．Ｇａｓｔｐａｒ，ａｎｄ Ｐ．Ｇｕｐｔａ，「Ｃｏｏｐｅｒａｔｉｖｅ ｓｔｒａｔｅｇｉｅｓ ａｎｄ ｃａｐａｃｉｔｙ ｔｈｅｏｒｅｍｓ ｆｏｒ ｒｅｌａｙ ｎｅｔｗｏｒｋｓ，」ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．Ｉｎｆ．Ｔｈｅｏｒｙ，ｖｏｌ．５１，ｎｏ．９，ｐｐ．３０３７−３０６３，Ｓｅｐ．２００５ Ｌ．Ｓａｎｋａｒａｎａｒａｙａｎａｎ，Ｇ．Ｋｒａｍｅｒ，ａｎｄ Ｎ．Ｂ．Ｍａｎｄａｙａｍ，「Ｈｉｅｒａｒｃｈｉｃａｌ ｓｅｎｓｏｒ ｎｅｔｗｏｒｋｓ：Ｃａｐａｃｉｔｙ ｂｏｕｎｄｓ ａｎｄ ｃｏｏｐｅｒａｔｉｖｅ ｓｔｒａｔｅｇｉｅｓ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｍｕｌｔｉｐｌｅ−ａｃｃｅｓｓ ｒｅｌａｙ ｎｅｔｗｏｒｋ，」ｉｎ ＩＥＥＥ Ｃｏｎｆ．ｏｎ Ｓｅｎｓｏｒ Ｎｅｔｗｏｒｋｓ，２００４ Ｒ．Ａｈｌｓｗｅｄｅ，Ｎ．Ｃａｉ，Ｓ．Ｒ．Ｌｉ，ａｎｄ Ｒ．Ｗ．Ｙｅｕｎｇ，「Ｎｅｔｗｏｒｋ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｆｌｏｗ，」ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．Ｉｎｆ．Ｔｈｅｏｒｙ，ｖｏｌ．４６，ｎｏ．４，ｐｐ．１２０４−１２１６，Ａｐｒ．２０００ Ｓ．Ｙａｎｇ ａｎｄ Ｒ．Ｋｏｅｔｔｅｒ，「Ｎｅｔｗｏｒｋ ｃｏｄｉｎｇ ｏｖｅｒ ａ ｎｏｉｓｙ ｒｅｌａｙ：ａ ｂｅｌｉｅｆ ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ ａｐｐｒｏａｃｈ，」ｉｎ Ｐｒｏｃ．ＩＥＥＥ Ｉｎｔ．Ｓｙｍｐ．ｏｎ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｔｈｅｏｒｙ，２００７ Ａ．Ｄ．Ｗｙｎｅｒ ａｎｄ Ｊ．Ｚｉｖ，「Ｔｈｅ ｒａｔｅ−ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｆｏｒ ｓｏｕｒｃｅ ｃｏｄｉｎｇ ｗｉｔｈ ｓｉｄｅ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｔ ｔｈｅ ｄｅｃｏｄｅｒ，」ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．Ｉｎｆ．Ｔｈｅｏｒｙ，ｖｏｌ．ＩＴ−２２，ｎｏ．１，ｐｐ．１−１０，Ｊａｎ．１９７６ Ａ．Ｃｈａｋｒａｂａｒｔｉ，Ａ．ｄｅ Ｂａｙｎａｓｔ，Ａ．Ｓａｂｈａｒｗａｌ，ａｎｄ Ｂ．Ａａｚｈａｎｇ，「Ｈａｌｆ−ｄｕｐｌｅｘ ｅｓｔｉｍａｔｅ−ａｎｄ−ｆｏｒｗａｒｄ ｒｅｌａｙｉｎｇ：Ｂｏｕｎｄｓ ａｎｄ ｃｏｄｅ ｄｅｓｉｇｎ，」ｉｎ Ｐｒｏｃ．ＩＥＥＥ Ｉｎｔ．Ｓｙｍｐ．ｏｎ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｔｈｅｏｒｙ，２００６，ｐｐ．１２３９−１２４３ Ｎ．Ｔｉｓｈｂｙ，Ｆ．Ｃ．Ｐｅｒｅｉｒａ，ａｎｄ Ｗ．Ｂｉａｌｅｋ，「Ｔｈｅ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｂｏｔｔｌｅｎｅｃｋ ｍｅｔｈｏｄ，」ｉｎ Ｐｒｏｃ．３７ｔｈ Ａｎｎ．Ａｌｌｅｒｔｏｎ Ｃｏｎｆ．ｏｎ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，Ｃｏｎｔｒｏｌ，ａｎｄ Ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ，１９９９ Ｇ．Ｚｅｉｔｌｅｒ，Ｒ．Ｋｏｅｔｔｅｒ，Ｇ．Ｂａｕｃｈ，ａｎｄ Ｊ．Ｗｉｄｍｅｒ，「Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｎｅｔｗｏｒｋ ｃｏｄｉｎｇ ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ ｉｎ ｍｕｌｔｉｈｏｐ ｒｅｌａｙ ｎｅｔｗｏｒｋｓ，」ｉｎ Ｐｒｏｃ．５ｔｈ ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ Ｔｕｒｂｏ Ｃｏｄｅｓ ａｎｄ Ｒｅｌａｔｅｄ Ｔｏｐｉｃｓ，２００８ Ｅ．Ａｙａｎｏｇｌｕ，ｅｔ．ａｌ．「Ｄｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｃｏｄｉｎｇ ｏｆ Ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔ Ｓｅｌｆ−Ｈｅａｌｉｎｇ ａｎｄ Ｆａｕｌｔ Ｔｏｌｅｒａｎｔ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｎｅｔｗｏｒｋｓ」，ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，Ｖｏｌ．４１，Ｎｏ．１１，Ｎｏｖｅｍｂｅｒ １９９３ Ｊ．Ｈａｇｅｎａｕｅｒ，Ｅ．Ｏｆｆｅｒ，ａｎｄ Ｌ．Ｐａｐｋｅ，「Ｉｔｅｒａｔｉｖｅ ｄｅｃｏｄｉｎｇ ｏｆ ｂｉｎａｒｙ ｂｌｏｃｋ ａｎｄ ｃｏｎｖｏｌｕｔｉｏｎａｌ ｃｏｄｅｓ」，ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．Ｉｎｆ．Ｔｈｅｏｒｙ，ｖｏｌ．４２，ｎｏ．２，ｐｐ．４２９−４４５，Ｍａｒ．１９９６ Ｓ．ｔｅｎ Ｂｒｉｎｋ，「Ｃｏｎｖｅｒｇｅｎｃｅ ｂｅｈａｖｉｏｒ ｏｆ ｉｔｅｒａｔｉｖｅｌｙ ｄｅｃｏｄｅｄ ｐａｒａｌｌｅｌ ｃｏｎｃａｔｅｎａｔｅｄ ｃｏｄｅｓ，」ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．Ｃｏｍｍ．，ｖｏｌ．４９，ｎｏ．１０，ｐｐ．１７２７−１７３７，Ｏｃｔ．２００１ Ｓ．Ｙａｎｇ ａｎｄ Ｒ．Ｋｏｅｔｔｅｒ，「Ｎｅｔｗｏｒｋ ｃｏｄｉｎｇ ｏｖｅｒ ａ ｎｏｉｓｙ ｒｅｌａｙ：ａ ｂｅｌｉｅｆ ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ ａｐｐｒｏａｃｈ，」ｉｎ Ｐｒｏｃ．ＩＥＥＥ Ｉｎｔ．Ｓｙｍｐ．，ｏｎ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｔｈｅｏｒｙ，２００７ Ｙ．Ｌｉ，Ｂ．Ｖｕｃｅｔｉｃ，Ｔ．Ｆ．Ｗｏｎｇ，ａｎｄ Ｍ．Ｄｏｈｌｅｒ，「Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ｔｕｒｂｏ ｃｏｄｉｎｇ ｗｉｔｈ ｓｏｆｔ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｒｅｌａｙｉｎｇ ｉｎ ｍｕｌｔｉｈｏｐ ｒｅｌａｙ ｎｅｔｗｏｒｋｓ，」ＩＥＥＥ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｎ Ｓｅｌ．Ａｒｅａｓ ｉｎ Ｃｏｍｍ．，ｖｏｌ．２４，ｎｏ．１１，ｐｐ．２０４０−２０５０，Ｎｏｖ．２００６ Ｎ．Ｔｉｓｈｂｙ，Ｆ．Ｃ．Ｐｅｒｅｉｒａ，ａｎｄ Ｗ．Ｂｉａｌｅｋ，「Ｔｈｅ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｂｏｔｔｌｅｎｅｃｋ ｍｅｔｈｏｄ，」ｉｎ Ｐｒｏｃ．３７ｔｈ Ａｎｎ．Ａｌｌｅｒｔｏｎ Ｃｏｎｆ．ｏｎ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，Ｃｏｎｔｒｏｌ，ａｎｄ Ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ，１９９９ Ｎ．Ｔｉｓｈｂｙ，Ｆ．Ｃ．Ｐｅｒｅｉｒａ，ａｎｄ Ｗ．Ｂｉａｌｅｋ，「Ｔｈｅ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｂｏｔｔｌｅｎｅｃｋ ｍｅｔｈｏｄ，」ｉｎ Ｐｒｏｃ．３７ｔｈ Ａｎｎ．Ａｌｌｅｒｔｏｎ Ｃｏｎｆ．ｏｎ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，Ｃｏｎｔｒｏｌ，ａｎｄ Ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ，１９９９ Ｒ．Ｅ．Ｂｌａｈｕｔ，「Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎ ｏｆ ｃｈａｎｎｅｌ ｃａｐａｃｉｔｙ ａｎｄ ｒａｔｅ−ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ，」ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．Ｉｎｆ．Ｔｈｅｏｒｙ，ｖｏｌ．ＩＴ−１８，ｎｏ．４，ｐｐ．４６０−４７３，Ｊｕｌ．１９７２ Ｔ．Ｃｏｖｅｒ ａｎｄ Ｊ．Ｔｈｏｍａｓ，「Ｅｌｅｍｅｎｔｓ ｏｆ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｔｈｅｏｒｙ」，Ｊｏｈｎ Ｗｉｌｅｙ ａｎｄ Ｓｏｎｓ，Ｉｎｃ．，２００６（第５章） 欧州電気通信標準化機構、「Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ ｍｏｂｉｌｅ ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ ｓｙｓｔｅｍ （ＵＭＴＳ）：Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ ａｎｄ ｃｈａｎｎｅｌ ｃｏｄｉｎｇ （ＦＤＤ）」，３ＧＰＰ ＴＳ １２４．２１２ ｖｅｒｓｉｏｎ ３．４．０，Ｔｅｃｈ．Ｒｅｐ．，２０００

したがって、本発明の目的は、改良された中継の概念を提供することである。

上記目的は、請求項１による中継局と、請求項８による中継方法と、請求項９による復号器と、請求項１５による復号化方法と、請求項１７によるシステムとによって実現される。

本発明の実施形態は、受信信号を完全に復号化するのではなく、中継局での受信信号に関する信頼性情報を含む直接的な軟情報を中継することにより、中継シナリオにおける改良されたパフォーマンスが得られるという知見に基づいている。軟情報は、その後に、量子化され、送り先へ転送され得る。送り先では、量子化器がそれぞれのチャネル状況に対して最適化され得る。実施形態は、さらに、マルチホップ伝送に起因する雑音増幅、復号化遅延、誤り伝搬、及び、容量低下の問題を解決することができる。

実施形態は、例えば、共通シンク又は送り先に対して中継局を使用して送信する１つ又は複数のユーザを考慮することができる。場合によっては、中継局で、複数のユーザの信号が結合されるとともに量子化され、対応して送り先で、中継局において結合処理が行われた全てのユーザに対する結合復号化は、例えば、反復アルゴリズムを使用して実行することができる。

実施形態は、雑音を含む受信信号の増幅バージョンではなく、陽に計算された軟情報が中継局によって転送されるならば、雑音増加が回避できるという知見に基づいている。同時に、処理遅延は、最小限の状態で維持できる。本発明の実施形態は、比較的低いインフラコストで、より高いスループット及びより低い遅延が得られる点で、より大きいユーザ満足度をもたらすことができる。実施形態は、低コストの中継局によって本通信システムのカバレッジを拡大することができるという利点がある。さらに、例えば、増幅転送中継の概念と比べたときに、改良されたパフォーマンスを達成することができる。付加的に、復号化が中継局で実行される必要がないので、低い遅延又は低いレイテンシ時間を実現することができる。複数のユーザの信号が処理可能であり、例えば、中継局において高効率で結合及び量子化ができるので、低遅延及び高スループットを実現することができる。

実施形態は、ソース−中継リンクが、ソースのメッセージを誤りのなしで復元するのをサポートするために十分に良好でない場合でも、中継局において取得された情報が、送り先での復号化のために依然として役に立ち得るという知見に基づいている。実施形態は、この情報を送り先又は復号器へそれぞれに転送する実用的な方法を提供することができる。実施形態は、受信パケットの軟復号化（soft decoding）を実行しない中継局を用いることにより、中継局において最小限の遅延で済むという利点がある。

中継局において軟復号化を実行することなく、中継局で受信シンボルを直接的に処理することにより、実施形態はさらに利点がある。付加的な利点は、中継局で受信ＬＬＲを適切に量子化することにより基地局からの純粋なアナログ伝送に関して得られる。受信局で受信信号を量子化することにより、例えば、増幅転送中継プロトコルによって引き起こされる雑音増幅を回避することができる。更に、実施形態は、ソースと中継局との間で、そして、中継局と送り先との間で、量子化器をそれぞれのチャネル状況に適合させることができるという利点がある。

実施形態は、非対称伝送シナリオをさらに考慮することができる。換言すると、実施形態は、様々なユーザのソース−中継局間の無線チャネルが異なるＳＮＲを有すること、及び、最悪のソース−中継局間のチャネルを用いるユーザが、ネットワーク符号化されたメッセージのＬＬＲの信頼性に望ましくなく影響を与えることについて考慮することができる。実施形態は、この欠点を、２個のユーザシンボル間でＸＯＲ演算のＬＬＲを計算する中間ステップに頼ることなく、量子化の設計を使用することにより解決することができ、中継局が異なるソース−中継局間のチャネル品質を十分に取り扱うことができる。その上、実施形態は、ソース−中継局間のリンク、及び、中継器−送り先間のリンクに関するチャネル状態情報（ＣＳＩ＝Channel State Information）又は信号品質の測度（measure）を有する中継局に依存することがあるが、外部のソース−送り先間のリンクに関するチャネル品質情報に依存しない。

換言すると、実施形態は、中継局においてソース−送り先間のリンクに関する情報を必要としないという利点があり、したがって、伝送容量及びシグナリング・オーバーヘッドを節約することができる。実施形態は、送り先だけで利用できる付加情報を考慮に入れることなく、中継局で情報を圧縮することができる。

実施形態は、中継局におけるユーザの結合処理をさらに可能にする。実施形態は、受信パケットの軟復号化を実行することなく、中継局において受信信号に関する相対的な情報を保存する量子化フレームワークを可能にする。

本発明の実施形態は、添付図面を使用して詳述される。

中継局の実施形態を示す図である。 システム内の中継局のさらなる実施形態を示す図である。 システム内の中継局の別の実施形態を示す図である。 システムモデルをグラフ的に表示する図である。 復号器の実施形態を示す図である。 中継局の別の実施形態を示す図である。 復号器の別の実施形態を示す図である。 中継チェックノードのＥＸＩＴ曲線を示す図である。 一実施形態による擬似コードを与える図である。 中継局の別の実施形態を示す図である。 別の実施形態の擬似コードを与える図である。 復号器の実施形態を示す図である。 実施形態の復号化グラフの１区分を示す図である。 伝送シナリオに関して取得された量子化領域を示す図である。 実施形態の量子化領域及びシミュレーション結果を示す図である。 実施形態の量子化領域及びシミュレーション結果を示す図である。 実施形態の復号化グラフの１区分を示す図である。 一般的な伝送シナリオを示す図である。 従来技術の中継概念を示す図である。 別の従来技術の中継概念を示す図である。 別の従来技術の中継概念を示す図である。 従来技術の結合繰り返し復号器を示す図である。 ソース−中継器間のチャネルが弱いシナリオにおける結合繰り返し復号器を示す図である。 従来技術の概念のシミュレーション結果を示す図である。 従来技術の概念のシミュレーション結果を示す図である。 別の従来技術の中継概念を示す図である。 別の従来技術の中継概念を示す図である。 量子化を含む従来技術の中継概念を示す図である。 従来技術の概念のシミュレーション結果を示す図である。 量子化を含む別の従来技術の中継概念を示す図である。 別の従来技術の概念のシミュレーション結果を示す図である。 別の従来技術の概念を示す図である。 ソース−中継局間の弱いチャネルに対する別の従来技術の中継概念を示す図である。 量子化器を利用する別の中継概念を示す図である。 従来技術の中継概念のための量子化器の次元設定を示す図である。

以下、本発明の実施形態は、添付図面を使用して詳述される。類似したコンポーネント又は類似したタスクを実現するコンポーネントは、類似した参照符号を有する。以下において、「中継器」、「中継局」及び「中継装置」という表現は同意語として使用される。

図１Ａは、移動体通信システムにおいて動作する中継局１００を示している。中継局１００は、無線信号をソース（発信元）から受信する受信機１１０を備える。無線信号は、符号化された情報を表すシンボルを含むものであり、この符合化された情報は、符号化規則に基づき、且つペイロード情報と冗長性情報とを含むものである。中継局１００は、無線信号からシンボルを検出して、軟情報（soft information）を取得する軟情報検出器１２０をさらに備える。軟情報は、シンボルに関する情報と、このシンボルに関する情報についての信頼性情報とを含むものである。中継局１００は、量子化された軟情報を取得するため軟情報を量子化する量子化器１３０と、量子化された軟情報に関する情報を送り先へ送信する送信機１４０とをさらに備える。

実施形態では、受信機１１０は、別の無線信号を別のソースから受信することができる。この別の無線信号は、他の符号化された情報を表す他のシンボルを含み、他の符号化された情報は、符号化規則に基づき、且つ他のペイロード情報と他の冗長性情報とを含むものである。軟情報検出器１２０は、別の無線信号から他のシンボルを検出して、他の軟情報を得ることができる。他の軟情報は、他のシンボルに関する情報と、その他のシンボルに関する情報についての信頼性情報とを含むものである。量子化器１３０は、量子化された軟情報を取得するため、軟情報とその他の軟情報との組合せ（combination）を量子化することができる。換言すると、量子化器１３０は、量子化された軟情報を取得するために、軟情報とその他の軟情報とを結合して量子化する（jointly quantizing）ことができる。

図１Ｂは、従来型の概念と比較して、完全な復号化が中継装置１００の実施形態によって実行されないことを表す中継装置１００の実施形態を示している。その代わりに、図１Ｃに示された実施形態によれば、軟情報検出器１２０が使用される。図１Ｂ及び１Ｃにおいて、第１の符号器１０１は、第１の情報語ｕ_１を、中継局１００及び結合復号器（joint decoder）３００へ送信される第１の伝送シンボル又は伝送語ｘ_１に符号化するものである。結合復号器３００は、基地局、即ち、ＮｏｄｅＢ、又は、どのような信号の送り先に配置されてもよい。これに対応して、第２の符号器１０２は、第２の情報語ｕ_２を、中継局１００及び送り先３００へ送信される第２の伝送シンボル又は伝送語ｘ_２に符号化するものである。

簡略化のため、受信機１１０は、図１Ｂ及び１Ｃに示されていない。図１Ｃには、各受信信号のそれぞれの軟情報Ｌ（ｕ_１）及びＬ（ｕ_２）を検出する２つの軟情報検出器１２１及び１２２として実装された軟情報検出器１２０が示されている。図１Ｂ及び１Ｃは、図１Ｂ及び１Ｃに示された実施形態では、インタリーバ１３１及び量子化器コア１３２をさらに備える量子化器１３０を示している。その他の実施形態では、インタリーバ１３１が量子化器１３０に割り当てられない場合があり、一般的に、別個の実体として見なされる場合がある。量子化器１３０は、量子化された軟情報Ｚを提供するものである。図１Ｂ及び１Ｃは、量子化された軟情報Ｚに関する情報を送り先３００へ送信する前に、量子化された軟情報Ｚを処理する情報源符号器１４１及び符号器、即ち、通信路符号器１４２を備える送信機１４０をさらに示している。

以下、２つのエンコーダ１０１及び１０２の無線チャネルが共に同じ品質を受けることが仮定される対称型の実施形態が最初に検討される。

各ソースｓ_ｉ、ｉ＝１，２において、情報ビットのブロック

がチャネル符号化率Ｒ_ｉ＝ｋ_ｉ／ｎ_ｉで符号ビットのブロック

に符号化される。全体を通じて、ソースにおけるＢＰＳＫ変調は、ソースｉにおける送信ブロックが

であると仮定されている。以下では、ｎ＝ｎ_１＝ｎ_２であることが一般的に仮定されている。準最適であるが、実施を簡単にするため、通信は、時間、周波数又は符号のいずれかにおいて直交化されたチャネルで行われることが仮定される。一般に、直交性は実施形態において必要とされなくてもよい。

一般性を損なうことなく、３つのフェーズを含む時分割ネットワークが検討され、
２つのソースが時間スロット１及び２でそれぞれに送信し、中継器がその符号語

を第３の時間フェーズで送信する。そのとき、中継器及び送り先における受信信号は、
ｙ_ｒ，ｉ＝ｘ_ｉ＋ｎ_ｓｒ，ｉ
ｙ_ｄ，ｉ＝ｘ_ｉ＋ｎ_ｓｄ，ｉ
ｙ_ｒ＝ｘ_ｉ＋ｎ_ｒｄ，ｉ
によって与えられ、零平均雑音変数は、それぞれ、σ^２ _ｓｒ，ｉ、σ^２ _ｓｄ，ｉ及びσ^２ _ｒｄ，ｉという分散をもつ円対称複素正規分布に従う。

図２は、システムモデルのグラフ的な表現を示している。図２は、通信路符号器１０１及び１０２と、中継局１００と、送信の送り先である復号器３００とを示している。図３Ａは、復号器３００の実施形態を示している。図３Ａは、第１の符号語に関する第１の軟情報を取得するために第１の符号化された符号語を復号化し、第２の符号語に関する第２の軟情報を取得するために第２の符号化された符号語を復号化する復号器３００を示している。復号器３００は、第１の符号化された符号語に基づいて第１の符号語に関する第１の軟情報を決定する第１の軟復号器３１０を備える。復号器３００は、第２の符号化された符号語及び第２の事前情報（priori information）に基づいて第２の符号語に関する第２の軟情報を決定する第２の軟復号器３２０をさらに備える。

さらに、復号器３００は、第１の軟情報と、第１の符号化された符号語及び第２の符号化された符号語の組合せに基づく量子化された軟情報とに基づいて第２の事前情報を提供する第１の軟情報レンダラ３３０を備える。復号器３００は、第２の事前情報と量子化された軟情報と第２の軟情報とに基づいて、第１の事前情報を提供する第２の軟情報レンダラ３４０をさらに備える。第１の軟復号器３１０は、符号化された第１の符号語及び第１の事前情報に基づいて第１の符号語に関する更新された第１の軟情報を決定するものである。換言すると、実施形態では、ターボ符号の概念に類似した繰り返しプロセスが実行されるが、量子化された軟情報は、２つの符号化された符号語の組合せに基づいているので、それぞれのもう一方の符号化された符号語に関する情報を導出することが可能であると考えられる。上記の「組合せ」は、中継局における符号語に関するそれぞれの軟情報を結合して量子化することにに対応し得る。

実施形態では、第１の軟情報レンダラ３３３０は、第１の更新された軟情報と、第１の事前情報と、量子化された軟情報とに基づいて、更新された第２の事前情報を提供するよう構成し得る。以下では、入力の事前情報は、それぞれのもう一方の復号器の分岐によって決定された外部情報に基づいていることもある。

実施形態では、量子化された軟情報は、中継装置１００によって提供することができ、したがって、軟情報検出器１２０は、ＬＬＲの形で軟情報を取得するように構成可能である。軟情報検出器１２０は、ＬＬＲの形をした軟情報Ｌ_１及び、ＬＬＲの形をしたもう一方の軟情報Ｌ_２を取得するように構成可能であり、量子化器１３０は、同様にＬＬＲの形で軟情報及びもう一方の軟情報の組合せＬ_ｒを決定するように構成可能である。

図３Ｂは、中継局１００の別の実施形態を示している。図３Ｂは、図１Ｃに関して上述したコンポーネントと類似したコンポーネントを示しているが、量子化器１３０は、軟情報Ｌ_１と、もう一方の軟情報Ｌ_２とを組み合わせる組み合わせ器１３３を備える。軟情報Ｌ_１及びもう一方の軟情報Ｌ_２は、第１の軟情報Ｌ_１、及び、インタリーバ１３１の出力で利用可能なＬ_２のインタリーブバージョンであるバージョンＬ’_２と表されることもある。

ｙ_ｒ、１及びｙ_ｒ，２を受信すると、中継器は、符号化されたビットｘ_１及びｘ_２に関するＬＬＲ

を計算する。図３Ｂを参照されたい。中継器は、遅延を最小限に抑えるために、受信パケットの復号化の実行を試みることさえしないが、Ｌ’_２がＬ_２のインタリーブバージョンである場合に、その推定値Ｌ_１及びＬ’_２の圧縮バージョンをそのまま送信することに留意すべきである。中継器は、その後、符号ビットのネットワーク符号化ブロック

のＬＬＲ

を計算し、このＬＬＲのｍ番目の要素は、

によって与えられ、ここで、表記

は、非特許文献１６によって解釈することができる。その後、中継器は、

が量子化器インデックス集合である場合に、Ｌ_ｒの量子化バージョン

を形成し、量子化器出力を情報源符号化し、チャネル符号化し、中継器符号語ｘ_ｒ∈Ｍ^ｎを生成する。ここで、Ｍは中継器で使用される変調アルファベットである。中継器は、Ｍからのｎ個の（複素）シンボルの送信へ制限されることに留意すべきである。量子化器の設計は、以下のサブセクションで説明される。

復号器３００の実施形態において、第１の軟復号器３１０は、ＬＬＲの形で第１の軟情報を決定するように構成可能であり、それに応じて、第２の軟復号器３２０は、ＬＬＲの形で第２の軟情報を決定するように構成可能である。同様に、第１の軟情報レンダラ３３０は、ＬＬＲの形で第２の事前情報を提供するように構成可能であり、第２の軟情報レンダラ３４０は、ＬＬＲの形で第１の事前情報を提供するように構成可能である。

第１の軟情報レンダラ３３０は、

のデインタリーブバージョンによって第２の事前情報Ｌ^（２） _Ａを決定するように構成可能であり、式中において、Ｌ^（１） _Ｅは、第１の軟情報と第１の事前情報との組合せであり、Ｌ_ｒは、量子化された軟情報であり、デインタリーブは、デインタリーブ化規則に基づくものであり、第２の軟情報レンダラ３４０は、

によって第１の事前情報Ｌ^（１） _Ａを決定するように構成可能であり、式中、Ｌ’^（２） _Ｅは、第２の軟情報と第２の事前情報との組合せのインタリーブバージョンであり、インタリーブは、デインタリーブ化規則の逆であるインタリーブ化規則に基づいている。

図４は、第１の軟復号器３１０と、第２の軟復号器３２０と、第１の軟情報レンダラ３３０と、第２の軟情報レンダラ３４０とを含んでいる復号器３００の別の実施形態を示している。図４は、軟情報レンダラ３３０及び３４０の詳細な部分を提供している。軟情報レンダラ３３０及び３４０は、最初に、それぞれの軟復号器３１０又は３２０によって出力された軟情報と、それぞれの事前情報Ｌ^（１） _Ａ、Ｌ^（２） _Ａとの間の差を決定することがわかる。この差は、いわゆる外部情報をもたらし、図４中では、それぞれ、Ｌ^（１） _Ｅ、Ｌ^（２） _Ｅと呼ばれている。さらに、図４は、デインタリーバ３３１を有する第１の軟情報レンダラ３３０と、対応するインタリーバ３４１を有する第２の軟情報レンダラ３４０とを示している。

送り先は、図４に示された繰り返し復号器構造３００を使用しており、この繰り返し復号器３００は、コンポーネント復号器として機能する２台の軟復号器を含むターボ復号器を強く連想させるものである。これらのコンポーネント復号器は、符号化されたビットに関する軟情報を交換するが、コンポーネント復号器のための事前情報

及び

を計算する前に送り先でＬ_ｒの推定値

を計算するため、復号器間での情報の交換が、中継器からの受信語ｙ_ｒを使用する中継チェックノードによって制限される。また、

に関して中継器から取得された情報が、非常に信頼性が高いならば、チェックノードは、外部情報の交換を殆ど制限することがなく、復号器の全体は、ターボ復号器のように見えるが、符号ビットの全部は

によって合わされている。これに対し、情報が中継器から受信されないならば、中継チェックノードは、復号器間でのいかなる情報の交換も阻止し、その結果、２台の別個の軟復号器３１０及び３２０になる。

以下では、繰り返し最適化アルゴリズムを利用する中継局の実施形態が説明される。受信機１１０は、無線信号の信号品質の測度（measure）及びもう一方の無線信号の別の信号品質の測度を提供するように構成可能である。信号品質の測度又はもう一方の信号品質の測度は、ＳＮＲ、信号対干渉雑音比（ＳＩＮＲ＝Ｓｉｇｎａｌ−ｔｏ−Ｎｏｉｓｅ−ａｎｄ Ｉｎｔｅｆｅｒｅｎｃｅ Ｒａｔｉｏ）、ＳＩＲ（ＳＩＲ＝Ｓｉｇｎａｌ−ｔｏ−Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ Ｒａｔｉｏ）、伝送容量、ＣＲＣ（巡回冗長性検査）の結果、ビット誤り率（ＢＥＲ）、フレーム誤り率（ＦＥＲ＝Ｆｒａｍｅ Ｅｒｒｏｒ Ｒａｔｅ）などに対応し得る。

量子化器１３０は、信号品質の測度及び／又はもう一方の信号品質の測度に基づく量子化規則に基づいて量子化するように構成可能であり、送信機１４０は、量子化規則に関する情報を送り先へ送信するように構成可能である。

実施形態では、量子化規則は、中継局１００と送り先との間の伝送能力にさらに基づくものとすることができ、他の実施形態では、量子化規則は、例えば、ＳＮＲ、ＳＩＲ、ＳＩＮＲなどの中継器対送り先の信号品質の測度に基づき得る。

実施形態では、信号品質の測度がもう一方の信号品質の測度より高い信号品質の測度を示すならば、量子化された軟情報が、軟情報に対して、もう一方の軟情報より高い伝送容量の占有率を含むような量子化規則でもよい。換言すると、第１の符号器１０１が、第２の符号器１０２より優れたチャネルを有するならば、中継局、すなわち、中継局内の量子化器１３０は個々に、中継局１００と送り先３００との間の無線容量のより高い占有率を第１の符号器の量子化された軟情報に割り当てることができる。

実施形態では、量子化規則は、後で詳述されるように、信号品質の測度、もう一方の信号品質の測度、伝送容量、及び、繰り返し範囲に基づいて局所最適化された量子化を決定する情報ボトルネックアルゴリズムに基づき得る。受信機１１０及び送信機１４０は、セルラ移動体通信システムにおける送信を行えるように構成可能である。復号器３００は、量子化され符号化された軟情報を受信する受信機と、量子化され符号化された軟情報を復号化する復号器と、量子化規則に基づいて量子化された軟情報、及び、量子化され符号化され復号化された軟情報を提供する再量子化器（re-quantizer）とをさらに備えることができる。受信機は、対応して、量子化規則に関する情報を受信するためさらに構成可能であり、セルラ移動体通信システムにおける受信を行えるように構成可能である。換言すると、中継局１００と復号器３００との間の伝送容量は、所定の伝送率をもつある種のシグナリングチャネルに対応し得る。

復号器３００は、通常のターボ復号器と明白に類似しているため、非特許文献１７で示される外因性情報伝達（ＥＸＩＴ＝Extrinsic Information Transfer）チャートのような解析ツールが、この分散されたターボ復号器に対しても有用である。繰り返し復号器は、全部で４つのコンポーネントから構成されるが、２つの復号器３１０及び３２０と、２つの中継チェックノード３３５及び３４５とに対するＥＸＩＴ曲線は、セットアップでの対称性に起因して同じである。従って、復号器全体に対するＥＸＩＴチャートを取得するためには、２つの曲線をプロットするだけで十分である。すなわち、コンポーネント復号器３１０及び３２０について１つの曲線をプロットし、中継チェックノード３３５及び３４５について１つの曲線をプロットする。中継ノード３３５及び３４５のＥＸＩＴ曲線は、チェックノードに対して入力情報Ｉ_ｉｎ＝Ｉ（Ｘ_ｉ；Ｌ_Ｅ ^（ｉ））の役割を果たす１つのコンポーネント復号器の出力情報が、他のコンポーネント復号器への入力情報であるＩ_ｏｕｔ＝Ｉ（Ｘ_ｊ；Ｌ_Ａ ^（ｊ）），ｉ，ｊ∈｛１，２｝，ｉ≠ｊへ、どのように変換されるかを説明するものである。

図５は、中継チェックノードのＥＸＩＴチャートを示している。このチャートは、ＳＮＲ_ｓｒ，１＝ＳＮＲ_ｓｒ，２＝０．５ｄＢ、ＳＮＲ_ｒｄ＝２．２８ｄＢ、及び３つの量子化領域について決定されている。中継チェックノード３３５及び３４５のＥＸＩＴ曲線は、ほとんど直線であり、ＥＸＩＴチャートの対角線を決して超えないことが分かる。例えば、図５ａを参照されたい。チェックノードＥＸＩＴ曲線の傾斜が高くなれば、それだけ中継ノードからの情報は良好になり、曲線は対角線に接近して、中継局からのメッセージの信頼性は完全になる。ソースから中継局への通信路の通信路品質が、中継局で利用可能な情報の量を決定すると仮定すれば、中継局−送り先リンク上のレート制約に従いながら、復号器内のＥＸＩＴ曲線が最大傾斜を有するように、前記情報を送り先へ転送するやり方を見出すことが目的になる。

もしＬ_ｍ∈Ｌであれば、これは、再び中継局−送り先リンク上のレート制約に従いながら、Ｘ_ｍに関して送り先で取得可能な情報の量を最大化する関数

をある有限アルファベット

について求めることに等しい。非特許文献１８で示されるようなＬ_ｍの直接アナログ伝送は、ｆ（Ｌ_ｍ）＝Ｌ_ｍを設定することに等しく、非特許文献１９で説明されるように、例えば、軟ビットとして

のべき正規化バージョンを伝送するやり方のように、軟情報の伝送の他のやり方が実施形態で存在する。ＢＰＳＫ変調の場合、

である。以下では、異なるアプローチが取られており、最適関数ｆ（Ｌ_ｍ）を見出す問題をレート・歪み問題（rate distortion problem）として設定する。

次に、実施形態の中継局関数の設計が提供される。ｐ（ｌ）に従って分布したソースアルファベットＬから独立同一分布確率変数Ｌ_１，Ｌ_２，．．．，Ｌ_ｎの系列が与えられるとすれば、復元アルファベット（reproduction alphabet）

から確率変数Ｚによってソースを歪みＤで表すために必要な最小レートは、次式のようになることを、レート・歪み理論が述べている。

式中、

は、歪みの測度である。レート・歪み問題を解くためには、歪みの測度が前もって選ばれて固定されなければならず、具体的問題について正しい歪みの測度を見出すことは、一般的に容易なタスクではない。そのことを思えば、ここで考察される問題、すなわち、中継ノードでＬＬＲを量子化するために歪みを選ぶことは、等しく困難であるように見える。従って、非特許文献２０でのＴｉｓｈｂｙらのアプローチが取られる。その場合、レート・歪み問題は、他変数が介在する関連性のある発想を使用して異なるやり方で処理される。

選ばれた歪みの測度について平均歪みに関する制約を加える代わりに、第３の変数、すなわち、関連変数についての情報の最小レベルを復元変数Ｚが含むべきことを制約とする。関連変数は、幾つかの実施形態において確率変数

である。これは、まさに中継ノードが有すべき関数である。すなわち、ＬＬＲ Ｌが与えられるとすれば、できるだけ多くの関連情報、すなわち、Ｘに関する情報を含む量子化バージョンＺを伝送する。すなわち、例えば、ＬとＺとの間の二乗誤差がある閾値よりも下になることを強制する代わりに、Ｘに関してできるだけ多くの情報をＺの中に保存することが目的となる。

次に、情報ボトルネック法が説明される。この方法は、量子化規則を決定するために実施形態で使用できる。情報ボトルネック法において、Ｔｉｓｈｂｙらは確率変数Ｌの量子化に対して次のアプローチを取る。結合分布（joint distribution）ｐ（ｘ，ｌ）が与えられると仮定して、目的は次のとおりである。

ここでの、制約は、関連情報Ｉ（Ｘ；Ｚ）の保存にある。Ｘ⇔Ｌ⇔Ｚはマルコフ連鎖を形成するので、データ処理不等式（data processing inequality）に起因して、明らかにＩ（Ｘ；Ｚ）≦Ｉ（Ｘ；Ｌ）である。すなわち、可能性として狙える全てのことは、Ｘに関して中継ノードで利用可能な情報の全てを量子化出力Ｚの中に保存することである。従って、

は

を満足しなければならない。ｐ（ｘ，ｌ）が固定されており、マルコフ連鎖条件Ｘ⇔Ｌ⇔Ｚを使用して、次式が得られる。

Ｉ（Ｘ；Ｌ）は、所与のｐ（ｘ，ｌ）について固定されるため、（１）における最小化は、次の標準レート・歪み問題に等しい。

ここでの、正しい歪みの測度ｄ（ｌ，ｚ）は、ｐ（ｘ｜ｌ）とｐ（ｘ｜ｚ）との間の相対エントロピーである。すなわち、

及び

である。（１）と同様に、Ｉ（Ｘ；Ｚ）に制約を加えることによって、レート・歪み問題と同じ定式化に到達することに留意されたい。それについて、明らかに正しい歪みの測度ｄ（ｌ，ｚ）が、相対エントロピーＤ（ｐ（ｘ｜ｌ）‖ｐ（ｘ｜ｚ））として現れることになる。

あるβ＞０についてラグランジュＭ＝Ｉ（Ｌ；Ｚ）−βＩ（Ｘ；Ｚ）を導入し、カルーシュ・キューン・タッカー（ＫＫＴ）条件を評価することによって、最適分布ｐ（ｚ｜ｌ）は、非特許文献２１で説明されるように、正確で特徴的な解を与えられ、最適分布ｐ（ｚ｜ｌ）は、次式になることが示されている。

ここで、Ｎ（ｌ，β）は、ｐ（ｚ｜ｌ）が

を充足する確率分布であることを保証する正規化項である。しかしながら、（２）で指定された解法は、陰的解法（implicit solution）にすぎないことに留意すべきである。というのは、確率分布ｐ（ｚ｜ｌ）は、唯一の自由変数であり、ｐ（ｚ）及びｐ（ｘ｜ｚ）の双方はｐ（ｚ｜ｌ）によって完全に決定されるからである。

最適分布ｐ（ｚ｜ｌ）は、閉形式で得られないが、実施形態で使用される繰り返し最適化アルゴリズムは、局所最適へ収束することを示すことができる。本質的には、このアルゴリズムは、通信路容量及びレート・歪み関数を計算する非特許文献２２によって説明されるＢｌａｈｕｔ−Ａｒｉｍｏｔｏアルゴリズムと非常に類似しているが、主な相違は、情報ボトルネック設定において、マッピングを計算するアルゴリズムが、ｐ（ｘ｜ｚ）を更に更新することである。図６Ａは、それぞれの繰り返し最適化アルゴリズムに対する疑似コードを提供する。

次に、１つの実施形態に従って、情報ボトルネック法（ＩＢＭ＝Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｂｏｔｔｌｅｎｅｃｋ Ｍｅｔｈｏｄ）を中継ネットワークへ適用することが検討される。
量子化器又は量子化規則を計算するためにＩＢＭを使用することができる。量子化器又は量子化規則は、所与のソース−中継局ＳＮＲについて、中継局−送り先リンクのレート制約に従って関連情報Ｉ（Ｘ；Ｚ）を最大化するものである。これを達成するため、最適化アルゴリズムの中のパラメータβは、決定論的マッピングｐ（ｚ｜ｌ）を産出するパラメータよりも非常に大きくなければならず、ＳＮＲ_ｓｒの特定の値について分布ｐ（ｘ，ｌ）が得られる。要約すると、ＩＢＭを用いて中継局の量子化器を設計することによって、中継チェックノードのＥＸＩＴ曲線の傾斜を最大化することができ、それによって繰り返し復号器の収束特性を最適化することができる。全体を通して、量子化器の出力Ｚを確実に送り先へ通信できるように、量子化器のレートを中継局で選ぶことが仮定される。この後、Ｌ_ｒの量子化器の設計は、中継局における圧縮問題へのＸＯＲ解と呼ばれる。

上記の研究は、ソース−中継局リンクがＳＮＲに関して対称な場合に限られると見ることができる。しかしながら、もしソース−中継局リンクが異なる通信路品質を有するならば、ネットワーク符号化メッセージに関するＬ_ｒの信頼性は、より弱いソース−中継局通信路を有するユーザによって左右される。従って、中継局が非対称ソース−中継局リンクを効果的に処理できるようにするため、量子化器は、Ｌ_１及びＬ’_２で直接動作するように適応されるべきであり、従って、量子化器の設計アルゴリズムも同様に適応されるべきである。

次に、一般的な実施形態が考察され、非対称なケースでの量子化器の設計が検討される。対称なケースと同じように、量子化器の設計のフレームワークは、ＩＢＭによって提供されるが、関連情報として異なる式を有する。その選択は、次のように動機づけられる。上述したように、中継チェックノードのＥＸＩＴ曲線は、ほとんど直線であり、Ｉ_ｉｎ＝１についてＩ_ｏｕｔ＝Ｉ（Ｘ；Ｚ）である。上記で考察された対称なケースの場合、曲線は復号器内の双方のチェックノードについて同じである。しかしながら、一般的には、これらの曲線は異なる。繰り返し復号プロセスの間、コンポーネント復号器３１０及び３２０、及び軟情報レンダラ３３０及び３４０は、ある相互情報Ｉ（Ｘ_ｉ；Ｌ_Ｅ ^（ｉ）），ｉ＝１，２を有する確率変数Ｌ_Ｅ ^（１）及びＬ_Ｅ ^（２）を産出する。前記相互情報は、対応する中継チェックノードへの入力情報である。この点において、量子化器の出力Ｚの誤りのない伝送を仮定すると、受信機内の中継チェックノードは、対応するコンポーネント復号器のために事前情報を産出するため、Ｚ及びＬ_Ｅ ^（ｉ）を処理することに留意すべきである。従って、復号器１から復号器２への情報交換及び復号器２から復号器１への情報交換の双方について、Ｉ（Ｘｉ；Ｌ_Ｅ ^（ｊ）），ｉ，ｊ∈｛１，２｝，ｉ≠ｊが最大になるよう、中継局の量子化器を決めることが好ましい場合がある。

であるから、Ｉ（Ｘ_ｉ；Ｚ，Ｌ_Ｅ ^（ｊ））を最大化することが残される。中継チェックノードの特有の性質が、ほとんど直線であることに起因して、完全な入力情報Ｉ_ｉｎ＝１について出力情報を最大化することへ問題が簡約される。

ここで、完全な入力情報とは、Ｘ_ｉが復号器出力で知られるようなＩ（Ｘ_ｉ；Ｌ_Ｅ ^（ｉ）），ｉ＝１，２を意味する。結果として、復号器１から復号器２への最大情報伝達を可能にするため、Ｉ（Ｘ_２；Ｚ｜Ｘ_１）が最大化されるべきであり、同じように、復号器１が復号器２から最大情報を受信するため、Ｉ（Ｘ_１；Ｚ｜Ｘ_２）が、できるだけ大きくなければならない。

これらの情報式の様々な組み合わせを取って、ＩＢＭのために関連情報項を形成することができる。例えば、関連情報式としてＩ_ｒｅｌ＝ｍｉｎ｛Ｉ（Ｘ_１；Ｚ｜Ｘ_２），Ｉ（Ｘ_２；Ｚ｜Ｘ_１）｝を選ぶことは、繰り返し復号器内のターボループが、できるだけ長く実行し続けることを狙いとする。しかしながら、もし１ユーザが非常に悪いソース−中継局リンクを有するならば、そのＩ_ｒｅｌの選択は、そのユーザデータに関して非常に信頼できない情報を通信する中継局−送り先リンクのレートのうちの多くの割合を必要とすることになる。従って、幾つかの実施形態では、Ｉ（Ｘ_１；Ｚ｜Ｘ_２）及びＩ（Ｘ_２；Ｚ｜Ｘ_１）の平均を関連情報項として取り、中継局が、そのレートの、より多くを、より良好なソース−中継局通信路を有するユーザへ日和見的に割り振ることが提案される。ＩＢＭに関しては、量子化器を中継局で設計するため、次式が解かれる。

ここで、関連情報は、Ｉ_ｒｅｌ＝Ｉ（Ｘ_１；Ｚ｜Ｘ_２）＋Ｉ（Ｘ_２；Ｚ｜Ｘ_１）である。Ｉ_ｒｅｌを次式のように書き直すと、

関連情報式の他の解釈が許される。すなわち、Ｘ_１及びＸ_２の一方に関しては情報をほとんど搬送しないように、ペア（Ｘ_１，Ｘ_２）に関しては多くの情報をＺが含むようにマッピングｐ（ｚ｜ｌ_１，ｌ_２）を選ぶことである。ある乗数β＞０について、この問題への陰的解法は、次のように示すことができる。

式中、Ｄ（ｐ‖ｑ）は、ｐとｑの間の相対エントロピーであり、Ｎ（ｌ_１，ｌ_２，β）は、ｐ（ｚ｜ｌ_１，ｌ_２）が有効な確率分布であることを保証する正規化項である。（３）への局所的最適解を計算するため、図７Ａのアルゴリズム２で要約された情報ボトルネックアルゴリズムの適応バージョンを使用し、実施形態をβ＞＞０へ制限して、決定論的マッピングｐ（ｚ｜ｌ_１，ｌ_２）を使用する２次元量子化器を得ることができる。一般的な場合の中継器における演算は、図６に要約されている。

図６Ｂは、図３Ｂを用いて説明された実施形態と類似したコンポーネントを備える中継局１００の別の実施形態を示している。しかし、組み合わせ器は、図６Ｂに表された実施形態の場合には存在せず、量子化器コア１３２が結合量子化（joint quantization）を実行することを仮定している。図７Ａは、量子化器コア１３２で実行されることがあるアルゴリズム２の擬似コードを提供している。

以下では、復号器の詳細な実施形態が説明される。図７Ｂは、図４の第１及び第２の軟情報レンダラ３３０及び３４０内に描かれた黒色正方形３３２又は３４２の一方に対応する中継チェックノードの細部を提供している。上述のように、実施形態では、復号器３００は、量子化された軟情報に関する情報を有する受信信号を受信する受信機を備えることができる。上記受信信号は、図７Ｂにおいてｙ_ｒと呼ばれている。通信路復号器７１０は、受信信号に利用することができ、ＣＲＣ（巡回冗長性検査）は、受信シンボルに実行され得る。情報源復号器７２０は、その後に、量子化された軟情報

を決定することができる。換言すると、実施形態では、復号器３００は、受信信号ｙ_ｒをチャネル復号化する通信路復号器７１０と、チャネル復号化された信号

における誤りを検出する誤り検出器と、チャネル復号化された信号から量子化された軟情報

を復号化する情報源復号器７２０とを備えることができる。実施形態では、復号器は、外的情報Ｌ^（１） _Ｅ、Ｌ’^（１） _Ｅと量子化された軟情報

とに基づいて、事前情報Ｌ^（１） _Ａ、Ｌ’^（２） _Ａを決定するＬＬＲ決定器７３０をさらに備えることができる。

中継チェックノードの働きは、図７Ｂに要約されている。例えば、巡回冗長性検査（ＣＲＣ）によって、

に残留誤差が検出される場合、中継器からのすべての情報は情報源復号器を通る壊滅的な誤り伝搬を回避するため廃棄される。図７Ｂにおける「ＬＬＲｓ」という名前が付けられたブロックの機能が次に説明される。そのため、復号化アルゴリズムに関する僅かに異なる見方が必要とされ、このブロックの機能は、その一部分が図８における復号化グラフ上で導出される。

図８は、復号グラフの一部分を示している。ここで左側の復号器１は、第１の軟復号器３１０を意味し、右側の復号器２は、第２の軟復号器３２０を意味する。

ｘ_１，ｍ及びｘ_２，ｍと名付けられたノードは、中継局での量子化によって結合された２つの異なるコンポーネント通信路符号の２つの可変ノードである。２つのソースからの直接的な観察は、関数ノードｐ（ｙ_{ｄ，１，ｍ}｜ｘ_１，ｍ）及びｐ（ｙ’_{ｄ，２，ｍ}｜ｘ’_２，ｍ）であり、中継局での量子化を介する結合は、関数ノードｐ（ｘ_１，ｍ，ｘ’_２，ｍ｜ｚ_ｍ）で表される。

Ｚは、受信機で完全に利用可能であると仮定されるため、送り先は中継局によって選ばれた量子化器の知識を利用してｐ（ｘ_１，ｘ_２｜ｚ）を取得する。このｐ（ｘ_１，ｘ_２｜ｚ）は、繰り返し最適化アルゴリズムの出力である。関数ノードｐ（ｘ_１，ｘ_２｜ｚ）は、図７ＢのＬＬＲブロック８１５と同等のメッセージパッシングであることに留意されたい。ＬＬＲ Ｌ_Ｅ ^（１）及びＬ’_Ｅ ^（２）について処理規則を見出すため、メッセージパッシング規則が関数ノードのためにｐ（ｘ_１，ｘ_２｜ｚ）へ適用される。次の定義を使用すると、

次式が得られる。

上記の式を導き出す際の詳細な部分は、説明の最後に記載される。

方程式（５）は、対称な場合のボックスプラスの計算に密接に関係する。

及び

であれば、方程式（５）は次式のように簡約されることに留意されたい。

一般的な量子化器の設計アルゴリズムを対称ＳＲ通信路へ適用すると、分布ｐ（ｘ_１，ｘ_２｜ｚ）を生じ、

となる。その結果、最初にＬ_ｒを計算することなくこれらの解法中にＸＯＲ解法が復元される。

本セクションでは、量子化器の設計に関する一部のシミュレーション結果が与えられる。全体を通じて、ソースで使用される基礎となるチャネル符号は、生成器

を用いるレート１／２反復畳み込み符号である。

中継器における情報源符号化は、非特許文献２３に記載された算術符号を使用して実行される。中継器−送り先間リンクに関するチャネル符号は、非特許文献２４に記載されているようなＵＭＴＳ規格に指定されたターボ符号である。

図９は、３種類の量子化領域が異なるグレイスケールで示されたＬＬＲ Ｌ_１対ＬＬＲ Ｌ_２を表す図チャートを示している。図９に示された量子化器は、ＳＮＲ_ｓｒ、１＝ＳＮＲ_ｓｒ，２＝−２ｄＢと３つの量子化領域に対し実現される。

図１０の左側には、ＳＮＲ_ｓｒ，１＝−１ｄＢ及びＳＮＲ_ｓｒ，２＝−８ｄＢに関して５つの量子化領域に対し実現された量子化器が示されている。図１０の右側には、ＢＥＲ結果対ＳＮＲ_ｓｄ、１＝ＳＮＲ_ｓｄ，２が示されている。図１０の右側に表されたこのシミュレーション結果は、図１０の左側に表された量子化器に対して得られる。

図９および１０に示された最初の２つの実施例は、アルゴリズム２（図７を参照のこと）によって取得されるような（Ｌ_１，Ｌ_２）平面の量子化領域への分割を表している。結果として得られる各領域は、カラー符号化され、各カラー又はグレイスケールは、量子化器アルファベット

の１個のシンボルに対応する。図９は、Ｎ＝３の領域を使用した、量子化器がＳＮＲ_ｓｒ、１＝ＳＮＲ_ｓｒ，２＝−２ｄの対称性ソース−中継器間リンクに関して示している。この分割は、中継器でのＸＯＲ演算を効果的に模倣し、Ｈ（Ｚ）＝１．４４であるため、２．３３ｄＢの中継器−送り先間のリンク上の最小ＳＮＲが誤りのない伝送のため必要とされることに留意すべきである。ＵＭＴＳターボ符号を用いて約１０^−４の語誤り確率を達成するために、シミュレーションは、ＳＮＲ_ｒｄ＝３．８３ｄＢが要求されるように、１．５ｄＢがシャノン限界ＳＮＲに加えられるべきであることを示唆している。

対照的に、ソース−中継器間のリンクのチャネル条件が非常に異なるならば、中継器は、好ましくは、中継器−送り先間のチャネルで利用可能なレートのより多くをより強いユーザに割り付けるべきである。このことは、ＳＮＲ_ｓｒ、１＝−１ｄＢ及びＳＮＲ_ｓｒ、２＝−８ｄＢの場合にＮ＝５個の領域に対し、図１０に表されているように、中継器における量子化問題の一般的な式を用いて正確に実現される。Ｈ（ｚ）＝２．３０であるので、中継器−送り先間のリンクＳＮＲは、チャネル符号としてＵＭＴＳターボ符号を使用する信頼性の高い伝送のため約７．４５ｄＢでなければならない。

最後に、ＳＮＲ_ｓｒ，１＝−１ｄＢ及びＳＮＲ_ｓｒ，２＝−８ｄＢとＮ＝５とに対して上述された量子化器が中継器で使用されるときのビット誤り率（ＢＥＲ）が図１１にプロットされている。中継器における変調スキームは１６−ＱＡＭであり、ＳＮＲ_ｒｄ＝７．４５ｄＢである。予想どおりに、より強い中継チャネルをもつユーザ１は、中継器を全く利用できないユーザより僅かに良好に機能するユーザ２に比べて優れたＢＥＲ性能を示している。

図１１は、さらなるシミュレーション結果を示しており、５個の量子化領域を有する対応する量子化器が左側に示され、対応するＢＥＲシミュレーション結果が右側に示されている。図１１において、右側のシミュレーション結果もまた、ＡＦという名前で呼ばれるユーザ１及びユーザ２の増幅転送概念に関して表されている。実施形態は、ＢＥＲ性能の上昇を実現することがわかる。

以下では、上述されているように、一般的な場合のメッセージパッシング規則の導出が、以下で導入されるメッセージを含む復号化グラフの一部分が選択された図１２を用いて記載される。

ＬＬＲがどのように交換されるかの式は、関数ノードｐ（ｘ_１，ｘ_２｜ｚ）によって接続されたコンポーネント符号によって導き出される。手続の前に幾つかの定義が必要である。ｘ_１，ｍをｘ_１のｍ番目の要素とし、ｘ’_２，ｍをｘ’_２のｍ番目の要素とし、ｘ_１，ｍ及びｘ’_２，ｍはｐ（ｘ_１，ｍ，ｘ’_２，ｍ｜ｚ_ｍ）によって結合されると仮定する。図１２で示されるように、μ_Ａ（ｘ_１，ｍ）及びμ_Ｅ（ｘ’_２，ｍ）は、それぞれ、チェックノードからのメッセージ及びチェックノードへのメッセージとする。更に、Ｌ_Ａ，ｍ ^（１）＝１ｎ（μ_Ａ（ｘ_１，ｍ＝１）／μ_Ａ（ｘ_１，ｍ＝−１））及びＬ’_Ｅ，ｍ ^（２）＝１ｎ（μ_Ｅ（ｘ’_２，ｍ＝１）／μ_Ｅ（ｘ’_２，ｍ＝−１））と定義する。図１２は、対応するメッセージを有する復号グラフの一部分を示している。

以下において、Ｌ_Ａ，ｍ ^（１）を計算するため、関数ノードのメッセージパッシング規則が適用される。

であることから、次式が得られる。

式（４）における定義を使用すると、

が得られる。
上記の式の導出に沿って、次のように計算することができる。

ここで、

及び

本発明の実施形態は、例えば、ＩＢＭを使用して、対称ＡＷＧＮ通信路の中継局で受け取られたＬＬＲについて上記で導入された量子化器の設計フレームワークを利用する。更に、実施形態は、この方法を一般的な場合へ拡張できる。すなわち、ソース−中継局通信路に関する対称要件を取り除く場合がある。従って、実施形態は、効率的な処理が幾つかのユーザのために結合して中継局で実行できる利点がある。更に、中継局で復号を実行する必要はなく、雑音の増幅が回避され得るため、低い遅延が達成できる。

本発明の方法のある一定の実装要件に合わせて、本発明の方法はハードウェア又はソフトウェアで実現することができる。実装する際は、ディジタル記憶メディア、具体的には、ディスク、ＤＶＤ、又はＣＤを使用することができる。ディジタル記憶メディアには、電子的に読み取り可能な制御信号が記憶され、この制御信号は、プログラム可能なコンピュータと協働して、本発明の方法を実行する。一般的に、本発明は、機械読み取り可能なキャリアのためのプログラムコードを有するコンピュータ・プログラム製品であり、プログラムコードは、コンピュータ・プログラムをコンピュータ上で実行するときに、本発明の方法を実行するように動作する。言い換えれば、本発明の方法は、プログラムコードを有するコンピュータ・プログラムであり、プログラムコードはコンピュータ・プログラムをコンピュータ上で実行するときに、本発明の方法の少なくとも１つを実行する。

Claims (13)

1. 移動体通信システムにおいて動作する中継局（１００）であって、
   符号化された情報を表すシンボルを含む無線信号をソースから受信する受信機（１１０）であって、前記符号化された情報が、符号化規則に基づき、且つペイロード情報と冗長情報とを含むものであり、前記受信機が、別の無線信号を別のソースから受信するものであり、前記別の無線信号が、他の符号化された情報を表す他のシンボルを含み、前記他の符号化された情報が、他の符号化規則に基づき、且つ他のペイロード情報と他の冗長情報とを含み、前記受信機が、前記無線信号に関する信号品質の測度及び前記別の無線信号に関する別の信号品質の測度を提供するものである、受信機と、
   前記無線信号からあるシンボルを検出して、軟情報を取得する軟情報検出器（１２０）であって、前記軟情報が、シンボルに関する情報と、前記シンボルに関する情報についての信頼性情報とを含むものであり、前記軟情報検出器が、別の無線信号から別のシンボルを検出して、別の軟情報を取得するものであり、前記別の軟情報が、他のシンボルに関する情報と、その他のシンボルに関する情報についての信頼性情報とを含む、軟情報検出器と、
   前記軟情報と前記別の軟情報とを結合して量子化する処理、及び、前記軟情報と前記別の軟情報との組み合わせを量子化して、量子化された軟情報を取得する処理の両方の処理を行うか、又はこれらの一方の処理を行う量子化器（１３０）であって、該量子化器は、量子化規則に基づいて量子化を行うものであり、前記量子化規則は、前記信号品質の測度と、前記別の信号品質の測度と、前記中継局（１００）と前記送り先との間の伝送容量とに基づくものである、量子化器と、
   前記量子化された軟情報に関する情報を送り先へ送信し、且つ前記量子化規則に関する情報を前記送り先へ送信する送信機（１４０）と
   を備え、
   前記量子化規則は、前記信号品質の測度が前記別の信号品質の測度より高い信号品質を示すならば、前記量子化された軟情報において、前記別の軟情報に対する伝送容量よりも、前記軟情報に対する伝送容量がより高い占有率になるようにする規則である、中継局。
2. 前記軟情報検出器が、ＬＬＲの形をした軟情報Ｌ_１と、ＬＬＲの形をした別の軟情報Ｌ_２を取得するものであり、
   前記量子化器（１３０）が、Ｌ’_２がＬ_２のインタリーブバージョンであるとき、
   

   

   の形をした軟情報と、別の軟情報との組み合わせＬ_ｒを量子化するものである、
   請求項１に記載の中継局。
3. 前記量子化規則が、前記信号品質の測度と、前記別の信号品質の測度と、伝送容量と、繰返し範囲とに基づいて局所最適化された量子化規則を決定する情報ボトルネックアルゴリズムに基づくものである、請求項１又は２に記載の中継局。
4. 前記受信機（１００）及び前記送信機（１４０）が、セルラ移動体通信システムにおける受信及び送信を行えるように構成さるものである、請求項１ないし３のいずれか一項に記載の中継局。
5. 移動体通信システムにおける中継方法であって、
   符号化された情報を表すシンボルを含む無線信号をソースから受信するステップであって、前記符合化された情報が、符号化規則に基づき、且つペイロード情報と冗長情報とを含むものである、ステップと、
   別の無線信号を別のソースから受信するステップであって、前記別の無線信号が、他の符号化された情報を表す他のシンボルを含み、前記他の符号化された情報が、他の符号化規則に基づき、且つ他のペイロード情報と他の冗長情報とを含むものである、ステップと、
   前記無線信号に関する信号品質の測度及び前記別の無線信号に関する別の信号品質の測度を提供するステップと、
   前記無線信号からシンボルを検出して、軟情報を取得するステップであって、前記軟情報が、シンボルに関する情報と、前記シンボルに関する情報についての信頼性情報とを含むものである、ステップと、
   前記別の無線信号から別のシンボルを検出して、別の軟情報を取得するステップであって、前記別の軟情報が、他のシンボルに関する情報と、その他のシンボルに関する情報についての信頼性情報とを含むものである、ステップと、
   前記軟情報と前記別の軟情報とを結合して量子化する処理、及び、前記軟情報と前記別の軟情報との組み合わせを量子化して、量子化された軟情報を取得する処理の両方の処理を行うか、又はこれらの一方の処理を行うステップであって、前記量子化する処理は、量子化規則に基づいて行われる、ステップと、
   前記量子化された軟情報に関する情報を送り先へ送信するステップと
   を含み、
   前記量子化規則は、前記信号品質の測度が前記別の信号品質の測度より高い信号品質を示すならば、前記量子化された軟情報において、前記別の軟情報に対する伝送容量よりも、前記軟情報に対する伝送容量がより高い占有率になるようにする規則である、
   中継方法。
6. 第１の符号化された符号語を復号して、第１の符号語ｘ _１ に関する第１の軟情報を取得し、第２の符号化された符号語を復号して、第２の符号語ｘ _２ に関する第２の軟情報を取得する復号器（３００）であって、
   前記第１の符号化された符号語に基づいて前記第１の符号語ｘ _１ に関する前記第１の軟情報を決定する第１の軟復号器（３１０）であって、ＬＬＲの形をした前記第１の軟情報を決定するように構成された第１の軟復号器と、
   前記第２の符号化された符号語及び第２の事前情報Ｌ ^（２） _Ａ に基づいて前記第２の符号語ｘ _２ に関する前記第２の軟情報を決定する第２の軟復号器（３２０）であって、ＬＬＲの形をした前記第２の軟情報を決定するように構成された第２の軟復号器と、
   前記第１の軟情報と、請求項１に記載の量子化器によって量子化された前記量子化された軟情報ｚとに基づいて、前記第２の事前情報Ｌ ^（２） _Ａ を提供する第１の軟情報レンダラ（３３０）であって、前記量子化された軟情報ｚは、前記第１の符号化された符号語及び前記第２の符号化された符号語を結合して量子化したものに基づいている、第１の軟情報レンダラと、
   前記第２の事前情報と、前記量子化された軟情報と、前記第２の軟情報とに基づいて第１の事前情報を提供する第２の軟情報レンダラ（３４０）と
   を備え、
   前記第１の軟情報レンダラ（３３０）が、ＬＬＲの形をした第２の事前情報Ｌ ^（２） _Ａ を提供するものであり、
   前記第１の軟情報レンダラ（３３０）が、
   

   

   のデインタリーブバージョンによって第２の事前情報Ｌ ^（２） _Ａ を決定するものであり、式中、ｍが、ある語の範囲内における添え字であり、ｘ´ _２ が、ｘ _２ のインタリーブバージョンであり、前記量子化された軟情報ｚは、ｘ _１，ｍ とｘ´ _２，ｍ とが確率密度ｐ（ｘ _１，ｍ ，ｘ´ _２，ｍ ｜ｚ _ｍ ）によって関連付けされることによって得られるものであり、Ｌ ^（１） _Ｅ，ｍ が、前記第１の軟情報と前記第１の事前情報Ｌ ^（１） _Ａ との組み合わせであり、Ｌ _ｒ が、量子化された軟情報であり、ここで、
   

   

   であり、
   前記第２の軟情報レンダラ（３４０）が、ＬＬＲの形をした前記第１の事前情報Ｌ ^（１） _Ａ を提供するものであり、ここで、
   

   

   であり、式中、Ｌ´ ^（２） _Ｅ，ｍ は、前記第２の軟情報と前記第２の事前情報Ｌ ^（２） _Ａ との組み合わせのインタリーブバージョンであり、ここで、
   

   

   であり、
   前記第１の軟復号器（３１０）が、前記符号化された第１の符号語及び前記第１の事前情報Ｌ ^（１） _Ａ に基づいて、前記第１の符号語ｘ _１ に関する更新された第１の軟情報を決定するものである、復号器。
7. 第１の軟情報レンダラ（３３０）が、前記更新された第１の軟情報と、前記第１の事前情報Ｌ ^（１） _Ａ と、前記量子化された軟情報ｚとに基づいて、更新された第２の事前情報Ｌ ^（２） _Ａ を提供するものである、請求項６に記載の復号器。
8. 量子化され符号化された軟情報を受信する受信機と、
   量子化され符号化された軟情報を復号化する復号器と、
   量子化規則及び量子化され符号化され復号化された軟情報に基づいて量子化された軟情報を提供する再量子化器と
   をさらに備えるものである、請求項６又は７に記載の復号器。
9. 前記受信機が、量子化規則に関する情報を更に受信するものである、請求項８に記載の復号器。
10. 受信機が、セルラ移動体通信システムにおいて動作するものである、請求項６ないし９のいずれか一項に記載の復号器。
11. 第１の符号化された符号語を復号して、第１の符号語ｘ _１ に関する第１の軟情報を取得し、第２の符号化された符号語を復号して、第２の符号語ｘ _２ に関する第２の軟情報を取得する方法であって、
    ＬＬＲの形をした前記第１の符号化された符号語に基づいて前記第１の符号語ｘ _１ に関する第１の軟情報を決定するステップと、
    前記第２の符号化された符号語及びＬＬＲの形をした第２の事前情報Ｌ ^（２） _Ａ に基づいて前記第２の符号語ｘ _２ に関する第２の軟情報を決定するステップと、
    前記第１の軟情報と、請求項５に記載の前記量子化する処理によって量子化された軟情報ｚとに基づいて、ＬＬＲの形をした第２の事前情報Ｌ ^（２） _Ａ を提供するステップであって、前記量子化された軟情報ｚは、前記第１の符号化された符号語及び前記第２の符号化された符号語を結合して量子化したものに基づいており、ここで、前記第２の事前情報Ｌ ^（２） _Ａ が、
    

    

    のデインタリーブバージョンによって決定され、式中、ｍが、ある語の範囲内における添え字であり、ｘ´ _２ が、ｘ _２ のインタリーブバージョンであり、前記量子化された軟情報ｚは、ｘ _１，ｍ とｘ´ _２，ｍ とが確率密度ｐ（ｘ _１，ｍ ，ｘ´ _２，ｍ ｜ｚ _ｍ ）によって関連付けされることによって得られるものであり、Ｌ ^（１） _Ｅ，ｍ が、前記第１の軟情報と前記第１の事前情報Ｌ ^（１） _Ａ との組み合わせであり、Ｌ _ｒ が、量子化された軟情報であり、ここで、
    

    

    である、ステップと、
    前記第２の事前情報Ｌ ^（２） _Ａ と、前記量子化された軟情報ｚと、前記第２の軟情報に基づいて、ＬＬＲの形をした第１の事前情報Ｌ ^（１） _Ａ を提供するステップであって、ここで、
    

    

    であり、式中、Ｌ´ ^（２） _Ｅ，ｍ は、前記第２の軟情報と前記第２の事前情報Ｌ ^（２） _Ａ との組み合わせのインタリーブバージョンであり、ここで、
    

    

    である、ステップと、
    前記符号化された第１の符号語及び前記第１の事前情報Ｌ ^（１） _Ａ に基づいて前記第１の符号語ｘ _１ に関する更新された第１の軟情報を決定するステップと
    を含む方法。
12. コンピュータ又はプロセッサ上で動くときに、請求項５又は１１に記載の方法のいずれかを実行するプログラムコードを有するコンピュータ・プログラム。
13. 請求項１ないし４のいずれか一項に記載の中継局（１００）と、
    請求項６ないし１０のいずれか一項に記載の復号器（３００）と
    を備えるシステム。

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