JP4915450B2 - ネットワーク符号化方法およびネットワーク符号化装置 - Google Patents

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Description

本発明は、ネットワーク符号化方法およびネットワーク符号化装置に係わり、特に、通信装置間で中継局を介して双方向に無線信号を伝送するためのネットワーク符号化方法およびネットワーク符号化装置に係わる。
通信装置間で信号を伝送する最も単純な方式は、一方の通信装置から他方の通信装置へ直接的に信号を伝送する構成である。しかし、この方式では、無線通信の品質を保証するためには、例えば、送信パワーを大きくする必要がある。この場合、消費電力が大きくなってしまう。あるいは、無線セルを小さくする必要がある。この場合、基地局の台数が増加するので、システムを構築するための費用が高くなる。
この問題を解決するために、通信装置間に中継局を設ける構成が提案および実用化されている。以下、基地局ＢＳと移動局ＭＳとの間に中継局ＲＳを設け、基地局ＢＳと移動局ＭＳとの間で２ホップ伝送を行うシステムについて説明する。
図１Ａは、古典的な中継方式を示す図である。この中継方式では、基地局ＢＳと移動局ＭＳとの間で信号を双方向に伝送するために、下記の４つのフェーズを必要とする。
（１）基地局ＢＳは、中継局ＲＳへ信号を送信する
（２）中継局ＲＳは、その信号を移動局ＭＳへ送信する
（３）移動局ＭＳは、中継局ＲＳへ信号を送信する
（４）中継局ＲＳは、その信号を基地局ＢＳへ送信する
したがって、この中継方式では、互いに直交する４つの通信資源が必要である。
図１Ｂは、従来のネットワーク符号化方式の一例を示す図である。この中継方式では、基地局ＢＳと移動局ＭＳとの間で信号を双方向に伝送するために、下記の３つのフェーズを必要とする。
（１）基地局ＢＳは、リンクＤ１を介して中継局ＲＳへ信号Ｓ１を送信する
（２）移動局ＭＳは、リンクＤ２を介して中継局ＲＳへ信号Ｓ２を送信する
（３）中継局ＲＳは、信号Ｓ１および信号Ｓ２をそれぞれ復号し、１組の復号データについてビット毎に排他論理和演算（ＸＯＲ）を行い、その演算結果を基地局ＢＳおよび移動局ＭＳへマルチキャストする。なお、マルチキャストパケットには、ヘッダ、ＣＲＣ、ＦＥＣが付与される。
この方式は、しばしばＤＦ（Decode-and-Forward）中継と呼ばれる。ＤＦ中継では、互いに直交する３つの通信資源が必要である。そして、図１Ａに示す古典的な中継方式と比較して、理論的には、２ホップ通信のスループットが最大で３３パーセント向上する。また、ホップ数が多くなると、ＤＦ中継のスループットは、図１Ａに示す古典的な中継方式と比較して、理論的には２倍に近づいてゆく。
従来のＤＦ中継では、中継局ＲＳにおいて、ビット毎に排他論理和演算が行われる。そして、基地局ＢＳおよび移動局ＭＳは、それぞれ、信号「Ｓ１ XOR Ｓ２」を受信する。ここで、基地局ＢＳは、受信信号と信号Ｓ１との排他論理和演算を行うことにより信号Ｓ２を得ることができる。すなわち、基地局ＢＳは、移動局ＭＳから送信される信号Ｓ２を受信することができる。同様に、移動局ＭＳは、基地局ＢＳから送信される信号Ｓ１を受信することができる。これにより、双方向通信が実現される。なお、ＤＦ中継については、例えば、非特許文献１に記載されている。
図１Ｃは、従来の他のネットワーク符号化方式を示す図である。この中継方式では、下記の２つのフェーズで、基地局ＢＳと移動局ＭＳとの間で双方向に信号が伝送される。
（１）基地局ＢＳから中継局ＲＳへの信号送信、および移動局ＭＳから中継局ＲＳへの信号送信が同時に行われる。
（２）中継局ＲＳは、干渉信号を増幅して基地局ＢＳおよび移動局ＭＳへマルチキャストする。このとき、中継局ＲＳは、受信信号を復号しない。
この方式は、しばしばＡＦ（Amplified-and-Forward）中継と呼ばれる。ＡＦ中継では、必要な互いに直交する通信資源は、２つだけである。このため、ＡＦ中継のスループットは、図１Ａに示す古典的な中継方式と比較して、理論的には最大で２倍になる。なお、ＡＦ中継については、例えば、非特許文献２に記載されている。
P.Larsson, N. Johansson, K. E. Sunell, "Coded bi-directional relaying", the 5thScandinavian WS on Wireless Ad-Hoc Networks (AdHoc’05), Stochholm, Sweden, May 2005 P. Popovsiki, and H. Yomo, "Wireless network coding by amplify-and-forward for bi-directional traffic flows", IEEE Communications Letters, Vol. 11, No.1, pp16-18, January 2007
しかしながら、図１Ａ〜図１Ｃに示す中継方式は、図２に示すように、それぞれ欠点がある。図１Ａに示す古典的な中継方式は、各フェーズが互いに独立して制御されるので、リンクの信頼性が高く、また、通信の柔軟性（または、自由度）も高い。しかし、この中継方式では、フェーズ数が多くなり、スループットが低くなるので、通信効率が低くなってしまう。なお、「通信の柔軟性」とは、一義的ではないが、データを送信するための変調方式や符号化率を選択する際の自由度を意味する。
図１Ｂに示すＤＦ中継は、図１Ａに示す方式と比較すると、リンクの信頼性がやや低くなる。また、従来のＤＦ中継は、１組のリンクから受信したデータについてビット毎にＸＯＲ演算を行い、その演算結果をマルチキャストする構成である。このため、１組のリンクを介して送信すべきデータ量は、互いに同じでなければならない。したがって、１組のリンクの通信品質がアンバランスである場合には、通信品質の良い方のリンクのデータ伝送は、通信品質が悪い方のリンクのデータ伝送により制限されてしまう。
図１Ｃに示すＡＦ中継では、通信の柔軟性がまったくない。また、雑音の大きい環境では、中継局ＲＳにおいてその雑音も増幅されるので、通信パフォーマンスは大幅に低下する。この問題は、例えば、ＤＮＦ（Denoise-and-Forward）中継方式を導入すれば緩和されるが、中継局の構成が複雑になり、またコストも高くなってしまう。
本発明の課題は、通信効率の高いネットワーク符号化方法を提供することである。
本発明のネットワーク符号化方法は、第１の通信装置と第２の通信装置との間で第３の通信装置を介して信号を伝送するものであり、前記第２の通信装置から受信した第１のデータを前記第１の通信装置へ伝送するための第１の通信方式を決定し、前記第１の通信装置から受信した第２のデータを前記第２の通信装置へ伝送するための第２の通信方式を決定し、前記第１の通信方式で前記第１のデータを処理することで得られる第１のシンボル列と前記第２の通信方式で前記第２のデータを処理することで得られる第２のシンボル列を、シンボル毎に乗算することによりマルチキャスト信号を生成し、前記第３の通信装置から前記第１および第２の通信装置へ前記マルチキャスト信号を送信する。
この方法によれば、第１の通信装置へデータを送信するための第１の通信方式および第２の通信装置へデータを送信するための第２の通信方式を互いに独立して決めることができる。よって、１組のリンクの品質がアンバランスである場合、品質のよい方のリンクの通信が品質の悪い方のリンクのよって制限されることはない。
したがって、開示の方法によれば、通信効率の高いネットワーク符号化が実現される。
古典的な中継方式を示す図である。 従来のネットワーク符号化方式の一例（ＤＦ中継）を示す図である。 従来の他のネットワーク符号化方式（ＡＦ中継）を示す図である。 従来の中継方式を比較した表である。 本発明の実施形態のネットワーク符号化方式を説明する図である。 中継局の構成を示す図である。 ＭＣＳ部の動作を説明する図である。 合成部の動作を説明する図である。 双方のリンクが１６ＱＡＭである場合の合成演算を説明する図である。 ターボ符号化回路の構成を示す図である。 ターボ復号回路の構成を示す図である。 基地局ＢＳおよび移動局ＭＳが備える受信回路の構成を示す図である。 基地局ＢＳにおいて上りリンクデータを抽出する方法を説明する図である。 従来技術と実施形態の方式とを比較した表である。 ＳＮＲと相互情報量との関係を示す図である。 ＨＳＤＰＡにおけるＳＮＲに対する累積分布関数を示す図である。 他の実施形態のネットワーク符号化を実現する送信器の構成を示す図である。 他の実施形態のネットワーク符号化を実現する受信器の構成を示す図である。
図３は、本発明の実施形態のネットワーク符号化方式を説明する図である。ここでは、基地局ＢＳと移動局ＭＳとの間に中継局ＲＳを設け、基地局ＢＳと移動局ＭＳとの間で双方向に２ホップ伝送を行うシステムについて説明する。
実施形態の中継方式は、下記の３つのフェーズによって、基地局ＢＳと移動局ＭＳとの間で符号化双方向伝送（coded bi-directional transmission）が実現される。なお、ここでは、基地局ＢＳから移動局ＭＳへ下りリンクデータが送信され、移動局ＭＳから基地局ＢＳへ登りリンクデータが送信されるものとする。
（１）基地局ＢＳは、リンクＤ１を介して、信号Ｓ１を利用して下りリンクデータを中継局ＲＳへ送信する。
（２）移動局ＭＳは、リンクＤ２を介して、信号Ｓ２を利用して上りリンクデータを中継局ＲＳへ送信する
（３）中継局ＲＳは、信号Ｓ１および信号Ｓ２をそれぞれ復号することにより、下りリンクデータおよび上りリンクデータを再生する。また、中継局ＲＳは、基地局ＢＳへ上りリンクデータを送信するための第１の通信方式、および移動局ＭＳへ下りリンクデータを送信するための第２の通信方式を決定する。さらに、第１の通信方式で上りリンクデータを変調して第１のシンボル列を生成し、第２の通信方式で下りリンクデータを変調して第２のシンボル列を生成する。第１および第２のシンボル列は、シンボル毎に乗算される。これにより、マルチキャスト信号Ｓ３が生成される。そして、中継局ＲＳは、マルチキャストリンクＤ３を介して、マルチキャスト信号Ｓ３を基地局ＢＳおよび移動局ＭＳへ送信する。
なお、図３において、Ｄ1’は、中継局ＲＳから基地局ＢＳへ第１のシンボル列（すなわち、第１の通信方式で変調された上りリンクデータ）を送信するためのリンクである。また、Ｄ2’は、中継局ＲＳから移動局ＭＳへ第２のシンボル列（すなわち、第２の通信方式で変調された下りリンクデータ）を送信するためのリンクである。そして、マルチキャストリンクＤ３は、これらのリンクＤ1’およびＤ2を互いに乗算することにより得られる。
基地局ＢＳは、先に送信した下りリンクデータを保持している。したがって、基地局ＢＳは、マルチキャスト信号Ｓ３から下りリンクデータ成分を除去することにより、上りリンクデータを再生することができる。同様に、移動局ＢＳは、先に送信した上りリンクデータを保持している。したがって、移動局ＢＳは、マルチキャスト信号Ｓ３から上りリンクデータ成分を除去することにより、下りリンクデータを再生することができる。これにより、双方向通信（基地局ＢＳから移動局ＭＳへの下りリンクデータの伝送、および移動局ＭＳから基地局ＢＳへの上りリンクデータの伝送）が実現される。
図４は、中継局ＲＳの構成を示す図である。なお、図４では、ネットワーク符号化に直接的に係わらない回路は省略されている。
受信回路１は、無線信号を受信する。受信信号は、この例では、基地局ＢＳから送信される信号Ｓ１および移動局ＭＳから送信される信号Ｓ２である。また、各受信信号は、この例では、データチャネル、制御チャネル、パイロットチャネルを含んでいる。復調／復号部２は、Ａ／Ｄ変換器、直交変換器を含み、受信信号に含まれている各チャネルを復号する。データチャネルの通信方式（変調方法、符号等）は、予め固定的に決められていてもよいし、制御チャネルにより通知するようにしてもよい。
品質検出部３は、中継局ＲＳから基地局ＢＳへ信号を伝送するためのリンクＤ1’の通信品質を検出する。リンクＤ1’の通信品質は、中継局ＲＳから基地局ＢＳへ伝送されるパイロット信号を利用して基地局ＢＳにおいて検出される。そして、検出結果は、基地局ＢＳから中継局ＲＳへ、例えば制御チャネルを介して通知される。同様に、品質検出部３は、中継局ＲＳから移動局ＭＳへ信号を伝送するためのリンクＤ2’の通信品質を検出する。
この場合、リンクＤ1’のＭＣＳ（Modulation and Coding Scheme）は、検出した通信品質に応じて基地局ＢＳで決定してもよいし、中継局ＲＳにおいて通知された検出結果に応じて決定してもよい。基地局ＢＳでＭＣＳを決定する場合には、決定したＭＣＳは制御チャネルを介して中継局ＲＳに通知される。同様に、リンクＤ2’のＭＣＳは、移動局ＭＳで決定してもよいし、中継局ＲＳにおいて決定してもよい。移動局ＭＳでＭＣＳを決定する場合には、決定したＭＣＳは中継局ＲＳに通知される。なお、ＭＣＳについては、あとで説明する。
信号Ｓ１を復号することにより得られるデータ（基地局ＢＳから移動局ＭＳへ伝送すべき下りリンクデータ）は、メモリ４Ａに格納される。一方、信号Ｓ２を復号することにより得られるデータ（移動局ＭＳから基地局ＢＳへ伝送すべき上りリンクデータ）は、メモリ４Ｂに格納される。
ＭＣＳ（Modulation and Coding Scheme）部５は、制御チャネルから必要な情報を抽出する。基地局ＢＳ／移動局ＭＳから「リンクの通信品質」を受信した場合には、各リンクの品質に基づいて、データを送信するための通信方式を決定する。通信方式としては、例えば、変調方法、符号化率が決定される。変調方法は、この実施例では、ＱＰＳＫ、１６ＱＡＭ、６４ＱＡＭのなかから選択される。この場合、例えば、通信品質が閾値レベルよりも低ければＱＰＳＫが選択され、通信品質が閾値レベルを超えていれば１６ＱＡＭが選択され、通信品質が非常に良好であれば６４ＱＡＭが選択される。すなわち、例えば、基地局ＢＳと中継局ＲＳとの間のリンクの通信品質が閾値レベルを超えていれば、上りリンクデータを基地局ＢＳへ送信するための変調方法として１６ＱＡＭが選択される。また、移動局ＭＳと中継局ＲＳとの間のリンクの通信品質が閾値レベルよりも低ければ、下りリンクデータを移動局ＭＳへ送信するための変調方法としてＱＰＳＫが選択される。なお、通信方式は、ＱＰＳＫ、１６ＱＡＭ、６４ＱＡＭに限定されるものではなく、他の変調方式（例えば、３２ＱＡＭ、１２８ＱＡＭ、２５６ＱＡＭなど）であってもよい。
なお、ＭＣＳ部５は、基地局ＢＳ／移動局ＭＳから「ＭＣＳを表す情報」を受信した場合は、上記決定手順を実行する必要はない。すなわち、上記決定手順は、基地局ＢＳ／移動局ＭＳにおいて実行される。
ＭＣＳ部５は、上述のようにして決定したＭＣＳに従って上りリンクデータおよび下りリンクデータをそれぞれ処理することにより、１組の送信シンボル列を生成する。このように、実施形態のネットワーク符号化方法においては、上りリンクデータおよび下りリンクデータを互いに異なるＭＣＳで送信することができる。なお、上りリンクデータおよび下りリンクデータは、互いに同じＭＣＳで送信されてもよい。
合成部６は、ＭＣＳ部５により得られる１組の送信シンボル列を、順番に、シンボル毎に乗算する。これにより、マルチキャスト信号Ｓ３が生成される。マルチキャスト信号Ｓ３は、変調部７において変調された後、送信回路８により基地局ＢＳおよび移動局ＭＳに送信される。なお、中継局ＲＳは、制御チャネルを利用して、ＭＣＳ部５により決定されたＭＣＳを識別するＭＣＳ情報を基地局ＢＳおよび移動局ＭＳに送信する。
図５は、ＭＣＳ部５の動作を説明する図である。この例では、中継局ＲＳから基地局ＢＳへ送信すべき上りリンクデータは１６ＱＡＭで変調され、中継局ＲＳから移動局ＭＳへ送信すべき下りリンクデータはＱＰＳＫで変調されるものとする。また、１つの送信ブロックは、Ｎ個のシンボルを伝送するものとする。
この場合、メモリ４Ｂから４Ｎビットの上りリンクデータが読み出され、その上りリンクデータは４ビット毎に区切られる。そして、各４ビットデータは、順番に、１６ＱＡＭコンステレーション上の対応する信号点に配置される。一方、メモリ４Ａから２Ｎビットの下りリンクデータが読み出され、その下りリンクデータは２ビット毎に区切られる。そして、各２ビットデータは、順番に、ＱＰＳＫコンステレーション上の対応する信号点に配置される。
図６は、合成部６の動作を説明する図である。合成部６は、ＭＣＳ部５により得られる１組の送信シンボル列を、順番に、シンボル毎に乗算する。図６に示す例では、１６ＱＡＭシンボルにＱＰＳＫシンボルが乗算されている。ここで、ＱＰＳＫコンステレーション上の信号点の電力は正規化されているものとする。そうすると、乗算結果の信号点は、図６（ａ）〜図６（ｄ）に示すように、１６ＱＡＭ信号の信号点を、ＱＰＳＫ信号の信号点に対応する位相だけ回転させることにより得られる。
すなわち、例えば、ＱＰＳＫシンボルの２ビットデータが「１１」であるときは、乗算結果の信号点は、図６（ａ）に示すように、１６ＱＡＭシンボルの信号点と同じになる。なお、「乗算」は複素乗算である。この実施例では、一方のシンボルが「a1 + jb1」で表され、他方のシンボルが「a2 + jb2」で表される場合、乗算結果は「a1a2 + jb1b2」であるものとする。
図６（ｂ）、図６（ｃ）、図６（ｄ）は、それぞれ、ＱＰＳＫシンボルの２ビットデータが「０１」「００」「１０」であるときの乗算結果の信号点を示している。また、図６（ｅ）は、１６ＱＡＭシンボルが異なる場合の例を示している。
実施形態の中継局ＲＳは、上述のようにして得られる演算結果を、マルチキャスト信号Ｓ３として基地局ＢＳおよび移動局ＭＳに送信する。したがって、マルチキャスト信号Ｓ３の各シンボルは、それぞれ、上りリンクデータを伝送するためのあるシンボルの変調成分、および下りシンクデータを伝送するための対応するシンボルの変調成分を含むことになる。
なお、一方のリンクがＱＰＳＫであり、他方のリンクが６４ＱＡＭである場合は、図６を参照しながら説明した手順と同様にして合成演算が実行される。すなわち、乗算結果の信号点は、６４ＱＡＭシンボルの信号点を、ＱＰＳＫシンボルの信号点に対応する位相だけ回転させることにより得られる。
図７は、双方のリンクが１６ＱＡＭである場合の合成演算を説明する図である。１組の１６ＱＡシンボルを互いに乗算すると、信号点の組合せによっては、乗算結果の電力が大きくなる。この場合、ダイナミックレンジを広くしなければならず、また、復調／復号回路が複雑になる。このため、実施形態のネットワーク符号化方法では、１６ＱＡＭシンボルは、図７に示すように、それぞれ、２つのＱＰＳＫシンボル（QPSK-1、QPSK-2）にマッピングされる。
１６ＱＡＭからＱＰＳＫへのマッピングは、例えば、以下のようにして行われる。すなわち、１６ＱＡＭのシンボルは、４ビットデータに対応して配置される。一方、ＱＰＳＫのシンボルは、２ビットデータに対応して配置される。よって、一例としては、ＱＰＳＫ−１の信号点は、１６ＱＡＭの４ビットデータの第１、第２ビットに応じて配置され、ＱＰＳＫ−２の信号点は、１６ＱＡＭの４ビットデータの第３、第４ビットに応じて配置される。すなわち、１６ＱＡＭにより変調される４ビットデータが「０００１」である場合には、ＱＰＳＫ−１は「００」に対応し、ＱＰＳＫ−２は「０１」に対応する。
続いて、１組のリンクのＱＰＳＫ−１が互いに乗算され、１組のリンクのＱＰＳＫ−２が互いに乗算される。なお、この乗算演算は、位相の回転のみにより実現される。すなわち、１組のＱＰＳＫシンボルを互いに乗算した結果は、１つのＱＰＳＫシンボルで表される。図７に示す例では、１組のＱＰＳＫ−１シンボルを互いに乗算することによりＱＰＳＫ−１（Ｄ３）が得られ、１組のＱＰＳＫ−２シンボルを互いに乗算することによりＱＰＳＫ−２（Ｄ３）が得られている。
さらに、上記乗算演算により得られた２つのＱＰＳＫのシンボルは、１６ＱＡＭのシンボルにマッピングされる。このとき、この１６ＱＡＭシンボルが伝送する４ビットデータの第１、第２ビットは、ＱＰＳＫ−１（Ｄ３）により表される２ビットデータに対応し、その第３、第４ビットは、ＱＰＳＫ−２（Ｄ３）により表される２ビットデータに対応する。
このように、双方のリンクが１６ＱＡＭである場合には、各シンボルがいったん２つのＱＰＳＫシンボルにマッピングされた状態でそれぞれ乗算され、その乗算結果がさらに１６ＱＡＭにマッピングされる。なお、双方のリンクが６４ＱＡＭである場合には、各シンボルがいったん３つのＱＰＳＫシンボルにマッピングされた状態でそれぞれ乗算され、その乗算結果がさらに６４ＱＡＭにマッピングされる。
第１のリンクが１６ＱＡＭであり、第２のリンクが６４ＱＡＭであると判断された場合には、第２のリンクの変調方法を１６ＱＡＭに変更するようにしてもよい。ただし、１６ＱＡＭは、６４ＱＡＭと比較すると、１シンボル当たりのデータ量が少ない。したがって、この場合、第２のリンクの符号化率を高くする必要がある。
上述の通信システムにおいて、基地局ＢＳと中継局ＲＳとの間、および移動局ＭＳと中継局ＲＳとの間は、特に限定されるものではないが、ＯＦＤＭにより信号を伝送するようにしてもよい。また、基地局ＢＳと中継局ＲＳとの間、および移動局ＭＳと中継局ＲＳとの間は、特に限定されるものではないが、ＭＩＭＯ（Multi-Input Multi-Output）システムを構成するようにしてもよい。
上述の通信システムにおいて、基地局ＢＳと中継局ＲＳとの間、および移動局ＭＳと中継局ＲＳとの間でデータを送受信する際には、例えば、ターボ符号が使用される。ターボ符号化回路は、図８に示すように、エンコーダ１１、１３、インタリーバ１２、間引き器１４、多重化器１５を備える。エンコーダ１１は、情報ビット系列ｄkからパリティビット系列ｐkを生成する。インタリーバ１２は、情報ビット系列ｄkを並べ替えることにより系列ｄn生成する。エンコーダ１３は、系列ｄnからパリティビット系列ｐnを生成する。なお、エンコーダ１１、１３は、畳み込み符号化を行う。間引き器１４は、指定された規則に従って、パリティビット系列ｐkおよびパリティビット系列ｐnについてパンクチャリングを行う。多重化器１５は、情報ビット系列および選択されたパリティビット系列を多重化する。
上記構成のターボ符号化回路において、例えば、間引き器１４のパンクチャリング規則を変えることにより、所望の符号化率を得ることができる。例えば、選択すべきパリティビット数を少なくすれば、符号化率は高くなる。
図９は、ターボ復号回路の構成を示す図である。ターボ復号回路は、デコーダ２１、２３、インタリーバ２２、デインタリーバ２４を備える。なお、ターボ復号回路には、情報ビットおよびパリティビットに対応した受信信号系列（ｙd，ｙp）が入力されるものとする。ただし、受信信号系列は、雑音を含んでいる。
デコーダ２１は、信頼度を表す事前値Ｌa1(dk)を利用して受信信号系列を復号し、外部値Ｌe1(dk)を出力する。インタリーバ２２は、受信信号系列および外部値Ｌe1(dk)を並べ替える。インタリーバ２２から出力される外部値Ｌa2(dn)は、シンボルの信頼度の増分を表す。デコーダ２３は、並べ替えられた信号系列を外部値Ｌa2(dn)を利用して復号する。デインタリーバ２４は、デコーダから出力される外部値Ｌe2(dn)に対して逆並替えを行い、事前値Ｌa1(dk)を得る。この事前値Ｌa1(dk)は、デコーダ２１に与えられる。上記処理は、複数回繰り返し実行される。そして、デコーダ２３は、復号結果を出力する。なお、事前値Ｌa1(dk)の初期値は、ゼロである。
図１０は、基地局ＢＳおよび移動局ＭＳが備える受信回路の構成を示す図である。基地局ＢＳが備える受信回路および移動局ＭＳが備える受信回路は、基本的に、同じ構成である。なお、図１０においては、ネットワーク符号化に直接的に係わらない回路は省略されている。
受信回路３１は、中継局ＲＳから送信されたマルチキャスト信号Ｓ３を受信する。マルチキャスト信号Ｓ３は、上述したように、上りリンクデータおよび下りリンクデータを伝搬している。復調部３２は、マルチキャスト信号Ｓ３を復調する。復調部３２の復調結果は、上りリンクデータを伝送するシンボルおよび下りリンクデータを伝送するシンボルを互いに乗算することにより得られるシンボル列である。
変換部３３は、まず、例えば、Zero-Forcing法を利用して、マルチキャスト信号Ｓ３のシンボルの信号点を検出する。すなわち、マルチキャスト信号Ｓ３のシンボルの硬ビットを得る。Zero-Forcing法は、公知の技術であるので詳しい説明を省略するが、受信信号から送信信号を推定することができる。
なお、ＱＰＳＫとＱＡＭとの間で割算を行う際には、Zero-Forcingを利用する必要はない。Zero-Forcingを使用する必要があるケースは、１６ＱＡＭシンボルと１６ＱＡＭシンボルとの間、および６４ＱＡＭシンボルと６４ＱＡＭシンボルとの間である。１６ＱＡＭシンボルと１６ＱＡＭシンボルとの間、および６４ＱＡＭシンボルと６４ＱＡＭシンボルとの間では、直接的には割算ができないので、Zero-Forcing法でビットレベルを粗く検出する必要がある。
つづいて、変換部３３は、送信データメモリ３４に保持されている送信データを利用して、受信すべきデータを得る。すなわち、基地局ＢＳにおいては、先に移動局ＭＳへ送信した下りリンクデータを利用して、受信信号から上りリンクデータを抽出する。一方、移動局ＭＳにおいては、先に基地局ＢＳへ送信した上りリンクデータを利用して、受信信号から下りリンクデータを抽出する。
図１１は、基地局ＢＳにおいて上りリンクデータを抽出する方法を説明する図である。ここで、中継局ＲＳから基地局ＢＳおよび移動局ＭＳへ送信されるマルチキャスト信号Ｓ３は、上りリンクデータのシンボルおよび下りリンクデータのシンボルを互いに乗算することにより生成されている。そして、上りリンクデータは１６ＱＡＭで変調され、下りリンクデータはＱＰＳＫで変調されているものとする。また、基地局ＢＳは、制御チャネルにより、中継局ＲＳから移動局ＭＳへ送信される下りリンクデータがＱＰＳＫで変調されたことを識別するＭＣＳ情報を受信しているものとする。
この場合、基地局ＢＳの変換部３３は、送信データメモリ３４に格納されている下りリンクデータを抽出して２ビット毎に区切る。各２ビットデータは、順番に、その値（００、０１、１１、１０）に応じて、対応する信号点（ＱＰＳＫコンステレーション）に配置される。そして、マルチキャスト信号の各シンボルは、順番に、対応するＱＰＳＫシンボルにより逆乗算（あるいは、除算）される。この処理は、図６に示す乗算の逆演算に相当する。そして、この演算によって、上りリンクデータのシンボルが順番に得られることになる。なお、移動局ＭＳにおいては、同様の演算により、マルチキャスト信号から下りリンクデータが抽出される。
復号部３５は、変換部３３から出力されるデータ列を復号する。復号部３５は、この実施例では、図９に示すターボ復号回路である。復号部３５の復号処理により、最も尤もらしいデータが得られる。
次に、実施形態のネットワーク符号化の信頼性について説明する。以の説明下では、中継局ＲＳから基地局ＢＳおよび移動局ＭＳへデータを送信するパケットのブロックサイズをNBとする。また、Ｘk(n)は、ｋ番目のリンクにおけるｎ番目のシンボルを表す（ｎ＝０，１，・・・，NB−１ ｋ＝１，２）。さらに、リンク１の品質は良好であるが、リンク２の品質は閾値レベルよりも低いものとする。すなわち、リンク２の信号は、ＱＰＳＫで変調される。
そうすると、中継局ＲＳにおいて、マルチキャスト信号のシンボルＸ(n)は、下式で表される。
Figure 0004915450
 干渉および雑音を考慮すると、基地局ＢＳ／移動局ＭＳにおける受信シンボルＲ(n)は、下式で表される。
Figure 0004915450
 ここで、ηk(n)は、雑音成分である。Ｈk(n)は、チャネル特性を表す関数であり、ｋ番目のリンクの送信パワーにも依存する。
基地局ＢＳ／移動局ＭＳにおいて、それぞれ送信シンボル（own symbol）を利用して除算演算（de-multiplication）を行うと、演算結果のシンボルは下式で表される。
Figure 0004915450
 （１）式および（２）式を単純化すると、下記の（３）式が得られる。
Figure 0004915450
 ここで、期待値Ｅ（すなわち、平均値）として、下記の仮定を導入する。
Figure 0004915450
 また、１／ξk(n)の分散、すなわちＳＮＲ（signal-to-noise ratio）は、図１Ｂに示す入内のＤＦ中継においては、下式で表される。
Figure 0004915450
 実施形態のネットワーク符号化において、上記（４）〜（６）式を導入すると、以下の結果が得られる。すなわち、実施形態の方式におけるＳＮＲは、（７）式に示す従来のＤＦ中継と実質的に同じになる。
Figure 0004915450
 図１２は、従来技術と実施形態の方式とを比較した表である。実施形態のネットワーク符号化のＳＮＲは、上述のように、従来のＤＦ中継と同じである。すなわち、実施形態のネットワーク符号化は、従来のＤＦ中継と同等の信頼性を有する。また、実施形態のネットワーク符号化は、リンク毎にＭＣＳ（ここでは、変調方法、符号化率）を決定できるので、通信の柔軟性（または、自由度）は、従来のＤＦ中継およびＡＦ中継と比べて高くなる。このように、実施形態の方式によれば、従来のＤＦ中継と同等の信頼性を維持しながら、従来のＤＦ中継よりも効率的にデータを伝送することができる。
ところで、ピーク対平均電力比（ＰＡＰＲ：peak-to-average ratio）が問題となる場合には、実施形態のネットワーク符号化では、中継局ＲＳは、閾値レベルよりも品質の低いリンクに対してＱＰＳＫを使用する。すなわち、実施形態のネットワーク符号化を広く使用するためには、ＱＰＳＫを使用できる確率が高いことが好ましい。
図１３は、ＳＮＲと相互情報量（ＭＩ：mutual information）との関係を示す図である。図１３では、ＱＰＳＫ、１６ＱＡＭ、６４ＱＡＭについて、シンボル毎の相互情報量を示している。図１３に示すように、ＳＮＲが５dBまで上がると、多値数の大きいＱＡＭと比較して、ＱＰＳＫでデータを伝送をする場合のスループットが低下することはない。他方、ＨＳＤＰＡのような実用化されているセルラシステムでは、図１４に示すように、約４０パーセントのユーザのＳＮＲが５dB以上となっている。なお、図１４は、ＨＳＤＰＡにおけるＳＮＲに対する累積分布関数（ＣＤＦ：cumulative distribution function）を示す図である。そうすると、実用化されているセルラシステムにおいて、実施形態のネットワーク符号化を使用するために、少なくとも一方のリンクにおいてＱＰＳＫを使用できる確率は、８４パーセント（＝１−0.42）となる。
＜他の実施形態＞
実施形態のネットワーク符号化は、特に、中継局ＲＳから基地局ＢＳへのリンクと中継局ＲＳから移動局ＭＳへのリンクとがアンバランスである場合に、従来のＤＦ中継と比べて効率が大幅に高くなる。ところが、実際のセルラシステムでは、上記１組のリンクが常にアンバランスであるわけではない。すなわち、１組のリンクの品質は、しばしば同等となる。ただし、１組の品質が同等となるケースは、１６パーセント以下である。そして、このような通信においては、ビット毎に排他論理和演算を行う従来のＤＦ中継方式も、高いスループットを実現することができる。そこで、他の実施形態のネットワーク符号化方法においては、上述したシンボル毎の乗算を利用する方式と、従来の排他論理和演算を利用する方式を適応的に選択可能な構成を導入する。
図１５は、他の実施形態のネットワーク符号化を実現する送信器の構成を示す図である。シンボルレベル変調回路４１は、変調部４２、４３、シンボルレベル乗算部４４を備える。なお、変調部４２、４３はＭＣＳ部５に相当し、シンボルレベル乗算部４４は合成部６に相当する。そして、シンボルレベル変調回路４１は、１組のリンクのそれぞれについてＭＣＳ（ここでは、変調方法、符号化率）を決定する。そして、総スループットＴSLMを計算する。なお、スループットＴは、１シンボル当たりのビット数と符号化率の積に比例し、決定したＭＣＳに応じて算出される。
ＸＯＲ回路４５は、ＸＯＲ演算部４６および変調部４７を備え、品質の悪い方のリンクのＭＣＳを決定する。ＸＯＲ演算部４６は、１組のデータ列についてのビット毎に排他論理和演算を実行する。変調部４７は、ＸＯＲ演算部４６から出力されるデータ列を、決定したＭＣＳで変調する。さらに、ＸＯＲ回路４５は、総スループットＴXORを計算する。
適応制御部４８は、シンボルレベル乗算を利用する場合の総スループットＴSLMと、ＸＯＲ演算を利用する場合の総スループットＴXORとを比較する。そして、総スループットが高い方の方式で得られる変調データを選択して出力する。また、選択結果は、制御情報として受信局（基地局ＢＳおよび移動局ＭＳ）へ送信される。
図１６は、図１５に示す送信器から送信された信号を受信する受信器の構成を示す図である。受信データは、送信器から送信される制御情報に応じて、逆乗算部５１または復調部５３に導かれる。逆乗算部５１は、図１０に示す変換部３３に相当し、図１１に示す演算を実行する。そして、復調部５２は、逆乗算部５１の出力を復調することにより送信データを再生する。一方、復調部５３は、受信信号を復調する。そして、ＸＯＲ演算部５４は、復調部５３の出力データ列に対してＸＯＲ演算を実行することにより、送信データを再生する。
このように、他の実施形態においては、よりスループットの高い方式でデータを中継することができる。すなわち、例えば、中継局ＲＳと基地局ＢＳとの間のリンクおよび中継局ＲＳと移動局ＭＳとの間のリンクの品質が同等である場合には、ビット毎のＸＯＲ演算を利用してデータを中継し、１組のリンクがアンバランスである場合には、シンボル毎の乗算を利用してデータを中継することができる。したがって、システム全体としてデータ伝送効率が向上する。
＜その他＞
上述の実施例では、１組の通信装置間で双方向にデータを伝送するシステムを説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、中継局ＲＳは、Ｍ台（Ｍは、３以上の整数）の通信装置間でデータを中継するようにしてもよい。このとき、例えば、品質が閾値レベルよりも低いｐ本のリンクにおいてＱＰＳＫでデータを伝送し、品質の良好なＭ−ｐ本のリンクにおいてＮＱＡＭ（Ｎ＝１６、６４など）でデータを伝送する。この場合、中継局ＲＳは、以下のようにして乗算を行うようにしてもよい。
（１）ｐ個のＱＰＳＫシンボルを互いに乗算して、１つの新しいＱＰＳＫシンボルを生成する。
（２）Ｍ−ｐ個のＮＱＡＭシンボルを互いに乗算して、１つの新しいＮＱＡＭシンボルを生成する。
（３）新しいＱＰＳＫシンボルおよび新しいＮＱＡＭシンボルを互いに乗算して、マルチキャストシンボルを生成する。このマルチキャストシンボルは、ＮＱＡＭで変調されている。
マルチキャストシンボルを受信する受信局は、例えば、Zero-Forcing法を利用してマルチキャストシンボルの信号点を粗く検出する。続いて、逆乗算演算を行うことにより、対応するデータビットを得る。そして、ターボ復号を利用して、データを再生する。
なお、上述の実施例では、無線信号を伝送するシステムを示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、有線システムにおいても適用可能である。

Claims (9)

  1. 第１の通信装置と第２の通信装置との間で第３の通信装置を介して信号を伝送するためのネットワーク符号化方法であって、
    前記第２の通信装置から受信した第１のデータを前記第１の通信装置へ伝送するための第１の位相変調方式を決定し、
    前記第１の通信装置から受信した第２のデータを前記第２の通信装置へ伝送するための第２の位相変調方式を決定し、
    前記第１の位相変調方式で前記第１のデータを処理することで得られる第１のシンボル列と前記第２の位相変調方式で前記第２のデータを処理することで得られる第２のシンボル列を、jを虚数単位として、該第１のシンボル列のシンボルをa1+jb1、該第２のシンボル列のシンボルをa2+jb2として表したとき、乗算結果がa1a2+jb1b2となるように、シンボル毎に乗算することによりマルチキャスト信号を生成し、
    前記第３の通信装置から前記第１および第２の通信装置へ前記マルチキャスト信号を送信する
    ことを特徴とするネットワーク符号化方法。
  2. 請求項１に記載のネットワーク符号化方法であって、
    前記第１の位相変調方式は、前記第１の通信装置と前記第３の送信装置との間の通信品質に応じて決定され、
    前記第２の位相変調方式は、前記第２の通信装置と前記第３の送信装置との間の通信品質に応じて決定される
    ことを特徴とするネットワーク符号化方法。
  3. 請求項１に記載のネットワーク符号化方法であって、
    前記第１の位相変調方式はＱＰＳＫであり、前記第２の位相変調方式は１６ＱＡＭまたは６４ＱＡＭである
    ことを特徴とするネットワーク符号化方法。
  4. 請求項１に記載のネットワーク符号化方法であって、
    前記第１および第２の位相変調方式がいずれも１６ＱＡＭである場合には、各１６ＱＡＭシンボルはそれぞれ２つのＱＰＳＫシンボルにマッピングされて乗算される
    ことを特徴とするネットワーク符号化方法。
  5. 請求項１に記載のネットワーク符号化方法であって、
    前記第１および第２の位相変調方式がいずれも６４ＱＡＭである場合には、各６４ＱＡＭシンボルはそれぞれ３つのＱＰＳＫシンボルにマッピングされて乗算される
    ことを特徴とするネットワーク符号化方法。
  6. 請求項１に記載のネットワーク符号化方法であって、
    前記第１の通信装置において、前記第２のデータを利用して前記マルチキャスト信号から前記第１のデータを再生する
    ことを特徴とするネットワーク符号化方法。
  7. 請求項６に記載のネットワーク符号化方法であって、
    Zero-forcing法を利用して前記マルチキャスト信号からシンボルを検出し、
    検出したシンボルに前記第２のデータの対応するシンボルを逆乗算することにより、データビットを再生し、
    ターボ復号を利用して再生したデータビットを復号する
    ことを特徴とするネットワーク符号化方法。
  8. 第１の通信装置と第２の通信装置との間で双方向に伝送される信号を中継するネットワーク符号化装置であって、
    前記第２の通信装置から受信した第１のデータを前記第１の通信装置へ伝送するための第１の位相変調方式を決定し、前記第１の通信装置から受信した第２のデータを前記第２の通信装置へ伝送するための第２の位相変調方式を決定する決定手段と、
    前記第１の位相変調方式で前記第１のデータを処理することで得られる第１のシンボル列と前記第２の位相変調方式で前記第２のデータを処理することで得られる第２のシンボル列を、jを虚数単位として、該第１のシンボル列のシンボルをa1+jb1、該第２のシンボル列のシンボルをa2+jb2として表したとき、乗算結果がa1a2+jb1b2となるように、シンボル毎に乗算することによりマルチキャスト信号を生成する合成手段と、
    前記第１および第２の通信装置へ前記マルチキャスト信号を送信する送信手段、
    を有するネットワーク符号化装置。
  9. 請求項８に記載のネットワーク符号化装置であって、
    前記第１のデータおよび前記第２のデータについてビット毎に排他論理和演算を行い、その演算結果から補助マルチキャスト信号を生成する演算手段と、
    前記マルチキャスト信号または前記補助マルチキャスト信号の一方を選択する選択手段と、をさらに備え、
    前記送信手段は、前記選択手段により選択された信号を前記第１および第２の通信装置へ送信する
    ことを特徴とするネットワーク符号化装置。
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