JP5089627B2

JP5089627B2 - 無線通信システム

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Publication number: JP5089627B2
Application number: JP2009029155A
Authority: JP
Inventors: 裕介淺井; 暢朗大槻; 隆利杉山
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2009-02-10
Filing date: 2009-02-10
Publication date: 2012-12-05
Anticipated expiration: 2029-02-10
Also published as: JP2010187139A

Description

本発明は、複数の無線チャネルによりネットワーク符号化を用いてマルチホップ無線通信を行う無線通信システムに関する。

近年、マルチホップ通信のスループットの向上を目的とした、ネットワーク符号化技術が注目されている。ネットワーク符号化技術は、マルチホップ中継を行うネットワーク上の中継局において複数の情報系列を線形符号化（代表的な例として、排他的論理和が挙げられる）を用いて複数のマルチキャスト通信やユニキャスト通信を多重化した上で、各宛先局において復号操作を行うことにより、ネットワーク符号化を用いない場合に比べてスループットの向上を図ることができる。

ネットワーク符号化を用いたマルチホップ無線ネットワークは、無線通信の同報性とネットワーク符号を活用することにより、スループットの向上を実現する。中継局の役割を果たすノードは、複数の送信局ノードから受信したフレームを線形符号によって符号化し、受信局に中継する。受信局は同様に他のノードから受信したフレームあるいは自身が保持しているフレームを用いて符号化されたパケットを復号し、元の情報を得ることができる（非特許文献１、非特許文献２）。

以下では具体例として、ネットワーク符号化技術が適用できる代表的なマルチホップ無線トポロジである、Ａｌｉｃｅ＆Ｂｏｂトポロジ（非特許文献１参照）を挙げて、従来の無線によるネットワーク符号化技術を説明する。ネットワーク符号化・復号には排他的論理和を用いるものとする。

図５に示す無線マルチホップトポロジにおいて、両端の送受信局（ノードｎ１、ノードｎ２）が互いにノードｎＲを介して情報のやり取りを行う場合について考える。以下、論理情報として定義されるフレームを情報フレーム、論理情報を無線信号へと変調されたフレームを無線フレームと記述する。また、単一の周波数チャネルを全ての局で共有することを前提とする。すなわち、ある局が無線フレームの送信を行っている間、他の全ての局は同時刻に無線フレームを送信しないものとする。

図６は、ネットワーク符号化を用いない場合の通信手順を示すものである。ネットワーク符号化を用いない場合の通信手順は、以下に示すようになる。

（１）時刻Ｔ１において、ノードｎ１が情報フレームａを無線フレームＡに変調し、ノードｎＲへと送信する。ノードｎＲは無線フレームＡを受信し、情報フレームａに復調する。

（２）時刻Ｔ２において、ノードｎＲが情報フレームａを無線フレームＡに変調し、ノードｎ２へと送信する。ノードｎ２は無線フレームＡを受信し、情報フレームａに復調する。

（３）時刻Ｔ３において、ノードｎ２が情報フレームｂを無線フレームＢに変調し、ノードｎＲへと送信する。ノードｎＲは無線フレームＢを受信し、情報フレームｂに復調する。

（４）時刻Ｔ４において、ノードｎＲが情報フレームｂを無線フレームＢに変調し、ノードｎ１へと送信する。ノードｎ１は無線フレームＢを受信し、情報フレームｂに復調する。

上述のように、ネットワーク符号化を用いない場合には、ノードｎ１とノードｎ２が互いに情報をやり取りするためには４つのタイムスロットが必要となる。

一方、図７は、ネットワーク符号化を用いた場合の通信手順を示すものである。ネットワーク符号化を用いた場合の通信手順は、以下に示すようになる。

（２）時刻Ｔ２において、ノードｎ２が情報フレームｂを無線フレームＢに変調し、ノードｎ２へと送信する。ノードｎＲは無線フレームＢを受信し、情報フレームｂに復調する。

（３）時刻Ｔ３では、ノードｎＲが情報フレームａと情報フレームｂに対してネットワーク符号化を行い、情報フレームｘを生成する。情報フレームｘは無線フレームＸに変調され、ノードｎ１及びノードｎ２に対して同報送信される。ノードｎ１は、自身が時刻Ｔ１において送信した情報フレームａと時刻Ｔ３において受信した無線フレームＸの復調結果である情報フレームｘとを用いてネットワーク復号を行うことにより、情報フレームｂを取得する。ノードｎ２においても同様に、自身が時刻Ｔ２において送信した情報フレームｂと時刻Ｔ３において受信した無線フレームＸの復調結果である情報フレームｘとを用いてネットワーク復号を行うことにより、情報フレームａを取得する。

以降、ネットワーク符号化される前の情報フレームのうち、宛先局において既知となり、他方の無線フレームを導出するためにネットワーク符号化された無線フレームとネットワーク復号される無線フレームを、鍵フレームと呼ぶ。例えば、ノードｎ１においては、情報フレームｘから情報フレームｂを取得するために必要となる情報フレームａが鍵フレームとなる。

上述のように、ネットワーク符号化を用いた場合には、必要となるタイムスロット数が３となる。ネットワーク符号化を用いない場合とネットワーク符号化を用いた場合を比較すると、ネットワーク符号化を適用することにより、ノードｎ１とノードｎ２が情報のやり取りを行うために消費するタイムスロット数が３／４になる。すなわち、ネットワーク符号化の適用によるスループット増大効果（以降これを「ネットワーク符号化利得」と呼ぶ。また、「ＮＣ利得」と略記する）はその逆数の４／３となる。

図８は、従来手法における送受信局（ノードｎ１及びｎ２）の構成例を示すものである。図８に示すように、従来のノードｎ１及びｎ２の送受信局１００は、情報フレーム生成機能１０１と、送信バッファ１０２と、鍵フレーム記憶機能１０３と、変調機能１０４と、ＴＤＤスイッチ１０５と、送受信アンテナ１０６と、復調機能１０７と、ネットワーク復号機能１０８と、受信情報復元機能１０９とから構成される。以下に、送受信局１００がノードｎ１である場合について、その動作を説明する。

送信情報は、情報フレーム生成機能１０１により情報フレームに変換され、送信バッファ１０２に格納される。送信を行うタイミング、すなわち時刻Ｔ１において、送信バッファ１０２に格納されている先頭の情報フレームａは変調機能１０４により無線フレームＡに変換され、送受信アンテナ１０６によりノードｎＲへと送信される。同時に、当該情報フレームａは鍵フレーム記憶機能１０３に記憶される。

時刻Ｔ３において、ネットワーク符号化された無線フレームＸ（情報フレームａと、ノードｎ２から送信された情報フレームｂとをネットワーク符号化することにより生成される情報フレームｘを変調したもの）を送受信アンテナ１０６により受信し、復調機能１０７により情報フレームｘへと復調を行う。

ＴＤＤスイッチ１０５は、時刻Ｔ１において変調機能１０４の出力と送受信アンテナ１０６を接続し、時刻Ｔ３においては送受信アンテナ１０６と復調機能１０７とを接続する。

送信情報フレームｘから情報フレームｂを取得するために、ネットワーク復号機能１０８では、情報フレームｘと、時刻Ｔ１において鍵フレーム記憶機能１０３に記憶された情報フレームａとの排他的論理和を取ることによりネットワーク復号操作を行い、情報フレームｂを取得する。情報フレームｂは受信情報復元機能１０９により受信情報へと変換される。

また、図９は、従来手法における中継局（ノードｎＲ）の構成例を示すものである。従来手法における中継局２００は、図９に示すように、送受信アンテナ２０１と、ＴＤＤスイッチ２０２と、復調機能２０３と、情報フレーム記憶装置２０４と、ネットワーク符号化器２０５と、変調機能２０６とから構成される。以下に、その動作を説明する。

時刻Ｔ１においては、ノードｎ１から送信された無線フレームＡを送受信アンテナ２０１により受信し、復調機能２０３により情報フレームａへと復調する。情報フレームａは、情報フレーム記憶装置２０４に記憶される。

時刻Ｔ２において、ノードｎ２から送信された無線フレームＢを送受信アンテナ２０１により受信し、復調機能２０３により情報フレームｂへと復調する。ネットワーク符号化器２０５において、情報フレームｂと、時刻Ｔ１において取得した情報フレーム記憶装置２０４により保持されている情報フレームａとの排他的論理和を取得し、ネットワーク符号化された情報フレームｘを生成する。

時刻Ｔ３において、情報フレームは変調機能２０６により無線フレームＸへと変換され、送受信アンテナ２０１によりノードｎ１及びノードｎ２に対して同報される。

なお、ＴＤＤスイッチ２０２は、時刻Ｔ１及びＴ２において送受信アンテナ２０１と復調機能２０３とを接続し、時刻Ｔ３においては、変調機能２０６と送受信アンテナ２０１とを接続する。

近年のバックボーンネットワークやアクセスネットワークの高速・大容量化に伴い、マルチホップ無線通信システムにおいても同様に高速・大容量化が求められており、単位時刻あたりに送受信を行う情報フレームの数を増加させる、すなわち低遅延化・スループット向上の必要が生じている。

低遅延化・スループット向上のための手法の一例として、ノード間の通信において複数の直交する無線チャネルを用い、ある時刻において複数の無線フレームを並列伝送する手法が挙げられる。また、各ノードに複数アンテナを配置してＭＩＭＯ（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ−ｌｎｐｕｔＭｕｌｔｉｐｌｅ−Ｏｕｔｐｕｔ）チャネルを構成し、各ノード間の通信において、同時に複数の無線フレームを空間多重し重畳伝送を行うことによる高速化を図る手法がある。あるいは、複数の周波数スペクトルを用いて無線フレームの並列伝送を行う手法もある。

Ａｌｉｃｅ＆Ｂｏｂトポロジにおいて複数の周波数スペクトルを用いて無線フレームの並列伝送を行う場合を例に挙げる。図１０において、ノードｎ１、ノードｎ２、ノードｎＲはそれぞれ３本の送信アンテナを有し、アンテナ毎に異なる３つの周波数スペクトル（ｓｌ、ｓ２、ｓ３と呼ぶ）を用いて、各時刻あたりに３つの無線フレームを多重送信することが可能であるものとする。いま、以下の動作を行う場合を例示する。

（１）時刻Ｔ１においてノードｎ１が情報フレームａ、ｂ、ｃを変調して生成された無線フレームＡ、Ｂ、Ｃをそれぞれ周波数スペクトルｓｌ、ｓ２、ｓ３を用いてノードｎＲに同時送信する。

（２）時刻Ｔ２においてノードｎ２が情報フレームｄ、ｅ、ｆを変調して生成された無線フレームＤ、Ｅ、Ｆをそれぞれ周波数スペクトルｓｌ、ｓ２、ｓ３を用いてノードｎＲに同時送信する。

（３）時刻Ｔ３において、ノードｎＲが、情報フレームａとｄ、情報フレームｂとｅ、情報フレームｃとｆの各ペアの排他的論理和から生成される情報フレームｘ、ｙ、ｚを変調して生成された無線フレームＸ、Ｙ、Ｚをそれぞれ周波数スペクトルｓｌ、ｓ２、ｓ３を用いてノードｎ１及びノードｎ２に対して同時かつ同報送信を行う。同じく時刻Ｔ３において、ノードｎ１は無線フレームＸ、Ｙ、Ｚを受信し復調して得られる情報フレームｘ、ｙ、ｚのそれぞれに対して、鍵フレームａ、ｂ、ｃを用いてネットワーク復号処理を行い情報フレームｄ、ｅ、ｆを取得する。ノードｎ２は無線フレームＸ、Ｙ、Ｚを受信し復調して得られる情報フレームｘ、ｙ、ｚのそれぞれに対して、鍵フレームｄ、ｅ、ｆを用いてネットワーク復号処理を行い情報フレームａ、ｂ、ｃを取得する。

図１１は、上述のように、複数の周波数スペクトルによる複数の無線フレームの並列伝送を行う場合のノードｎ１及びノードｎ２の構成を示すものである。図１１に示すように、ノードｎ１及びノードｎ２の送受信局３００は、情報フレーム生成機能３０１と、送信バッファ３０２と、鍵フレーム記憶機能３０３と、変調機能３０４と、ＴＤＤスイッチ３０５と、送受信アンテナ群３０６と、復調機能３０７と、ネットワーク復号機能３０８と、受信情報復元機能３０９とから構成される。

送信情報は情報フレーム生成機能３０１により情報フレーム化され、送信バッファ３０２に格納される。当該ノードが送信する時刻（ノードｎ１であれば時刻Ｔ１、ノードｎ２であれば時刻Ｔ２となる）において、送信バッファ３０２から３つの情報フレーム（ノードｎ１であれば情報フレームａ、ｂ、ｃ、ノードｎ２であれば情報フレームｄ、ｅ、ｆ）が出力され、鍵フレーム記憶機能３０３へと格納されると共に、変調機能３０４へと入力される。変調機能３０４により情報フレームが無線フレームとなる（ノードｎ１であれば無線フレームＡ、Ｂ、Ｃ、ノードｎ２であれば無線フレームＤ、Ｅ、Ｆ）。各無線フレームは、同時刻においてそれぞれ個別の周波数スペクトルｓｌ、ｓ２、ｓ３を用いてノードｎＲへと送信される。

図１２は、複数の周波数スペクトルによる複数の無線フレームの並列伝送を行う場合のノードｎＲの構成を示すものである。図１２に示すように、ノードｎＲの中継局４００は、送受信アンテナ群４０１と、ＴＤＤスイッチ４０２と、復調機能４０３と、情報フレーム記憶装置４０４と、ネットワーク符号化器４０５と、変調機能４０６とから構成される。

時刻Ｔ１において、中継局４００は、ノードｎ１から周波数スペクトルｓ１、ｓ２、ｓ３を用いて送信された無線フレームをそれぞれ受信し、復調を行う。この際に、ＴＤＤスイッチ４０２は送受信アンテナ群４０１と復調機能４０３とを接続する。復調して得られた複数の情報フレームを情報フレーム記憶装置４０４に格納する。

時刻Ｔ２において、ノードｎ２から周波数スペクトルｓｌ、ｓ２、ｓ３を用いて送信された無線フレームをそれぞれ受信し、復調を行う。ネットワーク符号化器４０５は、時刻Ｔ１において復調され、情報フレーム記憶装置に格納されている、ノードｎ１から送信された複数情報フレームと、時刻Ｔ２において復調機能４０３により復調されたノードｎ２から送信された複数の情報フレームのそれぞれ１つずつ選ばれたペアに対してネットワーク符号化を行う。

例えば、図１３に示されるように、同一無線スペクトルを用いてノードｎ１及びノードｎ２からそれぞれ送信された情報フレームのペアを常に構成するというルールを予め設定しておき、ペア毎にネットワーク符号化を行う。

図１３では、周波数スペクトルｓｌのペアとして情報フレームａと情報フレームｄとが設定されており、ネットワーク符号化後の情報フレームｘは、情報フレームａと情報フレームｄとの排他的論理和により求められる。周波数スペクトルｓ２のペアとして情報フレームｂと情報フレームｅとが設定されており、ネットワーク符号化後の情報フレームｙは、情報フレームｂと情報フレームｅとの排他的論理和により求められる。周波数スペクトルｓ３のペアとして情報フレームｃと情報フレームｆとが設定されており、ネットワーク符号化後の情報フレームｚは、情報フレームｃと情報フレームｆとの排他的論理和により求められる。

ネットワーク符号化後の情報フレーム（ｘ、ｙ、ｚ）は、変調機能４０６により無線フレームＸ、Ｙ、Ｚに変換され、送受信アンテナ群４０１を構成する各アンテナに割り当てられた無線スペクトルを用いてノードｎ１及びノードｎ２へと送信が行われる。この時、ＴＤＤスイッチ４０２は変調機能４０６と送受信アンテナ群４０１とを接続する。

以上のように、複数無線チャネルの各々においてネットワーク符号化を行うことにより、単―無線チャネルを用いる場合と比較して、スループット特性及び遅延特性の向上を実現できる。

ＳａｃｈｉｎＫａｔｔｉ，ＨａｒｉｈａｒａｎＲａｈｕｌ，ｅｔａｌ "ＸＯＲｓｉｎＴｈｅＡｉｒ：ＰｒａｃｔｉｃａｌＷｉｒｅｌｅｓｓＮｅｔｗｏｒｋＣｏｄｉｎｇ， "Ｐｒｏｃ．ＡＣＭＳＩＧＣＯＭＭ２００６，Ｐｉｓａ，ｌｔａｌｙ，Ｓｅｐ．２００６，ｐｐ．２４３−２５４ＲｕｄｏｌｆＡｈｌｓｗｅｄｅ，ＮｉｎｇＣａｉ，Ｓｈｕｏ−ＹｅｎＲｏｂｅｒｔＬｉ，ａｎｄＲａｙｍｏｎｄＷ．Ｙｅｕｎｇ， "Ｎｅｔｗｏｒｋｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｆｌｏｗ， "ＩＥＥＥＴｒａｎｓ．ｉｎｆ．Ｔｈｅｏｒｙ，ｖｏｌ．４６，ｎｏ．４，ｐｐ．１２０４−１２１６，Ｊｕ１．２０００）

上述のように、無線フレームの並列伝送によるネットワーク符号化を用いたマルチホップ無線ネットワークは、単一チャネルを用いるネットワーク符号化を用いたマルチホップ無線システムと同様に、ネットワーク符号化された情報フレームを正しく生成するためには、ノードｎＲにおいてノードｎ１及びノードｎ２のそれぞれから送信された情報フレームの双方を正しく復調しなければならない。伝搬路利得の減少や雑音・干渉といった影響により復調誤りが発生すると、ネットワーク符号化された情報フレームを正しく生成することができないため、スループット特性が低下してしまう。

図１４では、時刻Ｔ１でノードｎ１からの無線フレームを復調して得られた情報フレームａ、ｂ、ｃのうち、情報フレームｂの復調が誤っている。なお、図１４で誤りある情報フレームには、プライムが付されている。時刻Ｔ２でノードｎ２からの無線フレームを復調して得られた情報フレームｄ、ｅ、ｆのうち、情報フレームｄ、ｆの復調が誤っている。

ネットワーク符号化後の情報フレームｘは、情報フレームａと情報フレームｄとの排他的論理和により求められる。ここで、情報フレームｄが誤っているので、情報フレームｘは誤りとなる。ネットワーク符号化後の情報フレームｙは、情報フレームｂと情報フレームｅとの排他的論理和により求められる。ここで、情報フレームｂが誤っているので、情報フレームｙは誤りとなる。ネットワーク符号化後の情報フレームｚは、情報フレームｃと情報フレームｆとの排他的論理和により求められる。ここで、情報フレームｆが誤っているので、情報フレームｚは誤りとなる。

このように、この例では、ノードｎＲは、ノードｎ１及びノードｎ２から送信される無線フレームの総数（６個）うち、半数の３個は正しく受信しているものの、その誤りの影響が全てのネットワーク符号化フレームに含まれているため、時刻Ｔ３でノードｎＲにより送信されるネットワーク符号化されたフレームの全てを正しく受信することができなくなり、スループット特性の低下を招いてしまう。

本発明は、上述の課題を解決するために、複数の無線チャネルによりネットワーク符号化を用いてマルチホップ無線通信を行う無線通信システムで、スループット特性の向上が図れ、伝送遅延の抑制を実現することが可能となるようにした無線通信システムを提供することを目的とする。

上述の課題を解決するために、本発明は、第１及び第２の送受信局と、前記第１の送受信局からの情報フレームと前記第２の送受信局からの情報フレームとを中継する中継局とを有し、複数の無線チャネルによりネットワーク符号化を用いてマルチホップ無線通信を行う無線通信システムにおいて、前記第１の送受信局は、複数の第１の情報フレームをそれぞれに変調した複数の無線フレームを生成し、生成した複数の無線フレームを、複数の無線チャネルにより前記中継局に送信する手段と、前記第１の情報フレームを記憶する鍵フレーム記憶手段と、前記中継局からの無線フレームを受信し、前記ネットワーク符号化された情報フレームに対して前記鍵フレーム記憶手段に記憶されている全ての第１の情報フレームについてネットワーク復号を行い、誤り検出を行い、正しく復号された情報フレームを前記第２の送受信局から前記中継局を介して送信されてきた情報フレームとして取得する手段とを有し、前記第２の送受信局は、複数の第２の情報フレームをそれぞれに変調した複数の無線フレームを生成し、生成した複数の無線フレームを、複数の無線チャネルにより前記中継局に送信する手段と、前記第２の情報フレームを記憶する鍵フレーム記憶手段と、前記中継局からの無線フレームを受信し、前記ネットワーク符号化された情報フレームに対して前記鍵フレーム記憶手段に記憶されている全ての第２の情報フレームについてネットワーク復号を行い、誤り検出を行い、正しく復号された情報フレームを前記第１の送受信局から前記中継局を介して送信されてきた情報フレームとして取得する手段を有し、前記中継局は、前記第１の送受信局から送られてきた情報フレームのうち正しく復号された情報フレームからなる集合の要素と、前記第２の送受信局から送られてきた情報フレームのうち正しく復号された情報フレームからなる集合の要素とからそれぞれ情報フレームを抽出してネットワーク符号化を行い、前記第１及び第２の送受信局に対して無線フレームの同報送信を行う手段を有することを特徴とする無線通信システムである。

上記発明において、中継局は、さらに、誤りが生じている情報フレームを示すＮＡＣＫフレームを第１及び第２の送受信局に送信する手段を有することを特徴とする。

上記発明において、中継局は、第１及び第２の送受信局に対して無線フレームの同報送信を行う際に、余剰の無線チャネルを使って、ＮＡＣＫフレームを送信することを特徴とする。

上記発明において、中継局は、第１及び第２の送受信局に対して無線フレームの同報送信を行う際に、余剰の無線チャネルを使って、冗長性を持たせて送信することを特徴とする。

上記発明において、複数の無線チャネルは、互いに異なる周波数帯のスペクトルにより周波数多重化で形成されることを特徴とする。

上記発明において、複数の無線チャネルは、空間多重化で形成されることを特徴とする。

上記発明において、複数の無線チャネルは、互いに異なる偏波で多重化して形成されることを特徴とする。

上記発明において、複数の無線チャネルは、互いに直交する拡散コードにより符号多重化で形成されることを特徴とする。

本発明によれば、複数の直交するチャネルを用いたマルチホップ無線通信システムに対してネットワーク符号化を適用する場合において、中継局（ノードｎＲ）において各送受信局（ノードｎ１及びｎ２）から送信された複数の無線フレームの復調結果のフレーム誤り状態を確認した上で、正しく復調された情報フレーム同士についてのみネットワーク符号化を行い、正しく復調されなかった情報フレームに対してはネットワーク符号化された無線フレームの生成、送信は行わない。これにより、中継局（ノードｎＲ）において従来の固定的にネットワーク符号化を行う情報フレームのペアを選択する場合と比較して、ネットワーク符号化を行う頻度を高めることができるため、スループットの向上が実現可能となる。

本発明の第１の実施形態における送受信局の構成を示すブロック図である。本発明の第１の実施形態における中継局の構成を示すブロック図である。本発明の第１の実施形態における中継局のネットワーク符号化の説明図である。本発明の第１の実施形態におけるＮＡＣＫフレームの説明図である。マルチホップ無線トポロジの説明図である。ネットワーク符号化を行わない通信手順の説明図である。ネットワーク符号化を行った通信手順の説明図である。従来のネットワーク符号化を行ったマルチホップ無線通信システムにおける送受信局の構成を示すブロック図である。従来のネットワーク符号化を行ったマルチホップ無線通信システムにおける中継局の構成を示すブロック図である。複数のスペクトラムで複数の無線フレームを並列伝送する場合の説明図である。ネットワーク符号化を行ったマルチホップ無線通信システムで複数のスペクトラムで複数の無線フレームを並列伝送した場合の従来の送受信局の構成を示すブロック図である。ネットワーク符号化を行ったマルチホップ無線通信システムで複数のスペクトラムで複数の無線フレームを並列伝送した場合の従来の中継局の構成を示すブロック図である。ネットワーク符号化を行ったマルチホップ無線通信システムで複数のスペクトラムで複数の無線フレームを並列伝送した場合における従来の中継局のネットワーク符号化の説明図である。ネットワーク符号化を行ったマルチホップ無線通システムで複数のスペクトラムで複数の無線フレームを並列伝送した場合における従来の中継局のネットワーク符号化の問題点の説明図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
＜第１の実施形態＞

本発明の第１の実施形態は、ネットワーク符号化を行ったマルチホップ無線通システムで、複数の周波数スペクトルによる複数の無線フレームの並列伝送を行う場合に適用できる。図１は、本発明の第１の実施形態における送受信局（Ａｌｉｃｅ＆Ｂｏｂトポロジにおけるノードｎ１及びｎ２）の構成を示すものである。図１に示すように、送受信局５００は、誤り検出符号化及び情報フレーム生成機能５０１と、送信バッファ５０２と、鍵フレーム記憶機能５０３と、変調機能５０４と、ＴＤＤスイッチ５０５と、送受信アンテナ群５０６と、復調機能５０７と、ネットワーク復号機能５０８と、受信情報復元機能５０９と、ＮＡＣＫ復号処理機能５１０とから構成される。

送信情報は、誤り検出符号化及び情報フレーム生成機能５０１により情報フレーム化され、誤り検出符号が付加されて、送信バッファ５０２に格納される。誤り検出符号としては、ＣＲＣ（ＣｙｃｌｉｃＲｅｄｕｎｄａｎｃｙＣｈｅｃｋ）符号等が用いられる。当該ノードが送信する時刻（ノードｎ１であれば時刻Ｔ１、ノードｎ２であれば時刻Ｔ２となる）において、送信バッファから３つの情報フレーム（ノードｎ１であれば情報フレームａ、ｂ、ｃ、ノードｎ２であれば情報フレームｄ、ｅ、ｆ）が出力され、鍵フレーム記憶機能５０３へと格納されると共に、変調機能５０４へと入力され、無線信号へと変換され、無線フレームとなる（ノードｎ１であれば無線フレームＡ、Ｂ、Ｃ、ノードｎ２であれば無線フレームＤ、Ｅ、Ｆ）。各無線フレームＡ、Ｂ、Ｃは、同時刻においてそれぞれ個別の周波数チャネルｓｌ、ｓ２、ｓ３を用いてノードｎＲへと送信される。

図２は、本発明の第１の実施形態における中継局（Ａｌｉｃｅ＆ＢｏｂトポロジにおけるノードｎＲ）の構成を示すものである。図２に示すように、中継局６００は、送受信アンテナ群６０１と、ＴＤＤスイッチ６０２と、復調機能６０３と、情報フレーム誤り検出機能６０４と、情報フレーム選択機能６０５と、情報フレーム記憶装置６０６と、ネットワーク符号化器６０７と、ＮＡＣＫフレーム生成機能６０８と、変調機能６０９とから構成される。

時刻Ｔ１において、中継局６００は、ノードｎ１からの周波数スペクトルｓｌ、ｓ２、ｓ３を用いて送信された無線フレームをそれぞれ受信し、復調を行う。この際に、ＴＤＤスイッチ６０２は送受信アンテナ群６０１と復調機能６０３とを接続する。

復調して得られた複数の情報フレームは、情報フレーム誤り検出機能６０４に入力され、情報フレーム毎に復号結果の正誤判定が行われる。前述したように、送信側（ノードｎ１）の誤り検出符号化及び情報フレーム生成機能５０１では、送信情報を情報フレーム化し、誤り検出符号を付加している。よって、正誤判定には、情報フレ−ムに対して送信側で予め付加された誤り検出符号を用いることにより実現可能である。

情報フレーム誤り検出機能６０４によってチェックされた、情報フレーム毎の誤り状態は、情報フレーム選択機能６０５及びＮＡＣＫフレーム生成機能６０８へ入力される。情報フレーム選択機能６０５は、復調機能６０３から出力される情報フレームの中で誤りがなく復号された情報フレームのみを選択し、情報フレーム記憶装置６０６へと入力する。

時刻Ｔ２において、中継局６００は、ノードｎ２から周波数スペクトルｓｌ、ｓ２、ｓ３を用いて送信された無線フレームをそれぞれ受信し、復調を行う。この際に、ＴＤＤスイッチ６０２は送受信アンテナ群６０１と復調機能６０３とを接続する。復調して得られた複数の情報フレームは、情報フレーム誤り検出機能６０４に入力され、情報フレーム毎に復号結果の正誤判定が行われる。正誤判定は、時刻Ｔ１での処理と同様に、情報フレ−ムに対して送信側で予め付加された誤り検出符号を用いることにより実現可能である。

情報フレーム誤り検出機能６０４によってチェックされた、情報フレーム毎の誤り状態は、情報フレーム選択機能６０５及びＮＡＣＫフレーム生成機能６０８へ入力される。情報フレーム選択機能６０５は、復調機能６０３から出力される情報フレームの中で誤りがなく復号された情報フレームのみを選択し、ネットワーク符号化器６０７ヘと入力する。

以上の動作を行うことにより、ネットワーク符号化器６０７には、時刻Ｔ１においてノードｎ１から送信され、中継局６００により正しく復号された情報フレームの集合（以下、集合Ｕ１と表記する）と、時刻Ｔ２においてノードｎ２から送信され、中継局６００により正しく復号された情報フレームの集合（以下、集合Ｕ２と表記する）とが入力されることになる。

例えば、図３に示すように、時刻Ｔ１でノードｎ１からの無線フレームを復調して得られた情報フレームａ、ｂ、ｃのうち、情報フレームｂの復調が誤っているとする。また、時刻Ｔ２でノードｎ２からの無線フレームを復調して得られた情報フレームｄ、ｅ、ｆのうち、情報フレームｄ、ｆの復調が誤っているとする。この場合、時刻Ｔ１において正しく復号された情報フレームａ、ｃが集合Ｕ１としてネットワーク符号化器６０７に入力され、時刻Ｔ２において正しく復号された情報フレームｅが集合Ｕ２としてネットワーク符号化器６０７に入力される。

ネットワーク符号化器６０７では、集合Ｕ１と集合Ｕ２の要素をそれぞれ１つずつ抽出して、順次ネットワーク符号化を行い、ネットワーク符号化された情報フレームを生成する。図３に示す例では、集合Ｕ１の要素が情報フレームａ及びｃであり、集合Ｕ２の要素が情報フレームｅであるので、集合Ｕ１の要素として情報フレームａを抽出し、集合Ｕ２の要素として情報フレームｅを抽出して、情報フレームａと情報フレームｅとの排他的論理和によりネットワーク符号化を行い、ネットワーク符号化された情報フレームｗを生成する。この場合、ネットワーク符号化された情報フレームは、集合Ｕ１と集合Ｕ２の要素数のうち、少ない方と同数だけ生成することが可能である。

図２において、ネットワーク符号化器６０７でネットワーク符号化された情報フレームは、時刻Ｔ３において、変調機能６０９により無線フレームに変換され、ＴＤＤスイッチ６０２、送受信アンテナ群６０１を介してノードｎ１及びノードｎ２へ無線チャネルにより同報される。

また、ＮＡＣＫフレーム生成機能６０８において、時刻Ｔ１及びＴ２において受信した無線フレームのうち、誤りが発生した無線フレームの情報を通知するためのＮＡＣＫ（ＮｏｎＡＣＫｎｏｗｌｅｄｇｅｍｅｎｔ）フレームが生成される。時刻Ｔ３において、このＮＡＣＫフレームが送受信アンテナ群６０１を介してノードｎ１及びノードｎ２へ無線チャネルにより同報される。

図１に示したノードｎ１のネットワーク復号機能５０８では、時刻Ｔ３において、情報フレームｗから情報フレームｅを取得する。また、ノードｎ２のネットワーク復号機能５０８では、時刻Ｔ３において、情報フレームｗから情報フレームｗから情報フレームａを取得する。

前述したように、この実施形態では、時刻Ｔ３において、中継ノードｎＲは、時刻Ｔ１においてノードｎ１から送られてきた情報フレームのうち正しく復号された情報フレームからなる集合Ｕ１の要素と、時刻Ｔ２においてノードｎ２から送られてきた情報フレームのうち正しく復号された情報フレームからなる集合Ｕ２の要素とから、それぞれ、１つずつ抽出して、情報フレームｗを生成して、ノードｎ１及びノードｎ２に対して同報送信を行っている。このため、符号化を行ったペアが予め設定されておらず、ネットワーク復号機能５０８で情報フレームを復号する際に、情報をフレームを復号するための鍵フレームが決まらない。

そこで、この実施形態におけるノードｎ１及びｎ２では、ネットワーク復号機能５０８において、受信した無線フレームに対して全ての鍵フレームについてネットワーク復号を行い、誤り検出を行い、その結果、正しく復号された情報フレームのみを、受信情報復元機能５０９に対して出力している。

具体的には、この実施形態では時刻Ｔ３において、ノードｎ１は無線フレームｗを受信する。この情報フレームｗの鍵フレームは、情報フレームａ、ｂ、ｃの何れか分からない。そこで、全ての鍵フレームａ，ｂ，ｃを用いてネットワーク復号を行った後に、誤り検出を行う。図３に示すように、無線フレームｗの実際の鍵フレームはａであるため、誤り検出の結果、鍵フレームとしてｂ，ｃを用いた場合には誤りと判定され、鍵フレームとして情報フレームａ用いた場合のみ、正しく情報フレームｅが復調できたと判定される。これにより、ネットワーク復号機能５０８では、事前に鍵フレーム情報を取得することなく、ネットワーク復号を行うことができる。

以上のように、本発明の第１の実施形態では、以下のような動作手順で、動作が行われる。

（３）時刻Ｔ３において、ノードｎＲが、時刻Ｔ１においてノードｎ１から送られてきた情報フレームのうち正しく復号された情報フレームからなる集合Ｕ１の要素と、時刻Ｔ２においてノードｎ２から送られてきた情報フレームのうち正しく復号された情報フレームからなる集合Ｕ２の要素とから、それぞれ、１つずつ抽出して、排他的論理和によりネットワーク符号化を行って情報フレームｗを生成し、この情報フレームｗを変調して生成された無線フレームＷを周波数スペクトルｓｌ、ｓ２、ｓ３（又は、これらのスペクトルの一部）を用いてノードｎ１及びノードｎ２に対して同時かつ同報送信を行う。同じく時刻Ｔ３において、ノードｎ１は無線フレームＷを受信し復調して得られる情報フレームｗに対して、鍵フレームａ、ｂ、ｃを用いてネットワーク復号処理を行い情報フレームを取得する。ノードｎ２は無線フレームＷを受信し復調して得られる情報フレームｗに対して、鍵フレームｄ、ｅ、ｆを用いてネットワーク復号処理を行い情報フレームを取得する。

また、本実施形態では、中継ノードｎＲは、ＮＡＣＫの情報をノードｎ１及びノードｎ２に対して同報する。このＮＡＣＫフレームは、ノードｎ１及びｎ２のＮＡＣＫ復号処理機能５１０で復号され、これに基づいて、誤りが発生した無線フレームの再送処理が行われる。このように、受信した無線フレームに誤りが存在する場合、ノードｎ１及びノードｎ２に対してその情報をフィードバックすることにより、次回以降の送信機会において誤った無線フレームを再送し、通信の信頼性を高めることができる。

図４にＮＡＣＫフレームの構成の一例を示す。図４に示すように、ＮＡＣＫ情報の情報単位として、送信局を識別する１ビットの情報（ノード番号）と、誤りフレーム番号を示す２ビットの情報の合計３ビットで構成される。複数の情報フレームに誤りが発生しら場合は、それぞれの誤り状態を示した複数の情報単位を連結してＮＡＣＫフレームを構成する。

一般にＮＡＣＫフレームに含まれる情報ビットの数は、情報フレームのそれ（ＩＰパケットをベースとした情報フレームであれば、６４バイト程度〜１５００バイト程度）と比較して少ないため、１つの無線フレームに複数のＮＡＣＫ情報を格納することが可能である。

以上説明したように、本発明の第１の実施形態では、ネットワーク符号化を行うことができる機会を最大化させ、復号誤りによるスループット特性の劣やヽ遅延の増大を抑制することができる。

＜第２の実施形態＞
上述の第１の実施形態では、ノード間に互いに直交する複数の無線チャネルを実現する手法として、互いに異なる周波数帯の周波数スペクトルを用いていたが、この実施形態では、その代わりに、情報を同一周波数上で空間多重送信を行い、受信されるノードｎＲにおいても複数アンテナを用いてＭＩＭＯ（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ−ＩｎｐｕｔＭｕｌｔｉｐｌｅ−Ｏｕｔｐｕｔ）チャネルを構成し信号を受信し、空間多重された無線フレームを信号処理を用いて検出し、Ｎ個の情報フレームを取得する。この時、受信機側で空間多重された無線フレームを検出するための信号処理方法として、受信機側における線形フィルタ処理（Ｚｅｒｏ−Ｆｏｒｃｉｎｇフィルタ、ＭＭＳＥ：ＭｉｎｉｍｕｍＭｅａｎＳｑｕａｒｅＥｒｒｏｒフィルタ）、ＭＬＤ：ＭａｘｉｍｕｍＬｉｋｅｌｉｈｏｏｄＤｅｔｅｃｔｉｏｎ（最尤検出）、ＳＩＣ：ＳｕｃｃｅｓｓｉｖｅＩｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅＣａｎｃｅｌｌｅｒ（直列干渉キャンセラ）のみならず、送信機側の変調信号生成において空間信号処理を行う手法（Ｚｅｒｏ−Ｆｏｒｃｉｎｇプリコーディング、ＤＰＣ：ＤｉｒｔｙＰａｐｅｒＣｏｄｉｎｇ等）を用いたり送受信機の双方で空間信号処理を行う手法（例えば、Ｅ−ＳＤＭ：ＥｉｇｅｎｂｅａｍＳｐａｃｅＤｉｖｉｓｉｏｎＭｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）、を用いる構成を取ることも可能である。

＜第３の実施形態＞
この実施形態では、ノード間に互いに直交する複数の無線チャネルを実現する手法として、互いに異なる周波数帯の周波数スペクトルを用いる代わりに、水平・垂直偏波、右回り・左回り円偏波といった異なる偏波面や回転の複数の偏波アンテナを用いることにより信号分離を実現する手段を用いるようにしている。

＜第４の実施形態＞
この実施形態では、ノード間に互いに直交する複数の無線チャネルを実現する手法として、互いに異なる周波数帯の周波数スペクトルを用いる代わりに、互いに直交する拡散コードを用いて（マルチコードＣＤＭＡ）、符号多重するようにしている。

＜第５の実施形態＞
中継局のノードｎＲがノードｎ１、ノードｎ２から受信した無線フレームに誤りがない場合、時刻Ｔ３において全ての直交チャネルを用いてネットワーク符号化されたフレームが送信されるが、誤りが発生した場合は余剰の直交チャネルが生じる。この実施形態では、この余剰チャネルを用いて、無線フレームが正しく受信されなかったことを示すＮＡＣＫ（ＮｏｔＡＣＫｎｏｗｌｅｄｇｅ）信号を送付し、より確実な再送制御を行う。

＜第６の実施形態＞
中継局のノードｎＲがノードｎ１、ノードｎ２から受信した無線フレームに誤りがない場合、時刻Ｔ３において全ての直交チャネルを用いてネットワーク符号化されたフレームが送信されるが、誤りが発生した場合は余剰の直交チャネルが生じる。この実施形態では、この余剰チャネルを用いて、ネットワーク符号化されたフレームに対して冗長性を持たせて送信を行う。具体的には同一信号の繰り返し送信を行い、ノードｎ１、ｎ２において最大比合成を行ったり、直交チャネルをＭＩＭＯを用いて実現している場合においては、ＳＴＢＣ（Ｓｐａｃｅ−ＴｉｍｅＢｌｏｃｋＣｏｄｅ）等を用いる手法が挙げられる。

本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲内で様々な変形や応用が可能である。

５００送受信局
５０１誤り検出符号化及び情報フレーム生成機能
５０２送信バッファ
５０３鍵フレーム記憶機能
５０４変調機能
５０５ＴＤＤスイッチ
５０６送受信アンテナ群
５０７復調機能
５０８ネットワーク復号機能
５０９受信情報復元機能
５１０ＮＡＣＫ復号処理機能
６００中継局
６０１送受信アンテナ群
６０２ＴＤＤスイッチ
６０３復調機能
６０４情報フレーム誤り検出機能
６０５情報フレーム選択機能
６０６情報フレーム記憶装置
６０７ネットワーク符号化器
６０８フレーム生成機能
６０９変調機能

Claims

第１及び第２の送受信局と、前記第１の送受信局からの情報フレームと前記第２の送受信局からの情報フレームとを中継する中継局とを有し、複数の無線チャネルによりネットワーク符号化を用いてマルチホップ無線通信を行う無線通信システムにおいて、
前記第１の送受信局は、複数の第１の情報フレームをそれぞれに変調した複数の無線フレームを生成し、生成した複数の無線フレームを、複数の無線チャネルにより前記中継局に送信する手段と、前記第１の情報フレームを記憶する鍵フレーム記憶手段と、前記中継局からの無線フレームを受信し、前記ネットワーク符号化された情報フレームに対して前記鍵フレーム記憶手段に記憶されている全ての第１の情報フレームについてネットワーク復号を行い、誤り検出を行い、正しく復号された情報フレームを前記第２の送受信局から前記中継局を介して送信されてきた情報フレームとして取得する手段とを有し、
前記第２の送受信局は、複数の第２の情報フレームをそれぞれに変調した複数の無線フレームを生成し、生成した複数の無線フレームを、複数の無線チャネルにより前記中継局に送信する手段と、前記第２の情報フレームを記憶する鍵フレーム記憶手段と、前記中継局からの無線フレームを受信し、前記ネットワーク符号化された情報フレームに対して前記鍵フレーム記憶手段に記憶されている全ての第２の情報フレームについてネットワーク復号を行い、誤り検出を行い、正しく復号された情報フレームを前記第１の送受信局から前記中継局を介して送信されてきた情報フレームとして取得する手段を有し、
前記中継局は、前記第１の送受信局から送られてきた情報フレームのうち正しく復号された情報フレームからなる集合の要素と、前記第２の送受信局から送られてきた情報フレームのうち正しく復号された情報フレームからなる集合の要素とからそれぞれ情報フレームを抽出してネットワーク符号化を行い、前記第１及び第２の送受信局に対して無線フレームの同報送信を行う手段を有する
ことを特徴とする無線通信システム。
前記中継局は、さらに、誤りが生じている情報フレームを示すＮＡＣＫフレームを前記第１及び第２の送受信局に送信する手段を有することを特徴とする請求項１に記載の無線通信システム。
前記中継局は、前記第１及び第２の送受信局に対して無線フレームの同報送信を行う際に、余剰の無線チャネルを使って、前記ＮＡＣＫフレームを送信することを特徴とする請求項２に記載の無線通信システム。
前記中継局は、前記第１及び第２の送受信局に対して無線フレームの同報送信を行う際に、余剰の無線チャネルを使って、冗長性を持たせて送信することを特徴とする請求項１に記載の無線通信システム。
前記複数の無線チャネルは、互いに異なる周波数帯のスペクトルにより周波数多重化で形成されることを特徴とする請求項１から４の何れかに記載の無線通信システム。
前記複数の無線チャネルは、空間多重化で形成されることを特徴とする請求項１から４の何れかに記載の無線通信システム。
前記複数の無線チャネルは、互いに異なる偏波で多重化して形成されることを特徴とする請求項１から４の何れかに記載の無線通信システム。
前記複数の無線チャネルは、互いに直交する拡散コードにより符号多重化で形成されることを特徴とする請求項１から４の何れかに記載の無線通信システム。