JP5470355B2 - 無線通信ネットワークにおけるリソース割当て方法、誤りのない情報伝送方法、ノード、及び無線通信ネットワーク - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、無線通信ネットワーク、より具体的には、送信機と中継局と受信機とを有する無線通信ネットワークの分野に関する。ここで、中継局は送信機から受信機へと伝送される情報を中継するために設けられるものである。更に具体的には、本発明の実施形態は、中継局が受信機へ情報を再送する際の、無線通信ネットワークにおけるリソース割当ての手法、例えば、中継装置又は中継局を用い、ＨＡＲＱ（Hybrid Automatic Repeat Request、ハイブリッド型自動再送要求）プロトコルに基づいて動作するシステムにおける適応的なリソース割当ての手法に関する。

従来の無線通信ネットワーク、例えばセルラーシステムでは、中継装置又は中継局を用いて、セルラーシステム内の送信機（送信元）と受信機（宛先）との間の通信を支援する。中継局を有するセルラーシステムは、ＨＡＲＱプロトコルをサポートすることができる。このようなシナリオでは、送信元は、例えば中継局を通して、宛先に情報を送信し、その符号化率（code rate）は送信元と中継局との間のチャネル（第１のホップ）に一致する。宛先は、送信元から直接、または中継局経由のいずれによっても信号を受信することができる。信号は宛先において合成され、復号される。宛先が受信した信号を復号することができない場合には、否定的応答メッセージ（ＮＡＫメッセージ）（negative acknowledgement message）が発行される。ＮＡＫメッセージに応じて、ＨＡＲＱプロトコルに従って再送が開始される。既知のシステムでは、このような否定的応答があった場合には、送信元ではなく、中継局が再送を行うように制御される。これは、よくあるように、中継局と宛先との間のチャネル（第２のホップ）が、送信元と宛先との間の直接的なチャネルよりも良好である（例えば、良好なチャネル品質を有する）場合に好都合である。パケットベースの無線通信ネットワークでは、ＨＡＲＱプロトコルは、誤って復号されたパケットデータの再送を要求することにより、誤りのない伝送を可能とする重要な手法である。既知のＨＡＲＱプロトコルあるいはＨＡＲＱ方式は、チェイス合成（ＣＣ）方式及びインクリメンタル・リダンダンシー（incremental redundancy、ＩＲ、冗長性増加）方式である。

情報理論によれば、例えば、ターボ符号又はＬＤＰＣ符号といった強力な符号の復号に成功することは、チャネルの相互情報量（mutual information, ＭＩ）（Ｉ（Ｘ；Ｙ））が符号化率（Ｒ_ｃ）よりも大きいことを意味する。ここで、Ｉ（Ｘ；Ｙ）の挙動はＳＮＲ（Signal-to-Noise Ratio）に依存し、すなわち、Ｉ（Ｘ；Ｙ）＝ｆ（ＳＮＲ）である。ＨＡＲＱプロトコルを用いることによって、誤って復号されたパケット又は信号を再送することができるようになり、それにより、符号化率Ｒ_ｃを上回るようにＩ（Ｘ；Ｙ）を増加させることができる。

図１は、相互情報量Ｉ（Ｘ，Ｙ）が送信元と宛先との間の距離に依存することを示している。図１（Ａ）は、送信元Ｓ及び宛先Ｄを概略的に示している。アップリンクの場合には、送信元はユーザー装置ＵＥとすることができ、宛先は基地局ｅＮＢとすることができる。相互情報量Ｉ（Ｘ，Ｙ）は、位置Ｘにある送信元Ｓを出発し、位置Ｙにある宛先Ｄに到着する平均情報量を定めるものである。つまり、相互情報量Ｉ（Ｘ，Ｙ）は最大限にすべきである。宛先が復号に成功することを確実なものとするために、相互情報量Ｉ（Ｘ，Ｙ）は、符号化率Ｒ_ｃよりも大きくする必要がある。図１（Ｂ）は、送信元と宛先との間の距離に依存した相互情報量Ｉ（Ｘ，Ｙ）の推移のグラフである。図から明らかなように、送信元と宛先との間の距離が長くなるほど、相互情報量Ｉ（Ｘ；Ｙ）が少なくなり、ある点において、符号化率に設定されるしきい値Ｒ_ｃ未満に減少する。しきい値未満では、宛先における復号は失敗するであろう。ＨＡＲＱ方式は、再送することができるようにする手法であり、その結果、相互情報量Ｉ（Ｘ；Ｙ）が増加し、それによりＲ_ｃを上回ることになるため、送信元と宛先との間の距離を長くできるようになる。

特許文献１は、ＨＡＲＱ方式を用いるものの、中継局を用いることなくビットを再送するための手法を記述している。特許文献２は、相互情報量ＭＩに基づいて選択される特定の中継モードに従って動作する中継局を用いた通信システムを記述している。しかし、ＨＡＲＱプロトコルについては記載されていない。非特許文献１は、中継局及びＨＡＲＱプロトコルを用いた無線通信システムを記述している。相互情報量を用いて、予め設定された２つの中継処理（relay function）を切り替える。したがって、中継局を使用し、ＨＡＲＱプロトコルに従って動作する従来のシステムでは、中継局は単に、その中継局が符号語全体を正確に復号することのできる位置にあることを前提として再送のために用いられ、再送時には符号語全体を再送することができる。再送に必要なリソースは考慮されない。

米国特許第７，６９７，９４８号 米国特許出願公開第２００７／０１９０９３４号

Y.Qi, R. Hoshyar and R Tafazolli describe in "On the Performance of HARQ with Hybrid Relaying Schemes," in IEEE ICC 2009

本発明の目的は、中継局から受信機への情報の再送が求められる場合に、無線通信システムにおいてリソースを割り当てることができるようにする手法を提供することにある。

上記目的は、請求項１に記載の方法及び請求項１５に記載のノードによって達成される。

本発明の実施形態によれば、送信機と中継局と受信機とを有する無線通信ネットワークにおいて、前記中継局が前記受信機へ情報を再送する場合にリソースを割り当てる方法が提供される。本方法は、中継用のチャネル及び中継処理に基づいて、再送に必要なリソースを決定するステップを含む。

本発明の実施形態によれば、送信機と中継局と受信機とを有する無線通信ネットワーク内のノードが提供される。このノードは、前記中継局が前記受信機に向けて再送を行う場合にリソースを割り当てるプロセッサを備えている。前記プロセッサは、中継用のチャネルと中継処理とに基づいて再送に必要なリソースを決定するものである。

実施形態によれば、無線通信ネットワーク内の送信機と受信機との間の誤りのない情報伝送の方法が提供される。前記無線通信ネットワークは中継局を更に有している。本方法は、前記送信機が前記受信機に符号語を送信するステップと、前記符号語が前記受信機にて誤って検出された場合には、前記中継局による情報の再送を要求するステップと、本発明の方法に基づいて、前記中継局による再送のためのリソースを割り当てるステップと、前記割り当てられたリソースを用いて前記中継局が前記受信機に向けて再送を行うステップであって、その再送の後に前記受信機がその情報を所定の確率で復号するものである、ステップとを含む。

実施形態によれば、送信機と、前記送信機から符号語を受信し、当該符号語が誤って検出された場合には再送を要求する受信機と、前記受信機が前記符号語を誤って復号した場合に情報を再送する中継局とを備えた無線通信ネットワークが提供される。ここで、前記送信機と前記受信機と前記中継局とのうちの少なくとも１つが、本発明の実施形態に係るノードとして構成されている。

本発明の更に別の実施形態によれば、コンピュータ可読媒体に保存された命令を含むプログラムを有するコンピュータプログラム製品が提供される。この命令は、コンピュータ上で当該プログラムが実行された場合に、本発明の実施形態に係る方法を実行する。

本発明の実施形態によれば、前記リソースは、前記無線通信ネットワーク内の前記中継局又は任意の他のノードにおいて決定される。前記リソースが前記無線通信ネットワーク内の任意の他のノードにおいて決定される場合には、本方法は、再送のためのリソースを前記中継局に信号で伝えるステップを更に含む。

一実施形態によれば、前記送信機又は送信元は、前記受信機又は宛先に符号語を送信するものである。前記受信機が前記符号語を誤って復号した場合には再送が要求され、前記中継局から前記受信機へと前記情報が再送され、その再送後に、前記受信機において所定の確率で前記符号語が復号される。

一実施形態によれば、前記中継用のチャネルは、前記送信機と前記受信機との間のチャネルと、前記送信機と前記中継局との間のチャネルと、前記中継局と前記受信機との間のチャネルとのうちの少なくとも１つを含むことができる。前記中継用のチャネルは、前記送信機と前記中継局との間のチャネルと、前記送信機と前記受信機との間のチャネルと前記中継局と前記受信機との間のチャネルとのうちの少なくとも一方とを含むことができる。

実施形態によれば、中継用のチャネルは、中継用のチャネルの相互情報量（mutual information, ＭＩ）、確率密度関数（probability density function, ｐｄｆ）又は対数尤度比（log-likelihood ratio, ＬＬＲ）に基づいて決定することのできるチャネル品質に基づいて表されるか又は特徴付けられる。中継局にて行われる中継処理は、選択される任意の中継処理、例えば、検出・転送（detect-and-forward、ＤｅｔＦ）処理と、復号・転送（decode-and-forward、ＤＦ）処理と、推定・転送（estimate-and-forward、ＥＦ）処理と、増幅・転送（amplify-and-forward、ＡＦ）処理とを含みうる。ここで、ＥＦとは、シンボルの条件付き平均値（conditional mean）の伝送を意味するものである。

実施形態によれば、前記符号語はハイブリッド型自動再送要求を用いて送信される。前記リソースは、前記中継局による再送のためのビット数又は電力である。この実施形態によれば、最初に送信されたビットの一部を再送するためのチェイス合成（chase combining, ＣＣ）法、又は元の符号語の異なるビットを再送するためのインクリメンタル・リダンダンシー（ＩＲ）法を用いることができる。この場合、対象となる中継用のチャネルは、前記送信機と前記受信機との間のチャネルと、前記送信機と前記中継局との間のチャネルと、前記中継局と前記受信機との間のチャネルとを含むことができる。各チャネルはその信号対雑音比（ＳＮＲ）によって表される。初回送信の際のビット数に対する再送の際のビット数の割合は、以下の通りである。すなわち、ＩＲの場合には、

であり、ＣＣの場合には、

である。ただし、ｐは、初回送信の際のビット数に対する再送の際のビット数の割合であり、Ｒ_ｃは初回送信の符号化率であり、ＳＮＲ_ＳＤは送信機と受信機との間のチャネルの信号対雑音比であり、ＳＮＲ_ＳＲは、送信機と中継局との間のチャネルの信号対雑音比であり、ＳＮＲ_ＲＤは、中継局と受信機との間のチャネルの信号対雑音比であり、ｆ（ＳＮＲ）は、１つ以上のチャネルのＳＮＲ値に依存する相互情報量を表す関数である。

従来の手法と比較して、本発明の実施形態によれば、中継局におけるリソースの使用を最適化するための中継局におけるリソースの割当てに関する改善された方法が提供される。中継の伝送レートは、宛先が符号語全体の復号に成功するようにしつつ、リソースの浪費を避けるべく必要以上に大きくならないように選択される。本発明の実施形態によれば、中継局から送信されることになるビット数の合理的な調整がなされる。再送に必要なリソース（例えば、ビット数又は電力）は、中継局にて行われる中継処理に基づいて、かつ中継用のチャネルに基づいて決定される。また、初回送信の符号化率があまりにも大きく選択されたために、中継局が伝送を支援できない場合があるため、中継局においては復号に成功しない場合も考慮することができる。その一方で、チャネル復号を適用することができる中継局は複雑になりすぎるか、あるいは電力を消費しすぎる可能性がある。

実施形態によれば、本発明は、再送が要求される場合に、送信元と宛先と中継局との間にあるチャネルのうちの１つ以上のＳＮＲ値によって特徴付けられるシステムの状態と、中継処理、例えばＡＦ処理又はＥＦ処理とに応じて、ＨＡＲＱ方式において中継局から付加的に送信されることになる符号ビットの最小数を求めるための方法を提供する。より具体的には、この実施形態によれば、宛先からＮＡＫメッセージがあった場合に、中継装置から伝送される付加的なビット数を得るための方法が提供される。付加的なビット数は、関与する全てのチャネルの状態、例えばＳＮＲに依存しており、かつ増幅・転送（ＡＦ）処理と、検出・転送（ＤｅｔＦ）処理と、推定・転送（ＥＦ）処理とのうちのいずれが適用されるかという中継局の処理にも依存している。他の中継処理への拡張ももちろん可能である。

本発明の実施形態によれば、物理的リソースが大幅に節約され、結果として、従来技術と比べて大きなスループットが生まれる可能性が提供されるため、従来の手法よりも好都合である。ある１人のユーザーがより高いデータレートで受信することができるか、又は一定のデータレートの場合に必要とされる送信電力を小さくすることができるため、スループットが大きくなることは経済的にみて有益である。

添付の図面を参照して、本発明の好ましい実施形態を以下に更に詳細に説明する。

相互情報量又は伝達情報量Ｉ（Ｘ，Ｙ）が送信元と宛先との間の距離に依存することを示す説明図である。図２Ａは、送信元Ｓ及び宛先Ｄを概略的に示している。図２Ｂは、送信元と宛先との間の距離に依存した相互情報量Ｉ（Ｘ，Ｙ）の推移を示すグラフである。 送信元と宛先と中継局とを有する３端末システムのシステムモデルを示す説明図である。 フレーム誤り率（ＦＥＲ）と必要なリソースとの間のトレードオフを示す説明図である。図３Ａは誤り率の性能を示している。図３Ｂは、再送されるリソースの減少を示している。図３Ｃは、スループット性能を示している。 本発明の手法による改善を示す説明図である。図４Ａは、図２のシステムを概略的に示している。図４Ｂは改善を示している。 ＤｅｔＦ中継処理を用いた中継局によって再送されるビットの最適な割合を示すグラフである。 ＡＦ中継処理を用いた中継局によって再送されるビットの最適な割合を示すグラフである。 ＥＦ中継処理を用いた中継局によって再送されるビットの最適な割合を示すグラフである。 チャネル復号を用いずにＡＦ中継処理、ＤｅｔＦ中継処理、ＥＦ中継処理を適用した中継局の実効レートと、中継局を用いる場合と用いない場合との実効レートの比とを示すグラフである。

ここで、本発明の実施形態を、図２に示すような無線通信システムに基づいて説明する。

図２は、３端末システムのシステムモデルを示している。このシステムは、送信元１００、例えばユーザー装置ＵＥと、宛先１０２、例えば基地局ｅＮＢと、中継局又は中継ノード（relay node、ＲＮ）１０４とを有している。送信元１００では、ブロック１００’に示すように、宛先１０２に送信されることになる信号ｄ（例えば、符号語又はパケット）がチャネル符号器Ｃによって符号化され、変調器Ａによって変調されて、送信元信号ｘ_ｓが出力される。図２に概略的に示しているように、送信元１００と宛先１０２との間には第１のチャネル１０６が存在しており、これにより、送信された送信元信号をｙ_ＳＤとして宛先１０２が受信する。この無線通信システムはさらに、送信元１００と中継局１０４との間にある第２のチャネル（第１のホップ）１０８を有している。このチャネル１０８を通して中継局１０４は信号ｙ_ＳＲを受信する。この信号は、第２のチャネル１０８を通して送信元１００から中継局１０４に送信される送信元信号である。中継局１０４は、ブロック１０４’に示すように、信号ｙ_ＳＲを受信する。中継局１０４は、チャネル復号器Ｃ^−１にてチャネル復号を行い、その後、中継処理（relay function）としてｆ（ｙ_ＳＲ）が続く。この中継処理により中継局信号ｘ_Ｒが生成される。中継局信号は第３のチャネル（第２のホップ）１１０を通して宛先１０２へと送信される。宛先は、送信された送信元信号ｙ_ＳＤに加えて、送信された中継局信号ｙ_ＲＤも受信する。宛先では、ブロック１０２’に概略的に示すように、送信された送信元信号ｙ_ＳＤと送信された中継局信号ｙ_ＲＤとがコンバイナＣＯＭＢによって合成され、合成された信号をチャネル復号して、送信された情報信号ｄを生成する。送信元１００と宛先１０２と中継局１０４との各ブロック１００’と１０２’と１０４’とは、各信号につき上記の信号処理を実行するためのプロセッサデバイスを有していてもよい。

図２は、「タイプ２の中継」を含むシステム構成、すなわち、第１のチャネル１０６を経由する直接的経路と、チャネル１０８及び１１０を経由し、中継局１０４をも経由する中継経路とを用いるシステム構成を示している。いずれの経路によっても宛先１０２が受信をし、これらは、ＴＤＤ（Time-Division Duplexing、時分割複信）又はＦＤＤ（Frequency-Division Duplexing、周波数分割複信）によって分離することができる。中継局１０４では、種々の手法を用いることができ、例えば、１つの手法は、中継局において復号を行わないことであり、これによりブロックＣ^−１をオプショナルなものとすることができるため、簡易かつ安価な中継局１０４がもたらされる。中継処理としてのｆ（ｙ_ＳＲ）又は中継プロトコルは、任意の既知のプロトコル、例えば、増幅・転送（amplify-forward, ＡＦ）プロトコルと、検出・転送（detect-forward, ＤｅｔＦ）プロトコルと、推定・転送（estimate-forward, ＥＦ）プロトコルとを含むことができる。また、REL-10 LTE（LTE-advanced）型中継局を用いることもできる。

例えば、宛先又は受信機へ情報を再送するために図２に示したような中継局を用いる場合には、中継局が何ビットの付加ビットを再送すべきかが問題である。受信機における相互情報量が、所望のＭＩよりもわずかだけ小さい場合に、送信元又は送信機から初回送信時と同じビット数を送信するのは、リソースの浪費になるであろう。しかし、あまりにも少ないビット数が選択されると、復号に再び失敗する可能性があり、更なる送信が必要となるため、遅延が大きくなる。中継局上の複雑なリンクに鑑みて、必要な付加ビットの最小数を計算するのは簡単な処理ではなく、例えば、計算を簡単にして、通信システムに容易に適用可能とするために、他の重要な点を考慮すべきである。

本発明は、中継リンクのパラメータを考慮に入れて、再送されることになる最小のビット数を得るための簡単な方法を提供する。例えば、必要とされるパラメータは、中継処理（ＡＦ、ＤＥＴＦ又はＥＦ）と、両リンクのＳＮＲとである。この両リンクとは、中継局を経由する送信元と宛先との間のリンク又はチャネル、及び、送信元と宛先との間の直接的なリンク又はチャネルのことである。これらのパラメータに基づいて、再送されるビット数に依存するリンクの実効的な相互情報量（ＭＩ）を計算することができる。強力な符号、例えばターボ符号の場合に、復号に成功することができるという事実を考慮して、入力信号のＭＩが符号化率よりも大きい場合には、再送されるビットの最小数は、以下で更に詳細に説明する１つの式を用いて計算することができる。

入力信号のＭＩが増加し、一般的に、再送されることになるビットをパンクチャする（間引く、puncture）ことによって、ＭＩ又はＩ（Ｘ；Ｙ）をスケーリングすることができる。そして、ビットの割合を調整することによって、フレーム誤り率（ＦＥＲ）とリソース利用との間のトレードオフを見いだすことができる。課題は、ＦＥＲと必要なリソースとの間のトレードオフを考慮した、再送されるビット数の求め方である。図３はこの状況を示している。図３（Ａ）は、結果として生じる誤り率の性能を示しており、図３（Ｂ）は、再送されるリソースの減少量を示しており、図３（Ｃ）はスループットの性能を示している。図３（Ａ）及び図３（Ｂ）から明らかなように、再送にあたりリソースが節約されないほど誤り率の性能は良好であり、逆に、リソースを節約するほど誤り率の性能が劣化する。図３（Ｃ）からわかるように、誤り率の性能及び再送の必要があるリソースの最大値と最小値の間のどこかに最適なスループット性能となる点がある。

例えば、符号化率Ｒ_ｃ＝０．５、信号対雑音比ＳＮＲ＝０ｄＢ、相互情報量Ｉ（Ｘ;Ｙ）＝０．４８の場合には、０．０２の付加的なＭＩを達成するためにはデータの一部分しか必要とされないので、符号語全体を再送するのはリソースの浪費であろう。従来技術のリソース最適化手法が知られているが、そのような手法は中継局を用いるシステムには適していないこと、より具体的には、従来技術は、再送にあたりリソースを最適化するために、中継用のチャネル及び中継処理を考慮するものではないことに留意されたい。本発明の実施形態によれば、リソース全体の改善、例えば再送の場合に必要とされるビット数又は再送電力の改善がもたらされる。

図２に示した中継局１０４のような中継局は、宛先１０２からＮＡＫメッセージを受けた場合に、再送という点で通信リンクをサポートする。再送のために必要とされるリソースは最小限に抑えるべきである。復号・転送（decode-forward）という中継処理の場合には、その中継は、受信した情報を復号するのに成功した場合にのみ役に立つと考えられる。この場合、同じ符号語を送信することと、付加的なパリティビットを送信することとから選択することができる。同じ符号語の送信は、チェイス合成（ＣＣ）手法に基づいて行われる。インクリメンタル・リダンダンシー（ＩＲ）手法は、中継局において付加的なパリティビットを計算する。しかし、複数の実施形態によれば、中継局における無用の複雑さ、及び無用の電力消費を避けるために、中継局はチャネル復号を実行しないことが望ましいであろう。このような事例では、中継局は、任意の無記憶中継処理、例えば、ＡＦ処理、ＤｅｔＦ処理、ＥＦ処理を用いることができる。ＥＦ処理は、ＡＦ処理及びＤｅｔＦ処理よりも良好な性能をもたらす。受信機における相互情報量ＭＩに関する利得は、他の２つの処理に比べてＥＦ処理の場合には著しく大きい。しかし、無記憶中継局の場合には、ＣＣ手法のみを適用することができる。それにもかかわらず、中継局の配置によっては、中継はそれでもＦＥＲ、スループット又は遅延に関してシステム性能を改善することができる。

本発明の実施形態において、宛先がメッセージを復号することができるようにするために、割り当てる必要がある付加的なリソースの最小量、例えば、付加的に送信されるビットの最小量を得るための手法を説明する。相互情報量を考慮して、再送（チェイス合成とインクリメンタル・リダンダンシーの両方の場合）のために必要なビット数を計算するという発想は、J. F. Chang、Y. P. Wong及びS. Parkval著「Adaptive Incremental Redundancy」（IEEE VTC 2003-4, October 2003）に記載されている。しかし、この文献には、これらの手法を中継ネットワークに適用することに関する記載はなく、以下に示すように簡単なことではない。シャノンの法則によれば、チャネル容量が符号化率Ｒ_ｃよりも大きい場合に限り、誤りのない伝送が可能である。送信元が０．８の符号化率を有するチャネル符号を用いる場合には、復号器の入力における相互情報量ＭＩは０．８よりも大きくなければならない。チャネルにあまりにも雑音が多い場合には、復号に失敗することになり、送信元及び中継局にＮＡＫメッセージを送信することができる。開始される再送は、全体のＭＩが符号化率よりも大きくなるように、復号器の入力における信号に付加的なＭＩの量を正確に追加すべきである。実際のシステムでは、実際のチャネル符号が、記述される限度に比べてある一定の損失を有するため、目標とするＭＩを計算するのに、ある一定のマージンを追加すべきである。

チェイス合成手法の場合には、推定された符号語を中継装置にてパンクチャし、必要とされる数のシンボルのみを送信することによって、これを果たすことができる。受信機では、（例えば、図２のブロック１０２’によって提供される信号プロセッサにより）初回送信と再送とを適切に組み合わせて、チャネル復号器に提供される。送信元による部分的ＣＣ及び再送の場合、あるいは線形中継（linear relaying）の場合には、いくつかのシンボルがその他のシンボルよりも大きい実効ＳＮＲを有しており、全体のＭＩは以下のように表すことができる。

ただし、Ｉ（ＳＮＲ）は、あるＳＮＲを得るために考慮される変調方式における全体のＭＩである。Ｎ_ｔは、初回送信時に送信されるビット数であり、Ｎ_ｒは、再送にあたり選択されるビット数を表している。Ｉ（ＳＮＲ１＋ＳＮＲ２）というＳＮＲの和は、ＡＦのような線形な中継処理の場合に妥当である。より一般的な表記は、Ｉ（ＳＮＲ１，ＳＮＲ２）であろう。別の中継処理の場合のＭＩ_ＣＣ（Ｎ_ｒ）の計算は、以下に示す。これらの処理は、オンラインで計算することができるか、又はルックアップテーブル（ＬＵＴ）に保存することができる。再送されるビットの実効的なＭＩは、両方の送信の個々の特性による。

、すなわち、符号化率Ｒ_ｃよりも大きなＭＩを得るために再送されるべきビットの数は、以下のように計算することができる。

中継局がなく、ＳＮＲが一定のシステムの場合には、再送されるビットの数は以下のようになる。

中継経路の実効ＳＮＲが、直接的経路のＳＮＲよりも大きい場合には、再送の必要があるビットの数が減少し、物理的リソースを節約することができる。ＤＦ処理がうまくいく場合、すなわち、送信される符号語が完全に再生される場合には、中継経路の実効ＳＮＲは第２のホップのＳＮＲに等しい。

ＡＦ処理の場合には、得られるＭＩは以下のように計算することができる。

無記憶中継処理のうち、最大のＭＩをもたらすことが知られているＥＦ処理の場合には、中継経路のＭＩは、解析的にわかるＬＬＲ（log likelihood ratio、対数尤度比）、又は欧州特許出願第１０１７４９２８．１号の教示する内容に基づいて導き出すことのできるｐｄｆ（probability density function、確率密度関数）に基づいて計算することができる。ビットのチェイス合成に起因して、ＭＩを計算するためには、合成されたＬＬＲ又はｐｄｆを考慮すべきであるが、ＢＰＳＫ又はＱＰＳＫの場合にはこれは簡単にすることができる。中継局においてＤｅｔＦ中継処理を用いる場合にも、同様の手法が可能である。また、この場合には、必要とされる最小のビット数を計算するために、ＬＬＲまたはｐｄｆのための解析的な式を得ることができる。

いずれにしても、再送されるビットのＬＬＲ又はｐｄｆの式を直接用いて、ＭＩを計算することができる。このＭＩの計算は、離散的なシンボルアルファベットを前提とするＭＩの一般的な式に基づくものである。

通常、全てのシンボルが等しく発生するだろうと仮定でき、これはｐ（ｘ）＝１／ｌｄ（Ｍ）であることを意味する。ただし、Ｍはシンボルアルファベットの濃度（cardinality）を表す。この場合、ＭＩを解析的に計算するのに、確率密度関数ｐ（ｙ|ｘ）しか必要とされない。対象とする全ての事例、すなわち、ＡＦ、ＥＦ、ＤｅｔＦの場合には、ｐｄｆは、２つのホップのＳＮＲにのみ依存する。ＡＦ中継処理かつ単位送信電力の場合には、これを以下のように表すことができる。

この式は、以下の実効的な雑音分散を有する単純なガウス分布である。

ＤｅｔＦ処理の場合、確率密度関数は以下のようになる。

ただし、ｘ_Ｒは中継局によって送信されるシンボルであり、ｐ（ｘ_Ｒ｜ｘ）は遷移確率、すなわち、送信元がシンボルｘを送信した場合に中継装置がシンボルｘ_Ｒに肯定的な判定を下す確率を表す。受信された信号のみに基づく硬判定に起因して、ＢＰＳＫ伝送の場合のｐｄｆは、以下のように表すことができる。

誤り確率Ｐ_ｅは、第１のホップ（送信元Ｓと中継局Ｒとの間のチャネル）のＳＮＲに依存するものであり、以下の式によって計算することができる。

好ましい中継処理であるＥＦ処理の場合には、ｐｄｆは以下のようになる。

ただし、ｙ_ＳＲは中継装置が受信した信号を表しており、ｆ（ｙ_ＳＲ）は中継関数であり、ＥＦの場合は以下の通りである。

ＢＰＳＫの簡単な事例では、ｐｄｆは以下のようになる。

式９と式１２と式１６とを用いて、付加的に必要とされるビットの数を解析的に計算することができる。

ＡＦ処理の場合に当てはまるように、Ｉ（ＳＮＲ１＋ＳＮＲ２）という表記は、両方の信号がガウス雑音のみによって外乱を受ける場合に妥当であることに留意されたい。ＤｅｔＦ及びＥＦといった非線形な中継処理の場合には、合成された信号のＭＩの計算はわずかに異なる。チェイス合成の場合の両方の信号の合成は、式１２及び１６のｐｄｆの計算の中で行われなければならない。この合成は、直接的リンク及び中継されるリンクの密度を乗ずることによって行われる。式６においてＭＩを計算するべくｐ（ｙ_ＲＤ｜ｓ）を用いる代わりに、２つの観測結果に対応する２つのｐｄｆの積を用いることができる。

チェイス合成を用いる中継処理のほかに、チャネル復号を含む中継処理を用いることもできる。ＤＦであって復号がうまくいく場合には、ＣＣ手法の代わりにＩＲ手法を用いることができる。場合によっては、ＣＣ手法よりもＩＲ手法の方が良好である。ＣＣ又はＩＲの場合において、ＤＦ中継処理の代わりに、ＤＥＦ、すなわちＥＦ中継処理をチャネル復号に拡張したものを用いることもできる。ＩＲの場合、付加的なビットの数を求める手順は異なる。これは、ＳＮＲ値を合計するのではなく、種々の伝送についてＭＩの平均をとるためである。

この値は符号化率よりも大きくなければならない。符号化率は、ＩＲの場合、新たな符号ビット又はパリティビットが生成されるために減少する。送信される全てのビットは有効な符号を構成するものであり、その符号化率は、初回送信の符号化率よりも小さい。そのため、ＭＩは、この実効的な符号化率よりも大きくなければならない。

そして、必要とされる付加的な符号ビットの数は以下のようになる。

この場合、１つのビットについてのいくつかの観測結果を合成する必要はなく、中継経路のＭＩを計算すればよい。

したがって、本発明の手法による図２に示した無線システムの全般的な説明を考えれば、中継局によって情報を再送することでより大きなＭＩが生まれるので、中継局１０４によって再送が行われる。さらに、本発明の手法によれば、中継処理と、アクセスリンク（第３のチャネル１１０）、バックホール（backhaul）リンク（第２のチャネル１０８）、直接的リンク（第１のチャネル１０６）の信号対雑音比とを考慮して、中継局１０４による再送の際の最適なビット数を求める。概して、初回送信の際のビット数に対する再送の際のビット数の割合ｐは、以下の通りである。すなわち、ＩＲの場合には、

であり、ＣＣの場合には、

である。ただし、ｐは、初回送信の際のビット数に対する再送の際のビット数の割合であり、Ｒ_ｃは初回送信の符号化率であり、ＳＮＲ_ＳＤは、送信機と受信機との間にあるチャネル１０８の信号対雑音比であり、ＳＮＲ_ＳＲは、送信機と中継局との間のチャネル１０６の信号対雑音比であり、ＳＮＲ_ＲＤは、中継局と受信機との間のチャネル１１０の信号対雑音比であり、ｆ（ＳＮＲ）は、１つ以上のチャネルのＳＮＲ値に依存する相互情報量を表す関数である。

図４は、本発明の手法に基づいて計算されたビットを送信するための中継局を用いた場合の、送信元と宛先との間の距離に関する達成可能な改善を示している。図４（Ａ）は、第１のチャネル１０６を通して接続されている送信元Ｓ及び宛先Ｄと、第３のチャネル１１０を通して宛先と接続されている中継局Ｒとを示した図２のシステムを概略的に示している。また、送信元と中継局との間のチャネル１０８も示している。図４（Ｂ）から明らかなように、中継局Ｒを用いることにより、例えば図２（Ｂ）のような従来の手法と比べて、送信元と宛先との間の距離が長くなっても、ＭＩは符号化率よりも大きいレベルに維持されている。

本発明の手法は、再送の際にリソースを節約することができるので好都合である。中継用のチャネルが、直接的なリンクよりも良好であると予想される場合には、先に説明したように中継処理及び各チャネルのＳＮＲを考慮して、必要とされる最小のビット数を非常に簡単に計算することができる。

さらに、初回送信の際に、より大きなＭＣＳを選択することによって、より高いスループットを達成できる。特にアップリンクにおいては、中継用バックホールリンクのチャネル品質は直接的リンクに比べて良好かつ一定であり、それにより再送のために必要とされるビット数又は電力を更に低減できると予想される。したがって、実施形態によれば、ＨＡＲＱ手法と組み合わせて、中継の利点を十分に活用できる。

本発明の手法を用いて得られる利得を、図５〜図８を参照して以下に説明する。符号化率が０．３３で、直接的経路又は第１のチャネル１０６のＳＮＲが−５ｄＢの場合に、例えば、ＥＦ中継処理を用いる中継局を用いて再送されることになるビットの最小の割合を図７に示している。図７は、中継装置が符号語全体を送信する場合と比べてリソースが節約できることを示しており、それにより、本発明の手法によって達成できる利得を示している。図５及び図６に示すＡＦ中継処理及びＤＥＴ中継処理と比べて、ＥＦ中継処理の場合の利得はより顕著であることがわかる。図６は、固定されたＭＣＳ、つまりＱＰＳＫを用い、符号化率Ｒ_ｃが０．３３であり、直接リンクのＳＮＲが−５ｄＢであることを前提として、ＡＦ中継処理の場合に再送されるビットの最適な割合を示している。この中継局は、当該中継局においてチャネル復号を用いることなく、ＡＦ処理を使用する。図から明らかであるように、語全体の再送を用いた従来の手法に比べて利得が大きい。中継局を使用することは有益であり、結果として、本発明の手法を適用すれば８０％までリソースを節約できる。

各中継処理の差は図８から明らかである。図８は、チャネル復号を用いずに、ＡＦ中継処理、ＤｅｔＦ中継処理、ＥＦ中継処理を適用し、かつ図６と同様に、固定されたＭＣＳ、つまりＱＰＳＫを用い、符号化率Ｒ_ｃが０．３３であり、直接リンクのＳＮＲが−５ｄＢであることを前提としたときの、中継局の実効レートを示している。図８は、中継局を用いた場合と用いない場合の実効レートの比を示している。大抵の場合は中継局を用いた場合のレートが明らかに大きいので、大抵の場合は中継局を使用することが有益であり、結果として、レートが６０％まで増加する。図から明らかなように、ＥＦ中継処理はＡＦ中継処理よりも良好であり、最大で１０％まで利得が増加する。システム設定が同じ場合の、中継を用いた場合の実効レートと用いない場合の実効レートとの比を示している。送信元が再送する場合も、全ての場合において最小量のビットが再送されることを前提としている。したがって、１よりも大きな値は、本発明の手法によって達成可能な付加的な利得を表している。

複数の実施形態によれば、再送は、上記で説明した本発明の手法に基づいて割り当てられたリソースを用いて中継局が行う。複数の実施形態によれば、リソースの割当て又は計算のために、各チャネル（送信元、宛先、中継装置の間のチャネル）に関連付けられた各ＳＮＲ値を知る必要がある。このような実施形態において、中継局は、送信機と中継局との間のチャネルのＳＮＲ値と、中継局と受信機との間のチャネルのＳＮＲ値とを知ることができる。リソースを割り当てる際に、送信機と受信機との間のチャネルのＳＮＲ値も知る必要がある場合には、このＳＮＲ値は、送信機又は受信機が中継局へ信号で伝える必要がある。

他の実施形態によれば、中継局から宛先への送信に割り当てられることになるリソースの決定は、中継局自体において行われる必要はなく、無線通信システム内の任意のノードにおいて行うことができる。例えば、計算は、宛先において行うことができ、ＮＡＫメッセージの場合にのみ実行することができるため、このメッセージとともに、再送のために必要とされるリソースも中継局に信号で伝えることができ、当該中継局は、受信した情報に基づいて再送を開始する。また、決定されたリソースの中継局への信号送信を行うことを条件として、リソースの決定は、送信元ノードにおいて、又はネットワーク内の任意の他のノードにおいて行うことができる。繰り返すが、ノードにおけるリソースの割当て又は計算のために、送信機、受信機、中継局の間の各チャネルに関連付けられた各ＳＮＲ値を知る必要があり、当該ノードに信号で伝えることができる。例えば、一実施形態では、宛先（受信機）が全てのＳＮＲ値に基づいてリソースを計算することができ、すなわち、宛先は、全てのＳＮＲ値を知る必要がある。これらのＳＮＲ値のうちのいくつかは、宛先において直接、推定することができるが、中には信号で伝えられなければならないものもある。この場合、送信元から中継装置へのチャネルのＳＮＲ値は、宛先では推定することができないため、中継装置が信号で伝えなければならない。同じことが、送信元がリソースを計算するときにも当てはまり、すなわち、ＳＮＲ値のうちのいくつか（例えば、送信元と宛先との間のチャネルの値、及び送信元と中継装置との間のチャネルの値）は送信元において直接、推定することができるものの、中継装置から宛先までのチャネルのＳＮＲ値は送信元では推定することができないため、中継装置が送信元へ信号で伝えなければならない。別のノードがリソースを計算する場合には、そのノードがリソースを計算し、それを中継装置に転送することができるように、全てのＳＮＲ値を当該ノードに信号で伝えることができる。

更なる実施形態によれば、高度な（intelligent）否定的応答メッセージ（インテリジェントＮＡＫ）のカウントも提供される。中継局は肯定的応答メッセージ又は否定的応答メッセージを宛先へ送信して、中継局が再送を支援することができるか否か、及びそれをいかに行うかを指示することができる。例えば、復号前のＭＩのチェックによって、その送信の復号がうまくできることを中継局が知っている場合には、宛先は、ビット数の計算においてこの点に適応することができる。その一方で、ＥＦ中継処理又はＡＦ中継処理を用いる場合には、中継局は、中継局の出力におけるＳＮＲ又はＭＩのいずれかによってその信号の品質を信号で伝えることができ、さらに、宛先は必要とされるビット数を計算することができるようになる。中継局が、第２のホップのＳＮＲを知っている場合には、ビット数そのものの合計ＭＩを計算し、これを宛先に信号で伝えることができる。

装置と関係づけていくつかの態様を説明してきたが、これらの態様は、これに対応する方法の説明でもあり、ブロック又はデバイスが方法のステップ又は方法のステップの特徴に相当することが明らかである。これと同様に、方法のステップに関連して説明した態様は、対応する装置の対応するブロック又はアイテム又は特徴の説明でもある。

ある特定の実施要件に応じて、本発明の実施形態はハードウェア又はソフトウェアにより実施することができる。実施態様は、電子的に読取り可能な制御信号が保存されたデジタルストレージ媒体、例えばフロッピー（登録商標）ディスク、ＤＶＤ、ＣＤ、ＲＯＭ、ＰＲＯＭ、ＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、又はフラッシュメモリを用いて実行することができ、これらは、それぞれの方法が実行されるようにプログラム可能なコンピュータシステムと連携する（又は連携可能である）。

本発明によるいくつかの実施形態は、本明細書に記載の方法のうちの１つが実行されるようにプログラム可能なコンピュータシステムと連携することができる電子的に読取り可能な制御信号を有するデータキャリアを含む。

概して、本発明の実施形態は、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として実装することができる。このプログラムコードは、コンピュータプログラム製品がコンピュータ上で実行された場合に、方法のうちの１つを実行するように動作しうる。プログラムコードは、例えば機械可読キャリア上に保存することができる。

他の実施形態には、機械可読キャリア上に保存された、本明細書に記載の方法のうちの１つを実行するコンピュータプログラムが含まれる。したがって、換言すれば、本発明の方法の一実施形態は、コンピュータプログラムがコンピュータ上で実行された場合に本明細書に記載の方法のうちの１つ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である。したがって、本発明の方法の更なる実施形態は、データキャリア（又はデジタルストレージ媒体若しくはコンピュータ可読媒体）であって、当該データキャリア上に記録された、本明細書に記載の方法のうちの１つを実行するコンピュータプログラムを含むデータキャリアである。したがって、本発明の方法の更なる実施形態は、本明細書に記載の方法のうちの１つを実行するコンピュータプログラムを表すデータストリーム又は信号シーケンスである。データストリーム又は信号シーケンスは、例えば、データ通信接続を通して、例えばインターネットを通して転送できるようにすることができる。

更なる実施形態には、本明細書に記載の方法のうちの１つを実行するように構成又は適応化された処理手段、例えばコンピュータ又はプログラム可能な論理デバイスが含まれる。更なる実施形態には、本明細書に記載の方法のうちの１つを実行するコンピュータプログラムがインストールされたコンピュータが含まれる。いくつかの実施形態では、プログラム可能な論理デバイス（例えばフィールドプログラマブルゲートアレイ）を用いて、本明細書に記載の方法の機能のうちのいくつか又は全てを実行することができる。いくつかの実施形態では、フィールドプログラマブルゲートアレイは、本明細書に記載の方法のうちの１つを実行するためにマイクロプロセッサと連携することができる。概して、本方法は好ましくは任意のハードウェア装置によって実行される。

上述した実施形態は、単に本発明の原理を説明したものである。本明細書に記載の構成及び詳細の変更及び変形は当業者には明らかであることを理解されたい。したがって、本発明は、添付の特許請求の範囲によってのみ限定され、本明細書における実施形態の記述及び説明のために提示した特定の詳細によって限定されるものではないことが意図される。

Claims (14)

1. 送信機（１００）と中継局（１０４）と受信機（１０２）とを有する無線通信ネットワークにおいてリソースを割り当てる方法であって、
   前記受信機（１０２）は、前記送信機（１００）と前記中継局（１０４）とから信号を受信し、それら受信信号を合成して復号し、
   前記受信機（１０２）が受信した信号の復号に失敗した場合には、前記中継局（１０４）から前記受信機（１０２）に向けて情報の再送が開始され、
   前記再送に必要なリソースは、前記中継局（１０４）の動作の基礎となる中継プロトコルと、前記送信機（１００）と前記受信機（１０２）との間の、前記中継局（１０４）を介したチャネル（１０８、１１０）のチャネル品質及び前記送信機（１００）と前記受信機（１０２）との間の直接的なチャネル（１０６）のチャネル品質とに基づいて決定される、方法。
2. 前記リソースは、前記無線通信ネットワーク内の前記中継局（１０４）又は任意の他のノード（１００、１０２）により決定され、
   前記リソースが前記無線通信ネットワーク内の前記任意の他のノード（１００、１０２）により決定される場合には、再送のためのリソースを前記中継局（１０４）に信号で伝えるステップを更に含む請求項１に記載の方法。
3. 前記送信機（１００）は、前記受信機（１０２）に符号語を送信するものであり、
   再送は、前記受信機（１０２）が前記符号語の復号に失敗した場合に要求されるものであり、
   前記中継局（１０４）が前記受信機（１０２）に前記情報を再送し、その再送の後に前記受信機（１０２）にて前記符号語が所定の確率で復号される、請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記リソースを決定するために必要な１つ以上のパラメータを、前記リソースを決定するノードへ信号により伝えるステップを更に含む請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記必要なパラメータは、前記送信機（１００）と前記受信機（１０２）と前記中継局（１０４）との間にあるチャネル（１０６〜１０８）の各信号対雑音比のうちの１つ以上を含むものであり、前記ノードが信号対雑音比を求めることができない場合には、当該ノードに向けて信号対雑音比が信号により送られる、請求項４に記載の方法。
6. 前記チャネル品質は、前記送信機（１００）と前記受信機（１０２）と前記中継局（１０４）との間にあるチャネル（１０６〜１０８）の相互情報量か、確率密度関数か、対数尤度比かに基づいて決定されるものである、請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
7. 前記中継プロトコルは、検出・転送プロトコルか、復号・転送プロトコルか、推定・転送プロトコルか、増幅・転送プロトコルかを含むものである、請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
8. 前記符号語はハイブリッド型自動再送要求（ＨＡＲＱ）により送信され、前記リソースは、前記中継局（１０４）が再送を行う際のビット数又は電力である、請求項１〜７のいずれか一項に記載の方法。
9. 最初に送信されたビットのうちの一部を再送するためのチェイス合成（ＣＣ）法か、元の符号語のうちの異なるビットを再送するためのインクリメンタル・リダンダンシー（ＩＲ）法かが用いられる、請求項８に記載の方法。
10. 前記送信機（１００）と前記受信機（１０２）と前記中継局（１０４）との間にあるチャネル（１０６〜１０８）はその信号対雑音比によって表されるものであり、
    初回送信の際のビット数に対する前記再送の際のビット数の割合は、ＩＲの場合には、
    

    

    であり、ＣＣの場合には、
    

    

    であり、ここで、ｐは、前記初回送信の際のビット数に対する前記再送の際のビット数の割合であり、Ｒ_ｃは符号化率であり、ＳＮＲ_ＳＤは、前記送信機（１００）と前記受信機（１０２）との間のチャネル（１０８）の信号対雑音比であり、ＳＮＲ_ＳＲは、前記送信機（１００）と前記中継局（１０４）との間のチャネル（１０６）の信号対雑音比であり、ＳＮＲ_ＲＤは、前記中継局（１０４）と前記受信機（１０２）との間のチャネル（１１０）の信号対雑音比であり、ｆ（ＳＮＲ）は、１つ以上のチャネルのＳＮＲ値に依存した相互情報量を表す関数である、請求項９に記載の方法。
11. 無線通信ネットワーク内の送信機（１００）と受信機（１０２）との間の情報伝送の方法であって、前記無線通信ネットワークは中継局（１０４）を更に有しており、
    前記送信機（１００）が前記受信機（１０２）に符号語を送信するステップと、
    前記符号語が前記受信機（１０２）にて誤って検出された場合には、前記中継局（１０４）による情報の再送を要求するステップと、
    請求項１〜９のいずれか一項に基づいて、前記中継局（１０４）による再送のためのリソースを割り当てるステップと、
    前記割り当てられたリソースを用いて前記中継局（１０４）が前記受信機（１０２）に向けて再送を行うステップであって、その再送の後に、前記受信機（１０２）が前記符号語を所定の確率で復号することができる、ステップと
    を含む方法。
12. コンピュータ可読媒体に保存された命令を有するプログラムを含むコンピュータプログラムであって、前記プログラムがコンピュータ上で実行された場合に、前記命令は、請求項１〜９のいずれか一項に記載の方法を実行するものである、コンピュータプログラム。
13. 送信機（１００）と中継局（１０４）と受信機（１０２）とを有する無線通信ネットワーク内のノードであって、
    前記中継局（１０４）が前記受信機（１０２）に向けて請求項１〜９のいずれか一項に記載の再送を行う場合にリソースを割り当てるプロセッサ（１００’、１０２’、１０４’）を備えたノード。
14. 送信機（１００）と、
    前記送信機（１００）から符号語を受信し、当該符号語が誤って検出された場合には再送を要求する受信機（１０２）と、
    前記受信機（１０２）が前記符号語を誤って復号した場合に情報を再送する中継局（１０４）と
    を備えており、前記送信機（１００）と前記受信機（１０２）と前記中継局（１０４）とのうちの少なくとも１つが請求項１３に記載のノードとして構成される、無線通信ネットワーク。

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