JP6877708B2

JP6877708B2 - 無線中継装置および無線中継方法

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Publication number: JP6877708B2
Application number: JP2017045057A
Authority: JP
Inventors: 直人江頭; ジュリアンウェバー; 一人矢野; 悟司塚本; 智明熊谷
Original assignee: ATR Advanced Telecommunications Research Institute International
Current assignee: ATR Advanced Telecommunications Research Institute International
Priority date: 2017-03-09
Filing date: 2017-03-09
Publication date: 2021-05-26
Anticipated expiration: 2037-03-09
Also published as: JP2018148535A

Description

本発明は、無線中継装置および無線中継方法に関する。

無線ＬＡＮの利用拡大や無線監視カメラなど通信機能を有する機器の増加により無線通信のトラヒックが急激に増大しており、周波数利用効率を向上させて、限りある無線リソースにより多くのトラヒックを収容することが求められている。

すなわち、近年、無線ローカル・エリア・ネットワーク(WLAN)が密に配置され、かつ、ＩｏＴならびにＭ２Ｍ通信に対するそれらの需要のために、周波数資源の不足が急速に進行している。そして、一般には、このような無線通信トラヒックの収容先として、ＩＳＭ（Industry-Science-Medical）帯のような免許不要帯域の複数システム共用周波数帯域が使用されることが多い。

また、このような無線通信方式においては、誤り訂正を目的として、符号化方式に畳込み符号が使用され、復号方式にはビタビ復号が用いられる場合がある。

ビタビ復号は、畳込み符号に対して最尤復号を容易に実現できる復号法として実用上重要であり、また、軟判定復号を容易に適用することができるので優れた誤り性能を得ることができることが知られている。

そして、このようなビタビ復号については、たとえば、特許文献１に、加算比較選択演算（Add, Compare, Select演算、以下ＡＣＳ演算と称す）を、ＡＣＳ演算済みの入力データが「打ち切り長」に達するまで繰り返し、トレースバック演算器によってトレースバック処理を行い復号結果の取得を行う構成が開示されている。特許文献１では、誤り訂正能力を十分に向上させることを目的として、ＡＣＳ演算器が、復号データに誤りがある場合に再度、受信データに対して加算比較選択演算を実行する構成が開示されている。

また、特許文献２には、消費電力の削減を図ることを目的として、以下のような構成が開示されている。すなわち、特許文献２に開示の受信装置は、畳込み符号化されたデータを復号化するビタビ復号器と、受信データフレームのヘッダ内に記述されたデータからビタビ復号器で用いられるパラメータのトレースバック長を制御するトレースバック長制御手段と、復号データのヘッダを用いてその中の情報を読み取るヘッダ解析手段で構成される。受信装置は、畳込み符号化されたデータを受信し、その後、複数のメモリを備えた並列処理のできるビタビ復号器によって最尤復号化が行われる際、受信したデータのヘッダ内の情報を用いてトレースバック長を制御し、複数ある並列メモリについて使用か不使用かを設定し、不使用となる並列メモリがある場合には、それらを静止してスタンバイモードにする。

ただし、あくまで、これらのビタビ復号についての従来技術は、個々の受信機において、誤り訂正能力の向上や、ビタビ復号器の構成が複雑化した場合の消費電力の低減などを目的としたものである。

ところで、各送信機の最大送信電力を増加させることなく、カバーエリアを拡大する方法として、中継方式（リレー方式）があり、たとえば、IEEE 802.11sなどで規格化されている。

従来のリレー方式には、主として、以下の２種類がある（たとえば、特許文献３を参照）。

すなわち、Decode-and-Forward（ＤＦ）と呼ばれるリレー方式と、Amplify-and-Forward（ＡＦ）と呼ばれる方式である。

特開２００９−１５９４８２号明細書特開２０１１−３５５６８号明細書特開２０１３−１７５８１７号明細書

ＤＦ方式では、リレー対象となるフレームの復号処理を行い、受信フレームに誤りがないことを確認してから、誤り訂正後のビット列について再符号化/変調を施してリレー送信を行う。このＤＦ方式では、リレー装置において誤り訂正を行うことで、転送先への誤り伝搬を防ぐことができるが、復号処理が完了するまで、リレー送信を開始できないため、大きな遅延が生じてしまう。特に、誤り訂正が不要となるような良い通信状況の場合には、復号完了までの遅延時間は大きなロスとなる。

一方、ＡＦ方式では、復調/復号などを行わず受信して即座に転送を開始するが、受信信号に含まれているノイズもそのまま増幅して送信するため、受信信号電力が高いにも関わらずＳ／Ｎ比が劣化することがある。また、受信フレームが転送必要かどうかを確認せずにリレーを行ってしまう。そのため不要なフレーム送信が発生し、リソースの浪費や干渉の増加を招く恐れがある。

すなわち、従来のリレー方式では、変動しうる通信状況下において、誤り率の抑制と、遅延時間の短縮を両立させることが困難であるという問題があった。

一方で、たとえば、無線ＬＡＮでは、信号の衝突回避のために、一般に、CSMA/CA（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance：キャリア検知多重アクセス/衝突回避）方式と呼ばれる方式が採用される。この方式では、送信後は必ず、送信側は「ACK（ACKnowledgement、到着確認応答）」を一定時間だけ待ち、到着確認応答が戻らない場合は衝突などが起きたと判断して再送信を行なうという制御を行う。

ところが、上記のようなリレー装置を介した通信においては、あるデータを送受信するノードの組が、送信元ノードから宛先ノードまでに少なくとも２つ存在することになる。したがって、再送制御を行う場合、宛先ノードからの到着確認応答の到着までの待ち時間が、遅延時間を増加させてしまう可能性がある、という問題が生じることになる。

本発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、リソースの浪費や干渉の増加を抑制しつつ、再送による遅延を削減して効率的な中継が可能な無線中継装置および無線中継方法を提供することである。

この発明の１つの局面に従うと、全二重通信が可能な無線通信方式で通信し、送信元ノードからの第１のフレーム信号を中継し宛先ノードに第２のフレーム信号として転送するための無線中継装置であって、送信元ノードからの信号を受信する受信手段と、受信手段で受信した第１のフレーム信号を復調し、第１のフレーム信号のヘッダの情報が復号された時点でヘッダ情報を出力する復調復号手段とを備え、復調復号手段は、第１のフレーム信号の復号後のデータに対する誤り検出を実行するための誤り検出手段を含み、ヘッダ情報に基づいて、第１のフレーム信号を中継することが必要と判断されることに応じて中継処理を制御するための中継制御手段と、中継制御手段の制御に応じて、第１のフレーム信号の受信期間と少なくとも一部で重複する期間において、復調復号手段からのデータを符号化および変調して第２のフレーム信号を生成するための符号化・変調手段と、符号化・変調手段の出力を宛先ノードに向けて送信するための送信手段と、宛先ノードからの第１の到着確認応答に応じて、第２のフレーム信号の再送の制御を行い、誤り検出手段により誤りが検出されることに応じて、第２のフレーム信号の送信の中断の制御を行うための再送制御手段とを備える。

好ましくは、復調復号手段の処理結果を保持するためのバッファ手段をさらに備え、再送制御手段は、ｉ）誤り検出手段で誤りが検出されない場合、送信元ノードに対して、第２の到着確認応答を送信し、ｉｉ）第２の到着確認応答の送信後は、バッファ手段に格納されたデータにより、第１の到着確認応答を受信するまで、宛先ノードへの再送を実行する。

好ましくは、復調復号手段は、所定の復調処理を実行してビット列を生成するための復調手段と、ビット列に基づき、トレリス符号に対する復号処理を実行するための復号手段とを含み、誤り検出手段は、復号手段の出力に対して誤り検出を実行し、符号化・変調手段は、中継制御手段の制御に応じて、復調手段または復号手段のいずれかから出力され、バッファ手段に保持されるデータを選択的に受けて、符号化および変調して第２のフレーム信号を生成する。

好ましくは、符号化・変調手段は、中継制御手段の制御に応じて、復調復号手段での復調および復号の方式とは独立に制御される符号化および変調の方式により、第２のフレーム信号を生成する。

好ましくは、全二重通信が可能な無線通信方式は、互いに分離した複数の周波数帯のそれぞれの無線チャネルを利用して無線通信する方式である。

好ましくは、復号手段は、トレリス符号に対する復号処理に対してトレリス上での打ち切り長を設定可能であり、中継制御手段は、第１のフレーム信号に基づき、送信元ノードと無線中継装置との間の通信品質を推定する通信品質推定手段と、推定された通信品質に基づいて、通信品質の向上に応じて、打ち切り長を短くするように、打ち切り長を設定する中継条件設定手段とを含む。

この発明の他の局面に従うと、全二重通信が可能な無線通信方式で通信し、送信元ノードからの第１のフレーム信号を中継し宛先ノードに第２のフレーム信号として転送するための無線中継方法であって、送信元ノードからの信号を受信するステップと、受信した第１のフレーム信号を復調し、第１のフレーム信号のヘッダの情報が復号された時点でヘッダ情報を出力する復調復号ステップと、ヘッダ情報に基づいて、第１のフレーム信号を中継することが必要と判断されることに応じて中継処理を制御するステップと、中継処理の制御に応じて、第１のフレーム信号の受信期間と少なくとも一部で重複する期間において、復調復号ステップでの処理中のデータを途中で受けて符号化および変調して第２のフレーム信号を生成するステップと、変調後の第２のフレーム信号を宛先ノードに向けて送信するステップと、第１のフレーム信号の復号後のデータに対する誤り検出を実行するステップと、宛先ノードからの第１の到着確認応答に応じて、第２のフレーム信号の再送の制御を行い、誤り検出手段により誤りが検出されることに応じて、第２のフレーム信号の送信の中断の制御を行うステップとを備える。

この発明によれば、無線中継装置においてリソースの浪費や干渉の増加を抑制して、効率的な中継を実現することが可能である。

また、無線中継装置において遅延時間を縮小することが可能である。

本実施の形態の無線中継装置１０００の中継動作の概念を説明するための図である。本実施の形態の無線中継装置１０００の構成を説明するための機能ブロック図である。無線中継装置１０００が、送信元ノードから受信するフレーム信号の構成を説明するための概念図である。復調／復号部１１０、リレー制御部１１２、符号化／変調部１２０の構成を説明するためのブロック図である。従来のＤＦ方式において、中継ノードで実行される処理を説明する概念図である。ＴＤＦ方式において、中継ノードで実行される処理を説明する概念図である。中継方式における伝送の時間経過を示す図である。再送制御のフローを説明するためのフローチャートである。再送制御される場合のＳ−Ｒ間およびＲ−Ｄ間のフレーム送受信の時間経過を示すタイミングチャートである。

以下、本発明の実施の形態の無線通信システムおよび無線中継装置の構成を説明する。なお、以下の実施の形態において、同じ符号を付した構成要素および処理工程は、同一または相当するものであり、必要でない場合は、その説明は繰り返さない。

なお、以下では、本発明の無線中継装置は、「全二重通信」が可能な無線通信方式で動作するものとして説明する。その場合、本発明の無線中継装置を説明する一例として、互いに大きく分離した複数の既存の免許不要帯域（たとえば、ＩｏＴなどに使用される９２０ＭＨｚ帯、無線ＬＡＮに使用される２．４ＧＨｚ帯と５ＧＨｚ帯）において、複数の周波数帯を同時に利用し、送信元モードから中継機までの伝送と中継機から宛先ノードまでの伝送とを互いに異なる周波数帯で同時並行して実行する無線中継装置を例とする実施の形態を説明する。

ただし、全二重通信を実現する方式としては、必ずしも、このような複数の周波数帯を使用する方式に限られず、たとえば、同一の周波数帯であっても、いわゆる空間分割により、全二重通信が可能な方式であってもよい。

このような同一の周波数帯において、全二重通信を実現する方式を実現する方式として、以下の文献に開示がある。

文献： Jung Il Choiy, Mayank Jainy, Kannan Srinivasany, Philip Levis, Sachin Katti、”Achieving Single Channel, Full Duplex Wireless Communication”,pp.1-12, Proc. of the 16th Annual International Conference on Mobile Computing and Networking (Mobicom 2010).
以下の説明では、上述とおり、異なる周波数帯を同時に使用するものとして、説明する。
［実施の形態］
図１は、本実施の形態の無線中継装置１０００の中継動作の概念を説明するための図である。

なお、以下では、説明の簡単のために、送信元ノードと宛先ノードとの間に、無線中継装置１０００（中継ノード）が１台介在するものとして説明する。ただし、無線中継装置１０００の構成および動作は、必ずしも、このような場合に限定されず、複数台の中継装置が介在するようなマルチホップの場合にも適用可能である。

図１に示されるように、無線中継装置１０００は、送信元ノード１０１０からの信号を受信して、宛先ノード１０２０に対して、信号を中継する。

ここで、後に詳しく説明するように、無線中継装置１０００は、受信処理中に、部分的に復号が完了した信号のリレー送信を、受信とは異なる周波数帯において開始することで低遅延のリレーを実現する。

また、無線中継装置１０００は、受信信号の復号処理方法を、受信フレームの誤り率予測結果に応じて適応的に選択する。たとえば、畳込み符号に対する復号処理の打ち切り長を打ち切りなしも含めて選択することで、復号処理の遅延を最小化して低遅延なリレーを可能にする構成を有する。

なお、以下では、上述したような複数の周波数帯の各周波数帯における変調方式として、直交周波数分割多重方式（ＯＦＤＭ：orthogonal frequency-division multiplexing）を例とし、誤り訂正のための通信路符号化の方式としては、畳込み符号を使用し、復号方式としては、ビタビ復号を用いるものを一例として説明する。ただし、後述するように、本発明は、このような例に限定されるものではない。

図２は、本実施の形態の無線中継装置１０００の構成を説明するための機能ブロック図である。

図２を参照して、無線中継装置１０００は、第１の周波数帯において伝送される送信元ノードからのフレーム信号を受信するための受信アンテナ１００と、受信アンテナからのフレーム信号に対して、低雑音増幅などの高周波処理を実行するためのＲＦ部１０２と、ＲＦ部１０２で受信される信号のプリアンブル信号を利用して同期処理を実行する同期処理部１０４と、同期処理部１０４からの同期信号に同期して、ＲＦ部１０２からの信号に対して、ＯＦＤＭ復調処理を実行するためのＯＦＤＭ復調部１０６と、ＯＦＤＭ復調部１０６からのパイロット信号に基づいて、伝送路推定値および雑音電力推定値を算出する伝搬路推定部１０８とを備える。

無線中継装置１０００において、後述するように、復調／復号部１１０は、ＯＦＤＭ復調部１０６からのフレーム信号（ヘッダおよびフレーム本体データの信号）を受けて、受信したフレーム信号のうち、少なくともヘッダ部分の情報を復号する。リレー制御部１１２は、復号されたヘッダ情報に基づき、受信したフレーム信号が中継処理を要するものであるかを判断し、中継処理を要するものである場合、伝搬路推定部１０８からの伝送路推定値および雑音電力推定値に基づいて、受信フレームの誤り率を予測し、予測結果に応じて、受信したフレーム信号に対する復号処理方法を適応的に選択する。

特に限定されないが、たとえば、リレー制御部１１２は、受信フレームの誤り率の予測結果について事前に設定されているランクに応じて、以下のように、フレーム本体のデータに対する復号方式を切換えるものとする。

ｉ）ビタビ復号における打ち切りなし
ｉｉ）ビタビ復号において打ち切り長Ｌで復号を実行し、実行結果を転送する。

この場合、打ち切り長Ｌについても、予測結果の複数のランクにそれぞれ応じて、複数の値が事前に設定されていてもよい。

ｉｉｉ）ビタビ復号処理を実行せず、復調結果を転送する。

この場合、ビタビ復号において、打ち切り処理を行わないことは、無線中継装置１０００において、誤り訂正能力が最も高くなることに相当するので、これは、受信フレームの誤り率の予測が、誤り率が最も高いとされるランクに相当する場合に選択される。ただし、この場合、復号を誤り訂正等に要する処理時間が最も長くなるため、無線中継装置１０００における遅延は、最も大きくなる。

打ち切り長Ｌが長いほど、誤り訂正能力が高くなることから、受信フレームの誤り率の予測において、誤り率が低くなるほど、打ち切り長Ｌを短く設定することができる。この場合は、打ち切り長Ｌが短いほど、無線中継装置１０００における遅延は、小さくなる。

さらに、ビタビ復号処理を実行せず、復調結果を転送するということは、受信フレームの誤り率の予測が、誤り率が最も低いとされるランクに相当する場合に選択される。この場合、誤り率が低いので、無線中継装置１０００において、誤り訂正を行わなくとも、宛先ノードにおける誤り率は、低く抑えられると期待されるからである。そして、この場合は、無線中継装置１０００における遅延は、最小となる。

図２に戻って、無線中継装置１０００において、リレー制御部１１２は、中継処理を要するものである場合、伝搬路推定部１０８からの伝送路推定値および雑音電力推定値に基づいて予測した受信フレームの誤り率に応じて、受信時の変調方式/符号化率に対して、独立に転送するフレーム信号に対する変調方式／符号化率を変更することができるものとする。

ここで、変調方式および符号化率は、事前に、ＭＣＳ（Modulation and Coding Scheme）として、インデックス化しておくことができる。

このようにして、変調方式および符号化率を変更することで、後述するように、送信元ノードから無線中継装置１０００に対して送信されるフレーム信号のフレーム期間に対して、無線中継装置１０００から宛先ノードへのフレーム信号のフレーム期間を変更することができ、リレー制御部１１２が、中継する信号の送信タイミングを調整することが可能となる。

符号化／変調部１２０は、リレー制御部１１２の制御の下で、復調／復号部１１０から受け取ったデータに対して、選択された変調方式および符号化率で、符号化および変調処理を実行する。

ＯＦＤＭ変調部１２２は、符号化／変調部１２０からの信号に対して、ＯＦＤＭ変調処理を実行し、ＲＦ部１２４は、第１の周波数帯とは異なる第２の周波数帯で、中継されるフレーム信号を送出するための電力増幅などの高調波処理を実行して、送信アンテナ１３０から中継波が送信される。

なお、以上の説明では、通信路符号化の符号化方式としては、「畳込み符号化」とし、復号処理としては、「ビタビ復号」であるものとしている。ただし、本実施の形態の無線中継装置１０００では、より一般に、通信路符号化の符号化方式として、「トレリス符号」を用いることが可能である。

ここで、「トレリス符号」とは、トレリス線図上で定義できるツリー符号であり、トレリス線図とは、入力されるビット系列に従って、有限状態マシンである符号器が状態を変化させていく過程で生成する符号列を表すものである。言い換えると、トレリス線図では、ラベル付きグラフの始点から終点に至るパスが符号語系列に対応する。したがって、トレリス符号では、符号系列が符号器から出力される時点の情報系列だけでなく、それ以前の情報系列にも依存して定まることになる。

そして、トレリス符号では、符号化器の状態数がそれほど大きくない場合においては、トレリスの特性を利用したビタビ復号法による最尤復号が可能である。ただし、トレリス符号の復号方法としては、ビタビ復号法に限られるものではない。

ここで、「畳込み符号」とは、「トレリス符号」のうち、符号系列が符号器から出力される時点の情報系列だけでなく、それ以前の情報系列も依存して定まる「線形符号」のことをいう。

また、ビタビ復号において、「打ち切り長」について説明した。通常、ビタビ復号する際には、打ち切り長により復号を打ち切り、トレリス上において、打ち切った時点で最も尤度の高いステートメトリックを持つステートからトレースバックを開始する。そしてトレースバックを行った結果、得られたデータが復号結果になる。尤度の高いステートメトリックを持つステートとは、ビタビアルゴリズムの実行を打ち切ったトレリス線図上の時点に存在する状態（ステート）のうち、最小のステートメトリック値を有する状態のことをいう。

ただし、復号処理において、「打ち切り長」を考慮することが可能な復号方法としては、ビタビ復号の他にも、たとえば、SW-BCJRアルゴリズムやSOVA（soft output Viterbi algorithm）などがある。SW-BCJRアルゴリズムについては、たとえば、以下の文献に開示がある。

文献：特開２０１０−７３２６４号公報
また、SOVAについては、以下の文献に開示がある。

文献：特開２００２−２１７７４８号公報
さらに、リレー制御部１１２は、後述するように、送信元ノードから受信したフレーム信号について、宛先ノードへの中継処理における再送の制御を実行する。

図３は、無線中継装置１０００が、送信元ノードから受信するフレーム信号の構成を説明するための概念図である。

図３（ａ）に示すように、フレーム信号は、プリアンブルと、ヘッダおよびフレーム本体とを含み、この順序で受信される。

ここで、プリアンブルは、畳込み符号化はされておらず、この部分の信号により、上述のとおり、同期処理が実行される。

ヘッダおよびフレーム本体データは、畳込み符号化されている。上述のとおり、復調／復号部１１０は、まず、ヘッダについて、ビタビ復号化し、リレー制御部１１２が、このヘッダの内容を解析して、受信フレームが、中継対象のフレームであるか否かを判断する。

図３（ｂ）は、現状のIEEE 802.11に準拠する場合のＭＡＣヘッダの構成を説明する図である。

ＭＡＣヘッダのうち、Address1〜Address3の情報により、リレー送信の必要/不要の判断を行うことができる。すなわち、リレーの対象となる宛先/送り元のアドレスが、事前に指示されているため、アドレスを確認することで、リレーの必要/不要を判断することができる。

なお、この場合は、アドレスを確認するためには、物理層のデータフレーム構造中において、データ本体に存在するＰＳＤＵ（Physical Layer convergence protocol Service Data Unit）部分まで復号することが必要となるため、上述したような「復調のみ」を選択する利点は小さくなる。

図３（ｃ）は、現状のIEEE 802.11aに準拠する場合の物理ヘッダの構成を説明する図である。

そこで、ＭＡＣヘッダではなく、物理ヘッダの情報を利用して、中継の要否を指定することも可能である。すなわち、図３（ｃ）に示すように、物理ヘッダには、リザーブビットrsvが１ビット割り当てられている。したがって、このリザーブビットを利用して、リレーの必要/不要を指示する構成とすることができる。中継が必要の指示が示されている場合は、予め決められた送り先へリレー送信を行う構成とすることができる。

この場合は、物理ヘッダの復号は必要となるが、ＰＳＤＵ部分までの復号は必須ではなく、復調のみを行う場合の処理遅延は、物理ヘッダを読むまでとなり、より遅延の小さい中継をすることが可能となる。

なお、IEEE 802.11n、IEEE 802.11acなどでも物理ヘッダにリザーブビットがあるため、同様に、このリザーブビットを利用することで、中継処理の必要/不要を指示することができる。

図４は、図２で説明した復調／復号部１１０、リレー制御部１１２、符号化／変調部１２０の構成を説明するためのブロック図である。

図４を参照して、リレー制御部１１２は、上述のとおり、伝搬路推定部１０８からの伝送路推定値および雑音電力推定値により受信フレームについてのフレームエラーレートを予測するフレームエラーレート予測部１１２２と、復調／復号部１１０からのヘッダ情報に基づいて、中継処理の要否を判断するヘッダ解析部１１２４と、ヘッダ解析部１１２４により中継処理が必要であると判断された場合、フレームエラーレートの予測結果に応じて、上述したような復号処理の条件や、変調方式や符号化率の条件を設定する中継条件設定部１１２６とを含む。

さらに、リレー制御部１１２は、後述するように、宛先ノードから返信されるＡＣＫフレーム（到着確認応答フレーム）や、誤り検出部１１０５からの誤りの検出結果に応じて、再送の制御を行うための再送制御部１１２８を含む。

復調／復号部１１０は、ＯＦＤＭ復調部１０６からの信号に対して、たとえば多値変調に対する復調処理を実行する復調処理部１１０１と、復調されたビット列に対して、デインターリーブ処理を実行するデインターリーブ処理部１１０２と、デインタリーブされた信号に対してデパンクチャリング処理を実行するためのデパンクチャリング部１１０３とを含む。デパンクチャリング部１１０３は、デパンクチャリング処理を実行するための内部メモリ１１０３．２と、デパンクチャリング処理を実行するデパンクチャ処理部１１０３．１とを含む。

さらに、復調／復号部１１０は、デパンクチャリング処理された信号に対して、ビタビ復号を実行するためのビタビ復号部１１０４を含む。ビタビ復号部１１０４は、ビタビ復号処理を実行するための内部メモリ１１０４．２と、ビタビ復号処理を実行するビタビ復号処理部１１０４．１とを含む。ビタビ復号処理部１１０４．１は、たとえば、上述したようなＡＣＳ演算や、トレースバック処理を実行する。このとき、中継条件設定部１１２６の設定により、打ち切り長が設定される。

さらに、復調／復号部１１０は、ビタビ復号された信号に対して、ＣＲＣ（Cyclic Redundancy Check）などの誤り検出符号により、誤り検出を行うための誤り検出部１１０５を含む。

誤り検出部１１０５の出力は、バッファ１１１．２に一旦格納される。バッファ１１１．２の記憶容量は、少なくとも１フレーム分のデータを記憶できる必要があり、望ましくは、後に説明する再送の際のことも考慮して、２フレーム分以上の容量があることが望ましい。

次に、符号化／変調部１２０は、バッファ１１１．２に格納されたデータに対して、ＣＲＣなどの誤り検出符号を付加する誤り検出符号付加部１２０１と、畳込み符号化を実行するための畳込み符号化部１２０２とを含む。

バッファ１１１．２に格納されたデータが誤り検出符号付加部１２０１に送られる場合は、上述した「ビタビ復号における打ち切りなし」に相当する。

後述するように、中継条件設定部１１２６の設定により、ビタビ復号部１１０４内の内部メモリ１１０４．２に格納されたデータが、バッファ１１１．１を介して、畳込み符号化部１２０２に入力される場合もある。これは、上述した「ビタビ復号において打ち切り長Ｌで復号を実行し、実行結果を転送」に相当する。バッファ１１１．１の記憶容量も、少なくとも１フレーム分のデータを記憶できる必要があり、望ましくは、後に説明する再送の際のことも考慮して、２フレーム分以上の容量があることが望ましい。

さらに、符号化／変調部１２０は、畳込み符号化された信号について、パンクチャリング処理を実行するパンクチャリング部１２０３を含む。後述するように、中継条件設定部１１２６の設定により、デパンクチャリング部１１０３内の内部メモリ１１０３．２に格納されたデータが、バッファ１１１．１を介して、パンクチャリング部１２０３に入力される場合もある。これは、上述した「ビタビ復号処理を実行せず、復調結果を転送」に相当する。

さらに、符号化／変調部１２０は、パンクチャリング処理された信号に対して、インターリーブ処理を実行するインターリーブ処理部１２０４と、インターリーブ処理された信号に対して、変調処理を実行する変調処理部１２０５とを含む。
（本実施の形態の中継伝送方式）
以下では、従来の中継伝送方式（ＤＦ方式）と本実施の形態の中継伝送方式とを対比して説明する。

表現を単純化するために、「S-Rフレーム」および「R-Dフレーム」との用語を定義する。前者は、送信元ノード（Ｓ）と中継ノード（Ｒ）の間のフレームを表し、後者は、中継ノード（Ｒ）と宛先ノード（Ｄ）の間のフレームを表す。

本実施の形態の無線中継装置１０００では、中継ノードは、ある周波数帯でのデータフレームを受信する一方で、別の周波数帯上でデータフレームを転送する。［従来中継伝送方式(ＤＦ方式)］
図５は、従来のＤＦ方式において、中継ノードで実行される処理を説明する概念図である。

図７は、各中継方式における伝送の時間経過を示す図である。

図５に示すように、畳込み符号が使用されるものとし、ＤＦ方式の中継伝送方式による中継ノードは、復調処理、デインターリーブ処理、デパンクチャリング処理、ビタビ復号および、ＣＲＣ符号を使用するフレームエラーチェックを実行する。

受信フレームにフレームエラーが検出されない場合、復号されたビット列は、誤り検出符号が付加された後、畳込み符号化処理、パンクチャリング処理、インターリーブ処理および変調処理の後に、送信される。

ここで、Ｔ_SRとＴ_RDは、それぞれS-RフレームとR-Dフレームのフレーム伝送期間であるものとする。

図７（ａ）に、ＤＦ方式の伝送時間が示される。

図７（ａ）から、ＤＦ方式では、中継の伝送時間（中継の遅延時間）Ｔ_DFはＴ_SRとＴ_RDの合計であることがわかる。［本実施の形態の中継伝送方式(ＴＤＦ方式)］
次に、遅延時間を縮小するための本実施の形態の中継伝送方式について以下説明する。

本実施の形態の中継方式は、復号処理を途中で打ち切ることによりフレーム受信の完了の前に、復号されたビット列を転送し始める。

ここでは、このような本実施の形態の中継方式を「打ち切りＤＦ (ＴＤＦ：Truncated- Decode-and-Forward) 方式」または単に「ＴＤＦ方式」と呼ぶことにする。

図６は、ＴＤＦ方式において、中継ノードで実行される処理を説明する概念図である。

図６（ａ）に示すように、「ビタビ復号処理を実行せず、復調結果を転送」の場合（Ｌ＝０に相当）は、復調／復号部１１０においてデパンクチャリング処理がされた結果が、符号化／変調部１２０に送られて、その後、インターリーブ処理および変調処理の後に、送信される。一方、このような送信処理とは並行して、受信フレームに対して、ビタビ復号およびＣＲＣによる誤り検出処理が実行される。

一方、図６（ｂ）に示すように、「ビタビ復号において打ち切り長Ｌで復号を実行し、実行結果を転送」の場合は、復調／復号部１１０において、復調処理、デインターリーブ処理、デパンクチャリング処理、およびパス打ち切りを伴うビタビ復号処理が実行される。パス打ち切りで復号されたビット列は、符号化／変調部１２０において、畳込み符号化、パンクチャリング処理、インターリーブ処理および変調処理の後に、送信される。一方、この場合も、送信処理と並行して、受信フレームに対して、ＣＲＣによる誤り検出処理が実行される。

なお、本実施の形態の中継方式でも、「ビタビ復号における打ち切りなし」の場合は、図５の従来のＤＦ方式と同様の処理で、中継が実行されることになる。

図７を参照して、ＴＤＦ方式では、中継ノードは、ある周波数帯上で、フレームのヘッダを受信し、中継伝送が必要な場合、中継ノードは別の周波数帯上の中継伝送を始める一方で、中継ノードは、図７（ｂ）に示されるようなフレームの受信を行っている。

ＴＤＦ方式では、OFDMシンボルの受信の完了からその中継伝送の開始までの期間が短いので、「処理遅延」の期間は無視できない。ここで、「処理遅延」とは、Ｌ個の復号されたビットを得るために、ビット列を受信する期間であると考える。また、Ｌはビタビ復号における打ち切りパスの長さである。

ＴＤＦ方式の遅延時間は、以下のように表現される。

ここで、Tpreは、プリアンブルの期間であり、Tsymは、ガードインターバル(GI)のあるＯＦＤＭシンボルの期間であり、NbをOFDMシンボルごとの情報ビットの数であるとするとき、Ｎは、以下の式で表される。

ここで、以下の関数は、一般に天井関数と呼ばれ、引数ｘに対して、ｘ以上の最小の整数を表す。

Ｔ_SR≦Ｔ_RDである場合、リレー制御部１１２は、S-Rフレームのヘッダの受信および復号の完了後、所定の処理遅延の時間後に、R-Dフレームの中継伝送が始められるように制御する。この場合、処理遅延の時間は、打ち切り長によって異なり、事前に設定されているものとする。

Ｔ_SR＞Ｔ_RDである場合、リレー制御部１１２は、中継伝送が、転送フレームを生成するための受信データのバッファリングの完了後に、始められるように制御する。このようにすることで、転送途中で転送すべきデータが不足することを避けることができる。

この場合、R-Dフレームの送信の終了は、式（１）のとおり、処理遅延を考慮して、S-Rフレームの終了から２Ｔsym後であると考える。

ただし、Ｌ＝０の場合は、式（１）の処理遅延を表わす項Ｎ・Ｔ_symは、ゼロになる。［適応的な中継伝送選択(ＡＲＴＳ：adaptive relay transmission selection)］上述したように、本実施の形態の中継伝送方式は遅延時間を縮小することができる。しかし、復号における誤り訂正能力が復号の打ち切りによって下がるので、そのフレームエラーレート（FER）は劣化する傾向にある。

これは、再送信の発生を招き、遅延時間をより増加させる結果となる可能性がある。

したがって、本実施の形態の中継方式では、送信元ノードと中継ノードの間の信号対雑音比（ＳＮＲ：signal-to-noise power ratio）のようなチャネル条件によって中継伝送方式を選択する。

適切な中継伝送方式を選択するために、フレームエラーレート予測部１１２２は、たとえば、相互情報に基づいた実効ＳＮＲマッピング(MIESM：mutual information based effective SNR mapping)技術を使用することにより、S-Rフレームのフレームエラーレート（ＦＥＲ）を推定する。

ここで、MIESMは、SNRから得られた相互情報を使用して、FERを評価する技術であり、たとえば、以下の文献に開示がある。

文献： L. Wan, S. Tsai, and M. Almgren, ”A Fading-Insensitive Performance Metric for a Unified Link Quality Model,” Proc. IEEE WCNC2006, Apl. 2006.
以下、ＦＥＲの予測について、上記文献に従い、簡単に説明する。

Ｍ値変調(Ｍ＝２^B)に対して、SNRがγ_kであるｋ番目のサブキャリアについてのシンボル情報が算出される。

シンボル情報は、以下の式（２）で定義される。

ここで、xは、送信されたシンボルであり、yは、SNRがγ_kであるチャネルを通過した受信シンボルであり、P(x)はxの事前確率であり、P(y｜x，γ_k)は、条件付き確率密度関数である。

送信されたシンボルがそれぞれ同じ確率で生成されると考え、P(x)＝１／Ｍとする。

ここで、式（２）は、以下のように書き換えることができる。

ここで、zは、分散０．５γ_kで平均０の複素ガウス確率変数であり、Ｘは変調シンボルの集合である。

各サブキャリアのＳＮＲに対しては、SI(γ_k,M)は、式（３）によって計算される。

式（３）の計算は、一般には、計算量が多いため、各変調方式について式（３）の計算結果を含んでいるルックアップテーブルが事前に生成されており、式（３）をその都度計算する代わりに使用するものとする。

次に、受信ビット情報率(ＲＢＩＲ：received bit information rate)は、すべてのサブキャリアについてSI(γ_k,M)を平均することにより計算される。

したがって、ＲＢＩＲは以下の式（４）で与えられる。

ここで、Ｋはサブキャリアの数である。

フレームエラーレート予測部１１２２は、ＦＥＲを、ＲＢＩＲ値および符号化率に応じて、ＦＥＲ曲線を予めメモリに記憶しておき、その曲線を参照することにより推定する。

個々の利用可能な符号化率に関してのＦＥＲ曲線は、加法性白色ガウス雑音(AWGN)チャネルの下で予め測定されており、これらも参照テーブルに格納されているものとする。

中継条件設定部１１２６は、予測されるフレームエラーレートに基づいて、事前に設定されたエラーレートのランクに応じて、ビタビ復号の打ち切り長や、符号化の条件を設定するものとする。

（再送制御）
図８は、本実施の形態の再送制御のフローを説明するためのフローチャートである。

なお、以下では、説明の簡単のために、Ｔ_SR＝Ｔ_RDであるものとし、ある特定のデータについてのフレームの送信を説明する。

また、図９は、再送制御される場合のＳ−Ｒ間およびＲ−Ｄ間のフレーム送受信の時間経過を示すタイミングチャートである。

まず、図８を参照して、送信元ノードが、送信元ノード（Ｓ）から中継ノード（Ｒ）へS-Rフレーム信号の送信を行い（Ｓ１００）、中継ノードがS-Rフレーム信号を受信する（Ｓ２００）。

送信元ノードは、S-Rフレーム信号の送信終了後、所定の時間が経過するまでに、中継ノードから、到着確認応答信号ＡＣＫを受信しない場合（Ｓ１１０でＮ）、送信元ノードと中継ノード間の最大送信回数に到達していなければ（Ｓ１２０でＮ）、S-Rフレーム信号を再送する（Ｓ１００）。一方で、送信元ノードは、中継ノードから、到着確認応答信号ＡＣＫを受信したか（Ｓ１１０でＹ）、または、送信元ノードと中継ノード間の最大送信回数に到達しているときは（Ｓ１２０でＹ）、送信を終了する。

一方、中継ノードは、S-Rフレーム信号を受信すると（Ｓ２００）、ヘッダ解析部１１２４が、ヘッダ情報を解析して（Ｓ２０２）、たとえば、受信した信号が送信元ノードから中継ノードを宛先としたデータフレームや制御信号など中継対象のフレーム信号でない場合（Ｓ２０４でＮ）、受信データの復号と誤りチェックを実行して（Ｓ２３０）、誤りがなければ（Ｓ２３２でＹ）、再送制御部１１２８は、送信元ノードへ到着確認応答信号ＡＣＫを送信する。一方、誤りがあれば（Ｓ２３２でＮ）、送信元ノードから再送される信号を受信する（Ｓ２００）。

一方、ヘッダ情報により、中継すべきフレーム信号である場合（Ｓ２０４でＹ）、符号化／変調部１２０により処理されたR-Dフレーム信号の宛先ノードへの送信を開始し（Ｓ２０６）、宛先ノード（Ｄ）は、R-Dフレーム信号を受信する（Ｓ３００）。

中継ノードでは、中継すべきフレーム信号として受信した受信データの復号およびＣＲＣによる誤り検出を実行する（Ｓ２０８）。

中継ノードでは、誤り検出部１１０５により誤りが検出された場合（Ｓ２１０でＮ）、再送制御部１１２８は、R-Dフレーム信号の送信を中断し（Ｓ２１２）、処理は、ステップＳ２００に復帰する。このとき、R-Dフレーム信号の送信が中断されるので、宛先ノードでは、ＣＲＣによる誤り検出では、誤り有との結果となる。また、中継の必要のないフレームの送信が行われない結果、リソースの浪費を抑制できる。

一方、中継ノードでは、誤り検出部１１０５により誤りが検出されない場合（Ｓ２１０でＹ）、再送制御部１１２８は、到着確認応答信号ＡＣＫを送信元ノードに対して送信する（Ｓ２１４）。

中継ノードは、到着確認応答信号ＡＣＫを送信元ノードへ送信した後、R-Dフレーム送信完了後に、宛先ノードからの到着確認応答信号ＡＣＫを受信するまで、受信データを転送対象となるデータが格納されるバッファ１１１．１または１１１．２に保持して送信を継続する（Ｓ２１６）。

中継ノードは、R-Dフレーム信号の送信終了後、所定の時間が経過するまでに宛先ノードから、到着確認応答信号ＡＣＫを受信しない場合（Ｓ２１８でＮ）、中継ノードと宛先ノード間の最大送信回数に到達していなければ（Ｓ２２０でＮ）、バッファ１１１．２に格納されるデータに基づいてR-Dフレーム信号の再送を開始して（Ｓ２２２）、宛先ノードは、再送されるR-Dフレーム信号を受信する（Ｓ３００）。一方で、中継ノードは、宛先ノードから、到着確認応答信号ＡＣＫを受信したか（Ｓ２１８でＹ）、または、中継ノードと宛先ノード間の最大送信回数に到達しているときは（Ｓ２２０でＹ）、送信を終了する。

宛先ノードでは、R-Dフレーム信号を受信し（Ｓ３００）、受信データの復号およびＣＲＣによる誤り検出を実行する（Ｓ３０２）。

宛先ノードでは、誤り検出部により誤りが検出された場合（Ｓ３０４でＮ）、処理は、ステップＳ３００に復帰する。

一方、宛先ノードでは、誤り検出部により誤りが検出されない場合（Ｓ３０４でＹ）、到着確認応答信号ＡＣＫを中継ノードに対して送信して（Ｓ３０６）、受信処理を終了する。

次に、図９において、図８に対応するフレーム信号の送受信の態様を説明する。

時刻ｔ１において、送信元ノードが、中継ノードへS-Rフレーム信号の送信を開始し、時刻ｔ２において、中継ノードが、ヘッダ情報の解析結果に基づいて、宛先ノードへの中継送信（R-Dフレーム信号の送信）を開始する。

S-Rフレーム信号の送信完了後、時刻ｔ３において、中継ノードで、S-Rフレーム信号の復号データに誤りを検出すると、中継ノードは、R-Dフレーム信号の送信を中断する。そして、S-Rフレーム信号の送信完了からの所定時間経過後までにＡＣＫ信号が中継ノードから返信されないので、時刻ｔ４において、送信元ノードからの再送が開始される。したがって、宛先ノードにおいて、時刻ｔ５において、中継されたフレームについてのＣＲＣにより誤り検出は、誤り有との結果となる。

時刻ｔ６において、送信元ノードから再送が開始されたフレーム信号について、中継ノードでヘッダ情報を開始した後、宛先ノードへの再送が開始される。

時刻ｔ７において、中継ノードで、ＣＲＣにより誤り検出が、誤り無との結果となることに応じて、中継ノードから送信元ノードへＡＣＫフレームが返信されて、送信元ノードからの送信が終了する。

時刻ｔ８において、宛先ノードでのＣＲＣにより誤り検出は、誤り有との結果となり、R-Dフレーム信号の送信完了からの所定時間経過後までにＡＣＫ信号が宛先ノードから中継ノードに返信されないので、時刻ｔ９において、中継ノードからの再送が開始される。

このとき、宛先ノードでの受信は不成功ではあっても、送信元ノードから中継ノードへの再送は行われず、リソースが浪費されることがない。

時刻ｔ１０において、宛先ノードにおいて、ＣＲＣにより誤り検出が、誤り無との結果となることに応じて、宛先ノードから中継ノードへＡＣＫフレームが返信されて、中継ノードからの送信が終了する。

以上、実施の形態として、中継ノードである無線中継装置１０００の具体的な構成および動作として説明したように、ＴＤＦ方式は、受信の完了の前に、復号の打ち切りをすることにより得られるビット列を転送する。ＴＤＦ方式では、中継ノードは、ある周波数帯のフレームのヘッダを受信する。ヘッダ情報により中継伝送が必要な場合、中継ノードはある周波数帯上で中継伝送を始める一方で、中継ノードは、他の周波数帯上のフレームの受信を実行する。すなわち、本実施の形態の無線中継装置１０００およびその実行する無線中継方法によれば、ヘッダを確認してから転送を行うことで不要なリレー送信を抑えることができる。

また、ＴＤＦ方式により、中継伝送の遅延時間を縮小することができる。さらに、再送の制御において、中継ノードが、中継が不要なデータの中継処理を中断し、あるいは、送信元ノードは、中継ノードに対して不必要な再送を行うことがない。

また、チャネル状態によって中継伝送方式を選択することで、遅延時間を削減できる。すなわち、通信状況が良い場合は、遅延の少ないリレー方式とすることにより低遅延でリレー送信を行うことができ、通信状況が悪い場合は、誤り率特性が優れるリレー方式とすることで、再送による遅延を回避し、最小限の遅延に抑えることができる。

今回開示された実施の形態は、本発明を具体的に実施するための構成の例示であって、本発明の技術的範囲を制限するものではない。本発明の技術的範囲は、実施の形態の説明ではなく、特許請求の範囲によって示されるものであり、特許請求の範囲の文言上の範囲および均等の意味の範囲内での変更が含まれることが意図される。

１００受信アンテナ、１０２、１２４ＲＦ部、１０４同期処理部、１０６ＯＦＤＭ復調部、１０８伝搬路推定部、１１０復調／復号部、１１１メモリ、１１２リレー制御部、１２０符号化／変調部、１２２ＯＦＤＭ変調部、１３０送信アンテナ、１０００無線中継装置、１０１０送信元ノード、１０２０宛先ノード、１１０１復調処理部、１１０２デインターリーブ処理部、１１０３デパンクチャリング部、１１０４ビタビ復号部、１１０５誤り検出部、１１２２フレームエラーレート予測部、１１２４ヘッダ解析部、１１２６中継条件設定部、１１２８再送制御部、１２０１誤り検出符号付加部、１２０２畳込み符号化処理部、１２０３パンクチャリング部、１２０４インターリーブ処理部、１２０５変調処理部。

Claims

全二重通信が可能な無線通信方式で通信し、送信元ノードからの第１のフレーム信号を中継し宛先ノードに第２のフレーム信号として転送するための無線中継装置であって、
前記送信元ノードからの信号を受信する受信手段と、
前記受信手段で受信した前記第１のフレーム信号を復調し、前記第１のフレーム信号のヘッダの情報が復号された時点でヘッダ情報を出力する復調復号手段とを備え、前記復調復号手段は、前記第１のフレーム信号の復号後のデータに対する誤り検出を実行するための誤り検出手段を含み、
前記ヘッダ情報に基づいて、前記第１のフレーム信号を中継することが必要と判断されることに応じて中継処理を制御するための中継制御手段と、
前記中継制御手段の制御に応じて、前記第１のフレーム信号の受信期間と少なくとも一部で重複する期間において、前記復調復号手段からのデータを符号化および変調して前記第２のフレーム信号を生成するための符号化・変調手段と、
前記符号化・変調手段の出力を前記宛先ノードに向けて送信するための送信手段と、
前記宛先ノードからの第１の到着確認応答に応じて、前記第２のフレーム信号の再送の制御を行い、前記誤り検出手段により誤りが検出されることに応じて、前記第２のフレーム信号の送信の中断の制御を行うための再送制御手段とを備える、無線中継装置。
前記復調復号手段の処理結果を保持するためのバッファ手段をさらに備え、
前記再送制御手段は、
ｉ）前記誤り検出手段で誤りが検出されない場合、前記送信元ノードに対して、第２の到着確認応答を送信し、
ｉｉ）前記第２の到着確認応答の送信後は、前記バッファ手段に格納されたデータにより、前記第１の到着確認応答を受信するまで、前記宛先ノードへの再送を実行する、請求項１記載の無線中継装置。
前記復調復号手段は、
所定の復調処理を実行してビット列を生成するための復調手段と、
前記ビット列に基づき、トレリス符号に対する復号処理を実行するための復号手段とを含み、
前記誤り検出手段は、前記復号手段の出力に対して誤り検出を実行し、
前記符号化・変調手段は、前記中継制御手段の制御に応じて、前記復調手段または前記復号手段のいずれかから出力され、前記バッファ手段に保持される前記データを選択的に受けて、符号化および変調して前記第２のフレーム信号を生成する、請求項２記載の無線中継装置。
前記符号化・変調手段は、前記中継制御手段の制御に応じて、前記復調復号手段での復調および復号の方式とは独立に制御される符号化および変調の方式により、前記第２のフレーム信号を生成する、請求項３記載の無線中継装置。
前記全二重通信が可能な無線通信方式は、互いに分離した複数の周波数帯のそれぞれの無線チャネルを利用して無線通信する方式である、請求項１〜４のいずれか１項に記載の無線中継装置。
前記復号手段は、前記トレリス符号に対する前記復号処理に対してトレリス上での打ち切り長を設定可能であり、
前記中継制御手段は、前記第１のフレーム信号に基づき、前記送信元ノードと前記無線中継装置との間の通信品質を推定する通信品質推定手段と、
前記推定された通信品質に基づいて、通信品質の向上に応じて、前記打ち切り長を短くするように、前記打ち切り長を設定する中継条件設定手段とを含む、請求項３に記載の無線中継装置。
全二重通信が可能な無線通信方式で通信し、送信元ノードからの第１のフレーム信号を中継し宛先ノードに第２のフレーム信号として転送するための無線中継方法であって、
前記送信元ノードからの信号を受信するステップと、
受信した前記第１のフレーム信号を復調し、前記第１のフレーム信号のヘッダの情報が復号された時点でヘッダ情報を出力する復調復号ステップと、
前記ヘッダ情報に基づいて、前記第１のフレーム信号を中継することが必要と判断されることに応じて中継処理を制御するステップと、
前記中継処理の制御に応じて、前記第１のフレーム信号の受信期間と少なくとも一部で重複する期間において、前記復調復号ステップでの処理中のデータを途中で受けて符号化および変調して前記第２のフレーム信号を生成するステップと、
前記変調後の前記第２のフレーム信号を前記宛先ノードに向けて送信するステップと、
前記第１のフレーム信号の復号後のデータに対する誤り検出を実行するステップと、
前記宛先ノードからの第１の到着確認応答に応じて、前記第２のフレーム信号の再送の制御を行い、前記誤り検出手段により誤りが検出されることに応じて、前記第２のフレーム信号の送信の中断の制御を行うステップとを備える、無線中継方法。