(57)【要約】【課題】方法は、ソースノードと、リレー（中継）ノードと、デスティネーション（宛先）ノードとを含むリレーネットワークにおいてＬビットパケットを送信する。【解決手段】ソースノードはパケットをβＬビットの第１のフラグメント及び（１−β）Ｌビットの第２のフラグメントに区分化する。第１のフラグメントはフェーズ１の間にソースノードからリレーノードに第１のデータレートで送信される。第２のフラグメントはフェーズ２の間にソースノードからデスティネーションノードに第２のデータレートで送信され、この間、第１のフラグメントはリレーノードからデスティネーションノードに第３のデータレートで再送される。【選択図】図１Ａ
2010130687.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
リレーネットワークのソースノードにおいて、Ｌビットを有するパケットを、βを分割比とし、βＬビットを有する第１のフラグメントと、（１−β）Ｌビットを有する第２のフラグメントとに区分化すること、
第１のフェーズの間に前記第１のフラグメントを前記リレーネットワークの前記ソースノードからリレーノードに第１のデータレートで送信すること、
第２のフェーズの間に前記第２のフラグメントを前記リレーネットワーク内の前記ソースノードからデスティネーションノードに第２のデータレートで送信すること、
前記第２のフェーズの間に前記第１のフラグメントを前記リレーノードから前記デスティネーションノードに第３のデータレートで再送すること、
及び
前記リレーネットワーク内の総エネルギー消費が最小限に抑えられるよう、前記第１のデータレート、前記第２のデータレート及び前記第３のデータレートを最適化すること
を含む、ソースノード、リレーノード及びデスティネーションノードを含むリレーネットワークにおいてパケットを送信する方法。
【請求項２】
前記デスティネーションノードにおいて前記第１のフラグメント及び前記第２のフラグメントを合成することをさらに含む
請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記第２のフェーズの間に前記第１のフラグメントの一部分を前記ソースノードから前記デスティネーションノードに前記第２のデータレートで再送することをさらに含む
請求項１記載の方法。
【請求項４】
前記第１のフラグメントの前記一部分を再送することは、スレピアン−ウォルフ符号化を使用する
請求項３記載の方法。
【請求項５】
Ｐ０は前記第１のフェーズの間に前記ソースノードによって使用される電力であり、
Ｐｓは前記第２のフェーズの間に前記ソースノードによって使用される電力であり、
Ｐｒは前記第２のフェーズの間に前記リレーノードによって使用される前記電力である  請求項１記載の方法。
【請求項６】
Ｐ０は前記第１のフェーズの間に前記ソースノードによって使用される電力であり、
Ｐｓは前記第２のフェーズの間に前記ソースノードによって使用される電力であり、
Ｐｒは前記第２のフェーズの間に前記リレーノードによって使用される電力であり、
前記ソースノードｓと前記リレーノードｒとの間の電力利得は｜ｈｓｒ｜２であり、
前記リレーノードｒと前記デスティネーションノードｄとの間の電力利得は｜ｈｒｄ｜２であり、
前記合成することは、ｈｓｄ及びｈｒｄに従う
請求項２記載の方法。
【請求項７】
前記ソースノードから前記デスティネーションノードまでの前記第２のデータレートＲｓｄはＲｓｄ≦Ｃ（｜ｈｓｄ｜２Ｐｓ）を満足し、ここで
【数１】
2010130687.tif 000022
であり、式中、Ｃはチャネル容量であり、Ｗは前記リレーネットワークにおいて利用可能な帯域幅であり、σ２は送信信号ｘの受信機雑音電力であり、ｌｏｇは２を底とする対数を示す
請求項６記載の方法。
【請求項８】
前記第２のフラグメントを送信すること及び前記第１のフラグメントを再送することは、多重パケット受信（ｍｐｒ）を使用し、前記第２のデータレートＲｓｄ−ｍｐｒ及び前記第３のデータレートＲｒｄ−ｍｐｒが
【数２】
2010130687.tif 000023
に従って多重アクセスチャネルの情報理論的限界を満足する場合且つその場合に限り
、パケットの受信が成功する
請求項７記載の方法。
【請求項９】
前記第２のフェーズの間の送信遅延及び再送遅延は等しい
請求項１記載の方法。
【請求項１０】
前記総エネルギー消費は、
【数３】
2010130687.tif 000024
に従って最小限に抑えられ、式中、Ｒｒｄ−ｍｐｒは前記第３のデータレートであり、Ｒｓｄ−ｍｐｒは前記第２のデータレートである
請求項１記載の方法。
【請求項１１】
前記分割比βの限界は以下の通りであり、
【数４】
2010130687.tif 000025
前記第２のフェーズにおける前記ソースノード及び前記リレーノードにおける最適なデータレートはそれぞれ
【数５】
2010130687.tif 000026
である
請求項７記載の方法。
【請求項１２】
以下の最適化から｜ｈｓｒ｜２、｜ｈｒｄ｜２、｜ｈｓｄ｜２及び目標となる全体的な送信データレートＲの関数としての前記電力Ｐ０、Ｐｓ及びＰｒを選択することをさらに含み、
【数６】
2010130687.tif 000027
ただしＰ０、Ｐｓ、Ｐｒ＞０且つ
【数７】
2010130687.tif 000028
且つ
【数８】
2010130687.tif 000029
を条件とする
請求項１１記載の方法。
【請求項１３】
前記第１のセグメント及び前記第２のセグメントは、それぞれ前記第２のフェーズの間に同時に送信及び再送される
請求項１記載の方法。
【請求項１４】
前記第２のデータレートと前記第３のデータレートとは異なる
請求項１記載の方法。
【請求項１５】
すべてのノードは、単一のアンテナ及び１つの送受信機無線周波数チェーンを有する
請求項１記載の方法。
【請求項１６】
各ノードは、同じ周波数帯域を使用する
請求項１記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、包括的にはワイヤレスリレーネットワークに関し、より詳細にはリレーネットワークにおいてパケットを送信することに関する。
【背景技術】
【０００２】
リレー（中継）ネットワーク
セルラネットワーク及びアドホックネットワークのようなワイヤレス（無線）ネットワークにおいて、リレー（中継）ノードはネットワークの範囲及び容量を増大させることができる。リレーノードはソースノードとデスティネーション（宛先）ノードとの間に複数のパスを提供してネットワークのダイバーシティを増大させる。これによって、シャドーイングに起因する大規模なフェージングを低減することができる。
【０００３】
本明細書の目的のために、単純なリレーネットワークは、１つのソースノードと、１つのリレーノードと、１つのデスティネーションノードとを含む。このリレーネットワークは後述のように、一般的にリレーネットワークの設計限界及び性能限界に対する基本的な洞察を与えることができる。このタイプのネットワークはまた、セルラネットワークの設計に実際に適用することができ、ここでリレーノードは基地局の範囲を拡張することができ、容量を向上させることができる。単純なリレーネットワークはまた、より大きなリレーネットワークの構成要素としての役割を果たすこともできる。
【０００４】
パケットの中継に関していくつかの異なるプロトコルが既知である。増幅転送（ＡＦ）プロトコルはリレーノードにおいて単純な電力増幅回路を用いて利得を達成することができる。復号転送（ＤＦ）プロトコルでは、リレーノードはパケットを復号して雑音効果をなくし、次いでそのパケットを再符号化して再送する。圧縮転送（ＣＦ）はデータを転送する前に圧縮する。このような中継プロトコルは達成可能なデータレートを増大させることができることが既知である。
【０００５】
分割合成中継（ＳＣＲ）プロトコル
分割合成中継（ＳＣＲ）プロトコルでは、パケットは２つのフラグメントに分割され、２フェーズでデスティネーションノードに送信され、ここでそれらのフラグメントが合成される。１つの方法は、模倣符号化器（cribbing encoder）を有するメモリなしの多重アクセスチャネルを使用する。この方法はエネルギー消費を全く考慮していない。別の方法はエネルギー消費を考慮している。しかしながら、ＳＣＲのフェーズ１及びフェーズ２の継続時間は等しくなるように固定されており、リンク品質とは無関係である。別の方法は、時変チャネルにおいて部分チャネル状態情報が分かっている遅延制限容量との関連で種々の協調技法の送信電力とレートとの間のトレードオフを分析する。上記方法のいずれも総エネルギー消費を考慮していない。
【０００６】
スレピアン−ウォルフ協調（Slepian-Wolf Cooperation）
スレピアン−ウォルフ協調は、従来技術のリレーネットワークにおいて使用されている。しかしながら、スレピアン−ウォルフ協調ではソースノード及びリレーノードによる同時送信は許可されていない。
【０００７】
以下の参考文献、すなわち非特許文献１、非特許文献２、非特許文献３、非特許文献４、非特許文献５、非特許文献６、及び非特許文献７は上記で要約されている従来技術のＳＣＲ及びスレピアン−ウォルフ協調を教示しており、これらの参考文献は参照によりすべて本明細書に援用される。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】Willems他著「The discrete memoryless multiple-access channel with cribbing encoders」（IEEE Trans. Inform. Theory, vol. 31, pp. 313-327, May 1985）
【非特許文献２】Nabar他著「Fading relay channels: performance limits and space-time signal design」（IEEE J. Select. Areas Commun., vol. 22, pp. 1099-1108, Aug. 2004）
【非特許文献３】Yang他著「Resource allocation for cooperative relaying」（42nd Annual Conf. on Inform. Sci. and Sys., pp. 848-853, Mar. 2008）
【非特許文献４】Gunduz他著「Opportunistic cooperation by dynamic resource allocation」（IEEE Trans. Wireless Commun., vol. 6, pp. 1446-1454, Apr. 2007）
【非特許文献５】Li他著「Slepian-Wolf cooperation: a practical and efficient compress-and-forward relay scheme」（Proc. 43rd Annual Allerton Conf. on Commun., Contr. and Computing, Sept. 2005）
【非特許文献６】Slepian他著「Noiseless coding of correlated information sources」（IEEE Trans. Inform. Theory, vol. 19, pp. 471-480, July 1973）
【非特許文献７】Van der Meulen他著「A survey of multi-way channels in information theory: 1961 - 1976」（IEEE Trans. Inform. Theory, vol. 23, pp. 1-37, Jan. 1977）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
従来のプロトコルのいずれも送信電力及び送信データレートがネットワーク内の全体的なエネルギー消費にどのように影響を及ぼすかを考慮していない。その効果が分かっていれば、エネルギー消費を最適化することができる。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の実施の形態によるワイヤレス通信ネットワークでは、リレーノードは範囲及び容量を増大させると共に、エネルギー消費を低減することができる。本発明の実施の形態は、所与のデータレートでの総エネルギー消費を最小限に抑える。より具体的には、リレーネットワークは、多くの一般的なパラメータ設定に対して従来の復号転送プロトコルよりも良好に機能する分割合成中継（ＳＣＲ）プロトコルを使用する。
【００１１】
本発明の実施の形態によるＳＣＲでは、ソースノードはパケットを２つのフラグメントに分割（区分化）する。第１のフェーズにおいて、ソースノードは第１のフラグメントをリレーノードに送信する。第２のフェーズにおいて、ソースノードは第２のフラグメントをデスティネーションノードに直接送信し、その間同時に、リレーノードは第１のフラグメントをデスティネーションノードに送信する。
【００１２】
本発明の実施の形態による方法は、各フラグメント内のデータ量を最適化する。本方法はまた、各フェーズの時間量、及び所定のデータレートに対する対応する送信電力、すなわち、各フェーズの待ち時間又は遅延も最適化する。ＳＣＲプロトコルは、フラグメントのスレピアン−ウォルフ符号化を使用してエネルギー消費をさらに低減することもできる。
【００１３】
このようなデータ、時間、エネルギー及びデータレートの最適化は従来技術において既知でない。本発明の実施の形態によるＳＣＲプロトコルでは、ソースノードは第２のフェーズにおいてリレーノードによって送信されているデータのフラグメントを知っている。これによって総エネルギー消費をさらに１６％低減することができる。
【発明の効果】
【００１４】
所与の送信データレート制約に対して分割合成中継（ＳＣＲ）を使用するリレーネットワークにおいて電力消費を最適化する方法が提供される。本方法は、最適なＳＣＲのための電力及びレート割当て並びに対応するパケット分割比を得るための基本的な最適化の枠組みを提供する。本方法は、エネルギー消費をさらに低減するためのスレピアン−ウォルフ符号化に対する拡張も提供する。一般的に、エネルギー消費量を従来のＳＣＲと比較して１６％低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１Ａ】スレピアン−ウォルフ符号化が使用されない場合の、本発明の実施の形態によるリレーネットワークの概略図である。
【図１Ｂ】スレピアン−ウォルフ符号化が使用される場合の、本発明の実施の形態によるリレーネットワークの概略図である。
【図２】リレー送信レートの関数としてのソース送信レートのグラフである。
【図３】ビットレートの関数としての、従来の中継の総エネルギー消費と本発明の実施の形態による中継の総エネルギー消費とを比較するグラフである。
【図４】本発明の実施の形態によるリレーネットワークにおける送信レートの関数としての電力のグラフである。
【図５】本発明の実施の形態によるパラメータυの関数としての送信レート及びエネルギー節約のパーセンテージが等しいところを示す等高線のグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
ネットワークモデル
図１Ａは本発明の一実施の形態によるワイヤレスリレーネットワークを示す。この実施の形態では、スレピアン−ウォルフ符号化は使用されない。ネットワークは最低限、ソースノード（ｓ）１１０と、リレーノード（ｒ）１２０と、デスティネーションノード（ｄ）１３０とを含む。すべてのノードは送受信用の単一のアンテナ１２１を有する。また、各ノードは、送信用の１つの無線周波数（ＲＦ）チェーン（ｘｍｔ）及び受信用の１つの無線周波数（ＲＦ）チェーン（ｒｃｖ）しか必要としない。すべてのノードは半二重モードにおいて動作し、その間単一のアンテナをＲＦチェーンの間で切り換える。リレーノードのためのすべてのノードの基本送受信機構造が示される。
【００１７】
ネットワークは分割合成中継（ＳＣＲ）プロトコルを使用する。ＳＣＲでは、ソースノード１１０はＬビットのパケット１０１を２つのフラグメントに区分化する。パケット分割比はβである。フェーズ１において、ソースノードはβＬビットの第１のフラグメント１１１をリレーノードに第１のデータレートを使用して送信する。リレーノードは復号転送（ＤＦ）モードにおいて動作する。
【００１８】
フェーズ２において、ソースノードは第２のフラグメント（１−β）Ｌ１１２をデスティネーションノードに第２のデータレートで送信し、その間同時に、リレーノードは第１のフラグメントをデスティネーションノードに第３のデータレートで再送する。これらのフラグメントが同じチャネル及び周波数帯域を使用して同時に送信される場合であっても、第１のデータレート及び第２のデータレートが同じである必要はない。
【００１９】
デスティネーションノードは２つのパケット内の２つのフラグメントを合成してソースノードによって送信された元のパケットを復元する。第１のデータレート、第２のデータレート及び第３のデータレートは、送信中のエネルギー消費が最小限に抑えられるように最適化される。
【００２０】
図１Ｂは、スレピアン−ウォルフ符号化を用いる場合及び用いない場合のＳＣＲプロトコルのフェーズ１及びフェーズ２を示す。図１Ｂでは、ソースノードからデスティネーションノードへ送信されるべき総ビット数はＬである。パケット分割比はβである。パラメータυ＝０である場合、これは基本ＳＣＲプロトコルであり、υ＞０はスレピアン−ウォルフ符号化を用いるＳＣＲに対応する。後者の場合、第１のフラグメントβＬ１１１の或る一部分（fraction）υがソースノードによって第２のフラグメント１１２と共に再送される。
【００２１】
ソースノードによってフェーズ１及びフェーズ２に使用される電力はそれぞれＰ０及びＰｓであり、リレーノードによってフェーズ２に使用される電力はＰｒである。フェーズ１及びフェーズ２の遅延はそれぞれτＳＣＲ−１及びτＳＣＲ−２である。
【００２２】
ノード間のチャネルは準静的加法性白色ガウス雑音（ＡＷＧＮ）チャネルとしてモデル化される。本方法を、フェージングし且つ／又は周波数選択的であるチャネルに簡単に拡張することができる。ノードは、それらの電力利得を時折更新してチャネル状態情報（ＣＳＩ）のあり得る変化を反映することができる。ソースノードｓとリレーノードｒとの間のチャネル電力利得は｜ｈｓｒ｜２である。リレーノードｒとデスティネーションノードｄとの間のチャネル電力利得は｜ｈｒｄ｜２である。デスティネーションノードはフラグメントを最適に合成するためにｈｓｄ及びｈｒｄを使用する。
【００２３】
ソースノードが第１の（フラグメント）パケットを送信する場合、パケットをリレーノードのみにアドレス指定することができる。したがって、第２の（フラグメント）パケットはいくらかの遅延の後に送信される。本発明では、ブロードキャスト効果、すなわち、デスティネーションノードがソースノードからリレーノードへの送信を受信すると共に、ソフト情報を記憶してエネルギー蓄積を可能にする事例を意識的に無視する。しかしながら、多くの実際的事例において、デスティネーションノードは受信ＳＩＮＲが低いことに起因してパケットに同期することが可能でない場合がある。さらに、デスティネーションノードにおいて信号を受信するのに必要とされるエネルギーは、ソースノードによる第１のフラグメントパケットの送信を「オーバーヒアリング」しているデスティネーションノードによって節約される総送信エネルギーよりも大きい可能性がある。
【００２４】
リレーノードは単一の送受信機チェーンを有するため、リレーノードは半二重モードにおいて動作しており、所与の一時点において信号を受信するか又は送信することしかできない。リレーノードは第１のフラグメントを正確に復号した後に転送することができる。復号パケットの第１のフラグメントとのチェックサムが不正確である場合、このパケットは廃棄される。
【００２５】
受信機は多重パケット受信（ＭＰＲ）を可能にする高度な信号処理能力を有する。以下の論考の目的のために、送信データレートがガウスチャネルの情報理論的限界を満足する場合にパケットのコンテンツの受信が成功するものと仮定する。たとえば、有限の変調アルファベットを与えられる場合に容量を満たすことのような、「受信成功」の他の基準を使用することができる。
【００２６】
たとえば、ソースノードがパケットを直接デスティネーションノードに送信するとき、ソースノードからデスティネーションノードまでの送信データレートＲｓｄ−ＤＴがＲｓｄ−ＤＴ≦Ｃ（｜ｈｓｄ｜２Ｐｓ）を満足する場合且つその場合に限り、パケットの受信が成功する。ここで、
【００２７】
【数１】
2010130687.tif 000003
【００２８】
であり、式中、Ｗはネットワークにおいて利用可能な帯域幅であり、Ｐｓはソースノードにおける送信電力であり、σ２は受信機雑音電力であり、ｌｏｇは２を底とする対数を示す。
【００２９】
ソースノード及びリレーノードが多重パケット受信（ｍｐｒ）を使用してパケットを同時にデスティネーションノードに送信するとき、パケットのソースノードからデスティネーションノードまでの送信データレートＲｓｄ−ｍｐｒ、及びパケットのリレーノードからデスティネーションノードまでの送信データレートＲｒｄ−ｍｐｒが多重アクセスチャネルの情報理論的限界を満足する場合且つその場合に限り、双方のパケットの受信が成功する。
【００３０】
【数２】
2010130687.tif 000004
【００３１】
式中、Ｐｓ及びＰｒはそれぞれフェーズ２の間のソースノード及びリレーノードの送信電力である。
【００３２】
分割合成中継
同時に送信を行っている２つのノードの多重アクセス容量領域が、２つのノード間でチャネルのタイムシェアリングのみが使用される場合よりも大きいことはよく理解されている。多重アクセス容量領域は式（２）〜（４）において表されている。
【００３３】
図２は、これをグラフで示している。図２において、垂直軸はソースノードにおける送信データレートであり、水平軸はリレーノードにおける送信データレートである。図２はタイムシェアリング（領域Ｉ）、多重アクセスチャネル（領域Ｉ及びＩＩ）、及びスレピアン−ウォルフチャネル（領域Ｉ、ＩＩ及びＩＩＩ）の容量を示している。
【００３４】
最初に、パケットはソースノードのみに存在する。したがって、ソースノード及びリレーノードの多重アクセス容量は、ソースノードが第１のフラグメントをリレーノードに送信した後にのみ使用することができる。
【００３５】
フェーズ１
ソースノードはパケット１０１の第１のフラグメント１１１をリレーノードに送信する。フラグメントはβＬビットを含み、ここでβはパケット分割係数であり、０＜β＜１である。リレーノードはこのβＬビットを復号する。
【００３６】
フェーズ２
ソースノードは第２のフラグメント１１２をデスティネーションノードに送信する。第２のフラグメントは（１−β）Ｌビットを有する。スレピアン−ウォルフ符号化が使用される場合、フェーズ２の間に第１のフラグメントの或る一部分がソースノードによって再送される。同時に、リレーノードは第１のフラグメントをデスティネーションノードに再送する。ＭＰＲを使用可能なデスティネーションノードはソースノード及びリレーノードから受信されるフラグメントを復号して合成する。
【００３７】
図１Ｂ及び図４に見られるように、ソースノードはＳＣＲプロトコルのフェーズ１の間に送信電力Ｐ０を使用する。したがって、フェーズ１の遅延１５１は以下の通りである。
【００３８】
【数３】
2010130687.tif 000005
【００３９】
式中、
【００４０】
【数４】
2010130687.tif 000006
【００４１】
である。
【００４２】
ソースノードにおけるエネルギー消費は以下の通りである。
【００４３】
【数５】
2010130687.tif 000007
【００４４】
ＳＣＲプロトコルのフェーズ２の間、ソースノード及びリレーノードはそれぞれ送信電力Ｐｓ及びＰｒを使用する。図４を参照されたい。フェーズ２の遅延１５２は以下の通りである。
【００４５】
【数６】
2010130687.tif 000008
【００４６】
式中、Ｒｓｄ−ｍｐｒ及びＲｒｄ−ｍｐｒは式（２）〜（４）を使用して選択され、フェーズ２の間の総エネルギー消費は以下の通りである。
【００４７】
【数７】
2010130687.tif 000009
【００４８】
ＳＣＲの総遅延はτＳＣＲ＝τＳＣＲ−１＋τＳＣＲ−２であり、総エネルギー消費はＥＳＣＲ＝ＥＳＣＲ−１＋ＥＳＣＲ−２である。これは、全体的な送信データレートが
【００４９】
【数８】
2010130687.tif 000010
【００５０】
であることを意味する。
【００５１】
本発明のＳＣＲプロトコルの挙動を分析する。ＳＣＲのフェーズ２の間のエネルギー消費を最小限に抑えるために、ソースノードからデスティネーションノードへの送信の送信遅延と、リレーノードからデスティネーションノードへの送信の送信遅延とは等しいべきである。
【００５２】
【数９】
2010130687.tif 000011
【００５３】
である場合、ＳＣＲのエネルギー消費は最適である（最小限に抑えられる）。
【００５４】
最適な性能のために、ソースノード及びリレーノードの送信データレートは図２内の点Ａと点Ｂとの間の線分内で選択される。
【００５５】
ソースノード及びリレーノードの送信データレートが、式（４）の等号が満足されるように設定される場合に、ＳＣＲのフェーズ２の間のエネルギー消費は最適となる（最小限に抑えられる）。
【００５６】
上記、及び式（２）〜（３）において与えられる最大データレートＲｓｄ−ｍｐｒ及びＲｒｄ−ｍｐｒを与えられると、パケット分割比β、並びにそれぞれのデータレートＲｓｄ−ｍｐｒ及びＲｒｄ−ｍｐｒの限界を求めることができる。
【００５７】
最適なＳＣＲに関して、パケット分割係数は
【００５８】
【数１０】
2010130687.tif 000012
【００５９】
の範囲内にあり、ソースノード及びリレーノードにおけるフェーズ２における最適な送信データレートはそれぞれ以下の通りである。
【００６０】
【数１１】
2010130687.tif 000013
【００６１】
最適なＳＣＲ
本発明の最適なＳＣＲのために、以下の最適化から｜ｈｓｒ｜２、｜ｈｒｄ｜２、｜ｈｓｄ｜２及び目標となる全体的な送信データレートＲの関数としての電力Ｐ０、Ｐｓ及びＰｒを選択する。
【００６２】
【数１２】
2010130687.tif 000014
【００６３】
ただし、Ｐ０、Ｐｓ、Ｐｒ＞０且つ
【００６４】
【数１３】
2010130687.tif 000015
【００６５】
を条件とする。
【００６６】
従来の最適化技法を使用してこの最適化を実施することができる。最適な電力割当てが求められた後、上記の容量の定式化を使用して送信データレートを計算することができる。図２内の点Ａに対応するフェーズ２における最適な送信データレートは以下のように書き換えることができる。
【００６７】
【数１４】
2010130687.tif 000016
【００６８】
スレピアン−ウォルフ符号化
多重アクセスチャネルを使用してＳＣＲプロトコルのフェーズ２をモデル化する。フェーズ１では、ソースノードは第１のフラグメントをリレーノードに送信する。ソースノード及びリレーノードがフェーズ２において送信するデータは相関し得る。これは、情報理論におけるスレピアン−ウォルフ問題の分類内に入る。スレピアン−ウォルフによる分散ソース符号化（ＤＳＣ）は、２つ以上の物理的に別個のソースノードの出力の符号化を指す。具体的には、ＳＣＲのフェーズ２の容量領域が以下のようになる。
【００６９】
【数１５】
2010130687.tif 000017
【００７０】
式中、Ｒｕｖ−ｓｗは、スレピアン−ウォルフ（ｕｖ−ｓｗ）符号化を使用するそれぞれのノードｕ及びｖの間の送信データレートを示し、Ｉ（．，．）は相互情報量であり、Ｘｕはノードｕからの送信信号であり、Ｙ＝Ｘｓ＋Ｘｒ＋Ｎはデスティネーションノードにおける受信信号であり、ただしＮは雑音である。
【００７１】
分散｜ｈｒｄ｜２Ｐｒで分散しているゼロ平均ガウスとしてＸｒを選択し、Ｘｓ＝Ｗｓ＋υＸｒであり、ここでＷｓは分散｜ｈｓｄ｜２Ｐｓ−υ２｜ｈｒｄ｜２Ｐｒで分散しているゼロ平均ガウスであり、υはこの情報の量を指定する制御パラメータである。ソースノードはまた、ソースノードがリレーノードに送信したβＬビットの情報の中から直接デスティネーションノードに送信を行う。
【００７２】
式（１６）〜（１７）における相互情報量を拡張することによって以下のデータレートが得られる。
【００７３】
【数１６】
2010130687.tif 000018
【００７４】
スレピアン−ウォルフチャネルの容量領域を図２に示す。多重アクセスチャネルと比較して、スレピアン−ウォルフチャネルは図２内の領域ＩＩＩの分だけ達成可能な領域を増大させる。フェーズ２においてリレーノードはソースノードのコンテンツに関する情報を一切有しないため、リレーノードはソースノードの送信を増大させる一助とはなり得ない。したがって、ソースノードの最大送信データレートは多重アクセスチャネルの最大送信データレートと同じままである。
【００７５】
しかしながら、パラメータυを最適に選択することによって、ソースノードは異なる量の電力を割り当ててリレーノードが送信するデータを支援することができる。結果として、リレーノードは、多重アクセスチャネルにおいて使用される送信電力と同じ送信電力を使用する場合であっても、より高いデータレートで送信することができる。
【００７６】
電力プロファイル及び電力分割比の点から見ると、スレピアン−ウォルフ符号化を用いるＳＣＲプロトコルは最適化問題に追加の変数υを導入する。それにもかかわらず、所与のυに関して、上述の最適なＳＣＲに関して導き出されるすべてのものは有効である。
【００７７】
スレピアン−ウォルフ符号化を用いる最適なＳＣＲのために、以下の最適化から｜ｈｓｒ｜２、｜ｈｒｄ｜２、｜ｈｓｄ｜２及び目標となる全体的な送信データレートＲの関数としてのＰ０、Ｐｓ、Ｐｒ及びυを選択する。
【００７８】
【数１７】
2010130687.tif 000019
【００７９】
ただし、Ｐ０、Ｐｓ、Ｐｒ＞０且つ
【００８０】
【数１８】
2010130687.tif 000020
【００８１】
を条件とする。
【００８２】
対応する最適なデータレートは以下の通りである。
【００８３】
【数１９】
2010130687.tif 000021
【００８４】
最適なＳＣＲの結果
図３は、最適なＳＣＲプロトコルが、送信データレートとは無関係に直接送信（ＤＴ）中継及び復号転送（ＤＦ）中継の双方と比較してより良好な性能を達成することを示している。図３は、ビット／秒（ｂｐｓ）単位の送信データレートをジュール単位の総エネルギーの関数として示している。
【００８５】
図４は、対応する最適な電力割当てを本発明のＳＣＲの送信データレートの関数として示している。円（○）、バツ印（×）、及び三角形（△）はそれぞれ、フェーズ１、フェーズ２、中継の間のソースノードにおける送信電力を示す。高い送信データレートにおいて、２つのフェーズにおけるソースノードの最適な送信電力はほぼ等しい。
【００８６】
低い送信データレートにおいて、最適なＳＣＲはフェーズ２の間のソースノードの送信電力を低減することによって全体的なエネルギーの節約を達成する。しかしながら、実際には、受信機感度の制約によって、送信電力が特定の閾値を上回ることが必要とされる。また、フェーズ２におけるＰｓが小さいことは、分割比βが１に近いことを暗に意味する。この事例では、チャネル符号化を（１−β）Ｌビットに有効に適用することが非現実的になる。したがって、低データレート用途には従来のＤＦ中継を使用する。
【００８７】
図５は、ｂｐｓ単位の送信データレートをパラメータυの関数として示している。図５内の等高線５０１は、エネルギー節約のパーセンテージが等しいところを示している。図５は、パラメータυがＳＣＲプロトコルの全体的なエネルギー消費にどのように影響を及ぼすかを示している。考慮される具体的な事例に関して、スレピアン−ウォルフを用いるＳＣＲは、パラメータυが約０．２５である場合に総エネルギー消費を１６％超程度低減することができる。すなわち、フェーズ１においてリレーノードに送信されるフラグメントβＬ１１１の約２５％が、フェーズ２においてソースノードによって第２のフラグメント（１−β）Ｌ１１２と共にデスティネーションノードに直接再送される。
【００８８】
本発明を特定の好ましい実施の形態を参照して記載してきたが、本発明の精神及び範囲内でさまざまな他の適合及び変更を行うことができることは理解されたい。したがって、添付の特許請求の範囲の目的は、本発明の真の精神及び範囲内に入るすべてのこのような変形及び変更を包含することである。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【外国語明細書】
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