(57)【要約】【課題】システムスループットを向上させるための無線通信システム、中継局装置および無線通信方法を提供する。【解決手段】中継局装置Ｒ１０は、無線局装置Ａ２０、又は、Ｂ３０からのパケットを受信し、異なる２つの無線局宛のパケットが送信バッファに存在する場合に、パケット同士の排他的論理和を取ったコーディングパケットを生成し、１つの無線局宛のパケットだけが送信バッファに存在する場合に、受信したパケットをそのままネイティブパケットとするパケットを生成する。タイムアウト制限期間後におけるネイティブパケットの送信確率は、タイムアウト制限期間内の送信確率よりも高くする。無線局装置Ａ２０またはＢ３０は、送信したパケットをバッファし、中継局装置Ｒ１０から受信したパケットがコーディングパケットの場合はバッファしていた送信したパケットとの排他的論理和を取り、ネイティブパケットの場合はそのまま出力する。【選択図】図１
2010045642.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
無線局間のパケット中継を行う中継局装置と、互いに電波が到達不可能で前記中継局装置を介してパケットの送受信を行う前記無線局とを備えた無線通信システムであって、
前記中継局装置が、バッファに存在するパケットの宛先と数量とに応じて前記パケットを送信する際に、前記バッファに存在する異なる宛先の前記パケット同士で排他的論理和の演算処理を行うか否かを選択し、排他的論理和の演算処理を行わないことを選択した場合、選択時点から定められた期間の間、前記バッファに存在するパケットを定められた第１の送信確率ＥＲで送信し、選択時点から前記定められた期間が経過した場合、前記バッファに存在するパケットを定められた第２の送信確率ＦＲ（ただし、ＥＲ＜ＦＲ）で送信する
ことを特徴とする無線通信システム。
【請求項２】
無線局間のパケット中継を行う中継局装置と、互いに電波が到達不可能で前記中継局装置を介してパケットの送受信を行う前記無線局とを備えた無線通信システムであって、
前記中継局装置は、
前記無線局から受信したパケットをバッファリングする送信バッファ部と、
異なる２つの前記無線局宛のパケットが前記送信バッファ部に存在する場合に前記パケット同士の排他的論理和の演算を行ったコーディングパケットを生成し、１つの前記無線局宛のパケットだけが前記送信バッファ部に存在する場合に前記パケットをそのまま転送するネイティブパケットとして生成し、１つの前記無線局宛のパケットだけが前記送信バッファ部に存在する期間のうち、定められた期間の間は定められた第１の送信確率ＥＲで前記ネイティブパケットを送信し、定められた期間の経過後、定められた第２の送信確率ＦＲ（ただし、ＥＲ＜ＦＲ）で前記ネイティブパケットを送信する送信制御部とを備え、
前記無線局は、
前記中継局装置に送信したパケットをバッファリングするバッファ部と、
前記中継局装置から受信したパケットが、前記コーディングパケットの場合に当該コーディングパケットと前記バッファ部に前記バッファリングしている前記送信したパケットとの排他的論理和の演算を行って生成したパケットを取り出し、前記ネイティブパケットの場合に前記受信したパケットをそのまま取り出す受信パケット生成部とを備える
ことを特徴とする無線通信システム。
【請求項３】
前記第１の送信確率ＥＲは、予め定められた値であり、
前記第２の送信確率ＦＲ（ただし、ＥＲ＜ＦＲ）は、予め定められた値である
ことを特徴とする請求項２に記載の無線通信システム。
【請求項４】
互いに電波が到達不可能な無線局間のパケット通信を中継する無線通信システムで用いられる中継局装置であって、
前記無線局から受信したパケットをバッファリングする送信バッファ部と、
異なる２つの前記無線局宛のパケットが前記送信バッファ部に存在する場合に前記パケット同士の排他的論理和の演算を行ったコーディングパケットを生成し、１つの前記無線局宛のパケットだけが前記送信バッファ部に存在する場合に前記パケットをそのまま転送するネイティブパケットとするパケットとして生成し、１つの前記無線局宛のパケットだけが前記送信バッファ部に存在する期間のうち、定められた期間の間は定められた第１の送信確率ＥＲで前記ネイティブパケットを送信し、定められた期間の経過後、定められた第２の送信確率ＦＲ（ただし、ＥＲ＜ＦＲ）で前記ネイティブパケットを送信する送信制御部と
を備えることを特徴とする中継局装置。
【請求項５】
無線局間のパケット中継を行う中継局装置と、互いに電波が到達不可能で前記中継局装置を介してパケットの送受信を行う前記無線局とを備えた無線通信システムにおける無線通信方法であって、
前記中継局装置が、
異なる２つの前記無線局宛のパケットを受信してバッファリングされている場合に、前記パケット同士の排他的論理和の演算を行ったコーディングパケットを生成し、１つの前記無線局宛のパケットだけを受信してバッファリングされている場合に、前記パケットをそのまま転送するネイティブパケットとするパケットを生成し、１つの前記無線局宛のパケットだけが前記送信バッファ部に存在する期間のうち、定められた期間の間は定められた第１の送信確率ＥＲで前記ネイティブパケットを送信し、定められた期間の経過後、定められた第２の送信確率ＦＲ（ただし、ＥＲ＜ＦＲ）で前記ネイティブパケットを送信する送信制御過程を有し、
前記無線局が、
前記中継局装置に送信したパケットをバッファリングするバッファ過程と、
前記中継局装置から受信したパケットが、前記コーディングパケットの場合に前記バッファリングしている前記送信したパケットとの排他的論理和の演算を行って生成したパケットを取り出し、前記ネイティブパケットの場合に前記受信したパケットをそのまま取り出す受信パケット生成過程とを有する
ことを特徴とする無線通信方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えばランダムアクセスプロトコルを用いた無線通信システム、中継局装置および無線通信方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
無線通信システムでは、半導体技術及び集積回路技術の発展に伴い、デジタル信号処理技術を元にした携帯電話のセルラーシステムや無線ＬＡＮシステムが実現されてきた。これらの無線通信システムでは、無線端末がセルラーシステムの基地局や無線ＬＡＮシステムのアクセスポイント（ＡＰ：Access Point）に１ホップでアクセスする構成で実現されてきた。
このような無線通信システムでは、デジタルデバイドの解消や、より高速な通信の実現に向けて、高周波化・広帯域化が進められている。そのなかで、現状の無線通信システムと同じ１ホップでアクセスする構成では、送信局に対してさらに高い送信電力が要求されるため、各無線局の送信電力の軽減を目的として中継局装置を有するマルチホップ無線通信ネットワークの研究開発が行われている（例えば、非特許文献１参照）。
【０００３】
マルチホップ無線通信ネットワークを実現するにあたり、中継局装置（中継ノードともいう）において複数のあて先へのデータをコーディング処理することにより送信するパケット数を低減することができるネットワークコーディング技術が注目されている。「ネットワークコーディング」とは、ネットワーク内の中継ノードを経由する複数コネクションのデータに対し、その中継ノードにおいてコーディング処理することを意味するものである。そのネットワークコーディング技術を利用することにより、１対多マルチキャスト通信というフレームワークにおいて、フローを最大化できることが開示されており、ほかにも多くの研究がなされている（例えば、非特許文献２参照）。
【０００４】
無線通信ネットワークにおいて、無線媒体の同報性を利用した隣接ノードのパケットを傍受（overhear）することによるOpportunistic Listeningと複数ユニキャストにおけるネットワークコーディングを組み合わせることが提案されている。
また、無線ＬＡＮへの実装への動きは急速で、シンプルなパケット同士の排他的論理和（以下、排他的論理和をＸＯＲ（Exclusive OR）という）に基づくネットワークコーディングを無線ＬＡＮシステムへ実装する手法が検討されている（例えば、非特許文献３参照）。
しかしながら、ネットワークコーディングを適用した際の最適なマルチホップ無線通信システムの実現手法は、まだ確立されていない状況にある。
【非特許文献１】F.A.Tobagi," Analysis of a two-hop centralized packet radio network‐Part I:Slotted ALOHA, "IEEE Trans. Commun., vol.COM-28, no.2, p.196-207, Feb.1980.
【非特許文献２】R.Ahlswede et al, "Network information flow, " IEEE Trans. Inform. Theory, vol.46, no.4, p.1204-1216, July 2000.
【非特許文献３】S.Katti et al, " XOR′s in the air:Practical wireless network coding," Proc. ACM SIGCOMM 2006, p.243-254, Sep.2006.
【非特許文献４】D.Bertsekas and R.Gallager," Data Networks Second Edition," Prentice Hall, 1992.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、ネットワークコーディングを２ホップ中継無線通信システムに適用した場合のシステムが提案されている。
図１１は、ネットワークコーディングを適用する通信システム２００のブロック図である。図示された通信システム２００は、２ホップ中継Ｓｌｏｔｔｅｄ  ＡＬＯＨＡシステムである。通信システム２００において２ホップ中継Ｓｌｏｔｔｅｄ  ＡＬＯＨＡシステムは、中継ノードＲと、中継ノードＲに接続され中継ノードＲと通信する２つのノードＡ、Ｂとを備える。
ノードＡは、パケットを送受信するノードであり、ノードＢに送付するトラフィックＧＡのパケットａを送信する。ノードＢは、パケットを送受信するノードであり、ノードＡに送付するトラフィックＧＢのパケットｂを送信する。
中継ノードＲは、ノードＡ、Ｂからのパケットを中継する中継ノードである。このノードＡ、Ｂは、互いに直接通信せず、中継ノードＲを経由して通信する。
【０００６】
最初に、ノードＡ、Ｂのネットワークコーディングのエンコード処理について説明する。ノードＡ、Ｂは、自身が送信したパケットを格納するバッファを有している。また、中継ノードＲは、中継するために受信したパケットを格納する物理的なバッファの他に、隣接するノードＡ、Ｂのそれぞれに対応する仮想的なバッファ（以下、「バーチャルバッファ」という）を有している。ノードＡに対応するバーチャルバッファには、物理的なバッファ内に存在するノードＡを宛先とするパケットのポインタを格納する。同様に、ノードＢに対応するバーチャルバッファにはノードＢを宛先とするパケットのポインタを格納する。
中継ノードＲはバッファにパケットが格納されているときに、定められた送信確率にしたがい転送を行う。その中継ノードＲのバッファに格納されているパケットにしたがって、バーチャルバッファにはポインタが格納される。いずれかのバーチャルバッファが空いている場合は、パケットはそのまま転送される。双方のバーチャルバッファにそれぞれに１つ以上のパケットが存在する場合は、両バーチャルバッファの先頭パケットをＸＯＲの演算を行ったパケットが転送される。ここで、宛先ノードが異なる２つ以上のパケットをＸＯＲの演算を行う処理がネットワークコーディングのエンコード処理である。
【０００７】
次に、ノードＡ、Ｂのネットワークコーディングのデコード処理について説明する。ノードＡからノードＢへのパケットａと、ノードＢからノードＡへのパケットｂとが、中継ノードＲに向けてそれぞれ送信される。中継ノードＲは、ＸＯＲパケット（ａ＊ｂ）を生成し、生成されたＸＯＲパケット（ａ＊ｂ）をブロードキャストし、ノードＡ、Ｂの双方がこのパケットを受信する。「＊」は、ＸＯＲの演算を示す演算子を示し、「（ａ＊ｂ）」は、パケットａとパケットｂのＸＯＲの演算によって導かれたパケットを示す。ノードＡでは自身が送信したパケットａと中継ノードＲから転送されたパケット（ａ＊ｂ）を有する。ネットワークコーディングのデコード処理では、この２つのパケットをＸＯＲの演算を行う処理であり、ＸＯＲの演算を行うことでノードＢからノードＡへのパケットｂを得る。すなわち、（ａ＊（ａ＊ｂ））の演算処理によりパケットｂが導かれる。同様に、ノードＢではデコード処理によりパケットａを得る。中継ノードＲからブロードキャストされて受信したＸＯＲパケット（ａ＊ｂ）と、中継ノードＲに送信したパケットデータの控えデータとを利用し、ＸＯＲの演算を行い、再生する処理がネットワークコーディングのデコード処理である。
【０００８】
しかしながら、前述したシステムでは、中継局装置における送信制御手法については検討されておらず、システムのスループットに関しても十分な性能を得ることができず、特に、不均一トラフィック環境においてスループット低下、パケット伝送遅延の増大を引き起こすという問題がある。
【０００９】
本発明は、上記の事情を考慮してなされたものであり、その目的は、システムスループットを向上させる無線通信システム、中継局装置および無線通信方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記問題を解決するために、本発明の無線通信システムは、無線局間のパケット中継を行う中継局装置と、互いに電波が到達不可能で前記中継局装置を介してパケットの送受信を行う前記無線局とを備えた無線通信システムであって、前記中継局装置が、バッファに存在するパケットの宛先と数量とに応じて前記パケットを送信する際に、前記バッファに存在する異なる宛先の前記パケット同士で排他的論理和の演算処理を行うか否かを選択し、排他的論理和の演算処理を行わないことを選択した場合、選択時点から定められた期間の間、前記バッファに存在するパケットを定められた第１の送信確率ＥＲで送信し、選択時点から前記定められた期間が経過した場合、前記バッファに存在するパケットを定められた第２の送信確率ＦＲ（ただし、ＥＲ＜ＦＲ）で送信することを特徴とする無線通信システムである。
【００１１】
また、本発明の無線通信システムは、無線局間のパケット中継を行う中継局装置と、互いに電波が到達不可能で前記中継局装置を介してパケットの送受信を行う前記無線局とを備えた無線通信システムであって、前記中継局装置が、前記無線局から受信したパケットをバッファリングする送信バッファ部と、異なる２つの前記無線局宛のパケットが前記送信バッファ部に存在する場合に前記パケット同士の排他的論理和の演算を行ったコーディングパケットを生成し、１つの前記無線局宛のパケットだけが前記送信バッファ部に存在する場合に前記パケットをそのまま転送するネイティブパケットとして生成し、１つの前記無線局宛のパケットだけが前記送信バッファ部に存在する期間のうち、定められた期間の間は定められた第１の送信確率ＥＲで前記ネイティブパケットを送信し、定められた期間の経過後、定められた第２の送信確率ＦＲ（ただし、ＥＲ＜ＦＲ）で前記ネイティブパケットを送信する送信制御部とを備え、前記無線局が、前記中継局装置に送信したパケットをバッファリングするバッファ部と、前記中継局装置から受信したパケットが、前記コーディングパケットの場合に当該コーディングパケットと前記バッファ部に前記バッファリングしている前記送信したパケットとの排他的論理和の演算を行って生成したパケットを取り出し、前記ネイティブパケットの場合に前記受信したパケットをそのまま取り出す受信パケット生成部とを備えることを特徴とする無線通信システムである。
【００１２】
また、本発明の前記第１の送信確率ＥＲは、予め定められた値であり、前記第２の送信確率ＦＲ（ただし、ＥＲ＜ＦＲ）は、予め定められた値であることを特徴とする。
【００１３】
また、本発明の中継局装置は、互いに電波が到達不可能な無線局間のパケット通信を中継する無線通信システムで用いられる中継局装置であって、前記無線局から受信したパケットをバッファリングする送信バッファ部と、異なる２つの前記無線局宛のパケットが前記送信バッファ部に存在する場合に前記パケット同士の排他的論理和の演算を行ったコーディングパケットを生成し、１つの前記無線局宛のパケットだけが前記送信バッファ部に存在する場合に前記パケットをそのまま転送するネイティブパケットとするパケットとして生成し、１つの前記無線局宛のパケットだけが前記送信バッファ部に存在する期間のうち、定められた期間の間は定められた第１の送信確率ＥＲで前記ネイティブパケットを送信し、定められた期間の経過後、定められた第２の送信確率ＦＲ（ただし、ＥＲ＜ＦＲ）で前記ネイティブパケットを送信する送信制御部とを備えることを特徴とする中継局装置である。
【００１４】
また、本発明の無線通信方法は、無線局間のパケット中継を行う中継局装置と、互いに電波が到達不可能で前記中継局装置を介してパケットの送受信を行う前記無線局とを備えた無線通信システムにおける無線通信方法であって、前記中継局装置が、異なる２つの前記無線局宛のパケットを受信してバッファリングされている場合に、前記パケット同士の排他的論理和の演算を行ったコーディングパケットを生成し、１つの前記無線局宛のパケットだけを受信してバッファリングされている場合に、前記パケットをそのまま転送するネイティブパケットとするパケットを生成し、１つの前記無線局宛のパケットだけが前記送信バッファ部に存在する期間のうち、定められた期間の間は定められた第１の送信確率ＥＲで前記ネイティブパケットを送信し、定められた期間の経過後、定められた第２の送信確率ＦＲ（ただし、ＥＲ＜ＦＲ）で前記ネイティブパケットを送信する送信制御過程を有し、前記無線局が、前記中継局装置に送信したパケットをバッファリングするバッファ過程と、前記中継局装置から受信したパケットが、前記コーディングパケットの場合に前記バッファリングしている前記送信したパケットとの排他的論理和の演算を行って生成したパケットを取り出し、前記ネイティブパケットの場合に前記受信したパケットをそのまま取り出す受信パケット生成過程とを有することを特徴とする無線通信方法である。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、無線通信システムは、中継局装置のバッファに存在するパケットの宛先と数量に応じて、異なる宛先のパケットの排他的論理和の演算処理を行ったコーディングパケットと前記パケットとのいずれかを送信する。前記中継局装置が前記バッファにいずれかの無線局のみを宛先とする前記パケットを送信する場合、定められた期間内の送信確率よりも高い送信確率により、定められた期間が経過後に前記パケットを送信することとする。
これにより、中継局装置がパケットを中継する際に、定められた期間経過後にネイティブパケットを高確率で送信することにより、特に不均一トラフィック環境において生じるスループット低下を抑制し、パケット伝送遅延を補償することが可能になるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。
図１は、本実施形態による無線通信システム１００を示す概略図である。
この図を参照し、２ホップ中継Ｓｌｏｔｔｅｄ  ＡＬＯＨＡシステムとしての無線通信システム１００について説明する。
【００１７】
無線通信システム１００は、中継局装置Ｒ１０と、無線通信回線を介して中継局装置Ｒ１０に接続される２つの無線局装置Ａ２０と無線局装置Ｂ３０とを備える。
無線通信システム１００における無線局装置Ａ２０は、無指向性のアンテナを備え、無線通信回線でパケットを送受信する通信ノードであり、無線局装置Ｂ３０に送付するトラフィックＧＡのパケットａを送信する。無線局装置Ｂ３０は、無指向性のアンテナを備え無線通信回線でパケットを送受信する通信ノードであり、無線局装置Ａ２０に送付するトラフィックＧＢのパケットｂを送信する。
中継局装置Ｒ１０は、無線局装置Ａ２０と無線局装置Ｂ３０から送付されるパケットを中継する中継ノードである。無線局装置Ａ２０と無線局装置Ｂ３０は互いに直接通信は行わず、中継局装置Ｒ１０を経由して通信する。また、無線局装置Ａ２０と無線局装置Ｂ３０から送信されるパケットの送信において、互いに共に干渉しない。
【００１８】
図を参照し中継局装置Ｒ１０におけるネットワークコーディングについて説明する。
図２（ａ）は、無線通信システム１００のバッファ配置を示すブロック図である。
中継局装置Ｒ１０は、送信バッファＡ１２と送信バッファＢ１３とを備える記憶装置１と、記憶装置１を制御する送信制御回路１１とを備える。
中継局装置Ｒ１０において送信バッファＡ１２は、無線局装置Ｂ３０から受信し、無線局装置Ａ２０に送信するためのパケットが格納されるバッファである。送信バッファＢ１３は、無線局装置Ａ２０から受信し、無線局装置Ｂ３０に送信するためのパケットが格納されるバッファである。
また、中継局装置Ｒ１０は、中継するために受信したパケットを格納する物理的なバッファである送信バッファＡ１２と送信バッファＢ１３との他に、物理的なバッファに対応する仮想的なバッファ（以下、「バーチャルバッファ」という）を有している。無線局装置Ａ２０に対応するバーチャルバッファには、送信バッファＡ１２内に存在する無線局装置Ａ２０を宛先とするパケットのポインタを格納する。同様に、送信バッファＢ１３に対応するバーチャルバッファには無線局装置Ｂ３０を宛先とするパケットのポインタを格納する。
送信制御回路１１は、無線局装置Ｂ３０から受信し、無線局装置Ａ２０に送付するためのパケットを送信バッファＡ１２に、無線局装置Ａ２０から受信し、無線局装置Ｂ３０に送付するためのパケットを送信バッファＢ１３に格納する。送信制御回路１１は、送信バッファＡ１２又は送信バッファＢ１３にパケットが格納されているとき、定められた送信確率にしたがい転送を行う。送信制御回路１１が送信するときの処理は、それぞれのバッファにパケットが格納されているか、否かによって送信処理が異なる。
【００１９】
無線局装置Ａ２０は、受信制御回路２１、通信バッファＡ２２を備える。無線局装置Ａ２０における通信バッファＡ２２は、中継局装置Ｒ１０に送信したパケットを記憶する。受信制御回路２１は、中継局装置Ｒ１０から受信したパケットがネットワークコーディングされたパケットであるときには、通信バッファＡ２２を参照し、記憶されているパケットと受信したパケットとの排他的論理和の演算処理を行った結果を出力する。
また、受信したパケットがネットワークコーディングされていないパケットであるときには、受信したパケットをそのまま出力する。
【００２０】
無線局装置Ｂ３０は、受信制御回路３１、通信バッファＢ３２を備える。無線局装置Ｂ３０における通信バッファＢ３２は、中継局装置Ｒ１０に送信したパケットを記憶する。受信制御回路３１は、中継局装置Ｒ１０から受信したパケットがネットワークコーディングされたパケットであるときには、通信バッファＢ３２を参照し、記憶されているパケットと受信したパケットとの排他的論理和の演算処理を行った結果を出力する。
また、受信したパケットがネットワークコーディングされていないパケットであるときには、受信したパケットをそのまま出力する。
【００２１】
図２（ｂ）は、送信バッファＡ１２のみに送信すべきパケットが格納されている状態を示す図である。
送信バッファＡ１２には、送信する順にパケットｂ１、パケットｂ２が格納されているが、送信バッファＢ１３には、送信するパケットは格納されていない。図に示されるように、いずれかのバッファが空いている場合は、送信確率ＥＲ∈［０，１］にしたがいパケットｂ１がそのまま転送される。
【００２２】
図２（ｃ）は、送信バッファＡ１２と送信バッファＢ１３との双方に送信すべきパケットが格納されている状態を示す図である。
送信バッファＡ１２には、送信する順にパケットｂ１、パケットｂ２が格納されている。送信バッファＢ１３には、パケットａ１が格納されている。
図に示されるように、双方のバッファにそれぞれに１つ以上のパケットが存在する場合は、両バッファの先頭パケットにＸＯＲの演算を行ったＸＯＲパケット（ａ＊ｂ）が送信確率ＧＲ∈［０，１］にしたがい転送される。
【００２３】
上記に示されたように、ネットワークコーディングのエンコード処理を施されて送信されたＸＯＲパケットは、中継局装置Ｒ１０の送信先である無線局装置Ａ２０と無線局装置Ｂ３０とにおいて、復元させる処理、すなわちネットワークコーディングのデコード処理を施すことが必要になる。
無線局装置Ａ２０と無線局装置Ｂ３０とで処理されるネットワークコーディングのデコード処理について説明する。無線局装置Ａ２０から無線局装置Ｂ３０へのパケットａと、無線局装置Ｂ３０から無線局装置Ａ２０へのパケットｂとが中継局装置Ｒ１０に向けてそれぞれ送信される。中継局装置Ｒ１０は、ＸＯＲパケット（ａ＊ｂ）を生成し、生成されたＸＯＲパケット（ａ＊ｂ）をブロードキャストする。ブロードキャストされたＸＯＲパケット（ａ＊ｂ）を、無線局装置Ａ２０と無線局装置Ｂ３０との双方でそのパケットを受信する。「＊」は、ＸＯＲの演算を示す演算子を示し、「（ａ＊ｂ）」は、パケットａとパケットｂのＸＯＲの演算によって導かれたパケットを示す。無線局装置Ａ２０では自身が送信したパケットａと中継局装置Ｒ１０から転送されたパケット（ａ＊ｂ）を有する。ネットワークコーディングのデコード処理は、この２つのパケットを無線局装置Ａ２０と無線局装置Ｂ３０とのそれぞれでＸＯＲの演算を行う処理である。ＸＯＲの演算を行うことで、無線局装置Ａ２０は、無線局装置Ｂ３０から送信されるパケットｂを、（ａ＊（ａ＊ｂ））の演算処理により得る。同様に、無線局装置Ｂ３０では、デコード処理によりパケットａが導かれる。
【００２４】
中継局装置Ｒ１０における中継するパケットを格納するための記憶装置１について説明する。中継局装置Ｒ１０のバッファ、すなわち、送信バッファＡ１２と送信バッファＢ１３とを合わせた全バッファは、Ｍ個のパケットを一時的に保持することができる容量を有し、Ｍパケットまでのパケットを同時に格納することを可能とする。ただし、バッファ容量を示すＭは、Ｍ∈［１，∞]Ｚで示される（「［ｓ，ｔ］Ｚ」は、ｓ以上ｔ以下の整数を表す）。なお、中継局装置Ｒ１０が備えるバッファとして、ＦＩＦＯ（First In First Out）のキューを想定する。
無線局装置Ａ２０から無線局装置Ｂ３０への通信では、送信確率にしたがったトラフィックが発生し、同様に無線局装置Ｂ３０から無線局装置Ａ２０への通信では、同じく送信確率にしたがったトラフィックが発生する。中継局装置Ｒ１０は、自らのトラフィックを発生しないものと仮定し、中継局装置Ｒ１０のバッファ内のパケットの状態に合わせた送信確率にしたがってパケットを転送する。
【００２５】
無線通信システム１００におけるＭＡＣ（Medium Access Control）方式は、Ｓｌｏｔｔｅｄ  ＡＬＯＨＡ方式とする。すなわち、各送信パケットは固定長であり、各送信パケットが送信されるために１スロットを要する。
各無線局装置Ａ２０、Ｂ３０、中継局装置Ｒ１０（以下、無線局装置Ａ２０、Ｂ３０、中継局装置Ｒ１０を区別しない場合に「ノード」と称する）からのパケットの送信は、このスロットに同期して行われる。送信された各パケットの受信は、あるスロットで開始され同じスロットの時間内、すなわち、次のスロットが開始する前までに終了する。中継局装置Ｒ１０が他の２つのノードからパケットを同じスロットで受信するとき、又は、通信可能な１つ以上のノードからパケットを受信するスロットでそのノード自身がパケットを送信するとき、衝突（Collision）が生じる。衝突が生じたときには、そのパケットを受信するノードは、送られてきたパケットに関しての情報を得ることができない。一方、パケットの衝突がない場合には、パケットは正常に受信されるものと仮定する。
また、各スロットの終わりには、ＲＴＴ(Round Trip Time)前のスロットでパケットを送信したノードは、その宛先のノードがパケットを正常に受信した場合に受信応答信号（以下、受信応答信号についてＡＣＫ（ACKnowledgement）という）を受け取る。ＡＣＫを受け取らなければ、送信したノードはパケットが衝突したと判断する。
【００２６】
以下、無線通信システム１００における無線局装置Ａ２０と無線局装置Ｂ３０間のスループット、無線局装置Ａ２０と無線局装置Ｂ３０における正常にパケットを受信するのに要した送信パケット数、および、中継局装置Ｒ１０を経由したパケットの伝送遅延について説明する。その説明では、中継局装置Ｒ１０のバッファ内に存在するパケットの振る舞いについてマルコフ連鎖を用いた解析により導き出された結果を示す。
送信したノードとなる無線局装置Ａ２０または無線局装置Ｂ３０から送信されたパケットが衝突することにより中継局装置Ｒ１０がそのパケットを受信できなかった場合には、送信したノードは、衝突して受信されなかったパケットをパケット発生のトラフィックにしたがって再送する。再送されるパケットが送信したノードから再送されるまでの間に、新規に発生したパケットは廃棄されるものとする。これにより、中継局装置Ｒ１０を経由したパケットの伝送遅延の解析が簡略化される。
【００２７】
一方、中継局装置Ｒ１０は、宛先のノードからＡＣＫを受信できなかった場合において、ＡＣＫを受信できなかったパケットをバッファの先頭に配置し、同じ送信確率にしたがって宛先のノードに向けて再送を行う。無線局装置Ａ２０でのパケットの送信確率をＧＡ∈［０，１］、無線局装置Ｂ３０でのパケットの送信確率をＧＢ∈［０，１］とする。無線局装置Ａ２０と無線局装置Ｂ３０における再送パケットはそれぞれの送信確率ＧＡとＧＢを持ち、パケット再送の間の新規パケットは廃棄されるため、送信確率ＧＡとＧＢがそれぞれ無線局装置Ａ２０と無線局装置Ｂ３０のトラフィックを表す。
ここで示される２ホップ中継Ｓｌｏｔｔｅｄ  ＡＬＯＨＡシステムは、無線メッシュネットワーク、無線アドホックネットワーク、無線センサーネットワーク、衛星通信ネットワークなど媒体を共有するネットワークにおいて適用できる。
なお、以下の解析においては、システムにおける処理遅延、及び、物理的な伝搬遅延はパケット長に対して無視できる程度に小さいと仮定する。すなわち、あるスロットで送信されたパケットは同じスロット内で受信される。したがって、再送遅延を含むアクセス遅延は中継局装置Ｒ１０を経由するため２以上となる。伝送遅延はアクセス遅延と待ち行列遅延の足し合わせであり、２以上の値をとる。また、無線局装置Ａ２０、無線局装置Ｂ３０、中継局装置Ｒ１０は移動しないと仮定する。すなわち、固定の無線基地局をノードとしてそのノード間を無線回線で中継する無線中継システムであり、構成されるネットワークとしては、無線メッシュネットワークを想定し説明する。
【００２８】
（性能解析）
次に、対象とする無線通信システム１００の性能解析について説明する。
無線局装置Ａ２０と無線局装置Ｂ３０のトラフィックは偏りがなく同一とし、システム全体のトラフィックＧ∈［０，２］を用いることにより、送信確率を用いてＧＡ＝ＧＢ＝Ｇ／２と記述される。
次の３つの対象について性能解析を行う。その対象は、無線局装置Ａ２０と無線局装置Ｂ３０間のスループット、無線局装置Ａ２０と無線局装置Ｂ３０における正常にパケットを受信するのに要した送信パケット数、および、中継局装置Ｒ１０を経由したパケットの伝送遅延である。これらは中継局装置Ｒ１０のバッファ内のパケット数に基づく状態解析により導き出すことができる。
【００２９】
最初に、解析に用いる離散時間マルコフ連鎖理論（「非特許文献４」参照）について説明する。状態の集合を集合Ｓ＝｛ｎ｝と示す。集合Ｓ内の状態を確率変数にとる離散確率過程｛Ｘｋ｜ｋ∈［０，∞］Ｚ｝と示す。現在の状態Ｘｋが過去の状態Ｘｋ−１にのみ依存するとき、その確率過程をマルコフ連鎖と呼ぶ。
時点ｋにおける過去の状態ｎ∈Ｓから現在の状態ｍに遷移する確率をｐｋ（ｎ，ｍ）で示す。また、定常遷移確率を式（１）で示す。
【００３０】
【数１】
2010045642.tif 000003
【００３１】
時点ｋにおける状態ｎの確率をＰｋ（ｎ）で示し、その定常確率を式（２）で示す。
【００３２】
【数２】
2010045642.tif 000004
【００３３】
以降では、定常確率のみを対象とし、エルゴード性を仮定する。
ある時点からＮ時点経過した定常遷移確率は、式（３）で定義される。
【００３４】
【数３】
2010045642.tif 000005
【００３５】
式（３）において、あるＮとＮ’について、式（４）かつ式（５）であるとき、２状態ｎとｍは通信するという。
【００３６】
【数４】
2010045642.tif 000006
【００３７】
【数５】
2010045642.tif 000007
【００３８】
全ての状態が通信する状態であるとき、マルコフ連鎖は既約（irreducible）であるという。状態ｎに対してＮがｄの倍数であるとき以外に式（６）となるような整数ｄ≧２が存在しない場合、マルコフ連鎖は非周期的（aperiodic）であるという。
【００３９】
【数６】
2010045642.tif 000008
【００４０】
次に、ネットワークコーディングを適用する場合について説明する。
ネットワークコーディングを適用する無線通信システム１００の条件を次に示すように定める。Ｍ個のバッファ容量を備える中継局装置Ｒ１０のいずれかのバッファが空いている場合は、送信確率ＥＲ∈［０，１］にしたがいパケットはそのまま転送される。双方のバッファにそれぞれに１つ以上のパケットが存在する場合は、両バッファの先頭パケットをＸＯＲの演算を行ったパケットを送信確率ＧＲ∈（０，１］にしたがい転送される。このときのネットワークコーディング（ＮＣ：Network Coding）する無線通信システム１００について、［Ｍ，ＧＲ，ＥＲ］ＮＣシステムとして示す。
【００４１】
時点ｋにおける無線局装置Ａ２０と無線局装置Ｂ３０のバッファ内のパケット数をそれぞれＡｋとＢｋで示す。そのパケット数で示される２次元確率過程Ｒｋ＝（Ａｋ，Ｂｋ）について、［Ｍ，ＧＲ，ＥＲ］ＮＣシステムの状態集合Ｓを式（７）に示す。
【００４２】
【数７】
2010045642.tif 000009
【００４３】
式（７）において、状態集合Ｓ以外の状態への確率遷移は起こらないように必要であれば中継局装置Ｒ１０の動作を規定する。
また、以下の解析を容易にするための仮定を行う。その仮定は、ＥＲ＝ＧＲ、すなわちネットワークコーディングができない場合でもできる場合でも中継局装置Ｒ１０からの送信確率を同じとし、中継局装置Ｒ１０のバッファ容量は、無限大のバッファ長Ｍ＝∞を有するものと仮定する。この仮定から［Ｍ，ＧＲ，ＧＲ］ＮＣシステムと示すことができる。
【００４４】
図３は、確率過程Ｒｋのマルコフ連鎖を示す。図示される状態遷移確率は、それぞれ式（８）〜式（１２）で与えられる。
【００４５】
【数８】
2010045642.tif 000010
【００４６】
【数９】
2010045642.tif 000011
【００４７】
【数１０】
2010045642.tif 000012
【００４８】
【数１１】
2010045642.tif 000013
【００４９】
【数１２】
2010045642.tif 000014
【００５０】
状態（ｎ，ｍ）に対する定常確率をＰ（ｎ，ｍ）で示す。無線局装置Ａ２０に対応する送信バッファＡ１２内のパケット数ｎに関する定常周辺確率をＰＡ（ｎ）で示す。同様に、無線局装置Ｂ３０に対するバッファ内のパケット数ｍに関する定常周辺確率をＰＢ（ｍ）で示す。無線局装置Ａ２０と無線局装置Ｂ３０は、互いに独立してパケット生起を行うため、式（１３）で示されるように近似することができる。
【００５１】
【数１３】
2010045642.tif 000015
【００５２】
ただし、式（１３）において、ネットワークコーディングが適用されるため、実際には独立ではない。次の定理が成立する。
［定理3.1］
状態（０，０）に関する定常確率Ｐ（０，０）は、式（１４）として近似することができる。
【００５３】
【数１４】
2010045642.tif 000016
【００５４】
式（１４）において、ρ＝λ/μ０＝（１−ＧＲ）Ｇ／２ＧＲである。
このとき、［Ｍ，ＧＲ，ＧＲ]ＮＣシステムのスループットＳは、式（１５）で与えられる。
【００５５】
【数１５】
2010045642.tif 000017
【００５６】
［証明]
最初に周辺確率ＰＡ（ｎ）に注目する。周辺確率ＰＡ（ｎ）のマルコフ連鎖は出生死滅システムとなる。その遷移確率はｎ∈［１，∞]Ｚに対してｐｎ，ｎ＋１＝λ、および、ｐｎ−１，ｎ＝μ０となる。一方、定常遷移確率ｐ０，１は、式（１６）で示される。
【００５７】
【数１６】
2010045642.tif 000018
【００５８】
この出生死滅システムを解くことにより、式（１７）が導かれる。
【００５９】
【数１７】
2010045642.tif 000019
【００６０】
さらに、定常確率ＰＡ（ｎ）が存在するためには、式（１８）を満足する必要がある。
【００６１】
【数１８】
2010045642.tif 000020
【００６２】
結合確率Ｐ（０，０）は、Ｐ（０，０）＝ＰＡ（０）２より導かれる方程式の式（１９）を解くことにより、前述の式（１４）を得ることができる。
【００６３】
【数１９】
2010045642.tif 000021
【００６４】
図３に示されるように、ｎ，ｍ≧１に対して、状態（ｎ，０），（０，ｍ）から確率μ０にて１パケットが受信され、状態（ｎ，ｍ）から確率２μ１にて１パケット、確率μで２パケットが受信される。したがって、スループットＳは、式（２０）で示される。
【００６５】
【数２０】
2010045642.tif 000022
【００６６】
式（２０）に、式（１７）を代入することで、スループットの式（１５）が導かれる（証明終）。
【００６７】
中継局装置Ｒ１０のバッファが発散しないために式（１８）を満足する範囲では、スループットの式（１５）から中継局装置Ｒ１０の送信確率ＧＲが小さいほどスループットＳを大きくする。したがって、［Ｍ，ＧＲ，ＧＲ］ＮＣシステムにおけるスループットを最大化させるためには、十分小さな正の実数δ＞０に対して中継局装置Ｒ１０の送信確率をＧＲ＝Ｇ／（２＋Ｇ）＋δとすればよい。
【００６８】
図４を参照し、トラフィックＧに対するスループットＳの特性を説明する。
このグラフの横軸はトラフィックＧを示し、縦軸はスループットＳを示す。この図に示されるグラフＳ１は、ネットワークコーディングを適用した［Ｍ，ＧＲ，ＧＲ］ＮＣシステム（ＧＲ＝Ｇ／（２＋Ｇ）＋δ）のスループットを示す。また、グラフＳ２は、送信確率をＥＲ＝ＧＲ＝０．６とするネットワークコーディングを適用した［Ｍ，０．６，０．６］ＮＣシステムのスループットを示す。グラフＳ３は、ネットワークコーディングなしの［Ｍ，１．０］ＮＮＣシステムのスループットを示す。「ＮＮＣ」は、ネットワークコーディングなしを示す。
それぞれのグラフのスループット特性について、比較して説明することとする。
ネットワークコーディングを行うグラフＳ１、Ｓ２に示されるスループット特性は、ネットワークコーディングが行われないグラフＳ３に示されるスループット特性に比べ全領域で高いスループットが示される。
また、グラフＳ１で示される特性は、トラフィックに応じて送信確率の値を変化させたときのスループット特性であり、パケットの送信確率を固定値（ＥＲ＝ＧＲ＝０．６）としたグラフＳ２で示される特性より、高いスループットが示される。
【００６９】
［Ｍ，ＧＲ，ＧＲ］ＮＣシステムにおいて、正常にパケットが宛先のノードに受信されるまでに送信したノードからの平均パケット数は、式（２１）で示される。
【００７０】
【数２１】
2010045642.tif 000023
【００７１】
［Ｍ，ＧＲ，ＧＲ］ＮＣシステムにおいて、中継局装置Ｒ１０内のシステム遅延について考察する。中継局装置Ｒ１０のバッファ内にある平均パケット数ＮＲは、式（２２）として導かれる。
【００７２】
【数２２】
2010045642.tif 000024
【００７３】
一方、中継局装置Ｒ１０へのパケット到着率λＲは、式（２３）として導かれる。
【００７４】
【数２３】
2010045642.tif 000025
【００７５】
したがって、リトルの定理を用いて中継局装置Ｒ１０内のシステム遅延ＤＣを式（２４）として得ることができる。
【００７６】
【数２４】
2010045642.tif 000026
【００７７】
中継局装置Ｒ１０内のシステム遅延ＤＲに無線局装置Ａ２０または無線局装置Ｂ３０から中継局装置Ｒ１０へのアクセス遅延を含めた［Ｍ，ＧＲ，ＧＲ］ＮＣシステムの伝送遅延Ｄは、式（２５）として示される。
【００７８】
【数２５】
2010045642.tif 000027
【００７９】
伝送遅延Ｄは、ＧＲ＝１となるとき最小値をとり、ＧＲが小さくなるにつれて大きくなり、ＧＲ＝Ｇ／（２＋Ｇ）で発散する。
【００８０】
［Ｍ，ＧＲ，ＧＲ］ＮＣシステムでは、スループットと伝送遅延との間に明確なトレードオフの関係が存在する。［Ｍ，ＧＲ，ＧＲ］ＮＣシステムでは、最大のスループットを達成するＧＲ＝Ｇ／（２＋Ｇ）＋δでは伝送遅延が最大となり、最小の伝送遅延を達成するＧＲ＝１ではネットワークコーディング自体が実行できないこととなる。
【００８１】
中継局装置Ｒ１０の送信確率ＧＲ＝Ｇ／（２＋Ｇ）＋δにおける伝送遅延は、δの逆数に依存し、Offered Load Ｇが低い場合でもδの逆数付近が伝送遅延となる。これは中継局装置Ｒ１０においてパケットの送信機会が得られないことで中継局装置Ｒ１０のバッファ内にパケットが停留することが要因となる。
また、スループットを向上させるためには可能な限りネットワークコーディングを行うことが必要となるため、ネットワークコーディングの機会を増やす必要があり、［Ｍ，ＧＲ，ＧＲ］ＮＣシステムにおいてはＧＲを小さくしなければならない。
【００８２】
このように、スループット向上と伝送遅延低減の双方の特性をさらに高めるには、ネットワークコーディングが行えない場合の送信確率ＥＲとネットワークコーディングが行える場合の送信確率ＧＲを切り分けることが必要になる。そして、ネットワークコーディングが行える送信の送信確率を高く設定し、送信確率をＥＲ＜ＧＲとした［Ｍ，ＧＲ，ＥＲ］ＮＣシステムが必要になる。この条件によって制御される方式を、コーディング優先制御方式という。
コーディング優先制御方式について説明する。コーディング優先制御方式を適用する中継局装置Ｒ１０におけるバッファモデルおよびネットワークコーディングの原理については、前述の図２に示した構成と同じ構成に基づいて適用することができる。コーディング優先制御方式特有の条件は、上記に示した送信確率をＥＲ＜ＧＲとする条件になる。
【００８３】
さらに好適な例として、送信確率ＥＲについて、タイムアウト制限を設ける方法について、図５を用いて説明する。図５は、タイムアウト制限を適用した無線通信システム１００−２における中継局装置Ｒ１０−２の内部構成を示すブロック図である。同図において、図２（ａ）と同様の構成については同一の符号を付し、異なる構成について説明する。
中継局装置Ｒ１０−２は、送信制御回路１１−２と、記憶装置１−２と、スロットタイミング生成部１６とを備える。
【００８４】
中継局装置Ｒ１０−２において、スロットタイミング生成部１６は、例えば、クロック回路などであり、各ノード間で送信タイミングの同期に用いるスロットタイミングを生成し、送信制御回路１１−２に出力する。
送信制御回路１１−２は、送信タイミング処理部１１１と、受信バッファ処理部１１２と、カウンタ処理部１１３とを備え、カウンタ処理部１１３による処理を行う点が図２（ａ）と異なる。
【００８５】
送信制御回路１１−２において、カウンタ処理部１１３は、受信バッファ処理部１１２からの制御信号に応じてスロットタイミング生成部１６が出力するスロットタイミングのスロット数をカウントし、図示しない内部の記憶領域にカウントした値であるカウント値を記憶する。
【００８６】
受信バッファ処理部１１２は、無線局装置Ａ２０、Ｂ３０から受信するパケットを、送信元に対応する記憶装置１−２のバッファに書き込む。例えば、受信バッファ処理部１１２は、無線局装置Ａ２０から受信したパケットａを送信バッファＢ１３に書き込むとともに、書き込んだパケットａのポインタをバーチャルバッファＢ１５に書き込む。
また、受信バッファ処理部１１２は、カウンタ処理部１１３が記憶するスロットのカウント値が送信バッファＡ１２、Ｂ１３のいずれか一方にのみパケットが格納されている期間のスロット数をカウントさせる制御信号をカウンタ処理部１１３に出力する。
【００８７】
例えば、受信バッファ処理部１１２は、受信したパケットを書き込む際、いずれのバッファもパケットを格納していない場合に、カウンタ処理部１１３にカウントの開始要求を出力する。また、いずれか一方のバッファにのみパケットが格納されており、新たに受信したパケットが他方のバッファに書き込むパケットである場合、受信バッファ処理部１１２は、カウンタ値のリセットとカウント終了とを要求する終了要求をカウンタ処理部１１３に出力する。
【００８８】
また、いずれか一方のバッファにのみパケットが格納されており、新たに受信したパケットが同一のバッファに書き込むパケットである場合、受信バッファ処理部１１２は、カウンタ処理部１１３に制御信号を出力しない、又は、カウントの処理を継続させる継続要求を出力する。
なお、受信バッファ処理部１１２がカウンタ処理部１１３を制御することとして説明したが、これに限らず、いずれか一方のノード宛のパケットのみが存在する期間を中継局装置Ｒ１０−２が検出することが可能な方法であれば、いずれの方法でも適用可能である。
【００８９】
記憶装置１−２において、バーチャルバッファＡ１４、Ｂ１５は、各々、送信バッファＡ１２、Ｂ１３が記憶するパケットのポインタを格納している。
送信タイミング処理部１１１は、転送対象であるＸＯＲパケット、ネイティブパケットの送信タイミングをスロットタイミング生成部１６の通知に応じて、タイムアウトを用いた方法により制御する。また、送信タイミング処理部１１１は、０〜１までの乱数を発生させ、定められた送信確率に応じた送信処理を行う際、発生させた乱数と、送信確率とを比較することにより、パケットの送信を行うか否かを判定する。
【００９０】
次に、図５の中継局装置Ｒ１０−２において、送信タイミング処理部１１１が行うタイムアウトを用いた送信タイミング処理の概要について、図６を用いて説明する。
図６は、中継局装置Ｒ１０−２がネイティブパケットを送信する際の送信確率を示す図である。中継局装置Ｒ１０−２は、記憶装置１−２のパケット格納状況に応じて異なる２つの送信確率により、ネイティブパケットを送信する。具体的には、図２（ｂ）に示す送信確率ＥＲと、図６に示す送信確率ＦＲ（ただし、ＥＲ＜ＦＲ）とを用いる。
【００９１】
送信タイミング処理部１１１は、いずれか一方のみにパケットが格納されている期間が、予め定められたタイムアウト制限期間であるタイムスロットＴｏｕｔの間は、ネイティブパケットを送信確率ＥＲで送信し、タイムスロットＴｏｕｔを超えた場合、送信確率ＥＲよりも高い送信確率ＦＲでネイティブパケットを送信する。
【００９２】
次に、中継局装置Ｒ１０−２の動作処理の流れについて、図面を用いて説明する。図７は、１スロット内に行う受信バッファ処理部１１２による受信バッファ処理と、カウンタ処理部１１３によるカウンタ処理とのフローチャートである。
中継局装置Ｒ１０−２において、送信制御回路１１−２の受信バッファ処理部１１２は、スロットタイミング生成部１６から入力されるスロットタイミングごとに、無線局装置Ａ２０、Ｂ３０のいずれからもパケットを受信しなかった場合、このスロットの処理を終了する。また、受信バッファ処理部１１２は、無線局装置Ａ２０、Ｂ３０のいずれか一方からパケットを受信した場合、ステップＳ２に進む（ステップＳ１）。
【００９３】
受信バッファ処理部１１２は、受信したパケットの宛先の識別情報に応じたバッファに、パケットを書き込むとともに、上述した送信バッファＡ１２と送信バッファＢ１３とのパケット格納状況ごとに予め定められたカウンタの制御信号をカウンタ処理部１１３に出力する。カウンタ処理部１１３は、受信バッファ処理部１１２から入力される制御信号に応じて処理を行う（ステップＳ２）。
【００９４】
受信バッファ処理部１１２は、受信したパケットの宛先の識別情報が無線局装置Ａ２０、Ｂ３０のいずれであるかを判定する（ステップＳ３）。受信バッファ処理部１１２は、受信したパケットの宛先が無線局装置Ａ２０であると判定した場合、バーチャルバッファＡ１４のポインタの情報を更新し（ステップＳ４Ａ）、受信したパケットの宛先が無線局装置Ｂ３０であると判定した場合、バーチャルバッファＢ１５のポインタの情報を更新し、当該スロットの処理を終了する（ステップＳ４Ｂ）。
【００９５】
上述した図７の処理手順によれば、ステップＳ２において、カウンタ処理部１１３が受信バッファ処理部１１２からカウント開始要求が入力された場合、他のスロットにおける処理時に受信バッファ処理部１１２から終了要求が入力されるまでの間、スロットタイミング生成部１６が入力するスロットタイミングごとに、カウンタ値を１インクリメントする処理を繰り返すこととなる。すなわち、カウンタ処理部１１３は、送信バッファＡ１２、Ｂ１３のいずれか一方のみにパケットが格納されている期間のタイムスロット数をカウントし、内部の記憶領域に記憶することとなる。
【００９６】
次に、送信タイミング処理部１１１の処理の流れについて図８を用いて説明する。図８は、１スロット内に行う送信タイミング処理部１１１の送信タイミング処理のフローチャートである。
送信タイミング処理部１１１は、スロットタイミング生成部１６からスロットタイミング生成部１６から入力されるスロットタイミングごとに、記憶装置１−２の全バッファのメモリ使用状況を判定する（ステップＳ２０）。
【００９７】
送信バッファＡ１２、Ｂ１３の双方が送信すべきパケットを記憶していない場合、送信タイミング処理部１１１は、当該スロット内の処理を終了する。また、送信バッファＡ１２、Ｂ１３のいずれかが少なくとも１パケット格納している場合、送信タイミング処理部１１１は、ステップＳ２１の処理に進む。
送信タイミング処理部１１１は、送信バッファＡ１２、Ｂ１３のパケット格納状況に応じて、中継するパケットに適用すべき送信方式を判定する（ステップＳ２１）。ここで、送信タイミング処理部１１１は、送信バッファＡ１２、Ｂ１３の双方に少なくとも１のパケットが格納されている場合、ネットワークコーディング方式によって送信することと判定し、他の場合、すなわち、いずれか一方のバッファのみにパケットが格納されている場合、ネイティブ方式で送信することと判定する。
【００９８】
送信タイミング処理部１１１は、ネットワークコーディング方式で送信することと判定した場合、乱数を発生させ、当該乱数と、予め定められたネットワークコーディング方式の送信確率ＧＲとを比較することにより、パケットを送信するか否かを判定する。具体的には、送信タイミング処理部１１１は、生じさせた乱数の値が送信確率ＧＲと未満の場合、パケットを送信することと判定してステップＳ２３に進み、生じさせた乱数の値が送信確率ＧＲ以上の場合、パケットを送信しないことと判定する（ステップＳ２２）。
ステップＳ２３において、送信タイミング処理部１１１は、ネットワークコーディングを施したＸＯＲパケット、又は、ネイティブパケットのいずれかを送信し、当該スロットの処理を終了する（ステップＳ２３）。
【００９９】
一方、ステップＳ２１において、送信タイミング処理部１１１は、ネイティブ方式でパケットを送信することと判定した場合、カウンタ処理部１１３が記憶するカウンタ値を読み出す。送信タイミング処理部１１１は、読み出したカウンタ値と、予めタイムアウト制限期間として定められたタイムスロットＴｏｕｔとを比較する（ステップＳ２４）。
【０１００】
送信タイミング処理部１１１は、タイムアウト制限期間内である、すなわち、読み出したカウンタ値がタイムスロットＴｏｕｔ以下であると判定した場合、乱数を発生させ、当該乱数と、予め定められたネイティブ方式の送信確率ＥＲとを比較することにより、パケットを送信するか否かを判定する（ステップＳ２５）。同様に、送信タイミング処理部１１１は、タイムアウト制限期間を超えた、すなわち、読み出したカウンタ値がタイムスロットＴｏｕｔより大であると判定した場合、乱数を発生させ、当該乱数と、予め定められたタイムアウト制限期間後のネイティブ方式の送信確率ＦＲとを比較することにより、パケットを送信するか否かを判定する（ステップＳ２６）。
【０１０１】
送信タイミング処理部１１１は、ステップＳ２５、Ｓ２６において、パケットを送信することと判定した場合、ステップＳ２３に進み、パケットを送信しないことと判定した場合、当該スロットにおける処理を終了する。
【０１０２】
上述したように、タイムアウト制限を設けることにより、送信タイミング処理部１１１が、送信バッファＡ１２、Ｂ１３のいずれか一方にのみパケットが格納されている場合、ネイティブパケットの送信確率をタイムアウト制限期間内か否かに応じて送信確率を変更するようにした。これにより、コーディング可能な状態にならなければパケットの送信確率が上がらない方式を用いた場合に、特に不均一トラフィック環境において問題となるスループット低下を抑制し、パケット伝送遅延を補償することが可能になる。さらに、不均一なトラフィックが生じる環境において、コーディング不可能な状態でも、ネイティブパケットを高確率で送信することにより、中継局装置Ｒ１０−２のバッファ容量を大量に消費せずにすむという効果がある。
【０１０３】
図９は、中継局装置Ｒ１０−２と、無線局装置Ａ２０と、無線局装置Ｂ３０とからなる無線中継ネットワークコーディングシステムのトラフィックに対するスループットのシミュレーション結果を示すグラフである。シミュレーションの条件は、無線局装置Ａ２０と無線局装置Ｂ３０とのトラフィックの比を１０対９０とし、シミュレーションに用いた総タイムスロット数を１００００スロットとした。
【０１０４】
このグラフの横軸はトラフィックＧを示し、縦軸はスループットＳを示す。この図に示されるグラフＳ０は、タイムアウト制限なしのコーディング優先制御方式、すなわち、コーディング可能な状態にならなければ送信確率が上がらない方式におけるスループットを示す。グラフＳ０は、コーディング可能な場合のパケットの送信確率ＧＲ＝１．０、コーディング不可能な場合、すなわち、ネイティブ送信する場合のパケットの送信確率ＥＲ＝０．１としたときのグラフである。
【０１０５】
また、グラフＳ１は、本実施例に示すタイムアウト制限ありの方式、すなわち、コーディング可能な状態と、タイムアウト制限期間後とにおいて送信確率を上げる方式におけるスループットを示す。グラフＳ１は、コーディング可能な場合のコーディングパケットの送信確率ＧＲ＝１．０、コーディング不可能な場合で、タイムアウト制限期間内のネイティブパケットの送信確率ＥＲ＝０．０、タイムアウト制限期間後のネイティブパケットの送信確率ＦＲ＝１．０、タイムアウト制限であるタイムスロットＴｏｕｔ＝１０としたときのグラフである。
【０１０６】
本実施形態によるグラフＳ１のスループット特性について、グラフＳ０で示されるスループット特性と比較して以下に説明する。
グラフＳ０に示されるスループット特性では、ネイティブパケットの送信確率を固定していることによりスループットが制限され、スループットのピーク値も０．２に達しない。グラフＳ１に示されるスループット特性では、ネイティブパケットの送信確率を予め定められた２段階の値（ＦＲ＝１．０，ＥＲ＝０．０）に設定したときの特性が示されている。このグラフＳ１に示されるスループット特性では、そのピーク値が０．３を越えていることが示される。上記で示した送信確率の設定値は、一実施例であるが、この図に示される他の特性に比べても最も良好なスループット特性が示される。
【０１０７】
このように、本実施形態によるタイムアウト制限を用いた方式では、コーディング不可能な状態において、タイムスロットＴｏｕｔ期間内のパケット送信確率ＥＲに対して、タイムスロットＴｏｕｔ期間後のパケット送信確率ＦＲを大きくなるようにパケット中継を行うように制御する。同方式では、トラフィックが不均一な環境において、本発明のコーディングタイムアウト制限ありの方式が、コーディング優先制御方式に比較してスループットが優れていることが示される。
【０１０８】
図１０は、中継局装置Ｒ１０−２と、無線局装置Ａ２０と、無線局装置Ｂ３０とからなる無線中継ネットワークコーディングシステムのスループットに対する伝送遅延の関係を示すシミュレーション結果を示すグラフである。このグラフの横軸はスループットＳを示し、縦軸は伝送遅延Ｄを示す。
【０１０９】
同図に示されるグラフＤ０は、図９のグラフＳ０と同様の送信確率であり、タイムアウト制限なしのコーディング優先制御方式における伝送遅延のシミュレーション結果を示す。また、グラフＤ１は、図９のグラフＳ１と同様に、本実施形態のタイムアウト制限ありの方式における伝送遅延のシミュレーション結果を示す。同図に示されるように、明らかに本実施形態のタイムアウト制限ありの方式を示すグラフＤ１の方が、コーディング優先方式を示すグラフＤ０に比べて伝送遅延を抑制し、かつ、スループットに依存せずにパケット伝送することが可能になることが示される。
【０１１０】
上記に示した実施形態により、中継局装置Ｒ１０−２がパケットを中継する際に、ＸＯＲの演算処理によって生成され、通信効率を高くすることが可能になるネットワークコーディングを実行することができない場合のパケットの送信確率として、タイムアウト制限前後で異なる送信確率ＥＲ、ＦＲとした。これにより、トラフィックが不均一な環境において、タイムアウト制限期間後に、ネイティブパケットの送信確率ＥＲから送信確率ＦＲに上げることにより、無線通信システム１００としてのスループット（通信効率）を高くすることができる。
【０１１１】
なお、本発明は、上記の各実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で変更可能である。本発明のネットワークコーディング処理において用いられる送信確率は、予め定められた固定値とするほかに動的に変化する値とすることも可能である。送信確率を動的に変化させるときに参照する変数としては、トラフィック値などを用いて設定することが可能である。
【０１１２】
また、上述の中継局装置Ｒ１０、Ｒ１０−２、無線局装置Ａ２０および無線局装置Ｂ３０は内部に、コンピュータシステムを有している。そして、上述したネットワークコーディングに係る処理手順は、プログラムの形式でコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記憶されており、このプログラムをコンピュータが読み出して実行することによって、上記処理が行われる。ここでコンピュータ読み取り可能な記録媒体とは、磁気ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、半導体メモリ等をいう。また、このコンピュータプログラムを通信回線によってコンピュータに配信し、この配信を受けたコンピュータが当該プログラムを実行するようにしても良い。
【０１１３】
なお、本発明の無線通信システムは、無線通信システム１００に相当する。また、本発明の中継局装置は、中継局装置Ｒ１０−２に相当する。また、本発明の送信制御部は、送信制御回路１１−２に相当する。また、本発明の送信バッファ部は、送信バッファＡ１２と送信バッファＢ１３とに相当する。また、本発明の無線局は、無線局装置Ａ２０、無線局装置Ｂ３０に相当する。また、本発明の受信パケット生成部は、受信制御回路２１と受信制御回路３１とに相当する。また、本発明のバッファ部は、通信バッファＡ２２と通信バッファＢ３２に相当する。
【図面の簡単な説明】
【０１１４】
【図１】本発明の実施形態による無線通信システムを示すブロック図である。
【図２】本実施形態による無線通信システムを示すブロック図である。
【図３】本実施形態によるネットワークコーディングシステムのマルコフ連鎖を示す図である。
【図４】本実施形態による無線通信システムにおけるスループット特性を示すグラフである。
【図５】本実施形態によるタイムアウト制限を適用した中継局装置Ｒ１０−２の内部構成を示すブロック図である。
【図６】本実施形態によるネイティブパケットの送信確率を示す図である。
【図７】本実施形態による受信バッファ処理とカウンタ処理との流れを示すフローである。
【図８】本実施形態による送信タイミング処理の流れ示すフローである。
【図９】本実施形態によるタイムアウト制限を適用した無線通信システムにおけるスループット特性を示すグラフである。
【図１０】本実施形態によるタイムアウト制限を適用した無線通信システムにおける伝送遅延特性を示すグラフである。
【図１１】ネットワークコーディングを適用した無線通信システム２００を示す図である。
【符号の説明】
【０１１５】
１００、２００  無線通信システム
Ｒ１０、Ｒ１０−２  中継局装置
１１、１１−２  送信制御回路
１１１  送信タイミング処理部
１１２  受信バッファ処理部
１１３  カウンタ処理部
１、１−２  記憶装置
Ａ１２  送信バッファ
Ｂ１３  送信バッファ
Ａ１４  バーチャルバッファ
Ｂ１５  バーチャルバッファ
１６  スロットタイミング生成部
Ａ２０  無線局装置
２１  受信制御回路
Ａ２２  通信バッファ
Ｂ３０  無線局装置
３１  受信制御回路
Ｂ３２  通信バッファ
Ａ  ノード
Ｂ  ノード
Ｒ  中継ノード
【図１】
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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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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