(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】中継ノードＲ１０は、ノードＡ２０または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。コーディングパケットの送信は、ネイティブパケットの送信よりも送信過程を高くする。ノードＡ２０またはＢ３０は、送信したパケットをバッファし、中継ノード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
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【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、
前記中継局装置のバッファに存在するパケットの宛先と数量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、前記演算処理で得られたパケットを定められた送信確率で送信すること
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するパケットとして生成して、前記コーディングパケットの送信確率を前記ネイティブパケットの送信確率よりも高い値としてパケット配信を行う送信制御部と、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、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リング部に前記バッファリングしていた前記送信したパケットとの排他的論理和の演算を行っ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】
前記送信確率は予め定められた値とする
ことを特徴とする請求項２に記載の無線通信システム。
【請求項４】
前記送信確率は通信中のパケット数に応じて更新される値とする
ことを特徴とする請求項２に記載の無線通信システム。
【請求項５】
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て、前記コーディングパケットの送信確率を前記ネイティブパケットの送信確率よりも高い値としてパケット配信を行う送信制御部と、
を備えることを特徴とする中継局装置。
【請求項６】
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、
前記中継局装置による、
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、前記コーディングパケットの送信確率を前記ネイティブパケットの送信確率よりも高い値でパケット配信を行う送信制御過程と、を備え、
前記無線局による、
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、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た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、を備える
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７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とノードＢ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とノード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とノード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とノード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とノードＢで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とノード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とノード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とノードＢ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。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、中継ノードに送信したパケットデータの控えデータを利用してＸＯＲの演算を行って、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ないという問題があった。
【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、前記中継局装置のバッファに存在するパケットの宛先と数量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、前記演算処理で得られたパケットを定められた送信確率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するパケットとして生成して、前記コーディングパケットの送信確率を前記ネイティブパケットの送信確率よりも高い値としてパケット配信を行う送信制御部と、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、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リング部に前記バッファリングしていた前記送信したパケットとの排他的論理和の演算を行っ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、本発明は、上記に記載の発明において、前記送信確率は予め定められた値とすることを特徴とする。
【００１３】
また、本発明は、上記に記載の発明において、前記送信確率は通信中のパケット数に応じて更新される値とすることを特徴とする。
【００１４】
また、本発明は、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て、前記コーディングパケットの送信確率を前記ネイティブパケットの送信確率よりも高い値としてパケット配信を行う送信制御部と、を備えることを特徴とする中継局装置である。
【００１５】
また、本発明は、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、前記中継局装置による、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、前記コーディングパケットの送信確率を前記ネイティブパケットの送信確率よりも高い値でパケット配信を行う送信制御過程と、を備え、前記無線局による、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、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た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、を備えることを特徴とする無線通信方法である。
【発明の効果】
【００１６】
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、前記演算処理で得られたパケットを定められた送信確率で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、排他的論理和の演算処理によって生成され通信効率を高くできるパケットの送信確率を高く設定し、そのパケットを優先させて送信することにより、無線通信システムとしての通信効率を高くすることができる。また、中継局装置の送信制御手法を規定することにより、無線通信システムの通信効率を制御することができ、スループットを向上させることが可能となる。
【００１７】
また、本発明によれば、中継局装置は、送信バッファ部が受信したパケットをバッファリングする。送信制御部が、異なる２つの無線局宛のパケットが送信バッファ部に存在する場合に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つの無線局宛のパケットだけが送信バッファ部に存在する場合に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て、コーディングパケットの送信確率をネイティブパケットの送信確率よりも高い値とする送信確率に基づいてパケット配信を行う。また、無線局は、バッファ部が、中継局装置に送信したパケットをバッファリングする。受信パケット生成部が、中継局装置から受信したパケットがコーディングパケットの場合にバッファリングしていた送信したパケットとの排他的論理和の演算を行ったパケットを取り出し、ネイティブパケットの場合に受信したパケットをそのまま取り出す。
これにより、中継局装置においてネットワークコーディングが可能な場合と不可能な場合の送信確率を明確化して、ネットワークコーディング処理による遅延特性の悪化を避けながら、システムのスループットを向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
（第１実施形態）
以下、本発明の第１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を示す概略ブロック図である。
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。
【００１９】
無線通信システム１００は、中継ノードＲ１０と、無線通信回線を介して中継ノードＲ１０に接続される２つのノードＡ２０とノードＢ３０を備える。
無線通信システム１００におけるノード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、ノードＢ３０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、ノードＡ２０に送付するトラフィックＧＢのパケットｂを送信する。
中継ノードＲ１０は、ノードＡ２０とノード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。ノードＡ２０とノードＢ３０は互いに直接通信は行わず、中継ノードＲ１０を経由して通信する。また、ノードＡ２０とノード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。
【００２０】
図を参照し中継ノード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。
中継ノードＲ１０は、通信バッファＡ１２と通信バッファＢ１３、および通信バッファＡ１２と通信バッファＢ１３を制御する送信制御回路１１を備える。
中継ノードＲ１０において通信バッファＡ１２は、ノードＢ３０から受信しノード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。通信バッファＢ１３は、ノードＡ２０から受信しノード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、中継ノード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通信バッファＡ１２と通信バッファＢ１３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。ノードＡに対応するバーチャルバッファには、通信バッファＡ１２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、通信バッファＢ１３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。
送信制御回路１１は、ノードＢ３０から受信しノードＡ２０に送付するためのパケットを通信バッファＡ１２に、ノードＡ２０から受信しノードＢ３０に送付するためのパケットを通信バッファＡ１２に格納する。送信制御部１１が、通信バッファＡ１２または通信バッファＢ１３にパケットが格納されているとき、送信確率にしたがい転送を行う。送信制御部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。
【００２１】
ノードＡ２０は、受信制御回路２１、通信バッファＡ２２を備える。ノードＡ２０における通信バッファＡ２２は、中継ノードＲ１０に送信したパケットを記憶する。受信制御回路２１は、中継ノード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。
【００２２】
ノードＢ３０は、受信制御回路３１、通信バッファＢ３２を備える。ノードＢ３０における通信バッファＢ３２は、中継ノードＲ１０に送信したパケットを記憶する。受信制御回路３１は、中継ノード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。
【００２３】
図２（ｂ）は、送信バッファＡ１２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ａ１、パケットａ２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、いずれかのバーチャル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ａ１がそのまま転送される。
【００２４】
図２（ｃ）は、送信バッファＡ１２と送信バッファＢ１３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ａ１、パケットａ２が格納されている。送信バッファＢ１３には、パケットｂ１が格納されている。
図に示されるように、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送信確率ＦＲ∈（０，１］にしたがい転送される。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。
【００２５】
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パケットは、中継ノードＲ１０の送信先であるノードＡ２０とノードＢ３０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。
ノードＡ２０とノードＢ３０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。ノードＡ２０からノードＢ３０へのパケットａと、ノードＢ３０からノードＡ２０へのパケットｂが中継ノードＲ１０に向けてそれぞれ送信される。中継ノード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、ノードＡ２０とノードＢ３０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。ノードＡ２０では自身が送信したパケットａと中継ノード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つのパケットをノードＡ２０とノードＢ３０のそれぞれで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Ｂ３０からノードＡ２０へ送信されるパケット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Ｂ３０ではデコード処理によりパケットａが導かれる。中継ノードＲ１０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Ｒ１０に送信したパケットデータの控えデータを利用してＸＯＲの演算を行って、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。
【００２６】
中継ノードＲ１０における中継するパケットを格納するためのバッファについて説明する。中継ノード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、中継ノードＲ１０が備えるバッファは、ＦＩＦＯ（First In First Out）のキューを想定する。
ノードＡ２０からノード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、同様にノードＢ３０からノード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。中継ノードＲ１０は、自らのトラフィックを発生しないものと仮定し、中継ノードＲ１０のバッファ内に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。
【００２７】
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。
各ノード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。中継ノードＲ１０が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、または、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、送信ノードはパケットが衝突したと判断する。
【００２８】
以下、無線通信システム１００におけるノードＡ２０とノードＢ３０間のスループット、ノードＡ２０とノード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、中継ノード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、中継ノード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。
送信ノードとなるノードＡ２０またはノードＢ３０から送信されたパケットが衝突することにより中継ノードＲ１０がそのパケットを受信できなかった場合には、送信ノードは衝突して受信でき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、中継ノード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。
【００２９】
一方、中継ノードＲ１０は、受信ノードから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送信バッファの先頭に配置し、同じ送信確率にしたがって受信ノードに向けて再送を行う。ノードＡ２０でのパケットの送信確率をＧＡ∈［０，１］、ノードＢ３０でのパケットの送信確率をＧＢ∈［０，１］とする。ノードＡ２０とノード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がそれぞれノードＡ２０とノード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ノード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、ノードＡ２０、ノードＢ３０、中継ノード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。
【００３０】
（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。
ノードＡ２０とノード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、ノードＡ２０とノードＢ３０間のスループット、ノードＡ２０とノード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、中継ノードＲ１０を経由したパケットの伝送遅延である。これらは中継ノード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。
【００３１】
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。
【００３２】
【数１】
2010016721.tif 000003
【００３３】
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。
【００３４】
【数２】
2010016721.tif 000004
【００３５】
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。
【００３６】
【数３】
2010016721.tif 000005
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。
【００３７】
【数４】
2010016721.tif 000006
【００３８】
【数５】
2010016721.tif 000007
【００３９】
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。
【００４０】
【数６】
2010016721.tif 000008
【００４１】
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ノードＲ１０のいずれかのバーチャル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を送信確率ＦＲ∈（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，ＦＲ，ＥＲ］ＮＣシステムとして示す。
【００４２】
時点ｋにおけるノードＡ２０とノードＢ３０のバーチャル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，ＦＲ，ＥＲ］ＮＣシステムの状態集合Ｓを式（７）に示す。
【００４３】
【数７】
2010016721.tif 000009
【００４４】
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ノード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＝ＦＲ、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ノードＲ１０からの送信確率を同じとし、中継ノード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，ＦＲ，ＦＲ］ＮＣシステムと示すことができる。
【００４５】
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。
【００４６】
【数８】
2010016721.tif 000010
【００４７】
【数９】
2010016721.tif 000011
【００４８】
【数１０】
2010016721.tif 000012
【００４９】
【数１１】
2010016721.tif 000013
【００５０】
【数１２】
2010016721.tif 000014
【００５１】
状態（ｎ，ｍ）に対する定常確率をＰ（ｎ，ｍ）で示す。ノードＡ２０に対するバーチャルバッファ内のパケット数ｎに関する定常周辺確率をＰＡ（ｎ）で示す。同様に、ノード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。ノードＡ２０とノード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。
【００５２】
【数１３】
2010016721.tif 000015
【００５３】
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。
【００５４】
【数１４】
2010016721.tif 000016
【００５５】
式（１４）において、ρ＝λ/μ０＝（１−ＦＲ）Ｇ／２ＦＲである。
このとき、[Ｍ，ＦＲ，ＦＲ]ＮＣシステムのスループットＳは、式（１５）で与えられる。
【００５６】
【数１５】
2010016721.tif 000017
【００５７】
[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。
【００５８】
【数１６】
2010016721.tif 000018
【００５９】
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。
【００６０】
【数１７】
2010016721.tif 000019
【００６１】
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。
【００６２】
【数１８】
2010016721.tif 000020
【００６３】
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。
【００６４】
【数１９】
2010016721.tif 000021
【００６５】
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。
【００６６】
【数２０】
2010016721.tif 000022
【００６７】
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）。
【００６８】
中継ノード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）から中継ノードＲ１０の送信確率ＦＲ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，ＦＲ，ＦＲ］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に対して中継ノードＲ１０の送信確率をＦＲ＝Ｇ／（２＋Ｇ）＋δとすればよい。
【００６９】
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，ＦＲ，ＦＲ］ＮＣシステム（ＦＲ＝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＝ＦＲ＝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＝ＦＲ＝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。
【００７０】
［Ｍ，ＦＲ，ＦＲ］ＮＣシステムにおいて、正常にパケットが宛先ノードに受信されるまでに送信ノードからの平均パケット数は、式（２１）で示される。
【００７１】
【数２１】
2010016721.tif 000023
【００７２】
［Ｍ，ＦＲ，ＦＲ］ＮＣ システムにおいて、中継ノードＲ１０内のシステム遅延について考察する。中継ノード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。
【００７３】
【数２２】
2010016721.tif 000024
【００７４】
一方、中継ノードＲ１０へのパケット到着率λＲは、式（２３）として導かれる。
【００７５】
【数２３】
2010016721.tif 000025
【００７６】
したがって、リトルの定理を用いて中継ノードＲ１０内のシステム遅延ＤＣを式（２４）として得ることができる。
【００７７】
【数２４】
2010016721.tif 000026
【００７８】
中継ノードＲ１０内のシステム遅延ＤＲにノードＡ２０またはノードＢ３０から中継ノードＲ１０へのアクセス遅延を含めた［Ｍ，ＦＲ，ＦＲ］ＮＣシステムの伝送遅延Ｄは、式（２５）として示される。
【００７９】
【数２５】
2010016721.tif 000027
【００８０】
伝送遅延Ｄは、ＦＲ＝１となるとき最小値をとり、ＦＲが小さくなるにつれて大きくなり、ＦＲ＝Ｇ／（２＋Ｇ）で発散する。
【００８１】
［Ｍ，ＦＲ，ＦＲ］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，ＦＲ，ＦＲ］ＮＣシステムでは、最大のスループットを達成するＦＲ＝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ＦＲ＝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。
【００８２】
中継ノードＲ１０の送信確率ＦＲ＝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。これは中継ノード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ノード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，ＦＲ，ＦＲ］ＮＣシステムにおいてはＦＲを小さくしなければならない。
【００８３】
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ＦＲ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＜ＦＲとした［Ｍ，ＦＲ，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ノード１０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＜ＦＲとする条件になる。
【００８４】
図５は、２つのノードと１つの中継ノード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を示すグラフである。
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Ｓ０は、コーディング優先制御方式のスループットを示す。また、グラフＳ１ａとグラフＳ２は、コーディング可能な状態で同じパケット送信確率を有する平等制御方式とした場合のスループットを示す。グラフＳ１ａは、トラフィックに応じて送信確率を設定するときの特性グラフであり、グラフＳ２は、送信確率を定められた設定値（ＥＲ＝ＦＲ＝０．６）としたときのグラフである。
【００８５】
本実施形態によるグラフＳ０のスループット特性について、グラフＳ１ａとグラフ３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Ｓ２に示されるスループット特性では、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０．３に達しない。グラフＳ１ａに示されるスループット特性では、スループットのピーク値が０．３２に達し、トラフィックに応じて送信確率を変更されることによりスループットの向上が見込まれるが、トラフィックの変動による性能劣化の可能性を含んでいる。また、このグラフＳ１ａに示される特性を得るためには、トラフィックに応じて送信確率を制御するためのトラフィック推定回路が必要となり、トラフィック推定回路の性能によっても特性が左右されることになる。
グラフＳ０に示されるスループット特性では、送信確率を予め定められた値（ＦＲ＝１．０，ＥＲ＝０．１）に固定したときの特性が示されている。このグラフＳ０に示されるスループット特性では、そのピーク値０．３４が示される。このスループット特性では、送信確率を固定しているので、トラフィックの変動に影響されることがない。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。
【００８６】
このように、本実施形態によるコーディング優先制御方式では、コーディング不可能な状態のパケット送信確率ＥＲに対してコーディング可能な状態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、トラフィックに応じてパケット送信確率を制御することなく、高スループットが実現できる。そのため、中継ノードＲ１０においてトラフィック推定回路を不要とすることができる。
【００８７】
図６は、２つのノードと１つの中継ノード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。
（ａ）に示されるグラフは、本実施形態による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。（ｂ）に示されるグラフは、コーディング不可能な状態において、パケットを中継しないネイティブ排他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。（ａ）と（ｂ）に示されるグラフを比較すれば、明らかにコーディング優先制御方式を示す（ａ）に示されるグラフの方が、ネイティブ排他制御方式を示す（ｂ）に示されるグラフに比べて伝送遅延を少なくしてパケット伝送することが可能となることが示される。
また、ネイティブ排他制御方式では、解析の結果から伝送遅延時間が無限大となることもありうることが導かれた。さらに、総タイムスロット数を大きくすることにより、ネイティブ排他制御方式の伝送遅延はさらに多くなるものと予想される。伝送遅延特性の結果からも、コーディング優先制御方式が、ネイティブ排他制御方式に比べて優れていることが示された。
【００８８】
上記に示した実施形態により、中継ノードＲ１０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できるネットワークコーディングされたパケットの送信確率ＥＲを高く設定し、そのパケットを優先させて送信することにより、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。また、中継ノードＲ１０の送信制御手法を規定することにより、無線通信システム１００の通信効率を制御することができ、スループットを向上させることが可能となる。
また、中継ノード１０においてネットワークコーディングが可能な場合と不可能な場合の送信確率を明確化して、ネットワークコーディング処理による遅延特性の悪化を避けながら、システムのスループットを向上させることができる。
【００８９】
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。
【００９０】
また、上述の中継ノードＲ１０、ノードＡ２０およびノード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。
【００９１】
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、中継ノードＲ１０に相当する。また、本発明の送信制御部は、送信制御回路１１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に相当する。また、本発明の無線局は、ノードＡ２０、ノード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】
【００９２】
【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（その１）である。
【図５】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（その２）である。
【図６】本実施形態による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７】従来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。
【符号の説明】
【００９３】
１００  無線通信システム
１０  中継ノードＲ
２０  ノードＡ
３０  ノードＢ
【図１】
2010016721.tif 000028
【図２】
2010016721.tif 000029
【図３】
2010016721.tif 000030
【図４】
2010016721.tif 000031
【図５】
2010016721.tif 000032
【図６】
2010016721.tif 000033
【図７】
2010016721.tif 000034