(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
通信ネットワークを介してメッセージを中継する方法であって、
送信器から通信される主メッセージおよび少なくとも１つの副メッセージを識別することであって、前記主メッセージが、第１受信器ノード宛であり、前記少なくとも１つの副メッセージが、前記第１受信器ノードから位置的に離れた第２受信器ノード宛である、識別することと、
前記少なくとも１つの副メッセージの前記主メッセージへのピギーバックが可能であることを示す信号に応答して、ピギーバックされたメッセージを形成するために前記主メッセージに前記少なくとも１つの副メッセージをピギーバックすることであって、前記信号が、前記送信器ノードに対する相対的な前記第１受信器ノードおよび前記第２受信器ノードの特性に少なくとも部分的に基づく、ピギーバックすることと、
前記ピギーバックされたメッセージを同一の電力レベルで送信することと
を含み、
前記ピギーバックすることが、さらに、
スケーリングされたメッセージを形成するためにスケール係数によって前記少なくとも１つの副メッセージをスケーリングすることと、
前記主メッセージおよび前記スケーリングされたメッセージを合計することと
によって実行される
ことを特徴とする、方法。
【請求項２】
前記ネットワーク内の前記ノードの間の各リンクに対応する特性を格納するリストを維持することをさらに含む、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記リストが、静的である、請求項２記載の方法。
【請求項４】
前記リストが、前記ノードの間のフィードバックに基づいて維持される、請求項２または３記載の方法。
【請求項５】
前記信号が、さらに、前記リストに基づく、請求項２乃至４のいずれか１項記載の方法。
【請求項６】
前記第１受信器ノードの前記特性が、前記送信器ノードに対する相対的なＳＮＲであり、前記第２受信器ノードの前記特性が、前記送信器ノードに対する相対的なＳＮＲである、請求項１乃至５のいずれか１項記載の方法。
【請求項７】
主メッセージおよび少なくとも１つの副メッセージを識別する前記ステップが、ピギーバックでき、かつ／またはピギーバックされる最前部パケットをメッセージキューから検索することをさらに含む、請求項１乃至６のいずれか１項記載の方法。
【請求項８】
通信ネットワークを介してメッセージを中継するシステムであって、
送信器ノードおよび少なくとも２つの受信器ノードであって、少なくとも主メッセージおよび少なくとも１つの副メッセージをそれらの間で通信するように構成される、送信器ノードおよび互いに位置的に離れた少なくとも２つの受信器ノードを含み、
前記主メッセージおよび前記少なくとも１つの副メッセージが、前記送信器ノードに対する相対的な前記少なくとも２つの受信器ノードの信号対雑音比の比較に少なくとも部分的に基づいて前記送信器ノードから前記少なくとも２つの受信器ノードに送信され、
前記主メッセージおよび前記少なくとも１つの副メッセージが、前記比較に少なくとも部分的に基づいてピギーバックされ且つ同一の電力レベルで送信され、
各ノードが、ピギーバック機構を含み、
前記ピギーバック機構が、
スケーリングされたメッセージを形成するために前記少なくとも１つの副メッセージをスケーリングするように動作可能なスケーラと、
前記スケーリングされたメッセージおよび前記主メッセージを合計するように動作可能な合計器と
を含む
ことを特徴とする、システム。
【請求項９】
通信されるメッセージを格納するように動作可能な、ノードに関連するメッセージキューをさらに含む、請求項８記載のシステム。
【請求項１０】
前記ネットワーク内のノードの間の各リンクの比較を含むリストをさらに含む、請求項８または９記載のシステム。
【請求項１１】
前記ネットワーク内のノードの間の各リンクのＳＮＲのリストをさらに含む、請求項９記載のシステム。
【請求項１２】
前記ノードが、前記リストを更新するように動作可能である、請求項１１記載のシステム。
【請求項１３】
前記メッセージキューが、ピギーバックでき、かつ／またはピギーバックされる最前部パケットを出力するように動作可能である、請求項９のいずれか１項記載のシステム。
【請求項１４】
前記比較が前記送信器ノードに対する相対的な前記少なくとも２つの受信器ノードの実質的なＳＮＲを示す場合に、前記主メッセージおよび前記少なくとも１つの副メッセージがピギーバックされる、請求項８乃至１３のいずれか１項記載のシステム。
【請求項１５】
前記実質的なＳＮＲが、１００：１である、請求項１４記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本願は、その内容全体が参照によって本明細書に組み込まれている、２００６年１２月１９日に出願した米国特許出願第１１／６４０，９９４号の利益を主張するものである。
【０００２】
本明細書に記載の例示的実施形態は、ネットワーク（たとえば、無線ネットワーク）内のノードの間でメッセージを中継するシステムおよび／または方法に関する。より具体的には、例示的実施形態は、少なくとも１つの副メッセージが、主メッセージにピギーバックされ、キューイングされ、少なくとも部分的に送信器に関する受信器ノードの信号対雑音比（１つまたは複数）に基づいて送信器から少なくとも１つの受信器に送信される、ノードの間の実質的に同時の通信に関する。メッセージのキューイングは、どのメッセージがピギーバック通信できるかを示すリンクセットに依存して実行することができる。
【背景技術】
【０００３】
ネットワークは、通常、メッセージを送信し、受信するように動作可能な１つまたは複数のノードを含む。たとえば、無線ネットワークでは、送信器のＲＦ出力が、信号受信が可能であるブロードキャスト領域を作る。ポイントツーポイント情報リンクの提供は、無線通信に関連する基本的な問題の１つである。たとえば、図１ａに示されているように、受信器Ｒ１と受信器Ｒ２との両方が、送信器Ｔ３のブロードキャスト領域内にある。送信器Ｔ３から受信器Ｔ１に通信されなければならないメッセージは、送信器Ｔ３から受信器Ｒ２に通信されなければならないメッセージと異なる場合があり、したがって、ある形の信号分離が必要になる場合がある。この問題に対する１つの周知の解決策は、異なる物理層を介して送信を送信することに関する。たとえば、信号を、周波数、時間、またはより一般的に、低い相互相関を有する波形によって分離することができる。実際に、従来の通信テクノロジは、ある形の直交シグナリングを使用する信号分離を提供する。
【０００４】
直交シグナリングに関連する多数の実用的利益がある。したがって、代替案は、特に非直交シグナリングがいくつかの情況で非直観的に見える場合があるので、めったに考慮されない。無線ネットワークでのシグナリングは、データ衝突をもたらす場合がある。たとえば、ネットワークがより複雑になる（たとえば、複数の送信器および受信器を含め、メッセージが同時に多数の経路に沿って進むことを許容することによって）につれて、フレーム（通信されるべきメッセージを含む）が衝突するか矛盾する。通信量が多ければ多いほど、衝突問題が悪くなる可能性がある。通常の結果は、２つのフレームが衝突する時に通常は両方のフレームに含まれるデータが失われるので、システム効率の劣化である。
【０００５】
オーバーラップする無線伝搬経路を有するノードへの無線送信を調整するために、従来のネットワークは、競合アービトレーションプロトコルを使用してきた。そのようなプロトコルは、たとえば、Ａｌｏｈａプロトコルを含む。Ａｌｏｈａプロトコルは、チャネルが各ソースのフレームを送信できる時を示す、正確なインターバルに送信される信号（時々、ビーコンと称する）を使用する。衝突が期待される場合には、送信器は、バックオフし、フレームの送信を後に試行することができる。
【０００６】
基本的なＡｌｏｈａプロトコルに対する改善および／または代替案を提供し、ネットワークスループットを高めながら衝突問題を解決するために、多数のプロトコルが開発されてきた。たとえば、ＣＳＭＡプロトコルは、潜在的にネットワーク内の各ノードが衝突が発生するかどうかの予測を試みることを伴う。衝突が予測される時には、送信器は送信を止め、ある長さの時間（たとえば、ランダムな長さの時間）だけ待ち、その後、送信をもう一度試行する。もう１つの例として、ＴＤＭＡプロトコルは、ネットワークにアクセスするための単一周波数での独自のタイムスロットの割振りに基づき、したがって、干渉の可能性を減らす。ＦＤＭＡプロトコルでは、所与の帯域幅が、より小さい周波数帯域またはサブディビジョンに分割される。各サブディビジョンは、それ自体の搬送波周波数を有し、複数の地上局が同時に同一サブディビジョンで送信しないことを保証するのに制御機構が使用され、これによって、各サブディビジョンの受信器が指定される。ＯＦＤＭプロトコルは、チャネル効果が所与のサブバンドにわたって一定（たとえば、フラット）になるようにするのに十分に小さいサブバンドに周波数スペクトルを分割する。次に、変調が、サブバンド上で送信される。正しく実施される時に、チャネルのすばやく変化する効果（たとえば、マルチパス）が消える。というのは、これらが、単一シンボルの送信中に発生するようにされ、したがって、受信器でのフェージングに関してフラットとして扱われるからである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００６／０２３０２３８  Ａ１号公報（特に段落［００５８］、［００６９］から［００７４］）
【特許文献２】米国特許出願公開第２００４／０２３３９１８  Ａ１号公報（特に段落［００６３］、［００６６］）
【特許文献３】米国特許第６，８８５，７１１  Ｂ２号公報（第３列、第２０〜３５行）
【特許文献４】米国特許出願公開第２００６／０１３５０８１  Ａ１号公報（段落［００５４］〜［００５５］）
【特許文献５】米国特許出願公開第２００３／００２６３５７  Ａ１号公報
【特許文献６】米国特許第７，１２０，１２３  Ｂ１号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】Chen, S., M. Beach, and J. McGeehan. "Division-free duplex for wireless applications." Electronics Letters, 34.2, Jan. 1998: 22
【非特許文献２】Cover, T.M. "Broadcast Channels." IEEE Transactions on Information Theory, vol. IT-18, Jan. 1972: pp. 2-14
【非特許文献３】Cover, T.M. "Comments on Broadcast Channels." IEEE Transactions on Information Theory, vol. IT-44, Oct. 1998: pp. 2524-30
【非特許文献４】Cover, T. M. and J. A. Thomas. Elements of Information Theory. New York: John Wile & Sons, 1991
【非特許文献５】Jung, K., and J. M. Shea. "Simulcast Packet Transmission in Ad Hoc Networks." IEEE Journal on Selected Areas in Communication. vol. 23, March 2005: pp. 486-495
【非特許文献６】Hajek, B. and A. Ephremides. "Information Theory and Communication Networks: An Unconsummated Union." IEEE Transactions on Information Theory. 44.6, Oct. 1998: pp. 2416-34
【非特許文献７】Liang-Liang, X. and P. R. Kumar. "A Network Information Theory of Wireless Communication: Scaling Laws and Optimal Operation." IEEE Transactions on Information Theory. 50.5, May 2004: pp. 748-67
【非特許文献８】Gupta, P. and P.R. Kumar. "Towards an Information Theory of Large Networks: An Achievable Rate Region." IEEE Transactions on Information Theory. 49.8, Aug 2003
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
残念ながら、これらの技法は、伝統的な形のネットワーク通信に関するある種の問題を補償するように設計されたが、それでも、複数の欠点に悩む。たとえば、これらのプロトコルは、一般に、任意の所与の送信で単一のメッセージを送信する。送信が宛てられていない、そのメッセージを受信するすべてのノードは、単純にそのメッセージを無視する。これは、時間、周波数、および／または帯域幅の浪費をもたらす。さらに、これらのプロトコルは、競合問題を減らし、スループットを高めるように設計されたが、それでも、さらなる改善が望ましい。したがって、当技術分野に、たとえばネットワーク内の複数のノードへの同時送信を許容することによって、競合問題をさらに減らし、スループットを高めるシステムおよび／または方法を提供する必要があることを了解されたい。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
ある種の例示的実施形態は、通信ネットワーク上でメッセージを中継する方法を提供する。送信器から通信される主メッセージおよび少なくとも１つの副メッセージを識別することができる。主メッセージは、第１受信器ノード宛であり、少なくとも１つの副メッセージは、第２受信器ノード宛とすることができる。少なくとも１つの副メッセージの主メッセージへのピギーバックが可能であることを示す信号に応答して、ピギーバックされたメッセージを形成するために主メッセージに少なくとも１つの副メッセージをピギーバックすることができる。信号は、送信器ノードに対する相対的な第１受信器ノードおよび第２受信器ノードの特性に少なくとも部分的に基づくものとすることができる。ピギーバックされたメッセージを送信することができる。
【００１１】
ある他の例示的実施形態は、通信ネットワークを介してメッセージを中継する方法を提供する。送信器ノードおよび少なくとも２つの受信器ノードを識別することができる。送信器ノードから送信される主メッセージおよび少なくとも１つの副メッセージを識別することもでき、各メッセージは、メッセージキューに格納され、各メッセージは、データのパケットを含む。送信される主メッセージの次のパケットを判定することができる。次のパケットのピギーバックをサポートできるネットワーク内のノードの間の可能なパートナリンクを識別することができる。ピギーバックが可能であることを示す信号に応答して、主メッセージの次のパケットに副メッセージのそれぞれのパケットをピギーバックすることによってフルメッセージを生成することができる。フルメッセージを送信することができる。信号は、送信器ノードに関する少なくとも２つの受信器ノードの相対信号対雑音比に少なくとも部分的に基づくものとすることができる。
【００１２】
ある例示的実施形態によれば、通信ネットワークを介してメッセージを中継するシステムを提供することができる。そのようなシステムは、送信器ノードおよび少なくとも２つの受信器ノードであって、少なくとも主メッセージおよび少なくとも１つの副メッセージをそれらの間で通信するように構成される、送信器ノードおよび少なくとも２つの受信器ノードを含むことができる。主メッセージおよび少なくとも１つの副メッセージを、送信器ノードに対する相対的な少なくとも２つの受信器ノードの信号対雑音比の比較に少なくとも部分的に基づいて送信器ノードから少なくとも２つの受信器ノードに送信することができる。主メッセージおよび少なくとも１つの副メッセージを、比較に少なくとも部分的に基づいてピギーバックすることができる。
【００１３】
ある他の例示的実施形態によれば、通信ネットワークを介してメッセージを中継するシステムを提供することができる。そのようなシステムは、送信器から通信される主メッセージおよび少なくとも１つの副メッセージを識別する手段であって、主メッセージが、第１受信器ノード宛であり、少なくとも１つの副メッセージが、第２受信器ノード宛である、手段と、主メッセージへの少なくとも１つの副メッセージのピギーバックが可能であることを示す信号に応答して、ピギーバックされたメッセージを形成するために、主メッセージに少なくとも１つの副メッセージをピギーバックする手段であって、信号が、送信器ノードに対する相対的な第１受信器ノードおよび第２受信器ノードの特性に少なくとも部分的に基づく、手段と、ピギーバックされたメッセージを送信するように構成された送信器とを含むことができる。
【００１４】
ある例示的実施形態によれば、通信ネットワークを介してメッセージを中継する方法が提供される。送信器ノードの第１アンテナによって通信される第１メッセージおよび送信器ノードの第２アンテナによって通信される第２メッセージを識別することができる。第１アンテナおよび第２アンテナは、実質的に別個のアンテナアパーチャを有することができる。ネットワークの近距離場領域と遠距離場領域との間の区切点差に依存して第１アンテナおよび第２アンテナを使用して、第１メッセージおよび第２メッセージを実質的に非直交で実質的に同時に実質的に同一チャネルを介して通信することができる。
【００１５】
ある例示的実施形態によれば、通信ネットワークを介してメッセージを中継するシステムが提供される。送信器ノードは、２つの送信アンテナを有することができ、各送信アンテナは、別個のアパーチャを有する。受信器ノードは、２つの受信アンテナを有することができ、各受信アンテナは、送信アンテナのアンテナアパーチャに対応する別個のアパーチャを有する。送信器ノードは、ネットワークの近距離場領域と遠距離場領域との間の区切点差に依存して第１アンテナを使用して第１メッセージを、第２アンテナを使用して第２メッセージを、実質的に非直交で実質的に同時に実質的に同一チャネルを介して送信するように構成され得る。
【００１６】
ある例示的実施形態は、通信ネットワークを介してメッセージを中継する方法を提供する。少なくとも１つの送信器から通信される主メッセージおよび少なくとも１つの副メッセージを識別することができる。主メッセージは、１つまたは複数の第１受信器ノード宛であり、少なくとも１つの副メッセージは、１つまたは複数の第２受信器ノード宛であるものとすることができる。主メッセージおよび少なくとも１つの副メッセージが、実質的に同時に実質的に同一のチャネルを介して送信され得るように、実質的に非直交のピギーバックされたメッセージを形成するために主メッセージに少なくとも１つの副メッセージをピギーバックすることができる。
【００１７】
ある例示的実施形態は、通信ネットワークを介してメッセージを中継するシステムを提供する。そのようなシステムは、送信器ノードおよび少なくとも２つの受信器ノードを含むことができる。送信器ノードおよび少なくとも２つの受信器ノードは、少なくとも主メッセージおよび少なくとも１つの副メッセージをそれらの間で通信するように構成され得る。主メッセージおよび少なくとも１つの副メッセージが、実質的に同時に実質的に同一のチャネルを介して送信され得るように、主メッセージおよび少なくとも１つの副メッセージが、実質的に非直交のピギーバックされたメッセージを形成するためにピギーバックされ得る。
【００１８】
ある例示的実施形態では、ノードのネットワークを介して中継されるメッセージを準備するために送信器ノードと共に使用される符号器が提供される。ピギーバックモジュールを、少なくとも１つの第２受信器ノード宛の少なくとも１つの副メッセージを少なくとも１つの第１受信器ノード宛の主メッセージに、送信器ノードに対する相対的な受信器ノードの信号対雑音比の比較に少なくとも部分的に基づいてピギーバックすることによって、ピギーバックされたメッセージを生成するように構成することができる。
【００１９】
ある他の例示的実施形態では、通信ネットワークを介して中継されるメッセージを準備するために送信器ノードと共に使用される符号器が提供される。ピギーバックモジュールを、少なくとも１つの第１受信器ノード宛の主メッセージに少なくとも１つの第２受信器ノード宛の少なくとも１つの副メッセージをピギーバックすることによって、ピギーバックされたメッセージを生成するように構成することができる。ピギーバックされたメッセージを実質的に非直交にすることができ、それによって、主メッセージおよび少なくとも１つの副メッセージを実質的に同時に実質的に同一のチャネルを介して送信することができる。
【００２０】
ある例示的実施形態では、ノードのネットワークを介して中継されるメッセージを処理するために受信器ノードと共に使用される復号器が提供される。分離モジュールを、少なくとも１つの第２受信器ノード宛の少なくとも１つの副メッセージから少なくとも１つの第１受信器ノード宛の主メッセージを、送信器ノードに対する相対的な受信器ノードの信号対雑音比の比較に少なくとも部分的に基づいて分離するように構成することができる。主メッセージおよび少なくとも１つの副メッセージは、受信されるピギーバックされたメッセージに含めることができる。
【００２１】
ある他の例示的実施形態では、通信ネットワークを介して中継されるメッセージを処理するために受信器ノードと共に使用される復号器が提供される。分離モジュールを、少なくとも１つの第２受信器ノード宛の少なくとも１つの副メッセージを少なくとも１つの第１受信器ノード宛の主メッセージから分離することによって実質的に非直交のピギーバックされたメッセージを分離するように構成することができる。
【００２２】
任意選択で、復号器は、たとえばモジュールの複雑さおよび／またはコンポーネントを減らすために、復号および／またはピギーバックを制御するように構成されたスイッチをさらに含むことができる。
【００２３】
本発明の他の態様、特徴、および利益は、添付図面に関連して解釈される時に次の詳細な説明から明白になり、添付図面は、本開示の一部であり、例として本発明の原理を示す。
【００２４】
添付図面は、本発明のさまざまな例示的実施形態の理解を容易にする。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１ａ】２つの受信器が送信器のブロードキャスト領域内に配置されるシナリオを示す図である。
【図１ｂ】高ＳＮＲを有する受信器および低ＳＮＲを有する受信器が衛星のブロードキャスト領域内に配置されるシナリオを示す図である。
【図２】第１送信器と同一の信号空間を使用する第２送信器が導入される時であってもエラーフリー復号が可能であるシナリオを示す図である。
【図３ａ】非直交シグナリングをブロードキャストシグナリングに関連してどのように使用できるかの一例を示す図である。
【図３ｂ】非直交シグナリングを全二重シグナリングに関連してどのように使用できるかの一例を示す図である。
【図３ｃ】例示的なディビジョンフリー通信トランシーバを示す図である。
【図４】例示的なピギーバックされたメッセージの例示的ブロードキャスト中に低ＳＮＲリンクおよび高ＳＮＲリンクに使用可能な数学的に予測されたブロードキャストレートを示す図である。
【図５】例示的なピギーバックされたメッセージの例示的ブロードキャスト中に低ＳＮＲリンクおよび高ＳＮＲリンクに使用可能な数学的に予測されたブロードキャストレートを示す図である。
【図６】多元接続チャネル通信の単一ユーザ容量のパーセンテージとして使用可能な数学的に予測された追加容量を示す図である。
【図７】ＴＤＭＡベースの多元接続チャネル通信について送信される総エネルギに基づく容量を示す図である。
【図８】３つのノードの間の３つのリンクを含む単純なメッシュネットワークを示す図である。
【図９】ノードが等しい送信電力を有すると仮定する、図８に示された３ノードシステムの数学的に予測されたシステム容量を示す図である。
【図１０】減衰指数２を有する単純な経路損失モデルに基づく単一ユーザ受信および６ユーザ受信の数学的に予測された容量対距離をプロットする図である。
【図１１】減衰指数３を有する単純な経路損失モデルに基づく単一ユーザ受信および６ユーザ受信の数学的に予測された容量対距離をプロットする図である。
【図１２】第１の例示的実施形態によるピギーバック符号化モジュールを示す例示的なブロック図である。
【図１３】もう１つの例示的実施形態によるピギーバック復号モジュールを示す例示的なブロック図である。
【図１４】もう１つの例示的実施形態による３つのデータストリームを符号化するピギーバック符号化モジュールを示す例示的なブロック図である。
【図１５】もう１つの例示的実施形態による３つのデータストリームを復号するピギーバック復号モジュールを示す例示的なブロック図である。
【図１６】例示的実施形態によるスイッチを実施する単一・複数ピギーバック復号器を示す図である。
【図１７】主データだけが送信された場合に受信される信号の推定値を提供する例示的機構を示す図である。
【図１８】例示的実施形態に従ってデータをネットワークを介してどのようにピギーバックできるかを示す例示的流れ図である。
【図１９】例示的実施形態に従ってデータをどのようにピギーバックできるかを示す詳細図である。
【図２０ａ】例示的実施形態による、それぞれが異なるアパーチャを有する２つのアンテナを使用して通信する例示的送信器を示す図である。
【図２０ｂ】例示的実施形態による、２つのアンテナを使用することによって図２０ａの送信器と通信するように構成された例示的受信器を示す図である。
【図２１】例示的実施形態による、２ユーザバイナリブロードキャストチャネルの例示的レート曲線を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
１．非直交通信技法の動機づけ
非直交信号を簡単に分離できる、一般的に見つかる環境がある。
【００２７】
１．１  非直交信号を分離できる例
受信信号強度におけるかなりの差を有するチャネルが、潜在的に最も適する。図１ａをもう一度参照し、受信器Ｒ２によって受信される信号が、受信器Ｒ１によって受信される信号と比較して大きく減衰される可能性が高いことを了解されたい。たとえば、モバイル衛星受信器が、図１ｂに示されているようにモバイルアンテナのより小さいアパーチャのゆえに、固定衛星端末の受信器より大きく低い信号対雑音比（ＳＮＲ）で動作する時など、大きい経路損失差が生じる多数の情況がある。たとえば、約３０ｃｍ（１フィート）未満の直径を有する固定指向性アンテナは、５．７ＧＨｚで約２０ｄＢ超の利得を提供する。第２の例は、ビームのエッジに位置する衛星端末が、ビーム中央の衛星受信器より少ないエネルギを受信するという事実に関する。第３に、１メートルあたりのフォリエジ（ｆｏｌｉａｇｅ）減衰は、周波数に伴って増加し、受信強度は、２〜３メートルで３０ｄｂを超えて変化する場合がある。第４に、遮蔽に関係するシャドウイング影響も、受信信号電力を大きく減らす。マルチパスチャネルでは、明瞭な見通し線ユーザは、たとえば約２の伝搬経路損失指数を有する場合があるが、非見通し線チャネルは、たとえば約４の伝搬経路損失指数をこうむる場合がある。かなりの経路損失の差が、さまざまな他の情況の下で発生し得ることを了解されたい。
【００２８】
送信器Ｔ３と受信器Ｒ２との間の有用なリンク性能を維持するために、送信器Ｔ３は、受信器Ｒ２による、通常は約１％未満のビット誤り率での受信を保証するために十分なＲＦエネルギを送信しなければならない。受信器Ｒ２宛の、送信器Ｔ３から送信され、Ｒ２で受信される信号を検討されたい。受信器Ｒ１および受信器Ｒ２は、同一のブロードキャスト領域内にあるので、受信器Ｒ１は、エラーなしで送信器Ｔ３から受信器Ｒ２への送信を復号することができる。これは、送信器Ｔ３から受信器Ｒ２への受信器Ｒ１によって受信される送信が、非常に高いＳＮＲを有するからである。送信器Ｔ３と同一の信号空間を使用する第２送信器Ｔ４が導入される時であっても、送信器Ｔ３から受信器Ｒ２へのＲ１によって受信される送信のエラーフリー復号は、送信器Ｔ４からの信号が送信器Ｔ３信号からの信号に対して相対的に弱い場合には、それでも可能である。このシナリオが、図２に反映されている。
【００２９】
ＲＦブロードキャスト領域での弱い信号の追加は、非直交通信を達成する最も単純な形である。この例での弱い信号の情報は、図２を参照して説明もされる、次のステップに従って復号される。
【００３０】
１．受信器Ｒ１が、ＲＦ信号Ｓを受信する。信号Ｓは、受信器Ｒ１宛の送信器Ｔ４から送信された弱い信号と、受信器Ｒ２宛の送信器Ｔ３から送信された干渉する強い信号と、雑音との重畳（たとえば、合計）である。
【００３１】
２．受信器Ｒ１は、送信器Ｔ３から受信器Ｒ２に送信され受信器Ｒ１によって受信された強い信号を判定し、複製する。
【００３２】
３．受信器Ｒ１は、送信器Ｔ３から受信器Ｒ２に送信され、受信器Ｒ１によって受信された信号を信号Ｓから減算し、送信器Ｔ４から受信器Ｒ１に送信され、受信器Ｒ１によって送信された信号および雑音を残す。
【００３３】
４．受信器Ｒ１は、送信器Ｔ４から受信器Ｒ１に送信され、受信器Ｒ１によって受信された情報を復号する。
【００３４】
このプロセスは、非直交シグナリングを使用する複数ユーザチャネルまたは多元接続チャネルに対応する。チャネルは、図３ａに示されているように、送信器Ｔ４およびＴ３からの信号が同一の点から送信される時に、ブロードキャストチャネルになる。ここで、弱い信号および強い信号の合計が、制御され、同期化される。これは、信号検出を単純にする。
【００３５】
非直交シグナリングがまれに検討されるリンクのもう１つのクラスが、図３ｂに示された全二重リンクである。理論的に、逆方向リンク用にセットされた送信された信号を再利用することが可能である。これは、受信された信号から送信された信号を減算することによって達成することができる。しかし、完全な減算は、実施がむずかしい。これは、ハードウェア送信経路と推定されなければならない自己干渉する受信信号との間のひずみがあるからである。所望の信号（たとえば、送信器Ｔ４から受信器Ｒ３に送信される信号）と自己干渉する信号（たとえば、送信器Ｔ３から受信器Ｒ３に送信される信号）との間のダイナミックレンジ差は、極端である。それでも、ブリストル大学のチームによって設計された「ディビジョンフリー」通信トランシーバが、成功して実証された。そのトランシーバの再生を、下で図３ｃに示す（Chen, S., M. Beach, and J. McGeehan. "Division-free duplex for wireless applications." Electronics Letters, 34.2, Jan. 1998: 22を参照されたい）。
【００３６】
１．２  理想化された非直交マルチユーザ通信理論
１．２．１  理想化されたブロードキャストチャネル
非直交シグナリングをサポートする情報理論は、まずＣｏｖｅｒによって提示された（Cover, T.M. "Broadcast Channels." IEEE Transactions on Information Theory, vol. IT-18, Jan. 1972: pp. 2-14を参照されたい）。１つの送信器および２つの受信器を有するガウシアンブロードキャストチャネルの特殊な事例の概要をこれから説明する（Cover, T.M. "Broadcast Channels." IEEE Transactions on Information Theory, vol. IT-18, Jan. 1972: pp. 2-14、Cover, T.M. "Comments on Broadcast Channels." IEEE Transactions on Information Theory, vol. IT-44, Oct. 1998: pp. 2524-30、およびCover, T. M. and J. A. Thomas. Elements of Information Theory. New York: John Wile & Sons, 1991を参照されたい）。
【００３７】
容量関数を、次のように定義することができる。
Ｃ（Ｐ／Ｎ）＝ｌｏｇ２（１−Ｐ／Ｎ）／２
これは、ビット／信号次元を反映するものである。この式では、Ｃは容量であり、Ｐは信号電力制約であり、Ｎは雑音である。したがって、Ｐ／Ｎは信号対雑音比である。Ｃｏｖｅｒのブロードキャスト理論は、信号電力制約Ｐを有するガウシアンブロードキャストチャネルの容量領域が、次式によって与えられると述べる。
【００３８】
受信器Ｒ１及びＲ２について、０＜α＜１の場合に、
Ｒ１≦Ｃ（αＰ／Ｎ１）
Ｒ２≦Ｃ（（１−α）Ｐ／（αＰ＋Ｎ２））
弱いチャネルおよび強いチャネルを用いて使用可能なブロードキャストレートの例を、図４および５に示す。３ｄＢのベースライン受信ＳＮＲが、弱い経路について仮定された。図５では、強い受信器への最大パーセンテージ電力割振りが、１０％である。有用なデータレートを、弱い経路のデータレートに対する減少をほとんど伴わずに強い経路の受信器に割り振ることができることが、注目に値する。使用可能なレートのエンベロープは、システム設計に関する高い柔軟性を提供する。
【００３９】
１．２．２  理想化された多元接続チャネル
多元接続チャネル容量境界は、異なるユーザが共通受信器に送信できる最高レートを定義する。モデルは理想化されるが、自由空間リンクを介するマルチユーザ受信は、実用的にはむずかしい。マルチパスリンクを介するマルチユーザ受信は、非常にむずかしい（実際に実施するのが非実用的ではないとしても）。結果は、共有される信号セットを介して達成できるものの限度を示す。
【００４０】
受信電力Ｐ１およびＰ２を有する２ユーザガウシアン多元接続チャネルの境界は、次のとおりである。
【００４１】
Ｒ１≦Ｃ（Ｐ１／Ｎ）＝Ｃ１
Ｒ２≦Ｃ（Ｐ２／Ｎ）＝Ｃ２
Ｒ１＋Ｒ２≦Ｃ（（Ｐ１＋Ｐ２）／Ｎ）
ガウシアンチャネルの最大組合せレートは、同一総電力での単一ユーザチャネルの容量と等しい。このエンベロープは、一般に、チャネルが単一の送信器／受信器対に割り当てられるので、無線ネットワーク設計では無視される。たとえば、チャネルがＴ−Ｒ対１に割り当てられる場合に、容量レート対は、（Ｃ１，０）であり、そのチャネルで送信される総情報は、Ｒ１＋Ｒ２＝Ｃ１によって与えられる。
【００４２】
チャネルによってサポートできる（使用されてはいない）追加の情報転送は、次のとおりである。
【００４３】
Ｃａｄｄ＝Ｃ（（Ｐ１＋Ｐ２）／Ｎ）−Ｃ（Ｐ１／Ｎ）
＝（ｌｏｇ（（１＋（Ｐ１＋Ｐ２）／Ｎ））−ｌｏｇ（（１＋Ｐ１／Ｎ）））／２
＝（ｌｏｇ（１＋Ｐ２／（Ｎ＋Ｐ１））／２
＝Ｃ（Ｐ２／（Ｎ＋Ｐ１））
単一ユーザ容量のパーセンテージとしての使用可能な追加容量を、図６にグラフ的に示す。ＳＮＲ範囲は、ターボ符号化されたシステムの通常の動作領域と一致するように選択された。
【００４４】
上の結果は、最大出力を制限された送信を仮定する。代替案では、エネルギに関してスループットを最大にすることがより重要である場合がある。境界を理解するために、２つの送信ノードが短期出力を変更する能力を有するモデルを、これから説明する。この場合に、実用的なシステムを、エネルギにおいてＰ１Ｔ１およびＰ２Ｔ２に制限された所望の信号受信を有するＴＤＭＡとすることができ、ここで、Ｔ１＋Ｔ２＝Ｔである。このエネルギ制約の下で達成可能な２ユーザレートを、図７に示す。円は、ユーザのスロット持続時間が受信電力に比例して割り振られる（Ｐ１／Ｔ１＝Ｐ２／Ｔ２）時に見出される最大総レートを示す。ＴＤＭＡを使用すると、Ｃｏｖｅｒ理論の多元接続容量境界に達することができる。残念ながら、ＴＤＭＡは、この条件の下でのみ最適である。
【００４５】
類似する議論を、ＦＤＭＡについて行うことができる。Ｃｏｖｅｒは、帯域幅にまたがる比例電力共有が多元接続境界に達することを示す。残念ながら、ＦＤＭＡは、ピーク送信エネルギを減らすという利益を有するが、通常、ＴＤＭＡより柔軟ではないと考えられる。
【００４６】
１．３  トポロジおよび応用
ブロードキャスト容量領域および多元接続容量領域は、連続送信を用いるスターネットワーク（たとえば、衛星通信）に最も直接にあてはまる。このチャネルを、加法性白色ガウス雑音（ＡＷＧＮ）チャネルとしてモデル化することができる。高高度飛行船が、類似する通信特性を有する場合がある。これらのネットワークは、通常、ビームパターン内のさまざまな強度に配置された異なるアンテナ利得を有する異なる端末構成を含む。
【００４７】
結果は、キュー、パケットオーバーヘッド、自動再送要求（ＡＲＱ）、およびプロトコルの他の態様がモデル化されないので、パケット交換網に直接に適用可能ではない。受信ＳＮＲを知ることすら、いくつかの情報転送を必要とする。しかし、曲線は、強いチャネルおよび弱いチャネルを対にするキューイングシステムの研究を暗示する。１つの提案された解決策は、ブロードキャストチャネルの議論とは矛盾して、強いユーザへの追加の信号次元を割り振った。追加の信号次元は、第２ユーザについては不要である（Jung, K., and J. M. Shea. "Simulcast Packet Transmission in Ad Hoc Networks." IEEE Journal on Selected Areas in Communication. vol. 23, March 2005: pp. 486-495を参照されたい）。
【００４８】
はるかに複雑なトポロジが、アドホックネットワークのランダムメッシュである。研究者は、これらのネットワークに対する情報理論手法を開発するいくつかの試みを行った（Hajek, B. and A. Ephremides. "Information Theory and Communication Networks: An Unconsummated Union." IEEE Transactions on Information Theory. 44.6, Oct. 1998: pp. 2416-34、Liang-Liang, X. and P. R. Kumar. "A Network Information Theory of Wireless Communication: Scaling Laws and Optimal Operation." IEEE Transactions on Information Theory. 50.5, May 2004: pp. 748-67、およびGupta, P. and P.R. Kumar. "Towards an Information Theory of Large Networks: An Achievable Rate Region." IEEE Transactions on Information Theory. 49.8, Aug 2003を参照されたい）。
【００４９】
ある観察は、マルチユーザシグナリングおよび受信が、あるネットワーク内でトランスポート容量に達するのに必要であることを意味する。関連する基礎的な問題は、ネットワークプロトコルの性能をどのように測定するかである。たとえば、未解決の問題は、トランスポート容量がネットワークの所望の特徴を取り込むためにビットメーターに基づかなければならないかどうか、接続性またはスループットではなく距離を強調しなければならないかどうか、および実際に適用可能であると同時に数学的に御しやすくもある尺度である。アドホックネットワークに関連するこれらの基礎的な質問は、解決から程遠い。
【００５０】
最も単純なメッシュは、図８に示されているように３つのノードを有する。すべてのノードが共通のブロードキャスト領域にあると仮定した、異なるトランシーバ複雑さモデルの下での総システム容量のプロットを、図９に示す（下でさらに詳細に説明する）。総システム容量は、すべてのリンクで送信されるすべてのデータの合計である。各ノードは、同一の送信電力および受信器ＳＮＲを割り振られる。理想化されたモデルは、次のとおりである。
【００５１】
１）１つのリンクだけを任意の時に使用できると仮定された時分割システム。対応するシステム容量は、次のとおりである。
【００５２】
ＣＴＤ＝（ｌｏｇ２（１＋Ｐ／Ｎ））／２
２）ディビジョンフリー二重を有する時分割
ＣＴＤＤＦ＝２ＣＴＤ
３）すべてのリンクがディビジョンフリー二重を用いて同時に動作する（対称によって）時に達成されるシステム容量
ＣＭＤＦ＝３×２×（ｌｏｇ２（１＋Ｐ／（Ｐ＋２Ｎ）））／２
４）ディビジョンフリー二重なしの同時リンクシステム容量
ＣＭ＝ＣＭＤＦ／２
この４つの式を、図９にプロットする。これらは、受信電力が等しい時に、大きい容量利益が、ディビジョンフリー送信を用いて入手可能であるが、低い受信ＳＮＲでマルチユーザブロードキャストおよび多元接続シグナリングを用いると比較的小さい利益だけが入手可能であることを示す。高いＳＮＲ（図示せず）では、ユーザが等しい受信ＳＮＲを有する時に、マルチユーザ戦略を使用することに対する利益はない。
【００５３】
１．４  リンク距離対容量
リンク距離対容量を調査する時に、２つの基本的な問題が生じる。第１の問題は、ノードとその最近近傍との間の、所与の受信レートを可能にする最大距離に関する。第２の問題は、マルチユーザ受信に伴う理論的な距離の利益に関する。後者の問題は、たとえば、特にメッシュネットワーク、セルラシステム、およびＬＥＯ衛星システムを考慮する時に提示される。
【００５４】
容量対距離を、単一ユーザ受信から６ユーザ受信までについて、減衰指数２（自由空間）を有する単純経路損失モデルに基づいて、図１０にプロットする。図１１は、減衰指数３を有する同一データを表す。これらの結果を解釈する異なる形がある。一方では、協力的送信は、ネットワーク内の近傍の間の距離を大きく延ばすことができる。他方では、衛星システムを考慮すると、より低い軌道が、大幅により少数の衛星が所与の受信レートを配送することを可能にする。
【００５５】
１．５  ピギーバックシステム解決策
上の結果を考慮すると、マルチユーザブロードキャストシグナリングは、大きい受信信号電力差を有する環境に適する場合がある。相互ブロードキャスト区域を、たとえば一方はより低い能力の送信をサポートし、他方はより高い能力の送信をサポートする、２つのリンクセットに分割することができる。本明細書で定義されるピギーバックは、複数のメッセージが同一チャネル上でまたは同一の時間−周波数−帯域幅スケールで同時に送信されることを指す（たとえば、送信器Ａが、受信器Ｂ用の第１メッセージと受信器Ｃ用の第２メッセージとを同時に送信することができ、両方のメッセージが、単一のメッセージに含まれ、同時に両方の受信器に送信される）。ある種の非限定的な実施態様では、ピギーバック通信能力を、ネットワーク内のノードの間のリンクの各対の間のＳＮＲ差を調べることによってより微細に決定することができる。
２．例示的なピギーバック技法
ピギーバック技法を実施する、ある例示的なモジュールをこれから説明する。もちろん、次の説明は、例として、限定を伴わずに提供される。そのようなモジュールを、ネットワークを構成するノードによって、ネットワーク内のノードに関連する他の機構によって、または類似物によって格納し、実行できることを了解されたい。また、モジュールを、ソフトウェア、ハードウェア、ファームウェア、またはこれらの間のある組合せとして実施できることを了解されたい。また、さまざまな符号器および復号器を、例示的モジュールに関して説明する。任意の符号化／復号プロトコルを、単独でまたは組み合わせて、本明細書で開示される例示的実施形態と共に使用できることを了解されたい。したがって、ある種の例示的実施形態は、たとえば、ネットワーク符号化、階層符号化、ターボ符号化などを実施することができる。
【００５６】
２．１  強い信号に１つの弱い信号をピギーバックする例示的技法
従来のブロードキャスティングでは、同一のデータが、ブロードキャスト領域内のすべてのユーザに送信される。したがって、送信電力は、最も弱い受信器にさえ達するのに十分に実質的に連続的に強くなければならない。これは、ピギーバックネットワークに好ましい情況を表す。たとえば、最弱の受信器と最強の受信器との間の差が増える時に、送信に独立情報信号（たとえば、第３信号）を追加することが可能になる。追加受信器のＳＮＲは、強い受信器と弱い受信器との中間のデシベル範囲である必要がある。これは、強いＳＮＲと弱いＳＮＲとの間の差が大きくなる時に、第３（第４など）ユーザの電力のセッティングに関するより高い柔軟性を可能にする場合がある。
【００５７】
たとえば、強い受信器と弱い受信器との間の約４０ｄＢの信号差は、第２ピギーバック送信（たとえば、第３信号）内のスクイズに穏当であり、したがってトライキャストとほぼ同等の配置をもたらすことができる。しかし、より幅広くは、このプロセスを、追加信号を追加する（たとえば、下で説明するように）ために、ある種の例示的実施形態で一般化する（たとえば、条件が好ましいある種の例示的実施形態でソフトウェアを介して）ことができる。
【００５８】
図１２は、例示的実施形態によるピギーバック符号化モジュール１２００の例示的なブロック図である。主符号化データ１２０２およびピギーバック符号化データ１２０４が、モジュール１２００に入力される。ピギーバック符号化データ１２０４は、主符号化データ１２０２より弱くなるように、スケーラ１２０８によってスケール係数１２０６だけスケーリングされる。任意の個数のスケール係数を使用できることを了解されたい。たとえば、約１００：１の比まで相対信号強度を減らすスケール係数が、一般に十分であるが、そのような大スケール減少は、すべての実施態様で必要ではない可能性がある。ある種の例示的実施形態では、実際の損失が既知である場合があり、データを、それに従ってスケーリングすることができる。ある種の他の実施形態では、損失を推定することができる（たとえば、信号強度での１／ｒ２対１／ｒ３減衰を仮定することによって）。スケーラ１２０８からの出力および主符号化データ１２０２を、合計器１２１０によって合計することができ、その処理された出力１２１２を、ノードの送信器に送ることができる。
【００５９】
図１３は、例示的実施形態によるピギーバック復号モジュール１３００の例示的なブロック図である。ノードが、ピギーバック符号器１２００によって符号化されたメッセージを受信したならば、受信データ１３０２を処理することができる。まず、主データ復号器１３０４が、オリジナル主データ１３０６を復号し、出力することができる。符号化されたピギーバックデータは、受信データ１３０２から主データのシミュレートされた送信を減算することによって取り出すことができる。
【００６０】
主データの送信をシミュレートするために、オリジナル主データ１３０６が、主符号器１３０８によって符号化され、チャネル効果１３１２が、結果の符号化主データ１３１０と組み合わされる。したがって、シミュレートされたデータ１３１４が入手され、これを、減算器１３１６によって受信データ１３０２から減算することができる。主データを復号し、主データの符号化をシミュレートするプロセスは、少なくとも多少の処理リードタイムを必要とするので、シミュレートされたデータ１３１４が減算器１３１６のために準備ができるまで、受信データ１３０２を格納する（たとえば、メモリまたは類似物に）必要がある場合がある。その代わりにまたはそれに加えて、１つまたは複数のバッファを、メモリの代わりに使用することができる。一般に、任意の遅延機構を使用して、シミュレートされたデータ１３１４が入手される前に、受信データ１３０２の処理から減算器１３１６を遅延させることができる。
【００６１】
減算された出力は、符号化ピギーバックデータ１３１８を表し、この符号化ピギーバックデータ１３１８を、ピギーバックデータ復号器１３２０によって復号することができる（たとえば、スケーリング、チャネル効果などについて補償するために）。最終的に、ピギーバックデータ１３２２を出力することができる。
【００６２】
２．２  強い信号に２つの弱い信号をピギーバックする例示的技法
図１４は、例示的実施形態による３つのデータストリームを符号化するピギーバック符号化モジュール１４００の例示的なブロック図である。主符号化データ１４０２と第１および第２のピギーバック符号化データ１４０４ａ〜ｂとが、モジュール１４００に入力される。第１および第２のピギーバック符号化データ１４０４ａ〜ｂは、両方を主符号化データ１４０２より弱くするために、スケーラ１４０６ａ〜ｂによってめいめいのスケール係数によってスケーリングされる。合計器１４０８が、主符号化データ１４０２と第１および第２のピギーバック符号化データ１４０４ａ〜ｂとを合計する。その処理された出力１４１０を、ノードの送信器に送ることができる。
【００６３】
図１５は、例示的実施形態による３つのデータストリームを復号するピギーバック復号モジュール１５００の例示的なブロック図である。ノードがピギーバック符号器１４００によって符号化されたメッセージを受信したならば、受信データ１５０２を処理することができる。第１に、主データ復号器１５０４が、オリジナル主データ１５０６を復号し、出力することができる。符号化された第１ピギーバックデータは、受信データ１５０２から主データのシミュレートされた送信を減算することによって取り出すことができる。
【００６４】
主データの送信をシミュレートするために、オリジナル主データ１５０６が、主符号器１５０８によって符号化され、チャネル効果１５１２が、結果の符号化主データ１５１０と組み合わされる。したがって、シミュレートされた主データ１５１４が入手され、これを、第１減算器１５１６によって受信データ１５０２から減算することができる。上と同様に、第１減算器１５１６が受信データ１５０２を処理する前に、遅延機構を実施する必要がある場合がある。減算された出力は、符号化された第１および第２のピギーバックデータ１５１８を表す。
【００６５】
このプロセスは、本質的に、メッセージから残されたものから２つのピギーバックデータストリームを抽出するために、それ自体を繰り返す。したがって、第１ピギーバックデータ復号器１５２０が、符号化された第１および第２のピギーバックデータ１５１８を復号する。第１ピギーバックデータ１５２２を、この時点で出力することができる。符号化された第１ピギーバックデータ１５２２の送信をシミュレートし、その結果、最終的に第２ピギーバックデータを作るために符号化された第１および第２のピギーバックデータ１５１８からそれを減算できるようにする必要がある。したがって、第１ピギーバックデータ１５２２は、第１ピギーバック符号器１５２４によって符号化され、チャネル効果１５２８が、結果の符号化第１ピギーバックデータ１５２６に導入される。シミュレートされた符号化第１ピギーバックデータ１５３０を、減算器１５３２によって、符号化された第１および第２のピギーバックデータ１５２２から減算することができる。やはり、第２減算器１５３２が第１ピギーバックデータ１５２２を処理する前に、第２遅延機構を実施する必要がある場合がある。結果の符号化第２ピギーバックデータ１５３４を、第２ピギーバックデータ復号器１５３６によって復号することができる。その後、第２ピギーバックデータ１５３８を出力することができる。
【００６６】
２．２  強い信号に弱い信号をピギーバックする例示的な一般化された技法
上で説明した技法を、追加のデータストリームに使用できる（たとえば、符号化および復号の分岐またはループを追加することによって）ことを了解されたい。それでも、これらの技法は、追加のデータストリームがメッセージに導入される時に、特に復号器モジュールに関して扱いにくくなる可能性がある。したがって、ある種の例示的実施形態は、例示的な単一・複数ピギーバック復号器を提供するためにそれらの分岐を有利につぶすことができる。たとえば、このプロセスを一般化し、１つまたは複数のストリームに対処する１つの例示的な技法は、復号器内でスイッチを実施することに関する。図１６に、例示的実施形態によるスイッチを実施する単一・複数ピギーバック復号器１６００を示す。
【００６７】
図１６に示された例示的なモジュールでは、受信データ１６０２が、モジュール内のスイッチ１６０４に入力される。スイッチ１６０４は、どのデータを復号しなければならないか（たとえば、復号プロセスに沿ってどれほど進んだか）を制御することができる。スイッチ１６０４は、たとえば、ストリームに埋め込まれた１つまたは複数のパリティビットを使用すること、単純なカウントを保つことなどによってこれを達成することができる。データストリームを、スイッチ１６０４から復号器１６０８に中継することができ、この復号器１６０８は、スイッチ情報１６０６を使用して、復号器１６０８にどのストリームを復号しなければならないかを指示することができる。復号器１６０８は、復号されたデータ１６１０を出力することができる。ストリームから減算される送信をシミュレートするために、復号されたデータ１６１０を、符号器１６１２によって符号化することができ、チャネル効果１６１６を符号化データ１６１４に適用することができる。シミュレートされたストリーム１６１８を、スイッチデータ１６０６によってシグナリングされるとおりに減算器１６２０によってオリジナルデータストリーム１６０２から減算することができる。減算された出力１６２２は、今や、オリジナル受信データ１６０２として機能し、スイッチ１６０４に供給される。スイッチ１６０４を、この時に更新することができる（たとえば、カウンタを増分することができ、１つまたは複数のパリティビットを変更することなどができる）。次に、このプロセスを、主ストリームにピギーバックされたストリームの個数に適当な任意の回数だけ繰り返すことができる。ループを通る最後の時に、減算された出力１６２２を、スイッチをもう一度通過する必要なしに直接に出力できる（図示せず）ことを了解されたい。その代わりにまたはそれに加えて、データが、スイッチを通過することができるが、スイッチデータ１６０６が、復号すべきものがないことを復号器１６０８に指示することができ、データを、復号されたデータ１６１０として出力することができ、このプロセスは、符号器１６１２でまたはその後に停止する（たとえば復号し減算すべきデータが残っていないなどの理由で）。
【００６８】
図１７は、主データだけが送信された場合に受信される信号の推定値を提供する例示的機構である。言い換えると、このプロセスは、受信信号とオリジナルの符号化されたストリームとの間の最良あてはめ一致を計算する任意選択の追加ステップを含むことができ、このステップは、符号化されたメッセージを復号する時に必要な同期化パラメータを改善するために実行することができる。図１７の出力１７０６は、図１６のシミュレートされたストリーム１６１８に対応する。送信器と受信器との間に、さまざまなチャネル効果が、送信された信号が受信される前にその送信信号をひずませるように働く。これには、自由空間損失およびシャドウイングに関連する減衰、搬送波の位相およびシンボルタイミングの曖昧さおよびドリフト、スペキュラフェージング、マルチパスフェージング、ハードウェアひずみなどが含まれる。復号されたデータ１７０２は、チャネル効果ブロック１７０４に入力され、再符号化され、送信信号の理想化されたコピーを生成する。チャネル効果推定器は、これらの効果の一部またはすべてを測定することを試み、送信信号の理想化されたコピーを変更し、このコピーを、再符号化されたチャネル効果出力１７０６として出力する。相関ブロック１７０８は、チャネル効果推定器の品質を測定するのに使用される。より高い相関は、チャネル効果パラメータがより高い忠実度で測定されることを示す。相関ブロックは、相関信号または相関メトリックを出力し、これは、チャネル効果推定器にフィードバックされる。いくつかの場合に、たとえば相関出力の微分などの動作を実行することを、チャネル効果推定器の品質を改善するための誤差信号として使用することができる。
３．ネットワークを介してデータをピギーバックする例示的技法
３．１  ノードの間の例示的送信
上で注記したように、通常、送信器から遠いノードがそれに関して弱い信号を有する（たとえば、送信器から遠いノードが、送信器により近いノードと比較してより低いＳＮＲを有する）ことは、問題と考えられる。少なくともこの理由から、従来の通信は、一時に単一のメッセージだけを送信し、受信領域内のすべてのノードが、不適当なメッセージを無視する。しかし、本明細書の例示的実施形態は、技術的利益としてこの特徴を使用することができ、たとえば、実質的に同時に１つまたは複数の近いノードと１つまたは複数の遠いノードとにデータを同時に転送することを可能にする。したがって、本明細書で開示されるある種の例示的実施形態が、帯域幅の再利用を可能にし、周波数再利用技法に関連する利益におおむね類似する利益を提供することができる。たとえば、ある種の例示的実施形態が、１つの近いノードと１つの遠いノードとにメッセージを通信するために実施される時に、帯域幅の実質的な二重使用を達成することが可能である場合がある。したがって、ある種の例示的実施形態は、距離に基づいて通信をフィルタリングすること（たとえば、それぞれのＳＮＲによって推測されたもの）とみなすことができる。下で説明するある種の例示的技法によって送受信された通信が、受信ＳＮＲの大きい差を有する複数ノードへの同時送信を可能にすることによって、上で注記した競合問題を減らし、ネットワークスループットを高めることができることを了解されたい。ルーティングに対する影響が少ない１つの手法は、下記のとおりである。
【００６９】
３．１．１  メッセージを送信する例示的技法
図１８は、例示的実施形態に従ってデータをネットワークを介してどのようにピギーバックできるかを示す例示的流れ図である。ステップＳ１８０２で、次に送信されるパケットのリンクＳＮＲを判定する。次に、ステップＳ１８０４で、次のパケットのピギーバックを可能にする可能なパートナリンクを判定する。ステップＳ１８０６で、ピギーバックが可能であると判定される場合に、ステップＳ１８０８で、データをピギーバックし、ステップＳ１８１０で送信する。しかし、ステップＳ１８０６で、ピギーバックが可能ではないと判定される場合には、データは、ピギーバックされず、ステップＳ１８１０で従来通りに送信される。このプロセスを、ある種の例示的実施形態で、単に主メッセージおよび副メッセージより多数をピギーバックし、送信するループにすることができることを了解されたい。
【００７０】
このプロセスは、リンクＳＮＲ推定値のリストが各ノードで使用可能であることを仮定する。静的ネットワークでは、リンクＳＮＲは、前もって既知である。しかし、別の情況（たとえば、動的ネットワークが提供される情況）では、リンクＳＮＲは、オンザフライで（たとえば、メッセージがあるノードから次のノードへ通過する時、メッセージがあるノードから次のノードへ通過しようとしている時などに）推定される必要がある場合がある。使用可能なリンクごとのデータレート推定値（たとえば、ピギーバックチャネルに関連するデータレート増加を含む）を、ルーティングプロトコル、ネットワークプロトコル、およびトポロジ管理プロトコルに供給することができる。ある種の例示的実施形態を用いて可能なトポロジ最適化の一例が、容量およびネットワークをスパンするためのより少数のホップに基づいて最適化するためにシステムを区分できることである。これは、各セットに適当な近い通信ノードおよび遠い通信ノードを含めるようにアンテナパターンビーム（たとえば、指向性アンテナのブロードキャスト領域）を配置することによって達成することができる。複数のリンクを１つのビーム内に置くことができる（たとえば、近いリンクおよび遠いリンク）ことを了解されたい。もう１つの例として、セルラネットワーク内で、ノードが、他のノードに実質的に不断のフィードバックを供給することができ、リンクＳＮＲを、この情報に基づいて提示することができる。さらなる例では、電力制御が、ＣＤＭＡプロトコル実施態様に似て、ＳＮＲを推定する機構を提供することができる。この情報が入手可能でない可能性がある場合には、いずれにせよデータをピギーバックすることができる（例外を、受信器でまたはネットワーク内で後に処理することができる）。その代わりにまたはそれに加えて、データを従来の形で送信することができる。
【００７１】
図１９は、例示的実施形態に従ってデータをどのようにピギーバックできるかの詳細図である。図１９は、例示的なステップＳ１８０８をより詳細に示す。具体的に言うと、ステップＳ１９０２に示されているように、各ノードのパケットのキューから、パートナリンクを使用する最前部のパケットを検索することができる。しかし、より包括的にいえば、上で説明したように、データは、既知であるか推定されるか類似物のいずれかであるピギーバックリンクセットに従ってキューイングされる。パートナリンクは、主データおよび副データに関連するリンクである。たとえば、主データが、ＡからＢに送信され、副データが、Ｃに送信される場合に、送信Ａ→ＣおよびＡ→Ｂが、パートナリンクになる。結果のパケットは、ピギーバックパケットと表すことができる。次のパケットを選択するのに使用される選択判断基準を、任意選択で、パートナに適用することができる。たとえば、キューから次のパケットを選択する同一の機構が、可能なパートナリストからピギーバックパケットを選択することもできる場合である。リンクＳＮＲを推定し、キューを潜在的ピギーバックチャネルと照合することによって、遅延を減らすことができ、スループットを通信ネットワーク内で高めることができる。
【００７２】
ステップＳ１９０４で、次のパケットおよび／またはピギーバックパケット（１つまたは複数）を、リンクＳＮＲに従ってスケーリングすることができる。スケーリングは、たとえば、２つのリンクの相対ＳＮＲに依存するものとすることができる。ネットワークの動作パラメータ（たとえば、ビット誤り率、パケット誤り率など）がさまざまな重み付け要因を暗示する場合があるので、最適重み付けを実験的に決定できることを了解されたい。ステップＳ１９０６で、次のパケットおよびピギーバックパケット（１つまたは複数）を組み合わせることができる。したがって、組み合わされたパケットは、ステップＳ１８１０での送信の準備ができる。やはり、このプロセスを、ある種の実施形態で、主メッセージおよび副メッセージを超える複数メッセージピギーバックに対処するために、ループにすることができることを了解されたい。
【００７３】
図１９に示されたプロセスの例示として、ブロードキャスト領域内に５つのリンクがあるシステムを仮定する。４つのリンクが、可能なパートナリンクとして評価される。判断基準は、パートナリンクが、次のパックドの受信器より２０ｄＢ高い受信ＳＮＲを有することとすることができる。さらに、２つのリンクがこの判断基準を満足すると仮定する。次に、キューから、これらのリンクのうちの１つを使用する最前部パケットを検索することができる。計算機能強化（たとえば、リンクパートナの事前決定および連想メモリの使用、ならびに類似物など）を使用して、検索を高速化することができる。もちろん、この例が、例として、限定を伴わずに提供されることを了解されたい。
【００７４】
リンクセット情報を、上で説明した技法に加えてまたはこれとは別にさまざまな形で活用することができる。たとえば、２つのパケットが、ソースＡから宛先Ｃへスケジューリングされると仮定する。ＡがＣに直接に到達できる場合には、ネットワークは、ＡからＣへのリンクを２回使用することを選択することができる。次に、ＡからＢへが、ＡからＣへのパートナリンクであると仮定する。この場合に、ＢによってＣに送信されるＡ（たとえば、ＡからＢへ、その後にＢからＣへ）は、２つのパケットを配送する可能な方法である。この配置を利用するネットワークアルゴリズム（たとえば、ネットワークルーティングアルゴリズム）の実施は、減らされた遅延、高められたスループットなど、ネットワークリソースの利益を有することができる。
【００７５】
３．１．２  メッセージを受信する例示的技法
対応して、低いＳＮＲを有する受信器は、通常の復号を実行することができるが、より高いＳＮＲを有する受信器は、ピギーバックリンクがそれらに割り当てられた可能性がある時にピギーバック復号を実行することができる。ある種の例示的実施形態によれば、データストリーム内のビットを使用して、所期の受信器（１つまたは複数）を識別することができる（たとえば、アドレッシングビット）。アドレッシングに必要なビット数が、たとえば、ネットワーク内のノードの個数、１つのメッセージが同時に送信され得る先のノードの個数などに依存する可能性があることを了解されたい。
【００７６】
ターボ符号を使用する基本的なシミュレーションを作成して、ピギーバックパケットが分離可能であることを検証した。この例示的なシミュレーションでは、各送信されるブロックが、チャネル強度差によってスケーリングされた副符号語に追加される主符号語を含んだ。性能劣化は、２０ｄＢおよび３０ｄＢの相対チャネル強度差では見られなかったが、０．６ｄＢ  Ｅｂ／無損失が、１０ｄＢ強度差でより弱い受信器に関して観察された。アナログ−ディジタル変換および他の例示的実施諸態様は、モデル化されなかったが、ある種の例示的実施形態を、そのような態様に対処するために実施できることを了解されたい。
【００７７】
３．２  例示的なハードウェアおよび／またはソフトウェア変更
ある種の例示的実施形態は、１つの送信器ノードが指向性アンテナを有し、１つまたは複数の受信器ノードが全方向性アンテナを関連付けられる応用例によく適する。したがって、送信器と受信器との間の距離は、ある種の実施形態がより高速の送信を可能にするために活用できるＳＮＲ配置をもたらす距離に基づいて変化する。全方向性アンテナから全方向性アンテナへの通信も、類似する配置を作ることができる。そのような配置は、たとえば、衛星ネットワーク、セルラネットワーク、ＰＤＡがサーバと通信するネットワークなどに見出すことができる。
【００７８】
ピギーバック通信を実施できるさらなる配置は、同一位置の２つの別個のアンテナアパーチャを使用することに関する。たとえば、図２０ａ〜ｂは、送信器と受信器との両方が２つのアンテナを含み、各送信器アンテナが異なるアパーチャを有する、もう１つの変形形態を指す。具体的に言うと、図２０ａは、例示的実施形態による、それぞれが異なるアパーチャを有する２つのアンテナを使用して通信する例示的送信器を示し、図２０ｂは、例示的実施形態による、２つのアンテナを使用することによって図２０ａの送信器と通信するように構成された例示的受信器を示す。これらの例示的実施形態によれば、２つのメッセージの送信を、同一周波数で同一の変調を用いるが、２つの異なるアンテナアパーチャを用いて行うことができる。送信器２０００は、アンテナアパーチャＡ  ２００２を介して一方のメッセージを、アンテナアパーチャＢ  ２００４を介して他方のメッセージを送信することができる。近距離場／遠距離場は、異なる最大寸法を有するアンテナアパーチャＡ  ２００２およびＢ  ２００４を設けることによって、約２Ｄ２／λ（ただし、Ｄは、アンテナアパーチャの最大寸法であり、λは波長である）になるので、近／遠区切点は、２つの送信について異なる。その結果、送信器に向かう線に沿って距離ｄだけ分離された２つの受信アンテナ２０１２および２０１４を有する受信器２０１０は、合計器２０１８内で受信アンテナ２０１４の出力に加算される時に、スケーラ２０１６によって受信アンテナ２０１２の出力に適当に重みを付ける（たとえば、−αの係数によって）ことによって、送信器アンテナアパーチャＡ  ２００２または送信器アンテナアパーチャＢ  ２００４のいずれかからの送信を完全に除去することができる（αが適当にセットされる時に）。
【００７９】
遠距離場区切点および送信電力を適当に調整することによって、この２アパーチャに基づく通信実施形態は、最も離れた受信器がより近い受信器への送信から感知可能な干渉を全く受信しなくなり、したがって、最も離れた受信器が２つのアンテナアパーチャおよび加重コンバイナを使用する必要がなくなるように、機能するようにもされ得る。たとえば、一方のアンテナは、主に、たとえば約１／ｒ２で減衰する場を有する通信信号を放射することができ、他方の主アンテナは、主に、たとえば約１／ｒ３で減衰する場を有する通信信号を放射することができる。比較的離れた受信器は、約１／ｒ３で減衰する放射によって影響されない可能性がある。その代わりにまたはそれに加えて、送信器に近い受信器は、差動アンテナを使用することによって、約１／ｒ３信号のＳＮＲを高めることができる。
【００８０】
さらなる任意選択の変更は、有限語長、延長可能な語、無限語（またはシミュレートされた無限語長）などを使用することを含むことができる。アナログ−ディジタル分解をも、ある種の例示的実施形態で実施することができる。また、ある種の例示的実施形態は、性能に対するＳＮＲ誤り率の影響を考慮に入れることができる（たとえば、ＳＮＲを推定し、それに従って冗長データを送信することなどによって）。
【００８１】
上で説明した例示的実施形態は、物理層へのアクセスに関して（たとえば、ＳＮＲを使用する）説明されたが、本発明は、それに限定はされない。たとえば、ある種の例示的実施形態は、複合送信レートを判定するためにリンクビット誤り率および／またはパケット誤り率に関するリンク性能の大きい差を利用することができる。例示的実施形態による、ユーザ１が１０Ｅ−６  ＢＥＲで動作する、２ユーザバイナリブロードキャストチャネルの例示的レート曲線を、図２１に示す（Cover, T. M. and J. A. Thomas. Elements of Information Theory. New York: John Wile & Sons, 1991を参照されたい）。ユーザ２の悪く動作するリンクは、モバイル衛星チャネルで発生し得るＢＥＲの範囲を反映するために選択されたものである。この曲線は、時分割多重（ＴＤＭ）でのブロードキャスト符号化の利益を示す。たとえば、弱いチャネルが２０％  ＢＥＲである時に、ＴＤＭは、ユーザ２が０．２４ビット／送信を必要とする時にユーザ１が０．１４ビット／送信で動作することを可能にするが、ブロードキャスト符号化を用いると、（０．２１，０．２４）の複合レートが使用可能である。衛星チャネルフェージングは、経時的に相関され、この曲線ではモデル化されていない。また、マルチキャストなどの他の技法を、本明細書で説明したある種の技法と組み合わせてまたはその代わりに使用することができる。
【００８２】
また、本明細書で、例示的実施形態をおおむね無線通信に関して説明したが、本発明は、それに限定はされない。たとえば、一部の技法を、たとえば共有通信バスを使用するものなど、有線システムに適用することができる。
【００８３】
本発明を、現在は最も実用的であり好ましい実施形態と思われるものに関して説明したが、本発明が、開示された実施形態に限定されてはならず、逆に、本発明の趣旨および範囲に含まれるさまざまな修正形態および同等配置を含むことが意図されていることを理解されたい。また、上で説明したさまざまな実施形態は、他の実施形態に関連して実施することができ、たとえば、一実施形態の諸態様を、別の実施形態の諸態様と組み合わせて、さらに他の実施形態を実現することができる。
【符号の説明】
【００８４】
１２００  ピギーバック符号化モジュール
１２０２  主符号化データ
１２０４  ピギーバック符号化データ
１２０６  スケール係数
１２０８  スケーラ
１２１０  合計器
１２１２  出力
１３００  ピギーバック復号モジュール
１３０２  受信データ
１３０４  主データ復号器
１３０６  オリジナル主データ
１３０８  主符号器
１３１０  符号化主データ
１３１２  チャネル効果
１３１４  シミュレートされたデータ
１３１６  減算器
１３１８  符号化ピギーバックデータ
１３２０  ピギーバックデータ復号器
１３２２  ピギーバックデータ
１４００  ピギーバック符号化モジュール
１４０２  主符号化データ
１４０４ａ  第１ピギーバック符号化データ
１４０４ｂ  第２ピギーバック符号化データ
１４０６ａ  スケーラ
１４０６ｂ  スケーラ
１４０８  合計器
１４１０  出力
１５００  ピギーバック復号モジュール
１５０２  受信データ
１５０４  主データ復号器
１５０６  オリジナル主データ
１５０８  主符号器
１５１０  符号化主データ
１５１２  チャネル効果
１５１４  シミュレートされた主データ
１５１６  第１減算器
１５１８  第１および第２のピギーバックされたデータ
１５２０  第１ピギーバックデータ復号器
１５２２  第１ピギーバックデータ
１５２４  第１ピギーバック符号器
１５２６  符号化第１ピギーバックデータ
１５２８  チャネル効果
１５３０  シミュレートされた符号化第１ピギーバックデータ
１５３２  減算器
１５３４  符号化第２ピギーバックデータ
１５３６  第２ピギーバックデータ復号器
１５３８  第２ピギーバックデータ
１６００  単一・複数ピギーバック復号器
１６０２  受信データ
１６０４  スイッチ
１６０６  スイッチデータ
１６０８  復号器
１６１０  復号されたデータ
１６１２  符号器
１６１４  符号化データ
１６１６  チャネル効果
１６１８  シミュレートされたストリーム
１６２０  減算器
１６２２  減算された出力
１７０２  復号されたデータ
１７０４  チャネル効果ブロック
１７０６  出力
１７０８  相関ブロック
２０００  送信器
２００２  アンテナアパーチャＡ
２００４  アンテナアパーチャＢ
２０１０  受信器
２０１２  受信アンテナ
２０１４  受信アンテナ
２０１６  スケーラ
２０１８  合計器
【図１ａ】
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【図１ｂ】
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【図２】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
0005394253.tif 000006
【図３ｃ】
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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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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０ａ】
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【図２０ｂ】
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【図２１】
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