(57)【要約】      （修正有）【課題】複数の送信機のセットのそれぞれ１つにおいて、或る時間間隔中に送信されるパケットに電力レベルを割り当てることによってパケットを通信する。【解決手段】電力レベルは、その複数の送信機のセットが利用可能な電力レベルのセットから選択される。セット内の電力レベルは最高電力レベルから最低電力レベルに及ぶ。各送信機に対して１つのパケットが存在し、それによって、その時間間隔中に送信されるパケットのセットが存在する。そのパケットのセットはその時間間隔中に同時に送信され、当該時間間隔中にそのパケットのセットの複数のパケットのうちの少なくとも１つを復号することが可能となる。【選択図】図１
2009124686.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
多重アクセス無線通信ネットワークにおいてパケットを通信する方法であって、
複数の送信機のセットのそれぞれ１つにおいて、或る時間間隔中に送信されるパケットに電力レベルを割り当てるステップであって、該電力レベルは、前記複数の送信機のセットが利用可能な電力レベルのセットから選択され、該セット内の該電力レベルは最高電力レベルから最低電力レベルに及び、各前記送信機に対して１つのパケットが存在し、それによって、前記時間間隔中に同時に送信されるパケットのセットが存在するものと、
前記パケットのセットを前記時間間隔中に同時に送信するステップであって、該時間間隔中に該パケットのセットを復号することが可能となるものと、を含む、方法。
【請求項２】
前記電力レベルを動的に割り当てることをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記電力レベルを、前記送信機と前記受信機との間の無線チャネルの状態情報に従って割り当てることをさらに含む、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記電力レベルをランダムに割り当てることをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記パケットは前記送信機に時刻においてランダムに到着し、前記電力レベルは前記パケットが前記送信機に到着する前記時刻において選択される、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記電力レベルは受信電力である、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記送信機における送信電力を調整することであって、前記受信機における前記受信電力を達成する、調整することをさらに含む、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
受信機において、前記時間間隔中に前記パケットのセットを同時に受信すること、
前記パケットのセットを復号すること、及び
前記復号に応じてフィードバックメッセージをブロードキャストすることをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記フィードバックメッセージは、前記パケットのセットの前記復号のステータスを示す、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記フィードバックメッセージは、前記パケットのセットの前記復号の後の残余受信電力を示す、請求項８に記載の方法。
【請求項１１】
前記受信機は、受信信号対干渉雑音比が前記送信機における変調及び符号化によって決まる閾値
【数１】
2009124686.tif 000013
以上である場合に、前記送信機によって送信される前記パケットを首尾よく復号することができる、請求項８に記載の方法。
【請求項１２】
前記複数の送信機のセットは、電力レベルｑ１で送信する第１の送信機と、第２の電力レベルｑ０で送信する第２の送信機とを含み、ここでｑ１＞ｑ０となり、前記パケットのセットは
【数２】
2009124686.tif 000014
である場合に首尾よく復号することができ、式中、σ２は雑音のパワーである、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記電力レベルのセットは以下の再帰
【数３】
2009124686.tif 000015
によって与えられ、式中、ａは、前記最高電力レベルで送信される前記パケットの復号に成功する確率に比例する不都合度パラメータである、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記不都合度は、前記受信パケットの前記受信電力の合計が前記最高電力レベルを下回るように、前記受信機において前記最低電力レベルで受信することができるパケットの数である、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記時間間隔において首尾よく復号することができる前記パケットの数は
【数４】
2009124686.tif 000016
であり、式中、Ｌは電力レベルの数である、請求項１３に記載の方法。
【請求項１６】
前記受信機は、前記時間間隔中に、一方のパケットが前記電力レベルｑ１で受信され、且つ他方のパケットが前記電力レベルｑ０で受信される場合に、両方のパケットを首尾よく復号し、該受信機は、前記時間間隔中に、単一のパケットが前記電力レベルｑ０で受信され、且つ他のパケットが受信されない場合に、前記単一のパケットを首尾よく復号し、該受信機は、他のパケットが前記電力レベルｑ１で受信されず、且つ前記電力レベルｑ０で受信されるパケットの数が前記不都合度ａを超えない限り、前記電力レベルｑ１で単一のパケットを復号する、請求項１３に記載の方法。
【請求項１７】
前記ステータスは復号の成功と復号の失敗とを含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１８】
前記フィードバックメッセージは、前記時間間隔の終了時点においてすべてのパケットが復号されたこと、１つのパケットのみが首尾よく復号されたこと、及び、パケットは首尾よく復号されなかったことを示すことができる、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
多重アクセス無線通信ネットワークであって、
複数の送信機のセットを備え、各該送信機は、
或る時間間隔中に送信されるパケットに電力レベルを割り当てる手段であって、該電力レベルは、前記複数の送信機のセットが利用可能な電力レベルのセットから選択され、該セット内の該電力レベルは最高電力レベルから最低電力レベルに及び、各前記送信機に対して１つのパケットが存在し、それによって、前記時間間隔中に同時に送信されるパケットのセットが存在するものと、
前記パケットのセットを前記時間間隔中に同時に送信する手段であって、該時間間隔中に該パケットのセットのパケットのうちの少なくとも１つを復号することが可能なものと、をさらに備える、ネットワーク。
【請求項２０】
前記時間間隔中に前記パケットのセットを同時に受信するように構成される受信機をさらに備え、該受信機は、
前記パケットのセットを復号する手段と、
前記復号に応じてフィードバックメッセージをブロードキャストする手段とをさらに備える、請求項１９に記載のネットワーク。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、包括的には無線通信ネットワークに関し、より詳細には、そのようなネットワークにおける多重アクセス及び多重パケット受信に関する。
【背景技術】
【０００２】
多重アクセス
１つの共有チャネルを介する多重アクセス(ＭＡ)は、複数のノード(送受信機)から成る無線通信ネットワークにおける基本的な問題である。競合ベースの方法が通常、ネットワーク及び情報の交換に参加するためにパケットベースのネットワークにおいて使用される。
【０００３】
既知のＡＬＯＨＡプロトコルでは、ノードは独立してパケットを送信する。「純粋な」ＡＬＯＨＡプロトコルは単純である。ノードは、送信するパケットを有する場合、パケットを送信する。パケットが別の送信と衝突する場合、後に再送信を試みる。送信は、パケット衝突が起こらない場合に首尾よく復号(分解)される。純粋なＡＬＯＨＡにおける最大スループットは１つの時間間隔当たり約０.１８パケットである。これは、利用可能な全帯域幅の約８２％がパケット衝突のために実質的に無駄になっていることを意味する。
【０００４】
多重パケット受信
多数の無線受信機が、多重パケット受信(ＭＰＲ)、すなわち、高度な信号処理を使用して複数の送信からパケットを同時に分離することが可能である。パケット受信を改善することができることによって、新規のＭＡ方法がもたらされている。大多数のＭＰＲプロトコルは複数の送信機から受信されるパケットを復号する受信機の設計に専念している。
【０００５】
たとえば、ネットワーク支援ダイバーシティ多重アクセス(ＮＤＭＡ)において、或る時間間隔中にｋ個のパケットが衝突する場合、送信機はそれらの送信をもうｋ−１回繰り返す。チャネル状態情報(ＣＳＩ)が経時的に変化する場合、このようなｋ回の連続する送信は、受信機がチャネル行列を反転すると共にｋ個の衝突したパケットのすべてを回復することを可能にする。
【０００６】
回転不変性技法を使用して信号を分離することができる。多項位相変調系列を使用して、異なる受信パケットの周期定常性を、複数の送信からの「色コードパケット」に使用することができる。
【０００７】
すべての従来技術の技法の問題は信号分離である。これらの技法はすべて無線ネットワークの総スループットの向上をもたらすが、受信信号の大量のソフト情報を記憶すると共に、受信信号に対して複雑な計算を実施することができる複雑な受信機を使用することを必要とする。たとえば、受信信号は、後の受信パケットを、以前に受信されたパケットから信号を減算することによって復号することができるように、いくつかの時間間隔にわたって記憶する必要がある。これによって受信機におけるメモリ、電力消費及び計算の複雑度が増大する。
【０００８】
より直接的なＭＰＲ手法は、逐次干渉除去(ＳＩＣ)を使用して多重アクセスのスループットを向上させる。ＳＩＣは、同じチャネルを介して同時に受信される他のパケットを復号するために、首尾よく復号されたパケットを受信信号から除去するマルチユーザ検出技法である。
【０００９】
具体的には、ＳＩＣ木アルゴリズム(ＳＩＣＴＡ)が、受信機が首尾よく復号することが出来ないパケットの存在を検出するときはいつでも、受信信号のソフト情報をメモリ内に記憶する。ＳＩＣＴＡは、既知の到着順処理(ＦＣＦＳ)２分木アルゴリズムを修正したものである。ＳＩＴＣＡでは、受信機は、１つのパケットが復号された後に、すべての以前に記憶された受信信号からそのパケットの寄与を減算する。次いで、受信機はその新しい「クリーンアップ」された信号を復号することができるか否かをチェックする。受信機におけるこの能力によって、ＳＩＣＴＡプロトコルはパケット到着率λが１つの時間間隔当たり０.６９３パケットを下回る場合に安定である。対照的に、従来のＦＣＦＳアルゴリズムは、パケット到着率λが１つの時間間隔当たり０.４８７パケットを下回る場合にのみ安定である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、ＳＩＣＴＡは、すべての他の従来のＭＰＲ方式と同様に、すべての復号不能なパケットの受信信号のソフト情報を使用して衝突パケットが回復されるまで、受信機が当該情報を記憶することを必要とする。これによって、衝突パケットの遅延も増大する。さらに、ＳＩＣＴＡプロトコルは、大多数の他のプロトコルよりもはるかに大量のフィードバックメッセージを必要とする。他のプロトコルでは、あり得るメッセージのセットは、単純に「アイドル(０)」メッセージ、「成功(１)」メッセージ、及び「衝突(ｅ)」メッセージである。ＳＩＣＴＡでは、このメッセージのセットは、パケット送信が行われない場合は「アイドル(０)」、特定される時間間隔の数(ｋ)(ここでｋは復号されたパケットの数にアイドルであると特定された時間間隔の数を足した数である)、及びパケット受信が成功しなかった場合は「衝突(conflict)(ｅ)」を含む。このような大量のフィードバックメッセージは、パケットが何らデータを搬送せず、したがってネットワークの全体効率を低下させるため、望ましくない。
【００１１】
従来技術では、チャネル状態情報(ＣＳＩ)が、単一パケットの受信の状況においてのみ、競合ベースの多重アクセスの効率を向上させるために使用されてきた。パケットが他のパケットと衝突する場合、そのパケットは分解不能であるとして「ドロップ」される。たとえば、チャネルアウェアなＡＬＯＨＡプロトコルは、ＣＳＩを組み込んでチャネルアクセスを制御する。各ユーザは、そのチャネル利得が所定の閾値を超える場合にのみ送信する。便乗(Opportunistic)ＡＬＯＨＡ(ＯＬＯＨＡ)プロトコルは、送信確率を、競合している送信機で利用可能なＣＳＩの関数として設定する。「最良の」ユーザのパケットの送信に必要な時間を、選択された電力レベルで送信することによって最小化することができる。優先順位が最も高いユーザを最良のユーザとすることができる。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の実施の形態は、競合ベースの多重アクセス無線通信ネットワークにおいてパケットを送受信する方法を提供する。多重パケット分解(ＭＰＲ)を用いて、受信機は、複数の送信機によって送信される複数のパケットを同時に分解(復号)することができる。これによってスループットが向上する。
【００１３】
本発明の実施の形態は、送信ノードから受信される電力を適応的に変更することによって、さらにスループットを向上させる。送信機はチャネル状態情報(ＣＳＩ)を使用して、各パケットの受信電力がＭＰＲの成功率を増大させる値を取るように送信電力を動的に適合させる。
【００１４】
具体的には、多重電力多重アクセス(ＭＰＭＡ)方法は、受信電力レベルのセットを使用して受信機における直接の逐次干渉除去を可能にする。このセットは少なくとも２つの電力レベルを含む。たとえば、２つの電力レベルの場合、受信機はいずれかの電力レベルで受信される単一のパケット、又はパケットが２つの電力レベルで受信される場合には２つのパケットを首尾よく復号することができる。利用可能な電力レベルの数が増大すると、特定の時間間隔中に同時に復号することができるパケットの数も増大する。
【００１５】
従来技術を排除する１つの利点として、本発明の実施の形態による方法では、受信機が異なる時間間隔にわたって受信信号に関連するソフト情報(以前に受信された信号)を記憶する必要がない。
【００１６】
一実施の形態では、ＭＰＭＡ方法は、３つのフィードバックステータスメッセージを使用する。この実施の形態は、１つの時間間隔当たり０.６８６５パケットの安定したスループットを達成する。別の実施の形態は、４つのフィードバックステータスメッセージを使用して、１つの時間間隔当たり０.７９３パケットの安定したスループットを達成する。
【００１７】
この安定したスループットは、すべての既知の競合ベースの方法よりも高い。
【００１８】
本発明は、動的な電力制御を使用してＭＰＲを促進する。ＣＳＩが送信機において相互依存の原則から又はフィードバックチャネルを通じてのいずれかで利用可能である場合、電力は、さまざまなパケットの受信電力が特定の望ましい特性を取得し、すなわちＭＰＲに成功する機会を増やすように、動的に調整することができる。これによってスループットがより高くなる。
【００１９】
本発明によるネットワークは、まず、ＭＰＲ、すなわち、ＭＰＲを伴うネットワークにおける送信電力制御及びＣＳＩの使用を大きく促進するものと考えられる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明は、能動的な多重パケット受信(ＭＰＲ)方法を提供する。送信機はチャネル状態情報(ＣＳＩ)を使用して多重アクセス(ＭＡ)の、ＭＰＲが可能な単一の受信機に対する性能を改善する。特に、本発明は、複数の離散した受信電力レベルを使用して直接の逐次干渉除去を可能にする多重電力多重アクセス(ＭＰＭＡ)方法を提供する。
【００２１】
従来のＭＰＲ方法とは対照的に、ＭＰＭＡ方法は受信機において連続する時間間隔にわたってソフト情報を記憶する必要なく高い性能を達成する。そればかりでなく、複数の受信電力レベルによって、受信機は単一の時間間隔において複数のパケットを復号することが可能となる。
【００２２】
ＭＰＭＡ方法の保守的な変形形態は３つのフィードバックステータスメッセージを使用して、一般的なダイナミック電力レンジに関して１つの時間間隔当たり０.６８６５パケットの安定したスループットを達成する。
【００２３】
ＭＰＭＡ方法の積極的な変形形態は４つのフィードバックステータスメッセージを使用して、１つの時間間隔当たり０.７９３パケットの安定したスループットを達成する。このスループットはすべての既知の競合方法よりも高い。
【００２４】
積極的な方法はＣＲＩのいくつかのパケットを無視する、約１０−１０程度のきわめて低い確率を有するが、これらのパケットは依然として後続のＣＲＩにおいて受信機に配送することができる。
【００２５】
本方法は、無線受信機が逐次干渉除去することが可能な無線通信ネットワークにおいて広範な適用性を有する。ダイナミック電力レンジに応じて、本方法を拡張し、それによって３つ以上のパケットを同時に分解することができる。これによって、受信機のオーバヘッド及びダイナミックレンジのわずかな増加で受信機における安定した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】
【００２６】
図５は、本発明の一実施の形態による無線通信ネットワークを示す。本発明のネットワークは、送受信機(ノード)５１１〜５１４のセットを含む。送受信機間の単一のチャネル５０１が多重アクセス(ＭＡ)を使用して共有される。特定の時間間隔(スロット)中、Ｎ個のノード５１１〜５１３のセットがパケットを受信機５１４に送信することができる。本発明は、Ｎ＞１である場合を対象としていることに留意されたい。すなわち、複数のノードが同じチャネル上で同時にパケットを送信する。本発明の１つの目的は、このようなパケットを最適に復号することである。図５におけるネットワークのトポロジは一例に過ぎないことに留意されたい。実際には、本発明は複数の送受信機を有するいかなるＭＡネットワークによっても使用することができる。
【００２７】
説明を簡潔にするために、１つの例示的な動作シナリオの以下の仮定を行う。これらの仮定は本発明の他のシナリオに対する適用性を制限するものではない。パケットは時刻τｉにおいて送信ノードｉに到着する。本発明では、パケット到着は、平均到着率λを有するポアソン過程に従うものと仮定する。パケットはノード５１１〜５１３から「タイムスロット」様式で送信される。すべてのパケットが同じサイズを有するものと仮定する。一般性を損なうことなく、各時間間隔の持続時間は均一に設定される。プロトコルスループットを解析するために、本発明では、ノードの数が無限であると共に、パケットが送信ノードにポアソン到着するという従来の仮定を使用する。
【００２８】
本発明では、さらに、チャネル状態情報(ＣＳＩ)が、ＣＳＩが両方向において同じであることを提示している相互依存の原則から、又はフィードバックチャネルを通じてのいずれかで送信機において利用可能であると仮定する。送信ノードｉと受信ノードとの間のチャネル電力利得はｈｉとして示される。本発明では、チャネル電力利得を使用して所望の受信電力を求めると共に、それに従って送信電力を調整して所望の受信電力を達成する。
【００２９】
衝突分解間隔(ＣＲＩ)中に到着するパケットは、その時点のＣＲＩに参加しない。そうではなく、これらのパケットは、自身の到着タイムスタンプと共に、その到着タイムスタンプを有するキュー内に格納される。タイムスタンプは後述するようにランダム化変数としての役割を果たす。ｋ番目のＣＲＩの開始時点における、分解されていない(復号されていない)パケットを有する時間間隔の数はｂｋによって示される。本発明では、新たなＣＲＩが、最大初期試行期間ｔ０内に到着したパケットが送信されることを可能にすることによって開始する、時間が制限されたゲート制御アクセスネットワークを検討する。ｂｋがｔ０を下回る場合、キュー内に格納されているすべてのパケットが送信され、そうでない場合、いくつかのパケットは留まり、次のＣＲＩに参加する。パラメータｔ０は特定のプロトコルに対して最適化される。
【００３０】
受信機ｊは、受信信号対干渉雑音比(ＳＩＮＲ)が下記の閾値を超える場合に、ノードｉによって送信されるパケットを首尾よく復号することができる。
【００３１】
【数１】
2009124686.tif 000003
【００３２】
式中、Ｐはそれぞれの電力であり、σ２は雑音のパワー(power)であり、ＳＩＮＲ閾値
【００３３】
【数２】
2009124686.tif 000004
【００３４】
はパケット送信に使用される変調及び符号化によって決まる。したがって、パケットは複数のユーザが同時に送信する場合であっても首尾よく復号することができる。
【００３５】
さらに、本発明では、複数のノードが同時に送信する場合を検討する。たとえば、第１のノードが受信電力ｑ０で送信し、第２のノードが受信電力ｑ１で送信する。本発明では、或る受信電力で送信することは、その電力が受信機において所望の電力を達成するように調整されることを意味する。送信機はＣＳＩを使用して所望の受信電力を求めることができる。
【００３６】
一般性を損なうことなく、本発明ではｑ１＞ｑ０であると仮定する。干渉除去によって、
【００３７】
【数３】
2009124686.tif 000005
【００３８】
である場合に、両方のパケットを首尾よく復号することができる。
【００３９】
上記の条件は、２つの電力レベルを有するネットワークを使用して、１度に２つのパケットを干渉除去を使用して分解(復号)する能力を利用して競合挙動をいかに改善することができるかを示す。電力レベルの数が増大すると、同時に復号することができるパケットの数も増大する。
【００４０】
２つ以上の受信電力レベルを使用して、複数の並列の送信機が存在する場合の逐次干渉除去を促進するように、式(２)の条件を一般化することができる。その電力レベルのセットは、以下の再帰(recursion)によって与えられる。
【００４１】
【数４】
2009124686.tif 000006
【００４２】
式中、ａ≧１は不都合度(adversary order)パラメータである。この不都合度は、パケットの受信電力の合計が最高電力レベルを下回るように最低電力レベルで受信することができるパケットの数である。ａの値は、ネットワークが複数の能動的に送信するノードを有する場合に、最高受信電力を有するノードによって送信されるパケットの復号に成功する確率に比例する。
【００４３】
また、本発明では、受信機が、受信信号電力、及び／又は逐次干渉除去(ＳＩＣ)が実施された後の残余受信電力(residual receive power)(ＲＲＰ)を正確に求めることができるものと仮定する。本発明では、残余受信電力は、可能な限り多数のパケットが干渉除去受信機によって受信信号から復号及び除去された後に受信信号に残っている電力を意味する。
【００４４】
複数の時間間隔にわたるソフト状態メモリを有するか又は有しない２ビット／０／１／ｅフィードバックを使用する従来技術のプロトコルとの公正な比較を達成するために、本発明では、２ビットをフィードバックに使用し、複数の時間間隔にわたるメモリは使用しない。しかしながら、本発明では、受信電力のセットを使用して干渉除去を可能にする。２つの受信電力レベルは以下の通りである。
【００４５】
【数５】
2009124686.tif 000007
【００４６】
受信電力の送信ノードに対する割り当ては、後述するように到着タイムスタンプによって決まる。
【００４７】
現代の無線送信機は、不都合度ａが妥当である限り、複数の電力レベルを容易に達成することができる。ＧＳＭネットワークでは、移動局の送信電力ダイナミックレンジは３４ｄＢ〜３６ｄＢであり、第三世代のＷＣＤＭＡネットワークでは７４ｄＢである。フェージングに起因するチャネルの変動を補償した後でさえ、電力レベルｑ０とｑ１との間の少なくとも２０ｄＢの差をサポートすることは理に適っている。本発明の一実施の形態では、ａ＜５及び
【００４８】
【数６】
2009124686.tif 000008
【００４９】
を使用する。これは、電力レベルｑ０とｑ１との間の差の１７ｄＢの最大値をもたらす。一般的に、特定の時間間隔において首尾よく復号することができるパケットの数は以下の通りである。
【００５０】
【数７】
2009124686.tif 000009
【００５１】
式中、Ｌは電力レベルの数である。レベルの数はダイナミックレンジと共に対数的に上昇する。
【００５２】
多重電力多重アクセス(ＭＰＭＡ)
受信機は、式(３)におけるように２つの可能な受信機電力レベルｑ０及びｑ１を使用する場合、特定の不都合度ａに関して以下の結果を得る。
【００５３】
受信機は、時間間隔が、一方は電力ｑ１にあり、他方は電力ｑ０にある２つのパケットを含む場合、逐次干渉除去を使用して２つのパケットを首尾よく復号する。
【００５４】
受信機は、単一のパケットが電力ｑ０で受信され、且つ他のパケットがその時間間隔中に受信されない場合、その単一のパケットを首尾よく復号する。
【００５５】
受信機は、他のパケットが電力ｑ１で受信されず、且つ電力ｑ０で受信されるパケットの数がａを超えない限り、単一のパケットを受信電力レベルｑ１で復号する。
【００５６】
総受信電力がｑ１を上回る場合、これは、少なくとも
【００５７】
【数８】
2009124686.tif 000010
【００５８】
個のパケットが電力ｑ０で受信され、且つ／又はいくつかのパケットが電力ｑ１で受信されるということに起因する可能性がある。本発明では、受信機は受信信号強度指標(ＲＳＳＩ)を正確に測定することができると仮定する。したがって、受信機は、受信電力が雑音フロア程度であるか、電力ｑ０と電力ｑ１との間であるか、又は電力ｑ１を超えるかを判断することができる。これによって、受信機は、衝突を分解するために適切なフィードバック信号を生成することが可能となる。
【００５９】
上述のように、残余受信電力(ＲＲＰ)は、すべての復号可能なパケットが受信信号から減算された後の残りの信号の電力である。たとえば、受信機が、一方のパケットが電力ｑ１にあり、他方のパケットが電力ｑ０にある２つのパケットを受信する場合、両方のパケットを復号することができる。したがって、ＲＲＰは受信機雑音程度である。他方、ａ≧２であるとき、且つ受信機が、１つのパケットが受信電力ｑ１にあり、他の２つのパケットが電力ｑ０にある３つのパケットを受信する場合、受信機は電力ｑ１のパケットを首尾よく復号するが、電力ｑ０の２つのパケットを復号することができない。この場合、ＲＲＰは約２ｑ０である。パケットが受信されない場合、ＲＲＰは受信機雑音程度である。
【００６０】
ＲＲＰに応じて、受信機は以下のフィードバックステータスメッセージのうちの１つを送信する。
【００６１】
ＲＲＰ＜ｑ０の場合のResolvedAll(ＲＡ)。このステータスメッセージは、時間間隔の終了時点においてすべてのパケットが復号されたことを示す。
【００６２】
ｑ０≦ＲＲＰ≦ｑ１の場合のResolvedHigh(ＲＨ)。このメッセージは、ｑ１の受信電力を有するパケットが首尾よく復号され、少なくとも２つのパケットが電力ｑ０で受信されたことを示す。
【００６３】
ＲＲＰ＞ｑ１の場合のResolvedNone(ＲＮ)。このメッセージは、受信機が送信されたパケットのいずれをも復号することができなかったことを意味する。
【００６４】
上記のステータスメッセージは、複数の受信電力に関して使用されるようには設計されていなかった従来の０／１／ｅメッセージの代わりに送信される。これらのフィードバックメッセージに必要とされるのは２ビットのみであることに留意されたい。
【００６５】
図１は、多数のシナリオ１０１を、２つの異なる受信電力レベルにおけるノード１０２及び１０３の、多数のパケットが首尾よく復号されたかの指示１０４、ＲＲＰ１０５、及びフィードバックステータスメッセージ１０６の表１として示す。フィードバックに基づいて、ＭＰＭＡ方法は、後続の時間間隔中の各ノードにおける動作を判断する。或る時間間隔中にパケットが衝突した場合、ＭＰＭＡ方法はパケット空間を半分に分割し、各半分を異なる時間間隔において送信する。
【００６６】
フィードバックステータスがＲＡである場合、ＭＰＭＡ方法は、すべてのパケットが首尾よく復号されたことを知る。したがって、本方法は復号されていないパケットの分解に進む。フィードバックステータスがＲＨである場合、本方法は少なくとも２つのパケットが電力ｑ０で受信されており、且つノード電力ｑ１のパケットが受信されていることを知る。したがって、次の時間間隔中に、送信機は２つの電力レベルを使用して最初に電力ｑ０で送信されたパケットを送信する。電力レベルの割当ては到着時刻τｉによって決まる。
【００６７】
フィードバックステータスがＲＮである場合、本方法は、パケットが電力ｑ０及びｑ１の両方で受信されたと仮定する。したがって、電力レベルは後続の時間間隔において別個に割り当てられる。
【００６８】
図２は、不都合度ａが１である場合の１つの具体的なシナリオを、７つの時間間隔２０１、２つの電力レベル２０２、及び複数のフィードバックメッセージ２０３によって表２として示す。５つのノード(Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ)が、衝突分解間隔(ＣＲＩ)の開始時点において競合している。Ａ〜Ｅのノードのパケットの到着時刻τｉのスタンプは、それぞれ０.２、０.３、０.４、０.５５、０.６である。本発明では、タイプスタンプは０〜１であると仮定する。パケットは最初の時間間隔において衝突し、３つのハイノード(Ａ、Ｂ及びＣ)からのパケットは、それらのタイムスタンプが範囲［０，０.５］内にあるため電力ｑ１で受信され、２つのローノード(Ｄ及びＥ)からのパケットは、それらのタイムスタンプが範囲［０.５，１］内で遅いため電力ｑ０で受信される。
【００６９】
ＲＲＰはｑ１を上回るため、ＲＮメッセージがフィードバックとして送信される。時間間隔２では、時間間隔１のハイノードが送信し、ここでノードＡが範囲［０，０.２５］における受信電力ｑ１で送信し、ノードＢ及びＣが範囲［０.２５，５］における受信電力ｑ０で送信する。ａ＝１であるため、ノードＡからのパケットはこの時間間隔において首尾よく復号することができず、受信機はＲＮメッセージをフィードバックする。
【００７０】
時間間隔３では、時間間隔２のハイノード(ノードＡ)からのパケットが範囲［０.１２５，０.２５］における電力ｑ０で受信される。受信機は電力ｑ０で受信されるパケットを首尾よく復号するため、ＲＲＰはｑ０を下回り、ノードはＲＡメッセージをフィードバックする。
【００７１】
時間間隔４において、本方法は時間間隔２のローノード(Ｂ及びＣ)から受信されたパケットを分解する。ノードＢからのパケットは範囲［０.２５，０.３７５］における電力ｑ１で受信され、ノードＣのパケットは範囲［０.３７５，０.５］における受信電力ｑ０で受信される。したがって、両方のパケットが首尾よく復号される。ＲＲＰはここでもｑ０を下回り、もう１つＲＡが送信される。
【００７２】
時間間隔５では、時間間隔１のローノード(Ｄ及びＥ)がパケットを送信し、その両方に範囲［０.５，０.６２５］における電力ｑ１が割り当てられ、それによって衝突が発生する。ＲＲＰがｑ１を上回るため、ＲＮメッセージが送信される。
【００７３】
時間間隔６では、時間間隔５のハイノードが送信し、ノードＤのパケットは範囲［０.５，０.５６２５］における電力ｑ１で受信され、ノードＥのパケットは範囲［０.５６２５，０.６２５］における電力ｑ０で受信される。すべてのパケットが首尾よく復号されるため、ＲＡメッセージがフィードバックされる。
【００７４】
最後に、時間間隔７では、時間間隔５のローノードが送信されることになる。しかしながら、ノードは存在しない。したがって、ＲＲＰはｑ０を下回り、ＲＡメッセージがフィードバックされる。これによって、このＣＲＩが終了する。
【００７５】
図３は、ａ＝３である別のシナリオを、表３として示す。５つのノードＡ〜Ｅのパケットの到着時刻はそれぞれ０.１、０.３、０.４、０.４５及び０.８である。時間間隔２、３及び４では、電力ｑ０で受信されたパケットの数が３以下、すなわちａの値以下であるため、電力ｑ１で受信されたパケットが首尾よく復号される。時間間隔２及び３では、電力ｑ０で受信されたパケットが複数存在するため、受信機はＲＨメッセージをフィードバックし、ＲＲＰがｑ０〜ｑ１であることを示す。
【００７６】
時間間隔４では、両方のノードＣ及びＤが分解されるため、受信機はＲＡメッセージをフィードバックする。最後に、時間間隔５において、ノードＥのパケットを首尾よく復号した後、ＲＲＰは雑音フロア付近にあり、したがってＲＡが送信され、ＣＲＩは終了する。
【００７７】
ＭＰＭＡ方法
ここで、２レベル受信電力制御の例を使用してＭＰＭＡ方法の数式的な定義を提供する。スタックＵは、分解されていないパケットを有する連続する時間間隔から成る間隔Ｘを含む。演算子Ｕ.ｐｕｓｈ(Ｘ)は連続する間隔Ｘをスタックの上部にプッシュし、演算子Ｕ.ｐｏｐは、スタックの上部から間隔Ｘを返す(ポップする)。間隔Ｘ＝［ｘｍｉｎ，ｘｍａｘ］に関して、本発明では、間隔Ｘを、たとえば２つの部分間隔に分割する関数Ｈ(Ｘ)及びＬ(Ｘ)を定義し、それによって、ハイ間隔Ｈ(Ｘ)＝［(ｘｍｉｎ＋ｘｍａｘ)／２，ｘｍａｘ］且つロー間隔Ｌ(Ｘ)＝［ｘｍｉｎ，(ｘｍｉｎ＋ｘｍａｘ)／２］となり、式中、ｘは送信されるパケットの到着時刻τである。
【００７８】
一般的に、間隔Ｘを或るランダムな様式で分割することが望まれる。これを、パケットに乱数を割り当てることによって行うことができよう。しかしながら、本発明の一実施の形態では、タイムスタンプが簡便な(擬似)確率変数としての役割を果たすことができる。
【００７９】
間隔｛［τｍｉｎ，τｍａｘ］｝をスタックにプッシュすることによってスタックが初期化される。したがって、範囲［τｍｉｎ，τｍａｘ］内の到着時刻を有する初期試行期間のパケット内のすべてのノードが送信する。各時間ステップにおいて、すべての送信ノード及び受信機は以下のように進行する。
【００８０】
Ｗ＝Ｕ.ｐｏｐとする。ハイ間隔Ｈ(Ｗ)における到着タイムスタンプを有するパケットを有するノードが受信電力ｑ１で送信する。ロー間隔Ｌ(Ｗ)におけるタイムスタンプを有するノードが受信電力ｑ０で送信し、ここでｑ１＞ｑ０である。
【００８１】
その送信機のセットがそのパケットのセットを同時に送信する。
【００８２】
受信機はそのパケットのセットを受信して上述のようにパケットの復号を試みる。
【００８３】
受信機は、表１に従って個々のパケットの復号の成否に応じて適切なフィードバックステータスメッセージをフィードバックする。
【００８４】
Ｗ＝０且つfeedback＝ＲＡである場合、ＣＲＩは終了する。
【００８５】
feedback＝ＲＮである場合、間隔Ｈ(Ｗ)及びＬ(Ｗ)の両方を別個に分解する必要がある。したがって、Ｕ.ｐｕｓｈ(Ｌ(Ｗ))及びＵ.ｐｕｓｈ(Ｈ(Ｗ))。
【００８６】
feedback＝ＲＨである場合、間隔Ｌ(Ｗ)のみを分解する必要がある。したがって、Ｕ.ｐｕｓｈ(Ｌ(Ｗ))。
【００８７】
feedback＝ＲＡである場合、受信機はすべてのパケットを分解(復号)している。
【００８８】
上述したような方法は、ａ≧４の場合に０.６８６５の最大安定到着率を有する。ＳＩＮＲ閾値
【００８９】
【数９】
2009124686.tif 000011
【００９０】
が１０である場合、不都合度は、ｑ１≧４１ｑ０であるか、又はｑ１が電力レベルｑ０を１６ｄＢ上回ることを示す。このようなダイナミックレンジは現代の受信機によって容易にサポートすることができる。
【００９１】
０.６８６５の到着率はＳＩＣＴＡ方法を使用して得られる０.６９３をわずかに下回るにもかかわらず、ＭＰＭＡ方法は実施の複雑さの観点から従来技術よりも優れている。本方法では、受信機が復号不能なパケットのソフト情報を記憶する必要がない。受信機は３つの非常に小さなフィードバックメッセージを使用するのみである。したがって、ＭＰＭＡ方法は複雑且つ高価な受信機設備を必要とすることなく実施することができる。
【００９２】
保守的なＭＰＭＡ方法を、以下のように積極的な方法において改善することができる。具体的には、図２に示される一例のシナリオに関して、時間間隔５  ２０５において、ノードＤ及びＥの両方からのパケットが電力ｑ１で受信され、電力ｑ０ではパケットは受信されない。フィードバックステータスはＲＲＰ＞ｑ１であるためＲＮである。これによって結果として時間間隔７が空になり、最大スループットが有効に低減される。
【００９３】
不都合度ａは常に１よりも大きい数に設定される。軽度にコード化されたネットワークでは、ＳＩＮＲ閾値
【００９４】
【数１０】
2009124686.tif 000012
【００９５】
は約１０ｄＢ程度である。したがって、ｑ１＞１１ｑ０である。最適な初期施行期間ｔ０＝２.４７６、及び、不都合度１＜ａ＜２の場合の最適な到着率λ＝０.６５１７、並びにまた、パケット到着が平均到着率λを有するポアソン過程に従うという仮定を使用して、衝突分解間隔中の最初の時間間隔において電力ｑ０で受信されるパケットの数の分布を求めることができる。このような計算によって１２個以上のノードからパケットが受信される確率が３.３×１０−１０であることが明らかになる。換言すれば、ＲＳＳＩがｑ１の整数倍である場合、パケットが電力ｑ０で受信される可能性は極めて低い。
【００９６】
一般的に、総受信電力がｑ１の整数倍である場合、任意のパケットが電力ｑ０で受信される可能性は極めて低い。この事実は有効利用することができる。
【００９７】
改善された方法は、電力ｑ０でパケットが受信されなかったことを示す第４の可能なフィードバックステータスメッセージＲＬを含む。いずれの場合においても、３つ又は４つの異なるメッセージを区別するのに２ビットが必要とされる。したがって、第４のフィードバックステータスメッセージは上記の保守的なＭＰＭＡ方法からのフィードバックオーバヘッドを増加させない。
【００９８】
４つのフィードバックステータスメッセージは以下の通りである。
【００９９】
ＲＲＰ＜ｑ０の場合のResolvedAll(ＲＡ)。これは、すべての送信パケットがこの時間間隔中に分解されたことを示す。
【０１００】
ｑ０≦ＲＲＰ≦ｑ１の場合のResolvedHigh(ＲＨ)。これは、ｑ１の受信電力を有するパケットが首尾よく復号され、少なくとも２つのパケットが電力ｑ０で受信されたことを示す。実際には、雑音に起因する受信電力変動を計上するために、残余受信電力が約ｑ１である場合、ＲＬがフィードバックされる。
【０１０１】
ＲＲＰ∈｛ｍｑ１：ｍ≧２｝の場合のResolvedLow(ＲＬ)。これは、電力ｑ０でパケットが受信されず、且つ電力ｑ１で受信されたパケットを分解することができないことを示す。
【０１０２】
ＲＲＰ＝(ニアリイコール)ｍｑ１の場合のResolvedNone(ＲＮ)。これは、受信機が送信パケットのいずれをも復号することができなかったこと、及びＲＲＰがほぼｍｑ１であることを示す。
【０１０３】
図４は、受信機におけるさまざまなシナリオ、対応するＲＲＰ及びフィードバックメッセージを表４として示す。事例ｄ、ｈ、ｉ及びｊは図１の表１から変更したものである。具体的には事例ｄ１、ｈ１及びｊ１では、パケットは首尾よく復号されず、結果としてＲＲＰはｑ１よりも大きくなる。ＲＲＰはｑ１の整数倍ではない。このような場合、本方法は、電力ｑ１ではパケットが受信されない事例ｄ１の場合であっても、電力ｑ０及びｑ１で受信されるパケットが存在すると仮定する。
【０１０４】
ｄ２、ｈ２及びｊ２の事例では、電力ｑ０ではパケットは受信されないという誤った仮定がためされる。これらの事例の確率は上述のように極めて低い。最後に、事例ｉでは、本方法は、電力ｑ０ではパケットは受信されないことを検出する。これは、衝突を分解する時間を大幅に短縮する。
【０１０５】
時間間隔５に関して図２の表２では、改善されたＭＰＭＡ方法は、ＲＬフィードバックステータスメッセージを送信機に送信する。したがって、衝突分解間隔は時間間隔６の後に終了する。
【０１０６】
本方法を初期化するために、間隔Ｕ＝｛［τｍｉｎ，τｍａｘ］｝を設定し、それによって、初期試行期間のすべてのノードが送信する。各時間ステップにおいて、すべての送信ノード及び受信機が以下の状態を維持し、本方法は以下の通りに進行する。
【０１０７】
１）  Ｗ＝Ｕ．ｐｏｐ。ハイ間隔Ｈ(Ｗ)のタイムスタンプを有するパケットを有するノードは受信電力ｑ１で送信し、ロー間隔Ｌ(Ｗ)のタイムスタンプを有するノードは受信電力ｑ０で送信し、ここでｑ１＞ｑ０である。
【０１０８】
その送信機のセットがそのパケットのセットを同時に送信する。
【０１０９】
受信機はそのパケットのセットを受信して上述のようにパケットの復号を試みる。
【０１１０】
２)  受信機は図４の表４に従ってそのフィードバックステータスメッセージを求め、そのメッセージをすべてのノードにブロードキャストする。
【０１１１】
３)  Ｗ＝０且つfeedback＝ＲＡである場合、ＣＲＩは終了する。
【０１１２】
４)  feedback＝ＲＮである場合、間隔Ｈ(Ｗ)及びＬ(Ｗ)の両方のパケットを別個に分解する必要がある。したがって、Ｕ．ｐｕｓｈ(Ｌ(Ｗ))及びＵ．ｐｕｓｈ(Ｈ(Ｗ))。
【０１１３】
５)  feedback＝ＲＨである場合、間隔Ｌ(Ｗ)のパケットのみを再度分解する必要がある。したがって、Ｕ．ｐｕｓｈ(Ｌ(Ｗ))。
【０１１４】
６)  feedback＝ＲＬである場合、間隔Ｈ(Ｗ)のパケットのみを分解する必要がある。したがって、Ｕ．ｐｕｓｈ(Ｈ(Ｗ))。
【０１１５】
７)  feedback＝ＲＡである場合、受信機は間隔Ｗのすべてのパケットを分解している。
【０１１６】
タイムスタンプτを有するパケットがその時点のＣＲＩ中に首尾よく送信されないという可能性の低い事象では、パケットは、そのタイムスタンプを新たな時間間隔において均一に選択される乱数に従って更新することによって、次のＣＲＩで処理される。
【０１１７】
本発明を好ましい実施の形態の例として説明してきたが、本発明の精神及び範囲内でさまざまな他の適応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。
【図面の簡単な説明】
【０１１８】
【図１】送信／受信シナリオ及び対応するフィードバックステータスメッセージの一例を表形式で示す図である。
【図２】本発明の実施の形態による多重アクセスの一例を表形式で示す図である。
【図３】本発明の実施の形態による多重アクセスの別の一例を表形式で示す図である。
【図４】送信／受信シナリオ及び対応するフィードバックステータスメッセージの別の一例を表形式で示す図である。
【図５】本発明の一実施の形態による無線ネットワークの概略図である。
【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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【外国語明細書】
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