無線中継システム、中継局装置、および、無線中継方法
【課題】ネットワークコーディング技術を適用した無線中継において情報フレームの送受信を効率よく行ない、システムスループットを増大する。
【解決手段】時刻Ｔ１において、端局１−１の指向性アンテナ１０は情報フレームＦ１を、端局１−２の指向性アンテナ１０は情報フレームＦ２を中継局２へ同時に送信する。中継局２は、情報フレームＦ１を端局１−１に対向した指向性アンテナ２０−１により受信して復調し、情報フレームＦ２を端局１−２に対向した指向性アンテナ２０−２により受信して復調すると、復調した情報フレームＦ１、Ｆ２をネットワーク符号化して符号化情報フレームＸを生成する。時刻Ｔ２において中継局２は、符号化情報フレームＸを、指向性アンテナ２０−１により端局１−１へ、指向性アンテナ２０−１により端局１−２に同報送信する。
【解決手段】時刻Ｔ１において、端局１−１の指向性アンテナ１０は情報フレームＦ１を、端局１−２の指向性アンテナ１０は情報フレームＦ２を中継局２へ同時に送信する。中継局２は、情報フレームＦ１を端局１−１に対向した指向性アンテナ２０−１により受信して復調し、情報フレームＦ２を端局１−２に対向した指向性アンテナ２０−２により受信して復調すると、復調した情報フレームＦ１、Ｆ２をネットワーク符号化して符号化情報フレームＸを生成する。時刻Ｔ２において中継局２は、符号化情報フレームＸを、指向性アンテナ２０−１により端局１−１へ、指向性アンテナ２０−１により端局１−２に同報送信する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ネットワークコーディングを用いた無線中継システム、中継局装置、および、無線中継方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、マルチホップ通信のスループットの向上を目的とした、ネットワークコーディング（ＮＣ）技術が注目されている。ネットワークコーディング技術は、マルチホップ中継を行うネットワーク上の中継局において複数の情報系列を線形符号化することによって複数のマルチキャスト通信やユニキャスト通信を多重化した上で宛先ノードとなる複数の端局に送信し、各端局において復号操作を行う。これにより、ネットワークコーディングを用いない場合に比べてスループットの向上を図ることができる。
【０００３】
ネットワークコーディングを用いたマルチホップ無線ネットワークでは、無線通信の同報性とネットワークコーディングを活用することにより、スループットの向上を実現する。中継局の役割を果たすノードは、複数の端局ノードから受信した情報フレームを線形符号によって符号化し、目的の端局に中継する。線形符号によって符号化された情報フレームを中継局ノードから受信した端局は、他のノードから受信した情報フレームあるいは自身が保持している情報フレームを用いて、符号化された情報フレームを同様の線形符号によって復号し、元の情報を得ることができる。
【０００４】
以下では具体例として、ネットワークコーディング技術が適用できる代表的なマルチホップ無線トポロジである、Alice & Bobトポロジを挙げて、従来の無線によるネットワークコーディング技術を説明する。以下、ある情報フレームに対し、ネットワークコーディングの符号化を施すことをＮＣ符号化と記載し、ネットワークコーディングにより符号化された情報フレームを復号することをＮＣ復号と記載する。ＮＣ符号化及びＮＣ復号には、情報フレーム同士のビット毎の排他的論理和（ＸＯＲ）を用いるものとする。また、ネットワーク符号化された情報フレームを符号化情報フレームと記載し、符号化情報フレームと符号化されていない情報フレームとを明確に区別するために、ＮＣ符号化されていない情報フレームをネイティブ情報フレームと記載する。
【０００５】
図６は、Alice & Bobトポロジの構成を示す図である。同図に示す無線マルチホップトポロジにおいて、両端の端局であるノードＡ（node-A）とノードＢ（node-B）が、互いに中継局であるノードＲ（node-R）を介して情報のやり取りを行う場合について考える。本トポロジの目的は、ノードＡおよびノードＢが、自身の保持する情報を情報フレームとして無線チャネルを用いて送信するとともに、相手方としての端局から情報フレームを受信することである。なお、全てのノードで単一の周波数チャネルを共有するとともに、各ノードはそれぞれ変復調回路を１つ、オムニアンテナを１本具備する。即ち、あるノードが情報フレームの送信を行っている間、他の全てのノードは同時刻に情報フレームを送信しない。
【０００６】
図７は、ネットワークコーディング技術を用いない場合のAlice & Bobトポロジにおける通信手順を示す。ネットワークコーディング技術を用いない場合の通信手順は、以下のようになる。
【０００７】
（１）時刻Ｔ１において、ノードＡがネイティブ情報フレームである情報フレームＡをノードＲに送信する。ノードＲは情報フレームＡを受信する。
（２）時刻Ｔ２において、ノードＲが情報フレームＡをノードＢに送信する。ノードＢは情報フレームＡを受信する。
（３）時刻Ｔ３において、ノードＢがネイティブ情報フレームである情報フレームＢをノードＲに送信する。ノードＲは情報フレームＢを受信する。
（４）時刻Ｔ４において、ノードＲが情報フレームＢをノードＡに送信する。ノードＡは情報フレームＢを受信する。
【０００８】
上述のような手順が必要であるため、ノードＡとノードＢが互いに情報をやり取りするためには４つのタイムスロットが必要となる。
【０００９】
一方、図８は、ネットワークコーディング技術を用いた場合のAlice & Bobトポロジにおける通信手順を示す。ネットワークコーディング技術を用いた場合の通信手順は、以下のようになる。
【００１０】
（１）時刻Ｔ１において、ノードＡがネイティブ情報フレームである情報フレームＡをノードＲに送信する。ノードＲは情報フレームＡを受信する。
（２）時刻Ｔ２において、ノードＢがネイティブ情報フレームである情報フレームＢをノードＲに送信する。ノードＲは情報フレームＢを受信する。
【００１１】
（３）時刻Ｔ３において、ノードＲが情報フレームＡと情報フレームＢに対してＮＣ符号化を行い、符号化情報フレームＸを生成する。ノードＲは、生成した符号化情報フレームＸをノードＡおよびノードＢに対して同報送信する。ノードＡは、自身が時刻Ｔ１において送信した情報フレームＡと時刻Ｔ３において受信した符号化情報フレームＸとを用いてＮＣ復号を行うことにより、情報フレームＢを取得する。同様に、ノードＢにおいても、自身が時刻Ｔ２において送信した情報フレームＢと時刻Ｔ３において受信した符号化情報フレームＸとを用いてＮＣ復号を行うことにより、情報フレームＡを取得する。
【００１２】
上記の手順を行なうことにより、必要となるタイムスロット数が３となる。ネットワークコーディング技術を用いない場合と用いた場合を比較すると、ネットワークコーディング技術を適用することにより、ノードＡとノードＢが情報のやり取りを行うために消費するタイムスロット数が３／４になる。すなわち、ネットワークコーディング技術の適用によるスループット増大効果（これを「ＮＣ利得」と呼ぶ。）はその逆数の４／３となる（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開２００９−２０６７７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
ネットワークコーディング技術を適用したマルチホップ無線システムでは、複数の端局が変調フレーム、すなわち、変調された情報フレームを同時に中継局に送信することにより、必要となるタイムスロット数をさらに削減することが可能である。しかしながら従来技術では、全てのノードがオムニアンテナを具備していることを想定しており、中継局が複数の端局から変調フレームを同時に受信した場合、互いの変調フレームが干渉してしまうため復調することは不可能だった。
【００１５】
本発明は、このような事情を考慮してなされたものであり、その目的は、ネットワークコーディング技術を適用した無線中継において情報フレームの送受信を効率よく行ない、システムスループットを増大することができる無線中継システム、中継局装置、および、無線中継方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上述した課題を解決するために、本発明は、中継局装置と複数の端局装置とを有する無線中継システムであって、前記中継局装置は、前記複数の端局装置の端局指向性アンテナそれぞれに対向して設けられ、対向する前記端局装置の端局指向性アンテナから無線により情報フレームを受信するとともに、複数の情報フレームをネットワーク符号化した符号化情報フレームを対向する前記端局装置の前記端局指向性アンテナへ無線により送信する複数の指向性アンテナと、前記複数の指向性アンテナそれぞれに対応して設けられ、対応する前記指向性アンテナが前記端局装置から受信した情報フレームを復調する複数の復調部と、前記複数の復調部それぞれが復調した情報フレームをネットワーク符号化して符号化情報フレームを生成するネットワーク符号化部と、前記ネットワーク符号化部が生成した符号化情報フレームを変調する変調部と、前記変調部が変調した符号化情報フレームを前記複数の指向性アンテナに出力する分配部とを備え、前記端局装置は、前記中継局装置の自局に対向する前記指向性アンテナから送信された符号化情報フレームを受信する端局指向性アンテナと、符号化情報フレームの復号に用いる鍵情報フレームを格納する鍵記憶部と、前記端局指向性アンテナが受信した符号化情報フレームを復調する端局復調部と、前記端局復調部が復調した前記符号化情報フレームを、前記鍵記憶部から読み出した鍵情報フレームにより復号するネットワーク符号化復号部とを備える、ことを特徴とする無線中継システムである。
【００１７】
また、本発明は、中継局装置と複数の端局装置とを有する無線中継システムにおける前記中継局装置であって、前記複数の端局装置の端局指向性アンテナそれぞれに対向して設けられ、対向する前記端局装置の端局指向性アンテナから無線により情報フレームを受信するとともに、複数の情報フレームをネットワーク符号化した符号化情報フレームを対向する前記端局装置の前記端局指向性アンテナへ無線により送信する複数の指向性アンテナと、前記複数の指向性アンテナそれぞれに対応して設けられ、対応する前記指向性アンテナが前記端局装置から受信した情報フレームを復調する複数の復調部と、前記複数の復調部それぞれが復調した情報フレームをネットワーク符号化して符号化情報フレームを生成するネットワーク符号化部と、前記ネットワーク符号化部が生成した符号化情報フレームを変調する変調部と、前記変調部が変調した符号化情報フレームを前記複数の指向性アンテナに出力する分配部と、を備えることを特徴とする中継局装置である。
【００１８】
また、本発明は、上述した中継局装置であって、前記複数の復調部それぞれが復調した情報フレームのうち、ネットワーク符号化対象の情報フレームを用いて符号化情報フレームを生成するよう前記ネットワーク符号化部へ指示するとともに、前記ネットワーク符号化対象の情報フレームの宛先である前記端局装置の前記端局指向性アンテナに対向した前記複数の指向性アンテナへ前記変調部が変調した符号化情報フレームを出力するよう前記分配部に指示する制御部をさらに備えることを特徴とする。
【００１９】
また、本発明は、上述した中継局装置であって、前記複数の復調部それぞれが復調した情報フレームの誤り検出を行なう誤り検出部と、前記複数の復調部それぞれが復調した情報フレームのうち、前記誤り検出部において誤りが検出されなかった複数の情報フレームを用いて符号化情報フレームを生成するよう前記ネットワーク符号化部へ指示するとともに、誤りが検出されなかった前記複数の情報フレームの宛先である前記端局装置の前記端局指向性アンテナに対向した前記複数の指向性アンテナへ前記変調部が変調した符号化情報フレームを出力するよう前記分配部に指示する制御部と、をさらに備えることを特徴とする。
【００２０】
また、本発明は、中継局装置と複数の端局装置とを有する無線中継システムにおける前記中継局装置の無線中継方法であって、前記複数の端局装置の端局指向性アンテナそれぞれに対向して設けられた複数の指向性アンテナが、前記端局装置から無線送信された情報フレームを受信する受信過程と、前記複数の指向性アンテナそれぞれに対応して設けられた復調部が、前記受信過程において該復調部に対応した前記指向性アンテナにより前記端局装置から受信した情報フレームを復調する復調過程と、前記復調過程において前記複数の復調部それぞれが復調した情報フレームをネットワーク符号化して符号化情報フレームを生成するネットワーク符号化過程と、前記ネットワーク符号化過程において生成された符号化情報フレームを変調する変調過程と、前記変調過程において変調された符号化情報フレームを前記複数の指向性アンテナに出力する分配過程と、前記複数の指向性アンテナが、前記分配過程において出力された前記符号化情報フレームを、対向する前記複数の端局装置の端末指向性アンテナへ無線送信する送信過程と、を有することを特徴とする無線中継方法である。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、ネットワークコーディング技術を適用した無線中継システムにおいて、中継局は複数の端局から変調フレームを同時に受信し、復調することが簡易に可能となり、複数の端局の送信タイミングを時間で棲み分ける必要がなくなるため、システムスループットの増大が可能となる。
また、本発明により、無線中継システムがＣＳＭＡ／ＣＡ（carrier sense multiple access / collision avoidance）で動作するマルチホップ無線システムであった場合に発生する端局同士の隠れ端末問題が容易に解決可能となる。つまり、端局は、通信路が空きと判断したときに中継局に情報フレームを送信するが、他の端局が相互に信号の到達範囲外である場合は、他の端局が中継局に情報フレームを送信していることを認識できずに情報フレームを送信してしまう場合がある。本発明の中継局は、このような状況が発生しても、正常に複数の端局から同時に受信した情報フレームを受信することが可能であり、これら受信した情報フレームをＮＣ符号化した符号化情報フレームを生成して端局へ送信することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の第１の実施形態による無線中継システムの通信手順を示す図である。
【図２】同実施形態による中継局の機能ブロック図である。
【図３】同実施形態による端局の機能ブロック図である。
【図４】第２の実施形態による中継局の機能ブロック図である。
【図５】同実施形態による端局の機能ブロック図である。
【図６】Alice & Bobトポロジの構成を示す図である。
【図７】従来技術によるネットワークコーディング技術を用いない場合のAlice & Bobトポロジにおける通信手順を示す。
【図８】従来技術によるネットワークコーディング技術を用いた場合のAlice & Bobトポロジにおける通信手順を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を詳細に説明する。
【００２４】
［第１の実施形態］
図１は、本発明の第１の実施形態による無線中継システムにおける通信手順を示す図である。本実施形態の無線中継システムは、複数台の端局１と、１台の中継局２とからなる。以下、Ｎ台（Ｎは２以上の整数）の端局１をそれぞれ、端局１−１、１−２、…、１−ｎと記載する。同図は、本実施形態の無線中継システムを、ネットワークコーディング（以下、「ＮＣ」とも記載）技術を用いた２ホップ無線中継システムであるAlice & Bobトポロジに適用した場合について示しており、端局１−１、１−２の２台の端局１が記載されている。
【００２５】
同図に示す無線中継システムにおいて、受信局装置と送信局装置を兼ねた端局装置である端局１−１、１−２は、中継局装置である中継局２を介して双方向の通信を行う。各端局１及び中継局２はタイムスロット同期が取れているものとし、端局１−１、１−２はそれぞれ、中継局２に向けた指向性アンテナ１０を１本備え、中継局２は端局１−１、１−２の指向性アンテナ１０それぞれに向けた指向性アンテナ２０−１、２０−２を備えている。
【００２６】
以下、システム全体におけるｍ番目の送信タイミングを時刻Ｔｍと表す。また、ネットワークコーディングの符号化を施すことを「ＮＣ符号化」と記載し、ネットワークコーディングにより符号化された情報フレームを復号することを「ＮＣ復号」と記載する。そして、ＮＣ符号化されていない情報フレームを「ネイティブ情報フレーム」、ＮＣ符号化された情報フレームを「符号化情報フレーム」、符号化情報フレームをＮＣ復号するために必要となる情報フレームを「鍵情報フレーム」と記載する。
【００２７】
（１）時刻Ｔ１において、端局１−１がネイティブ情報フレームである情報フレームＦ１を変調して中継局２へ、端局１−２がネイティブ情報フレームである情報フレームＦ２を変調して中継局２へ同時に送信する。中継局２は、変調された情報フレームＦ１を指向性アンテナ２０−１により、変調された情報フレームＦ２を指向性アンテナ２０−２により同時に受信する。中継局２は、端局１−１、１−２それぞれから受信した変調フレームを復調して得た情報フレームＦ１、Ｆ２をＮＣ符号化して符号化情報フレームＸを生成する。ＮＣ符号化には、例えば、情報フレーム同士のビット毎の排他的論理和（ＸＯＲ）を用いる。
【００２８】
（２）時刻Ｔ２において、中継局２は、時刻Ｔ１において生成した符号化情報フレームＸを変調して指向性アンテナ２０−１、２０−２により端局１−１、１−２それぞれに同報送信する。端局１−１は、指向性アンテナ１０により受信した変調フレームを復調し、自身が時刻Ｔ１において送信した情報フレームＦ１を鍵情報フレームとして用い、復調により得られた符号化情報フレームＸのＮＣ復号を行って情報フレームＦ２を取得する。同様に、端局１−２においても、指向性アンテナ１０により受信した変調フレームを復調し、自身が時刻Ｔ１において送信した情報フレームＦ２を鍵情報フレームとして用い、復調により得られた符号化情報フレームＸのＮＣ復号を行って情報フレームＦ１を取得する。ＮＣ復号には、ＮＣ符号化同様、情報フレーム同士の排他的論理和が用いられる。
【００２９】
上記のように、複数の端局１が同時に情報フレームを中継局２へ送信することができるため、端局１間で情報をやり取りするために必要なタイムスロット数を削減することが可能となる。
【００３０】
図２は、本実施形態による中継局２の構成を示すブロック図である。中継局２は、指向性アンテナ２０−１〜２０−ｎ、送受信切替回路２１−１〜２１−ｎからなる送受信切替回路群２１、復調回路２２−１〜２２−ｎからなる復調回路群２２、ネットワーク符号化回路（以下、「ＮＣ回路」と記載）２３、記憶回路２４、変調回路２５、及び、Ｎ分配回路２６を含んで構成される（ｎは２以上の整数）。
【００３１】
Ｎ本の指向性アンテナ２０−１〜２０−ｎはそれぞれ１台の端局１の指向性アンテナ１０と対向しており、入力された変調フレームを空中線としての空間に出力することにより無線送信を行なうとともに、端局１から無線送信された変調フレームを受信する。送受信切替回路２１−１〜２１−ｎは、予めスケジューリングされた信号の送受信タイミングに従って切り替えを行なう。各送受信切替回路２１−ｉ（ｉ＝１〜ｎ）は、信号受信時には指向性アンテナ２０−ｉにより受信した変調フレームを復調回路２２−ｉに出力し、信号送信時には、Ｎ分配回路２６によりＮ分配された変調フレームを指向性アンテナ２０−ｉに出力する。なお、送受信切替回路２１−１〜２１−ｎは、サーキュレータ回路を用いて、指向性アンテナ２０−１〜２０−ｎからの入力を復調回路２２−１〜２２−ｎへ出力し、Ｎ分配回路２６からの入力を指向性アンテナ２０−１〜２０−ｎへ出力してもよい。
【００３２】
各復調回路２２−ｉ（ｉ＝１〜ｎ）は、指向性アンテナ２０−ｉが受信し、送受信切替回路２１−ｉから出力された変調フレームを復調し、復調により得られたネイティブ情報フレームをＮＣ回路２３へ出力する。ＮＣ回路２３は、復調回路２２−１〜２２−ｎから出力されたネイティブ情報フレームをＮＣ符号化して符号化情報フレームを生成し、記憶回路２４へ出力する。記憶回路２４は、ＮＣ回路２３により生成された符号化情報フレームを記憶する。変調回路２５は、記憶回路２４から出力された符号化情報フレームを変調し、変調フレームを生成する。Ｎ分配回路２６は、変調回路２５により生成された変調フレームを指向性アンテナ２０−１〜２０−ｎに分配する。
【００３３】
次に、本実施形態の無線中継システムの動作について説明する。ここでは、簡単のため、指向性アンテナ２０−ｉ（ｉ＝１〜ｎ）は、端局１−ｉの指向性アンテナ１０に対向しているものとする。
【００３４】
（１）時刻Ｔ１において、端局１−ｉ（ｉ＝１〜ｎ）は、ネイティブ情報フレームである情報フレームＦｉを変調した変調フレームを同時に送信する。中継局２の指向性アンテナ２０−ｉ（ｉ＝１〜ｎ）は、端局１−ｉから同時に、かつ、互いの干渉なく、無線により送信された情報フレームＦｉの変調フレームを受信する。中継局２の送受信切替回路２１−ｉ（ｉ＝１〜ｎ）は、指向性アンテナ２０−ｉの出力先を復調回路２２−ｉに切り替える。送受信切替回路２１−ｉ（ｉ＝１〜ｎ）は、指向性アンテナ２０−ｉが受信した変調フレームを復調回路２２−ｉに出力し、復調回路２２−ｉは、指向性アンテナ２０−ｉが受信した変調フレームを復調して情報フレームＦｉを取得する。同時受信した情報フレームＦ１〜Ｆｎの変調フレームは互いの干渉がないため、同時に復調可能である。復調回路２２−ｉ（ｉ＝１〜ｎ）は、復調により得られた情報フレームＦｉをＮＣ回路２３に出力する。ＮＣ回路２３は、情報フレームＦ１〜ＦｎをＮＣ符号化して符号化情報フレームＸを生成し、記憶回路２４に書き込む。
【００３５】
（２）時刻Ｔ２において、中継局２の記憶回路２４は、記憶していた符号化情報フレームＸを変調回路２５へ出力する。変調回路２５は、記憶回路２４から出力された符号化情報フレームＸを変調し、Ｎ分配回路２６へ出力する。Ｎ分配回路２６は、符号化情報フレームＸの変調フレームを送受信切替回路２１−１〜２１−ｎへ分配する。送受信切替回路２１−ｉ（ｉ＝１〜ｎ）は、Ｎ分配回路２６により分配された符号化情報フレームＸの変調フレームを指向性アンテナ２０−ｉに出力し、指向性アンテナ２０−ｉは、符号化情報フレームＸの変調フレームを対向する端局１−ｉに同報送信する。
端局１−ｉ（ｉ＝１〜ｎ）は、中継局２から送信された変調フレームを指向性アンテナ１０により受信すると、受信した変調フレームを復調し、復調により得られた符号化情報フレームＸを鍵情報フレームによりＮＣ復号し、所望の情報フレームを得る。
【００３６】
以降、無線中継システムは、上述した（１）〜（２）を繰り返し実行する。
【００３７】
図１に示すAlice & Bobトポロジの２ホップ無線中継システムを例にして、端局１が２台の場合について説明する。
【００３８】
図３は、本実施形態をAlice & Bobトポロジに適用した場合の端局１の構成を示すブロック図である。端局１は、オムニアンテナに代えて指向性アンテナを備える点以外は、従来の端局と同様の構成である。端局１は、指向性アンテナ１０、変調回路１１、記憶回路１２、送受信切替回路１４、復調回路１５、及び、ネットワーク符号化復号回路（以下、「ＮＣ復号回路」と記載）１６を含んで構成される。
【００３９】
変調回路１１は、上位層等から入力されたネイティブ情報フレームを変調する。記憶回路１２は、変調回路１１へ入力されたネイティブ情報フレーム等の鍵情報フレームを記憶する。送受信切替回路１４は、予めスケジューリングされた信号の送受信タイミングに従って切り替えを行なう。送受信切替回路１４は、信号送信時には、変調回路１１から出力された変調フレームを指向性アンテナ１０に出力し、信号受信時には、指向性アンテナ１０が受信した変調フレームを復調回路１５に出力する。なお、送受信切替回路１４は、サーキュレータ回路を用いて、変調回路１１からの入力を指向性アンテナ１０へ出力し、指向性アンテナ１０からの入力を復調回路１５へ出力してもよい。指向性アンテナ１０は、送受信切替回路１４を介して入力された変調フレームを空中線としての空間に出力することにより無線送信を行なうとともに、中継局２から無線送信された変調フレームを受信する。復調回路１５は、指向性アンテナ１０が受信し、送受信切替回路１４が出力した変調フレームを復調する。ＮＣ復号回路１６は、記憶回路１２から読み出した鍵情報フレームを用い、復調回路１５により復調された符号化情報フレームをＮＣ復号する。
【００４０】
Alice & Bobトポロジを適用した本実施形態の無線中継システムは、以下のように動作する。
（１）時刻Ｔ１において、端局１−１は、情報フレームＦ１の変調フレームを指向性アンテナ１０により送信する。同時に、端局１−２は、情報フレームＦ２の変調フレームを指向性アンテナ１０により送信する。具体的には、端局１−ｉ（ｉ＝１、２）の変調回路１１は、上位層等から入力された情報フレームＦｉを変調し、記憶回路１２は、情報フレームＦｉを記憶する。端局１−ｉの変調回路１１が変調した情報フレームＦｉは、送受信切替回路１４を介して指向性アンテナ１０へ出力され、無線送信される。
【００４１】
中継局２の復調回路２２−１が、指向性アンテナ２０−１の受信した変調フレームを復調して情報フレームＦ１を取得すると同時に、復調回路２２−２は、指向性アンテナ２０−２の受信した変調フレームを復調して情報フレームＦ２を取得する。ＮＣ回路２３は、復調回路２２−１が復調した情報フレームＦ１と、復調回路２２−２が復調した情報フレームＦ２をＮＣ符号化して符号化情報フレームＸを生成し、記憶回路２４に書き込む。
【００４２】
（２）時刻Ｔ２において、中継局２の変調回路２５は、記憶回路２４から出力された符号化情報フレームＸを変調し、Ｎ分配回路２６は、符号化情報フレームＸの変調フレームを送受信切替回路２１−１、２１−２へ分配する。指向性アンテナ２０−１は、送受信切替回路２１−１を介して入力された変調フレームを端局１−１に、指向性アンテナ２０−２は、送受信切替回路２１−２を介して入力された変調フレームを端局１−２に同報送信する。
【００４３】
端局１−１、２は、中継局２から送信された変調フレームを指向性アンテナ１０により受信し、受信した変調フレームは送受信切替回路１４を介して復調回路１５に入力され、復調される。端局１−１のＮＣ復号回路１６は、復調回路１５により復調された符号化情報フレームＸを記憶回路１２から読み出した情報フレームＦ１を用いてＮＣ復号して情報フレームＦ２を得、端局１−２のＮＣ復号回路１６は、復調回路１５により復調された符号化情報フレームＸを記憶回路１２から読み出した情報フレームＦ２を用いてＮＣ復号して情報フレームＦ１を得る。
【００４４】
なお、端局１が３台以上の場合、各端局１は、指向性アンテナ１０に加えて、鍵情報フレームとして用いられるネイティブ情報フレームを送信する端局１に対向した指向性アンテナを備える。そして、全端局１が、変調したネイティブ情報フレームを同時に中継局２へ送信したときに、各端局１は、自局が送信したネイティブ情報フレームを記憶するとともに、鍵情報フレームとして用いられるネイティブ情報フレームを送信する他の端局１から変調フレームを受信し、復調により得られたネイティブ情報フレームを記憶する。各端局１は、中継局２から受信した変調フレームを復調して符号化情報フレームを得ると、記憶していたネイティブ情報フレームを鍵情報フレームとして用い、ＮＣ復号を行なう。
【００４５】
［第２の実施形態］
続いて、本発明の第２の実施形態を説明する。第１の実施形態においては、中継局２は、受信タイミングにおいて、Ｎ台の端局１から送信されたネイティブ情報フレームを同時に受信、復調した後、復調により得られたＮ個のネイティブ情報フレームをＮＣ符号化して符号化情報フレームを生成している。しかし、中継局２が復調したネイティブ情報フレームの中に誤りのあるネイティブ情報フレームが含まれていた場合、端局１において符号化情報フレームを正常にＮＣ復号できなくなってしまうおそれがある。そこで、第２の実施形態では、中継局は、正常に受信できたネイティブ情報フレームのみを用いてＮＣ符号化を行ない、符号化情報フレームを生成する。そのため、端局１は、誤り検出符号化が施されたネイティブ情報フレームを中継局２に送信し、中継局２において、受信したネイティブ情報フレームの復調結果に対するビット誤りの検出を可能とする。以下、第１の実施形態との差分を中心に説明する。
【００４６】
図４は、本実施形態による中継局２ａの構成を示すブロック図である。同図において、図２に示す第１の実施形態による中継局２と同一の部分には同一の符号を付し、その説明を省略する。図４に示す中継局２ａが、第１の実施形態の中継局２と異なる点は、記憶回路３１−１〜３１−ｎからなる記憶回路群３１、誤り検出回路３２、制御部３３が設けられている点、ＮＣ回路２３に代えてＮＣ回路２３ａが設けられている点、Ｎ分配回路２６に代えてＮ分配回路２６ａが設けられている点である。
【００４７】
記憶回路３１−ｉ（ｉ＝１〜ｎ）は、復調回路２２−ｉにより復調されたネイティブ情報フレームを記憶する。誤り検出回路３２は、復調回路２２−ｉが復調したネイティブ情報フレームを記憶回路３１−ｉから読み出して誤り検出を行い、その結果を制御部３３に出力する。制御部３３は、誤り検出回路３２から復調回路２２−１〜２２−ｎが復調したネイティブ情報フレームの誤り検出結果を受信し、正常に復調されたネイティブ情報フレームのみを用いて符号化情報フレームを生成するようＮＣ回路２３ａに指示するとともに、Ｎ分配回路２６ａに、正常に復調されたネイティブ情報フレームの宛先である端局１ａと対向する指向性アンテナ２０−１〜２０−ｎに、変調回路２５により変調された符号化情報フレームを分配するよう指示する。ＮＣ回路２３ａは、制御部３３に指示されたネイティブ情報フレームを用いてＮＣ符号化を行い、符号化情報フレームを生成する。Ｎ分配回路２６ａは、制御部３３に指示された指向性アンテナ２０−１〜２０−ｎに、変調回路２５から出力された変調フレームを分配する。
【００４８】
次に本実施形態の無線中継システムの動作について説明する。
（１）時刻Ｔ１において、第１の実施形態と同様に、端局１ａ−ｉ（ｉ＝１〜ｎ）は、情報フレームＦｉの変調フレームを同時に無線送信する。但し、情報フレームＦｉには、誤り検出符号化が施されており、変調フレームには、該情報フレームＦｉを特定するフレーム識別情報が含まれている。誤り検出符号化には、例えば、ＣＲＣ（Cyclic Redundancy Check：巡回冗長検査）符号等を用いることができる。中継局２ａは、第１の実施形態と同様に端局１ａ−ｉ（ｉ＝１〜ｎ）から受信した変調フレームを復調すると、復調により得られた情報フレームＦｉと、情報フレームＦｉのフレーム識別情報を記憶回路３１−ｉに記憶させる。
【００４９】
（２）時刻Ｔ２において、中継局２ａの記憶回路３１−ｉ（ｉ＝１〜ｎ）は、復調回路２２−ｉにより復調された情報フレームＦｉと、情報フレームＦｉのフレーム識別情報を出力する。誤り検出回路３２は、記憶回路３１−ｉ（ｉ＝１〜ｎ）から出力された情報フレームＦｉの誤り検出を行い、誤り検出結果を制御部３３に出力する。制御部３３は、誤り検出結果から正常に復調された情報フレームＦｋ（ｋは１以上ｎ以下の整数）を認識すると、正常に復調された情報フレームＦｋを用いてＮＣ符号化を行なうようＮＣ回路２３ａに出力するとともに、正常に復調された情報フレームＦｋの宛先となる端局１ａ−ｋ’（ｋ’は１以上ｎ以下の整数）に対向した指向性アンテナ２０−ｋ’に変調フレームを分配するようＮ分配回路２６ａに指示する。宛先となる端局１ａは、ネイティブ情報フレームの送信元の端局１ａに対応して予め決められていてもよく、ネイティブ情報フレームに設定されている宛先情報から取得してもよい。
【００５０】
ＮＣ回路２３ａは、制御部３３からの指示に従って、記憶回路３１−１〜３１−ｎから出力された情報フレームＦ１〜Ｆｎのうち、正常に復調された情報フレームＦｋのみを用いて符号化情報フレームＸを生成すると、符号化情報フレームＸと、情報フレームＦｋのフレーム識別情報を出力する。変調回路２５は、ＮＣ回路２３ａから出力された符号化情報フレームＸを変調し、Ｎ分配回路２６へ出力する。変調回路２５により生成された符号化情報フレームＸの変調フレームには、ＮＣ符号化された情報フレームである旨を示すＮＣ符号化情報と、情報フレームＦｋのフレーム識別情報が含まれる。Ｎ分配回路２６ａは、制御部３３からの指示に従って、符号化情報フレームＸの変調フレームを指向性アンテナ２０−ｋ’に分配する。指向性アンテナ２０−ｋ’は、送受信切替回路２１−ｋ’を介して入力された変調フレームを、対向する端局１ａ−ｋ’に同報送信する。
【００５１】
端局１ａ−ｋ’は、中継局２ａから送信された変調フレームを指向性アンテナ１０により受信し、受信した変調フレームを復調する。端局１ａ−ｋ’は、復調された情報フレームにＮＣ符号化情報が付加されているため、該符号化情報フレームに付加されている情報フレームＦｋのフレーム識別情報に基づいて鍵情報フレームを選択し、選択した鍵情報フレームを用いて符号化情報フレームをＮＣ復号し、所望の情報フレームを得る。
【００５２】
なお、上記の（２）において、正常に復調された情報フレームＦｋが１つのみであった場合、以下の（２’）の処理を行なう。
【００５３】
（２’）中継局２ａの制御部３３は、誤り検出結果から正常に復調された情報フレームＦｋが１つのみであると判断した場合、ＮＣ回路２３ａにＮＣ符号化を行なわず、情報フレームＦｋをそのまま変調回路２５へ出力するよう指示するとともに、情報フレームＦｋの宛先となる端局１ａ−ｋ’に対応した指向性アンテナ２０−ｋ’に変調フレームを分配するようＮ分配回路２６ａに指示する。ＮＣ回路２３ａは、情報フレームＦｋを変調回路２５に出力し、Ｎ分配回路２６ａは、変調回路２５により変調された情報フレームＦｋを指向性アンテナ２０−２に出力する。変調された情報フレームＦｋは、指向性アンテナ２０−ｋ’から無線により送信される。
端局１ａ−ｋ’は、中継局２ａから受信した変調フレームを復調する。復調により得られた情報フレームにＮＣ符号化情報が付加されていないため、ＮＣ復号は行わない。
【００５４】
図１に示すAlice & Bobトポロジの２ホップ無線中継システムを例にして、端局１を本実施形態の端局１ａに、中継局２を本実施形態の中継局２ａに置き代えた場合について説明する。
【００５５】
図５は、本実施形態による端局１ａの構成を示すブロック図である。同図において、図３に示す第１の実施形態による端局１と同一の部分には同一の符号を付し、その説明を省略する。図５に示す端局１ａが、第１の実施形態の端局１と異なる点は、制御部１７が設けられている点、変調回路１１に代えて変調回路１１ａが設けられている点、ＮＣ復号回路１６に代えてＮＣ復号回路１６ａが設けられている点である
【００５６】
変調回路１１ａは、ネイティブ情報フレームの誤り検出符号化と変調を行なう。制御部１７は、受信した情報フレームがＮＣ符号化されている場合、記憶回路１２から鍵情報フレームを出力するよう指示するとともに、ＮＣ復号回路１６ａにＮＣ復号を行なうよう指示し、受信した情報フレームがＮＣ符号化されていない場合、記憶回路１２に鍵情報フレームを出力しないよう指示するとともに、ＮＣ復号回路１６ａにＮＣ復号を行なわないよう指示する。ＮＣ復号回路１６ａは、制御部１７からの指示に従って、復調回路１５により復調された符号化情報フレームを記憶回路１２から出力された鍵情報フレームを用いてＮＣ復号し、得られたネイティブ情報フレームを上位層等に出力したり、復調されたネイティブ情報フレームをそのまま上位層等に出力したりする。
【００５７】
Alice & Bobトポロジを適用した本実施形態の無線中継システムは、以下のように動作する。
（１）時刻Ｔ１において、端局１ａ−１は、情報フレームＦ１を記憶回路１２に記憶し、変調回路１１ａから出力された情報フレームＦ１の変調フレームを指向性アンテナ１０により送信する。同時に、端局１ａ−２は、情報フレームＦ２を記憶回路１２に記憶し、変調回路１１ａから出力された情報フレームＦ２の変調フレームを指向性アンテナ１０により送信する。第１の実施形態の中継局２と同様に、中継局２ａの復調回路２２−１は指向性アンテナ２０−１が受信した変調フレームを復調し、復調回路２２−２は指向性アンテナ２０−２が受信した変調フレームを復調する。変調回路２２−１は、復調により得られた情報フレームＦ１と、情報フレームＦ１のフレーム識別情報を記憶回路３１−１に書き込み、変調回路２２−２は、復調により得られた情報フレームＦ２と、情報フレームＦ２のフレーム識別情報を記憶回路３１−２に書き込む。
【００５８】
（２）時刻Ｔ２において、中継局２ａの誤り検出回路３２は、情報フレームＦ１、Ｆ２の誤り検出を行い、誤り検出結果を制御部３３に出力する。制御部３３は、情報フレームＦ１、Ｆ２とも正常に復調されたと判断した場合、ＮＣ回路２３ａに情報フレームＦ１、Ｆ２を用いてＮＣ符号化を行なうよう指示し、Ｎ分配回路２６ａに、指向性アンテナ２０−１、２０−２へ変調フレームを分配するよう指示する。ＮＣ回路２３ａは、情報フレームＦ１、Ｆ２を用いて符号化情報フレームＸを生成し、情報フレームＦ１、Ｆ２のフレーム識別情報を付加して変調回路２５に出力する。変調回路２５により生成された符号化情報フレームＸの変調フレームは、Ｎ分配回路２６ａにより指向性アンテナ２０−１、２０−２へ出力され、同報送信される。
【００５９】
端局１ａ−１、１ａ−２の復調回路１５は、指向性アンテナ１０が中継局２ａから受信した変調フレームを復調し、制御部１７は、復調された符号化情報フレームＸに、ＮＣ符号化情報が付加されているため、ＮＣ復号を行なうようＮＣ復号回路１６ａに指示するとともに、符号化情報フレームＸに付加されている情報フレームＦ１、Ｆ２のフレーム識別情報に基づいて鍵情報フレームを判断する。端局１ａ−１の制御部１７は、フレーム識別情報により特定される、自局が送信した情報フレームＦ１を出力するよう記憶部１２に指示し、ＮＣ復号回路１６ａは、情報フレームＦ１を鍵情報フレームとして用い、復調された符号化情報フレームＸをＮＣ復号して情報フレームＦ２を得る。また、端局１ａ−２の制御部１７は、フレーム識別情報により特定される、自局が送信した情報フレームＦ２を出力するよう記憶部１２に指示し、ＮＣ復号回路１６ａは、情報フレームＦ２を鍵情報フレームとして用い、復調された符号化情報フレームＸをＮＣ復号して情報フレームＦ１を得る。
【００６０】
上記の（２）において、情報フレームＦ１、Ｆ２のうち、一方のみが正常に復調され、他方に符号化誤りが検出された場合、以下の（２’）の処理を行なう。
【００６１】
（２’）中継局２ａの制御部３３は、例えば、誤り検出結果から情報フレームＦ１は正常に復調され、情報フレームＦ２には符号化誤りが検出されたことを認識すると、ＮＣ回路２３ａへ情報フレームＦ１をＮＣ符号化せずに出力するよう指示し、Ｎ分配回路２６ａに、情報フレームＦ１の宛先である端局１ａ−２に対応した指向性アンテナ２０−２へ変調フレームを出力するよう指示する。これにより、変調された情報フレームＦ１が指向性アンテナ２０−２から無線送信される。端局１ａ−２の復調回路１５は、指向性アンテナ１０が中継局２ａから受信した変調フレームを復調し、制御部１７は、復調された情報フレームに、ＮＣ符号化情報が付加されていないため、ＮＣ復号を行なわないようＮＣ復号回路１６ａに指示する。端局１ａ−２のＮＣ復号回路１６ａは、復調回路１５から出力された情報フレームＦ１をそのまま上位層等に出力する。
【００６２】
なお、本実施形態においては、時刻Ｔ１において端局１ａ−１〜１ａ−ｎ全てが同時にネイティブ情報フレームを送信していたが、端局１ａ−１〜１ａ−ｎの一部が同時にネイティブ情報フレームを送信してもよく、端局１ａ−１〜１ａ−ｎ全てが異なる時刻にネイティブ情報フレームを送信することもできる。中継局２は、端局１−１〜１−ｎの全てからネイティブ情報フレームを受信した後に送信機会を得る。
【００６３】
また、端局１が３台以上の場合、各端局１は、指向性アンテナ１０に加えて、鍵情報フレームとして用いられるネイティブ情報フレームを送信する端局１に対向した指向性アンテナを備える。そして、全端局１が、変調したネイティブ情報フレームを同時に中継局２へ送信したときに、各端局１は、自局が送信したネイティブ情報フレームとそのフレーム識別情報を記憶するとともに、鍵情報フレームとして用いられるネイティブ情報フレームを送信する他の端局１から変調フレームを受信し、復調により得られたネイティブ情報フレームとそのフレーム識別情報を記憶する。各端局１は、中継局２から受信した変調フレームを復調して符号化情報フレームを得ると、付加されているフレーム識別情報に基づいて、記憶しているネイティブ情報フレームの中から鍵情報フレームを選択し、ＮＣ復号を行なう。
【００６４】
［第３の実施形態］
第２の実施形態では、予めスケジューリングされた中継局からの送信タイミングにおいて、全ての端局から受信した情報フレームをＮＣ符号化の対象としているが、本実施形態では、予めスケジューリングされた中継局からの各送信タイミングにおいて、一部のネイティブ情報フレームのみをＮＣ符号化の対象とする。例えば、中継局のある送信タイミングでは、端局１ａ−１、１ａ−２から受信した情報フレームから符号化情報フレームを生成し、中継局の次の送信タイミングでは、端局１ａ−３、１ａ−４から受信した情報フレームから符号化情報フレームを生成するようスケジューリングされる。以下、第２の実施形態との差分を説明する。
【００６５】
本実施形態の中継局の構成は、図４に示す第２の実施形態の中継局２ａと同様である。本実施形態の無線中継システムは、以下のように動作する。
【００６６】
（１）時刻Ｔ１において、中継局２ａは、第２の実施形態と同様に端局１ａ−ｉ（ｉ＝１〜ｎ）から送信された情報フレームＦｉを記憶回路３１−ｉに記憶している。なお、少なくとも次の中継局２ａの送信タイミングにおいてネットワーク符号化対象となっている情報フレームを受信していれば、全ての端局１ａから情報フレームを受信していなくともよい。
【００６７】
（２）時刻Ｔ２において、中継局２ａの制御部３３は、ＮＣ符号化対象の情報フレームＦｊ（ｊは１以上ｎ以下の整数）を記憶している記憶回路３１−ｊに対して情報フレームの出力を指示する。各送信タイミングにおけるＮＣ符号化対象の情報フレームは、予め制御部３３に記憶されている。誤り検出回路３２は、記憶回路３１−ｊから出力された情報フレームＦｊの誤り検出を行い、その誤り検出結果を制御部３３に出力する。制御部３３は、誤り検出結果から、情報フレームＦｊのうち、正常に復調された情報フレームＦｋ（ｋは１以上ｎ以下の整数）を認識すると、正常に復調された情報フレームＦｋを用いてＮＣ符号化を行なうようＮＣ回路２３ａに出力するとともに、正常に復調された情報フレームＦｋの宛先となる端局１ａ−ｋ’に対応した指向性アンテナ２０−ｋ’に変調フレームを分配するようＮ分配回路２６ａに指示する。
以降の中継局２ａの動作は、第２の実施形態と同様である。また、正常に復調された情報フレームＦｋが１つのみであった場合の動作についても、第２の実施形態と同様である。
【００６８】
例えば、３台以上の端局１ａを含む無線中継システムにおいて、端局１ａ−１から端局１ａ−２宛の情報フレームＦ１が、端局１ａ−２から端局１ａ−１宛の情報フレームＦ２が送信されたとする。端局１ａ−１、１ａ−２からの情報フレームの送信は、同時であっても、異なる時刻あってもよい。中継局２ａの送信タイミングにおいて、制御部３３が、この送信タイミングにおいては端局１ａ−１、１ａ−２から受信したネイティブ情報フレームがＮＣ符号化対象であると判断した場合、誤り検出回路３２から情報フレームＦ１、Ｆ２の誤り検出結果を受信する。情報フレームＦ１、Ｆ２ともに誤りがなかった場合、制御部３３は、これらの情報フレームを用いて符号化情報フレームを生成するようＮＣ回路２３ａに指示するとともに、指向性アンテナ２０−１、２０−２に変調された符号化情報フレームを分配するようＮ分配回路２６ａに指示する。ＮＣ回路２３ａにより生成され、変調回路２５により変調された符号化情報フレームＸは、指向性アンテナ２０−１により端局１ａ−１へ、指向性アンテナ２０ａ−２により端局１ａ−２へ同時に送信される。
【００６９】
また、例えば、無線中継システムが、端局１ａ−３から端局１ａ−２宛の情報フレームが、端局１ａ−４から端局１ａ−１宛のパケットが送信されるＸトポロジの場合、端局１ａ−１は、端局１ａ−３から中継局２ａに送信された端局１ａ−２宛の情報フレームＦ３を指向性アンテナ１０とは異なるアンテナにより受信して鍵情報フレームとして記憶回路１２に記憶し、端局１ａ−２は、端局１ａ−４から中継局２ａに送信された端局１ａ−１宛の情報フレームＦ４を指向性アンテナ１０とは異なるアンテナにより受信して鍵情報フレームとして記憶回路１２に記憶する。中継局２ａの送信タイミングにおいて、制御部３３が、この送信タイミングでは端局１ａ−３、１ａ−４から受信したネイティブ情報フレームがＮＣ符号化対象であると判断した場合、記憶回路３１−３から出力された情報フレームＦ３、記憶回路３１−４から出力された情報フレームＦ４の誤り検出結果を誤り検出回路３２より受信する。情報フレームＦ３、Ｆ４ともに誤りがなかった場合、制御部３３は、これらの情報フレームを用いて符号化情報フレームを生成するようＮＣ回路２３ａに指示するとともに、情報フレームＦ４の宛先である端局１ａ−１に対向した指向性アンテナ２０−１と、情報フレームＦ３の宛先である端局１ａ−２に対向した指向性アンテナ２０−２に変調された符号化情報フレームを分配するようＮ分配回路２６ａに指示する。情報フレームＦ３、Ｆ４をＮＣ符号化して生成された符号化情報フレームＸは、変調回路２５により変調された後、指向性アンテナ２０−１により端局１ａ−１へ、指向性アンテナ２０−２により端局１ａ−２へ同時に送信される。端局１ａ−１は、符号化情報フレームＸを情報フレームＦ３により復号して情報フレームＦ４を取得し、端局１ａ−２は、符号化情報フレームＸを情報フレームＦ４により復号して情報フレームＦ３を取得する。
【００７０】
以上説明した本発明の実施形態によれば、ネットワークコーディング技術を適用した無線中継において、中継局は、複数の端局の指向性アンテナそれぞれに対向する指向性アンテナによって、同時に互いの干渉なく該複数の端局からネイティブ情報フレームを受信し、各指向性アンテナに対応して設けられているそれぞれの復調回路において復調し、復調したネイティブ情報フレーム同士をＮＣ符号化する。ＮＣ符号化により生成された符号化情報フレームは、中継局の送信タイミングにおいて変調回路により変調され、複数の端局それぞれに対向する指向性アンテナを通じて同報送信される。従って、複数の端局の送信タイミングを時間で棲み分ける必要がなくなるため、システムスループットの増大が可能となる。
また、第２、第３の実施形態によれば、中継局は、ＮＣ符号化を行う前のネイティブ情報フレームを、各復調回路に対応した記憶回路に記憶しておくため、ネイティブ情報フレームの受信誤りの状況や、端局における保有情報フレームの状況に合わせた柔軟なＮＣ符号化が可能となる。
【００７１】
また、本実施形態により、システムがＣＳＭＡ／ＣＡ（carrier sense multiple access / collision avoidance）で動作するマルチホップ無線システムであった場合に発生する端局同士の隠れ端末問題が容易に解決可能となる。
ＣＳＭＡ／ＣＡとは、無線ＬＡＮ（Local Area Network）で採用されている媒体アクセス制御方式である。具体的には、ＣＳＭＡ／ＣＡは、同一のチャネルに複数のユーザーがアクセスする際の競合を回避する方式であり、IEEE 802.11で採用されている。無線ＬＡＮは送信信号が微弱であるため、同じチャネルを流れる信号の衝突（コリジョン）が発生しても検出することができない。ＣＳＭＡ／ＣＡは、そのような衝突が起こらないように送信状況を常に監視している方式である。各端局は通信路が一定時間以上継続して空いていることを確認し、その後にデータを送信する仕組みをとっている。データが正しく受信されれば、受信側からＡＣＫ（Acknowledge）と呼ばれる信号が返ってくる。ＡＣＫ信号が返ってきた際にデータの授受が成立したと判定される。ＡＣＫ信号が返ってこなかった場合には、コリジョンが発生したと判断され、データを再び送信する。
また、隠れ端末問題とは、例えば、ノードＡとノードＢという２つのノードが互いに隠れていて（信号の到達範囲外にあって）、双方が同時にデータを送信した場合に、受信ノードＣにおいて、ノードＡとノードＢから同時にデータが届くためにデータの衝突（コリジョン）が発生する問題である。ノードＡとノードＢは互いに隠れているため、ノードＡからすれば、ノードＢが今データを送信中であるのかどうかを知るすべはない。同様に、ノードＢからすれば、ノードＡが今データを送信中であるのかを知るすべはない。よって、ノードＡとノードＢは、受信ノードＣに向けて同時にデータを送信してしまうことがありえる。
【００７２】
つまり、端局は、通信路が空きと判断したときに中継局に情報フレームを送信するが、他の端局が相互に信号の到達範囲外である場合は、他の端局が中継局に情報フレームを送信していることを認識できずに情報フレームを送信してしまう場合がある。本実施形態の中継局は、複数の端局から同時に情報フレームを受信できるため、このような状況が発生しても、正常に複数の端局から同時に受信した情報フレームを受信し、受信した情報フレームを用いてＮＣ符号化した符号化情報フレームを生成し、端局へ送信することができる。従って、端局は、中継局から情報フレームが送信されていない場合に送信機会を得、中継局は、いずれの端局からも情報フレームが送信されていない場合に送信機会を得るようにすればよい。
【００７３】
なお、上述の端局１、１ａ、及び、中継局２、２ａは、内部にコンピュータシステムを有している。そして、変調回路１１、１１ａ、記憶回路１２、復調回路１５、ＮＣ復号回路１６、１６ａ、及び、制御部１７、ならびに、復調回路群２２、ＮＣ回路２３、２３ａ、記憶回路２４、変調回路２５、記憶回路群３１、誤り検出回路３２、及び、制御部３３の動作の過程は、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システム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。ここでいうコンピュータシステムとは、ＣＰＵ及び各種メモリやＯＳ、周辺機器等のハードウェアを含むものである。また、変調回路１１、復調回路１５、復調回路群２２、及び、変調回路２５は、専用のハードウェアにより実現されるものであってもよい。
【００７４】
また、「コンピュータシステム」は、ＷＷＷシステムを利用している場合であれば、ホームページ提供環境（あるいは表示環境）も含むものとする。
また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ、ＣＤ−ＲＯＭ等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。さらに「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線を介してプログラムを送信する場合の通信線のように、短時間の間、動的にプログラムを保持するもの、その場合のサーバやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリのように、一定時間プログラムを保持しているものも含むものとする。また上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであっても良く、さらに前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるものであっても良い。
【符号の説明】
【００７５】
１、１−１、１−２…端局（端局装置）
１０…指向性アンテナ（端局指向性アンテナ）
１１…変調回路
１２…記憶回路（鍵記憶部）
１３…増幅回路
１４…送受信切替回路
１５…復調回路（端局復調部）
１６…ＮＣ復号回路（ネットワーク符号化復号部）
２、２ａ…中継局（中継局装置）
２０−１〜２０−ｎ…指向性アンテナ
２１…送受信切替回路群
２１−１〜２１−ｎ…送受信切替回路
２２…復調回路群（復調部）
２２−１〜２２−ｎ…復調回路
２３、２３ａ…ＮＣ回路（ネットワーク符号化部）
２４…記憶回路
２５…変調回路（変調部）
２６、２６ａ…Ｎ分配回路（分配部）
３１…記憶回路群
３１−１〜３１−ｎ…記憶回路
３２…誤り検出回路（誤り検出部）
３３…制御部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ネットワークコーディングを用いた無線中継システム、中継局装置、および、無線中継方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、マルチホップ通信のスループットの向上を目的とした、ネットワークコーディング（ＮＣ）技術が注目されている。ネットワークコーディング技術は、マルチホップ中継を行うネットワーク上の中継局において複数の情報系列を線形符号化することによって複数のマルチキャスト通信やユニキャスト通信を多重化した上で宛先ノードとなる複数の端局に送信し、各端局において復号操作を行う。これにより、ネットワークコーディングを用いない場合に比べてスループットの向上を図ることができる。
【０００３】
ネットワークコーディングを用いたマルチホップ無線ネットワークでは、無線通信の同報性とネットワークコーディングを活用することにより、スループットの向上を実現する。中継局の役割を果たすノードは、複数の端局ノードから受信した情報フレームを線形符号によって符号化し、目的の端局に中継する。線形符号によって符号化された情報フレームを中継局ノードから受信した端局は、他のノードから受信した情報フレームあるいは自身が保持している情報フレームを用いて、符号化された情報フレームを同様の線形符号によって復号し、元の情報を得ることができる。
【０００４】
以下では具体例として、ネットワークコーディング技術が適用できる代表的なマルチホップ無線トポロジである、Alice & Bobトポロジを挙げて、従来の無線によるネットワークコーディング技術を説明する。以下、ある情報フレームに対し、ネットワークコーディングの符号化を施すことをＮＣ符号化と記載し、ネットワークコーディングにより符号化された情報フレームを復号することをＮＣ復号と記載する。ＮＣ符号化及びＮＣ復号には、情報フレーム同士のビット毎の排他的論理和（ＸＯＲ）を用いるものとする。また、ネットワーク符号化された情報フレームを符号化情報フレームと記載し、符号化情報フレームと符号化されていない情報フレームとを明確に区別するために、ＮＣ符号化されていない情報フレームをネイティブ情報フレームと記載する。
【０００５】
図６は、Alice & Bobトポロジの構成を示す図である。同図に示す無線マルチホップトポロジにおいて、両端の端局であるノードＡ（node-A）とノードＢ（node-B）が、互いに中継局であるノードＲ（node-R）を介して情報のやり取りを行う場合について考える。本トポロジの目的は、ノードＡおよびノードＢが、自身の保持する情報を情報フレームとして無線チャネルを用いて送信するとともに、相手方としての端局から情報フレームを受信することである。なお、全てのノードで単一の周波数チャネルを共有するとともに、各ノードはそれぞれ変復調回路を１つ、オムニアンテナを１本具備する。即ち、あるノードが情報フレームの送信を行っている間、他の全てのノードは同時刻に情報フレームを送信しない。
【０００６】
図７は、ネットワークコーディング技術を用いない場合のAlice & Bobトポロジにおける通信手順を示す。ネットワークコーディング技術を用いない場合の通信手順は、以下のようになる。
【０００７】
（１）時刻Ｔ１において、ノードＡがネイティブ情報フレームである情報フレームＡをノードＲに送信する。ノードＲは情報フレームＡを受信する。
（２）時刻Ｔ２において、ノードＲが情報フレームＡをノードＢに送信する。ノードＢは情報フレームＡを受信する。
（３）時刻Ｔ３において、ノードＢがネイティブ情報フレームである情報フレームＢをノードＲに送信する。ノードＲは情報フレームＢを受信する。
（４）時刻Ｔ４において、ノードＲが情報フレームＢをノードＡに送信する。ノードＡは情報フレームＢを受信する。
【０００８】
上述のような手順が必要であるため、ノードＡとノードＢが互いに情報をやり取りするためには４つのタイムスロットが必要となる。
【０００９】
一方、図８は、ネットワークコーディング技術を用いた場合のAlice & Bobトポロジにおける通信手順を示す。ネットワークコーディング技術を用いた場合の通信手順は、以下のようになる。
【００１０】
（１）時刻Ｔ１において、ノードＡがネイティブ情報フレームである情報フレームＡをノードＲに送信する。ノードＲは情報フレームＡを受信する。
（２）時刻Ｔ２において、ノードＢがネイティブ情報フレームである情報フレームＢをノードＲに送信する。ノードＲは情報フレームＢを受信する。
【００１１】
（３）時刻Ｔ３において、ノードＲが情報フレームＡと情報フレームＢに対してＮＣ符号化を行い、符号化情報フレームＸを生成する。ノードＲは、生成した符号化情報フレームＸをノードＡおよびノードＢに対して同報送信する。ノードＡは、自身が時刻Ｔ１において送信した情報フレームＡと時刻Ｔ３において受信した符号化情報フレームＸとを用いてＮＣ復号を行うことにより、情報フレームＢを取得する。同様に、ノードＢにおいても、自身が時刻Ｔ２において送信した情報フレームＢと時刻Ｔ３において受信した符号化情報フレームＸとを用いてＮＣ復号を行うことにより、情報フレームＡを取得する。
【００１２】
上記の手順を行なうことにより、必要となるタイムスロット数が３となる。ネットワークコーディング技術を用いない場合と用いた場合を比較すると、ネットワークコーディング技術を適用することにより、ノードＡとノードＢが情報のやり取りを行うために消費するタイムスロット数が３／４になる。すなわち、ネットワークコーディング技術の適用によるスループット増大効果（これを「ＮＣ利得」と呼ぶ。）はその逆数の４／３となる（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開２００９−２０６７７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
ネットワークコーディング技術を適用したマルチホップ無線システムでは、複数の端局が変調フレーム、すなわち、変調された情報フレームを同時に中継局に送信することにより、必要となるタイムスロット数をさらに削減することが可能である。しかしながら従来技術では、全てのノードがオムニアンテナを具備していることを想定しており、中継局が複数の端局から変調フレームを同時に受信した場合、互いの変調フレームが干渉してしまうため復調することは不可能だった。
【００１５】
本発明は、このような事情を考慮してなされたものであり、その目的は、ネットワークコーディング技術を適用した無線中継において情報フレームの送受信を効率よく行ない、システムスループットを増大することができる無線中継システム、中継局装置、および、無線中継方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上述した課題を解決するために、本発明は、中継局装置と複数の端局装置とを有する無線中継システムであって、前記中継局装置は、前記複数の端局装置の端局指向性アンテナそれぞれに対向して設けられ、対向する前記端局装置の端局指向性アンテナから無線により情報フレームを受信するとともに、複数の情報フレームをネットワーク符号化した符号化情報フレームを対向する前記端局装置の前記端局指向性アンテナへ無線により送信する複数の指向性アンテナと、前記複数の指向性アンテナそれぞれに対応して設けられ、対応する前記指向性アンテナが前記端局装置から受信した情報フレームを復調する複数の復調部と、前記複数の復調部それぞれが復調した情報フレームをネットワーク符号化して符号化情報フレームを生成するネットワーク符号化部と、前記ネットワーク符号化部が生成した符号化情報フレームを変調する変調部と、前記変調部が変調した符号化情報フレームを前記複数の指向性アンテナに出力する分配部とを備え、前記端局装置は、前記中継局装置の自局に対向する前記指向性アンテナから送信された符号化情報フレームを受信する端局指向性アンテナと、符号化情報フレームの復号に用いる鍵情報フレームを格納する鍵記憶部と、前記端局指向性アンテナが受信した符号化情報フレームを復調する端局復調部と、前記端局復調部が復調した前記符号化情報フレームを、前記鍵記憶部から読み出した鍵情報フレームにより復号するネットワーク符号化復号部とを備える、ことを特徴とする無線中継システムである。
【００１７】
また、本発明は、中継局装置と複数の端局装置とを有する無線中継システムにおける前記中継局装置であって、前記複数の端局装置の端局指向性アンテナそれぞれに対向して設けられ、対向する前記端局装置の端局指向性アンテナから無線により情報フレームを受信するとともに、複数の情報フレームをネットワーク符号化した符号化情報フレームを対向する前記端局装置の前記端局指向性アンテナへ無線により送信する複数の指向性アンテナと、前記複数の指向性アンテナそれぞれに対応して設けられ、対応する前記指向性アンテナが前記端局装置から受信した情報フレームを復調する複数の復調部と、前記複数の復調部それぞれが復調した情報フレームをネットワーク符号化して符号化情報フレームを生成するネットワーク符号化部と、前記ネットワーク符号化部が生成した符号化情報フレームを変調する変調部と、前記変調部が変調した符号化情報フレームを前記複数の指向性アンテナに出力する分配部と、を備えることを特徴とする中継局装置である。
【００１８】
また、本発明は、上述した中継局装置であって、前記複数の復調部それぞれが復調した情報フレームのうち、ネットワーク符号化対象の情報フレームを用いて符号化情報フレームを生成するよう前記ネットワーク符号化部へ指示するとともに、前記ネットワーク符号化対象の情報フレームの宛先である前記端局装置の前記端局指向性アンテナに対向した前記複数の指向性アンテナへ前記変調部が変調した符号化情報フレームを出力するよう前記分配部に指示する制御部をさらに備えることを特徴とする。
【００１９】
また、本発明は、上述した中継局装置であって、前記複数の復調部それぞれが復調した情報フレームの誤り検出を行なう誤り検出部と、前記複数の復調部それぞれが復調した情報フレームのうち、前記誤り検出部において誤りが検出されなかった複数の情報フレームを用いて符号化情報フレームを生成するよう前記ネットワーク符号化部へ指示するとともに、誤りが検出されなかった前記複数の情報フレームの宛先である前記端局装置の前記端局指向性アンテナに対向した前記複数の指向性アンテナへ前記変調部が変調した符号化情報フレームを出力するよう前記分配部に指示する制御部と、をさらに備えることを特徴とする。
【００２０】
また、本発明は、中継局装置と複数の端局装置とを有する無線中継システムにおける前記中継局装置の無線中継方法であって、前記複数の端局装置の端局指向性アンテナそれぞれに対向して設けられた複数の指向性アンテナが、前記端局装置から無線送信された情報フレームを受信する受信過程と、前記複数の指向性アンテナそれぞれに対応して設けられた復調部が、前記受信過程において該復調部に対応した前記指向性アンテナにより前記端局装置から受信した情報フレームを復調する復調過程と、前記復調過程において前記複数の復調部それぞれが復調した情報フレームをネットワーク符号化して符号化情報フレームを生成するネットワーク符号化過程と、前記ネットワーク符号化過程において生成された符号化情報フレームを変調する変調過程と、前記変調過程において変調された符号化情報フレームを前記複数の指向性アンテナに出力する分配過程と、前記複数の指向性アンテナが、前記分配過程において出力された前記符号化情報フレームを、対向する前記複数の端局装置の端末指向性アンテナへ無線送信する送信過程と、を有することを特徴とする無線中継方法である。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、ネットワークコーディング技術を適用した無線中継システムにおいて、中継局は複数の端局から変調フレームを同時に受信し、復調することが簡易に可能となり、複数の端局の送信タイミングを時間で棲み分ける必要がなくなるため、システムスループットの増大が可能となる。
また、本発明により、無線中継システムがＣＳＭＡ／ＣＡ（carrier sense multiple access / collision avoidance）で動作するマルチホップ無線システムであった場合に発生する端局同士の隠れ端末問題が容易に解決可能となる。つまり、端局は、通信路が空きと判断したときに中継局に情報フレームを送信するが、他の端局が相互に信号の到達範囲外である場合は、他の端局が中継局に情報フレームを送信していることを認識できずに情報フレームを送信してしまう場合がある。本発明の中継局は、このような状況が発生しても、正常に複数の端局から同時に受信した情報フレームを受信することが可能であり、これら受信した情報フレームをＮＣ符号化した符号化情報フレームを生成して端局へ送信することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の第１の実施形態による無線中継システムの通信手順を示す図である。
【図２】同実施形態による中継局の機能ブロック図である。
【図３】同実施形態による端局の機能ブロック図である。
【図４】第２の実施形態による中継局の機能ブロック図である。
【図５】同実施形態による端局の機能ブロック図である。
【図６】Alice & Bobトポロジの構成を示す図である。
【図７】従来技術によるネットワークコーディング技術を用いない場合のAlice & Bobトポロジにおける通信手順を示す。
【図８】従来技術によるネットワークコーディング技術を用いた場合のAlice & Bobトポロジにおける通信手順を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を詳細に説明する。
【００２４】
［第１の実施形態］
図１は、本発明の第１の実施形態による無線中継システムにおける通信手順を示す図である。本実施形態の無線中継システムは、複数台の端局１と、１台の中継局２とからなる。以下、Ｎ台（Ｎは２以上の整数）の端局１をそれぞれ、端局１−１、１−２、…、１−ｎと記載する。同図は、本実施形態の無線中継システムを、ネットワークコーディング（以下、「ＮＣ」とも記載）技術を用いた２ホップ無線中継システムであるAlice & Bobトポロジに適用した場合について示しており、端局１−１、１−２の２台の端局１が記載されている。
【００２５】
同図に示す無線中継システムにおいて、受信局装置と送信局装置を兼ねた端局装置である端局１−１、１−２は、中継局装置である中継局２を介して双方向の通信を行う。各端局１及び中継局２はタイムスロット同期が取れているものとし、端局１−１、１−２はそれぞれ、中継局２に向けた指向性アンテナ１０を１本備え、中継局２は端局１−１、１−２の指向性アンテナ１０それぞれに向けた指向性アンテナ２０−１、２０−２を備えている。
【００２６】
以下、システム全体におけるｍ番目の送信タイミングを時刻Ｔｍと表す。また、ネットワークコーディングの符号化を施すことを「ＮＣ符号化」と記載し、ネットワークコーディングにより符号化された情報フレームを復号することを「ＮＣ復号」と記載する。そして、ＮＣ符号化されていない情報フレームを「ネイティブ情報フレーム」、ＮＣ符号化された情報フレームを「符号化情報フレーム」、符号化情報フレームをＮＣ復号するために必要となる情報フレームを「鍵情報フレーム」と記載する。
【００２７】
（１）時刻Ｔ１において、端局１−１がネイティブ情報フレームである情報フレームＦ１を変調して中継局２へ、端局１−２がネイティブ情報フレームである情報フレームＦ２を変調して中継局２へ同時に送信する。中継局２は、変調された情報フレームＦ１を指向性アンテナ２０−１により、変調された情報フレームＦ２を指向性アンテナ２０−２により同時に受信する。中継局２は、端局１−１、１−２それぞれから受信した変調フレームを復調して得た情報フレームＦ１、Ｆ２をＮＣ符号化して符号化情報フレームＸを生成する。ＮＣ符号化には、例えば、情報フレーム同士のビット毎の排他的論理和（ＸＯＲ）を用いる。
【００２８】
（２）時刻Ｔ２において、中継局２は、時刻Ｔ１において生成した符号化情報フレームＸを変調して指向性アンテナ２０−１、２０−２により端局１−１、１−２それぞれに同報送信する。端局１−１は、指向性アンテナ１０により受信した変調フレームを復調し、自身が時刻Ｔ１において送信した情報フレームＦ１を鍵情報フレームとして用い、復調により得られた符号化情報フレームＸのＮＣ復号を行って情報フレームＦ２を取得する。同様に、端局１−２においても、指向性アンテナ１０により受信した変調フレームを復調し、自身が時刻Ｔ１において送信した情報フレームＦ２を鍵情報フレームとして用い、復調により得られた符号化情報フレームＸのＮＣ復号を行って情報フレームＦ１を取得する。ＮＣ復号には、ＮＣ符号化同様、情報フレーム同士の排他的論理和が用いられる。
【００２９】
上記のように、複数の端局１が同時に情報フレームを中継局２へ送信することができるため、端局１間で情報をやり取りするために必要なタイムスロット数を削減することが可能となる。
【００３０】
図２は、本実施形態による中継局２の構成を示すブロック図である。中継局２は、指向性アンテナ２０−１〜２０−ｎ、送受信切替回路２１−１〜２１−ｎからなる送受信切替回路群２１、復調回路２２−１〜２２−ｎからなる復調回路群２２、ネットワーク符号化回路（以下、「ＮＣ回路」と記載）２３、記憶回路２４、変調回路２５、及び、Ｎ分配回路２６を含んで構成される（ｎは２以上の整数）。
【００３１】
Ｎ本の指向性アンテナ２０−１〜２０−ｎはそれぞれ１台の端局１の指向性アンテナ１０と対向しており、入力された変調フレームを空中線としての空間に出力することにより無線送信を行なうとともに、端局１から無線送信された変調フレームを受信する。送受信切替回路２１−１〜２１−ｎは、予めスケジューリングされた信号の送受信タイミングに従って切り替えを行なう。各送受信切替回路２１−ｉ（ｉ＝１〜ｎ）は、信号受信時には指向性アンテナ２０−ｉにより受信した変調フレームを復調回路２２−ｉに出力し、信号送信時には、Ｎ分配回路２６によりＮ分配された変調フレームを指向性アンテナ２０−ｉに出力する。なお、送受信切替回路２１−１〜２１−ｎは、サーキュレータ回路を用いて、指向性アンテナ２０−１〜２０−ｎからの入力を復調回路２２−１〜２２−ｎへ出力し、Ｎ分配回路２６からの入力を指向性アンテナ２０−１〜２０−ｎへ出力してもよい。
【００３２】
各復調回路２２−ｉ（ｉ＝１〜ｎ）は、指向性アンテナ２０−ｉが受信し、送受信切替回路２１−ｉから出力された変調フレームを復調し、復調により得られたネイティブ情報フレームをＮＣ回路２３へ出力する。ＮＣ回路２３は、復調回路２２−１〜２２−ｎから出力されたネイティブ情報フレームをＮＣ符号化して符号化情報フレームを生成し、記憶回路２４へ出力する。記憶回路２４は、ＮＣ回路２３により生成された符号化情報フレームを記憶する。変調回路２５は、記憶回路２４から出力された符号化情報フレームを変調し、変調フレームを生成する。Ｎ分配回路２６は、変調回路２５により生成された変調フレームを指向性アンテナ２０−１〜２０−ｎに分配する。
【００３３】
次に、本実施形態の無線中継システムの動作について説明する。ここでは、簡単のため、指向性アンテナ２０−ｉ（ｉ＝１〜ｎ）は、端局１−ｉの指向性アンテナ１０に対向しているものとする。
【００３４】
（１）時刻Ｔ１において、端局１−ｉ（ｉ＝１〜ｎ）は、ネイティブ情報フレームである情報フレームＦｉを変調した変調フレームを同時に送信する。中継局２の指向性アンテナ２０−ｉ（ｉ＝１〜ｎ）は、端局１−ｉから同時に、かつ、互いの干渉なく、無線により送信された情報フレームＦｉの変調フレームを受信する。中継局２の送受信切替回路２１−ｉ（ｉ＝１〜ｎ）は、指向性アンテナ２０−ｉの出力先を復調回路２２−ｉに切り替える。送受信切替回路２１−ｉ（ｉ＝１〜ｎ）は、指向性アンテナ２０−ｉが受信した変調フレームを復調回路２２−ｉに出力し、復調回路２２−ｉは、指向性アンテナ２０−ｉが受信した変調フレームを復調して情報フレームＦｉを取得する。同時受信した情報フレームＦ１〜Ｆｎの変調フレームは互いの干渉がないため、同時に復調可能である。復調回路２２−ｉ（ｉ＝１〜ｎ）は、復調により得られた情報フレームＦｉをＮＣ回路２３に出力する。ＮＣ回路２３は、情報フレームＦ１〜ＦｎをＮＣ符号化して符号化情報フレームＸを生成し、記憶回路２４に書き込む。
【００３５】
（２）時刻Ｔ２において、中継局２の記憶回路２４は、記憶していた符号化情報フレームＸを変調回路２５へ出力する。変調回路２５は、記憶回路２４から出力された符号化情報フレームＸを変調し、Ｎ分配回路２６へ出力する。Ｎ分配回路２６は、符号化情報フレームＸの変調フレームを送受信切替回路２１−１〜２１−ｎへ分配する。送受信切替回路２１−ｉ（ｉ＝１〜ｎ）は、Ｎ分配回路２６により分配された符号化情報フレームＸの変調フレームを指向性アンテナ２０−ｉに出力し、指向性アンテナ２０−ｉは、符号化情報フレームＸの変調フレームを対向する端局１−ｉに同報送信する。
端局１−ｉ（ｉ＝１〜ｎ）は、中継局２から送信された変調フレームを指向性アンテナ１０により受信すると、受信した変調フレームを復調し、復調により得られた符号化情報フレームＸを鍵情報フレームによりＮＣ復号し、所望の情報フレームを得る。
【００３６】
以降、無線中継システムは、上述した（１）〜（２）を繰り返し実行する。
【００３７】
図１に示すAlice & Bobトポロジの２ホップ無線中継システムを例にして、端局１が２台の場合について説明する。
【００３８】
図３は、本実施形態をAlice & Bobトポロジに適用した場合の端局１の構成を示すブロック図である。端局１は、オムニアンテナに代えて指向性アンテナを備える点以外は、従来の端局と同様の構成である。端局１は、指向性アンテナ１０、変調回路１１、記憶回路１２、送受信切替回路１４、復調回路１５、及び、ネットワーク符号化復号回路（以下、「ＮＣ復号回路」と記載）１６を含んで構成される。
【００３９】
変調回路１１は、上位層等から入力されたネイティブ情報フレームを変調する。記憶回路１２は、変調回路１１へ入力されたネイティブ情報フレーム等の鍵情報フレームを記憶する。送受信切替回路１４は、予めスケジューリングされた信号の送受信タイミングに従って切り替えを行なう。送受信切替回路１４は、信号送信時には、変調回路１１から出力された変調フレームを指向性アンテナ１０に出力し、信号受信時には、指向性アンテナ１０が受信した変調フレームを復調回路１５に出力する。なお、送受信切替回路１４は、サーキュレータ回路を用いて、変調回路１１からの入力を指向性アンテナ１０へ出力し、指向性アンテナ１０からの入力を復調回路１５へ出力してもよい。指向性アンテナ１０は、送受信切替回路１４を介して入力された変調フレームを空中線としての空間に出力することにより無線送信を行なうとともに、中継局２から無線送信された変調フレームを受信する。復調回路１５は、指向性アンテナ１０が受信し、送受信切替回路１４が出力した変調フレームを復調する。ＮＣ復号回路１６は、記憶回路１２から読み出した鍵情報フレームを用い、復調回路１５により復調された符号化情報フレームをＮＣ復号する。
【００４０】
Alice & Bobトポロジを適用した本実施形態の無線中継システムは、以下のように動作する。
（１）時刻Ｔ１において、端局１−１は、情報フレームＦ１の変調フレームを指向性アンテナ１０により送信する。同時に、端局１−２は、情報フレームＦ２の変調フレームを指向性アンテナ１０により送信する。具体的には、端局１−ｉ（ｉ＝１、２）の変調回路１１は、上位層等から入力された情報フレームＦｉを変調し、記憶回路１２は、情報フレームＦｉを記憶する。端局１−ｉの変調回路１１が変調した情報フレームＦｉは、送受信切替回路１４を介して指向性アンテナ１０へ出力され、無線送信される。
【００４１】
中継局２の復調回路２２−１が、指向性アンテナ２０−１の受信した変調フレームを復調して情報フレームＦ１を取得すると同時に、復調回路２２−２は、指向性アンテナ２０−２の受信した変調フレームを復調して情報フレームＦ２を取得する。ＮＣ回路２３は、復調回路２２−１が復調した情報フレームＦ１と、復調回路２２−２が復調した情報フレームＦ２をＮＣ符号化して符号化情報フレームＸを生成し、記憶回路２４に書き込む。
【００４２】
（２）時刻Ｔ２において、中継局２の変調回路２５は、記憶回路２４から出力された符号化情報フレームＸを変調し、Ｎ分配回路２６は、符号化情報フレームＸの変調フレームを送受信切替回路２１−１、２１−２へ分配する。指向性アンテナ２０−１は、送受信切替回路２１−１を介して入力された変調フレームを端局１−１に、指向性アンテナ２０−２は、送受信切替回路２１−２を介して入力された変調フレームを端局１−２に同報送信する。
【００４３】
端局１−１、２は、中継局２から送信された変調フレームを指向性アンテナ１０により受信し、受信した変調フレームは送受信切替回路１４を介して復調回路１５に入力され、復調される。端局１−１のＮＣ復号回路１６は、復調回路１５により復調された符号化情報フレームＸを記憶回路１２から読み出した情報フレームＦ１を用いてＮＣ復号して情報フレームＦ２を得、端局１−２のＮＣ復号回路１６は、復調回路１５により復調された符号化情報フレームＸを記憶回路１２から読み出した情報フレームＦ２を用いてＮＣ復号して情報フレームＦ１を得る。
【００４４】
なお、端局１が３台以上の場合、各端局１は、指向性アンテナ１０に加えて、鍵情報フレームとして用いられるネイティブ情報フレームを送信する端局１に対向した指向性アンテナを備える。そして、全端局１が、変調したネイティブ情報フレームを同時に中継局２へ送信したときに、各端局１は、自局が送信したネイティブ情報フレームを記憶するとともに、鍵情報フレームとして用いられるネイティブ情報フレームを送信する他の端局１から変調フレームを受信し、復調により得られたネイティブ情報フレームを記憶する。各端局１は、中継局２から受信した変調フレームを復調して符号化情報フレームを得ると、記憶していたネイティブ情報フレームを鍵情報フレームとして用い、ＮＣ復号を行なう。
【００４５】
［第２の実施形態］
続いて、本発明の第２の実施形態を説明する。第１の実施形態においては、中継局２は、受信タイミングにおいて、Ｎ台の端局１から送信されたネイティブ情報フレームを同時に受信、復調した後、復調により得られたＮ個のネイティブ情報フレームをＮＣ符号化して符号化情報フレームを生成している。しかし、中継局２が復調したネイティブ情報フレームの中に誤りのあるネイティブ情報フレームが含まれていた場合、端局１において符号化情報フレームを正常にＮＣ復号できなくなってしまうおそれがある。そこで、第２の実施形態では、中継局は、正常に受信できたネイティブ情報フレームのみを用いてＮＣ符号化を行ない、符号化情報フレームを生成する。そのため、端局１は、誤り検出符号化が施されたネイティブ情報フレームを中継局２に送信し、中継局２において、受信したネイティブ情報フレームの復調結果に対するビット誤りの検出を可能とする。以下、第１の実施形態との差分を中心に説明する。
【００４６】
図４は、本実施形態による中継局２ａの構成を示すブロック図である。同図において、図２に示す第１の実施形態による中継局２と同一の部分には同一の符号を付し、その説明を省略する。図４に示す中継局２ａが、第１の実施形態の中継局２と異なる点は、記憶回路３１−１〜３１−ｎからなる記憶回路群３１、誤り検出回路３２、制御部３３が設けられている点、ＮＣ回路２３に代えてＮＣ回路２３ａが設けられている点、Ｎ分配回路２６に代えてＮ分配回路２６ａが設けられている点である。
【００４７】
記憶回路３１−ｉ（ｉ＝１〜ｎ）は、復調回路２２−ｉにより復調されたネイティブ情報フレームを記憶する。誤り検出回路３２は、復調回路２２−ｉが復調したネイティブ情報フレームを記憶回路３１−ｉから読み出して誤り検出を行い、その結果を制御部３３に出力する。制御部３３は、誤り検出回路３２から復調回路２２−１〜２２−ｎが復調したネイティブ情報フレームの誤り検出結果を受信し、正常に復調されたネイティブ情報フレームのみを用いて符号化情報フレームを生成するようＮＣ回路２３ａに指示するとともに、Ｎ分配回路２６ａに、正常に復調されたネイティブ情報フレームの宛先である端局１ａと対向する指向性アンテナ２０−１〜２０−ｎに、変調回路２５により変調された符号化情報フレームを分配するよう指示する。ＮＣ回路２３ａは、制御部３３に指示されたネイティブ情報フレームを用いてＮＣ符号化を行い、符号化情報フレームを生成する。Ｎ分配回路２６ａは、制御部３３に指示された指向性アンテナ２０−１〜２０−ｎに、変調回路２５から出力された変調フレームを分配する。
【００４８】
次に本実施形態の無線中継システムの動作について説明する。
（１）時刻Ｔ１において、第１の実施形態と同様に、端局１ａ−ｉ（ｉ＝１〜ｎ）は、情報フレームＦｉの変調フレームを同時に無線送信する。但し、情報フレームＦｉには、誤り検出符号化が施されており、変調フレームには、該情報フレームＦｉを特定するフレーム識別情報が含まれている。誤り検出符号化には、例えば、ＣＲＣ（Cyclic Redundancy Check：巡回冗長検査）符号等を用いることができる。中継局２ａは、第１の実施形態と同様に端局１ａ−ｉ（ｉ＝１〜ｎ）から受信した変調フレームを復調すると、復調により得られた情報フレームＦｉと、情報フレームＦｉのフレーム識別情報を記憶回路３１−ｉに記憶させる。
【００４９】
（２）時刻Ｔ２において、中継局２ａの記憶回路３１−ｉ（ｉ＝１〜ｎ）は、復調回路２２−ｉにより復調された情報フレームＦｉと、情報フレームＦｉのフレーム識別情報を出力する。誤り検出回路３２は、記憶回路３１−ｉ（ｉ＝１〜ｎ）から出力された情報フレームＦｉの誤り検出を行い、誤り検出結果を制御部３３に出力する。制御部３３は、誤り検出結果から正常に復調された情報フレームＦｋ（ｋは１以上ｎ以下の整数）を認識すると、正常に復調された情報フレームＦｋを用いてＮＣ符号化を行なうようＮＣ回路２３ａに出力するとともに、正常に復調された情報フレームＦｋの宛先となる端局１ａ−ｋ’（ｋ’は１以上ｎ以下の整数）に対向した指向性アンテナ２０−ｋ’に変調フレームを分配するようＮ分配回路２６ａに指示する。宛先となる端局１ａは、ネイティブ情報フレームの送信元の端局１ａに対応して予め決められていてもよく、ネイティブ情報フレームに設定されている宛先情報から取得してもよい。
【００５０】
ＮＣ回路２３ａは、制御部３３からの指示に従って、記憶回路３１−１〜３１−ｎから出力された情報フレームＦ１〜Ｆｎのうち、正常に復調された情報フレームＦｋのみを用いて符号化情報フレームＸを生成すると、符号化情報フレームＸと、情報フレームＦｋのフレーム識別情報を出力する。変調回路２５は、ＮＣ回路２３ａから出力された符号化情報フレームＸを変調し、Ｎ分配回路２６へ出力する。変調回路２５により生成された符号化情報フレームＸの変調フレームには、ＮＣ符号化された情報フレームである旨を示すＮＣ符号化情報と、情報フレームＦｋのフレーム識別情報が含まれる。Ｎ分配回路２６ａは、制御部３３からの指示に従って、符号化情報フレームＸの変調フレームを指向性アンテナ２０−ｋ’に分配する。指向性アンテナ２０−ｋ’は、送受信切替回路２１−ｋ’を介して入力された変調フレームを、対向する端局１ａ−ｋ’に同報送信する。
【００５１】
端局１ａ−ｋ’は、中継局２ａから送信された変調フレームを指向性アンテナ１０により受信し、受信した変調フレームを復調する。端局１ａ−ｋ’は、復調された情報フレームにＮＣ符号化情報が付加されているため、該符号化情報フレームに付加されている情報フレームＦｋのフレーム識別情報に基づいて鍵情報フレームを選択し、選択した鍵情報フレームを用いて符号化情報フレームをＮＣ復号し、所望の情報フレームを得る。
【００５２】
なお、上記の（２）において、正常に復調された情報フレームＦｋが１つのみであった場合、以下の（２’）の処理を行なう。
【００５３】
（２’）中継局２ａの制御部３３は、誤り検出結果から正常に復調された情報フレームＦｋが１つのみであると判断した場合、ＮＣ回路２３ａにＮＣ符号化を行なわず、情報フレームＦｋをそのまま変調回路２５へ出力するよう指示するとともに、情報フレームＦｋの宛先となる端局１ａ−ｋ’に対応した指向性アンテナ２０−ｋ’に変調フレームを分配するようＮ分配回路２６ａに指示する。ＮＣ回路２３ａは、情報フレームＦｋを変調回路２５に出力し、Ｎ分配回路２６ａは、変調回路２５により変調された情報フレームＦｋを指向性アンテナ２０−２に出力する。変調された情報フレームＦｋは、指向性アンテナ２０−ｋ’から無線により送信される。
端局１ａ−ｋ’は、中継局２ａから受信した変調フレームを復調する。復調により得られた情報フレームにＮＣ符号化情報が付加されていないため、ＮＣ復号は行わない。
【００５４】
図１に示すAlice & Bobトポロジの２ホップ無線中継システムを例にして、端局１を本実施形態の端局１ａに、中継局２を本実施形態の中継局２ａに置き代えた場合について説明する。
【００５５】
図５は、本実施形態による端局１ａの構成を示すブロック図である。同図において、図３に示す第１の実施形態による端局１と同一の部分には同一の符号を付し、その説明を省略する。図５に示す端局１ａが、第１の実施形態の端局１と異なる点は、制御部１７が設けられている点、変調回路１１に代えて変調回路１１ａが設けられている点、ＮＣ復号回路１６に代えてＮＣ復号回路１６ａが設けられている点である
【００５６】
変調回路１１ａは、ネイティブ情報フレームの誤り検出符号化と変調を行なう。制御部１７は、受信した情報フレームがＮＣ符号化されている場合、記憶回路１２から鍵情報フレームを出力するよう指示するとともに、ＮＣ復号回路１６ａにＮＣ復号を行なうよう指示し、受信した情報フレームがＮＣ符号化されていない場合、記憶回路１２に鍵情報フレームを出力しないよう指示するとともに、ＮＣ復号回路１６ａにＮＣ復号を行なわないよう指示する。ＮＣ復号回路１６ａは、制御部１７からの指示に従って、復調回路１５により復調された符号化情報フレームを記憶回路１２から出力された鍵情報フレームを用いてＮＣ復号し、得られたネイティブ情報フレームを上位層等に出力したり、復調されたネイティブ情報フレームをそのまま上位層等に出力したりする。
【００５７】
Alice & Bobトポロジを適用した本実施形態の無線中継システムは、以下のように動作する。
（１）時刻Ｔ１において、端局１ａ−１は、情報フレームＦ１を記憶回路１２に記憶し、変調回路１１ａから出力された情報フレームＦ１の変調フレームを指向性アンテナ１０により送信する。同時に、端局１ａ−２は、情報フレームＦ２を記憶回路１２に記憶し、変調回路１１ａから出力された情報フレームＦ２の変調フレームを指向性アンテナ１０により送信する。第１の実施形態の中継局２と同様に、中継局２ａの復調回路２２−１は指向性アンテナ２０−１が受信した変調フレームを復調し、復調回路２２−２は指向性アンテナ２０−２が受信した変調フレームを復調する。変調回路２２−１は、復調により得られた情報フレームＦ１と、情報フレームＦ１のフレーム識別情報を記憶回路３１−１に書き込み、変調回路２２−２は、復調により得られた情報フレームＦ２と、情報フレームＦ２のフレーム識別情報を記憶回路３１−２に書き込む。
【００５８】
（２）時刻Ｔ２において、中継局２ａの誤り検出回路３２は、情報フレームＦ１、Ｆ２の誤り検出を行い、誤り検出結果を制御部３３に出力する。制御部３３は、情報フレームＦ１、Ｆ２とも正常に復調されたと判断した場合、ＮＣ回路２３ａに情報フレームＦ１、Ｆ２を用いてＮＣ符号化を行なうよう指示し、Ｎ分配回路２６ａに、指向性アンテナ２０−１、２０−２へ変調フレームを分配するよう指示する。ＮＣ回路２３ａは、情報フレームＦ１、Ｆ２を用いて符号化情報フレームＸを生成し、情報フレームＦ１、Ｆ２のフレーム識別情報を付加して変調回路２５に出力する。変調回路２５により生成された符号化情報フレームＸの変調フレームは、Ｎ分配回路２６ａにより指向性アンテナ２０−１、２０−２へ出力され、同報送信される。
【００５９】
端局１ａ−１、１ａ−２の復調回路１５は、指向性アンテナ１０が中継局２ａから受信した変調フレームを復調し、制御部１７は、復調された符号化情報フレームＸに、ＮＣ符号化情報が付加されているため、ＮＣ復号を行なうようＮＣ復号回路１６ａに指示するとともに、符号化情報フレームＸに付加されている情報フレームＦ１、Ｆ２のフレーム識別情報に基づいて鍵情報フレームを判断する。端局１ａ−１の制御部１７は、フレーム識別情報により特定される、自局が送信した情報フレームＦ１を出力するよう記憶部１２に指示し、ＮＣ復号回路１６ａは、情報フレームＦ１を鍵情報フレームとして用い、復調された符号化情報フレームＸをＮＣ復号して情報フレームＦ２を得る。また、端局１ａ−２の制御部１７は、フレーム識別情報により特定される、自局が送信した情報フレームＦ２を出力するよう記憶部１２に指示し、ＮＣ復号回路１６ａは、情報フレームＦ２を鍵情報フレームとして用い、復調された符号化情報フレームＸをＮＣ復号して情報フレームＦ１を得る。
【００６０】
上記の（２）において、情報フレームＦ１、Ｆ２のうち、一方のみが正常に復調され、他方に符号化誤りが検出された場合、以下の（２’）の処理を行なう。
【００６１】
（２’）中継局２ａの制御部３３は、例えば、誤り検出結果から情報フレームＦ１は正常に復調され、情報フレームＦ２には符号化誤りが検出されたことを認識すると、ＮＣ回路２３ａへ情報フレームＦ１をＮＣ符号化せずに出力するよう指示し、Ｎ分配回路２６ａに、情報フレームＦ１の宛先である端局１ａ−２に対応した指向性アンテナ２０−２へ変調フレームを出力するよう指示する。これにより、変調された情報フレームＦ１が指向性アンテナ２０−２から無線送信される。端局１ａ−２の復調回路１５は、指向性アンテナ１０が中継局２ａから受信した変調フレームを復調し、制御部１７は、復調された情報フレームに、ＮＣ符号化情報が付加されていないため、ＮＣ復号を行なわないようＮＣ復号回路１６ａに指示する。端局１ａ−２のＮＣ復号回路１６ａは、復調回路１５から出力された情報フレームＦ１をそのまま上位層等に出力する。
【００６２】
なお、本実施形態においては、時刻Ｔ１において端局１ａ−１〜１ａ−ｎ全てが同時にネイティブ情報フレームを送信していたが、端局１ａ−１〜１ａ−ｎの一部が同時にネイティブ情報フレームを送信してもよく、端局１ａ−１〜１ａ−ｎ全てが異なる時刻にネイティブ情報フレームを送信することもできる。中継局２は、端局１−１〜１−ｎの全てからネイティブ情報フレームを受信した後に送信機会を得る。
【００６３】
また、端局１が３台以上の場合、各端局１は、指向性アンテナ１０に加えて、鍵情報フレームとして用いられるネイティブ情報フレームを送信する端局１に対向した指向性アンテナを備える。そして、全端局１が、変調したネイティブ情報フレームを同時に中継局２へ送信したときに、各端局１は、自局が送信したネイティブ情報フレームとそのフレーム識別情報を記憶するとともに、鍵情報フレームとして用いられるネイティブ情報フレームを送信する他の端局１から変調フレームを受信し、復調により得られたネイティブ情報フレームとそのフレーム識別情報を記憶する。各端局１は、中継局２から受信した変調フレームを復調して符号化情報フレームを得ると、付加されているフレーム識別情報に基づいて、記憶しているネイティブ情報フレームの中から鍵情報フレームを選択し、ＮＣ復号を行なう。
【００６４】
［第３の実施形態］
第２の実施形態では、予めスケジューリングされた中継局からの送信タイミングにおいて、全ての端局から受信した情報フレームをＮＣ符号化の対象としているが、本実施形態では、予めスケジューリングされた中継局からの各送信タイミングにおいて、一部のネイティブ情報フレームのみをＮＣ符号化の対象とする。例えば、中継局のある送信タイミングでは、端局１ａ−１、１ａ−２から受信した情報フレームから符号化情報フレームを生成し、中継局の次の送信タイミングでは、端局１ａ−３、１ａ−４から受信した情報フレームから符号化情報フレームを生成するようスケジューリングされる。以下、第２の実施形態との差分を説明する。
【００６５】
本実施形態の中継局の構成は、図４に示す第２の実施形態の中継局２ａと同様である。本実施形態の無線中継システムは、以下のように動作する。
【００６６】
（１）時刻Ｔ１において、中継局２ａは、第２の実施形態と同様に端局１ａ−ｉ（ｉ＝１〜ｎ）から送信された情報フレームＦｉを記憶回路３１−ｉに記憶している。なお、少なくとも次の中継局２ａの送信タイミングにおいてネットワーク符号化対象となっている情報フレームを受信していれば、全ての端局１ａから情報フレームを受信していなくともよい。
【００６７】
（２）時刻Ｔ２において、中継局２ａの制御部３３は、ＮＣ符号化対象の情報フレームＦｊ（ｊは１以上ｎ以下の整数）を記憶している記憶回路３１−ｊに対して情報フレームの出力を指示する。各送信タイミングにおけるＮＣ符号化対象の情報フレームは、予め制御部３３に記憶されている。誤り検出回路３２は、記憶回路３１−ｊから出力された情報フレームＦｊの誤り検出を行い、その誤り検出結果を制御部３３に出力する。制御部３３は、誤り検出結果から、情報フレームＦｊのうち、正常に復調された情報フレームＦｋ（ｋは１以上ｎ以下の整数）を認識すると、正常に復調された情報フレームＦｋを用いてＮＣ符号化を行なうようＮＣ回路２３ａに出力するとともに、正常に復調された情報フレームＦｋの宛先となる端局１ａ−ｋ’に対応した指向性アンテナ２０−ｋ’に変調フレームを分配するようＮ分配回路２６ａに指示する。
以降の中継局２ａの動作は、第２の実施形態と同様である。また、正常に復調された情報フレームＦｋが１つのみであった場合の動作についても、第２の実施形態と同様である。
【００６８】
例えば、３台以上の端局１ａを含む無線中継システムにおいて、端局１ａ−１から端局１ａ−２宛の情報フレームＦ１が、端局１ａ−２から端局１ａ−１宛の情報フレームＦ２が送信されたとする。端局１ａ−１、１ａ−２からの情報フレームの送信は、同時であっても、異なる時刻あってもよい。中継局２ａの送信タイミングにおいて、制御部３３が、この送信タイミングにおいては端局１ａ−１、１ａ−２から受信したネイティブ情報フレームがＮＣ符号化対象であると判断した場合、誤り検出回路３２から情報フレームＦ１、Ｆ２の誤り検出結果を受信する。情報フレームＦ１、Ｆ２ともに誤りがなかった場合、制御部３３は、これらの情報フレームを用いて符号化情報フレームを生成するようＮＣ回路２３ａに指示するとともに、指向性アンテナ２０−１、２０−２に変調された符号化情報フレームを分配するようＮ分配回路２６ａに指示する。ＮＣ回路２３ａにより生成され、変調回路２５により変調された符号化情報フレームＸは、指向性アンテナ２０−１により端局１ａ−１へ、指向性アンテナ２０ａ−２により端局１ａ−２へ同時に送信される。
【００６９】
また、例えば、無線中継システムが、端局１ａ−３から端局１ａ−２宛の情報フレームが、端局１ａ−４から端局１ａ−１宛のパケットが送信されるＸトポロジの場合、端局１ａ−１は、端局１ａ−３から中継局２ａに送信された端局１ａ−２宛の情報フレームＦ３を指向性アンテナ１０とは異なるアンテナにより受信して鍵情報フレームとして記憶回路１２に記憶し、端局１ａ−２は、端局１ａ−４から中継局２ａに送信された端局１ａ−１宛の情報フレームＦ４を指向性アンテナ１０とは異なるアンテナにより受信して鍵情報フレームとして記憶回路１２に記憶する。中継局２ａの送信タイミングにおいて、制御部３３が、この送信タイミングでは端局１ａ−３、１ａ−４から受信したネイティブ情報フレームがＮＣ符号化対象であると判断した場合、記憶回路３１−３から出力された情報フレームＦ３、記憶回路３１−４から出力された情報フレームＦ４の誤り検出結果を誤り検出回路３２より受信する。情報フレームＦ３、Ｆ４ともに誤りがなかった場合、制御部３３は、これらの情報フレームを用いて符号化情報フレームを生成するようＮＣ回路２３ａに指示するとともに、情報フレームＦ４の宛先である端局１ａ−１に対向した指向性アンテナ２０−１と、情報フレームＦ３の宛先である端局１ａ−２に対向した指向性アンテナ２０−２に変調された符号化情報フレームを分配するようＮ分配回路２６ａに指示する。情報フレームＦ３、Ｆ４をＮＣ符号化して生成された符号化情報フレームＸは、変調回路２５により変調された後、指向性アンテナ２０−１により端局１ａ−１へ、指向性アンテナ２０−２により端局１ａ−２へ同時に送信される。端局１ａ−１は、符号化情報フレームＸを情報フレームＦ３により復号して情報フレームＦ４を取得し、端局１ａ−２は、符号化情報フレームＸを情報フレームＦ４により復号して情報フレームＦ３を取得する。
【００７０】
以上説明した本発明の実施形態によれば、ネットワークコーディング技術を適用した無線中継において、中継局は、複数の端局の指向性アンテナそれぞれに対向する指向性アンテナによって、同時に互いの干渉なく該複数の端局からネイティブ情報フレームを受信し、各指向性アンテナに対応して設けられているそれぞれの復調回路において復調し、復調したネイティブ情報フレーム同士をＮＣ符号化する。ＮＣ符号化により生成された符号化情報フレームは、中継局の送信タイミングにおいて変調回路により変調され、複数の端局それぞれに対向する指向性アンテナを通じて同報送信される。従って、複数の端局の送信タイミングを時間で棲み分ける必要がなくなるため、システムスループットの増大が可能となる。
また、第２、第３の実施形態によれば、中継局は、ＮＣ符号化を行う前のネイティブ情報フレームを、各復調回路に対応した記憶回路に記憶しておくため、ネイティブ情報フレームの受信誤りの状況や、端局における保有情報フレームの状況に合わせた柔軟なＮＣ符号化が可能となる。
【００７１】
また、本実施形態により、システムがＣＳＭＡ／ＣＡ（carrier sense multiple access / collision avoidance）で動作するマルチホップ無線システムであった場合に発生する端局同士の隠れ端末問題が容易に解決可能となる。
ＣＳＭＡ／ＣＡとは、無線ＬＡＮ（Local Area Network）で採用されている媒体アクセス制御方式である。具体的には、ＣＳＭＡ／ＣＡは、同一のチャネルに複数のユーザーがアクセスする際の競合を回避する方式であり、IEEE 802.11で採用されている。無線ＬＡＮは送信信号が微弱であるため、同じチャネルを流れる信号の衝突（コリジョン）が発生しても検出することができない。ＣＳＭＡ／ＣＡは、そのような衝突が起こらないように送信状況を常に監視している方式である。各端局は通信路が一定時間以上継続して空いていることを確認し、その後にデータを送信する仕組みをとっている。データが正しく受信されれば、受信側からＡＣＫ（Acknowledge）と呼ばれる信号が返ってくる。ＡＣＫ信号が返ってきた際にデータの授受が成立したと判定される。ＡＣＫ信号が返ってこなかった場合には、コリジョンが発生したと判断され、データを再び送信する。
また、隠れ端末問題とは、例えば、ノードＡとノードＢという２つのノードが互いに隠れていて（信号の到達範囲外にあって）、双方が同時にデータを送信した場合に、受信ノードＣにおいて、ノードＡとノードＢから同時にデータが届くためにデータの衝突（コリジョン）が発生する問題である。ノードＡとノードＢは互いに隠れているため、ノードＡからすれば、ノードＢが今データを送信中であるのかどうかを知るすべはない。同様に、ノードＢからすれば、ノードＡが今データを送信中であるのかを知るすべはない。よって、ノードＡとノードＢは、受信ノードＣに向けて同時にデータを送信してしまうことがありえる。
【００７２】
つまり、端局は、通信路が空きと判断したときに中継局に情報フレームを送信するが、他の端局が相互に信号の到達範囲外である場合は、他の端局が中継局に情報フレームを送信していることを認識できずに情報フレームを送信してしまう場合がある。本実施形態の中継局は、複数の端局から同時に情報フレームを受信できるため、このような状況が発生しても、正常に複数の端局から同時に受信した情報フレームを受信し、受信した情報フレームを用いてＮＣ符号化した符号化情報フレームを生成し、端局へ送信することができる。従って、端局は、中継局から情報フレームが送信されていない場合に送信機会を得、中継局は、いずれの端局からも情報フレームが送信されていない場合に送信機会を得るようにすればよい。
【００７３】
なお、上述の端局１、１ａ、及び、中継局２、２ａは、内部にコンピュータシステムを有している。そして、変調回路１１、１１ａ、記憶回路１２、復調回路１５、ＮＣ復号回路１６、１６ａ、及び、制御部１７、ならびに、復調回路群２２、ＮＣ回路２３、２３ａ、記憶回路２４、変調回路２５、記憶回路群３１、誤り検出回路３２、及び、制御部３３の動作の過程は、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システム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。ここでいうコンピュータシステムとは、ＣＰＵ及び各種メモリやＯＳ、周辺機器等のハードウェアを含むものである。また、変調回路１１、復調回路１５、復調回路群２２、及び、変調回路２５は、専用のハードウェアにより実現されるものであってもよい。
【００７４】
また、「コンピュータシステム」は、ＷＷＷシステムを利用している場合であれば、ホームページ提供環境（あるいは表示環境）も含むものとする。
また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ、ＣＤ−ＲＯＭ等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。さらに「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線を介してプログラムを送信する場合の通信線のように、短時間の間、動的にプログラムを保持するもの、その場合のサーバやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリのように、一定時間プログラムを保持しているものも含むものとする。また上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであっても良く、さらに前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるものであっても良い。
【符号の説明】
【００７５】
１、１−１、１−２…端局（端局装置）
１０…指向性アンテナ（端局指向性アンテナ）
１１…変調回路
１２…記憶回路（鍵記憶部）
１３…増幅回路
１４…送受信切替回路
１５…復調回路（端局復調部）
１６…ＮＣ復号回路（ネットワーク符号化復号部）
２、２ａ…中継局（中継局装置）
２０−１〜２０−ｎ…指向性アンテナ
２１…送受信切替回路群
２１−１〜２１−ｎ…送受信切替回路
２２…復調回路群（復調部）
２２−１〜２２−ｎ…復調回路
２３、２３ａ…ＮＣ回路（ネットワーク符号化部）
２４…記憶回路
２５…変調回路（変調部）
２６、２６ａ…Ｎ分配回路（分配部）
３１…記憶回路群
３１−１〜３１−ｎ…記憶回路
３２…誤り検出回路（誤り検出部）
３３…制御部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
中継局装置と複数の端局装置とを有する無線中継システムであって、
前記中継局装置は、
前記複数の端局装置の端局指向性アンテナそれぞれに対向して設けられ、対向する前記端局装置の端局指向性アンテナから無線により情報フレームを受信するとともに、複数の情報フレームをネットワーク符号化した符号化情報フレームを対向する前記端局装置の前記端局指向性アンテナへ無線により送信する複数の指向性アンテナと、
前記複数の指向性アンテナそれぞれに対応して設けられ、対応する前記指向性アンテナが前記端局装置から受信した情報フレームを復調する複数の復調部と、
前記複数の復調部それぞれが復調した情報フレームをネットワーク符号化して符号化情報フレームを生成するネットワーク符号化部と、
前記ネットワーク符号化部が生成した符号化情報フレームを変調する変調部と、
前記変調部が変調した符号化情報フレームを前記複数の指向性アンテナに出力する分配部とを備え、
前記端局装置は、
前記中継局装置の自局に対向する前記指向性アンテナから送信された符号化情報フレームを受信する端局指向性アンテナと、
符号化情報フレームの復号に用いる鍵情報フレームを格納する鍵記憶部と、
前記端局指向性アンテナが受信した符号化情報フレームを復調する端局復調部と、
前記端局復調部が復調した前記符号化情報フレームを、前記鍵記憶部から読み出した鍵情報フレームにより復号するネットワーク符号化復号部とを備える、
ことを特徴とする無線中継システム。
【請求項２】
中継局装置と複数の端局装置とを有する無線中継システムにおける前記中継局装置であって、
前記複数の端局装置の端局指向性アンテナそれぞれに対向して設けられ、対向する前記端局装置の端局指向性アンテナから無線により情報フレームを受信するとともに、複数の情報フレームをネットワーク符号化した符号化情報フレームを対向する前記端局装置の前記端局指向性アンテナへ無線により送信する複数の指向性アンテナと、
前記複数の指向性アンテナそれぞれに対応して設けられ、対応する前記指向性アンテナが前記端局装置から受信した情報フレームを復調する複数の復調部と、
前記複数の復調部それぞれが復調した情報フレームをネットワーク符号化して符号化情報フレームを生成するネットワーク符号化部と、
前記ネットワーク符号化部が生成した符号化情報フレームを変調する変調部と、
前記変調部が変調した符号化情報フレームを前記複数の指向性アンテナに出力する分配部と、
を備えることを特徴とする中継局装置。
【請求項３】
前記複数の復調部それぞれが復調した情報フレームのうち、ネットワーク符号化対象の情報フレームを用いて符号化情報フレームを生成するよう前記ネットワーク符号化部へ指示するとともに、前記ネットワーク符号化対象の情報フレームの宛先である前記端局装置の前記端局指向性アンテナに対向した前記複数の指向性アンテナへ前記変調部が変調した符号化情報フレームを出力するよう前記分配部に指示する制御部をさらに備えることを特徴とする請求項２に記載の中継局装置。
【請求項４】
前記複数の復調部それぞれが復調した情報フレームの誤り検出を行なう誤り検出部と、
前記複数の復調部それぞれが復調した情報フレームのうち、前記誤り検出部において誤りが検出されなかった複数の情報フレームを用いて符号化情報フレームを生成するよう前記ネットワーク符号化部へ指示するとともに、誤りが検出されなかった前記複数の情報フレームの宛先である前記端局装置の前記端局指向性アンテナに対向した前記複数の指向性アンテナへ前記変調部が変調した符号化情報フレームを出力するよう前記分配部に指示する制御部と、
をさらに備えることを特徴とする請求項２に記載の中継局装置。
【請求項５】
中継局装置と複数の端局装置とを有する無線中継システムにおける前記中継局装置の無線中継方法であって、
前記複数の端局装置の端局指向性アンテナそれぞれに対向して設けられた複数の指向性アンテナが、前記端局装置から無線送信された情報フレームを受信する受信過程と、
前記複数の指向性アンテナそれぞれに対応して設けられた復調部が、前記受信過程において該復調部に対応した前記指向性アンテナにより前記端局装置から受信した情報フレームを復調する復調過程と、
前記復調過程において前記複数の復調部それぞれが復調した情報フレームをネットワーク符号化して符号化情報フレームを生成するネットワーク符号化過程と、
前記ネットワーク符号化過程において生成された符号化情報フレームを変調する変調過程と、
前記変調過程において変調された符号化情報フレームを前記複数の指向性アンテナに出力する分配過程と、
前記複数の指向性アンテナが、前記分配過程において出力された前記符号化情報フレームを、対向する前記複数の端局装置の端末指向性アンテナへ無線送信する送信過程と、
を有することを特徴とする無線中継方法。
【請求項１】
中継局装置と複数の端局装置とを有する無線中継システムであって、
前記中継局装置は、
前記複数の端局装置の端局指向性アンテナそれぞれに対向して設けられ、対向する前記端局装置の端局指向性アンテナから無線により情報フレームを受信するとともに、複数の情報フレームをネットワーク符号化した符号化情報フレームを対向する前記端局装置の前記端局指向性アンテナへ無線により送信する複数の指向性アンテナと、
前記複数の指向性アンテナそれぞれに対応して設けられ、対応する前記指向性アンテナが前記端局装置から受信した情報フレームを復調する複数の復調部と、
前記複数の復調部それぞれが復調した情報フレームをネットワーク符号化して符号化情報フレームを生成するネットワーク符号化部と、
前記ネットワーク符号化部が生成した符号化情報フレームを変調する変調部と、
前記変調部が変調した符号化情報フレームを前記複数の指向性アンテナに出力する分配部とを備え、
前記端局装置は、
前記中継局装置の自局に対向する前記指向性アンテナから送信された符号化情報フレームを受信する端局指向性アンテナと、
符号化情報フレームの復号に用いる鍵情報フレームを格納する鍵記憶部と、
前記端局指向性アンテナが受信した符号化情報フレームを復調する端局復調部と、
前記端局復調部が復調した前記符号化情報フレームを、前記鍵記憶部から読み出した鍵情報フレームにより復号するネットワーク符号化復号部とを備える、
ことを特徴とする無線中継システム。
【請求項２】
中継局装置と複数の端局装置とを有する無線中継システムにおける前記中継局装置であって、
前記複数の端局装置の端局指向性アンテナそれぞれに対向して設けられ、対向する前記端局装置の端局指向性アンテナから無線により情報フレームを受信するとともに、複数の情報フレームをネットワーク符号化した符号化情報フレームを対向する前記端局装置の前記端局指向性アンテナへ無線により送信する複数の指向性アンテナと、
前記複数の指向性アンテナそれぞれに対応して設けられ、対応する前記指向性アンテナが前記端局装置から受信した情報フレームを復調する複数の復調部と、
前記複数の復調部それぞれが復調した情報フレームをネットワーク符号化して符号化情報フレームを生成するネットワーク符号化部と、
前記ネットワーク符号化部が生成した符号化情報フレームを変調する変調部と、
前記変調部が変調した符号化情報フレームを前記複数の指向性アンテナに出力する分配部と、
を備えることを特徴とする中継局装置。
【請求項３】
前記複数の復調部それぞれが復調した情報フレームのうち、ネットワーク符号化対象の情報フレームを用いて符号化情報フレームを生成するよう前記ネットワーク符号化部へ指示するとともに、前記ネットワーク符号化対象の情報フレームの宛先である前記端局装置の前記端局指向性アンテナに対向した前記複数の指向性アンテナへ前記変調部が変調した符号化情報フレームを出力するよう前記分配部に指示する制御部をさらに備えることを特徴とする請求項２に記載の中継局装置。
【請求項４】
前記複数の復調部それぞれが復調した情報フレームの誤り検出を行なう誤り検出部と、
前記複数の復調部それぞれが復調した情報フレームのうち、前記誤り検出部において誤りが検出されなかった複数の情報フレームを用いて符号化情報フレームを生成するよう前記ネットワーク符号化部へ指示するとともに、誤りが検出されなかった前記複数の情報フレームの宛先である前記端局装置の前記端局指向性アンテナに対向した前記複数の指向性アンテナへ前記変調部が変調した符号化情報フレームを出力するよう前記分配部に指示する制御部と、
をさらに備えることを特徴とする請求項２に記載の中継局装置。
【請求項５】
中継局装置と複数の端局装置とを有する無線中継システムにおける前記中継局装置の無線中継方法であって、
前記複数の端局装置の端局指向性アンテナそれぞれに対向して設けられた複数の指向性アンテナが、前記端局装置から無線送信された情報フレームを受信する受信過程と、
前記複数の指向性アンテナそれぞれに対応して設けられた復調部が、前記受信過程において該復調部に対応した前記指向性アンテナにより前記端局装置から受信した情報フレームを復調する復調過程と、
前記復調過程において前記複数の復調部それぞれが復調した情報フレームをネットワーク符号化して符号化情報フレームを生成するネットワーク符号化過程と、
前記ネットワーク符号化過程において生成された符号化情報フレームを変調する変調過程と、
前記変調過程において変調された符号化情報フレームを前記複数の指向性アンテナに出力する分配過程と、
前記複数の指向性アンテナが、前記分配過程において出力された前記符号化情報フレームを、対向する前記複数の端局装置の端末指向性アンテナへ無線送信する送信過程と、
を有することを特徴とする無線中継方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１１−２５００１４（Ｐ２０１１−２５００１４Ａ）
【公開日】平成２３年１２月８日（２０１１．１２．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１１９５００（Ｐ２０１０−１１９５００）
【出願日】平成２２年５月２５日（２０１０．５．２５）
【出願人】（０００００４２２６）日本電信電話株式会社 (13,992)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１２月８日（２０１１．１２．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年５月２５日（２０１０．５．２５）
【出願人】（０００００４２２６）日本電信電話株式会社 (13,992)
【Ｆターム（参考）】
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