JP4553893B2 - Ｏｆｄｍセルラー環境においてセル間の干渉を低減するための副搬送波割当方法 - Google Patents

Description

本発明は、ＯＦＤＭ（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）技術に関し、特に、ＯＦＤＭセルラー環境においてセル間の干渉を低減するための副搬送波割当方法に関する。

ＡＭＰＳ（Advanced Mobile Phone System）のようなアナログ方式から最新のＷＣＤＭＡ（Wideband Code Division Multiple Access）システムのようなデジタル方式に至るまで、多様な移動通信標準技術が開発されてきている。このような移動通信システムにおいて、多重化とは、複数の伝送路（チャネル）を構成して、独立した信号を送受信可能にすることにより、複数の使用者をサポートするために用いられる方法である。特に、多重化とは、１つの回線又は伝送路を多重チャネル（有線の場合は１組のケーブル、無線の場合は１組の送受信器）に分割することをいう。

代表的な多重化方式としては、１つの回線を複数の周波数帯域に分割して多重化する周波数分割多重（Frequency Division Multiplexing；ＦＤＭ）方式と、１つの回線を複数のわずかな時間間隔に分割して多重化する時分割多重（TimeDivision Multiplexing；ＴＤＭ）方式がある。

初期の１世代のアナログ移動通信標準であるＡＭＰＳにおいては、周波数分割多重（ＦＤＭ）方式が用いられ、２世代のデジタル移動通信標準であるＩＳ−９５においては、符号分割多重（Code Division Multiplexing；ＣＤＭ）方式が用いられた。また、３世代の移動通信標準であるＷＣＤＭＡにおいても、符号分割多重（ＣＤＭ）方式が用いられている。

さらに他の多重化方式として、直交周波数分割多重（ＯＦＤＭ）技術が提案された。ＯＦＤＭは、多搬送波変調の原則に基づくもので、データストリームを複数のビットストリーム（サブチャネル）に分割する。各ビットストリームは、親データストリームより非常に低いビットレートである。このようなサブストリームは、直交するコードを利用して変調される。前記副搬送波は、これらの直交性により互いに干渉することなく、周波数スペクトルで互いに非常に近接することができる（又は、部分的に重畳することができる）。また、このような低いビットレートのチャネルに対する符号周期が長いため、一般的に符号間干渉（Intersymbol Interference；ＩＳＩ）がない。このような結果として得られたものがスペクトル有効システムである。

デジタルオーディオ放送（Digital Audio Broadcasting；ＤＡＢ）とデジタルビデオ放送（Digital Video Broadcasting；ＤＶＢ）は、両方ともＯＦＤＭをベースとするが、ＯＦＤＭは、マルチセル（multiple-cell）を含むセルラー通信システムには適用できない。

本発明の目的は、ＯＦＤＭセルラー環境においてセル間の干渉を効果的に低減できる、新しい副搬送波割当方法を提供することにある。

このような目的を達成するために、本発明による新しい副搬送波割当方法は、マルチセル環境のセルからセル間の干渉が最大である各セルを選択する段階と、前記選択されたセル間の干渉が最大である各セルに対して、相互排他的な副搬送波セットを選択する段階とから構成される。

ＯＦＤＭセルラー環境においてセル間の干渉を低減するための副搬送波割当方法は、次のような効果を有する。

セルラーＯＦＤＭシステムの順方向リンクで隣接する各セル（又は、セクタ）は、それぞれ優先的にデータを相互排他的な副搬送波にのせて送信することにより、セル間のデータ伝送副搬送波が重畳するエリアを減らして、セル間の干渉を低減できるという効果がある。

また、本発明は、セルの境界の近くに位置して高い送信電力を要求する各端末に相互排他的な副搬送波を優先的に割り当てることにより、セル間の干渉をさらに低減できるという効果がある。

以下、本発明の好ましい実施形態を説明する。

ＯＦＤＭベースのシステムにおいて、セル間の干渉を低減するための方法の一例として、周波数ホッピング（Frequency Hopping；ＦＨ）方式と、ダイナミックチャネル割当（Dynamic channel allocation；ＤＣＡ）方式がある。ＦＨ方式において、（伝送）順序は、１つのセルにおける時間によって任意に変わる。セル間の干渉を低減するために、副搬送波を変更する順序を、強いセル内の副搬送波を有するセルで重畳しないように決定する。このために、ＦＨ方式においては、ある程度の副搬送波を確保しておく（即ち、全ての利用可能な副搬送波を使用するのではない）。従って、ＦＨ方式は、マルチセルを含むセルラー通信では用いられず、シングルセル環境で用いられる。

前記ＤＣＡ方式においては、各使用者の各副搬送波に対する信号対干渉雑音比（Signal to Interference Noise Ratio；ＳＩＮＲ）の強さを１つのセルに記録し、最も高いＳＩＮＲを有する、即ち、よいチャネル環境を有する副搬送波を利用して信号を伝送して、データ伝送電力と干渉を低減することができる。しかしながら、ＤＣＡ方式においては、各端末（使用者）からのＳＩＮＲについて基地局に知らせるために、フィードバック信号を必要とする。このフィードバック過程は非常に複雑であり、干渉をさらに発生させる。

図１は、ＯＦＤＭ方式に適用された副搬送波を示す図である。図１に示すように、ＯＦＤＭにおいて複数の副搬送波は互いに直交関係にあるため、各副搬送波の周波数成分は、重畳していても互いに影響を及ぼさない。副搬送波は重畳することができるため、より多くの副搬送波を多重化することができる。また、ＯＦＤＭは、各副搬送波に直／並列に変換された符号化データを各副搬送波に割り当ててデジタル変調するため、多くの副搬送波を生成して帯域幅当たりの伝送速度を高めることができるという利点がある。

図２は、マルチセル環境を示す図で、この環境では、各セルにＯＦＤＭ伝送方式が適用され、各セル毎に同一の周波数帯域が割り当てられる。また、中央に位置した端末は、周辺の全てのセルから干渉を受ける。図２のようなマルチセル環境において、一般的に、中央のセルと接している６つのセルを第１のリングといい、第１のリングを囲んでいる１２のセルを第２のリングという。従って、中央のセルに位置する端末は、第１のリングの６つのセルと第２のリングの１２のセルから干渉を受ける。

また、第１のリングの各セルによる干渉が第２のリングの各セルによる干渉より大きい。これは、電波の強さが、セルが中央のセルから遠ざかるにつれて減少するためであるが、この電波の強さを下記数学式１により簡単に表示することができる。

ここで、Ｐ_ＴＸとＰ_ＲＸは、それぞれ送信電力と受信電力を示し、ｄは、送信器と受信器の間の距離を示す。また、ｎ値は、チャネルのモデルによって異なる値を有するが、通常、３又は４である。

前記数学式１から分かるように、他のセルからの電力は、送信器と受信器の間の距離によって変化する。もし、全てのセルの送信電力がＰ値で一定であり、ｎが４であり、セルの中心間の距離をｄであると仮定すると、第１のリングのセルからの干渉の強さは、下記数学式２のように示すことができる。

また、第２のリングのセルからの干渉の強さは、下記数学式３のように示すことができる。

前記数学式２及び数学式３から、第２のリングのセルからの干渉は、第１のリングのセルからの干渉の１／１６であることが分かる。従って、セル間の干渉の大部分は、第１のリングのセルに起因することが分かる。

また、前述の例においては、送信器と受信器の間の距離のみを考慮し、実際の移動通信環境において考慮すべきフェーディング効果、即ち、Ｌｏｇ−ｎｏｒｍａｌのようなｌｏｎｇ−ｔｅｒｍ ｆａｄｉｎｇと、ＲａｙｌｅｉｇｈやＲｉｃｉａｎのようなｓｈｏｒｔ−ｔｅｒｍ ｆａｄｉｎｇは考慮していない。ところが、実際にフェーディングを考慮するとしても、同じ結論（即ち、第１のリングの各セルにより、中央のセルに多くの干渉が発生する）になるため、この実施形態において、第２のリングの各セルによる干渉は無視できると見なされる。本発明においては、図３のように、第１のリングの各セルによる干渉のみを考慮した場合のマルチセル環境を説明する。

一方、前述した図２及び図３のセル構造は、各セルが無指向性アンテナを使用した場合である。ところが、一般的に、セル環境においては、方向性アンテナを使用する。方向性アンテナを使用する場合、各セルをセクタに区分する。例えば、方向性アンテナは、１２０°方向性アンテナと６０°方向性アンテナとを含む。図４は、それぞれ無指向性アンテナ、１２０°方向性アンテナ、及び６０°方向性アンテナで構成された相異なるセル構造を示す。図４に示すように、無指向性アンテナは１つのセクタを生成し、１２０°方向性アンテナは３つのセクタを生成し、６０°方向性アンテナは６つのセクタを生成する。

また、各セクタが互いに干渉しないと仮定すると、１つのセルにおいて各セクタは、単一周波数帯域を使用することができる。従って、より効率的な周波数の使用が可能である。例えば、３つのセクタを生成する１２０°方向性アンテナを使用する場合、周波数効率は３倍に増加し、６つのセクタを生成する６０°方向性アンテナを使用する場合、周波数効率は６倍程度まで増加する。

しかしながら、図５に示すように、他のセルの各セクタは目標セルの各セクタを干渉する（図５は、１２０°方向性アンテナにおける３つのセクタの概念を示す）。図５の矢印は、方向性アンテナの伝送方向の中心を示す。図５に示すように、目標セクタを中央のセルの右側下段のセクタと仮定して陰付きのチェックで表示し、前記目標セクタに干渉を及ぼす他の隣接セルにおける６つのセクタを陰付きの斜線で表示した。

セル間の干渉が問題となるエリアは、セルの境界の近くである。その理由は、送信電力が、前記数学式１に示すように距離に反比例するため、セルの境界の近くでは、目標セル（又は、セクタ）からの受信電力（信号の強さ）が非常に小さくなり、境界の近くでは、干渉成分がわずかに生じても信号に影響しやすくなるためである。

従って、図５に示すように、目標セルである中央のセルの右側下端のセクタの場合、目標セクタの境界に最も近い２つのセクタが、目標セクタに最大の干渉を及ぼす。図６は、このような概念、即ち、目標セクタに最大の干渉を及ぼす２つのセクタを示す。同様に、図７及び図８は、６０゜方向性アンテナを使用する場合、目標セルに及ぼす干渉を示す。

図９は、ＯＦＤＭがマルチセル環境で適用されるとき、順方向のリンクから発生するセル間の干渉を低減するために、隣接した各セルのデータを送信する副搬送波を最大限重畳しないようにする方法を示すフローチャートである。

ＯＦＤＭが移動通信環境の順方向リンクに適用された場合、副搬送波を複数の端末（使用者）に割り当て、使用者サービスを提供するために多重化する。各端末（使用者）に割り当てられた副搬送波は、各副搬送波のチャネル状態によって異なる送信電力が供給される。即ち、チャネル状態の悪い副搬送波で信号を伝送する場合は、悪いチャネル状態を補償するために、さらに高い電力で送信しなければならない。このようにすることにより、システムが要求する一定のビット誤り率（Bit Error Rate；ＢＥＲ）又はフレーム誤り率（Frame Error Rate；ＦＥＲ）を維持して、サービスが要求するＱＯＳ（Quality Of Service）を満足させることができる。

図９に示すように、ＯＦＤＭを使用するシステム、即ち、無線ネットワーク網制御装置（Radio Network Controller；ＲＮＣ）は、まず、マルチセル構造で使用されたアンテナのタイプを判別し（Ｓ１０）、目標セル及びその目標セルに最大の干渉を及ぼす各セルを選択する（Ｓ１１）。副搬送波を割り当てるための各セルが選択されると、ＲＮＣは、使用される全周波数帯域に対して異なる副搬送波を決定する（Ｓ１２）。このとき、副搬送波サブセット（部分集合）は、重畳しないように選択しなければならない。以下、副搬送波サブセットについて説明する。

まず、図３に示すような無指向性アンテナを使用する場合を説明する。この実施形態において、中央のセル（以下、目標セルと称する）とその中央のセルに干渉を及ぼす隣接した６つのセルを含めて総７つのセルが考慮される。ここで、７つのセルは、全て同一周波数帯域を使用すると仮定する。

無指向性アンテナを使用する場合、相互排他的な７つの副搬送波サブセットが選択される。図１０に前述の内容が示されている。即ち、図１０に示すように、相互排他的な７つの副搬送波サブセットが選択される。しかしながら、相互排他的な副搬送波が必ず物理的に隣接した副搬送波で構成される必要はない。例えば、図１０において、セル２及びセル３に対する副搬送波サブセットは互いに変えることができる。

７つの副搬送波サブセットが構成されると、図１０に示すように、ＲＮＣは、選択された７つのセルに、相互排他的な７つの副搬送波サブセットを順に、又は任意に割り当てる（Ｓ１３）。即ち、ＲＮＣは、全副搬送波セットのうち、相互排他的な副搬送波サブセットを各セルに割り当てる。

次に、図１１は、１２０°方向性アンテナが使用された場合の副搬送波サブセットの選択を示す。この実施形態及び図１１に示すように、ＲＮＣは、３つのセクタ間に重畳しないように、相互排他的な副搬送波サブセットを割り当てる。

図１２は、６０°方向性アンテナが使用された場合の副搬送波サブセットの選択を示す。この実施形態及び図１２に示すように、ＲＮＣは、２つのセクタ間に重畳しないように、相互排他的な副搬送波サブセットを割り当てる。

図１３は、本発明の他の実施形態によって、各セルにおける各端末に対する副搬送波割当方法を示すフローチャートである。この実施形態においては、ＲＮＣが各セル（又は、セクタ）に副搬送波サブセットを割り当てる場合、選択された各セルの基地局と通信するＲＮＣが、要求した各使用者にサービスするために、各セルで要求する副搬送波の総数を決定する（Ｓ２０）。

各端末が要求する副搬送波の総数が求められると、ＲＮＣは、各セル（又は、セクタ）に対して、副搬送波の総数が相互排他的な副搬送波サブセットの要素数を超過するかどうかをチェックする（Ｓ２１）。もし、要求される副搬送波の総数が有効な相互排他的な副搬送波サブセットの要素数を超過すると（Ｓ２１で「Ｙｅｓ」の場合）、ＲＮＣは、各セル（又は、セクタ）に対して、各端末が要求する送信電力を計算した後（Ｓ２２）、高い電力を要求する端末から優先的に相互排他的な副搬送波サブセット内で副搬送波を割り当て、残りの低い電力を要求する端末には副搬送波サブセット以外の副搬送波を割り当てる（Ｓ２３）。

また、他の実施形態として、ＲＮＣは、各セル（セクタ）に対して、各端末が要求する送信電力を計算した後、各セルに設定された閾値より高い送信電力が要求される端末から優先的に相互排他的な副搬送波サブセットを割り当てることもできる。

反面、要求される副搬送波の総数が各セル（セクタ）に割り当てられた相互排他的な副搬送波サブセットの要素数より小さいと（Ｓ２１で「Ｎｏ」の場合）、ＲＮＣは、相互排他的な副搬送波サブセット内で、全ての端末に相互排他的な副搬送波サブセットを割り当てる（Ｓ２４）。

従って、図１３に示す例において、要求される副搬送波の個数の和が相互排他的な副搬送波サブセットの要素数を超過する場合、セル間の干渉をさらに低減するために、各端末（使用者）が要求する送信電力を考慮して副搬送波を割り当てることができる。即ち、各端末の送信電力の要求値が所定の閾値を超えると、その端末には、相互排他的な副搬送波サブセット内で副搬送波が割り当てられ、閾値を超えない端末には、相互排他的な副搬送波サブセット以外の副搬送波が割り当てられる。これにより、所定の閾値を超過する高い送信電力を有する副搬送波が、各セル（セクタ）間で重畳しなくなる。即ち、高い送信電力を要求する端末間の副搬送波が重畳しないため、干渉の影響を低減することができる。

例えば、図７、図８及び図１２に示すように、１２０゜方向性アンテナが使用された場合、考慮すべきセクタは２つである（最大の干渉効果を有する２つのセクタ）。図９に示す例においては、セクタ＃１の各端末にはサブセット＃１の副搬送波が割り当てられ、セクタ＃２の各端末にはサブセット＃２の副搬送波が割り当てられる（図１２参照）。サブセット＃１及び＃２は相互排他的である。図１３に示す例においては、要求される副搬送波の総数が先に決定される。例えば、セクタ＃１に該当するサブセット＃１が１００個の副搬送波を提供できると仮定する。しかしながら、セクタ＃１で各端末が実際に要求する副搬送波が２００個の場合（図１３のＳ１３で「Ｙｅｓ」の場合）、各端末が要求する送信電力が計算される。このとき、有効な副搬送波の総数を超過した２００個の副搬送波が要求されるため、サブセット＃１内の１００個の副搬送波は、最も高い送信電力を有する端末に割り当てられ、残りの他の端末には、サブセット＃２から副搬送波が割り当てられる。同様の方法がセクタ＃２の各端末にも適用可能である。このように、セクタ＃１及び＃２から最も高い電力で伝送する各端末は（低い電力で伝送する端末よりは干渉を起こしやすい）、相互排他的で互いに干渉がより少なくなる。

本発明は、従来の一般的な目的のデジタルコンピュータや本発明の標準によってプログラムされたマイクロプロセッサを利用して便利に実現することができ、コンピュータ分野の知識を有する者に適する。訓練されたプログラマーが、本発明に記載された内容に基づいて、適したソフトウェアコーディングを予め準備することができるため、ソフトウェア技術分野の知識を有する者に適する。また、本発明は、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）を備えるか、又は従来の構成回路の適切なネットワークを相互接続することにより実現可能であるため、この分野の知識を有する者に適する。

本発明は、本発明の過程を行うために、コンピュータのプログラミングに使用される指示を含む記憶媒体であるコンピュータプログラム製品を含む。前記記憶媒体は、フロッピー（登録商標）ディスク、オプティカルディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、及び光磁気ディスク、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、光磁気カード、又は電子指示の記憶に適当なタイプの媒体を含むことができるが、これらに限定されるものではない。

本発明は、図面に示す実施形態を参考にして説明されたが、これは例示にすぎず、本技術分野における通常の知識を有する者であれば、これにより多様な変形及び均等な他の実施形態が可能である点を理解するはずである。従って、本発明の技術的保護範囲は、添付の特許請求の範囲の技術思想により定まるはずである。

一般的なＯＦＤＭに使用される副搬送波を示す図。 移動通信環境における一般的なマルチセルの構造を示す図。 無指向性アンテナが使用されたセル構造において、中心の目標セルと最大の干渉を及ぼす周辺セルを示す図。 無指向性及び指向性アンテナが使用された場合のセクタ構造を示す図。 １２０°セクタ構造において、セクタ間の干渉を示す図。 図５において、目標セクタに最大の干渉を及ぼすセクタを示す図。 ６０°セクタ構造において、セクタ間の干渉を示す図。 図７において、目標セクタに最大の干渉を及ぼすセクタを示す図。 システムで各セルに副搬送波を割り当てる例を示すフローチャート。 無指向性アンテナが使用された場合、相互排他的な副搬送波サブセットを割り当てる例を示す図。 １２０°指向性アンテナが使用された場合、相互排他的な副搬送波サブセットを割り当てる例を示す図。 ６０°指向性アンテナが使用された場合、相互排他的な副搬送波サブセットを割り当てる例を示す図。 各セルにおいて各端末のための副搬送波サブセットを割り当てる方法を示すフローチャート。

Claims (13)

1. マルチセル環境のセルから、最大のセル間の干渉を有する複数個のセルを選択することと、
   該最大の干渉を有する選択されたセルの各々に対して、相互排他的な副搬送波セットを選択することと、
   各セルに対して、選択された相互排他的な副搬送波サブセットを割り当てることと
   を含む、副搬送波割当方法であって、
   割り当てられた副搬送波セットには、各副搬送波のチャネル状態によって異なる送信電力が付与され、該相互排他的な副搬送波サブセットは、無指向性アンテナと、１２０°方向性アンテナと、６０°方向性アンテナとのうちの少なくとも１つを用いて送信され、
   該方法は、
   １つのセルで端末により要求される副搬送波の総数を求めることと、
   該求められた副搬送波の総数を、該１つのセルに割り当てられた該選択された相互排他的な副搬送波サブセット内の有効な副搬送波の総数と比較することと、
   該求められた副搬送波の総数が該有効な副搬送波の総数よりも大きい場合に、
   該１つのセル内の端末のうち異なる１つの端末に、該１つのセルに割り当てられた該選択された相互排他的な副搬送波サブセット内の有効な副搬送波の各々を割り当てることであって、高い送信電力を要求する端末に第一に割り当てられる、ことと、
   該１つのセル内の割り当てられていない残りの端末に、他のセルに割り当てられた選択された相互排他的な副搬送波サブセット内の副搬送波を割り当てることと
   をさらに含む、方法。
2. 前記最大のセル間の干渉を有するセルの個数の選択は、無線ネットワーク制御装置（ＲＮＣ）により行われる、請求項１に記載の方法。
3. どのようなタイプのアンテナが前記マルチセル環境で使用されているかを判断することをさらに含む、請求項１または２に記載の方法。
4. 前記最大のセル間の干渉を有する選択されたセルの個数は、前記使用されているアンテナのタイプが無指向性アンテナであると判断された場合、７である、請求項３に記載の方法。
5. 前記最大のセル間の干渉を有する選択されたセルの個数は、前記使用されているアンテナのタイプが１２０°方向性アンテナであると判断された場合、３である、請求項３に記載の方法。
6. 前記最大のセル間の干渉を有する選択されたセルの個数は、前記使用されているアンテナのタイプが６０°方向性アンテナであると判断された場合、２である、請求項３に記載の方法。
7. 前記有効な副搬送波を割り当てることは、
   前記要求された副搬送波の総数が前記１つのセル内の有効な副搬送波の総数よりも小さい場合、前記要求する端末の全てに該１つのセルの有効な副搬送波を割り当てることを含む、請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
8. 前記有効な副搬送波を割り当てることは、
   所定の閾値よりも大きい送信電力を要求する端末から始めて端末に相互排他的な副搬送波サブセットを割り当てることを含む、請求項１〜７のいずれか一項に記載の方法。
9. 各セルは、同一の全周波数帯域を使用する、請求項１〜８のいずれか一項に記載の方法。
10. 前記選択された相互排他的な副搬送波サブセットは、セルの境界の近くに位置する端末に割り当てられる、請求項１〜９のいずれか一項に記載の方法。
11. １つのセルで端末により要求される副搬送波の総数を求めることと、
    該求められた副搬送波の総数が前記割り当てられた相互排他的な副搬送波サブセットの個数を超えるか否かを判断することと
    をさらに含む、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の方法。
12. 前記判断するステップにより、前記求められた副搬送波の総数が前記割り当てられた相互排他的な副搬送波サブセットの個数よりも大きい判断された場合、
    各端末による各セルに対する要求送信電力を計算することと、
    最大の送信電力を要求する端末から始めて端末に相互排他的な副搬送波サブセットを割り当てることと
    をさらに含む、請求項１１に記載の方法。
13. 前記判断するステップにより、前記求められた副搬送波の総数が前記割り当てられた相互排他的な副搬送波サブセットの個数よりも大きくないと判断された場合、
    相互排他的な副搬送波サブセット内の全ての端末に相互排他的な副搬送波サブセットを割り当てることをさらに含む、請求項１１に記載の方法。

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