JP2010141940A - セルラー通信システムにおける多重周波数再使用率に基づく周波数資源を割り当てるシステム及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】多重周波数再使用率に基づく周波数資源を割り当てるシステム及び方法を提供する。
【解決手段】セルラー通信システムの送信器が周波数資源を割り当てる方法は、予め設定されている時区間を少なくとも２個以上のサブ時区間に分割するステップと、サブ時区間に相互に異なる周波数再使用率を適用することによって周波数資源を構成するステップとを具備する。
【選択図】図５

Description

本発明は、セルラー通信システムに関し、特に、直交周波数分割多元接続方式を使用するセルラー通信システムにおいて、多重周波数再使用率に基づく周波数資源を割り当てるシステム及び方法に関する。

一般的に、セルラー（cellular）通信システムにおいて、限定された周波数資源を效率的に使用するために、空間的に離隔した２つの地域で同一の周波数資源を使用することができる。ここで、図１を参照して、周波数再使用の概念について説明する。図１は、従来のセルラー通信システムにおける周波数再使用の概念を概略的に示す図である。

図１を参照すると、半径Ｒである第１のセル１００で使われた周波数資源Ｆ１は、第１のセル１００の中心からＤだけ離隔している半径Ｒである第２のセル１５０で使用されることができる。これを“周波数再使用”と呼ぶ。

一方、周波数再使用率（frequency reuse factor）Ｋは、同一の１つの周波数資源、すなわち、周波数帯域がＫ個のセル単位で再使用される場合に得られる。上記周波数再使用率が増加するほど、同一の周波数資源を使用する周波数再使用セル間の距離Ｄも増加する。また、伝播は、伝播距離に比例して減衰するので、上記周波数再使用率が増加するほど、同一の周波数資源の使用による干渉（interference）量が減少される。一方、１つのセルで使用されることができる周波数の量は、全体の周波数帯域を周波数再使用率Ｋに割ることによって得られ、上記周波数再使用率が増加するほど、システム全体の効率が低下される。

図２Ａ乃至図２Ｆを参照して、上記周波数再使用率Ｋに従う周波数資源割当て動作について説明する。図２Ａは、周波数再使用率Ｋが３である（Ｋ＝３）場合の周波数資源割当て動作を概略的に示す図である。図２Ａを参照すると、上記周波数再使用率Ｋが３である場合、全体の周波数帯域の１／３が３つのセルの各々に割り当てられる。図２Ｂは、周波数再使用率Ｋが４である場合の周波数資源割当て動作を概略的に示す図である。図２Ｂに示すように、上記周波数再使用率Ｋが４である場合、全体の周波数帯域の１／４が４つのセルの各々に割り当てられる。

図２Ｃは、周波数再使用率Ｋが７である場合の周波数資源割当て動作を概略的に示す図である。図２Ｃを参照すると、上記周波数再使用率Ｋが７である場合には、全体の周波数帯域の１／７が７つのセルの各々に割り当てられる。

図２Ｄは、周波数再使用率Ｋが３／９である（Ｋ＝３／９）場合の周波数資源割当て動作を概略的に示す図である。図２Ｄを参照すると、上記周波数再使用率Ｋが３／９である場合には、総９個のセル内で３個のセル単位で全体の周波数帯域を１／３ずつ分割して使用することによって、結果的に、上記総９個のセルの各々に周波数再使用率Ｋ＝３／９が適用される。

図２Ｅは、周波数再使用率Ｋが４／１２である（Ｋ＝４／１２）場合の周波数資源割当て動作を概略的に示す図である。図２Ｅを参照すると、上記周波数再使用率Ｋ＝４／１２である場合には、総１２個のセル内で３個のセル単位で全体の周波数帯域を１／４ずつ分割して使用することによって、結果的に、上記総１２個のセルの各々に周波数再使用率Ｋ＝４／１２が適用される。

図２Ｆは、周波数再使用率Ｋが７／２１である（Ｋ＝７／２１）である場合の周波数資源割当て動作を概略的に示す図である。図２Ｆを参照すると、上記周波数再使用率Ｋが７／２１である場合には、総２１個のセル内で３個のセル単位で全体の周波数帯域を１／７ずつ分割して使用することによって、結果的に、上記総２１個のセルの各々に周波数再使用率Ｋ＝７／２１が適用される。

一方、アナログセルラー通信システムの場合、無線音声通話回線を作るために、最小の信号対雑音比（Signal to Noise Ratio；以下、‘ＳＮＲ’と称する）が必要とされ、上記ＳＮＲを満足するためには、セル間の最小距離が定められる。従って、周波数再使用率も上記ＳＮＲに基づいて定められる。

これとは異なって、ディジタルセルラー通信システムの場合、無線線路に適用されるエラー訂正符号化率、変調方式、及び送信方式に基づいて、最小のＳＮＲが多様な値を有する。特に、符号分割多元接続（Code Division Multiple Access；以下、‘ＣＤＭＡ’と称する）通信システムは、最小のＳＮＲ、全体のシステム容量、及びネットワーク設計の容易性を考慮して、すべてのセルに周波数再使用率“１”を適用する。上記ＣＤＭＡ通信システムがすべてのセルに同一の周波数帯域を使用するので、各セルを区分するためには、符号拡散（spreading）／逆拡散（despreading）過程が使用される。このように、現在のサービスセルのデータが他のセルのデータと区分されることができるように、隣接セルの干渉成分が平均化（averaging）される。

また、直交周波数分割多元接続（Orthogonal Frequency Division Multiple Access；以下、‘ＯＦＤＭＡ’と称する）方式を使用する無線パケットセルラー通信システムでも、周波数再使用率は重要な設計要素である。上述したように、上記周波数再使用率Ｋが１である場合、システム全体の容量及びネットワークの設計が容易になる。ここで、図３を参照して、上記周波数再使用率“１”を有するセルラー通信システムにおいて、下りリンク信号のキャリア対干渉雑音比（Carrier to Interference／Noise Ratio；以下、‘ＣＩＮＲ’と称する）について説明する。

図３は、周波数再使用率“１”を使用するセルラー通信システムにおいて、ダウンリンクのＣＩＮＲを概略的に示す図である。図３に示すように、基地局に隣接したセル中心領域（cell center region）３０１は、下りリンク信号の強度、すなわち、ＣＩＮＲが隣接セルからの同一の周波数帯域を有する干渉信号の強度にほとんど影響を受けず、比較的大きいＣＩＮＲを示す。しかしながら、基地局と離隔しているセル境界領域（cell boundary region）３０３は、隣接セルからの同一の周波数帯域を有する干渉信号による影響が非常に大きいので、比較的小さいＣＩＮＲを示す。

端末（Subscriber station；ＳＳ）がセル境界領域３０３に存在する場合、上記セルラー通信システムが非常に低いエラー訂正符号化率及び変調方式を提供すると、上記ＳＳが基地局（Base station；ＢＳ）から正常にデータパケットを受信することができるとしても、セル境界領域３０３内のＳＳの周波数効率性は、低下される。

このような問題点を解決するために、周波数再使用率ＫがＫ>１に設定される。このように、周波数再使用率ＫがＫ>１に設定される場合にも、信号は、伝播距離に比例して減衰し、結果的に、セル境界領域３０３へ行くほど、ダウンリンクのＣＩＮＲは減少される。しかしながら、隣接セルの同一の周波数帯域で発生する干渉成分が非常に小さいので、上記周波数再使用率が１と同一である場合のダウンリンクのＣＩＮＲに比べて、周波数再使用率ＫがＫ>１に設定される場合のダウンリンクのＣＩＮＲが相対的に大きい。これについては、図４を参照して説明する。

図４は、一般的なセルラー通信システムにおいて、周波数再使用率が１である（Ｋ＝１）場合及び周波数再使用率が１を超過する（Ｋ>１）場合の基地局との離隔距離に従うＣＩＮＲの関係を示すグラフである。図４に示すように、周波数再使用率が増加するに従って、セル境界領域での周波数効率性を高めることができる。しかしながら、各セルが全体の周波数帯域の１／Ｋを使用するので、システム全体の容量は、周波数再使用率‘１’を使用するシステムのそれに比べて減少される。

特表２００３−５００９５１号公報 特開２００３−０１８０９１号公報 特開平５−２９２０１０号公報 特開平１０−１０８２５０号公報 特開２００１−２３８２５２号公報 特開２００２−３２０２５７号公報

上記背景に鑑みて、本発明の目的は、ＯＦＤＭＡセルラー通信システムにおいて、多重周波数再使用率に基づく周波数資源を割り当てるシステム及び方法を提供することにある。

本発明の他の目的は、ＯＦＤＭＡセルラー通信システムにおいて、端末のチャンネル状態に対応する多重周波数再使用率を適用して、システム容量を増加させ、システムの信頼性を高めることができる周波数資源を割り当てるシステム及び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、本発明の第１の見地によると、セルラー通信システムの送信器が周波数資源を割り当てる方法は、予め設定されている時区間を少なくとも２個以上のサブ時区間に分割するステップと、上記サブ時区間に相互に異なる周波数再使用率を適用することによって上記周波数資源を構成するステップとを具備することを特徴とする。

本発明の第２の見地によると、セルラー通信システムの送信器が周波数資源を割り当てる方法は、上記セルラー通信システムの全体の副搬送波を少なくとも２個以上のグループに分割するステップと、上記グループの各々を上記セルラー通信システムに適用された周波数再使用率の個数に対応して、少なくとも２個以上のサブグループに分割するステップと、上記サブグループを上記周波数再使用率に対応するサブグループセットに分割するステップと、上記サブグループセットのサブグループの各々から予め設定されている個数の副搬送波を選択して、上記周波数資源を構成するステップとを具備することを特徴とする。

本発明の第３の見地によると、セルラー通信システムにおける周波数資源を割り当てるシステムは、予め設定されている時区間を少なくとも２個以上のサブ時区間に分割し、上記サブ時区間に相互に異なる周波数再使用率を適用して周波数資源を構成する送信器を具備することを特徴とする。

本発明の第４の見地によると、セルラー通信システムにおいて、周波数資源を割り当てるシステムは、上記セルラー通信システムの全体の副搬送波を少なくとも２個以上のグループに分割し、上記グループの各々を上記セルラー通信システムに適用された周波数再使用率の個数に対応して、少なくとも２個以上のサブグループに分割し、上記サブグループを上記周波数再使用率の各々に対応してサブグループセットに分割し、上記サブグループセットの各サブグループから予め設定されている個数の副搬送波を選択することによって、上記周波数資源を構成する送信器を具備することを特徴とする。

本発明の第５の見地によると、１つの周波数帯域をＫ個のセル／セクターごとに反復して使用されるものと定義される周波数再使用率Ｋに対して、上記セル／セクターを提供する基地局の各々において、時間領域上の予め定められた時区間内で周波数を再使用する方法は、上記あらかじめ設定された時区間の一部である第１の時区間で周波数再使用率１を使用するステップと、上記あらかじめ設定された時区間の残りの部分である第２の時区間で周波数再使用率Ｋを使用するステップとを具備することを特徴とする。

本発明によると、ＯＦＤＭＡセルラー通信システムにおいて、多重周波数再使用率に基づいて周波数資源を割り当てることによって、セル境界領域でのＣＩＮＲが低下する現象を防止してシステム性能を向上させることができる。また、本発明によると、端末のチャンネル状態に従って、多重周波数再使用率を適用することによって、システム容量を増大させることができ、サービスの信頼性を向上させることができる、という長所を有する。

従来のセルラー通信システムにおける周波数再使用の概念を概略的に示す図である。 周波数再使用率Ｋが３である場合の周波数資源割当て動作を概略的に示す図である。 周波数再使用率Ｋが４である場合の周波数資源割当て動作を概略的に示す図である。 周波数再使用率Ｋが７である場合の周波数資源割当て動作を概略的に示す図である。 周波数再使用率Ｋが３／９である場合の周波数資源割当て動作を概略的に示す図である。 周波数再使用率Ｋが４／１２である場合の周波数資源割当て動作を概略的に示す図である。 周波数再使用率Ｋが７／２１である場合の周波数資源割当て動作を概略的に示すである。 周波数再使用率１を使用するセルラー通信システムにおけるダウンリンクのＣＩＮＲの関係を概略的に示す図である。 一般的なセルラー通信システムにおいて、周波数再使用率が１である場合（Ｋ＝１）及び周波数再使用率が１を超過する（Ｋ>１）場合の基地局との離隔距離に従うＣＩＮＲの関係を示すグラフである。 本発明の実施形態によるＯＦＤＭＡセルラー通信システムにおける多重周波数再使用率に基づく周波数資源割当て動作を概略的に示す図である。 本発明の実施形態によるＯＦＤＭＡセルラー通信システムにおける多重周波数再使用率に基づくサブチャンネルを生成する手順を概略的に示す図である。 本発明の実施形態によるＯＦＤＭＡセルラー通信システムにおける周波数再使用率１を適用する場合のサブチャンネルを生成する手順を概略的に示す図である。 本発明の実施形態によるＯＦＤＭＡセルラー通信システムを構成するセルに割り当てられる図７Ａに示すようなサブチャンネルの集合を概略的に示す図である。 本発明の実施形態によるＯＦＤＭＡセルラー通信システムにおける周波数再使用率Ｋを適用する場合のサブチャンネルを生成する手順を概略的に示す図である。 本発明の実施形態によるＯＦＤＭＡセルラー通信システムのセルを構成するセクターに割り当てられる図８Ａに示すようなサブチャンネルのグループを概略的に示す図である。 本発明の第１の実施形態によるＯＦＤＭＡセルラー通信システムにおける多重周波数再使用率に基づく周波数資源割当て動作を概略的に示す図である。 本発明の第２の実施形態によるＯＦＤＭＡセルラー通信システムにおける多重周波数再使用率に基づく周波数資源割当て動作を概略的に示す図である。 本発明の第２の実施形態によるＯＦＤＭＡセルラー通信システムにおける端末のチャンネル状態に従って周波数再使用率に基づく周波数資源を割り当てる手順を示すフローチャートである。

以下、本発明の好適な一実施形態を添付図面を参照しつつ詳細に説明する。下記の説明において、本発明の要旨のみを明瞭にする目的で、関連した公知の機能又は構成に関する具体的な説明は省略する。

図５は、本発明の実施形態による直交周波数分割多元接続（Orthogonal Frequency Division Multiple Access；以下、‘ＯＦＤＭＡ’と称する）方式を使用するセルラー通信システム（以下、‘ＯＦＤＭＡセルラー通信システム’と称する）において、多重周波数再使用率（frequency reuse factor）に基づく周波数資源割当て動作を概略的に示す図である。

図５に示すように、端末（ＳＳ）が基地局（ＢＳ）に隣接したセル中心領域（cell center region）５０１に位置する場合には、キャリア対干渉雑音比（Carrier to Interference and Noise Ratio；以下、‘ＣＩＮＲ’と称する）が比較的高いので、端末に対する周波数再使用率（Ｋ）は、１となる。これとは反対に、端末が基地局に離隔したセル境界領域（cell boundary region）５０３に位置する場合には、端末に対する周波数再使用率が１より大きく（Ｋ>１）、これによって、ＣＩＮＲの減少を防止する。もちろん、端末がセル境界領域５０３からセル中心領域５０１へ移動する場合には、大きい、すなわち、１の周波数再使用率で小さい、すなわち、１を超過する周波数再使用率を有する周波数資源を割り当てるようになる。

一方、上記ＯＦＤＭＡセルラー通信システムにおいて、周波数資源割当ては、サブチャンネル単位で行われ、上記サブチャンネルは、少なくとも１個以上の副搬送波を含む。ここで、図６を参照して、本発明の実施形態によるＯＦＤＭＡセルラー通信システムにおいて、多重周波数再使用率に基づくサブチャンネルを生成する方法について説明する。

図６は、本発明の実施形態によるＯＦＤＭＡセルラー通信システムにおける多重周波数再使用率に基づくサブチャンネルを生成する手順を概略的に示す図である。
図６を参照すると、上記ＯＦＤＭＡセルラー通信システムがＮ個の副搬送波を使用する場合には、上記Ｎ個の副搬送波をＧ個のグループに分類する。ここで、上記Ｇ個のグループの各々は、Ｓ個の副搬送波から構成され、従って、Ｎ＝ＳｘＧの関係を有する。

上記Ｇ個のグループの各々から任意の１個の副搬送波を選択して第１のサブチャンネルを生成する。そして、上記第１のサブチャンネルに割り当てられた副搬送波を除いた、上記Ｇ個のグループの各々から任意の１個の副搬送波を選択することによって第２のサブチャンネルを生成する。上記Ｇ個のグループに存在するすべての副搬送波がサブチャンネルに割り当てられるまで、上述したような手順が反復されると、結果的に、Ｓ個のサブチャンネルから構成されたサブチャンネルの集合を生成することができる。

上記サブチャンネルを生成する副搬送波を選択する副搬送波選択方式を相互に異なって設定する場合、相互に異なる副搬送波を有する総Ｓ個のサブチャンネルから構成された新たな集合を生成することもできる。上記相互に異なる副搬送波から生成された、Ｓ個の新たなサブチャンネルから構成されたサブチャンネルの集合の個数は、総（Ｓ！）^Ｇ個である。ここで、上記サブチャンネルを構成する副搬送波の組合せを“副搬送波組合せ”と称する。

以下、説明の便宜上、上記Ｓ個のサブチャンネルから構成された総（Ｓ！）^Ｇ個のサブチャンネルの集合のうち、任意のｎ番目のサブチャンネルの集合をＡ_ｎと定義し、上記サブチャンネルの集合Ａ_ｎを構成している任意のｍ番目のサブチャンネルを

と定義する。ここで、ｎ＝［０，（Ｓ！）^Ｇ］であり、ｍ＝［０，Ｓ−１］の関係を有する。上記サブチャンネルの集合Ａ_ｎを構成しているＳ個のサブチャンネル

の各々は、相互に直交する。そこで、上記Ｓ個のサブチャンネルの各々を構成している副搬送波は、相互に衝突しない。

また、相互に異なるサブチャンネルの集合の各々を構成しているサブチャンネルの各々

は、相互に直交せず、すなわち、上記サブチャンネルの各々を構成している副搬送波は、相互に衝突する。また、Ｓ個のサブチャンネルを構成する（Ｓ！）^Ｇ個の集合のうち、Ｃ個のサブチャンネルの集合Ａ_ｎを選択する。このとき、選択された上記Ｃ個のサブチャンネルの集合Ａ_ｎから任意のサブチャンネルを１個ずつ選択する場合、衝突特性を有する副搬送波の数が均一になることができる。従って、２個のサブチャンネルの集合間の衝突特性を有する副搬送波の総個数は、選択された上記サブチャンネルの個数に比例する。結果的に、Ｓ個のサブチャンネルを構成する総（Ｓ！）^Ｇ個のサブチャンネルの集合から上記副搬送波を選択してサブチャンネルの集合を生成する。副搬送波の組合せが相互に異なり、衝突特性が均一なＣ個のサブチャンネルの集合を生成する方式は、多様に存在することができる。

以下、上記ＯＦＤＭＡセルラー通信システムにおいて、周波数再使用率１を有するサブチャンネルを運用する方式について説明する。
まず、周波数再使用率が１を適用する場合、上記ＯＦＤＭＡセルラー通信システムの任意の１つのセルでのすべての副搬送波、すなわち、すべてのサブチャンネルは、隣接セルで使用されることができる。

ここで、セルの各々が同一の副搬送波の組合せを有するサブチャンネルの集合を使用する場合、すなわち、セルの各々が同一のサブチャンネルの集合Ａ_ｎを使用する場合、上記サブチャンネルの集合のサブチャンネルの各々は、干渉成分が存在するか、或いは、存在しないチャンネル状況に遭う。従って、このようなチャンネル状況は、現在測定されたチャンネル情報が次の時区間に適用される場合、チャンネル特性を予測することができない。

以下、図７Ａ及び図７Ｂを参照して、周波数再使用率１を適用する場合のサブチャンネルを生成する方法について説明する。
図７Ａは、本発明の実施形態によるＯＦＤＭＡセルラー通信システムにおける周波数再使用率１を適用する場合のサブチャンネルを生成する手順を概略的に示す図である。
図７Ａを参照すると、まず、上記ＯＦＤＭＡセルラー通信システムがＮ個の副搬送波を使用する場合、相互に異なる副搬送波選択方式を適用して、上記Ｎ個の副搬送波からＣ個のサブチャンネルの集合Ａ_ｎを生成することができる。図７Ｂは、図７Ａに対応する副搬送波の集合を上記ＯＦＤＭＡセルラー通信システムを構成するセルに割り当てる動作を概略的に示す図である。

図７Ｂを参照すると、Ｃ個のサブチャンネルの集合Ａ_ｎを上記ＯＦＤＭＡセルラー通信システムを構成するセルの各々に割り当てる。ここで、上記Ｃ個のサブチャンネルの集合Ａ_ｎを構成するサブチャンネルの各々は、同一のサブチャンネルの集合内での他のサブチャンネルと直交性を有し、相互に異なるサブチャンネルの集合を構成するサブチャンネルと均一な衝突特性を有する。従って、Ｃ個のサブチャンネルの集合Ａ_ｎを各セルに割り当てる場合、隣接セルからの干渉成分は、上記副搬送波の均一な衝突特性によって平均化される。すなわち、隣接セルで使用される資源量が変化されないと、あらかじめ設定された時間単位別に測定されたチャンネル状態情報の有効性が維持されることができる。このような方式にて、上記ＯＦＤＭＡセルラー通信システムは、周波数再使用率１に基づくサブチャンネルを効率的に運用することができる。

しかしながら、この場合、隣接セル間の干渉成分の量が平均化されることができるとしても、ＣＩＮＲ自体は、すべての隣接セルからの干渉成分のために減少されることができる。特に、上記ＣＩＮＲは、セル境界領域で著しく減少される。

一方、非常に低いエラー訂正符号化率及び非常に低い変調次数を有する変調方式は、無線セルラー通信システムのサービス領域を確保するために、セル境界領域に位置した端末に適用されることができる。しかしながら、非常に低いエラー訂正符号化率及び非常に低い変調次数を有する変調方式は、帯域幅の効率性を低下させ、これによって、セル境界領域に位置した端末に支援される送信率を非常に低下させる。

次いで、表１を参照して、周波数再使用率１に基づくＯＦＤＭＡセルラー通信システムにおいて、セル半径別端末の平均送信率及びセル半径別平均送信率について説明する。また、表１に示す値は、そのチャンネル環境がロングターム（long-term）フェージング及びショートターム（short-term）フェージング（fading）をすべて考慮したラウンドロビン（round robin）スケジューリング方式を使用する場合のシミュレーションテストを通じて得られた値である。すなわち、セル／セクターがあらかじめ定められた領域を有し、相互に重ならない複数の同心円に分割された後、各同心円に割り当てられた各端末の平均送信率を求める。すると、上記各端末の平均送信率は、半径別（同心円別）平均送信率を求める。表１において、セル半径は、最大のセル半径にノーマライズされる。

従って、半径別平均送信率は、セル領域の面積に対して、各端末の送信率の関数で定義されることができる。表１に示す端末の平均送信率は、各同心円に割り当てられた各端末の送信率の平均値であり、セル又はセクターの境界領域へ行くほど、端末の平均送信率は低下される。このために、同心円の面積がもっとも大きい場合の平均送信率がセル／セクターの中心領域の付近での平均送信率より低くなる。これは、周波数再使用率１を使用するＯＦＤＭＡセルラー通信システムの隣接セル／セクターの干渉成分による結果である。

上述したように、上記ＯＦＤＭＡセルラー通信システムは、隣接セル／セクターからの干渉成分を考慮して、周波数再使用率Ｋを使用する。すなわち、隣接セル／セクターで、相互に干渉を与えることができる周波数資源の使用を制限するものである。例えば、周波数再使用率Ｋを有するＯＦＤＭＡセルラー通信システムは、相互に異なる周波数帯域をＫ個使用するか、又は、１つの帯域に含まれた副搬送波をＫ個の副搬送波グループに論理的に分割する。

特に、本発明の実施形態では、１個の周波数帯域に含まれた副搬送波をＫ個の副搬送波グループに分割し、上記Ｋ個の副搬送波グループに基づいて周波数再使用率Ｋを運用する。

以下、図８Ａ及び図８Ｂを参照して、本発明の実施形態によるＯＦＤＭＡセルラー通信システムにおいて、周波数再使用率Ｋを適用する場合のサブチャンネルを生成する手順について説明する。

図８Ａは、本発明の実施形態によるＯＦＤＭＡセルラー通信システムにおいて、周波数再使用率Ｋを適用する場合のサブチャンネルを生成する手順を概略的に示す図である。図８Ａを参照すると、１個の周波数帯域を構成する副搬送波をＫ個の副搬送波グループに分割し、上記Ｋ個の副搬送波グループに基づいて周波数再使用率Ｋを運用する。図８Ａにおいて、周波数再使用率Ｋは、３である（Ｋ＝３）。

まず、任意のサブチャンネルの集合Ａｎを構成するＳ個のサブチャンネルを、相互に排他的な３個のサブチャンネルグループに分類する。ここで、上記３個のサブチャンネルグループの各々を

と定義する。図８Ｂは、図８Ａに示すようなサブチャンネルグループをＯＦＤＭＡセルラー通信システムのセルを構成するセクターに割り当てる方法を概略的に示す。

図８Ｂを参照すると、上記周波数再使用率３を適用した状態で、上記３個のサブチャンネルグループ

を上記セルのセクターの各々に割り当てる。理想的な（ideal）場合、セル／セクター間の干渉成分がほとんど発生せず、これによって、上記セル又はセクターの境界領域に位置するＳＳの平均送信率は、増加される。しかしながら、各セル又はセクターに割り当てられた資源量が１／３に減少され、その結果、セル又はセクターの全体の容量は、減少される。

以下、表２を参照して、周波数再使用率１及び周波数再使用率３に基づくＯＦＤＭＡ通信システムにおいて、セル半径に対するセクターの平均送信率について説明する。表２に示す値は、そのチャンネル環境がロングターム（long-term）フェージング及びショートターム（short-term）フェージング（fading）をすべて考慮したラウンドロビン（round robin）スケジューリング方式を使用する場合のシミュレーションテストを通じて得られた値である。Round robinスケジューリング方式を使用し、チャンネル環境が、long-term及びshort-termフェージングである場合をすべて考慮した値である。表２において、セル半径は、最大のセル半径にノーマライズされる。

表２から分かるように、周波数再使用率３を使用するＯＦＤＭＡセルラー通信システムは、周波数再使用率１を使用するＯＦＤＭＡセルラー通信システムに比べて、セル又はセクターの境界領域では、優秀な送信率を提供する一方、基地局に隣接したセル中心領域では、劣化した送信率を提供する。これは、基地局に隣接したセル中心領域では、ロングターム（long-term）フェージングによって、隣接セル又はセクターの干渉の影響が小さくなるからである。また、周波数再使用率３を使用するＯＦＤＭＡセルラー通信システムが周波数資源の１／３を使用することができるので、システム容量も減少される。

以下、本発明の実施形態によるＯＦＤＭＡ通信システムの帯域幅の効率性及びシステムの容量を向上させるために、周波数再使用率１及びＫを同時に使用する方法について説明する。図５を参照して説明したように、基地局に隣接したセル中心領域に位置した端末は、隣接セル／セクターからの干渉影響を相対的に小さく受けるので、周波数再使用率１に基づいて動作することができ、セル境界領域に位置した端末は、隣接セル／セクターからの干渉影響を減少させるために、周波数再使用率Ｋ（Ｋ>１）で動作することができる。すなわち、上記ＯＦＤＭＡセルラー通信システムが周波数再使用率１及びＫを同時に使用することによって、周波数再使用率１のセル／セクター境界領域での干渉影響及び周波数再使用率Ｋのセル／セクター境界領域での容量減少の現象を同時に克服することができる。

一方、上記ＯＦＤＭＡセルラー通信システムが周波数再使用率１及び周波数再使用率Ｋを物理的な区別なしに使用すると、周波数再使用率Ｋの適用を受ける端末の場合、隣接セル／セクターの周波数再使用率１の適用を受ける端末からの干渉成分が非常に大きくなってＣＩＮＲが減少し、性能の急激な劣化が発生する。従って、複数の周波数再使用率、すなわち、多重周波数再使用率を適用する場合に発生する問題点を解決するためには、各周波数再使用率が適用される周波数資源間の直交性を確保しなければならない。すなわち、上記ＯＦＤＭＡセルラー通信システムの使用可能な資源である時間資源及び周波数資源を考慮して、時間領域（time domain）又は周波数領域（frequency domain）から各周波数再使用率の使用を分離する。

以下、本発明の第１の実施形態及び第２の実施形態による多重周波数再使用率に基づく周波数資源を割り当てる方法について説明する。本発明の第１の実施形態によると、時間領域で周波数再使用率間の直交性を提供して周波数資源を割り当て、本発明の第２の実施形態によると、周波数領域で周波数再使用率間の直交性を提供する。

まず、図９を参照して、本発明の第１の実施形態によるＯＦＤＭＡセルラー通信システムにおいて、多重周波数再使用率に基づく周波数資源を割り当てる方法について説明する。
図９は、本発明の第１の実施形態によるＯＦＤＭＡセルラー通信システムにおける多重周波数再使用率に基づく周波数資源割当て動作を概略的に示す図である。

図９に示すように、本発明の周波数資源割当て方式によると、予め定められた時間領域、例えば、１個のフレーム９００は、時間領域で、周波数再使用率１を使用するフィールド９０３と周波数再使用率Ｋを使用するフィールド９０５とに分割される。上記周波数再使用率１であるフィールド９０３で、すべてのセル／セクターが周波数再使用率１で運用されることができるように、上記ＯＦＤＭＡセルラー通信システムのすべてのセル／セクターは、相互に異なるサブチャンネルの集合を使用する。上記周波数再使用率がＫであるフィールド９０５で、各セル／セクターが周波数再使用率Ｋで運用されることができるように、各セル／セクターは、同一のサブチャンネルの集合を使用する。特に、サブチャンネルの集合をＫ個の排他的グループから生成して、そのうちの１つのみを使用することができる。

以下、図１０を参照して、本発明の第２の実施形態によるＯＦＤＭＡセルラー通信システムにおいて、多重周波数再使用率に基づく周波数資源を割り当てる手順について説明する。
図１０は、本発明の第２の実施形態によるＯＦＤＭＡセルラー通信システムにおける多重周波数再使用率に基づく周波数資源を割り当てる手順を概略的に示す図である。

図１０を参照すると、上記ＯＦＤＭＡセルラー通信システムがＮ個の副搬送波を使用すると、上記Ｎ個の副搬送波は、Ｇ個のグループに分割される。ここで、上記Ｇ個のグループの各々は、Ｓ個の副搬送波から構成され、従って、Ｎ＝ＳｘＧの関係を有する。
また、上記Ｇ個のグループの各々は、２個のサブグループに分割され、上記２個のサブグループの各々は、Ｓ_１個の副搬送波及びＳ_Ｋ個の副搬送波を含む。

まず、上記Ｇ個のサブグループの各々から任意の１つの副搬送波を選択して第１のサブチャンネルを生成する。そして、上記第１のサブチャンネルに割り当てられた副搬送波を除いた、Ｇ個のサブグループの各々から任意の１つの副搬送波を選択して第２のサブチャンネルを生成する。上記Ｇ個のサブグループに存在するすべての副搬送波がサブチャンネルに割り当てられるまで、上述したようなサブチャンネルの生成動作を反復する。結果的に、総Ｓ_１個のサブチャンネルから構成されたサブチャンネルの集合を生成することができる。また、上述したように、上記サブチャンネルを選択する方式を相互に異ならせて、上記副搬送波とは異なる副搬送波を有するＣ個のサブチャンネルの新たな集合Ａ_ｎを生成することもできる。従って、上記新たな集合Ａ_ｎを構成するサブチャンネルの各々は、他のサブチャンネルの集合のサブチャンネルに対して均一な衝突特性を示しつつ、同一のサブチャンネルの集合内での他のサブチャンネルと直交性を有する。上記サブチャンネルの集合Ａ_ｎを各セル／セクターに割り当てることによって、上記セル／セクターは、周波数再使用率１で運用されることができる。

次いで、上記Ｓ_Ｋ個の副搬送波を含むＧ個のサブグループの各々から任意の１個の副搬送波を選択することによって、第１のサブチャンネルを生成する。そして、上記第１のサブチャンネルに割り当てられた副搬送波を除いた、上記Ｇ個のサブグループの各々から任意の１個の副搬送波を選択して第２のサブチャンネルを生成する。上記Ｇ個のサブグループを構成するすべての副搬送波がサブチャンネルに割り当てられるまで、上述したようなサブチャンネルの生成動作を反復する。結果的に、総Ｓ_Ｋ個のサブチャンネルから構成されたサブチャンネルの集合を生成することができる。上記サブチャンネルがＫ個の排他的サブチャンネルグループに分割された後、上記Ｋ個のセル／セクターの各々に割り当てられ、その結果、上記セル／セクターは、上記周波数再使用率Ｋで運用されることができる。特に、上記周波数再使用率１を使用するサブチャンネル及び周波数再使用率Ｋを使用するサブチャンネルが相互に異なる副搬送波を含むので、上記周波数再使用率１及び周波数再使用率Ｋを同時に運用する場合でも、相互の干渉を防止することができる。

表３は、本発明の第１の実施形態及び第２の実施形態による多重周波数再使用率に基づく周波数資源割当て方式を遂行するＯＦＤＭＡセルラー通信システムのシミュレーションテスト結果を示す。

上記シミュレーションテストは、各セクターに理想的なアンテナモデル及び実際のアンテナモデルを適用しつつ、中央セルのセクターに対する平均単位送信率をセクター及びセルに適用することによって、３個のセクター及び１９個のセルに対して遂行される。また、上記シミュレーションテスト結果は、３．８の経路減衰指数の条件下で得られる。上記シミュレーションテストは、シャドーイングが示される場合、８ｄＢのシャドーイング標準偏差を適用しつつ、フェージングを考慮して単一の経路モデルをもって遂行される。

上記周波数再使用率３が適用される場合、３個のセクター間の干渉が最小となるように時間資源及び周波数資源が支援される。また、周波数再使用率１及び周波数再使用率３は、ＯＦＤＭＡセルラー通信システムに同一の比率で割り当てられる。すなわち、時間領域では、周波数再使用率１である区間の長さと周波数再使用率３である区間の長さとを同一にし、周波数領域では、Ｓ_１＝Ｓ_Ｋの関係を有するように設定して、上記シミュレーションテストを遂行したものである。

表３に示すように、周波数再使用率１及び周波数再使用率３が本発明の第１の実施形態及び第２の実施形態によるＯＦＤＭＡセルラー通信システムに適用される場合、周波数再使用率１のみを適用するＯＦＤＭＡセルラー通信システムのシステム性能に比べて、セクター当たりの平均単位送信率（Ｂｉｔｓ／Ｈｚ／Ｓｅｃ）の観点で、約１０％以上のシステム性能を向上させることができる。

上述したように、相互に異なる再使用率を有する周波数資源は、実際のユーザーパケット（user packet）を送信する場合に割り当てられる。すなわち、あらかじめ定められた周波数再使用率を有する周波数資源（ＯＦＤＭシンボル又はサブチャンネル）は、受信器のチャンネル状態に基づいてユーザーパケットの送信のために割り当てられる。ここで、上記受信器のチャンネル状態は、受信器での干渉量、または、干渉に該当する測定値を含む。本発明では、上記ＣＩＮＲを一例にする。特に、周波数再使用率が１である場合に周波数資源に対する干渉量がもっとも大きいので、これに対するＣＩＮＲを用いて周波数資源を割り当てることができる。上記受信器のチャンネル状態に従う周波数資源の割当ては、周波数再使用率１である周波数資源がもっとも大きいＣＩＮＲを有する受信器に送信されるユーザパケットに対して割り当てられるように行われる。もっとも大きい周波数再使用率を有する周波数資源は、最小のＣＩＮＲを有する受信器へ送信されるユーザパケットに最終的に割り当てられる。

図１１は、本発明の第２の実施形態によるＯＦＤＭＡセルラー通信システムにおいて、端末のチャンネル状態に対応して周波数再使用率別に区別された周波数資源を割り当てる手順を示すフローチャートである。

図１１を参照すると、各端末から基地局へチャンネル状態情報をフィードバックし（ステップＳ１１０１）、上記基地局は、上記端末のチャンネル状態情報に従って、相互に異なる周波数再使用率を有する周波数資源を割り当てる（ステップＳ１１０２）。そして、上記基地局は、ステップＳ１１０２で、データ送信のために、上記端末に割り当てられた相互に異なる周波数再使用率を有する周波数資源に従って該当端末を分類し（ステップＳ１１０３）、分類された上記端末を予め設定されているスケジューリングアルゴリズムに従ってスケジューリングして、その該当データを送信する（ステップＳ１１０４）。

以上、本発明の詳細について具体的な実施形態に基づき説明してきたが、本発明の範囲を逸脱しない限り、各種の変形が可能なのは明らかである。従って、本発明の範囲は、上記実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載及び該記載と同等なものにより定められるべきである。

５０１ セル中心領域
５０３ セル境界領域
９００ １個の時間領域のフレーム
９０３ 周波数再使用率１を使用するフィールド
９０５ 周波数再使用率Ｋを使用するフィールド

Claims (13)

1. セルラー通信システムの送信器が周波数資源を割り当てる方法であって、
   前記送信器によって、時間領域で送信フレームを少なくとも２個以上のサブ時区間に分割するステップと、
   前記送信器によって、前記サブ時区間に相互に異なる周波数再使用率をそれぞれ適用することによって前記周波数資源を構成するステップと、
   受信器からフィードバックされたチャンネル状態情報に対応した周波数再使用率を有する少なくとも一部の前記周波数資源を前記受信器に割り当てるステップと
   を具備し、
   前記相互に異なる周波数再使用率を有する前記周波数資源は相互に直交することを特徴とする方法。
2. 前記受信器が劣化したチャンネル状態情報を有する場合には、前記受信器のための前記周波数再使用率が良好なチャンネル状態情報を有する受信器のための周波数再使用率よりも大きいことを特徴とする請求項１記載の方法。
3. セルラー通信システムの送信器が周波数資源を割り当てる方法であって、
   前記セルラー通信システムの全体の副搬送波を少なくとも２個以上のグループに分割するステップと、
   前記グループの各々を前記セルラー通信システムに適用された複数の周波数再使用率に対応して、少なくとも２個以上のサブグループに分割するステップと、
   前記サブグループを前記周波数再使用率に対応するサブグループセットに分割するステップと、
   前記サブグループセットのサブグループの各々から予め設定されている個数の副搬送波を選択して、周波数領域で相互に異なる周波数再使用率を有する前記周波数資源を構成するステップと、
   受信器からフィードバックされたチャンネル状態情報に対応した周波数再使用率を有する少なくとも一部の前記周波数資源を前記受信器に割り当てるステップと
   を具備し、
   前記相互に異なる周波数再使用率を有する前記周波数資源は相互に直交することを特徴とする方法。
4. 前記受信器が劣化したチャンネル状態情報を有する場合には、前記受信器のための前記周波数再使用率が良好なチャンネル状態情報を有する受信器のための周波数再使用率よりも大きいことを特徴とする請求項３記載の方法。
5. 前記周波数資源のそれぞれは、前記相互に異なる周波数再使用率のうちの１つに従うことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の方法。
6. 前記受信器は、前記選択された周波数再使用率に従う前記周波数資源のうちの一部を使用することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の方法。
7. セルラー通信システムにおける周波数資源を割り当てるシステムであって、
   時間領域で送信フレームを少なくとも２個以上のサブ時区間に分割し、前記サブ時区間に相互に異なる周波数再使用率をそれぞれ適用して周波数資源を構成する送信器と、
   前記送信器にチャンネル状態をフィードバックする複数の受信器と
   を具備し、
   前記送信器は、前記受信器のそれぞれからフィードバックされたチャンネル状態情報に対応した周波数再使用率を有する少なくとも一部の前記周波数資源を前記受信器のそれぞれに割り当て、
   前記相互に異なる周波数再使用率を有する前記周波数資源は相互に直交することを特徴とするシステム。
8. 前記周波数再使用率の中で、劣化したチャンネル状態情報を有する第１受信器のための第１周波数再使用率が良好なチャンネル状態情報を有する第２受信器のための第２周波数再使用率よりも大きいことを特徴とする請求項７記載のシステム。
9. セルラー通信システムにおいて、周波数資源を割り当てるシステムであって、
   前記セルラー通信システムの全体の副搬送波を少なくとも２個以上のグループに分割し、前記グループの各々を前記セルラー通信システムに適用された複数の周波数再使用率に対応して、少なくとも２個以上のサブグループに分割し、前記サブグループを前記周波数再使用率の各々に対応してサブグループセットに分割し、前記サブグループセットの各サブグループから予め設定されている個数の副搬送波を選択することによって、周波数領域で相互に異なる周波数再使用率を有する前記周波数資源を構成する送信器と、
   前記送信器にチャンネル状態をフィードバックする複数の受信器と
   を具備し、
   前記送信器は、前記受信器のそれぞれからフィードバックされたチャンネル状態情報に対応した周波数再使用率を有する少なくとも一部の前記周波数資源を前記受信器のそれぞれに割り当て、
   前記相互に異なる周波数再使用率を有する前記周波数資源は相互に直交することを特徴とするシステム。
10. 前記周波数再使用率の中で、劣化したチャンネル状態情報を有する第１受信器のための第１周波数再使用率が良好なチャンネル状態情報を有する第２受信器のための第２周波数再使用率よりも大きいことを特徴とする請求項９記載のシステム。
11. 前記周波数資源のそれぞれは、前記相互に異なる周波数再使用率のうちの１つに従うことを特徴とする請求項７乃至１０のいずれか１項に記載の方法。
12. 前記受信器は、前記選択された周波数再使用率に従う前記周波数資源のうちの一部を使用することを特徴とする請求項７乃至１０のいずれか１項に記載の方法。
13. セル／セクターを提供する基地局の各々において、時間領域上の予め定められた時区間内で周波数を再使用する方法であって、
    前記あらかじめ設定された時区間の一部である第１の時区間で周波数再使用率１を使用するステップと、
    前記あらかじめ設定された時区間の残りの部分である第２の時区間で周波数再使用率Ｋを使用するステップと
    を具備し、
    前記周波数再使用率１は、全ての周波数帯域が全てのセル／セクターで使用されることを意味し、前記周波数再使用率Ｋは、１つの周波数帯域がＫ個のセル／セクター単位で反復して使用され、かつ、Ｋが１以上の正の整数であることを意味し、
    各セル／セクター内で、前記第１の時区間で使用される周波数サブチャンネル、及び、前記第２の時区間で使用される周波数サブチャンネルは、相互に異なる副搬送波を使用することを特徴とする方法。

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