JP2000125345A - 移動無線通信用のアンダ―レイ―オ―バレイ・ネットワ―クの設計方法 - Google Patents

移動無線通信用のアンダ―レイ―オ―バレイ・ネットワ―クの設計方法

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JP2000125345A
JP2000125345A JP11287730A JP28773099A JP2000125345A JP 2000125345 A JP2000125345 A JP 2000125345A JP 11287730 A JP11287730 A JP 11287730A JP 28773099 A JP28773099 A JP 28773099A JP 2000125345 A JP2000125345 A JP 2000125345A
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cell
path loss
interference
underlay
threshold
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Krishnan Kumaran
クマラン クリシュナン
Philip Alfred Whiting
アルフレッド ホワイティング フィリップ
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は、任意の移動局が潜在的にアクセス
可能なオーバレイ・チャネル(overlay channel)と、経
路損失が比較的少ない移動局だけがアクセスすることが
できるアンダーレイ・チャネル(underlay channel)とに
通信チャネルが分割される移動無線通信ネットワークに
関し、特に上記チャネルをどのように分割するかを決定
し、アンダーレイ・チャネルにアクセスすことができ
る、これらの移動局を識別する基準の設定方法に関す
る。 【解決手段】 本発明は、オーバレイとアンダーレイと
の間の無線通信ネットワークの複数の各セルを占拠する
移動局を分割する方法であって、（ｉ）各セルが基地局
を有し、そして（ii）各セル内に、そのセルの該基地局
と各移動局との間に経路損失が発生しており、各セル内
において、該移動局の対応する経路損失が経路損失しき
い値を超えたときには、そのセルの各移動局をオーバレ
イに割り当て、その対応する経路損失が該経路損失しき
い値以下である場合には、アンダーレイに割り当てる段
階とからなることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【関連出願】本出願は、１９９８年１０月８日付けの米
国仮出願第60/103,478号に基づく優先権と、該出願を基
礎とする１９９９年８月６日付けの米国出願第09/369,6
87号に基づく優先権とを主張する。
【０００２】
【発明の属する技術分野】本発明は、通信チャネルが、
（関連セル内で）任意の移動局が潜在的にアクセス可能
なオーバレイ・チャネル(overlay channel)と、経路損
失が比較的少ない移動局だけがアクセスすることができ
るアンダーレイ・チャネル(underlay channel)とに分割
される移動無線通信ネットワークに関し、特に上記チャ
ネルをどのように分割するかを決定し、アンダーレイ・
チャネルにアクセスすことができる、これらの移動局を
識別する基準の設定方法に関する。
【０００３】
【技術背景】移動無線通信ネットワークが動作している
場合には、セル間で干渉を起こす可能性があり、そのた
め、所与の通信チャネル（例えば、周波数チャネルのよ
うな）を使用できるセルの数が制限される。しかし、そ
の内部で所与のチャネルが使用されるセルの数が増大す
るということは有利なことである。何故なら、上記のよ
うにセル数が増大すると、使用する利用可能な全無線周
波数スペクトルを効率的に使用することができ、そのた
め、ネットワークの全情報搬送容量が増大するからであ
る。
【０００４】無線通信技術を実際に使用した人は、所与
のセル内の移動局の中のあるものは、他の移動局と比較
するとセル間の干渉を受けにくいことを知っている。よ
り詳細に説明すると、（現在サービスを提供している）
基地局へ、または基地局から比較的軽度の経路損失しか
受けない上記移動局は、近接基地局への経路損失が比較
的高い場合には、同時に、隣接基地局からあまり干渉を
受けないで上記基地局と通信することができる。
【０００５】さらに、この技術を実際に使用した人は、
上記移動局に特殊な処理を行うことにより、ネットワー
クの容量を増大することができることも知っている。容
量を増大させる上記方法は、「再使用」分割と呼ばれる
場合がある。あるクラスの移動局に対して、上記の特殊
な処理を行うように設計されたネットワークを、本明細
書においては、「アンダーレイ−オーバレイ・ネットワ
ーク（Ｕnderlay−Ｏverlay Network：Ｕ−Ｏネットワ
ーク）」と呼ぶ。
【０００６】Ｕ−Ｏネットワークにおいては、各セル
は、オーバレイ（または、外部セル）領域、およびアン
ダーレイ（または内部セル）領域を含む。アンダーレイ
は、通常、移動局間の経路損失が小さく、基地局にサー
ビスを提供するという点でオーバレイから区別される。
利用可能なチャネルは、通常、ＡチャネルおよびＢチャ
ネルと呼ぶ２つのグループに分割される。Ａチャネルは
オーバレイに割り当てられるが、すべての移動局は潜在
的にこのチャネルにアクセスすることができる。Ｂチャ
ネルはアンダーレイの移動局だけにアクセスすることが
できる。（オーバレイおよびアンダーレイの移動局は、
それぞれ、Ａ移動局およびＢ移動局と呼ばれる。）
【０００７】各Ｂ移動局は、サービスを提供している基
地局に対して、しきい値Ｐi以下の経路損失を持つ。こ
の場合、インデックスｉ（ｉ＝１、・・・、Ｎ）はネッ
トワークのＮ個のセルの中の所与の１つを識別する。オ
ーバレイに位置するＡ移動局の経路損失はもっと高い。
Ｂ移動局の経路損失は小さいので、ＢチャネルはＡチャ
ネルより頻繁に再使用することができる。
【０００８】通常、移動局とサービスを提供している基
地局との間で電力制御が行われる。電力制御の一例とし
ては、一定受電制御(constant received power contro
l)があるが、この場合、アップリンクの（ある場合に
は、ダウンリンク上においても）送信電力は、受信局へ
の経路損失を補償するように規制される。そのような場
合には、基地局とＢ移動局との間、少なくともアップリ
ンク送信の経路損失は、基地局とＡ移動局との間の経路
損失よりは小さい。このことにより、ネットワーク全体
の干渉はさらに減少する傾向があり、そのためオーバレ
の有効範囲が拡大する傾向がある。
【０００９】アンダーレイでサポートできるセルのトラ
ヒックの割合は吸収と呼ばれ、以下の説明では記号αで
表わす。関連トラヒックは、そのサービス提供基地局に
対する経路損失が比較的小さく、隣接基地局への経路損
失が比較的高い移動局から形成されている。すでに説明
したとおり、上記移動局はＢ移動局と呼ばれる。ネット
ワークの容量は、Ａ移動局よりＢ移動局がより頻繁にチ
ャネルを使用できるようにすることにより、増大するこ
とができる。Ｂ移動局である移動局の割合は、チャネル
の再使用の実際のレベル、ネットワークの関連部分のセ
ルの間の伝播特性、および移動局（所与の時点の）の地
理的分布により異なる。
【００１０】Ｕ−Ｏネットワークの効率は、アンダーレ
イとオーバレイとの間でチャネルの割当てに使用する特
定のスキームに大きく影響される。最も簡単なスキーム
は固定割当てを行うことである。しかし、このスキーム
はある程度中継効率を下げる。中継効率は、トラヒック
の変動を吸収するために、チャネルを自由に共有するこ
とにより得られるネットワーク容量の利得である。従っ
て、固定割当てスキームの場合には性能の利得が低下す
る傾向があり、そうでない場合にはアンダーレイでのチ
ャネル再使用の頻度を増大させることにより達成できる
利得が低下する傾向がある。
【００１１】Ｕ−Ｏネットワークから潜在的に利用する
ことができる容量利得を最大にし、またはほとんど最大
にする割当て方法が求められている。
【００１２】
【発明の概要】本発明は、そのような割当て方法を提供
する。この新しい方法を使用すれば、アンダーレイ呼
は、オーバレイ・チャネルにオーバーフロ(overflow)す
ることができる。さらに、過度の干渉の可能性を許容で
きるレベル内に抑えるような方法で、アンダーレイ・セ
ルの境界が適応できるように選択される。このようにし
て、トラヒックおよびリアル・ネットワークが通常持っ
ている信号伝播特性に変動があっても、ネットワーク資
源を効率的に使用することができる。各セルでは、アン
ダーレイ境界は各経路損失しきい値により定義される。
この場合、（Ｕ−Ｏネットワークの）設計という用語
は、とりわけ、オーバレイとアンダーレイとの間のチャ
ネルの割当て、およびアンダーレイ境界の設定を含む。
【００１３】広い意味では、本発明の方法は各セルに対
するブロッキング曲線の入手を含む。ブロッキング曲線
は、平均ブロッキング（すなわち、申し込まれた呼の受
付の拒否）が所与のセルでの吸収によりどのように変化
するかを表わす。ブロッキング曲線は、理論的、または
部分的には、経験によるセル・トラヒックのモデルに基
づくものである。ブロッキング曲線に影響を与えるパラ
メータは、通常、全スペクトル（すなわち、利用するこ
とができるチャネルの全数）、チャネル分割、および所
与のセルに提供されるトラヒックの割合を含む。
【００１４】通常のブロッキング曲線の場合には、ブロ
ッキングは吸収が増大するに連れて減少する。しかし、
通常それ以上になると、減少の割合が比較的小さくな
る、ある吸収値が存在する。それ故、（例えば、図７に
示すように）上記ブロッキング曲線は、目標とするブロ
ッキング性能のレベルに適合するのに十分な最小の吸収
値から始まり、それ以上になるとそれ以上の改善の割合
が比較的小さくなるある吸収値で終わる動作範囲を確立
するのに使用される。
【００１５】各セルに対しては、動作範囲内での上記セ
ルのブロッキング行動を示すために、線形近似法のよう
な各近似法が選択される。その後で、各単一セル近似法
に基づいて、全体のネットワークに対する目的関数が定
義される。この目的関数を最適にするということは、ネ
ットワーク容量を最大にするのと同じことである。
【００１６】各セルの経路損失の計算値から、経路損失
しきい値Ｐiの吸収のパラメータに対する依存度が分か
る。動作範囲の両端部の経路損失しきい値も測定され
る。これにより、目的関数を経路損失しきい値の関数と
して処理することができ、動作範囲を経路損失しきい値
により定義することができる。
【００１７】目的関数は経路損失しきい値全体に対して
最適化される。この最適化は、各経路損失しきい値が各
動作範囲内に存在していなければならないという拘束を
受け、また許容できない干渉が上記レベル以下でなけれ
ばならないという制限を受ける。
【００１８】最適化手順の結果として、各経路損失しき
い値に対する一組の最適値が得られる。これら各経路損
失しきい値はその対応するセルに対するアンダーレイ境
界を定義する。
【００１９】通常、当初は潜在的なチャネル分割は多数
ある。しかし、これらチャネル分割のすべてを実行する
ことはできない。例えば、いくつかのチャネル分割の場
合、目標とするブロッキング性能のレベルに適合する十
分なアンダーレイ・チャネルを得ることができない。も
う１つの例を挙げると、ある種のチャネル分割の場合に
は、１つまたはそれ以上のセルに対する干渉制限を満足
させることができない。従って、本発明のいくつかの実
施例は、チャネル分割を取捨選択し、問題の制限を考慮
にいれ、実行可能なチャネル分割だけを残すというステ
ップを含む。目的関数の最適化は、実行可能な各分割に
対して別々に実行される。全体のネットワーク・ブロッ
キングは、結果として得られる最適な各解に対して計算
される。最後のネットワークの設計の場合、全体のネッ
トワーク・ブロッキングが最も少ないチャネル分割が選
択される。
【００２０】
【発明の詳細な記述】再使用係数はチャネルの再使用の
逆周波数を表わす。それ故、例えば、所与のチャネルが
３という再使用換算係数を持っている場合には、そのチ
ャネルは３つのセル当り一回使用される。ＣAが１つの
セルについて使用することができるＡチャネルの平均数
を表わし、ＣBが１つのセルに対するＢチャネルの平均
数を表わすものと仮定する。Ａチャネルの再使用換算係
数がｒAであり、Ｂチャネルの再使用換算係数がｒBであ
るとする。その場合、チャネル分割ＣA、ＣBは、ｒAＣA
＋ｒBＣB＝Ｃにより、ネットワークに対して使用するこ
とができるチャネルの全数Ｃに関連する。すなわち、例
えば、Ａチャネルの再使用換算係数が３である場合に
は、ネットワークで使用されるＡチャネルの全数は１つ
のセル内で使用される平均の数の３倍である。類似の議
論がＢチャネルに適用される。
【００２１】上記の説明を読めば、チャネルの全数をＣ
とすれば、２という再使用換算係数が可能なチャネル分
割の１つのグループを決定することが分かるだろう。
【００２２】図１について説明すると、ブロック１０は
各セルに対するブロッキング曲線を入手するステップで
ある。表１は、そこからブロッキング曲線を入手するこ
とができる特定のトラヒック・モデルの数学的な詳細な
表である。この特定の確率的モデルはいくつかの便利な
特性を持つ。しかし、理論的な又は経験的な観察に基づ
く他のモデルも使用することができることに留意された
い。この点で役に立つモデルの一般的な特徴は、この図
に示すように、これらのモデルが全スペクトルＣ、チャ
ネル分割、および入力としての（所与の各セルへの）供
給されるトラヒックの割合の影響を受け易いことであ
る。重要なことは、上記モデルは、多くの場合しきい値
以上の吸収値を均すブロッキング曲線を形成することで
ある。上記しきい値以上では、吸収の所与の増大がある
とブロッキング行動がさらに比較的僅か改善する。
【００２３】
【外１】
【００２４】Ａは、各セルについて、積νiΑiを合計し
て得られた、ネットワークの全呼受諾率を表わすものと
する。この場合、νiはセルｉに供給されたトラヒック
の割合であり、Αiは受諾されるセルｉに供給される呼
の一部である。Αiは１−Ｂiに等しい。それ故、αiが
セルｉでの吸収を表わすものとすると、呼受諾率はＡは
下記式により表わされる。
【００２５】
【数１】 上記式の合計値は、ネットワークのすべてのセルｉにつ
いて計算される。
【００２６】当業者なら、この関数Ａを適当に正規化す
れば、数値１−Ａは、ネットワークの平均ブロッキング
率を表わすことを理解することができるだろう。
【００２７】図８は、例示としての１つのセルブロッキ
ング曲線を示す。図８は、また下の吸収値および上の吸
収値との間を延びる、ブロッキング曲線の一部に対する
線形近似法も示す。
【００２８】平均ブロッキング率、また同じ意味の全呼
受諾率は、下記式の線形近似法により有利に近似され
る。
【００２９】
【数２】
【００３０】
【外２】
【００３１】本明細書に記載する線形近似法は特に役に
立つものではあるが、二次またはもっと高次の近似法も
使用することができることに留意されたい。さらに、ブ
ロッキング関数への近似は、図７のブロッキング曲線の
凸状特性により正当化される要件である、凹状の特性を
維持しなければならないことにも留意されたい。
【００３２】
【外３】
【００３３】
【数３】
【００３４】すでに説明したとおり、各セルのアンダー
レイ境界は各経路損失しきい値Ｐiにより指定される。
すなわち、（サービス供給基地局への）経路損失がしき
い値以下である、移動局はアンダーレイに属し、経路損
失がしきい値以上である移動局はオーバレイに属する。
最終的には、目的関数はこれら経路損失しきい値に関し
て最適化される。
【００３５】それを可能にするために、各セルの各吸収
αiは、パラメータによる依存性αi（Ｐi）が確立され
るように、対応する経路損失しきい値と関連していなけ
ればならない。このことは、この図にボックス２５で示
すように、移動局と基地局との間の経路損失を測定する
ことにより行うことができる。この測定プロセスに参加
する各移動局の場合には、経路損失は移動局自身のサー
ビス供給基地局、および隣接基地局の両方に対して測定
される。このような測定を行うある便利な方法の場合、
各移動局は、既知の送信電力で関連基地局から放送され
るパイロット信号の受信電力レベルを測定する。上記測
定結果は、下記の手順により処理するために、中央に直
ちに送られる。
【００３６】すでに説明したとおり、厳密な意味では、
測定値は、ダウンリンクの経路損失にだけ適用される。
しかし、ほとんどの場合、アップリンクの経路損失およ
びダウンリンクの経路損失は厳密な近似では逆数であ
り、これら経路損失は、一般的に、本明細書に記載する
手順を行うためには等しいと見なされる。当業者なら、
相互依存が存在しないこのような環境では、別の測定手
順を使用することができることを理解することができる
だろう。
【００３７】少なくともいくつかのケースの場合、ある
時間の間に吸収測定を行うのが有利である。上記時間と
しては、既知のトラヒックが頻繁な時期のような、問題
の時間と特に定義することができる。さらに、吸収測定
は、日、週またはもっと長い時間的単位にわたって編集
した歴史的記録であってもよい。上記記録は、例えば、
参加移動局を周期的にポーリングし、移動平均を蓄積す
ることにより入手することができる。
【００３８】吸収測定の結果は、図５の柱状図のような
各セルに対する例示としての各柱状図の形で表わされ
る。この図に示すように、水平軸は、セルの経路損失ｌ
iiの数値を表わす（第１の指数は、移動局が位置するセ
ルを識別し、第２の指数は基地局が位置するセルを識別
する）。垂直軸は、所与の数値ｌiiより小さいか、また
は等しい経路損失を持つ移動局の累積値の一部（０−１
００％）である。水平軸上の数値がｌiiではなく、Ｐi
と読める場合には、吸収αi（Ｐi）を結果として得られ
るグラフから直接読みとることができる。
【００３９】
【外４】
【００４０】すでに説明したとおり、経路損失の測定は
個々のセルで行われるばかりでなく、各ｉ番目のセルの
移動局と、それぞれ異なる干渉を起こすｊ番目のセルの
基地局との間でも行われる。この場合、ｉ，ｊ＝
１、．．．、Ｎである。経路損失測定値のすべての組の
結果は、図６の柱状図のようなセルの各組に対する柱状
図の形で例示として表わされる。この図に示すように、
関連経路損失ｌiiは水平軸上に表示される。垂直軸上に
描かれるのは、所与の数値ｌijと等しい経路損失を持つ
関連移動局のｐ（ｌij）の一部である（前の図のグラフ
とは異なり、図６のグラフは、グラフの下の全領域が１
になるように正規化されていることに留意された
い。）。以下に説明するように、経路損失確率値ｐ（ｌ
ij）は、目的関数の最適化を適用する干渉制限を定義す
る上で重要なものである。
【００４１】再び図１に戻って説明すると、この図のボ
ックス３５は、βで示す各セルの許容干渉の最大全数
値、および確率レベルγを設定するステップである。こ
れら数値は、最適化問題に課せられる干渉制限を定義す
るのに使用される。簡単に説明すると、各セルの全干渉
が、βを超えるか（または等しくなる）可能性は、γよ
り低いか（または等しく）なければならない。
【００４２】例を挙げて説明すると、全ネットワークの
干渉の最悪の測定値はこの制限を適用する際に使用され
る。この測定の場合、（セルｉの）各干渉を起こしてい
る移動局は、送信電力Ｐiで送信しているアンダーレイ
移動局であると見なされる。すなわち、基地局におい
て、単位受信電力で電力制御を行ったとすると、すべて
のＢ移動局は、これら移動局がアンダーレイ境界のとこ
ろに位置するかのような処理を受ける。それ故、上記移
動局は最大電力で送信中であり、セル境界にできるだけ
近いところに位置しているものと見なされる。それ故、
各移動局ｉから基地局ｊが受信する干渉電力は積Ｐiｌ
ijであると見なされる。基地局ｊにおける全干渉は、セ
ルｊのクリークｃ（ｊ）、すなわち、セルｊの共通チャ
ネル干渉である、隣接セルｉの組に対する、これら貢献
を合計することにより入手される。
【００４３】最も簡単な場合には、１つのセルにつき干
渉を起こしている移動局はたった１つである。例えば、
周波数ホッピング・システムにおいては例外が発生する
ことがある。しかし、（例えば、ＧＳＭシステムのよう
に）周波数ホッピングを使用する場合には、干渉は、通
常いくつかの移動局から連続して到着することに留意さ
れたい（しかし、所与の時点では、１つのセルに対して
は、干渉を起こすものは１つしかない。）。本質的に
は、β（そして恐らくγ）の設定が、実際上周波数ホッ
ピング・システムで幾分好都合の場合を除いて、この場
合にも適用することができる。
【００４４】上記の干渉制限は、アップリンク干渉に対
する制限、すなわち基地局において、移動局から干渉を
受けた場合に対する制限であることに留意されたい。多
くの実際の状況の場合、アップリンク干渉はダウンリン
ク干渉より厄介なものである。本明細書に記載する制限
はそのような状況に有利に適用される。当業者ならダウ
ンリンク方向の干渉を少なくする他の定式化を容易に考
案することができることを容易に理解することができる
だろう。このような定式化も、本発明の範囲および精神
の中に含まれる。アップリンク方向およびダウンリンク
方向の、両方向の干渉を少なくする修正定式化について
は以下に説明する。
【００４５】当業者なら、上記のように干渉制限を直接
適用する場合、実際上の障害があることを理解すること
ができるだろう。それ故、実際には、上記の干渉制限を
近似し、最適化問題にもっと容易に適用できる修正制限
が適用される。この修正制限はチャーノフ・バウンド干
渉条件（Ｃhernoff-Ｂound Ｉnterference Ｃonditio
n：ＣＢＩＣ）と呼ばれる。図２を参照しながら、ＣＢ
ＩＣについて説明する。重要なことは、ＣＢＩＣは、少
なくとも、ＣＢＩＣが満足する場合には満足する上記の
干渉制限と同様に厳しいものであることである。
【００４６】図１について再び説明すると、この図のブ
ロック４０は、チャネル分割を取捨選択して、「実行可
能な」チャネル分割だけを残すステップである。最適化
問題が個々の実行される候補のチャネル分割の数を少な
くするために、上記取捨選択を行うことは望ましいこと
である。
【００４７】どのチャネル分割が「実行可能である」か
を判断するために、種々の基準を使用することができ
る。実行可能であるためには、チャネル分割は、吸収の
ある数値で、ブロッキング性能の目標レベルに適合する
ために、十分なアンダーレイ・チャネルを供給しなけれ
ばならない。それ故、それができないチャネル分割は実
行することができない。実行可能かどうかについてのも
う１つの試験は、所与のチャネル分割が各セルにおいて
干渉制限に適合するかどうかである。任意のセルでこの
制限が満足できない場合には、そのチャネル分割は実行
することができない。この試験はＣＢＩＣを使用して簡
単に行うことができるので、図２を参照しながら、実行
性の試験について以下にさらに詳細に説明する。当業者
なら、残りの候補のチャネル分割の数をさらに少なくす
るために、他の実行性についての試験を考案することが
できることを理解することができるだろう。例えば、Ｇ
ＳＭシステムのような、少なくともいくつかのＴＤＭＡ
システムは、全搬送波に対応するグループで、チャネル
の割当だけを行うことができる。
【００４８】
【外５】
【００４９】ステップ４５の結果として、各実行可能な
チャネル分割に対する経路損失しきい値の最適な組が得
られる。これら最適の組の中から、全ネットワーク性能
を最もよくするものを選択するという問題が残る。
【００５０】
【外６】
【００５１】図１のボックス５０は、全平均ネットワー
ク・ブロッキングＢを計算するステップである。この図
に示すように、Ｂは、各セルの貢献の加重がネットワー
クのすべてのセルに供給されるトラヒックの全部の割合
の一部として表わされる、そのセルに供給されるトラヒ
ックの割合により表わされる単一セルのブロッキング因
数Ｂiの加重合計として計算される。
【００５２】この図のボックス５５に示すように、ブロ
ック５０の結果は、チャネル分割のどれが、ネットワー
ク全体の最も少ない全平均ブロッキングを行うのかを決
定するために容易に使用することができる。そのチャネ
ル分割および経路損失しきい値の対応する組が、最適Ｕ
−Ｏネットワーク設計パラメータとして選択される。
【００５３】図１にフローチャートで示した上記計算ス
テップは、通常汎用デジタル・コンピュータまたは特殊
用途デジタル・プロセッサにより実行される。これらコ
ンピュータまたはプロセッサは、通常、例えば事務所等
でオフラインで動作する。しかし、場合によっては、関
連機能を、例えば、移動交換センタ等に設置されている
１つまたはそれ以上のオンライン・デジタル・プロセッ
サにより実行した方が有利な場合がある。
【００５４】図２のフローチャートは、図１のブロック
４０で示す取捨選択機能(pruning function)を拡大した
ものである。図２のフローチャートもＣＢＩＣの定義を
含む。図２について説明すると、この図のブロック６０
は、経路損失確率ｐ（ｌij）からセルｉからセルｊへの
経路損失の一組のログ・モーメント発生関数φ
ij（ｔj、Ｐi）を入手するステップである。
【００５５】任意のランダムな変数ｘのログ・モーメン
ト発生関数は、式ｅtxの（統計的）期待値の自然対数を
取ることにより入手される。この場合、ｔは、チャノフ
(Chernoff)パラメータと呼ばれる新しい自由変数であ
る。この場合には、所与のセルｊに対するチャノフ・パ
ラメータはｔjと呼ばれ、ランダム変数ｘは各セルの組
ｉｊに対する、Ｐiに対応する経路損失ｌijを掛けた積
である。このランダム変数の確率分布は、ｐ（ｌij）か
ら容易に入手できる。
【００５６】あるセルの全干渉である確率上に上の境界
γを置く元の干渉制約がレベルβを超えることを思いだ
してもらいたい。同様に、この確率の負の対数は、−ｌ
ｎγより大きいか、等しくなければならない。チャノフ
境界の使用に慣れている人は、問題の負の対数確率がｔ
jの任意の正の数に対するｔjの下記式より大きいか、等
しくなければならないことを容易に証明できることを理
解することができるだろう。
【数４】 この場合、セルｊのクリークのすべてのセルに対して合
計が行われる。（各セルｊに対して個々に評価される）
この式は、記号Ｃjで示される。負の対数の確率は少な
くともＣjであるので、元の干渉制限はＣjが−Ｉｎγよ
り大きいか、または等しい場合であれば満足する。これ
がＣＢＩＣである。同様に、ＣＢＩＣは、Ｃj＋Ｉｎγ
≧０である。
【００５７】再び図２について説明すると、ブロック６
５はＣjの定義であり、ブロック７０はＣＢＩＣの定義
である。ブロック７５においては、そのブロッキング曲
線が、任意の数値の吸収に対するブロッキングの目標レ
ベルを達成できない任意のチャネル分割が除去される。
上記の目標レベルを達成できない原因は、通常アンダー
レイ・チャネルが十分でないためである。ブロック８０
においては、対応する経路損失しきい値Ｐiが、その最
も低い制限＿Ｐiに設定された場合、任意のセルでＣＢ
ＩＣＤが満たされない任意のチャネル分割が除去され
る。ＣＢＩＣが、各セルｉでチャノフ・パラメータのあ
る正の数値に対して満足する場合、あるチャネル分割
は、この試験により実行の潜在的な可能性があるとして
保留される。
【００５８】図３および４は最適化手順を示す。この点
については、一般的にいって、最適化問題は凹状プログ
ラムではないことに留意されたい。従って、目的関数
は、１つ以上の極大を持つ場合がある。解が、全最大値
のところ、またはその近くで最大値に確実に収束するよ
うに、結果として目的関数上で上部境界Ａ*となる、単
純化した最適化問題が最初に解かれる。
【００５９】この単純化した問題を解くための本発明の
手順を境界設定手順と呼ぶ。境界設定手順は全最適化問
題と比較すると制限が少ないので、Ａ*は全最適化問題
の解より小さな数値になり得ない。それ故、Ａ*に十分
近い場合には、全最適化問題の解を、適当な基準に従っ
て正しいと考えても問題ない。
【００６０】図３は、境界設定手順を示す。ここで図３
について説明する。ブロック８５で示すように、単純化
した目的関数Ａj REDは、元の目的関数での合計をセルｊ
のクリークに属するこれらセルだけに制限することによ
り、各セルｊに対して定義される。ブロック９０に示す
ように、単純化したＣＢＩＣ換算係数Ｃj REDは、すべて
のセル指定のチャノフ・パラメータｔjを１つのチャノ
フ・パラメータｔにより置き換えることにより、各セル
に対して定義される。ブロック９５に示すように、単純
化したＣＢＩＣの定義が行われる。この条件は、各セル
ｊに対して、Ｃj REDは負であってはならないというもの
である。
【００６１】ブロック１００に、各セルｊに対して個々
に実行される最適化問題を示す。最適化は、単純化した
ＣＢＩＣにより、また損失しきい値範囲条件により制限
される。最適化は、セルｊのクリークに属するこれら経
路損失しきい値Ｐiに関連して、またチャノフ・パラメ
ータｔに関連して実行される。重要なことは、ｔの一組
の個々の数値に対して、標準的技術により、この問題を
解くことができるということである。その後で、最善の
結果が得られる上記ｔ数値を選択することができる。各
セルｊに対する上記最善の数値のｔを記号ｔj 0で示す。
各セルｊに対する単純化した目的関数の最大値はＡjで
表わす。
【００６２】より詳細に説明すると、ｔの各固定数値に
対する凹状プログラムを解くために標準的な方法を使用
することができる。重要なことは、凹状プログラムが保
証された一意の解を持つことである。その後で、黄金分
割探索のような標準的な一次元方法により、ｔのすべて
の固定値の最善のものが識別される。実際、少なくとも
いくつかのケースの場合、ｔの最善値は図形で描いた解
をよく見れば知ることができる。
【００６３】手順ブロック１００は、以降の使用に対し
て、各セルｊに対するチャノフ・パラメータｔj 0および
上部境界Ａjを供給する。
【００６４】ブロック１０５は、さらにもう１つの最適
化手順を示す。ブロック１０５のこの問題は、損失しき
い値範囲条件を受け、また新しい制限を受ける元の目的
関数Ａ（Ｐ1、Ｐ2、．．．、ＰN）を最適化することで
ある。新しい制限は、各セルｊに対して単純化した目的
関数Ａj RECをブロック１００の手順から入手した対応す
る境界Ａｊより小さいか、またはそれに等しく維持しな
ければならないことである。ブロック１０５の問題は一
次プログラムであり、従来の技術で解決することができ
るということができる。例えば、周知のフォード・ファ
ルカーソン定理(Ford-Fulkerson theorem)により容易に
解くことができる、流れの問題にマッピングすることが
できる。結果として得られる最適値は上部境界Ａ*であ
る。フォード・ファルカーソン定理に関する周知の参考
書としては、Ｌ．Ｒ．フォード(L.R.Ford)およびＤ．
Ｒ．ファルカーソン(D.R.Fulkerson)著で、１９７４年
ランド・コーポレーション社(Rand Corporation)発行の
「ネットワークの流れ(Flowsin Networks)第六版」があ
る。
【００６５】理論的に説明すると、元の最適化問題は、
経路損失しきい値Ｐiの所与の凹状関数のセルの合計を
最大にすることであるということができる。これらの所
与の各凹状関数は処理のセルで実行したトラヒックを表
わす。すでに説明したとおり、最適値は２つの制限のも
とで行われる。これら制限の中の１つ、ＣＢＩＣは、こ
れら各アーギュメントｔj、Ｐiの凸状関数である関数φ
ijを含む。関数φijはそれぞれ、ｔjおよびＰiに対して
凸状であるが、一緒に考えた場合は凸状にならない。そ
れ故、ＣＢＩＣは、ｔjだけに対しては凹状の制約であ
り、Ｐiに対して同様に凹状である（何故なら、φ
ijは、負の記号を持っているからである。）。しかし、
ｔjおよびＰiを一緒に考えた場合には凹状ではなくな
る。
【００６６】凹状プログラムを解くには標準手順を使用
することができる。本発明の場合には、ｔjの数値を固
定する方法を採用した。そのため、例えば勾配下降技術
に基づく反復手順を使用して、従来の方法で解くことが
できる凹状プログラムになる。この反復手順が収束した
後で、経路損失しきい値Ｐiの結果として得られる最適
値はｔjに対する正確な数値になる、一次元最適化の簡
単な一組への入力として使用することができる。これら
は、凹状プログラムのもう１つの反復に対する新しい＋
jになる（この段階で、凹状プログラムは、Ｐjに対して
厳密によりよい解を与えることが保証される。何故な
ら、Ｐjの前の数値が、依然としてこの新しい凹状プロ
グラムに対して実行可能であるからである。）。これら
の反復は、全目的関数Ａ（Ｐ1、Ｐ2、．．．、ＰN）の
それ以上の改善がしきい値以下になるまで繰り返し行わ
れる。
【００６７】この点に関して、経路損失しきい値Ｐiの
各組に対してＣＢＩＣの左辺を最大にするという点で
は、「最善」であるチャノフ・パラメータｔjに対する
数値のある組がある。ｔjの数値を正確なものにするた
めの本発明の方法は上記最善の数値の方向の向きを変え
るためのものである。
【００６８】それ故、本発明は、凹状プログラムを反復
して解き、その後で正確な入力数値により再び解くとい
う二重反復手順を考案した。本発明の場合、この手順を
反復ヒューリスチック(iiterative heuristic)と呼び、
記号ＩＴＥＲで表わす。
【００６９】上記反復ヒューリスチック、ＩＴＥＲは下
記のステップを含む。 （ｉ）最適ｔjに対する解を見つけるステップ （ii）このｔjに対して、凹状プログラムを解くステッ
プ （iii）目的の数値内の変化が十分小さくなるまで、上
記手順を反復して行うステップ
【００７０】
【外７】
【００７１】
【数５】
【００７２】
【外８】
【００７３】図４は、ＩＴＥＲの種々の段階およびプロ
セスを示す。ボックス１１０に凹状プログラムを定義す
る。制限を内蔵させるためにラグランジェ乗数の周知の
技術を使用する。特定のラグランジェ乗数は、下記式で
表わされる。
【００７４】
【数６】
【００７５】ボックス１１５において、経路損失しきい
値およびボックス１３０に入れるラグランジェ乗数の数
値を正確にするために、ステップのサイズρが決定され
る。また、ボックス１１５において、ボックス１４０に
おける目的関数の改善の程度が、終了させるＩＴＥＲに
対して十分小さいかどうかの試験に対するしきい値が決
定される。
【００７６】ボックス１２０においては、ｔjが、図３
の境界設定手順により入手した各数値ｔ0 jに初期化され
る。これら数値は有意なものである。何故なら、これら
数値は上部境界Ａjに対応するからである。経験によ
り、この方法は、ＩＴＥＲを初期化するのに有効な方法
であることが分かっている。しかし、他の方法も使用す
ることができる。例えば、Ｐiは、最初その低い方の制
限に設定することができる。この点に関して、本発明者
が、最適な解はｔjの数値に比較的影響されないことを
発見したことに留意されたい。
【００７７】ボックス１２５において、経路損失しきい
値に対する最初の推定値が設定される。手順がボックス
１４５からこのステップに戻る場合には、経路損失しき
い値の前の数値の記憶して、または記憶しないで、最初
の推定値が作られる。
【００７８】ボックス１３０においては、経路損失しき
い値およびラグランジェ乗数の数値が勾配下降方法によ
り更新される。このステップは、ボックス１３５が示す
試験が収束が行われたと表示するまで反復して行われ
る。
【００７９】ボックス１３０の手順が収束した後で、ボ
ックス１４０に示すもう１つの試験が行われる。この試
験により、目的関数の最後の変化がしきい値と比較され
る。上記変化がしきい値以下である場合にはＩＴＥＲは
収束したものと見なされる。ＩＴＥＲが収束したと見な
されない場合にはボックス１４５に行く。
【００８０】ボックス１４５においては、Ｐiに対する
数値の現在の組を使用してｔjの数値の最善の組が入手
される。ｔjのこれらの数値は、新しい反復を行うため
にボックス１３０の手順に戻る。各セルｊに対しては、
ｔjの最善の数値は下記式を最大にする数値に等しくな
るように設定される。
【００８１】
【数７】 上記数値は、黄金分割探索のような従来の技術により、
容易に決定することができる。
【００８２】凹状プログラムが、すべてのセル制限とま
とめて、すなわち、全ネットワーク上で解かれることに
留意されたい。しかし、ボックス１４５の動作はセル毎
に行われる。
【００８３】ＩＴＥＲの結果は、目的関数Ａ（Ｐ1、
Ｐ2、．．．、ＰN）を最大にするＰiに対する一組の数
値である。すでに説明したとおり、この最大値と上部境
界Ａ*とを比較することにより、全体の最大値に近づい
たかどうかが表示される。
【００８４】すでに説明したとおり、干渉制限はダウン
リンク方法およびアップリンク方法の両方に適用するこ
とができる。そのような目的を達成するための上記手順
の修正について、図面を参照しながら説明する。図２に
戻って説明すると、ボックス６０は、それぞれ、φu ij
（ｔjＰi）およびφd ij（ｔjＰi）で示すログ・モーメ
ント発生関数の２つのグループを導入することにより修
正される（これら関数は、アップリンク方向およびダウ
ンリンク方向の間での相互関係の違いの程度により異な
る。相互関係が成立する場合にはφu ij＝φd ijであ
る。）。ボックス６５は、それぞれ、下記式により定義
される２つのＣＢＩＣ、Ｃu jおよびＣd jを導入すること
により修正される。
【００８５】
【数８】
【００８６】ボックス７０は、２つの各ＣＢＩＣを導入
することにより修正される。 Ｃu j＋Ｉｎγ≧０、Ｃd j＋Ｉｎγ≧０
【００８７】図３について説明すると、ボックス９０
は、定義された２つの各単純化したＣＢＩＣ変換係数、
すなわち、Ｃj RED,uプログラムＤj RED,dを持つことによ
り修正される。これらは、チャノフ・パラメータｔu、
ｔdが下付き添え字を持っていないことを除けば、上記
のＣＢＩＣ換算係数類似の方法で定義される。ボックス
９５は、２つの各単純化したＣＢＩＣを導入することに
より修正され、ボックス１００においては、１つではな
く２つのＣＢＩＣにより、最適化が制限される。ボック
ス１００の出力およびボックス１２０への初期入力（図
４参照）は、チャノフ・パラメータ、ｔj o,u、ｔj o,dの
２つの各組を含むように修正される。ボックス１００の
問題は二次元になる。
【００８８】図４について説明すると、ボックス１１０
のＣＢＩＣ換算係数に対する合計項は、合計Λj uＣj u＋
Λj dＣj dに拡張する。ボックス１２０は、二組のチャノ
フ・パラメータ、ｔj o,u、ｔj o,uを初期化するように修
正される。ボックス１３０は、ラグランジェ乗数Λj uお
よびΛj dに対する２つの各更新式を導入することによ
り、修正される。
【００８９】
【数９】 また、ボックス１３０においては、Ｐjに対する更新式
が修正される。合計項Λiφji（ｔiＰj）は、２つの項
目の合計になる。すなわち、
【００９０】
【数１０】
【００９１】ボックス１４５は、下記式のより、チャノ
フ・パラメータｔj uおよびｔj dの２つの各組を更新する
ために修正される。
【００９２】
【数１１】 従って、ボックス１４５からボックス１２５への出力
は、二組のチャノフ・パラメータを含む。
【００９３】 表１ トラヒック・モデル ・（ｒA、ｒB）：オーバレイおよびアンダーレイ再使用変換係数 ・（ｎA、ｎB）：Ａ移動局およびＢ移動局の数 ・（ＣA、ＣB）：ＡチャネルおよびＢチャネルの数 ・（νA＝（１−α）ν、νB＝αν）：所与の吸収αに対するポアソン・トラヒ ック
【数１２】 平衡分布に対する積形解
【数１３】 ブロッキング：
【数１４】
【図面の簡単な説明】
【図１】広い意味での、本発明の例示としての実施例の
フローチャートを示す図である。
【図２】チャネル分割の取捨選択と呼ぶ、図１の手順の
１つを、より詳細な一連のステップに拡張したフローチ
ャートを示す図である。
【図３】図１の最適化手順を実行する際に役に立つ境界
設定手順のフローチャートを示す図である。
【図４】図１の最適化手順を実行する際に役に立つ反復
ヒューリスティクのフローチャートを示す図である。
【図５】そこから吸収をアンダーレイ境界の関数として
入手することができるセル内経路損失の柱状図である。
【図６】そこから経路損失の確率を入手することができ
るセル間経路損失の柱状図である。
【図７】本発明を実行する際に役に立つ例示としての一
組のブロッキング曲線を示す図である。
【図８】例示としての単一セルのブロッキング曲線を示
す図である。この図は、また下の吸収値と上の吸収値と
の間を延びるブロッキング曲線の一部に対する線形近似
法も示す。
フロントページの続き (72)発明者 フィリップ アルフレッド ホワイティン グ アメリカ合衆国 07974 ニュージャーシ ィ，ニュープロヴィデンス，ユニオン ア ヴェニュー 174

Claims (20)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 オーバレイとアンダーレイとの間の無線
    通信ネットワークの複数の各セルを占拠する移動局を分
    割する方法であって、（ｉ）各セルが基地局を有し、そ
    して（ii）各セル内に、そのセルの該基地局と各移動局
    との間に経路損失が発生しており、該方法はさらに、 各セル内において、該移動局の対応する経路損失が経路
    損失しきい値を超えたときには、そのセルの各移動局を
    オーバレイに割り当て、その対応する経路損失が該経路
    損失しきい値以下である場合には、アンダーレイに割り
    当てる段階とからなり、 セル間干渉に関連する規則を満足させながら、ネットワ
    ーク容量を増大する手順に従って、各セルに対する該経
    路損失しきい値を決定することを特徴とする方法。
  2. 【請求項２】 請求項１に記載の方法において、 該ネットワークに対して複数の通信チャネルを使用する
    ことができ、 該チャネルを、オーバレイ・チャネルまたはアンダーレ
    イ・チャネルとして割り当てることができ、該チャネル
    の全ての可能な割り当てをチャネル分割と呼ぶものであ
    り、 しきい値決定種順が複数の各可能なチャネル分割に対し
    て繰り返され、これにより、干渉基準を満足しながら、
    ネットワーク容量を最大にするチャネル分割を決定し、
    そして、 該方法は、該決定したチャネル分割に従って、複数の通
    信チャネルを割り当てる段階からなることを特徴とする
    方法。
  3. 【請求項３】 請求項２に記載の方法において、 その上で該しきい値決定手順が反復して行われる、該複
    数のチャネル分割が、チャネル分割の中から選択した組
    であり、 該選択した組が、呼ブロッキングに関連する規則、およ
    びセル間干渉に関連する規則を満足させるチャネル分割
    だけを含む方法。
  4. 【請求項４】 請求項３に記載の方法において、該呼ブ
    ロッキング規則が、呼ブロッキングの平均率が、オーバ
    レイおよびアンダーレイの間の移動局のある分割に対す
    るしきい値以下になることができるような十分なアンダ
    ーレイ・チャネルを必要とする方法。
  5. 【請求項５】 請求項４に記載の方法において、 該セル間干渉規則が、各セルの該オーバレイルと該アン
    ダーレイとの間の、移動局の特定の分割に対して、任意
    のセルの全干渉がしきい値βを超える可能性が、もう１
    つのしきい値γを超えてはならないという要件に関連す
    る方法。
  6. 【請求項６】 請求項５に記載の方法において、 該しきい値決定手順が、各セルの呼ブロッキングの平均
    率を該アンダーレイでサポートすることができる、その
    セルのトラヒックの吸収と呼ばれる割合に関連付けるデ
    ータを使用し、また各セルの該吸収が、該対応する経路
    損失しきい値に関連付けるデータを使用して実行され、 該セル間干渉規則が関連する該特定の分割が、呼ブロッ
    キング性能の目標レベル適合できる最も小さな吸収によ
    り決定される方法。
  7. 【請求項７】 請求項１に記載の方法において、該しき
    い値決定手順が最適化手順であり、 この手順が、各セルの呼ブロッキングの平均率を該アン
    ダーレイでサポートすることができる、そのセルのトラ
    ヒックの吸収とよばれる割合に関連付けるデータと、 各セルの該吸収を該対応する経路損失しきい値に関連付
    けるデータを使用して実行される方法。
  8. 【請求項８】 請求項７に記載の方法において、該最適
    化手順が、各セルび経路損失しきい値は、動作範囲内に
    存在しなければならないという制限に従って実行される
    方法。
  9. 【請求項９】 請求項８に記載の方法において、 各セルに対して、該動作範囲が、呼ブロッキングの平均
    率が目標レベル以下になるのに丁度十分な吸収に対応す
    る下端部と、 該動作範囲が、その上では呼ブロッキングの平均率の吸
    収に対する感度が低下する上端部とを持つ方法。
  10. 【請求項１０】 請求項９に記載の方法において、各セ
    ルの呼ブロッキングの平均率を、該吸収に関連付ける該
    データが、該動作範囲内で直線状の関係を示す方法。
  11. 【請求項１１】 請求項１に記載の方法において、 該しきい値決定手順が、該ネットワークの呼ブロッキン
    グ性能に関連する目的関数の数値を最適化するための手
    順であり、 該最適化手順が、各セルの呼ブロッキングの平均率を該
    アンダーレイでサポートすることができる、そのセルの
    トラヒックの、吸収と呼ばれる、割合に関連付けるデー
    タを使用して行われ、 該最適化手順が、各セルの該吸収を、対応する経路損失
    しきい値に関連付けるデータを使用して実行され、 各セルの該吸収が、呼ブロッキングの該平均率が、目標
    レベル以下に下がるのに丁度十分な最低値と、その上で
    は、呼ブロッキングの平均率の吸収に対する感度が低下
    する最大値を持つ動作範囲を持ち、 該最適化手順が、各セルでの該数は、その動作範囲内に
    存在しなければならないという制限のもとで実行され、 該最適化手順が、任意のセルの全セル間干渉が、干渉し
    きい値を超える可能性上の限界のもとで実行される方
    法。
  12. 【請求項１２】 請求項１１に記載の方法において、 該最適化手順により、各セルに対する最適化された経路
    損失しきい値を含む解が得られ、 該解に対応して、各セルに対する呼ブロッキングの各予
    想レベルが存在し、 該最適化手順が、各セルに対するブロック性能の最善の
    ケースのレベルを超える、非現実的な解を求めるのを防
    止する制限を課す方法。
  13. 【請求項１３】 請求項１２に記載の方法において、該
    最適化手順が、各セルに対して、緩やかな制限を持つ最
    適化手順を実行し、それにより、そのセルに対して、ブ
    ロッキング性能の対応する最善のケースのレベルを入手
    する段階と、 吸収動作範囲、干渉可能性およびセル・ブロッキング性
    能に対する該制限のもとで、一次プログラムを解くこと
    によって、全ネットワークの最適化手順を実行する段階
    とを含む方法。
  14. 【請求項１４】 請求項１２に記載の方法において、 所与の各セルに対して、対応するクリークが該所与のセ
    ルの共通チャネル干渉物である、隣接するセルの組とし
    て定義する段階と、 所与の各セルに対して、緩やかな制限を持つ該最適化手
    順が、該所与のセルの該クリークのセルの、ブロッキン
    グ性能だけに関連する目的関数を最適化する段階と、 所与の各セルに対して、該最適化手順が、その対応する
    クリークから、該所与のセルの全セル間干渉が、干渉し
    きい値を超える可能性の境界のところで実行される方
    法。
  15. 【請求項１５】 請求項１に記載の方法において、 該セル間干渉規則が、該ネットワークの各セルの該干渉
    が、指定のレベル内に入る少なくとも１つの指定の確率
    を持たなければならない方法。
  16. 【請求項１６】 請求項１５に記載の方法において、各
    セルの該干渉が、指定のレベル内に入る確率が、セルの
    隣接する組の間の干渉インジケータの数値の統計的分布
    を参照して決定される方法。
  17. 【請求項１７】 請求項１６に記載の方法において、該
    干渉インジケータの数値が、セル間経路損失値である方
    法。
  18. 【請求項１８】 請求項１７に記載の方法において、さ
    らに、セル間経路損失値の測定値の入手を含む方法。
  19. 【請求項１９】 請求項１８に記載の方法において、さ
    らに、各セルの基地局と同じセル内の移動局との間のセ
    ル間経路損失値の測定値の入手を含む方法。
  20. 【請求項２０】 請求項１９に記載の方法において、測
    定済みのセル間およびセルの経路損失は、移動局からの
    送信データとして入手される。
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