JP2001511967A - 無線通信環境における溢出を最小にするためのグローバルチャンネル電力制御 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 無線基地局からグローバルチャンネル経由で送信する信号の電力を他の通信セルへの溢出を最小化するように動的に調節するシステムは、基地局の全送信電力をモニタし、基地局全送信電力のその基地局における測定値の関数としてグローバルチャンネル送信電力を動的に調節する。

Description

【発明の詳細な説明】 無線通信環境における溢出を最小にするための グローバルチャンネル電力制御 発明の背景 発明の分野 この発明は概括的には無線加入回線システムおよびセルラー通信システムに関 する。より詳しくいうと、この発明は基地局からグローバルチャンネル経由で送 信する信号の電力を隣接通信セルへの電力溢出の最小化のために動的に調節する 無線通信システムに関する。 従来技術の説明 無線通信システムは、それ自身に本来備わっている利点によって、急速に有線 通信システムの実用的な代替システムになってきた。無線システムは、加入者の 自由な移動を、サービスプロバイダーの稼動領域の全範囲だけでなく、同一の通 信用ハードウェア使用のままで他のサービスプロバイダーの領域にも可能にする 。無線通信は、有線通信システムが使えない応用分野にも利用され、老朽化した 電話回線および旧式の電話機器の置換の際の経済的に実現可能な代替品になった 。 無線通信システムの欠点の一つは利用可能なRF帯域幅が限られていることであ る。システム容量の増大とさらに拡大中の消費者需要の充足とのために、無線通 信システムの効率の改善は常に求められている。無線通信システムの全体的なシ ステム容量を低下させる要因の一つは互いに隣接するセル相互間または基地局相 互間の信号電力溢出である。この溢出は特定のセルの基地局からの送信信号電力 がそのセルの境界、すなわち稼動領域を超えたときに生ずる。この溢出は隣接セ ルへの干渉となりシステムの効率を低下させる。したがって、溢出を最小にする ことが無線通信システム設計における最も重要な課題の一つとなる。 基地局から割当てチャンネル経由で加入者局に送信する信号の電力レベルの調 節によって溢出を最小に抑えるために順方向電力制御（FPC）が用いられる。FPC は、各加入者局が受信SN比を継続的に測定し、自局への送信電力の増加または減 少を求める表示を基地局に返送する閉ループで動作する。閉ループアルゴリズム が、基地局からの送信電力レベルを最小の許容可能レベルに維持しそれによって 隣接セルへの溢出を最小にするように作用する。 しかし、FPCでは、パイロット信号、一斉送信チャンネルまたは個別呼出チャ ンネルなどのグローバルチャンネルの電力レベルは調節できない。これらのチャ ンネルについて動作する閉ループアルゴリズムは存在しないから、最悪の事態の 展開に備えたグローバルチャンネル送信電力レベルが通常用いられる。その電力 レベルは大部分の加入者局の必要とする電力レベルよりも高く、そのために隣接 セルへの溢出が生ずる。 溢出の問題の克服のための試みが従来技術においてなされてきた。米国特許第 5,267,262号（ホイートリー,III名義）は、各々が複数の加入者局と交信する複 数の基地局のネットワークを含むCDMAセルラー移動電話方式用の電力制御システ ムを開示している。各基地局はパイロット信号を送信し、そのパイロット信号を 加入者局が受信してパイロット信号の伝搬損失の算定に用いる。一つの移動局が 受信する全基地局からの送信信号電力の合計値も測定する。この電力レベル総和 は送信電力を必要最小限の値に節減するために移動局が利用する。各基地局は移 動局からの受信信号の強度を測定し、その信号強度レベルをその移動局の所望信 号強度レベルと比較する。電力調節コマンドを発生してその移動局に送り、その 移動局がそれに従って電力を調節する。基地局からの送信電力はセルの平均雑音 条件によっても増減させる。例えば、基地局が雑音レベルの異常に高い場所に位 置づけられる場合があり、また、通常よりも高い送信電力レベルを許容される場 合がある。しかし、その動作が動的に行われることはなく、基地局の全送信電力 に基づく電力の補正が行われることもない。 したがって、基地局から送信されるグローバルチャンネルの電力レベルの制御 のための効果的な方法が求められている。 発明の概要 この発明は、無線基地局からグローバルチャンネル経由で送信される信号の電 力を他の通信セルへの溢出の最小化のために動的に調節するシステムを含む。こ のシステムは基地局からの全送信電力をモニタし、グローバルチャンネル送信電 力を、基地局全送信電力のその基地における測定値の関数として動的に調節する 。 したがって、この発明の目的は基地局からグローバルチャンネル経由で送信さ れる信号の電力を隣接セルへの溢出の最小化のために動的に調節する改善された 方法およびシステムを提供することである。 この発明の上記以外の目的および利点は現状で好適な実施例の詳細な説明から 明らかになるであろう。 図面の簡単な説明 図１はこの発明を実施した通信ネットワークである。 図２は基地局と複数の加入者局との間の信号伝搬を示す。 図３はこの発明によって構成した基地局である。 図４はこの発明によるグローバルチャンネル送信電力の動的制御方法の流れ図 である。 好適な実施例の詳細な説明 同一の構成要素には同一の参照数字を付けて示した図面を参照してこの発明の 好適な実施例を説明する。 この発明を実施した通信ネットワーク１０を図１に示す。この通信ネットワー クは概括的には一つ以上の基地局を含み、それら基地局の各々は複数の固定また は移動加入者局１６と無線で交信できる。各加入者局１６はもっとも近距離の基 地局１４または最大信号強度の基地局１４と信号授受する。これら基地局１４は 基地局コントローラ２０、すなわち基地局１４相互間および基地局１４と加入者 局１６との間の信号授受の調整を行う基地局コントローラとも信号授受する。通 信ネットワーク１０を公衆交換網（PSTN）２２に接続して、基地局１４とPSTN２ ２との間の信号授受の調整を基地局コントローラ２０に担当させることもできる 。各基地局１４と基地局コントローラ２０との間の接続は有線でも形成できるが 、無線リンク経由で形成するのがより好適である。基地局１４と基地局コントロ ーラ２０とが近接位置にある場合は有線が利用可能である。 基地局コントローラ２０はいくつかの機能を備える。第１に、加入者局１６、 基地局１４および基地局コントローラ２０相互間の信号授受の形成と維持に関連 する稼動用、管理用および保守用（OA&M）シグナリング全部を行う。また、基地 局コントローラ２０は無線通信システム１０とPSTN２２との間のインタフェース を構成する。このインタフェースは、基地局コントローラ２０経由でシステム１ ０に出入りする通信信号の多重化および多重化解除も行う。無線通信システム１ ０をRF信号送信用アンテナを備えるものとして図示してあるが、信号授受はマイ クロ波アップリンクまたは衛星アップリンク経由でも達成できることを理解され たい。また、基地局１４の機能は主基地局形成のために基地局コントローラ２０ と組み合わせることもできる。基地局コントローラ２０の物理的位置はこの発明 にとって支配的ではない。 図２を参照すると、基地局１４と複数の加入者局１６との間の通信チャンネル １８の形成における信号伝搬が示してある。順方向信号２１は基地局１４から加 入者局１６に送信される。逆方向信号２２は加入者局１６から基地局１４に送信 される。セル１１の最大稼動範囲３０の内側に位置する加入者局１６は基地局１ ４と交信する。 図３を参照すると、この発明によって構成した基地局１００が示してある。基 地局１００はRF送信機１０２、アンテナ１０４、基地局信号合成器１０６および グローバルチャンネル電力制御アルゴリズムプロセッサ１０８を含む。また、基 地局１００は、複数の割当てチャンネル１１２および複数のグローバルチャンネ ル１１４を形成する各チャンネルあたり一つずつの複数のモデム１１０も備える 。各モデム１１０は、当業者に周知のとおり、通信チャンネルを区画するための コード発生器、スペクトラム拡散器ほかの装置を含む。割当てチャンネル１１２ およびグローバルチャンネル１１４経由の通信信号は合成器１０６で合成され、 RF送信機１０２で送信用にアップコンバートされる。各割当てチャンネル１１２ の電力はFPCによって個別に制御される。しかし、この発明によって、グローバ ルチャンネル１１４の電力はGCPCプロセッサ１０８によって同時並行で動的に制 御される。 チャンネル１１２、１１４全部の全送信電力をRF送信機１０２で測定し、その 測定値をGCPCプロセッサ１０８に入力する。詳細に後述するとおり、GCPCプロセ ッサ１０８は全チャンネル１１２、１１４の全送信電力を分析し、グローバルチ ャンネル１１４の所望の送信電力レベルを算出する。電力レベルを、(1)合成器 １０６で測定し、(2)各割当てチャンネル１１２、グローバルチャンネル１１４ でサンプルし、(3)基地局アンテナ１０４と同位置の別のアンテナ（図示してな い）により送信の直後にRF信号として受信する、こともできる。基地局１００に おける 全送信電力の値のモニタリングのためにこの発明の真意と範囲を逸脱することな く任意の方法を採用できることは当業者には明らかであろう。 グローバルチャンネル１１４の電力の動的制御を全送信電力の分析におけるい くつかの仮定を用いて行う。割当てチャンネル１１２のためのFPCが理想的に動 作しており、各移動局１６への送信電力を加入者局１６すべてが信号受信を特定 の信号対雑音比で行うように調節してあるものと仮定する。特定の加入者局１６ への送信電力を変えるとそれ以外の加入者局１６でのSN比はその影響を受けるか ら、各割当てチャンネル１１２についてのFPCによる送信電力分析は継続的に行 うのが好ましい。この分析を周期的に行って各割当てチャンネル１１２について の電力の調節を行うこともできる。 全送信電力の分析に先立って、いくつかの因子を定義する必要がある。γは加 入者局１６で必要とされるSN比、Ｎ_Oは白色雑音電力密度、Ｗは送信帯域幅、Ｎ は処理利得を示す。伝搬損失は送信電力がＰの場合に距離ｒの地点の加入者局１ ６の電力レベルＰ_rが次式で表されるような値を有する。 Ｐ_r＝Ｐ＊β（ｒ） 式(1) セルの大きさに応じて自由空間伝搬モデル、Hataモデル、区切り点モデルなど互 いに異なる伝搬モデルを利用できる。この発明の開示事項にしたがって任意の実 験的または理論的伝搬モデルを採用できることは当業者には明らかであろう。例 えば、自由空間伝搬モデルは小さいセルで用いることができる。そのモデルでは 、伝搬損失は β(r)＝α／ｒ² 式(2) となる。ここで α＝λ²／(４π）² 式(3) であり、λは搬送波周波数対応の波長である。したがって、送信電力がＰの場合 は、距離ｒで見た電力は距離の２乗に反比例する。すなわち、距離ｒで見た電力 Ｐ_rは Ｐ_r＝Ｐ＊α／ｒ² （式(1)および式(2)から） FPCが割当てチャンネル１１２について作用している場合は、基地局１００か らの距離ｒ_iに位置する加入者局１６への基地局１００からの送信電力Ｐ_iは ここでＰ_Tは送信電力合計値であり、 ａ(ｒ_i)＝γＮ_OＷ／Ｎβ(ｒ_i) 式(5) である。グローバルチャンネル１１４はセル１１の稼動範囲３０全体を通じて十 分に受信される必要があるから、グローバルチャンネル１１４についての所要送 信電力Ｐ_Gは となる。ここでＲはセル１１の稼動範囲３０である。値ａ(Ｒ)は任意の伝搬モデ ルについて容易に算出できる。したがって、Ｐ_Gは定数プラス全送信電力Ｐ_Tの端 数となる。全送信電力Ｐ_Tは基地局１００で継続的にモニタされるから、グロー バルチャンネル送信電力Ｐ_Gは最悪の場合に備えた送信、すなわち基地局１００ に可能な送信電力最大値Ｐ_Tによる送信でなく動的に更新される。 例えば、上述の自由空間伝搬モデルについては、伝搬損失は β(ｒ)＝α／ｒ² （式(2)から） ここで α＝λ²／(４π)² （式(3)から） であり、λは搬送波周波数対応の波長である。このモデルでは、距離ｒ_iにおい て、 β(ｒ_i)＝α／ｒ_i ² （式(2)から） および となる。セル１１の稼動範囲３０にＲを代入して したがって、 となる。したがって、自由空間モデルを用いて、最適グローバルチャンネル送信 電力はセル半径の２乗に比例する定数項プラス全送信電力Ｐ_Tの関数である可変 項で与えられる。 この発明の意義は次に述べる数値例からさらに説明できる。システムパラメー タが次のとおり与えられるものとする。 γ＝４（所望のSN比） Ｎ＝１３０（処理利得） Ｗ＝１０×１０⁶（送信帯域幅） Ｎ_O＝４×１０^-21（白色雑音密度） Ｒ＝３０×３０³ｍ（セル半径３０km） λ＝0.1667ｍ（搬送波周波数1.9GHz対応） 自由空間伝搬モデルを用いると、 α＝(0.1667)²/(４π)²＝1.76×１０^-4 （式(3)から） したがって、基地局からの全総送信電力Ｐ_Tが１００ワットの場合は、グローバ ルチャンネル送信電力Ｐ_Gは でなければならない。 図４を参照すると、グローバルチャンネル送信電力Ｐ_Gを動的に制御する方法 ２００が示してある。システムパラメータ全部を定義し（ステップ２０２）、い くつかの定数（β(Ｒ)、ａ(Ｒ)）を算出すると（ステップ２０４）、グローバル チャンネル電力レベルＰ_G決定のためのＡおよびＢをプロセッサ１０８が算出す る（ステップ２０６）。全送信電力を基地局１００で測定し（ステップ２０８） 、次式により所望のグローバルチャンネル電力レベルＰ_Gを算出する（ステップ ２１０）。 Ｐ_G＝Ａ＋Ｂ＊Ｐ_T 式(7) 所望のグローバルチャンネル電力レベルＰ_Gが算出されると（ステップ２１０） 、グローバルチャンネル１１４全部がその算出された電力レベルにセットされる （ステップ２１２）。この処理を繰り返して（ステップ２１４）、全送信電力を 基地局１００で継続的にモニタし、グローバルチャンネル１１４の電力レベルを 動的に制御する。 グローバルチャンネル１１４の所要送信電力はセル１１のトラフィック負荷に 応じて１２dBもの幅で変動し得る。したがって、グローバルチャンネル電力レベ ルＰ_Gをトラフィック負荷の最大予測値（すなわち、最悪）の場合に十分な値に なるようにセットする用途では、その電力レベルＰ_Gはたいていの場合に所要電 力レベルよりも高くなる。この発明の方法は、トラフィック負荷が軽いときはそ の電力レベルＰ_Gを低下させトラフィック負荷が高いときはその電力レベルＰ_Gを 上昇させることによって、その電力レベルＰ_Gを最適値に制御し、それによって 信頼度の高い通信を常に維持する。このようにして、隣接セルへの溢出を最小値 に抑え全体としてのシステム容量を拡大させる。 特定の実施例を参照してこの発明を説明してきたが、これら細部の説明は例示 のためであって限定的なものではない。この明細書に記載した発明の真意と範囲 を逸脱することなく構成および動作モードにおいてこの発明に多数の変形が可能 であることは当業者には明らかであろう。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．複数の割当てチャンネルと少なくとも一つのグローバルチャンネルとを一つ の出力電力レベルで送信する手段と、 前記出力電力レベルをモニタする手段と、 前記割当てチャンネルの電力レベルを個別的に制御する閉ループ順方向電力制 御手段と、 前記出力電力レベルに応答して前記グローバルチャンネルの電力レベルを制御 する手段とを含み、前記グローバルチャンネルの前記電力を前記割当てチャンネ ルの全電力の正味変動値全部に応答して調節する基地局。 ２．前記グローバルチャンネル電力制御手段が、前記モニタ手段に応答して前記 グローバルチャンネルについての所望の電力レベルを算出しその算出値に応答し て前記グローバルチャンネルの前記電力を調節するプロセッサをさらに含む請求 項１記載の基地局。 ３．前記基地局からの距離ｒ_iにおける所望の電力レベルＰ_Gが、所望のSN比をγ 、処理利得をＮ、全出力電力をＰ_Tでそれぞれ表したとき、次式 から算出される請求項２記載の基地局。 ４．前記所望の電力レベルＰ_Gが、α＝(λ²)／(４π)²であって、所望のSN比を γ、処理利得をＮ、白色雑音電力密度をＮ_O、全送信電力をＰ_T、送信帯域幅をＷ 、最大稼動範囲をＲ、搬送波周波数対応の波長をλでそれぞれ表したとき、次式 から算出される請求項２記載の基地局。 ５．前記所望の電力レベルの算出に自由空間伝搬モデルを用いた請求項２記載の 基地局。 ６．前記所望の電力レベルの算出にHata伝搬モデルを用いた請求項２記載の基地 局。 ７．前記所望の電力レベルの算出に区切り点伝搬モデルを用いた請求項２記載の 基地局。 ８．前記送信手段が、 送信情報信号の発生のために前記割当てチャンネルと前記グローバルチャンネ ルとを組み合わせる手段と、 前記送信情報信号を前記送信に先立ってアップコンバートする手段と、 前記アップコンバートされた信号を送信するアンテナ手段と をさらに含む請求項４記載の基地局。 ９．前記出力電力レベルを前記組み合わせる手段でモニタする請求項８記載の基 地局。 １０．前記割当てチャンネルの各々および前記グローバルチャンネルの前記電力 レベルを前記出力電力レベルの発生のために前記モニタ手段で個別にモニタする 請求項８記載の基地局。 １１．前記出力電力レベルを検出する第２のアンテナ手段をさらに含み、前記モ ニタ手段が前記第２のアンテナに応答する請求項８記載の基地局。 １２．前記送信手段が複数のグローバルチャンネルを送信する手段をさらに含む 請求項１記載の基地局。 １３．基地局から送信されるグローバルチャンネルの電力を制御する方法であっ て、 複数の割当てチャンネルと少なくとも一つのグローバルチャンネルとを一つの 出力電力レベルで送信する過程と、 前記出力電力レベルをモニタする過程と、 閉ループ順方向電力制御を用いて前記割当てチャンネルの前記電力レベルを個 別に制御する過程と、 前記出力電力レベルに応答して前記グローバルチャンネルの電力レベルを制御 する手段とを含み、前記グローバルチャンネルの前記電力を前記割当てチャンネ ルの全電力の正味変動値全部に応答して調節する方法。 １４．前記グローバルチャンネルについての所望の電力レベルを前記モニタする 過程に基づいて算出する過程と、その算出結果に応答して前記グローバルチャン ネルの電力を調節する過程とをさらに含む請求項１３記載の方法。 １５．前記所望の電力レベルＰ_Gが、α＝(λ²)／(４π)²であって、所望のSN比 をγ、処理利得をＮ、白色雑音電力密度をＮ_O、全送信電力をＰ_T、送信帯域幅を Ｗ、最大稼動範囲をＲ、搬送波周波数対応の波長をλでそれぞれ表したとき、次 式 から算出される請求項１４記載の方法。 １６．前記送信する過程が、 送信情報信号の発生のために前記割当てチャンネルと前記グローバルチャンネ ルとを組み合わせる過程と、 前記送信情報信号を前記送信に先立ってアップコンバートする過程と、 前記アップコンバートされた信号を送信する過程と をさらに含む請求項１５記載の方法。 １７．前記組み合わせる過程に先立って前記出力電力レベルをモニタする過程を さらに含む請求項１６記載の方法。 １８．前記出力電力レベルの発生のために前記割当てチャンネルの各々および前 記グローバルチャンネルの電力レベルを個別にモニタする過程をさらに含む請求 項１５記載の方法。 １９．共通位置アンテナを用いて前記出力電力レベルを検出する過程をさらに含 む請求項１５記載の方法。 ２０．複数のグローバルチャンネルを送信する過程をさらに含む請求項１３記載 の方法。