JP2004159345A - 移動通信システムにおけるｏｆｄｍ周波数再使用方法 - Google Patents

移動通信システムにおけるｏｆｄｍ周波数再使用方法 Download PDF

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Abstract

【課題】 ＯＦＤＭを使用する移動通信システムにおいて周波数を効率的に再使用する方法を提供する。
【解決手段】 直交周波数分割多重方式で端末と通信する複数の基地局を含む移動通信システムにおける直交周波数分割多重周波数資源の再使用方法は、各基地局において使用できる直交周波数分割多重周波数資源を４グループ以上に分割し、前記分割された直交周波数分割多重周波数資源毎に同一であるか、それとも異なる周波数再使用距離値を有するように設定する過程と、基地局の近隣領域から遠距離領域の順で前記分割された直交周波数分割多重周波数資源のうち周波数再使用距離値が小さい資源から周波数再使用距離値が大きい資源まで順次に割り当てる過程と、を含む。
【選択図】 図２

Description

本発明は、移動通信システムにおける周波数の再使用(Frequency Reuse)方法に関し、特に、移動通信システムにおいて直交周波数分割多重(Orthogonal Frequency Division Multiplex: 以下、ＯＦＤＭと称する)方式の周波数再使用方法に関する。
一般的に、移動通信システムは、使用者にとって移動性を確保し、音声通話を提供するために開発された。この移動通信システムは、技術の飛躍的な発展及び使用者の欲求の増加につれて、データ通信を遂行するようになった。移動通信システムにおいて、データの伝送は、初期には簡単な短文メッセージから始まって、インターネットサービスなどを支援することができるように発展され、現在は、動映像データなどの高速データの伝送ができるようになった。このように、移動通信システムの伝送方式は、初期のセルラー音声通信から発展して、現在は３世代(3rd Generation Partnership Project : ３ＧＰＰ)移動通信システムの標準において多くの論議が行われている。３世代移動通信システムは、同期式のＣＤＭＡ方式と非同期式のＷＣＤＭＡ方式とに区分される。
一方、ＯＦＤＭ方式は、マルチキャリア変調方式の一種であり、ＯＦＤＭ方式の帯域拡散技術は、正確な周波数において一定の間隔が離れている多数の搬送波にデータを分散させる。このように、ＯＦＤＭ方式の帯域拡散を使用すると、正確な周波数において一定の間隔が離れるようにするので、他の周波数を参照しないようにして直交性を提供する。さらに、ＯＦＤＭ方式は、多重経路(Multi-path)及び移動受信環境において優れた性能を発揮する。こういう理由で、ＯＦＤＭ方式は、地上波デジタルテレビジョン及びデジタル音声放送に適した変調方式として注目を集めている。従って、ＯＦＤＭ方式は、ヨーロッパ、日本及びオーストラリアのデジタルテレビジョンの標準として採択されると予想され、以降、移動通信システムの４世代(4th Generation Partnership Project-現在は構成されていない)において論議されると予想される。
ＯＦＤＭ方式を移動通信システムに適用する場合、ＯＦＤＭ方式の特性によって下記のような長所を有するようになる。
第１に、ＯＦＤＭ方式において、伝送シンボル１つの継続時間は、単一キャリア方式と比較すると、搬送波の個数倍だけ長くなる。ここで、ガードインターバル(guard interval)を付加する場合、多重経路による伝送特性の劣化を低下することができる。
第２に、ＯＦＤＭ方式は、データを伝送帯域全体に分散して伝送するので、特定の周波数帯域に妨害信号が存在する場合も、影響を受けるのは一部データビットに限定され、インターリブ及びエラー訂正符号によって効果的に特性を改善することができる。
第３に、ＯＦＤＭ方式の変調波は、ランダム雑音に似ているので、他のサービスに与える妨害性質がランダム雑音と同様である。
第４に、ＯＦＤＭ方式は、高速フーリエ(Fourier)変換による変復調処理が可能である。
前述した利点以外にも多くの利点を有するので、移動通信システムにおいてＦＤＭ方式を使用するための多くの研究が進行中である。
ＯＦＤＭ方式は、直交周波数を使用する方式であるので、１つの基地局において全てのＯＦＤＭ周波数チャネルを使用することができないという問題点がある。これを詳述すると、以下のようである。ＯＦＤＭ方式において使用可能の周波数チャネルの個数が５１２個であると仮定し、一人の使用者が４つまたは３２個の周波数チャネルを使用することができると仮定する。以下、一人の使用者に４つの周波数チャネルを割り当てる場合に仮定すると、基地局において割り当てできる資源(resource)は１２８個に限定される。もし、基地局において１２８個の全ての周波数資源を使用するように設定すると、同一の周波数資源を隣接した基地局において割り当てるようになる。これを例を挙げて説明すると、所定の領域を有する１つの基地局＿Ａと、基地局＿Ａに隣接した基地局＿Ｂを仮定する。基地局＿Ａにおいて特定の４つの周波数チャネルを使用者に割り当て、基地局＿Ａに隣接した基地局＿Ｂにおいても同一の周波数チャネルを使用者に割り当てる場合が発生する可能性がある。このような場合、基地局＿Ａと通信を遂行する端末と、基地局＿Ｂと通信を遂行する端末との間の距離が近接した場合、各端末は、Ｃ／Ｉ(carrier to interference ratio)特性が低下する問題点がある。
これを改善するために、各基地局においてはＯＦＤＭ方式を使用する場合、干渉量によって適応的にキャリアを割り当てする方式を利用する。隣接した基地局において使用しない周波数を最も高い優先順位を有する周波数資源に設定する。さらに、隣接した基地局において使用する周波数であってもサービスを受けようとする端末間の距離によって資源の優先順位が異なるようにして周波数を割り当てる。この時、高い優先順位を有する周波数に先に資源を割り当てることができる。
このような方式を使用する場合、基地局は隣接した基地局において使用している周波数を知っているべきであり、隣接基地局においてサービスを受ける端末と自分の基地局においてサービスを受ける端末との間の距離などを計算するので、システムが非常に複雑になる問題点がある。
従って、前述した問題点を解決するための法案として、使用できる全体周波数を、例えば、１／３に分けて使用する方法がある。前記周波数を分けて使用する方法を図１を参照して簡略に説明すると下記のようである。図１は、従来技術によってＯＦＤＭを使用するセルラー移動通信システムにおいて周波数再使用方式を説明するための図である。
基地局１００、１１０、１２０、１３０、１４０、１５０、１６０は、１つのセルを構成し、互いに異なる周波数を使用する。つまり、１つの基地局は、全体の使用できる周波数のうち１／３のみを使用する。図１を参照すると、基地局１００は、キャリアインデックス(Carrier Index)の１／３を使用している。さらに、基地局１００の隣接した基地局１１０、１２０、１３０、１４０、１５０、１６０は、基地局１００が使用しないキャリアインデックスの周波数を使用し、また、各基地局間の隣接した基地局において使用しない周波数インデックスを使用する。前述したように、全体使用できる周波数を１／３に分けて使用する場合、周波数再使用距離が３になる。つまり、前記方法を基礎にして一般的に周波数再使用距離は３より大きい値を有するようになる。前述したように構成すると、各基地局において使用できる周波数が互いに交差せず、効率的に使用することができる。
しかしながら、前述した方法は、全ての周波数を使用することができないという問題点がある。所定の基地局において使用できる周波数の数字は、使用者数字の意味するか、伝送率を意味する。従って、周波数数字が低減する場合、収容できる使用者が制限されるか、または、伝送率が制限されるという問題点が発生する。
従って、本発明の目的は、ＯＦＤＭ方式を使用する移動通信システムにおいて周波数の再使用を増大させる方法を提供することにある。
本発明の他の目的は、ＯＦＤＭ方式を使用する移動通信システムにおいて使用者のデータ性能に支障を与えずに周波数再使用率を高める方法を提供することにある。
本発明のまた他の目的は、ＯＦＤＭ方式を使用する移動通信システムにおいて使用できる資源を増大させる方法を提供することにある。
前述した目的を達成するための本発明の一実施形態による方法は、直交周波数分割多重方式で端末と通信する複数の基地局を含む移動通信システムにおける直交周波数分割多重周波数資源の再使用方法である。前記方法は、各基地局において使用できる直交周波数分割多重周波数資源を４グループ以上に分割し、前記分割された直交周波数分割多重周波数資源毎に同一であるか、それとも異なる周波数再使用距離値を有するように設定する過程と、基地局の近隣領域から遠距離領域の順で前記分割された直交周波数分割多重周波数資源のうち周波数再使用距離値が小さい資源から周波数再使用距離値が大きい資源まで順次に割り当てる過程と、を含む。前記周波数資源の分割時、前記直交周波数分割多重周波数のキャリアインデックスが連続するようにグループで構成するか、前記システムにおいて周波数ホッピングが行われる場合、前記ホッピングが行われる周波数間をグループで構成することができ、前記分割された周波数資源のうち少なくとも１つの周波数資源に対して周波数再使用距離値を１に設定し、前記周波数再使用距離値が１である周波数資源を基地局の近隣領域に割り当てる。前記基地局の近隣領域は、基地局からの距離、システムで要求する信号対雑音比、周辺基地局からの干渉量によって計算される。
前述した目的を達成するための本発明の一実施形態による方法は、直交周波数分割多重方式で端末と通信する基地局を含み、各基地局は、基地局近隣領域に割り当てるための直交周波数分割多重周波数資源及び遠距離領域に割り当てるための直交周波数分割多重周波数資源を備える移動通信システムで、各基地局が端末に直交周波数分割多重周波数資源を割り当てるための方法である。所定の端末から直交周波数分割多重周波数設定が要求されると、前記基地局と端末との間に予め設定された条件を検査する過程と、前記基地局と端末との間に予め設定された条件を満足する場合、近隣領域に割り当てるための直交周波数分割多重周波数資源を割り当ててチャネルを設定する過程と、前記基地局と端末との間の距離が予め設定された距離領域の外側に位置する場合、遠距離領域に割り当てるための直交周波数分割多重周波数資源を割り当ててチャネルを設定する過程と、を含む。
前述した目的を達成するための本発明の他の実施形態による方法は、直交周波数分割多重方式で端末と通信する基地局を含み、各基地局は、２つ以上に区分されたグループの直交周波数分割多重周波数資源のグループを有し、通信が要求される端末に周波数のための直交周波数分割多重周波数資源を割り当てるためのシステムで、各基地局が端末に直交周波数分割多重周波数資源を割り当てるための方法において、所定の端末から直交周波数分割多重周波数の設定が要求されると、端末の信号対雑音比を予め決定された基準信号対雑音比と比較する過程と、端末の信号対雑音比が予め決定された信号対雑音比より低い場合、低いサブチャネル グループの直交周波数分割多重周波数資源を割り当ててチャネルを設定する過程と、を含む。
さらに、前記サブチャネルグループが３つ以上であり、各サブチャネルグループを区分するための予め決定された基準信号対雑音比が２つ以上である場合、前記サブチャネルグループの決定は、端末の信号対雑音比より大きい基準信号対雑音比のうち最も小さい信号対雑音比のグループの直交周波数分割多重周波数資源を割り当て、サブチャネルの決定時、ログノーマルフェーディングを含む信号損失を前記信号対雑音比と共に考慮してサブチャネルグループを決定する。
本発明は、移動通信システムにおいてＯＦＤＭ周波数を特定の個数に分割し、基地局の近隣領域と遠距離領域とに区分して、近隣領域に割り当てられた周波数の周波数再使用距離値を１に設定することによって周波数使用率を高めるという利点がある。さらに、周波数ホッピングを使用する場合、基地局近隣領域と基地局遠距離領域とを区分し、これによって、近隣領域には周波数再使用値を１に設定することによって波数使用率を高めることができるという利点がある。
以下、本発明に従う好適な一実施形態について添付図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確にする目的で、関連した公知機能又は構成に関する具体的な説明は省略する。
本発明の説明において、周波数再使用距離３及び１(３つの基地局に１回ずつ使用するキャリアと全ての基地局において使用するキャリア)に特定して説明しているが、Ｎ1、Ｎ2、…ＮMのようにＭ個の再使用距離を使用する場合も本発明に含まれる。
図２は、本発明の第１実施形態によって移動通信システムの基地局においてＯＦＤＭ周波数の再使用方法を説明するための図である。以下、図２を参照して、本発明による移動通信システムの基地局においてＯＦＤＭ周波数の再使用方法に関して詳細に説明する。
本発明による基地局２００、２１０、２２０、２３０、２４０、２５０、２６０は、従来技術における説明と異なって、周波数を１／４に分割して使用する。前述したように１／４に分割された周波数インデックス(Carrier Index)の領域を第１領域(ｎ1)ないし第４領域(ｎ4)と称する。ここで、前記周波数を１／４に分割する理由は、周波数の再使用距離(frequency reuse distance)が３及び１として異なる種類を共に使用するからである。つまり、周波数再使用距離３及び周波数再使用距離１を共に使用するので、周波数を１／４に分割する。従って、本実施形態と異なる周波数再使用距離を使用する場合、周波数分割値が異なるようになる。さらに、本実施形態において、周波数再使用距離として３及び１を共に使用する理由は、セルの境界またはエッジ(edge)部分においても周波数再使用距離が３である場合、システムにおいて所望するＣ／Ｉを満足することができるからである。従って、システムにおいて要求するＣ／Ｉのレベルがより大きくなると、周波数再使用距離をより大きく取るべきである。さらに、チャネルにおいて伝播損失(propagation loss)及びフェーディング(fading)の変化(variance)などが激しい場合、周波数再使用距離を本実施形態においてより大きく使用しなければならない。つまり、基地局が伝播損失、フェーディング変化または所望するＣ／Ｉ値の変化などによって周波数再使用距離の領域または基地局の境界などが、図１または図２に示したのと異なって構成される場合は、周波数をより多くの領域に分割すべきである。これは、ＯＦＤＭ周波数の再使用による距離値が基地局の形状(実際伝播の伝達距離、伝播損失、フェーディング変化、システムにおいて要求するＣ／Ｉ値、基地局からの距離)によって異なることを意味する。
それだけでなく、図２の実施形態には、周波数再使用距離を基地局からの距離によって区分するようになっている。つまり、基地局から近い領域では周波数再使用距離を１にするＯＦＤＭキャリアを使用し、基地局から遠距離領域では周波数再使用距離を３にするＯＦＤＭキャリアを使用する。しかしながら、前述したように単純な距離でないＣ／Ｉ値によってＯＦＤＭキャリアを使用するように構成することができる。Ｃ／Ｉによって基地局を区分する場合、予め設定された臨界値のＣ／Ｉによって基地局及びチャネル状況が良好である領域と良好でない領域とに区分される。この時、Ｃ／Ｉは、基地局周辺の建物配置及び周辺環境などによって、図２と異なって図示されることができる。これを、図５を参照して説明する。
実際、ＯＦＤＭ周波数の再使用距離値は、３、４、７、…などの値を有することができる。以下の説明において、基地局間に隣接する形状が図１または図２のように構成される例に仮定して説明する。
このように分割した周波数インデックスの領域のうち第１領域(ｎ1)の周波数は、図２に示すように基地局から所定の距離内に位置した個所で周波数再使用値を１に設定する。つまり、周波数インデックスの領域のうち第１領域(ｎ1)の周波数は、全ての基地局において使用できるように構成する。これに関して詳述すると、下記のようである。
基地局から所定の距離内に位置する端末は、一般的にＣ／Ｉ特性が良い。以下、図２に示すように基地局２００、２１０、２２０、２３０、２４０、２５０、２６０から円状のように示される所定の距離内の領域を“近隣領域(near areas)”と称する。さらに、基地局２００、２１０、２２０、２３０、２４０、２５０、２６０の各基地局の近隣領域以外の領域を“遠距離領域(remote areas)”と称する。近隣領域及び遠距離領域は、単純な距離のみで計算されることでなく、システムにおいて要求するＣ／Ｉ、周辺基地からの干渉量などによって近隣領域と遠距離領域とを区分する。
これを図３を参照してより詳細に説明する。図３は、本発明による１つの基地局及び前記基地局のセルを近隣領域と遠距離領域とに区分した図である。基地局２００は、一般的に信号の送達距離をセル領域２００ａとする。前記信号の送達距離内に基地局の特性及び基地局が設置された地域的な条件によって異なって設定される半径(ｒ)内の基地局近隣領域２００ｂを有する。さらに、基地局２００の近隣領域２００ｂを除いた領域を基地局遠距離領域に設定する。基地局近隣領域２００ｂは、基地局から近い距離に位置するので、他の基地局との干渉がほとんどない。従って、基地局近隣領域２００ｂにおいては、周波数再使用距離値を１として使用しても、他の端末に影響を与えない。
また、基地局遠距離領域は、従来技術のような周波数再使用方法を使用する。これを図２を参照して説明すると、以下のようである。基地局２００、２１０、２２０、２３０、２４０、２５０、２６０は、基地局の特性及び基地局の位置条件によってそれぞれ異なる領域を有する。本発明においては、理想的なケースに仮定して説明する。つまり、基地局２００、２１０、２２０、２３０、２４０、２５０、２６０が６角のセルで構成される場合である。このように構成される場合、基地局遠距離領域は、従来技術のようにそれぞれ交差しないようにＯＦＤＭ周波数が割り当てられる。この時、周波数再使用距離値が３である場合、基地局２００、２１０、２２０、２３０、２４０、２５０、２６０は、周波数インデックス第２領域(ｎ2)ないし第４領域(ｎ4)の３領域値のみを割り当てられる。従って、基地局２００、２１０、２２０、２３０、２４０、２５０、２６０は、基地局から遠距離に位置する端末にＯＦＤＭ周波数を割り当てる場合、自分の基地局に割り当てられた領域の周波数を使用する。例えば、基地局２００が周波数インデックスのうち第２領域(ｎ2)の周波数インデックス値を割り当てられた場合は、遠距離に位置した端末に割り当てる周波数は、第２領域(ｎ2)に周波数を割り当てる。
これに反して、基地局２００の近隣領域に端末が位置する場合、基地局２００は、第１領域(ｎ1)の周波数インデックス値として周波数を割り当てる。これは、他の基地局、例えば、基地局２１０の場合も同様である。つまり、基地局２１０に第３領域(ｎ3)の周波数インデックス値が割り当てられた場合、基地局２１０は、近隣領域の端末には第１領域(ｎ1)の周波数を割り当てる。また、基地局２１０の遠距離に位置した端末の場合、第３領域(ｎ3)の周波数を割り当てる。このように割り当てる場合を図２に示す。
図５は、特定の基地局において信号の強度(signal strength)またはＣ／Ｉによってセルを近隣領域と遠距離領域とに区分して示す図である。図５と図３とを比較すると、距離によって区分される基地局近隣領域２００ｂと、信号の強度またはシステムにおいて要求するＣ／Ｉによって区分される近隣領域２００ｃは、異なる境界を有することが分かる。これは、図５に図示されていないが、基地局領域２００ａも同一に表現できる。これは、基地局の位置する地理的な要件及び時間によるフェーディング(fading)変化などによって異なって表現される。つまり、距離が基地局から近接した位置であっても、建物などによって基地局と端末との間のチャネル状況が良くないか、または、伝播損失などが激しい場合、図５に示すように、近隣領域２００ｃは、距離と異なる形態で表現できる。つまり、図２及び図３は、理解の便宜のため、近隣領域２００ｂを距離で表現して示し、以下の説明においても基地局からの距離として説明する。しかしながら、図５に示すように、実際に距離に限定されず、前述した多用な要件によって変更できる。
本発明の第１実施形態の説明によると、周波数インデックス値を所定個数に領域を分割する。さらに、前記分割された周波数インデックス値のうち特定の領域には周波数再使用距離値を１として使用し、他の領域の周波数インデックス値は、周波数再使用インデックスを３に設定する。つまり、本発明は、周波数インデックス領域を分割し、分割された周波数領域に異なる周波数再使用距離値を使用する方法を提案する。従って、基地局が前記のような一定の形状を有しない場合、遠距離領域の周波数再使用距離値はもっと大きくなる。つまり、周波数再使用距離値は、３以上の値を有する。このように、周波数再使用距離値が３以上である場合、周波数インデックスを分割することも変化する。つまり、周波数再使用距離値より１だけ大きい値に周波数インデックスを分割する。さらに、本実施形態においては、前記分割される周波数インデックスの領域が同一のサイズになるように分割する場合に仮定しているが、基地局の位置要素などを考慮して異なる周波数インデックス領域を有するように分割することもできる。
次に、本発明の第２実施形態に関して説明する。図６は、本発明の第２実施形態によって周波数ホッピング(frequency hopping)システムにおいてＯＦＤＭキャリアをグループ別に区分して異なる距離値を割り当てる例を示す。
第１実施形態においては、周波数再使用距離を使用するグループが連続している場合を例にして説明する。つまり、図２に示すように、周波数再使用距離値が１であるキャリアインデックスの第１領域(ｎ1)の周波数、及び周波数再使用距離値が３であるキャリアインデックスの第２領域(ｎ2)ないし第４領域(ｎ4)に区分した。第１領域(ｎ1)のキャリアインデックスが、最初のキャリアから最後のキャリアまで連続して構成され、第２領域(ｎ2)のキャリアインデックスも最初のキャリアから最後のキャリアまで連続して構成される。これは、第３領域(ｎ3)のキャリアインデックスと第４領域(ｎ4)のキャリアインデックスも同一である。しかしながら、第２実施形態においては、不連続的に存在するキャリアインデックス間をグループ(Group)として形成して使用する方法を説明する。
例えば、周波数ダイバーシティ(diversity)を向上させるために、各グループ(group)別に割り当てられた周波数が図６に示すように第１グループ(Ｇ１)、第２グループ(Ｇ２)及び第３グループ(Ｇ３)に区分することができる。第１ないし第３グループは、図６に示すように、キャリアインデックス値が一定間隔で分布できる。このように、キャリアインデックス値が一定の間隔を有する場合は、直交周波数ホッピング(orthogonal frequency hopping)を使用するＯＦＤＭシステムにおいて周波数ホッピングのパターン(pattern)別にグループに縛って使用することができる。この時、各グループは、本発明の思想によって異なる周波数再使用距離値を有するように構成することができる。図６の実施形態においては、近隣領域に使用されるキャリアインデックスを有するキャリア周波数は、周波数再使用距離値を１に設定した例である。さらに、基地局遠距離領域に使用される第１グループ(Ｇ１)ないし第３グループ(Ｇ３)の値は、周波数再使用距離値として３を使用する例を示す。このような周波数ホッピングを使用することによって干渉平均(interference averaging)効果を得ることができる。従って、周波数再使用距離値を１に使用することのできる距離を拡張することができる。ここで、距離は、実際的な距離であることができ、前述したように、システムにおいて要求するＣ／Ｉ値などになることができる。
以下、本発明を最適の条件に活用するために、下記のような仮定下で費用関数(cost function)を得ることを説明する。
１．使用者は、基地局の領域内に均一に分布し、平均ポアソンプロセス(Poisson Process)によって発生すると仮定する。
２．セルの半径を１に標準化した場合、前記近隣領域の半径ｒ内に位置する使用者は、周波数再使用距離値を１にしても、システムにおいて所望するＦＥＲを満足すると仮定する。さらに、半径ｒより遠く、セルの半径１内にいる使用者は、周波数再使用距離値を３にする場合、ＦＥＲ条件を満足する。さらに、セルの形は、円形(circle)に近似化する。この場合、近隣領域半径ｒ内に入る使用者の平均個数はｒ2であり、外側にいる使用者の平均個数は１−ｒ2である。前記２つは、互いに独立したポアソンプロセスとして考えることができる。
３．ＯＦＤＭの周波数(sub-carrier)個数はＮであり、一人の使用者がＭ個の周波数(sub-carrier)を使用すると仮定すると、全体資源(resource)の個数は、ｎ＝Ｎ／Ｍである。この時、周波数再使用距離値が１である場合、ｎ1個の資源(resource)を使用し、周波数再使用距離値が３である場合にｎ2個の資源(resource)を使用すると、ｎ＝ｎ1＋３ｎ2の関係を従う。この時、ｎ1及びｎ2を最適化するために、費用関数として遮断率(blocking rate)の和を使用する。
４．ＯＦＤＭシステムにバッファが存在しないと仮定すると、前述した問題は、ｎ1個及びｎ2個のサーバ(server)を有し、トラヒック(traffic)の発生頻度がｎ1 ＝Ｒ2及びｎ2 ＝(１−Ｒ2)である場合に仮定することができる。
従って、前記仮定下で費用関数は、公知のアーランＢ(Erlang B)を利用して遮断確率(blocking probability)を得ることができ、これを数式で表現すると、式(6)のようになる。
Figure 2004159345
式(6)において、ｎ1は、基地局の近隣領域の資源個数であり、ｎ2は、基地局遠距離領域の資源個数であり、ｎ1とｎ2の関係は、全体資源ｎ＝ｎ1＋３ｎ2の関係を有し、ｎ1及びｎ2は整数である。さらに、λ1は、近隣領域においてイベントが発生する確率値であり、λ2は、遠距離領域においてイベントが発生する確率値である。ｊは、１〜ｎ1または０〜ｎ2の範囲を有し、合計(summation)のためのパラメータである。
式(6)のアーランＢ確率をグラフに示すと、図４のようになる。図４に示すように、確率値は常に正の値を有し、下方の凸形の放物線の曲線を示す。従って、放物線の頂点の値が最小になる値になる(つまり、費用関数の微分値が“０”になる)。
以下、周波数再使用距離値を３にする場合と本発明のように周波数再使用距離値を１及び３にする場合を比較して説明する。
周波数再使用距離値を３に設定する場合、遮断確率は、式(7)のようになる。
Figure 2004159345
式(7)と本発明を対比すると、本発明は、周波数再使用値が１である領域を導入することによって、ｎ個のチャネルを従来技術より細かく区分して使用する。従って、特定の基地局のみで使用する周波数の個数は減少する。しかしながら、全ての基地局が使用する周波数領域が存在するので、全ての基地局において使用する領域を除いた残りの周波数領域を均等に３等分して使用すると、１つの基地局において使用できる周波数チャネルの個数は、ｎ1＋ｎ2の関係が成立する。これによって、１つの基地局において使用できる周波数の数字は増加する。これを、下記のような条件でシミュレーションすると、下記のような結果を得ることができる。
ＯＦＤＭにおいて使用できる周波数の個数を５１２に仮定し、一人の使用者に４または３２個のチャネルを使用すると仮定する。そうすると、全体活用できる資源の個数は１２８個になる。システムの付加は、全体活用できるチャネルの個数対比単位時間に発生するトラヒックの比になる。周波数の再使用距離を１に使用する半径を０．３〜０．４に仮定すると、遮断確率は、周波数再使用距離値を３として使用する場合より低くなる。さらに、周波数再使用距離を０．９まで拡張し、遮断確率を０．０２に固定する場合、周波数再使用距離値が３である場合より基地局の容量を４倍まで増加させることができる。
以上、説明したように、本発明において、周波数資源は、基地局からの距離、受信信号の感度(strength)、周辺基地局からの干渉量などによって端末と通信に割り当てる。本発明の実施形態においては、周波数資源の分割個数＋１の個数で分割することを例として説明したが、それより多い個数で周波数資源を分割することもできる。さらに、本発明の実施形態においては、周波数資源を分割した個数が２種類に限定されて周波数資源を分割して割り当てる過程が説明されているが、本発明は、２種類に限定されずに、それ以上の種類にも適用できる。
このように、分割された周波数資源を割り当てる方法は、本発明の実施形態において説明したように、周波数資源を２種類に区分する場合、遠距離領域に位置した端末と近隣領域に位置した端末に区分して通信に使用する周波数に特定の周波数資源を割り当てることができる。さらに、周波数資源を２つに区分する場合、下記のような方法で周波数を割り当てることもできる。
第１に、遠距離端末と通信に割り当てる方法、第２に、端末において基地局からの受信信号の感度(strength)を測定した後、受信感度(strength)が低い端末と通信に割り当てる方法、第３に、端末において他の基地局からの干渉を測定した後、完了量の多い端末と通信に割り当てる方法などがある。さらに、残りの資源には、残りの端末と通信に割り当てて使用することができる。また、２つ以上に周波数資源が区分されている場合、前述した３つの場合によって分類(sort)した後、順次に割り当てるように構成することもできる。
以上の説明は、単純に基地局と端末との間の距離のみを考慮して計算したケースである。しかしながら、実際環境において使用者をサブチャネル(subcarrier)に割り当てる基準として距離を使用することより、ログノーマルフェーディング(lognomal fading)を含む経路損失(pathloss)が最も大きい使用者に負荷(load)が比較的に低いサブチャネルグループを割り当てることが望ましい。他の方法として、使用者の信号対干渉比(Signal to Interference Ratio: ＳＩＲ)が分かる場合、信号対干渉比が最も小さい使用者に負荷が比較的に低いサブチャネルを割り当てることが望ましい。つまり、２つのグループから構成される場合を仮定して説明すると、経路損失の低いサブチャネルグループと経路損失の高いサブチャネルグループとに区分することができる。このような状態において、前述したように予め決定された信号対干渉比を利用して使用者を割り当てることができる。
サブチャネルグループが３つ以上であり、各サブチャネルグループを区分するための予め決定された基準信号対雑音比が２つ以上必要である場合、予め決定された基準信号対雑音比が２以上である場合、前記サブチャネルグループの決定は、前記端末の信号対雑音比より大きい基準信号対雑音比のうち最も小さい信号対雑音比のグループのＯＦＤＭ周波数資源を割り当てることによって、前述したように資源が割り当てられることができる。
以下、ログノーマルフェーディングを含む経路損失を使用する方法及び使用者の信号対干渉比を使用する方法に関して説明する。
一般的に、基地局(base station)から近い使用者は、隣接セル(cell)から距離が遠いので、受信される信号の干渉(Interferer)が小さくて十分に大きい信号対雑音比を有する。このような場合、トラヒック負荷(traffic load)が高くなっても十分に低い誤謬率を見せる。しかしながら、使用者端末が基地局から遠くなると、隣接したセルから受信されるチャネルの干渉量が増加するので、信号対雑音比が小さくなる。従って、このような使用者端末は、干渉量を減少させるべきである。
このために、本発明の実施形態においては、このような原理を利用してサブチャネルを２つ以上のグループに分ける。このように区分されたサブチャネルのグループを、前述したように、距離でないトラヒック負荷(traffic load)を割り当てる方式で信号対雑音比を改善することである。従って、各グループは、使用者端末の負荷の異なるトラヒックを割り当てるグループになる。これを、図７を参照して説明する。図７は、本発明の他の実施形態によって使用者別サブチャネルの割り当て方法を例示する図である。
図７を参照すると、１つの基地局２００は、近距離領域２００ｂと遠距離領域２００ａに区分される。図７において、遠距離領域と近距離領域を区分することは、距離による区分でなく、トラヒック負荷によって区分されることである。これを図示することが困難であるので、距離による区分のように示した。さらに、実際、遠距離領域と近距離領域を区分する時、実際距離が参照されて利用できることは当然である。前記使用できるサブチャネル(Carrier)は、２つの異なるグループ(ｎ１,ｎ２)に区分した。さらに、前記遠距離領域に含まれる端末３０１、３０２、３０３、３０４は、遠距離領域に割り当てられる周波数グループ(ｎ２)内の周波数が周波数ホッピング方法３２０を通して設定されて使用される。さらに、近距離領域２００ｂに含まれた端末３１１、３１２、３１３も近距離領域に割り当てられる周波数グループ(ｎ２)内の周波数が周波数ホッピング方法３２０を通して割り当てられる。
図７で説明したように、本発明の実施形態においては、説明の便宜のため、負荷によるグループを２つに区分する場合に関して説明した。しかしながら、実際負荷によるグループを３つ以上に区分することができ、システムの環境によって適切な個数のグループに分けて使用する場合、より効率が増大される。
比較的に高いサブチャネルグループ(ｎ１)の負荷と比較的に低いサブチャネルグループ(ｎ２)の負荷を決定することは、各グループに割り当てられたサブチャネルの個数を調節することによって行われる。各グループに割り当てされたサブチャネルの個数が同一である場合、発生する使用者のうち各グループに割り当てられる使用者の個数を変更することによって調整することができる。一般的に、高い平均トラヒック(traffic)である場合、負荷の高いサブチャネル グループにおける負荷は、１．０に近く決定することが最適である。さらに、負荷を調整する場合、高い負荷を有するサブチャネルグループに割り当てられた使用者のうち最悪の信号対雑音比が、低い負荷を有するサブチャネルグループに割り当てられた使用者のうち最悪の信号対雑音比より良好にするか同一にする。
前述したような構成を有する場合のチャネルモデルに関して説明し、そのチャネルモデルにおける効率に関して説明する。
ｒを使用者と基地局との間の距離を各基地局のセル間の距離の半分で割った値とする。さらに、基地局と使用者のチャネルは、式(8)のようなモデルになると仮定する。
Figure 2004159345
式(8)において、ｄは、基地局と使用者端末との間の距離であり、ｃは、周波数と環境によって決定される常数である。αは、信号損失指数(path loss exponent)である。信号損失指数(α)が２である場合、自由空間モデル(free space model)と同一である。この時、基地局からｒだけ離れて位置した使用者の平均信号対雑音比は、式(9)のように表示することができる。
Figure 2004159345
セルの形態が円であり、パケットの平均発生個数が領域(area)に比例し、セルのロードがｐであると仮定する。この時、基地局において半径によって正規化した距離がｒだけ離れた円内で発生するパケットの個数はｒ２Ｎｐであり、外で発生するパケットの個数は(１−ｒ２)Ｎｐである。さらに、目標信号対雑音比(target SIR)をｓとする。
そうすると、前記負荷ｐを最大化することができるようにサブチャネル(subcarrier)の配置を分ける方法を探す。つまり、全体サブチャネル(sub-carrier)がＮであり、基地局から距離がｒ以内である使用者にＮ１を、外にいる使用者にＮ２を割り当てると、この時、負荷は、それぞれｒ２Ｎｐ／Ｎ１、(１−ｒ２)Ｎｐ／Ｎ２のようである。この時、それぞれエッジ(edge)において信号対雑音比を式(9)を通して求めると、式(10)及び式(11)のように示すことができる。
Figure 2004159345
Figure 2004159345
 従って、式(10)及び式(11)は、全部目標信号対雑音比ｓより大きい最大セルのロードｐがシステムの最大容量になり、反対に、ｐが与えられている場合、式(10)及び式(11)を最小化するようにｒ及びＮ１を決定すると、最初信号対雑音比になる。つまり、２つの方向に最適化することができる。
式(10)及び式(11)は、全部ｒ及びＮ１に対して非線形的な関係であるので、図式化(graphic)した方法を通して最適化する。これを例を挙げて説明すると、αを４に固定し、ｒ及びＮ１／Ｎを変数にした場合、信号対雑音比を図式化すると、図８及び図９のように示すことができる。図８は、負荷が５０％である場合、近距離領域(inner cell)及び遠距離領域(outer cell)のエッジ(edge)において信号対雑音比のメッシュ平面図(mesh plot)であり、図９は、負荷が５０％である場合、近距離領域(inner cell)及び遠距離領域(outer cell)のエッジ部分の信号対雑音比の等高線平面図(contour plot)である。
図８において、ｘ軸は、使用者と基地局との間の距離を最も遠い使用者と基地局との間の距離で割った値であり、ｙ軸は、負荷の高い周波数ホッピンググループ(frequency hopping group)に割り当てられたサブチャネルの個数を全体サブチャネルの個数で割った値であり、ｚは、信号対雑音比、参照符号４００の曲面の最上部は、信号対雑音比が５０ｄＢであり、参照符号４００の曲面の最下部、つまり、参照符号４１０の曲面と接する領域の下部は、信号対雑音比がＳＩＲ−２０ｄＢである。
さらに、図９において、ｘ軸は、使用者と基地局との間の距離を最も遠い使用者と基地局との間の距離で割った値であり、ｙ軸は、負荷の高い周波数ホッピンググループ(frequency hopping group)に割り当てられたサブチャネルの個数を全体サブチャネルの個数で割った値であり、原点に近い曲線、つまり、参照符号５００の曲線の信号対雑音比は、５０ｄＢであり、最も遠い曲線、つまり、参照符号５１０の曲線の信号対雑音比は、ＳＩＲ−５ｄＢである。図８及び図９に示すように、平均負荷を変化させながら、この時に発生する信号対雑音比の利得(SIR gain)を整理すると、表１のようである。
Figure 2004159345
表１において、負荷(Load)は、全体平均負荷であり、以前信号対雑音比(Before SIR)は、本発明の方式を使用する前のセルエッジ(cell edge)において信号対雑音比を意味し、以降信号対雑音比(After SIR)は、本発明による方式を使用する場合、セルエッジ(cell edge)において信号対雑音比を意味する。さらに、利得(Gain)は、以前信号対雑音比と以後信号対雑音比との間の差を意味し、ｒは、使用者と基地局との間の距離をセル間の距離の半分で割った値である。さらに、Ｎ１／Ｎは、負荷の高い領域に割り当てられたサブチャネルの個数を全体サブチャネルの個数で割った値であり、内部負荷(Load inner)は、負荷の高い領域(一般的に、セルの内側の使用者が割り当てられた周波数ホッピンググループ)の負荷である。表１から分かるように、本発明において提案する方式を導入することによって３ｄＢ程度の信号対雑音比利得を得ることができる。
前述の如く、本発明を具体的な一実施形態を参照して詳細に説明してきたが、本発明の範囲は前述の一実施形態によって限られるべきではなく、本発明の範囲内で様々な変形が可能であるということは、当該技術分野における通常の知識を持つ者には明らかである。
従来技術によるＯＦＤＭを使用するセルラー移動通信システムにおいて周波数再使用方式を説明するための図。 本発明の好適な実施形態によって移動通信システムの基地局においてＯＦＤＭ周波数の再使用方法を説明するための図。 本発明による１つの基地局と前記基地局のセルを近隣領域と遠距離領域とに区分した図。 式(1)のアーランＢ確率を示すグラフ。 特定の基地局において信号の強度(signal strength)またはＣ／Ｉによってセルを近隣領域と遠距離領域とに区分して示す図。 本発明の第２実施形態によって周波数ホッピング(frequency hopping)システムにおいてＯＦＤＭキャリアをグループ別に区分して異なる距離値を割り当てる例を示す図。 本発明の他の実施形態によって使用者別サブチャネル割り当て方法の例を示す図。 負荷が５０％である場合、近距離領域(inner cell)及び遠距離領域(outer cell)のエッジ(edge)において信号対雑音比のメッシュ平面図(mesh plot)。 負荷が５０％である場合、近距離領域及び遠距離領域のエッジ(edge)において信号対雑音比の等高線平面図(contour plot)。
符号の説明
２００、２１０、２２０、２３０、２４０、２５０、２６０ 基地局
２００ａ 基地局領域
２００ｂ 基地局近隣領域
２００ｃ 近隣領域
３０１、３０２、３０３、３０４、 端末

Claims (22)

  1. 直交周波数分割多重方式で端末と通信する複数の基地局を含む移動通信システムにおける直交周波数分割多重周波数資源の再使用方法において、
    各基地局において使用できる直交周波数分割多重周波数資源を４グループ以上に分割し、前記分割された直交周波数分割多重周波数資源毎に同一であるか、それとも異なる周波数再使用距離値を有するように設定する過程と、
    基地局の近隣領域から遠距離領域の順で前記分割された直交周波数分割多重周波数資源のうち周波数再使用距離値が小さい資源から周波数再使用距離値が大きい資源まで順次に割り当てる過程と、
    を含むことを特徴とする方法。
  2. 前記周波数資源の分割時、前記直交周波数分割多重周波数のキャリアインデックスが連続するようにグループで構成することを特徴とする請求項１記載の方法。
  3. 前記周波数資源の分割時、前記システムにおいて周波数ホッピングが行われる場合、前記ホッピングが行われる周波数間をグループで構成することを特徴とする請求項１記載の方法。
  4. 前記分割された周波数資源のうち少なくとも１つの周波数資源に対して周波数再使用距離値を１に設定し、前記周波数再使用距離値が１である周波数資源を基地局の近隣領域に割り当てることを特徴とする請求項１記載の方法。
  5. 前記基地局の近隣領域は、基地局からの距離によって計算されることを特徴とする請求項４記載の方法。
  6. 前記基地局の近隣領域は、システムで要求する信号対雑音比によって計算されることを特徴とする請求項４記載の方法。
  7. 前記基地局の近隣領域は、周辺基地局からの干渉量によって計算されることを特徴とする請求項４記載の方法。
  8. 前記直交周波数分割多重周波数資源の分割は、均等に分割することであることを特徴とする請求項１記載の方法。
  9. 前記基地局の近隣領域に割り当てるための直交周波数分割多重周波数資源の分割は、式(1)を満足する値に設定することを特徴とする請求項１記載の方法。
    Figure 2004159345
     ここで、λ１及びλ２は、それぞれ近隣領域及び遠距離領域にイベントが発生する確率値を示し、ｊは、合計のためのパラメータである。
  10. 前記基地局の遠距離領域に割り当てるための直交周波数分割多重周波数資源の分割は、前記近隣領域に割り当てられた周波数を除いた残りの領域を均一に分割することであることを特徴とする請求項９記載の方法。
  11. 直交周波数分割多重方式で端末と通信する複数の基地局を含む移動通信システムにおける直交周波数分割多重周波数資源の再使用方法において、
    前記直交周波数分割多重周波数資源を４グループ以上に分割する過程と、
    前記分割された直交周波数分割多重周波数資源領域のうち特定の１つの周波数資源領域を全ての基地局の近隣領域に割り当てる過程と、
    前記特定の周波数資源領域を除いた残りの３周波数資源領域に対して周波数再使用値を３以上の値に設定して全ての基地局の遠距離領域に割り当てる過程と、
    を含むことを特徴とする方法。
  12. 直交周波数分割多重方式で端末と通信する基地局を含み、各基地局は、基地局近隣領域に割り当てるための直交周波数分割多重周波数資源及び遠距離領域に割り当てるための直交周波数分割多重周波数資源を備える移動通信システムで、各基地局が端末に直交周波数分割多重周波数資源を割り当てるための方法において、
    所定の端末から直交周波数分割多重周波数設定が要求されると、前記基地局と端末との間に予め設定された条件を検査する過程と、
    前記基地局と端末との間に予め設定された条件を満足する場合、近隣領域に割り当てるための直交周波数分割多重周波数資源を割り当ててチャネルを設定する過程と、
    前記基地局と端末との間の距離が予め設定された距離領域の外側に位置する場合、遠距離領域に割り当てるための直交周波数分割多重周波数資源を割り当ててチャネルを設定する過程と、
    を含むことを特徴とする方法。
  13. 前記予め設定された条件が、前記端末と前記基地局との間の距離であることを特徴とする請求項１２記載の方法。
  14. 前記予め設定された条件が、前記端末と前記基地局との間に設定されたチャネルの干渉量であることを特徴とする請求項１２記載の方法。
  15. 前記予め設定された条件が、前記端末との前記基地局との間の受信信号の感度であることを特徴とする請求項１２記載の方法。
  16. 前記近隣領域の直交周波数分割多重周波数資源の周波数再使用距離値は、１であることを特徴とする請求項１２記載の方法。
  17. 直交周波数分割多重方式で端末と通信する基地局を含み、各基地局は、２つ以上に区分されたグループの直交周波数分割多重周波数資源のグループを有し、通信が要求される端末に周波数のための直交周波数分割多重周波数資源を割り当てるためのシステムで、各基地局が端末に直交周波数分割多重周波数資源を割り当てるための方法において、
    所定の端末から直交周波数分割多重周波数の設定が要求されると、端末の信号対雑音比を予め決定された基準信号対雑音比と比較する過程と、
    端末の信号対雑音比が予め決定された信号対雑音比より低い場合、低いサブチャネルグループの直交周波数分割多重周波数資源を割り当ててチャネルを設定する過程と
    を含むことを特徴とする方法。
  18. 前記サブチャネルグループが３つ以上であり、各サブチャネルグループを区分するための予め決定された基準信号対雑音比が２以上である場合、前記サブチャネルグループの決定は、端末の信号対雑音比より大きい基準信号対雑音比のうち最も小さい信号対雑音比のグループの直交周波数分割多重周波数資源を割り当てることを特徴とする請求項１７記載の方法。
  19. サブチャネルの決定時、ログノーマルフェーディングを含む信号損失を前記信号対雑音比と共に考慮してサブチャネルグループを決定することを特徴とする請求項１７記載の方法。
  20. 前記ログノーマルフェーディング値が大きい端末に負荷の小さいサブチャネルグループを設定することを特徴とする請求項１９記載の方法。
  21. 前記基地局は、前記端末との通信時、予め決定された周波数ホッピング規則によって前記端末が含まれたグループ内の直交周波数分割多重周波数をホッピングすることを特徴とする請求項１７記載の方法。
  22. 直交周波数分割多重方式で端末と通信する基地局を含み、各基地局は、２つ以上に区分されたグループの直交周波数分割多重周波数資源のグループを有し、通信が要求される端末に周波数のための直交周波数分割多重周波数資源を割り当てるためのシステムで、各基地局が端末に直交周波数分割多重周波数資源を割り当てるための方法において、
    所定の端末から直交周波数分割多重周波数設定が要求されると、チャネルモデルは式(2)のようであり、前記基地局から前記端末までの距離がｒである端末の平均信号対雑音比が式(3)のようである場合、式(4)及び式(5)の負荷(ｐ)を最大にするグループの直交周波数分割多重周波数グループの周波数を割り当てることを特徴とする方法。
    Figure 2004159345
    Figure 2004159345
    Figure 2004159345
    Figure 2004159345
     式(2)ないし式(5)において、ｄは、基地局と使用者端末との距離であり、ｃは、周波数及び環境によって決定される常数であり、αは、信号損失指数(path loss exponent)という値であり、ｐは、セルのロードであり、Ｎは、全体サブチャネルの個数であり、Ｎ１は、近距離領域に割り当てられる周波数資源の個数である。
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