JP2005526446A - 時分割を採用するセルラーシステムにおいてスロットのセルへの最適な割当を計算するための方法およびシステム - Google Patents

Abstract

任意の２つのセル（１０，１４）間の交差したスロットの最大数を仮定して、アップリンクおよびダウンリンクスロット（１２，１６）の数を最適化するシステムおよび方法が開示される。本発明は、ａ)基地局−基地局間のあるいは移動機−移動機間の干渉を回避すること；およびｂ）あらゆるセルのスロット割当を局地的なトラフィック条件に可能な限り厳密に適合させることとの間のトレードオフを考慮して、そのシステムのあらゆるセル（１０，１４）であらゆるスロット（１２，１６）に対して、方向（すなわちアップリンクかあるいはダウンリンクかの）を効果的に割当てる。本発明は同一地理的領域で２つのセル（１０，１４）間の競合するスロットのセルへの割当を可能とするために、ユーザの伝送電力要求条件に従ってユーザをスロット（１２，１６）に割当てる。

Description

本発明は、無線通信に関連する。より詳細には、基地局から移動機へのおよび移動機から基地局への通信を分離するために、時分割複信（ＴＤＤ：Time-Division Duplex）方式を採用している第３世代（３Ｇ）のセルラーシステムに関連する。

無線時分割セルラーシステムでは、一般に時間軸をフレームと呼ばれる等しい持続時間の区間に分割する。ＴＤＤ方式を採用しているシステムでは、時間フレームを有限の数（Ｎ_Ｔ）のスロットと呼ばれる等しい持続時間の区間に分割し、１つのセルにおいて、アップリンク（移動機から基地局へ）あるいはダウンリンク（基地局から移動機へ）の通信のためにスロットのいくつかあるいはすべてを使うことができる。セルのスロット割当では、それぞれのスロットがこのセルによりどのように使われるかが定義される。セルがスロットを使う方法には３つある。すなわち、１)アップリンク伝送、２)ダウンリンク伝送あるいは３)そのスロットをまったく使わないである。

セルのスロット割当は、トラフィックの要求に適応するためにシステムにより変更され得る。たとえば、もしアップリンクトラフィックが減少しダウンリンクトラフィックの量が増加しているなら、そのシステムでは１つのスロットの割当をアップリンクからダウンリンクに変更することができる。さらに一般的には、システムの異なるセルが同じスロット割当を持つ必要ない。もし１つの地理的な領域でのトラフィック特性が、別の領域と異なっているなら、それらの領域をカバーしているセルは、局地的なトラフィック条件に最も良く適応するように、異なる割当を持つことができる。

セルｃのタイムスロット割当Ａ_ｃは、Ｎ_Ｔ個の値の集合により表され、そのタイムスロット割当のｓ番目の値（Ａ_ｃ，ｓ）は、このセルのｓ番目スロットの用途を表す。アップリンクおよびダウンリンク伝送のために使われるスロットの数は、それぞれ

で表示される。

図１は、同一区域にある２つのセルに対する競合するスロット割当を説明している。第１のセル１０は、Ｎ_Ａ１からＮ_ＡＴの複数のタイムスロットを含む第１の時間フレーム１２を有している。タイムスロットはアップリンクあるいはダウンリンク通信のために使われるか、あるいはまったく使われないかである。この例については、タイムスロットＮ_Ａ３が移動機ユニット１８および基地局１１間のアップリンク通信に使われると想定する。第２の基地局２０を含む第２のセル１４は、第１のセル１０に極めて近接している。このセルは、複数のタイムスロットＮ_Ｂ１からＮ_ＢＴを含む第２の時間フレーム１５を用いて通信する。また第２のセルにおいても、スロットはアップリンクあるいはダウンリンク通信のために使われるか、あるいはまったく使われないかである。この例については、タイムスロットＮ_Ｂ３がダウンリンク通信のために用いられると想定しよう。これらのセルがお互いに近接しているために、第１のセル１０の基地局１１および移動機１８との間の通信に対して、第２のセル１４が干渉を引き起こす可能性が強く、これはシステムの性能劣化に通じる（基地局−基地局間の干渉シナリオ）。セル間の伝送路損失の観点からの、アイソレーションの程度により、この劣化は受容できる場合と受容できない場合とがある。第１のセル１０は、移動機ユニット１８を別のスロットに割り当てて、そのセルにおいては元のスロットはアップリンクのスロットとしては使用不能としてマークしなければならない場合があり、これではシステムの容量を減少させることになる。

また移動機−移動機間の干渉シナリオが、極めて近接する移動機同士に対するアップリンクおよびダウンリンクのスロット割当により発生する場合もある。しかしながら、移動機−移動機間の干渉は基地局−基地局間の干渉よりはるかに予想困難であり、そして干渉がそれほどひどくない別のタイムスロットにユーザの符号を再割当する回避機構により緩和できる可能性がある。

このように、局地的なトラフィック変動に適応するための競合する要求条件を考慮し、隣接するセル間の異なるタイムスロット割当による干渉を回避しつつ、あらゆるセルにとって最適なスロット割当を決定することが重要である。隣接するセル同士が無関係に向い合ったスロット割当を使用すると、「交差スロット」が発生する。第１のセルがアップリンク通信のためにスロットの割当を行うことができ、もう１つのセルがダウンリンク通信のために同一のスロットに割当を行う。この結果、１つのセルのダウンリンク送信が他のセルのアップリンク受信に干渉するという可能性が生じる。したがって、隣接するセルのタイムスロット割当を考慮に入れて、それぞれのセルの全体的な性能および稼動状態を改善するために効率的にタイムスロット割当を調整するシステムを持つことが望ましい。

本発明においては、任意の２つのセル間において交差したスロットの最大数が与えられると、アップリンクおよびダウンリンクスロットの数を最適化するシステムおよび方法が開示される。本発明は、ａ)基地局−基地局間のあるいは移動機−移動機間の干渉を回避すること、およびｂ）あらゆるセルのスロット割当を局地的なトラフィック条件に可能な限り厳密に適合させることとの間のトレードオフを考慮して、任意の２セル間の交差スロット最大数を決定し、そのシステムのあらゆるセルにおけるあらゆるスロットに対して、効果的に方向（アップリンクまたはダウンリンク）を割当てる。本発明は、同一地理的領域にある２つのセル間の競合するスロットのセルへの割当を可能とするために、ユーザの伝送電力要求条件に従ってユーザをスロットに割当てる。

本発明では、図面類を参照して記述される。ここで、同じ数字は一貫して同じ要素を表す。

本発明は、次の２つの前提を考慮している。第１に、２つのセル相互の伝送路損失アイソレーションが増加するとき、２つのセル間の交差スロット最大数は増加する；逆に言えば、アイソレーションが減少するとき、許容可能な交差スロットの数は減少する。第２に、セルに対する特定のスロット割当の選択に関連したコストは、そのスロット割当の選択が原因で処理できない（すなわち、阻止されるかあるいは遅延する）トラフィックの関数であるべきである。

よりアイソレーション（分離）されているセルは大きな数の交差スロットを有する余裕を持つことが可能であるということは、当業者によりよく理解されるべきである。用語「アイソレーション」は、基地局−基地局間干渉に関係する２つの基地局間の伝送路損失に対する一般的な用語である。また「アイソレーション」は、２つのセルにそれぞれ接続された２つの移動機に対する任意の１対の取り得る地点間の伝送路損失分布に関連付けられた評価指標（移動機−移動機間の干渉に関係する）を言う場合もある。後者のケースでは、考慮されるその評価指標は伝送路損失分布のいくつかの百分位数であり得る。

もし２つのセルの間に非常に大きなアイソレーションがあるなら、それらのセルは独立して自身のスロット割当を選択することが可能になる。このような場合、その基地局−基地局間あるいは移動機−移動機間の干渉は問題にならないだろうということは明白である。それとは正反対に、ほぼ同一場所に位置するであろうセルは、１対の交差スロットを有する余裕すら持つことができない。基地局−基地局間干渉の発生量によっては、これらのスロット間のあらゆる通信を妨げ、あるいは持続不可能にするであろう。

しかしながら本発明は、新規な無線リソース管理（ＲＲＭ：Radio Resource Management）技法を採用することにより、これら２つの両極端の間に該当する限定された数の交差スロットが許容されるであろう状況に、最も有利に適用される可能性がある。無線送受信ユニット（ＷＴＲＵ：Wireless Transmit Receive Unit）がその処理を受け持つノードＢの近傍にある場合には、移動機−移動機間の干渉の確率を最小にしつつ、優先的に交差スロットに割当てられる。

許容され得る交差スロットの最大数は、ノードＢを取り巻くユーザの地理的条件、ＷＴＲＵの移動性およびＲＲＭの性能を含む、しかし限定されるものではないが、多くの要因の関数である。２つのセル（ｃ１およびｃ２）の間の交差スロットの最大数は（Ｘ_{ｃ１，ｃ２}）により表される。本発明では、任意の１対のセル間における交差スロットの最大数が既知であると仮定する。実際は、それらのセル（ｃ１およびｃ２）がアイソレーションされているその程度を考慮することにより、運用管理者は（Ｘ_{ｃ１，ｃ２}）に対する適切な値を決定するであろう。また本発明は、（Ｘ_{ｃ１，ｃ２}）を決定するための可能な系統的な方法を説明する。

セル当たりの、スロット割当の実際のコスト（Ｆｃ）は、現在のスロット割当が原因で処理することができない提示されたトラフィックの量に従って定義できる。もし、トラフィックがないためにスロットが使われていないのならば、コストはそのスロットがどのように割当てられるかとは無関係である。また、セル（ｃ）での特定のスロットの割当て選択が原因で、阻止されるかあるいは遅延させられるトラフィックを表すものとして、コスト関数が表現される場合もある。

コスト関数および交差スロットの数は、お互いに密接に関係する。各々のセルからの各々のコスト関数Ｆｃの合計である全体的なコスト関数Ｆを、最小にすることが望ましい。もし、それぞれのセルのスロット割当をお互いに独立して調整することが可能であるなら、それはちょうど各々のセルのアップリンク／ダウンリンクのスロットの数をそのトラフィック特性に合致させることであるため、容易な作業であろう。不幸にも、セルは孤立しているわけではないため、セルのアイソレーションが考慮されねばならない。アイソレーションが不足していると、２つのセルの間でより多くの競合するスロット割当が使用されるにつれて、セルはお互いに干渉し始める。もしセルｃ１およびｃ２の間に１を越える交差スロットが存在するなら（すなわち、Ｘ_{ｃ１，ｃ２}＞１）、この干渉は容認し得なくなる。このように交差スロットの最大数は、コスト関数Ｆを最小にする最適な解決策を求める場合に考慮されねばならない制約条件を表す。

本発明を実施するために、次の値を知る必要がある。それらは、１)そのシステムにおけるセルの数（Ｍｃ）、２)ＴＤＤフレームにおけるトラフィックのために利用可能なスロットの数（Ｎｔ）、３)セルにおけるトラフィックのために利用可能なアップリンクスロットの最小数および最大数（それぞれ、

）および４)セルにおけるトラフィックのために利用可能なダウンリンクスロットの最小数および最大数（それぞれ、

）である。次に、それぞれのセル（ｃ１，ｃ２）の対に対して、そのシステムが許容可能な交差スロットの最大数Ｘ_{ｃ１，ｃ２}を決定することが必要である。これは異なる方法で実現することが可能である。すなわち、１)大雑把な方法として、セルｃ１およびｃ２がお互いに比較的「近接」している場合には、Ｘ_{ｃ１，ｃ２}＝０を、そしてそれらのセルｃ１およびｃ２がお互いに「遠い」場合にはＸ_{ｃ１，ｃ２}＝Ｎｔを手作業で設定する方法、２)系統的な方法として、これは下の段落００９１に記述される方法、および３)運用管理者がフィールド経験に基づく経験的な規則に従って調整をする「マニュアル調整」である。マニュアル調整については、例えば、ある実績あるシステムの場合において、２００メートル離れて位置する屋内セルについては何の問題もなくそのシステムは４つの交差スロットの収容をすることが可能であると判定されている。

それぞれのセルｃにおいて、割当てるべきアップリンクのスロットの数

とダウンリンクのスロットの数

が分かると、最適なスロットのセルへの割当が判明する。システムは、セルｃへ

個のアップリンクのスロット、セルｃへ

個のダウンリンクのスロットを割当て、そして

個の残りのスロットはセルｃにおいては使用されないままである。システムは、常にすべてのセルに対して同一の優先順位でアップリンクのスロットを割当てるであろう。たとえば、Ｎｔ＝８スロットのセルがあり、優先順位が（ｓ１，ｓ２，ｓ３，ｓ４，ｓ５，ｓ６，ｓ７，ｓ８）であるとする。そして、もし

であるなら、システムはスロットｓ１，ｓ２，ｓ３をセルｃにおけるアップリンクへ割当てるであろう。またシステムは、すべてのセルに対して常に同一の優先順位でダウンリンクのスロットを割当て、そしてこの順番はアップリンクのスロットに対して使用される順番とは逆でなければならない。上記の例では、もし

であるなら、システムはセルｃのダウンリンクにスロットｓ８，ｓ７，ｓ６およびｓ５を割当てるであろう。スロットｓ４は、セルｃではまったく使われないであろう。スロットを割当てるための優先順位は運用管理者により任意に決定することができる。

上述した数の集合

は、次の最適化問題に対する解答を構成する：

ここでＦｃは式２によって定義される特定のセルｃのスロット割当に関連するコスト関数であり、そしてＦは、すべてのコスト関数の合計である：

ここで、

は、セルｃにおいてすべてのアップリンクおよびダウンリンクのトラフィックを処理するためにそれぞれ必要とされるスロットの数を意味し；KuおよびKdは、システム運用管理者が望みどおりアップリンクあるいはダウンリンクのいずれかのトラフィックに対し、より重要性を与えることを可能とする重み付け係数を；

は、セルｃにおいてそれぞれアップリンクおよびダウンリンクの送信のために用いられるスロットの数を；および、

は、それぞれ所与のセルに割当てることが可能なアップリンクあるいはダウンリンクスロットの最大数を意味する。上記の式は、次の制約の適用を受け、

の値を対象にしなければならない。：１)

、ここで上下限の

はそれぞれアップリンクのスロットの最小および最大の数；２)

、ここで上下限の

はそれぞれダウンリンクのスロットの最小および最大の数；３)

、ここでは、セルのアップリンクおよびダウンリンクのスロット数は特定のセルで利用可能なスロットの合計数以下でなければならない；および、４)あらゆるセル（ｃ１，ｃ２）の対に対して

。この最後の制約は、２つのセル（ｃ１，ｃ２）はＸ_{ｃｌ，ｃ２}より多い交差スロットを持つことができないという条件を表現する。Ｆを最小にして、かつすべての上記した制約を満足させる

に対する値の集合は

で表現され、求めていた解答を構成する。

さらに上記の内容を明確にするために、

を導くためのステップを備えるフロー図３００を示す図２Ａおよび図２Ｂが参照される。最初に、上記に詳細に説明されたように、ステップ３０２においてすべての取り得る値の集合

の一覧が決定される。次に、求められた可能な値の集合はＳ１，Ｓ２，Ｓ３，・・・Ｓｐにより示され、そしてその値のｉ番目の集合、Ｓｉが

と表記される（ステップ３０４）。次に、ステップ３０６で、ｉ＝１およびＦｃ^ｍｉｎ＝無限大、およびｉ^０＝１で始められる。次に、ステップ３０８で、

（すなわち、式２）が計算される。次に、ステップ３１０で、Ｆｃ^ｍｉｎがＦｃ^ｉより大きいか否かが判定され、もし大であるなら、ステップ３１２でＦｃ^ｍｉｎをＦｃ^ｉに等しく、かつｉ^０をｉに設定し、次にステップ３１４に進む。もし大でなければ、ステップ３１０から直接ステップ３１４へ進み、ｉをｉ＋１にする。ステップ３１４からはステップ３１６に進み、ｉがＰより大か否かを判定する。もし大でなければ、ステップ３０８に戻り、もし大であるなら、ステップ３１８に進む。すべてのｃ＝１，２，．．．Ｍｃに対して、ステップ３１８で、

により表されるスロットのセルへの最適な割当が、図２のステップ３１８で示された式により与えられる。

この最適化問題を解くための最も明白な手順は、「しらみつぶし的」技法を採用することであり、これにより、上記の４つの制約を満足させるすべての取り得る値の集合

に対してＦの値が計算される。このアプローチはＭｃあるいはＮｔが比較的小さい値である場合においてのみ現実的であり、そうでない場合には計算処理は強烈なものになる可能性がある。

そこで、図３のように、セルパターンが広域な相互関係の可能性を有する内側のセル１０６の「孤立したクラスタ」の例を参照する。そのために、セル１０６に対して、Ｘ_{ｃｉ，ｃｊ}［ここで、（ｉ，ｊ）は（ｃ１，ｃ２，ｃ３，ｃ４およびｃ５）の間での任意の異なるセルの対である］は、セル１０６間のアイソレーションの程度が非常に小さいため、小さい数に設定されるべきである。１０２で示される外側のセルのグループは、それと対照的に、より高度のアイソレーションを有するので、したがってＸ_{ｃｉ，ｃｊ}［ここで、（ｉ，ｊ）は（グループ１０２に属しているｃ１，ｃ２，ｃ３，ｃ４およびｃ５）の中の任意の異なるセルの対である］はより大きな値を有する可能性がある。

再びｃ１およびｃ２の２つのセルを有する仮想的な例を参照して、上記記述のとおり、その「系統的な方法」が２つのセル間の交差スロット最大数（Ｘ_{ｃ１，ｃ２}）を決定するために用いられる場合がある。セルｃ１とｃ２の間の交差スロット最大数（Ｘ_{ｃ１，ｃ２}）を決定するためにその系統的な方法を用いる場合には、それらのセルの最大到達距離Ｒが知られているべきである。セルの最大到達距離とは、そのセルに接続された移動機とそのセルを処理している基地局との間の最大距離である。２つのセル、ｃ１およびｃ２が同一の最大到達距離を持っていない場合には、Ｒはその２つの値のより大きい方に設定される場合がある。２つのセル、ｃ１とｃ２の間の距離はＤ_ｃ１，_ｃ２により表すことができる。パラメーターρは運用管理者により設定される。ρは、最大値１.０および最小値０.０を持つ。ρの値は以下のａ）に対するｂ）の最小の許容される比を表す。ここで、：ａ)セルｃ１に接続された移動機およびセルｃ２に接続された移動機が、反対の方向で同一のスロットを使用する場合の上記移動機間の距離;、およびｂ）セルｃ１を処理している基地局およびセルｃ２を処理している基地局の間の距離である。ρの値が減少するとき、２つのセルの間に交差スロットを収容できる確率は増加し、一方、ρの値の増大はその反対の効果を有する。上記に概説された変数を用いて、交差スロットＸ_{ｃ１，ｃ２}の最大数は式３を用いて決定することができる：

X_c1,c2=Ntxmin(1,round((1-ρ)²(D_c1,c2)²/4R²))；式３

ここで、round((1-ρ)²(D_c1,c2)²/4R²)は、((1-ρ)²(D_c1,c2)²/4R²)をその最も近くの整数に四捨五入する演算を示し、あるいは代わりに、round((1-ρ)²(D_c1,c2)²/4R²)はfloor((1-ρ)²(D_c1,c2)²/4R²)により置き換えることが可能であり、これは((1-ρ)²(D_c1,c2)²/4R²)より小さいかあるいは等しい最大の整数を得る演算を意味する。

再び式（２）を参照して、変数

を規定する理由は、特定の領域において純粋に容量の不足に起因するコストではなく、スロット割当の選択によるコストだけを考慮することを意図しているためである。たとえば、もし特定のセルでダウンリンクトラフィックを処理するために３２スロットを必要とするであろうが、そのとき割当でのダウンリンクのスロットの最大数が１４しかない場合には、どのようにスロットを割当てても提示されたすべてのダウンリンクトラフィックを処理することはできないので、コスト関数のダウンリンクの構成要素は１４に制限されるべきである。

高頻度でスロット割当を修正することは、影響を受けるスロットから他のスロットへ接続をハンドオーバする必要性があるために、一般には非現実的であることは当業者により理解されるべきである。したがって、式２で用いられるトラフィック予測はスロット割当の修正の頻度とも矛盾しない長期の平均に基づいているべきである。たとえば、もしスロット割当が僅か３０分ごとに修正されるなら、提示されるトラフィックの予測は、その同じ時間期間で（同じ桁の時間期間で）平均されるべきである。予測は、トラフィック量測定値、バッファ占有率、およびアドミッション制御によりブロックされる呼の頻度のような種々の評価指標に基づいて導くことが可能である。

本発明の他の実施形態では、競合するスロットへの割当には最も弱い電力を要求するユーザのみを割当てる。すなわち、隣接するセルにおけるアップリンクのスロット（群）と競合するダウンリンクスロット（群）は、それらのスロットを占有する任意のユーザに対して、符号およびタイムスロットにより定義される物理的なチャンネル毎にその基地局電力について制限を設定することにより、管理することが可能である。逆に、アップリンクのスロット（群）に対しては、スロット毎にアップリンク電力に制限を設定することにより管理される。システムにおける性能劣化の量は、２つの効果により軽減されるであろう。第１の効果は、送信機により引き起こされる干渉はその送信に直接比例するということである。第２に、ユーザの送信電力を制限することにより、そのユーザを処理する基地局からの最大距離を制限し、それにより、そのユーザが干渉を作り出す可能性、あるいは競合するスロット割当を有する隣接する基地局に接続された別のユーザから深刻な干渉を受ける確率を減少させる。

コスト関数を実現するために他のアルゴリズムが利用される可能性があり、かつそれらの代替アルゴリズムは、本発明の精神から逸脱するものでないことに注意すべきである。

ここで図４を参照し、本発明を実施するための方法２００を示す。簡潔にするため、および本発明の実施方法は上記に説明されているため、方法２００のステップは詳細には記述されないであろう。上記に説明したように、最初にステップ２０２で、セル間のアイソレーションの程度が判定される。説明されたように、セル間のアイソレーションの程度はそれら同一セル間の交差スロットの最大数に比例する。次にステップ２０４で、交差スロットの最大数が決定される。次にステップ２０６で、アップリンクあるいはダウンリンクいずれかの方向が、システムのあらゆるセルのあらゆるスロットに対して割当てられる。

本発明が詳細に記述されたけれども、本発明は、ここでの記述に限定されるものでないこと、その付加された請求範囲により定義される本発明の精神および範囲から逸脱することなく、その中で種々の変更がなされ得ることを理解されたい。

第１のセルがユーザ装置（ＵＥ）と通信中であり、そして第２のセルのダウンリンクが第１のセルにあるＵＥの通信に干渉している２つの隣接したセルでの問題を説明する。 本発明に従って

を計算するためのフロー図である。
本発明に従って

を計算するためのフロー図である。
離れて位置する外側の無線局に囲まれている無線局の「孤立したクラスタ」を説明する。 本発明を実施するためのフロー図である。

Claims (5)

1. 複数のセル間に交差スロットの最大数が存在する通信システムにおいて複数のスロットを最適化するシステムであって、
   前記システムの各々のセルの各々のスロットに対して、基地局−基地局間干渉を軽減する方向を割当てる手段を備え、
   各々のセルへのスロット割当は、通信トラフィック条件に関連していることを特徴とするシステム。
2. 前記複数のスロットがアップリンクのスロットであることを特徴とする請求項１のシステム。
3. 前記複数のスロットがダウンリンクのスロットであることを特徴とする請求項１のシステム。
4. 前記干渉は移動機−移動機間の干渉であることを特徴とする請求項１のシステム。
5. 前記スロット割当は、同一の地理的領域における２つのセルの間の競合するスロットのセルへの割当を可能にするために、送信電力要求条件に従ってなされることを特徴とする請求項１のシステム。

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