JP2006121722A - 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

【課題】 セルラー通信システムにおいて基地局から隣接セルへの送信電力溢出を抑えてシステム効率を改善しシステム容量を拡大する。
【解決方法】 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。
【選択図】 図３

Description

この発明は概括的には無線加入者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。

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。

ＷＯ ９７／０２６６５ ＷＯ ９７／４７０９４ ＷＯ ９５／３３３１３

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。

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。

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。

この発明によると、無線加入者回線システムやセルラー通信システムにおいて、基地局から隣接セルへの送信電力溢出を最小化し、システム効率の改善およびシステム容量の拡大を達成できる。

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PSTN２２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１０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１０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１４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_０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１６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／ｒ^２ 式(2)
となる。ここで
α＝λ^２／(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Ｐｒは
Ｐ_ｒ＝Ｐ＊α／ｒ^２ （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ＰＴは送信電力合計値であり、
ａ(ｒ_ｉ)＝γＮ_０Ｗ／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／ｒ^２ （式(2)から）
ここで
α＝λ^２／(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＝１０×１０^６（送信帯域幅）
Ｎ_０＝４×１０^−２１（白色雑音密度）
Ｒ＝３０×３０^３ｍ（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。

セルラー通信システムの更なる機能強化、システム効率改善およびシステム容量拡大に利用できる。

この発明を実施した通信ネットワークの概略図。 基地局と複数の加入者局との間の信号伝搬を示す概略図。 この発明によって構成した基地局のブロック図。 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。

符号の説明

１０ 通信ネットワーク
１１ セル
１４ 基地局
１６ 加入者局
２０ 基地局コントローラ
２１ 順方向信号
２２ 逆方向信号
３０ 最大稼働範囲

Claims (9)

1. グローバルチャンネルを含む複数のチャンネルを送信する無線通信システム用の送信装置であって、
   前記複数のチャンネルの各々について、そのチャンネルに関連する信号を生ずるモデムと、
   前記モデムからの前記信号、すなわちチャンネル信号を合成信号の形に合成する信号コンバイナと、
   前記合成信号を送信する無線周波数送信機と、
   前記合成信号の送信電力レベルに基づき前記グローバルチャンネルの所望の送信電力レベルを決定するグローバルチャンネル電力制御プロセッサと、
   前記グローバルチャンネルに関連づけられ、前記グローバルチャンネルの送信電力レベルを前記決定されたグローバルチャンネル送信電力レベルに調整する電力コントローラと
   を含む送信装置。
2. 関連のセルを有する基地局に配置された請求項１記載の送信装置であって、前記決定されたグローバルチャンネル送信電力レベルが前記合成信号の送信電力レベルおよび前記セルの端縁までの距離に基づいて決定される請求項１記載の送信装置。
3. 前記合成信号の送信電力レベルを前記無線周波数送信機において測定する請求項１記載の送信装置。
4. 前記合成信号の送信電力レベルを前記信号コンバイナにおいて決定する請求項１記載の送信装置。
5. 前記合成信号の送信電力レベルを前記モデムにおいて決定する請求項１記載の送信装置。
6. 前記合成信号の送信電力レベルを前記送信装置の外付けのアンテナで測定する請求項１記載の送信装置。
7. 前記決定されたグローバルチャンネル送信電力レベルを自由空間伝搬モデルに基づいて決定する請求項２記載の送信装置。
8. 前記決定されたグローバルチャンネル送信電力レベルをデータ伝搬モデルに基づいて決定する請求項２記載の送信装置。
9. 前記決定されたグローバルチャンネル送信電力レベルをブレーク点伝搬モデルに基づいて決定する請求項２記載の送信装置。

Images