JP2007068092A

JP2007068092A - 無線通信方法および中継局

Info

Publication number: JP2007068092A
Application number: JP2005254580A
Authority: JP
Inventors: Kenji Saito; 研次齊藤; Hisafumi Kaneko; 尚史金子; Harunori Izumikawa; 晴紀泉川
Original assignee: KDDI Corp
Current assignee: KDDI Corp
Priority date: 2005-09-02
Filing date: 2005-09-02
Publication date: 2007-03-15

Abstract

【課題】基地局の通信圏外に位置する加入者局に対して公平な無線リソースの割当てを効率的に行うことができる無線通信方法および中継局を提供する。
【解決手段】中継局は加入者局からのサービス要求情報を受信し、加入者局との通信状況に基づいて、サービス要求情報が示すサービスに必要な第１の所要無線リソースを算出すると共に、基地局との通信状況に基づいて、サービス要求情報が示すサービスに必要な第２の所要無線リソースを算出し、第１の所要無線リソースおよび第２の所要無線リソースの合計以上の第３の所要無線リソースの割当てを要求するサービス要求情報を基地局へ送信する。
【選択図】図３

Description

本発明は、基地局と、基地局の通信圏内に位置する中継局と、基地局の通信圏外に位置する加入者局との間で行われる無線通信方法に関する。また、本発明は、基地局の通信圏内に位置し、前記基地局の通信圏外に位置する加入者局と前記基地局との間で送受信される情報を転送する中継局にも関する。

非特許文献１には、固定端末向けBWAサービス提供を目的とした高速無線システムの標準規格が記載されており、ネットワークトポロジは、PMP (Point-to-Multipoint)とMeshの２つが規定されている。PMPは一般的なセルラシステムと同様、基本的にBS：SS＝１：多で構成され、MeshはSS同士が数珠繋ぎに接続されるマルチホップ構成によるネットワーク展開が可能である。

非特許文献２には、移動端末向けBWAサービス提供を目的とした高速無線システムの標準規格であって、IEEE Std 802.16-2004標準規格を修正しMSへ対応したものが記載されている。ネットワークトポロジは、PMPのみ規定されている。

非特許文献３には、BS同士でメッシュネットワークを構成できるWDS（Wireless Distribution System）が規定されている。WDSによりBS同士でパケットを中継することができるため、あるBS配下の端末と他のBS配下の端末が、当該BS間メッシュネットワークを介して通信可能となる。

特許文献１には、中継局の間をRTS／CTSパケットによって制御することにより、中継局の送受信するパケットが他の中継局の送受信に影響を与えないようにする方法が記載されている。RSが送信元のRSからのデータパケットを受信完了した際、ACKの代わりに、RTS（Request To Send）パケットを送信元のRSに送信し、RTSパケットを受信した送信元のRSは、RSがデータパケットを正常受信したと認識し、かつRTSパケットに記述されているデータパケットの送信が完了するまでの時間、データパケット送信準備処理を停止する。RTSパケットを受信した次のRSは、自身がデータパケット受信可能な状態であれば、SIFS（Short Inter-Frame Space）間後、RS宛てにCTS（Clear To Send）パケットを送信し、このCTSパケットを受信したRSは、次のRSがデータパケット受信可能な状態であることを認識し、SIFS間後、次のRS宛に前記データパケットを送信する。
IEEE Std 802.16-2004，「IEEE Standard for Local and metropolitan area networks，Part 16：Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access Systems」 IEEE P802.16e/D9，「Draft IEEE Standard for Local and metropolitan area networks, Part 16：Air Interface for Fixed and Mobile Broadband Wireless Access Systems, Amendment for Physical and Medium Access Control Layers for Combined Fixed and Mobile Operation in Licensed Bands」 ISO/IEC8802-11 ANSI/IEEE Std 802.11，「Information technology - Telecommunications and information exchange between systems - Local and metropolitan area networks - Specific requirements - Part11：Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) specifications」，1999 特開２００１−２３１０７８号公報

しかしながら、上述した従来技術においては以下のような問題が発生する。非特許文献１に記載の技術においては、カバレッジエリア拡大を目的とした中継は考慮されていない。BSとMSが直接通信を行う場合、図１０に示されるように、ＢＳは定期的に、チャネル情報であるDCD（Downlink Channel Descriptor）／UCD（Uplink Channel Descriptor）および無線リソースの割当情報であるDL-MAP／UL-MAPをMSへ送信する。ここで、DCDおよびUCDの各々には、複数のBurst Profile（変調方式やコードレート等の情報）が含まれている。続いて、MSはこれら複数のBurst Profileの中から選択した所望Burst Profileを、レンジング要求メッセージであるRNG-REQ（Ranging Request）に付加してBSへ送信し、BSは運用可能なBurst Profileを、レンジング応答メッセージであるRNG-RSP（Ranging Response）に付加してMSへ返信する。この一連のやりとりにより、BSとMSは同一のBurst Profileを共有し、BSはMSとの間の伝送速度（変調方式やコードレート）を把握できるため、BSはMSに対して正確な無線リソースの割当てを行うことができる。

これに対して、図１１に示されるようにRSが電力増幅のみの中継を行い、RSを介してBSとMSが通信を行う場合、RSはMSの所望Burst Profileを単に増幅してBSへ転送する。このことは、BS〜RSの伝送速度（（ａ）とする）とRS〜MSの伝送速度（（ｂ）とする）が異なる場合、BSとMSで整合の取れた同一のBurst Profileを共有できないため、BSはMSに対して正確な無線リソースの割当てができないことを意味する。

例えば、（ａ）：2Mbps、（ｂ）：1Mbpsにおいて、MSが1Mbitsのデータ送信を要求する場合、本来であればBSは（ａ）：0.5秒＋（ｂ）：1秒＝1.5秒の無線リソースの割当てが必要であるが、電力増幅のRSを用いると、BSは（ｂ）：1秒しか割り当てることができない。しかも、伝送速度は（ａ）＞（ｂ）であるにもかかわらず、（ａ）の伝送速度も強制的に（ｂ）の伝送速度になってしまい、効率が悪い。逆に、（ａ）：1Mbps、（ｂ）：2Mbpsとした場合、BSは（ｂ）：0.5秒しか割り当てることができず、また伝送速度は（ａ）＜（ｂ）であるため、（ａ）の伝送速度を（ｂ）の伝送速度に合わせることは物理的に不可能である。したがって、単純な電力増幅の中継では、BS〜RS間とRS〜MS間の無線環境が異なっていると、BS〜RS〜MS間の整合が取れない。

また、IEEE Std 802.16-2004標準規格のMeshトポロジを用いてカバレッジエリア拡大を図ることはできるが、以下のような制約がある。
（１）オプション扱いである
（２）フレーム構成上、PMPと互換性がない
（３）PMPに比べフレームのオーバーヘッドが多くスループットに影響する
（４）複信方式はTDDのみサポート
さらに、同規格では使用周波数帯として2GHz以上が想定されており、その周波数特性上、SSは地形や周辺建造物などの影響により受信状況が不安定となり、屋内や地下では圏外による利用不可となる可能性が高い。このような状況の場合、同規格のPMPでは新たにBSを設置する以外に手段はない。

非特許文献２に記載の技術においては、上記と同様にカバレッジエリア拡大を目的とした中継は考慮されておらず、図１１に示されるような電力増幅の中継を行う場合、RSはMSの所望Burst Profileを単に増幅してBSへ転送する。このため、前述したように、BSはMSに対して正確な無線リソースの割当てができない。さらに、同規格では使用周波数帯として2GHz以上が想定されており、その周波数特性上、MSは地形や周辺建造物などの影響により受信状況が不安定となり、屋内や地下では圏外による利用不可となる可能性が高い。このような状況の場合、同規格のPMPでは新たにBSを設置する以外に手段はない。

非特許文献３に記載の技術においては、WDSのフレームフォーマットは規定されているが、具体的な中継方法については規定されておらず、現在、IEEE802.11TGsにて検討が行われている。特許文献１に記載の技術においては、データパケットの中継処理時間を短縮し、かつデータパケットが中継局に滞って宛先局に迅速に送信できなくなることを無くすことを目的としており、BS〜RS〜SS間の整合の問題は解決されない。

本発明は、上述した問題点に鑑みてなされたものであって、基地局の通信圏外に位置する加入者局に対して公平な無線リソースの割当てを効率的に行うことができる無線通信方法および中継局を提供することを目的とする。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたもので、請求項１に記載の発明は、基地局と、該基地局の通信圏内に位置する中継局と、前記基地局の通信圏外に位置する加入者局との間で行われる無線通信方法において、前記中継局は、前記加入者局からの第１のサービス要求情報を受信し、前記加入者局との通信状況に基づいて、前記第１のサービス要求情報が示すサービスに必要な第１の所要無線リソースを算出すると共に、前記基地局との通信状況に基づいて、前記第１のサービス要求情報が示すサービスに必要な第２の所要無線リソースを算出し、前記第１の所要無線リソースおよび前記第２の所要無線リソースの合計以上の第３の所要無線リソースの割当てを要求する第２のサービス要求情報を前記基地局へ送信することを特徴とする無線通信方法である。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の無線通信方法において、前記中継局は、前記基地局が割り当てるコネクション識別子と異なるコネクション識別子を前記加入者局に割り当てることを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、基地局の通信圏外に位置する加入者局と前記基地局との間で送受信される情報を転送する、前記基地局の通信圏内に位置する中継局において、前記加入者局からの第１のサービス要求情報を受信する受信手段と、前記加入者局との通信状況に基づいて、前記第１のサービス要求情報が示すサービスに必要な第１の所要無線リソースを算出する第１の所要無線リソース決定手段と、前記基地局との通信状況に基づいて、前記第１のサービス要求情報が示すサービスに必要な第２の所要無線リソースを算出する第２の所要無線リソース決定手段と、前記第１の所要無線リソースおよび前記第２の所要無線リソースの合計以上の第３の所要無線リソースの割当てを要求する第２のサービス要求情報を前記基地局へ送信する送信手段とを備えたことを特徴とする中継局である。

請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の中継局において、前記基地局が割り当てるコネクション識別子と異なるコネクション識別子を前記加入者局に割り当てるコネクション識別子割当て手段をさらに備えたことを特徴とする。

本発明によれば、中継局が基地局〜中継局間および中継局〜加入者局間の通信状況を鑑みて、加入者局の要求を基地局に代理要求することによって、基地局が直接知ることのできない中継局〜加入者局間の通信状況が、基地局による加入者局への無線リソースの割当てに反映されるので、基地局の通信圏外に位置する加入者局に対しても、公平な無線リソースの割当てを効率的に行うことができるという効果が得られる。

以下、図面を参照し、本発明の実施形態を説明する。本明細書では、IEEE802.16高速無線システムをもとに本発明の一実施形態について説明するが、本発明は必ずしも下記実施形態に囚われるものではなく、本発明の概念が変化しない範囲で多様に変化し実施可能である。図１〜図３は、基地局（BS）の配下に１つの中継局（RS）が存在し、さらにその中継局の配下に２つの加入者局（MS；MS#1およびMS#2）が存在するIEEE802.16無線システムにおけるPMPネットワークトポロジ例での通信シーケンスを示している。

●第１ステップ（BS〜RS間のネットワークエントリシーケンス）
（１）BSはDCD（図５〜図６参照）／UCD／DL-MAP／UL-MAPをそれぞれ定期的に送信する。ここで、DCDは複数のDownlink Burst Profile #0、Downlink Burst Profile #1、・・・を有し、UCDは複数のUplink Burst Profile #0、Uplink Burst Profile #1、・・・を有する。Downlink Burst ProfileおよびUplink Burst Profileは、通信方式の仕様に係る情報を含んでいる。

（２）RSは、BSとの通信状況（受信レベル等）を鑑み、DCDの複数のDownlink Burst Profileの中から、所望のDownlink Burst Profile #0を選択し、その情報を、通信タイミングおよび送信出力の調整のための情報を含むRNG-REQに付加してBSへ送信する。
（３）RSからRNG-REQを受信したBSは、RSとの通信状況（受信レベル等）を鑑み、運用可能なDownlink Burst Profile #0を選択し、その情報をRNG-RSPに付加してRSへ返信する。また、BSは、RSに対して一意なBasic CID（Connection ID）＝00およびPrimary Management CID＝10を付与し、RNG-RSPに付加する。

●第２ステップ（BS〜RS〜MS間のネットワークエントリシーケンス）
（４）BSはDCD／UCD／DL-MAP／UL-MAPをそれぞれ定期的に送信し、それらを受信したRSは、当該メッセージを配下のMSに対して転送する。ここで、DCDおよびUCDの物理パラメータ（周波数、Burst Profile（変調方式等を含む）等）がBSとRSで異なる場合、RSは当該パラメータを変更する。
（５）RSは、配下のMSに割り当てるためのCID（コネクション識別子）をプール（BSが割り当てるCIDとは異なる、ネットワークで一意な複数のCIDを確保）する機能を持つ。

（６）MS#1は、RSとの通信状況（受信レベル等）を鑑み、DCDの複数のDownlink Burst Profileの中から、所望のDownlink Burst Profile #1を選択し、RNG-REQに付加してRSへ送信する。
（７）MS#1からRNG-REQを受信したRSは、MS#1との通信状況（受信レベル等）を鑑み、運用可能なDownlink Burst Profile #1を選択し、RNG-RSPに付加してMS#1へ返信する。またRSは、MS#1に対してプールされたCIDから一意なBasic CID＝01およびPrimary Management CID＝11をMS#1に付与し、RNG-RSPに付加する。なおMS#1へのCID付与は、BSが行ってもよい。

（８）MS#2は、RSとの通信状況（受信レベル等）を鑑み、DCDの複数のDownlink Burst Profileの中から、所望のDownlink Burst Profile #2を選択し、RNG-REQに付加してRSへ送信する。
（９）MS#2からRNG-REQを受信したRSは、MS#2との通信状況（受信レベル等）を鑑み、運用可能なDownlink Burst Profile #2を選択し、RNG-RSPに付加してMS#2へ返信する。またRSは、MS#2に対してプールされたCIDから一意なBasic CID＝02およびPrimary Management CID＝12をMS#2に付与し、RNG-RSPに付加する。なおMS#2へのCID付与は、BSが行ってもよい。

●第３ステップ（サービスフローの代理要求）
（１０）MS#1は、下記のUGS（Unsolicited Grant Service）サービスフローパラメータをサービスフロー要求のためのDSA-REQ（Dynamic Service Addition Request）（第１のサービス要求情報）（図７参照）に付加し、RSへ送信する。ここで、DSA-REQのMACヘッダーには、MS#1のPrimary Management CID＝11を用いる。
○Maximum Sustained Traffic Rate＝A [bps]
○Maximum Latency
○Tolerated Jitter

（１１）RSは、RS〜MS#1間のDownlink Burst Profile がDownlink Burst Profile #1（伝送速度：B [bit/sym]）であるため、（１０）のUGSサービスフローパラメータを満たすためのRS〜MS#1間の所要割当てシンボル数がC [sym/frame]であることを認識する。さらにRSは、BS〜RS間のDownlink Burst Profile がDownlink Burst Profile #0（伝送速度：D [bit/sym]）であるため、（１０）のUGSサービスフローパラメータを満たすためのBS〜RS間の所要割当てシンボル数がE [sym/frame]であることを認識する。
（１２）よって、RSは、BS〜RS〜MS#1間の所要割当てシンボル数として少なくともC＋E [sym/frame]を満足するサービスフローパラメータをDSA-REQ（第２のサービス要求情報）に付加してBSへ送信する。ここで、DSA-REQのMACヘッダーには、RSのPrimary Management CID＝10を用いる。

（１３）MS#2は、下記のrtPS（real-time Polling Service）サービスフローパラメータをDSA-REQに付加し、RSへ送信する。ここで、DSA-REQのMACヘッダーには、MS#2のPrimary Management CID＝12を用いる。
○Minimum Reserved Traffic Rate＝F [bps]
○Maximum Sustained Traffic Rate＝G [bps]
○Maximum Latency

（１４）RSは、RS〜MS#2間のDownlink Burst Profile がDownlink Burst Profile #2（伝送速度：H [bit/sym]）であるため、（１３）のrtPSサービスフローパラメータを満たすためのRS〜MS#2間の所要割当てシンボル数がI〜J [sym/frame]であることを認識する。さらにRSは、BS〜RS間のDownlink Burst Profile がDownlink Burst Profile #0（D [bit/sym]）であるため、（１３）のrtPSサービスフローパラメータを満たすためのBS〜RS間の所要割当てシンボル数がK〜L [sym/frame]であることを認識する。
（１５）よって、RSは、BS〜RS〜MS#2間の所要割当てシンボル数として少なくともI＋K〜J＋L [sym/frame]を満足するサービスフローパラメータをDSA-REQ（第２のサービス要求情報）に付加してBSへ送信する。ここで、DSA-REQのMACヘッダーには、RSのPrimary Management CID＝10を用いる。

以下同様に、nrtPS（non-real-time Polling Service）の場合は、下記のサービスフローパラメータを用いる。
○Minimum Reserved Traffic Rate
○Maximum Sustained Traffic Rate
以下同様に、BE（Best Effort）の場合は、下記サービスフローパラメータを用いる。
○Maximum Sustained Traffic Rate

本実施形態ではDSAを例に記載したが、サービスフローの変更を行うDSC（Dynamic Service Change）、サービスフローの削除を行うDSD（Dynamic Service Deletion）、必要帯域を要求するBW-REQ（Bandwidth Request）（図８〜図９参照）の各メッセージにおいても同様の動作とする。また、MSはSSであってもよい。

次に、上述した通信方法を実現するためのRSの構成を、図４を参照して説明する。なお、図４においては、無線通信に係る構成のみを図示し、ユーザインタフェース等に係る他の構成については図示を省略している。図４において、アンテナ１０１はBSおよびMSと電波の送受信を行う。BSとMSで別個のアンテナを用いるようにしてもよい。送受信部１０２は、アンテナ１０１によって受信された電波に基づいた受信信号の復調および復号化処理を行うと共に、アンテナ１０１によって電波に変換されて送信される送信信号の符号化および変調処理を行う。

情報処理部１０３は、BSおよびMSとの間で送受信されるDCD／UCD／DL-MAP／UL-MAPや、RNG-REQ、RNG-RSP、DSA-REQ、DSA-RSP等の処理を行う。また、情報処理部１０３は、MSに対して付与するCIDを決定する機能や、MSとの通信状況に基づいて、DSA-REQが示すサービスに必要なRS〜MS間の所要無線リソースを算出する機能、BSとの通信状況に基づいて、DSA-REQが示すサービスに必要なBS〜RS間の所要無線リソースを算出する機能等も有している。記憶部１０４は、MSに対して付与するCID等を記憶するための、例えば不揮発性メモリである。

上述したように、本実施形態による通信方法では、中継局が基地局〜中継局間および中継局〜加入者局間の通信速度等の通信状況を鑑みて、中継局配下の加入者局の要求を基地局に代理要求することによって、基地局が直接知ることのできない中継局〜加入者局間の通信状況が、基地局による加入者局への無線リソースの割当てに反映される。したがって、基地局の通信圏外であって中継局の通信圏内に位置する加入者局に対しても、基地局の通信圏内の加入者局と同等の条件で、公平な無線リソースの割当てを効率的に行うことができる。

以上、図面を参照して本発明の実施形態について詳述してきたが、具体的な構成はこれらの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。例えば、上記の実施形態では、基地局と加入者局の間に１つの中継局が存在する場合を説明したが、基地局と加入者局の間に複数の中継局が存在し、基地局と加入者局との間で送受信される情報を各中継局が転送する場合にも、本発明は適用可能である。その場合、基地局の通信圏内に位置する中継局の１つが上記の実施形態に記載の機能を備えていればよい。

本発明の一実施形態による無線通信方法の手順を示すシーケンス図である。本発明の一実施形態による無線通信方法の手順を示すシーケンス図である。本発明の一実施形態による無線通信方法の手順を示すシーケンス図である。本発明の一実施形態による中継局の構成を示すブロック図である。 DCDメッセージフォーマットを示す参考図である。 DCDメッセージフォーマットを示す参考図である。 DSAメッセージフォーマットを示す参考図である。 BW-REQメッセージフォーマットを示す参考図である。 BW-REQのパラメータ諸元を示す参考図である。従来の無線通信方法の手順を示すシーケンス図である。従来の無線通信方法の手順を示すシーケンス図である。

符号の説明

１０１・・・アンテナ、１０２・・・送受信部、１０３・・・情報処理部、１０４・・・記憶部

Claims

基地局と、該基地局の通信圏内に位置する中継局と、前記基地局の通信圏外に位置する加入者局との間で行われる無線通信方法において、
前記中継局は、
前記加入者局からの第１のサービス要求情報を受信し、
前記加入者局との通信状況に基づいて、前記第１のサービス要求情報が示すサービスに必要な第１の所要無線リソースを算出すると共に、前記基地局との通信状況に基づいて、前記第１のサービス要求情報が示すサービスに必要な第２の所要無線リソースを算出し、
前記第１の所要無線リソースおよび前記第２の所要無線リソースの合計以上の第３の所要無線リソースの割当てを要求する第２のサービス要求情報を前記基地局へ送信する
ことを特徴とする無線通信方法。
前記中継局は、前記基地局が割り当てるコネクション識別子と異なるコネクション識別子を前記加入者局に割り当てることを特徴とする請求項１に記載の無線通信方法。
基地局の通信圏外に位置する加入者局と前記基地局との間で送受信される情報を転送する、前記基地局の通信圏内に位置する中継局において、
前記加入者局からの第１のサービス要求情報を受信する受信手段と、
前記加入者局との通信状況に基づいて、前記第１のサービス要求情報が示すサービスに必要な第１の所要無線リソースを算出する第１の所要無線リソース決定手段と、
前記基地局との通信状況に基づいて、前記第１のサービス要求情報が示すサービスに必要な第２の所要無線リソースを算出する第２の所要無線リソース決定手段と、
前記第１の所要無線リソースおよび前記第２の所要無線リソースの合計以上の第３の所要無線リソースの割当てを要求する第２のサービス要求情報を前記基地局へ送信する送信手段と、
を備えたことを特徴とする中継局。
前記基地局が割り当てるコネクション識別子と異なるコネクション識別子を前記加入者局に割り当てるコネクション識別子割当て手段をさらに備えたことを特徴とする請求項３に記載の中継局。