JP2007503780A - マルチユーザ直交周波数分割多重(ofdm)システムにおける実時間サービスに対するサブキャリアおよびビットの割当 - Google Patents
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Abstract
本発明の方法は、マルチユーザOFDMシステムにおける実時間サービスに対するQoSのサブキャリア、ビット、および対応する電力に関して、効率的なリソース割当を提供する。本発明は、反復アプローチを使用して、サブキャリアおよびビットの割当において即時的なチャンネル利得を利用する。
Description
本発明は、一般には、直交周波数分割多重(Orthogonal Frequency Division Multiplex)を使用する無線通信システムに関し、より詳細には、最適解がサブキャリアおよびビットの割当に対して要求される、直交周波数分割多重を使用する無線通信システムに関する。
無線通信ネットワークは、無線インターネットアクセスおよび実時間ビデオなど、広帯域サービスを消費者に提供することを、ますます求められている。そのような広帯域サービスは、厳しい移動体環境、制限された利用可能スペクトル、およびマルチパスフェージングにより生じるシンボル間干渉(ISI:InterSymbol Interference)などの不都合な条件下において、信頼できて高データレートの通信を必要とする。
直交周波数分割多重(OFDM:Orthogonal Frequency Division Multiplex)は、ISI問題に取り組む最も期待できるソリューションの一つである。OFDMは、ヨーロッパのデジタル音声およびビデオ放送、ならびに無線ローカル・エリア・ネットワーク(WLAN)標準に対して、望ましい技法として選択されている。
シングルユーザOFDMシステムに対して、「注水(water-filling)」のアプローチとして知られているアプローチを使用して、全送信電力を最小にするサブキャリアおよびビットの割当の解を獲得することができる。注水のアルゴリズムは、すべてのユーザに対するリソース割当にシングルユーザの影響を考慮に入れることなく、シングルユーザの要求に基づいて割当を最適化する。したがって、マルチユーザOFDMシステムにおいて、一人のユーザに対して最適であるサブキャリアおよびビットの割当は、他のユーザに過度の干渉を生じることがある。
マルチユーザOFDMシステムにおいて、サブキャリアおよびビットの割当は、シングルユーザOFDMシステムにおけるよりもはるかにより複雑である。なぜならば、一つには、一人のユーザの(チャンネル利得に関して)最適なサブキャリアは、他のユーザの最適なサブキャリアであることがあるからである。数人のユーザは、同一のサブキャリアを同時に使用すべきではない。なぜならば、同一のサブキャリア上のユーザ間の相互干渉は、スループットを減少させるからである。これは、マルチユーザOFDMシステムにおけるサブキャリアおよびビットの割当を、シングルユーザOFDMシステムよりもはるかにより複雑にさせる。したがって、注水のアプローチは、ただ使用するだけでは、マルチユーザOFDMシステムにとって不適切である。
マルチユーザOFDMシステムにおけるサブキャリアおよびビットの割当に対するアルゴリズムについて、いくつか最近の研究がある。それらのアルゴリズムは、2つの一般的な型に分類することができる。すなわち、1)静的なサブキャリア割当、および2)動的なサブキャリア割当である。二つの典型的な静的なサブキャリア割当アルゴリズムは、OFDM時分割多元接続(OFDM−TDMA)およびOFDM周波数分割多元接続(OFDM−FDMA)である。OFDM−TDMAにおいて、各々のユーザは、一つまたは複数の予め定められたタイムスロットを割当てられ、および割当てられたタイムスロット中のすべてのサブキャリアを使用することができる。OFDM−FDMAにおいて、各々のユーザは、一つまたはいくつかの予め定められたサブキャリアを割当てられる。これらの静的な構成において、サブキャリア割当は、予め定められており、および即時的なチャンネル利得の情報を利用しない。
動的なサブキャリア割当の構成は、サブキャリアおよびビットの割当において即時的なチャンネル利得を考慮する。それらの構成のほとんどは、非常に複雑な解に帰着する。典型的なサブキャリアおよびビットの割当のアルゴリズムは、整数変数による非線形最適化問題としてサブキャリアおよびビットの割当の問題をモデル化する。非線形最適化問題を解決することは、非常に困難であり、および最適解をもたらさない。
本発明は、マルチユーザOFDMシステムにおいて、実時間サービスに対するサービス品質(Quality of Service:QoS)が与えられたサブキャリア、ビット、および対応する電力に関するリソース割当の方法である。マルチユーザOFDMシステムにおける実時間サービスに対するサブキャリアおよびビットの割当構成の目的は、要求されるQoSが与えられた最小の全送信電力およびビットを送信するように要求する最適な割当の解を獲得することである。本発明は、マルチユーザOFDMシステムに対する動的なサブキャリアおよびビットの割当の構成を提供する。
方法は、反復アプローチを使用することにより、サブキャリアおよびビットの割当において即時的なチャンネル利得を利用する。シングルユーザの注水のアルゴリズムを使用して、各々のユーザの要求されるサブキャリアを、独立に、部分的なステップとしてのみを除いて、獲得する。マルチユーザOFDMの場合、本発明は、各々のユーザに対して最も適切なサブキャリアを決定する方法を使用する。たった一人のユーザがサブキャリアに対して競合する場合には、サブキャリアを再割当して衝突するサブキャリアを解決することを、実行しなくてよい。二人以上のユーザがサブキャリアに対して競合する場合には、本発明は、衝突するサブキャリアを解決しおよび要求されるQoSに合致する最小の必要送信電力をもたらす、サブキャリアのユーザへの再割当を反復的に捜し求める。
本発明のより完全な理解を、例として与えられおよび本明細書において添付する図面に関連して理解される望ましい実施形態の以下の説明から得ることができる。
本発明の特徴および要素を望ましい実施形態において特定の組合せにおいて説明するが、各々の特徴または要素は、単独で(望ましい実施形態の他の特徴および要素なしで)、または本発明の他の特徴および要素を含めてまたは含めないで、様々な組合せにおいて使用することができる。
以下本明細書において使用する場合、用語の「無線送受信ユニット(WTRU:Wireless Transmit/Receive Unit)」は、限定ではないが、ユーザ装置(UE:User Equipment)、移動局、固定または移動の加入者ユニット、ページャ、または無線環境において動作可能なあらゆる他の型の装置を含む。これらの無線環境の典型的な型は、限定ではないが、無線ローカル・エリア・ネットワーク(WLAN)およびPLMN(Public Land Mobile Network)を含む。用語の「基地局」は、限定ではないが、Node B、サイトコントローラ、アクセスポイント、または無線環境における他のインターフェース装置を含む。
本発明のシステムおよび方法は、サブキャリアおよびビットの割当の構成を提供し、サブキャリアおよびビットの割当における即時的なチャンネル利得の情報を利用する。サブキャリアが二人以上のユーザにより要求される場合、サブキャリアは、全送信電力を最小化するように、適切に一人のユーザに割当てられる。
図1を参照して、本発明にかかるサブキャリアおよびビットの割当が行われるマルチユーザOFDMシステム10のブロック図を示す。一般にシステム10は、送信モジュール11(ほとんどの場合基地局に組み込まれるが、同様に送信モジュール11は、WTRU内とすることができる)、および受信モジュール12(ほとんどの場合WTRUに組み込まれるが、同様に受信モジュール12は、基地局内とすることができる)を含む。送信モジュール11中には、変調マッピング(MM:Modulation Mapping)モジュール13、逆高速フーリエ変換(IFFT:Inverse Fast Fourier Transform)モジュール14、およびガード・インターバル(Guard Period)挿入モジュール15を示す。MMモジュール13、IFFTモジュール14、およびガード・インターバル挿入モジュール15は、信号の送信を容易にする。
MMモジュール13は、ユーザへのサブキャリアの割当、および各々のサブキャリア上で送信されるビット数を決定する。サブキャリア上で送信されるビット数に基づいて、MMモジュール13は、対応する変調の構成をさらに適用し、および同様にサブキャリアにおける適切な送信電力レベルを決定する。
IFFTモジュール14は、IFFTを使用することにより、MMモジュール13の出力複素シンボルを時間領域サンプルに変換する。ガード・インターバル挿入モジュール15は、一次RFモジュールおよびアンテナ16による送信前のシンボル間干渉を軽減するために、ガード・インターバルを、各々のOFDM時間領域シンボルの末尾に挿入する。
受信モジュール12において、二次RFモジュールおよびアンテナ17、ガード・インターバル除去モジュール21、高速フーリエ変換(FFT:Fast Fourier Transform)モジュール22、および復調器23がある。ガード・インターバル除去モジュール21は、ガード・インターバルを除去する。次に、FFTモジュール22は、時間領域サンプルを変調シンボルに変換する。最後に、復調モジュール23は、対応する復調の構成を適用し、ユーザデータを復元する。送信モジュール11と受信モジュール12との間には、一般的な対応があるが、機能は必然的に異なる。
本発明は、マルチユーザOFDMシステムにおいて、N人のリアルタイムユーザおよびK個のサブキャリアがあることを仮定する。各ユーザnに対し、Rnビットの送信データがある。さらに本発明は、各々のサブキャリアの帯域幅がチャンネルのコヒーレンス帯域幅よりも十分小さいことを仮定する。各サブキャリア上の全ユーザの即時的なチャンネル利得の情報は送信機に使用可能であり、従って、送信機は、情報を利用して、ユーザへのサブキャリアの割当および各々のサブキャリア上に送信することができるビット数を決定することができる。
一般に変調の構成の大多数(例えばBPSK、QPSK、QAMなど)を、OFDMシステムにおいて使用することができる。例示の目的のために、M−ary QAM(Quadrature Amplitude Modulation)を、システムにおいて使用すると仮定する。fn(r)は、ユーザnのr個のビットをサブキャリア上に送信する場合の要求される受信電力を示すとする。ユーザnの要求されるビット誤り率(BER)がBERnであり、およびN0が雑音電力であるとすると、シンボルあたりr個のビットを送信する要求される電力は、以下により与えられる。
rk(n)は、k番目のサブキャリアに割当てられたn番目のユーザのビット数を示し、およびユーザnと基地局(BS)との間のk番目のサブキャリア上のチャンネルの利得は、Gk,nであるとする。要求されるサービス品質(QoS)を保持するために、k番目のサブキャリア上のユーザnに割当てられる割当てられた送信電力Pk(n)は、以下により与えられる。
全サブキャリア上の全ユーザの全送信電力(Ptotal)は、以下により与えられる。
考慮されているサービスが実時間サービスであるので、シンボル毎の送信に必要とされるビット数は固定される(すなわち、データは、後の送信のためにバッファリングされない)。これは、以下を意味する。
マルチユーザOFDMシステムにおいて、実時間サービスに対するサブキャリアおよびビットの割当アルゴリズムの目的は、要求されるQoSおよび送信するビットを与える最小の全送信電力を要求する最適な割当の解を獲得することである。
本発明は、マルチユーザOFDM通信システムに適用可能なサブキャリアおよびビットの割当に対するシステムおよび方法である。シングルユーザnに対するサブキャリアおよびビットの割当の方法40は、(すべてのサブキャリアを、このユーザが使用することができるかのように、)図2のフローチャートにおいて示すとおりに、複数のステップに従う。本質的には、図2に属するシングルユーザの注水のアルゴリズムを使用して、各々のユーザに対して独立にサブキャリアの受容または拒否を決定する。最初に、各サブキャリアkに対して、アルゴリズムを、ユーザnに対するサブキャリア上のビット数およびサブキャリア上のユーザnの送信電力を零として初期化する。すなわち、rk(n)=0およびPk(n)=0である(ステップ42)。
方法40は、データの最初のビット、ビットインデックスj=1から開始する(ステップ43)。各サブキャリアkに対して、j番目のビットがそのサブキャリア上に送信されるよう割当てられた場合の送信電力の増加量を計算する(ステップ44)。次にk番目のサブキャリア上の割当てられた送信電力Pkにおける変化量の定量(ステップ45)を、以下により計算する(ステップ47)。
従って、以下のようになる。
データのj番目のビットは、最小のΔPk(n)を有するサブキャリアに割当てられる(ステップ48)。
サブキャリアk上のユーザnの送信電力の増加量を、以下により更新する(ステップ49)。
次に、サブキャリアk上のユーザnのビット数を、以下により更新し(ステップ51)、
rk(n)=rk(n)+1 式(8)
rk(n)=rk(n)+1 式(8)
およびデータのビットインデックスを、以下によりインクリメントする(ステップ52)。
j=j+1 式(9)
j=j+1 式(9)
次に、データの最後のビットが割当てられたかどうか、すなわち、j=Rnかどうかを決定する(ステップ54)。シングルユーザの場合、ステップ54は、アルゴリズムの最後のステップとなるであろう。しかしながら、すべてのビットを割当てるために、ステップ44〜54は、電力計算に基づく最小の送信電力を有する、ユーザに対して最適な割当の解を取得するために繰り返す。
図3を参照して、本発明にかかるマルチユーザOFDMシステムの場合におけるリソース割当の方法60を示す。前述のように、図2に属するシングルユーザの注水の方法40を使用して、各ユーザに対して独立に、要求されるサブキャリアを決定する(ステップ62)。ステップ62は、すべてのサブキャリアを同一のユーザが排他的に使用することができるかのように、サブキャリアおよびビットを割当てる。このようにして、サブキャリアと、各々のサブキャリアに割当てられたビット数との要求されるリストを、各ユーザに対して取得する。各サブキャリア上の各ユーザの送信電力は、サブキャリアがこのユーザによってのみ使用されるかのように計算される。
衝突しているサブキャリアが存在するかどうかに関して決定を行う。(ステップ63)。衝突するサブキャリアが存在していない場合には、方法60を終了する(ステップ64)。なぜならば、マルチユーザOFDMシステムに対する最適な割当の解を獲得しているからである。しかしながら、サブキャリアが数人のユーザの要求されるサブキャリアのリスト中にある場合には、このサブキャリアを衝突するサブキャリアと呼ぶ。なぜならば、サブキャリアは、与えられた時点において一人のユーザに対して割当てることのみできるからである。
ステップ63においてサブキャリアが衝突すると分かった場合には、衝突するサブキャリアを配列する(ステップ71)。衝突するサブキャリアkがM人のユーザ(n1,n2,...,nM)の要求されるリスト中にある場合には、サブキャリアk上の全送信電力(Pk)を、このサブキャリア上において競合する各ユーザの送信電力の和として、以下にように定義する。
例示的実施形態において、衝突するサブキャリアを、サブキャリアの全送信電力を減少させる順に配列する。衝突するサブキャリアをシーケンスへ順に並べる他の選択肢は、以下を含む。
a.サブキャリアのチャンネル利得の統計を減少させる順に配列する。衝突するサブキャリアのチャンネル利得の統計は、以下の計量の一つとすることができる。
i.この衝突するサブキャリア上のユーザn1,n2,...,nMのチャンネル利得の総和、すなわち、以下である。
i.この衝突するサブキャリア上のユーザn1,n2,...,nMのチャンネル利得の総和、すなわち、以下である。
ii.この衝突するサブキャリア上のユーザn1,n2,...,nMのチャンネル利得の平均、すなわち、以下である。
iii.この衝突するサブキャリア上のユーザn1,n2,...,nMの最適なチャンネル利得、すなわち、以下である。
b.以下のようなサブキャリアのビット数の合計を減少させる順に配列する。
従って、衝突するサブキャリアは、全送信電力、チャンネル利得の統計、全ビット数、または雑音など、予め定められたパラメータにより配列されるが、他のパラメータを利用することができる。
特定の順により、衝突するサブキャリアをシーケンスに再配列した(ステップ71)後、第1の衝突するサブキャリアを選択する(ステップ72)。明らかに、このサブキャリアは、一人のユーザ(例えば、ユーザnj)に決定されるであろう。禁じられたサブキャリアのリストは、各々のユーザに対して、サブキャリアおよびビットの割当処理全体を通して保持される。ユーザの禁じられたリストは、前のステップにおいてこのユーザに決定されていない衝突するサブキャリアを含む。要求されるリスト中にこのサブキャリアを有する各ユーザnjに対して、現在この衝突するサブキャリアに割当てられているビットを、図2の方法40におけるシングルユーザの注水のアルゴリズムを使用して衝突するサブキャリアがユーザnjに決定されるかのように、他のサブキャリアに再割当する(ステップ73)。
ステップ73における再割当により、解ベクトル
に帰着し、これは、副搬送波サブキャリアlがユーザnjに決定される条件の下で、他のすべてのユーザに対して取得された最適な再割当の解である。ステップ75では、本アルゴリズムが再割当されたビットの要求される送信電力を計算し、および計算された要求される送信電力を、Preassign(rh(nh))により示し、これは、衝突するサブキャリアlに現在割当てられているユーザnkのビットの送信電力よりもより大きい。衝突するサブキャリアlに現在割当てられているユーザnkのビットの送信電力は、Pl(nh)である。次に、ユーザnhのビットの再割当により生じる送信電力の増加量は、
により示し、以下により与えられる。
衝突するサブキャリアがユーザnjに決定されると定まる全電力の増加量は、以下により与えられる。
この値は、ユーザnjに決定される衝突するサブキャリアに基づく全送信電力の増加量であると考えられる(ステップ75)。ステップ73および75を、要求されるリストにおいて衝突するサブキャリアを有する各々のユーザに対して繰り返した後、ステップ75において計算された送信電力の増加量を比較する。次に衝突するサブキャリアを、最小の全送信電力の増加量に帰着するユーザに決定する。
サブキャリアがステップ76において再割当され、および図2の方法40を使用して残りの衝突するサブキャリアを再割当する(ステップ76)ので、新規の衝突するサブキャリアが生成されることがあることに注意するべきである。新規の衝突するサブキャリアがある場合には、ステップ78において、衝突するサブキャリア上の全送信電力を減らすように選択されたパラメータの順により、新規の衝突するサブキャリアを衝突するサブキャリアのリストに追加する。次に各ユーザに対して、禁じられたサブキャリアのリストを更新する(ステップ78)。次に方法60は、ステップ63に戻り、他の衝突するサブキャリアがある場合には、他の衝突するサブキャリアを解決する。衝突するサブキャリアのリストが空になるまで、反復を継続する。
方法60は、ユーザの状態における著しい変化、信号状態における変化、予め定められた時間間隔(例えばフレーム毎、または数フレーム毎)においてチャンネル状態における変化を感知することにより、または何か他の便利な参照により、開始することができる。
Claims (18)
- マルチユーザ直交周波数分割多重(OFDM)のキャリア割当においてサブキャリアを割当てる方法であって、
(a)各ユーザに対して、要求されるサブキャリアのリストを決定するステップと、
(b)衝突するサブキャリアを識別し、および衝突するサブキャリアが存在しない場合には、ステップ(f)へスキップするステップと、
(c)特定の基準により予め定められた順に前記衝突するサブキャリアをリスト化し、および第1の衝突するサブキャリアを選択するステップと、
(d)最小の全送信電力の増加量に帰着するユーザに前記衝突するサブキャリアを決定するステップと、
(e)前記要求されるリストにおいて衝突するサブキャリアを有する他のユーザを他のサブキャリアに再割当し、およびステップ(b)に戻るステップと、
(f)各ユーザに対して、要求されるサブキャリアの決定を受容するステップと
を備えたことを特徴とする方法。 - 前記ステップ(a)は、注水のアルゴリズムを使用して実行されることを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 前記注水のアルゴリズムは、送信電力を最小化することを特徴とする請求項2に記載の方法。
- 前記ステップ(e)は、注水のアルゴリズムを使用して実行されることを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 前記ステップ(c)は、前記サブキャリアの評価された送信電力により前記サブキャリアを順に並べるステップを含むことを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 前記ステップ(c)は、前記サブキャリアの全送信電力を減少させることにより前記サブキャリアを順に並べるステップを含むことを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 前記ステップ(c)は、チャンネル利得の統計を減少させることにより前記サブキャリアを順に並べるステップを含むことを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 前記ステップ(c)は、ビット数を減少させることにより前記サブキャリアを順に並べるステップを含むことを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 直交周波数分割多重・時分割複信(OFDM−TDD)通信システムにおいて、割当てられたタイムスロットを使用するステップをさらに備えたことを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 直交周波数分割多重・周波数分割複信(OFDM−FDD)通信システムにおいて、割当てられた周波数を使用するステップをさらに備えたことを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 前記ステップ(e)は、禁じられたサブキャリアのリストを保持し、および前記禁じられたサブキャリアへのユーザの後続する割当を防ぐステップを含むことを特徴とする請求項1に記載の方法。
- マルチユーザ直交周波数分割多重(OFDM)のキャリア割当において送信するサブキャリアを割当てる方法であって、
各ユーザに対して、要求されるサブキャリアを決定するステップと、
衝突するサブキャリアが存在するかどうかを決定し、および衝突するサブキャリアがない場合には、受容するステップへスキップするステップと、
サブキャリアの全送信電力を減少させる順に前記サブキャリアを順に並べるステップと、
前記衝突するサブキャリアが前記ユーザに割当てられ、および前記衝突するサブキャリアを使用する他のすべてのユーザが他のサブキャリアに再割当されるように、選択された各ユーザに対して全送信電力の増加量を計算するステップと、
最小の全送信電力の増加量に帰着する割当てられたユーザに、前記衝突するサブキャリアを決定するステップと、
注水のアルゴリズムを使用して他のユーザをサブキャリアに再割当てし、衝突する加入者のリストを更新し、および前記順に並べるステップに戻るステップと、
各ユーザに対して、前記要求されるサブキャリアの決定を受容するステップと
を備えたことを特徴とする方法。 - 前記各ユーザに対して、要求されるサブキャリアを決定するステップは、注水のアルゴリズムを使用して、要求されるサブキャリアを決定するステップを含むことを特徴とする請求項12に記載の方法。
- 直交周波数分割多重・時分割複信(OFDM−TDD)通信システムにおいて、割当てられたタイムスロットを使用するステップをさらに備えたことを特徴とする請求項12に記載の方法。
- 直交周波数分割多重・周波数分割複信(OFDM−FDD)通信システムにおいて、割当てられた周波数を使用するステップをさらに備えたことを特徴とする請求項12に記載の方法。
- マルチユーザ直交周波数分割多重(OFDM)のキャリア割当においてサブキャリアを割当てることができる通信装置であって、
各ユーザに対して、要求されるサブキャリアのリストを決定する回路と、
衝突するサブキャリアが存在するかどうかを決定し、および衝突するサブキャリアが存在しない場合には、各ユーザに対して、前記要求されるサブキャリアの決定を受容し、衝突するサブキャリアが存在する場合には、特定の評価により前記サブキャリアを順に並べる回路と、
特定の衝突するサブキャリアに割当てられるように一人のユーザを選択することによりサブキャリアを割当てし、および要求されるリストにおいて前記特定の衝突するサブキャリアを有する他のユーザを再割当てし、ならびに各ユーザに対して前記他のユーザを再割当てするステップを繰り返し、および前記特定の基準において増加量を計算する回路と、
前記特定の基準において最小の増加量に帰着するユーザに前記衝突するサブキャリアを決定する回路と、
他のユーザをサブキャリアに再割当し、および衝突するサブキャリアのリストを更新するデータベース保持回路と
を備えたことを特徴とする通信装置。 - 前記各ユーザに対して、要求されるサブキャリアのリストを決定する回路は、注水のアルゴリズムを使用して、前記要求されるサブキャリアを決定することを特徴とする請求項16に記載の通信装置。
- 前記各ユーザに対して、要求されるサブキャリアのリストを決定する回路は、前記注水のアルゴリズムを使用して、送信電力を最小にするビット割当の解を提供することを特徴とする請求項17に記載の通信装置。
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