JP2007537643A - Ｃｄｍａ無線通信ネットワークで使用されるリンク間干渉予測での電力制御方法及び装置 - Google Patents

Abstract

無線通信ネットワークで使用される電力制御方法である。受信ノードが送信ノードから無線信号を受信した後に、受信ノードは、受信した無線信号に従って自分のリンク間干渉電力を予測し、送信ノードに電力制御メッセージを送信する。送信ノードが受信ノードから電力制御メッセージを受信した後に、受信ノードにより予測されたリンク間干渉電力を抽出し、予測リンク間干渉電力に従ってその送信電力を調整する。

Description

本発明は、概して無線通信ネットワークで使用される電力制御方法及び装置に関し、特にCDMA無線通信ネットワークで使用される電力制御方法及び装置に関する。

現在の社会では、無線通信ネットワークは、ますます豊富且つ高速な情報サービスを提供することにより、日常生活でますます重要な役目を果たしている。

現在、２種類の無線通信ネットワークが存在し、一方は、セルラ電話ネットワークのように固定インフラストラクチャに基づき、他方は、アドホックネットワークのように固定インフラストラクチャを有さない。

インフラストラクチャ型ネットワークでは、セルのサイズはBS（基地局）又はAP（アクセスポイント）の送信範囲によって決定され、セル内の移動端末はBS又はAPと直接通信することができる。しかし、アドホックネットワークでは、移動端末は自己組織的であるため、２つの移動端末がこれらの間の直接の通信を確立することができる、又はこれらの間の他の移動端末の転送（マルチホップ）を通じて相互の通信を確立することができる。この性質で、アドホックネットワークは、PAN（Personal Area Network）、軍事環境及び捜索救助活動のような多数の分野で用途を見出しており、広範囲で有望な用途の将来性を有している。

過去数年間の間に、世界中の研究者は、欧州での“Fleetnet-Internet on the Road”及び中国の863 high-tech projectの“Self-organizing wireless network based on 3G techniques”を含み、CDMA型アドホック無線通信ネットワークについて様々な研究を行っている。更に深く研究が進み、CDMA型アドホック無線通信ネットワークは、システムアーキテクチャ、情報ルーティング、電力制御、システム同期、アクセス制御、無線リソース割り当て等のような更に難しい問題に直面している。遠近効果（near-far effect）のため、CDMAシステムは自己干渉又は干渉制限がある。従って、前記の問題の中で、電力制御がCDMA型アドホック無線通信ネットワークの性能に影響を及ぼす主要な要因になっている。

現在では、CDMA型アドホック無線通信ネットワークで行われる継続中の研究では、セルラ無線通信ネットワークで使用されている開ループ電力制御又は閉ループ電力制御機構に類似した方法が使用される。すなわち、送信ノードの送信電力は、履歴情報（例えば複数の前の無線フレームのBER）を参照して調整される。従来の電力制御方法は、R.Ramanathan及びR.Rosales-HainによりIEEE INFOCOM, vol.2に公開された“Topology control of multi-hop wireless networks using transmit power adjustment”、Eun-Sun Jung及びNitin H.VaidyaによりACM International Conference on Mobile Computing and Networking (MobiCom), September 2002に公開された“A Power Control MAC Protocol for Ad Hoc Networks”、並びにT.J.Kwon及びM.GerlaによりIEEE MILCOM, vol.2に公開された“Clustering with power control”に詳細に説明されている。

しかし、アドホックネットワークの動的トポロジ及びアドホック無線通信ネットワークのノードの移動性のため、他の通信リンクにより生じた所定の受信ノードでのリンク間干渉は、動的に変動する可能性がある。SIR及び干渉の測定が受信ノードでの履歴情報に基づき、得られた電力制御メッセージが対応する送信ノードにフィードバックされると、電力制御情報は、現在のネットワークでの潜在的な干渉の影響を正確に反映することができない。従って、送信ノードが受信ノードからフィードバックされた電力制御メッセージに基づいてその送信電力を定期的に調整すると、電力制御方法の収束レートが非常に低くなり、これによって、エネルギー効率を低下させ、ネットワーク干渉を増加させ、アドホック無線通信ネットワークの性能を劣化させる。

システム性能の劣化の前記の問題を解決するため、新しい送信電力制御方法が必要になる。

本発明の目的は、新しい電力制御方法及び装置を提供することであり、これにより、アドホック無線通信ネットワークの全てのノードがネットワークリソースを公平に共有することが可能になり、このため、エネルギー効率を効率的に増加させ、ネットワーク干渉を低減させ、ネットワーク性能を最適化する。

受信ノードによって行われ、本発明に従って無線通信ネットワークで使用される電力制御方法は、送信ノードから無線信号を受信し、受信した無線信号に従って受信ノードでのリンク間干渉電力を予測し、送信ノードが電力制御メッセージに含まれる予測リンク間干渉電力に従ってその送信電力を調整することができるように、送信ノードに電力制御メッセージを送信することを有する。

送信ノードによって行われ、本発明に従って無線通信ネットワークで使用される電力制御方法は、受信ノードから電力制御メッセージを受信し、電力制御メッセージから受信ノードでの予測リンク間干渉電力を抽出し、予測リンク間干渉電力に従って送信ノードの送信電力を調整することを有する。

本発明の完全な理解と共に、他の目的及び実現が、添付図面を考慮して以下の説明及び特許請求の範囲を参照することで明らかになると共に理解できる。

本発明の好ましい実施例の詳細な説明のため、添付図面に言及が行われる。

同じ参照符号は、全ての添付図面において類似の又は対応する特徴及び機能を示す。

本発明で提供される電力制御方法に従って、無線通信ネットワークの所定の受信ノードで、音声、画像、IPデータ等のようなトラヒックの特定のバースト及び自己相似性（self-similarity）に基づいて、他の通信リンクにより生じた受信ノードでのリンク間干渉電力を予測し、予測干渉電力を送信ノードにフィードバックし、これにより、送信ノードはフィードバック情報に基づいて無線信号を送信する電力を調整することができる。

図１に示すTDDモードでのアドホック無線通信ネットワークを例示することにより、本発明の電力制御方法の詳細な説明を以下に行う。

図１に示すように、複数の移動端末（ノード）により構築されるアドホックネットワークでは、ノードが隣接ノードと通信するときに、これらの間のリンク接続が維持される。異なるタイムスロットに割り当てられたノードでは、これらの間の通信リンクは信号干渉を生じない。しかし、同じタイムスロットに割り当てられているが、無線信号の送受信で異なる拡散コードを使用する送信ノードと受信ノードとの対では、リンク間干渉が生じる。

ネットワークに受信ノードiが存在し、送信ノードjから送信された無線信号を受信することを仮定する。受信ノードiでのSIR（Signal Interference Ratio）要件を満たすために、送信ノードjの送信電力は以下の式(1)を満たさなければならない。

ただし、
Gは処理利得であり、
tはタイムスロット番号（フレームの開始時点でゼロに設定される）であり、
p_j(t)はでの送信ノードjの送信電力（mW）であり、
r_ij(t)は送信ノードjから受信ノードiへのチャネル利得であり、
I_inter(t)は受信ノードiでのこの送信ノードjを除く他の通信ノードの送信電力により生じた干渉電力の累計（mW）（すなわち、受信ノードiでの他の通信リンクにより生じたリンク間干渉）である。この他のノードにより使用される伝搬チャネルは、同じタイムスロット内にあるが、異なる拡散コードを使用する。
N_bkはバックグラウンドノイズ（mW）である。
SIR_targetij(t)は送信ノードjにより送信された信号を抽出するための受信ノードiでの目標SIRである。通常では、SIR_targetij(t)は無線リソース管理レイヤにより設定され、通信リンクの品質に従って調整され得る。例えば、SIR_targetij(t)は計算されたBER（Bit Error Rate）に従って調整され得る。BERが高い場合にSIR_targetij(t)が増加し、BERが低いときにSIR_targetij(t)が減少する。

前記の式(1)は以下のようにも記述され得る。

ただし、

である。

送信ノードjの送信出力は、式(2)及び式(3)に従って計算され得る。

しかし、I_inter(t)（受信ノードiでのリンク間干渉）は、リアルタイムの確率過程であり、リンク間干渉I_inter(t)は、アドホックネットワークの変動性のため、時間によって動的に変動する。従って、I_inter(t)の正確な情報を予測できる見込みが少ない。

前記の式(2)及び(3)から、ノードjがその送信電力をタイムリー且つ正確に調整するための主要な要因は、I_inter(t)の現在の情報を取得することであることがわかる。

現在及び将来の無線通信ネットワークでは、音声、画像及びIPデータが依然としてネットワークで配信される主要なトラヒックである。これらのトラヒックでは、バースト及び自己相似性が最も重要な統計的特性であり、受信ノードiでのリンク間干渉が１つのタイムスロットから次のタイムスロットに相関することを意味する。I_inter(t)の時間相関に従って、I_inter(t)の値を予測するため、受信ノードiで受信した無線信号を検出するためにカルマンフィルタ（Karman filter）が使用され得る。予測されたI_inter(t)が取得されると、前記の式(3)は次のように変更され得る。

ただし、
〔外１〕

はI_inter(t)の予測値である。

I_inter(t)が
i_inter(t)=10lg[I_inter(t)] (dBm)
として規定されると、リンク間干渉電力（dBm）の動的過程は、１次マルコフ過程（Markov process）により次のように表され得る。

ただし、αは重み係数（0＜α＜1）であり、αは次のように規定され得る。

ただし、νは受信ノードiの速度であり、ηは電力制御レートであり、c及びΔはそれぞれ一定の係数及び一定のオフセットであり、これらは高レイヤで規定される。

式(5)のW(t)はσ² _W(t)としての分散でのゼロ平均のガウス白色ノイズ系列である。

i_inter(t)の分散は次のように記述され得る。

Y(t)をタイムスロットtでの測定干渉電力とする。

ただし、U(t)は測定ノイズであり、これもσ² _Uとしての分散でのゼロ平均のガウス白色ノイズである。

i_inter(t)はU(t)と独立であるため、Y(t)の分散が以下のように得られる。

受信ノードiで干渉信号を処理するためにカルマンフィルタが採用されるとき、カルマフィルタの式は以下のように表され得る。

ただし、
〔外２〕

及び
〔外３〕

は、それぞれi_inter(t)の事後及び事前の推定を示す。すなわち、i_inter(t)の検出値及び予測値である。K(t)はカルマン利得であり、
〔外４〕

及び
〔外５〕

は事前及び事後の推定誤差の分散である。

通常の状態で、測定されたi_inter(t)について±4dBの測定精度が必要であることを仮定する。σ_U=3dB（すなわちσ² _U=9）であることを仮定すると、式(7)及び式(9)に従って、次を得る。

最後のLのタイムスロットの干渉の測定に基づいて、式(16)〜(18)に従ってσ² _W(t)の推定
〔外６〕

を得ることができる。

受信ノードiはタイムスロット毎に干渉を測定し、これらの干渉の測定が
〔外７〕

を推定するために式(16)〜(18)の入力として使用される。推定された
〔外８〕

及び現在の干渉の測定は、干渉電力
〔外９〕

を予測するためにカルマンフィルタの式(10)〜(14)の入力として使用される。

実際に、式(11)はdBmで
〔外１０〕

を生じる。mWでの
〔外１１〕

は以下のように得られる。

〔外１２〕

が計算された後に、これは送信ノードjの送信電力p_jを計算するために式(4)及び(2)で予測干渉電力として使用される。

前記の説明から、データトラヒックの固有のバースト及び自己相似性は、受信ノードがリンク間干渉電力（すなわち前記の式(4)の
〔外１３〕

）を予測することに役立ち得ることがわかる。受信ノードが予測されたリンク間干渉電力をネットワークの送信ノードにフィードバックした後に、送信ノードはフィードバック情報に従ってその送信電力を調整し得る。

以下の説明は、図２と共に、アドホックネットワークにおいて送信ノードj及び対応する受信ノードiの間で行われる送信電力制御方法について行われる。

まず、図２に示すように、送信ノードjから無線信号を受信した後に、受信ノードiは無線信号のバックグラウンドノイズを検出し、リンク間干渉
〔外１４〕

を推定するために、ここでカルマンフィルタを使用する（ステップS10）。

次に、受信ノードiは、受信信号に従って従来の方法で受信チャネルのビット誤り率（BER_est）を推定し、以下の規則に従ってSIR_targetijを調整する（ステップS20）。

ただし、Δは固定の電力制御ステップであり、BER_reqはQoSを満たすために必要なBERである。

次に、受信ノードiは従来の方法でTSC（目標SIR制御）コマンドを生成し、これを以下の規則に従って対応する送信ノードjに送信する（ステップS30）。

次に、受信ノードiは式(4)に従ってEを計算する（ステップS40）。

その後、受信ノードiは、制御チャネルを介して、計算されたEを含む電力制御メッセージをその隣接ノードにブロードキャストする（ステップS50）。対応する送信ノードjは、電力制御メッセージに従ってその送信電力を調整することができ、他の隣接ノードも、アクセス情報及びルート情報を得るために、チャネル推定にこのブロードキャストメッセージを使用することができる。

受信ノードiから電力制御メッセージを受信した後に、送信ノードjは、電力制御メッセージからEの情報を抽出する（ステップS60）。

次に、送信ノードjは、以下の規則を参照して受信ノードiからのTSCコマンドに従ってSIR_targetij(t)を調整する（ステップS70）。

次に、送信ノードjは従来の方法でチャネル利得r_ijを予測する（ステップS80）。

送信ノードjは、抽出されたE、調整されたSIR_targetij(t)及び予測されたチャネル利得r_ijに従って式(2)で送信電力p_jを計算し、その送信電力を調整する（ステップS90）。

図２と共に前記の説明からわかるように、受信ノードiが式(2)でEを計算すると、リンク間干渉電力
〔外１５〕

がカルマンフィルタを使用することにより予測される。従って、送信ノードjが受信した電力制御メッセージからEを抽出し、式(2)から計算された電力p_jに従って送信電力を調整するときに、送信ノードjは、従来のモードでの履歴情報に基づいて送信電力を調整するのではなく、受信ノードでの干渉電力の現在の予測情報を使用する。

本発明のCDMA無線通信システムで使用される前記の電力制御方法は、コンピュータソフトウェア若しくはコンピュータソフトウェア又は双方の組み合わせで実装され得る。

図３は、本発明の一実施例に従ってCDMA無線通信システムで電力制御を実装する移動端末のハードウェアアーキテクチャを示している。従来の移動端末と同じ構成要素はここに図示されていない。

図３に示すように、（前記の送信ノードjとしての）移動端末10の送信ユニット40が無線信号を（前記の受信ノードiとして動作する）他の移動端末10に送信すると、受信ノードiとしてのこの他の移動端末10の受信ユニット20が無線信号を受信した後に、予測ユニット30はカルマンフィルタを使用することにより無線信号を処理し、受信ノードiでのリンク間干渉電力を予測する。その後、受信ノードiの送信ユニット40は、電力制御メッセージを送信ノードjに送信し、これにより、送信ノードjは電力制御メッセージに含まれる予測リンク間干渉電力に従ってその送信電力を調整することができる。

送信ノードjの受信ノード20が受信ノードiから電力制御メッセージを受信すると、抽出ユニット50は受信ノードiでの予測リンク間干渉電力を抽出し、電力制御メッセージに含まれるバックグラウンドノイズを調整ユニット60に提供する。これにより、調整ユニット60は、予測リンク間干渉電力及びバックグラウンドノイズに従って、前記の式(2)を用いて送信ノードjの送信ユニット40の送信電力を調整することができる。

＜本発明の有益な結果＞
前記のように、本発明で提供される電力制御方法及び装置に関して、受信ノードは、データトラヒックの固有のバースト及び自己相似性に従ってリンク間干渉電力を予測して計算するためにカルマンフィルタを使用し、予測値を送信ノードにフィードバックすることができる。これにより、CDMA型アドホックネットワークの全てのノードがネットワークリソースを公平に共有することができる。従って、対応する送信ノードは、従来の方法での履歴情報に基づくのではなく、受信ノードでの干渉電力の現在の予測情報を使用することにより、その送信電力を調整する。従って、本発明の電力制御方法により、従来のものと比較して、高いエネルギー効率、低い干渉及び優れたシステム性能を有する全体ネットワークが実現可能になる。

本発明について例示的な実施例に関して図示及び説明したが、本発明で開示されたCDMA無線通信ネットワークで使用される電力制御方法及び装置は、本発明の要旨及び範囲を逸脱することなく、様々な変更が行われ得ることが当業者にわかる。従って、本発明の範囲は、特許請求の範囲によって定められるべきである。

典型的なアドホック無線通信ネットワークを示す概略図 本発明の電力制御方法のフローチャート 本発明の実施例による電力制御方法を実行する移動端末のアーキテクチャ

Claims (18)

1. 受信ノードによって行われ、無線通信ネットワークで使用される電力制御方法であって：
   (a)送信ノードから無線信号を受信し；
   (b)受信した無線信号に従って前記受信ノードでのリンク間干渉電力を予測し；
   (c)前記送信ノードが電力制御メッセージに含まれる予測リンク間干渉電力に従ってその送信電力を調整することができるように、前記送信ノードに電力制御メッセージを送信することを有する方法。
2. 請求項１に記載の電力制御方法であって、
   前記リンク間干渉電力は、前記受信ノードでの前記送信ノードを除く他の通信ノードの送信電力により生じた干渉電力の累計である方法。
3. 請求項２に記載の電力制御方法であって、
   前記電力制御メッセージは、バックグラウンドノイズを更に有する方法。
4. 請求項１ないし３のうちいずれか１項に記載の電力制御方法であって、
   前記予測リンク間干渉電力は、カルマンフィルタを使用することによる前記無線信号の処理を通じて得られる方法。
5. 請求項４に記載の電力制御方法であって、
   前記電力制御メッセージは、制御チャネルでブロードキャストされる方法。
6. 請求項５に記載の電力制御方法であって：
   受信した無線信号に従ってTSCコマンドを生成し；
   前記TSCコマンドを前記送信ノードに送信することを更に有する方法。
7. 送信ノードによって行われ、無線通信ネットワークで使用される電力制御方法であって：
   (a)受信ノードから電力制御メッセージを受信し、
   (b)前記電力制御メッセージから前記受信ノードでの予測リンク間干渉電力を抽出し、
   (c)前記予測リンク間干渉電力に従って前記送信ノードの送信電力を調整することを有する方法。
8. 請求項７に記載の電力制御方法であって、
   前記リンク間干渉電力は、前記受信ノードでの前記送信ノードを除く他の通信ノードの送信電力により生じた干渉電力の累計である方法。
9. 請求項８に記載の電力制御方法であって、
   前記電力制御メッセージは、バックグラウンドノイズを更に有し、
   前記方法は、前記バックグラウンドノイズに従って前記送信ノードの送信電力を調整することを更に有する方法。
10. 請求項７ないし９のうちいずれか１項に記載の電力制御方法であって、
    前記予測リンク間干渉電力は、前記受信ノードがカルマンフィルタを通じて前記無線信号を処理することを通じて得られる方法。
11. 請求項１０に記載の電力制御方法であって、
    前記送信ノードは、制御チャネルを介して前記電力制御メッセージを受信する方法。
12. 請求項１１に記載の電力制御方法であって：
    前記受信ノードからTSCコマンドを受信し；
    前記TSCコマンドに従って前記送信ノードの送信電力を調整することを更に有する方法。
13. 請求項１２に記載の電力制御方法であって：
    前記送信ノードと前記受信ノードとの間のチャネル利得を測定し；
    前記チャネル利得に従って前記送信ノードの送信電力を調整することを更に有する方法。
14. 他の移動端末から送信された無線信号を受信する受信ユニットと；
    受信した無線信号に従って移動端末でのリンク間干渉電力を予測する予測ユニットと；
    前記他の移動端末が電力制御メッセージに含まれる予測リンク間干渉電力に従ってその送信電力を調整することができるように、前記他の移動端末に電力制御メッセージを送信する送信ユニットと；
    を有する移動端末。
15. 請求項１４に記載の移動端末であって、
    前記リンク間干渉電力は、前記移動端末での前記他の移動端末を除く他の通信移動端末の送信電力により生じた干渉電力の累計である移動端末。
16. 請求項１４に記載の移動端末であって、
    前記予測ユニットは、カルマンフィルタを用いて前記無線信号を処理し、前記予測リンク間干渉電力を得る移動端末。
17. 他の移動端末から電力制御メッセージを受信する受信ユニットと；
    前記電力制御メッセージから前記他の移動端末での予測リンク間干渉電力を抽出する抽出ユニットと；
    前記予測リンク間干渉電力に従って移動端末の送信電力を調整することと；
    を有する移動端末。
18. 請求項１７に記載の移動端末であって、
    前記リンク間干渉電力は、前記他の移動端末での前記移動端末を除く他の通信移動端末の送信電力により生じた干渉電力の累計である移動端末。

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