JP2009545192A - リレーネットワークでパケットを通信する方法 - Google Patents

Abstract

リレー（中継）ネットワークでパケットを通信する方法であって、効率を改善する方法を得る。この発明の方法は、リレーネットワークでパケットを通信するために、複数のパケットが、１組の接続を使用して１組の移動局と中継局との間で通信される。各移動局と中継局の間には、１つの接続がある。複数のパケットが中継局と通信基地局との間の単一の接続で集合される。

Description

この発明は、一般に、ワイヤレス・マルチユーザ・モバイルネットワーク（無線マルチユーザ移動通信網）に関し、特に、無線移動マルチユーザ・マルチホップ・ネットワークに関する。

直交周波数分割多重方式（ＯＦＤＭ）は、多くのワイヤレス・ネットワーク、たとえば、ＩＥＥＥ８０２．１１ａ／ｇおよびＩＥＥＥ８０２．１６／１６ｅ標準により設計されたネットワーク、のフィジカル層（物理層：ＰＨＹ）で使用される変調技術である。ＯＦＤＭＡはＯＦＤＭに基づく多重アクセス方式である。ＯＦＤＭＡでは、複数のトランシーバが同時に通信できるように、別々のセット（組）の直交トーン（サブチャンネル）とタイムスロットとが複数のトランシーバ（ユーザ）に割り当てられる。たとえば、１１ＧＨｚより低い周波数における見通し外（ＮＬＯＳ）通信に対して、ＩＥＥＥ８０２．１６／１６ｅ標準は多重通信路（マルチプルチャンネル）アクセス機構としてＯＦＤＭＡを採用している。

図１Ａは、従来のＯＦＤＭＡに基づくセルラー・ネットワーク１００、たとえば、ＩＥＥＥ８０２．１６／１６ｅ標準によるワイヤレス・ネットワークを示し、これは本明細書中に参照により援用される。ネットワークは操作をポイント−マルチポイントトポロジーに制限し、そこでは、ネットワーク実体の２つのタイプ、すなわち通信基地局（ＢＳ）と移動局（ＭＳ）、だけが存在する。ＢＳは、接続１０１−１０３に関して、特定のセルにおけるＭＳとのすべての通信を管理し、調整する。各ＭＳはそのＢＳとのみ直接通信しており、また、そのＢＳだけがネットワークのインフラストラクチャ１１０すなわち「バックボーン」と通信する。すなわち、ＭＳとＢＳの間には、１つのホップしかない。ＭＳの間のすべての通信はＢＳを通過しなければならない。さらに、ＢＳと各ＭＳの間には、１つの接続がある。

或るスペクトルに対する接続に沿う信号強度の重要な損失により、無線サービスの到達範囲（領域）は、しばしば限定された地理的なサイズである。さらに、ブロッキングやランダムフェージングは劣悪な受信領域、あるいはまたデッドスポットをさえもたらす。従来より、この問題は、ＢＳをより高密度で配備することによって、対処されてきた。しかし、とりわけ、ＢＳの高コストと混信の潜在的増加により、この手法はそれほど望ましくものではない。

その代替手法として、図１Ｂに示されるように、リレーに基づくネットワーク１５０を使用することができる。このネットワークは、複数の移動局（ＭＳ）、および／または、加入者設備（ＳＳ）を含む。比較的安価な中継局（ＲＳ）がＢＳの領域を拡張する。或るステーション（移動局や加入者設備：ＭＳ１およびＳＳ１）は、接続Ｃ１およびＣ２を使用して、ＢＳと直接通信する。また、他のステーション（ＭＳ２、ＭＳ３およびＳＳ２）は、接続Ｃ３、Ｃ４およびＣ５を使用してＲＳと直接通信を行うとともに、２つのホップを使用して対応する接続１５１を介してＢＳと間接的に通信を行う。明らかに、ＲＳとＢＳ（リレーリンク）との間のリンク上の通信はボトルネックになり得る。
効率を改善するためには、リレーと通信基地局との間の通信方法を改良する必要がある。

この発明の方法は、リレー（中継）ネットワークでパケットを通信する。複数のパケットが、１組の移動局（モバイルステーション）と中継局（リレーステーション）との間で１組の接続を使用して通信される。各移動局と中継局の間には、１つの接続がある。複数のパケットが中継局と通信基地局（ベースステーション）との間の単一の接続で集合される。

この発明によれば、リレーと通信基地局との間の通信方法を改良することにより、効率を改善することができる。

従来の無線移動ネットワークに関する概略図である。 従来の無線移動リレーネットワークの概略図である。 この発明の実施の形態による無線移動リレーネットワークの概略図である。 従来のＯＦＤＭＡフレームの構成図である。 この発明の実施の形態によるＯＦＤＭＡフレームの構成図である。 従来のＤＬ＿ＭＡＰ＿ＩＥのフォーマットの構成図である。 この発明の実施の形態によるＵＬ＿ＭＡＰ＿ＩＥのフォーマットの構成図である。 この発明の実施の形態によるＵＬ＿ＭＡＰ＿ＩＥのフォーマットの構成図である。 この発明の実施の形態によるＵＬ＿ＭＡＰ＿ＩＥのフォーマットの構成図である。 この発明の実施の形態による改良されたパッキングの構成図である。 この発明の実施の形態によるフラグメンテーションで改良されたパッキングの構成図である。 この発明の実施の形態によるＥＰ−ＳＨメッセージの定義テーブルである。

定義
この発明を明確に記述するために、ここで、以下の用語が定義され、その定義にしたがって使用される。

通信基地局（ベースステーション：ＢＳ）
加入者装置とインフラストラクチャすなわちネットワークバックボーンとの間に無線通信を提供する設備機器。

加入者設備（ＳＳ）
加入者設備機器と通信基地局（ＢＳ）との間に通信を提供するように設定された一般化された設備機器。

移動局（ＭＳ）
移動中、または、不特定の場所において、使用される無線送受信機（ワイヤレストランシーバ）。ＭＳは、他に明確に特定されなければ、常に、加入者設備（ＳＳ）である。

中継局（ＲＳ）
他局間でのデータおよび制御情報をリレーし、マルチホップ通信をサポートするプロセスを実行する機能を有する無線送受信機。

接続
フィジカルレイヤ（物理層）では、或るステーションのＲＦ送信機から一つ以上の複数の送信アンテナを介して送信されて、無線チャンネルを通して、一つ以上の受信アンテナを介して別のステーションのＲＦ受信機に受信されるように、接続が行われる。物理的には、その接続は、所定のセット（組）のサブチャンネルとタイムスロットとを使用してＲＦ信号を通信する。ロジカルレイヤ（論理層）では、その接続の注目部分が、送信機のプロトコル・スタックのメディアアクセスレイヤ（ＭＡＣ）から受信器のメディアアクセスレイヤまで延びている。論理的には、その接続は、データと制御情報とを単一のビットストリームとして伝える。

ＭＡＣサービス・データ・ユニット（ＭＳＤＵ）
所与のレイヤのプロトコルにおいて特定されたデータであって、そのレイヤのプロトコル制御情報およびそのレイヤの利用者データを含む１セット（組）のデータ。

ＭＡＣプロトコル・データ・ユニット（ＭＰＤＵ）
或るプロトコルの所与のレイヤのプロトコル・データ・ユニットであって、より高いレイヤから来るサービス・データ・ユニットおよびそのレイヤのプロトコル制御情報を含むプロトコル・データ・ユニット。バーストは、同じ接続に属する隣接する一連のＭＰＤＵである。

ネットワーク構造
この発明の一実施の形態に対して、図２に示されるように、ネットワーク２００は、１組の接続（Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３）を使用して、パケットを１組の移動局（ＭＳ）から中継局（ＲＳ）へ通信する。各移動局と中継局の間には、１つの接続がある。その中継局と１つの通信基地局（ＢＳ）は、パケットを通信するのに、単一の接続２１０を使用する。また、そのＢＳは、直接接続Ｃ４およびＣ５を使用して、他のＭＳおよびＳＳと通信することができる。そのＢＳはインフラストラクチャ２２０と通信を行うことができる。

パケットは、所定の組の周波数と時間帯とを使用するＯＦＤＭＡを使用して通信することができる。時間は複数の隣接フレームに区分けされる。各フレームは、ダウンリンク（ＤＬ）サブフレームとアップリンク（ＵＬ）サブフレームとを含むことができる。割り当てに対するリソースの基本単位はスロットであり、それは時間領域において多くのＯＦＤＭＡ符号を含むとともに、周波数領域において１つのサブチャンネルを含む。

図３は従来のＤＬ３１５サブフレームおよびＵＬ３２５サブフレームを示している。これらのフレームは、関連出願において更に詳細に記載されている。これらのフレームは、ＩＥＥＥ８０２．１６ｅ標準で再生され、詳細に記載されており、またこのＩＥＥＥ８０２．１６ｅ標準は参照により本明細書に組み込まれる。ＤＬサブフレームはプリアンブル３１１で始まる。プリアンブル３１１は、ＭＳ／ＳＳでの同期とチャンネル推定のために使用される。プリアンブルの直ぐ後に続くＯＦＤＭＡ符号では、ＢＳは、現在のフレームの中で、ダウンリンクＭＡＰ（ＤＬ−ＭＡＰ）３１２、フレーム制御ヘッダ（ＦＣＨ）３１３、およびＤＬおよびＵＬにおいてＭＳ／ＳＳにそれぞれ割り当て（スケジュール）された対応リソースをＭＳ／ＳＳに通知するアップリンクＭＡＰ（ＵＬ−ＭＡＰ）３１４メッセージを伝送する。ＢＳから受信されたスケジュールに基づいて、ＭＳ／ＳＳは、それぞれＤＬサブフレームで受信してＵＬサブフレームで送信するために、たとえばＯＦＤＭＡ符号の送受信時期、およびたとえばサブチャンネルの送受信場所を判別することができる。使用された接続は、識別用ＣＩＤを持っている。

ＵＬサブフレームはレンジング（測距）サブチャンネル３２２およびチャンネル品質指標（ＣＱＩＣＨ）３２１で始まる。

対応する時間間隔、たとえばＴＴＧ３３０およびＲＴＧ３４０、が、２つの連続したサブフレームの間に挿入される。時間間隔は、トランシーバが送信モードと受信モードとの間で切り替わることを可能にする。

パケットがそれらのフレームのサブキャリヤとタイムスロットにわたって「広がる」ことが理解される。

サービスフロービットストリーム（トラフィック）を通信するために、ＩＥＥＥ８０２．１６標準により、単一方向のマッピングがＢＳおよびＭＳ／ＳＳメディアアクセス制御（ＭＡＣ）レイヤ間で設定され、維持される。サービスフローがコネクションレスプロトコル、たとえばＩＰ、で実施されたとしても、すべてのトラフィックが接続（点）に伝えられる。

図１Ａに示されるような従来のポイント−マルチポイント（ＰＭＰ）ネットワークでは、リソースの割り当てが接続ごとにＢＳにより行われ、そしてすべてのＭＳがほぼ等しく処理される。これは、適度（中程度）の規模の、単一ホップのＰＭＰネットワークに対しては理に合っている。ところが、接続の数が増加するにつれて、オーバヘッドによりＭＡＣ効率が最大５０％まで減少されうる。このような劣化に対して、２つの主な理由がある。

第１に、実際のデータビットが割り当てられたＯＦＤＭＡ符号およびサブチャンネルに正確にマップされないので、各接続に割り当てられたリソースを充分に使用できない。このマッピングの非効率性のため、図３に陰影を付けて示すように、パディングビットをパケットの終端に追加する必要があり、リソース浪費に繋がる。

第２に、１つのＤＬ ＭＡＰ情報要素（ＤＬ ＭＡＰ ＩＥ）は通常、１つの接続のみに対するスケジュールを含む。さらに悪いことには、ＵＬ ＭＡＰ情報要素は１つの接続に対するスケジュールを含むことしかできない。接続の数が増加するに応じて、このデザインは厄介で効率が悪くなる。現在のＩＥＥＥ８０２．１６ｅ ＯＦＤＭＡプロトコルが図１ＢのリレーネットワークにおいてＢＳとＲＳとの間、あるいは１組のＲＳの間、の接続１５１に適用されると、相当数の接続が存在するので、上記の問題は悪化される。

したがって、リレーネットワークにおける、ＩＥＥＥ８０２．１６ｅプロトコルの効率を高めるために、以下の改良が図られる。

第１に、図２に示されるように、複数のＭＳおよびＲＳ間の接続を、ＲＳおよびＢＳ間の１つの集合された接続（リレーリンク）２１０に集約する。

第２に、図４−９に示されるように、ＭＰＤＵパケットを連結する。ここで、無駄なリソース（陰影を付けられる）の減少に注意すべきである。図４は集合処理および連結を詳細に示している。ここ（本明細書）で定義されているように、バーストは同じ接続に属する一連の隣接するＭＰＤＵである。

第３に、図９に示されるように、ＭＳＤＵパケットをパックする。

向上されたＭＰＤＵ連結
ＭＰＤＵ連結では、ＭＰＤＵが同一の接続に属すか否かにかかわらず、複数の一連のＭＰＤＵがアップリンク方向またはダウンリンク方向の何れかの方向で単一の伝送バーストを構成するように連結される。図５は、従来のＩＥＥＥ８０２．１６標準によるＤＬ ＭＡＰ ＩＥのフォーマットを示す。フィールドＣＩＤは接続識別を格納する。アップリンクでは、従来のデータトラフィックに対する割り当てがスロットの期間として特定され、また、割り当てに対する開始点がＵＬ−ＭＡＰに現れる先の割り当てに基づいて判別される。

単一の情報要素（ＩＥ）で複式（多重）接続の識別子（ＣＩＤｓ）を運ぶためには、図６、７に示されるように、そのＵＬ ＭＡＰ ＩＥを変更する。フィールドの詳細については、前記標準で説明されている。複式接続を達成できるが、また、下位互換も維持される。説明を簡潔にするため、他に言及がなければ、以下のすべての記述はＲＳとＢＳとの間に生じる通信に関するものとする。

適切な場合にはいつも、ＲＳは、複数のＭＳからの同一のＱｏＳ要求を有する１組の接続をＢＳへの単一の接続に連結することができる。この組の接続に関連するリソース割り当て情報を搬送るために、図６に示されるＵＬ＿ＭＡＰ＿ＩＥが、最初に、ＵＬ−ＭＡＰメッセージに現れるはずである。ＣＩＤフィールドはＲＳとＢＳとの間のリレーリンク上で設定された対応する接続の識別子を含んでおり、一方期間（Ｄｕｒａｔｉｏｎ）フィールドはこの論理的な組に属するすべての接続に割り当てられた総リソースをカバーする。

ＢＳと直接通信する何れのＭＳも、図６のＵＬ＿ＭＡＰ＿ＩＥをまだ復調することができ、このため、それ自体に与えられたリソースの開始点を算出することができる。

図６のＵＬ＿ＭＡＰ＿ＩＥの後に図７のＵＬ ＭＡＰが続いており、それは、図６の先行するＵＬ＿ＭＡＰ＿ＩＥによってカバーされるすべての個々の接続の識別子を示す。図７のＵＬ＿ＭＡＰ＿ＩＥは、ＩＥＥＥ８０２．１６ｅ標準において特定されたＵＬ ＭＡＰ拡張２ＩＥフォーマットにしたがうので、従来のＭＳは受信時に単にこの情報要素をスキップし、このため、下位互換性が提供される。

下位互換に関心が無ければ、たとえば、すべてのＭＳ／ＳＳがこの発明によるプロトコルを理解していれば、図８に示されるように、より効率的な＿ＵＬ＿ＭＡＰ＿ＩＥについて工夫できる。このＵＬ＿ＭＡＰ＿ＩＥの設計は、ＤＬ＿ＭＡＰ＿ＩＥを拡張するためにＩＥＥＥ８０２．１６ｅによって使用された同じ手法に厳密にしたがう。２組の新しいサブフィールドが提供される。

図８のＵＬ＿ＭＡＰ＿ＩＥの始めに置かれている第１の新しいサブフィールドはＮ＿ＣＩＤであり、それはこの情報要素（ＩＥ）により保持（搬送）される接続識別子の数を示す。Ｎ＿ＣＩＤサブフィールドの直ぐ後にはＣＩＤのＮ＿ＣＩＤ番号が続き、ＵＬ＿ＭＡＰメッセージはリソースをその番号に割り当てる。

図５の従来のＤＬ＿ＭＡＰ＿ＩＥに関連して、図６−８に示されるように、この発明によるＵＬ＿ＭＡＰ＿ＩＥは、複式（多重）接続に対応（適応）するために必要十分な信号サポートを提供できる。このように、ＲＳとＢＳの間のリレーリンクの上でより高い効率を実現するため、ＭＰＤＵ連結をデータ平面において可能にすることができる。図４に定性的に示されるように、トータル（総合）の管理平面オーバヘッド、たとえば、ＵＬ＿ＭＡＰ＿ＩＥなどと、マッピングの非効率により生じるオーバヘッドが可成り低減され、ＭＡＣプロトコルの効率化がもたらされる。

改善されたＭＳＤＵパッキング
従来のＩＥＥＥ８０２．１６／１６ｅ標準で定義されたパッキング（パック化）機構は、本質的にはＭＳＤＵパッキングである。ところが、そのパッキングはその範囲を同じ接続からのＭＳＤＵだけに制限する。これは、上記したような接続集合処理によるＲＳとＢＳとの間のリレーリンクの上の単一の接続２１０に特に、非常に制限的な制約をもたらす。

従来のパッキング機構によって課された規制を緩和して、ＭＳＤＵレベルでパッキングの適用可能性を拡大するために、リレーリンク上での通信に対して新しいモバイル（移動）マルチホップリレー（ＭＭＲ）パッキングが提供される。図９に示されるように、パック化されたＭＳＤＵ９１０は一般的なＭＡＣヘッダ（ＧＭＨ）９２０で始まり、その後に、様々な強化（拡張）されたパッキングサブヘッダ（ＥＰＳＨ、図１１を参照）、従来のサブヘッダ（ｘＳＨ）９３０、および個々のＭＳＤＵ９５０が続く。ＥＰ、すなわちＭＭＲ ＭＳＤＵパッキング、サブフィールドは、現在のＭＰＤＵが強化（拡張）されたパッキングスキームを使用してパック化されたＭＳＤＵを含み、また対応する強化（拡張）されたパッキングサブヘッダ（ＥＰ−ＳＨ）をも含むことを示す。

ＥＰ−ＳＨおよび従来のヘッダが可成り類似することは、明白である。実際に、ＥＰ−ＳＨが従来のＭＡＣヘッダから除去することができる唯一のサブフィールドは、ヘッダチェックサム（ＨＣＳ）９６５および巡回冗長検査（ＣＲＣ）９６０である。たとえば、機密保持、暗号化キー、ＭＳＤＵの長さおよびＣＩＤ９７０などの多くのコンフィグレーション（構成）がＭＳＤＵベ−スで変更できるので、すべての他のサブフィールドが保持される。

また、従来のパッキングプロセスの出力、すなわちパック化されたＭＳＤＵ、は増強（強化拡張）型ＭＳＤＵパッキングに加わることができる。この場合、１つの増強型パッキングサブヘッダ（ＥＰ−ＳＨ）が、パック化されたＭＳＤＵの従来のパッキング（ＰＳＨ）に対する最初の（第１）サブヘッダの直前に置かれる。その結果、ＭＰＤＵは、パッキングサブヘッダ（ＰＳＨ）と増強型パッキングサブヘッダ（ＥＰ−ＳＨ）との両方を含むことができる。

また、増強型ＭＳＤＵパッキングはフラグメンテーション（断片化）と共存できる。図１０に示されるように、ＥＰ−ＳＨは、フラグメンテーション（断片化）すべきＭＳＤＵに一度だけ現れ、最初の（第１）フラグメントのフラグメンテーションサブヘッダ（ＦＳＨ）の前に挿入されるべきである。また、そのような接続は、フラグメンテーションが実際に可能にされるかどうかにかかわらず、フラグメンテーションが可能にされるように管理されるべきであるので、上述したＥＰ−ＳＨとＦＳＨとの関係はＡＲＱで可能にされた接続にも適用できる。

あるいはまた、増強型パッキングサブヘッダ（ＥＰ−ＳＨ）の存在を示すために、従来のジェネリックなＭＡＣヘッダ（ＧＭＨ）における最も重要なビット、すなわちビット＃５、のタイプのフィールドを使用することができる。ＥＰ−ＳＨの存在を送信するための別のオプションとしては、６ビット長のタイプのフィールドの組合せ値を使用することである。

そのうえ、増強型パッキングサブヘッダ（ＥＰ−ＳＨ）は広範な組の情報を含むので、ＣＲＣを各ＭＳＤＵごとに付加するなどの、豊富な付加機能の組をサポートすることができる。

ＥＰ−ＳＨの詳細な定義は図１１に示される。
この発明は好適な実施の形態を例に挙げて説明したが、この発明の精神および範囲内で種々の他の改変および変更を行うことができることを理解すべきである。したがって、添付クレームの目的はこの発明の真実の精神および範囲に含まれるようなすべての変形例および変更例をカバーすることである。

Claims (2)

1. リレーネットワークでパケットを通信する方法であって、
   １組の接続を使用して複数のパケットを１組の移動局と１つの中継局との間で通信すること、ここで、各移動局とその中継局の間には１つの接続があり、
   前記複数のパケットを集合すること、
   単一の接続を使用して前記中継局と通信基地局との間で前記集合された複数のパケットを通信させること、
   を備える方法。
2. 請求項１の方法であって、
   前記複数のパケットはＭＰＤＵパケットおよびＭＳＤＵパケットを含み、
   前記方法は、
   前記接続の組のＭＰＤＵパケットを前記単一接続上の単一バーストに連結すること、
   前記接続の組のＭＳＤＵパケットを前記単一接続上の１つのＭＰＤＵパケットに連結すること、
   をさらに備える方法。

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