JP2010098723A - 無線ネットワークにおける通信方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高速ランダムアクセスプロトコルを可能にするためには、ＢＳが衝突と単一のレンジングコードの受信の成功との間の差異を示すメカニズムが必要である。
【解決手段】基地局（ＢＳ）と、移動局のセット（ＭＳ）とを含む無線ネットワークにおいて、ＭＳは、ランダムアクセスを使用して、セルに入るときにＢＳにレンジング要求メッセージを送信する。レンジング要求メッセージは、該ＭＳを特定するための要求ＭＳ固有情報を含む。ＭＳは、応答ＭＳ固有情報、ＢＳが要求を受信したか、または衝突が発生したかを判断するための要求および応答固有情報を含む、ＢＳからブロードキャストされたレンジング応答メッセージを受信する。
【選択図】図１Ａ

Description

この発明は、包括的には無線ネットワークにアクセスすることに関し、より詳細にはランダムアクセス方式を使用することに関する。

ＩＥＥＥ８０２．１６によって設計されたネットワークは、セル内に基地局（ＢＳ）のセットを含み、各ＢＳは、該ＢＳのセル内の加入者局（ＳＳ）にサービス提供する。ＳＳは、移動局（ＭＳ）またはユーザ機器（ＵＥ）としても既知である。加入者局は、符号分割多元接続（ＣＤＭＡ）を直交周波数分割多元接続（ＯＦＤＭＡ）と併せて使用して、ネットワークのチャネルにランダムにアクセスすることがある。しかしながら、現在標準規格において指定されているランダムアクセスには問題が存在する。

初期レンジング
初期レンジングの間、ＭＳはレンジングコードを含むレンジング要求をＢＳに送信する。しかしながら、ＢＳは、いずれのＭＳが要求を送信したかを判断することができない。したがって、応答において、ＢＳは、レンジングコードと、ＭＳがレンジング要求を送信するのに使用したＯＦＤＭリソースの識別情報とを含むレンジング応答をブロードキャストする。これによってＭＳは、該ＭＳのレンジング要求に対応するレンジング応答を識別することが可能になる。

周期的レンジング
周期的レンジングの間、ＭＳは周期的レンジングコードをランダムに選択し、該コードをＢＳに送信する。初期レンジングと同様に、ＢＳは、ＣＤＭＡレンジング要求を送信したＭＳを判断することができない。したがって、応答において、ＢＳは周期的レンジングコードに対するレンジング応答メッセージ、およびＣＤＭＡ周期的レンジングコードが識別されたレンジングタイムスロットをブロードキャストする。この情報は、そのＣＤＭＡ周期的レンジングコードを送信したＭＳによって、該ＭＳのレンジング要求に対応するレンジング応答メッセージを識別するのに使用される。

帯域幅要求
ＭＳが選択する帯域幅要求（ＢＲ）コードはレンジングサブチャネル上に変調され、ランダムレンジングタイムスロットの間に送信される。応答において、ＢＳはＣＤＭＡ割り当て情報要素（ＩＥ）を送信する。この情報要素はＭＳによって使用されているレンジングスロットおよびレンジングコードを特定する。これによって、ＭＳはコードをマッチングさせることによって自身に帯域幅が割り当てられたか否かを判断することが可能になる。

ＣＤＭＡ ＨＯレンジング
ＣＤＭＡハンドオーバ（ＨＯ）レンジングは、初期レンジングと同様であるがわずかに最適化されたプロトコルを使用する。しかしながら、ＢＳがＭＳを識別することができないという事実がこの最適化によって変化することはない。

無線通信において、同じ周波数または同じ周波数に近い周波数の最も強い受信信号のみが復調される。ＢＳにおいてキャプチャが発生するとき、同じレンジングコードおよび同じレンジングスロットを用いてチャネルを求めて競合しているＭＳが、ＢＳによって「キャプチャ」されると共にセルへのアクセスを与えられる可能性がより高い。しかしながら、ＢＳによってブロードキャストされる応答メッセージは、同じレンジングスロットでコードを送信したすべてのＭＳが受信することができる。応答メッセージはレンジングコードおよびレンジングスロットに関する情報のみを含むため、これらのＭＳのそれぞれは、ＢＳが自身にリソースを割り当てたと信じ、同じリソースを使用してアップリンクで再送信する場合がある。その結果、衝突が起こり得る。現行のランダムアクセスプロトコルはキャプチャ効果を活用しておらず、その結果、非効率なチャネルリソース利用をもたらし得る。

電力ブースティングを通じたキャプチャ効果の利用
従来から、ランダム多元接続通信のほとんどの実施態様は、同時送信が発生していない場合のみパケットが首尾よく受信されると想定している。しかしながら、この衝突モデルは、干渉を扱う無線物理層をモデリングするには粗く悲観的な方法である。信号の受信電力が干渉電力より十分に強い限り、受信機はこのより強い信号を復号（キャプチャ）することができる。実際、そのようなキャプチャモデルに起因する性能改善は、ＡＬＯＨＡ、ＩＥＥＥ８０２．１１、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ無線、およびセルラネットワークに関して既知である。

具体的に、Ｐ_ｉが、ノードから受信される電力、すなわち「受信電力」を表すものとする。受信機は、受信される信号対干渉雑音比（ＳＩＮＲ）が閾値を超えている場合、ノードｉからのパケットを首尾よく復号することができる。

ここで、σ^２は雑音電力であり、

は送信に使用される変調および符号化に応じて決まる閾値である。したがって、２者以上のユーザが同時に送信している場合であっても、電力レベルが十分に離れている場合はパケットを首尾よく復号することができ、そうでない場合、いずれのパケットもキャプチャおよび復号することができない。

多元接続中の電力ブースティングによって、ＢＳにパケットを送信するのに要求される時間量、および複数のＭＳ間の競合を解消する効率を改善することができる。電力ブースティングは衝突解消の効率を３０％だけ改善することができる。異なるユーザが異なる優先レベルおよび異なる電力を有する場合、５０個のＭＳが競合している場合であっても、最も高い優先度を有するユーザが該ユーザのメッセージをＢＳに送信するのに、平均２．１個のスロットが必要とされる。

ＩＥＥＥ８０２．１６ｍの開発に関しては、９１１の緊急電話は他のトラフィックよりもずっと高い優先度で扱われる。この優先度は、アドミッション制御プロセス中、および多元接続プロセス中に、呼確立メッセージのために電力ブースティングを使用して反映させることができる。１つの可能な実施形態は、Ｅ９１１確立メッセージが多元接続中に最大電力で送信されることを可能にすることである。そのような方策は、Ｅ９１１メッセージ中に多くの他のＭＳが同時に送信している場合であってもＥ９１１メッセージがキャプチャされる確率を増大させる。

しかしながら、高速ランダムアクセスプロトコルを可能にするためには、ＢＳが衝突と単一のレンジングコードの受信の成功との間の差異を示すメカニズムが必要である。

基地局（ＢＳ）と移動局（ＭＳ）のセットとを含む無線ネットワークにおいて、ＭＳは、セルに入るとき、ランダムアクセスを使用してＢＳにレンジング要求メッセージを送信する。
レンジング要求メッセージは、該ＭＳを識別するための要求ＭＳ固有情報を含む。
ＭＳは、応答ＭＳ固有情報、ＢＳが要求を受信したか、または衝突が発生したかを判断するための要求および応答固有情報を含む、ＢＳからブロードキャストされたレンジング応答メッセージを受信する。

この発明によれば、レンジング応答ならびに帯域幅要求および割り当てを、状態指示メッセージの対応するビットにリンクし、オーバヘッドを低減することができる。

この発明の実施形態によるネットワークの概略図である。 この発明の実施形態によるレンジングメッセージのブロック図である。

実施の形態１．
この発明の実施形態は、ＩＥＥＥ８０２．１６標準規格によって設計されたネットワークにおけるレンジング方法を提供する。図１Ａに示しているように、ネットワークは、セル３０内に基地局（ＢＳ）１０と、移動局（ＭＳ）のセットとを含む。ネットワークは複数のセルを含むことができることが理解される。特定のＭＳ２０がセルに入るとき、初期化の間にレンジングおよび帯域幅の割当てが実施される。ＭＳはまだ正式にセルに入っていないため、ランダムアクセスが使用される。しかしながら、上述したようにランダムアクセスの結果、衝突が発生し得る。この発明の方法はそのような衝突を最小限にする。

ＭＳに、選択されたレンジングコードのみをＢＳに送信させるのではなく、ＭＳは、レンジングプロセス中に、レンジングコードの末尾において、該ＭＳに関連付けられる要求ＭＳ固有情報を含む付加ビットを送信する（２１）。

このＭＳ固有情報は、レンジングの間に選択されるランダムなビット列、若しくはＭＳの媒体アクセス制御（ＭＡＣ）アドレスの何らかの関数、またはＭＳによって生成される他の情報とすることができる。

図１Ｂに示しているように、このＭＳ固有情報は、エラーの識別および訂正のためのエラー訂正符号（ＥＣＣ）１０５も含むことができる。ＭＳは、この要求ＭＳ固有情報を後に呼び戻すか、または導出する能力を必要とする。パケットは、サイクリックプレフィックス（ＣＰ）１０１と、コード１０２と、要求ＭＳ固有情報１０３と、ガードインターバル１０４とを含む。

ＢＳは、レンジングコードを受信すると、コードの相関を除去し、相関ピークを検査して、いずれのＣＤＭＡコードがＭＳによって送信されたかを判断する。ピークが位置特定された後、ＢＳはＭＳ固有情報を復号する。ＢＳによってブロードキャストされる（１１）応答メッセージは、レンジングコードおよびレンジングスロットに関する他の情報に加えて応答ＭＳ固有情報を含む。応答メッセージは図１Ｂに示す要求メッセージと同様の構造を有する。

ＭＳによって受信される応答メッセージにおける固有情報は、要求を送信したＭＳに対してのみ同じであることに留意されたい。他のＭＳは異なる情報を有するメッセージを受信する場合があり、これは衝突を示し得る。

以下のケースが存在し得る。

ケース１：レンジングコードが１つのＭＳによって使用される
ＢＳはＭＳ固有情報を復号し、この情報を応答メッセージにおいて応答ＭＳ固有情報としてＭＳに返送する。ＭＳはこの応答ＭＳ固有情報をチェックし、この応答ＭＳ固有情報が要求固有情報と同じであるか否かを判断することができる。同じである場合、ＢＳは要求メッセージを受信したことになる。

ケース２：レンジングコードが複数のＭＳによって使用され、キャプチャが用いられる
最大受信電力を有するＭＳがＢＳによってキャプチャされる。ＢＳはこのＭＳのＭＳ固有情報を復号し、この情報を応答メッセージにおいてすべてのＭＳにブロードキャストする。最大受信電力を有するＭＳはＭＳ固有情報を受信し、ＢＳが実際に該ＭＳのレンジングメッセージまたはＢＲメッセージを受信したか否かを判断する。しかしながら、同じレンジングコードを使用する他のＭＳは、該ＭＳが送信したものと異なるＭＳ固有情報に気付くと、衝突が起きたと判断すると共に、ＢＳのアクセス許可メッセージはこれらの他のＭＳに向けたものではないと判断する。

ケース３：レンジングコードが複数のＭＳによって使用され、キャプチャは用いられない
衝突の結果キャプチャが発生しない。ＭＳ固有シーケンスがエラーチェック能力を有する場合、ＢＳは、レンジングコードに続くＭＳ固有情報におけるエラーに起因してその衝突を確定する。この場合、ＢＳは衝突解消プロシージャを起動することができる。ＢＳがＭＳ固有情報においてエラーを見つけることができない場合であっても、ＢＳは応答メッセージにおいて応答ＭＳ固有情報をすべてのＭＳにブロードキャストする。すべてのＭＳは、ＢＳによって送信されるＭＳ固有情報と、該ＭＳがＢＳに送信した情報との間に不一致を見つけると、衝突が発生したことを知る。

標準規格の変化
高速ネットワークエントリを、電力分割法によって、且つ衝突するメッセージ間の受信電力の不均衡に起因して発生する任意のキャプチャ効果を利用することによって、ランダムアクセスチャネルにわたって達成することができる。

現在のＩＥＥＥ８０２．１６標準規格および汎用ハッシュに基づくメッセージ認証コード（ＵＭＡＣ）に関する８０２．１６ｍ提案は電力分割を許容しない。これは、レンジングおよび帯域幅要求チャネル上の衝突が発生するときを特定することが不可能であるためである。付加的に、ＢＳに、いずれのＭＳが受信されたかを示すために初期レンジングコード送信に応答させることによって、ＭＳの衝突しているメッセージが該ＭＳのレンジングコード送信がＢＳによって受信されなかったことを決定することが可能になる。

ネットワークエントリ
ネットワークエントリは、ＭＳがネットワークとの接続を確立する手順である。ネットワークエントリは以下のステップ、すなわち
ＭＳが同期チャネル（ＳＣＨ）を介してＢＳと同期するステップと、
ＭＳがＢＳおよびネットワークサービスプロバイダ（ＮＳＰ）ＩＤを取得し、ネットワーク選択を実施するステップと、
ＭＳがレンジングプロセスを開始するステップと、
認証および登録プロセスを開始するステップと、
ＭＳがネットワークに入り、サービスフローを設定するステップと、
を有する。

近隣のＢＳの検索は初期ネットワーク検索と同じダウンリンク信号に基づくが、サービス提供しているＢＳによって幾つかの情報、たとえば近隣広告（ＮＢＲ−ＡＤＶ）を提供することができる点で異なる。ハンドオーバ、アイドルモード終了のためのネットワーク再エントリは、特定の最適化手順を用いた初期ネットワークエントリ手順に基づく。

初期レンジングコード送信はＭＳの識別子を含む。複数のＭＳが同じレンジングスロットおよびレンジングコードを使用しているとき、初期レンジングコード送信に対する応答は、いずれのＭＳが受信されたかの通知を含む。

ＢＳは、後続のダウンリンクフレーム内のメッセージを示す状態ビットもブロードキャストすることができる。レンジング応答ならびに帯域幅要求および割り当てを、状態指示メッセージの対応するビットにリンクし、オーバヘッドを低減することができる。

この発明を好ましい実施形態の例として説明してきたが、この発明の精神および範囲内で様々な他の適応および変更を行うことができることは理解されたい。したがって、添付の特許請求の範囲の目的は、この発明の真の精神および範囲内に入るすべての変形および変更を包含することである。

Claims (9)

1. 基地局（ＢＳ）と、セル内に位置する移動局のセット（ＭＳ）とを含む無線ネットワークにおける通信方法であって、各ＭＳは送信機および受信機を備え、該方法は、
   ランダムアクセスを使用して、前記セルに入るＭＳから前記ＢＳにレンジング要求メッセージを送信するステップであって、該レンジング要求メッセージは、前記ＭＳを特定する要求ＭＳ固有情報を含む、送信するステップと、
   前記ＭＳにおいて、前記ＢＳからブロードキャストされたレンジング応答メッセージを受信するステップであって、該レンジング応答メッセージは応答ＭＳ固有情報を含む、受信するステップと、
   前記ＭＳにおいて、前記要求ＭＳ固有情報および前記応答ＭＳ固有情報が同一であるか否かを比較するステップであって、前記レンジング要求メッセージを送信する前記ＭＳを特定する前記レンジング要求メッセージを前記ＢＳが受信したか否かを判断する、比較するステップと、
   を含む、方法。
2. 前記ネットワークはＩＥＥＥ８０２．１６標準規格によって動作する、請求項１に記載の方法。
3. 前記要求ＭＳ固有情報は前記ＭＳの期間中に選択されるビットのランダムシーケンスである、請求項１に記載の方法。
4. 前記要求ＭＳ固有情報は、前記ＭＳの媒体アクセス制御（ＭＡＣ）アドレスの関数である、請求項１に記載の方法。
5. 前記固有情報はエラー訂正符号を含む、請求項１に記載の方法。
6. 前記応答メッセージはレンジングタイムスロットを含む、請求項１に記載の方法。
7. 複数のＭＳがレンジング要求メッセージを同時に送信し、最も高い受信電力を有するＭＳが前記ＢＳにキャプチャされる、請求項１に記載の方法。
8. 前記入ることは電力分割法を使用する、請求項１に記載の方法。
9. 前記ＭＳのセットは前記応答ＭＳ固有情報を受信し、前記方法は、前記要求ＭＳ固有情報と前記応答ＭＳ固有情報とが異なる場合に衝突が発生したと判断することをさらに含む、請求項１に記載の方法。

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