JP2010206794A - 基地局のセットを含むマルチセル直交周波数分割多元接続ネットワークの性能を最適化する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】方法が、セル内に位置する基地局（ＢＳ）のセットを含むマルチセル直交周波数分割多元接続（ＯＦＤＭＡ）ネットワークの性能を最適化する。
【解決手段】各ＢＳは、データをダウンリンクチャネル上でそのセル内の移動局（ＭＳ）のセットに送信する。各ＢＳは、セル内の各ＭＳに対するダウンリンクチャネル毎にチャネル状態情報（ＣＳＩ）及びセル間干渉（ＩＣＩ）情報を取得する。各ＢＳは、ＣＳＩ及びＩＣＩに基づいて、ビットレートを最大にし、かつＩＣＩを最小にするように、データをダウンリンクチャネル上で各ＭＳに送信するための電力レベル及び変調符号化方式（ＭＣＳ）レベルを選択する。次に、割り当てられる資源を最小にしてネットワークの性能を最適化するように、データをダウンリンクチャネル上でＭＳのセットに送信するための時間資源及び周波数資源を割り当てる。
【選択図】図１

Description

この発明は、包括的には、無線ネットワークにおける電力制御及び干渉回避に関し、より詳細には、マルチセル直交周波数分割多元接続セルラネットワークにおいて性能を最適化することに関するものである。

ＯＦＤＭＡ
直交周波数分割多重化（ＯＦＤＭ）は、多数の無線ネットワーク、たとえば既知のＩＥＥＥ８０２．１１ａ／ｇ標準規格及びＩＥＥＥ８０２．１６／１６ｅ標準規格に従って設計されたネットワークの物理層（ＰＨＹ）において使用される変調技法である。直交周波数分割多元接続（ＯＦＤＭＡ）は、ＯＦＤＭに基づく多元接続方式である。ＯＦＤＭＡでは、直交トーン（サブチャネル）の別個のセット及びタイムスロットが、複数の送受信機（ユーザ又は移動局）に割り当てられ、それによって複数の送受信機が同時に通信することができる。ＯＦＤＭＡは、無線資源割り当てにおけるその効率性及び柔軟性に起因して、３ＧＰＰロングタームエボリューション（ＬＴＥ）及びＩＥＥＥ８０２．１６ｍのような多数の次世代セルラネットワークにおいて広範に採用されている。

マルチセルＯＦＤＭＡネットワークにおける干渉
無線通信における基本的な課題は、利用可能なわずかなスペクトルと、カバーされるべき広大なエリア及びサービス提供されるべき多数のユーザとが不均衡であることである。換言すれば、同じ周波数スペクトルが、複数の地理的エリア又はセル内で再利用されなくてはならない。これによって、隣接するセル内のユーザ又は移動局（ＭＳ）が同じスペクトルを使用するとき、不可避的にセル間干渉（ＩＣＩ）が生じる。実際、ＩＣＩは無線セルラネットワークに対する主要な性能制限要因である。

スペクトル効率を最大にするために、ＯＦＤＭＡセル配置では、周波数再利用係数１が使用される。すなわち、同じスペクトルがあらゆるセルにおいて再利用される。不都合なことに、この高いスペクトル効率には不利な高いＩＣＩも伴う。したがって、ＯＦＤＭＡ技術の多元接続の利益を活用するために、ＯＦＤＭＡ上部における良好なＩＣＩ管理方式が必要とされる。

基地局協調（ＢＳＣ）
ＯＦＤＭＡと共に、既存のセルラネットワーク及び次世代のセルラネットワークのために広範に採用される別の技術は、多入力多出力（ＭＩＭＯ）である。この技術は、送信機及び受信機の双方において、複数のアンテナを使用してスペクトル効率を増大させることを目的としている。複数のアンテナ素子によって、送信端末と受信端末との間の独立した複数の空間チャネルが可能になる。それらの空間チャネルを使用して、（空間多重化を介して）スペクトル効率を増大させるか、又は（アンテナビーム形成を介して）通信の信頼度を改善することができる。

基地局協調（ＢＳＣ）は、ＭＩＭＯの概念を、地理的に離れた複数の基地局に拡張したものである。この技術によって、複数のＢＳが同じ資源（すなわち時間及び周波数）を共有して、信号を複数のＭＳに同時に送信することが可能になる。この技術は、ＢＳがＭＳに信号を協調して送信するためにＳＤＭＡ技術を利用し、特に、複数のＢＳの送信範囲内にあるセルエッジＭＳにおいて使用される。単一の基地局と単一のユーザとの間に１よりもはるかに多くの数のアンテナが存在するとしても、効果的には、協調する複数の基地局と複数のユーザとの間のチャネルを、１つのＭＩＭＯチャネルと見なすことができる。協調によって、干渉信号は有用な信号の一部となる。したがって、ＢＳＣは２つの利点、すなわち空間ダイバーシティの提供及びＩＣＩ削減を有する。

方法が、マルチセル直交周波数分割多元接続（ＯＦＭＤＡ）ネットワークの性能を最適化する。該ネットワークは、セル内に位置する基地局（ＢＳ）のセットを含み、各ＢＳはデータをダウンリンクチャネル上でセル内の移動局（ＭＳ）のセットに送信する。

各ＢＳは、セル内の各ＭＳへのダウンリンクチャネル毎にチャネル状態情報（ＣＳＩ）及びセル間干渉（ＩＣＩ）情報を取得する。

各ＢＳは、ＣＳＩ及びＩＳＩに基づいて、ビットレートを最大にし且つＩＣＩを最小にするように、データをダウンリンクチャネル上で各ＭＳに送信するための電力レベル及び変調符号化方式（ＭＣＳ）レベルを選択する。

次に、割り当てられる資源を最小にしてネットワークの性能を最適化するように、データをダウンリンクチャネル上でＭＳのセットに送信するための時間資源及び周波数資源を割り当てる。

２つの隣接するセル及び対応する直交周波数分割多元接続（ＯＦＤＭＡ）フレーム構造を示す図である。 本発明の実施の形態による、２つの隣接するセルにおける調整の影響及び対応するＯＦＤＭＡフレーム構造を示す図である。 本発明の実施の形態による、２つの隣接するセルにおける電力調整の別の可能性のある影響及び対応するＯＦＤＭＡフレーム構造を示す図である。 基地局協調が使用されるときの、２つの隣接するセル及び対応するＯＦＤＭＡフレーム構造を示す図である。 本発明の実施の形態による、基地局協調が使用されるときの、２つの隣接するセルにおける電力調整の影響及び対応するＯＦＤＭＡフレーム構造を示す図である。 各セルが直交周波数資源を使用するときの、２つの隣接するセル及び対応するＯＦＤＭＡフレーム構造を示す図である。 マクロセル及び該マクロセルに所属する（affiliated with）２つの隣接するフェムトセルを示す図である。 本発明の実施の形態によるネットワーク性能を最適化する方法の図である。

ダウンリンク電力制御及び干渉回避
本発明の実施の形態は、マルチセル直交周波数分割多重化（ＯＦＤＭ）ネットワークの性能を最適化する方法を提供する。ネットワークは基地局（ＢＳ）のセットを含む。各ＢＳはセル内に位置し、シンボルをダウンリンクチャネル上でセル内の移動局（ＭＳ）のセットに送信する。

図１に示すように、セルが隣接している場合、セルのエッジにあるＭＳはセル間干渉を受ける可能性がある。ＩＣＩは、部分的に、ＢＳがシンボルを送信するのに使用する電力レベルに応じて決まる。ＩＣＩは無線セルラネットワークに対する主要な性能制限要因である。ＩＣＩを最小にし、一方で同時にネットワークスループットを最大にすることが望まれている。電力を増大させることによってセル内のＩＣＩを減少させることができる。しかしながら、隣接するセルにおけるＩＣＩが増大する可能性がある。したがって、最適化は、全てのＢＳに対する全てのネットワークパラメータにわたって、共有である必要がある。

図１は、ＢＳ１ １０１及びＢＳ２ １０２によってサービス提供される２つの隣り合うセル（セル１、セル２）を示している。ＢＳ１及びＢＳ２は、ダウンリンク送信電力Ｐ（ＭＳ１）１０３及びＰ（ＭＳ２）１０４を使用して、それぞれ変調符号化方式（ＭＣＳ）レベルＭＣ（ＭＳ１）及びＭＣ（ＭＳ２）でＭＳ１ １０５及びＭＳ２ １０６に送信する。

図１の右側に、対応するＯＦＤＭＡフレーム構造が示される。セル１のフレーム及びセル２のフレームは同期される。フレームは、ダウンリンクサブフレーム１１１とアップリンクサブフレーム１１２とに分割される。双方のセルの第１のダウンリンクサブフレームはプリアンブル及び制御チャネルから開始し、その後に、ダウンリンクデータ送信、ギャップ１１５、そしてアップリンクサブフレームが続く。ギャップによって、ＭＳにおける送信機が送信モードと受信モードとの間で切り換わることが可能になる。

ユーザに割り当てられるＯＦＤＭＡ資源は、時間次元及び周波数次元の双方を有することに留意されたい。ＭＳ１及びＭＳ２に必要とされるＯＦＤＭＡ資源がそれぞれＲ（ＭＳ１）及びＲ（ＭＳ２）であると推定する。図１の斜線エリア１１３によって示されるように、Ｒ（ＭＳ１）及びＲ（ＭＳ２）はわずかに重複する。

しかしながら、ＢＳ１からＭＳ１へのダウンリンク送信電力は十分に小さいため、ＢＳ２から網掛けエリア内のＭＳ２への送信に対する重大な干渉を引き起こすことはない。同様に、ＢＳ２からＭＳ２への送信電力は、ＢＳ１からエリア１１３内のＭＳ１への送信に対する大きな干渉を引き起こすことはない。

図２は、同じネットワーク配置シナリオを示している。唯一の違いは、ＢＳ１及びＢＳ２が、ここでは、それぞれＭＳ１及びＭＳ２に到達するためにより高い電力Ｐ’（ＭＳ１）及びＰ’（ＭＳ２）を使用していることである。すなわち、（Ｐ’（ＭＳ１）＞Ｐ（ＭＳ１））及び（Ｐ’（ＭＳ２）＞Ｐ（ＭＳ２））である。基地局がＭＳ１及びＭＳ２に対する電力を増大させるため、これを動的電力調整と呼ぶ。増大された送信信号電力を所与とすると、ＭＳ１及びＭＳ２において受ける信号対干渉雑音比（ＳＩＮＲ）が改善される。ＳＩＮＲの改善は、より高いレベルの変調及び符号化方式（たとえばＭＣ（ＭＳ）１及びＭＣ（ＭＳ２））の正当性を証明することができるのに十分大きなものになる可能性がある。

より高いＭＣＳレベルを用いて、より小さなサイズの資源を使用して同じ数のビットを送信することができる。したがって、ＭＳ１及びＭＳ２に割り当てられる資源エリア、すなわちＲ’（ＭＳ１）及びＲ’（ＭＳ２）は、Ｒ（ＭＳ１）及びＲ（ＭＳ２）よりも小さくすることができ、２つの資源割当て間の重複を、図２に示すように完全に除去することができる。改善されたＭＣＳレベルの主な原因となる資源割当てのサイズの削減を行うとき、幾つかの資源／副搬送波２０１及び２０２を得ることにも留意されたい。

増大した送信電力によってＭＣＳレベルの正当性を証明することができない場合であっても、依然として何らかの利得を達成することができる。増大したダウンリンク送信電力によって、移動局（たとえばＭＳ１及びＭＳ２）において察知されるＳＩＮＲを改善することができ、結果としてビット誤り率（ＢＥＲ）を低減すると共に可能性のある再送信の回数を削減することができる。これについては図３に示される。

図１、図２、及び図３に示されるケースの場合、２つの関与する基地局（すなわちＢＳ１及びＢＳ２）は、スケジューリングの観点において大きく異なるレベルの協調を有する可能性がある。ＢＳ１及びＢＳ２は、それらがＭＳ１及びＭＳ２に対するＯＦＤＭＡ資源をスケジューリングするとき、完全に独立している可能性がある。結果として、ＭＳ１及びＭＳ２に割り当てられるＯＦＤＭＡ資源は、図１に示すように望ましくない重複を有する場合がある。

これらの２つのＢＳが、基幹回線８０１を介して協調することも可能である。この場合、図４に示すように、ＢＳ１及びＢＳ２は同じＯＦＤＭＡ資源を使用してＭＳ１及びＭＳ２と通信する。電力を増大させると、資源サイズを削減するか、又は送信の信頼度を改善することができる。基地局協調が使用可能であるとき、ＩＣＩも除去することができる。図５に資源使用量削減の例を提供する。

図６は、別の種類の資源割当てを示している。このケースでは、各セクタ又はセルが全体スペクトルのセグメントを使用する。このため、ＭＳ１及びＭＳ２は、２つの隣接するセクタ／セル内にあるため、確実に、重複しないＯＦＤＭＡ資源を割り当てられる。このため、電力を増大させることによって、セル間干渉を一切増大させることなく、ＯＦＤＭＡ資源削減を可能にするか又は信頼度を改善することが可能になる。

フェムトセルにおけるダウンリンク電力制御及び干渉回避
フェムトセル基地局は、低い送信電力を有するＢＳであり、通常、住宅又は小規模事業所（ＳＯＨＯ）において加入者によって設置され、加入者及び／又はアクセスプロバイダによって構成されるような、ユーザの閉じられたグループ又は開かれたグループに対しアクセスを提供する。フェムトセルＢＳは、（ＤＳＬ若しくはケーブルのような）ブロードバンド又は無線バックホールを介してサービスプロバイダのネットワークに接続される。

フェムトセルＢＳは通常、認可されたスペクトルにおいて動作し、マクロセルと同じ周波数又は異なる周波数を使用することができる。フェムトセルＢＳのサービスエリアはマクロＢＳと重複する場合がある。図７において、ｍＢＳはマクロ基地局であり、一方ｆＢＳ１及びｆＢＳ２は、それぞれＭＳ１及びＭＳ２にサービス提供する２つのフェムト基地局である。図７に示すように、ＭＳ１へのｆＢＳ１のダウンリンク送信は、ｆＢＳ２からＭＳ２へのダウンリンク送信と干渉する場合があり、逆もまた同様である。このフェムトセル間干渉は、発生する可能性がより高い。これは、２つの隣接するフェムトセル間の距離が、２つの隣接するマクロセル間の距離よりもはるかに短いためである。この問題に対処するために、電力調整を適用することができる。

フェムトセルにおける電力管理の用途及び利点は、マクロセルにおける電力管理の用途及び利点に類似している。たとえば、ｆＢＳ１は、ｆＢＳ１のセル内の特定のユーザのセット（たとえばＭＳ１）に対する電力を増大させて、ＭＳ１に対するダウンリンク送信がより信頼度の高いものになるか、又はより少ないＯＦＤＭＡ資源を占有するようにする。ｆＢＳ１のセルにおけるＯＦＤＭＡ資源使用量の削減によって、ｆＢＳ２のセル内のユーザ（たとえばＭＳ２）に割り当てられる資源が、ｆＢＳ１のセル内のユーザ（たとえばＭＳ１）に割り当てられる資源と重複する機会をさらに削減することができる。

電力削減は、干渉を削減するのに役立つことができる別の技術である。一般的に言えば、１つのフェムトセル内のダウンリンク送信電力を削減することは、隣り合うフェムトセルにおける干渉の削減を暗に意味する。

フェムト基地局は、電力を適応的に調整することができる。一般的に、フェムトＢＳは、まずダウンリンク送信のための総電力を決定する。次に、フェムトＢＳはチャネル状態、トラフィック負荷、及び他のネットワークパラメータに基づいて電力を調整する。たとえば、トラフィック量が大きいとき、２つの隣り合うフェムトセルにおけるＯＦＤＭＡ資源割当ての重複を一切回避することは困難である。この場合、電力削減はセル間干渉を減少させるように選択することができる。

基地局における決定プロセス
本明細書において定義するように、基地局は一般的にマクロ基地局及びフェムト基地局の双方を指すことができる。

図８は、基地局において実施される、ネットワーク性能全体を最適化する方法を示している。本方法は、ネットワーク状態が変化するのに合わせて、たとえばフレームを分離するギャップ中に、周期的に且つ動的に実行することができる。

基地局は、ＭＳへのダウンリンクチャネル上でチャネル状態情報（ＣＳＩ）８１１を取得する（８１０）。ＣＳＩは、ＭＳがダウンリンク上で察知するＣＳＩを該ＭＳに報告させることによって取得することができるか、又はＢＳが、時分割複信（ＴＤＤ）ネットワークにおけるチャネル相互関係を推定することによって、アップリンクチャネル上で直接ＣＳＩを測定することができる。

ＢＳは、ダウンリンクセル間干渉（ＩＣＩ）情報８２１も取得する（８２０）。ＭＳはＢＳにＩＣＩを報告することができる。さらに、ＢＳは隣接するＢＳと通信して、隣接するセル内のＭＳに対するＩＣＩを取得することができる。

ＣＳＩ及びＩＣＩに基づいて、ＢＳはビットレートを最大にする特定の変調及び符号化方式（ＭＣＳ）レベルに必要とされる電力８３１を推定し（８３０）、これが隣接するセル内のＭＳに対して引き起こすか又は低減するＩＣＩ８４１を推定する（８４０）。ＢＳは、電力レベルにおいて、釣り合いの取れた増大スループット又は減少スループットを有する対応するＯＦＤＭＡ資源８５１も推定する（８５０）。

次に、推定される電力増加、ＩＣＩ、及び資源の推定値に基づいて、ＢＳは、電力を増大させることによって性能の全体性能が改善されるか否かを推定することができる（８６０）。

任意選択で、ＢＳは、セル内のＭＳに関するダウンリンクの信号対干渉雑音比（ＳＩＮＲ）８７１及び性能に対する影響がどれだけであるのか推定することもできる（８７０）。

ＢＳは、隣接するＢＳ（ＢＳ２）と協働して（８０１）、共同で推定値を生成し、共同で決定を行うこともできる。ＢＳ間の協調は、最良の性能を保証することができる。

本発明を、好ましい実施の形態の例として説明してきたが、本発明の精神及び範囲内で他のさまざまな適合及び変更を行うことができることが理解されるべきである。したがって、本発明の真の精神及び範囲内に入るすべての変形及び変更を包含することが、添付の特許請求の範囲の目的である。

Claims (8)

1. 基地局のセットを含むマルチセル直交周波数分割多元接続ネットワークの性能を最適化する方法であって、各基地局はセル内に位置し、データをダウンリンクチャネル上で前記セル内の移動局のセットに送信し、
   各基地局において、前記セル内の各移動局に対する前記ダウンリンクチャネル毎にチャネル状態情報及びセル間干渉情報を取得すること、
   各基地局において、前記チャネル状態情報及びセル間干渉情報に基づいて、ビットレートを最大にし且つ前記セル間干渉情報を最小にするように、前記データを前記ダウンリンクチャネル上で各移動局に送信するための電力レベル及び変調符号化方式レベルを選択すること、並びに、
   割り当てられる資源を最小にして前記ネットワークの性能を最適化するように、前記データを前記ダウンリンクチャネル上で前記移動局のセットに送信するための時間資源及び周波数資源を割り当てることを含む、
   基地局のセットを含むマルチセル直交周波数分割多元接続ネットワークの性能を最適化する方法。
2. 前記最適化は、動的に実行される
   請求項１記載の方法。
3. 前記データはギャップによって分離される複数のフレームにおいて送信され、
   各フレームは、ダウンリンクサブフレーム及びアップリンクサブフレームを含み、
   前記最適化は、フレーム毎に実行される
   請求項１記載の方法。
4. 各基地局において、前記セル内の各移動局への前記ダウンリンクチャネル毎に信号対干渉雑音比情報を取得すること、及び
   各基地局において、前記信号対干渉雑音比情報に基づいて、前記データを前記ダウンリンクチャネル上で各移動局に送信するための前記電力レベル及び変調符号化方式レベルを選択することをさらに含む
   請求項１記載の方法。
5. 前記変調符号化方式は、２相位相変調、４相位相変調、１６直交振幅変調、及び６４直交振幅変調を含む
   請求項１記載の方法。
6. 前記ステップは、各基地局において独立して実行される
   請求項１記載の方法。
7. 前記ステップは、前記基地局のセットによって協調して実行される
   請求項１記載の方法。
8. 前記ネットワークは、フェムトセル基地局を含む
   請求項１記載の方法。

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