JP2010226712A - 周波数資源割当てのためのセル間干渉予測方法 - Google Patents

Abstract

【課題】この発明の方法は、基地局（ＢＳ）のセットを含む無線ネットワークにおける資源割当てを予測する。
【解決手段】各ＢＳは１つのセル内にあり、移動局のセットにサービス提供する。すべてのＢＳに対する資源割当てのシーケンスおよびルールを定義する。隣接するセル内のＢＳから以前の資源割当てを取得する。各ＢＳにおいて、次の割当てに関して、前記隣接するセル内のＢＳによる以前の資源割当て、並びに資源割当てのシーケンスおよびルールに基づいて、セル内のＭＳのセットに対するセル間干渉（ＩＣＩ）を独立して予測する。次に、各ＢＳは、ＩＣＩおよび以前の資源割当てに基づいて、セル内のＭＳに対して資源を割り当てる。
【選択図】図２

Description

この発明は、包括的には無線ネットワークに関し、より詳細には、無線セルラネットワークにおける周波数資源割当てを予測することに関する。

セル間干渉
セル間干渉（ＩＣＩ）は、セルラネットワークの性能に対する主要な制限要因となり得る。異なる基地局（ＢＳ）によってサービス提供される、隣接するセルのエッジに位置する移動局（ＭＳ）が、同じ時間資源および周波数資源を使用してデータを送信する場合、ＭＳは起こり得るＩＣＩを受ける。ＢＳが、ネットワーク性能が最適化されるように周波数資源割当てを調整する何らかの方法を有することが重要である。

部分的周波数再利用
部分的周波数再利用（ＰＦＲ）は、ＩＣＩを低減することができる。ＰＦＲは、ネットワーク内のすべての利用可能な周波数資源を与えられると、資源を別個のセットに分割し、これらの資源を、セル中央のＭＳまたはセルのエッジにおけるセクタ内のＭＳによる使用のために割り当てる。

ＰＦＲを用いる場合、隣接するセルエッジセクタ内のＭＳは、異なる周波数資源を使用して送信する。従来のＰＦＲ法は、経時的に固定される。セルの特定のセクタ内のＭＳは、このセクタに割り当てられた周波数資源を使用してＢＳと通信しなくてはならない。

ＰＦＲはＩＣＩを低減するのに効果的であるが、ＰＦＲによって周波数ダイバーシティが減少する。これはＭＳが周波数スペクトル全体のわずかな部分しか使用することができないためである。このことは、ＭＳが、良好なチャネル状態を有する周波数資源を通じてデータを送受信するのに、選択肢をあまり有しないことを暗に意味し、これによって、ＢＳおよびＭＳが通信することができる最大レートが制限される。

他の形式の調整は、セル間の集中化されたスケジューリングを必要とする。これは、集中化されたスケジューラと通信する必要のある膨大な量の情報を鑑みて、実際には実現するのが非常に困難である。

したがって、周波数ダイバーシティを最小のオーバヘッドで達成することができるように、動的で柔軟性のある方式でＩＣＩを低減する必要がある。

この発明の実施の形態は、基地局（ＢＳ）による以前の周波数割当てを取得する方法を提供する。この発明は、複数のＢＳについて、周波数割当ての、単一の所定の共有のシーケンスおよびルールを使用する。この発明は、以前の周波数割当て並びにシーケンスおよびルールに基づいて、隣接するセル内のＢＳからの可能性のあるセル間干渉（ＩＣＩ）を予測する。次に、各ＢＳによって、周波数資源を独立して割り当てることができる。

各ＢＳは隣接するＢＳの以前の周波数割当てに関する情報を取得し、ＢＳによる周波数資源の可能性のある割当てを制御するシーケンスおよびルールにアクセスすることができる。次に、ＢＳは、隣接するセル内のＢＳによって引き起こされる可能性のあるＩＣＩを予期することができる。この可能性のある干渉の知識を使用して、各ＢＳは独立して周波数資源を割り当てることができる。この割当て結果によってＩＣＩを最小化することができ、一方でＢＳはセル内のＭＳに送信するための周波数資源を選択するのに完全な柔軟性を有する。

この発明は、特定のＰＦＲ方式に関して、ネットワーク容量を５０％も増大させることができる。

この発明の実施の形態１を使用する２つの隣接するセルの概略図である。 この発明の実施の形態１による周波数資源割当てを予測する方法のフローチャートである。 最悪の場合の強い干渉および弱い干渉の概略図である。 この発明の実施の形態１による特定の時刻における周波数資源例の概略図である。

実施の形態１．
ネットワーク
図１に示すように、この発明の実施の形態１によるネットワークが、セル内に位置する基地局（ＢＳ）のセットを含む。図１はセルＡおよびセルＢを示している。各ＢＳは各セル内の移動局（ＭＳ）のセットにサービス提供する。各セルは、周波数割当ておよび電力割当ての目的で、セル中央と、セルのエッジ付近の６つのセクタとに分割される。この分割は、ＢＳにおいて複数本の指向性アンテナを使用することによって達成することができる。これらの局はフレームを使用してデータパケットを通信する。

電力制御によって、セル中央のＭＳのために使用される周波数資源は、隣接するセル内のＭＳに対して重大なセル間干渉（ＩＣＩ）を引き起こさない。しかしながら、セルＡのセクタ２およびセルＢのセクタ５内のＭＳ１０３は、ＢＳによって同じ周波数資源が割り当てられている場合、ＩＣＩを受ける可能性がある。

予測方法
図２はこの発明の実施の形態１による周波数資源割当てを予測する方法を示している。

各ＢＳは、周波数資源割当ての、単一の、共有の、かつ所定のシーケンスおよびルール２３１にアクセスすることができる。このシーケンスおよびルールは、可能性のある周波数割当てを経時的に特定する。このシーケンスおよびルールは、ネットワークの構成に基づいてネットワークオペレータによって定義する（２０５）ことができる。シーケンス内の各資源は、送信される次フレームのためのものである。

各ＢＳは、隣接するセル内のＢＳから、基幹回線通信を介して（２１１）周波数資源割当てを取得し（２１０）、自身の以前の割当て２２０も取得する。ＢＳは、以前の周波数割当てをメモリ内に保持する（２５０）。

次の割当てに関して、ＢＳは、セル内のＭＳに対する可能性のあるＩＣＩを、隣接するセル内のＢＳによって使用された以前の周波数割当てに基づいて予測する（２３０）。シーケンスおよびルールは、周波数資源割当てをセル内のＭＳ２４１に強制する。

ＢＳは、取得した割当て、ＩＣＩ、チャネル状態、および場合によっては遅延強制を使用して、シーケンスおよびルール２３１、並びにこのセルの以前の周波数割当て２２０に従って、周波数資源２４２を独立して割り当てる（２４０）。

次に、これらの割当てを、送信される次フレームのための取得、予測、および割当てのサイクルのために、隣接するＢＳに送信することができる。

以前の周波数割当ての取得
以前の周波数割当て情報は、特に、隣接するセル内のＭＳにＩＣＩを引き起こす周波数割当てを指す。たとえば、図１に示すネットワークにおいて、セルＡのセクタ２における周波数割当てのみが、セルＢ内のセクタ４、５、および６内のＭＳに対しＩＣＩを引き起こす。したがって、セルＡ内のＢＳは、セクタ２における自身の周波数割当てをセルＢ内のＢＳに送信し、セルＢ内のＢＳは、セクタ５における自身の周波数割当てをセルＡ内のＢＳに送信する。

割当ての共有のシーケンスおよびルール
共有のシーケンスおよびルールは、ＢＳによる、以前の割当てに基づく割当てを強制する。このため、ＢＳは、隣接するセル内のＢＳからの起こり得るＩＣＩを予測することができる。いくつかの例示的なシーケンスおよびルールを説明する。ここで、各ＢＳ１０１は、セル内のＭＳ２４１と通信するのに使用することができるＮ個の周波数資源を有する。

所定のシーケンスＳは、Ｎ個の要素｛Ｓ_０，Ｓ_１，・・・，Ｓ_Ｎ−１｝を有し、ただし、ｊ＝０，１，２，・・・，Ｎ−１についてＳ_ｊ＝ｊ＋１である。ルールは、セル内のセクタ内のＭＳに対して、セルがフレームｔ_０に対して周波数資源Ｓ_ｋを割り当てる場合、このセルが、フレームｔ_０＋１に対してセクタ内の周波数資源Ｓ_ｋおよびＳ_{（ｋ＋１）ｍｏｄ Ｎ}を割り当てることができることを指定する。

すべての周波数資源がすべてのフレームにおいて使用される場合、周波数割当てシーケンスは、
｛０｝、｛０，１｝、｛０，１，２｝、｛０，１，２，３｝、｛０，１，２，３，４｝であり、以下同様である。

同じシーケンスを使用して、Ｓ_ｋが奇数の要素を有する場合、フレームｔ_０において資源ｋをＭＳに対して割り当てるように、別のルールを設定することができる。ＢＳは次フレームにおいて資源Ｓ_ｋおよびＳ_{（ｋ＋１）ｍｏｄ Ｎ}を割り当てることができる。Ｓ_ｋが偶数であり、かつ資源がフレームｔ_０においてセクタ内のＭＳに割り当てられている場合、セルは次フレーム中に資源Ｓ_{（ｋ−３）ｍｏｄ Ｎ}およびＳ_{（ｋ＋１）ｍｏｄ Ｎ}を割り当てることができる。

すべての周波数資源がすべてのフレーム中に使用される場合、周波数割当シーケンスは、
｛５｝、｛５，６｝、｛３，５，６，７｝、｛３，４，５，６，７，８｝、｛１，３，４，５，６，７，８，９｝、｛１，２，３，４，５，６，７，８，９，１０｝であり、以下同様である。

上記実施の形態１のシーケンス｛Ｓ_０，Ｓ_１，・・・，Ｓ_Ｎ−１｝を、すべてのｉ≠ｊについてＳ_ｉ≠Ｓ_ｊとなるような任意のシーケンスに置き換えることも可能である。

別のルールは、ＢＳがフレームｔ_０に対して周波数資源Ｓ_ｋを割り当てる場合、このＢＳがフレームｔ_０＋１に対して周波数資源Ｓ_ｋ、Ｓ_{（ｋ＋１）ｍｏｄ Ｎ}およびＳ_{（ｋ＋２）ｍｏｄ Ｎ}を割り当てることができる、というものにすることができる。

別のルールは、ＢＳがフレームｔ_０に対して周波数資源Ｓ_ｋを割り当てる場合、このＢＳがフレームｔ_０＋１に対して周波数資源Ｓ_ｋ、Ｓ_{（ｋ＋１）ｍｏｄ Ｎ}およびＳ_{（ｋ＋３）ｍｏｄ Ｎ}を割り当てることができる、というものにすることができる。

フレームｔ_０＋１における周波数資源割当てに関するルールは、フレームｔ_０およびｔ_０１に対する周波数資源割当てに応じて決まり、場合によっては、より以前の割当て情報が使用される。

極端な場合、ルールは、ＢＳがフレームｔ_０に対して周波数資源Ｓ_ｋを割り当てる場合、このＢＳがフレームｔ_０＋１に対して任意の周波数を割り当てることができる、ように設定することができる。

セル中央のＭＳに対して使用される周波数資源は、隣接するセル内のＭＳに対して重大なＩＣＩを引き起こさないため、セル中央に対する割当ては、セル内の他のセクタとは異なるルールを有することができる。たとえば、ＢＳは、セル中央のＭＳに対して、以前の割当てに一切関係なく周波数資源を割り当てることができる。

可能性のある周波数資源および干渉の導出
以前の周波数割当て並びに共有の所定のシーケンスおよびルールによって、スケジューラは、隣接するセル内のＢＳからのＩＣＩを、それらのＢＳの以前の割当てに基づいて予測することが可能になる。以前の周波数割当ては、セル内の特定のセクタ内のＭＳと通信するのに使用することができる可能性のある周波数資源セットも定義する。

ＢＳスケジューラは、シーケンス内の特定の周波数資源を割り当てることを要求されていない。したがって、ＢＳ局は、特定のセクタ内のＭＳと通信するのに周波数資源を一切使用しないことを決定する。この場合、シーケンスに関するルールを所与とすると、ＢＳは後続のフレームにおいて、その特定のセル内のＭＳに対して周波数資源を一切使用することができない。可能性のある３つの方法を使用してこの問題を解決することができる。

方法１：セクタがフレームｔ_０内に周波数割当てを一切有しない場合、スケジューラは、フレームｔ_０＋１中の使用のために、１つまたは複数の周波数資源をランダムに選択することができる。

方法２：セクタがフレームｔ_０内に周波数割当てを一切有しない場合、スケジューラは、このセクタに対して所定の周波数資源を選択することができる。

方法３：セクタが、何らかの任意のｍ≧０について、フレームｔ_０，ｔ_０−１，・・・，ｔ_０−ｍ内に周波数割当てを一切有せず、かつセクタがフレームｔ_０−ｍ−１中のセクタに対していくつかの周波数資源を使用した場合、ＢＳスケジューラは、このセクタに対するこれら特定の周波数資源を、フレームｔ_０＋１に対して選択することができる。

隣接するセル内のＢＳが実際に自身の以前の割当てを所与として可能性のある周波数資源のうちの１つで送信する場合に結果として発生するＩＣＩを予測することも必要であり得る。実際のＩＣＩはネットワークに依拠する。たとえば、或るネットワークは、ＭＳが高い伝送レートを要求する場合に高い送信電力を使用し、これによってＩＣＩが増大する。干渉電力は、ビーム形成またはプリコーディングに起因して影響を受ける可能性がある。また、各ＭＳにおけるＩＣＩは、ＭＳの正確なロケーションに依拠して異なる。

最悪の場合の干渉電力について説明し、次に最悪の場合の値のいくつかの部分を使用してＩＣＩを予測することができる。この部分の使用法を、以下に説明する。

２つの隣接するＢＳ間の距離がＲである場合、セクタ内のＭＳに対する送信電力はＰＣであり、セルＡのセクタ２および３において、図３のセルＢのセクタ５への送信によって発生する最悪の場合の干渉３０１および３０２（それぞれＩ_{Ｓｔｒｏｎｇ}およびＩ_Ｗｅａｋで表される）は、
Ｉ_{Ｓｔｒｏｎｇ}＝ＰＣ（２／Ｒ）^α、および
Ｉ_Ｗｅａｋ＝ＰＣ｛（√３）／Ｒ｝^α、
である。

ただし、Ｉ_{Ｓｔｒｏｎｇ}＞Ｉ_Ｗｅａｋであり、Ｃは定数であり、αはチャネル経路指数（ｃｈａｎｎｅｌ ｐａｔｈ ｅｘｐｏｎｅｎｔ）である。これらの式は、ＢＳ局が規則的に位置決めされていることを想定し、フェージングおよびシャドーイング効果のような効果を除外している。実際には、ＢＳを配備するオペレータがＩＣＩ測定を実行するとともに、測定結果をスケジューリング方法に使用することができる。

周波数割当ての実行
図４は、様々なセクタにおける可能性のある周波数割当ての一例を示している。１６個の周波数資源Ｓ_０，Ｓ_１，・・・，Ｓ_１５が存在し、各セクタにおいて列挙される資源は、共有の所定のシーケンスおよびそれぞれの以前の割当てによって与えられる可能性のある周波数資源である。

特に、この例の場合、ＢＳは資源Ｓ_０，Ｓ_１，Ｓ_２，Ｓ_３を使用してセルＡのセクタ１内のＭＳと通信することができ、ＢＳは資源Ｓ_２，Ｓ_３，Ｓ_４，Ｓ_５を使用してセクタ３内のＭＳと通信することができる。ＢＳは任意の資源を使用して中央セル内のＭＳと通信することができる。しかしながら、資源Ｓ_２およびＳ_３は、セクタ１、セクタ３内、またはセル中央の単一のＭＳにしか割り当てることができない。

ＢＳ局は、最適なネットワーク容量を達成するための、各ＭＳに対する割当てを決定する。ＢＳ局はまた、ＩＣＩに起因するパケット損失の確率が最小になるように、ＭＳと通信するための最大可能伝送レートを求める。

ＩＣＩを一切受けないときにＢＳがＭＳｕにデータを送信するのに使用することができる伝送レートは、フレームあたりのビット数単位で、シャノンの容量公式によって以下のように与えられる：

ただし、Ｗは帯域幅であり、ｔはフレームの継続時間であり、ｈ_ｕ，ｉは周波数資源Ｓ_ｉに関するＢＳからＭＳへのチャネル利得であり、ＰはＢＳにおける送信電力であり、σ^２は雑音電力である。

隣接するセルの送信の結果、強い干渉が生じる場合、レートは以下となる。

ただし、βは、ほとんどのＭＳが最大の干渉を受けないことに起因して最悪の場合の干渉を低減するネットワークパラメータである。弱い干渉を受ける場合、レートは以下となる。

ＢＳは、ＭＳのロケーション、ＭＳに対する周波数資源のそれぞれのチャネル利得、および可能性のある干渉に基づいて伝送レートを決定する。可能性のある干渉が存在する場合は常にレートが低減される。

本方法は、以下のように進行する：
まず、各ＭＳｕについて、ＭＳｕがセル中央にある場合、またはＳ_ｉが、ＭＳｕが位置するセクタの隣りの隣接するセルに対する可能性のある周波数資源でもなく、ＭＳｕが位置するセクタに隣接するセクタの隣りの、隣接するセクタにおいても使用されていない場合、周波数資源Ｓ_ｉを使用する可能性のある伝送レートは、Ｒ^ｕ，ｉ _{ｎｏ−ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ}である。

たとえば、図４において、ＭＳｕがセクタ１内に位置し、Ｓ_０がセルＧ、Ｂ、およびＦによって使用されていない場合、ＢＳはＲ^ｕ，０ _{ｎｏ−ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ}を使用する。

周波数資源Ｓ_ｉを使用する可能性のある伝送レートは、Ｓ_ｉがＭＳｕが位置するセクタの隣りの、隣接するセルに対する可能性のある周波数資源であるとき、Ｒ^ｕ，ｉ _{ｓｔｒｏｎｇ−ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ}である。たとえば、ＭＳｕがセクタ３内に位置し、かつＳ_２がセルＣによって使用される可能性がある場合、ＢＳ局はＲ^ｕ，２ _{ｓｔｒｏｎｇ−ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ}を使用する。

Ｓ_ｉがＭＳｕが位置するセクタに隣接するセクタの隣りの、隣接するセルにおいて使用される可能性のある周波数資源である場合、周波数資源Ｓ_ｉを使用する、可能性のある伝送レートは、Ｒ^ｕ，ｉ _{ｗｅａｋ−ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ}である。たとえば、ＭＳｕがセクタ５内に位置し、かつＳ_１０がセルＦによって使用される可能性がある場合、ＢＳ局はＲ^ｕ，１０ _{ｗｅａｋ−ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ}を使用する。Ｓ_ｉが、ＭＳｕが存在するセクタ内の可能性のある周波数資源でない場合、周波数資源Ｓ_ｉを使用する可能性のある伝送レートはゼロである。結果としての可能性のある伝送レートはＲ_ｕ，ｉである。

スケジューリングは以下の方法を含むことができる。

第１の方法は、キューイング情報または他の優先度基準がＢＳスケジューラに対し一切与えられていないと想定する。この場合、ＢＳは、最も高い可能性のあるレートを達成することができるＭＳから、より低い可能性のあるレートを有するＭＳへの降順で、すべての周波数資源が割り当てられるまで、資源を貪欲に割り当てる。各周波数資源は一度しか割り当てることができない。本方法は以下の擬似コードによって記述することができる。

（すべての周波数資源）

Ｓ_ｋをＭＳｕに割り当て、レート

でデータをＭＳｕに送信する、

第２の方法は、ＢＳスケジューラが、キューイング情報または他の優先度基準のような情報を有するものと想定する。たとえば、各ＭＳｕがキュー内にｑ_ｕ個のパケットを有する場合、スケジューラは可能性のあるレートにｑ_ｕを乗算することによって新たな基準Ｍ_ｕ，ｉを取得し、次に、最も高い可能性のあるレートを達成することができるＭＳから、より低いＭ_ｕ，ｉを有するＭＳへの降順で、すべての周波数資源が割り当てられるまで、資源を貪欲に割り当てる。本方法は以下の擬似コードによって記述することができる。

（すべての周波数資源）

各ＭＳｕおよびＭＳｉに対し、

を計算、

Ｓ_ｋをＭＳｕに割り当て、レート

でデータをＭＳｕに送信する、

命令文

は、ｑ_ｕがキューの長さを表す場合にしか当てはまらない。ｑ_ｕが他の優先度基準を表す場合、この命令文を除外することができる。

代替的な実施の形態
フレームごとに周波数資源割当ての予測を実行するのではなく、新たな周波数資源のセットに切り換わる前に、複数のフレームに関して周波数資源割当てを固定しておくことが可能である。これによって、基幹回線にわたる通信要件が低減する。以前の周波数割当て情報は、周波数資源割当てが固定されている間に使用される周波数資源のうちのいくつかまたはすべてとすることができる。

この発明を好ましい実施の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 (4)

1. 基地局（ＢＳ）のセットを含む無線ネットワークにおける資源割当てを予測する方法であって、
   各ＢＳは１つのセル内にあり、前記各ＢＳは前記セル内の移動局のセットにサービス提供し、前記各セルはセル中央と、前記セルのエッジ付近の複数のセクタのセットとに分割され、前記資源は周波数を含み、
   前記方法は、
   すべての前記ＢＳに対する資源割当てのシーケンスおよびルールを定義することであって、前記シーケンスは前記ＢＳのセットによって共有される、定義すること、
   前記各ＢＳによって、隣接するセル内のＢＳから以前の資源割当てを取得すること、
   前記各ＢＳにおいて、次の割当てに関して、前記隣接するセル内のＢＳによる前記以前の資源割当て、並びに前記資源割当てのシーケンスおよびルールに基づいて、前記セル内の前記ＭＳのセットに対するセル間干渉（ＩＣＩ）を独立して予測すること、並びに
   前記各ＢＳによって、前記資源割当てのシーケンスを使用して、前記ＩＣＩおよび前記以前の資源割当てに基づいて前記セル内の前記ＭＳのセットに対して前記資源を独立して割り当てること、
   を含む、方法。
2. 前記ＢＳごとに、前記ＢＳの以前の資源割当て、および前記隣接するセル内のＢＳの前記以前の資源割当てをメモリ内に保持することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
3. ２つの隣接するＢＳ間の距離はＲであり、前記セクタ内の前記ＭＳに対する送信電力はＰＣであり、強い干渉Ｉ_{Ｓｔｒｏｎｇ}および弱い干渉Ｉ_Ｗｅａｋはそれぞれ、
   Ｉ_{Ｓｔｒｏｎｇ}＝ＰＣ（２／Ｒ）^α、および
   Ｉ_Ｗｅａｋ＝ＰＣ｛（√３）／Ｒ｝^α、
   であり、ただし、Ｉ_{Ｓｔｒｏｎｇ}＞Ｉ_Ｗｅａｋであり、Ｃは定数であり、αはチャネル経路指数である、請求項１に記載の方法。
4. 前記基地局の周波数割当てを前記隣接するセルに送信することをさらに含む、請求項１に記載の方法。

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