JP2010246106A - Ｏｆｄｍａ／ｔｄｍａネットワークにおいてチャネルに帯域幅を割り当てるための方法 - Google Patents

Abstract

【課題】受信時の信号対雑音比を改善する。
【解決手段】この方法は、直交周波数分割多元接続及び時分割多元接続（ＴＤＭＡ）ネットワークにおいてチャネルに帯域幅を割り当てる。ネットワークは、１組のスレーブデバイス（スレーブ）と通信するマスターデバイス（マスター）を含む。マスターは、Ψ_ｍ＝｛ν｜ν＝ｉＭ＋ｍ，ｉ＝０，１，２，．．．，ｄ−１｝（ただし、ｄ＝Ｎ_ｄ／Ｍである）に従って、１組のＮ_ｄ個の論理データ副搬送波に割り当てられる１組のＭ個のデータストリームのための１組のＮ個の物理副搬送波の論理インデックスνの集合Ψ_ｍを定義する。論理インデックスに従って、１組のＮ個のデータ副搬送波を１組のＮ_ｄ個の論理副搬送波にマッピングし、論理副搬送波にデータ副搬送波を割り当てる。
【選択図】図２Ａ

Description

本発明は、無線ネットワークのための多元接続制御（ＭＡＣ：Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ａｃｃｅｓｓ Ｃｏｎｔｒｏｌ）に関し、より詳細には、直交周波数分割多元接続（ＯＦＤＭＡ：Ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ａｃｃｅｓｓ）及び時分割多元接続（ＴＤＭＡ：Ｔｉｍｅ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ａｃｃｅｓｓ）ネットワークにおける搬送波割当て及び送信タイムシェアリングに関する。

［関連出願］
本出願は、２００９年３月３１日にＯｒｌｉｋによって出願された仮特許出願第６１／１６５，３７８号「Ｃａｒｒｉｅｒ Ａｌｌｏｃａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｔｉｍｅ Ｓｈａｒｉｎｇ ＦＯＲ ＯＦＤＭＡ／ＴＤＭＡ Ｎｅｔｗｏｒｋｓ」に対する優先権を主張し、また、米国特許出願第１２／３４７，０８７号及び第１２／３５９，４７０号にも関連して、それら全ての出願が参照により本明細書に援用される。

関連出願において、本発明者らは、デバイス（トランシーバ）間で信頼性の高い通信を可能にする方法及びネットワークを記述した。多くの制御及び監視の用途にとって、デバイス間の通信の待ち時間は、信頼性と共に、重要な性能指標である。

典型的には、そのネットワークは、スター型トポロジを有する。マスターデバイス（マスター）が命令を送信し、スレーブデバイス（スレーブ）からの状態更新を受信する。

スター型ネットワークにおいて、マスターからスレーブへの通信は、ダウンリンク（ＤＬ）チャネルを使用し、スレーブからマスターへの通信は、アップリンク（ＵＬ）チャネルを使用する。あるブロードキャストポーリングメッセージの開始から、次のポーリングメッセージまでの時間間隔は、スーパーフレームと呼ばれる。スーパーフレーム間隔は、各スレーブからの全応答時間が１０ｍｓ未満になるよう制限するために、１０ｍｓである。ブロードキャストポーリング、スレーブ応答、グループ肯定応答（ＧＡＣＫ：ｇｒｏｕｐ ａｃｋｎｏｗｌｅｄｇｍｅｎｔ）及び応答再送（Ｒｅｔｘ：ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｒｅｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ）の４つのタイプのパケットがある。

スーパーフレーム及びパケットは、参照により本明細書に援用される関連出願において完全に詳しく記述される。

スーパーフレーム
スーパーフレームは、２つの再送間隔を有する。ブロードキャストポーリング及びＧＡＣＫパケットは、ＤＬチャネル上にあり、応答及びＲｅｔｘパケットは、アップリンクチャネル上にある。

無線ネットワークでは、マルチパス効果により、送信された信号のエコーが受信機において弱め合うように自己干渉することに起因して、信号対雑音比（ＳＮＲ：ｓｉｇｎａｌ ｔｏ ｎｏｉｓｅ ｒａｔｉｏ）が激しく劣化する可能性がある。直交周波数分割変調（ＯＦＤＭ：Ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）は、マルチパス効果を低減する一般的な方法である。基本的には、無線チャネルを１組の並行した通信チャネルに実効的に変換して、データは、１組の副搬送波上で並行して送信される。各チャネルは、時間と共に変化する減衰及び位相回転を受ける。

ＯＦＤＭは、ＩＥＥＥ８０２．１１ｇ、８０２．１１ｎ及びＷｉＭＡＸのような複数の無線標準規格によって規定される。ＯＦＤＭネットワークでは、通信のために利用することができる帯域幅を、１組のＮ個の並行したチャネル又は副搬送波と見なすことができる。

副搬送波毎のラベルは、物理インデックスである。本明細書において定義されるように、搬送波（又は副搬送波）は、周波数帯域である。これらの副搬送波のそれぞれを用いて単一の変調シンボルを送信することができ、そのシンボルは、任意の変調コンスタレーションから選び出すことができる。用いることができるデジタル変調方式のいくつかの例として、２相位相変調（ＢＰＳＫ：ｂｉｎａｒｙ ｐｈａｓｅ ｓｈｉｆｔ ｋｅｙｉｎｇ）、４相位相変調（ＱＰＳＫ：ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ ｐｈａｓｅ ｓｈｉｆｔ ｋｅｙｉｎｇ）、１６直交振幅変調（１６ＱＡＭ：１６ ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ ａｍｐｌｉｔｕｄｅ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）又は６４ＱＡＭがある。

ＯＦＤＭネットワークの利点は、各副搬送波が、単純なフラットフェージングチャネル上で受信するように、狭い帯域幅を有することである。さらに、いくつかの副搬送波上で同じデータ（変調シンボル）を送信することができるので、周波数ダイバーシティ利得が得られる。

これは、副搬送波が、チャネルコヒーレンス帯域幅と少なくとも同程度に大きい周波数間隔を有することを仮定する。その際、受信機は、副搬送波のそれぞれにおいて信号の最大比合成を実行して、受信時の信号対雑音比を改善することができる。

１つの方法は、直交周波数分割多元接続及び時分割多元接続（ＴＤＭＡ）ネットワークにおいて、チャネルに帯域幅を割り当てる。そのネットワークは、１組のスレーブデバイス（スレーブ）と通信するマスターデバイス（マスター）を含む。

マスターは、以下の式に従って、１組のＮ_ｄ個の論理データ副搬送波に割り当てられる１組のＭ個のデータストリームのための１組のＮ個の物理副搬送波の論理インデックスνの集合Ψ_ｍを定義する。

ただし、ｄ＝Ｎ_ｄ／Ｍである。

その論理インデックスに従って、１組のＮ個のデータ副搬送波が１組のＮ_ｄ個の論理副搬送波にマッピングされ、データ副搬送波が論理副搬送波に割り当てられる。

この発明によれば、受信時の信号対雑音比を改善することができる。

本発明の実施の形態が動作するスター型ネットワークの概略図である。 本発明の実施の形態によって用いられるスーパーフレームのブロック図である。 本発明の実施の形態による、ＯＦＤＭシンボルのための副搬送波割当てのブロック図である。 本発明の実施の形態による、物理副搬送波から論理副搬送波へのマッピングのブロック図である。

図１は、本発明の実施の形態によって用いられるネットワークを示す。そのネットワークは、信頼性が高く、且つ待ち時間が短いという要件が必要とされる用途において用いられる。具体的には、複数のスレーブデバイス１０２と通信する単一のマスターデバイス１０１を含むネットワーク１００を考える。全てのメッセージ又はパケットは、ダウンリンク（ＤＬ）チャネル上でマスターからスレーブに、又は、アップリンク（ＵＬ）チャネル上でスレーブからマスターに直接送信される。マスターは、それらのチャネルに副搬送波を割り当てる。副搬送波は、周波数帯域である。

スーパーフレームパケット
図２Ａは、本発明の実施の形態による、スーパーフレーム２００によって用いられるパケットを示す。ダウンリンクパケットは、水平方向の時間の上に示され、アップリンクパケットは、線の下に示される。

ブロードキャストポーリング：２０１
このパケットは、マスターによって全てのスレーブにブロードキャストされる。

応答：２０２
このパケットは、ブロードキャストポーリング要求に応答して、スレーブデバイスによって送信される。ＯＦＤＭＡでは、スレーブは、互いに直交する副搬送波を用いるので、スレーブは、それらの応答を同時に送信できるようになる。

ＧＡＣＫ：２０３
このパケットは、それらの応答の受信に成功したことをスレーブデバイスに報告するために、マスターによって送信される。言い換えると、ＧＡＣＫは、グループ肯定応答としての役割を果たす。スレーブ応答は、マスターデバイスにおいて同時に受信されることに留意されたい。それゆえ、順次に肯定応答するのを避けて、スーパーフレーム内の時間資源を最小限に抑える。

Ｒｅｔｘ：２０４
これらのパケットは、失敗したスレーブ応答データの再送されるコピーである。再送中に異なる符号化、ダイバーシティ次数及び多重化度が適用される場合があるので、それらのパケットは、元の応答とは異なる。

アップリンク方向において、その送信方式は、１つの変調を用いるＤＬリンクに類似している。ＵＬでは、各スレーブが送信するＮ個の副搬送波の一部（ｓｕｂｓｅｔ）を割り当てられるように、スレーブデバイス１０１間で副搬送波が割り当てられる。

全てのスレーブは、該スレーブの割り当てられた副搬送波上で同時にマスターに送信する。連続的に１，２，．．．，Ｋを付されたＫ個のスレーブデバイスが存在する場合には、各スレーブは、初期応答メッセージのために

個の副搬送波を割り当てられることができる。

スレーブでブロードキャストポーリングメッセージの受信に失敗したことに起因して、又は、マスターで初期応答メッセージの受信に失敗したことに起因して、スーパーフレームのＲｅｔｘ−１部分における次のＵＬ送信間隔中に、Ｋ’個のスレーブがその応答を再送する場合がある。

いずれの場合でも、再送している各スレーブは、全部で

個の副搬送波を割り当てられることができる。ただし、Ｋ’＜Ｋである。２回目のＲｅｔｘ−２メッセージに関しても同様に、Ｋ’’個のスレーブが再送し、これらのスレーブのそれぞれは、

個の副搬送波を割り当てられる。ただし、Ｋ’’≦Ｋ’である。

スレーブのための副搬送波割当ては、関連出願において記述されるように、制御シグナリング及び複雑度を最小限に抑えながら、全ネットワーク容量を最大にするのが理想的である。

本明細書において記述されるような、より簡単な手法が、スレーブに副搬送波割当てを通知することに関連するオーバーヘッドを最小にし、且つスレーブ毎の周波数ダイバーシティを最大にする。

シグナリングを最小にするために、固定的な資源割当てを検討し、その資源割当てでは、各スレーブが１つの論理サブチャネルを割り当てられ、論理サブチャネルは、固定的な１組の副搬送波を含む。スレーブにおける周波数ダイバーシティを改善するために、副搬送波の周波数が最大限に離され、好ましくは周波数間隔がチャネルのコヒーレンス帯域幅よりも広くなるように、各論理チャネル内の副搬送波のグループ化に制約を加える。

資源割当ての詳細に入る前に、いくつかの定義及び用語を説明する。

図２Ｂは、ＯＦＤＭシンボルのための副搬送波割当てのさらに実際的なものを示す。ここでは、−Ｎ／２〜Ｎ／２−１の物理インデックスを付されているＮ個の物理副搬送波がある。

また、ガード帯域２０３として用いられる副搬送波も考慮し、それらの副搬送波は、送信中に使用せずに空けておく。帯域幅の低い方の端部及び高い方の端部にあるＮ_ｇ個の副搬送波が、ガード帯域２０３のために用いられる。こうして、物理インデックス［−Ｎ／２，−Ｎ／２＋Ｎｇ／２］及び［Ｎ／２−１−Ｎｇ／２，Ｎ／２］を有する副搬送波は、ガード副搬送波として予約される。さらに、０番目の副搬送波は、ＤＣ成分に対応しており、データ送信のためには用いられない。

パイロット副搬送波２０４を用いて、チャネル推定及びトラッキングのための既知の信号を送信する。パイロット副搬送波は、パイロット副搬送波間にＮ_ｐ個の副搬送波の間隔をおいて、帯域幅にわたって均等に離間される。したがって、スレーブに割り当てるために、全部でＮ_ｄ＝Ｎ−Ｎ_ｇ−Ｎ／Ｎ_ｐ個の副搬送波が利用可能である。上記の式において、Ｎ_ｄは、データ副搬送波の数を表す。

パイロット副搬送波の物理インデックスは、次式の通りである。

ただし、ｎ_ｐｔは、パイロット副搬送波の物理インデックスであり、Ｎ_０は、連続した各組のＮ_ｐ個の副搬送波内のパイロットの位置を定義するオフセットであり、Ｎ_ｐｔは、ＯＦＤＭシンボル内のパイロットの総数であり、Ｎ_ｐｔ＝Ｎ／Ｎ_ｐである。

マッピング手順
図３に示されるように、論理副搬送波インデックスを定義し、そのインデックスを用いて、スレーブにサブチャネルを割り当てるために、物理副搬送波３０１から論理副搬送波３０２へのマッピング３００を実行する。データ副搬送波の論理インデックスは、νによって定義され、範囲［０，Ｎ_ｄ−１］内の整数である。そのマッピングは、以下の手順によって果たされる。

この手順の終了時点において、ベクトルν（ｎ）は、Ｎ_ｄ個の副搬送波インデックスから集合［０，１，．．．，Ｎ_ｄ−１］へのマッピングを含む。

多重化及びダイバーシティ
論理インデックスを用いて、固定的な資源割当て手順を記述する。その資源割当ては、スループットと信頼性との間のトレードオフの均衡を図るために、種々の多重化度及びダイバーシティ度を構成する。多重化度及びダイバーシティ度の定義が以下のように与えられる。

多重化度Ｍ
送信機（マスター又はスレーブ）は、Ｍ個の並行したサブストリームにわたってデータを送信する。各サブストリームは、サブチャネルとも呼ばれる。

ダイバーシティ度ｄ
周波数ダイバーシティ利得を最大にするために、各多重化ストリームが、ｄ個の異なる論理データ副搬送波内に複製される。

ダウンリンク送信のための論理副搬送波割当て
ダイバーシティ利得を達成するために、各多重化ストリームが、ｄ個の異なる論理データ副搬送波内に複製される。したがって、マスター及びスレーブの両方に知られている、副搬送波割当てのための手順を提供する必要がある。これにより、スレーブへの資源割当てを簡単に通知できるようになる。

副搬送波割当てのための一般的な原理は、同じ論理チャネルに関連するデータ副搬送波をできる限り離すことである。

Ψ_ｍを、ｍ番目の論理チャネルに割り当てられる全てのデータ副搬送波の論理インデックスの集合と定義する。ただし、ｍ＝０，１，２，．．．，Ｍ−１である。その際、ｍ＝０，１，２，．．．，Ｍ−１について、Ψ_ｍは、以下のようになる。

ただし、ｄ＝Ｎ_ｄ／Ｍである。

したがって、集合Ψ_ｍは、１組の論理副搬送波を規定し、その論理インデックスは、Ｍ個の論理インデックスだけ分離される。したがって、スレーブに資源を割り当てるとき、マスターに要求されるのは、スレーブのためのデータを搬送することになる論理チャネルｍのインデックス（それは論理副搬送波の集合Ψ_ｍに対応する）を通知することだけである。さらに、論理チャネルへの論理インデックスの割当てがわかるように、パラメータＭ及びｄは、全てのスレーブにブロードキャストされる。

アップリンク送信のための論理副搬送波割当て
Ψ_ｍ，ｕを、ｕ番目のスレーブのｍ番目の論理チャネルに割り当てられる全ての副搬送波の論理インデックスの集合と定義する。このスレーブは、Ｋ個の全受信機に対してｕ番目に小さなＩＤを有する。ただし、ｍ＝０，１，２，．．．，Ｍ−１及びｕ＝０，１，２，．．．，Ｕ−１であり、Ｕは送信するスレーブの数である。

詳細には、ｍ＝０，１，２，．．．，Ｍ−１、ｕ＝０，１，２，．．．，Ｕ−１について、集合Ψ_ｍ，ｕは、以下の通りである。

ただし、ｄ、Ｍ、Ｕの間に以下の関係が当てはまる。

スーパーフレームの応答部分中には、Ｋ個の全スレーブがアップリンクにおいて送信するため、すぐ上の式においてＵ＝Ｋである。スーパーフレームの再送間隔中には、送信するスレーブの数は変数であり、それゆえ、最初の再送の場合にＵ＝Ｋ’であり、２度目の再送の場合にＵ＝Ｋ’’である。したがって、マスターは、ＧＡＣＫメッセージにおいて、パラメータＭ、ｄ及びＵを通知するだけである。その際、各スレーブは、それに応じて、割り当てられた論理副搬送波を特定することができる。

Claims (3)

1. 直交周波数分割多元接続及び時分割多元接続（ＴＤＭＡ）ネットワークにおいてチャネルに帯域幅を割り当てるための方法であって、前記ネットワークは、１組のスレーブデバイス（スレーブ）と通信するマスターデバイス（マスター）を含み、前記マスターは、前記方法のステップを実行し、前記方法は、
   

   

   に従って、１組のＮ_ｄ個の論理データ副搬送波に割り当てられる１組のＭ個のデータストリームのための１組のＮ個の物理副搬送波の論理インデックスνの集合Ψ_ｍを定義するステップと、
   前記論理インデックスに従って、前記１組のＮ個のデータ副搬送波を前記１組のＮ_ｄ個の論理副搬送波にマッピングするステップと、
   前記論理副搬送波に前記データ副搬送波を割り当てるステップと、
   を含む直交周波数分割多元接続及び時分割多元接続（ＴＤＭＡ）ネットワークにおいてチャネルに帯域幅を割り当てるための方法。
2. 前記１組のスレーブノードにパラメータＭ、ｄ及びＵ（ただし、Ｕは送信するスレーブノードの数である）をブロードキャストするステップをさらに含む請求項１に記載の直交周波数分割多元接続及び時分割多元接続（ＴＤＭＡ）ネットワークにおいてチャネルに帯域幅を割り当てるための方法。
3. 前記物理副搬送波は、パイロット信号用のＮ_ｐ個のパイロット副搬送波とＮ_ｇ個のガード副搬送波とを含み（ただし、Ｎ_ｄ＝Ｎ−Ｎ_ｇ−Ｎ／Ｎ_ｐである）、前記パイロット副搬送波は、前記物理副搬送波にわたって均等に離間される請求項１に記載の直交周波数分割多元接続及び時分割多元接続（ＴＤＭＡ）ネットワークにおいてチャネルに帯域幅を割り当てるための方法。

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