JP2010501134A - チャネル依存の時間領域及び周波数領域スケジューリングの方法 - Google Patents

Abstract

複数のユーザ端末を有するＯＦＤＭベースの電気通信システムにおける改良されたチャネル依存の時間領域及び周波数領域スケジューリングの方法において、システムの負荷を表すパラメータ値を決定するステップ（Ｓ０）と、決定したパラメータ値が所定の閾値以上である場合、複数のユーザ端末のサブセットを事前選択するステップ（Ｓ１）と、ダウンリンクのシグナリング・オーバヘッドを低減しチャネル依存の時間領域及び周波数領域スケジューリングの効率の改善を可能にするために、事前選択されたユーザ端末のサブセットの周波数領域スケジューリングを実行するステップ（Ｓ２）と、を含む。

Description

本発明は一般に通信システムに関し、特に直交周波数分割多重（ＯＦＤＭ）ベースの通信システムにおける改良されたチャネル依存の時間領域及び周波数領域スケジューリングの方法及び装置に関するものである。

無線フェージングチャネルのためのユーザ・リソース割り当てにおいては、大きな努力が現在スケジューリングにフォーカスされている［非特許文献１および２］。スケジューリング・アルゴリズムは、一般的に、チャネルに対する依存の程度に従って、チャネル依存またはチャネル非依存のスケジューリングに分類される。この種のアルゴリズムの実施例にはラウンドロビン（ＲＲ）があり、これは典型的なチャネル非依存スケジューリングであり低パフォーマンスの代価として単純さの点で有利である。チャネル依存のスケジューリングアルゴリズムの部類は、システム性能を改良するためにいわゆるチャネル状態情報（ＣＳＩ）またはチャネル品質指標（ＣＱＩ）を利用する。

ＯＦＤＭシステムにおいて、上述したチャネル依存のスケジューリングは、所与の時間スケール内でフレーム当たり単一のユーザまたはユーザ端末がスケジュールされるいわゆる時間領域スケジューリングと、所与の時間スケール内で排他的にフレーム当たり多数のユーザがスケジュールされるいわゆる時間領域及び周波数領域スケジューリングと、に更に分類される。時間領域及び周波数領域スケジューリング（以下では周波数領域スケジューリングと呼ぶ）は、周波数領域の複数ユーザ・ダイバーシティにより、特に広帯域幅において、時間領域スケジューリングより良好なパフォーマンスを提供していた［非特許文献１］。しかしながら、周波数領域スケジューリングは、周波数領域のリソースユニット当たり１回のＣＳＩまたはＣＱＩフィードバックを必要とすし、時間領域スケジューリングに比べ非常に大きなオーバヘッドのシグナリング（すなわち、一度に全帯域幅の１回のフィードバック）を必要とする。加えて、周波数領域スケジューリング及び時間領域スケジューリングの双方について、周波数領域スケジューリングには、最大ＣＩＲ、プロポーショナル・フェア（ＰＦ）、重み付けキューＰＦなど、多くの異なる詳細な基準が存在する［非特許文献３］。

チャネル依存のスケジューリングアルゴリズムの分類について、時間領域スケジューリングは計算の複雑さが低くシグナリングのオーバヘッドが少ないという利点がある（以降の、電力割り当て、リンク・アダプテーションについても同様）。しかしながら、広い帯域幅にわたる周波数選択性のために、時間領域スケジューリングはスケジュールされたユーザが全帯域幅について良好に動作することを保障できず、そのため、収容能力およびカバー範囲について良好なパフォーマンスをほとんど達成することが出来ない。

時間領域スケジューリング方式に比較し収容能力およびカバー範囲のパフォーマンスを大幅に改善するために、周波数領域スケジューリング方式は全部帯域幅のより細かいサブグループ（例えばチャンク）の基準を実行し、同様に複数ユーザ・ダイバーシティを利用する。

しかしながら、パフォーマンスが改善されるに従って、周波数領域スケジューリングの有利な点以外の不利な点が増加する。具体的には、計算の複雑さがチャンク数およびシステム負荷によって非常に増大する。加えて、あるチャンクと他のチャンクではスケジュールされるユーザ端末が異なり得るため、周波数領域アダプテーション（ＦＤＡ）のため（チャンク割り当て及び引き続くユーザ当たりの電力割り当て及びリンク・アダプテーションを含む）に大量のＤＬシグナリングが必要である。そのため、帯域幅が増加する（すなわち、チャンク数、システム負荷、ユーザ数とともに）につれシグナリング・オーバヘッドがリニアに増加する。

これらの不利な点により、これまでチャネル依存の時間領域及び周波数領域スケジューリングの更なる開発を妨げられていた。

従って、チャネル依存の時間領域及び周波数領域スケジューリングの利点を利用可能にし、同時に既知の不利な点を低減する方法および装置が必要となっている。

R. Knopp and P. Humblet, Information capacity and power control in single-cell multiuser communication, in Proc. of mt. Conf. on Communication, June 1995, vol. 1, pp. 33 1-335. W. Anchun, X. Liang, Z. Shidong, X. Xibin, and Y. Tan, Dynamic resource management in the fourth generation wireless systems, Proceedings IEEE International Conference on Communication Technology, Apr. 2003. K. Muhammad, Comparison of Scheduling Algorithms for WCDMA HS DSCH in different Traffic Scenarios, IEEE PIMRC’2003 Being, China 2003.

チャネル依存のスケジューリング・アルゴリズムの既知の一般的な問題は、どのようにして周波数領域スケジューリングの有利なパフォーマンスを利用し上述の不利な点を無いようにするかということである。

本発明の主な目的は、チャネル依存の周波数領域スケジューリングの改良された方法及び装置を提供することである。

これらおよび他の目的は、添付の請求項セットに従って達成される。
基本的側面によれば、本発明は、システムの負荷を決定することを含む。負荷が所定の閾値以上であれば、全ユーザ端末のサブセットは、スケジューリングのために事前選択され、引き続いてスケジュールされる。

本発明の利点は、以下を含む：
・チャネル依存の周波数領域スケジューリングのダウンリンク・シグナリングのオーバーヘッド削減。
・リソース割り当てのシグナリングのオーバーヘッド削減。
・リンク・アダプテーションのシグナリングのオーバーヘッド削減。
・対応する周波数領域アダプテーションの複雑さを所定スケール内に制限。
・シグナリング・オーバーヘッドおよび計算複雑度の程度は予め定義され得、システム負荷によらず、更なるシグナリング・デザインに好適な所与の帯域幅に対して固定。

更なる目的および利点と共に本発明は添付の図面と以下の説明を参照することによって良く理解される。

本発明による方法の実施形態の概略フローチャートである。 本発明による装置の実施形態の概略図である。 本発明による方法および装置の実施形態の実装による第１セル負荷への影響を示す図である。 本発明による方法および装置の実施形態の実装による第２セル負荷への影響を示す図である。

＜略語＞
ＢＰＳＫ：２位相偏移変調（Binary Phase Shift Keying）
ＣＩＲ：搬送波対干渉比（Carrier to Interference Ratio）
ＣＱＩ：チャネル品質指標（Channel Quality Indicator）
ＣＳＩ：チャネル状態情報（Channel State Information）
ＤＬ：ダウンリンク（Down Link）
ＦＤＡ：周波数領域アダプテーション（Frequency Domain Adaptation）
ＨＳＤＰＡ：高速ダウンリンク・パケット・アクセス（High-Speed Downlink Packet Access）
ＬＡ：リンクアダプテーション（Link Adaptation）
ＭＣＳ：変調及び符号方式（Modulation and Coding Scheme）
ＯＦＤＭ：直交周波数分割多重（Orthogonal Frequency Division Multiplex）
ＰＡ：電力割り当て（Power Allocation）
ＰＦ：プロポーショナル・フェア（Proportional Fair）
ＰＦＴ：時間領域でのプロポーショナル・フェア（Proportional Fair in the Time domain）
ＰＦＴＦ：時間領域及び周波数領域でのプロポーショナル・フェア（Proportional Fair in the Time and Frequency domain）
ＱＡＭ：直交振幅変調（Quadrature Amplitude Modulation）
ＱＰＳＫ：４位相偏移変調（Quadrature Phase Shift Keying）
ＲＲ：ラウンドロビン（Round Robin）
ＳＩＮＲ：信号対干渉雑音比（Signal to Interference Noise Ratio）

チャネル依存の時間領域スケジューリングに対するチャネル依存の周波数領域スケジューリングの不利な点の更なる考察を提供するために、以下では、更に詳細な議論および分析について説明する。

ダウンリンク（ＤＬ）内の周波数領域アダプテーション（ＦＤＡ）に関連するシグナリング・オーバヘッドは、ユーザまたはユーザ端末の各々にＦＤＡ決定を通知するために使用されるシグナリングにより構成され、ここで、信号対干渉雑音比（ＳＩＮＲ）推定のためのパイロット信号は全ての方式について同じと仮定し、以下では考慮しない。

説明する実施形態として、セル当たりＮ個のユーザにサービスするためにＤＬ内にＮ_ｃｈ個のチャンクを備えるシステムを考慮し、ここで、フレーム当たりのシグナリングのビット数Ｎ_{ｂｉｔｓＤＣＣＨ}は以下のように算出される。

時間領域スケジューリング：（時間領域でのラウンドロビン（ＲＲ）またはプロポーショナル・フェア（ＰＦ））
・一様電力割り当て（ＰＡ）を有するユーザ・インデックスについて：

ビット／フレーム
ここで、

は、ｘ以上の最小の整数である。
・オン／オフＰＡのユーザ・インデックスについて：

ビット／フレーム
・リンク・アダプテーション（ＬＡ）について：ｋ_ｍｏｄ＋ｋ_ｃｒビット／フレーム
（例えば２０ＭＨｚ帯域幅において
−｛ＢＰＳＫ、ＱＰＳＫ、１６ＱＡＭ、６４ＱＡＭ｝内での変調モード・インデックスについて：ｋ_ｍｏｄ＝２ビット／フレーム
−符号化率インデックス（情報ブロック・サイズに対応）について：ｋ_ｃｒ＝ｆ（Ｎ_{ｓｙｍｓｐｅｒｆｒａｍｅ}，ＭｏｄＯｒｄｅｒ）（例えばＨＳＤＰＡでは約６ビット／フレームであり、２０ＭＨｚｍに対して約１９ビット／フレーム）
ＲＲ時間領域スケジューリング、一様電力割り当て、および、連続符号化率の単一の変調及び符号方式（ＭＣＳ）の例では、想定されるＤＬシグナリング・ビット数Ｎ_{ｂｉｔｓＤＣＣＨ}は、以下のようになる。

周波数領域スケジューリング
・一様ＰＡを有するチャンク当たりのユーザ・インデックスについて：

ビット／フレーム
・オン／オフＰＡのチャンク当たりのユーザ・インデックスについて：

［ビット／フレーム］
・ＬＡについて：ｆ（Ｎ）＝ｋ_ｍｏｄ・Ｎ＋ｋ_ｃｒ・Ｎビット／フレーム
スケジュールされるユーザ数に依存する。

時間領域及び周波数領域のプロポーショナル・フェア（ＰＦＴＦ）、一様ＰＡ、および、連続符号化率の単一ＭＣＳの例では、全ＤＬ ＦＤＡシグナリング数Ｎ_{ｂｉｔｓＤＣＣＨ}は、以下のように決定される。

これは、時間領域スケジューリングの場合より実質的に大きい。数式（２）から分かるように、スケジューリング・アルゴリズムはＤＬオーバヘッドのシグナリングに対して最大の要因となる。

従って、ＦＤＡのＤＬシグナリングが削減され得る場合、チャネル依存の周波数領域スケジューリングの効率および効用は更に高められ得ると発明者は認識した。

そのため、本発明に従う基本的実施形態では、システム内のアクティブ・ユーザ端末のサブセットを事前選択し、当該サブセットに対して、周波数領域スケジューリング、リンク・アダプテーション、リソース割り当てを実行する。ユーザ端末の残りのセットはその後に処理され、それにより、各時点でのＤＬオーバヘッド・シグナリングは劇的に削減される。

図１の概略フローチャートを参照して本発明による方法の特定実施例について説明する。まず最初に、現在のシステム負荷がＳ０で決定され、Ｓ１で予め設定された閾値と比較される。総負荷（すなわち、全アクティブ・ユーザに対する相対シグナリング・オーバヘッド）に依存するいくつかの測定値またはパラメータ値を測定することにより負荷は決定され得る。従って、特定実施例では、上述の予め設定された閾値はシグナリング・オーバヘッドの特定の値（すなわち１０％）である。

決定されたシステム負荷が所定の閾値以上である場合、事前選択が必要と考えられ、スケジュールのためにＳ２でユーザ端末のサブセットが事前選択される。ユーザ端末のサブセットは、少なくとも２つのユーザ端末を含みかつ全ユーザ端末は含まない。

最後に、ユーザ端末のサブセットはＳ３でのスケジュール、オプションで、既知の測定値に従ってリンク・アダプテーションおよびリソース割り当て、の対象となる。

閾値以上でない場合、全ユーザ端末は既知の方法に従ってスケジュールされる。

特定実施例では、事前選択は、測定されたシステム負荷が予め設定された閾値を下回るまで、または、何らかの他の基準に従って、オプションで複数のサブセットに対して反復される。

上述のユーザ端末のサブセットの事前選択について様々な基準が存在する。
・ランダム選択：ランダムにユーザ端末を事前選択する
・最大ＣＩＲ選択：最大ＣＩＲ基準に従う

ここで、γ^（ｎ）は、ユーザｎの推定ＳＩＮＲを示し、数式（３）に従って最大のＳＩＮＲを有する１以上のユーザが、フレーム方向またはチャンク方向に選択される。
・ＰＦベース選択：ＰＦ基準に従う

ここで、ＴＰ_ｅｓｔ ^（ｎ）は、インデックスｎのユーザ端末の推定スループットを示し、ＴＰ_ａｖ ^（ｎ）は、各フレームのユーザ端末ｎの平均スループットを示し、数式（４）の最大の比を有する１以上のユーザが、フレーム方向に選択される。

チャンク方向ＰＦまたは他のコスト関数または各ユーザ端末のサービス品質（ＱｏＳ）を含む他の事前選択基準が存在し得る。

事前選択のステップを利用することによって、対応するＤＬシグナリングを低減するために、ユーザは所定のスケール内に制限される。

事前選択されたユーザの中で、周波数領域スケジューリング、電力割り当ておよびリンク・アダプテーションがさらに実行され得る。選択されなかったあるいは破棄されたユーザは、オプションで次回の信号処理までキューイングされ得る。このように、単純化されたＰＦＴＦ方式のための数式（２）のＤＬ ＦＤＡシグナリングのビット数は次のようになる。

ここで、数式（５）の初項は事前選択されたユーザ端末のユーザ・インデックスに対応する。

更に本発明による方法の利点を示すために、いくつかのシミュレーション実験について示し説明する。

基本的なシミューレーション・パラメータは、以下の表１で示される。

シミュレーションでは、時間領域（ＰＦＴ）スケジューリングのプライオリティ・フェア（ＰＦ）基準は、チャネル依存の時間領域スケジューリングを示す。時間領域及び周波数領域（ＰＦＴＦ）のＰＦはチャネル依存の周波数領域スケジューリングを示す。事前選択方式では、ランダム選択およびＰＦＴ選択が考慮されている。従って、以下の説明では４つの方式が説明のために比較される。すなわち、
・純粋な時間領域スケジューリング（ＰＦＴ）
・ランダム事前選択（Ｒａｎｄ＋ＰＦＴＦ）の周波数領域スケジューリング（ＰＦＴＦ）
・時間領域でのプライオリティ・フェア（ＰＦＴ）事前選択＋ＰＦＴＦ（ＰＦＴ＋ＰＦＴＦ）
・事前選択のない周波数領域スケジューリング（ＰＦＴＦ）
が比較される。

異なる２つの場合（例えば負荷が８および３０ユーザ端末）が考慮されている。しかしながら、本発明は、これらの負荷シナリオに限定されるものではない。さらに、３０ユーザ端末の負荷に対して、事前選択バウンド（４および８）の影響が示されている。異なる場合の上述の方式のＤＬシグナリングを表２に示す。

ユーザ事前選択の任意のタイプにおいて、結果として生じるＤＬシグナリングが固定され、純粋な周波数領域スケジューリングＰＦＴＦ未満であることが分かる。特に高い負荷（例えば３０）では、ユーザ事前選択のＤＬシグナリングは純粋なＰＦＴＦ方式よりさらに小さい。（純粋なＰＦＴＦのシグナリングに対する）削減比は、それぞれ、７４％（バウンド４）および５７％（バウンド８）であり、特筆すべきものである。

また、本発明によるユーザ事前選択のアプリケーションによって、結果として生じる計算の複雑さが非常に減少していることを示している。

一方で、シグナリング低減の対価としてのわずかなパフォーマンス損失が観測に値する。図３および図４は、平均セル・スループットおよび第５パーセンタイル・ユーザ・スループットにおける上述した方式のパフォーマンスを表している。

ＰＦＴ＋ＰＦＴＦ方式が純粋なＰＦＴＦよりパフォーマンスが少しばかり悪化していることが分かる。特に、高負荷の場合において、バウンド８のＰＦＴ＋ＰＦＴＦ方式は純粋なＰＦＴＦに非常に近いパフォーマンスを示している。

もちろん、ユーザ事前選択には他のオプションがあり、図示されるものよりさらに良好なパフォーマンスを有するかもしれない。従って、ユーザ事前選択は、制限されたＤＬシグナリングのシステム性能を改良する更なる可能性を提供する。

本発明の一実施形態によるノードが、上述した本発明による方法を可能にするために構成され、図２を参照して説明する。特定実施形態では、ノードはＵＭＴＳ電気通信ネットワークのノードＢとして示されるがこれに限定されるものではない。

本発明に従うノード１の基本的実施形態は、現在のシステム負荷の測定値の測定または少なくとも取得を可能にする負荷決定部１０と、負荷測定値と予め設定された負荷測定閾値とを比較する比較部１１と、負荷測定値が閾値以上であった場合に、スケジュールするユーザ端末のサブセットを事前選択する事前選択部１２と、を含む。最後に、ノード１は、事前選択されたユーザ端末のスケジュールをするスケジューラ１３を含む。

現在の負荷が閾値以上でない場合、スケジューラ１３は既知の方法で全ユーザ端末のスケジュールをするのに適している。

本発明の利点は以下を含む：
・チャネル依存の周波数領域スケジューリングに関連するＤＬシグナリング・オーバーヘッドは、スケジューリングのユーザ数を制限することにより非常に削減される；
−削減されたユーザ数により周波数領域リソース割り当てに必要なシグナリング・オーバーヘッドが減少する；
−削減されたユーザ数によりリンク・アダプテーションに必要なシグナリング・オーバーヘッドが減少する；
・対応する周波数領域アダプテーションの複雑さは、所定の程度内に制限される；
・シグナリング・オーバーヘッドおよび計算複雑度の程度は予め定義され得、システム負荷によらず、更なるシグナリング・デザインに好適な所与の帯域幅に対して固定される。

添付の請求の範囲により定義される範囲から逸脱しない、本発明に対するさまざまな実施形態の組み合わせを含む様々な修正及び変更が当業者によってよく理解されることになっている。

Claims (16)

1. ＯＦＤＭベースの電気通信システムにおける改良されたチャネル依存の時間領域及び周波数領域スケジューリングの方法であって、前記システムは複数のユーザ端末を含み、
   前記システムの負荷を表すパラメータ値を決定するステップ（Ｓ０）と、
   前記決定したパラメータ値が所定の閾値以上である場合、前記複数のユーザ端末のサブセットを事前選択するステップ（Ｓ１）と、
   ダウンリンクのシグナリング・オーバヘッドを低減し、チャネル依存の時間領域及び周波数領域スケジューリングの効率の改善を可能にする、前記事前選択されたユーザ端末のサブセットの周波数領域スケジューリングを実行するステップ（Ｓ２）と、
   を含むことを特徴とする方法。
2. 残りのユーザ端末に対して、前記ステップ（Ｓ０，Ｓ１，Ｓ２）を反復することを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記負荷のパラメータは、全ユーザ端末に対する相対的シグナリング・オーバヘッドを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
4. 前記所定の閾値は、１０％のシグナリング・オーバヘッドを含むことを特徴とする請求項３に記載の方法。
5. 前記複数のユーザ端末からランダムに前記サブセットを事前選択するステップ（Ｓ１）を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
6. 最大ＣＩＲ基準に基づいて前記サブセットを事前選択するステップ（Ｓ１）を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
7. 信号対干渉雑音比が最大のユーザ端末を事前選択するステップ（Ｓ１）を含むことを特徴とする請求項６に記載の方法。
8. フレーム方向またはチャンク方向に前記サブセットを事前選択するステップ（Ｓ１）を含むことを特徴とする請求項７に記載の方法。
9. 各ユーザ端末に対する推定スループットと平均スループットとの比に基づいて前記サブセットを事前選択するステップ（Ｓ１）を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
10. 前記比が最大のユーザ端末を事前選択するステップ（Ｓ１）を含むことを特徴とする請求項９に記載の方法。
11. スループットとサービス品質との少なくとも一方に基づいて前記サブセットを事前選択するステップ（Ｓ１）を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
12. ユーザ端末の前記サブセットは、少なくとも２つのユーザ端末を含みかつ全ユーザ端末は含まないことを特徴とする請求項１に記載の方法。
13. ＯＦＤＭベースの電気通信システムにおけるノードであって、前記システムは複数のユーザ端末を含み、
    前記システムの負荷を表すパラメータ値を決定する手段（１０）と、
    前記決定したパラメータ値が所定の閾値以上である場合、全ユーザ端末のサブセットを事前選択する手段（１１）と、
    ダウンリンク・シグナリングのオーバヘッドを低減し、チャネル依存の周波数領域スケジューリングの効率の改善を可能にする、前記事前選択されたユーザ端末のサブセットの周波数領域スケジューリングを実行する手段（１２）と、
    を含むことを特徴とするノード。
14. 残りのユーザ端末に対して、前記事前選択と前記スケジューリングとを反復する手段をさらに含むことを特徴とする請求項１３に記載のノード。
15. 前記事前選択する手段（１１）は、信号対干渉雑音比、ランダム、最大ＣＩＲ、サービス品質、スループットの少なくとも１つに基づいて、ユーザ端末の前記サブセットを事前選択するのに適していることを特徴とする請求項１３に記載のノード。
16. 前記ノードはＵＴＭＳ電気通信システムのノードＢであることを特徴とする請求項４に記載のノード。

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