JP2010541301A - Mimoネットワークにおけるアップリンク用ofdmaフレーム構造 - Google Patents
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Abstract
【課題】本方法は、1組の移動局および基地局を含むマルチ入力マルチ出力(MIMO)ネットワークのセルにおいて複数のシンボルを通信する。
【解決手段】これらのシンボルは、直交周波数分割多重化(OFDM)および時分割2重(TDM)を使用して伝達される。基地局と移動局との間でこれらのシンボルを通信するためのフレームが構成される。そのフレームは、ダウンリンク・サブフレームおよびアップリンク・サブフレームに分割される。アップリンク・サブフレームは第1ゾーンと第2ゾーンとに分割され、第1ゾーンは直交周波数分割多重アクセス(OFDMA)を使用し、また、第2ゾーンは単一搬送周波数分割多重アクセス(SC−FDMA)を使用する。
【選択図】図1A
【解決手段】これらのシンボルは、直交周波数分割多重化(OFDM)および時分割2重(TDM)を使用して伝達される。基地局と移動局との間でこれらのシンボルを通信するためのフレームが構成される。そのフレームは、ダウンリンク・サブフレームおよびアップリンク・サブフレームに分割される。アップリンク・サブフレームは第1ゾーンと第2ゾーンとに分割され、第1ゾーンは直交周波数分割多重アクセス(OFDMA)を使用し、また、第2ゾーンは単一搬送周波数分割多重アクセス(SC−FDMA)を使用する。
【選択図】図1A
Description
この発明は、一般的に、無線通信の分野に関し、特に、使用者ターミナルから基地局へのセルラー通信網におけるアップリンク伝送に関し、また特に、単一キャリヤ・マルチ入力マルチ出力(MIMO)直交周波数分割多重化(OFDM)、およびMIMO直交周波数分割マルチプル(多重)アクセス(OFDMA)方式に関する。
WiMAXが基づく、IEEE802.16標準「パート16:広帯域無線アクセスシステム用エアー・インターフェース」802.16は、ユーザ端末から基地局へのアップリンクにおいて直交周波数デマルチプレクシング・マルチプルアクセス(OFDMA)を使用する。OFDMAにおいて、各ユーザ端末(トランシーバーまたは移動局)は、トランスミッタがデータシンボルを変調する1組の割り当てられた副搬送波でデータを基地局へ送信する。いくつかの端末中でのマルチプルアクセスは、ばらばらな組の副搬送波を端末へ割り付けることによって達成される。したがって、アップリンクOFDMAシンボルはそれぞれ、ばらばらな組の副搬送波の上でいくつかの移動局からのデータを含んでいる。
図1Bは従来のOFDMAトランスミッタ(送信器)およびレシーバー(受信器)を示す。この構造は、IEEE802.16標準によって設計されたネットワークにおいて現在使用されている。トランスミッタは、複素数値変調シンボル101{xn}、n=0、1、2、・・・、Nをグループ化することによりスタートする。グループ化された変調シンボルは、M−ポイント逆離散フーリエ変換(IDFT)オペレーション110によってM個の直交搬送波のNへマップされ、変調100される。
逆離散フーリエ変換(IDFT)ブロック110への入力は、1組のM個の複素数値シンボルであり、そのうちM−Nは0である。残りのM−N副搬送波は、他の移動局によって使用される。この信号処理はOFDM送信用には従来から行われており、またこれは、周期的プレフィックス(CP)120を加えて、次に、ベースバンドデジタル信号130をアナログ無線周波数信号へ変換(DAC)130して、増幅してワイヤレスチャンネル135を通して送信することを含んでいる。
レシーバーでは、受信RF信号はベースバンドへ変換(ADC)140され、サンプリングされてベースバンドデジタル信号を生成する。そのデジタル信号は周期的プレフィックスを除去150するために処理され、そして次に、M−ポイントDFT160によって周波数領域へ変換される。その信号はワイヤレスチャンネルの影響を緩和するために等化170され、また個々のユーザデータは、副搬送波をデマッピング(de−mapping)することにより、すなわち特別のユーザに関連したN副搬送波上のデータを検出180することにより、分離することができる。
代わりの、しかし同様の伝送法は、単一搬送周波数分割マルチプルアクセス(SC−FDMA)と呼ばれる。この技術は、非特許文献1によって詳細に記述されている。
図2は従来のSC−FDMAトランスミッタおよびレシーバーを示す。これは、トランスミッタ中の追加のN−ポイント離散的フーリエ変換(DFT)290およびレシーバー中のN−ポイントIDFT291の存在を除いて、図1Bに示されているものと本質的に同一の構造である。DFT290は、N個のOFDMシンボルのすべてに割り当てられた副搬送波にわたって利用者データを広げる。対照的に、図1BのOFDMAトランスミッタでは、個別データシンボルxnはそれぞれ、M−ポイントIDFTにより単一の副搬送波で搬送される。
OFDMAおよびSC−FDMA技術の記述は、これらの2つの技術間の類似点を示す。OFDMAおよびSC−FDMAの両方がOFDMシンボルのシーケンスを送信し、そこでは、個別の副搬送波が複数のユーザ端末へ割り当てられる。両方の場合に、送信された信号は、時間および周波数領域の両方を占める2次元信号と見なすことができる。
調整ドメイン、たとえば米国におけるFCCや欧州におけるETSIのような政府機関は、RFスペクトルにおいて使用される無線技術のタイプに対する制限を設けるかもしれない。さらに、競合する標準、たとえばWiMAX、3GPP LTE、の市場の受入は、無線スペクトルを、或るサービス・プロバイダーがOFDMAあるいはSC−FDMAの何れかをサポートする複数のエリアへ分割するかもしれない。
3GPP、「3rd Generation Partnership Project; Technical Specification Group Radio Access Network; Physical layer aspects for evolved Universal Terrestrial Radio Access (UTRA)(第3世代パートナーシッププロジェクト;技術仕様グループ無線アクセス網;進化したユニバーサル地上波無線アクセス(UTRA)用のフィジカルレイヤーアスペクト」リリース7、のアップリンクで使用するために現在検討中である。SC−FDMAは、「Single Carrier FDMA for Uplink Wireless Transmission(アップリンク・ワイヤレス送信用の単一キャリヤFDMA)」、IEEE車両技術部会誌、2006年9月、pp.30−38に、H.G.Myung外
したがって、同一のセルラー・ネットワーク内で両方の伝送技術を展開することが望まれる。
この発明は、ワイヤレス・ネットワークにおいてOFDMAをSC−FDMAと組み合わせる方法を提供する。
この発明における方法は、1組の移動局および基地局を含むマルチ入力マルチ出力(MIMO)ネットワークのセルにおいて複数のシンボルを通信する。これらのシンボルは、直交周波数分割多重化(OFDM)および時分割2重(TDM)を使用して伝達される。基地局と移動局との間でこれらのシンボルを通信するためのフレームが構成される。そのフレームは、ダウンリンク・サブフレームおよびアップリンク・サブフレームへ分割される。アップリンク・サブフレームは第1ゾーンと第2ゾーンとに分割され、第1ゾーンは直交周波数分割多重アクセス(OFDMA)を使用し、また、第2ゾーンは単一搬送周波数分割多重アクセス(SC−FDMA)を使用する。
この発明によれば、基地局は、それぞれのOFDMAおよびSC−FDMA送信ができる端末の数に基づいて、それらのゾーンのサイズを割り当てることができる。
実施の形態1.
図1Aは、この発明の実施の形態1によって使用されるセルラー・ネットワーク、たとえばIEEE802.16/16e標準によるワイヤレス・ネットワーク、を示す。そのネットワークは基地局(BS)および複数の移動局(MS)を含む。下記に述べるように、各ステーションは、トランスミッタおよびレシーバー、すなわちトランシーバー、を含む。BSは、複数のチャネル上の特別のセルにおいてMSとのすべての通信を管理し調整する。
図1Aは、この発明の実施の形態1によって使用されるセルラー・ネットワーク、たとえばIEEE802.16/16e標準によるワイヤレス・ネットワーク、を示す。そのネットワークは基地局(BS)および複数の移動局(MS)を含む。下記に述べるように、各ステーションは、トランスミッタおよびレシーバー、すなわちトランシーバー、を含む。BSは、複数のチャネル上の特別のセルにおいてMSとのすべての通信を管理し調整する。
図示されるようなネットワークは、それらのステーションおよびチャネルがアップリンクおよびダウンリンクチャネル102上で直交周波数分割多重アクセス(OFDMA)および単一搬送周波数分割多重アクセス(SC−FDMA)の両方をサポートするという点で異なる。
図3は、OFDMのみを使用するセルラー・ネットワークのみにおいて使用される従来のフレーム構造を示す。水平軸は時間を示し、また、垂直軸は周波数副チャンネルグループ分けを示す。フレーム300は、時間的に連続するK+1OFDMシンボル305のグループとして定義され、このOFDMシンボルは0からKまでインデックスを付される。各OFDMシンボルは、1組の、0からCまでインデックス付けされたC+1個の並列の直交周波数副チャンネルを使用する。したがって、図3に示される時間周波数平面の単一のコラム301は、単一のOFDMシンボルである。
副チャンネルは、OFDMネットワークの個別の副搬送波を表わしてもよく、この場合、C=M、すなわち図1Bおよび図2においてIDFTのサイズである。または、1グループ(群)の副搬送波を特別の送信のために割り当てることができる。後者はIEEE802.16標準における場合である。いずれにしても、連続する複数のOFDMシンボルの1つのグループとしてのフレームの定義は成立する。
時分割デュプレックス(2重)(TDD)ネットワークでは、複数のOFDMシンボルが、アップリンク・サブフレーム302およびダウンリンク・サブフレーム303へさらに分割される。一般に、第1KDLシンボルは基地局から端末へのダウンリンク送信に割り当てられ、また、残りのK−KDLシンボルは端末から基地局へのアップリンク伝送に割り当てられる。
(KDL−1)番目のシンボルおよび(KDL)番目のシンボルとの間の小さな時間間隔307が、端末に送信モードと受信モードとの間の切替を行うための十分な時間を与えるために、必要かもしれない。2つの連続するフレーム間の時間間隔も、同様の理由で必要とされるかもしれない。
ダウンリンク・サブフレームが制御情報をブロードキャスト(同時配信)するために保留された、いくつかのOFDM制御シンボルをさらに含むと、仮定される。典型的には、基地局は、これらのOFDM制御シンボルを使用して、副チャンネル割当および残りのダウンリンクおよびアップリンク・サブフレームに対する予定情報を含む制御情報をその関連する複数の端末へ送信する。
大多数の最近の無線セルラースタンダード(標準)はOFDMA送信を採用している。我々はアップリンク・サブフレームに注目する。上述のように、OFDMAおよびSC−FDMAの両方はOFDMに基づいた同一の信号の構造を本質的に有するが、それらの唯一の相違は、SC−FDMAが複数の副搬送波にわたって付加的な周波数の拡散を行うことである。
したがって、基地局は、副搬送波のデマッピングおよび等化170の後にデータを直接検知するように、または、追加のデスプレディング(非拡散:despreading)291を行うように変更することができる。
我々は、基地局が同一のセルにおいてOFDMAおよびSC−FDMA移動局の両方をサポートすることを可能にするために、フレーム構造のアップリンク部分を図4および図8に示されるように修正変更する。
図4はこの発明の実施の形態1によって修正変更されたアップリンク・フレーム構造303を示す。アップリンク・サブフレームは、2つの部分すなわちゾーン(区域)401−402へ分割されている。これらのゾーンは、IEEE802.16標準において一般的に定義される。
この発明の実施の形態1によれば、第1ゾーン401はモバイル(携帯)端末からのOFDMA送信に専用的に使用され、また、第2ゾーン402はモバイル端末からのSC−FDMA送信に専用的に使用される。
OFDMAおよびSC−FDMAゾーンの配列、すなわち順序、やそれらの相対的サイズ、すなわち構成するOFDMシンボルの数、は任意でもよい。OFDMAおよびSC−FDMAに関する端末の能力は、移動局がセルを変更する際のネットワークへのエントリ(接続)、リエントリ(再接続)、およびハンドオーバーの間、典型的には基地局と交換される。基地局は、それぞれのOFDMAおよびSC−FDMA送信ができる端末の数に基づいて、それらのゾーンのサイズを割り当てることができる。
アップリンク・サブフレーム全体を作り上げているK−KDLシンボルは、スタートシンボルのインデックスおよび連続するシンボルの長さまたは数を指定することにより、分割することができる。OFDMAゾーン401に対するスタート(開始)シンボルのインデックスは、KOiとして表示され、また、OFDMシンボルの単位で表したその長さは、KOlとして表示される。
同様に、SC−OFDMAのゾーン402に対して、KSi、KSiはスタートシンボル・インデックスおよびゾーン長さをそれぞれ表示する。KOi、KOl、KSi、KSiの値は可変であり、1フレームごとに、基地局によって決定することができる。この決定は、OFDMAまたはSC−FDMAをサポートする端末の数、および様々な端末によって生成されたトラフィックの量に基づくことができる。変数KOi、KOl、KSi、KSiが決定された後、それらの変数に対する制御シンボルは、ダウンリンク・サブフレームにおける制御情報のブロードキャスト中に、端末へ送信される。
副搬送波写像の考察
利点として、SC−FDMAは、OFDMAよりも低いピーク対平均電力比(PAPR)を有する。これによって、移動局はその送信到達距離を拡張することができる。PAPRのこの減少は、副搬送波マッピングが行われる方法にいくつかの制約を伴う。したがって、SC−OFDMAゾーン402内では、副搬送波マッピングはPAPRの減少を達成するような方法で行われる。我々は、このマッピングへの2つのアプローチ(方法)について記述した。一方は「インターリーブ(交互配列)」と呼ばれ、また、他方は「連続配列」と呼ばれる。
利点として、SC−FDMAは、OFDMAよりも低いピーク対平均電力比(PAPR)を有する。これによって、移動局はその送信到達距離を拡張することができる。PAPRのこの減少は、副搬送波マッピングが行われる方法にいくつかの制約を伴う。したがって、SC−OFDMAゾーン402内では、副搬送波マッピングはPAPRの減少を達成するような方法で行われる。我々は、このマッピングへの2つのアプローチ(方法)について記述した。一方は「インターリーブ(交互配列)」と呼ばれ、また、他方は「連続配列」と呼ばれる。
図5は、シンボル{xn}のシーケンス510およびN−ポイントDFT290、並びに副搬送波マッピング200を示す。N−ポイントDFTの出力では、我々は、M個の副搬送波上に写像することができるN個の周波数シンボル520を有する。連続マッピングにおいて、シーケンスxn{n=0、1、・・・、N−1}はkによってインデックス付けされた1組の副搬送波へ写像され、その副搬送波は、N個の連続する整数{k=k1、k1+1、k1+2、・・・、k1+N}のシーケンス530である。M−ポイントIDTFの残りのM−N入力は、0に設定され、そしてそのネットワークにおける他の端末へ割り当てることができる。
図6は、インターリーブ(交互配列)マッピングの例を示す。この場合、DFTブロック290からのN個の出力620は、{k=k1、k1+D、k1+2*D、k1+N+D}によってインデックス付けされた不連続の1組の副搬送波630へ写像され、ここでDは割り当てられた副搬送波間の間隔を表わす定数である。したがって、M−ポイントIDFT210への入力は、一定間隔で規則的に配列された、0ではない入力を含む。残りの端末は、M−N搬送波に割り当てることができ、この結果、利用者データは副搬送波上にインターリービング(交互)に配列される。
NがMの整数除数であるとき、M副搬送波の最も効率的な使用が生じる。したがって、我々は、すべてのM副搬送波を端末
へ割り当てることができる。この場合、インターリーブ(交互配列)マッピングはD=Uとなる。
N=MでのSC−FDMA
1つの実施の形態1では、N=Mの時、フレーム構造はSC−FDMAアップリンク伝送のために考慮することができる。この場合、DFTおよびIDFTのサイズは同じであり、そして、我々は、その端末からのデータが1つのOFDMシンボルの全帯域幅に拡散される、周波数を拡散する場合として、これを見ることができる。1つのシンボル全体が各ユーザ端末によって使用されるので、この場合の多重アクセスは、単一のOFDMシンボル内の複数の副搬送波を割り当てることによっては達成されない。むしろ、基地局は送信スロットを各端末へ割り当てる。そこでは、各スロットは、1つの端末用のデータをすべて搬送するM個の搬送波を有する単一のOFDMシンボルである。
1つの実施の形態1では、N=Mの時、フレーム構造はSC−FDMAアップリンク伝送のために考慮することができる。この場合、DFTおよびIDFTのサイズは同じであり、そして、我々は、その端末からのデータが1つのOFDMシンボルの全帯域幅に拡散される、周波数を拡散する場合として、これを見ることができる。1つのシンボル全体が各ユーザ端末によって使用されるので、この場合の多重アクセスは、単一のOFDMシンボル内の複数の副搬送波を割り当てることによっては達成されない。むしろ、基地局は送信スロットを各端末へ割り当てる。そこでは、各スロットは、1つの端末用のデータをすべて搬送するM個の搬送波を有する単一のOFDMシンボルである。
図7は、この多重アクセス方式でのアップリンク・サブフレーム303を示す。そのサブフレームは、OFDMAゾーン401およびSC−FDMAゾーン402へ分割される。SC−FDMAゾーン402では、基地局はOFDMシンボル701の全列、すなわちすべての搬送波を、1つの端末へ割り当て、また、この端末は図2に示すようにそれらのデータを拡散させる。
この技術には2つの利点がある。先ず、それは、すべての方式に対して最小のPAPRを達成する。次に、端末が、他の多重アクセスおよびマッピング技術と比較して、はるかに高いデータ率で送信することができるので、この端末は電力を低減することができる。
さらに、端末はそのすべての伝送を最小量の時間へ圧縮することができ、そして、次のダウンリンクまたはアップリンク・サブフレームを待ちながら、より少ない電力を消費するスリープやアイドル状態に入ことができる。
ターミナルごとのSC−FDMA
上述した実施の形態1は、すべてアップリンク・サブフレーム303を分割し、そこでは、SC−FDMA送信がOFDMA送信から分離される。このような分離は、同一のセルにおいてOFDMAおよびSC−FDMAの共存のためには、厳密には必要でない。
上述した実施の形態1は、すべてアップリンク・サブフレーム303を分割し、そこでは、SC−FDMA送信がOFDMA送信から分離される。このような分離は、同一のセルにおいてOFDMAおよびSC−FDMAの共存のためには、厳密には必要でない。
図1Bおよび図2に示されるように、これらの2つの送信方式の間の唯一つの相違は、SC−FDMAの場合に、DFT290でデータを拡散させる追加の工程である。SC−FDMAレシーバーは、IDFTオペレーション291でデスプレッド(非拡散)させる。
したがって、図8に示されるように、基地局は、SC−FDMA端末へ割り当てられる副搬送波を選択的に拡散および非拡散させることにより、単一のゾーン内のOFDMAおよびSC−FDMA端末の両方に対して役立つことができる。すなわち、OFDMAの場合には、破線によって示されるように、拡散させることおよび非拡散させることは回避275される。
基地局は副搬送波およびシンボルを端末に割り当てる役割を担うので、この基地局は、追加のIDFTを介してデスプレッド(非拡散)させることを選択することができる。ダウンリンク・サブフレームの初めにブロードキャストされた制御情報の送信中に、基地局は、個々の端末がそれらに割り当てられた副搬送波にわたってそれらのデータのN−ポイントDFT拡散オペレーションを実行するように、個々の端末に信号を送る。
その信号は、副搬送波の組およびOFDMシンボルインデックスとともに送信される単一ビットでもよい。「1」の値は、SC−FDMAの拡散がアップリンク伝送に対してアクティブであることを端末に示しているが、また他方で「0」の値は、OFDMA送信が使用されるべきであることを示している。この信号手順は、基地局が端末の能力に関する知識、すなわち、端末がSC−FDMA送信をすることができるか否かについての知識を持っていることを仮定する。
この発明は好ましい実施の形態1を例として記述されたが、この発明の趣旨および範囲内で様々な他の改変およ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、この発明の真実の趣旨および範囲内に入るような、すべての変更例および変形例をカバーすることが、添付のクレームの目的である。
Claims (11)
- 1組の移動局および基地局を含むマルチ入力マルチ出力(MIMO)ネットワークのセル内でシンボルを通信する方法であって、前記シンボルが直交周波数分割多重化(OFDM)および時分割2重(TDM)を使用して伝達され、
前記基地局と前記移動局との間で前記シンボルを通信するためのフレームを構成する工程であって、前記フレームが、前記基地局から前記移動局へ前記シンボルを通信するためのダウンリンク・サブフレームと、前記移動局から前記基地局へ前記シンボルを通信するためのアップリンク・サブフレームとに分割される工程と、
前記アップリンク・サブフレームを第1ゾーンと第2ゾーンとに分割する工程であって、前記第1ゾーンは直交周波数分割多重アクセス(OFDMA)を使用し、また、前記第2ゾーンは単一搬送周波数分割多重アクセス(SC−FDMA)を使用する工程と、
前記アップリンク・サブフレームを前記移動局から前記基地局へ送信する工程と、
を備える方法。 - 前記セル内の前記移動局の組は、前記第1ゾーンのOFDMAおよび前記第2ゾーンのSC−FDMAの両方を使用して、前記基地局と同時に通信する、請求項1の方法。
- 特別な移動局のトランスミッタが、SC−FDMA用の副搬送波上にシンボルを拡散させるために、選択的に離散的フーリエ変換(DFT)を行う、請求項1の方法。
- 前記第1ゾーンおよび前記第2ゾーンの配列は任意である、請求項1の方法。
- 前記配列は前記基地局によって決定される、請求項4の方法。
- 前記配列は、OFDMAおよびSC−FDMAモードで作動する移動局の組の数に依存する、請求項4の方法。
- 前記ゾーンの前記配列は、スタートシンボルのインデックスおよび各ゾーンでの連続するシンボルの数により指定される、請求項4の方法。
- 前記ダウンリンク・サブフレームにおける制御シンボルとして前記インデックスおよび長さをブロードキャストする工程をさらに備える、請求項7の方法。
- 前記シンボルを前記第2ゾーン内の隣接する副搬送波に写像する工程をさらに備える、請求項1の方法。
- 前記第2ゾーン内の副搬送波中の前記シンボルを交互に配列する工程をさらに備える、請求項1の方法。
- シンボルの全列が単一の移動局へ割り当てられる、請求項1の方法。
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