JP2011512046A - Ｏｆｄｍａネットワークにおいて資源を配分するためのグラフベースの方法 - Google Patents

Abstract

方法が、基地局(ＢＳ)のセットと、移動局のセットとを含む直交周波数分割多元接続ネットワークにおいてチャネル資源を配分する。ＢＳ毎に、ＭＳのセットに関するダイバーシティセットを保持する。各ＢＳは、該ダイバーシティセットに基づいて、起こり得る干渉を求める。マルチグラフを構築し、該マルチグラフ内のノードはＭＳのセットを表し、ノード対間の各エッジは、該ノード対によって表される前記移動局間のチャネル干渉を表す。エッジによって接続される２つのＭＳ間のサブチャネルにおける干渉及び信号強度を反映する重みを各エッジに割り当てる。グラフに基づいてＭＳにチャネル資源を配分する。

Description

この発明は、包括的には無線資源を配分することに関し、より詳細には直交周波数分割多元接続(ＯＦＤＭＡ)セルラネットワークにおいて無線資源を配分することに関する。

ＯＦＤＭＡ
直交周波数分割多重(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(サブチャネル又は周波数)の別個のセット及びタイムスロットが、基地局によって複数の送受信機又は移動局(ＭＳ)に配分され、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、無線資源配分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に基づいてネットワーク化されたネットワーク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。

ＯＦＤＭＡ資源配分
無線スペクトルにおける時間及び周波数は、無線通信における乏しい資源であり、したがって、効率的な配分が必要とされている。無線用途及び加入者送受信機、すなわち移動局(ＭＳ)の急速な増加により、ネットワーク容量を増大させると共に、配備コストを低減することができる良好な無線資源管理(ＲＲＭ)方式が必要とされている。その結果、ＯＦＤＭＡのための効果的な無線資源配分方式を開発することが無線通信にとって重大な関心事となっている。

基本的な課題は、広範な地理的エリアにおいて、多数の送受信機に対し、限られた利用可能なスペクトルを配分することである。通常、資源は基地局(ＢＳ)によって配分される。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使用され得る。これによって、隣接するセル内の送受信機又は移動局(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ことがわかっている。

スペクトル効率を最大にするために、ＯＦＤＭＡセル配置において周波数再利用係数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各ＢＳ及びＭＳによって再利用される。不都合なことに、この高スペクトル効率によってまた、不可避的にＩＣＩがもたらされる。したがって、良好なＩＣＩ管理方式が必要とされる。

単一セルの場合、既存の配分方法のほとんどが、各ＭＳがセル内干渉を回避するために異なるサブチャネル(複数可)を使用するという想定の下で電力又はスループットを最適化する。単一セル資源割当てにおける別の重要な想定は、ＢＳが全てのサブチャネルに関する信号対雑音比(ＳＮＲ)を有するということである。ＢＳからＭＳへのダウンリンク(ＤＬ)チャネルにおいて、ＳＮＲは通常ＭＳによって推定され、ＢＳにフィードバックされる。ＭＳからＢＳへのアップリンクチャネルにおいて、ＢＳはＭＳから受信した信号に基づいてＳＮＲを直接推定することができる。

マルチセルのシナリオにおいて、干渉は複数のセルからもたらされ得ると共に、資源配分前には知られていない、干渉物の距離、ロケーション、及び占有チャネル状態のような様々な要因に依拠するため、信号対干渉雑音比(ＳＩＮＲ)は取得するのが難しい。これによって、結果としてＩＣＩが相互依存性となり、資源配分問題が複雑になる。したがって、ＳＩＮＲの大域的で完全な知識を必要としない実際的なマルチセル資源配分方法が望ましい。

セル間干渉調整(ＩＣＩＣ)
ＩＣＩＣは、ＢＳから相対的に遠いセルの領域において効果的にＩＣＩを低減することができる技法である。ＩＣＩＣは、異なる複数のセルに関連付けられる、セルの境界付近のＭＳに、別個のチャネル資源を割り当てることによって達成される。境界ＭＳは高ＩＣＩの傾向が非常に強いため、境界ＭＳ間のチャネル割当ての調整によって、ＩＣＩ全体を大幅に低減することができる。より詳細には、ＩＣＩＣは、同じリソースを地理的に遠く離れたＭＳに割当てることによってＩＣＩ干渉を低減し、それによって、干渉に起因する経路損失が低減される。

しかしながら、境界ＭＳに関するリソース衝突を回避することにのみ基づくＩＣＩＣは、ＤＬ通信に関して限定された性能利得しか提供しない。これは、該ＩＣＩＣが、ＢＳからセル中央のＭＳへの送信によって生じる干渉を考慮しないためである。

空間分割多元接続(ＳＤＭＡ)
空間分割多元接続(ＳＤＭＡ)は、プレコーディング及びマルチ送受信機スケジューリングを用いて多入力多出力(ＭＩＭＯ)技法を使用することによって、マルチ送受信機チャネル接続を提供する。ＳＤＭＡはセル内のＭＳのロケーションの空間情報を利用する。ＳＤＭＡによって、信号の放射パターンは、特定の方向において最も高い利得を得るようになっている。これは、ビーム形成又はビームステアリングと呼ばれることが多い。ＳＤＭＡをサポートするＢＳは、同じ資源を使用して複数の移動局に向けられた信号を送信する。このように、ＳＤＭＡはネットワーク容量を増加させることができる。

基地局連携(ＢＳＣ)
基地局連携(ＢＳＣ)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ながら、複数のＭＳに同時に信号を送信することが可能になる。ＢＳＣは、ＢＳがＭＳに信号を協調して送信するためにＳＤＭＡ技法を利用し、特に、複数のＢＳの送信範囲内にある境界ＭＳのために使用される。この場合、干渉信号が有用な信号の一部分となる。したがって、ＢＳＣは、空間ダイバーシティ及びＩＣＩ低減の２つの利点を有する。

ダイバーシティセット
通常、各ＭＳはアンカーＢＳ又はサービングＢＳと呼ばれる１つのＢＳにおいて「登録」され、該ＢＳと通信する。しかしながら、ハンドオーバのような幾つかのシナリオにおいて、複数のＢＳとの同時通信が発生し得る。ダイバーシティセットは、この目的に適うようにＩＥＥＥ８０２．１６ｅ標準規格において定義されている。ダイバーシティセットは、ＭＳの通信範囲内にあるアンカーＢＳ及び近隣のＢＳを追跡する。ダイバーシティセット内の情報はＭＳにおいても維持及び更新される。

グラフベースのフレームワーク
従来の(非ＯＦＤＭＡ)セルラネットワーク及びメッシュネットワークにおけるチャネル割当て問題は、グラフ彩色手法を使用して解決されてきた。従来の問題の定式化において、グラフ内の各ノードは、チャネルが配分されるネットワーク内のＢＳ又はアクセスポイント(ＡＰ)に対応する。２つのノードを接続するエッジは起こり得る同一チャネル干渉を表す。これは通常、ＢＳの地理的近接性に対応する。このため、干渉制約を守るチャネル割当て問題は、グラフ彩色問題となり、ここで干渉する２つの基地局を表すノードは同じ色を有してはならず、すなわち同じチャネルを使用してはならない。

従来のネットワークにおいて、２つの隣接する基地局が、同じスペクトルを使用して同じ時刻に送信する場合、それらの基地局はＭＳにおいて互いに干渉を引き起こす。このため、従来のグラフにおいて、必要とされているのは、基地局を表す隣接するノードが異なる色を有することのみである。しかしながら、この解決策は、周波数再利用係数が１であり、全てのＢＳが同じスペクトルを使用するＯＦＤＭＡネットワークに適用可能でない。さらに、従来のグラフは、上記で説明したようなＩＣＩＣ及びＢＳＣのような技術を考慮していない。

この発明の実施の形態は、マルチグラフベースの手法を使用して、直交周波数分割多元接続(ＯＦＤＭＡ)セルラネットワークにおいて移動局(ＭＳ)にチャネルを配分するための方法を提供する。この明細書において定義されるように、マルチグラフは、ノード間の複数のエッジを許可する。

この方法は、資源配分問題をマルチグラフ彩色問題にマッピングする。このグラフベースの方法は、３つの態様において、従来技術と根本的に異なる。

第１に、従来技術は、干渉制約の下で使用されるサブチャネル数を最小にすることを目的とする。この発明は、固定で所定の数のサブチャネルを使用する。干渉を完全に回避することは物理的に可能でないため、適切で良好に管理された妥協策が検討される。

第２に、この発明によるグラフ内のノードは、移動局を指す。これは、ＯＦＤＭＡネットワークにおいて、チャネルはＭＳに配分されるためである。従来技術において、ノードは基地局を表す。さらに、ＭＳのロケーション及び移動によって干渉ダイナミクスが変化し、その結果グラフが変化する。

第３に、この発明によるマルチグラフでは、ノード間に複数のエッジが存在し得る。従来技術の基地局のグラフは、任意の２つのノード間に単一のエッジしか有しない。

ノードがＭＳを表し、グラフ内のエッジが該エッジによって接続されるノード間の起こり得る干渉を表すマルチグラフを構築する。干渉情報及び瞬時チャネル状態情報(ＣＳＩ)の双方を考慮して、ノードの任意の対に対して複数のエッジを構築することができる。干渉情報は、ＢＳにおいて保持されている、ＭＳに関するダイバーシティセットから取得される。ＩＣＩＣ、ＢＳＣ、及びＳＤＭＡ技法は全て組み込まれ、正確なＳＩＮＲ情報は一切必要とされない。

マルチグラフは、重複しない複数のクラスタに分割され、それらのクラスタにチャネルが配分される。分割によって、干渉管理及びチャネル割当てタスクが同時に達成される。

分割問題に対する最適解は実現可能でない。したがって、準最適な発見的方法を説明する。

この発明の実施の形態による、直交周波数分割多元接続(ＯＦＤＭＡ)ネットワークにおいてチャネル資源を配分するための方法のフローチャートである。 隣接するセルにおいて実施されるＩＣＩＣスペクトル配分、並びに２つのＭＳ及び２つのＢＳを用いた例示的なＩＣＩＣシナリオの概略図である。 隣接するセルにおいて実施されるＢＳＣスペクトル配分、並びに２つのＭＳ及び２つのＢＳを用いた例示的なＢＳＣシナリオの概略図である。 マルチセルネットワークの概略図である。 この発明の一実施の形態による、マルチセル、マルチ送受信機のシナリオに関して構築される干渉マルチグラフである。 この発明の一実施の形態によるダイバーシティセットの表である。 この発明の一実施の形態による、図４における干渉に関連するエッジ重みを求める方法のフローチャートである。 この発明の一実施の形態による、図６における方法に従って割り当てられる干渉に関連するエッジ重みを有する干渉グラフである。 この発明の一実施の形態による、干渉に関連し且つ信号に関連する割り当てられたエッジ重みを有する干渉グラフである。 この発明の一実施の形態による、チャネル割当てを解く方法のフローチャートである。 従来の配分方法及びこの発明による配分方法を比較するグラフである。

グラフベースのＯＦＤＭＡ資源配分
図１は、この発明の実施の形態による、マルチグラフベースの直交周波数分割多重(ＯＦＤＭ)資源配分方法を示している。ＯＦＤＭＡネットワークは、複数の基地局(ＢＳ)と、複数の移動局(ＭＳ)とを含む。

干渉マルチグラフ１０１を構築する(１１０)。グラフにおいて、ノード１５０はＭＳを表し、ノードを接続するエッジ１５１は、エッジによって接続されるノードによって表される移動局間の起こり得る干渉、及び移動局によって使用されるチャネルの品質を表す。

グラフは、ＯＦＤＭＡネットワーク内のＢＳ及びＭＳによって保持されるダイバーシティセット１０２を使用して構築される。各ＢＳはＭＳのセットに関するダイバーシティセットを保持することができ、ＢＳによってサービス提供される全てのダイバーシティセットの知識を有する。ＢＳは、全てのＢＳが全てのダイバーシティセットを有するように、ダイバーシティセットを交換することができ、ＭＳは自身が関連付けられる基地局に関するダイバーシティセットを保持することができる。

ＭＳにおける起こり得る干渉は、対応する確立されたダイバーシティセットに基づく。チャネル品質情報及びチャネル干渉情報１０３を適切な重み割当て１０４と共に使用して、干渉グラフ内のエッジを構築する。エッジは、ＭＳ(ノード)間の、チャネルに依存した干渉を表す。可能な重み１０５を、下記でより詳細に説明する。

干渉管理及びチャネル割当て１２０は、マルチグラフ１０１及びチャネル資源１２１を使用して実施される。発見的方法は、グラフを複数の別個のクラスタに分割すると共に、サブチャネルをクラスタに割り当てるようになっている。

スペクトル配分
図２Ａ及び図２Ｂは、この発明の実施の形態において説明される、ＯＦＤＭＡマルチセルネットワークのためのスペクトル配分を示している。７つのセルが示されている。これは、より多くのセルに容易に一般化することができる。周波数再利用係数は１である。すなわち、各セルがネットワーク帯域幅全体を使用する。各セルは、セル中央領域及びセル境界領域に地理的に分割され、境界領域は３つのセクタにさらに分けられる。

図２Ａ及び図２Ｂにおいて、Ａ_ｉ、Ｂ_ｉ、及びＣ_ｉは、それぞれ境界領域内の３つのセクタを指し、Ｄ_ｉはセル中央を指す。ただし、ｉ＝１，．．．，７である。図２Ａ及び図２Ｂに示すセクタ分割(sectorization)は、地理的領域の観点からの資源配分の概念を説明するための役割しかなく、限定的ではないことに留意されたい。図において、同じ網掛けを有するセクタ内のチャネルは同じ資源、たとえば周波数サブチャネルを共有し、したがって、互いに干渉する可能性があり得る。

セル中央は隣接するセルからより遠くにあり、したがって、ＢＳからセル中央ＭＳへの送信が、隣接するセル内のＭＳに対して引き起こすＩＣＩは、より少ないことに留意されたい。対照的に、セル境界は隣接するセルにより近く、このため、ＢＳから境界ＭＳへの送信は、通常、隣接するセル内のＭＳに対して、より強い干渉を引き起こす(と共に、より強い干渉を受ける)。換言すれば、境界領域における資源配分は、ＩＣＩを緩和することができるように、より注意深く管理されるべきである。これは、境界の計画を、ＩＣＩＣ又はＢＳＣのような干渉管理方式と組み合わせて実施することによって達成することができる。

ＩＣＩＣシナリオ
ＩＣＩＣは、異なるセルに属する境界ＭＳに別個のチャネル資源を配分することによって達成される。これは、図２Ａにおいて異なる複数の網掛けパターンによって示されている。ここで、隣接するＢ_１セクタ及びＢ_２セクタ内にそれぞれ位置するＭＳ１及びＭＳ２に、重複しないスペクトルが配分される。したがって、ダウンリンク信号によって互いに引き起こされる、起こり得る干渉を回避することができる。通常、ＩＣＩＣは、干渉を低減するために、隣接する境界領域(すなわち、Ａ_１，Ａ_４，及びＡ_５； Ｂ_１，Ｂ_２，及びＢ_３； Ｃ_１，Ｃ_６，及びＣ_７)内のチャネルに別個のスペクトルを配分することを提案する。

ＢＳＣシナリオ
ＢＳＣは、隣接する境界領域内のＭＳに重複するスペクトルを配分することによって達成される。図２Ｂに示されているように、隣接するＢ_１セクタ及びＢ_２セクタ内にそれぞれ位置するＭＳ１及びＭＳ２に、重複するスペクトルが配分される。次に、ＢＳ１及びＢＳ２は、ＭＳ１及びＭＳ２の双方に、同じ周波数帯域内で共同で信号を送信する。このため、ダウンリンク信号によって互いに引き起こされる、起こり得る干渉が、有用な信号(実線によって示される)に置き換えられる。通常、ＢＳＣは、図２Ｂに示すような協調を可能にするために、隣接する境界領域(すなわち、Ａ_１，Ａ_４，及びＡ_５； Ｂ_１，Ｂ_２，及びＢ_３； Ｃ_１，Ｃ_６，及びＣ_７)に、重複するスペクトルを配分することを提案する。これは従来のネットワークでは決して可能でない。

ＢＳＣをセル内ＳＤＭＡと統合することができ、これによって、ＢＳは、自身がサービス提供する複数のＭＳに、同じＯＦＤＭＡ資源を使用して送信することができる。たとえば、図２Ｂは、ＢＳ２がＳＤＭＡを使用してＭＳ２及びＭＳ３と通信している場合、ＭＳ１，ＭＳ２、及びＭＳ３が３−ＭＳ、２−ＢＳのＢＳＣシナリオに加わることができることを示している。

以下において、ＯＦＤＭＡベースのマルチセルネットワークのためのこの発明のマルチグラフベースの資源配分方法を説明する。この方法は、ＩＣＩＣ管理方式及びＢＳＣ管理方式の双方を同時に使用することを可能にすることに留意されたい。

干渉マルチグラフ
図３は、ＢＳ及びＭＳの構成例を示している。この発明では、ＭＳの地理的ロケーション、及びチャネル品質を示す瞬時チャネル状態情報(ＣＳＩ)から、干渉の強度を求めることを所望する。この情報を使用して、図４においてさらに詳細に示されるような対応する干渉マルチグラフ１０１を構築する。

図４において、各ノードＩ(ただし、Ｉ＝１，．．．，５)は、１つのＭＳを表す。ネットワーク内にＮ個のＯＦＤＭＡ資源、たとえばサブチャネルが存在すると想定する場合、全てのノード対はＮ個の並列のエッジによって接続される。Ｎ個の並列のエッジのそれぞれは、所与のサブチャネルにおける２つのＭＳ間の起こり得る干渉及び該チャネルに関するチャネル品質を表す、関連付けられる「コスト」又は重みｗを有する。たとえば、サブチャネルｎにおけるノードａ及びノードｂ(ただし、ａ＜ｂ)の間の重みは、図４のｗ_ａｂ，ｎによって表される。

重みｗ_ａｂ，ｎは、２つの要素、すなわち干渉ｗ_ａｂ、及び信号強度ｆ_ａｂ，ｎとして測定することができる瞬時チャネル品質によって影響を受ける。
ｗ_ａｂ，ｎ＝ｗ_ａｂ ^＊ｆ_ａｂ，ｎ (１)

重みｗ_ａｂは、ＭＳａ及びＭＳｂの双方が同じＯＦＤＭＡ資源を配分される場合にＭＳａとＭＳｂとの間に起こり得る干渉を表す。信号強度ｆ_ａｂ，ｎはサブチャネルｎ内のＭＳａ及びＭＳｂの瞬時ＣＳＩを表し、周波数選択性フェージングの効果を含む。重みｗ_ａｂ，ｎの値が大きいほど、ＭＳａ及びＭＳｂの双方が同じＯＦＤＭＡ資源を使用する場合にＭＳａとＭＳｂとの間に起こり得る干渉が大きくなる。信号強度ｆ_ａｂ，ｎの値が大きいほど、ＭＳａ及びＭＳｂのためのサブチャネルｎにおける瞬時チャネル品質が悪くなる。したがって、重みに対し、チャネル品質寄与は反比例する。

一般的なグラフ理論における既知の最大ｋ切断問題及びその双対最小ｋ分割問題と、干渉管理を考慮に入れるＯＦＤＭＡネットワークにおけるチャネル配分問題との間の密接な関係が見て取れる。グラフ理論において、切断は、グラフの頂点を複数のセット又はクラスタに分割することである。切断のサイズは切断部を横切るエッジの総数である。この発明の重み付けグラフにおいて、切断のサイズは、切断部を横切るエッジの重みの合計である。

切断は、切断のサイズがいかなる他の切断のサイズよりも小さくない場合、最も効果的(max)である。切断をｋ個の切断に一般化することによって、最大ｋ切断問題は、サイズがいかなる他のｋ個の切断よりも小さくないｋ個の切断から成るセットを見つけることとなる。対照的に、その双対最小ｋ分割問題は、クラスタ内エッジ重みの合計が最小であるクラスタリングを達成するｋ個の切断から成るセットを見つけることである。それらは共に、多数のノードを有するグラフに関するＮＰ完全問題である。結果として、この発明では、適切な解を効率的に生成することができる発見的方法を使用する。このため、Ｎ個のサブチャネルとＭ個のＭＳを所与とすると、チャネル配分問題に対する良好な解は、最小ｋ分割問題によって解かれる。

最小ｋ分割問題の目的は、図４に示す干渉マルチグラフを、クラスタ内エッジ重みが最小になるように複数のクラスタ４１０に分割することである。各クラスタ４１０は、資源、たとえばサブチャネルをさらに配分される。同じクラスタ内のノード、すなわちＭＳは、同じサブチャネルを配分される。クラスタ内エッジ重みを最小にするために、その結果は、強力な干渉物(高い重みに関連付けられる)を異なる複数のクラスタ内に配置すると共に、より良好なサブチャネル(低い重みに関連付けられる)を１つのクラスタに割り当てる傾向がある。これによって、この発明による、効率的な干渉管理を用いた最適チャネル割当てが達成される。

以下において、図４におけるチャネルに依存した重みを求めるための方法を説明する。チャネルに依存した重みは、２つの部分、
１)干渉に関連する部分の重み、及び
２)干渉に関連する重み及び信号に関連する重みが結合された重み
を含む。

干渉マルチグラフのための干渉に関連する重みの構築
チャネル割当ての前に関連するＳＩＮＲ測定値を取得するのは、仮に実現可能であるにしても実際には困難であるため、この発明の実施の形態は、干渉に関連する部分の重みｗ_ａｂを、正確なＳＩＮＲ測定値なしで構築する方法を提供する。基本的な着想は、基地局(ＢＳ)において保持されるＭＳａ及びＭＳｂに関するダイバーシティセット情報１０２に基づいて、エッジ(ａ，ｂ)に関連付けられる重みを求めることである。

図５は、図３に示す例に関するダイバーシティセットを示している。図５において、各行５０１は、ＢＳにおいて対応するＭＳに関して保持されるダイバーシティセットを示している。各ＭＳはアンカーＢＳ５１１を有し、ＭＳがセル境界の近くに位置する場合、幾つかの隣接するＢＳ５１２を有する可能性がある。ダイバーシティセットは、ＭＳ間の干渉に関する有用な地理的情報を含む。地理的情報は、ネットワークのトポロジ又は「構造」を表す。したがって、この構造はマルチグラフ内に反映される。

さらに、下記で説明するように、ダイバーシティセットからの任意の２つのＭＳ間の起こり得る干渉を求めることができる。したがってマルチグラフにおいて、エッジによって、チャネル品質と共に、起こり得る干渉も表される。

ＭＳ２及びＭＳ４は同じセル内にあり、同じアンカーＢＳを有する。したがって、ＭＳ２及びＭＳ４が同じＯＦＤＭＡ資源(たとえばサブチャネル)を配分される場合、ＭＳ２及びＭＳ４がＳＤＭＡを実施しない限り、互いにセル内干渉を引き起こす。

ＭＳ１のアンカーＢＳは、ＭＳ４の隣接するＢＳのセット内にある。同様に、ＭＳ４のアンカーＢＳは、ＭＳ１の隣接するＢＳのセット内にある。これは、ＭＳ１及びＭＳ４が、同じＯＦＤＭＡ資源(たとえばサブチャネル)を配分される場合、互いに干渉を引き起こす可能性があることを意味している。同じ理由で、ＭＳ１及びＭＳ４はＢＳＣを実施することができる。このため、ＭＳ１及びＭＳ４は、ＢＳＣを実施しない限り、互いにＩＣＩを有すると結論付けることができる。

ＭＳ４のアンカーＢＳは、ＭＳ３の隣接するＢＳのセット内にある。このため、ＭＳ４及びＭＳ３は、同じＯＦＤＭＡ資源(たとえばサブチャネル)を使用する場合、互いに干渉を引き起こす。しかしながら、ＭＳ３のアンカーＢＳは、ＭＳ４の隣接するＢＳのセット内にないため、ＭＳ３及びＭＳ４はＢＳＣを実施することができない。ＭＳ１及びＭＳ３は、いずれのＭＳのアンカーＢＳも他方のＭＳの隣接するＢＳのセット内にないため、互いに干渉しない。

上記の分析は、全てのノード対に関して実施され、その後に重み割当てが続く。一実施の形態では、任意の２つのノード間のエッジに関して選択することができる７つの可能な重み値１０５、
ｗ_Ｂ，ｗ_Ｓ，ｗ_Ｎ，ｗ_０，ｗ_１，ｗ_２，ｗ_Ａ
が存在する。ここで、重みｗ_ＢはＢＳＣに関連付けられる重みに対応し、ｗ_ＳはＳＤＭＡに関連付けられる重みに対応し、ｗ_Ｎは非干渉に関連付けられる重みに対応し、ｗ_Ａはセル内干渉に関連付けられる重みに対応し、ｗ_０、ｗ_１、及びｗ_２は、２つのＭＳの地理的ロケーションに依拠する様々な干渉レベルにおけるＩＣＩ重みである。

すなわち、２つの異なるセル内に位置する２つのＭＳ間の相互ＩＣＩは、各ＭＳが自身のセルの中央にある場合、最も低く(ｗ_０によって表される)、一方のＭＳが一方のセルの境界にあり、他方が他方のセルの中央にある場合、中程度であり(ｗ_１によって表される)、双方のＭＳが自身のセルの境界にある場合、最も強力である(ｗ_２によって表される)。

全体的に、７つの重み値は以下のようにランク付けすることができる。
ｗ_Ｂ≒ｗ_Ｓ＜＜ｗ_Ｎ＜ｗ_０＜ｗ_１＜ｗ_２＜＜ｗ_Ａ

ｗ_Ｂ及びｗ_Ｓは、ＭＳが同じサブチャネルを使用することを必要とするため、最も小さく、ｗ_Ａは、セル内干渉を完全に回避しようとするため、最も大きいことに留意されたい。

干渉を意識したエッジ重みを求める完全な方法は、図６のフローチャートによって要約されている。

第１に、ＭＳａのアンカーＢＳ及びＭＳｂのアンカーＢＳをチェックする(６１０)。それらが同じである場合、重み決定を直接行うことができる。ＳＤＭＡを使用するか否かを判断し(６１１)、それに従って、ｗ_ａｂをｗ_Ｓ６１２又はｗ_Ａ６１３として割り当てる。

ＭＳａのアンカーＢＳ及びＭＳｂのアンカーＢＳが同じでない場合、さらなる手順が必要となる。具体的には、ＭＳａのアンカーＢＳが、ＭＳｂの隣接するＢＳのダイバーシティセット内にあるか否かをチェックし(６３０)、それに従って、一時的な重み(ｗ_０，ｗ_１，ｗ_２)６３１又はｗ_Ｎ６３２を割り当てる。同様に、ＭＳｂのアンカーＢＳが、ＭＳａの隣接するＢＳのダイバーシティセット内にあるか否かをチェックし(６５０)、それに従って、一時的な重み(ｗ_０，ｗ_１，ｗ_２)６５１又はｗ_Ｎ６５２を割り当てる。双方のアンカーＢＳが互いの隣接するＢＳのセット内にある場合、ＢＳＣを適格とし、ＢＳＣを使用するか否かを判断する(６７０)。ＢＳＣを使用する場合、ｗ_Ｂ６７１を割り当て、そうでない場合、ｍａｘ(ｗ^(１)，ｗ^(２))６７２を割り当てる。

図３に関する、結果としての干渉に関連する重みが、ノード１〜５に関して図７に示されている。ここで、幾つかのエッジ１５１は、ＭＳの実際の構成に依拠して複数の可能な重みを含む。たとえば、ＭＳ１及びＭＳ４は、ＩＣＩＣ(重みｗ_２)又はＢＳＣ(重みｗ_Ｂ)を実施することができる。ＭＳ２及びＭＳ４(又はＭＳ３及びＭＳ５)は、ＳＤＭＡを採用する(重みｗ_Ｓ)か又は採用しない(重みｗ_Ａ)ことができる。ＩＣＩを有する他のノード対に関して、ＩＣＩＣを使用する。ＢＳＣ及びＳＤＭＡは、物理的に実現可能な場合に組み込むことができるオプションの機能であることに留意されたい。

一実施の形態について、干渉に関連するエッジ重みは、
(ｗ_Ｂ，ｗ_Ｓ，ｗ_Ｎ，ｗ_０，ｗ_１，ｗ_２，ｗ_Ａ)＝(−１０^３，−１０^３＋５０，０，５０，１００，２００，１０^５)
である。

重みにおける小さな変化は結果を変化させない。上記に記載するグラフエッジ重みと異なるグラフエッジ重みも使用することができることに留意されたい。

干渉マルチグラフに関する、干渉に関連する重み及び信号に関連する重みが結合された重み
この発明の実施の形態は、干渉に関連する重み及び信号に関連する重みが結合された重みｗ_ａｂ，ｎを構築する方法を提供する。目的は、予め確立された干渉に関連する重みに、信号に関連する重みを適切に組み込むことである。信号に関連する部分ｆ_ａｂ，ｎは、最低でも、ＭＳａ及びＭＳｂのためのサブチャネルｎにおける瞬時ＣＳＩが悪いほど信号強度ｆ_ａｂ，ｎの値が高くなるという規則に従う。

ｗ_ａｂ∈｛ｗ_Ｎ，ｗ_０，ｗ_１，ｗ_２，ｗ_Ａ｝について、ｗ_ａｂ，ｎを以下のように定義し、

ｗ_ａｂ∈｛ｗ_Ｂ，ｗ_Ｓ｝について、ｗ_ａｂ，ｎを以下のように定義する。

ただし、ｈ_ａｎはＭＳａのためのサブチャネルｎにおける瞬時チャネル利得であり、ｈ_ｂｎはＭＳｂのためのサブチャネルｎにおける瞬時チャネル利得であり、ｈ_ａｎ及びｈ_ｂｎは非負値である。信号強度ｆ_ａｂ，ｎは、ｈ_ａｎ又はｈ_ｂｎのいずれかが小さく、チャネルの瞬時品質が悪いことを意味するとき、ｗ_ａｂ，ｎの重み値が相対的に大きくなるように、ｗ_ａｂの値の符号に従って調整されることに留意されたい。したがって、重みはチャネル品質に反比例する。

図８は、干渉に関連する重み及び信号に関連する重みが結合された重みを有する、結果としてのマルチグラフを示している。

マルチグラフ彩色問題を解くための方法
最小ｋ分割問題に対する最適解は、大きなグラフ、すなわち多数のＭＳの場合に計算量が非常に多い。このため、この問題を解く準最適発見的方法を使用する。

図９は発見的方法を示している。Ｎ個のサブチャネル及びＭ個のＭＳを所与とすると、ここでのこの発明の目的は、干渉マルチグラフを、クラスタ間エッジ重みが最小になるように、Ｎ個のクラスタに分割する分割を見つけると共に、各クラスタにサブチャネルを関連付けることである。

この方法は、Ｍ＞Ｎであるか否かをチェックする(９１０)ことから開始する。Ｍ≦Ｎの場合、クラスタリング問題は取るに足りないものとなり、残りのタスクは、Ｍ個のノードをＭ個のクラスタに割り当て(９１１)、その後チャネル割当てを行うことである。Ｍ＞Ｎの場合、この方法は、最初に、Ｎ個のクラスタに、各クラスタに１つずつ、Ｎ個の任意に選択されたノードを割り当てる(９１２)。

次に、クラスタ(Ｍ≦Ｎの場合Ｍ個のクラスタ、又はＭ＞Ｎの場合Ｎ個のクラスタ)を、１度に１つずつ、任意の順序で検査する(９１３)。個々のクラスタ毎に、該クラスタにサブチャネルを割り当てる(９１４)。割り当てられるサブチャネルは、このクラスタに関し、該サブチャネルを使用することによる容量が最大となるサブチャネルである。

割当ての後、既に配分されたサブチャネルを利用可能な資源プールから取り除き、サブチャネルプールを更新する(９１５)。そして、全てのクラスタにサブチャネルを割り当てる(９１６)まで、同じ手順を次のクラスタに適用する。

Ｍ＞Ｎであるか否かを再びチェックする(９２０)。Ｍ≦Ｎである場合、これまでに、干渉管理及びチャネル割当てプロセス全体が完了している(９２４)。

Ｍ＞Ｎである場合、各ステップにおいて、残りのＭ−Ｎ個のノードを、クラスタ間重みの増加が最小となるクラスタに反復的に割り当てる(９２１)。ここで各クラスタはサブチャネルに関連付けられているため、クラスタ間重みは、チャネル依存である。新たな割当てが完了すると、クラスタのクラスタ内重みを更新する(９２２)。アルゴリズムは、全てのノードをクラスタに割り当てる(９２３)まで、次のノードに対して継続し、全てのノードをクラスタに割り当てるとこの方法は終了する(９２４)。

性能評価
図１０は、従来のＩＣＩを意識しない配分をこの発明による提案される方法と比較している。この方法は、干渉管理メカニズム(ＩＣＩＣ又はＩＣＩＣ＋ＢＳＣ)において異なる。すなわち、ＢＳＣ方式は、実現可能なときはいつでも、ＢＳＣ重みｗ_Ｂを干渉マルチグラフ内に組み込み、一方でＩＣＩ方式は組み込まない。グラフは、３つのテスト方式に関して累積分布関数(ＣＤＦ)対ＳＩＮＲを示している。この発明による方法は、従来のＩＣＩを意識しない方法と比較して、ＳＩＮＲ性能に対する顕著な改善を有する。これによって、提案される干渉管理及びチャネル割当て方法の効率性が実証される。

この発明の方法及びネットワークは、多種の分野に適用可能である。

Claims (20)

1. 基地局のセットと、該基地局毎の移動局のセットとを含む直交周波数分割多元接続ネットワークにおいてチャネル資源を配分するための方法であって、
   マルチグラフを構築するステップであって、該マルチグラフ内のノードは直交周波数分割多元接続ネットワーク内の前記移動局を表し、ノード対間の各エッジは、該ノード対によって表される前記移動局によって使用されるチャネルに関する起こり得る干渉及びチャネル品質を表すものと、
   前記マルチグラフの構造、前記起こり得る干渉、及び前記チャネル品質に基づいて、前記移動局に前記チャネル資源を配分するステップと、
   を含む、方法。
2. 前記移動局毎にダイバーシティセットを保持するステップであって、該ダイバーシティセットは、該移動局のためのアンカー基地局及び任意の隣接する基地局を示し、前記マルチグラフの前記構造及び前記起こり得る干渉は、前記ダイバーシティセットに基づくものをさらに含む、請求項１に記載の方法。
3. 重みを各前記エッジに割り当てるステップであって、前記重みは前記起こり得る干渉に比例し、且つ前記チャネルの前記チャネル品質に反比例するものをさらに含む、請求項１に記載の方法。
4. 前記直交周波数分割多元接続ネットワークの周波数再利用係数は１である、請求項１に記載の方法。
5. 前記チャネル資源はセル間干渉調整に従って配分され、該配分されるチャネル資源は別個である、請求項１に記載の方法。
6. 前記チャネル資源は基地局協調に従って配分され、該配分されるチャネル資源は共有される、請求項１に記載の方法。
7. 前記基地局協調は空間分割多元接続を使用する、請求項６に記載の方法。
8. 前記直交周波数分割多元接続ネットワーク内にＭ個の移動局とＮ個の利用可能な資源が存在し、且つＭがＮより大きいならば、前記マルチグラフ内のＭ個のノードからＮ個を任意に選択すると共に各該ノードをクラスタに割り当てること、
   Ｎ個のクラスタを１度に１つずつ任意の順序で検査することによって、前記クラスタ内の前記ノードによって表される移動局の結果としての容量が最大になるように、Ｎ個の利用可能な資源からのサブチャネルを前記クラスタに配分すること、
   前記配分に従って前記資源を更新すると共に、前記クラスタ内の前記ノードによって表される全ての移動局がサブチャネルを配分されるまで、該配分を継続すること、
   残りのＭ−Ｎ個のノードを、前記クラスタに追加される全てのノードについて、もたらされる追加のクラスタ内重みが最小になるように前記クラスタに割り当てること、及び
   全てのノードがクラスタに割り当てられると前記配分を終了すること、
   をさらに含む、請求項１に記載の方法。
9. ノードａとノードｂとの間のエッジにおける重みｗ_ａｂ，ｎは、
   ｗ_ａｂ，ｎ＝ｗ_ａｂ ^＊ｆ_ａｂ，ｎ
   であり、ただし、ｗ_ａｂは起こり得る干渉であり、ｆ_ａｂ，ｎは瞬時信号強度ｆ_ａｂ，ｎに依拠し、該信号強度は前記チャネル品質に反比例する、請求項３に記載の方法。
10. 各前記クラスタ内の前記エッジの重みの総計が最小になるように、前記グラフ内の前記ノードを複数のクラスタに分割することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
11. 前記分割は、最小ｋ分割プロセスを使用する、請求項１０に記載の方法。
12. 特定のクラスタ内の前記ノードによって表される全ての移動局に同じチャネル資源が割り当てられる、請求項１に記載の方法。
13. 前記重みは、
    ｗ_Ｂ，ｗ_Ｓ，ｗ_Ｎ，ｗ_０，ｗ_１，ｗ_２，ｗ_Ａ
    から選択され、ここで、重みｗ_Ｂは基地局協調に関連付けられる重みに対応し、ｗ_Ｓは空間分割多元接続に関連付けられる重みに対応し、ｗ_Ｎは非干渉に関連付けられる重みに対応し、ｗ_Ａはセル内干渉に関連付けられる重みに対応し、ｗ_０，ｗ_１，及びｗ_２は、前記ノードによって表される前記移動局の地理的ロケーションに依拠する様々な干渉レベルにおけるチャネル間干渉重みである、請求項３に記載の方法。
14. 前記重みは、
    ｗ_Ｂ≒ｗ_Ｓ＜＜ｗ_Ｎ＜ｗ_０＜ｗ_１＜ｗ_２＜＜ｗ_Ａ
    のようにランク付けされる、請求項１３に記載の方法。
15. 前記重みは、
    ｗ_Ｂ，ｗ_Ｓ，ｗ_Ｎ，ｗ_０，ｗ_１，ｗ_２，ｗ_Ａ
    から選択され、
    ｗ_ａｂ∈｛ｗ_Ｎ，ｗ_０，ｗ_１，ｗ_２，ｗ_Ａ｝について、ｗ_ａｂ，ｎを以下のように定義し、
    

    

    ｗ_ａｂ∈｛ｗ_Ｂ，ｗ_Ｓ｝について、ｗ_ａｂ，ｎを以下のように定義し、
    

    

    ただし、ｈ_ａｎはノードａのためのサブチャネルｎにおける瞬時チャネル利得であり、ｈ_ｂｎはノードｂのためのサブチャネルｎにおける瞬時チャネル利得である、請求項１４に記載の方法。
16. 前記直交周波数分割多元接続ネットワークにおいて全ての隣接する基地局間で前記ダイバーシティセットを交換することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
17. 各前記基地局において、前記ダイバーシティセットに基づいて、該基地局によってサービス提供される移動局のセットが、空間分割多元接続を実施することができるか否かを判断すること、
    各前記基地局において、前記ダイバーシティセットに基づいて、該基地局によってサービス提供される前記移動局のセットが、基地局協調を実施することができるか否かを判断すること、
    各前記基地局において、前記ダイバーシティセット情報に基づいて、該基地局によってサービス提供される前記移動局のセットが、前記隣接する基地局によってサービス提供される前記移動局のセットにおいてセル間干渉を引き起こすか否かを判断すること、及び
    各前記基地局において、該基地局によってサービス提供される前記移動局が、該基地局によってサービス提供される前記移動局のセット内でセル内干渉を引き起こすか否かを判断すること、
    をさらに含む、請求項２に記載の方法。
18. セル内干渉によって引き起こされる干渉に関して前記マルチグラフ内の全てのサブチャネルに関連付けられる固有のエッジ重みを割り当てること、
    セル間干渉によって引き起こされる干渉に関して前記マルチグラフ内の全てのサブチャネルに関連付けられる固有のエッジ重みを割り当てること、
    空間分割多元接続によって引き起こされる干渉に関して前記マルチグラフ内の全てのサブチャネルに関連付けられる固有のエッジ重みを割り当てること、及び
    基地局協調によって引き起こされる干渉に関して前記マルチグラフ内の全てのサブチャネルに関連付けられる固有のエッジ重みを割り当てること、
    をさらに含む、請求項１７に記載の方法。
19. 基地局のセットと、該基地局毎の移動局のセットとを含む直交周波数分割多元接続ネットワークにおいてチャネル資源を配分するための方法であって、
    マルチグラフを構築するステップであって、該マルチグラフ内のノードは前記移動局を表し、ノード対間の各エッジは、該ノード対によって表される前記移動局によって使用されるチャネルに関する起こり得る干渉及びチャネル品質を表すものと、
    前記起こり得る干渉及び前記チャネル品質に基づいて、各前記エッジに重みを割り当てるステップと、
    前記重みに基づいて、前記移動局にサブチャネルを配分するステップと、
    を含む、方法。
20. 直交周波数分割多元接続ネットワークであって、
    基地局のセットと、
    前記基地局毎の移動局のセットと、
    前記移動局のセットに関するダイバーシティセットを保持する手段と、
    前記ダイバーシティセットを使用してマルチグラフを構築する手段であって、前記マルチグラフ内のノードは前記移動局を表し、ノード対間の各エッジは、起こり得る干渉と、前記ノード対によって表される前記移動局によって使用されるチャネルに関するチャネル品質とを表し、該起こり得る干渉及び該チャネル品質に基づいて、各前記エッジに重みが割り当てられるものと、
    前記重みに基づいて、前記移動局にサブチャネルを配分する手段と、
    を備える、直交周波数分割多元接続ネットワーク。

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