JP2015046938A - 無線中継システムでのリソース割り当て - Google Patents

Abstract

【課題】無線リソースエレメントを割り当てる方式は、特に、制御データに割り当てられる無線リソースエレメントにおいて基地局から送信される信号と中継局から送信される信号との間で干渉が回避されることを確保する。【解決手段】セルラ無線システムの容量は、中継局の動作と共に、隣接基地局又は基地局セクタにより使用される無線リソースエレメントを再利用するように構成された基地局又は基地局セクタの動作により増加する。中継局も、隣接中継局により使用される無線リソースエレメントを再利用しないように構成される。中継局により再利用される無線リソースエレメントは、基地局により使用される無線リソースエレメントとは異なる。中継局は、特に、各基地局から送信された信号の間の干渉から受ける基地局のカバレッジエリアの間の境界のエリアでカバレッジを提供する。【選択図】図１３

Description

本発明は、概して無線通信ネットワークに関し、より具体的には、マルチホップ又は中継により拡張されたセルラ無線システムに関する方法及びシステムに関する。

移動ハンドセットのようなユーザ装置が無線リンクを介して電気通信ネットワークに接続された基地局のネットワークに通信する移動電話システムは、複数の世代を通じて急速な発展を経験している。アナログ変調を使用したシステムの初期の配置は、第２世代のデジタルシステムにより取って代わられ、現在では、第２世代のデジタルシステムは、UMTS及びCDMAのような第３世代のデジタルシステムにより取って代わられている。第３世代の標準は、第２世代のシステムにより提供されるものより大きいデータスループットを提供する。この傾向は、いわゆるLong Term Evolutionシステム（しばしばLTEと呼ばれる）のThird Generation Partnership Projectによる提案でも継続している。LTEシステムは、広い周波数帯域とスペクトル効率の良い変調技術とを使用し、また、容量を増加させるための空間的に異なる伝搬パスの利用（Multiple In Multiple Out）を場合によって使用することにより、依然として潜在的に大きい容量を提供する。

移動電話システムとは異なり、無線アクセスシステムはまた、当初は加入者の構内のユーザ装置と公衆電話交換網（PSTN：public switched telephone network）との間の“ラストマイル”（又はその周辺の）接続を提供することを目的とした発展を経験している。このようなユーザ装置は、典型的には電話又はコンピュータが接続された端末であり、初期のシステムでは、基地局間のユーザ装置の移動又はローミングが提供されていない。
しかし、WiMax標準（IEEE802.16）は、このような端末が高データレートの無線アクセスシステムを介してPSTNに接続する手段を提供している。

WiMax及びLTEは異なる経路を介して発展しているが、双方とも、典型的には同様の技術を使用して同様の目的を提供する高容量の無線データシステムを特徴とすることができ、更に、双方ともセルラ無線システムとしてのセルラのレイアウトで配置される。典型的には、このようなセルラ無線システムは、移動電話ハンドセット又は無線端末のようなユーザ装置と、アクセスリンクと呼ばれるものでセルとして知られるカバレッジエリアに存在する多数のユーザ装置とそれぞれ潜在的に通信する複数の基地局と、各基地局とPSTNのような電気通信ネットワークとの間のバックホールとして知られる双方向接続とを有する。

図１は、通常の無線セルラネットワークを示しており、この例では、基地局2a....2gのアクセスリンクは、いわゆる“n=3”の周波数再利用パターンで構成されている。すなわち、利用可能な無線周波数スペクトルは、３つのサブバンドf1、f2及びf3に分割され、nはサブバンドの数を示す。各基地局のカバレッジエリアは、指向性アンテナの使用により３つのセクタに分割され、各セクタは、異なる周波数サブバンドで動作する。図１の例では、参照符号2aにより示される基地局に関連する参照符号1a、1b及び1cにより示されるセクタは、それぞれ周波数サブバンドf1、f2及びf3で動作する。図１に示す周波数再利用パターンは、隣接セクタが同じ周波数で動作せずに繰り返され、これにより、隣接セクタ間の干渉を最小化することができる。サブバンドは、必ずしも周波数の連続ブロックで構成される必要はなく、実際に、周波数選択性減衰（frequency selective fade）の影響を分散させるために周波数をインターリーブする点に何らかの利点が存在し得る。周波数選択性減衰は、マルチパス成分の間の破壊的な干渉による信号電力の減少である。例えばWiMax又はLTEのような直交周波数分割多重（OFDM：orthogonal frequency division multiplexing）を使用したセルラシステムでは、サブバンドは、典型的にはサブキャリアの不連続なグループを有する。しかし、明瞭にするために、サブバンドは、しばしば別々の連続するブロックとして示される。別々の連続するブロックでは、周波数の数値指定は、物理レイヤでの実際の周波数と任意の関係を有する。

図１は、セクタ1a、1b、1cが六角形のエリアとして示されている概略図である。実際には、地理的制限及び伝搬条件により、各セクタのカバレッジエリアは形状で不規則になり、セクタのエリアは不均一になる。そして、基地局の間隔は、利用可能なサイトにより決定され、必ずしも図１に示すような理想的な状況に対応するとは限らない。

基地局により送信される信号の間の干渉又は地形による影のため、セルラシステムのカバレッジエリアに隙間が存在する可能性がある。通常では、これらの隙間は、基地局からの信号を受信してカバレッジが弱いエリアに再送信するリピータ局の使用により対処され得る。しかし、帯域内で受信した全ての信号を単に再送信するリピータ局は、他のエリアのカバレッジを減少させる干渉を生じる可能性がある。干渉は、リピータ局の代わりに中継局を使用することにより低減され得る。中継局は、どの信号を再送信するかを選択し、典型的には、弱いカバレッジエリア内の端末に送信する。

典型的には、中継局は、通常の基地局とは対照的に、無指向性アンテナを備えた小型の低電力基地局である。通常の基地局は、典型的には、中継局より高い送信電力で動作し、典型的には、広範囲のカバレッジエリアを提供するためにタワーに搭載された指向性アンテナを使用する。セルラ無線システムの無線リソースは、中継局と通常の基地局との間のバックホールトラヒックを中継するために使用され得る。

図２は、セルラ無線ネットワーク内で動作する通常の中継局を示している。例えば、この動作はIEEE802.16jに従ってもよい。ユーザ装置12bは、中継局10と通信する。中継局10は、セルラ無線リソースとは別のバックホールリンクを備えていないため、中継局は、バックホールデータを隣接基地局2aに及び隣接基地局2aから中継するために使用する無線リソースタイムスロットを割り当てられる。隣接基地局2a自体は、マイクロ波リンクによりマイクロ波局6に接続され、それから公衆電話交換網のような電気通信ネットワーク8に接続される。ユーザ装置12aは、基地局2aと直接通信するものとして示されている。

中継局10は、丘のような地勢若しくはビルのような他の障害物により基地局から部分的に隠れたエリアに配置されることがあり、又は基地局からの弱いリンクを受けるビル又はカバレッジのないビルの一部にカバレッジを提供するためにビル内に配置されることがある。中継局10は、基地局と通信でき、また、隠れたエリアにカバレッジを提供するように配置される。典型的には、中継局は、基地局セクタによりカバーされるものより小さいエリアにカバレッジを提供するために必要である。通常では、中継局は、セルラ無線システムの無線カバレッジエリアの小さい部分をカバーするために使用され、中継局のカバレッジエリアはめったに相互に重複しない。このような通常の中継局の低密度の配置では、ユーザ装置と通信するための中継局への動作周波数の割り当ては、アドホック方式で実行され得る。中継局のカバレッジと基地局のカバレッジとの間で重複するエリアが小さい場合、中継局が配置された基地局セクタに割り当てられた周波数サブバンドを再利用することが許容可能になり得る。或いは、中継局が配置される基地局セクタに割り当てられたものとは異なるサブバンドが中継局に割り当てられ得る。中継局のカバレッジエリアが小さい場合、他の基地局セクタの信号及び他の中継局からの信号との干渉の可能性は問題になる可能性が小さい。

しかし、対象のカバレッジエリアの一部が基地局から隠れている状況に限らず、一般的に、無線セルラネットワークの容量を増加させる目的で中継局を使用する潜在的な利点が存在する。このような中継局の一般的な使用は、潜在的に基地局セクタ内での中継局の高密度の配置を含み、これにより、中継局のカバレッジエリアが相互に重複し、また、基地局セクタのカバレッジエリアとも実質的に重複する可能性がある。このような配置の潜在的な利点は、中継局が信号受信のローカルエリアを提供することにあり、基地局のみで提供されるものに対して搬送波対干渉比が改善することにある。しかし、干渉を生じないようにn=3の周波数再利用を使用した通常のセルラ無線ネットワーク内に配置される中継局に周波数サブバンドを割り当てることは問題になる可能性がある。

図３は、n=3の周波数再利用方式を使用したセルラ無線システム内での中継局10a....10cの配置の潜在的な問題を示しており、２つの基地局2a、2bのカバレッジエリアを示している。３つの中継局10a....10cは、基地局2a、2bのカバレッジエリア内に配置され、３つのユーザ装置12a....12cが示されている。所与のユーザ装置12aは、基地局2aと中継局10aとの双方から信号を受信することができる。ユーザ装置12aは、最高品質の信号を提供する基地局2a及び中継局10bのどちらかを使用するためにハンドオーバする。この品質は、搬送波対干渉比として表されてもよい。ハンドオーバ処理の目的は、無線セルラシステムのカバレッジエリア内で利用可能な平均搬送波対干渉比を増加させることであり、従って、トラヒック容量を増加させることである。この理由は、トラヒック容量は搬送波対干渉比に関係するからである。

図３により示すようにシステムに周波数サブバンドを割り当てることは、例えば参照符号10aにより示される中継局の場合に問題になる。この中継局10aが基地局セクタ1aにより使用される周波数サブバンドf1で動作する場合、中継局10aから送信される信号と基地局2aにより送信される信号との間に干渉の可能性が存在する。中継局10aが周波数サブバンドf2で動作する場合、中継局10aから送信される信号と、ユーザ装置12bと通信するセクタ1eの基地局2bにより送信される信号との間に干渉の可能性が存在する。中継局10aが周波数サブバンドf3で動作する場合、中継局10aから送信される信号と、ユーザ装置12cと通信するセクタ1cの基地局2aにより送信される信号との間に干渉の可能性が存在する。

図４は、図２に示すようなシステムにおいて、アクセス14a....14dとバックホール（中継局10と関連する基地局2との間の“中継”16a...16cとしても示される）とに交互にタイムスロットを割り当てる通常のタイムフレーム構成を示している。

図５は、図４のフレーム構成の各アクセスタイムスロット14a....14d内の無線リソースの通常の割り当て例を示している。中継を使用しないシステムでは、中継タイムスロットは存在しないため、アクセスタイムスロットが時間的に連続する。無線リソースは、図１に示すようなn=3の再利用パターンで使用するため、周波数で３つのサブバンドf1、f2、f3に分割される。各周波数サブバンドは、時間の次元で制御タイムスロット18a....18cとペイロード20a....20cのタイムスロットとに分割され、周波数サブバンドf1、f2及びf3の制御タイムスロット18a....18cは時間で相互に一致することがわかる。この時間での一致は、ユーザ装置の受信機12a、12bが無線リソースフレーム構成に同期しており、各サブバンドで同時に制御データを受信することを想定して受信機12a、12bが関連するセルラ無線標準（例えば、WiMax又はLTE標準）に従って予めプログラムされているため、生じる。制御タイムスロット18a....18cの一部を形成するデータの例は、802.16 WiMaxシステムのフレーム制御ヘッダ（FCH：frame control header）である。同様に、LTEシステムの場合、データフレーム内の様々な位置に存在し得る制御タイムスロットが存在する。例えば、制御タイムスロットは、フレームの始め、中間及び終わりに位置してもよい。一般的に、制御トラヒックは、例えばフレームのサイズと、その開始及び終了アドレスとを示す。

フレームのペイロード部分20a....20cを受信するために、フレームに関連する各制御タイムスロット18a....18cを受信する必要がある。従って、制御タイムスロット18a....18cが干渉から保護されることが特に重要である。図１に示すn=3の周波数再利用方式では、何らかの所与の基地局2aの隣接セクタにより送信された信号の制御タイムスロット間の干渉は、本質的に最小化される。この理由は、前述のように、隣接セクタは異なる周波数サブバンドで動作するからである。

典型的には、制御タイムスロットにより伝達される情報は、基地局間及び基地局セクタ間で変化する。従って、同じ情報を伝達する潜在的に干渉する信号のインテリジェントな合成により基地局間及び基地局セクタ間の干渉の影響を軽減する技術は、一般的には制御タイムスロットで使用するには適用可能ではない。例えば、ソフトハンドオーバ及び最善のサーバ選択方法は、潜在的に干渉する信号の情報内容が同じであるという制限を課すため、一般的には制御タイムスロットでの使用には適用可能ではない。

基地局2及び中継局10からの信号間の干渉を回避するため、フレーム20a、20b、20cのペイロード部分内での無線リソースの割り当てを制御することも可能であるが、制御データ18a、18b、18cに使用される無線リソースを再割り当てすることは、典型的には不可能である。この理由は、これは、フレーム構成内の所定の位置で生じるように、関連するセルラ無線標準内で定義されているからである。従って、関連の標準で動作するユーザ装置は、フレーム構成内の所定の位置で制御データを予期するように予めプログラムされる。従って、基地局2と同じサブバンドが中継局10に割り当てられた場合、基地局2から送信される制御データと中継局10から送信される制御データとの間に干渉が生じる可能がある。

実際に、中継局は、基地局セクタのカバレッジの末端に配置されたときに最も価値がある。この理由は、ここでカバレッジの増加が最も必要とされる可能性が高いからである。
しかし、この状況で干渉が生じる可能性が最も高くなる。更に、干渉は、同じサブバンドで動作し得る隣接中継局からの送信の間で受ける可能性がある。

従って、n=3の周波数再利用を使用した通常のセルラ無線ネットワークのカバレッジエリア内での中継局の使用は、基地局から送信された信号との干渉及び隣接中継局から送信された信号との干渉を潜在的に生じ得る。

これらの欠点に対処する方法及び装置を提供することが、本発明の目的である。

本発明の第１の態様によれば、複数の基地局と複数の中継局とを有するセルラ無線ネットワークにおいて、制御データの通信のための複数の第１の無線リソースエレメントを有するフレーム構成内で無線リソースを割り当てる方法が提供され、基地局による制御データの通信のために複数の第１の無線リソースエレメントの１つ以上のエレメントを割り当て、中継局による制御データの通信のために複数の第１の無線リソースエレメントの１つ以上の異なるエレメントを割り当てることを有する。

この方法の利点は、ユーザ装置で受信されたときに、基地局により送信される制御データと、中継局により送信される制御データとの間で干渉が回避される点にある。例えば、基地局は、無線カバレッジをセクタに提供するように備えられてもよく、中継局は、基地局のカバレッジエリア内で動作してもよい。ユーザ装置は、例えばネットワーク内で無線リソースを割り当てるフレーム構成内の制御タイムスロットでもよい無線リソースエレメント内で、制御データを受信するように予めプログラムされてもよい。

好ましくは、フレーム構成は、ペイロードデータの通信のための複数の第２の無線リソースエレメントを有し、この方法は、基地局によるペイロードデータの通信のために複数の第２の無線リソースの１つ以上のエレメントを割り当て、中継局によるペイロードデータの通信のために複数の第２の無線リソースエレメントの１つ以上の異なるエレメントを割り当てることを有する。このことは、高いペイロードのデータ容量が基地局間での無線リソースエレメントの再利用により送信可能であり、また、中継局間での異なる無線リソースエレメントの再利用により送信可能であるという利点を有する。中継局に割り当てられるものに対する基地局に割り当てられるペイロード無線リソースの比率は、予想される負荷状況に比例してもよい。従って、無線リソースの効率的な使用を提供する。この比率は、中継局に割り当てられるものに対する基地局に割り当てられる制御データ無線リソースの比率と同じである必要はない。これは、制御データのプロトコルに関係する。

好ましくは、無線リソースエレメントは、時間及び／又は周波数により区別される。例えば、基地局は、セクタへの無線カバレッジを提供するように備えられてもよく、中継局は、基地局のカバレッジエリア内で動作してもよい。ユーザ装置は、ネットワーク内で無線リソースを割り当てるフレーム構成内の制御タイムスロットで、制御データを受信するように予めプログラムされてもよい。重複しない各周波数サブバンドへの基地局及び中継局からの制御データの割り当ては、基地局からの制御データと中継局からの制御データとの干渉を回避する。従って、基地局及び中継局からの制御データは、時間で重複しない各タイムスロット又はタイムスロットの部分に割り当てられてもよい。これにより、基地局からの制御データと中継局からの制御データとの間の干渉を回避する。無線リソースエレメントにより伝達される信号は、異なる無線リソースエレメントにより伝達される信号と干渉しないことが当業者に明らかである。この理由は、無線リソースエレメントは相互に直交しているからである。

有利には、無線セルラネットワークは、直交周波数分割多重を使用する。例えば、周波数サブバンドは、一式の直交周波数分割多重（OFDM：orthogonal frequency division multiplexing）サブキャリアを有してもよい。その結果、基地局及び中継局から送信される信号は、基地局及び中継局により使用されるサブバンドを含む帯域を受信するユーザ装置の単一のOFDM受信機により受信されてもよい。従って、基地局と中継局との間のハンドオーバが容易になる。OFDMサブキャリアのサブバンドへの割り当ては、如何なるパターンに従ってもよい。異なるサブバンドに割り当てられたサブキャリアは、典型的には周波数でインターリーブされてもよい。これは、周波数選択性減衰の影響をサブバンド間に分散させる利点を有する。

好ましくは、基地局は、中継局より高い送信電力で送信する。この利点は、中継局が安価に構成され、基地局により提供される搬送波対干渉比が制限されるエリアで平均搬送波対干渉比を改善するコスト効率の良い方法で使用され得る点にある。

典型的には、基地局は指向性アンテナを使用し、中継局は無指向性アンテナを使用する。その結果、基地局は、セクタ化されたカバレッジを提供するように配置されてもよい。
すなわち、周波数が基地局を取り巻く方位角平面のセクタ間で再利用される。この実装は、基地局サイトの数を最小化するのに効率的である。これは、タワーに搭載されたアンテナを備えた比較的高価な高電力の装置が存在し得る際に有利である。これに対して、中継局は、無指向性アンテナを備えた小型の安価な装置でもよい。好ましくは、これは、基地局より多くの数で分散され、無線カバレッジエリアでの搬送波対干渉比を改善する。しかし、小型の低電力の性質のため及び典型的にはアンテナタワーがないため、基地局毎にそれほど大きいインフラストラクチャコストを含まない。

有利には、基地局は、専用のバックホール（例えば、ファイバ又はマイクロ波リンク）を使用する。典型的には、中継局は、データのバックホールを基地局に提供するために、中継局とユーザ装置との間の通信に使用される同じ周波数帯域を占有する無線リソースを使用する。この利点は、基地局のカバレッジエリアの増加を提供するため、又は専用のバックホールを提供する費用及び地理的制限なしにカバレッジエリア内で利用可能な搬送波対雑音比を改善するために、中継局が経済的に配置され得る点にある。中継局は、通常では実質的にIEEE802.16j標準に従って動作してもよい。

好ましくは、ネットワークは、基地局からの信号が干渉を受けるカバレッジ領域が、中継局からの信号が干渉を受けるカバレッジ領域と一致しないように構成される。この利点は、基地局が、基地局のカバレッジエリア間の境界で干渉を犠牲にして、基地局の近くで高容量を提供するn=1の周波数再利用方式で動作し得る点にある。同様に、中継局も、基地局により使用されるものとは別の周波数サブバンドでn=1の周波数再利用方式で動作してもよい。基地局及び中継局に関連する境界領域が一致しない場合、ユーザ装置がネットワークの所与の位置で最善の搬送波対干渉比（従って、最善のデータ容量）を提供する基地局又は中継局から信号を受信することができるため、ネットワークはスペクトルの効率的な使用を提供することができる。

基地局及び中継局は、送信及び受信がスケジューラ又はネットワーク管理システムにより割り当てられた無線リソースエレメントを使用して構成されるように、スケジューラ又はネットワーク管理システムの制御のもとで構成されてもよい。例えば、基地局により使用される周波数サブバンドを構成するOFDMサブキャリアのサブセットは、ネットワーク管理システムにより定義され、専用の有線バックホールリンクを使用して基地局に通信されてもよい。中継局により使用される周波数サブバンドを構成するOFDMサブキャリアのサブセットに関する情報も同様に、例えば、バックホールに専用のタイムスロットを使用して、基地局を介してネットワーク管理システムから中継局に通信されてもよい。

ペイロードの無線リソース割り当ては、典型的には送信のプリアンブル（フレーム制御ヘッダ又はMap）の選択を使用して、ユーザ装置に通信されてもよい。このプリアンブルは、制御データを構成し、ハンドセットが同期するフレーム構成との関係がハンドセットに予めプログラムされた無線リソースを使用する。制御データにより使用される無線リソースは、典型的には無線システムが動作する標準で定義された二重の部分（セグメントとして知られる）に構成される。これにより、ユーザ装置は、制御データを受信するために、二重の部分のいずれかを使用してもよい。どの二重の部分を使用するかの選択は、ネットワーク管理システムにより行われ、記載された通りに基地局に通信され、必要に応じて中継局に通信される。ユーザ装置は、単に無線システム標準に従って受信するように予めプログラムされた無線リソースを受信しさえすればよい。

通常の無線セルラネットワークを示す概略図 基地局と通信する通常の中継ノードを示す概略図 セルラ無線システム内での中継局の潜在的な動作方法を示す概略図 中継及びアクセス構成要素の時間共有を可能にする通常のフレーム構成を示す概略図 フレーム構成のアクセス部分内での無線リソースの通常の割り当てを示す概略図 本発明の実施例によるセルラ無線システム内での中継局の動作を示す概略図 ２つの基地局及び２つの中継局の無線カバレッジエリア間のユーザ装置の移動のパスの２つの例を示す概略図 ２つの基地局の無線カバレッジエリア間のユーザ装置の移動のパスの２つの例を示す概略図 異なる周波数サブバンドで送信する２つの基地局の無線カバレッジエリアの間で図６により示されるパスに沿ったユーザ装置の移動により受ける搬送波対干渉比を示す概略図 同じ周波数サブバンドで送信する２つの基地局の無線カバレッジエリアの間で図６により示されるパスに沿ったユーザ装置の移動により受ける搬送波対干渉比を示す概略図 本発明の実施例に従って、２つの基地局及び２つの中継局の無線カバレッジエリアの間で図１０により示されるパスに沿ったユーザ装置の移動により受ける搬送波対干渉比を示す概略図 フレーム構成のアクセス部分内で本発明の実施例による無線リソースの割り当てを示す概略図 フレーム構成のアクセス部分内で本発明の更なる実施例による無線リソースの割り当てを示す概略図 フレーム構成のアクセス部分内で本発明の更なる実施例による無線リソースの割り当てを示す概略図

本発明の更なる特徴及び利点は、一例のみとして与えられる本発明の好ましい実施例の以下の説明から明らかになる。本発明の好ましい実施例は、添付図面を参照して行われる。

概して、本発明は、中継局の使用によりセルラ無線システムの容量又はカバレッジを増加させることを目的とした方法及び装置を対象とする。明瞭にするために、方法及び装置は、IEEE802.16（WiMax）又はLTEのような高速パケットデータシステムに関して記載するが、これは一例のみであり、記載する方法及び装置はこれらの例に限定されないことがわかる。

前述の干渉の問題の結果、通常のn=3の周波数再利用方式を使用したセルラ無線ネットワーク内での中継局の使用により提供される潜在的な容量の増加は制限される。

図６は、図５に示すものと同様のネットワークを示しており、本発明の実施例に従って改善した周波数再利用方式を用いている。基地局がn=3の周波数再利用方式で動作する通常のセルラ無線システムとは対照的に、図６のシステムでは、基地局2a、2bは、n=1の周波数再利用方式で動作する。すなわち、基地局2a、2bは、相互に同じ周波数サブバンドで動作する。中継局10a....10bは、基地局2a、2bにより使用されるものと異なる周波数サブバンドを割り当てられる。従って、中継局はまた、相互にn=1の周波数再利用パターンで動作する。この方式は、複数の基地局及び複数の中継局を有するシステムに拡張可能であり、基地局は、相互にn=1の周波数再利用方式を使用し、中継局も、基地局により使用されるものと異なる周波数サブバンドで相互にn=1の周波数再利用方式を使用する。

図７は、２つの基地局の構成を示しており、本発明の実施例に従って、第１の基地局2a及び第２の基地局2bが示されており、２つの中継局10a、10bが第１の基地局の間に配置されている。ユーザ装置（図示せず）は、実線により示すように基地局2a、2b及び中継局10a、10bの比較的近くを通過する第１の軌跡22に沿って移動し、点線により示すように基地局2a、2b及び中継局10a、10bから比較的遠くを通過する第２の軌跡24に沿って移動する。
基地局2a、2b及び中継局10a、10bは、例示目的のみのため、直線で構成されている。他の構成も可能である。

図８は、図の構成を示しているが、中継局10a、10bが存在しない。従って、通常の構成による比較のためである。ユーザ装置（図示せず）は、実線により示すように第１及び第２の基地局2a、2bの比較的近くを通過する第１の軌跡22に沿って移動し、点線により示すように第１及び第２の基地局2a、2bから比較的遠くを通過する第２の軌跡24に沿って移動する。図９は、n=3の周波数再利用方式で動作するセルラ無線システム内の場合に典型的であるように、第１及び第２の基地局2a及び2bがそれぞれf1及びf2として任意に指定された異なる周波数で動作する場合に、ユーザ装置が図８の各軌跡22、24を沿って移動するときのユーザ装置で受信した搬送波対干渉比（C/I）がどのように変化するかを示している。第１の軌跡22で受ける搬送波対干渉比は、図８の実線26a、26bにより示されており、第２の軌跡24で受ける搬送波対干渉比は、点線28a、28bにより示されている。干渉は、当該周波数を再利用する遠隔基地局から生じ得る。

図９に示すC/I特性の正確な形状は、伝搬状況に依存する。図示の曲線は例示目的である。ユーザ装置が第１の基地局2aから更に移動すると、第１の基地局2aから周波数f1で受信する信号レベルは典型的には低下し、典型的には第１の基地局2aと同じ周波数サブバンドで動作する別の基地局（図８に図示せず）からの干渉は、平均して低下しない。このため、搬送波対干渉比は、曲線26a及び26bに示すように低下する。ユーザ装置端末が第２の基地局2bの近くに移動すると、f2で受信する信号レベルが増加し、曲線26a及び26bに示すように、搬送波対干渉比も同様に増加する。第２の基地局2bから受信した信号の搬送波対干渉比が第１の基地局2aから受信した信号のものより高い地点で、ユーザ装置は、第１の基地局2aから第２の基地局2bにハンドオーバする。従って、距離に対する搬送波対干渉比の曲線は、第１の軌跡22では太い実線26a、26bになり、第２の軌跡24では点線28a、28bになる。典型的には、ハンドオーバ地点は、0dBの搬送波対干渉比より上で生じる点に留意すべきである。すなわち、信号電力は干渉電力より大きい。

図１０は、n=1の周波数再利用方式で動作するセルラ無線システム内の場合に典型的であるように、第１及び第２の基地局2a及び2bがf1として任意に指定された同じ周波数サブバンドで動作する場合に、ユーザ装置が図８の各軌跡22、24を沿って移動したときのユーザ装置で受信した搬送波対干渉比（C/I）がどのように変化するかを示している。第１の軌跡22で受ける搬送波対干渉比は、図１０の実線26a、26bにより示されており、第２の軌跡24で受ける搬送波対干渉比は、点線28a、28bにより示されている。双方の基地局が同じサブバンドで動作するため、各基地局は相互に干渉として現れる点に留意すべきである。
従って、ハンドオーバ地点で、信号及び干渉は良くても等しい電力になる。すなわち、搬送波対干渉比が良くても0dBになる。これは、基地局2a、2bの間のどんな軌跡でも当てはまる。これは、図１０から、第１の軌跡に関係する曲線26a、26bと第２の軌跡に関係する曲線28a、28bとの双方が0dBの地点を通過することでわかる。

n=1の周波数再利用方式に従って動作する基地局間での0dBまでの搬送波対干渉比の低下は、一般的にセルラ基地局の動作に問題を提示する。この理由は、ユーザ装置間で共有されるチャネルのトラヒック容量が搬送波対干渉比に関係するからである。現在の通信システムは、0dBの搬送波対干渉比において低容量で動作することができるが、このことは、基地局間の移行から離れたカバレッジ領域に比較して容量の大幅な低減を提供する。従って、一般的にはこれは受け入れられない。その結果、n=1の周波数再利用システムは、一般的にはWiMax及びLTEのような高容量のOFDMセルラ無線システムには提案されていない。
しかし、n=1の周波数再利用方式は、名目上の第３の帯域ではなく、全体の周波数帯域が基地局の近くで使用可能であるという点で、n=3の方式より潜在的に大きな利点を提供する。その結果、基地局の近くで利用可能であり、干渉する基地局から離れた容量は非常に高くなり得る。しかし、この潜在的な利点は、基地局のカバレッジエリア間で干渉を生じる前述の問題とバランスを保たなければならないことがわかる。

本発明の実施例は、別法ではカバレッジに生じる隙間を埋めるように中継局を構成することにより、それぞれの利点及び欠点の間の緊張の緩和を提供する。このことについて図１１を参照して説明する。図１１は、本発明の実施例に従って、ユーザ装置が図７の各軌跡22、24を沿って移動したときにユーザ装置で受信する搬送波対干渉比（C/I）がどのように変化するかを示している。この例では、前述のように、第１及び第２の基地局2a及び2bは、f1として任意に指定された同じ周波数サブバンドで動作し、中継局10a、10bは、f3として指定された異なる周波数サブバンドで動作する。第１の軌跡22で受ける搬送波対干渉比は、図１１の実線26a....26iにより示されており、第２の軌跡24で受けるものは、点線28により示されている。ユーザ装置は、高い搬送波対干渉比を有する基地局2a、2b又は中継局10a、10bにハンドオーバすることがわかる。その結果、f1の基地局2a、2bの間で生じる0dBの地点30がf3の中継局10a、10bの間で生じる0dBの地点32と一致しないように中継局が配置される場合、搬送波対干渉比は、0dBの上に維持され得ることがわかる。

図１２は、本発明の実施例に従って、図３のデータフレームのアクセス部分14a内での無線リソースの割り当てを示している。

基地局セクタから基地局セクタのカバレッジエリア内で動作するユーザ装置への通信に関する制御データに割り当てられる無線リソースは、領域S1 18aを割り当てられ、中継局から中継局のカバレッジエリア内で動作するユーザ装置への通信に関する制御データに割り当てられる無線リソースは、同じタイムスロット内の異なる周波数サブバンド内で、領域S3 18cを割り当てられる。制御タイムスロットは、カバレッジエリア内の如何なるユーザ装置にもブロードキャストされる点に留意すべきである。斜線の領域18bの存在によりわかるように、タイムスロットで利用可能な全てのサブバンドが使用される必要はない。n=3の再利用方式について関連のセルラ無線標準で定義されたものに対応する制御データ部分に周波数リソースを使用することが便利である場合がある。これは、データフレーム内のこれらの周波数及びタイムスロットで制御データを予期するように予めプログラムされたユーザ装置で動作が容易になるという利点を有する。

制御データ18a、18cに使用されるものと同じ分割で、ペイロード周波数リソース20d、20eが周波数で分割される必要はない。実際に、ペイロード容量を最適に使用するために、基地局からユーザ装置へのリンクに割り当てられたペイロードの部分と、中継局からユーザ装置へのリンクに割り当てられたペイロードの部分との間の周波数リソースの分割は、各部分により伝達されるデータに関する容量の相対需要に応じて、ネットワーク管理システムにより決定されてもよい。この比率は、固定的に設定されてもよく、負荷状況に従って適応的でもよい。図１２により示される周波数リソースは、例えばWiMax IEEE802.16標準に従って構築されたシステムに適用可能である。

図１３は、本発明の更なる実施例による無線リソースの割り当てのうち、無線リソースのアクセス部分への代替の割り当てを示している。

基地局からユーザ装置への通信に関する制御データの無線リソースは、参照符号18c、18e及び18gにより示される領域に割り当てられ、中継局からユーザ装置への通信に関する制御データの無線リソースは、同じタイムスロット内の異なる周波数サブバンド内で、参照符号18d、18f及び18hにより示される領域に割り当てられる。図１２に示す実施例では、タイムスロットで利用可能な全てのサブバンドが使用される必要はない。実際に、n=3の再利用方式について関連のセルラ無線標準で定義されたものに対応する制御データ部分に周波数リソースを使用することが便利である場合がある。参照符号20f及び20hにより示される無線リソース部分は、基地局からユーザ装置に送信されるデータペイロードに割り当てられ、参照符号20g及び20iにより示される無線リソース部分は、中継局からユーザ装置に送信されるデータペイロードに割り当てられる。

図１４は、基地局からユーザ装置への送信に関する部分20f、20hと、中継局からユーザ装置への送信に関する部分20g、20iとの間のペイロード周波数リソースの分割が図１２のものと同様の方法で決定される本発明の更なる実施例による、図１３により示される周波数割り当ての変形を示している。ペイロード容量を最適に使用するために、基地局からユーザ装置へのリンクに割り当てられたペイロードの部分と、中継局からユーザ装置へのリンクに割り当てられたペイロードの部分との間の周波数リソースの分割は、各部分により伝達されるデータに関する容量の相対需要に応じて、ネットワーク管理システムにより決定されてもよい。この比率は、固定的に設定されてもよく、負荷状況に従って適応的でもよい。

図１３及び図１４により示される周波数リソースは、例えばLTE標準に従って構築されたシステムに適用可能である。

このように、本発明の実施例は、別法では基地局から送信された信号間の干渉から受ける基地局のカバレッジエリア間の境界にカバレッジを提供するように中継局を配置することで、基地局がn=1の周波数再利用方式で動作することを可能にすることにより、セルラ無線システムの容量を増加させる方法を提供する。中継局自体は、基地局により使用されるものとは異なるサブバンドで動作する第２のn=1の周波数再利用構成で配置される。この実施例と組み合わせた基地局及び中継局の動作は、同じ帯域で動作する基地局のみのn=3の再利用方式に比べて、容量の増加の点で無線リソースの効率的な使用を提供する。

本発明の実施例による構成では、中継局による弱いカバレッジエリアは、基地局による弱いカバレッジエリアと一致しないように構成される。中継局により使用される信号と基地局により使用される信号とは、基地局が他の基地局にのみ干渉を生じて中継局が他の中継局にのみ干渉を生じるように、直交であるように構成される。基地局の信号と中継局の信号との間に干渉は存在しない。このことは、中継局のカバレッジの穴の位置から基地局のカバレッジの穴の位置を関連付けないという効果を有する。中継局の信号と基地局の信号との間の直交性は、別々の各周波数帯域を利用することにより実現され得る。

通常では、全ての基地局及び中継局により、いくつかの制御信号が同じ無線リソースを使用して送信される必要がある。この理由は、ユーザ端末は、指定のチャネルでこれらを見つけることを想定する可能性があるからである。このような場合に、全体としてのシステムを害して、基地局及び中継局の信号の間の相互干渉が生じ得る。特に、カバレッジの更なる穴は、基地局及び中継局の双方の信号が存在するエリアとなる可能性がある。好ましい構成によれば、n=3の周波数再利用をサポートするように元々指定された無線リソース構成では、１つのサブバンドは、それぞれ中継局の制御信号と基地局の制御信号とに使用可能である。これは、基地局及び中継局の信号の間の直交性を維持し、基地局及び中継局は、n=1の周波数再利用でそれぞれ動作する。これは、基地局及び中継局の信号の間の干渉が生じ得るため、同じチャネルを共有するn=3の周波数再利用での基地局及び中継局の動作に好ましい。従って、相互干渉を最小化して各カバレッジパターンの相関性を最小化し、結果として容量及びカバレッジを最大化するために、中継局は、直交性を維持しつつ、困難な（rugged）制御信号が中継局及び基地局の双方で実現可能であるように、基地局と共に動作してもよい。

本発明の実施例はまた、中継局と基地局との間のバックホールが１つ以上の更なる中継局又は基地局を介したバックホールを有し得るマルチホップ無線システムにも適用可能である。

中継局がバックホールに共有の無線リソースを使用することは必要でない。実際に、中継局は、基本的に如何なるバックホールの方法を使用してもよい。例えば、ファイバリンク又は高速デジタル加入者リンクのような通常のバックホール方法を使用して、電気通信ネットワークへの専用リンクが提供されてもよい。

n=1の周波数再利用方式は、UMPTS release 99のような符号分割多重アクセス（CDMA：code division multiple access）システムにより一般的に使用される点に留意すべきである。基地局間での干渉の影響は、このようなCDMAシステムではソフトハンドオーバにより軽減される。ソフトハンドオーバでは、複数の基地局又は基地局セクタは、同じペイロードデータをユーザ装置に同時に送信し、ユーザ装置は、合成アルゴリズムを使用してペイロードデータを合成する。これはロバストなシステムであるが、データ容量は、ペイロードの重複により損なわれる。WiMax及びLTEのような高容量のOFDMセルラ無線システムは、一般的には、このようなソフトハンドオフのペイロードの重複を可能にするように設計されていないため、n=1の周波数再利用は、通常では実現可能な選択肢ではない。

本発明の実施例は、進展するLTE及びWiMaxシステムに関するハンドオーバについて記載しているが、本発明の実施例は、他のセルラ無線システムにも適用可能であることがわかる。

更に、本発明の実施例は、プロセッサに開示された方法を実行させるコンピュータ実行可能命令で符号化されたコンピュータ可読媒体により実装されてもよいことが、当業者に明らかである。

前述の実施例は、本発明の例として理解されるべきである。いずれか１つの実施例に関して記載した何らかの特徴のみが使用されてもよく、記載した他の特徴と組み合わせて使用されてもよく、他の実施例の１つ以上の特徴と組み合わせて使用されてもよく、他の実施例の如何なる特徴と組み合わせて使用されてもよいことがわかる。更に、前述に記載していない均等物及び変形例も、特許請求の範囲に規定された本発明の範囲を逸脱することなく、使用されてもよい。

Claims (46)

1. 複数の基地局と複数の中継局とを有するセルラ無線ネットワークにおいて、制御データの通信のための複数の第１の無線リソースエレメントを有するフレーム構成内で無線リソースを割り当てる方法であって、
   前記基地局による制御データの通信のために前記複数の第１の無線リソースエレメントの１つ以上のエレメントを割り当て、
   前記中継局による制御データの通信のために前記複数の第１の無線リソースエレメントの１つ以上の異なるエレメントを割り当てることを有する方法。
2. 前記第１の無線リソースエレメントは、時間及び／又は周波数で区別される、請求項１に記載の方法。
3. 前記フレーム構成は、ペイロードデータの通信のための複数の第２の無線リソースエレメントを有し、
   前記方法は、
   前記基地局によるペイロードデータの通信のために前記複数の第２の無線リソースの１つ以上のエレメントを割り当て、
   前記中継局によるペイロードデータの通信のために前記複数の第２の無線リソースエレメントの１つ以上の異なるエレメントを割り当てることを有する、請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記第２の無線リソースエレメントは、時間及び／又は周波数で区別される、請求項３に記載の方法。
5. 前記無線セルラネットワークは、直交周波数分割多重を使用する、請求項１乃至４のうちいずれか１項に記載の方法。
6. 前記割り当てられた第１の無線リソースエレメントは、直交周波数分割多重サブキャリアのサブセットから形成される、請求項５に記載の方法。
7. 前記割り当てられた第２の無線リソースエレメントは、直交周波数分割多重サブキャリアのサブセットから形成される、請求項３乃至６のうちいずれか１項に記載の方法。
8. 前記直交周波数分割多重サブキャリアのサブセットは、周波数で連続しないサブキャリアを有する、請求項６又は７に記載の方法。
9. 基地局から送信される信号が干渉するカバレッジ領域が、中継局から送信される信号が干渉するカバレッジ領域と一致しないように、前記ネットワークを構成することを有する、請求項１乃至８のうちいずれか１項に記載の方法。
10. 複数の基地局と複数の中継局とを有するセルラ無線ネットワークであって、
    制御データの通信のための複数の第１の無線リソースエレメントを有するフレーム構成内で無線リソースを割り当てるように構成され、
    前記基地局は、前記複数の第１の無線リソースエレメントの１つ以上のエレメント内で制御データを送信するように構成され、
    前記中継局は、前記複数の第１の無線リソースエレメントの１つ以上の異なるエレメント内で制御データを送信するように構成されるセルラ無線ネットワーク。
11. 前記第１の無線リソースエレメントは、時間及び／又は周波数で区別される、請求項１０に記載のセルラ無線ネットワーク。
12. 前記フレーム構成は、ペイロードデータの通信のための複数の第２の無線リソースエレメントを有し、
    前記基地局は、前記複数の第２の無線リソースの１つ以上のエレメント内でペイロードデータを送信するように構成され、
    前記中継局は、前記複数の第２の無線リソースエレメントの１つ以上の異なるエレメント内でペイロードデータを送信するように構成される、請求項１０又は１１に記載のセルラ無線ネットワーク。
13. 前記第２の無線リソースエレメントは、時間及び／又は周波数で区別される、請求項１２に記載のセルラ無線ネットワーク。
14. 前記無線セルラネットワークは、直交周波数分割多重を使用する、請求項１０乃至１３のうちいずれか１項に記載のセルラ無線ネットワーク。
15. 前記割り当てられた第１の無線リソースエレメントは、直交周波数分割多重サブキャリアのサブセットから形成される、請求項１４に記載のセルラ無線ネットワーク。
16. 前記割り当てられた第２の無線リソースエレメントは、直交周波数分割多重サブキャリアのサブセットから形成される、請求項１２乃至１５のうちいずれか１項に記載のセルラ無線ネットワーク。
17. 前記直交周波数分割多重サブキャリアのサブセットは、周波数で連続しないサブキャリアを有する、請求項１５又は１６に記載のセルラ無線ネットワーク。
18. 基地局から送信される信号が干渉するカバレッジ領域が、中継局から送信される信号が干渉するカバレッジ領域と一致しないように、前記ネットワークが構成される、請求項１０乃至１７のうちいずれか１項に記載のセルラ無線ネットワーク。
19. 複数の基地局と複数の中継局とを有するセルラ無線ネットワークであり、制御データの通信のための複数の第１の無線リソースエレメントを有するフレーム構成に従って前記ネットワーク内の無線リソースを前記基地局及び前記中継局に割り当てるように構成されたセルラ無線ネットワークにおいて使用される基地局であって、
    前記基地局は、前記複数の第１の無線リソースエレメントの１つ以上のエレメント内で制御データを送信するように構成され、
    前記１つ以上のエレメントは、前記中継局に割り当てられるエレメントと異なるエレメントである基地局。
20. 前記第１の無線リソースエレメントは、時間及び／又は周波数で区別される、請求項１９に記載の基地局。
21. 前記フレーム構成は、ペイロードデータの通信のための複数の第２の無線リソースエレメントを有し、
    前記基地局は、前記複数の第２の無線リソースの１つ以上のエレメント内でペイロードデータを送信するように構成され、
    前記１つ以上のエレメントは、前記中継局に割り当てられるエレメントと異なるエレメントである、請求項１９又は２０に記載の基地局。
22. 前記第２の無線リソースエレメントは、時間及び／又は周波数で区別される、請求項２１に記載の基地局。
23. 前記無線セルラネットワークは、直交周波数分割多重を使用する、請求項１９乃至２２のうちいずれか１項に記載の基地局。
24. 前記割り当てられた第１の無線リソースエレメントは、直交周波数分割多重サブキャリアのサブセットから形成される、請求項２３に記載の基地局。
25. 前記割り当てられた第２の無線リソースエレメントは、直交周波数分割多重サブキャリアのサブセットから形成される、請求項２１乃至２４のうちいずれか１項に記載の基地局。
26. 前記直交周波数分割多重サブキャリアのサブセットは、周波数で連続しないサブキャリアを有する、請求項２４又は２５に記載の基地局。
27. 複数の基地局と複数の中継局とを有するセルラ無線ネットワークであり、制御データの通信のための複数の第１の無線リソースエレメントを有するフレーム構成に従って前記ネットワーク内の無線リソースを前記基地局及び前記中継局に割り当てるように構成されたセルラ無線ネットワークにおいて使用される中継局であって、
    前記中継局は、前記複数の第１の無線リソースエレメントの１つ以上のエレメント内で制御データを送信するように構成され、
    前記１つ以上のエレメントは、前記基地局に割り当てられるエレメントと異なるエレメントである中継局。
28. 前記第１の無線リソースエレメントは、時間及び／又は周波数で区別される、請求項２７に記載の中継局。
29. 前記フレーム構成は、ペイロードデータの通信のための複数の第２の無線リソースエレメントを有し、
    前記中継局は、前記複数の第２の無線リソースの１つ以上のエレメント内でペイロードデータを送信するように構成され、
    前記１つ以上のエレメントは、前記基地局に割り当てられるエレメントと異なるエレメントである、請求項２７又は２８に記載の中継局。
30. 前記第２の無線リソースエレメントは、時間及び／又は周波数で区別される、請求項２９に記載の中継局。
31. 前記無線セルラネットワークは、直交周波数分割多重を使用する、請求項２７乃至３０のうちいずれか１項に記載の中継局。
32. 前記割り当てられた第１の無線リソースエレメントは、直交周波数分割多重サブキャリアのサブセットから形成される、請求項３１に記載の中継局。
33. 前記割り当てられた第２の無線リソースエレメントは、直交周波数分割多重サブキャリアのサブセットから形成される、請求項２９乃至３２のうちいずれか１項に記載の中継局。
34. 前記直交周波数分割多重サブキャリアのサブセットは、周波数で連続しないサブキャリアを有する、請求項３２又は３３に記載の中継局。
35. プロセッサに対して、請求項１９乃至２６のうちいずれか１項に記載の基地局を構成させるコンピュータ実行可能命令で符号化されたコンピュータ可読媒体。
36. プロセッサに対して、請求項２７乃至３４のうちいずれか１項に記載の中継局を構成させるコンピュータ実行可能命令で符号化されたコンピュータ可読媒体。
37. ユーザ装置端末と、複数の第１の種類のノードと、前記第１の種類と異なる複数の第２の種類のノードとを有し、周波数帯域内で動作するセルラ無線ネットワークにおいて、制御データの送信のための複数の第１のタイムスロットと、ペイロードデータの送信のための複数の第２のタイムスロットとを有するフレーム構成内で無線リソースを割り当てる方法であって、
    第１の選択された周波数で前記第１のタイムスロット内で制御データを送信するように前記第１の種類のノードを構成し、
    第２の選択された周波数で前記第１のタイムスロット内で制御データを送信するように前記第２の種類のノードを構成することを有し、
    前記第１の選択された周波数が前記第２の選択された周波数と異なることにより、前記ユーザ装置端末において前記第１のタイムスロット内で前記第１の種類のノード及び前記第２の種類のノードからの制御データの受信を可能にする方法。
38. 第３の選択された周波数で前記第２のタイムスロット内でペイロードデータを送信するように前記第１の種類のノードを構成し、
    第４の選択された周波数で前記第２のタイムスロット内でペイロードデータを送信するように前記第２の種類のノードを構成し、
    前記第３の選択された周波数が前記第４の選択された周波数と異なることにより、前記ユーザ装置端末において前記第２のタイムスロット内で前記第１の種類のノード及び前記第２の種類のノードからのペイロードデータの受信を可能にする、請求項３７に記載の方法。
39. 前記第１の選択された周波数が前記第３の選択された周波数と異なり、前記第２の選択された周波数が前記第４の選択された周波数と異なるように、前記第１の種類のノードと前記第２の種類のノードとを構成することを有する、請求項３８に記載の方法。
40. 直交周波数分割多重を使用して前記無線セルラネットワークを動作することを有する、請求項３７乃至３９のうちいずれか１項に記載の方法。
41. 前記選択された周波数は、直交周波数分割多重サブキャリアのサブセットをそれぞれ有する、請求項４０に記載の方法。
42. 前記直交周波数分割多重サブキャリアのサブセットは、周波数で連続しないサブキャリアを有する、請求項４１に記載の方法。
43. 第１の電力レベルで前記第１の種類のノードを動作し、
    第２の電力レベルで前記第２の種類のノードを動作することを有し、
    前記第１の電力レベルは、前記第２の電力レベルより高い、請求項３７乃至４２のうちいずれか１項に記載の方法。
44. 前記第１の種類のノードを基地局として構成し、前記第２の種類のノードを中継局として構成することを有する、請求項４３に記載の方法。
45. 前記第１の種類のノードに対応するセルラ無線ネットワークにより動作するいずれかの周波数を使用して、前記第２の種類のノードから前記第１の種類のノードにバックホールデータを送信することを有する、請求項３７乃至４４のうちいずれか１項に記載の方法。
46. 第１の種類のノードからの信号が干渉するカバレッジ領域が第２の種類のノードからの信号が干渉するカバレッジ領域と一致しないように、前記ネットワークを構成することを有する、請求項３７乃至４５の内いずれか１項に記載の方法。

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