JP2015082666A

JP2015082666A - 無線通信装置

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Publication number: JP2015082666A
Application number: JP2013217992A
Authority: JP
Inventors: 修治大坪; Shuji Otsubo; 桑原　幹夫; Mikio Kuwabara; 幹夫桑原
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2013-10-21
Filing date: 2013-10-21
Publication date: 2015-04-27

Abstract

【課題】CU装置とRU装置間が非同期式インタフェースで接続されるCRAN型無線基地局において、CU装置とRU装置間の遅延量ゆらぎの影響を受けず、UEに対してCoMPを行う。【課題を解決するための手段】CU装置およびRU装置には時刻決定手段を有し、CU装置は、予め定めたタイミングで、タイムスタンプを付与したパケットをRU装置に送信し、RU装置は、タイムスタンプを付与したパケットを受信してタイムスタンプおよび受信時刻からCU装置とRU装置間の伝送遅延量を算出してCU装置に報告し、CU装置は、端末に複数のRU装置から無線信号を協調送信する場合には、複数のRU装置から送られてきた伝送遅延量に基づいて、スケジューリング処理の開始タイミングを決定し、スケジューリング処理を行って、スケジューリング情報を複数のRU装置に送信する。【選択図】図５

Description

本発明は無線通システムに関する。特に無線通信システムにおいて、セル境界の端末の通信品質を向上させる技術に関する。

モバイルネットワークのアーキテクチャ最適化のため、従来の無線基地局を無線処理などを行うアクセスポイント部と無線リソースの割り当て処理などを行う処理部に分離し、その間を通信回線またはネットワークを介して接続する構成としたクラウド無線ネットワーク（CRAN : Cloud Radio Access Network）型の無線基地局が注目されている。従来の一体型無線基地局は、1台1台の無線基地局が基地局の機能としてはスタンドアロンで運用されるものとして、地理的に分散して設置される。そのため、個々の設置エリアにおいて要求される平均トラフィック処理能力の大小にかかわらず、無線基地局が設置される可能性のある最もトラフィック量の多いエリアの最大トラフィックを処理できるように設計されていた。しかし多くのエリアでは、それほどの処理能力は必要ではなく、無線基地局の処理リソース、および消費電力の無駄が発生していた。

CRAN型無線基地局は、アンテナが配置されるアクセスポイントには、RF部などの最低限の設備のみを設置しビル屋上等に設置し、処理リソースはセンター側に集約することで、モバイルネットワーク全体の処理リソース最適化、消費電力の削減を図っている。CRANにより、無線基地局運用に当たっての運営費(OPEX : Operating Expense)の削減効果が期待される。こうした考え方は、例えば特許文献１に記載されている。

CRAN型無線基地局で処理リソースを集約するセンター側の設備はCentral Unit(CU)呼ばれ、無線アクセスポイントはRemote Unit(RU)と呼ばれる。CUとRU間の機能分割はCRAN型無線基地局として、標準規定されておらず、事業者により決定する事が出来、主に次の二通りの機能分割方式が検討されている。
一つ目の方式は、L1処理部の変復調部と無線部のA/D変換部間で分割する。このとき、分割されたCU装置101とRU装置1間の情報伝送は、同期保障されたCommon Public Radio Interface(CPRI)で行われる。
もう一つの方式は、PHY（物理 physical）レイヤであるL1処理部とMACレイヤであるL2処理部間で分割する。このとき、分割されたCU装置101とRU装置間の情報伝送は、特に一般化された規定はなく、パケットベースのEthernetプロトコルが用いられる。以降説明のため前者をL1-A/D間分割方式、後者をL1-L2間分割方式とする。

L1-A/D間分割方式はRUに実装する機能がL1-L2間分割方式と比較して少なくてよく、ネットワーク全体の処理リソース最適化と消費電力削減を行う事が出来る。しかし、RU装置とCU装置の情報伝達は、同期機能を持たせるために、設置コストの高い、１対１の接続が必要となり、かつデータの伝送レートは、無線での物理層の伝送量の20倍以上の非常に高いスループットが必要となる。
L1-L2間分割方式はRUへ実装する機能が増えてしまうが、CUとRU間でのやりとりはパケットベースでよく、L1-A/D間分割方式の変調データと比較すると、伝送データは格段に少なくなり、CUとRU間のインタフェースおよび伝送路のコストを抑える事が可能である。
CUとRU間の伝送路に要求される回線速度は、例えば、LTEシステムで20MHzの帯域幅をサポートしたケースでは、L1-A/D間分割方式の場合、数Giga bit/secであるが、L1-L2間分割方式の場合数百Mbit/secでよい。CRAN構成でのCUとRU間は光ファイバで接続される為、L1-A/D間分割方式の場合、広帯域の光回線の獲得および装置側への広帯域光モジュールの実装が必要であり、コスト観点では、L1-L2間分割方式の方が選択しやすい方式といえる。

CRAN型無線基地局にて採用される技術の一つに、LTE-Advance規格に実装される基地局間協調伝送技術(CoMP : Coordinated Multi-Point transmission)がある。CoMPは隣接するセルに関わる複数の基地局が、セル境界に位置する端末に対して、協調して信号の送受信を行う技術である。協調送信によりセル間干渉を大幅に低減し、また、サイトダイバーシティ受信により、端末の信号受信電力の安定化が図れる。CRAN構成ではCU装置がCoMPセルコントローラとなり、RU装置とユーザ端末であるUE（User Equipment）との間の無線リソースのスケジューリングを協調的に実施する。

特開２００１−４５５３４号公報

前述のL1-L2間分割方式のCRAN基地局ではCU装置とRU装置のデータ送受信はパケットベースのEthernetプロトコルにより行われる。Ethernetは非同期式インタフェースであり、装置のインタフェース部の負荷により伝送遅延量のゆらぎが発生する。L1-L2間分割方式のCRAN基地局にCoMPを適用した場合、この伝送遅延量のゆらぎが、CU装置からUEへ向かう方向の通信であるダウンリンク(Downlink)で問題となる。

CoMPを実施するには、複数のRU装置が同一のUEに対して、同じ無線リソースを使って信号を送信する必要がある。ところが、協調送信するための無線リソースの決定を行うスケジューリングは、CU装置で行うこととなるため、RU装置が協調送信を行うタイミングに先んじて、RU装置に対してスケジューリングに関する情報を与えないと、RUから同時に信号を送信できない。一方で、先に説明している様に、Ethernetは非同期式のインタフェースであるため、データ伝送に遅延および遅延量のゆらぎが発生する。これにより、RU装置は、信号を送信するべきタイミングにスケジューリングの情報を受け取れず、送信を実施できない可能性がある。この伝送遅延とゆらぎは、分割されたRU装置とCU装置の間の伝送距離や、その間に流れる他のパケット量、あるいは伝送に関連するスイッチなどのネットワーク装置の設定など、様々な要素によって変動する。そのため、一般的に十分な遅延量をあらかじめ考えて、設定しておく方法では、大きすぎる遅延量を設定せざるをえなく、パケット伝送の応答性や、無線制御で重要となるHARQ (Hybrid Automatic Repeat reQuest) の応答性が劣化する。その結果、ネットワークで伝送可能な実効的なスループットが低下してしまう問題がある。

本発明は上記課題を解決するためになされたもので、CU装置とRU装置間の遅延量ゆらぎの影響を受けず、UEに対してCoMPを行うことを目的とする。

上記課題を解決する為に、本発明は、CU装置およびRU装置には時刻決定手段を有し、CU装置は、予め定めたタイミングで、タイムスタンプを付与したパケットをRU装置に送信し、RU装置は、タイムスタンプを付与したパケットを受信してタイムスタンプおよび受信時刻からCU装置とRU装置間の伝送遅延量を算出してCU装置に報告し、CU装置は、端末に複数のRU装置から無線信号を協調送信する場合には、複数のRU装置から送られてきた伝送遅延量に基づいて、スケジューリング処理の開始タイミングを決定し、スケジューリング処理を行って、スケジューリング情報を複数のRU装置に送信するようにしたものである。

本発明によれば、CU装置とRU装置間の遅延量ゆらぎの影響を受けず、UEは協調送信信号を受ける事が出来る。

本発明の一実施形態における移動体通信システムの構成を説明する図である。伝送遅延量の測定結果の例を説明する図である。累積確率分布化した伝送遅延量を説明する図である。 CU装置に記憶されるRU遅延時間テーブルの例を説明する図である。本発明の一実施形態におけるスケジューリング開始タイミングの決定方法を説明する図である。本発明が適用されるCU装置、RU装置のブロック図本発明が適用された場合の、CUから協調動作を実施しているRUへのEthernetパケット送信フロー

図１は本発明の一実施形態における移動体通信システムの構成を説明する図である。
CRAN構成の無線基地局はCU装置101と複数のRU装置102から構成される。標準化団体である3GPP(3rd Generation Partnership Project)では、複数の基地局から１つの端末にデータ送信を行うCoMPが議論されている。こうした複数基地局から１つの端末への信号送信を行うためには、無線リソースの割り当てを行うスケジューラは、複数の基地局に跨る決定をする必要があり、CRANであれば、CU装置101がCoMPのセルコントローラとなり、RU装置102Aが形成するセルAとRU装置102Bが形成するセルBの境界に位置する端末UE103aに対してセルAのRU装置102AおよびセルBのRU装置102Bから協調送信を実施する必要がある（パタンAとする）。セルCのUE103bは、セル境界に位置していないため、CoMPを適用する必要はなく、セルCのRU装置102Cとのみ信号の送受信を行う（パタンBとする）。このように、各RU装置の配下には、パタンAとパタンBの2種の端末が接続することとなる。通常、パタンAとなる端末は、セルの境界にあり、パタンBとなる端末は、セルの中央に位置するであろう。

CU装置101とRU装置102間のデータ送受信はパケットベースのEthernetプロトコルにより行われる。Ethernetは非同期式インタフェースであり、装置のネットワークインタフェースの負荷により伝送遅延量のゆらぎが発生する。L1-L2間分割方式のCRAN基地局にCoMPを適用した場合、この遅延量ゆらぎが、CU装置からUEへのDownlinkの通信で問題となる。

CoMPを実施するには、複数のRU装置が同一のUEに対して、同じ無線リソースを使って信号を送信する必要がある。ところが、協調送信するための無線リソースの決定を行うスケジューリングは、CU装置で行うこととなるため、RU装置が協調送信を行うタイミングに先んじて、RU装置に対してスケジューリングに関する情報を与えないと、RU装置から同時に信号を送信できない。一方で、先に説明している様に、Ethernetは非同期式のインタフェースであるため、確実にデータ伝送に遅延および遅延量のゆらぎが発生する。これにより、RU装置は、信号を送信するべきタイミングにスケジューリングの情報を受け取れず、送信を実施できない可能性がある。この伝送遅延とゆらぎは、分割されたRU装置とCU装置の間の伝送距離や、その間に流れる他のパケット量、あるいは伝送に関連するスイッチなどのネットワーク装置の設定など、様々な要素によって変動する。そのため、一般的に十分な遅延量をあらかじめ考えて設定しておく方法では、大きすぎる遅延量を設定せざるをえなく、パケット伝送の応答性や、無線制御で重要となるHARQの応答性が劣化する。その結果、ネットワークで伝送可能な実効的なスループットが低下してしまう問題がある。

本発明からなる実施例では、CU装置101は、RU装置102までに掛かる伝送遅延量を知っていて、その値に基づいて、先行的に割り当て情報を出すことで、上記の問題を解決する。尚、実際にデータをRU装置102から送信するには、無線リソースの割り当て情報のほかに、送信するデータもRU装置102に届ける必要がある。これについては、ネットワークからIPパケットがCU装置101に届いた時点で、関連するRU装置に転送することで、時間的な制約を受けないようにすることができる。本特許で解決するべきは、あらかじめRU装置102に届けられているデータを何時、どの無線リソースを用いて端末に送信するかを決めている無線リソース割り当ての情報のCU装置101からRU装置102への送信に限る。

CU装置101は、CU装置101からRU装置102までに掛かる伝送遅延量測定の為、RU装置102に対して定期的にEthernetパケットにタイムスタンプを付与して送信する。RU装置102はEthernetパケットに付与された、CU装置の送信タイミング時間を取り出し、タイムスタンプと自身の受信時刻から伝送遅延量を算出し、CU装置101に報告する。

伝送遅延量の算出に使用される時刻情報は、GPS(Global Positioning System)から取得する情報によるものであっても、IEEE(The Institute of Electrical and Electronics Engineers, Inc) 1588によるネットワークからの時刻配信から取得する情報であってもよい。GPSから時刻情報を取得する場合、CU装置101とRU装置102両方がGPSアンテナに接続されている必要があり、基地局付帯設備のコストが高くなってしまうが、時刻情報がRU装置とCU装置個別に配信され、他プロセスの影響を受けない為、ns(ナノ秒)オーダでの同期精度を保障する事が可能である。IEEE1588から時刻情報を取得する場合、IEEE1588はEthernetなどのマルチキャスト対応ネットワークを介して接続される同期プロトコルであり、CU装置101とRU装置102は、高精度なクロック配信装置である、グランドマスターに接続される。あるいはCU装置101自身がグランドマスターであってもよい。IEEE1588ではグランドマスターのみGPS等の高精度なクロック源に接続すればよく、Ethernetで複数のRU装置102を収容するCRAN構成に適した同期システムである。Ethernetを利用した同期プロトコルであるので、本発明で課題としているEthernet回線で発生する遅延量のゆらぎが発生し、同期精度に影響を与えてしまう。その問題の改善を図る為、Boundary Clockと呼ばれるクロック配信装置をグランドマスターとスレーブの間に挿入する方法が提案されている。Boundary Clockは複数のスレーブをサブネット化し、自身がマスタクロックの役割をすることで、スレーブに対するネットワーク上の負荷の影響を排除する事によりクロックの精度を向上させている。

図２（ａ）は、伝送遅延量の測定結果の例を示す図である。

図２（ｂ）は、累積確率分布化した伝送遅延量の例を示す図である。
図２（ａ）に示すCU装置101とRU装置102間の伝送遅延量の測定結果は、CU装置101に記憶される。CU装置101とRU装置102 間の伝送遅延時間の決定方法は、以下の通りである。
Ethernetインタフェースの一時的な負荷の増加により、瞬間的に大きな伝送遅延量が発生する場合があるため、CU装置101とRU装置102間の伝送遅延量の測定結果は例えば図２（ａ）のように分布する。
RU装置ではあらかじめ定めた一定期間について、CU装置102から送信されてきた測定用のパケットを使って測定した伝送遅延量の累積確率分布を作成する。作成方法としては、図２（ｂ）に示すように、測定値をソートし、昇順に並びかえればよい。並びかえた値で、伝送遅延量が小さいものから数えて、(全体数×P)番目の値を報告する伝送遅延量とする。Pはターゲットとする確率で、あらかじめシステムパラメータで定めておく。

図３はCU装置に記憶されるRU遅延時間テーブルの例である。
CU装置101は収容する複数のRU装置102について、RU装置毎に伝送遅延量（伝送遅延時間）を記憶し、協調送信を行う場合には、伝送遅延量（伝送遅延時間）の大きいRU装置に合わせてスケジューリング処理を開始する。

図４は、本発明の一実施形態におけるスケジューリング開始タイミングの決定方法について説明するである。
例として、無線フレームをDownlink (DL) Subframeと Uplink(UL) Subframeの時間領域で分割したTD-LTEシステムのDL/UL configuration=4の場合をを用いて説明する。TD-LTEシステムでは、10msのフレームは10のSubframe単位に分けられる。各Subframeは、下り信号送信であるDL、あるいは上り信号送信であるUL、あるいは両方の信号を送信するSpecial subframeの３つに分割される。図において、”D”、”U”、”S”の記載は、それぞれ、DL、UL、Special subframeをあらわす。これら３つの配置を標準上で規定しているのが、DL/UL configuration となる。例えば、DL/UL configuration=4では、Subframe#2〜4がULに割付けられ、Subframe#1がDL/UL切り替えの際に挿入されるSpecial subframeに割付けられ、それ以外の領域はDLに割り付けられている。CU装置101とUE103間のDownlinkの伝送路遅延は、主にCU装置101でのスケジューリング処理時間、CU装置101とRU装置102間の伝送時間、RU装置102での変調処理時間、およびRU装置102からUE103への無線区間の伝送時間により構成される。この内、CU装置101とRU装置102間の伝送時間以外は、ほぼ固定時間である。協調送信をSubframe#7で実施する事を想定した場合、そこから伝送路遅延分の前倒しした時点を、協調送信を行うRU装置102両方のスケジューリング開始タイミングとする。ここで、CU装置101とRU装置102間の伝送遅延量はRU装置102毎に異なるので、図３のRU 遅延時間テーブル301を参照し、伝送遅延量が大きいRU装置の伝送遅延を採用する。

図５は本発明の一実施形態におけるCU装置およびRU装置の構成を説明するブロック図である。
CU装置101にはRU装置102から報告されたCU装置101とRU装置102間の伝送遅延量をRU遅延時間テーブル301として格納するCUメモリ部501,および、Etherパケットにタイムスタンプを付与し、またRU遅延時間テーブル301から得られた伝送遅延時間により複数のRU装置102に無線リソースを割り当て、スケジューリングを行うL2/L3処理部502、およびL2/L3処理部502にタイムスタンプ付与の為、時刻情報を与えるCU時刻決定部503、およびL2/L3処理部502が作成したパケットと、無線リソースの割り当て情報を関連する複数のRU装置102に送信し、また複数のRU装置102から受信した伝送遅延測定結果を受信するインタフェース部504が具備される。

RU装置102には、CU装置101間で、データ、および制御情報の送受信を行うRUインタフェース部505、および、変復調処理に加え、パケットの受信時刻を測定し、CU装置101から送信されてきたタイムスタンプとの差分をとる事で、CU装置101とRU装置102間の伝送遅延量を測定し、測定結果から累積確率分布による分析を行い、規定の確率以下となる伝送遅延量を求めるL1処理部506、およびL1処理部に時刻情報を与えるRU時刻決定部507、および、CU装置から受信したスケジューリング情報に従って隣接するRU装置102と協調送信を行う事が可能なRF（Radio Frequency）部508、およびCU装置101から受信したデータを一時バッファリングするRUメモリ509部が具備される。

図６はEthernetパケット送信処理を説明するフローチャートである。
図６には、CU装置101が、協調動作を実施しているRU装置102へEthernetパケットを送信する処理を示している。
CU装置101は、まずCUメモリ部501内のRU遅延時間テーブル301から該当RU装置102の伝送遅延時間を検索し、協調動作を実施している複数のRU装置102のうちで大きいほうの伝送遅延量の値を採用して伝送遅延量決定とする（S601）。その後、送信先の端末のデータを割り付けるSubframeを決定し、スケジューリング開始タイミングを決定する（S602）。その後スケジューリング開始タイミングが来ると（S603）、スケジューリングを開始し（S604）、RU装置102にスケジューリング情報の送信を行う（S605）。RU装置102に設定した遅延量更新時間を経過すると（S606）、再度伝送遅延時間を決定する（S601）。

101 CU装置
102 RU装置
103 UE
301 RU遅延時間テーブル
501 CUメモリ部
502 L2/L3処理部
503 CU時刻決定部
504 インタフェース部
505 RUインタフェース部
506 L1処理部
507 RU時刻決定部
508 RF部
509 RUメモリ部

Claims

セントラルユニットと、アンテナおよび無線送受信部を有する複数のリモートユニットから構成され、前記セントラルユニットと複数のリモートユニット間は非同期式インタフェースで接続される無線通信装置であって、
前記セントラルユニットおよび前記リモートユニットは、時刻決定手段を有し、
前記セントラルユニットは、予め定めたタイミングで、タイムスタンプを付与したパケットを前記リモートユニットに送信し、
前記リモートユニットは、該タイムスタンプを付与したパケットを受信して該タイムスタンプおよび受信時刻からセントラルユニットとリモートユニット間の伝送遅延量を算出してセントラルユニットに報告し、
前記セントラルユニットは、端末に複数のリモートユニットから無線信号を協調送信する場合には、前記複数のリモートユニットから送られてきた伝送遅延量に基づいて、スケジューリング処理の開始タイミングを決定し、スケジューリング処理を行って、スケジューリング情報を前記複数のリモートユニットに送信することを特徴とする無線通信装置。
請求項１に記載の無線通信装置であって、
前記リモートユニットは、前記算出した伝送遅延量の累積確率分布を作成し、予め設定した確率に基づいて、報告する伝送遅延量を選択して前記セントラルユニットに報告することを特徴とする無線通信装置。
請求項１または２に記載の無線通信装置であって、前記セントラルユニットは、前記複数のリモートユニットから送られてきた伝送遅延量に加え、前記セントラルユニットにおけるスケジューリング処理に要する時間と、前記複数のリモートユニットにおける処理時間と、前記複数のリモートユニットから送信した無線信号が端末に到達するまでの伝送時間も考慮して、前記スケジューリング処理の開始タイミングを決定することを特徴とする無線通信装置。
無線信号の送受信機能を有する複数のリモートユニットと非同期式インタフェースで接続されるセントラルユニットであって、
前記セントラルユニットは、時刻決定部を有し、時刻決定部から受信した時刻情報に基づいてタイムスタンプを付与した伝送遅延量測定のためのパケットを生成して前記複数のリモートユニットに送信し、
前記複数のリモートユニットから受信した伝送遅延量に基づいて、無線リソースのスケジューリング処理を行い、スケジューリング情報を前記複数のリモートユニットに送信することを特徴とするセントラルユニット。
請求項４に記載のセントラルユニットであって、前記複数のリモートユニットから送られてきた伝送遅延量に加え、前記セントラルユニットにおけるスケジューリング処理に要する時間と、前記複数のリモートユニットにおける処理時間と、前記複数のリモートユニットから送信した無線信号が端末に到達するまでの伝送時間も考慮して、前記スケジューリング処理の開始タイミングを決定することを特徴とするセントラルユニット。
無線信号の送受信機能を有し、非同期式インタフェースを介してセントラルユニットからスケジューリング情報を受信し、スケジューリング情報に基づいて端末に無線信号を送信するリモートユニットであって、
時刻決定部を有し、前記セントラルユニットから、タイムスタンプを付与したパケットを受信すると、前記タイムスタンプの情報および時刻決定部の時刻情報から、前記セントラルユニットとリモートユニット間の伝送遅延量を算出し、前記セントラルユニットに報告することを特徴とするリモートユニット。
請求項５に記載のリモートユニットであって、前記算出した伝送遅延量について、累積確率分布を作成し、予め設定した確率に基づいて、報告する伝送遅延量を選択して前記セントラルユニットに報告することを特徴とするリモートユニット。