JP2017188778A - 無線チャネル割当方法、無線通信システムおよび無線チャネル割当装置 - Google Patents

Abstract

【課題】従来、無線通信システムの周波数利用効率を向上し、システム帯域に残留帯域が無い場合、無線チャネルを割り当てることができないという問題があった。【解決手段】複数のユーザ局の通信を中継するノード局を介してユーザ局の通信に用いる無線チャネルの割り当てを行う無線チャネル割当装置を有する無線通信システムにおける無線チャネル割当方法であって、無線チャネル割当装置は、無線チャネルを割り当てるための周波数帯域が不足している場合、新たに無線チャネルの割り当てを要求するユーザ局を帯域譲受局とし、帯域譲受局に周波数帯域を譲渡する帯域譲渡局を既に無線チャネルを割り当て済みのユーザ局のうちから決定し、帯域譲渡局に無線チャネルの周波数帯域の一部を削除させて空き周波数帯域を創出し、空き周波数帯域を帯域譲受局に割り当てることを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、無線通信システムで使用する周波数帯域を有効利用するための無線チャネル割当方法に関する。

近年、セルラ基地局や衛星局などのノード局を介して複数のユーザ局が通信を行う無線通信システムが利用されている。このような無線通信システムでは、複数のユーザ局が通信に用いる無線チャネルの総周波数帯域は、ノード局が利用可能な最大帯域（以下、システム帯域と称す）以下に制約される。そこで、システム帯域を有効に利用するために、ユーザ局の通信速度に必要な周波数帯域を通信開始時にユーザ局に割り当てる方法（デマンドアサイン型無線チャネル割当方法）が考えられている。この方法では、変復調方式（ＱＰＳＫなど）と誤り訂正符号化方式（ＬＤＰＣ ３／４など）とが全ユーザ局に対して一律に設定され、無線チャネルの周波数帯域が固定される。
一方、通信に使用される変復調方式と誤り訂正符号化方式との組み合わせにより、無線チャネルの周波数利用効率が決まることが知られている（例えば、非特許文献１参照）。ここで、無線チャネルの周波数利用効率（周波数帯域あたりの伝送速度）をη、伝送速度をＲとして、伝送速度Ｒを実現するためにユーザ局に割り当てる必要がある無線チャネルの周波数帯域Ｗは、式（１）で表される。

そして、あるユーザ局が通信を開始する時、システム帯域において他のユーザ局に割り当てられていない空き周波数帯域（以下、残留帯域と称す）を用いて、式(１)により算出される周波数帯域が無線チャネルとして割り当てられる。ところが、システム帯域に残留帯域が無い場合、通信を開始しようとしているユーザ局に対する無線チャネルの割り当ては失敗する。

図９は、従来の無線チャネルの割り当て方法の一例を示す。なお、図９は、ユーザ局Ａ，Ｂ，Ｃの３台のユーザ局の例を示し、ＯＦＦは通信していない状態、ＯＮは通信開始または通信中の状態、をそれぞれ示す。図９において、イベント１では、全ユーザ局（ユーザ局Ａ，Ｂ，Ｃ）が通信していないので、残留帯域はシステム帯域と等しい。イベント２では、ユーザ局Ａが通信を開始するため、残留帯域の範囲内で無線チャネルの割り当てに成功する。さらに、イベント３では、ユーザ局Ｂが通信を開始し、通信中のユーザ局Ａの通信帯域を除く残留帯域の範囲内で無線チャネルの割り当てに成功する。しかし、イベント４では、ユーザ局Ｃが通信を開始するための無線チャネルに必要な残留帯域が無いため、無線チャネルの割り当てに失敗する。ここで、イベント３以降において、システム帯域は、各無線チャネルにより最大限に利用されており、システム全体の周波数利用効率η_ｓｙｓ（システム帯域あたりの総伝送速度）は最大値（η_ｓｙｓ＝η）となる。

一方、送信側で送信信号のスペクトラムの一部を削除して送信し、受信側でスペクトラムの一部が削除された受信信号に対して、復調処理、誤り訂正処理および波形等価処理などのスペクトラム復元処理を繰り返して、受信信号のスペクトラムを削除する前のスペトラムに復元することにより、正常な受信を可能にするスペクトラム削除伝送の技術が知られている（例えば、非特許文献２参照）。

自治体衛星通信機構（LASCOM）："IP型データ伝送回線 LASCOM STD-303". J. Mashino and T. Sugiyama:"A sub-spectrum suppressed transmission scheme for highly efficient satellite communications", IEEE Vehicular Technology Conference Fall, VTC Fall, Anchorage, Alaska, pp. 1-5 (2011).

従来技術では、システム帯域が各無線チャネルによって最大限に利用されている場合、それ以上の周波数利用効率の向上は望めないという問題がある。また、システム帯域に残留帯域が無い場合、新たなユーザ局が通信を開始することができないという問題が生じる。

上記課題に鑑み、本発明の目的は、無線通信システムの周波数利用効率を向上し、システム帯域に残留帯域が無い場合でも無線チャネルの割り当てが可能な無線チャネル割当方法、無線通信システムおよび無線チャネル割当装置を提供することである。

第１の発明は、複数のユーザ局の通信を中継するノード局を介してユーザ局の通信に用いる無線チャネルの割り当てを行う無線チャネル割当装置を有する無線通信システムにおける無線チャネル割当方法であって、無線チャネル割当装置は、無線チャネルを割り当てるための周波数帯域が不足している場合、新たに無線チャネルの割り当てを要求するユーザ局を帯域譲受局とし、帯域譲受局に周波数帯域を譲渡する帯域譲渡局を既に無線チャネルを割り当て済みのユーザ局のうちから決定し、帯域譲渡局に無線チャネルの周波数帯域の一部を削除させて空き周波数帯域を創出し、空き周波数帯域を帯域譲受局に割り当てることを特徴とする。

第２の発明では、第１の発明に記載の無線チャネル割当方法において、帯域譲渡局は、無線チャネルの周波数帯域の一部を削除して空き周波数帯域を創出するときに、周波数帯域を削除した後の無線チャネルの送信電力の変更、削除した周波数帯域を復元する復元処理の回数の変更、無線チャネルの伝送方式の変更、の少なくとも１つを実行することを特徴とする。

第３の発明では、第１または第２の発明に記載の無線チャネル割当方法において、無線チャネル割当装置は、空き周波数帯域が帯域譲受局に必要な無線チャネルの周波数帯域に満たない場合、空き周波数帯域内に収まるように、帯域譲受局に無線チャネルの周波数帯域の一部を削除させることを特徴とする。

第４の発明は、複数のユーザ局の通信を中継するノード局を介してユーザ局の通信に用いる無線チャネルの割り当てを行う無線チャネル割当装置を有する無線通信システムにおいて、無線チャネル割当装置は、無線チャネルを割り当てるための周波数帯域が不足している場合、新たに無線チャネルの割り当てを要求するユーザ局を帯域譲受局とし、帯域譲受局に周波数帯域を譲渡する帯域譲渡局を既に無線チャネルを割り当て済みのユーザ局のうちから決定し、帯域譲渡局に無線チャネルの周波数帯域の一部を削除させて空き周波数帯域を創出し、空き周波数帯域を帯域譲受局に割り当てることを特徴とする。

第５の発明では、第４の発明に記載の無線通信システムにおいて、帯域譲渡局は、無線チャネルの周波数帯域の一部を削除して空き周波数帯域を創出するときに、周波数帯域を削除した後の無線チャネルの送信電力の変更、削除した周波数帯域を復元する復元処理の
回数の変更、無線チャネルの伝送方式の変更、の少なくとも１つを実行することを特徴とする。

第６の発明では、第４または第５の発明に記載の無線チャネル割当装置において、無線チャネル割当装置は、空き周波数帯域が帯域譲受局に必要な無線チャネルの周波数帯域に満たない場合、空き周波数帯域内に収まるように、帯域譲受局に無線チャネルの周波数帯域の一部を削除させることを特徴とする。

第７の発明では、複数のユーザ局の通信を中継するノード局を介してユーザ局の通信に用いる無線チャネルの割り当てを行う無線チャネル割当装置において、複数のユーザ局毎の無線チャネルの情報を管理する回線管理ＤＢと、回線管理ＤＢが管理する複数のユーザ局毎の無線チャネルの情報に基づいて、新たなユーザ局に対して無線チャネルを割り当てる処理を行うチャネル割当部とを有し、チャネル割当部は、無線チャネルを割り当てるための周波数帯域が不足している場合、新たに無線チャネルの割り当てを要求するユーザ局を帯域譲受局とし、帯域譲受局に周波数帯域を譲渡する帯域譲渡局を既に無線チャネルを割り当て済みのユーザ局のうちから決定し、帯域譲渡局に無線チャネルの周波数帯域の一部を削除させて空き周波数帯域を創出し、空き周波数帯域を帯域譲受局に割り当てることを特徴とする。

第８の発明では、第７の発明に記載の無線チャネル割当装置において、帯域譲渡局は、無線チャネルの周波数帯域の一部を削除して空き周波数帯域を創出するときに、周波数帯域を削除した後の無線チャネルの送信電力の変更、削除した周波数帯域を復元する復元処理の回数の変更、無線チャネルの伝送方式を変更、の少なくとも１つを実行することを特徴とする。

本発明に係る無線チャネル割当方法、無線通信システムおよび無線チャネル割当装置は、ユーザ局に割り当て済みの無線チャネルの周波数帯域の一部を他のユーザ局の無線チャネルとして譲渡することにより、無線通信システムの周波数利用効率を向上させることができる。

本実施形態に係る無線通信システムの一例を示す図である。 本実施形態に係る無線通信システムをセルラ網または衛星通信網に適用する例を示す図である。 本実施形態に係る無線通信システムにおけるユーザ局とノード局との間で通信される情報の一例を示す図である。 スペクトラム削除伝送の一例を示す図である。 スペクトラム削除率と信号品質との関係の一例を示す図である。 本実施形態に係る無線通信システムにおける無線チャネルの割り当て例を示す図である。 無線チャネルの割当処理の一例を示す図である。 ユーザ局数の増加と周波数利用効率の一例を示す図である。 従来の無線チャネルの割り当て方法の一例を示す図である。

以下、図面を参照して本発明に係る無線チャネル割当方法、無線通信システムおよび無線チャネル割当装置の実施形態について説明する。

図１は、本実施形態に係る無線通信システム１００の一例を示す。無線通信システム１
００は、ユーザ局１０１、ノード局１０２および無線チャネル割当装置１０３を有する。（ユーザ局１０１）
先ず、ユーザ局１０１の構成について説明する。ユーザ局１０１は、データ入出力部２０１、チャネル要求部２０２、アクセス制御部２０３、変復調部２０４、スペクトラム削除伝送部２０５、送受信部２０６およびアンテナ部２０７を有する。

データ入出力部２０１は、ユーザ局１０１が送受信するデータやユーザ局１０１の外部に接続される通信装置（不図示）が送受信するデータを後述のアクセス制御部２０３との間で入出力する。

チャネル要求部２０２は、ユーザ局１０１が通信を開始するときに、アクセス制御部２０３にチャネル割当要求を出力する。

アクセス制御部２０３は、ユーザ局１０１全体の通信を制御する。なお、図１において、アクセス制御部２０３が他のブロックを制御するための信号線は省略されているが、アクセス制御部２０３は、後述の変復調部２０４、スペクトラム削除伝送部２０５および送受信部２０６などユーザ局１０１全体の通信を制御する。例えば、アクセス制御部２０３は、チャネル要求部２０２が出力するチャネル割当要求にユーザ局ＩＤを付加した回線要求信号を、変復調部２０４、スペクトラム削除伝送部２０５、送受信部２０６およびアンテナ部２０７を介して、ノード局１０２に送信する。また、アクセス制御部２０３は、データ入出力部２０１から入力するデータに送信先のユーザ局１０１のＩＤを付加した信号を変復調部２０４、スペクトラム削除伝送部２０５、送受信部２０６およびアンテナ部２０７を介してノード局１０２に送信する。このとき、無線チャネル割当装置１０３から受け取った無線チャネル情報に基づいてスペクトラムの削減を行う場合、アクセス制御部２０３は、スペクトラム削除伝送部２０５に送信信号のスペクトラムの一部を削除する指示を出す。ここで、受信時のスペクトラム復元は、変復調部２０４が誤り訂正処理や波形等化処理などを繰り返して、スペクトラム削除によるデータ誤りを訂正することにより実質的に達成される。また、アクセス制御部２０３は、後述する送受信部２０６にアンテナ部２０７から送信する信号の送信電力を制御する。このように、アクセス制御部２０３は、ノード局１０２を介して無線チャネル割当装置１０３から受け取る無線チャネル情報に基づいて、変復調部２０４、スペクトラム削除伝送部２０５および送受信部２０６などの動作を制御する。ここで、以降で説明する無線チャネル情報は、例えば、変調方式および符号化レートなどの伝送方式、周波数帯域、スペクトラム削除の有無、誤り訂正処理回数、送信電力などの通信に必要な情報の少なくとも１つを含む。

変復調部２０４は、アクセス制御部２０３から指示される無線チャネル情報（変調方式や符号化レートなど）に基づいて、アクセス制御部２０３が出力する信号の変調またはスペクトラム削除伝送部２０５が出力する信号の復調を行う。また、変復調部２０４は、アクセス制御部２０３からスペクトラム復元が指示された場合、スペクトラム削除伝送部２０５を介して送受信部２０６が出力する受信信号のスペクトラムを復元して復調したデータをアクセス制御部２０３に出力する。なお、変復調部２０４は、アクセス制御部２０３からスペクトラム復元が指示されていない場合、スペクトラム削除伝送部２０５を介して送受信部２０６が出力する受信信号をそのまま復調してアクセス制御部２０３に出力する。ここで、変復調部２０４がアクセス制御部２０３の指示に基づいて実行するスペクトラム復元処理は、例えば、予め設定された回数の誤り訂正処理や波形等化処理などに相当する。

スペクトラム削除伝送部２０５は、アクセス制御部２０３からスペクトラム削除が指示された場合、変復調部２０４が出力する送信信号のスペクトラムの一部を削除して、送受信部２０６に出力する。なお、スペクトラム削除伝送部２０５は、アクセス制御部２０３
からスペクトラム削除が指示されていない場合、変復調部２０４が出力する送信信号をそのまま送受信部２０６に出力する。また、受信時において、スペクトラム削除伝送部２０５は、送受信部２０６から受け取る受信信号を変復調部２０４にそのまま出力する。

送受信部２０６は、ノード局１０２に信号を送信する場合、スペクトラム削除伝送部２０５から入力する送信信号を高周波信号にアップコンバートしてアンテナ部２０７に出力し、ノード局１０２から信号を受信する場合、アンテナ部２０７から入力する高周波信号をダウンコンバートした受信信号をスペクトラム削除伝送部２０５に出力する。なお、送受信部２０６は、アクセス制御部２０３から指示された送信電力になるように送信アンプのゲインを調整し、アンテナ部２０７から送信する。

アンテナ部２０７は、送受信部２０６から出力される高周波信号を電磁波に変換してノード局１０２に送信する。或いは、アンテナ部２０７は、ノード局１０２から受信する電磁波を高周波信号に変換して送受信部２０６に出力する。

ここで、図１に示したユーザ局１０１では、変復調部２０４を独立したブロックとして設けたが、変復調部２０４は、スペクトラム削除伝送部２０５またはアクセス制御部２０３と一体化されてもよい。
（ノード局１０２）
次に、ノード局１０２の構成について説明する。ノード局１０２は、アンテナ部３０１、送受信部３０２、スペクトラム削除伝送部３０３、変復調部３０４、アクセス制御部３０５およびデータ入出力部３０６を有する。

アンテナ部３０１は、送受信部３０２から出力される高周波信号を電磁波に変換してユーザ局１０１に送信する。或いは、アンテナ部３０１は、ユーザ局１０１から受信する電磁波を高周波信号に変換して送受信部３０２に出力する。

送受信部３０２は、ユーザ局１０１に信号を送信する場合、スペクトラム削除伝送部３０３から入力する送信信号を高周波信号にアップコンバートしてアンテナ部３０１に出力し、ユーザ局１０１から信号を受信する場合、アンテナ部３０１から入力する高周波信号をダウンコンバートした受信信号をスペクトラム削除伝送部３０３に出力する。なお、送受信部３０２は、アクセス制御部３０５から指示された送信電力になるように送信アンプのゲインを調整し、アンテナ部３０１から送信する。

スペクトラム削除伝送部３０３は、アクセス制御部３０５からスペクトラム削除が指示された場合、変復調部３０４が出力する送信信号のスペクトラムの一部を削除して、送受信部３０２に出力する。なお、スペクトラム削除伝送部３０３は、アクセス制御部３０５からスペクトラム削除が指示されていない場合、変復調部３０４が出力する送信信号をそのまま送受信部３０２に出力する。また、受信時において、スペクトラム削除伝送部３０３は、送受信部３０２から受け取る受信信号を変復調部３０４にそのまま出力する。

変復調部３０４は、アクセス制御部３０５から指示される無線チャネル情報（変調方式や符号化レートなど）に基づいて、アクセス制御部３０５が出力する信号の変調またはスペクトラム削除伝送部３０３が出力する信号の復調を行う。また、変復調部３０４は、アクセス制御部３０５からスペクトラム復元が指示された場合、スペクトラム削除伝送部３０３を介して送受信部３０２が出力する受信信号のスペクトラムを復元して復調したデータをアクセス制御部３０５に出力する。なお、変復調部３０４は、アクセス制御部３０５からスペクトラム復元が指示されていない場合、スペクトラム削除伝送部３０３を介して送受信部３０２が出力する受信信号をそのまま復調してアクセス制御部３０５に出力する。ここで、変復調部３０４がアクセス制御部３０５の指示に基づいて実行するスペクトラ
ム復元処理は、変復調部２０４と同様に、予め設定された回数の誤り訂正処理や波形等化処理などに相当する。

アクセス制御部３０５は、ノード局１０２の通信動作を制御する。なお、図１において、ユーザ局１０１のアクセス制御部２０３と同様に、アクセス制御部３０５が他のブロックを制御するための信号線は省略されているが、アクセス制御部３０５は、変復調部３０４、スペクトラム削除伝送部３０３および送受信部３０２などノード局１０２全体の通信を制御する。例えば、アクセス制御部３０５は、アンテナ部３０１および送受信部３０２を介してユーザ局１０１から回線要求信号を受信した場合、当該回線要求信号に含まれるユーザ局ＩＤを取り出して、無線チャネル割当装置１０３のチャネル割当処理部４０１に通知する。そして、アクセス制御部３０５は、チャネル割当処理部４０１により決定された無線チャネル情報にユーザ局ＩＤを付加した回線要求信号を、変復調部３０４、スペクトラム削除伝送部３０３、送受信部３０２およびアンテナ部３０１を介してユーザ局１０１に送信する。なお、チャネル割当処理部４０１が行う無線チャネル情報の決定方法については後述する。また、アクセス制御部３０５は、データ入出力部３０６から入力するデータに送信先のユーザ局１０１のＩＤを付加した信号を、変復調部３０４、スペクトラム削除伝送部３０３、送受信部３０２およびアンテナ部３０１を介してユーザ局１０１に送信する。このとき、アクセス制御部３０５は、無線チャネル割当装置１０３からスペクトラムの削減を指示されている場合、スペクトラム削除伝送部３０３に送信信号のスペクトラムの一部を削除するように指示する。ここで、受信時のスペクトラム復元は、変復調部３０４が誤り訂正処理や波形等化処理などを繰り返して、スペクトラム削除によるデータ誤りを訂正することにより実質的に達成される。また、アクセス制御部３０５は、送受信部３０２にアンテナ部３０１から送信する信号の送信電力を制御する。このように、アクセス制御部３０５は、無線チャネル割当装置１０３から受け取る無線チャネル情報に基づいて、変復調部３０４、スペクトラム削除伝送部３０３および送受信部３０２などの動作を制御する。

データ入出力部３０６は、ノード局１０２が送受信するデータやノード局１０２の外部に接続される通信装置（不図示）が送受信するデータをアクセス制御部３０５との間で入出力する。なお、アクセス制御部３０５は、ユーザ局１０１から受信する無線チャネルの割り当てに関連する制御データを無線チャネル割当装置１０３に出力し、それ以外のユーザデータをデータ入出力部３０６に出力する。

ここで、図１に示したノード局１０２では、変復調部３０４を独立したブロックとして設けたが、変復調部３０４は、スペクトラム削除伝送部３０３またはアクセス制御部３０５に含めてもよい。
（無線チャネル割当装置１０３）
次に、無線チャネル割当装置１０３の構成について説明する。無線チャネル割当装置１０３は、チャネル割当処理部４０１および回線管理ＤＢ（Data Base）４０２を有する。なお、無線チャネル割当装置１０３は、ノード局１０２に含まれていてもよいし、別の装置であってもよい。

チャネル割当処理部４０１は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）で実行されるチャネル割当プログラムに従って動作する。チャネル割当処理部４０１は、ノード局１０２を経由してユーザ局１０１から回線要求信号（チャネル割当要求）を受信した場合、後述する無線チャネルの割当方法により、無線チャネル情報を決定し、決定した無線チャネル情報をノード局１０２を経由してユーザ局１０１に送信すると共に、回線管理ＤＢ４０２の内容をアップデートする。

回線管理ＤＢ４０２には、無線通信システム１００で使用される複数のユーザ局１０１
について、ＩＤ毎の無線チャネル情報と無線チャネルを割り当て済みであるか否かの情報が格納されている。これにより、アクセス制御部３０５は、ノード局１０２がユーザ局１０１から受信する回線要求信号のユーザ局１０１のＩＤを抽出し、回線管理ＤＢ４０２を参照して当該ＩＤのユーザ局１０１の無線チャネル情報を確認する。そして、アクセス制御部３０５は、当該ユーザ局１０１の無線チャネル情報から変調方式、符号化レートなどの伝送方式、周波数帯域、スペクトラム削除の有無、誤り訂正処理回数、送信電力などの情報を取得し、無線チャネル情報に対応する周波数帯域での送受信やスペクトラム削除、或いは、スペクトラム復元などをユーザ局１０１やノード局１０２に指示する。
（無線通信システム１００の実用例）
図２は、本実施形態に係る無線通信システム１００をセルラ網または衛星通信網に適用する例を示す。

図２（ａ）は、セルラ網１００ａの一例を示す。なお、図２（ａ）において、図１と同符号のブロックは図１と同一または同様の機能を有する。図２（ａ）では、図１に示したノード局１０２としてセルラ基地局１０２ａが用いられる。そして、ユーザ局１０１Ａ、ユーザ局１０１Ｂおよびユーザ局１０１Ｃの３台のユーザ局１０１がセルラ基地局１０２ａに接続される。また、セルラ基地局１０２ａは、図１で説明した無線チャネル割当装置１０３に接続され、各ユーザ局１０１の管理や制御が行われる。ここで、ユーザ局１０１Ａ、ユーザ局１０１Ｂおよびユーザ局１０１Ｃに共通の事項を説明する場合は、符号末尾のアルファベットを省略してユーザ局１０１と表記する。また、図２（ａ）において、点線矢印は制御用チャネルでの通信を示し、実線矢印は無線チャネルでの通信を示す。そして、ユーザ局１０１Ａ、ユーザ局１０１Ｂおよびユーザ局１０１Ｃは、それぞれセルラ基地局１０２ａとの間で無線チャネルと制御用チャネルとを用いて通信を行うことができる。なお、制御用チャネルは、回線要求信号や伝送パラメータなどの無線チャネル情報を送受信するための予め決められた通信チャネルである。また、無線チャネルは、ユーザデータを送受信するための通信チャネルで、通信を開始するときに割り当てられ、通信が終了すると解放される。

図２（ｂ）は、衛星通信網１００ｂの一例を示す。なお、図２（ｂ）において、図１と同符号のブロックは図１と同一または同様の機能を有する。図２（ｂ）では、図１に示したノード局１０２として通信衛星１０２ｂが用いられる。そして、ユーザ局１０１Ａ、ユーザ局１０１Ｂおよびユーザ局１０１Ｃの３台のユーザ局１０１が通信衛星１０２ｂに接続される。また、通信衛星１０２ｂは、図１で説明した無線チャネル割当装置１０３に接続され、各ユーザ局１０１の管理や制御が行われる。また、図２（ｂ）においても、図２（ａ）と同様に、点線矢印は制御用チャネルでの通信を示し、実線矢印は無線チャネルでの通信を示す。そして、ユーザ局１０１Ａ、ユーザ局１０１Ｂおよびユーザ局１０１Ｃは、それぞれ通信衛星１０２ｂとの間で無線チャネルと制御用チャネルとを用いて通信を行うことができる。
（ユーザ局１０１とノード局１０２との間の通信例）
図３は、本実施形態に係る無線通信システム１００におけるユーザ局１０１とノード局１０２との間で通信される情報の一例を示す。ここで、縦方向は時間の流れを示す。

図３において、ユーザ局１０１は、新たな通信を開始するときに、ノード局１０２に回線要求（チャネル割当要求）を行う（図３（ａ））。そして、ノード局１０２は、ユーザ局１０１が通信を開始するための伝送パラメータなどの無線チャネル情報を返信する（図３（ｂ））。このようにして、ユーザ局１０１は、ノード局１０２との間に無線チャネルを設定して、ノード局１０２とデータ通信を行うことができる（図３（ｃ））。そして、ユーザ局１０１とノード局１０２との間の通信が終了すると、回線解放が行われ、無線チャネルとして割り当てられていた周波数帯域を他のノード局１０２に解放する（図３（ｄ））。
（スペクトラム削除伝送の一例）
ここで、本実施形態に係る無線通信システム１００は、スペクトラム削除伝送の技術を使用する。スペクトラム削除伝送では、送信側のユーザ局１０１またはノード局１０２は、変調処理と符号化処理で形成した無線チャネルのスペトラムに対して、伝送速度を維持したまま当該スペクトラムの一部を削除して送信する。そして、受信側のユーザ局１０１またはノード局１０２は、スペクトラムの一部が削除された受信信号に対してスペクトラムの復元処理を行う。復元処理は、復調処理と誤り訂正処理と波形等価処理などを誤りが無くなるまで（或いは、所定の誤り率が得られるまで）複数回、繰り返し実行される。これにより、受信側の装置は、送信側で削除されたスペクトラムの実質的な復元を行うことができ、データを正常に復調することができる。

図４は、スペクトラム削除伝送の一例を示す。図４（ａ）は送信側におけるスペクトラム削除の例、図４（ｂ）は受信側におけるスペクトラム復元の例をそれぞれ示す。ここでは、送信側が図１に示したユーザ局１０１、受信側がノード局１０２の場合について説明するが、送信側がノード局１０２、受信側がユーザ局１０１の場合についても同様に動作する。

図４（ａ）において、図１に示したユーザ局１０１から帯域の一部を削除せずに送信された信号（当初の送信信号）の周波数帯域がＣｈａｎｎｅｌＸで示されている。そして、スペクトラム削除伝送部２０５によって信号のスペクトラムの一部を削除して送信される信号の周波数帯域がＣｈａｎｎｅｌＸ’で示されている。このようにして、スペクトラム削除伝送では、送信側において、送信信号のスペクトラムの一部が削除されて送信される。これにより、削除した部分の周波数帯域が他のユーザ局１０１の無線チャネルとして使用できるようになる。

一方、図４（ｂ）において、例えば、ノード局１０２は、ユーザ局１０１から送信されたスペクトラムの一部が削除された周波数帯域（ＣｈａｎｎｅｌＸ’）の信号を受信する。ノード局１０２側において、周波数帯域がＣｈａｎｎｅｌＸ’の受信信号は、アンテナ部３０１、送受信部３０２およびスペクトラム削除伝送部３０３を介して変復調部３０４に入力される。そして、変復調部３０４は、例えば誤り訂正処理を繰り返すことにより、スペクトラム削除によるデータ誤りを訂正し、実質的なスペクトラム復元を行う。このようにして、受信側のノード局１０２は、送信側で削除された信号のスペクトラムの一部を復元して、削除前の送信信号として正常に復調することができる。

ここで、所定の変復調方式と所定の誤り訂正符号化方式とにより作成される送信信号の周波数帯域をＷ_ｉｎｉｔ、周波数帯域の削除を行える単位（周波数スロットと称する）をＷ_ｓｌｏｔ（Ｈｚ）とする。そして、Ｎ_ｄｅｌ個の周波数スロットを削減した場合のスペクトラム削除率ｃは、式（２）で定義される。

このとき、スペクトラム削除伝送では、スペクトラム削除後の周波数帯域Ｗ_ｉｎｉｔ（１−ｃ）により、伝送速度ηＷ_ｉｎｉｔが維持できるようにするので、スペクトラム削除後の周波数利用効率η_ｃｏｍｐ（ｃ）は、式（３）で表すことができる。

ここで、削除する周波数帯域が広いほど（スペクトラム削除率が大きいほど）、受信信
号の符号間干渉が大きくなる。その結果、受信信号のＢＥＲ（Bit Error Rate:ビット誤り率）が大きくなり、受信信号のＣ／Ｎ（Carrier to Noise:キャリア電力対雑音電力比）が低くなる。以降の説明では、受信信号のＢＥＲが大きくなること、或いは、受信信号のＣ／Ｎが低くなることを、信号品質が劣化すると記載する。また、受信信号のＢＥＲが小さくなること、或いは、受信信号のＣ／Ｎが高くなることを、信号品質が高くなると記載する。さらに、予め決められた一定値以下のＢＥＲ（所要ＢＥＲ）より低いＢＥＲとなる通信を行うこと、或いは、予め決められた一定値以上のＣ／Ｎ（所要Ｃ／Ｎ）より大きいＣ／Ｎとなる通信を行うことを、所要信号品質を満たすと記載する。

スペクトラム削除伝送において、所要信号品質を満たすための制御方法として、次の３つの方法が考えられる。
（１）送信側において、送信信号のスペトラムの電力加算を行う。つまり、送信信号の送信電力を増加する。
（２）受信側において、スペクトラム復元処理の回数を増加する。例えば、復調処理、誤り訂正処理および波形等化処理などの回数を増加する。
（３）送受信側において、伝送方式（変復調方式と誤り訂正符号化方式の組み合わせ）を変更する。

図５は、上述の各方法におけるスペクトラム削除率と信号品質との関係の一例を示す。ここで、縦軸は信号品質、横軸はスペクトラム削除率をそれぞれ示す。

図５（ａ）は、送信電力が異なる場合のスペクトラム削除率と信号品質との関係の一例を示す。図５（ａ）において、送信電力Ａ＞送信電力Ｂの場合、送信電力Ｂよりも送信電力の大きい送信電力Ａの方が信号品質は高くなる。

図５（ｂ）は、復元処理回数が異なる場合のスペクトラム削除率と信号品質との関係の一例を示す。図５（ｂ）において、復元処理回数Ａ回＞復元処理回数Ｂ回の場合、復元処理回数Ｂ回よりも処理の回数が多い復元処理回数Ａ回の方が信号品質は高くなる。

図５（ｃ）は、伝送方式が異なる場合のスペクトラム削除率と信号品質との関係の一例を示す。図５（ｃ）において、スペクトラム削除率がある値よりも小さい場合は、伝送方式Ｂよりも伝送方式Ａの方が信号品質は高くなり、スペクトラム削除率がある値よりも大きい場合は、伝送方式Ａよりも伝送方式Ｂの方が信号品質は高くなる。

このように、スペクトラム削除率が大きくなる条件下で所要信号品質を満たすためには、スペクトラム削除率が小さい条件下よりも送信電力を大きくし、あるいは復元処理回数を多くすればよい。また、スペクトラム削除率に応じて伝送方式を変えることにより、所要信号品質を満たすことができる。本実施形態に係る無線通信システム１００は、上述の所要信号品質を満たすための３つの方法の少なくとも１つを実行する。

図６は、本実施形態に係る無線通信システム１００における無線チャネルの割り当て例を示す。なお、図６は、従来技術で説明した図９のイベント４に対応し、ユーザ局Ａ、ユーザ局Ｂおよびユーザ局Ｃの３台のユーザ局１０１で構成される例を示す。

図６（ａ）は、図９のイベント４の状態からユーザ局Ｃが通信を開始する場合の例を示す。図９のイベント４では、ユーザ局Ａおよびユーザ局Ｂの無線チャネルは割り当て済みであり、残留帯域の範囲内でユーザ局Ｃに無線チャネルの割り当てを行おうとするが、残留帯域が不足している。そこで、無線チャネル割当装置１０３のチャネル割当処理部４０１は、ユーザ局Ａおよびユーザ局Ｂに割り当て済みの無線チャネルのスペクトラムの一部を削除させることにより、新たな周波数帯域を創出し、この創出した周波数帯域をユーザ
局Ｃに譲渡する。その結果、ユーザ局Ｃは、無線チャネルの取得に成功し、無線チャネルを使用することができる。

図６（ｂ）は、図６（ａ）で説明したユーザ局Ａおよびユーザ局Ｂからのユーザ局Ｃへの周波数帯域の譲渡と並行して、ユーザ局Ａおよびユーザ局Ｂは、所要信号品質を満たすために、スペクトラム削除後の送信電力を増加させる。これにより、ユーザ局Ａおよびユーザ局Ｂは、スペクトラム削除による信号品質の劣化を補償して所要信号品質を維持することができる。

図６（ｃ）は、図６（ａ）で説明したユーザ局Ａおよびユーザ局Ｂからのユーザ局Ｃへの周波数帯域の譲渡と並行して、ユーザ局Ａおよびユーザ局Ｂは、所要信号品質を満たすために、受信側でのスペクトラムの復元処理回数をＸ回に増加する。これにより、ユーザ局Ａおよびユーザ局Ｂは、スペクトラム削除による信号品質の劣化を補償して所要信号品質を維持することができる。

図６（ｄ）は、図６（ａ）で説明したユーザ局Ａおよびユーザ局Ｂからのユーザ局Ｃへの周波数帯域の譲渡と並行して、ユーザ局Ａおよびユーザ局Ｂは、所要信号品質を満たすために、送信側と受信側の伝送方式を変更する。例えばユーザ局Ａは、変調方式：ＱＡＭおよび符号化方式：ＬＰＤＣ３／４から、変調方式：８ＰＳＫおよび符号化方式：Ｔｕｒｂｏ１／２に変更する。また、ユーザ局Ｂは、変調方式：６４ＱＡＭおよび符号化方式：ＬＰＤＣ３／４から、変調方式：１６ＱＡＭおよび符号化方式：Ｔｕｒｂｏ３／９に変更する。なお、ユーザ局Ｃは、変調方式：ＱＰＳＫおよび符号化方式：ＬＰＤＣ３／４に設定される。これにより、ユーザ局Ａおよびユーザ局Ｂは、スペクトラム削除による信号品質の劣化を補償して所要信号品質を維持することができる。

図６（ｅ）は、ユーザ局Ｃの無線チャネルのスペクトラムが図６（ａ）から図６（ｄ）で説明したユーザ局Ｃの無線チャネルのスペクトラムよりも広い場合に、ユーザ局Ｃの無線チャネルのスペクトラムの一部を削除する例を示す。これにより、ユーザ局Ａおよびユーザ局Ｂから譲渡された周波数帯域にユーザ局Ｃの無線チャネルのスペクトラムが入らない場合でも、ユーザ局Ｃは、無線チャネルの割り当てを受けることができる。なお、この場合、ユーザ局Ｃは、変調方式：ＱＰＳＫおよび符号化方式：ＬＰＤＣ３／４を例えば変調方式：８ＰＳＫおよび符号化方式：Ｔｕｒｂｏ１／２に変更して、所要信号品質を満たすようにしてもよい。

このようにして、ユーザ局Ａおよびユーザ局Ｂは、割り当て済みの無線チャネルのスペクトラムの一部を削除して新たな周波数帯域を創出し、創出した周波数帯域をユーザ局Ｃに譲渡することにより、ユーザ局Ｃは無線チャネルの割り当てを受けることができる。
（無線チャネルの割当方法）
次に、無線チャネル割当装置１０３のチャネル割当処理部４０１が実行する無線チャネルの割当方法について説明する。チャネル割当処理部４０１は、回線管理ＤＢ４０２に格納された各ユーザ局１０１の情報により、システム帯域に残っている残留帯域を監視している。そして、チャネル割当処理部４０１は、ノード局１０２を介してユーザ局１０１から回線要求信号を受信したときに、残留帯域が不足している場合、当該ユーザ局１０１のＩＤを帯域譲受局に設定する。同時に、チャネル割当処理部４０１は、回線管理ＤＢ４０２に格納されている無線チャネルの割り当て済みのユーザ局１０１の中から帯域譲渡局を１台以上決定する。なお、帯域譲渡局は、例えば、スペクトラム削除可能な帯域と帯域譲受局が必要な周波数帯域とを考慮して決定する。例えば、先ず、チャネル割当処理部４０１は、帯域譲受局の通信に必要な分の周波数帯域を削除可能な１台の帯域譲渡局を検索する。そして、該当する帯域譲渡局が見つからない場合、次に、チャネル割当処理部４０１は、削除可能な周波数帯域を合算したときに帯域譲受局の通信に必要な分の周波数帯域を
確保できる２台の帯域譲渡局を検索する。或いは、特定のユーザ局１０１に負担がかからないように、帯域譲受局が必要な周波数帯域が得られるように、無線チャネルが割り当てられているユーザ局１０１の無線チャネルのスペクトラムを少しずつ削除するようにしてもよい。

このようにして、チャネル割当処理部４０１は、帯域譲渡局から帯域譲受局に譲渡する無線チャネルの周波数帯域を決定する。無線チャネル割当装置１０３は、決定された譲渡する周波数帯域に応じた無線チャネル情報を帯域譲受局と帯域譲渡局とにノード局１０２を経由して送信すると共に、回線管理ＤＢ４０２に格納されている各ユーザ局１０１に関する情報をアップデートする。
（無線チャネルの割当処理）
次に、本実施形態に係る無線通信システム１００における無線チャネルの割当処理の流れについて説明する。

図７は、無線チャネル割当装置１０３を中心に実行される無線チャネルの割当処理の一例を示す。

ステップＳ１０１において、新規に通信を開始しようとするユーザ局１０１は、ノード局１０２に無線チャネルの割り当てを要求する。

ステップＳ１０２において、無線チャネル割当装置１０３は、残留帯域でチャネル割当が可能であるか否かを判別する。そして、無線チャネル割当装置１０３は、残留帯域でチャネル割当が可能である場合、ステップＳ１０６の処理に進み、残留帯域でチャネル割当ができない場合、ステップＳ１０３の処理に進む。

ステップＳ１０３において、無線チャネル割当装置１０３は、回線管理ＤＢ４０２に格納されているユーザ局１０１の情報を参照して、所要信号品質を満たし、且つ、スペクトラム削除が可能な帯域譲渡局の候補があるか否かを確認する。そして、無線チャネル割当装置１０３は、帯域譲渡局の候補がある場合、ステップＳ１０４の処理に進み、帯域譲渡局の候補がない場合、ステップＳ１０７の処理に進む。

ステップＳ１０４において、無線チャネル割当装置１０３は、帯域譲渡局候補にスペクトラム削除を指示する無線チャネル情報を送信し、スペクトラム削除の指示を受けた帯域譲渡局は、自局の無線チャネルのスペクトラムの一部を削除する。

ステップＳ１０５において、無線チャネル割当装置１０３は、帯域譲渡局が削除した帯域を残留帯域に加算して、ステップＳ１０２の処理に戻って、同様の処理を繰り返す。

ステップＳ１０６において、無線チャネル割当装置１０３は、残留帯域で帯域譲受局への無線チャネルの割り当てが可能なので、帯域譲受局に無線チャネルの周波数帯域を割り当てる無線チャネル情報を送信する。これにより、帯域譲受局は、無線チャネルの割り当てを受けることに成功する。

ステップＳ１０７において、無線チャネル割当装置１０３は、残留帯域で帯域譲受局への無線チャネルの割り当てができないので、帯域譲受局への無線チャネルの周波数帯域の割り当てを行わない。これにより、帯域譲受局は、無線チャネルの割り当てを受けることに失敗する。

このようにして、無線チャネル割当装置１０３は、新たなユーザ局１０１からチャネル割当要求を受けた場合に、残留帯域がある場合は、残留帯域を当該ユーザ局１０１に割り
当て、残留帯域が不足する場合は、既に無線チャネルを割り当てたユーザ局１０１の無線チャネルのスペクトラムを削除して残留帯域を増やすことにより、新たなユーザ局１０１に無線チャネルの周波数帯域を割り当てることができる。
（性能評価）
次に、本実施形態に係る無線通信システム１００の周波数利用効率について説明する。

図８は、ユーザ局数の増加に対するシステム全体の周波数利用効率の一例を示す。なお、縦軸は周波数利用効率（ｂｉｔ／ｓ／Ｈｚ）、横軸はユーザ局数（台）をそれぞれ示す。また、丸印は従来技術の特性、三角印は本実施形態に係る無線通信システム１００の特性をそれぞれ示す。ここで、図８に示した性能評価は、変復調方式：ＱＰＳＫ、誤り訂正符号化方式：ＬＤＰＣ １／２、システム帯域：３６ＭＨｚ、スペクトラム削除率：０．１の条件で行っている。

図８において、ユーザ局数が増加するとシステム全体の周波数利用効率が向上することがわかる。従来技術の場合、変復調方式：ＱＰＳＫ、誤り訂正符号化方式：１／２から決まる周波数利用効率は、ユーザ局数が増加するにつれて１ｂｉｔ／ｓ／Ｈｚに達する。一方、本実施形態に係る無線通信システム１００の場合、スペクトラム削除により、周波数帯域の一部を削除して他のユーザ局１０１に割り当てることができるので、周波数利用効率は、ユーザ局数が増加するにつれて従来技術の１ｂｉｔ／ｓ／Ｈｚを超える結果が得られている。

このように、本実施形態に係る無線通信システム１００は、帯域譲渡局の通信において、送信側ではスペクトラムの一部を削除した無線チャネルの送信電力を大きくすること、受信側ではスペクトラム復元処理の回数を多くすること、或いは、伝送方式を変更すること、などの補償を行うことにより、所要信号品質を満たすことができ、周波数利用効率を従来技術よりも向上させることができる。

以上、説明したように、本実施形態に係る無線通信システム１００は、ユーザ局１０１に割り当て済みの無線チャネルの周波数帯域の一部を他のユーザ局１０１の無線チャネルとして譲渡することにより、通信システムの周波数利用効率を向上させることができる。

１００・・・無線通信システム；１０１・・・ユーザ局；１０２・・・ノード局；１０２ａ・・・セルラ基地局；１０２ｂ・・・通信衛星；１０３・・・無線チャネル割当装置；２０１・・・データ入出力部；２０２・・・チャネル要求部；２０３・・・アクセス制御部；２０４・・・変復調部；２０５・・・スペクトラム削除伝送部；２０６・・・送受信部；２０７・・・アンテナ部；３０１・・・アンテナ部；３０２・・・送受信部；３０３・・・スペクトラム削除伝送部；３０４・・・変復調部；３０５・・・アクセス制御部；３０６・・・データ入出力部；４０１・・・チャネル割当処理部；４０２・・・回線管理ＤＢ

Claims (8)

1. 複数のユーザ局の通信を中継するノード局を介して前記ユーザ局の通信に用いる無線チャネルの割り当てを行う無線チャネル割当装置を有する無線通信システムにおける無線チャネル割当方法であって、
   前記無線チャネル割当装置は、無線チャネルを割り当てるための周波数帯域が不足している場合、新たに無線チャネルの割り当てを要求するユーザ局を帯域譲受局とし、前記帯域譲受局に前記周波数帯域を譲渡する帯域譲渡局を既に無線チャネルを割り当て済みの前記ユーザ局のうちから決定し、前記帯域譲渡局に無線チャネルの周波数帯域の一部を削除させて空き周波数帯域を創出し、前記空き周波数帯域を前記帯域譲受局に割り当てることを特徴とする無線チャネル割当方法。
2. 請求項１に記載の無線チャネル割当方法において、
   前記帯域譲渡局は、無線チャネルの周波数帯域の一部を削除して空き周波数帯域を創出するときに、周波数帯域を削除した後の無線チャネルの送信電力の変更、削除した周波数帯域を復元する復元処理の回数の変更、無線チャネルの伝送方式の変更、の少なくとも１つを実行することを特徴とする無線チャネル割当方法。
3. 請求項１または２に記載の無線チャネル割当方法において、
   前記無線チャネル割当装置は、前記空き周波数帯域が前記帯域譲受局に必要な無線チャネルの周波数帯域に満たない場合、前記空き周波数帯域内に収まるように、前記帯域譲受局に無線チャネルの周波数帯域の一部を削除させることを特徴とする無線チャネル割当方法。
4. 複数のユーザ局の通信を中継するノード局を介して前記ユーザ局の通信に用いる無線チャネルの割り当てを行う無線チャネル割当装置を有する無線通信システムにおいて、
   前記無線チャネル割当装置は、無線チャネルを割り当てるための周波数帯域が不足している場合、新たに無線チャネルの割り当てを要求するユーザ局を帯域譲受局とし、前記帯域譲受局に前記周波数帯域を譲渡する帯域譲渡局を既に無線チャネルを割り当て済みの前記ユーザ局のうちから決定し、前記帯域譲渡局に無線チャネルの周波数帯域の一部を削除させて空き周波数帯域を創出し、前記空き周波数帯域を前記帯域譲受局に割り当てることを特徴とする無線通信システム。
5. 請求項４に記載の無線通信システムにおいて、
   前記帯域譲渡局は、無線チャネルの周波数帯域の一部を削除して空き周波数帯域を創出するときに、周波数帯域を削除した後の無線チャネルの送信電力の変更、削除した周波数帯域を復元する復元処理の回数の変更、無線チャネルの伝送方式の変更、の少なくとも１つを実行することを特徴とする無線通信システム。
6. 請求項４または５に記載の無線通信システムにおいて、
   前記無線チャネル割当装置は、前記空き周波数帯域が前記帯域譲受局に必要な無線チャネルの周波数帯域に満たない場合、前記空き周波数帯域内に収まるように、前記帯域譲受局に無線チャネルの周波数帯域の一部を削除させることを特徴とする無線通信システム。
7. 複数のユーザ局の通信を中継するノード局を介して前記ユーザ局の通信に用いる無線チャネルの割り当てを行う無線チャネル割当装置において、
   前記複数のユーザ局毎の無線チャネルの情報を管理する回線管理ＤＢと、
   前記回線管理ＤＢが管理する前記複数のユーザ局毎の無線チャネルの情報に基づいて、新たなユーザ局に対して無線チャネルを割り当てる処理を行うチャネル割当部と
   を有し、
   前記チャネル割当部は、無線チャネルを割り当てるための周波数帯域が不足している場合、新たに無線チャネルの割り当てを要求するユーザ局を帯域譲受局とし、前記帯域譲受局に前記周波数帯域を譲渡する帯域譲渡局を既に無線チャネルを割り当て済みの前記ユーザ局のうちから決定し、前記帯域譲渡局に無線チャネルの周波数帯域の一部を削除させて空き周波数帯域を創出し、前記空き周波数帯域を前記帯域譲受局に割り当てることを特徴とする無線チャネル割当装置。
8. 請求項７に記載の無線チャネル割当装置において、
   前記帯域譲渡局は、無線チャネルの周波数帯域の一部を削除して空き周波数帯域を創出するときに、周波数帯域を削除した後の無線チャネルの送信電力の変更、削除した周波数帯域を復元する復元処理の回数の変更、無線チャネルの伝送方式を変更、の少なくとも１つを実行することを特徴とする無線チャネル割当装置。

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