JP2022036772A - 無線通信システムおよび無線通信方法 - Google Patents

Abstract

【課題】無線基地局がデータ送信の宛先とする無線端末及び使用するリソースブロックを適切に選択して、無線端末における通信品質を改善することができる、無線通信システム及び無線通信方法を提供する。【解決手段】無線通信システムにおいて、送信局として機能する無線基地局は、その配下の複数の無線端末に、ＯＦＤＭＡを用いてデータを送信する。送信局は、複数の無線端末の夫々の通信品質が、夫々について予め決められた要求品質を満たすための制約条件を定める。無線リソーススケジューリングリアプノフ最適化部２４は、その制約条件の下で、当該送信局における合計スループットが最大となるように、複数の無線端末に対するＯＦＤＭＡのリソースブロックの割り当てを決定する最適化問題を解く。データ送信部２６は、最適化問題の解に従うリソースブロックの割り当てで、複数の無線端末宛てにデータを送信する。【選択図】図２

Description

本発明は、無線ＬＡＮ（Local Area Network）の稠密環境において、各無線局のＣＳＭＡ／ＣＡ（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance）制御に起因するスループットの低下を改善する無線通信システムおよび無線通信方法に関する。

近年、ノートパソコンやスマートフォン等の持ち運び可能で高性能な無線端末の普及により、企業や公共スペースだけではなく、一般家庭でもIEEE802.11標準規格の無線ＬＡＮが広く使われるようになっている。IEEE802.11標準規格の無線ＬＡＮには、 2.4ＧHz帯を用いるIEEE802.11b/g/n/ax 規格の無線ＬＡＮと、５ＧHz帯を用いるIEEE802.11a/n/ac/ax規格の無線ＬＡＮがある。

2.4ＧHz帯を用いる無線ＬＡＮでは、2400ＭHzから2483.5ＭHz間に５ＭHz間隔で13チャネルが用意されている。ただし、同一場所で複数のチャネルを使用する際は、干渉を避けるためスペクトルが重ならないようにチャネルを使用すると、最大で３チャネル、場合によっては４チャネルまで同時に使用できる。

一方、5ＧHz帯を用いる無線ＬＡＮでは、日本の場合は、5170ＭHzから5330ＭHzの間と、5490ＭHzから5710ＭHzの間で、それぞれ互いに重ならない８チャネルおよび11チャネルの合計19チャネルが規定されている。なお、IEEE802.11ａ規格では、チャネル当たりの帯域幅が20ＭHzに固定されている。

無線ＬＡＮの最大伝送速度は、IEEE802.11ｂ規格の場合は11Ｍbpsであり、IEEE802.11ａ規格やIEEE802.11ｇ規格の場合は54Ｍbpsである。ただし、ここでの伝送速度は物理レイヤ上での伝送速度である。実際にはＭＡＣ（Medium Access Control）レイヤでの伝送効率が50～70％程度であるため、実際のスループットの上限値はIEEE802.11ｂ規格では５Ｍbps 程度、IEEE802.11ａ規格やIEEE802.11ｇ規格では30Ｍbps程度である。また、伝送速度は、情報を送信しようとする送信局が増えればさらに低下する。

一方で、有線ＬＡＮでは、Ethernet（登録商標）の100Base-Tインタフェースをはじめとして、各家庭に向けた光ファイバを用いたＦＴＴＨ（Fiber to the home)が普及しており、 100Ｍbps ～１Ｇbps 級の高速回線の提供が一般的となっている。このため、無線ＬＡＮにおいても更なる伝送速度の高速化が求められている。

そのため、2009年に標準化が完了したIEEE802.11ｎ規格では、これまで20ＭHzに固定されていたチャネル帯域幅が最大で40ＭHzに拡大された。また、空間多重送信技術（ＭＩＭＯ：Multiple input multiple output）技術の導入も決定された。IEEE802.11ｎ規格で規定されているすべての機能を適用して送受信を行うと、物理レイヤでは最大で600Ｍbps の通信速度を実現可能である。

さらに、2013年に標準化が完了したIEEE802.11ac規格では、チャネル帯域幅を80ＭHz、最大で160ＭHzまで拡大することや、空間分割多元接続（ＳＤＭＡ：Space Division Multiple Access）を適用したマルチユーザＭＩＭＯ（ＭＵ－ＭＩＭＯ）送信方法を導入することが決定している。IEEE802.11ac規格で規定されているすべての機能を適用して送受信を行うと、物理レイヤでは最大で約 6.9Ｇbps の通信速度を実現可能である。

また、現在標準化規格策定中のIEEE802.11ax規格では、ＯＦＤＭＡを活用して複数ユーザ宛に異なる信号を同時送信する技術の導入が決まっている（非特許文献１）。この技術によれば、超高密度環境においても効率的なデータ送信が可能となる。

IEEE802.11規格の無線ＬＡＮは、2.4ＧHz帯または５ＧHz帯の免許不要な周波数帯で運用される。このため、IEEE802.11規格の無線基地局は、無線ＬＡＮセル（ＢＳＳ：Basic Service Set）を形成する際に、自無線基地局で対応可能な周波数チャネルのうち、運用する周波数チャネルを決定する必要がある。

さらに、IEEE802.11ｎ規格またはIEEE802.11ac規格の無線基地局では、運用する帯域幅も決定する必要がある。例えば、IEEE802.11ｎ規格の場合は、帯域幅は最大で40ＭHzまで対応可能であるが、周辺の無線環境状況によって40ＭHzではなく20ＭHzで運用した方が効率的な場合がある。同様に、IEEE802.11acや11ax規格の場合は、連続した80ＭHz、連続した160ＭHz、または非連続の80＋80ＭHzまでの対応、すなわち、最大で160ＭHzまでの対応が可能であるが、周辺の無線環境状況によっては40ＭHzや20ＭHzで運用した方が効率的な場合がある。

自セルで使用するチャネル、帯域幅およびそれ以外のパラメータの設定値、並びに自無線基地局において対応可能なその他のパラメータは、定期的に送信するBeaconフレームや、無線端末から受信するProbe Requestフレームに対するProbe responseフレーム等に記載される。これらのフレームは、運用が決定された周波数チャネル上で送信され、配下の無線端末および周辺の他送信局に通知される。これによりセルの運用が行われる。

自セルで使用するパラメータの設定値には、例えば、アクセス権取得に関するパラメータ値やＱｏＳ（Quality of Services ）等のパラメータ値が含まれる。また、自無線基地局において対応可能なその他のパラメータには、フレーム送信に用いる帯域幅、制御フレーム送信に使用する基本データレート、およびデータ送受信可能な変調方式と符合化率に関するデータレートセットなどが含まれる。

無線基地局において、周波数チャネルや帯域幅およびその他のパラメータの選択および設定方法には、次の４つの方法がある。
(1) 無線基地局の製造メーカで設定されたデフォルトのパラメータ値をそのまま使用する方法
(2) 無線基地局を運用するユーザが手動で設定した値を使用する方法
(3) 各無線基地局が起動時に自局において検知する無線環境情報に基づいて自律的にパラメータ値を選択して設定する方法
(4) 無線ＬＡＮコントローラなどの集中制御局で決定されたパラメータ値を設定する方法

ここで、IEEE802.11ac規格においてチャネル帯域幅を40ＭHz、80ＭHz、或いは160ＭHzと広く設定する場合、５ＧHz帯において同一場所で同時に使えるチャネル数は、チャネル帯域幅が20ＭHzである場合に比して少なくなる。具体的には、20ＭHzでは19チャネルだったものが、夫々９チャネル、４チャネル、２チャネルと少なくなる。すなわち、チャネル帯域幅が増加するにつれて、使えるチャネル数が低減することになる。

また、同一場所で同時に使えるのは、通信に用いるチャネル帯域幅によって、2.4ＧHz帯の無線ＬＡＮでは３チャネル、５ＧHz帯の無線ＬＡＮでは２チャネル、４チャネル、９チャネル、または19チャネルになる。このため、実際に無線ＬＡＮを導入する際には無線基地局が自ＢＳＳ（Basic Service Set）内で使用するチャネルを選択する必要がある。

このとき、使用可能なチャネル数よりもＢＳＳ数が多い無線ＬＡＮの稠密環境では、複数のＢＳＳが同一チャネルを使うことになる（ＯＢＳＳ：Overlapping BSS ）。その場合、同一チャネルを使用するＢＳＳ間の干渉の影響により、当該ＢＳＳおよびシステム全体のスループットが低下することになる。そのため無線ＬＡＮでは、ＣＳＭＡ／ＣＡ（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance）を用いて、キャリアセンスによりチャネルが空いているときにのみデータの送信を行う自律分散的なアクセス制御が使われている。

具体的には、送信要求が発生した送信局は、まず所定のセンシング期間（ＤＩＦＳ：Distributed Inter-Frame Space ）だけキャリアセンスを行って無線媒体の状態を監視し、この間に他の送信局による送信信号が存在しなければ、ランダム・バックオフを行う。送信局は、引き続きランダム・バックオフ期間中もキャリアセンスを行うが、この間にも他の送信局による送信信号が存在しない場合に、チャネルの利用権（ＴＸＯＰ：Transmission Opportunity）を得る。チャネルの利用権を得た送信局（ＴＸＯＰ Holder ）は、同一ＢＳＳ内の他の送信局にデータを送信し、またそれらの送信局からデータを受信できる。このようなＣＳＭＡ／ＣＡ制御を行う場合、同一チャネルを使用する無線ＬＡＮの稠密環境では、キャリアセンスによりチャネルがビジーになる頻度が高くなるため、送信機会（チャネルの利用権を得る機会）が低下し、スループットが低下することになる。したがって、周辺環境をモニタリングし、適切なチャネルを選択することが重要になる。11ax対応無線局でＯＦＤＭＡを用いる場合は各々端末宛に利用するリソースブロックを適切に選択する必要がある。

Specification Framework for TGax, Robert Stacey, 2016年1月

ＯＦＤＭＡを用いて複数端末宛にデータを送信する際には、無線端末の選択が重要である。無線端末が広範囲に広がっている場合は、端末毎の干渉状況が異なる。このように干渉状況が異なる端末の中から干渉を受けにくい端末を選択し、送信することでＯＦＤＭＡ送信が成功となり、端末の品質が改善される。
本発明は、ＯＦＤＭＡ送信の際に宛先となる端末を適切に選択するための選定方法に関する。

本発明の第１の態様は、上記の課題を解決するため、送信局として機能する無線基地局と、その配下の複数の無線端末とを備え、前記送信局がＯＦＤＭＡを用いて前記複数の無線端末の少なくとも一部の端末宛てにデータを送信する無線通信システムであって、前記送信局は、前記複数の無線端末の夫々の通信品質が、夫々について予め決められた要求品質を満たすための制約条件を定める処理と、前記制約条件の下で、前記送信局における合計スループットが最大となるように、前記複数の無線端末に対するＯＦＤＭＡのリソースブロックの割り当てを決定する最適化問題を解く処理と、前記最適化問題の解に従う前記リソースブロックの割り当てで、前記複数の無線端末宛てにデータを送信する処理と、を実行することが望ましい。

また、本発明の第２の態様は、送信局として機能する無線基地局と、その配下の複数の無線端末とを備える無線通信システムにおいて、前記送信局がＯＦＤＭＡを用いて前記複数の無線端末の少なくとも一部の端末宛てにデータを送信するための無線通信方法であって、前記複数の無線端末の夫々の通信品質が、夫々について予め決められた要求品質を満たすための制約条件を定めるステップと、前記制約条件の下で、前記送信局における合計スループットが最大となるように、前記複数の無線端末に対するＯＦＤＭＡのリソースブロックの割り当てを決定する最適化問題を解くステップと、前記送信局が、前記最適化問題の解に従う前記リソースブロックの割り当てで、前記複数の無線端末宛てにデータを送信するステップと、を含むことが望ましい。

本発明では、無線基地局が、データ送信の宛先とする無線端末、および使用するリソースブロックを適切に選択するため、無線端末における通信品質が改善される。その結果、ユーザにとって品質の良いアクセス回線を提供することが可能である。また、アンライセンス無線システムにおいても品質保証型サービスの提供が可能となる。

本発明の実施の形態１の無線通信システムの構成例を示す図である。 図１に示す送信局の特徴的な機能を説明するためのブロック図である。 本発明の実施の形態１を対象として実施したシミュレーションの環境を示す図である。 本発明の実施の形態１で得られる効果をキューサイズの比較で表した図である。 本発明の実施の形態１で得られる効果を遅延時間の比較で表した図である。 本発明の実施の形態２の特徴を説明するための図（その１）である。 本発明の実施の形態２の特徴を説明するための図（その２）である。

実施の形態１．
［実施の形態１の構成］
図１は、本発明の実施の形態１の無線通信システム１０の構成を説明するための図である。図１に示す無線通信システム１０には、複数の無線基地局ＡＰ１～ＡＰ５が含まれている。無線基地局ＡＰ１～ＡＰ５は、夫々無線ＬＡＮのアクセスポイントとして機能する。

図１は、無線基地局ＡＰ１の無線ＬＡＮセル内に４つの無線端末ＳＴＡ１１～ＳＴＡ１４が含まれる状態を示している。また、図１では、無線端末ＳＴＡ１１～ＳＴＡ１４が、以下のような通信状態に置かれている。
ＳＴＡ１１；ＡＰ１以外の無線基地局ＡＰ２～ＡＰ４からの干渉なし
ＳＴＡ１２；ＡＰ４からの干渉あり
ＳＴＡ１３；ＡＰ５からの干渉あり
ＳＴＡ１４；ＡＰ２、ＡＰ３およびＡＰ４からの干渉あり

以下、本実施形態では、図１における無線基地局ＡＰ１にように、無線端末ＳＴＡ１１～ＳＴＡ１４にデータを送信する基地局を「送信局」と称す。また、無線基地局ＡＰ２～ＡＰ５のように、他の無線基地局ＡＰ１の無線ＬＡＮセル内に位置する無線端末ＳＴＡ１１～ＳＴＡ１４に干渉電力を与える基地局を「干渉局」と称す。

図２は、本実施形態において、送信局ＡＰ１が有する特徴的な機能を説明するためのブロック図である。図２に示す構成は、専用または汎用のハードウェアにより実現することができる。或いは、この構成は、プロセッサユニット、メモリ、各種インターフェース等のハードウェアに、専用または汎用のソフトウェアを組み合わせることにより実現することができる。

送信局ＡＰ１は、干渉電力推定部２２を備えている。干渉電力推定部１２は、現在または将来の干渉電力を推定することができる。干渉電力推定部２２で推定された干渉電力は、リソース最適化部２４に提供される。

本実施形態の無線通信システム１０は、ＯＦＤＭＡを活用して無線通信を行う。リソース最適化部２４は、ＯＦＤＭＡを活用するに当たって送信局ＡＰ１で利用可能なリソースブロックを、最適な状態で無線端末ＳＴＡ１１～ＳＴＡ１４に割り当てるためのスケジューリングを行う。リソース最適化部２４では、具体的には、後述する最適化問題を、リアプノフ最適化の手法で解くことにより、無線リソースの割り当てに関する最適値を取得する。

リソース最適化部２４で決定された無線リソースの割り当ての結果は、データ送信部２６に提供される。データ送信部２６は、その割り当てに従って、無線端末ＳＴＡ１１～ＳＴＡ１４にリソースブロックを割り当ててデータを送信する。

［実施の形態１における最適化］
次に、図２に示すリソース最適化部２４で実施される処理の詳細について説明する。以下、送信局ＡＰ１の無線ＬＡＮセル内に位置する無線端末ＳＴＡ１１～ＳＴＡ１４は、必要に応じて「無線端末ｉ」と称する。但し、ｉ＝１～ｋとする。また、ｋは無線端末の台数であり本実施形態では４である。

送信局ＡＰ１と無線端末ｉとの間で通信が行われる際には、無線端末ｉ毎に送信待ちのデータが生ずる。この送信待ちのデータ量を「キューサイズＱｉ」と称す。特定の無線端末ｉにだけリソースブロックが割り当てられれば、その端末ｉについては良好な通信品質が得られるが、他の無線端末ｉでは過大なキューサイズＱｉが生ずる。そして、過大なキューサイズＱｉが生じた無線端末ｉでは、データの授受に多大な遅延時間が生じ易い。このため、本実施形態では、特定の無線端末ｉのキューサイズＱｉが突出して大きな値となる状態を、好ましくない状態と捉えることとする。

一方、リソースブロックが有効に活用されているか否かは、無線端末ｉ（ｉ＝１～ｋ）夫々のスループットの合計値で評価することができる。より具体的には、その合計値が大きいほど、リソースブロックが無駄なく有効に活用されていると評価することができる。そこで、本実施形態では、無線端末ｉ（ｉ＝１～ｋ）のスループットの合計値を最大化する割り当てを、リソースブロックの最適な割り当てとして捉えることとする。

以上の観点から、本実施形態において、送信局ＡＰ１は、以下の条件を満たす最適化問題を解くことで、複数の無線端末ｉへのリソースブロックの割り当てを決定する。
目的：無線端末ｉ（ｉ＝１～ｋ）のスループットの合計の最大化
制約条件：無線端末ｉ（ｉ＝１～ｋ）のキューサイズＱｉを、夫々一定値以下に抑える。

上記の最適化問題は、以下に示す（１）式から（５）式で表すことができる。但し、送信局ＡＰ１で利用可能なリソースブロックはＭ個であるものとし、以下、それらを「リソースブロックｍ」（ｍ＝１～Ｍ）と称す。

上記（１）式は、時刻ｔにおける端末ｉのキューサイズＱｉを表す漸化式である。右辺のＱｉ［ｔ－１］は、時刻ｔの１サイクル前のキューサイズである。ｒｉは端末ｉに関するデータレートである。また、τはリソース割り当ての更新間隔である。従って、右辺第１項のmax関数が導出する値は、「『時刻ｔ－１に溜まっていたキューサイズＱｉ［ｔ－１］から送出されたデータ量ｒｉ［ｔ－１］τを減じた値』と、『ゼロ』のうち最大の値」となる。右辺第２項のａｉは端末ｉに関するデータの到着率である。従って、右辺第２項ａｉ［ｔ］τは、時刻ｔにおいて新たに発生したデータ量を意味する。以上より、上記（１）式は、既存のデータ量から、送出されたデータ量を減じ、新たに発生したデータ量を加えた量が時刻ｔのキューサイズＱｉであることを示している。

上記（２）式および（３）式は、送信局ＡＰ１がリソースブロックの最適な割り当てを決定するために解くべき最適化問題を表している。より具体的には、上記（２）式は、その最適化問題の目的関数である。また、上記（３）式は、その最適化問題の制約条件である。

上記（３）式中、（１／Ｔ）ΣＱｉ［ｔ］は、無限大の時間Ｔを想定した場合の端末ｉのキューサイズＱｉの収束値を意味している。そして、（３）式が表す制約条件は、「全ての端末ｉについて、そのキューサイズＱｉの収束値が許容値Ｑｉバー未満であること」を定義している。この制約条件の下で（２）式の目的関数を解けば、一部の端末ｉにおいてキューサイズＱｉが突出してしまう事態の発生を回避することができる。

上記（４）式および（５）式は、（２）式に含まれる変数ｘｉｍを定義している。具体的には、上記（４）式は、変数ｘｉｍ（ｉ＝１～ｋ、ｍ＝１～Ｍ）が、ｉとｍの全ての組合せについて「０」および「１」の値をとることを表している。つまり、上記（４）式は、変数ｘｉｍがｋ×Ｍ個のｘの代用値であることを表している。そして、ｋ×Ｍ個のｘｉｍが、夫々２値を取り得ることから、ｘｉｍ（ｉ＝１～ｋ、ｍ＝１～Ｍ）の組合せは、２の（ｋ×Ｍ）乗個だけ存在することになる。

また、上記（５）式は、全てのｉについてのｘｉｍ（ｉ＝１～ｋ）の和が１以下であることを示している。これは、リソースブロックｍが最大で１台の端末ｉにしか割り当てられないことを意味している。この条件によれば、同一の無線ＬＡＮセル内で、複数の端末ｉに同一のリソースブロックが割り当てられるのを防ぐことができる。

上記（２）式のうち、ｘｉｍ［ｔ］ｒｉ［ｔ］は、リソースブロックｍにより端末ｉで実現できるスループットを意味する。端末ｉにリソースブロックｍが割り当てられていない条件であれば、ｘｉｍ＝０であるから、その計算値は０である。一方、端末ｉにリソースブロックｍが割り当てられていれば、ｘｉｍ＝１であるから、その計算値はｒｉである。

上記（２）式に示す（１／Ｔ）ΣΣΣｘｉｍ［ｔ］ｒｉ［ｔ］は、全てのリソースブロックｍ（ｍ＝１～Ｍ）を活用して、全ての端末ｉ（ｉ＝１～ｋ）によって達成できるスループットの合計値となる。lim関数は、その収束値を求める関数である。そして、上記（２）式のmax関数は、２の（ｉ×Ｍ）乗個のｘｉｍの組合せについて算出されるスループットの合計値の中から、最大のものを目的値として選択する関数である。このため、上記（２）式を解けば、全てのリソースブロックｍを活用して全ての無線端末ｉを対象として送信局ＡＰ１が達成できるスループットの最大値を得ることができる。また、その最大値を発生させるｋ×Ｍ個のｘｉｍ（０または１）の組合せが、最適なリソースブロックの割り当てを表すことになる。

但し、本実施形態では、上記（３）式の制約条件の下で上記（２）式の目的関数が解かれる。このため、スループットが高くても、（３）式の制約条件を満たさない解は排除される。このため、本実施形態によれば、端末ｉへのリソースブロックｍの割り当ては、全ての端末ｉについてキューサイズＱｉを許容値Ｑｉバー未満に抑えることができる組合せの中で、最大のスループットを達成する組合せに決定される。

上記（１）式から（５）式で示した最適化問題は、無線端末ｉ毎の、データレートｒｉおよび到着率ａｉが判れば解くことができる。送信局ＡＰ１は、例えば、キャリアセンスを実施してデータレートｒｉを検知することができる。また、送信局ＡＰ１は、干渉局ＡＰ２～ＡＰ５からの干渉電力に基づいてデータレートｒｉを計算することもできる。更には、データレートｒｉに関する情報は無線端末ｉからフィードバックを受けることとしてもよい。また、データの到着率ａｉは、下りデータに関しては自ら検知し、上りデータに関しては無線端末ｉからフィードバックを受けてもよい。データレートｒｉおよび到着率ａｉの取得方法はこれらに限定されるものでなく、その取得には、公知のあらゆる手法を用いることができる。

［実施の形態１の効果］
次に、実施の形態１の無線通信システムにより達成される効果を、シミュレーションの結果に基づいて説明する。
図３は、本実施形態の無線通信システムを対象として実施したシミュレーションの環境を示している。図３は、例えば、送信局ＡＰが１台、無線端末ＳＴＡが４台、干渉局が２台であることを示している。また、このシミュレーションでは、キューサイズＱｉの許容値（目標キュー値）Ｑｉバーを、全ての端末ｉについて一律に５０ｋｂｉｔに設定している。

図４Ａは、リソースブロックを割り当てるための４つの手法について、キューサイズＱｉを比較した結果を示す。縦軸は、平均キューサイズＱｉ（ｋｂｉｔ）を示している。横軸には、４つの無線端末ｉ（ＳＴＡ１～４）が割り当てられている。無線端末ｉ毎に示されている４本の棒グラフは、左から（１）リアプノフ最適化、（２）ランダム、（３）レート、（４）キューに対応している。

上記の（１）～（４）は、リソースブロックの割り当て手法の呼称であり、夫々の概要は下記の通りである。
（１）リアプノフ最適化：本実施形態の割り当て手法
（２）ランダム：リソースブロックをランダムに無線端末ｉに割り当てる手法
（３）レート：送信局ＡＰの送信レートが最大にするための割り当て手法
（４）キュー：全ての無線端末ｉでキューサイズＱｉを均一化するための割り当て手法

また、図４Ｂは、それら４つの手法について、無線端末ｉにおける遅延時間を比較した結果を示す。図４Ｂにおいて、縦軸は、平均遅延時間（ｍｓ）を示している。横軸および４本の棒グラフについては、図４Ａの場合と同様である。

図４Ａに示す結果は、以下の事象を表している。
（１）リアプノフ最適化の手法が用いられた場合は、全ての無線端末ｉのキューサイズＱｉが４０ｋｂｉｔ以下に抑えられる。
（２）ランダムの手法は、全ての無線端末ｉのキューサイズＱｉを適度に抑制する。但し、リアプノフ最適化の手法ほどにはＱｉを抑えることはできない。
（３）レートの手法では、ＳＴＡ１のキューサイズＱｉが突出して高くなる。加えて、無線端末ｉ毎にキューサイズＱｉに大きなばらつきが生ずる。レートの手法では、データレートの低い無線端末ｉのキューサイズＱｉは大きくなり、他方、データレートｒｉの高い無線端末ｉのキューサイズＱｉは小さくなる。従って、図４Ａに示す結果は、ＳＴＡ１のデータレートｒ１が他の無線端末に比して著しく低く、ＳＴＡ３が最高のデータレートｒ３を示していたことを示している。
（４）キューの手法では、データレートｒｉのバラツキに関わらず、全ての無線端末ｉのキューサイズＱｉが平均化されてほぼ一律の値となる。

図４Ｂに示す結果は、以下の事象を表している。
（１）リアプノフ最適化の手法が用いられた場合は、全ての無線端末ｉにおいて遅延時間が十分に短い時間となる。
（２）ランダムの手法でも、全ての無線端末ｉの遅延時間は、ある程度抑えることができる。但し、リアプノフ最適化の手法ほどには遅延時間を抑えることはできない。この現象は、データレートｒ１の低いＳＴＡ１において最も顕著に表れやすい。
（３）レートの手法では、データレートｒ１の低いＳＴＡ１の遅延時間が、他の遅延時間に比して突出して長くなる。
（４）キューの手法では、データレートｒ１が悪いにも関わらず他の端末と同じキューサイズＱ１が与えられるＳＴＡ１において、突出した遅延時間が生ずる。

以上説明した通り、シミュレーションの結果は、全ての無線端末ｉのキューサイズＱｉを適切に抑えつつ、個々の端末ｉの遅延時間を短縮するうえで、リアプノフ最適化の手法が、他の手法に比して優れていることを示している。このため、本実施形態の無線通信装置によれば、データ送信の際に宛先とする無線端末ｉ、および使用するリソースブロックｍを適切に選択して、全ての無線端末ｉ（ｉ＝１～ｋ）に良好な通信品質を提供することができる。

ところで、上述した実施の形態１では、上記（１）式～（５）式に示す最適化問題を解く手法としてリアプノフ最適化の手法を用いている。しかしながら、その最適化問題を解く手法はこれに限定されるものではなく、その問題を解くことができる手法であれば、公知の如何なる手法であっても本発明に適用することが可能である。

また、上述した実施の形態１では、無線端末ｉのキューサイズＱｉを一定値以下に抑えることを制約条件としているが、本発明に適用可能な制約条件はこれに限定されるものではない。例えば、各端末ｉのデータレートが一定値以上であることなど、他の通信品質についての要求を制約条件としてもよい。

実施の形態２．
次に、図１および図２と共に、図５Ａおよび図５Ｂを参照して、本発明の実施の形態２について説明する。

［実施の形態２の特徴］
本発明の実施の形態２は、実施の形態１の場合と同様に、図１および図２に示す構成により実現することができる。また、本実施形態の無線通信システムは、送信局ＡＰ１が、無線端末ｉに対するリソースブロックｍの割り当てを、上記の最適化問題を解くことで決定する点においても実施の形態１の場合と同様である。そして、本実施形態の無線通信システムは、送信局ＡＰ１が、その最適化問題を解く際に、干渉局ＡＰ２～ＡＰ５からの干渉電力の有無に関する情報を利用する点に特徴を有している。

図５Ａは、送信局ＡＰ１の無線ＬＡＮセル内に２台の無線端末ＳＴＡ１１およびＳＴＡ１２が存在する状態を示している。ＳＴＡ１１は、送信局ＡＰ１からの送信電力は届くが、干渉局ＡＰ２からの干渉電力には影響を受けない位置に存在している。一方、無線端末ＳＴＡ１２は、干渉局ＡＰ２からの干渉電力に影響を受ける位置に存在している。図５Ａは、更に、干渉局ＡＰ２が、リソースブロックｍを使ってＳＴＡ１２とは異なる無線端末と通信を行っている状況を示している。

この場合、送信局ＡＰ１が、リソースブロックｍで無線端末ＳＴＡ１２と通信しようとすれば、無線端末ＳＴＡ１２では、送信局ＡＰ１との間で授受すべき信号と、干渉局ＡＰ２から送信されてくる信号との干渉が生ずる。その結果、無線端末ＳＴＡ１２と送信局ＡＰ１との間でのデータレートｒｉが悪化し、無線通信システム全体のスループットが低下する。

本実施形態では、このような事態を避けるために、図５Ａに示すような状況下では、リソースブロックｍを、干渉電力の影響を受けない無線端末ＳＴＡ１１に優先的に割り当てる。このような割り当てによれば、干渉によるデータレートｒｉの低下を回避して、無線通信システムの全体において、高いスループットを維持することができる。

図５Ｂは、図５Ａと同様の状況下で、干渉局ＡＰ２が、リソースブロックｍを使った通信を行っていない状態を示している。この場合、無線端末ＳＴＡ１１のみならず、無線端末ＳＴＡ１２についても、リソースブロックｍでの干渉は生じない。本実施形態では、この場合、リソースブロックｍを、無線端末ＳＴＡ１２に優先的に割り当てる。このような割り当てによれば、干渉の影響を受ける無線端末ＳＴＡ１２のキューサイズＱが過大となってしまうのを有効の阻止することができる。

［実施の形態２における最適化］
本実施形態において、送信局ＡＰ１は、上述した通り、実施の形態１で説明した最適化問題を解くことにより、無線端末ｉへのリソースブロックｍの割り当てを決定する。但し、本実施形態において、送信局ＡＰ１は、無線端末ｉ（ｉ＝１～ｋ）の夫々が、干渉局ＡＰ２から発せられる干渉電力の影響を受けるか否かを把握している。

送信局ＡＰ１は、例えばキャリアセンスを実施して、無線端末ｉが干渉電力の影響を受けるか否かを検知することができる。また、送信局ＡＰ１は、干渉局が発する干渉電力を検知して、無線端末ｉがその影響を受けるか否かを判断してもよい。更には、送信局ＡＰ１は、無線端末ｉからのフィードバックにより、干渉電力による影響の有無を判断してもよい。

送信局ＡＰ１は、無線端末ｉがリソースブロックｍで干渉を受けていると判断した場合、そのｉおよびｍに対応するｘｉｍを「０」に固定して、上記(２)式の目的関数を解く。仮に、ｉ＝１２であれば、ｘ１２ｍを「０」に固定して目的関数を解く。この処理によれば、図５Ａに示す状況下では、リソースブロックｍをＳＴＡ１２に割り当てるという選択肢を排除したうえで目的関数が解かれることになる。このため、本実施形態によれば、実施の形態１の場合に比して、最適化問題を解く際の演算負荷を少なくすることができる。

また、上記の演算によりリソースブロックｍの割り当てを決定すると、以下の特性を満たすことができる。
１．リソースブロックｍが優先的にＳＴＡ１１に割り当てられる。
２．全無線端末ｉのキューサイズＱｉが許容値Ｑｉバー未満に抑えられる。
３．上記１，２の制約の下で最大のスループットが得られる。

送信局ＡＰ１は、無線端末ｉが干渉電力の影響を受ける位置に存在するが、時刻ｔにおいてリソースブロックｍの干渉を受けていないと判断した場合、そのｉおよびｍに対応するｘｉｍを「１」に固定して上記(２)式を解く。仮に、ｉ＝１２であれば、ｘ１２ｍを「１」に固定して目的関数を解く。この処理によれば、図５Ｂに示す状況下では、リソースブロックｍをＳＴＡ１２に割り当てる前提で目的関数が解かれることになる。これにより、実施の形態１の場合に比して、最適化問題を解く際の演算負荷が更に軽減される。

また、上記の演算によりリソースブロックｍの割り当てを決定すると、以下の特性を満たすことができる。
４．リソースブロックｍが優先的にＳＴＡ１２に割り当てられる。
５．全無線端末ｉのキューサイズＱｉが許容値Ｑｉバー未満に抑えられる。
６．上記１，２の制約の下で最大のスループットが得られる。

尚、上記の説明では、ｘ１２ｍを「１」に固定することとしているが、図５Ｂの状況に対応する手法はこれに限定されるものではない。図５Ｂの状況下では、ｘ１２ｍ以外のｘｉｍを「０」に固定して目的関数を解くこととしてもよい。この処理によれば、リソースブロックｍの割り当て候補をＳＴＡ１２だけに限定して目的関数が解かれる。このような演算によっても、実施の形態１の場合に比して、最適化問題を解く際の演算負荷を少なくすることができると共に、上記４，５，６の特性を満たすことができる。

ＡＰ１ 無線基地局（送信局）
ＡＰ２、ＡＰ３、ＡＰ４、ＡＰ５ 無線基地局（干渉局）
ＳＴＡ１１、ＳＴＡ１２、ＳＴＡ１３、ＳＴＡ１４ 無線端末
１０ 無線通信システム
２２ 干渉電力推定部
２４ リソース最適化部
２６ データ送信部

Claims (8)

1. 送信局として機能する無線基地局と、その配下の複数の無線端末とを備え、前記送信局がＯＦＤＭＡを用いて前記複数の無線端末の少なくとも一部の端末宛てにデータを送信する無線通信システムであって、
   前記送信局は、
   前記複数の無線端末の夫々の通信品質が、夫々について予め決められた要求品質を満たすための制約条件を定める処理と、
   前記制約条件の下で、前記送信局における合計スループットが最大となるように、前記複数の無線端末に対するＯＦＤＭＡのリソースブロックの割り当てを決定する最適化問題を解く処理と、
   前記最適化問題の解に従う前記リソースブロックの割り当てで、前記複数の無線端末宛てにデータを送信する処理と、
   を実行することを特徴とする無線通信システム。
2. 前記送信局は、
   前記複数の無線端末の夫々が、干渉局となる他の無線基地局からの干渉電力の影響を受ける環境に属しているか否かを検知する処理と、
   前記干渉局がｍ番目のリソースブロックで通信をしている際に、前記干渉電力の影響を受ける環境に属している無線端末に当該ｍ番目のリソースブロックを割り当てないとの条件を、前記最適化問題に組み入れる処理と、
   を更に実行することを特徴とする請求項１に記載の無線通信システム。
3. 前記送信局は、
   前記複数の無線端末の夫々が、干渉局となる他の無線基地局からの干渉電力の影響を受ける環境に属しているか否かを検知する処理と、
   前記干渉局がｍ番目のリソースブロックでの通信を行っていない際に、前記干渉電力の影響を受ける環境に属している無線端末に当該ｍ番目のリソースブロックを割り当てるとの条件を、前記最適化問題に組み入れる処理と、
   を更に実行することを特徴とする請求項１または２に記載の無線通信システム。
4. 前記送信局は、
   前記複数の無線端末の夫々が、干渉局となる他の無線基地局からの干渉電力の影響を受ける環境に属しているか否かを検知する処理と、
   前記干渉局がｍ番目のリソースブロックでの通信を行っていない際に、前記干渉電力の影響を受けない環境に属している無線端末に当該ｍ番目のリソースブロックを割り当てないとの条件を、前記最適化問題に組み入れる処理と、
   を更に実行することを特徴とする請求項１または２に記載の無線通信システム。
5. 前記最適化問題は、次式の目的関数を含み、
   

   

   ｔは時刻であり、Ｔは時間であり、ｉは無線端末の番号であり、ｋは前記複数の無線端末の台数であり、ｍはリソースブロックの番号であり、Ｍはリソースブロックの個数であり、ｘｉｍは無線端末ｉにリソースブロックｍを割り当てるか否かに応じて１と０を取る２値変数であり、ｒｉは無線端末ｉのデータレートであり、
   前記送信局は、
   前記複数の無線端末の夫々から干渉状況に関するフィードバック情報を受け付ける処理と、
   当該フィードバック情報に基づいて前記データレートを計算する処理と、
   を更に実行することを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の無線通信システム。
6. 前記送信局は、前記複数の無線端末の夫々について、授受すべきデータ量を表すキューサイズを演算する処理を更に実行し、
   前記制約条件は、前記複数の無線端末の夫々についての前記キューサイズを、夫々の許容値未満に抑えることである
   ことを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項に記載の無線通信システム。
7. 送信局として機能する無線基地局と、その配下の複数の無線端末とを備える無線通信システムにおいて、前記送信局がＯＦＤＭＡを用いて前記複数の無線端末の少なくとも一部の端末宛てにデータを送信するための無線通信方法であって、
   前記複数の無線端末の夫々の通信品質が、夫々について予め決められた要求品質を満たすための制約条件を定めるステップと、
   前記制約条件の下で、前記送信局における合計スループットが最大となるように、前記複数の無線端末に対するＯＦＤＭＡのリソースブロックの割り当てを決定する最適化問題を解くステップと、
   前記送信局が、前記最適化問題の解に従う前記リソースブロックの割り当てで、前記複数の無線端末宛てにデータを送信するステップと、
   を含むことを特徴とする無線通信方法。
8. 前記複数の無線端末の夫々が、干渉局となる他の無線基地局からの干渉電力の影響を受ける環境に属しているか否かを検知するステップと、
   前記干渉局がｍ番目のリソースブロックで通信をしている際に、前記干渉電力の影響を受ける環境に属している無線端末に当該ｍ番目のリソースブロックを割り当てないとの条件を、前記最適化問題に組み入れるステップと、
   前記干渉局がｍ番目のリソースブロックでの通信を行っていない際に、前記干渉電力の影響を受ける環境に属している無線端末に当該ｍ番目のリソースブロックを割り当てるとの条件を、前記最適化問題に組み入れるステップと、
   を更に含むことを特徴とする請求項７に記載の無線通信方法。

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