JP3613379B2 - 通信システムのための非対称多重アクセスプロトコル - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、通信システムのための多重アクセスプロトコル、より詳細には、時分割ジュープレックス（ＴＤＤ）を用いる移動セルラ通信システムのための非対称アクセスプロトコルに関する。
【０００２】
【従来の技術】
移動通信システムにおいては、データが移動エンドユーザデバイスから基地局に上りリンクスロットを用いて、あるいは逆にデータが基地局から移動エンドユーザデバイスに下りリンクスロットを用いて送信される。類似する半二重（ハーフジュープレックス）通信プロトコルが、他の通信システム、例えば、地上局から衛星への通信に用いられている。移動セルラ通信システムにおける顕著な問題は、上りリンクトラヒックと下りリンクトラヒックの比に非対称性が発生することである。例えば、移動エンドユーザデバイスを用いてデータ（例えば、ファックスあるいは電子メール）を送信する場合、上りリンク上には数ギガバイトが送信されるが、このとき下りリンク上には数バイトしか受信されない。現在のセルラシステムは、全てのセルに渡って同一な非対称トラヒック比をサポートするように設計されており、このため周波数スペクトルの使用効率が悪くなる。スロット間の保護時間もシステムが常に被るオーバヘッドとなる。
【０００３】
ＥＰ７６６４１６Ａは、利用可能なフレームスロットを上りリンクと下りリンクに動的に割り当てる無線多重アクセス通信システムについて開示する。ただし、この方法においては、妨害を与える基地局によって妨害を受ける基地局に与えられる妨害信号に対応するあるいはこれを表す相殺信号が用いられる。妨害を受ける側の基地局は、この相殺信号を用いて、移動局から基地局に送信された必要とされる（上りリンク）信号と妨害信号の両方を含む受信された複合信号内に混入されている妨害成分を相殺あるいはオフセットする。このため、このシステムは妨害成分を相殺するための手続き（タイミングの調節、振幅の調節等）を必要とし、ハードウエアがそれだけ複雑になる。さらに、上りリンクと下りリンクに加えて、基地局は基地局を制御するための高次の基地局制御（ＢＳＣ）リンクを維持することが必要とされ、このために追加のシグナリングトラヒックが必要となるが、移動端末はハードウエアが複雑になることに対しては極めて弱い。ＥＰ７６６４１６は、純粋に同一チャネル妨害を相殺あるいは低減することを目的として用いられるシステムを開示する。ただし、これは、周波数再使用セル（本質的に隣接するセルが存在しない系）内において、下りリンクと上りリンクとの間でスロットの割り当てを行なうことによって達成される。
【０００４】
ＥＰ７２０ ３２１ Ａ１は、類似するＴＤＭＡのみのシステムについて開示する。このシステムは、非セルラシステムか、セルラシステムであるが各セルの非対称比が同一である同一の非対称パターンを持つシステムにおいて用いられる。このシステムは、‘フレキシブルな上りリンク／下りリンク割り当て（ｆｌｅｘｉｂｌｅ ｕｐｌｉｎｋ／ｄｏｗｎｌｉｎｋ ａｌｌｏｃａｔｉｏｎ ）’を用いるが、ただし、これは（セルレベルではなく）システムレベルでのフレキシブルな上りリンクと下りリンク割り当てによって達成され、このシステムにおいては、非対称比は全てのセルに対して同一とされる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従って、通信チャネルによってサポートすることができるトラヒックの量を、通信システムのユーザが受けるサービス品質（ＱｏＳ）に悪影響を与えることなく、増加させるフレキシブル、かつ、効率的な非対称多重アクセス（ＴＤＤ）プロトコルに対する必要性が存在する。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の一面によると、移動セルラ通信システム内で用いられる時分割二重（ジュープレックス）のための方法が開示される。この方法は：
通信システムを、各セルが基地局によってとり扱われる複数のセルに分割するステップ；
前記通信システム内に、基地局と少なくとも一つの移動局によって通信のために用いられるチャネルを提供するステップ；
前記チャネルを時分割ジュープレックスを用いて、各フレームが複数のスロットから成る複数のフレームに分割するステップ；および
複数のセル間で時分割ジュープレックスを調整するステップを含み、
特徴として、
各基地局は、スロットを上りリンク通信あるいは下りリンク通信に対してチャネルの伝送効率（スループット）が最適化されるように割り当て；
各フレームは、強制上りリンク通信スロットおよび強制下りリンク通信スロットを含み、これら強制スロットは、これらを用いない場合は掻き消し（ドロウンアウト）が発生する危険があるエリアにおいて移動局によって用いられる。
【０００７】
本発明のもう一面によると、移動セルラ通信システム内で用いられる時分割ジュープレックスのための装置が開示される。この装置は：
少なくとも一つの移動局；
おのおのが通信システムのセルをとり扱う複数の基地局；および
前記通信システム内の基地局と少なくとも一つの移動局によって通信のために用いられるチャネルを含み、このチャネルは、時分割ジュープレックスを用いて各フレームが複数のスロットから成る複数のフレームに分割される。この装置はさらに
複数のセル間で時分割ジュープレックスを調整する中央コントローラを含み；特徴として、
各基地局は、スロットを上りリンク通信あるいは下りリンク通信に対してチャネルの伝送効率（スループット）が最適化されるように割り当て；
各フレームは、各フレーム内に強制上りリンクスロットおよび強制下りリンクスロットを含み、これら強制スロットは、これらを用いない場合は掻き消し（ドロウンアウト）が発生する危険があるエリアにおいて移動局によって用いられる。
【０００８】
（一つの実施例においては）前記強制スロットの位置は中央コントローラによって決定され、前記強制スロットのフレーム内の位置は各セルにおいて同一とされる。
【０００９】
本発明は非対称時分割ジュープレックス（ＴＤＤ）システムを開示するが、本発明によるシステムでは資源がセルベースにて割り当てられ、このために、よりフレキシブル、かつ、効率的なシステムが実現される。あるスロットにおいて送信されるデータパケットは全て連続するスロット内に配列され、つまり、上りリンクスロットと下りリンクスロットが連続的に配列され、このために、従来の技術において用いられる同一タイプのスロット間の保護時間は不要となる。本発明においては、セル毎に異なる非対称トラヒック比（上りリンク：下りリンク）が許されるために、チャネル効率が向上する。各基地局は、上りリンクと下りリンクのスロットをセルによって経験される（扱われる）トラヒックのタイプに従って割り当てるために、トラヒック比を動的に調節することが許される。
【００１０】
スロットはフレームに配列され、フレーム上に非対称トラヒック比がフレームベースにて反復される。基地局は一般情報チャネル（ＢＣＣＨ）を用いてトラヒック比（つまり、上りリンクと下りリンクの割り当て）をブロードカーストし、あるセルに入る各移動局はこのトラヒック比について知らされる。
【００１１】
中央調整コントローラは、さらに、フレームの長さと、セル間のフレームのタイミングを管理する。各フレームは、強制上りリンクスロットと強制下りリンクスロットを含み、これらは、例えば、各フレームの最初の２つのスロットに割り当てられる。これら強制スロットは、各セルに対して同一位置とすることもできる。この場合は、セル間を移動する移動局のセル間でのハンドオーバが容易になる。フレーム速度および強制スロットの割り当ては、強制スロットのみを用いるように制限された移動局が、特に遅延に敏感なアプリケーションをランしている際にサービス品質（ＱｏＳ）の劣化を受けないように選択される。
以下に、一例として、本発明の一つの特定の移動通信システムについて図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１２】
【発明の実施の形態】
エンドユーザデバイス（移動局１、２、３、４、５、６、．．等）は、複数の通信プロトコルの任意の一つを用いて、アンテナ１０、１１を介して空中インタフェース１２を横断して、最も近い基地局１３と通信する。以下の実施例においては、通信プロトコルとしては、ＣＤＭＡ（符号分割多重アクセス）が用いられる。これは、移動局がほとんど無相関の符号（コード）を持つスペクトル拡散符号化信号を用いて通信することを可能にし、これによって衝突が同時にブロードカーストされる他の信号を破壊することのない多重アクセス通信プロトコルが提供される。移動局１とそれと最も近い基地局１３との間でいったん通信チャネルが設定されたら、移動交換センタ１４ａは、中央調整コントローラ１６を介して、もう一つの移動交換センタ１４ｂあるいは公衆音声／データ網１７に向けてもう一つの接続を設定する。
【００１３】
基地局は、自身のブロードカースト制御チャネル（ＢＣＣＨ）を用いてレンジ内の全ての移動局に絶えず情報をブロードカーストする。このブロードカースト制御チャネル（ＢＣＣＨ）情報には、移動局がシステム内に登録するために必要とされる様々な符号（コード）と制御信号に加えて、トラヒック比情報（上りリンク：下りリンク比）が含まれる。各移動局は、付近の基地局からのブロードカースト制御チャネル（ＢＣＣＨ）の相対強度を用いることで別の基地局へのハンドオーバが適当であるか否か決定する。基地局は、ページングチャネル（ＰＣＨ）を用いて移動局をページングし（呼び出し）、反対に、移動局は、ランダムアクセスチャネル（ＲＡＣＨ）を用いてシステムへのアクセスをリクエストする。基地局と移動体は、トラヒックチャネル（ＴＣＨ）を用いて通信し、同時に、基地局は関連する制御チャネル（ＡＣＣＨ）を用いてフィードバック信号を送信する。トラヒックチャネル（ＴＣＨ）上を送信されるデータは、パケットに分割され、これらは、適当なスロットを用いて適当な制御ビットとともに送信される。
【００１４】
図２は、複数の基地局（１３ａ、１３ｂ、１３ｃ）によって扱われる重複するセルカバーエリア（１５ａ、１５ｂ、１５ｃ）を持つ通信システムを示す。セルカバーエリアは、しばしば、蜘の巣構造として表されるが、実際のカバーエリアでは、環境の特性に依存し、大きな重複エリア（例えば、２０）が発生することもある。通常の重複エリア（２１）は、ハンドオーバエリアであり、このエリアにおいては、隣接する基地局からの信号が移動局によって同一強度にて受信される。移動局は、ある基地局（１３ａ）のハンドオーバエリア（重複エリア）（２２）から別の基地局（１３ｂ）へのハンドオーバをリクエストする。
【００１５】
図３は、３つの隣接するセル１５ａ、１５ｂ、１５ｃに対するフレーム内の上りリンクと下りリンクのトラヒックを示す。各フレームの第一のスロット（３ ０ａ、３０ｂ、３０ｃ）には中央コントローラ１６によって強制下りリンクスロット（ＣＤＳ）が割り当てられ、各フレームの第二のスロット（３１ａ、３１ｂ、３１ｃ）には、中央コントローラ１６によって強制上りリンクスロット（ＣＵＳ）が割り当てられる。
【００１６】
図３から分かるように、セル１５ｂとセル１５ｃは、この場合は、下り４：上り６の同一のトラヒック比を用いていおり、これらは、下り１：上り１：下り２：上り５：下り１として配分されており；他方、セル１５ａは、これとは異なる下り５：上り５のトラヒック比を用いており、これらは、下り１：上り１：下り３：上り３：下り１：上り１として配分されている。
【００１７】
ハンドオーバエリア付近においては、“掻き消し （ｄｒｏｗｎ ｏｕｔ）”によって、２つの隣接する基地局に登録された隣接する移動局の信号が変質することがある。つまり、（図４に示すように）、移動局２と移動局３が互いに物理的に近接しており、移動局２が基地局１３ａに登録しており、移動局３が基地局１３ｂに登録しているような状況においてこれが発生することがある。例えば、上りリンクスロットのスロット３４ｂを用いている移動局３が、下りリンクを用いて移動局２と通信しようと試みている基地局１３ａからの信号を掻き消すことがある。移動局２と移動局３は、スロット３８と３９においても衝突する。これを克服するために、禁止エリア（４０）に入った移動局は、強制上りリンク（ＣＵＰ）と強制下りリンク（ＣＤＳ）のみを用いることを要求される。この禁止エリアのサイズは、基地局と移動局両方の信号電力制御能力や信号処理能力等の複数の要因に依存する。図４には、さらに、衝突エリア４１が示されるが、これは、セルカバーエリア内の実際に衝突が発生するエリアであり、この衝突エリアにおいては、送信スロットが変質した場合はデータパケットを再送することが必要となる。
【００１８】
禁止エリアは、各移動局が有するある特定のエリアが衝突の恐れがあるエリアであることを認識できる能力によって決定される。衝突エリアであるか否かは、現存のセルラ通信技術、例えば、ＧＳＭ（Ｇｒｏｕｐ Ｓｐｅｃｉａｌ ＭｏｂｉｌｅあるいはＧｌｏｂａｌ Ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ Ｍｏｂｉｌｅ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ）システムを用いて決定することができる。禁止エリアは、２つのセルが重複するエリアから成るが、このエリアに対しては、ハンドオーバに対して用いられるのと類似するアルゴリズムが用いられる。つまり、ハンドオーバ手続きの場合と同様に、移動局は、全ての基地局によって絶えずブロードカーストされているビーコン（位置確認）信号（ＢＣＣＨ信号）を絶えず検出する。このビーコン信号は、基地局によって現在採用されているトラヒック比に関する情報を含む。隣接する基地局のビーコン信号がその移動局によって現在採用されているそれと異なるトラヒック比を示し、そのビーコン信号の電力レベルが所定の閾値に達した場合、その移動局は、自身が禁止エリア内にいるものと認識する。衝突は２つの互いに妨害し合う移動局の存在に依存するために、移動局は衝突エリアを全域に渡っては認識しないこともある。
【００１９】
理想的なシステムにおいては、衝突エリアと禁止エリアは完全に一致する。各移動局には、その移動局が各基地局に対する自身の位置を正確に知ることができるように、地理上の位置を追跡する機構が装備される。このような機構は、例えば、基地局を三角測量法にて標定することで実現される。別の方法として、各移動局に、ＧＰＳ位置標定装置等の衛星位置標定システムを装備することもできる。各セルのトラヒック比は中央コントローラによって把握されている。この情報と各移動局に対して決定された正確な位置の情報とを併用することで、中央コントローラは、ある特定の移動局が、完全にあるいは部分的に禁止される必要があるか否かを決定する。図３に示すように、基地局１３ａ（セル１５ａ）と基地局１３ｂ（セル１５ｂ）は、スロット３２、３３、３５、３６、３７については、同一の割り当てを持ち、このためこれらスロットにおいては移動局を強制スロットを用いるように制限することは必要とされない。こうして移動局２と移動局３は、禁止エリア４０においては部分的に禁止される。つまり、スロット３４、３８、３９を用いることのみが禁止される。移動局は、図２のポイント２４によって示されるような３つのセルが交差するエリアにおいては強制スロットのみを用いることを要求される。
【００２０】
図３に示すように、フレーム長は１６ｍｓとされ、スロット長は１．６ｍとされる。一例として、音声符号器にて３２０００ビット／秒あるいは５１２ビット／フレームの速度にて符号化される音声伝送が用いられる。見出しおよび他の情報のために６４個の情報ビットが追加されるものと想定すると、これは、５７６ビットの音声データパケットとなる。このため、移動局がこの強制上りリンク内に全ての音声データを送信するように制限された場合は、少なくとも３６０，０００ビット／秒のデータ速度が必要となる。
【００２１】
上述の説明は、単に、本発明を解説するためのものであり、当業者においては本発明の範囲に入る他の実施例が直ちに明きらかになると思われる。
【図面の簡単な説明】
【図１】移動セルラ通信システムのブロック図である。
【図２】カバーエリアが重複するセルに分割される通信システムを示す図である。
【図３】通信システム内の隣接するセルに対するフレームトラヒックを示す図である。
【図４】３つの隣接するセルに対する禁止エリア、衝突エリア、および非禁止エリアを示す図である。
【符号の説明】
１、２、３、．．６ エンドユーザデバイス（移動局）
１０、１１ アンテナ
１２ 空中インタフェース
１３ 基地局
１４ 移動交換センタ
１５ セルカバーエリア（セル）
１６ 中央調整コントローラ
１７ 公衆音声／データ網
２０ 大きな重複エリア
２２ ハンドオーバエリア（重複エリア）
２１ 通常の重複エリア
２４ ３つのセルが交差するポイント
４０ 禁止エリア
４１ 衝突エリア

Claims (7)

1. 移動セルラ通信システム内で用いられる非対称時分割ジュープレックス（二重化）のための方法であって、
   通信システムを、各セルが基地局によって取り扱われる複数のセルに分割するステップと、
   前記通信システム内に、基地局と少なくともひとつの移動局によって通信のために用いられるチャネルを提供するステップと、
   時分割ジュープレックスを用いて前記チャネルを各フレームが複数のスロットからなる複数のフレームに分割するステップと、
   複数のセル間で前記時分割ジュープレックスを調整するステップとを含み、
   各基地局が、上りリンク通信あるいは下りリンク通信のいずれかに対してチャネルの伝送効率（スループット）が最適化されるように動的にスロットを割り当てるようにした方法において、
   掻き消しが起こり得るものと予測され予め設定された禁止領域であって、上りリンク上で送信する移動局が隣接する移動局により下りリンク上で受信される信号を掻き消すことが起こり得る禁止領域を隣接するセルの間に規定し、
   各フレームが、強制上りリンク通信スロットおよび強制下りリンク通信スロットを含み、及び
   移動局が前記禁止領域に居ると決定された場合に、隣接する基地局（例えば、１３ａ、１３ｂ）により同一の通信方向の割り当てが与えられたスロット（例えば、３２、３３、３５、３６、３７）のみを該移動局が用いることを許可し、他のスロットであって、前記強制上りリンク通信スロットおよび強制下りリンク通信スロットを除く他のスロット（例えば、３４、３８、３９）を該移動局が用いることを禁止するようにしたことを特徴とする方法。
2. 前記移動局が、前記禁止領域に居るかどうかを決定するために、隣接する基地局からのビーコン（BCCH）信号をサーチする請求項１記載の方法。
3. 前記移動局が、地理上の位置追跡手段を用いて、移動局の地理上の位置および移動局が禁止領域に居るかどうかを決定する請求項１記載の方法。
4. 前記強制上りリンク通信スロットと前記強制下りリンク通信スロットが、各フレームの第一および第二のスロットとして提供され、各フレームの他のスロットは連続した上りリンクスロットおよび連続した下りリンクスロットを含む請求項１記載の方法。
5. 移動セルラ通信システム内で用いられる非対称時分割ジュープレックスのための装置であって、
   少なくともひとつの移動局と、
   各々が前記通信システムのセルとして機能する複数の基地局と、
   前記基地局と前記少なくともひとつの移動局が通信するための、前記通信システムのチャネルであって、時分割ジュープレックスを用いて複数のフレームに分割され、各フレームが複数のスロットを含むチャネルと、
   複数のセル間で前記時分割ジュープレックスを調整するための中央コントローラとを含み、
   前記各基地局が、前記チャネルの伝送効率を最適化するように、上りリンク通信あるいは下りリンク通信のいずれかに、動的にスロットを割り当てるようにした装置において、
   掻き消しが起こり得るものと予測され予め設定された禁止領域であって、上りリンク通信スロット上で送信しているある移動局が隣接する移動局によって下りリンクスロット上で受信される信号を掻き消すことが起こり得る、隣接するセルのあいだの禁止領域を規定する手段と、
   強制上りリンク通信スロットおよび強制下りリンク通信スロットと、
   移動局が前記禁止領域に居ると検出された場合に、隣接する基地局（例えば、１３ａ、１３ｂ）により同一の通信方向の割り当てが与えられたスロット（例えば、３２、３３、 ３５、３６、３７）のみを該移動局が用いることを許可し、他のスロットであって、前記強制上りリンク通信スロットおよび強制下りリンク通信スロットを除く他のスロット（例えば、３４、３８、３９）を該移動局が用いることを禁止するようにしたことを特徴とする装置。
6. 前記移動局が、前記禁止領域に居るかどうかを決定するために、隣接する基地局からのビーコン信号（BCCH）をサーチするための手段を含む請求項５記載の装置。
7. 前記移動局が、地理上の位置と前記禁止領域に居るかどうかを決定するための、地理上の位置追跡手段を含む請求項５記載の装置。

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