JP3828936B2 - 通信システムとその操作方法 - Google Patents

Description

技術分野
本発明は、一般に通信システムに関し、特に、このような通信システムの通信資源上で情報を受信または送信するための帯域幅の割当に適用される。
従来技術の概要
スペクトルの競合と制約のある使用可能性のために、製造業者，サービス・プロバイダおよびオペレータには、一般的に通信システムのスペクトル効率を最大限にするように圧力がかけられ、特にワイヤレス電気通信システムに関してこれが顕著である。この点に関して、IS-95符号分割多重接続（CDMA：Code Divisoin Multiple Access）システム内に実現されるような可変速度音声コーダ（ボコーダ）は、スペクトル効率を高める方法を提供する。さらに、特にワイヤレス・システムに関して、これらのシステムは、単純な周波数計画法から離れずに、システム負荷を変更することが望ましい。実際、セルラ周波数の再使用計画を適応することは、各開発計画に関して最悪の干渉問題（任意の時点で常時起こるわけではない）を考慮に入れて製造業者が慎重に均衡をとってきた固定されたシステム設計の非融通性に悩まされるより利点が多い。
ワイヤレス電気通信網のユーザに対して、データおよびマルチメディアなどのより多くのサービスを提供しようという動きにあわせて、可変情報転送速度（すなわち可変瞬間ビット速度）が優勢になりつつある。
たとえば、デジタル欧州コードレス電話（DECT：Digital European Cordless Telephone）規準および汎ヨーロッパ・デジタル化移動体通信システム（GSM：Global System for Mobile）セルラ通信などの時分割多重（TDM：Time Division Multiplexed）システムにおいては、整数の複数（連続）スロットを用いて、選択されたビット速度に対応することにより、時間領域内に異なるビット速度を提供することができる。事実、DECT（これは時分割二重（TDD：Time Division Duplex））システムである）においては、逆方向チャネルに通常割り当てられるスロットを順方向チャネルに再度割り当てて、非対称データ・サービスを提供するようにできることが提案されている。これでは、より多くの情報を定電力包絡線システムにおいて固定された周波数チャネル上に送信するので、より長い送信期間が必要とされる。
その他のTDMシステムは、異なるレベルの変調（バイナリ位相シフト偏位（BPSK：Binary Phase-Shift Keying）直交シフト偏位（QPSK：Quadrature Phase-Shift Keying）および直交振幅変調（QAM：Quadrature Amplitude Modulation）、たとえば16-QAMおよび64-QAMなど）に変更することで異なるデータ速度に対応して、それにより、可変数の情報のビットが各被送信符号内に暗号化される。
あるいは、CDMAシステムは、送信電力を調整し、場合によっては不連続送信モードに入ることにより、異なるデータ速度に対応する。言うまでもなく、CDMAシステムは定電力スペクトル密度で動作し、その場合は、１ビット当たりに適切な一定のエネルギがあるので、一般により少ない数のビットの送信は全体の電力送信を削減する効果を有する。
結果として、既存の技術だけを用いることにより、高データ速度のサービスを提供したいと欲するオペレータまたはサービス・プロバイダは、サービスを受ける各カバレージ・エリア（セル）内に大量のスペクトルを割り当てることが必要になる。従って、オペレータまたはサービス・プロバイダがその能力を減じることなく、より少ないスペクトルを用いて高データ速度のサービスを提供することができるようにする技術があると非常に有利である。
本発明の概要
本発明の第１局面により、チャネル帯域幅を有する複数のチャネル上に通信を支援する通信資源を有する通信システムが提供される。この複数のチャネルは複数の異なるサービスに対応することができる。本システムは：通信資源に関する需要を判定する手段；および需要に応答して複数のチャネルのうち少なくとも１つのチャネルの帯域幅を動的に修正する手段であって、帯域幅を修正して、通信資源を進行中の通信間に存在する相対的階層に関して偏在させるように配置される手段によって構成される。
メモリは、通信システムの通信装置内の相対的階層を定義する階層情報を記憶し、このとき帯域幅を動的に修正する手段は、少なくとも１つのチャネルの帯域幅を修正して、通信システム内で比較的低い階層を有する第２通信装置の動作能力よりも比較的高い階層を有する第１通信装置の動作能力を支援するように、通信資源を偏在させる。
相対的階層は、通信システムにより支援される異なるサービス間に存在する。
本発明の第２局面においては、通信システムの通信資源を複数のチャネルに分配する方法が提供される。本方法は：通信資源に対する需要を判定する段階；需要に応答して複数のチャネルのうち少なくとも１つのチャネルの帯域幅を動的に修正して、それにより一定の時間内に少なくとも１つのチャネル上に提供される情報量を動的に可変する段階；および帯域幅を修正して、通信資源を進行中の通信間に存在する相対的階層に関して偏在させる段階；によって構成される。
本発明のさらに別の局面は、本発明の第１局面の通信システムで用いるのに適した送信機，受信機およびトランシーバ（それぞれ添付の請求項の１０，１１，１２による）を提供する。
【図面の簡単な説明】
本発明の実施例を、添付の図面を参照して説明する。
第１図は、時間領域システムにおけるタイムスロット割当の従来技術による表現である。
第２図は、本発明の好適な実施例による動的周波数割当を示す。
第３図は、本発明によるシステムのブロック図である。
第４図は、本発明の好適な実施例の通信ユニットに関する典型的通信プロトコルを表す。
第５図は、通信ユニットの典型的動作を示す（本発明の好適な実施例による）流れ図である。
好適な実施例の詳細説明
第１図を参照して、（５０％のデューティ・サイクルを有するTDDシステムなどの）時間領域システムにおけるタイムスロットの割当の従来技術による表現を示す。さらに詳しくは、複数の連続するタイムスロット１０〜２４が、タイムスロット１０〜１６に関して図示されるように、送信機能と受信機能の厳密に交互のシーケンス内に割り当てられるので普通である。しかし、順方向および逆方向チャネルに対するタイムスロットの割当は、複数のタイムスロットを通信の一方向に割り当てることを周期的に必要とする。この後者の観点から、（３つの）連続するタイムスロット１８〜２２の全体容量は、特定の方向に通信トラフィックを増大させるための受信機能を割り振られている。
端末（たとえば通信ユニット）が時間領域内に送信する時間量および／または、一定の時間内に端末が送信するエネルギ量および／または、送信中に可変速度コーダにより採用される変調レベル（すなわち符号当たりのビット数）を調整することによらず、本発明の通信装置（データ端末または基地局）は、さらに、またはそれの代わりに、支援されるサービスの実質的な瞬間データ速度条件に比例して、送信に用いられる帯域幅を修正する。そのため、本発明は毎秒一定のビット数を送付することに制約されず、また特定の送信変調速度にも制約されずに、一定の時間内に送信される情報量に変動を持たせるために使用可能で動的に変動する帯域幅を最適化するよう設定される。この点に関して、瞬間帯域幅を最小許容帯域幅と最大許容帯域幅との間で、（１ビットの潜在的分割を有する）増分段階的に調整することができる。
本発明の概念を第２図に示す。ここでは使用可能な通信資源（ビット・パイプ）２５は、まず中心周波数f₄〜f₇を有する異なる帯域幅の複数のチャネルに分配され、（この場合は）対応する数の遠隔端末（図示せず）すなわち、この例では４つの遠隔端末に用いられる。まず、使用可能な通信資源２５は、可能な限りの最大限まで利用されないので、４つすべての端末がその最大帯域幅で動作しており、xヘルツ２６の帯域幅しか利用されないことに注目されたい。実際には、４つの遠隔端末に割り当てられるチャネルは、ビット・パイプ２５内の帯域幅の連続ブロックを占有する。次に、中心周波数f₈〜f₁₀を有する３つの遠隔端末のみが（破線で輪郭が示される）チャネルによりサービスを提供されるように、システムが再設定される。しかし、この場合は、システムが利用する帯域幅には増加分２７があり、従って、この増加分は使用可能なビット・パイプ２５の全面的使用を表す。さらに、中心周波数f₉はシステムの第１チャネルの中心周波数であるが、同時に中心周波数f₄，f₉は一致することに注目されたい。また、図からわかるように、帯域幅の割当は、使用可能なビット・パイプ２５の実質的量が中心周波数f₁₀を有するチャネルに割り当てられるようになっている。
第３図は、本発明を実現するシステム２８のブロック図を示す。装置３０は、アンテナ３４に結合され、システム制御ユニット４４から送信される情報信号３６を受信する広帯域受信機回路構成３２を備える。広帯域受信機３２は、一般に受信機の動作を制御し調和させるよう配置される制御プロセッサ３７に接続される。制御プロセッサ３７は、さらに（受信機制御ルーチンを記憶する）プログラム・メモリ３８とデジタル信号プロセッサ（DSP：digital signal processor）４０に結合され、DSPはさらに広帯域受信機３２とプログラム・メモリ３８とに結合される。システム制御ユニット４４は、アンテナ４６において情報信号を送信（および受信）する。アンテナ４６は、通信回路構成４８に結合され、通信回路構成４８は、システム制御を維持するプロセッサ５０に応答する。プロセッサ５０は、制御アルゴリズム（受信機および送信機制御ルーチンを含む）と、システム制御ユニット４４によりサービスを提供される装置３０などの装置に関する好適な現行の動作パラメータ（帯域幅／変調速度）に関する情報の両方を保持するメモリ５２とに結合される。メモリ５２は、システム制御ユニット４４に関して内部に配置されても、外部に配置されても構わない。
制御ルーチンは、原則として装置（マスタ装置であってもスレーブ装置であっても）の変調速度の動的適応に応用される。これは動的に変動するチャネル帯域幅の最適化が原則としてその装置に関して選択された変調速度に依存するためである。このため、装置の暗号化および解読アルゴリズムを周期的に検索して、メモリからロードしなければならない。
第３図の装置３０は、受信機に関して説明されるが、装置３０は送信機であってもトランシーバであっても構わず、また広帯域受信機回路構成および（後述される）受信機制御ルーチンの適切な置換または修正を、装置を他の用途に適応するために行えば済むことが即座に理解頂けよう。
本発明の特定の実施例において、遠隔端末に対して利用可能な帯域幅を動的に割り当てることは、遠隔端末にある階層（帯域幅需要に結びついたアクセス優先権または他の異なるサービスに優先してある種のサービスが維持されるサービス指向階層など）に基づく。そしてこの階層はシステム制御ユニット４４のメモリ５２内に記憶される。さらに詳しくは、比較的優先度の高い遠隔端末（緊急回線または外交ビデオ・チャネルなど）は、常に最大帯域幅を割り当てられ、一方で比較的優先度の低い他の遠隔端末はシステムの調停（プロセッサ５０により実行される）に基づいて、可変チャネル帯域幅を動的に割り当てられる。比較的優先度の低い遠隔端末は、場合によってはシステム制御ユニットにより（ある場合は）最低量のチャネル割当を保証されるだけの場合も、あるいはシステムが比較的優先度の高い遠隔端末に対応することができるようにするために、通信中にその帯域幅が削減（あるいは中断）されることもある。従って、ビット・パイプ２５へのアクセスを求めるすべての遠隔端末に対応するためには、各遠隔端末に、階層に従って最大帯域幅能力のうち、一定のあるいは変動する割合の帯域幅能力を割り当てる。ユニットに提供される帯域幅の削減がある場合は、そのユニットにとって重要性の大きいサービス（たとえば情報の中継に不可欠なサービス）が情報の中継を補助する付属的サービスより上に維持される。すなわち、音声通信を支援するために必要とされる帯域幅は、ビデオ会議を支援するために必要な帯域幅よりも実質的に小さく、基本的情報は音声情報に優先的に含まれる。従って、ビデオ・リンクは、音声リンクが停止される可能性がある場合は、それに先立って停止されることになる。
本発明により、システムの最小または最大許容帯域幅は、あらかじめ設定されているか、あるいは、送信装置と受信装置との間の調整により決定される。さらに詳しくは、ワイヤレス媒体を介して通信するマスタ装置とスレーブ装置の場合は（マスタ装置が基地局で、スレーブ装置が移動局である場合など）、最小または最大許容帯域幅の調整は以下の例証的機構を用いて実行することができる：
段階１：スレーブ装置がマスタ装置に、制御メッセージを介して、その好適な最小／最大帯域幅制約を通知する；
段階２：マスタ装置は、まずスレーブ装置の好適な制約をスレーブ装置の能力（データ・ベースに記憶される、すなわちマスタ・ユニットにアクセス可能なメモリ５２）と比較し、次にシステムの瞬間周波数利用可能性を推定して、その時点で許容できる帯域幅を得る）：および
段階３：マスタ装置はスレーブ装置に制御メッセージを介して許容可能な帯域幅を通知し、メモリ５２内のシステム設定に変更点を記憶する。
言うまでもなく段階１および段階２は任意である。通常、段階３は同報メッセージまたは装置特定送信などを介して実現される。また、システムによっては（たとえばCDMA準拠システム）最低帯域幅制限はゼロではない。これは、遠隔ユニットがランダム・アクセス機構を用いて基地局との通信を再開する必要をなくするために、最小数のビットを定期的に送信して、システム内の電力制御を維持することが必要であるからであるが、これは理解頂けよう。
本発明の好適な実施例により、マスタ装置とスレーブ装置からの送信のための瞬間帯域幅は（呼全体を通じて）、許容可能な最小および最大制限内の段階により調整可能である。ただし、これは最終的にはマスタ装置に既知の利用可能な帯域幅２５に従う。この点に関して、送信装置（マスタであってもスレーブであっても）は、各データ送信の前に独自の制御（または同期）シーケンスを送ることにより、受信装置に対して、次の送信期間に用いる正確な帯域幅を知らせる。
第４図は、本発明の好適な実施例の通信ユニットの典型的な通信プロトコル７０を表す。通信プロトコル７０は、データ通信シーケンス７６〜７８間に散在される制御シーケンス７２〜７４を備える。各制御シーケンス７２〜７４は、それを中心にして情報を送信または受信する中心周波数を識別する周波数情報８０と、後続のデータ受信または送信に関して選択される動的に可変する帯域幅（または変調速度）を識別する帯域幅（変調速度）情報８２とを備える。言うまでもなく、通信プロトコル７０は連続している必要はないので、個別のブロックにパッケージ化されていることがある。そのため、制御シーケンス７２〜７４は、データ・シーケンス７６〜７８の直前に送信しても、データ・シーケンス７６〜７８から時間的に別々に（たとえば後続のデータ送信に備えて送信の最後に）送信してもよい。
好適な実施例においては、送信帯域幅を調整することから最大の利益を得るために、マスタ装置が各チャネルの各中心周波数の正確な位置を判定して、それに従ってスレーブ装置に通知する。従って、データがスレーブ装置からマスタ装置に送信されるアップリンクの場合は、制御シーケンス７２は周波数情報８０を含む必要がない。実際には、（システム制御全体に必要とされるが簡潔にするために第４図には特に図示されない同期シーケンスおよびアドレス・フィールド（など）以外の）制御シーケンス７２〜７４は、チャネルの中心周波数および／または使用可能な帯域幅に変更がない場合は省略されることがある。
明らかに、通信（呼）の間の任意の時点で、マスタ装置は最小／最大制限を、特定のスレーブ装置の最大情報速度処理能力に対応するように設定することにより、情報転送を最大にすることができる。
マスタ装置からのデータ送信の場合は、チャネルの中央周波数の決定は、現在の動作帯域幅およびシステムによりサービスを提供される装置の優先順位に関して、現在システム２８が使用可能な帯域幅に基づいて行われる（すなわちシステム２８によるビット・パイプ２５の現行の利用状況）。従って、マスタ装置は、制御メッセージ７２〜７４を用いて、スレーブ装置に中心周波数と使用すべき帯域幅とを通知する。さらに、システム制御ユニット４４（すなわちマスタ・ユニット）による帯域幅の仕様により、遠隔ユニット（すなわちスレーブ装置３０）がデフォルトで採用する変調速度が決定される。これは、使用可能な帯域幅について最適変調速度を選択するように、スレーブ装置が設定されることが好ましいからである。あるいは、スレーブ装置は、変調速度を下げることを選択し、それをマスタ装置に通知する。
送信あるいはその帯域幅（変調速度）を改変することを欲するスレーブ装置の場合、そのスレーブ装置は通常マスタ装置から、中央周波数と使用される帯域幅（変調速度）とを定義する制御シーケンスを受信する。たとえば、マスタ装置は、ランダム・アクセス・チャネル（RACH：Random Access Channel）上にマスタ装置との通信を開設しようとするスレーブ装置に応答して、許容可能な動作パラメータをスレーブ装置に通知する。スレーブ装置がより低い変調速度を選択すると、マスタ装置がこの低いほうの変調速度において暗号化されたデータを受信するための修正を行う充分な時間をもって、マスタ装置に（制御シーケンスの送信を通じて）これを通知しなければならない。
本発明を用いると、マスタ装置は固定帯域幅法で可能なよりも多くのユーザを、使用可能なスペクトル上で数字的に多重化することができる。この利点は、各送信の条件の均衡をとり、各送信を使用可能なスペクトルに適切な方法で適合する（またさらに受認可能な共チャネル干渉レベルと、マスタ装置と複数のスレーブ装置との間の相対的位置に基づいて適切なチャネル搬送波を再使用することも考慮に入れる）ことにより達成される。本発明は、総合的に使用可能なスペクトル内に動的調整を図るために充分な融通性をもつという利点を有する。
本発明は、現在の多くのセルラ網において支配的である固定周波数の再使用による制約を受けないという別の利点も有する。実際、本発明は適応性が高く、新しい基地局を容易に導入することができる。
（第５図に示される）本発明の好適な動作をスレーブ・トランシーバに関して考察すると、スレーブ・トランシーバから発せられる送信シーケンスがブロック１００で開始される。スレーブ・トランシーバは、RACH（など）の上でマスタ装置との通信リンクを開設しようと試み（１０２）、次にマスタ装置からの制御信号の受信を待機する（１０４）。制御信号に応答して、スレーブ・トランシーバの制御プロセッサ３７が帯域幅および執心周波数情報を引き出し、そのDSP４０に対してスレーブ・トランシーバの動作パラメータおよび処理アルゴリズムをそれに従って調整する（１０６）よう命令する。次に、DSP４０は、TDMタイムスロットなどの時間期間の間広帯域送信機からの適切に変調された情報を送信する（１０８）。その後、送信を続けるべきか否かを確認するためのの判断がなされる（１１０）。送信が終わると、工程は終了（１１２）するが、送信が継続される場合は、スレーブ・トランシーバは待機して、新しい制御信号がマスタ装置から受信されたか否かをチェックするのが普通である。受信された場合は、ブロック１０６における動作パラメータおよび処理アルゴリズムの調整が、後続の情報の受信前に行われる。受信されない場合（１１５）は、スレーブ・トランシーバは別のサービスを支援するための別の帯域幅を要求しようとする（１１６）。受信されない場合、スレーブ・トランシーバは、（前述のように）ブロック１０８の送信に進む。しかし、スレーブ・トランシーバが別の帯域幅を要求しようとする場合は、スレーブ・トランシーバはまず要求を送信して（１１８）、次に要求の承諾／拒否を待ち（１２０）、その後でブロック１０６でその動作パラメータと処理アルゴリズムの再設定を行うか、あるいは初期に指定された変調速度および周波数で送信を継続する（ブロック１０８）のいずれかである。
受信側では、情報の受信はスレーブ・トランシーバの識別（アドレス決定）１２６で開始され、ブロック１０４に進んで、マスタ装置からの制御信号の受信を待機する。その後、DSP４０は広帯域受信機３２により受信される広帯域信号から正確な情報を抽出するように設定される（１０６，１０８）。
通常、帯域幅を広くする要求と、制御信号の受信とは専門の制御チャネルに支配される。
言うまでもなく、本発明は単信および全二重や半二重通信プロトコルにも適用される。
従って、システムが対応するすべてのデータ速度に関して一定の瞬間無線チャネルを維持する従来技術による通信システム（第１図のTDDシステムなど）の動作とは異なり、本発明は、システムの通信資源（ビット・パイプ）に対する需要に応答して、情報転送に用いられる帯域幅（および変調速度）を動的に可変する。
もちろん、上記の説明は例としてあげられているに過ぎず、光ファイバ通信リンクのしようなど詳細の修正は、本発明の範囲内で行うことができることは言うまでもない。

Claims (12)

1. チャネル帯域幅を有して、複数の異なるサービスを支援することのできる複数のチャネル上に通信を支援する通信資源を有する通信システムであって：
   前記通信資源に関する需要を判定する手段；
   前記需要に応答して前記複数のチャネルのうち少なくとも１つのチャネルの帯域幅を動的に修正する手段であって、進行中の通信間に存在する相対的優先度に関して前記通信資源を偏在させるように帯域幅を修正するよう設定される動的修正手段；および
   前記通信システムの通信装置内に相対的優先度を定義する優先度情報を記憶する手段；
   によって構成され、前記帯域幅動的修正手段が少なくとも１つのチャネルの帯域幅を修正して、前記通信システム内で相対的に低い優先度を有する第２通信装置の動作機能よりも相対的に高い優先度を有する第１通信装置の動作機能を支援することを特徴とする通信システム。
2. 前記第２通信装置に割り当てられる帯域幅が削減される請求項１記載の通信システム。
3. 前記第２通信装置に情報を中継する際に、より大きな重要性のあるサービスが、このような情報の前記中継の補助となる付属的サービスよりも上に維持される請求項２記載の通信システム。
4. 前記第２通信装置に割り当てられる帯域幅が中断される請求項１記載の通信システム。
5. 前記優先度がアクセス優先度に基づく請求項１ないし４のうち任意の請求項記載の通信システム。
6. 前記通信システムにより支援される異なるサービス間に前記相対的優先度が存在する請求項１記載の通信システム。
7. 前記帯域幅動的修正手段が少なくとも１つのチャネルの帯域幅を、そのチャネル上の通信の実質的瞬間データ速度条件に応じて修正する前出の請求項のうち任意の請求項記載の通信システム。
8. 前記帯域幅動的修正手段が、前記複数のチャネルのうち少なくとも１つのチャネルに関して中央チャネル周波数を割り当てる手段によってさらに構成される前出の請求項のうち任意の請求項記載の通信システム。
9. 前記中央チャネル周波数割当手段が、前記複数のチャネルが前記通信資源内で帯域幅の連続的ブロックを占有するように配置される請求項８記載の通信システム。
10. 前記通信システムの通信装置の動作パラメータに関する動作パラメータ情報を記憶するメモリによってさらに構成され、前記帯域幅動的修正手段が少なくとも１つのチャネルの帯域幅を修正して、前記動作パラメータ情報を考慮して一定の時間内に少なくとも１つのチャネル上に提供される情報の量を最適化する前出の請求項のうち任意の請求項記載の通信システム。
11. 前記通信システムの通信装置の動作パラメータに関する動作パラメータ情報を記憶するメモリによってさらに構成され、前記帯域幅動的修正手段が、任意の時刻に前記通信資源上にアクティブである通信装置に対して最小帯域幅が提供されるように配置される前出の請求項のうち任意の請求項記載の通信システム。
12. 通信システムの通信資源を複数のチャネルに分配する方法であって：
    前記通信資源に対する需要を判定する段階；
    前記需要に応答して前記複数のチャネルのうち少なくとも１つのチャネルの帯域幅を動的に修正し、それによって一定の時間内に前記少なくとも１つのチャネル上に提供される情報量を動的に可変する段階；
    前記帯域幅を修正して、進行中の通信間に存在する相対的優先度に関して前記通信資源を偏在させる段階；
    前記通信システムの通信装置内に相対的優先度を定義する優先度情報を記憶する段階；および
    前記通信資源を偏在させて、前記通信システム内で相対的に低い優先度を有する第２通信装置よりも相対的に高い優先度を有する第１通信装置の動作機能を支援する段階；
    によって構成されることを特徴とする方法。

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