JP4043445B2 - 無線アクセスシステム - Google Patents

Description

本発明は、基地局と複数の加入者局との間で、Ｐ−ＭＰ(Point To Multipoint) 方式およびＴＤＭＡ／ＴＤＤ（Time Division Multiple Access/Time Division Diplex) 方式を用いて無線通信を行う無線アクセスシステムにおいて、基地局と各加入者局間の無線回線品質に応じて変調方式を切り替える、あるいは基地局と各加入者局間でそれぞれ所定の変調方式を設定する無線アクセスシステムに関する。

図６は、無線アクセスシステムの全体構成を示す。この無線アクセスシステムは、複数のユーザに対して固定無線アクセスサービス（ＦＷＡ：Fixed Wireless Access Service)を提供するものである。基地局１と加入者局２−１〜２−３間は、無線ＬＡＮシステムのようにＰ−ＭＰで構成され、無線回線により接続されている。基地局１はネットワーク３に接続され、加入者局２−１〜２−３はそれぞれパーソナルコンピュータ等のユーザ端末４−１〜４−３に接続され、例えばＩＰアクセスサービスの提供が可能になっている。

基地局１と加入者局２−１〜２−３との間は、ＴＤＭＡ／ＴＤＤ方式を採用する双方向通信が可能になっており、共通の無線周波数、例えば26ＧHz帯が割り当てられ、使用するタイムスロットにより効率的な通信が可能になっている。

このような無線アクセスシステムでは、限られた帯域内において伝送効率を劣化させることなく伝送速度の高速化を図る技術として、基地局と各加入者局間の伝搬距離等の条件により異なる無線回線品質に応じて、変調方式を切り替える適応変調技術が採用されている（非特許文献１）。あるいは、基地局と各加入者局間の伝搬距離等によってあらかじめ最適な変調方式を決定可能な場合は、基地局と各加入者局間でそれぞれ所定の変調方式を選択して設定する。このように、加入者局の移動や降雨等による電波伝搬環境の変化に対応して各加入者に対する変調方式をダイナミックに変更することにより、安定した無線回線品質を確保できるようになっている。

図７は、従来の無線アクセスシステムにおけるＴＤＭＡ／ＴＤＤ無線フレームの構成例を示す。本無線フレームの周期は固定であり、ハードウェア等の条件により例えば１ｍ秒周期になっている。

無線フレームは、基地局から各加入者局への通信に用いる下り回線として、下りヘッダ領域ＴＳ11および下りデータ領域ＴＳ12を有し、各加入者局から基地局への通信に用いる上り回線として、ＤＭＦ領域ＴＳ13、スロットデマンド領域ＴＳ14および上りデータ領域ＴＳ15を有し、さらに無線フレーム間の境界に設定される干渉防止用のガードタイムＴＳ16を有する構成である。

下りデータ領域ＴＳ12および上りデータ領域ＴＳ15は、基地局と複数の加入者局との間でユーザデータを伝送するために複数のタイムスロットに分かれている。このタイムスロットは、ＰＲ（プリアンブル）、加入者局番号、無線回線品質に応じて選択された変調方式を切り替えるための変調方式切替時間、データおよび誤り検出符号により構成される。なお、上りデータ領域ＴＳ15のタイムスロットには、隣接する上りバースト信号の衝突を防止するガードタイム（ＧＴ）が必要に応じて付加される。
IEEE Std.802.11a-1999

従来の無線アクセスシステムでは、基地局と各加入者局との間で選択された変調方式に変更する場合に、図７に示す下りデータ領域ＴＳ12および上りデータ領域ＴＳ15の各タイムスロットに設けられる「変調方式切替時間」のように、選択された変調方式に切り替えるための時間が必要になっていた。そのためにフレーム効率が悪くなっていた。

また、基地局と各加入者局との間で無線回線品質に応じて、あるいは任意に選択した変調方式を決定した後で、基地局と各加入者局との間でその変調方式を一致させる必要があるが、従来の「変調方式切替時間」で各タイムスロットごとに行う構成では、制御回路が複雑になるとともに高速処理が困難であった。

本発明は、フレーム効率を低下させることなく、基地局と各加入者局間で変調方式を切り替える制御を高速に行うことができる無線アクセスシステムを提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、基地局と複数の加入者局との間で、Ｐ−ＭＰ方式およびＴＤＭＡ／ＴＤＤ方式により双方向の無線通信を行い、かつ基地局と各加入者局間の無線回線品質に応じて変調方式を切り替える、あるいは基地局と各加入者局間でそれぞれ所定の変調方式を設定する無線アクセスシステムにおいて、双方向通信に用いる無線フレームに、複数の変調方式にそれぞれ対応する複数の下りデータ領域および複数の上りデータ領域を含み、各データ領域は各加入者局に割り当てられる複数のタイムスロットで構成され、基地局は、各加入者局で受信可能な無線フレームの下りヘッダ領域に、下りデータ領域および上りデータ領域の各変調方式に対応する位置を示す下りデータ領域指定情報および上りデータ領域指定情報と、上りデータ領域の各タイムスロットと加入者局との対応関係を示す上りデータ割当指定情報を設定する構成であり、各加入者局は、各変調方式に対応する位置を示す下りデータ領域指定情報および上りデータ領域指定情報に基づいて変調方式を切り替え、各加入者局宛ての下りデータを受信し、上りデータ割当指定情報で指定されたタイムスロットで上りデータを送信する構成である。

この基地局は、基地局と各加入者局間の無線回線品質に応じて設定される変調方式、あるいは基地局と各加入者局間でそれぞれ固定的に設定される変調方式を記憶する変調方式対応テーブルと、変調方式対応テーブルに記憶された各加入者局ごとの変調方式および送受信データ量に応じて、下りデータ領域指定情報、上りデータ領域指定情報および上りデータ割当指定情報を設定し、下りデータ領域および上りデータ領域を変調方式ごとに領域化するスケジューリング手段とを備える（請求項２）。

また、下りデータ伝送において、基地局は、複数の下りデータ領域ごとにそれぞれ対応する変調方式を切り替え、各加入者局宛ての下りデータを変調する手段を備え、各加入者局は、複数の下りデータ領域のうち前記下りデータ領域指定情報で通知された下りデータ領域の下りデータをそれぞれ対応する変調方式で復調し、その中から自局宛ての下りデータを選択して出力する手段を備える（請求項３）。

また、上りデータ伝送において、基地局は、上りデータ領域指定情報および上りデータ割当指定情報を下りヘッダ領域で各加入者局に配信する手段を備え、各加入者局は、上りデータ領域指定情報および上りデータ割当指定情報により割り当てられたタイムスロットで、かつ指定された領域に対応する変調方式で上りデータを変調する手段を備え、基地局は、上りデータ領域指定情報に示される複数の上りデータ領域をそれぞれ対応する変調方式に切り替えて上りデータを復調する手段を備える（請求項４）。

本発明の無線アクセスシステムは、下りデータ領域および上りデータ領域が各変調方式ごとに領域化され、各領域が下りヘッダ領域で基地局から各加入者局へ通知されるので、基地局および加入者局では、各領域ごとに変調方式を切り替え、下りデータの変復調および上りデータの変復調を集約的に行うことができる。これにより、従来はタイムスロットごとに行っていた変調方式を切り替えるための時間を短縮化でき、フレーム効率のよい変復調切替制御を行うことができる。また、基地局および各加入者局は、無線フレーム周期ごとに下りヘッダ領域の情報に基づいて変復調切替制御を簡単な制御により行うことができる。

（無線フレームの構成例）
図１は、本発明の無線アクセスシステムにおける無線フレームの構成例を示す。本無線フレームの周期は固定であり、ハードウェア等の条件により例えば１ｍ秒周期になっている。

無線フレームは、基地局から各加入者局への通信に用いる下り回線の領域（ＴＳ11〜ＴＳ14）と、各加入者局から基地局への通信に用いる上り回線の領域（ＴＳ15〜ＴＳ18）と、無線フレーム間の境界に設定される干渉防止用のガードタイムＴＳ19から構成される。下り回線は、下りヘッダ領域ＴＳ11、下りデータ領域（低多値度変調）ＴＳ12、パイロット信号ＴＳ13および下りデータ領域（高多値度変調）ＴＳ14から構成される。上り回線は、ＤＭＦ領域ＴＳ15、スロットデマンド領域ＴＳ16、上りデータ領域（低多値度変調）ＴＳ17および上りデータ領域（高多値度変調）ＴＳ18から構成される。

下りヘッダ領域ＴＳ11は、すべての加入者局が受信可能な領域であり、基地局から送信されるフレームの同期をとるためのＰＲ（プリアンブル信号）、送信している基地局を示す基地局番号、フレーム構造を示すフレーム位置指定情報、コマンド（監視制御）、スロット割当情報、および誤り検出符号から構成される。ここで、フレーム位置指定情報は、下りデータ領域指定情報（ＴＳ12とＴＳ14の各領域指定情報）、ＤＭＦ領域指定情報、スロットデマンド領域指定情報、上りデータ領域指定情報（ＴＳ17とＴＳ18の各領域指定情報）から構成される。スロット割当情報は、ＴＳ16のアクセス調停を行うためのスロットデマンド領域割当指定情報、上りデータ領域（ＴＳ17，ＴＳ18）の各タイムスロットと各加入者局の対応関係を示す上りデータ割当指定情報から構成される。

下りデータ領域（低多値度変調）ＴＳ12および下りデータ領域（高多値度変調）ＴＳ14は、基地局から複数の加入者局に対する下り方向のユーザデータを伝送するための領域であり、変調方式ごとに領域化され、各加入者局に対するユーザデータを伝送するために複数のタイムスロットに分割されている。パイロット信号ＴＳ13は、基地局で変調方式を切り替えるための時間を考慮して配置される。

上りデータ領域（低多値度変調）ＴＳ17および上りデータ領域（高多値度変調）ＴＳ18は、複数の加入者局から基地局に対する上り方向のユーザデータを伝送するための領域であり、変調方式ごとに領域化され、各加入者局からのユーザデータを伝送するために複数のタイムスロットに分割されている。なお、下りデータ領域および上りデータ領域は、３以上の変調方式にそれぞれ対応する領域に分割されていてもよい。

下りデータ領域および上りデータ領域の各タイムスロットは、ＰＲ（プリアンブル）、加入者局番号、データおよび誤り検出符号から構成される。なお、上りデータ領域のタイムスロットには、隣接する上りバースト信号の衝突を防止するガードタイム（ＧＴ）が必要に応じて付加される。

ＤＭＦ領域ＴＳ15は、基地局と複数の加入者局間の距離に応じた伝搬遅延時間を測定し、基地局で受信の際に各加入者局からの無線信号が衝突しないように、各加入者局の送信タイミングを調整する領域である。また、ＤＭＦ領域ＴＳ15では、下りヘッダ領域ＴＳ11のコマンド（監視制御）に対するレスポンス（上り監視信号）の送信が行われる。

スロットデマンド領域ＴＳ16は、加入者局からランダムに発生する上りデータの送信要求を行う領域であり、下りヘッダ領域ＴＳ11のスロットデマンド領域割当指定情報により指定された加入者局のみがアクセス可能であり、上り送信バッファに蓄積されたデータ量を基地局へ通知する。

ここで、下りヘッダ領域ＴＳ11のフレーム位置指定情報に設定される上りデータ領域指定情報と、スロット割当情報に設定される上りデータ割当指定情報に基づいて行われる上りデータ領域ＴＳ17，ＴＳ18における上りタイムスロットの割当例を図２に示す。各加入者局へ通知される上りデータ領域指定情報は、変調方式ごとに領域化されたデータ領域ＴＳ17，ＴＳ18の開始位置を示す。また、上りデータ割当指定情報は、上りタイムスロットと各加入者局の対応関係を示す。

（基地局の構成例）
図３は、本発明の無線アクセスシステムにおける基地局の構成例を示す。図において、基地局は、アンテナ１０、高周波回路２０および通信制御回路３０により構成される。高周波回路２０は、受信機２１、送信機２２およびスイッチ２３を備える。通信制御回路３０は、変復調回路３１、ＴＤＭＡ制御回路３２、ＭＡＣ層制御回路３３、通信インタフェース回路３４、無線回線品質監視回路３５、変調方式対応テーブル３６およびスケジューリング回路３７を備える。

通信インタフェース回路３４は、ＩＰ網等のネットワークと接続される。ＭＡＣ層制御回路３３は、送信データおよび受信データを一時的に蓄積するバッファを有し、加入者局対応に送受信データと無線パケットの変換処理を行い、データにレイヤ２レベルでの機器識別ＩＤ（ＭＡＣ ＩＤ）を付与するとともに、スケジューリング回路３７を用いて上り・下りデータ領域のタイムスロットを効率的に割り当てる。

ＴＤＭＡ制御回路３２は、図１に示す無線フレームの生成・分解処理を行う。変復調回路３１は、ＴＤＭＡ制御回路３２から入力するベースバンド信号を変調して高周波回路２０に出力するとともに、高周波回路２０から入力する受信信号を復調してＴＤＭＡ制御回路３２に出力する。

無線回線品質監視回路３５は、基地局と各加入者局間の無線回線の品質を監視するとともに、無線回線品質に応じた変調方式を決定し、変調方式対応テーブル３６に各加入者局と対応付けて記憶する。また、変調方式対応テーブル３６に記憶される変調方式は、各加入者局ごとにユーザ設定を可能にする構成としてもよい。このような変調方式対応テーブル３６の設定例を図４に示す。ここでは、加入者局番号１〜５が無線回線品質に応じて変調方式が選択され、加入者局番号Ｎ−１，Ｎがユーザの操作により変調方式が固定設定される場合を示す。スケジューリング回路３７は、変調方式対応テーブル３６の内容とＭＡＣ層制御回路３３から得られる送受信要求量に従って各加入者局に割り当てるタイムスロットのスケジューリングを行い、スケジューリング結果をＭＡＣ層制御回路３３に出力する。ＭＡＣ層制御回路３３は、スケジューリング結果に基づいて各変調方式ごとの上り・下りデータ領域の先頭位置を認識し、変復調回路３１の変調方式および変復調切替を制御する。

高周波回路２０の送信機２２は、変復調回路３１から出力された中間周波数の信号を無線周波数に周波数変換するとともに、この高周波信号を電力増幅し、スイッチ２３を介してアンテナ１０から送信する。受信機２１は、アンテナ１０で受信した無線周波数の信号をスイッチ２３を介して入力し、増幅した後に中間周波数の信号に変換して変復調回路３１に出力する。

（加入者局の構成例）
図５は、本発明の無線アクセスシステムにおける加入者局の構成例を示す。図において、加入者局は、アンテナ４０、高周波回路５０および通信制御回路６０により構成される。高周波回路５０は、受信機５１、送信機５２およびスイッチ５３を備える。通信制御回路６０は、変復調回路６１、ＴＤＭＡ制御回路６２、ＭＡＣ層制御回路６３、通信インタフェース回路６４を備える。

通信インタフェース回路６４は、ユーザ端末と接続される。ＭＡＣ層制御回路６３は、送信データおよび受信データを一時的に蓄積するバッファを有し、送受信データと無線パケットの変換処理を行い、データにレイヤ２レベルでの機器識別ＩＤ（ＭＡＣ ＩＤ）を識別するとともに、下りヘッダ領域のスロットデマンド領域割当指定情報に基づくスロットデマンド領域で上りデータ要求などを行う。また、下りヘッダ領域の変調方式ごとの下りデータ領域指定情報および上りデータ領域指定情報をもとに、変復調回路６１の変調方式および変復調切替を制御する。

ＴＤＭＡ制御回路６２は、図１に示す無線フレームの生成・分解処理を行う。変復調回路６１は、ＴＤＭＡ制御回路６２から入力するベースバンド信号を変調して高周波回路５０に出力するとともに、高周波回路５０から入力する受信信号を復調してＴＤＭＡ制御回路６２に出力する。

高周波回路５０の送信機５２は、変復調回路６１から出力された中間周波数の信号を無線周波数に周波数変換するとともに、この高周波信号を電力増幅し、スイッチ５３を介してアンテナ４０から送信する。受信機５１は、アンテナ４０で受信した無線周波数の信号をスイッチ５３を介して入力し、増幅した後に中間周波数の信号に変換して変復調回路６１に出力する。

（基地局および加入者局における制御動作例）
以上示した無線フレームの構成、基地局および加入者局の構成に基づいて、基地局および加入者局における制御動作例について説明する。

基地局では、無線フレーム周期ごとにスケジューリングされた上下タイムスロットと各加入者局の対応関係、および基地局と加入者局間の無線回線品質に応じて決定された加入者局ごとの変調方式、および各領域（ＴＳ11〜ＴＳ19）の位置を一元管理している。

下りデータ領域（低多値度変調）ＴＳ12および下りデータ領域（高多値度変調）ＴＳ14では、ＭＡＣ層制御回路３３の制御により、下りヘッダ領域ＴＳ11で全加入者局へ通知した下りデータ領域指定情報の各変調方式位置に従って変復調回路３１が変調方式を切り替え、下りユーザデータを変調して送信する。また、上りデータ領域（低多値度変調）ＴＳ17および上りデータ領域（高多値度変調）ＴＳ18では、ＭＡＣ層制御回路３３の制御により、下りヘッダ領域ＴＳ11で全加入者局へ通知した上りデータ領域指定情報の各変調方式位置に従って変復調回路３１が復調方式を切り替え、加入者局からの上りユーザデータを復調する。

各加入者局は、ＭＡＣ層制御回路５３の制御により、基地局から下りヘッダ領域ＴＳ11で通知された下りデータ領域指定情報の各変調方式位置に従って変復調回路５１の復調方式を切り替えて復調し、下りデータ領域の各タイムスロットで受信した下りユーザデータの中で、加入者局番号が自局の番号と一致したデータを端末側へ出力する。また、ＭＡＣ層制御回路５３の制御により、基地局から下りヘッダ領域ＴＳ11で通知されたスロットデマンド領域割当指定情報に従い、スロットデマンド領域ＴＳ16の加入者局指定のスロットで送信したいスロット数を要求する。

基地局は、ＴＤＭＡ制御回路３２およびＭＡＣ層制御回路３３の制御により、スロットデマンド領域で各加入者局から要求された各加入者局のスロット要求数をスケジューリング回路３７に記憶し、各加入者局ごとのトラヒック量を一元管理している。すなわち、スケジューリング回路３７では、スロット要求数と、無線フレーム周期ごとに無線回線品質に基づいて決定した変調方式、あるいはユーザが設定した変調方式に応じて、各加入者局に対するスケジューリングを行う。図２に示す変調方式ごとに領域化されたＴＳ17，ＴＳ18の開始位置、および上りタイムスロットと各加入者局の対応関係は、下りヘッダ領域ＴＳ11の上りデータ領域指定情報および上りデータ割当指定情報により各加入者局へ通知される。

各加入者局は、下りヘッダ領域ＴＳ11の上りデータ割当指定情報から、自局の番号と一致するタイムスロットを検索することにより送信可能なタイムスロットを求め、上りデータ領域指定情報から自局に割り当てられたタイムスロットが属する領域の変調方式を選択し、指定された変調方式およびタイムスロットで上りユーザデータを変調して送信する。

本発明の無線アクセスシステムにおける無線フレームの構成例を示す図。 上りタイムスロットの割当例を示す図。 本発明の無線アクセスシステムにおける基地局の構成例を示す図。 変調方式対応テーブル３６の設定例を示す図。 本発明の無線アクセスシステムにおける加入者局の構成例を示す図。 無線アクセスシステムの全体構成を示す図。 従来の無線アクセスシステムにおける無線フレームの構成例を示す図。

符号の説明

１０，４０ アンテナ
２０，５０ 高周波回路
３０，６０ 通信制御回路
２１，５１ 受信機
２２，５２ 送信機
２３，５３ スイッチ
３１，６１ 変復調回路
３２，６２ ＴＤＭＡ制御回路
３３，６３ ＭＡＣ層制御回路
３４，６４ 通信インタフェース回路
３５ 無線回線品質監視回路
３６ 変調方式対応テーブル
３７ スケジューリング回路

Claims (4)

1. 基地局と複数の加入者局との間で、Ｐ−ＭＰ方式およびＴＤＭＡ／ＴＤＤ方式により双方向の無線通信を行い、かつ基地局と各加入者局間の無線回線品質に応じて変調方式を切り替える、あるいは基地局と各加入者局間でそれぞれ所定の変調方式を設定する無線アクセスシステムにおいて、
   前記双方向通信に用いる無線フレームに、複数の変調方式にそれぞれ対応する複数の下りデータ領域および複数の上りデータ領域を含み、各データ領域は前記各加入者局に割り当てられる複数のタイムスロットで構成され、
   前記基地局は、前記各加入者局で受信可能な前記無線フレームの下りヘッダ領域に、前記下りデータ領域および前記上りデータ領域の各変調方式に対応する位置を示す下りデータ領域指定情報および上りデータ領域指定情報と、前記上りデータ領域の各タイムスロットと前記加入者局との対応関係を示す上りデータ割当指定情報を設定する構成であり、
   前記各加入者局は、前記各変調方式に対応する位置を示す下りデータ領域指定情報および上りデータ領域指定情報に基づいて変調方式を切り替え、各加入者局宛ての下りデータを受信し、前記上りデータ割当指定情報で指定されたタイムスロットで上りデータを送信する構成である
   ことを特徴とする無線アクセスシステム。
2. 請求項１に記載の無線アクセスシステムにおいて、
   前記基地局は、
   基地局と各加入者局間の無線回線品質に応じて設定される変調方式、あるいは基地局と各加入者局間でそれぞれ固定的に設定される変調方式を記憶する変調方式対応テーブルと、
   前記変調方式対応テーブルに記憶された各加入者局ごとの変調方式および送受信データ量に応じて、前記下りデータ領域指定情報、前記上りデータ領域指定情報および前記上りデータ割当指定情報を設定し、下りデータ領域および上りデータ領域を変調方式ごとに領域化するスケジューリング手段と
   を備えたことを特徴とする無線アクセスシステム。
3. 請求項２に記載の無線アクセスシステムにおいて、
   前記基地局は、複数の下りデータ領域ごとにそれぞれ対応する変調方式を切り替え、各加入者局宛ての下りデータを変調する手段を備え、
   前記各加入者局は、複数の下りデータ領域のうち前記下りデータ領域指定情報で通知された下りデータ領域の下りデータをそれぞれ対応する変調方式で復調し、その中から自局宛ての下りデータを選択して出力する手段を備えた
   ことを特徴とする無線アクセスシステム。
4. 請求項２に記載の無線アクセスシステムにおいて、
   前記基地局は、前記上りデータ領域指定情報および前記上りデータ割当指定情報を前記下りヘッダ領域で前記各加入者局に配信する手段を備え、
   前記各加入者局は、前記上りデータ領域指定情報および前記上りデータ割当指定情報により割り当てられたタイムスロットで、かつ指定された領域に対応する変調方式で上りデータを変調する手段を備え、
   前記基地局は、前記上りデータ領域指定情報に示される複数の上りデータ領域をそれぞれ対応する変調方式に切り替えて上りデータを復調する手段を備えた
   ことを特徴とする無線アクセスシステム。
   

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