JP4125045B2

JP4125045B2 - 移動通信システム

Info

Publication number: JP4125045B2
Application number: JP2002163146A
Authority: JP
Inventors: 誠人岩井; パジェットジェイ
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2001-06-05
Filing date: 2002-06-04
Publication date: 2008-07-23
Anticipated expiration: 2022-06-04
Also published as: JP2003324376A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、適応変調方式を採用する移動通信システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
セルラ型移動通信システムでは、複数の基地局が二次元的又は三次元的に配置され、対象とするエリアが基地局ごとのサービスエリア（セル）に分割される。基地局は基本的に各セルの中心に位置し、その基地局が各セル内の移動局からの通信要求を受け付けることによって、対象エリア全体での通信が実現される。ここで、各セル、或いは、一部のセルの組み合わせでは互いに同じ伝送帯域を利用するため、あるセル内での通信は、その他のセル内での通信に対しては妨害波（干渉波）となる。単位周波数（１Ｈｚ）当たりの伝送可能最大ビット数によって表すことのできる周波数利用効率は、移動局の位置、すなわち受信地点での所望信号対干渉信号強度（ＳＩＮＲ）に依存する。適応変調方式は、各移動局のＳＩＮＲを監視し、そのＳＩＮＲに応じた最適変調多値数やシンボルレートを選択して、当該移動局との通信に用いることにより、当該移動局との通信速度を最大とすることができ、移動通信システム全体の通信量（全体スループット）を向上させることができる。
【０００３】
一般に、基地局近辺に位置する移動局はＳＩＮＲが高い環境にあり、大きな通信量を受信／送信することが可能である。一方、セル端（すなわち、同じ伝送帯域を用いる２つの基地局の中間点付近）に位置する移動局はＳＩＮＲが低く、大きな通信量を実現することが困難となる。すなわち、各基地局のカバレッジ（適用範囲）を小さく設定すれば、提供可能な通信量を増大させることができ、反対にカバレッジを大きくすると、提供可能な通信量は低減する。つまり、適応変調方式を用いたシステムでは、基地局が提供可能な通信量と基地局のカバレッジとはトレードオフの関係にある。
【０００４】
既に存在する移動通信システム、例えば、米国Qualcomm社提案のＨＤＲシステム、米国Rutgers大学提案のInfostationsシステムでは、このトレードオフのどのポイントでシステムを動作させるかはシステム設計にて定められている。具体的には、各基地局のカバレッジは当該基地局のセルの大きさに応じた固定サイズとされる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の移動通信システムにおいて適応変調方式によって向上させようとしている通信量は“静的”な制御の下でのものであり、“動的”な制御までも考慮したものではなかった。そのため、従来の移動通信システムで得られる通信量は必ずしも十分に基地局の性能を利用していないという問題点があった。
【０００６】
本発明は上記問題点を解決するためになされたもので、適応変調方式に“動的”な制御を加えることにより、一層の通信量の向上が図られる移動通信システムを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る移動通信システムは、基地局との間での複数の移動局それぞれの無線通信環境を検知する環境検知手段と、前記各移動局の前記無線通信環境に応じて当該移動局に対する無線通信の変調方式を変える適応変調方式を実現する適応制御手段とを有するものにおいて、前記適応制御手段が、複数の前記移動局から前記基地局に対する通信要求量に基づいて前記無線通信環境に関する許容水準の設定及び変更を行う許容水準決定手段と、前記各移動局の前記無線通信環境と前記許容水準とを比較し、前記無線通信環境が前記許容水準より劣る移動局から前記基地局への通信要求を却下する通信要求許否手段と、前記基地局へ伝送要求されたパケットの待ち行列を格納する制御バッファと、を有し、前記許容水準決定手段は、前記制御バッファに格納された前記パケットの待ち行列長に基づいて前記通信要求量を把握するものである。
【０００８】
適応変調方式によれば、基地局との無線通信環境（ここでは、環境とは伝送路状態を指す）が良好な移動局に対しては、無線通信環境が劣る移動局よりも高い通信速度を与える変調方式が適用される。本発明によれば、基本的に、通信要求量が多い場合に許容水準を引き上げ、通信サービスの提供を受けることができる移動局を無線通信環境が良好なものに限定する。その結果、通信サービスを提供される移動局について平均した通信速度は向上し、無線通信環境が良好な移動局からの通信要求が速やかに処理され、よって通信要求量の速やかな低減を図ることができる。その間、無線通信環境が劣る移動局に対しては一時的に通信サービスが保留されるが、通信要求量の低減に伴い許容水準が引き下げられると、無線通信環境が劣る移動局に対しても通信サービスが提供される。このような許容水準を変動させて動的に適応変調方式を適用する処理は、基地局が対象とする移動局からの通信要求を常に平等に扱う処理に比べて、平均的な通信速度を向上させ、処理される通信量の増大を図ることが可能である。なお、無線通信環境は一般的に基地局から離れるにつれ劣化し、一方、基地局に近いほど良好であることを考えれば、本発明における許容水準の変動はカバレッジを変動させることに相当する。
【０００９】
本発明の好適な態様においては、当該移動通信システムがセルラシステムであり、前記環境検知手段が、前記無線通信環境として、前記移動局における所望信号と干渉信号との強度比（ＳＩＮＲ）を検知する。
【００１１】
また、さらに他の好適な態様においては、前記許容水準決定手段が、前記待ち行列長が所定上限長を上回る場合、前記許容水準を上げ、前記待ち行列長が所定下限長を下回る場合、前記許容水準を下げる。
【００１２】
他の本発明に係る移動通信システムにおいては、前記適応制御手段は、前記許容水準が設定可能な上限であり、かつ前記待ち行列長が所定上限長を上回る場合、前記許容水準未満の前記無線通信環境にある前記移動局からの前記パケットを前記待ち行列から取り除く待ち行列整理手段を有する。
【００１３】
本発明によれば、パケットの待ち行列から低い通信速度で伝送されるパケットが取り除かれることにより、許容水準を上げた場合の通信要求の処理が一層迅速に行われ、許容水準が下がった場合も含めた平均的な通信量がさらに向上する。
【００１４】
本発明の好適な態様では、前記待ち行列整理手段は、前記許容水準以上の前記無線通信環境にある前記移動局から新たに伝送要求された前記パケットを前記待ち行列に追加すると共に、前記許容水準未満の前記無線通信環境にある前記移動局からの前記パケットを前記待ち行列から取り除く。
【００１５】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
【００１６】
［実施形態１］
図１は本発明の実施形態に係るセルラ型移動通信システムの概略の構成を示す模式図であり、複数の基地局２が二次元的に配置され、通信サービスの対象とするエリアが基地局２ごとのセル４に分割される。基地局２は基本的に各セル４の中心に位置し、その基地局２が各セル４内の移動局６からの通信要求を受け付けることによって、対象エリア全体での通信が実現される。センタ８は各基地局２における提供通信量をモニタすると共に、各基地局２へパケット割り当ての指針を与える。各基地局２は、移動局６からパケットを受信する受信部１０、送信リソースを提供する送信部１２、通信要求されたパケットに対し送信部１２の送信リソースを割り当てる通信要求処理部１４、パケット割当バッファ１６を含んで構成される。
【００１７】
図２は基地局の通信要求処理部の概略の機能ブロック図である。通信要求処理部１４は、パケット割当制御機能２０、パケット割当バッファ制御機能２２、リソース制御機能２４、通信量制御機能２６を有する。
【００１８】
受信部１０は移動局６からのパケットを受信すると、その受信パケットを受信バッファに格納し、パケット割当制御機能２０に対し送信パケット割当要求を行う。パケット割当制御機能２０では送信パケット割当要求があった際に、その要求のプライオリティ及びその時点でのパケット割当制御指針を基準として、その要求に対する送信パケット割当の可／不可が決定される。「要求のプライオリティ」を決定する要因としては、例えば、サービスクラス、要求された通信速度、通信の全要求量、過去の要求回数等が挙げられる。送信パケット割当不可の場合は、パケット割当制御機能２０は、当該要求に対応するパケットを受信バッファから棄却する命令を発する。これにより、受信バッファに一旦格納されていたパケットは捨てられ、パケット割当バッファ１６へは移送されない。一方、送信パケット割当可の場合は、受信パケットは受信バッファからパケット割当バッファ１６へ転送される。
【００１９】
パケット割当バッファ１６は１つ、又は複数個設けられる。複数のパケット割当バッファ１６は、例えば、サービスクラスの異なるサービスを扱う場合等に必要となる。
【００２０】
パケット割当バッファ制御機能２２は、このパケット割当バッファ１６の制御を行う。パケット割当バッファ制御機能２２としては、リソース制御機能２４へ各メッセージのパケット割当バッファ１６における情報（当該バッファにおける位置、サービスクラス、要求全通信量等）を伝えること、バッファ内のパケット順序を入れ替えること、バッファ内のパケットを必要に応じて削除することなどがある。
【００２１】
パケット割当バッファ制御機能２２が或るパケットの送信タイミングを決定すると、そのパケットはリソース制御機能２４により送信される。つまり、リソース制御機能２４は、送信タイミングが決定されたパケットに対して、送信部１２の送信リソースを割り当て、この送信リソースを用いて、当該パケットが基地局２から送信される。ちなみに、送信リソースに関するカテゴリーとしては、例えば、送信電力、送信時間、符号分割システムにおける符号の数及び種類、時間分割システムにおけるスロットの長さ及び数が挙げられる。
【００２２】
通信量制御機能２６は、パケット割当制御機能２０、パケット割当バッファ制御機能２２及びリソース制御機能２４における各制御方法を制御する。本システムでは、通信量制御機能２６は、これら他機能の制御を、後述するように要求通信量に応じて適応的に変化させる。また通信量制御機能２６の制御自体も、センタ８等の外部から入力されるパケット割当指針に基づいて変更可能である。ちなみに、センタ８は、通信量制御機能２６が他の機能からの情報に基づいて把握する提供通信量を監視して、各基地局２へのパケット割当指針を決定する。さらに、通信量制御機能２６は、パケット割当制御機能２０、パケット割当バッファ制御機能２２及びリソース制御機能２４における制御状態を示すパラメータ（セル内の要求通信量、提供通信量及び提供不可とした通信量、その他）を収集し、それをセンタ８やネットワークを介して他のセルの基地局２に伝達することにより、他セルの通信量制御機能２６のパケット割当指針の制御に反映させることも可能である。
【００２３】
本システムでは、従来の適応変調方式のシステムと同様、通信速度の異なる複数の変調方式で通信サービスを提供することができる。システムの諸元として与えられる下限通信速度をＲ_low、上限通信速度をＲ_highと表す。同一タイミングにおいて、各移動局６のＳＩＮＲに応じた異なる通信速度でサービスが提供される。例えば、異なる通信速度を与えるデジタル変調方式として、ＢＰＳＫ（通信速度１bps/Hz）、ＱＰＳＫ（通信速度２bps/Hz）、８ＰＳＫ（通信速度３bps/Hz）、１６ＱＡＭ（通信速度４bps/Hz）が挙げられる。さて、あるタイミングで本システムが通信サービスを提供する通信速度の最低値をＲ_min、最高値をＲ_maxとすると、基本的にＲ_maxはシステムに用意された最速の変調方式の通信速度Ｒ_highであり、これは従来の適応変調方式と同様である。一方、Ｒ_minは固定ではなく、通信要求処理部１４での制御に基づき、要求通信量に応じて変更される点が、従来のシステムと異なる大きな特徴である。図３は、本システムの特徴的な制御を行う通信要求処理部１４の処理アルゴリズムを示すフロー図である。この図を用いて以下、通信要求量に応じた通信量制御機能２６による適応的な制御を含む通信要求処理部１４の処理内容を説明する。
【００２４】
基地局２は移動局６から新規のパケット割当要求を受信すると（Ｓ１００）、受信されたパケットは一旦、受信部１０の受信バッファに格納される。パケット割当制御機能２０は、受信したパケットによって伝送された発信元の移動局６の地点におけるＳＩＮＲの値を得る。当該移動局６との間での最大通信速度はＳＩＮＲに依存し、一般にＳＩＮＲが大きいほど高い通信速度を有する変調方式を採用することができる。ＳＩＮＲと最大通信速度との所定の関係に基づいて、パケット割当制御機能２０は、当該移動局６に対する最大通信速度Ｒを決定する（Ｓ１０５）。
【００２５】
Ｒがその時点でシステムが提供する最低速度Ｒ_min以上である場合には（Ｓ１１０）、要求された通信を伝送するために必要なパケット長を求め（Ｓ１１５）、そのパケットを送信するために必要な所要時間が算出される（Ｓ１２０）。そして、そのパケットはパケット割当バッファ１６に投入される（Ｓ１２５）。
【００２６】
一方、Ｒがその時点でＲ_minよりも小さい場合には（Ｓ１１０）、その要求に対するパケット割当は不可となり、その要求は却下される。
【００２７】
パケット割当バッファ制御機能２２は、パケット割当バッファ１６の待ち行列長Ｑを監視し、当該Ｑを用いて要求通信量を把握して、要求通信量に応じた適応的な制御を行う。まず、Ｑ＝０であるか否かが判定され（Ｓ１３０）、Ｑ＝０である場合、すなわち通信チャネルが全く使用されていない場合には、Ｒが低い要求であっても、それがシステムの諸元の範囲内であれば、却下する必要性がないので、Ｒ_minとしてシステムの下限通信速度Ｒ_lowを設定する（Ｓ１３５）。なお、ステップＳ１３０及びＳ１３５は、ステップＳ１１０でパケット要求が却下された場合にだけ実行される。ステップＳ１１０にてパケット要求が却下されなかった場合には、パケット割当バッファ１６には当該パケットが投入され、Ｑは０とは成り得ないからである。
【００２８】
ステップＳ１３０にてＱ≠０と判定された場合、及びステップＳ１１０にてＲ≧Ｒ_minと判定されパケット割当バッファ１６にパケットが投入された場合には、待ち行列長Ｑが、予め設定された下限行列長Ｑ_low及び上限行列長Ｑ_highで指定される範囲外にある場合に、基本的にＲ_minの変更が行われる（Ｓ１４０〜Ｓ１６５）。すなわち、要求通信量が少ない場合（Ｑ＜Ｑ_lowである場合）には（Ｓ１４０）、Ｒ_minがシステムの下限値Ｒ_lowでない限り（Ｓ１４５）、Ｒ_minを段階的に減少させる（Ｓ１５０）。これにより、より通信環境が劣る移動局６に対してもサービスが提供されるようになる。一方、要求通信量が多い場合（Ｑ≧Ｑ_highである場合）には（Ｓ１５５）、Ｒ_minがシステムの上限値Ｒ_highでない限り（Ｓ１６０）、Ｒ_minを段階的に増加させる（Ｓ１６５）。これにより、通信環境の劣る移動局６に対するサービスが抑制される。
【００２９】
以上のように、本システムでは、基地局が提供可能な通信量と基地局のカバレッジとの間のトレードオフの関係の上のどのポイントでシステムを動作させるかが、システムに対して要求される通信量に応じて変化される。つまり、要求通信量が小さい場合には、全ての要求に対して（すなわちセル内のいずれの点に位置する移動局６からの要求に対しても）送信パケットの割り当てを行い、サービスが提供される。一方、要求通信量が増加してくると、カバレッジを制限する。カバレッジを制限すると、セル端付近に位置する移動局６のようにＳＩＮＲが低く、よって高速での通信が困難な移動局６に対するサービスが一時的に停止されるが、基地局２の近辺に位置する移動局６のようにＳＩＮＲが大きく、よって高速で通信可能な移動局６に対してサービスを提供することにより、基地局２が提供可能な通信量が増加する。そこで、一時的にカバレッジを縮小して要求通信量を速やかに低減させ、しかる後カバレッジを拡大して、通信環境の劣る地点に位置する移動局６に対してもサービスを提供する。
【００３０】
図４は、シミュレーションにより得られた、本システムおける要求通信量と提供通信量との関係を示すグラフである。図４において横軸はセル内の仮定した移動局６の分布及び上述のＲ_minの時間的な変動を考慮して平均処理を施した正規化要求通信量であり、縦軸はそれに対応して得られる正規化提供通信量である。図において黒丸がシミュレーションに基づく測定点であり、それを結ぶ実線２００が要求通信量に対する提供通信量の変化の傾向を表している。水平な点線２１０は従来システム、すなわち常にセル全体がカバレッジに包含されるシステムにおいて実現される提供通信量の上限を表す。従来システムでは、要求通信量が増大してもこの点線２１０以上には提供通信量は増えないが、本システムでは、要求通信量が増大に応じて、従来の上限を超えて提供通信量が増加する。
【００３１】
図５は、本システムおいて通信を割り当てられた移動局の位置の分布を示す累積確率分布曲線を示すグラフであり、正規化要求通信量をパラメータとして変化させている。図において横軸は正規化された基地局からの位置であり、０がセルの中心、１が隣のセルまでの距離の中間地点（セル端）に対応する。なお、点線は、通信の割り当ての有無に関わらずに移動局６の分布を累積した曲線である。要求量が増加するにつれて、中心付近（横軸０付近）の分布確率が高くなっており、基地局が提供する通信が中心部分に偏る、すなわちカバレッジが縮小する傾向が示されている。また、この図は、要求通信量の増加に伴う本システムにおけるサービスエリアの限定は、ある範囲より外側の移動局の要求を完全に却下するというものではなく、パケットが割り当てられる割合が徐々に減少するという性質のものであることが理解される。
【００３２】
［実施形態２］
本発明の第２の実施形態に係るセルラ型移動通信システムは、基本的な構成及び制御は上記第１の実施形態のシステムと共通する。よって、本実施形態については、図１〜図３及びそれらについての説明を援用し、以下、第１の実施形態との相違点を説明する。
【００３３】
本システムは、第１の実施形態のシステムの制御方法を基本とするものの、提供通信量とカバレッジとのトレードオフをさらにダイナミックに用いる方式である。具体的には、通信要求αがステップＳ１１０の条件を満たして、パケット割当バッファ１６に投入される場合に、待ち行列長Ｑが所定の上限値Ｑ_highを超えていれば、その時点で既にパケット割当バッファ１６に投入されている通信要求のうち通信速度Ｒが最小の通信要求βと、通信要求αとの通信速度を比較する。そして、通信要求βの通信速度の方が小さい場合、通信要求βを当該バッファから除去し、通信要求αを当該バッファの末尾に投入する。
【００３４】
図６は、シミュレーションにより得られた、本システムおける要求通信量と提供通信量との関係を示すグラフであり、第１の実施形態の図４に相当するものである。図において実線３００は本システムの特性を表す。図６は、従来システムの上限の提供通信量であるおよそ０．５bps/Hz（図４における点線２１０の水準）を超えた部分での本システムの提供通信量の増加率が第１の実施形態のシステムのそれより大きく、より大きな通信量を提供できることを示している。
【００３５】
図７は、本システムおいて通信を割り当てられた移動局の位置の分布を示す累積確率分布曲線を示すグラフであり、第１の実施形態の図５に相当するものである。図７を図５と対比すると、本システムによるカバレッジの制限は第１の実施形態のシステムに比べて厳しく、要求通信量が大きくなると、基地局２から或る距離以上離れた移動局６にはほとんど通信が割り当てられなくなる。
【００３６】
【発明の効果】
本発明の移動通信システムによれば、要求通信量に応じて、適応変調方式に“動的”な制御を加えることにより、一層の通信量の向上が図られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係るセルラ型移動通信システムの概略の構成を示す模式図である。
【図２】基地局の通信要求処理部の概略の機能ブロック図である。
【図３】通信要求処理部の処理アルゴリズムを示すフロー図である。
【図４】シミュレーションにより得られた、第１の実施形態のセルラ型移動通信システムおける要求通信量と提供通信量との関係を示すグラフである。
【図５】第１の実施形態のシステムおいて通信を割り当てられた移動局の位置の分布を示す累積確率分布曲線を示すグラフである。
【図６】シミュレーションにより得られた、第２の実施形態のセルラ型移動通信システムおける要求通信量と提供通信量との関係を示すグラフである。
【図７】第２の実施形態のシステムおいて通信を割り当てられた移動局の位置の分布を示す累積確率分布曲線を示すグラフである。
【符号の説明】
２基地局、４セル、６移動局、８センタ、１４通信要求処理部、１６パケット割当バッファ、２０パケット割当制御機能、２２パケット割当バッファ制御機能、２４リソース制御機能、２６通信量制御機能。

Claims

基地局との間での複数の移動局それぞれの無線通信環境を検知する環境検知手段と、前記各移動局の前記無線通信環境に応じて当該移動局に対する無線通信の変調方式を変える適応変調方式を実現する適応制御手段とを有する移動通信システムにおいて、
前記適応制御手段は、
複数の前記移動局から前記基地局に対する通信要求量に基づいて前記無線通信環境に関する許容水準の設定及び変更を行う許容水準決定手段と、
前記各移動局の前記無線通信環境と前記許容水準とを比較し、前記無線通信環境が前記許容水準より劣る移動局から前記基地局への通信要求を却下する通信要求許否手段と、
前記基地局へ伝送要求されたパケットの待ち行列を格納する制御バッファと、
を有し、
前記許容水準決定手段は、
前記制御バッファに格納された前記パケットの待ち行列長に基づいて前記通信要求量を把握すること、
を特徴とする移動通信システム。
請求項１に記載の移動通信システムにおいて、
当該移動通信システムはセルラシステムであり、
前記環境検知手段は、前記無線通信環境として、前記移動局における所望信号と干渉信号との強度比を検知すること、
を特徴とする移動通信システム。
請求項１または請求項２に記載の移動通信システムにおいて、
前記許容水準決定手段は、
前記待ち行列長が所定上限長を上回る場合、前記許容水準を上げ、
前記待ち行列長が所定下限長を下回る場合、前記許容水準を下げること、
を特徴とする移動通信システム。
請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の移動通信システムにおいて、
前記適応制御手段は、前記許容水準が設定可能な上限であり、かつ前記待ち行列長が所定上限長を上回る場合、前記許容水準未満の前記無線通信環境にある前記移動局からの前記パケットを前記待ち行列から取り除く待ち行列整理手段を有すること、を特徴とする移動通信システム。
請求項４に記載の移動通信システムにおいて、
前記待ち行列整理手段は、前記許容水準以上の前記無線通信環境にある前記移動局から新たに伝送要求された前記パケットを前記待ち行列に追加すると共に、前記許容水準未満の前記無線通信環境にある前記移動局からの前記パケットを前記待ち行列から取り除くことを特徴とする移動通信システム。