JP4142689B2 - 無線通信システムにおける信号伝送方法 - Google Patents

Description

本発明は無線通信システム、殊に移動無線システムにおける信号伝送方法に関する。

将来の無線システムは、必要とされるサービス品質を備えたマルチメディアアプリケーションを扱えるようにするために、非常に高いデータレートが支援される。さらには、加入者数のより一層の増加が期待されるので、無線システムによる使用のためのさらなる周波数帯域が開発されなければならない。しかしながらこの周波数帯域を効率的に使用するためには、無線システムは広範な周波数領域にわたって動作しなければならない。

無線システムにおいてはリソース分割および多重化のために種々の方法が使用される。時間領域での多重化（時分割多重、ＴＤＭ）および符号領域での多重化（符号分割多重、ＣＤＭ）の他に、種々の周波数チャネルがＦＤＭ方法（周波数分割多重）によって実現される。ＦＤＭ方法においては広範な周波数スペクトルが、周波数領域においてそれぞれが狭い帯域幅を有している別個の複数の周波数チャネルに分割され、これによって搬送周波数の間隔によって規定される周波数チャネルパターンが生じる。有利にはこれによって、同時に複数の加入者を異なる周波数チャネルで扱うことができ、またリソースをより良好に加入者の個々の要求に適合させることができる。周波数チャネル間の十分な間隔は、チャネル間の障害を低減し、またコントロールできることを保証する。

ＦＤＭＡ（周波数分割多重アクセス）と称される相応のアクセス方法により狭帯域の周波数チャネルを使用するために、送信器と受信器は協調して、その都度相応の搬送周波数を選択する必要がある。相応のリソース、すなわち無線チャネルを使用する前に、選択したリソースが既に他の局によって使用されていないか否かをさらに検査する必要がある。続いてリソースが予約され、その予約が必要に応じて他の潜在的な局に通知され、その結果それらの局はその後同時にそのリソースにアクセスせず、衝突は惹起されない。この際、僅かな手間で且つ可能な限り端末装置毎のただ１つの送信器と受信器（トランシーバ）でもって、この周波数の使用を可能な限り効率的なものにするという挑戦が存在する。場合によってはこのことに、全ての局が同じ権限を有する、すなわちいずれの局も周波数チャネルの割り当てのための複数の局にわたる制御機能を担わないという周辺条件が加わる。殊に、自己編成型のネットワークおよびインフラストラクチャが存在しないネットワーク、いわゆるアドホックネットワークにおいては、同一のアルゴリズムおよびプロトコルを実施する、同じ権限を有する局がしばしば存在する。この種のネットワークの公知の例は、ＩＥＥＥ８０２．１１標準による無線ローカルネットワーク（ワイヤレスＬＡＮ）である。

相応の情報が中央局を介して収集および分配されないので、そのようなネットワークにおいては局に対して別の局の周波数チャネルの使用に関する情報が提供されない場合には、局はどの無線チャネルを他の局との通信のために提案ないし選択するべきかを判断することができない。

さらには、いつ別の局がどの周波数で受信の準備をしているかを局は知らない。したがって局は通常の場合、周波数チャネルがそれぞれの局によって任意に選択されてしまう場合には、別の局とのコネクションを確立することができない。さらには、１つの周波数での同報通信サービス（ブロードキャスト）は、偶発的にこの周波数で受信の準備をしている局の一部にしか到達しない。

したがって、これらの直交するリソースの使用を協調させる必要がある。この目的のために所定の周波数が固定の所定の時間に使用されるべき場合、すなわち全ての局がこの周波数で受信の準備をしている場合には、この周波数に並行して存在する周波数を利用することができない。この場合これらのリソースは未使用となってしまい、またこれらの局のために使用させることができない。

既存のセルラ移動無線システムにおいては、周波数が中央局、基地局（ＢＳ、ベースステーション）によって、この基地局の無線セル内に存在する移動局（ＭＳ、モバイルステーション）に割り当てられる。ＧＳＭ（移動通信用広域システム、Global System for Mobile Communication）においては、例えば無線セル毎に１つの中央周波数チャネルが一般的な情報を送信するために使用され、これらの情報はリソースの通知および要求に対して無線チャネルを求めるために移動局によって使用される。移動局がデータを伝送したい場合には、移動局はこれらのデータをこの移動局に既知の周波数チャネルで基地局に要求する。基地局はこれに基づいて移動局に相応の搬送周波数を通知し、この搬送周波数で移動局は基地局と通信することができる。使用されるリソースの割り当ておよび管理は中央で、基地局の上位の基地局制御部（ＢＳＣ、基地局コントローラ）において制御され、基地局からシグナリングされる。同様のことが第３世代のシステムＵＭＴＳ（汎用移動通信システム、Universal Mobile Telecommunications System）にも該当し、この第３世代のシステムは中央でのアプローチに応じて基地局を用いて周波数の割り当てをシグナリングする。

中央で制御されていることにより、このアプローチは中央のエンティティが存在しない分散的に編成されたシステムにおいて適用することはできない。例えば刊行物ETSI/BRAN "Broadband Radio Access Networks (BRAN) ; HIPERLAN Type 2 Functional Specification Data Link Control (DLC) Layer ; Part4 - Extension tor Home Environments., Draft DTR/BRAN-0020004-4, ETSI, Sophia Antipolis, France、２０００年４月から公知であるＨＩＰＥＲＬＡＮタイプ２標準またはＩＥＥＥ８０２．１１による例えばＷＬＡＮシステム（ワイヤレスローカルエリアネットワーク）のような別のシステムは通信のために搬送周波数を１つしか使用しない。別の周波数への切り換えは障害を回避するために使用される。使用可能な新たな搬送周波数が発見されると、全ての局がこの周波数で送受信する。ＨＩＰＥＲＬＡＮ／２においては、この方法は動的周波数選択（ＤＦＳ）として公知である。しかしながら、システムないし個々のコネクションの可能な全体容量を高めるために、任意の局によって複数の周波数を要求に依存して同時に使用することは行われていない。したがって最大データレートは１つの周波数チャネルに制限されている。

ＨＩＰＥＲＬＡＮ／２標準によるＤＦＳ方法と同様に、刊行物R. Sakata, K. Naka, H. Murata, S. Yoshida, Performance Evaluation of Autonomous Decentralized Vehiclegrouping Protocol tor Vehicle-to-vehicle Communications, in Prov. IEEE VTC, Boston, MA、２０００年９月２４〜２８日、第１５３頁〜１５７ページには、自動車が種々の周波数を使用するグループを形成するシステムが提案されている。この場合、隣接する自動車は同一の搬送周波数を共用する。アクティブな周波数チャネルを測定することによって、同時に複数のグループに参加し、また変更されたネットワークトポロジを考慮するためにグループを切り換えることが可能である。この場合、通常ではデータ交換のために１つの周波数しか使用されず、これに対し別の周波数では占有および考えられる周波数切り換えを準備するために受信のみが行われる。同時に別の周波数で受信できるようにするために、２つのトランシーバを使用することが提案され、一方はデータ交換に使用され、他方は別の潜在的な周波数を測定するために使用される。しかしながら、データ交換に関して隣接する局と通信するために使用可能な複数の周波数を使用することはここにも記載されていない。

コードレス電話標準ＤＥＣＴ（ディジタル・コードレス電話、Digital Enhanced Cordless Telephone）においては、種々の周波数チャネルを包含するリソースのフレキシブルな使用が規定されている。リソースを使用するためのこの方法は、動的チャネル選択（ＤＣＳ）と称される。いわゆる「ベーシックモード」であるときのシステムにおいては、１つの基地局が排他的にリソース割り当てを制御するにもかかわらず、データパケットの転送（リレー）は支援される。このために、分散している非中央型のシステムにおける場合と同様に、リソースの使用可能性が検査されて占有される。

ＤＥＣＴは各搬送周波数に対して、２４のタイムスロットを有するフレームを規定しており、この際時分割方法（Time Division Duplex,TDD）において一定に割り当てられている、下り区間（ダウンリンク）のための１２のタイムスロットと上り区間（アップリンク）のための１２のタイムスリットとが設けられている。これについては図１を参照されたい。

したがってＤＥＣＴは１０の搬送周波数が１２０までの通信チャネル（ベアラ）を実現することができるＦＤＭＡ／ＴＤＭＡ／ＣＤＭＡシステムである。コネクションを確立する前に、局は種々の通信チャネルを測定する必要がある。そのようにして得られた受信レベル（受信信号強度指示、Received Signal Strength Indicator,ＲＳＳＩ）がテーブルに登録される。最も低い信号レベル（−９３ｄＢｍ）よりも低い信号レベルを有する全てのチャネルは「静」（クワイエット）と分類され、通信チャネルを確立するために使用することができる。「占有」（ビジー）と分類される上限は、占有されているチャネルの範囲を規定し、可変である。通常の場合、上限は−３３ｄＢｍである。この上限を上回る信号レベルを有するチャネルは、通信チャネルを確立するために使用することは許されない。

セル内の最大チャネル数は基地局のトランシーバの数に依存する。基地局毎に１つのトランシーバしか存在しない場合には、時間単位（タイムスロット）毎にただ１つの移動局しか使用することができない。移動局と基地局との間の通信に並行する移動局間の直接的な通信のためのタイムスロットの自由な割り当ては詳細には規定されていない。しかしながらこの「携帯用無線電話機（Walkie-Talkie）」モードはＤＥＣＴによって支援される。トランシーバを１つしか有さない移動局がチャネルを占有すると即座に、このタイムスロットに並行する残りの無線チャネルがいわゆるブラインドスロットとしてマーキングされる。これに関しては図１を参照されたい。局はこのブラインドスロットで伝送もしくは受信することができ、また受信信号レベル測定を実施することができる。局がどれほど速く送信から受信、また受信から送信へと切り替ることができるか（トランシーバ折り返し時間）に応じて、さらに前後のタイムスロットを同様にブラインドスロットとしてマーキングすることができる。基地局は目下占有されているタイムスロットに関する制御情報を周期的に全ての移動局に送信する。この情報を用いることにより、移動局は占有されていない残りのタイムスロットを測定することができ、それらのタイムスロットを基地局と移動局との間の将来的な通信のための潜在的な候補として使用することができる。基地局の特別な役割に基づき、ＤＥＣＴシステムにおいて実現される記述の方法は、中央のエンティティが存在しない目標システムに適用することができないが、タイムスロットの種々の周波数での同時的な使用が実現されるべきである。

したがって本発明の課題は、分散的に編成されているシステムにおいて、使用可能な複数の周波数チャネルを可能な限り効率的に使用できるようにすることである。この課題は請求項１の特徴によって解決される。本発明の有利な実施形態は従属請求項から得ることができる。

以下では本発明を実施例に基づき詳細に説明する。ここで、
図１は公知のＤＥＣＴフレーム（枠）の時間的な構造を示し、
図２は周波数パターン（周波数型）に基づいた例示的な周波数選択を示す。

本発明によれば、リソース割り当て、殊に種々の周波数の使用が周期的に繰り返し現れる制御チャネルを用いるＦＤＭＡ方法によって実現されることが提案される。局は第１の期間の間に全ての周波数チャネルを任意に使用することができ、第２の期間の間に所定の周波数に切り換えられなければならない。この所定の周波数に割り当てられている制御チャネルは、関連する制御メッセージおよびプロトコル動作の協調的な交換、ならびに使用可能な無線リソースの管理、例えば公知の無線リソースマネージメント（ＲＲＭ）に使用される。

提案される方法は、例えば図２に示されているような前述の周波数パターンを規定する。この周波数パターンは、協調周波数ｆｃｏｏｒｄでのいわゆる交換フェーズおよび１つまたは複数の任意の搬送周波数ｆｉでのいわゆる伝送フェーズから構成されており、これらのフェーズは時間的に相前後している。

交換フェーズの間に局は固定の所定の周波数、協調周波数ｆｃｏｏｒｄで受信および／または伝送する。この周波数はネットワークの局に既知である。この周波数において例えば局は予約要求を通知し、ネットワーク編成のためのいわゆるビーコンを送信する、および／または、関連する内容または時間が重要な内容を有する無線送信呼び出し（ブロードキャスト）を伝送することができる。

残りの時間、すなわち伝送フェーズにおいては、局は使用可能な周波数の内の任意の周波数を使用することができ（全ての周波数の自由使用）、また他の局との伝送のために時間的に選択された自身の周波数を考慮ないし調整するだけでよい。さらには、場合によっては考えられる後の使用に関して周波数チャネルを測定するために、このフェーズを使用することができる。

本発明の実施形態によれば、周波数パターンのフェーズは時間領域において等間隔である。この際図２に示されているように、交番的なフェーズ且つ切り換えフェーズと伝送フェーズの異なるシーケンスを有する少なくとも３つの周波数パターンが存在する。

例えば局が周波数パターンＰ１を選択する場合、この局はフレーム1における協調周波数ｆｃｏｏｒｄで動作を開始し、次に２つの連続する伝送フェーズないしフレーム２および３の間に１つまたは複数の任意の周波数ｆｉに切り替わり、続いてフレーム４および１において再び協調周波数ｆｃｏｏｒｄに戻るように切り替わる。本発明による方法を既存のシステムに組み込むために、フェーズはそれぞれのフレーム持続時間に対応しており、この持続時間は例えばＵＴＲＡ ＴＤＤ規格の場合には１０ｍｓである。４つのフレーム１〜４が経過するとこのパターンが再び繰り返され、周波数選択のプロシージャが始めから開始される。例示的な別のパターンＰ２およびＰ３に従う局は別の時間ないしフレームに協調周波数ｆｃｏｏｒｄに切り換えられる。例えば、Ｐ２に関しては第１のフレーム１および第３のフレーム３において協調周波数ｆｃｏｏｒｄに切り換えられ、Ｐ３に関しては第３のフレーム３および第４のフレーム４において協調周波数ｆｃｏｏｒｄに切り換えられる。この種のコンフィギュレーションにおいては、異なる周波数パターンを用いる局が協調周波数ｆｃｏｏｒｄを共通して使用する共通の時間ないしフレーム、例えばパターンＰ１およびＰ２に関してはフレーム１（共通周波数での協調）が存在する。したがって２つの周波数パターンは相前後する４つのフェーズ内で常に共通のフェーズを有することが保証される。

さらに本発明によれば、丁度３つの周波数パターンを使用することが提案される。これによって、局が全ての周波数を自由に選択して使用できるにもかかわらず、局間の任意のデータ交換に対しては最大で４フレームの遅延が保証される。このことは、任意の局が遅くとも４フレームの経過後に、どの周波数パターンをこの任意の局が使用するかに依存せずに他局と通信できることを意味している。このことは、無線網においてサービス品質が保証されるべき場合には特別な関心事である。殊にこれは、いかなる時点においても全ての周波数の使用を可能にする最小数の周波数パターンである。局はパターンの内の１つを選択することができる。どれほどの数の局がパターンを既に選択しているか、ないしどれほどの容量を協調フェーズにおいて依然として使用可能であるか、またどの局によって通信が試みられているかに応じて、相応のパターンが選択される。グループ内の全ての伝送リソースが相応の周波数パターンによって占有されると、事前に選択されたパターンの協調フェーズの間に存在する別の自由なリソースを状況によって提供する別の周波数パターンが選択される。勿論本発明は周波数パターンが３つ以上であっても前述の利点と同じ利点を支援する。

提案される本方法の利点の１つは、局の送信器と受信器（トランシーバ）に要求される複雑性が少ないということである。しかしながらより多くの周波数が使用されなければならないので、周波数間の切り換え時間、並びに送信器から受信器、またその逆の切り換え時間は可能な限り短くあるべきである。さらには、全ての周波数チャネルを同時に無線到達距離内の複数の局によって使用できるようにするために、局毎に１つのトランシーバのみが必要とされる。

さらには、復号およびリソース管理における手間が僅かであることに起因する利点も生じる。局は協調フェーズの間にのみタイムスロットを復号するだけでよい。何故ならば局はこの時間の間にのみ、他の局が受信の準備をしており、送信されたメッセージが登録されることを前提とできるからである。したがってこの時間の間はリソースの占有ならびに予約希望を知らせることができ、これによってリソースの管理が有利には容易になる。

別の利点は、暗黙的に本発明による方法と結びつくエネルギ節約によってもたらされる。局は協調フェーズの間にのみ受信の準備をしてさえいれば良いので、残り時間の間はその局をエネルギ節約モードに切り換えることができる。エネルギを節約するためにただ１つの搬送周波数を使用する同等の方法は、Y. -C. Tseng, C. -S. Hsu, T. -Y. Hsieh. "Power-saving protocols far IEEE 802.11-based multi-hop ad hoc networks" in Proc. IEEE INFOCOM'02, New York、２００２年１月２３〜２７日に記載されている。そこでは、２つのフェーズからなる時間パターンが規定されている。一方のフェーズの間は局が受信準備状態であり、これに対し他方のいわゆるスリープフェーズにおいてはエネルギを節約するために受信器をオフにする。

さらには本発明による方法でもって、使用される周波数チャネルの効率的な使用がもたらされる。本方法はいつでも全ての周波数を使用することができる。局から見れば、この自由な選択は協調フェーズ中に制限されるに過ぎない。しかしながら種々のパターンが使用されるので、局はいつでも相応のパターンを用いて任意の周波数でデータを伝送することができる。

本発明によるフレームの編成は、異なる周波数を使用するユーザグループの仮想的な細分化を実現する。例えば、全ての局が物理的に復号到達距離内に存在するにもかかわらず、局の種々のグループが異なる周波数を使用する場合には、局があたかも直接的には相互通信できないように分割される。確かに局は比較的小さいグループに分割され、より多くの伝送容量を使用することができるが、ネットワークにおけるアベイラビリティは低下する。さらには、ブロードキャストが仮想的に細分化される。すなわち、全ての局に到達できるであろうにもかかわらず、局の一部のみが受信する。したがって、マルチキャスト／ブロードキャストメッセージは、全ての局が相応の情報を得るまで、複数の部分（フラグメント）で伝送する必要がある。

ブロードキャストは可能な限り多くの加入者に到達すべきなので、異なる周波数を使用する種々のグループに継続的に細分化することはこの目標設定に逆らうことになるであろう。この場合、常に所定の周波数チャネルを使用する別のグループの加入者との通信は周波数切り換えによってのみ、また状況によっては付加的に、煩雑な転送方法によってのみ実現することができる。したがって複雑性は、幾つかの局が別の局からの無線到達距離外にとどまることに相当する。すなわち、部分的に組み合わされたネットワークに相当する。しかしながらこれと共に、そのようなネットワークの挑戦、例えばマルチホップ伝送も実行されなければならない。さらに、各グループの少なくとも１つの局は、グループ間の通信を実現するために２つのグループに属していなければならない。本発明による方法によって、全ての局がグループないし所属の新たな周波数パターンの切り換えを行うことなく相互に通信できる協調されたやり方が規定される。

本発明による方法を適用することにより、一義的な周波数パターンを識別することができる。反復的な間隔をおいて、所定の期間に所定の周波数が使用される。協調のための共通の時間を決定するために、相応の周波数パターンをシステム標準において確定することができる。択一的に、パターン形成のための相応のアルゴリズムまたは生成多項式をシステム標準において規定することができる。異なる周波数パターンを有する局間の交換が実現されるために、参加している全ての局はこの共通の周波数チャネルを所定の時間の経過後に使用する。遅延を制限するために、この期間は例えばＭＡＣフレーム（ＭＡＣ＝メディアアクセスコントロール）の範囲にされる。さらには、所定の周波数が使用されるこのフェーズの間に、無線媒体を編成するための情報が交換されるか、どの周波数が占有されており（状態情報）、どの周波数チャネルが将来的に占有されるべきか（予約要求）がシグナリングされる。

殊に本発明による特徴は、局の無線ハードウェアに対する特別な要求が課されることなく、多数の周波数チャネルを効率的にいつでも使用するためのＦＤＭＡ方法が導入されることである。有利には本方法が分散的に編成されたシステムに使用される。局は周波数パターンを規定する２つのフェーズの間で周期的に切り換わる。一方のフェーズにおいては、無線媒体を編成するために使用される所定の周波数で局が送受信を行う。他方のフェーズの間は、局は任意の周波数チャネルを選択することができる。少なくとも３つの周波数パターンを導入することによって、可能な周波数パターンの内の１つの選択に応じて、任意の周波数チャネルを選択するための可能性がいつでも存在している。

リソースの衝突を回避するために、したがって十分なリソースを使用可能にするために、グループの局間での通信に対して差し当たり全ての伝送リソースは、排他的にこのグループによってのみ使用することができる時間の間に使用される。この時間は、図２の例に従い２つの他のグループがまさに協調周波数を介してデータを交換する場合に生じる。可能な限り２つのグループ間の通信のためにのみ、全ての局の周波数の自由な使用が許されるフェーズが使用される。さらには、共通の協調フェーズを２つのグループ間のデータ交換のために使用することができる。マルチキャストおよびブロードキャストのために、全ての局が複数の周波数で伝送することが許されるフェーズが使用される。本方法は同じやり方で中央型で編成されているシステムにも適用することができる。この場合の利点は中央のエンティティがその他の局と同じ複雑性を有してさえいればよいということにある。つまり、例えばＨＩＰＥＲＬＡＮ／２またはブルートゥースの場合のように中央の役割を各局に動的に伝送することができる。

公知のＤＥＣＴフレームの時間的な構造。 周波数パターンに基づいた例示的な周波数選択。

Claims (5)

1. 信号伝送用の少なくとも２つの周波数チャネルを用いる無線通信システムにおける信号伝送方法において、
   所定の持続時間を有し且つ時間的に相前後する、前記少なくとも２つの周波数チャネルの内の少なくとも１つの第１の周波数チャネルを用いる交換フェーズと、前記少なくとも２つの周波数チャネルの内の少なくとも１つの第２の周波数チャネルを用いる伝送フェーズとから構成されており、且つそれぞれが前記交換フェーズおよび前記伝送フェーズの異なる繰り返しパターンを有する複数の周波数パターン（Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３）を使用し、
   前記無線通信システムにおける局は前記複数の周波数パターン（Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３）の内のいずれかを選択し、選択した周波数パターンの交換フェーズにおいて該局に既知である周波数（ｆｃｏｏｒｄ）を用いて無線リソースの編成に関する情報を伝送および／または受信し、選択した周波数パターンの伝送フェーズにおいて使用可能な周波数の内の任意の周波数（ｆｉ）を使用してデータを伝送および／または受信することを特徴とする、信号伝送方法。
2. 局は周波数チャネル（ｆｃｏｏｒｄ，ｆｉ）の使用に関して局固有のパターン（Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３）を選択する、請求項１記載の方法。
3. 少なくとも１つの第１の周波数チャネル（ｆｃｏｏｒｄ）で制御メッセージ、プロトコル動作に関する情報および／または無線リソースの管理に関する情報を伝送する、請求項１または２記載の方法。
4. 前記無線通信システムは分散的に編成されたシステムである、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
5. 請求項１による方法を実施する手段を有する、無線通信システムの局。

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