JP4237396B2

JP4237396B2 - 通信システムにおける統合化された電力制御および輻輳制御

Info

Publication number: JP4237396B2
Application number: JP2000513365A
Authority: JP
Inventors: イェンスクヌトッソン，; マグナスペルソン，
Original assignee: テレフオンアクチーボラゲットエルエムエリクソン（パブル）
Priority date: 1997-09-24
Filing date: 1998-09-22
Publication date: 2009-03-11
Anticipated expiration: 2018-09-22
Also published as: DE69839912D1; US6128506A; CA2304864A1; EP1018226B1; EP1018226A1; AU9289598A; CA2304864C; WO1999016185A1; JP2001517893A

Description

【０００１】
（背景）
本発明は、通信システムおける送信信号の電力およびトラフィックレベルの制御に関し、特に、拡散スペクトルあるいは符号分割多元接続（ＣＤＭＡ）システム等の通信システムおける送信信号の電力およびトラフィックレベルの制御に関する。
【０００２】
代表的なＣＤＭＡシステムにおいては、伝送される情報データストリームは、各情報信号が固有のコードに割り当てられるように、擬似ランダムコードジェネレータにより生成される十分高いビットレートのデータストリームに重畳して伝送される。複数の符号化情報信号が無線周波数搬送波の変調として伝送され、受信機で複合信号としてまとめて受信される。各符号化信号は、周波数および時間の双方において、ノイズ性信号のみならず全ての別の符号化信号にオーバラップしている。複合信号と固有のコードの１のシーケンスとの相関をとることによって、対応する情報信号を分離、復号化することが可能である。
【０００３】
移動無線通信システムにおける同一無線チャネルを使用した異なる呼接続の干渉は、当該システム中の移動局（mobile station）と基地局（base station）との送信電力レベルの調整によって低減することができる。同一無線チャネルを使用する呼の間に生じる干渉の見込みを低減させるために、十分な呼品質を維持するのに必要な送信電力だけを使用することが好ましい。システムにおける受信信号の品質または電力の測定、すなわち、システムの呼品質の一測定として、例えば、信号対干渉比（signal-to-noise interference ratio; SIR）のような属性が用いられる。移動局と基地局との各接続は、あるSIRを有し、そして、異なる接続のSIR測定値は異なる可能性がある。
【０００４】
ＣＤＭＡを用いる通信システムにおいて、電力の調整によれば、十分な呼品質を維持するのに必要な送信電力だけが使用されるので、送信電力が不必要に大きく、全ての呼または接続が同じSIR目標値または要求されたSIRを有すると仮定した、調整されないシステムに比べると、システムの容量を７０％程度増加させることが可能になる。さらに、送信電力レベルが最小可能レベルで維持されていれば、そのシステムの移動局はより少ないエネルギー消費で済む。したがって、移動局への電源供給に使用されるバッテリーは小容量で済み、移動局の軽量化あるいは小型化が見込める。
【０００５】
電力制御の公知の種類の１つに、SIRベース高速制御（fast SIR-based control）と呼ばれるものがある。高速のSIRベース送信電力制御の基本原理は、一般条件の下では、送信電力が増加すると、それに伴ってSIRが増加するところにある。SIRベース高速制御では、信号伝送のSIRが必要以上に高いときには、送信電力を減少させる。移動局から基地局への信号伝送のSIRが低すぎるときは、移動局の送信電力を増加させる。ＣＤＭＡシステムにおける高速のSIRベース送信電力制御についての詳細な事項は当業者にとって明白であり、本明細書では論じない。
【０００６】
移動通信システムが過負荷になると、システム内の信号伝送は互いに干渉する場合がある。このような場合には、送信電力を引き上げても、パーティ効果のために効率的にSIRが増加しない。
【０００７】
パーティ効果現象は、パーティで、互いに話し合っている人たちは、大声で喋っている別の人たちをしのいで聞こえるように大きな声で話をするために、全体のノイズレベルが大きくなっていく現象に似ている。具体的には、高速のSIRベース送信電力制御を用いるシステムにおいては、SIR目標値もしくはしきい値を下回るSIRを経験する第１の移動局は、SIRを目標値にするように送信電力を増加させることになる。第１の移動局が克服しようとしている干渉が第２の移動局によって生じ、第１および第２の移動局からの信号伝送が互いに干渉しているときに、第１の移動局によって送信電力を増加させることは、それに伴う第２の移動局の信号伝送との干渉の増加と、第２の移動局での目標値を下回るSIRの低下とを引き起こす場合がある。第２の移動局がSIRを増加させるためにその送信電力を増加させることになると、今までになかった問題が噴出する。システムに正帰還が発生し、移動局は、所望の品質もしくは受信信号の電力を達成することなく最大電力レベルに達するまで送信電力を増加させることになる。例えば、システムの１のセルにおける高い送信電力レベルが、隣接するセルの信号伝送に過度に干渉するときには、当該１のセルに生じたパーティ効果が、システム内の近隣のセルに広がる場合がある。
【０００８】
Almgren等の米国特許第5,574,982号（以下、“Almgren”とする）は、セルラー無線通信システムにおけるパーティ効果を回避するための解決策を提供する。Almgrenは参照されることにより本明細書に組み入れられる。送信電力が増加したとき、搬送波対干渉比（carrier-to-interference ratio; C/I）もしくはSIRの目標値を減少させることを、Almgrenは単調に記載している。したがって、干渉を補償するために信号電力を増加させれば、干渉の許容レベルもまた増加する。その結果、信号品質の小さな減少の許容によるパーティ効果、すなわち、信号干渉の許容レベルの増加によるパーティ効果により、システムは同一セル内にいる全ユーザの信号品質の大きな減少を回避する。しかし、パーティ効果が回避されるにもかかわらず、信号品質はそれでも減少してしまう。
【０００９】
しかしながら、Almgrenに記載された方法を用いた高速のクローズドループSIRベース電力制御に加えて、低速の品質ベース電力制御を有するシステムにおいては、問題が発生する。かかるシステムでは、例えば、システムが過負荷となり、実際に用いられたことのある信号品質（代表的なものとして、フレーム誤り率）が許容値を下回ると、低速の電力制御は、所定のSIRしきい値を増加させることによってSIR目標値を増加させる。対照的に、高速のSIRベース電力制御は、信号品質の減少を改善するために信号電力が増加するように、効率的にSIR目標値を減少させる。したがって、システムは、低速電力制御と高速電力制御とが互いにSIR目標値を逆方向に変えるために打ち消し合うという不都合を生じる。そのため、高速電力制御のみが一時的にシステムを安定化させることができる。
【００１０】
１９９６年５月に発表された、スウェーデン、ストックホルムの王立工科大学の博士論文“セルラー無線システムにおける電力制御および承認制御（Power Control and Admission Control in Cellular Radio Systems）”においてM.Andersinは、送信電力の制御が信号接続の解放に統合されたシステムについて記載している。その統合は、サポートされた信号接続のみに、高速のクローズドループSIRベースの送信電力制御を行い、他の全ての信号接続（すなわち、サポートしない信号接続）を、各々の送信電力をゼロにセットすることにより非活性化することで達成される。サポートされた信号接続は、システム内のSIR目標値を達成できる信号接続である。対照的に、サポートされない信号接続は、システム内のSIR目標値を達成し得ない信号接続である。接続解放アルゴリズムは、システムを安定にするために解放が可能な特定の接続を選択するために用いられる。
【００１１】
言い換えると、SIRベース電力制御アルゴリズムは、システム内での信号トラフィックの輻輳（congestion）レベルに基づいては変化しない。そのかわりに、SIRベース電力制御アルゴリズムにより制御される信号接続のセットが変化する。接続解放アルゴリズムは、残っている信号接続の各々が、SIRベース電力制御アルゴリズムの制御によって、SIR目標値を達成できるようになるまで、信号接続を解放する。このような統合制御は、通信システムに次のような問題を引き起こす。すなわち、ａ）移動局の出力電力が既知であることを必要とするため、エア・インタフェース（air interface）に付加的な信号が必要である。ｂ）いくつかの接続が非活性であるときには高速クローズドループ電力制御を適用できないため、移動局および基地局に、より複雑な設備を必要とする。ｃ）非活性化フェーズにおけるリアルタイムサービスを保護することができない。
【００１２】
（発明の概要）
本発明は、ＣＤＭＡ通信システムにおいて、送信電力と、データ転送レート等の信号トラフィックの輻輳との双方の統合制御を提供することにより、上記した技術の不都合を解決するものである。あるユーザがリアルタイム通信を必要としないＣＤＭＡ通信システムにおいては、送信電力は、ａ）SIRのような測定信号品質、ｂ）システム内の信号トラフィックの輻輳レベル、に基づいて制御される。システム内の基地局での総受信電力は、信号トラフィックの輻輳の測定値を規定することが可能である。輻輳制御は、前記基地局での総受信電力に基づいて行われる。リアルタイム通信を必要としないユーザのために伝送ビットレートを引き下げること、周波数間ハンドオーバ（interfrequency handover）の実行、あるいは少なくとも１の移動局と基地局との通信の切断によって、輻輳制御は、第１レベルから第２レベルへの信号トラフィックの輻輳の削減を含めることが可能である。
【００１３】
（詳細な説明）
図１は、セルＣ１〜Ｃ７を有するＣＤＭＡ通信システムを示しており、同図において、各セルは、基地局Ｂ１〜Ｂ７のうち１の基地局と、移動局Ｍ１１〜Ｍ７１のうち１もしくはそれ以上の移動局とを含む。基地局および移動局は、図２に示すような内部構造を有し、同図中、基地局（BASE STATION）Ｂ１および移動局（MOBILE STATION）Ｍ１１は各々、プロセッサ（PROCESSOR）２００、２５０、送信機（TRANSMITTER）２１０、２４０、および受信機（RECEIVER）２２０、２３０を備えている。
【００１４】
本発明の一形態によれば、例えば、送信電力レベルが高すぎ、および／または、SIRレベルが低すぎるときのように、システムのセルが不安定あるいは過負荷状態に入ると、電力制御アルゴリズムは、同時に伝送品質目標値またはしきい値を引き下げ、送信電力を調整することによってパーティ効果を回避し、その結果、パワーベクトルの安定化、すなわち、システム内の送信電力レベルの安定化が図られる。輻輳制御もまた、遅延、別の周波数への移動、あるいはユーザの通信の切断のうちいずれかによって信号トラフィックを減少させるために作動する。電力制御アルゴリズムがパワーベクトルを安定化させている間、または、パワーベクトルを安定化させた後は、輻輳の制御を行うことが可能である。したがって、電力制御アルゴリズムは、システムが安定状態に戻り、伝送品質目標値またはしきい値が許容レベルまで回復するまでパワーベクトルを安定化させ、輻輳制御は、セル内の信号トラフィックを減少させる。システムの基地局および／または移動局に設けられる好適なプロセッサは、電力および輻輳の制御機能を動作させることができる。
【００１５】
セル内の移動局と基地局との間の信号伝送を選択し、その伝送の伝送ビットレートを引き下げることによって、輻輳を、第１のレベルから第２のレベルに減少させることができる。あるいは、選択された信号伝送を異なる周波数に移すための周波数間ハンドオーバを実行し、元の周波数での輻輳を減少させることも可能であるし、あるいは、選択された信号伝送を切断することも可能である。本発明の実施形態によれば、信号伝送のビットレートの引き下げのほうが、選択された信号伝送の異なる周波数への移動より好ましく、また、信号伝送の切断よりも好ましい。
【００１６】
ビットレートを下げられない状況、例えば、ビットレートがすでにシステムによる要求もしくはユーザによる要求（例えば、信号伝送により伝達されるデータが人との間のリアルタイム音声通信を表し、ビットレートの低下は、許容できないほどに通信の妨げとなる場合）のいずれかにより規定される最小レートである状況、があり得る。ビットレートが下がらず、あるいは、ビットレートを下げても輻輳が十分に減少しない場合には、周波数ハンドオーバもしくは切断が考えられる。
【００１７】
別の信号周波数も輻輳状態その他利用できない状況であれば、選択された信号伝送周波数を変更することはできない場合がある。このような状況では、輻輳を減少させるために信号伝送が切断されうる。
【００１８】
信号伝送は、ａ）特定の信号伝送によるデータのリアルタイム伝送が必要とされたか、もしくは希望されたこと、ｂ）さまざまな信号の現在の伝送ビットレート、ｃ）他の信号伝送ではない特定の信号伝送の優先度、ｄ）他の周波数チャネルの使用可能性、ｅ）特定の信号伝送による輻輳への相対的な寄与、等のさまざまな要素に基づいて、ビットレート低減、周波数ハンドオーバ、あるいは切断を選択することができる。システムの基地局および／または移動局に設けられる好適なプロセッサをこれらの決定や輻輳制御の実行のために用いることができることは、当該技術分野の当業者は理解するであろう。輻輳の低減に関する技術の詳細についても、当業者には明らかであり、本明細書では説明を省略する。
【００１９】
電力制御アルゴリズムが適切に選ばれればパーティ効果は特定のセルに制限され、このことは不安定の原因が容易に見つかり処理することができることを意味する。加えて、輻輳制御がセル内のあるユーザの通信を変化させるときにパワーベクトルが安定であれば、輻輳の変動の結果は直ちに検出され、その輻輳制御によって当該セル内の他のユーザの通信が変化したり妨害されることはないだろう。
【００２０】
本発明の実施形態によれば、以下の条件が真であれば、移動局の送信電力は増加する。
【００２１】
（SIR_m/SIR^t)*((P_r/P^t)ⁿ）＜１
【００２２】
ここで、SIR_mは、例えば基地局によるSIR測定値である。SIR^tは、所定のSIRしきい値であり、P_rは、基地局での総受信電力である。P^tは、所定のしきい値であり、nは、所定の係数である。この条件が偽であれば、移動局の信号電力は減少する。基地局での総受信電力のしきい値P^tは、異なるP^tの値を用いてシステムをテストし、満足のいく性能が出る値を選択することにより、特定のシステムのために指定することができることは、当業者には理解できるだろう。ｎ＝０のときは、アルゴリズムは通常のSIRベース高速電力制御を表すことも、当業者は気づくであろう。ｎが０より大きいときは、アルゴリズムは、送信電力を上げるときには、効率的にSIR目標値を減少させる。本発明の実施形態においては、ｎの値は、P_rとP^tとの比較に基づいて選択される。P_rがしきい値P^tより小さければ、ｎは０に指定される。基地局での総受信電力P_rがしきい値P^tを上回るときは、ｎは、例えば、およそ0.2乃至0.3程度の、０より大きい値にセットされ、移動局の送信電力を上げるときには、効率的にSIR目標値を引き下げる。さらに、P_rがしきい値P^tを上回るときは、輻輳制御が作動する。輻輳制御は、システムを、P_rがしきい値P^tを上回らないような安定状態に引き戻す。高速電力制御は、その高速電力制御と輻輳制御とがシステムを安定化させるためのごく短時間の間にSIR目標値を変えるだけである。
【００２３】
この技術は、Almgrenに記載されたような高速のSIRベース電力制御に加え、低速の品質ベース電力制御を用いるシステムにおいては、特に有利である。これは、本発明によれば、SIRの目標値は、低速な電力制御が反応してSIRのしきい値SIR^tを増加させることによって信号品質を向上させるためには短すぎるような比較的短い時間だけ変化するからである。ｎが０より大きいときには、品質ベースの電力制御における品質測定もまた、短時間では無視できる。したがって、本発明では、高速電力制御および低速電力制御は、いずれであっても動作し、相反するものではない。
【００２４】
図３は、本発明の第１の実施形態にかかる輻輳および送信電力の制御方法を示すフローチャートである。本方法は、ステップＳ３００から始まりステップＳ３１０に進む。ステップＳ３１０では、P_rがP^tより大きいか否かの判定を行う。P_rがP^tより大きければ、ステップＳ３２０で、ｎを0.25にセットし、ステップＳ３３０に進む。ステップＳ３３０では、輻輳が低減される。次にステップＳ３５０に進み、次の条件を満たすか否かの判定を行う。
【００２５】
（SIR_m/SIR^t)*((P_r/P^t)ⁿ）＜１
【００２６】
この条件を満たさない場合には、ステップＳ３７０に進み、移動局の送信電力を低下させる。ステップＳ３７０からはステップＳ３１０に戻り、処理を繰り返す。前記の条件を満たす場合には、ステップＳ３５０からステップＳ３６０に進み、移動局の送信電力を増加させる。ステップＳ３６０からはステップＳ３１０に戻る。ステップＳ３１０において、P_rがP^tより大きくないと判定されたときは、ステップＳ３４０に進み、ｎを０にセットする。次にステップＳ３５０に進み、上記したように処理を進める。
【００２７】
図４は、本発明の第２の実施形態にかかる輻輳および送信電力の制御方法を示すフローチャートである。本方法は、ステップＳ４００から始まり、ステップＳ４２０に進み、P_rがP^tより大きいか否かの判定を行う。ｙｅｓであれば、ステップＳ４３０で、ｎを0.25にセットする。ｎｏであれば、ステップＳ４４０で、ｎを０にセットする。各ステップＳ４３０およびＳ４４０から、ステップＳ４５０に移る。ステップＳ４５０では、次の条件を満たすか否かの判定を行う。
【００２８】
（SIR_m/SIR^t)*((P_r/P^t)ⁿ）＜１
【００２９】
この条件を満たす場合は、ステップＳ４６０に進み、移動局の送信電力を増加させる。ステップＳ４６０からはステップＳ４８０に進む。ステップＳ４５０における条件を満たさない場合は、ステップＳ４７０に進み、移動局の送信電力を低下させる。ステップＳ４７０からはステップＳ４８０に進み、収束基準を満たすか否かの判定を行う。この収束基準を満たさないときは、ステップＳ４８０からステップＳ４２０に戻って処理を繰り返す。収束基準は、基地局での総受信電力P_rが、時間Δtの間にどの程度速く変化するかを示す量であり、収束基準は、例えば、次のように表される。
【００３０】
｜P_r(t)-P_r(t-Δt)｜＜ε
【００３１】
ここで、P_r(t)は、時刻tにおける基地局での総受信電力であり、εは、所定の値またはしきい値である。ステップＳ４８０において、収束基準を満たすときは、ステップＳ４８０からステップＳ４９０に進み、P_rがP^tより大きいか否かの判定を行う。P_rがP^tより大きければ、ステップＳ４９５に進み、輻輳が低減される。ステップＳ４９５からはステップＳ４２０に戻り、処理を繰り返す。ステップＳ４９０において、P_rがP^tより大きくないと判定されたときは、そのままステップＳ４２０に戻る。
【００３２】
本出願人による発明は、以上説明したような特定の実施形態に限定されるものではなく、また、当業者によって改良され得ることを理解されたい。本出願人による発明の範囲は、特許請求の範囲の記載により定められ、本発明の範囲に属するいかなる、そして全ての改良がそれに含まれるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態にかかるＣＤＭＡ通信システムのブロック図である。
【図２】図１に示した基地局および移動局の内部構成を示す図である。
【図３】本発明の第１の実施形態にかかる送信電力および輻輳の制御を示すフローチャートである。
【図４】本発明の第２の実施形態にかかる送信電力および輻輳の制御を示すフローチャートである。

Claims

複数の基地局と複数の移動局とを有する通信システムの制御方法であって、
前記通信システムにおける信号トラフィックの輻輳に基づいて前記通信システム内の少なくとも１つの移動局の送信電力を制御する送信電力制御工程を有し、
前記送信電力制御工程は、
前記複数の基地局のうちの１つの基地局での総受信電力 P _r を測定する第１測定工程と、
前記測定された総受信電力 P _r と所定の総受信電力しきい値を表す第１のしきい値 P ^t とを比較する第１比較工程と、
前記複数の移動局のうちの１つの移動局から前記１つの基地局に送信された信号の信号対干渉比 SIR _m を測定する第２測定工程と、
前記測定された信号対干渉比 SIR _m と所定の信号対干渉比しきい値を表す第２のしきい値 SIR ^t とを比較する第２比較工程と、
前記第１及び第２比較工程における各比較結果に基づいて前記１つの移動局の送信電力を変更する変更工程であって、
ａ） P _r ＜ P ^t の場合、 (SIR _m /SIR ^t ) ＜１、
ｂ） P _r ＞ P ^t の場合、 (SIR _m /SIR ^t )((P _r /P ^t ) ⁿ ) ＜１（ただし、 n ＞ 0 ）、
のときに、前記１つの移動局の送信電力を増加させる変更工程と、
を含み、
前記通信システムの制御方法は更に、
前記測定された総受信電力P _rと前記第２のしきい値P ^tとの比較に基づいて前記通信システムにおける信号トラフィックの輻輳を制御する輻輳制御工程を有し、
前記輻輳制御工程では、
第１の移動局と第１の基地局との間の信号伝送を選択し、
前記選択された信号伝送のビットレートの引き下げ、前記選択された信号伝送の周波数間ハンドオーバ処理、前記選択された信号伝送の切断、のうちの少なくとも１つを実行し、
P _r ＜ P ^t となるまで、前記選択及び実行を繰り返す、
ことを特徴とする通信システムの制御方法。
前記ｎは、0.2以上0.3以下であることを特徴とする請求項１に記載の通信システムの制御方法。
前記信号伝送は、該信号伝送によるデータの伝達がリアルタイムに行われることを求められているか否かに基づいて選択されることを特徴とする請求項１に記載の通信システムの制御方法。
前記輻輳制御工程においては、前記選択された信号伝送のビットレートの引き下げ及び前記周波数間ハンドオーバ処理が、前記選択された信号伝送の切断よりも優先的に行われるように優先度が付けられていることを特徴とする請求項１に記載の通信システムの制御方法。
前記輻輳制御工程においては、前記信号伝送のビットレートの引き下げが前記周波数間ハンドオーバ処理よりも優先的に行われるように優先度が付けられていることを特徴とする請求項１に記載の通信システムの制御方法。
複数の基地局と複数の移動局とを有する通信システムの安定化装置であって、
前記通信システムにおける信号トラフィックの輻輳に基づいて前記通信システムのパワーベクトルを安定化させる安定化手段を備え、
前記安定化手段は、
前記複数の基地局のうちの１つの基地局での総受信電力 P _r を測定する第１測定手段と、
前記測定された総受信電力 P _r と所定の総受信電力しきい値を表す第１のしきい値 P ^t とを比較する第１比較手段と、
前記複数の移動局のうちの１つの移動局から前記１つの基地局に送信された信号の信号対干渉比 SIR _m を測定する第２測定手段と、
前記測定された信号対干渉比 SIR _m と所定の信号対干渉比しきい値を表す第２のしきい値 SIR ^t とを比較する第２比較手段と、
前記第１及び第２比較手段による各比較結果に基づいて前記１つの移動局の送信電力を変更する変更手段であって、
ａ） P _r ＜ P ^t の場合、 (SIR _m /SIR ^t ) ＜１、
ｂ） P _r ＞ P ^t の場合、 (SIR _m /SIR ^t )((P _r /P ^t ) ⁿ ) ＜１（ただし、 n ＞ 0 ）、
のときに、前記１つの移動局の送信電力を増加させる変更手段と、
を含み、
前記通信システムの安定化装置は更に、
P _r ＞ P ^t のとき、前記通信システムにおける輻輳を第１のレベルから第２のレベルに低減する輻輳低減手段を備え、
前記輻輳低減手段は、第１の移動局と第１の基地局との間の信号伝送を選択し、ａ）前記選択された信号伝送のビットレートの引き下げ、ｂ）前記選択された信号伝送の周波数間ハンドオーバ処理、ｃ）前記選択された信号伝送の切断、のうちの少なくとも１つを、 P _r ＜ P ^t となるまで実行することにより、輻輳を低減する
ことを特徴とする通信システムの安定化装置。
前記安定化手段は、前記複数の基地局のうちの１つに設けられたプロセッサにより実現されることを特徴とする請求項６に記載の通信システムの安定化装置。
前記輻輳低減手段は、前記複数の基地局のうちの１つに設けられたプロセッサにより実現されることを特徴とする請求項６に記載の通信システムの安定化装置。