JP4428303B2 - マルチビーム無線通信システムの基地局及びビーム間リソース配分方法 - Google Patents

Description

本発明は、マルチビーム無線通信システムの基地局及びビーム間リソース配分方法に関する。

無線通信システムにおいては、システム全体で使用可能な周波数帯域や送信電力などの無線リソース（以下「リソース」と称す）に限りがある。代表的なものに、サービスエリアを構成する複数のビームにリソースを配分し、そのリソースの総和が上限を超えないように制御するマルチビーム無線通信システムがある。マルチビーム無線通信システムにおいて、伝送速度を増加させ且つ信号品質を向上させるために、以下のようなリソース配分方法が効果的である。
・ビーム間における周波数帯域を共用する。
・情報量の多いビームに、多くのリソースを配分する。

図１は、周辺ビームに干渉するビーム利得を表すビーム特性図である。

図１によれば、高トラフィックビームのビーム利得が、周辺ビームに漏れ込んでいることが理解できる。このような特性によれば、周波数帯域を共用するビーム同士は、互いに干渉源となり得る。また、大きい情報量が発生したビームに多くの送信電力を配分すると、周辺ビームに対して大きな干渉源となる。このような干渉を受けたビームにおいては、伝送速度が低下し且つ信号品質も低下する。そこで、干渉を低減し且つ信号品質を向上させる従来技術として、以下のようなものがある。

第１の従来技術として、各ビームに周波数帯域を固定するけれども、発生する情報量に応じて当該ビームに送信電力を配分する技術がある。

図２は、第１の従来技術における隣接３ビームによるクラスタ構成図である。

図２によれば、隣接３ビームによってクラスタが構成され、そのクラスタ毎にシステム周波数帯域を繰り返し使用する。隣接ビーム同士は、干渉の影響が最も大きくなるために、クラスタ内では周波数帯域が重ならないように配置される。また、各ビームには、システム周波数帯域を３等分割して固定配分する。そうすると、端末が密集するエリアのビームは大きな情報量となり、端末が過疎となるエリアのビームは小さな情報量となり、ビーム毎の情報量は不均一になる。

第１の従来技術によれば、発生する情報量に応じて当該ビームに送信電力を配分する。しかし、大きな情報量のビームに多くの送信電力を配分した場合、その周辺ビームに大きな干渉を及ぼすこととなり、システム全体の伝送速度が低下することとなる。

第２の従来技術として、ビーム毎の情報量に応じて周波数帯域及び送信電力を可変的に配分する技術がある（例えば非特許文献１参照）。

図３は、第２の従来技術におけるシステム構成図である。

図３によれば、基地局１は、衛星３を介して端末２と通信をすることができる。基地局１のトラフィック測定部１０１は、各ビームの情報量を測定する。リソース配分部１０２は、全ビームの情報量に対する当該ビームの情報量の割合が、全ビームの伝送速度に対する当該ビームの伝送速度の割合と一致するように周波数帯域及び送信電力を配分する。

第２の従来技術によれば、情報量が多いビームには多くの周波数帯域及び送信電力が配分される。しかし、第２の従来技術は、第１の従来技術と比較すると、周波数帯域が広い分だけ、少ない送信電力となる。従って、周辺ビームへの干渉が低減し、システム全体の伝送速度が増加する。信号品質の向上のためには伝送速度の増加も必要であるが、信号品質を考慮した各ビームへの伝送速度の設定は、効果的である。

例えば、信号品質として「遅延時間」を想定する。リアルタイムトラフィック（音声や映像など）は、非リアルタイムトラフィック（ＦＴＰなど）よりも、遅延時間に対する制限が厳しい。従って、信号品質向上（遅延時間の低減）のためには、リアルタイムトラフィックが集中するビームは、大きい伝送速度を設定するほうが望ましい。しかしながら、第２の従来技術によれば、信号品質を考慮すること無くリソースが配分されるために、信号品質の向上の効果が少ない。

第３の従来技術として、ビーム毎の信号品質に応じて各ビームにリソースを配分する技術がある（例えば非特許文献２参照）。

図４は、第３の従来技術におけるシステム構成図である。

図４によれば、基地局の信号品質測定部１０３は、各ビームの信号品質を測定する。信号品質が劣化して許容範囲外となるビームが発生した場合、周辺ビーム内の端末との通信を一定期間停止する。これにより、周辺ビームからの干渉量を低減させ、信号品質が劣化したビームの信号品質を向上させて通信を継続する。第３の従来技術によれば、信号品質が劣化したビームの信号品質は向上するけれども、周辺ビームの通信が一定期間停止するために、システム全体としては信号品質が低下してしまう。

Satoshi KONISHI、Yoji KISHI and Shinichi NOMOTO、「Optimum Radio Channel Allocation Taking Account of Both Frequency and Power Constraints for Wide-Area Wireless Access Systems」、IEICE Trans. Commun., VOL.E87-B, No.12 DECEMBER 2004. 陳嵐、加山英俊、梅田成視、「ワイヤレスＱｏＳを考慮した基地局間リソースの協調制御法」、信学技法、RCS2002-25、CQ2002-25(2002-04)

従来技術１によれば、高送信電力のビームが周辺ビームへ大きな干渉を及ぼし、信号品質が劣化する。従来技術２によれば、信号品質に即してリソースが配分されないために、信号品質の向上効果は少ない。従来技術３によれば、一部のビームに対して信号品質は向上するけれども、システム全体としては信号品質が低下する。

そこで、本発明は、マルチビーム無線通信システムにおいて、ビーム毎の情報量と信号品質とを考慮して、各ビームにリソースを配分することができる基地局及びビーム間リソース配分方法を提供することを目的とする。

本発明によれば、マルチビーム無線通信システムの基地局において、
端末との通信におけるビーム毎の情報量を測定するトラフィック測定手段と、
端末との通信における信号品質を繰り返し測定し、その信号品質が許容範囲外となるビームを検出する信号品質測定手段と、
全ビームの情報量に対する当該ビームの情報量の割合が、全ビームの伝送速度に対する当該ビームの伝送速度の割合と一致するように無線リソースを配分するリソース配分手段とを有し、
リソース配分手段は、前記信号品質測定手段によって検出された信号品質が許容範囲外となったビームの伝送速度が、先に決定された伝送速度のＸ倍（Ｘは１よりも大きい実数）となるように無線リソースを再配分することを特徴とする。

更に、本発明の基地局における他の実施形態によれば、マルチビーム型衛星を介して端末と通信することも好ましい。

更に、本発明の基地局における他の実施形態によれば、トラフィック測定手段は、ビーム毎の情報量を、所定期間内の平均値とすることも好ましい。

更に、本発明の基地局における他の実施形態によれば、トラフィック測定手段は、ビーム毎の情報量に代えて、ビーム毎のユーザ数を測定することも好ましい。

更に、本発明の基地局における他の実施形態によれば、信号品質測定手段は、端末との通信における信号品質に代えて、ビーム内の全端末との間の信号品質の平均を測定することも好ましい。

更に、本発明の基地局における他の実施形態によれば、信号品質は、遅延時間、スループット、及び、遅延時間とスループットとの組み合わせのいずれかから導出できる値であることも好ましい。

本発明によれば、マルチビーム無線通信システムにおける基地局のビーム間リソース配分方法において、
端末との通信におけるビーム毎の情報量を測定し、全ビームの情報量に対する当該ビームの情報量の割合が、全ビームの伝送速度に対する当該ビームの伝送速度の割合と一致するように無線リソースを配分する第１のステップと、
端末との通信における信号品質を繰り返し測定し、該信号品質が許容範囲外となるビームを検出する第２のステップと、
前記第２のステップで検出された信号品質が許容範囲外となったビームの伝送速度が、先に決定された伝送速度のＸ倍（Ｘは１よりも大きい実数）となるように無線リソースを再配分する第３のステップと、
を有することを特徴とする。

本発明によれば、マルチビーム無線通信システムにおいて、信号品質と情報量に応じて各ビームにリソースを配分するために、信号品質を向上させることができる。

図５は、本発明における無線通信システムの構成図ある。

図５のシステムは、基地局１が、マルチビーム型衛星３を介して複数の端末２と通信する。サービスエリアは、衛星３の複数のビームによってカバーされる。端末２は、ビームによってカバーされる任意のエリアに存在する。エリアによっては、端末２が密集するエリアと、端末２が過疎なエリアとがある。従って、各ビームの情報量は、不均一になる。

マルチビーム型衛星３を介した無線通信システムにおいては、システム全体で使用可能な周波数帯域又は送信電力が他の通信システムより更に限定されているために、本発明によるリソース配分が信号品質向上に与える効果は大きい。

基地局１は、複数のモデム１００と、トラフィック測定部１０１と、リソース配分部１０２と、信号品質測定部１０３と、リソース最適化部１０４と、加算率計算部１０５と、信号品質測定タイマ１０６とを有する。

モデム１００は、衛星３を介して、端末２に対するビームを構成する。

トラフィック測定部１０１は、各モデム１００から、端末との通信におけるビーム毎の情報量を測定する。トラフィック測定部１０１は、測定したビーム毎の情報量を、リソース配分部１０２へ通知する。

信号品質測定部１０３は、端末との通信における信号品質を測定し、その信号品質が許容範囲外となるビームを検出する。信号品質測定部１０３は、信号品質の許容範囲の情報を予め保持し、信号品質が劣化し且つ許容範囲外となったビームについて、その旨をリソース配分部１０２へ通知する。

リアルタイムトラフィックについては「遅延時間」を信号品質とし、非リアルタイムトラフィックについては「スループット」を信号品質とする。これら２種類のトラフィックが混在したネットワークに適用するために、信号品質測定部１０３は、信号品質として「遅延時間」及び「スループット」を測定する。

「遅延時間」の要求が厳しい場合、情報量が同じビームであっても、リアルタイムトラフィックが多いビームの方が、信号品質が劣化する可能性が高い。一方、「スループット」の要求が厳しい場合、情報量が同じビームであっても、非リアルタイムトラフィックが多いビームの方が、信号品質が劣化する可能性が高い。

勿論、信号品質は、通信内容によっては「遅延時間」又は「スループット」以外のものであってもよい。例えば、リアルタイムトラフィックにおいては遅延時間の上限値が予め決定されており、上限値を超えた場合その情報が破棄される。従って、信号品質として「情報の破棄率」を用いることもできる。

更に、信号品質は、遅延時間及びスループットの組み合わせ、又は、遅延時間及び／若しくはスループットから導出できる値であってもよい。

リソース配分部１０２は、各ビームに割り当てるリソースを決定する。

図６は、本発明におけるリソース配分部１０２のリソース配分の説明図である。

リソース配分部１０２は、第１のステップで、全ビームの情報量に対する当該ビームの情報量の割合が、全ビームの伝送速度に対する当該ビームの伝送速度の割合と一致するようにリソースを配分する。
当該ビームの情報量の割合 ＝当該ビームの情報量／全ビームの情報量
当該ビームの伝送速度の割合＝当該ビームの伝送速度／全ビームの伝送速度

この場合、情報量が同じビームには、同じ伝送速度が割り当てられる。図６のステップ１からも明らかなとおり、情報量の割合と伝送速度の割合とが一致するように、リソースである周波数帯域及び送信電力が割り当てられる。各ビームは、そのビームの情報量の大きさに応じた伝送速度が割り当てられるために、信号品質が向上する。

更に、リソース配分部１０２は、第２のステップで、信号品質が許容範囲外となったビームの伝送速度が、先に割り当てられた伝送速度のＸ倍（Ｘは１よりも大きい実数）となるようにリソースを再配分する。

図６のステップ２からも明らかなとおり、中央のビームにおいて信号品質が許容範囲外となった場合、そのビームの伝送速度を例えば２倍とする。このとき、他のビームにおいては伝送速度の低下として影響する。但し、このとき、全てのビームについて、信号品質が許容範囲外とならないようにリソースが配分される。特に、情報量が大きく且つ信号品質が低下したビームに、より多くのリソースが配分され、信号品質が向上する。

加算率計算部１０５は、伝送速度のＸ倍が、次回の信号品質の測定時間までに、信号品質が許容範囲内のビームの信号品質が許容範囲内にとどまる最大値となるように決定する。ここでは、現時点の情報量と、過去の情報量の増加速度とから、次回の信号品質の測定時間までの期間において、信号品質が許容範囲内のビームの信号品質が、許容範囲内にとどまる最大値を計算する。

この加算率が大きいほど、信号品質が許容範囲外となったビームの伝送速度が大きくなり、信号品質が向上する。一方、信号品質が許容範囲内のビームの伝送容量は小さくなり、信号品質が低下する。従って、ビーム全体の信号品質が許容範囲内となる確率を最大とすることができる。

信号品質測定タイマ１０６は、次回の信号品質の測定時間が、信号品質が許容範囲外のビームの信号品質が許容範囲内に変化した時間となるように決定する。ここでは、次回の信号品質の測定時間を、信号品質が許容範囲外となったビームの信号品質が、許容範囲内に変化した時間とし、最小期間だけ加算率を設定する。

加算率を設定する期間が長いほど、信号品質が許容範囲内のビームの信号品質が低下する。従って、信号品質測定タイマ１０６は、信号品質が許容範囲外となったビームの信号品質を許容範囲内とし、信号品質が許容範囲内のビームの信号品質の低下を最小にすることにより、ビーム全体の信号品質を最適に保持することができる。

リソース最適化部１０４は、ビームのトラフィック分布から、システム全体で最大の伝送容量が得られる最適なリソース配分（以下「最適配分」と称す）を計算する。

周波数帯域を共用するビームについては、送信電力が大きいほど周辺ビームへの干渉が大きくなる。これに対し、送信電力を小さくして干渉量を減らすことが考えられる。しかし、一定の伝送容量を得るためには周波数帯域が大きくなる。そうすると、周辺ビームに関しては周波数帯域が少なくなり、その結果として大きな送信電力が必要となるため周辺ビームからの干渉量が増加する。従って、最適配分が必要となる。最適配分には、以下のような方法がある。

第１の最適配分方法によれば、各ビームに周波数帯域を自由に配分し、全ての配分から伝送容量が最大の配分を１つ選び出す。この方法によれば、確実に伝送容量が最大となる配分を計算することができる。しかしながら、一般には膨大な計算処理が必要なため時間がかかる。

第２の最適配分方法によれば、所定の最適化方法を用いて最大化容量を得る最適配分を決定する。この方法によれば最適化方法を用いるために計算時間が短縮される。しかしながら、極解となり最大化に失敗する場合がある。

第３の最適配分方法によれば、第１の最適配分方法によって最適配分のための拘束条件を見出し、第２の最適配分方法に適用することによって最適配分を決定する。この方法によれば、第２の最適配分方法と同様に計算時間が短縮されると同時に、極解に陥る確率を減らすことができる。従って、最も効果的な最適配分方法といえる。

リソース最適化部１０４が、第３の最適配分方法を用いることにより、少ない計算処理とその計算時間とで、ビーム全体の伝送容量を最大化し、信号品質を向上することができる。

マルチビーム無線通信システムにおいては、周波数を共用するビーム同士のビーム間干渉が伝送容量の低下に最も影響を与える。従って、システム全体としてビーム間干渉が低くなるようにするために、以下のような拘束条件が考えられる。
（条件１）周波数クラスタを構成する複数のビームへ配分する周波数帯域の合計が必ずシステの上限周波数帯域となること。
（条件２）全クラスタ間において周波数共用ビームの周波数帯域を等しくすること。

また、第２の最適配分方法としては、逐次２次計画法等の非線形モデルを対象とした一般的な最適化方法を適用することが考えられる。即ち、各ビームの情報量の割合に応じたビーム間の伝送容量となり、かつシステム全体としてビーム間干渉が最小となるように、拘束条件付き逐次２次計画法で各ビームへのリソース量を解くことによって、リソースの最適化を行うことが可能となる。このような方法を用いて、リソースの最適化処理有りと無しとで、例えば以下のようにシステム容量に差が生じる。

ビームの情報量は、そのビーム内の端末数が多いほど大きくなる傾向を持つ。従って、トラフィック測定部１０１が、ビームの情報量に代えて、ビーム毎のユーザ数を測定することによっても、同様な効果が得られる。

ビーム毎の情報量は、時々刻々と変化する。ある瞬間の情報量が特殊なケースとなり、平均値に対して非常に多い場合や非常に少ない場合は、効果的なリソース配分が行われにくい。従って、トラフィック測定部１０１は、ビーム毎の情報量を、所定期間内の平均値とすることにより、信号品質向上の効果が大きくなる。

ビーム内の各端末において、その信号品質はそれぞれ異なったものになる。大多数の端末の信号品質が許容範囲内にもかかわらず、一部の端末の信号品質が許容範囲外となるとそのビームに多くのリソースが配分され、効果的なリソース配分が行われにくい。従って、信号品質測定部１０３は、端末との通信における信号品質に代えて、ビーム内の全端末との間の信号品質の平均を測定することにより、信号品質向上の効果が大きくなる。

図７は、伝送容量／周波数帯域に対する受信電力／干渉電力を表すグラフである。

伝送速度は、周波数帯域、変調方式、符号化方式、符号化率、干渉電力及び受信電力（送信電力とビーム利得の積）から導出される。変調方式として、ＢＰＳＫ（Binary Phase Shift Keying：２相位相変調）、ＱＰＳＫ（Quadri-Phase Shift Keying：４相位相変調）、８ＰＳＫ（8 Phase Shift Keying：８相位相変調）及び１６ＱＡＭ（16 Quadrature Amplitude Modulation）が表されている。また、リソースは、周波数帯域、変調方式、符号化方式、符号化率、送信電力を意味する。変調方式、符号化方式及び符号化率が一意に決まるため配分対象のリソースは、周波数帯域及び送信電力とする。また、システム全体で使用可能なリソース（周波数及び電力）の上限値が決められている。基地局は、リソースの上限値を超えないように各ビームにリソースを配分する。

前述の実施形態においては、配分対象のリソースを周波数帯域及び送信電力として説明したけれども、例えば、時分割多重接続を用いる場合には「タイムスロット」を配分対象のリソースとすることできる。また、無線リソースは、周波数帯域、送信電力及びタイムスロットの２つ以上の組み合わせであってもよい。

図８は、シミュレーションにおける本発明の信号品質と従来技術の信号品質との比較したグラフである。

図８によれば、トラフィックに対する遅延時間及びスループットを、本発明と従来技術を比較して表している。遅延時間については、本発明は、従来技術２よりも１／３に低減している。また、スループットについては、本発明は、従来技術１よりも１．２倍高速になっている。

前述したように、本発明によれば、マルチビーム無線通信システムにおいて、信号品質と情報量に応じて各ビームにリソースを配分するために、信号品質を向上させることができる。

周辺ビームに干渉するビーム利得を表すビーム特性図である。 第１の従来技術における隣接３ビームによるクラスタ構成図である。 第２の従来技術におけるシステム構成図である。 第３の従来技術におけるシステム構成図である。 本発明における無線通信システムの構成図ある。 本発明におけるリソース配分の説明図である。 伝送容量／周波数帯域に対する受信電力／干渉電力を表すグラフである。 シミュレーションにおける本発明の信号品質と従来技術の信号品質との比較したグラフである。

符号の説明

１ 基地局
１００ モデム
１０１ トラフィック測定部
１０２ リソース配分部
１０３ 信号品質測定部
１０４ リソース最適化部
１０５ 加算率計算部
１０６ 信号品質測定タイマ
２ 端末
３ 衛星

Claims (7)

1. マルチビーム無線通信システムの基地局において、
   端末との通信におけるビーム毎の情報量を測定するトラフィック測定手段と、
   端末との通信における信号品質を繰り返し測定し、該信号品質が許容範囲外となるビームを検出する信号品質測定手段と、
   全ビームの情報量に対する当該ビームの情報量の割合が、全ビームの伝送速度に対する当該ビームの伝送速度の割合と一致するように、周波数帯域、送信電力、タイムスロットのいずれかを少なくとも含む無線リソースを配分するリソース配分手段とを有し、
   前記リソース配分手段は、前記信号品質測定手段によって検出された信号品質が許容範囲外となったビームの伝送速度が、先に決定された伝送速度のＸ倍（Ｘは１よりも大きい実数）となるように無線リソースを再配分する
   ことを特徴とする基地局。
2. マルチビーム型衛星を介して端末と通信することを特徴とする請求項１に記載の基地局。
3. 前記トラフィック測定手段は、前記ビーム毎の情報量を、所定期間内の平均値とすることを特徴とする請求項１又は２に記載の基地局。
4. 前記トラフィック測定手段は、前記ビーム毎の情報量に代えて、ビーム毎のユーザ数を測定することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の基地局。
5. 前記信号品質測定手段は、前記端末との通信における信号品質に代えて、ビーム内の全端末との間の信号品質の平均を測定することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の基地局。
6. 前記信号品質は、遅延時間、スループット、及び、遅延時間とスループットとの組み合わせのいずれかから導出できる値であることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の基地局。
7. マルチビーム無線通信システムにおける基地局のビーム間リソース配分方法において、
   端末との通信におけるビーム毎の情報量を測定し、全ビームの情報量に対する当該ビームの情報量の割合が、全ビームの伝送速度に対する当該ビームの伝送速度の割合と一致するように、周波数帯域、送信電力、タイムスロットのいずれかを少なくとも含む無線リソースを配分する第１のステップと、
   端末との通信における信号品質を繰り返し測定し、該信号品質が許容範囲外となるビームを検出する第２のステップと、
   前記第２のステップで検出された信号品質が許容範囲外となったビームの伝送速度が、先に決定された伝送速度のＸ倍（Ｘは１よりも大きい実数）となるように無線リソースを再配分する第３のステップと、
   を有することを特徴とする基地局のビーム間リソース配分方法。

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