JP4480277B2 - 無線通信システム - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、無線通信システムに関し、そのようなシステムにおいて用いられる一次局及び二次局にも関する。本発明は更に、そのようなシステムを動作させる方法に関する。本明細書では、新しく浮上しつつあるユニバーサルモバイルテレコミュニケーションシステム（ＵＭＴＳ）に特に関連しているシステムについて記述しているが、このような技法は、他の移動無線システムにおける利用にも同等に適用できることを理解されたい。
【０００２】
【従来の技術】
無線通信システムにおいては基地局（ＢＳ）と移動局（ＭＳ）との間に２つの基本の通信タイプが必要とされる。第１のものは、例えばスピーチやパケット・データのようなユーザトラフィックである。第２のものは、ＢＳ及びＭＳが、必要なユーザトラフィックをやり取りすることができるように伝送チャネルのさまざまなパラメータを設定し監視するのに必要とされる制御情報である。
【０００３】
多くの通信システムにおいて、制御情報の機能の１つは電力制御を可能にすることである。ＭＳからＢＳに伝送される信号の電力制御は、各ＭＳによって必要とされる伝送電力を最小にしながらＢＳが異なるＭＳからほぼ同じ電力レベルで信号を受け取るようにするために必要とされる。ＢＳによってＭＳに伝送される信号の電力制御は、伝送電力を最小にすることにより他のセルや無線システムとの干渉を低減しながらＭＳが低エラーレートでＢＳからの信号を受け取るようにするために必要とされる。双方向無線通信システムにおいては電力制御が通常は閉ループ方式で行われる。これによりＭＳは、必要とされるＢＳからの伝送電力の変更を決定し、ＢＳにこれらの変化を信号で伝送する。この逆も同様に行われる。
【０００４】
電力制御を用いる複合型の時間及び周波数分割多元接続システムの一例はＧＳＭ（Global System for Mobile communication）であり、この場合ＢＳ及びＭＳのトランスミッタの伝送電力は共に２ｄＢのステップで制御される。同様に、スペクトル拡散の符号分割多元接続（ＣＤＭＡ）方式を用いたシステムにおける電力制御の具体例は米国特許第５，０５６，１０９号に開示されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
これらの既知の技法に関する問題は、伝送の開始時あるいは伝送が中断された後、電力制御ループが満足に収束するのにいくらかの時間がかかってしまうことである。そのような収束が達成されるまで、電力レベルが低すぎる場合にはデータ伝送が損なわれた状態で受け取られ、電力レベルが高すぎる場合には余分な干渉を生じさせてしまうことがある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の目的は上記の問題を解決することである。
【０００７】
本発明の第１の特徴によれば、一次局と複数の二次局とを有し、一次局と二次局との間に制御情報を伝送するためのアップリンク及びダウンリンク制御チャネルとデータを伝送するためのデータチャネルとを有する通信チャネルを有する無線通信システムであって、制御チャネル及びデータチャネルの電力を調整するための電力制御手段が設けられ、制御チャネルの最初の伝送の後までデータチャネルの最初の伝送を遅延させるための手段が設けられたシステムが提供される。
【０００８】
本発明の第２の特徴によれば、一次局と二次局との間に制御情報を伝送するためのアップリンク及びダウンリンク制御チャネルと、データを伝送するためのデータチャネルとを有する通信チャネルを有する無線通信システムに用いられる一次局であって、制御チャネル及びデータチャネルの電力を調整するための電力制御手段が設けられ、制御チャネルの最初の伝送の後までデータチャネルの最初の伝送を遅延させるための手段が設けられた一次局が提供される。
【０００９】
本発明の第３の特徴によれば、二次局と一次局との間に制御情報を伝送するためのアップリンク及びダウンリンク制御チャネルと、データを伝送するためのデータチャネルを有する通信チャネルを有する無線通信システムにおいて用いられる二次局であって、制御チャネル及びデータチャネルの電力を調整するための電力制御手段が設けられ、制御チャネルの最初の伝送の後までデータチャネルの最初の伝送を遅延させるための手段が設けられた二次局が提供される。
【００１０】
本発明の第４の特徴によれば、一次局と複数の二次局とを有し、一次局と二次局との間に制御情報を伝送するためのアップリンク及びダウンリンク制御チャネルと、データを伝送するためのデータチャネルとを有する通信チャネルを有し、一次局及び二次局のうち少なくとも１つが制御チャネル及びデータチャネルの電力を調整するための電力制御手段を有する、無線通信システムを動作させる方法であって、制御チャネルの最初の伝送の後までデータチャネルの最初の伝送を遅延させることを含む方法が提供される。
【００１１】
データチャネルは、アップリンク又はダウンリンクデータチャネル（または双方向データ伝送の場合は両方）でありうる。データチャネルの伝送の遅延はあらかじめ決めておいてもよく、あるいは電力制御手段が制御チャネルにおける最初の電力レベルと目標電力レベルとの間の差を実質的に補正し終えることができるに十分であるように動的に選択することもできる。
【００１２】
２つ以上の電力制御ステップサイズの使用は例えば特開平１０−２２４２９４から知られている。しかしながら、この引用文献における使用は、電力制御が既に確立されているが伝搬条件が急速に変動するという状況に制限されている。この引用文献は、伝送の開始時あるいは伝送の中断後に電力制御の迅速な収束を達成するという問題には対処していない。
【００１３】
本発明の実施例を添付の図面に関連する例示によって説明する。図面においては、同じ参照数字を使用して対応する機能を示すようにしている。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図１を参照すると、周波数分割デュプレクスモードで動作することができる無線通信システムは、一次局（ＢＳ）１００と、複数の二次局（ＭＳ）１１０とを有している。ＢＳ１００は、マイクロコントローラ（μＣ）１０２と、アンテナ手段１０６に接続されたトランシーバ手段（Ｔｘ／Ｒｘ）１０４と、伝送電力レベルを変えるための電力制御手段（ＰＣ）１０７と、ＰＳＴＮ又は他の適切なネットワークに接続するための接続手段１０８とを有する。各ＭＳ１１０は、マイクロコントローラ（μＣ）１１２と、アンテナ手段１１６に接続されたトランシーバ手段（Ｔｘ／Ｒｘ）１１４と、伝送電力レベルを変えるための電力制御手段（ＰＣ）１１８とを有する。ＢＳ１００からＭＳ１１０への通信は、ダウンリンク周波数チャネル１２２上で行われ、ＭＳ１１０からＢＳ１００への通信は、アップリンク周波数チャネル１２４上で行われる。
【００１５】
無線通信システムの一つの具体例は、図２の簡略化された形式で示された方法を利用してＭＳ１１０とＢＳ１００との間の通信リンクを確立する。リンクは、アップリンクチャネル１２４上に資源の要求２０２（ＲＥＱ）を伝送するＭＳ１１０によって開始される。ＢＳ１００が要求を受け取り且つ利用可能な資源を有している場合、ＢＳ１００は、ダウンリンクチャネル１２２上に肯定応答２０４（ＡＣＫ）を伝送し、通信が確立されるのに必要な情報を提供する。肯定応答２０４が送信された後、アップリンク制御チャネル２０６及びダウンリンク制御チャネル２０８の２つの制御チャネル（ＣＯＮ）が確立され、ＭＳ１１０からＢＳ１００にデータを伝送するためのアップリンクデータチャネル２１０が確立される。いくつかのＵＭＴＳの具体例では、肯定応答２０４から制御チャネル及びデータチャネルの確立までの間に付加的な信号伝送がありうる。
【００１６】
この方法においては、別々の電力制御ループがアップリンクチャネル１２４及びダウンリンクチャネル１２２において動作し、各チャネルが内側及び外側ループを含む。内側ループは、目標パワーに合致するように受信電力を調整し、外側ループは、目標パワーを必要なサービス品質（すなわちビットエラーレート）を維持する最小レベルに合わせる。しかしながら、この方法では制御チャネル２０６、２０８及びデータチャネル２１０上で伝送が始まるとき、最初の電力レベル及び品質の目標が開ループ測定から導き出される。しかし測定が行われたチャネルは新しく開始されるチャネルとは異なる特性をもつことがあるので、それらの目標は十分正確ではないという問題がある。この結果として、データチャネル２１０の開始時におけるデータ伝送は、それらが低すぎる電力レベルで伝送される場合には損なわれた状態で受信され、高すぎる電力レベルで伝送される場合には余分な干渉を生じさせてしまうことがある。
【００１７】
この問題に関する１つの既知の部分的な解決法は、ＢＳ１００が、要求２０２の受信電力レベルを測定し、肯定応答２０４内でＭＳ１１０に対してアップリンクデータ伝送２１０に適した電力レベルを指示することである。これは状況を改善するが、要求２０２からアップリンクデータ伝送２１０の開始までの間の時間の隔たりにより依然としてエラーが生じやすい。
【００１８】
図３はこの問題の解決法を示しており、その中ではＢＳ１００によるデータ伝送を満足に受信することができるようにするために、電力制御が収束し終わるに十分な時間３０２だけアップリンクデータ伝送２１０の開始を遅延させている。必要であればもっと長い遅延３０２が許容されうるが、１又は２フレームの遅延（１０又は２０ｍｓ）で十分でありうる。制御チャネル２０６、２０８上に余分な制御情報の伝送する際の付加的なオーバーヘッドは、ＢＳ１００によりデータチャネル２１０を通して受信されるユーザデータに関する低減されたＥｂ／Ｎｏ（ビット当たりエネルギー／ノイズ密度）によってバランスが取れる。遅延３０２はあらかじめ決めておくことができるが、（ダウンリンク電力制御情報を監視することにより収束を検出することができる）ＭＳ１１０又はＢＳ１００のいずれかにより動的に決定することもできる。
【００１９】
図４は、上記の問題の別の解決法を示すフローチャートであり、ここでは電力制御ステップサイズを可変としている。電力制御エラーは、伝送の開始時又はアイドル期間後に最大になりやすいので、最適の電力制御ステップサイズは、通常動作について使用されるものよりも大きい。
【００２０】
この方法は、制御チャネル２０６、２０８及びデータチャネル２１０の伝送の開始（あるいは中断後のそれらの再送の開始）から始まる（４０２）。受信電力と目標電力との間の差が決定される（４０４）。次に電力制御ステップサイズをテストし、それが最小値より大きいかどうかを決定する（４０６）。最小値より大きければ、電力制御ステップサイズは、電力調整（４１０）の前に調整される（４０８）。ステップサイズの変更は決定論的であってもよく、直前の電力制御調整又は品質測定に基づくものでもよい。その後、電力制御ループは４０４から始まり繰り返される。
【００２１】
ある実施例においては、最初に電力制御ステップサイズを大きい値に設定し、（セル又は特定用途向けの）通常動作について設定される値に達するまで徐々に減少させていくことが好ましい。好適には、連続するステップサイズの間の割合は、伝送のエラーを補正する可能性を与えるため、あるいは他の要因により２より大きくはならない。電力制御ステップサイズは、アップリンクチャネル１２４及びダウンリンクチャネル１２２の両方において変化させることができる。
【００２２】
一例として、０．２５ｄＢが最小ステップサイズである場合、電力制御ステップサイズ（ｄＢ）の最初のシーケンスを３．０，２．０，１．５，１．０，０．７５，０．７５，０．５，０．５，０．２５として考察する。通常使用される０．２５ｄＢの最小電力制御ステップサイズを使用する場合には２．５フレームであるのに対して、１ｍｓ毎の電力制御信号と共に上記のシーケンスを使用すると、最高１０ｄＢの最初のエラーを半フレーム（５ｍｓ）以内に補正することができる。ここで記述したようにステップサイズは対称であるが（すなわち同じステップサイズを電力の増加又は減少に適用できるが）、これが常に適当であるとは限らないことは既に知られている（例えば米国特許第５０５６１０９号）。実現するのが一層簡単であろう同様の例においては、あらかじめ決められた数の電力制御コマンドについては最初のステップサイズ（例えば２ｄＢ）が使用され、その後ステップサイズが（例えば１ｄＢまで）減少される。
【００２３】
最初のステップサイズ及び変化レートの選択はあらかじめ決めておくこともできるが、動的に決定することも可能である。例えば、肯定応答２０４において信号伝送される電力レベル調整が大きい場合、最初のステップサイズを増やすことができる。別の例として、ＭＳ１１０が、他の手段によってＢＳ１００よりもやや高い速度をもつと判断することができる場合、より大きいステップサイズが適当である。
【００２４】
固定の電力制御調整は伝送の開始時に適用することができる。これは、いかなる有効な電力制御コマンドの受信前でさえも行うことができる。しかし、サイズ及び方向はあらかじめ決めておくか、あるいは例えばレシーバ測定から導き出されるチャネル減衰の変化レートのような情報を使用して動的に決定することができる。これは、あるチャネル条件の下では性能の改善を与える。このようにして電力を増加させることは、中断後に伝送を再開するケースに特に適しており、その場合中断前からの電力制御ループの状態（例えば現在の電力レベル）が保持されうる。中断とは伝送のポーズ(pause)またはギャップであり、その間は１つ又は複数の制御チャネル及びデータチャネルが伝送されたり、受信されたり（又は両方）しないが、ＢＳ１００とＭＳ１１０との間の論理接続は維持されている。それは、信号の一時的な損失により生じる意図しないものでありえるが、一般にＭＳ１１０又はＢＳ１００が伝送すべきデータを有していないか、代替チャネルの走査のような他の機能を実施しようしているという理由で意図的なものでもありえる。
【００２５】
フェーディングチャネルを迅速に変化させるとき、伝送のポーズの後に続くチャネル減衰は、ポーズの直前のものとは相関しないことがある。そのような場合、ギャップ後の最初の伝送電力の最適値は、その平均値（シャドウィングのようなその他の遅いフェーディング効果を無視する）に等しくなると言うことができる。これは、初期値とチャネルの変動による最適の瞬間値との間の差を最小にする。実際に、ある構成においてはギャップ後の伝送電力は、ギャップ前のいくらかの時間にわたる電力の加重平均から決定される。適当な平均期間は特定の条件に依存するものであるが、２０スロット（すなわち２０の電力制御周期）のオーダーでありうる。付加のオフセット又は固定の電力調整がこの最初の電力レベルに随意に適用される。特定の環境について、そのようなオフセットの最適値を経験的に決定することができる。
【００２６】
代替の構成においては初期電力は、伝送電力の測定ではなく電力制御コマンドの加重和から決定される。この構成においては、伝送ギャップの後に適用する必要がある電力（ｄＢ）の変更は、例えば以下のようにして帰納的に計算することができる。
ΔP(t)=P_off+K₁×(ΔP(t-1)-P_off)-K₂×PC(t)×PS(t)
ここで、
ΔP(t)は、ギャップ後に適用される電力変化であり、アクティブな伝送の間の時間tにおいて帰納的に計算される。
ΔP(0)は、ゼロへの初期化でありうる。
P_offは、付加の電力オフセットである（ゼロでもよい）。
K₁及びK₂は、経験的に決定される定数であり、等しくても良いが、
【数１】

であることが好ましい。これらの定数の値は、電力変化を計算する際に使用される実効平均期間を反映するように選択することができる。
PC(t)は、時間tにおいて適用される電力制御コマンドである。
PS(t)は、時間tにおいて使用される電力制御ステップサイズである。
ΔP(t)は、現在の電力と加重平均電力との間の実際上の差であり、それが利用される前に利用可能な電力制御ステップサイズに量子化されるべきである。
【００２７】
ステップサイズの選択が動的に決定される一つの実施例では、受信される電力制御ビットの符号を使用してステップサイズが決定される。ＭＳ１１０は、電力制御コマンドを受信し始めるときには最大の利用可能なステップサイズを使用し、ステップサイズが減少される際に反対の符号の電力制御コマンドが受信されるまでこのステップサイズを使用し続ける。この次のステップサイズは、ステップサイズが再び減少される際に電力制御コマンドの符号が逆になるまで使用される。このプロセスは最小ステップサイズに達するまで続く。
【００２８】
図５は、利用可能な２つのステップサイズを有するシステムにおける上記の方法の効果を示すグラフである。このグラフは、０ｄＢの目標電力に対して受信される信号電力Ｐ（ｄＢ）が時間Ｔと共にどのように変化するかを示している。実線は、電力制御を用いない場合の受信信号電力を示している。受信電力の変化は、例えばＭＳ１１０の移動によるものでありうる。一点鎖線は、１ｄＢの単一のステップサイズを有する電力制御を用いた場合の受信電力を示している。破線は、上記の方法による電力制御を用いた場合の受信電力を示している。
【００２９】
この方法では、電力制御の使用が約４ｍｓで始まるとき、２ｄＢという大きいステップサイズが使用される。最初は受信電力が目標電力より小さいので、すべての電力制御コマンドが電力の増加を要求し、２ｄＢのステップサイズが使用され続ける。結局、約６ｍｓで受信電力が目標電力を超える。これが生じると、電力の低下を要求するように電力制御コマンドの符号が反転される。これは更に、１ｄＢという規格ステップサイズまでステップサイズを減少させるという影響を及ぼす。このステップサイズは以降の電力制御コマンドに応じて使用され続ける。
【００３０】
図５からは、記述した方法を使用すると受信電力が、単一のステップサイズを用いた場合に可能であるより速くその目標に達することが可能であることが分かるであろう。目標に達すると、ステップサイズを規格ステップサイズまで減少させることにより正確な電力制御を維持することが可能になる。このような方法は、収束が速く達成されるケースと同様に、最初のエラーが大きかったりチャネルが迅速に変わるケースが効率的に処理されることを可能にする。
【００３１】
この方法は更に、より多くの利用可能なステップサイズと共に利用することができる。図６は、破線が、４ｄＢ、２ｄＢ及び１ｄＢという利用可能な３つのステップサイズを有する電力制御を用いた場合の受信電力を示すことを除いて図５と同じ例を示している。最初に４ｄＢのステップサイズが使用され、この結果、電力は、前の例よりもかなり速く目標に達する。電力の低下を要求するために電力制御コマンドの符号が反転されると、ステップサイズは２ｄＢまで減少される。電力の増加を要求するために電力制御コマンドが再び反転されると、ステップサイズは１ｄＢの規格ステップサイズまで減少し、それが維持される。
【００３２】
上記の方法の変形例は、電力制御コマンドの符号が変化した後、１つのスロットについてもっと大きいステップサイズを使用し続けることである。これは、いかなるオーバーシュートであっても補正する助けとなりうる。しかしながら、これは、上記の方法の平均の性能に重要な影響を与えることはない。
【００３３】
上述した技法の組合せは、改善された結果を提供するために容易に利用することができる。
【００３４】
上記の説明ではアップリンクチャネル１２４上のデータ伝送について考察したが、この技法は、ダウンリンクチャネル１２２上のデータ伝送または双方向伝送にも同等に適用できる。
【００３５】
本発明の実施例は、例えばＵＭＴＳの実施例において利用されるスペクトル拡散の符号分割多元接続（ＣＤＭＡ）技法を使用して説明された。しかしながら、本発明はＣＤＭＡシステムにおける利用には限定されないことを理解すべきである。同じように、本発明の実施例は、周波数分割デュプレックスを仮定して説明されているが、本発明は、そのようなシステム内での利用に制限されない。本発明は、例えば時分割デュプレックスのような他のデュプレックス方法にも（そのようなシステム内の電力制御レートは通常は伝送バーストにつき一度制限されるであろうが）適用することができる。
【００３６】
本開示を読むことにより当業者には他の変更が明らかになるであろう。そのような変更は、無線通信システムやその構成要素において既に知られている他の特徴を含むことができ、ここに既に述べた機能の代わりにまたは追加として利用することができる。
【００３７】
本明細書及び請求項において、単数で記載された構成要素は複数のそのような構成要素の存在を除外しない。さらに、「含む、有する（comprising）」という単語は、列挙したもの以外のその他の構成要素又はステップの存在を除外しない。
【００３８】
産業上の適用性
本発明は、例えばＵＭＴＳのような無線通信システムの範囲に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 無線通信システムのブロック概略図。
【図２】 通信リンクを確立するための従来の方法を示す図。
【図３】 データ伝送の開始を遅延させて通信リンクを確立するための方法を示す図。
【図４】 可変ステップサイズを有する電力制御動作を実施するための方法を示すフローチャート。
【図５】 異なる電力制御アルゴリズムに関する時間Ｔ（ｍｓ）に対する受信信号パワーＰ（ｄＢ）のグラフであり、実線は電力制御を用いない場合の結果を示し、一点鎖線は単一のステップサイズを有する電力制御を用いた場合の結果を示し、破線は２つのステップサイズを有する電力制御を用いた場合の結果を示したグラフ。
【図６】 異なる電力制御アルゴリズムに関する時間Ｔ（ｍｓ）に対する受信信号パワーＰ（ｄＢ）のグラフであり、実線は電力制御を用いない場合の結果を示し、一点鎖線は単一のステップサイズを有する電力制御を用いた場合の結果を示し、破線は３つのステップサイズを有する電力制御を用いた場合の結果を示したグラフ。
【符号の説明】
１０６ アンテナ手段
１００ 一次局
１１０ 二次局
１１４ トランシーバ手段
１２２ ダウンリンクチャネル
１２４ アップリンクチャネル

Claims (13)

1. 一次局と複数の二次局とを有し、前記一次局と前記二次局との間に、制御情報を伝送するためのアップリンク及びダウンリンク制御チャネルと、データを伝送するためのデータチャネルとを有する通信チャネルを有する無線通信システムであって、
   前記制御チャネル及び前記データチャネルの電力を調整する閉ループ電力制御手段と、前記制御チャネルの最初の伝送の後まで前記データチャネルの最初の伝送を遅延させる手段と、が設けられていて、前記遅延の間に前記閉ループ電力制御手段が前記制御チャネルの電力を調整するよう動作する無線通信システム。
2. 前記データチャネルがアップリンクデータチャネルであることを特徴とする、請求項１に記載の無線通信システム。
3. 前記データチャネルの伝送の遅延があらかじめ決められていることを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載の無線通信システム。
4. 前記データチャネルの伝送の遅延は、動的に決定されることを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載の無線通信システム。
5. 一次局と二次局との間に、制御情報を伝送するためのアップリンク及びダウンリンク制御チャネルと、データを伝送するためのデータチャネルとを有する通信チャネルを有する無線通信システムに用いられる一次局であって、
   前記制御チャネル及び前記データチャネルの電力を調整する閉ループ電力制御手段と、前記制御チャネルの最初の伝送の後まで前記データチャネルの最初の伝送を遅延させる手段と、が設けられていて、前記遅延の間に前記閉ループ電力制御手段が前記制御チャネルの電力を調整するよう動作する一次局。
6. 前記データチャネルの伝送の遅延があらかじめ決められていることを特徴とする、請求項５に記載の一次局。
7. 前記データチャネルの伝送の遅延は、動的に決定されることを特徴とする、請求項５に記載の一次局。
8. 二次局と一次局との間に、制御情報を伝送するためのアップリンク及びダウンリンク制御チャネルと、データを伝送するためのデータチャネルとを有する通信チャネルを有する無線通信システムに用いられる二次局であって、
   前記制御チャネル及び前記データチャネルの電力を調整する閉ループ電力制御手段と、前記制御チャネルの最初の伝送の後まで前記データチャネルの最初の伝送を遅延させる手段と、が設けられていて、前記遅延の間に前記閉ループ電力制御手段が前記制御チャネルの電力を調整するよう動作する二次局。
9. 前記データチャネルの伝送の遅延があらかじめ決められていることを特徴とする、請求項８に記載の二次局。
10. 前記データチャネルの伝送の遅延は、動的に決定されることを特徴とする、請求項８に記載の二次局。
11. 一次局と複数の二次局とを有し、前記一次局と前記二次局との間に、制御情報を伝送するためのアップリンク及びダウンリンク制御チャネルと、データを伝送するためのデータチャネルとを有する通信チャネルを有し、前記一次局及び前記二次局のうち少なくとも１つが前記制御チャネル及び前記データチャネルの電力を調整する閉ループ電力制御手段を有する、無線通信システムを動作させる方法であって、
    前記制御チャネルの最初の伝送の後まで前記データチャネルの最初の伝送を遅延させて、前記遅延の間に前記閉ループ電力制御手段が前記制御チャネルの電力を調整するよう動作することを含む方法。
12. 前記データチャネルの伝送の遅延があらかじめ決められていることを特徴とする、請求項１１に記載の方法。
13. 前記データチャネルの伝送の遅延は、動的に決定されることを特徴とする、請求項１１に記載の方法。

Images