JP4540342B2 - 加入者ユニットの物理層自動リピート要求の実装 - Google Patents

Description

本発明は、無線通信システムに関する。より詳細には、本発明は、物理層（ＰＨＹ）自動リピート要求（ＡＲＱ）方式を使用することによる当該システムへの変更に関する。

シングルキャリア周波数領域等化（ＳＣ−ＦＤＥ）または直交周波数分割多重（ＯＦＤＭ）のいずれかを用いた、提案されているブロードバンド固定無線アクセス（ＢＦＷＡ）通信システムは、高速ダウンリンクパケットアクセス（ＨＳＤＰＡ）アプリケーションを使用することを計画している。このアプリケーションは、高速でダウンリンクパケットデータを送信する。ＢＦＷＡでは、建物または建物群が無線または有線のいずれかで接続され、単一加入者サイトとして動作する。このようなシステムのデータ需要は、単一サイトの複数のエンドユーザが大きい帯域幅を要求する場合には、極めて高い。

現在提案されているシステムは、レイヤ２自動リピート要求（ＡＲＱ）システムを使用する。加入者への送信に失敗したデータブロックは、バッファされ、レイヤ２から再送される。レイヤ２で格納されるデータブロックは、通常大きく、高い信号対雑音比（ＳＮＲ）で受信されるように送信され、低いブロック誤り率（ＢＬＥＲ）で受信され、再送はまれである。さらに、レイヤ２ＡＲＱシグナリングは、通常遅く、大きいバッファおよび長い再送間隔を必要とする。

したがって、レイヤ２ＡＲＱシステムに加えて別の方法があることが望ましい。

物理自動要求リピートシステムは、送信機および受信機を備える。送信機において、物理層送信機がデータを受信し、受信したデータを特定の符号化／データ変調を有するパケットにフォーマットする。物理層送信機は、パケットを送信するｎ個のチャネルを含み、所与のパケットに対応する確認応答を受信していないことに応答してパケットを再送する。送信機内の適応型変調・符号化コントローラが再送統計を収集し、収集した統計を用いて特定の符号化／データ変調を調節する。受信機は、パケットを受信するための物理層ｎチャネル受信機を有する。受信機は、パケット伝送を組み合わせ、パケットを復号し、パケット誤りを検出するｎチャネルハイブリッドＡＲＱ合成器／復号器を含む。受信機は、各パケットについて、もしそのパケットが許容可能な誤り率を有する場合に確認応答を送信する確認応答送信機を含む。受信機は、許容可能なパケットを上位層に送出する順次送出要素を含む。

図１ａおよび１ｂはそれぞれダウンリンク物理ＡＲＱ１０およびアップリンク物理ＡＲＱ２０を示している。

ダウンリンク物理ＡＲＱ１０は、ネットワーク１４に設けられた上位層ＡＲＱ送信機１４ａからパケットを受信する基地局１２を備える。送信機１４ａからのパケットは、基地局１２内の物理層ＡＲＱ送信機１２ａに加えられる。ＡＲＱ送信機１２ａは、前方誤り訂正符号（ＦＥＣ）を用いてデータを符号化し、誤り検査シーケンス（ＥＣＳ）を付加し、適応型変調・符号化（ＡＭＣ）コントローラ１２ｃによる指示に従い、例えば２位相シフトキーイング（ＢＰＳＫ）、４位相シフトキーイング（ＱＰＳＫ）またはｍ−直交振幅変調（すなわち１６−ＱＡＭまたは６４−ＱＡＭ）を使用することによって、データを変調する。さらに、直交周波数分割多元接続（ＯＦＤＭＡ）の場合、ＡＭＣコントローラ１２ａは、パケットデータを搬送するために使用されるサブチャネルを変化させてもよい。物理層ＡＲＱ送信機１２ａは、スイッチ、サーキュレータもしくはデュプレクサ１２ｄ、およびアンテナ１３経由でエアインタフェース１４を通じて加入者ユニット１６へパケットを送信する。また、送信機１２ａは、必要な場合には、送信機１２ａに組み込まれたバッファメモリに再送のためのメッセージを一時的に格納する。

加入者ユニット１６のアンテナ１５がパケットを受信する。パケットはスイッチ、サーキュレータもしくはデュプレクサ１６ｂを通じて物理層ＡＲＱ受信機１６ａに入力される。受信機１６ａにおいて、パケットはＦＥＣ復号され、ＥＣＳを用いて誤りが検査される。受信機１６ａは、次に確認応答送信機１６ｃを制御して、許容可能な誤り率を有するパケットの受信を確認応答（ＡＣＫ）するか、または、好ましくは確認応答信号を保留するかもしくは否定応答（ＮＡＫ）を送信することによって再送を要求する。

ＡＣＫは、ＡＣＫ送信機１６ｃによって、スイッチ１６ｂおよびアンテナ１５を通じて基地局１２へ送信される。ＡＣＫは、エアインタフェース１４経由で基地局１２のアンテナ１３へ送信される。受信されたＡＣＫは、基地局内の確認応答受信機１２ｂによって処理される。ＡＣＫ受信機１２ｂは、適応型変調・符号化（ＡＭＣ）コントローラ１２ｃおよび送信機１２ａにＡＣＫ／ＮＡＫを送出する。ＡＭＣコントローラ１２ｃは、受信したＡＣＫの統計を用いて加入者ユニット１６へのチャネル品質を分析し、後続のメッセージの送信のＦＥＣ符号化および変調技法を変えることができる（詳細は後述）。加入者ユニット１６がパケットの受信を確認応答した場合、基地局１２でのこのＡＣＫの受信により、バッファメモリに一時的に格納されていたもとのパケットが、次のパケットに備えて消去される。

ＡＣＫが受信されない場合、またはＮＡＫが受信された場合、物理層送信機１２ａは、もとのメッセージ、またはもとのメッセージの選択的に変更したバージョンを加入者１６へ再送する。加入者ユニット１６では、その再送は、もし利用可能であればもとの送信と組み合わされる。この技法により、データ冗長性または選択的リピート合成の使用によって、正しいメッセージの受信が容易になる。許容可能な誤り率を有するパケットは、さらなる処理のために上位層１６ｄへ転送される。許容可能な受信パケットは、データが基地局で送信機１２ａに提供されたのと同じデータ順序で上位層１６ｄへ送出される（すなわち順次送出）。最大再送回数は、運用者によって定義される整数値（例えば１〜８の範囲）に制限される。最大回数の再送が試行された後、バッファメモリは次のパケットによる使用のために消去される。物理層で小さいパケットを用いて確認応答を復号することにより、伝送遅延およびメッセージ処理時間が短縮される。

ＰＨＹ ＡＲＱは物理層で行われるので、特定チャネルの再送発生回数、すなわち再送統計は、そのチャネル品質の良好な尺度となる。再送統計を用いて、ＡＭＣコントローラ１２ｃは、図２に示すように、そのチャネルの変調および符号化方式を変えることができる。さらに、再送統計は、チャネル品質を正しく判断し、変調および符号化方式の変更が必要かどうかを判定するために、ＡＭＣコントローラ１２ｃによって、ビット誤り率（ＢＥＲ）やブロック誤り率（ＢＬＥＲ）のような他のリンク品質測定値と組み合わせることも可能である。

ＳＣ−ＦＤＥについて説明すると、特定チャネルの再送発生回数を測定して再送統計を生成する（６０）。再送統計を用いて、変調方式を変更すべきかどうかを決定する（６２）。再送が過剰な場合、より強固な符号化および変調方式を、通常はデータ転送レートを低下させて、使用する（６４）。ＡＭＣコントローラ１２ｃは、拡散率を増大させ、より多くの符号を用いてパケットデータを転送してもよい。別法として、または追加的に、ＡＭＣコントローラは、データスループットの高い変調方式からより低い方式へ、例えば６４−ＱＡＭから１６−ＱＡＭまたはＱＰＳＫへ、切り替えてもよい。再送のレートが低い場合、より容量の大きい変調方式へ、例えばＱＰＳＫから１６−ＱＡＭまたは６４−ＱＡＭへの切替を行う（６６）。この決定は、好ましくは、再送レートと、ＢＥＲやＢＬＥＲのような受信機から通知される他のリンク品質測定値との両方を使用する（６２）。この決定の境界は、好ましくは、システム運用者によって設定される。

ＯＦＤＭＡの場合、再送発生回数は、各サブチャネルのチャネル品質をモニタするために使用される。特定サブチャネルの再送レートまたは再送レート／リンク品質が低品質を示している場合、そのサブチャネルをＯＦＤＭ周波数セットから選択的に無効化して、そのような低品質のサブチャネルを今後ある期間使わないようにしてもよい（６４）。再送レートまたは再送レート／リンク品質が高品質を示している場合、前に無効化したサブチャネルを再びＯＦＤＭ周波数セットに付加してもよい（６６）。

ＡＭＣの基礎として再送発生回数を使用することにより、各ユーザの平均チャネル条件に変調および符号化方式を合わせるフレキシビリティを提供する。さらに、再送レートは、加入者ユニット１６からの測定誤差および報告遅延に影響されない。

アップリンクＡＲＱ２０は、ダウンリンクＡＲＱ１０と本質的に同様であり、加入者ユニット２６からなる。加入者ユニット２６では、上位層２８の上位層ＡＲＱ送信機２８ａからのパケットが物理層ＡＲＱ送信機２６ａへ転送される。メッセージは、スイッチ２６ｄ、加入者アンテナ２５およびエアインタフェース２４を通じて基地局アンテナへ送信される。ＡＭＣコントローラは、同様に、チャネルの再送統計を用いて変調および符号化方式を変えることができる。

物理層ＡＲＱ受信機２２ａは、図１ａの受信機１６ａと同様に、メッセージが許容可能な誤り率を有しているか、再送が必要かを判定する。確認応答送信機がステータスを加入者ユニット２６に報告することにより、送信機２６ａは再送を行うか、あるいは上位層２８から次のメッセージを受信することに備えて送信機２６ａに一時的に格納されていたもとのメッセージを消去する。受信に成功したパケットは、さらなる処理のためにネットワーク２４へ送信される。

簡単化のために図示していないが、システムは、好ましくは、ＢＦＷＡシステムにおけるＨＳＤＰＡアプリケーションのために使用される。ただし、他の実施態様を使用してもよい。ＢＦＷＡシステムは、周波数分割二重もしくは時分割二重のＳＣ−ＦＤＥまたはＯＦＤＭＡを使用してもよい。このようなシステムでは、基地局およびすべての加入者は固定さらた場所にある。システムは、基地局および多数の加入者ユニットを備える場合がある。各加入者ユニットは、例えば、１つの建物または数個の近隣の建物内の複数のユーザにサービスすることがある。これらのアプリケーションは通常、１つの加入者ユニットサイトに多数のエンドユーザが存在するために、大きな帯域幅を必要とする。

このようなシステムに配備されるＰＨＹ ＡＲＱは、メディアアクセスコントローラ（ＭＡＣ）のような上位層に対して透過的である。その結果、ＰＨＹ ＡＲＱは、レイヤ２のような上位層ＡＲＱとともに使用することができる。このような場合、ＰＨＹ ＡＲＱにより、上位層ＡＲＱの再送オーバーヘッドが低減される。

図３は、ＰＨＹＡＲＱ３０のＮチャネルstop-and-waitアーキテクチャの例示である。物理層ＡＲＱ送信機能３８は、ダウンリンク、アップリンクまたはその両方のＰＨＹＡＲＱのいずれが使用されるかに応じて、基地局、加入者ユニットまたはその両方のいずれに配置されてもよい。データのブロック３４ａがネットワークから到着する。ネットワークブロックは、エアインタフェース４３のデータチャネル４１を通じて送信するためにキュー３４に入れられる。Ｎチャネルシーケンサ３６が、ブロックのデータを順次Ｎ個の送信機４０−１〜４０−ｎに送る。各送信機４０−１〜４０−ｎは、データチャネル４１内の送信順序に関連している。各送信機４０−１〜４０−ｎは、ＦＥＣ符号化を行い、ブロックデータのＥＣＳを提供して、データチャネル４１におけるＡＭＣ変調および送信のためのパケットを生成する。ＦＥＣ符号化／ＥＣＳデータは、起こり得る再送のために送信機４０−１〜４０−ｎのバッファに格納される。さらに、制御情報がＰＨＹＡＲＱ送信機３８から送信されて、受信機４６−１〜４６−ｎでの受信、復調および復号を同期させる。

Ｎ個の受信機４６−１〜４６−ｎのそれぞれは、その関連するタイムスロットでパケットを受信する。受信したパケットは、それぞれのハイブリッドＡＲＱ復号器５０−１〜５０−ｎ（５０）に送られる。ハイブリッドＡＲＱ復号器５０は、受信パケットの、ＢＥＲやＢＬＥＲのような誤り率を判定する。パケットが許容可能な誤り率を有する場合、さらなる処理のために上位レベルへ出力され、ＡＣＫがＡＣＫ送信機５４によって送信される。誤り率が許容不能であるか、またはパケットが受信されなかった場合、ＡＣＫが送信されないか、またはＮＡＫが送信される。許容不能な誤り率を有するパケットは、再送されたパケットと組み合わせる可能性のために復号器５０にバッファされる。

ターボ符号を用いてパケットを合成する１つの手法は、以下の通りである。ターボ符号化されたパケットが許容不能な誤り率で受信された場合、符号合成を容易にするためにパケットデータが再送される。同じデータを含むパケットは、異なる符号化がなされる。パケットデータを復号するには、両方のパケットが、もとのデータを回復するためにターボ復号器によって処理される。第２のパケットは、異なる符号化を有するため、そのソフトシンボルは復号化方式において異なる点にマッピングされる。異なる符号化による２つのパケットを使用することにより、符号化ダイバーシティおよび送信ダイバーシティが付加され、全体のＢＥＲが改善される。もう１つの手法では、同一の信号が送信される。２つの受信パケットが、シンボルの最大比合成を用いて合成される。その後、合成信号が復号される。

各受信機４６−１〜４６−ｎのＡＣＫは、高速フィードバックチャネル（ＦＦＣ）４５で送信される。高速フィードバックチャネル４５は、好ましくは、低レイテンシのチャネルである。時分割二重システムの場合、ＡＣＫは、アップストリーム伝送とダウンストリーム伝送の間のアイドル期間に送信されてもよい。ＦＦＣ４５は、好ましくは、他のインバンド伝送に重畳した低速の高帯域ＣＤＭＡチャネルである。ＦＦＣ ＣＤＭＡ符号および変調は、他のインバンド伝送への干渉を最小化するように選択される。このようなＦＦＣ４５の容量を増大させるため、複数の符号を使用してもよい。

ＡＣＫ受信機５６は、ＡＣＫを検出し、対応する送信機４０−１〜４０−ｎに対して、ＡＣＫが受信されたかどうかを示す。ＡＣＫが受信されなかった場合、パケットが再送される。再送されるパケットは、ＡＭＣコントローラ１２ｃ、２６ｃによる指示に従い、異なる変調および符号化方式を有してもよい。ＡＣＫが受信された場合、送信機４０−１〜４０−ｎは、バッファから前のパケットを消去し、送信のために後続のパケットを受け入れる。

送信機および受信機の個数Ｎは、チャネル容量やＡＣＫ応答時間のような種々の設計考慮事項に基づく。前述の好ましいシステムの場合、好ましくは、偶数番号および奇数番号の送信機および受信機を有する２チャネルアーキテクチャが利用される。

好ましい実施形態のＰＨＹ ＡＲＱ技法は、上位層ＡＲＱのみを使用するシステムに比べて、信号対雑音比（ＳＮＲ）において７ｄｂの利得を提供する。これは、上位層ＡＲＱのみの場合に現実的なものより、レイヤ１にとって高いブロック誤り率（ＢＬＥＲ）（５〜２０％のＢＬＥＲ）で運用し、小さいブロックサイズを使用することによって得られる。ＳＮＲ要件の減少により、適応型変調・符号化（ＡＭＣ）技法を使用する高次の変調への切替による容量の増大；より低いグレードのＲＦ（無線周波）部品を使用し、低下した実装性能をＰＨＹ ＡＲＱで補償することによる、顧客構内設備（ＣＰＥ）コストの低下；ダウンリンクレンジの増大によるセル半径の拡大；基地局（ＢＳ）におけるダウンリンクパワーの低減によるセル間干渉の最小化；およびマルチキャリア技法を使用する際のパワー増幅器（ＰＡ）バックオフの増大、が可能となる。

ダウンリンク物理ＡＲＱの概略ブロック図である。 アップリンク物理ＡＲＱの概略ブロック図である。 再送統計を適応型変調および符号化に使用するためのフローチャートである。 マルチチャネルstop-and-waitアーキテクチャを示すブロック図である。

Claims (6)

1. 物理層自動リピート要求を実装する加入者ユニットであって、
   データブロックで上位層の自動リピート要求（ＡＲＱ）メカニズムからデータを受信し、受信したデータをパケットにフォーマットし、前記パケットは前記データブロックよりもサイズが小さく、各パケットが特定の符号化／データ変調を有し、前記パケットを送信し、再送のための前記パケットを物理層送信機に組み込まれたバッファメモリに格納し、各パケットについて、該パケットが受信されたことの確認応答の受信のために戻りチャネルをモニタし、再送の回数を運用者によって定義された整数値に制限し、前記整数値に達した後に前記バッファメモリをクリアし、所与のパケットに対応する確認応答を受信できないことに応答して前記物理層送信機においてもとのまたは選択的に変更したパケットを再送するための物理層送信機であって、前記上位層のＡＲＱメカニズムに対して透過的に動作する物理層送信機と、
   前記対応する確認応答を受信するための確認応答受信機と、
   再送統計を収集し、該収集した統計を用いて前記特定のデータ符号化／変調を調節するための適応型変調・符号化コントローラであって、前記収集した再送統計が少ない再送数を示すという条件で、高容量の符号化／データ変調方式が選択され、前記収集した再送統計が多い再送数を示すという条件で、前記特定の符号化／データ変調として低容量の符号化／データ変調方式が選択される適応型変調・符号化コントローラと
   を含む送信機と、
   前記パケットを復調するための物理層受信機と、
   バッファリング、復号化およびパケット誤りの検出を行う合成器／復号器と、
   各パケットについて、該パケットが許容可能な誤り率を有する場合、確認応答を生成するための確認応答生成器と、
   を含む受信機と
   を備えたことを特徴とする加入者ユニット。
2. 前記特定の符号化／データ変調は、前方誤り訂正（ＦＥＣ）であることを特徴とする請求項１に記載の加入者ユニット。
3. 前記パケットは、直交周波数分割多元接続（ＯＦＤＭＡ）エアインタフェースを用いて送信され、前記ＦＥＣ符号化／データ変調の調節は、ＯＦＤＭＡセット内のサブチャネルを選択的に無効化することに加えて実行されることを特徴とする請求項２に記載の加入者ユニット。
4. 前記パケットは、シングルキャリア周波数領域等化（ＳＣ−ＦＤＥ）エアインタフェースを用いて送信されることを特徴とする請求項１に記載の加入者ユニット。
5. 前記加入者ユニットは、符号分割多元接続（ＣＤＭＡ）エアインタフェースを使用し、前記確認応答は、高速フィードバックチャネルで送信されることを特徴とする請求項１に記載の加入者ユニット。
6. パケットが許容不能な誤り率を有する場合、前記確認応答生成器は、否定応答を送信することを特徴とする請求項１に記載の加入者ユニット。

Images