JP4800884B2

JP4800884B2 - 無線通信システム

Info

Publication number: JP4800884B2
Application number: JP2006243523A
Authority: JP
Inventors: 亨尚木本
Original assignee: Hitachi Kokusai Electric Inc
Current assignee: Hitachi Kokusai Electric Inc
Priority date: 2006-09-08
Filing date: 2006-09-08
Publication date: 2011-10-26
Anticipated expiration: 2026-09-08
Also published as: JP2008067115A

Description

本発明は通信システム、特に基地局と移動する端末機についての無線通信システムに関するものである。

デジタル通信システムに於いて、大量のデータを送信する場合に同一の伝送路で複数の通信を同時に行う多重化が行われ、又電波の周波数を有効に使う方式の１つとして、直交する多数の搬送波をデジタル変調して多重化する直交周波数分割多重（ＯＦＤＭＡ：ＯｒｔｈｏｇｏｎａｌＦｒｅｑｕｅｎｃｙＤｉｖｉｓｉｏｎＭｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇＡｃｃｅｓｓ）方式がある。

ＯＦＤＭＡ方式の無線通信では、多数のサブキャリア（搬送波）により個別にシンボルを伝送し、又サブキャリア毎の伝送路特性、付加雑音も異なるので、最適な通信状態を得る為各サブキャリア毎に変調方式や送信電力の分配が決定されている。

更に、各サブキャリア毎に変調方式や送信電力を分配する為、各サブキャリア毎の伝送路特性、付加雑音を知る必要がある。

従来、伝送路の伝送路特性、付加雑音（以下、伝送路特性）を知る方法としては、端末機に於いて、基地局から伝送されるパイロットシンボルに基づき伝送路特性を測定し、端末機から伝送路特性についての情報を基地局にフィードバックしている。

伝送路特性の情報としては、瞬時ＣＩＲ（Ｃａｒｒｉｅｒ−ｔｏ−ＩｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅｐｏｗｅｒＲａｔｅ）情報又はＣＱＩ（ＣｈａｎｎｅｌＱｕａｌｉｔｙＩｎｄｉｃａｔｏｒ）があり、瞬時ＣＩＲ情報又はＣＱＩは基地局が送信する基準信号（例えば、共通パイロットチャネルやＭＩＭＯ（ＭｕｌｔｉｐｌｅＩｎｐｕｔＭｕｌｔｉｐｌｅＯｕｔｐｕｔ）専用のパイロットチャネル）の端末での受信状況を示すものである。

各端末は、この瞬時ＣＩＲ情報又はＣＱＩを基地局にフィードバックする。

基地局では、フィードバックされた瞬時ＣＩＲ情報又はＣＱＩを用いて、基地局のＭＡＣ（ＭｅｄｉｕｍＡｃｃｅｓｓＣｏｎｔｒｏｌ）層で適応変調方式の選択、端末機に対するＯＦＤＭＡの各サブキャリアへの電力の分配方法を決定し、或はＭＩＭＯの多重数を決定している。

尚、ＣＱＩを用いた通信方法としては、例えば、３ＧＰＰ、３ＧＰＰ２、ＩＥＥＥ８０２．１６−２００５があり、又、ＩＥＥＥ８０２．２０に提案されているＱＴＤＤのＲ−ＣＱＩＣＨには、Ｓｐａｔｉａｌｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇｏｒｄｅｒ（ｒａｎｋ）というものがあり、ＭＩＭＯの多重数が端末機から基地局にフィードバックされている。

又、各サブキャリアへの電力の分配方法としては、図３（Ａ）の様にサブキャリアを集合的に割当てる方法、図３（Ｂ）の様にサブキャリアを分散的に割当てる方法等が例示される。

然し、基地局が基準信号を送信し、各端末からフィードバックされた瞬時ＣＩＲ情報又はＣＱＩを使って、適応変調方式、ＯＦＤＭＡの各サブキャリアへの電力の割当て方法、ＭＩＭＯの多重数を選択して、この選択結果のデータを送信する迄には遅延が生じる。

図４にＩＥＥＥ８０２．１６−２００５（ＯＦＤＭＡ方式、ＴＤＤ方式、１フレーム：５ｍｓｅｃ上り（各端末から基地局への送信）：下り（基地局から各端末向けの送信）＝１：１）の例を示す。図４の例では、共通パイロットチャネルからデータ送信迄、約５〜７．５ｍｓｅｃの遅延が存在する。

尚、図４中、１はパイロットシンボル、２はフィードバックＣＱＩ、３は該フィードバックＣＱＩ２を用いて選択した方式のデータ通信３を示している。

この遅延の間、端末の受信状況（伝送路特性）が変わらない場合には、瞬時ＣＩＲ情報又はＣＱＩを用いてそれぞれを選択することに問題はないが、受信状態が刻々と変化する場合、特に端末機が高速で移動し、ドップラー周波数が大きい場合には、データ送信時の端末機での受信状態が、フィードバックされたＣＱＩの報告値と大きく変化している。この為、瞬時ＣＩＲ情報、前記フィードバックＣＱＩ２に基づき、適応変調方式、各サブキャリアへの電力の割当て方法、ＭＩＭＯの多重数を選択することは、実際の伝送路特性と適合していないことになり、前記フィードバックＣＱＩ２を用いて選択すること自体が問題となる。

図５に、ドップラー周波数（ｆｄ）毎に、遅延時間（ｍｓｅｃ）とＣＱＩの相関関係を示す。

図５に示す様に、ドップラー周波数が大きくなると、短い遅延時間であってもＣＱＩの相関値が小さくなる。

従って、移動している（ドップラー周波数が大きい）端末機に対して、瞬時ＣＩＲ情報又はＣＱＩを用いて、適応変調方式、ＯＦＤＭＡの各サブキャリアへの電力の割当て方法、ＭＩＭＯの多重数を選択すると、端末機が受信できない方式で送信することになり、無線リソースの無駄となる。

特開２００３−２４４０４５号公報

特開２００５−６１１５号公報

特開２００６−６０８１４号公報

本発明は斯かる実情に鑑み、移動する端末機に対する無線リソースの無駄を減らし、移動する端末機に対しても受信可能な伝送方式で送信することを可能にするものである。

本発明は、基地局と端末機とが多重伝送により通信される無線通信システムに於いて、前記基地局は、所要の変調処理をして送信するＤＬ用信号処理部と、アンテナを含む無線通信部と、受信したＵＬ信号を復調処理するＵＬ用信号処理部と、前記ＵＬ信号に含まれるパイロットよりドップラー周波数を測定し、該ドップラー周波数が予め設定入力されている閾値に基づき前記ＵＬ信号に含まれるＣＱＩとの相関関係の有無を判断し、相関有りの場合は、前記ＣＱＩに対応する通信方式が選択され、前記ＤＬ用信号処理部に選択された通信方式に適合する信号処理を行わせ、又相関無しの場合は予め規定された変調方式で前記ＤＬ用信号処理部に信号処理を行わせる通信方式選択制御部とを具備する無線通信システムに係り、又相関無しで選択される通信方式は、前記基地局が有する通信方式の内最も多値度の低い変調方式である無線通信システムに係り、又相関無しで選択される通信方式は、ＯＦＤＭＡの端末に対してサブキャリアの割当てが分散的に割当てる方法である無線通信システムに係り、更に又ＭＩＭＯの多重数の選択に於いて、ＣＱＩの相関有りの場合にはＣＱＩ対応したＭＩＭＯの多重数を選択し、ＣＱＩの相関無しの場合には１つのストリームで送信する無線通信システムに係るものである。

本発明によれば、基地局と端末機とが多重伝送により通信される無線通信システムに於いて、前記基地局は、所要の変調処理をして送信するＤＬ用信号処理部と、アンテナを含む無線通信部と、受信したＵＬ信号を復調処理するＵＬ用信号処理部と、前記ＵＬ信号に含まれるパイロットよりドップラー周波数を測定し、該ドップラー周波数が予め設定入力されている閾値に基づき前記ＵＬ信号に含まれるＣＱＩとの相関関係の有無を判断し、相関有りの場合は、前記ＣＱＩに対応する通信方式が選択され、前記ＤＬ用信号処理部に選択された通信方式に適合する信号処理を行わせ、又相関無しの場合は予め規定された変調方式で前記ＤＬ用信号処理部に信号処理を行わせる通信方式選択制御部とを具備するので、ドップラー周波数の大小に基づくＣＱＩの相関有り無しの情報を使用し、移動している端末機に対して、最も適正な通信方式でデータの送信を行え、受信できない方式でデータを送信する回数が減り、無線のリソースを有効的に使うことができるという優れた効果を発揮する。

以下、図面を参照しつつ本発明を実施する為の最良の形態を説明する。

図１は本発明が実施される基地局５の概略を示している。

図１中、６はパケット選別部、７はコネクション別キューイング部、８はＭＡＣＰＤＵ生成部、９はＱＡＭＭａｐｐｅｒ、１０はＰＨＹＭａｐｐｅｒ（Ｆｒａｍｅｒ）、１１はＩＦＦＴ（ＩｎｖｅｒｓｅＦａｓｔＦｏｕｒｉｅｒＴｒａｎｓｆｏｒｍ）部、１２はＧｕａｒｄＩｎｔｅｒｖａｌＩｎｓｅｒｔｅｒ、１３はＤ／Ａ変換部、１５はＲＦ部、１７はＡ／Ｄ変換部、１８はＦＦＴ（ＦａｓｔＦｏｕｒｉｅｒＴｒａｎｓｆｏｒｍ）部、１９は等化器（Ｅｑｕａｌｉｚｅｒ）、２０はＰＨＹＤｅｍａｐｐｅｒ（Ｄｅｆｒａｍｅｒ）、２１はＱＡＭ（ＱｕａｄｒａｔｕｒｅＡｍｐｌｉｔｕｄｅＭｏｄｕｌａｔｉｏｎ）Ｄｅｍａｐｐｅｒ、２２はＭＡＣＰＤＵ分解部、２３はパケット多重化部、２５はＰＨＹチャネル品質推定部、２６は記憶部、２７はＡＭＣ（ＡｄａｐｔｉｖｅＭｏｄｕｌａｔｉｏｎａｎｄｃｏｄｉｎｇ）制御部、２８はクロスレイヤスケジューラ、２９は送受信用アンテナを示している。

前記パケット選別部６は、入力されたＩＰパケットのヘッダ及び場合によってはペイロードを解析し、パケットをコネクション毎に選別すると共に、ＱｏＳ（ＱｕａｌｉｔｙｏｆＳｅｒｖｉｃｅ）を判断する為の情報（例えばＩＰｖ６のＴｒａｆｆｉｃｃｌａｓｓ）を抽出して前記クロスレイヤスケジューラ２８に渡す。

前記コネクション別キューイング部７は、選別されたパケットを個別に格納する。複数のコネクションをサービスクラス毎にまとめてキューすることもある。

前記ＭＡＣＰＤＵ生成部８は、ＭｅｄｉａＡｃｃｅｓｓＣｏｎｔｒｏｌ層のＰｒｏｔｏｃｏｌＤａｔａＵｎｉｔを生成する。一例として、コネクション毎にデータランダム化、誤り訂正符号化、インターリーブ、ＭＡＣフレーム化等を行う。コネクション毎の他、ユーザ毎、バースト毎もあり得る（以後同様）。又ＤＬ（ＤｏｗｎＬｉｎｋ）制御チャネル（ＦＣＨやＭＡＰ）のエンコードも行う。

前記ＱＡＭＭａｐｐｅｒ９は、バースト毎にＱＡＭ（ＱｕａｄｒａｔｕｒｅＡｍｐｌｉｔｕｄｅＭｏｄｕｌａｔｉｏｎ）で信号をＩ／Ｑ平面上にシンボルマッピングする。

前記ＰＨＹＭａｐｐｅｒ（Ｆｒａｍｅｒ）１０は、コネクション毎の信号をサブチャネル（周波数領域）及びシンボル（時間領域）上に矩形状に割当て、サブチャネルをサブキャリアに割当てることで、無線フレーム（物理層）を生成する。この矩形状の割当てをバーストと呼ぶ。

前記ＩＦＦＴ部１１は、複数（例えば１０２４）のサブキャリア信号をシンボル間隔で逆高速フーリエ変換処理し、時間領域の信号に変換する。

前記ＧｕａｒｄＩｎｔｅｒｖａｌＩｎｓｅｒｔｅｒ１２は、時間領域信号の一部をコピーしてガードインターバルとして挿入する。

前記Ｄ／Ａ変換部１３は、入力をＤ／Ａ変換し、ＤＬ（ＤｏｗｎＬｉｎｋ）信号として出力する。

前記ＲＦ部１５は、入力されたＤＬ信号を子局に向けて無線送信すると共に、子局から無線受信したＵＬ（ＵｐＬｉｎｋ）信号を出力する。

前記Ａ／Ｄ変換部１７は、ＵＬ信号をＡ／Ｄ変換する。

前記ＦＦＴ部１８は、前記Ａ／Ｄ変換部１７からの信号をシンボルタイミングで高速フーリエ変換処理する。

前記等化器１９は、高速フーリエ変換処理された信号からコネクション（子局）毎にパイロットキャリア（シンボル）を識別して等化処理を行う。等化処理には、受信したパイロットシンボルの規定値とのゲイン比、位相差を時間／周波数領域上で補間してデータシンボルを補償する公知の方法が適用できる。

前記ＰＨＹＤｅｍａｐｐｅｒ２０は、ＵＬ無線フレームをバーストに分解し、前記ＱＡＭＤｅｍａｐｐｅｒ２１は、ＱＡＭ信号をデマッピングする。

前記ＭＡＣＰＤＵ分解部２２は、ＭＡＣのＳＤＵを取出す。又ＵＬ制御チャネル（ＣＱＩＣＨ、Ｒａｎｇｉｎｇ、ＡＣＫ）のデコードも行う。又、前記ＭＡＣＰＤＵ生成部８と共に、ＭＡＣコネクション確立等のＭＡＣ層制御も行う。

前記パケット多重化部２３は、ＳＤＵからＩＰパケットを組立てる。或はＥｔｈｅｒｎｅｔ（商標）のＭＡＣに乗換える。

前記ＰＨＹチャネル品質推定部２５は、サブチャネル毎にパイロットシンボルの位相回転を検出してドップラー周波数（フェージング周波数）ｆd を推定する。その他、前記等化器１９で為された等化処理をパイロットシンボル自身に施して等化誤差（ＥＱ−ｅｒｒ）を検出したりしてもよい。

前記ＡＭＣ制御部２７は、子局からのＣＱＩＣＨや親局で検出した等化誤差、ＳＩＮＲ等に基づいて、サブチャネルの伝送容量を高速化する様に変調方式や符号化率を最適化する。又、前記ＰＨＹチャネル品質推定部２５で推定されたｆd が閾値を越えた時に、そのサブチャネルの変調方式やサブキャリアの割当て方をＣＱＩＣＨを無視して固定する。

前記クロスレイヤスケジューラ２８は、ＭＡＣ層の機能として、レイヤ２から０の情報に基づいてスケジューリングを行う。具体的には、前記パケット選別部６から取得したＱｏＳ情報（サービスクラス等）に基づき、コネクション（サービスクラス）毎のＱｏＳを維持する様にキューを制御し、物理フレームへのマッピングを決定する。マップ情報は子局に伝える為に、前記ＭＡＣＰＤＵ生成部８に出力される。又、前記ＡＭＣ制御部２７と前記クロスレイヤスケジューラ２８は、サブチャネルの伝送容量やＣＱＩ等の品質に関する情報を互いにやり取りしている。

前記ＭＡＣＰＤＵ生成部８、前記ＱＡＭＭａｐｐｅｒ９、前記ＰＨＹＭａｐｐｅｒ１０、前記ＩＦＦＴ部１１、前記ＧｕａｒｄＩｎｔｅｒｖａｌＩｎｓｅｒｔｅｒ１２、前記Ｄ／Ａ変換部１３等はＤＬ用信号処理部３２を構成し、前記Ａ／Ｄ変換部１７、前記ＦＦＴ部１８、前記等化器１９、前記ＰＨＹＤｅｍａｐｐｅｒ２０、前記ＱＡＭＤｅｍａｐｐｅｒ２１、前記ＭＡＣＰＤＵ分解部２２等はＵＬ用信号処理部３３を構成し、前記ＡＭＣ制御部２７、前記ＰＨＹチャネル品質推定部２５、前記記憶部２６等は通信方式選択制御部３４を構成する。

又、前記基地局５がＭＩＭＯに対応する場合は、前記ＤＬ用信号処理部３２、前記ＵＬ用信号処理部３３、前記通信方式選択制御部３４、前記ＲＦ部１５、前記送受信様アンテナ２９等で構成されるＭＩＭＯ用チャネルユニット３１がＭＩＭＯの多重数だけ具備される。

以下、図２を参照して本発明の作用について説明する。

前記基地局５からＤＬ信号が子局（端末機３０）に向けて発信される（ＳＴＥＰ：０１）。前記各端末機３０がＤＬ信号を受信し（ＳＴＥＰ：１１）、ＤＬ信号に含まれるパイロットシンボルに基づきＣＱＩを測定し（ＳＴＥＰ：１２）、所要の信号処理を行い（ＳＴＥＰ：１３）上りリンクのパイロットシンボルと共にＵＬ送信する（ＳＴＥＰ：１４）。

前記基地局５が前記端末機３０からのＵＬ信号を受信し（ＳＴＥＰ：０２）、上りリンクのパイロットを用いて、各端末機３０のドップラー周波数ｆd を測定する（ＳＴＥＰ：０３）。

又ＵＬ信号からＣＱＩを抽出し、測定した各端末機３０のドップラー周波数ｆd に基づき端末機３０毎に、ＣＱＩの相関有り無しの判断を行い、ＣＱＩの相関有り無しの情報を、次に送信されるＤＬ信号に追加する（ＳＴＥＰ：０４）。

前記記憶部２６には予め、ドップラー周波数の閾値が設定入力されており、ＣＱＩの相関有り無しの情報は、前記設定されたドップラー周波数の閾値と測定した端末機３０のドップラー周波数を比較し（ＳＴＥＰ：０５）、ドップラー周波数が閾値より低い場合には相関有り、閾値より高い場合には相関無しという情報を付加する。

前記ドップラー周波数の閾値は、適応変調方式、ＯＦＤＭＡの各サブキャリアの割当て方法、ＭＩＭＯの多重数の選択に対して、それぞれ個別に設定されてもよいし、又同一の閾値であってもよい。

ドップラー周波数が閾値より低い場合には相関有りと判断され、ＣＱＩに基づき伝送路特性に最も適した変調方式が選択され（ＳＴＥＰ：０６）、更に決定された変調方式に基づきＤＬ信号、ＤＬ制御情報が作成される（ＳＴＥＰ：０７）。ＤＬ信号、ＤＬ制御情報は所要の信号処理がなされて（ＳＴＥＰ：０８）、ＤＬ送信される（ＳＴＥＰ：０１）。

又ＳＴＥＰ：０５でＣＱＩの相関無しと判断された場合には、無線システムの中で１番多値度の低い変調方式が選択される（ＳＴＥＰ：０９）。

例えば、ＯＦＤＭＡの端末機に対するサブキャリアの割当て方法の選択に於いて、ＣＱＩの相関無しの場合には、分散的に割当てる方法を選択する（図３（Ｂ）の分散的に割当てる方法）。

又、ＭＩＭＯの多重数の選択に於いて、ＣＱＩの相関有りの場合には、ＣＱＩ対応したＭＩＭＯの多重数を選択するが、ＣＱＩの相関無しの場合には、ＭＩＭＯによる複数ストリームの送信を行わず、１つのストリーム（ＳＩＭＯやＳＩＳＯ）で送信することを選択する。

而して、ＤＬ送信毎に、リアルタイムで最適な変調方式、送信方式が選択されるので、受信できない方式でデータを送信する回数が減り、無線のリソースを有効的に使うことができる。

又、本発明では端末機３０が高速移動する場合、ＣＱＩの相関無しと判断されて、サブキャリアは分散的に割当てに切替えられるが、誤り符号の訂正能力を使用して、利得を稼ぐ様にしてもよい。誤り符号の訂正能力により利得を稼ぐことで、分散的に割当ての切替えが高効率に可能となる。

（付記）
尚、本発明は以下の実施の形態を含む。

（付記１）無線基地局は、端末が送信する上りリンクのパイロットを用いて端末のドップラー周波数を測定し、測定した端末のドップラー周波数と適応変調方式の選択用に前記無線基地局に予め設定してあるドップラー周波数の閾値と比較して、適応変調方式の選択に対して、ＣＱＩの相関有り無し情報を追加することを特徴とする無線通信システム。

（付記２）無線基地局は、端末が送信する上りリンクのパイロットを用いて端末のドップラー周波数を測定し、測定した端末のドップラー周波数とＯＦＤＭＡの端末に対するサブキャリアの割当て方法の選択用に前記無線基地局に予め設定してあるドップラー周波数の閾値と比較して、ＯＦＤＭＡの端末に対するサブキャリアの割当て方法に対して、ＣＱＩの相関有り無し情報を追加することを特徴とする無線通信システム。

（付記３）無線基地局は、端末が送信する上りリンクのパイロットを用いて端末のドップラー周波数を測定し、測定した端末のドップラー周波数とＭＩＭＯの多重数の選択用に前記無線基地局に予め設定してあるドップラー周波数の閾値と比較して、ＭＩＭＯの多重数の選択に対して、ＣＱＩの相関有り無し情報を追加することを特徴とする無線通信システム。

（付記４）適応変調方式の選択に於いて、ＣＱＩの相関が有りの場合にはＣＱＩ対応した適応変調方式を選択するが、ＣＱＩの相関が無い場合には無線システムの中で１番多値度の低い変調方式を選択する手段を具備することを特徴とする無線通信システム。

（付記５）ＯＦＤＭＡの端末に対するサブキャリアの割当て方法に於いて、ＣＱＩの相関が無い場合には分散的に割当てる方法を選択する手段を具備することを特徴とする無線通信システム。

（付記６）ＭＩＭＯの多重数の選択に於いて、ＣＱＩの相関が有りの場合にはＣＱＩ対応したＭＩＭＯの多重数を選択するが、ＣＱＩの相関が無い場合にはＭＩＭＯの送信を行わず、１つのストリーム（ＳＩＭＯやＳＩＳＯ）で送信することを選択する手段を具備することを特徴とする無線通信システム。

本発明の実施の形態を示すブロック図である。本発明の実施の形態の作用を示すフローチャートである。ＯＦＤＭＡのサブキャリア割当て方法の概念を示し、（Ａ）は集合的に割当てた場合、（Ｂ）は分散的に割当てた場合を示している。データ通信に於ける、パイロットシンボル、フィードバック、フィードバックＣＱＩの関係を示す概念図である。ドップラー周波数と、遅延時間と、ＣＱＩとの関係を示す線図である。

符号の説明

５基地局
１５ＲＦ部
１９等化器
２５ＰＨＹチャネル品質推定部
２６記憶部
２７ＡＭＣ制御部
３０端末機
３１ＭＩＭＯ用チャネルユニット
３２ＤＬ用信号処理部
３３ＵＬ用信号処理部
３４通信方式選択制御部

Claims

基地局と端末機とが多重伝送により通信される無線通信システムに於いて、前記基地局は、所要の変調処理をして送信するＤＬ用信号処理部と、アンテナを含む無線通信部と、受信したＵＬ信号を復調処理するＵＬ用信号処理部と、
前記端末機からの前記ＵＬ信号に含まれるパイロットよりドップラー周波数を測定し、予め設定入力されたドップラー周波数の閾値と前記測定した端末機のドップラー周波数を比較し、該測定した端末機のドップラー周波数が予め設定入力されているドップラー周波数の閾値より低い場合はＣＱＩの相関有り、閾値より高い場合はＣＱＩの相関無しと判断し、相関有りの場合は、前記ＣＱＩに対応する通信方式が選択され、ＤＬ送信毎に前記ＤＬ用信号処理部に選択された通信方式に適合する信号処理を行わせ、又相関無しの場合は予め規定された変調方式でＤＬ送信毎に前記ＤＬ用信号処理部に信号処理を行わせる通信方式選択制御部とを具備し、相関無しの場合に規定された変調方式は、前記基地局が有する通信方式の内最も多値度の低い変調方式であり、ＯＦＤＭＡの端末に対してサブキャリアが分散的に割当てられることを特徴とする無線通信システム。
ＭＩＭＯの多重数の選択に於いて、ＣＱＩの相関有りの場合にはＣＱＩ対応したＭＩＭＯの多重数を選択し、ＣＱＩの相関無しの場合には１つのストリームで送信する請求項１の無線通信システム。