JP4908241B2 - 無線フレーム制御装置、無線通信装置及び無線フレーム制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、直交周波数分割多元接続（Orthogonal Frequency Division Multiple Access：OFDMA）方式の無線フレームを制御する無線フレーム制御装置、無線通信装置及び無線フレーム制御方法に関する。

次世代の無線アクセス方式として、IEEE（Institute of Electrical and Electronic Engineers）の標準規格「IEEE802.16」が高速・広帯域伝送を実現するものとして知られている（例えば、非特許文献１参照）。IEEE802.16規格では、伝送方式の一つとして直交周波数分割多元接続（Orthogonal Frequency Division Multiple Access：OFDMA）方式が採用されている。OFDMA方式は、周波数が互いに直交する複数のサブキャリアから構成される広帯域信号を用いて通信を行うマルチキャリア伝送方式の一つであり、ユーザ（端末局）毎に異なるサブキャリアを使用することで、一基地局と複数ユーザとの多元接続を実現する。

また、IEEE802.16規格では、QoS（Quality of Service）制御の機構が規定されている。QoS制御では、ある特定の通信のための周波数帯域や時間スロットなどの無線リソースを予約し、通信速度やパケット到着までの遅延量、あるいはパケット到着のジッタなどを保証することを行う。なお、IEEE802.16規格では、それら通信品質を図る尺度を保証するための制御機構については規定されているが、そのQoS制御方法については規定されていない。

さらに、IEEE802.16規格を拡張させたものとして、移動通信環境に対応した規格「IEEE802.16e」が規定されている（例えば、非特許文献２参照）。IEEE802.16e規格を用いた移動通信環境においては、時々刻々と変化する電波伝搬環境の下で、ユーザが要求するQoSを保証するためのパケットスケジューリングを行う必要がある。

図１１は、OFDMA方式の下りリンク（基地局から端末局方向のリンク）の無線フレーム（以下、「下りリンクフレーム」と称する）１００の従来の構成例を示す図である。この図１１の下りリンクフレーム１００は、IEEE802.16及びIEEE802.16e規格（以下、両規格を称してIEEE802.16(e)規格という）に準拠している。図１１において、下りリンクフレーム１００は、複数のOFDMAシンボル（OFDMA symbol）と複数のサブキャリア（Logical subchannel）から構成される。OFDMAシンボルは、下りリンクフレーム期間（Downlink subframe duration）に時間方向に多重されている。また、一OFDMAシンボル当たりサブキャリア数分の周波数多重が可能になっている。OFDMA方式では、各ユーザ宛のパケットをどのOFDMAシンボルのどのサブキャリアに配置するかを示す配置情報を下りリンクフレーム１００毎に決定する。基地局の送信機は、その配置情報に従って、下りリンクのパケット送信に使用する無線リソースを決定する。また、各端末局の受信機は、その配置情報に従って、下りリンクフレームから自局宛のパケットを受信する。

図１１に示されるように下りリンクフレーム１００には、“Preamble”と“FCH”と“DL-MAP”と“DL burst”とが配置される。“Preamble”は既知信号を格納する部分である。“FCH”は制御チャネル信号を格納する部分である。“DL-MAP”は配置情報を格納する部分である。“DL burst”はパケットを格納する部分である。“Preamble”、“FCH”及び“DL-MAP”については、その配置場所が固定されている。“DL burst”については、IEEE802.16(e)規格で規定される制限内で、任意に個数及び配置場所を決めることができる。図１１の例では、下りリンク用の“burst”、つまり“DL burst”が６個設けられている。その設け方はIEEE802.16(e)規格に準拠している。

IEEE802.16(e)規格では、下りリンクフレーム１００におけるOFDMAシンボル及びサブキャリアの割り当ての仕方、つまり“DL burst”の設け方を規定している。その規定によれば、図１１に示されるフレーム構成のように、一つの“burst”は時間方向（OFDMAシンボル方向）及び周波数方向（サブキャリア方向）に長方形のリソースを確保し、そのリソースの中にデータを割り当てなければならない。その“burst”については次のように規定されている。
（１）“burst”とはパケットが連なったデータ系列で、一つの“burst”内は同じ変調方式と同じ誤り訂正符号化率が適用されて送信される。
（２）一つの“burst”内では異なるユーザ宛のパケットが混在してもよい。
（３）“burst”の最大数には制限がある。

上述したように、IEEE802.16(e)規格では、OFDMA方式の下りリンクフレームにおいて、各ユーザ宛のパケットをどのOFDMAシンボルのどのサブキャリアに配置するかを決定する際に種々の制限がある。このため、各ユーザが要求するQoSに基づいたパケット配置を下りリンクフレーム上で達成することは容易ではない。これを解決するための一提案が非特許文献３に示されている。非特許文献３には、IEEE802.16規格の下りリンクフレームにおいて、QoSを要求するユーザ宛てのパケットの送信期限と、周波数利用効率との両面を考慮したスケジューリング及びスロット割当てを行う方法が開示されている。
IEEE Std 802.16-2004, "Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access Systems," 2004. IEEE Std 802.16e-2005, "Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access Systems," 2005 大関武雄，森田恵美，井上隆，"IEEE802.16におけるQoS無線パケットスケジューリング手法に関する一改良"，２００６年電子情報通信学会通信ソサイエティ大会講演論文集，B-5-140，pp.500，平成１８年９月７日

しかしながら、非特許文献３記載の方法では、QoSを要求するユーザ（QoS要求ユーザ）を優先してパケット配置を行うことから、QoS要求ユーザに対する通信サービス品質は高く保たれるが、周波数利用効率の点での改善が望まれる。

本発明は、このような事情を考慮してなされたもので、その目的は、OFDMA方式の下りリンクにおいて、QoSを保証し且つ周波数利用効率の改善を図る、IEEE802.16(e)規格に準拠した無線フレームを容易に構成することのできる無線フレーム制御装置、無線通信装置及び無線フレーム制御方法を提供することにある。

上記の課題を解決するために、本発明に係る無線フレーム制御装置は、直交周波数分割多元接続（OFDMA）方式の無線フレームを制御する無線フレーム制御装置であり、OFDMAシンボル及びサブキャリアの各リソースから構成される前記無線フレームにおいて、OFDMAシンボル又はサブキャリアのいずれか一方のリソースの使用量を一定にし、もう一方のリソースの使用量を可変にし、使用量一定の方のリソースの固定量と使用量可変の方のリソースの可変単位量から成るリソース割り当て単位を用いるリソース割り当て手段を備え、前記リソース割り当て手段は、送信待ちのパケットを、送信期限が閾値以内のパケットから成る第１グループと、送信期限が前記閾値超過のパケットおよび送信期限のないパケットから成る第２グループとにグループ分けし、前記第１グループに対して前記リソース割り当て単位を優先的に割り当ててから、前記第２グループに対して前記リソース割り当て単位を割り当てることを特徴とする。

本発明に係る無線フレーム制御装置においては、前記リソース割り当て手段は、前記リソース割り当て単位の割り当てにおいて、パケットに対応したリソース割当て単位に不足がある場合には、該パケットをリソースの空きがある他のリソース割り当て単位に割り当てる、ことを特徴とする。

本発明に係る無線フレーム制御装置においては、前記リソース割り当て手段は、前記移し変えたパケットに対して、該移し変え先のリソース割り当て単位で用いられる変調方式及び誤り訂正符号化率への変更を行うことを特徴とする。

本発明に係る無線フレーム制御装置においては、前記リソース割り当て手段は、変調指数が小さくなるように、前記移し変え対象のパケットを選択することを特徴とする。

本発明に係る無線フレーム制御装置においては、前記リソース割り当て手段は、前記第１グループ内で送信期限の早いパケットから順番に前記リソース割り当て単位を割り当てることを特徴とする。

本発明に係る無線フレーム制御装置においては、前記リソース割り当て手段は、前記第２グループ内で変調指数の大きいパケットから順番に前記リソース割り当て単位を割り当てることを特徴とする。

本発明に係る無線フレーム制御装置においては、前記リソース割り当て手段は、前記第１グループ内で同じ変調方式且つ同じ誤り訂正符号化率を用いて送信されるパケットからデータ系列を構成し、該データ系列に対して前記リソース割り当て単位を割り当てることを特徴とする。

本発明に係る無線フレーム制御装置においては、前記閾値は、全トラヒック量、若しくはQoSを要求するパケットのトラヒック量に応じて、動的に変更されることを特徴とする。

本発明に係る無線通信装置は、前述の無線フレーム制御装置を備えたことを特徴とする直交周波数分割多元接続（OFDMA）方式の無線通信装置である。

本発明に係る無線フレーム制御方法は、直交周波数分割多元接続（OFDMA）方式の無線フレームを制御する無線フレーム制御方法であり、OFDMAシンボル及びサブキャリアの各リソースから構成される前記無線フレームにおいて、OFDMAシンボル又はサブキャリアのいずれか一方のリソースの使用量を一定にし、もう一方のリソースの使用量を可変にし、使用量一定の方のリソースの固定量と使用量可変の方のリソースの可変単位量から成るリソース割り当て単位を定め、送信待ちのパケットを、送信期限が閾値以内のパケットから成る第１グループと、送信期限が前記閾値超過のパケットおよび送信期限のないパケットから成る第２グループとにグループ分けし、前記第１グループに対して前記リソース割り当て単位を優先的に割り当ててから、前記第２グループに対して前記リソース割り当て単位を割り当て、前記リソース割り当て単位の割り当てにおいて、パケットに対応したリソース割当て単位に不足がある場合には、該パケットをリソースの空きがある他のリソース割り当て単位に割り当てる、ことを特徴とする。

本発明によれば、OFDMA方式の下りリンクにおいて、IEEE802.16(e)規格に準拠する無線フレームを容易に構成することができると共に、QoS（例えば、最大許容遅延量や最低伝送レートなど）を保証しつつ、且つ、周波数利用効率の向上を図ることができる。

以下、図面を参照し、本発明の一実施形態について説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る無線フレーム制御装置１の構成を示すブロック図である。図１の無線フレーム制御装置１は、OFDMA方式の無線フレームを制御する。無線フレーム制御装置１は、例えばOFDMA方式の無線通信装置（基地局装置等）に備えられる。

以下、本実施形態では、IEEE802.16(e)規格に適用し、図１の無線フレーム制御装置１がIEEE802.16(e)規格に準拠のOFDMA方式の下りリンクの無線フレーム（下りリンクフレーム）を制御する場合を説明する。

図１１に示される下りリンクフレーム１００において、“Preamble”、“FCH”及び“DL-MAP”の各配置は固定されている。“DL burst”の配置は、IEEE802.16(e)規格で規定される制限内で、任意に個数及び配置場所を決めることができる。無線フレーム制御装置１は、その“DL burst”部分の制御を行う。

図１において、無線フレーム制御装置１は、リソース割当て部２とリソース情報記憶部３と送信パケット情報統合部４を有する。リソース割当て部２は、各ユーザ宛に送信されるパケットの情報（送信パケット情報）に基づき、各ユーザ宛のパケットをどのOFDMAシンボルのどのサブキャリアに配置するかを示す配置情報を下りリンクフレーム１００毎に作る。送信パケット情報は、QoSを要求するユーザ（QoS要求ユーザ）宛に送信されるパケットの情報（QoS要求ユーザの送信パケット情報）と、QoSを要求しないユーザ（QoS非要求ユーザ）宛に送信されるパケットの情報（QoS非要求ユーザの送信パケット情報）とがある。

リソース情報記憶部３は、下りリンクフレーム１００を構成するOFDMAシンボル及びサブキャリアのリソースの情報を記憶している。送信パケット情報統合部４は、QoS要求ユーザの送信パケット情報と、QoS非要求ユーザの送信パケット情報とを統合する。

図２は、QoS要求ユーザの送信パケット情報の例である。QoS要求ユーザの送信パケット情報は、QoS要求ユーザ用の送信バッファに格納されていて送信待ちになっているパケットの情報である。図２において、各送信パケットは送信順序のランク付けがなされている。QoS要求ユーザの送信パケット情報は、送信ブロック（Block=#1、#2、#3、・・・）毎に、CID（connection identifier）と、バイト数と、送信期限（Deadline）と、変調方式及び誤り訂正符号化率のパラメタセット（PHY_MODE）とを有する。

送信ブロックはパケットを送信するときの送信単位である。一パケットのデータ量が送信単位のデータ量よりも多い場合には、当該パケットは複数の送信ブロックに分割される。IEEE802.16(e)規格の下りリンクでは、パケットは「MAC（medium access control layer） SDU（service data unit）」と呼ばれるデータ単位で基地局の送信バッファに到着する。基地局は、MAC SDU単位のパケットをそのまま「MAC PDU（protocol data unit）」に構成して送信するか、若しくはARQ（automatic repeat request）の適用を行う場合にはMAC SDUの１データ単位をさらに「ARQ BLOCK SIZE」と呼ばれるより小さいサイズのデータ単位「ARQ BLOCK」に分割してMAC PDUを構成し送信する。

また、IEEE802.16(e)規格の下りリンクでは、ユーザが行う通信毎にその識別子（CID）が付与される。そのCIDを送信パケット情報に含める。また、パケットは可変長であるので、送信パケットのバイト数を送信ブロック毎のバイト数として送信パケット情報に含める。このとき、MAC PDUのヘッダーなどの付加情報のバイト数も含める。送信期限「Deadline」は、当該パケットをあと何フレーム以内に送信しなければならないかを示す。変調方式及び誤り訂正符号化率のパラメタセット（PHY_MODE）は、当該パケットの送信に用いる変調方式及び誤り訂正符号化率の組み合わせを示す。従って、同じ変調方式且つ同じ誤り訂正符号化率を用いて送信されるパケットには、同じパラメタセット（PHY_MODE）が付与される。

なお、「PHY_MODE」は変調指数に対応している。変調指数は、１変調シンボル当たりの情報量を表す。「PHY_MODE」が表す変調方式及び誤り訂正符号化率の組み合わせによって、変調指数が決まる。例えば、６４ＱＡＭの変調指数は、１６ＱＡＭの変調指数よりも大きい。

図２において、例えば、送信ブロック「Block=#1」はCID「#0」のパケットの送信ブロックであり、その送信ブロックのバイト数は１００バイト、その送信期限「Deadline=1」は１フレーム以内であり、その送信に用いられる変調方式及び誤り訂正符号化率は「PHY_MODE=A」の組み合わせである。

図２に示されるように、QoS要求ユーザの送信パケット情報は、送信期限の早い順に並べる。

なお、送信期限は、当該CIDに対応するユーザが要求するQoS（例えば、最大許容遅延量や最低伝送レートなど）に基づいて決定される。
また、パケットの送信に用いる変調方式と誤り訂正符号化率の組み合わせは、ユーザが要求するQoSに基づいて決定される。さらに、通信相手との間の電波伝搬環境の情報を加味することで、より適切な変調方式と誤り訂正符号化率の組み合わせを選択することが可能となり、周波数の利用効率が改善される効果が期待できる。

なお、ARQの適用を行う場合、同一のMAC SDUから生成されたARQ BLOCKであっても、フラグメンテイション（fragmentation）の適用により異なるMAC PDUに格納することも可能であるため、MAC SDUをARQ BLOCKに分割する場合には、ARQ BLOCK毎に、バイト数と送信期限を管理することが好ましい。

図３は、QoS非要求ユーザの送信パケット情報の例である。QoS非要求ユーザの送信パケット情報は、QoS非要求ユーザ用の送信バッファに格納されていて送信待ちになっているパケットの情報である。図３において、各送信パケットの情報は、送信バッファへの到着順に並んでいる。QoS非要求ユーザの送信パケット情報は、送信ブロック（Block=#1'、#2'、#3'、・・・）毎に、CIDと、バイト数と、変調方式及び誤り訂正符号化率のパラメタセット（PHY_MODE）とを有する。QoS非要求ユーザの送信パケット情報は、送信期限（Deadline）を有していない。送信ブロック、CID、バイト数、並びに、変調方式及び誤り訂正符号化率のパラメタセット（PHY_MODE）は、QoS要求ユーザの送信パケット情報と同様である。

なお、QoS非要求ユーザに関して、パケットの送信に用いる変調方式と誤り訂正符号化率の組み合わせは、通信相手との間の電波伝搬環境に基づいて決定される。

図４に示されるように、QoS要求ユーザの送信パケット情報は、送信期限「Deadline」の閾値を設け、送信パケット情報をグループ分けする。図４の例では、１つの閾値を設け、送信パケット情報を２つのグループに分割している。送信ブロック「Block=#1〜#6」は、送信期限「Deadline」が閾値以内であり、送信期限「Deadline」までの残余時間が少ないグループである。送信ブロック「Block=#7〜#10」は、送信期限「Deadline」が閾値超過であり、送信期限「Deadline」までの残余時間が多いグループである。

図１に示されるリソース割当て部２は、QoS要求ユーザの送信パケット情報中の送信期限「Deadline」が閾値以内の送信ブロックに対して、優先してリソースの割当てを行う。これは、送信期限を遵守し、ユーザが要求するQoSを保証するためである。リソース割当て部２は、その優先割当ての後に、QoS要求ユーザの送信パケット情報中の送信期限「Deadline」が閾値超過の送信ブロックおよびQoS非要求ユーザの送信パケット情報中の送信ブロックに対して、リソースの割当てを行う。

図１に示される送信パケット情報統合部４は、QoS要求ユーザの送信パケット情報中の送信期限「Deadline」が閾値超過の送信ブロックの情報とQoS非要求ユーザの送信パケット情報中の送信ブロックの情報とを統合した送信パケット情報を作る。図５は、その統合後の送信パケット情報の例である。図５の例は、図４中の送信期限「Deadline」が閾値超過の送信ブロック「Block=#7〜#10」の情報と、図３中の送信ブロック「Block=#1'〜#6'」の情報とを統合している。

送信パケット情報統合部４は、送信パケット情報を統合する際に、変調指数の大きい順に、送信ブロックの情報を並べる。図５の例では、「PHY_MODE=A」が最も変調指数が大きく、「PHY_MODE=B」がその次に変調指数が大きく、「PHY_MODE=C」が最も変調指数が小さい。従って、送信パケット情報統合部４は、図４中の送信期限「Deadline」が閾値超過の送信ブロック「Block=#7〜#10」の情報および図３中の送信ブロック「Block=#1'〜#6'」の情報の中から、「PHY_MODE=A」の情報を取り出して最上位に配置し、「PHY_MODE=B」の情報を取り出して「PHY_MODE=A」の情報に続けて配置し、「PHY_MODE=C」の情報を取り出して「PHY_MODE=B」の情報に続けて配置する。なお、同じ「PHY_MODE」の情報においては、QoS要求ユーザの送信パケット情報の方を上位に配置する。また、統合前の同じ送信パケット情報中の同じ「PHY_MODE」の情報は、元の配置順を維持する。これにより、図５に示される統合後の送信パケット情報が作成される。

次に、図６〜図１０を参照して、図１に示すリソース割当て部２の動作を説明する。図６および図７は、図１に示すリソース割当て部２の処理を説明するための概念図である。図８〜図１０は、本実施形態に係るリソース割り当て処理のフローチャートである。

はじめにリソース割当て部２の概略動作を説明する。リソース割当て部２は、QoS要求ユーザの送信パケット情報中の送信期限「Deadline」が閾値以内の送信ブロックに対するリソースの優先割当て動作と、その優先割当て後に行われる、QoS要求ユーザの送信パケット情報中の送信期限「Deadline」が閾値超過の送信ブロックおよびQoS非要求ユーザの送信パケット情報中の送信ブロックに対するリソースの割当て動作とを行う。

まず、図６を参照して、リソースの優先割当て動作を説明する。図６において、リソース割当て部２は、QoS要求ユーザの送信パケット情報中の送信期限「Deadline」が閾値以内の送信ブロックの情報に基づき、同じ変調方式且つ同じ誤り訂正符号化率を用いて送信されるパケットからデータ系列を構成する。図６の例では、「PHY_MODE=A」の３つの送信ブロック「Block=#1、#4、#5」から第１データ系列を構成し、「PHY_MODE=B」の１つの送信ブロック「Block=#2」から第２データ系列を構成し、「PHY_MODE=C」の２つの送信ブロック「Block=#3、#6」から第３データ系列を構成する。

次いで、リソース割当て部２は、各データ系列に対して、下りリンクフレーム１００を構成するOFDMAシンボル及びサブキャリアのリソースの割り当てを行う。この割り当てにおいては、OFDMAシンボル又はサブキャリアのいずれか一方のリソースの使用量を一定にし、もう一方のリソースの使用量を可変にし、使用量一定の方のリソースの固定量と使用量可変の方のリソースの可変単位量から成るリソース割り当て単位を用いる。このリソース割り当て単位のことを“Bucket”と称する。サブキャリアの使用量を一定にした場合には、“Bucket”は、サブキャリアの一定の使用量である固定量と、OFDMAシンボルの最小単位の使用量である可変単位量とから構成される。一方、OFDMAシンボルの使用量を一定にした場合には、“Bucket”は、OFDMAシンボルの一定の使用量である固定量と、サブキャリアの最小単位の使用量である可変単位量とから構成される。

なお、使用量一定の方のリソースの固定量としては、最大リソース量（OFDMAシンボルの最大個数、サブキャリアの最大個数）としてもよく、或いは、最大リソース量の一部分としてもよい。

図６に示されるように、各データ系列には、そのデータ量に応じた数の“Bucket”１１０が割り当てられる。このとき、同じ“Bucket”１１０がCIDの異なる送信ブロックに対して割り当てられてもよい。図６の例では、「PHY_MODE=A」の第１データ系列に２つの“Bucket”１１０が割り当てられ、「PHY_MODE=B」の第２データ系列および「PHY_MODE=C」の第３データ系列のそれぞれに１つの“Bucket”１１０が割り当てられている。この例では、「PHY_MODE=A」の第１データ系列は、２つの“Bucket”１１０が割り当てられているが、全てのリソースを使い切ってはおらず、リソースが余っている。同様に、「PHY_MODE=B」の第２データ系列は、１つの“Bucket”１１０が割り当てられているが、全てのリソースを使い切ってはおらず、リソースが余っている。一方、「PHY_MODE=C」の第３データ系列は、丁度、“Bucket”１１０の１つ分のデータ量であるので、リソースの過不足は発生していない。

なお、“Bucket”の割り当て可能な最大数（最大Bucket数）は、予め定められている。従って、新たな“Bucket”１１０の割当ては、既に割当て済みの“Bucket”１１０の個数が最大Bucket数に達していなければ、可能である。

また、リソース割当て部２は、QoS要求ユーザの送信パケット情報中の送信期限「Deadline」が閾値以内のリソース未割当ての送信ブロックに対して、新規の“Bucket”１１０の割当てができず、且つ、「PHY_MODE」が合致する割り当て済みの“Bucket”１１０の空きリソースでもリソースが不足するときには、「PHY_MODE」が異なっていてもリソースが足りる割り当て済みの“Bucket”１１０の空きリソースを当該送信ブロックに割り当てる。このとき、送信ブロックの「PHY_MODE」は、その割り当てられた“Bucket”１１０の「PHY_MODE」に変更する。これにより、送信期限の遵守を図る。

上述のリソース優先割当ての後に、リソース割当て部２は、QoS要求ユーザの送信パケット情報中の送信期限「Deadline」が閾値超過の送信ブロックおよびQoS非要求ユーザの送信パケット情報中の送信ブロックに対するリソースの割当て動作を行う。このとき、リソース割当て部２は、送信パケット情報統合部４に対して、送信パケット情報の統合を依頼する。送信パケット情報統合部４は、その依頼に応じて、QoS要求ユーザの送信パケット情報中の送信期限「Deadline」が閾値超過の送信ブロックの情報とQoS非要求ユーザの送信パケット情報中の送信ブロックの情報とを統合した送信パケット情報を作る。リソース割当て部２は、送信パケット情報統合部４から、統合後の送信パケット情報を受け取る。

次に、図７を参照して、統合後の送信パケット情報に基づいたリソース割当て動作を説明する。図７において、リソース割当て部２は、統合後の送信パケット情報中の上位の送信ブロックから順番に、リソースの割当てを試みる。このリソース割当ての際には、「PHY_MODE」が合致する既に割当て済みの“Bucket”１１０にリソースの空きがあれば、その空きリソースの割当てを行う。さらに、その空きリソースでは不足する場合、新たな“Bucket”１１０の割当てを試みる。なお、「PHY_MODE」が合致する既に割当て済みの“Bucket”１１０の空きリソースがなければ、最初から新たな“Bucket”１１０の割当てを試みる。新たな“Bucket”１１０の割当ては、既に割当て済みの“Bucket”１１０の個数が最大Bucket数に達していなければ、可能である。

また、リソース割当て部２は、統合後の送信パケット情報中のリソース未割当ての送信ブロックに対して、新規の“Bucket”１１０の割当てができず、且つ、「PHY_MODE」が合致する割り当て済みの“Bucket”１１０の空きリソースでもリソースが不足するときには、「PHY_MODE」が異なっていてもリソースが足りる割り当て済みの“Bucket”１１０の空きリソースを当該送信ブロックに割り当てる。このとき、送信ブロックの「PHY_MODE」は、その割り当てられた“Bucket”１１０の「PHY_MODE」に変更する。これにより、周波数利用効率の向上を図る。

図７の例は、図６の例の割当て済みの“Bucket”１１０の状態に対して、統合後の送信パケット情報に基づいたリソース割当てを行っている。図７において、「PHY_MODE=A」の割当て済みの“Bucket”１１０の空きリソースが、送信ブロック「Block=#1'、#6'」に割り当てられる。また、「PHY_MODE=B」の割当て済みの“Bucket”１１０の空きリソースが、送信ブロック「Block=#7、#9」に割り当てられる。ここで、その「PHY_MODE=B」の割当て済みの“Bucket”１１０の空きリソースでは、送信ブロック「Block=#9」の全てはまかなえないので、新規に「PHY_MODE=B」の“Bucket”１１０が一つ割り当てられ、その新規の「PHY_MODE=B」の“Bucket”１１０のリソースが「Block=#9」の残りと「Block=#2'、#4'」に割り当てられる。また、「PHY_MODE=C」の割当て済みの“Bucket”１１０は全く空きリソースがないので、新規に「PHY_MODE=C」の“Bucket”１１０が２つ割り当てられ、その新規の「PHY_MODE=B」の２つの“Bucket”１１０のリソースが「Block=#8、#10、#3'、#5'」に割り当てられる。

リソース割当て部２は、リソース割り当て処理の結果、同じ「PHY_MODE」用に割り当てられた“Bucket”のうち、“Bucket”中の全リソースが使用される複数の“Bucket”については連結して１つの“burst”つまり“DL burst”を構成する。図７の例では、リソース割当ての結果、「PHY_MODE=A」については、２つの“Bucket”１１０でリソースが過不足なく割り当てられている。また、「PHY_MODE=B」についても、２つの“Bucket”１１０でリソースが過不足なく割り当てられている。このため、「PHY_MODE=A」用の２つの“Bucket”１１０によって１つの“burst”つまり“DL burst”を構成する。また、「PHY_MODE=B」用の２つの“Bucket”１１０によって１つの“DL burst”を構成する。一方、「PHY_MODE=C」については、３つの“Bucket”１１０が割り当てられており、そのうちの２つの“Bucket”１１０は全リソースが割り当てられているが、もう１つの“Bucket”１１０にはリソースの余りがある。このため、「PHY_MODE=C」用の全リソース割り当て済みの２つの“Bucket”１１０によって１つの“DL burst”を構成し、さらに「PHY_MODE=C」用のリソースの余りがある１つの“Bucket”１１０によってもう１つの“DL burst”を構成する。これにより、下りリンクフレーム１００中に、１つの「PHY_MODE=A」用の“DL burst”と、１つの「PHY_MODE=B」用の“DL burst”と、２つの「PHY_MODE=C」用の“DL burst”とが構成される。

次に、図８〜図１０のフローチャートを参照して、リソース割当て部２の動作を詳細に説明する。図８は、本実施形態に係るリソース優先割当て処理のフローチャートである。図９および図１０は、本実施形態に係るリソース割当て処理のフローチャートである。

リソース割当て部２の動作は、QoS要求ユーザの送信パケット情報中の送信期限「Deadline」が閾値以内の送信ブロックから成る第１グループと、QoS要求ユーザの送信パケット情報中の送信期限「Deadline」が閾値超過の送信ブロックおよびQoS非要求ユーザの送信パケット情報中の送信ブロックから成る第２グループとで、分かれる。第１グループは、QoS要求ユーザ用の送信バッファに格納されていて送信待ちになっているパケットのうち、送信期限「Deadline」が閾値以内であるパケットから構成される。第１グループは、送信期限までにあまり時間の余裕がないパケットのグループである。第２グループは、QoS要求ユーザ用の送信バッファに格納されていて送信待ちになっているパケットのうち送信期限「Deadline」が閾値超過であるパケットと、QoS非要求ユーザ用の送信バッファに格納されていて送信待ちになっているパケットとから構成される。第２グループは、送信期限までにまだ時間の余裕があるパケットと、送信期限のないパケットとから構成される。リソース割当て部２は、第１グループに対して優先的にリソースを割り当ててから、第２グループに対するリソース割当てを行う。

まず、図８を参照して、第１グループに対するリソース優先割り当て処理を説明する。
図８において、ステップＳ１０１では、変数ｉ、ｊを０に初期化する。ステップＳ１０２では、変数ｉが第１グループ内のパケット数未満であるか判断する。第１グループ内のパケット数は、QoS要求ユーザの送信パケット情報中の送信期限「Deadline」が閾値以内の送信ブロック数である。また、第１グループ内のパケットの順番は、送信期限「Deadline」の早い順である。

ステップＳ１０２の判断の結果、変数ｉが第１グループ内のパケット数以上ならば、既に第１グループ内の全送信パケットに対するリソース割り当て処理が終了しているので、変数ｊをレジスタに保存し（ステップＳ１１０）、図８の処理を終了する。一方、変数ｉが第１グループ内のパケット数未満ならば、ステップＳ１０３に進む。

ステップＳ１０３では、変数ｉに１を加える。
ステップＳ１０４では、第１グループ内のｉ番目のパケットの要求する「PHY_MODE」用に既に割り当てられている“Bucket”にリソースの空きがあり、且つ、該“Bucket”の空きリソースでｉ番目のパケットに足りるかを判断する。例えば、図４の項番１のパケット「Block=#1」は１００バイトのデータ量を有するが、そのパケットが要求する「PHY_MODE=A」用に割り当てられている“Bucket”に、１００バイト分のリソースの空きがあるかを判断する。

ステップＳ１０４の判断の結果、ｉ番目のパケットに割り当て可能な“Bucket”があれば（ステップＳ１０４、ＹＥＳ）、ステップＳ１０５で、その割り当て可能な“Bucket”の空きリソースをｉ番目のパケットに割り当てる。その後、ステップＳ１０２に戻る。

一方、ステップＳ１０４の判断の結果、ｉ番目のパケットに割り当て可能な“Bucket”がなければ（ステップＳ１０４、ＮＯ）、ステップＳ１０６で、変数ｊが最大Bucket数未満であるか判断する。この結果、変数ｊが最大Bucket数未満ならば、ステップＳ１０７に進む。変数ｊが最大Bucket数以上ならば、ステップＳ１０９に進む。

ステップＳ１０７では、変数ｊに１を加える。
ステップＳ１０８では、新たに割り当てる“Bucket”を用意し、ｉ番目のパケットの要求する「PHY_MODE」用に既に割り当てられている“Bucket”にリソースの空きがある場合には当該“Bucket”の空きリソースに連続して新規の“Bucket”のリソースをｉ番目のパケットに割り当てる。もし、既に割り当てられている“Bucket”にリソースの空きがない場合には新規の“Bucket”のリソースを最初からｉ番目のパケットに割り当てる。その後、ステップＳ１０２に戻る。

ステップＳ１０９では、ｉ番目のパケットの要求する「PHY_MODE」とは異なる「PHY_MODE」用に既に割り当てられている“Bucket”にリソースの空きがある場合には、ｉ番目のパケットの送信で用いる「PHY_MODE」を該“Bucket”の「PHY_MODE」に変更し、該“Bucket”の空きリソースをｉ番目のパケットに割り当てる。その後、ステップＳ１０２に戻る。

この図８のリソース優先割り当て処理では、送信期限までにあまり時間の余裕がない第１グループに対し、送信期限を遵守するように、リソースの割り当てを行っている。そして、そのためには「PHY_MODE」を変更してでも、リソースの割り当てを行う。

なお、送信ブロックの「PHY_MODE」の変更の仕方としては、変調指数を小さくするように変更する場合と変調指数を大きくするように変更する場合とが考えられるが、変調指数を小さくするように、送信ブロックの「PHY_MODE」を変更することが好ましい。この理由は、一般的に送信ブロックの「PHY_MODE」は、宛先ユーザに係る無線環境に基づいて最も大きく取れる変調指数として決定されているので、現変調指数より大きくするよりも、現変調指数より小さくする方が確実に情報伝達を行うことができ、周波数利用効率の向上が望めるからである。但し、現変調指数より大きくするしか、リソースを割当てることができない場合には、送信期限の遵守の点から、現変調指数より大きくするようにしてもよい。

次に、図９、図１０を参照して、第２グループに対するリソース割り当て処理を説明する。
図９において、ステップＳ２０１では、変数ｉを０に初期化し、図８のステップＳ１１０でレジスタに保存した変数ｊの値を該レジスタから読み出して変数ｊにセットする。ステップＳ２０２では、変数ｉが第２グループ内のパケット数未満であるか判断する。第２グループ内のパケット数は、上述の図５で説明される統合後の送信パケット情報中の送信ブロック数である。統合後の送信パケット情報は、QoS要求ユーザ用の送信バッファに格納されていて送信待ちになっているパケットのうち送信期限「Deadline」が閾値超過であるパケットの送信ブロックの情報と、QoS非要求ユーザ用の送信バッファに格納されていて送信待ちになっているパケットの送信ブロックの情報とから構成される。また、第２グループ内のパケットの順番は、上述の図５で説明される、統合後の送信パケット情報内の順番である。

ステップＳ２０２の判断の結果、変数ｉが第２グループ内のパケット数以上ならば、ステップＳ２０９に進む。一方、変数ｉが第２グループ内のパケット数未満ならば、ステップＳ２０３に進む。

ステップＳ２０３では、変数ｉに１を加える。
ステップＳ２０４では、第２グループ内のｉ番目のパケットの要求する「PHY_MODE」用に既に割り当てられている“Bucket”にリソースの空きがあり、且つ、該“Bucket”の空きリソースでｉ番目のパケットに足りるかを判断する。

ステップＳ２０４の判断の結果、ｉ番目のパケットに割り当て可能な“Bucket”があれば（ステップＳ２０４、ＹＥＳ）、ステップＳ２０５で、その割り当て可能な“Bucket”の空きリソースをｉ番目のパケットに割り当てる。その後、ステップＳ２０２に戻る。

一方、ステップＳ２０４の判断の結果、ｉ番目のパケットに割り当て可能な“Bucket”がなければ（ステップＳ２０４、ＮＯ）、ステップＳ２０６で、変数ｊが最大Bucket数未満であるか判断する。この結果、変数ｊが最大Bucket数未満ならば、ステップＳ２０７に進む。変数ｊが最大Bucket数以上ならば、ステップＳ２０２に戻る。

ステップＳ２０７では、変数ｊに１を加える。
ステップＳ２０８では、新たに割り当てる“Bucket”を用意し、ｉ番目のパケットの要求する「PHY_MODE」用に既に割り当てられている“Bucket”にリソースの空きがある場合には当該“Bucket”の空きリソースに連続して新規の“Bucket”のリソースをｉ番目のパケットに割り当てる。もし、既に割り当てられている“Bucket”にリソースの空きがない場合には新規の“Bucket”のリソースを最初からｉ番目のパケットに割り当てる。その後、ステップＳ２０２に戻る。

ステップＳ２０９では、第２グループ内にまだリソース未割当てのパケットがあるかを判断する。この結果、リソース未割当てのパケットがなければ処理を終了する。一方、リソース未割当てのパケットがあれば、図１０のステップＳ２１０に進む。

図１０のステップＳ２１０では、変数ｊを０に初期化する。ステップＳ２１１では、変数ｊが最大Bucket数未満であるか判断する。この結果、変数ｊが最大Bucket数未満ならば、ステップＳ２１２に進む。変数ｊが最大Bucket数以上ならば、処理を終了する。

ステップＳ２１２では、変数ｊに１を加える。ステップＳ２１３では、ｊ番目の“Bucket”に空きのリソースがあるか判断する。この結果、空きのリソースがあればステップＳ２１４に進み、空きのリソースがなければステップＳ２１１に戻る。

ステップＳ２１４では、第２グループ内のまだリソースの割り当てがなされていないパケットのうち、ｊ番目の“Bucket”の「PHY_MODE」よりも変調指数の大きな「PHY_MODE」であり且つ該ｊ番目の“Bucket”の空きリソースで足りるパケットがあれば、当該パケットにｊ番目の“Bucket”の空きリソースを割り当てる。このとき、該割当て対象のパケットの送信で用いる「PHY_MODE」をｊ番目の“Bucket”の「PHY_MODE」に変更する。これにより、該割当て対象のパケットの変調指数は、ｊ番目の“Bucket”の「PHY_MODE」に合わせられて小さくなる。その後、ステップＳ２１１に戻る。

この図９、図１０のリソース割り当て処理では、送信期限までにまだ時間の余裕があるパケットと、送信期限のないパケットとから構成される第２グループに対し、できる限りリソースの割り当てを行っている。そして、そのためには、変調指数を小さくするように「PHY_MODE」を変更してでもリソースの割り当てを行う。これにより、周波数利用効率の向上を図る。

特に、送信期限の閾値を使用して送信期限までにあまり時間の余裕がないパケットと送信期限までにまだ時間の余裕があるパケットとを分け、さらに送信期限までにまだ時間の余裕があるパケットおよび送信期限のないパケットを同じ第２グループに組み分けし、送信期限までにあまり時間の余裕がない第１グループに対するリソース割当て後に、該第２グループに対するリソースの割当てを行うことで、第１グループへのリソース割当て後の空きリソースをできる限り有効に活用することが可能になる。

上述したように本実施形態によれば、OFDMA方式の下りリンクにおいて、IEEE802.16(e)規格に準拠する無線フレームを容易に構成することができる。さらに、送信待ちのパケットを、送信期限までにあまり時間の余裕がない第１グループと、送信期限までにまだ時間の余裕があるパケット及び送信期限のないパケットから成る第２グループとにグループ分けし、第１グループに対するリソース割当て後に第２グループに対するリソース割当てを行うので、QoS（例えば、最大許容遅延量や最低伝送レートなど）を保証しつつ、且つ、周波数利用効率の向上を図ることができる。

以上、本発明の実施形態を図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
例えば、変調指数の変更なしではリソースの割当てができないパケットに対する処置は、無線通信システムの要求条件に応じて、適宜、変更可能である。送信期限までにあまり時間の余裕がない第１グループに対する処置例としては、例えば、処置例Ａ−１〜４が挙げられる。
（Ａ−１）変調指数が小さくなるように変更して空きリソースの割当てを行う。
（Ａ−２）次の下りリンクフレームでも送信期限内ならば、次の下りリンクフレームで送信するように繰り越す。
（Ａ−３）次の下りリンクフレームでは送信期限が過ぎてしまうならば、変調指数が大きくなるように変更してでも、空きリソースの割当てを行う。
（Ａ−４）現変調指数のままで、若しくは変調指数が小さくなるように変更しても、現下りリンクフレームでの送信ができず、しかも次の下りリンクフレームでは送信期限が過ぎてしまうならば、廃棄する。
送信期限までにまだ時間の余裕があるパケット及び送信期限のないパケットから成る第２グループに対する処置例としては、例えば、処置例Ｂ−１〜３が挙げられる。
（Ｂ−１）変調指数が小さくなるように変更して空きリソースの割当てを行う。
（Ｂ−２）次の下りリンクフレームでも送信期限内ならば、若しくは送信期限のないパケットならば、次の下りリンクフレームで送信するように繰り越す。
（Ｂ−３）現変調指数のままで、若しくは変調指数が小さくなるように変更しても、現下りリンクフレームでの送信ができず、しかも次の下りリンクフレームでは送信期限が過ぎてしまうならば、廃棄する。

また、変更指数を変更する場合には、変調指数の変更量の小さいパケットから優先的にリソースを割り当てるようにしてもよい。

また、送信期限までにまだ時間の余裕があるパケット及び送信期限のないパケットから成る第２グループ内のリソース割当て順序の決定方法としては、例えば、ラウンドロビン法、プロポーショナルフェアネス（Proportional Fairness）法、最大CIR（Carrier to Interference power Ratio）法などを採用することができる。

また、送信期限「Deadline」の閾値としては、全トラヒック量、若しくはQoSを要求するパケットのトラヒック量に応じて、動的に変更するようにしてもよい。例えば、QoSを要求するパケットの単位時間当たりのトラヒック量が一定量よりも少ない場合には、パケット送信の緊急度が低いと考えられるので、閾値を小さくする。その逆に、QoSを要求するパケットの単位時間当たりのトラヒック量が一定量よりも多い場合には、パケット送信の緊急度が高いと考えられるので、閾値を大きくする。

なお、本発明は、IEEE802.16(e)規格に準拠しないOFDMA方式の無線通信装置に適用することも可能である。

本発明の一実施形態に係る無線フレーム制御装置１の構成を示すブロック図である。 同実施形態に係るQoS要求ユーザの送信パケット情報の例である。 同実施形態に係るQoS非要求ユーザの送信パケット情報の例である。 同実施形態に係る送信パケット情報のグループ分けの例である。 同実施形態に係る送信パケット情報のグループ分けの例である。 図１に示すリソース割当て部２の処理を説明するための概念図である。 図１に示すリソース割当て部２の処理を説明するための概念図である。 本発明の一実施形態に係るリソース割り当て処理のフローチャートである。 同実施形態に係るリソース割り当て処理のフローチャートである。 同実施形態に係るリソース割り当て処理のフローチャートである。 OFDMA方式の下りリンクフレーム１００の従来の構成例を示す図である。

符号の説明

１…無線フレーム制御装置、２…リソース割当て部、３…リソース情報記憶部、４…送信パケット情報統合部、１００…OFDMA方式の下りリンクフレーム、１１０…“Bucket”（リソース割り当て単位）

Claims (9)

1. 直交周波数分割多元接続（OFDMA）方式の無線フレームを制御する無線フレーム制御装置であり、
   OFDMAシンボル及びサブキャリアの各リソースから構成される前記無線フレームにおいて、OFDMAシンボル又はサブキャリアのいずれか一方のリソースの使用量を一定にし、もう一方のリソースの使用量を可変にし、使用量一定の方のリソースの固定量と使用量可変の方のリソースの可変単位量から成るリソース割り当て単位を用いるリソース割り当て手段を備え、
   前記リソース割り当て手段は、
   送信待ちのパケットを、送信期限が閾値以内のパケットから成る第１グループと、送信期限が前記閾値超過のパケットおよび送信期限のないパケットから成る第２グループとにグループ分けし、
   前記第１グループに対して前記リソース割り当て単位を優先的に割り当ててから、前記第２グループに対して前記リソース割り当て単位を割り当て、前記リソース割り当て単位の割り当てにおいて、パケットに対応したリソース割当て単位に不足がある場合には、該パケットをリソースの空きがある他のリソース割り当て単位に割り当てる、
   ことを特徴とする無線フレーム制御装置。
2. 前記リソース割り当て手段は、
   前記移し変えたパケットに対して、該移し変え先のリソース割り当て単位で用いられる変調方式及び誤り訂正符号化率への変更を行うことを特徴とする請求項１に記載の無線フレーム制御装置。
3. 前記リソース割り当て手段は、変調指数が小さくなるように、前記移し変え対象のパケットを選択することを特徴とする請求項２に記載の無線フレーム制御装置。
4. 前記リソース割り当て手段は、前記第１グループ内で送信期限の早いパケットから順番に前記リソース割り当て単位を割り当てることを特徴とする請求項１に記載の無線フレーム制御装置。
5. 前記リソース割り当て手段は、前記第２グループ内で変調指数の大きいパケットから順番に前記リソース割り当て単位を割り当てることを特徴とする請求項１に記載の無線フレーム制御装置。
6. 前記リソース割り当て手段は、前記第１グループ内で同じ変調方式且つ同じ誤り訂正符号化率を用いて送信されるパケットからデータ系列を構成し、該データ系列に対して前記リソース割り当て単位を割り当てることを特徴とする請求項１に記載の無線フレーム制御装置。
7. 前記閾値は、全トラヒック量、若しくはQoSを要求するパケットのトラヒック量に応じて、動的に変更されることを特徴とする請求項１に記載の無線フレーム制御装置。
8. 請求項１から請求項７のいずれかの項に記載の無線フレーム制御装置を備えたことを特徴とする直交周波数分割多元接続（OFDMA）方式の無線通信装置。
9. 直交周波数分割多元接続（OFDMA）方式の無線フレームを制御する無線フレーム制御方法であり、
   OFDMAシンボル及びサブキャリアの各リソースから構成される前記無線フレームにおいて、
   OFDMAシンボル又はサブキャリアのいずれか一方のリソースの使用量を一定にし、もう一方のリソースの使用量を可変にし、
   使用量一定の方のリソースの固定量と使用量可変の方のリソースの可変単位量から成るリソース割り当て単位を定め、
   送信待ちのパケットを、送信期限が閾値以内のパケットから成る第１グループと、送信期限が前記閾値超過のパケットおよび送信期限のないパケットから成る第２グループとにグループ分けし、
   前記第１グループに対して前記リソース割り当て単位を優先的に割り当ててから、前記第２グループに対して前記リソース割り当て単位を割り当て、
   前記リソース割り当て単位の割り当てにおいて、パケットに対応したリソース割当て単位に不足がある場合には、該パケットをリソースの空きがある他のリソース割り当て単位に割り当てる、
   ことを特徴とする無線フレーム制御方法。

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