JP4982277B2 - 中継局によるセルラーネットワーク及び空間分割デュプレクス通信方法 - Google Patents

中継局によるセルラーネットワーク及び空間分割デュプレクス通信方法 Download PDF

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Description

本発明は、無線通信技術に関し、特に、中継局によるセルラーネットワーク及び空間分割デュプレックス通信方法に関する。
将来のセルラーネットワークは、データレートが高く、カバー面積が大きいという特徴がある。ＩＴＵ−ＲＭ１６４５文献によると、低速移動又は静止するユーザの場合は、１Ｇｂｐｓのデータレートを必要とし、高速移動するユーザの場合は、１００Ｍｂｐｓのデータレートを必要としている。
通常、送信側のパワーが一定の前提において、各ビットデータのエネルギーとデータレートは反比例となる。すなわち、データレートの増大につれ、受信側の信号対雑音比Ｅｂ／ＮOが線形的に低下するため、受信側において正確に受信できないようになり、カバー面積が低下した。
また、第三世代移動通信システム（Third Generation Wireless Communication，３Ｇ）の動作周波数帯域は２ＧＨｚであるが、次世代ネットワーク（Next Generation Network，ＮＧＮ）に保留した動作周波数帯域は、３ＧＨｚの動作周波数帯域よりはるかに大きい。たとえば、５ＧＨｚである。高い動作周波数帯域は、更に大きいパスロスを招き、しかも、フェージングに更に敏感であるため、カバー面積性能がさらに悪化された。
中継局（Relay Station，ＲＳ）は、上記問題を解決するための効果的な方法の一つである。中継局の基本原理は、容量を低減する代わりにカバー面積を増やすことである。リソース直交性の制限のため、中継局は、同一の周波数帯域、コードチャネルにおいて異なる信号を同時に送受信することができない。すなわち、中継局の受信及び送信は、必ず直交するべきであり、異なる時間、周波数帯域を使用してもよい。さらに、遠近効果（Near-Far Effect）のため、中継局は、異なるコードチャネルにおいて異なる信号を同時に送受信することもできない。
以下、時分割デュプレックスと下りを例として中継局の動作基本原理を説明する。
従来のセルラーネットワークにおいて、端末に割り当てられたタイムスロットリソースは、ずっと、基地局（Base Station，ＢＳ）／端末（User Equipment，ＵＥ）において信号を送受信するのに用いられるが、中継局によるセルラーネットワークにおいては、端末に割り当てられたタイムスロットが二部分に分けられる。第１の部分は、基地局から中継局への伝送に用いられ、第２の部分は、中継局から端末への伝送に用いられる。したがって、送信パワーが一定の場合、同じ時間内に、中継局によるセルラーネットワークのスループットは、従来ネットワークの半分である。これは、中継局において容量を低減する代わりにカバー面積を増やすという意味である。中継局によるセルラーネットワークは、カバー面積を増やすことができ、伝送距離が同じである条件において、パワー消耗を低減させることに等価される。
また、中継局は更に、コストが低く、布設がやすいといった優れた点を有する。基地局を布設する場合、基地局デバイス、電源及びマシンルームなどのほか、光ファイバネットワークの布設も必要である。しかし、光ファイバネットワークの布設は、そのコストが非常に大きい。基地局とは異なり、中継局は、基地局デバイスより簡単のため、基地局自分のコストを低下させるほか、中継局と基地局の間は無線リンクを介して接続するため、光ファイバネットワークの布設が不要となるので、ネットワーク拡張コストを大幅に節約させた。
チャネル多重化は、チャネル利用率を向上させ、容量を改善するための重要なルートの一つである。システムレベルの角度から見ると、異なるマルチホップユーザ間、マルチホップユーザと１ホップユーザ間においてチャネル多重化を行うことができる。リンクレベルの角度から見ると、同一のマルチホップユーザの上りと下りの間においてチャネル多重化を行うことができる。
図１は、従来技術の中継局によるセルラーネットワークにおける第１の通信方法の原理図を示す。図１に示すように、上り（Uplink，ＵＬ）と下り（Downlink，ＤＬ）は、独立なリソースを有することが必要である。２ホップユーザについて、時分割デュプレックスを例とすると、上り及び下りは、全部で四つの独立タイムスロットリソースを必要とし、それぞれ上り（ＵＬ１、ＵＬ２）及び下り（ＤＬ１、ＤＬ２）に用いられる。図２に示すように、この場合、チャネル利用率はただ１リンク／タイムスロットであり、このようなチャネル利用率は非常に低いものである。
チャネル利用率を向上させるために、図３に示すように、改良されたデュプレックス動作方式が提出されている。図３は、従来技術の中継局によるセルラーネットワークにおける第２の通信方法の原理図を示す。具体的なフローは以下のようである。
第１のタイムスロットにおいて、基地局から中継局までの下りＤＬ１を通じて信号Ｘdを伝送する。
第２のタイムスロットにおいて、端末から中継局までの上りＵＬ１を通じて信号Ｘuを伝送し、中継局で、第１及び第２のタイムスロットで伝送した下り信号Ｘd及び上り信号Ｘu
を受信して復号化した後、排他的論理和操作を通して下り信号及び上り信号を一つの信号Ｘcに合併する。
第３のタイムスロットにおいて、中継局は、合併後の信号数Ｘcを、それぞれ上りＵＬ２及び下りＤＬ２を通じて、基地局及び端末へ送信し、基地局及び端末は、信号Ｘcを同時に受信できる。基地局では、信号Ｘcを受信して復号化した後、信号Ｘcと、第１のタイムスロットにおいて基地局から送信された信号Ｘdに対して排他的論理和操作を行うことにより、端末から基地局へ送信した信号Ｘuを得る。端末においても、同様の処理を行い、すなわち、第２のタイムスロットにおいて端末から送信された信号Ｘuと、第３のタイムスロットにおいて端末が受信した信号Ｘcとに対して、排他的論理和操作を行うことにより、基地局からの信号Ｘdを得る。
このようにして、図４に示すように、上記処理を経て、三つのタイムスロットにおいて、四つのリンク（ＤＬ１、ＵＬ１、ＤＬ２、ＵＬ２）を伝送することができ、チャネル利用率は、４リンク／３タイムスロットである。図１に示す従来技術と比べ、チャネル利用率を効果的に向上させ、ネットワーク性能を改善することができる。
しかし、上記第２の通信方法において、空間領域における応用を扱っておらず、しかも、空間領域に応用されるとき、上記手段は、チャネル利用率を向上させる最良方案とは言えない。
本発明の目的は、中継局によるセルラーネットワークを提供することである。本発明のもう一つの目的は、空間分割デュプレックス通信方法を提供することである。
本発明の第１の特徴は、中継局によるセルラーネットワークであって、少なくとも一つのアンテナを有する基地局と、少なくとも二つのアンテナを有する中継局と、端末を備え、基地局は、端末にリソースを割り当て、現在タイムスロットにおいて下り信号を送信し、次のタイムスロットにおいて中継局を介して、端末からの上り信号を受信し、中継局は、現在タイムスロットにおいて基地局からの下り信号と端末からの上り信号とを受信し、次のタイムスロットにおいて、受信した下り信号を端末へ送信し、受信した上り信号を基地局へ送信し、端末は、現在タイムスロットにおいて上り信号を送信し、次のタイムスロットにおいて中継局を介して、下り信号を受信することを要旨とする。
本発明の第１の特徴において、同一タイムスロットにおいて送信される上り信号と下り信号が互いに直交することが好ましい。
本発明の第２の特徴は、空間分割デュプレックス通信方法であって、基地局が、ブロードキャスト信号を送信し、ブロードキャスト信号に対応するフィードバック信号に基づいて、端末にリソースを割り当てるステップａと、基地局及び端末が、現在タイムスロットにおいて、下り信号及び上り信号をそれぞれ中継局へ送信するステップｂと、中継局が、次のタイムスロットにおいて、現在タイムスロットにおいて基地局から受信した下り信号を端末へ送信し、端末から受信した上り信号を基地局へ送信するステップｃとを含むことを要旨とする。
本発明の第２の特徴において、同一タイムスロットにおいて送信される上り信号と下り信号が互いに直交することが好ましい。
本発明の第３の特徴は、中継局によるセルラーネットワークであって、少なくとも一つのアンテナを有する基地局、少なくとも二つのアンテナを有する第１の中継局及び第２の中継局、及び端末を備え、基地局は、端末にリソースを割り当て、現在タイムスロットにおいて下り信号を送信し、次のタイムスロットにおいて、第１の中継局からの上り信号を受信し、第１の中継局は、現在タイムスロットにおいて基地局からの下り信号と第２の中継局からの上り信号とを受信し、次のタイムスロットにおいて、受信した下り信号を第２の中継局へ送信し、受信した上り信号を基地局へ送信し、第２の中継局は、現在タイムスロットにおいて、第１の中継局へ上り信号を送信し、端末へ下り信号を送信し、次のタイムスロットにおいて、第1の中継局からの下り信号と、端末からの上り信号を受信し、端末は、現在タイムスロットにおいて第２の中継局からの下り信号を受信し、次のタイムスロットにおいて上り信号を送信することを要旨とする。
本発明の第３の特徴において、同一タイムスロットにおいて送信される上り信号と下り信号が互いに直交することが好ましい。
本発明の第４の特徴は、空間分割デュプレックス通信方法であって、基地局が、ブロードキャスト信号を送信し、ブロードキャスト信号に対応するフィードバック信号に基づいて、端末にリソースを割り当てるステップＡと、現在タイムスロットにおいて、基地局は、第１の中継局へ下り信号を送信し、同時に、第２の中継局は、第１の中継局へ上り信号を送信し、端末へ下り信号を送信するステップＢと、次のタイムスロットにおいて、第１の中継局は、基地局から受信した下り信号を第２の中継局へ送信し、第２の中継局から受信した上り信号を基地局へ送信し、同時に、端末は、上り信号を第２の中継局へ送信するステップＣとを含むことを要旨とする。
本発明の第４の特徴において、同一タイムスロットにおいて送信される上り信号と下り信号が互いに直交することが好ましい。
本発明の第５の特徴は、中継局によるセルラーネットワークであって、少なくとも一つのアンテナを有する基地局、少なくとも二つのアンテナを有する複数の中継器、及び端末を備え、複数の中継局のうち少なくとも一つの中継局は、現在タイムスロットにおいて、基地局又は他の中継局からの下り信号と、端末又は他の中継局からの上り信号とを受信し、次のタイムスロットにおいて、受信した下り信号を他の中継局又は端末へ送信し、受信した上り信号を他の中継局又は基地局へ送信し、複数の中継局のうち少なくとも一つの中継局は、現在タイムスロットにおいて、下り信号を他の中継局又は端末へ送信し、上り信号を他の中継局又は基地局へ送信し、次のタイムスロットにおいて、基地局又は他の中継局からの下り信号と、端末又は他の中継局からの上り信号とを受信することを要旨とする。
本発明の第５の特徴において、同一タイムスロットにおいて送信される上り信号と下り信号が互いに直交することが好ましい。
従来技術と比べ、本発明は、下記効果を奏する。
１）エリア上位置により形成したリンク間の空間独立性及び中継局のマルチアンテナを利用し、上り信号及び下り信号を同時に送受信することにより、チャネル利用率を効果的に向上させることができる。
２）さらに、中継局は、現在タイムスロットにおいて推定した下り及び／又は上り信号のビーム係数を、次のタイムスロットにおいて、対応する上り及び／又は下り信号を送信するためのビーム係数とすることができ、システム複雑度を低下させることができる。
３）１ホップユーザに対しても、マルチホップユーザに対しても、上り伝送及び下り伝送において二つの独立したタイムスロットのみが必要となり、タイムスロットリソースを割り当てるとき、特別な処理を行う必要がなく、システム設計を簡素化した。
本発明の主要思想は、エリア上位置により形成したリンク間の空間独立性及び中継局のマルチアンテナを利用し、上り及び下りを多重化することにより、チャネル利用率及びネットワーク性能を向上させる中継局によるセルラーネットワーク及び空間分割デュプレックス通信方法を提供することである。
以下、図面を参照しながら、本発明の中継局によるセルラーネットワーク及び空間分割デュプレックス通信方法を説明する。
第１の実施例
図５は、本発明に係る中継局によるセルラーネットワークの第１の実施例の構成を示す図である。該実施例において、端末は２ホップユーザである。図５に示すように、中継局によるセルラーネットワークは、少なくとも一つのアンテナを有する基地局、少なくとも二つのアンテナを有する中継局、及び端末を含む。
基地局は、ブロードキャスト信号と下り信号とを送信し、端末又は中継局からの、ブロードキャスト信号に対応するフィードバック信号と、端末又は中継局からの上り信号とを受信し、フィードバック信号に基づいて、端末にリソースを割り当て、又は端末の上り信号を復元する。
中継局は、基地局からのブロードキャスト信号と下り信号と、端末からの、ブロードキャスト信号に対応するフィードバック信号と、端末からの上り信号とを受信する。中継局は、ブロードキャスト信号を受信すると、ブロードキャスト信号に自分の識別情報（たとえば、中継局の番号など）を付加した後、ブロードキャスト信号を端末へ転送し、対応的に、中継局は、ブロードキャスト信号に対応するフィードバック信号を受信すると、フィードバック信号を基地局へ転送する。また、中継局は、現在タイムスロットにおいて基地局からの下り信号及び／又は端末からの上り信号を受信すると、現在タイムスロットの上り信号及び下り信号のパイロット信号から、上り信号及び下り信号それぞれのビーム係数を取得し、現在タイムスロットの下り信号のビーム係数を利用して、次のタイムスロットにおいて上り信号を基地局へ送信し、それとともに、現在タイムスロットの上り信号のビーム係数を利用して、次のタイムスロットにおいて下り信号を端末へ送信する。
端末は、基地局からのブロードキャスト信号と下り信号とを受信し、基地局から端末へ直接送信されるブロードキャスト信号と下り信号、及び／又は中継局を介して端末に転送されるブロードキャスト信号と下り信号が含まれている。端末は、基地局から直接送信されるブロードキャスト信号及び／又は中継局を介して転送されるブロードキャスト信号を受信すると、たとえばブロードキャスト信号のパスロス、信号対雑音比（ＳＩＮＲ）などに基づいて、自分が１ホップユーザ（基地局により直接カバーされる）であるかマルチホップユーザ（中継局によりカバーされる）であるかを判定し、ブロードキャスト信号に対応するフィードバック信号を通じて、判定結果を直接基地局へフィードバックするか又は中継局を介して基地局へ転送する。
ここで、端末が１ホップユーザである場合、１ホップユーザであることを基地局へ通知し、端末が２ホップユーザである場合、端末がカバーされている中継局の識別情報（たとえば、中継局の番号）を中継局を介して基地局へ転送し、フィードバック情報に、中継局の該当するパスロス値又はＳＩＮＲ値などの情報をさらに付加して基地局へフィードバックしてもよい。
図６は、本発明に係る空間分割デュプレックス通信方法の第１の実施例のフローチャートである。図６に示すように、本発明の空間分割デュプレックス通信方法は以下のステップを含む。
ステップ１１０において、基地局は、ブロードキャスト信号を送信し、ブロードキャスト信号に対応するフィードバック信号に基づいて、端末にリソースを割り当てる。端末が２ホップユーザである場合、基地局により割り当てられたリソースは、二つのタイムスロットである。リソース割り当てが行われた後、端末、中継局及び基地局は、通信を開始する。
ステップ１２０において、第１のタイムスロットにおいて、基地局及び端末は、同時に中継局へ信号を送信し、中継局が二つのアンテナを備えるため、基地局からの下り信号と端末からの上り信号とを同時に受信することができる。基地局からの下り信号と端末からの上り信号とは、互いに直交する。
ステップ１３０において、第２のタイムスロットにおいて、中継局は、第１のタイムスロットにおいて基地局から受信した下り信号を端末へ転送し、同時に、端末からの上り信号を基地局へ転送する。中継局がデータバッファ機能を有するため、第２のタイムスロットにおいて送信する信号は、第１のタイムスロットにおいて受信した信号であってもよいし、中継局がその前に受信した信号であってもよい。
さらに、図７に示すように、上記ステップ１１０において、基地局が端末にリソースを割り当てるとき、具体的に以下のステップを含む。
ステップ１１１において、基地局は、周期的にブロードキャスト信号を送信する。
ステップ１１２において、中継局は、受信したブロードキャスト信号に、たとえば中継局の番号など、自分を唯一に識別できる識別情報を付加して転送する。
ステップ１１３において、ネットワークにアクセスしている端末は、基地局及びすべての中継局のブロードキャスト信号を受信して、そのパスロス又はＳＩＮＲをそれぞれ測定し、パスロス値又はＳＩＮＲ値によって、自分が基地局によりカバーされる１ホップユーザであるかある中継局によりカバーされる２ホップユーザであるかを判定し、判定結果を、ブロードキャスト信号に対応するフィードバック信号を通じて直接基地局へフィードバックするか又は中継局を介して基地局へフィードバックする。
端末が２ホップユーザである場合、端末は、フィードバック信号により、自分をカバーする中継局の識別情報を基地局へフィードバックする。さらに、フィードバック信号に、端末がカバーされる中継局に対応する最小のパスロス値又は最大のＳＩＮＲ値を含んでもよい。
ステップ１１４において、基地局は、端末にリソースを割り当て、割り当て結果を端末と、対応する中継局とに送信する。
ここで、端末が１ホップユーザである場合も、マルチホップユーザである場合も、基地局により端末に割り当てたタイムスロットリソースは、二つのタイムスロットである。
上記ステップ１１４において、基地局は、端末にリソースを割り当てる前に、端末のカバーされる中継局に、受信した下り信号と上り信号との干渉が予め定められた閾値より小さいか否かを測定し、その判定結果を基地局へフィードバックするように通知する。
干渉が所定閾値より小さいと判定された場合は、本発明の空間分割デュプレックス通信方法を用いて通信を行い、このとき、基地局は、二つのタイムスロットを端末に割り当てる。干渉が所定閾値より大きいと判定された場合は、従来の通信方法で通信を行う。たとえば、従来の第１の通信方法において、基地局が四つのタイムスロットを端末に割り当てる方法とか、従来の第２の通信方法において、基地局が、三つのタイムスロットを端末に割り当る方法を用いて通信を行う。
また、ステップ１２０において、中継局は、第１のタイムスロットにおいて上記信号を受信した後、さらに、基地局から受信した下り信号のパイロット信号及び端末から受信した上り信号のパイロット信号に基づいて、現在タイムスロットにおける基地局からの下り信号のビーム係数及び端末からの上り信号のビーム係数をそれぞれ推定してもよい。
この上、ステップ１３０において、中継局は更に、第１のタイムスロットにおいて推定した、基地局からの下り信号のビーム係数及び端末からの上り信号のビーム係数を利用し、推定した下り信号のビーム係数を上り信号の送信アンテナ係数とし、推定した上り信号のビーム係数を下り信号の送信アンテナ係数とし、基地局から受信した下り信号と、端末から受信した上り信号とを対応付けて同時に端末及び基地局へ送信してもよい。
上記から分かるように、本発明の上記方法において、チャネル利用率は２リンク／タイムスロットであって、従来技術の通信方法に比べ、本発明の空間分割デュプレックス通信方法は、上り信号と下り信号との空間直交性を充分に利用したため、中継局は、同一タイムスロットにおいて、基地局からの下り信号と、端末からの上り信号とを同時に受信でき、且つ、同一タイムスロットにおいて、下り信号と上り信号とを同時に送信でき、それによりチャネル利用率を効果的向上させ、ネットワーク性能を向上させることができる。
本発明による効果をさらに表すために、以下、同様の条件の下、従来技術と本発明により提供される方法とを比較する。そのうち、従来技術の方法と本発明の方法とが、ともに空間分割デュプレックス通信に適用されると仮定する。
第１の比較例
第１の比較例において、基地局は一つのアンテナを備え、中継局は二つのアンテナを備えると仮定する。このとき、図８に示すように、従来技術により提供される方法によれば、基地局は、第１と第２のタイムスロットにおいて、一つの端末の信号しか中継局へ送信できない。これは、従来のマルチアンテナシステムにおいて、上り信号と下り信号との直交性が考慮されなかった場合、同時に伝送できるリンクの数は、送信アンテナの数と受信アンテナ数のうちの最小値を取る制限を受けるからである。したがって、中継局が二つのアンテナを備えたとしても、二つの通信リンクを同時に伝送できない。
第３のタイムスロットにおいて、中継局は、同時に二つの異なる端末に下り信号を送信し、このときの通信システムは２×２送受信のマルチアンテナシステムに等価する。この場合、従来技術により提供されたチャネル利用率は、４リンク／３タイムスロットである。
それに対して、本発明において提供される通信方法は、図６の記載によりわかるように、第１のタイムスロットにおいて、基地局及び端末は、同一時間及び周波数リソース内に、それぞれ中継局へ下り信号及び上り信号を送信し、パイロット信号によって、基地局及び端末から中継局までのビーム係数を測定し、第２のタイムスロットにおいて、第１のタイムスロットで測定したビーム係数を送信アンテナ係数とし、中継局は、受信した上り信号及び下り信号を同時に基地局及び端末へ送信し、中継局がデータバッファ機能を有するため、第２のタイムスロットにおいて送信する信号は、第１のタイムスロットに受信した信号であってもよいし、中継局がその前に受信した信号であってもよい。
このとき、取得できるチャネル利用率は、２リンク／タイムスロットである。
第２の比較例
第２の比較例において、基地局も中継局も、二つのアンテナを備えるため、通信システムは、二つの通信リンクを同時に伝送することができる。たとえば、同時に二つの下り又は二つの上りを伝送する。図９に示すように、従来技術により提供された方法によると、第１のタイムスロットにおいて、基地局は、中継局へ同時に二つの下り信号を送信し、中継局は、それぞれこの二つの下り信号を受信する。第２のタイムスロットにおいて、中継局は、同時にこの二つの下り信号を二つの対応するユーザに送信する。上り及び下りの対称性により、ここでは、下りを例として説明する。この場合、従来技術により提供されたチャネル利用率は、２リンク／タイムスロットである。
また、図９に示す基地局は、二つの中継局と同時に通信でき、すなわち、第１のタイムスロットにおいて、基地局は、同時に二つの中継局へ下り信号を送信し、第２のタイムスロットにおいて、二つの中継局は、それぞれ対応するユーザに対して、対応する下り信号を送信する。
図１０から分かるように、本発明により提供される通信方法によると、基地局が複数のアンテナを備えるとき、基地局は、異なる中継局と連携に通信することができる。すなわち、上り信号と下り信号との直交性が考慮された場合、中継局は、同時に、基地局からの下り信号と、端末からの上り信号を受信することができ、且つ、同一タイムスロットにおいて、同時に下り信号と上り信号とを送信することができるため、二つのアンテナを備える基地局は、同時に二つのアンテナを備える二つの中継局と通信して効率を向上させることができる。
図１０において、基地局も中継局も二つのアンテナを備え、第１のタイムスロットにおいて、基地局は、同時に中継局１と中継局２へ異なる下り信号を送信し、それとともに、端末１は、中継局１へ上り信号を送信し、端末２は、中継局２へ上り信号を送信する。中継局が二つのアンテナを備えるため、基地局及び端末からの信号を正確に受信することができる。さらに、中継局１と中継局２は、それぞれ基地局及び端末からのビーム係数を測定する。
第２のタイムスロットにおいて、中継局は、基地局及び端末からの情報を同時に転送する。中継局１は、基地局及び端末１へ信号を送信し、中継局２は、基地局及び端末２へ信号を送信する。
このとき、チャネル利用率は、４リンク／タイムスロットである。
上記比較からみると、従来技術と比べ、本発明の第１の実施例のシステム及び方法は、チャネル利用率を効果的に向上させ、システム性能を効果的に改善することができる。
上記記載及び比較において、端末が１ホップユーザ又は２ホップユーザである場合だけを示したが、以下、本発明の第２の実施例により、さらに、端末が３ホップユーザ及び３ホップ以上のユーザである場合を説明する。
第２の実施例
図１１は、本発明に係る中継局によるセルラーネットワークの第２の実施例の構成を示す図である。該実施例において、端末は３ホップユーザである。図１１に示すように、中継局によるセルラーネットワークは、少なくとも一つのアンテナを有する基地局、少なくとも二つのアンテナを有する第１の中継局（ＲＳ１）と第２の中継局（ＲＳ２）、及び端末を含む。
基地局は、ブロードキャスト信号と下り信号とを第１の中継局へ送信し、第１の中継局から、ブロードキャスト信号に対応するフィードバック信号、又は上り信号を受信し、フィードバック信号に基づいて、端末にリソースを割り当て、又は上り信号を復元する。
第１の中継局は、基地局からのブロードキャスト信号と下り信号とを受信し、第２の中継局からブロードキャスト信号に対応するフィードバック信号及び上り信号を受信する。第１の中継局は、ブロードキャスト信号を受信すると、ブロードキャスト信号に自分の識別情報（たとえば、中継局の番号など）を付加して第２の中継局へ転送し、対応的に、第１の中継局は、ブロードキャスト信号に対応するフィードバック信号を第２の中継局から受信すると、フィードバック信号を基地局へ転送する。また、第１の中継局は、現在タイムスロットにおいて基地局からの下り信号又は第２の中継局から転送された上り信号を受信すると、次のタイムスロットにおいて、基地局からの下り信号、及び／又は第２の中継局から転送された上り信号を、第２の中継局及び／又は基地局へ送信する。
第２の中継局は、第１の中継局からのブロードキャスト信号と下り信号、端末からの、ブロードキャスト信号に対応するフィードバック信号及び端末からの上り信号を受信する。第２の中継局は、第１の中継局からのブロードキャスト信号を受信すると、ブロードキャスト信号に自分の識別情報（たとえば、中継局の番号など）を付加して端末へ転送し、対応的に、第２の中継局は、ブロードキャスト信号に対応するフィードバック信号を受信すると、フィードバック信号を第１の中継局へ転送する。また、第２の中継局は、現在タイムスロットにおいて第１の中継局からの下り信号及び／又は端末からの上り信号を受信すると、次のタイムスロットにおいて、端末からの上り信号、及び／又は第１の中継局からの下り信号を、対応的に第１の中継局及び／又は端末へ送信する。
端末は、第２の中継局からのブロードキャスト信号と下り信号とを受信し、ブロードキャスト信号に対応するフィードバック信号及び上り信号を第２の中継局へ送信する。端末は、第２の中継局から転送されたブロードキャスト信号を受信すると、たとえばブロードキャスト信号のパスロス、ＳＩＮＲなどに基づいて、自分が何ホップユーザであるかを判定する。該実施例において、端末は、自分が第２の中継局によりカバーされ、３ホップユーザであると判定する。このとき、端末は、自分がカバーされる第２の中継局の識別情報をフィードバック信号を通じて第２の中継局へフィードバックし、さらに、フィードバック情報に、中継局の対応するパスロス値又はＳＩＮＲ値などの情報を付加して第２の中継局へフィードバックしてもよい。
図１２は、本発明に係る空間分割デュプレックス通信方法の第２の実施例のフローチャートである。図１２に示すように、本発明に係る空間分割デュプレックス通信方法は以下のステップを含む。
ステップ２１０において、基地局は、ブロードキャスト信号を送信し、ブロードキャスト信号に対応するフィードバック信号に基づいて、端末にリソースを割り当てる。端末が３ホップユーザである場合、基地局により割り当てられたリソースは、二つのタイムスロットである。リソース割り当てが行われた後、端末、中継局及び基地局は、通信を開始する。
ステップ２２０において、第１のタイムスロットにおいて、基地局は、第１の中継局へ下り信号を送信し、それとともに、第２の中継局は、第１の中継局へ上り信号を送信し、端末へ下り信号を送信する。
ステップ２３０において、第２のタイムスロットにおいて、第１の中継局は、基地局から受信した下り信号を第２の中継局へ転送し、第２の中継局から受信した上り信号を基地局へ転送する。同時に、端末は、上り信号を第２の中継局へ送信する。
上記において、基地局が一つのアンテナしか備えない場合について説明したが、基地局が二つ以上のアンテナを備える場合でも、大体同じであり、ただ、第２の中継局のアンテナ数が基地局アンテナ数以上であることが必要となる。たとえば、基地局のアンテナ数が２であるとき、中継局は、少なくとも二つのアンテナを必要とする。基地局は、第１のタイムスロットにおいて、同時にアンテナ数と同じ数の下り信号を同一中継局へ送信することができ、該中継局の一つのアンテナは対応する一つの下り信号を受信する。もちろん、基地局は、各アンテナから送信された下り信号を一つの中継局に対応付けてもよい。すなわち、基地局のアンテナ数が２であるとき、一つのアンテナから送信された下り信号は一つの対応する中継局により受信され、全部で二つの独立した中継局が基地局の異なるアンテナから送信された下り信号をそれぞれ受信する。
さらに、図１３に示すように、上記ステップ２１０において、基地局が端末にリソースを割り当てるとき、具体的に以下のステップを含む。
ステップ２１１において、基地局は、周期的にブロードキャスト信号を送信する。
ステップ２１２において、第１の中継局は、受信したブロードキャスト信号に、たとえば第１の中継局の番号など、自分を唯一に識別できる識別情報を付加して、基地局のブロードキャスト信号を転送する。
ステップ２１３において、第２の中継局は、第１の中継局から受信したブロードキャスト信号に、たとえば第２の中継局の番号など、自分を唯一に識別できる識別情報を付加して、基地局のブロードキャスト信号を転送する。
ステップ２１４において、ネットワークにアクセスしている端末は、ブロードキャスト信号を受信して、そのパスロス又はＳＩＮＲをそれぞれ測定し、パスロス値又はＳＩＮＲ値によって、自分が何ホップユーザであるかを判定し、判定結果を、ブロードキャスト信号に対応するフィードバック信号を通じて第２の中継局へフィードバックする。本発明の第２の実施例において、端末は３ホップユーザである。フィードバック信号には、端末をカバーする中継局の識別情報を含み、さらに、端末がカバーされる中継局の対応する最小のパスロス値又は最大のＳＩＮＲ値を含んでもよい。
ステップ２１５において、第２の中継局は、端末から受信したフィードバック信号を第１の中継局へ転送する。
ステップ２１６において、第１の中継局は、第２の中継局から転送されたフィードバック信号を基地局へフィードバックする。
ステップ２１７において、基地局は、端末にリソースを割り当て、割り当て結果を端末及び対応する中継局へ送信する。ここで、端末が３ホップユーザであるため、基地局により端末に割り当てたタイムスロットリソースは、二つのタイムスロットである。
上記ステップ２１７において、基地局は、端末にリソースを割り当てる前に、端末がカバーされる中継局に対して、受信した下り信号と上り信号との干渉が所定の閾値より小さいか否かを測定し、その判定結果を基地局へフィードバックするよう通知する。
干渉が所定閾値より小さいと判定された場合は、本発明の空間分割デュプレックス通信方法を用いて通信を行い、このとき、基地局は、端末に二つのタイムスロットを割り当てる。干渉が所定閾値より大きいと判定された場合は、従来の通信方法で通信を行う。
また、ステップ２２０において、第１の中継局は、第１のタイムスロットにおいて上記信号を受信した後、さらに、基地局から受信した下り信号のパイロット信号及び第２の中継局から受信した上り信号のパイロット信号に基づいて、現在タイムスロットにおいて受信した基地局からの下り信号のビーム係数及び第２の中継局からの上り信号のビーム係数をそれぞれ推定してもよい。
この上、ステップ２３０において、第１の中継局は更に、第１のタイムスロットにおいて推定した、基地局からの下り信号のビーム係数及び第２の中継局からの上り信号のビーム係数を利用し、推定した下り信号のビーム係数を現在タイムスロットの上り信号の送信アンテナ係数とし、推定した上り信号のビーム係数を現在タイムスロットの下り信号の送信アンテナ係数とし、同時に、第１のタイムスロットにおいて基地局から受信した下り信号と、第２の中継局から受信した上り信号とを対応的に第２の中継局及び基地局へ送信してもよい。
上記から分かるように、本発明の上記方法において、チャネル利用率は３リンク／タイムスロットであり、従来技術の通信方法と比べ、本発明の空間分割デュプレックス通信方法は、上り信号と下り信号との空間直交性を充分に利用したため、中継局は、同一タイムスロットにおいて、同時に下り信号と上り信号とを受信することができ、且つ、同一タイムスロットにおいて、同時に下り信号と上り信号とを送信することができ、チャネル利用率を効果的向上させ、ネットワーク性能を向上させる。
本発明による効果をさらに表すために、以下、同じ条件における従来技術と本発明により提供される方法とを比較する。そのうち、従来技術の方法と本発明の方法とは、ともに空間分割デュプレックス通信に適用されると仮定する。
第１の比較例
第１の比較例において、基地局は一つのアンテナを備え、中継局は少なくとも二つのアンテナを備えると仮定する。このとき、図１４に示すように、従来技術により提供された方法において、基地局は、第１のタイムスロットにおいて、第１の中継局へ下り信号を送信し、同時に、第２の中継局は、端末に下り信号を送信する。第２のタイムスロットにおいて、第１の中継局は、基地局から受信した下り信号を第２の中継局へ転送する。第三のタイムスロットにおいて、第１の中継局は、上り信号を基地局へ転送し、同時に、端末は、上り信号を第２の中継局へ送信する。第４のタイムスロットにおいて、第２の中継局は、端末から受信した上り信号を第１の中継局へ転送する。上記方法により、取得できるチャネル利用率は、６リンク／４タイムスロットである。
しかしながら、図１２の記載から分かるように、この場合において、本発明における通信方法によると、取得できるチャネル利用率は、６リンク／２タイムスロットであり、同じ条件において、従来技術の方法により取得したチャネル利用率より明らかに高い。
第２の比較例
第２の比較例において、基地局は二つのアンテナを備え、各中継局は、少なくとも二つのアンテナを備えるため、通信システムは、二つの通信リンクを同時に伝送することができる。たとえば、同時に二つの下り又は二つの上りを伝送する。図１５に示すように、従来技術により提供された方法において、第１のタイムスロットにおいて、基地局は、第１の中継局（ＲＳ１）と第３の中継局（ＲＳ３）とにそれぞれ下り信号を送信し、第１の中継局及び第３の中継局は、それぞれ基地局からの二つの下り信号を受信し、同時に、第２の中継局（ＲＳ２）は、第１の端末（ＵＥ１）へ下り信号を送信し、第４の中継局（ＲＳ４）は、第２の端末（ＵＥ２）へ下り信号を送信する。第２のタイムスロットにおいて、第１の中継局は、基地局から受信した下り信号を第２の中継局へ送信し、同時に、第３の中継局は、基地局から受信した下り信号を第４の中継局へ送信する。第３のタイムスロットにおいて、第２の中継局は、第１の中継局から受信した下り信号を第１の端末へ送信し、第４の中継局は、第３の中継局から受信した下り信号を第２の端末へ送信し、同時に、第１の中継局は、上り信号を端末へ送信し、第３の中継局は、上り信号を基地局へ送信する。第４のタイムスロットにおいて、第２の中継局は、第１の端末から受信した上り信号を第１の中継局へ送信し、第３の中継局は、第２の端末から受信した上り信号を第３の中継局へ送信する。この場合、従来技術により提供されたチャネル利用率は、１２リンク／３タイムスロットである。
図１６から分かるように、本発明により提供される通信方法において、基地局が複数のアンテナを備えるとき、基地局は、異なる中継局と連携に通信することができる。すなわち、上り信号と下り信号との直交性が考慮された場合、中継局は、基地局からの下り信号と、端末からの上り信号を同時に受信することができ、且つ、同一タイムスロットにおいて、同時に下り信号と上り信号とを送信することができる。したがって、二つのアンテナを備える基地局は、同時に二つのアンテナを備える二つの中継局と通信することができ、効率を向上させる。
図１６において、基地局は二つのアンテナを備え、中継局は、少なくとも二つのアンテナを備える。第１のタイムスロットにおいて、基地局は、第１の中継局（ＲＳ１）と第３の中継局（ＲＳ３）へ異なる下り信号を送信し、同時に、第２の中継局（ＲＳ２）は、第１の中継局へ上り信号を送信し、第１の端末（ＵＥ１）へ下り信号を送信し、第４の中継局（ＲＳ４）は、第３の中継局へ上り信号を送信し、第２の端末（ＵＥ２）へ下り信号を送信する。第２のタイムスロットにおいて、第１の中継局は、基地局から受信した下り信号を第２の中継局へ送信し、第２の中継局から受信した上り信号を基地局へ送信し、第３の中継局は、基地局から受信した下り信号を第４の中継局へ送信し、第４の中継局から受信した上り信号を基地局へ送信し、同時に、第１の端末は、第２の中継局へ上り信号を送信し、第２の端末は、第４の中継局へ上り信号を送信する。このとき、チャネル利用率は、１２リンク／２タイムスロットである。
上記比較からみると、従来技術と比べ、本発明の第１の実施例のシステム及び方法は、チャネル利用率を効果的に向上させ、システム性能を効果的に改善することができる。
上記記載から分かるように、本発明は、中継局が同時に上り信号及び下り信号を送信することに限らない。そのポイントは、エリア上位置により形成したリンク間の空間独立性及び中継局のマルチアンテナを利用して、上り信号及び下り信号を送信し、さらに、中継局は、現在タイムスロットにおいて推定した、下り及び／又は上り信号のビーム係数を、次のタイムスロット又は後のタイムスロットにおいて、対応する上り及び／又は下り信号を送信するためのビーム係数とすることができる。したがって、当該分野の技術者にとっては、従来技術を基に、上記発明の説明に基づいて、本発明を端末が３ホップ以上のユーザの状況に広げることが簡単にできる。
全体的にいうと、端末がマルチホップユーザである場合、従来技術と比べ、本発明は、チャネル利用率を向上させ、ネットワーク性能を向上させることができる。さらに、本発明において、端末が１ホップユーザ、２ホップユーザ及び３ホップユーザである場合、基地局は、端末に二つのタイムスロットを割り当てる。中継局によるセルラーネットワークの端末は、一般的に１ホップユーザ、２ホップユーザ又は３ホップユーザであるので、異なる状況に対して特別な処理を行う必要がなく、システム設計上の複雑度を簡素化することができる。
上記は、本発明を実現するための好ましい実施形態に過ぎない。しかし、本発明の保護範囲は、上記に限られない。当業者にとっては、本発明の保護範囲を逸脱することなく修正及び変更形態として実施することができる。したがって、本発明の保護範囲は、請求項の保護範囲に準拠する。
従来技術の中継局によるセルラーネットワークにおける第１の通信方法の原理図を示す。 図１に示す通信方法におけるタイムスロット割り当てを示す。 従来技術の中継局によるセルラーネットワークにおける第２の通信方法の原理図を示す。 図３に示す通信方法におけるタイムスロット割り当てを示す。 本発明に係る中継局によるセルラーネットワークの第１の実施例の構成を示す図である。 本発明に係る空間分割デュプレックス通信方法の第１の実施例のフローチャートである。 本発明に係る第１の実施例において基地局がリソース割り当てを行うフローチャートである。 本発明に係る第１の実施例の第１の比較例における従来通信方法のフローチャートである。 本発明に係る第１の実施例の第２の比較例における従来通信方法のフローチャートである。 本発明に係る第１の実施例の第２の比較例における本発明の空間分割デュプレックス通信方法のフローチャートである。 本発明に係る中継局によるセルラーネットワークの第２の実施例の構成を示す図である。 本発明に係る空間分割デュプレックス通信方法の第２の実施例のフローチャートである。 本発明に係る第２の実施例において基地局がリソース割り当てを行うフローチャートである。 本発明に係る第２の実施例の第１の比較例における従来通信方法のフローチャートである。 本発明に係る第２の実施例の第２の比較例における従来通信方法のフローチャートである。 本発明に係る第２の実施例の第２の比較例における本発明の空間分割デュプレックス通信方法のフローチャートである。

Claims (16)

  1. 中継局によるセルラーネットワークにおいて、少なくとも一つのアンテナを有する基地局、少なくとも二つのアンテナを有する中継器、及び端末を含み、
    基地局は、端末にリソースを割り当て、現在タイムスロットにおいて下り信号を送信し、次のタイムスロットにおいて中継局を介して、端末からの上り信号を受信し、
    中継局は、現在タイムスロットにおいて基地局からの下り信号と端末からの上り信号とを受信し、次のタイムスロットにおいて、受信した下り信号を端末へ送信し、受信した上り信号を基地局へ送信し、
    端末は、現在タイムスロットにおいて上り信号を送信し、次のタイムスロットにおいて中継局を介して、下り信号を受信し、
    中継局は、現在タイムスロットにおいて基地局からの下り信号と端末からの上り信号とを受信した後、下り信号及び上り信号のそれぞれのパイロット信号に基づいて対応するビーム係数を取得し、次のタイムスロットにおいて、現在タイムスロットにおいて取得した下り信号のビーム係数を利用して、受信した上り信号を基地局へ送信し、現在タイムスロットにおいて取得した上り信号のビーム係数を利用して、受信した下り信号を端末へ送信することを特徴とするセルラーネットワーク。
  2. 同一タイムスロットにおいて送信される上り信号と下り信号は、互いに直交することを特徴とする請求項１に記載のセルラーネットワーク。
  3. 空間分割デュプレックス通信方法において、
    基地局が、ブロードキャスト信号を送信し、端末からのフィードバック信号に基づいて、端末にリソースを割り当てるステップａと、
    基地局及び端末が、現在タイムスロットにおいて、下り信号及び上り信号をそれぞれ中継局へ送信するステップｂと、
    中継局が、次のタイムスロットにおいて、現在タイムスロットにおいて基地局から受信した下り信号を端末へ送信し、端末から受信した上り信号を基地局へ送信するステップｃと
    を含み、
    ステップｂにおいて、中継局は更に、現在タイムスロットにおいて受信した下り信号及び上り信号のパイロット信号に基づいて、各自のビーム係数をそれぞれ推定し、
    ステップｃにおいて、中継局は、次のタイムスロットにおいて更に、現在タイムスロットの下り信号のビーム係数を利用して、端末から受信した上り信号を基地局へ送信し、現在タイムスロットの上り信号のビーム係数を利用して、基地局から受信した下り信号を端末へ送信することを特徴とする空間分割デュプレックス通信方法。
  4. 同一タイムスロットにおいて送信される上り信号と下り信号は、互いに直交することを特徴とする請求項３に記載の空間分割デュプレックス通信方法。
  5. ステップａにおいて、
    基地局が、周期的にブロードキャスト信号を送信するステップａ１と、
    中継局が、基地局からのブロードキャスト信号を転送し、ブロードキャスト信号に識別情報を付加するステップａ２と、
    端末が、フィードバック信号により、端末をカバーする中継局の識別情報を基地局へフィードバックするステップａ３と、
    基地局が、端末にリソースを割り当て、割り当て結果を端末及び対応する中継局へ送信するステップａ４と
    を含むことを特徴とする請求項３に記載の空間分割デュプレックス通信方法。
  6. 前記識別情報は、中継局の番号を含むことを特徴とする請求項５に記載の空間分割デュプレックス通信方法。
  7. 前記フィードバック信号は、端末がカバーされる中継局の対応するパスロス値、又はＳＩＮＲ値を更に含むことを特徴とする請求項６に記載の空間分割デュプレックス通信方法。
  8. 基地局、第１の中継局、第２の中継局、及び端末を含む中継局によるセルラーネットワークであって、基地局は、少なくとも一つのアンテナを有し、中継局は、少なくとも二つのアンテナを有し、
    基地局は、端末にリソースを割り当て、現在タイムスロットにおいて下り信号を送信し、次のタイムスロットにおいて第１の中継局からの上り信号を受信し、
    第１の中継局は、現在タイムスロットにおいて基地局からの下り信号と第２の中継局からの上り信号とを受信し、次のタイムスロットにおいて、受信した下り信号を第２の中継局へ送信し、受信した上り信号を基地局へ送信し、
    第２の中継局は、現在タイムスロットにおいて、第１の中継局へ上り信号を送信し、端末へ下り信号を送信し、次のタイムスロットにおいて、第1中継局からの下り信号と、端末からの上り信号とを受信し、
    端末は、現在タイムスロットにおいて第２の中継局からの下り信号を受信し、次のタイムスロットにおいて上り信号を送信し、
    中継局は、現在タイムスロットにおいて下り信号と上り信号とを受信した後、下り信号及び上り信号のそれぞれのパイロット信号に基づいて対応するビーム係数を取得し、次のタイムスロットにおいて、現在タイムスロットにおいて取得した下り信号のビーム係数を利用して上り信号を送信し、現在タイムスロットにおいて取得した上り信号のビーム係数を利用して下り信号を送信することを特徴とするセルラーネットワーク。
  9. 同一タイムスロットにおいて送信される上り信号と下り信号は、互いに直交することを特徴とする請求項８に記載のセルラーネットワーク。
  10. 空間分割デュプレックス通信方法において、
    基地局が、ブロードキャスト信号を送信し、ブロードキャスト信号に対応するフィードバック信号に基づいて、端末にリソースを割り当てるステップＡと、
    現在タイムスロットにおいて、基地局は、第１の中継局へ下り信号を送信し、同時に、第２の中継局は、第１の中継局へ上り信号を送信し、端末へ下り信号を送信するステップＢと、
    次のタイムスロットにおいて、第１の中継局は、基地局から受信した下り信号を第２の中継局へ送信し、第２の中継局から受信した上り信号を基地局へ送信し、同時に、端末は、第２の中継局へ上り信号を送信するステップＣと
    を含み、
    ステップＢにおいて、第１の中継局は更に、現在タイムスロットにおいて受信した下り信号及び上り信号のパイロット信号に基づいて、各自のビーム係数をそれぞれ推定し、
    ステップＣにおいて、第１の中継局は、次のタイムスロットにおいて更に、現在タイムスロットの下り信号のビーム係数を利用して、第２の中継局から受信した上り信号を基地局へ送信し、現在タイムスロットの上り信号のビーム係数を利用して、基地局から受信した下り信号を第２の中継局へ送信することを特徴とする空間分割デュプレックス通信方法。
  11. 同一タイムスロットにおいて送信される上り信号と下り信号は、互いに直交することを特徴とする請求項１０に記載の空間分割デュプレックス通信方法。
  12. ステップＡにおいて、
    基地局が、周期的にブロードキャスト信号を送信するステップＡ１と、
    中継局が、基地局からのブロードキャスト信号を転送し、ブロードキャスト信号に識別情報を付加するステップＡ２と、
    端末が、フィードバック信号により、端末をカバーする中継局の識別情報を基地局へフィードバックするステップＡ３と、
    基地局が、端末にリソースを割り当て、割り当て結果を端末及び対応する中継局へ送信するステップＡ４と
    を含むことを特徴とする請求項１０に記載の空間分割デュプレックス通信方法。
  13. 前記識別情報は、中継局の番号を含むことを特徴とする請求項１２に記載の空間分割デュプレックス通信方法。
  14. 前記フィードバック信号は、端末がカバーされる中継局の対応するパスロス値、又はＳＩＮＲ値を更に含むことを特徴とする請求項１３に記載の空間分割デュプレックス通信方法。
  15. 基地局、複数の中継局及び端末を含む中継局によるセルラーネットワークであって、基地局は、少なくとも一つのアンテナを有し、中継局は、少なくとも二つのアンテナを有し、
    複数の中継局のうち少なくとも一つの中継局は、現在タイムスロットにおいて、基地局又は他の中継局からの下り信号と、端末又は他の中継局からの上り信号とを受信し、次のタイムスロットにおいて、受信した下り信号を他の中継局又は端末へ送信し、上り信号を他の中継局又は基地局へ送信し、
    複数の中継局のうち少なくとも一つの中継局は、現在タイムスロットにおいて、下り信号を他の中継局又は端末へ送信し、上り信号を他の中継局又は基地局へ送信し、次のタイムスロットにおいて、基地局又は他の中継局からの下り信号と、端末又は他の中継局からの上り信号とを受信し、
    中継局は、現在タイムスロットにおいて下り信号と上り信号とを受信した後、下り信号及び上り信号のそれぞれのパイロット信号に基づいて対応するビーム係数を取得し、次のタイムスロットにおいて、現在タイムスロットにおいて取得した下り信号のビーム係数を利用して上り信号を送信し、現在タイムスロットにおいて取得した上り信号のビーム係数を利用して下り信号を送信することを特徴とするセルラーネットワーク。
  16. 同一タイムスロットにおいて送信される上り信号と下り信号は、互いに直交することを特徴とする請求項１５に記載のセルラーネットワーク。
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