JP5022653B2 - 交互周波数時分割のデュプレックス通信方法 - Google Patents

Description

本発明は、デュプレックス通信方法に関し、特に、上下非対称な高速閉ループMIMO無線システムに適した交互周波数時分割デュプレックス通信方法（AFTDD）を提供する。

近年、MIMO（Multiple-Input Multiple-Output）技術を適用する事でチャネル容量をアンテナの数に応じて線形に増大させる伝送方式が有望視されている。これによって帯域幅及びアンテナ送信電力を増加させる事無く無線チャネル容量を数倍に高め、その結果周波数スペクトル利用率も数倍に高めることができる。一方，MIMO技術によってチャネルの信頼性を高め、誤り率を低下させることもできる。前者は空間多重ゲインを利用する方法であり、後者は空間ダイバーシティゲインを利用する方法である。

このため、MIMOは将来の高速無線通信システムに適用することが最も期待される技術の一つである。これらMIMO技術のうち、例えばビームフォーミング、プリコーディング，即ちチャネルステータス情報が送信側に知らされている状況下において，送信側で予め最適なコーディングを行う技術といったリンク適応技術は、システム伝送性能を顕著に引き上げるとともに、受信機側の複雑度を低減させる事ができる。しかしながら、これらの技術の実現は、前述のように送信機側で予めチャネルステータス情報を知っていることを必要とする。

現在のセルラー通信に使用されているデュプレックス方式の周波数分割デュプレックス(FDD)と時分割デュプレックス(TDD)について、図1に示す。ここで周波数分割デュプレックスは、2つの周波数帯を用いてそれぞれ信号を送信・受信し、送信と受信周波数帯の間において、一定のガードバンドが存在する。時分割デュプレックスの送信と受信は、同一周波数チャネルの異なるタイムスロットにおいて交互に行われ、一定のガードタイムにより分離されている。時分割デュプレックスでは周波数帯を２つ割当てる必要がなく、システム内に無線チャネル制御装置(RC)等を設けて送信と受信のタイムスロットの長さを柔軟に制御し変化させることができ、上下対称でないデータ伝送を行う時に、限られた周波数リソースを充分に利用することができる。

一方，周波数分割デュプレックス方式を採用する移動システムは、時分割デュプレックス方式を採用する移動システムと比べて、以下のメリットとデメリットがある。

1.周波数分割デュプレックスは、ペアになっている送受信キャリア周波数を使用する必要がある。トラヒックが上下対称な場合には、上りと下りの周波数スベクトルを充分に利用することができるが、非対称なデータ通信等を行う場合には、周波数利用率が大幅に低下し、例えば一般的なデータ通信の例では利用率は上下対称なトラヒックの場合と比べて約60％になる。一方、時分割デュプレックスは、ペアになっている周波数を必要としない。通信ネットワークは、実際の状況に基づいてチャネルの上りと下りの切り替えポイントを柔軟に変化させ、システムの非対称業務を行うときの周波数スペクトル利用率を有効に向上させることができる。

2.時間分割デュプレックスを採用するシステムでは、上りと下りが同一の周波数で行われる事から伝搬路が対称となり，チャネルステータス情報が送信側と受信側で共有できる。このためスマートアンテナ技術を使用する場合に受信側からのフィードバック情報を減らす事が可能となり、この技術を用いた適応ビームフォーミングによって、マルチパス干渉を減少させ、通信の信頼性を向上させる事が容易となる。一方送受信で異なる周波数チャネルを用いる周波数分割デュプレックスシステムでは伝搬路は対称とならず、上記技術を採用するには受信側からのフィードバック情報を常に必要とするため，特にパケット通信などでは実現が難しい。

3.以上述べたように，周波数分割デュプレックスに比べて時分割デュプレックスの方が送信側においてチャネルステータス情報を容易に得ることができる。また時分割デュプレックスではタイムスロットを柔軟に割当てる事ができるため、基地局-端末間のセルラー通信と端末-端末間のアドホック通信をシステム内で共存させる事を容易にする。しかし一方で時分割デュプレックスでは、周波数分割デュプレックスと同じ平均伝送速度を実現するためにはバースト伝送速度が周波数分割デュプレックスより高くなる（通常は2倍）というデメリットがある。

参照文献（E.Costa et.al., “ Duplex arrangements for future broadband radio interfaces”, WINNER-public deliverables, D2.5, 2004）において各種通信デュプレックス方法が開示されているが、これらの問題を解決する方法は全く示されていない。

このため、上記時分割デュプレックス及び周波数分割デュプレックスの特徴に基づいて、時分割デュプレックスと周波数分割デュプレックスのメリットをうまく組み合わせ、適応MIMO伝送に適した通信方法を設計する必要がある。

本発明の目的は、適応MIMOシステムの交互周波数時分割のデュプレックス通信方法を提供することである。

本発明の目的によって、第1キャリア周波数及び第2キャリア周波数、同一のタイムスロットで、同時に上り伝送と下り伝送を行う通信方法であって、第１キャリア周波数について、初期タイミングから、第1タイムスロットにおいて下り伝送を行って、第2タイムスロットにおいて上り伝送を行い、その後、後のタイムスロットにおいて繰返して下り伝送と上り伝送を行い、第2キャリア周波数について、初期タイミングから、第1タイムスロットにおいて上り伝送を行って、第2タイムスロットにおいて下り伝送を行い、その後、後のタイムスロットにおいて繰り返して上り伝送と下り伝送を行う通信方法を提供する。

上記通信方法の第1の形態において、全てのタイムスロットは長さが同じであり、上り伝送及び下り伝送の開始のときに、全てのタイムスロットの長さを確定する。

上記第１の形態によれば、当該通信方法は、さらに第1帯域幅を第1キャリア周波数に割当て、第2帯域幅を第2キャリア周波数に割当てる。上り伝送及び下り伝送の開始のときに、上記第1帯域幅及び第2帯域幅を確定し、該第1帯域幅及び第2帯域幅の長さは同じであってもいいし、同じでなくてもいい。

上記通信方法の第2の形態において、全てのタイムスロットは長さがそれぞれ異なり、上り伝送及び下り伝送の開始のときに、全てのタイムスロットの長さを確定する。

上記第2の形態によれば、上記通信方法は、さらに、第1帯域幅を第1キャリア周波数に割当て、第2帯域幅を第2キャリア周波数に割当てる。上り伝送及び下り伝送の開始のときに、上記第1帯域幅及び第2帯域幅を確定し、該第1帯域幅及び第2帯域幅の長さは同じであってもいいし、同じでなくてもいい。

本発明によれば、交互周波数時分割のデュプレックス通信方法によって、時間的に連続伝送が可能となるため、周波数分割デュプレックスと同一の平均速度を実現する場合でも、ピーク速度はほぼ同じとする事ができる。これにより、バースト伝送速度が高いという不具合を解消することができる。同時に、時分割デュプレックス方式のタイムスロットを柔軟に割当てることができると言う特徴を有するため、基地局-端末間のセルラー通信と端末-端末間のアドホック通信をシステム内で共存させる事を容易にする。さらにある程度の上り伝送と下り伝送の容量を柔軟に割当てることができる。また、交互周波数時分割のデュプレックス通信方法において、基地局及び端末は、1つ前のタイムスロットで受信したパイロットシンボルに基づいて、当該キャリア周波数のチャネルステータス情報を推定することができ、適応MIMO伝送を好適に適用することができる。その結果，適応MIMOシステムの高度な伝送技術、たとえば、プリコーディング、ビームフォーミングなどが容易に実現できる。

図1に示す時分割デュプレックス方式では、上り伝送及び下り伝送は、同一キャリア周波数を使用する。この時分割デュプレックス方式に基づいて、本発明は、基地局1と、移動端末2とを含む通信システムを提供する。図2に示すように、この通信システムの採用する通信方式と従来の時分割デュプレックス方式との差異は、上り及び下り伝送は、それぞれ周波数を切り替えながら同時，かつ時間的に連続して行なわれ、同一タイムスロットにおいては上り及び下り伝送は、それぞれ異なるキャリア周波数（f1とf2）が用いられる。ここで、この通信方法を交互周波数時分割(AFTDD)のデュプレックス通信方法と呼ぶ。

次に、この交互周波数時分割のデュプレックス通信方法について詳しく説明する。

（実施例1）
図3は、本発明が提供する交互周波数時分割のデュプレックス通信方法を示す。図3において、システムは、キャリア周波数f1及びf2、同じ長さのタイムスロットで、同時に上り伝送と下り伝送を行う。そのうち、全てのタイムスロット（第1タイムスロット、第2タイムスロットなど）の長さは同じであり、かつ上り伝送と下り伝送の開始時に、システムにより上記タイムスロットの長さを確定し、キャリア周波数f1及びf2に同一の帯域幅を割当てる。（注意すべきこととしては、全てのタイムスロットの長さは同じでなくても良い。）
通信プロセスは、キャリア周波数f1について、システムは、初期タイミングt0から、先ず第1タイムスロットにおいて下り伝送を行い、第2タイムスロットにおいて上り伝送を行って、その後、後のタイムスロットにおいて繰り返して下り伝送と上り伝送を行う。

キャリア周波数f2について、システムは、初期タイミングt0から、先ず第1タイムスロットにおいて上り伝送を行い、第2タイムスロットにおいて下り伝送を行って、その後、後のタイムスロットにおいて繰り返して上り伝送と下り伝送を行う。

以上から、初期タイミングt0から、システムは、同一のタイムスロット（たとえば、第１タイムスロット）において、それぞれf1とf2で上り伝送と下り伝送を行い、タイムドメインにおいて、システムは、始終同時に上り伝送と下り伝送を行う。したがって、同一の平均伝送速度の場合、AFTDDの伝送速度のピーク値は、従来の周波数分割デュプレックスの伝送速度のピーク値にほぼ近くなる。

また、AFTDD通信方法において、基地局及び端末は、1つ前のタイムスロットにおいて受信したパイロットシンボルに基づいて、当該キャリア周波数のチャネルステータス情報(CSI)を推定することができ、適応MIMOシステムに好適に適用することができる。

（実施例2）
図4は、本発明が提供する交互周波数時分割のデュプレックス通信方法を示す図である。図4に示すように、システムは、キャリア周波数f1及びf2、且つ異なる長さのタイムスロットで、同時に上り伝送と下り伝送を行う。そのうち、第1タイムスロット、第2タイムスロットなどの長さはそれぞれ異なり、キャリア周波数f1に帯域幅w1を割当て、キャリア周波数f2に帯域幅w2を割当て、w1＞w2である。また、上り伝送と下り伝送の開始時に、システムにより上記タイムスロットの長さと帯域幅w1、w2を確定する。（注意すべきことは、全てのタイムスロットの長さは同じでも良い。）
このような場合の伝送例として，マルチキャリア伝送の場合はサブキャリア数を可変とし，またシングルキャリアの場合は拡散率を変化させる事によって異なるタイムスロットの信号を異なる帯域幅に適させる事ができる。チャネル推定については、マルチキャリア通信の場合はパイロット数及び配置をタイムスロットに基づいて変化させる事が必要である。

同一システムにおいて、一部の高速伝送端末がAFTDDを採用して、その他の端末は従来のTDD方式を採用して通信してもいい。マルチキャリア通信方式を採用した場合、通信端末は、サブキャリア帯域幅またはサブキャリア数を変更する方法を利用して、異なるタイムスロットで上りと下りの帯域幅が異なる伝送を行なってもいい。

その通信プロセスは、キャリア周波数f1について、システムは、初期タイミングt0から、先ず第1タイムスロットにおいて下り伝送を行い、第2タイムスロットにおいて上り伝送を行って、その後、後のタイムスロットにおいて繰り返して下り伝送と上り伝送を行う。

キャリア周波数f2について、システムは、初期タイミングt0から、先ず第1タイムスロットにおいて上り伝送を行い、第2タイムスロットにおいて下り伝送を行って、その後、後のタイムスロットにおいて繰り返して上り伝送と下り伝送を行う。

以上から、システムは、初期タイミングt0から、同一のタイムスロット（たとえば、第１タイムスロット）において、それぞれf1とf2で上り伝送と下り伝送を行う。また、時間的にシステムはほぼ連続して上り伝送と下り伝送を行う事となる。したがって、同一の平均伝送速度の場合、AFTDDの伝送速度ピーク値は、従来の周波数分割デュプレックスの伝送速度ピーク値に近くなる。

また、AFTDD通信方法において、基地局及び端末は、1つ前のタイムスロットにおいて受信したパイロットシンボルに基づいて、チャネルステータス情報(CSI)を推定することができ、適応MIMOシステムに好適に適用することができる。

同時にシステムは、キャリア周波数f1及びf2に異なる帯域幅を割当て，上下スロットのタイムスロットの長さを変化させる事で、ある程度上り伝送と下り伝送の容量を柔軟に割当てることができる。

また、同一タイムスロット内において複数のチャネルを周波数分割多重することによって，ある固定した周波数チャネルにおいて時分割デュプレックスのみを適用するチャネルと，上記ＡＦＴＤＤによって周波数を切り替えながら高速伝送を行なうチャネルを共存させる事ができ、基地局-端末間のセルラー通信と端末-端末間のアドホック通信をシステム内で共存させる事を容易にする。

ところでデュプレックス方式自体は、チャネル容量を決めるものではないが、異なるパラメータの設定によって実際の通信システムのスループットは影響される。上りと下りの周波数スペクトル効率をそれぞれe_u、e_d(bps/Hz)とすると、上りと下りの伝送速度

は、それぞれ

となる。ここで、L=t₁+t₂は、フレームの長さである。t₁は上り伝送時間であり、t₂は下り伝送時間である。ここでタイムスロット間の切り替え時間は無視している。図5は評価結果を示し、横座標は非対称率t1/Lを示し、縦座標は実際の通信システムのスループットを示す。

図5からわかるように、非対称の交互周波数時分割のデュプレックス通信方法は、非対称率を変更させることにより、上りと下り伝送の容量を変更させることができる。

以上をまとめると、交互周波数時分割のデュプレックス通信は時間的に連続伝送をサポートできるため、周波数分割デュプレックス方式と同一の平均速度を実現する場合でも、速度のピーク値を高くする必要が無い。これにより、バースト伝送速度が高いという不具合を解消することができ、同時に、時分割デュプレックスがタイムスロットを柔軟に割当てることができるといった特徴を保留し、スロット内で周波数多重を行なう等によって基地局-端末間のセルラー通信と端末-端末間のアドホック通信をシステム内で共存させる事を容易にする。同時に、ある程度上り伝送と下り伝送の容量を柔軟に割当てることができる。また、交互周波数時分割のデュプレックス通信方法において、基地局及び端末は、1つ前のタイムスロットにおいて受信したパイロットシンボルに基づいて、当該周波キャリアのチャネルステータス情報を推定することができ、適応MIMOシステムに好適に適用することができる。また、基地局及び端末は、同一のチャネルを利用して情報を送受信し、適応MIMOシステムの高度な伝送技術、たとえば、プリコーディングやビームフォーミングなどが容易に実現できる。

当業者には、以上の実施形態により他のメリットと変更を考えることができる。従って、本発明は上記具体的な実施形態に限らなく、それはただ一つの例として本発明の一つの形態を詳しく説明するためのものである。本発明の原理から逸脱しない範囲で、当業者は上記実例によって様々な修正及び変更をすることができるが、これは必ず本発明の権利の範囲に属するべきである。

従来の周波数分割デュプレックス及び時分割デュプレックス通信方法の説明図である。 本発明による通信システムの説明図である。 本発明による通信方法の実施例1の説明図である。 本発明による通信方法の実施例2の説明図である。 本発明による非対称率を変更させることにより、上り及び下りの容量を変更することを示す説明図である。

符号の説明

1…基地局
2…移動端末

Claims (3)

1. 第1キャリア周波数及び第2キャリア周波数、同一のタイムスロットで、同時に上り伝送と下り伝送を行う通信方法であって、
   その通信プロセスは、
   第１キャリア周波数について、初期タイミングから、先ず第1タイムスロットにおいて下り伝送を行い、第2タイムスロットにおいて上り伝送を行って、その後、後のタイムスロットにおいて繰り返して下り伝送、上り伝送を行い、
   第2キャリア周波数について、初期タイミングから、先ず第1タイムスロットにおいて上り伝送を行い、第2タイムスロットにおいて下り伝送を行って、その後、後のタイムスロットにおいて繰り返して上り伝送、下り伝送を行い、
   全てのタイムスロットの長さはそれぞれ異なり、
   第1帯域幅を第1キャリア周波数に割当て、第2帯域幅を第2キャリア周波数に割当て、且つ第1帯域幅と第2帯域幅は同一でなく、
   同一システムにおいて、一部の高速伝送端末は前記通信プロセスによる通信方法を採用し、
   その他の端末は、前記第1キャリア周波数または第2キャリア周波数のみを用いて従来の時分割デュプレックス方式を採用し、
   前記高速伝送端末と前記その他の端末とを同一タイムスロットで周波数分割多重する
   ことを特徴とする通信方法。
2. 請求項１に記載の通信方法において、
   上り伝送及び下り伝送の開始のときに、前記第1帯域幅及び第2帯域幅を確定することを特徴とする通信方法。
3. 請求項１に記載の通信方法において、
   マルチキャリア通信方式を採用した場合、通信端末は、サブキャリア帯域幅及びサブキャリア数を変更する方法を利用して、異なるタイムスロットで上りと下りの帯域幅が異なる伝送ができることを特徴とする通信方法。

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