JP5390673B2 - 無線通信方法、基地局装置、および情報処理装置 - Google Patents

無線通信方法、基地局装置、および情報処理装置 Download PDF

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Description

本発明は、広帯域無線通信システムにおいて使用される送受信装置および送受信方法に関する。
近年、広帯域の無線通信システムにおいて、システム帯域の部分毎に異なる端末装置を割りあてるＯＦＤＭＡが注目されている。ＯＦＤＭＡは、周波数軸上に互いに直交するサブキャリアを並べたＯＦＤＭを基にした多元アクセス技術であり、複数のサブキャリアを束ねたセグメントをリソース単位とし、基地局装置が端末装置毎に異なるセグメントを割りあてる。
ＯＦＤＭＡを用いた無線通信システムの周波数利用効率を高めるため、各端末装置におけるセグメント毎の通信品質を比較し、品質が良好な端末装置に各セグメントを割りあてることが有効である。無線通信システムにおいては通信品質が時間変化するため、下り通信を対象とする場合は、各端末装置が通信品質を一定間隔毎に測定し、基地局装置にフィードバックする。端末装置毎に通信品質が良好な周波数セグメントをダイナミックに割りあてる技術は、周波数スケジューリング技術と呼ばれ盛んに検討されている（例えば、特許文献１または非特許文献１参照）。
スケジューリングの代表的な方法として、 (1)Maximum CIR方式、(2)Round Robin方式及び(3)Proportional Fairness方式の３種類が知られている。(1)の方式では、通信品質の良い端末装置ほど優先して送信機会が割り当てられる。基地局装置近傍の端末装置との通信機会が増え、遠方の端末装置との通信機会が減少するため、端末装置間でのサービス格差が大きくなるスケジューリング方式である。(2)の方式では、全ての端末装置に対し均等に通信機会が割り当てられる。(1)に対し、遠方の端末装置との通信機会が増える分、基地局装置のスループットは低下する。(3)の方式は、（瞬時通信品質）／（平均通信品質）を評価値として使用し、評価値の大きい端末装置ほど優先して送信機会が割り当てられるため、通信機会は均等で、かつ(2)より周波数利用効率に優れている方式である。ただし、基地局装置が無線端末装置毎の瞬時下り通信品質を正しく知ることが課題である。
特開２００２−２５２６１９号公報 特開２００５−２４４９５８号公報
「周波数スケジューリングを用いたＭＣ−ＣＤＭ方式」信学技報、RCS2002-129、２００２年７月、ｐ．６１−６６ 3GPP2 C.S0024-A "cdma2000 High Rate Packet Data Air Interface Specification" （11-80ページ、2004/3/31） 3GPP TR 25.814 V1.1.1 , "3rd Generation Partnership Project; Technical Specification Group Radio Access Network;Physical Layer Aspects for Evolved UTRA(Release 7)"（18および24ページ、2006/2） Jim Tomcik, "QFDD and QTDD: Technology Overview", Contributions on IEEE 802.20 Mobile Broadband Wireless Access, IEEE C802.20-05/68r1, Jan.2006.（79〜84ページ）
基地局装置のスループットと端末装置間の通信機会平等性（フェアネス）を両立するプロポーショナルフェアネスは、cdma2000 EV-DO(Evolution Data Only)方式で既に実用化されている。同方式において、端末装置は、１スロット1.67[ms]あたり4[bit]の通信品質情報DRC value（Data Rate Control, 非特許文献２より）をフィードバックするため、上りの帯域を2,400[bit/s]使用している。2,400[bit/s]は、１つの周波数セグメントを複数端末装置でシェアする場合の、端末装置１台あたりの数字である。例えば、基地局装置に端末装置が50台接続している場合は、2,400×50で120,000[bit/s]の上り帯域が基地局装置に必要となる。
通信品質情報のフィードバックに必要な上り帯域は、端末装置がDRCをフィードバックする周期に反比例し、フィードバックする周波数セグメント数に比例する。したがって、3GPPのLTE(Long Term Evolution, 非特許文献３参照)で既定されている0.5[ms]サブフレーム間隔で上記フィードバックを実施すると、120,000[bit/s]×1.67/0.5で400,000[bit/s]必要となる。同じく、LTEに既定されている15[kHz]間隔のサブキャリアを25本束ねた375[KHz]のPRB(Physical Resource Block)を周波数セグメントと見なし、システム帯域を100[MHz]と仮定して全てのフィードバックを実施すると、400,000×100,000,000/375,000で約107[Mbit/s]の基地局上りスループットが必要となる。
以上に示した通り、本発明が解決する第１の課題は、フィードバック情報が必要とする膨大な基地局の上りスループットを低減し、有用なユーザデータの上りスループットを改善することである。
第１の課題については、特許文献２で一つの解決策が示されている。同文献に示された方法は、端末装置が全ての周波数セグメントの通信品質を測定し、通信品質が良好なセグメントの情報のみを基地局装置にフィードバックする方法である。確かにこの方法によりフィードバック情報を低減することは可能であるが、端末装置が選択した周波数セグメントが、必ずしも当該端末装置に高い下りスループットを保証しない点に問題が残る。スループットは、（通信１回当たりの通信ビット数）×（通信回数）で決定するため、高スループットを達成するためには、通信品質だけでなく通信回数をも保証する工夫も必要である。
以上に示す通り、本発明が解決する第２の課題は、端末装置毎に多くの通信回数と良好な通信品質を保証するための周波数セグメント割り当てを実施し、下りスループットを高めることである。この第２の課題も併せて解決するために、特許文献２と異なる第１の課題の解決方法を開示する。
なお、本発明では周波数セグメント毎に通信容量の統計値が異なることを前提としているが、その理由を説明する。
本発明では、広帯域通信システムで、ビームフォーミングによる空間多重通信が周波数セグメント毎に実施されることを想定している。第１の課題で述べた通り、広帯域通信システムでは全ての端末装置に全セグメントの使用を認めるとフィードバック情報量が膨大となるため、例えば本発明のように、端末装置毎に使用可能なセグメントを制限することが考えられる。その結果、各セグメントに所属する端末装置の組合せが異なるため、それらの空間多重によって周囲に及ぼす干渉が、セグメント間で均一となることは保証されない。これが、セグメント毎に通信容量の統計量が異なると考える根拠である。
以上で述べた現象は、基地局から見た方向毎に使用される周波数セグメントが異なることから、広い意味ではFFR(Fractional Frequency Reuse, 非特許文献４)が実施された状態とみなすことができる。逆に言えば、何らかの方法でFFRが実施されると、全ての周波数セグメントで通信容量の統計値が同一になることはない。
課題を解決するために、基地局装置は、各端末装置に通信回数が多く、且つ通信品質が高いセグメントを割りあて、端末装置当たりにDRCをフィードバックさせる周波数セグメント数を減らす。
端末装置毎の通信回数を保証するためには、周波数セグメントを割りあてる際の競争相手が少ないことが要求される。
基地局装置が周波数セグメント毎にオムニビームパタンで下りパケットを送信する時は、当該周波数セグメントを割り当てられた端末装置の数だけ競争相手が存在する。図１に、周波数セグメント毎に競争相手の数が異なる例を示している。同図の上段は周波数セグメント１、下段は周波数セグメント２を示す。基地局装置12-1および12-2は、それぞれ異なる周波数セグメントでオムニビームパタン11-1および11-2を出力する。周波数セグメント１では、各スロットにおいて５台の端末装置13-1-a,b,c,d,eのうちどれかが通信する可能性があり、周波数セグメント２では、２台の端末装置13-2-a,bのうちどちらかが通信する可能性がある。各セグメントで、１スロット毎に通信できる端末装置数は１台なので、セグメント１では競争相手が５台、セグメント２では２台存在する。なお、図１では周波数セグメント毎の特徴を明示するため２つの基地局装置12-1,12-2を描いているが、実際これらは同一の装置である。
また、周波数セグメント毎に指向性ビームによる空間多重通信を実施している場合は、空間多重が可能なほど基地局からの方位が離れている端末装置同士はスケジュール制御において競争相手とならない場合がある。図２にその例を示す。上段に示す周波数セグメント１の例では、２台の端末装置13-1-a,bの基地局装置12-1から見た方位が同一のため、指向性ビーム14-1-aによる両端末装置の空間分割多重通信が困難である。したがって、各々の端末装置が互いに競争相手となる。それに対し、周波数セグメント２では、２台の端末装置13-2-a,bの方位が異なるため、指向性ビーム14-2-a,bによる空間分割多重通信が可能である。したがって、各々の端末は互いに競争相手とならない。
以上を考慮すると、各端末装置の周波数セグメント毎の通信回数の期待値は、競争相手数の逆数により計算される。基地局装置が端末装置に周波数セグメントを割り当てる場合は、該期待値が大きい周波数セグメントに割り当てることで、端末のスループット向上が期待される。該競争相手数を計算するために、基地局装置から見た端末装置毎の空間的な性質（端末装置毎の方位）と、どの端末装置がどの周波数セグメントに割りあてられているかという割り当て情報が必要となる。
よって、端末装置毎の通信回数を保証するための手段として、基地局装置に端末装置毎の空間的な性質を測定する手段と、周波数セグメント毎に端末装置を割り当てる手段を設ける。
各端末装置における通信品質を高めるため、通信品質が良好な周波数セグメントを各端末装置に割り当てることが望ましい。しかし、特許文献２のように各端末装置が各々のベストN（Nは整数）の周波数セグメントに関するDRCを無秩序にフィードバックすると、図１に示した通り周波数セグメントによってDRCをフィードバックする端末装置数に差が生じると考えられ、端末装置によっては通信回数を得られない場合が生じると想定される。
したがって、周波数セグメント毎の通信回数の期待値が各々の端末装置で高くなるよう、基地局装置が秩序的に端末装置を周波数セグメントに割り当てる。その上で、端末毎の下りスループットを高めるため、周波数セグメント毎の通信容量の平均と分散を各端末で測定し、各々の端末装置を、通信容量の統計量（平均と分散）が高い周波数セグメントに割り当てることが望ましい。通信容量の平均が高い周波数セグメントを割り当てることで端末スループットが高くなることは明らかだが、分散が高い場合に端末スループットが向上する理由を、図３により説明する。
図３の上段は、横軸が時間、縦軸が下り通信容量を示すグラフであり、ある周波数セグメントにおける２台の端末装置に関する通信容量の時間変化を示している。両端末装置の通信容量の平均と分散は同一であり、同平均値を交互に上回っている場合を示している。基地局装置が両端末装置の良い方（太線で表記）を逐次選択することで、ユーザダイバーシチにより２台の端末装置に対する合計スループットを高めることができる。図３の下段は、通信容量の分散が大きい点を除いて上段と同じである。図からも明らかなように、分散が大きいほうがユーザダイバーシチの効果は高くなり、２台の端末装置に対する合計スループットを更に高めることがきる。なお、２台の端末装置の平均通信容量が異なっていても、プロポーショナルフェアネスでは端末装置各々の平均通信容量に対する瞬時プラス偏差が大きい端末装置が逐次選択されるため、ユーザダイバーシチの効果は変わらない。ただし、ある端末装置に対し、通信容量の分散が同じで平均が異なる２つの周波数セグメントのどちらかを割り当てる場合、平均が高い周波数セグメントを割り当てることが望ましい。
上記割り当ての具体的な方法を、図４を用いて説明する。
図４は、横軸が下り通信容量、縦軸が確率密度を示しており、ある端末装置に関する周波数セグメント毎の通信容量の分布を表している。セグメント毎の平均の平均を集合平均（Ensemble Average）と定義する。制御ターゲットとなる通信容量をスレッショルド(Threshold)として定義し、Thresholdを超える通信容量の発生確率を周波数セグメント毎に計算する。Thresholdは端末装置毎に定義される。一つの該発生確率計算方法を示す。周波数セグメント毎の通信容量の分布を正規分布と仮定した上で、通信容量の平均値と標準偏差値から、上記しきい値から該平均値を減算した値が、標準偏差値の何倍に相当するかをセグメント毎に算出する。この算出値が該発生確率と一対一で対応する。
この計算を実現するためには、各端末装置において全周波数セグメントに関する通信容量の統計値を測定する手段と、測定結果をDRCフィードバックより十分長い周期で基地局装置にフィードバックする手段と、基地局装置で全端末装置の周波数セグメント毎の通信容量統計値を元にThresholdを超える通信容量の発生確率の計算を実行する手段と、周波数セグメント毎に端末装置を割り当てる手段とが必要となる。
以上、通信回数を保証するための手段と通信品質を保証するための手段を融合するため、基地局装置が持つ周波数セグメント毎に端末装置を割り当てる手段は、同一セグメントをシェアする競争相手が少なく、かつ通信容量の平均と分散が高い周波数セグメントを各端末装置に割りあてることを特徴とする。
以上で示した割り当てにより、基地局装置は端末装置に対して通信品質情報（DRC相当）をフィードバックさせるセグメントをMセグメント（M<N:Nは全セグメント数）に制限し、通信品質情報のフィードバックに必要な上り帯域を低減する。端末装置は、割り当てられたMセグメントに関する通信品質情報をスロット毎に基地局装置へフィードバックし、基地局装置が各端末装置の通信品質情報を基にスロット毎にスケジューリングを実施し、下りデータパケット伝送するためのセグメントを各端末装置に対し、スロット毎に0からMセグメントの範囲で割り当てる。
広帯域パケット通信を実施する無線通信システムにおいて、端末装置毎に使用可能な周波数セグメントを割り当てることで、下り適応変調に必要なフィードバック情報を減らすことができ、上り通信における有用なユーザデータのスループットを高めることができる。また、各端末装置に多くの通信回数と高い通信品質を保証するよう、上記セグメントの割り当てを実施することで、下りスループットも高めることができる。
周波数セグメント毎の通信回数期待値に関する説明図（１）。 周波数セグメント毎の通信回数期待値に関する説明図（２）。 通信容量の分散増加によるユーザダイバーシチ効果増大を示す図。 周波数セグメント毎の通信品質分布。 本発明による制御方法の最良の実施形態。 本発明による制御方法のうち、長周期制御部分の抜粋。 本発明による制御方法のうち、短周期制御部分の抜粋。 通信容量の統計値をフィードバックするためのメッセージフォーマット例。 通信容量の瞬時値をフィードバックするためのメッセージフォーマット例。 端末装置追加割り当て時の通信回数期待値変動に関する説明図。 高通信容量の発生確率を集計した結果の一例。 端末装置に対する周波数セグメントを割り当てるための評価値の一例。 周波数セグメントの割り当て結果を通知するためのメッセージフォーマット例。 本発明による端末装置の最良の実施形態。 通信容量の統計量計算部の構成図。 通信容量瞬時値に関するインジケータ生成部の構成図。 本発明による基地局装置の最良の実施形態。 インジケータに対するビット数、符号化率、変調方式の関係を示す一例。 基地局装置における周波数セグメント割り当て情報の管理例（１）。 基地局装置における周波数セグメント割り当て情報の管理例（２）。 通信回数期待値の集計結果例。
図５に、本発明を実施するための制御方法を示す。
基地局装置は、スロット毎にパイロット信号を送信する(S1)。端末装置は、まず同パイロットを用いてセルサーチを実施し、基地局装置との接続を確立するが、ここでは接続が確立されたものとして説明を進める。
端末装置は、パイロット信号を受信すると周波数セグメント毎の通信品質(SINR:Signal to Interference plus Noise Ratio)の瞬時値を測定してシャノンの通信路容量の式により通信容量に変換し(S2)、複数スロットに渡ってセグメント毎に通信容量の瞬時値とその２乗値を加算し続け、一定周期毎に平均化してセグメント毎の統計量（通信容量の平均と分散）を計算し(S3)、上記加算のためのバッファをクリアする。また、通信容量の瞬時値は次のステップでインジケータに変換される(S4)。インジケータへの変換は、通信容量に対するテーブル引きにより実現する。通信容量の値をそのままフィードバックしても良いが、フィードバック情報量を削減するためインジケータに変換してフィードバックする方が望ましい。なお、通信容量のインジケータに変換するのは、全Nセグメントのうち、基地局装置から割り当てられたMセグメント(M<N)のみである。
端末装置は、以上の処理完了後、基地局装置に対し制御情報を送信する。制御情報は、次の２種類を含むものとする。(1)全周波数セグメントそれぞれの通信容量の統計量(S5)、(2)当該端末に割り当てられた周波数セグメントの瞬時通信容量を示すインジケータ(S6)、以上である。(1)に関して、端末装置は全Nセグメントに関する統計量（平均値と標準偏差値）を、長い周期でフィードバックする。(2)に関して、端末装置は全Nセグメントのうち、基地局装置から割り当てられたMセグメント(M<N)の通信容量瞬時値のインジケータを、スロット毎の短周期でフィードバックする。
図８は、通信容量の平均値と標準偏差をフィードバックする制御信号（図５のS5）のフォーマット例である。最初のMessage IDは、基地局装置と約束した8ビット値であり、以下に続く情報が周波数セグメント毎の通信容量の平均値と標準偏差であることを示すことが目的である。２段目は送信元の端末装置ＩＤを示す。３段目以降のAveCapacitySegment#nとStdCapacitySegment#n(nは0〜N-1,Nは全セグメント数)は、周波数セグメントnの通信容量の平均値と標準偏差値を示す。
図９は、当該端末に割り当てられた周波数セグメントの瞬時通信容量を示すインジケータをフィードバックする制御信号（図５のS6）のフォーマット例である。最初のMessage IDは、基地局装置と約束した8ビット値であり、以下に続く情報が瞬時通信容量を示すインジケータであることを示すことが目的である。２段目は送信元の端末装置ＩＤを示す。３段目以降のCapacityIndicator#m(m=0〜M-1,Mは当該端末装置に割り当てられた周波数セグメント数)は、周波数セグメント毎の瞬時通信容量を示すインジケータである。基地局装置は、該インジケータを基にスロット毎にスケジューリングを実施し(図５のS7)、下りデータパケット伝送するためのセグメントを各端末装置に対し、インジケータをフィードバックしたセグメントのうち、0からMセグメントをスロット毎に割り当てる。M個のインジケータがN個の周波数セグメントにどのようにマッピングされるかは、図５のS9で端末装置にM個のセグメントを割り当てた基地局装置が把握している。基地局装置が、端末装置に周波数セグメントを割り当てるときに通知した(図５のS10)周波数セグメントの順番（セグメント番号の昇順）と、図９のメッセージ内の順番を揃えれば、基地局装置側でのマッピングは可能である。この前提を崩しても、各インジケータに周波数セグメントＩＤを付加すれば基地局装置でのマッピングは可能であるが、フィードバック情報量が増加するため、上記前提に従うことが望ましい。
ここで、図５の説明に戻る。
基地局装置は、端末装置からの制御情報（S6）のフィードバックを受けると、まず既に周波数セグメントを割り当てている端末装置の間で、プロポーショナルフェアネスに基づいて下りパケットを送信する相手の端末装置の選択を実施する。端末装置からフィードバックされた瞬時通信品質のインジケータを基に適応変調を実施し、周波数セグメント毎にそれぞれの宛先に対する下りパケットを生成する(S7)。
次に、端末装置毎に全周波数セグメントに対し、それぞれにおける通信回数の期待値を算出する(S8)。ここでは、上り信号に含まれるパイロット信号による到来方向推定結果（周波数セグメント毎に空間多重通信を実施する場合）と、現時点での周波数セグメント割り当て情報を参照する。以下で、期待値の算出方法について説明する。
図１の周波数セグメント１に対し、新たに１台の端末装置を割り当てる場合、５台でシェアしていた周波数セグメントを６台でシェアしようとするため、通信回数の期待値は1/6となる。同様に、周波数セグメント２に関しては期待値が1/3となる。
図２の周波数セグメント１に対し、新たに１台の端末装置を割り当てる場合、割り当て済みの端末装置との角度差がしきい値以下（例えば15度）の場合は、３台の端末装置で周波数セグメントと指向性ビームをシェアするため、通信回数の期待値は1/3となるが、角度差がしきい値以上に離れている場合、新規割り当てする端末装置は、２台の端末装置と空間多重通信が可能なため、期待値1となる。以上の説明を図１０に示している。
図１０の上段は、２台の端末装置13-1-a,bと同一方向に存在する端末装置13-1-cに同周波数セグメントを割り当てた場合を示している。この場合、空間分割多重通信が困難なことから、各端末装置に関する通信回数の期待値は1/3となる。図１０の下段は、２台の端末装置13-1-a,bと異なる方向に存在する端末装置13-1-cに同周波数セグメントを割り当てた場合を示している。この場合は、既存端末装置との空間分割多重通信が可能なため、新規端末装置に関しては期待値が１となる。
期待値の算出方法を一般化すると、当該端末装置からX度以内に存在する端末数の逆数で表現できる。X度については、オムニビームについては360度、指向性ビームについては、基地局装置のアレイアンテナが生成できる主ビーム方向とヌル方向の最小間隔がX度に相当する。
以上で、期待値の算出方法に関する説明は終わりである。
端末装置毎の通信回数の期待値算出が完了すると、端末装置からの全周波数セグメントについてのフィードバック制御情報(S5)から得られる端末装置毎の各周波数セグメントの通信容量の統計量と合わせて、端末装置毎に割り当てる周波数セグメントを決定する(S9)。
まず、図１１に示すように、端末装置がフィードバックした通信容量の平均と標準偏差から、制御ターゲットとなる通信容量をスレッショルド(Threshold)として定義した上で、Thresholdを超える通信容量（高通信容量）の発生確率を周波数セグメント毎に計算する。具体的な計算手順を示す。
端末装置uの周波数セグメントsに関する通信容量cの確率密度関数をfu,s(c)とすると、Threshold(CT)を超える確率Fu,s (cT)は次式の通り定義される。
この確率密度関数fu,s(c)が平均μu,s、標準偏差σu,sの正規分布に従うと仮定する。
という変数変換を実施すると、上記仮定の下、確率Fu,s (cT)は次式の通り表すことができる。
f(z)は標準正規分布に従う確率密度関数である。この式の積分の始点は、CTが周波数セグメント毎の平均μu,sに対し、標準偏差σu,s何倍相当かを示している。上記積分は、その都度計算するか、積分の始点に対する計算値のテーブル引きで実施する。
図１１の表が埋まると、図１２の通り周波数セグメント毎の割り当てのための評価関数を計算できる。入力は通信回数の期待値と、図１１に関連して計算した高通信容量発生率である。図１２の例では、通信回数の期待値と高通信容量発生率の積を求め、評価関数値（割り当て評価値）を計算した。評価関数は、両変数の積という形状に限定しない。基地局装置は端末装置に対し、割り当て評価値が大きい周波数セグメントのうち上位M個のセグメントを割り当てる。
各端末装置に割り当てられるMセグメントは、全Nセグメントの中で、スケジューリングにより高い通信品質が確保されやすく、かつ多くの通信回数が期待されるセグメントであり、端末装置毎の下りスループットを高くするMセグメントの組合せである。各端末装置に対し、インジケータフィードバックをMセグメントに制限する理由は、インジケータフィードバックに必要な膨大な基地局の上りスループットを低減し、有用なユーザデータの上りスループットを改善するためである。
基地局装置は、周波数セグメント割り当てまでの手順が完了すると、S7のスケジューリングで決定した周波数セグメント毎に送信するデータパケットとパイロット信号、および制御信号としてS9で決定した周波数セグメントの割り当て結果を端末装置に送信する。
図１３に、周波数セグメントの割り当て結果を端末装置に通知するためのメッセージフォーマット例を示す。最初のMessage IDは、端末装置と約束した8ビット値であり、以下に続く情報が、当該端末装置に割り当てられた周波数セグメントのＩＤであることを示すことが目的である。２段目は通知先の端末装置ＩＤを示す。３段目以降のAssignSegnemtID#n(nは0〜N-1,Nは全セグメント数)は、当該端末装置に割り当てられた周波数セグメントであれば１、そうでなければ０を示すフラグであり、端末装置はこの通知に従って、下り通信品質の瞬時値をフィードバックする。
以上で説明した制御は、短周期と長周期の２つの制御に分けることができる。
図８の統計量フィードバックを伴う長周期制御は、端末装置毎に通信容量瞬時値のインジケータをフィードバックさせるセグメント数を制限するための制御である。図６に、長周期制御の部分を図５から抜粋した制御シーケンスを示す。長周期制御は、基地局装置からのパイロット送信(S1)、端末装置での通信容量瞬時値測定(S2)、通信容量の統計量更新 (S3)および基地局装置への統計量フィードバック(S5)、セグメント毎端末装置毎に通信回数期待値算出(S8)、フィードバックされた該統計量と計算された該期待値から端末装置へのセグメント割り当て(S9)および該割り当て結果の通知(S10)を含む。最後のパイロット送信(S12)は、当該スロットの検波用パイロットとしての機能と、次のスロットでのS1としての機能を兼ねている。
なお、周波数セグメントが全く割り当てられていない端末装置は、早急に通信を開始するため、通信容量の瞬時値を統計量と見なして図８のメッセージによるフィードバックを実施し、基地局装置による周波数セグメント割り当てを実施することも可能である。このとき、通信容量の平均値が瞬時値、標準偏差値は０となる。
図９のインジケータフィードバックを伴う短周期制御は、下り周波数セグメント毎にデータパケットの送信先端末装置を、スケジューリングによりスロット毎に決定する制御である。該インジケータについては、スロット毎に（または時間方向の伝搬路変動が十分小さいと見なせる時間間隔で）フィードバックする。ただし、該長周期制御により周波数セグメント割り当てが実施されていない（割り当て結果が通知されていない）端末装置はフィードバックを実施しない。
この短周期での制御は、図７に示す制御シーケンスに従い実施される。図７は図５の一部である。短周期制御は、基地局装置からのパイロット送信(S1)、端末装置での通信容量瞬時値測定(S2)、該瞬時値のインジケータ作成(S4)および基地局装置へのフィードバック (S6)、インジケータを基にしたスケジューリング(S7)、スケジューリング結果に従ったデータ送信(S11)を含む。最後のパイロット送信(S12)は、当該スロットの検波用パイロットとしての機能と、次のスロットでのS1としての機能を兼ねている。
図１４は、本発明による端末装置の実施形態の一例である。
基地局装置からの受信信号は、アナログ信号処理されたあと、アナログデジタル変換機 (ADC 101)によりディジタル変換され、広帯域信号を下りセグメント分割部(Band Separator 102)により周波数セグメント毎に分割し、後段の処理は周波数セグメント毎に実施する。OFDMAの下り信号の場合、下りセグメント分割部はFFT(Fast Fourier Transform)で実現される。
セグメント毎の受信信号は、下りパイロット分離部(DEMUX 103)によりパイロット信号とパイロット以外の信号とに分離される。パイロット信号は、瞬時容量計算部(Capacity Measurement 106)で当該周波数セグメントの瞬時通信容量の計算と、下りチャネル推定部 (Channel Estimator 105)によるチャネル推定に活用される。チャネル推定結果を下り復調復号部(Demod&Decoder 104)に入力すると、同部は信号の検波を実施し、復調復号処理を経てユーザデータ信号と制御信号を復元する。ユーザデータ信号はメモリ(Memory 107)に格納され、基地局装置から送信された制御信号は瞬時通信容量のインジケータ作成部(Indicator Generator 109)に入力される。該インジケータ作成部に入力される制御信号は、図１３のフォーマットで基地局装置から送信される制御信号であり、当該端末装置に対し各セグメントが割り当てられているかどうかを示す（インジケータをフィードバックすべきセグメントを示す）フラグである。
通信容量の統計量計算部(Calculator of statistics values 108)は、図１５のような構成となる。各周波数セグメントの瞬時容量計算部(Capacity Measurement 106)から通信容量の瞬時値を入力して、瞬時値の累算と瞬時値２乗の累算を実施する。上り制御信号生成部(Control Channel Generator 110)が累算値を読み出し、周波数セグメント毎の通信容量の平均値と標準偏差値を計算すると、累算結果をリセットするためのトリガを掛ける。
インジケータ生成部(Indicator Generator 109)は、図１６のような構成となる。まず、各周波数セグメントの瞬時容量計算部(Capacity Measurement 106)から通信容量の瞬時値をバッファに一時格納する。下り復調復号部(Demod&Decoder 104)から入力された割り当て周波数セグメント情報（図１３）を参照して、当該端末に割り当てられていない周波数セグメントをスキップしながら、入力バッファの値を出力バッファに、セグメント番号の昇順に順番に格納する。出力バッファの値は上り制御信号生成部(Control Channel Generator 110)が参照する。
該上り制御信号生成部は、該統計量計算部の計算結果参照およびリセットトリガの発行を長周期で、該インジケータ生成部の出力バッファ参照を短周期で実施する。
ここで図１４の説明に戻る。
上り制御信号生成部(Control Channel Generator 110)は、統計量計算部(Calculator of statistics values 108)とインジケータ生成部(Indicator Generator 109)が生成する情報から、図８および図９に示すフォーマットに従って制御信号を作成し、符号化や変調を実施する。インジケータ生成部の情報は、１スロットまたはそれに準じる周期で基地局に送信する。統計量計算部の情報は一定周期毎に読み出され、統計量計算部へのリセットを実施した後、読み出した値への平均化、標準偏差算出を実施し、制御信号を基地局へ送信する。なお、以上の制御信号は周波数セグメント固有の制御信号ではないため、あるセグメントのデータ信号のペイロードとして、優先度の高い情報として扱う。基地局装置から見れば、どの上り周波数セグメントで制御情報が送信されるか不明のため、基地局装置とのプロトコルは合わせる（例えばメッセージＩＤで約束しておく）必要がある。
上りデータ信号生成部(Traffic Channel Generator 111)は、メモリ(Memory 107)からユーザデータを読み出し、符号化や変調を実施する。上りパイロット信号生成部(Pilot Channel Generator 112)は、基地局装置で既知の参照信号を生成する。
制御信号、データ信号、パイロット信号は、上り多重信号生成部(MUX 113)において時多重などの方法で多重化される。上りセグメント結合部(Band Combiner 114)は、該多重化後の信号を上り全セグメントについて結合する。OFDMAの上り信号の場合、上りセグメント結合部はIFFT(Inverse Fast Fourier Transform)で実現される。なお、上りのセグメント数を１とする場合、上りセグメント結合部は不要となる。その後、デジタルアナログ変換機(DAC 115)を通って、アナログ信号処理されたあと、送信アンテナより基地局装置に送信される。
以上、端末装置のうち、アナログデジタル変換機、デジタルアナログ変換機、メモリを除いた部分は、DSP、FPGA、またはASICにより実現可能である。
図１７は、本発明による基地局装置の実施形態の一例である。
端末装置からの受信信号は、アナログ信号処理されたあと、アナログデジタル変換機(ADC 201)によりディジタル変換され、広帯域信号を上りセグメント分割部(Band Separator 202)により周波数セグメント毎に分割し、後段の処理は周波数セグメント毎に実施する。OFDMAの上り信号の場合、上りセグメント分割部はFFT(Fast Fourier Transform)で実現される。なお、上りのセグメント数が１の場合、上りセグメント分割部は不要となる。
セグメント毎の受信信号は、上りパイロット分離部(DEMUX 203)によりパイロット信号とパイロット以外の信号とを分離する。パイロット信号は、上りチャネル推定部(Channel Estimator 204)によるチャネル推定と、到来方向推定部(DOA Estimator 207)における端末装置毎の方位推定に活用される。チャネル推定結果を上り復調復号部(Demod&Decoder 205)に入力すると、同部は受信信号の検波を実施し、復調復号処理を経てユーザデータ信号と制御信号を復元する。ユーザデータ信号はメモリ(Memory 206)に格納され、制御信号に関しては、瞬時通信容量のインジケータがスケジューラ(Scheduler 211)へ、通信容量の統計量がセグメント割り当て部(Segment Assignment 210)へそれぞれ入力される。以上の動作は、通信容量統計量のセグメント割り当て部への入力を除き、スロット単位の短周期で実施される。
スケジューラ(Scheduler 211)は、プロポーショナルフェアネスに基づくアルゴリズムにより、スロット毎に周波数セグメント毎に通信相手となる端末装置を選択する。それに先立ち、端末装置からフィードバックされる瞬時通信容量のインジケータを基に、各端末装置が各周波数セグメントで通信できると見込まれる伝送レートに変換する必要がある。該インジケータのフィードバックがない周波数セグメントの見込み伝送レートを０とする他は、従来と同様のテーブル(図１８参照)により、インジケータを見込み伝送レートに変換する。
具体的なスケジューリング方法の一例を示す。
端末装置uの下り平均伝送レートをaveR(u)、周波数セグメントsにおける見込み伝送レートをinstR(u,s)とすると、プロポーショナルフェアネスの評価関数P(u,s)は次の通り表現される。
この値が最大となるu,sを選択し、当該周波数セグメントsを端末装置uに割り当て、その下り伝送が成功すると仮定して端末装置uの平均伝送レートaveR(u)を更新したあと、残りの周波数セグメントについても同様に通信相手を決定する。
以上の処理により、周波数セグメント毎に、通信相手の端末装置と伝送レートが決定する。同時に、図１８に従って周波数セグメント毎のビット数、符号化率、変調方式も決定する。周波数セグメント毎に選択された端末装置宛のユーザデータを、伝送レートに相当するビット数だけメモリ(Memory 206)から読み出し、該当する周波数セグメントの下りデータ信号生成部(Traffic Channel Generator 213)に送る。同時に、符号化率と変調方式の情報も送る。
また、下り制御信号生成部(Control Channel Generator 212)には、周波数セグメント毎にスケジューラが選択した端末装置のＩＤが通知される。下り制御信号に端末装置ＩＤを埋め込むことで、当該制御信号を端末装置がモニタして、当該周波数セグメントに自端末装置宛のデータが格納されているかどうかを判定できる。これにより、各端末装置が自身宛のデータが送信されていない周波数セグメントの復調復号処理を実施する必要が無くなるため、端末装置の消費電力およびハードウェア規模の縮小といった効果が期待される。
到来方向推定部(DOA Estimator 207)は、端末装置からの上りパイロット信号をアレイアンテナで受信し、MUSIC(MUltiple SIgnal Classification)法に基づいて到来方向推定を実施する。どの上り周波数セグメントのパイロットを使用しても良いが、受信SINRが高い周波数セグメントを選択する方が推定精度は高い。端末装置毎の方位推定結果を空間分布分析部(Spatial Distribution Analyzer 208)に通知する。該到来方向推定部の動作は、短周期であることが望ましい。ある端末装置に対する周波数セグメント割り当てを実施する際、他の端末装置の方位が短周期更新により最新状態が維持されれば、より正確な通信回数の期待値算出が実施でき、通信回数を多く確保できる周波数セグメントを精度よく特定でき、端末装置の下りスループット向上に繋がる。
割り当て情報記録部(Assign Record 209)は、各周波数セグメントにどの端末装置が割り当てられているかを記録するメモリである。セグメント割り当て部(Segment Assignment 210)によって記録され、空間分布分析部により参照される。
図１９は、空間分布分析部が管理する情報の一例である。端末装置毎の方位推定結果と、周波数セグメントの割り当て結果をマージしている。周波数セグメント毎に、割り当てられている端末装置数と、端末装置毎の方位を記録している。これとは別に、セグメント未割り当ての端末装置に関する到来方向の情報も持つ。
空間分布分析部(Spatial Distribution Analyzer 208)は、全ての端末装置について周波数セグメントを割り当てる際の判断材料とするため、周波数セグメントの割り当てを実施したと仮定したときの、通信回数の期待値を計算する。この計算は、端末装置にインジケータをフィードバックさせるセグメントを決定するたび、すなわち長周期で実施される。
図２０は、図１９の状態から端末装置（ＩＤ０）を割り当てなおす場合を示す。斜線のハッチが図１９との変更部分である。周波数セグメント毎に注目すると、セグメント０は当該端末が割り当て済みのため変わらず、セグメント１と２は端末装置の数が１増加する。全ての周波数セグメントにおいて、オムニビームパタンで下りパケットを送信する場合は、既に各セグメントに割り当てられている他の端末装置全てが競争相手となるため、端末装置（ＩＤ０）に関する通信回数の期待値は、セグメント０で1/2、セグメント１で1/3、セグメント２で1/4である。以上より、端末装置（ＩＤ０）に関する通信回数の期待値は、図２１Ａの通りまとめられる。
図２０を前提とし、基地局装置が指向性ビームによる空間多重送信を実施する場合を考える。端末装置（ＩＤ０）と角度差が30度以上離れた端末装置を競争相手でないと見なすと、セグメント１の通信回数の期待値は、端末装置(ＩＤ２)が競争相手となるため1/2、セグメント２の期待値は、全端末装置が競争相手とならないため1となる。セグメント０もセグメント２と同様である。このとき、端末装置（ＩＤ０）に関する通信回数の期待値は、図２１Ｂの通りまとめられる。
以上でまとめた図２１Ａや図２１Ｂが、セグメント割り当て部(Segment Assignment 210)から参照される。
セグメント割り当て部(Segment Assignment 210)は、上り復調復号部(Demod&Decoder 205)から通信容量の統計量と、空間分布分析部(Spatial Distribution Analyzer 208)から通信回数の期待値を入力し、図１２に示す計算を実施して、端末装置毎にＭ個の周波数セグメントを割り当てる。割り当てのタイミングは、通信容量の統計量が入力されたタイミングで実施し、その際古い割り当ては一旦破棄する。割り当て結果は、下り制御信号生成部(Control Channel Generator 212)に送り、図１３に示すメッセージとして端末装置に通知される。
下り制御信号生成部(Control Channel Generator 212)は、スケジューラおよびセグメント割り当て部が生成する情報から、周波数セグメント固有の制御信号としてスケジューリングされた端末装置ＩＤを含む情報を生成し、端末装置固有の制御信号として図１３に示すフォーマットに従ってセグメント割り当て結果の制御信号を作成し、符号化や変調を実施する。
端末装置固有の制御情報（セグメント割り当て情報）は、セグメント固有の制御信号ではないため、あるセグメントのデータ信号のペイロードとして、優先度の高い情報として扱う。このような情報を扱うため、初期状態で周波数セグメント割り当てが為されない場合も想定して、全端末に共通の周波数セグメントを１つ用意し、全端末に常時割り当てられているセグメントとする。優先度の高い制御情報が無ければ、ユーザデータ信号を送信しても良い。
下りデータ信号生成部(Traffic Channel Generator 213)は、スケジューラから送られたビット系列を、同時に送られた符号化率、変調方式に従い符号化、変調を実施する。下りパイロット信号生成部(Pilot Channel Generator 214)は、端末装置で既知の参照信号を生成する。
制御信号、データ信号、パイロット信号は、下り多重信号生成部(MUX 215)において時多重などの方法で多重化される。下りセグメント結合部(Band Combiner 216)は、該多重化後の信号を下り全セグメントについて結合する。
OFDMAの下り信号の場合、下りセグメント結合部はIFFT(Inverse Fast Fourier Transform)で実現される。その後、デジタルアナログ変換機(DAC 217)を通って、アナログ信号処理されたあと、送信アンテナより端末装置に送信される。
なお、周波数セグメント内で空間多重通信を実施する場合は、下り多重信号生成部(MUX 215)の出力に対しアレイ信号処理を実施する。それより後段の下りセグメント結合部(Band Combiner 216)、デジタルアナログ変換機(DAC 217)、およびアナログ信号処理は送信アンテナ素子毎に実現される。
以上、基地局装置のうち、アナログデジタル変換機、デジタルアナログ変換機、メモリを除いた部分は、DSP、FPGA、ASICにより実現可能である。
無線通信システムの基地局装置および端末装置において実現される。特に、広帯域無線通信システムにおいて効果を発揮する。

Claims (7)

  1. 基地局装置と複数の端末装置とが通信を行う無線通信方法であって、
    使用可能な周波数を複数のセグメントに分割し、前記複数のセグメントのうち、前記端末装置に、通信品質をフィードバックさせるセグメントの設定と、既に前記端末装置から通信品質がフィードバックされているセグメントの解除とを、含む制御情報を前記端末装置に通知し、
    前記制御情報に従って前記端末装置は、所定のセグメントに関する通信品質を前記基地局装置にフィードバックする、ことを特徴とする無線通信方法。
  2. 請求項１記載の無線通信方法であって、
    前記制御情報は、セグメントに関する通信品質をフィードバックさせるか否かを示す情報がセグメント毎に含まれている、ことを特徴とする無線通信方法。
  3. 請求項２記載の無線通信方法であって、
    前記制御情報は、フィードバックさせることを示す“１”あるいはフィードバックをさせないことを示す“０”いずれか一方がセグメント毎に対応付けられている、ことを特徴とする無線通信方法。
  4. 複数の端末装置と無線通信可能な基地局装置であって、
    使用可能な周波数を複数のセグメントに分割し、前記複数のセグメントのうち、前記端末装置に、通信品質をフィードバックさせるセグメントの設定と、既に前記端末装置から通信品質がフィードバックされているセグメントの解除とを、含む制御情報を前記端末装置に通知し、
    前記制御情報に従って前記端末装置からは、所定のセグメントに関する通信品質がフィードバックされる、ことを特徴とする基地局装置。
  5. 請求項４記載の基地局装置であって、
    前記制御情報は、セグメントに関する通信品質をフィードバックさせるか否かを示す情報がセグメント毎に含まれている、ことを特徴とする基地局装置。
  6. 請求項５記載の基地局装置であって、
    前記制御情報は、フィードバックさせることを示す“１”あるいはフィードバックをさせないことを示す“０”いずれか一方がセグメント毎に対応付けられている、ことを特徴とする基地局装置。
  7. 基地局装置から送信される、使用可能な周波数が複数のセグメントに分割された場合に、前記複数のセグメントのうち通信品質をフィードバックさせるセグメントの設定と、通信品質がフィードバックされているセグメントの解除とを含む制御情報の入力を受け、
    前記制御情報に基づいて、前記設定されたセグメントに関する通信品質を示す情報を生成し、
    前記生成した通信品質を示す情報を出力する、ことを特徴とする情報処理装置。
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