JP5455096B2 - セルラ無線システムの動作方法およびセルラ無線システム - Google Patents

Description

本発明は、セルラ無線システムの動作方法に関する。該セルラ無線システムでは、少なくとも２つの相異なる部分的周波数再利用（Fractional Frequency Reuse, ＦＦＲ）ゾーンがダウンリンクフレーム内に定義される。また、本発明は、セルラ無線システムに関する。該セルラ無線システムでは、少なくとも２つの相異なる部分的周波数再利用（ＦＦＲ）ゾーンがダウンリンクフレーム内に定義される。

モバイルＷｉＭＡＸ（Worldwide Interoperability for Microwave Access）のようなセルラ無線システムにおいて、セル間干渉は、カバレジを制限する支配的な要因である。セル端およびセクタ端におけるカバレジホールを避けるため、直交するリソースサブセット（すなわち、ＯＦＤＭＡ（直交周波数分割多元接続）方式のモバイルＷｉＭＡＸの場合にはキャリアサブセット）を隣接するセル／セクタに割り当てるリソース（すなわち周波数）割当方式を使用することにより、直接の近隣間の干渉が存在しないようにされる。しかし、利用可能なスペクトルの一部（サブキャリアサブセット）のみが各セル／セクタ内で使用されるので、これは特に、信号対干渉雑音比（ＳＩＮＲ）の高い移動局（ＭＳ）にとって容量減少につながる場合がある。

部分的周波数再利用（ＦＦＲ）の概念は、周波数再利用係数１（すなわち、すべての装置が、利用可能なサブキャリアの完全なセットで送信を行う）を使用する利点と、より低い周波数再利用係数（セルラ環境では通常１／３）とを組み合わせる。これは、無線フレーム内で時間ドメイン分離を適用することによって、すべてのサブキャリアの完全な利用と、より低い周波数再利用係数とを準並列的な形で可能にすることによって達成される。これにより、基地局（ＢＳ）に近いユーザには高いデータレートが得られるとともに、セル端およびセクタ端のユーザには良好なカバレジが得られる。

ＯＦＤＭＡ方式のモバイルＷｉＭＡＸシステムにおいて、ＦＦＲは、各フレーム内の時間ゾーンによって実現される。フレームの一部が周波数再利用係数１のために確保され（再利用１ゾーン）、別の一部がより低い周波数再利用係数（従来のセルラ環境では通常１／３）のために確保される（再利用３ゾーン）。２つのゾーン間の切替ポイントは、各無線フレームごとに適応可能である。各移動局（ＭＳ）は、ＭＳの位置およびチャネル条件（これらは信号品質に影響を及ぼす）に応じて、ダウンリンク（ＤＬ）無線フレームの再利用３ゾーンまたは再利用１ゾーンのいずれかでサービスされる。

動作のためには、システム容量、カバレジ、サービス品質（ＱｏＳ）、あるいはその他の任意のパフォーマンスメトリックを最大化するために、どのフローまたは移動局がどのゾーンでサービスされるかを決定しなければならない。対応する割当手続きは、複数の変数に依存する可能性がある。したがって、問題自体は非常に複雑である。

非特許文献１には、モバイルＷｉＭＡＸの概観が記載されている。本出願人の開発によって、ＦＦＲにおける相異なる再利用ゾーンにフローを割り当てる２つの方法が提案されている。これらは、周波数再利用係数１および３を有する相異なるゾーンに関して、それぞれＭａｘ Ｒ１およびＭａｘ Ｒ３と称される。Ｍａｘ Ｒ１では、再利用１ゾーンが最初に、そのゾーンで最高のＳＩＮＲレベルを有するサービスフローで充填される。Ｍａｘ Ｒ３では、再利用３ゾーンが最初に充填される。

また、非特許文献２には、ＷｉＭＡＸネットワークにおける部分的周波数再利用のシミュレーション研究が記載されている。また、非特許文献３においても、モバイルＷｉＭＡＸに対する部分的周波数再利用のシミュレーション研究が知られている。

WiMAX Forum Whitepaper, "Mobile WiMAX - Part I: A Technical Overview and Performance Evaluation", August 2006 FUJITSU Sci. Tech. J., 44, 3, p.318-324 (July 2008) IEEE, 2008, 978-1-4244-1645-5/08/$25.00, Dr. Yuefeng Zhou

本発明の目的は、セルラ無線システムの動作方法および対応するセルラ無線システムにおいて、既知の方法およびシステムに顕著な複雑さを追加することなく、最適に近いパフォーマンスを可能にするような改良およびさらなる展開を行うことである。

本発明によれば、上記の目的は、請求項１の構成を備えた方法および請求項１５の構成を備えたシステムによって達成される。請求項１に記載の通り、本方法は、以下のステップを備える。すなわち、無線システム内でサービスされるべき少なくともいくつかのフローのそれぞれにそれぞれの優先基準を割り当てるためのメトリックであって、前記少なくともいくつかのフローのゾーンにおける相対リソース品質と、相対ゾーンサイズとに関連するメトリックを提供するステップと、前記少なくともいくつかのフローのそれぞれにそれぞれの優先基準を割り当てるステップと、それぞれの優先基準に従ってゾーンに前記少なくともいくつかのフローを割り当てるステップとを備える。

請求項１５に記載の通り、本システムは、無線システム内でサービスされるべき少なくともいくつかのフローのそれぞれにそれぞれの優先基準を割り当てるためのメトリックであって、前記少なくともいくつかのフローのゾーンにおける相対リソース品質と、相対ゾーンサイズとに関連するメトリックを処理する手段と、前記少なくともいくつかのフローのそれぞれにそれぞれの優先基準を割り当てる手段と、それぞれの優先基準に従ってゾーンに前記少なくともいくつかのフローを割り当てる手段とを備える。

本発明によって認識されたこととして、無線システム内でサービスされるべき少なくともいくつかのフローのそれぞれにそれぞれの優先基準を割り当てるための好適なメトリックを提供することによって、セルラ無線システムの高いパフォーマンスを実現することが可能となる。メトリックは、前記少なくともいくつかのフローのゾーンにおける相対リソース品質と、相対ゾーンサイズとを考慮する。このようなメトリックにより、前記少なくともいくつかのフローのそれぞれにそれぞれの優先基準を割り当てること、および、それぞれの優先基準に従ってゾーンに前記少なくともいくつかのフローを割り当てることが可能となる。

本発明による方法は、相異なる再利用ゾーン間の切替ポイント位置の変動と、サービスされるべきフロー数とに関して、従来の方法よりも高いロバスト性を提供する。

本発明による方法およびシステムは、既知の方法およびシステムに顕著な複雑さを追加することなく、最適に近いパフォーマンスを提供する。

好ましくは、本方法は、前記少なくともいくつかのフローのそれぞれに優先基準を割り当てるステップの後に、それぞれの優先基準に従って前記少なくともいくつかのフローの整列リストを作成することにより、ゾーンに前記少なくともいくつかのフローを割り当てることが該リストに従って実行されるようにするステップをさらに備える。このようなリストは、システムの動作のための非常に簡単なツールを提供する。

本発明の好ましい実施形態において、リストは、優先基準に関して降順に作成されてもよい。これにより、ゾーンに前記少なくともいくつかのフローを割り当てることは、優先されるゾーンに対応して整列リスト内の最初のフローから開始されてもよい。優先されるゾーンにおいてもはや利用可能なリソースがない場合、フローは他のゾーンに割り当てられる。

非常に有効な方法において、相対リソース品質は、それぞれのフローに関するＳＩＮＲ（信号対干渉雑音比）に関連してもよい。これにより、ゾーンに前記少なくともいくつかのフローを割り当てることは、利用可能なゾーンに関して、各フローのＳＩＮＲを考慮して実行されてもよい。

メトリックが関連する他方のパラメータは、相対ゾーンサイズである。本発明の好ましい実施形態において、相対ゾーンサイズは、ゾーン内の使用可能リソース数に関連してもよい。好ましくは、使用可能リソースは、無線システムにおける時間周波数スロットである。また、部分的周波数再利用（ＦＦＲ）ゾーンは時間ゾーンであってもよい。

非常に高い有効性に関して、それぞれの優先基準に従ってゾーンに前記少なくともいくつかのフローを割り当てることは、無線システムの基地局（ＢＳ）によって実行されてもよい。好ましくは、メトリックに対するすべての入力変数がこのような基地局で利用可能であってもよい。

本発明による方法を簡単に実行することに関して、変数は、移動局（ＭＳ）フィードバックメカニズム、好ましくはダウンリンクプリアンブルＳＩＮＲレポートを使用することによって収集されてもよい。別法として、変数は、システムパラメータとして利用可能であってもよい。

さらに好ましい実施形態において、与えられたゾーンにおいてフローに必要とされるリソースの量は、ＳＩＮＲレベルおよびスループット要求に基づいて変調符号化方式（modulation and coding scheme, ＭＣＳ）によって決定されてもよい。

本発明は、特にモバイルＷｉＭＡＸシステムにおいて有用である。したがって、上記の無線システムはモバイルＷｉＭＡＸシステムであってもよい。

好ましいセルラ無線システムにおいて、非常にコンパクトなシステムを提供するために、メトリックを処理する手段、それぞれの優先基準を割り当てる手段、およびゾーンに前記少なくともいくつかのフローを割り当てる手段はすべて、システムの基地局（ＢＳ）の一部であってもよく、または、システムの基地局（ＢＳ）内に統合されてもよい。

本発明は、どのフローまたはサービスフローおよび移動局がそれぞれ、各フレーム（例えば、モバイルＷｉＭＡＸのＤＬ ＭＡＣフレーム）においてどのＦＦＲゾーンでサービスされるかを決定する方法を構成する。本方法は、他のすべてのフローまたはサービスフローと比較したゾーンにおける相対リソース品質と、相対ゾーンサイズを考慮する。

ゾーン割当方法は、以下の３ステップから構成されてもよい。
第１ステップ：少なくともいくつかのフローまたはサービスフローに対するゾーン優先メトリックを決定する。
第２ステップ：現在のダウンリンク無線フレームにおいてサービスされるべきフローの整列リストを、ゾーン優先メトリックの降順に作成する。
第３ステップ：優先されるゾーンに対応して整列リスト内の最初のフローから開始して、ゾーンにフローを割り当てる。

本発明は、フローのＦＦＲゾーン優先度を決定するためのメトリックを提供する。本方法は、切替ポイント位置の変動と、フローまたはサービスフローの個数とに関して、従来の方法よりも高いロバスト性を示す。したがって、本方法は、再利用ゾーン間の切替ポイントが変化しても、非常に良好なパフォーマンスを示す。また、本発明は、モバイルＷｉＭＡＸシステムに対する無線フレームにおける部分的周波数再利用時間ゾーンにサービスフローを動的に割り当てるためのフレキシブルな方法を提供する。

本発明を好ましい態様で実施するにはいくつもの可能性がある。このためには、一方で請求項１および１５に従属する諸請求項を参照しつつ、他方で図面により例示された本発明の好ましい実施形態についての以下の説明を参照されたい。図面を用いて本発明の好ましい実施形態を説明する際には、本発明の教示による好ましい実施形態一般およびその変形例について説明する。

モバイルＷｉＭＡＸによって実施される部分的周波数再利用（ＦＦＲ）の模式図である。 切替ポイントに対応する無線システムのリソース利用率を例示する図である。

図１は、ＦＦＲの基本原理を例示している。各移動局またはフローが、信号品質に応じて、ダウンリンク（ＤＬ）無線フレームの再利用３ゾーンまたは再利用１ゾーンのいずれかでサービスされる。また、ＤＬ ＭＡＣフレームが例示されている。ＭＡＣは媒体アクセス制御（Media Access Control）を意味する。また、３個のセクタを有するセルが、基地局とともに例示されている。

好ましい実施形態は、どの移動局またはフローが、それぞれのモバイルＷｉＭＡＸダウンリンク無線フレームにおいてどのＦＦＲゾーンでサービスされるかを決定する方法を構成する。本発明が提案するゾーン割当方式は、２つの重要な考え方を含む。
１．両方のＦＦＲゾーンにおける相対リソース品質が、ゾーン割当決定のためのメトリックとして考慮されなければならない。与えられたサービスフローに対するリソース品質が、あるゾーンにおける他のすべてのアクティブなフローに比べて高いほど、そのゾーンの対応する優先度は高くなるべきである。
２．相対ゾーンサイズが割当決定において考慮される。相対ＦＦＲゾーンサイズが大きいほど、そのゾーンにおいて高い相対リソース品質を有するサービスフローの対応する優先メトリックの値は高くなるべきである。

これらの考え方をゾーン割当方法に取り入れるため、以下の２つのメトリックが定義される。

これらの式において、γ_１ｉおよびγ_３ｉはそれぞれ、再利用１ゾーンおよび再利用３ゾーンのフローｉのダウンリンクＳＩＮＲである。Ｎは、フレームにおいてサービスされるべきフロー数であり、Ｓ１およびＳ３は、再利用１ゾーンおよび再利用３ゾーンにおける使用可能リソース（モバイルＷｉＭＡＸでは時間周波数スロット）の総数である。したがって、メトリックの第１因子は各ゾーンにおける相対リソース品質を表し、第２因子は相対ゾーンサイズを表す。

因子αは、調整のために使用され、事業者によって自由に選択可能である。なお、すべての入力変数は、ダウンリンクＳＩＮＲレポートのようなＭＳフィードバックメカニズムを使用することによって収集されるか、使用可能な時間周波数リソース数に関する再利用ゾーンサイズのようなシステムパラメータとしてであるかにかかわらず、ＢＳで利用可能である。

優先ゾーン割当方法は、以下の３ステップからなる。

第１ステップ
サービスフローに対する新しいゾーン優先メトリックを決定する。
ｆｏｒ ｅａｃｈ ｆｌｏｗ ｉ
ｃａｌｃｕｌａｔｅ φ_１，ｉ ａｎｄ φ_３，ｉ
ｉｆ（φ_１，ｉ＞φ_３，ｉ）
ｐｒｅｆｅｒｒｅｄ＿ｚｏｎｅ_ｉ＝Ｒｅｕｓｅ １ Ｚｏｎｅ
φ_ｉ＝φ_１，ｉ
ｅｌｓｅ
ｐｒｅｆｅｒｒｅｄ＿ｚｏｎｅ_ｉ＝Ｒｅｕｓｅ ３ Ｚｏｎｅ
φ_ｉ＝φ_３，ｉ
ｅｎｄ
ｅｎｄ

第２ステップ
現在のダウンリンク無線フレームにおいてサービスされるべき全フローの整列リストを、優先あるいは整列基準φ_ｉの降順に作成する。

第３ステップ
優先されるゾーンに対応して整列リスト内の最初のフローから開始して、ゾーンにフローを割り当てる。優先されるゾーンにおいてもはや利用可能なリソースがない場合、フローは他のゾーンに割り当てられる。与えられたゾーンにおいてフローに必要とされるリソースの量は、ＳＩＮＲレベルおよびスループット要求に基づいて変調符号化方式（ＭＣＳ）によって決定される。

図２は、切替ポイントに対応するリソース利用率と、特に１９セル配備状況に対する新規方法のパフォーマンス評価結果を示している。この例では、セルあたり３セクタで、各セクタにおいて１４個のアクティブなＶｏＩＰフローがある。リソース利用率に関して、本発明が提案する方法のパフォーマンスが、従来技術ですでに提案されている２つの方法（Ｍａｘ Ｒ１およびＭａｘ Ｒ３で表す）および最適ゾーン割当（全数探索）のパフォーマンスと比較されている。Ｍａｘ Ｒ１では、再利用１ゾーンが最初に、そのゾーンで最高のＳＩＮＲレベルを有するサービスフローで充填される。Ｍａｘ Ｒ３では、再利用３ゾーンが最初に充填される。上記の全数探索においては、すべての可能なパラメータの組合せを用いて、リソース利用率に関して最適なゾーン割当を見つける。

図２のｘ軸は、再利用１ゾーンと再利用３ゾーンとの間のダウンリンク無線フレームにおける切替ポイントを示し、ｙ軸は、結果として得られるリソース利用率を示す。ｙ軸において、１．０は完全に充填されたフレームを表す。黒の曲線は、リソース利用率を最小化することに関して調整因子αの最適な設定で、新規方法のパフォーマンスを示している。

図２によれば、この場合のαの最適値はα＝４．０である。

パフォーマンス評価によれば、以下のことがわかる。
１．新規方法は、Ｍａｘ Ｒ１およびＭａｘ Ｒ３の結果によって限界づけられる。αの低い値に対して、結果はＭａｘ Ｒ１の方法の結果に近づく一方、αの高い値ではＭａｘ Ｒ３の挙動に従う。
２．本方法は、フレームの切替ポイントに適応可能である点で、Ｍａｘ Ｒ１およびＭａｘ Ｒ３の方法よりも優れている。
３．αを適切に設定すれば、新規方法は、Ｍａｘ Ｒ１およびＭａｘ Ｒ３よりも、切替ポイント位置の変化に対してロバスト性が高い。
４．本発明が提案する方法は、Ｍａｘ Ｒ１およびＭａｘ Ｒ３に顕著な複雑さを追加することなく、最適に近いパフォーマンスを示す。

本発明の重要な特徴は以下の通りである。
１．ＳＩＮＲレベルに関して相対リソース品質を考慮して、ＦＦＲゾーンにサービスフローを動的に割り当てる。
２．ゾーン優先メトリックにおいて相対ゾーンサイズを考慮する。
３．サービスフロー数に適応するための調整因子を追加している。

上記の説明および添付図面の記載に基づいて、当業者は本発明の多くの変形例および他の実施形態に想到し得るであろう。したがって、本発明は、開示した具体的実施形態に限定されるものではなく、変形例および他の実施形態も、添付の特許請求の範囲内に含まれるものと解すべきである。本明細書では特定の用語を用いているが、それらは総称的・説明的意味でのみ用いられており、限定を目的としたものではない。

Claims (16)

1. セルラ無線システムの動作方法において、該セルラ無線システムでは、少なくとも２つの相異なる部分的周波数再利用（ＦＦＲ）ゾーンがダウンリンクフレーム内に定義され、該方法は、
   無線システム内でサービスされるべき少なくともいくつかのフローのそれぞれにそれぞれの優先基準を割り当てるためのメトリックであって、前記少なくともいくつかのフローのゾーンにおける相対リソース品質と、相対ゾーンサイズとに関連するメトリックを提供するステップと、
   前記少なくともいくつかのフローのそれぞれにそれぞれの優先基準を割り当てるステップと、
   それぞれの優先基準に従ってゾーンに前記少なくともいくつかのフローを割り当てるステップと
   を備え、
   前記相対リソース品質は、各ゾーンにおける、与えられたサービスフローのリソース品質の、すべてのアクティブなフローのリソース品質に対する相対的なリソース品質であり、
   前記相対ゾーンサイズは、各ゾーンにおける、使用可能なリソース量の、全ゾーンで使用可能なリソース量に対する相対的なリソース量である
   ことを特徴とする、セルラ無線システムの動作方法。
2. 前記少なくともいくつかのフローのそれぞれに優先基準を割り当てるステップの後に、それぞれの優先基準に従って前記少なくともいくつかのフローの整列リストを作成することにより、ゾーンに前記少なくともいくつかのフローを割り当てることが該リストに従って実行されるようにするステップをさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記リストが、優先基準に関して降順に作成されることを特徴とする請求項２に記載の方法。
4. ゾーンに前記少なくともいくつかのフローを割り当てることが、優先されるゾーンに対応して整列リスト内の最初のフローから開始されることを特徴とする請求項２または３に記載の方法。
5. 相対リソース品質が、それぞれのフローに関するＳＩＮＲ（信号対干渉雑音比）に関連することを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の方法。
6. 相対ゾーンサイズが、ゾーン内の使用可能リソース数に関連することを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の方法。
7. 使用可能リソースが、無線システムにおける時間周波数スロットであることを特徴とする請求項６に記載の方法。
8. 部分的周波数再利用（ＦＦＲ）ゾーンが、時間ゾーンであることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１項に記載の方法。
9. それぞれの優先基準に従ってゾーンに前記少なくともいくつかのフローを割り当てることが、基地局（ＢＳ）によって実行されることを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１項に記載の方法。
10. メトリックに対するすべての入力変数が基地局（ＢＳ）で利用可能であることを特徴とする請求項１ないし９のいずれか１項に記載の方法。
11. 変数が、移動局（ＭＳ）フィードバックメカニズム、好ましくはダウンリンクＳＩＮＲレポートを使用することによって収集されることを特徴とする請求項１０に記載の方法。
12. 変数が、システムパラメータとして利用可能であることを特徴とする請求項１０に記載の方法。
13. 与えられたゾーンにおいてフローに必要とされるリソースの量が、ＳＩＮＲレベルおよびスループット要求に基づいて変調符号化方式（ＭＣＳ）によって決定されることを特徴とする請求項１ないし１２のいずれか１項に記載の方法。
14. 無線システムが、モバイルＷｉＭＡＸシステムであることを特徴とする請求項１ないし１３のいずれか１項に記載の方法。
15. セルラ無線システム、好ましくは請求項１ないし１４のいずれか１項に記載の方法を実行するセルラ無線システムにおいて、該セルラ無線システムでは、少なくとも２つの相異なる部分的周波数再利用（ＦＦＲ）ゾーンがダウンリンクフレーム内に定義され、
    無線システム内でサービスされるべき少なくともいくつかのフローのそれぞれにそれぞれの優先基準を割り当てるためのメトリックであって、前記少なくともいくつかのフローのゾーンにおける相対リソース品質と、相対ゾーンサイズとに関連するメトリックを処理する手段と、
    前記少なくともいくつかのフローのそれぞれにそれぞれの優先基準を割り当てる手段と、
    それぞれの優先基準に従ってゾーンに前記少なくともいくつかのフローを割り当てる手段と
    を備え、
    前記相対リソース品質は、各ゾーンにおける、与えられたサービスフローのリソース品質の、すべてのアクティブなフローのリソース品質に対する相対的なリソース品質であり、
    前記相対ゾーンサイズは、各ゾーンにおける、使用可能なリソース量の、全ゾーンで使用可能なリソース量に対する相対的なリソース量である
    ことを特徴とするセルラ無線システム。
    
16. すべての手段が、システムの基地局（ＢＳ）の一部であるか、または、システムの基地局（ＢＳ）内に統合されることを特徴とする請求項１５に記載のセルラ無線システム。