JP6355855B2 - 帯域割当て装置およびフレームフォーマット - Google Patents

Description

この発明は、時分割多元接続方式の無線通信技術に関する。

移動体無線通信システムにおける多元接続方式として、複数の端末が周波数を共用し、それぞれの端末に共用する周波数を専用する単位時間（タイムスロット）を割り当てる時分割多元接続（ＴＤＭＡ：Time Division Multiple Access）方式がある。

ＴＤＭＡ方式における端末から基地局へのアップリンクの送信では、端末が送信した電波が基地局に到達するまでに要する時間が端末と基地局との距離に依存して変動するため、互いに異なる位置にある２つの端末が連続するタイムスロットで送信を行う場合、端末同士は時間的な重なりがなく送信を行ったとしても、電波の伝搬時間に差がある影響で２つの端末が送信した電波を基地局が受信する際にはこれら２つの電波が互いに干渉する可能性がある。

従来、この問題に対処する干渉回避技術として、各タイムスロットの境界に端末が送信を行わないガードタイムを挿入する方法が用いられている。（非特許文献１）

三瓶政一著「ディジタルワイヤレス伝送技術」ピアソンエデュケーション、ｐ．２９９

しかし、セル半径が大きなシステムや細長いセルを形成するシステムなどのように、基地局に近い端末と基地局から遠い端末とで伝搬遅延の差が大きい場合には、上述の従来の干渉回避技術を用いる場合、タイムスロットごとに長大なガードタイムを挿入する必要がある。このため、端末に対して複数個のタイムスロットが連続して割り当てられる無線通信システムの場合、送信元が同一端末であるタイムスロットの境界にも長大なガードタイムが挿入されることになり、アップリンクの伝送効率が低下するという問題があった。

この発明は上述の課題を解決するためになされたものであり、端末に連続した複数個のタイムスロットが割り当てられるＴＤＭＡ方式の無線通信システムにおいて、伝送効率を向上したタイムスロット割り当てを行う帯域割当て装置を得ることを目的とする。

この実施の形態の帯域割当て装置は、時分割多元接続方式により送信を行う端末への送信帯域割当てを行う帯域割当て装置であって、時分割多元接続方式のフレームを構成するタイムスロットを割り当てる端末の数を決定する端末数決定部と、端末数決定部が決定した端末数に基づいて、少なくとも端末数よりも１少ない数のタイムスロットをいずれの端末にも割り当てない未割当タイムスロットとし、当該未割当タイムスロットを除いてフレームのタイムスロットをそれぞれの端末に割り当てるタイムスロット割当部と、タイムスロット割当部が決定したタイムスロットの割り当てに基づいて、１つの端末に割り当てられたタイムスロットを連続に配置し、異なる端末に割り当てられるタイムスロットの間に少なくとも１つの未割当タイムスロットを配置してフレームのタイムスロットの配置を決定するタイムスロット配置部と、を備えるようにしたものである。

この発明の帯域割当て装置によれば、時分割多元接続方式の各タイムスロットの境界にガードタイムを挿入する必要が無くなり、伝送効率を向上することが可能になる。

この発明の実施の形態１に係る帯域割当て装置（基地局）の機能構成の一例を示すブロック図である。 実施の形態１に係る帯域割当て装置の制御部の機能構成の一例を示すブロック図である。 実施の形態１に係る帯域割当て装置のハードウェア構成の一例を示すブロック図である。 実施の形態１に係る帯域割当て装置のハードウェア構成の一例を示すブロック図である。 実施の形態１の基地局が送信するダウンリンクフレームの構造の一例を示す模式図である。 実施の形態１の帯域割当て装置の制御部の処理フローの一例を示すフローチャートである。 実施の形態１の帯域割当て装置が割当てをしたアップリンクフレームのタイムスロット割り当ての一例を示す模式図である。 実施の形態１の帯域割当て装置が割当てをしたアップリンクフレームのタイムスロット割り当ての一例を示す模式図である。 実施の形態１の帯域割当て装置がアップリンクフレームのタイムスロット割り当てを端末に通知する制御情報の構成の一例を示す模式図である。 実施の形態１の帯域割当て装置がアップリンクフレームのタイムスロット割り当てを端末に通知する制御情報の構成の一例を示す模式図である。 実施の形態１の帯域割当て装置が割当てをしたアップリンクフレームのタイムスロット割り当ての変形例を示す模式図である。 実施の形態１の帯域割当て装置が割当てをしたアップリンクフレームのタイムスロット割り当ての変形例を示す模式図である。 実施の形態１の帯域割当て装置が割当てをしたアップリンクフレームのタイムスロット割り当ての変形例を示す模式図である。 実施の形態１の帯域割当て装置が割当てをしたアップリンクフレームのタイムスロット割り当ての変形例を示す模式図である。

以下、この発明を実施するための形態を、図面を参照して説明する。以下で参照する図面においては同一もしくは相当する部分に同一の符号を付している。なお、以下に示す実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１
図１は、この発明の実施の形態１に係る帯域割当て装置（基地局）２００の機能構成の一例を示すブロック図である。基地局２００は、制御部２１０、変調器２２０、デジタルアナログ変換器（ＤＡ変換器とも称す）２３０、周波数変換器２４０、アンテナ２５０を備えている。なお、実際には基地局２００は端末から受信する信号を処理するための受信側のアンテナ、周波数変換器、アナログデジタル変換器、復調器、等を備えてよいが、以下の説明ではこれらの受信側の機能ブロックを参照しないため受信側の機能ブロックを省略し、図を簡略化している。また、ここでは帯域割当て装置を基地局として説明するが、変調器２２０、ＤＡ変換器２３０、周波数変換器２４０、アンテナ２５０等の無線信号を送信するための機能と切り離し、帯域割当て機能を備えた単独の装置としてもよい。

基地局２００において、制御部２１０は、基地局から端末に送信される制御信号またはデータ信号の送信ビット系列を生成し変調器２２０に出力する。変調器２２０は、入力信号である送信ビット系列に対して変調処理を行う。変調器２２０が行う変調処理はこの発明の基地局２００が適用される無線通信システムに適合する既存の変調方式を用いればよい。ＤＡ変換器２３０は、変調器２２０から出力される変調処理後のデジタル信号（変調信号）をアナログ信号に変換する。周波数変換器２４０は、ＤＡ変換器２３０から入力されるアナログ信号を搬送波周波数の信号に周波数変換する。アンテナ２５０は、周波数変換器２４０が周波数変換した搬送波周波数の信号を通信相手である端末に対して電波で送信する。ＤＡ変換器２３０、周波数変換器２４０は既存の公知の技術で構成すればよい。なお、ここでは説明の簡単化のため基地局２００のアンテナ数を１としているが、これに限られるものではなく、変調器２２０から複数アンテナ分の変調信号を出力し、複数のＤＡ変換器２３０、周波数変換器２４０、アンテナ２５０を備える構成としてもよい。

図２は、制御部２１０の機能構成の一例を示すブロック図であり、制御部２１０は端末数決定部２１１、タイムスロット割当部２１２、タイムスロット配置部２１３、ダウンリンクデータ信号生成部２１４、ダウンリンクフレーム生成部２１５を備えている。なお、図２においても制御部２１０はこの発明に関わらない基地局２００の制御機能を備えてよいが、ここではこの発明に関わる機能のみを図示して図を簡略化している。

端末数決定部２１１はアップリンクで送信を行う端末数を決定する。タイムスロット割当部２１２は、端末数決定部２１１が決定した数の端末に対してアップリンクフレームの各タイムスロット（以降、タイムスロットをスロットとも称す）をどの端末に割り当てるかを決定する。ここで、フレームとはあらかじめ定められた数の複数のタイムスロットで構成される無線伝送区間のデータ伝送単位である。タイムスロット配置部２１３は、タイムスロット割当部２１２がタイムスロットを割り当てることを決定した各端末に対して、当該端末がアップリンクで使用するタイムスロットを指定するビット系列を生成する。ダウンリンクデータ信号生成部は、制御信号以外のダウンリンクのデータ信号のビット系列を生成する。ダウンリンクフレーム生成部２１５はダウンリンクで基地局２００が送信するダウンリンクフレームを生成し、ビット系列として出力する。

上述の制御部２１０、変調器２２０、ＤＡ変換器２３０、周波数変換器２４０、アンテナ２５０は図３に示すように例えばＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）１０００およびその周辺回路１０１０等で構成されるハードウェアで実現することが可能である。また、ＡＳＩＣ１０００をＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）などのプログラマブルデバイスで実現することも可能である。制御部２１０、変調器２２０は図４に示すようにプロセッサ１１００とメモリ１１１０等の周辺回路で構成されるハードウェアとメモリ１１１０に記憶され、プロセッサ１１００で実行されるプログラムによって実現することも可能である。また、ハードウェアとソフトウェアを組み合わせて実現することも可能である。また、制御部２１０の一部の機能（例えばダウンリンクフレーム生成部）をハードウェアで実現し、その他の機能をプロセッサとプロセッサで実行されるプログラムで実現することも可能である。

次に動作を説明する。図５はこの実施の形態に係る基地局２００が送信するダウンリンクフレーム３００の構造の一例を示す模式図である。ダウンリンクフレーム３００は複数のタイムスロットで構成されている。この例では、ダウンリンクフレーム３００の先頭のタイムスロットでダウンリンクの制御信号が伝送され、残りのタイムスロットで各端末あてのデータ信号が伝送されるものとする。なお、図５に示す制御信号とデータ信号以外の種別のタイムスロットを含んでもよいし、また、制御信号とデータ信号のタイムスロットの順序は図５に示す順序である必要はなく、他の順序であってもよい。基地局２００は図５に示すフレームを定められた周期ごとに送信する。基地局２００はこの定められた周期ごとに次に以下に示す処理を実施する。

始めに制御部２１０がダウンリンクで送信する制御信号とデータ信号のビット系列を生成する。図６は制御部２１０の動作の一例を示すフローチャートである。なお、以下の説明では制御部２１０は、これ以前に行われた例えばランダムアクセスチャネル等を用いた基地局端末間のアップリンク通信により、自基地局配下に存在する端末数（以下、セル内端末数）を把握しているものとする。はじめに、制御部２１０の端末数決定部２１１がセル内端末数からアップリンクフレームのタイムスロット（アップリンクスロット）を割り当てる端末の端末数を決定する（Ｓ１１０）。

次に、タイムスロット割当部２１２がアップリンクフレームのタイムスロットを割り当てる端末数に基づいて、各端末に割り当てるタイムスロット数を決定する（Ｓ１２０）。ここで、タイムスロット割当部２１２が各端末に割り当てるタイムスロット数を決定する方法の一例を具体的に説明する。ここでは、各端末に均等にアップリンクスロットを割り当てるとものする。アップリンクフレーム内のタイムスロット数をＮ、アップリンクフレームのタイムスロットを割り当てる端末数をＭとすると、各端末には（Ｎ−（Ｍ−１））／Ｍ個のスロットを割り当てる。例えばＮ＝７、Ｍ＝１である場合、１台の端末にアップリンクフレーム内の７個のタイムスロット全てを割り当てる。

また、Ｎ＝７、Ｍ＝２の場合は、２台の端末（端末Ａ、端末Ｂとする）に対してそれぞれ３個の連続したタイムスロットを割り当てる。このときアップリンクフレームの７個のタイムスロットのうち、１個のタイムスロットはいずれの端末にも割り当てられない。なお、（Ｎ−（Ｍ−１））／Ｍが割り切れない場合は、各端末に割り当てるスロット数が整数個となるように調整する。

このように、この実施の形態の基地局２００の制御部２１０は、アップリンクフレームのタイムスロットを自基地局の配下の端末に割り当てるとき、（セル内端末数−１）個のタイムスロットが配下のいずれの端末にも割り当てられないようにする。このいずれの端末にも割り当てられないタイムスロットを未割当タイムスロットもしくは未割当スロット称す。

次に、タイムスロット配置部２１３は、タイムスロット割当部２１２が決定した各端末へのアップリンクフレームのタイムスロットの割り当て数に基づいて、各端末に割り当てられるタイムスロットのアップリンクフレームにおける位置を決定し、決定した位置をダウンリンクフレームで送信する制御信号のビット系列を生成する（Ｓ１３０）。このとき、個々の端末には連続したタイムスロットを割り当てるとともに、異なる端末に割り当てられるタイムスロットとの間に少なくとも１つの未割当タイムスロットが存在するようにダウンリンクフレームの各タイムスロットの端末への割り当てを決定する。

例えば、上述の例のＮ＝７、Ｍ＝１の場合には、アップリンクスロットを割り当てる端末を端末Ａとすると、図７に示すように、アップリンクフレーム７００のタイムスロットはすべて端末Ａに割り当てられる。なお、この実施の形態に係る基地局が受信するアップリンクフレームでは各タイムスロット間にガードタイムを設けないものとする。また、Ｎ＝７、Ｍ＝２の場合には、いずれの端末にも割り当てられないタイムスロットは、端末Ａに割り当てるスロットと端末Ｂに割り当てるスロットの間に配置されるようにする。このタイムスロット割り当ての例の場合のアップリンクフレームを図８に示す。

このようなタイムスロットの割り当てを端末に通知する制御信号は、例えば図９に示すフォーマットで構成することができる。図９は１番目からＮ番目のＮ個のタイムスロットのそれぞれがどの端末に割り当てられるかを端末のインデックス（例えば端末に固定的あるいは一時的に割り当てられた番号）を指定することで通知する例である。また、別の例として図１０に示すように、端末特有のインデックス（ここでは１からＭの数字とする）とそれぞれの端末に割り当てられるタイムスロットの先頭の位置と割当て個数の組み合わせとすることも考えられる。なお、制御信号は端末へのタイムスロットの割り当ての情報以外の情報を含んでよい。なお、端末へのタイムスロットの割り当ての情報以外の情報の生成方法についてこの発明は限定するものではない。

次に、ダウンリンクデータ信号生成部２１４は、ダウンリンクで送信する制御信号以外のビット系列を生成する（Ｓ１４０）。なお、ダウンリンクで送信するデータ信号自体の生成方法をこの発明は限定するものではない。例えば、他の装置から受信した端末あての情報をデータ信号としてビット系列を生成してもよい。そして、次にダウンリンクフレーム生成部２１５は、タイムスロット配置部２１３から入力されるビット系列と、ダウンリンクデータ信号生成部２１４から入力されるビット系列により、ダウンリンクフレーム３００を生成し、生成したダウンリンクフレーム３００のビット系列を変調器２２０に出力する（Ｓ１５０）。

そして、制御部２１０からダウンリンクフレーム３００のビット系列を入力された変調器２２０は、入力されたビット系列を変調したデジタル信号である変調信号をデジタルアナログ変換器２３０に入力する。そして、デジタルアナログ変換器２３０は入力された変調信号をアナログ信号に変換して周波数変換器２４０に入力する。周波数変換器２４０は入力されたアナログ信号を搬送波周波数の信号に変換してアンテナ２５０に入力する。アンテナ２５０は入力された搬送波周波数の信号を電波として放射する。なお、変調器２２０が行う変調処理、ＤＡ変換器２３０が行うデジタルアナログ変換処理、周波数変換器２４０が行う搬送波周波数への周波数変換処理は既存の公知の技術を適用して適宜行えばよい。

以上説明したように、この実施の形態の帯域割当て装置は、時分割多元接続方式により送信を行う端末への送信帯域（アップリンクの帯域）の割当てを行う帯域割当て装置であって、時分割多元接続方式のフレームを構成するタイムスロットを割り当てる端末の数を決定する端末数決定部と、端末数決定部が決定した端末数に基づいて、少なくとも端末数よりも１少ない数のタイムスロットをいずれの端末にも割り当てない未割当タイムスロットとし、当該未割当タイムスロットを除いてフレームのタイムスロットをそれぞれの端末に割り当てるタイムスロット割当部と、タイムスロット割当部が決定したタイムスロットの割り当てに基づいて、１つの端末に割り当てられたタイムスロットを連続に配置し、異なる端末に割り当てられるタイムスロットの間に少なくとも１つの未割当タイムスロットを配置してフレームのタイムスロットの配置を決定するタイムスロット配置部と、を備えるようにしたので、各タイムスロットの境界にガードタイムを挿入する必要が無くなり、伝送効率を向上することが可能になる。特に、セル内端末数が少ない場合に伝送効率を向上する効果は顕著である。

なお、以上の説明では、各端末に均等にスロットを割り当てるようにしたが、これに限られることはない。各端末の要求スループットや優先度などに応じてアップリンクで割り当てるスロット数を傾斜配分してもよい。一例として、Ｎ＝７、Ｍ＝２とし、２台の端末Ａ、端末Ｂに対して、ａ：ｂの割合でアップリンクスロットを割り当てるとき、端末Ａには、ａ×（Ｎ−（Ｍ−１））／（ａ＋ｂ）個のアップリンクスロットを、端末Ｂにはｂ×（Ｎ−（Ｍ−１））／（ａ＋ｂ）個のアップリンクスロットを、それぞれ割り当てる。ここで、ａ＝２、ｂ＝１とすると、端末Ａには４個、端末Ｂには２個のアップリンクスロットが割り当てられ、図１１に示すように、アップリンクフレーム７００は、４つの連続した端末Ａ送信スロット＃１−＃４と、どの端末にも割り当てられない未割当スロット、２つの連続した端末Ｂ送信スロット＃１−＃２から構成される。

また、制御部２１０は、アップリンクフレームの最終スロットは必ず未割当スロットとなるように、各端末にアップリンクのタイムスロットを割り当てるようにしてもよい。一例として、各端末に均等にアップリンクスロットを割り当てる場合、各端末には、（Ｎ−Ｍ）／Ｍ個のスロットを割り当てる。ここで、Ｎ＝７、Ｍ＝１とすると、図１２に示すように、アップリンクフレーム７００は、６つの連続した端末Ａ送信スロット＃１−＃６と、どの端末にも割り当てられない未割当スロットから構成される。また、Ｎ＝７、Ｍ＝２とすると、図１３に示すように、アップリンクフレーム７００は、３つの連続した端末Ａ送信スロット＃１−＃３、端末Ａ送信スロット＃３に続くどの端末にも割り当てられない未割当スロット＃１、２つの連続した端末Ｂ送信スロット＃１−＃２、端末Ｂ送信スロット＃２に続くどの端末にも割り当てられない未割当スロット＃２から構成される。なお、このとき、アップリンクフレームの前側のタイムスロットを割り当てる端末が２個のタイムスロットを割り当てられ、後ろ側のタイムスロットを割り当てられる端末が３個のタイムスロットが割り当てられるようにしてもよい。このように端末への均等なタイムスロット割り当てができない場合、その他の割り当て方法として、要求スループットが高い方の端末に多く割り当てるようにしてもよいし、アップリンクフレームごとに交互にタイムスロットを多く割り当てる端末を変更して割り当てるようにもよいし、タイムスロットを多く割り当てる端末をランダムに選択するようにしてもよい。また、タイムスロットを端末に均等に配分するのではなく、上述の例のように傾斜配分するようにしてもよい。

このように、アップリンクの送信を行うアップリンクフレームの最終スロットが必ず未割当スロットとなるようにアップリンクのタイムスロット割当を行うことで、現アップリンクフレームの最終スロットと次アップリンクフレームの先頭スロットに割り当てられる端末が異なる場合に、基地局受信におけるスロット衝突を回避でき、アップリンクの受信性能劣化を抑圧することができる。

また、先頭のタイムスロットを任意の端末が使用するアップリンクの制御用タイムスロットとし、以降のタイムスロットをアップリンクのデータ送信用タイムスロットとするような構成のアップリンクフレームが用いられる場合、アップリンクの制御用タイムスロットの次のタイムスロットは必ず未割当スロットとなるように、制御部２１０が各端末にアップリンクフレームのタイムスロットを割り当てることも考えられる。一例として、Ｎ＝７、Ｍ＝２の場合のアップリンクフレーム７００の構成を図１４に示す。この場合のアップリンクフレーム７００は、アップリンクの制御用タイムスロット（アップリンク制御用スロット）、どの端末にも割り当てられない未割当スロット＃１、２つの連続した端末Ａ送信スロット＃１−＃２、未割当スロット＃２、１つの端末Ｂ送信スロット＃１、未割当スロット＃３から構成される。ただし、端末Ａ送信スロット数と端末Ｂ送信スロット数はこれに限らず、端末Ａ送信スロット数を１、端末Ｂ送信スロット数を２としてもよい。

このように、アップリンクフレームの特定の位置（例えば先頭）に配置される制御用タイムスロットの次のスロットを必ず未割当スロットとすることで、制御用タイムスロットを割り当てられた端末と、それに続くデータ送信用タイムスロットに割り当てられる端末とが異なるときに、基地局受信におけるスロット衝突を回避でき、アップリンクの受信性能劣化を抑圧することができる。

なお、アップリンクの制御用タイムスロットを割り当てる端末と、制御用タイムスロットの直後のデータ送信用タイムスロットを割り当てる端末が同じ場合は、制御用タイムスロットの次のタイムスロットを未割当スロットとせず、データ送信用タイムスロットとして使用してもよい。

このように、アップリンクの制御用タイムスロットを割り当てる端末と、制御用タイムスロットの直後のデータ送信用タイムスロットを割り当てる端末が同じ場合、アップリンク制御用スロットの次のスロットを未割当スロットとせず、データ送信用タイムスロットとして使用することで、未割当スロット数を１つ削減でき、アップリンクの伝送効率を高めることができる。

以上のように、この発明は時分割多元接続方式のアップリンクの伝送効率を向上させる場合に有用であり、特に、セル長が大きく、また、セル内の端末数が少ない環境において、アップリンクフレームに占めるガードタイムの割合を抑えることが可能である。

２００ 帯域割当て装置（基地局）、２１０ 制御部、２１１ 端末数決定部、２１２ タイムスロット割当部、２１３ タイムスロット配置部、２１４ ダウンリンクデータ信号生成部、２１５ ダウンリンクフレーム生成部、２２０ 変調器、２３０ デジタルアナログ変換器（ＤＡ変換器）、２４０ 周波数変換器、２５０ アンテナ、３００ ダウンリンクフレーム、７００ アップリンクフレーム、１０００ ＡＳＩＣ、１０１０ 周辺回路、１１００プロセッサ、１１１０ メモリ。

Claims (5)

1. 時分割多元接続方式により送信を行う端末への送信帯域の割当てを行う帯域割当て装置であって、
   時分割多元接続方式のフレームを構成するタイムスロットを割り当てる前記端末の数を決定する端末数決定部と、
   前記端末数決定部が決定した端末数に基づいて、少なくとも端末数よりも１少ない数のタイムスロットをいずれの前記端末にも割り当てない未割当タイムスロットとし、当該未割当タイムスロットを除いて前記フレームのタイムスロットをそれぞれの前記端末に割り当てるタイムスロット割当部と、
   前記タイムスロット割当部が決定した前記タイムスロットの割り当てに基づいて、１つの前記端末に割り当てられたタイムスロットを連続に配置し、異なる前記端末に割り当てられるタイムスロットの間に少なくとも１つの前記未割当タイムスロットを配置して前記フレームのタイムスロットの配置を決定するスロット配置部と、
   を備えることを特徴とする上り帯域割当て装置。
2. 前記スロット配置部は、フレームの最後のスロットを前記未割当タイムスロットとする、
   ことを特徴とする請求項１に記載の上り帯域割当て装置。
3. 前記タイムスロット割当部は、前記フレームの少なくとも１つのタイムスロットを任意の端末が使用する制御用スロットとし、
   前記スロット配置部は、前記制御用スロットの次のスロットを前記未割当タイムスロットとする、ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の上り帯域割当て装置。
4. 前記スロット配置部は、前記制御用スロットの次のタイムスロットを前記未割当タイムスロットではなく、前記制御用スロットを使用する端末と同じ端末に割り当てられたタイムスロットにする、
   ことを特徴とする請求項３に記載の上り帯域割当て装置。
5. 時分割多元接続方式の無線通信に用いられる複数のタイムスロットを含むフレームのフレームフォーマットであって、
   フレームの先頭のスロットは任意の端末が使用する制御用スロットであり、前記制御用スロットの後、最初の未割当スロットでないタイムスロットを使用する端末が前記制御用スロットを使用する端末と同じである場合、当該端末が使用するタイムスロットが前記制御用スロットの次に配置される、
   ことを特徴とするフレームフォーマット。

Images