JP6884198B2 - 無線通信システム、無線装置及び通信方法 - Google Patents

Description

本発明は、無線通信システム、無線装置及び通信方法に係り、特にＯＦＤＭＡ方式の信号を用いる無線通信システム、無線装置及び通信方法に関する。

直交周波数分割多重アクセス（ＯＦＤＭＡ）方式の信号を中継するための中継局等に関して各種の技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。一般に、基地局と複数の端末局が接続されるＯＦＤＭＡ無線システムの中継では、ある端末局が別の端末局と通信する場合、基地局を介して行われていた。

特開２００８−１７７９６９号公報

ところで、端末局同士が非常に近い距離に位置しており、端末局間の無線環境（通信環境）が良好であると予想される環境においても、スループットは基地局と端末局間の無線環境次第となり、伝送効率の観点で別の技術が求められていた。すなわち、端末局間データ通信のスループット向上を実現できる別の技術が求められていた。

本発明は、このような状況に鑑みなされたもので、上記課題を解決することを目的とする。

本発明のＯＦＤＭＡ無線システムは、一つの基地局に対し複数の端末局が接続する１：Ｎ接続時に、第１の端末局から第２の端末局に対する通信の要求がある場合において、前記第１の端末局から前記基地局を介して前記第２の端末局へ通信をする通常通信と、前記第１の端末局から前記基地局を介さずに前記第２の端末局へ通信をする直接通信のいずれかが選択され、前記基地局は、前記第１の端末局における前記第２の端末局からの受信電力が前記基地局における前記第１の端末局からの受信電力よりも大きな場合、または前記第２の端末局における前記基地局からの受信電力が前記基地局における前記第２の端末局からの受信電力よりも大きな場合、において、前記通常通信を行うよりも、前記直接通信を行った方がスループットが向上すると判断し、前記直接通信を行った方がスループットが向上すると判断されなかった場合には、前記通常通信を行わせ、前記直接通信を行った方がスループットが向上すると判断された場合には、前記第１の端末局から前記基地局に対する上り通信のサブフレームにおいて伝送されるデータに用いられる領域と、前記第２の端末局から前記基地局に対する上り通信のサブフレームにおいて伝送されるデータに用いられる領域と、を合わせた領域を用いて、前記直接通信を行わせる。
また、前記端末局は、前記基地局から指定された固有のフレームで周期レンジングを送信し、自身が送信するフレーム以外では、他の端末局の周期レンジングを受信することで、周囲の端末局の存在、自身と前記他端末局との間の距離の推定および受信電力情報を収集し、前記基地局に伝達してもよい。
また、前記基地局は、前記端末局間の受信電力および通信距離情報と、基地局−端末局間の受信電力および通信距離情報とを比較する機能を備えてもよい。
また、前記基地局は、前記端末局同士が直接通信をしたほうがスループットの向上が見込め場合であって、前記端末局からデータ伝送要求があった場合、対象となる２つの前記端末局に対して、それらで通信する変調符号化方式の切替情報を送り、データを受信する側の前記端末局の上り送信区間を受信区間に切り替える指示を出すことで端末局間の直接通信を実現してもよい。
本発明は、基地局と複数の端末局とがＯＦＤＭＡ方式による通信を行うＯＦＤＭＡ無線システムに用いられる無線装置であって、第１の端末局から第２の端末局に対する通信の要求がある場合において、前記第１の端末局から前記基地局を介して前記第２の端末局へ通信をする通常通信と、前記第１の端末局から前記基地局を介さずに前記第２の端末局へ通信をする直接通信のいずれかが選択され、前記基地局として機能する場合に、前記第１の端末局における前記第２の端末局からの受信電力が前記基地局における前記第１の端末局からの受信電力よりも大きな場合、または前記第２の端末局における前記基地局からの受信電力が前記基地局における前記第２の端末局からの受信電力よりも大きな場合、において、前記通常通信を行うよりも、前記直接通信を行った方がスループットが向上すると判断し、前記直接通信を行った方がスループットが向上すると判断されなかった場合には、前記通常通信を行わせ、前記直接通信を行った方がスループットが向上すると判断された場合には、前記第１の端末局から前記基地局に対する上り通信のサブフレームにおいて伝送されるデータに用いられる領域と、前記第２の端末局から前記基地局に対する上り通信のサブフレームにおいて伝送されるデータに用いられる領域と、を合わせた領域を用いて、前記直接通信を行わせる、ように対象の前記端末局へ指示する。
本発明は、基地局と複数の端末局とがＯＦＤＭＡ方式による通信を行うＯＦＤＭＡ無線システムにおける通信方法であって、前記基地局と前記端末局との間の第１の無線環境を取得する工程と、前記端末局間の第２の無線環境を取得する工程と、第１の端末局から第２の端末局に対する通信の要求がある場合に、前記第１の無線環境と前記第２の無線環境に基づき、前記第１の端末局における前記第２の端末局からの受信電力が前記基地局における前記第１の端末局からの受信電力よりも大きな場合、または前記第２の端末局における前記基地局からの受信電力が前記基地局における前記第２の端末局からの受信電力よりも大きな場合、において、前記第１の端末局から前記基地局を介して前記第２の端末局へ通信をする通常通信を行うよりも、前記第１の端末局から前記基地局を介さずに前記第２の端末局へ通信をする直接通信を行った方がスループットが向上すると判断する工程と、前記直接通信を行った方がスループットが向上すると判断されなかった場合には、前記通常通信を行い、前記直接通信を行った方がスループットが向上すると判断された場合には、前記第１の端末局から前記基地局に対する上り通信のサブフレームにおいて伝送されるデータに用いられる領域と、前記第２の端末局から前記基地局に対する上り通信のサブフレームにおいて伝送されるデータに用いられる領域と、を合わせた領域を用いて、前記直接通信を行う工程と、を実行する。

本発明によると、基地局−端末局間よりも端末局間同士の無線環境が良好である場合、端末局間のデータ通信のスループットを向上させることができる。

本発明の実施形態における、ＯＦＤＭＡ無線システムの構成を示す図である。 本発明の実施形態における、端末局間同士の通信における通信経路を決定するプロセスを示すフローチャートである。 本発明の実施形態における、ＯＦＤＭＡ無線フレームの構成例を示す図である。 本発明の実施形態における、基地局を介した端末局間の通常通信を説明する図である。 本発明の実施形態における、ＯＦＤＭＡ無線フレームの流れの概要を説明する図である。 本発明の実施形態における、端末局間直接通信に移行するシーケンスを説明する図である。 本発明の実施形態における、端末局間直接通信を実行中のフレーム構成を示す図である。

次に、本発明を実施するための形態（以下、単に「実施形態」という）を、図面を参照して具体的に説明する。

図１は、本実施形態に係るＯＦＤＭＡ無線システム１００の構成を示す。ＯＦＤＭＡ無線システム１００は、基地局１と、複数の端末局とを備え、１：Ｎ接続をする。端末局として、ここでは、端末局（＃１）２と端末局（＃２）３が備わるケースを例示する。また、基地局１や端末局（＃１）２、端末局（＃２）３を実現する無線装置は、それぞれの機能に特化した装置であってもよいし、所定の設定で、基地局１または端末局として機能する装置であってもよい。

ＯＦＤＭＡ無線システム１００における基本的な通信プロセスとして、端末局（＃１）２と端末局（＃２）３とが通信を行う場合、基地局１を介した通信（以下、「通常通信Ｔ１」ともいう。）が行われる。本実施形態では、端末局（＃１）２と端末局（＃２）３同士が、周期レンジングを受信することで、周囲の端末局の存在、距離、受信電力を収集し、基地局１に伝える。基地局−端末局間よりも端末局間同士の無線環境が良好である場合、端末局間同士の直接の通信（以下、「端末局間直接通信Ｔ２」ともいう。）に切り替える。

図２は、端末局間同士の通信における通信経路を決定するプロセスを示すフローチャートである。このフローチャートを参照して、通信経路決定プロセスの概要を説明する。詳細については、図６等の説明とともに後述する。

基地局１は、端末局（＃１）２及び端末局（＃２）３から、周囲端末情報（コード番号、受信電力、タイミングオフセット）を取得する（Ｓ１０）。すなわち、基地局１は、端末局間の無線環境を把握する。

端末局（＃１）２や端末局（＃２）３から端末局間の通信要求があると（Ｓ１２）、基地局１は、端末局間直接通信Ｔ２を行う条件（すなわち、無線環境）をクリアしているか否かを判断する（Ｓ１４）。

基地局１は、通常通信動作において、自身と端末局（＃１）２および端末局（＃２）３に対するそれぞれの受信電力、タイミングオフセット情報を把握している。本実施形態では、基地局１は、さらに、さらに端末局（＃１）２及び端末局（＃２）３から収集した端末局周囲に存在する端末局情報を比較する。端末局間直接通信Ｔ２を行う条件は、例えば、データ通信のスループットが向上するという観点で設定される。条件は、図６の説明で詳述する。

基地局１は、通常通信動作において、自身と端末局（＃１）２および端末局（＃２）３に対するそれぞれの受信電力、タイミングオフセット情報を知っており、さらに端末局（＃１）２及び端末局（＃２）３から収集した端末局周囲に存在する端末局情報とを比較する。

端末局間直接通信Ｔ２を行う条件をクリアしていない場合（Ｓ１４のＮ）、基地局１は、端末局（＃１）２と端末局（＃２）３との通信を、基地局１を介在させた通常通信Ｔ１で実行する（Ｓ１６）。

端末局間直接通信Ｔ２を行う条件をクリアしている場合（Ｓ１４のＹ）、基地局１は、端末局（＃１）２と端末局（＃２）３との通信を、基地局１を介在させない端末局間直接通信Ｔ２で実行する（Ｓ１８）。

つづいてより具体的に説明する。図３は、ＯＦＤＭＡ無線フレーム４の構成例であって、このＯＦＤＭＡ無線フレーム４は、一般的な構成であり、ここでは、本実施形態において説明が必要な部分を例示する。ＯＦＤＭＡ無線フレーム４は、下り無線サブフレーム１６と上り無線サブフレーム１７とから構成されている。

図示のように、下り区間において、基地局１から端末局（＃１）２への通信では、下り無線サブフレーム１６の下りデータ領域（＃１）２０（図中、「ＤＬ＃１」と表記する。）に、その通信に用いる下りデータが配置される。基地局１から端末局（＃２）３への通信では、下りデータ領域（＃２）２１（図中、「ＤＬ＃２」と表記する。）にその通信に用いられる下りデータが配置される。

上り区間においても同様に、端末局（＃１）２から基地局１への通信では、上り無線サブフレーム１７の上りデータ領域（＃１）２２（図中、「ＵＬ＃１」と表記する。）に、その通信に用いる上りデータが配置される。上りデータ領域（＃２）２３（図中、「ＵＬ＃２」と表記する。）に、端末局（＃２）３から基地局１への通信に用いる上りデータが配置される。

上り無線サブフレーム１７には、レンジング領域として、エントリ時に使用する初期レンジング領域１８、通信が確立してから周期レンジングに使用する周期レンジング領域１９が設けられている。初期レンジング領域１８及び周期レンジング領域１９は、共に基地局１に対する端末局（端末局（＃１）２、端末局（＃２）３）の送信タイミング、電力の調整に用いられる。

図４は、基地局１を介した端末局間の通常通信Ｔ１を説明する図である。まず、端末局（＃１）２から端末局（＃２）３への通信（図中の太字実線矢印で示す。）について説明する。端末局（＃１）２は、端末局（＃２）３に対して送りたいデータを、上り無線サブフレーム１７Ｂの上り送信データ領域２２Ｂに配置し（Ｓ２１）、基地局１へ送信する（Ｓ２２）。

基地局１は、上り無線サブフレーム１７Ａの上りデータ領域（＃１）２２Ａで受信し（Ｓ２３）、次フレーム以降の下り無線サブフレーム１６Ａで、端末局（＃２）３に対する下りデータ領域（＃２）２１Ａにデータを配置し（Ｓ２４）、端末局（＃２）３へ送信する（Ｓ２５）。

端末局（＃２）３は、基地局１から送信されたデータを、下り無線サブフレーム１６Ｃの下りデータ領域（＃２）２１Ｃで受信する（Ｓ２６）。

つぎに、端末局（＃２）３から端末局（＃１）２への通信（図中の一点破線矢印で示す。）について説明する。端末局（＃２）３は、端末局（＃１）２に対して送りたいデータを、上り無線サブフレーム１７Ｃの上りデータ領域（＃２）２３に配置し（Ｓ３１）、基地局１へ送信する（Ｓ３２）。

基地局１は、上り無線サブフレーム１７Ａの上りデータ領域（＃２）２３で受信し（Ｓ３３）、次フレーム以降の下り無線サブフレーム１６Ａで、端末局（＃１）２に対する下りデータ領域（＃１）２０Ａにデータを配置し（Ｓ３４）、端末局（＃１）２へ送信する（Ｓ３５）。

端末局（＃１）２は、基地局１から送信されたデータを、下り無線サブフレーム１６Ｂの下りデータ領域（＃１）２０Ｂで受信する（Ｓ２６）。

以上の動作を繰り返すことで、端末局（＃１）２から端末局（＃２）３への通信、及び端末局（＃２）３から端末局（＃１）２への通信は、基地局１を介して行われる。

つづいて、端末局（＃１）２と端末局（＃２）３が端末局間直接通信Ｔ２を行う場合の動作について説明する。図５は、ＯＦＤＭＡ無線フレーム４の流れの概要を説明している。

端末局間直接通信Ｔ２を実行中において、端末局（＃１）２のＯＦＤＭＡ無線フレーム４では、上り無線サブフレーム６のレンジング領域、より具体的には周期レンジング領域１９において、送信状態（１９Ｘ）と受信状態（１９Ｙ）が交互に現れる。一方、端末局（＃２）３のＯＦＤＭＡ無線フレーム４では、周期レンジング領域１９は、通信対象の端末局（＃１）２の状態と対称となるように、受信状態（１９Ｙ）と送信状態（１９Ｘ）が交互に現れる。

上述のように、端末局（＃１）２は、自身が周期レンジングコードを送信する周期レンジング領域（送信状態）１９Ｘが存在するフレーム以外は周期レンジング領域（受信状態）１９Ｙにおいて受信動作をすることで、他端末局（ここでは、端末局（＃２）３）の周期レンジングコードを受信する。

端末局（＃２）３は、別のフレームにおいて、同様に自身が周期レンジングコードを送信する周期レンジング領域（送信状態）１９Ｖが存在するフレーム以外は周期レンジング領域（受信状態）１９Ｗにおいて受信動作をすることで、他端末局（ここでは端末局（＃１）２）の周期レンジングコードを受信する。

上記動作により、端末局（＃１）２、端末局（＃２）３において周囲の端末局の有無（コード番号）、受信電力、タイミングオフセット情報が得られる。

次に、図６を用いて端末局間直接通信Ｔ２に移行するシーケンスを説明する。このシーケンスは、特に、図３のフローチャートの端末局間同士の直接の通信（Ｔ２）の処理について着目して示したものであり、図３の処理番号（Ｓ１０〜Ｓ１８）を適宜併記しつつ説明する。図７は、端末局間直接通信Ｔ２を実行中のフレーム構成を示す図である。

端末局（＃１）２および端末局（＃２）３は、得られた周囲端末情報（コード番号、受信電力、タイミングオフセット）を基地局１に通知する（Ｓ１０１、Ｓ１０２、Ｓ１０）。

基地局１は、通常通信動作において、自身と端末局（＃１）２および端末局（＃２）３に対するそれぞれの受信電力、タイミングオフセット情報を把握している。

ここで、端末局（＃１）２から基地局１に対して、端末局（＃２）３へデータ送信要求が行われると（Ｓ１０３、Ｓ１２）、基地局１は、端末局（＃１）２及び端末局（＃２）３から収集した端末局周囲に存在する周囲端末情報を比較し、端末局間直接通信Ｔ２を行う条件（すなわち、通信環境）をクリアしているか否かを判断する。

次の条件１または条件２の場合、クリアしていると判断する。すなわち
条件１：「基地局１←端末局（＃１）２の受信電力」 ＜ 「端末局（＃１）２←端末局（＃２）３の受信電力」
条件２：
「基地局１←端末局（＃２）３の受信電力」 ＜ 「端末局（＃２）３←基地局１の受信電力」
基地局１は、条件１または条件２である場合、端末局間直接通信Ｔ２を実行したほうがスループットの向上が見込めると判定する（Ｓ１０４）。

このとき、基地局１は、「基地局−端末局」通信で用いているよりも高いレートであり、かつ「端末局（＃１）２−端末局（＃２）３」間の受信電力から適切な変調符号化方式を選択しておく。

このような状態で、端末局（＃１）２から端末局（＃２）３へのデータ送信要求が基地局１に上がってきたとき、基地局１は、端末局間直接通信Ｔ２を実行する（Ｓ１８）。

基地局１は端末局（＃１）２、端末局（＃２）３に直接通信を行う場合の変調符号化方式を通知し（Ｓ１０５、Ｓ１０６）、端末局（＃２）３に対してＵＬ区間（２５Ｂ、２５Ｃ）、すなわち、上りデータ領域（＃１）２２と上りデータ領域（＃２）２３とを合わせた領域での受信を指示する（Ｓ１０７）。

端末局（＃１）２は、端末局（＃２）３に対するタイミングオフセット値、受信電力を既に知っており、送信タイミング調整、電力調整を行い、ＵＬ区間２５Ｂで、基地局１を介さず直接端末局（＃２）３へデータを送信する（Ｓ１０８）。端末局（＃２）３は、ＵＬ区間２５Ｃでデータを受信する。

ここで、上り区間において基地局１を介する必要がないため、上り無線サブフレーム１７の全ての領域を「端末局（＃１）２−端末局（＃２）３」間で使用することが可能となり、上り無線サブフレーム１７が、単純に、通常の基地局１を介した通信に比べ２倍に拡張できる。単に通信環境の観点からスループットが向上する通信方式に切り替えるだけでなく、利用可能領域が増えることで、さらにスループットが向上する。

以上、本発明を実施形態をもとに説明した。この実施形態は例示であり、それらの各構成要素の組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

１ 基地局
２ 端末局（＃１）
３ 端末局（＃２）
４ ＯＦＤＭＡ無線フレーム
１６、１６Ａ、１６Ｂ、１６Ｃ 下り無線サブフレーム
１７、１７Ａ、１７Ｂ、１７Ｃ 上り無線サブフレーム
１８ 初期レンジング領域
１９、１９Ｘ、１９Ｙ、１９Ｖ、１９Ｗ 周期レンジング領域
２０、２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ 下りデータ領域（＃１）
２１、２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｃ 下りデータ領域（＃２）
２２、２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃ 上りデータ領域（＃１）
２３、２３Ａ、２３Ｂ、２３Ｃ 上りデータ領域（＃２）
２５Ｂ、２５Ｃ ＵＬ区間
１００ ＯＦＤＭＡ無線システム

Claims (6)

1. 一つの基地局に対し複数の端末局が接続する１：Ｎ接続時に、
   第１の端末局から第２の端末局に対する通信の要求がある場合において、前記第１の端末局から前記基地局を介して前記第２の端末局へ通信をする通常通信と、前記第１の端末局から前記基地局を介さずに前記第２の端末局へ通信をする直接通信のいずれかが選択され、
   前記基地局は、
   前記第１の端末局における前記第２の端末局からの受信電力が前記基地局における前記第１の端末局からの受信電力よりも大きな場合、または前記第２の端末局における前記基地局からの受信電力が前記基地局における前記第２の端末局からの受信電力よりも大きな場合、において、前記通常通信を行うよりも、前記直接通信を行った方がスループットが向上すると判断し、
   前記直接通信を行った方がスループットが向上すると判断されなかった場合には、前記通常通信を行わせ、
   前記直接通信を行った方がスループットが向上すると判断された場合には、前記第１の端末局から前記基地局に対する上り通信のサブフレームにおいて伝送されるデータに用いられる領域と、前記第２の端末局から前記基地局に対する上り通信のサブフレームにおいて伝送されるデータに用いられる領域と、を合わせた領域を用いて、前記直接通信を行わせる、
   ことを特徴としたＯＦＤＭＡ無線システム。
2. 前記端末局は、前記基地局から指定された固有のフレームで周期レンジングを送信し、自身が送信するフレーム以外では、他の端末局の周期レンジングを受信することで、周囲の端末局の存在、自身と前記他端末局との間の距離の推定および受信電力情報を収集し、前記基地局に伝達することを特徴とした請求項１に記載のＯＦＤＭＡ無線システム。
3. 前記基地局は、前記端末局間の受信電力および通信距離情報と、基地局−端末局間の受信電力および通信距離情報とを比較する機能を備えることを特徴とする請求項２に記載のＯＦＤＭＡ無線システム。
4. 前記基地局は、前記端末局同士が直接通信をしたほうがスループットの向上が見込め場合であって、前記端末局からデータ伝送要求があった場合、対象となる２つの前記端末局に対して、それらで通信する変調符号化方式の切替情報を送り、データを受信する側の前記端末局の上り送信区間を受信区間に切り替える指示を出すことで端末局間の直接通信を実現することを特徴とした請求項１から３のいずれかに記載のＯＦＤＭＡ無線システム。
5. 基地局と複数の端末局とがＯＦＤＭＡ方式による通信を行うＯＦＤＭＡ無線システムに用いられる無線装置であって、
   第１の端末局から第２の端末局に対する通信の要求がある場合において、前記第１の端末局から前記基地局を介して前記第２の端末局へ通信をする通常通信と、前記第１の端末局から前記基地局を介さずに前記第２の端末局へ通信をする直接通信のいずれかが選択され、
   前記基地局として機能する場合に、
   前記第１の端末局における前記第２の端末局からの受信電力が前記基地局における前記第１の端末局からの受信電力よりも大きな場合、または前記第２の端末局における前記基地局からの受信電力が前記基地局における前記第２の端末局からの受信電力よりも大きな場合、において、前記通常通信を行うよりも、前記直接通信を行った方がスループットが向上すると判断し、
   前記直接通信を行った方がスループットが向上すると判断されなかった場合には、前記通常通信を行わせ、
   前記直接通信を行った方がスループットが向上すると判断された場合には、前記第１の端末局から前記基地局に対する上り通信のサブフレームにおいて伝送されるデータに用いられる領域と、前記第２の端末局から前記基地局に対する上り通信のサブフレームにおいて伝送されるデータに用いられる領域と、を合わせた領域を用いて、前記直接通信を行わせる、
   ように対象の前記端末局へ指示することを特徴とする無線装置。
6. 基地局と複数の端末局とがＯＦＤＭＡ方式による通信を行うＯＦＤＭＡ無線システムにおける通信方法であって、
   前記基地局と前記端末局との間の第１の無線環境を取得する工程と、
   前記端末局間の第２の無線環境を取得する工程と、
   第１の端末局から第２の端末局に対する通信の要求がある場合に、前記第１の無線環境と前記第２の無線環境に基づき、前記第１の端末局における前記第２の端末局からの受信電力が前記基地局における前記第１の端末局からの受信電力よりも大きな場合、または前記第２の端末局における前記基地局からの受信電力が前記基地局における前記第２の端末局からの受信電力よりも大きな場合、において、前記第１の端末局から前記基地局を介して前記第２の端末局へ通信をする通常通信を行うよりも、前記第１の端末局から前記基地局を介さずに前記第２の端末局へ通信をする直接通信を行った方がスループットが向上すると判断する工程と、
   前記直接通信を行った方がスループットが向上すると判断されなかった場合には、前記通常通信を行い、前記直接通信を行った方がスループットが向上すると判断された場合には、前記第１の端末局から前記基地局に対する上り通信のサブフレームにおいて伝送されるデータに用いられる領域と、前記第２の端末局から前記基地局に対する上り通信のサブフレームにおいて伝送されるデータに用いられる領域と、を合わせた領域を用いて、前記直接通信を行う工程と、
   を実行することを特徴とする通信方法。

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