JP7301661B2 - 無線通信システム - Google Patents

Description

本発明は、基地局装置と端末局装置がＴＤＤ（Time Division Duplex；時分割複信）方式で無線通信を行う無線通信システムに関する。

従来、基地局装置（以降、ＢＳ）と移動局装置（以降、ＭＳ）に代表される端末局装置とがＴＤＤ方式で無線通信を行う無線通信システムが実用に供されている。ＴＤＤ方式の無線通信システムは、例えば、遠隔地で撮影したカメラ映像を伝送する用途などで使用されており、医療、防災・減災などの分野への適用も進められている。

このようなＴＤＤ方式の無線通信システムについて、これまでに種々の発明が提案されている。例えば、特許文献１には、メッシュ型無線アクセスシステムの無線局に設けられる無線ユニットに関し、同一の無線局において、他の無線ユニットとの間でフレームタイミングを一致させる発明が開示されている。

ＴＤＤ方式の無線通信システムでは、ＢＳからＭＳに送信する下り信号と、ＭＳからＢＳに送信する上り信号との間に、これら信号の重なりを回避するためのギャップタイムが存在する。図１に示すように、下り信号は、ＢＳが送信してから伝搬遅延時間の経過後にＭＳに到達する。上り信号は、ＭＳが送信してから伝搬遅延時間の経過後にＢＳに到達する。

上り信号は、複数のＭＳからの上り信号が混信しないように、それぞれのＭＳが伝搬遅延時間を考慮して、ＢＳの受信タイミングに合わせて送信する必要がある。したがって、ＭＳは、下り信号の伝搬遅延時間を計測し、上り信号のＢＳによる受信タイミングよりも伝搬遅延時間だけ前のタイミングで上り信号の送信を開始する。この動作から明らかなように、ＢＳとＭＳの間の最大通信距離は、ギャップタイムによって決定される。ギャップタイムは、最大通信距離を想定した上で、予めシステムパラメータとして規定される値である。

特開２００６－２４５９７３号公報

図２に示すように、ＢＳとＭＳの間の距離が最大通信距離より離れた場合、ＭＳでは、下り信号の受信処理が完了するより前に、上り信号の送信処理を開始する必要がある。しかしながら、この場合にはＴＤＤ方式としての通信が成立しない。

このような状況は、下り信号の伝搬遅延時間と上り信号の伝搬遅延時間の合計がギャップタイムを超えた場合に発生する。一般的に、下り信号の伝搬遅延時間と上り信号の伝搬遅延時間は同じとみなすことができるため、下り信号の伝搬遅延時間がギャップタイムの半分になる距離が最大通信距離となる。具体的な例で説明すると、ギャップタイムを２００［μｓｅｃ］とした場合、ギャップタイムの半分は１００［μｓｅｃ］であり、電波の速度を真空中の光の速さである３×１０の８乗［ｍ／ｓｅｃ］として概算すると、最大通信距離は３０［ｋｍ］となる。

従来技術では、想定した最大通信距離を延長して通信を実現しようとする場合には、ギャップタイムを長くするように規定し直す必要がある。また、極端に大きな最大通信距離を想定したギャップタイムを規定しておき、ＢＳとの距離が最大通信距離に満たないＭＳのみで通信を行うような場合には、不必要なギャップタイムによって伝送効率が低下するという問題がある。

本発明は、上記のような従来の事情に鑑みて為されたものであり、ＴＤＤ方式の無線通信において伝搬遅延時間の増大に柔軟に対処することが可能な無線通信システムを提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明では無線通信システムを以下のように構成した。
すなわち、基地局装置と端末局装置がＴＤＤ方式で無線通信を行う無線通信システムにおいて、前記基地局装置から前記端末局装置に送信する下り信号のタイムスロットと、前記端末局装置から前記基地局装置に送信する上り信号のタイムスロットとの間にギャップタイムを有する無線フレームを使用して無線通信を行い、前記端末局装置は、前記下り信号の伝搬遅延時間を測定して前記基地局装置に通知し、前記基地局装置は、前記端末局装置から通知された前記下り信号の伝搬遅延時間に基づいて、前記下り信号のタイムスロットと前記ギャップタイムを変化させることを特徴とする。

ここで、一構成例として、前記基地局装置は、前記下り信号のタイムスロットと前記ギャップタイムの合計時間を一定とし、前記下り信号の伝搬遅延時間の２倍を前記ギャップタイムに設定し、前記合計時間から前記ギャップタイムを差し引いた時間を前記下り信号のタイムスロットに設定するようにしてもよい。

また、前記端末局装置が複数ある場合、前記基地局装置は、それぞれの端末局装置から通知された前記下り信号の伝搬遅延時間に基づいて、前記下り信号のタイムスロット内における各端末局装置へのデータ配置を変化させるようにしてもよい。

本発明によれば、ＴＤＤ方式の無線通信において伝搬遅延時間の増大に柔軟に対処することが可能な無線通信システムを提供することができる。

ＴＤＤ方式の下り信号と上り信号の送受信タイミングを示す図である。 ＢＳとＭＳの間の距離が最大通信距離より離れた場合の送受信タイミングを示す図である。 ＯＦＤＭ／ＯＦＤＭＡ方式の無線フレームの構成を示す図である。 ＢＳとＭＳの無線フレームの同期方法について説明する図である。 ＭＳでの下り信号の伝搬遅延時間の測定について説明する図である。 ＭＳの上り信号の送信開始タイミングの調整について説明する図である。 各ＭＳの伝搬遅延時間に基づく下りデータ領域の使用領域を示す図である。 各ＭＳ宛の下りデータ領域内のデータ配置例を示す図である。

本発明の一実施形態に係る無線通信システムについて、図面を参照して説明する。
以下では、基地局装置（ＢＳ）と、端末局装置の一例である移動局装置（ＭＳ）とを有するＴＤＤ方式の無線通信システムを例にして説明する。

まず、本例の無線通信システムで使用する無線フレームの全体的な構成について、図３を用いて説明する。本例の無線通信システムでは、ＯＦＤＭ（Orthogonal Frequency Division Multiplex；直交周波数分割多重）／ＯＦＤＭＡ（Orthogonal Frequency Division Multiple Access；直交周波数分割多元接続）方式の無線フレームを使用する。

図３の横方向は時間を表しており、無線フレームは、下り信号、ギャップタイム１、上り信号、ギャップタイム２の各タイムスロットを含み、下り信号と上り信号はそれぞれ複数のＯＦＤＭシンボルで構成されている。図３の縦方向は周波数を表しており、下り信号と上り信号はそれぞれ複数の論理サブチャネルで構成されている。

次に、図３の下り信号の詳細について説明する。下り信号は、プリアンブル、ＦＣＨ（Frame Check Header）、ＭＡＰ、下りデータ領域を含む。
プリアンブルは、下り信号の受信処理に用いるための無線特性（ゲイン情報、周波数情報、位相情報など）を含む信号である。
ＦＣＨは、ＭＡＰの構成情報（変調方式、誤り訂正方式、ＭＡＰデータサイズなど）をＭＳへ通知するための信号である。
ＭＡＰは、下りデータ領域に配置されるデータの構成情報（変調方式、誤り訂正方式、下り信号のシンボル数、上り信号のシンボル数、データ配置情報など）をＭＳへ通知するための信号である。

下りデータ領域は、ＢＳからＭＳへ通知するユーザデータや無線システムを維持するための制御データを含む信号を送信する領域である。ユーザデータや制御データは、下りデータ領域に対して任意の無線リソース配置が可能である。ＢＳに複数のＭＳが無線接続している場合は、下りデータ領域内に複数のＭＳ宛のデータを配置することが可能である。

次に、図３の上り信号の詳細について説明する。上り信号は、ＰＤ（Propagation Delay）領域、Ｆａｓｔ Ｆｅｅｄｂａｃｋ領域、上りデータ領域を含む。
ＰＤ領域は、ＭＳが測定する下り信号の伝搬遅延時間をＢＳへ通知するためのＰＤ信号を送信する領域である。本例では、ＣＤＭＡ（Code Division Multiple Access；符号分割多元接続）方式の拡散コードを複数個用意しておき、ＭＳが、１回の上り送信時に１つの拡散コードをＰＤ信号として選択して送信する。ＢＳに複数のＭＳが無線接続している場合は、同じＰＤ領域でそれぞれのＭＳがＰＤ信号を送信することも可能である。ＢＳは、受信したＰＤ信号から拡散コードを識別することができ、複数のＭＳが同時に送信する複数の拡散コードをそれぞれ識別することもできる。

Ｆａｓｔ Ｆｅｅｄｂａｃｋ領域は、ＭＳからＢＳへ無線通信を維持するためのフィードバック情報（無線回線品質情報、データの再送情報など）を送信するための領域である。Ｆａｓｔ Ｆｅｅｄｂａｃｋ領域内は、ＢＳが各ＭＳに割り当てる。ＢＳに複数のＭＳが無線接続している場合、各ＭＳが異なる領域を使用することになるため、複数のＭＳからＢＳへ同一無線フレームでフィードバック情報を通知することも可能である。

上りデータ領域は、ＭＳからＢＳへ通知するユーザデータや無線システムを維持するための制御データを含む信号を送信する領域である。ＢＳに複数のＭＳが無線接続している場合は、上りデータ領域内に複数のＭＳのデータを配置することが可能である。

次に、図３のギャップタイム１、ギャップタイム２について説明する。
ギャップタイム１は、下り信号から上り信号への切り替わり時に、ＢＳとＭＳの装置内の送受信処理を切り替えるための区間である。
ギャップタイム２は、上り信号から下り信号への切り替わり時に、ＢＳとＭＳの装置内の送受信処理を切り替えるための区間である。

次に、ＭＳが下り信号の伝搬遅延時間を測定するための方式の一例について説明する。
まず、ＢＳ、ＭＳのそれぞれが、ＧＰＳ（Global Positioning System；全地球測位システム）受信機より送出されるＧＰＳ信号から取得可能な１秒周期の基準信号である１ＰＰＳ（Pulse Per Second）信号を用いて、無線フレームのタイミングを同期させる方式について説明する。

図４に示すように、ＢＳ、ＭＳのそれぞれが自身の無線フレーム周期の開始タイミングを１ＰＰＳ信号に同期させる。すなわち、１ＰＰＳ信号をＮ個に等分割した時間長をフレーム長とし、Ｎフレーム周期の開始タイミングと１ＰＰＳ信号のタイミングを同期させればよい。これにより、ＢＳとＭＳで無線フレームの同期をとることが可能になる。

そして、ＢＳとＭＳの無線フレームのタイミングが同期した状態の場合には、図５に示すように、ＭＳは、下り信号を受信した際に、無線フレームの開始タイミング（下り信号の送信タイミング）と下り信号の受信タイミングとの差分を検出することが可能である。したがって、ＭＳは、この差分を下り信号の伝搬遅延時間として測定すればよい。

次に、ＰＤ信号を用いた伝搬遅延時間の通知方法について説明する。
伝搬遅延時間とＰＤ信号の割り当て方法について説明すると、ＢＳによる識別が可能なＰＤ信号を複数個用意しておき、伝搬遅延時間を範囲分けした各範囲のそれぞれに対応させてＰＤ信号を割り当てておく。例えば、複数のＰＤ信号をインデックスで管理し、伝搬遅延時間が０～５０［μｓｅｃ］はＰＤインデックス＝１、伝搬遅延時間が５０～１００［μｓｅｃ］はＰＤインデックス＝２、というように割り当てておく。

ＭＳは、下り信号の伝搬遅延時間の検出値に対応するＰＤインデックスを特定し、該ＰＤインデックスで特定されるＰＤ信号をＢＳへ送信する。ＢＳは、受信したＰＤ信号のＰＤインデックスから、ＭＳが検出した伝搬遅延時時間を取得することが可能となる。なお、図３に示すように、上り信号にはＰＤ領域が常に存在するので、ＭＳは、ＢＳとの無線接続の確立前からＰＤ信号を送信してＢＳに伝搬遅延時間を通知することが可能である。また、ＭＳは、無線接続の確立後にデータ通信を行っているときにも、最新の伝搬遅延時間をＢＳに通知し続けることができる。

次に、ＢＳによるギャップタイムの決定方法について説明する。
ＢＳは、各ＭＳから送信されるＰＤ信号によって伝搬遅延時間の情報を取得した後に、各ＭＳが必要とするギャップタイムを計算する。下りデータ領域とギャップタイムの合計時間が一定となるようにするため、下りデータ領域の時間長は、前記の合計時間からギャップタイムを差し引いた時間となる。下りデータ領域とギャップタイムの長さの変更は、図３に示した下り信号のシンボル単位で行うことができる。

本発明では、無線フレーム毎に下りデータ領域とギャップタイムの長さを変更できるようにすることで、ＭＳの移動や伝搬環境の変化に対応することが可能となる。例えば、あるＭＳがＢＳへ通知する伝搬遅延時間に変化があり、ギャップタイムを１シンボル分延長する必要が生じた場合には、下りデータ領域を１シンボル分短縮するように変更する。図６に示すように、ＭＳは自局宛の短縮された下り信号の受信後、ＢＳによる上り信号の受信タイミングに合うように、上り信号の送信を開始する。このように、ギャップタイムを適切に変更することで、各ＭＳが自身に必要な下り信号を全て受信し、かつ、ＢＳへの上り信号の送信タイミングを調整することが可能となる。

次に、ＢＳとの距離が異なる３台のＭＳがＢＳと無線接続している場合について、それぞれのＭＳが必要するギャップタイムを説明する。ここでは、ＭＳ１、ＭＳ２、ＭＳ３の３台がＢＳと無線接続しており、ＭＳ１がＢＳとの距離が最も近く、ＢＳ３がＢＳとの距離が最も遠いとする。この場合、ＢＳとの距離が最も近いＭＳ１は、必要とするギャップタイムが３台のＭＳの中で最も短い。ＢＳとの距離が最も遠いＭＳ３は、必要とするギャップタイムが３台のＭＳの中で最も長い。ＭＳ１とＭＳ３の中間に位置するＭＳ２は、必要とするギャップタイムがＭＳ１よりも長くＭＳ３よりも短い。

次に、各ＭＳが使用可能な下りデータ領域について、図７を用いて説明する。
図７に示すように、ＭＳ１、ＭＳ２、ＭＳ３のそれぞれが必要とするギャップタイムの違いに対応できるように、本例の下りデータ領域は時間方向に３つの領域＃１、＃２、＃３に区切られている。最も短いギャップタイムで済むＭＳ１は、下りデータ領域内の＃１、＃２、＃３の領域の全てを使用することが可能である。中間的なギャップタイムが必要なＭＳ２は、下りデータ領域内の＃１、＃２の領域を使用することが可能である。最も長いギャップタイムが必要なＭＳ３は、下りデータ領域内の＃１の領域しか使用することができない。

次に、無線フレーム内の下りデータ領域に配置する各ＭＳへのデータ配置例について、図８を用いて説明する。
図８（ａ）は、ＭＳ１宛のデータを＃１、＃２、＃３の全ての領域に配置した様子を示している。図８（ｂ）は、ＭＳ２宛のデータを＃１、＃２の領域に配置し、＃３の領域は未使用の様子を示している。図８（ｃ）は、ＭＳ３宛のデータを＃１の領域に配置し、＃２、＃３の領域は未使用の様子を示している。図８（ｄ）は、＃１にＭＳ１宛のデータ、＃２にＭＳ２宛のデータ、＃３にＭＳ３宛のデータを配置した様子を示している。図８（ｅ）は、下りデータ領域を周波数方向に３分割し、分割したそれぞれの領域に各ＭＳの最大データを配置した様子を示している。図８（ｆ）は、下りデータ領域を時間方向に３分割し、必要とするギャップタイムが長いＭＳから順番に、各ＭＳ宛のデータを下りデータ領域の前方から配置した様子を示している。

このように、ＢＳが１つのＭＳに対して下りデータを送信する場合は、図８（ａ）～（ｃ）に示すように、下りデータ領域に１つのＭＳ宛のデータを配置すればよい。また、ＢＳが複数のＭＳに対して下りデータを同時に送信する場合は、図８（ｄ）～（ｆ）に示す方式のいずれかにより、各ＭＳが必要とするギャップタイムを確保しながら、下りデータ領域に複数のＭＳ宛のデータを配置することできる。なお、図８（ｄ）～（ｆ）のいずれの方式を使用するかは、システムの用途などに応じて予め規定しておいてもよいし、システム管理者等の指示により適宜変更できるようにしてもよい。

以上のように、本例の無線通信システムは、ＢＳからＭＳに送信する下り信号のタイムスロットと、ＭＳからＢＳに送信する上り信号のタイムスロットとの間にギャップタイムを有する無線フレームを使用して無線通信を行い、ＭＳは、下り信号の伝搬遅延時間を測定してＢＳに通知し、ＢＳは、ＭＳから通知された下り信号の伝搬遅延時間に基づいて、下り信号のタイムスロットとギャップタイムを変化させるように構成されている。このような構成により、ＴＤＤ方式の無線通信システムにおいて伝搬遅延時間の増大に柔軟に対処することが可能となる。

また、本例では、下り信号のタイムスロットとギャップタイムの合計時間を一定とし、下り信号の伝搬遅延時間の２倍をギャップタイムに設定し、上記の合計時間からギャップタイムを差し引いた時間を下り信号のタイムスロットに設定するように構成されている。このような構成により、必要最低限のギャップタイムを用いて通信を行うことができ、伝送効率の低下を抑制することが可能となる。

また、本例では、ＢＳに無線接続するＭＳが複数ある場合、ＭＳは、それぞれのＭＳから通知された下り信号の伝搬遅延時間に基づいて、下り信号のタイムスロット内における各ＭＳへのデータ配置を変化させるように構成されている。このような構成により、それぞれのＭＳまでの距離を考慮したデータ配置とすることができ、効率的なデータ伝送を実現することが可能となる。

ここで、上記の説明では、ＧＰＳ信号から得られる基準信号（１ＰＰＳ信号）を用いてＢＳとＭＳの無線フレームを同期させているが、他の方式で無線フレームの同期をとってもよい。
また、上記の説明では、基地局装置（ＢＳ）と無線通信する端末局装置の一例として移動局装置（ＭＳ）を挙げたが、据置式の端末局装置などの他の形式の端末局装置を用いても構わない。

以上、本発明について詳細に説明したが、本発明は上記のような構成に限定されるものではなく、上記以外の構成により実現してもよいことは言うまでもない。
また、本発明は、例えば、本発明に係る処理を実行する方法や方式、そのような方法や方式をプロセッサやメモリ等のハードウェア資源を有するコンピュータにより実現するためのプログラム、そのようなプログラムを記憶する記憶媒体などとして提供することも可能である。

本発明は、基地局装置と端末局装置がＴＤＤ方式で無線通信を行う種々の無線通信システムに利用することができる。

ＢＳ：基地局装置、 ＭＳ：移動局装置

Claims (3)

1. 基地局装置と端末局装置がＴＤＤ方式で無線通信を行う無線通信システムにおいて、
   前記基地局装置から前記端末局装置に送信する下り信号のタイムスロットと、前記端末局装置から前記基地局装置に送信する上り信号のタイムスロットとの間にギャップタイムを有する無線フレームを使用して無線通信を行い、
   前記端末局装置は、想定される伝送遅延時間の範囲毎に割り当てられた複数のＰＤ信号の中から、前記下り信号の伝搬遅延時間の測定値に対応するＰＤ信号を特定し、そのＰＤ信号を前記上り信号のタイムスロット内のＰＤ領域に格納して前記基地局装置へ送信し、
   前記基地局装置は、前記端末局装置から受信した前記上り信号のタイムスロット内のＰＤ領域に格納されたＰＤ信号に基づいて、前記下り信号のタイムスロットと前記ギャップタイムを変化させることを特徴とする無線通信システム。
2. 請求項１に記載の無線通信システムにおいて、
   前記基地局装置は、前記下り信号のタイムスロットと前記ギャップタイムの合計時間を一定とし、前記下り信号の伝搬遅延時間の２倍を前記ギャップタイムに設定し、前記合計時間から前記ギャップタイムを差し引いた時間を前記下り信号のタイムスロットに設定することを特徴とする無線通信システム。
3. 請求項１又は請求項２に記載の無線通信システムにおいて、
   前記端末局装置が複数ある場合、前記基地局装置は、それぞれの端末局装置から受信した前記上り信号のタイムスロット内のＰＤ領域に格納されたＰＤ信号に基づいて、前記下り信号のタイムスロット内における各端末局装置へのデータ配置を変化させることを特徴とする無線通信システム。

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