JPWO2016132525A1 - 無線通信システム及び無線通信方法 - Google Patents

Abstract

周波数チャネルを複数セグメントに分割し各中継区間で異なるセグメントを使用して中継を行う機能を備えた無線通信システムにおいて、チャンネル帯域を効率的に活用する技術を提供する。第２の方式では、第１の中継区間４１での上り方向はＤＬとなり、ここでは２つのセグメントが使用される。第２の中継区間４２での上り方向はＵＬとなり、２つのセグメントを使用する。つまり、周波数軸方向に、２／３のエリアが使用され、時間方向には第１の方式と同様に１／２のエリアが使用される。第２の方式のデータエリア比率ＤＡ２は、（１／２）×（２／３）＝１／３となる。第１の方式のデータエリア比率ＤＡ１は１／６である。したがって、第２の方式のスループットは第１の方式のスループットの２倍となる。

Description

本発明は、無線通信システム及び無線通信方法に係り、周波数チャネルを複数セグメントに分割し各中継区間で異なるセグメントを使用して中継を行う無線通信システム及び無線通信方法に関する。

ＯＦＤＭ（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）方式を用いた無線中継システムにおいて、最大３段中継を１つの周波数チャネルで行うことを想定し、１つの周波数チャネルを３セグメントに分割し各中継区間で異なるセグメントを使用する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に開示の技術では、１つの周波数チャネル（チャネル帯域）を複数のセグメントに分割して使用し、複数の中継局を介して基地局間の通信を中継する技術について開示されている。この技術によって、周波数の有効利用を図っている。

ここで、図６に３段中継方式の無線通信システム２０１の構成を示す。また、図７に３段中継方式に用いられるフレームフォーマットの例を示す。ここでは、１つの周波数チャネル２５０が周波数軸方向に３つのセグメント（ｓｅｇ０、ｓｅｇ１、ｓｅｇ２）に分割して使用される。１つの周波数チャネル２５０では、時間軸方向にまずＤＬ（ダウンリンク）区間が配置され、所定のガードギャップを挟んで、ＵＬ（アップリンク）区間が配置される。

ＤＬ区間において、周波数チャネル２５０全体としてのＰｒｅａｍｂｌｅ領域の後に、ｓｅｇ０に、ＦＣＨ（Frame Control Header：フレーム制御ヘッダ）、ＤＬ／ＵＬ ＭＡＰ領域が設けられている。つづいて、Ｂｕｒｓｔ ＤＬ Ｄａｔａ領域が設けられている。さらに、ＵＬ区間では、制御領域につづいて、Ｂｕｒｓｔ ＵＬ Ｄａｔａ領域が設けられている。ＤＬ／ＵＬ ＭＡＰ領域には、ＤＬ方向及びＵＬ方向の割当て情報が記述される。ｓｅｇ１、ｓｅｇ２でも同様の構成である。

無線通信システム２０１では、基地局２１０はＭＳ（移動局機能付き無線部）２１１を一台、第１の中継局２２０は２台のＢＳ（基地局機能付き無線部）２２１、２２２、第２の中継局２３０は２台のＭＳ２３１、２３２、端末局２４０はＢＳ２４１一台を備えて構成されている。ＭＳは移動局機能を備えた無線部であり、ＢＳに対する無線送受信を行う。ＢＳは基地局機能を備えた無線部であり、ＭＳに対する無線送受信を行う。

第１の中継区間２６１はフレームフォーマット２５１の通りｓｅｇ０、第２の中継区間２６２はフレームフォーマット２５２の通りｓｅｇ１、第３の中継区間２６３はフレームフォーマット２５３の通りｓｅｇ２を使用することで同一チャネルでの中継が可能となる。

ここで、上位のアプリケーションによって、上り方向のスループット重視もしくは下り方向のスループット重視といった上り下りスループットが非対称となるシステムが要求されるが、中継を行わないシステムでは、単純にＤＬとＵＬの時間的比率（以下、「ＤＬ：ＵＬ」とも称する。）を変えることで対応している。

特開２０１３−０９８９６３号公報

ところで、上記中継方式では、各中継区間での上り方向と下り方向でＤＬとＵＬが逆方向となる。そして、干渉回避のためにもＤＬ：ＵＬは各中継区間で同様の比率を用いる必要があり、上り方向のスループット重視、下り方向のスループット重視といった構成ができないといった課題があった。

また、最大３段中継を考慮したシステムであるため、２段中継時の中継システムでは、使用するセグメントは２つとなり、１セグメント無駄になってしまうという課題があった。

特許文献１に開示の技術にあっては、回り込み送信波による受信品質の劣化を低減することはできるものの上記課題については考慮されておらず別の技術が必要とされていた。

本発明は、このような従来の事情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。

本発明は、周波数チャネルを３つのセグメントに分割し各中継区間で異なるセグメントを使用して中継を行う機能を備えた無線通信システムであって、前記中継を行う中継局は、スループットについて、上り方向又は下り方向のいずれかに重視する方向がある場合、各中継区間におけるダウンリンクおよびアップリンクに使用するセグメントについて、重視する方向に用いるセグメントを２つ使用するよう制御するセグメント制御部を備える。
また、前記セグメント制御部は、通信品位を参照して重視する方向に用いるセグメントを２つ使用するか１つを使用するかを決定してもよい。
また、前記セグメント制御部は、重視する方向に用いるセグメントを１つを使用する場合に、出力強度を上げてもよい。
また、前記セグメント制御部は、ダウンリンク区間及びアップリンク区間を非対称としてもよい。
前記中継に用いられる通信は、ＯＦＤＭ方式であってもよい。
本発明は、周波数チャネルを３つのセグメントに分割し各中継区間で異なるセグメントを使用して中継を行う無線通信方法であって、前記中継を行う中継局は、スループットについて、上り方向又は下り方向のいずれかに重視する方向がある場合、各中継区間におけるダウンリンクおよびアップリンクに使用するセグメントについて、重視する方向に用いるセグメントを２つ使用するよう制御するセグメント制御部を備える。
周波数チャネルを３セグメントに分割し各中継区間で異なるセグメントを使用して中継を行う無線通信方法であって、
本発明は、各中継区間におけるダウンリンクおよびアップリンクに使用するセグメントを、中継システム全体のスループットを上り重視もしくは下り重視に応じて、重視する方向のセグメントを２つ使用することを特徴とする無線通信方法。

以上、本発明によると、周波数チャネルを複数セグメントに分割し各中継区間で異なるセグメントを使用して中継を行う無線通信において、チャンネル帯域を効率的に活用する技術を提供することができる。

第１の実施形態に係る、無線通信システム及び使用されるフレームフォーマットを示す図である。 第１の実施形態に係る、無線通信システム及び使用されるフレームフォーマットを示す図である。 第１の実施形態に係る、中継局のＢＳの概略構成を示す機能ブロック図である。 第１の実施形態に係る、中継局立ち上げ時の動作フローを示すフローチャートである。 第２の実施形態に係る、無線通信システム及び使用されるフレームフォーマットを示す図である。 背景技術に係る、無線通信システムを示す図である。 背景技術に係る、使用されるフレームフォーマットを示す図である。

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。

＜第１の実施形態＞
図１及び図２は、本実施形態に係る無線通信システム１の構成及び周波数チャネルの使用セグメントを示した図である。図中の左から右方向を「下り方向」、右から左方向を「上り方向」としている。

図１は、周波数チャネルを３つのセグメントに分割して、各中継区間において１セグメントを使用する例を示している。図２は、周波数チャネルを３つのセグメントに分割して、各中継区間において上り方向に２セグメントを使用する例を示している。すなわち、特に重視する方向が無い場合は、図１に示すセグメント使用態様で運用する。また、上り方向を重視する場合は、すなわち、上り方向のデータ量が多い場合には、図２に示すセグメント使用態様で運用する。以下、便宜的に、図１で示す運用の方式を第１の方式と称し、図２に示す運用の方式を第２の方式と称する。

無線通信システム１は、基地局１０、中継局２０、及び端末局３０を備える。図示の構成では、基地局１０は基地局ＭＳ１１を備える。中継局２０は、第１及び第２の中継局ＢＳ２１、２２を備える。端末局３０は端末局ＭＳ３１を備える。なお、図中で基地局ＭＳ及び端末局ＭＳを単に「ＭＳ」に表記し、第１及び第２の中継局ＢＳを単に「ＢＳ」と表記している。

ここで、基地局ＭＳ１１、第１の中継局ＢＳ２１、第２の中継局ＢＳ２２、及び端末局ＭＳ３１には、それぞれ、アンテナ１２、２３、２５、３２が接続されている。また、ＤＬ、ＵＬは中継局２０を基準としている。すなわち、中継局２０（第１及び第２の中継局ＢＳ２１、２２）から基地局１０、端末局３０への伝送をＤＬとする。基地局１０及び端末局３０から中継局２０（第１及び第２の中継局ＢＳ２１、２２）への伝送をＵＬとする。

また、便宜的に、基地局１０と中継局２０との中継区間を第１の中継区間４１と称する。中継局２０と端末局３０との中継区間を第２の中継区間４２と称する。

図３は、中継局２０の第１の中継局ＢＳ２１の概略構成を示す機能ブロック図である。なお、第２の中継局ＢＳ２２についても同様の構成となる。また、基地局１０の基地局ＭＳ１１及び端末局３０の端末局ＭＳ３１については、一般的なＭＳの構成で実現できるものである。また、ＢＳ及びＭＳについては、近年の一般的な構成では、両機能が一体と備わる装置として構成されて、所定のスイッチによって、ＢＳまたはＭＳとして機能するようになっている。装置起動時にスイッチがどちらに設定されているかによって、ＢＳまたはＭＳとして起動する。したがって、本実施形態で示す構成は、当然に、同種の装置が所定のスイッチによってＢＳもしくはＭＳとして機能するものであってもよい。

図１に示すように、第１の方式においては、第１の中継区間４１および第２の中継区間４２におけるフレームフォーマット５０ａ、５０ｂに示す通り、１つの周波数チャネル５０が３セグメント（ｓｅｇ０〜２）に分割されている。なお、分割に関しては図２に示す様に第２の方式でも同じである。

そして、第１の方式では、３つのセグメントのうち、ｓｅｇ０、ｓｅｇ１が使用され、ｓｅｇ２は使用されない。なお、各セグメントのより具体的なデータ構成については、図７で示した構成と同様であるので、以下では、主に使用するセグメントの数に着目して説明する。

第１の中継区間４１の無線送受信には、ＤＬ区間５１ａ及びＵＬ区間５２ａ共にｓｅｇ１が用いられる。第２の中継区間４２の通信には、ＤＬ区間５１ｂ及びＵＬ区間５２ｂ共にｓｅｇ０が用いられる。

一方、図２に示すように、第２の方式においては、第１の中継区間４１のＤＬ区間５１ａの無線送受信では、ｓｅｇ１及びｓｅｇ２が使用される。第２の中継区間４２のＤＬ区間５１ｂの無線送受信では、ｓｅｇ０が使用される。

第１の中継区間４１の無線送受信には、ＤＬ及びＵＬ共にｓｅｇ１が用いられる。すなわち、基地局ＭＳ１１と第１の中継局ＢＳ２１との間の無線送受信には、分割されたセグメントのうちｓｅｇ１が用いられる。第２の中継区間４２の通信には、ＤＬ及びＵＬ共にｓｅｇ０が用いられる。すなわち、第２の中継局ＢＳ２２と端末局ＭＳ３１との間の通信には、分割されたセグメントのうちｓｅｇ０が用いられる。分割されたセグメントのうちｓｅｇ２は用いられない。

中継局２０は、第１及び第２の中継局ＢＳ２１、２２を動作させ、それぞれアンテナ２３、２５を用いて無線送受信を行う。

図３は、中継局ＢＳ２１、２２の概略構成を示す機能ブロック図である。ここでは、基地局１０の基地局ＭＳ１１と通信を行う中継局ＢＳ２１について説明する。

中継局ＢＳ２１は、ネットワークＩ／Ｆ部６１、タイミング制御部６２、一次変調部６３、ＯＦＤＭ変調部６４、ＲＦ部６５、ＯＦＤＭ復調部６６、通信品位判定部６７、及びセグメント制御部７０を備える。

ネットワークＩ／Ｆ部６１は、例えばＬＡＮ−Ｉ／Ｆであって、ＬＡＮケーブル等によって他方の中継局ＢＳ２２に接続されている。

タイミング制御部６２は、フレームのデータ配置及びタイミングを制御する。送信対象となるデータ（送信データ）は、ネットワークＩ／Ｆ部６１経由でタイミング制御部６２に入力される。タイミング制御部６２は、入力された送信データをサブキャリア（セグメント）にマッピングして、そのデータを一次変調部６３へ出力する。ここで、マッピングに際して、タイミング制御部６２は、後述するセグメント制御部７０によって決定されたセグメント分割数に応じてマッピングを行う。したがって、タイミング制御部６２によって、ＤＬ及びＵＬのタイミング及び使用されるサブキャリアが適切に制御される。

一次変調部６３は、適応変調機能を実行することで、タイミング制御部６２から入力されたデータについて変調を行い、タイミング制御部６２により割り付けられたサブキャリア毎の一次変調信号を生成する。生成された一次変調信号はＯＦＤＭ変調部６４へ出力される。

ＯＦＤＭ変調部６４は、一次変調部６３から入力されたサブキャリア毎の一次変調信号について、逆ＦＦＴにより周波数信号から時間軸信号への直交変換を行い、これにより生成したベースバンド信号をＲＦ部６４へ出力する。

ＲＦ部６５は、ＯＦＤＭ変調部６４から入力された信号を無線周波数の信号へ変換してアンテナ２３へ出力する。この信号が、ＤＬ区間において、アンテナ２３から空間へ、より具体的には基地局１０（基地局ＭＳ１１）に向けて出力される。また、一次変調部６３は、アンテナ２３にて受信した無線周波数信号をベースバンド信号に変換し、ＯＦＤＭ復調部６６へ出力する。

ＯＦＤＭ復調部６６は、高速フーリェ変換（ＦＦＴ）によりサブキャリア毎の受信変調信号に変換し、復調して受信データをネットワークＩ／Ｆ部６１を介して中継局ＢＳ２２へ出力する。

また、通信品位判定部６７は、受信変調信号の品質を測定し、端末局３０から中継局２０への方向（下り方向）のＣ／Ｎ情報をタイミング制御部６２（または一次変調部６３）に通知する。通知されたＣ／Ｎ情報とＭＳ（基地局ＭＳ１１）からＢＳ（第１の中継局ＢＳ２１）への方向の送信データを一次変調し、サブキャリア毎の一次変調信号をＯＦＤＭ変調部６４に出力する。

セグメント制御部７０は、データの送受信において、キャリアをどのような態様のサブキャリア（セグメント）に分割するか制御する。より具体的には、セグメント制御部７０は、３つのセグメントに分割するか、それとも２つのセグメントに分割するかを決定する。３つのセグメントに分割するか２つのセグメントに分割するかは、システムの運用管理者がシステム起動時に所定のスイッチを操作して決定する。セグメント制御部７０は、コンフィグファイルの設定値を変更することで、セグメントの分割態様及び使用態様を制御する。具体的には、フレームフォーマット中のプリアンブル（図７参照）に記述されるインデックスによって制御される。データを受信した基地局ＭＳ１１や端末局ＭＳ３１は、プリアンブルに記述されているインデックスを参照し、無線通信システム１がどのようなセグメントの分割態様及び使用態様で運用されるのかを判断することができる。

なお、自動設定については後述する。また、後述の第２の実施形態では、セグメント制御部７０は、ＤＬ：ＵＬを制御する。具体的には、ＤＬ：ＵＬを１：１とするか２：１（または１：２）とするかを決定する。

つづいて、図１及び図２を参照して、第１の方式と第２の方式の各スループットを比較する。第２の方式では、上り方向のスループットを重視したときの２段中継の例で説明する。ＤＬとＵＬの時間的比率（ＤＬ：ＵＬ）は、第１の方式、第２の方式のいずれも、１：１に設定している。

第１の方式では、時間軸方向に１／２、３セグメントのうち1セグメントが使用される。したがって、１フレームフォーマット中のデータエリア比率ＤＡ１は次の通りとなる。
ＤＡ１＝（１／２）×（１／３）＝１／６

第２の方式では、第１の中継区間４１での上り方向はＤＬとなり、ここでは２つのセグメント（ｓｅｇ１及びｓｅｇ２）が使用される。第２の中継区間４２での上り方向はＵＬとなり、２つのセグメント（ｓｅｇ０及びｓｅｇ１）を使用する。つまり、周波数軸方向に、２／３のエリアが使用され、時間方向には第１の方式と同様に１／２のエリアが使用される。

したがって、１フレームフォーマット中のデータエリア比率ＤＡ２は次の通りとなる。
ＤＡ２＝（１／２）×（２／３）＝１／３

以上の結果から、ＤＡ２／ＤＡ１は次の様になる。
ＤＡ２／ＤＡ１＝（１／３）÷（１／６）＝２
すなわち、第２の方式のスループットは第１の方式のスループットの２倍となる。つまり、上り方向または下り方向のいずれかの方向のスループットを重視する場合に、重視する方向のスループットを増大させることができる。

つづいて、図４のフローチャートを参照して第１の方式と第２の方式の運用選択の処理例について説明する。最も基本的な処理であれば、例えば、基地局１０、中継局２０及び端末局３０の立ち上げ処理時に、ＭＳ、ＢＳに設けられている所定のスイッチを切り替えることで、第１の方式と第２の方式の運用選択の切り替えを行うことができる。また、通信品位を参照して第１の方式と第２の方式の運用選択を自動的に行うこともできる。図４では、自動的に行う処理について説明する。ここでは、中継局２０の第１の中継局ＢＳ２１が、無線通信システム１における第１の方式と第２の方式の運用選択を統括的に制御する例を説明する。

基地局１０、中継局２０、端末局３０において、各構成要素すなわち基地局ＭＳ１１、第１の及び第２の中継局ＢＳ２１、２２、端末局ＭＳ３１の各電源スイッチ等がオンされることで、起動処理が開始される（Ｓ１０）。

第１の中継局ＢＳ２１では、セグメント制御部７０が、指定された運用方式が第１の方式であるか第２の方式であるかを判断する（Ｓ１２）。

第１の方式が指定されている場合（Ｓ１２のＹ）、セグメント制御部７０は第１の方式で起動・運用を行う（Ｓ１４）。

第２の方式が指定されている場合（Ｓ１２のＮ）、すなわち重視する方向がある場合、セグメント制御部７０は第２の方式で起動を行う（Ｓ１６）。起動後、セグメント制御部７０は、通信品位判定部６７で得られる通信品位、例えばＣ／Ｎ値等を参照し、所定の品位以上であるか、すなわち第２の方式で十分なスループットが得られるか否かを判断する（Ｓ２０）。

通信品位が所定の品位以上である場合（Ｓ２０のＹ）、セグメント制御部７０は第２の方式でセグメント使用の制御を行う（Ｓ２２）。

通信品位が所定の品位に達していない場合（Ｓ２０のＮ）、セグメント制御部７０は第１の方式でセグメント使用の制御を行う（Ｓ２４）。ここで、第１の方式の場合、１セグメントが未使用となっている。つまり、中継局ＢＳ２１等の機器は、最大３セグメントを使用する前提の電力能力、すなわち定格電力を有する。そこで、セグメント制御部７０は、出力強度、すなわち出力電波の振幅値をアップさせる（Ｓ２６）。これによって、通信品位が不十分で、所定方向を重視する通信を行えない場合でも、スループットが著しく落ち込んでしまうことを防止できる。なお、セグメント制御部７０は、通信品位とスループットをもとに、最適な出力強度になるように制御してもよい。ここでは、セグメント制御部７０は、省電力を重視する場合には電源の状況（使用可能時間等）に応じて振幅を抑えるように制御したり、スループットを重視する場合には振幅値を上げるように制御することができる。

＜第２実施形態＞
図５は、本実施形態の無線通信システム１及び使用されるフレームフォーマット１５０ａ、１５０ｂを示す図である。無線通信システム１の構成は第１の実施形態と同一で実現できるので、主にフレームフォーマット１５０ａ、１５０ｂに着目して説明する。

本実施形態では、第１の実施形態と異なり、ＤＬ区間とＵＬ区間の時間的比率（ＤＬ：ＵＬ）を１：２とし、上り方向のスループットを重視したときの例となっている。

第１の中継区間４１での上り方向は、ＤＬ区間となり、ここでは２つのセグメントを使用する。第２の中継区間４２での上り方向はＵＬ区間となり、ここでは２つのセグメントを使用する。よって、各中継区間で上り方向に占めるデータエリアは、
第１の中継区間４１ではＤＬ区間であるので、時間軸方向に１／３のエリア、セグメントを２つ使用するので周波数軸方向に２／３となる。したがって、データエリア比率ＤＡ２１は次の通りとなる。
ＤＡ２１＝（１／３）×（２／３）＝２／９

第２の中継区間４２はＵＬ区間であるので、時間軸方向に２／３、セグメントを１つ使用するので周波数軸方向に１／３となり、データエリア比率ＤＡ２２は次の通りとなる。
ＤＡ２２＝（２／３）×（１／３）＝２／９

第１の方式では、第１の実施形態で示した通り、データエリア比率ＤＡ１は１／６である。したがって、ＤＡ２１／ＤＡ１＝ＤＡ２２／ＤＡ１＝（２／９）÷（１／６）=４／３となり、第２の方式のスループットは第１の方式のスループットの約１．３３倍となる。つまり、第１の方式に比べて約３３%のスループットの向上が見込まれる。

以上、本実施形態によると、セグメント分割ＯＦＤＭＡ中継システムである無線通信システムにおける上り／下りスループット非対称構成の確立ができる。すなわち、第２の中継区間４２における通信時間を第１の中継区間４１における通信時間より多く設定する必要がある場合であっても、スループットを向上させることができる。

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 無線通信システム
１０ 基地局
１１ 基地局ＭＳ
１２、２３、２５、３２ アンテナ
２０ 中継局（中継装置）
２１ 第１の中継局ＢＳ
２２ 第２の中継局ＢＳ
３０ 端末局
３１ 端末局ＭＳ
４１ 第１の中継区間
４２ 第２の中継区間
５０ａ、５０ｂ 周波数チャネル
５１ａ、５１ｂ ＤＬ区間
５２ａ、５２ｂ ＵＬ区間
６１ ネットワークＩ／Ｆ部
６２ タイミング制御部
６３ 一次変調部
６４ ＯＦＤＭ変調部
６５ ＲＦ部
６６ ＯＦＤＭ復調部
６７ 通信品位判定部
７０ セグメント制御部

Claims (6)

1. 周波数チャネルを３つのセグメントに分割し各中継区間で異なるセグメントを使用して中継を行う機能を備えた無線通信システムであって、
   前記中継を行う中継局は、
   スループットについて、上り方向又は下り方向のいずれかに重視する方向がある場合、各中継区間におけるダウンリンクおよびアップリンクに使用するセグメントについて、重視する方向に用いるセグメントを２つ使用するよう制御するセグメント制御部を備えることを特徴とする無線通信システム。
2. 前記セグメント制御部は、通信品位を参照して重視する方向に用いるセグメントを２つ使用するか１つを使用するかを決定することを特徴とする請求項１に記載の無線通信システム。
3. 前記セグメント制御部は、重視する方向に用いるセグメントを１つを使用する場合に、出力強度を上げることを特徴とする請求項２に記載の無線通信システム。
4. 前記セグメント制御部は、ダウンリンク区間及びアップリンク区間を非対称とすることを特徴とする請求項１から３までのいずれかに記載の無線通信システム。
5. 前記中継に用いられる通信は、ＯＦＤＭ方式であることを特徴とする請求項１から４までのいずれかに記載の無線通信システム。
6. 周波数チャネルを３セグメントに分割し各中継区間で異なるセグメントを使用して中継を行う無線通信方法であって、
   各中継区間におけるダウンリンクおよびアップリンクに使用するセグメントを、中継システム全体のスループットを上り重視もしくは下り重視に応じて、重視する方向のセグメントを２つ使用することを特徴とする無線通信方法。

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