JP2008503991A - バックホール帯域を低減する無線通信システム及び方法 - Google Patents

バックホール帯域を低減する無線通信システム及び方法 Download PDF

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Abstract

本発明は、ソフトウェア無線通信を用いてバックホール帯域を低減するための方法であって、移動体端末からアナログ信号を基地局で受信するステップと、前記アナログ信号をデジタル信号に変換するステップと、前記デジタル信号にソフトウェアベースの処理を実施するステップと、ステータス及びペイロードデータの少なくとも一つを表す一組のビットを確定するステップと、前記確定された一組のビットを中央局への送信のための所望の形式にフォーマットするステップとを含む。

Description

本発明は、無線通信システム(radio system)に関する。
本出願は、“REDUCTING BACKHAUL BANDWIDTH”と題された２００４年６月９日付けの米国仮出願第６０／５７８２０２号に基づく優先権を主張するものであり、上記出願は本明細書に組み込まれる。
一般に、携帯電話インフラ(cellular infrastructure)は、タワーサイト(tower sites)と中央局(central office)を含む。上記タワーサイトは基地局(base station)を含み、上記中央局は、基地局コントローラ(base station controller)とモバイル交換センター(mobile switching center)を含む。音声およびデータトラヒックは、Ｔ１ライン(T1 line)を介して、上記基地局に伝送されると共に上記基地局から伝送される。
幾つかの実施形態において、本発明は、ソフトウェア無線通信を用いてバックホール帯域を低減するための方法を含む。
本方法は、移動体端末からアナログ信号を基地局で受信するステップと、前記アナログ信号をデジタル信号に変換するステップと、前記デジタル信号にソフトウェアベースの処理を実施するステップとを含む。また、本方法は、ステータス及びペイロードデータの少なくとも一つを表す一組のビットを確定するステップと、前記確定された一組のビットを、中央局、例えば基地局コントローラへの送信のための所望の形式にフォーマットするステップとを含む。
実施形態は、次の１又は２以上を含むことができる。
前記形式は、インターネットプロトコル（ＩＰ）ベースの形式であることができる。ソフトウェアベースの処理を実施するステップは、信号変調を実施することを含むことができる。ソフトウェアベースの処理を実施するステップは、エラー訂正を実施することを含むことができる。確定された一組のビットを所望の形式にフォーマットするステップは、データ圧縮を実施することを含むことができる。前記受信した信号はＥＦＲ形式の信号であり、前記所望の形式はＡＭＲ形式であることができる。
幾つかの実施形態において、本発明は、ソフトウェアベースの無線通信システムを含み、該ソフトウェアベースの無線通信システムは、第１の符号化技術を用いた通信を移動体端末から基地局で受信し、前記通信を第２の符号化技術を用いて圧縮し、前記通信を中央局に送信するように構成される。
実施形態は、次の１又は２以上を含むことができる。
前記第１の符号化技術は、機能強化されたフルレート(EFR)の符号化技術であることができる。前記第２の符号化技術は、適応マルチレート(AMR)の符号化技術であることができる。前記ソフトウェアベースの無線通信システムは、前記通信が無音フレームを含むかどうかを判定し、もし前記通信が無音フレームを含んでいれば、該通信を破棄するように更に構成されることができる。前記ソフトウェアベースの無線通信システムは、前記受信した通信をフォーマットするように更に構成されることができる。前記ソフトウェアベースの無線通信システムは、前記通信にソフトウェアベースの処理を実施するように更に構成されることができる。
幾つかの実施形態において、本発明は、ソフトウェア無線通信を用いてバックホール帯域を低減するための方法を含む。本方法は、移動体端末から音声フレームと無音フレームを基地局で受信するステップと、前記受信したフレームのうちの特定のフレームが音声フレームであるか無音フレームであるかを判定するステップとを含む。もし、前記特定のフレームが無音フレームであれば、本方法は、該フレームを破棄するステップを含む。もし、前記特定のフレームが音声フレームであれば、本方法は、該特定のフレームを中央局に送信するステップを含む。
実施形態は、次の１又は２以上を含むことができる。
本方法は、また、データフレームを受信して、該データフレームを前記中央局に送信するステップを更に含むことができる。
幾つかの実施形態において、本方法は、ソフトウェアベースの無線通信システムを含み、該無線通信システムは、移動体端末から音声フレームと無音フレームを基地局で受信し、前記受信したフレームのうちの特定のフレームが音声フレームであるか無音フレームであるかを判定するように構成される。もし、前記特定のフレームが無音フレームであれば、本システムは該フレームを破棄するように更に構成される。もし、前記特定のフレームが音声フレームであれば、本システムは、該特定のフレームを中央局に送信するように更に構成される。
実施形態は、次の１又は２以上を含むことができる。本システムは、データフレームを受信して、該データフレームを前記中央局に送信するように更に構成されることができる。
詳細な実施形態に見られる利点は、次の１又は２以上を含む。
幾つかの実施形態において、前記ソフトウェア無線通信の使用は、バックホール帯域を低減し、現今の無線通信事業者(wireless carriers)にとって運営費(operating expense)を低下させることができる。本発明の他の特徴および利点は、以下の記載および請求項から明らかになるであろう。
幾つかの実施形態において、本ソフトウェア無線通信システムは、情報を送信することが必要とされるときにのみバックホール資源が使用されるようなパケットベースのバックホールを導入するように設計される。例えば、本システムは、無音しか含まないフレームを生成または送信しない。
幾つかの実施形態において、本ソフトウェア無線通信の使用は、中央局に代えて基地局で幾つかのソフトウェア処理を稼動させることにより、音声符号器の機能の幾つかを前記中央局から前記基地局に移すことを可能とする。
幾つかの実施形態において、本ソフトウェア無線通信は、また、市販の圧縮技術を含み、ＩＰ圧縮ツールと同様のＧＳＭ音声符号器に採用されているものを含む。これは、ネットワークを通じて伝送されるデータ量を低減させるという利点を提供することができる。
本明細書は、新規なソフトウェア無線通信機能(software radio capability)と、既存のソフトウェア無線技術(software radio technology)の革新的で新規な利用との組み合わせを開示し、バックホール帯域(backhaul bandwidth)を低減するための多様な方法を創出する。理論にとらわれることなく、次のことが考えられる。すなわち、これらの方法は、互いに組み合わされると、所要の帯域における５０パーセントを超える低減を提供し、それは、言い換えれば、今日の無線通信事業者にとって単一最大の運営費(the single biggest operating expense)における５０パーセントを超える低減をもたらす。
セルサイト(cell site)からコアネットワークへの音声およびデータのバックホール(backhaul)は、現今の無線通信事業者にとって単一最大の運営費である。バックホールネットワークの大多数は専用のＴ１ラインを利用する。なぜなら、遠隔領域でも帯域(bandwidth)と待ち時間(latency)が保証され、しかも容易に利用可能であるからである。自由空間光学(free space optical)、無認可の無線帯域(unlicensed radio bands)、および認可された周波数帯(licensed spectrum)を含んで、バックホールのための他の幾つかの伝送メカニズムが存在するが、利用可能性、標準化、既存の無線機器インターフェイスとの互換性、および無線通信事業者の側の既に回収不能となっているコスト(already sunk cost)の理由から、Ｔ１ラインは、しばらくの間、継続して大多数のトラヒックを伝送(haul)するであろう。本明細書では、Ｔ１ライン上のバックホールを改良することとの関連で述べられるが、本発明は、Ｔ１ラインを用いた使用に限定されない。
図１を参照すると、代表的な携帯電話インフラ(cellular infrastructure)１０の配置が示されている。タワーサイト(tower site)１２は基地局(base station)を含み、中央局(central office)１４は、基地局コントローラ(base station controller)１６とモバイル交換センター(mobile switching center)１８を含む。音声およびデータトラヒックは、Ｔ１ライン２０を介して、基地局に伝送されるとともに、基地局から伝送される。従来の基地局においては、Ｔ１上のタイムスロットは、特定の音声またはデータチャネルに割り当てられる。この静的な割り当ては、一定レートの音声トラヒックには妥当であるが、しばしば、トラヒックは、一定ではなく、あるいは予見できない。可変レート音声符号器(voice coders)の登場と、無線データサービスにおける増加は、重大な変動(variability)をバックホールデータストリームにもたらし、Ｔ１タイムスロットの静的な割り当てのために効率が著しく悪化することになる。加えて、従来の基地局を構築するために使用されるハードウェア無線通信の静的な特性は、ネットワークにおける異なるノードでの帯域と計算(computation)とをトレード(trade)することによりバックホール帯域を低減させるためにネットワークにおける別のポイントに処理機能を移すことを困難にする。
幾つかの接続業者は、ＩＰベースのバックホールを試みたが、効率は期待に沿わなかった。これは、一つには、基地局機器が従来のＴ１インターフェイスを使用するように設計されており、パケットベースのバックホールネットワークを十分に活用するように容易には修正できないためである。結果として、バックホール圧縮(backhaul compression)のための幾つかのシステムは、時分割多重インターフェイスから基地局へのフレーム化されたデータを受け入れること、フレームヘッダを剥ぎ取ること、そして、無音(silence)（例えば、会話における中断、または、会話に関係する一方が他方の会話を聞いており、従って送信する必要のある情報を発生しない期間）のみを含むフレームを廃棄し、そしてこのような残りのフレームを、バックホールメディア上の伝送のための複数のフレームからなるパケットに加えることに制限される。
一方、ソフトウェア無線基地局は、当然ながら、パケットベースのシステムとインターフェイスをとる。例えば、バヌソフトウェア無線基地局(Vanu Software Radio base station)は、リナックスオペレーションシステムの下でインターネットプロトコル（ＩＰ）スタックを稼動し、そしてＲＴＰ(real time transport protocol)を使用して、基地局と基地局コントローラとの間で音声トラヒックを伝送する。ソフトウェア無線通信システムは、パケットベースのバックホールを採用するように設計されているので、バックホール資源は、情報を伝送する必要のあるときだけ使用される。例えば、ソフトウェアベースの無線通信システムは無音パケットを送信しなくてもよい。加えて、ソフトウェアベースの無線通信システム１０は、ＩＰ圧縮ツールと同様にＧＳＭ音声符号器(vocoder)に採用されるものを含む市販の圧縮技術を有効利用することができる。
ソフトウェアベースの無線通信システム１０は、バックホール帯域を低減するための多くの技術の使用を可能とし、そして、増大された利点のために１又は２以上のこれらの技術を互いに組み合わせ及び／又は節約するための潜在能力(potential)を可能とする。
今日の無線ネットワークにおいて使用される多くのタイプの符号器(音声符号器)が存在する。ＧＳＭ(global system for mobile communication)では、フルレート、ハーフレート、エンハンスドフルレート(enhanced full-rate; EFR)、および適応マルチレート音声符号器(adaptive multi-rate vocoder; AMR)は、全て規格に明文化されている。音声符号器の選択は、音声品質とＲＦリンク品質とＲＦ帯域との間のトレードオフである。各音声符号器は異なる帯域条件(bandwidth requirement)を有する。音声品質は、音声符号器の選択において絶大なパラメータである。特に、貧弱な品質のＲＦ接続にとっては、より高い帯域(higher bandwidth)を犠牲にして、より高い品質の音声符号器を備えることが重要である。
代表的なネットワーク配置において、音声符号器は、ＴＲＡＵとして知られているハードウェアコンポーネントにおいて見出され、それは中央局に存在する。従って、従来のシステムでは、エアインターフェイス(air interface)以降で使用される音声符号器は、またバックホール以降で使用される。従って、移動体と基地局との間の接続品質が貧弱である場合、より高い帯域を必要とする音声符号器が採用され、そしてより高い帯域がＴＲＡＵまでずっと占有される。しかしながら、バックホール上では、接続品質(link quality)は本質的に問題ではなく、より高いレートの圧縮が利用できる。ソフトウェア無線通信の柔軟性は、中央局に代えて基地局上でソフトウェア処理の幾つかを単に稼動させることにより、中央局のＴＲＡＵから基地局に音声符号器の機能の幾つかを移すことを可能にする。
図２を参照すると、移動体端末５２を含むシステム５０、基地局５４、および中央局５６が示されている。システム１０は、少なくとも音声符号器の機能性の一部を中央局５６から基地局５４に移す。例えば、もし、特定の移動体５２のためにＥＦＲが使用されているようなチャネル状態であれば、基地局５４は、ＥＦＲを用いて移動体５２と通信し、そして中央局５６と通信するために低レートＡＭＲを用いて信号を圧縮することができる。この圧縮は、従来の配置とは対照的に帯域の節約をもたらす。フルレート音声符号器（例えば、移動体端末５２と基地局５４との間の通信のために使用される）は、ＡＭＲ音声符号器（例えば、基地局５２と中央局５６との間の通信のために使用される）のための最も低い符号化レートの２倍の帯域を使用するので、理論に束縛されることなく、見込まれる帯域の節約は５０パーセントに達すると考えられる。
図３を参照すると、バックホール帯域を低減するための通信処理７０が示されている。概して、移動体端末は信号を送信し、基地局は、上記移動体端末から上記信号を受信する（ステップ７２）。上記移動体端末から信号を受信した後、基地局は、受信した信号にソフトウェアベースの処理を実施して、デジタル信号を生成する（ステップ７４）。アナログ／デジタル変換に加えて、ソフトウェアベースの処理の例としては、信号復調及びエラー訂正を含む。基地局は、受信した信号のステータスとペイロード部を表すデジタル信号を所望の形式(format)にフォーマット変換する（ステップ７６）。例えば、基地局は、ＩＰ形式のパケットを生成してもよい。必要であれば、基地局は、さらに、パケットに圧縮アルゴリズムを実施することにより（ステップ７８）、パケットを処理することができる。その後、基地局は、生成したパケットを中央局に送信する（ステップ８０）。
ＤＴＸ、不連続伝送(discontinuous transmission)は、移動体端末のバッテリーの寿命を節約するように設計されたＧＳＭモードである。通常の動作の下では、ユーザが話をしていないとき、電話は、依然として無音を含む音声フレームを送信する。ＤＴＸを用いれば、これらの無音フレームは圧縮され、電話から送信されるデータの総量を低減する。例えば、ある場合には、ＤＴＸは、５０パーセント以上、伝送されるデータの総量を低減することができる。従来の基地局は、無音フレームを再構成し、そしてそれらを、バックホールネットワークを介して中央局の送信符号器／レートアダプタユニット(Transcoder/Rate Adapter Unit; TRAU)に送信する。このアプローチは、データストリームを、ＴＲＡＵが基地局から受信するものとして期待するものに一致させ続ける。この場合も、処理コンポーネントをネットワークにおける別のポイントに移してその処理を修正するためにソフトウェアの柔軟性を活用して、無音フレームが抑制されたデータストリーム受け入れ、必要であれば、ＴＲＡＵでそれらを再構成するように、ＴＲＡＵソフトウェアを変更することができる。これは、システムの全体を通じて、移動体からＴＲＡＵまでの低減された帯域をもたらす。同様に、ＤＴＸモードは、伝送経路(transmit path)上で有効とされ、順方向および逆方向の両方について同一の帯域の節約をもたらす。
図４を参照すると、帯域を低減するための処理９０が示されている。基地局は、移動体端末から通信(communication)を受信する（ステップ９２）。その通信は、音声フレーム(voice frame)と無音フレーム(silence frame)の両方を含むことができる。基地局は、特定の通信が音声フレームまたは無音フレームを含んでいるかどうかを判定する（ステップ９６）。もし、上記通信が無音フレームであれば、基地局は、そのフレームを破棄する（すなわち、その無音フレームを中央局に送信しない）。もし、上記通信が音声フレームであれば、基地局はその通信を処理して、その通信を中央局に送信する（ステップ９８）。処理９０は、有用な情報を含むフレームのみを送信することによりバックホール帯域を低減する。
電話問い合わせ件数(call volume)が少ない農村部では、サイト間をデイジーチェーン(daisy chaining)で連結するＴ１の方策はコストを下げるために用いられる。図５に示されるように、このタイプの配置では、単一のＴ１ライン（例えば、ライン１０２ａ−１０２ｃ）は、複数のサイト（例えば、サイト１０４ａ−１０４ｄ）へのルートを形成しており、Ｔ１上の特定のタイムスロットが各サイトに静的に割り当てられる。この場合も、可変パケットベースのチャネルよりも、専用ビットレートチャネルを要求する従来の基地局機器の設計の理由による。
パケットベースのバックホールを利用して、それをＴ１のデイジーチェーンと組み合わせることは、サイト間の帯域の動的な共有(dynamic sharing)を可能にする。このアプローチを用いれば、もし、所定のセルにおいて多数の呼び出し(call)があっても、それらは、同一の期間で負荷の軽い同一デイジーチェーン上の他のサイトからバックホール帯域を“借用”することにより支援されることができる。コストの節約は、同一の帯域を静的に割り当てるコストを比較すること、および所定のサイトでのより高いピークの電話呼び出し件数を処理するための能力による収益の増加を比較することにより計算できる。
音声品質と音声のストリーミング特性に対する顧客の期待のため、各音声通話(voice call)のための専用帯域を有することは重要である。データに対する期待と帯域条件(bandwidth requirement)は全く異なる。今日のバックホールネットワークの静的な割り当てにより、データチャネルは、データチャネルが完全に利用されているか否かを問わず、静的に割り当てられた帯域を得る。音声とデータの混合(mix)は、各音声通話が十分な帯域を有することを保証するが、音声通話が存在しないときには利用可能な帯域がデータのために使用されることを可能にするＱｏＳアドミッション制御ポリシー（QoS admission control policy)を暗示する。加えて、ネットワークからのフィードバックメカニズムは、現在のネットワークの要求が与えられると追加の呼び出し(call)が支援されることができるかどうかを判定するために基地局コントローラによって使用されることができる。
これらのアプローチの多くを実施するためにはハードウェアの追加を必要とする従来のシステムとは異なり、本明細書で述べられた本技術は、既存のソフトウェア無線通信システムに対するソフトウェアの変更を示唆する。
バックホール帯域を低減するための新規な装置および技術が説明された。本技術分野の通常の知識を有する者であれば、本発明の要旨を逸脱することなく、本明細書に開示された特定の装置および技術を多様に変形し、使用できることは明らかである。従って、本発明は、本明細書に開示された装置および技術によって所有され、または本装置および本技術に存在する特徴の新規な組み合わせ並びにそれぞれの特徴及びあらゆる特徴を包含するものとして構成されるとともに、添付の特許請求の範囲とその精神によってのみ制限されるべきものである。他の実施例も添付の特許請求の範囲に記載された本発明の範囲内である。
携帯電話インフラ配置のブロック図である。 携帯電話端末、基地局、および中央局のブロック図である。 バックホール帯域を低減するための方法を表すフローチャートである。 バックホール帯域を低減するための方法を表すフローチャートである。 デイジーチェーンされたＴ１ラインで連結された一組のサイトのブロック図である。
符号の説明
１２；基地局
１４；中央局
１６；基地局コントローラ
１８；モバイル交換ユニット
２０；Ｔ１ライン

Claims (17)

  1. ソフトウェア無線通信を用いてバックホール帯域を低減するための方法であって、
    移動体端末からアナログ信号を基地局で受信するステップと、
    前記アナログ信号をデジタル信号に変換するステップと、
    前記デジタル信号にソフトウェアベースの処理を実施するステップと、
    ステータス及びペイロードデータの少なくとも一つを表す一組のビットを確定するステップと、
    前記確定された一組のビットを中央局への送信のための所望の形式にフォーマットするステップとを含む方法。
  2. 前記所望の形式は、インターネットプロトコル（ＩＰ）ベースの形式である請求項１記載の方法。
  3. ソフトウェアベースの処理を実施するステップは、信号変調を実施することを含む請求項１記載の方法。
  4. ソフトウェアベースの処理を実施するステップは、エラー訂正を実施することを含む請求項１記載の方法。
  5. 確定された一組のビットを所望の形式にフォーマットするステップは、データ圧縮を実施することを含む請求項１記載の方法。
  6. 前記受信した信号はＥＦＲ形式の信号であり、且つ、前記所望の形式はＡＭＲ形式である請求項１記載の方法。
  7. 前記通信が無音フレームを含むかどうかを判定し、もし前記通信が無音フレームを含んでいれば、該通信を破棄するステップを更に含む請求項１記載の方法。
  8. ソフトウェアベースの無線通信システムであって、
    第１の符号化技術を用いた通信を移動体端末から基地局で受信し、
    前記通信を第２の符号化技術を用いて圧縮し、
    前記通信を中央局に送信するように構成されたソフトウェアベースの無線通信システム。
  9. 前記第１の符号化技術は、機能強化されたフルレート(EFR)の符号化技術を含む請求項８記載のソフトウェアベースの無線通信システム。
  10. 前記第２の符号化技術は、適応マルチレート(AMR)の符号化技術を含む請求項８記載のソフトウェアベースの無線通信システム。
  11. 前記通信が無音フレームを含むかどうかを判定し、もし前記通信が無音フレームを含んでいれば、該通信を破棄するように更に構成された請求項８記載のソフトウェアベースの無線通信システム。
  12. 前記受信した通信をフォーマットするように更に構成された請求項８記載のソフトウェアベースの無線通信システム。
  13. 前記通信にソフトウェアベースの処理を実施するように更に構成された請求項８記載のソフトウェアベースの無線通信システム。
  14. ソフトウェア無線通信を用いてバックホール帯域を低減するための方法であって、
    移動体端末から音声フレームと無音フレームを基地局で受信するステップと、
    前記受信したフレームのうちの特定のフレームが音声フレームであるか無音フレームであるかを判定するステップと、
    もし、前記特定のフレームが無音フレームであれば、該フレームを破棄するステップと、
    もし、前記特定のフレームが音声フレームであれば、該特定のフレームを中央局に送信するステップとを含む方法。
  15. データフレームを受信して、該データフレームを前記中央局に送信するステップを更に含む請求項１４記載の方法。
  16. ソフトウェアベースの無線通信システムであって、
    移動体端末から音声フレームと無音フレームを基地局で受信し、
    前記受信したフレームのうちの特定のフレームが音声フレームであるか無音フレームであるかを判定し、
    前記特定のフレームが無音フレームであれば、該フレームを破棄し、
    前記特定のフレームが音声フレームであれば、該特定のフレームを中央局に送信するように構成されたソフトウェアベースの無線通信システム。
  17. データフレームを受信して、該データフレームを前記中央局に送信するように更に構成された請求項１６記載のソフトウェアベースの無線通信システム。
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