JP2010068519A - 無線ネットワークにおいて通信する方法及び無線ネットワーク - Google Patents

Abstract

【課題】ビーム形成及びグループ化のプロセス全体をＭＳに対しトランスペアレントにすることが望ましい。
【解決手段】基地局は、ビームのセットを使用してサウンディング要求のセットをセル内の移動局（ＭＳ）のセットに送信する。ここで、サウンディング要求毎に１つのビームが存在する。サウンディング要求の受信に応答してＭＳのセットによって送信されるサウンディング信号の品質が測定され、品質に従ってＭＳのセットがサブセットにグループ化される。ここで、各ビームに関連付けられるＭＳの１つのサブセットが存在する。
【選択図】図１Ａ

Description

本発明は、包括的には無線ネットワークに関し、より詳細には、ＩＥＥＥ８０２．１６ｍ標準規格に従うネットワークにおけるアナログビーム形成及びビーム切替えに関する。

ＷｉＭＡＸ（Ｗｏｒｌｄｗｉｄｅ Ｉｎｔｅｒｏｐｅｒａｂｉｌｉｔｙ ｆｏｒ Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ａｃｃｅｓｓ）標準規格に従って設計されるネットワークの１つの目的は、配備コストを最小に保ちながらネットワークのスペクトル効率を改善することである。固定ＷｉＭＡＸは、ＩＥＥＥ８０２．１６ｄ標準規格に基づき、モバイルＷｉＭＡＸは、ＩＥＥＥ８０２．１６ｅ標準規格に基づく。

これを行う１つの方法は、アナログビーム形成（ＡＢＦ）を使用することである。ＡＢＦの基本原理は、基地局（ＢＳ）が配置されるセル内のセクタ毎に、ＢＳにおいてビームを形成することである。これはバトラーマトリクスを用いて連結された線形アンテナアレイを用いて実現することができる。ＩＥＥＥ Ｃ８０２．１６ｍ−０８／１８２ｒ３を参照されたい。

ＢＳは、アップリンク（ＵＬ）及びダウンリンク（ＤＬ）の両方において、利用可能なビーム間を任意の順序で切り替え、各時間的瞬間に、それぞれのビームが指向するセクタ内に位置する移動局（ＭＳ）と通信する。ビーム形成ゲインに起因して、セルの範囲が拡張される。このことは、たとえば地方のまばらに配備されたＢＳに関して特に重要である。

ＡＢＦは、複数のアンテナ素子を使用する理論的最適方法ではない。すべての信号をベースバンドに且つベースバンドからヘテロダインし、それらの信号をデジタル処理することによって、より大きな容量を実現することができる。特許文献１「Ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ ａｐｐａｒａｔｕｓ ｆｏｒ ｅｎｈａｎｃｉｎｇ ｔｈｅ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ａｎｄ ｒｅｃｅｐｔｉｏｎ ｏｆ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ」を参照されたい。しかしながら、ＡＢＦは、性能と複雑性との間に優れたトレードオフを提示する。たとえば、ＡＢＦは、単一の無線周波数（ＲＦ）チェーンのみを用いて実施することができる。

別の利点として、ＡＢＦを空間多重化及び他のＭＩＭＯ技法と組み合わせることができる。Ｎ本の利用可能なアンテナから成るセットを、Ｍ本のアンテナから成るＫ個のグループ、すなわちＭ×Ｋ＝Ｎに分割することができ、それによってＫ個のビームが形成される。各ビームにおいて、Ｍ本のアンテナ素子が空間多重化のために利用可能である。二重偏波アンテナを使用するとき、Ｋ＝４及びＮ＝２を使用することが容易に可能である。

ＡＢＦを用いた干渉の低減
ＡＢＦを、干渉を低減するのに使用することもできる。様々なセクタにおいて異なるビームを受信するＭＳには、異なる時間にビームが入射される。したがって、２つの隣接セル内のＢＳが、同じセクタにおいて同時にＭＳに送信しないように、ダウンリンク送信及びアップリンク送信を構成する場合、ＭＳにおける干渉は大きく低減される。

隣接セル内のＢＳがビームを調整することができる場合、それらの隣接セル内のＢＳからの干渉を実質的に低減することができる。ＢＳが調整を行うことができない場合、ビームが送信される順序は、各ＢＳにおいてランダムに且つ独立して選択される可能性がある。これでもなお、ランダム周波数ホッピング又は時間ホッピングのインパルス無線における干渉の低減と同様に、確率論的な干渉の低減がもたらされる。

ＡＢＦが使用される場合、ＢＳは、自身が順次ビーム切替えを使用していることをブロードキャストし、それによって、ＭＳは、このことを自身のハンドオーバの決定に関して考慮に入れることができる。特定の切替え順序は、各ＢＳにおいて、ランダムな切替え順序を生成するシフトレジスタに対する初期値、すなわちシードとして基地局識別子（ＢＳ ＩＤ）を使用することに基づいて決定することができる。

米国特許第６，３０７，５０６号明細書

従来技術において、スーパーフレームは、複数の連続するゾーンに、ビームごとに１つのゾーンで分割される。各ゾーンは、プリアンブルから開始される。ＭＳは、プリアンブルの間の信号が最も強い信号強度を有するビームを選択し、対応するビームインデックスをＢＳにフィードバックする。これは、ＢＳが使用しているビーム数をＭＳが知る必要があることを意味する。このように、ビーム形成は、ＭＳに対しトランスペアレントではない。本質的に、ここでグループ化及びビーム選択は、ＭＳによって実施される。ビーム形成及びグループ化のプロセス全体をＭＳに対しトランスペアレントにすることが望ましい。

方法及び装置が無線ネットワークにおいて通信を行う。ネットワークは、セル内に配置された基地局（ＢＳ）と移動局（ＭＳ）のセットとを含む。基地局は、ビームのセットを使用してサウンディング要求のセットを送信する。ここで、サウンディング要求毎に１つのビームが存在する。サウンディング要求の受信に応答してＭＳのセットによって送信されるサウンディング信号の品質が測定され、この品質に従ってＭＳのセットがサブセットにグループ化される。ここで、各ビームに関連付けられる１つのサブセットが存在する。

本発明は、信号対干渉雑音比ＳＩＮＲを増加させ、それによってＷｉＭＡＸネットワークにおけるスループットを増加させる、単純であるが非常に効果的な方法を提供する。この方法は、複数のアンテナ素子を利用する最適方法ではない。４ビーム切替えネットワークは、完全な４アンテナＭＩＭＯネットワークのように良好には機能することができない。しかしながら、４ビーム切替えネットワークの複雑性は、４アンテナＭＩＭＯネットワークよりもずっと低い。

複雑性は、単一のＲＦチェーンを用いる単一アンテナネットワークの複雑性と同一であり、付加的なスイッチ及びアンテナがあるのみである。ビーム切替えは、範囲拡張及び干渉の低減の両方に対して、低コストで効果的なソリューションを提供する。

本発明の実施の形態１による無線ネットワークの概略図である。 本発明の実施の形態１によるビーム形成のブロック図である。 本発明の実施の形態１によるダウンリンクサブフレームのブロック図である。 本発明の実施の形態１によるアップリンクサブフレームのブロック図である。 ビーム形成を用いるネットワークとビーム形成を用いないネットワークとを比較するグラフである。

実施の形態１．
図１Ａは、本発明の実施の形態１によるセル１０３内の基地局（ＢＳ）１０１と、ＢＳによりサービス提供される移動局（ＭＳ）のセット１０２とを有する無線ネットワークを示す。ＢＳは、バトラーマトリクスを用いて連結された線形アンテナアレイを使用して、セル１０３内でビーム１０５を形成することができる。参照によって本明細書に援用される米国特許出願公開第２００６／０１０４１９７号明細書「Ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ｅｃｏｎｏｍｉｃａｌ ｂｅａｍ ｆｏｒｍｉｎｇ ｉｎ ａ ｒａｄｉｏ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ」を参照されたい。通常、ビームは、セクタに関連付けられる。たとえば、８つ（４５度）のセクタ及び８つのビームが存在する。セクタ及び適応ビームの配置は、ネットワークトポロジ（サービスエリア）、及びＭＳの分布に相当するトラフィック状態、並びにそれらが要求するデータレートに適応するように動的に変化させることができることに留意されたい。たとえば、ＭＳがより凝集しているセルの領域に、より多数のビームを割り当てることができる。

ここで定義されるように、ビームは、アンテナアレイによって全方向に送信される、空間選択的な無線信号である。

ＩＥＥＥ８０２．１６ｍ標準規格によるネットワーク内で、さらなるゾーンを発生させること、及びこれに伴う関連する制御信号を発生させることが望ましくない場合がある。アナログビーム形成（ＡＢＦ）は、本質的にＭＳにトランスペアレントであるように実施することができる。本発明では、ネットワークへの参加が、従来の動作中に、たとえばダウンリンク（ＤＬ）サブフレームのサブチャネル部分使用（ＰＵＳＣ：Ｐａｒｔｉａｌ Ｕｓａｇｅ ｏｆ Ｓｕｂｃｈａｎｎｅｌｓ）ゾーンである第１のＰＵＳＣゾーンにおいて発生するものと想定することから開始する。次に、ＢＳは、残りのＤＬサブフレームにおける個々のビーム上で送信を開始することができる。これは、図１Ｂに示されている。

ＤＬサブフレームを複数のゾーンに分割することによって、異なるゾーン内のＭＳを順次処理することができる。各ＡＢＦゾーンは、ＤＬにおける送信間隔に対応し、ここで特定のビームがＢＳにおいてアクティブである。このように、アクティブビームの同じサービスエリア内にあるＭＳは、１つのアクティブセットにグループ化され、対応するゾーンの間でサービス提供される。

本発明の実施の形態１によって、ＭＳを対応するビームに関するアクティブセットに効率的にグループ化し、次にＤＬサブフレーム又はＵＬサブフレームの同じゾーンの間で各アクティブセット内のすべてのＭＳにサービス提供することが可能になる。

サウンディング及びグループ化
図１Ｂに示すように、ＢＳは、ＤＬチャネル上でサウンディング要求１０６を送信する（１１０）。基地局が形成することができる、たとえば８個のビームから成るセットにおけるビーム毎に、１つの要求が存在する。要求は、要求の受信に応答してサウンディング信号を送信するのにＭＳが使用する時刻及びサブチャネルを指定する。ビーム内のＭＳのみが要求を受信して応答する。ＭＳは、要求がビーム形成されていることを意識する必要がないことに留意されたい。換言すれば、本発明は、従来の変更されていないＭＳに適用することができる。

ＢＳは、ＵＬチャネルを介して応答サウンディング信号１０７を受信する（１２０）。ＢＳは、サウンディング信号の品質を測定する（１３０）。良質のサウンディング信号は、ビームと一致するチャネル上で受信される。

次に、ＢＳは、さらなる通信のために、上記品質に基づいてＭＳのセットを各ビームに対応するサブセットにグループ化する（１４０）。プロセスは、周期的に又はネットワーク環境が変化するのに応じて繰り返すことができる。

ＡＢＦのフレーム構造
図２は、本発明の実施の形態１によるスーパーフレームのＤＬサブフレームを示す。スーパーフレームは、時間領域においてシンボルに分割され、周波数領域においてサブチャネルに分割される。シンボル及びサブチャネルの数は、ネットワークによって指定される。ＤＬサブフレームは、プリアンブル２０１、フレーム制御ヘッダ（ＦＣＨ）２０２、ＤＬマップ２０３及びＵＬマップ２０４から開始される。

ＢＳは、残りのＤＬフレームの間、複数のビームのセット｛０，１，．．．，Ｋ｝２０６を順次送信する。第１の期間（ＡＢＦなし期間２０５）の間、「０」で示されるように、ビームは一切形成されない。実施の形態１では、ＢＳは、ＤＬマップ及びＵＬマップの後、ＡＢＦなし期間２０５中にサウンディング要求を送信する。この場合、サウンディング要求は、いかなる特定のビーム上でも送信されず、たとえば受信するすべてのＭＳに対しすべての方向にブロードキャストされる。

問題は、いずれのビーム上でＭＳが送受信するべきか、すなわちビームスケジュールを決定することである。理想的には、ビーム内のチャネル品質に基づいて各ＭＳに最適なビームが割り当てられる。このことは、ＢＳが各ＭＳからの複数のサウンディング信号２０５を要求することを必要とする。

ＵＬマップ又はダウンリンクサブフレーム内の他の利用可能な制御チャネルを使用して、サウンディング信号の時刻及び位置がＭＳに送信される。図３に示すように、フレームのアップリンク部分の間、ＢＳは、ビーム１，２，．．．．，Ｋ上でサウンディング信号３０１を受信する。

本発明の利点として、ＭＳは、ＢＳがビーム形成していることを知らされる必要がない。すなわち、ビーム形成は、ＭＳにおいて完全にトランスペアレントである。

ＢＳは、ＭＳからチャネル品質情報（ＣＱＩ）を取得した後、ＭＳのセットを品質ビームと一致するサブセットにグループ化することができ、ＵＬ方向及びＤＬ方向の両方におけるさらなる通信が、ＭＳ毎に最適なビームに対してスケジューリングされる。

ＡＢＦのトレーニング
ＭＳがすべての可能なビーム上でサウンディングする必要はない。ＢＳは、最適なビームの初期推定後、オーバヘッドを低減するために、隣接するビーム上でのみサウンディングすることをＭＳに要求することができる。ＭＳが１つのビーム内に留まる時間は、通常非常に長く、たとえば数秒であるので、ビームの低頻度の周期的サウンディングで十分である。

基本ケースの場合のトレーニング構造性能
ＡＢＦを用いて実現可能な性能強化を試験するために、小型のＷｉＭＡＸネットワークをシミュレーションする。ダウンリンクのケース、及びＭＳにおける平均信号対干渉雑音比（ＳＩＮＲ）累積分布関数（ＣＤＦ）を検討する。ＣＤＦを生成するために、ＭＳは、対象となるセクタ内にランダムに配置される。ＭＳは、基地局からの最適な利用可能ビーム上で通信すると想定する。基地局は、Ｎ_Ｂ個のビームから成るセット上で通信することができ、ここでＮ_Ｂは、４又は８のいずれかであると想定される。

受信機雑音は、加法性白色ガウス（ＡＷＧ：ａｄｄｉｔｉｖｅ ｗｈｉｔｅ Ｇａｕｓｓｉａｎ）であると想定される。ＳＩＮＲは、セクタ内の無数のランダム位置において求められる。各位置において、５つのチャネル実現が平均化されて各位置におけるＳＩＮＲが求められる。他のシミュレーション条件は、表１に示される。

図４に結果が示されており、ＡＢＦを用いないケースに対するＳＩＮＲの大幅な改善を読み取ることができる。４ビームネットワークの場合、ゲインは、ＣＤＦの中央値において約４〜５ｄＢである。８ビームを用いることによって、さらに３ｄＢのゲインを実現することができる。

Claims (13)

1. セル内に配置される基地局（ＢＳ）と移動局（ＭＳ）のセットとを含む無線ネットワークにおいて通信する方法であって、
   前記基地局が、
   ビームのセットを使用してサウンディング要求のセットを送信するステップであって、サウンディング要求毎に１つのビームが存在する、送信するステップと、
   前記サウンディング要求の受信に応答して前記ＭＳのセットから送信されるサウンディング信号の品質を測定するステップと、
   前記品質に従って、前記ＭＳのセットをサブセットにグループ化するステップであって、各ビームに関連付けられる１つのサブセットが存在する、グループ化するステップと、
   を含むことを特徴とする無線ネットワークにおいて通信する方法。
2. 前記ネットワークは、直交周波数分割多元接続を使用することを特徴とする請求項１に記載の無線ネットワークにおいて通信する方法。
3. 前記ネットワークは、ＩＥＥＥ８０２．１６ｄ標準規格又はＩＥＥＥ８０２．１６ｅ標準規格に従って動作することを特徴とする請求項１に記載の無線ネットワークにおいて通信する方法。
4. 前記ビームのセットを前記ネットワークのトポロジ及びトラフィックに適応させるステップをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の無線ネットワークにおいて通信する方法。
5. スーパーフレームは、ダウンリンクサブフレーム及びアップリンクサブフレームを含み、前記ダウンリンクサブフレームは、ダウンリンクマップ及びアップリンクマップをさらに含み、
   前記方法は、
   前記スーパーフレームの前記ダウンリンクサブフレームの前記アップリンクマップにおいて、前記サウンディング信号を送信する時刻及びサブチャネルを指定するステップをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の無線ネットワークにおいて通信する方法。
6. 前記ビームを順次選択するステップをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の無線ネットワークにおいて通信する方法。
7. 前記ビームをランダムに選択するステップをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の無線ネットワークにおいて通信する方法。
8. 前記ダウンリンクサブフレームを連続するゾーンのセットに分割するステップであって、ビーム毎に１つのゾーンが存在する、分割するステップをさらに含むことを特徴とする請求項５に記載の無線ネットワークにおいて通信する方法。
9. 前記スーパーフレームの前記アップリンクサブフレームを連続するゾーンのセットに分割するステップであって、ビーム毎に１つのゾーンが存在する、分割するステップをさらに含むことを特徴とする請求項５に記載の無線ネットワークにおいて通信する方法。
10. 前記ＭＳに、選択された最適なビームに隣接するビーム上でのみサウンディング信号を送信するように要求するステップをさらに含むことを特徴とする請求項６に記載の無線ネットワークにおいて通信する方法。
11. 前記関連付けられたビームを使用して、前記ＭＳの前記サブセットにデータを送信するステップをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の無線ネットワークにおいて通信する方法。
12. 前記サウンディング要求のセットは、前記ダウンリンクマップ及び前記アップリンクマップの後に、前記ダウンリンクサブフレームにおいてビームが一切形成されない期間中にブロードキャストされることを特徴とする請求項５に記載の無線ネットワークにおいて通信する方法。
13. セル内に配置される移動局（ＭＳ）のセットを含む無線ネットワークであって、
    ビームのセットを使用してサウンディング要求のセットを送信する基地局であって、サウンディング要求毎に１つのビームが存在する、基地局と、
    前記サウンディング要求の受信に応答して前記ＭＳのセットから送信されるサウンディング信号の品質を測定する手段と、
    前記品質に従って、前記ＭＳのセットをサブセットにグループ化する手段であって、各ビームに関連付けられる１つのサブセットが存在する、グループ化する手段と、
    を備えたことを特徴とする無線ネットワーク。

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