JP4718269B2 - 無線ネットワークにおけるサブチャンネルの割り当て方法 - Google Patents

Description

本発明はネットワーク技術、特に無線ネットワークにおけるサブチャンネルの割り当て方法に関するものである。

複数ユーザー無線ネットワークにおいて、基地局がどのように複数のユーザーに対してチャンネルの割り当てを行うかは重要な課題である。まず、シングルチャンネルの複数ユーザー無線ネットワークにおける従来のスケジューリング仕様について考える。一般的に、ユーザーチャンネルの統計特性は異なっており、スケジューリング仕様は常に小エリアにおいて最も通信品質のよいユーザーにチャンネルを割り当てると、システムのスループットは向上するが、深いフェージングのユーザーには不公平である。この弱点を解決するために、ダイバーシチゲインと公平性とシステムのスループットとを折衷したプロポーショナルフェアネス・スケジューリング仕様が提案された。当該プロポーショナルフェアネス・スケジューリング仕様については、非特許文献１を参考されたい。

各ユーザーから基地局まで誤差のないフィードバックチャンネルがあるとする。R₁(n), R₂(n), ．．．， R_N(n)を現在N個ユーザーのチャンネルがサポート可能なデータ転送率とし、T₁(n), T₂(n) , ．．．, T_N(n)を時刻がnの時、t_cのタイムスロットスライドウィンドウにおける平均スループットとする。プロポーショナルフェアネス・スケジューリング仕様の下で、基地局は下記の式（１）の最大比例値を有するユーザーにデータを送信する。

ただし、上記の式（１）で示される比例値はフォワードリンクによりサポートされるデータ転送率とチャンネルゲインと正比例し、平均スループットと反比例する。したがって、ユーザーの瞬間チャンネル品質とタイムスロットt_cにおける平均チャンネル条件との比例が大きいとき、スケジューリング仕様は当該ユーザーを選択して伝送を行う。ユーザーの資源、すなわち、チャンネルに対する競争は直接ユーザーがサポートするデータ転送率に基づいて行うのではなく、各自の平均スループットを利用して正規化された比例値に基づいて行う。

P. Viswaanath、David N. Tse及びR. Laroia "Opportunisticbeamforming using dumb antennas" IEEE Transation On Information Theory、Vol. 48、Jun. 2002、pp. 1277-1294 "Layeredspace-time architecture for wireless communication in a fading environment when using multi−element antennas" Bell Labs Technical Journal、Vol． 1、No． 2、1996、pp． 41-59 A． F． Molisch、M． Z． WinおよびJ． H． Winters "Space-time-frequency(STF) coding for MIMO-OFDM system" IEEE Communication Letters、Vol． 6、Sept． 2002、pp． 370-372

しかしながら、従来のプロポーショナルフェアネス・スケジューリングはMIMOとOFDMのネットワークにてマルチメディアサービスを実現するには次のような二つの欠点が存在する。

１．MIMO、OFDM、MIMO-OFDMシステムにおいては、どちらも複数のサブチャンネルを有しており、これらのサブチャンネルは同時に且つ独立でデータを送信する。従って、このような環境においてユーザーのスケジューリングとサブチャンネルの割り当てを同時に考える必要がある。しかし、従来のプロポーショナルフェアネス・スケジューリング仕様ではシングル送信チャンネルにおけるユーザーのスケジューリングしか考えていない。

２．マルチメディアサービスに対して、異なるユーザーが必要とするQoSは変わるものである。スケジューリング仕様は高い資源利用率でマルチメディアのユーザーにQoSのサポートを提供すべきである。しかし、従来のプロポーショナルフェアネス・スケジューリング仕様では一種類のサービスの公平性のみを考慮し、マルチメディアユーザーの異なるQoSの需要、例えば、各ユーザーの求める最小許容データ転送率は考慮していない。

上述の問題を解決するために、本発明は複数ユーザーのMIMO-OFDM環境におけるサブチャンネルのスケジューリング方法を提供する。当該方法は、プロポーショナルフェアネス・スケジューリング仕様について修正を行い、それを汎用プロセッサ共有（Generalized Processor Sharing, GPS）スケジューリング仕様に応用し、マルチメディアユーザーが必要とする最小データ転送率を保証する条件の下で、システムのスループットを最大にする。

本発明の目的を実現するために、本発明は以下の技術提案を採用する。

本発明では、無線ネットワークには複数のユーザーが加入しており、基地局はN_T個の送信アンテナを有し、あるユーザーiがN_R個の受信アンテナを有するとして、N_T個の送信アンテナとK個のサブキャリア群によって決められるネットワーク容量をK個のサブチャンネル伝送に分割し、N_T個の送信アンテナによって決められるネットワークバンド幅をK個のサブチャンネルに分割する無線ネットワークにおけるサブチャンネルの割り当て方法において、基地局はそれぞれのサブチャンネルが各ユーザーに対してサポートするデータ転送率と所定時間内における各ユーザーの平均スループットとの比例値、および各ユーザーの要求するサービス品質に基づいて、順次に複数ユーザーに対してチャンネルの割り当てを行うことを特徴とする無線ネットワークにおけるサブチャンネルの割り当て方法を提供する。

前記各ユーザーの要求するサービス品質はユーザーの最小許容データ転送率である。

前記サブチャンネルの割り当て方法は、
（ａ）前記基地局はそれぞれの所定のタイムスロットlにおいて、システムに加入している各ユーザーの最小許容データ転送率φ_iに基づいて、各ユーザー間の相対的な重みを計算する手順と、
（ｂ）現在第cのサブチャンネルのユーザーiに対してサポートするデータ転送率SDR_c ⁽ⁱ⁾と、所定の過去の長さがt_cであるウィンドウ内の各ユーザーの平均スループットT_iに基づいて、システム全体のすべてのユーザーに対してφ_iSDR_c ⁽ⁱ⁾/T_iを計算する手順と、
（ｃ）最大のφ_iSDR_c ⁽ⁱ⁾/T_i値を有するユーザーiを選択して、サブチャンネルcをユーザーiに割り当てる手順と、
（ｄ）すべてのチャンネルに対して前記（ａ）〜（ｃ）の手順を行う手順と、
を含む。

前記ユーザーの重みφ_iは基地局により計算、保存され、スケジューリングの重み係数とする。

前記手順（ｂ）において、それぞれのサブチャンネルに対して、基地局は適応変調符号化（AMC）のパターン表中のパターンIDと前記SDR_c ⁽ⁱ⁾との対応関係を利用し、各ユーザーからフィードバックされたパターンIDに基づいて、前記SDR_c ⁽ⁱ⁾を確定する。

前記適応変調符号化（AMC）のパターン表は基地局とユーザーの双方によって保持される。

各所定のタイムスロットlの後、すべてのサブチャンネルが割り当てられるまで平均スループットT_iを更新する。

前記平均スループットT_iの更新は下記の式に従って行う。

ただし、上記の式において、ρ_i(c)はサブチャンネルがユーザーiに使用されているかどうかを示す。

ネットワーク内のユーザーの数がMである場合、サブチャンネル全体のユーザーiに対してサポートするデータ転送率SDR_c ⁽ⁱ⁾は以下のマトリックス式を構成し、
前記手順（ｂ）において、Γの中の各要素に対してφ_iSDR_c ⁽ⁱ⁾/T_iを計算し、
前記手順（ｃ）において、最大のφ_iSDR_c ⁽ⁱ⁾/T_iを選択し、Γの中の対応する列番号のサブチャンネルをΓの中の対応する行番号のユーザーに割り当てから、Γの中の対応する列を削除し、
前記手順（ｄ）において、Γの中のすべての列が削除されるまで前記手順（ｃ）に戻る。

ただし、上記の式において、Γの中の第i行の要素はチャンネル１からチャンネルN_TKまでのユーザーiに対してサポート可能なデータ転送率に対応する。

ユーザーは受信された信号対雑音比SNRに基づき、適応変調符号化（AMC）のパターンを決定し、選択されたAMCパターンIDを基地局にフィードバックする。

ユーザーはAMCのパターンIDのみフィードバックしてチャンネル状態情報とする。

前記無線ネットワークは、無線セルラネットワークである。

前記無線ネットワークは、直交周波数分割多重化（OFDM）とマルチ入力マルチ出力（MIMO）の技術を採用する。

本発明によれば、複数ユーザーMIMO-OFDM環境におけるサブチャンネルスケジューリング方法を提供することができる。

まず本発明の応用環境について説明する。

図１は、MIMOとOFDMネットワーク構造におけるQoSサービスに対する無線資源管理を示す略図である。インターネットとセルラネットワーク技術の発展に伴い、至るところでマルチメディアサービスのネットワーク接続をサポートする需要は避けられなくなる。マルチメディアサービスは従来の音声やデータのサービスとは違って、様々なサービス特徴とQoSの需要を有する。サービス品質（Quality of Services, QoS）の保証はマルチメディアの応用に対して大変重要である。現在、有線ネットワークにおいてはマルチメディアサービスをサポートすることとQoSの保証を提供することはすでに難しくなっており、無線ネットワークにおいてはマルチメディアサービスをサポートすることとQoSの保証を提供することはなおさら困難である。

次世代の無線ネットワークは現在のネットワークに比べると、より高いスペクトル効率でより高いデータ転送率を伝送することが求められる。無線によるインターネットの接続に対する需要の増加に伴い、ダウンリンク（基地局からユーザーへ）は大量のサービスデータを伝送できなければならない。ここ数年、二つの重要な物理面の技術であるマルチ入力マルチ出力（Multi-Input Multi-Output, MIMO）のアンテナと直交周波数分割多重化(Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM)の技術がブロードバンドの無線伝送に応用され、システムの容量と信頼性を向上させている。無線資源管理の観点から見ると、MIMOとOFDMの技術を使用してから、MAC層及びネットワーク層において適用する無線資源は時間、パワー、周波数、空間などすべての次元に拡大可能となり、多次元無線資源と呼ばれている。

以上のように、多次元無線資源管理は従来の無線資源管理よりもっと便利で、有効である。

N_T×N_R個のMIMOアンテナとL個のOFDMサブキャリアを有するシングル小エリアの下り環境を考える。基地局にて資源のスケジューリングを行う。L個のサブキャリアを隣り合うL/K個のサブキャリアから構成され且つ割り当てられる最小資源単位となるK個のサブキャリア群に分割することでスケジューリングの複雑度を低下させることができる。隣り合うサブキャリアのフェージングは基本的に同じであるので実際このことは可能である。基地局がM個のユーザーと同時に通信を行い、第iのユーザーが保証するQoSの要求の最小許容データ転送率はR_iであるとする。

複数のアンテナを利用して独立したデータフローを多重使用する。即ち、空間多重である。この方法はG． J． Foschiniにより提案されたBLAST技術によって実現できる。当該技術については、非特許文献２を参考されたい。空間多重を回復させるには、N_TとN_RはN_T≦N_Rを満足する必要がある。従って、N_T個の送信アンテナとK個のOFDMサブキャリア群はN_TK個の独立したデータフローを多重使用することにより送信符号ベクトルを構成する。送信パワーは各送信アンテナの各サブキャリアに均一に割り当てられ、なお１に正規化されるとする。

N_TK次元の列ベクトルs(t)はタイムスロットt時に送信された符号を表わすとする。ユーザーiから受信された対応する受信符号は下記の式（２）になる。

ただし、上記の式（２）において、n⁽ⁱ⁾(t)は付加ノイズベクトルであり、H⁽ⁱ⁾(t)はユーザーiの送信アンテナアレイから受信アンテナアレイまでのチャンネルマトリックスで、下記の式（３）のようなN_RKｘN_TKマトリックスである。

ただし、それぞれのD_pq ⁽ⁱ⁾(t)はすべて一つのKｘKのブロックマトリックスであり、ユーザーiが送信アンテナqから受信アンテナpまでのK個のOFDMサブキャリア群を有するチャンネルマトリックスを表わす。例えばD_pq ⁽ⁱ⁾(t)の中の要素d_lm ^(i)(p-q)(t)は送信アンテナqの送信サブキャリア群mから受信アンテナpの受信サブキャリア群lまでのチャンネル係数（p=1, 2, …, N_R, q=1, 2, …, N_T, l,m=1, 2, …, K）を表す。

OFDMにおいて理想的な循環プレフィックスを使用すれば、搬送波間の干渉が発生しなくなり、D_pq ⁽ⁱ⁾(t)は一つの対角マトリックスになる。これからの検討の中でもこの仮設を適応し、D_pq ⁽ⁱ⁾(t)の対角要素をd_k ^(i)(p-q)(t)（k =1, 2, …, K）で表す。

各サブキャリア群のバンド幅がチャンネルのコヒーレントバンド幅より小さい場合、フラットフェージングに従うので、d_k ^(i)(p-q)(t)は独立した同期分布に従う複素ガウスランダム変数として考えられる。

無線資源のスケジューリング方法は各スケジューリングタイムスロットを開始する際に執行される。スケジューリングタイムスロットの長さの選択は一つのスケジューリングタイムスロットにおけるチャンネルは一定で、異なるスケジューリングタイムスロットにおけるチャンネルは変化可能であることを保証しなければならない。スケジューリング方法は特定のタイムスロットに対して行われるので、次の説明において時間記号tを省略する。

OFDMシステムにおいて、ブロードバンド信号は幾つかの部分に分割されて、複数の狭帯域のサブキャリアに変調される。周波数帯域でのフェージングはあるサブキャリアのSNRを悪化させるが、SNRの平均値を超えたサブキャリアを改善することにより、例えば高いSNRを有するサブキャリアに対して高次変調と符号化を行い、即ち適応変調符号化（Adaptive Modulation and Coding, AMC）、フェージングしたサブキャリアにより生じたスループットの潜在的な損失を下げることができる。適応変調符号化AMCはフィードバックされたチャンネル状態情報（Channel State Information，CSI）に基づいてOFDMの各サブキャリアに応用できる。

図２は、本発明の総合MIMO-OFDMシステム構造と、適応変調符号化AMCのスケジューリング装置を示す図である。すなわち、適応変調符号化AMCスケジューリング装置を有する総合MIMO-OFDMシステムの構造図である。

アンテナ１〜アンテナN_Tに対応するN_T個の高速逆フーリエ変換は、それぞれｆ１上の適応変調符号化装置〜ｆｋ上の適応変調符号化装置の出力に対しOFDM変調を行い、アンテナ１〜アンテナN_Tより送出される。従って、全部でN_TK個の無線資源が存在する。アンテナ・サブキャリア・スケジューリング装置はユーザー１〜ユーザーMが送信を要求しているデータについて、前記無線資源の割り当てに関するスケジューリングを行う。

チャンネルの割り当てにおいて、ユーザーはチャンネル状態を推定し、推定された情報を送信機にフィードバックしなければならない。MIMOチャンネルとOFDMチャンネルの明らかな相違点は、MIMOチャンネルには異なるアンテナの間には常にクロストーク現象が存在するが、OFDMのサブキャリアにはクロストーク現象が発生しない。

MIMOシステムにおいて、N_R個の受信アンテナは一つの送信アンテナからのN_R個の複製信号を同時に受信する。それはMIMOシステムの固有の長所であり、受信ダイバーシティと呼ばれて、MIMOシステムの性能を大幅に改善することができる。しかし、OFDMシステムにおいて、このようなクロストークはサブキャリア間の直交性と循環プレフィックスにより除去される。従って、受信機の側から見ると、チャンネルマトリックスH⁽ⁱ⁾に基づいてN_TK個の並列サブチャンネルのチャンネルゲインを推測することは不十分である。それはユーザーiの中の第kのサブキャリア群上で第n_Tの送信アンテナから第n_Rの受信アンテナまでのチャンネルゲインしか定義していないからである。ユーザーは使用可能な送信サブチャンネルのチャンネル状態のみに関心を持っているので、ユーザーiが第kのサブキャリア群上で第n_Tの送信アンテナのチャンネルゲインを定義する際には、必ず受信ダイバーシティについても一緒に考慮に入れなければならない。従って、受信機の後処理SNRを用いてチャンネルゲインの特性について記述する。

次に数学の記述を行う。実際のシステムにおいて、受信機はパイロット符号を通じてCSIをトラッキングする。表記を簡単にするために、空き周波数チャンネルゲインを計算する際、下付きkを用いてサブキャリア群のインデックス番号を表示して、特定のサブキャリア群kでの計算式を導出する。S_Kは基地局がサブキャリア群kにて送信したN_T次元パイロット信号の列ベクトルであり、N_RｘN_TのチャンネルマトリックスH_K ⁽ⁱ⁾を用いてユーザーiのサブキャリア群kにおけるチャンネルマトリックスを表す。H_K ⁽ⁱ⁾の中の（p,q）要素は前記式（３）の中のd_k ^(i)(p,q)である。従って、前記式（２）は下記の式（４）に書き換える。

ただし、上記の式（４）において、x_k ⁽ⁱ⁾ 、n_k ⁽ⁱ⁾はN_R次元ベクトルで、n_k ⁽ⁱ⁾は付加チャンネルノイズであり、その要素は独立した同期分布の複素ガウスランダム変数で、その平均値は０、平方偏差はN₀である。

送信符号を回復するために、受信機は一つのN_TK×Ｎ_ＲKの受信重みマトリックスG_k ⁽ⁱ⁾を用いて受信信号に掛ける。マトリックスG_k ⁽ⁱ⁾の配置は受信機の形式に関係し、受信機がゼロフォーシング(Zero Forcing, ZF) の検出方法を採用して空間信号を回復する場合には、対応する受信重みマトリックスG_k ⁽ⁱ⁾は下記の式（５）になる。

ただし、上記の式（５）において、 (・)^Hは共役転置を表す。最小平均二乗誤差（Minimum Mean-Square Error, MMSE）受信機に対し、対応する受信重みマトリックスG_k ⁽ⁱ⁾は下記の式（６）になる。

ただし、上記の式（６）において、N₀とE_sはそれぞれ全ノイズパワーと全信号パワーを表す。回復信号の形式は下記の式（７）の通りである。

従って、多重フローの後処理SNRは下記の式（８）になる。

非特許文献３により、多次元資源のスケジューリングにおいて、N_TK個の独立したデータフローはN_TK個の並列伝送サブチャンネルと見なされる。これらのサブチャンネルは受信機の側から後処理SNRを用いて評価される。直観的な理解から、アンテナとサブキャリア群が異なるサブキャリア群または異なるアンテナに区別されているかどうかを問わず、アンテナを付加したサブキャリア群と見なしてもよいし、サブキャリア群を付加したアンテナと見なしてもよい。従って、上述の等価関係が得られる。第kのサブキャリア群と第N_Tの送信アンテナのチャンネルは一般的なインデックス番号cを有するサブチャンネルに表すことができる。ユーザーiはSNR_c ⁽ⁱ⁾を用いてこのN_TK個の送信サブチャンネルを評価する。

図３は、全過程についてもっと直観的な説明を示す。すなわち、図３は本発明の受信ダイバーシティとMIMOチャンネルのサブチャンネル評価を示す略図である。

アンテナ１〜アンテナN_Tから送信されアンテナ１〜アンテナN_Rで受信された信号は、受信機側で受信ダイバーシティ合併によりデータフロー１〜データフローN_T変換される。この時、パイロット信号を参照し、チャンネル１の処理後SNR〜チャンネルＮ_Ｔの処理後SNRが得られる。

チャンネル状態情報CSIにより、それぞれのサブチャンネルですべて適応変調符号化AMCを使用する際、SNRに対応する容量値をサポート可能なデータ転送率SDRで表す。このような環境の下で、基地局の送信機とユーザーの受信機にはともに一枚の適応変調符号化AMCの仕様表を維持する。受信機は受信されたSNRにより、適応変調符号化AMCのパターンを決めてから選択された適応変調符号化AMCのパターンIDを基地局の送信機にフィードバックする。

上述のように、チャンネル状態の評価として、適応変調符号化AMCのパターンIDのみをフィードバックすればよい。複素ガウス変数を有するCSIマトリックス全体を発信機にフィードバックする必要はない。従って、システムの計算量を減らすことができ、さらに通信コストを低減することができる。下記の表１はチャンネルのバンド幅が１００kHzであるAMCの仕様表の例である。

本発明は、上のシステムモデルに基づいて、MIMO-OFDM無線ネットワークにおけるサブチャンネルの割り当て方法を提案した。本発明の要点は、第一に、マルチメディアユーザーのQoSの需要をサポートすることと、第二に、MIMO-OFDMネットワークにおいて無線資源を有効に利用することである。

無線チャンネルの特徴と多次元無線資源の利用性を考慮し、より高い資源利用率でマルチメディアユーザーにQoSのサポートを提供するために、本発明は主に以下の３つの点にまとめられている。

第一に、それぞれのユーザーの各サブチャンネルにおけるチャンネル状態を考えなければならない。それぞれのサブチャンネルに対して、最も高いチャンネルゲインを有するユーザーが選択されてデータを伝送する。従って、空間ダイバーシティ、周波数ダイバーシティ及び複数ユーザーダイバーシティが使用される可能性がある。

第二に、それぞれのユーザーに対して異なるサービスを区別するには、当該ユーザーのチャンネル状態に関わらず、異なるQoSパラメーターに具体的に表さなければならない。同じQoSパラメーターを有するユーザー間の公平性を保証しなければならない。異なるサービスは異なるQoSパラメーターでユーザーに提供しなければならない。

第三に、当該方法は実現しやすいものでなければならない。この問題のカギは最少かつ最も有効なフィードバックされたチャンネル状態情報を利用して計算量と通信コストを低減することにある。

上述の検討に基づき、汎用プロセッサ共有（Generalized Processor Sharing, GPS）に基づいた周波数スペクトルと空間資源共同管理に利用できる方法について説明する。GPSはフローに基づいた理想的な公平スケジューリング方法である。当該方法は複数のユーザーがあらかじめ設定された重みにより同時にサービスを受けられると仮定している。最近GPSとそのパケットに対するシミュレーション研究に関する文章が公表されている。その中には、J． C． R． Bennett、H． Zhang "WF2Q:worst-case fair weighted fair queuing" IEEE INFOCOM会議、Vol． 1、Mar． 1996、pp． 120-128 をも含まれている。

GPSの並列特性は異なる空間と周波数サブチャンネルを利用して複数のユーザーに同時にサービスを受けさせるMIMO-OFDMシステムに非常に適する。これはまた本発明のMIMO-OFDMシステムにおけるGPS型のスケジューリング方法を研究する原因でもある。

GPSスケジューリングを応用するため、まずサブキャリア群の数Kが十分大きいとして、任意の小さな周波数バンド内でサブチャンネルの割り当てを行うことが出来ると仮定する。従って、サブチャンネルの分布は連続関数に定義できる。ρ_i(s)を第sのサブチャンネルの二進数時間共有ファクターとし、これを用いてユーザーiが第sのサブチャンネルを使用しているかどうかを表す。即ち、 s ∈[0, N_TW)、式において、Wは各OFDM変調ブロックの総バンド幅である。従って、システム全体の利用可能なバンド幅はN_TWで、ρ_i(s)は下記の式（９）になる。

一つのサブチャンネルは同じ時間内に一つのユーザーにしか割り当てることができない。同じ時間内に異なるユーザーが一つのサブチャンネルを共有することは禁止される。つまり下記の式（１０）の通りである。

一つのGPSノードにおいて、呼接続制御（Call Admission Control, CAC）は第iのユーザーの必要とする最小許容データ転送率R_iを対応する重みφ_iと解釈する。目的はあらかじめ定められた重みの制約の下でシステム全体のスループットcを最大にすることである。最も好ましい資源管理は下記の式（１１）により説明できる。

当該最適化は理想的なGPSスケジューリングである。MIMO-OFDMの並列伝送特性は理想的なGPSスケジューリングに非常に適しているが、実際のMIMO-OFDMシステムは相変わらず実体の形式で符号を送信している。従って、バンド幅全体と送信符号は無限に分割できるものではない。以下、本発明は実際のMIMO-OFDMシステムに基づき、並列チャンネルスケジューリング環境に適する修正されたプロポーショナルフェアネス・スケジューリング方法を提供する。

本発明は重み付きプロポーショナルフェアネス（Weighted Proportional Fair, WPF）のサブチャンネル割り当てスケジューリング方法を提案する。GPSスケジューリング方法により、まずシステムに加入している各ユーザーの最小許容データ転送率をユーザー間の相対的な重みと解釈し、φ_iと標記する。例えば最小許容データ転送率が１Mbpsであるユーザーの重みを１と標記すると、最小許容データ転送率が２Mbpsであるユーザーの重みを２と標記する。次は同様である。各サブチャンネルにおいて、基地局の送信機は各ユーザーからフィードバックされた適用変調符号化AMCのパターンIDに基づいて現在第cのサブチャンネルがユーザーiに対してサポートするデータ転送率SDR_c ⁽ⁱ⁾をチェックする。スケジューリング装置は過去の長さがt_cであるウィンドウ内の各ユーザーの平均スループットT_iをトラッキングする。スケジューリング装置が次のデータパケットを伝送しようとする際に、システム全体のすべてのアクティブユーザーの中で下記の式（１２）の最大値を有するユーザーを選択して伝送してから、サブチャンネルcをユーザーiに割り当てる。

従来のプロポーショナルフェアネス・スケジューリング方法と異なる点は、本発明ではユーザーの重みφ_iが含まれている。即ち、ユーザーの得られたサービス量は当該ユーザーのフォワードリンクがサポートするデータ転送率、つまりチャンネルゲインと正比例するだけでなく、当該ユーザーの要求するデータ転送率とも正比例する同時に、平均スループットとは反比例する。これが当該方法を重み付きプロポーショナルフェアネス・スケジューリング方法と呼ばれる原因である。

各スケジューリング間隔lの後、指数重み付きローパスフィルターにより、下記の式（１３）に従ってすべてのサブチャンネルが割り当てられるまで平均スループットT_iを更新する。

従来のプロポーショナルフェアネス・スケジューリング方法では一つのタイムスロット内に一人のユーザーのみがスケジューリングされるが、本発明のスケジューリング仕様はそれとは違って、一つの並列伝送システムの中で、各スケジューリングタイムスロットにおいて複数のサブチャンネルは一つ一つ割り当てられる必要がある。従って、一つのスケジューリングタイムスロットにおいて複数のユーザーがサービスを受けられ、なお一人のユーザーが複数のサブチャンネルを得ることができる。

このような状況の下で、各ユーザーに対して二つの方法にて平均スループットT_iを更新することができる。一つの方法は、一つのスケジューリングタイムスロットにおいて、まずすべてのユーザーは一つサブチャンネルを争い、続いて次のサブチャンネルを争う前にすべてのサブチャンネルが割り当てられるまでスループットT_iを速やかに更新する。もう一つの方法は、一つのスケジューリングタイムスロットにおいて、ユーザーは一定の平均スループットT_iを使用し、すべてのサブチャンネルが割り当てられてから更新を行う。

第一の方法は公平性を保証することに緻密に考えているが、その代価として高度な計算の複雑度を有することは明らかである。しかしながら、シミュレーション結果は、資源配分の大きさが比較的に粗いという前提で、第一の方法の性能と第二の方法の性能はほとんど差がないことを示している。なお、実際のシステムにおいて、計算の複雑度を考えて、資源配分の大きさはそれほど細くない。従って、第二の方法は比較的に好ましい選択である。

以下、本発明の方法について詳しく説明する。各スケジューリングタイムスロットにおいて、スケジューリング装置は次の手順を行う。

ステップ１：基地局は各チャンネルにおいてユーザーからフィードバックされた適応変調符号化AMCのパターンIDに基づいて、適応変調符号化AMCのパターン表を調べることにより、各ユーザーに対してSDR_c ⁽ⁱ⁾のチェックを行い、それらを下記の式（１４）のマトリックスに構成する。Γの中の第一行目の要素はユーザー1のチャンネル１、チャンネル２、チャンネルN_TKまでに対してサポート可能なデータ転送率に対応する。同様に、Γの中の最後の一行目の要素はユーザーMのチャンネル１、チャンネル２、チャンネルN_TKまでに対してサポート可能なデータ転送率に対応する。

ステップ２：Γの中の各要素に対してφ_iSDR_c ⁽ⁱ⁾/T_iを計算する。式において、φ_iはユーザーiの重みであり、T_iはユーザーiのt_cタイムスロットのスライディングウィンドウにおける平均スループットである。

ステップ３：最大のφ_iSDR_c ⁽ⁱ⁾/T_iを選択し、Γの中の対応する列番号のサブチャンネルをΓの中の対応する行番号のユーザーに割り当てる。

ステップ４：Γの中の対応する列を削除する。

ステップ５：Γの中のすべての列が削除されるまでステップ３に戻る。

ステップ６：下記の式（１５）を用いて各ユーザーに対してT_iの更新を行う。

ただし、上記の式（１５）において、ρ_i(c)はサブチャンネルcがユーザーiに使用されているかどうかを表わす。

計算方法のプロセスをもっと直観的に説明するために、簡単な事例を挙げる。２×２のMIMOシステムにおいて、OFDMサブキャリアを各サブキャリア群のバンド幅が１００kHzになるように四つのサブ周波帯に分割する。従って、システムにはN_TK＝２×４＝８個の独立した伝送データフローから構成され、各サブチャンネルの伝送バンド幅は１００kHzである。システムには四つのマルチメディアユーザーが加入しており、各ユーザーが要求する最低許容データ転送率はそれぞれ１００kbps、２００kbps、３００kbps、４００kbpsである。従って、各ユーザーの重みはそれぞれφ_１＝１、φ_２ ＝２、φ_３ ＝３、φ_４ ＝４に解釈される。

ユーザー１がパイロット信号によってモニタリングされたチャンネル1からチャンネル８までのSNRはそれぞれ１１．６３、８．６１、１４．９６、１０．５６、１４．４９、５．５３、８．５４、９、９．８１である。表記の便宜のため、下記の式（１６）の通り、四つのユーザーにモニタリングされた各チャンネルのSNRを一つのSNRマトリックスに入れて置く。

SNRマトリックスにいて第i行の第j列の要素は第iのユーザーの第jのチャンネルでモニタリングされたSNRに対応する。

各ユーザーは自分が保存しているAMC仕様表（表１に示すように）に基づいて、モニタリングされたSNRをAMCのパターンIDに対応させて基地局にフィードバックする。同様に、便宜をはかるためフィードバックされた情報を下記の式（１７）のようにマトリックスCSIに並べる。

CSIマトリックスにおける第i行の第j列の要素は第iのユーザーからフィードバックされた第jのチャンネルに採用可能なAMCのパターンIDに対応する。

基地局は各ユーザーからフィードバックされた情報CSIを得てから、表１を調べることにより各ユーザーの各チャンネルに対するサポート可能なデータ転送率SDRを得て、それらを下記の式（１８）のようにマトリックスΓに入れて置く。

各ユーザーの初期値をT_i ⁽⁰⁾＝１００とし、基地局はマトリックスΓ中の各要素に対してφ_iSDR_c ⁽ⁱ⁾/T_iの計算を行い、下記の式（１９）のような結果を得る。

式（１９）において、各列の最大値を捜索する。第一列の最大値の要素は１２で、第４のユーザーに対応する。即ち第一のチャンネルを第４のユーザーに割り当てる。同様に、第二列の最大値の要素は６で、第４のユーザーに対応する。第二のチャンネルを第４のユーザーに割り当てる。同様に、最後にチャンネルの割り当て結果は次の通りである。

第一のユーザー：
第二のユーザー：チャンネル８
第三のユーザー：チャンネル４、チャンネル５、チャンネル６
第四のユーザー：チャンネル１、チャンネル２、チャンネル３、チャンネル７
T_iを更新する（ここではt_c＝２００にする）

以上、第０のタイムスロットのスケジューリングプロセスを完了する。
その後、ユーザーは次のスケジューリング単位のパイロット信号に基づいて各チャンネルのSNRをモニタリングし、次のタイムスロットのスケジューリングが完了するまで式 (１５)の作業が続く。

次に、本発明の効果について、説明する。

本発明はコンピューターシミュレーションにより提案されたWPFスケジューリング方法の性能を評価する。シミュレーションにおいて、OFDMシステムのサブキャリアは１６個のサブキャリア群に分割され、MIMOシステムでは四本の送信アンテナと四本の受信アンテナを使用する。シミュレーションではZFとMMSE受信機がそれぞれ採用された。後処理SNR値を通じて表１の適応変調符号化AMC仕様を応用した。

図４に、ZF付き受信機のシステム平均スループットとユーザー数との関係を示す。また、図５に、MIMSE付き受信機のシステム平均スループットとユーザー数との関係を示す。

図４と図５は、すべてのユーザーが同じ重み値を有し、且つ平均受信SNRが１０dBの条件の下で、システムバンド幅により正規化されたシステムの総平均スループットとユーザーの数が２から２４までの関数の曲線図である。図４に使用されているのはZF受信機で、図５に使用されているのはMMSE受信機である。また、固定されたサブチャンネルの割り当てを有するシステム容量と公平性を考慮しない最適複数ユーザーダイバーシティを有するシステム容量に対しても比較を行った。

これらの図は、WPF方法に対してはシステムスループットがユーザーの数の増加に伴って増加し、固定されたサブチャンネルの割り当て方法に対してはシステムのスループットがユーザーの数の増加に伴って増加しないことを示す。最適複数ユーザーダイバーシティを有する割り当て方法に比べると、本発明の方法は公平性の制約によりシステムのスループットはやや減する。また、O． S． ShinとK． Lee "Antenna-assisted round robin scheduling for MIMO cellular systems", IEEE Communication Letters、Vol． 7、Mar． 2003、pp．109-111 で提案されたアンテナ補助のRound Robin（AA−RRS）スケジューリング方法に対してもシミュレーション比較を行った。その結果、ユーザーの数が５に達してからはAA−RRS方法を採用するシステムのスループットの増加はこれ以上著しくないことが分かった。本発明の方法において、性能の改善は、周波数スケジューリングを併用した場合と空間スケジューリングのみの使用とを比較すると、前者は周波数ゲインが発生することを示す。二つの受信機にとって言うと、WPF方法は即時の更新とやや遅れての更新はほぼ同じ性能を有する。これらの図は上の結論を裏つける。

図６は公平性の比較である。すなわち、図６は、本発明の様々の状況におけるスループットの割り当ての比較を示す図である。図６により、各ユーザーの一つのスケジューリングタイムスロットにおけるスループットに基づいてやや遅れて更新するWPF方法の公平性を示している。

スケジューリングを待っている四つのユーザーの重みをそれぞれφ_１＝φ_２＝１、φ_３＝φ_４＝２であるとし、過去のウィンドウの長さがt_cであるスケジューリングタイムスロットにおいて、各ユーザーの平均スループット（ここでt_cを２００にする）を計算した。図に示すように、チャンネル状態の波動による小さな変化を除いて、各ユーザーのスループットはその重みと基本的に正比例を成す。従って、本発明の方法はGPSスケジューリングのように公平の性能を得ることができる。

本発明では重み付きプロポーショナルフェアネス・スケジューリング方法を提案した。当該方法は限られたCSIのフィードバックに基づいて、複数ユーザーMIMO-OFDMシステムの下り伝送システムスループットを最大にすることができる。本発明の要点が次の通りである。

・MIMO-OFDM無線ネットワークにおいてGPS型のスケジューリング仕様を応用してサブチャンネル全体を割り当てた。提案されたスケジューリング仕様はマルチメディアユーザーの必要とする最小データ転送率を保証することが可能であり、同時に周波数ダイバーシティと複数ユーザーダイバーシティを使用することにより無線資源を有効に利用することが可能である。

・理想的GPSスケジューリング方法に基づいて、改善された従来のプロポーショナルフェアネス・スケジューリング方法を提案した。本発明の方法は並列伝送サブチャンネルに適合し、且つ複数の異なる重みを有するユーザーを同時にサポートすることが可能である。当該方法は理想的GPS仕様とほぼ同じ公平性に達することができる。

・チャンネル状態情報としてフィードバックするのは適応変調符号化パターンIDであり、複素ガウス変数を有するCSIマトリックス全体ではないので、通信費用を大幅に削減することができる。

MIMOとOFDMネットワーク構造におけるQoSサービスに対する無線資源管理を示す略図である。 本発明の総合MIMO-OFDMシステム構造と、適応変調符号化AMCのスケジューリング装置を示す。 は本発明の受信ダイバーシティとMIMOチャンネルのサブチャンネル評価を示す略図である。 ZF付き受信機のシステム平均スループットとユーザー数との関係を示す。 MIMSE付き受信機のシステム平均スループットとユーザー数との関係を示す。 本発明の様々の状況におけるスループットの割り当ての比較を示す。

Claims (11)

1. 無線ネットワークには複数のユーザーが加入しており、基地局はNT個の送信アンテナを有し、あるユーザーiがNR個の受信アンテナを有するとして、NT個の送信アンテナとK個のサブキャリア群によって決められるネットワーク容量をK個のサブチャンネル伝送に分割し、NT個の送信アンテナによって決められるネットワークバンド幅をK個のサブチャンネルに分割する無線ネットワークにおけるサブチャンネルの割り当て方法において、
   前記基地局は、それぞれのサブチャンネルが各ユーザーに対してサポートするデータ転送率と所定時間内における各ユーザーの平均スループットとの比例値、および各ユーザーの要求するサービス品質に基づいて、順次に複数ユーザーに対してチャンネルの割り当てを行うものであり、
   前記各ユーザーの希望するサービス品質は、ユーザーの最小許容データ転送率であり、
   前記サブチャンネルの割り当て方法は、
   （ａ）前記基地局はそれぞれの所定のタイムスロットlにおいて、システムに加入している各ユーザーの最小許容データ転送率φiに基づいて、各ユーザー間の相対的な重みを計算する手順と、
   （ｂ）現在第cのサブチャンネルのユーザーiに対してサポートするデータ転送率SDRc ⁽ⁱ⁾ と、所定の過去の長さがtcであるウィンドウ内の各ユーザーの平均スループットTiに基づいて、システム全体のすべてのユーザーに対してφiSDRc ⁽ⁱ⁾ /Tiを計算する手順と、
   （ｃ）最大のφiSDRc ⁽ⁱ⁾ /Ti値を有するユーザーiを選択して、サブチャンネルcをユーザーiに割り当てる手順と、
   （ｄ）すべてのチャンネルに対して前記（ａ）〜（ｃ）の手順を行う手順と、
   を含むことを特徴とする無線ネットワークにおけるサブチャンネルの割り当て方法。
2. 前記ユーザーの重みφiは前記基地局により計算、保存され、スケジューリングの重み係数とすることを特徴とする請求項１に記載のサブチャンネルの割り当て方法。
3. 前記手順（ｂ）において、それぞれのサブチャンネルに対して、前記基地局は適応変調符号化（AMC）のパターン表中のパターンIDと前記SDRc ⁽ⁱ⁾ との対応関係を利用し、各ユーザーからフィードバックされたパターンIDに基づいて、前記SDRc ⁽ⁱ⁾ を確定することを特徴とする請求項１に記載のサブチャンネルの割り当て方法。
4. 適応変調符号化（AMC）パターン表を前記基地局とユーザーの双方が保持し、
   前記手順（ｂ）において、前記基地局は、前記適応変調符号化（AMC）パターン表と各ユーザーからフィードバックされたパターンIDとに基づいて、前記SDRc ⁽ⁱ⁾ をそれぞれのサブチャンネルに対して、確定することを特徴とする請求項１に記載のサブチャンネルの割り当て方法。
5. 各所定のタイムスロットlの後、すべてのサブチャンネルが割り当てられるまで前記平均スループットTiを更新することを特徴とする請求項１に記載のサブチャンネルの割り当て方法。
6. 前記平均スループットTiの更新は下記の式に従って行うことを特徴とする請求項５に記載のサブチャンネルの割り当て方法。
   

   
7. 前記無線ネットワーク内のユーザーの数がMである場合、前記SDRc ⁽ⁱ⁾ は下記のマトリックス式を構成し、
   前記手順（ｂ）において、Γの中の各要素に対して前記φiSDRc ⁽ⁱ⁾ /Tiを計算し、
   前記手順（ｃ）において、前記最大のφiSDRc ⁽ⁱ⁾ /Tiを選択し、Γの中の対応する列番号のサブチャンネルをΓの中の対応する行番号のユーザーに割り当ててから、Γの中の対応する列を削除し、
   前記手順（ｄ）において、Γの中のすべての列が削除されるまで前記手順（ｃ）に戻る
   ことを特徴とする請求項１に記載のサブチャンネルの割り当て方法。
   

   
8. ユーザーは受信された信号対雑音比SNRに基づき、適応変調符号化（AMC）のパターンを決定し、選択されたAMCのパターンIDを前記基地局にフィードバックすることを特徴とする請求項２に記載のサブチャンネルの割り当て方法。
9. ユーザーは適応変調符号化（AMC）のパターンIDを含むチャンネル状態情報を前記基地局にフィードバックすることを特徴とする請求項２に記載のサブチャンネルの割り当て方法。
10. 前記無線ネットワークは無線セルラネットワークであることを特徴とする請求項１に記載のサブチャンネルの割り当て方法。
11. 前記無線ネットワークは直交周波数分割多重化（OFDM）とマルチ入力マルチ出力（MIMO）の技術を採用することを特徴とする請求項１に記載のサブチャンネルの割り当て方法。

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