JP6437273B2

JP6437273B2 - ユーザ機器のアクセス方法、ユーザ機器

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Publication number: JP6437273B2
Application number: JP2014222942A
Authority: JP
Inventors: 暁利王; 勇波曾; 永生張
Original assignee: NTT Docomo Inc
Current assignee: NTT Docomo Inc
Priority date: 2013-11-06
Filing date: 2014-10-31
Publication date: 2018-12-12
Anticipated expiration: 2034-10-31
Also published as: CN104640230A; JP2015091132A; CN104640230B

Description

本発明は、移動通信技術分野に関し、特に、セルラーネットワークにおけるユーザ機器（ＵＥ）のアクセス方法及びＵＥに関する。

従来のセルラーネットワークは、スケジューリングに基づくシステムである。従来のセルラーネットワークにおいて、ＵＥは、データを送信しようとする時、まず、基地局（ｅＮＢ）へスケジューリング要求を送信する必要がある。ｅＮＢは、このスケジューリング要求を受信すると、該ＵＥに上り伝送リソースを割り当て、専用制御チャネル（ＰＤＣＣＨ）によって、割り当てられたリソースを該ＵＥに通知する。ＵＥは、リソース割り当ての通知を得て初めて、データ送信が可能になる。上述したスケジューリング要求送信−リソース割り当て−リソース割り当て結果通知のやり取り過程に起因して、スケジューリングに基づくシステムでは、ＵＥのアクセス遅延は、少なくとも１１ミリ秒かかって、かつ、さらに低減することができない。このように長いアクセス遅延は、従来のセルラーネットワークにおいて、システム要求を満たすことができる。

しかしながら、新たなサービスが次々と現れるにつれて、スケジューリングに基づくアクセスメカニズムのアクセス遅延が長くかつ低減できないという問題は、ますます顕著になる。例えば、サービスから見れば、未来のクラウドサービスが大量に展開されることになり、クラウドでの付加的な処理による処理遅延及びデータの伝送遅延の増加に起因して、ユーザは、エンドツーエンド遅延にもっと敏感になる。この場合で、セルラーネットワークにおけるＵＥのアクセス遅延を低減できれば、機器の処理遅延及びデータの伝送遅延を大きな程度で補償することが可能になる。従って、如何にセルラーネットワークにおけるＵＥのアクセス遅延を低減させるかが当面の重要な検討課題となっている。

本発明では、ＵＥのアクセス遅延を低減させるＵＥのアクセス方法を開示している。

本発明の実施例におけるＵＥのアクセス方法は、バックオフタイマーの初期値を決定するステップと、ＵＥで使用されるリソースブロック（ＲＢ）の数を決定するステップと、ＵＥで使用されるＲＢの数に基づいて、ＵＥの時間領域でのバックオフステップサイズを決定し、現在のチャネルにおける空きＲＢの数を監視し、監視された空きＲＢの数が、ＵＥで使用されるＲＢの数以上である場合、前記バックオフタイマーの値を１つのバックオフステップサイズだけ減少させ、前記バックオフタイマーがクリアされるまで、本ステップを繰り返すステップと、データを送信するステップと、を含む。

ここで、バックオフタイマーの初期値を決定するステップは、競合ウィンドウの大きさＣＷを決定し、ＵＥの時間領域でバックオフ必要なスロット数ａを決定して、ａをバックオフタイマーの初期値として設定する、ことを含み、ここで、ａは、値が１とＣＷの間に介在するランダム数である。

ここで、競合ウィンドウの大きさＣＷを決定することは、基地局がセル内の負荷を監視し、セル内の負荷が重いことを基地局が発見すると、基地局が現在のセル内のＵＥの数をブロードキャストし、セル内の負荷が重くないことを基地局が発見すると、基地局が現在のシステム利用率をブロードキャストし、現在のセル内のＵＥの数を受信すると、ＵＥが、システムが飽和状態にあると見なして、競合ウィンドウの値を決定し、システム利用率を受信すると、ＵＥが、システムが不飽和状態にあると見なして、競合ウィンドウの値を決定する、ことを含む。

ＵＥで使用されるリソースブロック（ＲＢ）の数を決定するステップは、前記ＵＥのリンク遅延の導関数を求め、前記ＵＥのリンク遅延の導関数がゼロとなる場合の、ＵＥで使用されるＲＢの数という変数の値を決定して、この値を、ＵＥで使用されるＲＢの数とする、ことを含む。

ＵＥのリンク遅延は、数式Delay_UE=T_backoff+T_transmissionによって算出され、ここで、T_backoffはバックオフ遅延であり、T_transmissionは、伝送遅延である。

バックオフ遅延T_backoffは、数式

によって算出され、ここで、RB_total_idleは、監視された空きＲＢの総数であり、RB_selectedは、ＵＥで使用されるＲＢの数であり、slotは、１つのスロットの時間である。

又は、バックオフ遅延T_backoffは、数式

によって算出され、ここで、ａは、値が１とＣＷの間に介在するランダム数であり、RB_total_idleは、監視された空きＲＢの総数であり、RB_selectedは、ＵＥで使用されるＲＢの数であり、slotは、１つのスロットの時間である。

伝送遅延T_transmissionは、数式

によって算出され、ここで、Transmission_sizeは、キューにおける全てのパケットの総長さ、又は、最大伝送ユニットの長さ、又は、最大伝送時間から換算された伝送パケットの大きさであり、RB_selectedは、ＵＥで使用されるＲＢの数であり、ｍは、選定された符号化変調方式によって決まった１つのＲＢの伝送速度である。

ＵＥで使用されるＲＢの数に基づいて、ＵＥの時間領域でのバックオフステップサイズを決定することは、前記バックオフステップサイズを、監視された空きＲＢの総数とＵＥで使用されるＲＢの数との商を整数に丸めた値にする、ことを含む。

ここで、データを送信するステップは、ＵＥで使用されるＲＢの数に基づいて、現在の全ての空きＲＢの中から、ＵＥで使用されるＲＢを選択して、選択されたＵＥで使用されるＲＢでデータを送信する、ことを含む。

上記方法は、競合ウィンドウの大きさＣＷを決定した後に、ＵＥが、基地局へサウンディング基準信号（ＳＲＳ）を送信し、基地局が、ＵＥから報告されたＳＲＳに基づいて、ＵＥ間のチャネル相関性の判断を行って、競合ウィンドウ調整指示をＵＥへ送信し、ＵＥが、競合ウィンドウ調整指示に従って、競合ウィンドウの大きさを調整する、ことをさらに含む。

本発明の実施例では、ＵＥも提供している。このＵＥは、バックオフタイマーの初期値を決定するバックオフタイマー初期化手段と、ＵＥで使用されるリソースブロック（ＲＢ）の数を決定するＲＢ数決定手段と、ＵＥで使用されるＲＢの数に基づいて、ＵＥの時間領域でのバックオフステップサイズを決定し、現在のチャネルにおける空きＲＢの数を監視し、監視された空きＲＢの数が、ＵＥで使用されるＲＢの数以上である場合、前記バックオフタイマーの値を１つのバックオフステップサイズだけ減少させ、前記バックオフタイマーがクリアされるまで、この処理を繰り返すバックオフ手段と、データを送信するデータ送信手段と、を含む。

特に、本発明の実施例では、競合ウィンドウの調整方法も提供している。この方法は、基地局がセル内の負荷を監視し、セル内の負荷が重いことを基地局が発見すると、基地局が現在のセル内のＵＥの数をブロードキャストし、セル内の負荷が重くないことを基地局が発見すると、基地局が現在のシステム利用率をブロードキャストし、現在のセル内のＵＥの数を受信すると、ＵＥが、システムが飽和状態にあると見なして、競合ウィンドウの値を決定し、システム利用率を受信すると、ＵＥが、システムが不飽和状態にあると見なして、競合ウィンドウの値を決定する、ことを含む。

上述したＵＥのアクセス方法のフロー及びＵＥの構成から分かるように、ＵＥは、ＵＥで使用されるＲＢの数と、検出された現在のチャネルにおける空きＲＢの数とに基づいて、ＵＥの時間領域でのバックオフステップサイズを動的に調整することができる。これにより、ＵＥは、自局で使用されるＲＢの数が少なく、及び／又は、空きＲＢの数が多い場合、時間領域でのバックオフを高速で完成し、アクセス遅延を低減させ、ＵＥの高速アクセスを実現することができる。

本発明の一実施例におけるＵＥのアクセス方法のフローチャートである。図１に示すＵＥのアクセス方法を適用する際に、複数のＵＥがチャネルを競合するプロセスを示す図である。本発明の一実施例におけるＵＥのアクセス方法のシグナリングのフローチャートである。本発明の他の実施例におけるＵＥのアクセス方法のフローチャートである。本発明の一実施例におけるＵＥの内部構成を示す図である。

前述したように、新たなサービスが現れるにつれて、ユーザは、新たなサービスのエンドツーエンド遅延にもっと敏感になる。従って、ＵＥのアクセス遅延を低減できれば、機器の処理遅延及びデータの伝送遅延を大きな程度で補償することが可能になる。

また、ネットワークのトポロジー構造から見れば、未来には、システム容量を拡大するために、ますます多くのスモールセル（ｓｍａｌｌｃｅｌｌ）が本来のマクロ基地局に加入される。このようなトポロジー構造では、各スモールセルそれぞれに対応するマイクロ基地局下のＵＥ数が、本来のマクロ基地局よりも遥かに小さい。競合に基づく（ＣＢ）ＵＥのアクセス方法をマイクロ基地局側に導入すると、競合による衝突の問題があまり顕著になることはない。

上記の２つの方面から考慮すると、本発明では、競合に基づくＵＥのアクセス方法をスモールセルに導入することを提案している。事実上、競合に基づくＵＥのアクセスメカニズムは、幅広く用いられるアクセスメカニズムであり、現在、無線ローカルエリアネットワーク（ＷＬＡＮ）システムが、競合メカニズムに基づくものである。しかしながら、ＷＬＡＮと長期的進化（ＬＴＥ）システムとは、物理層に大きな相違があり、競合に基づく従来のＵＥのアクセスメカニズムをＬＴＥに直接に適用すると、良好な効果を得ることができない。具体的には、ＬＴＥとＷＬＡＮとの物理層における最大の差異として、ＷＬＡＮは、サブキャリア幅が３１２．５ｋＨｚであり、その対応する直交周波数分割多重（ＯＦＤＭ）符号の長さが４マイクロ秒（μｓ）である一方、ＬＴＥは、サブキャリア幅がただ１５ｋＨｚであり、その対応するＯＦＤＭ符号の長さが７１μｓである。スロット（ｓｌｏｔ）に基づく競合システムでは、１つのｓｌｏｔの長さは、少なくとも、１つのＯＦＤＭ符号の長さより大きくすべきである。ＷＬＡＮでは、上り・下りの転換を考慮すると、１つのｓｌｏｔの長さは９μｓである。ＬＴＥシステムでは、１つのｓｌｏｔの長さは、少なくとも７１μｓである必要がある。このように長いｓｌｏｔ値は、競合時の空き遅延及び衝突後のコストが両方とも非常に大きくなるという問題を引き起こすことになる。これは、ＬＴＥに競合メカニズムを導入することの最大の問題となっている。

この問題を解決するために、本発明では、時間領域でのバックオフ（ｂａｃｋｏｆｆ）速度を高めることにより、ＬＴＥシステムにおいて、ｓｌｏｔの長さが長すぎることに起因する、競合時の空き遅延及び衝突後のコストが両方とも非常に大きくなるという問題を解決するＵＥのアクセス方法を提供している。

本発明の一実施例では、主にＬＴＥ／ＬＴＥ−Ａの直交周波数分割アクセス特性を考慮して、周波数領域でのバックオフを増加させることにより、時間領域でバックオフ時間が長すぎるという問題を補償する。当業者に知られているように、ＷＬＡＮシステムでは、ＵＥは、チャネルを使用する機会を一旦得ると、全ての帯域幅を使用することになる。一方、本発明の実施例では、周波数領域でのバックオフを実現するために、ＵＥは、まず、自分の需要に基づいて、自局で使用されるサブキャリアの数を決定する。以下では、説明する際にＬＴＥシステムとの統一に便利にするために、上記のサブキャリアの代わりにリソースブロック（ＲＢ）を用いる。つまり、本発明の実施例では、ＵＥは、自分の需要に基づいて、自局で使用されるＲＢの数を決定する。ＵＥは、競合に成功した後に、自局に必要のＲＢの数だけ使用することになる。本発明では、このような方式を周波数領域でのバックオフと呼ぶ。特に、ＵＥで使用されるＲＢの数が少ないほど、該ＵＥの周波数領域でのバックオフが大きいと考えられ、ＵＥで使用されるＲＢの数が多いほど、該ＵＥの周波数領域でのバックオフが小さいと考えられる。相応的に、ＵＥの周波数領域でのバックオフが大きいほど、該ＵＥの時間領域でのバックオフは速いことが可能になる一方、ＵＥの周波数領域でのバックオフが小さいほど、該ＵＥの時間領域でのバックオフを遅くすべきである。つまり、ＵＥで使用されるＲＢの数が少ないほど、該ＵＥが時間領域でのバックオフを速く完成できるように、該ＵＥの時間領域でのバックオフステップサイズを大きくすることができる一方、ＵＥで使用されるＲＢの数が多いほど、該ＵＥが時間領域でのバックオフを遅く完成できるように、該ＵＥの時間領域でのバックオフステップサイズを小さくすべきである。特に、ＵＥが全ての帯域幅を使用するよう選択した場合、該ＵＥの周波数領域でのバックオフがないと考えられ、そこで、該ＵＥの時間領域でのバックオフステップサイズは、従来のＷＬＡＮと同様に、１のままに保持する。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施例を詳しく説明する。

図１は、本発明の一実施例におけるＵＥのアクセス方法のフローチャートである。図１に示すように、本実施例におけるアクセス方法は、主に、以下のステップを含む。

ステップ１０１で、バックオフタイマーの初期値を設定する。具体的には、本ステップは、下記のサブステップによって実現してもよい。第１サブステップで、競合ウィンドウの大きさＣＷを決定する。現在実際に使用されるＷＬＡＮプロトコルによれば、その競合ウィンドウの大きさのデフォルトは、３１個のｓｌｏｔである。このため、本実施例では、上記ＣＷは、予め定められた任意の固定値、例えば３１個のｓｌｏｔであってもよい。第２サブステップで、ＵＥの時間領域でバックオフが必要なスロット数ａを決定して、ａをバックオフタイマーの初期値として設定する。本ステップにおいて、ＵＥは、パケットを送信する前に、値が１とＣＷの間に介在するランダム数ａを生成する。競合に基づく従来のＵＥのアクセスメカニズムでは、ＵＥは、チャネルを連続して監視し、チャネルに累計ａ個の空きｓｌｏｔがあったことを発見して初めて、自局のパケットを送信することが知られている。

ステップ１０２で、ＵＥで使用されるＲＢの数を決定する。本ステップにおいて、ＵＥで使用されるＲＢの数は、直接にパケットの待機遅延及び伝送遅延に影響する。例えば、ＵＥで使用されるＲＢの数が多い場合、パケットの待機遅延が大きくなり、その伝送遅延が小さくなる一方、ＵＥで使用されるＲＢの数が少ない場合、パケットの待機遅延が小さくなり、その伝送遅延が大きくなる。このため、本ステップでは、該パケットのリンク全体の遅延が最小となるように、即ち、パケットが媒体アクセス制御（ＭＡＣ）キューに入ってから、基地局がこのパケットを受信するまでの全体の遅延が最小となるように、ＲＢ数の値を選択してもよい。言い換えれば、本発明の一実施例では、リンク遅延の最適化を最終的な目標として、ＵＥで使用されるＲＢの数を決定する。説明すべきものとして、上記の最適化目標は、ＵＥで使用されるＲＢの数を決定するための具体的な一実施例にすぎず、実際の応用では、実際のシステムの需要に応じて、他の最適化目標を選択することにより、ＵＥで使用されるＲＢの数を決定するようにしてもよい。

以下、具体的な一例を介して、ＵＥで使用されるＲＢの数を如何に決定するかを詳しく説明する。

本例では、ＵＥのリンク遅延は主に下記の３つの部分からなり、つまり、ＵＥのリンク遅延Delay_UEは、下記の数式１によって算出できる。
[数式１]
Delay_UE=T_backoff+T_tansmission+T_frozen
ここで、T_backoffはバックオフ遅延である。ＵＥは、チャネルの空きを監視によって発見すると、そのバックオフタイマーが、１つのステップサイズを引いたものになる。バックオフ遅延T_backoffは、バックオフの開始からバックオフタイマーが０になるまでかかる時間である。T_frozenはバックオフタイマー凍結遅延である。ＵＥは、チャネルが他のＵＥで使用されていることを監視によって発見すると、自局のバックオフタイマーを凍結する。バックオフタイマー凍結遅延T_frozenは、バックオフタイマーの凍結された総時間長である。T_transmissionは、伝送遅延であり、ＵＥがこのパケットを送信してから、基地局がこのパケットを受信するまでの時間である。

ここで、バックオフ遅延T_backoffは、平均値によって算出してもよいし、リアルタイムのバックオフ遅延によって算出してもよい。平均値によって算出する場合、下記の数式２に示す通りである。

リアルタイムのバックオフ遅延によって算出する場合、下記の数式３に示す通りである。

ここで、a=random(1,CW)であり、即ち、ａは、値が１とＣＷの間に介在するランダム数であり、RB_total_idleは、監視された空きＲＢの総数であり、RB_selectedは、ＵＥで使用されるＲＢの数であり、slotは、１つのスロットの時間であり、ＬＴＥシステムでは７１μｓにしてもよい。

また、伝送遅延T_transmissionは、下記の数式４によって算出できる。

ここで、Transmission_sizeは、具体的な伝送方式によって決まり、その値が、キューにおける全てのパケットの総長さであってもよいし、ＷＬＡＮにおける最大伝送ユニット（ＭＴＵ）に類似する最大伝送ユニットの長さ、又は、最大伝送時間（ＷＬＡＮにおける競合ストリーム伝送機会（ＴｘＯＰ）に類似）から換算された伝送パケットの大きさなどであってもよい。ｍは、選定された符号化変調方式によって決まった１つのＲＢの伝送速度である。例えば、ＬＴＥでは、単一アンテナの場合で、６４ＱＡＭ及び３／４のコードレートが選択されたとき、１つのＲＢの伝送速度mは、０．７６Ｍｂｐｓである。

RB_selectedがRB_total_idleより小さくなると、タイマーは、特定のステップサイズでバックオフする。このため、本実施例では、凍結遅延T_frozenを０と記し、つまり、この場合では、Delay_UE=T_backoff+T_transmissionとなる。

上記の説明を基に研究して発見されたように、リンク遅延を減少させるという凸最適化問題には、実際にRB_selectedという１つの変数だけある。単一変数の凸最適化問題の最適解は、ＵＥのリンク遅延Delay_UEの導関数を求めるだけで得られる。

従って、本ステップでは、まず、Delay_UEの導関数を求め、Delay_UEの導関数がゼロとなる場合のRB_selectedの値を決定して、この値を、ＵＥで使用されるＲＢの数とするようにしてもよい。

ステップ１０３で、ＵＥで使用されるＲＢの数に基づいて、ＵＥの時間領域でのバックオフステップサイズを決定する。本ステップにおいて、下記の数式５によって、ＵＥの時間領域でのバックオフステップサイズstepを決定してもよい。説明すべきものとして、ＵＥの時間領域でのバックオフステップサイズは、下記の数式５の計算結果を整数に丸めた値であるべきである。

ＵＥで使用されるＲＢの数を決定した後、チャネル競合の段階に入ることの開始が可能になる。

ステップ１０４で、現在のチャネルにおける空きＲＢの数を監視し、監視された空きＲＢの数が、ＵＥで使用されるＲＢの数以上である場合、バックオフタイマーの値を１つのバックオフステップサイズだけ減少させ、そして、バックオフタイマーがゼロになるまで、ステップ１０３に戻って繰り返す。つまり、バックオフタイマーがクリアされた場合、ステップ１０５に進み、バックオフタイマーがクリアされていない場合、ステップ１０３に戻る。本ステップでは、バックオフステップサイズがバックオフタイマーの現在値より大きい場合、直接にバックオフタイマーをクリアする。

ステップ１０５で、データを送信する。本ステップおいて、バックオフタイマーがゼロになる場合、ＵＥは、現在の全ての空きＲＢの中から、RB_selected個のＲＢを選択して、データを送信するようにしてもよい。具体的には、ＵＥは、ランダム選択方式を用いてもよいし、予め定められた準則に従って選択し、例えば、性能の最も良いＲＢを選択したりしてもよい。

以下、具体的な一例を介して、上述した競合に基づくＵＥのアクセスメカニズムでは、複数のＵＥがどのように協働するかを詳しく説明する。スモールセルには３つのＵＥがあり、システムのＲＢの総数が１０であると仮定する。競合ウィンドウの最適値ＣＷが７であると想定する。この競合ウィンドウの値に基づいて、ＵＥＡで生成されたランダムバックオフスロット数が６であり、ＵＥＢで生成されたランダムバックオフスロット数が４であり、ＵＥＣで生成されたランダムバックオフスロット数が５である。次に、各ＵＥは、自局のトラフィックなどの状況に応じて、上述した方法によって、自局に必要のＲＢの数を算出する。この例では、ＵＥＡの１回の送信に５つのＲＢを使用する必要があり、ＵＥＢの１回の送信に３つのＲＢを使用する必要があり、ＵＥＣの１回の送信に１つのＲＢを使用する必要があると仮定する。この３つのＵＥが同時にバックオフを開始すると仮定すると、それらがチャネルを競合する過程は、図２に示す通りである。

図２に示すように、３つのＵＥは、ｓｌｏｔ０に同時にバックオフを開始する。最初に、それらはいずれも、チャネルに１０個の空きＲＢがあることをそれぞれ検出した。ＵＥＣで使用されるＲＢの数は１であるので、ＵＥＣのバックオフステップサイズが１０となり、また、ＵＥＣのランダムバックオフスロット数が５であるので、１つだけのｓｌｏｔを経過すると、ＵＥＣのバックオフタイマーは０になる。そうすると、ＵＥＣは、ｓｌｏｔ１に、１つのＲＢを選択してデータを送信することが可能になる。一方、ＵＥＡ及びＵＥＢについて、それらで決定された自局で使用されるＲＢの数が大きいので、それらは、引き続いてバックオフタイマーのクリアを待たなければならない。ｓｌｏｔ１において、ＵＥＢは、９つの空きＲＢがまだあることを監視によって発見し、また、自局で使用されるＲＢの数は３であるので、ＵＥＢのバックオフステップサイズが３となる。同様に、ＵＥＡのバックオフステップサイズが１となる。図２に示すように、各ｓｌｏｔにおいて、各ＵＥはいずれも、監視された空きＲＢの数と自局で使用されるＲＢの数とに基づいて、自局のバックオフステップサイズを調整する。自局のバックオフタイマーがクリアされて初めて、空きＲＢの中からＲＢを選択してデータを送信する。

上記のＵＥのアクセス方法では、ＵＥで使用されるＲＢの数と、検出された現在のチャネルにおける空きＲＢの数とに基づいて、ＵＥの時間領域でのバックオフステップサイズを動的に調整することができる。これにより、ＵＥは、自局で使用されるＲＢの数が少なく、及び／又は、空きＲＢの数が多い場合、時間領域でのバックオフを速く完成し、アクセス遅延を低減させ、ＵＥの高速アクセスを実現することができる。

説明すべきものとして、上記の実施例のステップ１０１の第１サブステップでは、さらに、競合アクセスシステムのアクセス遅延の数学的モデルに基づいて、競合ウィンドウの大きさＣＷを最適化してもよい。現在、競合アクセスシステムのアクセス遅延の数学的モデルの分析は、相対的に成熟している。１種は、飽和状態でのアクセス遅延分析であり、もう１種は、不飽和状態でのアクセス遅延分析である。飽和状態とは、各ＵＥに時時刻刻に無限なパケットを送信すると仮定するものである。また、不飽和状態での分析は、真正なトラフィックモデルに基づいてパケットを生成するものであるとともに、セル内の全てのＵＥのトラフィック量（セル負荷とも呼ばれる）がシステム全体の飽和スループットより小さいという仮定を満たす。数学的モデルの分析結果によると、飽和状態では、ＵＥの数は、競合ウィンドウの最適値に影響する肝心な要因である。また、不飽和状態では、セル負荷及びＵＥの数は両方とも、競合ウィンドウの最適値に影響する肝心な要因であり、比較すると、セル負荷による影響がもっと重要である。

上記の認識のまとめに基づいて、本発明の実施例では、上記のステップ１０１の第１サブステップに適用可能な、競合ウィンドウの大きさを決定するための競合ウィンドウの調整方法を提供している。この方法は、具体的に以下のステップを含む。

まず、基地局（スモールセル基地局）は、セル内の負荷を監視する。基地局は、セル内の負荷が重いこと（例えば、システム利用率が０．７以上である場合）を発見すると、現在のセル内のＵＥの数をブロードキャストする。一方、基地局は、セル内の負荷が重くないこと（例えば、システム利用率が０．７より小さい場合）を発見すると、現在のシステム利用率（負荷／飽和スループット）ρをブロードキャストする。現在のセル内のＵＥの数を受信すると、ＵＥは、システムが飽和状態にあると見なして、競合ウィンドウの値を決定し、システム利用率ρを受信すると、ＵＥは、システムが不飽和状態にあると見なして、競合ウィンドウの値を決定する。

具体的には、セル内の負荷が重い場合（例えば、システム利用率が０．７以上である場合）、セル内のユーザのトラフィックモデルがｆｕｌｌ−ｂｕｆｆｅｒモデルに近似すると考えられる。そこで、下記の数式６によって、最適なＣＷを算出できる。

Ｎはセル内のユーザ数を表し、ＭＴＵは最大伝送ユニットを表し、Data_rateはシステムの伝送速度である。

一方、セル内の負荷が軽い場合（例えば、システム利用率が０．７より小さい場合）、ユーザの具体的なトラフィックモデルに応じて、最適なＣＷを算出する必要がある。本実施例では、アクセス遅延とＣＷとの関係を用いて、最適なＣＷを導出してもよい。シミュレーション検証によって発見されたように、セル内の負荷が重い場合、この方法を用いると、数学的分析によって得られた最適なＣＷとシミュレーションによって得られた最適なＣＷとの偏差が大きくなる。このため、セル内の負荷が軽い場合にのみ、この方法を用いる。下記の数式７には、ユーザｉのアクセス遅延ｄ_ｉと競合ウィンドウとの関係が示されている。

ここで、Ｎはユーザ数を表し、Ｃはシステムのサービス速度（即ち、物理層の伝送速度）を表し、Ｐは最大伝送ユニットの大きさを表し、ρはシステムの飽和時の最大利用率（この値は、ＣＷと関係あり、ｆｕｌｌ−ｂｕｆｆｅｒの仮定条件で得ることができる）を表し、ω_lとω_l ⁽²⁾はそれぞれパケットの大きさの分布の一次モーメントと二次モーメントを表す。本実施例では、平均アクセス遅延が最小となるＣＷ設定を見つけることを目的とするので、ｄ_ｉから、数式８に示すような平均アクセス遅延を得る。

平均アクセス遅延を最小化するという最適化問題には、ＣＷという１つの変数だけあるので、数式８の導関数を求めてこの導関数を０にするだけで、ＣＷの最適値を算出できる。

また、図３に示すように、本発明の実施例では、上記の方法を適用するシグナリングフローを提供している。

ステップ３０１で、ＵＥは、ランダムアクセスプリアンブル（ｐｒｅａｍｂｌｅ）を基地局（例えば、マイクロ基地局）へ送信する。ステップ３０２で、基地局はタイミング調整の指示をＵＥへ送信する。上記のステップ３０１と３０２は、ＬＴＥシステムにおけるＵＥ同期メカニズムを参照すればよい。ステップ３０３で、基地局は、そのセル内のＵＥの数やシステム利用率などの情報が含まれるシステム情報ブロックをＵＥへ送信する。ステップ３０４で、ＵＥは、基地局から送信されたシステム情報ブロックに基づいて、競合ウィンドウの値ＣＷを決定する。ステップ３０５で、ＵＥは、自局で使用されるＲＢの数及びバックオフステップサイズを決定して、チャネルを監視し、バックオフタイマーの値がゼロになるまで、空きＲＢの数が、自局で使用されるＲＢの数以上であることを監視によって発見すると、バックオフする。ステップ３０６で、ＵＥは、空きＲＢの中から、自局で使用されるＲＢを選択する。ステップ３０７で、ＵＥはデータを送信する。

上記のフローにおいて、チャネル相関性が高い場合、自局で使用されるＲＢを選択する際に、ＵＥの準則が性能の最も良いＲＢを選択することであれば、相関性の高いＵＥの間で衝突が発生しやすい虞がある。

この問題を解決するために、上記のステップ３０４で競合ウィンドウの値ＣＷを決定した後に、さらに、ＵＥから基地局へサウンディング基準信号（ＳＲＳ）を送信してもよい。このように、基地局は、ＵＥから報告されたＳＲＳに基づいて、ＵＥ間のチャネル相関性の判断を行って、さらに、競合ウィンドウ調整指示をＵＥへ送信することが可能になる。そして、ＵＥは、競合ウィンドウ調整指示に従って、競合ウィンドウの大きさを調整することが可能になる。例えば、ＵＥ間のチャネル相関性が大きい場合、競合ウィンドウを大きくすることにより、衝突が高すぎるという問題を回避する。

上記の競合ウィンドウの調整方法から分かるように、本発明の方法では、セル内のＵＥ数とＵＥのトラフィック量とに基づいて、競合ウィンドウの大きさＣＷを最適化することができる。これにより、セル内のＵＥ数が多く、及び／又は、ＵＥのトラフィック量が重い場合、競合による衝突の確率が小さくなるように、競合ウィンドウの大きさを適宜に大きくし、セル内のＵＥ数が少なく、及び／又は、ＵＥのトラフィック量が軽い場合、ＵＥのアクセス遅延が小さくなるように、競合ウィンドウの大きさを適宜に小さくする。

説明すべきものとして、上記のような競合ウィンドウの調整方法を、競合に基づく従来のＵＥのアクセス方法に直接に適用してもよい。これによっても、ＵＥのアクセス遅延を小さくすることができる。本発明の他の実施例では、このようなＵＥのアクセス方法を提供している。その具体的なフローは、図４に示す通りである。この方法は主に以下のステップを含む。ステップ４０１で、セルの負荷に基づいて、競合ウィンドウの大きさＣＷを決定する。ステップ４０２で、ＵＥの時間領域でバックオフが必要なスロット数ａを決定する。本ステップにおいて、ＵＥは、パケットを送信する前に、値が１とＣＷの間に介在するランダム数ａを生成する。ステップ４０３で、チャネルを監視し、チャネルに累計ａ個の空きｓｌｏｔがあったことを監視によって発見した後に、自局のパケットを送信する。

上記のＵＥのアクセス方法を基にして、本発明の実施例では、ＵＥも開示している。その構成は、図５に示すように、主に、バックオフタイマーの初期値を決定するバックオフタイマー初期化手段５０１と、ＵＥで使用されるリソースブロック（ＲＢ）の数を決定するＲＢ数決定手段５０２と、ＵＥで使用されるＲＢの数に基づいて、ＵＥの時間領域でのバックオフステップサイズを決定し、現在のチャネルにおける空きＲＢの数を監視し、監視された空きＲＢの数が、ＵＥで使用されるＲＢの数以上である場合、前記バックオフタイマーの値を１つのバックオフステップサイズだけ減少させ、前記バックオフタイマーがクリアされるまで、本処理を繰り返すバックオフ手段５０３と、データを送信するデータ送信手段５０４と、を含む。

具体的には、バックオフタイマー初期化手段５０１は、まず、競合ウィンドウの大きさＣＷを決定し、ＵＥの時間領域でバックオフが必要なスロット数ａを決定して、ａをバックオフタイマーの初期値として設定するようにしてもよい。ここで、ａは、値が１とＣＷの間に介在するランダム数である。さらに、上記バックオフタイマー初期化手段５０１は、上記の競合ウィンドウの調整方法に従って、競合ウィンドウの大きさＣＷを決定してもよい。

ＲＢ数決定手段５０２は、上記のステップ１０３に従って、ＵＥで使用されるリソースブロック（ＲＢ）の数を決定してもよい。バックオフ手段５０３は、前記バックオフタイマーがクリアされるまで、上記のステップ１０４と１０５に従って、時間領域でのバックオフを行ってもよい。

前述したように、上記ＵＥは、自局で使用されるＲＢの数と、検出された現在のチャネルにおける空きＲＢの数とに基づいて、ＵＥの時間領域でのバックオフステップサイズを動的に調整することができ、これにより、自局で使用されるＲＢの数が少なく、及び／又は、空きＲＢの数が多い場合、時間領域でのバックオフを速く完成し、アクセス遅延を低減させ、ＵＥの高速アクセスを実現することができる。

上記は、本発明の好ましい実施例にすぎず、本発明の保護範囲を限定するものではない。本発明の精神と原則内で行われる種々の修正、均等置換え、改善などは全て本発明の保護範囲内に含まれるべきである。

５０１バックオフタイマー初期化手段
５０２ＲＢ数決定手段
５０３バックオフ手段
５０４データ送信手段

Claims

ユーザ機器（ＵＥ）のアクセス方法であって、
バックオフタイマーの初期値を決定するステップと、
ＵＥで使用されるリソースブロック（ＲＢ）の数を決定するステップと、
ＵＥで使用されるＲＢの数に基づいて、ＵＥの時間領域でのバックオフステップサイズを決定し、現在のチャネルにおける空きＲＢの数を監視し、監視された空きＲＢの数が、ＵＥで使用されるＲＢの数以上である場合、前記バックオフタイマーの値を１つのバックオフステップサイズだけ減少させ、前記バックオフタイマーがクリアされるまで、本ステップを繰り返すステップと、
データを送信するステップと、
を含むことを特徴とするＵＥのアクセス方法。
前記バックオフタイマーの初期値を決定するステップは、
競合ウィンドウの大きさＣＷを決定し、
ＵＥの時間領域でバックオフが必要なスロット数ａを決定して、ａをバックオフタイマーの初期値として設定する、ことを含み、
ここで、ａは、値が１とＣＷの間に介在するランダム数である、
ことを特徴とする請求項１に記載のＵＥのアクセス方法。
前記競合ウィンドウの大きさＣＷを決定することは、
基地局がセル内の負荷を監視し、
セル内の負荷が重いことを基地局が発見すると、基地局が現在のセル内のＵＥの数をブロードキャストし、セル内の負荷が重くないことを基地局が発見すると、基地局が現在のシステム利用率をブロードキャストし、
現在のセル内のＵＥの数を受信すると、ＵＥが、システムが飽和状態にあると見なして、競合ウィンドウの値を決定し、
システム利用率を受信すると、ＵＥが、システムが不飽和状態にあると見なして、競合ウィンドウの値を決定する、ことを含む、
ことを特徴とする請求項２に記載のＵＥのアクセス方法。
前記ＵＥで使用されるリソースブロック（ＲＢ）の数を決定するステップは、前記ＵＥのリンク遅延の導関数を求め、前記ＵＥのリンク遅延の導関数がゼロとなる場合の、ＵＥで使用されるＲＢの数という変数の値を決定して、この値を、ＵＥで使用されるＲＢの数とする、ことを含む、
ことを特徴とする請求項１に記載のＵＥのアクセス方法。
前記ＵＥのリンク遅延は、数式Delay_UE=T_backoff+T_transmissionによって算出され、
ここで、T_backoffはバックオフ遅延であり、T_transmissionは、伝送遅延である、
ことを特徴とする請求項４に記載のＵＥのアクセス方法。
前記バックオフ遅延T_backoffは、数式

によって算出され、
ここで、RB_total_idleは、監視された空きＲＢの総数であり、RB_selectedは、ＵＥで使用されるＲＢの数であり、slotは、１つのスロットの時間である、
ことを特徴とする請求項５に記載のＵＥのアクセス方法。
前記バックオフ遅延T_backoffは、数式

によって算出され、
ここで、ａは、値が１とＣＷの間に介在するランダム数であり、RB_total_idleは、監視された空きＲＢの総数であり、RB_selectedは、ＵＥで使用されるＲＢの数であり、slotは、１つのスロットの時間である、
ことを特徴とする請求項５に記載のＵＥのアクセス方法。
前記伝送遅延T_transmissionは、数式

によって算出され、
ここで、Transmission_sizeは、キューにおける全てのパケットの総長さ、又は、最大伝送ユニットの長さ、又は、最大伝送時間から換算された伝送パケットの大きさであり、RB_selectedは、ＵＥで使用されるＲＢの数であり、mは、選定された符号化変調方式によって決まった１つのＲＢの伝送速度である、
ことを特徴とする請求項５に記載のＵＥのアクセス方法。
前記ＵＥで使用されるＲＢの数に基づいて、ＵＥの時間領域でのバックオフステップサイズを決定することは、前記バックオフステップサイズを、監視された空きＲＢの総数とＵＥで使用されるＲＢの数との商を整数に丸めた値にする、ことを含む、
ことを特徴とする請求項１に記載のＵＥのアクセス方法。
前記データを送信するステップは、ＵＥで使用されるＲＢの数に基づいて、現在の全ての空きＲＢの中から、ＵＥで使用されるＲＢを選択して、選択されたＵＥで使用されるＲＢでデータを送信する、ことを含む、
ことを特徴とする請求項１に記載のＵＥのアクセス方法。
競合ウィンドウの大きさＣＷを決定した後に、ＵＥが、基地局へサウンディング基準信号（ＳＲＳ）を送信し、基地局が、ＵＥから報告されたＳＲＳに基づいて、ＵＥ間のチャネル相関性の判断を行って、競合ウィンドウ調整指示をＵＥへ送信し、ＵＥが、競合ウィンドウ調整指示に従って、競合ウィンドウの大きさを調整する、ことをさらに含む、
ことを特徴とする請求項２に記載のＵＥのアクセス方法。
ユーザ機器（ＵＥ）であって、
バックオフタイマーの初期値を決定するバックオフタイマー初期化手段と、
ＵＥで使用されるリソースブロック（ＲＢ）の数を決定するＲＢ数決定手段と、
ＵＥで使用されるＲＢの数に基づいて、ＵＥの時間領域でのバックオフステップサイズを決定し、現在のチャネルにおける空きＲＢの数を監視し、監視された空きＲＢの数が、ＵＥで使用されるＲＢの数以上である場合、前記バックオフタイマーの値を１つのバックオフステップサイズだけ減少させ、前記バックオフタイマーがクリアされるまで、この処理を繰り返すバックオフ手段と、
データを送信するデータ送信手段と、
を含むことを特徴とするＵＥ。