JPWO2008146402A1

JPWO2008146402A1 - 通信システム

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Publication number: JPWO2008146402A1
Application number: JP2009516138A
Authority: JP
Inventors: 田中　豊久; 豊久田中
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2007-06-01
Filing date: 2007-06-01
Publication date: 2010-08-19
Anticipated expiration: 2027-06-01
Also published as: EP2154795A4; EP2154795B1; US8576803B2; EP2154795A1; CN101652938A; JP4877858B2; US20100150068A1; WO2008146402A1; CN101652938B

Abstract

通信システムは、基地局１０〜１６を構成するセクタユニットおよびそのセクタユニットに対応したセクタ４，５内にそれぞれ存在する移動局２，３を含む。移動局２，３は、セクタ４，５に対応したセクタユニットおよびこのセクタ４，５に隣接するセクタ４，５に対応したセクタユニットに伝送路情報信号を送信する。セクタユニットは、そのセクタユニットに対応したセクタ４に存在する当該移動局２から受信した伝送路情報信号、およびそのセクタユニットに対応したセクタ４に隣接する隣接セクタ５に存在する隣接移動局３から受信した伝送路情報信号に基づいて、当該移動局２に指向し隣接移動局３に指向しない送信ビームを用いてデータを当該移動局２に送信する。こうした構成によって、隣接するセクタからの干渉を回避することができる。

Description

本発明は、複数の基地局およびその基地局に対応した領域内にそれぞれ存在する移動局を含む通信システムに関するものである。たとえば、Mobile WiMAX（Worldwide Interoperability for Microwave Access）システム等に適用される、セルラ構成の陸上移動通信システムにおいて用いられ、特に、同一周波数を用いる無線通信システムにおいて、相互の干渉を回避する通信システムに関するものである。

セルラシステムのように面展開する無線通信システムにおいては、基地局（Base Station: BS）は隣接する基地局との間において相互独立を確保する必要がある。従来、異なる周波数を使用することや、異なる拡散符号を使用すること、あるいは、異なる時間領域を使用するなどの方法が用いられてきた。近年、使用可能な周波数帯域を狭帯域の直交するサブキャリア周波数に分割することによって通信を行うＯＦＤＭ（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）方式を採用したIEEE802.16e (Mobile WiMAX) が標準化されている。Mobile WiMAXでは、全サブキャリアに割り当てを行わない事を前提として、隣接セクタでも同一周波数帯域を使用する方法が用いられている（非特許文献１参照）。

異なる周波数を用いるＦＤＭＡ（Frequency-division multiple access）の場合、周波数利用効率の点から明らかに不利である。また、符合拡散により同一周波数を用いるＣＤＭＡ（Code-division multiple access）でも、隣接セクタからの信号が干渉となり、通信容量の劣化を引き起こす。Mobile WiMAXにおいても、通信負荷が高くなった場合、衝突確率が上り、干渉の影響が無視できなくなる。

また、Mobile WiMAXではマルチアンテナを用いるアダプティブアレーシステム (AAS)が標準化されている（非特許文献２参照）。自セクタ内の移動局（Mobile Subscriber Station: MSS）への干渉回避は、アレーの自由度の範囲で可能である。しかしながら、隣接セクタに存在する移動局に対しては干渉を与えないための考慮が施されていない。

IEEE 802.16-2004 (8.4.4.4 Allocation of subchannels for FCH, and logical subchannel numbering) IEEE 802.16-2004/Cor 1-2005 (8.4.6.3.3 AMC support for SDMA) 特開2002-319894号公報米国特許6067290号公報

このように、セルラシステム等では、同一周波数を用いる利便性、周波数利用効率の向上、および他セクタからの干渉の回避のうち、いずれも同時に満足させる技術はなく、それらのトレードオフの上にシステムを成り立たせてきた。

本発明の目的は、隣接する領域からの干渉を回避することができる通信システムを提供することである。

本発明は、複数の基地局およびその基地局に対応した領域内にそれぞれ存在する移動局を含む通信システムであって、
前記移動局は、前記領域に対応した基地局およびこの領域に隣接する隣接領域に対応した基地局に伝送路情報信号を送信し、
前記基地局は、その基地局に対応した領域に存在する当該移動局から受信した伝送路情報信号、およびその基地局に対応した領域に隣接する隣接領域に存在する隣接移動局から受信した伝送路情報信号に基づいて、当該移動局に指向し隣接移動局に指向しない送信ビームを用いてデータを当該移動局に送信することを特徴とする通信システムである。

本発明によれば、隣接する領域からの干渉を回避することができるので、移動局が所属する領域に対応した基地局と良好な通信を行うことが可能となり、周波数の有効利用に大きく寄与することができる。

本発明の実施の形態１に係る通信システムの構成を示す図である。伝送フレームのフォーマットを示す図である。セクタとサブキャリアとの対応関係を示す図である。セクタユニットの送信部の構成を示すブロック図である。干渉回避制御の手順を示す制御フロー図である。移動局の組合せを考慮したフレーム構成例を示す図である。セル単位で干渉制御を行う通信システムを示す図である。本発明の実施の形態２に係る干渉回避制御の手順を示す制御フロー図である。本発明の実施の形態３に係る干渉回避制御の手順を示す制御フロー図である。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る通信システムの構成を示す図である。通信システムは、移動局２，３、基地局１０〜１６および基地局制御装置１７を含んで構成される。移動局２，３は、ユーザが携帯する端末であって、移動しながら基地局１０〜１６との間で無線通信を行う。基地局１０〜１６は、固定的に設置されその周囲に移動局２，３と無線通信する領域としてセルを有している。また、基地局１０〜１６は、セルを１２０度ごとの方位角に分割した領域であるセクタ４，５に存在する移動局２，３と無線通信する３つのセクタユニットから構成される。基地局制御装置１７は、基地局１０〜１６を制御する上位装置である。

基地局１０〜１６の各セルは、六角形の領域として描画されていて、基地局１０〜１６はセルの中央にそれぞれ配置されている。六角形のセルは、菱形の領域である３つのセクタから構成されている。太実線で囲まれた菱形の領域であるセクタ４に着目する。当該セクタ４には移動局２（黒星印）が含まれている。当該セクタ４に隣接するセクタ５は太点線で囲まれた菱形の領域として図示される。隣接セクタ５には、移動局３（黒丸印）がそれぞれ含まれている。３セクタ構成の場合、隣接セクタ５は合計１０個である。基地局１０のセクタユニットがそのセクタユニットに対応した当該セクタ４に存在する移動局２にデータを送信しようとするとき、このセクタユニットは、当該移動局２に指向していてかつ隣接セクタ５に存在する移動局３に指向しない送信ビームを形成する。基地局１０の位置には、このときの送信ビームパターンが描画されている。移動局３に指向しないビームパターンを形成することを、ヌルステアリングという。

このように、当該セクタ４の当該移動局２に指向し、隣接セクタ５の移動局３に指向しないビームパターンを形成して、データの送信を行うことによって、隣接セクタ５の移動局３に対して干渉を与えることを防止することができる。

なお、本発明にいう領域は、セルであってもセクタであってもよい。セクタを領域とする場合、各セクタに対応するセクタユニットをその領域に対応する基地局とみなす。

当該セクタ４に含まれる移動局２に指向しかつ隣接セクタ５に含まれる移動局３に指向しないビームパターンを形成するためには、当該セクタ４に含まれる移動局２の伝送路状況を示す情報とともに隣接セクタ５に含まれる移動局３の伝送路状況を示す情報が必要である。ここで、移動局２の伝送路状況とは、当該セクタ４に含まれている移動局２と当該セクタ４に対応したセクタユニットとの間の伝送路の状況を指す。同じく、移動局３の伝送路状況といえば、隣接セクタ５に含まれている移動局３と当該セクタ４に対応したセクタユニットとの間の伝送路の状況のことである。この情報は、移動局２，３から基地局１０〜１６への上りリンク（Uplink;UL）において伝送路推定信号８を送信し、これを基地局１０〜１６で受信したときの受信状態に基づいて伝送路の状況を推定することによって得られる。

図２は、伝送フレームのフォーマットを示す図である。伝送フレームは、上りリンクフレーム７および下りリンクフレーム８から構成される。伝送路推定信号８は、アップリンク・サウンディング・パイロット・シンボル（UL Sounding pilot symbol）とも呼ばれ、上りリンクフレーム７に付加される。

図３は、セクタとサブキャリアとの対応関係を示す図である。伝送路推定信号は、セクタ（ｓｃｔ１〜２１）毎に割り当てられたサブキャリアを使って送信される。サブキャリア同士は相互に周波数が異なる。これによって、セクタ毎に伝送路推定信号を送受信することができ、移動局の伝送路推定を行うことができる。

また、セクタ毎に割当てられたサブキャリアにおいて、拡散符号を用いて複数の移動局に関する伝送路推定信号を多重する。これによって、移動局毎に伝送路推定を行うことができる。なお、拡散符号には、相互に直交するWalsh符号やGOLD符号などが用いられる。Walsh符号は直交する符号の数に制限があるため、その数を越える移動局に対してはGOLD符号を代用する。例えば、セクタ繰り返しを考慮し、７基地局×３セクタ＝２１セクタ分のサブキャリアを確保した場合、FFT（高速フーリエ変換）サイズ2096、拡散率64で1,344台の移動局に対して伝送路推定を行うことが可能である。

図４は、セクタユニットの送信部の構成を示すブロック図である。セクタユニットの送信部は、ウエイト生成部２２、送信信号生成部２３、およびアンテナ２４を備えている。各セクタユニットは相互に時刻同期され、複数の基地局からなるセルラシステムにおいて送受信のタイミングは同一であるとする。各移動局から送信された伝送路推定信号（Mobile Sounding symbol；MSS）は、自セクタ分のほか他セクタ分を含めてセクタユニットで受信される。受信した伝送路推定信号は、周波数ドメインに変換された後、各セクタに割当てられたサブキャリア単位で逆拡散プロセスを経て伝送路推定される。

次に、送信アンテナのアンテナ素子数について説明する。送信アンテナ２４は、複数のアンテナ素子からなるマルチアンテナである。あるシンボルタイミングで、自セクタ内で通信を行う移動局の数をｋ（ｋは自然数）個、他セクタで通信状態にある移動局の数をｍ（ｍは自然数）個とすると、アンテナ素子数ｎ（ｎは自然数）としてｎ＝（ｋ＋ｍ）が必要となる。

IEEE802.16eの下りリンク通信では、サブキャリアおよびシンボル単位で通信する移動局が割当てられる。自セクタでサービスする移動局と同シンボルタイミングでサービスされる隣接セクタにおいて、スケジューリングされた移動局の送信タイミング情報を前もって取得しておく。これらの送信タイミング情報に基づいて、シンボル毎に移動局の組合せを認識し、その組合せで下りリンク送信ウェイトを生成する。

次に、下りリンク送信ウェイトの生成方法について説明する。ここでは、例として伝送路推定で得られた伝送路情報を用いて、MMSE（Minimum Mean Square Error）規範により算出する方法を用いる。基地局制御装置から通知されるスケジューリング情報より、自セクタ内で通信するｋ個の移動局と他セクタで通信するｍ個の移動局の組合せを想定する。このとき、求める送信ウェイトは、次の数式（１）で与えられる。

ただし、「*」は共役行列を、「T」は転置行列を表す。また、σ²は平均ノイズ電力、Pは送信電力、Iはｎ行ｎ列の単位行列であり、チャネル行列Hは、次の数式（２）で表わされる。

実際の送信においては、自セクタ内で通信するｋ個の移動局に向けて送信ウェイト行列の第ｋ列を送信シンボルベクトルに乗積し、各アンテナの送信信号X^Tが得られる。

ただし、送信ベクトルSは S=[s₁ … s_k] で表される。なお、送信ウェイト算出はZF法など、他の方法によっても可能である。

図５は、干渉回避制御の手順を示す制御フロー図である。まず、移動局が位置登録したとき、基地局制御装置から各基地局に対し隣接基地局情報、当該移動局に対応したサウンディング用キャリア番号を通知する。あるいは、通信開始中の移動局について、基地局制御装置から各基地局に対し隣接基地局情報、当該移動局に対応したサウンディング用キャリア番号を通知する。

これらを受信した各基地局は自セクタに存在する各移動局にサウンディング用キャリア番号、拡散コード番号通知を通知する。これらを受信した各移動局は、指定された番号のサウンディング用キャリアを用いて伝送路推定信号を送信する。

次に、各基地局は下り送信スケジューリング情報を基地局制御装置に送信する。各基地局からの情報を取得した基地局制御装置は、隣接する他基地局の下り送信スケジューリング情報を各基地局に送信する。各基地局は、隣接する他基地局の下り送信スケジューリング情報と移動局からの伝送路情報を用いて、他セクタに存在する移動局に指向しない下り送信ビーム形成を行う。

以降、各移動局は定期的に伝送路推定信号を送信し、各基地局は下り送信スケジューリング情報を基地局制御装置に送信する。基地局制御装置は、下り送信スケジューリング情報に変更がある場合に各基地局に対して情報を通知する。

このような手順により、下りリンクの送信ビームパターン形成をシステマチックに実施することができる。

図６は、移動局の組合せを考慮したフレーム構成例を示す図である。基地局１０のセルに含まれる移動局をＡ〜Ｈと表示し、基地局１１のセルに含まれる移動局をＩ〜Ｐと表示している。基地局制御装置からのスケジューリング情報には、無線フレームを時分割したタイミング毎に各基地局はどの移動局に対して通信を行うかについての情報が含まれる。タイミング１において、移動局Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄが基地局１０と通信を行い、移動局Ｉ，Ｊ，Ｋ，Ｌが基地局１１と通信を行う。この組合せは各基地局が決定したものであり、移動局Ａ〜Ｄ，Ｉ〜Ｌから送信されたサウンディング用キャリアに基づいて推定した伝送路情報を用いて、送信ウェイトを算出する。例えば、基地局１０が移動局Ａと通信する場合、移動局Ａに指向し、その他の移動局Ｂ〜Ｄ，Ｉ〜Ｋには指向しない送信ビームパターンを形成する。

尚、前述の図５における「送信ビームフォーミングによる下り送信」は、図６に示した移動局への組合せに応じて行う一連の送信ビームフォーミングをまとめて表現している。

また、通信を行う移動局、干渉を与えない必要のある移動局の組合せのタイミングを確定させるためには、各基地局間の時間を同期させておくことが必要である。移動局の組合せが変わるタイミングで、基地局は組合せに応じた送信ビームを形成し指向性を変更させる。

以上のように、他セクタからの伝送路情報を取得し、各シンボルタイミングにおける各セクタにおける通信状況を反映した組合せに基づき、送信ビームフォーミングを行うことによって、互いに干渉を受けない通信システムを構築することができる。

図７は、セル単位で干渉制御を行う通信システムを示す図である。基地局１０〜１６に対応する各セルは、六角形の領域として描画されていて、基地局１０〜１６はセルの中央にそれぞれ配置されている。太実線で囲まれた六角形の領域であるセル４に着目する。当該セル４には移動局２（黒星印）が含まれている。当該セル４に隣接するセル５は太点線で囲まれた六角形の領域として図示される。隣接セル５には、移動局３（黒丸印）がそれぞれ含まれている。

このような構成では、当該セル４に対する隣接セル５の数は合計６個である。伝送路推定信号を送信するためには、７種類のサブキャリアがあれば充分である。FFTサイズが2096の場合では拡散率256とし、セクタあたり256台の移動局まで伝送路推定信号を送信することが可能である。

以上のように、セクタあるいはセル等の基地局に対応した領域の配置に依存せず、本発明を適用することが可能である。

実施の形態２．
図８は、本発明の実施の形態２に係る干渉回避制御の手順を示す制御フロー図である。移動局が位置登録したとき基地局制御装置から各基地局に対し隣接基地局情報、当該移動局に対応したサウンディング用キャリア番号通知を送信する。あるいは、通信開始中の移動局について基地局制御装置から各基地局に対し隣接基地局情報、当該移動局に対応したサウンディング用キャリア番号通知を送信する。受信した各基地局は自セクタに存在する各移動局にサウンディング用キャリア番号、拡散コード番号通知を通知する。受信した各移動局は、サウンディング用キャリアを用いて伝送路推定信号を送信する。

各基地局は、自セクタの移動局の送信する組合せが変わる無線フレームを時分割したタイミング毎に、他セクタの移動局から受信した伝送路推定信号の受信レベルに基づいて移動局を選択する。具体的には、受信レベルが高い方からｍ個の移動局を選択する。ただし、基地局の送信アンテナ数をｎ、当該タイミングで送信する自セクタの移動局数をｋとするとｍは次式で与えられる。

m = n - k - 1 (4)
基地局が送信する自セクタの移動局の伝送路情報に、選択した他セクタの移動局の伝送路情報を加え、例えば式(1)〜式(3)に示したアルゴリズムで送信ウェイトを決定する。

以上のように、干渉の影響の大きい他セクタのｍ個の移動局に対して指向しない送信ビームパターンを形成するので、干渉を与えず自セクタの移動局と通信が可能なシステムを構築できる。

実施の形態３．
図９は、本発明の実施の形態３に係る干渉回避制御の手順を示す制御フロー図である。移動局が位置登録したとき基地局制御装置から各基地局に対し隣接基地局情報、当該移動局に対応したサウンディング用キャリア番号通知を送信する。あるいは、通信開始中の移動局について基地局制御装置から各基地局に対し隣接基地局情報、当該移動局に対応したサウンディング用キャリア番号通知を送信する。受信した各基地局は自セクタに存在する各移動局にサウンディング用キャリア番号、拡散コード番号通知を通知する。受信した各移動局は、サウンディング用キャリア等を用いて伝送路推定信号とスケジューリング情報を送信する。

伝送路推定信号とスケジューリング情報は、例えば既知のパイロット情報とスケジューリング情報を組み合わせて符号拡散方式を用いて送信することにより、多数の移動局からの情報を伝送できる。

各基地局は、受信した他セクタの移動局からのスケジューリング情報に基づき、移動局の送信する組合せが変わる無線フレームを時分割したタイミング毎に、他セクタの移動局と自セクタの移動局の組合せを考慮し、例えば式(1)〜式(3)に示したアルゴリズムで送信ウェイトを決定する。

以上のように、スケジューリング情報を移動局から基地局に指示するので、手順を簡素化することができるとともに、迅速にスケジューリング情報を伝達できる。したがって、送信ビームパターンを遅滞なく迅速に形成することができる。

Claims

複数の基地局およびその基地局に対応した領域内にそれぞれ存在する移動局を含む通信システムであって、
前記移動局は、前記領域に対応した基地局およびこの領域に隣接する隣接領域に対応した基地局に伝送路情報信号を送信し、
前記基地局は、その基地局に対応した領域に存在する当該移動局から受信した伝送路推定信号、およびその基地局に対応した領域に隣接する隣接領域に存在する隣接移動局から受信した伝送路推定信号に基づいて、当該移動局に指向し隣接移動局に指向しない送信ビームを用いてデータを当該移動局に送信することを特徴とする通信システム。
前記移動局は、前記領域毎に割当てられた周波数のキャリアを用いて、伝送路推定信号を送信することを特徴とする請求項１記載の通信システム。
前記基地局は、当該移動局および隣接移動局がデータを送信する送信タイミングを取得して、当該移動局に送信されたデータを隣接移動局において別のデータと同時に受信する場合に、当該移動局に指向し隣接移動局に指向しない送信ビームを用いて前記データを当該移動局に送信することを特徴とする請求項１記載の通信システム。
前記基地局は、当該移動局および隣接移動局がデータを送信する送信タイミングを、前記基地局を制御する基地局制御装置から取得することを特徴とする請求項３記載の通信システム。
前記移動局は、前記移動局毎に割当てられ相互に直交する拡散符号を用いて、伝送路情報信号を送信することを特徴とする請求項１記載の通信システム。
前記移動局は、前記移動局毎に割当てられたゴールド拡散符号を用いて、伝送路情報信号を送信することを特徴とする請求項１記載の通信システム。
前記伝送路推定信号を送信するために割当てられるキャリアの数は、１つの前記領域に対する隣接領域の数以上であることを特徴とする請求項２記載の通信システム。
前記基地局は、隣接移動局における干渉量が所定の閾値以上となった場合に、当該移動局に指向し隣接移動局に指向しない送信ビームを用いて前記データを当該移動局に送信することを特徴とする請求項１記載の通信システム。
前記基地局は、当該移動局および隣接移動局がデータを送信する送信タイミングを、当該移動局および隣接移動局から取得することを特徴とする請求項３記載の通信システム。