WO2010082234A1

WO2010082234A1 - 無線通信システム、基地局、リレー局、移動局

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Publication number: WO2010082234A1
Application number: PCT/JP2009/000135
Authority: WO
Inventors: ウージャンミン; 東充宏; 谷口智彦
Original assignee: 富士通株式会社
Priority date: 2009-01-15
Filing date: 2009-01-15
Publication date: 2010-07-22
Also published as: JP5187403B2; JPWO2010082234A1; US20110263198A1

Abstract

　この無線通信システムは、基地局と、移動局と、セクタ毎に設けられて基地局と移動局との間の通信を中継するリレー局と、を備え、割り当てられた帯域を複数のサブ帯域に分割して使用する。この無線通信システムでは、基地局とリレー局との第１通信リンクに対して、セクタ毎に異なるサブ帯域が使用される。リレー局と移動局との第２通信リンクに対して、各セクタで前記第１通信リンクと異なるサブ帯域が使用される。基地局から所定の距離の範囲内の第１ゾーンに移動局が存在する場合には、その移動局と基地局との第３通信リンクに対して、各セクタで前記第２通信リンクと略同一のサブ帯域が使用される。前記第１ゾーンより基地局から離れた第２ゾーンに移動局が存在する場合には、その移動局と基地局との第４通信リンクに対して、第１通信リンク及び第２通信リンクのいずれとも異なるサブ帯域が使用される。これにより、通信リンク間の干渉が抑制される。

Description

無線通信システム、基地局、リレー局、移動局

　本発明は、基地局と移動局との無線通信を中継するリレー局を備えた無線通信システムに関する。

　１００Ｍ～１Ｇビット／秒の高速伝送が要求される次世代無線通信システムでは高い周波数帯域の割り当てが想定されているが、一般に高い周波数帯の信号は、低い周波数帯の信号に比べて直進性が強く、電波が到達しない不感地帯が多く発生することが知られている。そのため、基地局の送信電力が現在商用化されている無線通信システムと同一であると仮定した場合、高い周波数帯域の割り当てによりセルのカバレッジ（サービスエリア）が減少することになる。このことは、基地局の増加によるコスト上昇を招来する点だけでなく、頻繁なハンドオーバーが発生する点からも好ましくない。

　そこで、基地局と移動局との無線通信を中継するリレー局を備えた無線通信システムが提案されている。一般にリレー局は基地局よりも低コストであるため、リレー局の導入により十分なカバレッジを確保しながら、システム全体を低コストで実現することが可能となる。リレー局を備えた無線通信システムは、特にＩＥＥＥ８０２．１６ｊのタスクグループにおいて検討がなされている。上述したＩＥＥＥ８０２．１６に関する事項は、例えば次の非特許文献１、２に開示されている。
ＩＥＥＥＳｔｄ８０２．１６TM－２００４ＩＥＥＥＳｔｄ８０２．１６ｅTM－２００５

　基地局と移動局との無線通信を中継するリレー局を備えた無線通信システムにおいて、通信リンク間の干渉を抑制することが課題である。

　上記目的を達成するための無線通信システムは、基地局と、移動局と、セクタ毎に設けられて基地局と移動局との間の通信を中継するリレー局と、を備え、割り当てられた帯域を複数のサブ帯域に分割して使用する。
　さらに、この無線通信システムは、
　基地局とリレー局との第１通信リンクに対して、セクタ毎に異なるサブ帯域を使用し、
　リレー局と移動局との第２通信リンクに対して、各セクタで前記第１通信リンクと異なるサブ帯域を使用し、
　基地局から所定の距離の範囲内の第１ゾーンに移動局が存在する場合には、その移動局と基地局との第３通信リンクに対して、各セクタで前記第２通信リンクと略同一のサブ帯域を使用し、
　前記第１ゾーンより基地局から離れた第２ゾーンに移動局が存在する場合には、その移動局と基地局との第４通信リンクに対して、前記第１通信リンク及び前記第２通信リンクのいずれとも異なるサブ帯域を使用する。

　この無線通信システムでは、第１通信リンクに対してセクタ毎に異なるサブ帯域を使用するため、ある基地局とその配下のリレー局との通信が、隣接する基地局とその配下のリレー局の間の通信によって受ける干渉が抑制される。
　この無線通信システムでは、第２通信リンクに対して、各セクタで第１通信リンクと異なるサブ帯域を使用するため、ある基地局と移動局との通信が、隣接する基地局とその配下のリレー局の間の通信によって受ける干渉が抑制される。
　この無線通信システムでは、第４通信リンクに対して、第１通信リンク及び第２通信リンクのいずれとも異なるサブ帯域を使用するため、第４通信リンクと、第１通信リンク及び／又は第２通信リンクとの干渉が抑制される。

　基地局と移動局との無線通信を中継するリレー局を備えた無線通信システムにおいて、通信リンク間の干渉を抑制することが可能となる。

第１実施形態の無線通信システムのセル単位の構成を説明するための図である。第１実施形態の無線通信システムのマルチセル環境を示す図である。第１実施形態の無線通信システムにおいて、隣接するセル間における干渉の一形態を示す図である。第１実施形態の無線通信システムにおいて、隣接するセル間における干渉の程度をシミュレーション結果として示す図である。第１実施形態の無線通信システムにおいて、隣接するセル間における干渉の一形態を示す図である。第１実施形態の無線通信システムにおいて、隣接するセル間における干渉の程度をシミュレーション結果として示す図である。第１実施形態の無線通信システムにおいて、基地局（ＢＳ）とリレー局（ＲＳ）からの移動局への通信同士の干渉の一形態を示す図である。第１実施形態の無線通信システムにおいて、ＢＳから移動局（ＭＳ）への通信リンクのシミュレーション結果を示す図である。第１実施形態の無線通信システムにおいて、ＲＳからＭＳへの通信リンクのシミュレーション結果を示す図である。第１実施形態の無線通信システムにおいて、ＢＳとＭＳの通信リンク、ＲＳとＭＳの通信リンクのシミュレーション結果を示す図である。第２実施形態の無線通信システムにおいて、各通信リンクで利用されるサブ帯域を模式的に示す図である。第２実施形態の無線通信システムに割り当てられた帯域幅に対し、各通信リンクで使用されるサブ帯域を示す図である。第２実施形態の無線通信システムにおける各通信リンクによるカバレッジを説明するための図である。基地局（ＢＳ）の内部構成の要部を示すブロック図の一例である。リレー局（ＲＳ）の内部構成の要部を示すブロック図の一例である。移動局（ＭＳ）の内部構成の要部を示すブロック図の一例である。第２実施形態の無線通信システムにおいて、ＢＳ及び／又はＲＳの好ましい送信電力を説明するための図である。第１実施形態の無線通信システムの周波数再利用形態を示す図である。第２実施形態の無線通信システムの性能評価結果を示す図である。第２実施形態の無線通信システムの性能評価結果を示す図である。第２実施形態の無線通信システムの性能評価結果を示す図である。第２実施形態の無線通信システムの性能評価結果を示す図である。第２実施形態の無線通信システムの性能評価結果を示す図である。第２実施形態の無線通信システムの性能評価結果を示す図である。

符号の説明

　ＢＳ…基地局
　　１０，１１…符号化変調部、１２…信号多重部、１３…サブキャリアマッピング部、１４…ＩＦＦＴ部、１５…ＣＰ付加部、１６…送信無線部、１７…アンテナ、１８…デュプレクサ、１９…受信無線部、２０…ＯＦＤＭ復調部、２１…パイロット信号抽出部、２２…受信品質測定部、２３…サブキャリア割当部、２４…ＭＣＳ決定部、２５…制御情報生成部、２６…ＣＱＩ抽出部、２７…位置データ抽出部
　ＲＳ…リレー局
　　３０，３１…符号化変調部、３２…信号多重部、３３…サブキャリアマッピング部、３４…ＩＦＦＴ部、３５…ＣＰ付加部、３６…送信無線部、３７…アンテナ、３８…デュプレクサ、３９…受信無線部、４０…ＯＦＤＭ復調部、４１…パイロット信号抽出部、４２…受信品質測定部、４３…サブキャリア割当部、４４…ＭＣＳ決定部、４５…制御情報生成部、４６…ＣＱＩ抽出部、４７…ユーザデータ抽出部
　ＭＳ…移動局
　　５０…アンテナ、５１…デュプレクサ、５２…受信無線部、５３…ＯＦＤＭ復調部、５４…制御情報抽出部、５５…復調復号部、５６…サブキャリア割当情報抽出部、５７…パイロット信号抽出部、５８…ＭＣＳ情報抽出部、５９…ＣＱＩ測定部、６０…符号化変調部、６１…符号化変調部、６２…信号多重部、６３…サブキャリアマッピング部、６４…ＩＦＦＴ部、６５…ＣＰ付加部、６６…送信無線部、６７…パイロット信号生成部、６８…位置データ算出部

　以下の説明の全体において、基地局（Base Station）をＢＳと、リレー局（Relay
Station）をＲＳと、移動局（Mobile Station）をＭＳと、適宜略記する。また、特性の基地局、特定のリレー局、特定の移動局を指定して説明するときには、それぞれＢＳ、ＲＳ、ＭＳの後に符号を付して行う。

１．第１実施形態に係る無線通信システム（リレーシステム）
　先ず、図１を参照して、本実施形態の無線通信システムのセル単位の構成を説明する。
　図１において、セルは、ＢＳがＭＳと直接無線通信が可能となる領域（サービスエリア）である。ここでは、セルがセクタＳＣ０～ＳＣ２からなる３セクタ構成となっている。セルの外側には、セクタＳＣ０～ＳＣ２に対応してそれぞれＲＳ０～ＲＳ２が設けられる。各リレー局は全方位アンテナを備えている。

　以下の説明では、セル内の領域をセルゾーンＣＺと定義する。また、セルゾーンＣＺの外側の領域であって、ＲＳのいずれかがＭＳと無線通信可能な領域をリレーゾーンＲＺと定義する。

　次に、図２を参照して、本実施形態の無線通信システムの複数のセルの構成例を説明する。図２は、本実施形態の無線通信システムのマルチセル環境を示す図である。
　図２では、セルＣ０と、セルＣ０に隣接する複数のセルＣ１～Ｃ６とを示している。セルＣ１～Ｃ６は、それぞれ基地局ＢＳ１～６のサービスエリアである。基地局ＢＳｉ（ｉ＝１，２，…）の配下のリレー局ＲＳｉｊ（ｊ＝０～２；それぞれセクタＳＣ０～ＳＣ２に対応）は、ＢＳとリレーゾーンに存在するＭＳとの無線通信を中継する。

　本実施形態の無線通信システムでは、周波数再利用率が１、すなわち、ＢＳとＲＳの通信リンクには同一の帯域が使用され、ＢＳとＭＳの通信リンクには同一の帯域が使用され、ＲＳとＭＳには同一の帯域が使用される。

２．第１実施形態の無線通信システムにおける干渉
　次に、第１実施形態の無線通信システム（リレーシステム）で想定される複数の通信リンクの間の以下の３形態の干渉について、順に説明する。
（２－１）隣接するＢＳとその配下のＲＳとの通信リンクによる干渉
（２－２）隣接するＢＳの配下のＲＳとＭＳの通信リンクによる干渉
（２－３）ＢＳからＭＳへの通信リンクと、そのＢＳ配下のＲＳからＭＳへの通信リンクとの干渉

（２－１）隣接するＢＳとその配下のＲＳとの通信リンクによる干渉
　先ず、あるＢＳとその配下のＲＳの間の通信が、隣接するＢＳとその配下のＲＳの間の通信によって受ける干渉について、以下、図３及び図４を参照して説明する。

　図３は、このリレーシステムにおいて、隣接するセル間における干渉の一形態を示す図である。図４は、隣接するセル間における干渉の程度を、信号対干渉比（ＳＩＲ：Signal to Interference Ratio）のＣＤＦ（Cumulative Density Function；累積分布関数）のシミュレーション結果として示す図である。
　図３では、代表的な場合として、ＢＳ０（セルＣ０）からその配下のＲＳ００への下りリンク（帯域Ｆ）と、隣接するＢＳ１（セルＣ１）からその配下のＲＳ１１，ＲＳ１２への下りリンク（帯域Ｆ）とを想定している。

　図３に示す通信状況で、雑音よりも干渉が支配的であるとすると、ＲＳ００がＢＳ０から受ける信号の、ＢＳ１による干渉に対する信号対干渉比ＳＩＲ_{ＢＳ０－ＲＳ００－ＢＳ１}は、下記の数式１又は数式２によって表現できる。なお、数式１及び数式２において、ＢＳ０，ＢＳ１の送信電力をそれぞれＰ_Ｓ，Ｐ_Ｉ、ＢＳ０，ＢＳ１の送信アンテナ利得をＧ_Ｓ，Ｇ_Ｉと定義する。また、β_Ｓ，β_Ｉはシャドーイング減衰（互いに統計上独立なランダム変数）である。

　（リニアスケール）

　（ｄＢスケール）

　シャドーイング減衰β_Ｓ，β_Ｉが正規分布に従い、標準偏差がそれぞれσ_Ｓ，σ_Ｉであるとすると、β_Δ（＝β_Ｓ－β_Ｉ）のＰＤＦ（probability density function；確率密度関数）であるｐ（β_Δ）は一般に、下記の数式３で定義される。さらに、数式２を数式３へ代入すると、以下の数式４によって、ＳＩＲ_{ＢＳ０－ＲＳ００－ＲＳ１２}のＣＤＦであるＦ（ＳＩＲ_{ＢＳ０－ＲＳ００－ＢＳ１}）が表現できる。ここで、ｅｒｆ関数は以下の数式５で与えられる。

　上記数式４において、一例としてσ_Ｓ＝σ_Ｉ＝４．３とし、送信電力比Ｐ_Ｓ／Ｐ_Ｉを１～８の範囲で変化させたときのＳＩＲのＣＤＦの結果（シミュレーション結果）が図４である。図４において、Ｐ_Ｓ／Ｐ_Ｉ＝８の場合のＳＩＲは、Ｐ_Ｓ／Ｐ_Ｉ＝１である場合よりも優れていることを意味している（すなわち、図上では右側の線であるほどＳＩＲが優れていることを意味する）。例えば、ＳＩＲが５ｄＢ以下となってしまう確率は、Ｐ_Ｓ／Ｐ_Ｉ＝１，２，４，８の場合でそれぞれ、０．４２，０．２１，０．０８，０．０２となり、送信電力比Ｐ_Ｓ／Ｐ_Ｉが大きいほどその確率が小さくなる。

　図４に基づいて理解されることは、このリレーシステムにおいて、ＢＳ０とその配下のＲＳの間の通信が、隣接するＢＳ１とその配下のＲＳの間の通信によって受ける干渉は、ＢＳ０の送信電力が隣接するＢＳ１の送信電力と同等であるという条件の下では無視できないということである。

（２－２）隣接するＢＳの配下のＲＳとＭＳとの通信リンクによる干渉
　次に、あるＢＳとその配下のＲＳの間の通信が、隣接するＢＳの配下のＲＳとＭＳの間の通信によって受ける干渉の程度について、以下、図５及び図６を参照して説明する。

　図５は、このリレーシステムにおいて、隣接するセル間における干渉の一形態を示す図である。図６は、隣接するセル間における干渉の程度を、ＳＩＲのＣＤＦのシミュレーション結果として示す図である。図５では、代表的な場合として、ＢＳ０（セルＣ０）からその配下のＲＳ００への下りリンク（帯域Ｆ）と、隣接するＢＳ１（セルＣ１）の配下のＲＳ１２（又はＲＳ１１）からＭＳへの下りリンク（帯域Ｆ）とを想定している。

　図５に示す通信状況で、雑音よりも干渉が支配的であるとすると、ＲＳ００がＢＳ０から受ける信号の、ＲＳ１２による干渉に対する信号対干渉比ＳＩＲ_{ＢＳ０－ＲＳ００－ＲＳ１２}は、下記の数式６によって表現できる。なお、数式６において、ＢＳ０，ＲＳ１２の送信電力をそれぞれＰ_Ｓ，Ｐ_Ｉ、ＢＳ０，ＲＳ１２の送信アンテナ利得をＧ_Ｓ，Ｇ_Ｉと定義する。また、β_Ｓ，β_Ｉはシャドーイング減衰（互いに統計上独立なランダム変数）である。
　また、ここでは、ＢＳ０とＲＳ００の間、及びＲＳ１２とＲＳ００の間の伝播ロス（path loss；送信元からの距離に応じた電波減衰）を、それぞれＬ_{ＢＳ０－ＲＳ００}，Ｌ_{ＲＳ００－ＲＳ１２}とする。以下の数式７及び数式はそれぞれ、ｄを送信元と受信先の間の距離（ｋｍ）としたときの、Ｌ_{ＢＳ０－ＲＳ００}，Ｌ_{ＲＳ００－ＲＳ１２}を表現した一例である。

　（ｄＢスケール）

　数式６を数式３に代入すると、以下の数式９によって、ＳＩＲ_{ＢＳ０－ＲＳ００－ＲＳ１２}のＣＤＦであるＦ（ＳＩＲ_{ＢＳ０－ＲＳ００－ＲＳ１２}）が表現できる。

　上記数式９において、一例としてσ_Ｓ＝σ_Ｉ＝４．３とし、基地局間距離（ＩＳＤ：Inter-site distance）を１～５（ｋｍ）の範囲で変化させたときのＳＩＲのＣＤＦの結果（シミュレーション結果）が図６である。図６に示すように、当然ながらＩＳＤが長くなるにつれてＳＩＲが改善されるが、ＩＳＤが１～２ｋｍの短い距離であるときには、隣接するＲＳ１２による干渉が懸念される。しかしながら、ＩＳＤが１～２ｋｍの短い距離であるときには、仮にリレー局がないとしても十分なＳＩＲが得られる。したがって、リレーシステムを前提とすればＩＳＤが１～２ｋｍよりも長い距離を想定すればよく、そのような距離の下では干渉による性能劣化がほとんど見られないことが理解される。

（２－３）ＢＳからＭＳへの通信リンクと、そのＢＳ配下のＲＳからＭＳへの通信リンクとの干渉
　次に、ＢＳからＭＳへの通信と、そのＢＳ配下のＲＳからＭＳへの通信との干渉の程度について、以下、図７～１０を参照して説明する。

　図７は、このリレーシステムにおいて、ＢＳとＲＳからのＭＳへの通信同士の干渉の一形態を示す図である。図８は、ＢＳからＭＳへの通信リンクのＳＩＲのＣＤＦのシミュレーション結果を示す図である。図９は、ＲＳからＭＳへの通信リンクのＳＩＲのＣＤＦのシミュレーション結果を示す図である。図１０は、ＢＳとＭＳの通信リンク、ＲＳとＭＳの通信リンクのそれぞれに対して、ＳＩＲが所定値以上となることを保証するためのＳＩＲの要求パーセンタイル値を、ＭＳの位置との関係で示す図である。

　図７では、代表的な場合として、ＢＳ０（セルＣ０）からＭＳへの下りリンク（帯域Ｆ）と、そのＢＳ０の配下のＲＳ００からＭＳへの下りリンク（帯域Ｆ）とを想定している。すなわち、ＢＳとその配下のＲＳとで同一の帯域を再利用する場合を想定している。
　また、ここでは、干渉の観点から最悪ケースとして、ＭＳがＢＳ０とＲＳ００の直線上を移動する場合を想定し、ＭＳの位置に応じた、ＢＳ０及びＲＳ００からの信号のＳＩＲの変動について説明する。

　図７に示す通信状況で、雑音よりも干渉が支配的であるとすると、ＭＳがＢＳ０から受ける信号の、ＲＳ００による干渉に対する信号対干渉比ＳＩＲ_{ＢＳ－ＭＳ－ＲＳ}は、下記の数式１０によって表現できる。なお、数式１０において、ＢＳ０，ＲＳ００の送信電力をそれぞれＰ_Ｓ，Ｐ_Ｉ、ＢＳ０，ＲＳ００の送信アンテナ利得をＧ_Ｓ，Ｇ_Ｉと定義する。また、β_Ｓ，β_Ｉはシャドーイング減衰（互いに統計上独立なランダム変数）である。
　また、ここでは、ＢＳ０とＭＳの間、及びＲＳ００とＭＳの間の伝播ロスを、それぞれＬ_{ＢＳ－ＭＳ}，Ｌ_{ＲＳ－ＭＳ}とする。以下の数式１１及び数式１２はそれぞれ、ｄを送信元と受信先の間の距離（ｋｍ）としたときの、Ｌ_{ＢＳ－ＭＳ}，Ｌ_{ＲＳ－ＭＳ}を表現した一例である。

　（ｄＢスケール）

　数式１０を数式３に代入すると、以下の数式１３によって、ＳＩＲ_{ＢＳ－ＭＳ－ＲＳ}のＣＤＦであるＦ（ＳＩＲ_{ＢＳ－ＭＳ－ＲＳ}）が表現できる。

　同様にして、ＭＳがＲＳ００から受ける信号の、ＢＳ０による干渉に対する信号対干渉比ＳＩＲ_{ＲＳ－ＭＳ－ＢＳ}のＣＤＦは、下記の数式１４によって表現できる。

　一例として、上記数式１３においてσ_Ｓ＝９．６，σ_Ｉ＝８．２、それとは反対に、上記数式１４においてσ_Ｓ＝８．２，σ_Ｉ＝９．６、ＩＳＤ（Inter-site distance：基地局間距離）を５ｋｍ、とした場合のＳＩＲのＣＤＦの結果（シミュレーション結果）が図８及び図９である。図８は、ＭＳがＢＳから受ける信号の、そのＢＳの配下のＲＳによる干渉に対するＳＩＲを示し、図９は、ＭＳがＲＳから受ける信号の、ＢＳによる干渉に対するＳＩＲを示す。図８及び図９ともに、ＢＳとＲＳを結ぶ線上をＲＳが移動した場合の結果を示している。図８におけるＲは、ＢＳとＲＳ間の距離を１０としたときの、ＢＳからＭＳまでの距離を示す。図９におけるＲは、ＢＳとＲＳ間の距離を１０としたときの、ＲＳからＭＳまでの距離を示す。

　図８及び図９から理解されるように、干渉による大きな性能劣化を生じないようにするためには例えば、図８においてＲが４を越えないこと、さらに図９においてＲが３を越えないこと、が必要である。すなわち、ＭＳの位置とは無関係に、ＢＳからＭＳへの通信リンクと、そのＢＳ配下のＲＳからＭＳへの通信リンクの所望のＳＩＲを両立することは、困難であることを示している。

　図１０では、ＢＳとＭＳの通信リンク、ＲＳとＭＳの通信リンクのそれぞれに対して、ＳＩＲが－４ｄＢ，０ｄＢ，４ｄＢ以上となることを保証するためのＳＩＲの要求パーセンタイル値を、正規化距離との関係で示している。図１０の正規化距離は、ＢＳとＲＳ間の距離を１としたときの、ＢＳからＭＳまでの距離を意味する。
　図１０において、例えばＳＩＲが－４ｄＢであるラインにおいて、要求パーセンタイル値が０．０５（５％）であるということは、ＳＩＲが－４ｄＢ以下となる確率が０．０５であることを示している。この要求パーセンタイル値（いわば、システムの目標品質）を緩和すれば、各通信リンクにおいて所定の品質を維持できるＭＳの正規化距離が０．５に近づき、ＢＳ又はＲＳのカバレッジが大きくなることになる。この図１０から理解されることは、ＳＩＲの要求パーセンタイル値の設定によって、ＢＳ又はＲＳのカバレッジが変動しうるということである。

　図８～１０に基づき、以下の（３ａ）～（３ｂ）が理解される。
　すなわち、このリレーシステムにおいて、
　（３ａ）ＭＳが、ＢＳに比較的近い位置にあるとき、又はＭＳがセルエッジ近傍若しくはリレーゾーンにあるときには、ＢＳからＭＳへの通信リンクと、ＲＳからＭＳへの通信リンクとの間の相互の干渉は少ない。
　（３ｂ）ＭＳが、ＢＳとＲＳの中間のセルゾーン内の位置にあるとき、ＢＳからＭＳへの通信リンクと、ＲＳからＭＳへの通信リンクとの相互の干渉は無視できない。その干渉の程度又は評価は、ＭＳの位置、又はシステムの目標品質によって変動しうる。

３．第２実施形態に係る無線通信システム
　以上、各セルで周波数再利用率が１である、第１実施形態の無線通信システムにおける干渉の形態（２－１）～（２－３）を説明した。この説明を踏まえ、第２実施形態の無線通信システムについて、以下説明する。

　第２実施形態の無線通信システムでは、リレーシステムで想定される通信リンク同士の干渉を抑制するために、適切なＦＦＲ（Fractional Frequency Reuse；分割周波数再利用）が適用される。ＦＦＲは、高い周波数利用効率を実現するため、システム上割り当てられた下りリンク又は上りリンクの帯域幅を複数の帯域に分割して再利用するセル／セクタ設計方法である。なお、以下の説明では、システムに割り当てられた下りリンク又は上りリンクの帯域幅の内、ＦＦＲによって分割される個々の帯域を「サブ帯域」(sub-band)と表記する。

　（３－１）第２実施形態の無線通信システムのＦＦＲ適用方法
　第２実施形態の無線通信システムでは、ＦＦＲを適用するにあたって、第１実施形態の無線通信システムの説明を踏まえて下記（１Ａ）～（１Ｄ）に示すようにサブ帯域を割り当てる。

　（１Ａ）
　ＢＳとＲＳの通信リンク（以下、第１通信リンク）に対して、セクタ毎に異なるサブ帯域を使用する。これは、あるＢＳとその配下のＲＳとの通信が、隣接するＢＳとその配下のＲＳの間の通信によって受ける干渉を抑制するためである。

　（１Ｂ）
　ＲＳとＭＳとの通信リンク（以下、第２通信リンク）に対して、各セクタで第１通信リンクと異なるサブ帯域を使用する。これは、あるＢＳとＭＳとの通信が、隣接するＢＳとその配下のＲＳの間の通信によって受ける干渉を抑制するためである。

　（１Ｃ）
　ＢＳから所定の距離の範囲内のゾーン（第１ゾーン）にＭＳが存在する場合における、そのＭＳとＢＳとの通信リンク（以下、第３通信リンク）に対して、各セクタで第２通信リンクと同一のサブ帯域を使用する。これは、この第３通信リンクでは、第２通信リンクとの相互の干渉がほとんどないため、周波数利用効率の観点から第２通信リンクと同一のサブ帯域を使用することが好ましいためである。

　（１Ｄ）
　第１ゾーンよりＢＳから離れたゾーン（第２ゾーン）にＭＳが存在する場合における、そのＭＳとＢＳとの通信リンク（以下、第４通信リンク）に対して、第１通信リンク及び第２通信リンクのいずれとも異なるサブ帯域を使用する。これは、この第４通信リンクでは、第１通信リンク及び／又は第２通信リンクとの干渉が無視できないためである。

　なお、本実施形態の無線通信システムにおいて、ＲＳは、隣接する２つのＢＳの位置を結ぶ直線の中点近傍に配置されることが好ましい。例えば図９において、ＲＳ００は、隣接する２つのＢＳ０，ＢＳ１の位置を結ぶ直線の中点近傍に配置されることが好ましい。かかるＲＳの配置により、図９において、ＢＳ０の配下のＲＳ００は、隣接するＢＳ１からその配下のＲＳ１１，ＲＳ１２へ電波の受信信号強度がともに低くなり、干渉が発生しにくくなる。

　（３－２）ＦＦＲ適用例
　次に、本実施形態の無線通信システムにおいて、前述した第１実施形態のシステムと同一のセル・セクタ構成（図１及び図２）を適用した場合の具体的なＦＦＲ適用例について、図１１～１３に関連付けて説明する。図１１は、このＦＦＲ適用例の場合のセル単位（図１に同じ）において、各通信リンクで再利用されるサブ帯域を模式的に示す図である。図１２は、システムに割り当てられた帯域幅に対し、各通信リンクで使用されるサブ帯域を示す図である。図１３は、このＦＦＲ適用例の場合の無線通信システムにおいて、各通信リンクによるカバレッジを説明するための図である。

　図１１に示すように、この無線通信システムでは、ＢＳと、セクタＳＣ０～ＳＣ２にそれぞれ対応したＲＳ０～ＲＳ２とを備える。図１１では、ＢＳから比較的近い、ＢＳから所定の距離の範囲内のゾーン（第１ゾーン）をＺｏｎｅ１と定義する。また、Ｚｏｎｅ１よりＢＳから離れたゾーン（第２ゾーン）をＺｏｎｅ２と定義する。なお、図１１には、隣接するＢＳの配下のリレー局（ＲＳｎ０，ＲＳｎ１，ＲＳｎ２）も記載してある。

　この無線通信システムでは、上述したＦＦＲ適用方法に従い、以下（２Ａ）～（２Ｄ）のとおり、システムに割り当てられた帯域幅に対してサブ帯域の割り当てが行われる。
　（２Ａ）
　ＢＳと各セクタに対応したＲＳ０～ＲＳ２との通信リンク（第１通信リンク）に対して、それぞれ異なるサブ帯域Ｆ１，Ｆ３，Ｆ５（第１サブ帯域、第３サブ帯域、第５サブ帯域）を使用する。

　（２Ｂ）
　各ＲＳ０～ＲＳ２とＭＳとの通信リンク（第２通信リンク）に対して、各セクタで第１通信リンクと異なるサブ帯域を使用する。この例の無線通信システムでは、ＢＳとサブ帯域Ｆ１で通信するＲＳ０は、第２通信リンクとしてサブ帯域Ｆ３及びＦ５を使用する。ＢＳとサブ帯域Ｆ３で通信するＲＳ１は、第２通信リンクとしてサブ帯域Ｆ１及びＦ５を使用する。ＢＳとサブ帯域Ｆ５で通信するＲＳ２は、第２通信リンクとしてサブ帯域Ｆ１及びＦ３を使用する。すなわち、隣接する２セクタで、第２通信リンクで使用するサブ帯域が部分的に重複するように設定される。

　（２Ｃ）
　Ｚｏｎｅ１（第１ゾーン）にＭＳが存在する場合には、そのＭＳとＢＳとの通信リンク（第３通信リンク）に対して、各セクタで第２通信リンクと同一のサブ帯域を使用する。すなわち、この例の無線通信システムでは、ＭＳがセクタＳＣ０に存在する場合には、第３通信リンクとしてサブ帯域Ｆ３及びＦ５を使用する。ＭＳがセクタＳＣ１に存在する場合には、第３通信リンクとしてサブ帯域Ｆ１及びＦ５を使用する。ＭＳがセクタＳＣ２に存在する場合には、第３通信リンクとしてサブ帯域Ｆ１及びＦ３を使用する。

　（２Ｄ）
　Ｚｏｎｅ２（第２ゾーン）にＭＳが存在する場合には、そのＭＳとＢＳとの通信リンク（第４通信リンク）に対して、第１通信リンク及び第２通信リンクのいずれとも異なるサブ帯域を使用する。この例の無線通信システムでは、第１通信リンク及び第２通信リンクではサブ帯域Ｆ１，Ｆ３，Ｆ５を使用しているので、第４通信リンクでは、これらのサブ帯域（Ｆ１，Ｆ３，Ｆ５）とは異なるサブ帯域Ｆ２，Ｆ４（第２サブ帯域、第４サブ帯域）をすべてのセクタで使用する。

　上記（２Ａ）～（２Ｄ）に示したサブ帯域の割り当て態様が図１２に示してある。図１２の（ａ）～（ｃ）は、各セクタにおいて、ＢＳと、ＲＳ又はＭＳとの通信リンクに対して割り当てられたサブ帯域を示している。なお、図１２において、ＭＳ(Zone1)，ＭＳ(Zone2)は、ＭＳがそれぞれＺｏｎｅ１，２に存在することを意味している。また、図１２（ａ）において、例えば「ＢＳ－ＲＳ」は、ＢＳと、セクタＳＣ０に対応するＲＳ０との通信リンクではサブ帯域Ｆ１が使用されることを示している。
　同様に図１２の（ｄ）～（ｆ）は、各セクタに対応するＲＳ０～ＲＳ２と、ＭＳとの通信リンクに対して割り当てられたサブ帯域を示している。

　図１３では、この無線通信システムにおいて、ＢＳ及びＲＳ０～ＲＳ２によるカバレッジを点線で示している。この図に示すように、セル周辺に配置されるＲＳのカバレッジには、対応するセクタのセルゾーン（特にＺｏｎｅ２）の一部が含まれる。そのため、各セクタで、ＢＳからＺｏｎｅ２にいるＭＳへの通信リンク（第４通信リンク）と、ＲＳからＭＳへの通信リンク（第２通信リンク）とは、異なるサブ帯域を使用する必要があることが理解される。

　また、図１３は、ＢＳからＺｏｎｅ１にいるＭＳへの通信リンク（第３通信リンク）と、ＲＳからＭＳへの通信リンク（第２通信リンク）とでは、各セクタで同一のサブ帯域が使用されるため、両者のカバレッジが重複しないように設定され得ることを示している。この両者のカバレッジが重複しないようにすることは、Ｚｏｎｅ１とＺｏｎｅ２の境界の設定によっても可能であるが、より好ましくは、後述するようにＢＳ及び／又はＲＳからの送信電力を適切に設定することで最適化されうる。

　また、ＢＳからＺｏｎｅ１にあるＭＳへの通信リンク（第３通信リンク）のカバレッジと、ＲＳからＭＳへの通信リンク（第２通信リンク）のカバレッジとは、極力重複しないことが好ましい。両者で同一の周波数を使用するためである。換言すると、与えられたセル配置及びＲＳ配置の下で、第３通信リンクのカバレッジと第２通信リンクのカバレッジとが極力重複しないようにして、セル内のゾーンの境界が設定される。また、この境界の設定は、図１０に示したように、ＳＩＲの要求パーセンタイル値（システムの目標品質）にも依存する。

　なお、図１１及び図１２に示したＦＦＲの適用例は、隣接する２セクタにおいて、第２通信リンク、さらには第３通信リンクで使用されるサブ帯域が部分的に重複するように設定される、好ましい例を示している。このようなサブ帯域の重複設定により、システムの周波数利用効率がさらに向上する。

　図１２に示したＦＦＲ適用例によれば、第２実施形態の無線通信システムの全帯域における周波数再利用率(frequency
reuse factor)Ｆ_Ｒは、以下のとおりとなる。すなわち、サブ帯域Ｆ２，Ｆ４における周波数再利用率は１であり、サブ帯域Ｆ１，Ｆ３，Ｆ５における周波数再利用率は５／３であるため、以下の数式１４に示すように、Ｆ_Ｒは１．４となる。この値は、前述した第１実施形態の無線通信システムのＦ_Ｒ（＝１）よりもずっと大きく、第２実施形態の無線通信システムの周波数利用効率、さらにはスループットが非常に高いことを定量的に表している。

４．第２実施形態の無線通信システムにおける基地局、リレー局及び移動局の構成例
　次世代の無線通信システムにおける伝送方式として代表的なものに、ＩＥＥＥ８０２．１６に準拠したＯＦＤＭＡ(Orthogonal Frequency Division Multiple Access)方式がある。ＯＦＤＭＡ方式では、システム帯域内の複数のサブキャリアを適応的に割り当てること（周波数リソースの割り当て）が可能となっている。以下では、本実施形態の無線通信システムが上記ＦＦＲ適用例に従ってＯＦＤＭＡ方式による伝送を行う場合を例として、基地局、リレー局及び移動局の構成について説明する。

　以下、本実施形態の無線通信システムにおける基地局（ＢＳ）、リレー局（ＲＳ）及び移動局（ＭＳ）の構成について、図１４～１６を参照して説明する。図１４は、ＢＳの内部構成の要部を示すブロック図である。図１５は、ＲＳの内部構成の要部を示すブロック図である。図１６は、ＭＳの内部構成の要部を示すブロック図である。なお、本実施形態の無線通信システムにおいて図１１に示した３セクタ構成を採る場合、ＢＳは、セクタ毎に以下で説明する構成を備えるものとする。

　（４－１）基地局（ＢＳ）の構成
　図１４に示すように、ＢＳは、符号化変調部１０，１１、信号多重部１２、サブキャリアマッピング部１３、ＩＦＦＴ部１４、ＣＰ付加部１５、送信無線部１６、アンテナ１７、デュプレクサ１８、受信無線部１９、ＯＦＤＭ復調部２０、パイロット信号抽出部２１、受信品質測定部２２、サブキャリア割当部２３、ＭＣＳ決定部２４、制御情報生成部２５、ＣＱＩ抽出部２６、位置データ抽出部２７（位置検出部）を備える。デュプレクサ１８（ＤＰＸ）は、送受信系でアンテナ１７を共用するために設けられる。

　符号化変調部１０は、ビットデータ系列からなる制御情報に対し、所定の誤り訂正符号化を施し、更に所定の変調多値数の変調方式（例えばＢＰＳＫ変調、ＱＰＳＫ変調）を用いてシンボルデータ系列信号を生成する。ここで、誤り訂正符号化を行う際の符号化率及び変調多値数は、予め設定された固定のものを用いる。一般的に、制御情報は、高品質伝送を必要とするためＢＰＳＫ変調或いはＱＰＳＫ変調で、低い符号化率を用いて伝送される。

　符号化変調部１１は、ビットデータ系列からなるユーザデータに対し、所定の誤り訂正符号化を施し、更に所定の変調多値数の変調方式（例えばＱＰＳＫ、１６ＱＡＭ、６４ＱＡＭ変調）を用いてシンボルデータ系列信号を生成し、信号多重部１２に出力する。信号多重部１２は、符号化変調部１０，１１からの入力を多重し、周波数データブロックとして、サブキャリアマッピング部１３に出力する。

　サブキャリアマッピング部１３は、信号多重部１２の出力である周波数データブロックを、特定のサブキャリアにマッピング（以下、サブキャリアマッピング）し、ＩＦＦＴ部１４に出力する。このとき、サブキャリアマッピング部１３は、サブキャリア割当部２３からのサブキャリア割当情報（サブブキャリア数、サブキャリア番号等）を用いてマッピングを行う。

　ＩＦＦＴ(Inverse Fast Fourier Transform)部１４は、サブキャリアマッピング部１３の出力を、逆高速フーリエ変換して、ＣＰ付加部１５に出力する。ＣＰ付加部１５は、ＩＦＦＴ部１４から入力した送信データにＣＰ（Cyclic
Prefix）を用いたガード区間を挿入して送信無線部１６へ出力する。

　送信無線部１６は、ＣＰ付加部６５からの送信データを、ベースバンド周波数から無線周波数へアップコンバート等した後、アンテナ１７から空間へ放射する。

　受信無線部１９は、受信した無線信号に対し、増幅処理、帯域制限処理及び周波数変換処理を施し、同相（Inphase）信号及び直交（Quadrature
Phase）信号からなる複素のベースバンド信号として出力する。

　ＯＦＤＭ復調部２０は、入力された各々のベースバンド信号に対しＯＦＤＭ復調を施す。すなわち、時間及び周波数同期処理後に、ＧＩ（Guard Interval）除去、ＦＦＴ（Fast Fourier Transform）処理、直列並列変換処理を行う。

　パイロット信号抽出部２１は、ＯＦＤＭ復調部２０から入力された受信信号より、ＭＳ又はＲＳから送信されたパイロット信号を抽出して受信品質測定部２２へ出力する。ＣＱＩ抽出部２６は、ＯＦＤＭ復調部２０から入力された受信信号より、ＭＳから送信されたチャネル品質情報(ＣＱＩ：Channel Quality Information)を抽出してサブキャリア割当部２３へ出力する。

　受信品質測定部２２は、パイロット信号抽出部２１の出力に基づいてサブキャリア毎の受信品質を測定する。具体的には、受信品質測定部２２は、パイロット信号抽出部２１からのパイロット信号を用いて、サブキャリア毎の受信品質を測定してサブキャリア割当部２３に出力する。この受信品質として、パイロット信号に基づく、ＣＩＲ（Carrier to Interferer Ratio）またはＳＩＲ（Signal to Interferer Ratio）、ＳＮＲ（Signal
to Noise Ratio）等の任意の測定値を用いる。

　また、サブキャリア割当部２３は、ＣＱＩ抽出部２６により抽出された、各サブキャリアのＣＱＩを用いて、ＭＳ又はＲＳに対する下りリンクのサブキャリアを割り当てる。具体的には、サブキャリア割当部２３は、サブキャリア割当情報として、サブブキャリア数、サブキャリア番号等を設定する。ここでは、ＭＳ又はＲＳからのＣＱＩが良好となる（品質が高くなる）サブキャリアが割り当てられる。

　サブキャリア割当部２３は、受信品質測定部２２により測定された、サブキャリア毎の受信品質を用いて、ＭＳ又はＲＳからの上りリンクのサブキャリアを割り当てる。具体的には、サブキャリア割当部２３は、サブキャリア割当情報として、サブブキャリア数、サブキャリア番号等を設定する。ここでは、ＭＳ又はＲＳからの受信品質が高くなるようなサブキャリアが割り当てられる。

　また、サブキャリア割当部２３は、ＲＳを介さずにＭＳと直接通信を行うときには、位置データ抽出部２７により抽出された、ＭＳの位置データを用いて、そのＭＳに対する下りリンク又は上りリンクのサブキャリアを割り当てる。例えばセクタＳＣ０に対応するサブキャリア割当部２３は、位置データに基づきＭＳがＺｏｎｅ１に属する場合にはそのＭＳに対して帯域Ｆ３，Ｆ５からサブキャリアを割り当てるとともに、ＭＳがＺｏｎｅ２に属する場合にはそのＭＳに対して帯域Ｆ２，Ｆ４からサブキャリアを割り当てる（図１２参照）。
　なお、サブキャリア割当部２３は、第１通信部及び第２通信部の一実施形態である。

　つまり、サブキャリア割当部２３は、対応するセクタに応じて、通信先（ＲＳ又はＭＳ）と、通信先がＭＳである場合にはそのＭＳの位置とに基づいて予め定められた帯域（図１２参照）の内、下りリンク又は上りリンクの信号品質が高くなるようなサブキャリアを適応的に割り当てる。そして、サブキャリア割当部２３は、サブキャリア割当情報を、サブキャリアマッピング部１３とＭＣＳ決定部２４に出力する。

　ＭＣＳ決定部２４は、サブキャリア割当部２３からのサブキャリア割当情報と各サブキャリアの受信品質の情報を基に、サブキャリア毎或いは複数のサブキャリアをセットにしたサブキャリアブロック毎に、変調多値数及び符号率等のＭＣＳ(Modulation and Coding Schemes)情報を適応的に選択して制御情報生成部２５に出力する。制御情報生成部２５は、ＭＣＳ情報及びサブキャリア割当情報を含む制御信号を生成し、制御情報として符号化変調部１０に出力する。

　（４－２）リレー局（ＲＳ）の構成
　ＲＳはＭＳから見ればＢＳと同様の動作を行い、その構成は、図１５に示すようにＢＳと類似している。以下では、図１５において、図１４に示したＢＳの構成部位と同一名称の部位については、重複説明を行わない。

　この無線通信システムでは、ＢＳとＲＳとの通信の帯域と、ＲＳとＭＳとの通信の帯域とが異なるため、ＲＳにおいてサブキャリアの割り当てを再設定することが必要となる。

　このサブキャリアの割り当ての再設定は、以下のように行われる。
　先ず、ユーザデータ抽出部４７は、ＯＦＤＭ復調部４０から入力された受信信号より、ＢＳ又はＭＳから送信されたユーザデータを抽出する。この抽出されたユーザデータは、符号化変調部３１及び信号多重部３２を経て、周波数データブロックとして、サブキャリアマッピング部３３に取り込まれる。

　サブキャリア割当部４３は、対応するセクタに応じて、通信先（ＢＳ又はＭＳ）に基づいて決定される帯域（図１２参照）の中で、信号品質が高くなるようなサブキャリアを適応的に割り当てる。例えば、セクタＳＣ０に対応するＲＳ０が、ＢＳからＭＳに対する下りリンクを中継する場合、帯域Ｆ３，Ｆ５の中から信号品質の高いサブキャリアが割り当てられる。このように、ＲＳでは、例えば下りリンクにおいて、ユーザデータは、ＢＳからの受信信号からいったん抽出された後、ＲＳとＭＳとの通信に割り当てられた帯域内のサブキャリアに新たにマッピングし直される。
　なお、サブキャリア割当部４３は、第３通信部の一実施形態である。

　（４－３）移動局（ＭＳ）の構成
　図１６に示すように、ＭＳは、アンテナ５０、デュプレクサ５１、受信無線部５２、ＯＦＤＭ復調部５３、制御情報抽出部５４、復調復号部５５、サブキャリア割当情報抽出部５６、パイロット信号抽出部５７、ＭＣＳ情報抽出部５８、ＣＱＩ測定部５９、符号化変調部６０、符号化変調部６１、信号多重部６２、サブキャリアマッピング部６３、ＩＦＦＴ部６４、ＣＰ付加部６５、送信無線部６６、パイロット信号生成部６７、位置データ算出部６８を備える。デュプレクサ５１（ＤＰＸ）は、送受信系でアンテナ５０を共用するために設けられる。

　符号化変調部６０は、ビットデータ系列からなるユーザデータに対し、所定の誤り訂正符号化を施し、更に所定の変調多値数の変調方式（例えば、ＱＰＳＫ、１６ＱＡＭ、６４ＱＡＭ変調）を用いてシンボルデータ系列信号を生成し、信号多重部６２に出力する。ここで、誤り訂正符号化を行う際の符号化率及び変調多値数に関するＭＣＳ情報（Modulation and Coding Schemes）は、ＢＳから送信される制御信号からＭＣＳ情報を抽出するＭＣＳ情報抽出部５８の出力に基づいて設定する。この設定により伝搬路状況に応じた適応変調が可能となっている。

　符号化変調部６１は、ビットデータ系列からなる制御情報に対し、所定の誤り訂正符号化を施し、更に所定の変調多値数の変調方式（例えばＢＰＳＫ変調、ＱＰＳＫ変調）を用いてシンボルデータ系列信号を生成する。ここで、誤り訂正符号化を行う際の符号化率及び変調多値数は、予め固定のものを用いる。一般的に、制御情報は高品質伝送を必要とするためＢＰＳＫ変調或いはＱＰＳＫ変調で、低い符号化率を用いて伝送する。

　位置データ算出部６８は、図示しないＧＰＳ(Global Positioning System)衛星からのＧＰＳ信号を受信して自局の位置データを逐次算出する。このＧＰＳ測位方式は、４機以上のＧＰＳ衛星から受信した信号の到着時間から三角測量法の原理によって位置を算出する方法である。位置データは、制御情報とともに符号化変調部６１へ入力される。なお、位置データ算出部６８において自局の位置を算出する方法は、ＧＰＳ信号を用いる方法のほか、いかなる公知の位置算出方法を利用することができる。例えば、ＧＰＳ測位方式よりも精度は劣るが、３局以上のＢＳから受信した同期信号の遅延時間から三角測量法の原理によって位置を算出する方法を利用してもよい。

　信号多重部６２は、符号化変調部６０，６１からの入力を多重し、周波数データブロックとして、サブキャリアマッピング部６３に出力する。

　サブキャリアマッピング部６３は、信号多重部６２の出力である周波数データブロックを、特定のサブキャリアにマッピング（以下、サブキャリアマッピング）し、ＩＦＦＴ部６４に出力する。このとき、サブキャリアマッピング部６３は、サブキャリア割当情報抽出部５６で抽出されたサブキャリア割当情報（サブブキャリア数、サブキャリア番号等）を用いてマッピングを行う。

　ＩＦＦＴ部６４は、サブキャリアマッピング部６３の出力を、逆高速フーリエ変換して、ＣＰ付加部６５に出力する。ＣＰ付加部６５は、ＩＦＦＴ部６４から入力した送信データにＣＰ（Cyclic Prefix）を用いたガード区間を挿入して送信無線部６６へ出力する。送信無線部６６は、ＣＰ付加部６５からの送信データを、ベースバンド周波数から無線周波数へアップコンバート等してアンテナ５０から空間へ放射する。

　受信無線部５２は、アンテナ５０にて受信した無線信号に対し、増幅処理、帯域制限処理及び周波数変換処理を施し、同相（Inphase）信号及び直交（Quadrature Phase）信号からなる複素のベースバンド信号として出力する。

　ＯＦＤＭ復調部５３は、入力された各々のベースバンド信号に対しＯＦＤＭ復調を施す。すなわち、時間及び周波数同期処理後に、ＧＩ（Guard Interval）除去、ＦＦＴ（Fast Fourier Transform）処理、直列並列変換処理を行う。

　制御情報抽出部５４は、ＯＦＤＭ復調部５３から入力した受信信号より、ＢＳからの制御情報を抽出して復調復号部５５へ出力する。この制御信号には、サブキャリア割当情報、パイロット信号、及びＭＣＳ情報が含まれる。サブキャリア割当情報抽出部５６、パイロット信号抽出部５７、及びＭＣＳ情報抽出部５８は、復調復号部５５で復調処理及び復号化処理された制御情報から、それぞれサブキャリア割当情報、パイロット信号、及びＭＣＳ情報を抽出する。
　なお、サブキャリア割当情報抽出部５６及びサブキャリアマッピング部６３は、第４通信部、第５通信部、第６通信部を構成する。

　ＣＱＩ測定部５９は、パイロット信号抽出部５７の出力に基づいて各サブキャリアのチャネル品質情報(ＣＱＩ：Channel
Quality Information)を測定する。具体的には、ＣＱＩ測定部５９は、パイロット信号抽出部５７からのパイロット信号を用いて、サブキャリア毎のＣＱＩを測定して信号多重部６２へ出力する。ＣＱＩとして、パイロット信号に基づく、ＣＩＲ（Carrier
to Interferer Ratio）またはＳＩＲ（Signal to Interferer Ratio）、ＳＮＲ（Signal to Noise
Ratio）等の任意の測定値を適用することができる。この各サブキャリアのＣＱＩは、ＭＳに対する下りリンクの信号品質を表している。各サブキャリアのＣＱＩはＢＳ又はＲＳへ送信され、ＭＳへの下りリンクのサブキャリアの割り当てに利用される。

　パイロット信号生成部６７は、ＢＳ又はＲＳに対し予め既知となる信号系列であるパイロット信号を生成し、信号多重部６２に出力する。ここで、パイロット信号に用いる信号系列は、パイロット信号抽出部５７の出力に基づいて設定される。

　以上のＢＳ、ＲＳ及びＭＳの構成によって、ＢＳとＲＳの間、及びＲＳとＭＳの間のＯＦＤＭＡ方式による無線通信では、個々の通信に割り当てられた帯域のサブキャリアによって高品質な無線通信が可能となる。その際、ＲＳでは、帯域の変更に応じた、サブキャリアの再割り当てが行われる。

５．基地局及び／又はリレー局による送信電力の制御
　次に、第２実施形態の無線通信システムの好ましい変形例として、ＢＳ及び／又はＲＳによる送信電力の適切な制御について、図１７を参照して説明する。図１７は、実施形態の無線通信システムにおいて、ＢＳ及び／又はＲＳの好ましい送信電力を説明するための図である。

　図１７の（ａ）～（ｃ）は、各セクタにおいて、ＢＳとＲＳ、若しくはＢＳとＭＳとの通信リンクに対して割り当てられたサブ帯域と、ＢＳの送信電力（ＰＳＤ：電力スペクトル密度）との関係を示している。図１７において、ＭＳ(Zone1)，ＭＳ(Zone2)は、ＭＳがそれぞれＺｏｎｅ１，２に存在することを意味する。また、図１７の（ｄ）～（ｆ）は、各セクタに対応したＲＳ０～ＲＳ２とＭＳとの通信リンクに対して割り当てられたサブ帯域と、ＲＳの送信電力（ＰＳＤ）との関係を示している。図１７において各通信リンクに対するサブ帯域は、図１２に示したものと同一である。

　（５－１）ＢＳからＭＳへの送信電力制御
　第２実施形態の無線通信システムでは、（３－１）（１Ｃ）で説明したように、ＢＳから所定の距離の範囲内のＺｏｎｅ１（第１ゾーン）にＭＳが存在する場合には、そのＭＳとＢＳとの通信リンク（第３通信リンク）に対して、各セクタで第２通信リンクと同一のサブ帯域が使用される。このとき、上記Ｚｏｎｅ１はＢＳに比較的近い領域であるため、上記第３通信リンクでは、Ｚｏｎｅ１よりも遠い位置にあるＭＳへの通信リンク（第４通信リンク）と比較して、ＢＳからの送信電力を低下させることが電力効率の観点から好ましい。また、Ｚｏｎｅ１にあるＭＳに対する送信電力を低下させることは、隣接するＢＳからその配下のＲＳに対する通信との干渉が回避される点からも好ましい。

　図１１及び図１２を参照して説明した３セクタ構成の無線通信システムの例では、図１７（ａ）～（ｃ）に示すように、各セクタで、上記第３通信リンク（BS-MS(Zone1)）におけるＰＳＤが上記第４通信リンク（BS-MS(Zone2)）におけるＰＳＤよりも低くなるように設定する。このような設定により、図１１において、例えばセクタＳＣ０においてサブ帯域Ｆ３，Ｆ５を使用する第３通信リンク（BS-MS(Zone1)）では、隣接するＢＳからその配下のＲＳｎ１，ＲＳｎ２への通信（それぞれサブ帯域Ｆ３，Ｆ５を使用）との干渉を回避することができる。同様に、セクタＳＣ１においてサブ帯域Ｆ１，Ｆ５を使用する第３通信リンク（BS-MS(Zone1)）では、隣接するＢＳからその配下のＲＳｎ０，ＲＳｎ２への通信（それぞれサブ帯域Ｆ１，Ｆ５を使用）との干渉を回避することができる。セクタＳＣ２においてサブ帯域Ｆ１，Ｆ３を使用する第３通信リンク（BS-MS(Zone1)）では、隣接するＢＳからその配下のＲＳｎ０，ＲＳｎ１への通信（それぞれサブ帯域Ｆ１，Ｆ３を使用）との干渉を回避することができる。

　（５－２）ＢＳからＲＳへの送信電力制御
　ＢＳからＺｏｎｅ１にあるＭＳに対する通信と、隣接するＢＳからその配下のＲＳに対する通信との間の干渉を回避するためには、ＢＳからＲＳへの送信電力をある程度抑制することが好ましい。かかる観点から、ＢＳからＲＳへの送信電力の値を、ＢＳからＺｏｎｅ１にあるＭＳに対する送信電力の値と、ＢＳからＺｏｎｅ２（第２ゾーン）にあるＭＳに対する送信電力の値の間に設定することが有効である。

　（５－３）ＲＳからＭＳへの送信電力制御
　第２実施形態の無線通信システムでは、（３－１）（１Ｂ）で説明したように、ＲＳとＭＳとの通信リンク（第２通信リンク）に対して、各セクタで第１通信リンク（ＢＳとＲＳの通信リンク）と異なるサブ帯域が使用される。そのため、システム上規定された帯域を各セクタで有効に使用するために、隣接する２セクタのＲＳで上記第２通信リンクに使用されるサブ帯域が重複する場合が好ましいことは前述したとおりである。かかる場合には、その重複している帯域では、その隣接する２セクタのＲＳのうち一方のＲＳの送信電力が、他方のＲＳの送信電力よりも低くなるように設定することがさらに好ましい。これにより、隣接する２セクタのＲＳからＭＳへの下りリンク同士の干渉が回避される。

　図１１及び図１２を参照して説明した３セクタ構成の無線通信システムの例で説明すると以下のとおりである。すなわち、図１７（ｅ），（ｆ）に示すように、隣接するセクタのＲＳ１，ＲＳ２で重複して使用されるサブ帯域Ｆ１では、一方のＲＳ１の送信電力（図１７のＰ１）が、他方のＲＳ２の送信電力（図１７のＰ２）よりも低くなる（すなわち、Ｐ１＜Ｐ２となる）ように設定する。図１７（ｄ），（ｆ）に示すように、隣接するセクタのＲＳ０，ＲＳ２で重複して使用されるサブ帯域Ｆ３では、一方のＲＳ２の送信電力が、他方のＲＳ０の送信電力よりも低くなるように設定する。図１７（ｄ），（ｅ）に示すように、隣接するセクタのＲＳ０，ＲＳ１で重複して使用されるサブ帯域Ｆ５では、一方のＲＳ０の送信電力が、他方のＲＳ１の送信電力よりも低くなるように設定する。

　このような設定により、図１１において、例えばセクタＳＣ０のＲＳ０（サブ帯域Ｆ３，Ｆ５を使用）は、他のＢＳの配下の隣接するＲＳｎ１（サブ帯域Ｆ１，Ｆ５を使用するＲＳ）とで重複する、サブ帯域Ｆ５を使用した下りリンクの通信で、干渉を回避することができる。同様に、このＲＳ０（サブ帯域Ｆ３，Ｆ５を使用）は、他のＢＳの配下の隣接するＲＳｎ２（サブ帯域Ｆ１，Ｆ３を使用するＲＳ）とで重複する、サブ帯域Ｆ３を使用した下りリンクの通信で、干渉を回避することができる。

　なお、送信電力を制御するためのハードウエア又はソフトウエアの構成として、当業者に公知のいかなる構成を利用してもよい。

６．第２実施形態の無線通信システムの性能評価
　発明者は、第２実施形態に係る無線通信システムの性能向上について検証するために、システムレベルのシミュレーションに基づく性能評価を行った。

　（６－１）シミュレーションの前提条件
　このシミュレーションは、以下の表１～４の前提の下で行われた。表１は、シミュレーションにおけるセルとネットワークの構成に関するパラメータを示す。表２は、シミュレーションにおけるシステムレベルの前提条件を示す。表３は、シミュレーションにおける各通信リンクの伝播ロス及びシャドーイング減衰の条件を示す。なお、シミュレーション上、セルの形態、及びセクタに対応したＲＳの配置は、図１に示したものと同様である。

　このシミュレーションでは、第１実施形態の無線通信システムと、図１７に示した第２実施形態の無線通信システム（送信電力制御を行う場合）とについて、ジオメトリとスループットが比較された。なお、ジオメトリ(Geometry)とは、長期間（例えば５００ｍｓ等）での信号対干渉プラス雑音比(long-term
signal-to-interference and noise ration (SINR))を意味する。長期間でのＳＩＮＲを算出するのは、初期のフェージングによる影響を無視できるようにするためである。

　第１実施形態の無線通信システムは、シミュレーションのモデル上、図１８に示すように、ＢＳとＲＳとの通信リンク、ＢＳとＭＳとの通信リンク、ＲＳとＭＳとの通信リンク、のそれぞれに対して、周波数再利用率が１となるように設計されている。すなわち、第１実施形態の無線通信システムでは、ＢＳとＲＳとの通信リンクに対して、各セクタでサブ帯域Ｆ１が使用される。ＢＳとＭＳとの通信リンクに対して、各セクタでサブ帯域Ｆ２が使用される。ＲＳとＭＳとの通信リンクに対して、各セクタでサブ帯域Ｆ３が使用される。

　第２実施形態の無線通信システムは、シミュレーションのモデル上、下表４に示す送信電力制御が行われることを想定した。この表４では、図１７（ａ）～（ｆ）の各々の通信リンクと同一の順序で記載されている。また、表４では、各通信リンクにおけるＢＳ又はＲＳの送信電力を、各セクタでＢＳからＺｏｎｅ１にあるＭＳに対する送信電力を１０とした場合の比率で示している。

　（６－２）ジオメトリ性能の結果
　上記前提条件の下で行ったジオメトリ性能の結果を、図１９～２１に示す。図１９は、ＢＳとＲＳの通信リンクにおけるジオメトリのＣＤＦを示す図である。図２０は、ＢＳとＭＳの通信リンクにおけるジオメトリのＣＤＦを示す図である。図２１は、ＲＳとＭＳの通信リンクにおけるジオメトリのＣＤＦを示す図である。

　図１９に示すように、第２実施形態の無線通信システムでは、ＢＳとＲＳの通信リンクにおいて、第１実施形態のものよりも約３ｄＢの利得向上が得られた。図２０に示すように、第２実施形態の無線通信システムでは、ＢＳとＭＳの通信リンクにおいて、ＭＳが第２ゾーンにあるとき（サブ帯域Ｆ２，Ｆ４を使用）、ジオメトリが０～１５ｄＢの範囲内で約５ｄＢの利得が得られた。ＭＳがＺｏｎｅ１にあるとき（サブ帯域Ｆ１，Ｆ３，Ｆ５を使用）、ジオメトリが低いときに損失が発生するものの、ジオメトリが０ｄＢ以上の範囲では第１実施形態の無線通信システムと大差ない結果となった。図２１に示すように、第２実施形態の無線通信システムでは、ＲＳとＭＳの通信リンクにおけるジオメトリは第１実施形態のシステムとほぼ同一であった。
　以上から、ジオメトリ性能に関し、第２実施形態の無線通信システムは、第１実施形態のシステムよりも優れていることが理解される。

　（６－３）スループット性能の結果
　上記前提条件の下で行ったスループット性能の結果を、図２２～２４及び表５に示す。図２２は、ＢＳとＲＳの通信リンクにおけるユーザスループットのＣＤＦを示す図である。図２３は、ＢＳとＭＳの通信リンクにおけるユーザスループットのＣＤＦを示す図である。図２４は、ＲＳとＭＳの通信リンクにおけるユーザスループットのＣＤＦを示す図である。表５は、各通信リンクにおけるセクタスループット(bps/Hz)の結果を示している。なお、このスループット性能評価では、上記前提条件に加え、各セクタで１０局のＭＳが存在し、各ＭＳに対して平等にスケジューリングするという条件の下で行われた。

　図２２～２４及び表５から明らかなように、スループット性能に関し、第２実施形態の無線通信システムは、第１実施形態のシステムよりも優れていることが理解される。

Claims

　基地局と、移動局と、セクタ毎に設けられて基地局と移動局との間の通信を中継するリレー局と、を備え、割り当てられた帯域を複数のサブ帯域に分割して使用する無線通信システムであって、
　基地局とリレー局との第１通信リンクに対して、セクタ毎に異なるサブ帯域を使用し、
　リレー局と移動局との第２通信リンクに対して、各セクタで前記第１通信リンクと異なるサブ帯域を使用し、
　基地局から所定の距離の範囲内の第１ゾーンに移動局が存在する場合には、その移動局と基地局との第３通信リンクに対して、各セクタで前記第２通信リンクと略同一のサブ帯域を使用し、
　前記第１ゾーンより基地局から離れた第２ゾーンに移動局が存在する場合には、その移動局と基地局との第４通信リンクに対して、前記第１通信リンク及び前記第２通信リンクのいずれとも異なるサブ帯域を使用する、無線通信システム。
　隣接する２セクタのリレー局において、前記第２通信リンクで使用されるサブ帯域が部分的に重複するように設定される、
　請求項１に記載された無線通信システム。
　第１、第２及び第３セクタからなる３セクタ構成であって、
　前記第１通信リンクに対して、第１セクタ、第２セクタ及び第３セクタでそれぞれ第１サブ帯域、第２サブ帯域及び第３サブ帯域を使用し、
　前記第２通信リンクに対して、第１セクタで第３サブ帯域及び第５サブ帯域、第２セクタに対して第１サブ帯域及び第５サブ帯域、第３セクタに対して第１サブ帯域及び第３サブ帯域、をそれぞれ使用し、
　前記第４通信リンクに対して、すべてのセクタで第２サブ帯域及び第４サブ帯域を使用する、
　請求項１に記載された無線通信システム。
　隣接する２セクタのリレー局において、前記第２通信リンクに使用されるサブ帯域が記部分的に重複している帯域では、前記２セクタのリレー局のうち一方のリレー局の送信電力が、他方のリレー局の送信電力よりも低くなるように設定される、
　請求項２又は３に記載された無線通信システム。
　前記第３通信リンクにおける送信電力が、前記第４通信リンクにおける送信電力よりも低くなるように設定される、
　請求項１～４のいずれかに記載された無線通信システム。
　前記リレー局は、隣接する２基地局の位置を結ぶ直線の中点近傍に配置される、
　請求項１～５のいずれかに記載された無線通信システム。
　割り当てられた帯域を複数のサブ帯域に分割して使用する無線通信システムに属し、移動局と、セクタ毎に設けられて移動局との間の通信を中継するリレー局との無線通信を行う基地局であって、
　前記無線通信システムでは、基地局とリレー局との第１通信リンクに対してセクタ毎に異なるサブ帯域を使用し、かつ、リレー局と移動局と間の第２通信リンクに対して各セクタで前記第１通信リンクと異なるサブ帯域を使用するように予め設定されており、
　前記基地局は、
　　移動局が、自基地局から所定の距離の範囲内の第１ゾーンに存在するか、又は前記第１ゾーンより自局から離れた第２ゾーンに存在するかを検出する位置検出部と、
　　前記位置検出部が、前記第１ゾーンに移動局が存在することを検出した場合には、その移動局との第３通信リンクに対して、各セクタで前記第２通信リンクと略同一のサブ帯域を使用する第１通信部と、
　　前記位置検出部が、前記第２ゾーンに移動局が存在することを検出した場合には、その移動局と自局との第４通信リンクに対して、前記第１通信リンク及び前記第２通信リンクのいずれとも異なるサブ帯域を使用する第２通信部と、
　を備えた、基地局。
　割り当てられた帯域を複数のサブ帯域に分割して使用する無線通信システムに属し、基地局と移動局との無線通信を中継するリレー局であって、
　前記無線通信システムでは、基地局とリレー局との第１通信リンクに対してセクタ毎に異なるサブ帯域を使用するように予め設定されており、
　前記リレー局は、自リレー局と移動局と間の第２通信リンクに対して、セクタ毎に前記第１通信リンクとは異なるサブ帯域を使用する第３通信部、を備え、
　前記第３通信部が使用するサブ帯域は、
　　前記無線通信システムにおいて、基地局が自基地局から所定の距離の範囲内の第１ゾーンに存在する移動局との間の第３通信リンクで使用するサブ帯域とは、略同一であって、かつ、基地局が自基地局から前記第１ゾーンより離れた第２ゾーンに存在する移動局との間の第４通信リンクで使用するサブ帯域とは異なる、
　リレー局。
　割り当てられた帯域を複数のサブ帯域に分割して使用する無線通信システムに属し、基地局と、セクタ毎に設けられて基地局との間の通信を中継するリレー局との無線通信を行う移動局であって、
　前記無線通信システムでは、基地局とリレー局との第１通信リンクに対して、セクタ毎に異なるサブ帯域を使用するように予め設定されており、
　前記移動局は、
　　リレー局と自移動局と間の第２通信リンクに対して、各セクタで前記第１通信リンクと異なるサブ帯域を使用する第４通信部と、
　基地局から所定の距離の範囲内の第１ゾーンに自移動局が存在する場合には、自移動局と基地局との間で行われる第３通信リンクに対して、各セクタで前記第２通信リンクと略同一のサブ帯域を使用する第５通信部と、
　前記第１ゾーンより基地局から離れた第２ゾーンに自局が存在する場合には、自移動局と基地局との間で行われる第４通信リンクに対して、前記第１通信リンク及び前記第２通信リンクのいずれとも異なるサブ帯域を使用する第６通信部と、
　を備えた、移動局。