JP4664261B2 - 動的なサブチャネル割り当てのための方法、送信機、受信機およびシステム - Google Patents

Description

本発明は、例えばセルラー方式、アドホック方式およびマルチホップ方式のネットワークにおけるマルチユーザーアクセスのための動的なサブチャネル割り当ておよび媒体アクセス制御（ＭＡＣ）の分野に関する。

スペクトル拡散技術とは異なり、ＯＦＤＭ（直交周波数分割多重通信）技術には、全周波数あるいはサブチャネルの再利用が可能であるように多重セル環境において使用される内蔵式干渉抵抗メカニズム（in-built interference resistance mechanism）を有していない。したがって、同一チャネル干渉（ＣＣＩ）を効率的に抑制しようとするために、インテリジェントサブチャネル再利用スキーム（intelligent sub-channel reuse scheme）の有する課題が、公然の問題となる。さらに、アドホック方式あるいはマルチホップ方式のネットワークでは、中央の無線リソース管理あるいはサブチャネル管理の制御の欠如によって、更なる別の問題が加わる。

前述の問題に対処することを意図するいくつかのアプローチが存在している。

第１として、それぞれが特定の周波数再利用パターンによる異なるセルにおいて利用される副帯域へ全体の無線周波数帯域が再分割されるセルラー方式概念の利用である。大きい帯域幅に左右されるブロードバンド無線アクセスについては、当初は低速回路切換サービス（low rate circuit switched service）のために特化されたこの解決法は、実行不可能であるか、あるいは少なくとも極めて効率の悪い解決法である。

第２として、サブチャネル（周波数）ホッピングの利用であるが、このことは、利用可能なリソースの体系的な開発を欠いている。結果として、このアプローチは、低負荷の状況においてだけ良好に機能するものである。調整（シグナリングオーバヘッド）がほとんど必要とされないので、主な利点は複雑性における減少である。

第３として、ＣＳＭＡ−ＣＡ（キャリア検知多重アクセス−衝突回避）のようなチャネル検知プロトコルあるいはランダムＭＡＣプロトコルの使用である。最先端のプロトコルの多くは、結果として、乏しいスペクトル効率、および／または大きいシグナリングオーバヘッドに陥る。

非特許文献１において、以下のこと、すなわち［１］ビジー音（busy-tone）を利用するＴＤＤによるエアインターフェースのために特化された新しいＭＡＣプロトコルが、短時間枠と組み合わされると、単一キャリア送信において高いスペクトル効率を達成できることを示している。
Ｐ．Ｏｍｉｙｉ ａｎｄ Ｈ．Ｈａａｓ，「Ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ Ｔｉｍｅ−Ｓｌｏｔ Ａｌｌｏｃａｔｉｏｎ ｉｎ ４ｔｈ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ＯＦＤＭ／ＴＤＭＡ ＴＤＤ Ｒａｄｉｏ Ａｃｃｅｓｓ Ｎｅｔｗｏｒｋｓ ｗｉｔｈ Ｉｎｎｏｖａｔｉｖｅ Ｃｈａｎｎｅｌ−Ｓｅｎｓｉｎｇ」，Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ ＩＣＣ‘０４，ｖｏｌ．６，Ｐａｒｉｓ，Ｆｒａｎｃｅ：ＩＥＥＥ，ｐｐ．３１３３−３１３７，（２００４年６月２０〜２４日）

Ｈａｒａｌｄ ＨａａｓおよびＰｅｔｅｒ Ｏｍｉｙｉによる特許文献１の「Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ Ｎｅｔｗｏｒｋ Ｕｓｉｎｇ Ｒｅｓｅｒｖａｔｉｏｎ Ｉｎｄｉｃａｔｏｒ」、または特許文献２あるいは特許文献３の「Ｉｎｔｅｒ−Ｃｅｌｌ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ Ｍｉｔｉｇａｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ Ｕｓｉｎｇ Ｒｅｓｅｒｖａｔｉｏｎ Ｉｎｄｉｃａｔｏｒｓ」は、先に言及したアプローチに基づいている。しかしながら、このアプローチあるいはプロトコルは、ブロードバンド無線アクセスにおいて観察される周波数選択性を満たしていない。
ＰＣＴ／ＥＰ ２００４／０１１８４０号 ＷＯ ２００５／０４１４９４号 ＥＰ １ ５２６ ６８５号

本発明の目的は、ブロードバンド無線アクセスシステムについての動的なサブチャネル割り当てのための改善された概念を提供することである。

本目的は、請求項１に記載の動的なサブチャネル割り当てのための方法、請求項１１によるコンピュータプログラム、請求項１２に記載の送信機、請求項１３に記載の受信機および請求項１４に記載の動的なサブチャネル割り当てのためのシステムによって、達成される。

本発明によれば、複数のサブチャネルを有する通信チャネルを備えている通信システムにおいて送信機と受信機との間の通信の動的なサブチャネル割り当てのための方法であって、前記通信システム内の各サブチャネルにおける通信を示すそれぞれのビジー信号（busy-signal）を前記複数のサブチャネルから送信機で受信するステップと、前記サブチャネルから受信された前記ビジー信号が、所定の第１の閾値に等しいかあるいはそれよりも大きく、かつ、前記サブチャネルが、或る先行の通信間隔（communication interval）において前記送信機と前記受信機との間の通信のために使用された場合に、または、前記サブチャネルから受信された前記ビジー信号が、所定の第２の閾値に等しいかあるいはそれよりも小さく、かつ、前記サブチャネルが、或る先行の通信間隔（期間）において前記送信機と前記受信機との間の通信のために使用されなかった場合に、前記送信機と前記受信機との間の通信における１つ以上のサブチャネルを、前記通信のためのサブチャネルを割り当てることによって選択するステップとを含んでいる動的なサブチャネル割り当てのための方法が提供される。

さらにまた、本発明によれば、コンピュータ上で実行される際に本発明に係る方法を実行するためのプログラムコードを有するコンピュータプログラムが提供される。

さらにまた、本発明によれば、複数のサブチャネルを有する通信チャネルを備えている通信システムにおいて受信機との通信の動的なサブチャネル割り当てのための送信機であって、前記複数のサブチャネルから前記通信システム内の各サブチャネルにおける通信を示すそれぞれのビジー信号を受信する手段と、前記サブチャネルから受信された前記ビジー信号が、所定の第１の閾値に等しいかあるいはそれよりも大きく、かつ、前記サブチャネルが、或る先行の通信間隔において前記送信機と前記受信機との間の通信のために利用された場合に、または、前記サブチャネルから受信された前記ビジー信号が、所定の第２の閾値に等しいかあるいはそれよりも小さく、かつ、前記サブチャネルが、或る先行の通信間隔において前記送信機と前記受信機との間の通信のために利用されなかった場合に、前記送信機と前記受信機との間の通信についての１つ以上のサブチャネルを、前記通信のための前記サブチャネルを割り当てることによって選択するための制御装置とを備えている動的なサブチャネル割り当てのための送信機が提供される。

さらにまた、本発明によれば、複数のサブチャネルを有する通信チャネルを含んでいる通信システムにおいて動的なサブチャネル割り当てのために動作する送信機と通信するための受信機であって、前記送信機による通信のために割り当てられたサブチャネルにわたって信号を受信する手段と、前記割り当てられたサブチャネルにわたって受信された前記信号が、所定の閾値に等しいかあるいはそれよりも大きい場合に、前記送信機による通信のために割り当てられた前記サブチャネルにおいてビジー信号を生成する手段とを備えている送信機との通信のための受信機が提供される。

また、本発明によれば、本発明に係る送信機と本発明に係る受信機とを備える通信のためのシステムが提供される。

本発明は、動的なサブチャネル割り当ての改善が通信チャネルを複数のサブチャネルに分割することで達成されるという知見に基づいている。サブチャネルが小さければ小さいほど、周波数選択性は少ないものであり、また、それらのチャネル変換関数は、より良好に近似されるかあるいはモデル化される。したがって、適応性のあるコード化および変調の概念は、本発明に適用することが可能である。

したがって、本発明によれば、中央制御を必要としないＯＦＤＭ−ＴＤＤ（ＴＤＤ＝時分割二重通信）に基づくネットワークの動的自己組織型サブチャネル選択メカニズム（dynamic self-organizing sub-channel selection mechanism）のための新規なプロトコルが提供される。

サブチャネルの干渉の測定に対する完全チャネル（complete channel）の干渉の測定には、二重の不利益がある。第１に、従来技術のアプローチに基づけば、歪みを無視することができるであろう周波数範囲は、チャネルの残りあるいはそのチャネルの大部分の歪みを無視することができないときには利用することができない。有用な周波数帯域あるいはサブチャネルは、不必要に利用されることなく残る。第２に、ある一定の周波数範囲は高い歪みを示すことがあるのに対して、そのチャネルの残りの周波数は、無視することのできる歪みを示す。「多数決」に基づいたチャネルを利用すると、上記の周波数帯域の内部における高い歪みのために、不必要な故障停止および再送信が引き起こされることがある。

本発明に係る方法によれば、より精度の高い歪み決定がもたらされるとともに、従来技術と比較してマルチユーザー・マルチセル環境における改善されたスペクトル効率が最終的に達成される。

本発明の好ましい実施形態では、ＯＦＤＭ−ＴＤＤによるエアインターフェースが使用される。本発明に係る方法では、ＭＡＣ（媒体アクセス制御）と同様に、ＴＤＤにおけるチャネル相互依存性を利用することで、物理層が含まれている動的なサブチャネル選択アルゴリズムが使用されるとともに、時分割多重化サブチャネルにおいてビジー音のシグナリングがさらに利用される。

ＴＤＤにおけるチャネル相互依存性とは、送信電力が同じであると仮定したときに、例えばデータを送信する第１の移動局ＭＳ^Txからデータを受信する第２の移動局ＭＳ^Rxへの潜在的な干渉が、データを送信する第２の移動局ＭＳ^Rxがデータを受信する第１の移動局ＭＳ^Txに加えるであろう干渉と同一である、ということを意味している。

本発明に係る方法によれば、１つの周波数再利用、あるいは言い換えると１００％の周波数再利用が可能になり、更に、基本的に、ＯＦＤＭによるエアインターフェースにおいて動的ＦＤＭＡ（周波数分割多重アクセス）コンポーネントになる。サブキャリアのクラスタあるいはチャンクは、これらのサブチャネルが潜在的被害受信機（将来被害を受け得る受信機）への無視することのできる干渉を引き起こす場合に限り、すなわち、干渉リンクが極端に弱まるかあるいは減衰する場合に限り、送信機と受信機との間のデータ送信のために割り当てられる。チャネルの深刻な弱まりを検出するために、ビジー音シグナリング（busy-tone signaling）の手段によるチャネルセンシングが利用される。ＴＤＤモードでは送信および受信が同じ無線周波数チャネルにおいて行われるので、例えば、意図された移動局（ＭＳ）の受信機によって送信された短い信号は、ビジー信号の送信電力が潜在的干渉送信機（将来干渉を受け得る送信機）によって事前に知られているとすると、その受信機に引き起こされるであろう干渉電力を決定するために、移動された潜在的干渉送信機によって利用することができる。この特定のメカニズムは、本発明に利用される。加えて、そのチャネルがゆっくりと経時変化するときには、適応性のあるサブチャネル割り当てのための対策が行われる。

したがって、本発明に係る方法によれば、次の利点、すなわち、ブロードバンド無線アクセスのためのマルチユーザー・マルチセル環境における高いスペクトル効率（ネットワークのための中央無線リソースのための要件なし）がもたらされる。したがって、本発明に係る技術は、セルラー方式、アドホック方式およびマルチホップ方式のネットワークのために適用することができ、また、低いシグナリングオーバヘッドを呈する。

本発明の好ましい実施形態は、図面に関連して詳しく説明される。

図１は、２つの基地局ＢＳ^TxとＢＳ^Rx、および２つの移動局ＭＳ^RxとＭＳ^Txとから構成されている代表的な通信シナリオを示している。ＢＳ^Txは、サブチャネル＃ｎおよび＃ｍにおいてＭＳ^Rxへの送信を行うものである。連続的に受信すると、ＭＳ^Rxは、同じチャネルでの短時間枠にビジー信号を送信する（ＴＤＤによるために）。具体的には、ＭＳ^Rxは、サブチャネル＃ｎおよび＃ｍ（同心円によって表示された）においてビジー信号を送信する。同時に、ＭＳ^Txは、ＢＳ^Rxへの通信を開始することを必要とする。ＭＳ^Txが通信を開始する前に、ＭＳ^Txは、全てのサブチャネルにおいてビジー信号をリスン（listen）する。それは、受信電力を定義済み閾値と比較する（便宜上、受信されたビジー信号は、実線として引かれている−実際には、サブチャネル当りの受信信号は、多重送信ソースのためにより不意に変化することがある）。ＭＳ^Txは、ビジー信号が閾値未満で受信されるそれらのサブチャネルにおいて送信を開始する。この例では、ＭＳ^Txは、サブチャネル＃ｎを再利用することができる。同様に、ＭＳ^Txは、他のいくつかの共存リンクに利用されることがあるサブチャネル＃ｐにおいて送信することができる。送信および受信が同じ無線周波数キャリアにおけるものであるので、潜在的な新しい送信機は、それが送信に先立って他のリンクを引き起こすであろう干渉のレベルを正確に決定することができる。このことは重要な利点として理解される。

図２は、１つの周波数再利用およびビジー音アプローチを備えているセルラー方式ネットワークにおける同一チャネル干渉（ＣＣＩ）問題を示すために、２つの基地局および３つの移動局から構成されている別の代表的で簡単なシナリオを示している。ビジー信号はまた、ビジー音（busy-tone）あるいはビジーバースト（busy-burst）とも呼ばれる。

以下において、送信用の基地局（ＢＳ）あるいは移動局（ＭＳ）は、ＢＳ^TxあるいはＭＳ^Txとして表示されており、受信用の基地局あるいは移動局は、ＢＳ^RxあるいはＭＳ^Rxとして表示されている。

その例において、移動局

は、基地局

へ送信する。このシナリオでは、

によって、

および

へのＣＣＩが引き起こされ、基地局

によって、基地局

へのＣＣＩが引き起こされる。一方では、全周波数再利用を備えているネットワークにおけるＣＣＩのレベルによって、スペクトル効率が著しく減少する。他方では、固定された周波数割り当てスキームによってもまた、高いスペクトル効率が妨げられる。ビジー音コンセプトは、この課題を自己組織型で解決するために構築されている。ＴＤＭＡ（時分割多重アクセス）を備えている単一キャリアによるエアインターフェースが想定されている。それぞれのタイムスロット（ＴＳ）は、ビジー音シグナリングのために利用される短いタイムスロットに従う。データパケットを連続的に受信すると、受信機がこの短いタイムスロットでビジー信号をブロードキャストする。この受信機の近傍におけるそれぞれの潜在的な送信機が、その短いタイムスロットをリスンして、その短いタイムスロットでの受信信号電力が閾値を超えていれば、新しい潜在的な送信機は、それが共存する送信へのあまりにも高すぎる干渉を引き起こすおそれのあるときには、送信を見合わせる。明らかに、このことは、ＴＤＤの利用のために可能な唯一のものである。

図３は、図２にすでに説明されたシナリオに基づいたマルチユーザー型ＯＦＤＭネットワークのための動的なサブチャネル割り当てメカニズムの、本発明に係る概念を示している。この新しい動的なサブチャネル割り当て法は、ビジー音アプローチを利用するＯＦＤＭ／ＴＤＤによるエアインターフェースのための仮編成済みの新しい動的な、シナリオ依存および自己組織型のチャネル割り当て法である。

このプロトコルの性質は、送信機が、データを送る前に、ネットワークにおける他のユーザーへ重大なＣＣＩを引き起こさないサブチャネルをまず選択することである。このことは、そのチャネルを、例えば１つの特定ＯＦＤＭのシンボルであるビジー音送信のために利用されるビジーチャネル（busy-channel）と称される特別な時間多重化チャネルで検知することによって達成される。「正確な」データ受信があれば、受信機が、ビジーチャネルにおける利用済みのサブチャネルのそれぞれへ、さらに別の送信のためにこれらの特定のサブチャネルを予約しておくために、直ちに信号を送信する。任意の潜在的な新しい送信機が、ビジーチャネルのサブチャネルにおける受信電力に基づいたその送信のためのサブチャネルを選択するであろう。特定のサブチャネルにおける受信電力が、ある一定の閾値を超えていると、このことは、共存する送信が、著しく干渉を受けていることを意味する。逆に、受信電力が、その閾値に満たないときには、チャネル減衰は、このサブチャネルの利用が共存する送信への無視することのできる干渉だけを引き起こすように、充分に大きいものである。例えば図３において、

は、

および

から受信された表示ビジー信号（depicted busy-signal）が与えられたサブチャネル＃ｐおよび＃ｑに送信することができる。

無線チャネルに固有の性質のために、個々のチャネルのＣＴＦ（チャネル変換関数）は、次善である初期サブチャネル選択と共通する時間にわたって変化することがある。図４には、時間・周波数選択性無線周波数チャネルの典型的な２次元周波数応答あるいはチャネル変換関数が描かれている。チャネルの周波数選択性によってサブチャネル選択が規定される。時間変動性には連続的なサブチャネル選択プロセスが必要であり、これらは両方とも、本発明において満たされている。

本発明に係る方法では２つの問題が検討されており、第１の問題は、例えば

のどの時間／周波数リソースが、他の移動局および基地局への無視することのできる干渉を有するかを決定するためのアプローチであり、第２の問題は、例えば

によって選択され、かつ、選択されたサブチャネルのどれが例えば所望の受信機

で干渉を受けないかを決定するための選択サブチャネルの時間／周波数リソースの割り当てである。ＴＤＤおよびその固有のチャネル相互依存性のために、移動局

および

から

へ受信されたビジー音は、移動局

の潜在的な干渉が移動局

および

へ引き起こされるであろうということを同時に示している。

本発明に係る方法に基づいて、

は、他の２つの移動局

および

への無視することのできる干渉を引き起こすサブチャネルにだけ送信する。或る一定のサブチャネルにおける或る時点への送信が無視することのできる干渉を引き起こすことが考慮されるかどうかの決定は、例えば、信号あるいは信号電力が或る一定の電力閾値に等しいか、あるいはそれ未満でなければならないという閾値決定に基づいている。

全体のプロシージャは、２つの段階である（ａ）リンク初期化段階と（ｂ）連続的で動的なサブチャネル適応段階とに再分割することができる。初期化段階の間には、新しい通信リンクが確立されるとともに、いくつかのサブチャネルが選択されなければならない。適応段階では、目標受信機がデータを受信したが、チャネルおよび干渉の変化によって、送信のための新しいサブチャネルを選択することあるいは利用されたサブチャネルを解除することが必要である。

以下において、リンク初期化段階をより詳細に説明する。ｍ番目のＢＳがリンクを（ｉ−２）番目のＭＡＣフレームにおけるｋ番目のＭＳへセットアップする必要があること、すなわち、相互着信が（ｉ−２）番目のＭＡＣフレームにおけるランダムな時間位置にあることが想定され、そして、したがって、ビジーチャネルをこのＭＡＣフレーム時間帯の間に聞くことができるということは保証されない。したがって、ＢＳは、次のＭＡＣフレーム、すなわちビジーチャネルをリスンする第１の適正機会を得る（ｉ−１）番目のＭＡＣフレームまで、その送信を延期しなければならない。受信されたビジー信号は、前に説明されたように、所定の閾値と比較される。この時点で受信されたビジー信号は、目標受信機がどのようなデータも今なお受信していないので、すなわちビジー信号が送信されていないので、意図されていないＭＳあるいはＢＳ（送信が開始されると干渉を受けることがある潜在的なエンティティ）からだけ生じることに留意すべきである。このことは、ｍ番目のＢＳが、これらのサブチャネルにおけるｋ番目のＭＳへのデータ送信を開始することを意味している。ｋ番目のＭＳは、これらのサブチャネルのそれぞれにおけるＳＩＮＲ（信号対干渉・雑音比）を決定する。その特定のサービスについて要求されたＱｏＳ（サービス品質）に基づいて、ｋ番目のＭＳは、それぞれのサブチャネルを「予約する」かどうか、あるいはそれを「解除する」かどうかについて決定する。後者の場合には、ｋ番目のＭＳは、その対応サブチャネルにおけるビジー信号を送信することはないであろうが、これに対して前者の場合には、それは、ビジー信号を利用してそれを「保護する」ことによってそれぞれのサブチャネルを予約する。明らかに、この保護は、ＴＤＤの利用のために極めて実現可能なことである。特定のサブチャネルでのＳＩＮＲは、所望のリンクにおけるこのサブチャネルのチャネルが著しく弱まっているためかあるいは別の送信に起因する大きい干渉があるためかのいずれかのために、小さくなるということに留意すべきである。したがって、ビジー信号は、次のｉ番目のＭＡＣフレームにおけるこのサブチャネルについてはブロードキャストされない。

この作用を数学的にモデル化するために、二元変数である

が定義されたが、これは、ｍ番目のＢＳとｋ番目のＭＳとの間のリンクにおける（ｉ−１）番目のＭＡＣフレームで特定のサブチャネルｌの利用が他の何らかの受信ノードへの耐えられないほど大きい干渉を引き起こすかどうかを示すものである。サブチャネルｌが、ＭＡＣフレーム（ｉ−１）でｍ番目のＢＳとｋ番目のユーザーとの間におけるリンクのために割り当てられているときには、

であり、そうでないときには、

である。この割り当ての結論、すなわち、この特定のサブチャネルがこの通信リンクのために利用されるかどうかの結論は、受信されたビジー信号を閾値と比較することによって得られる。これは次のような式として表わすことができる。

ここで、

は、（ｉ−１）番目のＭＡＣフレームの中におけるｌ番目のサブチャネルにおいてｍ番目のＢＳで受信されたビジー信号である。閾値は、この送信が他の共存送信を引き起こすであろう干渉についての尺度であるが、Ｉ_thr.として表示されている。（ｉ−１）番目のＭＡＣフレームで、受信機であるｋ番目のＭＳは、ＳＩＮＲを概算するとともに、このサブチャネルが予約されるべきものであるかを決定する。この決定の結論は、

によって説明されるが、ここで、概算された

が、要求されたＳＩＮＲγ_req.を超えているときには

であり、そうでないときには、

である。これは式（２）を意味している。

の値についての決定が、ＣＣＩを緩和するために送信機によって行われ、これに対して、

の値についての決定が、ＳＩＮＲ目標を満たさないそれらのサブチャネルを解除するために受信機によって行われる、ことに留意すべきである。

以下において、動的なサブチャネル割り当て段階がより詳細に説明される。ｉよりも大きいか、あるいはそれに等しい任意のＭＡＣフレームについては、受信されたビジー信号の電力は、意図されたユーザーであるｋ番目のＭＳの信号電力と、潜在的に干渉を受ける他の全てのエンティティにおけるビジー信号電力（busy-signal power）とから構成されている。このことは、利用されたサブチャネルについてのビジー信号電力が、ｍ番目のＢＳとｋ番目のＭＳとの間における通信が初期化され、かつ、意図された受信機であるｋ番目のＭＳがビジー信号を送信しなかった（ｉ−１）番目のＭＡＣフレームにおけるそれとは異なっている、ということを意味している。

ｉ番目のＭＡＣフレームのダウンリンクサブフレームにおける受信されたビジー信号は、次のように書くことができる。

ここで、

および

はそれぞれ、ｋ番目のＭＳとｍ番目のＢＳとの間におけるｌ番目のサブチャネルにおけるｉ番目のＭＡＣフレームでの送信されたビジー信号および受信されたビジー信号である。記号

は、ｍ番目のＢＳとｋ番目のＭＳとの間、すなわち所望のリンクにおける送信のｌ番目のサブチャネルとｉ番目のＭＡＣフレームとについてのＣＦＴ係数を表している。同様に、記号

は、ｋ番目の端末（それは共存リンクのＭＳあるいはＢＳであってよい）とｍ番目のＢＳとの間のＣＦＴ係数である。送信機は、

であるかどうかを、ＴＤＤにおいてチャネル相互依存性を利用することで、再び以下のように決定することができる。

ｉ番目であってｉよりも大きい任意のＭＡＣフレームについてのｍ番目のＢＳとｋ番目のＭＳとの間における所望のリンクにおけるサブチャネル割り当てについての条件は、次のように与えられる。

ここで、

は、ａの論理補数である。式（５）において、条件

は、サブチャネル１が（ｉ−１）番目のＭＡＣフレームにおいて選択されなかったことと、このサブチャネルにおいてｉ番目のＭＡＣフレームのビジー音時間枠で受信されたビジー信号が所定の閾値よりも小さいこととを意味している。この条件が満たされると、このサブチャネルは、次のＭＡＣフレームにおけるデータ送信のために選択される。条件

は、サブチャネルｌが先のＭＡＣフレームにおいて選択されたことと、要求されたＳＩＮＲが維持されていることとを意味している。この場合において、サブチャネルｌは、このリンクのために、引き続き選択される。

図５は、ダウンリンクおよびアップリンク送信からなるＭＡＣフレーム構造の代表的な実施形態を示している。図５の上方部分には、ＢＳ視点からの信号の送信および受信が描かれている。同様に、下方部分には、ＭＳ視点からの信号の送信および受信が描かれている。アップリンクサブフレームの構造は、ダウンリンクサブフレームの構造に類似している。この類似性のためと、より明確さを保証するために、アップリンクサブフレームはここでは、これ以上、説明しない。それぞれのサブフレームには、ビジー音シグナリングのためのビジーチャネル（１つのＯＦＤＭのシンボル）が含まれている。ＭＡＣフレームの継続時間は、そのチャネルが著しく変化しないように選択される。

図５は、基地局と移動局との間における代表的な通信を示しており、ここで、基地局はデータを移動局へ送ることを必要としている。２つの段階である「リンク初期化」および「動的なサブチャネル適応」についての先の説明と同様に、基地局は、この通信リンクを（ｉ−２）番目のＭＡＣフレームの移動局へセットアップすることを必要としている。したがって、（ｉ−１）番目のＭＡＣフレームで、それはまず、全てのサブチャネルにおけるビジー信号をリスンする。この例では、第１、第３および第４のサブチャネルの受信されたビジー信号の電力は、データ送信のためにその後に選択される所定の閾値よりも低いことが想定されている。ダウンリンクの中の第１サブチャネルにおけるＳＩＮＲは、意図されたＭＳでは容認できないこともさらに想定されている。したがって、このＭＳは、次のｉ番目のＭＡＣフレームにおける第１サブチャネルにビジー信号をブロードキャストすることがなく、すなわち、このＭＳは、ビジー信号を第３および第４のサブチャネルにだけ送信する。干渉リンクにおけるチャネル変更のために、ｉ番目のＭＡＣフレームでの第２サブチャネルにおけるビジー信号は、閾値の下方で受信される。したがって、第２サブチャネルは、ｉ番目のＭＡＣフレームにおけるダウンリンク送信のために選択される。第１サブチャネルは、意図されたＭＳでの要求されたＳＩＮＲが（ｉ−１）番目のＭＡＣフレームにおいて達成されなかったときに解除されるということに留意すべきである。

図５では、送信機あるいは送信用基地局が、様々なビジー音を解析し、その解析に基づいて、同じＭＡＣフレームにおいてデータを送信する。遅延、例えばビジー音の解析とデータの第１送信との間の遅延についての代わりの概念が可能であるが、一般変換関数の時間依存性と他の送信機による干渉とのために、短い遅延であるか、あるいは遅延のないことが好ましい。

図６は、本発明に係る方法の好ましい実施形態のフローチャートを示している。図６には、フローチャートに加えて、説明されたタスクを実行するためのそれぞれのエンティティである、送信機のためのＴｘおよび受信機のためのＲｘが示されている。図６の右側には、前記の「初期化」および「動的なサブチャネル適応」の段階についての記載とより容易に比較するために、フレームインデックス（ｉ−２）、（ｉ−１）および（ｉ）が加えられている。

図６に対する以下の説明文では、それとは対照的に、図６に示されたように「ｉ」を増加させるステップを含む方法が説明されている。図６には、初期化段階６１０および適応段階あるいはサブチャネルの連続適応の段階６３０が示されている。初期化段階６１０では、ＭＡＣフレームｉ（ステップＳ１、ステップＳ２）にはこのネットワークにおいて新しい着信があることが想定されている。受信されたビジー信号の平方振幅

を閾値と比較することによって、セットのサブチャネルが選択される（ステップＳ３）。図６では、ユーザーインデックスｋおよびｍは、簡単にするために無視されている。その比較結果に左右されるが、チャネル割り当てシンボルの換算値ａ_l,iが設定される（ステップＳ４）。この比較は、∀ｌ∈Ｃについて実行されるが、ここでＣは、このシステムにおける全てのサブチャネルのセットである。その後、データシンボルは、選択されたサブチャネルにおいて送信される（ステップＳ５）。

このデータシンボルとともに、どの受信機のためにデータがアドレス指定されるか、また、どの送信機からデータが送信されるかを表すために、指示、例えば一般的な割り当てシンボルａ_l,iが受信機に送信される。この情報に基づいて、それぞれの受信機は、特定のサブチャネルにおけるデータが特定の受信機へアドレス指定されるかどうかを知る。

送信機と受信機との間の通信のための初期化段階６１０は、送信機によるデータの第１の送信で終了する。

送信機と受信機との間における通信リンクの適応段階６３０は、全ての選択されたサブキャリアにおける受信機での第１の干渉電力の概算（interference power estimation）で開始し（ステップＳ６）、そこからの開始は、このリンクが終わるか、あるいはこの通信が終わるまで受信機および送信機によって連続的に実行される（ステップＳ１４）。

データの均等化と検出とに加えて、受信機は、選択されたサブチャネルにおけるＳＩＮＲを慨算する（ステップＳ６）。概算されたＳＩＮＲ

が、式（２）においてγ_req.として表され、かつ、実際にはＱｏＳの制約に左右される要求値γ_min.よりも大きいときには、選択されたサブチャネルが次のＭＡＣフレーム、すなわちｂ_l,i＝１として引き続き利用される。

ＭＡＣフレームのインデックスは、次のＭＡＣフレームがｉ：＝ｉ＋１であることを示している。ビジー信号は、ビジーチャネルを利用することで、受信機によって、ｂ_l,i＝１である選択されたサブチャネルに送信される（ステップＳ９）。

このビジーチャネルにおいて、送信機は、それぞれのリンクのために利用されたセットのサブチャネルを適用するために、式（５）の条件を連続的にチェックする（ステップＳ１０〜Ｓ１２）。

特定のリンクにおける通信が、次のＭＡＣフレームにおいて引き続き行われる（ステップＳ１３）ときには、ステップＳ２〜５が繰り返され、もし、そうでないときには、その通信は終了する（ステップＳ１４）。

本発明の好ましい実施形態では、送信機が、通常のより多くのデータかあるいは特別により多くのデータを、この選択されたサブチャネルにわたって次のフレームにおける送信機へ送ることを必要としているときには、その送信機はまた、情報を受信機へ送信する。この送信機が、次のフレームにおける選択されたサブチャネルにわたってさらに別のデータがないという信号を発生する場合には、受信機は、たとえその質、あるいはＳＩＮＲが所定の第４の閾値よりも大きい場合にもビジー信号を送信しない。

図７Ａは、例えば図３の移動局

で受信され、かつ、全てのリンクが時間および周波数の一般的変化を受けることを示す代表的な２次元ビジー信号Ｈ（ｆ，ｔ）を示している。

図７Ｂは、図７Ａで示されているように

で受信されて、黒色の面で描かれた代表的な閾値を有しているビジー音を示している。受信されたビジー音に基づいて、

は、黒色の面よりも下にある、送信のためのそれらのサブチャネルを、ただ選択するだけとなる。受信機あるいは受信用基地局

は、

によって送られたデータを連結的に受信した後にビジー音を送信するが、ここで、受信用基地局

は、サブチャネルにおいてビジー音を送信するだけであり、これらのサブチャネルは、送信用移動局

によって請求されるかあるいは割り当てられ、かつ、受信用基地局

で干渉を受けることがないものである。これらの前提条件に基づいて、適応性のあるコード化・変調法をここで適用することができる。

図７Ｃには、受信用基地局

から送信用移動局

への代表的なビジー音Ｈ’（ｆ，ｔ）が示されている。図７Ｂと比較すると、受信されたビジー音Ｈ’（ｆ，ｔ）は、閾値γ_req.よりも高い信号電力値であって、受信されたビジー音Ｈ（ｆ，ｔ）における信号電力値が図７Ｂに示されているように閾値Ｉ_thr.よりも低い周波数の信号電力値を示していることが明らかである。２つの閾値があり、ここではこれらの閾値の数値が同じである必要がないことに留意すべきである。

図８Ａは、本発明に係る方法が、分散型の動的サブチャネル割り当て法（decentralized dynamic sub-channel allocation method）と可能性のある集中型の非動的サブチャネル割り当て法（centralized non-dynamic sub-channel allocation method）とを比較するための代表的なシミュレーション設定を示している。図８は、システム帯域幅がＢ＝２０ＭＨｚであり、ＦＦＴ長がＮ_FFT＝２５６であるＯＦＤＭ／ＴＤＤセットアップであって、最大ドップラー周波数が、ｆ_D,max＝５００Ｈｚであり、最大チャネル遅延が、Ｔ_max＝６．４μｓであることに基づくチャネルモデルを含んでおり、５００メートルのセル半径と均一に分配された移動局とが、或るセルラーシステムモデルに基づくＯＦＤＭ／ＴＤＤセットアップを示している。

図８Ｂは、閾値Ｉ_thr＝−８０ｄＢｍでの上記両方法についての平均オファードロード（average offered load）に対するこのシステムの平均スループットを示している。両方法のグラフは、平均オファードロードに対する平均スループットのほとんど直線状の増大を示しているが、それにもかかわらず、図８Ｂは、本発明に係る方法が集中型の非動的サブチャネル割り当て法よりも性能が優れていることを示している。

図８Ｃは、閾値Ｉ_thr＝−１００ｄＢｍでの上記両方法についての平均オファードロードに対する平均スループットを示している。この閾値レベルでは、本発明に係る方法は、集中型の非動的サブチャネル割り当て法よりも性能が明らかに優れている。本発明に係る方法についての平均スループットは、平均オファードロードに対して直線状にまだ増大しているが、集中型の非動的サブチャネル割り当て法の平均スループットは、ＯＦＤＭシンボル当り１．０００ビットを超えることがない。

本発明に係る方法は、送信装置および受信装置の任意の組み合わせ、例えば送信用移動局と受信用移動局との組み合わせ、送信用移動局と受信用基地局との組み合わせ、送信用基地局と受信用基地局との組み合わせ、および送信用基地局と受信用基地局との組み合わせに対して適用可能であることに留意すべきである。このようにして、本発明に係る方法は、先に説明されたように、本発明に係る通信方法に基づいた通信ネットワークの内部における全てのノード同士の間におけるその分散型・自己組織型の動的サブチャネル割り当て法に起因して、セルラー方式ネットワーク、アドホック方式ネットワークおよびマルチホップ方式ネットワークについての通信方法を提供する。

さらにまた、本発明に係る方法は、全ての決定に対して同じ閾値を利用することができること、または、決定が行われる相異なる状況について相異なる閾値、例えば送信機がデータ通信のためのサブチャネルをすでに利用した場合の第１の閾値、そのサブチャネルが先行するフレーム、例えば初期化段階の間あるいは後の適応段階の間におけるデータ通信のために利用されなかった場合の第２あるいは第３の閾値（ビジー信号概算についての第２あるいは第３の閾値）を備えるように実施することができることに留意すべきである。

典型的には、絶対電力値（absolute power value）は、調整装置によって付与される。したがって、ペイロードデータの絶対電力値だけでなく、ビジー信号の絶対電力値もまた、調整装置によって特定することができる。ビジー信号の代表的電力値は、送信の時点で−４０ｄＢｍ〜５０ｄＢｍの範囲にあり、また、ビジー信号の電力値の第１、第２および第３の所定閾値は、−４０ｄＢｍ〜−１５０ｄＢｍの範囲にある。代替として、ビジー信号の電力値は、ペイロードデータの電力レベルに関して、例えば、ビジー信号が２０ｄＢだけ高い値と、２０ｄＢだけ低い値との間にあるということもまた、明示することができる。

要約すれば、ブロードバンド無線アクセスにおいては、無線周波数チャネルは、一般に周波数選択性のものである。加えて、このチャネルは、例えば低いドップラー拡散のために、ゆっくりと弱まるものであると仮定することができる。このことは、マルチセル環境における干渉と同様に、所望のものに適用される。注水（water filling）およびビットローディングのような方法は、単一リンクおよび単一ユーザー送信において良好に作用するが、マルチユーザーおよびマルチセル配置において干渉リンクにおける周波数選択性をも考慮する有効な解決法は存在しない。本発明によれば、物理層と、例えばＯＦＤＭ−ＴＤＤによるセルラーシステムあるいはエアインターフェースのためのＭＡＣ層とが含まれている新しい動的なサブチャネル割り当てプロトコルが提供される。本発明に係る方法あるいは関連したプロトコルは、第１の干渉回避と第２のリンク適応との二重のメカニズムを確立するために、例えば時分割多重化サブチャネルにおけるＴＤＤのチャネル相互依存性およびビジー音シグナリングを利用するものである。干渉回避に関しては、このプロトコルが保証するということでまとめることができる。

このプロトコルは、現存の送信が保護されるということを保証する。このことは、任意の新しい送信機が干渉のレベルに認識しており、それが現存の送信を引き起し、かつ、適切な決定を行うこと、すなわち、（ａ）特定のサブチャネルを利用することを、それが共存しているリンクへのあまりにも多い干渉を引き起こすと思われるために、見合わせること、または（ｂ）他のリンクへ引き起こされた干渉を無視することができるために、特定のサブチャネルを利用することができるということを意味している。それによって、ＯＦＤＭにおける干渉依存型・自己組織型のＦＤＭＡメカニズムが達成される。このことは、送信機が他のどこかで引き起こされることのある干渉に基づいてサブチャネルを単独で選択することを意味している。

リンク適応については、それらのサブチャネルを送信のために利用することができると一旦認識されると、すなわち、共存している他のリンクを著しく劣化させることがないと一旦認識されると、選択されたサブチャネルの特定のサービスを送信のために利用することのできるそれぞれのＱｏＳ要件とともに、受信したＳＩＮＲに基づいて、目標受信機が決定されることが可能である（受信機での干渉が送信機での干渉とは異なっているということに留意すべきである）。この選択の結果が、実際のリンクにおける送信のために利用することが可能なそれらのサブチャネルに信号電力を送ることによって、ビジーチャネルをまた利用する送信機へ表示される。このことは、受信機が、ＴＤＤにおけるビジー音シグナリングを利用することで、サブチャネルの「選択」と「保護」とを同時に行うということを意味している。

動的なサブチャネル割り当てのための本発明に係る利点を要約すれば、本発明に係る方法は、ビジーバーストシグナリングを利用することで干渉を動的に管理し、マルチユーザー・マルチセル環境において高いスペクトル効率を達成し、ネットワークのための中央無線リソース制御装置を必要とすることなく、したがって、セルラー方式、アドホック方式およびマルチホップ方式のネットワークのために適用可能であり、また、最終的には低いシグナリングオーバヘッドをもたらすということが言える。

本発明に係る方法のある一定の実施要件に左右されるが、本発明に係る方法は、ハードウェアにおいてあるいはソフトウェアにおいて実施することができる。本実施形態は、ディジタル式記憶媒体、特に、その上に記憶された電子的に読み取り可能な制御信号が備わっており、本発明に係る方法が実施されるようにプログラム可能なコンピュータシステムと協働するディスク、ＤＶＤあるいはＣＤを利用して実行することができる。一般に、本発明は、機械読み取り可能なキャリアに記憶されたプログラムコードを含んでいるコンピュータプログラム製品であって、コンピュータ上で実行される際にそのプログラムコードが本発明に係る方法を実行するために動作するコンピュータプログラム製品である。換言すれば、本発明に係る方法は、したがって、コンピュータプログラムであって、このコンピュータプログラムがコンピュータ上で実行される際に本発明に係る方法の少なくとも１つを実行するためのプログラムコードを有するコンピュータプログラムである。

２つの基地局ＢＳ^Tx、ＢＳ^Rxおよび２つの移動局ＭＳ^Rx、ＭＳ^Txを含んでいる代表的な通信ネットワークのためのシナリオを示している。 はなはだしく弱められた２つのサブチャネル＃ｎおよび＃ｐを備えている潜在的送信機で受信された代表的なビジー音を示している。 ２つの基地局および３つの移動局から構成されて１つの周波数再利用を備えているセルラー方式ネットワークにおける同一チャネル干渉を示している代表的なシナリオを示している。 図２のシナリオに基づいた１００％周波数再利用を備えているＯＦＤＭ／ＴＤＤネットワークのための本発明に係る動的チャネル割り当て機構の概念を示している。 移動局

での受信されたビジー音電力（busy tone power）を示している。
無線周波数チャネルの典型的な２次元周波数応答性を示している。 ダウンリンクおよびアップリンク送信を示している本発明に係るＭＡＣフレーム構造の好ましい実施形態を示している。 本発明に係る方法の好ましい実施形態のフローチャートを示している。 初期化段階の間における代表的な２次元ビジー信号を示している。 図７Ａの代表的な２次元ビジー信号と所定の閾値とを示している。 チャネル適応段階の間における図７Ａ〜Ｂに基づいた第１の送信への代表的な２次元ビジー音の応答性を示している。 本発明に係る分散型の動的サブチャネル割り当て法の性能と集中型の非動的サブチャネル割り当て法の性能とを比較するためのシミュレーション設定を示している。 閾値Ｉ_THR＝−８０ｄＢｍでの図８Ａのシミュレーション設定についての平均オファードロードに対する平均スループットを示している。 閾値Ｉ_THR＝−１００ｄＢｍでの図８Ａのシミュレーション設定についての平均オファードロードに対する平均スループットを示している。

符号の説明

Ｔｘ 送信機
Ｒｘ 受信機
６１０ 初期化段階
６３０ 適応段階
Ｓ１ 新しいユーザーがネットワークに入るかあるいは通信が送信機へ要求する
Ｓ２ 次のＭＡＣフレームのビジー音時間枠への遅延
Ｓ３ 受信されたビジー信号の平方振幅と第３の閾値との比較
Ｓ４ チャネル割り当てシンボルａ_l,iの設定
Ｓ５ 選択されたサブキャリアにおける送信
Ｓ６ 選択された全てのサブキャリアにおける受信機での干渉電力の概算
Ｓ７ 選択されたサブチャネルにおけるＳＩＮＲと所定の第４の閾値との比較
Ｓ８ サブチャネル確認シンボルｂ_l,iの設定
Ｓ９ 選択されて確認されたサブキャリアにおけるビジー信号のブロードキャスト
Ｓ１０ 利用されたサブチャネルの組を適用するための、受信されたビジー信号の平方振幅の比較
Ｓ１１ チャネル割り当てシンボルａ_l,iの設定
Ｓ１２ 選択されたサブキャリアにおける通信の設定
Ｓ１３ 通信の継続についての決定
Ｓ１４ 通信リンクの終了

Claims (13)

1. 複数の周波数サブチャネルを有する通信チャネルを備えている通信システムにおいて送信機と受信機との間の通信の動的な周波数サブチャネル割り当てのための方法であって、
   前記通信システム内の各周波数サブチャネルにおける通信を示すそれぞれのビジー信号を前記複数の周波数サブチャネルから送信機が受信するステップと、
   前記送信機と前記受信機との間の通信における１つ以上の周波数サブチャネルを、該通信のために周波数サブチャネルを割り当てる（Ｓ４、Ｓ１１）ことによって選択する（Ｓ３、Ｓ１０）ステップと
   を含み、
   前記選択するステップは、或る先行の通信間隔において前記送信機と前記受信機との間の通信のために使用された周波数サブチャネルを、その周波数サブチャネルから受信された前記ビジー信号の電力値が、所定の第１の閾値に等しいかあるいはそれよりも大きい場合に割り当てることを含み、
   前記選択するステップは、或る先行の通信間隔において前記送信機と前記受信機との間の通信のために使用されなかった周波数サブチャネルを、その周波数サブチャネルから受信された前記ビジー信号の電力値が、所定の第２の閾値に等しいかあるいはそれよりも小さい場合に割り当てることを含む、
   方法。
2. 前記送信機と前記受信機との間の通信を初期化（６１０）するために、
   前記通信システム内の前記各サブチャネルにおける通信を示すそれぞれの前記ビジー信号を前記複数のサブチャネルから送信機が受信するステップと、
   前記サブチャネルから受信された前記ビジー信号が、所定の第３の閾値に等しいかあるいはそれよりも小さい場合に、前記送信機と前記受信機との間の通信における１つ以上のサブチャネルを、該通信のためにサブチャネルを割り当てる（Ｓ４）ことによって選択する（Ｓ３）ステップと
   を更に含んでいる、請求項１に記載の方法。
3. 前記ビジー信号の電力値は、送信時点で−４０ｄＢｍ〜５０ｄＢｍの範囲にあり、かつ、前記ビジー信号の前記電力値の第１、第２および第３の所定閾値は、等しく、かつ、−４０ｄＢｍ〜−１５０ｄＢｍの範囲にある、請求項１または２に記載の方法。
4. 前記受信機は、前記受信機において割り当てられた前記周波数サブチャネルにわたって受信された信号のＳＩＮＲ（信号対干渉・雑音比）の値が、第４の閾値に等しいか、または、それよりも大きい場合（Ｓ７、Ｓ８）に、前記送信機によって、通信のために割り当てられた周波数サブチャネルにおいて前記ビジー信号（Ｓ９）を生成するものである、請求項１ないし３のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記第４の閾値は、通信のために要求されたサービスの種別、または、サービスの質に基づいて適用される、請求項３または４に記載の方法。
6. 前記通信システムは、ＯＦＤＭ／ＴＤＤ（直交周波数分割多重通信／時分割二重通信）に基づいている、請求項１ないし５のいずれか一項に記載の方法。
7. 前記周波数サブチャネルのそれぞれのビジー信号は、前記周波数サブチャネルの特定の時分割多重化チャネルで送信されるものである、請求項６に記載の方法。
8. 前記周波数サブチャネルのそれぞれのビジー信号は、特定のＯＦＤＭシンボルとして送信されるものである、請求項６または７に記載の方法。
9. コンピュータ上で実行される際に請求項１ないし８のいずれか一項に記載の方法を実行するプログラムコードを有するコンピュータプログラム。
10. 複数の周波数サブチャネルを有する通信チャネルを備えている通信システムにおいて受信機との通信の動的な周波数サブチャネル割り当てのための送信機であって、
    前記複数の周波数サブチャネルから前記通信システム内の各周波数サブチャネルにおける通信を示すそれぞれのビジー信号を受信する手段と、
    前記送信機と前記受信機との間の通信についての１つ以上の周波数サブチャネルを、該通信のためにサブチャネルを割り当てることによって選択する制御装置と
    を備え、
    前記制御装置が、或る先行の通信間隔において前記送信機と前記受信機との間の通信のために使用された周波数サブチャネルを、その周波数サブチャネルから受信された前記ビジー信号の電力値が、所定の第１の閾値に等しいかあるいはそれよりも大きい場合に割り当てるものであり、
    前記制御装置が、或る先行の通信間隔において前記送信機と前記受信機との間の通信のために使用されなかった周波数サブチャネルを、その周波数サブチャネルから受信された前記ビジー信号の電力値が、所定の第２の閾値に等しいかあるいはそれよりも小さい場合に割り当てるものである、
    送信機。
11. 複数の周波数サブチャネルを有する通信チャネルを含んでいる通信システムにおいて動的な周波数サブチャネル割り当てのために動作する送信機と通信するための受信機であって、
    前記送信機による通信のために割り当てられた周波数サブチャネルにわたって信号を受信する手段と、
    前記割り当てられたサブチャネルにわたって受信された前記信号のＳＩＮＲ（信号対干渉・雑音比）の値が、所定の閾値に等しいかあるいはそれよりも大きく、且つ送信すべき更なるデータがあることを送信機が示した場合に、前記送信機による通信のために割り当てられた前記周波数サブチャネルにおいてビジー信号を生成する手段であって、前記ビジー信号を送信するかどうかの決定が、各周波数サブチャネルごとにおいて実行される、手段と
    を備えている受信機。
12. 前記閾値が、通信のために要求されたサービスの種別、または、サービスの質に基づいて適用される、請求項１１に記載の受信機。
13. 請求項１０に記載の送信機と、
    請求項１１に記載の受信機と
    を備えている通信システム。

Images