JP2007282024A - 無線通信装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明の課題は、あるサブチャネルの周波数帯が長時間に渡り強い干渉を受けている場合でも、個々の加入者に割当てたデータバーストにおいて長い期間のフレーム消失は発生することがないＯＦＤＭＡ（直交周波数分割多元接続）を使用した無線通信装置を提供することにある。
【解決手段】本発明は、サブチャネル回線品質情報に基づき、特定の１つまたは複数のサブチャネルの品質が時間的に連続して所定の品質より劣化していることを検出した場合、同じデータバーストが連続的に該品質劣化したサブチャネルに割当てられることが無いように制御するスケジューリング手段を具備することを特徴とするものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、多元接続方式としてＯＦＤＭＡ（Orthogonal Frequency Division Multiplexing access:直交周波数分割多元接続）を使用し、データバーストへのサブチャネル割当てを行うスケジューリング手段を有するＢＳ（基地局）用無線通信装置に関する。

ＯＦＤＭ（Orthogonal Frequency Division Multiplexing:直交周波数分割多重）は、日本・欧州の地上波デジタルＴＶ放送、ＡＤＳＬ、高速無線ＬＡＮ規格のＩＥＥＥ８０２．１１ａ、さらにはＷｉＭＡＸなど、ブロードバンドやユビキタス・ネットワークを実現するほとんどの通信アプリケーションに採用されている。

ＯＦＤＭは、中心周波数が異なる複数のサブキャリア（副搬送波）を利用することで、高い周波数効率を実現している。送信するデータを細かく分割し、複数のサブキャリアに乗せて並列に伝送する多重通信方式である。データを分割することで、１つのサブキャリア当りのシンボル伝送速度をシリアル転送する場合よりも遅くすることができ、位相補正などに使用されるパイロット信号を挿入することもできる。このため、全体としてフェージング（無線通信において信号の強度等が時間的・空間的に大きく変化する現象）の影響を小さくすることができる。また、隣り合うサブキャリアの帯域が重なり合うほど近接させても干渉することがないよう、互いに「直交」させて送信が行われる。加えてＯＦＤＭは、データを時間的に一部重複させて送る「ガードインターバル」を用いており、乱反射などによって受信地点に時間的にズレを持った信号（ゴースト）が到来しても、マルチパス障害が出ないシステムを実現できる。この特長が、マルチパスが発生しやすい地上波デジタルＴＶ放送にＯＦＤＭが採用された大きな理由の一つである。

ＯＦＤＭＡ（直交周波数分割多元接続）は、ＯＦＤＭと同じように搬送波を複数のサブキャリアに分割するが、分割されたサブキャリアをグループ化する点がＯＦＤＭとは異なる。グループ内のサブキャリアをサブチャネルと呼び、単一の加入者がこれらのサブチャネルを占有する場合もあれば、複数の加入者でサブチャネルを共有する場合もある。

ＯＦＤＭＡを採用したシステムとしてＷｉＭＡＸを取り上げて説明する。ＷｉＭＡＸの無線アクセス方式は非特許文献１に標準規格として規定されている。

図１はＯＦＤＭＡを使用したＷｉＭＡＸ基地局（BS）用無線通信装置の物理層の１例を示す構成説明図である。尚、図１では、同期処理、チャネル推定、等化処理、電力制御等の本発明に直接関係しない機能は省略している。

まず、送信系の処理について説明する。

加入者への送信データａｌと割当て情報ｑｌは、切替器１１によりどちらか一方が選択され、ＢＳ用無線通信装置の物理層処理に入力される。ここで、割当て情報ｑｌは、以下の３つの情報（詳細は後述）を含む。

〔１〕 ＦＣＨ(Frame Control Header:フレーム制御ヘッダ)
〔２〕 ＤＬ−ＭＡＰ（Downlink MAP：下り回線の割当て情報）
〔３〕 ＵＬ−ＭＡＰ（Uplink MAP：上り回線の割当て情報）
また、加入者への送信データａｌには、通信している複数の加入者分のデータが含まれている。ここで、加入者への送信データａｌ、割当て情報ｑｌは、共にＭＡＣ層から出力されるＰＤＵ（Protocol Data Unit:プロトコルデータ単位）に１つずつ含まれており、ＰＤＵはＭＡＣヘッダ、ペイロード、ＣＲＣ（Cyclic Redundancy Check:誤り検出符号）から構成されている。

切替器１１の出力ｂｌは、ランダム化処理部１２に入力される。ランダム化の目的は、以下の２点にある。

（１） 変調されないキャリアを減らし、効率良く伝送できるようにする。

（２） クロックリカバリに必要なビットが十分に送出されるようにする。

ランダム化されたデータｃｌは次に誤り訂正符号化処理部１３に入力され、誤り訂正符号化される。誤り訂正としては、ランダム誤り訂正符号化である畳み込み符号化を用いる。誤り訂正符号化が施されたデータｄｌに対し、バースト誤りをランダム誤りに変換するためにビットインターリーブ処理部１４でビットインターリーブが実行される。その後、変調マッピング処理部１５では、ビットインターリーブされたデータｅｌをＱＰＳＫ、１６ＱＡＭ等の変調方式を用いて信号点にマッピングし、送信シンボルｆｌが出力される。

ＯＦＤＭＡ多重化処理部１６では、送信シンボルｆｌを細かく分割し、複数のサブキャリアに乗せて並列に伝送するための処理が行われる。ＯＦＤＭＡでは、分割されたサブキャリアをグループ化し、グループ内のサブキャリアをサブチャネルと呼び、複数の加入者でサブチャネルを共有させるように、加入者にサブチャネルを割当てる。ＯＦＤＭＡのフレーム構造は、横軸がＯＦＤＭＡシンボル番号、縦軸がサブチャネル番号で構成される２次元の構造を有している。フレーム構造の詳細については後述する。ＯＦＤＭＡフレーム上のデータバーストへのサブチャネル割当ては、後述するスケジューリング処理部２４からの出力である割当て情報ｑｌに基き時間領域上で適応的に行われる。

その後、ＯＦＤＭＡ多重化された送信信号ｇｌは、送信ＲＦ部１７により処理される。送信ＲＦ部１７は、送信フィルタ、送信キャリア周波数にアップコンバートする直交変調処理部、パワーアンプ、送信アンテナで構成される。

送信ＲＦ部１７の出力である送信信号ｈｌは、ＳＳ（Subscriber Station:加入者端末）へ送出される。

次に受信系の処理について説明する。

ＳＳから送出され、伝送路でフェージングや干渉等の影響を受けた受信信号ｉｌが受信ＲＦ部１８に入力される。

受信ＲＦ部１８は、受信アンテナ、ＬＮＡ、受信信号をベースバンド周波数にダウンコンバートする直交復調処理部、受信フィルタにより構成される。

受信ＲＦ部１８からの出力信号ｊｌは、後述するスケジューリング処理部２４からの出力である割当て情報ｑｌに基きＯＦＤＭＡ分割処理部１９により、加入者毎の受信信号（受信シンボル列）ｋｌに分割される。以降の処理は、加入者毎の受信信号に対しそれぞれ実行される。

加入者毎の受信信号である受信シンボル列ｋｌは、復調デマッピング処理部２０により受信ビット列ｌｌに変換される。その後、受信ビット列ｌｌはビットデインターリーブ処理部２１でビットデインターリーブされ、バースト誤りがランダム誤りに変換されたビット列ｍｌが出力される。次にビット列ｍｌに対し誤り訂正復号処理部２２で誤り訂正復号が施される。誤り訂正復号としては、ビタビ復号が用いられ、誤り訂正復号が施されたビット列ｎｌが出力される。前記ビット列ｎｌに対し、ランダム化復元処理部２３によりランダム化と逆の処理が行われ、受信データｏｌが出力される。

スケジューリング処理部２４のスケジューリングは、データバーストへのサブチャネル割当てを時間領域上で適応的に行う機能であるが、具体的なスケジューリングの手法は、ベンダーが独自性を出せるようにするため規定されておらず、ＭＡＣ層よりも上位の層で行われるものとされている。スケジューリング結果である割当て情報ｑｌとして以下の３つの情報を含む。

〔１〕 ＦＣＨ（フレーム制御ヘッダ）：後に続く下りバーストのプロファイルを規定している。具体的には、ＤＬ−ＭＡＰのプロファイル（ＤＬ−ＭＡＰで使用する誤り訂正符号の種類、ＤＬ−ＭＡＰメッセージの長さ等）を示す。

〔２〕 ＤＬ−ＭＡＰ（下り回線の割当て情報）：下りサブフレームにおけるデータバーストのマッピング情報（フレーム番号、フレーム長、各データバーストの開始ＯＦＤＭＡシンボル番号、開始サブチャネル論理番号、各データバーストを伝送するのに必要なＯＦＤＭＡシンボル数等）を示し、また、下りサブフレームにおける各データバーストの物理層のプロファイル（変調方式、誤り訂正符号化方式、符号化率等）を規定する。

〔３〕 ＵＬ−ＭＡＰ（上り回線の割当て情報）：上りサブフレームにおけるデータバーストのマッピング情報（各データバーストの開始ＯＦＤＭＡシンボル番号、開始サブチャネル論理番号、各データバーストを伝送するのに必要なＯＦＤＭＡシンボル数等）を示し、また、上りサブフレームにおける各データバーストの物理層のプロファイル（変調方式、誤り訂正符号化方式、符号化率等）を規定する。

ＦＣＨ、ＤＬ−ＭＡＰ、ＵＬ−ＭＡＰは全ＳＳ（加入者端末）にブロードキャストされる。

図６は、ＯＦＤＭＡのフレーム構造を示す説明図である。図６は、ＴＤＤ（Time Division Duplexing:時分割複信）方式のＯＦＤＭＡのフレーム構造を示す。インデックスｎで示されたフレームｎは、下り（ＤＬ）サブフレームと上り（ＵＬ）サブフレームから成る。横軸がＯＦＤＭＡシンボル番号（フレームの先頭のインデックスをｋと記している）、縦軸がサブチャネル論理番号を示す。ここで、サブチャネル論理番号について説明する。ＯＦＤＭＡでは、分割されたサブキャリアをグループ化した後（グループ内のサブキャリアをサブチャネルと呼ぶ）、各サブチャネルに対し、データ伝送用キャリア、位相調整などに使用されるパイロットキャリア、ガードバンドなどに利用されるヌルキャリアを割当てるが、グループ毎に、データ伝送用キャリアに割当てられたサブチャネルのみに対しインデックスｓから始まる番号を付与したものをサブチャネル論理番号といっている。

ＴＴＧ（Transmit/Receive Transition Gap）は、送信／受信切替えのギャップ、ＲＴＧ（Receive/Transmit Transition Gap）は、受信／送信切替えのギャップである。

以下にフレーム構造への各バーストの割当てについて説明する。フレームの最初に、フレーム同期、搬送波再生、クロック再生等に使用されるプリアンブルが配置され、次に、ＦＣＨ、ＤＬ−ＭＡＰ、ＵＬ−ＭＡＰの順に配置される。配置の規則は、ＯＦＤＭＡシンボル番号ｋ、サブチャネル論理番号ｓから開始し、サブチャネル論理番号が１づつ増加するよう順番に配置し、ｓ＋１５に達したならば、次のＯＦＤＭＡシンボル番号に進む。

下りサブフレームの残りの部分は、個々のＳＳに対するデータバーストで構成される。各データバーストには、ＤＬ−ＭＡＰで規定された割当て領域、及びバーストプロファイルに従う変調方式、誤り訂正符号化方式、符号化率が割当てられる。図６には、下り回線のデータバーストについて下りバースト♯１〜♯１４と記している。各データバースト割当ては、まだ割当てられていない、最小のＯＦＤＭＡシンボル番号、最小のサブチャネル論理番号から割当てを開始し、ＯＦＤＭＡシンボル番号増加方向に２シンボル単位で割当て、データ領域の最後のシンボルに達したならば、次のサブチャネル論理番号の最小のＯＦＤＭＡシンボル番号に折り返して割当てる。図６では、簡単のため、各データバーストはデータ領域の最後のシンボルで終了するように描いている。また、各下りデータバーストへは複数のＳＳを割当てることも可能であるが、以下の説明では簡単のため１つのデータバーストに１つのＳＳを割当てることを前提とする。

下りサブフレームの後、ＴＴＧ（送信／受信切替えのギャップ）を空けて、上りサブフレームが開始する。

上りサブフレームでは、個々のＳＳに対するデータバーストで構成される。各データバーストには、ＵＬ−ＭＡＰで規定された割当て領域、及びバーストプロファイルに従う変調方式、誤り訂正符号化方式、符号化率が割当てられる。図６には、上り回線のデータバーストについて上りバースト♯１〜♯１４と記している。各データバースト割当ては、まだ割当てられていない、最小のＯＦＤＭＡシンボル番号、最小のサブチャネル論理番号から割当てを開始し、ＯＦＤＭＡシンボル番号増加方向に３シンボル単位で割当て、データ領域の最後のシンボルに達したならば、次のサブチャネル論理番号の最小のＯＦＤＭＡシンボル番号に折り返して割当てる。図６では、簡単のため、各データバーストはデータ領域の最後のシンボルで終了するように描いている。上りデータバーストの最後には、レンジング・サブチャネルが割当てられる。レンジング・サブチャネルは、ＢＳとＳＳとの通信タイミングや送信出力の調整を行うためにレンジングを行うためのチャネルであり、ＳＳは、ＢＳによって指定されたレンジング・サブチャネルを使い、ＢＳとの通信を繰り返しつつ、送信タイミング、出力や周波数を調整する。

サブチャネル回線品質測定部２５は、上りバーストプロファイルの選択と上り電力制御を行う目的で、各バースト毎に測定される。ここではＯＦＤＭＡ分割処理部１９から出力される各サブチャネル毎の受信信号ｒｌから、各バーストについてＲＳＳＩ（Receive Signal Strength Indicator）、ＣＩＮＲ（Carrier-to-Interference-and-Noise Ratio:信号対干渉雑音比）等が測定され、サブチャネル回線品質情報ｐｌとしてスケジューリング処理部２４に入力される構成としている。

上記のＢＳ無線通信装置により、音声通信を行う場合、すなわち、送信データとして音声符号化情報を伝送する場合を考える。音声符号化方式としては、例えば、ＩＴＵ−ＴＧ．７２９標準（または、ＴＴＣ標準ＪＴ−Ｇ７２９）である８ｋｂｉｔ／ｓＣＳ−ＡＣＥＬＰ（共役構造―代数的符号励振線形予測）を使用して、音声符号化フレーム長１０ｍｓｅｃ毎に音声符号化情報（線スペクトル対情報（合成フィルタパラメータ）、適応コードブックの遅延情報、固定コードブック情報、適応および固定コードブック利得情報）を上記ＢＳ用無線通信装置により送受信する。ＯＦＤＭＡフレーム長もこれに対応させ、１０ｍｓｅｃとし、図６において加入者♯１〜♯１４に下り回線では下りバースト♯１〜♯１４を、上り回線では上りバースト♯１〜♯１４をそれぞれ割当てるものとする。

劣悪な伝搬路環境等により、符号化パラメータフレーム（１０ｍｓフレーム相当）の消失をＣＲＣにより検出した時には、ＩＴＵ−ＴＧ．７２９標準（または、ＴＴＣ標準ＪＴ−Ｇ７２９）で規定されている通り、音声復号器において以下のフレーム消失補償処理が行われる。

（１） 合成フィルタパラメータの反復
・消失フレームにおける合成フィルタでは、直前の正常フレームのＬＰ（線形予測）パラメータを使用する。

（２） 適応および固定コードブック利得の減衰
・固定コードブック利得は、過去の固定コードブック利得を減衰させたものを基にして求める。

・適応コードブック利得は、過去の適応コードブック利得を減衰させたものを基にして求める。
IEEE Std 802.16-2004,"Part16：Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access Systems",2004、[online] インターネット＜URL：http://standards.ieee.org／getieee80２／802.16.html ＞

上記のフレーム消失補償処理は、フレーム消失が頻繁に発生しない場合は、有効である。しかし、例えば図６において、ある加入者に割当てたデータバーストのサブチャネルの周波数帯が長時間に渡り強い干渉を受けている場合、フレーム消失が長い期間に渡り発生することになり、フレーム消失補償処理を行っても通話品質は改善されない。

また、音声通信では、リアルタイム性が必要であるため、データ通信のようにＡＲＱ（Automatic Repeat Request:自動再送要求）の機能を使用することも出来ない。

本発明は上記の事情に鑑みてなされたもので、特定の１つまたは複数のサブチャネルの品質が時間的に連続して所定の品質より劣化していることを検出した場合、同じデータバーストが連続的に該品質劣化したサブチャネルに割当てられることが無いように制御するＯＦＤＭＡ（直交周波数分割多元接続）を使用した無線通信装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明は、多元接続方式としてＯＦＤＭＡ（直交周波数分割多元接続）を使用し、一方の軸がＯＦＤＭＡシンボル番号、他方の軸がサブチャネル番号で構成される２次元のフレーム構造を有し、データバーストへのサブチャネル割当てを時間領域上で適応的に行う無線通信装置において、各サブチャネルの回線品質を測定するサブチャネル回線品質測定手段と、前記サブチャネル回線品質測定手段からの出力であるサブチャネル回線品質情報に基づき、特定の１つまたは複数のサブチャネルの品質が時間的に連続して所定の品質より劣化していることを検出した場合、同じデータバーストが連続的に該品質劣化したサブチャネルに割当てられることが無いように制御するスケジューリング手段とを具備することを特徴とするものである。

尚、サブチャネル回線品質として、例えばＣＩＮＲ（信号対干渉雑音比）等を使用することができる。

本発明の無線通信装置を適用することにより、あるサブチャネルの周波数帯が長時間に渡り強い干渉を受けている場合でも、個々の加入者に割当てたデータバーストにおいて長い期間のフレーム消失は発生することはなく、音声復号器においてフレーム消失補償処理が有効に機能し、全加入者が良好な音声通信を行うことが可能となる。

以下図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。

本発明の実施形態は、多元接続方式としてＯＦＤＭＡ（直交周波数分割多元接続）を使用し、一方の軸がＯＦＤＭＡシンボル番号、他方の軸がサブチャネル番号で構成される２次元のＯＦＤＭＡフレーム構造を有し、データバーストへのサブチャネル割当てを時間領域上で適応的に行う無線通信装置として、図１の無線通信装置を用いる。本発明の実施形態では、サブチャネル回線品質測定部２５が各サブチャネルの回線品質を測定し、データバーストへのサブチャネル割当てを行うスケジューリング処理部２４が前記サブチャネル回線品質測定部２５からの出力であるサブチャネル回線品質情報に基づき、特定の１つまたは複数のサブチャネルの品質が時間的に連続して所定の品質より劣化していることを検出した場合、同じデータバーストが連続的に該品質劣化したサブチャネルに割当てられることが無いように制御する。

図１のサブチャネル回線品質測定部２５において、ＯＦＤＭＡ分割処理部１９から出力される各サブチャネル毎の受信信号ｒｌから、各サブチャネルについてＣＩＮＲ（信号対干渉雑音比）を測定し、サブチャネル回線品質情報ｐｌとしてスケジューリング処理部２４に入力する。

スケジューリング処理部２４では、２次元のＯＦＤＭＡフレーム構造に対応させて、ＣＩＮＲの状態を観測し、長時間に渡りＣＩＮＲが所定の閾値よりも劣化しているサブチャネルを検出する。長時間に渡り強い干渉を受けてＣＩＮＲが劣化したサブチャネルを検出した場合、同じ加入者、すなわち、同じデータバーストをその干渉を受け劣化したサブチャネルに連続して割当てることが無いようにスケジューリングする。

本発明の実施形態に係るスケジューリング手法の１例を図２〜図５を用いて説明する。

図２は、フレーム番号ｎに着目しており、図６と同じＯＦＤＭＡフレーム構造を示すが、斜線が施されているサブチャネル（サブチャネル論理番号ｓ＋２及びｓ＋３）が検出された長時間に渡り強い干渉を受けＣＩＮＲが劣化したサブチャネルを表す。先ずフレームｎにおいて、サブチャネル論理番号ｓ＋２及びｓ＋３のサブチャネルに割当てられているデータバーストは、下り及び上り回線においてバースト♯３とバースト♯４である。

この状態において、スケジューリング処理部２４は、次フレームｎ＋１では、図３に示すように、サブチャネル論理番号ｓ＋２及びｓ＋３のサブチャネルに割当てるデータバーストを下り及び上り回線においてバースト♯５及びバースト♯６と入れ替える。更に次フレームｎ＋２では、図４に示すように、サブチャネル論理番号ｓ＋２及びｓ＋３のサブチャネルに割当てるデータバーストを下り及び上り回線においてバースト♯７及びバースト♯８と入れ替える。更に次フレームｎ＋３では、図５に示すように、サブチャネル論理番号ｓ＋２及びｓ＋３のサブチャネルに割当てるデータバーストを下り及び上り回線においてバースト♯９及びバースト♯１０と入れ替える。同様に後続フレームに対しても、フレームｎ＋４では、サブチャネル論理番号ｓ＋２及びｓ＋３のサブチャネルに割当てるデータバーストを下り及び上り回線においてバースト♯１１及びバースト♯１２と入れ替え、フレームｎ＋５では、サブチャネル論理番号ｓ＋２及びｓ＋３のサブチャネルに割当てるデータバーストを下り回線については下りバースト♯１４と入れ替え（下りバースト♯１４は、２つのサブチャネルを使用している）、上り回線については上りバースト♯１３及び上りバースト♯１４と入れ替える。次のフレームｎ＋６では、サブチャネル論理番号ｓ＋２及びｓ＋３のサブチャネルに割当てるデータバーストを下り及び上り回線においてバースト♯１及びバースト♯２と入れ替える。このデータバーストの入れ替えをサブチャネル回線品質の状態の変化を検出するまで繰り返す。

尚、本発明の実施形態では複信方式としてＴＤＤ方式を用いており、上り／下り回線が同一の周波数で実現されるため、上り回線のサブチャネル回線品質を測定すれば、その結果がそのまま下り回線に適用可能である。

また、本発明は、上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。更に、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合せてもよい。

ＯＦＤＭＡを使用したＷｉＭＡＸ基地局（BS）用無線通信装置の物理層の１例を示す構成説明図である。 本発明の実施形態に係るスケジューリング手法の１例を説明するためのＯＦＤＭＡフレーム構造説明図である。 本発明の実施形態に係るスケジューリング手法の１例を説明するためのＯＦＤＭＡフレーム構造説明図である。 本発明の実施形態に係るスケジューリング手法の１例を説明するためのＯＦＤＭＡフレーム構造説明図である。 本発明の実施形態に係るスケジューリング手法の１例を説明するためのＯＦＤＭＡフレーム構造説明図である。 ＯＦＤＭＡフレーム構造の説明図である。

符号の説明

１１…切替器、１２…ランダム化処理部、１３…誤り訂正符号化処理部、１４…ビットインターリーブ処理部、１５…変調マッピング処理部、１６…ＯＦＤＭＡ多重化処理部、１７…送信ＲＦ部、１８…受信ＲＦ部、１９…ＯＦＤＭＡ分割処理部、２０…復調デマッピング処理部、２１…ビットデインターリーブ処理部、２２…誤り訂正復号処理部、２３…ランダム化復元処理部、２４…スケジューリング処理部、２５…サブチャネル回線品質測定部。

Claims (1)

1. 多元接続方式としてＯＦＤＭＡ（直交周波数分割多元接続）を使用し、一方の軸がＯＦＤＭＡシンボル番号、他方の軸がサブチャネル番号で構成される２次元のフレーム構造を有し、データバーストへのサブチャネル割当てを時間領域上で適応的に行う無線通信装置において、
   各サブチャネルの回線品質を測定するサブチャネル回線品質測定手段と、
   前記サブチャネル回線品質測定手段からの出力であるサブチャネル回線品質情報に基づき、特定の１つまたは複数のサブチャネルの品質が時間的に連続して所定の品質より劣化していることを検出した場合、同じデータバーストが連続的に該品質劣化したサブチャネルに割当てられることが無いように制御するスケジューリング手段と
   を具備することを特徴とする無線通信装置。

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