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JP5244246B1 - 無線通信システム及び受信装置 - Google Patents

無線通信システム及び受信装置 Download PDF

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JP5244246B1
JP5244246B1 JP2012004985A JP2012004985A JP5244246B1 JP 5244246 B1 JP5244246 B1 JP 5244246B1 JP 2012004985 A JP2012004985 A JP 2012004985A JP 2012004985 A JP2012004985 A JP 2012004985A JP 5244246 B1 JP5244246 B1 JP 5244246B1
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Abstract

【課題】ホワイトスペースを利用する技術において、携帯電話等が接続する基地局の下り送信電力の制限および一次利用システムの信号により主に下り信号の受信品質が低SIRとなることに起因して片方向のリンクしか使用できないような周波数であっても、この周波数を両方向リンクとして利用することにより、IEEE802.22 TDDシステムをそのまま使用し効率的な周波数割当てを可能にする。
【解決手段】ホワイトスペースを利用して無線通信を行う無線通信システム1において、受信局200は、ホワイトスペースの周波数において送信局100から送信されてきた信号が受けた干渉を軽減する処理を行う干渉抑圧処理部202と、干渉抑圧処理部202が処理した信号を基にホワイトスペースの周波数を用いた通信の通信品質を推定する受信品質推定部203と、受信品質推定部203が推定した通信品質情報を送信局100に送信する受信品質通知部204とを有する。
【選択図】図4

Description

本発明は、ホワイトスペースを利用した無線通信システムに関し、特に、利用する周波数の割当て技術に関する。
近年の情報化社会の進展は実に目覚しく、多くの情報通信機器やサービスにおける通信方法として、有線通信のほかに、無線通信が利用されることも多くなっている。これに伴い、有限な資源である無線周波数の需要も増加の一途をたどっており、割当て可能な周波数の枯渇が世界各国で大きな問題となってきている。一般に、周波数は国がライセンス管理を行い、ライセンスを割当てられた者だけが、特定の場所および時間において、厳格な管理の下、その周波数を利用することができる。しかし、今後も増え続けるであろう周波数需要に対応するためには、これまでの利用方法にとらわれない、新しい周波数の利用方法が求められている。
そこで近年、周波数の枯渇問題を解決するための新たな周波数の利用方法として、既に割当てられているにも関わらず、空間的、時間的に使用されない周波数帯(ホワイトスペース)を利用する方法が研究されている。例えば、ライセンスを受けている利用者(以下、「一次利用者」という。)の既存システムの周波数使用への影響を十分回避しつつ、ライセンスを受けていない利用者(以下、「二次利用者」という。)が柔軟にホワイトスペースの電波を利用するコグニティブ無線通信システムなどの研究開発が行われている(例えば、非特許文献1)。
例えば、IEEE802.22で標準化が行われている、ホワイトスペースを利用する広域無線通信(WRAN:Wireless Regional
Area Network)システムでは、各無線局は、IPネットワーク上のデータベースにアクセスすることで、自局の位置情報に基づく送信可能周波数リストと最大送信可能電力とを取得する。送信可能周波数リストは、戸別に設置される子局や携帯電話等の端末(CPE:Customer
Premises Equipment)が接続する基地局(BS:Base Station)内のスペクトルマネージャ(SM:Spectrum Manager)によって、随時更新されながら一括管理されている。そして、BSは、この送信可能周波数リストに基づき、BSとCPEの間で双方向に通信に利用可能な周波数を使用周波数として決定する。
また、各無線局(BSおよびCPEをいう、以下同様。)は、スペクトルセンシング機能を具備している。各無線局は、このスペクトルセンシングによって、決定された使用周波数が既存システム(一次利用者のシステム)によって使用されていることを検知すると、その情報をSMに通知する。すると、SMは、送信可能周波数リストからこの周波数を除外する。ホワイトスペースを利用する無線通信システムは、このようにして時々刻々と更新される情報に基づきダイナミックなスペクトルアクセスを行うことで、一次利用者の周波数使用への影響を回避すると同時に、二次利用者の通信も実現する。
ところで、IEEE802.22では、複信方式として、時分割複信(TDD:Time Division Duplex)のみを規定している。BSとCPEは、TDDによって、データ送信時には同じ周波数を用いるが、異なる送信タイミングで通信を行うことで、双方向の通信を実現する。しかしながら、TDDのみによる複信方法は、双方向の通信に同じ周波数を用いる。よって、無線局ごとに送信可能な周波数が異なる場合や、送信可能な最大送信電力が異なる場合があるホワイトスペースを利用する無線通信システムにとって、TDDは必ずしも効率的な通信方法であるとは言いがたい。例えば、一方の無線局がある周波数で大電力での送信が可能であるが、他方の無線局がその周波数では小電力での送信しかできない場合、双方向の通信品質は非対称となる。よって、このような周波数を割当ててしまうと、通信が効率的に行われなくなる。
また、一方の無線局がある周波数でデータ送信可能であるが、他方の無線局がその周波数で受信不可の場合でも、逆方向の送受信が可能な場合もある。この場合、片方向のみの送受信しか行えない片方向リンクとなるが、このような周波数は、IEEE802.22のTDDでは当然のことながら利用することができない。
藤井宏治、"コグニティブ無線:電波利用のムダなくす、ホワイトスペース活用のコア技術"、[online]、リックテレコム、[平成23年6月9日検索]、インターネット 米国電気電子学会(IEEE)Computer Society編、「IEEE Std 802.22-2011 Part 22: CognitiveWireless RAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY)Specifications: Policies and Procedures for Operation in the TV Bands」、(米国)、IEEE標準化協会、2011年7月27日
前述の通り、IEEE802.22では複信方式としてTDDのみを規定しているため、片方向リンクの通信についてはIEEE802.22の規定対象外である。しかしながら、周波数資源の有効利用の観点から、片方向リンクとなる周波数であっても利用した方がよい場合もある。
ここで一般に、BSは鉄塔やビルの屋上等の高い位置にアンテナが設置されることが多いが、CPEは低層の建物等、地上高の低い位置にアンテナが設置されることが多い。また、CPEは指向性アンテナをBSの位置に向けて設置する場合が多いが、BSのアンテナはオムニアンテナを採用することが多い。そのため、BSとCPEが同一の送信電力で信号を送信すると、地理的に離れた位置に存在する一次利用者に対し、CPEの送信する上り信号は干渉とならない場合であっても、BSが送信する下り信号がオーバーリーチして一次利用者に干渉を与えてしまうケースが想定されることから、送信電力制限はBSのほうが厳しい値になる可能性がある。
これに加え、たとえばIEEE802.22で想定される一次利用システムである地上波ディジタルTV放送を考えた場合に、そのようなTV放送では高次の変調方式を使用していることから所要電界強度が高くなっていることや、IEEE802.22
WRANシステムのサービスエリア半径よりもTV放送エリアの半径が広いケースが多いことから、TV放送エリア外であっても、WRANシステムの信号対干渉電力比(SIR:Signal
to Interference power Ratio)を劣化させるに十分な強度のTV放送信号がWRANサービスエリア内に存在している可能性が高い。
そこで、本発明は上記課題に鑑み、ホワイトスペースを利用する無線通信システムにおいて、前記の状況、すなわちBSの下り送信電力の制限および一次利用システムの信号により主に下り信号の受信品質が低SIRとなることに起因して片方向のリンクしか使用できないような周波数であっても、この周波数を両方向リンクとして利用することにより、IEEE802.22 TDDシステムをそのまま使用し、効率的な周波数割当てを可能にすることを目的とする。
なお、IEEE802.22では、使用する周波数の決定に当たり、一次利用者の既存システムの周波数の占有パターンや干渉電力などといった通信品質に影響を与える指標を用いることを可能としている。しかし、どのような指標をどのように用いるかはIEEE802.22の規定の範囲外としている。
前記課題を解決するために、(1)本発明の一態様では、互いに無線通信を行う送信局及び受信局を含んで構成され、ホワイトスペースを利用して前記無線通信を行う無線通信システムであって、前記受信局は、前記ホワイトスペースの第1周波数において前記送信局が送信する信号を受信する信号受信部と、前記信号受信部が受信した信号が受けた干渉を軽減する処理を行う干渉抑圧部と、前記干渉抑圧部が処理した信号を基に、前記第1周波数を用いた通信の通信品質を推定する通信品質推定部と、前記通信品質推定部が推定した通信品質情報を前記送信局に送信する通信品質情報送信部と、を有し、前記送信局は、前記受信局からの前記通信品質情報を受信する通信品質情報受信部と、前記通信品質情報受信部が受信した前記通信品質情報を基に、前記第1周波数を前記受信局への制御信号の送信の際の周波数として割当てる周波数割当処理部と、前記周波数割当処理部での割当て結果を前記受信局に送信する割当結果送信部と、を有し、前記通信品質推定部は、前記第1周波数において受信する信号に対し前記干渉抑圧部による前記軽減する処理を施した場合と前記干渉抑圧部による前記軽減する処理を施さない場合のそれぞれについて通信品質を推定し、その推定した各通信品質のうちの高い品質の通信品質を最終的に得るものであり、前記周波数割当処理部は、前記受信局から受信した前記通信品質情報を基にデータ送信が可能な周波数に決定し、その決定した周波数を前記受信局へのデータ送信の際の周波数として割当てることを特徴とする無線通信システムを提供できる。
(2)本発明の一態様では、前記送信局と前記受信局は、互いに異なるタイミングで送信することで双方向通信を行い、前記第1周波数で送信される前記制御信号は、当該第1周波数において、前記受信局がデータ送信を送信することができる周波数又は時間上のデータ配置を、予め設定されている単位で前記受信局に指定するMAP情報を含む。
(3)本発明の一態様では、OFDMA(Orthogonal Frequency-Division Multiple Access)方式により前記送信局が1又は複数の前記受信局と前記無線通信を行うものであり、前記制御情報は、前記送信局から前記受信局へのデータの送信に比べ所要SINRが低い変調方式で変調されるか、前記送信局の送信タイミングの内で複数回繰り返し配置されて送信されるものであり、前記周波数割当処理部は、前記受信局から受信した前記通信品質情報が、前記第1周波数において干渉を受けており前記制御信号のみ受信が可能であることを示していると判断したときに、前記受信局への前記制御信号の送信の際の周波数を当該第1周波数に割当てるとともに、前記データ送信の際の周波数を当該第1周波数とは異なる第2周波数に割当てる。
(4)本発明の一態様では、OFDMA方式により前記送信局が複数の前記受信局と前記無線通信を行うものであり、前記送信局は、前記制御信号と前記データを前記周波数割当処理部により割当てられた複数の周波数で同時に送信する信号送信部を有し、前記周波数割当処理部は、複数の前記受信局の夫々に対して、前記通信品質情報が示す通信品質が高次の変調方式を用いてデータ通信を行うに耐える品質であると判断すると、前記第1周波数を前記送信局からデータ送信が可能な周波数に決定し、前記通信品質情報が示す通信品質が高次の変調方式を用いてデータ通信を行うに耐えられない品質であると判断すると、前記第1周波数以外の第2周波数をデータ送信が可能な周波数に決定し、前記送信局は、前記制御信号と前記データとを前記周波数割当処理部により割当てられた前記第1周波数及び前記第2周波数で同時に送信する。
(5)本発明の一態様では、ホワイトスペースを利用して無線通信を行う無線通信システムにおいて送信局との間で無線通信を行う受信局の受信装置であって、前記ホワイトスペースの第1周波数において前記送信局が送信する信号を受信する信号受信部と、前記信号受信部が受信した信号が受けた干渉を軽減する処理を行う干渉抑圧部と、前記干渉抑圧部が処理した信号を基に、前記第1周波数を用いた通信の通信品質を推定する通信品質推定部と、前記通信品質推定部が推定した通信品質情報を前記送信局に送信する通信品質情報送信部と、を有し、前記通信品質推定部は、前記第1周波数において受信する信号に対し前記干渉抑圧部による前記軽減する処理を施した場合と前記干渉抑圧部による前記軽減する処理を施さない場合のそれぞれについて通信品質を推定し、その推定した各通信品質のうちの高い品質の通信品質を最終的に得るものであり、前記受信局からの前記通信品質情報を基に前記送信局によって前記第1周波数が前記受信局への制御信号の送信の際の周波数として割当てられて前記送信局との間で無線通信を行い、前記送信局は、前記受信局から受信した前記通信品質情報を基にデータ送信が可能な周波数に決定し、その決定した周波数を前記受信局へのデータ送信の際の周波数として割当てることを特徴とする受信装置を提供できる。
(1)の態様の発明によれば、ホワイトスペースを利用する際に干渉する信号を軽減し受信品質を改善することができるため、ホワイトスペースの第1周波数で下り信号が低SIR環境下となる場合であっても該第1周波数において下り制御信号を受信可能にすることができる。これにより、(1)の態様の発明では、TDDシステムを維持したまま該第1周波数における上りリンクの利用が可能となり、システム全体の周波数の有効利用が実現可能になる。
また、(1)の態様の発明によれば、データ通信の際の品質を適切に評価する通信品質情報を基にデータ送信の際の周波数の割当てができるようになる。
(3)の態様の発明によれば、OFDMA方式により送信局が1又は複数の受信局と無線通信を行い、制御情報が送信局から受信局へのデータの送信に比べ所要SINRが低い変調方式で変調されるような無線通信システムにおいて、データ送信のための周波数として制御信号を送信するホワイトスペースの第1周波数又はそれ以外の第2周波数を割当てることができるようになる。
(4)の態様の発明によれば、OFDMA方式により送信局が複数の受信局と無線通信を行い、送信局が制御信号とデータを周波数割当処理部により割当てられた複数の周波数で同時に送信する信号送信部を有するような無線通信システムに適用でき、TV放送等の高次の変調方式を用いて行う通信のホワイトスペースを利用してデータ通信を行えるようになる。
(5)の態様の発明によれば、ホワイトスペースを利用する際に干渉する信号を抑圧し受信品質を改善することができるため、ホワイトスペースの第1周波数で下り信号が低SIR環境下となる場合であっても該第1周波数において下り制御信号を受信可能にすることができる。これにより、(5)の態様の発明では、TDDシステムを維持したまま該第1周波数における上りリンクの利用が可能となり、システム全体の周波数の有効利用が実現可能になる。
また、(5)の態様の発明によれば、データ通信の際の品質を適切に評価する通信品質情報を基にデータ送信の際の周波数の割当てができるようになる。
本実施形態に係る無線通信システムの全体構成の一例を示す図である。 既存システムのサービスエリア半径Rと無線通信システムのサービスエリア半径R1とを比較した説明に使用する図である。 TDDフレームの割り当てパターン例を示す図である。 本実施形態に係る無線通信システムの送信局及び受信局の構成例を示すブロック図である。 BSのより具体的な構成例を示す図である。 CPEのより具体的な構成例を示す図である。
本発明の実施形態を図面を参照しつつ説明する。
(無線通信システムの概要)
図1は、本実施形態に係る無線通信システムの全体構成の一例を示す図である。本実施形態に係る無線通信システム1は、ホワイトスペースを利用する無線通信システム(ホワイトスペース利用システム、二次利用システム)である。
図1に示されるように、無線通信システム1は、戸別に設置される子局や携帯電話等の無線通信端末(加入者局装置)であるCPE21およびCPE22と、これらの無線通信端末が接続する基地局であるBS10と、BS10のバックホール回線30と、インターネット40とを含んで構成される。
また、図1に示す通信システム2は、国から周波数使用のライセンスを受けている一次利用者の放送又は通信システム(一次利用システム、以下、「既存システム」という)である。この既存システム2は、送信局50と受信局60とを含んで構成されている。また、既存システム2の一次利用者は、国から周波数f1のライセンスを受けている。以下の説明においては、無線通信システム1において、国から周波数f1の使用ライセンスを受けていない二次利用者が周波数f1をホワイトスペースとして利用するものとする。
ここで、図1に示されるように、無線通信システム1は、既存システム2に対し地理的に近い位置に存在する。しかし、無線通信システム1は、既存システム2のサービスエリアから十分な離隔距離を取って無線通信システム1のサービスエリアを配置し、かつ無線通信システム1を構成する無線局の送信電力を十分小さくすれば、周波数f1を用いて送信を行っても、既存システム2に干渉を与えることなく通信を行うことができる。
ただしこのとき、BS10のアンテナは高い位置に設置されたオムニアンテナ、CPE22のアンテナは低い位置に設置された指向性アンテナであり、図1のような地理的配置では、CPEの送信電力よりもBSの送信電力を小さくしなければ既存システム2への与干渉となるため、CPEは中電力での送信が可能であり、BSは小電力での送信が可能であるとする。
このとき、図2に例示されるように、既存システム2のサービスエリア半径Rが無線通信システム1のサービスエリア半径Rよりも十分広い場合、両サービスエリア間の離隔距離をD[m]とすると、以下の例に示す関係から既存システム2の信号が無線通信システム1のサービスエリアに高い強度で存在することとなる。
(例)
=5×R
D=R
とすると、無線通信システム1のエリア端に存在するCPEと既存システム2の送信局との最短距離D21は、
21=R+D=5×R+R=6×R=1.2×R
であり、既存システム2のエリア端における送信局からの距離Rの1.2倍となる。
一方、既存システム2のエリア端に存在する受信局と無線通信システム1の基地局との最短距離D12
12=R+D=R+R=2×R
であり、無線通信システム1のエリア端におけるBSからの距離Rの2倍となる。
一般に、無線通信における電波伝搬損失は、送信アンテナと受信アンテナとの間の距離のN乗(Nは整数もしくは実数)に比例するとしてモデル化されることが多い(距離のN乗則、自由空間伝搬ではN=2)。すなわち、無線通信システム1の信号が既存システム2への干渉とならないよう両システムのエリアの間に十分な離隔距離を取っても、無線通信システム1よりもサービスエリアの広い既存システム2の信号は、無線通信システム1のサービスエリア内に高い強度のまま到達することになる。
なお、周波数f2については、無線通信システム1の周辺には周波数f2を利用する既存システムが存在しないため、無線通信システム1の全ての無線局は大電力での送信が可能である。
そして、本実施形態では、ホワイトスペースを利用した無線通信システム1は、自己のサービスエリア内に既存システム2の信号が高い強度のまま到達することがあっても、地理的に使用可能な周波数資源を有効利用できる。
(TDDフレームの割り当てパターンの例)
ここで、図3を参照しながら、本例のBS10におけるTDDフレームの割り当ての概念を説明する。本例の無線通信システム1は、IEEE802.22に準拠し、アクセス方式としてOFDMA(Orthogonal Frequency-Division Multiple
Access)を用いる。TDDフレームは、TDD比が可変の下りサブフレームと上りサブフレームからなる。そして、下りサブフレームにおける各CPEへのデータ信号や、上りフレームにおける各CPEからのデータ信号は、バーストと呼ばれる単位で周波数と時間の2次元領域で配置される。このバースト(データバースト)の配置をBS10から各CPEに指示するためのMAP情報等を含む制御情報(Control)が、下りサブフレームの先頭寄りに配置される。実際には、制御情報は複数の制御バーストから構成され、それらは、データバーストに比べ所要SINRが低い変調方式(例えば16QAMのデータバーストに対し、QPSKの制御情報)で変調される。
図3(a)は従来通りの基本パターンの例を示し、図3(b)は本実施形態に係る改善パターンの例を示している。なお、図3においても、図1で説明したように周波数f1では下りの被干渉が強い状況を想定する。
図3(a)では、周波数f1において、CPE21への下り信号が低SIRとなり片方向リンクとなってしまうため、周波数f1を使用しない。
これに対して、図3(b)では、周波数f1の下りサブフレームには制御情報のみを配置する。CPE21およびCPE22は、周波数f1でも干渉キャンセラ等により制御信号であれば受信(復号)でき、指向性アンテナ等により既存システムの与干渉も抑えながら送信できる。周波数f2は、基本的には図3(a)と同様に利用できる。特に、周波数f1と周波数f2を上りのバースト伝送に利用したことで、周波数f2の上りサブフレームに詰め込むバースト数を減らし周波数f2の下りサブフレームで伝送する制御情報のオーバヘッドを削減できたり、サブフレームの配置に選択肢が増え全体スループットを最適化できたりする効果が期待できる。
図4は、本実施形態に係る無線通信システム1の送信局100及び受信局200の構成例を示すブロック図である。
図4に示されるように、無線通信システム1は、無線通信によりデータを送信する送信局100と、送信局100から送信されるデータを受信する受信局200とを含んで構成される。本実施形態においては、送信局100は図1のBS10に該当し、受信局200は図1のCPE21、CPE22に該当する。なお、受信局200は、1つでも良いが、図1に示すように複数存在しても良い。また、ホワイトスペースとして使用可能な周波数には、少なくともf1とf2の2つの周波数(チャンネル)が含まれるものとする。
以下、図4を参照しながら、送信局100と受信局200の構成について説明する。
(受信局200の構成)
受信局(受信局の受信装置又は通信装置)200は、信号受信部201と、干渉抑圧処理部202と、受信品質推定部203と、受信品質通知部204とを備える。
信号受信部201は、特定の周波数f1(及びf2)において、送信局100が送信する信号を受信する。本実施形態においては、信号受信部201が受信する信号は、BS10からCPE21、CPE22に送信される下り信号である。信号受信部201で受信された信号は、干渉抑圧処理部202および受信品質推定部203に渡される。ここで、特定の周波数f1とは、受信局200の初期動作(同期確立)やスペクトルセンシング等の過程で判明した、送信局200が送信している周波数(の1つ)である。
干渉抑圧処理部202は、信号受信部201が受信した信号に干渉する信号を抑圧(軽減)してSIR改善する処理を行う。そして、干渉抑圧処理部202によってSIR改善された信号は、受信品質推定部203に渡される。このとき、干渉抑圧処理部202のSIR改善方法は、繰り返し送信されるプリアンブル等の信号を累積加算するなどの信号処理による干渉抑圧方式であっても良く、マルチアンテナ信号処理による空間的な干渉抑圧方式であっても良い。
受信品質推定部203は、信号受信部201および干渉抑圧処理部202から渡された信号を用いて、特定の周波数f1において、データの受信が可能か否かを検出する。また、本実施形態においては、受信品質推定部203は、特定の周波数f1においてデータを受信する際に干渉抑圧を適用した場合と適用しなかった場合のそれぞれについての受信品質を推定し、品質の良い側を選択する。
具体的には、受信品質推定部203は、受信品質を以下のようにして判断する。すなわち、受信した信号を復調・復号し、CRC(Cyclic Redundancy Check)符号などの誤り検出符号によって誤りが検出されなかった場合に受信可能な受信品質としても良く、各信号に含まれるパイロット信号などの既知信号を用いてSINRを推定しSINRが閾値以上であった場合に受信可能な受信品質としても良い。また、SINRの推定結果やビット誤り率の履歴を一定期間保持し、その平均値によって受信可能かどうかの判定を行っても良い。さらに、閾値を複数設け、その閾値ごとに通信品質の指標としても良く、あらかじめ記憶しておく表を参照することで通信可能な最大伝送レートを導き、これを通信品質としても良い。
また、一般に、CPEが最初に受信するBSからの信号は、プリアンブルや制御バースト等のブロードキャスト制御信号であるが、これら信号を基に行う受信品質推定に限定されるものではない。つまり、受信品質推定のための専用のテスト信号の受信による推定であっても良く、ビーコンなどの制御信号やブロードキャストデータ信号の受信による受信品質推定であっても良いし、他局へのユニキャストデータ信号の傍受による受信品質推定であっても良い。
受信局200は、前記の手順により送信局100が送信する制御信号の受信が可能と判断されれば、送信局100(すなわちBS)へネットワークエントリを順次開始し、送信局100との間でf1の周波数のまま通信チャネルを確立する。
受信品質通知部204は、前記通信チャネルを通じ、送信局100に受信品質情報を通知する。このとき、下りの品質が良好(受信局200はデータの受信が可能)であると送信局100側において判断されれば、f1の周波数で上りだけでなく下りのデータ通信も行い、下り品質が中程度(受信局200は(干渉を受けているものの)制御信号の受信のみが可能)であると送信局100側において判断されれば、上りのデータ通信をf1の周波数で行い、下りのデータ通信は異なる周波数(たとえばf2)で行うことになる。ここで、受信品質情報は、一例としてCBP(Coexistence Beacon Protocol)バーストとして通知されうる。
(送信局100の構成)
図4に示されるように、送信局(送信局の送信装置又は通信装置)100は、信号送信部101と、受信品質情報受信部102と、通信品質情報保持部103と、周波数割当処理部104と、割当結果通知部105とを備える。
受信品質受信部102は、受信局200から送信される受信品質情報を受信する。前述したように、本実施形態において、受信品質情報は受信局200が下り信号を受信する際の通信品質である。なお、上り品質についても、送信局100が受信品質情報を受信したときの受信品質として、送信局100で保持するのが通常である。
通信品質情報保持部103は、受信局200から送信される受信品質情報を受信して保持する。通信品質情報保持部103は、具体的には、例えば、複数存在する受信局200をそれぞれ識別するための識別子(Device ID)と受信品質情報とを関連づけてデータベース等の形式にて自局のハードディスク等の記憶装置に記憶して保持する。また、受信品質情報は、通信品質を判定した周波数の情報も関連づけられて保持されても良い。
周波数割当処理部104は、通信品質情報保持部103に保持されている受信品質情報を参照して下りの制御信号の送信やデータ送信が可能な周波数を決定し、これらを受信局200への制御信号の送信やデータ送信の際の周波数としてそれぞれ割当てる。例えば、周波数割当処理部104は、受信品質情報を参照して受信局200が制御信号を受信可能と判断した場合において、f1の周波数における受信局200の受信品質が高次の変調方式(所要SINRが高い変調方式)を用いたデータ通信を行うに耐える品質と判断すればf1で下りデータ伝送も行うこととし、高次の変調方式を用いたデータ通信に耐えられないと判断すれば、その受信局200に対しては下り制御信号の伝送のみをf1で行い、下りデータ伝送は品質のより良い別の周波数(たとえばf2)で行うこととする。その時点でf1以外の周波数を良好に使用していればその周波数をf2にでき、使用していなければ候補周波数やバックアップ周波数(チャンネル)から選定する。これらの判断及び割当ては、複数の受信局200夫々に対して為される。つまり、f1の下りサブフレームに一部の受信局200への下りデータを配置し、残りの受信局200への下りデータをf2の下りサブフレームに配置してもよい。これにより、データ通信は、上り方向及び下り方向の夫々について、上り品質及び下り品質のよりよい方の周波数に優先的に割当てられるようになる。
割当結果通知部105は、周波数割当処理部104での割当て結果を信号送信部101を通じて受信局200に送信する。割当て結果は、一例として、制御情報やスーパーフレーム制御ヘッダ(SCH)等により送信される。もし、周波数f1において高次の変調方式を用いたデータ通信に耐えられない品質よりも更に悪い下り品質を示す受信品質情報を応答した受信局や、受信品質情報を応答しない受信局が存在する場合や、大多数の受信局が上り品質下り品質共に良好でない場合は、f1は既存システム等から干渉を受け或いは与えている可能性が高く、或いはf1の有効利用が困難なため、f1の使用を中止することが望ましい。
(BS10(送信局100)の具体的構成)
次に、図5を参照しながら、BS10のより具体的な構成について説明する。なお、本実施形態においては、BS10は前述した送信局100に該当する。
図5に示されるように、BS10は、電波を送信及び受信するアンテナ151と、無線信号(データ、制御情報等を含む)の送受信を行うデータ伝送部152と、自局全体の制御を行う主制御部153と、CPE21およびCPE22の利用可能周波数を管理するスペクトルマネージャ(SM)154と、バックホール回線30や外部装置とのインターフェースとなるインターフェース部155と、バックホール回線30や外部装置と接続するための端子156とを備える。
SM154は、前述した通信品質情報保持部103と、周波数割当処理部104とを備える。つまり、SM154は、受信局200ごとの通信品質情報を保持し、受信局200から周波数割当ての要求があった場合には周波数割当ての処理を行う。
データ伝送部152は、RF部161と、ベースバンド(BB:Baseband)信号処理部162と、MAC処理部163とを備える。
RF部161は、ベースバンドから無線周波数帯への周波数変換および無線周波数帯からベースバンドへの周波数変換や、信号増幅等の処理を行う。
BB信号処理部162は、誤り訂正符号化、復号処理、および変復調処理等を行う。データ伝送部152は、同時に複数の周波数(チャンネル)でOFDM信号を送受信できるよう、FFTサイズ可変構成或いはmulti radio構成とする。
MAC処理部163は、自局が使用する周波数チャネルやデータ送受信タイミングの制御、パケットへの自局識別子の付加、およびデータ送信元の無線装置の認識等の処理を行う。
また、前述した信号送信部101、受信品質情報受信部102、および割当結果通知部105の機能は、主制御部153の制御によって、アンテナ151およびデータ伝送部152が受信品質情報を受信したり、割当結果を送信したりすることで実現される。
なお、主制御部153は、例えば、プロセッサとメモリ上に定義されたデータ記憶領域とソフトウェアで構成することが可能である。また、BB信号処理部162、MAC処理部163、およびSM154における処理は、例えば、主制御部153のプロセッサがハードディスク等のデータ記憶装置に記憶されているプログラムをメモリ上に読み出して実行することにより実現することが可能である。
(CPE21、CPE22(受信局200)の具体的構成)
次に、図6を参照しながら、CPE21、CPE22のより具体的な構成について説明する。なお、本実施形態においては、CPE21、CPE22は前述した受信局200に該当する。
図6に示されるように、CPE21、CPE22は、電波を送信及び受信するアンテナ251と、データの送受信を行うデータ伝送部252と、自局全体の制御を行う主制御部253と、BS10からの信号を受信した時の通信品質の推定を行う受信品質推定部203と、外部回線や外部装置とのインターフェースとなるインターフェース部255と、外部回線や外部装置と接続するための端子256とを備える。
データ伝送部252は、RF部261と、ベースバンド(BB)信号処理部262と、MAC処理部263とを備える。
RF部261は、ベースバンドから無線周波数帯への周波数変換および無線周波数帯からベースバンドへの周波数変換や、信号増幅等の処理を行う。
BB信号処理部262は、誤り訂正符号化、復号処理、および変復調処理等を行う。
MAC処理部263は、自局が使用する周波数チャネルやデータ送受信タイミングの制御、パケットへの自局識別子の付加、およびデータ送信元の無線装置の認識等の処理を行う。
また、前述した信号受信部201、干渉抑圧処理部202、受信品質推定部203、および受信品質通知部204の機能は、主制御部253の制御によって、アンテナ251およびデータ伝送部252が各種の信号処理やデータの送受信を行うことで実現される。
なお、主制御部253は、例えば、プロセッサとメモリ上に定義されたデータ記憶領域とソフトウェアで構成することも可能である。また、BB信号処理部262、MAC処理部263、および受信品質推定部203における処理は、例えば、主制御部253のプロセッサがフラッシュメモリ等のデータ記憶装置に記憶されているプログラムをメモリ上に読み出して実行することにより実現することが可能である。
(本実施形態における効果)
以上のとおり、本実施形態によれば、ホワイトスペースを利用した無線通信システム1において、下り信号のSIRが低い環境において干渉抑圧技術を適用することで下り制御信号を受信可能とし、TDDシステムを適用することが可能となる。
さらに、各周波数における受信局ごとの受信品質情報(下り品質)を収集し、双方向の通信それぞれに対して効率的な周波数の割当が可能となる。具体的には、データ通信は、上り方向及び下り方向の夫々について、上り品質及び下り品質のよりよいほうの周波数に優先的に割当てるようにし、品質が良好でない周波数であっても、下り品質が中程度(制御信号を受信できる程度)確保できれば併用するようにした。これにより、下りと上りで品質が非対称になるような環境において、システム全体の周波数利用効率が改善される。
なお、本実施形態のように、BS10が複数の周波数で送信を行うマルチチャネル方式としては、種々のものが使用でき、物理層としてはチャネルボンディングやチャネルアグリゲーション等、MACではマルチチャネルMAC拡張等が知られる。
(本実施形態の変形例)
本実施形態の説明では、最初の使用(運用)周波数f1において被干渉を察知してから運用周波数をf2に変更する状況を想定したが、始めから送信可能周波数リストからf2を選ぶことができ、その後CPEからの帯域要求に応じて(リストにない)周波数f1も使用するような状況にも適用できる。その場合、BS10は、周波数f1での送信をoutband broadcasting等により行い、各CPEがこれを受信して受信品質推定部203により既存システム等からの干渉の度合いを推定する。受信品質情報は、BS10との間で通信チャネルを確立済みであればf1以外の周波数でも通知できる。
また、被干渉の周波数f1は、近隣の既存システムが用いる周波数と同じものとして説明したが、隣接周波数からの不要輻射も干渉源になり得るため、隣接周波数の使用を控えるアプリケーションも想定される。その場合でも、BS10は、上述の周波数f1を隣接周波数に割り当てて、受信品質情報の応答を各CPEに求めることができる。
また、BSとCPEとの間で通信するものとして説明したが、BSのチェーン接続に適用することもできる。その場合、BS10をマスターBSとし、CPE21又は22の少なくとも1つをスレーブBSと読み替えるものとする。
また、被干渉の周波数f1は、端末間直接通信や異種システムとの連絡等に応用することもできる。端末間直接通信では、周波数f1やf2の下りサブフレームで指定されたバースト配置に従い、各CPEが上りサブフレームにおいて送受信しあう。異種システムとの連絡等とは、送信可能周波数などの情報を共有したり隠れ既存システムの発見を容易にしたりするためもので、帯域外ブロードキャスト、ランデブーチャンネル等としての用途がある。
また、BS10が被干渉の周波数f1で送信する制御情報等は、下りサブフレームに複数回繰り返し配置することができ、CPE側でこれらを加算することでSINRを改善できる。
本実施形態に係る無線通信システム1は、IEEE802.22で規定されている無線通信システムに対して特に好適であるが、これに限定されるものではない。1つの基地局が1つの周波数(チャンネル)でしか端末にデータ送信できないようなシステムに適用する場合、本実施形態のBS10は、周波数ごとに(つまりf1とf2の夫々に対応して)基地局IDを有する、同じ場所に設置された複数の基地局として振舞えばよい。
(付記)
以上に、本発明に係る実施形態について詳細に説明したことからも明らかなように、前述の実施形態の一部または全部は、以下の付記のようにも記載することができる。しかしながら、以下の付記は、あくまでも、本発明の単なる例示に過ぎず、本発明は、かかる場合のみに限るものではない。
(付記1)
互いに無線通信を行う送信局及び受信局を含んで構成され、ホワイトスペースを利用して前記無線通信を行う無線通信方法であって、
前記受信局が、前記ホワイトスペースの第1周波数において前記送信局が送信する信号を受信する第1ステップと、
前記受信局が、前記第1ステップで受信した信号が受けた干渉を軽減する処理を行う第2ステップと、
前記受信局が、前記第2ステップで処理した信号を基に、前記第1周波数を用いた通信の通信品質を推定する第3ステップと、
前記受信局が、前記第3ステップで推定した通信品質情報を前記送信局に送信する第4ステップと、
前記送信局が、前記受信局からの前記通信品質情報を受信する第5ステップと、
前記送信局が、前記第5ステップで受信した前記通信品質情報を基に、前記第1周波数を前記受信局への制御信号の送信の際の周波数として割当てる第6ステップと、
前記送信局が、前記周波数割当処理部での割当て結果を前記受信局に送信する第7ステップと、
を有することを特徴とする無線通信方法。
この構成によれば、ホワイトスペースを利用する際に干渉する信号を抑圧し受信品質を改善することができるため、ホワイトスペースの周波数で下り信号が低SIR環境下となる場合であっても該周波数において下り制御信号を受信可能にすることができる。これにより、この構成では、TDDシステムを維持したまま該周波数における上りリンクの利用が可能となり、システム全体の周波数の有効利用が実現可能になる。
1 無線通信システム、2 既存システム、10 BS、21,22 CPE、30 バックホール回線、40 インターネット、100 送信局、101 信号送信部、102 受信品質情報受信部、103 通信品質情報保持部、104 周波数割当処理部、105 割当結果通知部、151 アンテナ、152 データ伝送部、153 主制御部、154 スペクトルマネージャ、155 インターフェース部、156 端子、161 RF部、162 ベースバンド信号処理部、163 MAC処理部、200 受信局、201 信号受信部、202 干渉抑圧処理部、203 受信品質推定部、204 受信品質通知部、251 アンテナ、252 データ伝送部、253 主制御部、255 インターフェース部、256 端子、261 RF部、262 ベースバンド信号処理部、263 MAC処理部

Claims (5)

  1. 互いに無線通信を行う送信局及び受信局を含んで構成され、ホワイトスペースを利用して前記無線通信を行う無線通信システムであって、
    前記受信局は、
    前記ホワイトスペースの第1周波数において前記送信局が送信する信号を受信する信号受信部と、
    前記信号受信部が受信した信号が受けた干渉を軽減する処理を行う干渉抑圧部と、
    前記干渉抑圧部が処理した信号を基に、前記第1周波数を用いた通信の通信品質を推定する通信品質推定部と、
    前記通信品質推定部が推定した通信品質情報を前記送信局に送信する通信品質情報送信部と、を有し、
    前記送信局は、
    前記受信局からの前記通信品質情報を受信する通信品質情報受信部と、
    前記通信品質情報受信部が受信した前記通信品質情報を基に、前記第1周波数を前記受信局への制御信号の送信の際の周波数として割当てる周波数割当処理部と、
    前記周波数割当処理部での割当て結果を前記受信局に送信する割当結果送信部と、
    を有し、
    前記通信品質推定部は、前記第1周波数において受信する信号に対し前記干渉抑圧部による前記軽減する処理を施した場合と前記干渉抑圧部による前記軽減する処理を施さない場合のそれぞれについて通信品質を推定し、その推定した各通信品質のうちの高い品質の通信品質を最終的に得るものであり、
    前記周波数割当処理部は、前記受信局から受信した前記通信品質情報を基にデータ送信が可能な周波数に決定し、その決定した周波数を前記受信局へのデータ送信の際の周波数として割当てることを特徴とする無線通信システム。
  2. 前記送信局と前記受信局は、互いに異なるタイミングで送信することで双方向通信を行い、
    前記第1周波数で送信される前記制御信号は、当該第1周波数において、前記受信局がデータ送信を送信することができる周波数又は時間上のデータ配置を、予め設定されている単位で前記受信局に指定するMAP情報を含むことを特徴とする請求項1に記載の無線通信システム。
  3. OFDMA(Orthogonal
    Frequency-Division Multiple Access)方式により前記送信局が1又は複数の前記受信局と前記無線通信を行うものであり、
    前記制御情報は、前記送信局から前記受信局へのデータの送信に比べ所要SINRが低い変調方式で変調されるか、前記送信局の送信タイミングの内で複数回繰り返し配置されて送信されるものであり、
    前記周波数割当処理部は、前記受信局から受信した前記通信品質情報が、前記第1周波数において干渉を受けており前記制御信号のみ受信が可能であることを示していると判断したときに、前記受信局への前記制御信号の送信の際の周波数を当該第1周波数に割当てるとともに、前記データ送信の際の周波数を当該第1周波数とは異なる第2周波数に割当てることを特徴とする請求項1又は2に記載の無線通信システム。
  4. OFDMA方式により前記送信局が複数の前記受信局と前記無線通信を行うものであり、
    前記送信局は、前記制御信号と前記データを前記周波数割当処理部により割当てられた複数の周波数で同時に送信する信号送信部を有し、
    前記周波数割当処理部は、複数の前記受信局の夫々に対して、前記通信品質情報が示す通信品質が高次の変調方式を用いてデータ通信を行うに耐える品質であると判断すると、前記第1周波数を前記送信局からデータ送信が可能な周波数に決定し、前記通信品質情報が示す通信品質が高次の変調方式を用いてデータ通信を行うに耐えられない品質であると判断すると、前記第1周波数以外の第2周波数をデータ送信が可能な周波数に決定し、
    前記送信局は、前記制御信号と前記データとを前記周波数割当処理部により割当てられた前記第1周波数及び前記第2周波数で同時に送信することを特徴とする請求項に記載の無線通信システム。
  5. ホワイトスペースを利用して無線通信を行う無線通信システムにおいて送信局との間で無線通信を行う受信局の受信装置であって、
    前記ホワイトスペースの第1周波数において前記送信局が送信する信号を受信する信号受信部と、
    前記信号受信部が受信した信号が受けた干渉を軽減する処理を行う干渉抑圧部と、
    前記干渉抑圧部が処理した信号を基に、前記第1周波数を用いた通信の通信品質を推定する通信品質推定部と、
    前記通信品質推定部が推定した通信品質情報を前記送信局に送信する通信品質情報送信部と、を有し、
    前記通信品質推定部は、前記第1周波数において受信する信号に対し前記干渉抑圧部による前記軽減する処理を施した場合と前記干渉抑圧部による前記軽減する処理を施さない場合のそれぞれについて通信品質を推定し、その推定した各通信品質のうちの高い品質の通信品質を最終的に得るものであり、
    前記受信局からの前記通信品質情報を基に前記送信局によって前記第1周波数が前記受信局への制御信号の送信の際の周波数として割当てられて前記送信局との間で無線通信を行い
    前記送信局は、前記受信局から受信した前記通信品質情報を基にデータ送信が可能な周波数に決定し、その決定した周波数を前記受信局へのデータ送信の際の周波数として割当てることを特徴とする受信装置。
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