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JP2010541381A - 周波数分割複信システムにおける半二重および全二重加入者局オペレーションのための方法 - Google Patents

周波数分割複信システムにおける半二重および全二重加入者局オペレーションのための方法 Download PDF

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JP2010541381A JP2010526936A JP2010526936A JP2010541381A JP 2010541381 A JP2010541381 A JP 2010541381A JP 2010526936 A JP2010526936 A JP 2010526936A JP 2010526936 A JP2010526936 A JP 2010526936A JP 2010541381 A JP2010541381 A JP 2010541381A
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Abstract

本発明は、時分割複信(TDD)無線通信技術をスムーズに周波数分割複信無線通信技術に発展させるために使用されることが可能な、新規のフレーミング構造を提供する。割当て開始時間によって、ダウンリンク・フレームに関するオフセットであるアップリンク・フレームの開始時間を確立するための方法が提供される。さらに、送信/受信および受信/送信時間ギャップのための適切な規則を用いて、半二重および全二重周波数分割複信オペレーションのためにダウンリンクおよびアップリンクのリソースを割り当てる方法もまた提供される。

Description

本発明は、一般に通信システムに関し、より詳細には周波数分割複信(FDD)の直交周波数分割多元接続(OFDMA)システムに関する。
IEEE802.16e/mに基づく直交周波数分割多元接続(OFDMA)技術およびユニバーサル移動体通信システムのロング・ターム・エボリューション(UMTS−LTE)は、3G携帯電話を超える選択の技術となるために好適な位置に置かれている。IEEE802.16eはスケーラブル帯域幅、分散および隣接サブキャリアに基づくサブチャネル化の方法、および複数アンテナ技術など、いくつかの先進機能をサポートする。IEEE802.16eはまた、3Gシステムの中で見出される複数のリソース制御機能を反映する。
IEEE802.16eの1つの限界は、それが現在のところ、実際には単一の周波数キャリアがダウンリンクとアップリンクとの両方に使用され、ダウンリンクとアップリンクとが時間で分離されるTDDオペレーションに限られているということである。この規格の産業用実装は、現在のところWiMAXフォーラムによって指定される時分割複信(TDD)プロファイルに限られている。
図1は、現在のIEEE802.16eのTDDフレーム構造100を示す。各フレームは、ダウンリンク・サブフレーム101およびアップリンク・サブフレーム102に分割される。ダウンリンク・サブフレーム101は、プリアンブル111、フレーム制御ヘッダ(FCH)・メッセージ121、ダウンリンク・マップ(DL−MAP)・メッセージ131およびアップリンク・マップ(UL−MAP)・メッセージ141を含む制御オーバヘッドを送信することによって開始する。
プリアンブル111は、フレーム同期、チャネル状態の推定、受信信号の強度および信号対干渉雑音比(SINR)の推定のために使用されてもよい。
フレーム制御ヘッダ(FCH)・メッセージ121、ダウンリンク・マップ(DL−MAP)・メッセージ131およびアップリンク・マップ(UL−MAP)メッセージ141は、フレームの構造および構成について述べる。
TTG(送信/受信の移行ギャップ)103およびRTG(受信/送信の移行ギャップ)104と示される時間ギャップは、送信機能と受信機能との間の移行を可能にするために、ダウンリンク・サブフレーム101とアップリンク・サブフレーム102との間、および各フレームの最後にそれぞれ挿入されるのが好ましい。
周波数分割複信(FDD)オペレーションは、対のスペクトルを所有するオペレータにとって大きな利益である。しかしながら、共同利用が可能なFDDのサポートは、基地局(BS)および移動局(MS)のオペレーションに関係することから、ダウンリンクとアップリンクとのタイミング関係を明確に指定する新たなフレーミング構造定義を必要とする。本明細書では、移動局および加入者局という用語は交換可能に使用される。
フレーミング構造を定義する際、いくつかの注意事項が考慮されなければならない。第1の注意事項は、現在のTDD実装に対する過度なハードウェアの変更が必要とされないように、既存のTDDフレーム構造の修正を最小にするということである。
第2の注意事項は、半二重FDD(H−FDD)の加入者局オペレーションのサポートである。加入者局のデュプレクサをなくすことによって、低コストの端末を持ち、TDD端末のASICを最大のFDD機能に発展させることがずっと簡単になる。
第3の注意事項は、同一セクタのキャリアの中で、H−FDDおよび全FDDオペレーションをサポートする移動局が共存することである。これは、端末がより複雑になり、最大のFDD機能に発展することから、H−FDD端末へのオペレータの投資が維持されることを確実にする。
第4の注意事項は、TDDと比較してオーバヘッドが減らされるということである。オーバヘッドは、最低限でもTDDの場合より少しでも悪くてはならない。また、TDDと比較して改善されたリンク・バジェットも存在する。
第5の注意事項は、アイドル時間を最小にすることによって、エア・インタフェース・リソースの利用を最大化することである。
システムがTDDからFDDのオペレーションへ素早く移行できることを確実にし、より単純なH−FDD加入者局が配備されるようにし、WiMAXベースのOFDMAシステムを、その他のFDD技術に基づくその他のシステムと競合させる改善点を与えるために、これらの機能が必要である。
この問題のために以前に提案されたフレーミング構造の解決法は、同期されたダウンリンクとアップリンクとのフレーム構造を仮定しており、また例えば、増加されるMAPオーバヘッド、およびアップリンクのためのリンク・バジェットが幾分低下することにつながる場合のある、加入者局をゾーンにグループ化することなど、いくつかの欠点を有する。
本発明の例示的実施形態は、アップリンク・フレームの開始がダウンリンク・フレームに対してオフセットされることを可能にする。例示的な実施形態で、このオフセットは割当て開始時間(AST)によって示される。ASTは、加入者局(SS)がダウンリンク(DL)およびアップリンク(UL)のフレームの開始および終了時を両方とも知るように、基地局(BS)によってSSに知らされるのが好ましい。
本発明はまた、システム全体の基準に対して加入者毎の基準で、受信/送信および送信/受信からの移行ギャップの規則を考慮する。さらに本発明は、特定の期間に、送信または受信を行うために移動局が必要とされるかどうかについて優先順位を確立するために、MAPメッセージなどのリソース割当てメッセージを受信した上で執行されるリソース割当てルールを利用する。
基地局は、限定されないが2.5ミリ秒、5ミリ秒および10ミリ秒フレームを含めて、関係のある異なるフレーム期間(FD)をサポートすることができる。より長いフレーム期間は、減らされたオーバヘッドおよび改善されたリンク・バジェットに関して、いくつかの利点を有するが、より短いフレームは、改善された待ち時間の可能性を与える。H−FDD加入者局のアップリンク送信は、特定のダウンリンク・フレームで制御領域を受信し、同じフレームでダウンリンク・データを受信して、その後拘束する移行ギャップにしたがって、アップリンクで送信を行うことができるようにスケジュールされることが可能である。しかしながら、加入者局がアップリンクでの送信の際に、プリアンブルおよび/またはリソース割当てメッセージ(WiMAXの場合におけるMAP)を含むダウンリンク制御領域を偶然に逃してしまった場合、そのダウンリンク・フレームの間にデータを受信することができず、また対応するULフレームのための割当てを得ることもできないということに留意されたい。
全二重オペレーションは、この機能を有する加入者局にとって可能である。これらの加入者局は、その他のH−FDD対応の加入者局と共存し、スケジューラによって判定されるように無線リソースを共有することができる。全二重の移動体は送信および受信を同時に行うことが可能なことから、移行ギャップの必要はない。
仮定されるフレーム期間に関わらず、ULでの送信は全フレーム期間にわたることが可能なことが好ましい。このことは、リンク・バジェットの利点を提供する。というのは、より少ないサブチャネルおよびより多くのシンボル上でデータ・バーストを送信することができ、したがってUL上のSINRが改善されるためである。またこのことは、より大きなバーストが所定の数のサブチャネル上でスケジュールされることを可能にするので、MACヘッダのフラクション、および任意の巡回冗長検査(CRC)オーバヘッドを減少させる。半二重FDDオペレーションのためにフレームをゾーンに分割することは、セル端のユーザに対して適用範囲における損失につながる場合がある。
BSスケジューラは、(限定されないが)UL多元接続チャネル(802.16のレンジングチャネル)の知られている位置、DLオペレーションのサポートの際のCQIおよびACK/NACKフィードバック、および名目DLおよびULフレームの間に、DL割当てとUL割当てとの間で切り替えを行うためのSSRTG/SSTTGギャップのための適切な規則を含む複数の要素を考慮に入れることによって、同時DL−ULオペレーションをサポートすることができないHFDD SSのためのDLおよびULフレームの両方の利用を最大化することができる。例示的な実施形態で、単一フレーム内の整数値のシンボルの送信による、連続したDLまたはULフレームの間で生じる任意のギャップは、OFDMAシンボル期間に関するOFDMAシンボル巡回プレフィックス期間の適切な選択によって最小化されてもよい。
半二重対応のSSは、DLデータを受信して、ULデータを制御および送信し、衝突を伴わずに制御を行うことができる。さらに、SSはDL上の制御メッセージを処理し、UL上での送信の準備をすることができる。HFDD SSは、DLフレームの一部で制御およびデータを受信し、また一方で同時並行のULフレームの一部でUL制御およびデータを送信することができる。
WiMAXでの半二重FDDオペレーションのために、最大限の共通性が既存のWiMAXのTDDプロファイルとともに維持される。例示的な実施形態で、ASTおよびアップリンク割当ての期間は、UL−MAPの中の既存フィールドを介して知らされる。代替の例示的実施形態で、ASTおよび割当ての期間は、UCD/DCDメッセージを介して知らされる。アップリンク/ダウンリンク・フレーム・タイミング関係の維持を伴うこれらの機能は、ASIC設計との互換性が維持されることを確実にし、したがってWiMAX FDD解決法のための売買時間を減少させる。
先行技術によるTDDオペレーションを伴うOFDMAフレームを示す図である。 本発明の例示的実施形態による基地局から見たFDDフレーム構造を示す図である。 本発明の例示的実施形態による、H−FDD加入者局のオペレーションを示すFDDフレーム構造を示す図である。 本発明の例示的実施形態による、加入者毎の基準で執行される受信/送信および送信/受信ギャップを含むH−FDDおよび全FDD加入者局のオペレーションを示すFDDフレーム構造を示す図である。 本発明の例示的実施形態による、ダウンリンク集中アプリケーションを実行するH−FDD加入者局へのリソース割当てを示すFDDフレーム構造を示す図である。 本発明の例示的実施形態による、アップリンク集中アプリケーションを実行するH−FDD加入者局へのリソース割当てを示すFDDフレーム構造を示す図である。
図2から6は本発明の例示的実施形態を示し、より詳細にはIEEE802.16e/WiMAXベースのシステムに適用可能な実施形態を示す。図2は、基地局から見たフレーム構造200を示し、一方図3は提案されるフレーム構造300を伴うH−FDDオペレーションを示し、DL/ULオフセットはモジュロFDとして示される。
本発明の例示的実施形態は、AST(割当て開始時間)により、アップリンク・フレームの開始がダウンリンクに対してオフセットされることを可能にする。ASTは、加入者局(SS)がDLおよびULフレームの開始および終了時を両方とも知るように、基地局(BS)によってSSに知らされるのが好ましい。図2および3に示されている例示的システムの実施形態中で、ASTは、FDがダウンリンク(DL)またはアップリンク(UL)・フレームの期間のより大きいものを示すものであるとして、FDよりも大きく2FDよりも小さい任意の値を仮定することができる。この場合、フレームの周期的な性質のために、実際に観測されるDL−FLフレーム・オフセットはASTモジュロFDとなる。これは、(IEEE802.16e/WiMAXの中ではMAPメッセージと呼ばれる)リソース割当て制御メッセージを介して、ダウンリンクおよびアップリンクのリソース割当ての関連性に関する限り、TDDシステムに対して同様の行為を維持する。代替の例示的実施形態で、ASTは上述の間隔に限定されなくてもよく、例えば、FDよりも小さいか、または2FDよりも大きいことが可能である。特に、時間とともに加入者局の中で処理能力が高まるにつれて、フレームよりも少ない減少された割当て開始時間が可能となり、所与の端末に対するDLからULへのリソース割当ての待ち時間が、さらに減少されることが可能となる。
図3および4に示される本発明の例示的実施形態もまた、好ましくはシステム全体の基準に対して加入者局毎の基準で執行される受信/送信および送信/受信からの移行ギャップを示す。1つの加入者局に対する移行ギャップは、別の加入者局へデータを送信するため、または別の加入者局からデータを受信するために利用されてもよい。これは、送信/受信移行ギャップのためにシステムに非効率性が持ち込まれることはないということを確実にする。
図5は、半二重対応の加入者局に対するダウンリンク集中アプリケーションの例示的実施形態を示す。図5に示されている例示的実施形態で、加入者局は、アップリンク制御領域の間を除き、すべての時間受信モードであることが可能である。アップリンク制御領域の間、ダウンリンクのためのフィードバックは、好ましくは加入者局によって、ダウンリンク割当てとアップリンク制御領域との間の移行ギャップの間に送信される。
図6は、半二重対応の加入者局に対するアップリンク集中アプリケーションの例示的実施形態を示す。この例示的実施形態で、加入者局は、プリアンブルおよびMAPメッセージが基地局によって送信されるダウンリンク制御領域の間を除き、すべての時間送信モードであることが可能である。
移行ギャップの規則に加えて、特定の期間に送信または受信を行うために移動局が必要とされるかどうかについて優先順位を確立するために、リソース割当てメッセージ(例えばMAPなど)を受信した上でリソース割当てルールが執行されるのが好ましい。例えば、基地局は典型的に、セクタの中で使用されるべきサブチャネルの数などのシステム・パラメータをDLで周期的にブロードキャストする。これらのブロードキャスト・メッセージ(BM)はすべての加入者局に向けられるのが好ましく、ブロードキャスト・メッセージの受信とアップリンク送信の間の衝突を解決するために、特殊な優先順位ルールが半二重対応の加入者局のために定義されなければならない。例示的実施形態で、基地局はBMをスケジューリングする場合、いかなるUL送信のスケジューリングも回避する。このことは、UL送信帯域幅の一部を浪費する間、すべての半二重MSがブロードキャスト・メッセージを得ることを可能にする。
代替の例示的実施形態で、基地局は、通常選択されたH−FDD SSに対するもののようにUL送信をスケジューリングすることによって、UL帯域幅を浪費することを回避する。選択されたSSは、UL送信と重複するようにスケジュールされた任意のBMを越えて、UL許可により高い優先順位を与えるのが好ましい。UL送信との衝突によって失われたBMを回復する、SSのための1つの可能な方法は、BSのために、必要とされるBMコンテントをユーザトラフィックとしてSSへのDLベアラ送信の中に埋め込むことである。そうでない場合、SSは次のブロードキャスト受信機会のうちの1つでBMを受信しなければならず、これはBM更新に対する、いくらかのさらなる待ち時間につながる可能性がある。BSスケジューラは、あまりにも多くのBMおよびUL割当ての衝突が起こらないことを保証することができるが、上述の優先順位ルールは、衝突を伴ってさえオペレーションを可能にする。
本発明はいくつかの利点を提供し、特にはIEEE802.16e/WiMAXに基づくOFDMAシステム、およびIEEE802.16m規格に基づくことになる次世代のWiMAXシステムを提供する。利点の例は、既存のTDDフレーム構造との互換性、全FDDへのスムーズな発展、同様のTDDへのリソース割当てオーバヘッド、および(より高い機能へ転ずる)他のFDD解決法と比較して減少されたオーバヘッド、改善されたリンク・バジェット、適用範囲の改善に転ずる減らされたヘッダ/トレーラ・オーバーヘッドのフラクションを含む。
本発明のさらなる利点は、TDDプロファイルおよび既存のハードウェア解決法との互換性であり、したがってFDD解決法のための売買時間を大幅に減少させる。さらに、5ミリ秒のフレーム期間の仮定の下で、本発明は、提案されてきた2.5ミリ秒のDL/ULフレームなどの代替の解決法と比べて、MAPオーバヘッドの固定部分における2xの減少を提供する。フレーム期間内で同じ数のバーストをスケジューリングするという仮定の下で、MAPオーバヘッドの可変部分もまた、2の要素によって減少される。本発明はまた、TDDに比べて改善されたアップリンク・リンク・バジェットを提供する。
さらに、本発明の例示的実施形態は、関係のある異なるフレーム(例えば2.5ミリ秒、5ミリ秒および10ミリ秒のフレーム)期間のサポートを提供する。図4の例示的実施形態で示されているように、半二重対応の加入者局のアップリンク送信は、特定のダウンリンク・フレームで制御領域を受信し、同じフレームでダウンリンク・データを受信し、続いてアップリンクで送信を行うことができるようにスケジュールされることが可能である。これは、図4の中で移動局1(MS1)、移動局3(MS3)および移動局4(MS4)について示されている。しかしながら、加入者局がアップリンクでの送信の際に、プリアンブルおよび/またはリソース割当てメッセージ(WiMAXの場合におけるMAP)を含むダウンリンク制御領域を偶然に逃してしまった場合、そのダウンリンク・フレームの間にデータを受信することできないということに留意されたい。
図4に示されている例示的実施形態は、フレームkでのアップリンク送信のために、移動局1(MS1)がフレームk+1のDL制御領域を逃してしまい、その結果、フレームk+1の間のダウンリンク・データを受信するようにスケジュールされることが不可能な場合を示す。しかしながら、全二重オペレーションは、この機能を有する加入者局にとって可能である。これらの加入者局は、その他のH−FDD対応の加入者局と共存し、スケジューラによって判定されるように無線リソースを共有することができる。全二重の移動体は送信および受信を同時に行うことが可能なことから、移行ギャップの必要はない。また、これらの時間の間、UL送信がスケジュールされていない他の加入者局はDL制御メッセージを聞いて、続いてDLデータ送信を受信することができる。
フレーム期間に関わらず、ULでの送信は全フレーム期間にわたることが好ましい。このことは、リンク・バジェットの利点を提供する。というのは、より少ないサブチャネルおよびより多くのシンボル上でデータ・バーストを送信することができ、したがってUL上のSINRが改善されるためである。例えば、アップリンク・フレームの中で、すべての利用可能なシンボル(SFDD)を必要とする単一のサブチャネル上でバーストがスケジュールされている場合を考える。この場合は、同じ送信が、SFDD>STDDであるとしてSTDDシンボルにわたりスケジュールされなければならないTDDの場合と比較されてもよい。この場合、TDDの中で送信をスケジュールするために、2つ以上のサブチャネルが使用されなければならない。(SFDD/STDD)=2の特殊な場合、信号対干渉雑音比は(干渉が2つの場合において同様であると仮定して)TDDに比べてFDDの場合3dB位改善する。(いくつかの代替の提案で提起されているように)FDDオペレーションのためにフレームをゾーンに分割することは、セル端のユーザに対して適用範囲における損失につながる場合がある。
本発明の例示的実施形態はまた、より大きなバーストが所定の数のサブチャネル上でスケジュールされることを可能にするので、MACヘッダのフラクション、および任意の巡回冗長検査(CRC)オーバヘッドを減少させる。アップリンク・データのための15の利用可能なシンボル、およびPUSCを使用するハイブリッド自動再送要求を伴う速度1/2のQPSK(四位相偏移変調)での送信を用いる例示的なTDDシステムの実施形態では、単一のサブチャネルにまたがるバーストのためのオーバヘッド・フラクションは64/240〜27%である。一方で48の利用可能シンボルを用いるFDD(またはH−FDD)オペレーションについては、オーバヘッド・フラクションは64/(1648)〜8.3%のオーバーヘッドに減少する。
WiMAXのFDDオペレーションのために、最大限の共通性が既存のWiMAXのTDDプロファイルとともに維持される。割当て開始時間および割当ての期間は、UL−MAPメッセージの中の既存フィールドを介して知らせることができる。アップリンク/ダウンリンク・フレーム・タイミング関係の維持を伴うこれらの機能は、ASIC設計との互換性が維持されることを確実にし、したがってWiMAX FDD解決法のための売買時間を減少させる。
本発明は、その特定の実施例に関して述べられてきたが、上述の説明に限定されることが意図されている訳ではなく、むしろ以下の特許請求の範囲で言及される範囲にのみ限定される。

Claims (10)

  1. ダウンリンクおよびアップリンクのリソースを割り当てる方法であって、
    ダウンリンク・フレームのためにダウンリンク開始時間を判定するステップと、
    アップリンク・フレームのためにアップリンク開始時間を判定するステップとを含み、前記アップリンク開始時間が、割当て開始時間によって前記ダウンリンク開始時間からオフセットされる、方法。
  2. 時間ギャップを判定するステップをさらに含み、前記時間ギャップが、移動局がダウンリンク・フレームとアップリンク・フレームとの間で切り替えを行うために必要とする時間を含み、前記方法がさらに、前記割当て開始時間が前記時間ギャップよりも大きくなるように、前記移動装置のためにリソースを割り当てるステップを含む、請求項1に記載の方法。
  3. 時間ギャップを判定する前記ステップが、送信/受信移行ギャップを含むアップリンク集中アプリケーションのための時間ギャップを判定するステップを含む、請求項2に記載の方法。
  4. 時間ギャップを判定する前記ステップが、受信/送信移行ギャップを含むダウンリンク集中アプリケーションのための時間ギャップを判定するステップを含む、請求項2に記載の方法。
  5. 時間ギャップを判定する前記ステップが、移動局毎の基準で時間ギャップを判定するステップを含む、請求項2に記載の方法。
  6. 前記割当て開始時間を移動局に送信するステップをさらに含む、請求項1に記載の方法。
  7. 前記ダウンリンク・フレームがダウンリンク期間を有し、前記アップリンク・フレームがアップリンク期間を有し、前記割当て開始時間が前記ダウンリンク期間および前記アップリンク期間の最大値よりも大きい、請求項1に記載の方法。
  8. 前記割当て開始時間が、前記ダウンリンク期間および前記アップリンク期間の最大値の2倍よりも短い、請求項7に記載の方法。
  9. 基地局と通信する複数の移動局のために、一連のアップリンク・リソース割当てをスケジューリングするステップをさらに含み、前記一連のアップリンク・リソース割当てが、前記基地局が前記複数の移動局のすべてにブロードキャスト・メッセージを送信することができるようなものである、請求項1に記載の方法。
  10. アップリンクの開始時間を判定する前記ステップが、アップリンク制御領域の知られている位置を利用してアップリンクの開始時間を判定するステップを含む、請求項1に記載の方法。
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