JP4436979B2 - 汎用移動通信システム内でcdma方式に従い動作し、無線フィールドが相互間でおよび/または通信無線セルネットワークに対し部分的に重なり合っている少なくとも2つの基地局たとえば屋内基地局を妨害なく作動させる方法 - Google Patents

汎用移動通信システム内でcdma方式に従い動作し、無線フィールドが相互間でおよび/または通信無線セルネットワークに対し部分的に重なり合っている少なくとも2つの基地局たとえば屋内基地局を妨害なく作動させる方法 Download PDF

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Description

【0001】
本発明は、通信無線セルネットワーク内で無線フィールドが部分的に重なり合っている少なくとも2つの基地局たとえば屋内UMTS(Universal Mobile Telecommunication System)基地局を妨害なく作動させる方法に関する。この場合、基地局はCDMA(Code Division Multiple Access)多重化方式で通信情報を伝送する。さらに本発明は、汎用移動通信システム内で妨害なく作動させるための基地局および移動局に関する。
【0002】
無線通信システムにおいて、メッセージまたはデータを伝送するために物理的なチャネルを使用することは公知である。このように物理的なチャネルを使用することにより、通信情報がたとえばリアルタイムビデオ音声データまたはニューリアルタイムデータのかたちで、インタフェースを介して第1の局から第2の局へ伝達される。デュプレックスコネクションであれば、逆方向でも同じインタフェースを介して情報交換が行われる。
【0003】
物理チャネルのパラメータは、たとえばTDMA(Time Division Multiple Access)無線通信システムでは所定のタイムスロットであり、FDMA(Frequency Division Multiple Access)無線通信システムでは、通信情報伝達にあたり利用される所定の搬送波周波数であり、さらにCDMA(Code Division Multiple Access)無線通信システムでは、無線伝送のために通信情報を符号化する所定の符号である。また、公知の多重アクセス法であるTDMA,FDMA,CDMAの組み合わせも可能である。
【0004】
公知の移動無線システムたとえばいわゆるGSMシステム(Global System for Mobile Telecommnication)の場合、所定の基地局と所定の移動局との間で通信情報を伝送することのできる無線チャネルの割り当ては、調整ユニットにより中央で行われる。この調整ユニットは、特別な地域の条件(たとえば先験的に計算された干渉状況など)を考慮して、GSM基地局の個々の制御ユニットに所定の無線チャネルを割り当てる。
【0005】
さらに、いわゆる非調整動作ではたらく無線通信システムも存在する。このようなシステムの場合、無線チャネルはシステム全体について中央で割り当てられるのではなく、確立すべき無線コネクションに関与する無線局が、存在するチャネルリザーブから所定の判定基準に従い該当するチャネルを選び出す。このような非調整動作ではたらく無線局の実例は、DECT規格による無線局である。
【0006】
したがって公知の無線通信システムの場合、たとえばGSM、DECT規格によるシステムまたは将来のUMTSデュプレックス無線コネクションの場合、いっそう高いデータレートの双方向データ、音声情報あるいは一般に他のサービスの通信情報を、無線インタフェースを介して伝送するように構成されている。この場合、たとえばいわゆるTDD(Time Division Duplex)方式が知られており、これによれば同じデュプレックス無線コネクションにおける第1の無線チャネルと第2の無線チャネルが、同じ搬送波周波数におけるそれぞれ異なるタイムスロットを利用する。
【0007】
第3世代の移動無線システムUMTSは、従来のいわゆる屋外領域も屋内領域もカバーしようというものである。このような移動無線システムの最適な機能のために、まえもって定められたリソースプラニングが内在的に与えられており、明示的な周波数割り当ては不要である。屋外領域では強い干渉条件(隣接基地局の妨害)のもとで隣接基地局へのハンドオーバーが行われる一方、屋内基地局ではこのことは起こり得ない。したがって干渉除去の効果的な手法(同期合わせ→ミッドアンブル→干渉)がシステムの高いスペクトル効率に決定的な役割を果たす。いわば公の領域もプライベートな領域もカバーする移動無線システムの場合、事業者にとって困難であるのは、プライベート領域に設置されるホーム基地局を事業者の監視下におくことができず、したがってネットワーク側で制御できないことである。この場合、このようなホーム基地局が普及するにつれてそれらがすぐ近くに存在するようになり、これはたとえば多世帯住宅の場合に該当し、そのようになると個々のホーム基地局の無線フィールドが重なり合うようになり、その結果、相互に妨害し合ったり無線伝送が制約されたり、あるいは干渉によって無線伝送が劣化してしまう。
【0008】
DECTストラクチャによれば、個々のローカルネットワークの加入者によりいわば自己組織化されたかたちで、データ伝送のための妨害のないコネクション確立を可能にするチャネルがコネクション確立前に選ばれる。この場合、妨害が発生すると、妨害のないチャネルまたはいっそう妨害のないチャネルへユーザには通例は知覚できないようにチャネル切替が行われる。DECTシステムでは無線通信はTDMAによって実現されていることから、各加入者間で同期がとられていなくてもチャネル切替はほとんど問題がなく、つまり他の基地局へ切り替えてもほとんど問題ない。
【0009】
しかしながら多重アクセス方式であるCDMAを汎用移動無線システムに適用しようとすると、問題点が発生する。この場合、チップ同期すなわち互いに直交するCDMA符号の使用が、ユーザによる妨害を阻止するためのもしくは最適なスペクトルネットワーク効率を得るための前提条件である。このようなシステムにおいて複数の基地局を非同期で動作させると、CDMA符号の直交性が欠けていることから強い妨害および場合によっては著しい容量損失の生じる可能性があり、これは殊に屋内領域でも高いビットレートのデータサービスをシステムを介して展開しようとしたり要求しようとしたりするときに生じる。
EP 0 865 172 A2 により、オーバーラップした少なくとも2つの通信システムの作動方法が知られている。この場合、2つの通信システムとは少なくとも1つの屋内通信システムと屋外通信システムであり、これら両方のシステムを干渉なく作動させるため屋内領域の既存の無線コネクションが時分割二重方式によるタイムスロットを介して処理され、同時にこのタイムスロットは屋外領域において既存の無線コネクションのために利用される無線チャネルを監視する目的で使われ、その結果、トラヒック要求の変化に対する迅速な応答もしくは干渉に対する応動が可能となる。
【0010】
したがって本発明の課題は、通信セル無線セルネットワーク内で屋内無線フィールドが部分的にオーバラップした少なくとも2つの屋内UMTS基地局を妨害なく作動させる方法を、基地局が通信情報をCDMA方式つまり多重アクセス方式に従いに伝送することを前提として構成することにある。さらに本発明の課題は、殊に屋内での適用のために幅の広い周波数スペクトルを確保する必要なく、所定のネットワーク状態を最適に利用することでスペクトル効率を高めることにある。さらにこれと同時に、信号伝送品質またはデータ伝送品質を改善して、基地局の密度が局所的に高い領域でもデータ伝送のために十分にチャネル容量を利用できるようにすることである。
【0011】
本発明によればこの課題は、請求項1記載の方法および請求項12記載の基地局ならびに請求項14記載の移動局により解決される。
【0012】
これによれば本発明による方法の基本的な着想は以下の点にある。すなわち、無線フィールドが少なくとも部分的にオーバラップしている少なくとも2つの関与している基地局が、無線フィールドのオーバーラップおよび2つの周波数への切り替えが不可能なことに起因して妨害を及ぼしている干渉を除去するため、自己同期合わせ手順(autosynchronization procedure)を実行する。この同期合わせ手順の結果としてチップ同期が達成され、これにより関与している隣り合う基地局の多重アクセス方式における符号の直交性を確立できるようになる。
【0013】
本発明の有利な実施形態によれば、UMTSシステムにおける予約された屋内周波数範囲を前提としている。その際、この種の予約された屋内周波数範囲内で基地局が送信を行うとき、あとから加わった別の基地局はまずはじめに、要求している選択された周波数が空きか占有されているかをチェックする。あとから加わった基地局が占有されている周波数を選択している場合、予約された周波数範囲または周波数帯域内における空き周波数へ切り替えられる。
【0014】
多数の基地局が同時に作動している状態であり、その結果、予約された周波数範囲が最大限に利用されていると、あるいはあとから現れた基地局によってそのような事態になる場合、そのつどあとから加わった局は、干渉の最も小さい周波数もしくは妨害成分の最も僅かな周波数を選択し、それに応じて基地局を検出する。これに続いて、検出されたこの基地局もしくは隣り合う基地局に対しCDMA方式に従いチップ同期が確立される。
【0015】
本発明により提案されている自己同期合わせ手順が、集中制御される調整された動作のための標準化された同期合わせ手順と異なる点は、分散型で動作する点である。
【0016】
つまり、固有のセル内の各基地局により、同期合わせ手順の開始ならびに制御が行われる。このような同期合わせは有利には、非調整型のマルチセルシステムに適しており、関与している基地局の必要な同期合わせを確立する。
【0017】
本発明によれば自己同期合わせ手順のため、基地局から送信される伝送フレーム内に同期信号をもつ予約された同期チャネルSCHが設けられている。その際、あとから加わった基地局がこの信号を受信すると、関与している各局間のチップ同期をこの信号により確立することができる。チップ同期が確立されると、あとから加わった基地局は、予約されたランダムアクセスチャネルRACH内で同期合わせ信号を受信することができる。
【0018】
通例、予約された同期チャネルSCHはダウンリンクチャネルであり、予約されたRACHはアップリンクチャネルであり、これらのチャネルは周期的な間隔で交互に伝送される。
【0019】
あとから加わったさらに別の基地局が同期合わせを行おうとする場合、受信電界強度もしくは送信出力の最も強い同期チャネルに合わせてタイムスロットフレームに従い同期合わせが行われる。
【0020】
本発明によれば基地局に内部ランダム発生器を設けることができる。このランダム発生器は個々の基地局に対し、同期チャネルとランダムアクセスチャネルのためのタイムスロットのファンクション交換あるいは割り当て交換を指示し、これにより、同期合わせ基準局が欠落しても新たな同期合わせが可能となる。
【0021】
結局のところ各基地局は同期チャネルまたは別のチャネルを介して、すでにセル内で使用されているCDMA符号に関する情報を伝送することができる。関与している残りの基地局はこの情報を受信することができ、移動局もこの情報を受信することができ、ミッドアンブルに基づき実行されたチャネル推定と関連して、セル内干渉およびセル間干渉を最小化または除去するためにそれを利用することができ、それによって改善されたスペクトル効率が得られる。
【0022】
各基地局間の同期合わせ手順終了後、それ自体周知のやり方で移動局に対する同期合わせが行われるので、2次的な同期合わせが行われた後、メッセージの伝送と交換のためにコネクション確立を行うことができる。
【0023】
本発明の別の観点によればユーザ検出または基地局検出は、各基地局が特別なミッドアンブルを送信することによって実現される。送信されたミッドアンブルに基づきチャネル推定が可能となり、これにより移動局と8つまでの屋内基地局との間の伝送チャネルが推定される。そしてこのチャネル伝達関数は、妨害信号の検出と除去(干渉除去)に利用される。この場合、タイムスロット同期とチップ同期は利用可能なチャネル推定結果のための基本的な前提である。これにより基本的に、個々の局所的な無線セル内におけるスペクトル効率を改善することができる。
【0024】
汎用移動通信システム内で妨害なく作動させるために本発明により提案されている基地局は、関連する屋内周波数範囲内の別のアクティブなシステムを検出するための受信装置を有している。また、チャネルまたは周波数選択コンポーネントが設けられており、このコンポーネントにより、関連する周波数範囲内でチャネルまたは所定の周波数の変更または選択が可能となる。同期合わせ手順は、ハードウェアおよび/またはソフトウェアで実現可能な同期合わせコンポーネントによって処理される。具体的にはこの同期合わせコンポーネントは、移動局へのメッセージ伝送にあたり妨害のない状態を確保するタイムスロットまたは符号の利用を保証する。
【0025】
1つの実施形態によれば、個々の基地局に干渉分析ユニットが設けられている。この目的は、利余可能な周波数またはチャネルすべてが占有されていることが検出されたとき、妨害または干渉の最も少ない基地局を選び出し、それに対しトラフィック処理に必要なタイムスロット同期または符号同期を確立する。
【0026】
本発明による方法もしくはそれに対応した基地局を用いることで、タイムスロット同期の原理に従い、同じ周波数であるが異なるタイムスロット内で複数のホーム基地局が、相互に妨害し合うことなく送信を行うことができる。そして各局におけるチップ精度の同期合わせにより、それぞれ異なる基地局に割り当てられている複数の移動局が、同じタイムスロット内で同じ周波数において妨害なく動作可能となり、それによりCDMAコンポーネントが最適に利用される。このことで屋内領域において、公衆回線を要求する必要なく高いレートのデータ伝送量による適用のみちを開くことができるようになる。つまり本発明の方法によれば、ホーム基地局の同期合わせが局所的につまり集中制御されているリソースプラニングの勢力圏外で達成され、その際に直交符号の良好な受信が保証される。
【0027】
次に、図面を参照しながら実施例に基づき本発明について詳しく説明する。
【0028】
図1には想定可能なシナリオが示されており、この場合、2つの屋内基地局もしくはホーム基地局が1つの建物内部で所定の受信条件に起因して場合によってはそれ相応に干渉が生じて妨害し合っている。
【0029】
図2には、関与している基地局のフレーム構造が示されている。
【0030】
この場合、基本的に前提としているのは、局所的な領域でUMTSを使用するためにそれ相応に予約された周波数(f ...f)をもつ別個の周波数帯域を利用できることである。この場合、いわば上位に位置するセルラUMTS移動無線の適用事例は、周波数領域f ...f - で展開される。
【0031】
予約された周波数領域を前提として実例として図示されており1つの建物5内に存在する2つの基地局1,2は、選択された周波数を利用してコネクションを確立する前に、場合によってはこの周波数がすでに占有されていないかチェックする。このために基地局1,2は、別のアクティブなシステムを捕捉するためのそれ相応の受信装置と、チャネルまたは周波数の選択の変更を可能にするチャネルまたは周波数選択コンポーネントを有している。
【0032】
アクティブにされるべき基地局が、選択された周波数がすでに占有されていることを検出すると、周波数範囲(f ...f)内でまだ空いている周波数もしくは対応する他のチャネルに切り替えられる。
【0033】
この場合、隣接している基地局が周波数範囲f ...f 内で利用できるすべての周波数においてあるとき、つまり空き周波数が利用できないとき、付け加わった基地局は目下の妨害特性をチェックし、最小の干渉つまり最も僅かな干渉で受信される周波数が求められる。そのような周波数つまりはそこで通信を行っている基地局を相応に検出した後、チップ同期を目指して同期合わせが始められる。
【0034】
図2には、自己同期合わせ(autosyncronization)のために関与している基地局のフレーム構造が示されている。この図で採用されている基地局BS1,BS2等に対する参照符号は、実行すべき自己同期合わせ手順の順序を同時に表すために用いられる。
【0035】
動作中の基地局BS1により出発点が形成され、ここでは隣接周波数が完全に占有されていることを前提としている。
【0036】
この場合、基地局BS2は基地局BS1に同期合わせしようとしており、図示のようなフレーム構造を受信する。この場合、基地局BS2は特別な信号もしくは同期チャネルSCHを受信し、それに基づき基地局BS1に対するチップ同期を確立することができる。基地局BS2も同様に、いわゆるランダムアクセスチャネルRACHを介して基地局BS1の同期信号SCHを受信することができる。
【0037】
RAチャネルは、基地局において電話コネクションの確立を要求するために移動局が利用するのと同じチャネルとすることができる。この場合、チャネルRACHとSCHは予約された専用のチャネルであり、ここでSCHはダウンリンクチャネルであり、RACHはアップリンクチャネルであり、これらは所定の周期間隔で交互に伝送される。
【0038】
図示の実施例の場合には周期は2であり、その際、RACHとSCHはこの実例では2つのフレームおきに伝送される。ここでは1つのフレームは16個のタイムスロットに相当する。
【0039】
別の基地局たとえば基地局BS3が加わってくると、この基地局は最も強い送信出力をもつ同期チャネルSCHを探し、図示されているようにそのタイムスロットパターンに合わせてチップ同期で同期合わせを行う。その後、基地局BS4が加わってくればこの基地局は、基地局BS1〜BS3の送信出力を同じ強さで受信したならば基地局BS1およびBS3に合わせて同期をとり、といった具合に続く。
【0040】
基地局BS2の送信出力が他のすべての同期チャネル(基地局BS1および基地局BS3)の和を超えており、そこへ基地局BS4が新たに加わったならば、基地局BS4は基地局BS2に合わせて同期をとる。基地局BS2がたとえばネットワーク遮断などにより機能停止状態である場合には、残された基地局BS1,BS3,BS4はBS2からはもはや基準同期信号つまりどきチャネルを受信しない。したがってこのようなシナリオにおいて安定した動作を得るためには、適切な安全対策を講じなければならない。この目的で、個々の各基地局における内部のランダム発生器によって、同期チャネルおよびランダムアクセスチャネルのタイムスロットのファンクションを取り替える時点が通知される。この場合、基地局BS1が1番目として、タイムスロット内のRACH(はじめはスロット16)とSCH(はじめはスロット32)の位置を交換し、その結果、RACH(あとではスロット32)およびSCH(あとではスロット16)が伝送されて、基地局BS3,BS4は再び基準同期信号を受信できるようになり、これによってシステムが安定になる。
【0041】
さらに各基地局は同期チャネルまたは別のチャネルを介して、個々のセル内ですでに使用されているCDMA符号に関する情報を伝送することができる。これらの情報は別の基地局によって受信することができ、また、移動局によっても受信することができ、ミッドアンブルに基づき実行されるチャネル推定と関連させて、セル内干渉およびセル間干渉の低減あるいは除去に利用することができ、これによってスペクトル効率の改善が得られる。なお、図2に関して触れておくと、BCCHとはブロードキャスト・コントロールチャネル(Broadcast-Control-Channel)のことである。
【0042】
自己同期合わせが行われた後、つまり関与している局の直交CDMA符号の使用に到達すると、それ自体周知のようにして対応する移動局に対する同期合わせが実施され、コネクションの確立が行われる。
【0043】
既述の処理手順によって隣接する基地局および対応する移動局のチップ同期動作が可能となり、その際、CDMA符号の補正された直交性ゆえに相互に妨害し合うことが排除され、周波数スペクトルの最適な利用が実現される。
【0044】
この場合、UMTS装置がTD−CDMA(Time Division - Code Division Multiple Access)規格によるエアインタフェースを使用しているならばタイムスロット同期によって、関与している複数の基地局が相互に妨害し合うことなく同じ周波数においてそれぞれ異なるタイムスロット内で送信を行えるようになる。さらに、それぞれ異なる基地局に割り当てられる複数の移動局が、妨害なく同じ周波数において同じタイムスロット内でアクティブな状態が可能となり、その結果、CDMA固有の利点ならびにコンポーネントを最適に利用できるようになる。
【0045】
図面に示されているようにこの方法シーケンスは、UMTS基地局6の周波数範囲f ...f - 外にある予約された周波数f ...f に留意して、ハードウェアコンポーネントにより以下のようにして実現される。
【0046】
第1のステップにおいて第1の移動局3と第1の基地局1との間で、それ自体周知の同期合わせならびに通話の確立が行われる。第2の基地局をアクティブにし、基地局1と基地局2の両方が同じ周波数で送信を行おうとし、別の空き周波数が利用できない場合、基地局2は基地局1に合わせて同期をとる。次のステップにおいて、第2の移動局4は第2基地局2に合わせて同期をとる。CDMA符号または適切なタイムスロットに従いまだ占有されていないチャネルを選択した後、移動局4と基地局2との間の通話確立を開始することができ、これによっても、関与している基地局1および基地局2が同じ送信周波数と同じ周波数を使用しているにもかかわらず妨害は発生しない。
【0047】
なお、ここで触れておくと、簡単に描いた都合上、図面には2つの基地局と2つの移動局だけしか描かなかった。当然ながら、利用可能な符号の範囲内で、また、拡散係数に留意して、そして周波数範囲f ...f に応じて、本発明による原理を離れることなく、もっとずっと多くの個数の基地局をすぐ近くで妨害なく作動させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 2つの屋内基地局もしくはホーム基地局が1つの建物内部で所定の受信条件に起因して場合によってはそれ相応に干渉が生じて妨害し合っている状態を表す想定可能なシナリオを描いた図である。
【図2】 関与している基地局のフレーム構造を示す図である。

Claims (11)

  1. 汎用移動通信システム内でCDMA(Code Division Multiple Access)方式に従い動作する少なくとも2つの基地局を妨害なく作動させる方法であって、無線フィールドが相互間でおよび/または通信無線セルネットワークに対し部分的に重なり合っており、重なり合った無線フィールドおよび同じ送信周波数に起因して妨害を及ぼす干渉を除去するために、少なくとも2つの基地局が自己同期合わせ手順を実行し、該手順の結果として、隣り合う基地局のチップ同期と多重アクセス方式(CDMA)の直交性を形成する方法において、
    自己同期合わせ手順のために、基地局から送信され伝送フレーム内に同期信号をもつ予約された周期的な同期チャネルSCH設けられており、あとから加わった基地局該同期信号を受信すると同期信号により、関与している各基地局間のチップ同期の確立可能となることを特徴とする、
    少なくとも2つの基地局を妨害なく作動させる方法。
  2. 決められた予約されている屋内用周波数範囲で基地局が送信しているとき、あとから加わった別の基地局はまずはじめに、要求する周波数が空いているか占有されているかをチェックし、周波数が占有されているならば予約されている周波数範囲内の空き周波数に切り替える、請求項1記載の方法。
  3. 同時に多数の基地局が最大限に利用された周波数範囲内でまたは結果としてそのような最大限の利用となる状態で動作しているとき、そのつどあとから加わる基地局は干渉の最も小さい周波数を選択し、干渉を引き起こしているおよび/または隣りに位置する基地局に対するチップ同期を確立する、請求項2記載の方法。
  4. それ自体周知の各基地局間の自己同期合わせ手順終了後、個々の移動局に対する2次的な同期合わせならびにメッセージの伝送と交換のためのコネクション確立を行う、請求項記載の方法。
  5. 動局と基地局との間でチャネル推定を行い、その結果得られたチャネル伝達関数を妨害信号の検出と除去のために用いる、請求項1から4のいずれか1項記載の方法。
  6. チップ同期の確立にあたり、あとから加わった基地局は受信したランダムアクセスチャネルRACH内で同期信号を受信する、請求項1記載の方法。
  7. 予約されたチャネルSCHはダウンリンクチャネルであり、予約されたチャネルRACHはアップリンクチャネルであり、これらのチャネルを周期的な間隔で交互に伝送する、請求項1記載の方法。
  8. あとから加わるさらに別の基地局は、受信電界強度または送信出力が最も強い同期チャネルに合わせてタイムフレームに従い同期合わせする、請求項1記載の方法。
  9. 基地局の各々は内部のランダム発生器を有しており、該内部のランダム発生器は個々の基地局のために、同期チャネルとランダムアクセスチャネルに対するタイムスロットのファンクション交換または割り当て交換を指示して、同期基準局が欠落しても新たな同期合わせを可能にする、請求項1、または記載の方法。
  10. 所定のチャネル内で基地局は、すでに利用されているCDMAコードに関する情報を伝送し、関与している移動局と基地局は該情報を干渉最小化のために利用する、請求項1、7または8のいずれか1項記載の方法。
  11. 無線フィールドが相互間でおよび/または通信無線セルネットワークに対し部分的に重なり合っている汎用移動通信システム内で、妨害のない動作を行わせるためのCDMA基地局において、
    請求項1から10のいずれか1項記載の方法を実施することを特徴とする、
    CDMA基地局。
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