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分散アンテナネットワークにおける 動的チャネル割り当て法に関する一

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社団法人 電子情報通信学会
THE INSTITUTE OF ELECTRONICS,
INFORMATION AND COMMUNICATION ENGINEERS
信学技報
IEICE Technical Report
分散アンテナネットワークにおける
動的チャネル割り当て法に関する一検討
松川 隆介†
小原 辰徳†
安達 文幸‡
†‡東北大学大学院工学研究科電気・通信工学専攻
〒980-8579 宮城県仙台市青葉区荒巻字青葉 6-6-05
E-mail:
†{matsukawa, obara}@mobile.ecei.tohoku.ac.jp, ‡[email protected]
あらまし 本稿では,分散アンテナネットワーク(DAN)における自律分散型の動的チャネル割り当て法(DCA)を
提案している.多数のアンテナをセル内に分散して配置する DAN では,従来のセルラネットワークに比べて送信
電力を大幅に低減できる.DAN では各分散アンテナに通信チャネルを割り当てることになるが,低送信電力で通信
を行えることから与干渉を低減できる.これにより,同一チャネルを距離の近い分散アンテナで再利用できる.ま
た,多数の分散アンテナが不規則に配置される DAN では干渉条件が各アンテナで異なるため,干渉条件に応じて
適応的にチャネルを割り当てる動的チャネル割り当て法(DCA)が有効である.そこで本稿では,チャネル棲み分け
アルゴリズムに基づき各分散アンテナが自律的にチャネルを決定する,自律分散 DCA を提案する.提案法では,
分散アンテナ毎に過去の受信干渉電力測定値から平均干渉電力を求め,平均干渉電力の小さいチャネルを割り当て
る.提案自律分散 DCA を用いる DAN は,送信ダイバーシチを用いる従来のセルラネットワークより優れたチャネ
ル利用効率を実現できることを計算機シミュレーションにより明らかにしている.
キーワード 分散アンテナ,自律分散,動的チャネル割り当て
A Study of Dynamic Channel Assignment for a Distributed Antenna Network
Ryusuke MATSUKAWA†
Tatsunori OBARA†
and Fumiyuki ADACHI‡
†‡ Dept. of Electrical and Communication Engineering, Graduate School of Engineering, Tohoku University
6-6-05, Aza-Aoba, Aramaki, Aoba-ku, Sendai, Miyagi, 980-8579, Japan
E-mail:
†{matsukawa, obara}@mobile.ecei.tohoku.ac.jp, ‡[email protected]
Abstract In this paper, we propose a distributed dynamic channel assignment scheme for distributed antenna networks
(DANs). DAN, in which a group of multiple antennas are distributed in each cell, significantly reduces the transmit power
compared to conventional cellular networks (CNs). In DAN, a different group of channels is assigned for each distributed
antenna. However, DAN can also reduce the interference power to other distributed antennas because of its low transmit power
and therefore, the same channels can be reused at the same distributed antenna group. Dynamic channel assignment (DCA),
which assigns channels adaptively, is suitable for DANs because the interference condition dynamically changes in each
distributed antenna. In this paper, we propose a distributed DCA scheme, based on the channel segregation algorithm, suitable
for DANs. In the proposed scheme, the channel priority table to be used for DCA is updated based on the measured average
interference power obtained during the past time slots. Computer simulation results demonstrate that the DAN using proposed
distributed DCA achieves higher system capacity than the CN using transmit diversity.
Keywords Distributed antenna, self-organized processing, dynamic channel assignment
1. は じ め に
次 世 代 の 移 動 通 信 で は , 1Gbps も の 伝 送 速 度 が 期 待
されている.このような超高速伝送では,伝搬損失,
シャドウイング損失,及びフェージングによる通信品
質の劣化が深刻となる.送受信アンテナダイバーシチ
[1]-[3]を 適 用 す れ ば , フ ェ ー ジ ン グ に よ る 受 信 電 力 落
ち 込 み 確 率 を 低 減 で き ,希 望 信 号 対 雑 音 電 力 比 (SNR)
が低下する確率を大幅に改善できる.しかし,送信お
よび受信アンテナがすべて基地局一ヶ所に集中してい
る よ う な 従 来 の セ ル ラ ネ ッ ト ワ ー ク (本 稿 で は CN と 呼
ぶ )で は ,い く ら ア ン テ ナ 数 を 増 や し て も 伝 搬 損 失 や シ
ャ ド ウ イ ン グ 損 失 の 変 動 に よ る SNR の 劣 化 を 完 全 に
は取り除くことができないため,特にセル端近傍に存
在 す る ユ ー ザ の SNR 低 下 を 救 済 で き な い . こ の た め ,
CN で は 基 地 局 の ご く 近 傍 で し か 伝 送 を 行 う こ と が で
き な い [4], [5].
そこで近年,セル内に多数のアンテナを分散配置す
る 分 散 ア ン テ ナ ネ ッ ト ワ ー ク (DAN) [6]-[8]が 盛 ん に 研
究 さ れ て い る .DAN の 例 を 図 1 に 示 す .各 分 散 ア ン テ
ナは光ファイバ等の有線ケーブルを用いて中央処理セ
ン タ (SPC)に 接 続 さ れ て い る .伝 搬 環 境 の 良 い 分 散 ア ン
テナを複数選択して伝送することで,伝搬損失やシャ
Copyright ©2011 by
IEICE
ド ウ イ ン グ 損 失 の 変 動 に よ る SNR の 劣 化 を 救 う こ と
が で き る [9], [10].
ところで,多数のアンテナをセル内に分散して配置
す る DAN で は 各 分 散 ア ン テ ナ に 通 信 チ ャ ネ ル を 割 り
当てることになるが,チャネル総数が限られているた
め,同一チャネルを距離の離れた分散アンテナで再利
用 し な け れ ば な ら な い .DAN で は 低 送 信 電 力 で 通 信 を
行えるために与干渉を大幅に低減できるので,近くの
分散アンテナで同一チャネルを再利用でき,周波数の
面的利用効率を向上できる.
Distributed antennas
Optical fiber
通信要求
干渉テーブル
平均干渉電力測定
#Ch
平均干渉電力
_
#0
チャネル割り当て
#1
干渉テーブルの
更新
参照
I0
_
I1
…
本 稿 で は ,チ ャ ネ ル 棲 み 分 け を 用 い る 自 律 分 散 DCA
に つ い て 検 討 を 行 う . 文 献 [13]で 示 さ れ た 優 先 度 テ ー
ブルに相当する干渉テーブルを作成し,それらを用い
てチャネルを割り当てる手法を提案している.提案法
では,過去に受信した干渉電力から,忘却係数を用い
る一次フィルタリングを用いて各チャネルの平均干渉
電力を求め,干渉テーブルを作成する.割り当て時に
は,この干渉テーブルを参照して平均干渉電力の小さ
い順にチャネルを各アンテナへ割り当てる.本稿の構
成は以下の通りである.まず,第 2 章で送受信信号の
数式表現について述べた後,第 3 章で提案するチャネ
ル割り当て手法について述べる.第 4 章では,計算機
シ ミ ュ レ ー シ ョ ン に よ り 提 案 自 律 分 散 DCA を DAN に
適用し,システム容量の観点において送信ダイバーシ
チ を 用 い る CN と の 比 較 を 行 う . 第 5 章 で ま と め る .
本章では,各分散アンテナが過去の干渉をフィルタ
リングし,求めた各チャネルの平均干渉電力を基にチ
ャ ネ ル の 割 り 当 て を 行 う 自 律 分 散 型 の DCA を 提 案 す
る .提 案 DCA の 簡 略 化 フ ロ ー チ ャ ー ト を 図 2 に 示 す .
提案法では,タイムスロットの開始前に各チャネルの
平均干渉電力を算出し,テーブルに保存する.通信要
求が発生したら,テーブルを参照して平均干渉電力の
小さいチャネルを優先的に割り当てていく.提案法に
より与干渉の増大を抑えつつ動的にチャネルを割り当
てることができるため,チャネル利用効率の向上が期
待できる.以下では,干渉テーブルの作成方法とチャ
ネル割り当て法について順に述べる.
…
チャネル割り当て手法の一つとして,動的チャネル
割 り 当 て (DCA) [11]-[13]が あ る . DCA は 各 ア ン テ ナ 周
辺の干渉条件に応じて動的にチャネルを割り当てる方
式であるため,不規則なアンテナ配置によって各分散
ア ン テ ナ の 干 渉 条 件 が 異 な っ て し ま う DAN に 適 し た
方 式 で あ る と 言 え る .但 し ,DAN-SPC が セ ル 内 の チ ャ
ネ ル 割 り 当 て 処 理 を 一 括 し て 行 う 集 中 制 御 型 DCA[11]
では処理負荷が膨大となり,実用的でない.一方,チ
ャ ネ ル 棲 み 分 け を 用 い る 自 律 分 散 DCA[12] , [13] は
DAN に 適 し て い る .特 に チ ャ ネ ル 棲 み 分 け [13]を 用 い
る手法では,アンテナ毎に各チャネルの優先度を表す
テーブルを保持しており,それに基づいて優先度の高
いチャネルを選択する.希望信号対干渉+雑音電力比
(SINR)を 測 定 し , 許 容 値 を 上 回 っ て い れ ば そ の チ ャ ネ
ルを割り当てる.割り当てに成功したチャネルの優先
度は高く保たれるため,各基地局が自律分散でありな
がら干渉の小さいチャネルを各アンテナに割り当てる
ことが可能となる.
2. 動 的 チ ャ ネ ル 割 り 当 て (DCA)
タイムスロット開始
図 2
提案法の簡略化フローチャート
2.1. 干 渉 の 測 定 と テ ー ブ ル の 更 新
各分散アンテナは,タイムスロットの開始前に全チ
ャ ネ ル の 過 去 の 干 渉 電 力 を フ ィ ル タ リ ン グ し ,出 力 (平
均 干 渉 電 力 )を 干 渉 テ ー ブ ル に 保 存 す る .本 稿 で は 平 均
干渉電力を計算するフィルタとして,忘却係数を用い
る 一 次 フ ィ ル タ を 用 い る .第 n 分 散 ア ン テ ナ に お い て ,
第 t ス ロ ッ ト に お け る 第 ch チ ャ ネ ル の 干 渉 フ ィ ル タ 出
_
力 I n,ch (t)は そ れ ぞ れ 次 式 で 与 え ら れ る .
I n ,ch (t ) = (1 − β ) ⋅ I n ,ch (t − 1) + β ⋅ I n ,ch (t − 1)
(1)
t
= (1 − β )∑ β i −1 ⋅ I n ,ch (t − i )
i =1
こ こ で , I ch, c, n (t − 1) は 第 t − 1 ス ロ ッ ト に お い て 実 際 に 受
信 し た 干 渉 電 力 で あ る . ま た , β (0 ≤β≤ 1) は 忘 却 係 数 を
表 す . 第 t ′ス ロ ッ ト に お け る フ ィ ル タ リ ン グ の 模 式 図
を図 3 に示す.棲み分け開始時点から全てのタイムス
ロットにおける干渉電力がフィルタリングされる.但
し x スロット前に受信された干渉電力の影響は,忘却
係 数 の 影 響 に よ り β x− 1 (1 −β ) 倍 さ れ る .βが 小 さ い 程 直 前
のスロットで受信した干渉電力を大きく参照するため,
追 従 性 は 向 上 す る . 但 し , βを 余 り に 小 さ く 設 定 す る
と,チャネルの瞬時的変動の影響を反映してしまうた
めに適切なチャネルが割り当てられ
ない可能性がある.
_
各 チ ャ ネ ル に お け る 平 均 干 渉 電 力 I n ,ch (t) を 干 渉 テ ー ブ
ルに格納し,通信要求が発生したらテーブルを参照し
て割り当てを行う.
In,ch (t)
… ×β 2(1−β ) ×β(1−β)
×(1−β)
Mobile terminal
図 1
DAN
0
…
t−3
図 3
t−2
t−1
一次フィルタの模式図
t
time
2.2. チ ャ ネ ル 割 り 当 て
#0
提 案 DCA の 割 り 当 て フ ロ ー チ ャ ー ト を 図 4 に 示 す .
通信を要求したユーザが使用する分散アンテナを選択
した後,選択された分散アンテナは干渉テーブルを参
照し,以下の式に基づいて平均干渉電力が最小となる
チャネルを割り当て候補とする.
system bandwidth
{
}
(2)
START
i= 1
(#2 #1#0)
(#2 #1#0)(#0 #2#1)
(#0 #2#1)(#1 #2#0)
(#0 #1#2)
(#2 #0#1)(#1 #2#0)(#2 #1#0)
(#2 #1#0)
Distributed
antenna
(#0 #2#1)(#1 #2#0)
(a) DAN
(b) CN
図 5 N ch =3 , N t o t al =7 に お け る DCA の 例
3. 送 受 信 信 号 表 現
本稿では,周波数非選択性フェージング環境下にお
け る 送 信 等 化 を 用 い る 信 号 伝 送 を 仮 定 す る .DAN ,CN
と も に , 第 2 章 で 提 案 し た 自 律 分 散 DCA を 用 い て チ
ャネルの割り当てを行うものとし,以下ではチャネル
割り当てが行われた後の信号処理方式について述べる.
D 個のセルが存在する下りリンクネットワークを仮定
し,以下一般性を失うことなく,中心に位置する第 0
番目のセルにおける信号表現について述べる.
3.1. 分 散 ア ン テ ナ ネ ッ ト ワ ー ク (DAN)
i = Nch?
DAN で は , N to t a l 本 の 分 散 ア ン テ ナ が セ ル 内 に 分 散
して配置され,各分散アンテナとユーザ端末が 1 対 1
で通信を行うものとする.伝送に用いる分散アンテナ
を 選 択 し た 後 ,送 信 機 (SPC) に お い て 伝 搬 チ ャ ネ ル に 応
じた送信重みを乗算して各分散アンテナより伝送を行
い,端末受信機では受信信号よりデータ復調を行う.
第 n 番目のアンテナが選択されたとき,第 u 番目のユ
ー ザ へ の 送 信 シ ン ボ ル su は 次 式 で 与 え ら れ る .
干渉テーブル参照
No
Yes
割り当て失敗
END
図 4
(#1 #2#0)(#2 #0#1)(#0 #2#1)
i = i+1
(i番目に干渉の小さいチャネルを選択)
チャネルを割り当て
Ntotal = 7
localized antennas
(#0 #1#2)(#1 #2#0)
(#1 #2#0)(#2 #1#0)(#0 #2#1)
こ こ で ,N ch は チ ャ ネ ル の 分 割 数 を 表 す .選 択 し た チ ャ
ネルが未だ割り当てられていなければ,そのチャネル
を割り当てる.既にそのチャネルが割り当てられてい
た場合,再度干渉テーブルを参照して次に干渉の小さ
いチャネルを選択し,同様の処理を行う.なお,もし
全てのチャネルが既に割り当てられていた場合は,チ
ャ ネ ル ビ ジ ー と す る . な お , 提 案 法 を CN に 適 用 す る
場合は,基地局で干渉テーブルを一つ保持する.この
とき,基地局が保持する全てのアンテナで受信した干
渉電力の総和に対してフィルタリングを行い,出力で
ある干渉電力和の平均をテーブルに保存する.
No
f
(#1 #2#0)(#0 #2#1)
ch
Yes
#2
(#0 #2#1)(#2 #1#0)
chuse = arg min I n,ch (t ) , ch = 0 ~ N ch − 1
アンテナで
使用中?
#1
自 律 分 散 DCA の 割 り 当 て フ ロ ー チ ャ ー ト
N ch =3 と し た と き の ,提 案 DCA に よ る 割 り 当 て の 一
例 を 図 5 に 示 す . 1 セ ル あ た り の ア ン テ ナ 本 数 N t o t al =7
と し て お り , 図 5(a) , (b) は そ れ ぞ れ DAN , CN の 例 で
あ る . 図 5 に 示 す よ う に , DAN で は N tot al 本 の ア ン テ
ナ が セ ル 内 に 分 散 配 置 さ れ て い る の に 対 し , CN で は
N tot a l 本 の ア ン テ ナ が セ ル 中 央 の 基 地 局 に 集 中 し て 配
置 さ れ て い る . ま た , 各 分 散 ア ン テ ナ (ま た は 基 地 局 )
における干渉テーブルを基にし,平均干渉電力の小さ
い 順 (つ ま り 優 先 度 の 高 い 順 )に チ ャ ネ ル 番 号 を 記 し て
い る .提 案 DCA を DAN に 用 い た 場 合 ,各 分 散 ア ン テ
ナが独自に干渉テーブルを保持し,自律的にチャネル
の割り当てを行う.このとき,平均干渉電力が小さけ
ればセル内でも同一のチャネルが使用されるため,チ
ャ ネ ル 利 用 効 率 の 向 上 が 期 待 で き る .こ れ に 対 し ,CN
の 場 合 は 基 地 局 毎 に チ ャ ネ ル 割 り 当 て が 行 わ れ る .CN
に お い て も 提 案 DCA を 用 い る こ と で 干 渉 の 小 さ い チ
ャネルが優先的に割り当てられるものの,セル内で同
一のチャネルを再利用できないために利用効率は
DAN に 比 べ て 劣 る と 考 え ら れ る .
su = 2Pt wu ⋅ d u
(3)
た だ し , d u は 変 調 デ ー タ シ ン ボ ル ,P t は 各 セ ル に お け
る 送 信 電 力 を そ れ ぞ れ 表 す .ま た ,最 大 比 (MR) 規 範 に
基 づ く 送 信 重 み wu は 次 式 で 与 え ら れ る .
hn*,u
wu =
(4)
U ( c ) −1
∑
u =0
2
hn , u
こ こ で , h n ,u は 第 n 番 目 の 分 散 ア ン テ ナ と 第 u ユ ー ザ
_
間 の チ ャ ネ ル 利 得 を 表 す . U (c) は , 第 c 番 目 の セ ル 内
に お い て 通 信 を 行 う ユ ー ザ 数 で あ る . su を 第 n 分 散 ア
ンテナより送信し,ユーザ端末のアンテナを用いて受
信する.第 u ユーザにおける受信信号は次式のように
表現できる.
D −1 U ( c ′ ) −1
yu = hn , u su + ∑
∑i
c ′ =1 u ' = 0
⎛
= ⎜ 2 Pt c hn, u
⎜
⎝
∑
u =0
∑i
c ′ =1 u ' = 0
h s
U ( 0 ) −1
2
D −1 U ( c ′ ) −1
+ 2 Pt ∑
( c′) (c′)
u , u ′( c ′) n , u u ′
( c ′)
u , u ′( c′ ) n , u
+ nu
⎞
2
hn, u ⎟ ⋅ d u
⎟
⎠
h wu( c′ ′) ⋅ du( c′ ′) + nu
(5)
式 (5) の 第 一 項 は 希 望 信 号 成 分 を ,第 二 項 は 干 渉 信 号 成
分 を ,第 三 項 は 雑 音 成 分 を そ れ ぞ れ 表 す .こ こ で , hn( c,u′)
は 第 c′ セ ル の 第 n 分 散 ア ン テ ナ と 第 0 セ ル の 第 u ユ ー
ザ 間 に お け る チ ャ ネ ル 利 得 を 表 し , i u,u ′ (c′ ) の 値 は 第 u
ユ ー ザ と 第 c′ セ ル に 存 在 す る 第 u′ ユ ー ザ が 同 一 の チ ャ
ネルを使用している場合に 1 を取り,それ以外では 0
と な る . 即 ち 第 二 項 の hn( c, u′) wu( c′ ′) ⋅ d u( c′ ′) は , 同 一 の チ ャ ネ ル
を 使 用 し て い る 第 u′ ユ ー ザ に 送 ら れ た 信 号 が 干 渉 と し
て 受 信 さ れ た 信 号 で あ る . n u は 平 均 0 で 分 散 2N 0 /T s の
加 法 的 白 色 ガ ウ ス 雑 音 (AWGN) , T s は シ ン ボ ル 長 で あ
る.各ユーザからの干渉信号成分を独立なガウス過程
と し て 近 似 す る と , 第 u ユ ー ザ の 瞬 時 受 信 SINR は 次
式で与えられる.
SINRu =
2
Pt ⎛⎜ hn , u ⎞⎟
⎠
⎝
∑
∑
( c′)
n ( u ′ ), u
iu , u ′( c ′ ) h
c ′ =1 u ' = 0
2
hn , u
u =0
D −1 U ( c ′ ) −1
Pt ∑
U ( 0 ) −1
2
2
wu( c′ ′) +
(6)
N0
Ts
式 (6) を 用 い て , 1 タ イ ム ス ロ ッ ト 間 に お け る 第 u ユ ー
ザ の チ ャ ネ ル 容 量 C u (bps/Hz) は 次 式 で 与 え ら れ る .
1
Cu =
log 2 (1 + SINRu )
(7)
N ch
3.2. セ ル ラ ネ ッ ト ワ ー ク (CN)
本 稿 で は ,提 案 DCA を 用 い る DAN の 比 較 対 象 と し
て ,送 信 ダ イ バ ー シ チ を 用 い る CN を 考 え る .CN の 場
合 ,N t o t al 本 の ア ン テ ナ が セ ル の 中 央 に 集 中 し て 配 置 さ
れ,それらのアンテナ全てを用いて最大比送信ダイバ
ー シ チ (MRT)[2] を 行 う . 第 n 番 目 の ア ン テ ナ が 第 u 番
目 の ユ ー ザ に 送 信 す る 送 信 信 号 , 及 び MRT 重 み は そ
れぞれ次式のように表せる.
sn,u = 2Pt wn,u ⋅ du
wn ,u =
(8)
*
n,u
h
(9)
U ( c ) −1 N total −1
∑ ∑
u =0
hn,u
n =0
2
D −1 U ( c′ )−1 Ntotal −1
Ntotal −1
∑h
n =0
= 2 Pt
n ,u n ,u
+∑
Ntotal −1
2
s
∑
n =0
∑ ∑i
c′=1 u '=0
( c′ ) ( c′ )
u ,u′ ( c′ ) n ,u n ,u′
n =0
h s
+ nu
hn,u ⋅ d u
D−1 U ( c′ )−1
+ 2 Pt ∑
∑
c′=1 u '=0
(10)
Ntotal −1
iu ,u′(c′)
∑h
n =0
( c′ )
n ,u
wn( c,u′)′ ⋅ d u(′c′) + nu
⎛ N total −1
Pt ⎜⎜ ∑ hn , u
⎝ n=0
D −1 U ( c ′ ) −1
Pt ∑
4.1. ネ ッ ト ワ ー ク モ デ ル
図 6 に,計算機シミュレーションで用いている干渉
モ デ ル を 示 す . 本 稿 で は セ ル 数 D=37 と し , 測 定 対 象
と な る セ ル の 周 辺 に 位 置 す る 36 局 の セ ル か ら の 干 渉
を 考 慮 す る . 全 て の セ ル で 提 案 DCA を 適 用 し , チ ャ
ネル容量による評価を行う.
図 7 に , DAN と CN の セ ル モ デ ル を 示 す . DAN の
場 合 , 各 セ ル に N t ot a l =7 本 の ア ン テ ナ が 均 一 に 配 置 さ
れ て お り , 隣 接 ア ン テ ナ 間 の 距 離 は セ ル 半 径 の 2/3 倍
に 設 計 さ れ て い る . CN の 場 合 は , N t o t a l 本 の ア ン テ ナ
が セ ル の 中 央 に 配 置 さ れ て い る .こ の と き ,N t o t a l 本 全
てのアンテナを使用して送信ダイバーシチを行う.
チ ャ ネ ル 利 得 h n ,u は , フ ェ ー ジ ン グ に よ る 複 素 パ ス
利得の変動に加えて対数分布に基づくシャドウイング
損 失 [4] ,及 び 伝 搬 損 失 の 影 響 を 含 ん で い る .こ の と き ,
h n ,u は 次 式 の よ う に 表 せ る .
hn ,u = rn−,uα ⋅ 10
−
η n ,u
∑
c ′ =1 u ' = 0
2
u ,u ′( c′)
i
N total −1
∑
n =0
2
⎞
⎟
⎟
⎠
2
( c ′)
n ( u ′ ), u
h
( c′)
u′
w
2
N
+ 0
Ts
(11)
⋅ hn′ ,u
10
(12)
な お ,α は 伝 搬 損 失 指 数 ,η n ,u は 第 n 分 散 ア ン テ ナ と 第
u ユ ー ザ 間 に お け る シ ャ ド ウ イ ン グ 損 失 (dB) を 表 し て
お り , 平 均 値 0 で 標 準 偏 差 σの 正 規 分 布 に 従 う ラ ン ダ
ム 変 数 で あ る . ま た , h′ n ,u は フ ェ ー ジ ン グ の 複 素 パ ス
利 得 を 表 す .こ の と き ,第 n 分 散 ア ン テ ナ か ら 距 離 r n , u
の位置に存在する第 u ユーザの移動局の瞬時受信電力
Pr,u は 次 式 で 与 え ら れ る .
Pr ,u = Pt′,u ⋅ hn,u
2
= Pt′,u ⋅ rn−,uα ⋅10
−
ηn ,u
10
⋅ hn′ ,u
2
(13)
−α
こ こ で , P t ,u =P′ t , u ⋅R , R n ,u =r n,u /R と お く と , 式 (13) は
次のように表現できる.
(
)
Pr ,u = Pt′,u ⋅ R −α ⋅ (rn ,u R ) ⋅ hn ,u
−α
−
η n ,u
10
⋅ hn ,u
2
2
(14)
式 (14) は , 送 信 点 か ら の 距 離 R に お け る 平 均 受 信 電 力
が Pt,u と な る よ う な 送 信 電 力 を 用 い た と き の , 正 規 化
距 離 Rn,u に お け る 受 信 電 力 を 示 し て い る .
な お DAN の 場 合 , 最 短 距 離 規 範 に 基 づ い て ア ン テ
ナ選択を行っている.即ち,次式で与えられる長区間
平均受信電力が最大となるアンテナを選択している.
Pr ,u = Pt ,u ⋅ Rn−,αu ⋅10
2.1 節 と 同 様 , 各 ユ ー ザ か ら の 干 渉 信 号 成 分 を 独 立 な
ガウス過程として近似すると,第 u ユーザの瞬時受信
SINR は 次 式 で 与 え ら れ る .
SINRu =
4. 計 算 機 シ ミ ュ レ ー シ ョ ン 結 果
= Pt ,u ⋅ Rn−,αu ⋅10
s n , u を 第 n 分 散 ア ン テ ナ よ り 送 信 し ,第 u ユ ー ザ に お い
て受信する.受信信号は次式のように表せる.
yu =
式 (11) を 式 (7) に 代 入 す る こ と に よ り , 第 u ユ ー ザ の チ
ャ ネ ル 容 量 C u (bps/Hz) を 得 る .
≈ Pt ,u ⋅ Rn−,αu
−
η n ,u
10
⋅ hn ,u
2
(15)
Cell of interest
Co-channel cell
干 渉 モ デ ル (D=37)
Distributed
antenna
#u
Rn,u
0.5
Ntotal localized antennas
#u
Ru
#n
R=1.0
R=1.0
5%−outage capacity
(bps/Hz/cell)
図 6
の値を極端に大きく設定したときに特性が劣化してい
る こ と が 分 か る .こ れ は ,(1−β) を 大 き く す る 程 直 前 の
タイムスロットの干渉を大きく参照するためである.
この場合,フェージングの影響を受けてほぼランダム
に割り当てを行ってしまうため,特性が劣化してしま
う .し か し な が ら , (1−β)=10 −2 程 度 ( 観 測 時 間 は お よ そ
100 ス ロ ッ ト 程 度 ) に 設 定 す る こ と で 十 分 優 れ た 特 性 が
得 ら れ て い る . 以 降 で は , (1−β)=10 − 2 と し て 検 討 を 行
う.
DAN
0.4
0.3
p=0.4
0.2
1.0
0.1
Nch = 7
U=5
R´=0.67
0.0
1.E-03
(a)DAN
(b)CN
図 7 セ ル 内 の ア ン テ ナ 配 置 (N t o t al =7)
図 8
4.2. 計 算 機 シ ミ ュ レ ー シ ョ ン 諸 元
計算機シミュレーション諸元を表 1 に示す.周波数
非選択性のブロックレイリーフェージングを仮定して
おり,1 タイムスロット内においてフェージングの変
動は無視できるほど小さいものとする.また,各セル
に U 人 の ユ ー ザ が 一 様 分 布 で 発 生 し ,か つ 各 ユ ー ザ は
一定の通信確率 p でパケットの伝送を要求するものと
する.アンテナ選択をした後,選択された分散アンテ
ナが割り当て処理を行い,チャネル割り当てが成功す
れば伝送を行う.干渉リミテッド環境下を仮定して各
ユ ー ザ の チ ャ ネ ル 容 量 を 式 (7) よ り 計 算 し ,そ れ ら を 十
分 回 数 繰 り 返 す こ と で 累 積 分 布 関 数 (CDF) , 及 び セ ル
当たりの平均総チャネル容量を算出している.
DCA
Channel
No. of co-channel cells
D = 37
No. of channels
Nch = 3, 7
No. of antennas in a cell
Ntotal = 7
No. of users per cell
U = 1~14
Transmission prob.
p = 0.2 ~ 1.0
Channel estimation
Ideal
Forgetting factor
of first order filtering
1−β = 10−3
~
提 案 DCA で は , 各 チ ャ ネ ル で 過 去 に 受 信 し た 干 渉
量をフィルタリングし,その出力を基に干渉テーブル
を作成する.即ち,各ユーザと分散アンテナ間の伝搬
路の変動が小さければ,時間の経過とともに割り当て
られるチャネルが棲み分けられていくと考えられる.
これを確認するため,各ユーザの伝搬路環境が変動し
な い と い う 特 殊 な 環 境 を 仮 定 し ,DAN に お い て 第 0 セ
ルの中心に位置する分散アンテナの干渉テーブルの時
間 推 移 を 測 定 し た .こ れ を 図 9 に 示 す .こ こ で ,N ch =3 ,
U=3 ,p=1.0 と し て い る .割 り 当 て を 開 始 し て か ら お よ
そ 1000 ス ロ ッ ト 程 で ,干 渉 テ ー ブ ル の 値 が 収 束 し て い
ることが分かる.なお,この例の場合,第 1 チャネル
が優先的に割り当てられることとなる.また,棲み分
け後も各チャネルのフィルタ出力が若干変動している
が,これは他の分散アンテナにおいて棲み分けが完了
していないものがあるためであると考えられる.周囲
で割り当てられるチャネルに変動が生じるため,干渉
も変動するのである.
10.0
DAN
Nch = 3
U=3, p=1.0
β=10−2
9×10−1
Fading
Frequency-nonselective
block Rayleigh
Shadowing loss standard deviation
σ = 7.0
Path loss exponent
α = 3.5
1.E+00
一 次 フ ィ ル タ 係 数 βの 影 響
Ch #0
5.0
Ch #2
_
System
計算機シミュレーション諸元
1.E-01
1−β
4.4. 棲 み 分 け 効 果 の 確 認
In,ch(t)
表 1
1.E-02
Ch #1
4.3. 一 次 フ ィ ル タ の 最 適 化
図 8 に ,DAN に お け る 提 案 DCA の (1−β) 対 シ ス テ ム
容量特性を,通信確率 p をパラメータとして示す.こ
こ で , 縦 軸 に は CDF の 5% ア ウ テ ー ジ 容 量 を プ ロ ッ ト
し て お り , N c h =7 , U=5 と し て い る . 図 8 よ り , (1−β)
0.0
0
1000
2000
3000
4000
5000
Time slot
図 9
テーブルに保存した平均干渉電力測定値の変化
4.5. DAN と CN の 比 較
5. む す び
DAN と CN の p 対 チ ャ ネ ル 容 量 特 性 を ,U を パ ラ メ
ー タ と し て 図 10 に 示 す . N ch =7 と し , 図 10(a) に ユ ー
ザ の 5% ア ウ テ ー ジ 容 量 を , 図 10(b) に セ ル の 平 均 総 チ
ャ ネ ル 容 量 を そ れ ぞ れ プ ロ ッ ト し た . 図 10(a) よ り ,
DAN は CN に 比 べ て 優 れ た ア ウ テ ー ジ 容 量 を 獲 得 で き
る こ と が 分 か る . 例 え ば U=7 , p=1.0 の と き , DAN で
は CN に 比 べ て 約 7.0 倍 の ア ウ テ ー ジ 容 量 が 得 ら れ て
い る .こ れ は ,DAN で は ユ ー ザ 近 傍 の 分 散 ア ン テ ナ が
通信を行うことで伝搬損失の影響を著しく軽減できる
た め で あ る .CN で は N t o t a l =7 本 の 送 信 ア ン テ ナ 全 て を
使用して送信ダイバーシチを行っているものの,伝搬
損 失 の 影 響 が 大 き い た め に ア ウ テ ー ジ (つ ま り セ ル 境
界 )を 救 う こ と は で き な い .
ま た 図 10(b) よ り ,ユ ー ザ 数 U が 増 え る ほ ど CN に 対
す る DAN の 総 チ ャ ネ ル 容 量 の 改 善 量 が 大 き い こ と が
分 か る . こ れ は , 提 案 DCA の 割 り 当 て 法 の 違 い に よ
る も の で あ る . CN で は 基 地 局 で 1 つ の 干 渉 テ ー ブ ル
を保持し,それを用いてチャネルの割り当てを行う.
このとき,割り当てられたチャネルを使用して全ての
ア ン テ ナ が 1 ユ ー ザ に 伝 送 を 行 う た め ,高 々 N ch 人 の ユ
ーザとしか通信を行うことができない.これに対し,
DAN で は 各 分 散 ア ン テ ナ が テ ー ブ ル を 保 持 し て 割 り
当て処理を行い,ユーザと 1 対 1 で通信を行う.つま
り,平均干渉電力さえ小さければセル内の分散アンテ
ナ で も 同 じ チ ャ ネ ル を 再 利 用 で き る た め , CN よ り 多
く の ユ ー ザ を 収 容 で き る の で あ る . 提 案 DCA は , 特
に DAN に 適 し た 割 り 当 て 手 法 で あ る と 言 え る .
本 稿 で は ,DAN に お い て 各 分 散 ア ン テ ナ が 自 律 か つ
動 的 に チ ャ ネ ル を 割 り 当 て る 自 律 分 散 DCA を 提 案 し
た .こ れ は ,過 去 に 受 信 し た 干 渉 電 力 の 平 均 を 計 算 し ,
平均干渉電力の小さいチャネルを優先的に割り当てる
手 法 で あ る . 提 案 DCA で は , 干 渉 測 定 の 観 測 時 間 を
100 ス ロ ッ ト 程 度( β = 0.01 に 相 当 )に 設 定 す る こ と で
優れたチャネル容量が得られ,また特にユーザが多数
存 在 す る 環 境 に お い て ,提 案 DCA を 用 い る DAN が 従
来のセルラネットワークと比較して高いチャネル利用
効率を示すことを明らかにした.
なお,提案したチャネル割り当て手法では各分散ア
ンテナが独立に割り当てを行うため,各アンテナが協
調して通信を行う技術への適用は難しい.このような
協 調 MIMO 伝 送 へ の 拡 張 は ,重 要 な 今 後 の 課 題 で あ る .
5%−outage capacity
(bps/Hz)
1.0
DAN
CN
Nch=7
β=10−2
○ U= 1
△
7
* 14
DAN
0.5
CN
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
p
(a)1 ユ ー ザ 当 た り の 5% ア ウ テ ー ジ チ ャ ネ ル 容 量
Average cell capacity
(bps/Hz/cell)
16.0
DAN
CN
12.0
○ U= 1
△
7
* 14
14
Nch=7
β=10−2
7
8.0
4.0
U=1
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
p
(b)1 セ ル 当 た り の 平 均 総 チ ャ ネ ル 容 量
図 10 DAN と CN の チ ャ ネ ル 容 量 の 比 較
文
献
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