(57)【要約】【課題】方法及びシステムは、直交周波数分割多元接続（ＯＦＤＭＡ）及び時分割多元接続（ＴＤＭＡ）ネットワークにおける複数のユーザ間の多元接続制御及び周波数帯域割当て、並びに送信時間共有を提供する。【解決手段】本方法は、マルチユーザ・マルチキャリア通信ネットワークのアップリンク及びダウンリンクに適用することができる。総送信電力最小化制約の下で、本方法は、キャリア及び送信時間をユーザに最適に割り当てることができ、同時に、各ユーザのデータレート又は均等に待ち時間の要件を保証することができる。【選択図】図１Ｂ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
直交周波数分割多元接続及び時分割多元接続ネットワークにおける基地局と通信する移動局のセットにリソースを割り当てる方法であって、
前記移動局のセットによる総電力消費Ｐを、前記電力Ｐを以下の式に従って最小化することによって最適化することであって、
【数１】
2010171979.tif 000015
ただし、前記式は
【数２】
2010171979.tif 000016
を条件とし、式中、
【数３】
2010171979.tif 000017
であり、すべてのｋ及びｎに関してｔｋ，ｎ≧０であり、且つすべてのｋ及びｎに関してｃｋ，ｎ≧０であり、
Ｋは移動局ｋの数であり、
Ｎは周波数帯域ｎの数であり、
ｔは各シンボルに対する送信時間間隔であり、
ｃはビット／シンボル単位のデータレートであり、
σ２は加法性白色ガウス雑音電力であり、
αｋ，ｎは各チャネルの電力利得であり、
Ｂは各チャネルのＨｚ単位の帯域幅であり、
Ｒｋは各移動局に対する、ビット／秒単位の保証されるデータレートである、最適化すること、並びに
前記シンボルを前記移動局のセットから前記基地局に前記最適化された総電力消費に従う電力で送信すること
を含む、直交周波数分割多元接続及び時分割多元接続ネットワークにおける基地局と通信する移動局のセットにリソースを割り当てる方法。
【請求項２】
前記移動局のセットは、Ｎ個の周波数帯域上で同時に送信する
請求項１記載の方法。
【請求項３】
各移動局に関する前記電力利得は異なり、前記セット内の他の移動局の電力利得とは無関係である
請求項１記載の方法。
【請求項４】
複数の移動局が時間にわたって１つの周波数帯域キャリアを共有する
請求項１記載の方法。
【請求項５】
複数のシンボルから成る１つのフレームの送信時間を複数のシンボル持続時間に分割することをさらに含み、
特定の移動局は１つ又はいくつかのシンボル持続時間に対する特定の周波数帯域を占有する
請求項１記載の方法。
【請求項６】
特定の移動局に対する連続するシンボル持続時間及び周波数帯域はリソースブロックであり、前記リソースブロックの形状は２Ｄ時間及び周波数領域において任意である
請求項１記載の方法。
【請求項７】
最適化は凸ではなく、
前記最適化を凸であるように変換すること、及び
前記最適化を内点プロセスを用いて解くことをさらに含む
請求項１記載の方法。
【請求項８】
前記最適化に対する解をすべての移動局にブロードキャストすることをさらに含む
請求項１記載の方法。
【請求項９】
前記シンボルは、各移動局内の送信機に対する入力直列データストリームのためのものであり、
前記データストリームを複数の並列データストリームに分割することであって、この分割することは、前記並列データストリーム毎に、
前記送信時間間隔ｔｋ，ｎを割り当てること、
前記シンボルを適応的に変調すること、
前記変調シンボルを前記周波数帯域に対するキャリアと混合すること、及び
前記混合シンボルを直列出力データストリームに変換することをさらに含む、分割すること、並びに
前記出力直列データストリームをアンテナに供給することをさらに含む
請求項１記載の方法。
【請求項１０】
前記基地局において前記シンボルを受信すること、及び
前記受信シンボルを前記割り当てられた送信間隔にわたって適応的に復調することをさらに含む
請求項１記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、包括的には通信ネットワークの多元接続制御（ＭＡＣ）に関し、特に、無線通信ネットワーク内の複数の送受信機間のキャリア割当て及び送信時間共有に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
マルチキャリア変調は、サービス品質（ＱｏＳ）が保証されている広帯域無線通信をサポートする。非常に複雑な適応等化器を採用してシンボル間干渉（ＩＳＩ）を低減する代わりに、マルチキャリア変調は、単一の広帯域チャネルをＩＳＩのない多数のサブチャネルに分割することによって、厳密なサービス要件を満足する。非特許文献１、非特許文献２、及び非特許文献３を参照されたい。
【０００３】
マルチキャリア変調は等化器の設計を単純にするが、それによって、一連のリソース割当て問題が生じる。帯域幅、電力、及び送信時間のような限られた無線リソースの効率的な利用を達成するために、最適なリソース割当て戦略が望まれている。
【０００４】
注水電力割当てが、一組の並列チャネルの容量を達成するのに最適な解決策であることが既知である。処理能力及び最適なリソース割当てが非特許文献４に記載されている。
【０００５】
シングルユーザ・マルチキャリアネットワークにおいて、１つの既知の注水法が、Hughes-Hartogsアルゴリズムである。１９８７年７月７日付のHughes-Hartogsに対する「Ensemble modem structure for imperfect transmission media」と題する特許文献１、１９８８年３月１５日付のHughes-Hartogsに対する「Ensemble modem structure for imperfect transmission media」と題する特許文献２、及び、１９８９年５月３０日付のHughes-Hartogsに対する「Ensemble modem structure for imperfect transmission media」と題する特許文献３を参照されたい。
【０００６】
いくつかの効率的なリソース割当て方法が既知である。非特許文献５、非特許文献６、非特許文献７、非特許文献８、非特許文献９、及び、非特許文献１０、非特許文献１１を参照されたい。
【０００７】
シングルユーザ注水アルゴリズムを、非特許文献１２に記載されているマルチユーザ注水アルゴリズムに拡張することができる。しかしながら、このアルゴリズムは、個々のユーザに対するＱｏＳ要件のような実際的な問題を考慮に入れない。
【０００８】
マルチユーザ・マルチキャリアネットワークに対する現実的な制約を考慮すると、既存のリソース割当てアルゴリズムを、最適化基準に基づいて２つのクラス、すなわち、ＱｏＳ制約を前提とする電力の最小化と、電力制約を前提とするスループットの最大化とに分類することができる。
【０００９】
第１のクラスは、個々のユーザのＱｏＳ要件の制約を前提とする全体的な送信電力の最小化の問題を考慮する。非特許文献１３、非特許文献１４、非特許文献１５、非特許文献１６、非特許文献１７を参照されたい。
【００１０】
第２のクラスは、送信電力割当量の制約下での全体的なスループットを最大化することを試みる。非特許文献１８、非特許文献１９、非特許文献２０、非特許文献２１、非特許文献２２を参照されたい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】米国特許第４，６７９，２２７号明細書
【特許文献２】米国特許第４，７３１，８１６号明細書
【特許文献３】米国特許第４，８３３，７０６号明細書
【非特許文献】
【００１２】
【非特許文献１】Bingham他著「Multi-carrier modulation for data transmission: An idea whose time has come」（IEEE Commun. Mag., vol. 28, no. 5, pp. 5-14, May 1990）
【非特許文献２】Linnartz他著「Multi-carrier CDMA in indoor wireless radio networks」（Proc. IEEE PIMRC, Sep. 1993, pp. 109-113）
【非特許文献３】Hara他著「Overview of multi-carrier CDMA」（IEEE Commun. Mag., vol. 35, no. 12, pp. 126-133, Dec. 1997）
【非特許文献４】Tse他著「Multiaccess fading channels - Part I: Polymatroid structure, optimal resource allocation and throughput capacities」（IEEE Trans. Inf. Theory, vol. 44, no. 7, pp. 2796-2815, Nov. 1998）
【非特許文献５】P. S. Chow、J. M. Cioffi、及びJ. A. C. Bingham著「A practical discrete multitone transceiver loading algorithm for data transmission over spectrally shaped channels」（IEEE Trans. Commun., vol. 43, no. 2/3/4, pp. 773-775, Feb./Mar./Apr. 1995）
【非特許文献６】I. Kalet著「The multitone channel」（IEEE Trans. Commun., vol. 37, no. 2, pp. 119-124, Feb. 1989）
【非特許文献７】T. J. Willink、及びP. H. Wittke著「Optimization and performance evaluation of multi-carrier transmission」（IEEE Trans. Inf. Theory, vol. 43, no. 2, pp. 426-440, Mar. 1997）
【非特許文献８】J. Jang、K. B. Lee、及びY. -H. Lee著「Frequency-time domain transmit power adaptation for a multi-carrier network in fading channels」（Electron. Lett., vol. 38, no. 5, pp. 218-220, Feb. 2002）
【非特許文献９】B. Krongold、K. Ramchandran、及びD. Jones著「Computationally efficient optimal power allocation algorithms for multi-carrier communication networks」（IEEE Trans. Commun., vol. 48, no. 1, pp. 23-27, Jan. 2000）
【非特許文献１０】A. Keke及びJ. M. Cioffi著「A maximum rate loading algorithm for discrete multitone modulation networks」（Proc. IEEE GLOBECOM, pp. 1514-1518, Nov. 1997）
【非特許文献１１】R. F. H. Fischer及びJ. B. Huber著「A new loading algorithm for discrete multitone transmission」（Proc. IEEE GLOBECOM, London, U. K., pp. 724-728, Nov. 1996）
【非特許文献１２】R. S. Cheng及びS. Verdu著「Gaussian multiaccess channels with ISI: Capacity region and multi-user water-filling」（IEEE Trans. Inf. Theory, vol. 39, no. 3, pp. 773-785, May 1993）
【非特許文献１３】C. Y. Wong、R. S. Cheng、K. B. Letaief、及びR. D. Murch著「Multi-user OFDM with adaptive subcarrier, bit and power allocation」（IEEE J. Sel. Areas Commun., vol. 17, no. 10, pp. 1747-1758, Oct. 1999）
【非特許文献１４】D. Kivanc、G. Li、及びH. Liu著「Computationally efficient bandwidth allocation and power control for OFDMA」（IEEE Trans. Wireless Commun., vol. 2, no. 6, pp. 1150-1158, Nov. 2003）
【非特許文献１５】S. Pietzyk及びG. J. M. Janssen著「Multi-user subcarrier allocation for QoS provision in the OFDMA networks」（Proc. IEEE VTC-Fall, Sep. 2002, vol. 2, pp. 1077-1081）
【非特許文献１６】S. Pfletschinger、G. Munz、及びJ. Speidel著「Efficient subcarrier allocation for multiple access in OFDM networks」（Proc. 7th Int. OFDM Workshop, pp. 21-25, Sep. 2002）
【非特許文献１７】H. Yin及びH. Liu著「An efficient multi-user loading algorithm for OFDM-based broadband wireless networks」（Proc. IEEE Globecom, 2000, pp. 103-107）
【非特許文献１８】W. Rhee及びJ. M. Cioffi著「Increase in capacity of multi-user OFDM network using dynamic subchannel allocation」（Proc. IEEE VTC, pp. 1085-1089, 2000）
【非特許文献１９】M. Ergen、S. Coleri、及びP. Varaiya著「QoS aware adaptive resource allocation techniques for fair scheduling in OFDMA based broadband wireless access networks」（IEEE Trans. Broadcast., vol. 49, no. 4, pp. 362-370, Dec. 2003）
【非特許文献２０】J. Jang、K. B. Lee、及びY. H. Lee著「Transmit power and bit allocations for OFDM networks in fading channel」（Proc. IEEE Globecom, pp. 858-862, Dec. 2003）
【非特許文献２１】S. Pfletschinger、G. Munz、及びJ. Speidel著「An efficient water-filling algorithm for multiple access OFDMA」（Proc. IEEE Globecom, Taipei, Taiwan, pp. 681-685, Nov. 2002）
【非特許文献２２】Z. Shen、J. G. Andrews、及びB. L. Evans著「Optimal power allocation in multi-user OFDM networks」（Proc. IEEE Global Commun. Conf., pp.337-341, 2003）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかしながら、これらの既知の方法はすべて、チャネル割当てを個々のユーザに対して時間領域において排他的であるように制限してしまう。すなわち、２つのユーザが１つのチャネルを時間共有することができない。換言すれば、リソース割当ては一次元でしかない。従来技術は送信時間を除外し、チャネルを割り当てることしか考慮していない。送信時間も無線通信においては限られた資源であり、これも複数のユーザに効率的に割り当てられるべきである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の実施の形態は、直交周波数分割多元接続（ＯＦＤＭＡ）及び時分割多元接続（ＴＤＭＡ）ネットワークにおける複数のユーザ間の多元接続制御（ＭＡＣ）及びキャリア（周波数帯域）割当て並びに送信時間共有のための方法を提供する。本方法は、ＯＦＤＭＡ及びＴＤＭＡの特質を組み合わせる。ＯＦＤＭＡ／ＴＤＭＡを、マルチユーザ・マルチキャリア通信ネットワークのアップリンク及びダウンリンクに適用することができる。
【００１５】
総送信電力最小化制約の下で、本方法は、キャリア及び送信時間をユーザに最適に割り当てることができ、同時に、各ユーザのデータレート又は均等に待ち時間の要件を保証することができる。本発明によるＯＦＤＭＡ／ＴＤＭＡを用いる送信機及び受信機の設計も説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１Ａ】本発明の実施の形態によるネットワークの概略図である。
【図１Ｂ】本発明の実施の形態による、複数のユーザが同時に無線媒体にアクセスするためのＯＦＤＭＡ／ＴＤＭＡフレームのブロック図である。
【図１Ｃ】従来技術のＯＦＤＭＡフレームのブロック図である。
【図２】本発明の実施の形態によるキャリア及び送信時間割当てに関する概略図である。
【図３】本発明の実施の形態による、複数のユーザに対するキャリア割当て及び送信時間共有に関するブロック図である。
【図４】本発明の実施の形態による、割り当てられたキャリア及び時間期間を通じてアップリンクネットワーク上の中央コントローラに送信するユーザの送信機の概略図である。
【図５】本発明の実施の形態による、アップリンクネットワークのための中央コントローラにおける受信機の概略図である。
【図６】本発明の実施の形態による、アップリンクネットワーク及びダウンリンクネットワークに関するユーザｋのデータのための受信機の概略図である。
【図７】本発明の実施の形態による、ダウリンクネットワークに関しての、ＯＦＤＭＡ／ＴＤＭＡを用いてすべてのユーザに送信する中央コントローラの送信機の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
図１Ａに示すように、本発明の実施の形態によるマルチユーザ・マルチキャリアネットワークは、中央コントローラ又は基地局（ＢＳ）と、Ｋ個の分散されているユーザ（移動局ＭＳ）とを含む。中央コントローラは、ユーザが移動局（電話）である無線セルラネットワークにおける基地局（ＢＳ）とすることができる。中央コントローラ、及びＫ個の移動局のそれぞれは、送信機及び受信機（送受信機）を備える。一般に、本明細書において参照する場合「ユーザ」は、携帯電話、送受信機、コンピュータ、局、端末、及び一般的にはノードのようなユーザ機器（ＵＥ）とすることができる。
【００１８】
無線パーソナルエリアネットワーク（ＰＡＮ）、無線ローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）、及び無線都市規模ネットワーク（ＭＡＮ）では、中央コントローラはアクセスポイント（ＡＰ）とすることができ、Ｋ個のユーザは、ＡＰを介して基幹ネットワークにアクセスする一組のクライアントノードとすることができる。工業自動制御の分野では、中央コントローラはＫ個のスレーブノードと通信するマスタノードとすることができる。
【００１９】
本明細書の実施の形態による方法は、直交周波数分割多元接続（ＯＦＤＭＡ）と時分割多元接続（ＴＤＭＡ）とを組み合わせる。本方法は、ユーザの空間／ロケーション依存性無線チャネルステータスに基づいて該ユーザにＯＦＤＭＡ／ＴＤＭＡチャネルを動的に割り当てることによって、予め指定されているデータレート閾値（又は均等に待ち時間閾値）における送信電力が低いマルチユーザ・マルチキャリア通信ネットワークを提供するＯＦＤＭＡ／ＴＤＭＡ媒体アクセス制御（ＭＡＣ）プロトコルを使用する。
【００２０】
チャネル割当てを用いるＯＦＤＭＡ
本発明の実施の形態によれば、Ｎ個の直交キャリア（周波数帯域）によって、複数のユーザが同時に信号を送信することが可能となる。具体的には、異なる複数のキャリアが独立したチャネルフェージングを受けるため、ｋ番目のユーザは一組のキャリアを割り当てられる。ここで、ｎ番目のキャリアはチャネル利得αｋ，ｎを有する。さらに、ユーザは通常異なるロケーションにいるため、同じキャリアｎに関しても、異なるユーザにおいて受けるチャネル利得は異なり、且つ独立している。換言すれば、チャネル利得α１，ｎ，α２，ｎ，．．．，αｋ，ｎは独立したフェージング統計値を有する。ｋ番目のユーザにおけるｎ番目のキャリアであるチャネル利得αｋ，ｎは、ｋ及びｎの双方に対して独立した統計値を有し、それによって二次元（ｋ及びｎ）の自由度がもたらされ、ネットワーク性能が改善される。
【００２１】
単一キャリアネットワークを考える。シャノンの法則によれば、ビット／シンボル単位の達成可能な信頼性のあるデータレートｃは以下のようになる。
【００２２】
【数１】
2010171979.tif 000003
【００２３】
ただし、Ｐは送信電力であり、αは単一キャリアのチャネル利得／減衰係数であり、σ２は加法性白色ガウス雑音（ＡＷＧＮ）の電力であり、Ｐα２／σ２は受信機における信号対雑音比（ＳＮＲ）である。均等に、送信電力を以下のように表現することができる。
【００２４】
【数２】
2010171979.tif 000004
【００２５】
ここで、Ｋ個のユーザ及びＮ個のキャリアを有するマルチユーザ・マルチキャリアネットワークを考える。ＯＦＤＭＡ技術を使用するこのようなネットワークでは、異なるキャリアが異なるユーザに割り当てられ、それによって、複数のユーザが互いに干渉し合うことなくネットワークに同時にアクセスすることができる。これは、これらのキャリアが周波数領域において直交しているためである。しかしながら、ＯＦＤＭＡは、キャリア割当て問題を引き起こす。一般に、キャリア割当てが異なることによって、異なるネットワーク性能がもたらされる。したがって、最適なリソース割当てを達成することが重要である。
【００２６】
具体的には、ｎ番目のキャリアはｋ番目のユーザに割り当てられ、関連付けられるチャネル利得はαｋ，ｎである。ユーザｋにとっての所望のデータレートは、式（１）に類似のｃビット／シンボルである。キャリアｎを介してユーザｋがデータを送信するのに必要な電力は以下の通りである。
【００２７】
【数３】
2010171979.tif 000005
【００２８】
式（１）から、ユーザｋに対する特定のデータレートｃが与えられると、キャリアｎに従って送信電力が求められる。合計Ｎ個のキャリアの中からユーザｋに対して異なるキャリアが割り当てられる場合、同じデータレートｃを保証するために異なる電力を割り当てる必要がある。したがって、ＯＦＤＭＡには最適なキャリア割当てが必要である。
【００２９】
ＯＦＤＭＡ／ＴＤＭＡ
しかしながら、ＯＦＤＭＡを用いる上記のチャネル割当ては、チャネル割当てを個々のユーザに対して時間領域において排他的であるように制限してしまう。すなわち、２つのユーザが１つのキャリア（チャネル）を同時に共有することができない。換言すれば、それらのリソース割当ては一次元でしかない。すなわち、この割当てはチャネルを割り当てることしか考慮しておらず、送信時間を除外している。送信時間も無線通信においては限られた資源である。
【００３０】
図１Ｂ及び図２に示すように、本発明は、複数のユーザが時間領域において１つのキャリアを共有することを可能にする。図１Ｂにおいて、垂直軸は周波数を表し、水平軸は時間を表す。
【００３１】
より具体的には、１つのフレームの送信時間を、図１Ｂに示す複数のシンボル持続時間１２０に分割し、１つのユーザ１４０が、１つ又はいくつかのシンボル持続時間にわたって特定のキャリア１３０を占有することを可能にする。すなわち、ｎ番目のコードチャネルの送信時間間隔を、ｔ１，ｎ，ｔ２，ｎ，．．．，ｔｋ，ｎ，．．．ｔＫ，ｎとしてＫ個の時間間隔に分割する。ただし、ｔｋ，ｎ２０５はｋ番目のユーザによってとられるｎ番目のコードチャネルの時間間隔であり、これはフレーム持続時間全体までの任意の数のシンボル持続時間とすることができる。図２を参照されたい。
【００３２】
リソースブロック（ＲＢ）は１組の連続する周波数帯域及びシンボルとして規定される。従来技術では、リソースブロックは２Ｄの周波数及び時間の領域において常に矩形である。ユーザ２（ＭＳ）１４０を参照されたい。しかしながら、本実施の形態によれば、ＲＢは任意の形状を有することができる。ユーザ１  １５０を参照されたい。これは、本発明の新規のＭＡＣ方式の１つの基本理念である。ＯＦＤＭＡとＴＤＭＡとを組み合わせてＯＦＤＭＡ／ＴＤＭＡ方式を提供する。
【００３３】
図１Ｂは、本発明によるＯＦＤＭＡ／ＴＤＭＡ方式を示す、１２個のユーザを有するマルチユーザ・マルチキャリア通信ネットワーク内で送信される１つのデータフレームを示す。ｘ軸１００は、シンボル間隔分解能１２０における時間領域を示す。ｙ軸１１０はキャリア論理チャネルインデックスｎを示す。ＯＦＤＭＡ／ＴＤＭＡは、時間−キャリア二次元領域内で複数のユーザによる送信をスケジューリングする。キャリア及び送信時間又はシンボル持続時間は、重なり合うことなく複数のユーザに割り当てられ、それによって、複数のユーザが互いに相互干渉することなく無線媒体にアクセスすることができる。
【００３４】
比較のために、図１Ｃは、マイクロ波アクセス世界的相互運用性（ＷｉＭＡＸ）ＩＥＥＥ８０２．１６標準規格に準拠する従来技術の分離しているフレームを示す。このフレームは時間領域においてシンボルｋを有し、周波数領域においてチャネルｓを有する。
【００３５】
リソース割当てのために、ユーザは常に第１の利用可能な論理サブチャネルの第１のシンボルから開始し、すべてのデータが送信されるか、又は第１のチャネルに関してフレーム内の最後のシンボルに達するまで時間領域（シンボル）を通じて走査する（１９０）。後者の場合、ユーザは次のサブチャネルに移動し、再び第１のシンボルから開始する。
【００３６】
統合最適チャネル割当て及び時間共有を用いるＯＦＤＭＡ／ＴＤＭＡ
通信アプリケーションが遅延の影響を受ける場合、各ユーザに対するデータレート要件を保証しながら総送信電力が最小化され、該保証は各ユーザの待ち時間を保証することと均等である。本発明では、Ｋ個のユーザ及びＮ個の直交キャリアを有するマルチユーザ・マルチキャリアネットワークを考える。
【００３７】
図３に示すように、ｋ番目のユーザはマスタコントローラから制御チャネル３２０を介して、ビット／秒単位のデータレートＲｋ３６０を要求する。マスタはチャネル推定３１０を実施する。チャネル状態情報を用いて、マスタはチャネル係数行列３３０を生成する。一般性を失うことなく、１つのフレームの持続時間は１秒に正規化され、その結果、時間間隔ｔｋ，ｎ２０５は［０，１］秒の範囲内の実数値となる。
【００３８】
図３に示すように、時間間隔ｔｋ，ｎ２０５の間に、割当て方法３００は、要求されるデータレート３６０及びチャネル利得３３０に基づいてユーザにキャリアを割り当てる。キャリアｎがユーザｋに割り当てられると仮定する。間隔ｔｋ，ｎ３５０におけるキャリアｎにわたるユーザｋに対するビット／秒単位の信頼性のあるデータレートｃｋ，ｎ３４０を達成するために、（ｔｋ，ｎによって時間スケーリングされる）このデータ送信のために消費される電力は以下の通りである。
【００３９】
【数４】
2010171979.tif 000006
【００４０】
図２において、異なる複数のパターンが使用されて、ユーザｋに対する、異なる複数の割り当てられるキャリア−時間領域内での異なる複数の達成可能レート及び消費送信電力が区別される。総送信電力は、以下のような全ユーザ及びフレーム全体にわたる合計であることが簡単に分かる。
【００４１】
【数５】
2010171979.tif 000007
【００４２】
本発明では、ユーザｋに対するデータレートＲｋ３６０ビット／秒を保証する方法を考える。ユーザｋは、キャリアｎ上で時間間隔ｔｋ，ｎ２０５にわたってレートｃｋ，ｎ３３０で送信することによってネットワークにアクセスする。各キャリアの帯域幅はＢ  Ｈｚである。したがって、（１秒に正規化される）このフレーム持続時間内でキャリアｎにわたって送信されるビット数はＢｔｋ，ｎｃｋ，ｎである。すべての可能なキャリアにわたって合計して、以下の条件が有効であることを確実にする。
【００４３】
【数６】
2010171979.tif 000008
【００４４】
フレーム持続時間１００が１秒に正規化される場合、以下のような追加の制約をｔｋ，ｎ２０５に課す。
【００４５】
【数７】
2010171979.tif 000009
【００４６】
したがって、本発明の問題は、すべてのｋ及びｎに対してｔｋ，ｎ２０５及びｃｋ，ｎ３４０の最適値を求めて、総送信電力Ｐを最小化しながらすべてのユーザのデータレート要件を保証することである。この問題を以下のように定式化することができる。
【００４７】
【数８】
2010171979.tif 000010
【００４８】
ただし、この式は
【００４９】
【数９】
2010171979.tif 000011
【００５０】
を条件とし、式中、
【００５１】
【数１０】
2010171979.tif 000012
【００５２】
であり、すべてのｋ及びｎに関してｔｋ，ｎ≧０であり、且つすべてのｋ及びｎに関してｃｋ，ｎ≧０である。
【００５３】
最適チャネル割当て及び時間共有問題に対する解
式（８）における定式化された問題は凸最適化問題ではない。したがって、その最適解を探すことはＮＰ（非決定性多項式）困難である。幸いなことに、この問題は、従来の内点プロセスによって効率的に解くことができる凸最適化問題に変換することができる。
【００５４】
遮断法とも呼ばれる内点プロセスは、凸集合を符号化するのに使用される自己整合障壁関数を含む。シンプレックス法とは反対に、内点プロセスは、実行可能領域の内部を通ることによって最適解に近づく。すなわち、内点プロセスは、表面付近ではなくこの問題によって規定される実行可能領域の中央を通っていくことによって最適化を達成する。
【００５５】
本発明に従って、ｘｋ，ｎ＝ｔｋ，ｎｃｋ，ｎ／Ｂ及びＲｋハット＝Ｒｋ／Ｂを規定する。次いで、式（８）における問題を式（９）におけるように定式化し直す。
【００５６】
【数１１】
2010171979.tif 000013
【００５７】
ただし、この式は
【００５８】
【数１２】
2010171979.tif 000014
【００５９】
であり、すべてのｋ及びｎに関してｔｋ，ｎ≧０であり、且つすべてのｋ及びｎに関してｘｋ，ｎ≧０であることを条件とする。
【００６０】
式（９）における問題は、線形拘束を有する凸最適化問題であり、これは従来の内点プロセスを用いて効率的に解くことができる。
【００６１】
図３は、中央コントローラにおいてＯＦＤＭＡ／ＴＤＭＡ方式を適用することによる、複数のユーザに対するキャリア割当て及び送信時間共有を示す。制御チャネルを通じて、中央コントローラは、各ユーザｋの要求されるデータレートＲｋ３６０を取得することができる。チャネル推定３１０を適用することによって、無線チャネル利得係数αｋ，ｎ３３０（ただし、ｋ＝１，．．．，Ｋ且つｎ＝１，．．．，Ｎ）を得ることができる。次いで、Ｒｋ３６０及びαｋ，ｎ３３０の値を割当て方法３００に入力する。次いで、内点プロセスに基づく割当て方法を適用して式（９）における上記最適化問題を解く。ｔｋ，ｎ２０５及びｘｋ，ｎ（又は均等にｃｋ，ｎ３４０）の解を得る。次いで、解を制御チャネルを通じてすべてのユーザにブロードキャストする。
【００６２】
送信機及び受信機の設計
ＯＦＤＭＡ／ＴＤＭＡを用いるマルチユーザ・マルチキャリアネットワークのための送受信機の設計に関して、アップリンク通信とダウンリンク通信とを別個に考える。アップリンク通信は複数のユーザから中央コントローラまでのデータ送信のためのものである。ダウンリンク通信は中央コントローラから複数のユーザまでのデータ送信のためのものである。わずかな差異はあるものの、アップリンク及びダウンリンクそれぞれに対する送受信機の設計は類似している。
【００６３】
図４は、ユーザｋのための送信機構造４００を示す。ユーザｋの原データレートはＲｋ３６０である。直列／並列変換後、入力データストリームを合計で、Ｎ個のキャリア上のＮ個のサブストリームに分割し、そのそれぞれがｃｋ，ｎ４２０のサブレートを有する。次いで、すべてのサブストリームが、ユーザｋのキャリアｎに対する割り当てられる送信時間間隔ｔｋ，ｎ２０５によって制御されるオン／オフスイッチ４３０を通っていく。次いで、各サブストリームを独立して適応変調器４４０に入力する。変調器４４０は各サブストリームのデータをそのレートｃｋ，ｎ４２０に従って適応的に変調する。次いで、変調サブストリームが対応するキャリア４６０と混合し（４５０）、並列／直列変換器４７０を通過した後、アンテナ４８０がデータストリーム４９０を送信する。
【００６４】
図５は、中央コントローラにおける受信機５００を示す。受信機ｋの出力はユーザｋによって送信される入力データと同じである。
【００６５】
図６は、各受信機チェーンｋ５１０の構造を示す。オン／オフスイッチ６３０は、ユーザｋに対する時間間隔ｔｋ，ｎ２０５の長さを制御する。受信信号４９０をスイッチ６３０の出力と乗算する。ＯＦＤＭＡ／ＴＤＭＡを用いるキャリア−時間割当ては異なる複数のユーザ間で重なり合わないため、ユーザｋが送信するデータのみがフィルタリングされる。
【００６６】
復調６００の後、復調器６００の出力を対応するキャリア６２０と乗算することによってキャリアを受信信号から除去する。異なる複数のキャリア上のサブストリームを、それぞれローパスフィルタ（ＬＰＦ）６１０内に置く。各キャリアの取り出されたデータは正確に、ユーザｋによって送信された入力データである。並列／直列変換６２０の後、レートＲｋ３６０でのユーザｋの入力データストリームを回復する。
【００６７】
図７は、中央コントローラにおける送信機を示す。レートＲｋ３６０での各ユーザｋの入力直列データストリームを並列データサブストリームｃｋ，ｎ７５０（ただし、ｎ＝１，２，．．．，Ｎ）に変換する。次いで、異なるユーザｋ（ただし、ｋ＝１，２，．．．，Ｋ）の同じｎの（同じキャリアｎに対する）データサブストリームｃｋ，ｎ７５０を、割り当てられる時間ｔｋ，ｎ２０５によって制御されるオン／オフスイッチ７６０に入力する。
【００６８】
次いで、ｎ＝１，２，．．．，Ｎに関して、複数のデータサブストリームｃｋ，ｎを、加算器７７０を介して共に組み合わせて適応変調器７２０に入力する。各変調器の変調データ７８０をそれぞれ、異なる対応するキャリア７３０に送信する。キャリアｎは実際には異なるユーザｋ（ただし、ｋ＝１，２，．．．，Ｋ）のデータを搬送する。複数のユーザに対する時分割をｔｋ，ｎ２０５の長さを調整することによって制御する。
【００６９】
ダウンリンク通信に関する各ユーザｋの受信機構造は図６に示すアップリンク受信機ｋと同じである。１つの差異は、アップリンク通信の場合は、図５に示すように、異なるユーザｋの受信機がすべて中央コントローラにおいて同一場所で組み合わされ、一方でダウンリンクに関しては、受信機は各ユーザにおいて分散されることである。
【００７０】
本発明を、好ましい実施の形態の例として説明してきたが、本発明の精神及び範囲内で他のさまざまな適合及び変更を行うことができることが理解されるべきである。したがって、本発明の真の精神及び範囲内に入るようなすべての変形及び変更を包含することが、添付の特許請求の範囲の目的である。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【外国語明細書】
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