(57)【要約】      （修正有）【課題】直交周波数分割多重アクセス（ＯＦＤＭＡ）方式の複数入力複数出力（ＭＩＭＯ）技術を使用し、最初のレンジング試行以降のマルチユーザダイバーシティ、マルチアンテナダイバーシティ及びパワー制御を、初期レンジングプロセスに活用する移動通信システムを提供する。【解決手段】初期レンジング方法は、ネットワークエントリ時に、３種類のレンジング信号の設計から選択して、レンジングコードの生成に使用する。通信システムのセルのサイズ（すなわち基地局の無線有効エリア）に基づいて基地局によって選択される、使用するレンジング信号の設計に関する情報は、ＢＳから同報通信される。これらのレンジング信号の設計は、単一アンテナのシステムに直接適用することができ、ＭＩＭＯレンジング伝送方式に基づく伝送アンテナへの適切なマッピングを用いることによって、ＭＩＭＯシステムに適用される。【選択図】図６
2014030205.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＯＦＤＭＡシステムにおいて加入者局が初期レンジングを行なう方法であって、
前記加入者局と基地局との間のダウンリンクチャネルを走査して、前記加入者局の各アンテナにおけるチャネルパワー利得を推定するステップと、
前記推定されたチャネルパワー利得に基づいて、所定のレンジング伝送方式における初期レンジング用のサブチャネルを選択するステップと、
前記推定されたチャネルパワー利得に基づいて、前記選択されたサブチャネルでレンジング信号を伝送する伝送パワーを調節して、前記基地局が目標受信レンジング信号パワーを受信するようにするステップと、
前記調節された伝送パワーに従って、前記選択されたサブチャネルを介してレンジングコードを前記基地局に通信するステップと、
を含む方法。
【請求項２】
前記レンジングコード、レンジングタイムスロット、及びレンジングサブチャネルを選択するステップをさらに含み、
前記レンジングコードを通信するステップが、前記選択したレンジングタイムスロット中に、前記選択したサブチャネルで、前記選択したレンジングコードを伝送することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記レンジングコードの基地局への通信が失敗したときに、所定のバックオフ時間の後で、前記選択したレンジングコードが前記基地局に再伝送される、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記所定のレンジング伝送方式が、一定の受信レンジング信号パワーに基づいて、伝送パワーを最小にする、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記所定のレンジング伝送方式が、ＭＩＭＯチャネル行列の最大の固有値に基づいて、前記サブチャネルを選択する、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記固有値が、固有ベクトルの特異値分解を用いて得られる、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記所定のレンジング伝送方式が、前記サブチャネルの最大チャネルパワー利得に基づいて、前記サブチャネルを選択する、請求項４に記載の方法。
【請求項８】
前記ＯＦＤＭＡシステムが、複数入力複数出力（ＭＩＭＯ）データ通信システムを備える、請求項４に記載の方法。
【請求項９】
前記所定のレンジング伝送方式が、前記サブチャネルの最大の単一入力複数出力チャネルパワー利得に基づいて、前記サブチャネルを選択する、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記所定のレンジング伝送方式が、前記所定のレンジング伝送方式の計算の複雑さに基づいて、選択される、請求項１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、無線通信におけるレンジング方法に関する。特に、本発明は、直交周波数分割多重アクセス（ＯＦＤＭＡ）システムにおけるアップリンク（ＵＬ）マルチユーザタイミング同期及びパワー制御の応用技術と併せて使用されるレンジング方法に関する。
【０００２】
（関連出願の相互参照）
本願は、（ａ）２００７年１２月６日出願の「Ｍｅｔｈｏｄ  ｆｏｒ  Ｒａｎｇｉｎｇ  Ｓｉｇｎａｌ  Ｄｅｓｉｇｎ  ｆｏｒ  ａ  ＭＩＭＯ−ＯＦＤＭＡ  Ｉｎｉｔｉａｌ  Ｒａｎｇｉｎｇ  Ｐｒｏｃｅｓｓ」と題する米国暫定特許出願第６０／９９２，９９２号、（ｂ）２００７年１２月６日出願の「Ｍｅｔｈｏｄ  ａｎｄ  Ｓｙｓｔｅｍ  ｏｆ  Ｉｎｉｔｉａｌ  Ｒａｎｇｉｎｇ  Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ  ｆｏｒ  ＭＩＭＯ−ＯＦＤＭＡ  Ｓｙｓｔｅｍｓ」と題する米国暫定特許出願第６０／９９２，９９６号、及び（ｃ）２００８年１１月２４日出願の「Ａ  Ｍｅｔｈｏｄ  ｏｆ  Ｒａｎｇｉｎｇ  Ｓｉｇｎａｌ  Ｄｅｓｉｇｎ  ａｎｄ  Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ  ｆｏｒ  ＭＩＭＯ−ＯＦＤＭＡ  Ｉｎｉｔｉａｌ  Ｒａｎｇｉｎｇ  Ｐｒｏｃｅｓｓ」と題する米国非暫定特許出願第１２／２７７，１１０号に関するものであると共に、これらの出願の優先権を主張するものであり、これらの出願全て、参照することにより本明細書に組み込まれる。
【０００３】
米国指定に関して、本願は、上述の米国特許出願第１２／２７７，１１０号の継続出願である。
【背景技術】
【０００４】
（発明の分野）
本発明は、無線通信におけるレンジング方法に関する。特に、本発明は、直交周波数分割多重アクセス（ＯＦＤＭＡ）システムにおけるアップリンク（ＵＬ）マルチユーザタイミング同期及びパワー制御の応用技術と併せて使用されるレンジング方法に関する。
【０００５】
（関連技術の検討）
ＯＦＤＭＡ移動通信システムでは、（例えばレンジングコードの衝突を防止するなど）ロバスト性を改善し、（例えばアクセス遅延を減少させるなど）ネットワーク待ち時間を低減するために、移動局（ＭＳ）（注１）と基地局（ＢＳ）との間でＵＬ同期又はパワー制御を行なうための様々なレンジング方法が開発されている。
【０００６】
注１：ＭＳは、加入者局（ＳＳ）又はユーザエレメント（ＵＥ）ともいわれる。
【０００７】
初期レンジング及び定期的レンジングの方法が、２００７年３月１５日公開の、発明者Ｃ．Ｓ．Ｍｏｄｌｉｎ及びＴ．Ｍｕｈａｒｅｍｏｖｉｃによる、「Ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  Ｄｉｖｉｓｉｏｎ  Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ  Ａｃｃｅｓｓ（ＯＦＤＭＡ）  Ｒａｎｇｉｎｇ」と題する米国特許出願公開第２００７／００５８５２４号（以下「Ｍｏｄｌｉｎ」と呼ぶ）に開示されている。Ｍｏｄｌｉｎの方法では、受信信号は、ＯＦＤＭＡシンボルからなる。Ｍｏｄｌｉｎでは、最初に受信信号に対して高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を実行し、そこから受信信号のレンジングコードを抽出して、レンジングコード仮説と比較する。一致するレンジングコードを特定した後で、各レンジングコードのパワー推定値をパワー閾値と比較して、レンジングコードが正しく受信されたことを確認する。最後に、受信信号のタイミングオフセット及びパワーを報告する。Ｍｏｄｌｉｎは、レンジングコード仮説と、抽出されたレンジングコードの一致に基づく位相ドリフト検出とを、両方とも開示している。レンジングコード仮説を使用して、遅延及びパワーを推定する。Ｍｏｄｌｉｎの方法は、複数の受信アンテナに対応するように拡張することができるが、そのような実施態様ではかなり複雑になる。更に、一致プロセスでは、ＢＳにおいて長い処理時間が必要になるので、ネットワーク全体の待ち時間及びアクセス遅延がともに増大する。更に重要なことは、このレンジングコード検出方式では、チャネル周波数選択性を充分に考慮していないので、レンジングコード間の直交性が低く、その結果、マルチユーザ干渉がかなり生じてしまうことである。更に、タイミングオフセット及びパワーの推定要件は、その他のレンジングコードを考慮していないので、干渉を引き起こし、性能を大幅に低下させることもある。
【０００８】
レンジングチャネルをＢＳで処理する装置及び方法が、２００５年６月２３日公開の、発明者Ｃ．Ｗ．Ｙｕ、Ｋ．Ｙ．Ｓｏｈｎ、Ｙ．Ｏ．Ｐａｒｋ及びＳ．Ｋ．Ｈｗａｎｇによる、「Ａｐｐａｒａｔｕｓ  ａｎｄ  Ｍｅｔｈｏｄ  ｆｏｒ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｒａｎｇｉｎｇ  Ｃｈａｎｎｅｌ  ｉｎ  Ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  Ｄｉｖｉｓｉｏｎ  Ｍｕｌｔｉｐｌｅ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｓｙｓｔｅｍ」と題する米国特許出願公開第２００５／０１３５２３０号（以下「Ｙｕ」と呼ぶ）に開示されている。Ｙｕは、ＯＦＤＭＡシステムのＵＬにおける各ＭＳの伝搬遅延及びパワーを測定する。特に、Ｙｕは、レンジングチャネル信号抽出機及びレンジングチャネル処理装置を用いてレンジングチャネルを処理するＢＳの受信機を開示している。レンジングチャネル信号抽出機は、レンジングチャネルに割り当てられた加入者を選択する。次いで、レンジングチャネル処理装置が、これらの加入者の時間的な相関を取ってレンジングチャネルの伝搬遅延を推定し、これらの加入者を統合してレンジングチャネルの信号の大きさ又はパワーを測定する。Ｙｕは、受信したレンジング複素信号を、遅延推定のための極座標に変換し、この極座標を、積分器における大きさ又はパワーの推定のための複素座標に変換する。Ｙｕの技術は、受信機の複雑さは軽減するが、単一アンテナのシステムに限定されている。
【０００９】
ＯＦＤＭＡ通信システムでレンジング信号を受信するためのＢＳにおける装置及び方法が、２００６年５月１１日公開の、発明者Ｓ．Ｈ．Ｓｕｎｇ、Ｉ．Ｓ．Ｈｗａｎｇ、Ｓ．Ｙ．Ｙｏｏｎ、Ｃ．Ｒ．Ｃｈａｎｇ及びＪ．Ｈ．Ｃｈｏによる、「Ａｐｐａｒａｔｕｓ  ａｎｄ  Ｍｅｔｈｏｄ  ｆｏｒ  Ｄｅｔｅｃｔｉｎｇ  Ｒａｎｇｉｎｇ  Ｓｉｇｎａｌ  ｉｎ  ａｎ  Ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  Ｄｉｖｉｓｉｏｎ  Ｍｕｌｔｉｐｌｅ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｏｂｉｌｅ  Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ  Ｓｙｓｔｅｍ」と題する米国特許出願公開第２００６／００９８７４９号（以下「Ｓｕｎｇ」と呼ぶ）に開示されている。Ｓｕｎｇは、ＯＦＤＭＡ移動通信システムにおいて、信号検出をレンジングするための、及び低い搬送波対干渉雑音比（ＣＩＮＲ）でもレンジング検出性能を向上させるための、計算要件を低減する方法を開示している。Ｓｕｎｇの技術は、単一アンテナのシステムに限定されている。
【００１０】
ＯＦＤＭＡ通信システムにおけるＳＳとＢＳの間でのＵＬタイミングの同期方法が、２００５年６月３０日公開の、発明者Ｙ．Ｈ．Ｌｅｅ、Ｊ．Ｗ．Ｋｉｍ、Ｙ．Ｏ．Ｐａｒｋ及びＳ．Ｋ．Ｈｗａｎｇによる、「Ｕｐｌｉｎｋ  Ｒａｎｇｉｎｇ  Ｓｙｓｔｅｍ  ａｎｄ  Ｍｅｔｈｏｄ  ｉｎ  ＯＦＤＭＡ  Ｓｙｓｔｅｍ」と題する米国特許第７，３５９，３６６号（以下「Ｌｅｅ」と呼ぶ）に開示されている。Ｌｅｅは、新しいレンジングシステム及び新しいレンジング方法の両方を開示している。特に、Ｌｅｅは、追加のＦＦＴプロセスを用いずに、またレンジング速度及びレンジングシステムの位置の両方に関する制約を緩和せずに、ＢＳでレンジングを行なうことを開示している。また、Ｌｅｅは、レンジングシステムの様々なブロックの機能を順番に実行することも開示している。また、Ｌｅｅは、タイミング誤差の複素指数成分を検出するＦＦＴを実行せずに比較的速い処理速度でレンジングを行なうことも開示している。
【００１１】
Ｙｕ、Ｓｕｎｇ及びＬｅｅのレンジング方法は、ＢＳにおける実施の複雑さを（例えば従来の技術（注２）に比べて）軽減するが、これらの方法は全て、単一アンテナのシステムに限定され、複数アンテナのシステムには応用することができない。したがって、複数入力複数出力（ＭＩＭＯ）技術を実装した次世代の広帯域無線アクセスシステム（例えばＩＥＥＥ  ８０２．１６ｍ標準に準拠したシステム）では、Ｙｕ、Ｓｕｎｇ、及びＬｅｅの方法が役に立たない可能性もある。また、Ｙｕ、Ｓｕｎｇ、及びＬｅｅは、その他のデータユーザ及びレンジングユーザに対する彼らのレンジング信号の感度を考慮していない。また、これらの方式では、チャネル周波数選択性の影響を考慮しておらず、様々な形態のダイバーシティを効率的に活用していない。
【００１２】
注２：例えば、「ＩＥＥＥ  Ｓｔａｎｄａｒｄ  ｆｏｒ  Ｌｏｃａｌ  ａｎｄ  Ｍｅｔｒｏｐｏｌｉｔａｎ  Ａｒｅａ  Ｎｅｔｗｏｒｋｓ  Ｐａｒｔ  １６：  Ａｉｒ  Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ  ｆｏｒ  Ｆｉｘｅｄ  Ｂｒｏａｄｂａｎｄ  Ｗｉｒｅｌｅｓｓ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｓｙｓｔｅｍｓ」、ＩＥＥＥ  Ｓｔｄ  ８０２．１６−２００４、２００４年１０月１日を参照。
【００１３】
レンジング信号の設計については、アクセス遅延を最小限に抑えるための、またレンジングコードの衝突を防止するためのレンジング方法が、２００５年３月１７日公開の、発明者Ｍ．Ｈ．Ｃｈｏ、Ｂ．Ｇ．Ｓｏｎｇ、Ｓ．Ｈ．Ｓｕｎｇ及びＫ．Ｓ．Ｅｏｍによる、「Ｒａｎｇｉｎｇ  Ｍｅｔｈｏｄ  ｉｎ  ａ  Ｍｏｂｉｌｅ  Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ  Ｓｙｓｔｅｍ  Ｕｓｉｎｇ  Ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  Ｄｉｖｉｓｉｏｎ  Ｍｕｌｔｉｐｌｅ  Ａｃｃｅｓｓ」と題する米国特許出願公開第２００５／００５８０５８号（以下「Ｃｈｏ」と呼ぶ）に開示されている。アクセス遅延を減少させ、レンジングコードの衝突を防止するために、Ｃｈｏは、ＳＳの状態に応じて、定期アクセス技術又はランダムアクセス技術に基づいて適応型帯域幅要求レンジングを実行することを開示している。具体的には、Ｃｈｏの方法では、アクティブな状態にあるＳＳが、定期アクセスによる帯域幅要求レンジングを優先的に実行できるようにする。Ｃｈｏの方法では、レンジングコードの衝突によるアクセス遅延を回避し、データ伝送の効率を向上させる。しかし、Ｃｈｏの方法は、初期レンジングが成功した後に実行される帯域幅要求レンジングにしか適用することができない。
【００１４】
ＯＦＤＭＡ通信システムで高速ハンドオーバを実現するためのレンジングのシステム及び方法が、２００５年６月２日公開の、Ｂ．Ｇ．Ｓｏｎｇ、Ｋ．Ｓ．Ｅｏｍ、Ｍ．Ｈ．Ｃｈｏ及びＨ．Ｊ．Ｊｕによる、「Ｓｙｓｔｅｍ  ａｎｄ  Ｍｅｔｈｏｄ  ｆｏｒ  Ｒａｎｇｉｎｇ  ｆｏｒ  ａ  Ｆａｓｔ  Ｈａｎｄｏｖｅｒ  ｉｎ  ａ  Ｍｏｂｉｌｅ  Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ  Ｓｙｓｔｅｍ」と題する米国特許第７，３０７，９７３号（以下「Ｓｏｎｇ」と呼ぶ）に開示されている。Ｓｏｎｇは、ハンドオーバを受けるＳＳの遅延時間を減少させるレンジング方法を開示している。Ｓｏｎｇの方法では、ＯＦＤＭＡシステムで特定のレンジングコード及びレンジングスロットを使用して、アクセス遅延時間を最小限に抑えながらレンジングコードの衝突を回避するハンドオーバレンジングを実行する。特に、Ｓｏｎｇは、ハンドオーバレンジングを行なうために、ハンドオーバレンジングコード及びハンドオーバレンジングスロットを割り当てる。Ｓｏｎｇの方法によれば、あるＳＳが、現在サービス中のＢＳから目標のＢＳへハンドオーバするときに、初期レンジングを行なわずにハンドオーバレンジングを実行することができる。ハンドオーバレンジング用のレンジングコード（すなわち「ハンドオーバレンジングコード」）を割り当てることにより、ハンドオーバレンジング動作と非ハンドオーバレンジング動作の間のレンジングコードの衝突が回避され、これにより高速のハンドオーバが達成される。しかし、Ｓｏｎｇのハンドオーバレンジング方式は、ハンドオーバプロセス中のＳＳに対してしか適用することができない。更に、いくつかのコードをハンドオーバレンジング専用にするので、（例えば初期レンジング、定期的レンジング及び帯域幅要求レンジングなどの）従来のレンジング動作に利用できるレンジングコードの数が減少する。その結果、非ハンドオーバレンジング動作中にコード衝突が起こる可能性、及び衝突によって生じる再伝送に要する時間は、ともに増大する。
【００１５】
伝送側（例えばＢＳ）と受信側（例えばＵＥ）の間で行なわれるレンジング手続きを３つのカテゴリに分割する、ＯＦＤＭＡ通信システムのためのレンジング方法が、２００５年１０月２３日公開の、発明者Ｃ．Ｈ．Ｋｏｏ、Ｄ．Ｓ．Ｐａｒｋ及びＰ．Ｙ．Ｊｏｏによる、「Ｒａｎｇｉｎｇ  Ｍｅｔｈｏｄ  ｆｏｒ  Ｍｏｂｉｌｅ  Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ  Ｓｙｓｔｅｍ  Ｂａｓｅｄ  ｏｎ  Ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  Ｄｉｖｉｓｉｏｎ  Ｍｕｌｔｉｐｌｅ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｓｃｈｅｍｅ」と題する米国特許第７，３１０，３０３号（以下「Ｋｏｏ」と呼ぶ）に開示されている。Ｋｏｏは、各レンジングコードに独立したバックオフ値を割り当てることによる、レンジングコード割当て方法と、ＵＥのアクセス遅延時間を減少させる方法と、を開示している。特に、Ｋｏｏは、レンジングコードを、初期レンジング用、帯域幅要求レンジング用、及び定期的レンジング用に分類している。ＢＳは、ＵＥに対して、当該ＵＥが現在利用できるレンジングコードの範囲を通知し、レンジング目標に応じて異なるレンジングコード及びそのバックオフ値をレンジングプロセスに割り当て、この割り当て結果をＵＥに通知する。ＢＳは、当該ＢＳのセルの状態及びレンジング目標に応じて、それらのレンジングコード及びそれぞれのバックオフ値を、動的にレンジングプロセスに割り当てる。Ｋｏｏの方法では、ＵＬアクセス遅延時間が最短になり、またＵＬアクセスの衝突数も最小になる。しかし、Ｋｏｏの方法では、ＵＬ＿ＭＡＰの新たな設定、及びＢＳがＵＥに送信するＵＬチャネル記述子（ＵＣＤ）メッセージが必要となる。その結果、システムの複雑さ、及びネットワーク全体の待ち時間がともに増大する。更に、レンジングコードをいくつかのカテゴリに分類することにより、この場合もやはり、選択に利用できるレンジングコードの数が減少して、各セルが対応できるＵＥの数が減少する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１６】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００７／００５８５２４号
【特許文献２】米国特許出願公開第２００５／０１３５２３０号
【特許文献３】米国特許出願公開第２００６／００９８７４９号
【特許文献４】米国特許第７，３５９，３６６号
【特許文献５】米国特許出願公開第２００５／００５８０５８号
【特許文献６】米国特許第７，３０７，９７３号
【特許文献７】米国特許第７，３１０，３０３号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
本発明は、初期レンジングプロセスのためのレンジング信号設計を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明の１つの実施形態によれば、移動通信システムは、ＯＦＤＭＡ方式のＭＩＭＯ技術を使用する。初期レンジング方法は、ネットワークエントリ時に、複数のレンジング信号の設計から選択して、初期レンジングプロセスを実施する。１つの実施形態では、３種類のレンジング信号の設計のうちの１つを選択して、レンジングコードの生成に使用することができる。レンジング信号は、通信システムのセルのサイズ（例えばＢＳの無線有効エリア）に基づいて設計される。使用するレンジング信号の設計は、セルサイズ情報にも基づいて選択される。
【００１９】
本発明のレンジング信号の設計は、レンジングプロセスの効率及び低い複雑さの点で従来技術に優る利点を有する。特に、本発明のレンジング信号の設計の方が、レンジングの性能が高く、エネルギーも節約でき、計算の複雑さも低い。更に、本発明の方が、システム環境の変化（例えばセルのサイズの変化）に対する柔軟性、スケーラビリティ、及び適応性が高い。このレンジング信号の設計は、単一アンテナのシステム及びＭＩＭＯシステムには、直接適用することができる。ＭＩＭＯシステムに適用するときには、以下で述べた採用されたＭＩＭＯレンジング伝送方式に基づいて、複数の伝送アンテナにレンジング信号をマッピングする。
【００２０】
本発明の１つの実施形態によれば、時分割複信（ＴＤＤ）ＯＦＤＭＡシステムにおいてレンジングを行なうＳＳは、最初のレンジング伝送以来のＤＬフレームから得たチャネル情報を活用して、パワー制御及びダイバーシティ活用を行なう。ＳＳは、このチャネル情報、及び以下で述べる採用されたレンジング伝送方式に基づいて、レンジングサブチャネルを選択する。
【００２１】
別の実施形態によれば、ＯＦＤＭＡ方式のＭＩＭＯ技術を用いる移動通信システムは、計算の複雑さ、パワー消費及び性能の異なる複数のレンジング伝送方式からの選択を行なう。１つの例では、最適な固有モード及び準最適な固有モードの伝送方式が、計算の複雑さ及びパワー消費は高いが最高の性能を提供する。更に簡単な、単一アンテナ選択伝送方式では、計算の複雑さが大幅に低減され、システムの性能を限界まで低下させればパワーを節約できる。
【００２２】
本発明のレンジング信号の伝送方式の従来技術に優る１つの利点は、マルチユーザ無線チャネルのダイバーシティが効率的に活用されることである。別の利点は、性能と計算の兼ね合いにおける柔軟性及びスケーラビリティを提供することができることである。特に、本発明のレンジング信号の伝送方式（例えば最適固有モード伝送方式（ＯＥＴＳ）、準最適固有モード伝送方式（ＳＥＴＳ）、及び単一アンテナ選択伝送方式（ＳＡＳＴＳ））は、大幅なパワーの節約を実現し、計算の複雑さを低減させる。
【００２３】
本発明は、以下の詳細な説明を添付の図面と関連付けて考慮すれば、より良く理解することができる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明のレンジング信号の伝送方式（例えばＯＥＴＳ、ＳＥＴＳ及びＳＡＳＴＳ）の従来技術に優る利点としては、大幅なパワーの節約、及び計算の複雑さの軽減がある。更なる利点としては、性能と計算の兼ね合いにおける柔軟性及びスケーラビリティを提供できることが挙げられる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の１つの実施形態による、ＯＦＤＭＡ通信システムの初期レンジングプロセス１０の概要を説明する図である。（初期レンジングプロセス及びＢＳとＳＳの間のメッセージ交換を示す流れ図）
【図２】本発明の１つの実施形態による、ＴＤＤ  ＯＦＤＭＡフレームを示す図である。（ＴＤＤ  ＯＦＤＭＡフレームを示す図）
【図３】本発明の１つの実施形態による、ＵＬサブフレーム内のレンジングチャネルを示す図である。（レンジングサブチャネルを有するＴＤＤ  ＯＦＤＭＡ  ＵＬサブフレームを示す図）
【図４】本発明の１つの実施形態による、Ｎｒ個のＳＳを有するＭＴ×ＭＲのＭＩＭＯ  ＯＦＤＭＡシステムを示す図である。（Ｎｒ個のＳＳを有するＭＴ×ＭＲのＭＩＭＯ  ＯＦＤＭＡシステムを示す図）
【図５】本発明の１つの実施形態による、３つのレンジング信号の設計の使用を説明する図である。（３種類のレンジング信号の設計、すなわち小さなセル用のレンジング信号の設計Ａ、中程度の大きさのセル用のレンジング信号の設計Ｂ、及び大きなセル用のレンジング信号の設計Ｃを示す図）
【図６】本発明の１つの実施形態による、レンジング信号の設計、及びレンジング伝送を決定するためのＳＳにおける選択プロセスを示す流れ図である。（ＳＳにおけるレンジング信号の設計の選択プロセス及びレンジング信号の伝送を説明する流れ図）
【図７】本発明の１つの実施形態による、ＯＥＴＳ、ＳＥＴＳ及びＳＡＳＴＳに基づく最良のレンジングサブチャネルの選択を説明する図である。（レンジング伝送方式に基づく最良のレンジングサブチャネル選択器を示す図）
【図８（ａ）】本発明の１つの実施形態による、ＯＥＴＳ、ＳＥＴＳ及びＳＡＳＴＳに基づくＭＩＭＯ−ＯＦＤＭＡレンジングプロセスの概要を示す流れ図である。（提案する３つのレンジング伝送方式に基づくＭＩＭＯ−ＯＦＤＭＡ初期レンジングプロセスを示す図のパート１）
【図８（ｂ）】本発明の１つの実施形態による、ＯＥＴＳ、ＳＥＴＳ及びＳＡＳＴＳに基づくＭＩＭＯ−ＯＦＤＭＡレンジングプロセスの概要を示す流れ図である。（提案する３つのレンジング伝送方式に基づくＭＩＭＯ−ＯＦＤＭＡ初期レンジングプロセスを示す図のパート２）
【発明を実施するための形態】
【００２６】
（好ましい実施形態の詳細な説明）
ＴＤＤを使用するＯＦＤＭＡ通信システムでは、各ＳＳとＢＳとの間でタイミングを正確に同期させ、ＵＬでの各ＳＳの伝送パワーを調節するために、レンジングプロセスが必要である。このＵＬタイミング同期動作及びパワー制御動作は、干渉を抑制し、遠近問題を回避し、それにより信頼性の高いマルチユーザ無線リンクを維持する。既存のＯＦＤＭＡシステム（例えばＩＥＥＥ８０２．１６ａ標準及びＩＥＥＥ８０２．１６ｅ標準（注３）に準拠したシステムなど）では、ＵＬ同期及びパワー制御のためのレンジングプロセスを規定している。以下の詳細な説明では、「レンジング信号」は、ＢＳがＵＬタイミング及びパワー情報を得るのを助けるためにＳＳが伝送する信号である。「レンジングチャネル」は、レンジングプロセス用に確保されている全システムリソース（すなわち副搬送波及びタイムスロット）を指し、いくつかのレンジングサブチャネル（すなわち副搬送波のグループ）を含むこともある。「レンジングタイムスロット」は、既定数のレンジング伝送用のＯＦＤＭシンボル間隔を指す。ＵＣＤ／ＵＬ−ＭＡＰメッセージは、レンジングチャネル、タイムスロット、及びサブチャネルの情報を含む。「レンジングプロセス」は、初期レンジングプロセスであっても、帯域幅要求レンジングプロセスであっても、定期的レンジングプロセス（メンテナンスレンジングプロセスとも呼ぶ）であってもよい。初期レンジングプロセスは、レンジングを行なうＳＳがＢＳにレンジング信号を伝送し、ＢＳとレンジングを行なう各ＳＳとの間の正しいタイミングオフセット及びそれに対応する受信パワーレベルをＢＳで得て、タイミング及びパワー調節情報をレンジングを行なうＳＳに送信し、レンジングを行なうＳＳで対応する調節を行なって、ＢＳとＳＳとが、最初のネットワークエントリ中に互いに時間及びパワーを同期させるようにするものである。帯域幅要求レンジングプロセスは、ＢＳとＳＳの間のデータ通信への帯域幅の割当てを要求するものである。定期的レンジングプロセスは、初期レンジングの後で、定期的にＵＬタイミングオフセット及び受信信号強度をトラッキングして、ＳＳが定期的に伝送パラメータを調節し、ＢＳとの信頼性の高いＵＬ通信を維持することができるようにするものである。
【００２７】
注３：「ＩＥＥＥ  Ｓｔａｎｄａｒｄ  ｆｏｒ  Ｌｏｃａｌ  ａｎｄ  Ｍｅｔｒｏｐｏｌｉｔａｎ  Ａｒｅａ  Ｎｅｔｗｏｒｋｓ  Ｐａｒｔ  １６：  Ａｉｒ  Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ  ｆｏｒ  Ｆｉｘｅｄ  ａｎｄ  Ｍｏｂｉｌｅ  Ｂｒｏａｄｂａｎｄ  Ｗｉｒｅｌｅｓｓ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｓｙｓｔｅｍｓ」、ＩＥＥＥ  Ｓｔｄ．  ８０２．１６ｅ−２００５、２００６年２月２８日。
【００２８】
本発明は、初期レンジングプロセスのためのレンジング信号設計を提供する。図１は、本発明の１つの実施形態による、ＯＦＤＭＡ通信システムの初期レンジングプロセス１０の概略を示す図である。初期レンジングプロセスでは、各ＳＳがダウンリンク（ＤＬ）チャネルを走査して（ステップ１２）、ＤＬ同期及び伝送パラメータを得る。これらのパラメータは、レンジングプロセスの情報（例えばレンジングチャネル、レンジングスロット、レンジングコードなど）を含むＵＣＤメッセージ（ステップ１３）を含み、その後に、１つのＤＬフレーム内でＵＬ−ＭＡＰメッセージ（ステップ１４）が続く。各ＳＳは、ＤＬ同期、チャネル推定値、及びレンジングチャネル情報を得た後で、チャネル情報及び採用されたレンジング伝送方式に基づいて、レンジングサブチャネル選択を実行する（ステップ１５）。次いで、各ＳＳは、選択したレンジングサブチャネル上の利用可能なレンジングコードを無作為に選択し、いくつかの連続したＯＦＤＭシンボルを介して伝送する（ステップ１６）。ＢＳは、このレンジングコードを検出し、受信したレンジング信号からタイミングオフセット及びパワーを推定する（ステップ１９）。ＢＳは、レンジングコードをうまく受信すると、検出したレンジングコードと当該レンジングコードが識別されるレンジングタイムスロットとに関する情報を含むレンジング応答（ＲＮＧ−ＲＳＰ）メッセージを、送信元ＳＳに送信する（ステップ２１）。ＲＮＧ−ＲＳＰメッセージは、必要な調節値（例えばタイミング及びパワーの調節値）及び状態通知（例えば成功又は継続）を含んでいてもよい。ＳＳは、ＲＮＧ−ＲＳＰメッセージを受信すると、ＲＮＧ−ＲＳＰメッセージに含まれる情報を用いてタイミング及び伝送パワーを調節し（ステップ２２）、成功通知を含むＲＮＧ−ＲＳＰメッセージをＢＳから受信するまで、レンジング伝送を繰り返す（ステップ２３）。ＳＳがそのレンジング試行に対応するＲＮＧ−ＲＳＰメッセージを受信しない場合には、ＳＳは、次のＵＬフレームにおいて、又はバックオフ値の後で、初期レンジングプロセスを再度開始する（ステップ１８）。
【００２９】
図２は、本発明の１つの実施形態による、ＴＤＤ  ＯＦＤＭＡフレームを示す図である。図２に示すように、ＴＤＤ  ＯＦＤＭＡフレーム２０２は、ＤＬサブフレーム２０４及びＵＬサブフレーム２０６からなる。ＤＬサブフレーム２０４及びＵＬサブフレーム２０６はともに、いくつかのＯＦＤＭシンボル間隔（参照番号２０８で示す）を含む。ＯＦＤＭＡフレームは、いくつかのサブチャネル（参照番号２１０で示す）を利用しており、サブチャネルは、Ｎ個の副搬送波（参照番号２１２で示す）からなる。更に、ＵＬサブフレーム２０６は、レンジングチャネル（参照番号５００で示す）としてグループ化されるいくつかのサブチャネルを含む。
【００３０】
図３は、本発明の１つの実施形態による、ＵＬサブフレーム内のレンジングチャネルを示す図である。図３は、ＵＬサブフレームがＭ個のＯＦＤＭシンボル間隔（参照番号３０８）を含む、ＯＦＤＭＡシステムを示す。ＵＬサブフレームは、所定数
【数１】
2014030205.tif 000003
のレンジングタイムスロットを越えるいくつかのレンジングサブチャネル（参照番号５００）を含む。ここで、Ｍｒは、レンジングチャネルに割り当てられたＯＦＤＭシンボル間隔（参照番号３１０）の数であり、Ｍ１は、各レンジングサブチャネル内のＯＦＤＭシンボル間隔（参照番号３０６）の数である。レンジングに割り当てられたＯＦＤＭシンボルには、変数ｍｌ∈｛０、１、…、Ｍｒ−１｝が指標として付けられている。図３に示すように、レンジングタイムスロットには、変数
【数２】
2014030205.tif 000004
が指標として付けられており、各レンジングタイムスロットは、Ｑｒ個のサブチャネル（参照番号３０２）からなる。レンジングチャネル内のレンジングサブチャネルには、変数ｑ∈｛０、…、Ｑｒ−１｝が指標として付けられている。各レンジングサブチャネルは、その他のレンジングサブチャネルの副搬送波とは異なるγｒ個の調節副搬送波からなる。ｑ番目のレンジングサブチャネルの副搬送波の指標は、ζｑ∈｛ζｑ（０）、ζｑ（１）、…、ζｑ（γｒ−１）｝で与えられる。レンジングサブチャネルは、ほぼ等間隔に、周波数帯域全体に渡って拡散している。
【００３１】
図４は、本発明の１つの実施形態による、Ｎｒ個のＳＳを有する、ＭＴ×ＭＲのＭＩＭＯ−ＯＦＤＭＡシステムを示す図である。図４に示すように、各ＳＳ（参照番号４０２で示す）は、ＭＴ本の伝送アンテナを有し、ＢＳ４０４は、ＭＲ本の受信アンテナを有する。ｉ番目のＳＳがｑ番目のレンジングサブチャネルを選択し、
【数３】
2014030205.tif 000005
が、ｍｌ番目の伝送アンテナで伝送されたｍ番目のＯＦＤＭシンボル間隔におけるｉ番目のＳＳの周波数領域レンジングコードベクトルを示すものと仮定する。ｋ番目のエレメント（
【数４】
2014030205.tif 000006
）は、
【数５】
2014030205.tif 000007
で与えられる。ここで、
【数６】
2014030205.tif 000008
は、
【数７】
2014030205.tif 000009
であるレンジングシンボルであり、
【数８】
2014030205.tif 000010
は、スケーリング因子である。
【数９】
2014030205.tif 000011
のＮ点逆離散フーリエ変換（ＩＤＦＴＮ）（すなわち
【数１０】
2014030205.tif 000012
の時間領域表現
【数１１】
2014030205.tif 000013
）は、
【数１２】
2014030205.tif 000014
で表される。出力されるＩＤＦＴＮの最後のＮｇ個のサンプルは、コピーされてサイクリックプレフィックス（ＣＰ）として挿入されて、シンボル間干渉（ＩＳＩ）を回避する。すなわち、ｌ＝１、２、…、Ｎｇに対して、
【数１３】
2014030205.tif 000015
である。このとき、ｉ番目のＳＳからの時間領域信号サンプルは、
【数１４】
2014030205.tif 000016
で与えられる。
【００３２】
ｉ番目のＳＳのサンプル間隔チャネルインパルス応答は、
【数１５】
2014030205.tif 000017
とする。ここで、
【数１６】
2014030205.tif 000018
は、ｌタップの複素利得であり、ｌＴｓは、ｌタップの遅延である。Ｔｓは、サンプリング周期であり、Ｌは、サンプル間隔チャネルタップの数である。ＢＳのｍｒ番目の受信アンテナにおいて、ｉ番目のレンジングを行なうＳＳからの受信サンプルは、
【数１７】
2014030205.tif 000019
で与えられる。ここで、ｄｉ、ｒは、ｉ番目のＳＳにおける伝送遅延である。同じシンボル内で伝送を行なっているデータユーザがいる可能性もあるので、ｊ番目のデータユーザの対応する受信サンプルは、
【数１８】
2014030205.tif 000020
で表される。この場合、ＢＳにおけるｍｒ番目のアンテナの時間領域受信信号は、
【数１９】
2014030205.tif 000021
と表すことができる。ここで、
【数２０】
2014030205.tif 000022
は、平均０、分散
【数２１】
2014030205.tif 000023
の、独立した一様分布の（ｉ．ｉ．ｄ）円対称複素ガウスノイズサンプルである。本明細書を通じて、特に指定しない限り、ＳＳは、レンジングを行なうＳＳを指す。
【００３３】
本発明の１つの実施形態によれば、セルのサイズに応じて、３つのレンジング信号の設計が提供される。すなわち、（ａ）小さなセル用のレンジング信号の設計Ａ、（ｂ）中程度の大きさのセル用のレンジング信号の設計Ｂ、及び（ｃ）大きなセル用のレンジング信号の設計Ｃである。図５は、本発明の１つの実施形態による、これら３つのレンジング信号の設計の使用を説明する図である。図５に示すように、各レンジング信号の設計は、Ｎｏｃ個の周波数領域直交コード｛Ｃｃ（ｌ）：ｃ、ｌ＝０、１、…Ｎｏｃ−１｝を有する。これらの周波数領域直交コードは、例えば、長さＮｏｃのＢＰＳＫ変調ウォルシュコードで実施することができる。ここで、Ｃｃ（ｌ）の指標ｃ及びｌは、レンジングコード指標及び直交コードエレメント指標をそれぞれ示している。各ＳＳは、無作為に選択したレンジングタイムスロットを介して選択したレンジングサブチャネル上の上記Ｎｏｃ個のコードから無作為に選択したレンジングコードを伝送する。各レンジングタイムスロットは、Ｍ１個のＯＦＤＭシンボル間隔（参照番号３０６）に等しいので、提案した設計では、レンジング機会の総数は、
【数２２】
2014030205.tif 000024
となる。各レンジングチャネルのＯＦＤＭ間隔の数（すなわちＭ１）、レンジングのためのＯＦＤＭ間隔の総数（すなわちＭｒ）、及びサブチャネルの数（すなわちＱｒ）は、信号の設計ごとに異なっていてもよいことに留意されたい。この３種類のレンジング信号の設計について、以下で詳細に説明する。最初に、単一アンテナのＯＦＤＭＡシステムに直接適用することができるレンジング信号の設計について述べる。ＭＩＭＯ  ＯＦＤＭＡシステムでは、これらのレンジング信号は、ＭＩＭＯレンジング伝送方式に従って、伝送アンテナに適当にマッピングされる。このマッピングについても、レンジング伝送方式と併せて説明する。
【００３４】
レンジング信号の設計Ａは、小さなセル用に設計されている。ＣＰの長さＮｇがＮｇ≧ｄｍａｘ＋Ｌ−１を満たす場合には、レンジングタイムスロット当たり１つのＯＦＤＭシンボル間隔を割り当てれば（すなわちＭ１＝１）、十分である。ｃ番目のレンジングコード、ｔ番目のレンジングタイムスロット、及びｑ番目のレンジングサブチャネルを選択するｉ番目のＳＳのレンジング信号の設計Ａは、
【数２３】
2014030205.tif 000025
で表される。ここで、ｍは、ＯＦＤＭシンボル指標であり、γｒ＝２Ｎｏｃである。
【００３５】
レンジング信号の設計Ｂは、非同期ＳＳのタイミングオフセットとチャネル長との和がＣＰの長さＮｇを越える（すなわちｄｍａｘ＋Ｌ−１＞Ｎｇ）可能性がある中程度のセル用に設計されている。この場合、２つのＯＦＤＭレンジングシンボル間隔（すなわちＭ１＝２）を使用して、大きなタイミングオフセットを吸収することができる。レンジングコード検出は、第２のＯＦＤＭレンジングシンボルに基づいて実行される。ｃ番目のレンジングコード、ｔ番目のレンジングタイムスロット、及びｑ番目のレンジングサブチャネルを選択するｉ番目のＳＳのレンジング信号の設計Ｂは、
【数２４】
2014030205.tif 000026
で与えられる。ここで、γｒ＝２Ｎｏｃである。
【００３６】
レンジング信号の設計Ｃは、大きなセル用に設計されている。レンジング信号の設計Ｃは、１つのレンジングサブチャネルにおいて調節副搬送波を２つしか使用せず（すなわちγｒ＝２）、直交レンジングコード設計の領域を周波数領域から時間領域へ変化させる。チャネル遅延の拡大に対するロバスト性を高め、大きなセルの大きなタイミングオフセットを吸収するために、各レンジングコードは、隣接する２つのＯＦＤＭシンボル間隔を介して位相連続的に伝送される。したがって、レンジングタイムスロット当たりのレンジングＯＦＤＭシンボル間隔の数は、Ｍ１＝２Ｎｏｃである。ｃ番目のレンジングコード、ｔ番目のレンジングタイムスロット、及びｑ番目のレンジングサブチャネルを選択するｉ番目のＳＳのレンジング信号の設計Ｃは、
【数２５】
2014030205.tif 000027
で与えられる。
【００３７】
ＩＥＥＥ８０２．１６ａ又はＩＥＥＥ８０２．１６ｅからのレンジング信号では、チャネル周波数選択性によって直交性が失われるのに対して、上記の３種類のレンジング信号の設計は、ＢＳにおいても直交性を維持することができる。
【００３８】
図６は、本発明の１つの実施形態による、レンジング信号の設計を決定するための、ＳＳにおける選択プロセスを示す流れ図である。図６に示すように、ＳＳは、ステップ６０２で、プリアンブルと、ＳＳがＤＬ同期及びチャネル推定値を得ることができるようにするパイロット信号とを、ＢＳから受信する。ＢＳは、そのセルのサイズに基づいて、どのレンジング信号の設計を使用するかに関する情報も同報通信する（ステップ６０４）。ＳＳは、この情報をＤＬフレームから得て、それに応じてレンジング信号の設計を選択する（ステップ６０６）。次いで、ＳＳは、Ｎｏｃ個の直交レンジングコードの１つを無作為に選択し、ステップ６０８、６１０、６１２で、（例えば数式（６）、（７）又は（８）を使用して）選択した設計に応じてレンジング信号を生成する。ＳＳがレンジング関連情報の一部又は全てを正しく抽出することができない場合には、初期段階中のＢＳとＳＳの間のＤＬ同期が適切に行なわれていない可能性があり、その結果、上記のレンジング信号の設計はいずれも選択されない。ＳＩＳＯシステムでは、ＳＳは、最良のサブチャネル及びチャネルパワー利得に基づいてレンジングサブチャネルを選択し（ステップ６２４）、レンジングコード及びレンジングタイムスロットを選択して（ステップ６２６）、選択したレンジングコードを、選択したタイムスロットで、選択したサブチャネルで伝送する（ステップ６２８）。ＭＩＭＯシステムでは、レンジングサブチャネルの選択（ステップ６２５）並びにレンジングコード及びレンジングタイムスロットの選択（ステップ６２７）に加えて、レンジング伝送方式に応じて、生成したレンジング信号を伝送アンテナにマッピングする（ステップ６２９）（図７参照）。次いで、レンジング信号を、
【数２６】
2014030205.tif 000028
個のレンジングタイムスロットから無作為に選択したタイムスロットを介して、選択したレンジングサブチャネルで伝送する（ステップ６３０）。レンジングコードの選択及びアンテナへのマッピングは、選択した伝送方式に従って実行する（以下で更に詳細に述べる）。
【００３９】
セルのサイズが変化する可能性があるのは、（ｉ）より多くのユーザに対応する、或いは緊急又は災害の状況に対応するために、同じエリア又は領域内に新しいセル位置が導入されたとき（すなわち、影響を受けるセルのサイズは、それに応じて減少することがある）や、（ｉｉ）ＢＳに障害が発生し、障害の発生したＢＳのセルの少なくとも一部を含むように１つ又は複数の付近のＢＳが有効範囲を拡大したとき（すなわち、関連するセルのサイズは、それに応じて増大する）である。本発明の１つの実施形態では、ＢＳは、セルのサイズに基づいて、どのレンジング信号の設計を使用するかに関する情報を、ＤＬフレームに含めて同報通信する。この情報が、システム環境及びシステム条件の変化に対する本発明の柔軟性及び適応性を与える。
【００４０】
本発明のレンジング信号の設計は、従来技術に優るいくつかの利点を有する。これらの利点としては、レンジング性能が向上すること、省エネルギー性が高いこと、計算の複雑さが軽減されること、環境（例えばセルのサイズ）の変化に対する柔軟性、スケーラビリティ及び適応性が高いことなどが挙げられる。
【００４１】
既存のＭＩＭＯ伝送方式では、チャネル状態情報（ＣＳＩ）が、受信機において入手可能であると仮定している。この仮定は、データの伝送については許容できる仮定である。しかし、初期レンジングでは、ＣＳＩは、ＢＳの受信機では入手することはできず、ＳＳの送信機では入手することができる。
【００４２】
【数２７】
2014030205.tif 000029
が、ＳＳのｍｌ番目の伝送アンテナから、ｋ∈ζｑ（ｑ番目のレンジングサブチャネルの副搬送波）であるｋ番目の副搬送波で伝送される周波数領域レンジング信号を示し、
【数２８】
2014030205.tif 000030
が、ＳＳのｍｌ番目の伝送アンテナとＢＳのｍｒ番目の受信アンテナの間のｑ番目のレンジングサブチャネルのチャネル利得を示すものとする。Ｍｒ個の受信アンテナの副搬送波ｋ∈ζｑから集められたノイズフリーの受信信号ベクトルＹは、
ＹＴ＝ＸＴＨｑ  （９）で表される。ここで、
【数２９】
2014030205.tif 000031
である。
【００４３】
本発明の１つの実施形態によれば、異なる受信アンテナからのレンジング信号は、非コヒーレントに結合される。パワー制御を適用して、受信信号のパワーが
【数３０】
2014030205.tif 000032
で与えられるＰｒに等しくなるようにすることもできる。ここで、Ｕ∧Ｖ＊は、
【数３１】
2014030205.tif 000033
の特異値分解（ＳＶＤ）（注４）を表す。
【００４４】
注４：ＳＶＤでは、通常は複雑な計算が必要になるので、相当の処理パワー及び処理時間が必要となる。
【００４５】
この実施形態では、本発明は、図４のＭＩＭＯ−ＯＦＤＭＡシステムに対して３つのレンジング伝送方式を提供する。ＢＳは、各ＳＳがどんなＭＩＭＯレンジング伝送方式を採用しているかを知る必要がない。この情報が、ＢＳにおけるレンジングコード検出又はタイミング及びパワーの推定に不要だからである。以下で更に詳細に述べるように、本発明のレンジング伝送方式では、処理の複雑さとパワーの節約と性能との間のバランスを、様々な形でとることができる。
【００４６】
「最適固有モード伝送方式（ＯＥＴＳ）」と呼ばれる本発明の第１のレンジング伝送方式は、一定の受信レンジング信号パワーＰｒの条件下で、伝送パワー｜Ｘ｜２を最小にすることによって得られる。この最小化は、一定の｜Ｘ｜２の制約の下で、｜Ｙ｜２が最大になるようにＸを選択することと等価である。
【数３２】
2014030205.tif 000034
の最大固有値（単位エネルギー）をλｍａｘと表し、それに対応する正規化固有値をＵｍａｘと表すものとする。ただし、ここでは、分かりやすくするために、サブチャネルの指標ｑを省略してある。ＯＥＴＳでは、ＤＬプリアンブル及びパイロットから得られるチャネル推定値を用いて、各ＳＳは、各レンジングサブチャネルのλｍａｘを計算し、λｍａｘが最大となるレンジングサブチャネルを選択する。したがって、ＯＥＴＳでは、最良のレンジングサブチャネルの最も強い固有モードで伝送を行なう。最良のレンジングサブチャネルは、全てのレンジングサブチャネルにおいて最も大きな特異値を有するレンジングサブチャネルである。最良のレンジングサブチャネルのＵｍａｘ及びλｍａｘを得た後、ＳＳの伝送アンテナに、レンジング信号をＵｍａｘで拡散させる。
【００４７】
ｑ番目のレンジングサブチャネルを選択したｉ番目のレンジングを行なうＳＳについては、ｍ番目のシンボル間隔において、ｋ∈ζｑであるｋ番目の副搬送波で、Ｍt本の伝送アンテナに渡って伝送されるレンジング信号ベクトルＸは、
【数３３】
2014030205.tif 000035
によって与えられる。ここで、
【数３４】
2014030205.tif 000036
は、採用されたレンジング信号の設計から得られ、Ｕｍａｘは、伝送アンテナに渡ってレンジングシンボルをマッピングする。受信レンジング信号パワーがＰｒになるように、伝送パワーを
【数３５】
2014030205.tif 000037
に調節する。ＯＥＴＳでは、各ＳＳにおいて、ＭＴ×ＭＲ行列に対してＱｒ回のＳＶＤ演算を行ない、Ｑｒ−１回の比較演算を行ない、ＭＴＮｃ回の複素乗算を行なう必要がある。
【００４８】
「準最適固有モード伝送方式（ＳＥＴＳ）」と呼ばれる本発明の第２のレンジング伝送方式は、ＯＥＴＳのサブチャネル選択アルゴリズムを修正することによって得られる。ＳＥＴＳでは、（例えばＯＥＴＳのように）特異値が最大となるレンジングサブチャネルを選択するのではなく、チャネルパワー利得が最大となるレンジングサブチャネルを、最良のレンジングサブチャネルとして選択する。チャネルパワー利得は、
【数３６】
2014030205.tif 000038
で与えられる。ＳＥＴＳでは、レンジングサブチャネルを選択した後で、レンジング信号の生成、伝送アンテナへのマッピング、及びパワーの調節が、ＯＥＴＳと同じ手続きで行なわれる。ＳＥＴＳでは、ＱｒＭＴＭＲ＋ＭＴＮｃ回の複素乗算、ＱｒＭＴＭＲ−１回の実数加算、及びＱｒ−１回の比較演算が必要であるが、選択したレンジングサブチャネルに対するＳＶＤ演算は、１回だけでよい。
【００４９】
「単一アンテナ選択伝送方式（ＳＡＳＴＳ）」と呼ばれる本発明の第３のレンジング伝送方式は、単一の伝送アンテナを選択することによって、複雑さを更に低減するものである。ＳＡＳＴＳでは、各ＳＳは、アンテナを選択し、
【数３７】
2014030205.tif 000039
で与えられる単一入力複数出力（ＳＩＭＯ）レンジングサブチャネルのチャネルパワー利得を最大にするレンジングサブチャネルを選択し、受信レンジング信号パワーがＰｒになるように、伝送パワーを
【数３８】
2014030205.tif 000040
に調節する。レンジング伝送に伝送アンテナを１本しか使用しないので、ここで採用された設計で得られるレンジング信号は、選択した伝送アンテナの選択したレンジングサブチャネルに直接マッピングされる。ＳＡＳＴＳでは、ＱｒＭＴＭＲ回の複素乗算、ＱｒＭＴ（ＭＲ−１）回の実数加算、及びＱｒＭＴ−１回の比較演算が必要である。
【００５０】
ＯＥＴＳ、ＳＥＴＳ及びＳＡＳＴＳの手法の概略と、それぞれの複雑さの定量的な尺度を、以下の表１にまとめておく。
【表１】
2014030205.tif 000041
【００５１】
ＳＩＭＯは、伝送側がアンテナ選択後に入力を１つしか持たない、単一入力複数出力を表す。
【００５２】
図７は、本発明の１つの実施形態による、ＯＥＴＳ、ＳＥＴＳ及びＳＡＳＴＳに基づく最良のレンジングサブチャネルの選択を示す図である。ＯＥＴＳ及びＳＥＴＳは、同等のレンジング性能を有するが、レンジング伝送エネルギーの節約の限界は、ＯＥＴＳの方がＳＥＴＳより良好である。ＳＡＳＴＳは、ＯＥＴＳ及びＳＥＴＳに比べて複雑さが大幅に軽減されるが、ＯＥＴＳ及びＳＥＴＳの方が、レンジング伝送エネルギーの節約ではわずかに有利である。ＯＥＴＳ、ＳＥＴＳ、及びＳＡＳＴＳは、既存の方法（例えば上述のＭｏｄｌｉｎなど）をかなり上回るレンジング伝送エネルギーの節約を実現する。例えば、ＩＴＵチャネルモデルの２つ、すなわちｐｅｄｅｓｔｒｉａｎ  Ｂ（「Ｐｅｄ  Ｂ」）及びｖｅｈｉｃｕｌａｒ  Ａ（「Ｖｅｈ  Ａ」）を用いて行なったシミュレーション結果によれば、ＳＡＳＴＳは、ＳＳにおけるエネルギー消費を、Ｍｏｄｌｉｎなどの既存の方法で必要となるエネルギー消費の約
【数３９】
2014030205.tif 000042
に低減させる。このシミュレーション結果は、ＩＥＥＥ  Ｔｒａｎｓ．  Ｗｉｒｅｌｅｓｓ  Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎに提出された、Ｊ．Ｚｅｎｇ、Ｈ．Ｍｉｎｎ及びＣ．Ｃ．Ｃｈｏｎｇによる「Ｒａｎｇｉｎｇ  Ｓｉｇｎａｌ  Ｄｅｓｉｇｎｓ  ｆｏｒ  ＭＩＭＯ−ＯＦＤＭＡ  Ｓｙｓｔｅｍｓ」（以下「Ｚｅｎｇ」と呼ぶ）に記載されている。Ｚｅｎｇの開示は、参照することによりその全体が本明細書に組み込まれる。更に、ＳＡＳＴＳでは、レンジングプロセスを実行するのに必要なフレーム数がより少ないので、更にエネルギーが節約される。
【００５３】
図８（ａ）及び図８（ｂ）は、本発明の１つの実施形態による、ＯＥＴＳ、ＳＥＴＳ及びＳＡＳＴＳに基づくＭＩＭＯ−ＯＦＤＭＡレンジングプロセスの概要を説明する流れ図である。ステップ８０２で、各ＳＳは、各アンテナで受信したＯＦＤＭシンボルに埋め込まれたＤＬプリアンブル及びパイロット信号を利用して、周波数帯域全体に渡るチャネルパワー利得を推定する。次いで、ＳＳは、例えば上記の図７に示された選択プロセスによって選択したレンジング伝送方式における最良のレンジングサブチャネルを選択する（ステップ７００）。ステップ８０４で、ＳＳは、伝送パワーを調節して、目標受信レンジング信号パワーＰｒを得る。ステップ８０６で、調節した伝送パワーが最大許容伝送パワーＰｍａｘより大きい場合には、ＳＳは、レンジングプロセスを開始せず、ステップ８０２に戻る。
【００５４】
しかし、ステップ８０６で、調節した伝送パワーが最大許容伝送パワーＰｍａｘより小さい場合には、各ＳＳは、ステップ８０８で、レンジングサブチャネル選択を実行し、ステップ８１１で、Ｎｏｃ個の直交コードのうちの１つ、及び
【数４０】
2014030205.tif 000043
個のレンジングタイムスロットのうちの１つを、無作為に選択する。ステップ８０９で、ＳＳは、選択したレンジングタイムスロットで、選択したレンジングサブチャネルを介して、レンジング信号を伝送する。ステップ８１０で、ＢＳにおいて、受信機が、レンジングコードがＳＳから伝送されたかどうかを検出し、検出結果に基づいてタイミング及びパワー情報を抽出する。ステップ８１０のレンジングコード検出が失敗した場合には、ステップ８１２で、ＳＳは、次のフレームで、又は不完全な指数バックオフ方式（注６）で決定された時間後に、レンジングプロセスを再度開始する。ステップ８１０のレンジングコード検出が成功した場合には、ステップ８１４で、ＢＳが、推定したタイミングオフセット及びパワーを、検出したＳＳのレンジング要件と比較する。ステップ８１６で、この要件が満たされている場合には、ステップ８２６で、ＢＳが、ＲＮＧ−ＲＳＰ（成功）メッセージを用いて、レンジングプロセスが成功したことをＳＳに通知する。そうでない場合、すなわちステップ８１６のレンジング要件が満たされていない場合には、ステップ８２０で、ＢＳが、ＲＮＧ−ＲＳＰメッセージにタイミング及びパワーの調節パラメータを含めてＳＳに送信して、状態通知を行なう。このＲＮＧ−ＲＳＰメッセージは、コード、レンジングサブチャネル、及び対応するＳＳが検出されたタイムスロットも含む。ＳＳは、このＲＮＧ−ＲＳＰメッセージを受信すると、ステップ８２２で、受信した情報を使用して時間オフセット及び伝送パワーを調節し、レンジングプロセスを継続する。一般に、レンジング伝送ごとに大幅に変化する可能性がある時間変化チャネルでは、ＳＳは、このプロセスのステップ８０２に戻る。ステップ８２４のＲＮＧ−ＲＳＰ（成功）メッセージを受信すると、レンジングプロセスが完了したものとみなされる（ステップ８２６）。
【００５５】
注６：ここでは、チャネルが時間変化的であり、レンジング伝送ごとに大幅に変化する可能性もあるものと仮定している。
【００５６】
図８（ａ）及び図８（ｂ）に示すレンジング手続き又はプロトコルは、レンジング伝送ごとに大幅に変化する可能性がある一般的な時間変化チャネルについて記述している。しかし、ゆっくりと変化する時間変化チャネルの場合には、ＳＳは、ステップ８１２又は８２２を実行する際に、選択プロセスを繰り返すのではなく、以前のレンジング試行で選択したレンジングコード、タイムスロット及びサブチャネルをそのまま使用して、計算の複雑さを軽減することもできる。
【００５７】
初期レンジングプロセスは、いくつかの方法で実施することができることに留意されたい。例えば、初期レンジングの成功状態は、レンジングコードがうまく検出され、タイミング及びパワーが許容範囲内に収まっている状態として規定することができる。或いは、成功状態は、単にレンジングコードがうまく検出された状態としてもよい。後者の場合には、ＲＮＧ−ＲＳＰメッセージに含まれるタイミング及びパワーの調節に関するフィードバック情報は、１つで十分であるものと暗に仮定している。レンジング登録に対する基本ＣＩＤ及びリソース割当ての提供といったその他のステップは、レンジングコード検出並びにタイミング及びパワーの調節が成功した後の初期レンジングプロセスの一部と考えることもできる。本発明は、いかなる特定の定義又は範囲の初期レンジングプロセスにも限定されず、幅広い範囲の条件に適用することができる。言い換えれば、本発明のレンジング伝送方式は、図８（ａ）及び図８（ｂ）に示されたレンジング手続き又はプロトコルによって制限されない。本発明のレンジング伝送方式は、本発明の範囲内に含まれるその他のレンジング手続き又はプロトコルにも適用することができる。
【００５８】
上述のレンジング伝送方式では、ＤＬチャネル及びＵＬチャネルが相互的で、ＴＤＤ  ＯＦＤＭＡシステム（例えば図２のＴＤＤ  ＯＦＤＭＡシステム）で展開したときにより自然に見えるようにする必要がある。しかし、ＦＤＤでチャネルの相互性を満たすことができる場合（例えば周波数二重分離がコヒーレンス帯域幅より小さい場合）には、本発明のレンジング伝送方式は、このＦＤＤシステムにも適用することができる。この場合には、レンジングサブチャネル選択を無作為に実行し、複雑さを低減させる。
【００５９】
本発明のレンジング信号の伝送方式（例えばＯＥＴＳ、ＳＥＴＳ及びＳＡＳＴＳ）の従来技術に優る利点としては、大幅なパワーの節約、及び計算の複雑さの軽減がある。更なる利点としては、性能と計算の兼ね合いにおける柔軟性及びスケーラビリティを提供できることが挙げられる。
【００６０】
上記の詳細な説明は、本発明の具体的な実施形態を例示するためのものであり、限定を目的とするものではない。本発明の範囲内で、数多くの変形及び修正を加えることができる。本発明は、下記の特許請求の範囲に示される。
【図１】
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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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【図８（ａ）】
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【図８（ｂ）】
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【外国語明細書】
2014030205000001.pdf