(57)【要約】  ワイヤレス通信システムは、他のワイヤレス通信ネットワークからの干渉を受ける。干渉を受けるワイヤレス通信システムの設計方法は、ワイヤレス環境によって導入される伝播の影響（経路損失、シャドーイング、及びマルチパスフェージングなど）、及び送信機の空間散乱（ポアソン場）を考慮した現実的な干渉モデルに基づいて提供される。この方法は、信号対雑音比（ＳＮＲ）、干渉対雑音比（ＩＮＲ）、経路損失指数、干渉の空間密度、及び誤り確率などのネットワークパラメータ間のトレードオフを考慮している。この方法の利点は、１）広範囲の性能測定基準を組み込みながら、累積干渉及び雑音を受けるワイヤレスシステムを設計するための統一フレームワーク、及び２）広範囲のクラスのワイヤレス通信システム及びチャネルフェージング分布をカバーする一般的アプリケーション、を含む。【選択図】  図１
2010517484.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ワイヤレスネットワークの設計方法であって、
所望のサービス品質に基づいて性能パラメータを選択するステップと、
予測伝播チャネルパラメータのセットを組み込むステップと、
予測伝播チャネルパラメータ及び干渉制約に基づいて、システムパラメータのセットを決定するステップと、
を含む方法。
【発明の詳細な説明】
【関連出願の相互参照】
【０００１】
本出願は、（ａ）２００７年１月３１日に出願された米国仮特許出願第６０／８８７，５４０号、及び（ｂ）２００８年１月２４日に出願された米国特許出願第１２／０１９，５６２号に関し、これら米国出願の優先権を主張するものである。本出願は、これら米国出願は、参照することにより本明細書に援用するものである。米国を指定国とする場合、本出願は、前述した米国特許出願第１２／０１９，５６２号の継続出願である。
【発明の背景】
【０００２】
１．発明の分野
【０００３】
本発明は、ワイヤレス通信に関するものである。特に、本発明は、干渉制約を受けるワイヤレス通信システムの設計に関するものである。
【０００４】
２．関連技術の記述
【０００５】
他のネットワークからの干渉を最小限に抑え、ワイヤレス通信システムの信頼性を高めるための様々なワイヤレスネットワーク設計方法が提案されている。例えば、２００５年７月２８日に公開されたＲ．Ｄ．Ｒｏｂｅｒｔｓの「Ｗｉｒｅｌｅｓｓ  Ｕｌｔｒａ  Ｗｉｄｅｂａｎｄ  Ｎｅｔｗｏｒｋ  Ｈａｖｉｎｇ  Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ  Ｍｉｔｉｇａｔｉｏｎ  ａｎｄ  Ｒｅｌａｔｅｄ  Ｍｅｔｈｏｄｓ」と題する米国特許出願公開第２００５／０１６３０４２号には、干渉軽減能力を備えるが、異種ネットワーク用のフレームワークを与えない超広帯域（ＵＷＢ）システムアーキテクチャが開示されている。この点に関して、異種ネットワークは、独立したネットワークに属するか、又は異なる技術を使用するデバイスを含む。
【０００６】
ポアソン場モデルに基づいたセルラーネットワークの設計については、例えば、「Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ  ｏｆ  ａ  Ｓｐｒｅａｄ  Ｓｐｅｃｔｒｕｍ  Ｐａｃｋｅｔ  Ｒａｄｉｏ  Ｎｅｔｗｏｒｋ  Ｌｉｎｋ  ｉｎ  ａ  Ｐｏｉｓｓｏｎ  Ｆｉｅｌｄ  ｏｆ  Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｒｓ」（Ｅ．Ｓｏｕｓａ，ＩＥＥＥ  Ｔｒａｎｓ．Ｉｎｆｏｒｍ．Ｔｈｅｏｒｙ，ｖｏｌ．３８，ｎｏ．６，ｐｐ．１７４３−１７５４，Ｎｏｖｅｍｂｅｒ  １９９２掲載）という文献、及び「Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ  ｏｆ  ＦＨ  ＳＳ  Ｒａｄｉｏ  Ｎｅｔｗｏｒｋｓ  ｗｉｔｈ  Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ  Ｍｏｄｅｌｅｄ  ａｓ  ａ  Ｍｉｘｔｕｒｅ  ｏｆ  Ｇａｕｓｓｉａｎ  ａｎｄ  Ａｌｐｈａ−ｓｔａｂｌｅ  Ｎｏｉｓｅ」（Ｊ．Ｈｏｗ，Ｄ．Ｈａｔｚｉｎａｋｏｓ，ａｎｄ  Ａ．Ｖｅｎｅｔｓａｎｏｐｏｕｌｏｓ，ＩＥＥＥ  Ｔｒａｎｓ．Ｃｏｍｍｕｎ．，ｖｏｌ．４６，ｎｏ．４，ｐｐ．５０９−５２０，Ａｐｒｉｌ  １９９８掲載）という文献に開示されている。これらの方法は、ランダム伝播の影響を考慮しておらず（例えば、経路損失、シャドーイング、及びマルチパスフェージング）、非コヒーレント変調に制限されている。
【０００７】
「Ｃｏ−ｃｈａｎｎｅｌ  Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ  Ｍｏｄｅｌｉｎｇ  ａｎｄ  Ａｎａｌｙｓｉｓ  ｉｎ  ａ  Ｐｏｉｓｓｏｎ  Ｆｉｅｌｄ  ｏｆ  Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｒｓ  ｉｎ  Ｗｉｒｅｌｅｓｓ  Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ」（Ｘ．Ｙａｎｇ及びＡ．Ｐｅｔｒｏｐｕｌｕ，ＩＥＥＥ  Ｔｒａｎｓ．Ｓｉｇｎａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，ｖｏｌ．５１，ｎｏ．１，ｐｐ．６４−７６，Ｊａｎｕａｒｙ  ２００３掲載）という文献には、シンボル又はスロットレベルで同期化されたシステムに適用可能な技術が開示されている。このような同期化の制限は、通常、実用的ではない。
【０００８】
「Ｔｈｅ  ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ  ｏｆ  ｌｉｎｅａｒ  ｍｕｌｔｉｐｌｅ−ａｎｔｅｎｎａ  ｒｅｃｅｉｖｅｒｓ  ｗｉｔｈ  ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｒｓ  ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ  ｏｎ  ａ  ｐｌａｎｅ」（Ｓ．Ｇｏｖｉｎｄａｓａｍｙ，Ｆ．Ａｎｔｉｃ，Ｄ．Ｂｌｉｓｓ，及びＤ．Ｓｔａｅｌｉｎ，Ｐｒｏｃ．ＩＥＥＥ  Ｗｏｒｋｓｈｏｐ  ｏｎ  Ｓｉｇｎａｌ  Ｐｒｏｃ．Ａｄｖａｎｃｅｓ  ｉｎ  Ｗｉｒｅｌｅｓｓ  Ｃｏｍｍｕｎ．，Ｊｕｎｅ  ２００５，ｐｐ．８８０−８８４掲載）という文献及び「Ｕｎｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｄ  ｒａｔｅ−ｄｉｖｉｓｉｏｎ  ｍｕｌｔｉｐｌｅ−ａｃｃｅｓｓ  ｓｃｈｅｍｅ  ｆｏｒ  ｐｕｌｓｅｄ  ＵＷＢ  ｓｉｇｎａｌｓ」（Ｍ．Ｗｅｉｓｅｎｈｏｒｎ及びＷ．Ｈｉｒｔ，ＩＥＥＥ  Ｔｒａｎｓ．Ｖｅｈ  Ｔｅｃｈｎｏｌ．，ｖｏｌ．５４，ｎｏ．５，ｐｐ．１６４６−１６６２，Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ  ２００５掲載）という文献に、二次元（２Ｄ）平面のディスクにノード位置を制限するアプローチが開示されている。このアプローチは、有限数の干渉を想定したもので、設計手順を複雑化し、ネットワーク設計に有用なツールを提供しない。
【０００９】
一般に、従来技術の上記の方法は、信号対雑音比（ＳＮＲ）、干渉対雑音比（ＩＮＲ）、経路損失指数、干渉の空間密度、及び誤り確率などのネットワーク設計に重要な多くのパラメータを考慮していない。
【概要】
【００１０】
ワイヤレス通信システムは、他のワイヤレス通信ネットワークからの干渉を受ける。干渉を受けるワイヤレス通信システムの設計方法は、ワイヤレス環境によって導入される伝播の影響（経路損失、シャドーイング、及びマルチパスフェージング）、及び送信機の空間散乱（ポアソン場）を考慮した現実的な干渉モデルに基づいて提供される。この方法は、ＳＮＲ、ＩＮＲ、経路損失指数、干渉の空間密度、及び誤り確率などのネットワークパラメータ間のトレードオフを考慮している。この方法の利点は、１）広範囲の性能基準を組み込みながら、累積干渉及び雑音を受けるワイヤレスシステムを設計するための統一フレームワーク、及び、２）広範囲のクラスのワイヤレス通信システム及びチャネルフェージング分布をカバーする一般的アプリケーション、を含む。
【００１１】
本発明の一実施形態によれば、ワイヤレスネットワークの設計方法が、（ａ）所望のサービス品質に基づいて性能パラメータを選択するステップと、（ｂ）予測伝播チャネルパラメータのセットを組み込むステップと、（ｃ）予測伝播チャネルパラメータ及び干渉制約に基づいて、システムパラメータのセットを決定するステップと、を含む。干渉制約は、累積干渉に基づいて計算されてもよく、所定の閾値を超える累積干渉の確率として表されてもよい。累積干渉は、安定分布に基づいて計算されてもよい。或いは、干渉制約は、所定の閾値を超えるビット誤り測定の確率として表され得るビット誤り測定に基づいて計算されてもよい。
【００１２】
本発明の方法は、狭帯域及びＵＷＢの干渉源の双方に適用可能な干渉制約を使用する。干渉制約は、送信機の空間密度、測定された干渉又は雑音電力、変調方法、及びビット誤り率を考慮してもよい。空間密度のための一つのモデルは、ポアソン場によって与えられる。
【００１３】
本発明の一実施形態によれば、伝播チャネルパラメータは、経路損失パラメータ、シャドーイングパラメータ、及びフェージングパラメータのうちの一つ以上を含む。システムパラメータは、送信機の空間密度、測定された干渉又は雑音電力、変調方法、及びビット誤り率のうちの一つ以上を含み得る。本発明の方法は、同期及び非同期式のワイヤレスネットワークを設計するために適用され得る。
【００１４】
本発明は、添付の図面と共に、以下の詳細な説明を考慮することにより、さらに深く理解される。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一実施形態による、ネットワーク設計フレームワークにおける干渉源の空間分布を示す図である。
【図２】本発明の一実施形態による、２Ｄポアソン場において空間分布されたと見なされ得る狭帯域（ＮＢ）及び超広帯域（ＵＷＢ）の干渉源を含む多数のネットワーク送信機によって発生する累積干渉を示す図である。
【図３】本発明の一実施形態による、ＮＢ干渉源の影響を受けるＮＢ通信リンクへの異種ネットワークの設計フレームワークの適用を示す図である。
【図４】本発明の一実施形態による、ＮＢ干渉源の影響を受けるＵＷＢ通信リンクへの異種ネットワークの設計フレームワークの適用を示す図である。
【図５】本発明の一実施形態による、ＵＷＢ干渉源の影響を受けるＮＢ通信リンクへの異種ネットワークの設計フレームワークの適用を示す図である。
【図６】本発明の一実施形態による、ＵＷＢ干渉源の影響を受けるＵＷＢ通信リンクへの異種ネットワークの設計フレームワークの適用を示す図である。
【図７】本発明の一実施形態による、干渉減量制約に基づいてワイヤレスシステムを設計するためのフローチャートである。
【図８】本発明の一実施形態による、誤り確率制約に基づいたワイヤレスシステムを設計するためのフローチャートである
【図９】本発明の一実施形態による、ワイヤレス伝播チャネルパラメータを組み込んだ、図７及び図８のフローチャートのいずれかのステップ９００を示す図である。
【図１０】本発明の一実施形態による、図７のステップ１０００の干渉減量設計モードサブシステムを示す図である。
【図１１】本発明の一実施形態による、図８のステップ１１００の誤り確率設計モードサブシステムを示す図である。
【好ましい実施形態の詳細な説明】
【００１６】
図１は、本発明の一実施形態による、ネットワーク設計フレームワークの送信機の空間分布を示している。図１に示すように、例えば、送信機は、２次元（２Ｄ）無限平面において一様なポアソン点過程に従って空間分布される。結果的に、所与の領域Ｒ内にｎ個の干渉を見出す確率（必ずしも、接続されていない）は、この領域の全面積Ａにのみ依存し、以下の式により与えられる。
【数１】
2010517484.tif 000003
式中、λは単位面積当たりのノード数で表された干渉ノードの（一定の）空間密度である。このモデルにおいて、干渉ノードは、着目する周波数帯内及び着目する時間間隔（例えば、一つのシンボル期間）中に送信する端末セットを形成する。したがって、これらの干渉ノードは、全干渉に事実上寄与する。ネットワークトポロジー（例えば、ユニキャスト、マルチキャスト、ブロードキャストなど）又は使用される多元接続技術（例えば、時間、周波数ホッピング、符号など）にかかわらず、本発明のフレームワークは、干渉ノードの密度λにのみ依存する。
【００１７】
本発明の一実施形態によれば、上記ポアソンモデルを組み込む設計方法が提供される。図２は、本発明の一実施形態による、２Ｄポアソン場において空間的に分布されると見なされ得るＮＢ及びＵＷＢ干渉源を含む多数のネットワーク送信機によって発生した累積干渉を示している。２００６年、Ｐ．Ｃ．Ｐｉｎｔｏがマサチューセッツ州ケンブリッジにあるマサチューセッツ工科大学電子工学・コンピュータサイエンス学科に提出した修士論文「Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ  ｉｎ  ａ  Ｐｏｉｓｓｏｎ  Ｆｉｅｌｄ  ｏｆ  Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｒｓ」（論文指導者はＭｏｅ  Ｚ．Ｗｉｎ教授）において得た結果に基づいて、このモデルにおける全ての送信機により発生した集合、即ち累積干渉は、安定分布によって得られる。
【数２】
2010517484.tif 000004
式中、αは干渉の特性指数であり、βは干渉のひずみパラメータであり、γは干渉の分散パラメータであり、ｂはワイヤレス伝播媒体の経路損失指数であり、σはワイヤレス伝播媒体のシャドーイングパラメータであり、及びＭ（ｂ）は変調依存パラメータである。
【００１８】
本発明のフレームワークは、一般的であり、パラメータＭ（ｂ）を適切に変更することによって、ＮＢ及びＵＷＢシステムなどの大きなグループの通信システム及び伝播チャネルに適用可能にされ得る。さらに、累積干渉のこのモデルは、チャネルフェージング統計（例えば、レイリー、ナカガミ−ｍフェージングなど）とは関係ない。図３〜図６は、異種ネットワークにおける本発明の設計フレームワークの、（ａ）ＮＢ干渉源の影響を受けるＮＢリンク（図３を参照）、（ｂ）ＮＢ干渉源の影響を受けるＵＷＢリンク（図４を参照）、（ｃ）ＵＷＢ干渉源の影響を受けるＮＢリンク（図５を参照）、及び（ｄ）ＵＷＢ干渉源の影響を受けるＵＷＢリンク（図６を参照）に対する四つの可能な応用を示している。この設計フレームワークは、干渉制約が導入される場合に、ワイヤレスネットワーク設計を著しく簡潔にする。特に、設計フレームワークは、図７〜図１１に例示するように、設計基準「干渉減量制約」及び「誤り確率制約」に見合う。
【００１９】
図７は、本発明の一実施形態による干渉減量制約に基づいてワイヤレスシステムを設計するためのフローチャートである。図７に示すように、物理レイヤ（ＰＨＹ）で指定されたサービス品質（ＱｏＳ）性能値に応じて、適切な干渉閾値Ｙｔｈｒｅｓｈｏｌｄ及び適切な確率閾値ｐ１が選択される。伝播チャネルパラメータ（例えば、図９に示すように、経路損失パラメータ、シャドーイングパラメータ、及びフェージングパラメータ）に基づいて、システムパラメータ（例えば、ノード空間密度、送信電力、ビット率、及び変調）を、Ｐ（｜Ｙ｜＞Ｙｔｈｒｅｓｈｏｌｄ）＜ｐ１という制約を受けた式（２）を用いて算出することができる。図１０は、干渉減量モード（即ち、空間密度、電力、又はビット率）を選択することを例示したサブシステム１０００を示している。例えば、図１０に示すように、適切な空間密度値は、制約Ｐ（｜Ｙ｜＞Ｙｔｈｒｅｓｈｏｌｄ）＜ｐ１を受けた許容電力及びビット率値から求めることができる。同様に、適切な電力又はビット率値が、同じ制約Ｐ（｜Ｙ｜＞Ｙｔｈｒｅｓｈｏｌｄ）＜ｐ１を受けた他の二つのシステムパラメータから求められ得る。
【００２０】
図８は、本発明の一実施形態による、誤り確率制約に基づいたワイヤレスシステムを設計するためのフローチャートである。図８に示すように、ＰＨＹで指定されたＱｏＳ性能値に応じて、適切な誤り確率閾値ｐ２が選択される。システムパラメータ（例えば、図９に示すように、経路損失パラメータ、シャドーイングパラメータ、及びフェージングパラメータ）に基づいて、システムパラメータ（例えば、ノード空間密度、送信電力、ビット率、及び変調）を、例えば、Ｐ（ビット誤り）＜ｐ２の制約を受けた式（２）を用いて算出することができる。図１１は、誤り確率モード（即ち、空間密度、電力、又はビット率）の選択を例示したサブシステム１１００を示している。例えば、図１１に示すように、適切な空間密度値が制約Ｐ（ビット誤り）＜ｐ２を受けた許容電力及びビット率値から求めることができる。同様に、制約（ビット誤り）＜ｐ２を受けた他の二つのシステムパラメータから、適切な電力又はビット率値が求められてもよい。
【００２１】
したがって、本発明の方法は、広範囲の設計基準を組み込んだ、累積干渉及び雑音を受けたワイヤレス通信システムを設計する統一設計方法又はフレームワークを提供している。この方法は、広範囲のクラスのワイヤレス通信システムをカバーしてもよく、任意のフェージング分布に対して確率的な不変性を有してもよい。従来技術とは異なり、本発明の設計方法は、経路損失、シャドーイング、マルチパスフェージングなどの重要な伝播の影響を考慮した現実的なワイヤレスモデルに基づいている。このようなフレームワークは、扱いや見通しがしやすく、ネットワーク設計者にとって価値のある重要な結果を確立する。
【００２２】
上述した詳細な説明は、本発明の特定の実施形態を例示するように与えたものであり、限定的であることを意図したものではない。本発明の範囲内にある多数の修正及び変形が可能である。本発明は、以下の特許請求の範囲に示されている。
【図１】
2010517484.tif 000005
【図７】
2010517484.tif 000006
【図８】
2010517484.tif 000007
【図９】
2010517484.tif 000008
【図１０】
2010517484.tif 000009
【図１１】
2010517484.tif 000010
【図２】
2010517484.tif 000011
【図３】
2010517484.tif 000012
【図４】
2010517484.tif 000013
【図５】
2010517484.tif 000014
【図６】
2010517484.tif 000015
【手続補正書】
【提出日】平成21年10月1日(2009.10.1)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ワイヤレスネットワークの設計方法であって、
所望のサービス品質に基づいて性能パラメータを選択するステップと、
予測伝播チャネルパラメータのセットを組み込むステップと、
予測伝播チャネルパラメータ及び干渉制約に基づいて、システムパラメータのセットを決定するステップと、
を含む方法。
【請求項２】
前記干渉制約が、累積干渉に基づいて計算される、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記干渉制約が、所定の閾値を超える累積干渉の確率として表される、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記累積干渉が、安定分布に基づいて計算される、請求項２に記載の方法。
【請求項５】
前記干渉制約が、ビット誤り測定に基づいて計算される、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記干渉制約が、所定の閾値を超えるビット誤り測定の確率として表される、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記干渉制約が、狭帯域及び超広帯域の干渉源の双方を組み込む、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記干渉制約が、送信機の空間密度、測定された干渉又は雑音電力、変調方法、及びビット誤り率のうち一つ以上を組み込む、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記送信機の空間密度が、ポアソン場によりモデル化される、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記チャネル伝播パラメータが、経路損失パラメータ、シャドーイングパラメータ、及びフェージングパラメータのうち一つ以上を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記システムパラメータが、送信機の空間密度、測定された干渉又は雑音電力、変調方法、及びビット誤り率のうち一つ以上を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
非同期式ワイヤレスネットワークを設計するように適用される、請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
同期式ワイヤレスネットワークを設計するように適用される、請求項１に記載の方法。
【国際調査報告】
2010517484.tif 000016