チャネル割り当て方式

ワイヤレスおよびセルラー ネットワークの無線リソース管理では、チャネル割り当て方式によって、帯域幅と通信チャネルが基地局、アクセス ポイント、端末機器に割り当てられます。その目的は、周波数の再利用によってシステム スペクトル効率を最大化(ビット/秒/Hz/サイト) しながら、帯域幅を共有する近くのセルまたはネットワーク間の同一チャネル干渉と隣接チャネル干渉を回避することで、一定のサービス グレードを保証することです。

チャネル割り当て方式は、2種類の戦略のいずれかに従います。^[1]

1. 固定: FCA、固定チャネル割り当て: ネットワークオペレータによって手動で割り当てられる
2. ダイナミック:
   1. DCA、動的チャネル割り当て
   2. DFS、動的周波数選択
   3. スペクトラム拡散

固定チャネル割り当てまたは固定チャネル割り当て( FCA )では、各セルにあらかじめ決められた周波数チャネルのセットが与えられます。FCA では手動での周波数計画が必要ですが、これは時分割多重アクセス(TDMA) および周波数分割多重アクセス(FDMA) ベースのシステムでは困難な作業です。これは、これらのシステムが同じチャネルを再利用している近隣のセルからの同一チャネル干渉に非常に敏感だからです。FCA を使用した TDMA および FDMA システムのもう 1 つの欠点は、セル内のチャネル数がそのセル内の顧客数に関係なく一定であることです。このため、一部のセルでトラフィックが重くなり、他のセルの容量がアイドル状態になると、トラフィック輻輳が発生し、一部の通話が失われます。

FCA を従来の FDMA や TDMA と組み合わせると、固定数の音声チャネルをセル上で転送できます。新しい通話は未使用のチャネルでのみ接続できます。すべてのチャネルが占有されている場合、このシステムでは新しい通話はブロックされます。ただし、FCA と組み合わせることができる動的な無線リソース管理スキームがいくつかあります。単純な形式はトラフィック適応型ハンドオーバーしきい値です。これは、2 つの隣接するセルの重なり合う部分にある携帯電話からの通話を、その時点で負荷が最も低いセルに強制的にハンドオーバーできることを意味します。FCA をスペクトル拡散と組み合わせると、理論上は最大チャネル数は固定されませんが、実際には最大制限が適用されます。通話が多すぎると、同一チャネル干渉レベルが高くなりすぎて、品質に問題が生じるためです。スペクトル拡散により、セル ブリージングを適用できます。つまり、過負荷のセルが同じ周波数を共有している近くのセルから容量 (セル内の同時通話の最大数) を借りることができます。

FCA は、モバイル スイッチング センター(MSC) によって監視されている隣接セルからセルがチャネルを借りることができる借用戦略を使用することで、DCA システムに拡張できます。

動的周波数選択（DFS ）は、無線LAN（一般的にはWi-Fi）などの集中管理されていないアクセスポイントを備えた無線ネットワーク向けに指定されたメカニズムです。これは、軍事レーダー、衛星通信、気象レーダーなど、周波数帯域の他の用途との干渉を防ぐために設計されています。^[2]アクセスポイントは、干渉レベルの低い周波数チャネルを自動的に選択します。無線LAN規格の場合、DFSは2003年にIEEE 802.11hの一部として標準化されました。DFSの実際の周波数帯域は管轄区域によって異なります。ターミナルドップラー気象レーダー^{[3] [4]}およびCバンド衛星通信で使用される周波数帯域に対して強制されることがよくあります。世界の多くの国で5GHz Wi-Fiが早期に展開されたとき、DFSの誤った構成により気象レーダーの動作に大きな混乱が生じました。^{[4] [5]}たとえば、米国ではレーダー回避のために5470〜5725MHzのU-NII帯域でもDFSが義務付けられています。^[6]

より効率的なチャネル割り当て方法は、動的チャネル割り当てまたは動的チャネル割り当て(DCA) です。この方法では、音声チャネルはセルに永続的に割り当てられず、代わりに MSC からの通話要求ごとに基地局要求チャネルが割り当てられます。チャネルは、次の基準を考慮したアルゴリズムに従って割り当てられます。

• 隣接セルの将来のブロック確率と再利用距離
• 候補チャネルの使用頻度
• システム全体の平均ブロック確率
• 瞬間チャネル占有分布

MSC は、チャネル占有率、トラフィック分布、受信信号強度表示(RSSI)に関するリアルタイム データを収集する必要があります。DCA スキームは、 GSMなどのTDMA / FDMAベースのセルラー システムに推奨されていますが、現在どの製品にも使用されていません。^{[引用が必要]} 4Gセルラー システムのダウンリンクなどのOFDMAシステムは、各サブキャリアと各タイムスロットに対して DCA を実行するものと考えられます。

DCA はさらに集中型と分散型に分類できます。集中型 DCA スキームには次のようなものがあります。

• 最初に利用可能なチャネル（FA）：再利用距離要件を満たす最初の利用可能なチャネルが通話に割り当てられます。
• 局所的に最適化された動的割り当て（LODA）：コスト関数は、隣接セルの将来のブロック確率に基づいています。
• 再利用リング（RING）で最大使用率の選択：同一チャネルセット内の最も多くのセルで使用されている候補チャネルが選択される。

DCA と DFS により、面倒な手動の周波数計画作業が不要になります。また、DCA はバースト的なセル トラフィックを処理し、セルラー無線リソースをより効率的に利用します。DCA により、セル内のチャネル数がトラフィック負荷に応じて変化するため、ほとんどコストをかけずにチャネル容量を増やすことができます。

拡散スペクトルは、複雑な DCA アルゴリズムの代替として考えることができます。拡散スペクトルでは、近くのセルのユーザーが同じ拡散コードを使用する可能性はわずかであるため、隣接セル間の同一チャネル干渉が回避されます。したがって、IS95や3Gシステムなどの拡散スペクトルと FDMA の組み合わせに基づくセルラー ネットワークでは、周波数チャネル割り当ての問題が緩和されます。拡散スペクトルでは、集中管理されている基地局が、1 つのセルで許可される同時ユーザーの最大数 (セル内のユーザーからの最大許可干渉レベル) を増やし、隣接セルでそれを減らすだけで、トラフィック負荷に応じて動的にリソースを借りることもできます。基地局のカバー エリアが重なり合うユーザーをセル間で転送したり (セル ブリージングと呼ばれる)、アドミッション コントロールやトラフィック シェーピングによってトラフィックを調整したりできます。

ただし、後者の場合のチャネル割り当てが適切な DCA 方式によって最適化されている場合、拡散スペクトルは非拡散スペクトル技術よりもスペクトル効率が低くなります。特にOFDM変調は、複雑なイコライゼーションなしで広帯域チャネルのマ​​ルチパス伝搬に対抗できるため、拡散スペクトルの興味深い代替手段です。OFDMは、同じセル内のユーザー間のアップリンク多重アクセスのためにOFDMAで拡張できます。セル間干渉を回避するには、DCA または DFS を使用した FDMA が再び注目されています。この概念の 1 つの例は、前述のIEEE 802.11h標準です。OFDMおよびOFDMAを使用したDCAは、 4Gワイヤレス システムの代替手段としてよく研究されています。

パケットベースのデータ通信サービスでは、通信はバースト的であり、トラフィック負荷は急速に変化します。システムのスペクトル効率を高めるには、パケットごとに DCA を実行する必要があります。パケットごとの DCA のアルゴリズムの例としては、動的パケット割り当て(DPA)、動的単一周波数ネットワーク(DSFN)、パケットおよびリソース計画スケジューリング(PARPS) などがあります。

• 携帯電話のトラフィック
• 認知無線
• 動的帯域幅割り当て(DBA)

• チャネル割り当てスキーム、JPL の無線通信リファレンス Web サイト