チャネル割り当て方式

無線ネットワークおよびセルラーネットワークにおける無線リソース管理において、チャネル割り当て方式は、基地局、アクセスポイント、および端末機器に帯域幅と通信チャネルを割り当てます。その目的は、周波数再利用によってビット/秒/Hz/サイト単位でシステムスペクトル効率を最大化しつつ、帯域幅を共有する近隣のセルまたはネットワーク間での同一チャネル干渉および隣接チャネル干渉を回避することで、一定のサービス品質を確保することです。

チャネル割り当て方式は、次の 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：ネットワーク事業者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（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割り当てられます。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となります。なぜなら、これらのシステムは、同じチャネルを再利用している近隣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を採用した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増加するとトラフィックが混雑し、通話が失われる一方、他のセルでは空き容量が発生します。

FCAを従来のFDMAやTDMAと組み合わせると、セル上で転送できる音声チャネルの数は固定されます。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使用されている場合、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方式がいくつかあります。単純な形式としては、トラフィック適応型ハンドオーバーしきい値があり、隣接する2つのセルの重なり部分に位置する携帯電話からの通話は、現時点で負荷が最も低いセルにハンドオーバーするように強制されます。FCAをスペクトラム拡散と組み合わせると、理論上はチャネルの最大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。これは、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。スペクトラム拡散では、過負荷状態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るため、セルブリージングを適用できます。

FCAは、移動交換センター（MSC）が管理する隣接セルからチャネルを借りる借用戦略を用いることで、DCAシステムに拡張することができる。

動的周波数選択( DFS ) は、無線 LAN (一般的に Wi-Fi)など、中央制御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規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よう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。これは、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適用されることがよくあります。DFS の設定ミスにより 、世界の多くの国で5 GHz Wi-Fi の初期展開中に気象レーダーの動作に大きな混乱が生じました。 ^{[ 4 ] [ 5 ]}例えば、米国ではレーダー回避のため、 5470-5725  MHz U-NIIバンドでも DFS が義務付けられている。 ^{[ 6 ]}

より効率的なチャネル割り当て方法としては、動的チャネル割り当て（ DCA）があります。これは、音声チャネルをセルに永続的に割り当てるのではなく、通話要求ごとに基地局がMSCにチャネルを要求する方式です。チャネルは、以下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。

• 隣接セルにおける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キング確率
• 瞬時チャネル占有率分布

これは、MSCがチャネル占有率、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ことを必要とします。DCA方式は、 GSMなどのTDMA / FDMAベースのセルラーシステム向けに提案されていますが、現在どの製品にも採用されていません。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、各サブキャリアおよび各タイムスロットごとにDCAを実行していると考えることができます。

DCAはさらに集中型と分散型に分類できます。集中型DCAスキームの例としては、以下のようなものがあります。

• ファーストアベイラブル（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、隣接セルにおける将来のブロック確率に基づいています。
• 再利用リング（RING）での使用率を最大化する選択：同一チャネルセット内で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ます。

DCAとDFSは、煩雑な手動周波数計画作業を不要にします。DCAは、バースト的なセルトラフィックにも対応し、セルラー無線リソースをより効率的に活用します。DCAでは、トラフィック負荷に応じてセル内のチャネル数を可変できるため、コストを抑えながらチャネル容量を増やすことができます。

スペクトラム拡散は、複雑なDCAアルゴリズムの代替手段として考えられます。スペクトラム拡散では、近隣のセル内のユーザーが同じ拡散符号を使用する確率が小さいため、隣接セル間の同一チャネル干渉を回避できます。そのため、スペクトラム拡散とFDMAを組み合わせたセルラーネットワーク（例えばIS95や3Gシステム）では、周波数チャネル割り当ての問題が緩和されます。スペクトラム拡散では、中央制御の基地局がトラフィック負荷に応じてリソースを動的に借りることも可能です。これは、1つのセルで同時接続可能な最大ユーザー数（セル内のユーザーからの最大許容干渉レベル）を増やし、隣接セルでそれを減らすだけで実現できます。基地局のカバーエリアが重なるセル内のユーザーは、セル間で転送（セルブリージングと呼ばれる）したり、アクセス制御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。

しかし、スペクトラム拡散は、後者の場合のチャネル割り当てが優れたDCA方式によって最適化されている場合、スペクトラム拡散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、複雑な等化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、スペクトラム拡散の興味深い代替手段です。OFDMは、同一セル内のユーザー間のアップリンク多重アクセス用にOFDMAで拡張できます。セル間干渉を回避するために、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つが、前述のIEEE 802.11h規格です。OFDMとDCAを使用したOFDMAは、 4G無線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ためには、DCA（データチャネル割り当て）をパケット単位で実行する必要があります。パケット単位のDCA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プランスケジューリング（PARPS）などがあります。

• 携帯電話の通信量
• コグニティブ無線
• 動的帯域幅割り当て（DBA）

• チャネル割り当て方式、JPLの無線通信リファレンスWebサイト