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JP2012239052A - 無線通信装置、及び無線通信方法 - Google Patents

無線通信装置、及び無線通信方法 Download PDF

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JP2012239052A JP2011107045A JP2011107045A JP2012239052A JP 2012239052 A JP2012239052 A JP 2012239052A JP 2011107045 A JP2011107045 A JP 2011107045A JP 2011107045 A JP2011107045 A JP 2011107045A JP 2012239052 A JP2012239052 A JP 2012239052A
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Kazuki Shibata
一樹 柴田
Takahiro Adachi
貴宏 足立
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NEC Corp
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Abstract

【課題】受信電界レベルの状態が良好なときに、フレーム全体において伝送可能なペイロード容量を増大する。
【解決手段】受信電界レベルの状況に応じてオーバーヘッド領域の変調方式を切り替える。前記オーバーヘッド領域の変調方式の切り替えに際し、多値方向への切り替えの際に増大した前記オーバーヘッド領域にペイロードデータを多重し、また、ペイロード領域の変調方式に応じて前記オーバーヘッド両機の変調方式を決定する。
【選択図】図1

Description

本発明は、無線通信装置、及び無線通信方法に関する。特に、本発明は、適応変調を用いる無線通信装置、及び無線通信方法に関する。
近年、2地点間の無線通信システムは、広く利用されている。例えば、特許文献1では、受信電界レベルに応じて変調方式を変化させ効率的にデータを伝送する技術として適応変調が開示されている。
適応変調にて受信局が受信信号から正確にデータを復調するためには、送受間で変調方式情報を共有する必要がある。なぜなら、送信局と受信局で変調方式情報が食い違った場合には、受信側で受信データを正しく復調できず、連続的に信号に誤りが生じるためである。
そのため、上記システムでは、変調方式情報の伝送にオーバーヘッド領域として、BPSKやQPSK等の固定の変調方式を用いて、変調方式情報を伝送する。
変調方式情報を伝送しないようなシステムとして、特許文献2で開示されるシステムがある。しかし、上記システムでは変調方式情報を共有しない代わりに、再送処理を行う必要がある。そのため再送処理の間、信号を伝送することができず、リアルタイム性を必要とするような信号に対しては、適応変調を適用することが困難である。
特許第4628150号公報 特開2003−319457号公報
ところで、特許文献1に記載のシステムは、オーバーヘッド領域に固定変調を採用しており、受信電界レベルに関わらず、変調方式情報の伝送に、速度一定で変調多値数の小さいオーバーヘッド領域を用いる。そのためペイロード領域が高多値変調で伝送可能な品質回線状況においても、オーバーヘッド領域は低速で非効率な情報伝送を行う。
上記課題を解決するために、本発明の第1の形態によると、受信電界レベルの状況に応じてオーバーヘッド領域の変調方式を切り替える。
なおまた、上記のように発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではなく、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となり得る。
以上の説明から明らかなように、この発明は、受信電界レベルの状態が良好なときに、フレーム全体において伝送可能なペイロード容量を増大させることができる。
一実施形態に係る無線通信システム1の一例を示す図である。 多重部111から出力される送信フレームと多重されるデータの一部、多重化の方法、及び多重化されたフレームに対する変調部112での変調方式を示す図である。 CNRを横軸にとり、縦軸にBERをとり、変調方式ごとのCNRに対するBERを示す図である。 QPSK及び16QAMの信号点間距離を示す図である。 ペイロード領域の変調方式の判定部のみを備える既知の無線伝送装置900を示す図である。 無線通信装置100により生成されるフレームと、既知の無線通信装置900により生成されるフレームとの比較を示す図である。 ペイロード領域変調方式とオーバーヘッド領域変調方式との対応関係の一例を示す図である。
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は、特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではなく、また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
図1は、一実施形態に係る無線通信システム1の一例を示す。無線通信システム1は、2つの無線通信装置100a、b(以下、無線通信装置100と総称する。)が伝送路を介して無線通信接続される。無線通信装置100は、適応変調を用いる。
無線通信装置100aは、送信部110a、共用部120a、受信部130a、オーバーヘッド領域変調方式判定部140a、ペイロード領域変調方式判定部150a、及び受信オーバーヘッド領域変調方式判定部160aを有する。送信部110aは、多重部111a、変調部112a、及び保持部113aを有する。受信部130aは、復調部131a、抽出部132a、及び保持部133aを有する。以下に、各構成要素の機能及び動作を説明する。
なおまた、無線通信装置100bも、無線通信装置100aが有する構成要素と同じ構成要素を有する。以後の説明では、無線通信装置100が有する構成要素がいずれの無線通信装置100の構成要素であるかを区別する場合には、各構成要素を有する無線通信装置100と同じ添え字(a、b)を各構成要素の末尾に付して区別する。
保持部113では、ペイロード領域変調方式情報、オーバーヘッド領域変調方式情報を内部に保持し、多重部111と、変調部112へ保持後ペイロード領域変調方式情報と、保持後オーバーヘッド領域変調方式情報として出力する機能を有する。保持の期間は、次のフレーム送出までの間である。
多重部111では、外部から入力される送信主信号を、保持後ペイロード領域変調方式情報に従い、フレーム中のペイロード領域に多重する。同時に、ペイロード領域変調方式情報を、保持後オーバーヘッド領域変調方式情報に従い、オーバーヘッド領域へと多重する。
オーバーヘッド領域へ多重する際、保持後オーバーヘッド領域変調方式情報より、オーバーヘッド領域へペイロードが多重可能な変調方式であると判断された場合には、オーバーヘッド領域へペイロードを多重する。
多重部111は、上記により生成される送信フレームデータを変調部112へと出力する。
変調部112では、送信フレームデータ中の、オーバーヘッド領域に対して、保持後オーバーヘッド領域変調方式情報に従い、変調を行う。同時に送信フレームデータ中のペイロード領域は、保持後ペイロード領域変調方式情報に従い、変調される。
ここで本来であれば多重化の際に、処理時間が発生し、変調部でのフレームの処理開始時間は、この処理時間分だけ遅延する。そのため、保持後変調方式情報の入力には、多重部、変調部で別々の遅延時間を挿入する必要がある。しかし、ここではその遅延差を考慮せず、変調方式情報は1フレーム単位の理想的なタイミングで切り替わるものとする。
変調部112では、上記の変調で生成された送信IF信号を、共用部120へと出力する。
共用部120では、送信IF信号を無線周波数へ周波数変換し無線伝送路へ送出する。また、伝送路から入力される無線信号に対して周波数変換を行い、受信IF信号として受信部130へ出力する。また共用部120では、受信信号の受信電界レベルを観測し、受信電界情報として出力する。
受信部130の保持部133は、受信オーバーヘッド領域変調方式判定部160から入力される、受信オーバーヘッド領域変調方式情報と、抽出部132で生成される、受信ペイロード領域変調方式情報を保持し、復調部131、抽出部132へ出力する。保持の期間は、次のフレーム受信までの間である。
復調部131では、受信IF信号中のペイロード領域相当領域に対して、保持後受信ペイロード領域変調方式情報に従い、復調を行う。同時に、受信IF信号中のオーバーヘッド領域相当領域に対しては、保持後オーバーヘッド領域変調方式情報に従い、復調を行う。復調部131では、上記により生成される、受信フレームを抽出部132へ出力する。
抽出部132では、復調部131から入力される受信フレームのオーバーヘッド領域に対して、保持後受信オーバーヘッド領域変調方式情報に従い、受信ペイロード領域変調方式情報と、ペイロードデータを抽出する。
抽出された、受信ペイロード領域変調方式情報は、受信オーバーヘッド領域変調方式判定部160へ出力される。
同時に、受信フレーム内のペイロード領域から、保持後受信ペイロード領域変調方式情報に従い、ペイロードデータを抽出し、先のオーバーヘッド領域から抽出された、ペイロードデータと一緒に、受信主信号として、外部へ出力する。
ペイロード領域変調方式判定部150では、共用部120より入力される受信電界情報に従い、フレーム中の、ペイロード領域で使用する変調方式を判定し、ペイロード領域変調方式情報を、多重部111、保持部113、オーバーヘッド領域変調方式判定部140へと出力する。
オーバーヘッド領域変調方式判定部140では、ペイロード領域変調方式判定部150から入力されるペイロード領域変調方式判定情報を基に、フレーム中のオーバーヘッド領域で使用される変調方式を判定し、保持部113へオーバーヘッド領域変調方式情報として出力する。
受信オーバーヘッド領域変調方式判定部160では、抽出部132より入力される、受信ペイロード領域変調方式情報を基に、受信フレームのオーバーヘッド領域復調で使用される変調方式を判定し、受信オーバーヘッド領域変調方式情報として保持部133へ出力する。
受信オーバーヘッド領域変調方式判定部160、オーバーヘッド領域変調方式判定部140はともに、事前に送受信間で共有した、オーバーヘッド領域とペイロード領域の変調方式対応関係に従い、判定を行う。
本発明による無線伝送装置の動作を図1、図2、図3、図4、図5、図6、図7を用いて説明する。
外部から入力された、送信主信号は送信部110でIF信号へ変換される。送信部110の詳細動作を、図1、図2を用いて説明する。
図2は、多重部111から出力される送信フレームと多重されるデータの一部、多重化の方法、及び多重化されたフレームに対する変調部112での変調方式を示す。変調方式情報は、フレーム単位で切り替わり、多重部、変調部はこの情報に従う。
図2は、ペイロード領域変調方式がQPSK(Quadriphase Phase−shift keying)→16QAM(Quadrature Amplitude Modulation)→QPSK→16QAMと変化する場合を例に動作を記述したものである。
変調部は、保持後変調方式情報に従いオーバーヘッド領域、ペイロード領域を別々の変調方式で変調する。例えば、フレームF10内のオーバーヘッド領域F11の変調方式は、保持後オーバーヘッド領域変調方式情報に従いBPSKで変調し、ペイロード領域F12は保持後ペイロード領域変調方式情報に従い、QPSKにて変調を行う。
ペイロード領域変調方式情報は、フレーム内のオーバーヘッド領域に多重される変調方式情報を示すものであり、図2中のオーバーヘッド領域F11には、16QAMが多重される。
多重部111は多重化の際、保持後変調方式情報に従い、1回の変調(1シンボル)当たりに多重可能な情報を多重する。これは、1シンボルで伝送可能なビット数が変調方式により異なるため、使用される変調方式に応じ、情報の伝送量を変化させるためである。1回の変調で伝送可能なビット数は2値変調方式の場合、mビットの伝送が可能であり、具体的には16QAMの場合1回の変調で伝送可能なビット数は4ビットであり、QPSK(4値QAM)の場合には2ビットである。
図2の例では、フレームF10のオーバーヘッド領域F11で多重される情報量は、保持後オーバーヘッド領域変調方式情報がBPSKであるため、1シンボルあたりに多重されるオーバーヘッド情報は1ビット、ペイロード領域F12は保持後ペイロード領域変調方式情報に従うため、1シンボル当たり2ビットが多重される。
また、多重部111ではオーバーヘッド領域の高多値化に伴い増大した箇所に、ペイロード信号を多重する。図2の例では、フレームF20中のオーバーヘッド領域F21はオーバーヘッド領域F11と比較し、2倍の伝送容量を有する。しかし、伝送する変調方式情報の情報量は固定であるため、増大した分の容量で別の情報を伝送可能である。この増大した領域に対して、多重部ではペイロード信号を多重する。
無線伝送装置間では、このフレームを連続でやり取りすることにより、通信を実現する。フレームの伝送シーケンスは、フレームF10→F20→F30・・・の順番で送信される。
多重部111において、図2のオーバーヘッド領域F11には、フレームF20のペイロード領域F22で使用されるペイロード領域変調方式情報OH1が多重される。この例の場合、ペイロード領域変調方式情報OH1は、ペイロード領域F22で使用される16QAMが多重されている。同様にして、オーバーヘッド領域F21にはQPSKが、オーバーヘッド領域F31には16QAMのペイロード領域変調方式情報が多重される。
これにより、フレームF20のペイロード領域F22の変調方式はオーバーヘッド領域F11中に多重され、無線通信装置100bへ伝送される。すなわち、次に伝送するペイロード領域の変調方式を事前に、オーバーヘッド情報として対向局側へ伝送する。
次に送信されるフレームの変調方式情報を、事前に無線通信装置100bへ伝送するのは、主信号をヒットレスに、すなわち変調方式の切り替え時に、主信号を誤りなく伝送するためである。
次フレームで使用される変調方式情報を、事前に伝送することで、無線通信装置100bでは変調方式切り替えまでの、時間的な余裕を確保することが可能となる。
送信部110から出力された送信IF信号に対して、共用部120では、無線周波数へ周波数変換し、RF信号として伝送路へと出力する。受信側の共用部120では、伝送路から入力されるRF信号を受信IF信号へ変換し受信部130へと出力する。
共用部120では、受信したRF信号から、受信電界情報を、ペイロード領域変調方式判定部150へ出力する。受信電界情報には、CNR(Carrier Noise Ratio)や受信電界レベル情報が含まれる。
受信部130では、送信部とは反対の手順。すなわち、受信IF信号に対して、復調、抽出することで、受信主信号を外部へ出力する。
受信部の詳細動作を説明する。上述したように、ペイロード領域を復調するために用いる、ペイロード領域変調方式情報は、前フレームのオーバーヘッド領域に多重されている。図2の例では、ペイロード領域F22の復調に必要な変調方式情報は、オーバーヘッド領域F11に多重されている。
抽出部132で、受信フレーム中のオーバーヘッド領域から、抽出された受信ペイロード領域変調方式情報が、保持部で1フレーム保持されるため、復調部131では、この情報に従い、受信IF信号のペイロード領域を復調することができる。
一方、受信IF信号内のオーバーヘッド領域相当領域の復調にも、送信部110のオーバーヘッド領域変調方式情報に相当する情報が必要である。受信オーバーヘッド領域変調方式判定部160では、これに対応する情報として、受信オーバーヘッド領域変調方式情報を生成する。受信オーバーヘッド領域変調方式判定部160では、あらかじめ無線伝送システムとして、設定された、オーバーヘッド領域、ペイロード領域変調方式の対応関係に従い、抽出部132から入力される、受信ペイロード領域変調方式情報から受信オーバーヘッド領域変調方式情報を生成する。
対応関係の一例として、図7のようなテーブルで対応付けを行う場合の例を示す。ペイロード領域変調方式情報が16QAMであるような場合、オーバーヘッド領域変調方式情報にはQPSKを適用する。
事前に変調方式情報の対応関係が無線伝送装置間で共有されることで、ペイロード領域変調方式情報の共有だけで、受信オーバーヘッド領域変調方式判定部160により、オーバーヘッド領域変調方式情報も共有できる。復調部131は、上述の対応関係に従って判定された、保持後受信オーバーヘッド領域変調方式情報を用いることで、受信フレーム内のオーバーヘッド領域を復調することが可能となる。
次に、各変調方式判定部の動作の詳細を以下に説明する。
図3、図4を用いて、ペイロード領域変調方式判定部150での変調方式情報の判定方法を説明する。図3は、CNRを横軸にとり、縦軸にBER(Bit Error Rate)をとり、変調方式ごとのCNRに対するBERを示す。
少値のQPSKと比較し、多値変調である16QAMの方が、通信路を所定の誤り率を満たすために必要なCNR値が大きいことがわかる。これは図4に示すように、多値数が増加すると、信号点間距離(d1及びd2)が小さくなり、ノイズに対してのマージンが小さくなるためである。
しかし、2値変調方式により、1シンボルで伝送できるビット数はmであるため、変調多値数2を大きくすると、1シンボルで伝送可能なビット数mは増大する。一方、変調多値数を小さくすると、1シンボルで伝送可能なビット数は減少するが、ノイズに対する耐性は強くなる。
たとえば、通信路にてペイロードのBER10−8を確保しようとする場合、QPSKでは、1シンボルあたり2ビットの伝送が可能で、約8.5dBのCNRが必要である。一方、16QAMの場合には、1シンボルあたり4ビットの伝送が可能だが、代わりにCNRが約12dBであるような、受信電界レベルが必要であることがわかる。
ペイロード領域変調方式判定部150では、共用部120で検出したCNRを基に、システムとして事前に定められる受信主信号のBERを満たすため、受信電界レベルに合わせたペイロード領域変調方式情報を送信部110へと送出する。
例えば、図3において主信号のBERを10−8以下に保ちたいとする。仮に受信CNRが14dBの場合、16QAMの場合でも主信号の誤り率10−8を十分に確保できるため、図1のペイロード領域変調方式判定部150は、ペイロード領域変調方式情報を16QAMと判定し送信部110へと出力する。
ここで、降雨等の影響により受信電界レベルが劣化し、CNRが8dBまで下がったとすると、BER10−8を確保するために適切な変調方式は、BPSKのみとなる。ペイロード領域変調方式判定部150は、次フレームで使用する判定変調方式をBPSKと判定し、ペイロード領域変調方式情報として送信部110へと出力する。上述したペイロード領域変調方式判定部150は、ペイロードに関わる変調方式を判定し、送信部110へ出力するものである。
既知の技術では、上記のペイロード領域でのみ変調方式を切り替えることで、適応変調を実現する。図5は、ペイロード領域の変調方式の判定部のみを備える既知の無線伝送装置900を示す。ペイロード領域の変調方式のみを切り替えるため、変調方式判定部970は、ペイロード領域での変調方式を判定するのみでよい。
本発明では、これとは別にオーバーヘッド領域変調方式判定部140を備える。上述したように、本発明でのオーバーヘッド領域変調方式判定部140、及び受信オーバーヘッド領域変調方式判定部160では、事前に無線伝送装置間でペイロード領域に対する、オーバーヘッド領域の変調方式が対応付けられている。
図2の例のように、オーバーヘッド領域変調方式をペイロード領域変調方式に対して、図7のようなテーブルで変調方式の対応関係を設定した場合、変調方式情報の共有が低い誤り率で実現される。例えば、伝送路の受信電界レベルがCNRで7dBであるような環境下で、図2中のフレームF10のように、ペイロード領域の変調方式がQPSK、オーバーヘッド領域の変調方式がBPSKであるような場合を想定する。この場合、図3を参照すると、QPSKでのBERは10−5以上であるのに対して、BPSKでのBERは約10−8である。
これはペイロード領域と比較して、オーバーヘッド領域の誤り率が低くなることを意味する。オーバーヘッド領域の誤り率が低くなると、無線伝送装置間での変調方式情報の共有を低い誤り率で実現可能で、受信側では誤った変調方式で復調する可能性が低くなる。一方、CNRが10dBであるような回線品質状態では、BPSKとQPSKのBER特性は、いずれも10−10以下である。このような場合、オーバーヘッド領域の変調方式として、QPSKを採用した場合でも、十分に低い誤り率で伝送することが可能である。
そのため、本発明では、受信電界レベルが十分に良く、オーバーヘッド領域の変調方式を多値方向へ切り替えても問題ないような場合について、オーバーヘッド領域の変調方式を多値方向へと切り替える。
オーバーヘッド領域での、変調方式の多値方向への切り替わりに伴い、伝送可能な領域が増大する。
なぜなら、図2に示すように、オーバーヘッド領域F11に含まれるペイロード領域変調方式情報OH1の情報量はペイロード領域F22の変調方式に関わらず、一定量である。そのため、例えばオーバーヘッド情報をBPSKで伝送した場合のオーバーヘッド領域F11と比較して、QPSKで伝送した場合には、オーバーヘッド領域F21が1シンボル当たりに伝送可能なビット数は1ビットから2ビットと2倍になる。本発明では、この伝送容量が増大したオーバーヘッド領域F21に、多重部111でペイロードデータを割り当てる。
図6は、無線通信装置100により生成されるフレームと、既知の無線通信装置900により生成されるフレームとの比較を示す。図6(b)の既知の無線通信装置900によるフレームでは、変調方式情報が多重されるオーバーヘッド領域が、固定変調での伝送であるため、オーバーヘッド領域に関しては、常に固定レートで伝送が行われていた。
一方、図6(a)に示す、本発明によるフレームでは、オーバーヘッド領域の変調方式を回線状況に応じ、切り替える。切り替えの際に増大する、オーバーヘッド領域に、ペイロード領域を設け、ペイロードデータを多重する。
上記のようなシステム構成では、受信電界レベルが良好な状態であるときに、フレーム全体で伝送可能なペイロード容量が増大する。これは、送信部110にて既知の手法では固定変調であったオーバーヘッド領域が、受信電界レベルに応じて変調方式を切り替え、その結果増大した領域に対してペイロードデータが多重され、フレームとして無線通信装置100bへと伝送されるからである。
オーバーヘッド領域での誤りは、オーバーヘッド領域変調方式判定部140が、ペイロード領域変調方式判定部150から入力される、ペイロード領域変調方式情報を基にオーバーヘッド伝送がシステムとして影響を受けない範囲での、変調方式を採用するため、伝送品質を確保しながらも、ペイロードの伝送量を確保することができる。
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は、上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更又は改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。そのような変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
1 無線通信システム
100 無線通信装置
110 送信部
111 多重部
112 変調部
113 保持部
120 共用部
130 受信部
131 復調部
132 抽出部
133 保持部
140 オーバーヘッド領域変調方式判定部
150 ペイロード領域変調方式判定部
160 受信オーバーヘッド領域変調方式判定部

Claims (6)

  1. 受信電界レベルの状況に応じてオーバーヘッド領域の変調方式を切り替える
    ことを特徴とする無線通信装置。
  2. 前記オーバーヘッド領域の変調方式の切り替えに際し、多値方向への切り替えの際に増大した前記オーバーヘッド領域にペイロードデータを多重する
    ことを特徴とする請求項1に記載の無線通信装置。
  3. 前記オーバーヘッド領域の変調方式の切り替えに際し、ペイロード領域の変調方式に応じて前記オーバーヘッド両機の変調方式を決定する
    ことを特徴とする請求項1又は2に記載の無線通信装置。
  4. 前記ペイロード領域の変調方式の情報のみを用いて前記オーバーヘッド領域を復調する
    ことを特徴とする請求項3に記載の無線通信装置。
  5. 前記ペイロード領域の変調方式に応じて、前記オーバーヘッド領域の中から前記ペイロードデータを抽出する
    ことを特徴とする請求項4に記載の無線通信装置。
  6. 受信電界レベルの状況に応じてオーバーヘッド領域の変調方式を切り替える
    ことを特徴とする無線通信方法。
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