JP2004072203A - Wireless communication method for wireless communication apparatus, wireless communication method for wireless communication system, and wireless communication system, and wireless communication apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、無線通信システムの無線送信電力の制御方法に関するもので、特に移動通信システムに適用して好適である。
【0002】
【従来の技術】
無線通信システムにおいて、所望の受信品質を得るために、無線通信機の送信電力の制御を行う技術が知られている。例えば、USP5,267,262には、CDMA移動通信システムにおいて、基地局で端末からの信号受信電力を測定し、所望の値より小さい場合に送信電力を増加指示、大きい場合に送信電力減少指示を移動局に対して送信し、移動局は前記、送信電力制御指示に従い送信電力を制御することにより、基地局における受信電力をほぼ一定に保つ技術が開示されている。
【0003】
また、USP5,559,790には、基地局が既知の電力で送信するパイロット信号の受信品質を移動局が測定し、その測定結果に基づき受信品質が悪い場合には受信品質が良い場合に比べて大きな送信電力を要求する送信電力制御信号を基地局に送信し、基地局はこの送信電力制御信号に基づき前記移動局に向けた信号の送信電力を制御することにより、移動局における基地局からの信号受信品質をほぼ一定に保つ技術が開示されている。
【0004】
これらの技術は何れも、受信側における受信電力や品質を一定となるように制御することを目的としている。すなわち、以上の従来の技術による送信電力制御方法では、受信品質を一定化し、伝搬路の利得変動に起因する受信品質の劣化や不必要に過大な送信電力によるシステム内の干渉を防止している。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、移動局の移動に伴い発生する比較的短周期の伝搬路利得変動であるフェージングが存在する場合、従来の技術を用いると、瞬時的に伝搬路利得が小さくなったときに非常に大きな送信電力となってしまい、平均送信電力が増加してしまう。平均送信電力の増加は、システム全体に与える相互干渉を増加させ、システム全体の通信スループットの低下を招く。また、端末においては平均送信電力の増加は消費電力を増加させ、通話可能時間が短くなってしまう。
【0006】
また、平均送信電力を増加させなかった場合には、平均受信電力が減少し、それに伴う受信品質(SN比, SNR)の劣化により通信路の容量が低下してしまう。すなわち、通信可能な最大データレートが低下することになる。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明の一側面においては、伝搬路利得が大きくなったときに送信電力を増加させ、伝搬路利得が小さくなったときに送信電力を減少させるように制御する。伝搬路利得が小さいときに送信電力を下げたことにより発生する受信データの品質のばらつきや受信データの欠落をターボ符号に代表されるような強力な誤り訂正符号にて救済する。
【0008】
本発明のその他の側面については、発明の実施の形態において明らかにされる。
【0009】
【発明の実施の形態】
まず、本発明の電力制御アルゴリズムについて説明する。
【0010】
いま、図1のように伝搬路利得が変動した場合を考える。すなわち、時刻t1, t2, t3, t4における利得をそれぞれ2, 1, 1/3, 2/3で平均利得が1となるような伝搬路を考える。受信側で図2のように電力1で一定の雑音が加わるとすると、これは等価的に送信側で図3に示すように時刻t1, t2, t3, t4においてそれぞれ電力1/2, 1, 3, 3/2の雑音が加わったことと等価である。すなわち、伝搬路利得の変動は等価的に雑音電力の変動とみなすことが可能である。
【0011】
一方、通信路の容量Cは、理論的にはC=W log2(1+S/N)となることが知られている。ここで、Cは1秒あたりに伝送可能なビット数、Wは周波数帯域幅、Sは信号電力、Nは雑音電力、log2(x)は2を底とするxの対数とする。従って、上記のように時間変動する伝搬路における通信路容量は、時刻tにおける信号電力S(t), 雑音電力をN(t)とすると、C=Ave(W log2(1+S(t)/N(t)))となる。ここでAve(x)はxの時間平均を表すものとする。従って、電力制御によってS(t)を時間的に変化させると通信路容量が変化することになる。本発明では通信路容量をなるべく大きくするように送信電力を制御する。具体的には、以下のようにする。
【0012】
いま、平均送信電力、すなわちS(t)の時間平均Ave(S(t))を一定とした場合に通信路容量Cを最大化するS(t)について考える。Ave(S(t))が一定であるから、ある時刻の送信電力を増加させると他の時刻の送信電力は減少させなくてはならない。ここで、前記通信路容量の定義式よりSの微小増加に対するCの増加率はdC/dS=W/log(2)/(N+S)であるから、一定の電力を時間方向に分配するときにN+Sが最も小さいところに送信電力を分配することが通信路容量を最も増加させることになる。このようにN+Sが最も小さなところに順次送信電力を分配していくと、最終的に全ての電力を分配し終わった時にはN+Sは一定、かつ、達成されたS+NよりもNが大きい時間帯にはSは全く分配されないようになり、この状態が最も通信路容量が大きいことになる。
【0013】
ここで、受信機が受ける雑音電力を時間の関数Nr(t), 伝搬路利得を時間の関数g(t)とおくと、送信側で見た等価雑音電力N(t)は、
N(t) = Nr(t)/g(t)
となる。従って、前記通信路容量を最大とする送信電力S(t)は、
N(t) + S(t) = Nr(t)/g(t) + S(t) = P_const. (一定)
という条件を満たす。すなわち、
S(t) = P_const Nr(t)/g(t)
となるように制御すれば良い。但し、S(t)<0となる場合は実際の送信電力は0とする(つまり送信を停止する)。なお、P_constを大きくすれば平均送信電力および通信路容量が増加する。逆に、P_constを小さくすれば平均送信電力および通信路容量が減少する。従って、所望の通信路容量が得られる値にP_constを決定すれば良い。
【0014】
例えば、図1に示す伝搬路利得変動の下で平均送信電力を1とした場合、送信電力制御結果は図4に示すようになる。図中、太線で囲まれた部分が信号電力、細線で囲まれた部分が雑音電力である。すなわち、時刻t1, t2, t3, t4における送信電力は、それぞれ11/6, 4/3, 0, 5/6とする。平均送信電力は
(11/6 + 4/3 + 0 + 5/6)/4 = 1
となっており、また、図4の送信電力制御の結果を受信側で見たときの受信電力は図5に示すとおり、時刻t1, t2, t3, t4においてそれぞれ11/3, 4/3, 0, 5/9となる。
【0015】
一方、従来技術による電力制御では、受信電力もしくは受信品質を一定に保つため、図6に示すように雑音電力に比例した送信電力となるよう制御することとなる。すなわち時刻t1, t2, t3, t4における送信電力は、それぞれ1/3, 2/3, 2,
1となる。平均送信電力は、
(1/3 + 2/3 + 2 + 1)/4 = 1
となっており、また、図6の電力分配(送信電力制御)の結果を受信側で見たときの受信電力は図7に示すとおり、時刻t1, t2, t3, t4においてそれぞれ2/3, 2/3,
2/3, 2/3となる。
【0016】
図8に伝搬路利得の変動に対する送信電力の制御を比較する。横軸が伝搬路利得、縦軸が送信電力制御結果としての送信電力を示す。図中、丸印が本発明、菱形が従来の技術である。すなわち、従来の送信電力制御では通信路利得と送信電力は反比例の関係にあり、通信路利得が低下すると送信電力を増大させ、通信路利得が増加すると送信電力を低減しているのに対し、本発明では逆に、通信路利得が低下すると送信電力を低下させ、通信路利得が増加すると送信電力を増加させている。
【0017】
また、本発明による送信電力制御にて達成される通信路容量は
C=W(log2(1+11/3)+log2(1+4/3)+log2(1+0)+log2(1+5/9))/4=0.90W
となる。一方、従来の技術による送信電力制御にて達成される通信路容量は
C=W log2(1+2/3) = 0.707W
となる。
【0018】
これらよりここに示した例では、本発明の電力制御によれば従来の電力制御方法に比して通信路容量が1.27 (=0.90/0.707)倍に増加する。一方、従来の送信電力制御方式を用いて、前記、本発明を適用した場合の通信路容量と同一の通信路容量を達成するためには、0.90 = log2(1+0.8661)であるからS/N=0.8661が必要であり、前記従来の送信電力制御で達成されたS/N=2/3の1.30(=0.8661/(2/3))倍の平均送信電力が必要となる。従って、本発明により、同一の通信路容量を達成するための送信電力は、従来の技術を用いる場合の0.770倍に低減される。
【0019】
以上、理論的に通信路容量を最大化する送信電力制御アルゴリズムについて述べたが、厳密に上記アルゴリズムに従わなくてもほぼ同等の効果を得ることができる。すなわち、図8に示す伝搬路利得と送信電力の関係を近似する関数を用いて送信電力を行うことも可能である。この関数は全体として正の傾きを持っているものが望ましく、例えば、送信電力を伝搬路利得に比例させるような単純なものでもほぼ同様の効果を得ることができる。
【0020】
なお、前記送信電力を決定するアルゴリズム
S(t) = P_const Nr(t)/g(t)
によれば、伝搬路利得が図9に示すように時刻t0でステップ状に増加した場合、送信電力は図10(a)のようにやはりステップ状に変化する。また、制御遅延が発生した場合などには図10(b)のようにある立上り時間をもって変化する。
【0021】
図10(a), (b)の制御では、伝搬路利得が大きい基地局に近い場所に移動局が位置するときに通信路容量が大きく、逆に基地局から遠い場所に移動局が位置するときに通信路容量が小さくなる。この差がシステム設計上好ましくない場合は、例えば
P_const = C0 Ave(Nr(t))/Ave(g(t))
のように現在の通信路状況の平均的な利得と雑音電力を用いてP_constを比較的ゆっくり制御することが実際的である。ここで、C0は定数とする。これにより、基地局からの距離によらずにほぼ一定の通信路容量を得ながら通信路の短時間的な変動に対して前記電力制御が適用される。
【0022】
この場合、前記図9に示す伝搬路利得変動に対して、
図10(c), (d)に示すように、短時間的には前記図10(a), (b)と
同様な送信電力となり、その後、従来の電力制御と同様に
伝搬路利得変動を打消す送信電力に徐々に近づくような
応答を示す。
【0023】
以上の電力制御によれば、通信路容量が時間的に変動することになる。従来の電力制御では受信品質を一定化することで通信路容量を一定化していたため、通信路はAWGN(Additive White Gaussian Noise, 加法性白色雑音)に近い特性となるため、AWGN通信路に適した誤り訂正符号が適していた。これに対し、前記の電力制御では受信品質が大きくばらつくき、一部の受信データは欠落に近い状態となる。従って、比較的短い時間周期の変動に対しては、インタリーブにより受信品質のばらつきの時間相関性を排除し、更にターボ符号などの強力な誤り訂正符号を適用し、その冗長性を利用して受信品質の悪い受信データを受信品質の良い受信データで救済することが好ましい。ターボ符号に代わってLDPC(Low DensityParity Check)符号や積符号などを適用することも好ましい。より一般的には符号語を構成する多数のビットが複雑に連鎖した依存関係を持ち、復号の途中結果を用いて再度復号を行う繰返し復号の適用によって高い誤り訂正能力が得られることが知られている誤り訂正符号を適用することが好ましい。
また、ある程度の時間(例えば誤り訂正符号の符号化単位やインタリーブ単位に相当する時間)にわたって受信品質の悪い状態が続くと誤り訂正による救済はできない。従って、ある程度の時間にわたって受信品質が良く通信路容量が平均以上のときは、ビットレートを制御して高ビットレートにて通信を行い、逆に受信品質が悪く通信路容量が平均以下の時は低ビットレートにて通信を行うことが好ましい。
【0024】
また、P_constの算出に用いるAve(Nr(t)), Ave(g(t))の平均時間を略通信路符号化を行う単位に一致させることにより明示的なビットレートの制御を行わなくても平均的なビットレートを向上させることが可能となり、一定のビットレートが要求されるシステムに適する。
【0025】
以降、上記アルゴリズムを実施するためのシステム及び装置構成について説明する。
【0026】
図30に本発明のシステム構成を示す。複数の移動局3,4,5が無線を介して基地局1,2と通信を行い、基地局1,2は基地局制御局6の制御の下、前記移動局どうし、もしくは、固定網に属する通信機器と通信を確立する。
【0027】
図11に本発明の送信側無線通信機の構成、図13に本発明の受信側無線通信機の構成を示す。ここで、本発明の送信電力制御によりその送信電力が制御される無線通信機を送信側無線通信機、他方を受信側無線通信機としている。図30に示すシステム構成上、移動局、基地局のどちらの局がどちらの無線通信機であってもよく、基地局を送信側無線通信機とするなら下り信号の送信電力制御を行うことになり、逆に移動局を送信側無線通信機とするなら上り信号の送信電力制御を行うことになる。
【0028】
図11でアンテナより受信された信号は無線周波数回路101にてベースバンド帯域の信号に変換される。このベースバンド帯域の信号は、復調器102にて検波等の復調処理が施され、通信路復号化器121にて誤り訂正される。一方、前記ベースバンド帯域の信号は電力信号生成部105に入力され、前記電力制御アルゴリズムに従った送信電力制御信号を生成する。この送信電力制御信号は、第3パイロット信号生成部130で生成される第3パイロット信号、並びに誤り訂正符号化器106、インタリーバ107にて通信路符号化を受けたデータ信号と多重化器109にて多重化される。この多重化された信号は、例えば図14のような形式になる。303がデータ信号、304が電力制御信号、305が第3のパイロット信号であり、図中、横方向が時間、縦方向が符号分割に用いられる符号を表し、時間多重、符号分割多重等の多重方法で多重されている。前記、多重された信号は変調器110にて変調され、無線周波数回路101を介して無線伝搬路に送出される。
【0029】
受信側無線通信機から送出された信号は、図13に示す送信側無線通信機にて受信される。101,102,103,104の動作は受信側無線通信機と同様である。送信電力制御部111は前記電力制御信号304を抽出し、この抽出された送信電力制御信号304に従った送信電力を算出する。一方、通信路符号化器122で符号化された送信データは第2パイロット信号生成手段108にて生成される第2パイロット信号と多重化器112で多重され、送信電力可変手段113に入力される。送信電力可変手段113は前記送信電力制御部111から指定された送信電力になるよう信号振幅を可変する。送信電力可変手段113の出力は第1のパイロット信号生成手段114にて所定の電力に設定された第1のパイロット信号と多重化器115にて多重化され、図12に示すような形式の信号となる。図12において301は第1のパイロット信号、302は第2のパイロット信号、303はデータ信号である。
【0030】
図12に示すように、様々な多重形式が可能である。また、第1のパイロット信号301(P0)は前記送信電力制御部111による電力制御を受けず、所定の電力で送信される。一方、第2のパイロット信号302はデータ信号303とともに前記電力制御を受けて送信される。図12の形式に多重された信号は、変調器110で変調され、無線周波数回路101を介して無線伝搬路に送出される。
【0031】
受信側無線通信機における送信電力信号生成部105、および送信側無線通信機における送信電力生成部111は、例えばそれぞれ図15、図16のように構成される。図15の送信電力信号生成部は、第1のパイロット信号分離手段201、第2のパイロット信号分離手段205にてそれぞれ第1のパイロット信号、第2のパイロット信号を分離し、前記
S(t) = P_const Nr(t)/g(t)
において、
P_const = C0 Ave(Nr(t))/Ave(g(t))
となる送信電力に対して、現在の送信電力が大きいか小さいかを比較器211にて判定し、大きい場合に送信電力の減少、小さい場合に送信電力の増加を指示する送信電力制御信号304を生成する。従って、図16の送信電力制御部は前期送信電力制御信号304を抽出し、この送信電力制御信号に従って現在の送信電力を増減する。なお、図15において雑音電力は第2のパイロット信号から求めているが、第1のパイロット信号から求めることも可能である(点線)。
前記、誤り訂正符号化器106の構成例を図31に示す。図31はターボ符号の符号化を行うもので、入力された送信データをデータレートの情報に従って符号化を行い、符号化結果を出力する。入力された送信データは再帰的畳み込み符号器E1(231)にて畳み込み符号化され、信号Y1となる。また、前記送信データは、インタリーバ230でデータ順序を入れ替えた後、別の再帰的畳み込み符号器E2(232)にて畳み込み符号化され、信号Y2となる。その後、元の送信データX(もしくはU), Y1, Y2をパラレル−シリアル(P/S)変換器233にて一つの信号にまとめられ、符号化結果を出力する。
前記、誤り訂正復号器104の構成例を図32に示す。図32は図31のターボ符号器により符号化された信号に対応する誤り訂正復号器であり、受信信号とデータレートの情報に従って繰返し復号により誤り訂正復号を行い、復号結果U’’を出力する。入力された受信信号は、シリアル−パラレル(S/P)変換器234にて前記パラレル−シリアル(P/S)変換器233と逆の動作により、U’, Y1’, Y2’に分離される。軟判定復号器D1(235)は、分離されたU’, Y1’を用いて前記再帰的畳み込み符号器E1(231)に対応した軟判定復号処理を行う。軟判定復号器D1(235)による復号結果は、インタリーバ237を介して軟判定復号器D2(238)に入力される。一方、前記シリアル−パラレル(S/P)変換器234の出力U’をインタリーバ236にてデータ順序を入れ替え、前記軟判定復号器D2(238)に入力される。ここで、インタリーバ236, 237は図31中のインタリーバ230と同じ順序入れ替え規則に従う。軟判定復号器D2(238)は、前記シリアル−パラレル(S/P)変換器234の出力Y2’、前記インタリーバ236の出力、前記インタリーバ237の出力を用いて軟判定復号を行い、復号結果を出力する。軟判定復号器D2(238)の復号結果はデインタリーバ239に入力され、データの順序を入れ替える。デインタリーバ239は前記インタリーバ230, 236, 237と逆の動作によりデータの順序を戻すように働く。デインタリーバ239の出力は前記軟判定復号器D1(235)に入力され、再度復号処理が実施される。このように軟判定復号器D1(235), D2(238)をそれぞれ繰返し交互に通過して復号精度を向上させる。十分な回数の復号を行った後、軟判定復号器D1(235), D2(238)いずれかの復号結果を最終的な復号結果として出力する。図31, 図32はターボ符号を用いた例であるが、前述の通り、繰返し復号処理によって高い誤り訂正能力を発揮できるLDPC符号や積符号などの誤り訂正符号に対応した誤り訂正符号化器、誤り訂正復号器であっても良い。 以上の実施形態において、前述のようにある程度の時間にわたって通信路容量が平均以上のときは、ビットレートを制御して高ビットレートにて通信を行い、逆に通信路容量が平均以下の時は低ビットレートにて通信を行うことが好ましい。このためには図13の通信路符号化器122と図11の通信路復号化器121にかえて、それぞれ図17、図18に示すような通信路符号化器及び通信路復号化器を用いればよい。図17に示す通信路符号化器は、データレート指示により指定されたデータレートで符号化を行う誤り訂正符号化器106と、データレート指示により指定されたデータレートに関する情報であるデータレート情報を生成し、その情報を出力するレート情報生成部123と、誤り訂正符号化器106の出力をインタリーブ処理するインタリーブ部107と、インタリーブ部107の出力と、レート情報生成部123の出力とを多重する多重化部124とを有する。また、図18に示す通信路復号化器は、受信した信号からデータレート情報を分離するレート情報分離部125と、データレート情報が分離された残りのデータをデインタリーブするデインタリーブ部103と、分離されたデータレート情報に基づき、デインタリーブ部の出力を復号化する誤り訂正復号器104とを有する。
【0032】
送信電力制御部105は、図19に示すような構成することも可能である。図中、関数演算部214は、入力信号の増加に対して出力が増加する関数f(x)の演算を行う。これにより、伝搬路利得が平均値より増加すると、送信電力の増加を指示する送信電力制御信号を生成する。また、雑音電力が時間によらず一定であると仮定できる場合には、図20のように簡単化が可能である。
【0033】
さらに、図21に示すように、送信側無線通信機が送出する信号に第2のパイロット信号302が含まれない場合にも、例えば図22に示す構成にて規格化送信電力S(t)/P0を求め、これを送信電力制御信号とし、図23に示す送信電力制御部にてS(t)を求めることが可能である。より単純には、図22に代えて図24の構成、図23に代えて図25の構成を用いることも可能である。
【0034】
また、図26に示すように、送信側無線通信機が送出する信号に第1のパイロット信号301が含まれない場合にも、例えば図27に示す送信電力制御信号生成部と、図16に示す送信電力制御部にてS(t)を求めることが可能である。より単純には、図27に代えて図28の構成、図16に代えて図29の構成を用いることも可能である。
【0035】
以上、上述した本発明の実施例によれば、比較的短周期の伝搬路利得変動が発生した場合においても、平均送信電力の増加を防止しながら所望の受信品質を達成する送信電力制御方法を提供することができる、
また、比較的短周期の伝搬路利得変動が発生した場合においても、通信路容量を大きく保つことができる
【0036】
【発明の効果】
本発明によれば、所要の送信電力を低下させ相互干渉が低減する。また、本発明によれば通信路容量が増大し、通信可能ビットレートの向上が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】伝搬路利得の時間変動の第1の例を説明するための図である。
【図2】雑音電力の時間変化の一例を説明するための図である。
【図3】送信端での等価雑音電力の時間変化の一例を説明するための図である。
【図4】本発明による送信電力制御の第1の例を説明するための図である。
【図5】図4に示した送信電力制御を適用した場合の受信電力の時間変化を示す図である。
【図6】従来技術による送信電力制御の一例を説明するための図である。
【図7】図6に示した送信電力制御を適用した場合の受信電力の時間変化を示す図である。
【図8】本発明による送信電力制御と従来技術による送信電力制御とにおける送信電力比較
【図9】伝搬路利得変動の第2の例を説明するための図である。
【図10】本発明による送信電力制御の第2の例を説明するための図である。
【図11】本発明による受信側無線通信機の構成例を示す図である。
【図12】本発明による送信側無線通信機の送信信号多重形式の第1の例を説明するための図である。
【図13】本発明による送信側無線通信機の構成例を説明するための図である。
【図14】本発明による受信側無線通信機の送信信号多重形式の一例を示す図である。
【図15】本発明による送信電力制御信号生成部の第1の構成例を示す図である。
【図16】本発明による送信電力制御部の第1の構成例を示す図である。
【図17】本発明によるデータレート制御機能つき符号化器の構成例を示す図である。
【図18】本発明によるデータレート制御機能つき復号器の構成例を示す図である。
【図19】本発明による送信電力制御信号生成部の第2の構成例を示す図である。
【図20】本発明による送信電力制御信号生成部の第3の構成例を示す図である。
【図21】本発明による送信側無線通信機の送信信号多重形式の第2の例を示す図である。
【図22】本発明による送信電力制御信号生成部の第4の構成例を示す図である。
【図23】本発明による送信電力制御部の第2の構成例を示す図である。
【図24】本発明による送信電力制御信号生成部の第5の構成例を示す図である。
【図25】本発明による送信電力制御部の第3の構成例を示す図である。
【図26】本発明による送信側無線通信機の送信信号多重形式の第3の例を示す図である。
【図27】本発明による送信電力制御信号生成部の第6の構成例を示す図である。
【図28】本発明による送信電力制御信号生成部の第7の構成例を示す図である。
【図29】本発明による送信電力制御部の第4の構成例を示す図である。
【図30】本発明の通信システムの構成例を説明するための図である。
【図31】本発明による送信側無線機の誤り訂正符号化器の構成例を示す図である。
【図32】本発明による受信側無線機の誤り訂正復号器の構成例を示す図である。
【符号の説明】
1,2 基地局
3,4,5 移動局
6 基地局制御局
7 固定網
101 無線周波数回路
102 復調器
103 デインタリーバ
104 誤り訂正復号器
121 通信路復号化器
105 送信電力制御信号生成部
106 誤り訂正符号化器
107 インタリーバ
109, 112, 115, 124 信号多重器
110 変調器
111 送信電力制御部
122 通信路符号化器
108 第2パイロット信号生成部
113 送信電力可変手段
114 第1パイロット信号生成部
130 第3パイロット信号生成部
301 第1パイロット信号
302 第2パイロット信号
303 データ信号
304 電力制御信号
305 第3パイロット信号
201 第1パイロット信号分離手段
202, 210 信号電力測定手段
203, 207, 223 信号平均手段
204, 212, 216, 217, 228 除算器
205 第2パイロット信号分離手段
206 雑音電力測定手段
208, 213, 215, 218, 222, 224, 226 乗算器
209, 219, 225 加算器
211 比較手段
220 電力制御信号分離手段
221 送信電力算出手段
123 データレート情報生成手段
125 データレート情報分離手段
214 関数演算手段
227 信号遅延手段
230, 236 インタリーバ
231, 232 再帰的畳み込み符号器
233 パラレル−シリアル(P/S)変換器
234 シリアル−パラレル(S/P)変換器
235, 238 軟判定復号器
239 デインタリーバ。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for controlling wireless transmission power of a wireless communication system, and is particularly suitably applied to a mobile communication system.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art In a wireless communication system, a technique for controlling transmission power of a wireless communication device to obtain a desired reception quality is known. For example, in USP 5,267,262, in a CDMA mobile communication system, a base station measures the signal reception power from a terminal, and if the signal reception power is smaller than a desired value, an instruction to increase the transmission power is given. There is disclosed a technique for transmitting to a mobile station and controlling the transmission power in accordance with the transmission power control instruction, thereby keeping the reception power at the base station substantially constant.
[0003]
In USP 5,559,790, a mobile station measures the reception quality of a pilot signal transmitted by a base station at a known power, and based on the measurement result, when the reception quality is poor, the reception quality is lower than when the reception quality is good. Transmitting a transmission power control signal requesting a large transmission power to the base station, and the base station controls the transmission power of the signal directed to the mobile station based on the transmission power control signal, so that the base station in the mobile station transmits There is disclosed a technique for keeping the signal reception quality substantially constant.
[0004]
All of these techniques aim at controlling the received power and quality on the receiving side to be constant. That is, in the transmission power control method according to the above-described conventional technology, the reception quality is made constant, and the deterioration of the reception quality due to the gain fluctuation of the propagation path and the interference in the system due to the unnecessarily excessive transmission power are prevented. .
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, if there is fading, which is a relatively short-period channel gain variation that occurs with the movement of the mobile station, using the conventional technique, when the channel gain decreases instantaneously, a very large transmission It becomes power and the average transmission power increases. The increase in the average transmission power increases the mutual interference given to the entire system, and lowers the communication throughput of the entire system. In a terminal, an increase in average transmission power increases power consumption and shortens a communicable time.
[0006]
If the average transmission power is not increased, the average reception power decreases, and the reception quality (SN ratio, SNR) deteriorates with the reduction in the communication channel capacity. That is, the maximum communicable data rate is reduced.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In one aspect of the present invention, control is performed such that the transmission power is increased when the channel gain is increased, and the transmission power is decreased when the channel gain is decreased. Variations in the quality of received data and loss of received data caused by lowering the transmission power when the channel gain is small are relieved by a strong error correction code such as a turbo code.
[0008]
Other aspects of the present invention will be clarified in the embodiments of the present invention.
[0009]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
First, the power control algorithm of the present invention will be described.
[0010]
Now, consider the case where the channel gain fluctuates as shown in FIG. That is, consider a propagation path in which the gains at times t1, t2, t3, and t4 are 2, 1, 1/3, and 2/3, respectively, and the average gain is 1. Assuming that a constant noise is added at
[0011]
On the other hand, it is known that the capacity C of the communication path is theoretically C = W log2 (1 + S / N). Here, C is the number of bits that can be transmitted per second, W is the frequency bandwidth, S is the signal power, N is the noise power, and log2 (x) is the logarithm of x with a base of 2. Therefore, the communication channel capacity in the time-varying propagation path is C = Ave (W log2 (1 + S (t) / N, where S (t) is the signal power at time t and N (t) is the noise power). (T))). Here, Ave (x) represents the time average of x. Therefore, when S (t) is temporally changed by power control, the communication channel capacity changes. In the present invention, the transmission power is controlled so as to increase the channel capacity as much as possible. Specifically, the following is performed.
[0012]
Now, consider S (t) that maximizes the channel capacity C when the average transmission power, that is, the time average Ave (S (t)) of S (t) is constant. Since Ave (S (t)) is constant, if the transmission power at one time is increased, the transmission power at another time must be decreased. Here, the rate of increase of C with respect to a small increase of S is dC / dS = W / log (2) / (N + S) according to the definition formula of the communication channel capacity. Distributing the transmission power to the location where N + S is the smallest increases the channel capacity. As described above, when the transmission power is sequentially distributed to the place where N + S is the smallest, N + S is constant when all the power is finally distributed, and in a time zone where N is larger than the achieved S + N. S is not distributed at all, and this state has the largest channel capacity.
[0013]
Here, assuming that the noise power received by the receiver is a function of time Nr (t) and the channel gain is a function of time g (t), the equivalent noise power N (t) seen on the transmitting side is
N (t) = Nr (t) / g (t)
It becomes. Therefore, the transmission power S (t) that maximizes the channel capacity is:
N (t) + S (t) = Nr (t) / g (t) + S (t) = P_const. (Constant)
The condition is satisfied. That is,
S (t) = P_const Nr (t) / g (t)
What is necessary is just to control so that it may become. However, when S (t) <0, the actual transmission power is set to 0 (that is, transmission is stopped). Note that, if P_const is increased, the average transmission power and the channel capacity increase. Conversely, if P_const is reduced, the average transmission power and the channel capacity decrease. Therefore, P_const may be determined to a value that can obtain a desired communication channel capacity.
[0014]
For example, when the average transmission power is set to 1 under the channel gain variation shown in FIG. 1, the transmission power control result is as shown in FIG. In the figure, a portion surrounded by a thick line is signal power, and a portion surrounded by a thin line is noise power. That is, the transmission powers at times t1, t2, t3, and t4 are 11/6, 4/3, 0, and 5/6, respectively. The average transmit power is
(11/6 + 4/3 + 0 + 5/6) / 4 = 1
As shown in FIG. 5, the reception power when the result of the transmission power control of FIG. 4 is viewed on the reception side is 11/3, 4/3, and 3/3 at times t1, t2, t3, and t4, respectively. 0, 5/9.
[0015]
On the other hand, in the power control according to the related art, in order to keep the reception power or reception quality constant, control is performed so that the transmission power is proportional to the noise power as shown in FIG. That is, the transmission powers at times t1, t2, t3, and t4 are 1/3, 2/3, 2,
It becomes 1. The average transmit power is
(1/3 + 2/3 + 2 + 1) / 4 = 1
As shown in FIG. 7, the reception power when the result of the power distribution (transmission power control) in FIG. 6 is viewed on the receiving side is 2/3 at times t1, t2, t3, and t4, respectively. 2/3,
2/3, 2/3.
[0016]
FIG. 8 compares the control of the transmission power with respect to the fluctuation of the channel gain. The horizontal axis indicates the channel gain, and the vertical axis indicates the transmission power as a result of the transmission power control. In the figure, circles indicate the present invention, and diamonds indicate the conventional technology. That is, in the conventional transmission power control, the channel gain and the transmission power are in an inverse relationship, and the transmission power increases when the channel gain decreases, and the transmission power decreases when the channel gain increases. On the contrary, in the present invention, when the channel gain decreases, the transmission power decreases, and when the channel gain increases, the transmission power increases.
[0017]
The channel capacity achieved by the transmission power control according to the present invention is
C = W (log2 (1 + 1/3) + log2 (1 + 4/3) + log2 (1 + 0) + log2 (1 + 5/9)) / 4 = 0.90W
It becomes. On the other hand, the channel capacity achieved by the transmission power control according to the related art is
C = W log2 (1 + 2/3) = 0.707 W
It becomes.
[0018]
Thus, in the example shown here, according to the power control of the present invention, the channel capacity is increased by a factor of 1.27 (= 0.90 / 0.707) as compared with the conventional power control method. On the other hand, in order to achieve the same channel capacity as the channel capacity when the present invention is applied using the conventional transmission power control method, 0.90 = log2 (1 + 0.8661). S / N = 0.8661 is required, and the average transmission power is 1.30 (= 0.8661 / (2/3)) times S / N = 2/3 achieved by the conventional transmission power control. Is required. Therefore, according to the present invention, the transmission power for achieving the same channel capacity is reduced by a factor of 0.770 as compared with the case of using the conventional technique.
[0019]
Although the transmission power control algorithm that theoretically maximizes the channel capacity has been described above, substantially the same effect can be obtained without strictly following the above algorithm. That is, it is possible to perform transmission power using a function that approximates the relationship between the propagation path gain and transmission power shown in FIG. This function desirably has a positive slope as a whole. For example, even a simple function that makes the transmission power proportional to the propagation path gain can obtain substantially the same effect.
[0020]
Note that an algorithm for determining the transmission power
S (t) = P_const Nr (t) / g (t)
According to the above, when the channel gain increases stepwise at time t0 as shown in FIG. 9, the transmission power also changes stepwise as shown in FIG. Also, when a control delay occurs, it changes with a certain rise time as shown in FIG.
[0021]
In the control of FIGS. 10A and 10B, when the mobile station is located near the base station having a large channel gain, the communication channel capacity is large, and conversely, the mobile station is located far from the base station. Sometimes the communication path capacity becomes small. If this difference is not desirable in the system design, for example,
P_const = C0 Ave (Nr (t)) / Ave (g (t))
It is practical to control P_const relatively slowly using the average gain and noise power of the current channel condition as shown in FIG. Here, C0 is a constant. This allows the power control to be applied to short-term fluctuations in the communication path while obtaining a substantially constant communication path capacity regardless of the distance from the base station.
[0022]
In this case, with respect to the channel gain variation shown in FIG.
As shown in FIGS. 10 (c) and 10 (d), in a short time,
It becomes the same transmission power, and then, as with the conventional power control
As gradually approaching the transmission power that cancels the channel gain fluctuation
Indicates a response.
[0023]
According to the above power control, the communication path capacity fluctuates with time. In the conventional power control, the communication path capacity is made constant by making the reception quality constant. Therefore, the communication path has characteristics close to AWGN (Additive White Gaussian Noise, additive white noise), and thus is suitable for the AWGN communication path. Error correcting codes were suitable. On the other hand, in the power control described above, the reception quality varies greatly, and some of the received data is in a state close to missing. Therefore, for relatively short time period fluctuations, the time correlation of the reception quality variation is eliminated by interleaving, and a strong error correction code such as a turbo code is applied. It is preferable that received data of poor quality be remedied by received data of good reception quality. It is also preferable to apply an LDPC (Low Density Parity Check) code or a product code instead of the turbo code. More generally, it is known that a high error correction capability can be obtained by applying iterative decoding in which a large number of bits constituting a code word have a complicated chained dependency and perform decoding again using an intermediate result of decoding. It is preferable to apply the error correction code.
Further, if the state of poor reception quality continues for a certain period of time (for example, a time corresponding to a unit of coding of an error correction code or a unit of interleaving), it cannot be remedied by error correction. Therefore, when the reception quality is good for a certain period of time and the communication channel capacity is above the average, communication is performed at a high bit rate by controlling the bit rate. Conversely, when the reception quality is bad and the communication channel capacity is below the average, It is preferable to perform communication at a low bit rate.
[0024]
Also, by making the average time of Ave (Nr (t)) and Ave (g (t)) used for the calculation of P_const substantially coincide with the unit for performing channel coding, explicit bit rate control is not performed. Can improve the average bit rate, which is suitable for a system requiring a constant bit rate.
[0025]
Hereinafter, a system and a device configuration for implementing the above algorithm will be described.
[0026]
FIG. 30 shows the system configuration of the present invention. A plurality of
[0027]
FIG. 11 shows the configuration of the transmitting wireless communication device of the present invention, and FIG. 13 shows the configuration of the receiving wireless communication device of the present invention. Here, the wireless communication device whose transmission power is controlled by the transmission power control of the present invention is defined as a transmitting wireless communication device, and the other wireless communication device is defined as a receiving wireless communication device. In the system configuration shown in FIG. 30, which of the mobile station and the base station may be either wireless communication device, if the base station is the transmitting wireless communication device, the transmission power control of the downlink signal is performed. On the other hand, if the mobile station is used as the transmitting wireless communication device, the transmission power of the uplink signal is controlled.
[0028]
In FIG. 11, the signal received from the antenna is converted by the
[0029]
The signal transmitted from the receiving wireless communication device is received by the transmitting wireless communication device shown in FIG. The operations of 101, 102, 103, and 104 are the same as those of the receiving wireless communication device. The transmission
[0030]
As shown in FIG. 12, various multiplexing formats are possible. Further, the first pilot signal 301 (P0) is transmitted at a predetermined power without being subjected to power control by the transmission
[0031]
The transmission power
S (t) = P_const Nr (t) / g (t)
At
P_const = C0 Ave (Nr (t)) / Ave (g (t))
The
FIG. 31 shows a configuration example of the
FIG. 32 shows a configuration example of the
[0032]
The transmission
[0033]
Further, as shown in FIG. 21, even when the
[0034]
Further, as shown in FIG. 26, even when the
[0035]
As described above, according to the above-described embodiment of the present invention, a transmission power control method for achieving a desired reception quality while preventing an increase in average transmission power even when a relatively short-period channel gain fluctuation occurs. Can be provided,
Also, even when a relatively short-period channel gain variation occurs, the channel capacity can be kept large.
[0036]
【The invention's effect】
According to the present invention, required transmission power is reduced and mutual interference is reduced. Further, according to the present invention, the communication channel capacity increases, and the communicable bit rate can be improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram for describing a first example of a time variation of a channel gain.
FIG. 2 is a diagram illustrating an example of a temporal change in noise power.
FIG. 3 is a diagram for explaining an example of a temporal change in equivalent noise power at a transmitting end.
FIG. 4 is a diagram illustrating a first example of transmission power control according to the present invention.
FIG. 5 is a diagram showing a change over time in received power when the transmission power control shown in FIG. 4 is applied.
FIG. 6 is a diagram for explaining an example of transmission power control according to the related art.
FIG. 7 is a diagram showing a change over time of received power when the transmission power control shown in FIG. 6 is applied.
FIG. 8 is a comparison of transmission power between transmission power control according to the present invention and transmission power control according to the prior art.
FIG. 9 is a diagram for explaining a second example of the propagation path gain variation.
FIG. 10 is a diagram for explaining a second example of transmission power control according to the present invention.
FIG. 11 is a diagram showing a configuration example of a receiving-side wireless communication device according to the present invention.
FIG. 12 is a diagram for explaining a first example of a transmission signal multiplexing format of a transmission-side wireless communication device according to the present invention.
FIG. 13 is a diagram illustrating a configuration example of a transmission-side wireless communication device according to the present invention.
FIG. 14 is a diagram illustrating an example of a transmission signal multiplexing format of the receiving-side wireless communication device according to the present invention.
FIG. 15 is a diagram illustrating a first configuration example of a transmission power control signal generation unit according to the present invention.
FIG. 16 is a diagram illustrating a first configuration example of a transmission power control unit according to the present invention.
FIG. 17 is a diagram illustrating a configuration example of an encoder with a data rate control function according to the present invention.
FIG. 18 is a diagram showing a configuration example of a decoder with a data rate control function according to the present invention.
FIG. 19 is a diagram illustrating a second configuration example of the transmission power control signal generation unit according to the present invention.
FIG. 20 is a diagram illustrating a third configuration example of the transmission power control signal generation unit according to the present invention.
FIG. 21 is a diagram illustrating a second example of the transmission signal multiplexing format of the transmission-side wireless communication device according to the present invention.
FIG. 22 is a diagram illustrating a fourth configuration example of the transmission power control signal generation unit according to the present invention.
FIG. 23 is a diagram illustrating a second configuration example of the transmission power control unit according to the present invention.
FIG. 24 is a diagram illustrating a fifth configuration example of the transmission power control signal generation unit according to the present invention.
FIG. 25 is a diagram illustrating a third configuration example of the transmission power control unit according to the present invention.
FIG. 26 is a diagram illustrating a third example of the transmission signal multiplexing format of the transmission-side wireless communication device according to the present invention.
FIG. 27 is a diagram illustrating a sixth configuration example of the transmission power control signal generation unit according to the present invention.
FIG. 28 is a diagram illustrating a seventh configuration example of the transmission power control signal generation unit according to the present invention.
FIG. 29 is a diagram illustrating a fourth configuration example of the transmission power control unit according to the present invention.
FIG. 30 is a diagram illustrating a configuration example of a communication system according to the present invention.
FIG. 31 is a diagram illustrating a configuration example of an error correction encoder of a transmission-side wireless device according to the present invention.
FIG. 32 is a diagram illustrating a configuration example of an error correction decoder of a reception-side wireless device according to the present invention.
[Explanation of symbols]
1, 2 base stations
3,4,5 mobile station
6 base station control stations
7 Fixed net
101 Radio frequency circuit
102 demodulator
103 Deinterleaver
104 error correction decoder
121 channel decoder
105 transmission power control signal generator
106 error correction encoder
107 Interleaver
109, 112, 115, 124 signal multiplexer
110 modulator
111 transmission power control unit
122 channel encoder
108 second pilot signal generator
113 Transmission power variable means
114 first pilot signal generator
130 third pilot signal generator
301 first pilot signal
302 Second pilot signal
303 data signal
304 power control signal
305 Third pilot signal
201 first pilot signal separating means
202, 210 signal power measuring means
203, 207, 223 Signal averaging means
204, 212, 216, 217, 228 Divider
205 Second pilot signal separating means
206 noise power measuring means
208, 213, 215, 218, 222, 224, 226 Multiplier
209, 219, 225 Adder
211 means of comparison
220 Power control signal separation means
221 Transmission power calculation means
123 Data Rate Information Generation Means
125 Data rate information separating means
214 Function operation means
227 Signal delay means
230, 236 interleaver
231 and 232 recursive convolutional encoder
233 parallel-serial (P / S) converter
234 Serial-parallel (S / P) converter
235,238 Soft Decision Decoder
239 Deinterleaver.
Claims (10)
送信側無線通信機において送信データを誤り訂正符号化して送信し、
無線通信機間の伝搬路利得が大きくなったときに、送信側無線通信機の送信電力を増加させ、
前記伝搬路利得が小さくなったときに送信電力を減少させ、
受信側無線通信機において受信信号に対して繰返し復号を適用することで受信誤りを訂正する無線通信方法。A communication method of a wireless communication device,
The transmission-side wireless communication device performs error correction encoding of transmission data and transmits the data,
When the channel gain between the wireless communication devices is increased, the transmission power of the transmitting wireless communication device is increased,
Reduce the transmission power when the channel gain is reduced,
A wireless communication method for correcting a reception error by applying iterative decoding to a received signal in a receiving wireless communication device.
前記受信側無線通信機から、前記伝搬路利得が大きくなったときに、送信電力の増加を指示する制御情報を受信し、前記伝搬路利得が小さくなったときに送信電力の減少を指示する制御情報を受信する。The wireless communication method according to claim 1, wherein
From the receiving side wireless communication device, when the propagation path gain is increased, control information for instructing an increase in transmission power is received, and when the propagation path gain is decreased, control information for instructing a decrease in transmission power is received. Receive information.
前記伝搬路利得が大きくなったときにデータレートを高く設定し、
前記伝搬路利得が小さくなったときに、データレートを低く設定する。The wireless communication method according to claim 1 or 2,
Set the data rate high when the propagation path gain is large,
When the channel gain is reduced, the data rate is set low.
受信側無線通信機で測定した伝搬路利得が所定の値より大きくなったときに、送信電力の増加を指示する制御情報を受信し、
前記制御情報に基づき送信電力を増加させる。A wireless communication method of a wireless communication device,
When the propagation path gain measured by the receiving wireless communication device becomes larger than a predetermined value, receiving control information instructing an increase in transmission power,
The transmission power is increased based on the control information.
前記第1の無線通信機において、伝搬路利得を測定し、
前記伝搬路利得に基づき生成した制御情報を前記第1の無線通信機から前記第2の無線通信機に送信し、
前記第2の無線通信機において繰返し復号が有効な誤り訂正符号化を行った送信データの送信に当って、前記制御情報に基づき、前記伝搬路利得が大きくなったときに、送信電力を増加させ、伝搬路利得が小さくなったときに送信電力を減少させる。A wireless communication method in a wireless communication system having a first wireless communication device and a second wireless communication device,
In the first wireless communication device, a propagation path gain is measured,
Transmitting control information generated based on the propagation path gain from the first wireless communication device to the second wireless communication device,
In transmitting the transmission data subjected to the error correction coding for which iterative decoding is effective in the second wireless communication device, based on the control information, when the propagation path gain is increased, the transmission power is increased. When the channel gain is reduced, the transmission power is reduced.
前記第2の無線通信機において、前記伝搬路利得が大きくなったときにデータレートを高く設定し、前記伝搬路利得が小さくなったときに、データレートを低く設定する。The wireless communication method according to claim 5, wherein
In the second wireless communication device, the data rate is set high when the channel gain is increased, and the data rate is set low when the channel gain is reduced.
第1の無線通信機と、
第2の無線通信機と有し、
前記第1の無線通信機は、
伝搬路利得を測定する手段と、
測定した伝搬路利得を用いて送信電力制御情報を生成する送信電力性情報生成部と、
前記送信電力制御情報を送信する手段と、
繰返し復号によって誤り訂正復号を行う手段とを有し、
前記第2の無線通信機は、
誤り訂正符号化を行う手段と、
前記第1の無線通信機より受信した前記送信電力情報に基づき、送信電力を制御する送信電力制御部とを有し、
前記送信電力制御部は、前記伝搬路利得が大きくなったときに送信電力を増加させ、前記伝搬路利得が小さくなったときに送信電力減少させる。A wireless communication system,
A first wireless communication device;
Having a second wireless communication device,
The first wireless communication device includes:
Means for measuring the channel gain;
A transmission power information generation unit that generates transmission power control information using the measured channel gain,
Means for transmitting the transmission power control information,
Means for performing error correction decoding by iterative decoding,
The second wireless communication device includes:
Means for performing error correction encoding;
A transmission power control unit that controls transmission power based on the transmission power information received from the first wireless communication device,
The transmission power control unit increases transmission power when the channel gain increases, and decreases transmission power when the channel gain decreases.
前記第2の無線通信機は、前記伝搬路利得が大きくなったときにデータレートを高く設定し、伝搬路利得が小さくなったときに、データレートを低く設定する符号器を有する。The wireless communication system according to claim 7, wherein
The second wireless communication device has an encoder that sets a high data rate when the channel gain increases and sets a low data rate when the channel gain decreases.
前記第2の無線通信器は、前記符号器で設定したデータレートに関する情報を、送信データに多重して送信する多重化部を有し、
前記第1の無線通信機は、受信データに多重されている前記データレートに関する情報を分離する分離化部と、
前記分離したデータレートに関する情報に基づき受信データの復号を行う復号器とを有する。The wireless communication system according to claim 8, wherein:
The second wireless communication device has a multiplexing unit that multiplexes information on a data rate set by the encoder with transmission data and transmits the multiplexed transmission data,
A first demultiplexing unit that demultiplexes information on the data rate multiplexed on received data;
A decoder for decoding received data based on the information on the separated data rate.
他の無線通信機から受信した信号の受信電力を測定することにより、伝搬路利得を求める手段と、
前記伝搬路利得が所定の値より大きくなったときに、送信電力の増加を指示する制御情報を前記他の無線通信機器に送信する手段と、
繰返し復号により誤り訂正復号を行う手段を有する。A wireless communication device,
Means for determining the channel gain by measuring the received power of the signal received from another wireless communication device,
When the propagation path gain is greater than a predetermined value, a means for transmitting control information instructing an increase in transmission power to the other wireless communication device,
It has means for performing error correction decoding by iterative decoding.
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