JP2005086409A

JP2005086409A - 適応変調装置およびその変調方式切換タイミング決定方法。

Info

Publication number: JP2005086409A
Application number: JP2003315299A
Authority: JP
Inventors: Satoshi Konishi; 聡小西; Katsuhiro Asano; 勝洋浅野
Original assignee: Hitachi Kokusai Electric Inc; KDDI R&D Laboratories Inc
Current assignee: Hitachi Kokusai Electric Inc; KDDI Research Inc
Priority date: 2003-09-08
Filing date: 2003-09-08
Publication date: 2005-03-31
Anticipated expiration: 2023-09-08
Also published as: JP4338079B2

Abstract

【課題】上位レイヤのスループットを指標にして変調方式を切り換える適応変調装置およびその変調方式切換タイミング決定方法を提供する。
【解決手段】レイヤ１における回線品質と変調方式の切換タイミングとの関係を記憶した切換タイミング記憶部１１３と、レイヤ１における回線品質を判定する回線品質判定部１０６と、前記回線品質に基づいて切換タイミング記憶部１１を参照し、回線品質に適合した変調方法を選択する変調方式選択部１０７とを含み、前記各切換タイミングの回線品質に対応したビット誤り率が一定値ではないことを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、情報伝送速度の異なる複数の変調方式の一つを、無線リンクの回線品質に応じて選択する適応変調装置およびその変調方式切換タイミング決定方法に係り、特に、レイヤ２のスループットを指標にして変調方式を切り換える適応変調装置およびその変調方式切換タイミング決定方法に関する。

移動通信システムにおいて用いられる変調方式には、QPSK（Quadrature Phase Shift Keying）やBPSK（Binary Phase Shift Keying）といった位相偏移変調方式や、64QAM（64-positions Quadrature Amplitude Modulation）や16QAM（16-positionsQuadrature Amplitude Modulation）といった直交振幅変調方式などがある。これらの変調方式は、システム毎に固有的に設定される場合もあれば、複数の変調方式が適応的に用いられる場合もある。

適応変調方式においては、回線品質が良好な場合には変調多値数がより多い変調方式が選択されて送信情報量を増やし、回線品質が悪い場合には、雑音の影響を軽減するために変調多値数の少ない変調方式が選択される。これにより回線の不稼働率が改善されてトラヒックの疎通状況（スループット）が向上する。

このような適応変調に関する先行技術として、特許文献１には、受信波の電力（信号レベル）測定結果が固定的に定められた閾値を上回っているか否かに基づいて変調方式を判定する技術が開示されている。特許文献２、特許文献３および特許文献４には、規定のビット誤り率（BER）以下で、なるべく速い情報通信速度を有する変調方式を選択する技術が開示されている。
特開２００２−３６８８２９号公報特開平０９−２００２８２号公報特開平１０−４１８７６号公報特開平１１−３３１２９６号公報

受信波の電力値（受信電力）には、所望波の信号と雑音の電力だけではなく、干渉波の電力も含まれる。したがって、受信電力値では回線品質を正確に代表することが難しい。

一方、BERは回線品質を正確に代表する指標であるが、上記した従来技術はいずれも、物理層（レイヤ１）での伝送状態に基づいて変調方式を選択する技術であり、上位層でのスループットが考慮されていない。しかしながら、レイヤ１で評価の高い変調方式がレイヤ２でも高い評価を得られるとは限らない。そして、最終的なスループットは上位層での伝送状態に依存するので、より上位層での伝送状態に基づいて変調方式を決定することが望ましい。

本発明の目的は、上記した従来技術の課題を解決し、上位レイヤのスループットを指標にして変調方式を切り換える適応変調装置およびその変調方式切換タイミング決定方法を提供することにある。

上記した目的を達成するために、本発明は、複数の変調方式の一つを、無線伝送路の回線品質に応じて選択する適応変調装置、および変調方式の切換タイミングを決定する変調方式切換タイミング決定方法において、以下のような手段を講じた点に特徴がある。

(1)本発明の適応変調装置は、レイヤ１における回線品質と変調方式の切換タイミングとの関係を記憶した切換タイミング記憶手段と、レイヤ１における回線品質を検知する回線品質検知手段と、前記検知された回線品質に基づいて前記切換タイミング記憶手段を参照し、前記検知された回線品質に適合した変調方法を選択する選択手段とを含み、前記各切換タイミングの回線品質に対応したビット誤り率が一定値ではないことを特徴とする。

(2)本発明の変調方式切換タイミング決定方法は、レイヤ１での回線品質とビット誤り率との関係、前記ビット誤り率とレイヤ２でのフレーム誤り率との関係、および前記フレーム誤り率と各変調方式の情報伝送速度とレイヤ２のスループットとの関係に基づいて、前記レイヤ１の回線品質とレイヤ２のスループットとの対応関係を変調方式ごとに求める手順と、前記対応関係に基づいて、スループットが最高値を示す変調方式が一の変調方式から他の一の変調方式に切り替わるときの回線品質を、当該一の変調方式と他の一の変調方式との切換タイミングに設定する手順とを含むことを特徴とする。

(3)本発明の変調方式切換タイミング決定方法は、TCPのMTU、往復遅延時間およびパケット損失率の関数として求まるTCPスループットが支配的となる回線品質の範囲内において、レイヤ１での回線品質とビット誤り率との関係、前記ビット誤り率とレイヤ４でのパケット損失率と各変調方式の情報伝送速度との関係に基づいて、前記レイヤ１の回線品質とレイヤ４のTCPスループットとの対応関係を変調方式ごとに求める手順と、前記対応関係に基づいて、スループットが最高値を示す変調方式が一の変調方式から他の一の変調方式に切り替わるときの回線品質を、当該一の変調方式と他の一の変調方式との切換タイミングに設定する手順とを含むことを特徴とする。

本発明によれば、レイヤ１よりも上位のレイヤでのスループットが最大となるように変調方式を切り換えることができるので、回線の不稼働率が改善されてトラヒックのスループットが向上する。

以下、図面を参照して本発明の好ましい実施の形態について詳細に説明する。図１、２は、本発明に係る適応変調装置を含む無線ノードの構成を示したブロック図である。

図１は、伝搬路が非対称であって送信と受信とで伝搬路の特性が異なる場合に有効な構成であり、自ノードから送信した電波を受信した対向ノードが電波の回線品質を推定し、推定結果を制御チャネルを通じて自ノードに通知する。このような構成は、送信と受信とで使用周波数が異なる周波数分割複信方式（FDD）や、干渉波の存在が想定される場合に有効である。なお、図 1の構成は伝搬路が対称の場合にも適用できる。

図２は伝搬路が対称である場合に有効な構成であり、対向ノードから送信された電波に基づいて推定される回線品質が自ノードから対向ノードへ送信する電波にも適用できるものと判断する。このような構成は、送信と受信とで使用周波数帯が同一の時分割複信方式（TDD）において、干渉波が存在しない場合に有効であり、図１に較べて回路規模を小さくできる効果がある。以下、図２の構成を例にして本実施形態を説明する。

受信部１０１は、対向ノードから送信された電波（無線フレーム）を受信する。復調部１０２は、受信された無線フレームの制御チャネル部を変調して制御チャネル情報取得部１０３へ出力する。適応復調部１０４は、前記制御チャネル部に登録されている変調方式を採用して無線フレームの情報データ部を復調し、無線フレーム交換部１０５へ出力する。無線フレーム交換部１０５は、無線フレームを有線区間用の情報データに変換する。

回線品質推定部１０６は、無線フレームの受信結果に基づいて回線品質を推定する。本実施形態では、前記受信部１０１で観測される等化誤差電力から推定される搬送波電力対雑音電力比（CNR）で回線品質が推定される。切換タイミング記憶部１１３には、後に詳述するように、変調方式の切換タイミングが前記回線品質をパラメータとして登録されている。変調方式選択部１０７は、前記推定された回線品質に基づいて変調方式を選択する。

無線フレーム変換部１０８は、有線区間から提供される情報データを無線区間用の無線フレームに変換する。適用変調部１０９は、前記変調方式選択部１０７で選択された変調方式を採用して前記無線フレームの情報データ部を変調する。変調部１１１は、制御チャネル情報生成部１１０で生成された制御チャネル情報を変調する。送信部１１２は、前記変調されたデータを無線信号に変換して送信する。

次いで、前記切換タイミング記憶部１１３に記憶されている、回線品質と変調方式の切換タイミングとの関係、ならびに前記変調方式選択部１０７による変調方式の選択方法について、回線品質をCNRの推定値で代表する場合を例にして説明する。

図３は、前記回線品質推定部１０６で推定されるCNRとビット誤り率（BER）との関係を、５種類の変調方式QPSK，16QAM，64QAM，256QAM，1024QAMごとに示した例である。従来技術では変調方式の切換タイミングを、ビット誤り率が所定の固定閾値（図３の一例では、1.0E-6）以下に維持されるように、推定されたCNRに基づいて設定されていた。すなわち、CNRが３８dBを下回るまでは1024QAMを採用し、CNRが３８．５dB〜３２．５dBの範囲では256QAMを採用し、CNRが３２．５dB〜２７．０dBの範囲では64QAMを採用していた。

これに対して、本実施形態ではレイヤ２におけるフレーム誤り率（FER）がビット誤り率（BER）の関数であること、フレーム誤り率がCNRの関数と成り得ることに着目し、レイヤ２でのスループットが最大になるように、CNRの推定結果に基づいて変調方式を切り換えるようにした。

FCS（フレーム・チェック・シーケンス）を用いた誤り検出の対象となるデータ長をＬ（byte）とし、ビット誤り率をP_BER とすれば、FCSブロック単位でのフレーム誤り率P_FERは次式(1)で表される。

P_FER ＝１−（１−P_BER）^8L …(1)

また、情報伝送速度がR_Mである変調方式Mのレイヤ２におけるスループットTMは次式(2)で表される。

TM =(1−P_BLER）R_M …(2)

そして、レイヤ１における変調方式ごとのCNRとビット誤り率（BER）との関係が図３の通りであることから、これらに基づいて、レイヤ２におけるスループットTMとCNRとの関係を変調方式ごとに評価すると、図４の関係が得られる。ただし、ここではデータ長Ｌ＝１５００Byteであり、各変調方式QPSK, 16QAM，64QAM，256QAM，1024QAMの情報伝送速度を、それぞれ６．４Mbps，１９．１Mbps，３１．８Mbps，４４．５Mbps，５７．３Mbpsとしている。

図５は、以上のようにして各CNRにおいて最適な変調方式を選択した場合のスループットTMの変化を示した図であり、CNRが約３７dB以上であれば変調方式として1024QAMを選択し、CNRが約３１〜３７dBであれば256QAMを選択し、CNRが約２５〜３１dBであれば64QAMを選択し、CNRが約１８〜２５dBであれば16QAMを選択し、CNRが約１８未満であればQPSKを選択したときに、スループットが最大値を示すことが示唆されている。

一方、従来技術のように、レイヤ２におけるスループットを意識することなく、ビット誤り率（BER）の閾値を1.0E-6に固定して変調方式を切り換えた場合、レイヤ２におけるスループットTMとCNRとの関係は図６の通りになる。ここでは、CNRが約３８．５以上であれば変調方式として1024QAMを選択し、CNRが約３２．５〜３８．５dBであれば256QAMを選択し、CNRが約２７〜３２．５dBであれば64QAMを選択し、CNRが約２０．５〜２７dBであれば16QAMを選択し、CNRが約２０．５未満であればQPSKを選択したときに、スループットが最大値を示すことが示唆されている。

図５と図６とを比較するために両者を重ね合わせると図７となり、1024QAMから256QAMへの切換閾値、256QAMから64QAMへの切換閾値、64QAMから16QAMへの切換閾値、16QAMからQPSKへの切換閾値を、本実施形態のように、それぞれ３７dB、３１dB、２５dB、１８dBにした場合と、従来技術のように、それぞれ３８．５dB、３２．５dB、２７dB、２０．５dBにした場合とを比較すると、スループットTMに最大で１２〜１３Mbpsの差ΔTMが生じる。ちなみに、CNRが１０〜４０dBまで一様に発生すると仮定した場合のスループットの期待値でも、２．２Mbpsの差が生じる。

本実施形態によれば、レイヤ２におけるスループットが最大となるように変調方式を切り換えることができるので、回線の不稼働率が改善されてトラヒックのスループットが向上する。

なお、上記した実施形態ではレイヤ２のスループットに着目したが、さらに上位のレイヤ４においてTCPのスループットに着目し、変調方式の切換タイミングを設定することも可能である。

パケット損失が存在する場合のTCPスループットの上限値Vは次式(3)で近似できる（S. Floyd, “Connections with Multiple Congested Gateways in Packet-Switched Networks Part 1: One-way Traffic,” Computer Communications Review, Vol.21, No.5, pp.30-47, Oct. 1991.）。

V＝min｛V1，V2，V3｝ …(3)

ただし、V1＝8W／T0
V2＝C
V3＝1.3×8S／｛D（P）｝^1/2

W：TCPのウィンドウサイズ（バイト数）の最大値
T0：往復遅延時間の固定値（固定遅延時間）
C：TCPが利用できる伝送容量
S：TCPのMTU(Maximum Transmission Unit）
D：往復遅延時間
P：パケット損失率

なお、V2に関しては、n個のTCPセッションが伝送路を共有する場合はV2＝C／nとなる。ここで、V1は、T0が固定値なのでWの関数であり、V2は、CをRMで近似（厳密には、各レイヤーのオーバーヘッド分があるため、C＜RMとなる）できることからRMの関数である。V3は、予めレイヤ１でのCNRとBERとの関係、およびBERとレイヤ４でのPとの関係を求めておき、かつDを測定することにより求まることからCNRの関数となる。

本実施形態では、前記V3がV1およびV2よりも小さい場合のみ、TCPスループットの上限値VがCNRに依存する。したがって、前記V3が最小値を示すCNRの範囲内、換言すればTCPスループットとして前記V3が支配的なCNRの範囲内であれば、前記BERとレイヤ４のパケット損失率Pとの関係を、前記レイヤ２の場合と同様に変調方式ごとに求めておけば、レイヤ４でのTCPスループットが最大となるように変調方式を切り換えることができるので、回線の不稼働率が改善されてTCPスループットが向上する。

図８の鎖線は、上記した各パラメータを用いて変調方式ごとに求めたCNRとTCPスループット上限値Vとの関係の一例を示しており、細実線は、BERの閾値を固定（ここでは、BER＝1.0E-6）とした場合の関係の一例を示している。

従来方式では、回線品質が十分でないにもかかわらず、より大きな情報伝送速度を有する変調方式に切り換えられてしまうために、TCPのスループットが悪くなるケースが見受けられる。

これに対して、本実施形態のようにTCPスループットが最大値を示すように、図中丸印（○）のタイミングで変調方式を切り換えるとTCPスループットの落ち込みが発生しない。ちなみに，1024QAM，256QAM，64QAM，16QAMの各切換タイミングにおけるBERの閾値は、それぞれ1.0E-7，2.0E-7，5.6E-7，5.1E-6となる。

本発明に係る適応変調装置（非対称伝搬路用）を含む無線ノードの構成を示したブロック図である。本発明に係る適応変調装置（対称伝搬路用）を含む無線ノードの構成を示したブロック図である。レイヤ１での回線品質（CNR）とビット誤り率との関係を変調方式ごとに示した一例の図である。本発明におけるレイヤ１での回線品質（CNR）とレイヤ２でのスループットとの関係を変調方式ごとに示した図である。従来技術におけるレイヤ１での回線品質（CNR）とレイヤ２でのスループットとの関係を示した図である。本発明におけるレイヤ１での回線品質（CNR）とレイヤ２でのスループットとの関係を示した図である。本発明および従来技術におけるレイヤ１での回線品質（CNR）とレイヤ２でのスループットとの関係を比較した図である。本発明におけるレイヤ１での回線品質（CNR）とレイヤ４でのTCPのスループットとの関係を示した図である。

符号の説明

１０１…受信部，１０２…復調部，１０３…制御チャネル情報取得部，１０４…適応復調部，１０５…無線フレーム交換部，１０６…回線品質推定部，１０７…変調方式選択部，１０８…無線フレーム変換部，１０９…適用変調部，１１１…変調部，１１２…送信部，１１３…切換タイミング記憶部

Claims

情報伝送速度の異なる複数の変調方式の一つを、無線伝送路の回線品質に応じて選択する適応変調装置において、
レイヤ１における回線品質と変調方式の切換タイミングとの関係を記憶した切換タイミング記憶手段と、
レイヤ１における回線品質を検知する回線品質検知手段と、
前記検知された回線品質に基づいて前記切換タイミング記憶手段を参照し、前記検知された回線品質に適合した変調方法を選択する選択手段とを含み、
前記各切換タイミングの回線品質に対応したビット誤り率が一定値ではないことを特徴とする適応変調装置。
前記切換タイミング記憶手段では、変調方式ごとのレイヤ１の回線品質とレイヤ２のスループットとの対応関係に基づいて、前記スループットが最高値を示す変調方式が一の変調方式から他の一の変調方式に切り替わる際の回線品質が、当該一の変調方式と他の一の変調方式との切換タイミングに設定されたことを特徴とする請求項１に記載の適応変調装置。
前記変調方式ごとのレイヤ１の回線品質とレイヤ２のスループットとの対応関係が、レイヤ１での回線品質とビット誤り率との関係、前記ビット誤り率とレイヤ２でのフレーム誤り率との関係、および前記フレーム誤り率と各変調方式の情報伝送速度とレイヤ２のスループットとの関係に基づいて求められたことを特徴とする請求項２に記載の適応変調装置。
前記切換タイミング記憶手段では、変調方式ごとのレイヤ１の回線品質とレイヤ４のTCPのスループットとの対応関係に基づいて、前記TCPのスループットが最高値を示す変調方式が一の変調方式から他の一の変調方式に切り替わる際の回線品質が、当該一の変調方式と他の一の変調方式との切換タイミングに設定されたことを特徴とする請求項１に記載の適応変調装置。
前記変調方式ごとのレイヤ１の回線品質とレイヤ４のTCPスループットとの対応関係が、TCPのMTU、往復遅延時間およびパケット損失率の関数として求まるTCPスループットが支配的となる回線品質の範囲内において、レイヤ１での回線品質とビット誤り率との関係、前記ビット誤り率とレイヤ４でのパケット損失率と各変調方式の情報伝送速度との関係に基づいて求められたことを特徴とする請求項４に記載の適応変調装置。
前記回線品質が搬送波電力対雑音電力比（CNR）であることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の適応変調装置。
適応変調における変調方式の切換タイミングを決定する変調方式切換タイミング決定方法において、
レイヤ１での回線品質とビット誤り率との関係、前記ビット誤り率とレイヤ２でのフレーム誤り率との関係、および前記フレーム誤り率と各変調方式の情報伝送速度とレイヤ２のスループットとの関係に基づいて、前記レイヤ１の回線品質とレイヤ２のスループットとの対応関係を変調方式ごとに求める手順と、
前記対応関係に基づいて、スループットが最高値を示す変調方式が一の変調方式から他の一の変調方式に切り替わるときの回線品質を、当該一の変調方式と他の一の変調方式との切換タイミングに設定する手順とを含むことを特徴とする適応変調装置における変調方式切換タイミング決定方法。
適応変調における変調方式の切換タイミングを決定する変調方式切換タイミング決定方法において、
TCPのMTU、往復遅延時間およびパケット損失率の関数として求まるTCPスループットが支配的となる回線品質の範囲内において、レイヤ１での回線品質とビット誤り率との関係、前記ビット誤り率とレイヤ４でのパケット損失率と各変調方式の情報伝送速度との関係に基づいて、前記レイヤ１の回線品質とレイヤ４のTCPスループットとの対応関係を変調方式ごとに求める手順と、
前記対応関係に基づいて、スループットが最高値を示す変調方式が一の変調方式から他の一の変調方式に切り替わるときの回線品質を、当該一の変調方式と他の一の変調方式との切換タイミングに設定する手順とを含むことを特徴とする適応変調装置における変調方式切換タイミング決定方法。
前記回線品質が搬送波電力対雑音電力比（CNR）であることを特徴とする請求項７または８に記載の適応変調装置における変調方式切換タイミング決定方法。