JP2006180321A

JP2006180321A - 無線通信システム、無線通信装置、及びこの無線通信装置のガードインターバル長の変更方法

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Publication number: JP2006180321A
Application number: JP2004372856A
Authority: JP
Inventors: Koji Ogura; 浩嗣小倉
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2004-12-24
Filing date: 2004-12-24
Publication date: 2006-07-06
Anticipated expiration: 2024-12-24
Also published as: JP4280233B2

Abstract

【課題】面倒なマルチパス検出をせずに簡易な方法でガードインターバル長（ＧＩ長）を適応的に制御すること。
【解決手段】基地局１００は、伝送レートが最大の変調方式を用いて通信を行っているときの移動局２００における通信品質を示すＦＢＩ（ＦｅｅｄｂａｃｋＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ）ビットを抽出する。さらに基地局１００には、過剰な品質がある場合は、ガードインターバルの長さを現在設定されている長さより短く設定するＧＩ長制御部１１３を設けた。
【選択図】図１

Description

本発明は、移動通信の分野に関し、特に伝送レートを可変とする適応変調方式を用い、ガードインターバルを付与してマルチパス遅延による受信品質性能劣化を抑制する通信方式を用いた無線通信システム、無線通信装置、及びこの無線通信装置におけるガードインターバル長の変更方法。

無線ＬＡＮなどで用いられているＯＦＤＭ（ＯｒｔｈｏｇｏｎａｌＦｒｅｑｕｅｎｃｙＤｉｖｉｓｉｏｎＭｕｌｔｉｐｌｅｘ：直交周波数多重）方式による無線通信では、データ信号にガードインターバル（ＧＩ）と称する信号を挿入することによってマルチパルス遅延波による干渉を回避している。ガードインターバルは冗長信号であることから、伝送路の状態によってはその長さを短く設定することによって伝送効率を向上させることが知られている（特許文献１参照）。

特許文献１に開示されている技術は、マルチパスを検出してガードインターバル長を適応制御するものである。しかしながら、マルチパスの検出はその検出範囲をガードインタール長以上に広くとる必要があることから、特別なマルチパス検出用の信号を付加したりしなければならない。また、検出に要する時間や消費電力の観点からも問題があった。
特開２００２−３７４２２３公報

マルチパスを検出してガードインターバル長を適応制御する無線通信システムにあっては、マルチパスの検出はその検出範囲をガードインタール長以上に広くとる必要があることから、特別なマルチパス検出用の信号を付加したりしなければならない。また、検出に要する時間や消費電力の観点からも問題があった。本発明は、上述した問題を解決するためになされたもので、検出に時間を要し、電力も消費する面倒なマルチパス検出を必要とせず、簡易な方法でガードインターバル長を適応制御することにより、通信のスループットが向上する無線通信システム、無線通信装置、及びこの無線通信装置におけるガードインターバル長の変更方法を提供することを目的とする。

上記問題を解決するために、本願発明の無線通信システムは、ガードインターバルを付加したデータ信号を送信する第１の無線局と前記データ信号を受信する第２の無線局よりなる無線通信システムにおいて、伝送レートが最大の変調方式を用いて通信を行っているときの前記第２の無線局での通信品質を示す情報を取得する手段と、前記取得手段で取得した通信品質が、予め定められた品質以上の場合、前記ガードインターバルの長さを、現在設定されている長さより短く設定するガードインターバル長変更手段とを備えたことを特徴としている。

本願発明の無線通信装置は、ガードインターバルを付加したデータ信号を通信相手の無線局に送信する無線通信装置において、伝送レートが最大の変調方式を用いて通信を行っているときの前記無線局での通信品質を示す情報を取得する手段と、前記取得手段で取得した前記無線局での通信品質が、予め定められた品質以上の場合、前記ガードインターバルの長さを、現在設定されている長さより短く設定するガードインターバル長変更手段とを備えたことを特徴としている。

また、本願発明の無線通信装置におけるガードインターバル長の変更方法は、ガードインターバルを付加したデータ信号を通信相手の無線局に通信する無線通信装置におけるガードインターバル長の変更方法において、伝送レートが最大の変調方式を用いて通信を行っているときの前記無線局での通信品質を示す情報を取得し、取得した前記無線局での通信品質が、予め定められた品質以上の場合、前記ガードインターバルの長さを、現在設定されている長さより短く設定することを特徴としている。

さらに、本願発明の無線通信装置は、ガードインターバルを付加したデータ信号を通信相手の無線局に送信する無線通信装置において、指向性アンテナと、前記無線局からの電波の到来方向を判定する手段と、判定された到来方向に基づいて前記指向性アンテナのビーム幅を設定する手段と、設定されたビーム幅が予め定められた範囲より狭い場合、前記ガードインターバルの長さを、現在設定されている長さより短く設定するガードインターバル長変更手段とを備えたことを特徴としている。

また、別の観点によれば、本願発明の無線通信装置は、ガードインターバルを付加したデータ信号を通信相手の無線局に送信する無線通信装置において、指向性アンテナと、
前記無線局からの電波の到来方向を判定する手段と、前記指向性アンテナはそのチルト角が制御可能であって、判定された前記無線局からの電波の到来方向に基づいて、チルト角を設定するチルト角制御手段と、設定されたチルト角が予め定められた角度より大きい場合、前記ガードインターバルの長さを、現在設定されている長さより短く設定するガードインターバル長変更手段とを備えたことを特徴としている。

本発明によれば、面倒なマルチパス検出を必要とせず、簡易な方法でガードインターバル長を適応的に制御できる。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。本発明は、基地局と移動局により構成されるセルラーシステムや、アクセスポイントとステーションで構成される無線ＬＡＮシステム、あるいはステーション同士でアクセスポイント無しに通信を行うアドホック無線ＬＡＮシステムなどに適用可能である。

図１に本発明を採用する無線機の構成を示す。図２に本発明を採用する第２の無線機を示す。図１の無線機は送信側を詳細に記載し、図２の無線機は受信側を詳細に記載しているが、これは説明を簡略化するための記載であり、両無線機ともそれぞれに対応した受信側・送信側を持っている。本実施例では基地局と移動局により構成されるセルラーシステムを例にあげ説明する。したがって、図１に示す第１の無線機を基地局側、図２に示す第２の無線機を移動局側として説明する。

本システムはＯＦＤＭ通信方式により信号の伝送を行う。図１に示すように、ＯＦＤＭ方式では、まずターボ符号化部１０１で送信すべきデータにターボ符号を用いた誤り訂正を行う。ターボ符号以外の誤り訂正符号を用いても構わない。

データ変調部１０２は誤り訂正符号化されたデータに一次変調を施す。直列並列変換部１０３では送信するデータをサブキャリア数に分割し、逆フーリエ変換部１０４で逆フーリエ変換処理を施し、変調信号を合成する。ここで、一次変調は、伝送路の状態に応じて可変とし、ＢＰＳＫ，ＱＰＳＫ，１６値ＱＡＭ，６４値ＱＡＭから選択する。ＢＰＳＫでは伝送速度は低いものの、対雑音性／対干渉性に優れている。６４値ＱＡＭは伝送速度が高いものの、雑音や干渉には弱い。

合成された信号は、ガードインターバル付加部１０５において、マルチパスに強くなるようにデータにガードインターバルを挿入する。ガードインターバルが付加されたデジタルのＯＦＤＭ信号は、無線部１０６でアナログ信号に変換され、中間周波数の無線信号に変換され、高周波信号に変換され、増幅部１０７で増幅された後、アンテナ１０８から送出される。

アンテナ１０８から送出された信号は、図２に示す移動機にて受信され、図１の送信処理と逆の処理を行う。アンテナ２０１で信号を受信し、無線部２０２で高周波がベースバンドの信号に変換される。無線部２０２の出力は、時間同期部２０３に送られ、ここでガードインターバルの挿入場所の検出などが行われ、ＧＩ除去部２０５に送られる。ＧＩ除去部２０５でガードインターバルが除去され、フーリエ変換部２０６でサブキャリア信号の分波が行われ、並列・直列変換部２０７を経てデータ復調部２０８でデジタル信号が復調される。復調結果はターボ復号器２０９で誤り訂正復号がなされる。一方、復調結果から品質測定部２１０で受信信号の品質が測定され、品質値を示す情報がＦＢＩ（ＦｅｅｄｂａｃｋＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ）ビットとして図１の基地局へ返される。

図１の基地局は、受信したＦＢＩビットから現在の移動機での通信品質を認識し、品質が過剰であると判断した場合には、変調方式をより高い伝送速度で送れる方式に変更したり、送信電力を低くしたりする所謂適応制御を行う。

図３に、この適応制御をする際に用いる変調方式および送信電力制御のパラメータセットを表す。現状、ＩＮＤＥＸ４に示す（変調方式：ＱＰＳＫ／送信電力：大）で通信が行われているとする。移動機で品質測定をしたところ、非常に良好な品質であり、マージンが１０ｄＢ以上あることが検知されたとする。すなわち、あと１０ｄＢ利得が下がっても品質的には問題ないと検知されたとすると、過剰品質である旨のＦＢＩビットが図２のＦＢＩ生成部２１１で生成され、制御信号として変調部２１２を介して基地局へ送り返される。

図１の基地局は、受信信号を復調部１０９で復調し、ＦＢＩビット抽出処理部１１０でＦＢＩビットを抽出し、過剰な品質があることを認識し、もう１段高い伝送速度での通信が可能と判断し、ＦＢＩビット抽出部処理部１１０からの制御信号で変調方式制御部１１１を制御し、次のパケットの伝送をＩＮＤＥＸ３（変調方式：１６ＱＡＭ／送信電力：大）にて行うデータ変調部１０２部を制御する。ＩＮＤＥＸ３で通信を行い、基地局から送り返されたＦＢＩビットから、送信電力が過剰であると判断された場合（移動局と基地局との距離が近接している場合と想定される）は、ＩＮＤＥＸ２（変調方式：６４ＱＡＭ／送信電力：小）に変更する。具体的には、ＴＰＣ制御部（送信電力制御部）１１２が、ＦＢＩビット抽出処理部１１０からの制御信号により、電力増幅器１０７をコントロールする。

逆にＩＮＤＥＸ３での通信では移動局における通信品質が悪く、データの誤りが多い場合には、もう１段低い伝送速度ではあるものの、雑音や干渉に強いＩＮＤＥＸ５（変調方式：ＢＰＳＫ／送信電力：大）にて通信を行う。適応変調を行うことで、異なるデータレートにて伝送を行うこととなり、可変伝送レートでの通信が行われている。

このように変調方式を適応的に変化させる適応変調方式と、送信電力を品質によって切り替える送信電力制御を組み合わせることで、品質の良い時にはより大量のデータを伝送し、品質の悪い時にはデータ量は絞るものの雑音／干渉に強い変調方式として確実なデータ伝送行うことが出来る。

本発明では、ここにガードインターバル（ＧＩ）長を適応的に制御する機能を付加する。図１に示すように、変調方式と送信電力制御値を入力として、さらにＦＢＩビットを入力とするＧＩ長制御部１１３を設ける。図３に示すように、変調方式を適応的に変化させる適応変調方式と、送信電力を品質によって切り替える送信電力制御を組み合わせたときのシステムで最大の伝送レートを得る組み合わせは、変調方式を最も伝送レートの高い方式に、送信電力制御を最も小さな電力に設定した場合（ＩＮＤＥＸ１）であって、それでも過剰な品質であるという結果がＦＢＩビットにより通知された時には、次のパケットからＧＩ長を短くして通信を行う新たなＩＮＤＥＸ０を設けている。本実施形態では変調方式が最大レート、送信電力が最小であり、かつＦＢＩビットにて品質にマージンがあると通知された場合、次のパケットからＧＩ長を短くして通信を行う。

図４に簡単な信号フォーマットを示す。（ａ）は図３のＩＮＤＥＸ１からＩＮＤＥＸ５に対応する信号フォーマットであり、データシンボル（信号長Ｔ１）に対してＧＩ（信号長Ｔ２）を付加して伝送を行う。同図（ｂ）はＩＮＤＥＸ０に対応した信号フォーマットであり、（ａ）に比べ１／２の信号長であるＴ３の信号長のＧＩを付加して伝送を行う。（ａ）、（ｂ）では同じシンボル数を送信しているにも関わらず、（ｂ）が短い時間で送信できており、等価的に伝送レートが高くなっている。

ＧＩ長は通常システムで考えられるマルチパス遅延量（遅延時間）を考慮して設定される。ＧＩ長を短くすることで伝送レートが上げられることは自明であるが、むやみにＧＩ長を短くすると、マルチパス遅延の影響を受けてしまい、受信品質が著しく低下する。本発明では、送信電力制御による送信電力値もしくは適応変調の変調方式選択に基づきＧＩ長を決定している。高い伝送レートで送信が出来るということは、すなわち基地局と移動局が近傍にあるような伝送条件の良い環境である。また、送信電力値が小さいということも、伝送条件が良い環境にあるということと等価であり、すなわち基地局と移動局が近傍にあるような状態となっている。基地局と移動局が近傍にあり、伝送条件が良いということは、すなわちマルチパス遅延の影響が少ない状況である確率が非常に高く、この場合にはＧＩ長が過剰に与えられていることと等価である。本発明では、送信電力制御による送信電力値もしくは適応変調で選択されている変調方式から伝送条件を認識しているので、ＧＩ長を制御するのに面倒なマルチパス検出を行う必要はない。伝送条件が良い場合には、不要なＧＩ区間を無くすよう制御したことにより伝送速度の向上、スループットの改善を可能としている。

基地局側でＧＩ長を可変とした場合、移動局側で変更されたＧＩ長にて受信しなければならない。これは、従来の適応変調方式と同様の方法を用いることが出来る。適応変調では、予め制御信号にて、どのタイミングにて変調方式を変更するかを通知し、当該時刻に移動局と基地局で同時に変更する方法と、図３の信号フォーマットにあるように、データシンボルよりも前に付けられたプリアンブルにて、どの変調方式が使われているかをパケット先頭で判定し、データシンボル部では即座に異なった受信フォーマットでの受信を行う方法である。このように、従来適応変調で行われている方法を用いれば、通信に用いるフォーマット変更を行うことは可能である。

本実施例では、最大伝送レートの変調方式の選択および最小送信電力での送信という事象をもってＧＩ長切替の判断としていたが、本発明は最大や最小という事象に限定されることはない。複数の変調方式が存在する場合、例えばＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅという５つの変調方式があった場合、Ａ，ＢとＣ，Ｄ，Ｅをグループに分け、Ａ，Ｂである場合、かつ過剰な品質であると判断された場合にはＧＩ長を短くすることも可能である。また送信電力が−７０ＤＢＭ〜＋１０ＤＢＭのダイナミックレンジを持つ場合、−５０ＤＢＭにしきい値を設け、しきい値以下となった場合にＧＩ長を短くするように制御することも可能である。

本実施例では、変調方式と送信電力制御の組み合わせにてＧＩ長の制御を判定していたが、適応変調が行われず送信電力制御のみを有するシステムでは、送信電力値のみでＧＩ長の判定を行うことも可能であり、もう一方の変調方式選択のみでＧＩ長判定を行うことも可能である。またＩＮＤＥＸも図３に示した例に限定されない。例えば、図５に示すような例も可能である。

図３の例では、ＧＩ長を変更するのはＩＮＤＥＸ１からＩＮＤＥＸ０に移るときでいわば最後の手段であった。これに対して、図５ではＧＩ長の変更をＩＮＤＥＸ２からＩＮＤＥＸ１に移るときとした。そして、送信電力の変更をＩＮＤＥＸ１からＩＮＤＥＸ０に移るときとして、最後に送信電力の制御を行うＩＮＤＥＸとした。まずＧＩ長を変更してさらに品質がよいと判断された場合は、送信電力制御を最後に行うこと。ＩＮＤＥＸ２にて過剰な品質と判断された場合、図３に示すような送信電力を小さく制御し、他ユーザへの干渉を減少させる方法と、当該ユーザのＧＩ長を短く制御し、当該ユーザの伝送速度を上げる図５のような方法が考えられるが、図５の方法では、図３の方法に比較し、当該ユーザの伝送速度を上げることのできる確率を高くすることができる。他ユーザへの干渉を抑えてシステム全体の容量を上げることを優先させるか、特定ユーザの伝送速度を上げることを優先するかを図３、図５により選択する。

なお、図３、図５の例では、パラメータセットとして、変調方式および送信電力制御が用いられているが、誤り訂正符号の符号化率を追加してもよい。こうすることでよりきめ細かな適応変調が可能になる。

次に、他の実施形態について図６を用いて説明する。

図６は他の実施形態を示す基地局側ブロック図である。この基地局６００は指向性を適応制御可能なアンテナ（指向性アンテナ６０１）を備えている点を特徴とする。図１と同じ構成要素については、図１と同じ参照符号を付し、詳しい説明は省略する。

指向性判定部６０２は、移動局からの信号を基に、どのような方向から電波が来ているかを判定する。指向性判定部６０２は、指向性アンテナ６０１の各アンテナで受信された信号の時間差もしくは信号の位相からどちらの方向からの電波を受信しているかを推定し判定する。この判定の手法としては、電波到来方向推定技術として知られているＭＵＳＩＣ法などを使えばよい。指向性判定部６０２は、判定結果から、指向性アンテナにどのような指向性を持たせるかを決定し、指向性制御部６０３に制御信号を供給し、アンテナ指向性を形成する。

さらに指向性判定部６０２は、アンテナにどのような指向性を持たせるかという情報を、ＧＩ長制御部１１３に供給し、ＧＩ長制御部１１３は移動機に対して形成される指向性の度合いによりＧＩ長の制御を行う。指向性ビームが形成されたときのビーム幅が所定のしきい値（角度）以下となった場合は、指向性の高いアンテナが使われていると判断し、ＧＩ長を短く設定する。指向性ビームのビーム幅は、最大利得を持つ角度を中心に、最大利得から例えば２０ｄＢ低いレベルとなる角度を両側で規定し、その間の角度が何度であるかを算出する。その角度が例えば３０度以下であればＧＩ長を短く、３０度以上であればＧＩ長を変更せず長いままとする。つまり、基地局から移動局に対してビーム幅の狭い指向性にて伝送が行われる場合、他からの反射が少なくなる。すなわち移動局ではマルチパス遅延波が減少する状況となる確率が非常に高く、この場合にはＧＩ長が過剰に与えられていることと等価である。ＧＩ長制御部１１３には例えば図７に示すようなテーブルが用意されており、ビーム幅が狭い（図７では３０度未満）場合はＧＩ長制御部１１３がＧＩ長を短くするようにガードインターバル付加部１０５を制御する。

なお、上記実施例では、ビーム幅に基づいてＧＩ長の制御を行ったが、アンテナのチルト角によりＧＩ長を制御してもよい。図８に示すように、室内の天井に基地局（アクセスポイント）を設置している場合、アンテナのチルト角を制御して、どのような方向から電波が来ているかを指向性アンテナが受信した電波より指向性判定部６０２が判定する。チルト角が小さい場合（θ１）は、遠方の移動局（ＳＴＡ１）と通信している可能性が高い。この場合、遠方の反射物からのマルチパルスが想定される。一方、チルト角が大きい場合（θ２）は、直下に近い位置に移動局（ＳＴＡ２）があると判定される。このような状況では他からの反射が少なくなる。すなわち移動局ではマルチパス遅延波が減少する状況となる確率が非常に高く、この場合にはＧＩ長が過剰に与えられていることと等価である。ＧＩ長制御部１１３には例えば図９に示すようなテーブルが用意されており、チルト角が大きい（図９では３０度以上）場合は、ＧＩ長制御部１１３がＧＩ長を短くするようにガードインターバル付加部１０５を制御する。

本実施形態においてもＧＩ長を制御するのに面倒なマルチパス検出を行う必要はない。そして、伝送条件が良い場合には、不要なＧＩ区間を無くすよう制御しているので伝送速度の向上、スループットの改善が可能となる。

以上本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

本発明が用いられる基地局の概略構成を示すブロック図。本発明が用いられる移動局の概略を示すブロック図。適応制御をする際に用いるパラメータセットを示す表。ガードインターバル（ＧＩ）を含む信号フォーマットを示す図。適応制御をする際に用いるパラメータセットの別の例を示す表。本発明の他の実施例を示す基地局の概略構成ブロック図。ビーム幅と設定するＧＩ長との対応関係を示す表。室内の天井に基地局（アクセスポイント）を設置している場合のチルト角を示す図。チルト角と設定するＧＩ長との対応関係を示す表。

符号の説明

１００，６００・・・基地局。
１０２・・・データ変調部。
１０５・・・ガードインターバル付加部。
１１０・・・ＦＢＩビット抽出処理部。
１１２・・・送信電力制御部。
１１３・・・ＧＩ長制御部。
２００・・・移動局。
２１０・・・品質測定部。

Claims

ガードインターバルを付加したデータ信号を送信する第１の無線局と前記データ信号を受信する第２の無線局よりなる無線通信システムにおいて、
伝送レートが最大の変調方式を用いて通信を行っているときの前記第２の無線局での通信品質を示す情報を取得する手段と、
前記取得手段で取得した通信品質が、予め定められた品質以上の場合、前記ガードインターバルの長さを、現在設定されている長さより短く設定するガードインターバル長変更手段とを備えたことを特徴とする無線通信システム。
前記第１の無線局は、送信電力制御手段をさらに備え、送信電力が最大に設定されたときの前記第２の無線局での通信品質が、予め定められた品質以上の場合に、前記ガードインターバル長変更手段が、前記ガードインターバルの長さを、現在設定されている長さより短く設定することを特徴とする請求項１記載の無線通信システム。
前記第１の無線局は、前記変調方式の種類と前記送信電力制御手段による送信電力の設定値とをパラメータとして適応制御することを特徴とする請求項１記載の無線通信システム。
前記パラメータとして、誤り訂正符号の符号化率の値を含むことを特徴とする請求項３記載の無線通信システム。
ガードインターバルを付加したデータ信号を通信相手の無線局に送信する無線通信装置において、
伝送レートが最大の変調方式を用いて通信を行っているときの前記無線局での通信品質を示す情報を取得する手段と、
前記取得手段で取得した前記無線局での通信品質が、予め定められた品質以上の場合、前記ガードインターバルの長さを、現在設定されている長さより短く設定するガードインターバル長変更手段とを備えたことを特徴とする無線通信装置。
ガードインターバルを付加したデータ信号を通信相手の無線局に通信する無線通信装置におけるガードインターバル長の変更方法において、
伝送レートが最大の変調方式を用いて通信を行っているときの前記無線局での通信品質を示す情報を取得し、
取得した前記無線局での通信品質が、予め定められた品質以上の場合、前記ガードインターバルの長さを、現在設定されている長さより短く設定することを特徴とするガードインターバル長の変更方法。
ガードインターバルを付加したデータ信号を通信相手の無線局に送信する無線通信装置において、
指向性アンテナと、
前記無線局からの電波の到来方向を判定する手段と、
判定された到来方向に基づいて前記指向性アンテナのビーム幅を設定する手段と、
設定されたビーム幅が予め定められた範囲より狭い場合、前記ガードインターバルの長さを、現在設定されている長さより短く設定するガードインターバル長変更手段とを備えたことを特徴とする無線通信装置。
ガードインターバルを付加したデータ信号を通信相手の無線局に送信する無線通信装置において、
指向性アンテナと、
前記無線局からの電波の到来方向を判定する手段と、
前記指向性アンテナはそのチルト角が制御可能であって、判定された前記無線局からの電波の到来方向に基づいて、チルト角を設定するチルト角制御手段と、
設定されたチルト角が予め定められた角度より大きい場合、前記ガードインターバルの長さを、現在設定されている長さより短く設定するガードインターバル長変更手段とを備えたことを特徴とする無線通信装置。