JP2008028656A

JP2008028656A - 適応制御型ダイバーシチ通信システム

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Publication number: JP2008028656A
Application number: JP2006198378A
Authority: JP
Inventors: Fumihito Sasamori; 文仁笹森; Shiro Handa; 志郎半田; Shinjiro Oshita; 眞二郎大下
Original assignee: Shinshu University NUC
Current assignee: Shinshu University NUC
Priority date: 2006-07-20
Filing date: 2006-07-20
Publication date: 2008-02-07

Abstract

【課題】従来のダイバーシチ技術にあっては、複数組の送受信機を用意する必要があるため、装置規模が増大するという問題点があった。
【解決手段】変動する電波状態に応じて、OFDM受信機が多値変調信号の分配数M（複数サブキャリヤへのコピー数であり、従来のダイバーシチブランチ数に相当）とその変調多値数2^Bを決定し、OFDM送信機へ伝達する。OFDM送信機では、それらの情報に基づいて下記の処理を行う。多値変調器24にてディジタルデータから多値数2^Bの多値変調信号を生成する。分配器28−1〜28−Lにて同一の多値変調信号をそれぞれM個に分配（コピー）し、一定の（L個分の）サブキャリヤ間隔を空けてOFDM変調器30へ入力する。M値とB値も制御値変調部44で変調した後にOFDM変調器30へ入力し、上記ディジタルデータとともにOFDM信号として送信する。OFDM受信機では、各サブキャリヤに分配されたM個分の多値変調信号をダイバーシチ合成してデータ判定を行うことによって、ダイバーシチ効果が期待できる。
【選択図】図2

Description

本発明は、直交周波数分割多重（Orthogonal
Frequency Division Multiplexing: 以下OFDMと称する）方式を用いてディジタルデータを送受信する際の周波数ダイバーシチ方式に関するものである。

無線通信では、無線局の移動や地理的条件、気象条件などによって受信電波状態（受信電力）が変動するフェージング現象が発生する。従来の適応変調技術においては、１組の送受信機を用いて、変動する電波状態に応じて変調方式を自動的に切り替えることによって高効率伝送を実現している。すなわち、伝送路状態が良好な時は、多値変調方式を用いることによって、同時に送信するデータのビット数を増加させて高速なディジタル伝送に切り替え、伝送路状態が劣悪な時は、搬送波電力（送信機の消費電力に相当）は増加させずに変調多値数を減らす（データの伝送速度を落とす）ことによって、データ１ビット当たりの信号電力を増加させて安定度が高い高品質なディジタル伝送に切り替えている。

従来のダイバーシチ技術においては、複数組の送受信機を用いて同一の変調信号を複数個送信・合成することによって、データ１ビット当たりの信号電力を増加させるとともに、耐フェージング特性を向上させる（フェージングによる受信電力の変動を低減させる）ことができ、安定度が高い高品質なディジタル伝送を実現している。

高度化PHS規格（W−OAM） http://www.willcom-inc.com/ja/service/reason/comfortably/

従来のダイバーシチ技術にあっては、複数組の送受信機を用意する必要があるため、装置規模が増大するという問題点があった。

ディジタルデータ（多値変調信号）と同時にOFDM送信機から送信される多値変調信号の分配数（複数サブキャリヤへのコピー数）とその変調多値数を復元する制御値判定部と、復元した前記分配数に応じて一定のサブキャリヤ間隔で配置（コピー）された多値変調信号を合成するダイバーシチ合成部と、復元した前記分配数に応じて前記ダイバーシチ合成部から並列に出力される信号を直列に変換する並／直列変換器と、復元した前記変調多値数に応じて前記並／直列変換器からの出力信号をディジタルデータに復元するデータ判定器と、前記データ判定器から並列に出力されるディジタルデータを直列に変換する並／直列変換器と、受信したOFDM信号から受信電波状態（搬送波電力対雑音電力比）を推定する伝送路状態推定部と、前記搬送波電力対雑音電力比に応じて新分配数、新変調多値数を決定する適応制御部と、前記新分配数と前記新変調多値数をOFDM送信機へ送信する制御値送信部と、を有するOFDM受信機と、直列に入力されるディジタルデータを並列に変換する直／並列変換器と、前記OFDM受信機において新たに決定し送信された新変調多値数に応じて前記ディジタルデータから多値変調信号を生成する多値変調器と、前記OFDM受信機において新たに決定し送信された新分配数に応じて直列に入力される前記多値変調信号を並列に変換する直／並列変換器と、前記OFDM受信機において新たに決定し送信された新分配数に応じて１つの前記多値変調信号をOFDM変調器における複数のサブキャリヤに一定間隔で配置（コピー）する分配器と、前記送信処理に使用した前記新分配数および前記新変調多値数を分配数および変調多値数としてOFDM受信機へ送信するための制御値変調部と、を有するOFDM送信機とからなる適応制御型ダイバーシチ通信システム。

ディジタルデータ（多値変調信号）と同時にOFDM送信機から送信される多値変調信号の分配数（複数サブキャリヤへのコピー数）とその変調多値数を復元する制御値判定部と、復元した前記分配数に応じて一定のサブキャリヤ間隔で配置（コピー）された多値変調信号を合成するダイバーシチ合成部と、復元した前記分配数に応じて前記ダイバーシチ合成部から並列に出力される信号を直列に変換する並／直列変換器と、復元した前記変調多値数に応じて前記並／直列変換器からの出力信号をディジタルデータに復元するデータ判定器と、前記データ判定器から並列に出力されるディジタルデータを直列に変換する並／直列変換器と、受信したOFDM信号から受信電波状態（搬送波電力対雑音電力比）を推定する伝送路状態推定部と、前記搬送波電力対雑音電力比に応じて新分配数、新変調多値数を決定する適応制御部と、前記新分配数と前記新変調多値数をOFDM送信機へ送信する制御値送信部と、を有するOFDM受信機。

直列に入力されるディジタルデータを並列に変換する直／並列変換器と、前記OFDM受信機において新たに決定し送信された新変調多値数に応じて前記ディジタルデータから多値変調信号を生成する多値変調器と、前記OFDM受信機において新たに決定し送信された新分配数に応じて直列に入力される前記多値変調信号を並列に変換する直／並列変換器と、前記OFDM受信機において新たに決定し送信された新分配数に応じて１つの前記多値変調信号をOFDM変調器における複数のサブキャリヤに一定間隔で配置（コピー）する分配器と、前記送信処理に使用した前記新分配数および前記新変調多値数を分配数および変調多値数としてOFDM受信機へ送信するための制御値変調部と、を有するOFDM送信機。

本発明は、多値変調信号を用いたダイバーシチ合成を１組のOFDM送受信機のみで実現することによって、従来の適応変調技術と比較して同程度のデータ伝送速度、装置規模を維持したまま、同一の消費電力で高品質伝送を実現、あるいは、同一の伝送品質を少ない消費電力で実現できる。

本発明は、図１に示すような１組のOFDM送受信機で構成される。各OFDM送受信機は、OFDM送信機とOFDM受信機とで構成される。

本発明におけるOFDM送信機構成の概念図を図２に示した。直列に入力されるディジタルデータDiを直／並列変換器22で並列データDi−j（j＝1〜B）に変換し、後述するOFDM受信機で決定される変調多値数2^B（Bは１変調信号あたりのディジタルデータのビット数）を有する多値変調器24に入力する。後述するOFDM受信機で決定される分配数（従来のダイバーシチ技術におけるブランチ数に相当）をM、OFDM変復調器におけるディジタルデータ伝送用のサブキャリヤ数をN、NをM分割した値をL（L＝N／M）とし、直列に出力される多値変調信号Syを直／並列変換器26でL個の並列信号Sy−1〜Sy−Lに変換する。分配器28−1〜28−Lでは、Sy−i（i＝1〜L）をそれぞれM個に分配（コピー）し、L個分のサブキャリヤ間隔を空けてOFDM変調器30へ入力する。M値とB値も制御値変調部44で変調した後にOFDM変調器30へ入力する。M値とB値は、毎回送信しても構わないし、変化した時にのみ送信しても構わない。また、１つのサブキャリヤでまとめて送信しても構わない。各サブキャリヤにセットされた各信号は、OFDM変調部（OFDM変調器30、並／直列変換器32、Ｄ／Ａ変換器34、周波数変換器36）にてOFDM信号Soに変換されてアンテナ40から送信される。

L値は、１回のOFDM変調で同時に送信できる多値変調信号Syの数でもあり、多値変調信号Sy−i（i＝1〜L）をそれぞれM個のサブキャリヤに分配（コピー）する際のサブキャリヤ間隔でもある。また、使用帯域幅（OFDM変調器の全サブキャリヤ数）は一定とし、B、L、M、Nは整数値である。

本発明におけるOFDM受信機構成の概念図を図３に示した。アンテナ62で受信したOFDM信号Soは、OFDM復調部（周波数変換器64、Ａ／Ｄ変換器68、直／並列変換器70、OFDM復調器72、検波器74）を経てサブキャリヤ毎の信号に変換される。OFDM送信機で同一の多値変調信号M個を一定のサブキャリヤ間隔Lで配置しているため、ダイバーシチ合成部76において検波器74からの出力信号Sy−i（i＝1〜L）をL間隔でM個分合成する。ダイバーシチ合成法は、M個の信号Sy−iをそのまま加算する等利得合成法であってもよいし、包絡線レベルに比例した重みを付けて加算する最大比合成法であってもよい。合成されたL個の並列信号Sd−i（i＝1〜L）は並／直列変換器78で直列信号Sdに変換され、データ判定器80でSdからBビットの並列ディジタルデータDi−j（j＝1〜B）を復元、並／直列変換器82で直列ディジタルデータDiに変換される。

OFDM受信機では、同時に伝送路の状態も監視する。アンテナ62で受信したOFDM信号Soから伝送路状態推定部88で信号電力（搬送波電力）と雑音電力を推定し、搬送波電力対雑音電力比CNR値を計算する。適応制御部90では、伝送路状態（CNR値）に応じてM値とB値を適応的に制御し（制御方法は後述する）、それらの値を制御値送信部92にてOFDM送信機へ送信する。伝送路状態が良好な時は、従来のOFDM方式と同様にM＝1（ダイバーシチ合成無し）の状態で多値変調信号を送信する。１回のOFDM変調で同時に送信するディジタルデータのビット数はB・Lビットなので、L＝N／Mの関係を用いると、M＝1の時はB・Nビットの同時送信（高速なディジタル伝送）が可能となる。伝送路状態が悪化するにしたがってMの値を適応的に増加させることによりB・N／Mビットの同時送信となり、伝送速度は1／Mに低下する。しかしながら、同一の多値変調信号M個分をダイバーシチ合成することによって高品質なディジタル伝送が可能となる。

搬送波電力と雑音電力は一定という条件のもとで従来の適応変調技術と本発明とを比較する。例えば、適応変調技術において４値変調方式（B＝2）から２値変調方式（B＝1）に切り替えた場合、伝送速度は半分となるが、搬送波電力は一定なので、データ１ビット当たりの信号電力は２倍に増加することになる。したがって、送信機の消費電力を増加させることなく安定度が高いディジタル伝送に切り替えることができる。一方、本発明において４値変調方式はそのまま変えずにM＝2とすることで、伝送速度は従来と同じく半分（従来と同一の伝送速度）となるが、信号の合成によってデータ１ビット当たりの信号電力を２倍に増加させるとともに、２ブランチ分のダイバーシチ効果（耐フェージング特性の向上）が期待できる。したがって、適応変調技術と同様に消費電力を増加させることなく、しかも適応変調技術よりも高品質なディジタル伝送に切り替えることができる。

信号電力の増加による特性改善とダイバーシチ効果による特性改善について図面を参照して説明する。CNR値に対するビット誤り率BERの特性図を図４に示した。同図はフェージング環境下における基本特性（理論値）であり、次式で与えられることが知られている。
(1) BER＝1/{2(1+CNR/2)}：４値変調の場合
(2) BER＝1/{2(1+CNR)}：２値変調の場合
(3) BER＝1/{2(1+CNR/2)²}： 4値変調でブランチ数M＝2の場合
例えばCNR値が20[dB]のときのBER値に着目すると、信号電力の増加による特性改善はａからｂへの改善にとどまる一方、ダイバーシチ効果による特性改善によってさらにｃへと改善される。つまり、ダイバーシチ効果を利用した本発明の方が、同一の消費電力でより高品質な伝送を実現できる。

ここで、例えばBER値が10⁻³という伝送品質を達成するためのCNR値に着目する。ｄ、ｅ、ｆのCNR値を比較すると、ｆが一番小さいCNR値で目標のBER値を達成できるため、その差分は搬送波電力の省電力化に充てることができる。すなわち、結果的に送信機の消費電力が少なくて済むため、ダイバーシチ効果を利用した本発明の方が、同一の伝送品質をより少ない消費電力で実現できる。

本発明では、OFDM変調時に一定のサブキャリヤ間隔Lを空けて同一の多値変調信号を送信・合成する「周波数ダイバーシチ」を用いているため、１組の送受信機（従来の適応変調技術と同程度の装置規模）でダイバーシチ効果を得ることができる。その効果を最大限に発揮するためには、伝送路状態（CNR値）に応じてM値とB値を適応的に制御することが重要である。伝送路状態推定部88と適応制御部90における適応制御の方法を示すフローチャートを図５に示した。まず、OFDM送信機は、OFDM受信機から受け取ったM値とB値を用いてOFDM信号Soを送信する（S1000）。次に、OFDM受信機は、受信したOFDM信号So（S1010）から信号電力（搬送波電力）と雑音電力を推定し、搬送波電力対雑音電力比CNR値を計算する（S1020）。事前にM値とB値を各種変化させたときのCNR対BER特性を実験やシミュレーション等で取得しておき、その事前データ（S1030）を用いて、CNR値からBER値が最小となるM値とB値を決定する（S1040）。これらの値をOFDM送信機に送信し使用することによって、同一の消費電力でより高品質な伝送を実現できる（S1060）。一方、OFDM送信機において搬送波電力制御を導入する場合（S1050）は、目標とする伝送品質（BER値）を事前に設定し、先の事前データ（S1030）を活用してその目標値になるような搬送波電力を決定する（S1070）。先に決定したM値、B値とともに電力制御係数（相対値）をOFDM送信機で利用することによって、同一の伝送品質をより少ない消費電力で実現できる（S1080）。なお、先に決定したM値とB値から電力制御係数を決定するのは、OFDM送信機であっても構わない。

本発明の実施例について図面を参照して説明する。適応制御に用いる事前データ（CNR対BER特性）を取得するためのシミュレーション方法を示すフローチャートを図６に示し、本シミュレーションにより取得したCNR対BER特性の一例を図７に示した。M値、B値、CNR値を各種固定し（S2000）、下記に示す手順により求めたビット誤り率が図７の特性図中のプロット点１点に相当する。まずはじめに、乱数により０と１のディジタルデータを生成し（S2010）、図２に示したOFDM送信機処理を行う（S2020）。別途用意したフェージングシミュレータと雑音シミュレータを用いて乱数によりフェージングと白色ガウス雑音をそれぞれ発生させ、変調されたOFDM信号に対してそれらの影響を付与する（S2030、S2040）。図３に示したOFDM受信機処理を行い（S2050）、生成したディジタルデータと復元したディジタルデータを照合してビット誤り数をカウントする（S2060）。S2010〜S2060までの処理を繰り返し行い、最終的にビット誤り数÷全ビット数でビット誤り率を計算する（S2070）。

図７の特性図は、伝送路状態の悪化に追従して、１６値変調方式（B＝4、白丸のプロット点）の状態から適応変調技術と本発明を適用したときの特性差の一例を示している。適応変調技術においては、伝送速度が1／2となる４値変調方式（B＝2、白三角のプロット点）へ移行する場合と、伝送速度が1／4となる２値変調方式（B＝1、白四角のプロット点）へ移行する場合の計２特性を示している。本発明においては、伝送速度が1／2となる１６値変調方式（B＝4、M＝2、白三角のプロット点）へ移行する場合と、伝送速度が1／4となる１６値変調方式（B＝4、M＝4、白四角のプロット点）および４値変調方式（B＝2、M＝2、黒四角のプロット点）へ移行する場合の計３特性を示している（伝送速度が等しい方式は同じ形状のプロット点で示している）。

例えば回線設計でBERの目標値を10⁻³と設定した場合、伝送速度1／2（白三角のプロット点）へ移行する場合と伝送速度1／4（白四角のプロット点）へ移行する場合のどちらにおいても、本発明の方がより少ない消費電力で目標の伝送品質を達成できる。伝送速度1／4（白四角のプロット点）へ移行する場合について具体的に説明すると、適応変調技術のCNR＝約28[dB]（ａ点）に比べて、本発明のCNR＝約23[dB]（ｂ点）の方が少ない搬送波電力で目標を達成している。

本発明では、「同一の多値変調信号の分配数」（M値）と「変調方式」（B値）の設定のバランスも重要である。同じ伝送速度1／4に移行する場合でも、１６値変調方式（B＝4、M＝4、白四角のプロット点）と４値変調方式（B＝2、M＝2、黒四角のプロット点）を比較すると、BERの目標値が10⁻³の場合は後者の方がCNR＝約18.5[dB]（ｃ点）とさらに少ない搬送波電力で目標の伝送品質を達成できる。一方、BERの目標値が10⁻⁷という厳しい条件下では前者の方が有利となる。

図７の特性図の中から本発明の特性を抜粋した図８の特性図を参照し、適応制御の流れを説明する。伝送路状態推定部からの出力がCNR＝30[dB] であるとすると、１６値変調方式（B＝4）ではBERがａ点となって目標の伝送品質を達成できないので、適応制御が必要となる。１６値変調方式（B＝4、M＝2）に移行するとBERがｂ点に、４値変調方式（B＝2、M＝2）に移行するとBERがｃ点になり、いずれも目標の伝送品質が達成される（高品質化が達成される）。ここで、BERの目標値が10⁻³であるため、前者と後者のBERをそれぞれｄ点、ｅ点となるようにCNR値を小さくする（搬送波電力を低減させる）ことが可能である。つまり、搬送波電力制御を導入することによって、目標の伝送品質を達成しつつ低消費電力化が可能となる。なお、両者間には伝送速度に差があるため、伝送速度を犠牲にして高品質化（または低消費電力化）を実現するか、それとも伝送速度を優先するかは、本発明を利用するシステムの設計に依存する。

伝送遅延を許容できるシステムにおいては、一定の周波数間隔をあけて同一の多値変調信号を複数個送信・合成する「周波数ダイバーシチ」に代わり、一定の時間間隔をあけて同一の多値変調信号を複数個送信・合成する「時間ダイバーシチ」を利用することも可能である。

OFDM方式を用いるディジタル無線通信システムに利用することができる。

本発明の構成図である。本発明のOFDM送信機構成の概念を示すブロック図である。本発明のOFDM受信機構成の概念を示すブロック図である。本発明の効果を理論的に説明するためのビット誤り率の理論特性図である。本発明における適応制御の方法を示すフローチャート図である。本発明の実施例で用いるビット誤り率特性図を取得するためのシミュレーション方法を示すフローチャート図である。本発明の実施例を説明するためのビット誤り率特性図である。本発明における適応制御の流れを説明するためのビット誤り率特性図である。

符号の説明

1−1，1−2 OFDM送受信機
2，2−1，2−2 OFDM送信機
6，6−1，6−2 OFDM受信機
22 直／並列変換器
24 多値変調器
26 直／並列変換器
28−1 〜 28−L 分配器
30 OFDM変調器
32 並／直列変換器
34 D／A変換器
36 周波数変換器
38 発振器
40 送信アンテナ
42 L値計算器
44 制御値変調部
62 受信アンテナ
64 周波数変換器
66 発振器
68 A／D変換器
70 直／並列変換器
72 OFDM復調器
74 検波器
76 ダイバーシチ合成部
78 並／直列変換器
80 データ判定器
82 並／直列変換器
84 制御値判定部
86 L値計算器
88 伝送路状態推定部
90 適応制御部
92 御値送信部

Claims

ディジタルデータ（多値変調信号）と同時にOFDM送信機から送信される多値変調信号の分配数（複数サブキャリヤへのコピー数）とその変調多値数を復元する制御値判定部と、復元した前記分配数に応じて一定のサブキャリヤ間隔で配置（コピー）された多値変調信号を合成するダイバーシチ合成部と、復元した前記分配数に応じて前記ダイバーシチ合成部から並列に出力される信号を直列に変換する並／直列変換器と、復元した前記変調多値数に応じて前記並／直列変換器からの出力信号をディジタルデータに復元するデータ判定器と、前記データ判定器から並列に出力されるディジタルデータを直列に変換する並／直列変換器と、受信したOFDM信号から受信電波状態（搬送波電力対雑音電力比）を推定する伝送路状態推定部と、前記搬送波電力対雑音電力比に応じて新分配数、新変調多値数を決定する適応制御部と、前記新分配数と前記新変調多値数をOFDM送信機へ送信する制御値送信部と、を有するOFDM受信機と、直列に入力されるディジタルデータを並列に変換する直／並列変換器と、前記OFDM受信機において新たに決定し送信された新変調多値数に応じて前記ディジタルデータから多値変調信号を生成する多値変調器と、前記OFDM受信機において新たに決定し送信された新分配数に応じて直列に入力される前記多値変調信号を並列に変換する直／並列変換器と、前記OFDM受信機において新たに決定し送信された新分配数に応じて１つの前記多値変調信号をOFDM変調器における複数のサブキャリヤに一定間隔で配置（コピー）する分配器と、前記送信処理に使用した前記新分配数および前記新変調多値数を分配数および変調多値数としてOFDM受信機へ送信するための制御値変調部と、を有するOFDM送信機とからなる適応制御型ダイバーシチ通信システム。
ディジタルデータ（多値変調信号）と同時にOFDM送信機から送信される多値変調信号の分配数（複数サブキャリヤへのコピー数）とその変調多値数を復元する制御値判定部と、復元した前記分配数に応じて一定のサブキャリヤ間隔で配置（コピー）された多値変調信号を合成するダイバーシチ合成部と、復元した前記分配数に応じて前記ダイバーシチ合成部から並列に出力される信号を直列に変換する並／直列変換器と、復元した前記変調多値数に応じて前記並／直列変換器からの出力信号をディジタルデータに復元するデータ判定器と、前記データ判定器から並列に出力されるディジタルデータを直列に変換する並／直列変換器と、受信したOFDM信号から受信電波状態（搬送波電力対雑音電力比）を推定する伝送路状態推定部と、前記搬送波電力対雑音電力比に応じて新分配数、新変調多値数を決定する適応制御部と、前記新分配数と前記新変調多値数をOFDM送信機へ送信する制御値送信部と、を有するOFDM受信機。
直列に入力されるディジタルデータを並列に変換する直／並列変換器と、前記OFDM受信機において新たに決定し送信された新変調多値数に応じて前記ディジタルデータから多値変調信号を生成する多値変調器と、前記OFDM受信機において新たに決定し送信された新分配数に応じて直列に入力される前記多値変調信号を並列に変換する直／並列変換器と、前記OFDM受信機において新たに決定し送信された新分配数に応じて１つの前記多値変調信号をOFDM変調器における複数のサブキャリヤに一定間隔で配置（コピー）する分配器と、前記送信処理に使用した前記新分配数および前記新変調多値数を分配数および変調多値数としてOFDM受信機へ送信するための制御値変調部と、を有するOFDM送信機。