JP2020170930A - 無線通信特性評価方法および無線通信特性評価装置 - Google Patents

無線通信特性評価方法および無線通信特性評価装置 Download PDF

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Abstract

【課題】実環境で測定したデータを用いて実環境に即した干渉の影響を算出し、かつ理論計算に比べて計算時間を短縮する。【解決手段】複数の無線通信端末が信号を送信または交換して通信を行う無線通信システムの無線通信特性を評価する無線通信特性評価方法において、干渉信号の電力および帯域を取得するステップ１と、所望信号の帯域に重なる干渉信号の帯域の割合を示す干渉帯域割合を算出するステップ２と、干渉電力と干渉帯域割合から干渉電力割合を算出し、さらに干渉電力と該干渉電力割合から定常雑音電力を算出するステップ３と、所望信号の受信電力と定常雑音電力から実質ＳＩＮＲを決定するステップ４と、実質ＳＩＮＲから所望信号の無線通信特性を決定するステップ５とを有する。【選択図】 図３

Description

本発明は、複数の無線通信端末が無線通信を行う無線通信システムにおいて、部分的なチャネル干渉が存在する環境で無線通信特性を評価する無線通信特性評価方法および無線通信特性評価装置に関する。
無線ＬＡＮなど廉価で使用できる無線ＬＡＮ端末が増加したことによって同じ無線通信エリア内に多数の無線端末が混在するようになった。これらの無線ＬＡＮ端末は複数の周波数帯を利用することができ、非特許文献１に定められた自立分散でのアクセス制御に定められたルールに従って無線信号を送信するが、同じエリア内ではときに干渉しながら無線通信が行われる。
多数の無線ＬＡＮ端末が混在する環境において、異なる帯域幅の無線ＬＡＮ端末が混在する場合、またはチャネルが部分的に重複して干渉しあう無線ＬＡＮ端末が混在する場合がある。その様子を図８に示す。
図８において、横軸は周波数、縦軸は電力を示し、受信端末に所望の無線信号が20ＭHz帯域幅のチャネル１で電力Ｐ１［ｍＷ］で到来しているときに、同時に干渉信号がチャネル１から５ＭHzだけずれたチャネル２にＰ２［ｍＷ］で到来している。この場合、所望の無線信号を５ＭHz毎の４つのブロックに分けて、所望の無線信号の受信電力と干渉信号の受信電力をチャネル１内の範囲で比較し、干渉の影響を評価することができる。
図９は、４つのチャネルブロックに対する計算イメージを示す。
図９において、チャネルブロックｃ１〜ｃ４毎のＳＩＮＲ計算を実行後、各々ＲＢＩＲのマップ関数で有効ビット数を求めた後、実質ＳＩＮＲeff を求めてＰＥＲ（Packet Error Rate ）を決定する。
図１０は、従来例（非特許文献２）における計算機シミュレーションの干渉計算フローを示す。
図１０において、干渉計算を開始すると、所望信号の評価をする帯域や、所望信号の受信電力および干渉信号の電力など干渉電力情報を取得する（Ｓ１）。次に、計算に使用する変数を初期化する（Ｓ２）。本例では、計算対象チャネルブロックのインデックスｎおよび計算対象チャネルの有効ビット数Ｉを「０」に設定する。
次に、チャネルブロックのインデックスｎがチャネルブロック数Ｎchよりも小さいか否かを確認し（Ｓ３）、小さい場合はチャネルブロックｎ内の合計干渉電力からＳＩＮＲn を計算する（Ｓ４）。なお、ＳＩＮＲは、Signal to Interference Noise Ratioの略である。計算したＳＩＮＲn からＲＢＩＲ（Received Bit Information Rate ）のマップ関数Φを用いて、当該チャネルブロックｎの有効ビット数ｉn ＝Φ（ＳＩＮＲn ）を決定する（Ｓ５）。
次に、帯域全体の有効ビット数Ｉを計算する。ここでは、有効ビット数ｉn をチャネルブロック数で割った値：ｉn ／Ｎchを、計算対象チャネルの有効ビット数Ｉに加算する（Ｓ６）。次に、チャネルブロックのインデックスｎに１を加算し、次のチャネルブロックのインデックスとする（Ｓ７）。次に、Ｓ３に戻り、ｎがチャネルブロック数Ｎchより小さければ、次のチャネルブロックの計算を実行し、そうでなければ計算対象チャネルブロックの有効ビット数ＩからＲＢＩＲのマップ関数を用いてチャネル帯域全体の実質ＳＩＮＲeff ＝Φ-1(I) を決定する（Ｓ８）。ここで、実質ＳＩＮＲeff は、計算対象チャネル全体でＰＥＲ（Packet Error Rate ）を決定する際に使用するＳＩＮＲ値である。次に、事前のデータなどから実質ＳＩＮＲeff を使用して所望信号のＰＥＲを決定する（Ｓ９）。
"IEEE P802.11-2016," December 2016 "11ax Evaluation Methodology," doc.:IEEE802.11-14/0571r12 Jan 2016
多数の無線端末が混在する環境において、図８に示すように、送受信に使用するチャネルのうち一部の周波数帯にのみ干渉が発生するケースがある。この干渉の影響を計算機シミュレーションで再現する場合、ブロックごとに非特許文献２にある理論計算を行い、それを加算することで見かけ上のパケットエラーレートを算出する必要がある。また、従来の計算手順では、干渉イベント（所望信号に対して何らかの干渉が発生している可能性があり、所望信号のＰＥＲを決定しなければいけないタイミング）で毎回計算することが求められるが、計算に時間を要する上、実際の環境において理論計算での見積もりだけでは不十分と考えられる。
本発明は、実環境で測定したデータを用いて実環境に即した干渉の影響を算出し、かつ理論計算に比べて計算時間を短縮することができる無線通信特性評価方法および無線通信特性評価装置を提供することを目的とする。
第１の発明は、複数の無線通信端末が信号を送信または交換して通信を行う無線通信システムの無線通信特性を評価する無線通信特性評価方法において、干渉信号の電力および帯域を取得するステップ１と、所望信号の帯域に重なる干渉信号の帯域の割合を示す干渉帯域割合を算出するステップ２と、干渉電力と干渉帯域割合から干渉電力割合を算出し、さらに干渉電力と該干渉電力割合から定常雑音電力を算出するステップ３と、所望信号の受信電力と定常雑音電力から実質ＳＩＮＲを決定するステップ４と、実質ＳＩＮＲから所望信号の無線通信特性を決定するステップ５とを有する。
第１の発明の無線通信特性評価方法において、ステップ３は、干渉帯域割合で干渉がある状態のパケットキャプチャデータから変復調方式と再送率を取得し、変復調方式で送信した場合の再送率に該当するＳＩＮＲから実質干渉電力を算出し、実際の干渉電力に対する該実質干渉電力の比率を干渉電力割合として算出する。
第１の発明の無線通信特性評価方法において、ステップ３は、干渉帯域割合で干渉がある状態のスループット値から変復調方式を取得し、該変復調方式で送信できるＳＩＮＲをデータシートから取得し、該ＳＩＮＲから実質干渉電力を算出し、実際の干渉電力に対する該実質干渉電力の比率を干渉電力割合として算出する。
第１の発明の無線通信特性評価方法において、ステップ３は、干渉帯域割合で干渉がある状態のスループット値から該当するＳＩＮＲをデータシートから取得し、該ＳＩＮＲから実質干渉電力を算出し、実際の干渉電力に対する該実質干渉電力の比率を干渉電力割合として算出する。
第２の発明は、複数の無線通信端末が信号を送信または交換して通信を行う無線通信システムの無線通信特性を評価する無線通信特性評価方法において、干渉信号の電力および帯域を取得し、所望信号の帯域に重なる干渉信号の帯域の割合を示す干渉帯域割合を算出するステップ１１と、干渉電力と干渉帯域割合に対応するマッピング関数を用いて定常雑音電力を決定するステップ１２と、所望信号の受信電力と定常雑音電力から実質ＳＩＮＲを決定するステップ１３と、実質ＳＩＮＲから所望信号の無線通信特性を決定するステップ１４とを有する。
第３の発明は、複数の無線通信端末が信号を送信または交換して通信を行う無線通信システムの無線通信特性を評価する無線通信特性評価装置おいて、干渉信号の電力および帯域を取得し、所望信号の帯域に重なる干渉信号の帯域の割合を示す干渉帯域割合を算出する干渉帯域割合算出部と、干渉電力と干渉帯域割合から干渉電力割合を算出し、さらに干渉電力と該干渉電力割合から定常雑音電力を算出する定常雑音電力算出部と、所望信号の受信電力と定常雑音電力から実質ＳＩＮＲを決定する実質ＳＩＮＲ計算部と、実質ＳＩＮＲから所望信号の無線通信特性を決定する無線通信特性決定部とを備える。
第４の発明は、複数の無線通信端末が信号を送信または交換して通信を行う無線通信システムの無線通信特性を評価する無線通信特性評価装置において、干渉信号の電力および帯域を取得し、所望信号の帯域に重なる干渉信号の帯域の割合を示す干渉帯域割合を算出する干渉帯域割合算出部と、干渉電力と干渉帯域割合に対応するマッピング関数を用いて定常雑音電力を決定する定常雑音電力マッピング部と、所望信号の受信電力と定常雑音電力から実質ＳＩＮＲを決定する実質ＳＩＮＲ計算部と、実質ＳＩＮＲから所望信号の無線通信特性を決定する無線通信特性決定部とを備える。
本発明は、実験や測定により得られたデータをもとに部分的なチャネル干渉による通信品質劣化をチャネル全体の雑音に置き換えて計算する。本発明は、(1) 実験や測定により得られたデータをチャネル全体の雑音に置き換えた場合の劣化量の計算方法と、(2) 計算して得られた劣化量を計算機シミュレーションで活用する方法である。
本発明では、実環境で測定したデータをもとに干渉量を算定するため、理論計算だけで算定する場合と比較して、より現環境に則した無線通信特性の評価が可能となる。また、データから計算した数値を用いて無線通信システムの計算機シミュレーションを行うため、毎回理論計算する場合と比較して計算量を削減することができる。
所望信号と干渉信号の関係および干渉帯域割合とマッピング関数の関係を示す図である。 本発明の無線通信特性評価装置の構成例を示す図である。 本発明の無線通信特性評価方法の干渉計算フローを示す図である。 測定データから干渉電力割合Ｒを算出する第１の手順を示す図である。 測定データから干渉電力割合Ｒを算出する第２の手順を示す図である。 測定データから干渉電力割合Ｒを算出する第３の手順を示す図である。 IEEE802.11ac (20ＭHz, １ss) の場合のスループットの理論計算とＳＩＮＲの関係を示す図である。 従来例における所望信号と干渉信号の関係を示す図である。 従来例における計算機シミュレーションの計算イメージを示す図である。 従来例における計算機シミュレーションの干渉計算フローを示す図である。
図１は、所望信号と干渉信号の関係および干渉帯域割合とマッピング関数の関係を示す。図２は、本発明の無線通信特性評価装置の構成例を示す。この図１および図２は、従来手法として示した図８，図９に対応する。
図１，図２において、干渉帯域割合算出部１は、干渉信号の電力や帯域などの干渉電力情報を入力し、所望信号の帯域に重なる干渉信号の帯域の割合を示す干渉帯域割合Ｌを算出する。なお、干渉帯域割合Ｌは、図１に示すように、所望信号が占有するチャネル帯域全体に干渉信号が重畳している場合を１とし、まったく重畳していない場合を０とし、図１および図８の例では、所望信号の帯域ｃ１〜ｃ４に対して干渉信号が重畳している帯域はｃ２〜ｃ４であるため、Ｌ＝３／４となる。
定常雑音電力マッピング部２は、干渉電力Ｐ２［dBm ］と干渉帯域割合Ｌに応じたマッピング関数を指定する。図１の例ではＬ＝３／４であることからマッピング関数Ｍ１(P2)を利用し、干渉電力Ｐ２［dBm ］を定常雑音電力Ｎs ［dBm ］に変換する。実質ＳＩＮＲ計算部３は、この定常雑音電力Ｎs ［dBm ］と所望信号の受信電力Ｐ１［dBm ］から実質ＳＩＮＲeff を決定し、さらにＰＥＲ決定部４は実質ＳＩＮＲeff からＰＥＲを決定する。なお、マッピング関数は、本発明である簡易化された計算手法であっても、計算精度を高めるために測定データを用いて作成されるものとする。
図３は、本発明の無線通信特性評価方法の干渉計算フローを示す。
図３において、干渉計算を開始すると、まず干渉信号の電力や帯域などの干渉電力情報を取得する（Ｓ11）。次に、所望信号が占有するチャネル帯域に対し、干渉信号が重畳している帯域の割合である干渉帯域割合Ｌを計算する（Ｓ12）。
次に、事前に用意したデータに基づき、干渉帯域割合Ｌと実際の干渉電力Ｎr （図１の例ではＰ２）から干渉電力割合Ｒを計算し（詳しくは図４〜図６に示す）、さらに干渉電力割合Ｒと実際の干渉電力Ｎr から定常雑音電力Ｎs （＝Ｒ・Ｎr ）を計算する（Ｓ13）。なお、図２の例では、干渉電力割合Ｒを用いる代わりに干渉帯域割合Ｌに対応するマッピング関数を用いて、干渉電力Ｎr を定常雑音電力Ｎs に替えた。次に、所望信号の受信電力と、Ｓ13で計算した定常雑音電力Ｎs から実質ＳＩＮＲeff を決定する（Ｓ14）。次に、実質ＳＩＮＲeff から所望信号が搬送するパケットのＰＥＲを決定し（Ｓ15）、干渉計算を終了する。
なお、この干渉計算フローは、計算機シミュレーション全体を通して計算回数を大幅に減らせるほか、チャネルブロックごとに繰り返し計算をしなくてよいため、計算そのものを単純化して計算コストを低減させることができる。よって、干渉イベントが発生するたびに都度計算を実行する場合や、固定値として計算機シミュレーションの前提条件とする場合に有利である。
以下、測定データから定常雑音電力Ｎs を算出するための干渉電力割合Ｒを算出する３通りの手順について説明する。
図４は、測定データから干渉電力割合Ｒを算出する第１の手順を示す。
図４において、まず測定データを取得する（Ｓ20）。なお、本手順で必要な測定データは、ＲＳＳＩ、変復調方式（以下、ＭＣＳという）、ＭＣＳ毎の再送率、雑音指数または雑音指数から求められるＮＦ（Noise Floor)である。
次に、干渉がない状態のＳＩＮＲa を算出する（Ｓ21）。算出方法は、例えば以下の２通りの方法が考えられる。(a) 干渉がない状態のＲＳＳＩと受信端末の雑音指数から干渉がない状態のＳＩＮＲa を算出する。(b) 干渉がない状態で取得したパケットキャプチャデータから使用されているＭＣＳとその再送率を調査し、当該ＭＣＳでのＰＥＲを調べ該当するＳＩＮＲを、干渉がない状態のＳＩＮＲa として決定する。なお、該当するＰＥＲからＳＩＮＲを決定するには、ＳＩＮＲとＰＥＲのマップ関数や非特許文献２で示されているデータを利用する。または、複数のＭＣＳで調べたＳＩＮＲの平均値や頻出割合で重み付けした期待値を算出する。
次に、干渉帯域割合Ｌで干渉がある状態のＳＩＮＲb を算出する（Ｓ22）。算出方法は、例えば以下の方法が考えられる。干渉がある状態で取得したパケットキャプチャデータから使用されているＭＣＳとその再送率を取得し、当該ＭＣＳで送信した場合の再送率（ＰＥＲ）に該当するＳＩＮＲを、干渉がある状態のＳＩＮＲb として決定する。なお、該当するＰＥＲからＳＩＮＲを決定するには、ＳＩＮＲとＰＥＲのマップ関数や非特許文献２で示されているデータを利用する。または、複数のＭＣＳで調べたＳＩＮＲの平均値や頻出割合で重み付けした期待値を算出する。
次に、２つのＳＩＮＲa ，ＳＩＮＲb から増大した実質干渉電力Ｎを算出する（Ｓ23）。例えば、干渉なしのＳＩＮＲa と、干渉ありのＳＩＮＲb を以下のように想定すると、
ＳＩＮＲa ：ＲＳＳＩ／ＮＦ
ＳＩＮＲb ：ＲＳＳＩ／（ＮＦ＋Ｎ）
実質干渉電力Ｎは、以下のようになる。
Ｎ＝（ＳＩＮＲa ／ＳＩＮＲb −１）・ＮＦ
次に、実質干渉電力Ｎと実際の干渉電力Ｎr との比率（Ｎ／Ｎr ）を計算して干渉電力割合Ｒとする（Ｓ24）。または、複数のデータからマッピング関数を作成してもよい。図３のＳ13では、この干渉電力Ｎr と干渉電力割合Ｒから定常雑音電力Ｎs ＝Ｒ・Ｎr が算出される。
図５は、測定データから干渉電力割合Ｒを算出する第２の手順を示す。
図５において、まず測定データを取得する（Ｓ30）。なお、本手順で必要な測定データは、ＲＳＳＩ、スループット、ＰＥＲ対ＭＣＳデータである。
次に、干渉がない状態のＳＩＮＲa を算出する（Ｓ31）。算出方法は、図３に示すＳ21と同じである。
次に、干渉帯域割合Ｌで干渉がある状態のスループット値から該当するＭＣＳを判定する（Ｓ32）。ここでは、各ＭＣＳで送信した場合のスループット値をデータとして保持し、測定値と最も近い値または測定値よりも高い／低い値のうち最も近い値を選択する。
次に、当該ＭＣＳで送信できるＳＩＮＲをデータシートなどから参照し、干渉帯域割合Ｌで干渉がある状態のＳＩＮＲb として決定する（Ｓ33）。ここでは、例えばＰＥＲが一定値を下回るＳＩＮＲを指定してもよいし、ＰＥＲが一定値を下回るＳＩＮＲ（sinrf ）と当該ＭＣＳよりひとつ高いＭＣＳでＰＥＲが一定値を下回るＳＩＮＲ（sinru ）の中間値とするなど、当該ＭＣＳを送信できると考えられるＳＩＮＲのうちひとつの値を決めることもできる。
次に、２つのＳＩＮＲa ，ＳＩＮＲb から増大した実質干渉電力Ｎを算出する（Ｓ34）。この処理は、図４に示すＳ23の処理と同じである。
次に、実質干渉電力Ｎと実際の干渉電力Ｎr との比率（Ｎ／Ｎr ）を計算して干渉電力割合Ｒとする（Ｓ35）。または、複数のデータからマッピング関数を作成してもよい。この処理は、図４に示すＳ24の処理と同じである。
図６は、測定データから干渉電力割合Ｒを算出する第３の手順を示す。
図６において、まず測定データを取得する（Ｓ40）。なお、本手順で必要な測定データは、ＲＳＳＩ、スループット、ＰＥＲ対ＭＣＳデータである。
次に、干渉がない状態のＳＩＮＲa を算出する（Ｓ41）。算出方法は、図３に示すＳ21と同じである。
次に、干渉帯域割合Ｌで干渉がある状態のスループット値に対するＳＩＮＲをデータシートなどから参照し、干渉帯域割合Ｌで干渉がある状態のＳＩＮＲb として決定する（Ｓ42）。理論計算や計算機シミュレーションまたは事前測定で得られたＳＩＮＲ対スループットデータなどから、スループットとＳＩＮＲをマッピングしてデータシート化し、そのデータシートから干渉がある状態のＳＩＮＲb を選択する。なお、ＳＩＮＲ対スループットデータのグラフ例を図７に示す。図７は、IEEE802.11ac (20ＭHz, １ss) の場合のスループットの理論計算とＳＩＮＲの関係をグラフ化したものである。各ＳＩＮＲに対して最大スループットを有するＭＣＳを太線のように１対１でマッピングすることができる。
次に、２つのＳＩＮＲa ，ＳＩＮＲb から増大した実質干渉電力Ｎを算出する（Ｓ43）。この処理は、図４に示すＳ23の処理と同じである。
次に、実質干渉電力Ｎと実際の干渉電力Ｎr との比率（Ｎ／Ｎr ）を計算して干渉電力割合Ｒとする（Ｓ44）。または、複数のデータからマッピング関数を作成してもよい。この処理は、図４に示すＳ24の処理と同じである。
１ 干渉帯域割合算出部
２ 定常雑音電力マッピング部
３ 実質ＳＩＮＲ計算部
４ ＰＥＲ決定部

Claims (7)

  1. 複数の無線通信端末が信号を送信または交換して通信を行う無線通信システムの無線通信特性を評価する無線通信特性評価方法において、
    干渉信号の電力および帯域を取得するステップ１と、
    所望信号の帯域に重なる前記干渉信号の帯域の割合を示す干渉帯域割合を算出するステップ２と、
    干渉電力と前記干渉帯域割合から干渉電力割合を算出し、さらに干渉電力と該干渉電力割合から定常雑音電力を算出するステップ３と、
    所望信号の受信電力と前記定常雑音電力から実質ＳＩＮＲを決定するステップ４と、
    前記実質ＳＩＮＲから前記所望信号の無線通信特性を決定するステップ５と
    を有することを特徴とする無線通信特性評価方法。
  2. 請求項１に記載の無線通信特性評価方法において、
    前記ステップ３は、前記干渉帯域割合で干渉がある状態のパケットキャプチャデータから変復調方式と再送率を取得し、前記変復調方式で送信した場合の前記再送率に該当するＳＩＮＲから実質干渉電力を算出し、実際の干渉電力に対する該実質干渉電力の比率を前記干渉電力割合として算出する
    ことを特徴とする無線通信特性評価方法。
  3. 請求項１に記載の無線通信特性評価方法において、
    前記ステップ３は、前記干渉帯域割合で干渉がある状態のスループット値から変復調方式を取得し、該変復調方式で送信できるＳＩＮＲをデータシートから取得し、該ＳＩＮＲから実質干渉電力を算出し、実際の干渉電力に対する該実質干渉電力の比率を前記干渉電力割合として算出する
    ことを特徴とする無線通信特性評価方法。
  4. 請求項１に記載の無線通信特性評価方法において、
    前記ステップ３は、前記干渉帯域割合で干渉がある状態のスループット値から該当するＳＩＮＲをデータシートから取得し、該ＳＩＮＲから実質干渉電力を算出し、実際の干渉電力に対する該実質干渉電力の比率を前記干渉電力割合として算出する
    ことを特徴とする無線通信特性評価方法。
  5. 複数の無線通信端末が信号を送信または交換して通信を行う無線通信システムの無線通信特性を評価する無線通信特性評価方法において、
    干渉信号の電力および帯域を取得し、所望信号の帯域に重なる前記干渉信号の帯域の割合を示す干渉帯域割合を算出するステップ１１と、
    干渉電力と前記干渉帯域割合に対応するマッピング関数を用いて定常雑音電力を決定するステップ１２と、
    所望信号の受信電力と前記定常雑音電力から実質ＳＩＮＲを決定するステップ１３と、
    前記実質ＳＩＮＲから前記所望信号の無線通信特性を決定するステップ１４と
    を有することを特徴とする無線通信特性評価方法。
  6. 複数の無線通信端末が信号を送信または交換して通信を行う無線通信システムの無線通信特性を評価する無線通信特性評価装置おいて、
    干渉信号の電力および帯域を取得し、所望信号の帯域に重なる前記干渉信号の帯域の割合を示す干渉帯域割合を算出する干渉帯域割合算出部と、
    干渉電力と前記干渉帯域割合から干渉電力割合を算出し、さらに干渉電力と該干渉電力割合から定常雑音電力を算出する定常雑音電力算出部と、
    所望信号の受信電力と前記定常雑音電力から実質ＳＩＮＲを決定する実質ＳＩＮＲ計算部と、
    前記実質ＳＩＮＲから前記所望信号の無線通信特性を決定する無線通信特性決定部と
    を備えたことを特徴とする無線通信特性評価装置。
  7. 複数の無線通信端末が信号を送信または交換して通信を行う無線通信システムの無線通信特性を評価する無線通信特性評価装置において、
    干渉信号の電力および帯域を取得し、所望信号の帯域に重なる前記干渉信号の帯域の割合を示す干渉帯域割合を算出する干渉帯域割合算出部と、
    干渉電力と前記干渉帯域割合に対応するマッピング関数を用いて定常雑音電力を決定する定常雑音電力マッピング部と、
    所望信号の受信電力と前記定常雑音電力から実質ＳＩＮＲを決定する実質ＳＩＮＲ計算部と、
    前記実質ＳＩＮＲから前記所望信号の無線通信特性を決定する無線通信特性決定部と
    を備えたことを特徴とする無線通信特性評価装置。
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