JP2020205504A - Communication device, communication method, and program - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、通信装置、通信方法、及びプログラムに関する。 The present invention relates to communication devices, communication methods, and programs.
地球を周回する人工衛星と地上の無線基地局(以下、地上局と称する)とが通信を行う場合、地上局と人工衛星とを結ぶ線と地上局を基準とした水平面とのなす角度である仰角が低いほど、地上局と人工衛星との間の電波の伝搬距離が長くなるため、自由空間損失によって電波の減衰がより大きくなりやすい。通常、人工衛星から地上局に向けたデータ通信の回線設計では、最も回線成立性の低い条件、つまり運用時の仰角が最低となる条件下において、人工衛星に搭載されたアンテナや、電波の送信電力といった種々のパラメータを決定し、固定される。そのため、仰角が高くなる運用では、仰角が低いときよりも伝搬距離が短くなるため、地上局では通信回線成立に必要な受信電力を超える余分な電力(以下、余剰電力と称する)が発生し得る。 When an artificial satellite orbiting the earth communicates with a radio base station on the ground (hereinafter referred to as a ground station), it is the angle between the line connecting the ground station and the artificial satellite and the horizontal plane with respect to the ground station. The lower the elevation angle, the longer the propagation distance of radio waves between the ground station and the artificial satellite, and the greater the attenuation of radio waves due to free space loss. Normally, in the line design of data communication from an artificial satellite to a ground station, the antenna mounted on the artificial satellite and the transmission of radio waves are performed under the conditions where the line establishment is the lowest, that is, the elevation angle during operation is the lowest. Various parameters such as power are determined and fixed. Therefore, in the operation where the elevation angle is high, the propagation distance is shorter than when the elevation angle is low, so that the ground station may generate extra power (hereinafter referred to as surplus power) exceeding the received power required for establishing the communication line. ..
上記のように余剰電力が発生する条件下において更なるデータ伝送の高速化および大容量化を実現する技術が知られている(例えば、特許文献1、2参照)。例えば、特許文献1には、降雨減衰や自由空間損失などの通信環境の変動に対して、事前の計画通りに、誤り訂正符号の符号化方式を変更したり、変調方式を変更したりする技術が開示されている。このような方式を採用することで、人工衛星と地上局との間の通信の周波数利用効率の最大化を図っている。
As described above, there are known techniques for further increasing the speed and capacity of data transmission under the condition that surplus power is generated (see, for example,
しかしながら、従来の技術では、運用時における人工衛星の仰角に応じて発生し得る余剰電力をもとに、誤り訂正符号の符号化率や変調方式を切り替える際に、CCSDS(Consultative Committee for Space Data System)やETSI(European Telecommunications Standards Institute)などが定める標準規格に準じた制御を行うため、規格化された符号化率や変調方式は有限であり、周波数利用効率の最大化が十分でなかった。その結果、高速に大容量のデータを送信することができていなかった。また、このような課題は、人工衛星のような宇宙機に限られず、地上上空を飛行する航空機やドローンといった地上局と通信する移動体全般に共通するところである。 However, in the conventional technology, when switching the coding rate or modulation method of the error correction code based on the surplus power that can be generated according to the elevation angle of the artificial satellite during operation, CCSDS (Consultative Committee for Space Data System) ) And ETSI (European Telecommunications Standards Institute), etc., the standardized coding rate and modulation method are finite, and the maximization of frequency utilization efficiency is not sufficient. As a result, it was not possible to transmit a large amount of data at high speed. Further, such a problem is not limited to spacecraft such as artificial satellites, but is common to all mobile bodies that communicate with ground stations such as aircraft and drones flying over the ground.
本発明は、このような事情を考慮してなされたものであり、更なるデータ伝送の高速化、及び大容量化を実現することができる通信装置、通信方法、及びプログラムを提供することを目的の一つとする。 The present invention has been made in consideration of such circumstances, and an object of the present invention is to provide a communication device, a communication method, and a program capable of further increasing the speed and capacity of data transmission. It is one of.
本発明の一態様は、複数の搬送波を用いてデータを誤り訂正符号化・変調し、前記変調したデータを地上局に送信する送信部と、前記送信部によって前記データが送信される際に生じる余剰電力を導出し、前記導出した余剰電力に応じて、前記データに対する誤り訂正符号の符号化率および前記データの変調方式の少なくとも一方を前記複数の搬送波のそれぞれについて決定する制御部と、を備え、前記制御部は、前記搬送波ごとに決定した符号化率及び変調方式の少なくとも一方に応じて、前記送信部がデータを送信する際に要する電力を、前記搬送波ごとに決定する通信装置である。 One aspect of the present invention occurs when data is error-corrected, encoded and modulated using a plurality of carriers, and the modulated data is transmitted to a ground station, and when the data is transmitted by the transmission unit. A control unit that derives surplus power and determines at least one of the coding rate of the error correction code for the data and the modulation method of the data for each of the plurality of carriers according to the derived surplus power. The control unit is a communication device that determines the power required for the transmission unit to transmit data for each carrier according to at least one of the coding rate and the modulation method determined for each carrier.
本発明の一態様によれば、更なるデータ伝送の高速化、及び大容量化を実現することができる。 According to one aspect of the present invention, it is possible to further increase the speed and capacity of data transmission.
以下、図面を参照し、本発明の通信装置、通信方法、及びプログラムの実施形態について説明する。本実施形態における通信装置は、典型的には、地球を周回する人工衛星に搭載される。また、通信装置は、人工衛星に限られず、宇宙探査機、宇宙ステーションといったその他の宇宙機に搭載されてもよいし、航空機やドローンといった地上上空を移動する移動体に搭載されてもよい。以下、一例として、通信装置が人工衛星に搭載されるものとして説明する。 Hereinafter, embodiments of the communication device, communication method, and program of the present invention will be described with reference to the drawings. The communication device in this embodiment is typically mounted on an artificial satellite orbiting the earth. Further, the communication device is not limited to an artificial satellite, and may be mounted on other spacecraft such as a space probe and a space station, or may be mounted on a mobile body such as an aircraft or a drone that moves over the ground. Hereinafter, as an example, a communication device will be described as being mounted on an artificial satellite.
図1は、実施形態に係る通信装置を含む通信システム1の一例を示す図である。通信システム1は、例えば、通信装置を搭載した人工衛星SATと、地上局200とを備える。人工衛星SATは、典型的には、電波、赤外線、可視光を用いて地球を観測する人工衛星であるが、地上局200から発信された信号を中継する通信衛星や、無線報時信号を送信する航行衛星などの他の種類の人工衛星であってもよい。
FIG. 1 is a diagram showing an example of a
例えば、人工衛星SATは、予め決められた運用スケジュール(航行スケジュール)に従って地球の周囲の軌道に沿って航行しているため、地上局200から見た人工衛星SATの相対的な位置、すなわち人工衛星SATの仰角は時間に応じて変動し、その仰角に応じた伝搬距離が一意に決定される。伝搬距離に応じた自由空間損失は、仰角が低く伝搬距離が長いほど大きく、仰角が高く伝搬距離が短いほど小さい。地上局200は、例えば、人工衛星によって観測された情報を受信して解析したり、人工衛星に向けて信号を発信したりする。
For example, since the artificial satellite SAT is navigating along the orbit around the earth according to a predetermined operation schedule (navigation schedule), the relative position of the artificial satellite SAT as seen from the
図2は、実施形態に係る通信装置100の構成の一例を示す図である。通信装置100は、例えば、送信部110と、受信部120と、制御部130と、観測用センサ140と、記憶部150とを備える。人工衛星SATが航行する宇宙空間では、専ら太陽光発電によって通信装置100の電力を賄っており、その発電量は有限であることから、通信装置100は、消費可能な最大電力量が制限された環境下で動作する。
FIG. 2 is a diagram showing an example of the configuration of the
送信部110は、例えば、テレメトリなどで利用されるような周波数帯(例えばセンチメートル波やミリ波)の電波を用いて地上局200にデータを送信する。
The
図3は、送信部110の構成の一例を示す図である。図示の例のように、送信部110は、N個の送信機(送信回路)112と、加算器114と、増幅器116と、アンテナ118とを備える。例えば、n番目の送信機112−nは、符号化部112−n−1と、変調部112−n−2と、送信電力制御部112−n−3とを備える。nは1以上、且つN以下の任意の自然数である。
FIG. 3 is a diagram showing an example of the configuration of the
符号化部112−n−1は、記憶部150に格納されたデータを、制御部130によって指示された符号化率で符号化する。
The coding unit 112-n-1 encodes the data stored in the
変調部112−n−2は、符号化部112−n−1によって符号化されたデータを、制御部130によって指示された変調方式で変調する。
The modulation unit 112-n-2 modulates the data encoded by the coding unit 112-n-1 by the modulation method instructed by the
送信電力制御部112−n−3は、変調部112−n−2によって変調されたデータを、制御部130によって指示された送信電力で出力する。以下では、符号化および変調が行われたデータのことを「信号」と称して説明する。
The transmission power control unit 112-n-3 outputs the data modulated by the modulation unit 112-n-2 with the transmission power instructed by the
記憶部150から送信機112に入力されるデータは、所望の情報単位(例えばビット)で扱われる。データは、シリアルーパラレル変換によって1つのデータが分割され並列化されたデータであっても良いし、記憶部から独立に入力されるデータであっても良い。複数の送信機112のそれぞれは、互いにキャリア(搬送波)の位相または周波数が異なる。以下、変調方式が位相変調であるものとし、キャリアの周波数が互いに異なるものとして説明する。
The data input from the
加算器114は、各送信機112によって変調された信号を足し合わせ、増幅器116に出力する。
The
増幅器116は、加算器114によって足し合わされた信号の電力を増幅する。アンテナ118は、増幅器116によって増幅された信号を電波として地上へ向けて照射する。アンテナ118は、例えば、指向方向が制御可能なフェーズドアレイアンテナなどの複数のアンテナで構成してもよい。
The
受信部120は、地上局200からテレコマンドなどで利用されるような周波数帯の電波を受信する。テレコマンドは、地上局200から人工衛星SATに指令を与えるために送られるコマンドである。
The
制御部130は、人工衛星SATの運用スケジュールの時刻に基づいて、アンテナ118により送信される電波の余剰電力を導出し、その余剰電力に応じて、複数の送信機112のそれぞれについて、誤り訂正符号の符号化率、変調方式、および送信電力を決定する。そして、制御部130は、決定した符号化率、変調方式、および送信電力を示す制御情報を送信部110に送信する。
The
制御部130は、例えば、CPU(Central Processing Unit)やGPU(Graphics Processing Unit)などのプロセッサが記憶部150に格納されたプログラムを実行することにより実現される。また、制御部130は、LSI(Large Scale Integration)、ASIC(Application Specific Integrated Circuit)、またはFPGA(Field-Programmable Gate Array)などのハードウェアにより実現されてもよいし、ソフトウェアとハードウェアの協働によって実現されてもよい。また、プロセッサにより参照されるプログラムは、予め記憶部150に格納されていてもよいし、DVDやCD−ROMなどの着脱可能な記憶媒体に格納されており、その記憶媒体が通信装置100のドライブ装置に装着されることで記憶部150にインストールされてもよい。
The
人工衛星SATでは、CCSDSやETSIなどが定める標準規格に準拠した符号化率及び変調方式を利用して人工衛星SATから地上局200にデータを送信することが推奨されている。しかしながら、上述したように、人工衛星SATの仰角が大きくなると伝搬距離が短くなるため、人工衛星SATから送信されたデータが地上局200で復元できることを保証するために最低限必要な電力を超える余分な電力、すなわち余剰電力が発生する。
In the artificial satellite SAT, it is recommended to transmit data from the artificial satellite SAT to the
従って、制御部130は、人工衛星SATが地球を周回していることを考慮して、時刻から人工衛星SATの仰角を導出し、更に、導出した仰角から余剰電力を導出する。例えば、制御部130は、運用スケジュールの時刻に対して余剰電力が対応付けられたテーブル或いは関係式を参照して、時刻から直接的に余剰電力を導出してもよいし、運用スケジュールの時刻に対して仰角が対応付けられたテーブル或いは関係式と、仰角に対して余剰電力が対応付けられたテーブル或いは関係式とを複合的に参照することで、時刻から間接的に余剰電力を導出してもよい。
Therefore, the
例えば、制御部130は、人工衛星SATが軌道に沿って周回しているときに、後述する観測用センサ140から出力された情報を基に余剰電力を導出してもよいし、受信部120が地上局200から受信したテレコマンドを基に導出してもよい。或いは、観測用センサ140から出力された情報、及び受信部120が地上局200から受信したテレコマンドを組み合わせて導出してもよい。
For example, the
例えばETSIが定める標準規格DVB−S2(Digital Video Broadcasting Satellite Second Generation)では、Frame Error Rate(FER)=1E−5における1シンボル当りの信号電力対雑音電力スペクトル密度比(Es/N0)が解析によって求められており、誤り訂正符号の符号化率が5/6かつ変調方式がQPSK(Quadrature Phase Shift Keying)の場合のEs/N0は5.18[dB]、誤り訂正符号の符号化率が5/6かつ変調方式が8PSKの場合、Es/N0は9.35[dB]と記載されている。 For example, in the standard DVB-S2 (Digital Video Broadcasting Satellite Second Generation) defined by ETSI, the signal power to noise power spectral density ratio (Es / N 0 ) per symbol at Frame Error Rate (FER) = 1E-5 is analyzed. When the coding rate of the error correction code is 5/6 and the modulation method is QPSK (Quadrature Phase Shift Keying), Es / N 0 is 5.18 [dB], and the coding rate of the error correction code is Is 5/6 and the modulation method is 8PSK, Es / N 0 is described as 9.35 [dB].
Esは、1符号(シンボル)当たりのエネルギーを表し、N0は、1[Hz]あたりの雑音電力スペクトル密度を表し、Es/N0は、雑音電力スペクトル密度N0に対する1符号当たりのエネルギーEsの比を表している。つまり、受け手側である地上局200が変調されたデータを正常に復調できるように担保するために、帯域幅1[Hz]あたりの情報伝送速度([bit]/[s])が大きい変調方式(周波数利用効率が高い変調方式)ほど、送信電力を大きくする必要があることを意味している。
Es represents the energy per code (symbol), N 0 represents the noise power spectral density per 1 [Hz], and Es / N 0 is the energy Es per code with respect to the noise power spectral density N 0 . Represents the ratio of. That is, a modulation method in which the information transmission rate ([bit] / [s]) per bandwidth 1 [Hz] is large in order to ensure that the
図4は、仰角に対する自由空間損失の変化の一例を示す図である。図示のように、仰角が大きくなるほど、すなわち人工衛星SATが地上局200の真上に近づくほど、人工衛星SATと地上局200との間の伝搬距離が短くなるため、自由空間損失が低下する。そのため、仰角が大きいときに送信電力を小さくしたとしても、Es/N0が要求値を満たすことを意味している。
FIG. 4 is a diagram showing an example of a change in free space loss with respect to an elevation angle. As shown in the figure, the larger the elevation angle, that is, the closer the artificial satellite SAT is to directly above the
観測用センサ140は、地上から照射された、または反射した電波や赤外線、可視光などを検出することで、地球を観測するセンサである。観測用センサ140は、例えば、電波を受信するアンテナや、地表から照射された可視光や赤外線を検出するカメラなどである。観測用センサ140は、観測結果を示す信号を制御部130が利用可能なデータ形式に変換したのち、制御部130に出力する。
The
記憶部150は、例えば、HDD(Hard Disc Drive)、フラッシュメモリ、EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read Only Memory)、ROM(Read Only Memory)、RAM(Random Access Memory)などによって実現される。記憶部150には、例えば、地上局200に送信されるデータが格納される。
The
(変調方式の決定方法の説明)
以下、余剰電力に応じた変調方式の決定方法の詳細について説明する。まず、周波数軸上に並べたN個のキャリア(搬送波)、すなわち、互いに周波数が異なるN個のキャリアをキャリア1、キャリア2、…、キャリアn、…、キャリアNと定義する。Nは2以上の自然数である。以下、簡単のため、変調方式を可変とする例について説明するが、誤り訂正符号の符号化率を可変とする、もしくは符号化率と変調方式との双方を可変とする場合においても同様である。
(Explanation of how to determine the modulation method)
Hereinafter, the details of the method of determining the modulation method according to the surplus power will be described. First, N carriers (carrier waves) arranged on the frequency axis, that is, N carriers having different frequencies from each other are defined as
キャリア分割を行わず単一のキャリア(N=n=1)で観測データを伝送する場合、ディジタル変調方式の変調次数を2mから2m+1(例えばQPSKから8PSK)に切り替えるために必要な受信C/N0((C/N0)n,m+l)[真数]は、数式(1)のように表される。 When transmitting observation data on a single carrier without carrier division (N = n = 1), the reception C required to switch to the digital modulation system of the modulation order of 2 2 from m m + 1 (e.g., 8PSK from QPSK) / N 0 ((C / N 0 ) n, m + l ) [antilogarithm] is expressed as in the mathematical formula (1).
ここで、Cは受信信号電力を表し、N0は雑音電力スペクトル密度を表している。また(C/N0)m+lは次数2m+1の変調方式に必要な受信C/N0(受信信号電力対雑音電力スペクトル密度比)を表している。 Here, C represents the received signal power, and N 0 represents the noise power spectral density. Further, (C / N 0 ) m + l represents the received C / N 0 (received signal power to noise power spectral density ratio) required for the modulation method of degree 2 m + 1 .
一方、本実施形態において、n個のキャリアの変調方式の次数を2mから2m+1に切り替え、かつ(N−n)個のキャリアの変調方式の次数を2mのままとするために最低限に必要な受信C/N0((C/N0)n,m+l)[真数]は数式(2)のように表される。 On the other hand, in the present embodiment, the order of the modulation method of n carriers is switched from 2 m to 2 m + 1 , and the order of the modulation method of (Nn) carriers remains at 2 m. The received C / N 0 ((C / N 0 ) n, m + l ) [antilogarithm] required for the above is expressed by the formula (2).
ここで、nは、1以上、且つN以下の自然数である。また、(C/N0)mは次数2mの変調方式に必要な受信C/N0表している。また、{(C/N0)m+1−(C/N0)m}は全キャリアの変調方式の次数を2mから2m+1に切り替えるために必要な受信C/N0の増加量を表している。本実施形態では、n/Nの割合で変調方式を切り替える時に必要な受信C/N0の増加量を制御できる。そのため、n個のキャリアのみ変調方式の次数を2mから2m+1に切り替える場合、キャリアの分割数Nを増加させるほど、より小さな受信C/N0で変調方式の切替が可能となる。 Here, n is a natural number of 1 or more and N or less. Further, (C / N 0 ) m represents the reception C / N 0 required for the modulation method having a degree of 2 m . Further, {(C / N 0) m + 1 - (C / N 0) m} is representative of the amount of increase of the receiving C / N 0 required to switch to the 2 m + 1 the order of the modulation scheme for all carriers from 2 m There is. In the present embodiment, the amount of increase in reception C / N 0 required when switching the modulation method at the ratio of n / N can be controlled. Therefore, when the order of the modulation method for only n carriers is switched from 2 m to 2 m + 1 , the modulation method can be switched with a smaller reception C / N 0 as the number of divisions N of the carriers is increased.
n個のキャリアの変調方式の変調次数を2mから2m+1に切り替える場合、周波数利用効率ηn,m+1[bit/s/Hz]は、数式(3)によって表される。 When the modulation order of the modulation method of n carriers is switched from 2 m to 2 m + 1 , the frequency utilization efficiency η n, m + 1 [bit / s / Hz] is expressed by the mathematical formula (3).
図5は、本実施形態の手法と従来手法とを比較した図である。図示のように、従来では次の変調方式の要求C/N0に達するまで固定であった周波数利用効率ηを、数式(3)のようにキャリア分割数Nに応じて段階的に向上させることが可能となり、結果として通信装置100の伝送容量を増大させることができる。
FIG. 5 is a diagram comparing the method of the present embodiment with the conventional method. As shown in the figure, the frequency utilization efficiency η, which was conventionally fixed until the required C / N 0 of the next modulation method is reached, is gradually improved according to the number of carrier divisions N as shown in equation (3). As a result, the transmission capacity of the
各キャリアの受信C/N0は、それぞれ仰角θの上昇に応じて増加し、下降に応じて減少する。そのため、制御部130は、受信C/N0が増加し一定値を超えたタイミングで、キャリア1のみ出力電力を増加させ、その他のキャリアの出力電力を減少させる。
The reception C / N 0 of each carrier increases as the elevation angle θ rises, and decreases as the elevation angle θ decreases. Therefore, the
この場合、受信C/N0(余剰電力が発生)は、仰角θの上昇による増加分、及び集約させた出力電力の分だけ更に増加するため、制御部130は、電力を集中させたキャリア1の変調方式を、高い要求C/N0が必要な高次の変調方式に決定し直したり、または高符号化率の変調方式に決定し直したりする。
In this case, the received C / N 0 (surplus power is generated) is further increased by the increase due to the increase in the elevation angle θ and the aggregated output power, so that the
この際、キャリア1の余剰電力は0となる。一方(総出力電力一定の条件においては)、出力電力操作によりキャリア1以外のキャリアの出力電力は減少するものの、仰角θの上昇により受信C/N0が上昇しているため、その分が相殺する。この結果、元の符号化率・変調方式を維持するために必要な要求C/N0が満たされる。すなわち、制御部130は、キャリア1に電力を分けた他のキャリアの変調方式は変えずにそのままを維持する。
At this time, the surplus power of the
制御部130は、仰角θが上昇するにつれて、キャリア2,キャリア3,…,キャリアNと順に符号化率または変調方式を切り替えていくことで、全てのキャリアが次の符号化率または変調方式に切り替わるまでの期間、キャリアの分割数Nだけ符号化率・変調方式を密に切り替えていくことができる。この結果、仰角θ毎に余剰電力を減少させながら、大容量のデータを送信することができる。
As the elevation angle θ increases, the
キャリア分割を行わず1つのキャリアのみで伝送する場合、変調次数2m、変調次数2m+1のディジタル変調方式の要求C/N0は、数式(4)、(5)によって表される。 When transmitting with only one carrier without carrier division, the required C / N 0 of the digital modulation method having a modulation order of 2 m and a modulation order of 2 m + 1 is expressed by mathematical formulas (4) and (5).
ここで、Pは送信機の出力電力、Gは送信側アンプや送受信アンテナ利得、給電損失等の機器による総合利得、θは運用時の仰角、L(θ)は仰角θに応じた自由空間伝搬損失である。なお、低軌道で地球を周囲する人工衛星SATではL(θ)は仰角θの上昇と共に増加し、下降と共に減少していく。また、θmは、変調次数2mの変調方式に切り替えるために必要な最低受信C/N0が得られる仰角であり、θm+1は、変調次数2m+1の変調方式に切り替えるために必要な最低受信C/N0が得られる仰角である。 Here, P is the output power of the transmitter, G is the total gain from the transmitter amplifier, the transmission / reception antenna gain, the power supply loss, and other devices, θ is the elevation angle during operation, and L (θ) is free space propagation according to the elevation angle θ. It is a loss. In the artificial satellite SAT that orbits the earth in low earth orbit, L (θ) increases as the elevation angle θ rises and decreases as the elevation angle θ falls. Further, θ m is an elevation angle at which the minimum reception C / N 0 required to switch to a modulation method having a modulation order of 2 m is obtained, and θ m + 1 is the minimum required to switch to a modulation method having a modulation order of 2 m + 1. This is the elevation angle at which reception C / N 0 is obtained.
雑音電力スペクトル密度N0は、一般的に地上局の機器構成により決まり、ゼロではなく、かつ仰角θが変化しても常に一定とみなせるため、両辺にN0を掛けることで、数式(4)、(5)は、数式(6)、(7)のように受信電力の単位に変換して表すことができる。以降は式(6)、(7)のように受信電力Cの形式で説明する。 The noise power spectral density N 0 is generally determined by the equipment configuration of the ground station, is not zero, and can always be regarded as constant even if the elevation angle θ changes. Therefore, by multiplying both sides by N 0 , the formula (4) , (5) can be expressed by converting them into units of received power as in the formulas (6) and (7). Hereinafter, the format of the received power C will be described as in the equations (6) and (7).
ここで、変調次数2m、変調次数2m+1に対応した自由空間損失の差分ΔLを数式(8)のように定義する。 Here, the difference ΔL of the free space loss corresponding to the modulation order of 2 m and the modulation order of 2 m + 1 is defined as in the equation (8).
このとき、変調次数2m+1の要求受信電力は、自由空間損失の差分ΔLを用いて、数式(9)のように表すことができる。 At this time, the required received power having a modulation order of 2 m + 1 can be expressed as in the equation (9) by using the difference ΔL of the free space loss.
一方、キャリアをN個に分割する場合、1キャリア当りのシンボルレートは1/Nとなり、1キャリア当りの要求受信電力もl/Nとなるため、1キャリア当りの変調次数2m+1の要求受信電力は、数式(10)のように表すことができる。 On the other hand, when the carrier is divided into N pieces, the symbol rate per carrier is 1 / N, and the required received power per carrier is also l / N. Therefore, the required received power with a modulation order of 2 m + 1 per carrier. Can be expressed as in the formula (10).
よって、変調方式の次数を2mから2m+1に切り替えるために必要な1キャリア当りの自由空間損失の差分ΔLもΔL/Nとなる。 Therefore, the difference ΔL of the free space loss per carrier required to switch the order of the modulation method from 2 m to 2 m + 1 is also ΔL / N.
(キャリアごとの余剰電力の配分)
以下、キャリアごとに余剰電力をどのように配分していくのかを図を参照しながら説明する。図6は、キャリア毎の電力分配を模式的に示す図である。図示の例では、N=3であり、QPSKから8PSKに変調方式を変更する場合について示している。
(Distribution of surplus electricity for each carrier)
Hereinafter, how to allocate the surplus power to each carrier will be described with reference to the figure. FIG. 6 is a diagram schematically showing power distribution for each carrier. In the illustrated example, N = 3, and the case where the modulation method is changed from QPSK to 8PSK is shown.
本実施形態とは異なりキャリア分割を行わない場合、変調方式の次数を2mから2m+1に切り替えるためには、自由空間損失の差分がΔLに達することが必要であった。すなわち、仰角がθm+1に上昇することが必要であった。 If you do not carrier division unlike this embodiment, in order to switch the order of the modulation scheme from 2 m to 2 m + 1, the difference in free space loss was necessary to reach a [Delta] L. That is, it was necessary for the elevation angle to rise to θ m + 1 .
一方、本実施形態のようにキャリアをN個に分割する場合、切替に必要な1キャリア当りの自由空間損失の差分がΔL/Nとなるため、仰角がθm+1に上昇する前の段階で各キャリアに生じた余剰電力を1つのキャリアに集約させることができる。そのため、制御部130は、自由空間損失の差分がΔL/Nに達した時点で、キャリア1のみ先行して変調方式を、高い受信電力Cが必要な高次の変調方式に決定し直したり、または高符号化率の変調方式に決定し直したりする。余剰電力の配分を行った後、各キャリアの余剰電力は全て0となる。
On the other hand, when the carriers are divided into N pieces as in the present embodiment, the difference in free space loss per carrier required for switching is ΔL / N, so that each carrier is before the elevation angle rises to θ m + 1. The surplus power generated in the carriers can be aggregated in one carrier. Therefore, when the difference in free space loss reaches ΔL / N, the
制御部130は、キャリア1と同様に、キャリア2,3,…,Nについても同様の処理を行って変調方式を決定する。このように、一部のキャリアに電力を集約し、電力を集約したキャリアの変調方式を切り替えるため、キャリアの数Nが増加するほど、切り替えに必要な自由空間損失の差分は線形的に増加していくことになる。n番目までのキャリアを先行して高次の変調方式に切り替えるために必要な自由空間損失の差分をΔLnとすると、ΔLnとΔLの関係は数式(11)のように表される。
Similar to the
数式(6)の両辺にGPを掛け合わせると、数式(12)となる。 Multiplying both sides of the formula (6) by GP gives the formula (12).
数式(12)は数式(13)のように式変形することができる。 The mathematical formula (12) can be transformed like the mathematical formula (13).
このようにn個のキャリアの変調方式の次数を2mから2m+1に切り替える場合に必要な受信電力Cを導出することができる。 Thus it is possible to derive the received power C necessary for switching the order of the modulation scheme of the n carriers from 2 m to 2 m + 1 to.
N番目までのキャリアの変調方式の切替が完了した(N回目までの電力操作が終了した)時点で、全キャリアの変調方式の次数が2mから2m+1へ切り替わっている。このときの仰角はθm+1である。これ以降は変調次数2m+1から2m+2への切替フェーズに移行し、以後上記操作を繰り返す。 In (power operation ends up to N-th) when the switching has been completed carrier modulation method up to N-th, the order of the modulation scheme of all carriers are switched from 2 m to 2 m + 1. The elevation angle at this time is θ m + 1 . After that, the phase shifts to the switching phase from the modulation order 2 m + 1 to 2 m + 2, and the above operation is repeated thereafter.
次に実際に操作する送信部110の出力電力の値について説明する。1個のキャリアの変調方式の次数を2mから2m+1に切り替える場合に必要な受信電力C1,m+1は数式(14)に示すように、2項に分けて表すことができる。
Next, the value of the output power of the
式(14)の第一項はキャリア1の受信電力、第二項はキャリア2からキャリアNの受信電力の合計をそれぞれ表している。またそれぞれの受信電力については、変調次数2m+1、2mの要求受信電力、仰角θの上昇に伴う余剰電力、電力操作により分配する電力量に分類できる。数式(14)より、キャリア1については電力操作により受信電力を合計で((N−1)ΔLGP/N2)追加することで変調次数2m+1の要求受信電力を満たすことができ、またキャリア2からキャリアNについては電力操作により受信電力がそれぞれ(ΔLGP/N2)差し引かれたとしても2mの要求受信電力を維持できることが分かる。
The first term of the formula (14) represents the received power of the
同様に、n個のキャリアの変調方式の変調次数を2mから2m+1へ切り替える場合に必要な受信電力Cn,m+1は数式(15)に示す通りである。 Similarly, the received powers Cn and m + 1 required when switching the modulation order of the modulation method of n carriers from 2 m to 2 m + 1 are as shown in Equation (15).
n個のキャリアの変調方式の次数2mから2m+1へ切り替える場合についても、キャリア1からキャリアnについては電力操作により受信電力をそれぞれ((N−n)ΔLGP/N2)追加することで変調次数2m+1の要求受信電力を満たすことができる。また、キャリアn+lからキャリアNについては電力操作により受信電力がそれぞれ(nΔLGP/N2)差し引かれたとしても2mの要求受信電力を維持できることが分かる。
Even when switching from the order 2 m of the modulation method of n carriers to 2 m + 1 , the
以上により、n個のキャリアの変調方式の変調次数を2mから2m+1へ切り替える場合に必要な受信電力Cn,m+1、及び変調方式を切り替える際に必要な電力操作の操作量を導出することを示した。 Thus, deriving the amount of operation of the power operation required when switching the reception power C n, m + 1, and the modulation scheme necessary for switching the modulation order of the modulation scheme of the n carriers from 2 m to 2 m + 1 showed that.
(通信装置の処理フロー)
以下、実施形態に係る通信装置100による一連の処理の流れを、フローチャートを用いて説明する。図7は、実施形態に係る通信装置100による一連の処理の流れの一例を示すフローチャートである。
(Processing flow of communication device)
Hereinafter, a series of processing flows by the
はじめに、制御部130は、運用計画を基に仰角θの初期値を決定する(ステップS100)。
First, the
次に、制御部130は、変調次数の初期値(m=mо)を設定する(ステップS102)。ここで、mоは送信機112が設定可能な変調次数の最小値である。
Next, the
次に、制御部130は、変調方式を切り替える対象のキャリア数の初期値(n=1)を設定する(ステップS104)。
Next, the
次に、制御部130は、仰角θが最大か否かを判定する(ステップS106)。制御部130は、仰角θが最大である場合、本フローチャートの処理を終了する。
Next, the
一方、仰角θが最大に達していない場合、制御部130は本フローチャートの処理を継続する。制御部130は、受信電力C[真数]が数式(16)を満たすか否かを判定する(ステップS108)。受信電力Cが数式(16)を満たさない場合、仰角θを上昇させる(ステップS110)。仰角θの上昇と共に各キャリアとも自由空間伝搬損失の差分が増加し、それに伴って受信電力も増加していく。
On the other hand, when the elevation angle θ has not reached the maximum, the
一方、受信電力Cが数式(16)を満たす場合、制御部130は、出力電力を分配する操作(ステップS112からステップS116)を実施する。具体的には、制御部130は、変調方式を切り替える対象キャリア以外の出力電力を低下させ(ステップS112)、低下させた分の電力を、対象キャリアの出力電力に集約させる(ステップS114)。この結果、対象キャリアは元々有している信号電力に加え他キャリアから分配される電力増加により、受信電力Cが変調次数2m+1の要求受信電力(Cm+1)を満たすため、制御部130は、対象キャリアの変調方式を次の変調方式(次に次数が高い変調方式)に切り替える(ステップS116)。一方、その他のキャリアは、信号電力を低下させた状態であっても、元々有している信号電力が仰角θの上昇により増加しているため、元の要求受信電力(Cm)を満たす。従って、制御部130は、他のキャリアの変調方式は変更せずに現在の変調方式を維持する。対象キャリアの変調方式を切り替えた後、全キャリアの余剰電力は0になる。
On the other hand, when the received power C satisfies the mathematical formula (16), the
次に、制御部130は、対象キャリア数をnからn+1へ切り替える(ステップS118)。次に、制御部130は、1からNまでの全てのキャリアを処理対象として選択したか否かを判定し(ステップS120)、まだ全てのキャリアを処理対象として選択していない場合、つまりn≦Nの場合、上記のステップS106からステップS118までの処理を繰り返し実行する。
Next, the
一方、1からNまでの全てのキャリアを処理対象として選択した場合、つまりn>Nの場合、制御部130は、次の変調方式切替フェーズ(2m+1から2m+2)へ移行する(ステップS122)。制御部130は、S104に処理を戻し、変調方式の切替対象のキャリア数をn=1に初期化する。
On the other hand, when all carriers from 1 to N are selected as processing targets, that is, when n> N, the
制御部130は、2mから2m+1,2m+1から2m+2,…と、最大仰角に達するまでステップS104からステップS122の処理を繰り返す。最大仰角に達した時点で、本フローチャートの処理が終了する。
The
なお、上記のフローチャートでは、仰角θが上昇するときの制御例について説明したが、仰角θが下降するときは、仰角θが上昇する時と反対の操作を行うことで、変調方式の切替を実施する。この場合、最低仰角に到達するまで操作を続け、最低仰角に達した時点で処理を終了する。 In the above flowchart, a control example when the elevation angle θ rises has been described, but when the elevation angle θ decreases, the modulation method is switched by performing the operation opposite to that when the elevation angle θ rises. To do. In this case, the operation is continued until the minimum elevation angle is reached, and the process ends when the minimum elevation angle is reached.
また上記のフローチャートでは、運用計画を基に仰角θを決定する方法を例に説明したが、その他に実際に受信した受信電力Cを基に仰角θを決定してもよいし、2つの決定方法を併用してもよい。 Further, in the above flowchart, the method of determining the elevation angle θ based on the operation plan has been described as an example, but the elevation angle θ may be determined based on the actually received received power C, or two determination methods. May be used together.
以上説明した実施形態によれば、人工衛星SAT(移動体の一例)に搭載される通信装置100が、複数の搬送波を用いてデータを変調し、変調したデータを地上局に送信し、データを送信する際に生じる余剰電力を導出し、余剰電力に応じて、データに対する誤り訂正符号の符号化率及びデータの変調方式の少なくとも一方を、複数の搬送波のそれぞれについて決定し、搬送波ごとに決定した符号化率及び変調方式の少なくとも一方に応じて、データを送信する際に要する電力を搬送波ごとに決定するため、更なるデータ伝送の高速化、及び大容量化を実現することができる。
According to the embodiment described above, the
伝送容量は、符号化率・変調方式切替時の余剰電力を考慮する場合に更に増加する。この余剰電力は、軌道決定精度の誤差等により、予測される受信C/N0に誤差が含まれる場合においても通信品質を維持するための余剰電力として伝搬損失とは別に計上することがある。そのため、伝搬損失による余剰電力と同様に切替による余剰電力についても本実施形態の手法の適用対象とすることができる。 The transmission capacity is further increased when the surplus power at the time of switching between the coding rate and the modulation method is taken into consideration. This surplus power may be recorded separately from the propagation loss as surplus power for maintaining communication quality even when the predicted reception C / N 0 contains an error due to an error in orbit determination accuracy. Therefore, the method of the present embodiment can be applied to the surplus power due to switching as well as the surplus power due to propagation loss.
また要求伝送容量が同一である場合、本実施形態の手法の適用により、従来例と比較して、より低い受信電力で要求伝送容量を達成可能となる。これにより、例えば従来TWTA(Traveling Wave Tube Amplifier)を利用していたところを、より低価格、低質量なSSPA(Solid State Power Amplifier)に変更可能となり、衛星のシステムリソースを大幅に削減可能となる。 Further, when the required transmission capacity is the same, by applying the method of the present embodiment, the required transmission capacity can be achieved with a lower reception power as compared with the conventional example. As a result, for example, the conventional TWTA (Traveling Wave Tube Amplifier) can be changed to a lower cost and lower mass SSDA (Solid State Power Amplifier), and the system resources of the satellite can be significantly reduced. ..
(変形例)
以下、上述した実施形態の変形例について説明する。上述した実施形態では、切替変調方式としてAPSK(Amplitude& Phase Shift Keying:振幅位相変調)を例示したがこれに限られず、他の変調方式であってもよい。例えば、QAM(Quadrature Amplitude Modulation:直交振幅位相変調)を用いてもよい。
(Modification example)
Hereinafter, a modified example of the above-described embodiment will be described. In the above-described embodiment, APSK (Amplitude & Phase Shift Keying) has been exemplified as the switching modulation method, but the present invention is not limited to this, and other modulation methods may be used. For example, QAM (Quadrature Amplitude Modulation) may be used.
図8は、QAMの信号空間ダイヤグラムの一例を表す図である。図示の例では、16QAMの信号空間ダイヤグラムを示している。変調方式にQAMを採用する場合、仰角θの変動に応じて、16QAM,32QAM,64QAM、…と変調方式を切り替えていく運用を実施すればよい。 FIG. 8 is a diagram showing an example of a signal space diagram of QAM. The illustrated example shows a 16QAM signal space diagram. When QAM is adopted as the modulation method, the modulation method may be switched between 16QAM, 32QAM, 64QAM, and so on according to the fluctuation of the elevation angle θ.
また、上述した実施形態の通信装置100は、適応符号化変調(Adaptive Coding & Modulation:ACM)技術を用いた通信システムやマルチチャネルを用いた通信システムにも適用可能である。ここでは、ACM技術を用いた通信システムへの実用例を説明する。ACMは降雨減衰や自由空間損失等の通信環境の変動に対して適応的に誤り訂正符号化率・変調方式を変更する技術であり、降雨減衰等により回線状況が変動する場合(晴天時において余剰電力が生じる場合)、受信信号に応じて符号化率・変調方式を切替えることで、その変化に応じて最適な符号化率・変調方式が適用可能となる。
Further, the
従来では変調方式の変調次数を2mから2m+1へ切り替えるために必要な余剰電力に対して回線状況の変動量が満たない場合、符号化率・変調方式の切替が実施できなかった。そのため、本実施形態の技術を適用することにより、符号化率・変調方式切替時に必要な要求C/N0を細分化する。それによってより細かな回線状況の変動に応じて符号化率・変調方式を切り替えることが可能となり、結果、伝送レートの向上、通信回線の信頼性向上(稼働率向上)が実現可能となる。 Conventionally, when the fluctuation amount of the line condition is not enough for the surplus power required to switch the modulation order of the modulation method from 2 m to 2 m + 1 , the coding rate / modulation method cannot be switched. Therefore, by applying the technique of the present embodiment, the required C / N 0 required when switching the coding rate / modulation method is subdivided. As a result, it becomes possible to switch the coding rate / modulation method according to more detailed fluctuations in the line condition, and as a result, it becomes possible to improve the transmission rate and the reliability of the communication line (improve the operating rate).
また、本実施形態の技術は、特許文献2に例示されるような共通増幅技術との併用も可能である。地球観測衛星直接伝送系のような1ユーザ単独での広帯域伝送の場合、これまではデバイスのリソースを削減するため1キャリアでの伝送が主であったが、Ka帯で割り当てられているような1.5[GHz]の広帯域伝送の場合、現行のデバイス技術では変復調器共に1キャリアでの対応周波数帯域に限界があるため、マルチキャリア共通増幅の適用が必要とされている。マルチキャリア共通増幅適用時は、全てのキャリアのアンプ利得が一定となるため、アンプ入力電力が一定の場合、キャリア毎のアンプ出力を可変にすることが不可能であった。そこで本発明においてアンプ入力前の変調器出力部の電力を制御する手法をとることで、キャリア毎のアンプ入力電力を可変にすることを可能とし、マルチキャリア共通増幅によってデバイスの搭載リソースを低減しつつ、本手法によって通信システム1を最大化し伝送容量を増大させることが可能になる。
Further, the technique of the present embodiment can be used in combination with a common amplification technique as exemplified in Patent Document 2. In the case of wideband transmission by one user alone, such as the earth observation satellite direct transmission system, until now, transmission was mainly performed by one carrier in order to reduce device resources, but it seems that it is allocated in the Ka band. In the case of 1.5 [GHz] wideband transmission, the application of multi-carrier common amplification is required because there is a limit to the frequency band supported by one carrier for both the modulator and demodulator in the current device technology. When the multi-carrier common amplification is applied, the amplifier gain of all carriers is constant, so that it is impossible to make the amplifier output of each carrier variable when the amplifier input power is constant. Therefore, in the present invention, by adopting a method of controlling the power of the modulator output unit before the amplifier input, it is possible to make the amplifier input power of each carrier variable, and the on-board resources of the device are reduced by the multi-carrier common amplification. At the same time, this method makes it possible to maximize the
上記説明した実施形態は、以下のように表現することができる。
複数の搬送波を用いてデータを変調し、前記変調したデータを地上局に送信するトランスミッタと、
プログラムを格納したストレージと、
プロセッサと、を備え、
前記プロセッサが前記プログラムを実行することにより、
前記トランスミッタによって前記データが送信される際に生じる余剰電力を導出し、
前記導出した余剰電力に応じて、前記データに対する誤り訂正符号の符号化率および前記データの変調方式の少なくとも一方を前記複数の搬送波のそれぞれについて決定し、
前記搬送波ごとに決定した符号化率及び変調方式の少なくとも一方に応じて、前記トランスミッタがデータを送信する際に要する電力を、前記搬送波ごとに決定する、
ように構成されている、通信装置。
The embodiment described above can be expressed as follows.
A transmitter that modulates data using a plurality of carrier waves and transmits the modulated data to a ground station.
Storage that stores programs and
With a processor,
When the processor executes the program,
Derivation of surplus power generated when the data is transmitted by the transmitter
At least one of the code rate of the error correction code for the data and the modulation method of the data is determined for each of the plurality of carriers according to the derived surplus power.
The power required for the transmitter to transmit data is determined for each carrier wave according to at least one of the coding rate and the modulation method determined for each carrier wave.
A communication device that is configured to.
以上、本発明を実施するための形態について実施形態を用いて説明したが、本発明はこうした実施形態に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の変形及び置換を加えることができる。 Although the embodiments for carrying out the present invention have been described above using the embodiments, the present invention is not limited to these embodiments, and various modifications and substitutions are made without departing from the gist of the present invention. Can be added.
100…通信装置、110…送信部、120…受信部、130…制御部、140…観測用センサ、150…記憶部、200…地上局、SAT…人工衛星 100 ... communication device, 110 ... transmitter, 120 ... receiver, 130 ... control, 140 ... observation sensor, 150 ... storage, 200 ... ground station, SAT ... artificial satellite
Claims (10)
前記送信部によって前記データが送信される際に生じる余剰電力を導出し、前記導出した余剰電力に応じて、前記データに対する誤り訂正符号の符号化率および前記データの変調方式の少なくとも一方を前記複数の搬送波のそれぞれについて決定する制御部と、を備え、
前記制御部は、前記搬送波ごとに決定した符号化率及び変調方式の少なくとも一方に応じて、前記送信部がデータを送信する際に要する電力を、前記搬送波ごとに決定する、
通信装置。 A transmitter that modulates data using a plurality of carrier waves and transmits the modulated data to a ground station.
The surplus power generated when the data is transmitted by the transmission unit is derived, and at least one of the coding rate of the error correction code for the data and the modulation method of the data is set according to the derived surplus power. It is equipped with a control unit that determines each of the carriers of
The control unit determines the power required for the transmission unit to transmit data for each carrier wave according to at least one of the coding rate and the modulation method determined for each carrier wave.
Communication device.
請求項1に記載の通信装置。 The control unit derives the surplus power based on the elevation angle seen from the ground station.
The communication device according to claim 1.
請求項2に記載の通信装置。 The control unit derives the elevation angle based on the time of the operation schedule of the mobile body, and derives the surplus power based on the derived elevation angle.
The communication device according to claim 2.
前記余剰電力が大きくなるほど、前記データの変調方式を、より送信可能な情報量の多い変調方式に決定する、
または、前記余剰電力が大きくなるほど、より小さな前記符号化率に決定する、
請求項1から3のうちいずれか一項に記載の通信装置。 The control unit
As the surplus power becomes larger, the modulation method of the data is determined to be a modulation method having a larger amount of information that can be transmitted.
Alternatively, the larger the surplus power, the smaller the coding rate is determined.
The communication device according to any one of claims 1 to 3.
前記送信部は、前記余剰電力の範囲内で、前記第1変調方式を用いて変調した第1データの送信電力を、前記第2変調方式を用いて変調した第2データの送信電力に比して増加させる、
請求項1から4のうちいずれか一項に記載の通信装置。 The control unit determines the first modulation method using a part of the plurality of carrier waves to be a modulation method having a larger amount of information that can be transmitted than the second modulation method using another carrier wave.
The transmission unit compares the transmission power of the first data modulated by the first modulation method with the transmission power of the second data modulated by the second modulation method within the range of the surplus power. To increase
The communication device according to any one of claims 1 to 4.
請求項5に記載の通信装置。 The transmission unit increases the transmission power of the first data and decreases the transmission power of the second data within the range of the surplus power.
The communication device according to claim 5.
請求項6に記載の通信装置。 The transmission unit calculates the power required for the transmission unit to transmit data for each carrier wave so that the decrease in the transmission power of the second data becomes the increase in the transmission power of the first data. decide,
The communication device according to claim 6.
請求項1から7のうちいずれか一項に記載の通信装置。 Mounted on mobiles with limited available power,
The communication device according to any one of claims 1 to 7.
前記送信部によって前記データを送信する際に生じる余剰電力を導出し、
前記導出した余剰電力に応じて、前記データに対する誤り訂正符号の符号化率および前記データの変調方式の少なくとも一方を前記複数の搬送波のそれぞれについて決定し、
前記搬送波ごとに決定した符号化率及び変調方式の少なくとも一方に応じて、前記送信部がデータを送信する際に要する電力を、前記搬送波ごとに決定する、
通信方法。 A computer mounted on a mobile body including a transmitter that modulates data using a plurality of carrier waves and transmits the modulated data to a ground station
The surplus power generated when the data is transmitted by the transmission unit is derived, and the surplus power is derived.
At least one of the code rate of the error correction code for the data and the modulation method of the data is determined for each of the plurality of carriers according to the derived surplus power.
The power required for the transmitter to transmit data is determined for each carrier according to at least one of the coding rate and the modulation method determined for each carrier.
Communication method.
前記送信部によって前記データを送信する際に生じる余剰電力を導出する処理と、
前記導出した余剰電力に応じて、前記データに対する誤り訂正符号の符号化率および前記データの変調方式の少なくとも一方を前記複数の搬送波のそれぞれについて決定する処理と、
前記搬送波ごとに決定した符号化率及び変調方式の少なくとも一方に応じて、前記送信部がデータを送信する際に要する電力を、前記搬送波ごとに決定する処理と、
を実行させるためのプログラム。 A computer mounted on a mobile body including a transmitter that modulates data using a plurality of carrier waves and transmits the modulated data to a ground station.
The process of deriving the surplus power generated when the data is transmitted by the transmitter, and
A process of determining at least one of the code rate of the error correction code for the data and the modulation method of the data according to the derived surplus power for each of the plurality of carrier waves.
A process of determining the power required for the transmission unit to transmit data according to at least one of the coding rate and the modulation method determined for each carrier wave, and a process of determining the power required for each carrier wave.
A program to execute.
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