JP4216678B2 - 適応変調方法及び適応変調回路及びデジタル無線装置 - Google Patents

Description

本発明は、デジタル無線通信における適応変調方法及び適応変調回路及びデジタル無線装置に関するものである。

デジタル無線通信システムでは、利用形態や情報内容、搬送波周波数などに応じて種々の変調方式が提案・実用化されている。また、無線利用需要は増大の一途を辿っており、周波数資源は逼迫した状況にある。
限られた周波数範囲、すなわち限られた伝送帯域の中で大きな伝送容量を確保するためには、シンボル当たりのビット数がより多い変調方式を採用することが効果的である。
例えば、４値のシンボルを持つＱＰＳＫ変調では２ビット／シンボルであり、１６値のシンボルを持つ１６ＱＡＭでは４ビット／シンボルであるから、１６ＱＡＭの方が２倍の情報伝送が可能である。この一方で、同じ伝送品質、すなわち同じビット誤り率を確保するためには、１６ＱＡＭのほうがより高いＣＮＲ（Ｃａｒｒｉｅｒ ｔｏ Ｎｏｉｓｅ Ｒａｔｉｏ：搬送波電力対雑音電力比）が必要となる。

図２は、ＱＰＳＫと１６ＱＡＭのＣＮＲとビット誤り率特性を表した図である。
例えば、ビット誤り率１０−４を得るためには、１６ＱＡＭはＱＰＳＫに比べて約７ｄＢ高いＣＮＲを必要とする。
そして、１６ＱＡＭとＱＰＳＫを適応的に変調するには、例えばＣＮＲが図２に示したＶｔｈより高い場合には１６ＱＡＭを、これより低い場合にはＱＰＳＫを採用して、ビット誤り率が１０−４を下回らないようにするというように、最低限の伝送品質を確保しながら、より伝送容量の大きい変調方式に適宜切り替える方式とする必要がある。

図３は、最低限の伝送品質を確保しながら、より伝送容量の大きい変調方式に適宜切り替える方式を適用する場合の変調方式とＲＳＳＩに関する模式図を示す。
図３において、横軸は時間、縦軸はＣＮＲを表す。ＣＮＲの変化は受信電界強度ＲＳＳＩの変化と相対的には等しい意味を持つので、以下ＣＮＲの代わりにＲＳＳＩと表記する。
ＲＳＳＩは一般的に短区間変動と長区間変動の成分にモデル化され、図３中に実線で示したＲＳＳＩもこれに対応した変化をしている。
図中の点線は、短区間変動成分を除去する目的でＲＳＳＩを平均化したものである。平均算出は過去のＲＳＳＩ測定値を平均したものであるので、時間的な遅延が生じている。
変調方式の切り替えにはこのＲＳＳＩ平均値を用いる。
変調方式がＱＰＳＫである状態において、ＲＳＳＩが大きくなり、ある閾値Ｃ２を超えた時に変調方式を１６ＱＡＭに切り替える。
この状態で、ＲＳＳＩが減少に転じ、ある閾値Ｃ１を下回った時に変調方式をＱＰＳＫに切り替える。
そして、Ｃ１、Ｃ２は予めＣ２＞Ｃ１＞Ｃｔｈとなるように設定する必要がある。
ここで、Ｃｔｈは図２に示したＶｔｈに対応し、最低保証品質であるビット誤り率を与えるＲＳＳＩである。

また、従来の適応変調方式に関する技術として例えば特許文献１や特許文献２がある。

特開２００２−８４１５３号公報

特開２００２−２９０２４６号公報

本発明は上記従来技術に鑑みて為されたもので、ＲＳＳＩの変化に対応した適切な変調方式が選択され、通信品質の劣化時間を最小限にしながら、高速な通信を実現することのできる適応変調方法及び適応変調回路及びデジタル無線装置を提供することを目的とする。
さらに、本発明は上記従来技術に鑑みて為されたもので、適応変調方式において、受信電界が小さくなる場合に速やかに変調方式を切り替える手段を有する適応変調方法及び適応変調回路及びデジタル無線装置を提供することを目的とする。

上記従来の問題点を解決するための本発明は、複数の変調方式を切り替えるデジタル無線通信における適応変調方法において、受信信号の強度を検出する手段と、該検出した受信信号の強度に基づいて、時定数を長くとった平均値を演算する第１の平均演算手段と、時定数を短くとった平均値を演算する第２の平均演算手段と、前記第１の平均演算手段の出力が任意に定めた第１の閾値を上回った場合は、前記複数の変調方式を現在選択している変調方式より変調値数が大きい変調方式へ移行し、前記第２の平均演算手段の出力が任意に定めた第２の閾値を下回った場合は、前記複数の変調方式を現在選択している変調方式より変調値数が小さい変調方式へ移行することを特徴とする。

また、上記従来の問題点を解決するため本発明は、複数の変調方式を切り替えるデジタル無線通信における適応変調回路において、受信信号の強度を検出するＲＳＳＩ部と、該ＲＳＳＩ部が検出した受信信号の強度に基づいて、時定数を長くとった平均値を演算する第１の平均演算部と、時定数を短くとった平均値を演算する第２の平均演算部と、前記第１の平均演算部の出力が任意に定めた第１の閾値を上回った場合は、前記複数の変調方式を現在選択している変調方式より変調値数が大きい変調方式へ移行し、前記第２の平均演算部の出力が任意に定めた第２の閾値を下回った場合は、前記複数の変調方式を現在選択している変調方式より変調値数が小さい変調方式へ移行することを特徴とする。

さらに本発明は、前記請求項２に記載の適応変調回路を備えた無線基地局または無線中継局であることを特徴とする。

本発明により、ＲＳＳＩの変化に対応した適切な変調方式が選択され、通信品質の劣化時間を最小限にしながら、高速な通信を実現することのできる適応変調方法及び適応変調回路及びデジタル無線装置を提供することができる。
さらに、本発明により、適応変調方式において、受信電界が小さくなる場合に速やかに変調方式を切り替える手段を有する適応変調方法及び適応変調回路及びデジタル無線装置を提供することができる。

本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
図４は、本発明の実施の形態である適応変調制御部のブロック図を示す。
図４中の入力端子１０１にはＲＳＳＩ値が入力されるが、これに相当する信号、例えば何らかの手段により推定されるＣＮＲ値でもよい。符号１０２から１０５に示した要素により平均演算器１１０が構成され、入力されたＲＳＳＩ値の平均値が逐次算出される。
ここで記載されている定数αは０＜α＜１の値をとるもので、平均演算の時定数を決定する。αが小さくなるほど時定数が大きくなる。
符号１０６と１０７は同一の機能を有する比較器である。二つの入力信号ａ，ｂがあり、ａ＞ｂの場合に１、それ以外の場合に０を出力する。
符号１０８は信号の立ち上がりを検出するエッジ検出器である。
入力ａが０から１へ変化した時に出力を１に、入力ｂが０から１へ変化したら出力を０に、それ以外の場合は値を維持する。エッジ検出器１０８の出力は選択された変調方式を意味する。
そして、本実施の形態においては、０がＱＰＳＫ、１が１６ＱＡＭを意味する。

図５は、本発明の実施の形態である適応変調制御の動作を説明するタイミングチャート図を示し、前述した図４に示すブロック図の動作を説明するものである。
比較器１０６は、ＲＳＳＩ平均値が閾値Ｃ２を上回っている区間において１、それ以外の区間では０、比較器１０７は、閾値Ｃ１を下回っている区間において１、それ以外の区間では０を出力する。
エッジ検出器１０９は、比較器１０６および１０７の出力の立ち上がりを監視し、比較器１０６出力の立ち上がりで１、比較器１０７出力の立ち上がりで０に出力を設定する。
エッジ検出器１０９の出力は前述のように選択された変調方式を意味し、この場合は図に示すように変調方式が変更される。
こうした動作をさせることにより、品質を確保しながらより伝送容量の大きい変調方式が選択され、効率的な無線伝送が可能となる。
この例では、２種の変調方式による適応変調であるが、ＱＰＳＫ、１６ＱＡＭの他、ＢＰＳＫ、６４ＱＡＭなどの変調方式と組み合わせることも可能である。

以上説明した図４及び図５により、最低限の伝送品質を確保しながら、より伝送容量の大きい変調方式に適宜切り替えるという適応変調が実現される。
ここで、更に、適応変調の的確な動作を行うためにはいくつかのパラメータすなわち前述の例では閾値Ｃ１、Ｃ２、平均時定数α等を適切に設定する必要がある。

前述したＲＳＳＩの平均演算は、適応変調の安定的動作を実現するために必要であり、特に突発的なＲＳＳＩの変動に追従しないように平均時定数は長く設定する必要がある。
この結果、ＲＳＳＩの変化に対して、適応制御に時間的な遅れが生じることになる。
ＲＳＳＩが増大傾向にある場合は閾値を超えた状態の安定性を十分に監視した上で、より変調値数の多い変調方式に遷移すべきであるので、この時間的な遅れは問題とはならない。
しかしながら、ＲＳＳＩが時間経過に伴って小さくなる場合には、速やかに変調値数の小さい変調方式への切り替えることが望ましいが、このタイミングが遅れることによって、一時的に伝送品質が劣化する可能性がある。
そこで、ＲＳＳＩの変化に対応したより適切な変調方式が選択され、通信品質の劣化時間を最小限にしながら、より高速な通信を実現することができる適応変調方法及び適応変調回路について次に説明する。

図１は、本発明の実施の形態である、より適切な適応変調制御部のブロック図を示す。
ＲＳＳＩ信号、あるいは何らかの手段により推定されたＣＮＲは入力端子１０１を通じて二つの平均演算器１１５および１１６へ入力される。
平均演算器１１５は乗算器１０２、加算器１０３、乗算器１０４、遅延素子１０５から構成され、同様に、平均演算器１１６は乗算器１１１、加算器１１２、乗算器１１３、遅延素子１１４から構成される。
各演算器のパラメータαおよびβは、０＜α＜β＜１となるように適切に予め設定する必要がある。結果的に、平均演算の時定数は平均演算器１１５の方が長くなる。
前述したように、符号１０６と１０７は同一の機能を有する比較器であり、二つの入力信号ａ，ｂを比較し、ａ＞ｂの場合に１、それ以外の場合に０を出力する。
比較器１０６のａ入力端子には平均演算器１１５の出力を、ｂ入力端子には定数Ｃ２を入力する。
比較器１０６の出力は、平均演算器１１５の出力が定数Ｃ２を上回っている場合に１を、それ以外は０を出力する。
同様に、比較器１０６のａ入力端子には平均演算器１１５の出力を、ｂ入力端子には定数Ｃ２を入力する。
比較器１０７の出力は、平均演算器１１６の出力が定数Ｃ１を下回っている場合に１を、それ以外は０を出力する。
符号１０８は信号の立ち上がりを検出するエッジ検出器であり、比較器１０６の出力が０から１へ変化した時に出力を１に、比較器１０７の出力が０から１へ変化したら出力を０に、それ以外の場合は値を維持する。
エッジ検出器１０８は変調方式の選択値（０：ＱＰＳＫ，１：１６ＱＡＭ）を出力する。

図６は、本発明の実施の形態である、より適切な適応変調制御の動作を説明するタイミングチャート図を示し、前述した図１に示すブロック図の動作を説明するものである。
図６において、横軸は時間、縦軸はＲＳＳＩあるいは推定されたＣＮＲを表す。
ＲＳＳＩの測定値、平均演算器１１５および１１６の出力を示している。
ＲＳＳＩが増加から減少へ転じる場合を仮定している。
初めはＱＰＳＫが選択された状態で、平均演算器１１５の出力が閾値Ｃ２を越えた時点で比較演算器１０６の出力が０から１へ変化し、これに伴いエッジ検出器１０９の出力が０から１へ変化し、変調方式が１６ＱＡＭに変更される。
その後、平均演算器１１６の出力が閾値Ｃ１を下回った時点で比較演算器１０７の出力が０から１へ変化し、これに伴いエッジ検出器１０９の出力が１から０へ変化し、変調方式がＱＰＳＫに変更される。

以上、詳細に説明したように本発明の実施の形態においては、ＲＳＳＩあるいは何らかの手段により推定されたＣＮＲに対して平均をとる平均演算器を２つ設け、一方の時定数を長く、もう一方の時定数を短くとる。長時定数平均演算器の出力がある閾値Ｃ２を上回ったとき、変調方式をより変調値数が大きい方式へ変更する。
また、短時定数平均演算器の出力がある閾値Ｃ１を下回ったとき、変調方式をより変調値数が小さい方式へ変更する。

さらに、本発明の実施例によれば、適応変調方式において、受信電界が減少する際、より変調値数の小さい変調方式への変更に遅延が生じ、一時的に通信品質が劣化しないようにするため、ＲＳＳＩあるいは何らかの手段により推定されたＣＮＲに対して平均をとる平均演算器を２つ設け、一方の時定数を長く、もう一方の時定数を短くとる。
そして、長時定数平均演算器の出力がある閾値Ｃ２を上回ったとき、変調方式をより変調値数が大きい方式へ変更する。
また、短時定数平均演算器の出力がある閾値Ｃ１を下回ったとき、変調方式をより変調値数が小さい方式へ変更する。

以上詳述したように本発明によると、伝送状態が良い場合は、エラー耐性は悪いが多くの情報を伝送可能な変調方式（例えば１６ＱＡＭ）に、伝送状態が悪い場合は、伝送できる情報量は少ないがエラー耐性の良い変調方式（例えばＱＰＳＫ）に適宜切り替える適応変調方式であって、伝送状態を判断するために受信信号の強度（ＲＳＳＩ）を検出し、受信信号の強度の平均値が、ある閾値（Ｃ２）を越えた時、多くの情報を伝送可能な変調方式に切り替え、ある閾値（Ｃ１）を下回った時、エラー耐性の良い変調方式に切り替える。
そしてこのとき、受信信号の強度の値が突発的に変動し、切り替え動作が頻繁に行われてしまう現象を抑えるため、平均値を演算する際の時定数は大きめに設定しておく必要がある。
しかし、時定数を大きく設定すると、その分、演算時間が遅い変調方式で伝送してしまうこととなるため、より適切な適応変調とするために、伝送状態が悪くなる場合は、受信信号の強度の平均値を演算するための時定数を小さい方式とすることにより、エラー耐性が悪い変調方式で伝送してしまうことを防止することができる。

本発明による適応変調方法及び適応変調回路により、複数の変調方式を適切に選択することのできるデジタル無線装置とすることができ、このデジタル無線装置を無線基地局や無線中継装置に用いたデジタル無線システムに好適に採用することができる。

本発明の実施の形態である、より適切な適応変調制御部のブロック図を示す。 ＱＰＳＫと１６ＱＡＭのＣＮＲとビット誤り率特性を表した図である。 最低限の伝送品質を確保しながら、より伝送容量の大きい変調方式に適宜切り替える方式を適用する場合の変調方式とＲＳＳＩに関する模式図を示す。 本発明の実施の形態である適応変調制御部のブロック図を示す。 本発明の実施の形態である適応変調制御の動作を説明するタイミングチャート図を示し、前述した図４に示すブロック図の動作を説明するものである。 本発明の実施の形態である、より適切な適応変調制御の動作を説明するタイミングチャート図を示し、前述した図１に示すブロック図の動作を説明するものである。

符号の説明

１０１：入力端子、１０２：乗算器、１０３：加算器、１０４：乗算器、１０５：遅延素子、１０６：比較器、１０７：比較器、１０８：エッジ検出器、１０９：出力端子、１１０：平均演算器、１１１：乗算器、１１２：加算器、１１３：乗算器、１１４：遅延素子、１１５：平均演算器、１１６：平均演算器。

Claims (3)

1. 複数の変調方式を切り替えるデジタル無線通信における適応変調方法において、
   受信信号の強度を検出する手段と、
   該検出した受信信号の強度に基づいて、時定数を長くとった平均値を演算する第１の平均演算手段と、時定数を短くとった平均値を演算する第２の平均演算手段と、
   前記第１の平均演算手段の出力が任意に定めた第１の閾値を上回った場合は、前記複数の変調方式を現在選択している変調方式より変調値数が大きい変調方式へ移行し、
   前記第２の平均演算手段の出力が任意に定めた第２の閾値を下回った場合は、前記複数の変調方式を現在選択している変調方式より変調値数が小さい変調方式へ移行することを特徴とするデジタル無線通信の適応変調方法。
2. 複数の変調方式を切り替えるデジタル無線通信における適応変調回路において、
   受信信号の強度を検出するＲＳＳＩ部と、
   該ＲＳＳＩ部が検出した受信信号の強度に基づいて、時定数を長くとった平均値を演算する第１の平均演算部と、時定数を短くとった平均値を演算する第２の平均演算部と、
   前記第１の平均演算部の出力が任意に定めた第１の閾値を上回った場合は、前記複数の変調方式を現在選択している変調方式より変調値数が大きい変調方式へ移行し、
   前記第２の平均演算部の出力が任意に定めた第２の閾値を下回った場合は、前記複数の変調方式を現在選択している変調方式より変調値数が小さい変調方式へ移行することを特徴とするデジタル無線通信の適応変調回路。
3. 前記請求項２に記載の適応変調回路を備えた無線基地局または無線中継局であることを特徴とするデジタル無線装置。

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