JP4338079B2 - Adaptive modulation apparatus and modulation method switching timing determination method thereof. - Google Patents
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Description
本発明は、情報伝送速度の異なる複数の変調方式の一つを、無線リンクの回線品質に応じて選択する適応変調装置およびその変調方式切換タイミング決定方法に係り、特に、レイヤ2のスループットを指標にして変調方式を切り換える適応変調装置およびその変調方式切換タイミング決定方法に関する。
The present invention relates to an adaptive modulation apparatus that selects one of a plurality of modulation schemes having different information transmission rates in accordance with channel quality of a radio link and a modulation scheme switching timing determination method thereof, and more particularly to an indication of
移動通信システムにおいて用いられる変調方式には、QPSK(Quadrature Phase Shift Keying)やBPSK(Binary Phase Shift Keying)といった位相偏移変調方式や、64QAM(64-positions Quadrature Amplitude Modulation)や16QAM(16-positionsQuadrature Amplitude Modulation)といった直交振幅変調方式などがある。これらの変調方式は、システム毎に固有的に設定される場合もあれば、複数の変調方式が適応的に用いられる場合もある。 Modulation methods used in mobile communication systems include phase shift keying (QPSK) (Quadrature Phase Shift Keying) and BPSK (Binary Phase Shift Keying), 64QAM (64-positions Quadrature Amplitude Modulation) and 16QAM (16-positions Quadrature Amplitude). There is a quadrature amplitude modulation method. These modulation schemes may be set uniquely for each system, or a plurality of modulation schemes may be used adaptively.
適応変調方式においては、回線品質が良好な場合には変調多値数がより多い変調方式が選択されて送信情報量を増やし、回線品質が悪い場合には、雑音の影響を軽減するために変調多値数の少ない変調方式が選択される。これにより回線の不稼働率が改善されてトラヒックの疎通状況(スループット)が向上する。 In adaptive modulation schemes, when the channel quality is good, a modulation scheme with a larger number of modulation levels is selected to increase the amount of transmission information. When the channel quality is poor, modulation is performed to reduce the effects of noise. A modulation scheme with a small number of multi-values is selected. As a result, the line unavailability is improved and the traffic status (throughput) of traffic is improved.
このような適応変調に関する先行技術として、特許文献1には、受信波の電力(信号レベル)測定結果が固定的に定められた閾値を上回っているか否かに基づいて変調方式を判定する技術が開示されている。特許文献2、特許文献3および特許文献4には、規定のビット誤り率(BER)以下で、なるべく速い情報通信速度を有する変調方式を選択する技術が開示されている。
受信波の電力値(受信電力)には、所望波の信号と雑音の電力だけではなく、干渉波の電力も含まれる。したがって、受信電力値では回線品質を正確に代表することが難しい。 The received wave power value (received power) includes not only the desired wave signal and noise power but also the interference wave power. Therefore, it is difficult to accurately represent the line quality with the received power value.
一方、BERは回線品質を正確に代表する指標であるが、上記した従来技術はいずれも、物理層(レイヤ1)での伝送状態に基づいて変調方式を選択する技術であり、上位層でのスループットが考慮されていない。しかしながら、レイヤ1で評価の高い変調方式がレイヤ2でも高い評価を得られるとは限らない。そして、最終的なスループットは上位層での伝送状態に依存するので、より上位層での伝送状態に基づいて変調方式を決定することが望ましい。
On the other hand, BER is an index that accurately represents channel quality. However, each of the above-described conventional techniques is a technique for selecting a modulation scheme based on the transmission state in the physical layer (layer 1). Throughput is not considered. However, a modulation scheme that is highly evaluated in
本発明の目的は、上記した従来技術の課題を解決し、上位レイヤのスループットを指標にして変調方式を切り換える適応変調装置およびその変調方式切換タイミング決定方法を提供することにある。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to solve the above-described problems of the prior art and provide an adaptive modulation apparatus that switches a modulation scheme using an upper layer throughput as an index and a modulation scheme switching timing determination method thereof.
上記した目的を達成するために、本発明は、複数の変調方式の一つを、無線伝送路の回線品質に応じて選択する適応変調装置、および変調方式の切換タイミングを決定する変調方式切換タイミング決定方法において、以下のような手段を講じた点に特徴がある。 In order to achieve the above object, the present invention provides an adaptive modulation apparatus that selects one of a plurality of modulation schemes according to the channel quality of a wireless transmission path, and a modulation scheme switching timing that determines a switching timing of the modulation scheme. The determination method is characterized by the following measures.
(1)本発明の適応変調装置は、レイヤ1における回線品質と変調方式の切換タイミングとの関係を記憶した切換タイミング記憶手段と、レイヤ1における回線品質を検知する回線品質検知手段と、前記検知された回線品質に基づいて前記切換タイミング記憶手段を参照し、前記検知された回線品質に適合した変調方法を選択する選択手段とを含み、前記各切換タイミングの回線品質に対応したビット誤り率が一定値ではないことを特徴とする。
(1) An adaptive modulation apparatus according to the present invention includes a switching timing storage unit that stores a relationship between a channel quality in
(2)本発明の変調方式切換タイミング決定方法は、レイヤ1での回線品質とビット誤り率との関係、前記ビット誤り率とレイヤ2でのフレーム誤り率との関係、および前記フレーム誤り率と各変調方式の情報伝送速度とレイヤ2のスループットとの関係に基づいて、前記レイヤ1の回線品質とレイヤ2のスループットとの対応関係を変調方式ごとに求める手順と、前記対応関係に基づいて、スループットが最高値を示す変調方式が一の変調方式から他の一の変調方式に切り替わるときの回線品質を、当該一の変調方式と他の一の変調方式との切換タイミングに設定する手順とを含むことを特徴とする。
(2) The modulation system switching timing determination method of the present invention includes a relationship between channel quality and bit error rate in
(3)本発明の変調方式切換タイミング決定方法は、TCPのMTU、往復遅延時間およびパケット損失率の関数として求まるTCPスループットが支配的となる回線品質の範囲内において、レイヤ1での回線品質とビット誤り率との関係、前記ビット誤り率とレイヤ4でのパケット損失率と各変調方式の情報伝送速度との関係に基づいて、前記レイヤ1の回線品質とレイヤ4のTCPスループットとの対応関係を変調方式ごとに求める手順と、前記対応関係に基づいて、スループットが最高値を示す変調方式が一の変調方式から他の一の変調方式に切り替わるときの回線品質を、当該一の変調方式と他の一の変調方式との切換タイミングに設定する手順とを含むことを特徴とする。
(3) The modulation system switching timing determination method according to the present invention is based on the line quality in
本発明によれば、レイヤ1よりも上位のレイヤでのスループットが最大となるように変調方式を切り換えることができるので、回線の不稼働率が改善されてトラヒックのスループットが向上する。
According to the present invention, the modulation scheme can be switched so that the throughput in the layer higher than the
以下、図面を参照して本発明の好ましい実施の形態について詳細に説明する。図1、2は、本発明に係る適応変調装置を含む無線ノードの構成を示したブロック図である。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. 1 and 2 are block diagrams showing a configuration of a radio node including an adaptive modulation apparatus according to the present invention.
図1は、伝搬路が非対称であって送信と受信とで伝搬路の特性が異なる場合に有効な構成であり、自ノードから送信した電波を受信した対向ノードが電波の回線品質を推定し、推定結果を制御チャネルを通じて自ノードに通知する。このような構成は、送信と受信とで使用周波数が異なる周波数分割複信方式(FDD)や、干渉波の存在が想定される場合に有効である。なお、図 1の構成は伝搬路が対称の場合にも適用できる。 FIG. 1 shows a configuration effective when the propagation path is asymmetric and the characteristics of the propagation path are different between transmission and reception. The opposite node that receives the radio wave transmitted from the own node estimates the channel quality of the radio wave, The estimation result is notified to the own node through the control channel. Such a configuration is effective when a frequency division duplex (FDD) method in which the frequency used is different between transmission and reception or the presence of an interference wave is assumed. The configuration in Fig. 1 can also be applied when the propagation path is symmetrical.
図2は伝搬路が対称である場合に有効な構成であり、対向ノードから送信された電波に基づいて推定される回線品質が自ノードから対向ノードへ送信する電波にも適用できるものと判断する。このような構成は、送信と受信とで使用周波数帯が同一の時分割複信方式(TDD)において、干渉波が存在しない場合に有効であり、図1に較べて回路規模を小さくできる効果がある。以下、図2の構成を例にして本実施形態を説明する。 FIG. 2 shows a configuration effective when the propagation path is symmetric, and it is determined that the channel quality estimated based on the radio wave transmitted from the opposite node can also be applied to the radio wave transmitted from the own node to the opposite node. . Such a configuration is effective when there is no interference wave in the time division duplex (TDD) system in which the frequency band used for transmission and reception is the same, and the circuit scale can be reduced compared to FIG. is there. Hereinafter, the present embodiment will be described using the configuration of FIG. 2 as an example.
受信部101は、対向ノードから送信された電波(無線フレーム)を受信する。復調部102は、受信された無線フレームの制御チャネル部を変調して制御チャネル情報取得部103へ出力する。適応復調部104は、前記制御チャネル部に登録されている変調方式を採用して無線フレームの情報データ部を復調し、無線フレーム交換部105へ出力する。無線フレーム交換部105は、無線フレームを有線区間用の情報データに変換する。
The receiving unit 101 receives radio waves (radio frames) transmitted from the opposite node.
回線品質推定部106は、無線フレームの受信結果に基づいて回線品質を推定する。本実施形態では、前記受信部101で観測される等化誤差電力から推定される搬送波電力対雑音電力比(CNR)で回線品質が推定される。切換タイミング記憶部113には、後に詳述するように、変調方式の切換タイミングが前記回線品質をパラメータとして登録されている。変調方式選択部107は、前記推定された回線品質に基づいて変調方式を選択する。
Channel quality estimation section 106 estimates channel quality based on the reception result of the radio frame. In this embodiment, the channel quality is estimated by the carrier power to noise power ratio (CNR) estimated from the equalization error power observed by the receiving unit 101. In the switching timing storage unit 113, as described later in detail, the switching timing of the modulation method is registered with the channel quality as a parameter. The modulation
無線フレーム変換部108は、有線区間から提供される情報データを無線区間用の無線フレームに変換する。適応変調部109は、前記変調方式選択部107で選択された変調方式を採用して前記無線フレームの情報データ部を変調する。変調部111は、制御チャネル情報生成部110で生成された制御チャネル情報を変調する。送信部112は、前記変調されたデータを無線信号に変換して送信する。
The wireless
次いで、前記切換タイミング記憶部113に記憶されている、回線品質と変調方式の切換タイミングとの関係、ならびに前記変調方式選択部107による変調方式の選択方法について、回線品質をCNRの推定値で代表する場合を例にして説明する。
Next, regarding the relationship between the channel quality and the modulation scheme switching timing stored in the switching timing storage unit 113 and the modulation scheme selection method by the modulation
図3は、前記回線品質推定部106で推定されるCNRとビット誤り率(BER)との関係を、5種類の変調方式QPSK,16QAM,64QAM,256QAM,1024QAMごとに示した例である。従来技術では変調方式の切換タイミングを、ビット誤り率が所定の固定閾値(図3の一例では、1.0E-6)以下に維持されるように、推定されたCNRに基づいて設定されていた。すなわち、CNRが38dBを下回るまでは1024QAMを採用し、CNRが38.5dB〜32.5dBの範囲では256QAMを採用し、CNRが32.5dB〜27.0dBの範囲では64QAMを採用していた。 FIG. 3 is an example showing the relationship between the CNR estimated by the channel quality estimation unit 106 and the bit error rate (BER) for each of the five types of modulation schemes QPSK, 16QAM, 64QAM, 256QAM, and 1024QAM. In the prior art, the switching timing of the modulation scheme is set based on the estimated CNR so that the bit error rate is maintained below a predetermined fixed threshold (1.0E-6 in the example of FIG. 3). That is, 1024QAM was adopted until the CNR fell below 38 dB, 256QAM was adopted when the CNR ranged from 38.5 dB to 32.5 dB, and 64QAM was adopted when the CNR ranged from 32.5 dB to 27.0 dB.
これに対して、本実施形態ではレイヤ2におけるフレーム誤り率(FER)がビット誤り率(BER)の関数であること、フレーム誤り率がCNRの関数と成り得ることに着目し、レイヤ2でのスループットが最大になるように、CNRの推定結果に基づいて変調方式を切り換えるようにした。
In contrast, in this embodiment, focusing on the fact that the frame error rate (FER) in
FCS(フレーム・チェック・シーケンス)を用いた誤り検出の対象となるデータ長をL(byte)とし、ビット誤り率をPBER とすれば、FCSブロック単位でのフレーム誤り率PFERは次式(1)で表される。
PFER =1−(1−PBER)8L …(1)
If the data length subject to error detection using FCS (frame check sequence) is L (byte) and the bit error rate is P BER , the frame error rate P FER in FCS block units is It is represented by 1).
P FER = 1- (1-P BER ) 8L (1)
また、情報伝送速度がRMである変調方式Mのレイヤ2におけるスループットTMは次式(2)で表される。
TM =(1−P FER)RM …(2)
Further, the throughput TM in the
TM = (1−P F ER ) R M (2)
そして、レイヤ1における変調方式ごとのCNRとビット誤り率(BER)との関係が図3の通りであることから、これらに基づいて、レイヤ2におけるスループットTMとCNRとの関係を変調方式ごとに評価すると、図4の関係が得られる。ただし、ここではデータ長L=1500Byteであり、各変調方式QPSK, 16QAM,64QAM,256QAM,1024QAMの情報伝送速度を、それぞれ6.4Mbps,19.1Mbps,31.8Mbps,44.5Mbps,57.3Mbpsとしている。
Since the relationship between the CNR and the bit error rate (BER) for each modulation scheme in
図5は、以上のようにして各CNRにおいて最適な変調方式を選択した場合のスループットTMの変化を示した図であり、CNRが約37dB以上であれば変調方式として1024QAMを選択し、CNRが約31〜37dBであれば256QAMを選択し、CNRが約25〜31dBであれば64QAMを選択し、CNRが約18〜25dBであれば16QAMを選択し、CNRが約18未満であればQPSKを選択したときに、スループットが最大値を示すことが示唆されている。 FIG. 5 is a diagram showing changes in the throughput TM when the optimum modulation scheme is selected for each CNR as described above. If the CNR is about 37 dB or more, 1024QAM is selected as the modulation scheme, and the CNR is 256QAM is selected if it is approximately 31-37 dB, 64QAM is selected if the CNR is approximately 25-31 dB, 16QAM is selected if the CNR is approximately 18-25 dB, and QPSK is selected if the CNR is less than approximately 18. It is suggested that the throughput shows the maximum value when selected.
一方、従来技術のように、レイヤ2におけるスループットを意識することなく、ビット誤り率(BER)の閾値を1.0E-6に固定して変調方式を切り換えた場合、レイヤ2におけるスループットTMとCNRとの関係は図6の通りになる。ここでは、CNRが約38.5以上であれば変調方式として1024QAMを選択し、CNRが約32.5〜38.5dBであれば256QAMを選択し、CNRが約27〜32.5dBであれば64QAMを選択し、CNRが約20.5〜27dBであれば16QAMを選択し、CNRが約20.5未満であればQPSKを選択したときに、スループットが最大値を示すことが示唆されている。
On the other hand, when the modulation scheme is switched with the bit error rate (BER) threshold fixed to 1.0E-6 without being aware of the throughput in
図5と図6とを比較するために両者を重ね合わせると図7となり、1024QAMから256QAMへの切換閾値、256QAMから64QAMへの切換閾値、64QAMから16QAMへの切換閾値、16QAMからQPSKへの切換閾値を、本実施形態のように、それぞれ37dB、31dB、25dB、18dBにした場合と、従来技術のように、それぞれ38.5dB、32.5dB、27dB、20.5dBにした場合とを比較すると、スループットTMに最大で12〜13Mbpsの差ΔTMが生じる。ちなみに、CNRが10〜40dBまで一様に発生すると仮定した場合のスループットの期待値でも、2.2Mbpsの差が生じる。 To compare FIG. 5 and FIG. 6, when they are overlapped, FIG. 7 is obtained. The switching threshold from 1024QAM to 256QAM, the switching threshold from 256QAM to 64QAM, the switching threshold from 64QAM to 16QAM, and the switching from 16QAM to QPSK. When the threshold values are set to 37 dB, 31 dB, 25 dB, and 18 dB, respectively, as in this embodiment, and when the threshold values are set to 38.5 dB, 32.5 dB, 27 dB, and 20.5 dB, respectively, as in the prior art, A difference ΔTM of 12 to 13 Mbps at maximum occurs in the throughput TM. Incidentally, a difference of 2.2 Mbps also occurs in the expected value of throughput when it is assumed that CNR is uniformly generated up to 10 to 40 dB.
本実施形態によれば、レイヤ2におけるスループットが最大となるように変調方式を切り換えることができるので、回線の不稼働率が改善されてトラヒックのスループットが向上する。
According to the present embodiment, the modulation scheme can be switched so that the throughput in
なお、上記した実施形態ではレイヤ2のスループットに着目したが、さらに上位のレイヤ4においてTCPのスループットに着目し、変調方式の切換タイミングを設定することも可能である。
In the embodiment described above, attention is paid to the throughput of
パケット損失が存在する場合のTCPスループットの上限値Vは次式(3)で近似できる(S. Floyd, “Connections with Multiple Congested Gateways in Packet-Switched Networks Part 1: One-way Traffic,” Computer Communications Review, Vol.21, No.5, pp.30-47, Oct. 1991.)。
V=min{V1,V2,V3} …(3)
ただし、V1=8W/T0
V2=C
V3=1.3×8S/{D(P)}1/2
W:TCPのウィンドウサイズ(バイト数)の最大値
T0:往復遅延時間の固定値(固定遅延時間)
C:TCPが利用できる伝送容量
S:TCPのMTU(Maximum Transmission Unit)
D:往復遅延時間
P:パケット損失率
The upper limit V of TCP throughput in the presence of packet loss can be approximated by the following equation (3) (S. Floyd, “Connections with Multiple Congested Gateways in Packet-Switched Networks Part 1: One-way Traffic,” Computer Communications Review , Vol.21, No.5, pp.30-47, Oct. 1991).
V = min {V1, V2, V3} (3)
However, V1 = 8W / T0
V2 = C
V3 = 1.3 × 8S / {D (P)} 1/2
W: Maximum TCP window size (number of bytes)
T0: Fixed round-trip delay time (fixed delay time)
C: Transmission capacity available for TCP
S: TCP MTU (Maximum Transmission Unit)
D: Round trip delay time
P: Packet loss rate
なお、V2に関しては、n個のTCPセッションが伝送路を共有する場合はV2=C/nとなる。ここで、V1は、T0が固定値なのでWの関数であり、V2は、CをRMで近似(厳密には、各レイヤーのオーバーヘッド分があるため、C<RMとなる)できることからRMの関数である。V3は、予めレイヤ1でのCNRとBERとの関係、およびBERとレイヤ4でのPとの関係を求めておき、かつDを測定することにより求まることからCNRの関数となる。
As for V2, when n TCP sessions share a transmission path, V2 = C / n. Here, V1 is a function of W because T0 is a fixed value, and V2 is an RM function because C can be approximated by RM (strictly, because there is an overhead of each layer, C <RM). It is. V3 is a function of CNR because the relationship between CNR and BER in
本実施形態では、前記V3がV1およびV2よりも小さい場合のみ、TCPスループットの上限値VがCNRに依存する。したがって、前記V3が最小値を示すCNRの範囲内、換言すればTCPスループットとして前記V3が支配的なCNRの範囲内であれば、前記BERとレイヤ4のパケット損失率Pとの関係を、前記レイヤ2の場合と同様に変調方式ごとに求めておけば、レイヤ4でのTCPスループットが最大となるように変調方式を切り換えることができるので、回線の不稼働率が改善されてTCPスループットが向上する。
In the present embodiment, the upper limit value V of the TCP throughput depends on the CNR only when the V3 is smaller than the V1 and the V2. Therefore, if the V3 is within the CNR range where the minimum value is satisfied, in other words, if the V3 is within the dominant CNR range as the TCP throughput, the relationship between the BER and the packet loss rate P of the layer 4 is expressed as follows. Similar to the case of
図8の鎖線は、上記した各パラメータを用いて変調方式ごとに求めたCNRとTCPスループット上限値Vとの関係の一例を示しており、細実線は、BERの閾値を固定(ここでは、BER=1.0E-6)とした場合の関係の一例を示している。 The chain line in FIG. 8 shows an example of the relationship between the CNR obtained for each modulation method using each parameter described above and the TCP throughput upper limit value V, and the thin solid line indicates a fixed BER threshold (here, BER = 1.0E-6) shows an example of the relationship.
従来方式では、回線品質が十分でないにもかかわらず、より大きな情報伝送速度を有する変調方式に切り換えられてしまうために、TCPのスループットが悪くなるケースが見受けられる。 In the conventional system, there is a case where the throughput of TCP is deteriorated because the system is switched to a modulation system having a larger information transmission rate even though the line quality is not sufficient.
これに対して、本実施形態のようにTCPスループットが最大値を示すように、図中丸印(○)のタイミングで変調方式を切り換えるとTCPスループットの落ち込みが発生しない。ちなみに,1024QAM,256QAM,64QAM,16QAMの各切換タイミングにおけるBERの閾値は、それぞれ1.0E-7,2.0E-7,5.6E-7,5.1E-6となる。 On the other hand, when the modulation method is switched at the timing of a circle (◯) in the figure so that the TCP throughput shows the maximum value as in the present embodiment, the TCP throughput does not drop. Incidentally, the threshold values of BER at the switching timings of 1024QAM, 256QAM, 64QAM, and 16QAM are 1.0E-7, 2.0E-7, 5.6E-7, and 5.1E-6, respectively.
101…受信部,102…復調部,103…制御チャネル情報取得部,104…適応復調部,105…無線フレーム交換部,106…回線品質推定部,107…変調方式選択部,108…無線フレーム変換部,109…適応変調部,111…変調部,112…送信部,113…切換タイミング記憶部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 101 ... Reception part, 102 ... Demodulation part, 103 ... Control channel information acquisition part, 104 ... Adaptive demodulation part, 105 ... Radio frame exchange part, 106 ... Channel quality estimation part, 107 ... Modulation system selection part, 108 ...
Claims (6)
レイヤ1の回線品質ごとに、レイヤ2以上のいずれかの上位レイヤについて、そのスループットが最高値を示す変調方式を記憶した切換タイミング記憶手段と、
レイヤ1における回線品質を検知する回線品質検知手段と、
前記検知された回線品質に基づいて前記切換タイミング記憶手段を参照し、前記検知された回線品質に適合した変調方法を選択する選択手段と、
変調方式を前記選択された変調方式に切り換える適応変調手段とを具備したことを特徴とする適応変調装置。 In an adaptive modulation apparatus that selects one of a plurality of modulation schemes having different information transmission rates according to the channel quality of a wireless transmission path,
A switching timing storage means for storing a modulation scheme for which the throughput is highest for any higher layer of layer 2 or higher for each channel quality of layer 1;
Line quality detection means for detecting line quality in layer 1;
Selection means for referring to the switching timing storage means based on the detected line quality and selecting a modulation method suitable for the detected line quality;
An adaptive modulation apparatus comprising: an adaptive modulation means for switching a modulation system to the selected modulation system.
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