JP4706614B2

JP4706614B2 - 適応変調システム及びその方法並びにそれを用いた伝送システム

Info

Publication number: JP4706614B2
Application number: JP2006289331A
Authority: JP
Inventors: 誠一野田; 雅彦矢萩
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2006-10-25
Filing date: 2006-10-25
Publication date: 2011-06-22
Anticipated expiration: 2026-10-25
Also published as: JP2008109320A

Description

本発明は適応変調システム及びその方法並びにそれを用いた伝送システムに関し、特にトラヒックの変動や伝搬条件などの変動に対応して適応的に変調方式を変更するようにした適応変調方式に関するものである。

無線伝送方式の設計では、フェーディングに因る受信電界の減衰、遅延スプレッドの拡大等の異常伝搬を考慮する必要がある。異常伝搬の確率（時間）は低く、ほとんどの時間は通常の伝搬条件と考えられる。従って、異常伝搬に備えて変調方式を固定すると、時間率の殆どは伝送品質が過剰となる。そこで、もし変調方式を固定しない場合には、この品質過剰状態は伝送トラヒックの増加に利用できると考えられる。特に、トラヒックピークと異常伝搬の同時発生確率が低いと考えられる場合には効果は大きいと推定される（非特許文献１参照）。

適応変調方式には、特許文献１に示すように回線品質を測定し最適の変調方式を選択するものがある。一方、適応変調方式の他の方式には、特許文献２や非特許文献２に示すように、送信すべき信号を識別し変調方式を選択する技術も含まれる。非特許文献３は、受信電力と遅延スプレッドを推定して変調方式を選択することにより、伝送品質を劣化させることなく高速伝送を実現できることをシミュレーションで示している。

適応変調は、変調方式切替え発動の条件をトラヒック変動とするか、あるいは伝搬条件とするかで制御する方法、変調方式切替え時のヒステリシスの設定方法、送受の変調方式の整合方法、変調方式切替え時の各種同期の維持方法、変調方式切替え時の送信出力電力の設定方法等々の多くの技術からなるものである。ちなみに、本発明は変調方式切替え時の送信出力電力の設定方法に関する技術を開示するものである。

適応変調にかかわる各変調方式の送信出力電力の設定に関しては、従来幾つかの技術が開示されている。特許文献３は、２²ⁿＱＡＭにおいて、２²ⁿＱＡＭの同相及び直交軸上の最大信号点を、２²⁽ⁿ⁺¹⁾ＱＡＭの同相又は直交軸上の二番目に大きい信号点位置とすることで、各変調方式の送信出力電力が平均電力にほぼ等しく一定となる技術を開示している。

特許文献４は、２²ⁿＱＡＭにおいて、信号点位置を補正することで、各変調方式の送信出力電力を平均電力として一定とする技術を開示している。特許文献５は、２²ⁿＱＡＭにおいて、信号点位置を補正することで、各変調方式の送信出力電力を最大送信出力電力として一定とする技術を開示している。

また、適応変調において、変調方式を切替える際の送信出力電力設定の制御に関しては、これまで幾つかの技術が開示されている。特許文献６は、固定設置された無線機同士でフレームを設定して変調方式を通知する技術を開示している。特許文献７は、変調方式の切替えにおいて送信出力電力を段階的に変更して目標値に達した後に変調方式を切替える技術を開示している。

なお、特許文献８には、通信チャンネルの１以上の特性を評価し、パラメータのセット及び評価された１以上のチャンネル特性に基いて等価チャンネルに対する計量を導出し、調整された計量を形成するために計量調整を行い、この調整はバックオフファクタに従って行われ、このバックオフファクタはパケットエラーレート（ＰＥＲ）を最小にするように設定されることが開示されている。

ここで、無線方式においては、送信出力電力と品質を規定したときの最小受信電力の差をシステムゲインとして、システム評価の重要パラメータとしている。システムゲインが大きいと、伝搬距離を長くできたり、アンテナ系を小さくできたり等の利点が考えられるので、システムゲインはシステムの経済性に大きく影響することになる。

そして、送信電力増幅器を決めたときその非線形性が決まり、帯域制限のパラメータを設定して変調方式を決めたときに、非線形性に対する耐力が決まる。また、アウトプットバックオフと所要信号対雑音比との和を最小とするアウトプットバックオフのときに、システムゲインが最大となる。従って、適応変調方式においてアウトプットバックオフと所要信号対雑音比の和が最小となるようにアウトプットバックオフを選択することにより、システムゲインを最大とすることが可能となる。

このことを、以下に定量的に説明する。上述したように、無線方式では、送信出力電力と品質を規定したときの最小受信電力の差が変調方式の性能を評価する重要なパラメータとなる。この値をシステムゲインＧ_sys として送信出力電力Ｐ_OPと最小受信電力Ｐ_min から次のように表される。なお、ここからの数式は対数（デシベル表示）とする。
Ｇ_sys ＝Ｐ_OP−Ｐ_min ……（１）
このシステムゲインを大きくすることで、伝搬距離を長くでき、またアンテナ系を簡便なものにできるなどのメリットが得られる。従って、システムゲインは無線方式の経済性を評価する指標となる。

送信出力電力Ｐ_OPは送信電力増幅器の飽和電力Ｐ_sat とアウトプットバックオフ（Output Back-off:以下、ＯＢＯと記す）から次のように表される。
Ｐ_OP＝Ｐ_sat −ＯＢＯ ……（２）
また、最小受信電力Ｐ_min は雑音電力Ｎと伝送品質を規定したときの所要信号対雑音電力比（搬送波電力対雑音電力比）Ｃ／Ｎから次のように表される。
Ｐ_min ＝Ｃ／Ｎ＋Ｎ ……（３）

搬送波電力対雑音電力比Ｃ／Ｎは、伝送速度をＲ_b とし伝送帯域をＷとして単位帯域の雑音電力に対する１ビットのエネルギーの比Ｅ_b ／Ｎ₀ を用いて次のように表される。
Ｃ／Ｎ＝Ｅ_b ／Ｎ₀ ＋Ｒ_b −Ｗ ……（４）

式（２）から（４）を考慮して式（１）は次のように書き換えられる。
Ｇ_sys ＝Ｐ_sat ＋Ｗ−Ｒ_b −Ｎ−（Ｅ_b ／Ｎ₀ ＋ＯＢＯ）……（５）
式（５）から、送信電力増幅器と伝送速度を決めたとき、ＯＢＯを調整することにより、（Ｅ_b ／Ｎ₀ ＋ＯＢＯ）を最小とする動作点を選択してシステムゲインＧ_sys を最大とすることができる。

ここで、ＯＢＯを小さくすると、送信電力増幅器の非線形性に因る劣化で、所要Ｅ_b ／Ｎ₀ は大きくなる。一方、ＯＢＯを大きくすると、非線形性に因る劣化の影響は小さくなるものの、（Ｅ_b ／Ｎ₀ ＋ＯＢＯ）は大きくなる。従って、（Ｅ_b ／Ｎ₀ ＋ＯＢＯ）を最小とするＯＢＯの最適点が存在する。非線形劣化は変調波形の尖頭電力の非線形歪によって起きる。

図３に、アウトプットバックオフＯＢＯを変化させたときの送信電力の低下によるシステムゲインの減少量（破線）、非線形歪によるシステムゲインの劣化量（一点鎖線）及びそれらを加えたアウトプットバックオフによるシステムゲインの劣化量（実線）を示す。本図を参照すると、アウトプットバックオフを変化させたとき、（所要Ｅ_b ／Ｎ₀ ＋ＯＢＯ）を最小にして、システムゲインを最大とするアウトプットバックオフの最適点があることが分かる。

ＯＦＤＭ（Orthogonal Frequency Division Multiple Access ），ＣＤＭＡ（Code Division Multiple Access ）のように、複数の搬送波または変調波を共通増幅する場合には、各搬送波の位相合成によるピークファクタを考慮する必要がある。単一搬送波の場合には、変調方式の尖頭電力の大きさを決める要因として、変調方式自体の有する信号点配置に起因するピークファクタと帯域制限によるピークファクタがある。後者は、例えば、非特許文献４に説明があり、通常用いられるＱＰＳＫのルートロールオフでは、ロールオフファクタが１〜０．４程度の場合には大きな変動はない。しかし、ロールオフファクタを０．３より小さくする場合には、急激に大きな値となり、システムゲインＧ_sysを最大とする動作点を選択する場合に影響する。

図４は、ＱＰＳＫについて、アウトプットバックオフ（ＯＢＯ）を変化させたときの（所要Ｅ_b ／Ｎ₀ ＋ＯＢＯ）の変化のシミュレーション結果を示している。パラメータをロールオフファクタαとしている。ＱＰＳＫであるので、信号点の配置に依存するピークファクタは殆ど無視できるため、帯域制限による（所要Ｅ_b ／Ｎ₀ ＋ＯＢＯ）の値を示している。α＝０．３５ではＯＢＯ＝０．５ｄＢ付近で、α＝０．２５ではＯＢＯ＝１ｄＢ付近で、α＝０．１５ではＯＢＯ＝１．５ｄＢ付近で、それぞれ（所要Ｅ_b ／Ｎ₀ ＋ＯＢＯ）の最小値、すなわちシステムゲインの最大値が現れることを示している。

特開昭５７−１５７１４８号公報特開平７−２５０１１７号公報特開平３−２５４２５６号公報特開平９−１１６５８９号公報特開２００２−１９９０３８号公報特開２００５−１９８１２３号公報特開２００５−２３６７０９号公報特表２００６−５０１６９５号公報小牧省三、「可変容量マイクロ波方式に関する検討」、信学論（Ｂ−ＩＩ）、Ｖｏｌ．Ｊ７３−Ｂ２，Ｎｏ．１０，ｐｐ．４９８−５０３，Ｏｃｔ．１９９０． Hee-Jin LEE, Shozo KOMAKI, Norihiko MORINAGA, "Theoretical Analysis of the Capacity Controlled Digital Mobile System in the Presence of Interference and Thermal Noise," Trans. IEICE, Vol.E75-B, No.6, pp.487-493, June 1992. 大槻信也、三瓶政一他、「変調多値数可変適応変調方式の伝送特性」、信学論（Ｂ−ＩＩ）、ｖｏｌ．Ｊ７８−Ｂ２，Ｎｏ．６，ｐｐ．４３５−４４４，Ｊｕｎｅ１９９５．斉藤洋一、「ディジタル無線通信の変復調方式」、信学会、表４．３、ｐｐ．１４６、１９９６．

上述した特許文献３，４のように、変調波の平均電力を一定とするように各変調波の動作点を設定したのでは、必ずしもこのシステムゲインを最大とすることはできない。その理由は、各変調方式の有する平均電力では非線形性の影響が同等であるとみなせないためである。図５は各変調方式で信号点の間隔を一定としたときの平均電力、尖頭電力を示している。更に、各変調方式の平均電力に対する尖頭電力の比をピークファクタとして示している。平均電力を一定として電力増幅器の動作点を設定した場合には、ピークファクタの大きい変調方式の場合には歪に対する余裕がなく、ピークファクタの小さい変調方式の場合には歪に対する余裕が過剰となる。

更に、特許文献５のように、変調波の最大送信出力電力を一定とするように各変調波の動作点を設定したのでは、必ずしもシステムゲインを最大とすることはできない。つまり、図６に示すように、帯域制限のパラメータによってピークファクタが異なるためである。

なお、図６は、シンボル周期をＴｏとして、時刻０．５Ｔｏで最大値をとるように、２４シンボルに亘ってルートコサインロールオフ波形を重ね合わせた結果である。本図におけるパラメータはロールオフファクタαであり、α＝０．２の場合には相対的振幅は約２となり、ピークファクタは６ｄＢ近くになる。ロールオフファクタに対するピークファクタの量は、例えば、非特許文献４に示されている。この非特許文献４の１４６ページの表４．３に示されるＱＰＳＫのルートロールオフの場合のピークファクタを、図７に引用して示している。なお、特許文献８では、システムゲインを最大にするものではない。

以上の説明をまとめると、特許文献５のように、変調波の最大送信出力電力として、変調方式の信号点配置によるピークファクタと帯域制限によるピークファクタを合わせてピークファクタとした場合には、ピークファクタが過大なとなり、送信電力増幅器の動作点を必要以上に低い位置に設定してしまうという欠点を有する。

また、これらの従来技術は多値数を２の奇数乗とする２²ⁿ⁺¹ＱＡＭあるいは多値数を２の自然数乗としない変調方式に対しては、電力増幅器の動作点設定の技術を開示していない。

本発明の目的は、変調方式を変更した場合にも変調方式毎にシステムゲインを最大とすることができる適応変調システム及びその方法並びにそれを用いた伝送システムを提供することである。

本発明による適応変調システムは、
適応的に変調方式を変更するようにした適応変調システムであって、
変調方式毎に、送信電力増幅器のアウトプットバックオフと所要信号対雑音比との和が最小となるように、前記送信電力増幅器の動作点を設定する手段を含み、
前記手段は、前記送信電力増幅器の入出力特性を予め保持しており、前記和が最小となるアウトプットバックオフを選択し、前記入出力特性を参照して、この選択されたアウトプットバックオフとなる前記送信電力増幅器の出力レベルから前記送信電力増幅器の入力レベルを得て、この入力レベルになるよう被変調信号のレベルを制御することを特徴とする。

本発明による他の適応変調システムは、
適応的に変調方式を変更するようにした適応変調システムであって、
変調方式毎に、送信電力増幅器のアウトプットバックオフと所要信号対雑音比との和が最小となるように、前記送信電力増幅器の動作点を設定する手段を含み、
前記手段は、前記送信電力増幅器の入出力特性を予め保持しており、前記和が最小となるアウトプットバックオフを選択し、前記入出力特性を参照して、この選択されたアウトプットバックオフとなる前記送信電力増幅器の出力レベルから前記送信電力増幅器の入力レベルを得て、この入力レベルになるよう変調回路への入力信号のレベルを制御することを特徴とする。

更に、送信電力制御方式を採用する上記の適応変調システムであって、前記手段により設定された前記送信電力増幅器の動作点を、最大送信出力電力とすることを特徴とする。

本発明による伝送システムは、上記の適応変調システムを用いたことを特徴とする。

本発明による適応変調方法は、
適応的に変調方式を変更するようにした適応変調方法であって、
変調方式毎に、送信電力増幅器のアウトプットバックオフと所要信号対雑音比との和が最小となるように、前記送信電力増幅器の動作点を設定するステップを含み、
前記ステップは、前記和が最小となるアウトプットバックオフを選択し、予め保持されている前記送信電力増幅器の入出力特性を参照して、この選択されたアウトプットバックオフとなる前記送信電力増幅器の出力レベルから前記送信電力増幅器の入力レベルを得て、この入力レベルになるよう被変調信号のレベルを制御することを特徴とする。

本発明による他の適応変調方法は、
適応的に変調方式を変更するようにした適応変調方法であって、
変調方式毎に、送信電力増幅器のアウトプットバックオフと所要信号対雑音比との和が最小となるように、前記送信電力増幅器の動作点を設定するステップを含み、
前記ステップは、前記和が最小となるアウトプットバックオフを選択し、予め保持されている前記送信電力増幅器の入出力特性を参照して、この選択されたアウトプットバックオフとなる前記送信電力増幅器の出力レベルから前記送信電力増幅器の入力レベルを得て、この入力レベルになるよう変調回路への入力信号のレベルを制御することを特徴とする。

更に、送信電力制御方式を採用する上記の適応変調方法であって、前記ステップにより設定された前記送信電力増幅器の動作点を、最大送信出力電力とすることを特徴とする。

本発明の作用を述べる。複数の変調方式を用意して、トラヒック変動、伝送条件等によってその変調方式を変更する適応変調方式または変調装置において、変調方式毎に送信電力増幅器のアウトプットバックオフと所要信号対雑音比との和が最小となるように、各変調方式の電力増幅器の動作点を設定する。送信電力制御技術を組み合わせる場合には、このとき設定した動作点を最大送信出力電力とすることができる。

本発明によれば、適応変調方式においてアウトプットバックオフと所要信号対雑音比との和が最小となるようにアウトプットバックオフを選択することにより、システムゲインを最大とすることが可能になるという効果がある。

以下に、図面を参照して本発明の実施の形態について詳細に説明する。図１は本発明の一実施の形態の適応変調装置の機能ブロック図であり、背景技術の項において定量的に説明したように、システムゲインを最大とするためには、アウトプットバックオフと所要信号対雑音比の値との和が最小になるようにするものであり、そのために図１の機能ブロックが得られる。

図１に示すように、本実施の形態は、変調回路１０と、動作点設定回路２０と、送信電力増幅器３０とを含んで構成されている。変調回路１０は入力信号１を入力として被変調信号２を出力とする。このとき、変調方式制御信号５に応じて、種々の変調方式で被変調信号２が生成されるものであり、従って、この変調方式制御信号５は適応的に選択された変調方式を指示するための信号である。

動作点設定回路２０は被変調信号２の大きさを制御して送信電力増幅器３０の動作点を設定しており、被変調信号２を入力として動作点設定後の被変調信号３を出力とする。このとき、変調方式制御信号５によって種々の変調方式毎にアウトプットバックオフと所要信号対雑音比の値との和が最小となるように、送信電力増幅器３０の動作点を設定する。送信電力増幅器３０は動作点設定後の被変調信号３を入力として出力信号４を出力するものである。

図１において、変調回路１０は変調方式制御信号５に応じた変調方式により入力信号１を変調し被変調信号２を出力する。動作点設定回路２０は、後続の送信電力増幅器３０の飽和特性を考慮して、すなわち、飽和電力に対するバックオフの値を考慮して、各変調方式に従って、送信電力増幅器３０の入力である被変調信号２のレベルを調整することにより、アウトプットバックオフと所要信号対雑音比の値との和が最小となるように、送信電力増幅器３０の動作点を調整設定するものである。

より具体的には、送信電力増幅器３０の入出力特性を予め予想しておき、変調方式毎に、システムゲインが最大となるバックオフの値になるように、被変調信号２のレベル、すなわち送信電力増幅器３０への入力レベルを設定するのである。この設定にあたっては、送信電力増幅器３０の入出力特性を記憶しておき、変調方式毎に最適バックオフ値になる出力レベルから、記憶している入出力特性を参照し、入力レベルを換算して得ることにより、被変調信号２のレベル設定が可能となる。

従って、この動作点設定後の被変調信号３は、後続の電力増幅器において所定のバックオフとなるように変調方式毎にレベルが設定されていることになる。送信電力増幅器３０は動作点設定後の被変調信号３を入力として所定のレベルまで電力増幅することで出力信号４を導出する。これにより、システムゲインを最大とすることができる。

次に、本発明の他の実施の形態について説明する。その基本的構成は上記の通りであるが、動作点の設定方法について更に工夫している。図２は本発明の他の実施の形態の適応変調装置の機能ブロック図であり、動作点設定回路２１と、変調回路１１と、送信電力増幅器３０とを含んで構成されている。

動作点設定回路２１は変調回路１１に入力されるベースバンド信号の大きさを制御して送信電力増幅器３０の動作点を設定しており、入力信号１を入力として動作点設定後の変調信号６を出力する。このとき、変調方式制御信号５によって種々の変調方式毎にアウトプットバックオフと所要信号対雑音比の値が最小となるように送信電力増幅器３０の動作点を設定する。

本例における動作点設定回路２１においても、図１に示した先の実施の形態における動作点設定回路２０と同様に、送信電力増幅器３０の入出力特性を記憶しておき、変調方式毎に最適バックオフ値になる出力レベルから、記憶している入出力特性を参照して入力レベルを換算して得ることにより、入力信号１のレベル設定が可能となる。

変調回路１１は動作点設定後の変調信号６を入力として動作点設定後の被変調信号３を出力とする。このとき、変調方式制御信号５によって種々の変調方式で動作点設定後の被変調信号３が生成される。送信電力増幅器３０は動作点設定後の被変調信号３を入力として出力信号４を出力する。

このように、上述した実施の形態では、変調方式毎に送信電力増幅器の動作点を、アウトプットバックオフと所要信号対雑音比との和を最小とするように設定しているので、全ての変調方式についてシステムゲインが最大となるという効果が得られるのである。

また、固定マイクロ波通信システムにおいては、非特許文献１に示されているように、フェーディングの無い通常の伝搬状態では、システムゲインに大きな余裕がある。このような通常の伝搬状態では、与干渉を低減するために、または、通常の消費電力を低減するために、通常時には、送信電力を一定の値下げておき、フェーディング状態に至った場合に、送信電力を上げるようにした送信電力制御技術が適用される場合がある。

このような送信電力制御技術を、本発明のような変調方式を適応的に変更するシステムに適用した場合、アウトプットバックオフと所要信号対雑音比との和が最小となるようにアウトプットバックオフを選択して設定した動作点を、最大送信出力電力とすることができる。このように設定した動作点を最大送信出力電力とすることによって、送信電力増幅器によってその変調方式が実現できる最大のシステムゲインを得ることが可能になる。

本発明の活用例として、適応変調を実施する伝送システムが考えられる。適応変調を実施する場合に、複数の変調方式が用いられ、各々の変調方式でシステムゲインを最大として経済的システムを構築することができる。

本発明の一実施の形態の機能ブロック図である。本発明の他の実施の形態の機能ブロック図である。アウトプットバックオフに対するシステムゲインの劣化量を示す図である。アウトプットバックオフに対する所要Ｅ_b ／Ｎ_O ＋ＯＢＯを示す図である。各変調方式におけるパラメータの例を示す図であり、各変調方式において信号点の間隔を一定としたときの平均電力や尖頭電力などを示す図である。波形整形によるピークファクタの変化を示す図である。ＱＰＳＫのルートロールオフの場合のピークファクタを示す図である。

符号の説明

１０，１１変調回路
２０，２１動作点設定回路
３０送信電力増幅器

Claims

適応的に変調方式を変更するようにした適応変調システムであって、
変調方式毎に、送信電力増幅器のアウトプットバックオフと所要信号対雑音比との和が最小となるように、前記送信電力増幅器の動作点を設定する手段を含み、
前記手段は、前記送信電力増幅器の入出力特性を予め保持しており、前記和が最小となるアウトプットバックオフを選択し、前記入出力特性を参照して、この選択されたアウトプットバックオフとなる前記送信電力増幅器の出力レベルから前記送信電力増幅器の入力レベルを得て、この入力レベルになるよう被変調信号のレベルを制御することを特徴とする応変調システム。
適応的に変調方式を変更するようにした適応変調システムであって、
変調方式毎に、送信電力増幅器のアウトプットバックオフと所要信号対雑音比との和が最小となるように、前記送信電力増幅器の動作点を設定する手段を含み、
前記手段は、前記送信電力増幅器の入出力特性を予め保持しており、前記和が最小となるアウトプットバックオフを選択し、前記入出力特性を参照して、この選択されたアウトプットバックオフとなる前記送信電力増幅器の出力レベルから前記送信電力増幅器の入力レベルを得て、この入力レベルになるよう変調回路への入力信号のレベルを制御することを特徴とする適応変調システム。
送信電力制御方式を採用する請求項１または２に記載の適応変調システムであって、
前記手段により設定された前記送信電力増幅器の動作点を、最大送信出力電力とすることを特徴とする適応変調システム。
請求項１〜３いずれかに記載の適応変調システムを用いたことを特徴とする伝送システム。
適応的に変調方式を変更するようにした適応変調方法であって、
変調方式毎に、送信電力増幅器のアウトプットバックオフと所要信号対雑音比との和が最小となるように、前記送信電力増幅器の動作点を設定するステップを含み、
前記ステップは、前記和が最小となるアウトプットバックオフを選択し、予め保持されている前記送信電力増幅器の入出力特性を参照して、この選択されたアウトプットバックオフとなる前記送信電力増幅器の出力レベルから前記送信電力増幅器の入力レベルを得て、この入力レベルになるよう被変調信号のレベルを制御することを特徴とする適応変調方法。
適応的に変調方式を変更するようにした適応変調方法であって、
変調方式毎に、送信電力増幅器のアウトプットバックオフと所要信号対雑音比との和が最小となるように、前記送信電力増幅器の動作点を設定するステップを含み、
前記ステップは、前記和が最小となるアウトプットバックオフを選択し、予め保持されている前記送信電力増幅器の入出力特性を参照して、この選択されたアウトプットバックオフとなる前記送信電力増幅器の出力レベルから前記送信電力増幅器の入力レベルを得て、この入力レベルになるよう変調回路への入力信号のレベルを制御することを特徴とする適応変調方法。
送信電力制御方式を採用する請求項５または６に記載の適応変調方法であって、
前記ステップにより設定された前記送信電力増幅器の動作点を、最大送信出力電力とすることを特徴とする適応変調方法。