JP5518644B2

JP5518644B2 - 伝送品質評価方法、送信方法及び送信装置

Info

Publication number: JP5518644B2
Application number: JP2010200037A
Authority: JP
Inventors: 理一工藤; 浩一石原; 友規村上; 裕介淺井; 宗大松井; 武男市川; 笑子篠原; 匡人溝口
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2010-09-07
Filing date: 2010-09-07
Publication date: 2014-06-11
Anticipated expiration: 2030-09-07
Also published as: JP2012060312A

Description

本発明は、無線通信、特に、ＭＩＭＯを使った無線ＬＡＮでの通信における伝送品質評価方法、送信方法及び送信装置に関する。

近年、２．４ＧＨｚ帯又は５ＧＨｚ帯を用いた高速無線アクセスシステムとして、ＩＥＥＥ８０２．１１ｇ規格、ＩＥＥＥ８０２．１１ａ規格などに基づいたアクセスポイント（基地局装置）が広く普及している。これらの規格に基づいた無線通信システムでは、マルチパスフェージング環境での特性を安定化させるための技術である直交周波数分割多重（ＯＦＤＭ：Orthogonal Frequency Division Multiplexing）変調方式を用い、最大で５４Ｍｂｐｓの伝送速度を実現している。

なお、ここでの伝送速度とは物理レイヤ上での伝送速度である。ユーザにとって有効なデータのスループットは、ＭＡＣ（Medium Access Control）レイヤでの伝送効率が５０〜７０％程度であるために、３０Ｍｂｐｓ程度が上限値となっている。しかし、ＩＥＥＥ８０２．１１ｎが２０１０年に標準化完了予定であり、ＭＩＭＯ（Multiple input multiple output）技術により１００Ｍｂｐｓ超の高速通信の実現を目指している。

また、有線ＬＡＮの通信速度もＦＴＴＨ（Fiber to the home）の普及から、上昇の一途をたどっており、今後無線ＬＡＮにおいても更なる伝送速度の高速化が求められることが想定される。更なる無線ＬＡＮにおける伝送速度の高速化の技術として、最も注目されているのがマルチユーザＭＩＭＯ送信技術である。マルチユーザＭＩＭＯ送信技術とは、送信局側において複数の送信アンテナから同一周波数同一タイミングで異なる独立な信号を複数のアンテナを備える複数の通信相手に送信する。また、複数の通信相手の受信アンテナ全体を巨大な受信アレーとみなして下りスループットの向上を実現する技術である。

このような高速の無線通信における伝送品質を評価するには、ＰＥＲ（Packet error rate：誤り率）を算出する必要がある。しかし、ＰＥＲの導出は一般に非常に演算負荷が大きい。例えば、ＩＥＥＥ８０２．１１規格における直交周波数分割多重方式（ＯＦＤＭ：Orthogonal frequency division multiplexing）システムにおけるＰＥＲ計算は、まず、送信を行うビット系列を生成する。そして、畳み込みもしくはＬＤＰＣ（low-density parity-check code）により、符号化を行う。さらに得られた符号化ビット系列にインターリーバによる並び替えを行い、変調を行い送信信号を生成し、送信信号を無線チャネルで伝搬させるか、もしくは実伝搬環境に対応するチャネル情報を作用し受信信号系列を生成する。

または、実際に高周波にアップコンバートして送信し、受信しベースバンド信号にダウンコンバートし、得られた受信信号系列を用いることもできる。生成された受信信号系列に受信方式を用い、送信信号系列を再生し、復号を行い、デインターリーブを行い、得られた受信符号化ビット系列にＶｉｔｅｒｂｉアルゴリズムやＬＤＰＣの復号処理を行うことで、送信したビット系列を得ることができる。

しかしながら、ＰＥＲの値の信頼性を高めるためには、サンプルとなる送信信号系列に膨大なビット数が必要となり、さらにＭＩＭＯ通信やマルチユーザＭＩＭＯの伝送品質は複数のチャネルに影響されるため、膨大なビット数の信号系列を用いて、多数のチャネル条件に対しＰＥＲを評価する必要がある。さらに、ＰＥＲは、チャネル情報誤差、パケット長、変調方式、符号化率など多くのパラメータにより変化する。正確に伝送特性を評価するにはそれら全てのパラメータの全ての組み合わせに対してＰＥＲの計算を行う必要が生じる。このような計算は膨大な演算負荷がかかるため、ＭＩＭＯ通信やマルチユーザＭＩＭＯ通信の評価の大きな障壁となる。マルチユーザＭＩＭＯの際の伝送容量については、ユーザへの送信ビットの関係や、アンテナ相関、送信アルゴリズムにより伝送特性が大きく変わることが示されている（例えば、非特許文献１参照）。

Q. H. Spencer, "Zero-forcing methods for downlink spatial multiplexing in multiuser MIMO channel," IEEE Trans. on Signal Processing, Vol 52, Issue 2, pp.461-471, 2004

前述のような条件でＰＥＲや誤り訂正後のＢＥＲ（Bit Error Rate）を演算することは非常に大きな演算負荷を要する。このため、ＰＥＲに基づいてどの変調方式、符号化率を使用するかを定めるような方式をとる場合などに、伝送品質を送信前に推定することは非常に困難になるという問題がある。

このように、ＭＩＭＯ通信やマルチユーザＭＩＭＯ通信において、ＰＥＲや誤り訂正後のＢＥＲを計算する演算負荷が非常に膨大であり、また、チャネル条件、チャネル推定誤差、変調方式、符号化率、誤り訂正の方式、パケット長などの多くのパラメータによりＰＥＲや誤り訂正後のＢＥＲは変化するため、伝送品質評価が困難であるという問題がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、ＯＦＤＭシステムにおいて、伝送品質の計算を簡略化する伝送品質簡易推定方法と、この伝送品質簡易推定方法に基づく送信方法及び送信装置を提供することを目的とする。

本発明は、直交周波数分割多重方式の無線通信システムにおける伝送品質を評価するために伝送品質評価値を求める伝送品質評価方法であって、伝搬路のチャネル情報を出力するチャネル情報出力ステップと、送信方法及び受信方法を決定し、各サブキャリア、各ユーザ及び各データストリームの前記チャネル情報から、誤り訂正前の誤り率を算出するＢＥＲ算出ステップと、算出した前記誤り訂正前の誤り率の値を用いて、伝送品質評価値を算出するＰＥＲ算出ステップとを有することを特徴とする。

本発明は、前記ＰＥＲ算出ステップにおいて、単位をデシベルで表現したパケット誤り率Ｐを、単位をデシベルで表現した前記誤り訂正前誤り率Ｂを用いて、Ｐ＝αＢ＋βとして近似し、係数αと係数βについて、使用する誤り訂正符号化技術と符号化率、パケットのビット長に対して予め計算された値を代入して前記パケット誤り率Ｐを算出することを特徴とする。

本発明は、前記ＰＥＲ算出ステップにおいて、単位をデシベルで表現した誤り訂正後の誤り率Ｃを、単位をデシベルで表現した誤り訂正前誤り率Ｂを用いて、Ｃ＝αＢ＋βとして近似し、係数αと係数βについて使用する誤り訂正符号化技術とその符号化率に対して予め計算された値を代入して前記誤り訂正後の誤り率Ｃを算出することを特徴とする。

本発明は、前記ＰＥＲ算出ステップにおいて、単位をデシベルで表現したパケット誤り率Ｐを、単位をデシベルで表現した誤り率Ｂを用いて、Ｐ＝α（Ｎ）Ｂ＋β（Ｎ）として近似し、α（Ｎ）とβ（Ｎ）についてパケットのビット長Ｎの関数を、使用する誤り訂正符号化技術とその符号化率に対して予め記憶することで前記パケット誤り率Ｐを算出することを特徴とする。

本発明は、前記ＰＥＲ算出ステップにおいて、単位をデシベルで表現したパケット誤り率Ｐを、単位をデシベルで表現した誤り率Ｂを用いて、Ｐ＝αｌｏｇ（−Ｂ）＋β＋１０ｌｏｇ(Ｎ／Ｎ_０)として近似し、αとβについてパケットのビット長Ｎ_０に対する係数を用意し、実際のパケット長Ｎで補正する関数を用いることで前記パケット誤り率Ｐを算出することを特徴とする。

本発明は、前記関数α（Ｎ）と前記関数β（Ｎ）について、α（Ｎ）＝μ_１＋ω_１ｌｏｇ（Ｎ）、β（Ｎ）＝μ_２＋ω_２ｌｏｇ（Ｎ）とし、係数μ_１，ω_１，μ_１，ω_１を使用する誤り訂正符号化技術とその符号化率に対して予め記憶された値を代入することで前記パケット誤り率Ｐを計算することを特徴とする。

本発明は、請求項１から６のいずれかに記載の伝送品質評価方法を用いて算出した伝送品質評価値に基づきデータ送信を行う無線送信装置における送信方法であって、送信を行うべき通信相手を決定し、対応するチャネル情報を推定する通信相手決定ステップと、変調方式、符号化率及びデータストリーム数を決定する送信モード決定ステップと、決定された前記変調方式、前記符号化率及び前記データストリーム数とチャネル情報から、前記伝送品質評価値に基づき伝送品質を推定し、該推定伝送品質と要求品質とを比較して、伝送品質の判定を行う伝送品質判定ステップと、前記要求品質を満たす場合に、決定された前記変調方式、前記符号化率及び前記データストリーム数によりデータ送信を行う送信ステップと前記要求品質を満たさない場合に、新たに変調方式、符号化率及びデータストリーム数を決定する送信モード決定ステップとを有することを特徴とする。

本発明は、請求項１から６のいずれかに記載の伝送品質評価方法を用いて算出した伝送品質評価値に基づきデータ送信を行う無線送信装置であって、送信を行う通信相手を決定し、対応するチャネル情報を推定する通信相手決定部と、変調方式、符号化率及びデータストリーム数を決定する送信モード決定部と、決定された前記変調方式、前記符号化率及び前記データストリーム数とチャネル情報から、前記伝送品質評価値に基づき伝送品質を推定し、該推定伝送品質と要求品質とを比較して、伝送品質の判定を行う伝送品質判定部と、前記要求品質を満たす場合に、決定された前記変調方式、前記符号化率及び前記データストリーム数によりデータ送信を行う送信部と前記要求品質を満たさない場合に、新たに変調方式、符号化率及びデータストリーム数を決定する送信モード決定部とを具備することを特徴とする。

本発明によれば、ＯＦＤＭを用いたパケット通信を行う通信システムにおけるＰＥＲ（Packet error rate）の評価において、送信ビット系列を実際に生成することなく、著しく低い演算負荷でチャネルの情報のみからＰＥＲを推定することができるという効果が得られる。

本発明の一実施形態の構成を示すブロック図である。本発明のＰＥＲの推定処理の基本動作を示すフローチャートである。図１に示す送信装置の処理動作を示すフローチャートである。図１に示す送信装置の処理動作を示すフローチャートである。推定ＢＥＲとＵｎｃｏｄｅｄＢＥＲの関係を示す図である。推定ＢＥＲを用いたＰＥＲの算出結果を示す図である。推定ＢＥＲを用いたＣＢＥＲ、ＰＥＲの算出結果を示す図である。 γとして、変調方式による違いを用いる例を示す図である。推定ＢＥＲを用いたＣＢＥＲの算出結果を示す図である。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態による伝送品質簡易推定方法に基づく送信方法及び送信装置を説明する。図１は同実施形態における送信装置の構成を示すブロック図である。この図において、符号１は、送信モードを決定する送信モード決定部である。符号２は、誤り訂正前のＢＥＲ（Bit Error Rate：誤り率）を推定する誤り訂正前ＢＥＲ評価部である。符号３は、ＰＥＲ（Packet error rate）または誤り訂正後ＢＥＲを算出する誤り訂正後ＢＥＲ・ＰＥＲ算出部である。符号４は、伝送品質の判定を行う伝送品質判定部である。符号５は、無線通信により送信データを送信する送信部である。送信モード決定部１において送信モードが決定されると、誤り訂正前ＢＥＲ評価部２により誤り訂正前のＢＥＲが計算された後、誤り訂正後ＢＥＲ・ＰＥＲ算出部３により、誤り訂正後のＢＥＲまたはＰＥＲが計算される。そして、伝送品質判定部４において規定の品質を満たすか否かを判定し、満たす場合には、送信部５において送信データ、または通信を開始することを示す信号を送信する。

なお、無線通信に用いる送信装置を図１を参照して説明するに際して、無線通信における送信装置が普通に有する公知の機能・構成については、本発明の説明に直接関わりがない限り、その説明及び構成の図示を省略する。

次に、図２を参照して、ＰＥＲの推定処理の基本動作を説明する。図２は、ＰＥＲの推定処理動作を示すフローチャートである。まず、実伝搬環境における測定、もしくはチャネルモデルからチャネル情報の出力を行う（ステップＳ１）。出力したチャネル情報を用いて、直交周波数分割多重方式（ＯＦＤＭ：Orthogonal frequency division multiplexing）の通信システムにおける各サブキャリアでの受信端末におけるＳＩＮＲ（Signal Interference Noise Ratio：信号対干渉雑音電力比）を算出する（ステップＳ２）。ここでは、送信側において適用するアルゴリズムや、送信・受信側で用いることのできるチャネル情報への条件、受信側での復号アルゴリズムを規定することができる。すなわち、任意の送信・受信アルゴリズムの方式を用いてＳＩＮＲを算出する。ここで、送信側で用いることのできるチャネル情報への条件とは、送信アルゴリズムが用いる送信を行う伝搬路に関するチャネル情報として使用可能なビット数や、チャネル情報に含まれる誤差の量、チャネルの時変動情報、等を用いることができる。また、受信側で用いることのできるチャネル情報のへの条件とは、受信装置において受信アルゴリズムに用いるチャネル情報の誤差や、伝搬環境の時変動、量子化誤差、クロックずれ、周波数ずれ、アナログ・デジタル変換器の量子化誤差やオーバレンジの影響等を用いることができる。

例えば、送信に４素子、受信に２素子の受信アンテナを持つ２ユーザのマルチユーザＭＩＭＯ（Multiple input multiple output）において、送信側にゼロフォーシング（ＺＦ：Zero forcing）、受信側にＭＭＳＥによる受信ウエイトを用いた場合のＳＩＮＲの算出を示す。ここで、Ｈ_ｉ，ｊをｉ番目のサブキャリア（周波数チャネル）におけるｊ番目のユーザ（ｊ＝１ｏｒ２）に対する２×４の伝搬チャネル行列であるとし、送信側の通信装置は、チャネル情報として、２×４のチャネル情報行列Ｇi,jを記憶していたとする。ここで、集合チャネル情報行列を

と定義する。

ＺＦによる送信ウエイトは、Ｇ_ｉの逆行列（または疑似逆行列）を演算することで求めることができる。ここで、Ｇ_ｉの逆行列をＦ_ｉとする。Ｇ_ｉＦ_ｉは対角行列となる。Ｆ_ｉのｋ番目の列ベクトルをｆ_ｉ，ｋとすると、ｉ番目の周波数の１番目のユーザのｋ番目の送信ウエイトｗ_{ｉ，１，ｋ}はｆ_{ｉ，ｋ／ａｉ，ｋ}と表すことができる。ｆ_ｉ，ｋは４×１のベクトル、ａ_ｉ，ｋは送信電力を決定する係数であり、例えば、｜ｆ_ｉ，ｋ｜とすることができる。また、２番目のユーザのｌ番目の送信ウエイトｗ_{ｉ，２，ｌ}は４×１の列ベクトルで、ｆ_{ｉ，（ｌ＋２）／ａｉ，（ｌ＋２）}とすることができる。また、受信した端末装置における受信ウエイトは、

と表すことができる。ここで、Ｈｉは集合チャネル行列［Ｈ_ｉ，１ ^Ｔ，Ｈ_ｉ，２ ^Ｔ］^Ｔであり、集合送信ウエイト行列Ｗ_ｉ＝［ｗ_{ｉ，１，１}，ｗ_{ｉ，１，２}，ｗ_{ｉ，２，１}，ｗ_{ｉ，２，２}］である。また、ＳＩＮＲ_{ｉ，ｊ，ｋ}は

と表すことができる。

このようにして得られたＳＩＮＲを用い、誤差関数（Error Function）を用いて、対応するＢＥＲを計算する（ステップＳ３）。ＳＩＮＲからＢＥＲを求める方法については公知の方法を用いることができ、例えば下式により求める。

ここで、受信ウエイトとして線形ウエイトを用いず、Ｍａｘｉｍｕｍｌｉｋｅｌｉｈｏｏｄｄｅｔｅｃｔｉｏｎ（ＭＬＤ）など非線形の復号方法を用いる場合には、信号品質を表す尤度などをパラメータとして、ＢＥＲを推定することもできる。このように、ｉ番目のサブキャリアのｊ番目の通信相手におけるｋ番目のデータストリームのＢＥＲが導出することができる。（４）式で示した以外にもＢＰＳＫや８ＰＳＫなど他の変調方式に対しても、ＳＩＮＲに対する近似式を作成することで、ＢＥＲを一意に計算することができる。また、（４）式は近似式の一例であり、より簡易な近似式を用いてもよいし、クロック位相誤差や搬送波位相誤差などのより複雑なパラメータを用いたＢＥＲ算出の近似式を用いるようにしてもよい。ここで、ｉ番目のサブキャリアの、ｊ番目のユーザの、ｋ番目のデータストリームに用いる変調方式をＭＯＤ_{ｉ，ｊ，ｋ}と定義すると、ｊ番目のユーザに対して得られる平均ＢＥＲ_ｊは、

と表すことができ、この（５）式によって全サブキャリアの平均ＢＥＲを算出する（ステップＳ４）。

Ｍ_ｊはｊ番目のユーザに対するデータストリーム数であり、Ｍ_Ｆはデータに用いるサブキャリア数、Ｔ_{ｉ，ｊ，ｋ}はｉ番目のサブキャリアの、ｊ番目のユーザの、ｋ番目のデータストリームに用いた送信ビット数である。ここで、各ユーザごとのＢＥＲを平均化しているのは、各ユーザでデータストリームおよびサブキャリアでインターリーバを用いていることを仮定しているからである。データストリームに対してインターリーバを用いない場合には、サブキャリアのみを平均化するようにしてもよいし、複数のユーザのデータにまとめてインターリーバを用いる場合には、該当する全ユーザに対して平均化を行うようにしてもよい。また、計算を簡易化するために、送信に用いたビット数Ｔi,j,kを、ｉやｊやｋによらず１としてもよい。このようにして得られたＢＥＲは誤り訂正を行う前のビット系列のＢＥＲ（ＵｎｃｏｄｅｄＢＥＲ）とよく一致する。

図５に、（５）式から得られた推定ＢＥＲと、２．１×１０^８ビットの送信ビット系列を生成し、ＩＥＥＥ８０２．１１ｎで提案されているＣｈａｎｎｅｌｍｏｄｅｌＣを用いて４０ＭＨｚ分のチャネル情報を生成し、１２８ポイントのＦＦＴによるＯＦＤＭサブキャリアのうち、１０８のサブキャリアをデータ通信に用いた場合に、（５）式によりＢＥＲを推定した値を縦軸にとり、２．１×１０^８ビットの送信ビット系列に生成し、ＩＥＥＥ８０２．１１ｎのＣｈａｎｎｅｌｍｏｄｅｌＣを伝搬させる計算を行い、得られた受信系列から計算したＢＥＲを横軸にとり、その関係を示す。変調方式は１６ＱＡＭ、誤り訂正には符号化率３／４のＢＣＣ（Binary Convolutional Code）を用いた。図５に示すように、ほぼ一致する特性が確認できる。以下、推定したＢＥＲと誤り訂正後のＢＥＲ、またはＰＥＲとの関係をＩＥＥＥ８０２．１１ｎで提案されているＣｈａｎｎｅｌｍｏｄｅｌＣを用いて評価する。

このようにして得られた推定ＢＥＲを用いて、誤り訂正後のＢＥＲ、もしくはＰＥＲを関数を用いて算出する（ステップＳ５）。以下に具体的な誤り訂正後のＢＥＲ、もしくはＰＥＲの算出法について示す。

始めに、第１のＰＥＲ推定法について説明する。ここで、ＢＥＲ_ｊをｄＢ表記したものをＢ_ｊとして以下のように定義する。
Ｂ_ｊ＝１０ｌｏｇ_１０ＢＥＲ_ｊ・・・（６）

第１のＰＥＲ推定法では、ｊ番目のユーザに対応するＰＥＲ_ｊを以下の式で推定する。
Ｐ_ｊ＝ｍｉｎ（０，αＢ_ｊ＋β）・・・（７）
ここで、Ｐ_ｊはＰＥＲ_ｊのｄＢ表記であり、
Ｐ_ｊ＝１０ｌｏｇ_１０ＰＥＲ_ｊ・・・（８）
である。また、ｍｉｎ（Ａ，Ｂ）はＡとＢのうち小さい方を出力する関数である。（７）式においてαとβを符号化率や誤り訂正符号に応じて決定することで、実際に送信ビット系列を生成することなく、ＰＥＲを評価することができる。αとβの値の例を表１に示す。

表１では、４０００ビットのパケットを用いた場合を想定した一例であり、αとβの値は計算機シミュレーションを詳細に行い、実際の計算結果から最小自乗法に基づくフィッティングなどから得られる値で表１の値を変更することもできる。また、上記は４０００ビットのみに適用できる値となる。そこで、４０００ビットのパケットを用いた場合のＰＥＲ_ｊをＰＥＲ_ｊ（４０００）と表記し、ｄＢ表記をＰ_ｊ（４０００）とすると、Ｎビットのパケットに対して拡張する場合には、

として近似し、パケット長毎に表１のようなαとβのセットを用意することを省くことができる。または、逆に使いうるパケット長毎に表１のようなαとβのセットを用意したり、変調方式による違いも考慮し、ＱＰＳＫや１６ＱＡＭなどの変調方式毎に表１を用意するようにしてもよい。または、（７）式において、
Ｐ_ｊ＝ｍｉｎ（０，αＢ_ｊ＋β＋γ）・・・（１０）
として、γにＢＰＳＫ，ＱＰＳＫ，１６ＱＡＭといった変調方式や、送信素子、受信素子、ユーザ数に対して固定の値を予め決めておき、変調方式の違いやチャネル構成による特性の変化に対応するようにしてもよい。

図６に、前述した第１のＰＥＲ推定法の精度を表したグラフを示す。図６（ａ）は送信アンテナ２、受信アンテナ１、ユーザ数２、変調方式は６４ＱＡＭで符号化率３／４のＢＣＣを用いた場合、図６（ｂ）は送信アンテナ４、受信アンテナ２、ユーザ数２、変調方式は１６ＱＡＭで符号化率３／４のＢＣＣを用いた場合の、ＰＥＲと推定されたＢＥＲの関係を表す。プロットがシミュレーションを行って得たＰＥＲと、（５）式により得られたＢＥＲの関係を示し、ラインが表１における３／４ＢＣＣにおけるαとβの値を代入して得られた近似線である。図６（ｂ）のケースで若干近似式が低いＰＥＲを出力するようになっていることが分かる。このずれを補正するために（１０）式を用いて補正項γにより、いずれの場合でもＰＥＲと推定されたＢＥＲの関係にフィットした近似式とするようにできる。

次に、第２のＰＥＲ推定法について説明する。ここで、ｊ番目のユーザの誤り訂正後のＢＥＲをＣＢＥＲ_ｊと定義し、ｄＢ表記をＣ_ｊと以下のように定義する。
Ｃ_ｊ＝１０ｌｏｇ_１０ＣＢＥＲ_ｊ・・・（１１）

第２のＰＥＲ推定法は、推定されたＢ_ｊを用いてＣ_ｊを算出する。
Ｃ_ｊ＝ｍｉｎ（０，αＢ_ｊ＋β）・・・（１２）
ここでのαやβとしては、例えば表２に示す値を用いることができる。

Ｃ_ｊをまず推定してからＰＥＲを推定する方法では、ＰＥＲが１に近いような際に精度がやや高くなるメリットがある。Ｎビットからなるパケットに対するＰＥＲ_ｊ（Ｎ）は

として算出することができる。

ここで、（１３）式の括弧内の第２項が１より無視できるほど小さい場合には、

と表せ、これは第１のＰＥＲ推定方法と同じ形態となる。

図７に、前述した第２のＰＥＲ推定方法によるＰＥＲの推定結果を示す。図７（ａ）、（ｂ）ともに送信アンテナ１、受信アンテナ１、ユーザ数１、ＱＰＳＫと符号化率１／２のＢＣＣによる誤り訂正時を用いて、ＣＢＥＲおよびＰＥＲの推定ＢＥＲに対する値の分布をそれぞれ示している。ＰＥＲは４０００ビットを１パケットとする場合のＰＥＲであり、図７では、表２におけるＢＣＣの符号化率１／２の値を用いた推定法をラインで示しており、図７（ａ）、（ｂ）ともに高い精度を有することが分かる。第２のＰＥＲ推定方法においても、変調方式やチャネル構成によるＣＢＥＲの分布の変化に対応するため、
Ｃ_ｊ＝ｍｉｎ（０，αＢ_ｊ＋β＋γ）・・・（１５）
のように定義を行い、γの値を変調方式やチャネル構成により規定の値を決めることで、ＰＥＲの推定精度を高めることができる。

γとして、変調方式による違いを用いる例を図８に示す。図８（ａ）は符号化率１／２のＢＣＣを用いた場合の、送信１アンテナ、受信１アンテナ（ＳＩＳＯ：Single input single output）構成と送信２アンテナ、受信１アンテナの２×１ＭＩＳＯ（Multiple input single output）構成において、変調方式ＱＰＳＫと１６ＱＡＭを用いた結果得られたＣＢＥＲとＢＥＲの関係をプロットしたものである。図７に比べてばらつきが小さいのは、２０プロットずつ平均しているためである。（ａ）の例で、まずＳＩＳＯと２×１ＭＩＳＯを比較すると、平均で１．３ｄＢ、２×１ＭＩＳＯ構成の方がＣＢＥＲが高く、推定されたＢＥＲに対する特性が悪い。このため、ＳＩＳＯ構成を基準にして、２×１ＭＩＳＯ構成の場合には、γとして１．３ｄＢを与えることができる。または、ＱＰＳＫと１６ＱＡＭの違いによるＣＢＥＲの特性差をみると、１６ＱＡＭの方がＱＰＳＫの場合より、平均で５．１ｄＢ低いことが確認できる。これは、１６ＱＡＭの方がＱＰＳＫより、推定したＢＥＲに対する特性が良いことを示す。この結果から、ＱＰＳＫを使った場合に対して、１６ＱＡＭを用いた場合のγとして、−５．１ｄＢを与えることができる。また、γとして、ＳＩＳＯ、ＭＩＳＯ、ＭＩＭＯ、マルチユーザＭＩＭＯなどのチャネル構成と、変調方式に対してそれぞれ値を設定し、γとしてはその総和を用いることもできる。この場合、ＳＩＳＯ構成のＱＰＳＫ送信に対して、２×１ＭＩＳＯの１６ＱＡＭ構成は、１．３−５．１ｄＢ＝−３．８ｄＢをγとして与えることができる。または、チャネル構成と変調方式の表を作成し、γの値をそれぞれ設定することもできる。表３にチャネル構成と変調方式に対するγを表した例を示す。

図８（ｂ）は符号化率３／４のＢＣＣを用いた場合のＳＩＳＯ構成と２×１ＭＩＳＯ構成のＱＰＳＫと１６ＱＡＭに対するＣＢＥＲと推定したＢＥＲの関係を示している。（ａ）と同じチャネル構成、変調方式に対するプロットであるが、その関係性が異なることが分かる。よって、誤り訂正符号の種類や符号化率に対してそれぞれ個別に表３のようなγの対応を作ったり、変調方式やチャネル構成に応じたγの与え方を指定することができる。

次に、第３のＰＥＲ推定法について示す。ここで、ｊ番目のユーザの誤り訂正後のＢＥＲをＣＢＥＲ_ｊと定義し、ｄＢ表記をＣ_ｊと以下のように定義する。
Ｃ_ｊ＝ｍｉｎ（０，α（Ｎ）ｌｏｇ_１０（−Ｂ_ｊ）＋β（Ｎ））・・・（１６）

この方式は、Ｖｉｔｅｒｂｉアルゴリズムが考慮するメモリ長に対し、十分な余剰ビットがデータビットの前後に付加されていない場合に、パケットの前後で誤りが発生しやすくなる状況が発生している通信環境を想定している。この場合、ＣＢＥＲの結果も、パケット長に依存することになる。
（１６）式は、第１、第２のＰＥＲ推定法とは異なり、パケットを構成するビット数Ｎの関数になっている。これは、パケット長が短いと、誤り訂正符号により符号利得が小さくなり、誤り率の低減する効果が小さくなることを考慮したものである。α（Ｎ）とβ（Ｎ）は例えば以下のように与えることができる。
α（Ｎ）＝μ_１＋ω_１ｌｏｇ_１０（Ｎ）・・・（１７）
β（Ｎ）＝μ_２＋ω_２ｌｏｇ_１０（Ｎ）・・・（１８）
よって、符号化率に対する各値は例えば表４に示すように定義される。

このように定義することで、ＣＢＥＲはパケット長Ｎの関数として算出でき、誤り訂正符号がかかるビットの長さが短くなるとＢＥＲが低下することも含めたＰＥＲを出力することが可能となる。

また、第３のＰＥＲ推定方法においても
Ｃ_ｊ＝ｍｉｎ（０，α（Ｎ）ｌｏｇ_１０（−Ｂ_ｊ）＋β（Ｎ）＋γ）・・・（１９）
のように補正値γで変調方式、チャネル構成により補正を行ったり、または、表４に示す値を変調方式やチャネル方式に対してもそれぞれ有することでずれを補償することができる。

図９に、前述した第３のＰＥＲ推定方法によるＰＥＲの推定結果を示す。図９（ａ）、（ｂ）、（ｃ）ともに送信アンテナ１、受信アンテナ１、ユーザ数１、パケット毎のビット数は（ａ）９６０ビット、（ｂ）４０９６ビット、（ｃ）１２０００ビットである。図９からパケット長により推定ＢＥＲに対するＣＢＥＲの分布が変わっていくことが分かり、曲線で示す（１６）式によるＰＥＲ推定によりＰＥＲの分布を表現できることが分かる。ここで、（１６）式および表４の符号化率１／２のＢＣＣを用いている。

次に、前述したＰＥＲ推定方法によりどれほどＰＥＲの演算負荷を軽減するかを検討した結果について説明する。汎用のオペレーティングシステムとＣＰＵを搭載したパソコンを用いて、ＰＥＲを計算するために要した時間を比較した。直接計算方式では、２．１６×１０^８ビットの送信ビットを生成し、符号化率３／４のＢＣＣと変調方式ＱＰＳＫを用いて、インターリーブなどの処理を行い、ＰＥＲの計算を行い、比較として前述した第１のＰＥＲ推定方法により推定した方式で、要した時間を比較した結果、直接計算には、５５６秒、簡易化方式では３．６秒の時間がかかり、１００分の１以下に演算負荷を軽減することができることを確認した。

また、前述した説明では、サブキャリアに対してインターリーバと誤り訂正符号を用いるＯＦＤＭ方式を例にとり、ＰＥＲまたは誤り訂正後のＢＥＲを簡易に推定する方法を説明したが、複数のチャネルを用い、複数のチャネルでインタリーバによるビットの割り当てを行って送信し、受信側で誤り訂正を行うシステムに対しても前述したＰＥＲ推定方法を用いることができる。例えば、リレー通信により、複数の経路を伝搬させる通信方法において、送信に用いた各チャネルにおける誤り訂正前のＢＥＲを（４）式などから算出し、全てのチャネルで（５）式のようにＢＥＲを平均化し、得られた誤り訂正前のＢＥＲに対し、前述した第１〜第３のＰＥＲ推定方法によりＰＥＲを計算することができる。

次に、図３を参照して、図１に示す送信装置において第１〜３のＰＥＲ推定方法を用いた第１の送信処理動作を説明する。まず、送信するべき通信相手と送信するデータのビット長の決定とチャネル推定が行われると（ステップＳ１１）、送信モード決定部１は、変調方式、符号化率、データストリーム数、通信相手の組み合わせなどからなる送信モードを決定する（ステップＳ１２）。次に、誤り訂正前ＢＥＲ評価部２は、算出されたＳＩＮＲ等を用いて通信相手に対する誤り訂正前のＢＥＲを推定して出力する（ステップＳ１３）。これを受けて、誤り訂正後ＢＥＲ・ＰＥＲ算出部３は、ＰＥＲまたは誤り訂正後のＰＥＲを算出して出力する（ステップＳ１４）。伝送品質判定部４は、予め定められている要求するＰＥＲもしくは誤り訂正後のＢＥＲを満たすか否かを判定し（ステップＳ１５）、満たす場合には、送信部５が送信を行う（ステップＳ１６）。一方、満たさない場合には、伝送品質判定部４は、送信モード決定部１に対して再度送信モードを決定するように指示を出し、要求するＰＥＲもしくは誤り訂正後のＢＥＲを満たすまで処理動作を繰り返す。

この際、送信ビット数の高い送信モードから、順次送信ビット数の低い送信モードを選択していき、所定の品質を満たす送信モードを決定することができる。例えば、前述したステップＳ１５において、ＰＥＲもしくは誤り訂正後のＢＥＲが基準を満たさない場合において、ステップＳ１２において次に考慮する送信モードを適切に設定できるように、考慮するべき送信モードの順番を予め決めておくようにしてもよい。例えば２ストリームを用い、１６ＱＡＭをそれぞれ用い、符号化率を３／４とする送信モードがＰＥＲや誤り訂正後のＢＥＲの品質を満たさない場合には、２ストリーム、１６ＱＡＭ、符号化率を２／３とし、これも満たさない場合には、１ストリーム、６４ＱＡＭ、符号化率３／４とするように、ストリーム数、変調方式、符号化率の順番を決定しておく。

なお、変調方式やデータストリーム数や通信相手の組み合わせの変更に対しては、誤り訂正前のＢＥＲを再度計算しなおす必要があるが、符号化率を変更するだけであれば、表１〜３に示す読み出しパラメータを変化させるだけで、（７）式、（１０）〜（１６）式、（１９）式のうち少なくとも一つから誤り訂正後のＢＥＲまたはＰＥＲを計算することができる。この場合には、再度誤り訂正前のＢＥＲやＳＩＮＲについて推定する必要はないため、ステップＳ１５において、同じ送信モードで複数の符号化率について評価し、最も符号化率が高く、伝送品質の規定を満たすものを符号化率として採用し、送信モードとするようにしてもよい。例えば、２ストリームを用い、１６ＱＡＭをそれぞれ用い、符号化率を３／４とする送信モードについて、符号化率を３／４、２／３、１／２の場合をステップＳ１４で計算し、それぞれに対するＰＥＲや誤り訂正後のＢＥＲの品質をステップＳ１５で評価し、既定の品質を満たす内で、最も大きい符号化率が２／３であれば、２ストリーム送信でそれぞれ１６ＱＡＭを用い、符号化率２／３で送信することを決定し、ステップＳ１６で送信を行う。

また、ステップＳ１５において、各通信相手に対して品質を満たすか検討を行うことができ、品質を満たさないと判定された通信相手のみ、送信モードを変更してステップＳ１２〜Ｓ１５を行うこともできるし、品質を満たす通信相手が存在する場合に、全ての通信相手に対してステップＳ１２〜Ｓ１５を再度行うこともできる。

次に、図４を参照して、図１に示す送信装置において第１〜３のＰＥＲ推定方法を用いた第２の送信処理動作を説明する。第２の送信処理動作では、送信するべき通信相手と送信するデータのビット長の決定とチャネル推定が行われると（ステップＳ２１）、送信モード決定部１は、考慮する送信モードを適切に設定できるように、考慮するべき送信モードの優先順位を予め決めておき（ステップＳ２２）、優先順位の高いものから品質を評価する。そして、誤り訂正前ＢＥＲ評価部２は、まず１番目の送信モードで誤り訂正前のＢＥＲを計算し（ステップＳ２３）、誤り訂正後ＢＥＲ・ＰＥＲ算出部３は、ＰＥＲまたは誤り訂正後のＰＥＲを算出する（ステップＳ２４）。伝送品質判定部４は、予め定めたＰＥＲもしくは誤り訂正後のＢＥＲを満たすか否かを判定し、送信モード決定部１において決定された複数の送信モードに対するＰＥＲまたは誤り訂正後のＢＥＲについて評価し、予め定めた品質を満たし、かつ優先順位の高い送信モードを決定する（ステップＳ２５）。そして、伝送品質判定部４において決定された送信モードを用いて送信部５によって送信を行う（ステップＳ２６）。

以上説明したように、ＳＩＮＲを用いて、誤り訂正前のＢＥＲを算出し、これに所定の近似演算を行うことによって、誤り訂正後のＢＥＲ、ＰＥＲ、データサイズによる補正を施すようにしたため、演算量を著しく少なくすることができるとともに、高い精度でＰＥＲを推定することが可能となる。この構成により、従来技術においては、ＰＥＲを測定するために、実際の伝搬環境を通った信号を用いて評価する、又は、シミュレーションにより評価するといった方法が用いられていたため、安定したＰＥＲ特性を取得するためには、膨大な量のビットについて評価を行う必要があり、多大な演算量を要していたという問題を解決することができる。

なお、図１における処理部の機能を実現するためのプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行することによりＰＥＲ推定処理を行ってもよい。なお、ここでいう「コンピュータシステム」とは、ＯＳや周辺機器等のハードウェアを含むものとする。また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ、ＣＤ−ＲＯＭ等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。さらに「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線を介してプログラムが送信された場合のサーバやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリ（ＲＡＭ）のように、一定時間プログラムを保持しているものも含むものとする。

また、上記プログラムは、このプログラムを記憶装置等に格納したコンピュータシステムから、伝送媒体を介して、あるいは、伝送媒体中の伝送波により他のコンピュータシステムに伝送されてもよい。ここで、プログラムを伝送する「伝送媒体」は、インターネット等のネットワーク（通信網）や電話回線等の通信回線（通信線）のように情報を伝送する機能を有する媒体のことをいう。また、上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであってもよい。さらに、前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるもの、いわゆる差分ファイル（差分プログラム）であってもよい。

無線通信、特に、ＭＩＭＯを使った無線ＬＡＮでの通信における伝送品質評価を行うことが不可欠な用途に適用できる。

１・・・送信モード決定部、２・・・誤り訂正前ＢＥＲ評価部、３・・・誤り訂正後ＢＥＲ・ＰＥＲ算出部、４・・・伝送品質判定部、５・・・送信部

Claims

直交周波数分割多重方式の無線通信システムにおける伝送品質を評価するために伝送品質評価値を求める伝送品質評価方法であって、
伝搬路のチャネル情報を出力するチャネル情報出力ステップと、
送信方法及び受信方法を決定し、各サブキャリア、各ユーザ及び各データストリームの前記チャネル情報から、誤り訂正前の誤り率を算出するＢＥＲ算出ステップと、
算出した前記誤り訂正前の誤り率の値を用いて、伝送品質評価値を送信前に算出する伝送品質評価値算出ステップとを有し、
前記伝送品質評価値算出ステップでは、単位をデシベルで表現したパケット誤り率Ｐを、単位をデシベルで表現した前記誤り訂正前誤り率Ｂを用いて、
Ｐ＝αＢ＋β
として近似し、係数αと係数βについて、使用する誤り訂正符号化技術と符号化率、パケットのビット長に対して予め計算された値を代入して算出した前記パケット誤り率Ｐを前記伝送品質評価値として算出する
ことを特徴とする伝送品質評価方法。
直交周波数分割多重方式の無線通信システムにおける伝送品質を評価するために伝送品質評価値を求める伝送品質評価方法であって、
伝搬路のチャネル情報を出力するチャネル情報出力ステップと、
送信方法及び受信方法を決定し、各サブキャリア、各ユーザ及び各データストリームの前記チャネル情報から、誤り訂正前の誤り率を算出するＢＥＲ算出ステップと、
算出した前記誤り訂正前の誤り率の値を用いて、伝送品質評価値を送信前に算出する伝送品質評価値算出ステップとを有し、
前記伝送品質評価値算出ステップでは、単位をデシベルで表現した誤り訂正後の誤り率Ｃを、単位をデシベルで表現した誤り訂正前誤り率Ｂを用いて、
Ｃ＝αＢ＋β
として近似し、係数αと係数βについて使用する誤り訂正符号化技術とその符号化率に対して予め計算された値を代入して算出した前記誤り訂正後の誤り率Ｃを前記伝送品質評価値として算出する
ことを特徴とする伝送品質評価方法。
直交周波数分割多重方式の無線通信システムにおける伝送品質を評価するために伝送品質評価値を求める伝送品質評価方法であって、
伝搬路のチャネル情報を出力するチャネル情報出力ステップと、
送信方法及び受信方法を決定し、各サブキャリア、各ユーザ及び各データストリームの前記チャネル情報から、誤り訂正前の誤り率を算出するＢＥＲ算出ステップと、
算出した前記誤り訂正前の誤り率の値を用いて、伝送品質評価値を送信前に算出する伝送品質評価値算出ステップとを有し、
前記伝送品質評価値算出ステップでは、単位をデシベルで表現した誤り訂正後の誤り率Ｃを、単位をデシベルで表現した誤り訂正前誤り率Ｂを用いて、
Ｃ＝α（Ｎ）ｌｏｇ（−Ｂ）＋β（Ｎ）
として近似し、パケットのビット長Ｎの関数α（Ｎ）と関数β（Ｎ）を、使用する誤り訂正符号化技術とその符号化率に対して予め記憶しておき、前記関数α（Ｎ）と関数β（Ｎ）を使用して算出した前記誤り訂正後の誤り率Ｃを前記伝送品質評価値として算出する
ことを特徴とする伝送品質評価方法。
前記伝送品質評価値に対して、変調方式及びチャネル構成により予め定められた補正値γを加算して補正を行うことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の伝送品質評価方法。
前記関数α（Ｎ）と前記関数β（Ｎ）について、
α（Ｎ）＝μ_１＋ω_１ｌｏｇ（Ｎ）、β（Ｎ）＝μ_２＋ω_２ｌｏｇ（Ｎ）とし、
係数μ_１，ω_１，μ _２，ω _２を使用する誤り訂正符号化技術とその符号化率に対して予め記憶された値を代入することで前記パケット誤り率Ｐを計算する
ことを特徴とする請求項３記載の伝送品質評価方法。
請求項１から５のいずれか１項に記載の伝送品質評価方法を用いて算出した伝送品質評価値に基づきデータ送信を行う無線送信装置における送信方法であって、
送信を行うべき通信相手を決定し、対応するチャネル情報を推定する通信相手決定ステップと、
変調方式、符号化率及びデータストリーム数を決定する送信モード決定ステップと、
決定された前記変調方式、前記符号化率及び前記データストリーム数とチャネル情報から、前記伝送品質評価値に基づき伝送品質を推定し、該推定伝送品質と要求品質とを比較して、伝送品質の判定を行う伝送品質判定ステップと、
前記要求品質を満たす場合に、決定された前記変調方式、前記符号化率及び前記データストリーム数によりデータ送信を行う送信ステップと
前記要求品質を満たさない場合に、新たに変調方式、符号化率及びデータストリーム数を決定する送信モード決定ステップと
を有することを特徴とする送信方法。
請求項１から５のいずれか１項に記載の伝送品質評価方法を用いて算出した伝送品質評価値に基づきデータ送信を行う無線送信装置であって、
送信を行う通信相手を決定し、対応するチャネル情報を推定する通信相手決定部と、
変調方式、符号化率及びデータストリーム数を決定する送信モード決定部と、
決定された前記変調方式、前記符号化率及び前記データストリーム数とチャネル情報から、前記伝送品質評価値に基づき伝送品質を推定し、該推定伝送品質と要求品質とを比較して、伝送品質の判定を行う伝送品質判定部と、
前記要求品質を満たす場合に、決定された前記変調方式、前記符号化率及び前記データストリーム数によりデータ送信を行う送信部と
前記要求品質を満たさない場合に、新たに変調方式、符号化率及びデータストリーム数を決定する送信モード決定部と
を具備することを特徴とする送信装置。