JP6320957B2 - 無線通信システムおよび無線通信方法 - Google Patents

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Description

本発明は、非直交多元接続方式(NOMA:Non-Orthogonal Multiple Access)による送信電力制御と逐次干渉除去(SIC:Successive Interference Cancellation)の技術を利用して干渉信号を除去し、自局宛の信号の受信・復調を行う無線通信システムおよび無線通信方法に関する。
NOMAは、1つの送信局からセル内の複数の受信局宛の異なる信号を同一無線周波数チャネル上に多重して同時に送信する多元接続方式であり、ペアとなる受信局間の電力配分と受信局におけるSIC技術によって実現される(非特許文献1)。これは、時分割多元接続(TDMA:Time Division Multiple Access )や直交周波数分割多元接続(OFDMA:Orthogonal Frequency Division Multiple Access )などによるユーザ多重に対して、新たに電力領域をユーザ多重に利用するものであり、超多数の無線端末が同時接続するような環境において無線通信システム全体のスループットの改善が期待されている。
図8は、NOMAのSIC技術を利用した送受信例を示す。
図8において、送信局TXは、受信局RX1,RX2宛の同一変調方式の各信号に予め電力差をつけて同時に送信する。ここでは、受信局RX1宛の信号1の電力を受信局RX2宛の信号2の電力より大きく設定する。受信局RX1,RX2では、多重送信された信号を多重されていることを意識せずに復調する。受信局RX1,RX2は、受信電力が最も高い信号を復調し、受信局RX1ではそれが自局宛の信号1であるので受信処理を終了する。受信局RX2では、復調に成功した信号1が自局宛でないので、SIC技術により復調信号から無線区間での信号を再計算してレプリカ信号を作成し、受信信号からレプリカ信号を差し引いて復調することで、次に受信電力が高い信号を復調でき、それが自局宛の信号2であるので受信処理を終了する。3つ以上の信号が重畳されている場合は、上記のSIC技術を繰り返すことにより、自局宛の信号を復調することができる。
Li Ping and Lihai Liu ,"Analysis and Design of IDMA Systems Based on SNR Evolution and Power Allocation ", VTC 2004, Fall, Los Angeles, CA (Sep. 2004)
ところで、NOMAでは、送信局においてペアとなる受信局宛の各信号について適切に送信電力を設定できるため、図8に示すようにSIC技術により各受信局で自局宛の信号を復調することができる。
しかし、図9に示すように、受信局RX1において複数の送信局TX1,TX2から同一の変調方式で変調された信号1,2が同時に受信され、かつ十分な電力差が生まれない場合には、NOMAのSIC技術では自局宛の信号を受信できないか、通信品質が劣化する問題点がある。図9(1) は、信号1および信号2の受信電力の差が小さくかつ受信電力が小さい場合であり、図9(2) は信号1および信号2の受信電力の差が小さくかつ受信電力が大きい場合である。いずれにしても、受信局RX1において送信局TX2からの信号2が干渉波となり、送信局TX1から送信された自局宛の信号1を正常に受信・復調ができない。
本発明は、干渉波があってもNOMAによる送信電力制御とSIC技術を利用し、自局宛の信号を分離して受信することができる無線通信システムおよび無線通信方法を提供することを目的とする。
第1の発明は、信号を送受信する送信局装置と受信局装置との間で、非直交多元接続方式(NOMA)による送信電力制御と逐次干渉除去(SIC)の技術を利用して、受信局装置が自局宛信号を受信する無線通信システムにおいて、受信局装置は、自局宛信号を受信する帯域内受信電力を測定し、該帯域内受信電力を検知しているにも拘らず自局宛信号の受信に失敗した場合に、該帯域内受信電力が所定の閾値以下であれば、送信局装置に対して送信電力を上げるように通知する送信電力制御信号を送信し、該帯域内受信電力が所定の閾値を超えていれば、送信局装置に対して送信電力を下げるように通知する送信電力制御信号を送信する手段を備え、送信局装置は、送信信号の宛先となる受信局装置から送信電力制御信号を受信したときに、その通知内容に従って送信電力を上げるまたは下げる制御を行う送信電力制御手段を備える。
第1の発明の無線通信システムにおいて、送信電力制御手段は、受信局装置から送信電力下げるように通知する送信電力制御信号を所定回数連続して受信し、かつ送信電力が所定の閾値以下になる場合には、送信電力を設定可能な最大値に設定する構成である。
第1の発明の無線通信システムにおいて、送信電力制御手段は、受信局装置から送信電力下げるように通知する送信電力制御信号を受信したときに、すでに受信局装置から送信電力上げるように通知する送信電力制御信号を受信してから規定時間が経過し、かつ送信電力が所定の閾値以下になる場合には、送信電力を設定可能な最大値に設定する構成である。
第2の発明は、信号を送受信する送信局装置と受信局装置との間で、非直交多元接続方式(NOMA)による送信電力制御と逐次干渉除去(SIC)の技術を利用して、受信局装置が自局宛信号を受信する無線通信方法において、受信局装置は、自局宛信号を受信する帯域内受信電力を測定し、該帯域内受信電力を検知しているにも拘らず自局宛信号の受信に失敗した場合に、該帯域内受信電力が所定の閾値以下であれば、送信局装置に対して送信電力を上げるように通知する送信電力制御信号を送信し、該帯域内受信電力が所定の閾値を超えていれば、送信局装置に対して送信電力を下げるように通知する送信電力制御信号を送信するステップを実行し、送信局装置は、送信信号の宛先となる受信局装置から送信電力制御信号を受信したときに、その通知内容に従って送信電力を上げるまたは下げる制御を行う送信電力制御ステップを実行する。
第2の発明の無線通信方法において、送信電力制御ステップは、受信局装置から送信電力下げるように通知する送信電力制御信号を所定回数連続して受信し、かつ送信電力が所定の閾値以下になる場合には、送信電力を設定可能な最大値に設定する。
第2の発明の無線通信方法において、送信電力制御ステップは、受信局装置から送信電力下げるように通知する送信電力制御信号を受信したときに、すでに受信局装置から送信電力上げるように通知する送信電力制御信号を受信してから規定時間が経過し、かつ送信電力が所定の閾値以下になる場合には、送信電力を設定可能な最大値に設定する。
本発明は、通信を行う送信局装置と受信局装置との間において、他の送信局装置からの干渉波により自局宛の信号の受信失敗となっても、NOMAによる送信電力制御とSIC技術を利用し、自局宛の信号の送信電力を上げるまたは下げる制御を行うことにより、自局宛の信号を分離して受信することができる。特に、複数組の送信局装置と受信局装置がそれぞれ通信している環境において互いに干渉している場合であっても、各組ごとに送信局装置の送信電力を制御することにより、受信局装置で自局宛の信号を分離して受信することが可能となり、システム全体のスループットを向上させることができる。
本発明の無線通信システムの制御原理を示す図である。 受信局における送信局の送信電力制御手順例を示すフローチャートである。 送信局における送信電力制御手順例1を示すフローチャートである。 送信局における送信電力制御手順例2を示すフローチャートである。 本発明の無線通信システムにおける受信局装置の構成例を示す図である。 本発明の無線通信システムにおける送信局装置の構成例を示す図である。 本発明による送信電力制御の適用例を示す図である。 NOMAのSIC技術を利用した送受信例を示す図である。 NOMAのSIC技術による受信不可例を示す図である。
図1は、本発明の無線通信システムの制御原理を示す。
図1において、送信局TX1および送信局TX2は、同一周波数および同一変調方式で変調した信号1および信号2をそれぞれ送信しており、受信局RX1には、送信局TX1から送信された信号1と送信局TX2から送信された信号2が同時に受信される状況を想定する。ただし、送信局TX2が送信する信号2は、受信局RX2に対して送信したものであり、受信局RX1にとっては干渉波となる。
ここで、図1(1-1) に示すように、受信局RX1における信号1と信号2の受信電力差が信号1>信号2で十分にあれば、そのまま受信局RX1宛の信号1を受信・復調することができる。また、図1(1-2) に示すように、受信電力差が信号1<信号2で十分にあれば、NOMAのSIC技術により信号2を除去して信号1を受信・復調することができる。
しかし、受信局RX1における信号1と信号2の受信電力差がない場合には、図9に示したように、NOMAのSIC技術を用いても受信・復調ができない。すなわち、受信局RX1は、送信局TX1からの信号1を受信したいが、送信局TX2からの信号2が干渉波となって信号1を受信できない。一方、受信局RX1と送信局TX2は接続関係にないので、受信局RX1から送信局TX2の送信電力を制御することはできない。
本発明の特徴は、受信局RX1においてある程度の受信電力を検知しているにも拘らず受信に失敗する状況の場合に、干渉波が原因であると判断して送信局TX1に対して送信電力制御を行うところにある。すなわち、送信局TX1の送信電力を干渉波との電力差が生じるレベルまで上げるか、あるいは下げる制御を行う。図1(2) では、受信局RX1における受信電力が比較的小さい場合に、送信局TX1の送信電力を上げる制御を行うことにより送信局TX1からの信号1を受信可能とする例を示す。
図1(3) では、受信局RX1における受信電力が比較的大きい場合に、送信局TX1の送信電力を下げる制御を行うことにより、NOMAのSIC技術により送信局TX1からの信号1を受信可能とする例を示す。すなわち、送信局TX1の送信電力を下げていくと、受信局RX1において送信局TX2が送信する信号2(干渉波)を受信・復調できるようになる。この信号2が受信できると、信号2の無線回線における信号を計算してレプリカ信号を生成できる。受信局RX1では、受信信号からレプリカ信号を差し引くことにより信号1の受信・復調が可能となる。
このように、本発明では、送信局TX1の送信電力を制御しようとしたときに、送信電力を上げる方向に制御すべきか、下げる方向に制御すべきかがポイントになる。以下、本発明における送信電力制御について、受信局側と送信局側に分けて説明する。
図2は、受信局における送信局の送信電力制御手順例を示す。
図2において、受信局は自局宛信号の受信の成否を判定し(S1)、受信に成功している場合には現在の送信電力のままで問題がないので送信電力制御を行わずに終了する。なお、受信の成否は、復調後にCRC等の誤り検出符号による誤り検出の結果、誤りがないと判断した場合に受信成功とし、誤りがある(検出された)場合には受信失敗とする。
受信に失敗している場合には、送信局に対する送信電力制御に進む。まず、受信電力が所定の閾値以上か否かを判定し(S2)、受信電力が閾値を超えている場合は、受信に失敗しているが受信電力が十分であることから、図1(3) のケースと見なし、送信局に送信電力を下げるように通知する送信電力制御信号を送信する(S3)。なお、受信電力を判定する閾値は、例えば受信感度と所要CNを考慮して決められる。例えば図1(3) に示すように、信号1および信号2は受信感度以上の受信電力が必要であり、かつ信号2は信号1よりも所要CNの分だけ大きいことが必要になるためである。
一方、受信電力が閾値以下の場合は、受信に失敗しかつ受信電力も不十分であることから、図1(2) のケースと見なし、信号1の送信電力をそれ以上下げても信号2(干渉波)を受信できる可能性が低いことから、送信局に送信電力を上げるように通知する送信電力制御信号を送信する(S4)。
図3は、送信局における送信電力制御手順例1を示す。
図3において、送信局における送信電力制御は、受信局から送信電力制御信号を受信するごとに実施される。送信局は受信局からの送信電力制御信号を受信し、その通知内容により送信電力上げ/送信電力下げを判定する(S11)。送信電力上げを通知する送信電力制御信号を受信した場合には、予め定められた規定量だけ送信電力を上げる(S12)。送信電力を上げる場合は、図2のステップS2に示すように受信局において受信電力が閾値以下のときであり、図1(2) に示すような状況が考えられるので、送信電力を上げていけば受信局が自局宛の信号を受信・復調できる可能性が高くなる。
送信電力下げを通知する送信電力制御信号を受信した場合には、原則として予め定められた規定量だけ送信電力を下げる(S14)。送信電力を下げる場合は、図2のステップS2に示すように受信局において受信電力が閾値を超えるときであり、図1(3) に示すような状況であれば、信号1の送信電力を下げていけば受信局が自局宛の信号1を受信・復調できる可能性が高くなる。しかし、例えば図1(1-2) のように信号2>信号1のときで、信号1と信号2を合わせた受信電力が閾値を超えているにも拘らず信号1の受信に失敗すれば、図2のステップS1,S2の判定では信号1の送信電力を下げる方向に制御することになる。このとき、信号1の送信電力を下げていくと、受信局において干渉波(信号2)を除去しても自局宛の信号1の受信電力が低くなりすぎて受信不可となることが想定される。そのため、送信電力下げを通知する送信電力制御信号をN回連続して受信し、かつ送信電力が閾値以下になれば(S13:Yes )、それ以上送信電力を下げずに逆に送信電力を設定可能な最大値にする(S15)。この場合、受信局で干渉波との受信電力差が生じて自局宛の信号を受信・復調できる可能性がある。
このように、ステップS13の処理は、図2のステップS2において、自局宛の信号を受信する帯域で干渉波を合わせた受信電力を検出しているため、例えば当該受信電力が閾値を超えているにも拘らず自局宛の信号が受信失敗となる程度にSN比が悪い状況では、それ以上の送信電力を下げても自局宛の信号を受信できないので、それを改善する判断条件となっている。
図4は、送信局における送信電力制御手順例2を示す。
本処理手順例2は、図3に示すステップS13の判断条件を変更するものであり、その他は同じである。図3のステップS13に替わるステップ16では、送信電力下げを通知する送信電力制御信号を受信したときに(S11:下げ)、送信電力上げを通知する最後の送信電力制御信号を受信してから規定時間以上経過し、かつ送信電力が閾値以下になるか否かを判断する。当該条件を満たすまでは送信電力を下げ(S14)、当該条件を満たした時点で送信電力を設定可能な最大値にする(S15)。
例えば、図1(2) のように信号1と信号2を合わせた受信電力が閾値以下であり、かつ信号1の受信に失敗すれば、図2のステップS1,S2の判定では信号1の送信電力を上げる方向に制御することになる。このとき、信号1の送信電力を上げていっても、信号1を受信・復調できるようになる前に、信号1と干渉波を合わせた受信電力が閾値を超える場合には、信号1の送信電力を下げる方向に制御することになってしまう。ステップS16の処理は、送信電力を上げていっても受信成功とならず、その後に送信電力を下げるような送信電力制御信号を受信し、かつ送信電力が閾値以下になる場合には、一気に送信電力を設定可能な最大値にすることにより、受信局で干渉波との受信電力差を生じさせて自局宛の信号を受信・復調できるようにしている。
図5は、本発明の無線通信システムにおける受信局装置の構成例を示す。
図5において、アンテナ11の受信信号は方向性結合器12を介して復調部13−1に入力するとともに、遅延部16に入力して一時保持され、さらに信号減算部17を介して復調部13−2に入力する。復調部13−1,13−2に入力した受信信号は、所定の変調方式を用いて復調される。また、復調部13−1では、自局宛信号を受信する帯域内の受信電力を測定して送信電力制御信号生成部18に通知する。この受信電力は、自局宛信号と干渉波とを合わせた受信電力となる。復号化部14−1,14−2は、復調部13−1,13−2から復調信号を入力し、送信局において誤り訂正のために符号化された信号を復号する。誤り判定部15−1,15−2は、復号化部14−1,14−2で復号化された信号を入力し、CRC等の誤り検出符号を用いて誤りの有無を判定し、受信成否信号を送信電力制御信号生成部18に出力する。
ここで、復調部13−1,復号化部14−1,誤り判定部15−1を介して誤りなく復調された信号はレプリカ生成部19に入力される。この信号は、図1(1) に示す例では、送信局TX1から送信された信号1または送信局TX2から送信された信号2である。信号1であれば、自局宛の信号を受信していることになるので、レプリカ生成部19以降の処理は不要であり、送信局に対する送信電力制御も不要である。
一方、誤りなく復調された信号が自局宛でない信号2であれば、レプリカ生成部19は、信号2の無線回線における信号を計算してレプリカ信号を生成して信号減算部17に出力する。遅延部16は、復調部13−1からレプリカ生成部19までの処理時間に相当する時間だけ受信信号を遅延させて信号減算部17に出力する。信号減算部17は、遅延させた受信信号からレプリカ信号を減算して復調部13−2に出力する。これにより、復調部13−2,復号化部14−2,誤り判定部15−2を介して誤りなく復調された信号は、図1(1) に示す例では信号2が除去された信号1のみとなる。この場合も送信局に対する送信電力制御は不要である。
送信電力制御信号生成部18は、誤り判定部15−1,15−2からの受信成否信号と、復調部13−1からの受信電力測定信号を入力し、送信局に対して送信電力上げまたは送信電力下げを通知する送信電力制御信号を生成する。送信電力制御信号は、符号化部20で受信側(送信局)での誤り訂正のための符号化を行い、変調部21で所定の変調方式を用いて変調され、方向性結合器12を介してアンテナ11から送信される。
ここで、図1(2),(3) に示す状況の場合には、誤り判定部15−1,15−2のいずれにおいても誤りが検出され、送信電力制御信号生成部18では復調部13−1で測定された受信電力と所定の閾値との大小関係に応じて、図2に示すように、送信電力上げまたは送信電力下げを通知する送信電力制御信号を送信する。
図6は、本発明の無線通信システムにおける送信局装置の構成例を示す。
図6において、送信信号生成部31は、送信データを入力し、無線回線に送信するフォーマットに合わせた送信信号を生成する。送信信号は、符号化部32で受信局での誤り訂正のための符号化を行い、変調部33で所定の変調方式を用いて変調され、方向性結合器34を介してアンテナ35から送信される。
アンテナ35の受信信号は方向性結合器34を介して復調部36に入力し、所定の変調方式を用いて受信局から送信された送信電力制御信号が復調される。復号化部37は、復調部36で復調された送信電力制御信号を入力し、受信局において誤り訂正のために符号化された信号を復号する。誤り判定部38は、復号化部36で復号化された信号を入力し、CRC等の誤り検出符号を用いて誤りの有無を判定し、送信電力制御信号解析部39に出力する。送信電力制御信号解析部39は、送信電力制御信号が送信電力上げの通知かまたは送信電力下げの通知かを判定し、図3または図4に示す処理手順に従って変調部33に対して送信電力上げ/下げの送信電力制御を行う。
ところで、受信局は、自局宛の信号を正常に受信できている場合には、送信局における送信電力を制御する必要はなく、送信電力制御信号の送信も不要であり、必要に応じて受信成功を示すACK信号のみを送信すればよい。
一方、受信局においてある程度の受信電力を検知しているにも拘らず受信に失敗する図1(2),(3) の状況では、干渉波が原因であると判断して送信局に対して送信電力制御を行うことになる。この場合の受信局は、送信局に対して受信失敗を通知する制御信号(例えばNACK)に送信電力上げ/下げの情報を付加し、送信電力制御信号に代えて送信するようにしてもよい。
また、送信局において、送信信号に対する受信局からのACK信号が所定時間内に受信されず、送信電力制御信号も受信されない場合には、干渉波が原因であると判断し、送信局が自発的に送信電力上げ/下げの送信電力制御を行ってもよい。その後、受信局からの送信電力制御信号を受信した場合には、図3または図4に示す処理手順に従って送信電力制御を行う。
図7は、本発明による送信電力制御の適用例を示す。
図7(1) は、本発明による送信電力制御を行う前の状態であり、4組の送信局TXと受信局RXがそれぞれ所定の送信電力で通信を行っている。この場合、受信局RXにおいて、通信相手の送信局TXからの所望信号と他の送信局TXからの干渉信号がほぼ同じタイミングでかつ同じ受信電力になると、NOMAのSIC技術で対応できず、受信失敗となってシステム全体のスループットが低下する。
図7(2) は、本発明による送信電力制御を行った後の状態であり、任意の位置の一部の送信局TXと受信局RXとの間で送信電力上げの制御を行い、任意の位置の他の送信局TXと受信局RXとの間で送信電力下げの制御を行う。図では、上げ/下げした送信電力の大きさを矢印線の太さで表現している。これにより、受信局における所望信号と干渉信号の受信電力差をつけ、所望信号とほぼ同じタイミングで受信する干渉信号をNOMAのSIC技術により除去すれば所望信号の受信が可能となり、システム全体のスループットが向上する。
TX 送信局
RX 受信局
11,35 アンテナ
12,34 方向性結合器
13,36 復調部
14,37 復号化部
15,38 誤り判定部
16 遅延部
17 信号減算部
18 送信電力制御信号生成部
19 レプリカ生成部
20,32 符号化部
21,33 変調部
31 送信信号生成部
39 送信電力制御信号解析部

Claims (6)

  1. 信号を送受信する送信局装置と受信局装置との間で、非直交多元接続方式(NOMA)による送信電力制御と逐次干渉除去(SIC)の技術を利用して、受信局装置が自局宛信号を受信する無線通信システムにおいて、
    前記受信局装置は、前記自局宛信号を受信する帯域内受信電力を測定し、該帯域内受信電力を検知しているにも拘らず前記自局宛信号の受信に失敗した場合に、該帯域内受信電力が所定の閾値以下であれば、前記送信局装置に対して送信電力を上げるように通知する送信電力制御信号を送信し、該帯域内受信電力が所定の閾値を超えていれば、前記送信局装置に対して送信電力を下げるように通知する送信電力制御信号を送信する手段を備え、 前記送信局装置は、送信信号の宛先となる受信局装置から前記送信電力制御信号を受信したときに、その通知内容に従って送信電力を上げるまたは下げる制御を行う送信電力制御手段を備えた
    ことを特徴とする無線通信システム。
  2. 請求項に記載の無線通信システムにおいて、
    前記送信電力制御手段は、前記受信局装置から前記送信電力下げるように通知する送信電力制御信号を所定回数連続して受信し、かつ前記送信電力が所定の閾値以下になる場合には、前記送信電力を設定可能な最大値に設定する構成である
    ことを特徴とする無線通信システム。
  3. 請求項に記載の無線通信システムにおいて、
    前記送信電力制御手段は、前記受信局装置から前記送信電力下げるように通知する送信電力制御信号を受信したときに、すでに前記受信局装置から前記送信電力上げるように通知する送信電力制御信号を受信してから規定時間が経過し、かつ前記送信電力が所定の閾値以下になる場合には、前記送信電力を設定可能な最大値に設定する構成である
    ことを特徴とする無線通信システム。
  4. 信号を送受信する送信局装置と受信局装置との間で、非直交多元接続方式(NOMA)による送信電力制御と逐次干渉除去(SIC)の技術を利用して、受信局装置が自局宛信号を受信する無線通信方法において、
    前記受信局装置は、前記自局宛信号を受信する帯域内受信電力を測定し、該帯域内受信電力を検知しているにも拘らず前記自局宛信号の受信に失敗した場合に、該帯域内受信電力が所定の閾値以下であれば、前記送信局装置に対して送信電力を上げるように通知する送信電力制御信号を送信し、該帯域内受信電力が所定の閾値を超えていれば、前記送信局装置に対して送信電力を下げるように通知する送信電力制御信号を送信するステップを実行し、
    前記送信局装置は、送信信号の宛先となる受信局装置から前記送信電力制御信号を受信したときに、その通知内容に従って送信電力を上げるまたは下げる制御を行う送信電力制御ステップを実行する
    ことを特徴とする無線通信方法。
  5. 請求項に記載の無線通信方法において、
    前記送信電力制御ステップは、前記受信局装置から前記送信電力下げるように通知する送信電力制御信号を所定回数連続して受信し、かつ前記送信電力が所定の閾値以下になる場合には、前記送信電力を設定可能な最大値に設定する
    ことを特徴とする無線通信方法。
  6. 請求項に記載の無線通信方法において、
    前記送信電力制御ステップは、前記受信局装置から前記送信電力下げるように通知する送信電力制御信号を受信したときに、すでに前記受信局装置から前記送信電力上げるように通知する送信電力制御信号を受信してから規定時間が経過し、かつ前記送信電力が所定の閾値以下になる場合には、前記送信電力を設定可能な最大値に設定する
    ことを特徴とする無線通信方法。
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