JP6559626B2 - Wireless line allocation method and wireless communication apparatus - Google Patents

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本発明は、同じ周波数帯域の電波を用いる通信エリア(ビームと称する)が隣接しないように複数のビームを配置して、周波数帯域を繰り返し利用するマルチビーム無線通信システムにおいて、システム全体の単位時間当りの通信量(スループットと称する)の増大とユーザ間の公平なスループットを実現する無線回線割当方法および無線通信装置に関する。   The present invention provides a multi-beam wireless communication system in which a plurality of beams are arranged so that communication areas (referred to as beams) using radio waves in the same frequency band are not adjacent to each other and the frequency band is repeatedly used. The present invention relates to a radio channel allocation method and a radio communication apparatus that realize an increase in the amount of communication (referred to as throughput) and fair throughput between users.

一般に、衛星局やセルラ基地局(ノード局と称する)を介してユーザ局が通信を行う無線通信システムでは、全てのユーザ局の通信がノード局を経由する。このため、ユーザ局が通信に用いる無線回線の総帯域と総電力は、ノード局が利用可能な最大帯域(システム帯域と称する)および最大送信電力(システム電力と称する)以下に制約される。そこで、システム帯域とシステム電力とを有効に利用するために、サービスエリアを複数のビーム(指向性アンテナから放射される電波の届くエリア)でカバーするマルチビーム無線通信システムが用いられている。マルチビーム無線通信システムでは、同じ周波数帯域の電波を用いるビームが隣接しないように各々のビームを配置して、同じ周波数帯域を繰り返し利用する。   In general, in a wireless communication system in which a user station communicates via a satellite station or a cellular base station (referred to as a node station), all user stations communicate via the node station. For this reason, the total bandwidth and total power of the radio channel used by the user station for communication are limited to the maximum bandwidth (referred to as system bandwidth) and maximum transmission power (referred to as system power) that can be used by the node station. Therefore, in order to effectively use the system band and the system power, a multi-beam wireless communication system that covers a service area with a plurality of beams (areas where radio waves radiated from a directional antenna reach) is used. In a multi-beam wireless communication system, beams are arranged so that beams using radio waves in the same frequency band are not adjacent to each other, and the same frequency band is repeatedly used.

図１１は、ビーム数が19個で構成されるマルチビーム無線通信システム900の一例を示す。図１１の例では、隣接しないビーム(次隣接ビームと称する)に同じ周波数帯域を割り当て、3つの周波数帯域(F1，F2，F3)を繰り返して利用する。ここで、同一記号(例えばF1)のビームは、同じ周波数帯域を共用する周波数共用ビームと呼ばれる。また、異なる周波数帯域を用いる隣接する3ビームは、ビームクラスタと呼ばれる。このようなマルチビーム構成の場合、周波数共用ビーム同士にビーム間干渉が発生する。   FIG. 11 shows an example of a multi-beam wireless communication system 900 configured with 19 beams. In the example of FIG. 11, the same frequency band is allocated to non-adjacent beams (referred to as next adjacent beams), and three frequency bands (F1, F2, F3) are repeatedly used. Here, beams having the same symbol (for example, F1) are called frequency sharing beams sharing the same frequency band. In addition, three adjacent beams using different frequency bands are called beam clusters. In such a multi-beam configuration, inter-beam interference occurs between the frequency sharing beams.

図１２は、３ビーム間の受信電力と干渉電力のモデルの一例を示す。図１２において、注目ビーム902(Beam1)へ送信するノード局901の送信電力は、ノード局901のマルチビームアンテナのビームパタンにより周辺ビーム903(Beam2)や周辺ビーム904(Beam3)に漏れ込み、周波数共用ビーム同士が互いに干渉源となる。このとき、注目ビーム902におけるビーム受信電力をC、周辺ビーム903,904における干渉電力をIとすると、ビーム受信電力(C)や干渉電力(I)は、それぞれのビーム内の場所により異なる。例えば、ユーザ局が注目ビーム902の中心付近にいる場合のビーム受信電力(C)と、ユーザ局が注目ビーム902の周囲付近にいる場合のビーム受信電力(C)とは異なる。同様に、ユーザ局が周辺ビーム903,904の中心付近にいる場合の干渉電力(I)と、ユーザ局が周辺ビーム903,904の周囲付近にいる場合の干渉電力(I)とは異なる。つまり、マルチビーム無線通信システム900では、ユーザ局が存在するビーム内の場所により受信品質(C/(N+I))が変化する。ここで、Nは受信装置で発生する熱雑音電力である。   FIG. 12 shows an example of a model of received power and interference power between three beams. In FIG. 12, the transmission power of the node station 901 transmitted to the beam of interest 902 (Beam1) leaks into the peripheral beam 903 (Beam2) and the peripheral beam 904 (Beam3) due to the beam pattern of the multibeam antenna of the node station 901, and the frequency The shared beams become interference sources. At this time, assuming that the beam reception power in the beam of interest 902 is C and the interference power in the peripheral beams 903 and 904 is I, the beam reception power (C) and the interference power (I) differ depending on the location in each beam. For example, the beam reception power (C) when the user station is near the center of the beam of interest 902 and the beam reception power (C) when the user station is near the periphery of the beam of attention 902 are different. Similarly, the interference power (I) when the user station is near the center of the peripheral beams 903 and 904 and the interference power (I) when the user station is near the periphery of the peripheral beams 903 and 904 are different. That is, in the multi-beam wireless communication system 900, the reception quality (C / (N + I)) varies depending on the location in the beam where the user station exists. Here, N is the thermal noise power generated in the receiving device.

ユーザ局とノード局が通信を行うには、ビームクラスタを構成する3ビームでシステム帯域を分割し、ノード局のマルチビームアンテナから送信される各ビームにシステム電力を配分し、各ユーザ局と通信を行うための伝送パラメータ(変復調方式や誤り訂正符号化方式など)を設定する必要がある。従来は、例えば、ビームクラスタを構成する3ビームでシステム帯域を3等分し、各ビームに均等にシステム電力を配分して、全ユーザ局に一律に同じ伝送パラメータを設定する方法が行われている(例えば、非特許文献１，２参照)。   To communicate between a user station and a node station, the system band is divided by the three beams that make up the beam cluster, system power is distributed to each beam transmitted from the multi-beam antenna of the node station, and communication is performed with each user station. It is necessary to set transmission parameters (such as a modulation / demodulation method and an error correction coding method) for performing transmission. Conventionally, for example, the system band is divided into three equal parts by three beams constituting a beam cluster, the system power is equally distributed to each beam, and the same transmission parameter is uniformly set for all user stations. (For example, see Non-Patent Documents 1 and 2).

山本，古川，佐藤：”ワイドスター2衛星移動通信システム・サービスの概要”，NTT DoCoMoテクニカル・ジャーナル，18，2，pp. 37-42 (2010).Yamamoto, Furukawa, Sato: “Overview of Widestar 2 Satellite Mobile Communication System Service”, NTT DoCoMo Technical Journal, 18, 2, pp. 37-42 (2010). 季羽，小林，久保：”ワイドスター2衛星移動端末の開発”，NTT DoCoMoテクニカル・ジャーナル，18，2，pp. 67-72 (2010).Kiwa, Kobayashi, Kubo: “Development of Wide Star 2 Satellite Mobile Terminal”, NTT DoCoMo Technical Journal, 18, 2, pp. 67-72 (2010). 増野，阿部，杉山：”スペクトラム抑圧型伝送におけるサブスペクトラムレプリカを用いた波形等化の提案”，電子情報通信学会総合大会講演論文集，p. 290 (2011).Masuno, Abe, Sugiyama: “Proposal of waveform equalization using sub-spectrum replica in spectrum-suppressed transmission”, Proceedings of the IEICE General Conference, p. 290 (2011). K. Kobayashi,T. Oka,N. Nakamoto,K. Yano and H. Ban: ”Poly-polarization multiplexing scheme for satellite communication”,30nd {AIAA} International Communications Satellite Systems Conference,Ottawa, Canada,pp. 212-219 (2012).K. Kobayashi, T. Oka, N. Nakamoto, K. Yano and H. Ban: “Poly-polarization multiplexing scheme for satellite communication”, 30nd {AIAA} International Communications Satellite Systems Conference, Ottawa, Canada, pp. 212-219 (2012).

図１３は、図１１に示したマルチビーム無線通信システム900において、ビーム毎に配分される帯域および電力と、そのときのビーム毎の平均受信C/(N+I)とスループットの一例を示す。図１３（ａ）は、ビーム番号毎に配分される帯域(MHz)の一例を示し、従来技術では、ビーム番号が1から19までの各ビームの帯域は均等に配分される(図１３（ａ）の例では約12MHz)。図１３（ｂ）は、ビーム番号毎に設定される電力(W)の一例を示し、従来技術では、ビーム番号が1から19までの各ビームの電力は均等に配分される(図１３（ｂ）の例では約15W)。図１３（ｃ）は、ビーム番号毎の平均受信C/(N+I)(dB)の一例を示し、従来技術では、例えばビーム1のように、他のビームよりも受信信号の平均受信C/(N+I)が低くなるビームが発生するという問題がある。この理由は、マルチビームの中心にあるビーム1は多くの次隣接ビームから干渉を受け易いためである。図１１に示す例では、ビーム1の次隣接ビームは、ビーム9，11，13，15，17，19の6個である。一方、図１３（ｃ）において、受信信号の平均受信C/(N+I)が比較的大きいビーム8の次隣接ビームは、図１１に示すビーム3，7の2個である。このように、ビーム1の受信信号の平均受信C/(N+I)がビーム8よりも低下するという問題がある。図１３（ｄ）は、ビーム番号毎のスループット(Mbit/s)の一例を示し、従来技術では、ビーム番号が1のスループットがその他のビームのスループットよりも低下している。   FIG. 13 shows an example of the bandwidth and power allocated to each beam, the average reception C / (N + I) and throughput for each beam at that time in the multi-beam wireless communication system 900 shown in FIG. FIG. 13A shows an example of a band (MHz) allocated for each beam number. In the prior art, the band of each beam with beam numbers 1 to 19 is equally distributed (FIG. 13A ) Is about 12MHz). FIG. 13B shows an example of power (W) set for each beam number. In the prior art, the power of each beam with beam numbers 1 to 19 is evenly distributed (FIG. 13B). ) About 15W). FIG. 13C shows an example of the average reception C / (N + I) (dB) for each beam number. In the prior art, the average reception C of the received signal is higher than that of other beams, for example, beam 1. There is a problem that a beam having a low / (N + I) occurs. This is because the beam 1 at the center of the multi-beam is likely to receive interference from many next adjacent beams. In the example shown in FIG. 11, the next adjacent beams of the beam 1 are six beams 9, 11, 13, 15, 17, and 19. On the other hand, in FIG. 13C, the next adjacent beams of the beam 8 having a relatively large average reception C / (N + I) of the received signals are two beams 3 and 7 shown in FIG. As described above, there is a problem that the average reception C / (N + I) of the reception signal of the beam 1 is lower than that of the beam 8. FIG. 13D shows an example of the throughput (Mbit / s) for each beam number. In the prior art, the throughput with a beam number of 1 is lower than the throughput of other beams.

ここで、システムで用いることができる伝送パラメータ（変復調方式と誤り訂正符号化方式の組み合わせ）を表１に示す3種類とする。   Here, the transmission parameters (combination of modulation / demodulation method and error correction coding method) that can be used in the system are the three types shown in Table 1.

表１において、誤り訂正符号化方式は、誤り訂正符号(畳み込み符号、ターボ符号、LDPC(Low Density Parity Check)符号など)と、各誤り訂正符号の符号化率（1/2，2/3，3/4など）との組み合わせで決められるが、以下の説明で用いる誤り訂正符号化方式は、簡略化して、誤り訂正符号をLDPCに固定し、符号化率のみを変えるものとする。   In Table 1, the error correction coding schemes are error correction codes (convolution codes, turbo codes, LDPC (Low Density Parity Check) codes, etc.) and coding rates (1/2, 2/3, 3/4, etc.), but the error correction coding method used in the following description is simplified, the error correction code is fixed to LDPC, and only the coding rate is changed.

一般に、伝送パラメータ毎に一定の信号品質を得るための所要C/(N+I)が用いられる。例えば、ユーザ局が受信する信号の受信C/(N+I)が所要C/(N+I)よりも低くなると、ビットエラーが多くなり、信号品質が劣化する。そこで、従来技術では、全ビーム内の最小受信C/(N+I)よりも低い所要C/(N+I)になるような伝送パラメータを選択して全ユーザ局に設定する方法が用いられていた。   Generally, required C / (N + I) for obtaining a constant signal quality for each transmission parameter is used. For example, if the reception C / (N + I) of the signal received by the user station is lower than the required C / (N + I), bit errors increase and signal quality deteriorates. Therefore, in the prior art, a method is used in which transmission parameters are selected so that the required C / (N + I) is lower than the minimum reception C / (N + I) in all beams and set for all user stations. It was.

図１４は、図１１に示す19ビーム構成のシステムにおいて、ビーム内に全ビーム中の最小受信C/(N+I)=5dBのポイントが存在する例を示す。図１４において、縦軸はビーム内の垂直方向の位置、横軸はビーム内の水平方向の位置をそれぞれ示している。また、グレースケールの濃さは各位置における平均受信C/(N+I)の大きさを表し、白くなるほど平均受信C/(N+I)が大きくなり、黒くなるほど平均受信C/(N+I)が小さくなる。図１４の例では、点線円で示した最小受信C/(N+I)=5dBのポイントが存在している。この場合、従来技術では、表１より、所要C/(N+I)=4.7dBとなる変復調方式QPSKと、誤り訂正符号化方式LDPC 3/4の組み合わせ(以下、QPSK 3/4と記載)が伝送パラメータとして選択され、全ユーザ局に設定される。つまり、全ユーザ局が表１のなかで最も低い周波数利用効率(周波数帯域あたりのスループット)の伝送パラメータであるQPSK 3/4を用いることになる。   FIG. 14 shows an example in which there is a point of minimum reception C / (N + I) = 5 dB in all beams in the 19-beam configuration system shown in FIG. In FIG. 14, the vertical axis indicates the vertical position in the beam, and the horizontal axis indicates the horizontal position in the beam. Also, the gray scale density represents the average received C / (N + I) at each position, and the whiter the average received C / (N + I) becomes, and the blacker the average received C / (N + I) becomes smaller. In the example of FIG. 14, there is a point of minimum reception C / (N + I) = 5 dB indicated by a dotted circle. In this case, in the prior art, from Table 1, a combination of a modulation / demodulation scheme QPSK and an error correction coding scheme LDPC 3/4 (hereinafter referred to as QPSK 3/4) from the required C / (N + I) = 4.7 dB. Is selected as a transmission parameter and set for all user stations. That is, all user stations use QPSK 3/4, which is the transmission parameter with the lowest frequency utilization efficiency (throughput per frequency band) in Table 1.

このように、従来技術では、全ユーザ局が周波数利用効率の低い伝送パラメータを使用することになり、スループットが低下するという問題がある。   As described above, according to the conventional technique, all user stations use transmission parameters with low frequency utilization efficiency, and there is a problem that throughput is reduced.

次に、複数のユーザ局がサービスエリア内のある場所に偏在している場合、ビーム毎にユーザ局数が異なるという問題について説明する。   Next, the problem that the number of user stations differs for each beam when a plurality of user stations are unevenly distributed at a certain location in the service area will be described.

図１５は、図１１に示したビーム1にユーザ局が多く存在している場合の一例を示す。ここで、図１５において、[番号]はユーザ局数を示す。また、ビーム1のユーザ局数とビーム1以外の各ビームのユーザ局数の比率をユーザ局数比Urとする。さらに、ビーム内に存在する複数のユーザ局が均等なスループットになるように、ビームへの割当帯域は、複数のユーザ局で等分割される。このとき、ユーザ局数が多いビームに存在するユーザ局のスループットが低くなるという問題が生じる。   FIG. 15 shows an example when there are many user stations in the beam 1 shown in FIG. Here, in FIG. 15, [number] indicates the number of user stations. Further, a ratio of the number of user stations of beam 1 to the number of user stations of each beam other than beam 1 is defined as a user station number ratio Ur. Further, the bandwidth allocated to the beam is equally divided by the plurality of user stations so that the plurality of user stations existing in the beam have equal throughput. At this time, there arises a problem that the throughput of the user station existing in the beam having a large number of user stations is lowered.

図１６は、ビーム1とビーム2とのUrが２の場合のビーム1およびビーム2のユーザ局毎のスループットの一例を示す。図１６において、縦軸はスループット(kbit/s)、横軸はユーザ番号をそれぞれ示す。なお、図１６は、Ur＝２の場合を示すが、全ユーザ局は記載しておらず、ビーム1およびビーム２のユーザ局を合計100局だけピックアップしている。   FIG. 16 shows an example of throughput for each user station of beam 1 and beam 2 when Ur of beam 1 and beam 2 is 2. In FIG. 16, the vertical axis represents the throughput (kbit / s), and the horizontal axis represents the user number. FIG. 16 shows a case where Ur = 2, but all user stations are not shown, and a total of 100 user stations for beam 1 and beam 2 are picked up.

図１６の例では、ビーム1内のユーザ局のスループットは約120kbit/sから約150kbit/s、ビーム2内のユーザ局のスループットは約230kbit/sから約300kbit/sである。つまり、ビーム内のユーザ局数が多くなると、ユーザ局毎のスループットが低下し、ビーム内のユーザ局数が少なくなると、ユーザ局毎のスループットが増加することがわかる。具体的には、図１６において、ビーム1とビーム2とのユーザ局数の比Urが2なので、ビーム1内のユーザ局のスループットよりもビーム2内のユーザ局のスループットの方が約2倍になっている。   In the example of FIG. 16, the throughput of the user station in beam 1 is about 120 kbit / s to about 150 kbit / s, and the throughput of the user station in beam 2 is about 230 kbit / s to about 300 kbit / s. That is, as the number of user stations in the beam increases, the throughput for each user station decreases. When the number of user stations in the beam decreases, the throughput for each user station increases. Specifically, in FIG. 16, the ratio Ur of the number of user stations between beam 1 and beam 2 is 2, so that the throughput of the user station in beam 2 is about twice that of the user station in beam 1. It has become.

このように、従来技術では、ビーム毎のユーザ局数に偏りがある場合、ビーム間のユーザ局のスループットに大きな差が生じ、サービスエリア内の全ユーザ局に均一なスループットが提供されないという問題がある。   As described above, in the conventional technique, when the number of user stations for each beam is uneven, there is a large difference in the throughput of user stations between beams, and there is a problem that uniform throughput is not provided to all user stations in the service area. is there.

上記課題に鑑み、本発明では、サービスエリア内の各ユーザ局に公平なスループットを提供すると共に、システム全体のスループットを増大することができる無線回線割当方法および無線通信装置を提供することを目的とする。   In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a wireless channel allocation method and a wireless communication apparatus that can provide fair throughput to each user station in a service area and can increase the throughput of the entire system. To do.

第１の発明は、予め決められた周波数帯域を繰り返し利用する複数のビームでサービスエリアをカバーする無線通信装置が前記サービスエリア内の複数の端末装置に無線回線を割り当てる無線回線割当方法であって、前記ビーム内の前記端末装置の平均の周波数利用効率と当該ビームに配分された周波数帯域との積から求められる全ビームの総スループットが最大となり、且つ、前記ビーム間の前記端末装置の数の比と前記ビーム間のスループットの比とが等しくなるように、前記無線通信装置が利用可能なシステム全体の送信電力および周波数帯域を前記複数のビームのそれぞれに分配する分配処理と、前記複数の端末装置から取得する前記端末装置の位置を示す位置情報に基づいて、前記端末装置毎の伝送パラメータを決定し、決定した前記伝送パラメータを示す情報をそれぞれの前記端末装置に通知する制御処理とを実行し、前記分配処理は、前記ビーム毎に通信接続を行っている前記端末装置の数を取得する第１の処理と、前記ビーム毎の送信電力および周波数帯域の初期値を設定する第２の処理と、前記ビーム毎に設定された送信電力に基づいて平均受信Ｃ／（Ｎ＋Ｉ）を計算する第３の処理と、前記ビーム毎に設定された周波数帯域および前記第３の処理で計算された前記平均受信Ｃ／（Ｎ＋Ｉ）に基づいてスループットを計算する第４の処理と、前記ビーム間の前記端末装置の数の比と前記ビーム間のスループットの比とが等しく、且つ、前記総スループットが最大であるか否かを判別する第５の処理と、前記第５の処理の判別結果が真になるまで、前記ビーム毎の送信電力および周波数帯域を変更しながら、前記第３の処理から前記第５の処理までを繰り返させる第６の処理とを含むことを特徴とする。 A first invention is a radio channel assignment method in which a radio communication device that covers a service area with a plurality of beams that repeatedly use a predetermined frequency band allocates radio channels to a plurality of terminal devices in the service area. The total throughput of all the beams obtained from the product of the average frequency utilization efficiency of the terminal device in the beam and the frequency band allocated to the beam is maximized, and the number of the terminal devices between the beams is A distribution process for distributing the transmission power and frequency band of the entire system that can be used by the wireless communication device to each of the plurality of beams so that the ratio of the beam and the throughput between the beams is equal, and the plurality of terminals Based on position information indicating the position of the terminal device acquired from the device, transmission parameters for each terminal device are determined and determined. Run the information indicating the serial transmission parameters and control process of notifying each of the terminal device, the dispensing process, a first process of acquiring the number of the terminal device making a communication connection for each of the beams A second process for setting an initial value of the transmission power and frequency band for each beam, and a third process for calculating an average reception C / (N + I) based on the transmission power set for each beam; A fourth process for calculating throughput based on the frequency band set for each beam and the average received C / (N + I) calculated in the third process; and the number of the terminal apparatuses between the beams A fifth process for determining whether the ratio is equal to the throughput ratio between the beams and the total throughput is maximum, and the beam until the determination result of the fifth process becomes true. Every While changing the transmission power and frequency band, characterized in that it comprises a sixth process for repeated from the third processing until the processing of the fifth.

第２の発明では、第１の発明において、前記制御処理では、前記ビーム毎に分配された送信電力と周波数帯域とに基づいて、前記複数の端末装置に割り当てるべき前記伝送パラメータを前記ビーム内の位置毎に決定し、前記端末装置から取得する前記位置情報に対応する位置の前記伝送パラメータをそれぞれの前記端末装置に通知することを特徴とする。 In the second aspect of the invention, Oite the first inventions, in the control process, on the basis of the transmission power and the frequency band that is distributed to each beam, the said transmission parameter to be assigned to the plurality of terminal devices It is determined for each position in the beam, and the transmission parameter of the position corresponding to the position information acquired from the terminal apparatus is notified to each terminal apparatus.

第３の発明では、第１の発明または第２の発明において、前記伝送パラメータは、変復調方式、誤り訂正符号化方式、スペクトラム圧縮率および偏波多重数の少なくとも１つを含むことを特徴とする。 According to a third invention, in the first or second invention, the transmission parameter includes at least one of a modulation / demodulation method, an error correction coding method, a spectrum compression rate, and a polarization multiplexing number. .

第４の発明は、予め決められた周波数帯域を繰り返し利用する複数のビームでサービスエリアをカバーし、前記サービスエリア内の複数の端末装置に無線回線を割り当てる無線通信装置において、前記ビーム内の前記端末装置の平均の周波数利用効率と当該ビームに配分された周波数帯域との積から求められる全ビームの総スループットが最大となり、且つ、前記ビーム間の前記端末装置の数の比と前記ビーム間のスループットの比とが等しくなるように、自装置が利用可能なシステム全体の送信電力および周波数帯域を前記複数のビームのそれぞれに分配する分配部と、前記複数の端末装置から取得する前記端末装置の位置を示す位置情報に基づいて、前記端末装置毎の伝送パラメータを決定し、決定した前記伝送パラメータを示す情報をそれぞれの前記端末装置に通知する制御部とを有し、前記分配部は、前記ビーム毎に通信接続を行っている前記端末装置の数を取得する第１の処理と、前記ビーム毎の送信電力および周波数帯域の初期値を設定する第２の処理と、前記ビーム毎に設定された送信電力に基づいて平均受信Ｃ／（Ｎ＋Ｉ）を計算する第３の処理と、前記ビーム毎に設定された周波数帯域および前記第３の処理で計算された前記平均受信Ｃ／（Ｎ＋Ｉ）に基づいてスループットを計算する第４の処理と、前記ビーム間の前記端末装置の数の比と前記ビーム間のスループットの比とが等しく、且つ、前記総スループットが最大であるか否かを判別する第５の処理と、前記第５の処理の判別結果が真になるまで、前記ビーム毎の送信電力および周波数帯域を変更しながら、前記第３の処理から前記第５の処理までを繰り返させる第６の処理とを実行することを特徴とする。 A fourth invention is, for covering a service area with a plurality of beams used repeatedly the frequency band determined in advance, the radio communication apparatus for allocating radio channels to a plurality of terminal device of the service area, the in the beam The total throughput of all the beams obtained from the product of the average frequency utilization efficiency of the terminal device and the frequency band allocated to the beam is maximized, and the ratio of the number of the terminal devices between the beams and between the beams A distribution unit that distributes the transmission power and frequency band of the entire system that can be used by the own apparatus to each of the plurality of beams, and the terminal apparatus that is obtained from the plurality of terminal apparatuses so that the throughput ratio is equal . Based on the position information indicating the position, the transmission parameter for each terminal device is determined, and the information indicating the determined transmission parameter is Have a control unit configured to notify the terminal device of respectively, said dispensing part includes a first process of acquiring the number of the terminal device making a communication connection for each of the beams, for each of the beams Second processing for setting initial values of transmission power and frequency band, third processing for calculating average received C / (N + I) based on transmission power set for each beam, and setting for each beam A fourth process for calculating throughput based on the frequency band thus obtained and the average received C / (N + I) calculated in the third process; a ratio of the number of terminal devices between the beams; And a transmission power for each beam until a determination result of the fifth process becomes true, and a fifth process for determining whether or not the total throughput is the maximum, While changing the frequency band , And executes a sixth process to repeat from the third processing until the processing of the fifth.

第５の発明では、第４の発明において、前記制御部は、前記ビーム毎に分配された送信電力と周波数帯域とに基づいて、前記複数の端末装置に割り当てるべき前記伝送パラメータを前記ビーム内の位置毎に決定し、前記端末装置から取得する前記位置情報に対応する位置の前記伝送パラメータをそれぞれの前記端末装置に通知することを特徴とする。 In a fifth aspect based on the fourth aspect , the control unit assigns the transmission parameter to be assigned to the plurality of terminal devices based on the transmission power and frequency band distributed for each beam. It is determined for each position, and the transmission parameter of the position corresponding to the position information acquired from the terminal apparatus is notified to each terminal apparatus.

第６の発明では、第４の発明または第５の発明において、前記伝送パラメータは、変復調方式、誤り訂正符号化方式、スペクトラム圧縮率および偏波多重数の少なくとも１つを含むことを特徴とする。 According to a sixth invention, in the fourth or fifth invention, the transmission parameter includes at least one of a modulation / demodulation method, an error correction coding method, a spectrum compression rate, and a polarization multiplexing number. .

本発明に係る無線回線割当方法および無線通信装置は、サービスエリア内の各ユーザ局に公平なスループットを提供すると共に、システム全体のスループットを増大することができる。   The radio channel allocation method and radio communication apparatus according to the present invention can provide fair throughput to each user station in the service area and increase the overall system throughput.

本実施形態に係るマルチビーム無線通信システムの一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the multi-beam radio | wireless communications system which concerns on this embodiment. 本実施形態に係るマルチビーム無線通信システムの一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the multi-beam radio | wireless communications system which concerns on this embodiment. 本実施形態に係る無線回線割当処理の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the radio | wireless line allocation process which concerns on this embodiment. 本実施形態に係る帯域と電力配分の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the zone | band and electric power allocation which concern on this embodiment. 周波数利用効率と所要C/(N+I)の関係例(1)を示す図である。It is a figure which shows the example (1) of a relationship between frequency utilization efficiency and required C / (N + I). 周波数利用効率と所要C/(N+I)の関係例(2)を示す図である。It is a figure which shows the example (2) of a relationship between frequency utilization efficiency and required C / (N + I). 周波数利用効率と所要C/(N+I)の関係例(3)を示す図である。It is a figure which shows the example (3) of a relationship between frequency utilization efficiency and required C / (N + I). ビーム内の位置に応じた伝送パラメータの設定例を示す図である。It is a figure which shows the example of a setting of the transmission parameter according to the position in a beam. 本実施形態に係るスループット特性の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the throughput characteristic which concerns on this embodiment. 本実施形態に係るユーザ局間のスループットの公平性を示す図である。It is a figure which shows the fairness of the throughput between the user stations which concerns on this embodiment. マルチビーム無線通信システムの一例を示す図である。It is a figure which shows an example of a multi-beam radio | wireless communications system. ビームパタンの一例を示す図である。It is a figure which shows an example of a beam pattern. 従来技術における帯域と電力配分の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the zone | band and electric power allocation in a prior art. ビーム内の受信C/(N+I)の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of reception C / (N + I) in a beam. ユーザ局が偏在するモデルの一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the model in which a user station is unevenly distributed. 従来技術におけるユーザ局のスループットの一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the throughput of the user station in a prior art.

以下、図面を参照して本発明に係る無線回線割当方法および無線通信装置の実施形態について説明する。
［マルチビーム無線通信システム100の一例］
図１は、本発明に係る無線回線割当方法および無線通信装置を用いるマルチビーム無線通信システム100の一例を示す。図１において、マルチビーム無線通信システム100は、ノード局101、子ノード局101aおよびユーザ局102aから102pを有する。ここで、以降の説明において、ユーザ局102aから102pに共通の事項を説明する場合は、符号末尾のアルファベットを省略してユーザ局102と記載する。図１において、ノード局101は、ビーム(1)から子ノード局101aで中継するビーム(N)までのN個のビームを照射してサービスエリアをカバーし、各ビーム内の任意の場所に存在するユーザ局102と通信を行う。なお、図１の例では、エリアが重複しない複数のビームによりサービスエリアを構成するように描いてあるが、従来技術で説明した図１１のマルチビーム無線通信システム900のビーム構成を本実施形態で説明するマルチビーム無線通信システム100としてもよい。図１１の例では、サービスエリア全体をカバーできるように、ビーム(1)からビーム(N)までのN個のビームが互いに重複するように配置される。 DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Embodiments of a radio channel assignment method and a radio communication apparatus according to the present invention will be described below with reference to the drawings.
[Example of multi-beam wireless communication system 100]
FIG. 1 shows an example of a multi-beam radio communication system 100 using a radio channel assignment method and radio communication apparatus according to the present invention. In FIG. 1, a multi-beam wireless communication system 100 includes a node station 101, a child node station 101a, and user stations 102a to 102p. Here, in the following description, when a matter common to the user stations 102a to 102p is described, the alphabet at the end of the code is omitted and the user station 102 is described. In FIG. 1, the node station 101 irradiates N beams from the beam (1) to the beam (N) relayed by the child node station 101a to cover the service area, and exists at an arbitrary place in each beam. Communicate with the user station 102. In the example of FIG. 1, the service area is drawn by a plurality of beams whose areas do not overlap. However, the beam configuration of the multi-beam wireless communication system 900 of FIG. The multi-beam wireless communication system 100 to be described may be used. In the example of FIG. 11, N beams from beam (1) to beam (N) are arranged so as to overlap each other so as to cover the entire service area.

図１の例では、ビーム(1)内には、ユーザ局102a、ユーザ局102bおよびユーザ局102cの3台のユーザ局102が存在し、ビーム(2)内にも、ユーザ局102d、ユーザ局102eおよびユーザ局102fの3台のユーザ局102が存在する。また、ビーム(3)内にはユーザ局102g、ユーザ局102h、ユーザ局102i、ユーザ局102j、ユーザ局102kおよびユーザ局102lの6台のユーザ局102が存在する。さらに、ビーム(N)内にはユーザ局102m、ユーザ局102n、ユーザ局102oおよびユーザ局102pの4台のユーザ局102が存在する。このように、ビーム毎にユーザ局102の数が異なる。   In the example of FIG. 1, there are three user stations 102, user station 102a, user station 102b, and user station 102c, in beam (1), and user station 102d, user station 102 are also in beam (2). There are three user stations 102, 102e and user station 102f. In the beam (3), there are six user stations 102 including a user station 102g, a user station 102h, a user station 102i, a user station 102j, a user station 102k, and a user station 102l. Further, in the beam (N), there are four user stations 102 including a user station 102m, a user station 102n, a user station 102o, and a user station 102p. In this way, the number of user stations 102 is different for each beam.

図１において、ノード局101は、本実施形態で説明する無線回線割当方法にしたがって、ビーム毎にユーザ局102の数が異なる場合であっても、各ユーザ局102のスループットの公平性が保たれ、システム全体のスループットが最大になるように、子ノード局101aから照射されるビームを含むサービスエリア内のビーム毎に無線リソースを配分し、ユーザ局102毎に伝送パラメータを設定する。   In FIG. 1, the node station 101 maintains the fairness of the throughput of each user station 102 even when the number of user stations 102 differs for each beam in accordance with the radio channel assignment method described in the present embodiment. The radio resource is allocated to each beam in the service area including the beam emitted from the child node station 101a so that the throughput of the entire system is maximized, and the transmission parameter is set for each user station 102.

ここで、図１の例では、ノード局101は、ビーム(N)を配下の子ノード局101aを介して照射しているが、子ノード局101aが無くてもよい。なお、本実施形態に係るマルチビーム無線通信システム100は、例えば、マルチビーム衛星通信システムやセルラ通信システムなどに適用可能である。
［ノード局101およびユーザ局102の構成例］
図２は、本発明に係る無線回線割当方法および無線通信装置を用いるマルチビーム無線通信システム100の一例を示す。ここで、図２に示すマルチビーム無線通信システム100は、図１または図１１で説明したマルチビーム無線通信システム100に対応する。なお、本発明に係る無線通信装置は、図２に示すノード局101に相当し、端末装置は、ユーザ局102に相当する。 Here, in the example of FIG. 1, the node station 101 irradiates the beam (N) via the subordinate child node station 101a, but the child node station 101a may not be provided. Note that the multi-beam wireless communication system 100 according to the present embodiment can be applied to, for example, a multi-beam satellite communication system or a cellular communication system.
[Configuration example of node station 101 and user station 102]
FIG. 2 shows an example of a multi-beam radio communication system 100 using the radio channel assignment method and radio communication apparatus according to the present invention. Here, the multi-beam radio communication system 100 shown in FIG. 2 corresponds to the multi-beam radio communication system 100 described in FIG. 1 or FIG. The radio communication apparatus according to the present invention corresponds to the node station 101 shown in FIG. 2, and the terminal apparatus corresponds to the user station 102.

図２は、ノード局101およびユーザ局102の構成例を示す。図２において、ノード局101は、サービスエリアを複数のビームでカバーし、隣接するビームで使用する周波数帯域が重ならないように、同じ周波数帯域を繰り返し使用する。そして、ノード局101は、ビーム毎の無線リソースの配分やユーザ局102毎の伝送パラメータの設定を行い、サービスエリア内のスループットを全体的に向上させ、且つ、サービスエリア内の全ユーザ局に公平なスループットを提供する。このために、本実施形態に係るノード局101は、各ビームに無線リソースを配分し、サービスエリア内の場所ごとに異なる受信C/(N+I)に応じて、各ユーザ局102に設定すべき最適な伝送パラメータを決定する。
（ノード局101）
図２において、ノード局101は、マルチビームアンテナ201、送受信部202、ビーコン送信部203、データ入出力部204、アクセス制御部205、伝送パラメータ決定部206およびビームリソース配分部207を有する。なお、アクセス制御部205および伝送パラメータ決定部206をまとめて制御部としてもよい。 FIG. 2 shows a configuration example of the node station 101 and the user station 102. In FIG. 2, the node station 101 covers the service area with a plurality of beams, and repeatedly uses the same frequency band so that the frequency bands used by adjacent beams do not overlap. The node station 101 then allocates radio resources for each beam and sets transmission parameters for each user station 102 to improve overall throughput in the service area and is fair to all user stations in the service area. Provide high throughput. For this purpose, the node station 101 according to the present embodiment allocates radio resources to each beam and sets the resource to each user station 102 according to reception C / (N + I) that is different for each location in the service area. Determine the optimal transmission parameters.
(Node station 101)
In FIG. 2, the node station 101 includes a multi-beam antenna 201, a transmission / reception unit 202, a beacon transmission unit 203, a data input / output unit 204, an access control unit 205, a transmission parameter determination unit 206, and a beam resource distribution unit 207. Note that the access control unit 205 and the transmission parameter determination unit 206 may be combined into a control unit.

マルチビームアンテナ201は、複数のビームを送信するアンテナで、サービスエリア内を複数のビームでカバーし、サービスエリア内に存在するユーザ局102と通信することができる。   The multi-beam antenna 201 is an antenna that transmits a plurality of beams, covers the service area with a plurality of beams, and can communicate with the user station 102 existing in the service area.

送受信部202は、マルチビームアンテナ201を介して、ユーザ局102との間で制御信号やデータ信号を送受信する。   The transmission / reception unit 202 transmits / receives control signals and data signals to / from the user station 102 via the multi-beam antenna 201.

ビーコン送信部203は、サービスエリア内のユーザ局102に予め決められた情報を含むビーコン信号を送信する。ビーコン信号には、例えばノード局101の識別情報や位置情報などが格納されており、ユーザ局102は、ビーコン信号に格納された情報やビーコン信号の受信レベルなどに基づいて自局の位置を検出する。   The beacon transmission unit 203 transmits a beacon signal including predetermined information to the user station 102 in the service area. For example, identification information and position information of the node station 101 are stored in the beacon signal, and the user station 102 detects the position of the own station based on the information stored in the beacon signal and the reception level of the beacon signal. To do.

データ入出力部204は、ノード局101に接続される通信装置など(不図示)がユーザ局102との間で送受信するデータを入出力する。   The data input / output unit 204 inputs / outputs data transmitted / received to / from the user station 102 by a communication device (not shown) connected to the node station 101.

アクセス制御部205は、ユーザ局102との通信を制御する。例えば、アクセス制御部205は、マルチビームアンテナ201および送受信部202を介して受信するユーザ局102から送信された信号が制御信号であるかデータ信号であるかを判別する。そして、ユーザ局102からの受信信号が制御信号である場合、アクセス制御部205は、制御信号に格納されているユーザIDとユーザ位置情報を伝送パラメータ決定部206などに出力する。また、ユーザ局102からの受信信号がデータ信号の場合、アクセス制御部205は、データ信号に格納されているユーザ局102のユーザIDに対応する伝送パラメータの情報を伝送パラメータ決定部206から取得し、当該伝送パラメータに基づいてデータ信号の復調処理などを行い、復調後の受信データをデータ入出力部204に出力する。逆に、データ入出力部204から宛先のユーザ局102のユーザIDを含む送信データが入力された場合は、アクセス制御部205は、ユーザ局102のユーザIDに対応する伝送パラメータの情報を伝送パラメータ決定部206から取得し、当該伝送パラメータに基づいて送信データの変調処理などを行い、送受信部202およびマルチビームアンテナ201を介して、変調後の送信信号をユーザ局102に送信する。   The access control unit 205 controls communication with the user station 102. For example, the access control unit 205 determines whether a signal transmitted from the user station 102 received via the multi-beam antenna 201 and the transmission / reception unit 202 is a control signal or a data signal. If the received signal from the user station 102 is a control signal, the access control unit 205 outputs the user ID and user location information stored in the control signal to the transmission parameter determining unit 206 and the like. When the received signal from the user station 102 is a data signal, the access control unit 205 acquires the transmission parameter information corresponding to the user ID of the user station 102 stored in the data signal from the transmission parameter determination unit 206. Then, the data signal is demodulated based on the transmission parameter, and the demodulated received data is output to the data input / output unit 204. On the other hand, when transmission data including the user ID of the destination user station 102 is input from the data input / output unit 204, the access control unit 205 displays the transmission parameter information corresponding to the user ID of the user station 102 as the transmission parameter. Obtained from the determination unit 206, performs modulation processing of transmission data based on the transmission parameter, and transmits the modulated transmission signal to the user station 102 via the transmission / reception unit 202 and the multi-beam antenna 201.

伝送パラメータ決定部206は、ユーザ局102と通信するときの伝送パラメータを決定する。例えば、伝送パラメータ決定部206は、アクセス制御部205が出力するユーザ局102の位置情報から当該ユーザ局102が存在するビーム内の位置における受信C/(N+I)を計算し、後述する本実施形態の方法を用いて、伝送パラメータを決定する。そして、アクセス制御部205は、決定した当該ユーザ局102の伝送パラメータを当該ユーザ局102のユーザIDと関連付けて制御信号に格納し、送受信部202およびマルチビームアンテナ201を介して、当該ユーザIDを持つユーザ局102に伝送パラメータを返信するとともに、アクセス制御部205内部の記憶装置に当該ユーザIDと決定した伝送パラメータとを関連付けて記憶する。   The transmission parameter determination unit 206 determines transmission parameters when communicating with the user station 102. For example, the transmission parameter determination unit 206 calculates reception C / (N + I) at the position in the beam where the user station 102 exists from the position information of the user station 102 output from the access control unit 205, and The transmission parameters are determined using the method of the embodiment. Then, the access control unit 205 stores the determined transmission parameter of the user station 102 in the control signal in association with the user ID of the user station 102, and the user ID is transmitted via the transmission / reception unit 202 and the multi-beam antenna 201. The transmission parameter is returned to the user station 102 possessed, and the user ID and the determined transmission parameter are stored in the storage device in the access control unit 205 in association with each other.

ビームリソース配分部207は、ビーム毎の無線リソースの配分を行う。例えば、ビームリソース配分部207は、マルチビームの構成やアクセス制御部205に格納されたユーザ局102の位置情報などに基づいて、ビーム間のユーザ局数の比(ビーム間ユーザ局数比と称する)とビーム間のスループットの比(ビーム間スループット比と称する)を等しくしつつ、全ビームのスループットの和(総スループットと称する)が最大となるようにビーム毎の電力と帯域とを決定する。つまり、ユーザ局102間のスループットの偏りを少なくし、総スループットが最大となるように制御するので、各ユーザ局102のスループットを同等に保ちつつ、各ユーザ局102のスループットを最大に制御することになる。   The beam resource distribution unit 207 distributes radio resources for each beam. For example, the beam resource allocation unit 207 determines the ratio of the number of user stations between beams (referred to as the ratio of the number of user stations between beams) based on the configuration of multi-beams, the location information of the user station 102 stored in the access control unit 205, and the like. ) And the beam-to-beam throughput ratio (referred to as inter-beam throughput ratio), and the power and bandwidth for each beam are determined so that the sum of the throughput of all beams (referred to as total throughput) is maximized. In other words, since the throughput deviation between the user stations 102 is reduced and the total throughput is controlled to be maximized, the throughput of each user station 102 is controlled to the maximum while keeping the throughput of each user station 102 equal. become.

このように、本実施形態に係るノード局101は、サービスエリアを複数のビームでカバーし、サービスエリア内に存在するユーザ局102と通信を行うマルチビーム無線通信システム100において、各ユーザ局102間で公平なスループットを提供しつつ、システム全体のスループットが増大するように無線回線を割り当てることができる。
（ユーザ局102）
一方、図２において、ユーザ局102は、アンテナ301、送受信部302、位置検出部303、アクセス制御部304およびデータ入出力部305を有する。 As described above, the node station 101 according to the present embodiment covers the service area with a plurality of beams, and in the multi-beam wireless communication system 100 that communicates with the user stations 102 existing in the service area, Thus, it is possible to allocate wireless lines so as to increase the throughput of the entire system while providing fair throughput.
(User station 102)
On the other hand, in FIG. 2, the user station 102 includes an antenna 301, a transmission / reception unit 302, a position detection unit 303, an access control unit 304, and a data input / output unit 305.

アンテナ301は、ノード局101との間で信号を送受信する。なお、アンテナ301は、ノード局101のマルチビームアンテナ201が有する複数のビームのうちの何れかのビームで通信を行う。   The antenna 301 transmits and receives signals to and from the node station 101. The antenna 301 performs communication using any one of a plurality of beams included in the multi-beam antenna 201 of the node station 101.

送受信部302は、ノード局101との間で制御信号やデータ信号を送受信する。或いは、送受信部302は、ビーコン信号を受信する。ここで、送受信部302は、ノード局101から受信する信号の受信レベルを計測し、受信レベルの情報を位置検出部303やアクセス制御部304に出力する。   The transmission / reception unit 302 transmits / receives control signals and data signals to / from the node station 101. Alternatively, the transmission / reception unit 302 receives a beacon signal. Here, the transmission / reception unit 302 measures the reception level of the signal received from the node station 101, and outputs the reception level information to the position detection unit 303 and the access control unit 304.

位置検出部303は、送受信部302が受信するビーコン信号に含まれる情報やビーコン信号の受信レベルの情報に基づいて自局の位置を検出する。或いは、位置検出部303は、GPS(Global Positioning System)機能を有し、GPS衛星から受信する信号に基づいて自局の位置を検出する。   The position detection unit 303 detects the position of the own station based on information included in the beacon signal received by the transmission / reception unit 302 and information on the reception level of the beacon signal. Alternatively, the position detection unit 303 has a GPS (Global Positioning System) function, and detects the position of the own station based on a signal received from a GPS satellite.

アクセス制御部304は、ノード局101との通信を制御する。例えば、アクセス制御部304は、位置検出部303が検出した自局の位置情報と、ユーザ局102毎に割り振られたユーザIDとをセットにして制御信号を生成し、ノード局101に送信する。なお、アクセス制御部304は、送受信部302から受け取る受信レベルの情報を制御信号などに含めてノード局101に送信するようにしてもよい。一方、アクセス制御部304は、アンテナ301および送受信部302を介してノード局101から受信する信号が制御信号であるかデータ信号であるかを判別する。そして、ノード局101から受信する信号が制御信号である場合、アクセス制御部304は、制御信号に格納されている伝送パラメータを内部のメモリなどに記憶する。また、ノード局101から受信する信号がデータ信号の場合、アクセス制御部304は、メモリなどに記憶された伝送パラメータに基づいてデータ信号の復調処理を行い、復調後の受信データをデータ入出力部305に出力する。逆に、データ入出力部305から送信データが入力された場合は、アクセス制御部304は、メモリなどに記憶された伝送パラメータに基づいて送信データの変調処理を行い、送受信部302およびアンテナ301を介して、変調後の送信信号をノード局101に送信する。   The access control unit 304 controls communication with the node station 101. For example, the access control unit 304 generates a control signal by setting the position information of the own station detected by the position detection unit 303 and the user ID assigned to each user station 102, and transmits the control signal to the node station 101. Note that the access control unit 304 may include the reception level information received from the transmission / reception unit 302 in the control signal and transmit the information to the node station 101. On the other hand, the access control unit 304 determines whether a signal received from the node station 101 via the antenna 301 and the transmission / reception unit 302 is a control signal or a data signal. When the signal received from the node station 101 is a control signal, the access control unit 304 stores the transmission parameter stored in the control signal in an internal memory or the like. Further, when the signal received from the node station 101 is a data signal, the access control unit 304 demodulates the data signal based on the transmission parameter stored in the memory or the like, and receives the demodulated received data as a data input / output unit. Output to 305. Conversely, when transmission data is input from the data input / output unit 305, the access control unit 304 performs modulation processing on the transmission data based on transmission parameters stored in a memory or the like, and connects the transmission / reception unit 302 and the antenna 301. Then, the transmission signal after modulation is transmitted to the node station 101.

データ入出力部305は、ユーザ局102に接続される通信装置(不図示)などがノード局101との間で送受信するデータを入出力する。   The data input / output unit 305 inputs / outputs data transmitted / received to / from the node station 101 by a communication device (not shown) connected to the user station 102.

このように、ユーザ局102は、ノード局101に自局の位置情報を送信し、ノード局101から受け取る伝送パラメータに基づいて、ノード局101との間でデータ信号を送受信する。
［各ビームの帯域および電力を求める方法］
マルチビーム無線通信システム100では、同じ周波数帯域を繰り返し共用するので、同じ周波数帯域を使用するビーム(周波数共用ビームと称する)同士では、一方のビームへの送信電力の配分が大きいほど、他方のビームへの干渉が大きくなる。その場合、一方のビームへの送信電力の配分を小さくして、他方のビームへの干渉量を減らす方法が考えられるが、送信電力の配分を小さくしたビームでの受信電力Cが低くなるため、当該ビームの受信C/(N+I)が低下する。そこで、システム電力を余すことなく全て使用して、受信C/(N+I)を高めるように、バランスよく各ビームへ送信電力を配分する。この方法と合わせて、ビームクラスタを構成する3ビーム間でシステム帯域を余すことなく全て使用して、ビーム間ユーザ局数比とビーム間スループット比とが等しくなるように各ビームへ帯域を配分する。 In this way, the user station 102 transmits its own location information to the node station 101, and transmits and receives data signals to and from the node station 101 based on the transmission parameters received from the node station 101.
[Method for obtaining the bandwidth and power of each beam]
In the multi-beam wireless communication system 100, the same frequency band is repeatedly shared. Therefore, between beams using the same frequency band (referred to as a frequency sharing beam), the larger the distribution of transmission power to one beam, the more the other beam. Interference with will increase. In that case, a method of reducing the transmission power distribution to one beam and reducing the amount of interference to the other beam can be considered, but the reception power C in the beam with a small transmission power distribution is reduced, The reception C / (N + I) of the beam decreases. Therefore, the transmission power is distributed to each beam in a well-balanced manner so as to increase the reception C / (N + I) by using all the system power without excess. Combined with this method, all the system bandwidth is used between the three beams that make up the beam cluster, and the bandwidth is allocated to each beam so that the inter-beam user station ratio and the inter-beam throughput ratio are equal. .

ここで、本実施形態では、式(１)に示すように、所要C/(N+I)と周波数利用効率ηの関係が連続関数ｆで表されると仮定する。   Here, in the present embodiment, it is assumed that the relationship between the required C / (N + I) and the frequency utilization efficiency η is expressed by a continuous function f as shown in Expression (1).

式(１)において、iはビーム番号(識別子)、C(i)はビームiの受信電力、I(i)はビームiが受けるビーム間干渉電力、N(i)はビームiの熱雑音電力、η(i)はビームiの周波数利用効率である。ビームiの受信電力C(i)、ビームiのビーム間干渉電力I(i)およびビームｉの熱雑音電力N(i)は、それぞれ式(２)、式(３)および式(４)で表される。   In equation (1), i is the beam number (identifier), C (i) is the received power of beam i, I (i) is the inter-beam interference power received by beam i, and N (i) is the thermal noise power of beam i. , Η (i) is the frequency utilization efficiency of the beam i. The received power C (i) of the beam i, the inter-beam interference power I (i) of the beam i, and the thermal noise power N (i) of the beam i are expressed by equations (2), (3), and (4), respectively. expressed.

ここで、注目するビームをj番目のビームとするとき、G(i，j)は注目ビームjのビームi方向へのアンテナ送信利得を示す。つまり、注目ビームｊ自身のアンテナ送信利得はG(j,j)であり、注目ビームｊが他ビーム（ここではビームｉ）に与える干渉に関するアンテナ送信利得はG(i,j)である。   Here, when the beam of interest is the j-th beam, G (i, j) represents the antenna transmission gain of the beam of interest j in the beam i direction. That is, the antenna transmission gain of the beam of interest j itself is G (j, j), and the antenna transmission gain related to the interference of the beam of interest j with another beam (here, beam i) is G (i, j).

また、P(i)はビームiに配分される電力(配分電力と称する)、Ldはノード局101からユーザ局102までのダウンリンクの自由空間損失率、Nbは全ビーム数、N0はユーザ局の周波数あたりの熱雑音電力、W(i)はビームiに配分される帯域(配分帯域と称する)である。そして、式(２)、式(３)、式(４)を式(１)に代入し、行列形式の連立方程式に書き直すと式(５)が得られる。 P (i) is power distributed to the beam i (referred to as distributed power), L d is the free space loss rate of the downlink from the node station 101 to the user station 102, N b is the total number of beams, N 0 Is the thermal noise power per frequency of the user station, and W (i) is the band allocated to beam i (referred to as the allocated band). Then, substituting Equation (2), Equation (3), and Equation (4) into Equation (1) and rewriting them into a matrix-form simultaneous equation yields Equation (5).

式（５）において、Aは式(６)で表すことができる。   In Formula (5), A can be represented by Formula (6).

ここで、全ビームでシステム電力Psysを余すことなく使用する場合、システム電力Psysは各ビームの電力の和なので、式(７)のように表すことができる。 Here, when using without exhaustive system power P sys at full beam, since the system power P sys sum of the power of each beam can be expressed as in Equation (7).

例えば、ビームクラスタに属する3ビーム(a,b,c)でシステム帯域Wsysを余すことなく使用する場合、システム帯域Wsysは、各ビームの帯域の和なので、式(８)のように表すことができる。 For example, if you use without leaving the system band W sys by belonging to the beam cluster 3 beams (a, b, c), the system band W sys is because the sum of the bandwidth of each beam, represented by the equation (8) be able to.

ここで、各ビームのスループット(bit/sec)は、式(９)に示すように、単位周波数当りの通信速度(周波数利用効率η)(bit/s/Hz)と、ビームの帯域(Hz)との積で求められる。   Here, the throughput (bit / sec) of each beam, as shown in equation (9), is the communication speed per unit frequency (frequency utilization efficiency η) (bit / s / Hz) and the beam bandwidth (Hz). It is calculated by the product of

なお、全ユーザ局に公平なスループットを提供するためには、式(１０)の示すように、ビーム間スループット比とビーム間ユーザ局数の比とが等しいことが条件となる。   In order to provide fair throughput to all user stations, it is necessary that the beam-to-beam throughput ratio is equal to the ratio of the number of beam-to-beam user stations as shown in Equation (10).

ここで、Un(i)はビームiのユーザ局数である。 Here, U n (i) is the number of user stations of beam i.

また、総スループットは、全ビームのスループットの和なので、次のように表すことができる。   Further, since the total throughput is the sum of the throughputs of all the beams, it can be expressed as follows.

このようにして、式(７)、式(８)および式(１０)の制約のもとで、式(５)より、総スループットが最大となるＷ(i)、P(i)を求める最適化問題に帰着できる(後述する図３のステップ(1)の処理に相当)。例えば、最適化問題を解くために、周知の逐次2次計画法などを用いることができる。ここで、最適化問題を解くときに必要な式（１）の連続関数fは、例えば、伝送方式毎の周波数利用効率ηと所要C/(N+I)との関係を表すグラフをN次の多項式で近似するなどの方法により求めることができる。なお、伝送方式毎の周波数利用効率ηと所要C/(N+I)との関係を表すグラフの一例については、後述する図５，図６および図７で説明する。
［無線回線割当方法の処理例］
図３は、本実施形態に係る無線回線割当方法の処理例を示す。図３に示すフローチャートは、主にステップ(1)とステップ(2)の２つの処理を有する。 In this way, under the constraints of Equation (7), Equation (8), and Equation (10), the optimum for obtaining W (i) and P (i) that maximize the total throughput from Equation (5). (Corresponding to step (1) in FIG. 3 described later). For example, a well-known sequential quadratic programming method can be used to solve the optimization problem. Here, the continuous function f of Equation (1) necessary for solving the optimization problem is, for example, an Nth order graph representing the relationship between the frequency utilization efficiency η and the required C / (N + I) for each transmission method. It can obtain | require by the method of approximating with the polynomial of. Note that an example of a graph representing the relationship between the frequency utilization efficiency η and the required C / (N + I) for each transmission method will be described with reference to FIGS.
[Example of wireless line allocation method processing]
FIG. 3 shows a processing example of the radio channel allocation method according to the present embodiment. The flowchart shown in FIG. 3 mainly includes two processes, step (1) and step (2).

図３において、ステップ(1)の処理では、ビーム間ユーザ局数比とビーム間スループット比とを等しくしつつ、全ビームの総スループットが最大となるようにビーム毎の無線リソースを設定する。図３のステップ(1)の処理は、上述した式(７) 、式(８)および式(１０)の制約のもとで、式(５)より、総スループットが最大となるＷ(i)、P(i)を求める最適化問題を解く処理に対応する。   In FIG. 3, in the processing of step (1), the radio resource for each beam is set so that the total throughput of all the beams is maximized while the ratio between the number of user stations between beams and the throughput ratio between beams are made equal. The processing of step (1) in FIG. 3 is performed by W (i) that maximizes the total throughput from equation (5) under the constraints of equations (7), (8), and (10) described above. , P (i) corresponds to the process of solving the optimization problem.

ステップ(2)の処理では、各ユーザ局の位置する場所における受信C/(N+I)以下となる所要C/(N+I)を持つ伝送パラメータ(変復調方式、誤り訂正符号化方式、スペクトラム圧縮率、偏波多重数の、少なくとも1つ以上の組み合わせ)を各ユーザ局に設定する。ここで、従来技術の表１で説明したように、誤り訂正符号化方式は、誤り訂正符号(畳み込み符号、ターボ符号、LDPC符号など)と、各誤り訂正符号の符号化率（1/2，2/3，3/4など）との組み合わせで決められるが、本実施形態においても、特に明記しない場合は、誤り訂正符号をLDPCに固定し、符号化率のみを変えるものとする。   In the process of step (2), transmission parameters (modulation / demodulation method, error correction coding method, spectrum with required C / (N + I) that are less than or equal to reception C / (N + I) at the location where each user station is located. At least one combination of compression ratio and polarization multiplexing number) is set for each user station. Here, as described in Table 1 of the related art, the error correction coding scheme includes an error correction code (convolution code, turbo code, LDPC code, etc.) and a coding rate (1/2, 2/3, 3/4, etc.), but in this embodiment as well, unless otherwise specified, the error correction code is fixed to LDPC and only the coding rate is changed.

なお、本実施形態で説明する方法は、ユーザ局102からノード局101への方向の通信回線に用いることもできるし、ノード局101からユーザ局102への方向の通信回線に用いることもできる。また、双方向の通信回線が必要な場合は、片方向ずつ本実施形態で説明する方法を適用すればよい。ここで、本実施形態では、通信回線とは別に、制御回線の伝送パラメータを予め決めておくものとする。そして、通信回線の伝送パラメータの通知は、制御回線を用いて行う。なお、制御回線では、全ユーザ局で共通の伝送パラメータを用いるようにしてもよいし、伝送パラメータが異なるユーザ局102があってもよい。   Note that the method described in this embodiment can be used for a communication line in the direction from the user station 102 to the node station 101, or can be used for a communication line in the direction from the node station 101 to the user station 102. In addition, when a bidirectional communication line is necessary, the method described in this embodiment may be applied for each direction. Here, in this embodiment, it is assumed that transmission parameters for the control line are determined in advance separately from the communication line. Then, the transmission parameter of the communication line is notified using the control line. In the control line, transmission parameters common to all user stations may be used, or there may be user stations 102 having different transmission parameters.

以下に各ステップの処理について、図３を用いて詳細に説明する。   Hereinafter, the processing of each step will be described in detail with reference to FIG.

ステップS101において、無線回線を割り当てる処理を開始する。   In step S101, processing for assigning a wireless line is started.

ステップS102において、ノード局101は、マルチビームアンテナ201のビーム毎に通信接続を行っているユーザ局102の数(発呼ユーザ局数と称する)を取得する。例えば、ノード局101は、ユーザ局102から接続を要求する制御信号を受信するので、制御信号に含まれるユーザ局102のユーザIDを数えることにより、発呼ユーザ数を取得できる。また、ノード局101は、複数のビームのうち制御信号を受信したビーム番号に基づいて、ユーザ局102が存在するビームを判別できる。なお、複数のビームで同じユーザIDを受信した場合は、受信レベルの大きい方のビームにユーザ局102が存在するものと判断する。   In step S102, the node station 101 acquires the number of user stations 102 that are performing communication connection for each beam of the multi-beam antenna 201 (referred to as the number of calling user stations). For example, since the node station 101 receives a control signal requesting connection from the user station 102, the number of calling users can be obtained by counting the user ID of the user station 102 included in the control signal. Further, the node station 101 can determine the beam in which the user station 102 exists based on the beam number that received the control signal among the plurality of beams. When the same user ID is received by a plurality of beams, it is determined that the user station 102 exists in the beam having the higher reception level.

ステップS103において、ノード局101は、マルチビームアンテナ201のビーム毎に通信を開始するときの電力(初期電力)および帯域(初期帯域)を設定する。ここで、初期電力および初期帯域は、ステップS102で取得したユーザ局数と、ノード局101が利用可能なシステム電力およびシステム帯域に基づいて設定される。例えばユーザ局数が多いビームの電力は、ユーザ局数の少ないビームの電力よりも大きく設定される。   In step S103, the node station 101 sets a power (initial power) and a band (initial band) for starting communication for each beam of the multi-beam antenna 201. Here, the initial power and the initial band are set based on the number of user stations acquired in step S102 and the system power and system band that can be used by the node station 101. For example, the power of a beam with a large number of user stations is set to be larger than the power of a beam with a small number of user stations.

ステップS104において、ノード局101は、マルチビームアンテナ201の各ビームの平均受信C/(N+I)を計算する。例えば、平均受信C/(N+I)は、ビーム構成やビーム配置、各ビームの送信電力などに基づいて計算できる。   In step S104, the node station 101 calculates the average reception C / (N + I) of each beam of the multi-beam antenna 201. For example, the average reception C / (N + I) can be calculated based on the beam configuration, beam arrangement, transmission power of each beam, and the like.

ステップS105において、ノード局101は、マルチビームアンテナ201の各ビームのスループットを計算する。各ビームのスループットは、各ビームの平均受信C/(N+I)に基づいて計算する。例えば、平均受信C/(N+I)が所要C/(N+I)より低くならない範囲で平均の周波数利用効率を求め、求めた平均の周波数利用効率と、ビームに配分した周波数帯域との積により計算できる。なお、サービスエリア内の総スループットは、各ビームのスループットの総和として求めることができる。   In step S105, the node station 101 calculates the throughput of each beam of the multi-beam antenna 201. The throughput of each beam is calculated based on the average received C / (N + I) of each beam. For example, the average frequency utilization efficiency is calculated in a range where the average reception C / (N + I) is not lower than the required C / (N + I), and the calculated average frequency utilization efficiency and the frequency band allocated to the beam It can be calculated by product. The total throughput in the service area can be obtained as the sum of the throughput of each beam.

ステップS106において、ノード局101は、ビーム間スループット比の条件を満たし、且つ、サービスエリア内の総スループットが最大であるか否かを判別する。例えば、ノード局101は、ビーム間スループット比がビーム間ユーザ局数比と等しい(或いは、予め決められた範囲内で同等と見なせる)か否かを判別すると共に、総スループットが設定可能な電力および帯域の中で最大であるか否かを判別する。そして、ビーム間スループット比の条件を満たし、且つ、総スループットが最大である場合はステップS108に進み、ビーム間スループット比の条件を満たさない、または、総スループットが最大ではない場合はステップS107に進む。   In step S106, the node station 101 determines whether or not the condition of the beam-to-beam throughput ratio is satisfied and the total throughput in the service area is the maximum. For example, the node station 101 determines whether or not the beam-to-beam throughput ratio is equal to the beam-to-beam user station number ratio (or can be regarded as equivalent within a predetermined range), and the total throughput and settable power and It is determined whether or not it is the maximum in the band. If the inter-beam throughput ratio condition is satisfied and the total throughput is maximum, the process proceeds to step S108. If the inter-beam throughput ratio condition is not satisfied, or the total throughput is not maximum, the process proceeds to step S107. .

ステップS107において、ノード局101は、マルチビームアンテナ201のビーム毎の電力および帯域を変更する。つまり、ノード局101は、ステップS104からステップS107までの処理を繰り返し実行して、総スループットが最大となるように、各ビームの帯域および電力を変更する。これにより、先に述べた最適化問題を解くことができる。   In step S107, the node station 101 changes the power and band for each beam of the multi-beam antenna 201. That is, the node station 101 repeatedly executes the processing from step S104 to step S107, and changes the band and power of each beam so that the total throughput is maximized. Thereby, the optimization problem described above can be solved.

ステップS108において、ノード局101は、各ユーザ局102のビーム内の位置における受信C/(N+I)を取得する。なお、ユーザ局102の位置情報は、各ユーザ局102から制御信号により通知される。また、ユーザ局102の受信C/(N+I)は、ユーザ局102のビーム内の位置情報に基づいて推定してもよいし、各ユーザ局102からビーコン信号の受信レベルをノード局101へ送信して、通知される受信レベルに基づいて、受信C/(N+I)を取得してもよい。   In step S108, the node station 101 acquires the reception C / (N + I) at the position in the beam of each user station 102. The location information of the user station 102 is notified from each user station 102 by a control signal. Further, the reception C / (N + I) of the user station 102 may be estimated based on the position information in the beam of the user station 102, and the reception level of the beacon signal from each user station 102 to the node station 101 The received C / (N + I) may be acquired based on the received reception level transmitted.

ステップS109において、ノード局101は、ユーザ局102毎の伝送パラメータ(変復調方式、誤り訂正符号化方式、スペクトラム圧縮率、偏波多重数など)を決定する。例えば、各ユーザ局102の受信C/(N+I)が所要C/(N+I)より低くならない範囲で周波数利用効率が高くなるように、ユーザ局102毎に伝送パラメータが決定される。   In step S109, the node station 101 determines transmission parameters (such as a modulation / demodulation method, an error correction coding method, a spectrum compression rate, and a polarization multiplexing number) for each user station 102. For example, the transmission parameters are determined for each user station 102 so that the frequency utilization efficiency is increased in a range where the reception C / (N + I) of each user station 102 does not become lower than the required C / (N + I).

ステップS110において、ノード局101は、伝送パラメータをユーザ局102に通知する。ここで、ユーザ局102への伝送パラメータの通知は、例えば制御信号により行われる。   In step S110, the node station 101 notifies the user station 102 of transmission parameters. Here, the transmission parameter is notified to the user station 102 by, for example, a control signal.

ステップS111において、無線回線を割り当てる処理を終了する。   In step S111, the process of assigning a wireless line is terminated.

このように、複数のビームでカバーするサービスエリア内に存在するユーザ局102と通信を行うマルチビーム無線通信システム100において、各ユーザ局102間で公平なスループットを提供すると共に、システム全体のスループットが増大するように無線回線を割り当てることができる。
［帯域と送信電力の設定例］
図４は、図３で説明したステップ(1)の処理において、Ur=２のときのビーム毎の配分される帯域と送信電力の設定例と、そのときのビーム毎の受信C/(N+I)とスループットの一例を示す。図４（ａ）は、ビーム番号毎に配分される帯域(MHz)の一例を示し、ビーム番号が1から19までの各ビームの帯域は約12MHzから約13MHzである。図４（ｂ）は、ビーム番号毎に設定される電力(W)の一例を示し、ビーム番号が1の電力が他のビームの電力の約2倍になっている。これは、Ur=２なので、ビーム番号が1のビームのユーザ局数が他のビームのユーザ局数の２倍となるためである。図４（ｃ）は、ビーム番号毎の平均受信C/(N+I)(dB)の一例を示し、受信C/(N+I)は約8dBから約11dBである。図４（ｄ）は、ビーム番号毎のスループット(Mbit/s)の一例を示し、Ur=２なので、ビーム番号が1のスループットがその他のビームのスループットの約2倍になっている。 As described above, in the multi-beam wireless communication system 100 that communicates with the user stations 102 existing in the service area covered by a plurality of beams, the user station 102 can provide fair throughput and the overall system throughput can be reduced. Wireless lines can be assigned to increase.
[Band and transmission power setting example]
FIG. 4 shows an example of setting the bandwidth and transmission power allocated for each beam when Ur = 2 and the received C / (N + for each beam at that time in the processing of step (1) described in FIG. An example of I) and throughput is shown. FIG. 4A shows an example of a band (MHz) allocated for each beam number, and the band of each beam with beam numbers 1 to 19 is about 12 MHz to about 13 MHz. FIG. 4B shows an example of the power (W) set for each beam number. The power of the beam number 1 is about twice the power of the other beams. This is because, since Ur = 2, the number of user stations for the beam with the beam number 1 is twice the number of user stations for the other beams. FIG. 4C shows an example of average reception C / (N + I) (dB) for each beam number, and reception C / (N + I) is about 8 dB to about 11 dB. FIG. 4D shows an example of the throughput (Mbit / s) for each beam number. Since Ur = 2, the throughput of the beam number 1 is about twice the throughput of the other beams.

また、図３で説明したステップ(2)の処理において、ステップ(1)の処理により、サービスエリア内の各ユーザ局102が存在する位置毎の受信C/(N+I)が決まるので、その受信C/(N+I)以下となる最大の所要C/(N+I)を持つ伝送パラメータを選択して、各ユーザ局102に設定する。本実施形態では、伝送パラメータは、変復調方式、誤り訂正符号化方式、スペクトラム圧縮率、偏波多重数の1つ以上の組み合わせとして決められる。   Further, in the process of step (2) described in FIG. 3, the reception C / (N + I) for each position where each user station 102 in the service area exists is determined by the process of step (1). A transmission parameter having the maximum required C / (N + I) that is equal to or less than reception C / (N + I) is selected and set in each user station 102. In the present embodiment, the transmission parameter is determined as a combination of one or more of a modulation / demodulation method, an error correction coding method, a spectrum compression rate, and a polarization multiplexing number.

ここでは、先ず、伝送パラメータが変復調方式と誤り訂正符号化方式との組み合わせである場合について説明する。   Here, a case where the transmission parameter is a combination of a modulation / demodulation method and an error correction coding method will be described first.

図５は、伝送パラメータ毎の周波数利用効率ηと所要C/(N+I)との関係の一例を示す。図５の例では、変復調方式がBPSK(Binary Phase Shift Keying)で誤り訂正符号化率が1/2の場合、変復調方式がQPSK(Quadrature Phase Shift Keying)で誤り訂正符号化率が1/2または3/4の場合、変復調方式が8PSKで誤り訂正符号化率が3/4の場合、変復調方式が16QAM(Quadrature Amplitude Modulation)で誤り訂正符号化率が1/2または2/3の場合の６つの組み合わせに対する周波数利用効率η(bit/s/Hz)と所要C/(N+I)(dB)との関係が示されている。   FIG. 5 shows an example of the relationship between the frequency utilization efficiency η and the required C / (N + I) for each transmission parameter. In the example of FIG. 5, when the modulation / demodulation method is BPSK (Binary Phase Shift Keying) and the error correction coding rate is 1/2, the modulation / demodulation method is QPSK (Quadrature Phase Shift Keying) and the error correction coding rate is 1/2 or In the case of 3/4, when the modulation / demodulation method is 8PSK and the error correction coding rate is 3/4, the modulation / demodulation method is 16QAM (Quadrature Amplitude Modulation) and the error correction coding rate is 1/2 or 2/3. The relationship between frequency utilization efficiency η (bit / s / Hz) and required C / (N + I) (dB) for two combinations is shown.

ここで、ユーザ局102ができるだけ少ない幅の周波数帯域で通信を行うには、周波数利用効率の大きい伝送パラメータを用いることが望ましい。そして、周波数利用効率の大きい伝送パラメータほど所要C/(N+I)が高くなるので、ユーザ局102は、受信C/(N+I)以下となる最大の所要C/(N+I)を持つ変復調方式、誤り訂正符号化方式の組み合わせを選択すればよい。   Here, in order for the user station 102 to perform communication in a frequency band having a width as small as possible, it is desirable to use transmission parameters with high frequency utilization efficiency. Since the required C / (N + I) becomes higher as the transmission parameter has a higher frequency utilization efficiency, the user station 102 sets the maximum required C / (N + I) that is equal to or less than the received C / (N + I). What is necessary is just to select the combination of the modulation / demodulation system and error correction encoding system which it has.

次に、伝送パラメータが変復調方式、誤り訂正符号化方式およびスペクトラム圧縮率の組み合わせである場合について説明する。   Next, a case where the transmission parameter is a combination of a modulation / demodulation method, an error correction coding method, and a spectrum compression rate will be described.

図６は、スペクトラム圧縮伝送を行う場合の伝送パラメータ毎の周波数利用効率と所要C/(N+I)との関係の一例を示す。図６の例では、図５と同様の変復調方式と誤り訂正符号化方式の組み合わせに対して、スペクトラム圧縮伝送を行った場合の特性を示す。ここで、スペクトラム圧縮伝送(例えば、非特許文献３)では、所定の変復調方式および誤り訂正符号化方式で作成された送信信号のスペクトラムを周波数領域で操作して、スペクトラムの周波数帯域Winitの一部を削除し、スループットを維持したまま通信を行うことができる。そして、周波数帯域の削除を行うときの帯域幅の単位(周波数スロット)をWslot(Hz)として、Ndel個の周波数スロットを削減したとき、スペクトラム圧縮後の所要帯域Wcomp(c)は、式（１１）で表すことができる。 FIG. 6 shows an example of the relationship between the frequency utilization efficiency for each transmission parameter and the required C / (N + I) when performing spectrum compression transmission. The example of FIG. 6 shows characteristics when spectrum compression transmission is performed for a combination of a modulation / demodulation method and an error correction coding method similar to those of FIG. Here, in spectrum compression transmission (for example, Non-Patent Document 3), a spectrum of a transmission signal created by a predetermined modulation / demodulation method and error correction coding method is manipulated in the frequency domain, and the frequency band Winit of the spectrum is set. Communication can be performed while the throughput is maintained. Then, when the unit of frequency (frequency slot) when deleting the frequency band is W slot (Hz) and N del number of frequency slots is reduced, the required band W comp (c) after spectrum compression is It can be represented by formula (11).

ここで、スペクトラム圧縮前後の所要帯域の比率をスペクトラム圧縮率ｃとして定義している。スペクトラム圧縮率ｃが小さいほど、周波数帯域当りの伝送可能なビットレートが増える。また、η'をスペクトラム圧縮前の周波数利用効率としたとき、スペクトラム圧縮率cによりスペクトラム圧縮後の周波数利用効率ηcomp(c)は、式（１２）で表すことができる。 Here, the ratio of the required band before and after spectrum compression is defined as the spectrum compression ratio c. The smaller the spectrum compression ratio c, the more the bit rate that can be transmitted per frequency band. Further, when η ′ is the frequency use efficiency before spectrum compression, the frequency use efficiency η comp (c) after spectrum compression can be expressed by Expression (12) based on the spectrum compression rate c.

なお、スペクトラム圧縮伝送による受信側での信号ひずみは、送信側での送信スペクトラムへの電力加算と受信側での受信スペクトラムに対するFECの繰り返し処理により補償される。ここで、式(１２)に示すスペクトラム圧縮よる周波数利用効率の増加と電力加算による所要C/(N+I)の増加との関係をスペクトラム圧縮カーブと呼んでいる。また、図６に示したスペクトラム圧縮カーブの形状は、FECの繰り返し数などに依存する。   Note that signal distortion on the reception side due to spectrum compression transmission is compensated for by adding power to the transmission spectrum on the transmission side and repeating FEC on the reception spectrum on the reception side. Here, the relationship between the increase in frequency utilization efficiency due to spectrum compression and the increase in required C / (N + I) due to power addition shown in Expression (12) is called a spectrum compression curve. Further, the shape of the spectrum compression curve shown in FIG. 6 depends on the number of repetitions of FEC.

次に、伝送パラメータが変復調方式、誤り訂正符号化方式および偏波多重数の組み合わせである場合について説明する。周知の多偏波多重伝送（例えば、非特許文献４）では、垂直偏波(V偏波)と水平偏波(H偏波)とが直交するVH両偏波に多重したスペクトラムに対して、１つ以上の新たな偏波軸のスペクトラムを重畳して送信する。これにより、直交するVH両偏波に多重したスペクトラムと同じ周波数帯域でスループットを増加させることができる。しかし、新たな偏波軸のスペクトラムは、V偏波とH偏波とに射影されるため、両偏波のスペクトラムに干渉成分として重畳される。これに対して、多偏波多重伝送は、周知のMLD(Maximum Likelihood Decoder)とFEC(Forward Error Correction)を組み合わせた偏波間誤差補償により、両偏波のスペクトラムから干渉成分を除去することができる。   Next, a case where the transmission parameter is a combination of a modulation / demodulation method, an error correction coding method, and a polarization multiplexing number will be described. In a known multi-polarization multiplex transmission (for example, Non-Patent Document 4), for a spectrum multiplexed on both VH polarizations in which the vertical polarization (V polarization) and the horizontal polarization (H polarization) are orthogonal, The spectrum of one or more new polarization axes is superimposed and transmitted. As a result, the throughput can be increased in the same frequency band as the spectrum multiplexed on both orthogonal VH polarized waves. However, since the spectrum of the new polarization axis is projected onto the V polarization and the H polarization, it is superimposed as an interference component on the spectrum of both polarizations. In contrast, multi-polarization multiplex transmission can remove interference components from the spectrum of both polarizations by inter-polarization error compensation that combines the well-known MLD (Maximum Likelihood Decoder) and FEC (Forward Error Correction). .

図７は、伝送パラメータ毎の周波数利用効率ηと所要C/(N+I)との関係を示す一例である。図７において、2MPは2偏波多重(VH直交偏波多重)、3MPは3偏波多重をそれぞれ示す。図７の例では、偏波多重が2MPと3MP、変復調方式がBPSKとQPSKと8PSK、誤り訂正符号化率が1/2と2/3と3/4と5/6の場合の１１個の組み合わせに対する周波数利用効率η(bit/s/Hz)と所要C/(N+I)(dB)との関係が示されている。   FIG. 7 is an example showing the relationship between frequency utilization efficiency η and required C / (N + I) for each transmission parameter. In FIG. 7, 2MP indicates dual polarization multiplexing (VH orthogonal polarization multiplexing), and 3MP indicates three polarization multiplexing. In the example of FIG. 7, 11 polarization polarizations are 2MP and 3MP, modulation / demodulation methods are BPSK, QPSK and 8PSK, and error correction coding rates are 1/2, 2/3, 3/4 and 5/6. The relationship between frequency utilization efficiency η (bit / s / Hz) and required C / (N + I) (dB) for the combination is shown.

図７において、偏波多重の数、変復調方式の多重ビット数および誤り訂正符号化率がそれぞれ大きいほど、周波数利用効率ηと所要C/(N+I)とが大きくなり、図７の例では、偏波多重が3MP、変復調方式が8PSKおよび誤り訂正符号化率が5/6のときの周波数利用効率ηと所要C/(N+I)とが最大となる。   In FIG. 7, the frequency utilization efficiency η and the required C / (N + I) increase as the number of polarization multiplexing, the number of multiplexed bits of the modulation / demodulation method, and the error correction coding rate are increased. When the polarization multiplexing is 3MP, the modulation / demodulation method is 8PSK, and the error correction coding rate is 5/6, the frequency utilization efficiency η and the required C / (N + I) are maximized.

ここで、ユーザ局102ができるだけ少ない幅の周波数帯域で通信を行うには、周波数利用効率の大きい伝送パラメータを用いることが望ましい。そして、周波数利用効率の大きい伝送パラメータほど所要C/(N+I)が高くなるので、ユーザ局102は、受信C/(N+I)以下となる最大の所要C/(N+I)を持つ変復調方式、誤り訂正符号化方式の組み合わせを選択すればよい。   Here, in order for the user station 102 to perform communication in a frequency band having a width as small as possible, it is desirable to use transmission parameters with high frequency utilization efficiency. Since the required C / (N + I) becomes higher as the transmission parameter has a higher frequency utilization efficiency, the user station 102 sets the maximum required C / (N + I) that is equal to or less than the received C / (N + I). What is necessary is just to select the combination of the modulation / demodulation system and error correction encoding system which it has.

なお、上記の説明では、伝送パラメータの要素として、(1)変復調方式、(2)誤り訂正符号化方式、(3)スペクトラム圧縮率、(4)偏波多重数を用い、(1)+(2)、(1)+(2)+(3)、(1)+(2)+(4)の３種類の組み合わせについて述べたが、これら以外の組み合わせでも構わない。   In the above description, (1) modulation / demodulation method, (2) error correction coding method, (3) spectrum compression rate, and (4) polarization multiplexing number are used as transmission parameter elements. 2), (1) + (2) + (3), (1) + (2) + (4) three types of combinations have been described, but other combinations may be used.

図８は、図３で説明したステップ(2)の処理による伝送パラメータの設定例を示す。図８において、縦軸はビーム内の垂直方向の位置、横軸はビーム内の水平方向の位置をそれぞれ示している。図８の例では、ビームの垂直方向および水平方向をそれぞれ１１等分した各位置に存在するユーザ局102にそれぞれ伝送パラメータが設定される。なお、図８の例では、伝送パラメータとして、変復調方式、誤り訂正符号化方式およびスペクトラム圧縮率を設定するようにしたが、偏波多重数など他の伝送パラメータを設定するようにしてもよい。ここで、図８において、QP3/4は変復調方式がQPSKで誤り訂正符号率が3/4であることを示し、16Q1/2は変復調方式が16QAMで誤り訂正符号率が1/2であることを示す。また、c:数字はスペクトラム圧縮率を示し、例えばc:0.86はスペクトラム圧縮率が0.86であることを示す。なお、c:数字が記載されていない場合はスペクトラム圧縮を行わないことを示す。例えば点線円401で示した位置に存在するユーザ局102の伝送パラメータは、変復調方式がQPSK、誤り訂正符号率が3/4、スペクトラム圧縮率が0.86であることを示す。また、点線円402で示した位置に存在するユーザ局102の伝送パラメータは、変復調方式が16QAM、誤り訂正符号率が1/2、スペクトラム圧縮は行わないことを示す。同様に、点線円403で示した位置に存在するユーザ局102の伝送パラメータは、変復調方式が16QAM、誤り訂正符号率が1/2、スペクトラム圧縮率が1.00であることを示す。   FIG. 8 shows a transmission parameter setting example by the process of step (2) described in FIG. In FIG. 8, the vertical axis indicates the vertical position in the beam, and the horizontal axis indicates the horizontal position in the beam. In the example of FIG. 8, transmission parameters are set in the user stations 102 that exist at respective positions obtained by dividing the vertical direction and the horizontal direction of the beam into 11 equal parts. In the example of FIG. 8, the modulation / demodulation method, the error correction coding method, and the spectrum compression rate are set as the transmission parameters. However, other transmission parameters such as the number of polarization multiplexing may be set. In FIG. 8, QP3 / 4 indicates that the modulation / demodulation method is QPSK and the error correction code rate is 3/4, and 16Q1 / 2 indicates that the modulation / demodulation method is 16QAM and the error correction code rate is 1/2. Indicates. Also, c: a number indicates a spectrum compression rate, for example, c: 0.86 indicates that the spectrum compression rate is 0.86. When c: a number is not described, it indicates that spectrum compression is not performed. For example, the transmission parameters of the user station 102 present at the position indicated by the dotted circle 401 indicate that the modulation / demodulation method is QPSK, the error correction code rate is 3/4, and the spectrum compression rate is 0.86. Further, the transmission parameter of the user station 102 existing at the position indicated by the dotted circle 402 indicates that the modulation / demodulation method is 16QAM, the error correction code rate is 1/2, and spectrum compression is not performed. Similarly, the transmission parameters of the user station 102 present at the position indicated by the dotted circle 403 indicate that the modulation / demodulation method is 16QAM, the error correction code rate is 1/2, and the spectrum compression rate is 1.00.

このように、本実施形態に係る無線回線割当方法では、ビーム内の場所ごとに異なる位置に存在するユーザ局102毎に伝送パラメータ(例えば、変復調方式、誤り訂正符号化方式およびスペクトラム圧縮率の組み合わせ)が設定される。
［性能評価］
図９は、システム帯域:36MHz、システム電力:250W、Ur=2のときのシステム全体のスループットの比較例を示す。ここで、図９に示す棒グラフ501および棒グラフ502は、本実施形態に係る無線回線割当方法を適用した場合のシステム全体のスループットの一例を示し、棒グラフ503は、従来技術を適用した場合のシステム全体のスループットの一例を示す。また、棒グラフ501は伝送パラメータが変復調方式および誤り訂正符号化方式の組み合わせである場合、棒グラフ502は伝送パラメータが変復調方式，誤り訂正符号化方式，スペクトラム圧縮率および偏波多重数の組み合わせである場合のそれぞれのシステム全体のスループットを示している。 As described above, in the radio channel allocation method according to the present embodiment, a transmission parameter (for example, a combination of a modulation / demodulation scheme, an error correction coding scheme, and a spectrum compression ratio) is provided for each user station 102 present at a different position for each location in the beam. ) Is set.
[Performance evaluation]
FIG. 9 shows a comparative example of the throughput of the entire system when the system band is 36 MHz, the system power is 250 W, and Ur = 2. Here, the bar graph 501 and the bar graph 502 shown in FIG. 9 show an example of the throughput of the entire system when the radio channel allocation method according to the present embodiment is applied, and the bar graph 503 shows the entire system when the conventional technology is applied. An example of throughput is shown. In addition, the bar graph 501 shows a case where the transmission parameter is a combination of the modulation / demodulation method and the error correction coding method, and the bar graph 502 shows a case where the transmission parameter is a combination of the modulation / demodulation method, the error correction coding method, the spectrum compression ratio, and the number of polarization multiplexes. The overall throughput of each system is shown.

このように、本実施形態に係る無線回線割当方法を適用した場合は、従来技術の棒グラフ503のスループットと比較して、システム全体のスループットが向上している。   As described above, when the radio channel allocation method according to the present embodiment is applied, the throughput of the entire system is improved as compared with the throughput of the bar graph 503 of the prior art.

図１０は、本実施形態に係る無線回線割当方法を適用した場合のビーム1とビーム2とのUr＝２におけるビーム1およびビーム2のユーザ局毎のスループットの一例を示す。なお、図１０の例は、システム帯域が36MHz、システム電力が250Wのときのユーザ局102毎のスループットである。ここで、図１０は、従来技術で説明した図１６に対応し、縦軸はスループット(kbit/s)、横軸はユーザ番号をそれぞれ示す。なお、図１６と同様に、図１０は、Ur＝２の場合を示すが、全ユーザ局は記載しておらず、ビーム1およびビーム２のユーザ局を合計100局だけピックアップしている。   FIG. 10 shows an example of the throughput for each user station of the beam 1 and the beam 2 in Ur = 2 between the beam 1 and the beam 2 when the radio channel allocation method according to the present embodiment is applied. Note that the example of FIG. 10 shows the throughput of each user station 102 when the system band is 36 MHz and the system power is 250 W. Here, FIG. 10 corresponds to FIG. 16 described in the prior art, and the vertical axis indicates the throughput (kbit / s) and the horizontal axis indicates the user number. As in FIG. 16, FIG. 10 shows a case where Ur = 2, but all user stations are not shown, and a total of 100 user stations for beam 1 and beam 2 are picked up.

図１０の例では、ビーム1内のユーザ局およびビーム2内のユーザ局の区別なく、スループットは約210kbit/sから約280kbit/sである。つまり、ビーム内のユーザ局数がビーム2よりも多いビーム1のユーザ局も、ビーム内のユーザ局数がビーム1よりも少ないビーム2のユーザ局も、同等の公平なスループットが得られている。   In the example of FIG. 10, the throughput is about 210 kbit / s to about 280 kbit / s without distinction between the user station in beam 1 and the user station in beam 2. In other words, beam 1 user stations with more user stations in beam than beam 2 and beam 2 user stations with fewer user stations in beam than beam 1 have the same fair throughput. .

このように、本実施形態に係る無線回線割当方法は、ビーム毎のユーザ局数に偏りがある場合であっても、ビーム間のユーザ局のスループットの公平性を保つことができる。   As described above, the radio channel assignment method according to the present embodiment can maintain the fairness of the throughput of user stations between beams even when the number of user stations for each beam is uneven.

以上、実施形態で説明したように、本発明に係る無線回線割当方法および無線通信装置は、各ユーザ間で公平にスループットを提供しつつ、システム全体のスループットを増大させることができる。   As described above, as described in the embodiments, the wireless channel allocation method and the wireless communication apparatus according to the present invention can increase the throughput of the entire system while providing the throughput fairly between users.

100,900・・・マルチビーム無線通信システム；101,901・・・ノード局；102,902・・・ユーザ局；201・・・マルチビームアンテナ；202,302・・・送受信部；203・・・ビーコン送信部；204,305・・・データ入出力部；205,304・・・アクセス制御部；206・・・伝送パラメータ決定部；207・・・ビームリソース配分部；301・・・アンテナ；303・・・位置検出部 100,900 ... multi-beam wireless communication system; 101,901 ... node station; 102,902 ... user station; 201 ... multi-beam antenna; 202,302 ... transmission / reception unit; 203 ... beacon transmission unit; 204,305 ... Data input / output unit; 205, 304 ... access control unit; 206 ... transmission parameter determination unit; 207 ... beam resource distribution unit; 301 ... antenna; 303 ... position detection unit

Claims (6)

予め決められた周波数帯域を繰り返し利用する複数のビームでサービスエリアをカバーする無線通信装置が前記サービスエリア内の複数の端末装置に無線回線を割り当てる無線回線割当方法であって、
前記ビーム内の前記端末装置の平均の周波数利用効率と当該ビームに配分された周波数帯域との積から求められる全ビームの総スループットが最大となり、且つ、前記ビーム間の前記端末装置の数の比と前記ビーム間のスループットの比とが等しくなるように、前記無線通信装置が利用可能なシステム全体の送信電力および周波数帯域を前記複数のビームのそれぞれに分配する分配処理と、
前記複数の端末装置から取得する前記端末装置の位置を示す位置情報に基づいて、前記端末装置毎の伝送パラメータを決定し、決定した前記伝送パラメータを示す情報をそれぞれの前記端末装置に通知する制御処理と
を実行し、
前記分配処理は、
前記ビーム毎に通信接続を行っている前記端末装置の数を取得する第１の処理と、
前記ビーム毎の送信電力および周波数帯域の初期値を設定する第２の処理と、
前記ビーム毎に設定された送信電力に基づいて平均受信Ｃ／（Ｎ＋Ｉ）を計算する第３の処理と、
前記ビーム毎に設定された周波数帯域および前記第３の処理で計算された前記平均受信Ｃ／（Ｎ＋Ｉ）に基づいてスループットを計算する第４の処理と、
前記ビーム間の前記端末装置の数の比と前記ビーム間のスループットの比とが等しく、且つ、前記総スループットが最大であるか否かを判別する第５の処理と、
前記第５の処理の判別結果が真になるまで、前記ビーム毎の送信電力および周波数帯域を変更しながら、前記第３の処理から前記第５の処理までを繰り返させる第６の処理と
を含むことを特徴とする無線回線割当方法。 A wireless communication device that covers a service area with a plurality of beams that repeatedly use a predetermined frequency band is a wireless channel allocation method that allocates a wireless channel to a plurality of terminal devices in the service area,
The total throughput of all the beams obtained from the product of the average frequency utilization efficiency of the terminal device in the beam and the frequency band allocated to the beam is maximized, and the ratio of the number of the terminal devices between the beams And a distribution process for distributing the transmission power and frequency band of the entire system that can be used by the wireless communication device to each of the plurality of beams so that the throughput ratio between the beams is equal to each other.
Control for determining a transmission parameter for each terminal device based on position information indicating the position of the terminal device acquired from the plurality of terminal devices, and notifying the terminal device of information indicating the determined transmission parameter run the process,
The distribution process is:
A first process of acquiring the number of the terminal devices performing communication connection for each beam;
A second process for setting an initial value of the transmission power and frequency band for each beam;
A third process for calculating an average received C / (N + I) based on the transmission power set for each beam;
A fourth process for calculating a throughput based on the frequency band set for each beam and the average received C / (N + I) calculated in the third process;
A fifth process for determining whether a ratio of the number of the terminal devices between the beams is equal to a ratio of the throughput between the beams and whether the total throughput is maximum;
A sixth process for repeating the third process to the fifth process while changing the transmission power and the frequency band for each beam until the determination result of the fifth process becomes true;
A method of assigning a radio channel , comprising : 請求項１に記載の無線回線割当方法において、
前記制御処理では、前記ビーム毎に分配された送信電力と周波数帯域とに基づいて、前記複数の端末装置に割り当てるべき前記伝送パラメータを前記ビーム内の位置毎に決定し、前記端末装置から取得する前記位置情報に対応する位置の前記伝送パラメータをそれぞれの前記端末装置に通知する
ことを特徴とする無線回線割当方法。 In the wireless channel allocation method according to claim 1 ,
In the control process, the transmission parameter to be allocated to the plurality of terminal devices is determined for each position in the beam based on the transmission power and frequency band distributed for each beam, and is acquired from the terminal device. A radio channel assignment method, comprising: notifying each of the terminal devices of the transmission parameter at a position corresponding to the position information. 請求項１または請求項２に記載の無線回線割当方法において、
前記伝送パラメータは、変復調方式、誤り訂正符号化方式、スペクトラム圧縮率および偏波多重数の少なくとも１つを含む
ことを特徴とする無線回線割当方法。 In the radio | wireless line allocation method of Claim 1 or Claim 2 ,
The transmission parameter includes at least one of a modulation / demodulation method, an error correction coding method, a spectrum compression rate, and a polarization multiplexing number. 予め決められた周波数帯域を繰り返し利用する複数のビームでサービスエリアをカバーし、前記サービスエリア内の複数の端末装置に無線回線を割り当てる無線通信装置において、
前記ビーム内の前記端末装置の平均の周波数利用効率と当該ビームに配分された周波数帯域との積から求められる全ビームの総スループットが最大となり、且つ、前記ビーム間の前記端末装置の数の比と前記ビーム間のスループットの比とが等しくなるように、自装置が利用可能なシステム全体の送信電力および周波数帯域を前記複数のビームのそれぞれに分配する分配部と、
前記複数の端末装置から取得する前記端末装置の位置を示す位置情報に基づいて、前記端末装置毎の伝送パラメータを決定し、決定した前記伝送パラメータを示す情報をそれぞれの前記端末装置に通知する制御部と
を有し、
前記分配部は、
前記ビーム毎に通信接続を行っている前記端末装置の数を取得する第１の処理と、
前記ビーム毎の送信電力および周波数帯域の初期値を設定する第２の処理と、
前記ビーム毎に設定された送信電力に基づいて平均受信Ｃ／（Ｎ＋Ｉ）を計算する第３の処理と、
前記ビーム毎に設定された周波数帯域および前記第３の処理で計算された前記平均受信Ｃ／（Ｎ＋Ｉ）に基づいてスループットを計算する第４の処理と、
前記ビーム間の前記端末装置の数の比と前記ビーム間のスループットの比とが等しく、且つ、前記総スループットが最大であるか否かを判別する第５の処理と、
前記第５の処理の判別結果が真になるまで、前記ビーム毎の送信電力および周波数帯域を変更しながら、前記第３の処理から前記第５の処理までを繰り返させる第６の処理と
を実行することを特徴とする無線通信装置。 In a wireless communication device that covers a service area with a plurality of beams that repeatedly use a predetermined frequency band, and that assigns a wireless line to a plurality of terminal devices in the service area,
The total throughput of all the beams obtained from the product of the average frequency utilization efficiency of the terminal device in the beam and the frequency band allocated to the beam is maximized, and the ratio of the number of the terminal devices between the beams And a distribution unit that distributes the transmission power and frequency band of the entire system that can be used by the device to each of the plurality of beams so that the throughput ratio between the beams is equal to each other.
Control for determining a transmission parameter for each terminal device based on position information indicating the position of the terminal device acquired from the plurality of terminal devices, and notifying the terminal device of information indicating the determined transmission parameter have a part and,
The distributor is
A first process of acquiring the number of the terminal devices performing communication connection for each beam;
A second process for setting an initial value of the transmission power and frequency band for each beam;
A third process for calculating an average received C / (N + I) based on the transmission power set for each beam;
A fourth process for calculating a throughput based on the frequency band set for each beam and the average received C / (N + I) calculated in the third process;
A fifth process for determining whether a ratio of the number of the terminal devices between the beams is equal to a ratio of the throughput between the beams and whether the total throughput is maximum;
A sixth process for repeating the third process to the fifth process while changing the transmission power and the frequency band for each beam until the determination result of the fifth process becomes true;
Wireless communication device, characterized by the execution. 請求項４に記載の無線通信装置において、
前記制御部は、前記ビーム毎に分配された送信電力と周波数帯域とに基づいて、前記複数の端末装置に割り当てるべき前記伝送パラメータを前記ビーム内の位置毎に決定し、前記端末装置から取得する前記位置情報に対応する位置の前記伝送パラメータをそれぞれの前記端末装置に通知する
ことを特徴とする無線通信装置。 The wireless communication apparatus according to claim 4 , wherein
The control unit determines, for each position in the beam, the transmission parameter to be allocated to the plurality of terminal devices based on the transmission power and frequency band distributed for each beam, and acquires the transmission parameter from the terminal device The wireless communication device, wherein the terminal device is notified of the transmission parameter at a location corresponding to the location information. 請求項４または請求項５に記載の無線通信装置において、
前記伝送パラメータは、変復調方式、誤り訂正符号化方式、スペクトラム圧縮率および偏波多重数の少なくとも１つを含む
ことを特徴とする無線通信装置。 The wireless communication device according to claim 4 or 5 ,
The transmission parameter includes at least one of a modulation / demodulation method, an error correction coding method, a spectrum compression rate, and a polarization multiplexing number.
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