特開 2023-144809 無線通信方法、無線通信装置、及び無線通信システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023144809

(43)【公開日】2023-10-11

(54)【発明の名称】無線通信方法、無線通信装置、及び無線通信システム

(51)【国際特許分類】

   H04L 27/01 20060101AFI20231003BHJP

   H04B 1/04 20060101ALI20231003BHJP

【ＦＩ】

H04L27/01

H04B1/04 Z

【審査請求】未請求

【請求項の数】3

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022051960

(22)【出願日】2022-03-28

(71)【出願人】

【識別番号】000004226

【氏名又は名称】日本電信電話株式会社

(71)【出願人】

【識別番号】899000068

【氏名又は名称】学校法人早稲田大学

(74)【代理人】

【識別番号】110003199

【氏名又は名称】弁理士法人高田・高橋国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】福園 隼人

(72)【発明者】

【氏名】栗山 圭太

(72)【発明者】

【氏名】吉岡 正文

(72)【発明者】

【氏名】宮城 利文

(72)【発明者】

【氏名】前原 文明

【テーマコード（参考）】

5K060

【Ｆターム（参考）】

5K060BB08

5K060HH06

(57)【要約】

【課題】伝送品質を維持しつつ伝送容量を最適化する。
【解決手段】送信増幅器が増幅させた平均送信電力Ｐに対して、Ｐ１ｄＢからの差をバックオフとして許容されるＰＡＰＲの値を算出し、ＰＡＰＲとロールオフ率の関係に基づいてロールオフ率αを算出し、平均送信電力に対してＳＮＲを算出し、算出したロールオフ率それぞれ及びＳＮＲとを用いて送信増幅器を介する伝送容量を算出し、平均送信電力を順次に変更しつつ、複数のＰＡＰＲの値に基づいて、算出した伝送容量の中から最適な伝送容量を決定し、最適な伝送容量となるロールオフ率を送信増幅器に対する最終的なロールオフ率として決定する。
【選択図】図５

【特許請求の範囲】

【請求項1】

送信増幅器を備えて信号を伝送する無線通信装置を用いた無線通信方法において、
前記送信増幅器が増幅させた平均送信電力Ｐに対して、Ｐ１ｄＢからの差をバックオフとして許容されるＰＡＰＲの値を算出する許容値算出工程と、
ＰＡＰＲとロールオフ率の関係に基づいてロールオフ率αを算出するα算出工程と、
平均送信電力に対してＳＮＲを算出するＳＮＲ算出工程と、
算出したロールオフ率それぞれ及びＳＮＲとを用いて前記送信増幅器を介する伝送容量を算出する容量算出工程と、
平均送信電力を順次に変更しつつ、複数のＰＡＰＲの値に基づいて、算出した伝送容量の中から最適な伝送容量を決定し、最適な伝送容量となるロールオフ率を前記送信増幅器に対する最終的なロールオフ率として決定する決定工程と
を含むことを特徴とする無線通信方法。

【請求項2】

送信増幅器を備えて信号を伝送する無線通信装置において、
前記送信増幅器が増幅させた平均送信電力Ｐに対して、Ｐ１ｄＢからの差をバックオフとして許容される各変調方式のＰＡＰＲの値を算出する許容値算出部と、
ＰＡＰＲとロールオフ率の関係に基づいてロールオフ率αを算出するα算出部と、
平均送信電力に対してＳＮＲを算出するＳＮＲ算出部と、
前記α算出部が算出したロールオフ率それぞれと、前記ＳＮＲ算出部が算出したＳＮＲとを用いて前記送信増幅器を介する伝送容量を算出する容量算出部と、
平均送信電力を順次に変更しつつ、複数のＰＡＰＲの値に基づいて、前記容量算出部が算出した伝送容量の中から最適な伝送容量を決定し、最適な伝送容量となるロールオフ率を前記送信増幅器に対する最終的なロールオフ率として決定する決定部と
を有することを特徴とする無線通信装置。

【請求項3】

送信増幅器を備えた無線通信装置により信号を伝送する無線通信システムにおいて、
前記送信増幅器が増幅させた平均送信電力Ｐに対して、Ｐ１ｄＢからの差をバックオフとして許容される各変調方式のＰＡＰＲの値を算出する許容値算出部と、
ＰＡＰＲとロールオフ率の関係に基づいてロールオフ率αを算出するα算出部と、
平均送信電力に対してＳＮＲを算出するＳＮＲ算出部と、
前記α算出部が算出したロールオフ率それぞれと、前記ＳＮＲ算出部が算出したＳＮＲとを用いて前記送信増幅器を介する伝送容量を算出する容量算出部と、
平均送信電力を順次に変更しつつ、複数のＰＡＰＲの値に基づいて、前記容量算出部が算出した伝送容量の中から最適な伝送容量を決定し、最適な伝送容量となるロールオフ率を前記送信増幅器に対する最終的なロールオフ率として決定する決定部と
を有することを特徴とする無線通信システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、送信増幅器を用いた無線通信方法、無線通信装置、及び無線通信システムに関する。

【背景技術】

【0002】

送信信号を増幅させる送信増幅器を備えた無線通信装置は、送信増幅器のロールオフ率（roll-off factor）αが小さいほど伝送帯域が狭くてすむ。また、無線通信装置のＰＡＰＲ（Peak to Average Power Ratio）は、ロールオフ率αと圧縮率（compression factor）τの関数で表される。

【0003】

例えば、非特許文献１には、ロールオフ率αごとのＰＡＰＲへのＳＲＲＣ（square root raised cosine）の寄与が開示されている。また、非特許文献２には、ロールオフ率αごとの圧縮率に対するＰＡＰＲの変化が開示されている。

【0004】

また、送信増幅器を用いて増幅させた伝送信号を無線により送信する無線通信装置の伝送容量を最適化する技術の一つとして、ＳＣ（single carrier）－ＦＴＮ（faster-than-nyquist）伝送が知られている。

【0005】

ＦＴＮ伝送は、クロック周波数を超えるシンボルレートにより変調シンボルを送出する手法であり、同伝送ビット数の高次ＱＡＭ（Quadrature Amplitude Modulation）よりもＰＡＰＲを低減することが期待される（例えば、非特許文献２，３参照）。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0006】

【非特許文献1】Marco Baldi, et al., "A comparison between APSK and QAM inwireless tactical scenarios for land mobile systems", EURASIP Journal on Wireless Communications and Networking 2012

【非特許文献2】Jean-Alain Lucciardi, et al., "Trade-Off Between Spectral Efficiency Increase And PAPR Reduction When Using FTN Signaling: Impact Of Non Linearities", IEEE ICC 2016 SAC Satellite and Space Communications

【非特許文献3】Fredrik Rusek, et al., "Constrained Capacities for Faster-Than-Nyquist Signaling", IEEE TRANSACTIONS ON INFORMATION THEORY, VOL. 55, NO. 2, FEBRUARY 2009

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

無線通信装置は、送信増幅器のバックオフとＰＡＰＲを考慮して平均送信電力を下げた場合、ＳＮＲ（Signal-to-Noise Ratio）が下がる。そのため、通信容量を最適化するためには、ロールオフ率αと圧縮率τを調整して通信品質を維持する必要がある。

【0008】

無線通信では、ＰＡＰＲの値がバックオフの値を超えて歪みが生じることを許容する場合、ＳＮＲの低下と同等の品質劣化が生じる。

【0009】

本発明は、伝送品質を維持しつつ伝送容量を最適化することができる無線通信方法、無線通信装置、及び無線通信システムを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0010】

本発明の一態様にかかる無線通信方法は、送信増幅器を備えて信号を伝送する無線通信装置を用いた無線通信方法において、前記送信増幅器が増幅させた平均送信電力Ｐに対して、Ｐ１ｄＢからの差をバックオフとして許容されるＰＡＰＲの値を算出する許容値算出工程と、ＰＡＰＲとロールオフ率の関係に基づいてロールオフ率αを算出するα算出工程と、平均送信電力に対してＳＮＲを算出するＳＮＲ算出工程と、算出したロールオフ率それぞれ及びＳＮＲとを用いて前記送信増幅器を介する伝送容量を算出する容量算出工程と、平均送信電力を順次に変更しつつ、複数のＰＡＰＲの値に基づいて、算出した伝送容量の中から最適な伝送容量を決定し、最適な伝送容量となるロールオフ率を前記送信増幅器に対する最終的なロールオフ率として決定する決定工程とを含むことを特徴とする。

【0011】

また、本発明の一態様にかかる無線通信装置は、送信増幅器を備えて信号を伝送する無線通信装置において、前記送信増幅器が増幅させた平均送信電力Ｐに対して、Ｐ１ｄＢからの差をバックオフとして許容される各変調方式のＰＡＰＲの値を算出する許容値算出部と、ＰＡＰＲとロールオフ率の関係に基づいてロールオフ率αを算出するα算出部と、平均送信電力に対してＳＮＲを算出するＳＮＲ算出部と、前記α算出部が算出したロールオフ率それぞれと、前記ＳＮＲ算出部が算出したＳＮＲとを用いて前記送信増幅器を介する伝送容量を算出する容量算出部と、平均送信電力を順次に変更しつつ、複数のＰＡＰＲの値に基づいて、前記容量算出部が算出した伝送容量の中から最適な伝送容量を決定し、最適な伝送容量となるロールオフ率を前記送信増幅器に対する最終的なロールオフ率として決定する決定部とを有することを特徴とする。

【0012】

また、本発明の一態様にかかる無線通信システムは、送信増幅器を備えた無線通信装置により信号を伝送する無線通信システムにおいて、前記送信増幅器が増幅させた平均送信電力Ｐに対して、Ｐ１ｄＢからの差をバックオフとして許容される各変調方式のＰＡＰＲの値を算出する許容値算出部と、ＰＡＰＲとロールオフ率の関係に基づいてロールオフ率αを算出するα算出部と、平均送信電力に対してＳＮＲを算出するＳＮＲ算出部と、前記α算出部が算出したロールオフ率それぞれと、前記ＳＮＲ算出部が算出したＳＮＲとを用いて前記送信増幅器を介する伝送容量を算出する容量算出部と、平均送信電力を順次に変更しつつ、複数のＰＡＰＲの値に基づいて、前記容量算出部が算出した伝送容量の中から最適な伝送容量を決定し、最適な伝送容量となるロールオフ率を前記送信増幅器に対する最終的なロールオフ率として決定する決定部とを有することを特徴とする。

【発明の効果】

【0013】

本発明によれば、伝送品質を維持しつつ伝送容量を最適化することができる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】ロールオフ率αごとのＰＡＰＲへのＳＲＲＣの寄与を例示するグラフである。

【図2】ロールオフ率αごとの圧縮率に対するＰＡＰＲの変化を例示するグラフである。

【図3】（ａ）は、ＳＣ－６４ＱＡＭのコンスタレーションを示す図である。（ｂ）は、歪んだＳＣ－６４ＱＡＭのコンスタレーションを示す図である。

【図4】一実施形態にかかる無線通信装置が備える送信増幅器の入出力特性を例示するグラフである。

【図5】一実施形態にかかる無線通信装置が伝送品質を維持しつつ伝送容量を最適化するために有する機能を例示する機能ブロック図である。

【図6】一実施形態にかかる無線通信装置の動作例を示すフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0015】

一実施形態にかかる無線通信システムは、送信増幅器を備えた送信装置（無線通信装置）が受信装置に対して信号を例えばＳＣ－ＦＴＮ伝送するように構成されている。ここでは、無線通信装置の伝送容量を最適化するようにロールオフ率αを算出する。

【0016】

まず、ＳＣ－ＦＴＮ伝送のＰＡＰＲについて説明する。ＰＡＰＲは、ロールオフ率αと圧縮率τの関数で表される。

【0017】

図１は、ロールオフ率αごとのＰＡＰＲへのＳＲＲＣの寄与を例示するグラフである。図１においては、ロールオフ率αに対するＳＲＲＣのＰＡＰＲの増加分が例示されている（非特許文献１参照）。

【0018】

図２は、ロールオフ率αごとの圧縮率に対するＰＡＰＲの変化を例示するグラフである。図２においては、圧縮率τに依存した信号の重なりにより、ＰＡＰＲが変化していることが示されている（非特許文献２参照）。

【0019】

次に、ＳＣ－ＦＴＮの伝送容量と、送信増幅器による歪について説明する。ＦＴＮの伝送容量Ｃ_ＦＴＮは、下式（１）によって表され、下式（２）が成り立つときに最大となる（非特許文献３参照）。

【0020】

【数1】

【数2】

【0021】

ただし、τはＦＴＮの圧縮率、ロールオフ率αはロールオフ率、Ｗはバンド幅、Ｔはシンボル持続時間、Ｐは受信電力、Ｎ_０はノイズ電力、ＳＮＲはＳＮ比（Ｐ／Ｎ_０）、Ｈ（・）は通信路の周波数応答とする。

【0022】

上式（２）を前提とした場合、伝送容量Ｃ_ＦＴＮは、２つの変数ＳＮＲ及びロールオフ率αの関数とみることができる。

【0023】

しかし、送信増幅器のバックオフとＰＡＰＲを考慮して平均送信電力を下げた場合、ＳＮＲが下がってしまう。

【0024】

例えば、図３（ａ）に示したＳＣ－６４ＱＡＭのコンスタレーションは、ＰＡＰＲの値が送信増幅器のバックオフの値を超えた場合、図３（ｂ）に示したように歪んでしまう。

【0025】

そのため、伝送品質を維持しつつ通信容量を最適化するためには、ロールオフ率αと圧縮率τを調整して通信品質を維持する必要がある。

【0026】

例えば、ＰＡＰＲの値がバックオフの値を超えて歪みが生じることを許容する場合、ＳＮＲの低下と同等の品質劣化が生じてしまうため、ロールオフ率α及び圧縮率τなどのパラメータ調整する必要がある。

【0027】

そこで、一実施形態にかかる無線通信装置は、送信増幅器による歪が生じ得る場合にも、伝送品質を維持しつつ伝送容量を最適化するように構成されている。なお、一実施形態にかかる無線通信装置は、以下の（Ａ）～（Ｃ）の３つを前提とする。

【0028】

（Ａ）：無線通信装置は、伝送容量Ｃ_ＦＴＮが最大となるように上式（２）の関係性を保持する。

【0029】

（Ｂ）：無線通信装置は、変調方式ごとにＰＡＰＲがロールオフ率α（τの関数）に対して一意となり、予め各変調方式（例えば１６ＱＡＭと１６ＡＰＳＫそれぞれ）に対するＰＡＰＲとロールオフ率αの関係表（ルックアップテーブルなど）を保持している。

【0030】

（Ｃ）無線通信装置は、ＰＡＰＲの値が送信増幅器のバックオフの値を超えて歪みが生じることを許容する。

【0031】

図４は、一実施形態にかかる無線通信装置が備える送信増幅器の入出力特性を例示するグラフである。ここでは、Ｐ１ｄＢ（1dB compression point）と、動作点となる平均送信電力との差をバックオフとする。また、ＰＡＰＲの値は、送信増幅器のバックオフの値を超えている。

【0032】

そして、一実施形態にかかる無線通信装置は、以下の（ａ）～（ｄ）の処理を行い、最適なＦＴＮ効率、ロールオフ率、及びＳＮＲ（劣化ＳＮＲ換算量）の組合せを選択し、伝送容量の最適化を実現する。

【0033】

（ａ）：無線通信装置は、各変調方式（例えば１６ＱＡＭと１６ＡＰＳＫ）のＰＡＰＲに対してロールオフ率αを関係表からそれぞれ特定し、送信増幅器のＰＡＰＲがバックオフを超える量と、最小ユークリッド距離に基づいて劣化ＳＮＲ換算量を計算する。

【0034】

（ｂ）：無線通信装置は、ＰＡＰＲに対して、下式（３）を用いてＳＮＲを算出する。

【0035】

【数3】

【0036】

（ｃ）：無線通信装置は、特定したロールオフ率αそれぞれと、算出したＳＮＲとを用いて、上式（１）により伝送容量Ｃ_ＦＴＮを算出する。

【0037】

（ｄ）：無線通信装置は、複数のＰＡＰＲの値から最適なＣ_ＦＴＮを決定し、最適なＣ_ＦＴＮとなるロールオフ率αを送信増幅器に対する最終的なロールオフ率αとして決定する。

【0038】

次に、一実施形態にかかる無線通信装置が備える機能の具体例について説明する。図５は、一実施形態にかかる無線通信装置が伝送品質を維持しつつ伝送容量を最適化するために有する機能を例示する機能ブロック図である。

【0039】

図５に示したように、一実施形態にかかる無線通信装置は、記憶部１０、許容値算出部１１、α算出部１２、ＳＮＲ算出部１３、容量算出部１４、及び決定部１５を有する。

【0040】

記憶部１０は、上述した関係表など、無線通信装置が伝送品質を維持しつつ伝送容量を最適化するために必要な情報を記憶するメモリなどである。

【0041】

許容値算出部１１は、送信増幅器による平均送信電力Ｐに対して、Ｐ１ｄＢからの差をバックオフとして許容されるＰＡＰＲの値を算出し、算出結果を記憶部１０及びα算出部１２に対して出力する。

【0042】

つまり、許容値算出部１１は、送信増幅器が増幅させた平均送信電力Ｐに対して、Ｐ１ｄＢからの差をバックオフとして許容される各変調方式のＰＡＰＲの値を算出する。

【0043】

α算出部１２は、ＰＡＰＲとロールオフ率αの関係に基づいてロールオフ率αを算出し、算出結果を記憶部１０及びＳＮＲ算出部１３に対して出力する。

【0044】

ＳＮＲ算出部１３は、記憶部１０にアクセスし、平均送信電力Ｐに対して上式（３）を用いてＳＮＲを算出し、算出したＳＮＲを記憶部１０及び容量算出部１４に対して出力する。

【0045】

容量算出部１４は、記憶部１０にアクセスし、α算出部１２が算出したロールオフ率αそれぞれと、ＳＮＲ算出部１３が算出したＳＮＲとを用いて、上式（１）により伝送容量Ｃ_ＦＴＮを算出し、算出結果を記憶部１０及び決定部１５に対して出力する。例えば、容量算出部１４は、ＳＣ－ＦＴＮ伝送における許容される各変調方式のＰＡＰＲの値を算出する。

【0046】

つまり、容量算出部１４は、α算出部１２が算出したロールオフ率それぞれと、ＳＮＲ算出部１３が算出したＳＮＲとを用いて送信増幅器を介する伝送容量を算出する。

【0047】

決定部１５は、記憶部１０にアクセスし、平均送信電力Ｐを順次に変更しつつ、複数のＰＡＰＲの値から最適な伝送容量Ｃ_ＦＴＮを決定し、最適なＣ_ＦＴＮとなるロールオフ率αを送信増幅器に対する最終的なロールオフ率αとして決定する。

【0048】

つまり、決定部１５は、平均送信電力を順次に変更しつつ、複数のＰＡＰＲの値に基づいて、容量算出部１４が算出した伝送容量の中から最適な伝送容量を決定し、最適な伝送容量となるロールオフ率を送信増幅器に対する最終的なロールオフ率として決定する。

【0049】

このように、一実施形態にかかる無線通信装置は、最適なＦＴＮ効率、ロールオフ率α、及びＳＮＲ（劣化ＳＮＲ換算量）の組合せを選択することにより、伝送容量Ｃ_ＦＴＮの最適化を実現する。

【0050】

次に、一実施形態にかかる無線通信装置の動作例について説明する。図６は、一実施形態にかかる無線通信装置の動作例を示すフローチャートである。

【0051】

ステップ１００（Ｓ１００）において、許容値算出部１１は、送信増幅器による平均送信電力Ｐに対して、Ｐ１ｄＢからの差をバックオフとして許容されるＰＡＰＲの値を算出する。

【0052】

ステップ１０２（Ｓ１０２）において、α算出部１２は、ＰＡＰＲとロールオフ率αの関係に基づいてロールオフ率αを算出する。

【0053】

ステップ１０４（Ｓ１０４）において、ＳＮＲ算出部１３は、平均送信電力に対して上式（３）を用いてＳＮＲを算出する。

【0054】

ステップ１０６（Ｓ１０６）において、容量算出部１４は、α算出部１２が算出したロールオフ率αそれぞれと、ＳＮＲ算出部１３が算出したＳＮＲとを用いて、上式（１）により伝送容量Ｃ_ＦＴＮを算出する。

【0055】

ステップ１０８（Ｓ１０８）において、決定部１５は、容量算出部１４が算出したＣ_ＦＴＮが、記憶部１０が以前に記憶したＣ_ＦＴＮより大きいか否かを判定し、大きい場合（Ｓ１０８：Ｙｅｓ）にはＳ１１０の処理に進み、その他の場合（Ｓ１０８：Ｎｏ）にはＳ１１２の処理に進む。

【0056】

ステップ１１０（Ｓ１１０）において、記憶部１０は、容量算出部１４が最後に算出したＣ_ＦＴＮを記憶する。

【0057】

ステップ１１２（Ｓ１１２）において、決定部１５は、平均送信電力ＰがＰｍａｘ（送信電力最大値）よりも大きいか否かを判定し、大きい場合（Ｓ１１２：Ｙｅｓ）には処理を終了し、その他の場合（Ｓ１１２：Ｎｏ）にはＳ１１４の処理に進む。

【0058】

ステップ１１４（Ｓ１１４）において、決定部１５は、平均送信電力Ｐ_ｉをＰ_ｉ＋１（ただし、・・・＜Ｐ_ｉ－１＜Ｐ_ｉ＜Ｐ_ｉ＋１＜・・・）とする。

【0059】

つまり、決定部１５は、平均送信電力Ｐを順次に変更しつつ、複数のＰＡＰＲの値から最適な伝送容量Ｃ_ＦＴＮを決定し、最適なＣ_ＦＴＮとなるロールオフ率αを送信増幅器に対する最終的なロールオフ率αとして決定する。

【0060】

このように、送信信号を増幅させる送信増幅器を備えた無線通信装置は、ロールオフ率α、及び劣化ＳＮＲ換算量の組合せを決定し、伝送品質を維持しつつ伝送容量を最適化することができる。

【0061】

なお、上述した無線通信装置を構成する各部は、一部又は全部が、ハードウェアによって構成されてもよいし、メモリ等に記憶されたプログラムをプロセッサに実行させることによって構成されてもよい。

【0062】

また、無線通信装置を構成する各部は、一部又は全部がプログラムをプロセッサに実行させることによって構成されている場合、当該プログラムが記録媒体に記録されて供給されてもよいし、ネットワークを介して供給されてもよい。

【符号の説明】

【0063】

１０・・・記憶部、１１・・・許容値算出部、１２・・・α算出部、１３・・・ＳＮＲ算出部、１４・・・容量算出部、１５・・・決定部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】