JP5099124B2 - 無線通信品質推定方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、無線通信品質推定方法及び装置に関し、特に無線通信用端末又は無線通信用基地局において、対向する基地局又は端末との間の無線通信品質を推定する方法とその装置に関するものである。

従来から知られている無線通信品質推定方法及び装置を図3及び図4を参照して以下に説明する。なお、ここでは一例として、OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiple Access)技術を基本として説明する。

まず、無線通信品質を推定するシステムとして、図3に示すように、無線通信用端末1と所望基地局2と干渉基地局3とで構成されるシステムを考える。

無線通信信号のフレーム同期が正常に確立したと仮定して、FFT（高速フーリェ変換）後におけるk番目の周波数ポイントf_kにおけるダウンリンクの信号モデルを下記の式(1)に定義する。

ここで、y(f_k)は端末1でのFFT後の受信信号、x(f_k)は所望基地局2から端末1へ送られた既知信号（プリアンブル）(BPSK:±1)、v(f_k)は干渉基地局3から端末1へ送られた既知信号(BPSK:±1)、h(f_k)は所望基地局2から端末1への伝搬路応答、u(f_k)は干渉基地局3から端末1への伝搬路応答、n(f_k)は端末1側の熱雑音を表す。なお、x(f_k)とv(f_k)は自己相関と相互相関が低い既知信号を仮定している。

このとき、従来手法では下記の式(2)により、無線通信品質CINR(Carrier to Interference and Noise Ratio)_convを伝搬路応答h(f_k)の推定値

を用いて等価的に表している。

ここで

はh(f_k)の推定値である。

すなわち、図4に示す如く、端末1では、受信信号y(t)をFFT演算部110でFFT演算して周波数領域の受信信号y(f_k)に変換した後、この受信信号y(f_k)に基づきチャネル推定部120で伝搬路応答h(f_k)の推定値

を演算して出力する。この推定値

は電力計算部130及び140に送られる。

電力計算部130では、チャネル推定値

と既知信号発生部150から発生された既知信号x(f_k)とを乗算し、その二乗和を計算することによりチャネル推定値

を用いた所望信号の電力

を求める。電力計算部140では、推定値

と既知信号x(f_k)と受信信号y(f_k)とで端末1側の干渉信号及び雑音の電力

を求める。

そして、演算部160で、電力計算部130及び140の計算値をそれぞれ分子及び分母とした上記の式(2)による無線通信品質CINR_convを求める。

なお、複数の副搬送波に所定のパイロットシーケンスをエレメント別に相関させて出力する相関器と、前記相関器から出力された複数の副搬送波に対する相関値と少なくとも一つの隣接した副搬送波から求められる相関値との差を計算して出力する信号雑音算出部と、前記信号雑音算出部からの前記各副搬送波に対する相関値間の差から干渉及び雑音パワーを求める干渉及び雑音パワー算出部とを含む通信システムにおける干渉及び雑音推定装置及びその方法がある（例えば特許文献1参照。）。

この特許文献1では、無線通信品質CINR＝(受信信号電力−干渉雑音電力)/干渉雑音電力の算出式により、CINR推定値を求めている。
特開2005-204307号公報

上記の推定値

の一番簡単な求め方は、

であるが、この場合、当該

を式(2)に代入すると下記の式(3)に示すように分母が“0”になるため、CINR_convは無限大となってしまい、正しい値を求めることができない。

そこで、推定値

の求め方を変更し、f_kの前後サブキャリアにおける伝搬路応答(h(f_k-1);h(f_k);h(f_k+1),u(f_k-1);u(f_k);u(f_k+1))の周波数選択性がほとんど無いことを利用して、下記の式(4)で定義される推定方法を用いる。

式(1)及び式(4)を式(2)に代入すると下記の式(5)となる。

一方、理想的な無線通信品質情報は下記の式(6)で定義される。

ここでP_SOI, P_SNOI,及びP_nは下記の式(7)で表される。

なお、式(6)におけるu(f_k)v(f_k)とn(f_k)との相互相関は低いので両者の乗算値は無視されている。

前述したように、x(f_k)とv(f_k)は自己相関と相互相関が低い既知信号を仮定しているので、式(5)の分母における第一項は上記の式(7)を用いると、下記の式(8)の関係が得られる。

また式(5)の分母における第二項はガウス分布の足し算なので、式(7)を用いると下記の式(9)の関係がある。

また、式(5)の分子における第二項は、式(7)を用いると下記の式(10)の関係がある。

また式(5)の分子における第三項はガウス分布の足し算なので、式(7)を用いると下記の式(11)の関係がある。

上記の式(8)及び式(9)より、式(5)の分母が取り得る範囲は下記の式(12)で与えられる。

また式(10)及び式(11)より、式(5)の分子が取り得る範囲は下記の式(13)で与えられる。

上記の式(12)及び式(13)より、従来手法によって求めた無線通信品質CINR_convは理想的な式(6)の分母及び分子とそれぞれ異なる値を取る。更に式(13)には必要ないP_SNOIとP_nの成分が入っており、理想値からの誤差が大きくなるという課題がある。

なお、ここでは3つのサブキャリアとの平均値で伝搬路応答を求めたが、3つ以外の場合でも上記と同様な問題が生じる。

従って、本発明は、できるだけ理想値に近い無線通信品質(CINR)を推定できる方法及び装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するため、本発明に係る無線通信品質推定方法（又は装置）は、受信した所望信号の電力を示す第１の電力を求める第１ステップ（又は手段）と、受信した干渉信号の電力と雑音電力との和を示す第２の電力を求める第２ステップ（又は手段）と、該第１の電力と第２の電力との比から無線通信品質を求める第３ステップ（又は手段）と、を備え、該第１ステップ（又は手段）が、隣接する二つのサブキャリアにおける受信信号と既知信号との比の共役複素数同士の積に基づいて該第１の電力を求めるステップ（又は手段）を含み、該第２ステップ（又は手段）が、該受信信号と該既知信号と該受信信号に対するチャネル推定値とに基づいて該第２の電力を求めるステップ（又は手段）を含むことを特徴とする。

すなわち、式(5)で表されるような従来手法では、式(5)の分子には不必要なP_SNOIとP_nが含まれているので、本発明では、隣接する二つのサブキャリアにおける受信信号と既知信号との比の共役複素数同士の積に基づいて受信した所望信号の電力を示す第１の電力を求めるので、P_SNOIとP_nの成分が除去されることとなり、式(6)で表される理想的な無線通信品質情報の分子に近い値（所望信号電力）にすることが可能となる。
そして、該受信信号と既知信号と該受信信号に対するチャネル推定値とに基づいて第２の電力を求めるので、これら第1の電力と第2の電力との比によって、式(6)で表される理想的な無線通信品質を求めることができる。

また、式(5)の分母に関しては求めたいP_SNOIとP_nだけしか含まれていないので、上記の第２ステップでは、スカラー変数を乗算すればよい。スカラー変数を乗算することによって、式(6)で表される理想的な無線通信品質情報の分母に近い値にすることが可能となる。

また、上記の第２ステップは、該受信信号における該既知信号の部分とデータ部分との電力比を求めるステップと、該受信信号中のガードバンドの平均受信電力を求めるステップと、該電力比及び該平均受信電力を用いて該第２の電力を求めるステップとを含むことができる。

すなわち、受信信号における既知信号部分がデータ部分より大きい場合等を考慮してP_SNOIとP_nの成分を補正することができる。

なお、FFTサンプル数が白色ガウス雑音を想定したときの数に対応して充分大きいことが好適である。

本発明により、無線通信品質情報の正確さが高まる。その結果、適応変調/コーディングを誤り無く実行できる。そのため再送要求などのオーバヘッド回数が減ることでシステムのスループットを上げられるだけでなく、処理遅延を抑えることが可能となり、以て効率の良いシステムを構築することが可能となる。

実施例[1]
本発明の実施例[1]では、まず、無線通信品質CINRの分母（干渉信号＋雑音電力）には下記の式(14)のように式(2)の分母にスカラー変数αを乗算する。

式(12)より、

は、

の範囲の値をとるので、平均的に

に近い値になる。従って、αとしては9/8から3/2の間

を取ればよい。

また、無線通信品質CINRの分子（キャリア（所望信号）電力）には、式(2)の分子の代わりに下記の式(15)で定義される推定値を用いる。

上記の式(15)で隣接する２つのサブキャリアを用いているのは、他の基地局からの電波も抑圧するためであるが、上述の如く隣接サブキャリア間には周波数選択性が殆んど無いので、実質的には同一サブキャリアで共役複素数の積を求めていることになる。

ここで、

と定義すると、

は下記の式(16)式で与えられる。

上記の式(16)より、

は下記の式(17)で与えられる。

上記の如く、x(f_k)とv(f_k)は自己相関と相互相関が低く、また、n(f_k)は白色ガウス雑音を想定しているので、kのサンプル点数が十分にあるとき、上記の式(17)の右辺第二〜第四項は実質的に“0”に等しく、以て式(15)は下記の式(18)の値に近づく。

この式(18)は、上記の式(7)のP_SOIと等価であるので、式(6)の理想CINR_idealは、式(14)と式(15)で下記の式(19)に示すように実現できることが分かる。

すなわち、図１に示す本発明に係る無線通信品質推定方法及び装置では、受信信号y(f_k)と既知信号x(f_k)とを用いて電力計算部13において、式(15)による所望信号の電力を求めると共に電力計算部14においては、式(14)による干渉信号＋雑音の電力にスカラー変数αを乗じた値

を求める。そして、これら電力計算部13及び14でそれぞれ求めた電力を分子及び分母として式(19)による本発明のCINR_prpを求めている。
・計算機シミュレーション結果
IEEE standard 802.16-2004のシステムを参考にして、計算機シミュレーションによって本実施例手法の評価を行う。シミュレーション諸元を下記の表１に示す。

なお、FFTサイズが1024の場合、既知信号が挿入されている数（サブキャリア数k）は284個である。

また従来手法と本発明手法をそれぞれ式(20)及び式(21)で具体的に定義する。

なお、上記の式(20)及び式(21)において、伝搬路推定値は式(4)より、

とする。また、式(21)の分母における“282”はチャネル推定値

がサブキャリアの端の値を取れないため、“1”だけ少なくなっている。

上記の式(20)及び式(21)によるシミュレーション結果を図2(2)及び(1)に示す。横軸は理想値CINR_idealとの誤差の絶対値表示[db]で、縦軸はCDF（累積密度関数:確率）である。すなわち、図2のシミュレーション結果は、端末1に対して離散的に与えた受信信号y(f)から式(6)と式(19)及び式(20)を用いてそれぞれ演算した無線通信品質CINRの精度（理想無線通信品質CINR_idealからの誤差）を示したものである。

また、シナリオ1〜6は、パラメータ（既知信号x,v、端末側の熱雑音n、及び所望基地局及び干渉基地局からの各伝搬路応答h,u）を変えることにより、式(6)の理想無線通信品質CINR_idealがそれぞれ平均で2,8, 14, 20, 25, 25[dB]となるような想定システムに対応している。

同図(1)に示す本発明手法の方が、同図(2)に示す従来手法より、理想無線通信品質CINR_idealに近い確率が高く特性が良好であることが確認できる。

実施例[2]
上記の実施例[1]では、受信信号フレームにおける既知信号（プリアンブル）をデータ部分と擬制して無線通信品質CINRを求めたものであるが、実際には、既知信号部分の方がデータ部分より電力が大きいことがあり、本実施例[2]では、これに対するオフセットを掛けている。

すなわち、既知信号部分とデータ部分の電力比βが下記の式(22)で与えられるとき(β≧1のとき)、本発明では上記の式(21)のCINR_prpを下記の式(23)で計算することができる。

ここで、

はP_nの推定値である。具体的にはガードバンドの平均受信電力を求めることで計算できる。

なお、上記の式(23)では、分母において、上記と同様の第一項に雑音電力成分

を加えればよいが、同第一項にはP_nが含まれているので、

としている。

なお、本発明は、上記実施例によって限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載に基づき、当業者によって種々の変更が可能なことは明らかである。

本発明に係る無線通信品質の推定方法及び装置の構成例を示したブロック図である。 本発明及び従来例の計算機シミュレーションによる無線通信品質CINRを示したグラフ図である。 本発明及び従来例に共通の一般的な無線通信系統を示したブロック図である。 従来例よる無線通信品質の推定方法及び装置の構成例を示したブロック図である。

符号の説明

1 端末
2 所望基地局
3 干渉基地局
11 FFT演算部
12 チャネル推定部
13, 14 電力計算部
15 既知信号発生部
16 CINR演算部
図中、同一符号は同一又は相当部分を示す。

Claims (8)

1. 受信した所望信号の電力を示す第１の電力を求める第１ステップと、
   受信した干渉信号の電力と雑音電力との和を示す第２の電力を求める第２ステップと、
   該第１の電力と第２の電力との比から無線通信品質を求める第３ステップと、
   を備え、該第１ステップが、隣接する二つのサブキャリアにおける受信信号と既知信号との比の共役複素数同士の積に基づいて該第１の電力を求めるステップを含み、該第２ステップが、該受信信号と該既知信号と該受信信号に対するチャネル推定値とに基づいて該第２の電力を求めるステップを含むことを特徴とした無線通信品質推定方法。
2. 請求項１において、
   該第２ステップが、該第２の電力に所定のスカラー変数を乗ずるステップを含むことを特徴とした無線通信品質推定方法。
3. 請求項１において、
   該第２ステップが、該受信信号における該既知信号の部分とデータ部分との電力比を求めるステップと、該受信信号中のガードバンドの平均受信電力を求めるステップと、該電力比及び該平均受信電力を用いて該第２の電力を求めるステップとを含むことを特徴とした無線通信品質推定方法。
4. 請求項１において、
   FFTサンプル数が白色ガウス雑音を想定したときの数に対応して充分大きいことを特徴とした無線通信品質推定方法。
5. 受信した所望信号の電力を示す第１の電力を求める第１手段と、
   受信した干渉信号の電力と雑音電力との和を示す第２の電力を求める第２手段と、
   該第１の電力と第２の電力との比から無線通信品質を求める第３手段と、
   を備え、該第１手段が、隣接する二つのサブキャリアにおける受信信号と既知信号との比の共役複素数同士の積に基づいて該第１の電力を求める手段を含み、該第２手段が、該受信信号と該既知信号と該受信信号に対するチャネル推定値とに基づいて該第２の電力を求める手段を含むことを特徴とした無線通信品質推定装置。
6. 請求項５において、
   該第２手段が、該第２の電力に所定のスカラー変数を乗ずる手段を含むことを特徴とした無線通信品質推定装置。
7. 請求項５において、
   該第２手段が、該受信信号における該既知信号の部分とデータ部分との電力比を求める手段と、該受信信号中のガードバンドの平均受信電力を求める手段と、該電力比及び該平均受信電力を用いて該第２の電力を求める手段とを含むことを特徴とした無線通信品質推定装置。
8. 請求項５において、
   FFTサンプル数が白色ガウス雑音を想定したときの数に対応して充分大きいことを特徴とした無線通信品質推定装置。

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