<4D F736F F F696E74202D2091E630348FCD91BD8F6489BB82C6837D838B E835A83582E >

Size: px

Start display at page:

Download "<4D F736F F F696E74202D2091E630348FCD91BD8F6489BB82C6837D838B E835A83582E >"

こうじうみのなか
5 years ago
Views:

1 応用電気通信工学第 4 章多重化とマルチアクセス電気通信工学専攻安達文幸目次 4. マルチアクセスの目的 4.2 マルチアクセスの分類 4.3 デマンドアサインに基づくマルチアクセス 4.3. FDMA TDMA デュープレックス周波数利用効率 4.4 ランダムアクセス 4.4. ALOHA CSMA ISMA 予約ランダムアクセス FA/Tohoku_U 応用電気通信工学 FA/Tohoku_U 応用電気通信工学 2 マルチアクセスマルチアクセスとは, 多数の送信者がつの通信路を共有して送信することを言う. 受信点はつである. 携帯電話が良い例である. 4. マルチアクセスの目的基地局 FA/Tohoku_U 応用電気通信工学 3 FA/Tohoku_U 応用電気通信工学 4

2 移動通信システム十分な数のチャネルがあれば, 通信ユーザ一人一人に異なるチャネルを割り当てることができる. しかし, これでは周波数利用効率が低い. ユーザ数よりはるかに少ない数のチャネルを用いて通信できるようにする技術が, マルチアクセス技術である. 最も良い例が移動通信システムである. 上りリンクと下りリンク上りリンク ( 端末から基地局へのリンク ):multipoint-to-point 通信であり, マルチアクセス技術 (multiple access technique) を用いている. 下りリンク ( 基地局から端末へのリンク ):point-to-multipoint 通信であるので, ユーザ間の調整は不必要であり, 多重技術 (multiplexing technique) が用いられる. しかし, 最近では, 下りリンクの場合にも多くのユーザの中から少数のユーザを選択してパケットを送信するスケジューリングが用いられるようになったことから, 下りリンクでもマルチアクセスという用語が用いられるようになった. FA/Tohoku_U 応用電気通信工学 5 基地局移動局 ALOHA ICMA チャネル要求チャネル割当移動局チャネル設定チャネル捕捉制御チャネル通信チャネル (a) チャネル構造通信通信 (b) 移動局の状態遷移基地局チャネル放棄 FDMA TDMA チャネル放棄通信状態アイドル (idle) FA/Tohoku_U 応用電気通信工学マルチアクセスの分類 FA/Tohoku_U 応用電気通信工学 7 デマンドアサインに基づくマルチアクセス技術連続でかつ伝送遅延が短いことが要求される通信 ( 例えば音声通信 ) で用いられる. ランダムアクセス技術パケット伝送のような通信に用いられる. マルチアクセス技術デマンドアサインランダム周波数分割マルチアクセス (FDMA) 分割マルチアクセス (TDMA) 符号分割マルチアクセス () 純粋ランダム予約ランダム ALOHA CSMA ICMA 予約 ALOHA PRMA FA/Tohoku_U 応用電気通信工学 8

3 4.3 デマンドアサインに基づくマルチアクセス技術 4.3. FDMA TDMA デュープレックス周波数利用効率 FA/Tohoku_U 応用電気通信工学 9 周波数分割マルチアクセス (FDMA): 割り当てられた帯域を複数の帯域に分割し, 各帯域をユーザに割り当てる分割マルチアクセス (TDMA): をスロットに分割し, 各スロットにユーザを割り当てる符号分割マルチアクセス (): 全てのユーザが全帯域とを共有する. ユーザ識別には拡散符号を用いる周波数 FDMA TDMA 拡散符号 FA/Tohoku_U 応用電気通信工学 FDMA FDMA と TDMA チャネルに重なりがなく完全直交しているので, 干渉が発生しない. 拡散符号を用いてチャネルを形成する. 上りリンクではユーザ位置が異なるので, 同期が難しい. 異なるユーザに割り当てられた拡散符号間の相互相関がゼロでないので, これが干渉になる. 単一無線セルの移動通信では, の周波数利用効率 ( ユーザ数 / 総チャネル数 ) は FDMA や TDMA より小さい. しかし, 多数の無線セルを用いて広いサービスエリアをカバーする携帯電話方式などではこれが逆転する. 動作周波数利用効率を高くするため,チャネルあたりの帯域幅を狭くしている. このために用いられるのが, 低ビットレート音声符号化や線形多値ディジタル変調 ( ナイキストフィルタで帯域制限した PSKやQAM) 技術である. 送信情報 ( 音声など ) を~2ms 毎のデータ系列に分割し ( フレーム化 ), 誤り訂正符号化したあと, 狭帯域変調する. 高安定な周波数シンセサイザとチャネル選択フィルタが必要である. 設計例音声符号化 :8kbps 誤り訂正符号化 : 符号化率.5の畳み込み変調 :4PSK, ロールオフ率.5のナイキストフィルタチャネル帯域幅 :8 2/2.5=2kHz FA/Tohoku_U 応用電気通信工学 FA/Tohoku_U 応用電気通信工学 2

4 送受信機と送受信タイミング音声符復号器チャネル符復号器データ変調器復調器 (a) 送受信機構成フィルタ周波数変換シンセサイザフィルタ ~ 例題 4. ( 問 )8kbps 音声符号化, 符号化率.5 の畳み込み誤り訂正符号化, ロールオフ率.5 のナイキストフィルタで帯域制限した 4PSK 変調を用いる FDMA のチャネル帯域幅を求めよ. ( 解 ) チャネル帯域幅 :8 2/2.5=2kHz 下りリンク (FDM) チャネル # ( 周波数 #i) チャネル # ( 周波数 #j) フレーム (~2ms) 上りリンク (FDMA) チャネル # ( 周波数 #p) チャネル # ( 周波数 #q) (b) 送受信タイミング FA/Tohoku_U 応用電気通信工学 3 FA/Tohoku_U 応用電気通信工学 4 TDMA フレーム構造をフレームに分割し, 各フレームを更にスロットに分割する. フレーム (~2ms) マルチアクセス通信中の各ユーザは割り当てられたスロット位置で信号を送信する. 送信がお互いに分けられているので, 理想的な場合, 干渉がない. TDMA は FDMA と組み合わせて使われるのが一般的である. すなわち, 周波数帯域を複数の TDMA 帯域に分け, 各 TDMA 帯域は TDMA として使われるというもの. 同期符号制御データユーザデータガードチャネルスロットフレーム内のつのスロットがつのチャネルになる. すなわち, 周期的 ( フレーム毎 ) につのスロットが割り当てられる. この割当は固定されている. ユーザの伝送速度の要求に応じて,つまたはそれ以上のスロットがユーザに割り当てられる. FA/Tohoku_U 応用電気通信工学 5 FA/Tohoku_U 応用電気通信工学 6

5 送受信機と送受信タイミング音声符復号下りリンク上りリンクチャネル符復号分離データ変調復調 (a) 基地局送受信機 (NチャネルTDMA) フレーム (N 個のスロット ) チャネル # チャネル # チャネル #2 多重 2 N 2 N (b) 送受信タイミング周波数変換フィルタシンセサイザフィルタ N - FA/Tohoku_U 応用電気通信工学 7 ~ 往復遅延とガード各ユーザは下りリンクのタイミングに同期して送信するので, 全てのユーザは同期しているように見えるが, 各ユーザは異なる位置にいるので伝搬が異なり, 各ユーザの送信タイミングは厳密には一致していない. 更に, 各ユーザが送信したバースト信号は異なる伝搬だけ過ぎてから基地局に到達する. 結局, 往復遅延 ( ラウンドトリップ遅延 ) は=2d/c となる. ここで,dは基地局とユーザ間の距離,cは光速(3 8 m/s) である. 衝突が発生しないよう往復遅延に等しいガードが必要である. 送信スロットスロット基地局移動局受信送信 =2d/c ユーザデータユーザデータガードガード FA/Tohoku_U 応用電気通信工学 8 例題 4.2 TDMA 方式の最大通信可能距離ガードが最大往復遅延より短いと, 基地局で受信されるユーザのバースト信号はお互いに衝突して正しく受信されない場合がある. 送信タイミング制御衝突を避けるためガードを増加すると, 周波数利用効率が低下する. すなわち, 一定の情報伝送速度とスロット長を確保するためには, 伝送速度を高くしないといけないが, こうすると TDMA 帯域幅が広がってしまう. ガードを少なくするため, 移動局の送信タイミングを早めたり遅らせたりするコマンドを基地局から送信している. ( 問 )8 チャネル TDMA の帯域幅を, 下記の条件の下で求めよ. 音声符号化 :8kbps 誤り訂正符号 : 符号化率.5 の畳み込み変調 :4PSK, ロールオフ率.5 のナイキストフィルタフレーム長 :2 ミリ秒スロット長 :2/8 ミリ秒ガード : 最大通信可能距離 5km とすると 33 マイクロ秒 ( 解 ) 帯域幅 :8 2 /2.5 2/(2/8-.33) =97.28kHz チャネル当たりの帯域幅 :97.28/8=2.6kHz FA/Tohoku_U 応用電気通信工学 9 FA/Tohoku_U 応用電気通信工学 2

6 TDMA 携帯電話 ( 日本標準 PDC 方式 ) フルレート : 同時に 3 ユーザが通信できる 3 チャネル TDMA である. 2 ミリ秒 (ms) に一回送信する. ハーフレート : 同時に 6 ユーザが通信できる 6 チャネル TDMA である. 4 ミリ秒 (ms) に一回送信する. 現在は殆ど,6 チャネル TDMA が使われている. フルレートト TDMA(3ch) 上り TDMA 2ms 移動機 # 移動機 # 交換局基地局固定網へ下り TDM 移動機 #2 FA/Tohoku_U 応用電気通信工学 2 PDC と PHS PDCハーフレート 4ms 下り上り PHS ch PDC PHS 周波数帯 8, 5MHz 9MHz 搬送波周波数間 25kHz インターリー 3kHz 隔ブ無線伝送速度 42kbps 384kbps マルチアクセス TDMA-FDD TDMA-TDD 搬送波当たりのチャネル数 6 ( ハーフレート ) 4 変調方式 /4-QPSK /4-QPSK 音声符号化 5.6kbpsPSI-CELP 32kbps ADPCM ch ch ch 2 3 下り 5ms 2 3 ch 2 3 上り下り基地局移動局上り FA/Tohoku_U 応用電気通信工学 22 全ユーザが同一の周波数帯域を共有するのがである. 拡散符号系列によってチャネルが生成される. には次の 2 つがある. 直接拡散 (DS-) 周波数ホッピング (FH-).25MHz や 5MHz の拡散帯域を持つ DS- は第 3 世代携帯電話方式で採用されている. 一方,FH- は携帯端末と周辺機器を接続する無線リンクで採用されている (Bluetooth). 直接拡散 (DS-) データ速度より高速の拡散符号系列を, 変調信号に乗積することにより広い帯域幅の信号に変換する. データ変調 2 値送信データ系列 ( 例えば音声符号化器出力 ) を誤り訂正符号化し, データ変調シンボル系列に変換する. 拡散変調データ変調シンボル系列を拡散符号系列と乗積する. 拡散符号系列はチップ系列とも言われ, ほとんどの場合, + または - の 2 値系列である. 逆拡散受信側では, 送信と同じ拡散符号系列を受信信号に乗積し相関がとられる. これにより送信されたデータ変調シンボル系列が得られる. FA/Tohoku_U 応用電気通信工学 23 FA/Tohoku_U 応用電気通信工学 24

7 送受信機と送受信タイミング Voice codec Voice codec 音声符復号下りリンクチャネル # ( 符号 #i) チャネル # ( 符号 #j) 上りリンクチャネル # ( 符号 #p) チャネル # ( 符号 #q) Channel チャネルDemo- dulator Spreader/ codec despreade Channel dulator 変調復 despreade 拡散逆 Spreader/ チャネル r codec 符復号調拡散 r (a) 基地局送受信機の構成フレーム (~2ms) (b) 送受信タイミング + 周波数変換フィルタ搬送波フィルタ FA/Tohoku_U 応用電気通信工学 25 ~ 下りリンク全チャネルは同期しているので, 直交拡散符号系列を用いることができる ( すなわち, 干渉が発生しない ). 上りリンク通信中の各ユーザは割り当てられた拡散符号を用いて送信信号を拡散する.TDMA のときと同じように, 各ユーザの送信タイミングは同期していないので, 直交符号を用いて干渉をなくすことができない. そこで, 擬似雑音系列 (PN: pseudo noise sequence) のような擬似直交符号系列が用いられる. FA/Tohoku_U 応用電気通信工学 26 拡散と逆拡散符号化データデータ変調 (a) 送信機干渉 (b) 受信機 W/R f 拡散符号生成拡散拡散された信号 f B 拡散された信号拡散符号生成逆拡散 FA/Tohoku_U 応用電気通信工学 27 f フィルタフィルタ f f データ復調符号化データ拡散過程拡散率 (SF: spreading factor) が4で, データ変調と拡散変調ともに2PSKの場合の例を下図に示す. データ変調 (2PSK) 拡散符号系列搬送波 cos(2f c t) 拡散された信号 FA/Tohoku_U 応用電気通信工学 28

8 データ変調波の帯域幅情報データレートをW bits/sec (bps), 誤り訂正符号化の符号化率をR(<) とする. データ変調に2PSKを用いるとき, データ変調波の帯域幅はW/R Hzとなる. 拡散率と処理利得拡散帯域幅をB Hzとする ( 一般的にはB>>W). 拡散帯域幅とデータ変調帯域幅との比 SF=B/(W/R) は拡散率と呼ばれる. 一方, 拡散帯域幅と情報データレートとの比 B/Wは処理利得 G p と呼ばれる. 拡散された信号の電力スペクトル密度データ変調信号のそれの /SF になる. 拡散前と拡散後の電力スペクトル密度白色雑音電力スペクトル密度 N 拡散前の帯域幅 W/R ユーザ当たりの電力スペクトル密度 =S/B f c 拡散帯域幅 B f FA/Tohoku_U 応用電気通信工学 29 逆拡散相互相関の低い拡散符号を用いれば, ユーザを識別できる. 受信したいユーザの拡散符号に同期した拡散符号を発生させて受信信号に乗積し積分すれば ( 相関 ), そのユーザのデータ変調波を得ることができる. 他ユーザの電力スペクトル密度他ユーザの信号は帯域幅 Bに拡散されたままであるので, 希望ユーザの変調波のそれの/SFである. FA/Tohoku_U 応用電気通信工学 3 遠近問題と送信電力制御 (TPC:transmit power control) 上りリンクの拡散符号は PN 符号である.PN 符号間の相互相関は零ではないので, 他ユーザの信号からの干渉を受ける. 基地局に近いユーザの信号は強く, 遠くのユーザの信号は弱い. このため, 基地局に近いユーザの信号は遠くのユーザの信号に大きな干渉を与えることになる. これが遠近問題である. 全てのユーザの信号が同一電力で受信されるように, 移動局の送信電力を制御することが必要になる. FA/Tohoku_U 応用電気通信工学 3 FA/Tohoku_U 応用電気通信工学 32

9 高速送信電力制御 ( 高速 TPC) 移動通信では, ユーザの移動につれて受信電力が激しく変動する. これをマルチパスフェージングと言う. 最大ドップラー周波数 f D は f D =v/ で与えられる. ここで, v は移動速度 (m/s) であり, は搬送波波長である. f c =2GHz で v=5m/s(54km/h) のとき, 受信電力の変動の速さは Hz にも達する. このような場合, 遠近問題と同じような信号電力間の大小関係が発生する. 常に一定の受信電力になるよう送信電力を制御するのが高速 TPC である. マルチパスフェージング (f D =4Hz@v=.6m/s(2.6km/h) および f c =2GHz) があるときの受信電力の瞬時変動. db 受信電力 RBW 3 khz VBW 3 khz SWP 2. s.4sec FA/Tohoku_U 応用電気通信工学 33 CENTER.995 GHz SPAN Hz FA/Tohoku_U 応用電気通信工学 34 閉ループ高速 TPC コマンド送信電力制御コマンド 8~5 回 / 秒閉ループ高速 TPC の簡単なモデル基地局で受信品質測定目標品質との比較と TPC コマンド生成下りリンクで TPC コマンドを移動局へ送信移動局では送信電力を調整 P( n ) db, P( n) P( n ) db, 受信品質目標値のとき受信品質目標値のときコマンド P(n-) db + 制御 T tpc 送信電力 P(n) db 上りリンク品質測定目標品質 db 比較下りリンクコマンド生成 FA/Tohoku_U 応用電気通信工学 35 移動局基地局 FA/Tohoku U 応用電気通信工学 36

10 高速 TPC のときの移動局送信電力の変動基地局受信電力を一定値にするため, 移動局の送信電力は変動することになる. 高速 TPC のときの受信電力受信電力の変動が消え, 基地局受信電力はほとんど一定値になる. db フェージング (f D =4Hz) db フェージング (f D =4Hz).4 sec CENTER.995 GHz RBW 3 khz VBW 3 khz SWP 2. s.4 sec CENTER.995 GHz SPAN MHz RBW 3 khz VBW 3 khz SWP 2. s FA/Tohoku_U 応用電気通信工学 37 FA/Tohoku_U 応用電気通信工学 38 例題 4.3 DS- の利点搬送波周波数 (FDMA) やスロット (TDMA) の割当が不必要である, 様々な速度のデータを自由に伝送できる. TDMA と同じように DS- も FDMA と組み合わせて用いられる. 通信可能なユーザ数 ( またはチャネル数 ) DS- では通信可能なユーザ数 ( またはチャネル数 ) の導出は簡単ではない. 周波数利用効率の節で詳細に述べる. ( 問 )DS- の処理利得 G P, 拡散率 SF, 拡散帯域幅 B および最大チャネル数 C max を, 下記の条件のもとで, 求めよ. 音声符号化 :8kbps 誤り訂正符号化 : 符号化率 R=.5 の畳み込みデータ変調 :2PSK(M=2) 拡散符号 : チップレート.24Mcps 拡散変調 :2PSK, ロールオフ率 =.5 のルート自乗余弦ナイキストフィルタ ( 解 ) 拡散率 SF:24/6=64 chip/symbol 最大チャネル数 C max =64 チャネル処理利得 G P :24/8 =28 拡散帯域幅 B:.24 (+ )=.536MHz FA/Tohoku_U 応用電気通信工学 39 FA/Tohoku_U 応用電気通信工学 4

11 周波数ホッピング周波数ホッピング (FH-) では搬送波周波数を周期的に変化させる. 周波数変化のパターン ( 周波数ホッピングパターン ) が FH- のチャネルを表す. 周波数ホッピングパターンは符号系列によって生成される. 搬送波周波数は周波数ホッピングパターンに従って周期的に変化させられる. 受信側では, 送信と同じ周波数ホッピングパターンに従って受信局部発信周波数を変化させ, 常に一定の IF 周波数の信号に周波数変換する. FA/Tohoku_U 応用電気通信工学 4 (a) 送受信機と送受信タイミング基地局送受信機ホッピングパターン A ホッピングパターン B 周波数 (b) FH- と DS- 音声符復号チャネル符復号 FH- ホッピング周波数帯域周波数ホッパシンセサイザ ~ データ変調復調フィルタフィルタ ~ 拡散符号 A DS- 周波数変換拡散符号 B RF 周波数 ~ FA/Tohoku_U 応用電気通信工学 42 デュープレックス電力スペクトル密度 DS- では全帯域を占有する. FH- ではある瞬間には全帯域の一部しか占有しない. しかし, 占有周波数位置はと共に変化するから, 長いで平均化すれば全帯域に一様に電力が分布する. 拡散帯域幅 : ホッピング周波数の数に比例する. 高速 FH-(FFH-) と低速 FH-(SFH- ) FFH-: ホッピングレートがデータ変調のシンボルレート ( シンボルの逆数 ) より速い. 同じデータシンボルが異なる搬送周波数で送信される. SFH-: ホッピングレートがデータ変調のシンボルレートより遅い. 複数のデータシンボルが同じ搬送波周波数で伝送される. 双方向通信では, デュープレックス技術 (duplexing technique ) が必要. 周波数分割デュープレックス (FDD) 上りと下りリンクは異なる搬送波周波数を用いる. 下りリンクの全てのチャネルはタイミングが同期している. 上りリンクのタイミングを下りリンクのタイミングに同期させることで, 擬似的に全てのユーザの上りリンクのタイミングを同期させることができる. 分割デュープレックス (TDD) 上りと下りリンクで同一の搬送波周波数を用いる. フレームのの一部を下りリンクとして, 残りを上りリンクとして使用する. FA/Tohoku_U 応用電気通信工学 43 FA/Tohoku_U 応用電気通信工学 44

12 FDD 下りリンクフレーム上りリンク周波数利用効率 TDD FDD TDD FDMA TDMA 切り替えポイント FA/Tohoku_U 応用電気通信工学 45 FA/Tohoku_U 応用電気通信工学 46 比較条件情報速度 :W bps 誤り訂正符号化率 :R(<) オーバーヘッド ( フレームヘッダー, ガード, ガード帯域 ) なし 2PSK(M=2): データ変調された信号の帯域幅は W/R Hz つまり, ロールオフ率 = の送信フィルタを仮定全帯域幅 :B Hz FDMA と TDMA のユーザ数同時通信可能な最大ユーザ数 C は,n チャネル TDMA の搬送波の個数は FDMA の /n であることから,FDMA と TDMA で等しい. 次式で与えられる. C FDMA C TDMA B /( R W ) R( B / W ) G p R FA/Tohoku_U 応用電気通信工学 47 FA/Tohoku_U 応用電気通信工学 48

13 DS- のユーザ数下りリンク直交拡散符号系列を用いることができるので, 収容可能な最大ユーザ数 C は FDMA や TDMA と同じである. 上りリンク擬似雑音系列を拡散符号に用いるので, 拡散符号間の相関のために干渉が発生する. このため, 収容可能なユーザ数は下りリンクより少ない. 同時通信可能なユーザ数の導出は簡単ではない. 以下では, 簡単な近似式を求める. 帯域幅 W/R[Hz] の BPSK 信号が拡散符号系列により帯域幅 B へ拡散される. 拡散された信号の電力スペクトル密度は,S/B [Hz] となる. 拡散率 SF は次式で与えられる. (a) 符号化前の信号 (b) 符号化後の信号 (c) 拡散後の信号 S W S W/R S/W S/(W/R) f f SF B R W R B W G p R S B S/B f ここで,G p は処理利得である. FA/Tohoku_U 応用電気通信工学 49 FA/Tohoku_U 応用電気通信工学 5 拡散前と拡散後の電力スペクトル密度白色雑音電力スペクトル密度 N ユーザ当たりの電力スペクトル密度 =S/B f c 拡散前の帯域幅 W/R 拡散帯域幅 B f 希望ユーザの信号は逆拡散によりもとの符号化 BPSK 信号に戻される. その帯域幅は W/R [Hz] である. 一方, 他のユーザ ( すなわち干渉ユーザ ) の帯域幅は逆拡散によっても変化せず B [Hz] のままである. 干渉 + 雑音の電力スペクトル密度をで表すものとする. 情報ビットあたりの信号エネルギー対 ( 干渉 + 雑音 ) 電力スペクトル密度比は次式のようになる. ここで, Eb S / W, Eb S / W ( C ) S / B N ( C ) / G p ( E b ( C ) S / B N であることから ( C ) W / B N / N ) /( S / W ) FA/Tohoku_U 応用電気通信工学 5 FA/Tohoku_U 応用電気通信工学 52

14 これより, 通信可能なユーザ数 Cは Gp E / G b p N C Eb / Eb / N Eb / ここで, I Nで, Iは他ユーザからの総干渉電力スペクトル密度である. 誤り訂正符号化を用いているときに, ある誤り率を確保するために必要な情報ビット当たりの信号エネルギー対 ( 干渉 + 雑音 ) 電力スペクトル密度比を( Eb / ) codedで表すものとする. これより Gp N C ( Eb / ) coded 以上より Gp N C ( Eb / ) coded ここで, Gp N G p N C ( Eb / ) coded ( Eb / ) coded I 干渉電力スペクトル密度 I が雑音電力スペクトル密度 N より大きくなるにつれ ( つまりI に近づく. C I ( E b N であるから G / p ) coded / N ), 最大ユーザ数は次式 FA/Tohoku_U 応用電気通信工学 53 FA/Tohoku_U 応用電気通信工学 54 誤り訂正符号化の効果 FDMA と TDMA ユーザ数は所要誤り率には依存しない. 符号化率 R だけに比例するので, 符号化率の高い (R がに近い ) 誤り訂正符号が望まれる. 他ユーザからの干渉があるので, ユーザ数は所要誤り率に依存する. 従って, ユーザ数は所要誤り率を確保するために必要な復号後の E b / に依存することになる. ユーザ数は復号後の所要 E b / に反比例するので, 大きい符号化利得 G coding が得られる低符号率 (R がに近い ) の誤り訂正符号を用いるのがよい. 符号化を用いる時のDS - の同時通信可能なユーザ数は次式で計算できる. Gp N C ( E / ) b coded 符号化利得 ( Eb / ) un _ coded Gc ( Eb / ) coded を用いてCを書き直すと Gp N C Gc ( Eb / ) un _ coded つまり, のリンク容量は符号化利得 Gcに比例する. したがってでは符号化利得の大きい符号化 ( たとえばターボ符号化 ) を用いればより大きなリンク容量を大きくできる. FA/Tohoku_U 応用電気通信工学 55 FA/Tohoku_U 応用電気通信工学 56

15 例題 4.4 ( 問 ) 下記の条件のもとで FDMA,TDMA との最大ユーザ数を求めよ. G p =28 では (E b / ) un_coded =6.8dB@BER=., 符号化利得 G c =3.6dB 及び I /N を仮定する. 符号化率 R =½ ( 解 ) C =6 I C より C 最大になり N より, I G c 6 ( E b / N G p / ) un _ coded 符号化率 R =½ であるので,C FDMA = C TDMA =64 のときユーザ数が u 符号化を用いたときの BER 特性 ( 計算機シミュレーション, AWGN チャネル ) 符号化率 R=.5 (23, 35) 畳み込み符号符号化利得 G coding = -3 (3, 5) ターボ符号符号化利得 G coding = -3 D D D u k k p k () Interleaver 組織符号 ( 情報ビット ) パリティ符号 Puncturer BER... Pb(γ) AWGN (23, 35) CC (3, 5) turbo EEb/N b / [db] G =3 G =5 D D D パリティ符号 2 p k (2) FA/Tohoku_U 応用電気通信工学 57 FA/Tohoku_U 応用電気通信工学 58 基地局セクタ化の効果干渉を低減することができればユーザ数を増加できる. 以下の方法が用いられている. 移動局 : 音声駆動送信を用いることで他ユーザに与える干渉を低減できる. 音声アクティビティファクタをとする. 基地局 : 指向性アンテナの採用により受信される干渉電力を低減できる. 指向性ビーム数をN a とする. ユーザ数 C ( E b G / p ) coded N N a 2 度指向性アンテナ N a =3 の例情報ビットあたりの信号エネルギー対 ( 干渉 + 雑音 ) 電力スペクトル密度比は次式のようになる. 干渉電力は( / N E b ( / N ( / N a a a ) 倍になるから, S / W )( C ) S / B N )( C ) / G p ( E b / N これより, 通信可能なユーザ数 Cは N G a p N C / Eb G p N / N a Eb ) ( / N a )( C ) S / B N となり FA/Tohoku U 応用電気通信工学 59 FA/Tohoku U 応用電気通信工学 6

16 E / を小さくすれば, ユーザ数が多くなるが, 伝送品質が劣化する. 誤り訂正符号化を用いているときに, ある誤り率を確保するために必要な情報ビット当たりの信号エネルギー対 ( 干渉 + 雑音 ) 電力スペクトル密度比を( E となる. つまり, 同時通信可能なユーザ数 C に比例する. また, 音声アクティビティファクタに反比例する. はおよそ3/ 8である[Gilhousen,99]. したがって3セクタアンテナ ( N a C b ( E 3) を用いるときのユーザ数は,, N 8倍になる. b G p / ) coded N N a b / ) とするとはアンテナセクタ数 N a coded のときの a 4.4 ランダムアクセス 4.4. ALOHA CSMA ISMA 予約ランダムアクセス K.S. GIlhousen, et al, On the capacity of a cellular system, IEEE Trans. Veh. Technol., Vol. 4, No. 2, pp , May 99. FA/Tohoku_U 応用電気通信工学 6 FA/Tohoku_U 応用電気通信工学 62 ALOHA デマンドアサインに基づくマルチアクセス FDMA,TDMA やなどでは, 通信の始めにチャネル割当があり, そのチャネルは通信の終了まで保持される. しかし, このアクセス法では, バースト的なパケットデータ通信に対しては効率が低い. パケットデータが無い時もチャネルを保持しているからである. ランダムアクセスパケットデータ通信に用いられるのがランダムアクセス. FDMA,TDMA やにおけるチャネル要求時に用いられるランダムアクセスでは, つのチャネルを多数のユーザが共有し, 多数のユーザのパケットの統計多重 (statistical multiplexing) により高い周波数利用効率が得られる. ランダムにパケットを送信するとパケット衝突が発生する. 衝突の後, 直ちに再送すると再び衝突が発生する可能性が高い. これを避けるため, 再送調整 (retransmission scheduling) が用いられる. 最もポピュラーなランダムアクセスで, 純 ALOHA (pure ALOHA) とスロット ALOHA(slotted ALOHA) の 2 つがある. 純 ALOHA 送信すべきパケットが発生したら直ちにパケットを送信する. 2 つ以上のパケットが的に重なると衝突が発生する. 従って, パケットが正しく相手に受信されるのは, パケット長を T とすると送信パケットの始点の前後 T 以内 ( すなわち合計で 2T) に他のパケットが送信されない場合のみである. 衝突確率を減少させるには何らかの調整 (coordination) が必要になる. スロット ALOHA は T 毎のスロットに区切られ, パケットの送信はスロットの開始点のみ. このようにすれば, つ前のスロット内に他のパケットがつも発生しなければパケット衝突が起きない. FA/Tohoku_U 応用電気通信工学 63 FA/Tohoku_U 応用電気通信工学 64

17 T パケット衝突発生区間 =2T 他ユーザのパケット衝突 (a) 純 ALOHA Time 他ユーザのパケット衝突送信開始タイミング衝突発生区間 =T パケット他ユーザのパケット衝突パケット発生 (b) スロットALOHA スループットスループットはランダムアクセスの重要な性能指標であり, 単位あたりの成功パケットの数で定義される. 再送パケットも含めて全てのパケットの生起が不規則であるものとすると, 幅の間にk 個のパケットが生起する確率は次式で与えられる. k ( ) Pk ( ) exp( ) k! ここでは単位あたりに生起する総パケット数である. 従って, パケットトラフィックをG=Tとすると, スループットは次式のようになる. GPk (2T ) G exp( 2G), 純 ALOHA S GPk ( T ) G exp( G), スロットALOHA 最大スループットは, 純 ALOHAでS=.84, スロット ALOHAでS=.368となる. FA/Tohoku_U 応用電気通信工学 65 FA/Tohoku_U 応用電気通信工学 66 CSMA もし既に送信されたパケットがあることを知ることができれば, パケット衝突を避けることができる. そこで, パケット送信前にチャネルを検知するようにしたのがキャリア検出マルチアクセス (CSMA: carrier sense multiple access) である. チャネルが空き ( アイドル ) 状態 ( 他のパケットが送信されていない ) と分かったときのみパケットを送信する. そうでなければ ( 他のパケットが送信中である ), チャネルが空き状態になるまで待ちつづける. 次の 3 つのタイプがある. -persistent CSMA non-persistent CSMA p-persistent CSMA FA/Tohoku_U 応用電気通信工学 67 -persistent CSMA もしチャネルがビジーであると検知されればチャネルが空き状態になるまで待ちつづけ, チャネルが空きになるや否やパケットを確率で送信する. この方法では, ビジーに自端末を含め2つ以上の端末でパケットが発生して累積していれば衝突になる. non-persistent CSMA もしチャネルがビジーであると検知されれば, ランダムな待ちの後, 再びチャネルを検知する. 端末毎に待ちが異なるので, 衝突確率が少ない. p-persistent CSMA 最大伝播のスロット毎にが区切られる. チャネルがアイドルであると検知されたとき, 確率 pでパケットを送信し, 確率 (-p) で次のスロットにおいて再びチャネルを検知する.-persistent CSMA は p-persistent CSMAのp=とする場合である. FA/Tohoku_U 応用電気通信工学 68

18 伝播遅延があるから理想的なチャネル検知は行えないこれは, パケット送信開始から伝播だけ経ってからパケットが送信されたと観測できるからである. すなわち, チャネルがアイドルだと検知されたとしても, 他の端末からパケットが送信されている可能性がある. もしそうならパケット衝突が発生してしまう. 希望端末 T パケット伝搬遅延チャネル状態空き使用中 at 他の端末パケット衝突パケット送信開始 FA/Tohoku_U 応用電気通信工学 69 スロットCSMAのスループット次式で与えられる. ここでaはパケット長 Tで正規化した伝播遅延である. ag exp( ag), exp( ag) a S G exp ( a) for non - persistent slotted CSMA G( a) a exp( ag) exp( ag) aexp ( a) G for - persistent slotted CSMA FA/Tohoku_U 応用電気通信工学 7, スループット比較.8 Pure ALOHA Slotted ALOHA Non-persistent slotted CSMA (a=) -persistent slotted CSMA (a=).8 Pure ALOHA Slotted ALOHA Non-persistent slotted CSMA (a=.) -persistent slotted CSMA (a=.).8 Pure ALOHA Slotted ALOHA Non-persistent slotted CSMA (a=.2) -persistent slotted CSMA (a=.2).8 Pure ALOHA Slotted ALOHA Non-persistent slotted CSMA (a=.4) -persistent slotted CSMA (a=.4) G (a) a= G (b) a= G (c) a= G (d) a=.4 FA/Tohoku_U 応用電気通信工学 7 FA/Tohoku_U 応用電気通信工学 72

19 . 衝突検出 CSMA (CSMA/CD:collision detection) CSMA で衝突が起こるのは, パケット送信開始から伝播遅延以内にパケット送信する場合である. ほとんどの場合,a<<であるから, 衝突が検知されたら送信を止めるようにすればスループットを向上できる. CSMA/CDは最もポピュラーなランダムアクセスであり, LANのメディアアクセス制御 (MAC) として利用されている ISMA 伝搬遅延が十分小さければ,CSMAはALOHAに比べて格段に優れた性能をもつから, 無線パケットネットワークにおける理想的なランダムアクセスであると言える. しかし, 全ての端末の送信パケットを検知できるとは限らない. すなわち, 障害物によってある端末の送信パケットを検知できない場合がある. これは隠れ端末問題 (hidden terminal problem) として知られ,CSMAのスループットを著しく低下させる原因になる. これを解決するのがbusy tone multiple access (BTMA) や idle signal casting multiple access (ICMA or ISMA) である. A 障害物 C FA/Tohoku_U 応用電気通信工学 73 FA/Tohoku_U 応用電気通信工学 74 B BTMA パケット送信を検知した端末は, 通信チャネルとは別のチャネルでビジートーンを送信する. お互いに隠れ端末関係にある端末は, それ以外の端末から送信されたビジートーンを受信することによって間接的に相手の送信を知ることが可能である. ICMA 基地局から下りチャネルを用いて, 上りチャネルの状態 ( アイドルかビジーかの状態 ) を報知する. 基地局は, パケットの受信中, 他の端末の送信を中止させるためビジー信号を下りチャネルで報知する. それ以外のときはアイドル信号を送信する. 下りリンク空き使用中空き上りリンクパケット FA/Tohoku_U 応用電気通信工学 75 ICMAとCSMAは基本的には同じである.CSMAでは各端末がお互いにチャネルを検知することが必要であるが, ICMAでは, 基地局から各端末へチャネルの状態 ( すなわち, 他の端末が送信中であるかどうか ) を報知する. CSMAと同様にnon-persistent ICMAと-persistent ICMA とがある. FA/Tohoku_U 応用電気通信工学 76

20 予約ランダムアクセスバースト的であるが, 連続するデータパケットが発生するときがある. このようなとき, パケット個個を純粋ランダムアクセスで送信しようとすると, 全部のパケットを正しく送信し終えるまで長いがかかることがある. これは衝突があるからである. これを避けるため, 最初のパケット ( 予約パケット ) のみランダムアクセスで送信し, 引き続くデータパケットの送信のためにチャネルを予約する. こうすれば衝突なしに残りのデータパケットを送信できる. パケット送信を終了したときに予約を解除する. 予約パケットの送信にはスロットALOHAが使われる. 基地局デマンドアサインマルチアクセスを用いるシステムでは, チャネル要求のための専用の制御チャネルが設けられ, チャネル要求パケットをランダムアクセスを用いて送信している. 予約ランダムアクセスでは予約とデータの両方のパケットを同じチャネルで伝送する. しかし, 多くの端末 ( ユーザ ) を収容するときには多くのチャネルを必要とするから, 予約パケット用とデータパケット用のチャネルに分離したほうが効率的である. 端末予約要求パケットデータパケットデータパケット最後データパケットデータパケット FA/Tohoku_U 応用電気通信工学 77 FA/Tohoku_U 応用電気通信工学 78 参考文献 [] J. G. Proakis, Digital communications, McGraw-Hill, 989. [2] A. J. Viterbi, : Principles of spread spectrum communication, Addison-Wesley, 995. [3] D. J. Goodman, R. A. Valenzuela, K. T. Gayliard, and B. Ramamurthi, Packet reservation multiple access for local wireless communications, IEEE Trans. Commun., vol. COM-37, pp , Aug [4] D. J. Goodman and A. A. M. Saleh, Near/far effect in local ALOHA radio communications, IEEE Trans. Veh. Technol., vol. VT-3, pp. 9-27, Feb [5] J. C. Arnbak and W. van Blitterswijk, Capacity of slotted ALOHA in Rayleigh-fading channels, IEEE J. Selected Areas Commun., vol. SAC-5, pp , Feb 演習問題 FA/Tohoku_U 応用電気通信工学 79 FA/Tohoku_U 応用電気通信工学 8

21 演習問題 4. FDMA,TDMA と DS- の所要帯域幅を求めよ. 設計条件は以下の通り. シングルセル方式同時接続ユーザ数 :C=6 ユーザ当たりの情報速度 :64kbps 誤り訂正符号化 : 符号化率 R=.5 の畳み込み符号データ変調 :4PSK(QPSK) 帯域制限フィルタ : ロールオフ率 =.5 のナイキスト自乗余弦フィルタ ( のときは拡散後に用いる送信フィルタであることに注意 ) フレーム長 : ミリ秒 (TDMA の場合 ) 最大通信可能距離 :5km (TDMA の場合 ) ( 補足 ) TDMA の場合,6 チャネル TDMA になることに注意 DS- では理想的な送信電力制御を仮定する. また,(23, 35) 畳み込み符号を用いるものとし (E b / ) coded =3.2dB@BER=. 及び I /N ( 熱雑音の影響を無視 ) を仮定する. DS- の場合, 基地局セクタ化も考え, その効果を考察せよ. ただし, 送信アクティビティファクタはである ( 常に送信している ). 演習問題 4.2 限られた数のチャネルを多数のユーザで共有して使用するときのマルチアクセス技術を列記し, それぞれの特徴を述べよ. また, 同時双方向通信技術についても述べよ. FA/Tohoku_U 応用電気通信工学 8 FA/Tohoku_U 応用電気通信工学 82

<4D F736F F F696E74202D2091E FCD91BD8F6489BB82C691BD8F E835A83582E >

<4D F736F F F696E74202D2091E FCD91BD8F6489BB82C691BD8F E835A83582E > 多重伝送と多重アクセスコミュニケーション工学 A 第 4 章多重伝送と多重アクセス多重伝送周波数分割多重 (FDM) 時分割多重 (DM) 符号分割多重 (CDM) 多重アクセス多重伝送地点から他の地点へ複数チャネルの信号を伝送するときに, チャネル毎に異なる通信路を用いることは不経済である. そこでつの通信路を用いて複数チャネルの信号を伝送するのが多重伝送である. 多重伝送の概念図チャネル