衛星通信における適応偏波多重 (APDM) 伝送技術の研究開発平成 22 年 6 月 24 日日本電信電話株式会社スカパー JSAT 株式会社

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ゆうりゅうにいだ
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1 衛星通信における適応偏波多重 (APDM) 伝送技術の研究開発平成 22 年 6 月 24 日日本電信電話株式会社スカパー JSAT 株式会社

1. 本研究開発の狙い (1/3) 近年インターネット動画配信等の普及に伴い衛星移動通信においてもブロードバンド化が進んでいる現在衛星移動通信は主に L/S 帯が使用されておるが, 割当帯域が 35MHz 程度であり 1 ユーザあたりの伝送速度は最大数百 kbps Ku 帯は 1 衛星あたり 500MHz 帯域を利用できるため

2 1. 本研究開発の狙い (1/3) 近年インターネット動画配信等の普及に伴い衛星移動通信においてもブロードバンド化が進んでいる現在衛星移動通信は主に L/S 帯が使用されておるが, 割当帯域が 35MHz 程度であり 1 ユーザあたりの伝送速度は最大数百 kbps Ku 帯は 1 衛星あたり 500MHz 帯域を利用できるためブロードバンド衛星移動通信としての利用が注目され 2003 年以降海上でサービスが開始 Ku 帯衛星既存 Ku 帯衛星は周波数有効利用のため垂直 / 水平偏波の中継器を搭載偏波調整垂直偏波 (V 偏波 ) 水平偏波 (H 偏波 ) VSAT 固定局ユーザ 1 ユーザ 2 各ユーザは垂直 / 水平いずれかの偏波を使用固定局 : 偏波角を初期調整後通信移動局 : 衛星追尾と偏波追尾を同時に実施

3 1. 本研究開発の狙い (2/3) 課題 Ku 帯衛星移動通信では各地球局が送信時に偏波調整を行うがアンテナの形状や移動状況により完全には偏波調整できない場合がある V 偏波調整不完全裏偏波への漏洩電力 V H 漏洩電力により別ユーザに逆偏波の帯域割り当てが困難 1 つの周波数を 1 つの偏波で利用両偏波使用に比べて周波数利用効率が半減

4 1. 本研究開発の狙い (3/3) 適応偏波多重 (APDM) 伝送技術各ユーザが自身の信号を分割して偏波多重し偏波を調整しない移動伝搬に伴い生じる偏波間干渉を受信後信号処理で補償分割偏波多重 V H V 偏波間干渉 H 干渉補償受信モデム復元送信信号移動伝搬環境要求帯域を 2 分割し 2 偏波で多重両偏波利用により 1 ユーザの所要帯域が 1/2 となり同じ帯域幅で 2 倍のユーザ数を収容移動環境でも周波数利用効率が 2 倍に

5 2. 研究課題と目標 (1/2) 研究課題両偏波同時送受信衛星追尾アンテナア ) APDM 中継伝送技術偏波多重伝送時に偏波間に独立な周波数誤差が存在する条件で偏波間干渉を補償する技術両偏波信号を送受信できる衛星移動追尾アンテナ技術偏波面形成 APDM イ ) 片偏波局共用 APDM 伝送技術伝送装置伝送装置システム制御装置ウ )APDMシステム制御技術既存地球局に直交する偏波面に信号を配置する送信偏波面形成技術チャネル配置制約が異なる各種地球局が混在するシステムにおいて高効率なチャネル配置を行う回線制御アルゴリズム

6 2. 研究課題と目標 (2/2) 達成目標 Ku 帯を用いた衛星移動通信環境で APDM 伝送技術により両偏波の利用を可能とし現状の 2 倍程度の周波数有効利用を実現線表 H19 H20 H21 詳細検討装置開発実証実験

干渉補償後の推定周波数誤差をフィードバック補償前周波数誤差 H 補正周波数誤差 V 補正伝搬路推定誤差 V 誤差 H 補償後受信 V

7 3. 目標の達成状況 (1/8) ア ):APDM 中継伝送技術 a: 適応伝搬路推定補償技術衛星中継器や既存地球局装置において偏波間で独立な周波数誤差が存在する場合においても偏波間干渉を補償する周波数非同期干渉補償技術を確立行列要素個別周波数誤差補償周波数誤差 V 補正干渉補償後の推定周波数誤差をフィードバック補償前周波数誤差 H 補正周波数誤差 V 補正伝搬路推定誤差 V 誤差 H 補償後受信 V 偏波信号受信 H 偏波信号周波数誤差 H 補正 MMSE 周波数非同期干渉補償回路周波数誤差 V 推定周波数誤差 H 推定補償後 V 偏波信号補償後 H 偏波信号

3. 目標の達成状況 (2/8) ア ):APDM 中継伝送技術 b: 高速 APDM 伝送装置装置全体構成を明確化し信号処理モジュールを組み込み双方向伝送が可能な変復調装置を試作評価信号処理モジュール BER 1.0E-02 10-2 1.0E-03 10-3 1.0E-04 10-4 1.0E-05 10-5 1.0E-06 10-6 1.0E-07 10-7 1.

8 3. 目標の達成状況 (2/8) ア ):APDM 中継伝送技術 b: 高速 APDM 伝送装置装置全体構成を明確化し信号処理モジュールを組み込み双方向伝送が可能な変復調装置を試作評価信号処理モジュール BER 1.0E E E E E E E (a) Theory ( Simulation ) (b) θ:45 deg.: +/- 0kHz (c) θ:0 deg.: +/- 4kHz (d) θ:45 deg.: +/- 4kHz (e) θ:60 deg :+/- 4kHz (i) (ii) (i)θ: 衛星偏波軸に対する移動局の偏波回転角 (ii) 垂直 / 水平偏波周波数誤差 Eb/N0 ( db ) 伝送特性例 (5.12Mbps) 高速 APDM 伝送装置周波数非同期干渉補償技術を実装最大 256 キャリヤ 25 ユーザを同時処理特性劣化 0.5dB フレーム効率 97%

9 3. 目標の達成状況 (3/8) ア ):APDM 中継伝送技術 c: 両偏波同時送受信アンテナ衛星実験を行うため両偏波の同時送受信が可能な衛星追尾アンテナを開発衛星追尾アンテナ RF(Radio Frequency) 送受信装置伝送装置類を接続し動作確認給電部設計両偏波追尾アンテナ設計 4 ポート対応のための薄型広帯域直交両偏波送受信分波器コニカルスキャン衛星追尾方式 2 台 SSPA の放熱設計および重量バランスを安定させる構造設計

3. 目標の達成状況 (4/8) アンテナでコニカルスキャンモデムで同期信号を検出できれば衛星補足完了 APDM 伝送装置

大波小型練習船 / 小波小型練習船 / 大波小型練習船 / 旋回 (deg) 0.2 0.15 0.1 0.

0:21:36 APDM 伝送装置追尾誤差指向性追尾誤差 0:43:12 0:36:00 0:28:48 船舶動揺シミュレータ規定値

(Vpolヒーコン RX-1ホートによる実験の時 ) 追尾誤差 (Vpolヒーコン RX-2ホートによる実験の時 ) 追尾誤差

10 3. 目標の達成状況 (4/8) アンテナでコニカルスキャンモデムで同期信号を検出できれば衛星補足完了 APDM 伝送装置アンテナコントロールユニット同期信号検出 / 確認コニカルスキャン開始 / 終了アンテナの状態 : 大型商船 / 小波大型商船 / 大波小型練習船 / 小波小型練習船 / 大波小型練習船 / 旋回 (deg) :00:00 アンテナの状態 : 船舶動揺シミュレーション大型内航商船波の大きさ ( 大 ) 0:07:12 0:14:24 0:21:36 APDM 伝送装置追尾誤差指向性追尾誤差 0:43:12 0:36:00 0:28:48 船舶動揺シミュレータ規定値 :0.2 度 0:50:24 0:57:36 ( 時間 ) 追尾誤差 (Hpolヒーコン RX-1ホートによる実験の時 ) 追尾誤差 (Vpolヒーコン RX-1ホートによる実験の時 ) 追尾誤差 (Vpolヒーコン RX-2ホートによる実験の時 ) 追尾誤差 (Hpolヒーコン RX-2ホートによる実験の時 ) 船舶動揺制御用 PC APDM 伝送装置とアンテナを接続し船舶動揺を与えた場合において規定値の0.2 度以下の指向誤差で衛星補足追尾を確認

11 3. 目標の達成状況 (5/8) イ ) 片偏波局共用 APDM 伝送技術 a: 送信偏波面形成技術モデムのディジタル信号処理で送信偏波面を制御簡易な偏波間振幅位相差校正アルゴリズムを考案 V 偏波アンテナ V 偏波アンテナ H 偏波アンテナ偏波面形成の原理 V 偏波信号 H 偏波アンテナ力信号偏波制御部偏波角設定振幅位相補正経路誤差校正増幅部構成対応非線形補償増幅部校正 D/A Re HPC HPC HYB TC TC H 偏波信号空間で偏波信号を合成し所望の偏波面を実現するため偏波間の振幅位相差を校正

12 3. 目標の達成状況 (6/8) イ ) 片偏波局共用 APDM 伝送技術 b : 片偏波局共用 APDM 伝送装置伝送装置を開発し室内実験で偏波形成アルゴリズム動作を確認レベル (db) 相対周波数 (MHz) 偏波形成制御なし V 偏波 H 偏波レベル (db) 相対周波数 (MHz) 偏波形成制御あり XPD>27dB V 偏波 H 偏波 V 偏波に信号電力を集中するように偏波形成制御を実施し実験の結果 XPD >27 db の制御を確認

13 3. 目標の達成状況 (7/8) ウ )APDM システム制御技術 a: チャネル配置アルゴリズム両偏波を用いる地球局 (APDM 局 ) 及び片偏波局が混在する状況において両偏波のチャネル配置を地球局性能に応じて管理するアルゴリズムを確立基地局回線制御装置通信回線 ( 偏波 ) 地球局属性 DB チャネル管理 DB 地球局端末チャネル配置アルゴリズム片偏波追尾片偏波 APDM 制御回線 RTL: 地球局種別位置情報など FWL: チャネル情報チャネル割り当て制御基地局 IF 片偏波固定両偏波 APDM V APDM 伝送装置 H 両偏波を対にしたチャネル管理 ( 改良型 FIT) 法を考案し収容効率が従来 ( 局種別帯域割り当て ) 比 1.5 倍

14 利用率利用率 3. 目標の達成状況 (8/8) ウ )APDM システム制御技術 b : APDM システム制御装置適応変調を加えた回線制御アルゴリズムを考案し制御装置を試作適応マルチキャリヤ変調技術サブキャリヤ毎に最適な変調方式を選択する方法を考案収容効率: 従来 ( 変調方式固定 ) 比 1.5 倍従来例 : 変調方式を固定 ( 例 :8PSK) 帯域電力提案方式 : サブキャリヤ毎に変調方式を変更帯域電力収容局数 :60 局収容局数 :90 局地球局数 16QAM 7/8QPSK 7/8 QPSK 1/2 BPSK 1/2 V 提案する回線割当制御により収容効率が2 倍以上両偏波対割当 H 衛星帯域既存 APDM 両偏波を使用する APDM 地球局片偏波を使用する既存地球局に対し限られた衛星電力周波数を柔軟に割り当てる回線装置を開発

15 4. 実フィールドにおけるフィージビリティ検証 (1/5) 商用衛星を用いた実証実験で研究開発した技術のフィージビリティを検証ウ )APDM システム制御技術 DAMA による回線割当スループット特性を評価商用衛星 ( スカパー JSAT) 衛星追尾アンテナ ( スカパー JSAT) APDM 伝送装置 (NTT) 船舶動揺シミュレータ船舶の動きを模擬してアンテナを動揺 DAMA 装置 (Demand Assigned Multiple Access) 基地局 ( スカパー JSAT 横浜管制局 ) ア )APDM 中継伝送技術偏波無追尾多重伝送時の BER 特性を評価固定局 (NTT) 模擬船上局イ ) 片偏波局共用 APDM 伝送技術基地局で XPD 特性を評価偏波共用時の BER 特性を評価

16 4. 実フィールドにおけるフィージビリティ検証 (2/5) ア )APDM 中継伝送技術衛星実験において偏波間干渉補償効果を検証偏波間干渉補償なし偏波間干渉補償あり

17 4. 実フィールドにおけるフィージビリティ検証 (3/5) ア )APDM 中継伝送技術両偏波多重信号伝送特性をアンテナを動揺させながら取得 BER 1.0E E E E E (a) Theory ( Simulation ) (b) IF θ:45 deg.: +/- 0kHz (c) IF θ:0 deg.: +/- 4kHz (d) IF θ:45 deg.: +/- 4kHz (e) IF θ:60 deg :+/- 4kHz () アンテナ静止 Sat Static (g) アンテナ動揺 Sat Dynamic (low ( 小波 wave) ) (h) Sat アンテナ動揺 Dynamic (high ( 大波 wave) ) (i) Sat アンテナ動揺 Dynamic (Circling) ( 旋回 ) IF 実験特性衛星実験特性 1.0E E Eb/N0 ( db ) 偏波回転アンテナ動揺有無に関わらず 0.8dB 程度の特性劣化で信号伝送を実現

18 4. 実フィールドにおけるフィージビリティ検証 (4/5) イ ) 片偏波局共用 APDM 伝送技術移動局で送信偏波形成信号の特性を基地局で評価レベル (db) レベル (db) H 偏波 V 偏波周波数 (MHz) 送信偏波面制御なし送信偏波形成技術の適用 (V 偏波面に電力を集中 ) H 偏波 V 偏波周波数 (MHz) 雑音レベルまで裏偏波への漏洩電力を低減偏波ビームフォーミング信号と偏波共用する既存地球局の信号伝送特性を評価 BER V 1 H E E E E E E E 偏波共用なし既存地球局シミュレーション値偏波共用なし偏波共用あり Eb/N0 (db) V H 偏波共用あり偏波共用伝送時の BER 特性劣化は 0.8dB 程度を確認偏波面形成技術で既存地球局の裏偏波に信号形成

Channel A (IF A 実験 (IF) ) リンク Channel B ( 衛星実験 A (Sat) ) リンク Channel B (IF A 実験 (IF) ) リンク Channel C ( 衛星実験 A (Sat) ) リンク

19 4. 実フィールドにおけるフィージビリティ検証 (5/5) ウ )APDM システム制御技術 DAMA による回線割当とスループット評価基地局ユーザ端末 APDMモデム発呼回線 HUB 発呼着呼回線リンクA ユーザ端末地球局 2 HUB 地球局 1 着呼 DAMA による回線割当結果 HUB ユーザ端末 UDP throughput (kbps) リンク Channel A ( 衛星実験 A (Sat) ) リンク Channel A (IF A 実験 (IF) ) リンク Channel B ( 衛星実験 A (Sat) ) リンク Channel B (IF A 実験 (IF) ) リンク Channel C ( 衛星実験 A (Sat) ) リンク Channel C (IF A 実験 (IF) ) 1280kbps 640kbps 480kbps Packet size (byte) 所望の回線割当を実証実験で確認スループットを評価し設定値と測定値がほぼ一致するのを確認

20 5. 研究総括 3 年間の研究を通じ当初目標の移動体 ( 地球局 ) が移動中に複雑な偏波追尾制御を行わなくても安定した衛星通信が実現できるようにするため両偏波 ( 水平偏波 / 垂直偏波 ) を用いて多重伝送する方式 ( 適応偏波多重 ) 伝送方式について研究開発を行うそれにより Ku 帯において最大で 2 倍程度の周波数有効利用を実現するを確立した具体的には 1. 偏波間干渉補償技術ア a,b 2. 両偏波送受信アンテナ設計技術ア c 3. 任意偏波面形成技術イ 4. 回線制御技術ウを確立 Ku 衛星移動通信において偏波無追尾状態でも両偏波を有効活用できる手法を確立したことで衛星移動通信システム全体として片偏波伝送と比較して最大 2 倍程度の周波数有効利用を実現できる

21 付録 : 知的財産への取り組み標準化活動等種別 H19 H20 H21 合計備考査読論文件採録国際会議研究会学会大会等特許標準化合計 ITU-R SG4 にて課題改定と Drat New Report 化その他展示会出展 ( ワイヤレステクノロジーパーク 2009) 衛星実験デモ (4 回 ) を実施

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<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

衛星通信における適応偏波多重 (APDM) 伝送技術の研究開発 平成 22 年 6 月 24 日 日本電信電話株式会社スカパー JSAT 株式会社

衛星通信における適応偏波多重 (APDM) 伝送技術の研究開発平成 22 年 6 月 24 日日本電信電話株式会社スカパー JSAT 株式会社