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

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

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

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

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

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

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 1.0E-08 10-8 (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 2 3 4 5 6 7 8 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%

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 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) 0.2 0.15 0.1 0.05 0 0:00:00 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

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

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) 0-10 -20-30 -40-50 -60-70 -80-90 -100-5 -4-3 -2-1 0 1 2 3 4 5 相対周波数 (MHz) 偏波形成制御なし V 偏波 H 偏波 レベル (db) 0-10 -20-30 -40-50 -60-70 -80-90 -100-5 -4-3 -2-1 0 1 2 3 4 5 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

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

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) 1 0.5 帯域電力 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 提案方式 : サブキャリヤ毎に変調方式を変更 1 0.5 帯域電力 収容局数 :60 局 収容局数 :90 局 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 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

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

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

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-02 10-2 1.0E-03 10-3 1.0E-04 10-4 1.0E-05 10-5 1.0E-06 10-6 (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-07 10-7 1.0E-08 10-8 2 3 4 5 6 7 8 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

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) -70-75 -80-85 -90-95 -100-105 -110 H 偏波 V 偏波 1292.5 1293 1293.5 1294 1294.5 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 -70-75 -80-85 -90-95 -100-105 -110 1292.5 1293 1293.5 1294 1294.5 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 10-1 1.E-02 10-2 1.E-03 10-3 1.E-04 10-4 1.E-05 10-5 1.E-06 10-6 1.E-07 10-7 1.E-08 10-8 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 2 3 4 5 6 7 8 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

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) 1300 1200 1100 1000 900 800 700 600 500 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 400 0 500 1000 1500 2000 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

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

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 - 1-1 1 件採録 国際会議 - 6 5 11 研究会 - 6 7 13 学会大会等 3 8 8 19 特許 1 7 3 11 標準化 - 1 3 4 合計 4 29 26 59 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