ITS 情 報 通 信 システムシンポジューム (H19.06.07) 電 波 カーブミラー 安 心 安 全 を 担 う 車 々 間 通 信 技 術 の 研 究 最 前 線 唐 沢 好 男 電 気 通 信 大 学 先 端 ワイヤレスコミュニケーション 研 究 センター(AWCC)
[ 講 演 要 旨 ] できたらよい ということと できること のギャップは その 時 代 の 初 めにはいつも 大 きい そしてそれを 近 づけるのが 研 究 であり 技 術 開 発 である 本 テーマの 車 々 間 通 信 も そのギャップは まだ かなり 大 きい 最 近 のカーナビは 便 利 である 自 分 の 位 置 は 正 確 にわかるし 目 的 地 までのルートも 瞬 時 に 教 えてくれる そ の 先 の 交 差 点 を 右 に 曲 がってください というカーナビの 声 を 素 直 に 聞 いていれば 迷 うことがない できたらよ い と できること がかなり 近 づいている 例 といえる 21 世 紀 は 安 心 安 全 社 会 の 実 現 が 課 題 になっている 交 通 事 故 のない 車 社 会 もそのひとつである 交 通 事 故 が おきない 仕 組 みづくりには さまざまな 技 術 分 野 での 開 発 努 力 が 必 要 であるが 通 信 技 術 が 果 たすべき 役 割 は 大 きい 交 通 事 故 の 大 半 は 事 故 直 前 の 一 瞬 の 不 注 意 によるヒューマンエラーといわれており 予 防 安 全 の 技 術 がきわめて 重 要 になる 直 面 する 危 険 を 知 らせてくれるものが 電 波 であり 通 信 である そこで できたらよい である カーナビがもう 一 働 き 近 づきつつある 危 険 を 教 えてくれたらよいであろう 見 通 しの 悪 い 交 差 点 で ビル 影 から 現 れる 自 動 車 に 対 して 右 から 車 が 近 づいています と 教 えてほしい 細 い 曲 が りくねった 道 で 前 方 から 車 が 来 ます と 教 えてほしい しかし 見 通 しのよい 対 向 車 線 から 近 づく 車 を 前 方 か ら 車 がきます といちいち 言 われれば うるさいだけで スイッチを 切 ってしまうだろう 知 りたい 情 報 (= 近 づき つつある 危 険 )だけを 教 えてくれるのが この 場 合 の できたらよい である 見 えない 危 険 を 電 波 が 教 えてくれる まさに 電 波 カーブミラー である 最 初 の 一 歩 は お 互 いの 車 の 位 置 を 知 らせあい 相 互 に 認 識 することである 自 分 の 位 置 はカーナビ(GPS)で 取 得 できているので 後 はそれを 短 時 間 で 交 換 し 合 えばよいことになる その 手 段 が 電 波 のチカラ すなわちワイヤレ ス 情 報 通 信 であり 車 々 間 通 信 である 確 実 に 相 手 に 情 報 を 送 りたい また 受 けたい それを できること に 近 づけるのが 電 波 伝 搬 アンテナ 通 信 方 式 の 研 究 である 電 波 の 伝 わりやすさや 情 報 を 運 ぶ 力 は 周 波 数 によって 異 なるので それに 適 した 周 波 数 による 通 信 システムの 設 計 が 必 要 になる また 車 同 士 の 通 信 では 携 帯 電 話 のような 通 信 システムと 違 い 基 地 局 に 相 当 する 仕 切 り 役 がいないので お 互 い 勝 手 に 情 報 を 出 し 合 うと 電 波 がぶつかり 合 って 情 報 交 換 効 率 が 悪 くなる グループメンバー( 車 群 )が 離 合 集 散 する 自 律 分 散 制 御 システムでは 同 期 の 確 立 が 難 しい 問 題 になる でも このような 技 術 的 隘 路 を 切 り 開 いてゆく のは 少 し 時 間 がかかるかもしれないが できること と 言 えよう 最 後 の 難 関 危 険 なものだけ 選 んで 教 えて くれる はどう 乗 り 越 えてゆけばよいのだろうか 車 々 間 通 信 は 先 進 安 全 自 動 車 (ASV)の 理 想 にどこまで 近 づけるの であろうか 本 講 演 では 電 波 伝 搬 の 技 術 を 中 心 とした 私 たちの 研 究 を 含 んで 上 記 問 題 解 決 に 向 けて 行 われている 車 々 間 通 信 の 研 究 を 紹 介 する
講 演 の 内 容 交 通 事 故 を 防 ぐ 技 術 としての 車 々 間 通 信 電 波 伝 搬 ( 確 実 に 情 報 を 届 ける 受 ける) アンテナ(MIMO: より 高 信 頼 に) ネットワーク( 混 信 なく 効 率 よく) 未 来 技 術
交 通 事 故 死 者 数 死 傷 者 数 と 削 減 目 標 交 通 事 故 死 者 数 ( 人 ) 事 故 のおきそうな 環 境 交 通 事 故 死 者 数 交 通 事 故 死 傷 者 数 約 70 分 に 一 人 が 死 亡 約 30 秒 に 一 人 が 死 傷 死 傷 者 数 削 減 目 標 死 者 数 削 減 目 標 交 通 事 故 死 傷 者 数 ( 千 人 ) 西 暦 ( 年 ) 国 土 交 通 省 ASVパンフレット( 第 4 期 )より
車 々 間 通 信 による 情 報 交 換 が 実 現 されると 正 面 衝 突 事 故 歩 行 者 事 故 電 波 カーブミラー 合 流 事 故 右 折 事 故 左 折 事 故 出 会 い 頭 事 故 追 突 事 故 出 典 : 日 経 エレクトロニクス, 2006 5-8(に 加 筆 ) 実 現 には 非 常 に 高 い 技 術 ハードル
これまでの 自 動 車 事 故 対 策 渋 滞 情 報 配 信 サービス クルーズコントロールなど 通 常 運 転 時 予 防 安 全 ABS, 横 滑 り 防 止 システム 暗 視 カメラ システム プリクラッシュ セーフティーなど 衝 突 安 全 ボディ エアバッグなど 衝 突 安 全 電 気 通 信 大 学 事 故 緊 急 通 報 システムなど 衝 突 後 の 対 応 これからの 自 動 車 通 常 運 転 時 予 防 安 全 衝 突 安 全 事 故 衝 突 後 の 対 応 出 典 : 日 経 エレクトロニクス, 2006 5-8 をベースに 加 筆 修 正 ワイヤレス 情 報 通 信 技 術 に 基 づく 車 々 間 情 報 交 換 システムがこのエリア を 拡 大 する
ITS: 現 実 (できること) と 理 想 (できたらよいこと) できることのレベル ETC カーナビ できたらよいことのレベル 近 づきつつある 危 険 を 適 切 に 教 えてくれる 地 デジ 受 信 路 車 間 通 信 車 路 車 間 通 信 車 々 間 通 信 通 信 ができる このギャップ がまだかなり 大 きい
ITS 車 々 間 通 信 技 術 (お 互 いの 位 置 情 報 を 交 換 し 合 う) 真 に 危 険 な 情 報 の 選 択 ( 人 間 工 学 ) 車 群 ネットワーク 自 律 分 散 制 御 システム(ネットワーク) 高 信 頼 リンクの 形 成 ( 伝 送 技 術 ) アンテナ 通 信 方 式 周 波 数 電 波 伝 搬
確 実 に 相 手 に 情 報 を 伝 えるための 研 究 電 波 伝 搬 の 研 究 ドイツKarlsruhe 大 学 同 志 社 大 学 電 波 伝 搬 + 伝 送 方 式 (MIMO)の 研 究 豊 田 中 央 研 究 所 電 気 通 信 大 学
車 々 間 通 信 : 電 波 伝 搬 の 研 究 例 (ドイツ Karlsruhe 大 学 ) ( 対 象 とする 環 境 ) 4レーンの 市 街 地 道 路 6レーンの 自 動 車 道 路 J. Maurer, et al., IEEE VTC2004 Fall,.
車 々 間 通 信 : 電 波 伝 搬 の 研 究 例 (ドイツ Karlsruhe 大 学 ) (レイトレーシング) J. Maurer, et al., IEEE VTC2004 Fall,.
車 々 間 通 信 : 電 波 伝 搬 の 研 究 例 (ドイツ Karlsruhe 大 学 ) (レイトレーシング 結 果 と 実 測 地 の 比 較 : f = 5.2 GHz) ( 環 境 ) ( 結 果 ) J. Maurer, et al., IEEE VTC2004 Fall,.
レイトレーシングは 車 々 間 通 信 の 電 波 伝 搬 特 性 を 把 握 する 上 で 強 力 な 手 段 になる! ( 詳 細 検 討 以 前 の 特 性 の 概 略 把 握 をしたい 場 合 に 非 常 に 有 力 な 手 段 ) レイトレーシングのメリット 車 々 間 通 信 を 想 定 した 環 境 について 多 くのパラメータを 変 化 させた 計 算 (シミュレーション)ができるので 伝 搬 特 性 の 全 体 的 総 合 的 な 傾 向 が 把 握 できる 検 討 可 能 なパラメータ 依 存 性 見 通 しの 有 無 周 波 数 道 路 幅 アンテナ 高 交 差 点 形 状 交 差 点 角 度 交 差 点 周 囲 の 建 物 の 有 無 アンテナ 指 向 性 遮 蔽 車 両 の 影 響 など 計 算 ソフトが 充 実 してきている
検 討 結 果 の 事 例 紹 介 電 気 通 信 大 学 レイトレーシングシミュレーションによる 車 々 間 通 信 電 波 伝 搬 特 性 の 総 合 的 評 価 2007 年 3 月 15 日 同 志 社 大 学 工 学 部 岩 井 誠 人 ITS 情 報 通 信 システム 推 進 会 議 車 々 間 通 信 システム 専 門 委 員 会 からの 委 託 研 究 車 々 間 通 信 における 電 波 伝 搬 シミュレーション 解 析 及 び 調 査 研 究 の 報 告 会 スライドより
レイトレーシングと 伝 搬 モデル 交 差 点 回 折 波 r 反 射 波 伝 搬 損 失 距 離
見 通 し 内 環 境 モデル 建 物 壁 面 :コンクリ 建 物 高 : 各 辺 の 長 さ: 送 信 距 離 :5~410m 送 信 W 建 物 壁 面 :コンクリ 建 物 高 : 各 辺 の 長 さ: 岩 井 2007.3.15
平 均 伝 搬 損 失 と 車 間 距 離 の 関 係 伝 搬 損 失 [db] 見 通 し 内 の 通 信 65 70 75 80 85 90 95 100 5.8 GHz 電 力 加 算 100 200 300 400 送 受 信 点 間 距 離 [m] 伝 搬 損 失 [db] 自 由 空 間 の 伝 搬 損 失 は 周 波 数 の2 乗 に 比 例 (この 場 合 は 約 18dB) 45 50 55 60 65 70 75 80 85 740 MHz 電 力 加 算 100 200 300 400 送 受 信 点 間 距 離 [m] 道 幅 8m 道 幅 16m 自 由 空 間 伝 搬 損 失 岩 井 2007.3.15
見 通 し 外 環 境 モデル 道 幅 16m 片 側 2 車 線 の 追 い 越 し 車 線 原 点 (0,0) 送 信 x 受 信 回 折 波 r 反 射 波 送 信 送 信 このモデルは 見 通 し 内 道 路 幅 :8m 見 通 し 外 道 路 幅 :16m の 場 合 y 岩 井 2007.3.15
見 通 し 外 環 境 における 伝 搬 損 失 の 周 波 数 依 存 性 交 差 点 送 信 点 間 距 離 : 15m 25m 45m 40 40 40 60 60 60 伝 搬 損 失 [db] 80 100 伝 搬 損 失 [db] 80 100 200MHz 740MHz 2.45GHz 伝 搬 損 失 [db] 80 100 120 120 120 140 0 50 100 150 200 交 差 点 からの 受 信 点 距 離 [m] 5.8GHz 140 0 50 100 150 200 交 差 点 からの 受 信 点 距 離 [m] 140 0 50 100 150 200 交 差 点 からの 受 信 点 距 離 [m] 岩 井 2007.3.15 5.815GHz 2.45GHz 740MHz 200MHz
見 通 し 内 環 境 ( 直 進 車 両 間 ) 平 均 伝 搬 損 失 は 自 由 空 間 伝 搬 よりも 小 さい 電 気 通 信 大 学 計 算 から 得 られた 伝 搬 特 性 に 関 する 知 見 ( 抜 粋 ) 見 通 し 外 環 境 ( 交 差 点 を 挟 んで 右 側 あるいは 左 側 の 車 両 間 ) 交 差 点 から 近 い 環 境 と 遠 い 環 境 に 状 況 が 大 別 され 前 者 は 主 に 反 射 波 が 後 者 は 主 に 回 折 波 が それぞれ 支 配 的 な 伝 搬 パスと なる 周 波 数 特 性 見 通 し 内 では 平 均 伝 搬 損 失 が 周 波 数 の 二 乗 に 比 例 するという 自 由 空 間 伝 搬 と 同 様 の 特 性 を 示 す 見 通 し 外 でも 交 差 点 近 傍 では 見 通 し 内 と 同 様 の 傾 向 である ただし 見 通 し 外 の 交 差 点 から 離 れた 地 点 では 周 波 数 の 二 乗 以 上 の 差 が 生 じる 岩 井 2007.3.15
情 報 をより 確 実 に 伝 えるための 技 術 アレーアンテナの 利 用 ダイバーシチ MIMO( 時 空 間 符 号 化 伝 送 (STBC))
MIMO: Multi-Input Multi-Output ( 多 入 力 多 出 力 システム) 電 気 通 信 大 学 MIMO 情 報 伝 送 技 術
MIMO: その 二 つの 顔 (1) たくさんの 情 報 を 伝 送 する 技 術 ( 高 スループット 技 術 :マルチストリーム 伝 送 ) 両 方 求 めるのは 欲 張 りすぎ (2) 切 れないリンクを 実 現 する 技 術 ( 高 信 頼 性 技 術 : 送 受 信 ダイバーシチ)
大 型 車 両 による 遮 蔽 を 考 慮 した MIMO-STBC 車 々 間 通 信 特 性 ( 豊 田 中 央 研 究 所 電 気 通 信 大 学 ) 伊 藤 等 H18.09 電 子 情 報 通 信 学 会 通 ソ 大 会 K. Ito et al., IEEE 2007 VTC Fall (to be presented)
MIMO-STBC STBCの の 伝 送 特 性 評 価 右 直 事 故 シーン 大 型 車 による 遮 蔽 環 境 前 方 に 直 進 車 両 がいます! 前 方 に 右 折 車 両 が います!
伝 搬 測 定 実 験 ( 測 定 環 境 ) オープンサイト 送 信 送 信 遮 蔽 車 両 受 信 受 信 上 から 見 た 図 伊 藤 等 H18.09 電 子 情 報 通 信 学 会 通 ソ 大 会 K. Ito et al., IEEE 2007 VTC Fall (to be presented)
実 験 結 果 実 験 値 ( 瞬 時 値 ) シミュレーション( 短 区 間 中 央 値 ) Rx#1 伝 搬 損 失 Rx#2 距 離 伊 藤 等 H18.09 電 子 情 報 通 信 学 会 通 ソ 大 会 K. Ito et al., IEEE 2007 VTC Fall (to be presented)
MIMO(ダイバーシチ)の 効 果 大 型 車 両 での 遮 蔽 等 前 方 が 見 えにくい 環 境 車 の 左 右 の2ヶ 所 ( 例 えばドアミラーの 裏 面 )にアンテナを 置 くと どちらかのアンテナで 見 通 しが 得 られる 場 合 があり 前 方 が 見 えにくい 環 境 の 時 には ダイバーシチ 効 果 が 大 きい (ちょうど 左 右 のドアミラーで 安 全 が 確 認 できるように)
高 信 頼 化 を 目 指 すMIMO 通 信 方 式 時 空 間 符 号 化 (Space( Space-Time Block Coding) 高 速 移 動 s 1 Tx s 0 符 号 化 方 法 と 伝 搬 路 推 定 が 鍵 h 11 h 12 Rx + r 11 r 10 高 速 s 1 s 0 STE n 1 STD h 21 s 0 s 1 h22 H + n 2 r 21 r 20 H ~ 推 定 した 伝 搬 路 行 列 の 精 度 が 要 求 される 高 速 フェージング に 対 する 対 策 が 研 究 課 題 伊 藤 他 信 学 論 B, 2006.09.
地 上 デジタル 放 送 波 の OFDMガードインターバル 周 期 情 報 を 利 用 した 同 期 システム 型 車 々 間 通 信 ネットワークの 提 案 ( 電 気 通 信 大 学 豊 田 中 央 研 究 所 ) 唐 沢 他 信 学 会 AP 研, 2007.01 唐 沢 他 信 学 会 2007 総 合 大 会 2007.03
仕 切 り 役 のいない 車 群 での 効 率 的 情 報 交 換 自 律 分 散 制 御 システム 同 期 確 立 が 重 要 同 期 確 立 の 方 法 自 己 システム 内 での 同 期 確 立 外 部 システムを 利 用 した 同 期 確 立 GPSを 利 用 する 方 法 ( 正 確 な1 秒 パルス 等 ) 地 上 デジタル 放 送 のガードインターバル (GI)を 利 用 する 方 法
理 想 的 な 制 御 時 の 情 報 収 容 量 Frequency [MHz] 10 1 ( 割 り 当 て 帯 域 10MHzを 仮 定 ) 1パケット(100バイト)の 情 報 量 (1 kbit, QPSK, 符 号 化 率 1/2) 理 想 的 制 御 がなされれば この 領 域 に 約 1000パケット 収 容 可 能 時 速 100kmで 自 動 車 が3m 進 む 時 間 0 1 100 Time [ms] 効 率 をあげるためには 同 期 型 システムが 理 想
自 律 分 散 制 御 システムにおける 同 期 確 立 問 題 課 題 電 気 通 信 大 学 自 律 分 散 制 御 型 システムA ( 同 期 が 確 立 ) 接 近 合 体 自 律 分 散 制 御 型 システムB ( 同 期 が 確 立 ) 新 しいグループの システム 同 期 を どうスムーズに 取 るか?
車 々 間 通 信 システムの 同 期 確 立 外 部 情 報 の 利 用 地 上 デジタル 放 送 のガードインターバルは 約 1m 秒 毎 地 上 デジタル 放 送 波 のOFDMの OFDMガードインターバル 周 期 情 報 を 利 用 した 車 々 間 通 信 システムの 提 案 実 際 の 測 定 データにより 検 出 可 否 や 精 度 を 調 査
地 上 デジタル 放 送 波 を 利 用 した 同 期 信 号 の 取 得 OFDM 信 号 BPF 後 の OFDM 信 号 ISDB-T 信 号 BPF Frequency BPF 換 算 帯 域 幅 1 3 5MHzで 測 定 遅 延 :T s 1ms 相 関 演 算 ( 積 分 時 間 : T GI ) タイミング 情 報
自 動 車 間 の 距 離 差 に 伴 う タイミング 情 報 の 誤 差 ISDB-T 信 号 Bの 情 報 伝 達 エリア B d A θ Aにとって Bからの 信 号 の 最 大 誤 差 はθ=0 方 向 時 ( 距 離 差 2d) Aの 情 報 伝 達 エリア d = 100m 距 離 差 2d 0.6μs 程 度 マルチパスや 低 CNRの 影 響 を 実 測 データから 確 認
放 送 波 概 要 (ISDB-T) 帯 域 幅 5.572 MHz 有 効 シンボル 長 (T s ) 1,008 μs ガードインターバル 長 (T GI ) 126 μs サブキャリア 数 5,616 セグメント 数 13 変 調 方 式 64QAM(12セグ) QPSK(ワンセグ) 受 信 信 号 チャンネル 27ch(NHK-G) 557.142857MHz
実 験 条 件 測 定 システム トータルレコーダ 実 験 車 両 1Boxタイプ 受 信 アンテナ ルーフ 上 市 販 ポールアンテナ1 素 子 測 定 場 所 BPF 帯 域 幅 約 9MHz 電 通 大 周 辺 多 摩 地 区 ( 東 京 タワーから 約 20kmの 地 区 ) LPF f c +3.1MHz 測 定 場 所 A/D Low IF HDD 固 定 受 信 可 能 エリア 東 京 タワー
検 討 対 象 Case 平 均 CNR 伝 搬 環 境 / 受 信 状 況 1 40 db 以 上 マルチパス 無 し ( 誤 りなく 受 信 ) 2 20 db 前 後 1.4μ 秒 程 度 の 大 きな 遅 延 波 (TV 受 信 可 否 ボーダー 付 近 ) 3 0 db 程 度 以 下 受 信 波 のスペクトル 認 識 困 難 (TV 受 信 不 能 ) Case 1: 電 通 大 建 物 屋 上 Case 2: 電 通 大 多 摩 地 区 にて 移 動 受 信 Case 3: 各 約 2 秒 間 の 受 信 データ(GI:2000ポイント 分 )
信 号 処 理 結 果 (GI 相 関 出 力 結 果 ) 1.5 1.0 BPF: 3MHz Case 2: Mid SNR Case 2 CNR 20dB Correlator output 0.5 0 Case 3 CNR 0dB Case 3: Low SNR 0.5 0 0 2 4 6 8 10 12 Time [ms]
信 号 処 理 結 果 (タイミング 間 隔 誤 差 の 統 計 的 評 価 ) 100 BPF: 5MHz 80 1-99% 幅 Cumulative probability (%) 60 40 20 Case 2 CNR 20dB Case 3 CNR 0dB Case 2 (CNR=20dB) Case 3 (CNR<0dB) Case 1 CNR > 40dB Case 1 (CNR>40dB) Case 1 Case 2 Case 3 ±1.75μs ±3.60μs ±10.2μs 低 CNR 環 境 下 においても 10μ 秒 程 度 の 誤 差 0-10 -5 0 5 10 Timing error (μs)
地 デジGI 利 用 同 期 システムのまとめ 地 上 デジタル 放 送 波 の 利 用 により 1.134ms 間 隔 で 10μs 以 内 の 誤 差 で 同 期 信 号 用 パルスが 得 られる この 手 法 を 用 いた 伝 送 方 式 により 自 律 分 散 制 御 型 の 車 々 間 通 信 ネットワークにおける 同 期 問 題 の 少 なくとも 主 要 な 部 分 の 問 題 が 解 決 できる 地 上 デジタル 放 送 波 のGI 情 報 は 周 辺 の 端 末 にとっ て 1ms 毎 に 聞 こえる 太 鼓 の 音 パケット 送 出 の 同 期 信 号 として 有 望
理 想 車 々 路 車 人 車 協 調 システム + 人 間 工 学