IF-over-Fiber
技術を用いた多チャネル無線信号伝送
田中
和樹
†a)キム ビョンゴン
††小林
嵩
†ベッカリ アブデルモウラ
†難波
忍
†西村
公佐
†キム フーン
††チャン ユン
††鈴木
正敏
†Transmission of Multiple Mobile Wireless Signals by IF-over-Fiber Technique
Kazuki TANAKA
†a), Byung Gon KIM
††, Takashi KOBAYASHI
†,
Abdelmoula BEKKALI
†, Shinobu NANBA
†, Kosuke NISHIMURA
†,
Hoon KIM
††, Yun C. CHUNG
††, and Masatoshi SUZUKI
†あらまし 現在の 1000 倍以上のトラヒックが見込まれる 5G 以降の無線通信システムでは，ミリ波等の高い周 波数帯の小セル局を多数設置して大容量トラヒックを収容する必要がある．小セル一局あたりの通信速度は数十 Gbps と想定され，光アクセス回線の大容量化は喫緊の課題である．更に，既に商用展開が進んでいる C-RAN 構成は 5G 以降も有望なアーキテクチャーと考えられるものの，従来の光アクセス回線の伝送方式は通信速度の 十数倍の伝送容量を必要とするため，代替技術が望まれる．光を搬送波として無線信号をアナログ波形のまま伝 送するアナログ RoF (A-RoF) 伝送方式は，伝送帯域を大幅に低減可能で，有望な技術の一つである．本論文で は，最初に A-RoF 技術の既存適用例として，CATV 伝送システムに用いられている IF-over-Fiber (IFoF) 伝 送方式を紹介する．更に，IFoF・A-RoF 方式を無線基地局収容光回線へ適用した場合のシステム構成例を示す． 続いて，数値シミュレーションにより IFoF 伝送方式が適用可能な伝送条件の範囲を明らかにする．商用の LTE 無線基地局及び実フィールドに設置された光ファイバを用いた実験を行い，数値シミュレーション結果との比較 を行うとともに，IFoF 伝送方式の商用システムへの適用可能性を示す． キーワード IF-over-Fiber，Radio-over-Fiber，C-RAN，モバイルフロントホール
1.
ま え が き
近年，スマートフォンに代表されるモバイル端末の 普及により，モバイルデータトラヒックが急速に増加 している．文献[1]によると，世界のモバイルデータト ラヒックは過去5年間で18倍になっており，2016年 には63%の増加で7.2 exabytes/月に達している．更 に，2021年までに，一人当たりのモバイル接続端末 数が1.5台となり，2016年から2021年にかけてモバ イルデータトラヒックは7倍に増加すると考えられ †（株）KDDI総合研究所，ふじみ野市KDDI Research, Inc., 2–1–15 Ohara, Fujimino-shi, 356–8502 Japan
††KAIST，大韓民国
Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST), Daejeon Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST), 291 Daehak-ro Yuseong-gu, Daejeon, 34141, Republic of Korea a) E-mail: [email protected] ている．現在，第5世代移動通信システム(5G)に関 連した研究開発，技術標準化活動が活発化しており， 無線ユーザのピークデータレートは数十Gbpsを目 標としている[2], [3]．このような大容量通信の実現に は，ミリ波等の高い周波数帯の利用が必須だが，一般 に，高い周波数帯は直進性が強く，伝搬損失も大きい ため，障害物による遮蔽を回避したアンテナ設置が必 要となる．そこで，低い周波数帯で形成されたマクロ セル内に高い周波数帯の多数のスモールセルやスポッ トセルを設置し，連携動作させることで大容量化を図 るHeterogeneous Network (HetNet) [4]の導入が進
むと考えられる．5G以降のシステムでは，更にこの 傾向は強まり，ユーザ数を上回る多数のアンテナが設 置されると想定される．膨大な数のアンテナを設置す るためには，アンテナの小型化と低消費電力化は不可 欠であり，アナログRadio-over-Fiber (A-RoF)技術 が今後更に重要な役割を果たすと考えられる[5]．
従来の無線基地局では，無線基地局の制御・ベー スバンド部Baseband Unit (BBU)と無線部Remote Radio Head (RRH)をアンテナサイトに近接設置し， 収容局(CO: Central Office)とBBU間をL2また はL3伝送路で接続するDistributed Radio Access Network (D-RAN)構成が一般的であったが，アン
テナサイトに設置していた各BBUをCOに一括設
置し，RRHを集中制御することで無線品質を向上
するC-RAN (Centralized Radio Access Network)
構成の導入が進められている[6]．BBUとRRH間
の伝送には，無線波形を量子化サンプリングしたデ
ジタル信号を光伝送するデジタルRoF (D-RoF)技
術が採用されており，Common Public Radio Inter-face (CPRI) [7]やOpen Base Station Architecture Initiative (OBSAI) [8]は代表的な伝送規格である． D-RoF技術を用いたC-RAN構成では，デジタル化 した無線波形を伝送するため，従来のD-RAN構成と 比較してアクセス回線に求められる伝送帯域が16倍 になってしまう[9]．ユーザデータレートの増加に伴 い，光ファイバ伝送に高価な高速トランシーバ，波長 分割多重伝送，追加のアクセスファイバ敷設等が必要 となり，経済的なアクセス回線を迅速に提供すること が困難となる． この課題に対して，データ圧縮技術[10]やRANの 機能分割[11]に関する検討がされている一方で，近年， 高い伝送効率を有するA-RoF技術が注目され，関連 研究が活発化している[12]∼[17]．現在光アクセス回 線で利用されている強度変調—直接検波方式(IMDD:
Intensity-Modulation and Direct-Detection)を前提
にした場合，デジタル伝送では4値パルス振幅変調
(PAM-4: 4-level pulse amplitude modulation)で1
シンボル当り2 bitしか伝送できないが，アナログ伝送
では無線波形をそのまま光強度に変換して伝送するた
め，無線信号の周波数利用効率，例えば64 quadrature
amplitude modulation (64-QAM)では1シンボル当 り6 bitの伝送が可能となり，IMDDでも高い伝送効 率を実現できる．A-RoFに関する文献[12]∼[15]で は，1対1 (PtP: Point-to-Point)の光伝送構成で，デ ジタル信号処理(DSP: Digital Signal Processing)を
用いて複数のRF信号を周波数の異なるIFで周波数
分割多重(FDM: Frequency Division Multiplexing)
し，A-RoF技術を用いて大容量光伝送を実現してい る．文献[16]では，A-RoF技術による光伝送において， 信号品質に影響を与える可能性のある信号歪について
低減する手法を提案しており，文献[17]では，経済的
な光伝送を実現するために，垂直共振器面発光レーザ
(VCSEL: Vertical-Cavity Surface Emitting Laser)
を用いたA-RoF技術の検討を行っている．文献[12]∼ [17]いずれも，A-RoFの光伝送技術に特化した検討 をしており，筆者らの知る限りにおいて，A-RoF技術 を商用の基地局や光ファイバ等の商用システムへ適用 した伝送実験を通して，5G及びそれ以降のモバイル システムへの適用可能性を検討した報告例はない． 本論文では，前述のA-RoF技術の特長を活かして 無線基地局を効率的に収容可能なシステムの構成例を 示す．また，IFoF技術のモバイルへの適用可能性につ いて，具体的な伝送条件を想定して行った数値計算結 果を示す．更に，商用のLTE (Long Term Evolution)
無線基地局，実フィールドに敷設された屋外ファイバ 及び屋内ファイバからなる光伝送路を用い，無線基地 局から端末への下り伝送を想定した多チャネルRF信 号のIFoF伝送実験を行い，商用システムへの適用可 能性を示す． 本論文の構成は以下のとおりである．2.ではA-RoF 技術の概要と一般的な課題を述べる．3.では，A-RoF 技術を用いた基地局収容システム例を示し，数値計 算により伝送可能な条件の範囲を明確化する．4.で は，商用のLTE無線基地局とアクセスファイバを用 いて，商用LTE信号を含む帯域幅20 MHzのIF信号 24チャネルを，7.8 kmの商用光ファイバ上を伝送し た実験結果を示す．3.の数値計算結果との比較を行う とともに，A-RoF技術が少なくとも既設商用設備へ 適用可能であること，更には5G及びそれ以降のモバ イルシステムへも適用できる可能性が高いことを示す．
2.
アナログ
RoF
技術
A-RoF技術は，これまでにケーブルテレビ(CATV: Community Antenna Television)の放送波再送信サービス等で広く利用されてきた[18]．放送波再送信では， 放送波を64-QAM信号に変換して加入者宅向けに伝 送するトランスモジュレーション方式[19]と，信号形 式を変えずにそのまま伝送するパススルー方式[20]が ある．図1 (a)に，代表的なパススルー方式による地 上デジタル，BSデジタル放送の再送信サービスの光
伝送構成例を示す．ヘッドエンド(HE: Head End)施
設でアンテナ受信したBS放送波はBSコンバータで
中間周波数のBS-IF信号に一括ダウンコンバートさ
図 1 光伝送構成 (a) 放送向け光伝送，(b) モバイル基地局向け光伝送 Fig. 1 Optical transmission configuration for (a) broadcasting services and
(b) mobile base stations.
ダウンコンバートされる．別アンテナで受信し，レ ベル調整された地上波放送波とFDMして生成され たRF信号及びIF信号を直接変調レーザ等の電気/ 光(E/O: Electrical-to-Optical)変換器に入力し，ア ナログ信号波形をそのまま光の強度信号に変換して光 ファイバ伝送する．受信側では，PINフォトダイオー ド(PIN-PD: PIN-Photodiode)等の光/電気変換器で 直接検波し，RF・IF信号波形を再生する．HE側で BS放送波のダウンコンバージョンを行った場合は，元 のBS-IF周波数へ再変換した後にテレビ受信機へ入 力する． 近年，A-RoF技術はC-RAN構成の無線基地局を 収容する技術としても注目されており，ITU-Tにお いて，RoF技術とその応用についてまとめた補助文 書[21]が作成されている．また，ITU-T G. RoFとし て技術標準化に向けた活動も進められている．CATV で培われたA-RoF技術をC-RAN無線基地局収容向 けに適用した場合の光伝送構成例を図1 (b)に示す． 無線基地局向けでは，アンテナサイトからCOに向 かう上り光伝送も行われるが，基本的には下り光伝送 の逆動作として扱えるため，本論文では下りのみに フォーカスした．ただし，上り伝送では無線伝送に伴 い，アンテナで受信するRF信号品質が悪くなるため， 今後詳細な技術検討が必要である．従来の地上波再送 信システムでは，光伝送するRF信号の周波数はチャ ネルごとに異なっているが，C-RAN構成の無線基地 局収容向けの光伝送では，無線通信の大容量化のため のMultiple Input Multiple Output (MIMO)や，電 波を特定の方向に集中的に照射するビームフォーミン グ[22]等を行うために，BBUから出力される同一周 波数のRF信号を複数同時に光伝送させる必要がある． A-RoF技術を使った光伝送において，送信側で同一周 波数の複数のRF信号を合波し，そのままE/O変換 して光伝送してしまうと，受信側で元の複数のRF信 号に分離することができなくなる．そのため，送信側 で，各BBUで出力された複数の同一周波数のRF信
号をそれぞれ異なる周波数のIF信号に変換してFDM する必要がある．実際には，BBU内で周波数変換/多 重処理も行う場合や，BBUからFDMされたIF信 号を直接出力する構成も想定される．受信側では，各 RRH向けのIF信号に分離し，元のRF信号周波数に 変換してアンテナから電波発射する．近年では，無線 アンテナから発射するRF信号周波数でそのまま光伝 送する方式を狭義のA-RoF伝送方式とよび，IF信号 を光伝送させる方式をIFoF伝送方式と区別して呼ぶ ことが一般化しつつある[21]．また，IFoF伝送する際 に必要なRF信号の周波数変換や多重分離処理等を， 従来のRFミキサー，合分波器，フィルタを用いたア ナログ処理ではなく，DSPで行う方式も提案されてお り，DSP支援型A-RoFと呼ばれている[21]．この方 式は光伝送前後にDSPを利用することで，波長分散 や光デバイスの非線形性等で発生する品質劣化を補償 することを狙いとしている． 以上に概観したとおり，高い伝送効率を有する A-RoF伝送方式はC-RAN基地局収容向け技術として 注目されているが，現在の主流であるデジタル通信 方式と比べて，幾つかのデメリットを有する．一つ目 は，光伝送路に許容される伝送損失が小さい点である． A-RoF技術を用いた光伝送では，RF信号波形をその まま光伝送するため，光送信デバイスのE/O変換特 性の非線形性が電気信号の波形ひずみを発生させてし まう．そのため光送信デバイスにおいて，E/O変換 特性の線形性の高い領域のみを使わざるを得ず，光変 調度(OMI: Optical Modulation Index)が小さくな るため，光受信側では高い受光パワーが必要となる． エルビウム添加光ファイバ増幅器等の光増幅器を用い て受光パワーを上げることは可能だが，システムコス トの増加を招く．二つ目は，光伝送路の光多重反射に
起因する信号品質劣化の懸念である．既存のPassive
Optical Network (PON) [23]システムで広く利用さ れているNon-Return to Zero (NRZ)等のデジタル 伝送と比較して，高い信号対雑音比(SNR: Signal to Noise Ratio)を求められるアナログ伝送では，光多重 反射に起因するビートノイズの影響を無視できない場 合もある．光反射減衰量の大きいAPC等の光コネク タを利用して光伝送路の光反射量を厳密に管理するこ とで対策は可能だが，敷設・運用コストの増加を招く． CATVのパススルー方式を用いた地上デジタル放送 波のA-RoF伝送及び無線基地局収容向けA-RoF伝送 では，Orthogonal Frequency Division Multiplexing
(OFDM)信号を光伝送するが，チャネル当たりの帯域 幅は前者の5.6 MHzに対して，後者は，現状のLTE 信号で20 MHz，5G移動通信システムでは100 MHz 以上と広帯域である．そのため，無線基地局収容向け では大きな品質劣化も懸念され，実際に商用の光伝送 路を用いた伝送実験が必要である．光伝送損失及び光 多重反射による品質劣化影響については，3.において IFoF伝送方式が適用可能な伝送条件範囲の具体的な 数値計算結果を示す．
3. A-RoF
伝送システム
A-RoF技術の適用により，基地局アンテナサイト の簡素化(アンテナ装置の小型化，低消費電力化)に も期待がもてる．基地局展開においては，無線通信品 質の向上を目的に無線エリアを設計するが，実際には 物理的な制限（機器設置スペース，電力，光ファイバ 等）により，期待どおりのエリアが展開できない場合 もある．5Gやそれ以降の無線通信システムでは，屋 内外の小セル局が爆発的に増加するため，物理的な制 限を回避可能な経済的な伝送システムが一層求められ ることになる． 3. 1 IFoFシステム IFoF技術を用いた伝送システムの最も基本的な構 成は，図1 (b)に示したとおり，収容局(CO: Central Office)とアンテナサイトとをPtPで光ファイバ接続 する形である．IFoF技術により，光波長1波で複数 のRF信号を同時にアンテナサイトに伝送可能である． この構成では，光伝送前のRF信号からIF信号への 周波数変換に加えて，光伝送後にもアナログまたはデ ジタル処理によるIF信号からRF信号への周波数変 換が必要となり，アンテナサイト側の装置構成が複雑 となる．また，COから狭いエリアに密集した各アン テナサイト向けに光ファイバをそれぞれ準備する必要 がある．図2のように，物理的な制限を緩和するため に，COとアンテナサイト間に中継点を設けることで， 1対多(PtMP: Point-to-Multipoint)構成を形成する 伝送システムが有効と考えられる[24]．COからマク ロセル等が設置される中継局までのIFoF伝送では， 中継局配下の全アンテナサイト向けのIF信号を一括 伝送する必要があるため，広帯域な光送受信デバイス が必要になる．中継局では，受信した全IF信号から 各アンテナサイト向けのIF信号を分離し，別の中継 局へIFoF伝送するための周波数変換を行う．図3に IF信号の周波数配置例を示す．COでIF信号を生成図 2 IFoF伝送システム例
Fig. 2 An example of IFoF transmission system.
図 3 IF信号配置
Fig. 3 Schematic diagram of allocation of IF signals.
する際に，最終的に伝送されるサイトごとに周波数バ ンドを決めておき，そのバンド内に該当するRF信号 をIF信号として配置することで，CATV伝送システ ムでも広く利用されている周波数バンドごとの一括周 波数変換が可能となる．中継局から別の中継局(電柱 サイト等)への伝送においては，伝送するIF信号帯 域が減ることで，より経済的な伝送帯域の狭い光送受 信デバイスの利用が可能となる．最終的に電波発射す るスポットセルサイト向けには，直前の中継局でIF 信号から元のRF信号に周波数変換してA-RoF伝送 することで，アンテナサイトをPIN-PDとアンテナ (RF増幅器含む)のみで構成可能となり，超小型化・ 低消費電力化が可能である．本構成により，将来予想 される膨大な数のアンテナサイトの設置柔軟性を大幅 に向上できる． 3. 2 IFoF伝送特性 2.において，RoF技術を用いた光伝送のデメリッ トとして，許容される光伝送損失が小さいこと，光多 重反射の影響が懸念されることを述べた．本節では， COとアンテナサイト間をIFoF技術で光伝送するこ とを想定し，光伝送後のIF信号品質を数値計算によ り求める．まず，計算に用いる理論式を示し，その後， あるフロントホール構成を例に計算結果を示す． 搬送波対雑音比(CNR: Carrier-to-Noise Ratio)は， 既存の地デジ等の再送信システムを設計する際に広く 用いられており，光伝送品質を表す重要な要素となっ ている．一般に，IF信号チャネルに対する光伝送路の CNRは以下のように表せる[25]． CNR =10 log10 1 BN · 1 2·(mk·R·Pr) 2
RIN×(R·Pr)2+2·e·(Id0+R·Pr)+Ieq2
(1) M = k mk2 (2) ここで，BNは雑音帯域幅，mkはk番目のIF信号に よるOMI，M は総合OMI，Rは受光素子の光電気 変換効率，Prは受光パワー，RIN は受光素子に入力 される光信号の相対強度雑音，eは電気素量，Id0は受 光素子の暗電流，Ieqは受光部の入力換算雑音である． また，RIN は，光増幅器を用いた長距離伝送や中継 伝送を想定しない場合，以下のように表せる． RIN = 10 log10 10RINLD10 + 10RINf10 (3)
表 1 CNR数値計算条件 1
Table 1 Conditions 1 of numerical calculation for CNR performance. ここで，RINLDはレーザ光源の相対強度雑音，RINf は光ファイバ伝送の相対強度雑音である．光伝送路上 に，光反射量r1，r2 の二つの大きな光反射点を仮定 し，光ファイバの損失係数α，直接光と多重反射光が 同偏光(受光部で発生するビートノイズが最大となる 最悪条件)，光多重反射に比べてレイリー散乱の影響 は十分に小さいとすると，RINfは次のように表され る[26]． RINf(f ) =4r 2 π Δν f2+ (Δν)2 × {sin2 (ω0τ ) · [1 + exp(−4πΔντ ) − 2 exp(−2πΔντ) · cos(2πfτ)] + cos2(ω0τ ) · [1 − exp(−4πΔντ ) − 2 exp(−2πΔντ) · (Δν/f) · sin(2πfτ)]} (4) r = α√r1r2 (5) ここで，rは実効反射係数，Δνはレーザの半値全幅
(FWHM: Full Width at Half Maximum)，fは周波
数，ω0は光の中心角周波数である．τは直接光と多重 反射光の遅延であり，光反射点間の距離をd，光ファ イバの屈折率をn，光速をcとすると，τ = 2dn/cで 表される． 2.で，CATVと比較して無線基地局収容向けの A-RoF伝送では，チャネル当たりの帯域が広帯域に なる点について述べた．そこで，表1の各パラメー タ値を用いて，雑音帯域幅BN (信号帯域幅BW)を 5.6 MHz，20 MHz，100 MHzと変えたときの光伝送 路CNRについて計算した．チャネル数については， 5G想定の20 Gbpsユーザデータレート，チャネル当た り帯域幅100 MHz，現状LTEと同等の周波数利用効 図 4 光伝送損失の CNR への影響 1
Fig. 4 Influence of optical transmission loss on CNR performance 1. 率3.75 bit/s/Hzを仮定した場合に必要となる54チャ ネルとした．また，k番目のIF信号によるOMI mk を3%/Ch (総合OMI M で22%相当)とした．図4 に，光多重反射による影響を無視し，雑音帯域幅を変 えたときの受光パワーとCNRの関係を示す．チャネ ル当たりの帯域幅の増加によりCNRが劣化するが， 64-QAM LTE信号を想定してCNR 22 dBを基準と すると，帯域幅5.6 MHz，20 MHz，100 MHzそれぞ れの場合で，受光パワーが−15.7 dBm，−12.9 dBm， −9.2 dBm以上であれば基準を満足する．5G以降の システムにおける広帯域なIF信号伝送においても受 光パワーを適切に設定することで基準値を満足できる 見込みである． 次に光伝送路上に大きな反射点が2点存在したとき の光伝送路CNRについて，雑音帯域幅BN (信号帯 域幅BW)を変えて数値計算した．図4と同様に，k 番目のIF信号によるOMI mkを3%/Ch (総合OMI M で22%相当)とし，受光パワーによる雑音影響を 小さくするため受光パワーPrを0 dBm，光反射点間 距離dをコヒーレンス長以上を想定して200 mとし た．また，信号光と多重反射光は同偏光と仮定した． 図5 (a)，(b)に，それぞれ光反射量r1，r2を−25 dB， −15 dBとし，IF信号の中心周波数を50∼950 MHz で変えたときのCNR特性を示す．図5 (a)から，帯 域幅5.6 MHz，20 MHzであれば全てのIF周波数で CNR 22 dBを満足し，100 MHzの場合でも69 MHz 以上では規定CNR値を満たすことが分かる．デジタ ル伝送路で用いられている反射量−25 dB程度の一般 的なPC研磨の光コネクタの利用も可能と考えられ る．図5 (b)から，反射量が大きくなるといずれの帯域 幅においても低周波数帯ではCNR基準を満足できな くなるが，帯域幅5.6 MHz，20 MHz，100 MHzそれ
図 5 光多重反射の CNR への影響 (a) 光反射量−25 dB，
(b)光反射量−15 dB
Fig. 5 Influence of optical multiple reflections on CNR performance for (a) reflectivity−25 dB
and (b)−15 dB. ぞれの場合で，IF中心周波数を111 MHz，210 MHz， 479 MHz以上とすればCNR基準を満足する．5G以 降のシステムにおいても，IF信号の周波数配置を適切 に設定することで基準値を満足できる見込みである． 図4及び5の結果から，光ファイバ伝送による波長分 散影響が無視できるIF周波数帯・伝送距離であれば， 5G以降のシステムへもA-RoF技術が適用可能であ ると期待できる． ここで，既存LTEシステムへのIFoF技術の適用を 想定して，フロントホール構成として，アンテナサイ トに，3セクタで2× 2 MIMO構成の基地局を4周波 数帯分設置することに相当する，24チャネルのIF信 号を光伝送したときの光伝送路CNRを具体的に計算 した．計算に用いた各パラメータ値は表2のとおりで ある．アナログ光伝送では，光変調歪による影響を抑 えるため，総合OMI Mは一般に30%以下に設定して おり，本計算ではk番目のIF信号によるOMI mkを 3∼6%/Ch (総合OMI Mは15∼30%)とした．図6 に，受光パワーを変えたときのCNR特性を示す．受 表 2 CNR数値計算条件 2
Table 2 Conditions of numerical calculation for CNR performance 2.
図 6 光伝送損失の CNR への影響 2
Fig. 6 Influence of optical transmission loss on CNR performance 2.
光パワーによる影響を確認するため，光多重反射によ
る相対強度雑音RINf を無視した．各OMIにおいて
受光パワーの低下とともにCNRの劣化が確認できる．
IF信号として64-QAM LTE信号を想定し，OMI mk
を4%/Chとすると，基準となるCNR 22 dBを受光 パワー−14.1 dBm以上で満たすことが分かる．また， 光多重反射の影響について，光反射量r1，r2を同じ 値，直接光と多重反射光は同偏光を想定し，表2で， OMI mkを4%/Ch，受光パワーPrを−7 dBm，IF 信号中心周波数50 MHzを想定すると，光反射量r1， r2が−25 dB，−20 dB，−15 dBの場合で，それぞれ CNRは30.3 dB，21.7 dB，11.9 dBであった．これら の数値計算結果から，光反射量−25 dB程度の光反射 点が2点存在する伝送条件下でも，64-QAM LTE信 号24チャネル分のIFoF伝送が可能と見込まれる．以 上の検討結果を元に，実際にIFoF伝送実験を行った 結果を4.で示す．
4. IFoF
伝送実験
本章では，商用のLTE無線基地局と光ファイバを用いた多チャネルLTE信号のIF-over-Fiber（IFoF）伝 送実験を行い[27]，C-RAN基地局向けアナログRoF
図 7 IFoF伝送実験系
Fig. 7 Experimental setup for IFoF transmission.
(A-RoF)技術の商用システムとの適合性を示す．
図7にIFoF伝送実験系を示す．実験環境の制約上，
シンプルな1対1 (PtP: Point-to-Point)構成で実験 を行った．まず，移動通信システムの標準化プロジェ
クトである3GPPの標準に準拠した20 MHz帯域幅の
LTE信号を生成するため，商用LTE基地局のBBU
とRRHをBack to Back (BTB)で接続した．BBU
とRRH間の接続インターフェースはCPRIとなって おり，CPRIフォーマットへ変換する前のアナログ波 形をタップすることが困難であったためこのような構 成とした．実際のIFoF技術を用いたBBUとRRH 間のモバイルフロントホールでは，BBUを一つの収 容局側に設置し，RRHは別サイトに設置することに なる． 一 台 の ス マ ー ト フォン を ユ ー ザ 端 末(UE: User Equipment)として利用し，RRHとの間で無線通信 させた．商用のパケットコア(EPC: Evolved Packet Core)とスマートファン間でファイル転送プロトコル
(FTP: File Transfer Protocol)によるファイルダウ
ンロードを行い，実験中は連続的にRRHからLTE 信号が生成される環境を構築した．LTE信号の変調 フォーマットは無線伝送環境に依存するが，本実験で はRRHとスマートフォン間の距離が短く無線環境 が良好であったため，RRHからは20 MHz帯域幅の 64-QAM LTE信号が出力された．RRHは二つのア ンテナ(ANT: Antenna)ポートを有し，片方のポート から出力されたLTE信号をRFスプリッタで分配し， 一方をANT経由でスマートフォンへ送信し，他方を IFoF伝送実験用に利用した．図8 (a)に，RRHから 出力されたLTE信号のRFスペクトラムを示す．周波 数と帯域幅はそれぞれ2.12 GHz，20 MHzであった． LTE信号のRF周波数を光伝送前にミキサーを用い て必要なIF周波数に変換した．図8 (b)に，380 MHz 図 8 RFスペクトラム (a) RRH 出力，(b) 周波数変換 後，(c) AWG 出力，(d) DFB-LD 入力
Fig. 8 RF spectrum of (a) RRH output, (b) After frequency conversion, (c) AWG output and (d) DFB-LD input.
にダウンコンバートされたLTE信号のスペクトラムを
示す．多チャネルのLTE信号を模擬するため，任意波
形発生器（AWG: Arbitrary Waveform Generator） を用いて，20 MHz帯域幅，64-QAM LTE信号を23 チャネル生成した．図8 (c)に，ダウンコンバートさ れたRRH出力のLTE信号周波数380 MHzを除く， 中心周波数50 MHzから740 MHzに30 MHz間隔で 配置したIF信号のスペクトラムを示す．AWGから 発生したこれらのダミー信号とRRHから出力された LTE信号とを周波数分割多重し，分布帰還型レーザ
(DFB-LD: Distributed Feedback Laser Diode)に入
図 9 OTDR測定結果 Fig. 9 OTDR measurement result.
号は，無線基地構成として，3セクタ，4周波数，2× 2 MIMOを想定した場合の必要帯域に相当する．図8 (d) に，直接変調するDFB-LDへ入力した24チャネルの LTE信号のスペクトラムを示す．ここまで，RRH出 力のLTE信号を380 MHzのIF信号に変換した例を 示したが，本実験では，380 MHzのIF周波数に限ら ず，24チャネルのLTE信号の内，1チャネルを商用 LTE基地局から生成し，残りの23チャネルをAWG から生成することとした．DFB-LDの波長，出力パ ワーはそれぞれ1552 nm，+5.1 dBmであり，レベル の等しい24チャネルのIF信号でトータルのOMIを 約19% (4%/Ch)として直接変調した．光伝送路に ついては，収容局（CO: Central Office）での折り返 しを含む7.4 kmのアクセスファイバと0.4 kmの屋内
ファイバから構成され，複数のSC/PC光コネクタ接
続点を含む総伝送距離7.8 kmのシングルモードファイ
バ(SMF: Single Mode Fiber) [28]とした．図9に， 本実験で用いた商用光ファイバ及びリファレンス目
的の実験用10 km SMFの光パルス試験器(OTDR:
Optical Time-Domain Reflectometer)による伝送路 特性測定結果を示す．商用光ファイバにおいて，伝送 距離3.68 km，3.91 kmの地点に，それぞれ反射減衰 量27.9 dB，21.5 dBの大きな光反射点が確認された が，CO内での光コネクタ接続点に起因していたと考 えられる．また，光伝送損失は7.8 kmで10.3 dBもあ り，一般的なSMFの伝搬損失である0.2 dB/km相当 から期待される値と比較して大きな値であった．一方， 実験用10 km SMFでは大きな光反射点は見られず， 光伝送損失も1.8 dBと良好な品質を確認できた．光 ファイバ伝送された光信号をPIN-PDで受光し，スペ
クトラムアナライザ(SA: Spectrum Analyzer)でア ナログ電気信号をデジタル化した後，ベクトルシグナ ルアナライザ(VSA: Vector Signal Analyzer)を用い
図 10 光 伝 送 後 の RF ス ペ ク ト ラ ム (a) 受 光 パ ワ ー
−7 dBm，(b) 受光パワー −15 dBm
Fig. 10 RF spectrum after optical transmission of (a) Received power −7 dBm and (b) Re-ceived power−15 dBm.
図 11 光伝送後の LTE 信号 EVM 特性
Fig. 11 EVM performance of the LTE signal after op-tical transmission.
て，コンスタレーション，エラーベクトル振幅(EVM:
Error Vector Magnitude)を測定した．図10 (a)及び 図10 (b)は，それぞれ光ファイバ伝送後のPIN-PD での受光パワーを−7 dBm，−15 dBmとした場合の 24チャネルLTE信号のRFスペクトラムを示す．受 光パワーが低いときには受信機の熱雑音の影響により CNRが制限されるが，受光パワーを高めて−7 dBm としたときには，ショット雑音の影響もCNR品質に 影響する．図11に，商用LTE基地局から生成され たLTE信号の光ファイバ伝送後のEVM測定結果を 示す．LTE基地局からは20 MHz帯域幅，2.12 GHz のLTE信号が1チャネル出力されるため，中心周波 数を最小の50 MHz，中間の380 MHz，または最大の 740 MHzのIF周波数にダウンコンバートして評価し た．それぞれの場合において，AWGから23チャネ ルのダミー信号を生成し，中心周波数50 MHzから 740 MHzのIF信号を等間隔に24チャネル配置した． 測定結果から，EVMはIF周波数に依らず，受光パ ワーを高くすると改善されていることが確認できる．
図 12 7.8 km 商用光ファイバ伝送後の LTE 信号コン スタレーション (a) IF 周波数 50 MHz，受光パ ワー−7 dBm，(b) IF 周波数 380 MHz，受光パ ワー−7 dBm，(c) IF 周波数 740 MHz，受光パ ワー−7 dBm，(d) IF 周波数 740 MHz，受光パ ワー−15 dBm
Fig. 12 Constellation diagram of the LTE signal af-ter 7.8 km deployed optical fiber transmis-sion on (a) IF frequency 50 MHz and received power −7 dBm, (b) IF frequency 380 MHz
and received power−7 dBm, (c) IF frequency
740 MHz and received power −7 dBm and (d) IF frequency 740 MHz and received power
−15 dBm. また，LTE基地局から出力されたIF信号の中心周波 数を50 MHzとした場合に，他の周波数に設定した場 合と比べて品質が悪くなっている． 例えば，受光パワーを−11 dBmとすると，IF信号 の中心周波数が740 MHzの場合はEVMが8.6%で あったが，50 MHzにした場合には11.2%であった． 無変調の光源を用いた受光素子のノイズスペクトラム の評価結果から，低い周波数帯で相対的に高い熱雑音 を確認でき，その影響が一因であったと考えられる． 3.2の数値計算から，受光パワー−7 dBmで，反射 量−25 dBの光反射点が2点存在した場合でもCNR 30 dB以上(EVMで3%以下)が期待されたが，それ と比較して高いEVM値となったが，利用したLTE基 地局から出力された元々のRF信号品質(仕様上EVM 8%以下)による影響が大きかったと考えられる．図 12に光伝送されたLTE信号のコンスタレーションを 示す． この結果からもIF信号の中心周波数を50 MHzに した場合に，他の高い周波数に設定した場合と比較し て，ノイズの影響を強く受けていることが確認できる． 低い周波数帯でのEVMの劣化が見られたが，受光パ ワーを−7 dBmとした場合には，50 MHz，380 MHz， 740 MHzいずれのIF信号中心周波数においても， 64-QAMのEVM基準である8%以下を満たすことがで きた．リファレンス目的の実験用10 km SMFを伝送 した場合と比較しても，EVM特性に大きな違いがな いことを確認した．これらの実験結果から，伝送損失 等の伝送条件を適切に設定することで，C-RAN基地 局向けA-RoF技術が商用システムへ適用可能である ことを明らかにした．
5.
む す び
本論文では，5G及び将来の無線基地局の効率的な 収容を可能とする光アクセス回線として，高い伝送効 率とアンテナサイトの設置自由度を実現するA-RoF 技術を適用した伝送システムを示した．また，商用の LTE基地局から出力された無線信号を含む24チャネ ルのIF信号を，敷設ファイバと屋内ファイバからな る7.8 kmの商用光ファイバ上を伝送し，所望の無線 品質を満たすことを実証し，IFoF技術のLTEシステ ムへの適用可能性を確認した．本技術は，モバイル基 地局の大容量化，小セル化に伴う高速光トランシーバ を不要とし，アクセスファイバ数も削減可能なことか ら，高品質なモバイルネットワークの迅速かつ経済的 な提供に寄与する．信号帯域幅の広帯域化及びIF信 号数の増大も想定される5G以降のシステムへの適用 可能性については，高周波数帯に配置されたIF信号 の波長分散影響も含めた技術検討が今後の課題である． 文 献[1] Cisco Visual Networking Index: Global Mobile Data Traffic Forecast Update, 2016–2021 White Paper [Online], http://www.cisco.com/c/en/us/solutions/ collateral/service-provider/
visual-networking-index-vni/
mobile-white-paper-c11-520862.html, 2017.
[2] “Mobile communications systems for 2020 and be-yond,” ARIB 2020 and Beyond Ad Hoc Group White Paper, Oct. 2014 (URL: http://www.arib.or.jp/ ADWICS/20bah-wp-100.pdf).
[3] DMC R&D Center, Samsung Electronics Co., Ltd, “5G vision,” 2015, White paper available at http:// www.samsung.com/global/business/networks/ insights/white-paper.
[4] A. Damnjanovic, J. Montojo, Y. Wei, T. Ji, T. Luo, M. Vajapeyam, T. Yoo, O. Song, and D. Malladi, “A survey on 3GPP heterogeneous networks,” IEEE Wireless Commun., vol.18, no.3, pp.10–21, 2011.
[5] K. Furuya, T. Hirasawa, M. Oishi, S. Akiba, J. Hirokawa, and M. Ando, “3.5-Gbit/s QPSK signal transmission in beam forming of 60-GHz integrated photonic array-antenna,” Proc. 21st OptoElectron-ics and Communications Conference (OECC), paper TuA2-1, Niigata, 2016.
[6] “C-RAN: The road towards green RAN,” White Pa-per, [Online]. http://labs.chinamobile.com/report/ view 59826, 2011.
[7] CPRI Specification V7.0, “Common public radio in-terface (CPRI); Inin-terface specification,” 2015. [8] OBSAI, “Open base station architecture initiative
bts system reference document Version 2.0,” 2006. [9] K. Tanaka and A. Agata, “Next-generation
opti-cal access networks for C-RAN,” Proc. 2015 Opti-cal Fiber Communication Conference (OFC), paper Tu2E.1, Los Angeles, 2015.
[10] 縣 亮，難波 忍，大石将之，田中啓仁，“非線形量子化
を用いた C-RAN 基地局エントランス回線向け I/Q デー タ圧縮法，”信学論（C），vol.J98-C, no.8, pp.158–166, Aug. 2015.
[11] 3GPP TR 38.801, v2.0.0, “Study on new radio ac-cess technology: Radio acac-cess architecture and inter-faces,” 2017.
[12] X. Liu, F. Effenberger, N. Chand, L. Zhou, and H. Lin, “Demonstration of bandwidth-efficient mo-bile fronthaul enabling seamless aggregation of 36 E-UTRA-like wireless signals in a single 1.1-GHz wave-length channel,” Proc. 2015 Optical Fiber Communi-cation Conference (OFC), paper M2J.2, Los Angeles, 2015.
[13] X. Liu, H. Zeng, N. Chand, and F. Effenberger, “Ex-perimental demonstration of high-throughput low-latency mobile fronthaul supporting 48 20-MHz LTE signals with 59-Gb/s CPRI-equivalent rate and 2-ms processing latency,” Proc. 41st European Conference on Optical Communication (ECOC), paper We.4.4.3, Valencia, 2015.
[14] C. Ye, K. Zhang, Q. Chang, Z. Gao, X. Hu, X. Huang, and X. Sun, “A DSP-assisted symbol-cascade mo-bile fronthaul solution with large capacity and neat RRHs,” Proc. 41st European Conference on Optical Communication (ECOC), paper We.4.4.2, Valencia, 2015.
[15] M. Befekadu, S. Straullu, S. Abrate, and Roberto Gaudino, “Experimental optimization of DSP-aggregated front-hauling transmission for up to 4x96 LTE radio waveforms,” Proc. 42nd European Con-ference on Optical Communication (ECOC), paper W.4.P1.SC7.73, D¨usseldorf, 2016.
[16] C. Han, S.-H. Cho, H.S. Chung, and J.H. Lee, “Lin-earity improvement of directly-modulated multi-IF-over-fibre LTE-A mobile fronthaul link using shunt diode predistorter,” Proc. 41st European Conference on Optical Communication (ECOC), paper We.4.4.4,
Valencia, 2015.
[17] B.G. Kim, S.R. Bae, R. Kim, and Y.C. Chung, “Mobile fronthaul optical link for LTE-A system using directly-modulated 1.5-µm VCSEL,” Proc.
21st Optoelectronics and Communications Confer-ence (OECC), paper TuA2-3, Niigata, 2016.
[18] 久利敏明，堀内幸夫，中戸川剛，塚本勝俊，“光・無線融
合技術をベースとする通信・放送システム，”信学論（C），
vol.J91-C, no.1, pp.11–27, Jan. 2008.
[19] JCTEA STD-007-5.6，“デジタル有線テレビジョン放送
デジタルケーブルテレビジョン受信装置，” Aug. 2013.
[20] JCTEA STD-008-1.0，“デジタル有線テレビジョン放送
BSデジタル放送のケーブルテレビにおけるパススルー伝
送方式，” May 2001.
[21] ITU-T G-series Recommendations - Supplement 55, “Radio-over-fibre (RoF) technologies and their appli-cations,” July 2015.
[22] M. Agiwal, A. Roy, and N. Saxena, “Next genera-tion 5G wireless networks: A comprehensive survey,” IEEE Communications Surveys and Tutorials, vol.18, no.3, pp.1617–1655, 2016.
[23] ITU-T Recommendation ITU-T G.987.1, “10-Gigabit-capable passive optical networks (XG-PON): General requirements,” March 2016.
[24] M. Suzuki, S. Ishimura, K. Tanaka, A. Bekkali, S. Nanba, K. Nishimura, B.G. Kim, H. Kim, and Y.C. Chung, “Optical and wireless integrated technolo-gies for future mobile networks,” Proc. 19th Interna-tional Conference on Transparent Optical Networks (ICTON), paper We.A2.2, Girona, 2017.
[25] JCTEA TR-006，“FTTH 型ケーブルテレビの伝送技術
と施工，” April 2005.
[26] J.L. Gimlett and N.K. Cheung, “Effects of phase-to-intensity noise conversion by multiple reflections on gigabit-per-second DFB laser transmission systems,” J. Lightwave Technol., vol.7, no.6, pp.888–895, 1989. [27] B.G. Kim, K. Tanaka, T. Kobayashi, A. Bekkali, K. Nishimura, H. Kim, M. Suzuki, and Y.C. Chung, “Transmission experiment of LTE signals by IF-over-Fiber using commercial base station and de-ployed optical fibers,” Proc. 42nd European Con-ference on Optical Communication (ECOC), paper W.4.P1.SC7.75, D¨usseldorf, 2016.
[28] ITU-T Recommendation ITU-T G.652, “Character-istics of a single-mode optical fibre and cable,” Nov. 2016.
（平成 29 年 3 月 15 日受付，8 月 29 日再受付， 30年 1 月 15 日公開）
田中 和樹 （正員） 2004早大・理工卒．2006 同大大学院修 士課程了．同年 KDDI（株）入社，（株） KDDI研究所（現（株）KDDI 総合研究 所）配属．現在，光アクセス技術の研究に 従事． キム ビョンゴン 2014 Hongik 大・電 気 工 学 卒 ．2016 KAIST大学院電気工学修士課程修了．現 在，同大大学院博士課程在学中．アナログ RoF技術の研究に従事． 小林 嵩 （正員） 2011電通大・電気通信卒．2013 同大大 学院修士課程了．同年 KDDI（株）入社， 2014（株）KDDI 研究所（現（株）KDDI 総合研究所）配属．現在，先端技術の調査 に従事． ベッカリ アブデルモウラ （正員） 平 19 早大大学院国際情報通信研究科修 士課程，平 22 同大学院博士課程了．現在， （株）KDDI 研究所光アクセス NWG に て，高速光アクセス伝送技術の研究に従事． 平 27 KDDI Excellent research Award， 平 26 IEICE Transaction on electronics best paper award．平 21 早大小野梓記念学術賞，電気通信普 及財団テレコムシステム技術賞，平 26 国際会議 IEEE WCNC Best Paper Award各受賞．博士（工学）．IEEE Senior 会員．
難波 忍 （正員） 1994九州大学・情報工卒．1996 同大大 学院修士課程了．同年国際電信電話株式会 社入社．2001 株式会社 KDDI 研究所配属． 現在，モバイルアクセス技術の研究に従事． 西村 公佐 （正員：シニア会員） 1986東工大・工・電子物理卒．1988 同 大学院理工学研究科修士課程了，2008 同 大学院総合理工学研究科博士課程了．1988 国際電信電話（株）（現 KDDI（株））入社． 以来，可視発光半導体材料・素子，光信号 処理技術，光アクセスネットワーク技術等 の研究開発に従事．現在，（株）KDDI 総合研究所光アクセス ネットワークグループリーダー．応用物理学会，SID 各会員． キム フーン 1994 KAIST・電気工学卒．1996 同大大 学院修士課程修了，2000 同大大学院博士 課程修了．Bell Labs, Lucent Technolo-gies，サムスン電子，National University of Singaporeを経て，2014 KAIST 准教 授，現在に至る．光伝送技術，光アクセス ネットワークに関する研究に従事．
チャン ユン
AT&T Bell Laboratoriesを経て，1994
KAIST教授，現在に至る．大容量 WDM
システム・ネットワーク，光伝送性能モニ タリング，WDM-PON，モバイル通信向 け光ネットワーク等の研究に従事．IEEE， OSA，Korean Academy of Science and Technology，The National Academy of Engineering of Korea各フェロー． 鈴木 正敏 （正員：フェロー） 1979北海道大・工卒．1984 同大大学院 博士課程了．工学博士．同年，国際電信 電話（株）（現 KDDI（株））入社．2007 KDDI（株）研究開発フェロー，2011（株） KDDI 研究所取締役副所長を経て 2016 （株）KDDI 総合研究所主席特別研究員， 現在に至る．その間，高速光通信用半導体変調器と集積光デ バイス，光ソリトン通信方式，波長多重光海底ケーブルシス テム，光ネットワークの研究開発に従事．本会論文賞，業績 賞，文部科学大臣表彰科学技術賞，経済産業大臣賞，前島密 賞，櫻井健二郎氏記念賞，OECC2000 Best Paper Award 等 受賞，IEEE，OSA 各フェロー．日本工学アカデミー会員．
