「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）
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 各ユーザは垂直/水平いずれかの偏波を使用 ユーザ1 ユーザ2 垂直偏波 （V偏波） 水平偏波 (H偏波) VSAT固定局 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１．本研究開発の狙い （2/3）
V偏波 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 裏偏波への 漏洩電力 f V H f 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つの偏波で利用課題
両偏波使用に比べて周波数利用効率が半減 調整不完全１．本研究開発の狙い （3/3）
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、信号処理で補償適応偏波多重（
APDM）伝送技術
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 送信信号V
H
移動伝搬環境 干渉 補償 受信モデムV
H
偏波間干渉復元
分割 偏波多重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 システム制御装置 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 ウ）APDMシステム制御技術 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 イ）片偏波局共用APDM伝送技術 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 偏波面形成 伝送装置 APDM 伝送装置２．研究課題と目標（2/2）
詳細検討 装置開発 実証実験 H19 H20 H21Ku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
達成目標
線表
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 周波数誤差H補正 周波数誤差V補正 周波数誤差H補正 伝搬路 推定 MMSE 周波数 誤差V 推定 周波数 誤差H 推定 誤差V 誤差H 干渉補償後の推定周波数 誤差をフィードバック 受信V偏波信号 受信H偏波信号 補償後V偏波信号 補償後H偏波信号 f f f f 周波数非同期干渉補償回路 補償前 補償後信号処理モジュール 高速APDM伝送装置
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 ・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％ 1.0E-08 1.0E-07 1.0E-06 1.0E-05 1.0E-04 1.0E-03 1.0E-02 2 3 4 5 6 7 8 Eb/N0 ( dB ) BE R(a) Theory ( Simulation ) (b) θ:45 deg.: +/- 0kHz (c) θ:0 deg.: +/- 4kHz (d) θ:45 deg.: +/- 4kHz (e) θ:60 deg :+/- 4kHz 10-2 10-3 10-4 10-5 10-6 10-7 10-8 伝送特性例 （5.12Mbps) (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
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 ・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 両偏波追尾アンテナ設計 給電部設計３．目標の達成状況（4/8）
追尾誤差 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0: 00: 00 0: 07: 12 0: 14: 24 0: 21: 36 0: 28: 48 0: 36: 00 0: 43: 12 0: 50: 24 0: 57: 36 追尾誤差(Hpolﾋﾞｰｺﾝ RX-1ﾎﾟｰﾄによる実 験の時) 追尾誤差(Vpolﾋﾞｰｺﾝ RX-1ﾎﾟｰﾄによる実 験の時) 追尾誤差(Vpolﾋﾞｰｺﾝ RX-2ﾎﾟｰﾄによる実 験の時) 追尾誤差(Hpolﾋﾞｰｺﾝ RX-2ﾎﾟｰﾄによる実 験の時) (deg) (時間) 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) 指向性追尾誤差 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 船舶動揺制御用PC 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 船舶動揺シミュレータ 規定値：0.2度 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 APDM伝送装置HPC HPC Ref 偏波角 設定 偏波 制御部 振幅 位相 補正 増幅部 構成 対応 非線形 補償 経路誤差 校正 増幅部校正 D/A V偏波信号 f f TC TC HYB H偏波信号
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 H偏波 アンテナ V偏波 アンテナ 入力信号 V偏波アンテナ H偏波アンテナ f 偏波面形成の原理 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 偏波形成制御あり -100 -90 -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 相対周波数(MHz) レベル（ dB ） V偏波 H偏波 -100 -90 -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 相対周波数(MHz) レベル（ dB ) XPD>27dB 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 V偏波 H偏波 偏波形成制御なし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 地球局属性DB チャネル管理DB 回線制御装置 両偏波APDM 片偏波APDM 片偏波追尾 片偏波固定 地球局端末 基地局 制御回線 通信回線 （偏波） APDM伝送装置 V H RTL: 地球局種別、位置情報など FWL: チャネル情報 チャネル配置アルゴリズム チャネル割り当て制御 基地局IF 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 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 0.5 1 利用率 帯域 電力 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 0.5 1 利用率 地球局数 帯域 電力 従来例：変調方式を固定（例：8PSK） 提案方式：サブキャリヤ毎に変調方式を変更 収容局数：60局 収容局数：90局 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 0.5 1 利用率 帯域 電力 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 0.5 1 利用率 地球局数 帯域 電力 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 0.5 1 利用率 地球局数 帯域 電力 従来例：変調方式を固定（例：8PSK） 提案方式：サブキャリヤ毎に変調方式を変更 収容局数：60局 収容局数：90局 提案する回線割当制御により収容 効率が2倍以上 V H 衛星帯域 16QAM 7/8QPSK 7/8 QPSK 1/2 BPSK 1/2 既存 APDM 両偏波対割当 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 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 商用衛星 (スカパーJSAT) 衛星追尾アンテナ （スカパーJSAT） 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 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 基地局（スカパーJSAT横浜管制局) 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 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)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
4．実フィールドにおけるフィージビリティ検証（3/5)
1.0E-08 1.0E-07 1.0E-06 1.0E-05 1.0E-04 1.0E-03 1.0E-02 2 3 4 5 6 7 8 Eb/N0 ( dB ) B ER(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 (f) Sat Static
(g) Sat Dynamic (low wave) (h) Sat Dynamic (high wave) (i) Sat Dynamic (Circling)
10-2 10-3 10-4 10-5 10-6 10-7 10-8 1.0E-08 1.0E-07 1.0E-06 1.0E-05 1.0E-04 1.0E-03 1.0E-02 2 3 4 5 6 7 8 Eb/N0 ( dB ) B ER
(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 (f) Sat Static
(g) Sat Dynamic (low wave) (h) Sat Dynamic (high wave) (i) Sat Dynamic (Circling)
10-2 10-3 10-4 10-5 10-6 10-7 10-8 IF実験特性 衛星実験特性 (f) アンテナ静止 (g) アンテナ動揺（小波） (h) アンテナ動揺（大波） (i) アンテナ動揺（旋回） 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 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
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 送信偏波面制御なし -105 -100 -95 -90 -85 -80 -75 -70 1292.5 1293 1293.5 1294 1294.5 周波数（MHｚ） レベル（ dB ） H偏波 V偏波 送信偏波形成技術の適用 （V偏波面に電力を集中） 雑音レベルまで裏偏波への漏洩電力を低減 -110 -105 -100-95 -90 -85 -80 -75 -70 1292.5 1293 1293.5 1294 1294.5 周波数（MHｚ） レベル（ dB ） H偏波 V偏波 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 -110 1.E-08 1.E-07 1.E-06 1.E-05 1.E-04 1.E-03 1.E-02 1 2 3 4 5 6 7 8 Eb/N0 (dB) B E R シミュレーション値 偏波共用なし 偏波共用あり 10-1 10-2 10-3 10-4 10-5 10-6 10-7 10-8 f V H 既存地球局 偏波面形成技術で 既存地球局の裏偏 波に信号形成 f H f V f 偏波共用なし 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 0 500 1000 1500 2000 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300Packet size (byte)
U D P t hr o ug hp ut ( kb ps ) Channel A (Sat) Channel A (IF) 1280kbps 640kbps 480kbps 基地局 ユーザ端末 APDMモデム HUB HUB HUB 地球局2 発呼 リンクA 地球局1 ユーザ端末 ユーザ端末 着呼 発呼回線 着呼回線 DAMAによる回線割当結果 リンクA (衛星実験） リンクA (IF実験） Channel A (Sat) Channel A (IF) リンクB (衛星実験） リンクB (IF実験） Channel A (Sat) Channel A (IF) リンクC (衛星実験） リンクC (IF実験） 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 ITU-R SG4にて課題改定とDraft New Report化
合計 4 29 26 59
その他、展示会出展（ワイヤレステクノロジーパーク2009）
