( frequency modulation) 変調を用いて構成することができた しかし 各チャネル間の干渉を防ぐため ガードバンドと呼ばれるヌル区間が必要であり このことが利用効率の低下を招いていた また この方式におけるユーザの収容数が加入者の増加予測に対応できないことが早くから認識され 第 2

岡本 英二

(Eiji OKAMOTO, Ph. D.)

名古屋工業大学 大学院工学研究科 情報工学専攻 准教授 (Associate Professor, Graduate School of Engineering, Nagoya Institute of Technology)

電子情報通信学会 IEEE

受賞：ICUFN2014 Excellent Paper Award 電子情報通信学会衛星通 信研究会衛星通信研究賞(2012) ICOIN2012 Excellent Paper Award 船井情報科学奨励賞(2009) 総務省東海総合通信局長表彰(2008) 専門分野：移動体通信 衛星通信 センサネットワーク

ま え が き

移 動 体 通 信 シ ス テ ム は 、1980 年 代 よ り 継 続 的 に 普 及 し て お り 、 現 在 で は 1 人 1 台 以 上 の 契 約 数 と な っ て い る 。 一 方 、 無 線 の 周 波 数 は 有 限 の 資 源 で あ る た め 、 多 数 の 加 入 者 を 収 容 し 、 さ ら に 、 高 速 な 伝 送 速 度 を 実 現 す る た め に は 、 周 波 数 の 利 用 効 率 を 向 上 さ せ る 必 要 が あ る 。 こ れ に 寄 与 す る 方 法 の 一 つ が 多 元 接 続 技 術 の 高 度 化 で あ る 。 本 稿 で は 、 移 動 体 通 信 シ ス テ ム に お け る 多 元 接 続 技 術 の 変 遷 に つ い て 紹 介 し 、 シ ス テ ム の 容 量 を 増 加 さ せ る た め に 、 直 交 多 元 接 続 手 法 と 非 直 交 多 元 接 続 手 法 が 入 れ 替 わ り な が ら 用 い ら れ て き た こ と を 述 べ る 。 そ し て 、 周 波 数 利 用 効 率 の 向 上 の た め に 、 新 た に 提 案 し た 直 交 多 元 接 続 手 法 に 符 号 拡 散 を 適 用 す る 手 法 と 、 非 直 交 多 元 接 続 手 法 に お け る 高 能 率 周 波 数 割 り 当 て 方 式 を 説 明 す る 。そ し て 、計 算 機 シ ミ ュ レ ー シ ョ ン 結 果 か ら 、 提 案 手 法 に お い て ユ ー ザ の ス ル ー プ ッ ト と 公 平 性 が 向 上 す る こ と を 示 す 。

1. 移動体通信 システムに おける多元 接続

技 術 の 変 遷 と 周 波 数 利 用 効 率 の 向 上

図 1 に 我 が 国 に お け る 無 線 ア ク セ ス シ ス テ ム の 加 入 者 数 推 移 を 示 す[1]。 平 成 27 年 6 月 に お け る 加 入 者 数 は 162,877,200 台 で 、 同 月 の 日 本 の 人 口 は 126,890,000 人 で あ り[2]、普 及 率 は 128.4%と な る 。自 動 販 売 機 な ど の 機 器 類 へ の 契 約 も 含 ま れ て い る が 、 数 値 上 は こ の よ う に 一 人 一 台 を 越 え て 、 継 続 的 に 増 加 し て い る こ と が 分 か る 。 実 際 、 通 話 用 の 携 帯 電 話 と デ ー タ 通 信 用 の タ ブ レ ッ ト の 2 台 を 持 っ て い る ユ ー ザ は 増 え て い る 。 2020 年 に は IoT/IoE （ internet of things/internet of everything）デ バ イ ス は 500 億 台 に 達 す る と 予 想 さ れ て お り[3]、そ こ か ら 得 ら れ る ビ ッ グ デ ー タ を 活 用 し て 高 度 な 社 会 基 盤 が 形 成 さ れ る と 考 え ら れ る 。こ れ ら のIoE デ バ イ ス か ら の 情 報 収 集 に は 無 線 が 欠 か せ な い 。 移 動 体 の 情 報 伝 送 に は 無 線 通 信 が 必 須 で あ り 、 高 効 率 な 電 力 ・ 周 波 数 利 用 が 継 続 的 に 求 め ら れ て い る 。 図 １ 日 本 の移 動 多 通 信 システム加 入 者 数 推 移 表 1 に 、 移 動 体 通 信 シ ス テ ム の 標 準 化 プ ロ ジ ェ ク ト で あ る 3GPP が 規 定 し た 第 3.5～ 4 世 代 に お け る 伝 送 速 度 と 1 Hz 当 た り の 伝 送 速 度 を 示 す [4,5]。世 代 が 進 む に つ れ て 、 シ ス テ ム の ピ ー ク 速 度 が 飛 躍 的 に 向 上 し て い る が 、同 時 に 1 Hz で 送 る こ と の で き る 伝 送 速 度 も 大 幅 に 増 加 し て い る こ と が 分 か る 。 こ の よ う に 、 周 波 数 利 用 効 率 を 向 上 さ せ る こ と が 、 無 線 ア ク セ ス シ ス テ ム の 進 化 の 原 動 力 で あ る 。 一 方 、 無 線 通 信 は 電 磁 波 を 用 い た 情 報 伝 送 で あ る た め 、 同 じ 周 波 数 ・ 時 間 ・ 空 間 に 二 対 以 上 の 送 受 信 機 が 通 信 を 行 う と 、 互 い の 電 磁 波 が 干 渉 に な り 混 信 す る 。 そ の た め 、 多 数 の 端 末 が 同 時 に 接 続 す る た め に は 、多 元 接 続 技 術 を 適 用 す る 必 要 が あ る 。 表 1 の 数 値 の よ う に 、 携 帯 電 話 シ ス テ ム は 収 容 加 入 者 数 と 伝 送 速 度 の 増 加 の た め に 、お よ そ 10 年 ご と に 世 代 が 変 わ り 、 そ れ に 伴 い 、 こ の 多 元 接 続 技 術 も 進 化 し て き た 。 表 １ 第 3, 4 世 代 移 動 体 通 信 システムの 伝 送 速 度 と周 波 数 利 用 効 率 Generation Release 6 3.5 G 3.9 G 4 G HSPA Release 8 LTE Advanced LTE-Peak rate DL_UL 14.4Mbps 326.4Mbps 1Gbps_{5.7Mbps 86.6Mbps 500Mbps} Peak spectral efficiency bit/s/Hz DL 3 15 30 UL 2 3.75 15 図2 に 、1980 年 代 の 第 1 世 代 携 帯 電 話 シ ス テ ム（ 自 動 車 電 話 ）で 用 い ら れ た 周 波 数 分 割 多 元 接 続（frequency division multiple access: FDMA）の 原 理 を 示 す 。各 ユ ー ザ は 、 一 つ の チ ャ ネ ル を 占 有 し て 基 地 局 と 通 信 を 行 う が 、 そ の と き 、 各 チ ャ ネ ル は 周 波 数 を 細 か い 幅 に 分 割 し て 、 互 い に 干 渉 し な い よ う に す る 手 法 で あ る 。 こ れ は 直 交 分 割 多 元 接 続 の 一 つ で あ り 、 し か も 、 各 チ ャ ネ ル 間 は 時 間 同 期 を 取 る 必 要 が な い 。 そ の た め 、 シ ス テ ム を 比 較 的 簡 易 に 構 築 す る こ と が で き 、ア ナ ロ グ の FM 0 20,000 40,000 60,000 80,000 100,000 120,000 140,000 160,000 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 単位：千人 年度 携帯電話・PHS・BWAの加入者数推移

（frequency modulation） 変 調 を 用 い て 構 成 す る こ と が で き た 。 し か し 、 各 チ ャ ネ ル 間 の 干 渉 を 防 ぐ た め 、 ガ ー ド バ ン ド と 呼 ば れ る ヌ ル 区 間 が 必 要 で あ り 、 こ の こ と が 周 波 数 利 用 効 率 の 低 下 を 招 い て い た 。 ま た 、 こ の 方 式 に お け る ユ ー ザ の 収 容 数 が 加 入 者 の 増 加 予 測 に 対 応 で き な い こ と が 早 く か ら 認 識 さ れ 、 第 2 世 代 携 帯 電 話 シ ス テ ム で は 多 元 接 続 方 式 が 変 更 さ れ た 。 時間 電力 チャネル１ チャネル２ チャネル３ チャネル４ ガード バンド 図 ２ 周 波 数 分 割 多 元 接 続 （FDMA）の原 理 図3 に 、1990 年 代 の 第 2 世 代 携 帯 電 話 シ ス テ ム で 用 い ら れ た 時 間 分 割 多 元 接 続 （time division multiple access: TDMA） の 原 理 を 示 す 。 各 チ ャ ネ ル は 時 間 を 細 か い ス ロ ッ ト 単 位 に 分 割 し て 、 各 ユ ー ザ が そ の 一 つ の チ ャ ネ ル を 占 有 し 通 信 を 行 う 直 交 多 元 接 続 手 法 で あ る 。 こ の 手 法 で は 、各 ユ ー ザ が 時 間 同 期 を 取 る 必 要 が あ り 、 シ ス テ ム の 構 成 が 複 雑 に な る 。 ま た 、 各 ス ロ ッ ト 間 の 干 渉 を 防 ぐ た め に ガ ー ド タ イ ム と 呼 ば れ る ヌ ル 区 間 が 必 要 で あ り 、 時 間 利 用 効 率 が 若 干 低 下 し て い た 。 こ れ は 周 波 数 利 用 効 率 の 低 下 と 等 価 で あ る 。 し か し 、 デ ィ ジ タ ル 変 調 を 採 用 し た こ と も あ り 、FDMA と 比 べ る と 周 波 数 利 用 効 率 は 向 上 し た 。 時間 周波数 電力 ガードタイム 図 ３ 時 間 分 割 多 元 接 続 （TDMA）の原 理 図1 に も 示 さ れ て い る よ う に 、2000 年 代 に 入 り 無 線 ア ク セ ス シ ス テ ム の 加 入 者 数 は 飛 躍 的 に 増 加 し 、 シ ス テ ム の 更 な る 大 容 量 化 の 実 現 が 求 め ら れ た 。 ま た 、 こ の 頃 に な る と 音 声 通 信 だ け で な く 、 デ ー タ 通 信 の 比 重 が 増 加 し た た め 、 様 々 な 伝 送 速 度 を 混 在 で き る シ ス テ ム の 構 築 が 必 要 と な っ た 。FDMA や TDMA で は ス ロ ッ ト が 固 定 の た め 、 適 応 的 な 伝 送 速 度 切 り 替 え の た め に は 柔 軟 性 が 不 足 し て い た 。 そ こ で 、 第 3 世 代 シ ス テ ム で は 、 こ れ ら の 需 要 を 満 た す 多 元 接 続 技 術 が 採 用 さ れ た 。 図4 に 、2000 年 代 の 第 3 世 代 シ ス テ ム で 用 い ら れ た 符 号 分 割 多 元 接 続 （code division multiple access: CDMA） の 原 理 を 示 す 。 送 信 デ ー タ に デ ー タ 伝 送 速 度 よ り 高 速 な ユ ー ザ 固 有 の 拡 散 符 号 を 乗 算 し て 伝 送 す る 。 こ の 拡 散 符 号 の 違 い に よ り 、 多 元 接 続 を 実 現 す る 。 全 ユ ー ザ の 拡 散 後 の 信 号 は 、 同 じ 時 間 － 周 波 数 帯 域 を 使 用 し て 多 重 す る 。 そ の た め 、 こ の 手 法 は 各 ユ ー ザ 間 で １ ／ （ 拡 散 率 ） 程 度 の 干 渉 が 生 じ る 非 直 交 多 元 接 続 と な る 。 し か し 、 ガ ー ド バ ン ド や ガ ー ド タ イ ム は 不 要 の た め 、 周 波 数 利 用 効 率 が 向 上 す る 。 さ ら に 、 ユ ー ザ の 無 送 信 確 率 を 予 め 見 積 も り 、 そ の 確 率 分 ユ ー ザ 数 を 無 線 資 源 の 収 容 数 の 上 限 以 上 に 増 や し 、 シ ス テ ム の 利 用 効 率 を 上 げ る こ と が 可 能 と な る 。 こ れ を 統 計 多 重 効 果 と い い 、 サ ー ビ ス 上 の 収 容 加 入 者 数 を さ ら に 増 加 さ せ る こ と が で き た 。 時間 周波数 チャネル１ チャネル２ チャネル３ チャネル４ 電力 図 ４ 符 号 分 割 多 元 接 続 （CDMA）の原 理 そ の 後 も デ ー タ 通 信 の 需 要 が 継 続 的 に 増 加 し 、 音 声 通 話 を 上 回 る デ ー タ 量 と な っ た 。 ま た 、 さ ま ざ ま な 機 能 が 携 帯 端 末 に 搭 載 さ れ る よ う に な り 、 デ ー タ 通 信 を 中 心 と し て 第 3 世 代 シ ス テ ム の 規 格 を 上 回 る 大 容 量 化 が 求 め ら れ る よ う に な っ た 。 そ こ で 、 パ ケ ッ ト 交 換 の 高 能 率 な 多 元 接 続 技 術 と し て 、 直 交 周 波 数 分 割 多 重 伝 送 （orthogonal frequency division multiplexing: OFDM） の 原 理 を 多 元 接 続 に 用 い た 直 交 周 波 数 分 割 多 元 接 続 （ orthogonal frequency division multiple access: OFDMA） 方 式 が 第 4 世 代 （ 正 式 な 規 格 上 は 3.9 世 代 ） シ ス テ ム に お い て 採 用 さ れ 、日 本 で は 2010 年 よ り サ ー ビ ス が 開 始 さ れ た 。 図5 に 、 そ の 原 理 を 示 す 。 FDMA と 同 様 の 概 念 で あ る が 、OFDM の 原 理 を 用 い る こ と に よ り 、 各 チ ャ ネ ル を 同 期 さ せ ガ ー ド バ ン ド を 不 要 と し 、 稠 密 に 直 交 の チ ャ ネ ル を 配 置 さ せ る こ と が で き る 。 時間 周波数 電力 チャネル１ チャネル２ チャネルK 図 ５ 直 交 周 波 数 分 割 多 元 接 続 （OFDMA）の原 理 周 波 数

こ れ に よ り 周 波 数 利 用 効 率 が 向 上 し た 。 さ ら に 、 ユ ー ザ と チ ャ ネ ル を 固 定 す る 回 線 交 換 で は な く パ ケ ッ ト 交 換 で あ る こ と か ら 、 各 チ ャ ネ ル を 端 末 － 基 地 局 間 の 伝 搬 路 状 況 が 良 い ユ ー ザ に 適 応 的 に 割 り 当 て る こ と に よ っ て 、シ ス テ ム 全 体 で の 容 量 を 増 や す こ と が で き る 。 こ れ を マ ル チ ユ ー ザ ダ イ バ ー シ チ と い う 。 こ の 多 元 接 続 技 術 と 複 数 ア ン テ ナ 伝 送 （ multiple-input multiple-output: MIMO） 技 術 [6]な ど を 併 用 す る こ と に よ り 、下 り リ ン ク で 100 Mbps 以 上 の 伝 送 速 度 を 実 現 し て い る 。 こ の よ う に 、 多 元 接 続 技 術 は シ ス テ ム 容 量 の 増 加 を 優 先 事 項 と し て 、 直 交 、 直 交 、 非 直 交 、 直 交 と 変 遷 し て き た 。

2. 符号拡散を 用いる直交 多元接続と スルー

プ ッ ト の 向 上

第 3.9 世 代 移 動 体 通 信 シ ス テ ム に 用 い ら れ て い る OFDMA に お い て 、 我 々 は 更 な る ス ル ー プ ッ ト の 向 上 を 実 現 す るOFDMA-code division multiplexing（ CDM） と い う 手 法 を 提 案 し た 。 図 6 に 、 提 案 手 法 の 概 念 を 示 す 。1 OFDMA シ ン ボ ル に 複 数 の チ ャ ネ ル（ サ ブ バ ン ド と も い う ） が ユ ー ザ 1 に 割 り 当 て ら れ て い る と す る 。 伝 搬 路 の 状 況 に 応 じ て 、 時 間 と 共 に ユ ー ザ 1 に 割 り 当 て ら れ る 。 時間 周波数 ユーザ１ ユーザ１ ユーザ１ ユーザ１ ユーザ１ ユーザ１ ユーザ１ ユーザ１ 1 OFDMAシンボル CDMによる 拡散 図 ６ OFDMA-CDM の概 念 図 チ ャ ネ ル の 周 波 数 は 変 化 す る が 、 こ れ ら を い く つ か 束 ね て 、 直 交 符 号 で 時 間 － 周 波 数 の 2 次 元 に 拡 散 し て デ ー タ を 送 信 す る 。 図 の 例 で は 、 一 つ の デ ー タ シ ン ボ ル を 8 サ ン プ ル に 拡 散 し て 、 8 つ の リ ソ ー ス を 用 い て 伝 送 す る 。 た だ し 、 こ の ま ま で は 伝 送 効 率 が 1/8 に な る の で 、 拡 散 長 分 の 8 デ ー タ を 直 交 拡 散 符 号 で 全 多 重 し て 送 信 す る 。 し た が っ て 、 伝 送 効 率 は 拡 散 を 行 わ な い 場 合 と 同 一 で あ る 。 こ の 手 法 で は 、 割 り 当 て チ ャ ネ ル は 変 化 し な い た め 、 シ ス テ ム の 容 量 は 変 化 し な い も の の 、 伝 送 信 号 を 2 次 元 に 拡 散 す る こ と か ら 、 周 波 数 お よ び 時 間 ダ イ バ ー シ チ 効 果 を 得 る こ と が で き 、 伝 送 誤 り 率 が 低 下 し ス ル ー プ ッ ト が 増 加 す る 。

2.1 地 上 ／ 衛 星 共 用 携 帯 電 話 シ ス テ ム へ の 適 用

OFDMA-CDM 手 法 は 、ダ イ バ ー シ チ 効 果 が 得 ら れ る こ と か ら 、 周 波 数 共 用 を 行 い 非 同 期 な 複 数 シ ス テ ム が 存 在 し 、 互 い に 干 渉 が 生 じ て い る 場 合 の 性 能 向 上 に 有 効 で あ る と 考 え ら れ た 。 そ こ で 筆 者 ら は 、 地 上 ／ 衛 星 共 用 携 帯 電 話 シ ス テ ム （satellite/terrestrial integrated mobile communication system: STICS ） [7] に OFDMA-CDM を 適 用 す る シ ナ リ オ に つ い て の 検 討 を 行 っ た[8]。 図7 に STICS の 概 念 図 を 示 す 。STICS で は 、同 一 の セ ル ラ 端 末 が 地 上 基 地 局 に も 通 信 衛 星 に も ア ク セ ス で き る シ ス テ ム で あ る 。 地 上 サ ー ビ ス は セ ル ラ 方 式 で あ り 、 衛 星 サ ー ビ ス は サ ー ビ ス リ ン ク に ア ク セ ス し 、 フ ィ ー ダ リ ン ク を 経 由 し て 地 上 局 に 伝 送 を 行 う も の で あ る 。 本 稿 で は 、 フ ィ ー ダ リ ン ク は 完 全 で あ る も の と し て 、 サ ー ビ ス リ ン ク の 特 性 の 評 価 を 行 う 。 フィーダ リンク サービス リンク 地上 リンク セルラ 端末 地上 基地局 通信衛星 地上局 図 ７ STICS の概 念 図 表2 に 、本 稿 で 検 討 す る STICS の シ ス テ ム モ デ ル を 示 す 。 図 8 に 、 セ ル モ デ ル を 示 す 。 周 波 数 は 2GHz 帯 と し 、 特 に 、 地 上 セ ル ラ の シ ス テ ム 容 量 を 確 保 す る た め 、 本 稿 で は 、MSS バ ン ド の 全 30MHz を 地 上 と 衛 星 シ ス テ ム で 共 有 す る も の と す る 。 地 上 セ ル モ デ ル は 、 図 8 に 示 す よ う に 周 波 数 再 利 用 率 １ の 非 セ ク タ 化 六 角 形19 セ ル と し 、衛 星 セ ル は 六 角 形 シ ン グ ル セ ル モ デ ル と し た 。セ ル 半 径 は 、そ れ ぞ れ 500 m, 100 km で あ り 、 中 央 の 半 径 500m セ ル か ら 見 た 第 nc隣 接 地 上 セ ル と の 距 離 を 六 角 形 セ ル の 平 均 値 と し て500 3n_cm と す る 。 STICS の 周 波 数 パ タ ー ン は 、 上 り リ ン ク と 下 り リ ン ク の 周 波 数 帯 域 そ れ ぞ れ に つ い て 、 衛 星 リ ン ク と 地 上 リ ン ク で 同 一 の も の を 用 い る ノ ー マ ル モ ー ド と す る 。 し た が っ て 、 地 上 下 り リ ン ク は 衛 星 下 り リ ン ク が 干 渉 源 と な り 、 そ の 他 も 同 様 の 干 渉 パ タ ー ン と な る 。 全 周 波 数 帯 域 を 共 有 し た 場 合 、 衛 星 端 末 と 地 上 端 末 が 隣 接 す る 場 合 に 干 渉 が 非 常 に 大 き く な っ て し ま う た め 、 本 稿 で は 、 図 8 の よ う に 衛 星 端 末 が 中 心 の 地 上 1 セ ル に 存 在 し 、地 上 セ ル の 大 き さ で 第 nc隣 接 セ ル 以 降 に ア ク テ ィ ブ な 地 上 セ ル が 存 在 す る も の と し て 解 析 を 行 う 。 衛星 端末 地上セル群 第nc隣接 セル ターゲッ トセル 地上19セルモデル 衛星1セル 図 ８ STICS のセルモデル

表 ２ STICS システムおよびチャネルモデル諸 元 地 上 セルラ 衛 星 セルラ リンク種 別 下 り 上 り 下 り 上 り 周 波 数 2 GHz 帯 域 幅 30 MHz 周 波 数 パターン ノーマルモード 送 信 アンテナ数Nt 2 2 1 2 受 信 アンテナ数Nr 2 2 2 1

多 元 接 続 手 法 OFDMA SC- _FDMA OFDMA SC- FDMA (OFDMA) FFT ポイント数 Nc = 2048 サブキャリア間 隔 14.65 KHz セルモデル 非 セクタ化_{19 セル} 非 セクタ化 シングルセル セル半 径 500 m 100 km 周 波 数 再 使 用 率 1 ユーザ数/1 セル K 16 16 2048 2048 リソース割 当 アルゴ リズム プロポーショナルフェア チャネル L=16 パス 1 dB 減 衰 ，準 静 的 フェージングモデル Rayleigh 直 接 波: Kf dB 仲 上Rice 遅 延 波: Rayleigh チャネル推 定 送 受 信 側 で既 知 を仮 定 変 調 方 式 QPSK 誤 り訂 正 符 号 ターボ符 号 ，レート1/2 インターリーバ S ランダム ターボ復 号 BCJR MAP 復 号 ，8 回 繰 り返 し 誤 り検 出 CRC-16 図9 に 、STICS セ ル モ デ ル に お け る ncと 空 白 地 帯 距 離 の 関 係 を 示 す 。 中 央 の 500m セ ル に 衛 星 端 末 が 存 在 し 、_{500( −1) 3} c n m の 空 白 地 帯 が あ り 、そ の 外 側 に 地 上 端 末 が 分 布 す る こ と に な る 。nc=1 で あ れ ば 空 白 地 帯 は 存 在 し な い こ と に な る 。 送 受 信 ア ン テ ナ 数 は 、 地 上 シ ス テ ム は2x2 の MIMO 方 式 と し 、衛 星 ア ン テ ナ は 1 つ の た め 、 衛 星 シ ス テ ム は 下 り 1x2 の single-input multiple-output （ SIMO ）、 上 り 2x1 の multiple-input single-output（ MISO） と す る 。 現 在 の セ ル ラ シ ス テ ム で は 大 容 量 化 、 高 品 質 化 の た め に 、 空 間 多 重 も し く は 空 間 ダ イ バ ー シ チ を 獲 得 で き る 複 数 ア ン テ ナ シ ス テ ム が 採 用 さ れ て い る 。 そ こ で 、 地 上 端 末 、 衛 星 端 末 と も 2 本 の ア ン テ ナ と 仮 定 す る 。 複 数 ア ン テ ナ に す る こ と に よ り 、 高 周 波 回 路 が 複 数 必 要 と な る が 、 空 間 軸 の 信 号 空 間 を 利 用 す る こ と が 可 能 と な る 。 ま た 、 衛 星 上 り リ ン ク に お い て は 、 衛 星 端 末 の ア ン テ ナ 数 を 複 数 に す る こ と で 時 空 間 符 号 化 （space-time block coding: STBC） [9]を 行 う 手 法 を 用 い 、 ノ ー マ ル モ ー ド に お い て 最 も 干 渉 量 が 大 き い と 考 え ら れ て い る 衛 星 上 り リ ン ク に お け る 通 信 品 質 を 改 善 す る 。多 元 接 続 方 式 は 第3.9 世 代 の long-term evolution（ LTE） 方 式 と 同 じ 、 下 り OFDMA、 上 り single carrier (SC)-FDMA と す る 。 た だ し 、 衛 星 セ ル ラ 上 り で は 、 受 信 側 の 信 号 対 雑 音 電 力 比 （signal to noise ratio: SNR）確 保 の た め 、1 ユ ー ザ あ た り1 サ ブ キ ャ リ ア と す る 。 領 域 変 換 に 用 い る 高 速 フ ー リ エ 変 換（fast Fourier transform: FFT）の ポ イ ン ト 数 は 、 2048、サ ブ キ ャ リ ア 間 隔 は 14.65KHz と し た 。今 回 は 、 簡 単 の た めLTE に 準 拠 し た フ レ ー ム 構 成 や リ ソ ー ス ブ ロ ッ ク 割 当 は 考 慮 せ ず 、サ ブ キ ャ リ ア 単 位 の 全 FFT ポ イ ン ト を 用 い た リ ソ ー ス 割 り 当 て 方 式 と し た 。 地 上 セ ル の 基 地 局 ア ン テ ナ 本 数 は す べ て 同 一 と し 、1 セ ル あ た り の ユ ー ザ 数 K は 地 上 セ ル ラ 16、 衛 星 セ ル ラ 2048 と し た 。 リ ソ ー ス 割 り 当 て ア ル ゴ リ ズ ム は プ ロ ポ ー シ ョ ナ ル フ ェ ア と し た 。チ ャ ネ ル モ デ ル はL=16 パ ス 1 dB 減 衰 の 準 静 的 i.i.d. チ ャ ネ ル と し 、 地 上 セ ル ラ は Rayleigh フ ェ ー ジ ン グ 、 衛 星 セ ル ラ は 直 接 波 が ラ イ ス フ ァ ク タ ーKf dB の 仲 上 ・ ラ イ ス フ ェ ー ジ ン グ 、 遅 延 波 が Rayleigh フ ェ ー ジ ン グ と し た 。ま た 、地 上 セ ル ラ で は パ ス ロ ス 指 数 3.5、 シ ャ ド ウ イ ン グ 偏 差 7 dB と 設 定 し た 。 瞬 時 チ ャ ネ ル 情 報 は 、 い ず れ の 送 受 信 側 で も 既 知 と 仮 定 す る 。 変 調 方 式 と 通 信 路 符 号 化 は 、QPSK、 レ ー ト 1/2 の タ ー ボ 符 号 の 固 定 と し た 。 タ ー ボ 符 号 の イ ン タ ー リ ー バ は S ラ ン ダ ム と し 、 復 号 方 式 は Bahl-Cocke-Jelinek-Raviv（ BCJR）ア ル ゴ リ ズ ム の 事 後 最 大 確 率 （maximum a posteriori: MAP） 復 号 、 タ ー ボ 繰 り 返 し 数 8 と し た 。 ス ル ー プ ッ ト 特 性 は 1 タ ー ボ 符 号 語 長 を 基 準 と し て 、cyclic redundancy check（ CRC） -16 符 号 に よ る 誤 り 検 出 に よ り 算 出 し た 。 500nc√3 距離 m 0 衛星セル 中央 nc隣接 セル 500 空白地帯 500(nc-1)√3 m 106 衛星 セル端 衛星端末 地上端末 地上基地局 図 ９ STICS セルモデルにおけるncと 空 白 地 帯 距 離 の関 係

2.2 計 算 機 シ ミ ュ レ ー シ ョ ン 結 果

表2 の 条 件 で 、 地 上 1 ユ ー ザ あ た り の 平 均 ス ル ー プ ッ ト と ビ ッ ト 誤 り 率 （bit error rate: BER） 特 性 を 算 出 し た 。 タ ー ゲ ッ ト セ ル 内 の ユ ー ザ の 位 置 は 、1 パ ケ ッ ト 伝 送 ご と に ラ ン ダ ム に 配 置 し 、 平 均 的 な 特 性 を 得 る よ う に し た 。 提 案 OFDMA-CDM 手 法 に お け る 時 間 方 法 拡 散 率 は 2 と し た 。 図10 に 、D/U 比 に 対 す る 地 上 下 り リ ン ク の 平 均 ス ル ー プ ッ ト 特 性 を 示 す 。 地 上 下 り リ ン ク に お い て は 衛 星 下 り リ ン ク が 干 渉 源 と な り 、 干 渉 電 力 の 大 き さ は 衛 星 の 高 度 に 依 存 す る が 、 地 上 基 地 局 の 方 が は る か に 近 傍 に あ る た め 、衛 星 高 度 が300km 程 度 の 低 軌 道 ま で は 十 分D/U 比 も 大 き く 、ス ル ー プ ッ ト も 確 保 で き る こ と が 分 か る 。 表2 の シ ス テ ム 諸 元 上 で は 、 地 上 リ ン ク は 上 下 と も 3.75 Mbps の ス ル ー プ ッ ト が 最 大 と な る た め 、 D/U=20 dB に お い て お よ そ 77%の ス ル ー プ ッ ト 特 性 が 得 ら れ て い る こ と に な る 。 ス ル ー プ ッ ト が 最 大 点 で 飽 和 し な い 理 由 は 、 地 上 隣 接 セ ル 基 地 局 か ら の 同 一 周 波 数 の 干 渉 信 号 を 受 信 し 、 セ ル 端 ユ ー ザ の 特 性 が 劣 化 す る た め で あ る 。通 常 のOFDMA 手 法 と 提 案 手 法 を 比 べ た 場 合 、 提 案 手 法 の 特 性 が 図(a)の D/U=5 dB の 点 で 150 Kbps 向 上 し て お り 、CDM に よ る 時 間 お よ び 周 波 数 方 向 へ の 拡 散 平 均 化 効 果 が 表 れ て い る こ と が 分 か る 。

0.6 1.1 1.6 2.1 2.6 3.1 ‐10 ‐5 0 5 10 15 20 Av g. t h ro ughp ut M b p s D/U dB conventional OFDMA proposed OFDMA‐CDM (1) (2) Nt=2, Nr=2 Nc=2048, K=16 SNR=10.0 dB 図 １０ 地 上 下 りリンクの 1 ユーザあたりの 平 均 スループット特 性 (1) 衛 星 高 度 800 km のとき (2) 衛 星 高 度 300 km のとき 次 に 図 11 に 、D/U 比 に 対 す る 地 上 上 り リ ン ク の 平 均 ス ル ー プ ッ ト を 示 す 。 結 果 よ り 、 下 り リ ン ク と 同 様 に D/U=-10 dB 以 上 の 範 囲 に お い て 、い ず れ も ス ル ー プ ッ ト 特 性 が 得 ら れ て お り 、 飽 和 特 性 が 諸 元 上 の 最 大 ス ル ー プ ッ ト の 77%程 度 で あ る こ と が 分 か る 。 ま た 、 (1) のnc=1 の 場 合 の セ ル 端 ユ ー ザ の 干 渉 量 に お い て も 、ほ ぼ 飽 和 し た ス ル ー プ ッ ト 特 性 が 得 ら れ て お り 、 こ の こ と か ら 、 衛 星 リ ン ク の 干 渉 の 影 響 が ほ ぼ な い と い う こ と が 分 か る 。 し た が っ て 、 地 上 ユ ー ザ に と っ て は 、 同 一 セ ル 内 に 衛 星 ユ ー ザ が 存 在 し な け れ ば 、 よ い 品 質 で 伝 送 が 行 え る と い う こ と に な る 。 ま た 、 提 案 手 法 は 下 り リ ン ク と 同 様 に 、 既 存 手 法 に 比 べ て 特 性 改 善 が 得 ら れ て い る が 、そ の 改 善 量 は 小 さ く な っ て い る 。こ れ は 、 上 り リ ン ク で は SC-FDMA が 用 い ら れ て お り 、 周 波 数 軸 方 向 に は 既 に 拡 散 効 果 が 得 ら れ て い る た め 、CDM 適 用 に よ る 改 善 効 果 が 減 少 し て い る か ら で あ る 。 ま た 、 全 体 的 に 下 り リ ン ク よ り 特 性 が 若 干 劣 化 し て い る の は 、 LFDMA（ localized FDMA）の ブ ロ ッ ク リ ソ ー ス 割 り 当 て を 行 う こ と に よ る マ ル チ ユ ー ザ ダ イ バ ー シ チ 効 果 の 低 減 が 理 由 で あ る 。 0.6 1.1 1.6 2.1 2.6 3.1 ‐10 0 10 20 30 Avg. user t h ro ughpu t Mbps D/U dB conventional SC‐FDMA proposed SC‐FDMA‐CDM (1) (2) Nt=2, Nr=2 Nc=2048, K=16 SNR=10.0 dB 図 １１ 地 上 上 りリンクの 1 ユーザあたりの 平 均 スループット特 性 (1) n_c=1 セル端 ユーザの特 性 (2) n_c=2 セル端 ユーザの特 性 地 上 リ ン ク と 同 様 に 、 表2 の 諸 元 で 衛 星 1 ユ ー ザ あ た り の 平 均 ス ル ー プ ッ ト とBER 特 性 を 算 出 し た 。提 案 手 法 に お け る 時 間 方 法 拡 散 率 は 256 と し た 。 衛 星 シ ス テ ム で は 、 地 上 干 渉 源 の 数 が 多 い こ と か ら 、 シ ミ ュ レ ー シ ョ ン に お い て す べ て の 基 地 局 も し く は 地 上 端 末 の 模 擬 は せ ず に 、 大 数 の 法 則 に 基 づ き 干 渉 電 力 が 等 し い ガ ウ ス 雑 音 を 付 加 し た 。 ま た 、 シ ミ ュ レ ー シ ョ ン 時 の 計 算 機 の メ モ リ 制 限 か ら 、2048 ユ ー ザ の チ ャ ネ ル を 生 成 で き な か っ た た め 、 帯 域 を 1/4 に し 、 512 ユ ー ザ で シ ミ ュ レ ー シ ョ ン を 実 施 し た 。 こ の た め 、 若 干 マ ル チ ユ ー ザ ダ イ バ ー シ チ 効 果 が 低 減 し た 結 果 と な っ て い る が 、 ラ イ ス フ ェ ー ジ ン グ 通 信 路 で あ る た め 、 そ の 影 響 は 大 き く な い と 考 え ら れ る 。 ま ず 、 ラ イ ス フ ァ ク タ ー Kf=0 dB と し た と き の 特 性 を 図 12 に 示 す 。静 止 衛 星 の 場 合 、40 km ほ ど 地 上 シ ス テ ム と の 距 離 （ 空 間 ガ ー ド バ ン ド[7]）が あ る 場 合 に 、飽 和 領 域 の ス ル ー プ ッ ト が 諸 元 上 の 最 大14.65 Kbps 付 近 ま で 得 ら れ て い る こ と が 分 か る 。 し か し 、 既 存 手 法 で は そ れ よ り 近 づ く と 、 干 渉 に よ り 特 性 が 劣 化 す る 。 提 案 手 法 で は 、 拡 散 の ダ イ バ ー シ チ 効 果 に よ り 特 性 が 改 善 さ れ て い る た め 、 そ こ か ら 2 dB（ 距 離 換 算 で 約 7 km）ほ ど の マ ー ジ ン が あ る こ と が 分 か る 。 高 度 800 km の 周 回 衛 星 の 場 合 は 、 提 案 手 法 を 用 い る と こ の 間 隔 は 2 km ほ ど で よ い こ と が 分 か っ た 。 0.0 2.0 4.0 6.0 8.0 10.0 12.0 14.0 16.0 ‐5 ‐4 ‐3 ‐2 ‐1 0 1 2 3 4 A vg. u ser t h ro ughp ut K b ps D/U dB conventional OFDMA proposed OFDMA‐CDM (1) (2) (3) Nt=1, Nr=2 Nc=512, K=512 Kf=0.0 dB SNR=12.4 dB 図 １２ 衛 星 下 りリンクの D/U 比 に対 する 1 ユーザあたりの平 均 スループット特 性 (1) 静 止 衛 星nc=46 (39.8 km 間 隔 )のとき (2) 静 止 衛 星n_c=60 (52 km 間 隔 )のとき (3) 周 回 衛 星nc=2 (1.73 km 間 隔 )のとき 同 様 に 、 衛 星 上 り リ ン ク の1 ユ ー ザ あ た り の 特 性 を 算 出 し た 。 図 13 に 、 ラ イ ス フ ァ ク タ ー -2 dB の と き の D/U 比 に 対 す る 伝 送 特 性 を 示 す 。 衛 星 1 セ ル に 1 万 台 地 上 端 末 が ア ク テ ィ ブ に 伝 送 を 行 っ て い る と き に D/U 比 が-0.4 dB と な る が 、 こ の と き 提 案 STBC-CDM 手 法 で は 、 最 大 特 性 の 約 89%の 13 Kbps 程 度 の ス ル ー プ ッ ト が 得 ら れ て い る こ と が 分 か っ た 。 こ れ は STBC の 送 信 ダ イ バ ー シ チ 効 果 が 作 用 し て い る た め で あ る 。ま た 、 SC-FDMA に STBC 符 号 化 の み を 行 う 既 存 STBC 手 法 と 比 較 す る と 、 提 案 STBC 手 法 は 拡 散 に よ る 効 果 が 得 ら れ て い る こ と が 示 さ れ て い る 。衛 星 上 り リ ン ク で は 、1

ユ ー ザ あ た り 1 サ ブ キ ャ リ ア 割 り 当 て で あ る た め 、 CDM 提 案 手 法 で は 、 拡 散 が 時 間 方 向 の み に 適 用 さ れ 、 拡 散 効 果 が 限 定 的 で あ る が 、STBC と 併 用 す る と 効 果 が 表 れ て い る 。一 方 、STBC 適 用 が 無 い 場 合 の 提 案 CDM 手 法 と 既 存 手 法 に お い て は 、 直 接 波 成 分 が 弱 い た め 、 チ ャ ネ ル 変 動 の 影 響 で 特 性 が 劣 化 し 、 既 存 手 法 と 特 性 が ほ と ん ど 変 わ ら な い も の と な っ た 。 0.0 2.0 4.0 6.0 8.0 10.0 12.0 14.0 16.0 ‐4 ‐3 ‐2 ‐1 0 1 2 Av g. use r th ro ughput K bps D/U dB conventional SC‐FDMA conventional STBC‐SC‐FDMA proposed SC‐FDMA‐CDM proposed STBC‐SC‐FDMA‐CDM Nt=2, Nr=1 Nc=512, K=512 Kf=‐2.0 dB SNR=6.3 dB (1) 図 １３ 衛 星 上 りリンクの D/U 比 に対 する 1 ユーザあたりの平 均 スループット特 性 (1) 地 上 端 末 1 万 台 のとき 以 上 よ り 、全 周 波 数 帯 域 を 共 用 し たSTICS に お い て も 、OFDMA の 適 用 に よ り ス ル ー プ ッ ト が 確 保 さ れ て い る こ と が 分 か っ た 。 ま た 、 提 案 OFDMA-CDM 手 法 が い ず れ の リ ン ク に お い て も 、2 次 元 拡 散 効 果 に よ り 性 能 を 向 上 さ せ て い る こ と が 確 か め ら れ た 。 現 在 の 地 上 シ ス テ ム で は シ ス テ ム 容 量 を 上 げ る た め に 周 波 数 再 利 用 率1 の セ ル 展 開 が 必 須 で あ る た め 、 全 帯 域 共 用 型 STICS が 有 望 で あ る と 考 え ら れ る 。

3. 非直交多元 接続の性能 向上

ス マ ー ト フ ォ ン な ど の 普 及 に よ り 、 無 線 通 信 高 速 化 の 需 要 は ま す ま す 大 き く な っ て い る 。2020 年 に 現 在 の 1000 倍 に も 達 す る と 予 測 さ れ て い る ト ラ フ ィ ッ ク 量 を 収 容 す る 大 容 量 な 無 線 通 信 シ ス テ ム の 実 現 が 求 め ら れ て お り 、 第5 世 代 移 動 通 信 シ ス テ ム （ 5G） の 標 準 化 規 格 策 定 の 議 論 が 世 界 的 に 進 め ら れ て い る[10]。 5G の 目 指 す シ ス テ ム 進 化 の 方 向 に は 、低 遅 延 、高 モ ビ リ テ ィ 、 省 電 力 な ど の 様 々 な 軸 が あ る が 、ピ ー ク 伝 送 速 度 も 10 Gbps 以 上 に 設 定 さ れ て い る 。こ れ を 実 現 す る た め に は 、 種 々 の 要 素 技 術 の 結 集 が 必 要 で あ る が 、 多 元 接 続 技 術 の 高 度 化 も 主 要 な 要 素 と な っ て お り 、 現 在 非 直 交 多 元 接 続（non-orthogonal multiple access: NOMA）が 検 討 さ れ て い る[11,12] 。 直 交 多 元 接 続 （ orthogonal multiple access: OMA）で は マ ル チ キ ャ リ ア 伝 送 に お い て 一 つ の サ ブ バ ン ド に 一 人 の ユ ー ザ が 割 当 て ら れ る た め 、 ユ ー ザ 間 の 干 渉 は 生 じ な い 。こ れ に 対 し てNOMA で は ユ ー ザ 間 干 渉 を 許 容 し 、 一 つ の サ ブ バ ン ド に 複 数 の ユ ー ザ が 割 り 当 て ら れ る こ と を 可 能 と す る ス ケ ジ ュ ー リ ン グ が 行 わ れ る 。 図 14 に 、 NOMA の 例 を 示 す 。 同 一 チ ャ ネ ル （ サ ブ バ ン ド ） に 複 数 の ユ ー ザ が 割 り 当 て ら れ て い る 。 そ の 際 に 例 え ば 、 近 傍 と 遠 方 な ど の チ ャ ネ ル 状 態 の 異 な る ユ ー ザ 対 が 選 ば れ 、 遠 方 ユ ー ザ へ の 電 力 を 大 き く し て 重 畳 し て 送 信 す る 。 受 信 側 で は 近 傍 ユ ー ザ が 逐 次 干 渉 キ ャ ン セ ル （successive interference cancellation: SIC） [13] を 行 う こ と で 干 渉 を 抑 圧 す る 。 す な わ ち 、 近 傍 ユ ー ザ は 大 電 力 送 信 の 遠 方 ユ ー ザ の 信 号 を ほ ぼ 正 し く 復 号 で き る た め 、 そ れ を SIC に よ っ て 除 去 し た の ち に 自 信 号 を 復 号 す る 。 遠 方 ユ ー ザ は 重 畳 さ れ た 小 電 力 近 傍 ユ ー ザ 信 号 は 減 衰 し て い る た め 、 自 信 号 復 号 の み を 行 う 。こ れ に よ り 、OMA よ り も シ ス テ ム 容 量 が 上 が る こ と が 知 ら れ て い る 。 時間 周波数 電力 チャネル１ チャネル２ チャネルK ユーザ1 （u1） ユーザ5 (u5) u2 u3 u4 u2 u1 u1 u5 u2 u4 u4 図 １４ 非 直 交 （周 波 数 分 割 ）多 元 接 続 （NOMA） の原 理

3.1 NOMA シ ス テ ム モ デ ル

以 降 で は 、地 上 セ ル ラ シ ス テ ム に お け るNOMA の 性 能 向 上 に つ い て 検 討 を 行 う 。 図 15 に 、 下 り リ ン ク NOMA の シ ス テ ム 概 念 図 を 示 す 。基 地 局（ base station: BS）か ら ユ ー ザ 端 末（ user equipment: UE）へ の 下 り リ ン ク に お い て 、BS は タ ー ゲ ッ ト セ ル 内 の ユ ー ザ の チ ャ ネ ル 情 報 を フ ィ ー ド バ ッ ク に よ っ て 通 知 さ れ 、 そ の 情 報 に 基 づ き 公 平 性 を 考 慮（proportional fair: PF）し つ つ 、 各 サ ブ バ ン ド の 割 り 当 て を 干 渉 を 伴 う ユ ー ザ 重 複 を 許 し つ つ 行 う 。 そ し て 、 全 サ ブ バ ン ド 割 り 当 て 時 の 平 均 ユ ー ザ 容 量 を PF 基 準 に お い て 最 大 化 さ せ る 。 図 の 例 で は 、 サ ブ バ ン ド 1 と 3 に お い て UE1, 4 と UE2, 3 が 重 畳 さ れ た 割 り 当 て に な っ て い る 。

User equipment (UE)

Base station (BS) UE1 f UE1 UE2 UE3 UE4 UEK Number of maximum user multiplexing ms = 2 UEK UE3 UE4 UE2 power

subband 1 subband 2 subband 3

図 １５ 下 りリンク NOMA システムモデル

BS は N_tア ン テ ナ 、 各 UE は N_rア ン テ ナ を 持 つ MIMO（ multiple-input multiple-output）通 信 路 を 仮 定 す る 。 対 象 セ ル 内 に K ユ ー ザ が 存 在 し 、 各 帯 域 幅 B の S

個 の サ ブ バ ン ド を ユ ー ザ に 割 り 当 て て 伝 送 す る 。な お 、 サ ブ バ ン ド 内 の チ ャ ネ ル 成 分 は 一 定 で あ る と 仮 定 す る 。 も し 、サ ブ バ ン ド が 複 数 の サ ブ キ ャ リ ア か ら な る 場 合 、

サ ブ バ ン ド 内 の チ ャ ネ ル 平 均 値 な ど を 用 い れ ば よ い 。 こ の と き 、 各 サ ブ バ ン ド で は 1 ユ ー ザ の OMA も し く は 最 大_msユ ー ザ の 重 畳 を 許 す NOMA を 用 い る も の と す る 。 サ ブ バ ン ド

_s

(1≤s≤S ) で は K ユ ー ザ か ら )} ( , ), 2 ( ), 1 ( {_{s s s s} s i i i m U = _L な る ユ ー ザ を 選 択 す る 。こ こ で 、_is(l)(1≤l≤m_s)は サ ブ バ ン ド s に 重 畳 さ れ る ユ ー ザ の イ ン デ ッ ク ス を 示 す 。 こ の と き 、 サ ブ バ ン ド 内 各 サ ブ キ ャ リ ア あ た り の 総 送 信 電 力 は 、 定 数 に 固 定 さ れ て い る も の と す る 。 図16 の 受 信 機 構 成 に 示 す よ う に 、SIC に 基 づ き s 内 の チ ャ ネ ル ゲ イ ン の 大 き い ユ ー ザ は 、 そ れ 以 下 の 多 重 s m ユ ー ザ の 信 号 を 正 し く 除 去 で き る と 仮 定 す る 。図 の 例 で は 、サ ブ バ ン ド を 重 畳 し て 割 り 当 て ら れ た UE1 と UE4 に お い て 、 近 傍 の UE1 は 大 電 力 の UE4 の 信 号 を 復 号 し て 除 去 し た 後 にUE1 の 信 号 を 復 号 す る SIC を 行 う 。 遠 方 の UE4 は UE1 の 信 号 が 十 分 減 衰 し て い る こ と か ら 、UE4 の 信 号 の み を 復 号 す る 。 こ の と き 、 UE1 はUE4 の 信 号 を 正 し く 除 去 で き る と 仮 定 す る 。 UE1 UE4

power _{Near user: UE1 Far user: UE4}

UE4 decoding UE1 decoding -+ data UE4 decoding data f

SIC decoding direct decoding

subband 1 図 １６ NOMA における SIC を伴 う受 信 機 構 成 ま た 、 サ ブ バ ン ド s に お け る ユ ー ザi_s(l)の チ ャ ネ ル 係 数 は 、 サ ブ キ ャ リ ア ご と に BS に お い て 既 知 で あ る と す る 。 す る と 、 サ ブ バ ン ドs に お け る ユ ー ザi_s(l)の 各 サ ブ キ ャ リ ア あ た り の 容 量 が 計 算 で き る 。 こ れ を

(

s s

)

s i l U R ()| と 表 記 す る も の と す る[14] 。 す る と 、 PF ス ケ ジ ュ ー リ ン グ に よ る サ ブ バ ン ド s の ユ ー ザ 選 択 は 、

( )

∏

∈













−

+

=

U k c s U s

_t

R

_T

k

t

_k

_t

U

)

;

(

)

1

(

;

1

max

arg

(1) と い う 式 に よ り 得 ら れ る 。 こ こ で 、

T

( t

k

;

)

は ユ ー ザ k の 時 刻 t に お け る 平 均 ス ル ー プ ッ ト 、

R

s

( t

k

;

)

は 時 刻 t に お い て サ ブ バ ン ド s に 割 り 当 て ら れ た ユ ー ザ k の 通 信 路 容 量 で あ り 、 割 り 当 て ら れ て い な い と き は0 で あ る 。ま た 、

t

_cは 平 均 化 時 間 で あ る 。こ の ユ ー ザ セ ッ ト

U

_s の 組 み 合 わ せ 数 は 、













+

+













+













=

s U

_m

K

K

K

N

_s

₁

₂

L (2) と な る 。(1)式 は (2)式 の ユ ー ザ 選 択 、 時 刻 t に お い て 、 そ れ ま で に 割 り 当 て た s の 順 番 、 サ ブ バ ン ド s で の 送 信 電 力 設 定 の 組 み 合 わ せ 最 適 化 問 題 に な る 。

3.2 ス ケ ジ ュ ー リ ン グ 手 法 の 高 性 能 化

(1)式 の 最 適 解 を 与 え る 組 み 合 わ せ 数 は 、一 般 的 に 大 き い た め 、 既 存 の ス ケ ジ ュ ー リ ン グ 手 法 に お い て は 、 サ ブ バ ン ド s で の ユ ー ザ k へ の 送 信 電 力 設 定 と

T

( t

k

;

)

を ス ケ ジ ュ ー リ ン グ 開 始 前 に 事 前 計 算 値 に 固 定 し て 、 (1)式 の 変 数 か ら 除 外 す る 。こ れ に よ り 、(1)式 は サ ブ バ ン ドs の オ ー ダ に 依 存 し な い 関 数 と な る た め 、

1

≤

s

≤

S

ま で 昇 順 で 実 行 で き る 。 既 存 の 手 法 で は 、 割 り 当 て の 計 算 量 を 抑 え る こ と が で き る が 、 大 容 量 化 と 公 平 性 の 性 能 に 改 善 の 余 地 が あ っ た 。 そ こ で 、 ユ ー ザ 容 量 と 公 平 性 の 両 者 の 増 加 を 図 る た め に 、 若 干 の 計 算 量 増 加 を 許 容 す る ア ル ゴ リ ズ ム を 提 案 す る 。 具 体 的 に は 、

T

( t

k

;

)

の 逐 次 更 新 を 行 う こ と に よ り 性 能 改 善 を 図 る 。(1)式 の ス ケ ジ ュ ー リ ン グ を

( )

( )

∏

∑

∈ =

































₊

−

+

=

U k s i s c s U s

t

k

R

t

k

T

t

t

k

R

U

i 1

;

)

;

(

)

1

(

;

1

max

arg

(3) と 変 更 し て 、 対 象 時 刻 t に お け る サ ブ バ ン ド s ま で に 割 り 当 て ら れ た ユ ー ザ 容 量 も 考 慮 に 入 れ る 。た だ し 、

s

_i は i 番 目 に 割 り 当 て た サ ブ バ ン ド 番 号 で あ る 。 し た が っ て 、 こ の ま ま で は 最 適 割 り 当 て は サ ブ バ ン ド 割 り 当 て オ ー ダ

_s

_iに も 依 存 す る こ と に な り 、 最 適 解 は 計 算 量 が 増 加 し て し ま う 。 こ れ を 低 演 算 量 で 実 行 す る た め 、 提 案 手 法 で は 電 力 割 り 当 て は 事 前 固 定 割 り 当 て を 用 い る も の と し 、 さ ら に 、 以 下 の 準 最 適 ア ル ゴ リ ズ ム を 用 い る[15]。 提 案 ス ケ ジ ュ ー リ ン グ ア ル ゴ リ ズ ム ： 1)

T

( t

k

;

)

を 事 前 に 算 出 す る 。す べ て のsに 対 し ユ ー ザ k へ の 送 信 電 力 を 事 前 に 算 出 す る 。

s

=

1

と す る 。 2) Kユ ー ザ か ら













+













−

=

∑

= s i s c c

t

k

R

t

t

k

T

t

t

k

T

_i 1

(

;

)

1

)

;

(

1

1

)

;

(

'

(4) が 一 番 低 い ユ ー ザ

i

_s

(l

)

を 選 択 す る 。 3) そ の ユ ー ザ の 最 も よ い チ ャ ネ ル 係 数 を 持 つ サ ブ バ ン ド

s

_iを 選 択 す る 。 4)

s

_iに 対 し(3) 式 に 基 づ き ユ ー ザ 割 り 当 て を 行 い 、 s→s+1と し て 2)に 戻 る 。 す べ て の サ ブ バ ン ド Sを 割 り 当 て た ら 終 了 。 先 ず 、1)に お い て 全 ユ ー ザ の 平 均 ス ル ー プ ッ ト 初 期 値 を 算 出 し 、 ま た 、 割 り 当 て 電 力 を 予 め 求 め て お く 。 そ し て 、2)に お い て 最 小 平 均 ス ル ー プ ッ ト を 持 つ ユ ー ザ

_i

_s

_(l

₎

を 選 択 し 、そ の ユ ー ザ が 最 も 容 量 を 上 げ る こ と の で き る サ ブ バ ン ド

s

_iを 、 ス ケ ジ ュ ー リ ン グ を 行 う サ ブ バ ン ド と し て 選 択 す る 。 そ し て 、4)に お い て

s

_iに 対 し（3）式 の NOMA 割 り 当 て に 基 づ き 、ユ ー ザ セ ッ ト

U

_s 探 査 を 全 組 み 合 わ せ に 対 し て 行 う 。3)の

s

_iを 選 択 す る こ と で 、割 り 当 て 容 量 の 低 い ユ ー ザ

i

_s

(l

)

が 、(3)式 に お い て 選 択 さ れ た 場 合 に 、 特 性 改 善 す る 効 果 を 高 め る 。 こ れ は 、必 ず し も

s

_iに ユ ー ザ

i

_s

(l

)

が 選 択 さ れ る こ と を

保 証 す る も の で は な い が 、 も し 選 択 さ れ れ ば 、 ユ ー ザ

)

(l

i

_s の ス ル ー プ ッ ト が 他 の サ ブ バ ン ド を 選 ん だ 場 合 に 比 べ 相 対 的 に 大 き く 向 上 す る た め 、 平 均 ス ル ー プ ッ ト と 公 平 性 両 者 を 改 善 さ せ る こ と が で き る 。 提 案 手 法 の ト レ ー ド オ フ は 、 計 算 量 の 増 加 で あ る 。 (4)式 を 各 サ ブ バ ン ド の ユ ー ザ 割 り 当 て を 行 う ご と に 更 新 す る 必 要 が あ る た め 、 既 存 手 法 か ら の 計 算 量 が こ の 部 分 で 増 加 す る 。た だ し 、(3)式 の 計 算 量 は (1)式 と ほ ぼ 同 様 で あ り 、 全 体 と し て も 、 既 存 手 法 か ら の 計 算 量 の 増 加 は さ ほ ど 大 き く な い 。

3.3 計 算 機 シ ミ ュ レ ー シ ョ ン 結 果

提 案 手 法 の 特 性 を 計 算 機 シ ミ ュ レ ー シ ョ ン に よ っ て 評 価 し た 。 特 性 指 標 と し て 、 今 回 は 平 均 ユ ー ザ 容 量 とJain’s fairness index（ JFI） [16] を 用 い た 。 JFI は 割 り 当 て ら れ た リ ソ ー ス に 対 す る ユ ー ザ ご と の 公 平 性 を 表 す 指 標 で あ り 、0 か ら 1 の 間 の 値 を 持 ち 、1 に 近 い ほ ど 各 ユ ー ザ 間 の 容 量 差 が 小 さ く 、 公 平 性 が 達 成 さ れ て い る こ と に な る 。 表3 に 、 シ ミ ュ レ ー シ ョ ン 諸 元 を 示 す 。 非 セ ク タ 化 19 セ ル モ デ ル と し 、送 信 電 力 が 同 一 の 隣 接 18 セ ル BS か ら の 干 渉 波 が 到 来 す る も の と し た 。 チ ャ ネ ル は 既 知 と し 、干 渉 波 も 含 め て UE か ら BS に 完 全 に フ ィ ー ド バ ッ ク さ れ て い る も の と し た 。S=1024 と し て 1 フ レ ー ム

の 高 速 フ ー リ エ 変 換（fast Fourier transform: FFT）サ イ ズ も1024 と し た 。し た が っ て 、1 サ ブ バ ン ド は 1 サ ブ キ ャ リ ア に 相 当 す る 。ユ ー ザ 多 重 数

m

_sは1（ OMA）か 2（ 最 大 2 多 重 の NOMA） と し 、 ユ ー ザ 位 置 は 固 定 で 100 回 の チ ャ ネ ル 生 成 を 行 い 、 容 量 と JFI を 算 出 し 、 そ の 後 、 ユ ー ザ 位 置 を ラ ン ダ ム に 200 回 変 更 し た 。 ま た 、 セ ル エ ッ ジ に お け る 平 均SNR を 10dB と し た 。 表 ３ NOMA シミュレーション諸 元

Cell layout Non-sectorized hexagonal _{19 cell model}

Cell radius 500 m

Freq. reuse factor 1

Frequency band 2 GHz

Num. Tx and Rx antennas (Nt , Nr ) = (2,2)

Num. user/cell K 16

Max. user multiplexing ms 1, 2

Num. subband S = 1024

FFT size 1024

Subband spacing 15 kHz

Channel _{quasi-static Rayleigh} 16 path 1 dB decay,

Path loss exponent 3.5

Standard deviation of

shadowing loss 7 dB

Channel estimation ideal

Scheduling algorithm proportional fair Num, simulation iteration

of user distribution 200

Num, simulation iteration

per one user distribution 100

Throughput averaging factor tc 20

図 17 に 、

m

_s

=

2

の と き の 1 ユ ー ザ の 平 均 ス ル ー プ ッ ト に 対 す る 累 積 分 布 関 数 （cumulative distribution function: CDF）を 示 す 。図 中 、(1)式 を 用 い た 既 存 手 法 と 、(3)式 の み を 用 い s を 昇 順 に 割 り 当 て た proposed w/o subband ordering と の 比 較 を 行 っ た 。 図 17 よ り 、 提 案 手 法 は 既 存 の(1)式 の 方 式 に 比 べ て 5%（ 0.05） ユ ー ザ ス ル ー プ ッ ト が 向 上 し 、さ ら に 、若 干 50%（ 0.5）ユ ー ザ ス ル ー プ ッ ト も 向 上 し て い る こ と が 分 か る 。 こ れ は (3)式 を 用 い る こ と で 、割 り 当 て の 少 な い ま ま の ユ ー ザ が 生 じ る 確 率 が 減 っ た た め で あ る と 考 え ら れ る 。 た だ し 、 ト レ ー ド オ フ と し て 60%累 積 値 の 約 7 Mbps 以 上 の ス ル ー プ ッ ト が 得 ら れ る ユ ー ザ の 確 率 は 減 っ て い る 。 ま た 、(3)式 の み を 用 い s を 昇 順 に 割 り 当 て た proposed w/o subband ordering と 比 べ る と 、サ ブ バ ン ド オ ー ダ リ ン グ を 用 い る こ と で も 性 能 改 善 が 得 ら れ て い る こ と が 分 か る 。 こ れ は 割 り 当 て の 少 な い ユ ー ザ が 選 択 さ れ た 場 合 に 、 大 き な 容 量 改 善 の 得 ら れ る サ ブ バ ン ド を ス ケ ジ ュ ー リ ン グ す る た め 、 改 善 量 の 拡 大 が 得 ら れ た た め と 考 え ら れ る 。た だ し 、提 案 ア ル ゴ リ ズ ム の 4)に お い て 、2)の ユ ー ザ

i

_s

(l

)

が 選 択 さ れ る 確 率 は 、 シ ミ ュ レ ー シ ョ ン に お い て は 6.5%で あ り 、必 ず し も 大 き く な か っ た 。一 方 、s を 昇 順 に 割 り 当 て た proposed w/o subbund

ordering で は 8.7%で あ っ た が 、こ の 場 合 、ユ ー ザ

i

_s

(l

)

は 選 択 さ れ る も の の 、 そ の s で の 容 量 拡 大 が 必 ず し も 大 き く な い た め 、 全 体 的 に は 提 案 手 法 が ユ ー ザ の 平 均 的 な 容 量 拡 大 に 寄 与 し て い る こ と が 確 か め ら れ た 。 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 0 10 20 30 40 C umu la ti ve dis trib u ti on functi on User throughput Mbps Proposed Conventional

Proposed w/o subband ordering

図 １７

m

_s

=

2

の NOMA におけるユーザ容 量 の CDF 特 性 次 に 、同 シ ミ ュ レ ー シ ョ ン に お け るJFI の CDF を 算 出 し た 。図 18 の 結 果 よ り 、提 案 手 法 は 既 存 手 法 に 比 べ て50%値 で 0.07 ポ イ ン ト ほ ど 改 善 し て お り 、公 平 性 を 向 上 さ せ て い る こ と が 分 か る 。こ れ は(3)式 と サ ブ バ ン ド オ ー ダ リ ン グ の 効 果 で あ る 。 一 方 、proposed w/o subband ordering と 比 べ る と 、公 平 性 は ほ ぼ 同 一 で あ り 、 サ ブ バ ン ド オ ー ダ リ ン グ の 効 果 は ス ル ー プ ッ ト 改 善 に 寄 与 し て い る こ と が 分 か っ た 。

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 C u m u la ti ve di st ri butio n fu nc tion

Jain's fairness index (JFI) Proposed Conventional

Proposed w/o subband ordering

図 １８

m

_s

=

2

の NOMA における JFI の CDF 特 性

4. ヘテロジニ アスネット ワークにお ける

適 応 的 多 元 接 続

図 19 に 例 を 示 す よ う に 、 4G 以 降 で は 複 数 の 基 地 局 が 重 畳 的 に 配 置 さ れ 、 同 一 周 波 数 を 用 い て UE と の 通 信 を 行 う ヘ テ ロ ジ ニ ア ス な ネ ッ ト ワ ー ク が 用 い ら れ る よ う に な っ た 。 広 い 収 容 エ リ ア を 持 つ マ ク ロ セ ル 内 に 複 数 の ス モ ー ル セ ル が 重 畳 さ れ て い る 。 ス モ ー ル セ ル 近 傍 の ユ ー ザ は 、 ス モ ー ル セ ル BS に 接 続 す る こ と で 高 速 な 通 信 を 行 う こ と が で き る 。さ ら に 、今 後 は STICS の よ う な 衛 星 や 無 人 航 空 機 な ど に よ る ス ー パ ー マ ク ロ セ ル の 重 畳 も 考 え ら れ る 。 こ の と き 、 総 送 信 電 力 一 定 の 制 約 下 に お け る シ ス テ ム 全 体 の 容 量 の 最 大 化 を 目 的 関 数 と し た 場 合 、こ れ は 全BS-UE 間 の チ ャ ネ ル 係 数 に 依 存 す る 、無 線 リ ソ ー ス と 各BS も し く は UE の 送 信 電 力 配 分 の 非 線 形 組 み 合 わ せ 最 適 化 問 題 に な る 。 そ の 組 み 合 わ せ 数 は 比 較 的 大 き く な る た め 、 現 実 的 に は 準 最 適 解 が 用 い ら れ る と 考 え ら れ る が 、 多 数 の 重 畳 BS 存 在 下 で の 低 計 算 量 で 大 容 量 な 多 元 接 続 技 術 の 構 築 が 必 要 で あ る 。 鍵 と な る 要 素 は 周 波 数 利 用 効 率 の 向 上 で あ り 、 時 間 ・ 周 波 数 ・ 空 間 ・ 符 号 軸 上 に お け る 適 応 的 な 直 交 ・ 非 直 交 な 多 元 接 続 手 法 が そ の 解 と な る と 考 え ら れ る 。 図 １９ ヘテロジニアスネットワークにおける 無 線 リソースの最 適 割 り当 て

5. まとめ

本 稿 で は 、 移 動 体 通 信 シ ス テ ム に お け る 多 元 接 続 技 術 の 変 遷 に つ い て 紹 介 し 、 シ ス テ ム の 大 容 量 化 の 実 現 に は 多 元 接 続 技 術 の 高 度 化 が 必 要 で あ る こ と を 述 べ た 。 そ し て 、直 交 多 元 接 続 で あ る OFDMA-CDM に つ い て 述 べ 、 時 間 － 周 波 数 ダ イ バ ー シ チ 効 果 に よ り ス ル ー プ ッ ト が 向 上 す る こ と を STICS へ の 適 用 例 に よ り 示 し た 。 ま た 、非 直 交 多 元 接 続 の NOMA に お い て 、無 線 リ ソ ー ス 割 り 当 て の ス ケ ジ ュ ー リ ン グ 手 法 の 高 度 化 に よ り 、 平 均 ス ル ー プ ッ ト と 公 平 性 が 上 が る こ と を 示 し た 。 時 間 ・ 周 波 数 ・ 空 間 ・ 符 号 軸 上 で 柔 軟 に 切 り 替 え の で き る 適 応 的 な 多 元 接 続 手 法 が 、 今 後 の シ ス テ ム 大 容 量 化 に 寄 与 す る と 考 え ら れ る た め 、 低 計 算 量 の 準 最 適 ア ル ゴ リ ズ ム を 今 後 も 検 討 し た い 。

参 考 文 献

[1] 一 般 社 団 法 人 電 気 通 信 事 業 者 協 会, 携 帯 電 話 ・ PHS 契 約 数 , [Online] http://www.tca.or.jp/database/ [2] 総 務 省 統 計 局, 人 口 推 計 , [Online] http://www.stat.go.jp/data/jinsui/index.htm

[3] Cisco Internet Business Solutions Group, [Online]

http://www.cisco.com/web/about/ac79/docs/innov/IoE.pdf

[4] 3GPP TS 36.300, “Evolved Universal Terrestrial Radio Access

(E-UTRA) and Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network (E-UTRAN): Overall description.”

[5] 3GPP, TR 36.814 (V9.0.0), “Further Advancements for E-UTRA

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[6] 大 鐘 武 雄 ， 小 川 恭 孝 ， “ わ か り や す いMIMO シ ス テ ム 技 術 ,”

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[7] 蓑 輪 正 ， 田 中 正 人 ， 浜 本 直 和 ， 藤 野 義 之 ， 西 永 望 ， 三 浦 龍 ，

鈴 木 健 治 ， “ 安 心 ・ 安 全 の た め の 地 上/衛 星 統 合 移 動 通 信 シ ス テ ム,” 信 学 論 B, vol. J91-B, no. 12, pp. 1629-1640, Dec. 2008.

[8] 岡 本 英 二 ， 田 中 皓 久 ， 辻 宏 之 ， 三 浦 周 ， “ 地 上/衛 星 共 用 携 帯

電 話 シ ス テ ム に お け る 多 軸 リ ソ ー ス 割 当 に よ る ス ル ー プ ッ ト

特 性 の 改 善 ，”信 学 論B, vol. J97-B, no. 11, pp. 1009-1021, Nov.

2014.

[9] S. Alamouti, “A simple transmit diversity technique for wireless

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[10] ARIB 2020 and Beyond Ad Hoc Group, “Mobile Communications Systems for 2020 and beyond,” White Paper, [Online] http://www.arib.or.jp/ADWICS/20bah-wp-100.pdf, Oct. 2014. [11] Y. Saito, Y. Kishiyama, A. Benjebbour, T. Nakamura, L. Anxin,

and K. Higuchi, “Non-Orthogonal Multiple Access (NOMA) for Cellular Future Radio Access,” Proc. IEEE Vehicular Technology Conference (VTC2013Spring), pp. 1-5, June 2013.

[12] K. Higuchi and A. Benjebbour, “Non-orthogonal Multiple Access (NOMA) with Successive Interference Cancellation for Future Radio Access,” IEICE Trans. on Commun., vol. E98-B, no.3m pp. 403-414, Mar. 2015.

[13] N. I. Miridakis and D. D. Vergados, “A Survey on the Successive Interference Cancellation Performance for Single-Antenna and Multiple-Antenna OFDM Systems,” IEEE Communications Surveys & Tutorials, vol. 15, no. 1, pp. 312-335, First Quarter 2013.

[14] A. Benjebbour, L. Anxin, Y. Saito, Y. Kishiyama, A. Harada, and T. Nakamura, “System-level performance of downlink NOMA for future LTE enhancements,” Proc. IEEE Globecom, pp. 66-70, Dec. 2013.

[15] E. Okamoto, “An improved proportional fair scheduling in downlink non-orthogonal multiple access system,” Proc. IEEE Vehicular Technology Conf. 2015 Fall (VTC-2015Fall), 5 pages, Sept. 2015.

[16] A. V. Babu and L. Jacob, “Fairness analysis of IEEE 802.11 mesh networks,” IEEE trans. Veh. Tech., vol. 56, no. 5, pp. 3073-3088, Sep. 2007.

こ の 研 究 は 、 平 成 ２ ３ 年 度 Ｓ Ｃ Ａ Ｔ 研 究 助 成 の 対 象 と し て 採 用 さ れ 、 平 成 ２ ４ ～ ２ ６ 年 度 に 実 施 さ れ た も の で す 。