時空間符号化を適用したSFN方式の伝送特性評価-SFN環境で取得した伝搬路応答を用いた評価－
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(2) 情報処理学会研究報告 IPSJ SIG Technical Report. Vol.2017-AVM-99 No.7 2017/11/30. SFNの遅延プロファイル. τ. NHK教育(SFN) NHK 総合（27ch）. ①の電界強度＞②の電界強度の場合. ①＋②. A局. ①. 変調 合成. ①. ②. 符号化 On/Off. NHK総合（19ch）. ②. 遅延 調整. 復調. 伝送特性. B局. 実験で取得した遅延プロファイル τ 墨田. 戸塚または平塚. 伝搬路応答の取得. 図 1. 計算機シミュレーション. 伝送特性の評価手法. 今 回 ，関 東 地 域 で 実 際 に SFN を 構 築 し て い る 墨 田 デ. 関係の遅延プロファイルが算出でき，2 局の到来時間. ジ タ ル 放 送 所（ 東 京 ス カ イ ツ リ ー ，以 下 ，墨 田 ），戸 塚. 差 τ（ μ 秒 ）を 解 析 す る こ と が 出 来 る ．一 方 ，NHK 総. デ ジ タ ル 中 継 放 送 所（ 以 下 ，戸 塚 ），平 塚 デ ジ タ ル 中 継. 合のチャンネルで送信される放送波を測定することで，. 放送所（以下，平塚）の放送エリア内において地上デ. 同一の送信条件における各放送所からの個別の伝搬路. ジタル放送波を受信し，都市部における伝搬路応答を. 応答と，2 局の電界強度比を取得することが出来る．. 取得した．さらに，取得した伝搬路特性を用いた計算. 野外実験では，戸塚および平塚の放送エリア内にお. 機 シ ミ ュ レ ー シ ョ ン で ，時 空 間 符 号 化 を 適 用 し た SISO. い て ，“ 墨 田 と 戸 塚 “ ま た は ” 墨 田 と 平 塚 “ の 2 局 の. （ Single-Input Single-Output）伝 送 に よ る SFN 方 式（ 以. SFN を 想 定 し ， 合 計 18 地 点 で 地 上 デ ジ タ ル 放 送 の 電. 下 ， 符 号 化 SFN） の 伝 送 特 性 を 評 価 し た ． 都 市 部 の よ. 波を測定した．各地点では，墨田と戸塚または平塚の. うにマルチパスの影響を受ける環境においても，時空. 2 方 向 に ，NHK 総 合 の 電 波 の 電 界 強 度 が 最 大 と な る よ. 間符号化を適用することで伝送特性が改善することを. う受信アンテナを調整し，1 地点につき 2 サンプルの. 確認したため，この結果を報告する．. SFN 関 係 を 取 得 し た ． そ の う ち ， 伝 搬 路 応 答 を 良 好 に 観 測 で き た 33 サ ン プ ル を 用 い て 伝 送 特 性 を 評 価 し た ．. 2. 伝 送 特 性 の 評 価 手 法 伝 送 特 性 の 評 価 手 法 の 概 要 を 図 1 に 示 す ．ま ず ，SFN を 構 築 す る 放 送 エ リ ア で ，実 際 の SFN 環 境 に お け る 伝 搬路応答を取得した．更に，取得した伝搬路応答を用 いた計算機シミュレーションで伝送特性を評価した．. 2.1. 伝 搬 路 応 答 の取 得 図 2 に，墨田，戸塚，平塚のチャンネルと位置の関 係 を 示 す ． こ れ ら の 放 送 所 は ， NHK 教 育 で SFN を 構 築 し て い る 一 方 ，NHK 総 合 で は ，県 毎 に 異 な る チ ャ ン ネ ル で ネ ッ ト ワ ー ク を 構 築 し て い る ．こ の た め ，NHK 教 育 の チ ャ ン ネ ル で 伝 搬 路 応 答 を 取 得 す る こ と で SFN. 2.2. 計 算 機 シミュレーション系 統 図 3 に計算機シミュレーションブロックを示す．こ こ で は ，SFN を 構 成 す る 2 つ の 送 信 所 を A 局 ，B 局 と 表記する．本報告では，野外実験で測定した 2 局のう ち電界強度が高い送信所を A 局として伝送特性を評価 した． 変 調 部 は ， 23 次 PN の 系 列 で 発 生 さ せ た ビ ッ ト 列 に 対して誤り訂正符号，キャリア変調，各種インターリ ー ブ を 適 用 し た 後 ，A 局 お よ び B 局 で 送 信 す る 信 号 に 対 し て STC を 適 用 す る ．図 4 に ，STC 処 理 を 示 す ．STC に は Alamouti 符 号 を 用 い る STBC（ Space Time Block Code） を 適 用 し ， B 局 の 信 号 に つ い て ， 時 間 方 向 に 連. 測定を実施したエリア. 続した 2 つのキャリアシンボルを入れ替え，複素共役. 墨田. を求めた．また，受信側で 2 系統の伝搬路応答を個別 に推定できるようにするため， 2 直交型のパイロット 信号を挿入した． 伝 搬 部 で は ，野 外 実 験 で 取 得 し た 2 局 の 遅 延 時 間 差 ， 戸塚. 電 界 強 度 差 比 ，個 別 の 伝 搬 路 応 答 を 用 い て SFN 関 係 を 再 現 す る ．時 間 領 域 の OFDM 信 号 に 対 し て ，A 局 の 遅. 平塚. 図 2. 延 プ ロ フ ァ イ ル h A [n]お よ び B 局 の 遅 延 プ ロ フ ァ イ ル. NHK 総合. NHK 教育. 偏波. h B [n]を 畳 込 み 演 算 す る こ と で 伝 搬 路 を 付 与 し た ．ま た ，. 墨田. 27. 26. 水平. 伝 搬 路 付 与 後 の A 局 の 信 号 電 力 を CA， 伝 搬 路 付 与 後. 平塚. 19. 26. 垂直. 戸塚. 19. 26. 水平. 墨田、戸塚、平塚のチャンネルと位置関係. ⓒ 2017 Information Processing Society of Japan. の B 局 の 信 号 電 力 を CB と し て 定 義 し ， 野 外 実 験 で 測 定した電界強度差および到来時間差を再現するため， B 局の信号に対して電力調整，遅延時間調整を行った. 2.
(3) 情報処理学会研究報告 IPSJ SIG Technical Report. PN 系列. Vol.2017-AVM-99 No.7 2017/11/30. 誤り訂正 符号化. キャリア 変調. インター リーブ STC 符号化. 変調部 伝搬部←. hA[n]. OFDM フレーム化. IFFT. GI挿入. A局 信号. OFDM フレーム化. IFFT. GI挿入. B局 信号. キャリア 復調. 誤り訂正 復号. →復調部. 信号電力：CA A局 信号. 畳込み 演算. B局 信号. 信号電力：CB. GI除去. 畳込み 演算. 電力 調整. 遅延 調整. hB[n]. 電力差. 到来時間差 τ. 図 3. STC 復号. FFT. デインター リーブ. BER. 伝搬路 推定. 計算機シミュレーションブロック. 後に合成する．. 入力信号. 復 調 部 は ， A 局 と B 局 の 合 成 信 号 を OFDM 復 調 し ，. 出力信号. 時間. パイロット信号を用いた伝搬路応答推定，推定した伝 搬 路 応 答 を 用 い た STC 復 号 を 行 う ．受 信 信 号 は 以 下 の. S(t,k). S(t+1,k). t. t+1. A局. S(t,k). S(t+1,k). t. t+1. コンスタレーション. 式で表される．. Y (t , k ). S (t , k ) H A (t , k ) S (t 1, k )* H B (t , k ). Y (t 1, k ). S (t 1, k ) H A (t 1, k ) S (t , k )* H B (t 1, k ). ･･･（ 1） た だ し ， Y(t,k)は シ ン ボ ル 番 号 t， サ ブ キ ャ リ ア 番 号 k， の 受 信 OFDM キ ャ リ ア シ ン ボ ル ， H A (t,k)は 同 サ ブ キャリア位置における A 局の伝搬路応答の周波数特性. S(t,k). S(t+1,k). B局 t. ＊. t+1. k. -S(t+1,k)*. S(t,k)*. t. t+1. ー. 周波数. 時間. 推 定 値 ，H B (t,k)は 同 サ ブ キ ャ リ ア 位 置 に お け る B 局 の. 図 4 STBC 処 理. 伝搬路応答の周波数特性推定値である．以降，サブキ. 表 1 計算機シミュレーション諸元. ャリア番号 k は簡略のため省略する．また，固定受信 環境を想定した場合，連続したシンボル間で伝搬路の 時 間 変 動 は 十 分 に 小 さ く ，H A (t)=H A (t+1)，H B (t)=H B (t+1) であることから，伝搬路応答についてはシンボル番号 t も 省 略 す る ． STC 復 号 の 式 を 以 下 に 示 す ．. S ' (t ) S ' (t 1). H A* Y (t ) H B Y * (t 1) 2. 2. HA HB * H B Y (t 1) H A Y * (t ) HA. 2. HB. 帯域幅 FFT サ イ ズ キャリア総数 GI 比 パイロット比率 キャリア変調方式 誤り訂正符号. ･･･（ 2）. 2. た だ し ，S’(t)は STC 復 号 に よ っ て 算 出 さ れ る 送 信 信. ＊. インターリーブ STC 方 式 所 要 C/N. 5.57MHz 8,192 本 5,617 本 1/8（ GI 時 間 ： 126μ 秒 ） 1/12 256QAM LDPC 符 号 符 号 長 ： 44880 符 号 化 率 ： 10/15 時間、ビット、周波数 Alamouti STBC 19.0dB （ AWGN 環 境 ）. 号 S(t)の 推 定 値 ，＊ は 複 素 共 役 で あ る ．STC 復 号 は ，2. リ ア 本 数 5,617 本 ，GI を 126μ 秒 ，SP を 周 波 数 方 向 に. つの受信キャリアシンボルを最大比合成し，送信した. 3 サ ブ キ ャ リ ア ，時 間 方 向 に 4 シ ン ボ ル 間 隔 に 挿 し た ．. キ ャ リ ア シ ン ボ ル を 復 元 す る 処 理 で あ る ．STC 復 号 後. キ ャ リ ア 変 調 と 誤 り 訂 正 符 号 に は ，所 要 C/N が 地 上 デ. の 信 号 に 対 し て 各 種 デ イ ン タ ー リ ー ブ ，キ ャ リ ア 復 調 ，. ジ タ ル 放 送 と 同 程 度 と な る ，256QAM と LDPC 符 号（ 符. 誤り訂正復号を行うことで，送信ビット列を復元し，. 号 長 44800、符 号 化 率 10/15）を 用 い た ．な お ，256QAM. ビ ッ ト 誤 り 率 特 性（ BER：Bit Error Rate）を 算 出 し た ．. （ 10/15）の AWGN 環 境 に お け る 所 要 C/N は 19.0dB で. 2.3. 計 算 機 シミュレーション諸 元. あ る ．ま た ，STC を 適 用 せ ず ，A 局 と B 局 か ら 同 一 の. 表 1 に，計算機シミュレーション諸元を示す．信号 構 造 は ISDB-T に 準 拠 し ，FFT サ イ ズ を 8,192 本 ，キ ャ. ⓒ 2017 Information Processing Society of Japan. 信 号 を 送 信 す る 従 来 型 の SFN（ 従 来 SFN）に つ い て も BER を 算 出 し ， 符 号 化 SFN と の 比 較 を 行 っ た ．. 3.
(4) 情報処理学会研究報告 IPSJ SIG Technical Report. Vol.2017-AVM-99 No.7 2017/11/30. な い 良 好 な 伝 搬 環 境 で あ る こ と が わ か る ．(c)に 示 す 受. 3. 従 来 SFN と 符 号 化 SFN の 伝 送 特 性 1.0×10 - 7. 信 信 号 の キ ャ リ ア 毎 の MER を 見 る と ，A 局 に 対 し て B. を 下 回 る 最 小 の C A /N を 所 要 C A /N と 定 義 し 、伝 送 特 性. 局 が 合 成 さ れ る こ と で ， 従 来 SFN で は キ ャ リ ア 毎 の. の評価指標とする．. MER に 大 き な 歪 み が 生 じ て い る ．通 常 ，遅 れ て 到 来 す. 3.1. 符 号 化 で伝 送 特 性 が改 善 した伝 搬 路 の一 例. る波（遅延波）が合成されると，周波数特性には遅延. 外 符 号 と し て BCH 符 号 を 想 定 し ， BER が. 図 5 お よ び 図 6 に ，従 来 SFN と 比 較 し て 符 号 化 SFN. 時 間 差 τ の 逆 数（ 1.0/τ MHz）間 隔 の 周 期 で リ ッ プ ル. の伝送特性が良好となった地点の伝搬路応答，キャリ. が 生 じ る ． (c)に 示 し た 従 来 SFN の MER 特 性 で も ， B. ア 対 変 調 誤 差 比 （ MER： Modulation Error Ratio） と 伝. 局 が 遅 延 時 間 0.5μ 秒 ，電 力 比 2.1dB の 遅 延 波 と し て 合. 送 特 性 の 一 例 を 示 す ． 符 号 化 SFN の キ ャ リ ア 対 MER. 成 さ れ る こ と で 生 じ る ， 約 2.0MHz（ 本 信 号 構 造 で は. は ， STC 復 号 後 の デ ー タ キ ャ リ ア の MER で あ り ，. 約 2000 サ ブ キ ャ リ ア ） 間 隔 の 大 き い 歪 み に 対 応 し て. （ C A +C B ） /N=30dB と な る 雑 音 を 付 加 し て 算 出 し た ．. MER が 変 動 す る 様 子 が 確 認 で き る ．一 方 ，符 号 化 SFN. 図 5 の地点は，A 局が墨田，B 局が戸塚であり，受. で は 大 き な 歪 み は 生 じ て い な い ．(d)に 示 す 伝 送 特 性 で. 信 電 力 差 C A /C B が 2.1dB，到 来 時 間 差 が 0.5μ 秒 で あ っ. は ，A 局 の み に 対 し て 従 来 SFN で は 所 要 C A /N が 1.0dB. た ．(a)に 示 す A 局 の 伝 搬 路 応 答 の 周 波 数 特 性 に 大 き な. 劣 化 し た が ， 符 号 化 SFN で は 2.0dB 改 善 し た ． ま た ，. 歪みは無く，遅延プロファイルからもマルチパスの少. 従 来 SFN の み に 対 し て 符 号 化 SFN は 3.0dB 改 善 し て. -20 -40 -60 -20. 0. 20. 遅延時間[μ秒]. 0 -10 -20 -30 0. 40. 1000. 2000. 3000. 4000. キャリヤ番号. 相対電力[dB]. 0. 10. 相対電力[dB]. 相対電力[dB]. 相対電力[dB]. 10. 0 -20 -40 -60 -20. 5000. 0. 20. 遅延時間[μ秒]. 0 -10 -20 -30 0. 40. -60 -20. 0. 20. 遅延時間[μ秒]. 0 -10 -20 -30 0. 40. 1000. 2000. 3000. 4000. キャリヤ番号. 相対電力[dB]. 相対電力[dB]. -40. 0 -20 -40 -60 -20. 5000. 20. 遅延時間[μ秒]. 30. 30. 30. 20. 2000. 3000. 4000. 5000. 0. 0. 20 10. 10. 1000. MER[dB]. 30. MER[dB]. 40. MER[dB]. 40. 0 0. 1000. 2000. 3000. 4000. 従 来 SFN. 5000. 1000. 26. 24. 24. 22. 22. 1.0dB劣化 2.0dB. 3.0dB改善 17.3. A局. ⓒ 2017 Information Processing Society of Japan. 4000. 5000. 3000. 4000. 5000. 0 0. 1000. 2000. 3000. 4000. 5000. キャリヤ番号. 符 号 化 SFN. 2.6dB劣化. 25.8 4.8dB改善. 23.2. 2.2dB 21. 16. A局. 従来SFN（A+B) 符号化SFN（A+B）. 計算機シミュレーション結果の一例①. 3000. キャリヤ番号. 18. 従来SFN（A+B) 符号化SFN（A+B）. (d) 伝 送 特 性 の 比 較. (d) 伝 送 特 性 の 比 較 図 5. 2000. 20. 20.3. 2000. (c) 受 信 信 号 の キ ャ リ ア 毎 の MER 特 性. 26. 16. 1000. 20. 従 来 SFN. 符 号 化 SFN. 19.3. -20. キャリヤ番号. (c) 受 信 信 号 の キ ャ リ ア 毎 の MER 特 性. 18. -10. 10. 0 0. キャリヤ番号. キャリヤ番号. 20. 5000. 0. -30 0. 40. 40. 10. 4000. (b) B 局 の 遅 延 プ ロ フ ァ イ ル と 周 波 数 特 性. (b) B 局 の 遅 延 プ ロ フ ァ イ ル と 周 波 数 特 性. MER[dB]. 0. 40. 20. 3000. 10. 相対電力[dB]. 相対電力[dB]. 10. -20. 2000. キャリヤ番号. (a) A 局 の 遅 延 プ ロ フ ァ イ ル と 周 波 数 特 性. (a) A 局 の 遅 延 プ ロ フ ァ イ ル と 周 波 数 特 性 0. 1000. 図 6. 計算機シミュレーション結果の一例②. 4.
(5) 情報処理学会研究報告 IPSJ SIG Technical Report. Vol.2017-AVM-99 No.7 2017/11/30. 26 従来SFN（2波モデル） 符号化FSN（2波モデル） 従来SFN（戸塚） 符号化SFN（戸塚） 従来SFN（平塚） 符号化SFN（平塚）. 25 24 23 22. 図 6 の地点. 21 20 19 18 17. 図 5 の地点. 16 0. 5. 10. 15. 20. 25. 30. 35. 40. 45. CA/CB[dB] 図 7 C A /C B に 対 す る 所 要 C A /N の 特 性 い る ．こ れ は ，図 5 の 地 点 の よ う に A 局 の 周 波 数 特 性. は ， 従 来 SFN で の 所 要 C/N を △ で ， 符 号 化 SFN で の. が 良 好 で あ り ，B 局 と の 受 信 電 力 差 が 小 さ い 場 合 に は ，. 所 要 C/N を ○ で プ ロ ッ ト す る ． ま た ， A 局 の 直 接 波. B 局を受信することでダイバーシティ利得を得られる. と B 局 の 直 接 波 の み を 合 成 す る 単 純 な SFN の モ デ ル に. ためである．. おける特性も，2 波モデルと表記して併記する．. 図 6 の 地 点 は A 局 が 平 塚 ，B 局 が 墨 田 で あ り ，受 信. 図 7 よ り ， C A /C B が 15dB 以 下 で あ る 領 域 に お い て ，. 電 力 差 C A /C B が 12.4dB， 到 来 時 間 差 は 125.6μ 秒 で あ. 符 号 化 SFN の 所 要 C A /N が 従 来 SFN と 比 較 し て 改 善 す. る ．(a)に 示 す よ う に A 局 の 周 波 数 特 性 に は マ ル チ パ ス. る こ と が 確 認 で き る ． C A /C B が 特 に 小 さ い 環 境 で は 符. に よ る 30dB 程 度 の 大 き な ギ ャ ッ プ が 生 じ て い る ． (c). 号 化 SFN に よ る 利 得 が 大 き く ，今 回 の シ ミ ュ レ ー シ ョ. に 示 す キ ャ リ ア 毎 の MER 特 性 に お い て ， 従 来 SFN で. ン で は ，電 力 差 が 0.3dB の 地 点 に お い て ，AWGN 環 境. は ，B 局 が 125.6μ 秒 の 遅 延 波 と し て 合 成 さ れ る こ と で ，. と 比 較 し て 所 要 C A /N が 2.5dB 改 善 す る 結 果 が 確 認 で. A 局 の 周 波 数 特 性 に 1/125.6≒ 0.008MHz 間 隔 の 短 周 期. きた．また，2 波モデルと実験で取得した伝搬路を用. の 歪 み が 加 わ る 形 で MER が 変 動 し て お り ， 30dB 程 度. い た 場 合 の 所 要 C/N の 差 が 大 き い 環 境 ， す な わ ち ， A. のギャップは残留していることがわかる．一方，符号. 局のみでもマルチパスによる伝送特性の劣化が大きい. 化 SFN で は 同 様 の 歪 み は 生 じ て お た ず ， 30dB 程 度 の. 環 境 に お い て は 従 来 SFN と 符 号 化 SFN の 差 は 大 き く ，. ギ ャ ッ プ が 生 じ て い な い こ と が わ か る ．(d)に 示 す 伝 送. 符 号 化 SFN の 利 得 が 大 き く 得 ら れ て い る ．. 特 性 で は ， A 局 の み に 対 し て 従 来 SFN で は 所 要 C A /N が 2.6dB 劣 化 し た が ，符 号 化 SFN で 2.2dB の 改 善 し た ． ま た ， 従 来 SFN に 対 し て 符 号 化 SFN は 4.8dB 改 善 し ている．この地点では，B 局の電力が A 局に対して 12.4dB 低 い た め ，帯 域 全 体 で の ダ イ バ ー シ テ ィ 利 得 は 期 待 で き な い が ，図 6(a)お よ び (b)の 周 波 数 特 性 に お い て 破 線 で 示 す A 局 の 周 波 数 特 性 が 30dB 落 ち 込 む キ ャ リア位置において，B 局の周波数特性の相対電力は -10dB 程 度 あ る ． こ の た め ， A 局 の み で は 電 力 が 落 ち 込 む よ う な キ ャ リ ア に お い て ，電 力 の 大 き い B 局 の キ ャリアシンボルが最大比合成されることで，伝送特性 が改善したと考えられる．. 3.2. 全 サンプルの結 果 図 7 に ， 野 外 実 験 で 取 得 し た 全 33 サ ン プ ル の SFN 関 係 を 用 い た 算 出 し た C A /C B に 対 す る 所 要 C A /N 特 性 を 示 す ．横 軸 に 電 力 差 C A /C B ，縦 軸 に 所 要 C A /N を お い て全地点の結果をプロットしたグラフである．図中に. ⓒ 2017 Information Processing Society of Japan. 4. あ と が き 現 行 の 地 上 デ ジ タ ル 放 送 で 実 際 に SFN を 構 築 し て いる墨田，戸塚，平塚の放送エリア内で伝搬路応答を 取得し，計算機シミュレーションによって時空間符号 化 を 適 用 し た SFN 方 式 の 伝 送 特 性 を 評 価 し た ． 2 局 の 電 界 強 度 比 が 小 さ い 環 境 に お い て ， 従 来 SFN では A 局に対して B 局が遅延波として加わることで伝 送 特 性 が 劣 化 す る が ， 符 号 化 SFN を 適 用 す る こ と で ， B 局が加わることによる伝送特性の劣化が生じないこ とが確認できた．2 局の電界強度比が特に小さい環境 で は ， B 局 が 利 得 と な り ， 所 要 C/N が 最 大 で 2.5dB 改 善 し た ． ま た ， 2 局 の 電 界 強 度 比 が 10dB 程 度 と な る 環境においても，A 局の周波数特性に大きな歪が生じ る場合，B 局の信号が合成されて周波数特性が補完さ れ る こ と で ，伝 送 特 性 が 大 き く 改 善 す る 現 象 も あ っ た ． 今後，伝搬路応答のサンプル数を増やして評価を行. 5.
(6) 情報処理学会研究報告 IPSJ SIG Technical Report. Vol.2017-AVM-99 No.7 2017/11/30. うとともに，次世代地上伝送方式に対応した変復調装 置の試作器を用いた室内実験により，実機による評価 を行っていく．. 文. 献. [1] 竹 内 他 ： "次 世 代 地 上 放 送 に 向 け た 暫 定 仕 様 の 検 討 "， 映 情 学 年 次 大 ， 31A-1(Aug.2016) [2] （ 社 ）電 波 産 業 会（ ARIB）："地 上 デ ジ タ ル テ レ ビ ジ ョ ン 放 送 の 伝 送 方 式 "， STD-B31 [3]. S.M.Alamouti ：“ A Simple Transmit Diversity Technique for Wireless Comunications ” , IEEE J.Select. Areas Commun, vol.16, No.8, pp.1451-1458( Oct.1998). [4]. 齋 藤 他： “ 熊 本・人 吉 地 区 で の 次 世 代 SFN 実 験 ”, 映 情 学 年 次 大 , 33D-2( Aug 2015). ⓒ 2017 Information Processing Society of Japan. 6.
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図
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