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Academic year: 2021

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ITS無線通信技術

Wireless Communication Technologies for ITS

あ ら ま し 富士通では道路インフラの情報を車両に提供することで安全サービスを実現するインフ ラ協調システム用の無線通信システムの開発を進めている。安全サービスを提供するために は,建物や走行車両による外乱の多いITSの通信環境で,高信頼,リアルタイムな無線通信 を実現する必要がある。著者らは,ITSの通信環境で問題となるマルチパスに対する耐性の 高いOFDM技術を中核とする無線通信方式の検討を進め,試作システムを開発した。試作 システムは,OFDMを採用するモバイルWiMAXをベースに,ITS用に新たに割り当てられ たUHF帯を利用し,安全サービス用のリアルタイムなブロードキャスト通信を可能にした ものである。試作システムを用いた公道実験の結果,交差点から180 m以内のすべての場所 で,パケット到達率99%,通信遅延時間100 ms以下を満たすという安全サービスの要件を 十分にクリアでき,開発している無線通信システムが有用であることを確認した。 Abstract

Fujitsu is developing a wireless communication system that offers driving safety support services. This system enables cooperation between road infrastructure and vehicles by providing infrastructure information to vehicles from roadside units. Highly reliable, real-time wireless communication services must be made available in multipath fading environments generated by surrounding buildings, vehicles, and other objects. We investigated a Mobile WiMAX-based wireless communication system because Mobile WiMAX adopts OFDM transmission technology that is not vulnerable to multipath fading environments. We also developed a trial system for the UHF band newly assigned by the government for cooperative infrastructure-vehicle systems. Through experiments conducted on public roads utilizing the trial system, we verified that our system fully met the requirements for driving safety support services.

深澤光規(ふかざわ みつのり) ITS研究センター 所属 現在,インフラ協調システム用無線 通信システムの方式検討,実験推進 に従事。 樋口 守(ひぐち まもる) モバイルシステム事業本部第二開発 統括部 所属 現在,モバイルWiMAXベースのITS 用基地局システムの開発に従事。 飯田一朗(いいだ いちろう) 次世代IT・ITSプロジェクト室 所属 現在,インフラ協調システムの開 発・推進統括に従事。

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ITS無線通信技術

ま え が き 道路に設置されたインフラセンサや信号機などの 道路インフラ設備と車両,あるいは車両同士が情報 交換を行うことで,車両の自律システムだけでは実 現困難な運転支援サービスを提供し,交通事故を減 らすことをねらった「インフラ協調システム」の実 現に向けた取組みが各所で行われている。インフラ 協調システムにおいては,上記の情報交換を確実に 成立させる無線通信技術が不可欠になる。 本稿では,とくに道路インフラ設備と車両間の 「路車間通信」にフォーカスし,その実現に向けた 富士通の取組みについて紹介する。 路車間通信サービスと通信システム要件 路車間通信のねらいは,時々刻々と変化する車両 周辺の交通状況をリアルタイムに車両に提供し,事 故につながる恐れのある事象のドライバによる認知 を支援し,場合によっては介入制御を実行して危険 回避を可能にすることである。以下に,路車間通信 サービスの例を示す。 (1) 信号情報利用サービス 交差点に接近する車両に対して周期的に信号情報 を通知し,ドライバによる減速が十分でない場合, 警報,介入制御を段階的に実施する。 (2) 右折支援サービス 交差点内の右折待ち車両に対し,周期的にセンサ で検知した対向直進車両の存在を通知したり映像を 送ったりすることで,ドライバに注意喚起する。 (3) 横断歩行者等検知情報提供サービス 交差点周辺の右左折車両に対し,周期的にセンサ で検知した横断歩道周辺の歩行者および自転車の位 置・速度などを通知し,ドライバに注意喚起する。 上記を含むいくつかの路車間通信サービス検討の 結果得られた,無線通信システムへの要件を以下に 示す。 ・通信形態 :放送型 ・通信エリア :180 m以上 ・パケット到達率:99% ・通信遅延 :100 ms ・移動速度 :120 km/h(高速道) 90 km/h(一般道) ・伝送容量 :5.3 Mbps以上 このように,路車間通信による安全サービスを実 現するためには,交差点周辺200 m程度のエリアを カバーし,道路インフラの情報を高信頼,リアルタ イムに提供できる無線通信システムが必要になる。 このようなシステムでは,低いアンテナから放射さ れる電波に対する建物や走行車両による反射, 遮蔽 しゃへい などによる影響が大きいと予想されるため, ITSの通信環境を考慮した無線伝送技術の検討が必 要になる。 総務省は,アナログテレビ放送停波後のUHF帯 の 再 利 用 の一 環 と し て,715 MHz~725 MHzを ITS専用帯域として割り当て,2012年以降に利用で きるようにすることを,2007年6月に発表した。 UHF帯の電波は,送信機から遠方や見通し外の場 所にも届きやすいという性質があり,ITSの通信環 境に適した周波数帯として期待される。 以降,この周波数帯域を使ったITS用無線通信シ ステムを新無線通信システムと呼ぶこととする。 既存通信システムの限界 日本の路車間通信を用いたインフラ協調システム に関するこれまでの主な取組みとして,ETCで利 用されている5.8 GHz帯DSRC(Dedicated Short Range Communication)や,渋滞情報の収集・提 供(VICS:道路交通情報通信システム)で利用さ れている光ビーコンを用いた安全サービス実験が ある。 DSRC,光ビーコンは,すでに実績のあるシステ ムではあるが,もともと交通流の円滑化を図るため の5~30 mといった局所的なエリアにおけるサービ ス提供を想定したものであり,1~4 Mbps程度の伝 送容量しか持たない。このため,路車間通信サービ スを提供するには不十分であり,ITSの通信環境で 多様な安全サービスを高信頼に提供するための無線 通信技術の確立が不可欠である。 新無線通信システムの実現方式 上記の点を踏まえ,著者らは新無線通信システムと してモバイルWiMAX(Worldwide Interoperability for Microwave Access)をベースとする無線通信方 式の検討を進めた。

モバイルWiMAXでは,複数の狭帯域のサブキャ リ ア に よ っ て デ ー タ を 並 列 伝 送 す るOFDM

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(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)

変調方式を採用している。OFDMでは,各サブ キャリアが,隣接するほかのサブキャリアとの間の 干渉をガードバンドなしで排除可能な互いに直交し たサブキャリア配置を行うことにより,高い周波数 利用効率を実現できるため大容量伝送に適している。 さらに,以下に述べる点からITSの通信環境に適し た無線伝送技術と言うことができる。 一般に,送信アンテナから放射された電波は,直 接受信アンテナへ到達するだけでなく,建造物や車 両などによる反射や回折などが起こる複数の経路を 経て到達する。したがって,受信機には伝搬距離, すなわち到達時間の異なる複数の波の合成波として 入力される。このような伝搬路をマルチパス環境と 呼び,主に周波数選択性フェージングやシンボル間 干渉といった伝送歪ひずみの問題を引き起こす。 周波数選択性フェージングは,マルチパスの影響 により,周波数ごとに異なる振幅や位相の変化が起 こる現象である。 現在のセルラー通信に代表されるシングルキャリ アを用いた伝送方式では,無線信号の瞬時的な周波 数は,変調データの遷移によって変動するため,周 波数選択性フェージングの影響を補正するためには, 非常に複雑な処理が必要となる{図-1(a)左}。一 方OFDMでは,狭帯域なサブキャリア単位の処理 が可能なため,データ変動を気にせず,独立なフ ラットフェージングとして,レベル補正などの単純 な処理により補正することができる{図-1(a)右}。 一方,シンボル間干渉は,送信時刻の異なる変調 データが遅延によって同時に受信されることによっ て生じる干渉歪みである。 シングルキャリア伝送方式では,デジタルデータ の伝送単位であるシンボルの時間長(キャリア帯域 幅の逆数)に対して,直接波からの遅延波の到達遅 れ時間が相対的に大きく,合成波における異なるシ ンボル同士が重なる領域が大きくなる。これを補正 するためには,時間等価器などを用いた複雑な処理 の実装が必要となる{図-1(b)左}。 一方OFDMでは各サブキャリアが長いシンボル 長を有するため,遅延による干渉時間をシンボル長 に対し,十分小さくすることが可能である。このた め,干渉の除去は,受信シンボルの内,運用上起こ り得ると予想される最大遅延量分の時間(ガードイ ンターバル)を,単純に無視することによって簡単 周波数(Hz) キャリア帯域幅 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 ・・・ ・・・ 時間(s) D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 ・・・ ・・・ ・・・ XXXXXXXXXXXXXXXXX ・・・ D1 D11 ・・・ ・・・ D1 D11 ・・・ ・・・ D1 D11 ・・・ X X ・・・ f1 f1´ f1+f1´ f f´ f+f´ = = 直接波 遅延(反射)波 主波と遅延波の異なるシンボル 同士の重なりが大きく補正困難 予想される最大遅延量の範囲を無視 単純な処理でマルチパスの影響を無効化 シングルキャリア伝送 マルチキャリア伝送(OFDM) 広帯域なキャリアの補正 には複雑な処理が必要 サブキャリア単位に独立したフラットフェージングとして 簡単に処理が可能 送信信号 受信信号(周波数選択性 フェージングにより大きく歪む) (a)周波数選択性フェージングの問題 周波数(Hz) サブキャリア帯域幅 送信信号 受信信号(フェージングの影響はサブキャリア ごとの受信レベルの違いと見なせる) (b)シンボル間干渉の問題 シングルキャリア伝送 マルチキャリア伝送 (OFDM) シンボル長 シンボル長 + + 合成波 遅延 遅延 時間(s) 図-1 マルチパス環境の問題とOFDMによる改善イメージ Fig.1-Multipath fading problems and effects of OFDM modulation.

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に実現することができる{図-1(b)右}。 以上のように,OFDMではマルチパス環境によ る歪みの影響を簡単に補正可能であり,車両の移動 に伴いマルチパス環境が高速に変化するITSの移動 通信に適した伝送技術と言うことができる。 さらにWiMAXでは,異なるユーザやサービスの ためのリソース割当てにおいて,時間方向だけでな く,周波数方向に対しても分割が可能なOFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) を採用している。これにより,ユーザごとのマルチ パス環境に適したサブキャリアを割り当て,リソー ス全体の平均的な品質,伝送効率を向上させる運用 も可能である。 表-1 試作システムの主要諸元 路側機(基地局) 車載機(移動局) 周波数帯 774.5 MHz 帯域幅 5 MHz 1次変調方式 QPSK / 16 QAM / 64 QAM 誤り訂正/符号化率 CTC 1/2,3/4(QPSK / 16 QAM) CTC 1/2,2/3,3/4,5/6(64 QAM) サブキャリア数 512 シンボル長 91.2μs ガードインターバル長 11.4μs フレーム周期 5 ms 通信形態 ブロードキャスト 送信電力 100 mW~1 W - 移動速度 - 60 km/h 測定機能 BER/PER/RSSI/CINR 上位レイヤ IPv4 寸法(幅×奥行×高さ) BB:374×340×74.4 mm RF:440×350×300 mm 430×320×80 mm 試作機開発と電波伝搬実験 上記のモバイルWiMAXをベースとした新無線通 信システムについて試作開発を行い,ITSの通信環 境における電波伝搬特性の把握,および通信システ ム要件を満たすことができることを確認するための 電波伝搬実験を行った。 試作した無線機の主な仕様を表-1に,試作システ ムの全体構成を図-2に示す。以下に,試作システム のブロードキャスト機能を利用したパケットエラー レート(PER)計測の流れを示す。 まずはじめに路側機制御PCから,PERの計測に 十分な伝送レートでPER計測用のIPブロードキャ ストパケットを送信する。路側機はこのパケットの IPアドレスを参照し,自身が管理するWiMAXのブ ロードキャスト用コネクションID(CID)を対応 付け,そのCIDに割り当てられた無線領域にこのパ ケットを格納し送信する。 車載機は,5 msごとに送られてくるフレームの 先頭に書かれている無線領域の利用方法を示す MAP情報を参照し,ブロードキャスト用のCID (システム固定の値)に関する情報があれば,その CIDに対応する無線領域を参照してパケットを取り 出し,車載機制御PCに渡す。 車載機制御PCは,無線機の特性を測定するため の機能として,受信電力(RSSI),PER,ビット エラーレート(BER)計測機能を持ち,パケット 受信時刻ごとのRSSI/PER/BERを蓄積する。さら に,車載機制御PCにはGPSモジュールが接続され ており,指定された時刻における車両の位置情報が 取得できるので,時刻情報の対応付けを行うことで 路側機からの車両の距離に応じたRSSI/PER/BER 特性を得ることができる。 実験は,再現性のある実験が可能なテストコース で実施した後,実際の走行環境として,都市部,郊 外,事故多発箇所などの典型的な交通状況を持つ複 数の場所を選択し,その公道上で実施した。 まず,テストコースにおいて,大型車両による遮 蔽を含むいかなる厳しい条件においても,問題なく 路車間通信ができることを確認した。 交通事故の多い場所として選択した豊田市本新町 5丁目交差点周辺における実験結果を図-3に示す。 豊田西バイパスと一般道が交差する交差点付近に高 さ5.5 mの送信アンテナを設置し(信号機上を想 定),100 mWの送信電力で計測用パケットの送信

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ITS無線通信技術

路側機(基地局) 路側機制御PC 車載機(移動局) 5.5 m 1.5 m 802.16e IP-CS イーサネット IPv4 IPv4 Dest IP ⇒CID 802.16e IP-CS USB 計測用パケット(2000パケット/秒) ・・・ WiMAXフレーム(200フレーム/秒) 下り無線領域 ・・・ ・・・ 計測用パケット MAP ・車載機管理 ・RSSI,PER,BER記録 ・時刻,位置記録 ・路側機管理 ・試験用パケット送出 GPS ・時刻 ・位置情報 車載機制御PC イーサネット IPv4 TCP/UDP パケット送信アプリ USB IPv4 TCP/UDP パケット受信アプリ 上り無線領域 ・・・ ブロードキャスト用領域 図-2 試作システムの構成 Fig.2-Prototype system configuration.

を行い,周回路を走行する受信車両によって場所ご とのRSSI/PER/BERを計測し,試作システムの特 性評価を行った{実験では1次変調方式を変えて 何 回 か 走 行 し て い る が , 図-3のグラフはQPSK (Quadrature Phase Shift Keying)の場合}。

図-3のグラフに示すように,東西どちらの方路に ついても,安全サービスが要求するエリアを大きく 越える広いエリアでパケット到達率要件をクリアす ることが確認できた。 また,図には記載していないが,バイパス以外の 細街路を走行するコースでの実験も行った。この コースでは送信アンテナから約100 mの地点での見 通し外の厳しい通信環境となるが,およそ250 mの 地点までパケット到達率要件を満たすことを確認し ている。 本実験箇所においては,アンテナ設置位置が低く, 建物や走行車両の影響による外乱の大きなITSの通 信環境でも安定した通信が可能なことを確認できた。 今後,様々な環境での評価が必要ではあるが, UHF帯の電波が届きやすいという性質,WiMAXの OFDMによるマルチパス耐性の高さを利用した新 無線通信システムにより,建物の陰や大型車両によ る見通し外の場所を含む広いエリアでITSの安全 サービスを提供できる見通しを得ることがきた。 今後の取組み 2012年における新無線通信システムの実用化を 目指し,今後,さらなるITSに適した無線技術の開 発を進める。主なものとして,ITSの通信環境への OFDMの最適化,受信特性の向上,車車間通信や 円滑サービスへの対応などがある。 今回の実験でOFDMの有効性は確認できたが, シンボル長,ガードインターバル,パイロットシン ボル配置などの物理層のパラメタは,モバイル WiMAX標準をそのまま採用しており,ITSの通信 環境に対して最適化されていない。今後,伝搬特性 の明確化,シミュレーション評価などによりパラメ タの最適化を行い通信特性の向上を図りたい。また, 安全サービスはブロードキャストにより実行される ため,路側機と車載機間のネゴシエーションによる 再送制御や適応変調が利用できない。このため,車 載機側の受信特性を向上するための,高精度な伝搬 路推定技術や,スマートアンテナ技術などの検討が 重要である。 新無線通信システムにおいては,割り当てられた UHF帯を効率的に活用するために,路側機のある

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ITS無線通信技術

Copyright 2008 FUJITSU LABORATORIES LIMITED

-90 -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 -500 0 1000 1500 受 信電力 (RS S I) ( dB m ) 1.E+00 エラ ー レ ー ト (P ER ) 路側機 走行コース (豊田西バイパ ス) 東 名 高 速 移動距離(m) 10-1 10-2 10-3 10-4 10-5 10-6 10-7 10-8 10-9 10-10 RSSI PER(フロア=10-4 路側機から400 mまで パケット到達率99%以上 路側機 路側機から900 mまで パケット到達率99%以上 -100 -2500 -2000 -1500 -1000 500 図-3 電波伝搬実験結果(PER特性グラフ)の例

Fig.3-Result example of propagation measurement experiments (PER characteristics).

場所では路車間通信システムを利用し,路側機がな い場所では,車両同士の車車間通信システムにより 安全サービスを提供する必要がある。車車間通信シ ステムでは路車間通信のようにマスタとなる基地局 を固定した集中制御型の通信ができないため,車両 同士のアドホックな通信に適した自律分散型の無線 通信システムの開発が必要になる。また,同じ周波 数帯域を使って,干渉を回避しながら性質の異なる 路車と車車の二つの通信システムを共存させるため の仕組みの実現も今後の大きな課題の一つである。 さらに,貴重なUHF帯を長期にわたりインフラ として有効に活用していくためには,安全のみなら ず,交通流を円滑にし,環境負荷を低減する円滑 サービスへの路車間通信システムの適用も視野に入 れる必要がある。円滑サービスでは,広いエリア全 体での交通流の最適化を図るために,各車両から走 行情報を収集するためのプローブ機能やセンタとの 個別通信を広い範囲で確実に提供する必要があり, WiMAXが持つQoS制御機能や高信頼な上り通信機 能,移動管理機能などを生かした技術開発を進める 予定である。 む す び 本稿では,モバイルWiMAXをベースとした路車 間通信システムに関する技術的な特徴,試作システ ムによる評価実験結果について述べ,その有用性を 明らかにし,今後取り組むべき技術的なポイントに ついて述べた。 新無線通信システムは,従来の移動通信システム とは異なる新たな領域のサービスを提供するもので あり,技術開発のみならず,その有用性を広く理解 してもらい社会に受け入れられるための取組みも重 要である。このために,今後,様々な公開実験など の場をとらえて積極的に参加し,効果的なアプリ ケーションのデモによって,認知度向上と社会的合 意形成に向けた取組みについても推進していきたい。

参照

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