「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

fV

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 H21

Ku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

ff

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 8Eb/N0 ( dB )

BER

(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

0:0

0:0

0

0:0

7:1

2

0:1

4:2

4

0:2

1:3

6

0:2

8:4

8

0:3

6:0

0

0:4

3:1

2

0:5

0:2

4

0:5

7:3

6

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

-100

-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 1000

0.5

1

利用率

帯域

電力

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000

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 1000

0.5

1

利用率

帯域

電力

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000

0.5

1

利用率

地球局数

帯域電力

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000

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 7/8QPSK 1/2BPSK 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 AssignedMultiple 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

偏波間干渉補償なし 偏波間干渉補償あり

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 )

BER

(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

10-81.0E-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 )

BER

(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)

BER

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

fV

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fH 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 2000400

500

600

700

800

900

1000

1100

1200

1300

Packet size (byte)

UD

P t

hro

ugh

put

(kbp

s)

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）衛星実験デモ（4回）を実施