周波数の有効利用を可能とする 適応型衛星通信技術の研究開発 平成23年11月30日 独立行政法人 1 情報通信研究機構 National Institute of Information and Communications Technology １．研究開発概要 Ka帯（30/20GHz帯）への周波数移行を実現するべく、降雨減衰の影響による回線断を 回避する技術などKa帯の稼働率を改善するための研究開発を行い、Ka帯の周波数利用効率 を総合的に10倍向上させるとともに、回線稼働率を99.99％以上とする。 適応型通信制御技術 スキャニング型可変スポットビームアンテナ技術 降雨減衰の影響により回線断が発生しやすいKa帯の回線稼働率を向上させる技術 サービスエリアを効率的にカバーするためにビーム幅を可変制御できる技術 既存技術 ATM ベース 衛星通信用中継器 再生交換部 マルチ ビーム RX 受信機 TX 送信機 マルチ ビーム 晴天時 降雨時 晴天時 受信レベル 最低受信レベル 通信状態 接 続 回線断 接 続 降雨減衰等の個別の回線状況に応じ、電力・帯域幅・伝送速 度・通信方式などを制御する技術（リソース配分の最適化）を開発 することで、通信回線断の回避を実現 期待される技術 アンテナビームをユーザ密度や降雨状況に応じて柔軟に制御でき るよう、アンテナ素子の軽量化、高機能化等を図ることで、例えば被 災地域への広帯域回線の確保（狭ビーム化）など、アンテナビームの 高性能化を実現 衛星通信用中継器 ※データサーバ機能を 搭載 受信機 送信機 通信状態 2 常 に 接 続 National Institute of Information and Communications Technology １．研究開発概要 研究開発スケジュール 具体的な研究開発課題 適応型通信 制御技術 平成１９年度 １．衛星搭載適応型デ ジタル中継技術 適応型中継方 式基本検討 ２．衛星搭載適応型通 信技術 変復調機能 基本検討 適応型デジタル中継器評価 モデル試作・基本機能評価 降雨減衰 特性取得 システム構築 ３．適応型通信技術に 適応型通信 通信制御 対応した地球局技術 制御方式 システム試作 基本検討 １．衛星搭載用可変 スキャニングスポッ トビームアンテナ用 RF技術 スキャニング型 可変スポット ２．スポットビーム 適応制御技術 ビーム アンテナ技術 ３．適応制御対応地 球局技術 全 3 体 平成２０年度 降雨減衰特性取得 平成２１年度 適応型デジタル中継 器実証システム試作 平成２２年度 適応型総合装置 構築及び評価 適応型処理部開発 降雨減衰特性取得継続 地球局概念設計 実証実験用地球局構築 アンテナ方式 アンテナ素子 基本検討 試作 衛星アンテナ部分機 能モデル試作 スポットビーム適 応制御方式検討 衛星アンテナ制御部試作 適応制御対応 地球局モデル検討 適応型通信制御との インターフェース調整 地上実証用 地球局構築 アンテナ部分機能 試験モデル改良 適応アンテナ対応地 球局シミュレータ 実装化、全体評価、 実証実験 National Institute of Information and Communications Technology ２．研究開発の成果 （ア-1）衛星搭載適応型デジタル中継技術の研究開発 -適応型デジタル中継器実証モデルの設計衛星：5m級のアンテナ 1kWの送信電力 -デバイスの放射線試験ガンマ線によるTID試験 1.2 mφ VSAT: Ka帯衛星通信は電力制限から 周波数制限通信路へ ・多値変調技術による周波数利用効率の向上が可能 ・伝送能力と回線マージンのトレードオフが可能 評価デバイス： ・民生用S-RAM型FPGA (Xilinx Virtex5) ・民生用動的再構成デバイス(IPFlex DAP/DNA-2) 長期被曝に よる半導体 の特性劣化 ラッチアッ プによる 半導体破壊 重粒子線による シングルイベント試験 ビット反転 によるメモ リデータの 書き換わり 4 劣化は少なく静止軌道で10年間動作可能 発生せず 静止軌道 軌道 太陽活動極大期 フレアピーク時（1週間） コンフィグレー ションメモリ 0.87 回/day (9.9×104秒/回) 434.71 回/day (198.8秒/回) Block RAM 4.13 回/day 2063.76 回/day DCM 乗算器 (2.1×104秒/回) (41.9秒/回) 0.00 回/day 0.26 回/day (1.7×108秒/回) (3.3×105秒/回) 0.03 回/day 15.63 回/day (2.8×106秒/回) (5.5×103秒/回) 三重多数決判定ロジック及び回路再構成技術で対応 National Institute of Information and Communications Technology ２．研究開発の成果 -変復調制御機能評価モデルの開発S-RAMデータ反転による障害発生を三重多数決判定とFPGA再構成で対処。 FPGAによるフラットな構成を開発 NICTにて既開発の搭載交換機モデル ・コントローラとして宇宙環境対応の高信頼デ バイスが必要 ・チップ数が多く小型化に向かない ・1デバイス故障でも三重多数決化 ・FPGAの容量増大で十分な帯域を確保 ・FPGA自身がFPGA内交換機の接続を変更 ・マスターとスレーブの関係を自動認識 →自動故障適応 変復調制御機能評価モデル外観 当該研究開発による搭載交換機モデル 5 National Institute of Information and Communications Technology ２．研究開発の成果 2.5GHz高速シリアル インターフェース -適応型デジタル中継器実証モデル総合評価- 伝送速度可変の設計範囲とし ては1～128Mbpsが可能。 ・変調方式：QPSK／16QAM ・伝送速度：16/32/64 Mbps ・誤り訂正符号化・復号方式： ・なし ・リードソロモン符号化 ・リードソロモン符号化＋ 畳み込み符号化・ビタビ復号 （符号化率：1/2、3/4、 及び7/8） 6 適応型デジタル中継器実証モデル 非再生系信号処理の例（チャネル移動処理） National Institute of Information and Communications Technology ２．研究開発の成果 （ア-2）衛星搭載適応型通信技術の研究開発 -降雨減衰特性取得システムの構築- WINDS衛星のTDM波を用いて、降雨減衰測 定を行う。 ・WINDSリファレンスバースト強度を測定 ・同期保護にGPS信号を利用 → 従来の100倍の時間分解能 → 小型アンテナで広いダイナミック レンジの計測を実現 降雨減衰特性測定例（2010年9月23日、 7時35分～13時、鹿島宇宙技術センター） 7 National Institute of Information and Communications Technology ２．研究開発の成果 -降雨減衰特性測定及び 回線制御アルゴリズム開発3年間の測定により得られた降雨 減衰量と変動時間の特徴を右図に 示す。 → 台風等激しい減衰量の変動に 対応するため、適応制御では，15 回/分の回線品質確認を行う必要が ある。 晴れ 曇 小雨 20～25mm/h 60mm/h以上 降雨減衰量 (レベル最大変動) 1dBp-p以下 1dBp-p以下 約2.5dB 約5dB 約8dB － － 3分～5分 3分～5分 3分 100mm/h以上 約15dB 2分～4分 約25dB以上 1分～2分 天候状態 雨 台風 降雨減衰量 小 変動時間 大 MAX 再生中継を前提とすると、上り 回線と下り回線の制御はそれぞれ 同じアルゴリズムで処理できる。 送信電力制御で降雨減衰の補償 を行い、補償範囲を超えた場合に 変復調方式の適応制御を開始し、 情報レートの削減しながら、回線 マージンの確保を実施する。 → アプリケーションレベルでの 情報伝送速度の連携制御が必要 8 送信電力 MIN 変調方式 16QAM QPSK ｼﾝﾎﾞﾙﾚｰﾄ 16Msps 8Msps 符号化率 （畳み込み） RSのみ 7/8 3/4 1/2 53.52 46.38 39.25 26.76 26.76 24.98 情報ﾚｰﾄ 23.19 23.19 (Mbps) 19.62 19.62 13.38 12.49 12.49 11.60 9.812 6.244 National Institute of Information and Communications Technology ２．研究開発の成果 （ア-3）適応型通信技術に対応した地球局技術の研究開発-中継器と地球局を組み合わせた総合通信制御実験WINDS WINDS回線を用いて所要電力を比較（左図） ・64 Mbps 16QAM信号（リードソロモン符号化のみ） ・16 Mbps QPSK（リードソロモン符号化 QPSK RS ＋1/2畳み込み符号化・ビタビ復号） 16QAM RS +1/2畳み込み → 帯域幅比が2倍を考慮すると、所要電力差は14.5 dB リードソロモン符号化の有無で、3.4 dB増加 伝送速度をさらに下げ、2 MbpsのQPSKでは、9 dB増加 → 適応変復調技術で26.9 dBの回線マージン確保 → システム総合で30 dB以上の降雨マージンを確保 （送信電力制御：3 dB、ビーム集中：3 dB追加） 9 National Institute of Information and Communications Technology ２．研究開発の成果 （イ-1）衛星搭載用可変スキャンニングスポットビームアンテナ用RF技術の研究開発 -アンテナ素子製作及びアンテナ方式検討WINDSからの改良目標： 最大同時放射ビーム数を8から20、ビーム幅可変範囲を2倍以上 → アンテナ開口径： 直径 2 m → 離焦点フェーズドアレー給電： 404素子 → 各給電素子の振幅・位相制御： 空間光位相制御方式 光制御型ビーム形成回路 光ファイバアレーの 開口を投影 -軽量アンテナ素子の開発- レーザλ1 レーザλ2 レーザλ3 レーザλ4 ビーム#1 ビーム#2 ビーム#3 ビーム#4 送信ビーム 信号 空間光 位相変調器 レーザλ1 ビーム #1 光変調器 マイクロレンズアレー + ファイバアレー 空間光 強度変調器 レーザλ2 ビーム #２ 光変調器 信号光 光増幅器 ローカル光 光分波器 -高出力増幅器の高効率化検討- O/E 光変調器 E/O部 放射 素子 O/E Ｚ 光変調器 ビーム #４ O/E O/E Ｚ レーザλ4 O/E レーザλ3 ビーム #３ 材料を従来のアルミ⇒CFRPへ 質量：6.97 g/素子⇒2.22 g/素子 68％、4.8g/素子 の軽量化を実現 光制御BFN (振幅・位相分布形成部) O/E部 WDM カップラ 20ビーム形成：上記のE/O~光制御BFN部を5セット使用 WDMカップラにより，20ビーム分の変調光を合成 送信空間光位相制御方式ビームフォーミング回路概念図 10 出力段FET素子を4素子とする場合が 歪みが少ない構成となる。 歪み補償による特性改善で歪みを増 加させず1dBの出力増加が可能。 効率37.7％から42.7％に改善 National Institute of Information and Communications Technology ２．研究開発の成果 -可変スポットビームアンテナ部分機能試験装置試作アンテナ素子数64からなる２つの独立ビームの生成が可 能な光空間変調方式BFN技術を用いる可変スポットビー ムアンテナ部分機能試験装置を開発 404アンテナ素子分のアンテナの振幅・位相制御 結果を64素子ごとに求め、計算機でビームを合成。 → 20以上のマルチビームの形成 → ビームスポット径を2倍可変 → 周波数利用効率を4倍以上 空間光位相及び強度変調器 （液晶デバイス） 空間光位相 変調器 トップハット 変換レンズ 2ビーム 分の入力 光分波器 光ビームフォーミングネットワーク（BFN）構成図 11 ファイバ アレー 64素子×2 出力 空間光強度 変調器 光BFN部写真（380×276×182mm） National Institute of Information and Communications Technology ２．研究開発の成果 （イ-2）スポットビーム適応制御技術の研究開発 -スポットビーム適応制御方式検討- アンテナ制御装置のビーム形成画面及びビーム フォーミング制御処理部の位相制御状態表示画面 アンテナビームスポット径の制御 可変スポットビームアンテナ制御装置の構成図 マルチビームの形成 可動スポットビーム2ビームに加え、 開口径の異なる18ビームを形成 12 標準スポットビームに対し 直径½の収束ビームを形成 アンテナ利得は 3 dB 増加 National Institute of Information and Communications Technology ２．研究開発の成果 -周波数利用効率の検討周波数再利用回数を放射パターン解析により求め、陸域と海上のトラフィックを考慮した 現実的なビーム配列およびビーム幅を想定し、周波数再利用回数を求めた。 3.0 3.0 2.5 2.5 2.0 2.0 1.5 1.5 f2 f1 1.0 f7 f3 0.5 f3 f2 0.0 −0.5 f4 f5 f6 Elevation [deg.] Elevation [deg.] 1.0 f1 f5 f6 f4 −1.0 0.5 0.0 −0.5 −1.0 f1 f2 f1 f3 f1 −1.5 −1.5 −2.0 −2.0 −2.5 −2.5 −3.0 −3.0 −2.5 −2.0 −1.5 −1.0 −0.5 0.0 0.5 Azimuth [deg.] 1.0 1.5 カバレッジA（同一偏波） 21年度の検討カバレッジ 2.0 2.5 3.0 周波数再利用回数の検討条件 f1 f2 f3 f1 f4 f2 f3 f1 f5 f6 f4 f7 f2 f5 f8 f9 f1 f7 −3.0 −3.0 −2.5 −2.0 −1.5 −1.0 −0.5 0.0 0.5 Azimuth [deg.] 1.0 1.5 2.0 カバレッジB（同一偏波） 今年度の検討カバレッジ 2.5 3.0 ・ビーム間アイソレーション：25dB 以上 ・トラフィックの重み 陸域ビーム：１ 海域ビーム：0.05 ・同一偏波の分割周波数帯 カバレッジA：7 カバレッジB：9 ・直交偏波の分割周波数帯 カバレッジA：4 カバレッジB：5 ・カバレッジAの周波数利用回数：3.54（同一偏波）、6.76（直交偏波） ・カバレッジBの周波数利用回数：2.86（同一偏波）、5.27（直交偏波） 13 National Institute of Information and Communications Technology ２．研究開発の成果 （イ-3）適応制御対応地球局技術の研究開発 -中継器と地球局及びアンテナ部分機能試験装置を組み合わせた特性評価Ka帯における光コヒーレント変調及び復調処理を行う影響を評価するため、試作した VSAT地球局、適応型デジタル中継器、及び可変スポットビームアンテナ部分機能試験装置 を組み合わせた総合試験を実施した。 BER curve(QPSK) 1E+00 トランスレータ (周波数 変換装置） 1E-01 1E-02 1E-03 1E-04 1E-05 1E-06 1E-07 1E-08 1E-09 BER 中継器とVSAT地球局及びアンテナ部分機能試験装置 を組み合わせた総合試験構成図 1E-10 QPSK(理論値） 1E-11 1E-12 1E-13 実測値(BFN無し) 1E-14 1E-15 可変スポットビーム制御アンテナ部分機能試験装置を 挿入することによるBER特性の劣化： １dB以下 （32 Mbps QPSK、BER=1x10-6点、誤り訂正無し） 14 1E-16 実測値(BFN有り) 1E-17 1E-18 1E-19 1E-20 -5.0 0.0 5.0 10.0 15.0 Eb/No トランスレータ折り返しQPSK誤り率特性 National Institute of Information and Communications Technology 20.0 ２．研究開発の成果 -光制御BFNの広帯域特性の評価- BER BER 光制御BFNは位相・振幅制御をRF領域から光領域に変換して実施するので、処理後のRF帯 域について広帯域特性を持つ。 そこで、WINDSプロジェクトにおいて開発された1.2 Gbps及び622 MbpsのTDMA方式変復 調装置を用いて、光制御BFNの影響を確認した。 622 Mbpsにおいては光制御BFNによる劣化は確認されず、1.2 Gbps伝送時にわずかに劣化が 生じているが、衛星回線での帯域制限などの劣化要因を考慮すると、光制御BFNは1.2 Gbps 伝送に対応し十分な広帯域性を持つ。 15 National Institute of Information and Communications Technology ３．本研究開発成果の適用状況等 -本研究開発成果の展開・小型衛星を用いた宇宙技術実証プロジェクト「SバンドTT&C通信機」 小型衛星を用いた宇宙実証 の実施に向け、相乗り打ち上 げが可能な50 kg級小型衛星 に搭載できる規模に機能を限 定した開発を開始した。 小型衛星のTT&C回線に使用 可能なSバンド送受信機能や 衛星レンジングのための中継 機能を持つ搭載装置をFPGAで 構成し再構成可能とする。平 成22年度には搭載を考慮した BBMを開発した。 小型衛星搭載SバンドTT&C通信機概念図 ・適応型デジタル中継器エンジニアリングモデル開発検討 チャネライザ機能を持つベントパイプ型中継器として、民間衛星への相乗り中継器として提案 するため、本試作モデルを衛星搭載可能なEM（エンジニアリングモデル）とする検討を開始。 ・多値変復調技術の高度化検討 当該研究開発において、検討したQPSK～32QAMのデジタル信号処理技術をさらに発展させる ため、振幅位相変調（APSK）技術を用いた変復調装置の試作を開始した。本試作では、16APSK 方式を用いて、同様のFPGAデバイスを用いて750 Mbpsの伝送系を開発した。 16 National Institute of Information and Communications Technology ４．本研究開発成果のまとめ ■周波数利用効率の向上：総合的に目標10倍 ・アンテナビームのアイソレーション： 2.86～3.54倍(同一偏波） ： 5.27～6.76倍（直交偏波） ・変調方式変更による伝送レート向上：QPSK→32QAMで2.5倍 以上から、直交偏波共用技術を組み合わせることで、周波数利用効率 は総合で13.175～16.9倍になり、10倍以上の目標を達成。 ■回線稼働率：目標99.99%以上 （回線稼働率99.99％は、回線マージンで30 dB（東京）に相当） ・適応変調方式とﾃﾞｰﾀﾚｰﾄの変更で26.9 dBのマージンを確保 ・アンテナのビーム幅を絞ることで3 dB利得向上 ・降雨地域のビーム出力を3 dB増加 以上から総合で30 dB以上の回線マージンを確保。 17 National Institute of Information and Communications Technology
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