二段階ダウンコンバートによる位相変調インパルス無線受信装置京都工芸繊維大学電子システム工学部門教授大柴小枝子 1 背景出典 Cisco Visual Networking Index: Global Mobile Data Traffic Forecast Update, 2011-2016 ◎ モバイルトラフィックの急増（年間平均増加率：78％）  2016年のトラフック総量対2011年比で18倍、対2014年比で2.6倍と予測 2 無線通信の現状と課題課題は広帯域長距離低電力な無線通信 3 広帯域な無線通信 UWB帯域低消費電力長距離通信が難しい 4 長距離化への課題解決の手法として注目光ファイバ無線融合（ ROF) UWBインパルス通信システム 5 システムの構成イメージ 6 光ファイバ無線融合アクセスモバイルバックホールに光ファイバアクセスシステム光ファイバ：低損失（約0.５dB/km)、広帯域(数十THz) 低遅延 CO-RA間の長距離化マルチセル通信システムが構築可能アクセスポイント数を増やしセル面積を縮小することで通信を高速化 RA 光ファイバポスト４Gのフェムトセル（～１０ｍ）アクセスポイント Central Office セル 7 Radio Access Network : RAN Distributed RAN ◎RAとBUが同一箇所 RA 光ファイバ Central RA: Remote Antenna BU: Baseband Unit :O/E or E/O BU Office BU ベースバンドデジタル信号セルデジタルベースバンド信号伝送伝送レート～通信レート Centralized RAN ◎BUをCO側に集約 Central Office RAの小型化・低コスト化省エネルギー化光ファイバ B U Radio on Fiber （RoF) -アナログ信号伝送 Digital RoF -デジタル信号伝送例；Common Public Radio Interface (CPRI) （LTEで数Gbpsの容量が必要) 8 無線端末へは光ファイバを接続。端末はOE変換器とBPFだけの簡単な構成。従来OOK方式 2PAM-PPM方式０１００１０ 9 従来技術０１００１０ OOK方式 2PAM-PPM方式などの2値通信本発明の解決する課題・さらなる情報量を送るため（シャノン限界に近づける）には QPSK、１６QAM・・・などの多値通信とする必要・しかし、キャリア周波数レスなため同期検波ができない。 → ４相以上の位相変調（QPSK,１６QAM・・・）の受信は？ 10 従来技術とその問題点 ●インパルス方式による無線送信装置マイクロ波帯、準ミリ波帯ＵＷＢをはじめとする超広帯域無線伝送システムに利用されている。 ●従来の方式とその問題点・信号電力を低く抑えるため、伝送距離が短い。・搬送波を用いないため、送信信号の位相状態を正確に受信することが困難であり、そのため、多値のPSK変調信号の伝送が困難という問題がある。 11 本技術の目的 UWB帯域＋インパルス無線＋光アクセス数Gbps以上の広帯域無線アクセスの実現課題 ○ベースバンド光伝送信号から位相変調インパルス無線信号を生成 ○２段階ダウンコンバージョンによる位相変調インパルス無線信号受信ベースバンド光信号から窓フィルタによって位相変調インパルス無線信号を生成する。入力出力光信号：PPM変調信号無線信号：PSKインパルス無線光ベースバンド信号から位相変調無線信号への変換０情報信号 PPM変調オプティカルパルスジェネレータ光通信 R （b/s) １ τ PSK-IR 時間遅延 τ =1/2fC OE変換 cos(2π fct) 受信信号 LPF fc= nR [Hz] 同期検波無線通信 BPF （中心周波数：fb） 14 UWB-IR の位相変調通常、位相変調は搬送波を変調するが、UWB-IRは搬送波を用いない θ ｔ正弦波（搬送波）の位相をずらす＝正弦波を時間的にずらす RZパルス信号の位置変調により UWB-IR信号の発生タイミングをずらして位相変調を行う τ τ BPF ｔｔ PPM信号 UWB-IR信号 15 UWB-IR 位相変調 UWB-IR信号 x(t )  h(t ) exp( j 2f Bt ) UWB-IR 信号周波数スペクトル模式図 w 時間τ 遅延させたパルスで発生のUWB-IR信号 x(t )  h(t   ) exp( j 2f Bt  f B )) fC fC fB f 中心周波数で周波数低減することで包絡性波形を受信 y(t )  h(t   ) exp( j 2 {( f B  f C )t  f B }) ｆB に対応した遅延時間τ で位相が決定 τ の決定 UWB-IR位相変調の受信信号シンボルレート τ y(t )  h(t  ) exp( j 2 {( f B  fC )t  f B }) ｔ QPSK信号信号の位相 “- 2π fBτ ”より、各位相に対応した遅延時間τ は 00  : 0  1 I 信号   57 : π ただし、ｆB =8.75GHz  2 fB ps  τ  τ  1 (n  2) : π /2 4 f B  Q 信号 1  : -π /2  4f n  B ただし、n = 1, 5, 9, … ２段階ダウンコンバージョンによる位相変調インパルス無線信号受信 18 fcによる受信信号波形ダウンコンバージョンに用いる周波数 fC の位置による f 受信信号の波形の違い fC fB A  1 w A 1 w 0 t τ 1  w 0 A 1 w t τ fC : 帯域端 1 w B 1 w 0 0 fC : 帯域中心 B 1  w 1  w  t τ 1 w 0 1 w t τ 振幅ゼロ t τ fcによる受信信号波形直交信号を多重する際には直交信号の受信振幅は0が望ましい → A  1 w A 1 w 0 t τ 1  w 0 A 1 w t τ fC : 帯域端 1 w B 1 w 0 0 fC :帯域中心 B 1  w 1  w  t τ 1 w 0 1 w t τ 振幅ゼロ t τ 直交信号の干渉 QPSK : 直交信号の分離のため中心周波数でのダウンコンバージョンが理想通常のダウンコンバージョンではシンボルレートの整数倍の周波数を用いる UWBハイバンド (7.25~10.25 GHz)、シンボルレート2.5Gs/s の場合、中心周波数から遠いため、直交信号が干渉する同相信号直交信号振幅の抑制が不十分 2.48832 Gs/s の整数倍中心周波数 2段階ダウンコンバージョン R ：シンボルレート 2.48832 Gb/s の整数倍 ① 中心周波数を用いてダウンコンバージョン → 直交信号の振幅を抑制する ② nRと中心周波数の差周波数を用いて周波数シフト → 通常のダウンコンバージョンとスペクトルの位置を合わせる 2.48832 Gb/s 1.24416 GHz 2 fc 新技術の方式 I 情報信号オプティカルパルスジェネレータ R （b/s) Q τ 光通信時間遅延 τ =1/2fC1 P D cos(2π fc2t) 受信信号 LPF cos(2π fc1t) 無線通 fc2= |nR – fb| [Hz] fc1= fb[Hz] 信 BPF （中心周波数：fb） 2段階でダウンコンバージョンを行う 23 新技術のシミュレーション結果 20μ 80μ -20μ -80μ 本方式での 90°位相信号検出結果従来の方式での 90°位相信号検出結果 0度位相信号と 90度位相信号の干渉を軽減 → QPSKが実現。 24 新技術の特徴・従来技術との比較 • 本技術の適用により、位相状態を正確にとらえることが可能となったため、通信速度を2～4倍に拡大できる。 • 信号電力を低く抑えても、通信距離を拡大できる。 • 搬送波用発振器が不要となるため、送・受信機の構成が簡易になる。 25 実用化に向けた課題 • 現在、実験室において基本実験確認済み。 • 今後、周波数安定度について実験データを取得する等の条件設定を行っていく。 • 実用化に向けて、デジタル信号処理の実装が必要。 26 5 Gb/s UWB-IR実験伝送実験ビットレート : 4.97664 Gb/s、無線伝送距離 : 12 mm 5 Gb/s UWB-IR実験シミュレータによる信号処理波形整形に適したフィルタ奇数・偶数ビットを分離周波数成分を適切な位置にシフト、波形を再生奇数ビット(2.5 Gb/s) 最大Q値 (BER) Q≧3 となる時間幅奇数偶数 3.84 3.88 (1.19×10-6) (1.13×10-6) 334 ps 338 ps ３３ 5 Gb/s 無線伝送実験偶数ビット(2.5 Gb/s) 偶数ビットと奇数ビットの分離に成功、 Q値3以上が得られた特長と企業への期待 • UWB帯域は低電力制限を守ることで、自由に無線通信が可能であり（免許が不必要）、近距離の高速無線通信が可能である。 • 無線を使ったアプリケーションや応用研究（映像伝送、セキュリティ、レーダ等）を推進する企業との共同研究を希望。 30 本技術に関する知的財産権 • 発明の名称：インパルス無線受信装置、検波装置および検波方法 • 出願番号：特願2013-045849 • 出願人：京都工芸繊維大学 • 発明者：大柴小枝子、小原友里 31 お問い合わせ先（必須）京都工芸繊維大学創造連携センター特任教授行場吉成ＴＥＬ/ＦＡＸ 075 － 724 － 7934 e-mail [email protected] 32 光アクセスシステム現状：TDM-PON TDM/WDM-PON （TWDM-PON) 波長アンバンドリングプログラマブルノード光波長パスネットワーク、SDN