ディペンダブル・エア: 地上系/衛星系統合無線通信ネットワーク

研究代表者:

坪内 和夫 （東北大学 電気通信研究所）

研究分担者: 松澤 昭 （東京工業大学） 岩田 誠 （高知工科大学） 藤島 実 （広島大学） 小熊 博 （富山高等専門学校） 三菱電機株式会社

協 力 企 業: 日本電気株式会社

ソフトバンクモバイル株式会社 ほか

2014 年 3 月 8 日(土)

JST CREST/DVLSI 領域会議 資料

1

2

Dependable Air: Heterogeneous and High-Reliable Wireless Network and Devices

802.20

802.11ac

LTE

LTE-A

10M 1M 100k 10k

10m

100m

1000m

Bluetooth

802.15.1

PHS

PDC

W-CDMA

cdma2000

802.11

802.11a/g

UWB

Cellular

Short range

RF-ID

dis

tan

ce

Zigbee

802.15.4

802.11n

cdmaOne

Narrowband Broadband

Wireless LAN

TDMA CDMA

100M 1G

802.11b

mmWave

802.15.3c

802.11ad

Wide area

High throughput

Ultra high throughput

OFDMA

throughput [bit/s]

10G Standard IEEE (IP friendly)

Non IEEE

HSPA

802.16e

Dependable Air

Dependable Air Interface

Muｌti-mode/Multi-band Module

MBWA/WLAN

WLAN/WPAN

High-speed Digital Equalizer

DAC/ADC Synthesizer

Analog/RFAntenna

High-speed Digital Equalizer

DAC/ADC Synthesizer

Analog/RFAntenna

3

Summarize the R&D Areas for Dependable Air

Intra-Car Network

ITS

Plant Control

Agriculture

Forestry

Fisheries

Physical Distribution

Home

Gateway

Home

Gateway

Home Network

Medical Network

Smart Grid

SC

data

MC

Mo

d.

MBWA

Un

ivers

al

RF

Tx

Mo

du

le

WLAN

WPAN

Sc

ala

ble

D/A

Co

nv

ert

er

Dep

en

da

ble

FD

E

Tx

Ba

seb

an

d M

od

ule

(C) Device Technology

(B) Network Technology

(A) Wireless Dependability

Evaluation Index

Dependable Air Terminal

QZSS

Universal clock signal

4

Wireless Dependability Index F

DL = 2km

DL

MBWA

100Mbit/s

F = 400

MBWA single cell

DL = 0.2km

WLAN

1Gbit/s

F = 40

WLAN single cell

DL = 2km

DL MBWA

100Mbit/s

MBWA (cell edge)

1Mbit/s

F = 40

MBWA multi cell

Consideration of

throughput decline

at the cell edge

DL

SdRF rr)( )1(

Total throughput index F of

communication control area

Throughput of point r

Communication control area:

Cell radius L0, Spread S

0Lr

effRSF )2(

minmax RRReff

Rmax: Max R(r)

Rmin: Min R(r)

Simplification

Definition

[1] K. Tsubouchi et al., IEICE Trans. Commun., J95-C(12), Dec. 2012.

[2] T. Takagi et al., GSMM2013.

(A) Wireless Dependability

Evaluation Index

DL = 2km

F = 400 MBWA + WLAN

MBWA

100Mbit/s

WLAN

1Gbit/s

MBWA (cell edge) 1Mbit/s

min,1max,1max,22 RRRSFh

WLAN

1Gbit/s

MBWA

Max 100Mbit/s

MBWA

Min 1Mbit/s

F = 4000

MBWA + WLAN + WPAN

Dependable Air:

F improves by using combinations of hetero-networks.

Conventional

standards:

Max F = 30

10m

100m

1000m

Bluetooth

802.15.1

PHS

PDC W-CDMA

cdma2000

802.11

802.11a/g

UWB

セルラー系

近距離系

RF-ID

距離

Zigbee

802.15.4

802.11n

HSPA

802.16e

802.20

cdmaOne

無線 LAN 系

TDMA CDMA

802.11b

mmWave

802.15.3c

広域化

高速化

超高速化

Dependable Air: F-value

VHT SG

LTE

LTE- Advanced

OFDMA

Max Throughput Rmax 10M 100M 1G 10G 100G 10M 1M 100M 1G 10G Average Throughput Reff

F-value

(A) Wireless Dependability

Evaluation Index

5 Min Throughput Rmin 100k 1M 10M 100M 1G

6

Research Area

High S/N

Low S/N Cellular

(MBWA)

WLAN

Dependable Air

Channel Control

(1) MT: wireless

dependability

measurement

(2) MT ⇒ BS:

channel select

via control channel

WPAN

(3) Hybrid Single/Multi

Carrier Modulation + Optimum modulation

for distance, S/N, BER

+ Improving connectivity

(2) Hetero-Network

System Handover + High mobility

+ Optimum channel selection

(1) Wireless Dependability

Measurement Using

Frequency Domain Channel

Estimation Method + Measuring multi channel functions

simultaneously: distance, S/N, BER

+ Selection of optimum channels

after channel compensation

(B) Network Technology

MT BS

QZSS

Universal clock signal

SC

data

Channel

Select

MC

Mo

d.

Dem

od

.+

FE

C

data

Control Channel

Channel

Estimation

MBWA

ワイヤレスディペンダビリティ計測

Un

ive

rsal

RF

Tx

Mo

du

le

WLAN

WPAN

Scala

ble

D/A

Co

nvert

er

De

pen

dab

le F

DE

Tx

Ba

seb

an

d M

od

ule

De

pen

dab

le F

DE

Rx B

aseb

an

d M

od

ule

Sc

ala

ble

A/D

Co

nve

rte

r

Un

ive

rsa

l R

F R

x M

od

ule

Wireless Dependability

Measurement

60GHz

5GHz

700MHz

QZSS

700MHz Rx

5GHz

Rx

60GHz

Rx

SC

MC

IFF

T

A/D

FD

E

Dem

od

.

A/D

FF

T

3) Scalable ADC

1) All Si CMOS RFIC (Rx) 2) Frequency Domain

Equalization (FDE) 4) Antenna Module

Using 3-D SiP Technology

1.85mm

Connector

(LO input)

IF output

connector

Passive

mixer Planar

dipole

antenna

Scalable FFT (64 point x 4)

for compensation

Scalable FFT (64 point x 4)

for channel estimation

Weight Calc.

+ etc.

RAM

RAM

5GHz/60GHz帯一体形

受信フロントエンド (三菱電機) 3D SiP ビームフォーミング

アンテナ (東北大)

可変 IF フィルタを用いた

ミリ波受信機 (広島大)

ミリ波 PMOS

発振回路

(広島大)

スケーラブル FDE

(東北大・高知工科大)

自律ビームフォーミング用

60GHz 帯受信回路 (東北大)

電流モード

パイプライン型

ADC (東北大)

60GHz 帯送信回路

(東北大 w/ NEC)

1st stage

2nd stage3rd stage

4th stage

5th stage

Encoder

Timing

generator

750μ m

700μ

m

世界最小電力

補間パイプライン

ADC (東京工業大)

Research Area (C) Device Technology

60GHz

5GHz

700MHz

Scalable

Tx

Channel

control

block

Baseband

with

Pre-FDE

60GHz

5GHz

700MHz

Channel

estimation

1) All Si CMOS RFIC (Tx)

ダイレクトディジタル

RF 変調器 (東北大) QZS 1W 大出力

送信増幅器

(東北大) 7

Future Direction: 概要

• 研究課題名:

世界最高精度クロック & ロケーション・ショートメッセージ

システムとワイヤレスグローバルネットワークの実現

• 研究概要:

標準クロックを持つ社会インフラはディペンダブルシステム

の究極の姿である．本研究開発では，我々がこれまでの

研究開発で実現してきた主に地上系の異種ヘテロジニアス

無線通信ネットワークの融合に加え，準天頂衛星システム

により実現される高精度時刻・位置情報を用いたシステム

クロック同期型高信頼無線通信ネットワークである

エクスティンデッド・ディペンダブル・エア

（Extended Dependable Air）の実現を目標とする．

8

我々の研究経緯

1995 1980 1990 2000 2005 年代

2010 2015

Dependable Air

SSC RR2002 CREST

9

音声通信 データ通信

動画像

オール Si CMOS

高信頼無線通信

GSM

IEEE802.11

W-CDMA

384kbit/s HSPA

10Mbit/s

IS-95 LTE

100Mbit/s オフロード

SAW convolver

我々の

ステップ

無線通信

全体の動向

QZSS

データ通信

Web/Mail

MBWA (802.20)

5GHz WLAN (802.11n)

60GHz WPAN (802.15.3c)

SAW デバイス相関器 化合物 RF デバイス

＋

3D SiP

(ヘテロネットワーク)

Future Direction: Extended Dependable Air

10M 1M 100k 10k

1000m

Bluetooth

802.15.1

PHS

PDC W-CDMA

cdma2000

802.11

802.11a/g

UWB

RF-ID

Zigbee

802.15.4

802.11n

HSPA

802.16e

802.20

cdmaOne

Narrowband Broadband

TDMA CDMA

100M 1G

802.11b

mmWave

802.15.3c

802.11ad

VHT SG

LTE

LTE- Advanced

OFDMA

10G

physical distribution

car/ITS

smart grid

medical

plant control

farming/fishery/

forestry

home network

broadcast/

communication

network

Cellular

Short range

distance

Wireless LAN

Wide area

High throuput

Ultra high throughput

throughput [bit/s]

Dependable Air Interface

Multi-mode/Multi-band Module

High-speed Digital Equalizer

DAC/ADC Synthesizer

Analog/RFAntenna

High-speed Digital Equalizer

DAC/ADC Synthesizer

Analog/RFAntenna

100 10

10000km

100000km

100m

10m

Standard IEEE (IP friendly)

Non IEEE

10

Mobile Internet

Dependable Air

(Heterogeneous Air Interface)

Quasi-Zenith Satellite

Communication

Space

Surface

Dependable Network Control

Sea

Location &

Short Message

Universal Clock

QZSS ショートメッセージ SS-CDMA 通信

衛星

（トランスポンダ） 測位信号

位置・ メッセージ

情報

地上制御局

特許出願済: 特願 2013-148214

高精度測位信号を持つ準天頂衛星システム (QZSS) を用いた

大災害にも対応可能なショートメッセージ通信システムの実現

災害時

平常時

• 安否確認システム

• 常時接続型プロービングシステム

• 長周期拡散符号を用いた周波数拡散 (SS) による端末・衛星間の直接通信（送信電力: 1 W）

• 高密度符号分割多元接続

(CDMA) により，1 時間で 300 万端末以上を収容

• GPS/QZSS 高精度測位信号を利用し，全無線局を高精度に時間・周波数同期．上りリンクで拡散符号直交を実現．

11

12

• 準天頂衛星から送信される高精度な位置情報とその位置における受信環境情報を端末から収集するディペンダブルヘテロジニアスコントロールサーバを設置

• 端末側から情報提供の要求があった場合には，サーバは端末に対して，その地点における適切な通信方式やアクセスポイントの情報を提供

• 端末はその地点ごとに最適な通信方式を選択

QZSS高精度時刻・位置情報を用いた異種ネットワーク統合

マルチプロバイダ・ヘテロジニアス接続

特許出願済: 特願 2013-250343

QZSS 測位信号を用いた高精度時刻・位置情報と統計処理されたマップ情報

を組み合わせ，端末が常時最適なネットワークを選択可能とする手法

QZSS マップ情報

受信環境情報

位置情報

受信環境情報計測

ディペンダブル ヘテロジニアス コントロールサーバ

世界最高精度クロック・同期型高信頼無線通信ネットワーク

• 準天頂衛星システムを用いた世界最高精度クロックの活用

• 異種システム間同期型ネットワーク

⇒ すべてのノードの同期による高度社会インフラの実現

（「日本独自」の重要性） (例) 高精度クロック同期モバイルネットワーク – 電子商取引: ns オーダ精度の時刻同期による商取引の実現

– ITS: 自動運転システムの実現

など

電子商取引

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