(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
衛星−地上間光通信の受信特性をシミュレートするための衛星−地上間光通信特性シミュレータにおいて、
上記光通信の信号を受信可能であってその連続受信時間が短い状態Ａ、上記光通信の信号を受信可能であってその連続受信時間が長い状態Ｂ、上記光通信の信号を受信不能であってその連続受信不能時間が短い状態Ｃ、上記光通信の信号を受信可能であってその連続受信不能時間が長い状態Ｄ、の４状態が予め定義されるとともに、上記状態Ａから上記状態Ｃへの状態遷移確率ＰAC、上記状態Ｃから上記状態Ａへの状態遷移確率ＰCA、上記状態Ａから上記状態Ｂへの状態遷移確率ＰAB＝１−ＰAC、上記状態Ｃから上記状態Ｄへの状態遷移確率ＰCD＝１−ＰCA、上記状態Ｂから上記状態Ｃへの状態遷移確率ＰBC、上記状態Ｄから上記状態Ａへの状態遷移確率ＰDA、上記状態Ｂを繰り返す確率ＰBB＝１−ＰBC、上記状態Ｄを繰り返す確率ＰDD＝１−ＰDA、により各状態間の状態遷移が定義され、更に上記状態遷移確率ＰAC、ＰCA、ＰBC、ＰDAが予め設定されたマルコフモデルを使用して上記状態Ａ〜Ｄの何れの状態であるかを時間毎に求める演算手段と、
上記状態Ａ又は状態Ｂである場合には受信可能であり、状態Ｃ又は状態Ｄである場合には受信不能である旨の出力を上記時間毎に行う出力手段とを備えること
を特徴とする衛星−地上間光通信特性シミュレータ。
【請求項２】
上記演算手段は、実際に受信すべき上記光信号の受信可能レベルに応じて予め決定されている上記状態遷移確率ＰAC、ＰCA、ＰBC、ＰDAを用いること
を特徴とする請求項１記載の衛星−地上間光通信特性シミュレータ。
【請求項３】
上記演算手段は、実際に受信すべき上記光信号の受信可能レベルが、ほぼ同時間率で上記受信可能と上記受信不能が生じるように設定されていることを仮定した場合に、上記状態遷移確率ＰAC、ＰCAが、上記状態遷移確率ＰBC、ＰDAよりも高く設定されている上記状態遷移確率を用いること
を特徴とする請求項２記載の衛星−地上間光通信特性シミュレータ。
【請求項４】
衛星−地上間光通信の受信特性に応じた擬似的な出力光を生成する擬似出力光生成装置において、
上記光通信の信号を受信可能であってその連続受信時間が短い状態Ａ、上記光通信の信号を受信可能であってその連続受信時間が長い状態Ｂ、上記光通信の信号を受信不能であってその連続受信不能時間が短い状態Ｃ、上記光通信の信号を受信可能であってその連続受信不能時間が長い状態Ｄ、の４状態が予め定義されるとともに、上記状態Ａから上記状態Ｃへの状態遷移確率ＰAC、上記状態Ｃから上記状態Ａへの状態遷移確率ＰCA、上記状態Ａから上記状態Ｂへの状態遷移確率ＰAB＝１−ＰAC、上記状態Ｃから上記状態Ｄへの状態遷移確率ＰCD＝１−ＰCA、上記状態Ｂから上記状態Ｃへの状態遷移確率ＰBC、上記状態Ｄから上記状態Ａへの状態遷移確率ＰDA、上記状態Ｂを繰り返す確率ＰBB＝１−ＰBC、上記状態Ｄを繰り返す確率ＰDD＝１−ＰDA、により各状態間の状態遷移が定義され、更に上記状態遷移確率ＰAC、ＰCA、ＰBC、ＰDAが予め設定されたマルコフモデルを使用して上記状態Ａ〜Ｄの何れの状態であるかを時間毎に求める演算手段と、
上記状態Ａ又は状態Ｂである場合には高出力光を生成し、上記状態Ｃ又は状態Ｄである場合には低出力光を生成することを上記時間毎に行う出力光生成手段とを備えること
を特徴とする擬似出力光生成装置。
【請求項５】
上記演算手段は、実際に受信すべき上記光信号の受信可能レベルに応じて予め決定されている上記状態遷移確率ＰAC、ＰCA、ＰBC、ＰDAを用いること
を特徴とする請求項４記載の擬似出力光生成装置。
【請求項６】
上記演算手段は、実際に受信すべき上記光信号の受信可能レベルが、ほぼ同時間率で上記受信可能と上記受信不能が生じるように設定されていることを仮定した場合に、上記状態遷移確率ＰAC、ＰCAが、上記状態遷移確率ＰBC、ＰDAよりも高く設定されている上記状態遷移確率を用いること
を特徴とする請求項５記載の擬似出力光生成装置。
【請求項７】
衛星−地上間光通信の受信特性をシミュレートするための衛星−地上間光通信特性シミュレーション方法において、
上記光通信の信号を受信可能であってその連続受信時間が短い状態Ａ、上記光通信の信号を受信可能であってその連続受信時間が長い状態Ｂ、上記光通信の信号を受信不能であってその連続受信不能時間が短い状態Ｃ、上記光通信の信号を受信可能であってその連続受信不能時間が長い状態Ｄ、の４状態が予め定義されるとともに、上記状態Ａから上記状態Ｃへの状態遷移確率ＰAC、上記状態Ｃから上記状態Ａへの状態遷移確率ＰCA、上記状態Ａから上記状態Ｂへの状態遷移確率ＰAB＝１−ＰAC、上記状態Ｃから上記状態Ｄへの状態遷移確率ＰCD＝１−ＰCA、上記状態Ｂから上記状態Ｃへの状態遷移確率ＰBC、上記状態Ｄから上記状態Ａへの状態遷移確率ＰDA、上記状態Ｂを繰り返す確率ＰBB＝１−ＰBC、上記状態Ｄを繰り返す確率ＰDD＝１−ＰDA、により各状態間の状態遷移が定義され、更に上記状態遷移確率ＰAC、ＰCA、ＰBC、ＰDAが予め設定されたマルコフモデルを使用して上記状態Ａ〜Ｄの何れの状態であるかを時間毎に求め、
上記状態Ａ又は状態Ｂである場合には受信可能であり、状態Ｃ又は状態Ｄである場合には受信不能である旨の出力を上記時間毎に行うこと
を特徴とする衛星−地上間光通信特性シミュレーション方法。
【請求項８】
衛星−地上間光通信の受信特性に応じた擬似的な出力光を生成する擬似出力光生成方法において、
上記光通信の信号を受信可能であってその連続受信時間が短い状態Ａ、上記光通信の信号を受信可能であってその連続受信時間が長い状態Ｂ、上記光通信の信号を受信不能であってその連続受信不能時間が短い状態Ｃ、上記光通信の信号を受信可能であってその連続受信不能時間が長い状態Ｄ、の４状態が予め定義されるとともに、上記状態Ａから上記状態Ｃへの状態遷移確率ＰAC、上記状態Ｃから上記状態Ａへの状態遷移確率ＰCA、上記状態Ａから上記状態Ｂへの状態遷移確率ＰAB＝１−ＰAC、上記状態Ｃから上記状態Ｄへの状態遷移確率ＰCD＝１−ＰCA、上記状態Ｂから上記状態Ｃへの状態遷移確率ＰBC、上記状態Ｄから上記状態Ａへの状態遷移確率ＰDA、上記状態Ｂを繰り返す確率ＰBB＝１−ＰBC、上記状態Ｄを繰り返す確率ＰDD＝１−ＰDA、により各状態間の状態遷移が定義され、更に上記状態遷移確率ＰAC、ＰCA、ＰBC、ＰDAが予め設定されたマルコフモデルを使用して上記状態Ａ〜Ｄの何れの状態であるかを時間毎に求め、
上記状態Ａ又は状態Ｂである場合には高出力光を生成し、上記状態Ｃ又は状態Ｄである場合には低出力光を生成することを上記時間毎に行うこと
を特徴とする擬似出力光生成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、衛星−地上間光通信の受信特性をシミュレートするための衛星−地上間光通信特性シミュレータ及び方法、並びにこの受信特性に応じた擬似的な出力光を生成する擬似出力光生成装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年において、地球規模の高速通信ネットワーク構築の手段として、衛星と地上局間において光通信を行う、いわゆる衛星−地上間光通信が注目されている。この衛星−地上間光通信は、電波による通信と比較して秘匿性が高く、通信機器が小型、軽量で低消費電力であっても実現可能であり、更には超高速で通信を行うことができるという利点がある。
【０００３】
しかしながら、衛星から地上局にレーザ光を送信し続けるという非常に精密な技術が必要となる。特に衛星と地上局間において雲が存在する場合には、衛星から送信されたレーザ光が雲によって遮蔽される場合もある。また、大気のゆらぎによって受光電力や偏光状態などが変動し、これが衛星−地上間の伝搬路状態に影響し、その結果、受信信号の品質が著しく低下してしまうという問題点があった。
【０００４】
ちなみに、電波を用いた衛星−地上間通信では、シャドウイング等による伝搬路変動を考慮に入れた伝搬路モデルが提案されている（例えば、非特許文献１参照。）。これに対して、衛星−地上間光通信では、かかる大気ゆらぎ等による伝搬路の変化を考慮した伝搬路モデルとしなければならないが、従来においてかかるモデルは未だ十分に検討されていないのが現状であった。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Rec. ITU-R P.681-6, "Propagation data required for the design of earth-space land mobile telecommunication systems," 2003.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特に、衛星−地上間光通信システムにおける受信信号の品質向上を検討するためには、衛星−地上間光通信の伝搬路モデルを定式化したシミュレータを開発することが必要になる。逆にこのようなシミュレータを開発することができれば、実際の衛星から地上局等に対する光通信リンクを擬似的に創出してシステム実験を行うことが可能となり、また様々な通信パラメータを変更しながら通信性能を試験することが可能となり、衛星−地上間光通信に最適な変調方式や通信パラメータの仕様を策定する上で大きな役割を果たすことになる。
【０００７】
そこで本発明は、衛星−地上間光通信の受信特性を、特に伝搬経路が雲等による遮断され、或いは大気のゆらぎにより変化する場合を考慮しつつより正確にシミュレートすることが可能な衛星−地上間光通信特性シミュレータ及び方法、並びにこの受信特性に応じた擬似的な出力光を生成することが可能な擬似出力光生成装置及び方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、以下の観点から上述した課題の解決を図るものである。
【０００９】
図１は、衛星−地上間光通信システム１の一例を示している。この衛星−地上間光通信システム１は、人工衛星２と、地球上の地上局との間で光通信を行うものである。この人工衛星２は、地球の自転周期と一致する又は無関係の軌道周期をもって周回し、人工衛星２自体が取得した情報を光信号として地上局３へと送信するものである。地上局３は、かかる人工衛星２から送信されてくる光信号を受信し、これを地上通信ネットワークへと配信していく役割を担う。また、この衛星−地上間光通信システム１では、地上局３から人工衛星２に向けて光信号を送信する場合もある。
【００１０】
このとき、人工衛星２と地上局３との間に雲４が存在する場合には、人工衛星２と地上局３との間で光信号の伝搬経路が遮断されてしまう。また大気のゆらぎがあった場合には、人工衛星２と地上局３との間における光信号の伝搬経路自体が変化してしまう。その結果、人工衛星２からの光信号の受信特性は大きく変化してしまうことになる。
【００１１】
図２は、地上局３が実際に人工衛星２から受信した光信号の受信特性の一例を示している。この図２では、横軸は時刻であり、縦軸は地上局３が人工衛星２から受信した受信光の電力（ｄＢｍ）を示している。受信光電力は、上述した雲４の存在や大気のゆらぎにより、時間の経過に応じて変動する。実際に地上局３において受信電力があまりに低い場合には、これを受信して情報を復調する（以下、 "受信する"と表現）ことができない。即ち、この地上局３は、受信光電力が受信可能レベルを超えたものでないと受信することができない。ここで受信可能レベルが−７０ｄＢｍであるものと仮定した場合に、この受信光電力が７０ｄＢｍ以上の時間において、人工衛星２からの光信号を受信することができ、受信光電力が７０ｄＢｍ未満の時間では、人工衛星２からの光信号を受信することができない。ここで、衛星２からの光信号を受信できる通信可能な時間領域をＬｏＳと定義し、人工衛星２からの光信号を受信できる通信不能な時間領域をＮＬｏＳと定義する。その結果、人工衛星２と地上局３との間における光通信の伝搬路状態は、図２における示すように、受信光電力が受信可能レベル以上のＬｏＳと、受信光電力が受信可能レベル未満のＮＬｏＳがそれぞれ時間毎に分布することになる。
【００１２】
ここで、ＬｏＳが連続する時間、換言すれば光信号を連続して受信可能な時間を連続受信時間という。また、ＮＬｏＳが連続する時間、換言すれば光信号を連続して受信不能な時間を連続受信不能時間という。連続受信時間と、連続受信不能時間とは、図２に示す受信光電力と受信可能レベルの関係から決まるものである。受信光電力が受信可能レベル付近において小刻みに振動する場合には、連続受信時間と、連続受信不能時間とが短い周期で繰り返されることになる。これに対して、受信光電力が受信可能レベルを大きく超える場合には、ＬｏＳの時間、即ち連続受信時間が長く続くことになる。また、受信光電力が受信可能レベルを大きく下回る場合には、ＬｏＳの時間、即ち連続受信時間が長く続くことになる。
【００１３】
このような、受信光電力と受信可能レベルの関係から決まる連続受信時間と、連続受信不能時間の長短に着目し、本発明では以下の状態Ａ〜状態Ｄの４状態を新たに定義する。
【００１４】
状態Ａは、光通信の信号を受信可能であってその連続受信時間が短い状態である。状態Ｂは、光通信の信号を受信可能であってその連続受信時間が長い状態である。状態Ｃは、光通信の信号を受信不能であってその連続受信不能時間が短い状態である。状態Ｄは、光通信の信号を受信可能であってその連続受信不能時間が長い状態である。図２に示す例において、このような４つの状態Ａ〜Ｄを当てはめる。横軸の時刻は、状態遷移時間分解能Δｔによって分割されているものとし、分割された各時間内において状態Ａ〜Ｄのうち何れか１状態が維持され、次の時間に移行した場合に、状態Ａ〜Ｄのうち何れか１状態に遷移することになる。
【００１５】
ここで、ＮＬｏＳからＬｏＳへ遷移した場合には、状態Ａになる。その理由として、このＬｏＳに遷移したばかりでは、ＬｏＳの連続時間がまだ短いためである。またＬｏＳに遷移した後、しばらくＬｏＳが連続する場合には、連続受信時間が長い状態となるため、状態Ｂとなる。
【００１６】
またＬｏＳからＮＬｏＳへと移行した場合には、状態Ｃとなる。その理由として、このＮＬｏＳに遷移したばかりでは、ＮＬｏＳの連続時間がまだ短いためである。またＮＬｏＳに遷移した後、しばらくＮＬｏＳが連続する場合には、連続受信不能時間が長い状態となるため、状態Ｃとなる。
【００１７】
本発明者は、ＬｏＳ、ＮＬｏｓの連続時間の長短に対する各状態Ａ〜Ｄの当てはめを行った結果、これらの状態Ａ〜Ｄの遷移について、マルコフモデルを用いて説明できることを新たに見出した。図３は、状態Ａ〜Ｄの遷移をマルコフモデルで表したものである。このマルコフモデルでは、状態Ａ（ＬｏＳ、時間短）は、状態Ｃ（ＮＬｏＳ、時間短）又は状態Ｂ（ＬｏＳ、時間長）に遷移し得る。また、状態Ｂは、状態Ｂを繰り返し実行するか、状態Ｃへ遷移し得る。状態Ｃは、状態Ａ又は状態Ｄ（ＮＬｏＳ、時間長）に遷移し得る。また、状態Ｄは、状態Ｄを繰り返し実行するか、状態Ａへと遷移し得る。以上の傾向を新たに抽出してモデル化したものである。
【００１８】
そして状態Ａから状態Ｃへの状態遷移確率ＰAC、状態Ｃから状態Ａへの状態遷移確率ＰCA、状態Ａから状態Ｂへの状態遷移確率ＰAB＝１−ＰAC、状態Ｃから状態Ｄへの状態遷移確率ＰCD＝１−ＰCA、状態Ｂから状態Ｃへの状態遷移確率ＰBC、状態Ｄから状態Ａへの状態遷移確率ＰDA、状態Ｂを繰り返す確率ＰBB＝１−ＰBC、状態Ｄを繰り返す確率ＰDD＝１−ＰDA、により各状態間の状態遷移が定義されるものとする。
【００１９】
ちなみに、この状態遷移確率ＰAC、ＰCA、ＰBC、ＰDAは予め設定されているものとする。そして、状態遷移確率ＰAC、ＰCA、ＰBC、ＰDAについてマルコフモデルを使用して状態Ａ〜Ｄの何れの状態であるかを時間毎に求める。
【００２０】
その結果、状態Ａ又は状態Ｂである場合には受信可能であり、状態Ｃ又は状態Ｄである場合には受信不能である旨の出力を時間毎に行う。これにより、図２に示すようなＬｏＳとＮＬｏＳの遷移や連続時間に応じた判定を行うことができ、人工衛星２からの受信特性を的確にシミュレートすることが可能となる。このとき、状態Ａ又は状態Ｂである場合には高出力光を生成し、状態Ｃ又は状態Ｄである場合には低出力光を生成することにより、人工衛星２からの受信特性に応じた擬似出力光を生成することが可能となる。
【００２１】
即ち、本発明に係る衛星−地上間光通信特性シミュレータは、衛星−地上間光通信の受信特性をシミュレートするための衛星−地上間光通信特性シミュレータにおいて、上記光通信の信号を受信可能であってその連続受信時間が短い状態Ａ、上記光通信の信号を受信可能であってその連続受信時間が長い状態Ｂ、上記光通信の信号を受信不能であってその連続受信不能時間が短い状態Ｃ、上記光通信の信号を受信可能であってその連続受信不能時間が長い状態Ｄ、の４状態が予め定義されるとともに、上記状態Ａから上記状態Ｃへの状態遷移確率ＰAC、上記状態Ｃから上記状態Ａへの状態遷移確率ＰCA、上記状態Ａから上記状態Ｂへの状態遷移確率ＰAB＝１−ＰAC、上記状態Ｃから上記状態Ｄへの状態遷移確率ＰCD＝１−ＰCA、上記状態Ｂから上記状態Ｃへの状態遷移確率ＰBC、上記状態Ｄから上記状態Ａへの状態遷移確率ＰDA、上記状態Ｂを繰り返す確率ＰBB＝１−ＰBC、上記状態Ｄを繰り返す確率ＰDD＝１−ＰDA、により各状態間の状態遷移が定義され、更に上記状態遷移確率ＰAC、ＰCA、ＰBC、ＰDAが予め設定されたマルコフモデルを使用して上記状態Ａ〜Ｄの何れの状態であるかを時間毎に求める演算手段と、上記状態Ａ又は状態Ｂである場合には受信可能であり、状態Ｃ又は状態Ｄである場合には受信不能である旨の出力を上記時間毎に行う出力手段とを備えることを特徴とする。
【００２２】
本発明に係る擬似出力光生成装置は、衛星−地上間光通信の受信特性に応じた擬似的な出力光を生成する擬似出力光生成装置において、上記光通信の信号を受信可能であってその連続受信時間が短い状態Ａ、上記光通信の信号を受信可能であってその連続受信時間が長い状態Ｂ、上記光通信の信号を受信不能であってその連続受信不能時間が短い状態Ｃ、上記光通信の信号を受信可能であってその連続受信不能時間が長い状態Ｄ、の４状態が予め定義されるとともに、上記状態Ａから上記状態Ｃへの状態遷移確率ＰAC、上記状態Ｃから上記状態Ａへの状態遷移確率ＰCA、上記状態Ａから上記状態Ｂへの状態遷移確率ＰAB＝１−ＰAC、上記状態Ｃから上記状態Ｄへの状態遷移確率ＰCD＝１−ＰCA、上記状態Ｂから上記状態Ｃへの状態遷移確率ＰBC、上記状態Ｄから上記状態Ａへの状態遷移確率ＰDA、上記状態Ｂを繰り返す確率ＰBB＝１−ＰBC、上記状態Ｄを繰り返す確率ＰDD＝１−ＰDA、により各状態間の状態遷移が定義され、更に上記状態遷移確率ＰAC、ＰCA、ＰBC、ＰDAが予め設定されたマルコフモデルを使用して上記状態Ａ〜Ｄの何れの状態であるかを時間毎に求める演算手段と、上記状態Ａ又は状態Ｂである場合には高出力光を生成し、上記状態Ｃ又は状態Ｄである場合には低出力光を生成することを上記時間毎に行う出力光生成手段とを備えることを特徴とする。
【００２３】
本発明に係る衛星−地上間光通信特性シミュレーション方法は、衛星−地上間光通信の受信特性をシミュレートするための衛星−地上間光通信特性シミュレーション方法において、上記光通信の信号を受信可能であってその連続受信時間が短い状態Ａ、上記光通信の信号を受信可能であってその連続受信時間が長い状態Ｂ、上記光通信の信号を受信不能であってその連続受信不能時間が短い状態Ｃ、上記光通信の信号を受信可能であってその連続受信不能時間が長い状態Ｄ、の４状態が予め定義されるとともに、上記状態Ａから上記状態Ｃへの状態遷移確率ＰAC、上記状態Ｃから上記状態Ａへの状態遷移確率ＰCA、上記状態Ａから上記状態Ｂへの状態遷移確率ＰAB＝１−ＰAC、上記状態Ｃから上記状態Ｄへの状態遷移確率ＰCD＝１−ＰCA、上記状態Ｂから上記状態Ｃへの状態遷移確率ＰBC、上記状態Ｄから上記状態Ａへの状態遷移確率ＰDA、上記状態Ｂを繰り返す確率ＰBB＝１−ＰBC、上記状態Ｄを繰り返す確率ＰDD＝１−ＰDA、により各状態間の状態遷移が定義され、更に上記状態遷移確率ＰAC、ＰCA、ＰBC、ＰDAが予め設定されたマルコフモデルを使用して上記状態Ａ〜Ｄの何れの状態であるかを時間毎に求め、上記状態Ａ又は状態Ｂである場合には受信可能であり、状態Ｃ又は状態Ｄである場合には受信不能である旨の出力を上記時間毎に行うことを特徴とする。
【００２４】
本発明に係る擬似出力光生成方法は、衛星−地上間光通信の受信特性に応じた擬似的な出力光を生成する擬似出力光生成方法において、上記光通信の信号を受信可能であってその連続受信時間が短い状態Ａ、上記光通信の信号を受信可能であってその連続受信時間が長い状態Ｂ、上記光通信の信号を受信不能であってその連続受信不能時間が短い状態Ｃ、上記光通信の信号を受信可能であってその連続受信不能時間が長い状態Ｄ、の４状態が予め定義されるとともに、上記状態Ａから上記状態Ｃへの状態遷移確率ＰAC、上記状態Ｃから上記状態Ａへの状態遷移確率ＰCA、上記状態Ａから上記状態Ｂへの状態遷移確率ＰAB＝１−ＰAC、上記状態Ｃから上記状態Ｄへの状態遷移確率ＰCD＝１−ＰCA、上記状態Ｂから上記状態Ｃへの状態遷移確率ＰBC、上記状態Ｄから上記状態Ａへの状態遷移確率ＰDA、上記状態Ｂを繰り返す確率ＰBB＝１−ＰBC、上記状態Ｄを繰り返す確率ＰDD＝１−ＰDA、により各状態間の状態遷移が定義され、更に上記状態遷移確率ＰAC、ＰCA、ＰBC、ＰDAが予め設定されたマルコフモデルを使用して上記状態Ａ〜Ｄの何れの状態であるかを時間毎に求め、上記状態Ａ又は状態Ｂである場合には高出力光を生成し、上記状態Ｃ又は状態Ｄである場合には低出力光を生成することを上記時間毎に行うことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２５】
上述した構成からなる本発明によれば、伝搬経路が雲等による遮断され、或いは大気のゆらぎにより変化する場合を考慮しつつ、衛星−地上間光通信の伝搬路モデルを定式化した正確なシミュレーションを行うことが可能となり、実際の衛星から地上局等に対する光通信リンクを擬似的に創出してシステム実験を行うことが可能となる。また、これに加えて、本発明によれば、また様々な通信パラメータを変更しながら通信性能を試験することが可能となり、衛星−地上間光通信に最適な変調方式や通信パラメータの仕様を策定する上で大きな役割を果たすことも可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】衛星−地上間光通信システムの一例を示す図である。
【図２】地上局が実際に人工衛星から受信した光信号の受信特性の一例を示す図である。
【図３】状態Ａ〜Ｄの遷移をマルコフモデルで表した図である。
【図４】受信可能レベルが−８０ｄＢｍと低めに設定されている場合の例を示す図である。
【図５】受信可能レベルが−６０ｄＢｍと高めに設定されている場合をの例を示す図である。
【図６】擬似出力光生成装置として具体化する場合のブロック構成を示す図である。
【図７】擬似出力光生成装置として具体化する場合の動作例を示す図である。
【図８】擬似出力光生成装置として具体化する場合における他のブロック構成を示す図である。
【図９】（ａ）は、横軸に連続正解長（ｍｓ）を、縦軸はその確率密度を示したグラフであり、（ｂ）は、横軸に連続誤り長（ｍｓ）を、縦軸はその確率密度を示したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、本発明の実施の形態について、衛星−地上間光通信の受信特性をシミュレートするための衛星−地上間光通信特性シミュレータについて、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００２８】
本発明を適用した衛星−地上間光通信特性シミュレータは、以下に説明する状態遷移確率ＰAC、ＰCA、ＰBC、ＰDAが予め設定されたマルコフモデルを使用して、受信可能か、又は受信不能かを出力するものである。本発明では、図３に示すような状態Ａ〜Ｄの４状態を新たに定義している。この状態Ａ〜Ｄは、図２に示すＬｏＳ、ＮＬｏｓの連続時間の長短を、状態遷移時間分解能Δｔによって分割された単位時間毎に割り当てられるものであり、分割された単位時間内において状態Ａ〜Ｄのうち何れか１状態が維持され、次の単位時間に移行した場合に、状態Ａ〜Ｄのうち何れか１状態に遷移することになる。
【００２９】
ここで、状態Ａは、光通信の信号を受信可能であってその連続受信時間が短い状態である。状態Ｂは、光通信の信号を受信可能であってその連続受信時間が長い状態である。状態Ｃは、光通信の信号を受信不能であってその連続受信不能時間が短い状態である。状態Ｄは、光通信の信号を受信可能であってその連続受信不能時間が長い状態である。
【００３０】
そして状態Ａから状態Ｃへの状態遷移確率ＰAC、状態Ｃから状態Ａへの状態遷移確率ＰCA、状態Ａから状態Ｂへの状態遷移確率ＰAB＝１−ＰAC、状態Ｃから状態Ｄへの状態遷移確率ＰCD＝１−ＰCA、状態Ｂから状態Ｃへの状態遷移確率ＰBC、状態Ｄから状態Ａへの状態遷移確率ＰDA、状態Ｂを繰り返す確率ＰBB＝１−ＰBC、状態Ｄを繰り返す確率ＰDD＝１−ＰDA、により各状態間の状態遷移が定義されるものとする。
【００３１】
ちなみに、この状態遷移確率ＰAC、ＰCA、ＰBC、ＰDAは予め設定されているものとする。そして、状態遷移確率ＰAC、ＰCA、ＰBC、ＰDAについてマルコフモデルを使用して状態Ａ〜Ｄの何れの状態であるかを時間毎に求める。
【００３２】
その結果、状態Ａ又は状態Ｂである場合には受信可能であり、状態Ｃ又は状態Ｄである場合には受信不能である旨の出力を時間毎に行う。図２に対応させて説明した場合、状態Ａ、Ｂである旨が判定された場合には、ＬｏＳ状態が出力され、受信光電力が、受信可能レベル以上である状態が擬似的に作り出されるものとなる。これに対して、状態Ｃ、Ｄである旨が判定された場合には、ＮＬｏＳ状態が出力されることとなり、受信光電力が、受信可能レベル未満である状態が擬似的に作り出されるものとなる。即ち、上述したマルコフモデルを利用することにより、地上局３が人工衛星２から実際に受信する光信号特性を的確にシミュレートしたＬｏＳ状態、ＮＬｏＳ状態を作り出すことが可能となる。ユーザは、このＬｏＳ状態又はＮＬｏＳ状態の出力を得ることで、衛星−地上間光通信システムにおける受信信号の品質向上に関する各種アプローチを検討することができ、様々な角度からシミュレーションによる検証を行うことも可能となる。
【００３３】
実際にこのような構成からなるシミュレータを使用する場合には、上述の如きフローを実行するプログラムをＰＣ（パーソナルコンピュータ）にインストールすることで行っていくことになる。
【００３４】
なお、この状態遷移確率ＰAC、ＰCA、ＰBC、ＰDA、およびΔtの設定は、実際にシミュレーションを行う前にユーザ側において任意の値に設定するようにしてもよいし、出荷時において予め固定値が設定されていてもよい。
【００３５】
実際にこの状態遷移確率ＰAC、ＰCA、ＰBC、ＰDA、およびΔtの設定は、実際に受信すべき光信号の受信可能レベルに応じて予め決定されていてもよい。例えば図４に示すように受信可能レベルが−８０ｄＢｍと低めに設定されている場合を仮定したシミュレータとするとき、ＬｏＳの時間率が、ＮＬｏＳの時間率よりも多くなる。かかる場合には、そのＬｏＳの時間率が高くなるような状態遷移確率ＰAC、ＰCA、ＰBC、ＰDAを設定する必要がある。具体的には、ＰDA＞ＰBC、ＰCA＞ＰACの関係となるように、状態遷移確率を設定することにより、図４に示すようなＬｏＳ、ＮＬｏＳの状態を作り出すことが可能となる。
【００３６】
また、図５に示すように受信可能レベルが−６０ｄＢｍと高めに設定されている場合を仮定したシミュレータとするとき、ＮＬｏＳの時間率が、ＬｏＳの時間率よりも多くなる。かかる場合には、そのＮＬｏＳの時間率が高くなるような状態遷移確率ＰAC、ＰCA、ＰBC、ＰDAを設定する必要がある。具体的には、ＰBC＞ＰDA、ＰAC＞ＰCAの関係となるように、状態遷移確率を設定することにより、図５に示すようなＬｏＳ、ＮＬｏＳの状態を作り出すことが可能となる。
【００３７】
また、図２に示すようにＮＬｏＳの時間率が、ＬｏＳの時間率が、ほぼ同時間率となるように設定されていることを仮定した場合に、状態遷移確率ＰAC、ＰCAが、状態遷移確率ＰBC、ＰDAよりも高く設定されていることでこれを再現することが可能となる。
【００３８】
なお、本発明は、上述した衛星−地上間光通信特性シミュレータとして具体化される場合に加え、例えば図６に示すような擬似出力光生成装置１０として具体化されるものであってもよい。
【００３９】
擬似出力光生成装置１０は、制御部１１と、駆動回路１２と、光強度変調器１３とを備えている。
【００４０】
制御部１１は、上述した衛星−地上間光通信特性シミュレータと同様の演算処理を実行可能なＰＣ、或いはこれを構成するＣＰＵ(Central Processing Unit)を最小単位として構成するものである。この制御部１１は、マルコフモデルに基づいて状態Ａ〜Ｄの何れかに属すかを演算により求め、演算結果に応じた制御電圧を駆動回路１２へと出力する。また制御部１１内にはクロック電圧が発生するように構成されており、このクロック電圧の発生間隔は、状態遷移時間分解能Δｔによって分割された単位時間に相当するものである。制御部１１はクロック電圧の発生タイミングに応じて、マルコフモデルを用いて状態Ａ〜Ｄの何れに属すかを順次演算する。そして、状態Ａ、Ｂである場合には、低い制御電圧ＶLを発生させ、状態Ｃ、Ｄである場合には、高い制御電圧ＶHを出力する。
【００４１】
駆動回路１２は、制御部１１からの制御電圧を受けて、光強度変調器１３を駆動させる。駆動回路１２は、制御電圧ＶLを受けた場合には、光強度変調器１３内を通過する光をそのまま通すようにし、制御電圧ＶHを受けた場合には、光強度変調器１３内を通過する光を遮蔽するように駆動する。
【００４２】
光強度変調器１３は、例えばニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ3）に代表される強誘電体結晶を用いたMach-Zehnder干渉計型の光変調器である。この強誘電体結晶は、その結晶構造によって決まる光学異方性を示すものである。このような強誘電体結晶に電圧を印加するとその屈折率が変化し、導波路内を通過する光の強度が変化することになる。ちなみに、この屈折率の変化は、印加電圧に比例することになる。即ち、制御電圧ＶLの場合には、屈折率があまり変化しないことから、導波路内を通過する光の強度は殆ど変化せず干渉計光出力の電力が高くなり、制御電圧ＶHの場合には、屈折率が大きく変化することから、導波路内を通過する光の位相が大きく変化して干渉計光出力電力が低くなる。
【００４３】
このような光強度変調器１３の導波路内に、図示しない光源から発生された光を通過させる。この光源から発生された入力光信号は、時間の経過に対して強度がほぼ一定のものとして構成される。駆動回路１２を介して、制御部１１からの制御電圧ＶL又はＶHが印加され、これに応じて、光出力電力が制御されることになる。その結果、図７に示すように、状態Ａ、Ｂである場合には、光出力電力が高くなり、状態Ｃ、Ｄである場合には光出力電力が低くなる。その結果、光強度変調器１３から出射される出力光信号は、時間の経過に対して、状態Ａ〜状態Ｄに応じた強度変調がなされたものとなる。
【００４４】
なお、上述した構成からなる擬似出力光生成装置１０によれば、実際の人工衛星２から地上局３に対する光通信リンクを擬似的に創出してシステム実験を行うことが可能となり、また様々な通信パラメータを変更しながら通信性能を試験することが可能となる。
【００４５】
また、この擬似出力光生成装置１０は、更に図８に示すようなシステムに適用されるようにしてもよい。このシステムでは、上述した強度変調に加えて、プリチャネルシミュレータ２３やポストチャネルシミュレータ３３を通じて更に高速な振幅変動や、周波数変動（位相変動）を施すものである。このプリチャネルシミュレータ２３、ポストチャネルシミュレータ３３はそれぞれ上述した光強度変調器１３と同様の構成からなる光変調器で構成されていてもよく、入力された電気信号に応じて通過する光に対して変調を施すものである。プリチャネルミュレータ２３は、光強度変調器１３の前段に設けられ、ポストチャネルミュレータ３３は、光強度変調器１３の後段に設けられている。プリチャネルミュレータ２３は、制御部２１からの制御信号により駆動回路２２を介して変調が制御されることになる。ポストチャネルミュレータ３３は、制御部３１からの制御信号により駆動回路３２を介して変調が制御されることになる。
【００４６】
即ち、これらのプリチャネルミュレータ２３や、ポストチャネルミュレータ３３と、擬似出力光生成装置１０とを組み合わせることにより、図８に示すように、時間の経過に対して強度や周波数が一定である入力光信号が、状態Ａ〜状態Ｄに応じて強度変調され、更には高速な振幅変動や、周波数変動（位相変動）が施された出力光信号を生成することが可能となる。
【００４７】
なお、上述した構成からなる本発明では、衛星−地上間光通信システム１では、人工衛星２から地上局３へ向けた光信号のみならず、地上局３から人工衛星２に向けた光信号をも同様にシミュレートすることができることは勿論である。
【実施例１】
【００４８】
上述した衛星−地上間光通信特性シミュレータによるシミュレート結果と実験データとの相関性を確認するために、以下に示す検証を行った。
【００４９】
本発明を適用した衛星−地上間光通信特性シミュレータに対応した、４状態のマルコフモデルに連続LoS長、連続NLoS長の確率密度をそれぞれ算出した。先ず設定された回数に亘り、マルコフモデルを用いて状態遷移判定を行い、伝搬路状態（状態Ａ〜Ｄ）の変化を全て記憶する。これと同時にＬｏＳの回数と、ＮＬｏＳの回数も記憶しておく、状態遷移判定が終了した場合には、記憶してある伝搬路状態と、状態遷移時間分解能Δｔとを乗算することにより、連続正解長、連続誤り長を算出し、最後に確率密度を計算してその値を算出する。
【００５０】
以下、Δｔ×10秒間の伝搬路を生成した場合を例に、確率密度特性を導く例を示す。仮定として、OK＿countはLoS状態となった回数（即ちAもしくはBの状態が保持された回数）、NG＿countはNLoS状態となった回数（即ちCもしくはDの状態が保持された回数）、OK＿memoを連続LoSを全て記憶する配列、NG＿memoを連続NLoSを全て記憶する配列、OK＿lengthを連続LoS時間長を全て記憶する配列、NG＿lengthを連続NLoS長を全て記憶する配列とする。ここでOK＿length＝OK＿memo×Δｔ、NG＿length＝NG＿memo×Δｔである。
【００５１】
マルコフモデルによる状態遷移判定の結果、伝搬路状態S(k) （ここでkはΔtごとに変化するステップ数）が以下のように変化したものとする。
伝搬路変化S(1:10)＝｛A, B, B, C, A, B, C, D, D, A｝
【００５２】
このとき、LoSの回数はS(1:3)、S(5:6)、及びS(10)の３回のためOK＿count＝３、NLoSの回数はS(4)、S(7:9)の２回のためNG＿count＝２である。  また、上記に対応して、連続LoS数OK＿memoは、（３、２、１）であり、連続NLoS数NG＿memoは、（１、３）である。ここで、状態遷移時間分解能Δｔを０．０５とした場合、OK＿length＝（０．１５、０．１０、０．０５）、NG＿length＝（０．１０、０．０５）となる。
【００５３】
上記のOK＿lengthおよびNG＿lengthの配列から、対象とする伝搬路観測時間中における、各々の連続LoS時間長もしくは連続NLoS時間長の頻出度合いを計算することで、確率密度特性を得ることができる。
【００５４】
OK＿lengthとNG＿lengthから確率密度を求めた結果例を図９に示す。この図９（ａ）では、横軸に連続正解長（ｍｓ）を、縦軸はその確率密度を示している。また、図９（ｂ）では、横軸に連続誤り長（ｍｓ）を、縦軸はその確率密度を示している。この図９には、シミュレーションの結果以外に、実験データを重ねて示している。この実験データとしては、人工衛星２として、“きらり（ＯＩＣＥＴＳ）”と地上局３との間でリンクが確立されている衛星−地上間光通信システムから取得した受信光強度の伝搬特性を用いている。なお、この図９のシミュレーションでは、状態遷移確率について、ＰACを３６％、ＰCAを２２％、ＰBCを７％、ＰDAを６％に設定している。
【００５５】
その結果、シミュレーションの結果と、実験データは、連続正解長、連続誤り長ともによい一致を示していた。このため、上述したシミュレーションモデルの有効性を確認することができた。
【符号の説明】
【００５６】
１０  擬似出力光生成装置
１１、２１、３１  制御部
１２、２２、３２  駆動回路
１３、光強度変調器１３
２３  プリチャネルシミュレータ
３３  ポストチャネルシミュレータ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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