第 505 回 電波研連 F 分科会資料 2006 年 6 月 23 日

無線ベースバンド伝送におけるマルチパス環境下での伝送特性
Transmission Characteristics of the Wireless Baseband Transmission (WBT) under Multipath Environments

北川 淳一

谷口 哲樹

唐沢 好男

Jun-ichi KITAGAWA

Tetsuki TANIGUCHI

Yoshio KARASAWA

電気通信大学先端ワイヤレスコミュニケーション研究センター

Advanced Wireless Communication research Center (AWCC), UEC
概要
ベースバンド信号を直接アンテナから送信するシステムである無線ベースバンド伝送におけるマルチパス環境下での伝送特性について，VNA (vector network analyser) を使用して測定した周波数領域のチャネル特性と計算機を利用し，BER (bit error rate)を指標とした特性評価をおこなっている．計算機上で直接波電力と反射波電力の比と反射波の遅延シンボル数，反射波の数を変化させて BER 特性を求めている．その結果，マルチパスパス環境下において支配的な要因は直接波電力と反射波電力の比であることを明らかにした．さらに，直接波電力 PD と反射波電力 PR の比 PR /PD が −15
dB より小さければ，等化や誤り訂正技術を併用せず BER が 10−4 程度あるいはそれ以下の実用的な無線伝送が可能であることを示している．
ベースバンド伝送が可能なことを実験的に明らかにしてき1 はじめにた [1]．筆者らはこれまで伝送路符号化とアンテナにはそ

本研究は無線ベースバンド伝送 [1] のマルチパス環境下

れぞれ，Manchester 符号化とディスコーンアンテナを主における基礎的な伝送特性を調べることを目的としていに使用してきた．この無線ベースバンド伝送をより実用的る．無線ベースバンド伝送はこれまでの無線伝送方式と異なものとするためには，一般に想定され得る環境，すなわ

なり，情報信号そのものであるベースバンド信号を直接ア

ち反射波の存在するマルチパス環境下での特性評価が必要

ンテナより放射するものである [2]．これまでの無線伝送になる．これまで一般の無線通信におけるマルチパス環境の概念とは異なる新たな無線伝送方式であり，有線伝送で下での伝送特性については多大な研究がおこなわれてい用いられているベースバンド伝送を無線伝送に適用したもる [5]．UWB においてはいくつかのチャネルモデルも発のであるともいえる．従来の無線伝送で搬送波として用い表されるようになっている [6] が，まだ十分に研究されてられている正弦波で考えると，波の 1 つ 1 つに情報を載せいるとはいえない．無線ベースバンド伝送についてはこれるイメージとなり，超高速伝送を可能とする究極的な無線までマルチパス環境下での伝送特性が全く検討されておら伝送方式である．この技術が実用になると，有線伝送と無ず，無線システムとしての性能を総合的に把握するために線伝送をシームレスに繋ぐことも可能となり，その本質的もこれまでの自由空間下だけでなくマルチパス環境での特に備わった高速伝送性をいかした大容量・高速無線伝送が性評価が必要である．無線ベースバンド伝送においても，実現できる．

マルチパス環境下では伝送特性が劣化することは定性的に

近年注目を集めている無線システムの 1 つには容易に予想できる．しかし，本伝送方式をより完全なも

UWB (ultra-wide-band) [3, 4] がある．UWB は超広帯域のとするためには具体的な数値として劣化特性を求める

無線システムともよばれ，本無線ベースバンド伝送とはそことが必要である．本研究ではその指標として，BER (bitの比帯域の広さという点で共通している部分もある．しかerror rate) を採用している．また，どの程度のマルチパス

し，UWB はパルス変調を含め一般の無線システムで広く環境までが実用になるかといった観点からの評価も必要で用いられている変調という操作が残っているのに対し，無ある．そこで本研究では，マルチパスに対する劣化特性を

線ベースバンド伝送には変調という概念は無い．

調べるため実測したチャネル特性を用い計算機上でマルチ
パス受信波形を生成し，BER 特性を求めている．

無線ベースバンド伝送についての具体的な検討として，これまでは無線伝送で常に問題となる反射波の存在を無視できる自由空間環境下で実験をおこなってきた．その結果，伝送路符号とアンテナを適切に選べば，無線での

1

Tx

Rx

FFT

?
Tx

Propagation

AWGN

Adding complex
conjugate

Rx

Output data
stream

FFT; Fast Fourier Transform
IFFT; Inverse Fast Fourier Transform
AWGN; Additive White Gaussian Noise

Measured frequencydomain data

On computers
Computer Simulations

図 2 BER 計算法（1600 サンプルの 200-bit デー
タを 1 ブロックとして処理）

図 1 実測とコンピュータシミュレーションである．特に，図 2 において複素共役のデータを付け加え

2 BER 算出法
2.1

IFFT

Input data
streamMeasurements

BER
calculationて実信号化するところが要点である．すなわち，VNA で実測とシミュレーション取得したチャネル特性はフーリエ変換において正の周波数

伝送特性を BER で評価するためには実測をおこなうか，に対応する値と考えることができ，このままでは解析信号

適当なモデルをつくって計算機上のシミュレーションでであるので，負の周波数分（= 正の周波数分の複素共役）

評価することが考えられる．無線ベースバンド伝送方式にを付け加えて実信号化している．

おいて BER を実測するのは，BER 測定のための機器構築

3 伝搬特性測定が容易ではない．シミュレーションは実測に比較すると容3.1

易である．しかし，無線ベースバンド伝送に対してマルチアンテナ特性

パス伝搬の部分をどう扱うかが問題となる（図 1）．そこ

無線ベースバンド伝送は超広帯域を占有し，アンテナはで，本研究ではチャネル特性（複素数）のみ VNA (vector

重要な装置の 1 つとなる．ここでは，筆者らのこれまでのnetwork analyser) を使用して実測データを取得し，その他

実験結果から無線ベースバンド伝送においても十分実用にの処理は計算機上でおこなうことにより，上記の問題解決なると判断しているディスコーンアンテナを使用した．図を図った．

3 は測定に使用した 10 cm 角サイズのディスコーンアンテ

2.1.1 処理手法

ナであり，これを送受信共に使用している．最低使用周波

一般に正弦波を搬送波として用いた無線伝送における信数は実験のおこない易さを考慮した結果 1 GHz として設号の表現は実際の高周波信号をそのまま記述した帯域系で計し銅板を成型して製作した．図 4 に実験で用いたディスはなく，複素包絡線（複素ベースバンド信号）を用いた等

コーンアンテナ（図 3）の VSWR (voltage standing wave

価低域系とよばれる系でおこなわれる．無線システムの比

ratio) 特性を示す．図 4 から 1–6 GHz の範囲で VSWR は

帯域は高々数 % であり，一般の興味は搬送波自体のふる2 以下に抑えられていることが分かり，この範囲では良好

まいではなく搬送波に乗っている情報信号であるので，搬に動作すると判断できる．

送波まで含めて解析をおこなうのは表現しなければならな

4 測定環境い周波数範囲が広大になり無駄が多い．したがって，等価

図 5 に上面から見た測定環境を示す．図 5 のように測定低域系での解析は演算量が低減し効率が良いといえる．
しかし，無線ベースバンド伝送の場合を考えてみると搬は全て本学の電波暗室内に反射板を設置しておこなった．

送波という概念が存在しないため等価低域系での取り扱い

反射板は縦 1.8 m，横 0.90 m の発砲スチロール板にアルはできない．一般の無線伝送における帯域系と同じように

ミニウムホイルをはりつけたものであり，これを縦にして実際の信号をそのままの状態で扱う必要がある．すなわち設置した．測定は，(a) 反射板の無い場合，(b) 反射板を横実信号として解析することになる．

方向に設置，の 2 通りについて測定をおこなった．(b) のBER 計算の処理方法についての概要を図 2 に示す．一場合の直接波と反射波の経路差は 1.2 m となり時間差にす

般の無線通信シミュレーションで BER を求める場合と異ると 4.0 ns になる．送受信アンテナ高はいずれも 1.5 m となる点は，時間領域における信号を全て実数として扱う点

した．

2

80 mm6mdiscone antennas

Rx

Tx

2m

1m

80 mm

coaxialcables

100 mmVNA

material: copper(a) No reflection boards(a) Dimensions

6m
discone antennas

Rx

1m

Tx

reflected wave

reflection board

2m

1m

direct wave

coaxialcables(b) View

VNA

図 3 測定で使用したディスコーンアンテナ(b) One reflection board6

図 5 測定環境

VSWR

5特性を示すことが分かる [1]．4 GHz 付近から測定値が −64dB/octave の特性とずれてくるのは，周波数の上昇に伴う

3

ディスコーンアンテナの垂直面指向性の乱れによるものと考えられる．図 6(b) は反射板があることによってチャネ2

ル特性にリプルの生じていることを示している．リプルの

1
1

2

3

4
5
Frequency [GHz]67

周期は直接波と反射波の到達時間差である 4 ns の逆数か

8

ら 250 MHz となり，確かに図 6(b) もその通りの特性を示しているのが分かる（例えば，2–3 GHz の間に null が 4 つ

図4

ディスコーンアンテナの VSWR 特性ある）．
マルチパスの状況を把握する別の方法として，チャネル

BER 算出のためのチャネル特性としては，送信アンテナ

特性のインパルス応答を観測することが挙げられる．ここを 1，受信アンテナを 2 とした時の S 21 を取得しこれを計では VNA で取得した図 6 のチャネル特性を用い，計算機

算機に取り込み演算処理をおこなっている．取得したデーで IFFT (inverse fast Fourier transform) した結果を図 7 にタ（S 11 ，S 21 ，S 12 ，S 22 ）は 300 kHz–8 GHz の範囲で 801示す．図 7(a) は自由空間の場合であるので，送受信アンテ

ポイントである（およそ 10 MHz 間隔）．測定前の校正は

ナ間 1m を伝搬するのにかかる時間（3.3 ns）分だけ遅れ

2 ポート・フルキャリブレーションをおこなっている．

て応答のあることが分かる．図 7(a) の 10–11 ns 付近に弱4.1

チャネル特性

い反射波が確認できるのは，主にアンテナに整合する周波VNA で取得したチャネル特性（S 21 ）を図 6 に示す．図

数範囲を超えた周波数成分による送受信アンテナ間の多重

6 の表示周波数範囲は 3.1 節を考慮して 1–6 GHz として反射である．すなわち，送信アンテナからの電波は 3.3 ns

いる．図 6(a) は自由空間での特性であり −6 dB/octave のかかって受信アンテナに到達するが，一部のアンテナに対

3

-20

Measured-6dB/octave

1-40

Normalised amplitude

Relative power [dB]

-30

-50
-60
-70
-80
-90
1

0.5
0
-0.5
-1

2

3
4
Frequency [GHz]

5

6

0

5

(a) No reflection boards

20

25

30

25

30

1

-30
-40

Normalised amplitude

Relative power [dB]15Time [ns](a) No reflection boards

-20

-50
-60
-70
-80
-90
1

10

0.5
0
-0.5
-1

2

3
4
Frequency [GHz]

5

0

6

5

(b) One reflection board

10

15Time [ns]20(b) One reflection board

図 6 チャネル特性

図7

チャネルのインパルス応答

して整合していない周波数成分は受信アンテナで反射（再よく一致しており，直接波成分の実測チャネル特性から計放射）され送信アンテナのほうへ空間を伝わって戻り，そ

算機上でマルチパス環境を生成しても問題ないことが図 8

こでまた反射されて受信アンテナに到達することによるもからいえる．なお，本文では全て周波数領域のチャネル特のである．この時の直接波との距離差はおよそ 2 m であ性から伝送特性評価をおこなっている．すなわち，実際のり時間差にするとおよそ 7.0 ns であり，10–11 ns 付近に応データ伝送に相当する時間領域の測定は一切おこなってい答があることを理解できる．反射波が存在する図 7(b) のない．周波数領域のチャネル特性から伝送特性を評価して場合，直接波と反射波の時間差は 4 節で述べたように 4.0も問題ないことをいうには，時間領域での測定値と周波数

ns であるので，確かに直接波からその分だけ遅れて反射波領域から時間領域に変換した伝送波形が一致する必要があの応答が表れていると分かる．

る．この点については文献 [1] で両者が一致することを確認している．

5 伝送特性の評価
5.1

図 8 を求める過程のデータ伝送では Manchester 符号化

測定環境での BER 特性とマルチパス環境生成をおこなっている．波形を構成する最小単位のパルス幅は

図 8 に図 5 の環境で測定したチャネル特性に対する

文献 [1] で得られているアンテナ帯域幅との関係を考慮しBER 特性を示す．図 8 の横軸 Eb /N0 について，本文ではて 0.2 ns としている．この時，Manchester 符号化を採用

全て直接波（直接波 + 反射波ではない）に対する Eb /N0

していることからシンボル長は 0.4 ns となり，伝送レートを考えている．マルチパスに対する結果は，実際に反射板

は 2.5 Gbps となる．図 8 において，自由空間の場合はエを設置しマルチパス環境下で取得した実測チャネル特性にラーフロアも生じておらず良好な伝送を期待できるが，こ

対する BER（図 8 では actual），と自由空間下で取得したこで設定したマルチパス環境ではエラーフロアを生じてお実測チャネル特性から計算機上で合成したマルチパス受

り BER は 10−3 に少し届かない状態である．この状態は

信波形に対する BER（図 8 では combined）の 2 つを表示

実際の通信においてチャネルの等化や誤り訂正技術を併用している．図 8 から分かるように両手法で求めた BER はして実用になる限界と考えられる．反射波の遅延時間は 4

4

0

10

-1

10

-2

10

-3

10

-4

10

-5

Multipath (combined)
Multipath (actual)
Free space (actual)
BPSK (AWGN)

BER

BER

10

0

5

図8

10

E /N
b

15
[dB]
0

20

25

30

10

0

10

-1

10

-2

10

-3

10

-4

10

-5

0

P /P = -6 dB
R D
P /P = -10 dB
R D
P /P = -15 dB
R D
P /P = -20 dB
R5

測定環境での BER 特性

D

10

15
E /N [dB]
b

0

20

30

(a) 5-symbol delay
10

0

10

-1

10

-2

10

-3

10

-4

10

-5

P /P = -6 dB
R D
P /P = -10 dB
R D
P /P = -15 dB
R D
P /P = -20 dB

節で述べたように 4.0 ns であるので，10 シンボル分遅延した反射波が到来していることになり，符号間干渉の影響

Rがフロアの発生に繋がっていると理解できる．また，図 8
BERには一般の無線伝送との比較の意味で，AWGN (additive

white Gaussian noise) 通信路に対する BPSK (binary phaseshift keying) の同期検波での誤り率 Pb の理論値√
1
Pb = erfc Eb /N0
2

(1)

0

を示している．ただし，式（1）中の Eb /N0 は真値であり，

5

10

15
E /N [dB]
b

0

D

20

25

30

(b) 10-symbol delay

erfc は誤差補間数を表している．BPSK と無線ベースバン
ド伝送を比較すると，BER が 10−4 において Eb /N0 を 3 dB
弱，無線ベースバンド伝送のほうが余計に必要になると分かる．しかし，従来の考え方で BPSK を用いて 2.5 Gbps

10

0

10

-1

10

-2

10

-3

10

-4

10

-5

P /P = -6 dB
R D
P /P = -10 dB
R D
P /P = -15 dB
R D
P /P = -20 dB
R

BERの伝送をおこなうには比帯域を 1 % とすると 250 GHz の搬送波を必要とすることになり，そのための装置やアンテナを考えると容易なことではない．したがって，無線ベースバンド伝送は BPSK より必要とする Eb /N0 は 3 dB 程度
多くなるものの（本論文の場合），高速・大容量伝送に適した無線伝送方式（GHz 電波を用いた Gbit 伝送）を実現
できる可能性があるといえる．

5.2

25

0

5

10

15
E /N [dB]
b

0

20

D

25

30

(c) 20-symbol delay

直接波電力と反射波電力の比に対する BER 特性

図 9 遅延シンボル数を変化させた場合の BER 特性

直接波と反射波の電力をそれぞれ PD ，PR とし PR /PD
を −6 dB，−10 dB，−15 dB，−20 dB と変化させた場合の BER 特性について調べる．図 9 は遅延シンボル数を 5，

れが 10 の場合（図 9(b)）と同様な傾向を示している．遅10，20 とし PR /PD を変化させた場合の BER 特性を示して延シンボル数によって BER の値が異なるのは波形ひずみ

いる．図 9(a) の遅延シンボル数が 5 の場合，PR /PD = −6による影響と考えているが，全体的な傾向としては遅延シ

−1

−2

より前

ンボル数よりも PR /PD が支配的である．図 9 を総合的にでエラーフロアを生じており，PR /PD が −10 dB より大き判断すると PR /PD が −15 dB より小さければ反射波が存い領域では実用的な通信は困難といえる．図 9(b) の遅延

在しても通信は可能であるといえる．

シンボル数が 10 の場合は PR /PD = −6 dB においてのみ

5.3

dB，−10 dB においてそれぞれ BER が 10 ，10−2

パスの数を変化させた場合の BER 特性を下回った付近でフロアを生じている．それこれまでは 2 波モデルを扱ってきたが，パスの数を変化

以外では大きなフロアも無く実際の通信も問題なく可能でさせた場合，すなわち反射波のパス数を増やした時の特性あるといえる．図 9(c) の遅延シンボル数が 20 の場合はそについて調べる．図 10(a) は 3 パス，すなわち直接波と反BER が 105

射波 2 波の場合の BER 特性を示している．ここで，遅延

10

0

10

-1

10

-2

10

-3

10

-4

10

-5

P /P = -6 dB
R D
P /P = -10 dB
R D
P /P = -15 dB
R D
P /P = -20 dB

シンボル数は図 9(b) と図 9(c) において，互いに似た結果が得られていることを考慮し，平均遅延シンボルをそれらの平均である 15 シンボルとなるように反射波の 1 波目はBER

10 シンボル，2 波目は 20 シンボルの遅延となるようにしている．また，反射波の 1 波目と 2 波目は等電力としている．図 10(a) の結果は図 9 と同様な傾向を示しており，

PR /PD が −15 dB より小さければ等化や誤り訂正技術を追加しなくても無線伝送は可能であると判断できる．3 パス

R0と同様の条件で 4 パス，5 パスとした時の BER 特性はそ

5

10

15
E /N [dB]
b

0

D

20

25

30

(a) 3-path

れぞれ図 10(b)，図 10(c) に示す通りである．4 パスの場合
は 10，15，20 シンボル遅れの反射波，5 パスの場合は 5，

10，20，25 シンボル遅れの反射波が到達し，それぞれの反射波は等電力としている．図 10 の結果からはパス数をBER増やしていくと同じ PR /PD でも特性は少しずつ劣化していく様子が分かる．これは 5.2 節の遅延シンボル数が異なる時と同様，波形ひずみに起因するものと考えられる．しかしながら，全体的な傾向としてはパス数より PR /PD に依存する部分が大きく特に PR /PD が −20 dB では 3，4，5
パスともほぼ同じ BER 特性が得られている．

10

0

10

-1

10

-2

10

-3

10

-4

10

-5

P /P = -6 dB
R D
P /P = -10 dB
R D
P /P = -15 dB
R D
P /P = -20 dB
R

0

5

10

6 むすび

15
E /N [dB]
b

0

D

20

25

30

(b) 4-path

無線ベースバンド伝送について実信号解析法を示した．
それを用いて，マルチパス環境下における BER 特性を実測チャネル特性を用いて求めた．一部シミュレーションをBER

介した評価ではあるが，10 cm 角サイズのアンテナで 2.5Gbps の伝送が実現できることを明らかにした．無線ベースバンド伝送のマルチパス環境下での伝送特性について，
直接波電力と反射波電力の比 PR /PD が −15 dB より小さければ，等化や誤り訂正技術を併用せず BER が 10−4 程度あるいはそれ以下の実用的な無線伝送が可能であるこ

10

0

10

-1

10

-2

10

-3

10

-4

10

-5

0

P /P = -6 dB
R D
P /P = -10 dB
R D
P /P = -15 dB
R D
P /P = -20 dB
R

5

10

とが分かった．また，BER に支配的なのはパス数よりも

15
E /N [dB]
b

0

20

D

25

30

(c) 5-path

PR /PD であることを明らかにした．より強いマルチパス

図 10 3，4，5 パスの場合の BER 特性

環境下では符号間干渉により，十分な性能が得られないことも分かったので，等化器技術等のマルチパス対策の研究

開発動向，” 信学論 (A)，vol.J86-A，no.12，pp.1264–

が今後必要である．

1273，Dec. 2003.

参考文献[4] 前田忠彦，“UWB アンテナ技術：ユビキタス超高速[1] J. Kitagawa, T. Taniguchi, and Y. Karasawa, “Wire-

通信のためのアンテナ伝搬・評価技術と展望，” 信学

less baseband transmission experiments,” IEICE Trans.

論 (B)，vol.J88-B，no.9，pp.1586–1600，Sep. 2005.

Commun., vol.E89-B, no.6, pp.1815–1824, Jun. 2006.

[5] 唐沢好男，ディジタル移動通信の電波伝搬基礎，コロナ社，東京，2003.

[2] 小宮山牧兒，“ATR 環境適応通信研究所の研究内容の[6] A. F. Molisch, “Ultrawideband propagation channels-

紹介，” ATR Journal，vol.23，pp.7–10，1996.

theory, measurement, and modeling,” IEEE Trans.

[3] 小林岳彦，幸谷智，“UWB ワイヤレスシステムの研究

Vehi. Tech., vol.54, no.5, pp.2087–2104, Sep. 2005.
6