KYOTO
INSTITUTE
OF
TECHNOLOGY

可視光通信による移動体情報通信システムの検討

2016年
2016年3月18日
18日
大柴小枝子
大柴小枝子
京都工芸繊維大学 大学院工芸科学研究科

本発表の流れ1. 本研究の背景（可視光通信）
2. LED信号機による可視光通信システム
信号機間、信号機－車間

3. ボラードを用いた歩行支援システム
ボラード－歩行者間通信

1

背景◎ 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（Cisco Visual Networking Indexより）◎ 無線通信帯域の確保の必要性
３００GHｚ～テラヘルツ帯の利用既存サービスの利用帯域の圧縮
空間光通信 （LED可視光通信 など）

空間光通信
FSO

1G
100M

Data rate (bps)

衛星間光通信

LiFi

10M
1M

VLC

100K

LED-ID

可視光通信
LED（可視４00~７00nm）(インコヒーレント光源）
既存の照明やディスプレイ等
グリーン情報インフラ

光無線
LD（赤外800~1500nm）
ビームフォーミング
高精度補足追尾
高出力（数～数１０W)

本報告のシステム

Optical Camera Communication
1m10m

100m

1km

10km ~Distance3

可視光通信資料 A tutorial overview of VLC, http://www.ieee802.org/15/pub/TG7.html

LiFi （λ：190~10000nm)

・ 広帯域（300 THz以上）
・ 既存のLED照明を送信器として利用できる。
→設置済みのデジタル・サイネージや照明機器、交通信号などを可視光通信に活用可能
・ 電磁干渉フリー (航空機・病院）
4

可視光通信注目の背景◎ LED照明の普及
2016年４０％ ⇒ 2020年60%以上（予想）◎ LEDの発光効率の改善
2010年70 lm/W⇒2015年150 lm/W
2020年 200 lm/W（予想）（全エネルギーを可視光にできたとしても 683 lm/W ）長寿命・低消費電力（従来の照明比）◎ LEDの変調特性改善
汎用LED（１０ Mbps )⇒共振器型LED(＞500 Mbps)
資料 A tutorial overview of VLC, http://www.ieee802.org/15/pub/TG7.html

標準化の動き
日本ではJEITAによるVLCコンソーシアムを中心とした標準活動(2006~2007）
欧州では The Home Gigabit Access project (OMEGA) (2008)

IEEE 802.15.7
Visible Light Communication (2009~2011)
http://www.ieee802.org/15/pub/TG7.html
IEEE 802.15.7r1
15.7 Revision: ShortShort-Range Optical WirelessCommunications Task Group (TG 7r1)
(2014.12~)6標準化の動きIEEE 802.15.7r1 ShortShort-Range Optical WirelessCommunications （2015.1 １ｓｔ meeting）
 Optical Camera Communications whichenables scalable data rate, positioning/localization,and message broadcasting, etc. using devices suchas the flash, display and image sensor as thetransmitting and receiving devices .
 LED-ID which is wireless light ID (Identification)system using various LEDs.
 LiFi which is high-speed, bidirectional, networked
and mobile wireless communications using light.
http://www.ieee802.org/15/pub/IEEE%20802_15%
20WPAN%2015_7%20Revision1%20Task%20Gro
up.htm7

目次
1. 本研究の背景（可視光通信）
2. LED信号機による可視光通信システム
・信号機間通信・信号機－車間通信

3. ボラードを用いた歩行支援システム
ボラード－歩行者間通信

8LED信号機を用いた可視光通信
LED信号機・・・昼夜、天候問わず24時間利用可能、設置密度が高い
高度道路交通システム（IntelligentTransport Systems：ITS）応用
高度道路交通システム〇 人と道路と車両とを一体化したシステムとして構築〇 道路交通の安全性，輸送効率，快適性の飛躍的な向上を実現
信号機間通信：信号機制御のスマート化
信号機‐車間通信：自動車制御のスマート化
管制センター

あと○○秒で青に変わります。

専用回線

受信機

受信機

受信機

あと○○秒で青に変わります。

LED信号機を用いた可視光無線通信の課題
・変調による光源のちらつき（フリッカー）の防止
変調周波数＞ 200 Hz (MFTP < 5 ms)
S. Berman et al., Optometry and Vision Science, vol. 68, 1991.

・太陽光などによる外乱光雑音
外乱光雑音の影響
外乱光雑音
DCレベルの増加
・多重伝送時の他チャンネル成分によるマルチアクセス干渉雑音(MultiAccess Interference : MAI)の影響
マルチアクセス干渉雑音➔雑音耐性の高い 直接符号拡散変調方式
広域通過フィルタによる雑音除去
渡邉、西井、大柴
可視光通信を用いた信号機間通信システムの雑音耐性向上による通信距離拡大に関する研究：電子情報通信学会和文論文誌 IEICE-B-J, No.2, pp.180-187, 2015

二値符号拡散変調方式
信号機

実験系
・送信信号のデータレートは2kbps、・拡散に用いたコードは32chip直交Gold符号、チップレートは64kchip/s
・PD受信後、DCカットすることで、バイアスを変換・送信時に用いた符号で逆拡散し、元の信号を再生する

符号拡散変調方式の雑音除去の仕組み
送信部
signal 1
signal 2××

a

外乱光雑音
外乱光雑音

code1+

受信部
PD

HPF

b×

LPF

c

信号再生

code2
code1

◎スペクトル波形◎スペクトル波形
code1

code1

スペクトル強度

code2

HPF

code1
code2

符号化
0B

周波数(a) 送信スペクトル

f

code2

NB f
(b) 受信スペクトル

LPF

復号化
0B
(c) 復号化後スペクトルf

LED信号機を用いた可視光通信
LED発光により情報伝播

180m~300m
送信側：信号機

受信側：受信装置

信号機 (日本信号日本信号(株）製）
日本信号 株）製） 高さ 5m

受信機

光度 433 cd（青）（青） 417 cd (赤）赤）

集光用レンズ，直径集光用レンズ，直径60，直径 mm ，焦点距(192 LED)

高さ 5m,離75 mm, PD, 遮断周波
遮断周波数
周波数40 MHz

外乱光雑音波形(a) 時間波形(b) 周波数スペクトル信号機間 可視光通信実験

60
optimum HPF
non-HPF

50

Q

40
30
20
10
30

BER<10-30200

400

600

Distance [m]8001000

目次
1. 本研究の背景（可視光通信）
2. LED信号機による可視光通信システム
・信号機間通信・信号機－車間通信

3. ボラードを用いた歩行支援システム
ボラード－歩行者間通信

16LED信号機ー車(路車）間通信の課題
・変調による光源のちらつき（フリッカー）の防止
変調周波数＞ 200 Hz (MFTP < 5 ms)
S. Berman et al., Optometry and Vision Science, vol. 68, 1991.

・太陽光などによる外乱光雑音
外乱光雑音の影響
外乱光雑音
DCレベルの増加
・他チャンネル成分によるマルチアクセス干渉雑音(MultiAccess Interference : MAI)の影響
マルチアクセス干渉雑音
雑音耐性の高い直接符号拡散変調方式
広域通過フィルタによる雑音除去 + 光学フィルタ

・LED指向性による通信エリアの限定信号機ー車間通信
信号機 (日本信号日本信号(株）製）
日本信号 株）製）
高さ 5m5m

光度 433 cd（青）（青） 417 cd (赤）赤）水平距離L1 [m]

5m(192 LED)
受信地点
受信地点

受信機 (浜松フォトニクス製）
浜松フォトニクス製）
APD レンズなし

横方向の距離L2 [m]5m
θ1x1

受信角度x2水平距離θ218

LED信号機の放射角度特性
半径30 cmの円周上でPDの位置を変化
各放射角度における受信電圧を測定

一般的に，指向性を持つ光源(LED等)の放射角度特性はガウス分布に従う

0 °≦ θ1 ≦90 °の範囲で測定

30

測定値
近似曲線(ガウス分布)20• 正面(0 °)における受信電圧が最大

受信電圧[mV]• ガウス分布に従った特性

25 °   27  exp

10







[mV]

• 放射角度特性は左右対称
半値幅が50 °( =25 °× 2 )0
025 3060角度[°]90

放射角度は約50 °
19受信機の入射角度特性
半径1 mの円周上で簡易信号機の位置を変化
各入射角度における受信電圧を測定

300
受信電圧[mV]-90 °≦ θ2 ≦90 °の範囲で測定

200• 正面(0 °)における受信電圧が最大値
視野角は約110 °
110 °

100

近似曲線
   1.51  10   4.53  10  2.81  10    0.117 0.294

0-90-55-450角度[°]

45 55

9020

受信強度分布の算出方法
水平距離L1 [m]信号機と受信地点との直線距離L3は
 



5 

!"#

放射角度
θ[ °]

5m

受信地点への放射角度θは5   tan

直線距離L3 [m]

水平距離
L1 [m]

5m!° #


放射角度0 °，直線距離1 mにおける受信強度を0 dBとすると各地点における光強度I [dB]は受信地点受信地点横方向の距離横方向の距離
L22 [m][m]L

θ2 放射角度5m(  10)*+, 距離減衰  放射角度減衰 -受信角度減衰./

 012
   !34# 10)*+
2  500

θ1r1
θ1x1

直線距離r2
受信角度

x2
水平距離

θ221

受信強度分布の算出結果
座標[0,0]の地点に信号機を設置した場合の受信強度分布• 正面方向：100 m• 横方向：200 m(左右100 m)

信号機の真正面(0 °)における水平距離9 m地点が受信強度最大
水平距離3 m以下のような極めて近い地点や、横方向に位置がずれると大きく受信強度が減衰
大きく受信強度が減衰
道路幅（3～5 m）では横方向のずれの影響は無視可能。

22

通信実験および解析

23

シミュレーション解析結果
θ2 放射角度θ15m
r1

直線距離r2θ1

受信角度

θ2x1x2水平距離60受信機(C5460)を水平に設置
回路雑音を考慮したQ値の距離依存特性50
Q値

40Q≧3（BER<10-3）で通信可能と判断

3020

 9 m地点で最大値（Q = 52.5）

1000204060
水平距離 [m]80100

 3～70 m地点でQ値3を達成
24

屋外可視光通信実験結果

8Q値

643
2001020
水平距離 [m]3040

屋外での通信実験 8～20 m で良好な通信特性確認

25

目次
1. 本研究の背景（可視光通信）
2. LED信号機による可視光通信システム
・信号機間通信・信号機－車間通信

3. ボラードを用いた歩行支援システム
ボラード－歩行者間通信

26

自発光式LEDボラードによる歩行支援
弱視者の夜間歩行を考慮した自発光式LEDボラード
特殊な点滅発光で弱視者の視認性向上
自発光式LEDボラードを使用する利点• 視認性が高い • 歩道上に約3~5 m間隔で設置• 設置が容易 • 既存の照明に通信機能の追加

ボラードID

端末

非発光式

自発光式（試作）

ID解決サーバ
音声情報

受信者
自発光式ボラード
自発光式ボラードによる危険通知使用イメージ
QoE（ユーザ体感品質）によるシステム設計

BI5-5 CQ研企画（3/16）で発表

マイコン制御型送受信機の試作APD

MU500-RXSET01

受信処理回路

可視光通信

LED基板

送受信機の構成図p

閃光から次の閃光までの周期 286 ms(3.5 Hz)

MU500-RXSET01

PC

閃光休止時間 5.00 ms

pt
t

信号の構成
[スタートビット＋信号部＋信号休止時間]スタートビッ
ト：1bit
信号部：16 bitのIDデータ
信号休止時間：1 bit
コマンド：8コマンド分
データ速度：125 kbps
変調方式：4PPM-R方式

閃光時間 1.25 ms

受信したIDデータに応じて音声を再生自発光式LEDボラードの発光
本自発光式LEDボラードの発光p

閃光から次の閃光までの周期 286 ms(3.5 Hz)p

本自発光式ボラードの発光の概念図

tt
閃光時間 0.1～1.25 ms

・ 2種の点滅周期
人体検知時：3.5Hz
非検知時：0.5Hz

・ 点滅パルス
閃光時間：0.1～1.25 ms
閃光回数：１～２回

125kbps 4PPM変調方式 PWMにより明るさの調整

歩道モデルと通信エリア• 京都市道路構造を満たす歩道モデル
82.5 cm
97.5 cm
112.5 cm 175 cm

点字ブロック1.75 m歩道
5.0 m
2本目のボラード-100 -50

050

100

150

200

250

2.0 m

車道

1本目のボラードボラード

 受信機の高さ 82.5 cm, 97.5 cm, 112.5 cm
 受信機のボラードに対する角度0度から90度で受信可能とした300

京都ライトハウスにて実験風景

3/15の日刊工業新聞に取り上げられました。

まとめ
信号機を用いた可視光通信の信号機間通信と路車間通信システムについて検討• 符号拡散通信方式を用いることで、フリッカーフリーで雑音耐性の高いシステムの構築を可能とすることを示した。
300m以上の信号機間通信を実証• 信号機の放射角度特性および受信機の入射角度特性を測定
路車間通信における受信強度の分布特性を算出
水平距離3～70 mにおいて通信可能
弱視者のための歩行支援システムへの可視光通信の応用について紹介した
33