電子航法研究所研究発表会（第 11 回平成 23 年６月）

5．対空データリンクL-DACS物理層の実装
通信・航法・監視領域
１．
はじめに
1. はじめに※北折潤、住谷泰人、石出明施した。FCS 最終報告では、対空データ通信シ

航空機の軌道情報に従って運航する TBO（Tra-ステム候補として、いずれも L バンドを使う 4jectory Based Operations）では、航空機の動態情つの異なる規格が併記されていた。これら 4 つ報、軌道情報や運航に影響する気象情報等、従の規格を L-DACS と総称したことが L-DACS の来に比べて大量かつ多様なデータの送受信が始まりである。

前提となる。しかし現行の航空用対空データ通FCS 最終報告以後様々な議論を経て、L-DACS
は L-DACS1 と L-DACS2 という 2 つの規格に集約され現在に至っている。表 1 に L-DACS1 及び
L-DACS2 の主な諸元を示す [2, 3]。両者の主な違いは、L-DACS1 が上り下り回線を周波数分割によって区別するのに対して L-DACS2 は時分割で区別する点にある。また L-DACS1 は OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplex）で 50本の副搬送波を利用するため、L-DACS2 に比べ信システムは VDL（VHF Digital Link）モード 2や ACARS（Aircraft Communications Addressingand Reporting System）が主流であり、いずれもTBO 実施に十分な伝送速度とは言えない。つまり TBO の実現には通信の高速化が課題となる。
国際民間航空機関では、将来の対空データ通信システムとして L バンドにおける高速データリンク L-DACS（L-band Digital AeronauticalCommunications System）を提案している [1]。
航空用 L バンドは 1 GHz 付近の周波数帯を指し、VHF 帯より高い周波数帯であるため高速伝送に必要な帯域を確保しやすいが、既に DME（Distance Measuring Equipment）等の他の航空てビット伝送速度が高いスペックとなっている。

無線システムが運用されている。このことから、も低い。

ただし、両者とも誤り訂正符号はリードソロモン符号と畳み込み符号の組み合わせており、情報誤り訂正能力が高い代わりにユーザデータのス
ループットは表 1 のビット伝送速度よりいずれ

L-DACS と他システム間の電波干渉の影響につ
２．
実装機器
2.2２ 実装機器

いて検証する必要がある。また現時点においては L-DACS の規格が統一されていないことから、

実 装 に は PC と 汎 用 ソ フ ト ウ ェ ア 無 線 装 置

規格統一のための評価手段も考慮しなければな

USRP（Universal Software Radio Peripheral）をらない。

利用した。

電子航法研究所では、L-DACS 規格に準拠し評価結果について報告する。
２．物理層送信部の実装
2. 物理層送信部の実装

PC は、CPU が Intel Core2 Duo 2.66 GHz、OSが Ubuntu Linux 10.04 で、これに GNU Radio
3.3.0 をインストールした。GNU Radio は無料で利用できる信号処理ソフトウェアである。GNURadio は、C++ で書かれた信号処理ライブラリ部分と Python からこのライブラリを呼び出すイ

２．
L-DACS 概要
2.1１ L-DACS
概要

ンターフェイス部分からなり、ソフトウェア無線

た L-DACS 物理層実験システムを製作中である。
本稿では、L-DACS 物理層実験システム送信部（以下、物理層送信部）の実装状況と発生信号の2003 年の国際民間航空機関第 11 回航空航法会議は、軌道情報に基づく航空交通管理シプログラムを Python スクリプトとして実行することができる。

ステムの必要性について勧告した。これを受け

また USRP は PC から USB 経由で接続する

欧州は SESAR（Single European Sky Air traﬃc

USRP1 を用いた。USRP はマザーボードとドータボードで構成される。マザーボードは D/A（Digital/Analog）変換及び PC とのインターフェmanagement Research）、米国は NextGen（NextGeneration Air Transportation System）構想を打ち出し、次いで欧米協調作業となる Action Plan
17 — FCS（Future Communication Study）を実イス等を担当し、ドータボードにより様々な周波数帯に対応できる。GNU Radio と USRP を一緒－ 25 －電子航法研究所研究発表会（第 11 回平成 23 年６月）

表1
名称
使用周波数帯複信方式
アクセス方式
変調方式
チャネル幅
ビット伝送速度外符号
誤り訂正符号
内符号

L-DACS1/2 主要諸元比較表
L-DACS1
960—1164[MHz]L-DACS2
960—975[MHz]

周波数分割

時分割

OFDMA(QPSK, 16QAM, 64QAM)+OFDM
498.05[kHz] x 2
833.33—2500.0[kbps]

TDMA
GMSK
200[kHz]270.83[kbps]

リードソロモン符号
パンクチャド畳み込み符号

リードソロモン符号
パンクチャド畳み込み符号

図 1 GNU Radio 搭載 PC と USRP 外観図に利用することでソフトウェア無線機を作成することができる。実際の PC と USRP の外観を
図 1 に示す。
図 2 L-DACS 物理層送信部プログラム構成例

２．
プログラム構成
2.3３ プログラム構成
実際の GNU Radio による物理層送信部のプログラム構成例を図 2 に示す。この例では L-DACS1/2 とも信号を連続送信する。プログラム起動時のオプション設定により L-DACS1 か LDACS2 かを選択できる。L-DACS2 については別途、時分割複信方式を模擬したバースト状信号を発生させるプログラムも作成した。

３．発生信号の評価
3. 発生信号の評価
図3

３．
信号評価機器構成
3.1１ 信号評価機器構成

信号評価機器構成

発生信号の評価は図 3 のような構成で行った。

PC 上の GNU Radio Python プログラムで作成したベースバンド信号は、USB を経由して USRPへ出力され搬送波周波数までアップコンバート

る WBX ドータボードを使用し、物理層送信部及び D/A 変換されて RF 信号となる。今回は、の発生信号についてスペクトラムアナライザ等50 MHz — 2.2 GHz の周波数範囲に対応していで観測した。

－ 26 －

電子航法研究所研究発表会（第 11 回平成 23 年６月）

0L-DACS1
mask

Relative Signal Level [dB] (Peak = 0dB)

-10-20-30-40-50-60-70-80-1.0M-800.0k-600.0k-400.0k -200.0k
0.0200.0k 400.0k
Offset frequency [Hz] (Carrier frequency = 0 Hz)

600.0k

800.0k

1.0M

図 5 L-DACS1 スペクトラム
図4

アイドル状態 USRP 出力スペクトラム

0L-DACS2
mask

Relative Signal Level [dB] (Peak = 0dB)

-10３．
USRP/WBX 基本特性
3.2２ USRP/WBX
基本特性
まず、物理層送信部に使用している USRP 及び WBX ドータボードの出力特性について調査した。

GNU Radio で生成した正弦波の測定周波数と設定周波数とのずれを 100 MHz—2 GHz の範囲-20-30-40-50-60-70-80-90-1.0Mに渡り測定した。周波数は同範囲内で百万分率にして 5.8 ± 1.4 ppm 程度低域へずれていた。こ-800.0k-600.0k-400.0k -200.0k0.0200.0k 400.0k
Offset frequency [Hz] (Carrier frequency = 0 Hz)

600.0k

800.0k1.0M

図 6 L-DACS2 スペクトラムのずれは USRP の内部クロックの偏差（公称最大 20 ppm、室温時 5 ppm 程度）によるものと考されたことが原因と推察される。

えられる。
また、アイドル状態のピーク出力周波数特性を同様に L-DACS2 連続送信スペクトラムを図 6

図 4 に示す。同図よりほぼ等間隔の線スペクトに示す。こちらも ±130 kHz 付近、±500 kHz 以

ルが最大 3 GHz 付近まで発生していることがわ

遠でマスク逸脱が見られた。また信号発生器のかった。この間隔は 64 MHz に等しいことから、GMSK スペクトラムと比較するとオフセットが±700 kHz 程度のところ等にわずかなサイドローブが見られた。これは L-DACS2 のビットレートから USRP の D/A サンプリングレートへのレーUSRP の内部クロックとその高調波の漏れと考えられる。

３．
L-DACS スペクトラム
3.3３ L-DACS
スペクトラム
搬送波周波数を 970 MHz として、物理層送信部で L-DACS1 連続送信信号を生成しそのスペト変換が整数比にならないために、インターポーレーション（補間）時のフィルタリングによって起こった現象と考えられる。

クトラムを観測した。図 5 に L-DACS1 スペク

スプリアスについては、L-DACS1/2 とも搬送トラムを示す。中心周波数からのオフセットが波周波数の 2 倍である 1.94 GHz 付近に搬送波よ± 270 kHz 付近及び ±700 kHz 以遠でスペクトラムマスクを逸脱していた。また図 5 では判別できないが、L-DACS1 では使用しないベースバンド信号の直流成分が、RF 帯域の搬送波成分としり約 40 dB 小さい高調波を確認した。て出現していた。これは局部発信器から漏れた考えられる。一方で必要周波数帯幅近傍での逸信号が周波数ミキサによって搬送波成分に変換脱は隣接チャネルへの影響が懸念される。しかマスク逸脱については、L-DACS1/2 とも低信号レベルでの逸脱はドータボードのノイズフロアレベルとダイナミックレンジからくる制約と－ 27 －

電子航法研究所研究発表会（第 11 回平成 23 年６月）

響や規格を評価・調査するために、GNU Radio

10000
L-DACS1 air - DME gnd
L-DACS2 air - DME gnd

Distance between stations [m]と USRP を用いて L-DACS 物理層実験システムの RF 信号を送信する送信部を実装した。信号の1000スペクトラムは若干マスク逸脱はあるものの、安価な L-DACS 評価用装置として利用できる。ただし、以下の各点に留意して設計等を行う必要が100ある。

• USRP 内部クロックの偏差による搬送波周10-90

波数のずれ-80-70Adjacent channel leakage ratio [dBc]-60• USRP 内部クロック高調波成分の存在• サンプリングレート変換時フィルタリング-50

図 7 隣接チャネル漏洩電力比対局間距離によるサイドローブの出現
し、以下の理由等から今後規定が変更される可能性がある。

• ベースバンド信号自体はソフトウェアで合• RF 信号での搬送波成分の出現
いずれも PC 内部でのベースバンド信号生成時には出現しない問題のため、RF 信号にさらなる忠実性を要求する場合は、物理層送信部の外で対処成されており論理的誤りがない限り理想的する必要がある。

なものであること。

L-DACS の運用予定バンドは他の電波航法システムと重なっているが、その中でも DME はL-DACS と運用周波数が近く、電波干渉の影響が大きいと考えられる。今後 DME との電波干• 現在 L-DACS の規定 [2, 3] は案の段階であり流動的であること。

• 他システムのスペクトラムマスク [4] よりも厳しいこと。

渉についてさらに検証していくとともに、物理層

我々は今後の L-DACS システム設計の議論を踏受信部を作成し通信性能についても測定していまえて対応する必要がある。

く予定である。

３．
対 DME
DME 電波干渉
3.4４ 対電波干渉

参考文献

ここでは L-DACS が同じバンドで運用されている DME に対して電波干渉の影響が生じないレベルについて試算してみる。航空機局に L-

DACS1 または L-DACS2 送信機、地上局に DMEトランスポンダがあり、空間減衰は自由空間伝搬損失を仮定する。また、DME の干渉閾値 −99

dBm にマージン 6 dB を加味した −105 dBm 以
下 [4] ならば干渉による DME 運用への影響がないとする。送信機実効放射電力等のパラメータを文献 [2, 3] に準じて設定した場合の隣接チャネ
ル漏洩電力比対局間距離（離隔距離）を図 7 に示す。例えば、L-DACS1 の 1 MHz 隣接チャネル漏洩電力比は本 L-DACS 物理層送信部の実測で−62.4 dBc であったことから、同図より離隔距離は 462.4 m と求めることができる。

[1] Nicolaos Fistas, Brent Phillips, and James
Budinger. Future communications study —action plan 17, ﬁnal conclusions and recommendations report. In 26th DASC, pp. 1–14. ,4.B.6, IEEE, Oct 2007.
[2] EUROCONTROL. L-DACS1 System Deﬁnition Proposal. Deliverable D2, EUROCONTROL, 2009.
[3] EUROCONTROL. L-DACS2 System Deﬁnition Proposal. Deliverable D2, EUROCONTROL, 2009.
[4] ECC. Compatibility between UMTS and existing and planned aeronautical systems above
960 MHz, Nov. 2010.

４．まとめ
4. まとめL バンドにおける高速データリンクとして提案されている L-DACS について、電波干渉の影－ 28 －