電気通信大学

URSI-JRSM 2015
(Sept. 03, 2015)

On Physical Limitof Wireless Data Transmission
from Radiowave Propagation Viewpoint
電波伝搬的視点からの無線情報伝送の物理限界

Yoshio Karasawa
Univ. Electro-Communications (UEC Tokyo)
Advanced Wireless and Communication Research Center (AWCC)

電気通信大学

講演内容 Contents of Presentation
・ 電波伝搬とシステム （移動体通信を対象とした）
Wave Propagation and Systems
・ 情報伝送の物理限界とは？
On Physical Limit of Radio Transmission
・ 伝送劣化の電波伝搬的要因
Propagation Degradation Factors
・ OFDMは電波伝搬を克服したか？
Does OFDM overcome the propagation issues?
1

電気通信大学

Commission F : Wave Propagation and Remote Sensing
電波伝搬の研究の変遷
Past and present of radiowave propagation research
衛星通信・無線通信： Satellite communication, Radio-relay system,
Radio Science (Atmosphere, Rain, Terrain, Ocean waves, ・・・＋ Radio Engineering (Attenuation, Scattering, Diffraction, ・・・)

広帯域ディジタル移動通信： Wideband Mobile Wireless System

S

Antennas (A)・Propagation (P)・System (S)
A・P・S 三位一体 Trinity

A

P

Adaptive arrayCDMA
OFDM, OFDMAMIMO
2

電気通信大学

ワイヤレス情報伝送の物理限界
On Physical Limit of Wireless Data Transmission「伝搬はシステムを制す」
Radiowave propagation controls communication systems.
「無線システムの進化の歴史は伝搬問題との戦いの歴史」
History of evolution of a radio system ishistory of overcoming propagation problems.
「でも、戦える土俵の中での戦いであるでは、戦えない土俵とは？」
They're only fighting in the sumo ring where it's possible to fight.
3電気通信大学

Shannon’s Channel Capacity Theorem

シャノンの通信路容量定理：
それはまさに、情報伝送の物理限界を与えている PS C  W log 2 1  PN (bps)C (bps): Upper limit of transmittable bit rate
without transmission errors
W (Hz): Signal bandwidth
PS: Average signal power
PN: Average noise power4電気通信大学

Shannon’s channel capacity theorem
is giving the physical limit of the digital transmission.
シャノンの通信路容量定理は情報伝送の物理限界を定める
For this theorem to be satisfied, infinite time is needed
for coding and signal processing.
(in order to utilize statistical multiplexing effect)

この式が満たされるためには無限の符号化時間や信号処理時間が必要（統計多重効果の積極活用）
すなわち、時間的変動がない環境（ Time-invariant environment）を想定
しかし、ワイヤレス通信では時間的変動は常に存在する。
故に、実際には物理限界はさらに狭まる

In the case of mobile radio systems, temporal variations of EM field
always exists. The physical limit becomes narrower.
By what is that decided?

それは、何によって決まるか？

5電気通信大学

物理限界劇場への３人の登場人物
3 main characters in the today’s discussion
From the system side・Symbol period Ts

From the propagation side・Doppler spread sf
・Delay spread

st6

電気通信大学

Occurrence of bit errors due to multipath delay spread
遅延広がりによる伝送誤りの発生

7電気通信大学

符号間干渉による誤り発生のメカニズムt  0.2Ts

32

20-1

10-1-2-2-3-3
0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

Time scale normalized by symbol period

1.8

The eye patternis distorted andsample timing ismoved.

  31

a1  a2  1

tRelative amplitude

Relative amplitudea2
Sample timing isjust in the centerof each symbol  0Parameter value
setting+

a1

2.0

○0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

1.8

2.0×8

Time scale normalized by symbol period

電気通信大学

BER floor characteristics
in a two-wave model
２波モデルにおける誤りの発生エリア
<a1

a2

t

9

電気通信大学

広帯域伝搬環境の表現：
インパルス応答・遅延プロファイル・遅延スプレッド【Statistical expression】
Delay profile
Delay spread：st【Instantaneous expression】
Impulse response

2s t

電力平均10電気通信大学

BER in multipath-rich environment
遅延広がりによるBERフロアの発生

Irreducible BER
due to ISI

正規化遅延スプレッド
st/Tsの値が１に近づくほどフロア値が大きくなる
11電気通信大学Is this the essential condition for realizing error-free transmission
in multipath environment with delay spread?
以下の式が、良好な通信を実現するための究極的な条件か？

s t / Ts  1
The answer is“No”, because

遅延広がりより、十分長い時間をかけた処理によって克服できる
It is possible to overcome this problem
by using sufficiently long time in signal processing.
・ Equalizer （using sufficiently long signal processing timeat the receiver site. 受信側で、信号処理時間を十分長くする仕組み）
・OFDM （which lengthens the symbol period effectively at the transmission site. 送信側で、シンボル長を実効的に長くする仕組み）
12電気通信大学

Occurrence of bit errors due to Doppler frequency spread
ドップラー広がりによる伝送誤りの発生

13電気通信大学とドップラースペクトルN o. 3
Fast fading environment:
高速フェージング環境【到来角度一様の場合のドップラースペクトル】【Angular power profile】

PRS(f) =電力密度

 f 2D – f 2v

fD  v / Maximum Doppler
frequency： fD

-fDf D0(f=fc)

f+ fD
D

14

電気通信大学

情報伝送がうまくゆくための条件： ドップラー広がりに対してError-free condition due to Doppler spread
シンボル周期 Ts

Phase shift 
位相のふらつき  2Qf D Ts 1Condition for notoccurring irreducible
errors
高速フェージングでの良好通信条件

IDuring eachsymbol period,propagation
condition must bestable
シンボル時間の中では、シンボル点は、時間変動を受けず、じっとしていてほしい
15電気通信大学

高速フェージング環境を規定する本質的パラメータ： sf
Angular profile

到来角度プロファイル

Doppler spectrum

fm

2s f
( )

P( f )
frequencyv
Doppler spread

ドップラースプレッド

 fD

sf fD

1 fD
2
f
f

P( f ) dfm

f
PR D

Pe, DBPSK   s f Ts 

2

Irreducible BER
due to Doppler spreadPe, DQPSK  2 s f Ts 

最大ドップラー周
波数 fD より、ドップラースプレッド
sf の方が本質的なパラメータ216

電気通信大学

高速フェージング環境におけるBERのフロア値
BER floor due to fast fading
10-1

BER Floor

10-2

Simulated values
DQPSK ①DQPSK ②DBPSK ①DBPSK ②

10-3

10-4

BERのフロア値は、ドップラースペクトルの形状依存性が小さく、正規化ドップラースプレッド sfTs の値で定まる

①fD

 fD

DQPSK

②-5

10

10-6
0.0001

DBPSK

0.001

00.01

Normalized Doppler spreads f TsfD

正規化ドップラー
スプレッド sf Ts の値が１に近づくほどフロア値が大きくな0.1 る
17電気通信大学

For realizing error-free communication,
Is the following condition truly necessary?
以下の式が、高速フェージング下において良好な通信を実現するための究極的な条件か？

s f Ts  1
The answer is“No”.

例えば、シンボル周期を短くして伝送することで乗り越えられる
For example, shorter symbol transmission
such as spectrum spreading（広帯域化、スペクトル拡散など）
18電気通信大学

Error-free condition against delay spreads t / Ts  1
However, this condition can be overcome
if the following condition is maintained.

上記の条件はいくらでも緩和できるが、ただし、以下の条件が必要

s f Ts 1（時間をかけて処理するので、その間、環境に時間的変化があっては困る）

Error-free condition against Doppler spreads f Ts 1
However, this condition can be overcome
if the following condition is maintained.

上記の条件はいくらでも緩和できるが、ただし、以下の条件が必要

s t / Ts  1

（広帯域化して処理するので、その間、環境に周波数歪があっては困る） 19

電気通信大学

Summary
遅延のばらつきによる符号間干渉誤りが発生しない条件

s t / Ts  1
ドップラーシフトの値のばらつき（位相変化のばらつき）による誤りが発生しない条件

s f Ts 1
これらは何も対策をしないとこういうことになる、という意味で、まだ、限界ではない。二つを一つの式で結ぶと、

1s t  Ts 
sf
真の物理限界は、電波伝搬環境のみで決まり左右の式をつないで得られる究極の通信可能条件？？

s f s t  120

電気通信大学

情報伝送の電波伝搬特性依存性

s t / Ts 1満足

不満足

s f Ts 1
満足

未対策で情報伝送可

周波数選択性フェージング
符号間干渉誤り発生対策：等化器、OFDM（信号の狭帯域化）s f st 1 不満足領域
不満足ファーストフェージング
位相変動誤り発生対策：スペクトル拡散等（信号の広帯域化？）（良好な通信不能？
対策：お手上げ？
指向性アンテナ・
空間信号処理（MIMO）など、別次元からのアプローチは可）21電気通信大学s f s t  0.0001 ~ 0.001（border area：良好通信の可否の境界エリア）

Doppler spread sf (Hz)

104

0.1

1000

0.01
1000.001
0.000001

0.0001100.00001

10.01

0.1

110100

Delay spread st (ms)22

電気通信大学

Example of extremely severe multipath environment
ボーダーエリアに近い電波伝搬環境とは？

s f s t  0.001
for example

f= 10 GHz , v=100km/h
f= 5GHz, v=100km/h for V2V comm.
f= 2 GHz , v=500km/h

s f 1 kHz

s t  1μs
現実には、この辺りに限界があるのではないだろうか？
Is the limit here?

（インターネット画像より）

23

電気通信大学

OFDMは電波伝搬を克服したか？
Does OFDM overcome propagation issue?

24電気通信大学

Relation between propagation parameters and system ones
OFDMが良好に動作する伝搬環境条件
Delay spread

Necessary Condition for OFDM

Factor 1
Spreading ofdelay

1s t  TGI  TOFDM s sf

遅延TGI

TOFDM

GI

OFDM symbol

fading（time-varying）
less than (1/100)Tf

T f  1 / s f 

Factor 2
Doppler frequency
spreading25電気通信大学

OFDM伝送における伝搬制約条件（遅延広がりの壁とドップラー広がりの壁の狭間）

Normalized Doppler
spread ( 1/fD(v=30m/s))

Wall by delay spreadFrequency (Hz)Delay spread(1msec)

10G

1G

Assuming that vehicularmoves with 110km/h
speed in urban area
（無指向性アンテナを仮定）

Safetyzone
100M

1ms

1ms

Symbol period

1s

26電気通信大学

OFDM恐るべし

1s t  TOFDM  s f
NT0

B  1 / T0

N/BB
Bs t  N sfNB

If thiscondition issatisfied, then…

By controlling thevalue of N
appropriately, any
wideband signaltransmission without
limit can be done
帯域制限の壁がなくなっている
27

電気通信大学

OFDMは電波伝搬（マルチパスフェージング）を克服したか？
Did OFDM conquer wave the propagation problem?

Yes

Under the condition ofs f s t  1

any wideband signal transmission without
limit can be done

NoHowever, the physical limit condition itself

s f s t  1
cannot be overcome.

28

電気通信大学

Use of a directivity antenna
and/or use of array antenna
can ease the physical limitof the data transmission.

moveFor example
Multibeam reception
can reduece each
Doppler spread.

The physicallimit can beloosened.

sf sf /NArray antenna
Multi-beam former
29

電気通信大学

情報伝送の物理限界条件

Absolute condition for error-free data transmissions f s t  1

Error free transmission condition【System matter】

Propagation parameters
Antenna characteristics dependent
A・P・S 三位一体の研究が必要
Trinity research concerning A・P・S
この条件に縛られる問題は、ここでは議論しなかった別のところにも現れている
There is another case for appearing the same condition.

30

電気通信大学

双方向通信における伝送特性の可逆性（Reciprocity）問題

両リンクで同じ変動になるか？
 遅延広がりとドップラー広がりが共に存在するマルチパス環境では可逆性は成立しない
 近似的に成立するための条件
ft
31s s  1

電気通信大学

Thank you very much for your kind attention