電子航法研究所研究発表会（第2回 平成14年6月）

2. VHFディジタルリンク(VDL)モード2の通信評価実験
航空システム部※松下 征二 北折

1.はじめにVHFディジタルリンク(VDL)は､現行ACARS方式VHFデータリンク･システムに代わる次世代の空地通信システムとして､国際民間航空機関(ICAO)の航空移動通信パネル(AMCP)において検討が行なわれ､現在迄にモード2からモード4までの3種類の方式がSARPs(国際標準及び勧告方式)として承認されている｡
VDLモード2は､ビット指向型のデータ通信システムで､現行ACARSに比べ､高い伝送性能(伝送速度､誤り訂正能力)を有し､将来､航空通信ネットワーク(ATN)環境におけるサブネットワークの一つとしての運用が可能である｡また､現在､ ATNへの移行に向けた暫定措置として､ VDLモード2上でのACARS通信(AOA:ACARS Over AVLC)の利用が開始されつつある｡
当研究所では､平成7年度よりSARPsに準拠したVDLモード2実験システムを開発し､これまで通信性能の基礎的な評価 を行ってきた｡本文では､実験用航空機(B‑99)を用いて､電波伝搬特性及びデータ伝送特性(サブネットワーク層)の評価,さらにハンドオフ特性の評価を行ったので報告する｡
2. 実験システムの構成
図1にVDLモード2実験システムの構成を､表1に主要諸元を示す｡本システムは機上通信局(機上局) 1局､地上通信局(地上局) 2局､地上センター局(センター局) 1局によって構成される｡
本実験においては､機上局をB‑99に搭載し､地上局を調布本所及び岩沼分室に設置した(以下､調布本所に設置した地上局を調布局､岩沼分室に設置した地上局を岩沼局と呼ぶ) ｡センター局は岩沼分室に設置し､岩沼局とはLAN回線(10Mbps)で､調布局とはISDN回線(64Kbps)で接続した｡全局で通信データとGPS時刻を記録し､機上局ではGPS測位位置の記録も行った｡−5−

潤 加藤敏 津田 良雄
早稲田大学

機上通信局
（機上局）

図1 VDLモード2実験システム構成
表1

VDLモード2実験システム主要諸元

周波数
出力
変調方式
変調速度（伝送速度）
アクセス方式136.900MHz
15W
D8PSK
10.5kbaud(31.5kbps)

p‑persistentCSMA

3. 電波伝搬特性の評価
3. 1 概要
本評価では､運用の際に必要となる伝搬特性を把握するために､陸上及び洋上空域での飛行実験､飛行場における滑走路及び誘導路上の走行実験を行った｡
飛行中の航空機と地上局間の通信は､通常地上局のアンテナが山頂など見通しの良い場所に設置されるため､山岳や地球の湾曲によって伝搬路が遮蔽されるまで､概ね見通し内通信である｡
SARPsでは､機上局の受信感度は､ 20μV/m以上の電界強度で､前方向誤り訂正(FEC)後のビット誤り率(BER)が10 を満足することと規定され､地上局の送信電力は､覆域内の電界強度が75μV/m以上を満足する電力であることと規定されている(ただし､覆域内は自由空間伝搬路として規定)。従って実際の覆域端は､電界強度が20μV/m付近から75μV/m迄の範囲に存在すると考え

電子航法研究所研究発表会（第2回 平成14年6月）られる｡本評価ではFEC後BERが10 以下を満足する空域を覆域と見なし､特に覆域端周辺空域の伝搬特性について重点的に調査を行った｡また､地上局アンテナ直上(オーバーサイト) ､飛行場内(滑走路､誘導路､エプロン)において､ビット誤り､メッセージ誤りの発生状況の調査を行った｡
3, 2 評価方法
本評価は､機上局受信機としてBER計測用に開発したVDL評価用受信機を用いて実施した｡
岩沼局より一定間隔で送信した固定長のデータを機上局で受信し､受信レベル､位相誤差､ BER (FEC前後) ､メッセージ誤り率(MER)を測定した｡
受信レベルは受信機入力端における受信レベルを､位相誤差は検波時の位相偏差を､それぞれシンボル単位で記録した。BERを算出するために、,予め送受信側で同一の固定データを持ち、受信側では､受け取ったデータとビットを比較することによってバースト単位のビット誤りを記録した｡
送信データフォーマットは、VDLモード2で定められたフォーマット及びエラー訂正用のリードソロモン(255,249)符号を使用した｡また､本評価においては､ユーザーデー
タ部分の全メッセージ長は238byteであり､このうち先頭9byte及び終端3byteのデータは毎回変化するアドレスデータ(ADD)とフレームチェック用データ(FCS) ､また､6byteはエラー訂正データ(FEC)として使用されるため､ BERの算出可能な固定デー
タは220byteとなる｡データ構成を図2に示す｡
TRA D D(9 )D AT A(2 2 0 )
図 2

FC S
(3 )

評価用受信機にクリスタルフィルタ(4dBロス)を挿入した｡
本評価に関連する諸元(物理層)を表2に､飛行したコースを表3に示す｡
表2アンテナ
アンテナ利得地上局アンテナ高(m)
機上局アンテナ高(m)
受信感度

表3

飛行コース

飛行コース･高度(feet)
飛行1 仙台⇔R100 10,000飛行2 仙台⇔三沢
往路15,000、復路10,000
飛行3 仙台⇔大宮 18,000
飛行4 オーバーサイト
9,000・6,000・3,000

3．3 結果3．3．1 飛行実験
飛行実験の航跡と電波的見通しの範囲を図3に示す。

FE C(6 )図3 航跡と電波的見通し

デ ー タ構 成

固定データ送信レートは4Hz､送信はアップリンクのみ実施し､機上局のアンテナは､地上走行試験を除き､機体下面のアンテナを使用した｡なお､飛行実験においては､アナログ無線通信の干渉を軽減するため､ VDL

諸元(物理層)地上:1.75
機上:上面1.2,下面1.0
単一型(V)地上λ/2,機上λ/4
送信:2.15dBi,受信:0dBi
海抜高:54 地上高:21
地上高:上面3.0,下面1.2‑103dBm(BER (FEC前) =10 )ケーブルロス(dB)

仙台空港から100度方向(磁方位)の洋上を､高度10,000feetで飛行した時(飛行1往路)の実験結果を図4に示す｡横軸に岩沼局からの斜距離､縦軸にバースト内平均受信レベル､ BER (FEC前後)を示す。BERは10NMの区間毎にデータを平均化した。40〜
60NM区間の受信レベルの急激な落ち込みは､−6−電子航法研究所研究発表会（第2回 平成14年6月）

アナログ無線通信による干渉の影響である｡
図よりBER (FEC後)が10 を満足する距
離は100〜110NM区間までであることがわかる｡これは､高度10,000feetにおける電波的見通し距離133.6NMの82.3% (110NM)に相当する｡飛行2､3において､陸上における飛行実験を行った｡伝搬路が山岳等によって遮蔽されるため､電波的見通しは飛行1の場合より狭くなる｡山岳による遮蔽の電波的見通し距離は､飛行2の往路(15,000feet)が144NM､復路(lO,OOOfeet)が118NM､飛行3が123NMであると計算されるが､実験の結果､飛行2の往路が120NM (83%) ､復路が100NM (84.7%) ､飛行3が120NM (96%)であった｡飛行2は比較的低い丘陵による遮蔽であったため､飛行1と同様の結果となったものと考えられ､飛行3については､比較的急峻な山頂による遮蔽のため､電波的見通し限界付近までの通信が可能となったものと考えられる｡

図4値））を考慮すると、十分な値であり運用上問題はないと考えられる。

100110120130140

Distance (NM)図5

ジグザグ飛行によるBER特性
R100→仙台 (10,000feet)

飛行4でアンテナ直上(オーバーサイト)付近の飛行を行った｡アンテナ直上付近では､送受信アンテナの垂直方向の指向性により､パターンロスが発生する恐れがある｡岩沼局の上空(飛行4)においてメッセージ誤り(FEC後ビット誤り)を測定した｡

受信電力及びBER特性

仙台→R100 (10,000feet)

図6

飛行1･復路において､ 5NM間隔のジグザグ飛行を行い､覆域端周辺のBERを測定した｡図5に示すとおりBER (FEC後)が10 以下となる受信レベルは‑90dBm (31μV/m)以上であることがわかった｡この電界強度は､ ICAO SARPsにおける機上局の受信感度の規定(20μV/m)を若干上回る値である｡原因はフェージングや翼による遮蔽が考えられるが､ SARPsの地上局送信電力の規定(覆域内で75μV/m以上(自由空間オーバーサイト

図6に結果を示す｡上側の図は水平面から見た航跡を表す｡軸の目盛りは距離(NM)を示し､中心が岩沼局である｡下側の図は垂直方向の航跡を表し､横軸は東西方向の距離(NM) ,縦軸は高度(feet)を示す｡高度
9,000feetにおけるメッセージ誤りが半径1NMの範囲(仰角およそ56度以上)で多発していることがわかる｡なお､高度6,000feetの東側4NM付近のメッセージ誤りは､地面反射によるレベルの低下により発生したと考−7−

電子航法研究所研究発表会(第2回 平成14年6月)えられる｡
3. 3. 2 地上走行実験
仙台空港において､滑走路及び誘導路上の走行実験を行った｡ 1周毎に使用する機上局アンテナの位置を切り換え､ビット誤りの発生状況を測定した｡図7に機体上面アンテナ使用時､図8に機体下面アンテナ使用時の結果を示す｡機体下面アンテナ使用時にメッセージ誤りが多発している｡機体上面アンテナ使用時にもビット誤りは発生しているが､FECによる訂正が可能であった｡

図7 機体上面アンテナ使用時ドオフ､の機能を有する｡
本評価では､飛行実験により､実空間におけるVDLモード2サブネットワーク層の伝送特性を評価した｡
4. 2 評価方法
VDLモード2実験システムは､サブネットワーク層に対し､任意長のデータを任意の間隔で発生させるシナリオ機能を有している｡
本評価では､ 212, 412, 612, 812, 1012b
yteのデータを順に発生させ通信を行った｡
データの発生間隔は2秒とした｡また､地上局情報フレーム(GSIF)の送信間隔は100秒とした｡
観測データとしては､各局において通過時刻､再送回数､エラーの有無等を記録した｡
また､フレーム単位で受信レベル､位相誤差､ビットエラー､再送回数を記録した｡これらのデータを実験終了後に解析し評価を行った｡
本評価における飛行コースは､仙台⇔大宮間の航空路とし､仙台空港より30NM以遠
では高度18000feetのレベル飛行を行った｡
これは､ 3.の伝搬特性の評価で飛行した飛行3のコースと同じである｡本飛行では5.のハンドオフ特性の評価も同時に行い､合計7往復飛行した｡
表4にサブネットワーク層における基本設定を示す｡

図8 機体下面アンテナ使用時
データ伝送特性(サブネットワーク層)の評価
4. 1 概要表4

4.

VDLモード2サブネットワーク層は､ OSI参照モデルの第3層(ネットワーク層)の最下位に位置する｡サブネットワーク層プロトコルは､サブネットワーク･アクセス･プロトコル(SNAcP)と呼ばれ､割り込み(INTERRUPT)と受信不可(RNR)を除くISO8
208に準拠したパケット･レベル･プロトコルである。SNAcPは､コネクション型の空地パケット転送サービスを提供し､ (1)コネクションの確立と開放､ (2)パケット分割と再組み立て､ (3)誤り回復制御､ (4)コネクシ
ョン･フロー制御､ (5)コネクション･ハン

サブネットワーク層基本設定パケットサイズ
送信ウィンドウサイズ
確認ウィンドウサイズ

1024byte

7パケット
4パケット

4. 3 結果
図9は､データ長対伝送遅延時間(アップリンク)のグラフである｡今回使用した全てのデータ長において､伝送遅延時間(95%値)は2秒以内であったが､最大値は20秒近くであった｡
図10はアップリンクにおける受信レベルと平均遅延時間を示したものである｡受信レベルは､機上局の受信機入力レベルである｡
受信したデータ毎に受信レベルを記録し､ 5dB間隔でデータの遅延時間を集計し､平均を算出した｡図から受信レベルが‑90dBmを下回ると遅延が増加することがわかる｡‑8‑電子航法研究所研究発表会(第2回 平成14年6月)

過した場合､ (4)チャネルがビジー状態となった場合､である｡
機上局は､地上局とのリンクが確立すると､リンクを確立した地上局及び､受信可能な他の地上局について､ VHF受信信号品質を監視する｡ハンドオフ実施時､機上局は､リンク可能な品質をもった地上局の中から､次にリンクを確立する地上局を選択する。VHF
信号品質は､信号品質パラメータ(SQP)として1〜15の値に正規化され､ 0〜3が劣悪(poor) ､ 4〜12が適当(adequate) ､ 13〜15が良好(excellent)である｡正規化の方法についての具体的な規定はないが､ BER､SNR､タイミング･ジッタ､受信信号レベル､群遅延等に基づいた正規化が考えられる｡
本評価では､ハンドオフの方法として最も汎用的と考えられる上記(1)のSQPハンドオ
フの検証を行った｡‑50‑55‑60‑65‑70‑75‑80‑85‑90‑95‑100

受信レベル[dBm]

図10

5. 2 評価方法
本評価は､ 4.伝送特性の評価と同時に行った｡
VDLモード2実験システムは､受信レベ
ル及び位相誤差を用いたSQPの正規化が可能であるが､今回は受信レベルによる標準化を行った｡正規化の基準をまとめたものが､表5のSQPテーブルである｡

受信レベル対平均遅延時間(アップリンク)

5. ハンドオフ特性の評価
5. 1 概要
航空機が異なる覆域間を跨って飛行する場合や､山岳等による伝搬路の遮蔽によって､空地間のリンクの維持が困難な場合､ VDL
モード2の機上及び地上通信局は､現在のリンクを切断して新たな通信局とリンクの確立を行うために､ハンドオフを実施する｡
機上局が､ハンドオフを実施する条件は､(1)現行リンクのVHF信号品質が劣悪で､別の地上局の信号品質がかなり良好である場合(SQPハンドオフ) ､ (2)現行の地上局に対して送信されたあるフレームの試行回数が規定数を超過した場合､ (3)現行リンクに対して､最後に受信してから一定以上の時間が経

表5

SQPテーブル

SQPテーブルは､上述の評価結果を参考に､受信レベルが‑90dBm程度でハンドオフを実施するよう作成した。SQPは､地上局からの受信レベルとSQPテーブルにより､受信フレーム単位で決定される｡ハンドオフ‑9‑電子航法研究所研究発表会(第2回 平成14年6月)

実施の判定は､地上局信号のSQPに基づいて行うが､受信フレーム毎に判定を行うと､短区間における受信レベルの変動によってハンドオフが頻発する恐れがある｡従って本システムでは､さらにスライディングウインドウ方式による処理を行った｡本方式は､地上通信局から受信した信号毎にSQPを決定し､一定期間遡った複数のSQPのうち規定値以上(以下)のSQPの個数によって地上局信号の優劣を判断する方式である｡機上局は､この結果に基づいてハンドオフ実施の判定を行う｡
本検証では､最新5個のSQPのうち､規定値13 (3)以上(以下)の値が3個以上の場合､地上局は良好(劣悪)であると判断するよう設定した｡

5. 3 結果
図11に岩沼局からの斜距離と受信レベル及び､区間毎の平均遅延時間を示す｡平均遅延時間は岩沼局からの斜距離を5NM毎に区切り算出した｡図より110NM付近で岩沼局から調布局へハンドオフが実施され､遅延は生じていないことがわかる｡

図11の航空機と地上局間の通信もSQP決定の対象となるため､さらに早い段階でハンドオフが実施されると考えられる｡
6.まとめ
実験用航空機を使用してVDLモード2の総合評価試験を行った｡実空間において､電波伝搬特性及びデータ伝送特性の結果を得た｡
電波伝搬特性の評価において､ FEC後BERが10 以下を満足する受信機入力レベルは‑90dBm(31μV/m)以上であり､覆域端までの距離は電波的見通しの82%以上であった｡また､アンテナ直上付近では､メッセージ誤りが多発することが確認された｡安定した通信を行なうためには､従来の対空無線用アンテナと同様に､航空路直下には設置しないことが望ましいと考えられる｡
地上走行実験では､機体下面のアンテナは地面からの反射や翼による伝搬路の遮断により､上面のアンテナよりメッセージ誤りが多発することがわかった｡
データ伝送特性の評価では､比較的伝送負荷の少ない条件において､伝送遅延(95%値)は2秒以内､最大値は20秒以内であった｡なお､本飛行実験に引き続いて､より伝送負荷が大きい条件での伝送遅延に関する室内実験を行っている｡
ハンドオフ特性の評価では､ SQPハンドオフの検証を行った｡ハンドオフは正常に実施され､ハンドオフに要した時間は2.3秒であった｡
参考文献(1)中島､菅沼､上野､大森:"VHFディジタ
ルリンク実験システムの試作",運輸省電子航法研究所第29回研究発表会,平成9年

仙台→大宮(18000feet)

解析の結果､機上局がハンドオフのコマンドを調布局へ送出してからリンクが確立するまでに要した時間は2.3秒であった｡また､岩沼局のSQPがハンドオフの条件を満たした後､ 2分21秒遅れて調布局が条件を満たし､ハンドオフが実施されたことがわかった｡
ハンドオフ直前の岩沼局の受信レベルは‑95dBmであった｡本検証では､ハンドオフ先の地上局の信号は100秒に1回だけ送出されるGSIFしかない｡実際の運用においては､他

6月(2)中島､藤森､上野､菅沼､大森:"VHF
ディジタルリンクによる通信評価実験",
運輸省電子航法研究所第31回研究発表会,
平成11年6月‑10‑