同期技術が作る通信の未来像

公立諏訪東京理科大学

地域連携研究開発機構
特任教授 小林 誠司
2022年8月23日
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発表内容（１）技術背景説明 （同期技術について）（２）本件技術説明（３）将来可能性について（考察）

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発表内容
（１）技術背景説明 （同期技術について）（２）本件技術説明（３）将来可能性について（考察）3同期技術とは？
同期技術：装置A と 装置B でタイミングを合致させる技術。
通信路
装置A

装置B
同期

同期のバリエーション
フレーム同期：
シンボル同期：
キャリア同期：

ミリ秒の精度で合わせる。
マイクロ秒の精度。
ナノ秒よりも高精度

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同期技術の重要性
通信システム（誤り訂正など）の設計の前提 ＝ 同期は完全である（送受信でタイミングが完全に合致している）
システム設計で使われる SNRー誤り率 特性の例 （同期が完璧であることを前提に計算されている）
1.0
10-1

FSK

誤り率

10-2
10-3

DPSK

10-410-5

BPSK

10-6
10-7246810 1214SNR (Eb / N0) (dB)

現実のシステムでは、同期が乱されることにより通信性能が劣化する。
「同期」の精度と安定性が、実際の通信性能を大きく左右する。
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同期が難しくなる例 ： 低SNRの場合
高SNRの無線通信

低SNRの無線通信
GPS, LPWA（ELTRES, LoRa,Sigfox）等

アイパターンが開く

アイパターンが雑音に埋もれる

受信信号（イメージ）

受信信号（イメージ）

ー同期がとれるー
アイパターン → エッジ抽出 → PLL作動 →Vicious circle

低SNR対策
信号処理

同期が取れないからSNR向上の信号処理が作動しない

SNR向上の信号処理が作動しないから同期が取れない

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同期に対する期待と技術要求全ての期待に応えるのは難しい

期待１：長距離通信→ 低ＳＮＲで同期が取れること
期待２：都市部での通信 → 混信に強いこと
期待３： 電池で長時間動作→ 低消費電力であること
期待４：移動体通信→ フェーディングで同期が乱されないこと7従来例（その１）
モノキャリア(単一周波数）を使ってフレーム同期
プリアンブル

モノキャリア

フレーム
シンク

データ

FFT

sin (2π f0 t)

ピーク
検出δ ( f - f0)
f0

周波数 f

メリット： 低SNRで動作、回路が簡単で低消費電力
デメリット：混信に弱い、時間方向の検出精度が無い。
※モノキャリアだけではキャリア同期が実現できない。
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従来例（その２）
チャープ信号を使ってフレーム同期
プリアンブル
チャープ信号

フレーム
シンク

データ

位相回転

FFT

ピーク
検出

sin {2π ( f0 +β t ) t}

メリット： 低SNRで動作、回路が簡単で低消費電力、混信に強いデメリット：時間と周波数のどちらか一方しか検出できない。
※チャープ信号だけではキャリア同期が実現できない。
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発表内容（１）技術背景説明 （同期技術について）（２）本件技術説明（３）将来可能性について（考察）10新技術（クロスキャリアを使った同期）の特徴〇 クロスキャリアをフレーム同期に使う〇 クロスキャリアをシンボル同期に使う〇 クロスキャリアをキャリア同期に使う〇 クロスキャリアをフェーディング対策※に使う※本プレゼンの対象外

11新技術の特徴・従来技術との比較〇 スペクトルが広がり、混信に強い。
〇 部分的な信号からフレーム同期が実現できる。
〇 低消費電力でキャリア同期が実現できる→高効率なアルゴリズム(FFT)がベース〇位相変動を抽出し、補正できる。
→ フェーディング対策が可能
12新技術（クロスキャリア※）※アップチャープとダウンチャープの組み合わせ
イメージ
フレーム

周波数

クロスキャリア+αf0・・・-α

時間

数式表現
クロスキャリア ＝ej 2π (α - β t) t
ダウンチャープ+

ej 2π (-α + β t) t
アップチャープ＝ 2 cos {2π (α - β t ) t}
（注）クロスキャリアは複素信号ではない

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新技術のコンセプト
時間分割するのではなく、クロスキャリアをフレーム内に均一に重畳する。

＝

無線電波
周波数

データ信号

Ｉ軸

(例えばBPSK)

フレーム

データ変調f0・・・＋
周波数

クロスキャリア Ｑ軸
同期信号+αf0・・・-α
時間

14新技術の実験結果

15実験フォーマット
Device ID
64bits(1) Payload block

なりすまし防止ELTRESの2倍規格（EUI-64)対応

ポイント：Pre-ambleやSyncを完全に排除

Payload256bit

誤り検出Auth.
32bits

CRC32bits

Rate ½ Convolutional Code

(2) FEC block

FEC block 768 bits (=384x2)

60 repetitions (46080bits, 0.4608sec)
FEC block 0768 bits

(3) Repeated block

FEC block 1768 bits

FEC block 58
768 bits…

19.6ms

FEC block 59768 bits

0.4608s

Gap
1960bits

19.6msGap
1960bits

Repeated FEC block (60) 46080 bits

Scramble (whitening) by Gold code

(4) PPDU

0.5s

PPDU (50000 bits)

Modulation (BPSK)BPSK (50000symbols)

I軸(5) Frame

クロスキャリア（同期信号はこれだけ）

Q軸

0.5s

(6) TX signal

Frame 00.5s
休止

Frame…1

休止

Frame…2…

Frame 9…

休止

Frame 0…

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リンクバジェット

送信電力2W

受信アンテナミスマッチ

リンクバジェット135dB＝(-理論感度 + 23dBm - 22dBi )Bw=100kHz

60回繰り返し

FEC

NF

理論感度 -133dBm ＝ -174dBm + 50dB -17.8dB + 0.5dB + 8dB

畳み込み符号（Rate 1/2）性能
1.00E+00
1.00E-01
1.00E-02
1.00E-03
1.00E-04
1.00E-05
1.00E-06-5-3-1

Eb/N0 (dB)135BPSK (2次元Noise）

要求SNR: 0.5dB (=3.5dB – 3.02dB)

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実験信号の様子

I軸： BPSK信号 100kbps 擬似ランダム（50kbpts)
Q軸： クロスキャリア -40kHz ～ 40KHzへのチャープ信号（チャープレート160kHz/s)

18出力スペクトル

Resolution 1kHz

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SDRで構築した実験装置
電波法未取得のため、同軸ケーブルで送受信機を接続して実験中。

受信機（SDR)

送信機（SDR)

送信ブロック

受診ブロックBPSK変調器
DATA
1011..

Mapper1→ +1/0→ -1

クロスキャリア発振器

Cos {2π (−𝛼𝛼 + 𝛽𝛽𝛽𝛽)t }

AMP
LPF

(SR)

I
Q

Mix

LO

(920MHz)ANT実験結果
クロスキャリアだけでフレーム同期、シンボル同期、キャリア同期が綺麗にかかる。
IQコンスタレーションの回転がピタリと止まることを確認※30年以上、低SNR信号の信号処理に携わってきた経験を基にした感想：→ クロスキャリアはシンプルな構成で綺麗に同期が掛かる方法。
未来の通信方式の姿が垣間見えている。

発表内容（１）技術背景説明 （同期技術について）（２）本件技術説明（３）将来可能性について（考察）22想定される用途〇 ６G以降の無線通信システム〇 災害対応のため、携帯電話（4G, 5G)とは独立した無線通信システム〇 フェーディング特性を活かして、ドローンなどの高速移動体への通信システム〇 同期信号検出が低消費電力できることを活かして、次世代LPWA通信システム
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実用化に向けた課題〇 アプリケーションを特定してシステム構築。
（特にMAC層の検討は未着手）〇 標準規格に盛り込むことが必要。
〇 電波法対応

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企業への期待〇 事業化へ向けて検討する企業を探しています。

GNSSによる高精度基線長測位

オマケ
GNSS搬送波位相測位の新版技術もあります。

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本技術に関する知的財産権• 発明の名称：無線送信方法• 出願番号 ：特願2020-552929(PCT/JP2020/021504)• 登録番号 ：特許第6821231号• 出願人：公立諏訪東京理科大学
• 発明者
：小林誠司
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）令和２年度、茅野市、「ＩｏＴ通信技術を活用した課題解決型新技術・新製品等研究開発及び人材育成推進委託業務」委託事業、産業技術力強化法第１７条の適用を受ける特許出願26

本技術に関する知的財産権• 発明の名称：無線送信方法• 出願番号 ：特願2020-214452※ 特願2020-552929の分割• 公開番号 ：特開2021-190987• 出願人：公立諏訪東京理科大学
• 発明者
：小林誠司
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）令和２年度、茅野市、「ＩｏＴ通信技術を活用した課題解決型新技術・新製品等研究開発及び人材育成推進委託業務」委託事業、産業技術力強化法第１７条の適用を受ける特許出願27

本技術に関する知的財産権• 発明の名称：無線送信方法、無線送信装置、無線受信方法、無線受信装置及び無線通信方法• 出願番号 ：特願2021-174202• 出願人：公立諏訪東京理科大学• 発明者：小林誠司【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）令和２年度、茅野市、「ＩｏＴ通信技術を活用した課題解決型新技術・新製品等研究開発及び人材育成推進委託業務」委託事業、産業技術力強化法第１７条の適用を受ける特許出願28

お問い合わせ先
公立諏訪東京理科大学
産学連携センター
ＴＥＬ 0266-73-1201
ＦＡＸ 0266-73-1230
e-mail sangaku@admin.sus.ac.jp
Web.
https://www.sus.ac.jp
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