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第2部

選択性フェージング対策による高速化技術編
第6章 ビット・レート高速化技術の全体像，スペクトル拡散方式の基本アイデアと動作

スペクトル拡散の技術
神谷 幸宏
Yukihiro Kamiya

フェージングという現象を把握できたところで，いよいよそれを克服して高速通信を行う諸技術について説明していきます．少々説明が長くなる技術もありますが，全体像の把握から細部に至るまで，整理して記述しました．

6.1 ビット・レートを高速化する技術の全体像
前章では第 1.2.1 節で少し触れただけだったフェー
ジングという現象の中身，つまりメカニズムを理解できたことと思います．フラット・フェージングにより電力減衰が生じ，選択性フェージングにより波形ひずみが生じます．これらは独立した現象としてどちらか片方だけが生じるのではなく，とくに高速無線通信では同時に発生します．つまり，電力減衰しながら波形ひずみが生じた信号がアンテナで受信されることになります．現象としては渾然一体となって生じるのですが，この問題に対処する技術を考えるため，これらをあえて電力減衰と波形ひずみに分離して認識しているのです．
ビット・レートを高速化するための技術の実体は，こうしたフェージングの影響をなくすか軽減し，受信信号の SN 比を高めることにほかなりません．近年注
目されているディジタル無線通信技術は，フェージン
グ対策を目的として考えられているものがほとんどです．というわけで，これから選択性フェージング対策技
術とフラット・フェージング対策技術に分けて，それ表 6.1

説明するフェージング対策技術の順番と分類①選択性フェージング
対策技術②フラット・フェージング
対策技術

（1）
スペクトル拡散方式（1）
アンテナ信号処理Ⅱ（第9章）（第 6 章）（ア）
空間ダイバーシティ（2）
OFDM（第 7 章）
（イ）
MIMO
（3）
アンテナ信号処理Ⅰ（第8章）（2）
レイク合成（第 10 章）
（ア）ディジタル・ビーム・フォーミング（イ）アダプティブ・アレー・
アンテナ

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ぞれ重要技術を説明していきます．具体的な技術との関係を表 6.1 に示します．これまで順番として，フラット・フェージング→選択性フェージング，という順
番でフェージングという現象を説明してきました．しかし，それらに対処する技術を説明するにあたって反対に，選択性フェージング対策技術→フラット・フェージング対策技術，という順番で説明しています．この順番の方が要領よく説明できるからです．たとえばrake
レイク合成を説明するためには，その前にスペクトル拡散方式を説明しなくてはなりません．
また選択性フェージング対策およびフラット・フェージング対策となる技術をまとめて説明すると，かなりの量となってしまいます．このため，これらの説明をそれぞれ第 6 〜 8 章と第 9 〜 10 章に分けることにします．
それでは，なにはともあれ順番に理解していきましょう．

6.2 選択性フェージングに対処する技術
選択性フェージングに対拠する技術として，まずスペクトル拡散方式（第 6 章）と OFDM（第 7 章）について説明します．これらは一見とても複雑な信号処理を行っていて難しいように見えます．しかし，選択性フェージングのメカニズムを理解していれば，実はそのアイデアは決して難しいものではありません．むしろ素直でシンプルです．
ま た 興 味 深 い こ と に， ス ペ ク ト ル 拡 散 方 式 とOFDM は選択性フェージング対策という同じ目標に対して，まったく逆のことを行っていると見ることができるのです．そのような関係性を明らかにしながら，説明していきます．
それらに加えて，ディジタル・ビーム・フォーミン
グとアダプティブ・アレー・アンテナというアンテナ信号処理技術についても説明します．これらはスペク
トル拡散方式や OFDM とはまったく異なる技術で，複数の受信アンテナを使って得られる複数の受信信号に信号処理を施すことによって，選択性フェージング

No.31

特集

MATLAB Home で理解する 5G への道対策を行おうとするものです．

うするとそんなことができるのか，基本アイデアからそれでは以下，順番に説明していきます．

説明します．

6.3 スペクトル拡散方式の考案背景とディジタル移動体通信

6.4 スペクトル拡散方式の基本アイデア

スペクトル拡散方式は，もともと軍事技術として1940 年代ごろから研究されていた（29）ようです．軍事技術として重視されたのは，フェージング対策というよりも「秘匿性」というスペクトル拡散方式独特の性質です．後で詳しく説明しますが，スペクトル拡散方式では送信機で「拡散系列」というランダムな数列を使います．受信機は，送信機が使ったのと同じ拡散系列を使わないと，信号を検出してデータを得ることができないのです．つまり拡散系列をまるで暗号を解く鍵のように使うわけです．したがって，敵に拡散系列を隠しておければ，データを読まれないことになります．
また，単にデータを第三者に読まれないだけでなく，拡散系列を知らない受信機やスペクトル拡散方式以外の受信機では，その電波が送信されたという事実さえ気づくことができないのです．たとえ通信内容が敵に読まれなくても，電波が出ていることに気づかれると居場所を見つけられてしまったり，通信をしているという事実を知られるわけで，軍事技術としては価値が高かったようです．私はそういった方面への応用は専門ではなくよくわかりませんが，文献（30）には詳しく触れられていて，なかなか興味深いものです．
少々，長々と歴史に触れましたが，スペクトル拡散方式が現代のディジタル移動体通信に使われるようになったのは，秘匿性のためではありません．選択性フェージングへの対策として有効だからです．つまり，波形ひずみを起こらなくできるのです．いったい，どスペクトル拡散方式の基本アイデアを図 6.1 に示します．基本アイデアを一言でいうならば「幅の狭いパルスを使う」です．同図（a）は，選択性フェージングの説明に使った BPSK の直交成分のうち実部の波形です．これに対してスペクトル拡散方式は同図（b）のような波形を使って選択性フェージングに対処します．
図（a）と比較して図（b）はパルスの幅が狭くなっています．ただし，データの伝送速度は変わりません．なぜなら，同図で ʻ1ʼ を表現するパルスの次に ʻ− 1ʼ を表現するパルスが来るまでの時間は図（a）でも図（b）でも変わらないからです．
しかし，なぜパルス幅を狭くすることが，選択性フェージングの対策になるのでしょうか？ パルスの幅が狭い波形が，その遅れた信号と足されて得られる波形を図 6.2 に示します．図 6.2（a）は経路 1 を通って先1ｔ（a）もとの信号−1
パルス幅を短くする

1ｔ（b）「短くされた」
信号−1

図 6.1 スペクトル拡散方式の基本アイデア：パルス幅を短くする

到着時刻の差τｔ（a）
経路 1 の信号

経路 1 の信号の第 2 パルス
経路 2 の信号の第 2 パルス

ｔｔ（b）
経路 2 の信号

経路 2 の信号の第 1 パルス
経路 1 の信号の第 1 パルス（c）（a）と（b）を足した信号ｔ

経路 1 のパルスだけを取り出して値を調べることができる（d）一見めちゃめちゃのようでも実はパルスは分かれている

図 6.2

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幅が狭いパルスが選択性フェージングの影響を受けるとどうなるか？

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