環境適応に応じて容量最大化可能な
光無線通信トランシーバ

香川大学

創造工学部 人工知能・通信ネットワークコース
准教授 小玉 崇宏
2023年9月12日

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技術背景
6G

どこでもGbpsレベルのサービス提供エリア
カバー率100%
新たなサービスエリア e.g. 空(高度1万m)、海(200海里)、宇宙超カバレッジ
拡張5G[引用] M. Z. Chowdhury et al., “6G wireless communication systems:
Applications, requirements, technologies, challenges, and research
directions,” IEEE Open Journal of the Communications Society, vol. 1, pp.
957-975, Aug. 2020.
[引用] ドコモ6Gホワイトペーパー
https://www.docomo.ne.jp/corporate/technology/whitepaper_6g/

6Gは陸海空どこでも高速通信ができるサービスの実現を目指す．
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海中の通信エリア②浅海領域を対象（高秘匿・大容量）
水中環境の違い
・場所
・季節・時刻 スマート漁業
 桟橋劣化状況の監視

深度①深海領域を対象（長距離・大容量）

 海溝付近の状況調査
 海底資源探査用モニタリング

アプリケーションや研究領域は、水中環境によって大きく異なるが、大容量性は共通して求められる。

3波長 [m]海中の通信手段
101
100
10-1
10-2
10-3
10-4
10-5
10-610-7

電磁波

102

超音波
（空中）
104
106

超音波
（水中）

1081010周波数 [Hz]101210141016

 超音波帯波長では、3台のワンセグの圧縮動画データ収容が限界
 可視光帯波長では、100台以上のフルHD、10台以上の4Kの圧縮動画データを収容可能
大容量化に向けて可視光無線通信に注目が集まる。
4水中光通信のチャネル特性
Beer-Lambert法

伝送容量限界直線（理論）

送信電力

減衰係数 伝送距離

𝐾𝑇 = 𝐾𝐴 + 𝐾𝑆
吸収率係数 散乱係数

伝送容量

𝑃𝑑 = 𝑃0 exp(−𝐾𝑇 𝑑)

水中の光減衰𝐾𝐴 = 𝐾𝐴0 + 𝑇𝑎
吸収率係数
(非温度依存)水温 温度係数0

信号対雑音パワー比 [dB]

水中における伝送距離に対するパワーの減衰が著しい．
信号パワーに対して伝送容量の理論限界に合う最適な信号が求められる．
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従来技術（OOK信号）とその問題点
送信可能な伝送容量と送信信号で決まる伝送容量の差

伝送容量

伝送容量限界直線（理論）
受信SNR
SNRマージン OOK帯域制限前

0 信号対雑音パワー比 (SNR)[dB]

既に実用化されているものには、実装簡易な2値強度変調であるオンオフキーイング（OOK）信号等があるが、SNRマージンにおける伝送容量低下が発生の問題があり、広く利用されるまでには至っていない。
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最適伝送容量が可能な変調信号
Capacity [bit/s]

Shannon limit
受信SNR
可変容量で対応可能
OOK信号で伝送可能な容量
0

SNR [dB]
OOK

直流付加-直交
周波数多重信号（DCO-OFDM）

時間領域ハイブリッドPAM信号(TDHP)

キャリア
形式

シングルキャリア

マルチキャリアシングルキャリア

利点

低PAPR可変容量

可変容量
低信号対雑音比欠点

固定容量

高信号対雑音比

受信SNRとOOK信号で伝送可能なSNRのマージンを埋める
可変容量の変調信号について比較

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マルチパスフェージングの影響により周波数ごとの変動大

周波数
時間変化

周波数時間変化に応じたチャネル透過特性への適応性が求められる。
周波数領域適応変調が適切

チャネル透過強度

無線周波数帯通信

チャネル透過強度

チャネル透過強度

チャネル透過強度

水中光無線のチャネルがもつ特徴
光無線通信

広帯域に渡って著しく透過強度が低下する周波数はない
．

周波数

距離変化

周波数距離変化に応じたチャネル透過特性への適応性が求められる。
周波数領域適応変調および時間領域適応変調いずれも可DCO-OFDM
TDHP
8着目するTDHP信号の設計
 異なる強度変調信号の発生比(pパラメータ)とパワー比(qパラメータ)を変化

PAM2

PAM4

pパラメータqパラメータ 2種類の変調信号の時間配置最適化

F. Kobori et al., Proc. OECC/PSC, WP-F1,Toyama, Japan, July 2022.

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TDHP信号用光送受信器の構成
Receiver01100101…

DeMapper

ADC

TIA

PD

水中伝送路の特徴
水中は水分子による吸収に伴う損失が大きい伝送路の途中で光アンプは配置できない・デバイスへの要求
LD：高出力光源
PD：高受信感度な光検出器

Mapper01100101…

DAC

DA

LD
Transmitter

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比較条件
Nyquist-TDHP

DCO-OFDM

B

B

0f0f

※DCO-OFDM信号はサブキャリアペア生成の関係により，伝送レートは通常の半分．
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比較結果
Nyquist-TDHP(PAM2,PAM4)

DCO-OFDM(QPSK,16QAM)40

FEC limit SNR [dB]3530
252015w/o bandwidth limitation

10495MHz (980MSymbol/s)
500.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9

1p parameter

同じ伝送容量（pパラメータ）である時、誤り訂正限界時のSNRはTDHPの方が低くて済む。

同じ距離で比較した時、TDHPの方が低い送信パワーで伝送できる。
同じ送信パワーで比較した時、TDHPの方が遠くまで伝送できる。
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TDHP信号の課題点

伝送容量

伝送容量限界直線
（理論）

受信SNR

TDHP帯域制限前
TDHP帯域制限後

0 信号対雑音パワー比 (SNR)[dB]

電子・光デバイスがもつ信号帯域の制限が生じた時に伝送容量（信号品質）低下が発生の問題がある。
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新技術の特徴・従来技術との比較• 従来技術の問題点であった、帯域制限に対して伝送容量が低下を克服する符号化技術を設計した。
• 符号化技術による可変容量信号の帯域圧縮に成功した。

• 従来は帯域制限の下でシンボルレートが低下していたが、帯域制限の耐性が向上できたため、シンボルレートの増大が可能となった。
• 本技術の適用により、帯域圧縮後に受信SNRに応じて伝送容量を可変にできるため、伝送容量を最大2～3倍程度まで増大が期待される。
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TDHP信号の帯域圧縮技術
 デュオバイナリ符号化TDHP信号生成器の回路構成
 𝛵 はシンボル遅延時間に対応
符号化前後の信号帯域符号化の回路構成
ΣTDHP

Duobinary TDHP𝛵

符号化原理の例

PAM2

PAM4

元のTDHP信号

0113211シンボル遅延後TDHP信号

001132デュオバイナリ符号化
TDHP信号012

45315

技術のポイント

ビタビ復号の演算量をPAM4信号のビタビ復号演算量と同程度
16帯域制限に対する特性評価結果※p=0.1固定

1 GSymbol/sのデュオバイナリ符号化TDHP信号は、TDHP信号よりも帯域制限に対して高耐性
17伝送容量に対する特性評価結果※帯域制限@950 MHz固定pの増大に伴いFEC limit時SNRが増大＝＞符号化TDHPの方が優れた特性
18想定される用途• パワー損失が著しく大きい見通しの悪い光無線環
境もしくは水中下で利用される光無線トランシー
バへの搭載を想定する。
• 光無線トランシーバに本符号化技術を適用することで受信SNRに対する送信伝送容量を最大化できると考えられる。

• 上記以外に、伝送容量を柔軟に設定することで伝送距離を延伸化できる効果が得られることも期待される。
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実用化に向けた課題• 現在、受信SNRについて伝送容量最大化が可能なところまで技術開発済み。しかし、受信SNRモニタの点が未解決である。
• 実用化に向けて、受信SNRについて実験データを取得し、受信SNRモニタ値を送信器にフィードバックして、pパラメータ設定に適用することで伝送容量最大化の精度向上が実現できる。

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実用化に向けた課題
Receiver01100101…

DeMapper

ADC

TIA

PD

DAC

DA

LD

Monitorpパラメータ更新
誤差精度20%を目標
例．最適p=0.5の時に0.3を選択
Mapper01100101…

Transmitter

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企業への期待• 未解決の最適p設定回路設計については、受信パワーモニタ値の送信側フィードバック技術により克服できると考えている。

• 通信用トランシーバ開発の技術を持つ、企業への技術移転と共同研究を希望。
• また、光無線通信トランシーバを開発中もしくは開発予定の企業、海中IoT分野への展開を考えている企業には、本技術の導入が有効と思われる。

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本技術に関する知的財産権• 発明の名称 光通信システム• 出願番号 ：特願2023-24480• 出願人：国立大学法人 香川大学
• 発明者
：小玉崇宏、小堀史哉

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お問い合わせ先
香川大学産学連携・知的財産センター／
テクノネットワーク四国（四国TLO）
吉田 恵美
ＴＥＬ ０８７－８３２ －１６９５
ＦＡＸ ０８７－８３２ －１６７３
e-mail yoshida＠s-tlo.co.jp
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