次世代モバイルネットワークの光無線/ミリ波フロント/バックホールのためのハイブリッ
ドアーキテクチャ及びクロスレイヤーデザイン
代表研究者

Anh T. PHAM

会津大学コンピュータ工学部門

教授

1 背景
モバイルインタネットと IoT の広範囲で開発に伴って、
５G モバイルネットワークは現在の４G ネットワー
クより１０００倍システム容量や１０倍スペクト効率、エネルギー効率、データレートや２５倍平均セルス
ループットを期待している。特に日本には、２０２０年の東京オリンピックで５G モバイルに関する研究は２０２０年の展開目的に向かって産学双方から大きな注目を集めている。
-(
824JL,

FBL4(K36D724(Radio Antenna Unit):2,?LG
824JL,

FBL4E0+>25(Radio Radio Head);'):LFK,@FFK,;IK4?LG
824JL,

図 1: 提案されたハイブリッド F/BH ネットワーク。

モバイルインタネットと IoT の広範囲で開発に伴って、
５G モバイルネットワークは現在の４G ネットワー
クより１０００倍システム容量や１０倍スペクト効率、エネルギー効率、データレートや２５倍平均セルス
ループットを期待している。特に日本には、２０２０年の東京オリンピックで５G モバイルに関する研究は２０２０年の展開目的に向かって産学双方から大きな注目を集めている。
図１によりモバイルネットワークにおける、用語 F/BH は一般にセル（基地局）とコアネットワークの接続性を示しる。インタネットモバイルユーザーの増加及び超高速データサービスのため、次世代モバイルネッ
トワークの必要な容量が大幅に増加するとみられる。次世代の F/BH で必然的な傾向は小さいセルの展開である（マクロ/ミクロセルからピコセルとフェムトセルまで）。従って、５G F/BH の小さいセル数がもっと大きくなっている。ですから、５G F/BH ネットワークの最も重要な要件はコアネットワークへの高密度かつ大量のデバイスから巨大なトラフィックを転送できるようにすることである。５G モバイルネットワークの大きな小さいセル数をサポートするように、ワイヤーF/BH（Optical Fiber-OF を用いて）から無線までの逆の傾向を促進している研究がたくさんある（３G/4G における、傾向は BH ネットワークでは広範囲で OF の展開と共にワイヤー技術への無線通信（Radio Frequency – RF）から移動することである）。その理由は無線 BH の
柔軟性高い及びエネルギー効率高いからである。さらに、ネットワーク規模は５G F/BH における重要な特徴であるから無線 BH の高いコスト効率はその理由の一つである。RF より高帯域幅を提供する能力おかげで、逮捕者はミリ波技術である（割り当てられた無線スペクトルの９割はミリ波帯である）。
我々の観点により単一技術的解決策いずれか OF 又は mmW は５G F/BH ネットワークに十分ではない。OF は
上位層の接続のための選択である。しかし、セル密度が高くなる時に無線ネットワークが望ましいである。
一方、多数のセル及び必要な帯域幅のせいで無線ラジオシステムにおいて、信号干渉は重大な問題である。
さらに、ミリ波は経路損失に多く悩まされ、気象状況に比較的敏感である「５」。それは５G モバイルネット
ワークの重要な要件の QoE（User quality of Experience）を確保するために F/BH ネットワークに挑戦的な問題を課す。そのため、我々は F/BH ネットワークのために有線 OF と無線リンクのミリ波又は自由空間光通
1信（FSO）を利用するハイブリッドネットワークを提唱する。我々は OF、mmW、FSO 技術との組み合わせを用
いて、F/BH のためのハイブリッドアーキテクチャ及びサブシステムのモデル化と評価を基礎的に研究することを特に注力する。
本研究は第５世代（５G）モバイルネットワークのためのハイブリッドフロント/バックホールネットワー
クを提案する。提案されたネットワークは将来のクラウドベースモバイルインターネットとモノのインタネット（IoT）にコスト効率や拡張性や大容量通信等の利点を与えること期待する（図１）。本提案の重要な独創は OF やラジオミリ波（mmW）や FSO などの混合を用いるハイブリッドアーキテクチャである。このアーキ
テクチャは F/BH ネットワークに５G の全ての条件を満たす可能性がある。具体的には、第一に、前述の全ての三つの技術は大容量需要をサポートする可能性がある。第二に、小さいセルの高密度における、FSO と mmWシステムの組み合わせは様々な大気と気候状況でユーザの QoS を確保するためにネットワークの回復力を向上することができる。第三に、光通信技術の FSO のエネルギー効率及び費用対効果は無線のみ CRAN にスペク
トラム希少性と干渉管理の問題を解決することができる。最後に、FSO を用いて OF ネットワークとの単純かつコスト効率シームレスな接続性を確保することができる。それは将来通信ネットワークのコアである。2年間のプロジェクトでは、特に以下の研究課題に焦点を当てる。
（１）まず、OF／mmW と FSO を用いたハイブリッドアーキテクチャの利点を確認することにより提案された F/ BH ネットワークの実現可能性を検証すること。
（２）次に、多様な物理チャネル状況下で様々な混合サブシステム（OF/mmW や FSO/mmW や FSO/FSO 等）
伴い、提案されたハイブリッドネットワークの理論的限界を研究すること。
（３）物理チャネル障害の影響下で信号処理及び符号化技術（適応変調/符号化方式やネットワーク符号化やクロスレイヤ PHY／MAC プロトコルの設計と最適化等）の有効性を調査すること。

２プロジェクトの主な成果
元の研究提案の 3 つの主な課題に基づいて、本プロジェクトの主な成果は 3 つある。
(1) 提案されたハイブリッドネットワークのためのクロスレイヤ PHY/ MAC プロトコルの研究 [C4]。
(2) F/BH 5G モバイルネットワークのための提案されたハイブリッドアーキテクチャ概念の開発 [C5]。
(3) FSO 相関フェージングチャネルの基本的な限界［J１、J２、J４、C３］。
さらに、このプロジェクトの成果で FSO ネットワーク上の量子鍵配送に関する研究方向を開始した［J３、C１、C２］。3 つの主な成果は以下のように記述される。
２-１提案されたハイブリッドネットワークのためのクロスレイヤ PHY/ MAC プロトコルの研究 [C4]
Vuong V. Mai and Anh T. Pham
最近の通信ネットワークにおける、高信頼性や可用性やスループットなど達成するために、FSOと RF の統Computer Communications Lab., The University of Aizu
合が導入されました。それは、FSO 及び RF が伝送媒体によって同じように影響されないという事実のため、Aizuwakamatsu, Fukushima, Japan 965-8580
論理的なアプローチである［１２］。FSO リンクの主な劣化要因は霧と乱気流であるが、雨の影響はそれほど
Email: m.v.vuong@ieee.org
深刻ではない。それどころか、RF リンクは豪雨の影響を受けやすいが霧と乱気流の影響を受けない［１３］。

ue-Aware and Channel-Aware for A Novelperation of Hybrid FSO/RF Systems

proposes a novel operation for hybrid/Radio Frequency (RF) systems. We add
nt hybrid systems, which is responsible
ction (OMS). A dynamic OMS policy isigent control decisions at the transmitter
ates of both queue and channel (i.e.
el-aware). System performance metrics
based on a combination of queuing andNumerical results quantitatively show
ion outperforms the conventional ones.

I NTRODUCTION

tion networks, the integration of Freend Radio Frequency (RF) links has
ieving high reliability, availability andogical approach due to the fact that
fected in the same way by transmission
egrading factors in FSO links are fog
ence, whereas the influence of rain isn the contrary, are susceptible to heavy
fog or atmospheric effects [2]. Hybrid
een considered as a reliable, high data
effective solution for the 5th generation
networks [3].

Queuing state
at cycle 1

Queuing state
at cycle 2

Data transmitted
by FSO link
Data transmitted
by RF link

Switch-oversystemDuplicatedsystemParallelsystem

Proposed
system
Act like a parallel system Act like a switch-over system

図２:1. ハイブリッド
FSO/RFシステムの異なる操作の例。
FigureExamples of different
operationsof hybrid FSO/RF systems.

greater utilization of resources. However,both links are also2
activated all the time, thus wasting a significant amount ofenergy. Moreover, this operation often requires more systemcomplexity in (i) delivering data streams over parallel links at
the transmitter, and (ii) combining and reordering data streams
at the receiver [9]–[11] (see Fig. 1 for examples of different従って、ハイブリッド FSO／RF は次世代モバイルネットワーク（５G）の F／BH のための高信頼性、高速デー
タレート、高弾力性、高コスト効率のソリューションと考えられている［１４］。
（１）関連研究
多くの既存のハイブリッドシステムでは、リンクの強度及び可用性に応じて 2 つのリンクのうちの 1 つのみがデータ送信のために使用される（すなわち、スイッチオーバーシステム）。一度に一つのリンクを使用す
ると、消費電力がより少なくなり、受電機でのデータの組み合わせ/並べ替えの使用を必要としない。このよ
うな操作は fSONA や MRV などのような市販のハイブリッド FSO／RF 製品に広範に採用されていた［１５］［１７］。一方、データは複製され両方のリンクで同時に送信される。受信機における、（i）２つのリンクからの信号はシンボルレベルで結合される（すなわち、複製/結合システム）［１８］、又は（ii）各リンクで受信されたデータストリームを独立的に検出した後、より信頼性の高いデータストリームのみが選択される（す
なわち、複製/選択されたシステム）［１９］。しかし、複製システムでは、チャネル品質が悪い場合でも FSOと RF の両方のリンクが継続的にアクティブになる。それは送信電力の無駄と不要な干渉の発生につながる。
並列システムという別の実装ではデータトラフィックはリンクの接続の品質に応じてそれらの間で分散され、従って、リソースのより大きな利用を同時に達成する。しかし、両方のリンクは常にアクティブになるのでかなりエネルギー量を無駄に消費する。さらに、その操作は送信機でパラレルリンクによるデータストリー
ムの配信や受信機でデータの組み合わせ/並べ替えなどに関するシステムの複雑さが増す［２０］− ［２２］。
（図 2 に示すように、ハイブリッド FSO/RF システムの異なる操作の例）

2) RF Channel: We consider
use of Millimeter-waves (MMWFSO link
Transmission queue
Dynamic
link. As a requirement for theoperation mode
selection
path always exists. Due to the
Arriving
RF linkframe
is a dominant incoming wave,
Queue-aware
RF channel-aware
be modeled by a Rician distrib
図３: ジョイント queue-aware・channel-aware に基づいたハイブリッド FSO/RF の新規操作。
1
Figure 2. Novel operation of hybrid FSO/RF systems based on joint queuehr
aware and channel-aware.
fHr (hr ) = 2 exp −σr（２）提案及び成果
FSO channel-aware

上記の相談をきっかけに、ハイブリッド FSO/RF システムのための新規操作を提案する。
それはチャネル利
where
2σr2 is the mean power omay be selected for simplifying the operation of system and
用率、システムの複雑さ及びエネルギー効率の間のデザイントレードオフを達成することを目指すことであcomponent, and s2 is the LOS
saving energy. The 2interactionsof queue-aware and channelる。スイッチオーバーとパラレルのつの操作モードを検討する。さらに、オペレーションモード選択
Rician K–factor as: K = s2 /2σwith the selection of system’s operation mode provide（Operation Modeaware
Selection-OMS）を担当する新たな機能を現在のハイブリッドシステムに追加する。キュ
not only design, but （すなわち、queue-aware
also challenging analyticalToーとチャネルの両方の状態を考慮して、
及びproblems.
channel-aware）送信機におけるイン
fHr (hr ) = 2(K + 1)hr e
reflect these interactions,
three-dimensional （図３）
(3D) Markov"
テリジェント制御の決定を行うことで動的
OMSaポリシーが提案される。我々の知る限りではそのよう !
× I0 2hr K(
chain model
for investigating the physical/link
な制御決定がハイブリッド
FSO /isRFproposedシステムで考慮されるのは初めてである。提案されたシステムの操作のcross layer analysis. These frameworks allow us to conduct 10 フレームあり、フレ
イラストレーションは図２で見られる。最初の送信サイクルでは、送信機のキューに
3) SNR Statistics:
We definーム数が十分に大きいので、より良いチャネル利用のためにパラレルモードを選択することができる。第2an analysis on two critical performance metrics, including thesignal-to-noise
ratio
(SNR)
of F
の送信サイクルでは、3averageつのフレームしかないので、システムの操作を簡素化し、エネルギーを節約するた
throughput and average number of activated links.

Numerical results verify the advantages of proposed systemover conventional ones.
N otation: Γ(.) is the ordinary Gamma function; Kv (.) is
the modified Bessel function of second kind and order v-th;
I0 (.) is the zero order modified Bessel function of the firstkind; Q1 (., .) is the Marcum function.

2
20

0

FSO Tran. Power

20

−20

−20

0
RF Tran. Power

6
4
2

20

FSO Tran. Power

1.5
1
20

0

FSO Tran. Power

−20

−20

−20

0
RF Tran. Power

4
2

20

0

FSO Tran. Power

20

−20

−20

0
RF Tran. Power

Proposed system with q=15

II. S YSTEM D ESCRIPTIONS

1.06
1.04
1.02

2

1.5

1.8

20
0
−20
RF Tran. Power

20

0

FSO Tran. Power

−20

20
0
−20
RF Tran. Power

Parallel system

1.6

1.4

α+β

fγf (γf ) =

1

20

1

20

0

FSO Tran. Power

−20

20
0
−20
RF Tran. Power(αβ) 2

Switch−over system

1.2

Figure 2 shows a point-to-point hybrid FSO/RF system
including two individual line-of-sight (LOS) FSO and RF
channels.
1

where γ f and γ r are the averag
links, respectively.
For FSO link: : Using (1) arandom variable hf , we obtain2

6

Proposed system with q=6

Av. Num. Activated Links

Av. Num. Activated Links

Proposed system with q=3
2

0

20

8

Av. Num. Activated Links

4

8

Throughput (frames/cycle)

6γf = γ f h2f ,Switch−over system

Av. Num. Activated Links

8

Parallel system

Throughput (frames/cycle)

Throughput (frames/cycle)

Proposed system

20

0

FSO Tran. Power

−20

α+β
4

Γ(α)Γ(β)γ f

α

γf

0
−20
RF Tran. Powerwhile
itsPr[dBm]。
cumulative distributi
図４：様々なパフォーマンスメトリック対平均
送信電力
Pf[dBm]および平均
送信電力
Figure 3. Performance metrics vs. the average FSO transmitFSO
power
Pf [dBm] andthe average RF transmit RFpower
Pr [dBm].
pressed as [7]A. Channel Models

systems, the parameters 1)of physicaland link layers
areGamma-Gamma
shown throughput
andnumber of is
activated
FSO Channel:
The
distribution
gen- links, were derived. The
3
1
in Table I3 .
results shown that while the proposed system could achieveerally accepted for describing thea turbulence-induced
fading,Fγfrequired(γf ) =
G
compatible throughput with parallel system, its
Γ(α)Γ(β)
A. Throughput Comparisonshf , whose probability density function
(pdf)
is
given
by
number of activated links could be adaptively reduced and
Let us first summarize the main conclusions that can be stayed in the level between ones of parallel and switchα+β! "# a design tradeoffFor
drawn from Fig. 3 in the throughput performance.
α+β over systems.
RF channel
link: According to [This realized
between2(αβ) In2 general,−12

めにスイッチオーバーモードを選択することができる。Queue-aware・channel-aware とシステム操作モード
選択の相互作用によりデザインだけでなく分析の問題も生じる。これらの相互作用を反映するために物理/
リンクのクロスレイヤ分析を調査するための 3 次元（3D）マルコフ連鎖モデルが提案される(詳細は［４］にある)。このフレームワークにより、図 4 に示すように、平均スループットとアクティブリンクの平均数を含む 2 つの重要なパフォーマンスメトリックを分析することができる。これらの数値的結果は提案されたシスIEEE Photonics Journal Mixed mmWave RF/FSO Relaying Systems Over Generalized
テムの利点を検証する。
2-2 F/BH 5G モバイルネットワークのための提案されたハイブリッドアーキテクチャ概念の開発 [C5]

図５：バックホールネットワークのためのハイブリッドアーキテクチャ。
（a）OF と mmWave RF を用いた標準
Fig. 1. Hybrid architecture for backhaul networks. (a) Standard backhauling connection utilizing OF and的なバックホール接続（b）FSOとFSO
mmWaveRF を用いた接続の提案。
mmWaveRF [2]. (b) Proposed connection utilizing
and mmWave
RF.

この研究は図５に示すようなハイブリッド F／BF アーキテクチャに焦点を当てる。５G セルラーネットワ
ークにおける、高コスト効率や高拡張性や大容量などのバックホールリングのために有線（OF）と無線
however, the mmWave RF interference issue may arise, and the mmWave RF capacity, in somecases, may not be enough for the 5G requirements. In addition, installation of OF is sometimes（mmWave/FSO）の接続の利用が提案される。具体的には、図５(a)は複数のマイクロセルを有するマクロセル
limited due to the high cost, especially in ultra-denseor even impossible because ofをバックホールネットワークに接続するためのmmWave RF environment,
及び OF の標準的な展開を示す。又は、図５(b)に
the restriction on cable installation. Free-space optics (FSO) technology, which is able to offer a vast
おいて例えば OF を展開することが不可能であるときに OF を FSO リンクに置き換える。さらに、FSO は大容
bandwidth (comparable to that of OF) over flexible and cost-effective free-space links, therefore can
量需要のマイクロセルへのリンク、及び／又は超高密度の場合のbe an effective alternative to both OF and mmWave RF [4], [5].RF 干渉の問題を緩和するためにも使える。
IEEE PhotonicsOF/FSO、OF/RF、FSO/FSO、RF/RF
JournalMixed mmWave
RF/FSO
Relaying Syst
このハイブリッドアーキテクチャではを含む様々なサブシステ
Our argument is that none of theabove-mentioned technologies及びcan FSO/RF
be a stand-alone
solutionfor the next-generation backhaul network. OF is still the suitablechoice for upper-tier connections,
ムタイプが研究され、それらのパフォーマンス分析が検討された（［２３、２４］とその中の参照）。
whereas mmWave RF and FSO are more preferable for the high-density small cells. A hybrid architecture, as depicted in Fig. 1, utilizing both wired (OF) and wireless (mmWave/FSO) connections istherefore proposed for cost-effective, highly scalable, and high-capacity backhauling in 5G cellular
networks. More specifically, Fig. 1(a) shows the standard deployment of mmWave RF and OF toconnect a macro cell with multiple micro cells to the backhaul network [2]. Alternatively, in Fig. 1(b),OF is replaced by FSO link when, for example, it is not possible to deploy OF. In addition, FSO
can also be used for the links to micro cells with high capacity demands and/or for relaxing RFinterference issue in ultra-dense cases. In this hybrid architecture, different types of subsystems,
including OF/FSO, OF/RF, FSO/FSO, RF/RF, and FSO/RF, have been studied in the literature andtheir performance analysis has been reported (see [6]–[8] and references therein).
Our study focuses on the mixed RF/FSO sub-system in the hybrid architecture. As a matter of fact,
there have been many studies on the performance of mixed RF/FSO systems, including very recent
papers of [9]–[12] and references therein. In particular, Zedini et al. considered heterodyne/direct
detection mixed RF/FSO systems over Nakagami-m and Gamma-Gamma channels, respectively[9], [12]. The mixed RF/FSO systems, in which generalized M -distributed channel was assumed
for FSO, was investigated in [10] and [11]; and in both studies, the classical Rayleigh channel was
assumed for RF links. It is nevertheless evident that the Rician fading channel is more suitable model
when evaluating mmWave propagation due to the presence of the line-of-sight (LOS) component
図６:
異なる乱気流条件の下でのホッピング当たりの平均
SNR 対停止確率[13], and thatit could
be reduced to the Rayleigh fading model and mappedby the Nakagami-m
distribution特に特にハイブリッドアーキテクチャにおける混合[14]. In this paper, we therefore employ the Rician andRFM/álagafading channel models
我々の研究は、
FSO サブシステムに焦点を当てる。
for RF and［２５-２８］
FSO links, Fig.
respectively,in theperformance
analysis theof mixed
mmWaveRF/FSOsystems
4. Outage
probability
versusaverageSNR
per hop(γ¯1 = γ¯2 ) under differ
実祭、最近の論文を含む混合RF/FSO
システムのパフォーマンスに関する多くの研究があった。
using subcarrier intensity
modulation(SIM)
schemewithdirectdetection.
Similarto
Ricianmodel,
tions, γthチャネルと= 0 dB. (a)ξ = 1 (i.e.,strong pointing errors). (b) ξ = 6 (i.e., weak pointi
特に、Zedini et al.は Nagakami-m
Gamma-Gamma
チャネルによるヘテロダイン／直接検出を用い
the Málaga (M) can also be considered as the generalized fading model for FSO which provides
た混合an
RF/FSO
システムを検討した
［２５］
［２８］
。
一般化された（Generalized
M-distributed
excellent
fit to the experimental
data
and represents
most Mof分布チャネル
the existing atmosphericturbulencechannel models, including log-normal, Gamma-Gamma, K and Exponential models, as its special
cases. In addition, to determine the reliability of FSO links in high density urban areas, the impact
of pointing errors is also included in the analysis. 4

Vol. 9, No. 1, February 2017

5500414channel）が FSO のために仮定された混合 RF / FSO システムは、[26]及び[27]で調査された。それらの研究
では古典的なレイリー（Rayleigh）チャネルが RF リンクに仮定された。しかし、視線（light-of-sight – LOS）
成分の存在で mmWave 伝搬が評価する場合、ライスフェージングチャネル（Rician fading channel）がより適切なモデルである［２９］。また、ライスフェージングモデルはレイリーフェーディング及び Nakagami-m
フェーディングに縮小されられる［３０］。したがって、本研究はブキャリア強度変調（Subcarrier Intensity
Modulation–SIM）/直接検出を用いた混合 mmWave RF/FSO システムのパフォーマンス分析のために RF のライ
スフェージングと FSO の Malaga スフェージングモデルを使う。ライスモデルと同様に Malaga（M）は FSO の一般化されたフェージングモデルと見なすことができ、これは実験データに優れた適合性を提供し、対数正規や Gamma-Gamma（G-G）や K や指数分布などを特別なケースとして使用する。さらに、高密度の都市部における FSO リンクの信頼性を決定するために、ポインティングエラーの影響も分析に含まれる。
本研究の成果は２つある。まず、Meijer’s G 関数で確率密度関数（PDF）、累積分布関数（CDF）、モーメン
ト母関数（MGF）の閉形式を新たに導出することである。これらの新しい結果に基づいて停止確率や平均ビッ
ト誤り率（Average Bit Error Rate-ABER）及び平均容量などを含む提案されたシステムの様々なパフォーマ
ンスメトリックのための閉形式が導出される。さらに、Meijer’s G 関数の漸近展開に使うことによって単純な初等関数で高信号対雑音比（Signal to noise ratio - SNR）の下での停止確率、MGF 及び ABER の漸近的な結果が提供される。次に、図 6 に示すように、提案されたシステムの様々なパフォーマンスメトリックがIEICE TRANS. ??, VOL.Exx–??, NO.xx XXXX 200x
異なるチャネル条件の下で完全に議論される。乱気流とポインティングエラーの複合効果はシステム性能を著しく低下させ、mmWave RF リンクの品質はシステム全体で非常に重要であることがわかる。

(CDF) is also given as
4
3
5
r is organized
4 as
1 follows. In
2,1 αβx 4G, with
1,3 presented
ion is0(β)Ω 4 α, β, alongion
III presents the channel
Meijer’s G-function [25].

Correlation Coefficient

Correlation Coefficientaration, and link range on theclarified for receive diversity
respectively. However, sinceon specific examples, it isgeneral cases. To deal withave presented the correlation
MS OVER CORRELATED ATMOSPHERIC FADING CHANNELS: SPATIAL DIVERSITY OR MULTIHOP RELAYING?
bove-mentioned parameters.
Fig. 1 Multihop SIMO 2systemwith two relay nodes and two receive3
図７: 2 つの中継ノードと各ノードにつの受信アパーチャを持つマルチホップ
SIMO システム。
al study should be conducted
apertures at each node.
! "#meterized
channel correlation1Ω)(α+β)/2 (α+β)/2−1
αβx
C = 5 × 10
(a)
x
Kα−β
2
,
stems. This
paper
therefore
0.8
)Γ(β)
Ω
C = 10of a point
0.6 receiver, i.e., aperture averaging eﬀect is limited.
C = 3 × 10(1) Figure 10.4
shows an example of the system underconsideration
mma function, Kα−β (·) is the modified with N =0.2 3 and Mi = 2. Furthermore, we consider coherent
he second kind and order α − β, and (i.e., heterodyne
0detection)
FSO15systems.
At therelay30nodes,
0
5
10
20
25
3]. α and β are the PDF parameters the incoming optical field
Aperture
Separation(cm)
associated with each receive aperaper are therefore threefold.
1
ence with respect to the large-scale andC = 5 × 10(b)ture is coherently
combinedwitha local oscillator (LO) fieldhefundamental
performance
0.8
ce, and in the case of zero-inner scale
C = 10before
it
falls
onto
the
photodetector.
The electrical signals
er
0.6] correlated G-G fading in
C = 3 × 10
collected0.4from M photodetectors are then combined using
ms. Secondly, to analyze
the
−1
⎫
⎤
⎪
⎪
⎥
2
Maximum
Ratio Combining (MRC). Thereafter, the signal
system,⎪⎬ a method
0.49σRwe propose
0.2
⎥
−
1
,
⎥
is either amplified
or decoded before being forwarded to the, 7/6 ⎥
sum of12/5correlated⎪ G-G ran0⎪01000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000
⎪
next
node.
R
y,1.11σthe sumof ⎥⎦correlated
G-G
Link Length (m)⎭−1Atmosphericturbulence-induced
fading is a slow timegle G-G RV whoseparame⎫⎤Fig. 2 (a) Correlation coeﬃcient versus aperture separation for diﬀerent
⎪
⎪
⎥
2
⎪
⎬
0.51σRwith
the L＝4000m
coherencetime
in theorderof a few
valuesprocessof turbulence
strengthand link range
L = 4000m; (b)
Correlation⎥
losed-form
expressions.
The (2) varying
図８:(a) 乱気流強度の異なる値とリンク距離で相関係数対アパーチャ分離;(b) 乱気流強度の異, 5/6 ⎥⎥ − 1 ⎪ .
coeﬃcient versus
linkrange foratdiﬀerent
valuesof turbulence
strengthandmilliseconds.
Asaresult,typicalbit-ratesofFSO
systemsusedasabenchmarktoanなる値とアパーチャ分離 d＝８cm で相関係数対リンク範囲。
⎪⎪⎥
0.69σR12/5
aperture separation d = 8 cm.
⎦⎭(i.e., Gigabit per second), the fading remains constant overThe error behaviorsof thes the Rytov
variance,
assumingmbers
of summands
and 相関フェージングチャネルの基本的な限界［J１、J２、J４、C３］
cor- plane a large number of transmitted bits. Therefore, it is feasible
2-3 FSO
2 k 7/6 L 11/6 , to assume
whereD
is thediameter,
J0 1(·)km
is theBessel function
thattheaperture
receivercan perfectly
estimatethe fading
tvestigatedis given bybyσR2employing=
1.23C
FSO システムの主な課題の1 つは、特にリンクの長さがを超える場合に、乱気流誘導フェージングの
n the
of
the
first
kind
and
zero
order,
andΦ(κ)
represents
the
n,eﬀ
with
λ
is
the
opticalwavelength,
deodness-of-fit悪影響である。この問題に対処するために空間ダイバーシティ及びマルチホップ中継伝送を含む多くの技術
statistical test. 2 amplitude. It is also reasonable to assume that the fading
eﬀective
atmosphericspectrum.
Assuming
the
case
of
zeroe
number,
L
is
the
link
range
and
C
is
the sub-channels in each SIMO link is identical anded method, closed-form
ex- n amongが提案された。伝送経路をいくつかの短いホップに分割するマルチホップ中継伝送は距離に依存する乱気流
inner scale and infinity-outer scale, Φn,eﬀ (κ) is given by [22]nt index of the refractive structure papossibly correlated, while the fading
among
the SIMO <links
lity
and the ergodic
度 とcapacity
大Typically,
気損失を
調 / 直 接 検 出 （ Intensity! 回避# する。強度変the turbulence強strength.
Cn2緩 和 す る だ け で な く 、 LOS 要; 件 も
2
11/3
is
independentbut
notnecessarily
identical(i.n.i.d).
−12 relaying
nd10AF
schemes,conκκaccording to the strength of atΦn,eﬀ (κ) = 0.033Cn2 κ −11/3 exp − 2 + 2,2 )11/6
correlationof thelink ofrange,e [24]. The pth
moment
X is given
κX,0 (κ + κY,0Γ(β+p)−p [25].
3. Channel Modelmberof receive
aperturesandIts cumulative
5(5)
Γ(β) (αβ/Ω)
(3)

2
n
2
n

−15

−14

2
n

2
n
2
n
2
n

−14

−15

−14

−14

+

,

12/5
2.61
3k
2 = k
2 Attenuation
3.1 with
Atmospheric
ChannelκX,0.
L 1+1.11σ 2 , κY,0 = L 1 + 0.69σRR

The relation between the correlation coeﬃcient ρ andparameters
is demonstrated
in Fig.
2. More abThe diﬀerent
channelsystem
attenuation
is causedby bothmolecular

Modulation/Direct Detection - IM/DD）FSO システムのために、様々な中継戦略を有するマルチホップシス
テムのパフォーマンスが広く研究されていた。近年のデジタル信号処理の進歩により、IM/DD 方式に比べてパフォーマンスが大幅に向上したコヒーレント FSO システムが注目されていた[31]。コヒーレント FSO シス
テムにおけるマルチホップ中継の採用は増幅転送（amplify-and-forward: AF）[32][33]及び復号転送（decode-and-forward: DF）[34]の中継技術のために検討された。多数の中継を使うことでフェージングを大幅に緩和できることは明らかですが、これは費用対効果の高いソリューションではない。
一方、空間ダイバーシティは特に FSO 通信の分野における、より複雑ではなく経済的なソリューションを提供する。これは、空間領域における自由度を増加させ、したがって、フェージング分散を実質的に減少させる。空間ダイバーシティのパフォーマンスは、IM/DD 及びコヒーレント FSO システムの両方で広く研究されていた。しかし、サブチャネル間のフェージングが相関するとき、空間ダイバーシティの効率は減少する。
図８は相関係数と（a）アパーチャ間隔（b）リンクの長さの関係を示す。
本研究の目的なマルチホップコヒーレント FSO システムにおける相関フェージングチャネルの空間ダイバーシチの基本的な限界を調べることである。一般的な G-G フェージングモデルは、幅広い実用的な大気条件に適しているため使われる。特に、相関レベルが空間ダイバーシティの利点を定量的にどのように制限して
V. TRINH et al.: FSO SYSTEMSOVER CORRELATED ATMOSPHERIC FADING CHANNELS: SPATIAL DIVERSITY OR MULTIHOP RELAYING?
いるかを明確にし、FSO
システムの特定のリンク範囲と大気条件に新しい中継の配備がいつ必要になるかを5判断することを目指する。
1

0.45

Approximation
Simulation

M = 2, α = 2, β = 2, Ω = 1
ρ = 0, ρ = 0.4

0.4

s

0.9

l

0.8

0.35
M = 2, α = 4.5, β = 3.3, Ω = 1
ρs = ρl = 0.3

0.3

0.7
M = 2, α = 4.5, β = 3.3, Ω = 1
ρs = ρl = 0.3

M = 6, α = 4.5, β = 3.3, Ω = 1
ρ = ρ = 0.3
s

FX(x)

fX(x)

0.6
0.25

l

0.2

M = 2, α = 2, β = 2, Ω = 1
ρs = 0, ρl = 0.4

0.4

M = 6, α = 2, β = 2, Ω = 1
ρs = 0, ρl = 0.4

0.15

0.5

0.3

0.1

M = 6, α = 2, β = 2, Ω = 1
ρs = 0, ρl = 0.4

0.2

M = 6, α = 4.5, β = 3.3, Ω = 1
ρ = ρ = 0.3

0.05

0.1

0
0

0
0

2

4

6

8

10

12

14

s

2

4

6

8

IEICE TRANS. ??, VOL.Exx–??, NO.xx XXXX 200xx

Approximation
Simulation

l

10

12

14

16

x

図 9: 相関 G-G RVs の和と近似 G-G RV のための PDF と CDF プロット

Fig. 3 PDF plots for the sum of correlated G-G RVs and the approximating G-G RV.

Fig. 4 CDF plots for the sum of correlated G-G RVs and the approximating G-G RV.

0

10

ρ=0
ρ = 0.25
ρ = 0.5
ρ = 0.8
0.02
Single Aperture System
Simulation

expressed by [27, Eq. (14)] −1

Q = 15000

10

1 − ρs 1 − ρl 1 − ρs ρl ρs ρl ρs ρl
−2
+
+
+
+
10 +
Mβ
Mα
Mαβ
β
α
αβ
(α + β + 1)(110−−3ρ + M ρ)
=
.
(11)
Mαβ
−4

Proposition 1: The parameters αs , βs and Ωs of the approximating RV Y can be 10
given
by
−5
αs = t βs,

15

20

25

Total SNR, γ0 (dB)

30

35

10

! 10
(t + 1) + (t + 1)2 + 4t AFs
−7
βs =
,
2t AF10sΩs = MΩ,
−8
10
0

5

0.015
0.0136

0.01

(12)

−6

40
where t = αβ .

KS-statistic T

Outage Probability

AFs =

0.005
6

(13)

5

1

α

(14)
10

15

20

2

4

25

30

Normalized SNR γ0/γth (dB)

4

2

35

Fig. 5

3

3

40

5
1

β

6

KS goodness-of-fit test for M = 2 and ρ = 0.4.

Proof: See Appendix A.
図 10: チャネル相関の影響下で相関係数の異なる値によって正規化されたSNR に対する停止確率。

Average channel capacity versus total SNR for
Fig. 11 DF relaying: Outage probability versus normalized SNR with
iﬀerent numbers of hops and receive apertures,diﬀerent values of correlation coeﬃcient and N = M = 2, Cn2 = 10−14 ,4.2 Numerical Examples
0.015
0 m.
L = 8000 m.
（１）関連研究0.0136

we nevertheless do not include here due to the limitation of paper

KS-statistic T

Average Channel Capacity (Bit/s/Hz)

複数の送信/受信アパーチャを用いることによって達成される空間ダイバーシティを有する FSO システム
We demonstrate the accuracyof the proposed method
30のパフォーマンスに関する以前の研究の大部分において、独立のフェージングチャネルが仮定された。相関M = 1, N = 1
by comparing
dB better than that of a single
aperture the statistic of the approximating RV Y with
M = 1, N = 2
that of the thesimulation data for
the i.c.i.d case, which is of our
フェージングについては、G-G
チャネル上空間ダイバーシティを有するFSO システムのパフォーマンスは、
ay (N = 2). In
another example,
M = 1, N = 3
25
interest in this paper. The simulated
PDF and CDF of the sum
M = 2, N = 1
チャネル相関の単純化されたモデル（例えば、指数相関モデル[35][36]）を仮定して検討されていた。このtem outperforms
the (M =of1,G-G
N RVs
= 3)
M = 2, N = 2
generated from 2 × 106 samples by M-C method
Simulation
eeping the same
system settings,
theモデルは、無線周波数（RF）通信から借用されており、FSO
システムにおける大気乱流チャネルの特性を表
are used forreference. The generationofM
correlated
G-G
3
20
shown in Fig. すものではない。大気乱流誘発フェーディング相関に及ぼすチャネル条件の影響を調べるために、最近いく
8. The advantage
RVs for theof
simulation is based on generating two separate
2.8
M correlated Gamma RVs. In this study, we emnfirmed due to the fact that sets
the ofergodic
2.6
α15
the Decomposition Method[33] to generate correlated
β
duced with the increase in ploy
the number
2.4
Gamma RVs with arbitrary correlation coeﬃcients. In Figs.
6
2.2
ar, it is seen in Fig. 8 that3the
3.5 4 of4.5
and system
4, we compare the PDFs and CDFs
the approximatFig. 6 KS goodness-of-fit test for M = 6 and ρ = 0.6.
10
= 3 has the lowest capacityingwhilethewith that of theG-G RVsimulation data, respectively.
Two diﬀerent scenarios, ρs = ρl and ρs = 0, ρl > 0, arend N = 1 has the highest capacity.
considered.
various values of α, β, ρs ,5
ρl and M, there are always excellent agreements between
ig. 10, the outage probability
and theIt is seen that fortheapproximation and simulation results. To quantitatively
he system operating in the AF
mode
are
ily correlated but not necessary identically distributed (a.c.n.i.d),
0.01

0.005
6

5

1

2

4

3

3

4

2

5

1

6

evaluate the error behavior of the proposed approximation,

つかの研究が行われていた[37]-[39]。[37]と［38］では、波動光学とモンテカルロ（MC）シミュレーション
を用いて、乱流強度やアパーチャ径やアパーチャ分離やリンク範囲などがチャネル相関に及ぼす影響が受信
ダイバーシチ及び送信ダイバーシチシステムのために明らかにされていた。しかし、シミュレーション方法
は具体例のみに絞っているため、得られた結果を一般的なケースに拡張することは困難である。この問題に対処するため、[39]の著者は上記のパラメータの関数として相関係数を提示した。この結果に基づいて、パラメータ化されたチャネル相関が FSO システムの性能に及ぼす影響を調べるための分析的検討を実施する必要がある。したがって、この研究はこのギャップを埋めようとする。
（２）主な成果
本研究の成果は３つある。まず、マルチホップコヒーレント FSO システムにおける相関 G-G フェージング
下での空間ダイバーシチの基本性能限界を分析的に検討することである。第 2 に、対象システムのパフォー
マンスを分析するために、相関 G-G 確率変数（Random variable - RV）の合計を正確に近似する方法を提案することである。具体的には、相関 G-G RV の和は、単一の G-G RV として近似され、それのパラメータは単純な閉形式で得られる。近似 G-G RV をベンチマークとして使用して、システムパフォーマンスを分析する。
近似法の精度は図 9 に示される。最後に、提案方法でリンクの範囲、乱気流の強さ、受信アパーチャの数、及びそれらの間の間隔がチャネル相関に及ぼす影響を考慮して DF と AF中継方式のための停止確率とエルゴ
ード容量の閉形式を新たに導出すること。
停止確率のパフォーマンスに対するチャネル相関の影響の一例を
図１０に示す。より詳細な分析は、[J1]及び[J2]に見出すことができる。

結論
本プロジェクトは、次世代（5G）モバイルネットワーク向けのハイブリッド F/BH の基本的な実現技術を研究する。それは将来のクラウドベースのモバイルインターネットと IoT（Internet of Things）の様々な展
開条件のための高費用効果、高拡張性、大容量の接続性を提供することが期待される。以下のとおり、主な成果は３つある。
（１）OF/mmW 及び FSO サブシステムの利点を確認して、ハイブリッド F/BH ネットワークの実現可能性の調査（２）様々の物理的チャネル条件下における OF/mmW、FSO/mmW、FSO/FSO などの異なる混合伝送媒体を有するハイブリッドサブシステムの基本的限界に関する研究（３）クロスレイヤ PHY/MAC プロトコルのデザインとハイブリッドネットワークアーキテクチャの最適化に関する研究このプロジェクトの成果は、多くの著名なジャーナル/トランザクション論文や国際会議で発表された。全体として、この 2 年間のプロジェクトの結果は、4 件のジャーナルと 5 件の国際会議論文に掲載された。

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〈発
題

名

[J1] On the Average Achievable Rate of
SpatialDiversity
MIMO-FSO
over
Correlated Gamma-Gamma Fading Channels[J2] Free-Space Optical Systems overCorrelated Atmospheric Fading Channels:
Spatial Diversity or Multihop Relaying?
[J3] Design and Security Analysis of
Quantum Key Distribution Protocol overFree-Space Optics Using Dual-Threshold
Direct-Detection Receiver[J4] Performance of APD-based
Amplify-and-Forward Relaying FSO Systems
over Atmospheric Turbulence Channels[C1] Design and Secrecy Performance ofNovel Two-Way Free-Space QKD Protocol
using Standard FSO Systems,[C2] Performance of Free-Space QKD
Systems using SIM/BPSK and
Dual-Threshold/Direct Detection.
[C3] On the Ergodic Capacity of MIMO
Correlated Gamma-Gamma Fading Channels.
[C4] Joint Queue-Aware and Channel-Aware
for A Novel Operation of Hybrid FSO/RF
Systems[C5] Two-Way All-Optical AF Relaying FSO
Systems over Malaga (M) Channels with
Pointing Errors.

表

資

料〉

掲載誌・学会名等

発表年月

IEEE/OSA Journal of OpticalCommunications and Networking

２０１８

IEICE Trans. on Communications

２０１８年９月

IEEE Access

２０１８年６月

IEICE Trans. on Fundamentals ofElectronics, Communications andComputer Sciences

２０１6 年７月

Proc. of the 2017 IEEE ICC'17,
Paris, France.

２０１７年５月

Proc.
of
the
2016
IEEE
GLOBECOM'16, WS-QCIT. Washington
DC, USA.
Proc. of the ATC 2016. Hanoi,
Vietnam.

２０１6 年１２月
２０１6 年１０月

Proc. of the IEEE VTC2016-Fall,
Montréal, Canada.

２０１6 年９月

Proc. of the IEEE ICC 2016, Kuala
Lumpur, Malaysia.

２０１6 年５月

9