| Project/Area Number |
21K04052
|
|---|
| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
|
| Allocation Type | Multi-year Fund |
|---|
| Section | 一般 |
|---|
| Review Section |
Basic Section 21020:Communication and network engineering-related
|
|---|
| Research Institution | Okinawa National College of Technology |
|---|
Principal Investigator |
中平 勝也 沖縄工業高等専門学校, 情報通信システム工学科, 教授 (30500566)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2025-03-31
|
| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2023)
|
| Budget Amount *help |
¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000)
Fiscal Year 2024: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000)
Fiscal Year 2023: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000)
Fiscal Year 2022: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000)
Fiscal Year 2021: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000)
|
|---|
| Keywords | 衛星通信 / マルチビーム / 電波干渉 / スループット / 無線通信 / リソース制御 |
|---|
| Outline of Research at the Start |
100を超える多ビーム数で地上を照射する通信衛星と300を超える地上のユーザー端末から構成されるマルチビーム衛星通信においてシステム全体を統合する新方式を確立するために、実際の通信衛星を用いた大規模な実証実験を行うことなく、システムの有効性を評価できる汎用衛星シミュレーターを実現するとともに、スペクトラム分割・圧縮伝送やAIトラフィック変動予測など独創的な技術をシステムに適用する検討を行う。本研究により、各ビームへの周波数配分と電力配分、ビームの地理的配置、地上伝送装置が用いる伝送パラメーターなどを全体的に最適化し、従来よりもシステム全体のスループットを大幅に向上させる。
|
| Outline of Annual Research Achievements |
100を超える多ビーム数で地上を照射する衛星と、300を超える地上のユーザー端末から構成されるマルチビーム衛星通信においてシステム全体を統合する新方式を目指した。本年度は平常時を想定した陸上通信、船舶向けの通信、航空機向けの通信、災害時通信でのシミュレーションを実施した。
平常時ではビーム半径180km、120km、60km、45kmとし、災害時ではビーム半径30kmとした。総電力は5[W]、総周波数帯域幅を35[MHz]とし、各ビームで等分とした。いずれのエリアにおいても総ビーム数が増えることでC/(N+I)は低下するもののスループットは増加した。総ビーム数が増加することで繰り返し周波数が増加し、結果的にスループットが増加した。ただし、船舶エリアの場合、ビーム半径が45kmの場合にスループットが大きく低下した。これは、C/(N+I)が低下し続けた結果、周波数利用効率が0[bps/Hz]に近くなったためである。
被災地域では衛星通信の他に通信手段が存在しないことが想定される。そこで、平常時に陸地をビーム半径45kmで照射した場合の東海地方のスループットと、非常時を想定しビームエリアを東海地方のみに限定してビームを照射した場合のスループットを比較した。災害時では、平常時の約3.2倍のスループットとなった。音声通話を想定し、1回線あたりのスループット64[kbps]に固定した場合、同時接続回線数は平常時が3,737回線、非常時は12,046回線である。被災地域の人口を元にした衛星通信使用率は0.09%である。東日本大震災発生時では、発生直後の1時間でおよそ3000回の衛星通信が行われ、衛星通信使用率は0.02%であった。今回のシミュレーションにより、東日本大震災時の4.85倍の使用率を確保できる結果となった。
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
大規模な通信システムの実証実験は莫大な費用がかかる。そこで、あるビーム内のユーザー端末と別のビーム内のユーザー端末または基地局が通信衛星を介して計算機上で模擬的に通信を行い、その上で本研究で提案する技術を評価できる衛星シミュレーターを新たに実現した。次に、本シミュレーターを用いて、システム全体のパラメーターの最適化を行うことでスループットを最大化した。詳細には、ユーザー端末ごとのアンテナ経、バッテリー量、最大送信電力や、要求される情報速度、エンドツーエンドのパケットエラー率を考慮した上で、伝送装置の変復調方式、誤り訂正符号化方式、送信電力、周波数帯域を制御し、さらに、システム全体のパラメータとしてビーム数、ビームごとの地理的配置・ビーム半径・ビーム送信電力、ビームの繰り返し周波数の数、アンテナの放射パターンなどの最適化を行うことができた。その結果、本年度は平常時を想定した陸上通信、船舶向けの通信、航空機向けの通信、災害時通信でのシミュレーションを実施し、マルチビーム数を増やすことが最も有力であること、及び災害地域にマルチビームを集中的に照射することで、過去の震災時よりも数倍の衛星通信回線数をユーザに提供できることが明らかとなった。
以上述べた内容は概ね研究計画とかけ離れておらず、よって研究は順調に進展している。
|
| Strategy for Future Research Activity |
衛星通信は、衛星中継器の空き帯域の状況が刻々と変化するため、空き帯域の有効利用が困難である。そこで、衛星通信への適用が未実施であるスペクトラム分割・圧縮伝送の適用を行う。シングルキャリア伝送を用いていたユーザー端末は、スペクトラ分割伝送で空き帯域の個数に合わせてシングルキャリアのスペクトラムを分割した後で、スペクトラ圧縮伝送で空き帯域の幅にフィットするように分割スペクトラムの周波数帯域幅を狭くする（＝圧縮する）。これまで無駄となっていた空き帯域の有効利用が行えるため、周波数利用効率の向上が期待できる。
上述により、スループットの向上が期待できるが、運用マージンにより利用できていなかった電力と帯域の残留リソースを極限まで利用することで、さらなるスループットの向上を行う。ビームの中心付近は受信C/Iが高いがビームの周辺は受信C/Iが低くなる。さらに、晴れの地域のビームは受信C/Iが高いが降雨の地域のビームは受信C/Iが低くなる。加えて、衛星通信のサービスエリア内を自由に移動するユーザーを考慮すると、移動の方向や速度はユーザーごとに異なる。その結果、ユーザー端末ごとの受信C/Iの時間的変化は複雑となる。そこで、受信C/Iの変動に対応して、ユーザー端末ごとに一旦は最適化したパラメータを、適切なタイミングで、動的に最適化するフィードバック制を確立する。また、ユーザー端末のトラフィック量は、ユーザーごと地域ごと時間ごとに変動する。このような予測が困難な変動に対応するため、各ユーザーの電力や帯域は、運用マージンを設定して必要以上に大きくしている。そこで、敵対的生成ニューラルネットワーク (GAN) で実現するAIトラフィック変動予測をフィードバック制御に新たに組み入れることで、運用マージンを極限まで減らし、さらなるスループットの向上を図る。
|
