CDMAにおける 制御チャンネルのない発信方式

CDMA における
制御チャンネルのない発信方式
金田 直樹, 塩見 格一
[email protected], [email protected]
独立行政法人 電子航法研究所 管制システム部
ENRI
CDMA における制御チャンネルのない発信方式 – p.1/26
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ENRI
•
はじめに
•
昨年の発表 (概要)
• 遠近問題とは
• 従来の緊急発信
• 提案した緊急発信方式
• 提案した方式の利点と欠点
•
研究の発端 : 昨年発表の問題点
•
提案する優先発信方式のアイデアと構成
•
提案する方式のの利点と欠点
•
制御チャンネルのある発信方式
•
制御チャンネルのない発信方式
•
まとめ
CDMA における制御チャンネルのない発信方式 – p.2/26
Introduction (1)
なぜ CDMA か : 航空無線に CDMA 導入?
ENRI
•
高い周波数利用効率 (周波数の割当が容易)
•
マルチパスに強い (RAKE 受信)
•
通信路容量の割り当てが柔軟 (Soft Capacity)
•
ソフトハンドオーバ
•
拡散利得によるアンテナの小型化
•
無線 LAN, GPS 等, 広範囲に利用
•
携帯電話の技術を航空無線に
⇒ 緊急通信等の優先が必要
•
昨年 : CDMA 上で緊急通信等を優先する簡単
で効果的な方法を提案 ⇒ 問題点があった
CDMA における制御チャンネルのない発信方式 – p.3/26
Introduction (2)
今回の発表は
•
昨年の問題点を解決
•
昨年提案方式の本質的な利点はそのまま
•
より有効な周波数の利用
•
より頑強な発信方式 : 耐ノイズ性, ビット誤り
•
より容易な実装 : 新規装備時の低コスト化
•
より自由な用途 : 用途は電波法に縛られない
•
拡張例 : 制御チャンネルのない発信方式を提案
制御チャンネルからの解放
ENRI
CDMA における制御チャンネルのない発信方式 – p.4/26
Preliminaries
まずは昨年の発表を振り返る
準備と用語
FDMA : 周波数分割多元接続 : 周波数で区別
TDMA :
時間分割多元接続 :
時間で区別
CDMA :
符号分割多元接続 :
符号で区別
•
本発表では直接拡散 (DS-)CDMA について議論
•
1 つの基地局と n 個の移動局からなるシステム
電波法第五十六条に定める遭難通信, 緊急通信,
非常通信及び安全通信を緊急通信等と呼ぶ
•
ENRI
CDMA における制御チャンネルのない発信方式 – p.5/26
The Near-Far Problem
遠近問題
近くの強い信号 −→ 遠くの弱い信号
干渉
ENRI
CDMA で遠近問題が不可避な理由
• 1 つの受信機で多くの移動局の信号を受信
• FDMA : 同じ周波数で送信しない → 区別可
• TDMA : 同時に送信しない → 区別可
• CDMA : 同時に同じ周波数で送信する → 受信
機は強い信号の影響で弱い信号の情報を失う
遠近問題解決策:電力制御 (携帯電話, by Qualcomm)
衛星基地局 (GPS)
CDMA における制御チャンネルのない発信方式 – p.6/26
Traditional Emergency Call
緊急通信等を発信するための従来方式
•
航空無線 : 現在は人間による手順
自動的に緊急通信等を優先する方法はない
緊急通信等発信 → システム全体がデッド
ロック
•
緊急通信等専用の通信路を用意
例 : 非常通信周波数, 非常用スロット etc.
•
通常使用しない通信路を用意する
⇒ 周波数利用効率の低下
•
非常通信周波数の聴取義務 : 人間に負担
ENRI
CDMA における制御チャンネルのない発信方式 – p.7/26
Emergency Call (CDMA)-1
基地局 0
移動局 2
移動局 3
..
.
移動局 1
移動局 n
□肉□食方式緊急発信
•
遠近問題, 隠れ端末問題の対策済みシステム
•
移動局 1 が緊急通信等を発信する方法は…
ENRI
CDMA における制御チャンネルのない発信方式 – p.8/26
Emergency Call (CDMA)-2
基地局 0
抑圧
×
×
×
移動局 1
移動局 2
移動局 3
..
.
移動局 n
弱肉強食方式緊急発信
1. 強い電波を出す (大出力 or 空中線利得変更)
2. 遠近問題により他の通信を抑圧
3. 基地局との独占的通信路確立
ENRI
CDMA における制御チャンネルのない発信方式 – p.9/26
Advantages of First Method (1)
1. 周波数の有効利用が可能
通常通信に使用しない通信路はもはや不要
2. 単純で理解しやすい
3. 確実性 : ノイズ耐性, ビット誤りで失敗しない
4. 上位層のプロトコルに依存しない
5. 大きな改修は不要
6. 通信速度設定は柔軟 (独占的通信路をも設定可)
3,4 は OSI 7 層モデルで言えば物理層による優先制
御方式であることに由来する利点である
ENRI
CDMA における制御チャンネルのない発信方式 – p.10/26
Advantages of First Method (2)
7. 遠くのセルに影響は及ばない
⇒ システム全体がデッドロックしない
HHHHHHHHHHHHHHHH
v ← 緊急発信中の無線局
HHHHHHHHHHHHHHHH
HHHHHHHHHHHHHHHH
通常通信を続けられる → v
HHHHHHHHHHHHHHHH
参考文献 (追加)
ENRI
CDMA における制御チャンネルのない発信方式 – p.11/26
Problems and Solutions
昨年いただいた質問 : 電界強度を上げる方法
•
航空機で出力を大きくするのは困難
• 10W → 100W, 100W → 1kW は難しい
• 電源, 発熱, 設置場所の問題 etc.
• 空中線利得を大きくすればよい
ENRI
CDMA における制御チャンネルのない発信方式 – p.12/26
Problems and Solutions
昨年いただいた質問 : 電界強度を上げる方法
ENRI
•
航空機で出力を大きくするのは困難
• 10W → 100W, 100W → 1kW は難しい
• 電源, 発熱, 設置場所の問題 etc.
• 空中線利得を大きくすればよい???
•
利得を大きくすると追尾が大変
アンテナのビームを絞ったとき, 高速移動体で
ある航空機からの基地局追尾は困難
•
アイデアは良いが, 航空機への実装は困難では
•
他の問題 : 他局の通信に故意に干渉
→ 緊急通信等の発信にはむしろ望ましいが,
用途が電波法により制約される
CDMA における制御チャンネルのない発信方式 – p.12/26
Proposed Method : The Origin
ここからが今日の本題
今回の研究の発端
•
出力を大きくしたりアンテナのビームを絞ら
ずに同様のことを実現したい
今回提案する方法
•
昨年提案した方式の問題点を解決
•
構成はよりシンプルに
•
応用範囲はより広く
⇒ 制御チャンネルのない発信方式
ENRI
CDMA における制御チャンネルのない発信方式 – p.13/26
Proposed Method : Base (1)
•
緊急通信等を含む優先通信の本質
• 回線が全部通信中の時に, 緊急状態である
という情報を伝達する
• 最初に多くの情報を伝達する必要はない
•
昨年の提案 : 電界強度を大きくして, 遠近問題
により他局を抑圧 → 実装は困難
ENRI
CDMA における制御チャンネルのない発信方式 – p.14/26
Proposed Method : Base (1)
•
緊急通信等を含む優先通信の本質
• 回線が全部通信中の時に, 緊急状態である
という情報を伝達する
• 最初に多くの情報を伝達する必要はない
•
昨年の提案 : 電界強度を大きくして, 遠近問題
により他局を抑圧 → 実装は困難
本提案方式のアイデア
電界強度ではなく電力スペクトル密度の大きな
電波により優先通信を実現する
→ 電波そのものを強くする必要がない
ENRI
CDMA における制御チャンネルのない発信方式 – p.14/26
Proposed Method : Base (2)
優先通信の発信
電界強度ではなく, 電力スペクトル密度 (Power
Spectrum Density, PSD) max p( f ) の大きな電波
f
電力一定 : 帯域狭い ⇒ 電力ス
ペクトル密度高い
スペクトル比較
p( f )
6
優先通信を通常通信と区別する
ため帯域フィルタ (BPF) をつけ
た受信機を基地局に用意する
ENRI
高電力スペクトル密度の電波に
より全回線が使用中でも情報は
確実に基地局に届く
f0
f
-
点線 : 前回方式
CDMA における制御チャンネルのない発信方式 – p.15/26
Proposed Construction (1)
電力スペクトル密度 (PSD) が高い信号の生成方法

平均電力 P 




• PSD p( f ) = p0  の間に P = p0 B が成り立つ



帯域幅 B 
•
•
通信路容量 C (bps), 雑音平均電力 N に対して
P
C = B log2 1 +
が成り立つ
N
1
P が一定の時 p0 ∝ , C ∝ B
B
電力スペクトル密度 p0 は通信路容量 C に反比例
ENRI
CDMA における制御チャンネルのない発信方式 – p.16/26
Proposed Construction (2)
•
通信速度低 ⇔ 電力スペクトル密度大 (前頁)
•
CDMA : 拡散変調による高 chip rate(高速通信)
• 通信速度低 ⇔ 低 chip rate
•
ENRI
chip rate 最低 ⇔ 拡散変調をやめる
1 枚 Skip
CDMA における制御チャンネルのない発信方式 – p.17/26
Proposed Construction (2)
•
通信速度低 ⇔ 電力スペクトル密度大 (前頁)
•
CDMA : 拡散変調による高 chip rate(高速通信)
• 通信速度低 ⇔ 低 chip rate
•
•
chip rate 最低 ⇔ 拡散変調をやめる
拡散変調をやめる, 簡単な方法
拡散符号を 0 や 1 の連続 (直流成分) にする
p( f )
p( f )
6
6
=⇒
f
この信号は通常通信を妨害しない (予稿付録)
-
•
ENRI
拡散変調中止
f
1 枚 Skip
CDMA における制御チャンネルのない発信方式 – p.17/26
Proposed Construction (3)
基地局側の構成
•
基地局は拡散されない信号を受信するため, こ
の信号専用の狭帯域無線機を別に持つ
•
基地局は通常通信しつつ, この信号を受信可能
•
通常通信に使用中の通信路を, 緊急通信に振り
向けるかどうかは基地局側で決定する
ENRI
CDMA における制御チャンネルのない発信方式 – p.18/26
Proposed Construction (3)
基地局側の構成
•
基地局は拡散されない信号を受信するため, こ
の信号専用の狭帯域無線機を別に持つ
•
基地局は通常通信しつつ, この信号を受信可能
•
通常通信に使用中の通信路を, 緊急通信に振り
向けるかどうかは基地局側で決定する
高電力スペクトル密度の信号を生成する別法
6
•
無変調信号による PSK
•
周波数ホッピングによる通信
-f
ENRI
CDMA における制御チャンネルのない発信方式 – p.18/26
Proposed Protocol (1)
移動局から基地局への緊急発信手順 (複数発信)
•
移動局も緊急発信中
に狭帯域信号受信必要
移動局
(要認証 : SYN Cookie 等)
•
•
CDMA の広帯域信号と
狭帯域信号の受信を 1
つの受信機で切替え
最終的に CDMA で通信
⇒ 2 つ目以降の移動局が
緊急発信可能
1 枚 Skip
ENRI
基地局
無線機 1
(狭帯域)
(1) 発信
(2) 符号
基地局
無線機 2
(CDMA)
要求
割当
(3)Ack
.
.
.
以下, 通常の通信手順に従い, 通信を行う
太線は帯域の狭い信号を表す
CDMA における制御チャンネルのない発信方式 – p.19/26
Proposed Protocol (2)
移動局が CDMA 用の受信機で狭帯域信号を受信
•
復号 (受信) は符号化 (送信) と逆の手順を行う
•
狭帯域信号の生成の逆は何か?
•
逆拡散をやめることで狭帯域信号が受信可
•
逆拡散をやめるには逆拡散を行うときの拡散
符号を直流成分にすればよい
受信側も拡散符号を変更するだけで狭帯
域信号を扱うことができる
ENRI
CDMA における制御チャンネルのない発信方式 – p.20/26
Advantages of Second Method
1. 周波数の有効利用が可能
通常通信に使用しない通信路はもはや不要
2. 単純で理解しやすい
3. 確実性 : ノイズ耐性, ビット誤りで失敗しない
4. 上位層のプロトコルに依存しない
5. New! 移動局無線部の改修不要 : デジタル処
理だけで実現可能, 変調方式等の変更は不要
6. New! 通常通信中の他局に干渉しない
⇒ 電波法による使用法の制約がなくなる
ENRI
物理層による優先制御の特長は残しつつデジタル
処理だけで実現でき, 法令上の制約もなくなった
CDMA における制御チャンネルのない発信方式 – p.21/26
Problems and Solutions
昨年提案した方式との比べた問題点と解決策
1. 基地局に受信機が2つ必要
移動局の負担が大きなプロトコルから基地局
の負担が大きなプロトコルへ変化
2. 発信時の通信速度が遅い
昨年の方式 : 全帯域を占有した高速通信可能
提案方式 : 通信容量は 1ch 分
⇒ 緊急通信等の発信があれば基地局は通常通
信を切断し, 全帯域を用いて移動局と通信を行
うことができる
ENRI
CDMA における制御チャンネルのない発信方式 – p.22/26
Transmission with Ctrl. Ch.
通常の発信
1.
2.
3.
4.
移動局が制御チャンネル (ch) で基地局を呼ぶ
基地局は空き ch があるか調べる
基地局は制御 ch で移動局に空き ch を通知
空いていた通信用 ch を使用して通信開始
移 (制)
基 (制)
移 (通 )
基 (通 )
1 2
3
4 -
ENRI
CDMA における制御チャンネルのない発信方式 – p.23/26
Transmission without Ctrl. Ch.
通常通信の発信に応用
1.
2.
3.
4.
移動局が拡散しない狭帯域波で基地局を呼ぶ
基地局は収容可能かどうか調べる
基地局は狭帯域波で移動局に空きを通知
空いていた拡散符号を用いて CDMA 通信開始
移 (狭)
基 (狭)
移
(拡散)
基
(拡散)
1 2
3
4 -
ENRI
CDMA における制御チャンネルのない発信方式 – p.24/26
Conclusions
ENRI
•
新しい緊急通信等発信方式の提案
•
昨年の問題点を解決
•
昨年提案方式の利点はそのまま
• 周波数の有効利用
• 物理層による優先通信
プロトコル非依存, ビット誤りで失敗しない
• 単純で理解しやすい
•
より容易な実装 : 符号の変更で電波を変える
•
より自由な用途 : 用途は電波法に縛られない
•
拡張例 : 制御チャンネルのない発信方式を提案
航空無線 by CDMA
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CDMA における制御チャンネルのない発信方式 – p.25/26
References
参考文献 (追加)
AUSCERT Advisary AA-2004.02
“Denial of Service Vulnerability in IEEE 802.11 DSSS
Wireless Devices”
日本でのアナウンス : JPCERT/CC Alert 2004-0007
「IEEE 802.11 DSSS 無線機器における DoS の脆弱性」
ENRI
CDMA における制御チャンネルのない発信方式 – p.26/26