01/14/2004

TOPICS-04002

光学・光伝搬の立場からの光ワイヤレス通信

当記事は、財団法人光産業技術振興協会（OITDA)のご好意によって掲載の許可をいただいたものであり、同協会のホームページならびに機関誌「オプトニューズ」に掲載されています。

1．はじめに

近年の急速な通信需要の高まりで、通信における周波数の利用形態は、より高い周波数へと移行してきている。また、移動体通信の活発化、通信インフラ整備の必要性、インターネット等でのネットワーク普及のコスト高を受けて、光ワイヤレス通信は、有線にはないモバイル性、安価性などと相まって、ラストワンマイルの言葉とともに再び脚光を浴びてきている。

しかしながら、光波を空間伝搬させて通信に使うには、種々の問題が控えている。屋内では、人、什器などの障害物による高速化通信の阻害、アイセーフティの問題がある。また、屋外での最大の問題点は、屈折率変動、雨、霧等の大気の気象条件により通信の伝送品質が大きく影響されるかもしれないという事である。これらの状況下において、送信ビーム型やビームサイズ等の選び方、降雨等の減衰マージンの取り方など、通信回線の設計上に必要な光空間伝搬特性の把握は不可欠であるにもかかわらず、室内外での光伝搬の公表されているデータは比較的少なく、システム回線設計がやや試行錯誤に近い状況で行われている。この現状を踏まえ、これまでの光ワイヤレス通信における状況、現時点における問題点、併せて最新の動向を中心に、光学・光波伝搬の立場から調査を行った内容1) の概要について報告する。

2．屋内ワイヤレス通信の高速化

2.1　概要　

インターネットのブロードバンド化にともない、オフィスやホームにおけるデータ通信速度は急速に高速化が進められている。オフィスにおいては、基幹ネットワークは100 Mb/sや1 Gb/sが主流となり、各端末においても100 Mb/s以上の接続環境が標準的である。一方、ホーム市場においては、従来の56 kb/sや128 kb/sから、ADSLの普及や光ファイバ網の導入によりMb/sオーダの通信が可能となっている。また、映像伝送やPC画像のワイヤレス伝送に対する需要も増加しており更なる高速化が望まれている。

2.2　高速化のための光学系

屋内光ワイヤレス通信の伝送方式としては、天井・壁等の反射光を用いた反射方式と、通信端末間で直接通信を行う直接方式に大別される。反射方式の特徴としては、直接的な通信が困難な設置場所においても別の通信路を選択することができるなど、設置性が高い点にある。その反面、反射による損失が大きく、伝送性能の確保には光学系の規模の拡大や消費電力の増大を必要とする。一方、直射方式は、通信端末間での直接通信により伝搬路での損失がなく、高速化が容易であり、100 Mb/s以上の高速通信も可能である。しかし、高速伝送のためには、送受信器の指向特性を狭指向化し、効率よく伝送することが必要であり、送受信器の高精度な軸合わせが要求される。

2.3　高速化への要求

光ワイヤレスにおいてGb/s伝送を実現するためには、高速応答性に優れた受発光素子の適用が必要である。特に発光素子に関しては、従来光ワイヤレス伝送で用いられてきたLEDでは実現困難であり、応答性および光の利用効率に優れたレーザダイオードが必須となる。しかしながらレーザダイオードは、LEDよりも光源サイズが微小でありコヒーレンス性が高い。そのため、LEDと同等の安全性を確保するためには、放射パワーを大幅に低減させるか、微小な光源サイズを拡大する必要がある。放射パワーを維持しながら、光源サイズを目に安全なレベルまで拡大する手法として、拡散反射を用いたアイセーフ光学系（図2.1）、また、高速化において重要となる放射分布を均一化した高効率なビーム伝送のための光学系の開発が進められている。　

図2.1 反射型アイセーフ光学系

映像伝送における映像の高精細化は今後更に進むことが予想され、将来的には数Gb/sオーダの通信速度が必要とされる可能性が高い。これを光ワイヤレスで実現するためには、送信側では、ビーム狭指向化による送信光の空間分離や、偏波面の利用、更には複数波長を用いた多重伝送などが必要となる。受信側においては、更に高感度な受光素子が必要となるが、帯域確保のための素子面積の縮小や感度低下は避けられず、受光光学系の大口径化および狭指向化が予想される。これは端末間において高精度な軸合わせが必要であることを意味する。したがって、通信端末の位置や方向を瞬時に検出し、光軸を自動的に調整するような機能が必須であり、通信路の高速化以上に重要な課題である。

3．屋外光伝搬　

3.1 概要

屋外光伝搬に関係した晴天時における大気の光伝搬特性については、大気の分子吸収と大気の揺らぎによるシンチレーションの影響が大きい。以下に考慮すべき事柄について述べる。

3.2　吸収

吸収を起こす大気分子はH２O、O２、CO２ などであるが、この中で大気伝搬光に最も影響を与えるものはH２Oである。吸収スペクトルの分布がそれほど密でない波長範囲では、吸収による減衰を受けるのはごく部分的な波長だけである。したがって光源がLEDのような発光スペクトル幅の広い場合はそれほど大きな減衰を受けない。一方、半導体レーザのように狭スペクトルの光源の場合は、発光スペクトルが大気の吸収スペクトルと一致しない限り減衰を受けない。しかし、逆に一致した場合、特に長距離伝送では、大きな減衰を受けるという両極端の状態が発生する。

吸収スペクトルの集中している吸収帯以外の、いわゆる大気の窓と言われる波長帯では全く吸収の問題が無いかというと、必ずしもそうではなく、770 nmから800 nmにおいても多数の微小な吸収スペクトル線が認められる。これらの吸収スペクトルは通常の観察ではノイズレベルに隠れて見えないが、アベレージングを繰り返すと現れ、この影響と思われる伝送エラーが稀に発生する場合がある。

3.3　光強度揺らぎ（シンチレーション）とその影響

大気中を伝搬する光は、温度分布の不均一などによる大気の屈折率の揺らぎにより、強度変動、位相変動、到来角変動などの変動を受ける。通常の強度変調された光が伝搬する場合は、シンチレーションとも呼ばれる強度揺らぎの影響がもっとも大きい。例えば、自動追尾を行う装置では、位置検出信号が変動し、不要な追尾動作を行い、送信光の角度が変動する場合もある。このシンチレーションによる誤差を軽減するために、回折格子による多数の微小スポットからなる回折パターンをつくる方法がある。

3.4 視程と減衰量

大気中に含まれる粒子等による散乱の中で、レイリー散乱は散乱体の大きさが光の波長に比べて非常に小さい場合で、波長の−4乗に比例することはよく知られている。ミー散乱は、粒径が波長と同程度の霧やスモッグなどの粒子による場合、また幾何光学的散乱は粒径が波長に比べて非常に大きい雨滴や雪などの場合に対応する。散乱現象は、一般に複雑な式で記述されるが、実際に光の減衰を予測して回線設計等を行なう場合には、視程が有用な基準として用いられている。視程と光減衰量との関係が分かっていれば、回線の減衰マージンとその地域での過去の視程観測値の累積とから、稼働率等の統計的な予測ができる。大気の減衰量と視程の間には、波長の依存性を考慮してない場合と、考慮してある場合についての簡単な二つの評価実験式がそれぞれ提案されている。

4．長距離光ワイヤレスLAN検証実験

4.1　実験システムの構成

種々の気象条件での回線品質を検証するために、1.2 km離れたビル間において、2001年10月から2002年3月までの長期実証実験を実施した結果1)　について述べる。通信回線品質に関連した�@光無線装置のエラー率(BER)、�A光無線装置の受光パワー、�B電波無線装の伝送品質(ロストパケット数、送受信リトライ数)、及び気象データ(視程、天気、雨量)を測定するために、天気計(視程計）、光無線装置、電波無線装置及び光学測定機器を用いて実験システムを構築している。紙面の都合上、視程と伝搬損失のデータについてのみ以下に述べる。

4.2　視程と伝搬損失

3.4で述べた視程と光の減衰量に関連して、ビル間での測定により得られた視程と受光パワーとの関係を図4.1に示す。

図4.1　視程と受光パワーとの関係

ここで、濃い黒の実線で示した曲線は、波長依存性のない評価式であり、灰色の実線は、波長の依存性を考慮した式であるが、両者間において、大きな差はない。全体として、測定した受光パワーは、評価式よりも少ない減衰になっており、視程の短い数百メートルの領域では、実測値と評価式との差は大きくなってきている。

4.3　光ワイヤレスLANの回線品質

光ワイヤレス通信に影響を及ぼすような視程1 km以下の気象条件は、降雨時に限定され、その出現比率は0.32 % と非常にまれであった。光伝搬損失は視程との関連が高く、しかも良く用いられる評価式よりも実測損失が小さい。従って視程データ及び評価式にて回線品質を見積もる場合には年間稼動率を最悪値として算出することができる。なお、実験期間中光ワイヤレス装置の回線断は皆無であり、BERの最悪値は4.3×10−８とワイヤレスシステムとしては非常に良い回線品質を維持した。このBER値は、有線を使ったATM専用線と比較しても十分な信頼性を有していると判断できる。

5．アダプティブオプティクス

5.1　概要

アダプティブオプティクス(AO)とは、光がある環境を伝搬する場合に受ける影響について、その環境についての情報を基に、リアルタイムで補償を行う手法の総称である。AOの技術は位相共役を核としており、光が伝搬過程で被る位相歪に対して、これを相殺することにより波面の補償を行う。ここでの報告は、AOの通信への応用に限定する。

5.2　通信への適用

光通信へAOを適用するには、通信局間の光の伝搬時間、位相共役な波面の発生時間、および通信局の相対位置の変化などの考慮が重要となる。送受される二つの光が伝搬過程で被る歪に共通性が保証されるならば、波面の補償が有効となる。例えば、通信局間で送受される光が同一経路を伝搬しなくても、これらが互いに離れて平行に伝搬する場合は、伝搬軸間の距離が大気のコヒーレント長（〜15 cm）以下ならば波面歪の相殺が期待できる。また、光が大気中を伝搬する場合に被る歪は100 Hz程度で変化することから、1 msec程度で位相共役な波面を射出することにより、歪の相殺を図ることができる。一方、位相共役な波面を瞬時に射出できる場合には、許容する光の伝搬時間を1 msecとすると、約150 km（往復300 km）離れた通信局間での波面補償が有効と考えられる。ただし、高速で移動する飛翔体と地上通信局との間で行う通信などでは、AOを有効に利用することが困難となるが、静止あるいは相対位置の変化が比較的遅い通信局間では十分な効果が考えられる。

歪の相殺作用のほか通信に関係する応用として、位相共役光を発生する光学系を特別な鏡とみなした位相共役鏡について図5.1に示す。位相共役光は時間反転波と呼ばれるように、理想的には入射光に対して全く同じ波面を有し、反対方向に伝搬する光である。このため、通常の鏡は同図(a)のように、位相共役鏡の場合は同図(b)のように入射光の到来方向に光を「反射」するとみなすことができる。この機能の利用例を図5.2に示す。同図は、通信局Mは通信局S1、S2およびS3と光の送受を行う場合を仮定し、通信局Mから到来した光に対してSj(j=1,2,3)がMの方向へ光を自動的に射出している様子である。一般に通信局が任意の場所に位置する場合、通信相手に向けて光を射出するには、通信局が位置する方向の把握が必要である。しかし、位相共役鏡の機能を搭載している場合、通信相手の方向を知らずとも、自動的に光を返すべき方向が特定される。同時に、位相共役な波面の特徴として、受信した光が収束光であるならば発散する波面が、発散光であるならば収束する波面が形成され、通信局Sj（j=1,2,3）は光の射出方向を制御する稼動部を用いずにMへ光を反射することが原理的に可能となる。

(a) 鏡による反射　　　      　(b) 位相共役鏡による反射

図5.1　光の反射

図5.2　位相共役光による通信の形態

6.おわりに

光波・光伝搬の立場から、光ワイヤレス通信技術について、2003年3月の調査報告書をもとに、室内外での光ワイヤレス通信に有効な改善技術や、屋外光ワイヤレス実証実験結果、また将来のアダプティブオプチックスの通信への応用について述べた。当初の予想以上に、光ワイヤレス通信システムの広帯域・高速性、セキュリティの高さなどが認められ始めてきており、更なる実用化が期待される。

【著者：伊藤　繁夫    東洋大学】

参考文献：

光技術応用システムのフィージビリティ調査報告書XX�V　 −光ワイヤレス通信技術−､光産業技術振興協会、2003年3月