地上放送高度化に向けた伝送路符号化方式

２．１　階層伝送等のISDB-T方式の機能を継承

現行のISDB-T方式は，マルチパス耐性に優れるOFDMを変調方式とし，部分受信^*4 が可能なセグメント構造^*5 を取っている。OFDMセグメントのキャリヤーを，複数セグメントの連結が可能なように構成することで，目的とするサービスに適した伝送帯域幅をセグメント単位で設定でき，固定受信向けと移動受信向けのサービスを１つのチャンネルで同時に実現できる。

ISDB-T方式では，１個のOFDMセグメントの帯域幅は，１チャンネルの帯域幅（６MHz）（以下，チャンネル帯域幅）の1／14となっており， ISDB-Tの伝送信号は13個のOFDMセグメントから構成される。また，伝送パラメーターの異なる最大３つまでの階層を同時に伝送する階層伝送が可能である。各階層は，１つまたは複数のOFDMセグメントにより構成され，階層ごとにキャリヤー変調方式，誤り訂正符号の符号化率，時間インターリーブ長等のパラメーターを設定できる。また，13セグメントのうち，中央部の１セグメント（0.43MHz）を部分受信帯域としている。

地上放送高度化方式においても，ISDB-T方式の階層伝送や部分受信などの機能を継承することとした。すなわち，伝送容量と伝送耐性の異なる３階層（A～C階層）の伝送が可能となるように，セグメント構造を採用し，部分受信を可能とした。地上放送高度化方式における階層伝送と部分受信のイメージを1図に示す。地上放送高度化方式では，チャンネル帯域幅の分割数を14から36へと増やし，このうち最大35セグメントを信号伝送に用いることとした。部分受信を行う狭帯域受信機は，35個のOFDMセグメントのうち，中央部の９個のOFDMセグメント（1.50MHz）を受信することとし，A階層のセグメント数を１から９の範囲で設定可能とすることで部分受信の伝送容量の柔軟性を高めている。また，部分受信帯域幅をISDB-T方式の3.5倍に拡大することで，部分受信の周波数インターリーブの効果を高めている³⁾。1図は，３セグメントを移動受信向けサービスに割り当て，これをA階層で伝送するとともに，固定受信向けサービスを伝送パラメーターの異なるB，C階層で伝送する階層伝送の構成例である。1図の例では，部分受信帯域の９セグメントのうち，３セグメント分の伝送容量をA階層が占めており，A階層のキャリヤーは，部分受信帯域全体に分散するように配置されている。部分受信を行うA階層のキャリヤーについては，他のキャリヤーよりも送信電力を高く設定する機能（電力ブースト）を備え，A階層の耐性の向上を可能とした⁴⁾。このほか，LLch（Low Latency channel）と呼ばれる低遅延伝送路を備え，緊急地震速報などの重要情報を低遅延で伝送できるようにしている。

２．２　新たな信号構造

２．１節で述べたとおり，地上放送高度化方式では，チャンネル帯域幅のOFDMセグメントへの分割数を14から36へと増やし，このうち35セグメントを信号伝送に用いる。セグメントの分割数を増やすことで固定受信と移動受信への帯域割り当ての柔軟性が向上するだけでなく， ６MHzの13/14を利用するISDB-T方式と比べて，35/36を利用する地上放送高度化方式では，ガードバンド^*6 の削減により約５%の容量増加を実現できる。

また，地上放送高度化方式では，情報伝送に寄与しないガードインターバル（GI：Guard Interval)^*7 の比率を少なくすることにより，周波数利用効率を高めている。現行のISDB-T方式は8,192（2¹³）ポイントのFFT（Fast Fourier Transform）サイズ^*8 で運用されているが，地上放送高度化方式では，最大でその４倍となる32,768（2¹⁵）ポイントのFFTサイズを利用可能とした。OFDMのキャリヤー周波数間隔と有効シンボル長は互いに逆数の関係にあるため，FFTサイズを大きくすることでキャリヤー周波数間隔が小さくなり，有効シンボル長が長くなることにより，GIを同じ長さに設定した場合でも，伝送シンボル全体の時間長に占めるGIの割合（以下，GI比）が小さくなり，伝送容量を拡大することができる。一方で，現行の放送との両立性も考慮し，帯域幅やGI長が現行方式と一致するパラメーターも選択できるようにした。

さらに，伝搬路特性の推定に使用するパイロット信号の配置は，ISDB-T方式では固定受信向けと移動受信向けの階層で同じ配置としているが，地上放送高度化方式では固定受信と移動受信でそれぞれに最適な配置を選択できるようにした。

２．３　最新の伝送特性改善技術の導入

ISDB-T方式では，誤り訂正符号として，畳み込み符号とRS（Reed-Solomon）符号の連接符号を採用しており，畳み込み符号で訂正しきれない誤りをRS符号で訂正することにより，雑音や干渉等への耐性を高めている。地上放送高度化方式では，所要CN比^*9（Carrier to Noise Ratio）を更に低減するために，最新の誤り訂正符号として，畳み込み符号よりも誤り訂正能力が高いLDPC（Low Density Parity Check）符号を採用し，BCH（Bose-Chaudhuri-Hocqenghem）符号との連接符号により，伝送特性を改善した⁵⁾。

キャリヤー変調方式については，ISDB-TではQPSK（Quadrature Phase Shift Keying），16QAM（Quadrature Amplitude Modulation），64QAMの３種類であり，信号点の配置は均一のコンスタレーション（UC：Uniform Constellation）となっている。一方，地上放送高度化方式では，QPSK ～4096QAMの多値変調とすることで大容量化を実現するとともに，UCに加えて，信号点の配置を不均一にする不均一コンスタレーション（NUC：Non-Uniform Constellation）を導入することで，多値変調における雑音耐性の向上を図っている⁶⁾。64QAMのUCとNUCの例を2図に示す。2図のNUCは信号点配置の一例であり，LDPC符号の符号化率に応じて最適な信号点配置を設計し，使用することとした。

ISDB-T方式は，１つの送信アンテナと１つの受信アンテナを想定し，水平偏波または垂直偏波のいずれかで信号を伝送するSISO（Single-Input Single-Output）の伝送システムである。一方，地上放送高度化方式では，SISOに加えて，２つの送信アンテナと１つの受信アンテナを利用する２×１ MISO（Multiple-Input Single-Output）による伝送特性の改善や，２つの送信アンテナと２つの受信アンテナを利用する２×２ MIMO（Multiple-Input Multiple-Output）による伝送容量の拡大を可能とした。

３．１　伝送路符号化部の基本構成

地上放送高度化方式の伝送路符号化部の基本構成を3図に示す。

入力I/F（インターフェース）部からは，３系統の階層別フレームの信号，TMCC（Transmission and Multiplexing Configuration Control）情報^*10，LLchフレームの信号が出力される。３系統の階層別フレーム信号は基本変調部に入力され，誤り訂正符号化とキャリヤーシンボル^*11 へのマッピングが行われる。さらにレベル調整部において，階層ごとの電力調整（例えば，A階層の電力ブースト）が行われる。その後，階層合成部においてA階層・B階層・C階層のキャリヤーシンボルを合成した後，帯域分割，時間IL（時間インターリーブ），周波数IL（周波数インターリーブ），帯域合成を行い，データセグメント^*12 を構成する。

LLchは低遅延伝送を実現するために，３階層の階層別フレームとは異なる処理が適用され，LLchフレームの先頭に差動基準ビットを付加した後にDBPSK変調を行う。

OFDMフレーム構成部において，データセグメントにパイロット信号，LLch，TMCCを付加し，OFDMフレームを構成した後，逆フーリエ変換（IFFT：Inverse Fast Fourier Transform）によりOFDM変調を行い，さらにGIを付加して，IF（Intermediate Frequency）信号として出力する。

SISO伝送の信号は，3図に示した①②③の系統を経て生成される。

MISO伝送においては，帯域合成後のキャリヤーシンボルにMISO符号化を適用した後，OFDMフレーム構成，OFDM変調を行う。MISOの１系の信号はSISOと同様の系統（①②③）で生成され，２系の信号は①④⑤の系統で生成される。MISO符号化部は，データ用のキャリヤーシンボルのみにSTBC（Space Time Block Coding）またはSFBC（Space Frequency Block Coding）を適用する。STBCは時間方向に２つのデータキャリヤーシンボルを組みとして，またSFBCは周波数方向に２つのデータキャリヤーシンボルを組みとして，データキャリヤーシンボルの複素共役・符号反転を行う。MISO符号化は，劣悪な受信環境において送信ダイバーシティー効果による伝送特性の改善を狙ったものであり，伝送容量はSISOと同等となる。

また，地上放送高度化方式では，１系と２系の送信アンテナから異なる情報を送信し，伝送容量を拡大する空間分割多重方式（SDM：Space Division Multiplexing）のMIMOを選択することができる。MIMO伝送には，SISOと比べて２倍の伝送容量を実現できるという利点があるが，見通し受信環境において１系と２系の伝搬路の相関を小さくして良好な伝送特性を実現するためには，直交偏波（水平・垂直偏波）に対応した送受信アンテナが必要となること等，実現に向けての課題もある。

MIMO伝送においては，系統分離部でレベル調整後のキャリヤーシンボルを２系統に分離し，それぞれOFDMフレーム構成とOFDM変調を行い，２系統の信号を出力する。MIMOの１系，２系の信号は，それぞれ①②③，⑥⑦⑤の系統を経て生成される。MIMO伝送における周波数ILでは，１系と２系で異なるインターリーブ処理を適用し，インターリーブ効果を向上させている。

地上放送高度化方式では，SISO，２×１MISO，２×２MIMOを導入したが，送信アンテナを１本としたユースケースでは全階層をSISOで伝送することとし，送信アンテナを２本としたユースケースでは階層ごとにMISOまたはMIMOを指定可能とした。例えば， 移動受信向けのA階層をMISOとして受信特性を改善し， 固定受信向けのB階層をMIMOとして伝送容量を拡大することが可能である。

３．２　誤り訂正符号のブロック構成

3図の基本変調部の詳細な構成を4図に示す。前方誤り訂正（Forward Error Correction，以下FEC）について，内符号をLDPC符号，外符号をBCH符号とする連接符号の組み合わせは， 欧州の第２世代地上デジタル放送方式DVB-T2（Digital Video Broadcasting — Terrestrial 2)⁷⁾ や，わが国の新4K8K衛星放送の方式ISDB-S3⁸⁾ にも採用されている。マッピングに使用するコンスタレーションのNUCは，米国の第２世代地上デジタル放送方式ATSC3.0（Advanced Television Systems Committee 3.0)⁹⁾にも導入された技術である。ビットインターリーブの最適化や，多値変調時にNUCとLDPC符号を併せて用いることで，シャノン限界^*13 に近い特性を得ることができる。

4図のFECブロック変換部では，入力データである可変長のTLVパケットを固定長のFECブロックにカプセル化^*14 する。FECブロックの構成を5図に示す。地上放送高度化方式では，強力な誤り訂正を実現するために，FECブロックの長さを69,120ビットとして符号を設計した。このブロック長は，DVB-T2やISDB-S3よりも長い値となっている。このFECブロックに入るLDPC符号のパリティーは，LDPC符号の符号化率によって長さが変わる。たとえば，符号化率が14/16の場合，LDPCのパリティーの長さは69,120×（1-14/16）＝8,640ビットであり，情報ビットの長さは69,120-8,640＝60,480ビットである。LDPC符号の情報ビットには，BCH符号のパリティーが含まれ，このBCHパリティーの長さは符号化率によらず192ビットである。ここで，可変長のTLVパケットは5図に示す主信号領域に格納され，TLVパケットが主信号領域に入りきらない場合は，TLVパケットを分割して一部を格納し，残りを次のFECブロックの主信号領域に格納する。このとき，各FECブロック内のTLVパケットの開始位置を， 5図に示すFECブロックヘッダー内のTLVパケットポインターで指定することとした。地上放送高度化方式のFECブロック各部のビット長を1表に示す。

３．３　パイロット信号の設計

地上放送高度化方式におけるOFDM信号の伝送では，伝搬路で発生した振幅や位相のひずみを受信機が推定し，補正できるようにするため，既知の信号（パイロット信号）を規則的に配置して伝送するSP（Scattered Pilot）方式を用いている。この伝搬路推定に使用するパイロット信号の配置については，放送エリアの大きさや受信環境等により，周波数方向の配置間隔（D_x）と時間方向の配置間隔（D_y）を最適に設計することが重要である。ここで，D_xを小さくするほど時間的に広範囲のマルチパス妨害波を推定できるようになり，大規模な放送エリアを実現できる。一方，D_yを小さくするほど伝搬路の時間変動に対する追従性が高くなり，高速な移動受信を実現できる。

地上放送高度化方式では，放送エリアは全階層で同等であることを前提として，D_xは全階層で同じ値を，D_yは階層ごとに異なる値を設定可能とした。6図は，固定受信向けであるB階層のOFDMセグメントに（D_x，D_y）=（３，４）を，移動受信向けであるA階層のOFDMセグメントに（D_x，D_y）=（３，２）を設定した例を示す。6図で，青色のSPはAとBの両階層に挿入され，緑色のSPはA階層のみに挿入される。

３．４　伝送パラメーターと伝送容量

地上放送高度化方式の伝送パラメーターを2表に示す。階層伝送の機能を継承しつつ，FFTサイズを拡大してGI比を小さくするなど， フレーム構成を効率化することで，ISDB-T方式と比較して伝送容量の拡大を図っているが，現行の地上放送から次世代方式へのマイグレーションを見据えて，ISDB-T方式の運用パラメーターと同じGI長である126μsに設定するためのGI比として，800/NFFTを仕様に含めた。ここで，NFFTはFFTサイズを示し，モードに応じて8, 192（8k），16,384（16k），32,768（32k）のいずれかの値となる。信号帯域幅については，チャンネル帯域幅の35/36を用いるノーマルモード（5.83 MHz，ISDB-T方式と比べてガードバンドを削減）と，互換モード（5.57 MHz，ISDB-T方式と同じ帯域幅）を選択できるようにした。

7図に，地上放送高度化方式の１チャンネル当たりの伝送容量と所要CN比の関係を示す。伝送システムはSISOとし，FFTサイズは16k，GI比は1/16，セグメント数は35セグメント，SP比率は8.3%として，計算機シミュレーションにより算出した。地上放送高度化方式（●）とISDB-T方式（♦）を比較すると，同じ所要CN比では伝送容量が約10Mbps増加し，同じ伝送容量では所要CN比を約７dB低減できることが分かる。

3表に，地上放送高度化方式の伝送容量について，移動受信で４セグメント，固定受信で31セグメントを利用した場合の例を，現行の地上デジタル放送の伝送容量と比較して示す。現行の地上デジタル放送に合わせて，A階層，B階層の２階層伝送の例で比較する。地上放送高度化方式では，伝送帯域幅の拡大，FFTサイズの拡大によるGI比の低減，キャリヤー変調方式の多値化などにより，ISDB-T方式と比べて大幅に伝送容量が拡大している。