LED通信技術白書１

2020年は5Gが立ち上がり色々な展示会で5G絡みの展示がありました。しかし残念ながら新型コロナウイルス感染症の影響で今までのような展示会が頻繁に行われた訳ではありませんでした。特に春のシーズンの展示会は尽く中止になり、秋のシーズンもオンラインを共有しての展示会などもあり出展者の工夫、苦労も伺われました。そのような状況を体験して2021年はますますDXの進化が求められることでしょう。2021年カシケンの第一弾は４回シリーズで再度光空間通信を理解して頂く意味で「LED通信技術白書」と題して整理すると共に三技協のLEDBackhaulを紹介ます。電波での無線通信の課題等の解決のヒントに少しでもなれば幸いです。

光無線通信の成り立ち

なぜ電波ではなく光なのか？

三技協が製造販売しているLED Backhaulは電波ではなく光を使った無線通信です。本章では、なぜ電波ではなく光を使っているのか、光無線通信というものが作られたのかを説明いたします。それを理解するためには、まず電波のデメリットについて理解する必要があります。

周波数は貴重なもの

現在の無線通信の殆どは、電波によって行われています。皆さんが使っている携帯電話やWi-Fiから、テレビやラジオといった放送、飛行機などが使うレーダーも全て電波です。ドイツのヘルツが電波を発信、受信出来ることを実証した1888年から、およそ120年ちょっと。もはや電波なしでの生活は考えられないほど普及しています。電波は非常に便利です。非常に遠くまで飛ばすことができ、様々な物質に対して透過させることも反射させることもでき、モノを加熱することすらできます。ただし、ご存じの通り有限です。使える周波数は限られていますし、すでに殆どの周波数が使われてしまっていて、殆ど空きはありません。電波は、増やすことができない「貴重な共有財産」です。そのため、電波を使いたいと思っても、簡単には周波数を割り当てて貰うことはできません。

日本を除く多くの国では「電波オークション」というものを採用しています。これは、空いている周波数を「オークション」で売りに出し、一番高い価格で落札した人がその周波数を使う権利を得るというモノです。使いやすい周波数ほど、周波数の幅が広いほど落札価格は高くなります。2017年にアメリカで行われた600MHz帯の周波数オークションは、なんと総額200億ドル(日本円で2兆1千億円超！！)にもなったそうです。日本ではオークションをやらない代わりに、周波数を割り当てられた人に対し、エリアカバー率などのユニバーサルサービスの厳しい(=お金がかかる)条件を付けていたりします。いずれにせよ、世界中どこの国でも共通しているのは、携帯電話の時代となり、周波数の需要は爆発的に増え、それゆえ周波数の価値は上がり続けているということです。そう考えると、もはや普通の人(法人)には新たな周波数など入手不可能なのです。

電波の厳しいルール

そして、仮に運良く電波を使う許可を得たとしても、電波を使うときのルールは非常に厳密に使われています。日本においてですが、まずは電波法という法律に従わなくてはいけません。さらに電波法から周波数毎、用途毎の細かいルールを決めた無線設備規則というものがあります。そして、その無線設備規則や委員会の答申等を受けて、電波産業会[1](通称ARIB、三技協も正会員です)が最終的な標準仕様を決定します。電波法や規則などが改正される場合、殆どのケースは「いくつかの審議会による審議」「何度かのパブリックコメント募集」「WTO等との調整」を経て改正されます。文面からも想像ができるかと思いますが、もの凄く時間のかかる作業であり、早くても1年、通常は数年掛けてやっと改正が決定されます。そして、そこまでして改正したルールを基に実際の製品にする際には、ルールに適合していることを証明するため、一台毎に登録点検を行い総務省に提出するか、もしくは製造品全てが適合していることを認定試験機関に試験を依頼し、技術基準適合証明（通称技適）を取得しなければいけません。さらに、アマチュア無線や携帯電話の基地局などは総務省に無線局として登録しなければいけません。さらには、それを操作する人は無線従事者免許(出力等で階級はある)の取得が必要となります。

Wi-Fiなどは自由に電波を使えているように見えます。Wi-Fiなどの装置が免許なしで使える周波数は、「アンライセンスバンド」とか「ISMバンド」とか呼ばれます。例えば、Wi-FiやBlueToothが使う2.4GHz帯域は、元々電子レンジのための周波数だったため、通信の用途でも免許なしで使える周波数です。ただし、免許が不要だからといって自由に電波を出してよいわけではありません。2.4GHzを使用する機器は、周波数幅や出力が厳しく制限されているだけではなく、「キャリアセンス」という面倒な仕組みも必要となります。キャリアセンスとは、電波を送信しようとするとき、他の人が使っているかどうかをモニターし、使っていない場合にのみ送信するという機能で、他の人と干渉を防ぐ目的で使われています。これにより通信速度が遅くなったり、遅延が大きくなったりしてしまいます。キャリアセンスはいろいろな人が勝手に使うアンライセンスバンドでの必須ルールであり、例えば次のように2.4GHzだけでなく他の周波数帯、システムでも同様のルールが存在します。

ARIB STD-T66 3.7版 3.4.1項　（2.4GHz Wi-Fiの規格）

キャリアセンス (設備・第49 条の20)

ア 占有周波数帯幅が26MHz を超え38MHz以下のOFDM方式（FH方式との複合方式を除く。）の送信装置については、キャリアセンスを備え付けること。

イ 屋外で使用する模型飛行機の無線操縦の用に供する送信装置（FH 方式のものを除く。）にあっては、送信開始時において動作するキャリアセンスを備え付けること。

ARIB STD-T108 1.2版 3.4.2項 (920MHz LPWAの規格)

・無線設備は新たな送信に先立ち、キャリアセンスによる干渉確認を実行した後、送信を開始すること。

・キャリアセンスは、電波を発射する周波数が含まれる全ての単位チャネルに対して行い、128μs 以上行うものであること。

・キャリアセンスレベルは、電波を発射しようとする周波数が含まれる全ての単位チャネルにおける受信電力の総和が給電線入力点において-80dBm とし、これを超える場合、送信を行わないものであること。

この様に、周波数が貴重である事を理由に、電波の運用、使用には厳しいルールが課せられています。そのため、新しい方式で電波を使おうとするならば、時間も手間も掛けて、様々なハードルをクリアすることが求められ(加えて多くの場合ARIBの会員になることも求められ)ます。電波を使った新商品は、簡単に出せる訳ではないのです。

光って何

光と電波は物理学的には全く同じ電磁波です。どちらも、光速で伝搬し、質量がなく、エネルギーを伝達できます。光は非常に高い周波数の電波であり、その一部は目に見えるため「可視光線」と呼ばれ、それ以外にも人間の眼に波見えない「赤外線」や「紫外線」があり、これらをひっくるめて一般的に「光」と呼ばれています。物理的には同じ性質の光と電波ですが、法律的には全く異なります。電波法では 周波数3THz以下の電磁波を「電波」と定義 しています。そのため、3THz以上の電磁波は電波ではなく法律的には「光」とされます。前述の様に電波には厳しいルールが課せられていますが、光にはほぼルールがありません。精々あるのは、アイセーフティという目の安全規格ぐらい。そもそも、ルールがないのは当然とも言えます。電波のルールは通信の干渉を防ぐために存在しています。しかし、光には、電波が発見される前から、無線通信が行われる前から、太陽、火、電灯など強力な「電磁波」を発生する装置(?)が存在していました。いまさら、どうやって太陽や火や電灯を規制できるというのでしょうか？

つまり、電波法のような規制が存在しない、存在できないのが、電波にはない光のメリットです。光無線通信においても、当然免許も技適も一切必要ないため、「いつでも使える、どこでも使える、誰でも使える」のです。

光無線通信の現状

「規制がない」こと、これは電波では絶対に実現できない、極めて大きなメリットです。三技協のLED Backhaulもそのメリットを活かすべく作られた製品です。しかし、そんな大きなメリットがあるにも関わらず、正直なところ光無線通信する機器は多くありません。なぜなのでしょうか？

光無線通信の始まり

電波と同じ電磁波でありながら、全くといっていいほど規制はされず、それでいて広い帯域が取れる「光」は古くから通信手段として期待はされてきました。光無線通信の元祖は狼煙だとか言われています。手旗信号やスポットライトによるモールス信号も光無線通信の一部と言っていいでしょう。電気通信装置として光無線通信が一般的になったのは「テレビの赤外線リモコン」が最初と言えるでしょう。テレビ用赤外線リモコンは松下電器（現パナソニック）が1972年に世界で初めて発売した[1]と考えられています。この最初の赤外線リモコンは当時開発されたばかりの赤外線LEDを使用したものでした。今でこそLEDは省電力な照明に使われているイメージがありますが、最初に注目されたLEDの最大の特長は、高速に点滅できて、点滅させても球切れしないということでした。それまでの光源であった、電球、白熱球は高速に点滅できない、かつ点滅で球切れしやすい[2]ですし、蛍光灯やネオン管はそもそも小型化が困難で通信に向いていません。とても小型で、それでいて点滅が自由で、しかも省電力なLEDの出現により、ついに光無線通信が可能になったとも言えるかもしれません。

その後、赤外線エアコンはビデオやエアコン、照明など様々なものに採用されていきました。現在はBluetoothを使ったリモコンもありますが、発売から45年経った今でもリモコンの主流は赤外線です。また、カラオケボックスで使われているコードレスマイクも赤外線による光無線通信が使われているものが多いです。一時期はIrDAという赤外線通信が携帯電話に標準装備されている時期もありました。しかし、残念ながらこれ以外の光無線通信で広まったものは「ほぼない」というのが現実です。

光は電波に比べ直進性が高く、透過、反射、回折での減衰も電波より大きくなります。そのため、ある程度の速度が必要な通信はLOS(Line of Sight:見通し内)通信が必要になり、携帯電話やWi-FiなどLOSが不要な電波よりも不便で光無線通信は広まりませんでした。つまり、規制がないというメリットよりも不便さのデメリットが上回ったということなのですが、実は広まらなかった理由はもう一つあります。それを理解するために、今使われている光無線通信の変調方式を見ていきたいと思います。

赤外線リモコンの変調方式

その赤外線リモコンの殆どはパルス変調の一つである「PPM変調」という変調技術を利用して通信しています。短いON（パルス）の後のOFFの時間の長さを信号とする変調方式です。ONの時間、つまり発光時間を短くできるため、消費電力をとても小さくできます。仮に0,1が均等に出現した場合[3]、発光時間は通信時間の1/3です。電池で長時間動作が必要なリモコンという装置に適した変調方式ですが、OFFの時間が長くなるため通信速度は遅くなります。

 IrDA(1.1 IrFIR)の変調方式

IrDAには様々なバージョンがあり、バージョン毎に変調方式が異なっています。ここでは普及した方式のうちの4Mbpsと当時としては高速な通信であったIrDA1.1(FIR)について説明します。FIRは4値PPMとも呼ばれています。同期の取り方など特殊な部分はありますが、通信部分の変調は極めてシンプルです。2bitの情報(0~3)に従ってパルスの位置をずらすという方法です。これにより、発光時間は通信時間の2/7(0.29)となり通信速度のわりには電力の消費が抑えられます。

これまでの光無線通信

赤外線リモコンにしてもIrDAにしても、パルス変調を使用しています。パルス変調のメリットは、ノイズに強いと言うことです。AM(振幅変調)の様に波形を維持する必要は無く、判別ONの部分だけ検出できれば良い訳ですから、とてもノイズに強いのです。これは、光無線通信が太陽光や照明光が存在する**ノイズが非常に多い環境**での通信を前提にしているため、電波の通信と比べ、より高いノイズ対策を行う必要があるためです。また、リモコンに関してはできる限りのNLOS(見通し外)通信も求められるため、さらに必要なノイズ耐性レベルが高くなります。

しかし、この変調方式は電波では殆ど使われません。パルス波やOOK(On-Off Keying)といった方形波は、その伝送できるデータ量に対して周波数の幅（帯域幅）を広く使ってしまいます。簡単に言えば**周波数利用効率が悪い**のです。下図が方形波のフーリエ変換結果ですが、周波数成分が広がってしまっていて、帯域幅を広く使っていることが分かります。

電波通信も、最初期のモールス信号やAMラジオなどの時代は機器が簡単なことが重視され、パルス変調やAM変調といった単純な変調を使用していましたが、近年(といってもかなり前からですが)、周波数はとても貴重なものとなり、その貴重な周波数を無駄に使わないため変調方式は「周波数利用効率が良いこと」が重視されています。しかし、光は現在の技術レベルでは無限と言えるほどの周波数幅があり、それ故周波数利用効率を気にする必要はありません。ノイズに強い、それに加え変調の仕組みが簡単であるという理由から、光無線通信の多くが今もパルス変調などの単純な変調を使用しています。

LEDの性能とパルス変調

LEDの光は、p型半導体とn型半導体の接合部での電子の移動により、電気エネルギーが光（と熱）に交換され、放出されたものです。例えば、電球は発熱を光に変えています。蛍光灯は電子を蛍光体に当てて蛍光体を発光させています。つまり、電気(電流)を別のものに形を変えて発光しているわけです。そのため、徐々に光る感じになります。LEDはそれらと異なり、電気を直接光に変えているため、電圧を掛ければすとても高速に点灯し、電圧を下げればとても高速に消えます。電源を入れた瞬間から最大出力で光ることができるため、トイレ照明や懐中電灯などオンオフが激しい照明用途にとても向いています。

この様にとても高速なLEDですが、LEDとて消灯状態から完全に光るまでに全く時間がかからないというわけではありません。そして、その時間は通信デバイスとして見た場合には、無視できないほどの時間であり、通信デバイスとしては高速ではないのです。

LEDに電流が流れてから、10%の光量から90%の光量にまで光るまでの時間をOptical Rise Timeとよび、その逆に電流が止まってから光が消えるまでの時間をOptical Fall Timeと呼びます。この値は、電流量やLEDの温度などでかなり変動しますが、現在のかなり高速と言われているLEDであってもそれぞれおよそ10ns(ナノ秒)程度かかります。つまり、点灯から消灯まで最低でも20nsはかかるわけです。これを先ほどのFIR方式の変調で、１パルス20nsかかるとして最大通信速度を計算すると以下の通りとなります。

ヘッダーやマージンなどを無視して最大限効率的に通信したとして、FIRの方式だと25Mbpsまでしか出すことができません。もちろん、LEDの出力を90%まで使う必要は無く、実質のRise Timeをもっと短くできると思いますが、それでもLEDの違いや、電流の違いなどのネガティブ条件を考慮すれば、安定して通信できるのは良くて数Mbpsと推測されますし、実際にFIRの最高速度は4Mbpsと設定されていました。

西暦2000年頃、まだADSLは普及しておらずダイアルアップやISDNが主流で、Wi-Fiは産声を上げたばかり、携帯電話もやっと第三世代(CDMA)に移ろうとしている頃、1Mbpsの無線通信は十分高速通信と言えるものでしたので、LEDの点滅能力でも対応できました。当時、光無線LAN[4]といった装置も存在しており、電波よりも優位な時期もありました。しかし時は過ぎ、FTTHが当たり前、Wi-Fiは11n(現Wi-Fi 4)となり、携帯電話がLTEの時代となってくると、通信の「高速」と言われる速度は100Mbpsを超えるようになってきました。残念ながら、LEDによる光無線通信は100Mbpsの時代にはついて行けなくなりました。電波無線が軒並み先進的で効率的な変調(OFDM)を使用している中、無駄の多いパルス変調を使っていた光無線通信は速度に追いつけなくなったのです。そもそもLOSでしか通信できないという光無線通信の弱点もあるため、光無線通信は、市場を形成することなく高速通信の用途として使えなくなりました。

新しい変調

しかし、2010年代に入り、また光無線通信が注目されるようになりました。その理由の一つは、LEDの進化です。青色LEDの発明により、LEDが照明用途やディスプレイ用途にも使えるようになりました。あらゆる光源はLEDに置き換わり、LEDそのものの市場が爆発的に大きくなりました。それに従い、LEDの開発製造競争は激しくなり、非常に高出力で高速なLEDが安く入手できるようになりました。LEDの高速化、高出力化はそのままLEDによる無線通信の性能向上に寄与しました。

もう一つは、OFDMの広がりです。光によるOFDMの詳細説明は第3章で行いますが、とにかくOFDMにはメリットが多く、通信の高速化には欠かせない「究極の」変調方式です。しかし、OFDMはこれまでの変調よりも計算量も多く、ハードウエア的な実装が大変でした。数が出る事が決まっている携帯電話やWi-Fiはいち早くチップ化でき、OFDMの恩恵にあずかれました。時が経つにつれ、他のそれほど数が出ない通信機においても徐々にOFDMが広まっていき、光無線通信という「ニッチ」な技術でもOFDMの恩恵を受けられるようになりました。帯域幅が実用上ほぼ無限に取れる光無線通信においてはOFDMの高速化のメリットを得ることができます。しかも、OFDMはパルス変調と比べLEDの性能を大幅に引き出すことができ、LEDでも100Mbps超の通信ができるようになりました。そして、2011年に発表されたLi-Fiにより、照明と通信が融合できるという可能性が発表され、再び光無線通信が注目をあびるようになったのです。

光無線通信の可能性

光無線通信には以下の様な特長があります。

1. 帯域幅や出力、スプリアスなど、規制が全世界で全くない(必要ない)
2. 使える周波数は広大
3. LEDやフォトダイオード(PD)など、既存の通信「以外」の用途で開発されたデバイスが使える
4. 既存技術(レンズやミラー)により、飛ぶ範囲を簡単にコントロールできる

とくに1,2は無線通信にとっては非常に魅力的でありながら、電波には絶対にできない(ありえない)ことです。すでに5G(携帯電話)では、これ以上無いぐらい効率的な通信[5]になっており、帯域幅を広げる(これは他の用途から周波数を奪う事を意味する)以外に、高速化の方法は無くなってきています。一方、光無線通信は、まだまだ発展途上です。高速化のボトルネックはLEDやPDといったデバイスの性能であり、デバイスさえ進化すればまだまだ高速化が可能です。現在はまだデバイス性能的に難しいですが、数年後にはより高速化が簡単なLD(レーザーダイオード)を使った光無線通信も出てくるでしょう。この様に考えると、光無線通信は、今後もまだまだ利用用途が広がっていく可能性を秘める、注目すべき通信方法と言えるでしょう。

[1]: [パナソニック テレビと家電の歴史][2]

[2]: 電球(白熱球)や蛍光灯には電源投入時に大きな突入電流が存在し、それが寿命を短くします。LEDは突入電流が微弱で寿命に影響がありません。

[3]: 実際には、OFFの時間が長くなるように1が多くなるように信号を設計します。

[4]: [JVCKENWOOD 高速光無線LAN OA-M301][3]

[5]: シャノン限界を達成するPole符号を使用するなどの新技術を投入していますが、LTEと比べ周波数利用効率が大きく向上したわけではありません。