我が国の地上デジタルテレビジョン放送の伝送方式であるISDB-T（Integrated Services Digital Broadcasting for Terrestrial Broadcasting）(1)は，1999年5月に電気通信技術審議会から放送方式に係わる技術的条件が答申され，2001年5月にARIB（一般社団法人電波産業会）標準規格が策定された．2003年12月に2Kの高精細度コンテンツによる放送が開始され，20年以上が経過している．

NHKでは地上波でも超高精細度テレビジョン放送サービスを実現可能とするため，技術の進展を取り入れることで周波数利用効率を高めた次世代地上デジタルテレビジョン放送の伝送技術の研究開発を行ってきた．次世代地上デジタルテレビジョン放送の伝送技術について，2019年6月より，総務省情報通信審議会情報通信技術分科会放送システム委員会において諮問第2044号「放送システムに関する技術的条件」の審議が開始され，2023年7月に地上放送高度化方式が伝送方式の一つとして答申された(2)．その後，「無線設備規則等の一部を改正する省令案（地上デジタルテレビジョン放送の高度化に係る技術基準の追加）」が2024年3月の電波監理審議会において諮問・答申され，2024年5月に関連する省令・告示が公布・施行された．これを受けて民間標準規格団体であるARIBにおいて標準規格として取りまとめられ，2025年3月にARIB STD-B80としてISDB-T3（ISDB-T, 3rd Generation）の伝送方式の標準規格化が完了した(3)．

ARIB STD-B80は，本編と付録で構成されており，本編では帯域幅6MHzのUHF帯1チャネルで一式の送信アンテナシステムを使うSISO（Single-Input Single-Output）による伝送方式，付録ではISDB-T3の国際展開や他国のニーズを考慮したチャネル帯域幅7MHz，8MHzシステムのほか，拡張機能として，複数の送信アンテナと複数の受信アンテナを同時に使って伝送容量を増加させるMIMO（Multiple-Input Multiple-Output），複数の物理チャネルを同時に使って伝送容量を増加させるチャネルボンディング，及び複数の階層を電力方向に多重するLDM（Layered Division Multiplexing：階層分割多重）が規定されている．本稿では，ISDB-T3の本編で規定されるSISOによる基本機能について概説するとともに，付録で規定される三つの拡張機能の概要と特徴について解説する．

ISDB-T3は，ISDB-Tの後継方式であり，超高精細度テレビジョン放送などの大容量伝送，サービス内容に応じた多様な階層伝送，IP（Internet Protocol）形式による伝送などを実現可能とすることを目的とするものである．一つまたは複数のMMT・TLV（MPEG Media Transport・Type Length Value）形式のストリームを入力信号とし，誤り訂正符号にはLDPC（Low-Density Parity Check）符号とBCH（Bose-Chaudhuri-Hocqenghem）符号の連接符号を用いるとともに，信号点配置を不均一にすることにより多値変調における雑音耐性を向上させることで，高効率，高耐性，大容量な伝送を可能とした(4)．また，複数シンボル長のOFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）方式を採用することで，サービス意図に応じて時間方向及び周波数方向の複数階層を組み合わせる多様な階層伝送が可能であり，伝送フレームの末尾に拡張区間を設けることもできる．

ISDB-T3の伝送フレーム構成例を図1に示す．ISDB-T3の伝送フレームは，フレーム同期信号区間，TMCC（Transmission and Multiplexing Configuration Control）信号区間，単一または複数のサブフレーム区間及び拡張区間で構成する．一つのサブフレームは，有効シンボル長及びガードインターバル（GI：Guard Interval）比が同じ複数のシンボルで構成する．サブフレームはセグメント構造を持つ単一または複数の階層で構成することで，周波数分割多重（FDM：Frequency Division Multiplexing）と時分割多重（TDM：Time Division Multiplexing）を組み合わせた階層伝送の構成が可能である．また，特定のサブフレームだけを選択的に受信する間欠受信が可能であり，伝送信号の周波数帯域の一部だけを選択的に受信する部分受信にも対応する．

ISDB-T3のサブフレーム区間の伝送パラメータを表1に示す．信号帯域幅は5.83MHzであり，サブフレーム数は最大8，階層数は最大8までを選択可能である．FFTサイズ（）については，移動受信環境におけるキャリア間干渉の影響やGIによるオーバーヘッドを考慮し，8,192，16,384，32,768の中から選択できるようにした．受信機でチャネル推定に用いるスキャッタードパイロット（SP：Scattered Pilot）信号は，様々な伝搬路に対応するため疎な比率から密な比率までを用意した．GI比については整数分の1の伝送パラメータのほかに800/及び1,600/の伝送パラメータを利用可能とした．前者はISDB-Tの運用パラメータであるモード3，GI比1/8のときのGI長（126μS）と同等の値であり，ISDB-Tとの親和性の観点で選択可能とした．後者はより広い範囲の放送エリアで単一周波数ネットワーク（SFN：Single Frequency Network）を構築し，周波数を有効利用することを考慮した伝送パラメータである．

キャリア変調方式はQPSK（Quadrature Phase Shift Keying）から4,096QAM（Quadrature Amplitude Modulation），内符号であるLDPC符号の符号化率は2/16から14/16までを選択可能とし，運用パラメータを決定する際に多くの選択肢を用意した．

前述したように，ISDB-T3の本編は，帯域幅6MHzのUHF帯1チャネルでSISOによる伝送方式が規定されている．一方，諸外国に目を向けると，第2世代の地上デジタル放送方式として欧州ではDVB-T2(5)，米国ではATSC3.0(6)が規格化されており，これらの方式では複数アンテナを用いるMIMOによる伝送方式等，様々なユースケースに対応するための拡張機能が含まれている．現行の地上放送方式であるISDB-Tは南米地域を中心に諸外国でも採用されているため，ISDB-T3も国際展開を視野に入れ，チャネル帯域幅を7MHz及び8MHzに対応させるとともに，他方式に劣後しない拡張機能を備えた伝送方式とする必要があった．

このような背景を受けて，ARIB STD-B80の付録では，三つの伝送機能が拡張機能として規定されている．本章では，ISDB-T3の拡張機能の概要について述べた後，LDMの特徴と具体的なユースケースを解説する．

MIMOは，同一の周波数で複数の送信アンテナと複数の受信アンテナを使用して，異なる信号を同時に伝送するシステムである．送信アンテナ数，受信アンテナ数の場合のMIMOによる無線伝送システムを図2に示す．ISDB-T3の伝送方式におけるMIMOは，同一のチャネルで複数のアンテナを同時に使うことで伝送容量を増加させるための拡張機能である．OFDM送信信号同士の干渉を少なくするため直交偏波を活用することを想定し，送信アンテナ数とする無線伝送システムを規定している．MIMOに対応したOFDM変調部の主な構成を図3に示す．入力されたTLV形式のストリームは，一次変調され，1キャリアシンボルずつ二つの系統に分離された後，系統ごとに時間及び周波数インタリーブ処理，OFDM変調され，信号出力される．この際，系統1と系統2は同一チャネルで伝送されることから，系統1と系統2の周波数インタリーブ内の一部処理を異なる構成とすることにより，インタリーブ効果の向上を図っている．また，系統1と系統2のパイロット信号は，互いに直交符号化されたヌル方式または符号反転方式を選択可能である(7)．横軸を周波数，縦軸を時間とした，各方式のパイロット信号パターンを図4に示す．ヌル方式では，どちらか一方の系統のパイロットキャリアが送信されている時間に他方の系統のパイロットキャリアをヌル（ゼロ）とすることで，受信信号からチャネル応答を推定する．符号反転方式は，時間方向にのペアを組み，二つの受信信号の加算または減算によって片方の系統のパイロット信号をキャンセルすることで，チャネル応答を推定する．

チャネルボンディングは，同時に複数のチャネルを用いて複数の信号を並列に伝送することで，伝送容量を増加させる伝送システムである．使用可能なチャネルが個である場合の伝送システムを図5に示す．信号同士はチャネルが異なるため互いに干渉とならず，受信機ではバンドパスフィルター等により分離することが可能であるため，複数のチャネルが使用可能である場合には，当技術を用いて伝送容量を増加させることが可能である．ISDB-T3の伝送方式におけるチャネルボンディングは，受信機の回路規模等を考慮し，使用可能なチャネル数を2としている．チャネルボンディングを適用するサブフレームのOFDM変調部の主な構成を図6に示す．チャネルボンディングを構成する階層のセグメント当りのデータキャリア数，キャリア変調方式，符号長，符号化率は系統1と系統2で同一とする．系統分離部では，系統1と系統2に対して，構成する階層のセグメント数に対応する比率によってキャリアシンボルを系統1と系統2に分配する．この処理により，図7に示すようにチャネルボンディングを適用する階層と適用しない階層を混在させることが可能である．また，受信機においては2系統の受信信号を一つに合成した後に一次復調処理を行うため，チャネル間のインタリーブ効果がある．

LDMは，搬送波電力を複数の階層に分割し，これらを電力方向で多重する階層伝送技術である（図8）．サブキャリア若しくはセグメントで階層を分割するFDMや，OFDMシンボルで階層を分割するTDMと異なり，LDMは二つの階層を合成し，階層が互いに干渉となることを前提として伝送することが特徴である．

LDMを適用するサブフレームのOFDM変調部の構成を図9に示す．LDMでは，移動受信向けの高耐性な階層をUL（Upper Layer），固定受信向けの低耐性な階層をLL（Lower Layer）と定義し，それぞれの入力となるTLVストリームを個別に一次変調してキャリアシンボルを生成する．LLの平均電力に対するULの平均電力の比をIL（Injection Level）と定義し，LLのキャリアシンボルに対してILの分だけ平均電力を下げるための振幅補正値を乗算するIL調整を施す．IL調整後のLLのキャリアシンボルとULのキャリアシンボルとを加算した後に平均電力が1となるようレベル正規化を行うことで，二つの階層を合成したキャリアシンボルを生成する．ULをQPSK，LLを64QAMの不均一コンスタレーション（Non-UniformConstellation）として，dBまたはdBで合成したキャリアシンボルの信号点配置を図10に示す．二つの階層のキャリアシンボルを合成した後の信号点配置はULのキャリアシンボルの信号点に対してLLのキャリアシンボルの信号点を重ね合わせた信号点配置となる．また，ILが小さいほどULの平均電力が小さく，LLの平均電力が大きくなり，LLの信号点が互いに重なり合う範囲が広くなる．LDMで多重された二つの階層を復調する手法として，図10に示すように，LLが干渉として存在する状態でULを復調した後，その結果を用いてULの送信レプリカを生成して受信信号から除去することでLLを復調する逐次除去復調（SIC：Successive Interference Cancel）を想定している．一方，二つの階層が合成された状態で復調する統合復調（JD：Joint Detection）がある．SICはULを再変調する必要があるため，JDと比較して回路規模が大きいが，ULを完全に除去してLLを抽出できるため，ILが小さくLLの信号点が重なり合うような場合においてJDより伝送特性に優れる(8)．

LDMは二つの階層を電力方向で多重する方式であることに起因して，二つの階層の所要C/N（Carrier to Noise Ratio）と伝送容量の関係がFDM/TDMとは異なる．FDM/TDM/LDMを適用するISDB-T3について，

高耐性階層と低耐性階層の所要C/Nを，とした場合の伝送容量の関係を計算機シミュレーションで評価した結果を図11に示す．FDM/TDMでは周波数または時間，LDMでは電力で高耐性階層と低耐性階層に割り当てるリソース配分を変化させた場合における二つの階層の伝送容量の関係を示している．図11より，所要C/Nの組合せでは，FDM/TDMとLDMの伝送容量の関係に差はないことが分かる．この場合，処理が複雑であるLDMを適用する利点はないと言える．一方，所要C/Nの組合せでは，FDM/TDMはリソース配分によって伝送容量の関係が線形に変化するのに対し，LDMは非線形に伝送容量の関係が変化し，高耐性階層のリソース割当を上げる場合において，FDM/TDMより高耐性階層の伝送容量を大きくすることが可能であることが分かる．すなわち，LDMは，二つの階層の所要C/Nに差をつけ，高耐性階層に多くのリソースを割り当てる場合においてFDM/TDMと比較して利点がある技術であると言える．

現行の地上放送では，高耐性階層（ワンセグ）で移動受信サービスを，低耐性階層（フルセグ）では固定受信サービスを個別に伝送しており，階層はそれぞれ独立している．一方，LDMでは，高耐性階層に伝送容量を大きく割り当てることができるため，映像符号化にも階層符号化を適用し，ULでベースレイヤの映像を伝送して，LLで高画質化するための差分情報であるエンハンスメントレイヤを伝送する，二つの階層を結合させるユースケースと相性が良い．具体的には，高画質な2K映像を高耐性なULで伝送し，4K映像化するための差分情報をLLで伝送することで，高画質な2K映像と4K映像を一つのチャネルで提供するサービス形態が考えられる．同様のサービスはFDM/TDMでも実現可能だが，LDMの方がULに相当する高耐性階層の伝送容量を大きく割り当てることができるため，2K映像が，固定受信向けのテレビ受信機でも視聴可能な画質に向上することが期待できる．

具体的に伝送パラメータを選定して検討したサービス形態のイメージを図12に示す．二つの階層の所要C/Nは現行の地上放送と同じを想定し，図11(b)で示したリソース配分に相当するdBである伝送パラメータを選定した．この場合，ULの5.5Mbpsにベースレイヤとなる2K映像を，LLの18.5Mbpsにエンハンスメントレイヤを割り当て，階層を結合した伝送容量は24.0Mbpsとなる．FDM/TDMを適用するISDB-T3で高耐性階層に5.5Mbpsを割り当てる場合，低耐性階層の伝送容量は約12Mbps，階層を結合した伝送容量は18Mbpsとなり，LDMの方が伝送容量を大きくできる．映像符号化には，VVC（Versatile Video Coding）(9),(10)のMultilayer Main10プロファイルとして規定されているマルチレイヤ符号化を適用することを想定している(11)．視聴者は，通常時はUL（2K映像）とLL（2K映像と4K映像との差分情報）を両方復調することで4K映像を視聴するが，フェージングなどで一時的に電波が弱くなったときでも高耐性な伝送パラメータを用いて伝送するULが受信可能であれば，引き続き2K映像を視聴できる．このように伝送路符号化及び情報源符号化の双方において階層化された符号化方式としてそれぞれLDMとVVCマルチレイヤ符号化を組み合わせることで，周波数を効率的に使用し，かつ強じんな放送サービスが技術的に可能になると考えられる．

2025年3月に標準規格化が完了したARIB STD-B80「ISDB-T3による高度地上デジタルテレビジョン放送の伝送方式」の基本機能と拡張機能の概要を示した．ISDB-T3は，セグメント構成に基づく階層伝送機能等，現行放送の特徴を継承しつつ，新たな信号構成と最新の伝送特性改善技術を導入した方式である．基本機能では送信アンテナ1本を用いるSISO伝送をサポートしている．

拡張機能では，方式の国際展開や将来的な要求条件の変化に対応するため，MIMO，チャネルボンディング，LDMの三つの伝送機能が規定されている．このうちLDMは，FDMやTDMと異なり複数の階層を非直交に電力領域で多重する階層伝送技術である．LDMの特徴を活用することが可能なパラメータと，VVCマルチレイヤ符号化を組み合わせることで実現可能となる放送サービス例を紹介した．

2025年末現在，ARIB地上デジタル放送伝送路符号化作業班では，本稿で解説した三つの拡張機能に加え，複数の送信アンテナを用いて送信ダイバーシチ効果を得るためのMISO（Multiple-Input Single-Output）による伝送システム，送信局識別コード，PAPR（Peak to Average Power Ratio）低減技術の三つをARIB STD-B80の付録に追加するための作業を行っている．