NI LabVIEWとRFモジュールの活用で、マルチユーザMIMOの実証実験システムを構築

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"マルチユーザMIMOのシステム構築においては、サイズ、価格に加え、柔軟性の面で、NI製品以外の選択肢は存在しませんでした。"

- 村田 英一氏, 京都大学 大学院情報学研究科 通信情報システム専攻 准教授

The Challenge:
総務省の戦略的情報通信研究開発推進制度(SCOPE)へ申請したスケジュールを達成するために、マルチユーザMIMOの高度なシステムを短期間で構築する必要がある。そのシステムは、屋外実験で使用できるだけの可搬性を備え、低コストに実現できるものでなければならない。さらには、ハードウェア開発の高度なスキルを持たない学生でも作業が進められる開発手法を選択する必要がある。

The Solution:
端末には USRPを使用し、基地局にはNIのRFモジュールを搭載したPXIシャーシを採用したことで、小型かつ低コストのシステムを構築することができた。また、LabVIEWによるソフトウェア開発をシステム構築の主たる作業としたことで、高度な開発スキルを持たない学生でも、短期間で開発を完了させることができた。

Author(s):
村田 英一氏 - 京都大学 大学院情報学研究科 通信情報システム専攻 准教授

【背景】
現在、次世代の通信技術の本命として、マルチユーザMIMO(以下、MU-MIMO)が注目を集めている。これは、基地局と端末を1対多の関係で使用することで、周波数の利用効率を高めようというものである(図1)。この方法では、基地局側の負担は大きくなるものの、端末側の負担を軽減することができる(従来方式における端末と同等レベルの負担に抑えることができる)。そのため、MU-MIMOには大きな期待が寄せられ、数多くの研究が進められている。その基礎理論や実用時に生じる課題を解決するための各種理論は、すでに確立されたと言えるレベルにある。

図1. MU-MIMOの概念図

しかし、それを現実世界のものとしてMU-MIMOのシステムを具現化するうえでは課題もある。まず、MU-MIMOのおける基地局は、複数の端末を相手にしなければならない。そのため、伝搬路の変動に応じて最適化された信号を送り出すプリコーディングについては、従来よりも高精度なものである必要がある。特に重要になるのは、各端末に対する同期を実現することだ。すなわち、周波数とタイミングの両面でより高度な制御を実現し、より正確な同期を実現しなければならない。しかも、簡素な端末から、ミリ秒(ms)単位で素早くフィードバックを送り返してもらう必要がある。さらに、フィードバックを受け取った基地局は、高速に処理を行い、伝搬路が変化する前に、端末に対して信号を正確に送り出さなければならない。

2009年の時点では、MU-MIMOの理論を屋外伝送実験によって実証した例は存在しなかった。そこで、5 GHz帯で動作する実機システムを構築し、屋外で無線端末を用いて実証実験を行うことにした。この実証実験のプロジェクトは、総務省の平成22年度 戦略的情報通信研究開発推進制度(SCOPE)の採択を受けて、2010年にスタートした。プロジェクトの完了は、2012年度内の予定である。

【課題】
MU-MIMOの実証実験プロジェクトでは、大まかに言うと、以下のような事柄を実施する予定であった。

● 2×2のMU-MIMOのシステム構築/特性評価
● 4×4のMU-MIMOのシステム構築/特性評価
● 2×2のMU-MIMO同士の干渉制御に関する研究

それにあたっては、以下に挙げる事柄が課題となった。

(1)短期開発の実現
この実証実験プロジェクトでは、SCOPEで定められた3年以内に、システムの構築から実験、研究、報告までのすべての作業を終え、すべての結果を得る必要があった。

(2)小型システムの実現
このプロジェクトでは、屋外での実験を行う。そのため、端末側はもちろん、基地局側についてもある程度の可搬性が要求される。

(3)コストの抑制
4×4のMIMOを例にとると、基地局側では送信用装置を4台、受信用装置を4台使用しなければならない。仮に、端末側にも同様の手法を用いたとすると、同じく送信用装置が4台、受信用装置が4台必要になる。つまり、計16台もの装置が必要になる。それぞれに一般的な計測用装置(1台数百万円)を使用したのでは、コストが膨大なものとなってしまう。

(4)開発手法に関する制限
プロジェクトにおいて、実際に作業を行うのは学生である。そのため、スキルの面で、FPGAやDSPなど、ハードウェア開発のプロフェッショナルでなければ手に負えないようなものでは対応できず、より簡素な作業で開発が進められるようにしなければならない。

【ソリューション】
上述した課題を解決するために、NIの製品を採用してシステムの構築を行うことにした。まず、端末としては「USRP(Universal Software Radio Peripheral)」を使用することにした。そして、2×2 MIMOの基地局は、図2に示す構成で実現した中心にあるのはNIのPXIシャーシで、これに市販のアンプモジュールなどを外付けして使用した。PXIシャーシには、信号発生器(SG)と信号アナライザ(SA)の両RFモジュールを2チャンネルずつと、FPGAボード、組込みPCが搭載されている。2つのSGは送信用装置、2つのSAは受信用装置として機能する。同期の実現方法としては、PXIシャーシとUSRPの双方にGPSレシーバを接続し、GPSからの1 PPS(Pulse Per Second)のパルスを使って絶対タイミングで同期をとるという手法を用いた。また、10 MHzの基準信号もGPSレシーバから供給する。FPGAボードは、GPSレシーバからのパルスを受け取り、送受信のタイミングを制御する(トリガ信号の生成)役割を担う。そして、送受信のベースバンド信号処理や制御処理は、組込PC上のソフトウェアによって行う。それらのソフトウェアは、グラフィカルシステム開発プラットフォームである「NI LabVIEW」を使用して開発する。写真1写真2に示すように、端末、基地局ともに、可搬性を備えたコンパクトな形状に抑えることができている。また、他社の計測用装置を使用する場合に比べて、コストを低く抑えることができた。

図2. 基地局の基本構成

写真1. 端末装置の外観

写真2. 基地局装置の外観

このような構成により、まずは2011年度中に、2×2のMIMOシステムの動作と特性を確認した。続いて2012年度初頭には、4×4のMIMOシステムの動作と特性を確認した。基地局側の開発を主に担当したのは1人の学生であり、勉強から始めて、約1年で4×4のMIMOシステムの構築にまでたどり着くことができた。

完成したシステムの機能は、すべて想定していたとおりに動作している。また、処理速度という観点からは、予想以上の高速性を実現できている。2×2のMIMOでは、フィードバックは数msで実現できており、PXIシャーシでの処理/信号送信も数msで完了している。4×4のMIMOでも、処理時間の増分は1 msほどに抑えられている。

短期間で高度なシステムを実現できた理由としては、まずシステムの基本構成を非常に短時間で立ち上げられたことが挙げられる。基地局側は、NIのRFモジュールを主な構成要素とするわけだが、SG/SAはいずれも汎用の計測用装置だ。MU-MIMOに取り組む前に、まずはUSRPを相手とする単純な送受信の系を立ち上げたのだが、その作業の実体は、通信システムの構築というよりも、計測器を用いた単純な信号計測だということができる。そのため、特に問題が生じる理由もないし、実際、無駄な時間がかかることもなかった。

MU-MIMOシステムの構築作業は、そのようにして立ち上げた単純な送受信の系に、制御処理や信号処理を少しずつ付加していくというアプローチで行った。それらの処理はすべてソフトウェアで実現しており、LabVIEWによるGUI(グラフィカルユーザインタフェース)ベースの作業で開発することができた。言い換えれば、高度なハードウェア開発スキルやソフトウェアのコーディングスキルは必要ない。また、基本的なMIMO送受信を実現するためのサンプルプログラムが用意されていたため、その部分でも大幅に工数を削減することができた。このため、開発作業を担当した学生は、本当に注力すべき部分だけに集中することができた。加えて、LabVIEWを採用したことで、システムのGUIの構築と、信号の可視化を容易に実現できたことも、開発時間の短縮に寄与している。LabVIEWでは、表示用のGUIコンポーネントを数多く用意しており、システムの動作中に、ほぼリアルタイムに任意の個所の波形を表示することが可能である。そのため、デバッグ作業などを迅速に進めることができた。さらに、他社の計測装置と比べて、PCとの連携が容易であるという、高い優位性があるNIのRFモジュール製品を採用したことにより、受信波のデータをそのままPCに取り込み、リアルタイムで処理することができた。このように、NIのハードウェア製品とLabVIEWを採用したことで、煩雑な作業が激減した。

【今後の展開】
今後、実証実験プロジェクトの活動としては、2×2のMIMOを2系統稼働させて干渉制御の研究を進める。加えて、周波数とタイミングを推定して補正をかける仕組みを導入することで、GPSを使わずに同期を実現できるようにする予定である。さらには、伝搬路の変化を予測する技術の導入にも取り組む。これらはすべてソフトウェア処理で行う予定であり、そのためのアルゴリズムを開発中だ。

また、より実用レベルに近いものを目指すうえでは、システムの応答速度を高めることも重要な課題となる。これについては、ミリ秒を切るレベルを実現し、伝搬路が変化する前に確実に送信を行えるようしたいと考えている。そのためには、FPGAを活用していきたい。つまり、現在組込みPCで行っている処理をFPGAボードに移管することで、高速化を図る方針だ。

Author Information:
村田 英一氏
京都大学 大学院情報学研究科 通信情報システム専攻 准教授

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