NIのソフトウェア無線製品を活用し、5G向け新技術の実証実験用システムを構築

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"まったく新たな無線システムを一から構築する場合に、基板のレベルからフルカスタムで設計/開発を行うのではリスクが大きすぎる。COTSで利用可能なSDR製品は、そうしたリスクを回避するための最善の策になる。"

- Masayuki (大堂) Ohdo (雅之 氏), National Institute of Information and Communications Technology (国立研究開発法人 情報通信研究機構)

The Challenge:
1つの基地局に対して複数の携帯電話端末が同時に接続する条件下において、通信に関する一連の処理によって生じる遅延を著しく短縮できる無線通信技術を開発する。まったく新たな無線通信方式を一から設計し、高性能の実験用システムを短期間のうちに構築して、その方式の有効性を実証する実験結果を得る必要があった。

The Solution:
多様な仕様/機能にソフトウェアで柔軟に対応できるCOTSのSDRソリューションを活用することにより、新規の設計が抱えるリスクを回避しつつ、高性能のシステムを短期間で構築する。NI USRPを用いて端末を実装するとともに、NIのPXI製品やFlexRIOを組み合わせて基地局を実装することで、新たな通信方式の有効性を実世界での電波伝搬に基づいて検証する環境を実現する。

Author(s):
Masayuki (大堂) Ohdo (雅之 氏) - National Institute of Information and Communications Technology (国立研究開発法人 情報通信研究機構)
Masafumi (森山) Moriyama (雅文 氏) - National Institute of Information and Communications Technology (国立研究開発法人 情報通信研究機構)
Hayato (手塚) Tezuka (隼人 氏) - National Institute of Information and Communications Technology (国立研究開発法人 情報通信研究機構)
Takuji (笹生) Sasoh (拓児 氏) - Dolphin System Co.,Ltd.

 

背景

現在、無線通信技術の研究/開発の分野では、第5世代移動通信システム(5G)の実現が最も重要なテーマとして位置づけられている。5Gに対しては、IoT(Internet of Things)の基盤技術としての期待も寄せられていることもあり、より大きな注目が集まっているのだ。IoT端末の中で最も代表的なものとしてはセンサノードが挙げられる。ただ、アプリケーションによってはドローンや自動走行車といったデバイスも一種のIoT端末となりうる。したがって、5Gを利用する端末の数は、今後激増すると考えられる。

 

このような状況に対応するためには、より多くの端末を収容可能な新しい無線アクセス技術が必要になることは明らかだ。携帯電話システムについて言えば、世界中の企業や研究機関が新技術の検討を進めており、そうした技術を礎として3GPP(Third Generation Partnership Project)が標準規格の策定を行っている。もちろん、国内でも、数多くの企業/組織によってさまざまな取り組みが行われている。そうした取り組みの1つとして、総務省は電波資源の拡大に向けた技術の研究開発の後押しを行っている。つまり、重要な技術テーマに取り組む企業/組織を募り、資金を提供して開発を推し進めるということである。そのようなかたちで同省が掲げた研究開発案件の1つに、「多数デバイスを収容する携帯電話網に関する高効率通信方式の研究開発」というものがあった。そして、このプロジェクトを受託した機関のひとつが、国立研究開発法人情報通信研究機構(NICT:National Institute of Information and Communications Technology)のワイヤレスネットワーク総合研究センター ワイヤレスシステム研究室である。

 

この総務省のプロジェクトでは、複数の端末の同時接続を実現できるようにする技術と、通信に伴う各種処理によって生じる遅延時間を短く抑える技術の開発が求められていた。もちろん、NICTとしても5Gを大きな研究テーマとして位置づけていたので、物理層を対象としてこの課題に取り組んでみようと考えた。

 

ここで、「複数の端末の同時接続を実現する」というのは何を指すのだろうか。端末から基地局への上りリンクに着目した場合、複数台の端末から同一周波数、同一時間で1台の基地局に対して電波を送信した場合に、各端末から送信されたデータを基地局で個々に復元できるようにするという意味である。これは、周波数資源を効率良く活用し、多くの端末を収容できるようにすることに直接的につながる技術である。もう一方の遅延時間を低減する技術は、上述のドローンや自動走行車の制御のようなリアルタイム制御が求められるアプリケーションを、5Gのような移動通信システムを利用して実現するうえで必須となる。いずれも重要な技術なのだが、現状、これら2つは個別の課題として議論されることがほとんどだ。実際、3GPPでも、多数端末同時接続への対応方法についてはmMTC(Massive Machine Type Communication)、遅延についてはURLLC(Ultra-Reliable and Low Latency Communications)と、異なる2つのユースケースに切り分けられた状態で議論が進められている。3GPPでの扱われ方からすると、多数端末同時接続と低遅延を両立させるというのは、5Gよりも先の話になる可能性もある。NICTとしては、同時接続と低遅延を両立させるチャレンジングな技術に取り組むことにした。3GPPでの目標*を上回る5台端末の同時接続を5ミリ秒以内の遅延で実現するという提案を行い、このプロジェクトを受託するに至った。

*3GPPの多数端末接続(mMTC)の利用シナリオが想定する小容量パケット(20バイト)伝送に対する遅延時間の目標値は10秒である(3GPP TR 38.913)。同時接続端末数の目標については今後議論される予定である。

 

 

課題

複数の端末の同時接続と遅延の低減を実現するために、どのような技術を用いたのか。以下、この点について説明する。

 

まず同時接続については、上述したように、1台の基地局に対して、複数の端末から同一の周波数、同一の時間で電波が送信されることになる。つまり、複数の電波が重なり合った状態で基地局に到達するということである。このような状態は、無線通信の文脈では非直交な状態と称され、基地局側は信号処理技術を駆使して各端末からの信号を分離・検出しなければならない。このようなことを実現するために、まず、送信側の無線フレームはデータ信号とリファレンス信号の2つで構成することにした。これらのうち、データ信号は、通話音声などに対応する実際に送信したいデータを格納する信号である。一方のリファレンス信号には、端末の識別用の情報を格納する。加えて、同信号には端末から基地局までの伝搬経路の特性を推定できるようにするための情報も含めておく。後者の情報は、データ信号に対する端末間の干渉の影響を抑圧/除去するために使用する。基地局側では、それらの情報を基に、受信した信号を分離して各端末に対応づける処理を行うという仕組みである。

 

もう1つの課題が遅延の低減である。ここで言う遅延とは、端末側で送信用データが発生してからそれらを無線信号の形にするまでの処理、電波伝搬に要する時間(無線区間の遅延)、基地局側で無線信号を受信してから各端末のデータを出力するまでの処理という一連の処理にかかる時間のことを意味する。この時間を短く抑えるための手段としては、グラントフリー伝送及び伝送時間間隔(Transmit Time Interval: TTI)の短縮を採用することにした。グラントフリー伝送方式では、端末においてデータ通信の要求が生じた際に、基地局に対して事前に許可を得る処理を踏まず、即座に端末からデータを送信することができる。基地局と端末との間で行われる事前処理が簡素なので、遅延を抑えられるということである。また、伝送時間間隔の短縮では、リファレンス信号とデータ信号で構成される最小伝送単位を現行(LTE)方式の1ミリ秒から0.5ミリ秒と短縮することで無線区間の遅延時間を短縮している。

 

このプロジェクトの場合、そもそも通信に関する基本仕様すら存在しなかった。そこで、使用する周波数、周波数帯域幅、信号のフレームのフォーマットなど、あらゆる事柄を一から設計しなければならなかった。それらの仕様を決定したうえで、複数の端末の同時接続と低遅延を実現するための機能をプログラムとして記述し、コンピュータ上のシミュレーションによる検証を実施した。また、このプロジェクトでは、机上で理論を構築するだけでなく、実機を使用して実世界の電波伝搬に基づく検証システムを構築する必要があった。そして最終的にはフィールド試験を実施し、フィールドにおいても立案した無線通信方式が有効であることを実証する結果を得なければならなかった。そこで、理論の構築と並行して、それを具現化するシステムについての検討も進めることにした。しかし、コンピュータ上のシミュレーションと実機の間にはさまざまなギャップが存在するだけでなく、不確定要素も多かった。また、スケジュールの面でもまったく余裕はない状態だった。このようなケースで、一から基板を起こすかたちでフルカスタムのシステムを構築するというのは現実的な解だとは思えなかった。

 

 

ソリューション/効果

上述したような課題を解決するために、COTS(商用オフザシェルフ)で提供されているソフトウェア無線(SDR)製品を活用することにした。具体的には、端末側の製品としてはNIのSDRデバイス「USRP」を採用した(図1)。この製品では、ハードウェアに変更を加えることなく、システムの仕様に応じてソフトウェアを変更するだけで、さまざまな無線通信方式に対応することができる。一方、基地局側は、NIのPXI(PCI eXtensions for Instrumentation)製品やユーザがプログラム可能なFPGAを搭載するモジュール「FlexRIO」、加えて、FlexRIOのI/Oとして機能するRFアダプタモジュール「NI 5791」を組み合わせて使用した(図2)。そして、システム構築の実装作業はドルフィンシステムに委託することにした。つまり、NICTが端末側、基地局側向けに設計したあらゆる機能を、ドルフィンシステムがグラフィカル開発プラットフォーム「NI LabVIEW」を使用して実装するということである。

 

図1. 端末側の装置。USRPを5台使用し、5台の端末を模擬している。各USRPには外付けの電力増幅器が組み合わせられており、USRPから出力された送信信号が増幅され、アンテナから放射される。

 

図2. 基地局側の装置。PXIやFlexRIOを組み合わせて実現している。PXIの向かって左隣のモニタには、ドルフィンシステムが構築した基地局用ソフトウェアのユーザインタフェースが表示されている。

 

実装作業については、NICTからドルフィンシステムに対して、システムの仕様書とThe MathWorks社の「MATLAB」で記述した無線通信方式のプログラムを引き渡した。ドルフィンシステムは、それらをLabVIEWによって実装しなおすということを行った。なお、基地局側で行われる信号の分離に使用するアルゴリズムの実装は、また別の企業が担当していた。そして、そのアルゴリズムはFPGA向けのRTL(Register Transfer Level)コードとしてNICTに提供されていた。そのRTLコードを、フレーム同期や復調など、LabVIEWで実装したその他の基地局向け信号処理と併せてFlexRIO上のFPGAで実行するための実装もドルフィンシステムが担当した。

 

言うまでもなく、コンピュータ上でのシミュレーションは非常に有効な手法である。しかしながら、現実の環境をシミュレーション上で完全に再現するというのは非常に難しい。したがって、実機上で条件をさまざまに変化させてみなければ詰めきれない部分が存在することになる。具体的には、システムがある程度立ち上がった段階で動作させてみると、シミュレーションではうまくいっていたことが実機ではうまくいかないというケースに何回も遭遇する結果になった。それらの問題に対しては、NICTとドルフィンシステムの連携のもとで対処に臨んだ。例えば、何らかの要因で、基地局側で所望の通信品質が達成されない事象が発生したことがあった。この場合は、PXIやFlexRIO、USRPに備わっている同期用のタイミング信号やトリガー信号の柔軟な入出力機能を利用して、タイミングに起因する問題の切り分けを行い、原因を容易に把握することができた。具体的には、通常、各基地局・端末はそれぞれ内蔵のクロックを基に動作させているのに対し、敢えて基地局と複数の端末のタイミング信号をケーブルで同期させ、基地局と端末間で緊密な同期を適用したところ、性能が大きく向上したため、基地局・端末間のタイミング同期に起因した問題があることをすぐに突き止めたということである。また、FPGAで使用するIP(Intellectual Property)コアに、機能の不足や仕様との不整合などがあった場合にも、NICTが回避策を検討し、それをドルフィンシステムが実装しなおすことで対処した。なお、ドルフィンシステムは、電波信号をダウンコンバートしてI/Qの波形データをハードディスクなどにファイル記録するという機能を従来から実現済みだった。上述したような問題が生じた際には、トラブルシューティングの一環として、基地局側で通常の受信処理を行う代わりにこの機能を使い、記録したデータをIQ波形レベルで解析するといった手法を活用することができた。

 

このような経過をたどりながら、実験に使用できるレベルのシステム(一次試作装置)を完成させることができた。開発にかかった期間は2~3ヵ月程度である。USRPやFlexRIOといったSDR製品を採用したため、要件に応じた製品を選定してしまえば、無線機のハードウェア開発作業は一切必要がない。また、LabVIEWを使えば、PCのCPU上で実行する処理だけでなく、FPGAに実装する処理さえも、グラフィカルで直感的な操作によってプログラミングし、SDRの無線通信処理として動かすことができる。このことから、システムの開発/改修を迅速に行うことが可能になる。実際、システムのすべてをフルカスタムで実現しようとしたのでは、このような短い期間で開発を終えることは不可能であっただろう。

 

このプロジェクトのように、完全に新規のシステムを構築する場合や実験用/試作用のシステムを構築する場合、基板のレベルからフルカスタムで設計/開発を行うというのはリスクが大きすぎる。システムを組み上げていく段階で多くの改修が発生する可能性があるからだ。また、システムがひととおり稼働し始めて、実験や検討を行う過程でも、さまざまな修正が必要になるかもしれない。そのような場合、そうした変更を加えながら手軽に測定が行えることのメリットは非常に大きい。修正が発生することが想定されるなら、コストについても、フルカスタム開発の場合よりかなり有利になるはずだ。さらに、今回のシステムの場合、基地局側については、信号の分離アルゴリズムをリアルタイム実行することが不可欠であった。この信号処理は非常に負荷が高く、PCのCPUではリアルタイム実行は不可能である。その意味でも、ユーザが自由にプログラム可能なFPGAは有用であったといえる。

 

 

今後の展開

本稿執筆の時点では、システムの構築(二次試作装置)が完了した段階にある。複数の端末から基地局に対して信号を送信した場合に、何%の確率でデータ分離できるか確認するための機能を実現することができた。いくつかの条件が満たされる必要があるものの、目標であった5台端末の同時接続を5ミリ秒以下の遅延で実現できることが確認できている。また、電波暗室での試験(図3)及び屋外での試験も順調に進められている。

 

図3. 電波暗室で実験を行っている様子。向かって左側に基地局であるPXI、向かって右側に端末であるUSRP 5台が設置されている。

 

現時点では、国際及び国内での学会発表のかたちで、机上で検討した理論に基づいて現実のシステムを構築することができたという報告を行っている段階にある。今後は、屋外での実証実験で得られた結果について、誌上論文や、3GPPにも提出したいと考えている。

 

今後の展開としては以下のようなことを考えている。10台の同時接続に挑むことが決定している。ただし、同時接続が可能な台数と遅延時間の間にはトレードオフの関係がある。接続される端末数が増えると、分離処理のための時間が増加してしまうからだ。そのため、10台の同時接続という条件では遅延時間の要件を5ミリ秒よりも緩和した上での検討を進めている。いずれにせよ、今後の取り組みにおいては、同時接続が可能な台数を増やすことと、信頼性を高めることの2つが柱になるだろう。

 

今回のプロジェクトは、携帯電話システムを前提としたものだった。ただ、NICTでは、5Gに限定することなく、IoT向けのデバイスに適した通信技術にも注目している。もちろん、IoTの基盤技術として5Gが使われる可能性はある。その一方で、ISM(Industry Science Medical)帯を使用した独自の通信システムなどが使われるケースもあるだろう。そうしたアプリケーションにも、今回開発した技術を展開できることを期待している。NICTとしては、研究/開発に取り組んだ技術が実際に社会で使われることを強く望んでいる。今回開発した技術についても、携帯電話に限らず、何らかのシステムの要素技術として採用されることが願いだ。

 

【謝辞】
本研究は,総務省から受託した電波資源拡大のための研究開発課題「多数デバイスを収容する携帯電話網に関する高効率通信方式の研究開発」によって行われたものである。

 

Author Information:
Masayuki (大堂) Ohdo (雅之 氏)
National Institute of Information and Communications Technology (国立研究開発法人 情報通信研究機構)
3-4, Hikarino-Oka, Yokosuka
Kanagawa 239-0847
Japan
Tel: +81 46 847 5050

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