サイバーフィジカル融合によるB5G/6Gネットワーク実現を目指す高度電波模擬システム

松村 武
国立研究開発法人情報通信研究機構
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

NICTワイヤレスネットワーク総合研究センター オープンラボ2021
2021/2/12, オンライン開催
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Contents
1. 背景
2. 高度電波模擬システム（CPSエミュレータ）1. 概要
2. 対象システム、周波数、環境
3. 仕様拡張計画
3. CPSエミュレータにより実現するB5G基盤技術
4. まとめ1

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CPSエミュレータ開発の背景と目的
背景• Society5.0時代は、これまで以上に多くの機器が通信を行い、通信量の増大による周波数逼迫、相互干渉による周波数利用効率の劣化など、様々な問題が発生する。
• 新たな電波システム開発や既存システムとの共存技術開発には多大な時間、費用が必要。
• 実無線機による運用試験は特定環境下で実施されることが多く、様々な環境での検証が困難。また環境変動により再現性の確保が困難。
• 実証フィールド環境に数千台規模の実無線機を設置しての大規模システム検証が困難。
• 新しい電波システムのデザイン、評価、検証を低コストかつ短時間で可能とするためには、様々な環境やシナリオを定義でき、物理的な試作機のみでなく、仮想的な無線機による実験環境が模擬可能な、新しい概念の電波模擬システムを開発する必要がある。
目的
様々な電波システムを、仮想空間上で高精度かつリアルタイムにエミュレーション可能な電波模擬システムを開発し、無線通信に関わる多様な事業者が、インフラ／システム／プラットフォーム／アプリケーション／サービスなどのデザイン、評価、検証が可能となるテストベッドを提供する。
電波伝搬を仮想空間上で高精度に模擬1万台規模の大規模評価
複数／異種システムの運用模擬

疑似無線機で任意の電波システムを模擬
2

サーバ上に構築した仮想空間でリアルタイムにエミュレーション

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実機検証で再現性のよい試験環境を確保開発／実験／検証のコストカットDARPA SC2 Colosseum (Emulator)
Colosseum構成

https://archive.darpa.mil/sc2/

128台のUSRP（256 nodes）
リンク数256 x 256のチャネルエミュレータ
チャネル帯域幅：80 MHz
MWC LA 2019

現実社会に即した複数シナリオを設定

3Copyright © 2021 National Institute of Information and Communications Technology. All Rights Reserved.

森林火災シナリオ上のコンペティションの模様

CPSエミュレータ開発の技術的目標
400MHzの信号帯域幅でB5G時代の高速大容量通信を実現
仮想無線機との相互接続により大規模なシステム検証を実現
10,000台規模の仮想無線機

4アンテナ放射パターンの反映により、ビームフォーミングなどの新技術適用を実現

疑似無線機による電波模擬システム

・・
・・・・

仮想環境
大規模仮想環境検証基盤

移動体の経路変更などを反映できるリアルタイム処理を実現
高精度なモデル化技術
により実環境の忠実な模擬を実現

項目

本研究開発課題

DARPA SC2

エミュレーション規模

疑似無線機128台（実無線機も接続可）＋仮想無線機10,000台

疑似無線機128台のみ

検証項目

疑似無線機による検証の他、実無線機によるアプリケーション、ミリ波帯ハードウェア設計の検証

疑似無線機（Sub-6 GHzに制限）を用いたシステム、アルゴリズムの検証

リアルタイム性

移動局の移動経路変更などをリアルタイムに反映 事前設定経路のみ（エミュレーション途中の移動経路変更は不可）

伝搬特性のモデリング

3つのレイヤに分けて、周辺環境の違いによる最適なモデリング方式を選択

事前設定経路に基づき、サンプリング時間単位でレイトレーシングにより取得

エミュレーション環境

屋内・屋外

屋外のみ

アンテナ放射パターン

放射パターンを考慮したアンテナモデルの適用

無指向性アンテナ

無線信号処理能力

B5Gを想定した400MHz帯域幅の信号処理

80MHz帯域幅までの信号処理

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対象とするシステム、シナリオ、周波数帯検討シナリオ

システム
ドローン／ロボット

 橋梁等のインフラ点検、森林等の救護活動支援での中継不具合など、見通し外遠隔操作時の課題検証

ITS 他車、歩行者等の模擬による自動走行システムとセルラやIoTを統合したリアルタイムな統合システム検証

スマートオフィス オフィス家具配置や人の移動も含めた無線通信最適配置と効率的運用のための電波可視化技術の実現

スマート工場 人・AGVが移動する環境でのモデル単純化による機密性を維持した電波システム最適運用検証基盤の構築

次世代スマートメータ 多数のメータ，センサから計測データ等を収集する数百台規模の大規模システム検証手法の確立

5G/B5Gセルラシステム

 帯域内全二重通信技術やダイナミック周波数共用技術などB5Gに向けた新規技術の検証
 準ミリ波帯・ミリ波帯を用いた無線通信システムの実用化に向けた検証環境の整備

ドローン／ロボット

無人移動体画像伝送システム（169MHz帯）

ARIB
STD-T108（920MHz帯）

無人移動体画像伝送システム（2.4GHz帯）

無人移動体画像伝送システム（5.7GHz帯）
DSRC（ARIB STDT75）（5.8GHz帯）

高度交通システム（760MHz帯）

ITS
スマートオフィス

IoT, Wi-SUN（920MHz帯）

Wi-Fi（2.4GHz帯）（5.2/5.3/5.6GHz帯）

スマート工場

IoT, Wi-SUN（920MHz帯）

Wi-Fi（2.4GHz帯）（5.2/5.3/5.6GHz帯）

次世代スマートメータ

Wi-SUN（920MHz帯）

Wi-Fi（2.4GHz帯）

5G/B5G
セルラシステム5

具体的な6つのシステムを選定し、実用的なシナリオを設定

5G(3.7, 4.5GHz等)

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車載レーダ（70GHz帯）

Wi-Fi

ローカル5G（28GHz帯）

Wi-Fi

ローカル5G（28GHz帯）

IEEE 802.11ad（60GHz帯）

5G/B5G（28GHz帯）

B5G（～100GHz）

6つのシステム
で用いる電波システムと周波数をサポート

CPSエミュレータの仕様拡張計画
4年間で段階的に整備する計画

疑似無線機台数

令和2年度

令和3年度

令和4年度

令和5年度

最大32 台

最大64 台

最大96台

100台以上

相互接続無相互接続無

相互接続有

仮想無線機ノード数

200-300 nodes

2,000 nodes

5,000 nodes

10,000 nodes

想定リンク数

16×16

32×32

96×96（Sub6GHz帯）
10×10（28GHz帯）

最大256×256≥ 10×10（28GHz帯）

対象周波数

Sub6GHz帯の一部

Sub6GHz帯の一部
28GHz帯拡張検討

Sub6GHz帯
Sub6GHz帯
28GHz帯含む準ミリ波帯、 28GHz帯含む準ミリ波帯、ミリ波帯
ミリ波帯

信号帯域幅

> 20MHz

100MHz400MHz検討

100MHz（最大400MHz）

100MHz（最大400MHz）

接続形態

1対1
片方向

１対多
一部双方向
一部中継機能対応

一部多対多
一部双方向
一部中継機能対応

多対多双方向中継機能対応

伝送形態

SISO

SISO

SISO
4×4 MIMO検討

SISO
4×4 MIMO

性能評価項目基本通信性能
干渉特性

基本通信性能干渉特性

基本通信性能スループット特性
干渉特性

基本通信性能スループット特性
干渉特性

6※リンク数と帯域幅はトレードオフの関係にあり、評価対象の周波数にも依存
6

一部相互接続有Copyright © 2021 National Institute of Information and Communications Technology. All Rights Reserved.

電波と共に生活する社会
Beyond5G/6G時代の電波利用社会に資する次世代ワイヤレス技術
電波が「みえる」社会

電波が「わかる」社会

電波が「いきる」社会

電界強度や干渉電力等の専 一般ユーザが原理・性質を システム内／システム間の門 性 の 高 い 情 報 が 、 一 般 解し、設定の変更や拡張が 連携により、ネットワーク環ユーザにも享受可能な社会 できるまでに電波システムの 境がオンデマンドで最適に構リテラシが向上した社会成される社会
電波の可視化電波のカスタマイズ化

可視化

カスタマイズ化

CPSエミュレータ

電波の最適化

最適化（電波システムの導入に資する電波模擬技術）
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CPSエミュレータにより実現する基盤システム
5G/
B5G

CPS
エミュレータスマート
工場

ドローン/ロボット

次世代
スマート
メータ
ITS

スマートオフィス

次世代移動通信システム
 電波の周波数、到来角までも高精度に推定し、リアルタイムに干渉を把握することでダイナミックかつ高効率的な周波数共用を実現する干渉マネジメント技術
 人、モノの動きに合わせ、必要な場所に必要なだけの無線リソースを割り当てるダイナミック無線リソース制御技術
 より多くのデータを瞬時かつ安定して送受信するためのミリ波・テラヘルツ波通信システム

高度産業基盤システム
 人、モノ、機械の動きや状態に基づき、AIによりその先の状態や行動を予見しつつ快適な無線環境を実現する有線無線混合ネットワーク最適構成技術
 製造計画と連動した製造工程の構築及びセンサなどで取得する人、モノ、機械の状態から発生しうる製造トラブルを予見、回避する、デジタルツインによる製造ライン最適化技術

高度社会基盤システム
 自動運転を目指すITSとB5Gほかのシステムが連動し、自動車のみでなく、周辺インフラも巻き込んだ交通制御を実現する高機能交通インフラシステム
 見通し内外を問わず、多くのドローン等が自律制御により点検、監視等を支援する高度防災・減災支援システム
 ITS、スマートメータなどの異なるシステムにより交通・社会インフラを統合し、快適なスマートシティを実現する大規模社会インフラ制御システム
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まとめ
高度電波模擬システム（CPSエミュレータ）開発に取り組む背景及び目的を紹介した。
CPSエミュレータの目標スペックについて述べ、対象とするシステ
ム、周波数、また整備拡張計画について紹介した。
B5G時代のネットワークを支える基盤技術としてのCPSエミュレータに期待される役割について述べた。

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Contact

ご清聴ありがとうございました。

国立研究開発法人情報通信研究機構
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
松村 (matsumura@nict.go.jp)

本研究開発は、総務省の「仮想空間における電波模擬システム技術の高度化に向けた研究開発（JPJ000254）」によって実施した成果を含みます。
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