システム思考による研究開発事例
有・無線統合エミュレータの研究

2019/3/15

真野 浩 (コーデンテクノインフォ/EverySense,Inc)

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Agenda• 研究背景と目的• 無線エミュレータの研究開発事例• エミュレータによる実装評価の事例• 今後の展開2019/3/15

真野 浩 (コーデンテクノインフォ/EverySense,Inc)

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研究背景と目的

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テストベッドの定義からスタート• テストベッドの在り方– 繰り返し利用できる– 特定の固有技術に限定されない• 無線テストベッドの現状– 既存の無線装置を用いた環境の提供• 新しい無線方式は、生まれない• 目指すべきテストベッド– 有・無線システムを構成する新しい要素技術をシステ
ムレベルで検証する土台となる環境の提供
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国際標準化とテストベッド• 国際標準化の現状– 新しい提案の多くは、机上評価からスタート– 提案者は、各々の独自条件で提案を実施– 基準となる共通の物差し(原器)がない– 通信システム業界のニュルブルクリンクが欲しい• 誰もが目指す場所

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ワイヤレステストベッドの現状•

無線ネットワークの変化– 専用(電話、業務、画像)用途から、汎用ディシタル通信に変化– 移動透過性、認証、鍵交換等のネットワーク外部構成要素との連携が増加– パケット交換では、上位層での再送等、下位層とのトレードオフが増加•既存テストベットの問題– 無線の特性を意識した、リンク層以上のブロトコル研究が盛んなのに….
– 実際は、無線LANやWi-Fiなどの既存無線システムしか使えない– 下位層の新技術の評価は、計算機シミュレータに依存•

既存総合評価– 総合的な評価をするには、実験局の取得などの法的規制をクリアする必要がある– 実験手法は、環境条件、物理条件などが制約される

目的• 実電波を輻射しない(免許不要)• 外部システムとリアルタイムに連動して総合的にシステム運用できる• 無線環境、無線方式を任意に交換、プグラミ
ングできる
無線工学系評価
無線系は、伝送路評価が主体

上位層系は、シミュレータ依存Over the Air
Antenna

Antenna

• RF
• PHY
• MAC
• LLC
• Network• Transport• ・・・• Application

• RF
• PHY
• MAC
• LLC
• Network• Transport• ・・・• Application

テストベッドとは繰り返し利用できる
特定の形態にバインドしない

情報処理系評価
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フィルード試験や電波暗室は、特異環境での評価しか出来ない7

テストベッドの教育効果• 本質的な技術、研究開発者の育成の礎となり以下の課題を打破することが期待できる– 現状の課題• 無線システムの開発者ではなく、ただの利用者• 全ての新規無線システムは、諸外国がリード• 日本は、フォロワーでしかない• 無線システムを設計できるエンジニアが圧倒的に不足

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無線エミュレータの研究開発事例

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提案手法
利用者

– 無線ノード(SDR)• 任意のPHY，MAC,RF特性に再構築可能

通信経路– 無線空間(直交演算回路)• ノード間の伝送路を任意のモデルでエミュレート

外部ネットワーク
無線ノード

空間伝播
エミュレータ– シナリオ(伝播計算）

無線ノード

無線ノード

• 無線ノードの移動や伝送路変化をシナリオ記述
シナリオ生成部

制御信号経路2019/3/15

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世界のテストベッドとの比較•••

他国がやっているものを目指すのではなく、他国にないものを目指す
一番ではなくて駄目
80点主義ではなく、コンセプチュアルに100点を目指す

Layer
Geometric

condition

SFDR based

Wi-Fi based

DSP based

FPGA+SFDR

Propagation model

Fixed

Fixed

Programmable

Programmable

Environment modelFixed

Fixed

Programmable

Programmable

Frontend
characteristics

Fixed

Fixed

Fixed

Programmable

Modulation

Reconfigurable

Selectable

Fixed

Re-configurable

DuplexReconfigurable

Fixed

Fixed

Re-configurable

Multiple Access

Programmable

Fixed

Fixed

Re-configurable

Topology

Programmable

Selectable

Fixed

Re-configurable

Real-time

Yes

Yes

Yes

Yes

Sharing

noYes

Yes

Yes

Existing Model

GNU radio

Orbit

CMU wirelessemulator

Proposed system

Physical

MAC

Link Layer

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シミュレーターとエミュレータ
シミュレーター• モデル化による模倣• 計算機時間で実行

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エミュレーター• 実装による模倣• 実時間で実行

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テストベッドにおける適応性比較• エミュレートション(実機動作)• シミュレーション（モデル化による模倣）• 再構築、プログラム可能な範囲とエミュレーション範囲を最大化する
SDR +エミュレータ

計算機 +エミュレータ

実機 +エミュレータ

計算機
シミュレーシ
ョン実機

Session

LLC
MACzz

PHY
Air
提案手法
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QoMET

CMU

NS
Qualnetエミュレーション

シミュレーション

Transport

再構築、プログラム可能な範囲

APP

GINI
YRP IOT

真野 浩 (コーデンテクノインフォ/EverySense,Inc)13リンク／パケットレベルシミュレーションの評価手法
BER
Mod• 伝達モデル(BER/SINR)の算出

Demod
Eb/No~AWGN or Interference

Tx
Link Budget

Multi-pathRx• リンクシミュレーション– 送信電力、アンテナ利得からリンクバジェトを計算し、受信電力を算出

Interference• パケットレベルシミュレーション

Packet Level Simulator

2019/3/15– MATLABなどを利用– BERは、AWGNが一般– SINRは、Interferenceの種類を規定– リンクシミュレーションにより得た、所要信号と干渉信号、雑音のEb/No 、SINRから伝達モデルからバケット到達性を判定

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既存シミュレーション手法の課題• 干渉の複雑さにたいする適応性がない– 空間、時間、周波数の部分的な干渉の組み合わせ– 異なる方式同士の干渉• 予め干渉波、雑音が既知であることを前提としている。
– 新たな与干渉源との評価には、伝達モデルの算出が都度必要• 複雑さの適応には、実時間評価が困難
計算機シミュレーションで実時間評価が困難な事例
PPf

異方式、異チャンネル間の干渉

2019/3/15t
パケットの部分的干渉等

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評価手法としての違い• 従来テスト手法– 異なる条件、異なる実験結果の評価から設計にフィードバック• 帰納法的アプローチ• 提案手法– コンセプチュアルな設計データから評価• 演繹法的アプローチ

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ネッワークとの連携•

仮想化スライス上に，任意の無線ネットワークシステムをマッピング
Heterogeneous Network capability

Virtual network testbed

Management
Network

Mobile IP etc,.

LANService Network

LAN

IEEE802.11
AP

Virtual Wireless system

Mobile IP etc,.

Management
Network

TVWS DBLAN

LAN

IEEE802.11ah/AP

IEEE802.11
AP
LTE BS

2.4 GHz
Outdoor
Urban

IEEE802.11 STA
on High-speed vehicle

TV WS
Outdoor
Urban

IEEE802.11ah STA

2.4 GHz
900 MHz
Outdoor
Urban

IEEE802.11+LTE+IEEE802.18

IEEE802.11s STA’s
2.4 GHz Indoor

IEEE802.11s STA’s

Programmable Wireless propagation+ Reconfigurable Wireless nodes

High-speed Handover test (11ai,11u,…)
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BroadcastStationTV White Space test

Cognitive Wireless test

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Mesh Network test(11s).
17無線機器の研究開発・製品開発フェーズにおけるテストベッドの活用

新技術の研究開発

新技術・システムのエミュ
レーション
評価

StarBED
新要素技術（部品特性や変復調、プロトコル、上流アプリ）の評価・検証
システム全体の評価・検証

製品・実機の開発

製品・実機での評価試験

製品化

YRPワイヤレステストベッド
特定システムの端末・基地局・コアネットワーク機器の相互接続性試験(対象 : FD-LTE、TD-LTE、TD-SCDMAなど)

真野 浩 (コーデンテクノインフォ
2019/3/15※ 製品開発中の無線機器を持ち込んで検証※ エミュレーションのために開発中の設計資料により検証/EverySense,Inc)18

2019/3/15

真野 浩 (コーデンテクノインフォ/EverySense,Inc)19

すべてのレイヤーでナレッジを蓄積
設計データー
部品開発者（アンテナ、フィルタ、RFチップ）

無線機開発者（PHY、MAC）

プロトコル開発者（LLC, IP）

•新方式のRTL（設計データ）•新プロトコルの実装

ネットワーク要素

アプリケーション•認証、鍵交換、モバイルIP等の実装•カーナビ、SNS 等の実装

•アンテナ、フィルタ、RFチップの設計、特性

エミュレータ実行
リアルタイム運用

評価
アプリケーション、システム総合評価
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エミュレータによる実装評価の事例

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真野 浩 (コーデンテクノインフォ/EverySense,Inc)21

課題• 2.4GHz 対の無線LAN は、22MHzの周波数離隔をとれば干渉しない• 22MHzの周波数離隔をとっても、4chが使える。
• 本当ですか?

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同一周波数での干渉• 実機、エミュレータ– 閾値前後で、緩やかにCSMAが働きだす• 計算機シミュレータ– 閾値でCSMAが働く

シミュレータは、論理値で大きく変化

12縦軸
スループット

10Emulator

エミュレータは、実機と近い特性を再現

86ch742
Scenargiech7

横軸 D/U 干渉の度合い

00

2019/3/15

102030405060

真野 浩 (コーデンテクノインフォ/EverySense,Inc)

70

80

23

12

隣接干渉

10Emulat
or
ch1

8ch3

6ch4

4ch5

2

計算機と実機は違う

ch600

10

•

20

30

40

50

60

70

ch780

実機
– ４ch離れても，近距離では干渉してCSMA が働く

12.00010.000
Scenargie ch1

8.000

Scenargie ch36.000

Scenargie ch44.000
2.000

Scenargie ch50.000Scenar
gie ch60

1020

304050607080

Scenargie ch7• 計算機– ４ch離れたら干渉しない
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真野 浩 (コーデンテクノインフォ/EverySense,Inc)24

エミュレータは実機特性を再現
120%

120%

100%

100%
"Real-Ch7"

80%

80%

"sim-Ch7"

Real-ch660%Sim-ch5

Real-ch440%Sim-ch660%

Real-ch540%Sim-ch4

Real ch3
20%

20%

0%
050

0%

100

020

4060

80

120%
100%
"Emu-ch7"80%

Emu-ch660%

Emu-ch5
Emu-ch440%

Emu-ch320%0%02019/3/15

204060

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今後の展開2019/3/15

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次世代ネットワークエミュレータの構築に向けた研究開発
次世代（スマートＩｏＴ時代や５Ｇ時代）には、イノベーション創出に向けた多種多様なサービス要件を必要とする有無線統合ネットワークの構築が必要になる。サービスの検証やネットワーク構築に必要な要素技術の検証を短期間で行うためには、ネットワーク全体の技術に関する知識・知見が乏しい事業者等であっても、有無線統合ネットワークの性能検証を簡易かつ精緻に行える環境が必要になる。これを実現するために、次世代ネットワーク環境を模倣し、だれでも性能検証が行える「次世代ネットワークエミュレータ」の構築に取り組む。

次世代ネットワークエミュレータ
様々な有無線統合ネットワーク環境を模擬
伝送回線

・ソフトウェア群の整備（利用者向けGUI、電波伝搬データ等）

サーバ

基地局
端末局

サーバ

利用開放

利用開放

ICT関連メーカ等開発した要素技術（アンテナ、フィルタ等）に対して、有無線統合ネットワーク上で性能検証を行うことが可能

・ハードウェア群の整備（無線局模擬用）

サーバ・エミュレータ基盤整備（サーバ及び伝送回線）

サービス
事業者
開発したサービスに対して、有無線統合ネットワーク上で性能検証を行うことが可能

ご清聴ありがとうございました。

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