（革新）様式1-4-3 (2022-1)

令和4年度研究開発成果概要図（目標・成果と今後の成果展開）

採択番号：02601

１．研究課題・受託者・研究開発期間・研究開発予算◆研究開発課題名 次世代の5次元モバイルインフラ技術の研究開発◆受託者
日本電気（株）、電気通信大学、信州大学、NECスペーステクノロジー（株）◆研究開発期間 令和3年度～令和4年度（2年間）◆研究開発予算（契約額） 令和3年度から令和4年度までの総額494百万円（令和4年度374百万円）
２．研究開発の目標
・NTN(非地上系ネットワーク)と地上ネットワークの連携による超高速のモバイル通信技術を獲得するため、多次元の無線状況把握および干渉推定による無線周波数の更なる活用の研究、地上よりも厳しい環境が求められる人工衛星や成層圏に滞空する無人航空機(HAPS)に搭載可能な、超高速・カバレッジ拡大を両立させる通信機器技術の革新に挑む。
３．研究開発の成果
研究開発項目1-a）
５次元のリアルタイム無線状況把握技術

研究開発項目1：5次元（周波数、時間、３D空間（X,Y,Z））の無線状況把握及び干渉推定技術研究開発項目1-b）高精度無線干渉推定技術

研究開発項目1-a）５次元のリアルタイム無線状況把握技術
最終目標：地上およびビルなどの建物内において、平均平方二乗誤差(RMSER)7dBの精度で受信電力推定。上空空間において、受信電力推定精度を平均平方二乗誤差10dBの精度で推定。
●本研究開発では、 5次元の無線状況把握を行うための5次元無線空間把握データベースの設計・試作を実施。受信電力観測結果集約し、内挿・外挿を行うことで、6 GHz以下で、RMSE7dB以下の精度での受信電力推定を達成、・ドローン搭載無線機を使ったLTE信号の観測で、内挿によりRMSE10dB 以下の精度で受信電力推定を達成、最終目標に対しては6GHz以下の目標は現時点で達成

研究開発項目1-b）高精度無線干渉推定技術
NTN・地上系ネットワークの混在環境において、3次元空間、時間、周波数の合計５次元の無線空間を観測する手法とその無線環境の状況を把握する手法の確立

５次元領域の周波数共用にむけて、他システムへの干渉予測技術の確立と、周波数資源割り当て後に実際のシステム相互の無線通信の運用に支障がないことを管理するための干渉状態推定技術を確立する。

最終目標：干渉予測に基づく空き資源の確保を従来の3次元に比べて20%の改善できる効果を各周波数帯において実現。
●本研究開発では、本研究開発では、アンテナビームフォーミングによる干渉制御を前提とした干渉推定法を確立し、干渉予測に基づく空き資源の確保について、従来の3次元ビームフォーミングと比較して20%の改善効果を一定の条件下での達成を確認した。

研究開発項目2：動的アクセス回線構成技術
研究開発項目２-a）アクセス回線構成技術

研究開発項目２-b）衛星利用回線高性能化技術

研究開発項目２-a）アクセス回線構成技術
最終目標：2030年に実現する地上・NTNによるB5Gアクセス回線速度を20倍改善するため、端末、地上・NTN基地局の実現性からNTN仕様案(軌道(高度)、周波数、回線速度等)と選定の根拠を3案示す。
●本研究開発では、複数のNTN基地局および地上基地局と端末が存在する状況下でのより実用に近い状況においてネットワークシミュレーションを行い、回線速度を20倍改善するための3つのNTN仕様案と選定根拠を示した。さらに地上NW・NTN連携の実現案として周波数共用手法を考案し有効性を示した。

研究開発項目２-b）衛星利用回線高性能化技術制約のあるNTNのダウンリンク通信速度を従来の20倍改善する。

地上系とNTNの周波数共用を可能とするための衛星通信系の技術の確立

最終目標：通信性能辺り電力1/2～1/3を達成する衛星搭載通信機の実現による地上系とNTNの周波数共用に必要な衛星側通信系の技術の確立●本研究開発では、複数条件(周波数、素子数など)において達成可能なEIRP、必要電力の変化の予測を行い、各条件での制約条件から実現可能な構成を明らかにした。また並行して試作モデルに向け1た解析及び要素試作を実施し、衛星搭載通信機全体の試作モデル構築への準備を完了した。

z

研究開発項目1-a) ５次元のリアルタイム無線状況把握技術

衛星( , )

x

東

北

西

南

6.0
5.5

4.5
4.0
100 150 200 250 300 350 400 450 500
Number of measurement grids

図1 設計天球座標系

図2 クリギングによる内挿時RMSE

RMSE [dB]【５次元無線空間状態把握手法の確立：上空】
・ 上空空間での受信電力予測精度について図３に示す通りドローン観測実験を行い、図４の様に内挿により全体の5%程度の観測ポイントでRMSE7.5dB、３次元地図を併用して内挿することでRMSE5.53dBと目標以上の性能を達成した。

研究開発項目1-b）高精度無線干渉推定技術

図3 ドローン観測実験【干渉推定】
・ 実験試験局を利用した屋外電界強度測定結果（図5）により、現実の伝搬環境を考慮した干渉推定用のシミュレータの準備が完了した。アンテナ指向性による干渉制御と端末の空間集中度（トラヒック群流）予測で、端末のサポートを維持するビーム決定を実現（図6） 。指向性無しに比べて一定条件で20%の空き周波数資源を拡大。
【干渉状態推定】・ 同一周波数干渉発生に起因して、変調方式符号化（MCS、図7）や受信電解強度等に特徴的に現れる傾向を利用した干渉状態識別法を確立した。ネットワークシミュレータ及び、ローカル5Gを用いた実機実験（図8）を通し、高精度な干渉状態推定を実現することを確認した。

目標値

6.5

5.0

地平面y

全体の4%のデータ

7.0

天頂RMSE [dB]【５次元のデータベース設計】
・ 5次元の無線状況把握を行うための5次元無線空間把握
データベースの設計・試作を実施、衛星信号を図1に示す天球座標系で取り扱い可能とした。
【５次元無線空間状態把握手法の確立：地上・建物内環境】
・ 端末による受信電力観測結果をデータベースに集約し、内挿・外挿を行うことで、図２に示す通り内挿でRMSE4dB,外挿でRMSE6.83dBと目標以上の性能を達成した。

7.5

図5 実機実験による電波測定

図7 干渉によるMCSの特徴傾向

87.5
76.5
65.5
54.5
43.5
32.5
25%グリッド048
12 16 20 24 28
Number of measurement grids

32

図4 クリギングによる内挿時
RMSE（ドローン上空）

図6 サポート状況

図8 5Gシステムへの与干渉実験 2研究開発項目2-a)アクセス回線構成技術【B5Gアクセス回線の特性評価と方式選定】
・ スマートフォンダイレクト通信において、複数のNTN基地局、地上基地局、端末が存在する実用に近い環境でのネットワークシミュレーションモデルを構築し、モバイル通信に有望だと考えられる無線周波数毎にエリア範囲、回線速度、エラー率等を検証することで回線速度を20倍に改善可能なB5Gアクセス回線候補を抽出した（図9）。さらに抽出した方式の中で、｢所要衛星基数｣「地上端末の共通化｣「確保できる帯域幅」の観点からト
図9 構築したネットワークシミュレーションモデル
レードオフを行い、重視するものが異なる3つのNTN仕様案を選定した(図10)。
【地上NWとNTNの周波数共用手法の確立】
・地上NWとNTNでの周波数利用効率向上を狙い、研究開発項目１の無線状況把握技術における無線空間データベースおよび干渉推定技術におけるトラフィック群流予測を利用した双方向ビームフォーミン
グによる地上NWとNTNの周波数共用手法を考案しシミュレーションにより有効性を示した(図11)。
図10 所要衛星基数のトレードオフ

図11 共用可能端末数の改善

研究開発項目2-b)衛星利用回線高性能化技術【衛星搭載通信機の構成と実現性の検討】
・ 採用候補となり得る14種類の周波数毎に素子数を可変させEIRPや送信増幅器の出力電力レベル、アンテナサイズの見積もりなどを実施し、各条件での制約条件から実現可能な構成を明らかにし、本成果を課題2-a)へ展開した。
【試作モデルに向けた要素試作評価 】
・ 並行して主要構成部であるアンテナ部、RF部、DG部、熱構造系について、より詳細な構成検討を進め、解析(アンテナ素子単体特性、アレイ化によるビーム形成とその特性、排熱構造とその熱成立性の確認など)及び要素試作評価(低雑音増幅器、ビームフォーミングIC、周波数変換器、FPGAの高速データ伝送など)を実施し、各種データの蓄積により衛星搭載通信機全体の試作モデル構築への準備を完了した。

図12 サブアレイ構成と形成ビーム解析結果

図13 要素評価実施

図14 熱解析結果

3４．特許出願、論文発表等、及びトピックス
国内出願

外国出願

研究論文

その他研究発表

標準化提案・採択

プレスリリース
報道

展示会

受賞・表彰

22(13)0(0)2(2)

34(27)

0(0)

0(0)

0(0)

1(1)

※成果数は累計件数、（ ）内は当該年度の件数です。

（１）研究開発運営委員会の第三回目を開催
技術、知財・標準化、事業化、社会科学の有識者計６名から形成される研究開発運営委員会を設置した。研究の進捗や方向性を報告し、本研究成果により生じる社会変化（アウトカム）を見据え、技術的な視点だけではなくビジネス検討、規制・法整備等、社会実装に向けて広範囲の議論を実施した。
（２）日本電気株式会社において、１６件の国内特許出願
NTNと地上NWの連携の上で課題となる、システム間の電波干渉対策手法、双方向のビームフォーミング手法、高出力送信装置、衛星消費電力の制御手法として１６件の国内特許出願を行った。また、電子情報通信学会 総合大会にて2件の成果発表を行った。
（３）電気通信大学において、2年間で国内特許出願１件、２０件の研究発表
研究論文2件、国際会議5件、研究会で5件、大会で3件の成果発表を行った上、福島浜通り次世代モビリティセミナーでの講演、電子情報通信学会研究会での依頼講演、国際会議ICAIICでのチュートリアル講演など積極的な研究成果の発表を行うなど積極的に対外発表を実施した。
（４）信州大学において、３件の国内特許出願および１４件の研究発表
トラヒック群流予測に基づくビーム制御法について特許を出願した（特願2022-048759、特願2022-103692、特願2023-023766）。加えて、適応変復調符号化と同一周波数干渉の関係性について学術誌で発表した。他にも、電子情報通信学会の技術研究報告書にて4件発表し、内1件は「周波数共用の実装状況の紹介とその発展に向けた検討」の題目で招待講演を行った。総合大会及びソサイエティ大会、国際会議で9件の成果発表を行った。
（５）NECスペーステクノロジー株式会社において、２件の国内特許出願
NTNを利用した通信を実現するため周波数分割多重(FDD)において需要に応じて動的にアップリンクダウンリンクの周波数帯域を変更する制御方法
およびプログラムや、フェーズドアレイアンテナにおいて高EIRP化する際の消費電力増大を解決するためのデジタルプリディストーションに関する発明を特許出願した(特願2022-203143、 特願2022-53355) 。
５．研究開発成果の展開・普及等に向けた計画・展望
研究開発項目1-a）５次元のリアルタイム無線状況把握技術：
5次元の無線状況把握を行うための5次元無線空間把握データベースの設計は完了しており、その精度も期待を上回るものであったため、周波数共用・無線通信信頼性保証・高度な品質管理の必要なV2Xなどのアプリケーションへの適用と、実用化フェーズに進む素地ができた。
研究開発項目1-b）高精度無線干渉推定技術：
基地局ビームフォーミング制御に応用することで周波数資源の開拓的利用ができることを明らかにした。引き続き、トラヒック予測の高精度化に向けて検討を進める。
また、同一周波数干渉の状態推定において、干渉を示す評価値として変調方式符号化セットと受信電解強度以外の様々な評価値についても分析を継続する。
研究開発項目２-a）アクセス回線構成技術：
本研究によりNTNを用いた大容量通信サービスの実現性を示し、実証試験フェーズに進むことができる段階に至った。LEO衛星やHAPSによる大容量通信サービスの事業化に向け、学会や論文等を通して運用オペレータや製造ベンダー等に本技術の優位性を訴求することで連携を進めていく予定である。
研究開発項目２-b）衛星利用回線高性能化技術：
今回の研究で得られた衛星搭載通信機に関わる検討結果や各種解析/評価結果の中から今後開発する製品に適用可能な部分を抽出し、実装していく。(例：ビーム特性解析、熱解析、各種部品・材料など)
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