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先端技術がしのぎを削る5G開発 勝負のカギを握る高効率試作プラットフォーム

多種多様なモノがネットにつながるIoT(Internet of Things)時代の到来を前に、通信に対する多様で高度な要求に応える新たな通信インフラの登場が待望されている。これに答えるのが「5G(第5世代移動通信システム)」である。4G以前のシステムに比べて、難度と複雑さがより高まる5G対応のシステム開発では、開発初期での試作機開発とそれを使った実証実験の重要性が増す。ナショナルインスツルメンツ(NI)社は、5Gを構成する高度な通信技術の早期実用化を、試作プラットフォームの提供を通じて支える。

久保 法晴 氏
日本ナショナルインスツルメンツ株式会社 APACマーケティングマネージャー テスト&RF担当

 本格的なIoT時代が到来しつつある。自動車や白物家電など身の回りのモノから、医療機器や工場の加工装置や製造装置、交通機関や電力、ガス、水道といったライフラインなど、さまざまなシステムがネットにつながる。パソコンやスマートフォンのような、これまでネットにつないできたIT機器に比べて、それらの利用目的や機能は比べものにならないほど多様だ。

 こうした多様なシステムでの多様な通信条件に応えるIoT時代の通信インフラが、いわゆる5G、「IMT-2020」である。3GPPやITU-Rなど標準化団体の主導によって、そのコンセプトが定まった。そして、通信関連企業や各研究機関によって、コンセプトをいち早く実現すべく技術開発が加速している。

多様な通信条件に多様な技術で対応

 ITU-Rでは、4G(正式にはIMT-Advanced)では対応できなかったサービスの取り込みを目指して、5Gの3つの利用シナリオを想定している(図1)。1つ目は、拡張したモバイルブロードバンド通信。高精細な動画や3Dデータのような大容量コンテンツの高速ダウンロードに対応できる最大データレートの向上、イベント会場や公共交通機関など密集地でのトラフィック容量の向上を目指す。2つ目は、大規模マシン間通信。センサーネットワークなどでの大量の機器の接続を可能にする。3つ目は、超高信頼性、低レイテンシ通信。自動運転や遠隔制御、遠隔医療などでの利用を想定している。

図1 ITU-Rが描くIMT-2020の3つの利用シナリオ
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 こうした利用シナリオでの要求に応えるため、とてつもなく高い技術開発の目標が掲げられている。最大データレートは10Gbps、任意の場所で常時100Mbps、トラフィック容量は1m2当たり10Mbps、周波数効率は4Gの3倍、利用可能な移動速度は最大500km/h、レイテンシは1ミリ秒以下、接続密度は100万台/km2、ネットワークのエネルギー効率は4Gの100倍を目指す。

 ただし、これらはすべて同時に満たす必要はなく、利用シナリオに応じて適した通信技術を使い分ける。サービスを提供する事業者や対応機器を提供するメーカーが、活用する技術を選択する点が、5Gの特徴でもある。この点は、通信事業者だけではなく、サービス事業者や機器メーカーにも、技術の適性を見極める力が求められることを意味する。

 現在、通信関連企業や各研究機関は、こうした高い開発目標を達成するために、これまで使ってこなかった極めて高度な通信技術を5Gに投入しようとしている。「Massive MIMO」「ミリ波通信」「新しい無線アクセス技術(RAT) 」「ネットワークの高密度化」など多くの切り口から技術開発が進められている。そして、想定している利用シナリオで、新しい技術がより効果的に利用できるように、実証実験を繰り返してブラッシュアップしている。

4G以前の開発環境では対応できない

 5Gの技術開発では、技術自体が高度なこともさることながら、その技術を使って作るシステムの利用目的と機能が多様な点が、4G以前の技術開発にはなかった困難を生んでいる。開発環境と開発フローを根本的に見直さないと、開発期間の長期化と開発コストの増大を招いてしまう。

 4G以前の技術開発では、システムを動作させるアルゴリズムを、まず数学的な検討とシミュレーションでブラッシュアップし、それを実際のハードウェアに実装し、試作機のシステムに組み込んでいた。しかし、いかに厳密なシミュレーションをしても、いざ実環境で試すと異なる結果になることがあった。

 米国国立科学財団(National Science Foundation:NSF)でプログラムディレクタを務めるThyaga Nandagopal氏は、「理論的な研究で導き出された仮定が、実世界で覆されることは少なくありません。そのため、現実的な動作環境で評価する必要があります」と指摘している。高品質と高信頼性のシステムを開発するためには、試作機を作成し、現実的な利用シーンを適用して、実験的なアイデアをテストする必要があるのだ。特に、開発プロセスの早い段階で試作機を使った概念実証を行えば、より短期間での商用化が可能になる。この点は、あらゆるシステム開発に言えることではあるが、利用目的や機能が多様で、伝送環境や利用者の数、利用形態が定めにくい5Gではより顕著になる。

 さらに前述したように、5Gでは、システムやサービスの目的や機能に合わせて利用する通信技術を選択できる。このため、自動車や医療機器、産業機器など応用システムを扱う企業による、試作機を使った技術適性を見極めるための実証実験が一層重要になる。

高度で複雑なシステムには統一開発環境

 5Gの技術開発、そして応用システムの開発では、現実に近い運用環境と試作機を作り出すための試験用プラットフォーム、テストベッドが欠かせない。「5Gの実現にむけて繰り広げられる技術開発競争において、より短期間で実証が行える生産性の高いプロトタイピングツールをさらに強化し提供することで、商用化に向けた取り組みに引き続き貢献したいと考えています。(図2)」(日本ナショナルインスツルメンツ APACマーケティングマネージャー テスト&RF担当 久保 法晴 氏)。

図2 生産性向上に寄与するNI社の開発プラットフォーム
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 NI社は、5Gの有力な要素技術は「Massive MIMO」、「ミリ波通信」「新しい無線アクセス技術(RAT)」「ネットワークの高密度化」の4つに集約されつつあると考えており、それら4つの要素技術における技術革新を加速するための実証実験、プロトタイピング用プラットフォームと計測システムを提供している。同社の開発ソフトウェア「LabVIEW」とモジュール式ハードウエア群から成る、このプラットフォームを利用することで、これまでのように、システム内に組み込むソフトとハードを、それぞれ違う言語を使い分けて、試作機を開発する必要はなくなる。つまり、開発効率が格段に向上する。

 例えば、従来の携帯電話のシステム開発では、マイクロプロセッサーをベースにした試作プラットフォームに、開発した処理アルゴリズムを書き込んで試作機を作っていた。しかし、5Gの開発目標に沿った極めて高速な信号処理を実行するためには、マイクロプロセッサーをベースにしたのでは、性能が足りない。

 NI社の試作プラットフォームでは、システム内で実行する負荷のかかる信号処理を、FPGAで高速処理できる。FPGAとは、高速な演算処理を実現するハードウェアを、プログラムを書き込むだけで実現できるチップである。「ASICのように設計と製造に長い時間や莫大なコストを費やすことなく、プログラム開発だけで高速な演算処理ハードを実現できます。机上検討のシミュレーションから実際の実証実験、実装までシームレスに進めることができ、さらに、あらかじめ用意されているハードウェア群に、開発したシステムをそのまま実装することが可能なのです」(久保氏)。

高効率のプラットフォームが開発を加速

 すでに数多くの研究機関が、NI社の試作プラットフォームを採用して、5Gの基礎技術や応用システムを試作し、実証実験を進めている。ここでは、Samsung Electronics社、スウェーデンLund大学、Nokia Networks 社、NTTドコモが行った事例を紹介する。

 Samsung社は、大規模MIMOの一種である「FD-MIMO」を採用した基地局(BTS)の試作機をNI社の試作プラットフォームを利用して構築。世界で初めてデモに成功した。FD-MIMOは、32個のアンテナ素子を2次元配置し、ユーザー端末に向けて電波の束を集中的に照射するビームフォーミングを行うことで、3次元的なチャンネル空間を作り出す技術である。ビルやポールなど高い位置にアンテナを設置すれば、地上や隣接するビル内のユーザーに、高速で安定したデータ通信を提供できる。2015年8月に開催されたNI社のイベント「NIWeek 2015」では、4台の端末を対象にした実証実験をステージ上で披露した。

 Lund大学は、100本のアンテナを組み合わせた大規模MIMOの試作機をNI社の試作プラットフォームで開発した(図3)。基地局と端末、双方の消費電力を大幅に削減することを狙ったシステムだ。実際、基地局の消費電力を1/10にするといった効果を確認している。ただし、これほど多くのアンテナを制御するシステムでは、アグリゲーションにかかわるデータ処理が増大する。同大学は、この部分を高速化する専用ハードを開発してシステムを構成するには、数年を要するとみていた。しかし、NI社の試作プラットフォームを採用したことで、FPGAで高性能なハードを実現し、試作を6カ月で終えることができたと言う。

図3 Lund大学が実証実験に利用した大規模MIMOの試作システム
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 Nokia Networks社は、NI社の試作プラットフォームを利用して、ミリ波であるE-band(71GHz-76GHzおよび81GHz-86GHzの周波数帯域)での無線通信の実証実験を実施。2015年、世界に先駆けて、2×2のMIMO構成の基地局と端末の間で10Gbps以上でデータ通信することに成功した。モバイルアクセスとしては過去最高の速度である。同社は、NTTドコモが2015年7月に開催した「5G Tokyo Bay Summit 2015」でも2Gbpsの実証実験を、翌月のNIWeek 2015でも200m離れた端末と10Gbpsでのライブ実証実験を披露した。同社もまた、試作機を1年以内と短期間で立ち上げ、4Gの技術開発時に使っていた試作プラットフォームをそのまま使った場合の2分の1の期間で開発できたとしている。

 NTTドコモは、新しい非直交のRAT(Radio Access Technology)のシステム「NOMA」を、NI社の試作プラットフォームを使って試作した(図4)。OFDMなど既に実用化されている変調技術では、直交の信号を使って同じチャネル内の信号同士の干渉を避けている。これに対しNOMAは、周波数ドメイン、時間ドメインによる無線リソース配置はそのままに、新たに電力ドメインを使って複数ユーザーの信号を重畳できる新しいRATである。NTTドコモは5G向けの要素技術として提唱し、5G Tokyo Bay Summit 2015でデモンストレーションを披露した。3GPPのRelease 14の議論にて有力な要素技術の1つとしてNOMAが取り上げられることは間違いないだろう。

図4 NTTドコモが実証実験に利用した「NOMA」の試作システム
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 今後、NI社の試作プラットフォームは、2020年の5Gの実用化に向けて大いに貢献することだろう。同時に、アプリケーションごとのサービスやシステムを開発する現場でも、品質の向上と早期市場投入を進めるうえで欠かせない存在になるに違いない。

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