日経テクノロジーonline SPECIAL

5G開発の最前線を支えるNIの試作プラットフォーム

IoT(Internet of Things)をはじめとする新しい応用での要求に応えるため、複雑で高度なワイヤレス通信技術を駆使する時代が到来している。その商用システムを開発し、実装するには、試作機を用いた運用環境に近い状態での検証が欠かせない。最先端のワイヤレス通信技術を研究開発する大学や企業は、ユースケースと検証目的に合った試作機を、迅速かつ柔軟に作り上げることが成功への鍵となるという。一体、どのように試作プラットフォームを活用し、どのような成果を上げたのか。2020年の実用化に向けて商用化に向けた取り組みが活発化している第5世代移動通信システム、いわゆる「5G」での技術開発を例に紹介する。

 5G関連の技術開発は今、試作機を使った要素技術の検証が一段落し、これから商用化に向けた取り組みを加速させるフェーズへと突入しつつある。

 これまでの要素技術の開発では、極めて野心的な技術目標を掲げてきた。そこでは、ワイヤレス通信の分野をリードする世界中の大学や企業が、高性能と高機能が理論的に予見されていた技術を、試作機を製作し実際にその効果を検証することで、商用化に向けた技術へとブラッシュアップしていった。

 世の中のありとあらゆるモノがインターネットにつながる、IoT時代が訪れようとしている。多種多様な機器や設備、道具、そして人をつなぐラスト1マイルの通信を担うのが5Gの役割である(図1)。5Gが利用される機器は、もはやパソコンやスマートフォンなどIT機器だけにとどまらない。マルチメディア端末ならばデータレートの一層の向上が、ウエアラブル機器では消費電力の削減が、工場で用いる製造装置などでは低遅延や高信頼性、セキュリティの向上など。ネットにつながるモノの多様さを反映して、5Gに求められる技術要件は実に多様だ。

図1 あらゆるモノがつながる時代へ
[画像のクリックで拡大表示]

極めて野心的だった5Gの開発目標

 LTEなど、これまでの商用化されてきた移動通信システムに比べ、5Gに対する技術的な要求は極めて多様である。しかも要求仕様のひとつひとつが高度でもある。このため、5Gで掲げられた技術開発の目標は極めて野心的なものになった。そして、目標を満たすためには、これまでの移動通信システムでは類を見ないほど多様な要素技術を複雑に組み合わせて使う必要があった。

 技術開発の目標を明確にするため、国際電気通信連合(ITU)は、5Gのユースケースを3つに整理。そして、実現すべき移動通信システムの仕様を明確にした(図2)。

図2 5Gの技術開発で掲げられた目標
[画像のクリックで拡大表示]

 まず、ピークレートは20Gbps以上、平均でも100Mbps以上を目指す。これは、LTEで30分以上掛かっていたフルHDビデオのダウンロードを、わずか1、2秒で終わらせるスピードだ。加えて、2020年時点で500億台の機器をネットに接続できる素地を作るため、トラフィック密度を現在の100倍に当たる10Mbps/m2へと向上。さらに、レイテンシを1ms以下にする。AR(拡張現実)のようなデータを頻繁にやり取りする応用でも、ストレスなく利用できる仕様である。加えて、低コスト化と低消費電力化も推し進めていく。

 5Gの技術開発が本格化する以前から、優れた性能や機能を持ったさまざまなワイヤレス通信技術が、世界中の大学や企業から提案されていた。スモールセルの積極活用、手付かずの周波数帯域の利用、Massive(大規模)MIMOの採用などがその代表例だ。5Gの技術目標を満たすには、これまで理論的に有効性が示されていたこうした最先端技術を総動員しないと実現できない。

理論上の高度な技術の商用化には試作は欠かせない

 近年、シミュレーションを駆使したバーチャルプロトタイピングを活用し、技術開発を効率化する動きが活発化している。ワイヤレス通信の機器開発などでも同様だ。しかし、開発するシステムが複雑であればあるほど、高度であればあるほど、実物を使った、効果の検証と課題の解消の必要性が高まる。

 米国国立科学財団は、「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、実際の完全なシステムで新しいアイデアを検証できるテストベッドの開発が極めて重要です」と言っている。5Gの利用環境は、とても全てを想定し切れないほど多様である。しかも、実現技術も多様で複雑、しかも高度である。このため商用化に向けた検証に足るシミュレーション用モデルの構築は極めて困難であり、テストベッドを使った実機での検証が欠かせなかった。

 検証したい技術に応じたテストベッドを、いかに迅速かつ柔軟に作り上げるかは、各研究機関が成果を上げる上での最大の関心事だった。そこで大きな効果を発揮したのがナショナルインスツルメンツ社(NI社)の試作プラットフォームである。一般に、最先端の技術を研究開発している機関は、試作機や計測システムの製作では自作にこだわる傾向があった。しかし、5Gでは、検証すべき技術の多様化、複雑化、高度化が進み、最先端の研究機関であっても、自作にこだわっては、想定した開発期間内に十分な成果が見込めない状況だった。

時代の要請に応えるNI社の試作プラットフォーム

早田直樹氏
日本ナショナルインスツルメンツ
マーケティングエンジニア

 こうした時代の要請に応えたのが、NI社の試作プラットフォームである(図3)。「システムレベルで統一したアーキテクチャによって、優れた機能連携、高性能化、高機能化を実現。同時に、ユーザーが思い通りの試作機を作り上げるための、オープンで高い柔軟性を持った開発環境を提供します」(日本ナショナルインスツルメンツ マーケティングエンジニアの早田直樹氏)というのが、同社のプラットフォームのメリットだ。

 試作プラットフォームは、パソコン、PXIシステム、USRPソフトウエア無線機と言ったハードウエア開発環境と、その機能を定義するソフトウエア開発環境「LabVIEW」で構成されている。

図3 5Gの技術開発に貢献したNI社の試作プラットフォーム
[画像のクリックで拡大表示]

 PXIシステムは、必要な計測項目に応じて計測モジュールを組み合わせ、目的に合ったテストベッドを簡単に構築できる。それぞれのモジュールは、高速なデータ転送バスで接続するため、密に連携させた高度な計測・制御システムを構築できる。このため、開発段階の試作・検証ではリアルタイム性が求められるシステムの構築で、量産段階のテストではTATの低減が求められるシステムの生産で、大きな効果を発揮する。

 USRPソフトウエア無線機では、2つのRF送受信ユニットをフルに活用することで、1台のUSRPで単方向の2 x 2 MIMO通信の試作を迅速に開始できる。また、複数のUSRPのタイミング信号を共有させ、同期を確立することで、より多くのアンテナを持つシステムの試作も可能となる。扱うRF信号は、FPGAを使って高速に信号処理できる。最近では、他社製の計測器でも、FPGAを搭載する機種が出てきているが、ベンダーが供給する信号処理のプログラムしか利用できない場合がほとんどだ。NI社では、ソフト開発のたたき台となるオープンソースのソフトウエア・リファレンスデザインを提供しており、LabVIEWを使って、ユーザーが自由かつ簡単にカスタマイズできる。

 ここまで見てきたように、NI社の試作プラットフォームは、次世代の無線通信技術に必要な性能と、LabVIEWを用いてソフトウエアを思い通りに設計できる柔軟さを両立させている。この高い性能と柔軟さは、これまでスクラッチから試作を行っていたユーザの要件をも満足可能な水準に達しており、彼らはNI社の試作プラットフォームを活用することで、これまで以上に迅速な試作が可能となる。迅速な試作は競争優位をもたらし、商用化に向けて自らが持つ新技術をより戦略的に展開することにつながる。

最大128本のアンテナを持つMassive MIMOを簡単に構築

 NI社は、5Gの実現に向けて検証すべき技術を4つの切り口から整理し、それぞれの試作・検証のニーズに合った試作プラットフォームを用意した。4つの技術とは、①基地局に数十、数百のアンテナを配備してより綿密・高密度な接続を実現する「Massive MIMO」、②広大な周波数リソースを利用するための「ミリ波伝送」、③周波数利用効率のさらなる向上を追求する「高度な物理層信号処理」、④いかなる状況でもつながる接続性と大容量ネットワークを実現する「高度なネットワークアーキテクチャ」である。それぞれの技術開発で試作と検証を進める上で、NI社の試作プラットフォームが実際にどのような貢献をしたのか紹介しよう。

 PXIシステムとUSRPソフトウエア無線機を組み合わせることで、思い通りの構成のMassive MIMOシステムを簡単に構築できる。例えば、PXIシステムに8台のUSRPを接続することで、16アンテナの基地局が構成可能だ。このとき、ソフトウエアをゼロから開発する必要はなく、OFDMや上りリンク用のMMSE MIMO検出器、下りリンク用の最大比送信プリコーディングなどの技術をFPGAに実装してリアルタイム処理が可能な、オープンソースのリファレンスデザインを叩き台として開発を開始できる。

 このリファレンスデザインを活用する場合、最大128アンテナの基地局と、最大12ユーザ(このとき、ユーザあたりのアンテナ数は1)の間の双方向通信を試作できる。試作プラットフォームでは、スケーラビリティが確保されている。このため、少ないアンテナ数のシステムから試作を始め、有効性を確認しながら段階的に増設することで、投資リスクを最小限に抑えられる。

 5G向けのMassive MIMOシステムの開発では、世界の最先端をいく多くの研究機関がNI社の試作プラットフォームのメリットを最大限に活用してテストベッドを構築し、大きな成果を上げた。

 スウェーデンのルンド大学は、100アンテナの基地局装置を試作。理論的に効果が予想されていた技術を実世界で検証し、高いスペクトル効率と高いエネルギー効率を両立できることを確認した。英国のブリストル大学は、128アンテナの基地局から12ユーザーに向けて伝送するシステムを試作(図4)。20MHzの帯域幅で上りリンクシステムスループット1.5Gbpsを達成した。ちなみに、このときの周波数利用効率は、79.4bps/Hzであり、これは2016年初めの時点での世界記録である。

図4 英国ブリストル大学が試作したMassive MIMOシステム
[画像のクリックで拡大表示]

 また、Intel社は、64アンテナのMassive MIMOにつながる集中型無線アクセスネットワーク(C-RAN)サーバーシステムの評価にNI社のプラットフォームを活用。Samsung Electronics社は、NI社と共同で、世界初のリアルタイムFull Dimension MIMOの実証実験に成功した。

柔軟な試作環境を活用してミリ波伝送の性能を継続的に向上

 また、ミリ波伝送用のテストベッドに向けて、NI社はPXIシステムをベースとしたミリ波トランシーバシステムを提供している。このユニットを使えば、実際に5Gで利用が検討されている71~76GHz(標準構成)に対応し、帯域幅2GHzのミリ波通信システムを簡単に試作できる。

 PXIシステムとRF送受信ユニットを組み合わせて構築したテストベッドでは、FPGAを駆使して、独自のアルゴリズムをリアルタイム実行して、その有効性を検証できる。ちなみに、試作するミリ波伝送システムのIF部とRF部はそれぞれの機能が明確にモジュール化されているため、NI社が提供するRF送受信ユニット以外の独自ハードに取り替えることも可能だ。これによって、別の周波数帯に対応する試作機も簡単に構成できる。また、ニーズに応じて単方向と双方向、SIMOと2×2MIMOといった具合に、システム構成を柔軟に変更できる。処理内容に応じてFPGAの数を柔軟に変更することも可能である。

 Nokia社とNI社は、こうしたプラットフォームを活用して、5G向けのミリ波通信技術のテストベッドを開発し、技術をブラッシュアップさせた。Nokia社は、「テストベッドは1年で完成。NI以外のツールを使う場合に予定していた半分未満の時間で済みました」と言う。同社は、ミリ波伝送の技術を継続的に改善しており、試作機の性能は年々進化している(図5)。2016年3月に開催されたモバイル業界最大のイベント「MWC 2016」で披露したシステムでは、73GHz帯、2GHzの帯域幅で、2×2MIMO、変調方式に64QAMを使って、14.5Gbps以上のピークレートを達成した。

図5 Nokia社はNI社の試作プラットフォームを活用してミリ波伝送の性能を年々向上
[画像のクリックで拡大表示]

 一方、ニューヨーク大学は、ミリ波のチャネル特性が、実際の通信環境の中で運用する携帯電話システムで、実用に足る技術であることを評価した。23、38、72GHz帯の評価用チャネルサウンディング・システムを、NI社のモジュール式計測器「FlexRIO」とLabVIEWを用いて構築した。

「半仮想・半現実」の検証システムを提案

 物理層信号処理の高度化の分野では、ドレスデン工科大学が、5Gで有望視されている物理層信号処理技術であるGFDMの実証実験で用いるテストベッドを、NI社の試作プラットフォームを活用して構築した。また、NTTドコモも、非直交多元接続(NOMA)と呼ぶ技術の実証実験を、PXIシステムで構築したテストベッドで行った。NOMAは、チャネル利得の差異が大きいユーザ同士を、電力ドメインで多重する新たな多重方式である。

 高度なネットワークアーキテクチャの開発に向けて、NI社は上位層のシミュレーションの確度を劇的に高める手法を提案している。これまで、上位層のシミュレーションでは、物理層のパラメータを大まかに設定して行っていた。このため、検証の確度は、精緻とは言いがたかった。NI社は、「ns-3」のような多くの研究者が使い慣れたネットワークシミュレータと、物理層の挙動を正確に再現する同社の試作プラットフォームを組み合わせた、「半仮想・半現実」の検証システムを提案。これによって、物理層の部分では実際に電波を飛ばし、上位層ではns-3 LTEプロトコルスタックでトラフィックを発生させたり、トランスポート層の制御をしたりできるようになるとする。

 世界中の大学、研究機関がこれまで進めてきた5Gの技術開発の成果は、これから社会実装していく段階へと移っていく。ワイヤレス通信技術の多様化、複雑化、高度化はとどまることがない。5G技術の進歩に大いに貢献した試作プラットフォームは、5G以降の移動体通信システムの技術開発、自動運転用のレーダーなど他分野の技術開発でも強力な力になることだろう。NI社の試作プラットフォームが果たす役割は、ますます大きくなる。

お問い合わせ
  • 日本ナショナルインスツルメンツ株式会社
    日本ナショナルインスツルメンツ株式会社

    東京都港区芝大門1-9-9 野村不動産芝大門ビル8・9F

    TEL:0120-108492

    FAX:03-5472-2977

    URL:http://ni.com/