無線技術の急速な発展により、世界中のあらゆる場所でユビキタス接続が可能になっています。このホワイトペーパーでは、無線接続のトレンドや設計上の課題、そして無線エンジニアが MATLAB® と Simulink® を使用して最新の無線ネットワークを設計、モデル化、シミュレーション、テストする方法について解説します。
無線通信は、高速インターネット接続、携帯電話の通話、およびスマートファクトリーにおける IoT (Internet of Things) 接続を可能にします。このようなユビキタス接続は、グローバル広域ネットワーク (衛星リンク)、セルラー広域ネットワーク (5G および 5G Advanced)、ローカルエリアの Wi-Fi® ネットワーク、Bluetooth® や ZigBee® などのパーソナル エリア ネットワークを含む、幅広い無線技術によって実現されています。
図 1. ユビキタス接続は、さまざまな無線ネットワークタイプを含む無線通信の目標です。
MATLAB および無線通信のツールボックスによって、エンジニアは無線接続システムを設計、モデル化、シミュレーション、テスト、検証、プロトタイピングすることが可能になります。ワイヤレスエンジニアは、これらの製品を使用して規格に準拠した波形を生成および分析し、リンクレベルのパフォーマンスを測定するとともに、ゴールデン リファレンス モデルを作成して規格適合性を検証できます。開発ワークフローには、MATLAB または HDL でのトランシーバー アルゴリズムのプロトタイピングが含まれ、関連するソフトウェア無線 (SDR) プラットフォームを使用します。エンジニアは、互いに干渉し合う可能性のある複数の無線システムの共存をシミュレーションおよび解析することもできます。ツールボックスの機能は完全にカスタマイズ可能であり、チームによる実装の加速と、最新の衛星、5G、WLAN、および Bluetooth 技術の探究を可能にします。
以降の節では、エンジニアがこれらのネットワークをモデル化、シミュレーション、解析、設計、テストすることを可能にする関連規格、課題、リソースとともに、各種のユビキタス接続技術についてご説明します。
セルラー接続 (5G から 5G Advanced、6G へ)
セルラー移動通信の標準化を担当する機関は、3rd Generation Partnership Project (3GPP) です。今世紀初め以来、3GPP は 3G、4G (すなわち LTE)、5G、および 5G Advanced システムとネットワークの標準化を担当しています。最近、3GPP は次世代の移動通信システムである 6G の標準化に着手しました。
地上設置型フェーズドアレイの放射パターン。
5G NR は、3 つのユースケースをサポートするように設計されています。
- 強化されたモバイル ブロードバンド: 従来 (LTE) の世代と比較して、はるかに高速なデータ速度とネットワーク容量を提供します。
- 超高信頼・低レイテンシ通信: 遠隔医療、スマートシティ、スマートファクトリーなどの安全性が極めて重要な用途に不可欠なリアルタイムの応答性と信頼性の提供に注力しています。
- 大規模マシンタイプ通信:数百万台の接続デバイスを持つ大規模な IoT 展開を可能にします。
5G Advanced は、5G が提供するユースケースを超え、以下のユースケースを含みます。
- ユビキタス接続: 衛星ネットワークとの連携によるグローバルカバレッジは、衛星および高高度プラットフォームを利用して、遠隔地や農村地域、海洋、空域に 5G のカバレッジを拡大します。
- 統合センシングおよび通信 (ISAC): ネットワークは同時に通信と環境の感知を行い、高精度な位置特定と追跡を提供します。
- 人工知能 (AI) および機械学習の連携: AI と機械学習はネットワーク全体に組み込まれており、動的なリソース割り当て、予測的最適化、およびリアルタイムの適応性を可能にし、無線ネットワークの効率を向上させています。
現在開発中の 6G システムは、5G Advanced の機能を拡張します。ITU は、統合された AI と通信、ISAC、非地上ネットワーク (NTN) によるユビキタスカバレッジ、そしてグリーンエネルギー効率の高いネットワーク設計などの技術を含む、次世代 6G システムのための IMT-2030 文書に取り組んでいます。
スポットライト: 5G Toolbox
3GPP の各リリースに基づいて更新される標準規格に基づく波形を用いて、5G NR リンクおよびシステムをシミュレーションします。波形の生成、システムレベルのシミュレーション、適合性試験など、すべてをMATLAB から実行できます。
5G Toolbox は、AI 駆動の無線最適化技術もサポートしており、次世代の候補技術のプロトタイピングのための 6G Exploration Library を含んでいます。
効率的な 5G Advanced および 6G システムとネットワークの開発は困難であり、新たなユースケースを実現するために厳しい設計要件が課されます。MATLAB および 5G Toolbox™ などの標準準拠ツールは、リンクレベルおよびシステムレベルでのシミュレーションに使用できます。5G Toolbox は、3GPP の各リリースにおける 5G 標準の更新に対応し続けることで、設計検証および標準適合性試験のタスクを容易にします。
6G は、チャネル推定やイコライゼーションなどの信号処理チェーンの全ブロックを、訓練された機械学習モデルに置き換えることを検討しています。
AI と機械学習のネイティブな統合:
- 物理層 (PHY) の設計は、チャネル推定、ビーム管理、ネットワーク最適化などの分野で性能を向上させるために、AI および機械学習を取り入れる必要があります。5G が主に最適化のために AI を使用しているのに対し、6G はチャネル推定やイコライゼーションなどの信号処理チェーンの全ブロックを、訓練された機械学習モデルに置き換えることを検討しています。このアプローチは、完全に AI ネイティブな PHY の構築を目指しています。
- 以下の MATLAB の例をご参照いただき、こうしたコンセプトの詳細をご確認ください。
強化されたセルフリー大規模 MIMO:
- さらに高度な大規模 MIMO システムを設計するには、より大規模なアンテナアレイとより複雑なビームフォーミング アルゴリズムの管理が必要です。PHY は、より高い次元のアンテナ構成に伴う増加した処理および信号伝達のオーバーヘッドを処理しなければなりません。もう一つの興味深い開発分野は、ユーザーが複数の分散型アクセスポイントに同時にアクセスする 6G システム向けに提案されたセルフリー アーキテクチャです。
- 以下の MATLAB の例をご参照いただき、こうしたコンセプトの詳細をご確認ください。
ISAC:
- ISAC システムは、PHY が通信および正確なセンシング機能の両方を同時にサポートすることを要求します。これは、両方の機能が同じ波形を使用し、同じ周波数で動作し、性能を低下させることなく同じハードウェアを使用することを意味します。ISAC は、6G システムの中核的な要素として構想されており、センチメートル単位の高精度な位置測定と高解像度の環境センシングの実現を目指しています。
- 以下の MATLAB の例をご参照いただき、こうしたコンセプトの詳細をご確認ください。
「現在、地球周回軌道上には 8,000 基を超える通信衛星が存在しており、テレビやラジオの放送、ナビゲーション、テレメトリ、画像処理、リモートセンシングなどの用途に利用されており、その数は増加しています。」
衛星通信、特に非地上系ネットワーク (NTN) は、ユビキタス接続を実現する重要なテクノロジーとして注目を集めています。現在、地球周回軌道上には 8,000 基を超える通信衛星が存在しており、テレビやラジオの放送、ナビゲーション、テレメトリ、画像処理、リモートセンシングなどの用途に利用されており、その数は増加しています。通信衛星は通常、静止軌道 (GEO)、中軌道 (MEO)、低軌道 (LEO) のいずれかの軌道分類に該当します。
LEO 衛星コンスタレーションを利用した無線接続は、新たなトレンドとなっています。軌道高度が地表から 160～1,000 km のこれらのシステムによって、地球上のどこでも高速インターネット接続が可能になる予定です。例えば、Starlink システムはすでに数千の衛星を軌道上に持っており、さらに数千の衛星を打ち上げる計画があります。
スポットライト: Satellite Communications Toolbox
MathWorks の Satellite Communications Toolbox は、軌道伝播、リンクバジェット解析、およびDVB-S2/S2X/RCS2、GPS、Galileo、NavIC、CCSDS などの標準に対応した波形生成を含む、衛星通信システムの設計、シミュレーション、検証のためのツールを提供します。
衛星通信システムの展開は複雑で費用がかかり、リスクも高いです。ローンチおよび展開、セキュリティとレジリエンス、経済およびビジネスモデル、環境問題の分野において、重要な課題が存在します。以下のセクションでは、通信に特有の課題と、それらの解決策に対応する MATLAB の例を示します。
課題: ミッション計画および規制遵守
- ITU および各国の規制当局を通じた軌道スロットおよび周波数の確保
- 既存システムとの干渉を回避するための調整
MATLAB の例:
課題: 技術設計と統合
- 降雨減衰やシンチレーションなど、信号強度を低下させる可変的な大気条件にわたるリンクバジェットの確保
- アンテナは、高ゲインかつ精密なビームフォーミングを実現しつつ、サイズ、重量、および電力に関する制約を満たさなければなりません。
- ペイロードの複雑さ (例: デジタルプロセッサ、再生型アーキテクチャとベントパイプ アーキテクチャの比較)
- 大規模コンステレーションにおける衛星間リンクおよびタイミング/同期
MATLAB の例:
課題: 困難な環境におけるパフォーマンス
- 高周波帯域 (Ka帯、Q/V帯) における大気減衰および適応符号化・変調、アップリンク電力制御、サイトダイバーシティの必要性
- レイテンシ制約と軌道選択 (LEO/MEO/GEOのトレードオフ)
- LEO ネットワークにおけるドップラー効果と頻繁なハンドオーバーは、シームレスな接続を維持するためにビームホッピングとリソース スケジューリングが不可欠であることを意味します。
MATLAB の例:
図 2. LEO NTN 衛星コンステレーションは、衛星間ルーティング機能を備えています。
Wi-Fi は、世界で最も広く使用されている無線技術です。Wi-Fi ネットワークは、家庭や職場、また空港やスタジアムといった公共の場での移動中にもインターネット接続を提供します。Wi-Fi ネットワークは、IEEE 802.11 ファミリ規格に基づき、ユーザーのデバイスをアクセス ポイント (AP) ルーターに接続することによって動作します。これらの無線ローカル エリア ネットワーク (WLAN) 標準は、OSI モデルの PHY 層およびメディアアクセス制御 (MAC) 層の両方を規定しています。
Wi-Fi 8 (802.11bn) は、たとえば製造業やロボット支援手術における信頼性の向上を目的として設計されています。Wi-Fi 7 (802.11be) は、より高速な通信を提供し、より広い周波数帯域を使用します。
Wi-Fi 6、7、および 8 は、信頼性が高く高速なインターネット接続を実現するために設計された最新の WLAN 技術の一部です。
- Wi-Fi 6 (802.11ax) は、OFDMA や MU-MIMO などの複数のアクセス技術を利用することにより、混雑した環境で優れた性能を提供します。
- Wi-Fi 7 (802.11be) は、より高速を目的として設計されており、最大320 MHz のより広い周波数帯域を使用し、最大 46 Gbps のピーク伝送速度を提供します。
- Wi-Fi 8 (IEEE 802.11bn) は現在開発中であり、超高信頼性、低レイテンシ、および一貫したパフォーマンスの優先を重視します。
効率的な Wi-Fi システムおよびネットワークの開発には、信頼性の確保、混雑の処理、他のネットワークとの共存に関する課題と要件が伴います。エンジニアは MATLAB を使用して、これらの多くの困難なシナリオをシミュレートし、その緩和策の設計空間を検討することができます。
MATLAB の例:
課題: Bluetooth と Wi-Fi の共存
2.4 GHz の周波数帯域にある Bluetooth デバイスおよび 6 GHz の周波数帯域にある Bluetooth Low Energy (BLE) デバイスは、Wi-Fi ネットワークに干渉する可能性があります。Bluetooth と WLAN 間の干渉は、非協調的および協調的共存メカニズムによって軽減することができます。
- 非協調的共存メカニズムは、二つの無線ネットワーク間で情報を交換しません。
- 協調共存メカニズムは、二つの無線ネットワーク間で協力し、ネットワーク関連情報を交換します。
MATLAB の例:
課題: 混雑した環境におけるパフォーマンスの改善
密集した環境 (スタジアムやカンファレンスセンターなど) では、多くのデバイスが同時に Wi-Fi ネットワークに接続します。これにより、ネットワーク全体の容量が減少し、アクセス ポイント (AP) におけるリソース割り当てが過負荷になる可能性があります。Wi-Fi 6、7、および 8 は、より多くのユーザーとデバイスの密度に対応して性能を向上させるために、セルラー移動通信技術から借用したいくつかの技術を採用しています。
- 直交周波数分割多重アクセス (OFDMA): チャネルを複数の小さなサブチャネルに分割し、複数のデバイスに同時にサービスを提供します。
- マルチユーザー多入力多出力 (MU-MIMO): アクセスポイントが複数のデバイスから同時に同一の周波数リソースでデータを送受信することを可能にします。
- アップリンク トリガーベース形式: アップリンク トラフィックを従来の Wi-Fi の非調整型で競合に基づくシステムから、正確に調整されたスケジュール制のシステムへと移行させます。
- サービス品質 (QoS): QoS 設定を使用して、音声およびビデオ会議のような重要なアプリケーションを優先します。
- ベーシック サービス セット (BSS) カラーリングによる空間再利用
MATLAB の例:
課題: 同一チャネル干渉
複数の Wi-Fi ステーションが同じ周波数で送信すると、チャネル干渉が発生し、パケットの衝突やスループットの低下を引き起こす可能性があります。無線技術者は、以下の方法を用いて干渉を減らすことができます。
- 各デバイスに対して調整されたスケジューリングを提供するトリガーベースのアップリンク伝送
- Wi-Fi 信号が必要な場所に集中させる指向性アンテナ (MU-MIMO)
- チャネル帯域幅の削減
- 2.4 GHz 帯における非重複チャネルのチャネルプランニング
MATLAB の例:
その他の Wi-Fi 機能:
Wi-Fi センシング
AI との統合
メッシュネットワークの採用
MATLAB と Simulink による無線エンジニアリングの加速
MathWorks は、エンジニアリングと科学の進歩を加速させることに取り組んでいます。MATLAB および Simulink によって、無線通信のエンジニアはモデル化、シミュレーション、テスト、および実装のためのツールを活用し、無線通信の設計を迅速かつより効率的に行えます。
本ガイドに記載されているすべてのツールボックスおよび製品は、最新の業界標準に準拠しています。6G AI ネイティブ受信機のプロトタイピングであっても、また Bluetooth 6 設計の検証であっても、MathWorks の製品はコンセプトとハードウェアのギャップを埋めます。
Bluetooth は、近距離にあるデバイス間でデータ交換を行うために使用される近距離無線技術です。Bluetooth 規格は、Bluetooth SIG (Bluetooth Special Interest Group) によって策定されています。2024 年に発表された Bluetooth 6 は、Bluetooth ノード間の非常に正確な距離推定を可能にするチャネル サウンディングなどの技術を導入しました。
Bluetooth と WLAN の共存におけるスペクトルとスペクトログラム。
Bluetooth Classic 規格では、基本レート (BR) と拡張データレート (EDR) という 2 つの PHY モードが規定されています。また、BLE 規格は、医療、フィットネス、セキュリティ、ホーム エンターテインメントなどの産業分野における用途に重点を置いています。また、Bluetooth システムは三角測量や三辺測量のような技術を用いて位置特定を行うことができます。
以下のセクションでは、Bluetooth デバイスおよびネットワークを展開する際の主な課題と、それらの課題に対応する関連する MATLAB の例を概説します。
課題: 無線計画と共存
- ライセンス不要の 2.4 GHz 帯は、Wi-Fi、電子レンジ、Zigbee 信号で混雑しており、干渉、多重経路、及びデューティサイクルの競合が発生しています。
- 適応型周波数ホッピング (AFH) は効果的ですが、密集した無線周波数環境では依然としてスループット、レイテンシ、および信頼性が低下します。
- エンクロージャや人体の近接によるアンテナの調整ずれは、通信距離を短くする可能性があります。慎重な RF レイアウト、グラウンド クリアランス、およびチューニングが不可欠です。
MATLAB の例:
課題: トポロジー、拡張性、およびパフォーマンス
- クラシック Bluetooth (BR/EDR) ピコネットはアクティブな接続数が限られており、非同期接続指向ロジカルトランスポート (ACL) リンクのスケジューリングがボトルネックになる可能性があります。
- ゲートウェイおよびスマートフォンごとの LE 接続制約と接続間隔の制約が、スケールと応答性を制限します。
- Bluetooth メッシュは数千のノードに拡張可能ですが、管理されたフラッディングは通信時間の増加、衝突、およびバッテリー消耗を引き起こします。そのため、適切な TTL (生存時間)、リレー、およびフレンド/低消費電力ノードの設定が必要です。
MATLAB の例:
課題: 位置推定
- 受信信号強度指示器 (RSSI) の不安定性
- アンテナ アレイの角度に基づく要件
- 振幅、位相、および時間における同期と較正
- 干渉とチャネルの利用可能性
MATLAB の例:
図 3. Bluetooth チャネル サウンディングは、アセット追跡に使用され、資産の経路および Bluetooth ロケーターノート (青色および黄色の三角形) を表示します。
以下のセクションでは、標準に基づく無線システム用トランシーバーの設計における主な課題と、それらの課題に対応する MATLAB の例を概説します。
非線形増幅器の AM/AM 特性。
OTA で取得した 5G 波形の、時間および周波数に対する EVM。
課題: システムとデバイスの相互運用性に関する標準プロトコルへの準拠
- この対応には、アルゴリズム設計者およびチップテスターが、受信機設計のテストや受信機チップの動作確認のために、標準に基づく波形 (劣化/非劣化波形の両方) を取得する必要があります。
- エラーベクトル振幅 (EVM)、隣接チャネル電力比 (ACPR)、およびパケット エラー レート (PER) などの量に対する測定テストベンチも必要となる場合があります。
MATLAB の例:
課題: アルゴリズム、アンテナ、アレイ、および RF トランシーバーの設計の選択肢を統合することによるシステムパラメーターの最適化
- これには、ビームスキューイングを引き起こすアレイサイズ、アレイ要素のタイプ、および要素間結合、高出力増幅器 (HPA) の非線形制限、低雑音増幅器 (LNA) のノイズ指数、およびインピーダンス不整合レベルに関するトレードスタディが必要です。
- それはまた、変調スキームおよび誤り制御符号に関する設計上の選択を必要とすることもあります。
MATLAB の例:
課題: 無線テストの自動化、現実的なチャネルおよび損失のモデルを使用したハードウェアプロトタイプでの設計の検証
- 設計の初期段階では、SDR のような波形キャプチャ装置と受信機アルゴリズムのプロトタイピングに使用されるソフトウェアとの間の接続性が必要です。
- 設計の後期段階では、ハードウェア記述言語 (HDL) コードをフィールド プログラマブル ゲート アレイ (FPGA) に展開する必要が生じることがあります。
MATLAB の例:
図 4. ワイヤレス ワークフローの段階は、ワイヤレス規格、アンテナからビットへのシミュレーション、およびデバイスの実装とテストを含みます。
世界がユビキタス接続に向けて進展する中で、5G Advanced から 6G そしてそれ以降にかけて、セルラー、衛星、Wi-Fi、Bluetooth 技術の融合が統一されたグローバルな通信業界のエコシステムを創出しています。本ホワイトペーパーでは、この分野を定義する主要な技術、標準、および課題を概観し、MATLAB および Simulink がこれらの複雑な無線システムの設計、シミュレーション、および検証に不可欠な製品であることを示しました。
