ネットワークシミュレーション

ネットワークシミュレーションの利点

物理的なハードウェアを導入する前にネットワークシミュレーションを実施することには、いくつかの利点があります。

• コスト効率: 高額なハードウェアや大規模な物理的セットアップが不要になります。
• 安全性の高いテスト環境: 高負荷のシナリオ、障害、セキュリティ上の脅威などを、実際のリスクを伴わずにテストできます。
• 迅速な実験: プロトコル、移動、トラフィックといったモデルのパラメーターを素早く調整できます。
• 拡張性: 物理的に展開が難しい数千個のノードや複雑なトポロジなどにも対応できます。
• 性能評価: さまざまな条件下で、スループット、レイテンシ、ジッター、パケット損失などの主要なメトリクスを測定します。
• 現実的なモデリング: 3GPP 仕様に準拠した無線チャネル効果や干渉を取り込み、精度の高い解析を可能にします。
• 市場投入までの時間短縮: 開発の初期段階で、ネットワーク設計とプロトコルの最適化を可能にします。

ネットワークシミュレーションの構成要素

ネットワークシミュレーションの基本ブロックには、次のようなものがあります。

• ノード: 携帯電話、基地局、アクセスポイント、エッジデバイス (例: IoT センサー、Bluetooth スピーカー)
• 通信リンク: 送信機、受信機、RF/アンテナ構成
• プロトコル: 5G、WLAN、Bluetooth、カスタム アドホック ネットワーク
• プロトコル層: 物理層、データリンク層、TCP/IP スタック
• トラフィックモデル: 音声、ビデオ、FTP (ファイル転送プロトコル) トラフィックなど、さまざまな負荷条件下でネットワーク動作を評価するための要素
• 移動モデル: モバイルデバイス、人工衛星、航空機、自動車、船舶、歩行者など
• チャネル条件: フェージング、パス損失、シャドウイング、干渉の影響など、接続性やサービス品質 (QoS) を評価するための要素

ネットワークシミュレーションのワークフロー

ネットワークシミュレーションには、次のステップが含まれます。

• 初期化: シミュレーション エンジン、ビジュアライザー、ロガーを起動します。エンジンは無線ネットワーク向けの離散イベント シミュレーターとして機能し、ビジュアライザーはリアルタイムの動作を表示し、ロガーは性能データを取得します。
• ノードと層の構成: ネットワーク要素 (例: 基地局、アクセスポイント、モバイルデバイス、センサー) を定義し、物理層 (PHY)、データリンク層 (DLL)、上位層などのプロトコル層のパラメーターを設定します。
• 現実世界の要因の追加: チャネルモデル、トラフィックパターン、デバイスの移動などを組み込み、現実の動作条件を再現します。
• 実行と可視化: シミュレーションを実行し、パケットの生成や送信、チャネル影響の適用を行いながら、レイテンシ、スループット、チャネル品質などの性能指標をリアルタイムで監視します。
• 結果の解析: 記録された統計情報、パケットトレース、信号サンプルを確認してネットワーク性能を評価します。

MATLAB を使用したネットワークシミュレーションの実行方法

MATLAB^® は、物理層、データリンク層、アプリケーション層など、複数の層にわたるエンドツーエンド通信システム設計をサポートし、上位層プロトコルを開発して解析する機能を提供します。

• 離散イベント シミュレーション: スケジューリング、キューイング、再送、リソース割り当てなどの処理を、パケットレベルのイベント駆動型モデルとして作成できます。
• 柔軟性: 通信ノードのネットワーク構成要素や上位層をカスタマイズすることで、3GPP や IEEE 802.11 などの標準的な無線通信プロトコルや、新しい研究設計を再現できます。
• 層間統合: 上位層モデルと詳細な PHY シミュレーションを組み合わせ、包括的な性能解析を行います。
• パフォーマンス メトリクスと KPI: レイテンシ、スループット、パケット損失、QoS など、層をまたぐ主要なメトリクスを評価する組み込みツールを備えています。
• ラピッド プロトタイピング: 高水準のプログラミング、デバッグ、可視化機能により、新しいアルゴリズムやシステム設計のテストを加速します。

MATLAB、Communications Toolbox™、MATLAB ベースのその他の無線通信ツールを活用することで、5G、WLAN、Bluetooth などの無線ネットワークをモデル化してシミュレーションできます。WLAN や Bluetooth といった異種ネットワークが共存する環境をモデル化し、シミュレーションすることもできます。通信ノード、ノード配置、無線チャネル、ノードの移動性、ユーザー データ トラフィック、ログなど、無線ネットワーク モデリングに必要な基本ブロックを作成できます。データレート、レイテンシ、スループット、パケット損失、サービス品質 (QoS) などの KPI を可視化することで、無線ネットワークの主要なパフォーマンス メトリクスを評価できます。ノード密度や配置などのネットワーク パラメーターも評価し、ネットワーク性能を包括的に把握できます。

5G ネットワーク シミュレーション

5G ネットワーク向けに、MATLAB を使用して以下を行うことができます。

• 3GPP TR 38.913 で定義されている eMBB (enhanced mobile broadband) 屋内ホットスポット (InH) などの 3GPP リファレンスシナリオをシミュレーションできます。
• ITU-R M.2101-0 に記載されているトロイダル ラップアラウンドを用い、最大 19 サイトのクラスターで 5G 干渉をモデル化してシミュレーションできます。
• ダウンリンク MU-MIMO などの高度な機能を使用して 5G セルの性能を解析できます。

WLAN ネットワークシミュレーション

WLAN ネットワーク向けに、MATLAB を使用して以下を行うことができます。

• マルチリンク オペレーション (MLO) などの高度な機能を備えた Wi-Fi 7 ネットワークをモデル化してシミュレーションできます。
• 住宅シナリオにおけるマルチノードのシステムレベル シミュレーションを実行できます。
• WLAN の性能評価に向けた、OFDMA ベースのシステムレベル シミュレーションを実施できます。

Bluetooth ネットワークシミュレーション

Bluetooth ネットワーク向けに、MATLAB を使用して以下を行うことができます。

• Bluetooth Low Energy (BLE) や BR/EDR 技術を含む、完全な Bluetooth ネットワークをモデル化してシミュレーションできます。
• ブロードキャスト オーディオ用途向けの Auracast™ など、マルチストリーム LE オーディオシナリオをシミュレーションして解析できます。
• 大規模 IoT 展開における性能、拡張性、信頼性に着目して、Bluetooth mesh ネットワークをモデル化して評価できます。