研究紹介

スマートフォンに代表される移動通信システムの研究を行っています．

1. 無線リソース割り当て自動最適化の研究

端末がどの基地局・周波数帯と通信するかはユーザの体感に大きく影響するため，非常に重要なテーマです．ここでは，その重要性を一例を挙げて説明します．

上の図は，500m×500mのエリア内に3つの基地局（青色の四角）と20人のユーザ（オレンジ色の丸）が配置されている場合を示しています． 各ユーザは，受信電力が最も大きい基地局と通信しており，水色の線は通信中の基地局との接続を表しています．

右下のグラフは，BS#1と通信しているユーザ数の時間変動を示しています． また，図中に「Target」と記載された特定ユーザについて，受信品質を表す信号対干渉信号電力比（SIR: Signal-to-Interference Ratio）の変動を中央右に，伝送速度の時間変動を右上に示しています． これらのグラフでは，時刻0が現在の状態を表しており，その左側には過去の履歴が表示されています．

ユーザの移動に伴い，通信する基地局の切り替えであるハンドオーバが発生していることがわかります． また，基地局に近づくほど受信品質は向上し，基地局間の境界領域では受信品質が低下していることが確認できます．特に，SIRが0dB程度まで低下する場合があります． さらに，伝送速度は受信品質だけでなく，同じ基地局に接続しているユーザ数にも依存していることがわかります．

ここでは，BS#3の送信電力をBS#1およびBS#2の20分の1に設定しています． そのため，BS#3に接続されるユーザ数は他の基地局より少なくなっています． 一方で，接続ユーザ数が少ないため，BS#3に接続した場合には比較的高い伝送速度が得られることもわかります．

実際には，送信電力の小さいBS#3にも，より多くのユーザが接続するように制御した方が，無線リソースを効率的に利用できると考えられます． このように，基地局をはじめとする無線リソースを効率的に活用することは重要な課題です．本研究では，このような通信資源の効率的な利用を実現するための手法について検討しています．

2. 誤り訂正符号化の研究

移動通信では，基地局間の境界付近など，受信品質が著しく低下する状況が発生します．このような場合でも，データに誤りが生じないように通信を行う必要があります．そのための代表的な技術の一つが誤り訂正符号化です．

近年，新たに提案された誤り訂正符号の一つにPolar符号があります．Polar符号は優れた誤り訂正性能を有しており，第5世代移動通信システム（5G）にも採用されています．この符号の概要については，以下で説明します．

Polar符号では，通信路分極と呼ばれる現象を利用しています．詳細については上記資料に記載していますので，ここでは説明を省略します． 本ページでは，通信路分極の挙動を視覚的に理解するために，Web上で動作するシミュレーションスクリプトを作成しました． 具体的には，2元消失通信路（BEC: Binary Erasure Channel）の消失率と分極回数を設定することで，分極後の各通信路の通信路容量およびその累積分布を可視化できます．

消失率，分極回数をスライダーで設定可能

消失率 0.010.99

分極回数 110

3. 自営無線網の研究

近年，ローカル5G，プライベートLTE，LoRa，Wi-Fi HaLowといった，通信事業者以外の組織が自らの施設内に構築・運用する自営無線網が注目されています．本研究室では，これらの無線システムに関する以下のような実験を行いました．

注意

ここで紹介する実験は香川大学で実施したものです．

LoRaを用いた実験

近年，モノのインターネット（IoT: Internet of Things）端末の利用が拡大しています． これらのIoT端末を支える無線技術として，LPWA（Low Power Wide Area）が広く普及しています． LPWAは，非常に低い消費電力で動作し，通信速度は低いものの広いエリアをカバーできる無線通信方式です． LoRaはLPWAの代表的な方式の一つです． LoRaは免許不要の920MHz帯を利用する自営無線システムであり，環境条件にもよりますが，1km以上の通信範囲を実現できるとされています．

文献[1]では，GPSモジュール，ラズベリーパイ，およびLoRaモジュールを組み合わせた伝搬測定ツールを開発しました． 香川県高松市で実施した測定結果を伝搬モデルと比較したところ，良好な一致が得られることを確認しました．

[1] R. Aoki and N. Miki, “RSSI Measurement Results Employing LoRa/LoRa WAN Module,” Proc. of 2020 International Conference on Emerging Technologies for Communications (ICETC 2020), p.1, Dec. 2020.

また，レールやアクチュエータを自由に組み合わせることで，CNC（Computer Numerical Control）工作機械や3Dプリンタなどを柔軟に構成できるオープンソースハードウェアを用いて，ミリメートルオーダの精度で3次元空間内を移動可能な位置指定デバイスを開発しました[2]．

LoRaモジュールと位置指定デバイスを用いて，920MHz帯における無線伝搬特性を評価しました． 下の動画は，1m×1m×1mの空間内における受信電力を2cm間隔で自動測定した結果を示しています． 論文では，測定結果と理論値との比較についても報告しています．

[2] I. Makino and N. Miki, “Open-Source Hardware-Based Three-Dimensional Positioning Device for Indoor Measurement and Positioning,” IEEE Access, vol. 11, pp. 11254-11267, 2023.

プライベートLTEを用いた実験

プライベートLTEは，通信事業者が提供するLTE技術を企業や自治体が独自に構築・運用する無線通信システムです． 本研究室では，香川大学内にプライベートLTE環境を構築し，スループット特性および遅延特性の評価を行いました[3]． 下図は実験装置の構成を示しています． 詳細な実験結果については論文をご参照ください．

[3] I. Makino, Z. Wang, J. Terai and N. Miki, “Throughput and Delay Performance Measurements in Multi-Floor Building Employing Private LTE,” IEEE Access, vol. 10, pp. 24288-24301, 2022.

文献[3]より引用．

ローカル5Gを用いた遠隔操縦

5Gは，高信頼かつ低遅延な通信を実現できる無線通信システムであり，産業分野での活用が期待されています． ローカル5Gは，通信事業者が提供する5Gシステムを企業や自治体が独自に構築・運用できる仕組みであり，スマートファクトリーや遠隔操縦など，多様な分野への応用が期待されています．

[ in Multi-Floor Building Employing Private LTE,” IEEE Access, vol.25Gのイベントにおいて実演を行い，ローカル5Gの有効性を紹介しました．

[4] 三木 信彦，牧野 一生，王 釗，武部 駿佑，寺井 淳司，「ローカル5Gを用いた無人搬送車の遠隔制御」，会誌「情報処理」Vol.65 No.5，May 2024．

文献[4]より引用．