概要

5Gおよび6G技術の発展に伴い、通信・レーダーセンシング統合（ISAC）は重要な技術トレンドとなっています。しかしながら、依然として本質的な課題が存在します。すなわち、通信とレーダーセンシングではビーム制御戦略において本質的な違いがある点です。通信は安定した指向性ビームに依存する一方で、レーダーセンシングは微弱な反射信号を捉えるために適応的な空間探索能力を必要とします。従来のシステムでは、この不整合を解決するために時間分割や性能のトレードオフが用いられてきました。

一方で、ミリ波アンテナアレイ技術の進展により、マルチビームやサブビームといった、より柔軟かつ高度なビーム形成が可能となり、ISACの実現に新たな可能性をもたらしています。

本ユースケースでは、SideSenseと呼ばれるシステムアーキテクチャを提案します。本システムはアレイ・オブ・アレイ（APA）構成に基づき、TMYTEKのミリ波プラットフォームを活用することで、低コストかつ高効率なデュアル機能システムを実現しています。サブビームおよびサイドローブを用いたレーダーセンシングを行いながら、専用の通信ビームを維持することで、通信とセンシングの並行動作を実現し、通信の中断を回避します。

実験結果より、安定した通信リンクを維持したまま、センシング信号対雑音比（SSNR）が84%向上することが確認されました。

課題と課題点

• 単一ビーム構成の制約： 従来のミリ波システムは、通信性能の最適化のため単一の主ビームに依存しており、動的なビーム制御を必要とするレーダーセンシング機能との同時実現が困難です。このビーム要件の不一致は、時間分割制御や性能トレードオフを招く要因となります。
• 先進アンテナアレイの活用不足： 最新のフェーズドアレイ技術により、より複雑なビーム形成（例：マルチビームおよびサブビーム）が可能となっているものの、これらを通信・レーダーセンシング統合（ISAC）システムにおいて効果的に活用することは依然として重要な課題です。
• ハードウェアコストの高さ： 真のマルチビーム動作を実現するには、一般的に高価なフルデジタルレーダーアーキテクチャが必要となり、システムの拡張性を制限します。
• 生体信号検出の難しさ： ミリスケールの生体信号（例：呼吸）は実環境においてノイズに埋もれやすく、通信品質を維持したまま安定かつ高精度に検出することは困難です。

TMYTEKソリューション

本ユースケースでは、TMYTEK BBox および UD Box シリーズ製品を用いて、APA（Array of Phased Arrays）機能を備えた実験プラットフォームを構築しています。本アーキテクチャの最大の特長は、「容易な構成」と「高い制御柔軟性」にあります。

コアハードウェア構成

本システムは、デュアル送信（Dual-TX）／シングル受信（Single-RX）構成を採用しています：

• 周波数変換コア：TMYTEK UD Box（Up/Down Converter）
  • 後段の SDR（USRP N210）からの 3.5 GHz 中間周波（IF）信号を 28 GHz のミリ波帯へアップコンバートし、受信信号をダウンコンバートして返送します。デジタル領域とミリ波領域を接続する重要なブリッジとして機能します。
• ビームフォーミング送信部：TMYTEK BBox Lite（×2）
  • 2台の BBox Lite をスタックし、同一の RF 信号源に接続します。
  • Sub-Array 1（センシングビーム TXd）： 動的スキャンを行い、人体ターゲットの検出および追跡を担当します。
  • Sub-Array 2（通信ビーム TXs）： 受信機方向へ固定指向し、安定した通信リンクを維持します。
• ビームフォーミング受信部：TMYTEK BBox One（×1）
  • 通信経路（直達波）およびセンシング経路（反射波）からの合成信号を受信します。

アーキテクチャの優位性

TMYTEKのモジュール化設計により、ユーザーは高価な専用レーダー装置を購入する必要がなく、既存の通信アーキテクチャに BBox を追加するだけで、ISAC システムへアップグレードすることが可能です。

コア技術優位性：TMYTEK BBox による高精度ビーム制御

本ケースでは、TMYTEK BBox Lite（TX） および BBox One（RX） をミリ波フロントエンドとして採用しており、その特長により SideSense システムに以下の優位性をもたらします：

1. 高分解能空間スキャン： ±45°（5°ステップ）の高精度ビームステアリングに対応し、アルゴリズムにおけるビーム切替（Beam Switch）を実現します。これにより、主通信リンクに影響を与えることなく、人体位置の高精度な検出が可能となります。

2. 動的ゲイン最適化： BBox の増幅制御により、2つのビーム間のエネルギー配分を動的に調整可能です。実験結果から、感知ビームと通信ビームの強度比が 1:1（Gain Ratio ≈ 1） に近づくことで、呼吸信号のダイナミックレンジが最大化されることが確認されています。

3. 柔軟な APA アーキテクチャ： BBox の軽量設計により、APA（Array of Phased Arrays）システムを容易に構築可能です。単一の UD Box 周波数変換器で複数の BBox を駆動し、マルチビーム動作を実現できます。これにより、6G向け ISAC技術の開発ハードルおよびハードウェアコストを大幅に低減します。

TMYTEK の先進的な SDR ソリューションの詳細については、[mmW-SDR 製品ページ] をご覧ください

動作原理および簡易アルゴリズム（Methodology & Simplified Algorithm）

SideSense は複雑な数式に依存せず、物理層におけるビーム制御戦略に基づき、CSI（チャネル状態情報） の 振幅（Amplitude） 変化を利用して呼吸を検出します。

簡易アルゴリズム三段階（The 3-Step Tuning Protocol）

「非同期」環境下において微小な呼吸信号を検出するために、本システムは以下のシンプルなロジックを実行します：

• 1. ビーム切替（Beam Switch）—「ターゲット探索」"
  • 固定通信ビーム（TXs）は動かしません。
  • センシングビーム（TXd）を制御してスキャンを行い、反射信号の変化が最大となる角度を探索し、人体位置を特定します。
• 2. ゲイン調整（Gain Tuning）—「バランス調整」
  • BBox のゲイン制御機能を用いて、センシングビームの送信電力を調整します。
  • 目的：「人体反射信号強度」と「直達通信信号強度」を 1:1 に近づけます。
  • 原理： 両信号の強度が同程度で干渉が発生すると、微小な呼吸振動により合成信号の振幅が大きく変化します（感度最大化）。
• 3. 信号検出（Detection）
  • 調整後の CSI 振幅データを収集します。
  • FFT（高速フーリエ変換） により解析を行うことで、周波数スペクトル上に 0.2〜0.33 Hz（毎分12〜20回に相当） の呼吸周波数ピークを明確に確認できます。

実験シナリオおよび結果（Experimental Results）

本実験では、機械移動プラットフォーム（Mechanical Mover）を用いて胸部の動きを模擬し、実際の被験者による呼吸測定を実施しました。

• 実験構成： 2台の TX BBox Lite をスタックし、1台は受信機（距離 1.08 m）に向け、もう1台は側方の金属板または被験者に向けて配置します。
• 主な結果：
  1. 高感度： 従来の単一ビームシステムと比較して、SideSense アーキテクチャにより感知信号対雑音比 （SSNR） が 84% 向上しました。
  2. 通信の不中断： センシングビームへエネルギーを分配することで通信容量（CCC）は 35% 低下しましたが、5Gネットワークの許容範囲内に収まり、通信断（No link failure） は発生しませんでした。
  3. 検出成功： IQコンスタレーションにおいて、ISACモード時の信号軌跡が明確な円弧として観測され、呼吸波形の再現に成功しました。

結論（Conclusion）

本ケースでは、TMYTEK のミリ波製品が 6G ISAC 研究において有する応用価値を実証しました。

TMYTEK BBox および UD Box により構築された SideSense システムを通じて、研究者は以下を実現できます：

1. 低コストでの APA アーキテクチャ実現： フルデジタルレーダーを必要とせずに、マルチビーム実験を実施可能です。
2. 柔軟なアルゴリズム検証： ビーム角度およびゲインを容易に制御し、「通信」と「センシング」の最適なバランスを検証可能です。
3. スマートヘルスケアへの応用： 通信サービスを中断することなく、高精度な非接触型ヘルスモニタリングを同時に実現可能であることを実証しました。

本結果は、TMYTEK のソリューションが次世代無線通信アプリケーション開発における理想的なプラットフォームであることを示しています。

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参考文献：

IEEE 論文 “SideSense: Robust Physiological Motion Detection via mmWave Joint Communication and Sensing Systems With Multiple Beams” に基づく。