図1：ミリ波ローカル5Gソフトウェア定義無線システムのアーキテクチャ
出典：原田研究室 – https://www.dco.cce.i.kyoto-u.ac.jp/en/PL/PL_2024_08.html

ミリ波ローカル5Gシステムにおける背景と技術的課題

5G NRの進展および6G時代の到来により、無線通信システムはより高い周波数帯、特にミリ波（mmWave）帯域へと移行しています。これらの高周波数帯は広帯域を提供する一方で、伝搬損失、信号の指向性制御、スペクトルの効率的な利用といった重要な課題も抱えています。

ミリ波展開における主な課題：

1. 深刻な信号減衰
    a. ミリ波信号の波長が短いため、障害物を通過する浸透力が限られます。
    b. 距離に応じて大きなパスロスが発生し、非見通し（NLOS）環境での通信安定性が低下します。
2. 高精度なビーム制御の必要性
    a. 5G NRシステムでは、指向性リンクを維持するためにリアルタイムのビームアライメントが求められます。
    b. モビリティや動的なカバレッジをサポートするには、先進的なビームトラッキングが不可欠です。
3. OOBEによるスペクトル効率の制限
    a. 5G標準の波形であるCP-OFDMは、帯域外放射（OOBE）を引き起こし、隣接チャネルに影響を及ぼします。
    b. OOBEを抑制し、スペクトル使用効率を向上させるために、UTW-OFDMのような新しい波形処理が必要です。
4. ミリ波テストの高コストと複雑性
    a. 従来のミリ波機器は大型で高価であり、反復的な研究に適していません。
    b. スマートシティ、自動運転、産業用プライベート5Gなどのアプリケーションを支援するには、モジュール式でソフトウェア統合されたテストプラットフォームが必要です。

これらの課題に対応するため、研究チームは以下を含む完全なミリ波ローカル5Gシステムを開発しました：コアネットワーク（5GC）、基地局（gNB）、ユーザー機器（UE）

図2：開発されたミリ波ローカル5Gソフトウェア無線システム（左：基地局（gNB）およびコアネットワーク（5GC）、右：端末（UE）
出典：原田研究室 – https://www.dco.cce.i.kyoto-u.ac.jp/en/PL/PL_2024_08.html

本システムは、ソフトウェア無線（SDR）技術と TMYTEK のミリ波 RF フロントエンドを統合し、柔軟な実験および検証を可能にしています。

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システムソリューション：TMYTEK 5G/6Gテストベッドによる柔軟なミリ波プラットフォームの構築

柔軟性が高く、スケーラブルで、コスト効率に優れたミリ波テストプラットフォームを実現するために、研究チームは OpenAirInterface（OAI）のオープンソース5Gソフトウェアを採用し、TMYTEKの 5G テストベッドである BBox および UD Box モジュールと統合しました。これにより、従来のミリ波プラットフォームの制限を克服しました。

TMYTEK BBox ― ミリ波における高精度ビームフォーミング

• 28GHz対応のビームフォーマー、4×4アンテナアレイ（全16素子）
• 方位角・仰角ともに ±45° のビームステアリングに対応

利点：

• 5°刻みで360°の位相制御、0.5dB単位の利得調整が可能で、ミリ波通信におけるリンク品質を大幅に向上
• OAI 5G NRソフトウェアとのシームレスな接続により、リアルタイムでの送受信ビーム制御が可能
• モジュール設計により、スマートファクトリーやV2Xなど様々な用途での展開に柔軟に対応可能

TMYTEK UD Box ― ミリ波周波数のアップコンバート／ダウンコンバート

• ベースバンドから 28GHz（最大 44GHz まで）の周波数変換に対応
• 低ノイズ・高利得アーキテクチャを採用し、信号の整合性を維持

利点：

• SDR プラットフォームと直接統合可能で、システムの複雑性を最小化
• PCやSDRとの組み合わせにより、コスト効率の高いテストが可能
• BBoxと組み合わせることで、完全なミリ波テストベッドを構築可能

両デバイスにはオープン API が搭載されており、Python、LabVIEW、MATLAB、C++ に対応。5G 研究者にとってスムーズな統合と開発サイクルの短縮を実現します。

図3：開発されたシステムの概要
出典：原田研究室 – https://www.dco.cce.i.kyoto-u.ac.jp/en/PL/PL_2024_08.html

実験結果：ビームフォーミングとスペクトル効率の検証

本システムは、ビームアライメント、スループット性能、およびスペクトル効率を評価するために、制御された環境下でテストされました。 評価には、標準波形である CP-OFDM と、新たに提案された UTW-OFDM（Ultra-Time Window OFDM）の両方が使用されました。

UTW-OFDM によるスペクトル効率評価

CP-OFDM に内在する帯域外放射（OOBE）を抑制するために、研究チームは UTW-OFDM を開発しました。

• 拡張時間ウィンドウ上で波形整形を行うことで、スペクトルの漏れを効果的に抑制し、隣接帯域への干渉を低減します。
• 実験結果から、UTW-OFDM は CP-OFDM と比較して OOBE を大幅に低減し、スペクトルの有効利用を向上させることが確認されました。

UTW-OFDM方式の概要
出典：原田研究室 – https://www.dco.cce.i.kyoto-u.ac.jp/en/PL/PL_2024_08.html

ミリ波通信性能テスト

環境: 無響室
距離: 基地局（BS）と端末（UE）の間に9メートル
帯域幅: 50 MHz

主な結果：

• 下り通信（BS → UE）最大速度： 50 Mbps
• 上り通信（UE → BS）最大速度： 38.2 Mbps
• 0° アライメント時に最大スループットを達成
• ±15° のズレでは性能が大きく低下

図4：基地局および端末におけるアンテナ指向性とデータレートの関係（上：基地局送信アンテナビームの指向性／下：端末受信アンテナビームの指向性）
出典：原田研究室 – https://www.dco.cce.i.kyoto-u.ac.jp/en/PL/PL_2024_08.html

結論：TMYTEKは実用的かつスケーラブルなミリ波5Gプロトタイピングを実現

研究チームの実装により、TMYTEKの5G/6Gテストベッド（BBoxおよびUD Boxモジュール）が以下の点で効果的であることが実証されました：

• ミリ波通信の安定性に不可欠な高精度なビームトラッキングを実現
• テストベッド構築を簡素化することで、ローカル5G研究開発の参入障壁を低減
• 将来の6G応用に向けた UTW-OFDMのような先進波形研究をサポート
• 複数のシナリオに適応可能な 小型・柔軟・低コストなミリ波テストベッドを提供

モジュール型ハードウェアとオープンソースのSDRソフトウェアを統合することで、原田研究室は将来の通信ニーズに対応可能なミリ波5Gシステムの検証に成功しました。 TMYTEKの貢献は、次世代無線技術の研究を加速するスケーラブルなテスト環境の実現において極めて重要でした。