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電波伝搬研究とMATLAB®セルラからボディエリアまで

高田潤一

東京工業大学

Oct. 16, 2015 in MATLAB EXPO

2015/10/16 電波伝搬とMATLAB 1

電波伝搬研究

マクスウェルの方程式の解としての電磁波の振る舞い

無線通信路としての伝達関数／インパルス応答


ワイヤレスシステムにおける電波伝搬

固定無線

見通しが前提変動しない

ワイヤレス

基本的に見通し外ユーザが動く


本日の内容

• アンテナと伝搬の相互作用

• 5G移動通信

–マイクロ波・ミリ波のチャネルサウンディング

• ボディエリアネットワーク

–ダイナミックチャネル

–アンテナと伝搬路の分離

• その他の応用

–伝搬路特性を用いた位置指紋法


移動通信の電波伝搬

３階層のモデル化

• 伝搬損失距離特性

• シャドウイング：建物オーダ

• マルチパスフェージング：波長オーダ


奥村，信士，移動通信の基礎，信学会，1986．

移動通信システムの進歩

5G無線アクセスシステムの方向性

• カバレッジの拡大

• スループットの向上

• キャパシティの向上


“Mobile Communications Systems for 2020 and beyond,” ARIB 2020 and Beyond Ad Hoc Group White Paper, ver. 1.0.0, Oct. 2014Fig. 8.2-1参照

第5世代への道

2つの方向性

• IMT-Advancedの進化形⇒上位互換

• 全く新しい無線アクセス技術 (new RAT)⇒より高いスループット・キャパシティを実現


“Mobile Communications Systems for 2020 and beyond,” ARIB 2020 and Beyond Ad Hoc Group White Paper, ver. 1.0.0, Oct. 2014Fig. 9.1-1参照

第5世代移動通信の方向性

ヘテロジニアス・ネットワーク

• 2周波の利用– UHF：制御および安定した低速データ

– マイクロ波・ミリ波：オポチュニスティックな高速データ


“Mobile Communications Systems for 2020 and beyond,” ARIB 2020 and Beyond Ad Hoc Group White Paper, ver. 1.0.0, Oct. 2014Figure A.2.3-1参照

第5世代移動通信の方向性マッシブMIMO

• 大型アレーアンテナによるビームフォーミング

周波数が高いほど有利

– アンテナの小型化

– 伝搬損失増加の補償

– 角度領域での多元接続 (SDMA)


“Mobile Communications Systems for 2020 and beyond,” ARIB 2020 and Beyond Ad Hoc Group White Paper, ver. 1.0.0, Oct. 2014Fig. A.2.2-2参照

11

無線チャネル＝アンテナ＋伝搬

チャネル応答は送受信アンテナポート間で定義

2015/10/16 電波伝搬とMATLAB

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アンテナと伝搬路の分離

Multipathpropagation

MIMOチャネル

双角度チャネル


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アンテナを分離する必要性

Multipathpropagation

アンテナ：設計可能なデバイス

伝搬：制御不可能な自然現象


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双角度チャネル(Double-directional channel)

アンテナを取り除いたチャネル


MIMOチャネルサウンダ

• MIMOチャネル行列の測定装置


Source: www.channelsounder.de

Source: nature-sanbe.jp

MIMOチャネルサウンダの用途

• MIMOチャネル特性の検討

–伝送系の設計

–置局の設計

• 双角度チャネル特性の検討

–アンテナ系の設計

–置局の設計


• チャネルサウンダに求められる仕様

–モジュラ構造によるスケーラビリティ

– ソフトウェア無線技術を用いた柔軟な運用

–伝送系への転用も想定

• 24x24 フルMIMOチャネルサウンダ

– 400 MHz帯域幅

17

11GHz帯24x24MIMOチャネルサウンダ


18

スケーラブルな構成

双角度チャネル→ 伝搬メカニズムの解析，アンテナ特性の分離

マルチリンクチャネル→ 送信3地点・受信3地点までの同時測定

フルMIMO構成による高速測定2015/10/16 電波伝搬とMATLAB

チャネルサウンダの仕様

TxRxCal. Tools

TxRx

キャリア周波数 11 GHz

信号帯域幅 400 MHz

ベースバンド標本化周波数

800 MHz

送信電力 10 mW / Tx

メモリ量 4 GB / Rx2015/10/16 電波伝搬とMATLAB 19

20

サウンディング＝エコー測定

チャネルインパルス応答の測定～広帯域信号を使用

• インパルス

• PN系列

• チャープ信号

• マルチトーンFrequency


サウンディング信号

• FDM-STDM併用による信号分離– PAPRの小さいマルチトーン信号

– ユニット内は周波数分割多重

– ユニット間は時空間分割多重（直交ビームフォーミング）


M. Kim, et al., IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 2012.

アンテナ

• 伝送用アレー • 角度測定用アレー


素子間隔0.4波長

チャネルサウンダ固有の課題

• 送受信機間の周波数および位相の絶対同期

– セシウム発振器の使用：ルビジウム発振器では安定度不足

– ベースバンドクロックとキャリア位相の送受間同期：キャリブレーション

• ベースバンドおよびRF回路のキャリブレーション

– IQインバランス，DCオフセット／キャリア漏洩

• チャネル間のキャリブレーション

– 8x8 MIMO キャリブレーション回路によるキャリア位相同期


チャネルサウンダにおけるMATLABの活用

• キャリブレーションのための信号処理

– MATLABでアルゴリズムを実装

– MATLAB engine で c に変換にcで書かれた制御プログラムにマージ

• ユーザインタフェース

–初期バージョンではMATLABを使用

• 受信データのグラフ表示に優位性


実験結果の例

屋外マクロセル環境

• 伝搬損失

• MIMOチャネル固有値

• 角度電力スペクトルの可視化

–グラフ描画や地図・写真との重ね合わせにはMATLAB使用

屋内環境

• パラメタ推定


2015/10/16

市街地マクロセル環境における伝搬利得

大半のデータが自由空間から 40 dB 以内の減衰

電波伝搬とMATLAB 26

2015/10/16

市街地マクロセル環境におけるMIMOチャネル固有値分布

24x24 MIMO

12x12 MIMO (垂直偏波のみ)

BS

電波伝搬とMATLAB 27

実測とレイトレースシミュレーションとの比較

MS

N

BS

BS

MS


100 m

＜手法＞整合フィルタを用いたノンパラメトリックな電力スペクトル分布

A

B

C

D

MS

A

B

C

D

MS

実測シミュレーション

建物Aによる反射波

直接波

-100 dB

-140 dB

卓越パス7波測定経路

A

B

C

D

卓越パス25波 29

遅延電力スペクトルの距離特性


角度電力スペクトル（動画）


アンテナ特性分離のためのパラメトリックモデル

• 伝搬路を平面波の和で表現

• 平面波パラメタを受信信号から最尤推定

31

matrixt path weigh icpolarimetrComplex :

(TDoA) Arrival ofDelay Time :

(DoA) Arrival ofDirection : ,

(DoD) Departure ofDirection : ,

RxxR

TxTx

Azimuth

Elevation


EMアルゴリズムによる到来波推定

32

①E-Step

))(()(1

)(

,

)(

,

1

N

n

itr

nSMC

itr

iSMC

)(itr

i θsxθsx# 　

②M-Step

}|),,(|max{arg

],,[

2)1(

#,,

)1(

,,

itr

i

H

RxTx

itr

iRxiTxi

RxTx

xα

前回のIterationでのパラメータ推定値を用い，推定対象素波以外の素波信号成分を除去

PowerSpectrumを計算し，素波#iの伝搬パラメータを推定

sSAGE法概要

①E-Step

②M-Step(ピークサーチ)

繰り返し計算

大規模分散計算システムTSUBAME[1]上のMATLAB分散計算環境を用いて計算

[1] TSUBAME2.0, http://www.gsic.titech.ac.jp/.2015/10/16 電波伝搬とMATLAB

上側壁反射波群

到来波推定結果

遅延電力スペクトルの距離特性

30 m

Tx

Rx

Measurement

Route

9.7

5m

20 m

θRx

θTx

33

直接到来波群

2015/10/16

MIMOチャネルサウンディング今後の展開

• 散乱メカニズムの特定とモデル化

• チャネルパラメタの統計的性質の整理＞チャネルモデルへ

• ミリ波 60 GHz へのベースバンド回路流用

–位相雑音が大きくアレー信号処理が困難なため指向性アンテナを回転


ボディエリアネットワーク (BAN)

• 人体近傍もしくは体内の近距離無線通信

(IEEE 802.15.6 Project Authorization Request)

• パーソナルエリアネットワーク (例: Bluetooth) よりも更に狭い範囲

35

(Yamazaki, 2011)


BANの応用範囲

36

(Patel and Wang, 2010)


標準化されたシステム

IEEE 802.15.6 (2012)

• 3種類の物理層 (狭帯域, UWB, 人体通信)

• 統一MAC

IEEE 802.15.4j (2013) / 4n (ongoing)

• 802.15.4 (ZigBee) の医療応用

• 米国 (4j) と中国では (4n) 別周波数を利用

No semiconductors are available yet...


38

IEEE 802.15.6 チャネルモデル

Wearable device

Implant device

Access point

Implant BAN

CM1: Implant device – Implant device

CM2: Wearable device – Implant device

Wearable BAN

CM3: Wearable device – Wearable device

CM4: Access point – Wearable device

ダイナミックチャネルは標準化の際に十分に検討されなかった．→ 著者らはチャネルの動特性の解明を中心に研究を進めている


40

BANチャネルの特異性

主な変動メカニズム– シャドウイング

人体とアンテナの相互作用– 指向性の変形

• ヌルの発現

– 人体損失• 吸収，不整合• 人体とアンテナの距離に依存

– 偏波の回転• 取り付け• 動作

– アンテナ形式• 電界型／磁界型• 大きさ

– 最大SAR

Animation by Poser(C) 2015/10/16 電波伝搬とMATLAB

BAN用アンテナの例

41

ループアンテナダイポールアンテナ

メアンダラインアンテナ

標準モデルで様々なアンテナによるチャネル特性がミックス


標準チャネルモデルの現実

• 拙速

–手持ちの実測・シミュレーション結果の使用

–体系的な測定の欠如

• 評価が目的

– リアリティよりもコンセンサス

標準化はチャネルモデルの目標ではなく叩き台


安価なモーションキャプチャデバイスMicrosoft® Kinect

• ゲーム機Xbox用

– 約120ドル

• イメージセンサ

– 640x480 pixel

• 深度センサ

– 120-350 cm

– 320x240 pixel

– 誤差 1cm

2015/10/16 43

• モーション追尾

– OpenNI/Windows SDK

– 人体スケルトン

– 30 frame/s

チャネルサウンダとモーションキャプチャによる同時測定

Signal Generator

Oscilloscope

BAN Channel

Tx Rx

Cable

Motion Capture System

MATLAB

Parameter setup,Command input

Motion capture sensor - Kinect

Avatar Generation for

Simulation

Motion data input

Transformed data output

Simulation Approach


48

BANチャネルからのアンテナ分離


人体近傍のため角度電力スペクトルでは表現が困難

球面調和関数によるアンテナ表現

• ベクトルヘルムホルツ方程式の極座標における斉次解

492015/10/16

アンテナと伝搬路の球面調和関数による等価回路表現

502015/10/16

原理の検証～人体モデル


原理の検証～アンテナ


オリジナルのBANチャネルと球面調和関数で合成したBANチャネルの

比較

• 電磁界解析にはFDTD法を使用（cで実装）

• 振幅誤差: ±3 dB

• 位相誤差: ±30 deg

アンテナと伝搬路の分離に成功


BANチャネル今後の展開

• ダイナミックチャネルのアンテナ分離

–シミュレーションだけでなく偏波多重アンテナを使用した実験的分離

• モーションキャプチャデータを用いた伝搬シミュレーションと実測値の比較と伝搬メカニズムの理解

2015/10/16 54

３Dアニメーションソフトウェア

Poser

市街地における違法無線局の位置推定

受信センサデータベース

学習点学習点

学習点

違法無線

実際の違法無線局の位置指紋

帯域幅・周波数・空間補間

パターンマッチング

違法無線局の推定位置

提案：位置指紋のパターンマッチング＋データベースの補間 [1]

重要性

• 警察・消防・防災無線への干渉・混信の低減

利点

• 障害物の多い環境でも精度が高い

• 様々な違法無線のパラメータに対して柔軟に対応可能

位置指紋データベース

学習車

2015/10/16 電波伝搬とMATLAB 55[1] A.Haniz, G.Tran, K.Sakaguchi, J.Takada, D.Hayashi, T.Yamaguchi, S.Arata, “Localization of Illegal Radios Utilizing Cross-correlation of Channel Impulse Response with Interpolation in Urban Scenarios,” to appear in Proc. of IEEE MILCOM, 2015.

シミュレーション

電波伝搬シミュレーション

[2] Remcom Inc., Wireless Insite 2.7.1.2, Wireless EM Propagation Software, 2012.

位置推定シミュレーション

• 電磁界解析ソフトを使用 [2] • 全てMATLAB R2015aで実装• Toolbox

• Signal Processing Toolbox™• DSP System Toolbox™• Communications System Toolbox™• Parallel Computing Toolbox™

図：新宿駅周辺の3次元モデル


学習時の信号処理

相互相関

インパルス応答推定

フュージョン・センタ

しきい値

Rx #1 Rx #NrxRx #2

データベース

. . .

. . .

. . .



しきい値しきい値 MATLABで実装

学習車

2015/10/16

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推定時の信号処理

相互相関

| . |

平均化

帯域幅推定

中心周波数推定

| . |

平均化

周波数補間

空間補間

fill

帯域幅補間・レプリカ生成

データベース

Bill

パターンマッチング

フュージョン・センタ

Rx #1

ダウンサンプリング

ダウンサンプリング

Rx #2

. . .

Rx #Nrx

MATLABで実装

違法無線局

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シミュレーション結果

• 新宿駅周辺に3次元

モデルを用いて、提案手法を評価した

• 推定誤差の中央値を30メートルまで抑えることができた

位置推定誤差の中央値[m

]

▲：Rxセンサ


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MATLABによるGUIの作成

図：生データ格納フォルダの選択画面



• 位置推定に用いる学習点、周波数バンド、受信センサなどはGUIから容易に選択できる

図：学習データの確認画面



図：位置推定結果の表示

違法無線局の推定位置


位置推定今後の展開

• マルチパスリッチな環境における実験を通じた原理の検証

–レイトレース法による伝搬シミュレーションの妥当性に不安→ 実験による検証は不可欠


東工大のMATLAB環境

• 昨年度末よりサイトライセンス導入

– MATLAB, ほぼ全ての Toolbox

• MathWorksからの相談員常駐

• スーパコンピュータ TSUBAME でも動作

• 研究室全員が同時使用可

• 授業への導入：ScilabからMATLAB へ


本日の内容

• アンテナと伝搬の相互作用

• 5G移動通信

–マイクロ波・ミリ波のチャネルサウンディング

• ボディエリアネットワーク

–ダイナミックチャネル

–アンテナと伝搬路の分離

• その他の応用

–伝搬路特性を用いた位置指紋法


propagation study and matlab: from cellular to body area · 2015/10/16 電波伝搬とmatlab 9...

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