6G共同通信およびセンシングシステムの効率的なプロトタイピング

​通信とセンシングの統合

自動運転車ネットワークは、他のアプリケーションの中で、レーダーセンシングとワイヤレス通信の両方をすでに組み込んでいます。従来、各サービス（レーダーと通信）は独自の周波数帯域で動作し、独自のハードウェアプラットフォームが必要でした。しかし、6Gでは、両方の機能が同じ波形を共有して統合される可能性があります。これにより、ハードウェアとスペクトルの効率的な使用が可能になり、両方のサービスの効率が向上し、多くの新しいアプリケーションの可能性が広がります。このアプローチは、共同通信およびレーダーセンシング（JC＆S）または統合センシングおよび通信（ISAC）と呼ばれています。そのビジョンは、同じ無線リソースを再利用し、単一のハードウェアプラットフォームを採用し、通信ネットワークでレーダーサービス（RaaS）をオンデマンドで提供することです（図1）。ドレスデンのBarkhausenInstituteは、このようなJC＆Sシステムを研究中で、ハードウェア検証にNOFFZが開発したソフトウェアフレームワークを採用しています。このシステムで研究者はNIのmmWaveトランシーバーシステムを使用して効率的なプロトタイピングを行っています。

^{図1. 車、道路上の人々、および基地局との共同通信およびセンシングのシナリオ。(1)}

JC＆Sプロトタイピングのテスト要件

JC＆Sは、Beyond 5G（B5G）ネットワークの主要な機能の1つとして期待されています。レーダーと通信システムの組み合わせには、これまで以上にコスト効率と電力効率の高いトランシーバーの設計が必要です。Barkhausen Instituteでは、研究者は、両方の目的に効率的かつ費用効果的に適用できる新しい波形と適切な信号処理技術を調査しています。2019年8月に同研究所は、通信とレーダー技術の設計と検証の両方を可能にする74GHzmmWaveトランシーバーシステムを一般募集しました。NI mmWaveテストシステムハードウェアプラットフォーム、ハイスループットFPGAプログラミング、および一般的なソフトウェア開発に関するNOFFZの専門知識は、ミリ波範囲の任意波形の生成と測定を制御するためのシンプルなAPIをBarkhausenInstituteの研究者に提供するのに最適でした。

ソリューションの概要とメリット

NOFFZは、研究者がドメインの専門知識に集中し、ハードウェアとの複雑な相互作用を抽象化できるソフトウェアフレームワークを含む完全なテストシステムを提供しました。

選択したハードウェアプラットフォーム（無線ヘッドを備えたNIミリ波トランシーバーシステム）は、71～76 GHzの動作周波数をカバーし、リアルタイム帯域幅は2 GHz、アナログゲイン範囲は55 dBです。TXパスとRXパスの両方で使用できる3つの動作モードも選択された理由でした。このシステムにはベースバンドとIFハードウェアが含まれているため、さまざまなRFフロントエンドを使用することも、IFまたはベースバンド信号のみを使用することもできます。最大3.072GSpsのI/Qサンプリングレートと12ビットのI/Qデータ解像度をサポートします。統合されたNIFlexrioFPGAを使用して、2 GHzチャネルをリアルタイムで処理したり、さまざまなデジタル信号処理（DSP）アルゴリズムを実装することができます。さらに、システムアーキテクチャは、API拡張を通じて新しいソフトウェア環境をサポートすることが可能です。

^{図2.  システムアーキテクチャにより、動作モードの柔軟性とさまざまな部品のモジュール式交換が可能。} 

2つ目の利点は、システムの同期です。2つのPXIシステムは、独立して動作することも、同期モードで動作することもできます。後者の場合、タイミングおよび同期モジュール（NI PXIe-6674T）がミリ波トランシーバシステムの基本構成に追加されます。2つのPXIシステムは、送信と両方のレシーバの開始トリガを共有できます。また、LOを共有するコヒーレント操作で操作することもできます。システムが初期化されると、同期の安定性（トリガージッタ）は1ns未満になります。これは、必要な値（25 ns）が十分に満たされていることを意味します。

^{図3.  ミリ波テストシステムは、2つのサブシステムで構成されています。システムA（トランシーバ、下側の装置）は、カスタムIQサンプルを使用したRF信号のコヒーレント送受信をサポートし、レーダー信号分析に使用されます。システムB（受信機、上側の装置）はRF信号を受信し、主に信号通信に使用されます。(2)}

説明されたシステムアーキテクチャは、スケーラブルでモジュール式のアプリケーションソフトウェアも選考で選ばれた理由です。NOFFZは、次の3つのモジュールを設計しました。  

1. mmWave 計測器制御アプリケーション
2.コマンドサービスアプリ
3. Python API  

リモート機器制御は、募集時の条件どおり、PythonAPIを介して実装されています。NIミリ波システムで実行されるモジュールは、NI LabVIEWを使用して実装されています。NI LabVIEW FPGAモジュールを使用すると、リファレンスFPGAコードを拡張して、TXパスとRXパスの両方でデジタルベースバンドをカバーできます。モジュールとアプリケーションは、ZeroMQ（ZMQ）TCPライブラリを使用して相互に通信します。これは、複数の異なるターゲットとプログラミング言語を使用する場合の接続管理で一般的です。さらに、PXIシステムでローカルに実行されるデバッグおよび制御の目的でユーザインタフェースが開発されました。シミュレーションモードでは、ハードウェアにアクセスしなくてもAPIをテストしたり、実験したりできます。

^{図4:  NOFFZがNIミリ波テストシステム用に開発および実装した、3つの部分で構成されるソフトウェアアーキテクチャ。}

NOFFZの目標は、複雑なRFミリ波ハードウェアからの抽象化を可能にし、単純なAPIで動作する完全なソフトウェアフレームワークを開発することでした。これにより、ユーザは機器の使用率を最大化することが容易になります。NIミリ波トランシーバシステムは、NI LabVIEWおよび基本的なサンプルストリーミングプロジェクトのAPIサポートを備えた、すぐに使用可能なソフトウェア無線です。JC＆Sシステムの新しい波形を見つけるには、直交周波数分割多重方式（OFDM）または周波数変調連続波（FMCW）に基づく新しい提案が必要です。具体的には、これには、より大きなサンプルサイズと信号補正のためにオンボードDRAMを開くFPGA追加の開発が必要でした。

まとめと展望

理論的には、無線通信とレーダーセンシングは同じ物理現象、つまり電磁波の伝播に基づいているため、同じ波形、スペクトル、およびハードウェアを共有して行うことができます。ただし、実際には、これには広範な調査とプロトタイピングが必要です。

Barkhausen Instituteの研究者は、前述のミリ波テストシステムを使用して初のマイルストーンをすばやく達成しました。モジュラープラットフォームであるため、通信アルゴリズムをテストし、その概念を実証することができました。チャープベースの波形とRFハードウェアの課題に関する結果の一部は、査読付きの論文であり、すでに公開されています。自動車やその他のユースケースでの実現は、最終的には共同機能システムの費用対効果に依存します。NOFFZの開発とPythonAPIおよびFPGAの追加の実装により、プロセスがスピードアップすることを願っています。 

作成者情報:

Thomas Magruder, General Manager, NOFFZ Technologies USA Inc. thomas.magruder@noffz.com +1 512 692 7137 NOFFZ Technologies USA Inc.2808 Longhorn Blvd, Suite 308 Austin, TX 78758, USA,
Milos Radulović, NOFFZ-Forsteh Technologies、マネージングディレクター、d.o.o., Belgrad, Serbia,
Markus Solbach, Director Sales & Marketing, Managing Director, NOFFZ Technologies, Tönisvorst, Germany,
Vanessa Blumenstein, Technical Marketing Manager, NOFFZ Technologies, Tönisvorst, Germany,
Gerd Tim Hentschel, Managing Director, Barkhausen Institut gGmbH, Dresden, Germany

リファレンス:

^{（1）https://www.barkhauseninstitut.org/en/research/research-topics/joint-radar-and-communication、2021年6月9日}

^{（2）©Lichtwerke Design Fotografie、Barkhausen Institute提供}