「電波資源拡大のための研究開発」成果発表会 平成20年6月18日 コグニティブ無線端末機の実現に向けた 要素技術の研究開発 独立行政法人 情報通信研究機構 コグニティブ無線技術 概要(1):本講演における定義 無線機が周囲の電波利用環境を認識し，その状況に応じて無線機が適宜学習等を取り入れ つつ，ネットワーク側の協力を得ながらシステム内，システム間問わず複数の周波数帯域，タ イ イムスロット，等の無線リソースならびに通信方式を適宜使い分け，ユーザの所望の通信容 ット，等の無線リソ ならび 通信方式を適宜使 分け， ザの所望の通信容 量を所望の通信品質で周波数の有効利用をはかりつつ伝送を行う無線通信技術 ２．ユーザーからの電波の利用環境情報、 現在の周波数割り当て等を勘案し 現在の周波数割り当て等を勘案し、 使用すべきネットワークと通信ポリシーを決定 適応型ネットワ ク再構成 適応型ネットワーク再構成 オペレータ2 オペレータ１ 共通 シグナリング ５．無線切替とハンドオーバ ３．決定された ポリシーの伝送 ポリシ の伝送 ３．決定された ポリシーの伝送 ポリシ の伝送 ３．決定された ポリシーの伝送 ４．移動とともに システムの変更 （ソフトウ ア無線ベ ス） （ソフトウェア無線ベース） １．電波の利用環境を認識 2 コンフィグ レーション コグニティブ無線技術 概要(2)：周波数帯域の確保のために 未割り当て 周波数割り当ての現状 システムＡ システムC システムB 周波数 未利用周波数対策 未利用周波数のみ選択利用 システムA システムB システムA システムC システムB システムC 周波数 周波数 コグニティブ無線技術 1台の無線機で空き周波数を検知し、必要に帯 域を確保する（オーバーレイ型） White space approachと呼ばれる方法。一 次割り当て者が時間 周波数の観点から使用し 次割り当て者が時間、周波数の観点から使用し ていないと判定すると二次利用者が使用する 3 1台の無線機で既存通信システムをセンシング、その 結果に基づき複数選択利用してブロードバンド化 既存通信システムのアグリゲーションによる キャパシティ確保 検討技術 通信環境認識技術 ユーザが無線端末を操作しなくても、無線端末自 身が自動的に周囲の電波利用環境（周波数の混 雑状況、使われている伝送方式等）を把握する技 術 CDMA 800MHz 800MH OFDM 2.4GHz QPSK 400 MHz 干渉波 通信環境認識技術 2.4GHz帯OFDMと 800MHz帯CDMAは 伝送可能 システム選択・多重伝送技術 システム選択・多重伝送技術 無線端末が周囲の電波利用環境を把握した上で、 その環境下で最適な変調方式 伝送速度 電力 その環境下で最適な変調方式、伝送速度、電力 等を自律的に選択・多重し伝送する技術 時間がないのでこの書類 をできるだけ早い回線で 送りたいのだが・・ 回線の状況は 25MHzの伝送速度確 保のため、2.4GHz帯 のOFDM【20MHz】と OFDM【20MH 】と 800MHz帯CDMA【 5MHz】の両方を多重 して伝送 複数通信方式 の選択，多重伝 送 無線機の各機能をソフトウェアで定義し、表現して、そのソフトウェアを利用して、 コグニティブ無線を実現させる ⇒Software Defined Cognitive Radio (SDCR) の実現 4 プロジェクト開始時の目標 通信環境認識技術 UHF帯（400MHz帯程度）からマイクロ波帯（6GHz帯程度）まで中心周波数を プログラマブルに可変しながら 帯域内に存在する複数の主要な無線システ プログラマブルに可変しながら、帯域内に存在する複数の主要な無線システ ムを正確に同定可能な無線機を実現するために、マルチバンドアンテナ、マ ルチバンドプログラマブル可変フィルタ、マルチバンドプログラマブルミキサか らなるプロトタイプのコグニティブ無線機を構築し １台の無線機で可変でき らなるプロトタイプのコグニティブ無線機を構築し、１台の無線機で可変でき る周波数帯を現状の数100MHzから数GHzと１台あたりで利用できる周波数 帯を10倍以上にさせる。 システム選択多重伝送技術 UHF帯（400MHz帯程度）からマイクロ波帯（6GHz帯程度）まで中心周波数を プログラマブルに可変しながら、帯域内に存在する複数の主要な無線システ ムを無線環境にあわせてプログラマブルに複数回線選択し 通信容量の適 ムを無線環境にあわせてプログラマブルに複数回線選択し、通信容量の適 応的分散を行うことができるプロトタイプのコグニティブ無線機を構築する。 複数の無線LAN等のブロードバンド無線アクセス（数10Mbps）も必要回線数 併用して利用することにより 携帯電話（数100kbps）のみを使う場合に比べ 併用して利用することにより、携帯電話（数100kbps）のみを使う場合に比べ、 １台あたりの使用帯域幅をハードウェアの追加なしに最大数100倍以上にで き、高い周波数有効利用特性が得られる無線機を実現する。 5 検討項目 通信環境認識を実現するために必要となる広帯域（マルチバンド）でかつ特 定の周波数帯に同調（チューナブル）可能なマルチバンド/チューナブルデ バイスに関する研究 開発 バイスに関する研究・開発 動作目標周波数：400MHz-6GHz 開発デバイス：アンテナ、フィルタ、アンプ、送受信ミキサ 開発デ イ アンテナ、 ィルタ、アン 、送受信 キサ マルチバンド/チューナブルデバイスを用いた通信環境認識機能およびシス テム選択・多重伝送機能を実現可能なコグニティブ無線機用ハードウェアプ ラットフォ ムに関する研究・開発 ラットフォームに関する研究・開発 通信環境認識機能およびシステム選択・多重伝送機能を実現するコグニテ ィブ無線機用ソフトウェアプラットフォームに関する研究・開発 ハードウェアプラットフォームおよびソフトウェアプラットフォームを組み込ん だソフトウェア無線技術を用いたコグニティブ無線機の試作、および通信環 境認識技術 システム選択・多重伝送技術の評価 境認識技術、システム選択 多重伝送技術の評価 6 無線機基本構成 SDR_MGMT_SAP SDR_SAP Reconfigulation Management Module (RMM) SPU: Signal Processing Unit RFU: RF unit SAP: Service Access Point Policy SPU for Layer1 RFU User Data Drivers for f hardware Link aggregator a Policy Converrgence layer User Data TC CP/IP A Applications s SPU for Layer y 2 Status rep. & Cont. User Data Software and parameters for communication system1 （Waveform) SPU for Layer 2 Status rep. & Cont. 無 線 通 信 シ ス テ ム で 取 得 可 能 な 情 報 が SDR_SAP SDR SAP そ し て （ も し く は ） SDR_MGMT_SAP SDR MGMT SAP を 経 由 し て Reconfiguration Management Module(RMM)に取得される．また，ネットワーク側より伝えられたポリシー （Policy）は場合によってはTCP/IP経由でRMMに取得される．そして，これらの情報をもとに次に通信すべき 通信システムを選択し，SPUならびにRFUに対してよりユーザにとって適した新しい通信システムを実現するプ ロトコルをbootし 無線機の機能を再構築 ロトコルをbootし，無線機の機能を再構築 7 広帯域センシング用デバイス UHF帯から6GHz帯に存在する無線システム、空き周波数をセンシングするためのハードウェアを実現するためのマ グ ルチバンド/チューナブルデバイスの開発を行った マルチバンドチューナブルアン テナ Adaptive gain-controlled amplifier Broadband up-conversion mixer Tunable filter or band selection RF filter Multi-band synthesizer 電圧を可変によるチューナブル化 21 19 17 15 13 vswr 11 9 7 5 3 1 1.9 バラクタ装荷型逆F型マルチ バンド/チューナブルアンテナ 21 19 17 15 13 vswr 11 9 7 5 3 1 0.45 Cognitive radio baseband signal processor AMP 1.95 2 6 2.05 2.1 f [GHz] D/A FILTER Tunable and Multi-band antenna t MIXER Multi-band Multi band synthesizer Multi band Multi-band Clock Gen. 2.15 2.2 FILTER 5 AMP FILTER A/D Interfaces and/or Non-radio part Multi-IP core part Switch Full reconfigurable part Parameter control part 4 vswr 3 2 0.55 f [GHz]0.65 0.75 1 5.1 5.15 5.2 5.25 5.3 f [GHz] マルチバンドチューナブル 広帯域アンプ 9mm x 9mm チューナブル周波数帯域: ブ 波数帯域 0.4-6.2GHz (2 mode) 最大利得(可変可能): 30dB 最大出力 : 24dBm NF:5dB以上 使用プロセス 90 nm RF-CMOS 電源電圧: 3.3 V 8 5.35 5.4 Tunable filter or band selection RF filter Adaptive gain-controlled amplifier Broadband down-conversion mixer マルチバンドチューナブル広帯域バ ンドパスフィルタ チューナブル周波数帯域: ブ Mode 1: 0.4～0.8 GHz Mode 2: 0.8～1.3 GHz Mode3:1.3～2.1 GHz Mode 4: 2.1～3.0 GHz Mode 5: 3.0～4.0 GHz 9mm x 9mm Mode 6: 4 4.4～6.0 4 6 0 GHz 可変可能3dB 帯域幅 : Mode 1: 250～600 MHz Mode 2: 400～1300 MHz Mode 3: 400～1500 MHz Mode 4: 600～2000 MHz Mode 5 600～2000 MHz Mode 6: 500～3250 MHz 減衰特性30dB/oct 使用プロセス: 使 90 nm RF-CMOS 電源電圧: 3.3 V Tunable or selectable baseband/IF filter 広帯域送受信ダイレクトコン バージョンミキサ 対応周波数0.4-5.8GHz, 180nm SiGe BiCMOS 3.3 V 送信側OP1dB: 送信側 larger than -18 dB 送信側EVM: less than 3% (rms) 受信側 NF: less than 5dB@ 400 MHz and 2GHz bands less than 15dB@ 5GHz band 11%以下のEVMを満たす 受信側ダイナミックレンジ : larger than 50dB@400 MHz and 5GHz bands larger than 60dB@2GHz band 広帯域センシング用デバイス マルチバンド/チューナブルアンプ 広帯域マルチバンドチューナブルアンプ IN 項目 基本仕様 周波数帯 High band: 2.5-6.2 GHz Low band 0.4-2.5 GHz 構成 ３アンプシリアル接続 利得 最大 40dB (アンプ駆動電流可変によるゲインコント ロール） 最大出力 24 dBm NF 5dB以上 プロセス 90nm RF CMOS パッケージ 9mm×9mm×0,8mm 電源 3.3V (580mA)，1.2V(5mA) 入出力 50Ω 9 AMP2 AMP1 A MP3 IMP_CONV BPF BIAS 0.4～6GHz BIAS PEAK DET BIAS 3Wir e CTL REGISTER 24×４ｂｉｔ 3.3V REG_I 1.2V OUT 広帯域センシング用デバイス マルチバンド/チューナブル広帯域バンドパスフィルタ 広帯域マルチバンドチューナブル高周波フィルタ 項目 周波数帯 基本仕様 Mode 1: 0.4～0.8 GHz Mode 2: 0.8～1.3 GHz Mode 3: 1.3～2.1 GHz Mode 4: 2.1～3.0 GHz Mode 5: 3.0～4.0 GHz Mode 6: 4.4～6.0 GHz 構成 8 BPFパラレル接続 3dB帯域幅 Mode 1: 250～600 MHz Mode 2: 400～1300 MHz Mode 3: 400～1500 MHz Mode 4: 600～2000 MHz Mode 5 600～2000 MHz Mode 6: 500～3250 MHz IN OUT BPF1 BPF2 BPF3 REGISTER 24×４ｂｉｔ BPF4 EX_BPF1 LPFカットオフ周 波数 Mode 1: 665～1080 MHz Mode 2: 1195～2010 MHz Mode 3: 1730～2940 1730 2940 MHz Mode 4: 2500 2500～4300 4300 MHz Mode 5 3 600～6250 MHz Mode 6: 4500～7800 MHz HPFカットオフ周 波数 Mode 1: 290～450 MHz Mode 2: 545～840 MHz Mode 3: 985～1470 MHz Mode 4: 1580～2380 MHz Mode 5 2460～3550 MHz Mode 6: 3440～5200 MHz 減衰特性 30dB/oct プロセス 90nm RF CMOS パッケージ 9mm×9mm×0,8mm 電源 3.3V，1.2V 入出力 50Ω 10 EX_BPF2 3Wire CTL EX_BPF3 3.3V EX BPF4 EX_BPF4 REG I REG_I 1.2V 広帯域センシング用デバイス マルチバンド/チューナブルフィルタ/アンプ：デモンストレーション 400MHz-6GHz帯で動作し、かつ中心周波数と３ｄB帯域幅が可変可能なマルチバンドチューナブルフィルタと400MHz-6GHz帯で最大 30dBの利得を有するマルチバンド広帯域アンプ マルチバンド・チューナブルバンドパスフィルタ マルチバンドチューナブルアンプ デモンストレーション 制御用PCより中心周波数、３ｄB帯域幅を入力 ネットワークアナライザにより周波数特性をみ る デモンストレーション 制御用PCより中心周波数を入力 ネットワークアナライザにより周波数特性をみ る 表示例 表示例 中心周波数：400MHz: 33.364dB 中心周波数: 500MHz 可変 制御用PC 中心周波数 : 1000MHz 中心周波数：1500MHz:33.569dB 可変 中心周波数：2500MHz:34.496dB 中心周波数: 2500MHz 可変 LSI評価用治具 LSI評価用治具 ネットワークアナライザ 11 広帯域センシング用デバイス 広帯域送受信ダイレクトコンバージョンミキサ MMIC 広帯域ダイレクトコンバージョン送受信ミキサ BB in プロセス コアエリア パッケージ 電源/消費電力 周波数帯域 局発電力 変調方式 OFDM /16QAM 送受信周波数 0.4 GHz 送信時 受信時 OP1 dB LO Leak EVM IP1dB Gc NF EVM Dynamic*5 Range 0.18mm SiGe-BiCMOS 2.8mm x 1.6mm BCC++ 48pin (7mm x 7mm) 3.3V / 40mA以下 400MHz － 55.8GHz 8G -10dBm W-CDMA WLAN(IEEE802.11a) HPSK(送信)/QPSK(受信) OFDM/64QAM 0.8 GHz 2.0 GHz -18 dBm 以上 -20 dBc 以下 3 %rms 以下 -25 dBm 以上 15 dB 以上 5 dB 以下 5.2 GHz BB out 5.8GHz -15 dBm 以上 7 dB 以上 15 dB 以下 3 %rms 以下 50 dB 以上 60 dB 以上 50 dB 以上 *5 12 LO in (single-end) EVM≦11%となる入力電力範囲 90°分配器 RF out 直交変調器 局発切替回路 直交復調器 90°分配器 RF in 広帯域センシング用デバイス 広帯域送受信ダイレクトコンバージョンミキサ：デモンストレーション ベースバンドの信号を直接400MHz-6GHz帯の送信信号にアップコンバージョンするとともに400MHz-6GHz帯の受信信号を直接ベースバンドに ベ スバンドの信号を直接400MH 6GH 帯の送信信号にア プコンバ ジ ンするとともに400MH 6GH 帯の受信信号を直接ベ スバンドに ダウンコンバージョンする広帯域送受信ダイレクトコンバージョンミキサ 受信側ダイレクトコンバージョンミキサ 送信側ダイレクトコンバージョンミキサ デモンストレーション デ シ 高周波に変調された信号（中心周波数可変、帯 域幅固定）を可変させてミキサに入力 局部発振器も同期して可変させてミキサに入 力 出力ベースバンド信号（固定）をスペクトルア ナライザで見る デモンストレ デモンストレーション シ ン 入力ベースバンド信号(固定）をミキサに入力 局部発振器を可変させてミキサに入力 高周波に変調された信号をスペクトルアナライ ザで見る 表示例 表示例 ダイレクトコンバージョン 13 スペクトルアナライザ ミキサ入力信号 スペクトルアナライザ ミキサ出力信号 スペクトルアナライザ ミキサ出力信号 送信側 局部発振器 400MHz 800MHz 1600MH 1600MHz 6000MHz 広帯域センシング用デバイス マルチバンド/チューナブルアンテナ コグニティブ無線で利用可能としようとする複数の周波数帯にわたって、整合周波数を電気的に制御できる可変アンテナ技術に関す る研究開発 システム構成 構造 各周波数帯の逆アンテナを給電ポートを共通にして重ね合わせ、 短絡端に可変リアクタ（バラクタ）を装荷 チューナブルな機能により、給電ポート等を1つにできるので、 小型・軽量・低コスト化が可能 RF信号を直接AD変換する技術が確立されようとしている 可変リ アク タ f1 f2 f3 RF/D LNA BPF D/C AD converter variable X3 Degital Signal Processing circuit 拡大 2 GHz 帯 5 GHz 帯 逆直列対 特長 X2 X1 C >>1 ・平面型で小形 ・RF切換えスイッチ不要 ・逆バイアス制御なので低消費電力 VDC3 VDC2 VDC1 UHF 帯 比帯域が広いので ２ つの逆Fアンテナを用い、 間に可変リ アク タ を装荷する RF DC 共通 独立 試作アンテナの整合周波数の可変特性 0 0 0 -5 -5 -5 -10 -10 -10 S11 -15 [dB] -20 -25 -30 0 (3,0,20) (0,3,5.7) (0,2,0.3) 1 2 3 4 frequency [GHz] 地上デジタル放送 （0.47 - 0.77 GHz） 14 S11 -15 [dB] -20 (5.2,4.9,0) (VDC1,VDC2,VDC3)= -25 (5.2,9.4,0) 5 6 -30 0 1 -25 (VDC1,VDC2,VDC3)= 5 W-CDMA （1.92 - 2.17 GHz） 6 -30 0 バラ ク タ (20,20,20) S11 -15 [dB] -20 (5.8,9,0) 2 3 4 frequency [GHz] vswr=3 (5,20,20) (0,20,20) (VDC1,VDC2,VDC3)= 1 2 3 4 5 frequency [GHz] IEEE802.11a （5.15 - 5.35 GHz） 6 RF給電ポート DC電圧制御線（ 裏側） 広帯域センシング用デバイス マルチバンド/チューナブルアンテナ２ コグニティブ無線で利用可能としようとする複数の周波数帯のアンテナを、スイッチで切換える方式のアンテナ技術に関する研究開発 グ テ ブ無線で利用可能としようとする複数の周波数帯のアンテナを イ チで切換える方式のアンテナ技術に関する研究開発 電磁結合給電逆Fアンテナの構造と特徴 システム構成 アンテナの切換え方式（複数の無線サービスを同時に使える） LNA f1 RF switch BPF D/C BPF D/C AD converter f2 f3 AD converter D/C BPF Degital Signal Processing circuit 広帯域化のため 2 5 素子を並べる Degital Signal Processing circuit 25本 0.1 mm 0.1 mm サービス周波数帯域の様子と課題 アイ ソ レーショ ンが必要 広帯域化が必要 48％ W -CDMA 電磁結合給電 狭帯域化が望まし い 1 2％8 ％ スルーホール スル ホ ル 8 0 2 a W LAN 地上デジタ ル放送 銅箔 IEEE.1 6 e 3 .8 ％ マイ ク ロスト リ ッ プ給電 W-CDMA IEEE.1 6e 8 0802.16e 2 a W LAN 1 コ ネク タ 802.11a W -CDMA 地上デジタ ル 0 2 0.1 mm 3 4 Frequency [GHz] 5 6 1 枚のプリ ント 基板 の両面を利用 狭帯域化のため細く 銅箔 銅箔 試作アンテナの整合特性 r=2.17, tan=0.0008 0.018 mm アイ ソ レーショ ン のため直交 実機に搭載 0 0 0 0 -10 10 -10 10 -10 10 -10 10 S11 [dB] -20 S11 [dB] -20 S11 [dB] -20 S11 [dB] -20 -30 -30 -30 -30 -40 0.2 0.4 0.6 0.8 Frequency [GHz] 1.0 地上デジタル放送（0.47 - 0.77 GHz） 15 -40 1.5 2.0 2.5 Frequency [GHz] W-CDMA1.92 - 2.17 GHz） 3.0 -40 1.5 2.0 2.5 Frequency q y [[GHz]] 802.16e（2.4 - 2.6 GHz） 3.0 0.8 mm -40 5.0 5.1 5.2 5.3 5.4 Frequency q y [[GHz]] 802.11a（5.15 - 5.35 GHz） 5.5 ハードウェアプラットフォーム 電波の利用環境（通信環境）のセンシング(認識）し、を実現するために必要となる広帯域（マルチバンド）でかつ特定の周波数帯に同 調（チューナブル）可能なデバイスを利用したハードウェアプラットフォーム（高周波部、ディジタル信号処理部）に関する研究開発 高周波部 BB_out(I) 15 10 LO_IN RF_IN Gc(dB) Version1 ダイレクトコンバージョンミキサLSI（対応周波数800MHz-5.2GHz)を組込 む 動作周波数：400-5200MHz帯 送信出力：10dBm(400MHz帯、700MHz帯、5GHz帯）、23dBm(2GHz帯） ディジタル信号処理部とのI/F：ベースバンド信号 Version2 スイッチング回路を初段のアンプ、BPFに多数おき、それらをシステムに 合わせて切り替えて使用 基本仕様はVersion１と同じ ディジタル信号処理部とのI/F：中間周波数帯(IF帯）信号 5 0 5 -5 -10 -15 0 1 2 3 4 5 6 7 RF Frequency (GHz) BB_out(Q) 400-800MHz TX/ RX module 800-5200MHz TX/ RX module Gain vs. RF frequen 0.35 um SiGe BiCMOS Direct conversion mixer (800-5200MHz) ディジタル信号処理部 FPGAボード 各通信システムの物理層(Layer1)の信号処理を担当 各通信システムの物理層(L 1)の信号処理を担当 Version1、２ともにFPGA(Xilinx XC2VLX200)を1個搭載 CPUボード 各通信システムのMAC層より上の信号処理、TCP/IP処理、ソフトウェア プラットフォーム処理を担当 Version1はCPUとしてSH4、OSはuITRONを使用 V i 1はCPUとしてSH4 OSは ITRONを使用 Version2はCPUとしてARM11、OSはLINUXを使用 その他 本ボードで動く通信システム：IEEE802.11a/b,W-CDMA,地上波ディジタル 放送(13セグ、1セグ） 16 スイッチング回路を用いたマ ルチバンド高周波部(高周波 部 version 2)) 対応周波数：400M-6GHz帯 対応システム：地上波デジタ ル 放 送 、 IEEE802.11a/b/g 、 IEEE802.16、W-CDMA、ＷｉＭＡＸ PHS等 ディジタル信号処理部 （FPGAボード,version 2) ディジタル信号処理部 （CPUボード,version 2) FPGAボードとCPUボードの基本仕様 Item Requirement FPGA ボード 150mm x 100mm ADC 3ch/170Msps/12bit/4dBm input DAC 3ch/500Msps/12bit/4dBm output FPGA Xilinx XC4VLX200 CPUボード 150 mm x 100mm C CPU S 4( SH4(version 1), 1) ARM11(version A 11( 2) OS uITRON(ver sion 1), LINUX(version 2) I/O Compact Flash, RS 232c, USB, Ethernet/JTAG ソフトウェアプラットフォーム 電波の利用環境（通信環境）のセンシング(認識）の運用、センシング結果の整理、管理、センシングした結果に基づく、シス テム選択・多重ポリシーの決定、決定結果に基づく無線機機能の再構築を行うソフトウェア無線技術も考慮したコグニティブ 無線機用ソフトウェアプラットフォーム:Reconfiguration management module (RMM)に関する研究開発 Software Defined Cognitive Radio (SDCR) マネージャ Reconfigulation Management Module (RMM) オペレーティングシステム SDCRコントローラ SDR表示部 機器構成 無線状態通知 無線状態表示 無線プロトコル プロファイル編集 無線プロトコル インストール・アンインストール バ ジョン情報 バージョン情報 システム プロファイル 制御データ インストール プロファイル設定 SDCRマネージャ ソフトウェア無線インターフェース管理 無線プロトコルBOOT ・RFボードコンフィグレーション ・無線プロトコル（Layer 1）コンフィグレーション ・無線プロトコル（layer 2）プロセス起動 無線モジュール（系）状態管理 制御デ タ 制御データ 無線プロトコル状態管理 コンフィグレーション/PLL 通信環境 テレビ電話 レイヤ２ ディジタル信号処理部(SPU for Layer2) レイヤ１ ディジタル信号処理部 RX-I RX-Q User Data 無線プロトコル （Layer 2） 状態通知 メッセージ送信 無線情報 フィルタリング 機能 無線プロトコル/ Waveform 状態通知 無線プロトコル/Waveform 制御 User Data 17 メッセージ受信 インターフェース ドライバ ソフトウェア無線ドライバ TCP/IP Convergence layer Socket I/F L1 レジスタ制御 制御 テレビ放送 ソフトウェアプラットフォームは汎用的 な組み込み用OS(LINUX,ITRON)上で動 作 通信モジュールの再構築 プロセス起動 電波の利用環境のセンシング アプリケーション アプリケーション アプリケ ション セレクタおよび パラメータ セッティング 無線プロトコルサーチ 無線プロトコル 開始／終了 無線プロトコル切替、状態通知 以下の機能を有する。 各周波数帯の信号をセンシングし、そのセンシング結果をメモリに格納 高周波部とディジタル信号処理部におけるセンシングの状態を常に管理 通信可能なシステムのリストを表示 センシング情報を用いて、利用する通信システムの状態を管理 通信システムの状態とユーザの嗜好をもとに最終的にセンシングするネット 通信システムの状態と ザの嗜好をもとに最終的にセンシングするネ ト ワークを決定 決定した通信システムを高周波部とディジタル信号処理部にソフトウェア無 線技術を用いて再構築 ソフトウェア無線デバイス RSSI レジスタ制御 メッセージ受信 RF部 （RFU) 無線プロトコル （Layer 1） TX-I TX-Q AGC メッセージ送信 レイヤ１ ディジタル信号処理部 （SPU for Layer 1) RF部 (RFU) 通信モジュール ソフトウェア無線技術によりCPU,FPGA等で動作す るデジタル信号処理モジュールとRF部への変更パ ラメータからなる ラ タ らなる SDCRマネージャからの指示にしたがい適宜再構築 される 無線機の試作 コグニティブ無線ハードウェアプラットフォーム、ソフトウェアプラットフォームからなり、ソフトウェア無線技術を利用した通信 システムの再構築も可能なコグニティブ無線機の試作、および評価 基本仕様 センシング可能周波数： 400MHz-6GHz 使用高周波部： スイッチング型高周波部Version 2 使用FPGAボード：Ver.1の簡略化 使用CPUボード： 使用CPUボ ド： Ver.2（ARM11ベース) 使用OS：LINUX (ｂ) (a) (ｄ) (c) 18 移動通信に利用しやすいUHF帯(400MHz)からマイクロ波帯 (6GHz帯)までをセンシングし表示 (センシング範囲は高周波部 の能力に依存）–(a) 詳細なセンシング情報の表示とともに選択された周波数バンド でソフトウェア無線技術を用いて通信システムを同定 –(b) – ターゲットとする周波数帯を決定 – 通信システムを実現するソフトをインストールし、通信の状 通信シ ムを実現する トをイ ト 通信 状 態をセンシング-(*) – 周波数を変更 – 再度 RSSI, BER, FER (Layer1), 及び 接続性 (Layer 2) を測定 – インストールした通信システムがターゲット周波数帯にい インスト ルした通信システムがタ ゲ ト周波数帯にい るかどうかを同定 – (*) にもどり、別の通信システムを実現するソフトウェアを 高周波部および信号処理部にインストールし同様のセン シングおよびシステム同定を行う 通信システムを表示 –(c) ( ) ユーザが好みの通信システムを選び通信を開始 –(d) 総合デモンストレーション 無線機が無線LAN（IEEE802.11a/b/g)、W-CDMA存在下にいる場合を想定し、電波の利用状況のセンシングを行い、センシングの後、システム 無線機が無線 （ ) 存在 る場合を想定 電波 利 状況 シ グを行 シ グ 後 シ ム の同定を行い、その結果に基づき利用可能な移動通信システムを用いて、TV電話等で通信を行うデモンストレーション コグニティブ無線機 通信環境シミュレータ 基本仕様 センシング可能周波数： 400MH 6GH 400MHz-6GHz 使用高周波部： スイッチング型高周波部Version 2 使用FPGAボード：Xilinx Vertex 2 LX200 使用CPUボード：ARM11系のCPU 使用OS：LINUX カメラ内蔵 赤枠：通信ゾーン の大きさを示す 基本仕様 複数の無線基地局/アクセスポイントが可変減 衰器を介して グ テ ブ無線機に接続 衰器を介してコグニティブ無線機に接続 可変減衰器の減衰量を増減させることで現在の通 信ゾーンを模擬（赤枠で表示） 通信ゾーン内に無線機がある場合は、センシン グを行ったときにそのシステムの存在が認識 初期画面：Radio sensingを選 択 400MHz-6GHz ま で セ ン シ ン グが開始 上段：センシング結果 下段：無線機が実現可能な通信 システムとその優先度(ユーザ設 定） 無線機が実現可能な通信シ ステムを用いてセンシング結 果の中から通信可能なシス テムを探索 探索結果の表示とTV電話を 用いた通信を行うか否かの 問い合わせ TV電話を用いた通信の開始 (左：相手側の映像、右：自分 の映像） コグニティブ無線機 コグニティブ無線機 通信環境シミュレータ W-CDMA基地局 を構成するボード FPGAボード 可変減衰器 無線LANアクセスポイント マルチバンドRFボード CPUボード 19 目標の達成状況 通信環境認識技術 コグニティブ無線機用広帯域ハードウェア 20 デバイス 400M-6GHz帯で連続動作可能なRF-CMOSを用いたマルチバンド/チュー ナブルアンプを試作に成功し、評価を行った。 400M-6GHz帯で連続動作可能なRF-CMOSを用い、中心周波数と3dB帯 域幅が可変可能なマルチバンド/チ 域幅が可変可能なマルチバンド/チューナブルバンドパスフィルタの試作 ナブルバンドパスフィルタの試作 に成功し、評価を行った。 400M-6GHz帯で連続動作可能なBi-CMOSを用いたダイレクトコンバージ ョン送受信ミキサの試作に成功し、評価を行った。 ン送受信ミキサの試作に成功し 評価を行 た マルチバンドアンテナ 400M-5.2GHz帯まで対応可能なバラクタ装荷型逆F型アンテナの試作、評 価を行った。 400M-5.2GHz帯まで対応可能な電磁結合給電逆F型アンテナの試作、評 価を行った。 目標の達成状況 通信環境認識技術 通信環境認識用広帯域ハードウェア スイッチング回路を利用した400M-6GHz帯まで対応可能な通信環境認識用 広帯域ハ ドウェア：RF部の試作に成功 広帯域ハードウェア：RF部の試作に成功 開発したダイレクトコンバージョン送受信ミキサを組み込んだ通信環境認識用 広帯域ハードウェア：RF部の試作に成功 RF部とFPGA CPUを利用したディジタル信号処理部を組み合わせた統合通 RF部とFPGA、CPUを利用したディジタル信号処理部を組み合わせた統合通 信環境認識用広帯域ハードウェアの開発に成功 通信環境認識ソフトウェア 統合通信環境認識用広帯域ハードウェア上で動作する、通信環境認識ソフト ウェアを開発に成功 21 本ソフトウェアは、RF部の能力に合わせセンシングを行う周波数を可変し、帯域内に存在する 無線通信信号を認識 通信環境認識対応周波数は400M-6GHzであり、当初目標とした１台の無線機 で可変できる周波数帯を数100MHzから数GHzと１台あたりで利用できる周波 数帯を10倍以上にさせることに成功（通常は高々数10 100MH 程度の通信環 数帯を10倍以上にさせることに成功（通常は高々数10-100MHz程度の通信環 境認識能力があればよい方） 目標の達成状況 システム選択多重伝送技術 22 コグニティブ無線機用広帯域ハードウェアに通信環境認識ソフトウェアとソフト ウェア無線技術を利用した通信システム選択およびシステム多重伝送コグニテ ィブ無線機の開発に成功 対応周波数：400M-6GHz帯 RF部の対応可能な周波数をセンシングし、その結果をもとに信号が存在し た周波数の通信システムの同定をソフトウェア無線技術を利用して行うと ともに接続性も確認し、ユーザーに対し、利用可能な通信システムを通知 その結果をもとに、ユーザーの希望に合わせ、通信システムを選択・多重 伝送できる無線機を実現 複数の無線LAN等のブロードバンド無線アクセス（数10Mbps）も必要回線 数併用して利用することにより、携帯電話（数100kbps）のみを使う場合に 比べ １台あたりの使用帯域幅を 比べ、１台あたりの使用帯域幅をハードウェアの追加なしに最大数100倍 ドウ アの追加なしに最大数100倍 以上にでき、高い周波数有効利用特性が得られる無線機を実現すること に成功 目標の達成状況 知的財産への取り組み、国際標準への貢献 知的財産への取り組み 外部発表89件 特許出願26件 国際標準への貢献 標準化寄与文書（IEEE1900.4）：90件(2007年2月-2008年2月現在） コグニティブ無線における端末側とネットワーク側で通信環境認識情報を 共有する場合の、システムアーキテクチャ、機能アーキテクチャ、通信情 報のフォーマット、手順等を検討 最大で1回の会合における70%の文書がNICTからの寄与 20年7月にLetter Ballot(書面によるドキュメントの承認）が行われる予定 IEEE1900.4 IEEE1900 4 Vice Chairmanに就任し、標準化をリード Chairmanに就任し 標準化をリード 23 実用化へのスケジュール H17年度 H18年度 H19年度 H20年度 H21年度 H22年度 H23年度 800MHz～ 800MHz～ 通信環境認 2.4GHz帯で認識 6GHz帯で認識 識技術 可能な無線機の 可能な無線機の 設計、試作 設計、試作 システム選 システム選択多 システム選択多 択、多重伝 重伝送用ハード/ 重伝送用ハード/ ソフトウェアプラット ソフトウェアプラット 送技術 フォームの設計 フォ ムの設計 標準化等 24 400MHz～ 6GHz帯の各シス テムを認識 選 テムを認識・選 択・多重可能な 無線機の要素技 術の研究開発 実用化に向けた機 器開発 のために必要とな る技術の開発/技 術基準の検討 実サービスに 向けた機器開 発 フォームの試作 フォ ムの試作 IEEE SCC41等を通じた システム選択技術の標準化 IEEE SCC41等を通じた システム選択技術の標準化、 国内技術基準／仕様の策定 実用化 まとめ プロジェクト開始時に掲げた目標はすべて開発が終了し、デモンストレーションも無事終了した ハードウェアプラットフォーム マルチバンドアンテナ部 400-6000MHz帯まで対応可能なアンテナ試作 マルチバンドRF部 スイッチング回路を利用した400-6GHz帯まで対応可能なマルチバンドRF部の試作、評価、ベー スバンド部との結合 ベースバンド部 FPGA,CPU（ARM)からなるディジタル信号処理ボードの試作 デバイス 400-6000MHzに対応したダイレクトコンバージョン送受信ミキサの試作（BiCMOS) 400-6000MHzに対応した送信側/受信側マルチバンド高周波可変フィルタの試作（CMOS) 400-6000MHzに対応した送信側/受信側マルチバンド高周波可変アンプの試作（CMOS) 変 ソフトウェアプラットフォーム センシング、学習、意志決定、再構築を行うコグニティブ無線用マネージャを組み込みLinux上で構築 ハードウェアプラットフォームとソフトウェアプラットフォームを融合したコグニティブ無線機の試作 デモンストレーション 統合デモンストレーションによる評価 ハードウェアプラットフォームが使用可能な周波数帯の信号レベルをセンシングするとともに、通信シス テムの同定も行い、ユーザーに通信可能なシステムを知らせ、電波の有効利用を計りつつ、ユーザー テムの同定も行い、ユ ザ に通信可能なシステムを知らせ、電波の有効利用を計りつつ、ユ ザ の所望の情報を所望の帯域で伝送可能な無線機の試作に成功 25
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