はじめに

こんにちは、NTTドコモ 6Gネットワークイノベーション部無線アクセス技術担当の立石です。
私たちの担当は、第6世代移動通信システム（6G）の実現に向けた研究開発に従事しています。

具体的には、
・実証実験、シミュレーションによる6G無線アクセス技術の確立
・関係各社との連携による6G実用化検討の加速
がメインミッションです。

今回の投稿では、6Gのシステム性能を評価するために開発した「6Gシステムレベルシミュレータ（以下、6Gシミュレータ）」について紹介いたします。
導入部分は以前の記事[1] と多少重複する部分がありますが、ご容赦ください。
ちょっとした算数も交えて、無線通信にあまり関わりのない方が見てもなんとなく「そんな感じか～」と思えるような投稿にしていきたいと思います。

6Gとは？シミュレータ開発の目的は？

6Gでは、第5世代移動通信システム（5G）の超高速・大容量、高信頼・低遅延、多数端末同時接続に収まらない新しい組み合わせの要求条件や、5Gでも達成困難な究極の超高性能を必要とするユースケースが想定されています。（参考[2]）

具体的には、6Gのピークデータレートとして100 Gbpsを超える超高速・大容量通信により、現実の五感による体感品質と同等、もしくはそれを超えるような新体感サービスが実現されると考えられます。加えて、6G時代では、6GとAI技術を組み合わせることで、実世界をサイバー空間上に再現し、そこから未来予測や新たな知を獲得するサイバー・フィジカル融合（CPS：Cyber-Physical System）が実現・高度化し、これにより、さまざまな産業分野において新たなサービスやソリューションの創出に繋がると期待されています。

6Gでは、100 Gbpsを超える超高速通信を実現するため、5Gと比較して飛躍的に広い信号帯域幅を利用可能な、100～300 GHz帯までのいわゆるサブテラヘルツ帯の活用が検討されています。しかしサブテラヘルツ帯には、5Gで活用されている28 GHz帯ほどのミリ波よりも電波の直進性が高まり、伝搬損失（空気中や、壁面反射などでの電力の減衰）が大きくなるという技術課題があります。さらに、サブテラヘルツ帯といった高周波数帯をシステムで活用する場合には、個別技術の検証だけでなく、複数の携帯電話基地局やユーザを配置した際のシステム性能の評価を早期に実施し、システムとしての性能向上効果を明らかにするとともに、課題の洗い出しを行う必要があります。しかしながら一般的に装置開発には相応の時間と費用を要すること、構成やパラメータなどの変更の自由度を確保する必要があります。私たちは、サブテラヘルツ帯の活用による超高速通信の実現性や、先進要素技術の導入による効果を、システムとして明らかにすることを目的に、6Gシミュレータを開発しその性能検証を進めてきました。

シミュレーションの評価方法

シミュレータ内の計算をイメージしやすくするため、はじめに評価方法について述べます。以前の記事[1]でも書かれていますが、通信速度を評価する際には、以下の「シャノンの通信容量定理」を用います（以降の議論を簡単にするため、式を少しいじっています）。他にも様々な評価指標はありますが、本定理は、ユーザが理論的に達成しうる最大の通信容量（以下、スループット）を表します。したがって、研究では、とある技術のポテンシャルを簡易的に評価する際によく使われます。

式(1)中のS/Nは、一般的に「通信品質」と捉えられます。 例えば、お客様が携帯電話基地局アンテナに近く位置すれば、受信信号レベルSが高くなるので、通信品質は良くなる傾向になります。一方で、とあるセル（携帯電話基地局が形成する通信エリアの単位）の端に位置するお客様はSが低くなり、さらに隣接セルからの干渉信号（簡単のため、ここでは雑音信号と呼びます）のレベルNが高くなるので、通信品質は悪くなる傾向になります。なお、M（ストリーム数）については、後述します。ここでは、色々と条件を整えないとM は2以上にならないので、しばらくはM = 1と考えてください。

ここで、帯域幅Bは、通信容量Cと比例の関係にあります。したがって、Bが増大する（広帯域化する）と、Cがその分増大することが明らかです。

そのため、各通信事業者は、分かりやすく通信速度の増大に寄与する「周波数帯域」を欲するんですね。

簡易モデルを用いた通信品質・スループットの計算

それでは、以下の都市モデルを用いて、簡単な電波伝搬（電波の伝わり方）の計算をしてみましょう。

とあるユーザが持っている端末から所望局および干渉局との距離を、それぞれd_Sおよびd_Nとします。
三平方の定理を用いると、以下のように表せます。

$(d_{S})^2 = (30)^2 + (20-1.6)^2 = 1238.56$

$d_{S}$ = $35.2$ [m] = $0.035$ [km]

$(d_{N})^2 = (100)^2 + (50-1.6)^2 = 12342.56$

$d_{N}$ = $111.1$ [m] = $0.111$ [km]

次に、基地局アンテナから発射された信号および雑音のレベルがどのように減衰するかを計算し、通信品質S/Nを見てみましょう。

簡単のため、電波が自由空間、すなわち建物・空気・水分・ゴミ等の物質のない理想の空間を伝わると仮定します。ここでは詳細は省略しますが（参考[3])を見ていただければと思います）、電力は距離の2乗に比例して減衰すると仮定します。所望局・干渉局における送信電力および送信アンテナ利得を、ともにPおよびGとします。端末における受信アンテナ利得をG_Rとします。全てのアンテナが同じ周波数帯を用いるとして、その波長をλとします。
このとき、以下が成り立ちます。

$S = (P・G・G_{R})/{(λ/4πd_{S})^2}$

$N = (P・G・G_{R})/{(λ/4πd_{N})^2}$

したがって、通信品質 S/Nは、以下のように表せます。

$S/N = (d_{N} / d_{S})^2 = 9.9$

得られたS/Nを用いて、式(1)に代入し、スループットCを以下のように求めます。
なお、今回、サブテラヘルツ帯として100 GHz帯の8 GHz（8000 MHz）幅の帯域を1ユーザに割り当てるとします。（5Gのミリ波帯は28 GHz帯の400 MHz幅なので、20倍の帯域幅を想定しています）

$C = (8 × 10^9) × \log_2 (1+9.9)$ = $27570049839$ [bps] = $27.5$ [Gbps]

ざっくり、このユーザは1秒間に27.5ギガビット程度のスループットを達成できるポテンシャルがあることが分かります。
実際には干渉局は一つではないですし、扱う数式ももっと複雑なのですが、「シャノンの通信容量定理」をこんな感じで使うんだということがイメージできたと思います。

しかしながら、6Gでの超高速・大容量通信における要求条件の一つは100Gbps超、すなわち1秒間に100ギガビットを伝送できること…なので、スループットはまだ足りません。
さらなる高速化を目指すための技術として、次節では、"MIMO" というアンテナ技術を紹介します。

複数アンテナ送受信技術：MIMO

これまでの議論では、1送信アンテナで電波を送信し、1受信アンテナで受信していました。
ここで、複数アンテナで同時刻・同周波数で送受信をすることで、複数のデータを並列で伝送・処理する技術があります。これをMIMO（Multiple Input Multiple Output）と言います。（呼び方は"マイモ" です）

ここでは簡単に、送信アンテナが2本、受信アンテナが2本の場合を例にして、基地局から端末への2アンテナ同時並列送信（これを2ストリーム伝送と言います）に着目してMIMOを図解します。
図4の通り、送信信号x₁, x₂が各送信アンテナから発射され、空気中を伝達し（伝達関数をhとし、これを一般的にチャネル状態情報と言います）、各受信アンテナにて受信信号y₁, y₂が受信されます。

これを数式にすると、以下のように表現することができます。（nは各受信アンテナにおける熱雑音項です）

$y_{1} = h_{11} x_{1} + h_{12} x_{2} + n_{1}$

$y_{2} = h_{21} x_{1} + h_{22} x_{2} + n_{2}$

例えば、受信アンテナ1ではx₁の信号だけを受信したいのに、x₂の信号も混じってしまうことが分かります。
これでは受信アンテナ1において綺麗な信号検出が困難です（分かりやすく言うと、混信してしまいます）。
上式を行列にすると、以下のように表現することができます。

$\begin{bmatrix} y_{1} \\ y_{2} \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} h_{11}& h_{12} \\ h_{21} & h_{22} \end{bmatrix} \begin{bmatrix} x_{1} \\ x_{2} \end{bmatrix} + \begin{bmatrix} n_{1} \\ n_{2} \end{bmatrix}$

再掲ですが、受信側では、送信側から送られてきた信号（データ）を誤りなく復元したいです。
すなわち、x₁, x₂を復元することに着目して、上式を変形すると、以下のように表現することができます（簡単のため、熱雑音項は省略します）。

$\begin{bmatrix} x_{1} \\ x_{2} \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} h_{11} & h_{12} \\ h_{21} & h_{22} \end{bmatrix}^{-1} \begin{bmatrix} y_{1} \\ y_{2} \end{bmatrix}$

上式より、受信側にてチャネル状態情報 h を正確に推定することができれば、数式（信号）処理によって送信信号x₁, x₂を誤りなく取り出すことができます。

以上がMIMOの概要です。

ここで、式(1)に戻ってみます。
受信側でチャネル状態情報を完璧に推測でき、受信アンテナ間で雑音を取り除けると仮定します。このとき、4ストリーム伝送をすると（M = 4）、27.5 [Gbps] x 4 = 110 [Gbps]となり、理論的には100 Gbps超通信は可能となります。

かなり簡単に（色々省略・置換して）記載しましたが、実際には、MIMOで多ストリーム伝送をするのは様々な技術課題があります。上述したチャネル状態情報 h を正確に取得することは困難ですし、誤差が生じます。言い換えると、各受信アンテナには干渉成分が残ります。
アンテナ数が増えれば増えるほど、演算量は増大していきますし、アンテナ構成・送受信方法・チャネル推定方法・信号処理・演算量削減・・・etcと、これだけでも膨大な研究領域が存在します。

世界中の研究者が、日々このような課題を解決すべく、研究に取り組んでいます。

分散MIMO

シミュレーション結果の紹介の前に少しだけ、MIMOの効果を高める技術として注目を集めている分散MIMOについてご紹介します。

前節で少し触れましたが、チャネル状態情報 h の行列の要素については、互いの相関が高いと、受信側での信号分離が困難になります。極端な話、あるユーザから数km先にある基地局アンテナを見ると、アンテナが何本あろうが同じ位置にあるように見えますよね。この場合、図4における h₁₁、h₁₂、h₂₁、 h₂₂はほぼ同値になります（そうなると、チャネル状態情報の行列 h が非正則になり、逆行列を作れなくなります）。
詳細は割愛しますが、下図のようなイメージです。

ここで、分散MIMOという技術を適用します。
分散MIMOを適用するとき、基地局アンテナに相当する複数の送受信ポイント（TRP: Transmission and Reception Point）と、それらを集約する集約局から基地局が構成され、複数のTRPにおいて協調送受信することでスループットを改善できます。下図のようなイメージです。

加えて、都市のように構造物等が立ち並ぶ環境では、電波が構造物により遮蔽（ブロック）されやすくなるため、このようにTRPを分散配置することで遮蔽のリスクを減らすことができます。
分散MIMOの適用は、MIMOの効果向上およびエリア設計の観点で、スループットの改善に貢献します。

評価シナリオとシミュレーション諸元

本シミュレータでは屋外の都市環境を模擬しており、この環境に5Gおよび6Gを展開したシナリオにおいてシステムレベルのシミュレーション評価を実施できます。本シミュレータで実現した都市シナリオを図7に示します。本シミュレータではあらかじめ設定した位置に固定されたTRPを複数設置し，それらと端末との（協調）送受信時における各端末のDL（≒ダウンロード）およびUL（≒アップロード）のスループット特性を評価できます。この環境では、高層ビルに囲まれた開けた広場があり、広場には反射物は存在しませんが、樹木が立ち並んでいます。人やロボット、自動運転車は、静止あるいは移動しています。固定TRPとRIS（電波の反射強度や反射方向を動的に制御可能な反射板）はビルの壁面あるいは街灯に設置されており、ドローンTRPは、広場においてビルから離れたユーザに対してサービスを提供するため、道路脇の上空を定期的に往復させます。なお、ドローンTRPのバックホールは理想的に構築されているものとしました。

シミュレーション諸元を表1に示します。Sub6、ミリ波およびサブテラヘルツの各周波数帯（前2つは5Gで運用されている周波数帯のことです）の中心周波数は、それぞれ4.7 GHz、28 GHzおよび100 GHzとしており、帯域幅はそれぞれ100 MHz、400 MHzおよび8 GHzとしました。TRPのアンテナは9つの平面アレーアンテナから構成され、各アンテナでアナログ回路によって1ビームを形成するアナログビームフォーミングとしました（参考[4]）。固定TRPおよびドローンTRPの総送信電力はサブアレーの素子数によらず一定とし、30 dBmとしました。複信方式は時分割複信方式（TDD：Time Division Duplex）であり，全時間スロットにおけるDLとULの時間比率は7：3としました。評価環境に22の端末を配置し、端末を所持している人は18人、端末を搭載しているロボットと自動運転車はそれぞれ2台ずつと仮定しました。人およびロボットは時速3 km、自動運転車は時速60kmで常に移動します。MIMOにおける同時並列送信数（ストリーム）については、端末当たり1、2、3、4、8の候補から伝搬環境に応じて通信可能な最大数が選択され、特にサブテラヘルツ帯においては4ストリーム以上でおおむね100 Gbps以上のスループットが達成できる諸元としました。

シミュレーション結果

図8に、分散MIMO非適用時の各端末のスループットの割合を示します。図中左のグラフではDLとULのスループットの割合が示されています。0～1 Gbps、1～10 Gbps、10～50 Gbps、50～100 Gbps、100 Gbps以上の5種類の色で表現されており、横軸が時間（スロット番号）、縦軸がスループットの割合となっています。図中のTRPと端末間を結ぶ直線の色は、スループットの色を示しています。図中右のグラフでは、高層ビル前に位置する赤い輪で囲まれているユーザ端末（UE（User Equipment）＃22）のスループットが示されており、横軸が時間（スロット番号）、縦軸がスループットです。

図中左のグラフから、DLにおいて70％程度の端末が1 Gbps以上のスループットを達成できており、加えて、9％程度の端末が100 Gbps以上のスループットを達成できていることが確認できます。図中右のグラフからは、UE#22がDLにおいて100 Gbps以上，ULにおいて40 Gbps付近のスループットを安定的に得ていることが確認でき、環境が良いユーザではサブテラヘルツ帯の広帯域化の効果により100Gbpsを超えるスループットが達成可能であることを確認しました。

次に、図8と同じ固定TRP設置位置のまま、分散MIMOを適用した場合の結果を図9に示します。図中左のグラフからは、DLにおいて、90％程度の端末が1 Gbps以上のスループットを、18％程度の端末が100 Gbps以上のスループットを得ていることが分かります。また、ULにおいても10％を超える端末において50～100Gbpsのスループットを得ており、分散MIMOの適用効果が確認できます。加えて、図中右のグラフからは、UE＃22のスループットがDLにおいては100 Gbps以上、さらにピーク時には200 Gbps程度まで増加しており、ULにおいては80 Gbps付近に到達しており、分散MIMO非適用時（図8）と比較して大幅に高いスループットが実現できていることが確認できました。

以上から、都市シナリオのように反射波が比較的少なく見通しが多い環境においても、分散MIMOを適用することでDLとULの両方においてスループットを大幅に向上できることを明らかにしました。

おわりに

本投稿では、超高速・大容量化が求められる6Gの実現に向けて、そのシステム性能を評価するために開発した「6Gシミュレータ」について解説しました。
将来的には6Gのさまざまな技術をシステムとして性能評価・可視化できるように、さらにはその性能に応じて6G時代のユースケースを仮想的に体験できるように、継続して本シミュレータを拡張していきます。