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Keysight Technologies 柔軟なハードウェア／ソフトウェアテストベッドを
Keysight Technologies 柔軟なハードウェア／ソフトウェアテストベッド を使用した5G共存シナリオの調査 White Paper Greg Jue（5Gシステムエンジニア、 Keysight Technologies） 概要 今日の周波数割り当てを一目見ただけでも、5Gテクノロジーで使用される電波環境が、過密で複雑なものであることが わかります。この狭いスペースでも、データスループットの向上への要求は高まり続けています。このような理由から、 研究者たちは、利用可能なスペクトラムをさらに効率よく使用するための、次世代の革新的な信号フォーマットを探し 続けています。 この技術記事では、3つのケーススタディーから研究開発環境に適した柔軟なテストベッドについて解説します。5Gと 従来の無線信号、5Gと衛星信号、LTEとレーダー信号の共存にフォーカスし、何種類かのテストベッドを紹介します。 それぞれのテストベッドでは、キーサイトのハードウェア／ソフトウェア製品を使用して、さまざまな共存シナリオの シミュレーション、エミュレーション、測定、解析が行えます。 03 | Keysight | 柔軟なハードウェア／ソフトウェアテストベッドを使用した5G共存シナリオの調査 - Application Note はじめに 無線スペクトラムの混雑と高密度化が進むにつれて、意図しない干渉や予期しない干渉が生じる可 能性も高まっています。業界で予測されている性能レベルの目標を実現し、高品質のサービスに対 するユーザーの期待に応えるためには、将来の5G波形と、既存の4G/3Gネットワーク、パーソナル・ エリア・ネットワーク(PAN)信号、衛星通信、レーダーシステムなどが共存できることが必要です。 多くの国では、認可スペクトラムの共有が今後の政策の重要な要素となっています。このことは、 2016年7月のFCCの発表に現れています。電波の共有によって、事業者や機器メーカーにとっての 負担はますます大きくなります。既存の商用無線インフラ、民生用レーダー信号、および米国国防 省などの軍事機関と、5Gとの共存が可能であることを保証しなければならないからです。可能性 のある信号シナリオを評価することは、さまざまな種類の信号と干渉との影響を軽減するために不 可欠な手法を定義するために役立ちます。 この技術記事では、柔軟な研究開発用テストベッドを紹介し、複数のパートで構成される以下の 3つのケーススタディーでその機能を紹介します。 – 5Gと既存の無線信号の共存 – 5Gと衛星信号の共存 – LTEとレーダー信号の共存 テストベッドには、これらのシナリオのシミュレーション、エミュレーション、測定、解析に必要 な機能を備えた、キーサイトのハードウェア／ソフトウェア製品が組み込まれています。 04 | Keysight | 柔軟なハードウェア／ソフトウェアテストベッドを使用した5G共存シナリオの調査 - Application Note 共存の重要性 辞書によると、「共存」という言葉には2つの定義があります。1つは「同時に同じ場所に存在する こと」、もう1つは「（特に政策として）互いに平和的に生存すること」です。1 5G無線通信の未来 を考える際には、このどちらの定義も当てはまります。 今日の周波数割り当てをほんの一目見ただけでも、5Gテクノロジーが使用される周波数スペクト ラム割り当てが、過密で複雑なものであることがわかります。この狭いスペースでも、データスルー プットの向上への要求は高まり続けています。これに応えるために、研究者たちは、利用可能なス ペクトラムをさらに効率よく使用する新しい方法を探し続けています。 1つの例として、民生用LTEネットワークと軍事用レーダーシステムの間の効率的なスペクトラム 共有があります。これは、沿岸地域で軍事用船舶が港から出たときに起こることがあります。もう 1つの例として、現在提案されている、5 GHzの無認可の産業科学医療用(ISM)バンドでのLTEの使 用があります。具体的には、無認可バンドをセカンダリチャネルとして使用するものです。 もう1つの可能性として、コグニティブ無線技術があります。これは、ダイナミックな共有を通し てスペクトラム利用効率の向上を目指すものです。コグニティブ無線では、非集中化されたスペク トラム管理を用いて、ダイナミックなアクセステクノロジーを使用することにより、あまり利用さ れていないスペクトラムチャンク、すなわち「ホワイトスペース」を見つけて2次的に使用しながら、 1次ユーザーへの干渉を回避します。例として、地上波テレビ放送のスペクトラムのホワイトスペー スがあります（図1）。コグニティブアルゴリズムには、事後対応型の動作と、予測型の動作があり ます。これは、図の左側の2つの周波数バンドに分かれる信号軌跡に示されています。 規制当局によるスペクトラムの 開放 政策の分野では、イノベーションの促進 のために、700 MHzのローバンドスペ クトラムと28 GHzのハイバンドスペク トラムの一部を開放することが最近決定 されました。 2016年2月に、欧州連合(EU)は、ローバ ンド領域（694 MHz ∼ 790 MHz）のスペ クトラムをさらに追加で開放する新しい ルールを提案しました。これに加えて、 EUは中国、日本、韓国との間で協力の 合意を結んでいます。 [1], [2] 2016年7月に、米国連邦通信委員会(FCC) は、ハイバンドスペクトラムの11 GHz の帯域を、無線ブロードバンド用に割り 当てました。これには、3.85 GHzの認 可スペクトラムと、7 GHzの無認可スペ クトラムが含まれています。すなわち、 28 GHz（27.5 ∼ 28.35 GHz）、37 GHz （37 ∼ 38.6 GHz）、39 GHz （38.6 ∼ 40 GHz）のUpper Microwave Flexible Useサービスと、64 ∼ 71 GHzの新しい 無認可バンドです。 [3] また、2016年7月に、米国政府は、 時間 PAWR(Platforms for Advanced Wireless Research)という新しい計画を 発表しました。US Igniteが主導するこ の業界コンソーシアムは、4か所の都市 規模のテストプラットフォームの作成を 目標にしています。PAWRは、アメリカ 国立科学財団が推進する 周波数 図1. コグニティブ無線では、ダイナミックなホワイトスペースを利用してスペクトラム利用効率を向上しながら、1次ユーザーへ の干渉を避けることができます。 AWRI(Advanced Wireless Research Initiative)の一部です。キーサイトは委 員会のメンバーとしてPAWRに参加する とともに、実際のハードウェアやソフト ウェアと、専門家によるサポートを提供 しています。 [4], [5], [6], [7] 1. http://www.merriam-webster.com/dictionary/coexist 05 | Keysight | 柔軟なハードウェア／ソフトウェアテストベッドを使用した5G共存シナリオの調査 - Application Note 図2に示すシミュレートされたスペクトラムを見れば、このようなアプローチの将来における価値 が理解できるはずです。この6 GHz以下のシナリオでは、いくつかの5G候補波形（FBMC、UFMC、 GFDMなど）と、さまざまな3G/4G波形（GSM、EDGE、LTE、W-CDMAなど）が混在しています。 シミュレートされた5G候補波形は理想的であり、3G/4Gの波形に比べて、帯域外のスペクトラム エミッションが大幅に少なくなっています。当然、実際のハードウェアで処理された信号では、こ の動作はかなり異なるものになるはずです。 ノッチのあるFBMC 図2. 5Gでは、周波数スペクトラムの6 GHz以下の部分で共存が必須になります。 どのシナリオの場合でも、いくつかの重要な質問に答えることが必要になります。 – 波形はどのように相互作用するのか？ – どの程度の帯域外抑圧が必要か？ – どの程度のガードバンドが必要か？ 上記の質問に答える際には、シミュレーションソフトウェアと測定ハードウェアの柔軟性が重要な 役割を果たします。これらのツールの使用方法としては、必要な信号と干渉源を含むさまざまな干 渉シナリオを作成し、それらをレシーバーに供給して、システム性能への影響を調べる方法があり ます。 このようなシナリオをソフトウェアで作成することにより、柔軟性が得られ、既存のハードウェア では発生が難しい信号を作成することもできます。また、プロトタイプ5Gハードウェアがなくて も5G候補波形を作成でき、関連するハードウェアシステムが容易には利用できない信号（衛星や レーダーシステムなど）の作成も可能になります。 ここまで説明した概念が、この後で紹介する研究開発用テストベッドを実現するための基本的なア イデアとなります。 06 | Keysight | 柔軟なハードウェア／ソフトウェアテストベッドを使用した5G共存シナリオの調査 - Application Note 候補波形の概要 候補波形の作成と解析 5Gの開発では、さまざまな候補波形の利点と欠点が評価されています。ここでは、提案されてい るいくつかの候補について説明します。対象となるのは、直交周波数分割多重化方式(OFDM)、フィ ルター・バンク・マルチキャリア(FBMC)、ユニバーサル・フィルター・マルチキャリア(UFMC) です。 OFDMは現在4Gで使用されています。このことと、他のいくつかの理由のために、5Gではフィル ター OFDM(f-OFDM)の使用が検討されています。そのバリエーションである一般化周波数分割多 重化方式(GFDM)は、さまざまな点で似ていますが、搬送波が直交していません。 FBMCは、サブキャリアごとにフィルタリングを行います。これにより、帯域外スペクトラム特性 が改善されます。その柔軟な手法によるベースバンドフィルタリングには、多相回路または拡張逆 高速フーリエ変換(IFFT)が用いられています。 UFMCは、ユニバーサル・フィルター OFDM(UF-OFDM)とも呼ばれ、サブバンドごとにフィルタ リングを適用します（FMBCを使用したサブキャリアのグループは特殊なケースで、1つで1つのグ ループを構成します）。この方法の利点は、ベースバンドアルゴリズムの複雑さを減らせることです。 図3では、シミュレートされた波形のセットを使用して、OFDMとFBMC、UFMC(UF-OFDM)、 GFDMを比較しています。 – 左のトレース：2つのFBMCの例は、フィルターオーバーラップ係数が3 （緑）と4 （赤）に設定さ れています。 – 中央のトレース：UFMCの例には、サイドローブレベルが−40 dB （緑）と−120 dB （赤）の キ ー サ イ ト のSignal Optimizerソ フ ト ウェアを使えば、研究開発エンジニアは、 デザインをどこよりも早く市場に出す作 業に集中するための時間が得られます。 オールインワン機能で5G候補波形の信 号 作 成 と 信 号 解 析 を 実 行 で き ま す。 FBMC、f-OFDM、5G向け拡張LTEなど が対象になります。デジタル変調信号作 成 ／ 解 析 ソ フ ト ウ ェ ア のK3102Aは、 K3101Aベ ー ス ソ フ ト ウ ェ ア を 拡 張 し て、5Gの開発に必要な機能を付加した ものです。 信号作成 – ガイド付きのブロック図を使用し Dolph-Chebyshevフィルターが使用されています。 – 右のトレース：GFDMの2つの例には、ルートナイキスト(RRC)フィルターが使用されています。 1つ（緑）にはOFDMで使用されている巡回プリフィックスが使用されていて、もう1つ（赤）に て、波形を作成し、信号発生器ま たはAWGにダウンロード – 使い慣れたシンプルなSignal は使用されていません。 Studio N7608Bのユーザーメ ニューを使用して、信号構成を編集 – Signal Studio N7608B-EFPカスタ ムI/Qからセットアップファイルを インポート 信号解析 – デジタル変調またはカスタムI/Q信 号のEVMおよびその他の信号品質 指標の評価 – EVMやその他の指標を89600 VSA カスタムI/Q （オプションBHK）に似 たテーブルとトレースに表示 – 2つのコンパニオン製品により、 LTE FDD(K3103A)および OFDM(K3104A)に5G候補変調の信 号作成／解析機能を追加 www.keysight.co.jp/find/ signaloptimizer ( ) 07 | Keysight | 柔軟なハードウェア／ソフトウェアテストベッドを使用した5G共存シナリオの調査 - Application Note OFDM対UF-OFDM 周波数（MHz） OFDM対GFDM パワー (dBm) パワー (dBm) スペクトラム(dBm) OFDM対FBMC 周波数 （MHz） 周波数 図3. ここに示すOFDMとの比較では、5G候補波形の方が隣接ユーザーにとってよい結果を生じる可能性が高くなっています。 3つのトレースすべてで明らかなように、OFDMはサイドローブ（帯域外エミッション）が大きく、 隣接チャネルのユーザーに悪影響を及ぼす可能性があります。他の3つの方式は、これより帯域外 性能が高い可能性があり、周波数ガードバンドを小さくして、スペクトラム効率を高められる可能 性があります。これにより、隣接チャネルユーザーにとってのシステム性能を高め、スペクトラム を利用できるユーザーの数を増やすことができます 2。 共存の検証：5G/4G/3G/PANのケーススタディー 最初のケーススタディーでは、近い将来に実現する可能性が高いシナリオを取り上げます。すなわ ち、5Gと4G、3G、PAN信号の並行運用です。ここでは、5G信号はFBMCで、4G波形はLTEです。 図4は、これらの共存シナリオの作成に用いられた柔軟なテストベッドの写真です。左上の大きい 画面は89600 VSAソフトウェアです。これは、ディスプレイの下にあるN9030B PXA Xシリーズ・ シ グ ナ ル・ ア ナ ラ イ ザ 上 で 動 作 し て い ま す。 右 上 の 画 面 は、SystemVue Electronic System Level(ESL)ソフトウェアです。これは、物理(PHY)層のイノベーションを目指すシステム開発者や アルゴリズム開発者のためのエレクトロニック・デザイン・オートメーション(EDA)環境です。 SystemVueとその5Gベースバンドライブラリ(W1906EP)は、ディスプレイの下にあるAXIeシャー シ(M9505A)に組み込まれた内蔵コントローラ(M9537A)で動作しています。このシャーシには、 2チャ ネルのM8190A 12 GSa/s任意波形発生器(AWG)も収容されています。これは2Uモジュールで、 中央の2つのスロットを占有しています。 2. 5G候補波形の詳細については、キーサイトの技術記事『柔軟なテストベッドによる5G波形の作成／解析』 （カタログ番号5992-0519JAJP）を参照してください。 08 | Keysight | 柔軟なハードウェア／ソフトウェアテストベッドを使用した5G共存シナリオの調査 - Application Note 図4. この構成は、市販のハードウェア／ソフトウェアを組み合わせた共存の研究用の柔軟なテストベッドです。 シミュレートされる信号は5 GHzより下なので、この構成では、M8190Aの両方の出力チャネルを 使用して、さまざまな信号を出力できます。チャネル1は5G候補信号を供給し、チャネル2は既存 の3G、4G、PAN信号を含む波形を出力します。2つのチャネルは、PXAシグナル・アナライザの 入力に接続された外部スプリッターを使用して結合されます。PXAと89600 VSAソフトウェアを 使用して、複合信号が解析されます。 LTE信号とFBMC信号は、SystemVueのスケマティック型インタフェースを使用して作成されます （図5）。別々のLTEおよびFBMC信号源を使用して作成されたI/Q値波形が、I/Q変調器によって搬 送波信号に適用されます。これらはソフトウェアのシグナルコンバイナーに供給され、1つの複合 波形に結合されて、M8190A AWGにダウンロードされます。 シグナル コンバイナー 図5. このダイアグラムは、SystemVueの高速で効率的なスケマティック型ユーザーインタフェースを示しています。 09 | Keysight | 柔軟なハードウェア／ソフトウェアテストベッドを使用した5G共存シナリオの調査 - Application Note シグナルコンバイナーは、画期的なリサンプリング技術です。これを使用すれば、中心周波数、帯 域幅、サンプリングレートが異なる波形を結合することができます。各波形はリサンプリングされ、 AWGに一致するユーザー定義のサンプリングレートを持つ複合波形が作成されます。 パート1：FBMCとLTEの共存 最初のステップでは、SystemVueでモデリングされ、M8190Aで作成されたFBMCおよびLTEスペ クトラムをPXAを使用して測定しました。図6に示すように、帯域外ロールオフは、FBMC信号の 方がLTE(OFDM)信号よりもはるかに鋭くなっています。これは、FBMCで用いられているサブキャ リアごとのフィルタリングの効果です。 FBMCスペクトラム LTEスペクトラム 図6. FBMCは、帯域外ロールオフが鋭いので、今日のLTEシステムに導入するにはOFDMよりも有利です。 部分的に空白化されたFBMC信号が存在する場合のLTEとの共存を評価するために、SystemVueで シナリオを変更して、FBMC信号のアクティブなサブキャリアのうちの90本をノッチフィルター で除去しました。次に、LTEの中心周波数を設定して、ノッチの中央に配置しました（図7の左側）。 図7の右側の画面イメージには、PXAで動作している89600ソフトウェアで行われた測定が示され ています。このノッチ設定では、LTEのエラーベクトル振幅(EVM)は約0.6 %であり、FBMCの帯 域外成分によるLTE信号への影響が最小限であることがわかります。 10 | Keysight | 柔軟なハードウェア／ソフトウェアテストベッドを使用した5G共存シナリオの調査 - Application Note ノッチのあるFBMCスペクトラム LTEスペクトラム 図7. スペクトラム測定（上）を89600 VSAソフトウェアで解析することにより、エラーサマリー （下の画面、右上のトレース）などのさまざまな有用なトレースが得られます。LTE信号のEVMは 0.6 %であることがわかります。 11 | Keysight | 柔軟なハードウェア／ソフトウェアテストベッドを使用した5G共存シナリオの調査 - Application Note SystemVueを使用して、FBMC信号のノッチ幅を狭めながら、LTEのEVMを評価しました。図8は、 LTEのEVM（縦軸）と、非アクティブにしたサブキャリアの数で表したFBMCのノッチ幅（横軸）の関 係を示すプロットです。左から右に行くにつれて、ノッチの幅を表す搬送波の数が70より少なく なると、影響がはっきりしてきます。 FBMCノッチ幅（サブキャリア数） 図8. 左から右へ、すなわちFBMCのノッチの幅が小さくなるにつれて、干渉が大きくなり、EVMが悪化します。 もう1つ注意すべきことがあります。FBMC波形が圧縮状態のトランスミッター・パワー・アンプ(PA) を通過すると、FBMC信号のスペクトラムリグロースも、LTE信号に悪影響を与える可能性があり ます。 このタイプの共存シナリオは、スペクトラム効率を最大化するために、2つの波形の間にどの程度 のガードバンドが必要かを判断するために有用です。このケースでは、トランスミッターの品質指 標と干渉の影響の指標として、EVMを用いました。同様に、レシーバー性能の指標としては、ビッ ト・エラー・レート(BER)とスループットレートが使用できます。 12 | Keysight | 柔軟なハードウェア／ソフトウェアテストベッドを使用した5G共存シナリオの調査 - Application Note パート2：信号劣化の影響 信号劣化の影響をモデリングするために、PAを含むトランスミッターをSystemVueスケマティッ クに追加しました。FBMC信号源からの中間周波数(IF)が、バンドパスフィルターを通過して、ミ キサーとLOを使用して2 GHzにアップコンバートされます。次に、もう一度バンドパスフィルター に通されてから、圧縮ポイントが1 dBのPAに供給され、アンプのノンリニア特性がモデリングさ れます。 前と同様に、この信号とLTE波形がシグナルコンバイナーに送られ、リサンプリングされて1つの 複合波形に統合されます。このプロセスは、ハードウェアによる作成と解析を使用せずに、シミュ レーションの中だけで行われます。これは、SystemVue内で89600 VSAソフトウェアの測定機能 を使用することで実現されています。 このシミュレーションは、1 dB圧縮ポイントが30 dBmと27 dBmの2つのケース（RF信号劣化）で 実行されました。図9に、30 dBmのケースを示します。左側にシミュレートされたスペクトラム（青 がFBMC、赤がLTE）、右側に89600の解析が表示されています。シミュレートされたPAによるス ペクトラムリグロースがノッチを埋めているため、前のケースよりもノッチが浅くなっています。 89600のトレースでは、右下隅のパネルにEVMが2.1 %と表示されています。これはスペクトラム リグロースの影響によるものです。 図9. シミュレーションによると、1 dB圧縮ポイントが30 dBmの場合は性能は十分です。 13 | Keysight | 柔軟なハードウェア／ソフトウェアテストベッドを使用した5G共存シナリオの調査 - Application Note 図10は、1 dB圧縮ポイントが27 dBmに低下した場合の結果です。さらに多くのスペクトラムリ グロースがノッチに現れ、干渉の増加によってEVMの値は3.6 %まで上がっています。 図10. 1 dB圧縮ポイントを27 dBmに変更すると、信号の共存に影響が生じ、性能が明らかに低下しています。 これから重要なことがわかります。PAでRF信号劣化が起きると、FBMC波形とLTE波形の共存に 影響が生じるのです。一般的には、RFデザインの性能は、5G候補波形のベースバンド性能に重大 な影響をもたらします。 システムエンジニアにとって、このことは、ベースバンド波形の要件とRFデザインの要件の間の トレードオフを評価する際に重要な考慮事項となります。RF性能の影響でベースバンド波形の特 性が変化すると、5G候補波形に必要な帯域外性能を実現できない可能性があります。 14 | Keysight | 柔軟なハードウェア／ソフトウェアテストベッドを使用した5G共存シナリオの調査 - Application Note パート3：シミュレーションの拡張 この解説の最後では、このケースの最初に説明したプロセスに戻ります。M8190A AWGを使用し て、チャネル1で5G候補信号（中心周波数2 GHz、サンプリングレート1.2 GHz）を作成し、チャネ ル2で既存の3G、4G、PAN波形（中心周波数2.2 GHz、サンプリングレート1.2 GHz）を作成しまし た。図11の左側には、作成した5G波形をPXAシグナル・アナライザで測定した結果が、右側には、 既存の波形が表示されています（無線LANとZigbeeはシミュレーションには含まれていますが、こ こに示す300 MHzの測定スパン内には入っていません）。 ノッチのあるFBMC カスタム OFDM 図11. M8190A AWGのチャネル1と2を使用して、さまざまな5G候補波形（左）と既存の波形（右）を作成しました。 外部スプリッターで2つのチャネルを結合し、PXAで測定することにより、図12に示す密度の高い スペクトラムが得られます。 ノッチのあるFBMC カスタム OFDM 図12. 結合後のスペクトラムを見ると、新旧の信号方式の共存を実現することの難しさがわかり ます。 また、このシナリオ全体をSystemVueで1つの波形として作成し、M8190Aにダウンロードして、 1つの出力チャネルで再生することもできます。1つまたは複数の別の信号を作成し、ダウンロー ドして、もう1つのチャネルで出力することもできます。このプロセスは、テストベッドのハード ウェア部分に2チャネルのM8190Aをもう1台追加することでさらに拡張可能です。 15 | Keysight | 柔軟なハードウェア／ソフトウェアテストベッドを使用した5G共存シナリオの調査 - Application Note 共存の検証：5G(28 GHz)/衛星のケーススタディー 2件目のケーススタディーでは、28 GHz前後のセンチメートル波レンジに入ります。この領域は、 高いデータスループットと、衛星信号とのスペクトラムの共有が必要なアプリケーションに関連し ています。 図13は、6 GHz以下のケースで使用したシステムを拡張したテストベッド構成の写真です。ここ でも、鍵とな るソフ トウェア 要 素は89600 VSA （ 右上 ）とSystemVue （ 中 央上 ）で す。M8190A AWG（中央真ん中）も引き続き基本的な要素であり、その下に44 GHzのE8267D PSGベクトル信 号発生器があります。AWGは、PSGで作成された搬送波信号を変調するI/Q信号を作成するために 用いられます。シグナル・アナライザは50 GHzのN9040B UXA （右下）であり、1 GHzの解析帯域 幅を備えています。もう1つの解析ツールとして、33 GHzのDSOV334Aオシロスコープ（左下）が 用いられます。UXAとオシロスコープは、VSAソフトウェアと組み合わせて、波形の復調と解析 に使用されます。 図13. 33 GHzのオシロスコープ（左下）と44 GHzのベクトル信号発生器（中央下）を追加することにより、5Gに割り当てられてい る高周波バンドでの共存の評価が可能になります。 16 | Keysight | 柔軟なハードウェア／ソフトウェアテストベッドを使用した5G共存シナリオの調査 - Application Note パート1：28 GHzでの共存 テストシナリオを作成するために、SystemVueで広帯域衛星波形(APSK)と広帯域5G候補波形（カ スタムOFDM）を作成しました。前と同様に、これらの信号をリサンプリングしてから、複合波形 に合成し、AWGにダウンロードしました。M8190Aで作成したI/Q波形をPSGの広帯域I/Q変調入 力に供給して、搬送波信号に適用します。図14に結果のスペクトラムを示します。これには、カ スタムOFDM波形（左）と広帯域APSK衛星波形（右）が含まれています。VSAソフトウェアによる解 析（図には示されていません）で、比較的クリーンなコンスタレーションダイアグラムが見られるこ とから、平和的な共存が実現されていることがわかります。 図14. 詳細な解析により、このスペクトラムのヒューリスティックな評価を確認できます。信号 間のギャップが十分大きいので、干渉のない共存が可能です。 シミュレーションを変更して、衛星信号を5G候補に約100 MHz近づけると（図15）、平和は終わり を告げます。VSAソフトウェアでのカスタムOFDM信号の復調結果を見ると、コンスタレーション ダイアグラムに大きな分散が見られることから、衛星信号から重大な干渉が生じていることがわか ります（図16）。 図15. 信号間に重なりが見られることから、共存でなく競合が生じている可能性が考えられます。 17 | Keysight | 柔軟なハードウェア／ソフトウェアテストベッドを使用した5G共存シナリオの調査 - Application Note 図16. 89600 VSAソフトウェアによる測定結果を見ると、コンスタレーション（上）に分散が見 られることから、信号が互いに近すぎるために望ましくない影響が生じていることが確認でき ます。 VSAソフトウェアを使用して詳細に調べると、カスタムOFDMサブキャリアに対するこの干渉の影 響がわかります。図17で、白い線はサブキャリアごとの平均EVM値を表し、バンドの端（右端）に 行くほど上昇する傾向が明らかです。これは、衛星信号が5G波形に干渉していることを示してい ます。拡大表示では、青と緑の縦線が各サブキャリアのシンボルごとのEVMの分布を表し、線が 長いほど干渉が大きいことを示しています。 図17. サブキャリアごとのEVMの表示を拡大すると、バンドの端に近いほど干渉の影響が大き いことがわかります。 18 | Keysight | 柔軟なハードウェア／ソフトウェアテストベッドを使用した5G共存シナリオの調査 - Application Note パート2：39 GHzでの共有スペクトラム 39 GHz周波数バンドでも、共有スペクトラムを調べたいことがあります。PSGの最高周波数は 44 GHzなので、同じテストベッドを使用してこの領域を調べることができます。 ミリ波スペクトラムへの拡張 5Gの 研 究 開 発 で は、30 ∼ 300 GHzの ミリ波(mmW)周波数が重要な対象領域 この例では、SystemVueでマルチキャリア衛星信号を作成しました。各搬送波は、QPSK、8 PSK、 となります。このきわめて高い周波数帯 16QAMのどれかに構成されています。5G候補波形は前と同じです。図18に結果のスペクトラム を示します。衛星信号が左、5G候補が右に表示されています。パート1と同様の実験と解析をこの には、いくつもの魅力的な特性がありま す。例えば、マイクロ波に比べてアンテ 複合信号に対して行うことができます。 ナの寸法をはるかに小さくでき、ミリ波 アンテナはビーム幅が狭いため高い指向 性を持ちます。このような特性を利用し て、干渉を減らすことが可能になります。 波長が10 ∼ 1 mmになると、大気によ る吸収損失が無視できなくなります。こ れは特に、酸素、水、二酸化炭素の分子 の共鳴周波数で大きくなります。これは 一見重大な問題のようですが、一方で、 WiGig(802.11ad)などの規格では、これ を利用して信号の到達範囲を約12 mに 制限して、スペクトラムの再利用を可能 にしています。 キーサイトは、ミリ波周波数でのシミュ レーション、テスト、解析用の市販ツー 図18. SystemVueにより複雑な信号をシミュレートして、干渉のシナリオを評価することがで きます。 ルの分野で、革新的技術により業界を リ ー ド し て い ま す。 そ の1つ の 例 が、 N9041B UXA Xシリーズ シグナル・ア ナライザです。これは110 GHzまでの 周波数に対応した初めての機器であり、 最大解析帯域幅は5 GHz、表示平均雑音 レベル(DANL)は50 GHzより上でわずか −150 dBm/Hzです。 www.keysight.co.jp/find/millimeterwave ( ) 19 | Keysight | 柔軟なハードウェア／ソフトウェアテストベッドを使用した5G共存シナリオの調査 - Application Note 共存の検証：レーダー /LTEのケーススタディー 米国では、民生用無線業界が、LTEと国防総省のレーダーバンドが重なる領域で、特に沿岸地域で 海軍船舶がレーダーを使用していないときに、スペクトラムの共有を可能にするように求めていま す。現在の定義では、軍に優先権があり、民生用事業者は使用されていない場合のみこのバンドを 利用できます。 このシナリオは、共存に関する興味深いケーススタディーの1つであり、ここで提案するテストベッ ドの3つめのバリエーションを使用して、比較的容易に調査することができます（図19）。その主要 な要素は、PXAシグナル・アナライザ（右下）、M8190A AWG （左下）、およびAXIeシャーシ内の内 蔵コントローラで動作しているSystemVue （大きいモニター）とそのレーダー・ベースバンド・ラ イブラリ(W1905EP)です。 図19. この簡素化したテストベッドは、レーダー信号と民生用無線信号の間の相互作用の詳細な解析をサポートしています。 ここでのシナリオは、Sバンド・レーダー・システムとLTEトランスミッターのマルチエミッター 環境での共存です。信号はSystemVueで構築され、全部で8個のエミッターが含まれます。内訳は、 Sバンド2個、LTE 1個、EDGE 1個、GSM 1個、W-CDMA 2個、無線LAN 1個です。 20 | Keysight | 柔軟なハードウェア／ソフトウェアテストベッドを使用した5G共存シナリオの調査 - Application Note パート1：わずかな干渉、多少の劣化 共存を評価するために、LTE信号のスペクトラムとEVM性能をPXAで測定しました。図20に、す べてのエミッターを含む広帯域トレース（左）と、主要なレーダー信号とLTE信号のズーム測定（右） を示します。89600 VSAソフトウェアによる解析では、EVMは1.3 %であり、EVM対サブキャリ アのトレースから、レーダー信号からの干渉による性能低下があることがわかります。 Sバンドレーダー 図20. この例では、測定スパンを2 GHzから300 MHzに狭めることで、LTEとレーダーシステムの間の重なりを詳細に表示してい ます。 パート2：さらに強い干渉、さらに大きい劣化 シナリオを変更するために、レーダーエミッターの周波数をLTE波形に50 MHz近づけました （図21 の左側）。このケースでは、レーダーエミッターによるLTE信号性能への影響がはるかに大きくな りました。EVMは14.1 %まで増加し、コンスタレーションダイアグラムには大きな分散が見られ ます（図20の大きい画面）。 図21. 89600 VSAの表示（右）、分散トレース（左上）、EVM対サブキャリアのプロット（右上）より、レーダー信号がLTE信号に近づ くにつれて共存の問題が大きくなることがはっきりとわかります。 21 | Keysight | 柔軟なハードウェア／ソフトウェアテストベッドを使用した5G共存シナリオの調査 - Application Note ここまでは、トランスミッターの指標であるEVMを、共存の良否の基準として使用してきました。 視点を変えてみると、干渉源がある状態とない状態でのレシーバー感度の主要な指標として、BER とスループットがあります。前の例のバリエーションとして、シミュレートされたLTEダウンリン クのコード化BERに対するSバンドレーダー干渉源の影響を評価することができます。このケース では、レーダーにはリニア周波数変調(LFM)チャープ技術が使用されています。この手法では、 チャープの中心周波数が特定の範囲内で掃引されます。 図22に示すシミュレーション結果は、コード化BER （縦軸）とレーダーエミッターの中心周波数（横 軸）の関係を示しています。BERが0 %から24 %近くまで上昇することから、LFMチャープがLTE ダウンリンク周波数をまたいで掃引されることにより、重大な劣化が生じることがわかります。 コード化ビット・エラー・レート(BER) コード化BER対掃引レーダー干渉源中心周波数 掃引レーダー干渉源中心周波数 図22. BERを測定してレーダー干渉源の中心周波数に対してプロットすることで、共存の問題の可能性が明らかになります。 22 | Keysight | 柔軟なハードウェア／ソフトウェアテストベッドを使用した5G共存シナリオの調査 - Application Note まとめ 5Gの研究開発が成熟化するにつれて、共存の問題が重要な研究課題になってきます。共存が必要 なのは、新しい波形と従来の波形の場合も、民生用システムと軍事システムの場合もあります。こ こで紹介したテストベッドは、さまざまなシナリオの評価のための柔軟で拡張性の高いプラット フォームとなります。テストベッドを使用する手法は研究開発ラボではきわめて有効ですが、実際 のシステムを使用したフィールドでのテストの代わりにはなりません。 5Gの分野で最高の製品を最初に市場に出すには、新しい信号やシナリオやトポロジーを調査する ためのツールが必要です。キーサイトの5Gソリューションを使用すれば、詳細な解析が可能になり、 規格に伴ってテストもソリューションも進化させることができます。デザインとテストのいずれの 分野でも、キーサイトのソリューションを使用すれば、新旧のテクノロジーを使用したイノベーショ ンを実現して、アイデアを現実に変えることができます。競争はもう始まっています。キーサイト なら、進化、革新、現実化という流れの中で、お客様が常に先頭に立てるように支援できます。 www.keysight.co.jp/find/5G-insight 参考資料 1. 2. 3. ファクトシート：欧州委員会、 http://europa.eu/rapid/press-release_MEMO-16-206_en.htm ウェブページ：5Gに関する国際協力、 https://ec.europa.eu/digital-single-market/en/5G-international-cooperation プレスリリース：FCCが24 GHz以上のスペクトラムでのモバイルブロードバンドと次世代 無線技術を促進するための手段を実施、 4. 5. 6. https://apps.fcc.gov/edocs_public/attachmatch/DOC-340301A1.pdf ウェブページ：Platforms for Advanced Wireless Research(PAWR)、 https://www.us-ignite.org/wireless/ ウェブページ：NSFのAdvanced Wireless Research Initiative、 https://nsf.gov/cise/advancedwireless/ ファクトシート：大統領の積極的なブロードバンド政策を受けて、政府がAdvanced Wireless Research Initiativeを発表、 https://www.whitehouse.gov/the-press-office/2016/07/15/fact-sheetadministration-announces-advanced-wireless-research プレスリリース：キーサイト・テクノロジーが米国政府のPlatforms for Advanced Wireless Research(PAWR)への注力を表明、 http://about.keysight.com/en/newsroom/pr/2016/27jul-nr16093.shtml ( ) 7. 23 | Keysight | 柔軟なハードウェア／ソフトウェアテストベッドを使用した5G共存シナリオの調査 - Application Note 関連情報：アプリケーションノートと技術記事 – 技術記事： 『柔軟なテストベッドによる5G波形の作成／解析』、カタログ番号5992-0519JAJP – アプリケーションノート：『A Flexible Testbed to Evaluate Potential Coexistence Issues Between Radar and Wireless』、カタログ番号5991-3809EN – 技術記事：『A Communication System Architect's Guide to Physical Layer Modeling』、 カタログ番号5992-1191EN – 技術記事：『Solutions for Design and Evaluation of 5G Candidate Waveforms』、 カタログ番号5992-1162EN – 技術記事：『Cognitive Radio Algorithm Development and Testing』、 カタログ番号5990-4389EN 関連情報：製品 – Brochure：『5G波形生成／解析テストベッド・リファレンスソリューション』、 カタログ番号5992-1030JAJP – Brochure：『89600 VSAソフトウェア』、カタログ番号5990-6553JAJP – Brochure：『SystemVue ESLデザインソフトウェア』、カタログ番号5992-0106JAJP – Technical Overview『Keysight EEsof EDA SystemVue』、カタログ番号5990-4731JAJP – Brochure：『Keysight Xシリーズ シグナル・アナライザ』、カタログ番号5992-1316JAJP – Data Sheet：『UXA X-Series Signal Analyzer, Multi-touch, N9041B』、 カタログ番号5992-1822EN – Data Sheet：『PXA Xシリーズ シグナル・アナライザ、マルチタッチN9030B』、 カタログ番号5992-1317JAJP – Data Sheet：『M8190A任意波形発生器』、カタログ番号5990-7516JAJP – Brochure：『Keysightマイクロ波標準信号発生器』、カタログ番号5991-4876JAJP – Data Sheet：『E8267D PSGベクトル信号発生器』、カタログ番号5989-0697JA – Data Sheet：『Infiniium Z-Series Oscilloscopes』、カタログ番号5991-3868EN その他のリソース – ビデオ：YouTubeのKeysight 5Gプレイリスト – ウェブキャスト：柔軟なテストベッドによる5G波形の作成／解析 – ウェブキャスト：5G物理層モデリング：通信システム・アーキテクト・ガイド – ウェブキャスト：5Gと複数の物理層プロトコルの調査方法の理解 24 | Keysight | 柔軟なハードウェア／ソフトウェアテストベッドを使用した5G共存シナリオの調査 - Application Note 進化 キーサイト独自のハードウェア、ソフトウェア、スペシャリストが、お客様の次のブレークスルー を実現します。キーサイトが未来のテクノロジーを解明します。 ヒューレット・パッカードからアジレント、そしてキーサイトへ myKeysight www.keysight.co.jp/find/mykeysight ご使用製品の管理に必要な情報を即座に手に入れることができます。 www.keysight.com/go/quality DEKRA Certified ISO9001 Quality Management System Keysight Technologies, Inc. DEKRA Certified ISO 9001:2015 Quality Management System Keysight Services www.keysight.co.jp/find/service 私達は、計測器業界をリードする専門エンジニア、プロセス、ツールにて、設 計、試験、計測サービスにおける様々な提案をし、新しいテクノロジーの導入 やプロセス改善によるコスト削減をお手伝いします。 Keysight Assurance Plans www.keysight.com/find/AssurancePlans Up to ten years of protection and no budgetary surprises to ensure your instruments are operating to specification, so you can rely on accurate measurements. 契約販売店 www.keysight.co.jp/find/channelpartners キーサイト契約販売店からもご購入頂けます。 お気軽にお問い合わせください。 キーサイト・テクノロジー合同会社 本社〒192-8550 東京都八王子市高倉町9-1 受付時間 9：00-18：00（土・日・祭日を除く） TEL 0120-421-345 (042-656-7832) FAX 0120-421-678 (042-656-7840) Email [email protected] www.keysight.co.jp © Keysight Technologies, 2016 Published in Japan, November 10, 2016 5992-1917JAJP 0000-00DEP www.keysight.co.jp