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世界最高速度な无线通信エリア推定技术の开発に成功
～滨翱奥狈时代の高品质でナチュラルな无线通信サービス创出に寄与～

日本电信电话株式会社
学校法人东京电机大学

日本电信电话株式会社（本社：東京都千代田区、代表取締役社長：島田　明、以下「NTT」）と东京电机大学(本部：東京都足立区、学長：射場本　忠彦、以下、「電機大」)は、無線通信エリア推定に必須となる電波伝搬シミュレーションを世界最高速度で可能とする技術を開発しました。
6骋/滨翱奥狈时代における高品质な无线环境の実现に向けて、无线通信エリア推定技术の一层の高度化が求められています。通常、无线通信エリア推定は无线通信方式のパラメータおよび动作を考虑した电波伝搬シミュレーションにより実施されています。本技术により、従来技术の100万分の1以上に计算时间が削减できるため、环境変化に対する无线通信エリアの変化を瞬时に推定できることとなります。これにより、6骋/滨翱奥狈时代における无线の安定的な构筑?运用の実现、さらにはそれを前提とした新たなサービス创出への寄与が期待されます。

本技術の詳細は2022年12月4日からブラジル?リオデジャネイロで開催されるIEEE(米国電気電子学会)の無線分野の難関国際会議として知られるGLOBECOM2022（Global Communications Conference）に採録されており、2022年12月5日に発表を予定しています。

1.背景

无线システムの品质を确保するためには、电波の送信机から発信された无线信号が空间を伝わってある一定以上のレベルで电波の受信机で受信されることが必要です。电波の送信机と受信机が直接见通せるような状况では电波のレベルは高く受信可能ですが、电波の送信机と受信机が直接见通せないような状况では、反射や回折により电波の受信レベルは低下してしまいます。このような场所においても无线システムの品质を确保するためには、电波伝搬に基づいた无线通信エリアの设计や制御を行うことが重要となります。さらに、送信机から受信机までの空间に存在する复数の経路を経由して受信される电波を雑音レベルまで把握することにより、无线システムの性能を限界まで引き出すことが可能となります。
近年、无线システムに要求されるユースケースは、周囲の构造物の配置が时々刻々と変化するなかで无线システムを搭载したセンサーやロボットなどが动き回る产业用ユースケースなど、复雑な环境へ拡大しています。このような复雑な环境においても様々なデバイスが接続された无线システムそれぞれが安定した通信品质を维持するためには、状况の変化に即応できる高精度な电波伝搬シミュレーションが必要です。
电波伝搬シミュレーション手法として世界中で広く使われているレイトレース法（※1）は、电子的にモデル化された建物や什器などの构造物に対して电波の反射や回折现象を考虑して、场所固有の受信レベルの推定につながる伝搬损失を高精度に计算する手法です。レイトレース法のアルゴリズムは、送受信アンテナ间の反射点や回折点を含む电波が飞ぶ経路となる伝搬路探索が基本となります。そして、伝搬する距离による电波の减衰のほか、経路上で発生する反射や回折などによって発生する付加损失が考虑されます。无线信号が复数の伝搬路を通り受信机へと到来するマルチパス环境では、ひとつひとつの伝搬路に対してこれら伝搬路探索と反射や回折などの作用について计算を行う必要があります。

2.研究成果

マルチパス环境においては、反射や回折を経由せずに送信アンテナから受信アンテナまで直接届く电波のほか、周囲の建物などの构造物で复数回反射された电波など复数の伝搬経路を経由した电波が受信アンテナに到来し、それらが合成されたものが伝搬损失となります。レイトレース法ではこれら到来波の伝搬経路を构造物の面の组合せより求めます。一般的には、构造物の面数が?の场合、反射や回折が?回の伝搬経路の候补数は?(?-1)^N-1であり、?に対して指数関数的に候补数が増加します。そして、反射や回折のたびに付加损失が発生するために、?が大きくなるに従い、これら候补の中から伝搬损失に影响を与える伝搬経路は少なくなっていきます。したがって、レイトレース法では、与えられた条件下で伝搬损失の小さい主要な伝搬経路を高速に见つけ出すことは、计算量が膨大となることから、既存のコンピュータで计算することが现実的には不可能でした。
近年、最短経路探索問題のような組合せ最適化問題に対して超高速処理が可能なアニーリングマシン（※2）が既に実用化され、注目が集まっています。そこで、レイトレース法のような電波の経路探索を伴う伝搬損失計算を、一般的な出発点から?地点を経由して到着点に至る最短経路探索問題と組合せることで伝搬損失が最小となる経路を逐次探索する問題に帰着させました（図1）。そして、伝搬の基本現象である電波の散乱現象をアニーリングマシンで実行可能なQUBO（※3）(Quadratic Unconstrained Binary Optimization, 二次無制約二値最適化)形式で記述することに成功しました。一般的な最短経路探索問題では最短となる唯一の経路を探索することになりますが、伝搬損失最小経路の逐次探索問題では同一条件下で複数の伝搬経路を探索する必要があります。また、その経路探索規模は構造物の数と散乱回数の２つの要素で決定される点も異なります。そこで、伝搬損失の小さいものから順次伝搬経路を探索するための制約条件を定式化し、QUBO形式で記述する技術も確立しました。これらQUBOモデル（以下、「伝搬QUBOモデル」)の確立により、アニーリングマシン上で動作する電波伝搬シミュレーションが実施可能となりました。

3.本技术が提供する価値

今回の结果により、电波の散乱回数を従来よりも大きく设定できることから、これまでより低レベルの受信电力推定を実现することが可能となり、高精度な无线通信エリア推定が雑音レベルまで実现できることになります。これにより、基地局配置の一层の适正化とそれに付随する省电力化の実现が期待できます。また、すでに设置されている基地局の周囲に新たな构造物が建设された际や端末侧において车両などにより电波の遮蔽が発生した际には无线通信エリアが変化します。本技术による计算速度の超高速化により従来技术の100万分の1以上に计算时间が削减できるため、环境変化に対する无线通信エリアの変化を瞬时に推定できることが可能になり、产业用ユースケースなどの复雑な环境においてリアルタイムレベルかつ无线の品质推定の実现に繋がります。さらに、このような无线の品质推定に基づいた基地局や端末の制御により、高速?大容量?低遅延で繋がり続ける无线システムの安定性を飞跃的に向上させることが可能となるため、6骋/滨翱奥狈时代における无线を活用した新たなサービス创出への寄与が期待されます。

4.今后の展望

今后は6骋/滨翱奥狈时代における无线システムの新たなユースケースへの适用や新たなサービス创出に向けて、本技术のアルゴリズム改良や実际のアニーリングマシンによる本技术の动作検証を进めてまいります。

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※1　レイトレース法
送信点から受信点までの电波の伝搬経路を几何学的な光线として近似的にモデル化することにより、受信电力などの电波伝搬特性を求める手法
※2　アニーリングマシン
最适化问题の近似解を求めることに特化したコンピュータの一种であり、狈罢罢が开発を进める次世代光イジングマシン尝础厂翱尝痴はアニーリングマシンの一つ
※3　蚕鲍叠翱
2次式の値が最小になるように各変数に0と1のバイナリ変数割り当てを求める2次多项式问题
※4　シミュレーテッドアニーリング法
确率的探索を用いて最适化问题を解く汎用近似解法の一つ

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