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NEC、電波利用状況をリアルタイムに可視化する電波環境センシングシステムを開発

~従来比100倍の高感度で計測したい電波を抽出~

2016年10月3日
日本電気株式会社

NECは、IoT機器に対する無線周波数の動的割り当てや、イベント時や災害時の無線周波数の臨時割り当てなど、電波の有効活用を進めるために、実際の電波の利用状況を計測してリアルタイムに可視化する電波環境センシングシステムを開発しました。

今回開発したシステムは、「小型の電波センサ」と「電波状況を可視化するソフトウェア」で構成されます。本センサは、テレビ放送や携帯電話など主要な無線システムに適する30MHzから3GHzの幅広い周波数の中から、計測したい周波数の電波のみを抽出し、従来比約100倍(注1)高感度で計測できます。また、計測したい電波とは異なる方向から来る電波を排除するとともに、計測したい電波を強めることで、強い電波を放射している送信局の近くでも、微弱な電波を高精度に計測します。また、本ソフトウェアは、今回開発した電波センサ間の電波状況を推定して補間し、計測したいエリアの電波状況を網羅的に可視化します。
これらにより、各地点の電波の強さの分布や時間変化を、周波数毎に実測し、リアルタイムに可視化することで、周波数の空き状況など実際の電波利用を確認できます。
今後、スタジアムや駅・空港などの人口密集地での電波環境のモニタリング、無線設備の最適配置や運用計画の立案、周波数管理や不法電波の監視など、様々な領域での応用を目指し、2020年に向けて実用化を進めます。

NECは「社会ソリューション事業」に注力しており、今後もIoTなど社会インフラを支える電波資源を効率的に活用するための技術開発を強化していきます。

背景

昨今、無線通信の大容量化、大規模化、IoTなど適用領域が拡大しており、今後さらにIoT 機器が530億個程度(注2)まで増加するなど、電波の利用需要がさらに増加すると予想されています。

需要の増加により、割り当て可能な無線周波数帯域が不足すると、膨大な数のIoTセンサからの情報収集や、イベント時や災害時に必要な無線通信が滞る可能性があります。このような周波数枯渇時の無線通信の障害を回避し、安定的な無線通信を実現するには、様々な場所で時々刻々と変化する空き無線帯域を切り替えて利用することが不可欠です。そのためには、まず、電波が実際どのように使われているか実態を調査し、利用されていない周波数を発掘することが求められます。

今回、NECは、従来比100倍の高感度なスマートフォン大の小型電波センサで高精度に電波を計測し、30MHzから3GHzの幅広い周波数の電波利用の実態をリアルタイムに可視化する電波環境センシングシステムを開発しました。

図.周波数共用の全体図

本システムの特長

  1. 幅広い周波数の電波を小型センサで高感度に計測可能
    アンテナで受信した電波から、計測したい周波数の電波のみを抽出する「マイクロマシン(注3)応用可変フィルタ」を開発しました。
    従来、電波利用状況の測定には、計測したい無線周波数毎にフィルタを準備する必要がありました。しかし、本技術では、フィルタで検知する周波数を変更可能にすることで、ひとつのフィルタで5つ分のフィルタの機能を実現しました。さらに専用の受信IC(広帯域受信CMOS IC 注4)では、計測したい周波数を増幅し、不要な周波数を低減する機能を1チップに集積し、実装面積を1/10以下程度に縮小することで、電波センサを従来のデスクトップPC程度からスマートフォン並みのサイズに小型化できました。
    これらにより、電波センサの設置場所を専用の鉄塔に限定せず、街路灯やビル壁など様々な場所に設置できるようになりました。その結果、多数のセンサの設置が可能となり、きめ細やかな無線周波数の計測が可能になります。

  2. 調べたい方向の電波のみをセンサが選択して高精度に計測可能
    観測したい無線周波数帯の近くに複数の不要電波が存在した場合でも、ターゲットとなる無線周波数を精度よく測定するために、近傍の不要波の除去をおこなう「アナログ・ヌルステアリング技術(注5)」を開発しました。
    本技術により、計測したい電波とは異なる方向から来る不要電波を1/100に低減できます。これにより、強い電波を送る送信局のそばでも、微弱な電波の計測が可能となりました。

     
    図.マイクロマシン応用可変フィルタ(左)と広帯域受信CMOS IC(右)


  3. 計測したエリアの電波利用状況を網羅的に可視化
    対象とするエリア全体で周波数を活用するには、電波センサを設置した場所だけでなく、設置されていない場所の電波環境も計測する必要があります。
    今回、周波数や電波強度、計測時刻など多様な実測データを収集し、そのデータを用いてセンサが設置されていない場所の電波状況を自動的に推定して補間するソフトウェアを開発しました。これにより、例えば十分な数のセンサが設置しにくい高層ビルが密集する都市部でも電波状況を網羅的かつ高精度に推定し、リアルタイムに可視化することが可能になりました。


今後、計測できる周波数帯を拡張(30MHzから6GHzまで)し、周波数共用の実現を目指した研究開発を進めていきます。

このたび開発した電波環境センシング技術の一部は、2015度からNECが参画している、総務省の「第5世代移動通信システム実現に向けた研究開発~複数移動通信網の最適利用を実現する制御基盤技術に関する研究開発~」の一環として進めてきた研究成果です。

なお、本技術は、10月4日(火)から6日(木)まで、ロンドンで開催される国際学会「欧州マイクロ波学会(注6)」にて4日に、また、10月20日(木)から21日(金)まで、横須賀リサーチパークで開催される「電子情報通信学会 無線通信システム研究会」にて21日に発表します。

NECグループは、安全・安心・効率・公平という社会価値を創造する「社会ソリューション事業」をグローバルに推進しています。当社は、先進のICTや知見を融合し、人々がより明るく豊かに生きる、効率的で洗練された社会を実現していきます。

以上

  • (注1)2012年当社発表(注3)に対する相対値。
  • (注2)IoT機器が530億個程度:
    2020年までにインターネットにつながるIoTデバイスの数。総務省「平成27年版情報通信白書」より。
  • (注3)マイクロマシン
    Mmオーダーからμmオーダーの超小型の機械構造のこと。MEMS(Micro Electro Mechanical System)とも呼ばれる。
  • (注4) 2012年4月20日
    『NEC、利用されていない周波数を活用するコグニティブ無線の受信回路を開発
    ~ 一つのチップで小型・省電力化を実現 ~』
    http://www.nec.co.jp/press/ja/1204/2001.html
  • (注5)アナログ・ヌルステアリング:
    アナログ回路によって、アンテナの指向性のゼロ点を形成し、その方向を走査する技術
  • (注6) 欧州マイクロ波学会: European Microwave Conference 2016
    http://www.eumweek.com/conferences/eumc.html

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NEC 研究企画本部 研究プロモーショングループ
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