電波環境を選ばない、シームレスな通信を可能にするSilvus MN-MIMOの技術力

現代の軍事作戦は、一刻を争う緊急事態への対応や、広範囲にわたる情報収集が求められます。従来の無線通信システムでは、都市部での電波干渉や山岳地帯での電波状況の悪化など、様々な環境下で通信が途絶え、ミッション遂行に支障をきたすことがありました。

Silvus Technologies社は、長年の研究開発と実証実験を重ね、このような課題を解決する革新的な無線通信システムを開発しました。MN-MIMO（モバイルネットワークMIMO）技術を採用することで、従来の単一アンテナ無線システムでは実現できなかった高速・広範囲・高信頼な通信を実現しています。

MN-MIMO技術とは、複数のアンテナを組み合わせることで、電波の干渉を抑制し、高速かつ安定した通信を実現する技術です。 これにより、都市部のような電波環境が複雑な場所でも、途切れることなくデータをやり取りすることができます。また、高いセキュリティ機能を搭載しており、機密性の高い情報を安全に伝送することが可能です。

Silvus Technologiesの通信技術は、その信頼性と性能が認められ、すでに米国軍で採用されています。例えば、アフガニスタンでの作戦において、遠隔地との安定した通信を確保し、兵士の安全を確保する上で重要な役割を果たしました。民間企業においても、災害時の通信復旧や、広範囲なエリアでの監視システムなど、様々な分野で活用されています。

Silvus, MN-MIMO技術の革新の歴史

SilvusのMIMO（MN-MIMO）は、今日の無線システムが抱える多くの課題を解決する最先端の波形技術です。

15年以上にわたり、米国政府からの研究開発資金6,000万ドルを投入し、MIMOとMANETの分野で研究開発を行ってきた結果、SilvusはMN-MIMOを開発しました。通信研究コミュニティの最新イノベーションを活用することで、SilvusのMN-MIMO技術は、世界で最も過酷な環境下においても、信頼性の高い大容量のメッシュ型ビデオおよびデータ通信を実現します。

直交周波数分割多重（COFDM）、多入力多出力（MIMO）、モバイルアドホックネットワーク（MANET）を効果的に融合して開発された、この画期的な波形技術により比類のない性能と柔軟性を備えたデジタル通信を実現します。

用語解説

• 波形: 電波の形状を指し、通信の質に大きく影響します。
• COFDM: 複数の周波数帯を同時に利用することで、ノイズに強く、高速なデータ伝送を可能にする技術です。
• MIMO（マイモ）: 複数のアンテナを用いて、同一周波数帯で複数のデータを同時に送受信する技術です。これにより、伝送速度の向上や、電波状況の悪い場所での通信品質の改善が期待できます。
• MANET（マネット）/mobile ad hoc network（モバイルアドホックネットワーク）: 基地局に頼らず、複数の端末が互いに通信することでネットワークを形成する技術です。災害時など、既存の通信インフラが利用できない状況下でも通信を可能にします。

MIMOテクノロジー入門：高速無線通信の基礎知識

MIMO（Multiple-Input Multiple-Output）は、複数のアンテナを用いて通信性能を向上させる技術です。送信側と受信側の両方に複数のアンテナを使用することで、単一アンテナ（SISO）を使用するシステムと比較して大幅な性能向上を実現します。

MIMOはMultiple-In Multiple-Outの略で、パケットが送信されるときに複数のアンテナで送信され、受信されるときに複数のアンテナで受信されることを指します。これは、リンクの両端に1つのアンテナを持つシングルインシングルアウトシステム（SISO）や、受信側でダイバーシティ結合を使用するが送信側では依然として1つのアンテナのみを使用するSIMOシステムとは対照的です。

なぜ複数アンテナが必要なのか？：MIMOの原理

送信機と受信機に複数のアンテナを設置することで、電波の伝搬経路の多様性が増し、新たな通信の自由度が生まれることを空間自由度といいます。この自由度は、複数のアンテナで受信した信号を組み合わせることで電波状況の悪化を防ぐダイバーシティや、複数のアンテナで同時に異なるデータを伝送する多重化といった技術に活用されます。これにより、通信の信頼性と速度を同時に向上させることができます。

簡単に言えば、ダイバーシティとは冗長性のことです。

ダイバーシティの簡単な例として、複数のアンテナで同じ信号を受信することを挙げることができます。それぞれのアンテナで受信した信号は、お互いに影響を受けにくいノイズを含むため、これらの信号を組み合わせることで、よりクリアな信号を得られます。これは、同じものを異なる角度から見ることで、より多くの情報を得られることに似ています。また、複数のアンテナから同時に異なる信号を送る空間時間符号化という技術も、ダイバーシティの一種です。

MIMOのもう一つの重要な技術が、空間多重です。空間多重を使うと、電波の帯域幅や送信電力を増やさなくても、より多くのデータを同時に送ることができます。これは、複数のアンテナから異なるデータを同時に送信し、受信側でそれらを分離することで実現されます。まるで、複数の道路を使って同時に異なる種類の車を走らせるようなイメージです。受信できるデータ量は、送信側と受信側のアンテナの数が少ない方に比例して増えます。

MIMO送信機/受信機ペアが散乱の多い環境で動作する場合、チャネル行列は反転可能になり、受信機はさまざまな送信アンテナ開口から送信されたすべての異なる信号をデコードできるようになり、多重化ゲインが得られます。MIMOシステムが提供できるダイバーシティの量と多重化ゲインの間にはトレードオフがあります。一般的なMIMO送信機/受信機ペアは、瞬時の無線チャネル条件に基づいて、ダイバーシティ・マルチプレクシングトレードオフ曲線上の動作点を自動的に見つけます。

用語解説

• 無線チャネル： 電波が送信元から受信元まで伝わる経路のことを指します。ただ単に「道」と表現するよりも、電波が様々な影響を受けて変化しながら伝わる、より複雑な「道」だと考えてください。
• 環境に存在する散乱体/反射体:①建物、壁、人など: 電波は、これらの障害物に当たると、反射したり、散乱したりします。②多経路伝搬: 電波は、直接の経路だけでなく、様々な経路を通って受信元に到達することがあります。
• ダイバーシティ・マルチプレクシングトレードオフ曲線：MIMOシステムにおいて、ダイバーシティと多重化の関係をグラフで表したものです。この曲線は、MIMOシステムの性能を最大限に引き出すために、どの程度ダイバーシティと多重化を両立させるべきかを示す重要な指標となります。

• ダイバーシティゲイン: 複数のアンテナで同じ信号を受信することで、ノイズの影響を低減し、受信品質を向上させます。
• マルチプレクシングゲイン: 複数のアンテナから異なるデータを同時に送信することで、データ転送レートを大幅に向上させます。
• ビームフォーミング: 特定の方向に向けて電波を集中させることで、伝送距離を延ばしたり、干渉を低減したりすることができます。

SilvusのMN-MIMO技術

SilvusのMN-MIMO技術は、MIMO技術をさらに進化させたものです。モバイルネットワークを活用し、複数の端末が互いに通信することで、広範囲かつ高速な通信を実現します。これにより、災害時や軍事作戦など、厳しい環境下でも安定した通信を確保することができます。

SilvusのMN-MIMO技術は、以下の特徴を持っています。

• 高速なデータ伝送: 大量のデータを高速に伝送できます。
• 広範囲な通信: 遠距離でも安定した通信が可能です。
• 高い信頼性: 厳しい環境下でも高い信頼性を確保します。
• 柔軟性: 様々な環境に適応できます。

SilvusのMN-MIMO技術は、次世代の無線通信システムとして、さまざまな分野で活用されることが期待されています。

固有ビームフォーミング

固有ビームフォーミングは、送信側と受信側の両方で、電波を集中させる技術です。従来のビームフォーミングは、アンテナの方向を物理的に変えることで電波を集中させていましたが、固有ビームフォーミングは、アンテナの配置や周りの環境に左右されずに、電波を集中させることができます。これは、複数のアンテナを組み合わせて、あたかも一つの大きなアンテナのように機能させることで実現されます。フェーズドアレイレーダーもこの技術の一種ですが、固有ビームフォーミングは、さらに複雑な環境でも安定して動作する点が特徴です。

フェーズドアレイは、非常に高価な軍事システムで使用されているため、一見高度な技術のように見えますが、実際には、現代のMIMOシステムで行うことができるビームフォーミングよりもシンプルな形式です。フェーズドアレイシステムは、アナログドメインでの信号の位相シフトと結合の限られた能力を使用してビームフォーミングを実行するため、チャネル帯域幅の増加に伴って性能の利点が低下し、一般的に純粋な視線内（Line of Sight）の状況でのみ動作し、散乱体やマルチパスがない場合に大幅な劣化を引き起こすといういくつかの重要な欠点があります。

MIMO固有ビームフォーミングは、すべてのアンテナからの信号をデジタル信号に変換し、高度なデジタル信号処理（DSP）を用いて、各サブキャリアごとに独立したビームフォーミングを行うことができます。これにより、従来のビームフォーミングでは実現が難しかった、複雑な無線環境下での高精度なビームフォーミングが可能になります。特に、可視線外の環境においては、複数の反射波に対応した複雑なビームパターンを形成することで、受信品質を大幅に向上させることができます。デジタル信号処理の柔軟性により、MIMOシステムは、通信状況に応じてリアルタイムにビームパターンを適応させることができます。これにより、建物の中など、電波が届きにくい場所でも、安定して通信できるようになります。

空間時間符号化

空間時間符号化は、複数のアンテナから、元のデータを数学的に処理した信号を同時に送信することで、受信側の性能を向上させる技術です。送信される信号は、それぞれが元のデータと密接な関係を持ちながらも、異なる特性を持つように設計されています。これにより、受信機は、複数のアンテナで受信した信号を組み合わせて、ノイズの影響を低減し、元のデータをより正確に復号することができます。空間時間符号化は、受信ビームフォーミングやダイバーシティ受信と組み合わせることで、さらに高い信頼性とスループットを実現することができます。

例えば、車両搭載無線が簡単に4つのアンテナを持つことができるのに対し、小型の携帯ユニットは2つまたは1つのアンテナに制限される可能性がある状況を考えてみましょう。携帯ユニットが単一のアンテナで送信している場合、車両ユニットは受信ダイバーシティまたはビームフォーミングを使用して受信を改善できます。空間時間符号化は、車両ユニットが4つのすべてのアンテナで送信し、携帯ユニットが単一の受信アンテナに制限されている場合に同様のゲインを達成する方法を提供するため、リンクを対称にし、双方向通信により有用にします。

空間多重

空間多重は、理解するのは難しい技術であり、信じがたい技術であることがよくあります。このMIMO技術は実際には、異なるアンテナから複数のユニークな情報「ストリーム」を、それぞれ同一の中心周波数で同時に送信します。送信されるストリームの数以上のアンテナを使用する受信機は、これらを個別にデコードすることができ、固定されたチャネル帯域幅を通過するデータ量を増やすことができます。4×4 MIMOシステムは、最適な条件下で4つのストリームを実現することができ、同じチャネル帯域幅でSISOシステムの4倍のデータを送信することができます。

4つのストリーム（A、B、C、D）を送信するトランスミッタがある場合、これらのストリームは空中でマージされ、wA+xB+yC+zDのガーブルされた組み合わせが4つの受信アンテナのそれぞれに到着します。ここで、w、x、y、zは、各アンテナで異なるマルチパスリッチチャネルによって引き起こされるチャネル歪を表します。MIMOデジタル信号処理により、受信機はこれらのすべてのw、x、y、zチャネル効果を特徴づけ、線形代数のクラスから多くの人が覚えているであろう4つの未知数を持つ4つの方程式を解くことによって元のA、B、C、Dストリームを復元することができます。

MIMO空間多重は、高次の星座点に進むほどリンクの堅牢性を低下させることなく、スペクトル効率（チャネルの1Hzあたりのビット/秒）を向上させることができます。たとえば、2つのストリームを利用して、16-QAMでかなり堅牢なFEC符号化レートで、約4ビット/秒/Hzを達成することができます。MIMOを使用しない場合、システムは同じチャネル内で同様のスループットを達成するために、64-QAMとより堅牢性の低いFEC符号化レートを使用する必要があり、その範囲が大幅に制限されたり、はるかに高い送信電力が必要になります。

これらの技術は、個別にまたは組み合わせて使用されるかにかかわらず、必要な送信電力の低下、より広い範囲、より高いノイズ耐性、またはより高いスループットという観点から測定できる利点を提供します。