早稲田大学大学院 基幹理工学研究科
博士論文審査報告書
論 文 題 目
Massive Channel Access in Ultra Reliability and Low Latency Communication
大規模チャネルアクセスを用いた 超高信頼性および超低遅延通信
申 請 者
Md. Abir HOSSAIN
ホセイン エムディー アビル
情報理工・情報通信専攻 ワイヤレスアクセス研究
2020 年 7 月
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現 在 5 G 通 信 の 導 入 が 開 始 さ れ 新 た な 無 線 通 信 時 代 の 幕 開 け と な っ て い る が 、 ス マ ー ト ホ ン に 代 表 さ れ る 携 帯 電 話 だ け で な く D 2 D ( D e v i c e t o D e v i c e ) や M T C ( M a c h i n e Ty p e C o m m u n i c a t i o n )と 呼 ば れ る 機 器 間 の 通 信 も 今 後 益 々 発 展 す る こ と が 期 待 さ れ て い る 。 ロ ボ ッ ト 関 連 は 今 後 日 本 が 世 界 の 中 で プ レ ゼ ン ス を 高 め る こ と が 可 能 な 分 野 で あ り 、 ロ ボ ッ ト を 取 り 巻 く 通 信 技 術 も 大 変 重 要 で あ る 。 ロ ボ ッ ト 内 に は 一 般 的 に 多 く の 配 線 が 存 在 し 、 動 作 の 制 約 、 柔 軟 な 構 成 の 妨 げ に な っ て い る 。 本 研 究 で は こ の よ う な ロ ボ ッ ト の 制 約 を 取 り 除 く た め に 、 ロ ボ ッ ト 筐 体 内 の 配 線 の 無 線 化 を 行 う こ と を 提 案 し て い る 。 無 線 化 を 行 う メ リ ッ ト と し て 軽 量 化 、 構 成 の 柔 軟 化 な ど 多 く の 利 点 が あ り 、 ロ ボ ッ ト 関 連 の 設 計 が 進 化 し 新 た な 機 能 を 持 っ た ロ ボ ッ ト の 出 現 が 可 能 と な る 。 一 方 で 問 題 点 と し て 従 来 有 線 通 信 で 行 っ て い た も の を 無 線 化 す る た め 、 遅 延 や 信 頼 性 な ど が 高 い 有 線 通 信 並 な 品 質 を 無 線 通 信 で 構 築 す る 必 要 が あ る 。 U R L L C ( U l t r a - R e l i a b l e a n d L o w L a t e n c y C o m m u n i c a t i o n s )は 超 高 信 頼 低 遅 延 通 信 の コ ン セ プ ト に 基 づ く キ ー ワ ー ド で あ る が 、 ５G の 一 部 も こ の コ ン セ プ ト を 目 標 と し て い る 。本 研 究 で は ロ ボ ッ ト 内 無 線 通 信 に お い て こ の U R L L C の 実 現 を 目 標 に 各 種 の 無 線 通 信 方 式 を 提 案 し 、 筐 体 内 の 電 波 伝 搬 を 含 め た 実 践 的 な 環 境 で 評 価 を 行 っ た 結 果 を ま と め て い る 。 以 下 、 各 章 の 概 要 を 述 べ 評 価 を 加 え る 。 尚 、 本 論 文 は 英 語 で 執 筆 さ れ て い る 。
第 １ 章 I n t r o d u c t i o n で は 研 究 背 景 と し て 無 線 通 信 技 術 を 取 り 巻 く 環 境 と し て ５G や 関 連 す る 技 術 を 網 羅 的 に 述 べ 本 研 究 の 位 置 づ け を 定 義 し て い る 。 第 ２ 章 F u n d a m e n t a l s o f R a n d o m A c ce s s a n d U R L L C で は 本 研 究 で 提 案 す る 通 信 方 式 に 関 連 す る P u r e A L O H A方 式, ス ロ ッ ト 付 き A L O H A方 式 、C S M A 方 式 の 概 要 を 紹 介 し 、 各 方 式 の 特 徴 、 適 合 す る 使 用 環 境 に つ い て 考 察 し て い る 。ま た 、U R L L C に 関 す る 具 体 的 な 技 術 要 素 を 紹 介 し 、提 案 す る 方 式 の 目 標 値 を 明 確 に 示 し て い る 。
第 ３ 章 O F S M A M A C w i t h S i n g l e F r e q u e n c y B a n d で は 提 案 す る O F S M A
（O r t h o g o n a l F r e q u e n c y S u b c a r r i e r- b a s e d M u l t i p l e A c c e s s） 方 式 の 詳 細 を 記 述 し そ の 評 価 を 示 し て い る 。 地 上 波 デ ジ タ ル 放 送 等 で は O F D M (O r t h o g o n a l F r e q u e n c y D i v i s i o n M u l t i p l e x i n g )方 式 が 採 用 さ れ て い る が 、 こ れ は 数 千 も の サ ブ キ ャ リ ア を 束 ね て デ ジ タ ル 放 送 を 行 う 高 速 通 信 で あ る 。 提 案 方 式 は 各 サ ブ キ ャ リ ア に 個 別 に ア ク セ ス を 行 う も の で 、 膨 大 な 数 の チ ャ ネ ル を 用 い る こ と か ら M a s s i v e C h a n n e l A c c e s s と 定 義 し 周 波 数 軸 で の ダ イ バ ー シ チ ア ク セ ス を 提 案 し て い る 。 こ れ は 遅 延 時 間 を 極 力 抑 え る た め に 手 順 を 一 切 省 い た 即 時 送 信 、 す な わ ち ラ ン ダ ム ア ク セ ス を 基 本 と す る が 、 デ ー タ 間 で の 衝 突 の 可 能 性 が あ る た め 、 膨 大 な 数 で の チ ャ ネ ル を 用 い る こ と で 、 同 時 刻 、 同 チ ャ ネ ル で の 衝 突 を 極 力 抑 え 、 低 遅 延 、 高 信 頼 を 実 現 す る も の で あ る 。 研 究 で は シ ミ ュ レ ー シ ョ ン に 基 づ く 解 析 に よ り 性 能 評 価 を 行 っ て い る 。
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本 章 で 提 案 す る 方 式 は 従 来 に は な い 多 数 の チ ャ ネ ル に よ る ダ イ バ ー シ チ を 行 う も の で 結 果 的 に 1 m s e c 以 内 と い う 遅 延 特 性 を 達 成 し 、信 頼 性 も 9 9 . 9 9 9 % を 実 現 し て い る こ と は 高 く 評 価 で き る 。
第 4 章 O F S M A M AC w i t h M u l t i p l e Fr e q u e n c y B a n d で は 前 章 で 提 案 し た 方 式 を さ ら に 拡 張 し 、 複 数 周 波 数 帯 で 展 開 さ せ た 場 合 に 関 し て 考 察 を 行 っ て い る 。 具 体 的 に は 2 . 4 G H z , 2 8 G H z , 5 5G H z な ど の 異 な る 周 波 数 帯 域 を 含 め た ダ イ バ ー シ チ を 行 い 更 な る 信 頼 化 の 向 上 を 図 っ て い る 。 そ の 際 に 送 信 デ ー タ の ダ イ バ ー シ チ 数 に 基 づ い た 所 要 最 低 チ ャ ネ ル 数 を 導 出 し 、9 9 . 9 9 9 %の 信 頼 性 を 最 低 限 の 所 要 周 波 数 で 得 ら れ る よ う 工 夫 し て い る 。
本 章 で は 複 数 周 波 数 帯 域 に 同 時 に ア ク セ ス を 行 う 状 況 を モ デ ル 化 し 周 波 数 帯 域 ダ イ バ ー シ チ と し て 活 用 し て お り 、 特 定 の 周 波 数 に 発 生 す る ノ イ ズ 等 か ら の 影 響 を 低 減 化 可 能 な 優 れ た 方 式 の 提 案 と い え る 。
第 ５ 章 H y b r i d M A C a n d S i g n a l P r o p a g a t i o n で は ロ ボ ッ ト 筐 体 内 に お け る 電 波 伝 搬 の 様 子 を 周 波 数 、 筐 体 の 大 き さ に 基 づ い て 導 出 し 、 実 際 の 使 用 場 面 に お け る 通 信 状 況 に 影 響 さ れ た 特 性 を 導 出 し て い る 。 筐 体 内 の 電 波 伝 搬 は 短 距 離 で は あ る が 筒 形 状 に 見 立 て た 場 合 そ の 直 径 等 に よ っ て は 電 波 伝 搬 が 困 難 な 場 合 が 生 じ る 。 研 究 で は そ の 伝 搬 状 況 を 詳 し く 解 析 し 、 ロ ボ ッ ト 適 用 の 場 合 の 具 体 的 な 通 信 特 性 を 示 し て い る 。
本 章 で は ロ ボ ッ ト の 具 体 的 な 形 状 を 想 定 し 、 そ の 中 で の 電 波 伝 搬 を シ ミ ュ レ ー シ ョ ン に よ り 正 確 に 再 現 し て い る 。形 状 に よ っ て は 周 波 数 の 制 限 を 受 け 、 特 に ミ リ 波 の 高 い 周 波 数 が 大 き く 影 響 を 受 け 伝 搬 が 困 難 に な る こ と を 明 ら か に し た 意 義 は 大 き く 、 今 後 の 同 分 野 の 指 標 を 与 え た 価 値 は 高 い 。
第 ６ 章 C o n c l u s i o n a n d F u t u r e Wo r k s で は ま と め と 今 後 の 課 題 を 簡 潔 に 述 べ て い る 。
以 上 要 す る に ， 本 論 文 は ロ ボ ッ ト 等 の 内 部 の 配 線 を 無 線 化 す る こ と で 従 来 で は 不 可 能 で あ っ た 柔 軟 な 構 成 や 動 き の 制 限 を 軽 減 す る ロ ボ ッ ト の 実 現 化 の 道 筋 を 与 え る 超 高 信 頼 、 低 遅 延 の 無 線 通 信 方 式 を 提 案 す る も の で あ り 、 そ の 波 及 効 果 は 大 き い 優 れ た 取 り 組 み と い え る 。 提 案 し た 方 式 は 多 数 の チ ャ ネ ル を 用 い る 方 式 で あ る が O F D M 技 術 を 利 活 用 す る こ と で 最 小 限 の ハ ー ド ウ エ ア コ ス ト で 実 現 可 能 な 方 式 で あ り 、 極 め て 実 用 的 と い え る 。 更 に 、 筐 体 内 の 電 波 伝 搬 も 詳 し く モ デ ル 化 し 調 査 す る こ と で 実 用 化 に 極 め て 近 い 有 用 な 成 果 が 得 ら れ て い る 。 ま た 、 本 研 究 は 多 く の ロ ボ ッ ト 研 究 者 か ら は ロ ボ ッ ト の 設 計 方 法 が 変 わ る 極 め て 重 要 な 研 究 で あ り 、 今 後 の ロ ボ ッ ト 研 究 に 大 き な 貢 献 を 与 え る と 評 価 を 頂 く な ど 内 外 か ら も 期 待 さ れ る 優 れ た 研 究 と 言 え る 。
こ の よ う に 本 論 文 の 成 果 は 情 報 通 信 技 術 の み な ら ず ロ ボ ッ ト 技 術 の 発 展 に 寄 与 す る と こ ろ が 極 め て 大 き い 。 よ っ て ， 本 論 文 は 博 士 （ 工 学 ） の 学 位 を 授 与 す る に 値 す る も の と 認 め る 。
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早 稲 田 大 学 教 授 博 士(工 学) (東 北 大 学) 嶋 本 薫 ＿ ＿ ＿ ＿ ＿
（ 専 門 分 野 ： 無 線 通 信 工 学 ）
早 稲 田 大 学 教 授 博 士(工 学) (早 稲 田 大 学) 笠 井 裕 之 ＿ ＿ ＿ ＿ ＿
（ 専 門 分 野 ： 情 報 通 信 工 学 ）
早 稲 田 大 学 準 教 授 博 士(国 際 情 報 通 信 学) (早 稲 田 大 学)劉 江 ＿ ＿ ＿ ＿ ＿
（ 専 門 分 野 ： 無 線 通 信 工 学 ）
早 稲 田 大 学 特 任 研 究 教 授 博 士(工 学) (新 潟 大 学) 佐 藤 拓 朗 ＿ ＿ ＿ ＿ ＿
（ 専 門 分 野 ： 無 線 通 信 工 学 ）
