アンテナおよび伝送チャネルモデルのモデリング手法およびシステムシミュレーションケースの概要

　　通信やレーダーシステムにおいて、アンテナは電磁波の送受信の役割を果たします。 アンテナの品質はシステムの性能に大きく影響します。 従来の理論やシミュレーション技術では、通信やレーダーシステム全体としてアンテナを扱うことはほとんどありません。 アンテナ設計者はアンテナの方向性、効率、音量などの指標に注目し、アンテナと送信チャネルの調整、さらにアンテナ特性がシステムに与える影響についてはほとんど考慮しません。

　　本論文では、通信端末やレーダーシステムにおけるアンテナおよび伝送チャネルモデルのモデリングにおける業界手法、ならびにシステムシミュレーションの事例を研究することで、2つの異なるシステムにおけるアンテナモデルの違いとシミュレーションの焦点をまとめます。

　　1. 通信端末におけるアンテナモデル

　　モバイル通信チャネルは主に以下の特徴を持っています。変数が開かれているチャネルにより、さまざまな干渉に影響を受けやすい; 受信ポイントの地理的環境は非常に複雑かつ多様で、おおよそ都市部、郊外部、農村の3つのカテゴリーに分けられます。 ユーザーはランダムな移動性を持っています。

　　上記の移動通信チャネルの特性により、自由空間と比べて電磁波伝播は直波に加えて回折波や散乱波が多く、経路伝搬損失、遅いフェージングロス、速フェージングロスなど異なる種類の損失も伴います[1]。 異なる環境で最適な受信を実現するために、通信端末アンテナは可能な限り全方向性に設計されています。

　　1.1 単一アンテナ端子アンテナモデル

　　通信システム端末の場合、アンテナモデルは通常、座標と利得によって定義されます。 チャネルモデルはノイズ、フェージング、多重経路などのパラメータによって定義されます。 異なる種類の通信システムでは、アンテナモデルとチャネルモデルを組み合わせて包括的に検討することが多いです。

　　以下の図は、ADSソフトウェアで説明される最も一般的なアンテナおよびチャネル利用パターンを示しています。 チャネル(PropGSM)は基地局(AntBase)とモバイルアンテナ(AntMobile)の間に位置しています。 モバイルアンテナインジケーターは利得、位置と高さ、速度などのみを含みます。デフォルトのアンテナタイプは全方向性であり、システム性能の主な要因は利得、多経路効果、ドップラーシフトです。

　　図1:GSMシステムのアンテナおよびチャネルモデル

　　1.2 MIMOシステムにおけるアンテナモデル

　　モバイル通信では、マルチパスフェードやドップラー周波数シフトなどの要因が受信信号の品質低下を引き起こします。 モバイル信号品質を向上させるために、デュアルアンテナダイバーシティ受信技術は低コストかつ実装難易度の低い形で信号品質を大幅に向上させます。 ダイバーシティアンテナを使うとは、2つ以上の相関のない信号を受信するためであり、その後の処理やベクトル信号合成時に最も強い信号を見つけることです。 したがって、アンテナ間の相関が低いほど良いのです。 アンテナが動作する電磁環境は異なるため、アンテナの相関を評価する際には無線環境を考慮する必要があります。 送信機と障害物の全体的な影響は、異なる方向から最も強い信号を受信するアンテナの確率分布特性を特徴づける確率密度関数PDF(PDF)を用いて記述できます。

　　空間的多様性に加えて、偏光多様性も存在します。 宇宙電波の偏波を記述するために交差偏波識別(XPD)を用いる。 XPDが大きいほど、phi方向の偏光成分が大きくなり、逆にXPDが小さいほど、シータ方向の偏光成分も小さくなります。

　　複素コレラトンは、特定の電磁的および偏波条件下で2つのアンテナが受信する類似度平均を記述するために用いられます。

　　EMProなどの商用ソフトウェアを用いると、デュアルアンテナのダイバーシティ受信効果を考慮しつつ、特定のダイバーシティアンテナモデルごとにPDFやXPDを設定することも可能です[2]。

　　無線通信システムシミュレーションソフトウェアでは、送信アンテナと受信アンテナの3Dパターンマップとその相対位置をインポートし、典型的なチャネルモデル(WINNERなど)と組み合わせることで、通信システムのアンテナやチャネルをモデル化し、システム仕様をシミュレートすることが可能です。 下図は、システムシミュレーションソフトウェアSystemVueのWINNER IIチャネルモデルを示しており、シミュレーションやテスト用の複数のアンテナ放射パターンのインポートをサポートし、送信および受信アンテナアレイの二次元の相対位置を設定できます。

　　図2. WINNERチャネルMIMOアンテナモデルのセットアップ

　　純粋な遠方場電話放射パターンとSAMの人間頭部モデルを考慮した電話ナビゲーションマップをインポートすることで、2つのチャネルモデルが作成され、理想シナリオと実際の動作シナリオ間のシステム容量の比較が可能になります[3]。 このようにして、真のアンテナパターンやアンテナ配置をチャネルモデルに統合でき、アンテナ性能がシステムメトリクスに影響を与えることが可能になります。

　　アンテナおよびチャネルモデルはシミュレーションソフトウェアに適用できるだけでなく、標準試験に参加するための必要な試験条件としても機能します。 典型的なケースとしては、Keysightの二段階放射線法(RTS)があります。

　　2段階の放射線法は、MIMO OTA試験を2つの段階に分けます。第1段階は暗いチャンバー内の終端放射パターンを測定し、ターミナルの報告関数を使ってDUTの放射パターンを取得することです。 第2段階では、第1段階で測定された放射パターン情報がチャネルシミュレータに読み込まれ、テスト対象物のアンテナ特性を含む無線チャネルをシミュレートします。 基地局シミュレータからのダウンリンク信号出力はまずDUTの方向図情報を読み込みます

　　図3:二段階放射線試験法の図

　　無線チャネルは複雑化され、測定アンテナによって送信され、受信機の性能テストが行われます。

　　2段階放射線法とマルチプローブ法(MPAC)測定の一貫性は、CTIAのMIMO OTA測定標準となり、3GPPによって認められています。 正式な結論は2017年5月に終了した3GPP RAN4会議で承認されました[4]。

　　2レーダーシステムにおけるアンテナモデル

　　モバイル端末の全方向性アンテナとは異なり、レーダーシステムのアンテナビーム幅は一般的に数度から10度以上の範囲です。 レーダーシステムは探索モードと追跡モードの両方で動作し、ビーム方向の正確なモデリングが必要です[5]。

　　従来のシミュレーションシステムは主に、信号伝送経路や信号処理結果を考慮しながら、レーダーシステムの信号流レベルをシミュレートすることに重点を置いており、アンテナパターンパターンや指向性がレーダーシステムに与える影響は考慮しません。 例えばVSSでは、ターゲットの距離と速度を考慮し、トランシーバアンテナは受信機が受信する信号レベルにのみ影響する利得モデルに簡略化されます。 このシステムシミュレーションアーキテクチャでは、アンテナの一部パラメータ(反射係数、インピーダンスなど)のみがカスケードRFシステムに関連付けられます。

　　複雑な応用シナリオでは、動的プラットフォーム(船舶、航空機、戦闘車両など)やアンテナの位置情報を考慮する必要があります。 システムシミュレーションソフトウェアSystemVueは階層的な設計ソリューションを提供しており、信号解析に加え、移動プラットフォームの位置(地心慣性座標系など)、速度情報、フェーズドアレイレーダーシステムのアンテナ位置情報を分析に組み込むことができます。 このプラットフォームは、複数目標および複数局レーダー、さらには複数アンテナ構成を設定できます。

　　図4. レーダーシステム用の三層シミュレーションセットアップの回路図

　　信号層では、アンテナの動作モード(探索または追跡)、アンテナ放射パターン、その他の基本インジケーターを設定します。 アンテナ層では、レーダー目標の位置、そしてレーダープラットフォームの傾き角、ピッチ角、ヨー角が設定されます。アンテナの傾き、ピッチ、ヨー角はレーダープラットフォーム内で設定されます。 軌道層では、レーダートランシーバープラットフォームと目標の位置(経度、寸法、高度)、方向、速度、加速度、移動軌道などの情報が別々に設定されます。 異なる座標系で変換することで、アンテナの放射パターン、レーダープラットフォーム、目標の移動軌道情報を包括的に考慮します。

　　電子波受信機試験の例は、レーダーの複雑な応用シナリオを示すために用いられます。 シーンでは、電子戦受信機(EW Rx)が宇宙の4つのレーダー局を監視するために使われます。 電子波受信機の役割は、これらすべての信号を検出し、それぞれの信号を特定し、各レーダー局の位置、速度、時間波形、周波数成分を整理することです。

　　図5:電子戦受信機試験シナリオ

　　EW受信機をテストするには、単に複数の時間波形を重ねることだけではありません。 EW受信機は飛行機、自動車、軍艦に搭載される可能性があるため、これらのテスト信号を生成するツールは、ユーザーがEW受信局の位置、速度、移動軌道、その他の詳細を指定できる必要があります。 さらに、各レーダー局ごとに、ユーザーがその位置、速度、時間波形、周波数、アンテナの動作モードなどを指定できるようにする必要があります[6]。

　　正確な環境モデリングが必要な場合、SimulinkやSystemVueのような信号層シミュレーションソフトウェアでは対応できません。 STKのような専門的なシナリオシミュレーションソフトウェアを用いて目標の姿勢や環境をモデル化することで、より現実的な目標特性を実現できます。

　　図6に示すように、SystemVueは線形FMパルス信号源を生成するために使われ、RFデバイスからの非線形性やノイズなどの要素がRF伝送経路を通じて加算されます。時領域信号はインターフェースを介してSTKソフトウェアに入ります。 STKは屋外の地形や地形、さらに航空機の移動軌道や飛行姿勢などの指標を事前に定義しています。 レーダーは追尾モードで、できるだけ多くのビームで航空機を照らすことを目指し、飛行機はレーダー探知を回避するために様々な機動を行います。 シーン全体のタイムドメイン信号はSystemVueソフトウェアに戻され、レーダー検出確率は後処理プログラムを通じて取得されます。

　　図6:STK継手シミュレーションの回路図

　　3、結論

　　通信やレーダーシステムにおいて、アンテナはもはや単独で現れるのではなく、通信チャネルやレーダー利用シナリオと密接に統合され、連携して機能していることは明らかです。 アンテナ設計者や通信・レーダーシステム設計者が既存の商用ソフトウェアや成熟した理論を活用し、アンテナ特性をシステム設計に統合できれば、共同デバッグのリスクを大幅に減らし、製品設計のスピードを上げることができます。