表紙 — PMNs-WaterSenseの水位センシング幾何構造：基地局（BS）とユーザー端末（UE）間における反射パスの変動から水位を推定

本「高精度水位変化センシング」の革新的なアプリケーションは、シドニー工科大学（University of Technology Sydney, UTS）グローバルビッグデータ技術センター（Global Big Data Technologies Centre, GBDTC）の研究チームによって構築されました。このチームには、 J. Andrew Zhang教授やZhongqin Wang博士などのトップクラスの研究者が含まれています。この成功事例は、稜研科技（TMYTEK）のミリ波（mmWave）プラットフォームを採用しており、 Zhongqin Wang博士が中心となって重要なシステム実装および実験評価を主導しました。

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概要

接続型情報通信・センシング統合（Integrated Sensing and Communications, ISAC）と知能化モバイルネットワーク（Perceptive Mobile Networks, PMNs）技術の台頭に伴い、無線信号の応用は単なるデータ伝送から、環境の精密なモニタリングへと拡張されています。シドニー工科大学（UTS）のグローバルビッグデータ技術センター（GBDTC）の研究チームは、「PMNs-WaterSense」と呼ばれる革新的なフレームワークを提案しました。このフレームワークは、既存の通信インフラが伝送するチャネル状態情報（Channel State Information, CSI）を直接利用して水位の変化をリアルタイムで検知するため、専用のセンサーを一切設置する必要がありません。

mmW-SDR チャンネルサウンディング機能の探求

本成功事例では、TMYTEK BBox 5G ビームフォーマをミリ波フロントエンドとして採用し、 28 GHzの周波数帯において単一アンテナ、低コスト、 かつ極めて高い感度を持つ双基地（bi-static）センシングプラットフォームを構築しました。ラボの制御環境下において、水位推定の平均誤差はわずか 0.025 cm であり、微小な変位に対して敏感なミリ波の短波長という物理的優位性を十分に発揮しました。 さらに研究チームは、このアルゴリズムをより低い周波数帯へと拡張し、屋外の河川環境で実証を行いました。その結果、 1 mの水位変化に対して平均誤差をわずか数センチメートル以内に抑えることに成功し、 TMYTEKミリ波プラットフォーム上で開発・検証されたアルゴリズムが、周波数帯や環境を越えて堅牢に適用できる可能性を示しました。

課題

• バイスタティックシステムにおける位相歪み： 送受信機が分離している場合、クロック非同期によってCSIに顕著なランダムな位相オフセット、タイミングオフセット（TO）、およびキャリア周波数オフセット（CFO）が発生します。従来の一般的なアプローチでは、多アンテナ校正や高価な時間・周波数同期ハードウェアに依存する必要があったため、単一アンテナでの展開を困難にしていました。
• 微弱な反射信号の抽出： 見通し内（LOS）パスと比較して、水面からの反射信号は極めて微弱であり、環境中の動態ノイズ（歩行者、車両、風波、木の枝の揺れ）によって容易に遮蔽されてしまいます。そのため、高解像度な遅延／ドップラー解析能力が必要となります。
• 従来のセンシングにおける解像度の限界： 従来の方法は信頼性と精度に優れているものの、大規模な展開においては、精細な洪水予測や環境モニタリングアプリケーションが要求するミリメートルレベルの水位の微細な変化を捉えるには解像度が不足することが多々あります。

TMYTEK ソリューション

UTSチームは、TMYTEK BBox 5G (Beamformer) ビームフォーマと TMYTEK UD Box (Up/Down Converter). アップ／ダウンコンバータを採用し、モジュール式かつ再構成可能な28 GHzミリ波センシングプラットフォームを構築しました。このプラットフォームは迅速なセットアップ、位相安定性、再現性の高い測定をサポートしており、研究者がセンシングアルゴリズムの開発に専念できる環境を提供します。

mmW-SDR アーキテクチャの内部を覗く

主要ハードウェア構成

• ミリ波フロントエンド — TMYTEK BBox One （28 GHz）： 高い線形性と低位相ノイズ特性を備えたアナログビームフォーミング能力を提供し、単一チャネルのフェーズドアレイ送受信フロントエンドとして機能します。 ±45°の高精度なビームスキャンをサポートし、高品質なCSIデータを安定してキャプチャできます。
• 周波数変換コア — TMYTEK UD Box： 後端SDRの3.5 GHz中間周波数（IF）信号を28 GHzミリ波へとアップコンバートし、受信信号をダウンコンバートして戻します。これはデジタル世界とミリ波世界を繋ぐ架け橋であり、ソフトウェアによって周波数を高精度に同期させることで、複数回の測定間における位相の一貫性を保証します。
• システムの幾何配置： 送受信の両端は地上1 mの高さに固定され、 5 m離れて配置されています。これは、実運用における基地局（BS）とユーザー端末（UE）が分離したバイスタティックセンシングシナリオを模擬しています。中央の水槽は電子ポンプによって駆動され、8分間のうちに3.5 cmの水位変化を発生させます。

なぜ28 GHzミリ波を選択するのか？

ISAC / PMNs研究において、 28 GHzミリ波は従来のSub-6 GHz周波数帯に対して、置き換え不可能な重要な優位性を備えています：

• 極めて高い空間解像度： 28 GHzの波長はわずか約1.07 cmであり、 LTE信号（約9.7 cm）よりもはるかに短いです。短波長は水面の微小な変位に対して極めて敏感であるため、システムはミリメートルレベルの水位変動を解析することができます。
• 複雑なアルゴリズムの試金石： TMYTEK BBox 5Gが提供する高品質なCSIにより、研究者は最も過酷な条件下で複雑な信号処理アルゴリズム（位相アンラップ、マルチドメインフィルタリング、カルマン追跡）を開発および最適化できます。これらのアルゴリズムは、高周波帯で検証された後、 Sub-6 GHzシステムへとより堅牢に水平展開することが可能です。
• 新興の5G / 6G ISAC研究との連携： 28 GHzは将来の6G ISACにおける重要な周波数帯です。この周波数帯に基づく研究成果は、スマートシティ、超高精度センシング、および次世代モバイル通信などのアプリケーションシナリオに直接マッピングできます。

TMYTEK BBox 5Gが支えるコア技術能力

1. 高品質な CSI 測定： BBox 5Gの低位相ノイズと安定したゲインの特性により、単一チャネルの送受信フロントエンドを介してクリーンなCSIデータをキャプチャできます。これにより、処理過程においてハードウェアに起因する位相およびゲインの変動を低減することに貢献します。

2. 精密な位相安定性： UD BoxとBBox 5Gの位相同期ループ（Phase-Locked Loop, PLL）設計により、同一サンプリングウィンドウ内の位相オフセットを緩やかに変化する項として扱うことができます。これをCSIパワーメソッド（Power Method）と組み合わせることで、単一アンテナでのクロック非同期補正が可能となり、コストのかかる多アンテナ同期の必要性を排除します。

3. 柔軟なモジュール式アーキテクチャ： 既存の通信チェーンにBBoxとUD Boxを1セット追加するだけで、それを高精度なセンシングノードへとアップグレードできます。これにより、 ISAC / PMNs研究における実験的なプロトタイプ検証の複雑さを大幅に簡素化します。

TMYTEK が実現する 5G ミリ波 SDR プロトタイピングの簡素化について知る

手法と簡易アルゴリズム

PMNs-WaterSenseは、複雑なハードウェア同期に依存しません。その代わりに、「物理層 ＋ 信号処理」の3ステップのパイプラインによって、 BBox 5GがキャプチャしたCSIをミリメートルレベルの水位データへと変換します。 図1 — PMNs-WaterSenseの信号処理パイプライン：原信号のCSIから始まり、位相オフセットの除去、ドップラー/遅延 MVDR、CFAR検出、そしてカルマンベースの位相アンラッピングを経て、最終的な水位高度の変換に至るまで

簡易アルゴリズムの3ステップ

1. ランダム位相オフセット補正（CSI Power Method）： CSIとその共役複素数を乗算（|CSI|²）することで、 TO / CFOおよびアンテナハードウェアによって導入されるランダムな位相オフセットをワンステップで排除します。これは、PMNs-WaterSenseが単一アンテナかつ非同期の環境下で動作することを可能にした重要なブレイクスルーです。

2. マルチドメイン特徴抽出（Multi-domain Filtering）： スロータイム・ドップラー（Slow-time Doppler） FFT、周波数領域MVDRによる遅延推定、および1D CFAR検出を組み合わせることで、歩行者、車両、風波などの動態ノイズから、緩やかに変化する水面反射信号を高精度に分離します。

3. 水位追跡および高度変換（Kalman-based Tracking）： カルマンフィルターを用いて位相アンラップにおける2πのアンビギュイティを解決し、その後、送受信の幾何関係（BS / UEの高度と水平距離）を介して、位相変化を水位高度へと高精度に換算します。

実験シーンと結果

ラボ制御環境でのテスト

• 信号源： TMYTEK BBox 5G開発キット（28 GHz）、 70 MHz帯域幅、 46個のサブキャリア、 100 HzのCSIサンプリングレート。
• シナリオ設定： 送受信機は水槽の両側に配置され、距離は5 m、高さは1 mです。中央の水槽は電子ポンプによって駆動され、ポンプが8分間のうちに注水と排水を繰り返すことで3.5 cmの水位変化を模擬します。また、比較基準としてミリメートル精度の超音波センサーを設置し、真値（Ground Truth）として使用します。
• 主な成果（28 GHzミリ波帯）：
  1. 入流（In-flow）推定誤差： 0.021 cm
  2. 出流（Out-flow）推定誤差： 0.029 cm
  3. 全体の平均誤差： 0.025 cm — 工業用グレードの超音波水位計の測定精度水準に達しています。

図2 — 28 GHzミリ波におけるラボ実験結果： (a) 原始のCSI振幅、 (b) 時間ウィンドウ内におけるダウンサンプリングされたCSI、(c) カルマンベースのアンラッピング後における位相特徴、 (d) 推定水位と超音波による真値との比較（左：注水、右：排水）

実環境での屋外検証

TMYTEKミリ波プラットフォーム上で開発されたPMNs-WaterSenseアルゴリズムが、周波数帯や環境を越えた堅牢性を備えているかを検証するため、 UTSチームは同一の信号処理フローをより低い周波数帯へと拡張し、オーストラリア・シドニーのパラマタ川 （Parramatta River、河川幅約260 m）で屋外フィールドテストを実施しました。チームはSDR機器を利用して移動体基地局の下りリンク信号（Downlink Signals）をキャプチャし、送受信端を河岸から数メートル～約100メートルの様々な距離に配置しました。

• シナリオにおける課題： 川幅が広く、送受信間距離が数百メートルに及ぶほか、実際の環境においてはフェリーや車両、歩行者などによる激しいマルチパス干渉が存在します。
• 主な成果： 1メートルの潮汐による水位変化に対して、平均推定誤差はわずか4.8 cm、標準偏差は2.5 cmであり、潮汐曲線を正確に復元することに成功しました。これにより、本アルゴリズムの実用的な有用性が証明されました。
• 技術的意義： この結果は、「まずTMYTEKの高精度な28 GHz CSIをゴールドスタンダードとしてアルゴリズムの調整を行い、その後低周波数帯へと拡張・適用する」という研究開発戦略の正しさを裏付けるものであり、 ISAC／PMNsのラボから実際の応用フィールドへの移行プロセスを大幅に短縮できることを示しています。

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結論

本成功事例は、 6G ISAC／PMNsミリ波センシング研究における TMYTEK BBox 5G および UD Box ミリ波開発プラットフォームの応用価値を実証することに成功しました。このミリ波開発プラットフォームを通じて、 UTSチームは以下の成果を達成しました。

1. 低コストで高精度なセンシングを実現： 専用のレーダーや独自のセンサーをデプロイすることなく、工業用グレードの超音波水位計に匹敵する0.025 cmの測定精度を達成しました。
2. 拡張性を備えたアルゴリズムの開発： ミリ波プラットフォーム上で調整を完了したアルゴリズムは、より低い周波数帯や実際の屋外フィールドへ直接拡張することが可能であり、ラボ環境と屋外環境の双方における適用性を証明しました。
3. 生活・産業分野への応用可能性： 本技術は以下のように幅広く応用が可能です。
   • 都市洪水の早期警戒： 既存の通信インフラを活用し、低地における冠水・浸水の水位をモニタリングします。
   • スマート農業および工業用液位管理： 灌漑システム、化学薬品タンク、工場の液面レベルを精密にモニタリングします。
   • 水資源および環境モニタリング： 通信ネットワークを通じて、河川、湖沼、貯水池の水位変化をリアルタイムに監視します。

これは、 TMYTEKのミリ波ソリューションが、次世代ISACアプリケーションを開発する学術・研究チームにとって、有効な実験プラットフォームであることを示しています。

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参考文献:

[1] Zhongqin Wang, J. Andrew Zhang, Kai Wu, and Y. Jay Guo, Passive Water Level Sensing Using Communication Signals, IEEE Global Communications Conference, 2025. (To appear)

[2] Zhongqin Wang, J. Andrew Zhang, Kai Wu, and Y. Jay Guo, Water Level Sensing via Communication Signals in a Bi-Static System, arXiv preprint arXiv:2505.19539, 2025.