タールン・チャウラ、レムコム
身体装着型アプリケーション向け無線デバイスの設計・開発においては、信頼性の高い身体上でのRF伝搬を確保するため、いくつかの技術的課題に対処する必要があります。主要な要因には、信号干渉に影響を与える可能性のあるデバイス使用材料、重量、快適性、コスト、および他のシステムコンポーネントとの互換性が含まれます。さらに、人体自体がアンテナ構造の複雑で動的な一部として機能します。 従来は物理的な試作機テストや人体RF工学によるアンテナ性能評価が主流でしたが、これらは複数回の反復を要し、実環境の複雑性を完全には捉えきれない場合があります。RF伝搬シミュレーションを活用すれば、実機テストのみの場合と比べて大幅に短時間かつ低コストで、数多くの実使用シナリオを検証できます。さらにシミュレーションは強力な視覚的補助手段となり、ウェアラブル無線デバイスの性能と設計を改善するための貴重な知見を提供します。
RF試験・計測のデジタルツイン：課題と機会
FDAが現在要求する人体への物理的影響に関する設計は、医療機器からの潜在的な放射線危険を防止することを根底としている。国際的に定義された比吸収率（SAR）の放射線閾値以下を維持することが極めて重要である。システムの出力を下げることでSARを低減できるが、これにより信号損失の可能性が高まる。
いずれにせよ、シミュレーションに関する規制は技術や手法の進歩に追いついておらず、消費者市場のニーズに対応するよう進化もしていない。大量の物理テストは、多くの場合、裕福な企業のみが利用可能であり、それらの企業は最高級製品を審美的に美しく、完璧に動作するよう設計し、24時間365日の専門的なカスタマーサポートを提供している。ユーザー体験は設計の中心にあり、プレミアム価格帯を牽引している。
製品の手頃さが増すにつれ、低コストに伴う重要な変化として、機能性の潜在的な低下がある。これは通常、システム複雑性の削減による結果である。例えば、デバイスユーザーは紛失した携帯電話や自動車の位置を特定できるのだから、ワイヤレスイヤホンも同様の機能を持たせてはどうか？ しかし、その機能を有効化すると、製品の重量やコストが増加したり、ユーザー体験を犠牲にしてデバイスの形状が変更されたりする可能性がある。
シミュレーションを活用したゼロプロトタイプ設計段階の導入により、高機能製品の開発をより迅速に、よりアクセスしやすく、より低コストで実現できる。
機械、RF、ハードウェアエンジニア間の共生的なエンジニアリングライフサイクルが、成功した製品設計につながる
初期設計（製品ID、中心）は産業技術者が管理する。機械技術者は設計の実現可能性を高める制約を追加する：外観や物理的な感触などが例である。次に、PCB技術者がCPU速度やRAMなどのデバイス仕様を作成する。アンテナ技術者にとって、デバイス間の世代交代は主に、対応周波数帯域数の増加を可能にしサポートすることから成る。これにより、周波数、その帯域幅、およびユースケースに依存する数多くの課題が生じる。
したがって、設計はEMI、減感、結合損失、チューニング・マッチングネットワーク、ゲインパターンの変化への対応など、固有のRF伝搬課題を克服するため、多様なシナリオと周波数にわたって検証およびテストされなければならない。この学際的な連携が調和して機能しなければ、消費者向け製品を開発することはできない。製品RFチームが承認済み設計を準備すると、検証チームは実製品使用における商業的実現可能性、すなわち実効性を検証する任務を負う。
このプロセスを最適化するには、製品RFチームと検証チームが緊密に連携する必要があります。携帯電話やノートPC製品メーカーを含む民生電子機器業界では、これまで使用される周波数帯域やデバイスの数が非常に少なかったため、これらのグループは分断されていました。 現在では技術的複雑性が蔓延し、多数のテストを実施する必要があり、検証すべきデバイス反復回数が膨大であるため、チーム間の相互理解を促進することが極めて重要である。電磁界シミュレーションによって促進されるこの連携は、新規アプリケーションから次世代無線デバイスに至るまで、追加のシミュレーションや物理テストを必要とするエッジケースの特定にも寄与し得る。
オンボディシミュレーションの仕組み
シミュレーションはプロトタイプを一切必要とせずにプロセスを描写できる。初期段階の工業デザインはハードウェアで実証する必要がない。例えば、基本的なイヤホンは単純な円筒形状にできる：アンテナ配置などのデザイン機能の概念実証には十分だが、生産過程でデザインがそのまま維持される可能性は皆無である。
試作品として製造されたこのイヤホンはP0と表記されるかもしれない。電源すら入らない可能性もある。様々な関係者による調整を経て——おそらく筐体の構造や形状が進化し、その影響がPCBやアンテナ設計者に波及する——次の試作品P1が誕生する。P1はP0とは大きく異なるが、依然として量産には至らない。 ほとんどのプロジェクトはこのように複数回の反復を経て進み、試作機の製造とテストに伴いコストは急速に増加する。
しかし、無線エンジニアが効果的な電磁（EM）モデリングを実施し、システムの経路損失やマルチパス伝搬を測定する能力は、ますます複雑化・多様化するユースケースシナリオによって試練に直面している。 このため、プロトタイプや物理的な試験環境（反響防止室など）を用いた試験測定は、より時間と手間がかかり、コストも高くなる傾向にある。幸いなことに、物理的なプロトタイプに代わる「EMツイン」を用いた全波3D電磁場解析や光線法は、正確性と拡張性が実証されている。これにより、試験室でプロトタイプをテストして得られるデータは、すべてシミュレーションによって再現可能となった。
テストシナリオとして、イヤホン、スマートウォッチ、そして着用者の後ろポケットにある携帯電話の組み合わせを考えます。これら全てが2.46 GHzのBluetooth接続で動作しています。最も大きなバッテリーを搭載する携帯電話がBluetooth信号の送信源です。各デバイスのアンテナは1ポートを有するため、イヤホン、時計、携帯電話を組み合わせると4ポートのSパラメータ行列を形成します。
この例では、電話が音楽を再生し、体表を伝わる表面波（深さとともに減衰する）を介して信号を体内に送り込み、環境へと放出する。電磁シミュレーションはこれらの波をモデル化するが、最近まで自由空間での使用ケースでのみ可能であった。体とデバイス自体の影響は考慮されていたが、地面、部屋、車などからの環境要因による信号への影響は除外されていた。
チャンバー試験では、人体を模した物理的な全身ファントムを用いてこの効果を再現する。この効果をシミュレーションで再現することは極めて重要である。なぜなら、環境特性をアンテナ設計者が有利に活用できるからである。各ウェアラブル端末のアンテナから放射されたエネルギーは外方へ広がり、近傍の表面や材料と相互作用・反射した後、端末アンテナへ戻って受信される。目的は信号を安定させ、減衰を防ぐことにある。
Remcomは、数秒から数時間にわたる様々なユースケースをシミュレートできます。これには、高密度都市部、屋内、非地上ネットワーク（NTN）、5G UEサイドリンク、センシングなどが含まれます。 線形材料と環境を考慮する場合、表面等価定理に基づき、放射システムは構造体を完全に囲む直方体上の電界・磁界表面電流密度によって表現できる。この直方体はホイヘンス面またはホイヘンスボックスと呼ばれ、ボックス内の近距離場効果を捕捉すると同時に、それらの場がより広い環境へ（またはその逆方向に）伝播する様子を予測するのに利用できる。
このコンセプトは、人体に装着されたアンテナから放射される近距離領域を捕捉し、環境内でテスターが移動可能な身体へ転送するものである。これは、産業・機械エンジニアが通常、静止した物理ダミーを用いた無線テストに基づいてモバイルデバイスを設計するため必要となる。検証チームは実世界のシナリオや環境でデバイスをテストする必要があり、これは動作中の装着者の影響を正確に再現・測定することを意味する。
Remcomは、アンテナ性能のシミュレーションに近距離場アンテナ効果を組み込むことで、移動体、マルチパス、および身体装着型デバイスとの相互作用を現実的な環境下で解析できるようにします。
今後、Remcomは既存技術の制約内で可能な限りテストシナリオの実行時間を短縮すべく取り組んでいます。目標は、人体が環境内で動いている状態において、様々な周波数帯にわたる多様な人体構成のSパラメータ行列をモデル化することです。 端的に言えば、現実をモデル化することが目標ですが、この課題はより小さな単位に分割する必要があります。つまり、周波数を一つずつ、人体の位置を一つずつ処理していくのです。検証チームがシミュレーション技術をより信頼するようになれば、検証のターンアラウンドタイムと製品の相乗効果が向上するでしょう。
宇宙、最後のフロンティア…
NASAのアルテミス計画は、宇宙飛行士を月へ再送還することを提案しており（本稿執筆時点で2027年半ば以降）、シミュレーション技術の能力を示す輝かしい事例となっている。 NASAはレムコム、インテュイティブ・マシーンズ、ノキア・ベル研究所、ルナ・アウトポスト、アクシオム・スペースと提携し、月面通信システムの設計と宇宙飛行士向け高速無線ネットワークの構築を進めている。通信・航法・重要継続的通信を可能にするため、機器やデバイスは宇宙服、月面車、軌道上・地表双方の通信拠点に統合される予定だ。
このような特殊な環境下での運用においては、ほぼ無限の使用シナリオと潜在的な課題を考慮する必要があります。例えば、移動中の身体伝搬においては、宇宙飛行士のスーツの反射特性が携帯端末の無線周波数性能に影響を与え、月のクレーターの深さや曲率は通信リンク性能に影響を及ぼします。これに対応するため、Remcomは月面チャネルシミュレーションの探索とカバレッジ分析を行う、包括的なエンドツーエンドのモデリングおよびシミュレーションソリューションを開発中です。
月面クレーター内における無線InSiteの電波到達範囲およびマルチパス伝搬のシミュレーション
この強化版WirelessInSite®は、月面物質と地形シミュレーションを最適化するための新たなデータとアルゴリズムを組み込んでいます。これにより、ユーザーはレゴリスと基盤岩の物理的・電気的特性を定義する能力が向上し、地表/地下散乱に関するモデル改良を開発できるようになります。また、リンクレベルシミュレーション用の後処理ツールも含まれており、ユーザーは月面シナリオにおける主要現象の影響を判断できます。
NASAの船外活動および有人地上移動プログラムでは、効果的な宇宙遊泳、ロービング操作、移動シナリオを実践するため、アリゾナ州とネバダ州で技術実証や科学関連活動を完了する複数の取り組みを実施している。 これらの試験では、宇宙飛行士はフラッグスタッフ（アリゾナ州）において、クレーターが通信信号やデータリンクに与える影響を評価するためのアンテナを装備した試作宇宙服を着用します。これらの試験から収集されたデータは、信頼性の高い無線インフラの構築に類似した課題を抱える類似地形を有する月南極地域について、Remcom社の予測と組み合わせた強化型無線接続モデルの開発に活用されます。
過去のアポロ計画ミッションのシミュレーションと、各種Sバンドチャネルからの利用可能なデータは、スペクトル管理における干渉を最小化するための性能予測と最適化に貴重な知見を提供する。一例として、宇宙飛行士のボディカメラ映像をインターネットへライブ配信する通信ニーズを満たすため、4GやWi-Fiシステムなどの無線基地局のカバー範囲評価が挙げられる。 もう一つの重要なシナリオは、ミッションクリティカルな情報を傍受から保護するための安全な通信リンクの確保である。これらの目標を達成するには、NTIAの電気通信科学研究所（ITS）、米国SG3、ITU-R SG3が開発を進めているような包括的なネットワーク計画とスペクトラム管理戦略が必要となる。レムコムは、月面伝搬モデリングと標準化に関する取り組みにおいて、FCC、NTIA、NASAと積極的に協力している。
アポロ15号ミッションのRFデジタルツイン：月着陸船に設置されたアンテナから宇宙飛行士のヘルメットに装着された近距離用ホイヘンスアンテナまでの電波到達範囲とマルチパスをWireless InSiteでシミュレーション。ホイヘンスアンテナの結果はRemcom社のXFdtdフルウェーブ3D電磁シミュレーションソフトウェアで生成。写真提供：Project Apollo Archive（パブリックドメイン）、Wikimedia Commons経由
ミッションクリティカルな航空宇宙・軍事アプリケーションのシミュレーションは、この分野におけるRemcomの能力の確立と洗練に寄与してきました。例えば、同社は現在、人体への熱加熱をモデル化する米空軍との契約を締結しています。これは兵士が装着する無線機を含む数多くのユースケースに適用可能です。具体的には、各兵士が装着すべき無線機の数、身体上の設置位置、最適な接続性と長寿命を確保しつつ干渉を最小限に抑えるための間隔設定などが含まれます。 さらに、自動車の車内センシングや子供の存在検知、医療ベースのモニタリングといった商用ユースケースは、RFおよびレーダー技術が人命を救う実例を提供しています。
シミュレーションはチャネルエミュレータにおいて精度と効果を両立させる
レムコムの高解像度人体モデルは、1ミリメートルの解像度で表現され、皮膚、血液、骨など様々な体組織の誘電特性を捉えています。この精度は、埋め込み型医療機器やMRIコイル設計などの用途には不可欠ですが、民生用電子機器やウェアラブルデバイスには、より簡略化された人体モデル表現で十分です。
動的でマルチパス環境（都市部、人口密度の高い屋内空間、反射面のある地域など）における無線性能は、アンテナ設計にとって重大な課題をもたらす。 人体自体が複雑な無線周波数（RF）相互作用を生み出し、マルチパス伝搬は信号劣化、干渉、ユーザー体験の低下を招く。アンテナ、無線空中伝送（OTA）、RFシステムエンジニアにとって、アンテナ配置の最適化、MIMOの必要性評価、そして移動中の人体におけるRF信号の伝搬と相互作用の予測が極めて重要である。
RFラボでは、無響室、ベクトルネットワークアナライザ（VNA）、試験用アンテナ、信号発生器などの高度な測定機器が使用される。Remcom Wireless InSiteによるシミュレートされたチャネルインパルス応答（CIR）をSpirent VertexやKeysight PropSimなどのチャネルエミュレータに統合することで、シミュレーション結果と実世界のOTA測定値を相関させる強力なエコシステムが構築される。 この無線環境評価手法はチャネル・サンダリングと呼ばれ、既知のテスト信号を送信し、受信信号のインパルス応答を解析することで、チャネルの反射、遅延拡散、マルチパス効果を特性化する。この相関プロセスにより、エンジニアはシミュレーション結果を物理的試験結果と照合して検証でき、実験室では再現不可能な実世界の伝搬条件をより正確に表現する無線チャネルモデルを洗練させられる。 導出されたモデルは、物理的な部屋のレイアウト、家具の配置、人の位置などを変化させることで拡張可能であり、数多くの無線性能基準を考慮に入れることができます。
検証が完了した相関チャネルモデルは、各エミュレータハードウェアタイプ向けのタップ遅延線（TDL）またはクラスター遅延線（CDL）モデルを生成するために使用できます。無線物理層において、これらの遅延線モデルは現実的な信号伝搬条件のシミュレーションを支援し、システムレベルシミュレーション用のI/Q（同相および直交）信号生成に活用されます。 次に、AI/MLアルゴリズムを適用し、検証済みモデルから導出されたリアルタイムのチャネル条件に基づき、変調方式、誤り訂正技術、電力制御戦略などのシステムパラメータを適応させることで、無線チップセットの設計と性能を最適化できます。 このエンドツーエンドのシミュレーションから測定への統合により、RFシステムのデジタルツインが構築され、無線デバイス開発における「チップからチャネルまで」のプロセスを模倣した詳細かつ最適化されたワークフローが提供されます。最終的にこのアプローチは、より効率的で費用対効果の高い開発を保証し、高性能で信頼性の高い次世代無線デバイスを実現します。
ダイナミックシナリオにおけるオンボディの近視野および遠視野電磁界モデリングを統合するレムコムのホイヘンス・サーフェス機能の詳細をご覧ください。
著者について
タルン・チャウラはレムコムの事業開発部長であり、電気技術者として16年以上の経験を持ち、世界中の革新的なエンジニアリングチーム向けにシミュレーションソリューションの開発とサポートに従事している。
