Work

石橋（功）研究室では、これまでの無線通信とは異なる「電池切れも圏外もない」超高信頼・超長寿命通信システムの実現を目指し、電波を一点集中させる近傍界通信技術や、基地局の概念を覆すセルフリーネットワーク、超多数の端末の同時通信を実現するグラントフリーアクセス、統計的学習に基づいた超高信頼通信、などに、信号処理の観点から取り組んでいます。またIoT向け通信技術として、環境中のエネルギーを活用するエナジーハーベスティング通信や、浮遊電磁波を利用した超低消費電力通信といった研究にも取り組んでいます。

Distributed wireless systems laboratory (D-WiSE) is aiming to realize ultra-reliable and ultra-long-life communications systems that “never run out of battery and never go out of range,” which are completely different from conventional wireless communications systems. We are now working on near-field communications, cell-free network, grant-free access, robust beamforming, low power communications, energy harvesting, and more.

これらの研究は我々の研究のごく一部です。より詳しく情報を知りたい方は是非研究室見学をどうぞ。
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近傍界におけるビーム形成・最適化技術
Beam Shaping and Optimization in Near-Field

アンテナアレイサイズの拡大によって、平面波近似が成立せず、波面を球面として取り扱う必要性のある近傍界における通信が注目を集めています。近傍界では、遠方界では実現できない様々なビームが形成可能であることが知られており、世界的に研究が活性化しています。我々の研究室では、近傍界における新しいビーム形成技術の実用化を目指し、自己修復特性をもつベッセルビームのフェーズドアレイによる形成・制御、空間でビームが曲がるカービングビームの最適化、安定的にエネルギーをピンポイントに集中させるロバストビーム焦点といった技術を提案、開発しています。

  1. S. Uchimura, K. Ishibashi, and J. M. Jornet, “Deterministic and Stochastic Optimization for Robust Beamfocusing Against Positioning Errors,” IEEE Trans. Wireless Commun., (Early Access), doi:10.1109/TWC.2025.3599501. [available here]
  2. S. Uchimura, J. M. Jornet, and K. Ishibashi, “Optimization and Characterization of Near-Field Beams with Uniform Linear Arrays,” arXiv:2503.13890, Mar. 2025. [available here]
  3. K. Arai, K. Ishibashi, H. Iimori, P. V. Klaine, and S. Malomsoky, “Joint Channel and Data Estimation for Multiuser Extremely Large-Scale MIMO Systems,” IEEE Trans. Wireless Commun., (Early Access), doi:10.1109/TWC.2025.3597278. [available here]

セルフリーネットワーク技術
Cell-Free Network Technologies

移動体通信がすさまじい進歩を続ける一方で、5Gにおいても基地局アーキテクチャは、50年以上前に提案されたセルラーネットワークを基本としています。しかし空間的な無線資源を極限まで活用するためには、空間的な干渉構造を決定する基地局アーキテクチャそのものの変更が必要と考えられます。そこで本研究室では、電波を放射するアクセスポイントと、それらを制御する中央演算ユニット(CPU)に基地局を物理的に分割し、光フロントホールで接続することで、設計自由度を向上させたセルフリーネットワークに着目し、セルフリーネットワークの設計について様々な研究を行っています。また最近はセルフリーネットワークを超える新たな分散アンテナ技術として、機械学習・量子計算・統計的信号処理に基づくテイラードセル技術に取り組んでおり、JST CRONOSプロジェクトに採択されています。

セルフリーネットワーク

  1. F. Ndimumahoro and K. Ishibashi, “Cooperative Detection for Cell-Free Massive MIMO With Multiple Central Processing Units Under Backhaul Capacity Limitation,” IEEE Access, vol. 13, pp. 90034-90051, 2025, doi: 10.1109/ACCESS.2025.3571649. [available here]
  2. M. Ito, S. Fukue, K. Ando, I. Kanno, K. Yamazaki, and K. Ishibashi, “Clustering and Beamforming for User-Centric Cell-Free Massive MIMO With Backhaul Capacity Limitation,” IEEE Access, vol. 12, pp. 382-395, 2024, doi: 10.1109/ACCESS.2023.3346903. [available here]
  3. T. Takahashi, H. Iimori, K. Ando, K. Ishibashi, S. Ibi, and G. T. F. de Abreu, “Bayesian Receiver Design via Bilinear Inference for Cell-Free Massive MIMO with Low-Resolution ADCs,” IEEE Trans. Wireless Commun., vol. 22, no. 7, pp. 4756-4772, July 2023, doi: 10.1109/TWC.2022.3228326. [available here].
  4. K. Ando, H. Iimori, G. T. F. de Abreu, and K. Ishibashi, “User-Heterogeneous Cell-Free Massive MIMO Downlink and Uplink Beamforming via Tensor Decomposition,” IEEE Open Journal of the Communications Society, vol. 3, pp. 740-758, Apr. 2022, DOI: 10.1109/OJCOMS.2022.3167101 [available here]
  5. S. Fukue, H. Iimori, G. T. F. De Abreu and K. Ishibashi, “Joint Access Configuration and Beamforming for Cell-Free Massive MIMO Systems With Dynamic TDD,” IEEE Access, vol. 10, pp. 40130-40149, Apr. 2022, DOI: 10.1109/ACCESS.2022.3164432. [available here]

ミリ波・テラヘルツ伝送技術
Transmission Technologies for mmWave and THz

より高速・大容量な通信を実現するためには、センチメートル波、ミリ波、テラヘルツといった高周波数帯の活用がかかせません。一方で、これらの周波数では物理的な遮蔽や、ビームの不整合、分子吸収損による時間的広がり効果といった様々な問題があり、その通信品質は非常に不安定となります。またセンチメートル波では、既存システムが存在するため、そこに影響を与えずに通信を行うための信号処理技術が求められます。本研究室では、信号処理の観点からこれらの問題を解決可能な様々な手法を提案しています。

  1. K. Ueda, K. Ishibashi, H. Iimori, P. V. Klaine, S. Malomsoky, “Beamforming Design for Terrestrial-Satellite Spectrum Sharing in Upper Mid-Band Based on Angular Radiated Power Constraint,” 2025 IEEE International Conference on Communications (ICC), Montreal, Canada, (2025.6)
  2. T. Yoshida, K. Ishibashi, H. Iimori, P. V. Klaine, and S. Malomsoky, “Efficient Joint Transmit and Receive Beam Alignment via Sequential CNN LSTM Networks,” IEEE Access, vol. 13, pp. 118586-118598, 2025, doi:10.1109/ACCESS.2025.3584331. [available here]
  3. K. Arai and K. Ishibashi, “Channel Estimation for Hybrid MIMO Systems With Array Model Errors and Beam Squint Effects,” IEEE Trans. Veh. Technol., (Early Access), doi: 10.1109/TVT.2025.3579497. [available here]
  4. S. Uchimura, K. Ando, G. T. F. de Abreu and K. Ishibashi, “Joint Design of Equalization and Beamforming for Single-Carrier MIMO Transmission Over Millimeter-Wave and Sub-Terahertz Channels,” IEEE Trans. Wireless Commun., vol. 24, no. 3, pp. 1978-1991, Mar. 2025, doi: 10.1109/TWC.2024.3514937. [available here]
  5. S. Uchimura, K. Ishibashi, H. Iimori, P. V. Klaine and S. Malomsoky, “Efficient Channel Tracking Based on Compressive Sensing for OFDM Millimeter-Wave Systems,” IEEE Trans. Veh. Technol., vol. 73, no. 8, pp. 11411-11426, Aug. 2024, doi: 10.1109/TVT.2024.3373821. [available here]

低遅延・多数同時接続を実現するグラントフリーアクセス
Low-Latency Grant-Free Massive Access

自動運転やロボット制御、スマートファクトリーなど新しい応用技術の出現に伴い、1平方メートルあたり数十台といった超高密度に存在する無線端末を数ミリ秒以下の低遅延で収容する新しい無線通信技術が必要とされています。2020年より商用化を開始した5Gでも実現不可能なこのような要求を実現可能な技術として、本研究室では理論最大で30万台の端末のうちランダムな3万台が基地局の許可（グラント）なしに、1ミリ秒以下で100バイト程度のデータを同時に伝送、復元できるグラントフリー非直交伝送法や、符号化ALOHAと呼ばれる符号理論のアイデアをグラントフリーアクセスに応用した技術などを提案しています。

提案グラントフリーアクセス WHISTLE

  1. K. Ueda, T. Hara, and K. Ishibashi, “Exploiting Low-Density Signal Structure via Approximate Message Passing With Side Information for Grant-Free NOMA,” IEEE Trans. Wireless Commun., vol. 24, no. 4, pp. 3305-3319, Apr. 2025, doi: 10.1109/TWC.2025.3529935. [available here]
  2. H. Iimori, T. Takahashi, K. Ishibashi, G. T. F. de Abreu, and W. Yu, “Grant-Free Access via Bilinear Inference for Cell-Free MIMO With Low-Coherence Pilots,” IEEE Trans. Wireless Commun., vol. 20, no. 11, pp. 7694-7710, Nov. 2021, DOI: 10.1109/TWC.2021.3088125 [available here]
  3. T. Hara and K. Ishibashi, “Grant-Free Non-Orthogonal Multiple Access with Multiple-Antenna Base Station and Its Efficient Receiver Design,” IEEE Access, vol. 7, pp. 175717 – 175726, 2019, DOI: 10.1109/ACCESS.2019.2956817. [available here]
  4. S. Ogata, K. Ishibashi, and G. Abreu, “Optimized Frameless ALOHA for Cooperative Base Stations with Overlapped Coverage Areas,” IEEE Trans. Wireless Commun., vol. 17, no. 11, pp. 7486-7499, Nov. 2018, DOI: 10.1109/TWC.2018.2867492 [available here]

遮蔽予測に基づいた高信頼協調多地点伝送技術
Robust Coordinated Multi-Point based on Blockage Prediction

今後さらなる高速化・大容量化にあたり、無線通信では30GHz以上の高周波数帯の活用がさらに必要となります。一方、このような高周波数帯では、人体や車といった物体の移動によって電波が遮蔽されると通信を継続することができず、通信状態が不安定となってしまうことが知られています。本研究室では、このような不安定性に対処すべく、統計的学習などの様々な学習手法を用いて、遮蔽予測を活用した高信頼な基地局連携ビームフォーミングを提案し、これらの技術の実装にも取り組んでいます。

協調多地点伝送(CoMP)による遮蔽の影響の緩和の様子

ソフトウェア無線による実装風景

  1. S. Uchimura, G. T. F. De Abreu and K. Ishibashi, “Blockage-Robust Hybrid Beamforming Enabling High Sum Rate for Millimeter-Wave OFDM Systems,” IEEE Trans. Wireless Commun., vol. 23, no. 7, pp. 7095-7110, July 2024, doi: 10.1109/TWC.2023.3337344. [available here]
  2. S. Uchimura, H. Iimori, G. T. F. de Abreu and K. Ishibashi, “Outage-Minimization Coordinated Multi-Point for Millimeter-Wave OFDM with Random Blockages,” IEEE Trans. Veh. Technol., vol. 72, no. 7, pp. 8783-8796, July 2023, doi: 10.1109/TVT.2023.3244625. [available here]
  3. H. Iimori, G. T. F. de Abreu, O. Taghizadeh, R.-A. Stoica, T. Hara, and K. Ishibashi, “Stochastic Learning Robust Beamforming for Millimeter-Wave Systems with Path Blockage,”  IEEE Wireless Commun. Lett., 2020,  DOI: 10.1109/LWC.2020.2997366. [available here]

環境発電無線センサネットワーク
Energy Harvesting Wireless Sensor Networks

ディジタルツインなど、今後の情報通信技術の発展には、現実世界の情報をディジタル世界に持ち込むためのインターフェースが重要となり、このためにメンテナンスフリーな無線センサーシステムの実現が必要とされています。本研究室では電池を一切搭載せず、空間中に存在するエネルギー（太陽光や浮遊電磁波など）のみから電力を集め、自律的に通信を行う環境発電無線センサーネットワークの理論設計から実証実験までを行っています。

開発したZEN-MACエナジーハーベスティングセンサ

  1. T. Kawaguchi and K. Ishibashi, “ZEN-MAC: Zero Excess Node MAC for Multi-Hop Sensor Networks With Energy-Harvesting,” IEEE J. Internet of Things, vol. 12, no. 14, pp. 27818-27834, Jul. 2025, doi: 10.1109/JIOT.2025.3564897. [available here]
  2. V. V. Mai, W.-Y. Shin, and K. Ishibashi, “Wireless Power Transfer for Distributed Estimation in Sensor Networks,” IEEE J. Sel. Topics Signal Process. – Special Issue on Cooperative Signal Process. for Heterogeneous and Multi-Task Wireless Sensor Networks, vol. 11, no. 3, pp. 549 – 562 (2017. 4) [available here]
  3. H. Kawabata, K. Ishibashi, S. Vuppala, and G. Abreu, “Robust Relay Selection for Large-Scale Energy Harvesting IoT Networks ,” IEEE J. Internet of Things,  vol. 4, no. 2, pp. 384-392 (2017. 4) [available here]

アンビエントバックスキャッター通信
Ambient Backscatter Communciations

IoT技術の進展のためには省電力で高効率な無線通信技術が必要とされています。このような要求に対して、環境中に浮遊する様々な無線通信方式の電波を反射・吸収することで数百ナノワットの消費電力で通信可能なアンビエントバックスキャッター(ABS)技術が注目を集めています。本研究室では、数メートル以上の通信が可能であり、また伝送効率も向上可能な新しいABS技術を提案すると共に、スマートフォンのような汎用デバイスでこのABS変調を復調する手法などを提案しています。

開発したABSが情報を伝送する様子

  1. T. Hara, R. Takahashi, and K. Ishibashi, “Ambient OFDM Pilot-Aided Backscatter Communications: Concept and Design,” IEEE Access, vol. 9, pp. 89210 – 89221 June 2021, DOI: 10.1109/ACCESS.2021.3091183 [available here]
  2. R. Takahashi and K. Ishibashi, “Ambient OFDM Pilot-Aided Delay-Shift Keying and Its Efficient Detection for Ultra Low-Power Communications,” GlobalSIP2019, Ottawa, Canada, (2019.11)

For Ultimate Reliability of Communications