多様なサービスの創出を支えるワイヤレスアクセス技術

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せとかひのと
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協調無線 LAN アンライセンス無線第 5 世代モバイル多様なサービスの創出を支えるワイヤレスアクセス技術みぞぐち溝まさと口匡人 NTTアクセスサービスシステム研究所プロジェクトマネージャ NTT アクセスサービスシステム研究所無線アクセスプロジェクトでは, 無線 LAN を中心とするワイヤレスアクセスに関する技術の研究開発に取り組んでいます.

1 協調無線 LAN アンライセンス無線第 5 世代モバイル多様なサービスの創出を支えるワイヤレスアクセス技術みぞぐち溝まさと口匡人 NTTアクセスサービスシステム研究所プロジェクトマネージャ NTT アクセスサービスシステム研究所無線アクセスプロジェクトでは, 無線 LAN を中心とするワイヤレスアクセスに関する技術の研究開発に取り組んでいます. 本稿では, 無線 LAN の利用が拡大したために生じている課題について説明するとともに, それを解決し無線 LAN のユースケースをさらに拡げる研究開発の取り組みを紹介します. 端末のネットワーク接続に欠かせなくなった無線 LAN 無線 LANはスマートフォンやタブレット端末への標準搭載が進み, 家庭やオフィスで利用が拡大しています. 無線 LAN 搭載端末の国内出荷台数は, 2016 年には5000 万台を超えるとの報告があります (1). また, ますます増え続けるモバイルネットワークのトラフィックを迂回するための手段としてもアクセスポイントの設置が進められ, 公衆無線 LANサービスの利用者数が増加しています. 無線 LANがこれほどまでに普及した要因としては, 免許不要の無線システム ( アンライセンス無線 ) であり, 1 万円程度の安価な装置をユーザ自身が購入して簡単に設置できる点が挙げられます. この特長を備えるために, CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance) 方式という自律分散制御型の無線アクセス制御方式を用いた無線 LAN 標準規格 IEEE が最初に定められたのは1997 年でした. 最初の規格の最大伝送速度は 2 Mbit/sだったのに対し, 最新のIEEE ac 準拠製品では 1.7 Gbit/sの製品も手軽に入手できる状況にあり, 伝送速度は20 年弱で1000 倍に向上したことになります ( 図 1). この間, 基本となる無線アクセス制御方式はCSMA/CAで変わりなく, 旧方式の無線 LANとの後方互換性をこれまで満足してきたことは注目すべき特長です. CSMA/CAとは, 複数の無線デバイスが同じ周波数チャネルを共用するための仕組みの 1 つです (2). 携帯電話システムのように集中制御装置が各端末の無線アクセスを制御するのではなく,CSMA/CAでは無線アクセスポイント (AP) も端末も, それぞれが電波を送信するタイミングを他端末の電波と衝突しないように自律分散制御で動作します. 具体的には, 他端末からの電波がないことを確認 (Carrier Sense) したうえで, 規定されたランダム時間を待った後に送信することで他端末の電波との衝突をなるべく避ける (Collision Avoidance) という動作を行い, 複数デバイスが同じ周波数チャネルを共用する多元接続方式 (Multiple Access) を実現しています. 免許事業者が周波数を占有して利用するシステムであれば集中制御アクセス方式が効率的ですが, アンライセンス無線アクセスでは持ち主の異なるデバイスとも電波を共用するため自律分散制御が必要でした. この自律分散制御によりユーザ自身が置くだけで利用可能という特長を備え, 無線 LANはここまで普及が進んだといえます. 無線 LANの課題高い利便性で普及が進んだ無線 LANですが, 利用が増えすぎたために問題が生じている場面が増えています. たくさんの無線 LANが高密度に利用されている環境では,CSMA/ CAのプロトコルで送信機会を得ることが難しくなったり, 無線パケットが衝突して誤りを発生することが多くなったりします. 無線 APが定期的に報知するビーコン信号や, 端末が接続 56

2 信号といった管理信号が飛び交うだけで無線チャネルが混雑してしまうことも原因です. これによって, 駅構内などの無線 LANを使いたい場所でスムーズに使えない状況が発生しています年に向けては, スタジアムにおいて無線 LANを用いたエンタテインメントサービスの提供に期待が高まっています. しかし, スタジアムは, 現状の無線 LANにとって駅構内以上に困難な環境です. スタジアムで多数の観客に映像などの大容量コンテンツを提供する場合, 無線 APの設置を高密度化することで収容トラフィックをある程度は増加することができますが, 設置 AP 数に比例したトラフィックを収容することはできません. スタジアムは観客席間の見通しが特に良く, バックスタンドに設置してある無線 LANの電波がメインスタンドで受信可能になっていることが多くあります. このような環境では,CSMA/ CAプロトコルの動作により, 同一周波数チャネルを利用する数多くの無線特 APが送信機会を分け合うことになり, 無線 AP 当りの収容トラフィックは低下するのです年の商用化をめざして, 第 5 世代移動通信システム (5G) の技術開発が世界的に進められています. モバイルトラフィックは, スマートフォンの普及とアプリケーションの高度化により増え続けています. 一時期に比べ増加率が落ち着いてきたものの, 直近の報告でも年間 1.4 倍で増え続けており (3),2020 年代には2010 年比で1000 倍のトラフィックに達することが想定 57 集したい無線 AP を探すためのプローブ

3 されます. このトラフィックを収容すべく, 新たな周波数帯の利用を含めさまざまな無線アクセス技術を束ねて利用する5Gの研究開発が進められていますが, 無線 LANなどのアンライセンス無線も5Gのトラフィックを収容する手段として期待されています (4). 総務省は,2014 年 12 月の電波政策ビジョン懇談会において, 移動通信システム用の周波数として2020 年までに 2700 MHz 幅程度を確保することを目標に掲げましたが, ここでは無線 LAN 用の周波数も含めた一体的な周波数利用を想定しています (5). しかし, 前述したように, アンライセンス無線である無線 LANは電波が混雑する環境ではスループット効率が悪くなります. モバイルトラフィックをアンライセンス無線でも収容していくためには, 混雑環境での特性を改善することが大きな課題です. NTTにおける無線 LAN 技術開発の方向性 2020 年のビッグイベントや5Gサービスの実現に向けて, 無線 LANのさらなる活用に期待が高まっています. これにこたえるため, 無線 APやユーザ端末が高密度に利用されている環境でも品質を確保する技術が必要です. 一般ユーザが設置してすぐ使えるという無線 LANの利便性を保ちつつ, 高密度環境で利用する無線 LANの品質低下を最大限回避するため,CSMA/ CA 方式による分散アクセス制御方式はそのまま利用しつつも, 無線チャネルや帯域幅, 送信電力などの無線リソースを最適化することが 1 つの方策です. 現在の無線 APは周囲の無線 APの信号を観測して干渉 AP 数の少ない無線チャネルを選択することが一般的ですが, 無線 LAN 高密度利用環境では, 干渉になり得るAPがさらに別のAP から干渉を受けているなど電波環境が極めて複雑化していますので, 電波状況を面的に全体最適化することが効果的です.NTT 研究所では, 複数 APから得た無線環境情報を把握し, その情報を基に各無線 APのパラメータを適切に設定するアーキテクチャを協調無線 LAN と名付け, 研究開発を推進しています. 無線アクセス制御は CSMA/CAによる自律分散制御のまま, 汎用無線 APの一部パラメータを集中制御により最適化し, 面的な周波数利用効率を改善することがねらいです. IEEE 作業部会では, 次世代規格として高効率無線 LAN(802.11ax) の標準化作業を2014 年 5 月から開始しました. 本標準化では, 技術要求条件として高密度環境において, 端末当りの平均スループットが従来の 4 倍以上になる動作モードを備えることと定めて,2018 年末の完成をめざし, 標準化作業を進めています (6). このように, 標準技術としても高密度環境への対応が進められていますが, 高効率無線 LAN 標準では多様化するニーズに対応して設定可能なパラメータの幅が広がっていることもあり, 協調無線 LANでの無線 AP 制御がさらに効果的に働くと考えています.NTT は11ax 標準化作業に積極的に参画し, 協調無線 LAN 構成に適した標準規格の実現を推進するとともに,11ax 対応の無線リソース制御技術の開発にも先行して取り組んでいます. 協調無線 LANプラットフォーム実現に向けた取り組み状況無線 APの一部パラメータをクラウドから集中制御する協調無線 LAN アーキテクチャでは, 無線リソース制御機能だけでなく, 多様なサービス提供に向けた展開が考えられます ( 図 2 ). 無線 APを制御して得られるさまざまな機能をプラットフォームとして提供することをめざして取り組んでいる技術をいくつか紹介します. 協調無線 LAN 型チャネル設定技術一般的な無線 APで設定可能な無線リソースとしては, 無線チャネルとチャネル帯域幅があります. 複数の無線 APから収集した無線環境情報を基に, これらの無線リソースの最適設定を行うチャネル設定ソフトウェアの試作を2015 年に行いました. 本技術は, 収集した無線環境情報を用いてサーバ上に仮想無線 LAN 環境を構築し, 仮 58

4 定を繰返し試行して予測スループット性能を最大化する設定値に収束させる動作を行います (7). 今回のつくばフォーラムで提供したフリー Wi-Fi サービスでは, 本技術を用いて最適な無線チャネル設定を行いました. 特定の無線 APを高速設定するプレミアムエリア構築も行い, 技術を検証することができました ( 図 3). 分散スマートアンテナ型協調無線 LAN スタジアムなどの無線 LANが超高密度に利用されている環境では, 無線チャネル設定を最適化するだけでは不十分であり, もっと抜本的に干渉を抑圧する技術が必要です. そこで, 無線 APの複数のアンテナをユーザ端末との距離が近くなるように分散配置する分散スマートアンテナ型協調無線 LANシステムを開発中です. 本技術によって電波を必要以上にまき散らさずに通信を可能とするため, 周波数チャネルの繰返し利用可能な距離が短縮できることからエリアスループットを拡大することが可能です (8) ( 図 4). 特分散スマートアンテナ技術は, モバイ集想環境において異なる無線リソース設ルシステムではすでに導入が始まっている技術ですが, これまではCSMA/ CA 方式への適用は困難と考えられてきました. 分散スマートアンテナの適用によって, 面的なスループットを従来の 2 倍以上に向上できると考えています. 無線 LAN 応用サービス機能電波環境見える化無線 APで収集する無線環境情報だけでなく, 端末からの無線環境情報も活用することによって, よりユーザの 59

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6 が可能です. 将来的には, 普段使いのユーザの端末から収集した無線環境情報を集合知として解析することによって, さまざまな地点のリアルタイムの電波環境を把握することができ, 電波の効率的な利用を促進することができると考えています.2016 年 2 月の NTT R&Dフォーラムでは, 本技術の一部の機能を切り出し, 来場者向け端末アプリを用いたフリー Wi-Fiの電波強度マップ作成提供サービスとして実験を行いました. 結果として, ほぼリアルタイムに無線環境を可視化できることを確認しました (9) ( 図 5). 5G 無線 LAN 連携技術 5Gでは, これまでのように無線 LAN 接続とモバイル回線を切り替えて使うだけではなく, ヘテロジーニアスネットワークとしてモバイル網と密に結合したかたちでアンライセンス無線が利用される見込みです (5). その実現には, アンライセンス無線の回線品質推定と, 無線リソース制御による干渉低減がキー技術であると考えています. 高密度利用時に品質が不安定になりがちなアンライセンス無線であっても, 品質が精度良く推定できれば, 品質が良好な状況を選んで利用することが可能です (10). また, アンライセン特ス無線の品質を無線リソース制御に集利用環境に即した無線制御を行うことよって改善する際に, モバイル回線をアンライセンス無線の制御回線として利用することで端末側の無線環境情報も活用した制御が可能なため, より大きく品質を改善することができると考えています (11) ( 図 6). この5G 無線 LAN 連携技術は,2015 年度に開始した総務省の委託研究開発として取り組んでいます (12). 今後の展開 IEEE 標準技術による安価で利便性の高い市中製品の普及が進み, 無線 LANは端末のネットワーク接続に欠 61

7 アセスプトーム研究 5 システム研究ジーース A 無線 5 無線セ無線 LAN A クロセ無線 LAN A F スーセ F スーセアセス無線アクセス線 5 無線 6 5 無線 LAN かせない存在となりました. しかし, 標準技術だけでは対応しきれないユースケースが増えてきています. 電波資源が限られている中, 高まるニーズに対応するとともに, ワクワクするサービスを提供するために, 研究所技術が必要とされる場面が今後ますます増えてくると考えています.NTTアクセスサービスシステム研究所では超高密度環境向け無線 LANソリューション開発に取り組むとともに, 無線 LAN との連携によるリーズナブルなコストでの5Gサービス実現に貢献していきます. 参考文献 (1) ICT 総研 : 2015 年公衆無線 LAN サービス利用者動向調査, (2) 守倉久保田 : 改訂 3 版高速無線 LAN 教科書, インプレス R&D,2008. (3) field/data/gt pptx (4) 5GMF: 5G Mobile Communications systems for 2020 and beyond, 5GMF White Paper, 第 1.01 版,2016. (5) pdf (6) 篠原岩谷井上 : 次世代高効率無線 LAN 規格 IEEE ax の標準化動向, NTT 技術ジャーナル,Vol.28,No.11,pp.52-55, (7) アベセカラ松井鷹取溝口 : IEEE 無線 LAN におけるネットワーク制御型チャネル割当法の特性評価, 信学技報,Vol.116, No.202,CQ ,pp ,2016. (8) 河村石原岩谷篠原秋元井上市川鷹取 : 無線 LAN の最新動向と協調無線 LAN 技術, NTT 技術ジャーナル,Vol.29, No.1,pp.18-21,2017. (9) 茂木橋口片岡草深田中渋沢山崎小川 : 2020 MICE 展示会 ICT による新たなおもてなし, NTT 技術ジャーナル,Vol.28,No.10,pp.35-39,2016. (10) 松井猪木アベセカラ市川溝口岸田山田森広浅井奥村 : 5G に向けたモバイル回線連携無線 LAN システム (1) モバイル回線を利用したシステム容量拡大, 信学ソ大,B-5-12,2016. (11) 猪木アベセカラ松井市川溝口岸田山田森広浅井奥村 : 5G に向けたモバイル回線連携無線 LAN システム (2) ビーコン信号を用いたさらされ状態 AP の推定手法, 信学ソ大,B-5-13,2016. (12) 01kiban09_ htm 問い合わせ先 NTTアクセスサービスシステム研究所無線アクセスプロジェクト TEL FAX mizoguchi.masato lab.ntt.co.jp 62

多様なアクセスを実現するワイヤレス技術

多様なアクセスを実現するワイヤレス技術 IoT/5G 時代で求められる多様な無線アクセス近年の通信インフラの進展と拡充に伴い, モバイル環境下でさまざまな通信サービスを享受できる生活スタイルが浸透してきました.2020 年代以降に向かっては, モバイル通信の高速化の進展による多様な品質のICTサービスが得られる生活の実現と,IoT (Internet of Things) インフラの拡充による新たな付加価値サービスの普及が見込まれます.