MRA国際ワークショップ 5Gに向けた新しい5GHz帯無線LAN

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さみのたけ
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1 MRA 国際ワークショップ 5G に向けた新しい 5GHz 帯無線 LAN 2017 年 3 月 23 日 NTT アクセスサービスシステム研究所井上保彦

2 Agenda はじめに IEEE Working Group これまでの IEEE 無線 LAN 標準化次世代 5GHz 帯無線 LAN - IEEE ax ax での採用が見込まれる新たな技術 5G に向けてセルラーと無線 LANの連携 IEEE 802 委員会における5Gの取り組み 5GHz 帯無線 LAN 普及の普及に向けたチャレンジ 5GHz 帯の更なる活用システム間の周波数共用 2

3 Disclaimer 3

4 はじめに Train Station Airport Home Campus Wireless LANs everywhere!! Home Class Room Shopping Mall 4

5 IEEE Working Group これまでの IEEE 無線 LAN 標準化次世代 5GHz 帯無線 LAN - IEEE ax ax での採用が見込まれる新たな技術

6 IEEE Working Group IEEE is a working group, responsible for generating Wireless LAN standards operates under The Sponsor : IEEE LMSC LAN / MAN Standards Committee aka 802 IEEE Computer Society IEEE-SA Standards Board Work in is divided into various activities Task groups one per approved standard or amendment to be developed Study groups the precursor to a task group that determines initial requirements and seeks approval Various standing committee's responsible for ongoing work, such a publicity and regulatory Reference) What is doing? available from: 6

7 IEEE 802 LAN/MAN Standards Committee IEEE 802: LAN/MAN (Metropolitan Area Networks) の標準化を行う委員会有線系 WG 802 Executive Committee 無線系 WG (HILI) 映像伝送機能で協調活動 (Ethernet) (WPAN) (WLAN) (WMAN) WLAN/WPAN 間の共存機能 (Coex) (MIHS) Media Independent Handover システム間の (3G-Wi-Fi) 周波数共用周波数規則 (WRAN) (RR-TAG) (Smart Grid) 様々な外部団体とリエゾン関係に基づく情報交換を行い技術検討を実施 Wi-Fi Alliance IETF Bluetooth 3GPP 無線 LAN 機器間の相互接続性の認証無線 LAN の上位層や NW 側のプロトコルを検討 2.4 GHz 帯の共同利用に関する検討ネットワーク連携機能に関する検討 ISO/IEC JTC1 ISO 標準化 7

8 Max. PHY rate [bit/s] History of Wireless LAN Standardization (1/2) 無線 LAN の主な物理層の規格 10 G 1 G 100 M GHz 20 MHz channel OFDM ( 6 54 M bit/s) a 60 GHz Single Carrier & OFDM g n ad ac 2.4 GHz + 5 GHz 20 and 40 MHz Channels MIMO OFDM 5 GHz 80 and 160 MHz channels DL MU-MIMO 10 M 1 M PHY b 2.4 GHz DSSS (1 & 2 M bit/s) CCK (5.5 & 11 M bit/s) 2.4 GHz 3 PHYs (DSSS, FHSS, IrDA) 1 or 2 M bit/s 2.4 GHz b a 920 MHz Down clocked ac PHY 8

9 History of Wireless LAN Standardization (2/2) 無線 LAN の MAC 層とマネジメント機能の規格 Application aa (Video Transport Stream) Security and QoS i (Security) e (QoS) u (Wireless Inter-working With External Networks) w (Protected Management Frames) r (Fast Inter-BSS Transition) ae (Prioritized Management Frames) Networking and Management MAC (original) d h (Multi-Domain (Spectrum Operation) Managed 11a) k (Radio Resource Measurement) ai (Fast Initial v Link Setup) (Wireless Network Management) s (Mesh Networking) z (Tunneled Direct Link Setup) 9

10 無線 LAN 標準化プロセスと各サブグループの状況 Scope Discussion Topics Study Group Making Draft Task Group WG Ballot Sponsor Ballot Published Base Standard MAC PHY LRLP TIG Ad Hoc Groups WNG SC 技術的なディスカッション新プロジェクトの提案ユースケース, TG 設立準備 (PAR & CSD) TGba WUR TGaz NGP TGax HEW TGay NG60G 要求条件の明確化提案募集ドラフト作成 TGak GLK TGaj CmmW TGaq PAD ドラフト改訂 / 審議 (WG Ballot / Sponsor Ballot) ai FILS ah Sub 1 GHz a b d e g h i j k aa ac ad n p r s u v w y z ae af 10

11 IEEE WG - 現在活動中のサブグループ Sub-group Task Group AJ (TGaj) Mission China millimeter wave ad (60 GHz WLAN) の中国周波数規則対応 Task Group AK (TGak) Enhancements for Transit Links with Bridged Networks 802.1Q Bridged Network 内のリンクとして動作するための機能拡張 Task Group AQ (TGaq) Task Group AX (TGax) Task Group AY (TGay) Task Group AZ (TGaz) Task Group BA (TGba) LC TIG WNG SC Pre-Association Service Discovery 端末が AP に接続する前に, 利用可能なサービスの情報を入手するための機能拡張 High Efficiency WLAN between 1 and 6 GHz 実環境で従来比 4 倍以上のスループットを達成するための機能拡張 Next Generation 60 GHz WLAN 60 GHz 帯を使用し,20 G bit/s 以上のスループットを達成するための機能拡張 Next Generation Positioning FTM (Fine Timing Measurement) プロトコルを用いて, より高精度な測位を可能とするための機能拡張 Wake-up Radio Energy efficient reception mode without increase of latency for the standard. To determine the technical and economic opportunity presented by using the light medium for wireless communications. WLAN Next Generation Sanding Committee General discussions for the next generation WLAN services and technologies. 11

12 IEEE Standards Family Standards Scope Standards Scope WLAN PHY & MAC s-2011 Mesh Networking a-2001 OFDM PHY in 5GHz u-2011 Wireless Interworking b-2001 High Rate in 2.4 GHz v-2011 Wireless Network Management d-2001 Multi-Regulatory domain operation w-2009 Protected Management Frames e-2005 QoS enhancement y-2008 Contention Based Protocol for U.S. 3.5 GHz g-2003 OFDM PHY in 2.4 GHz z-2010 Tunneled Direct Link Setup h-2003 Spectrum Managed a (DFS &TPC) aa-2012 Video Transport Stream i-2003 Security Enhancement ac-2013 Very High Throughput < 6GHz j-2004 JP 5GHz Wireless Access ad-2012 Directional Multi-Gigabit WLAN k-2008 Radio Resource Measurement ae-2012 Prioritized Management Frames n-2009 High Throughput af-2013 TV White Space operation p-2011 Wireless Access in Vehicular Environment (WAVE) ah-2016 Sub 1 GHz r-2008 Fast BSS Transition ai-2016 Fast Initial Link Setup (FILS) 12

13 IEEE ax 標準化 ax 無線 LAN 標準化に至るまでの経緯当時の無線 LAN の状況周囲に数多くの無線 LAN 機器干渉が発生接続しにくいスピードが出ない無線 LAN ネットワーク飛んでいる信号の約半分はマネジメントフレーム Beacon ( ネットワーク制御用報知信号 ) Probe ( ネットワーク検索 ) etc. 混雑した環境の中ででもしっかりと性能を出せる無線 LAN が必要! 13

14 IEEE ax Use Cases Usage Models/Use Cases 1 標準化作業を開始する前 (Study Group の時代 ) に利用形態を議論 high density of APs and high density of STAs per AP 2 high density of STAs Indoor 3 4 high density of APs (low/medium density of STAs per AP) Indoor high density of APs and high density of STAs per AP Outdoor 5 Throughput-demanding applications a b c d e f a b c d a b a b c a b c stadium airport/train stations exhibition hall shopping malls E-Education Wi-Fiアライアンスが Multi-media Mesh backhaul 重要であるとの見解を dense wireless office 示したユースケース public transportation lecture hall Manufacturing Floor Automation dense apartment building Community Wi-Fi Super dense urban Street Pico-cell street deployment Macro-cell street deployment surgery/health care (similar to 2e from 11ac) production in stadium (similar to 1d-1e from 11ac) smart car ( 出典 ) hew-sg-usage-models-and-requirements-liaison-with-wfa.ppt 14

15 IEEE ax 無線 LAN への要求条件 Use Case の議論から抽出された要求条件 Higher efficiency/better area throughput (especially in dense deployment scenarios) Consideration for outdoor environment Wireless LAN Better Power Save capability Extension for new market segments (IoT, M2M, V2V, etc.) 15

16 Project Authorization Request (PAR) 抜粋 Scope of the project: This amendment defines standardized modifications to both the IEEE physical layers (PHY) and the IEEE Medium Access Control layer (MAC) that enable at least one mode of operation capable of supporting at least four times improvement in the average throughput per station (measured at the MAC data service access point) in a dense deployment scenario, while maintaining or improving the power efficiency per station. This amendment defines operations in frequency bands between 1 GHz and 6 GHz. The new amendment shall enable backward compatibility and coexistence with legacy IEEE devices operating in the same band. < ポイント > 無線 LAN が高密度に設置された環境において STA あたりの平均スループットを 4 倍以上改善する動作モードを有すること低消費電力化への配慮も必要. 対象周波数帯は 1GHz <= f <= 6GHz. 16

802.11 TGax Purpose Improve performance of WLAN deployments in dense scenarios Targeting at least 4x improvement in the per-sta throughput compared to 802.

Dense scenarios are characterized by large number of access points and large number of associated STAs deployed in geographical limited region, e.g. a stadium or an airport.

17 TGax Purpose Improve performance of WLAN deployments in dense scenarios Targeting at least 4x improvement in the per-sta throughput compared to n and ac. Improved efficiency through spatial reuse and enhanced power save techniques. Dense scenarios are characterized by large number of access points and large number of associated STAs deployed in geographical limited region, e.g. a stadium or an airport. Access to Internet, latest airlines announcements, and digital media such as movies and sport events Reference) What is doing? available from: 11%20doing.pptx 17

18 次世代 5GHz 帯無線 LAN IEEE ax 従来の無線 LAN との違い従来の 5GHz 帯無線 LAN の進化伝送速度の改善 IEEE a-2001: 最大伝送速度 54 M bit/s OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 20 MHz channel bandwidth IEEE n-2009: 最大伝送速度 600 M bit/s OFDM + MIMO (Multiple Input Multiple Output) 20 MHz, (optional) 40 MHz channel bandwidth IEEE ac-2013: 最大伝送速度 7.93 G bit/s DL MU-MIMO (Downlink Multi-User MIMO) 20 MHz, 40 MHz, 80 MHz & (optional) 160 MHz channel bandwidth IEEE ax 1 チャネルあたりの帯域幅の拡大が伝送速度の向上に寄与 MAC 層の効率改善技術も同時に規定無線 LAN 機器が高密度に存在環境における周波数利用効率の更なる向上 18

19 IEEE ax Possible New Technologies (1) マルチユーザ伝送技術 (1) AP STA#1 STA#2 STA#3 STA#4 これまでの到達点と課題 IEEE ac: 下りマルチユーザ MIMO (Downlink Multi-User MIMO) channel access IEEE ax: 上りマルチユーザ MIMO (Uplink Multi-User MIMO) の追加 AP からのトリガーに従い上り方向のマルチユーザ伝送データにも応答にも適用可 AP STA#1 STA#2 STA#3 STA#4 Data (DL MU-MMO) channel access Trigger Data (UL MU-MIMO) BAR ~ BA sequence 個別の確認手順効率劣化 Block ACK time time 19

20 IEEE ax Possible New Technologies (2) マルチユーザ伝送技術 (2) OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) 背景これまでの無線 LAN の高速化の方向性 : チャネル幅の拡大 a: 20 MHz n: optional 40 MHz ac: 80 MHz, optional 160 MHz Freq. 20 MHz 20 MHz 20 MHz 端末の能力次第では周波数リソースを使いきれない!! OFDMA の規定 20 MHz 20 MHz 20 MHz 20 MHz 20 MHz a 20 MHz n optional 40 MHz ac 80 MHz ac optional 160 MHz 20 MHz のチャネルを更に分割して複数のユーザを収容 MU-MIMO と同様の上下データ転送手順 1 #2 #3 n 最大 160 MHz 20 MHz channel 20 MHz channel 20

Collision over reach AP 障害物 Transmission Suppressed 隠れ端末問題

21 IEEE ax Possible New Technologies (3) Spatial Reuse 無線 LAN のアクセス制御 : CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance) 課題隠れ端末問題 / さらし端末問題によるスループットの劣化先行送信 AP Collision over reach AP 障害物 Transmission Suppressed 隠れ端末問題 ax Spatial Reuse Technique さらし端末問題対策同一周波数に存在する他のエリアからの信号を識別自身の送信が先行する送信に悪影響を与えない場合には送信を行う AP 同時送信エリアスループットの向上さらし端末問題 AP 21

22 IEEE ax Possible New Technologies (4) ax 用 OFDM シンボルフォーマットの規定 4x symbol length 屋外環境対応従来の OFDM シンボル ax 用 OFDM シンボル時間軸上で見た OFDM 信号遅延波の影響を吸収するガードインターバル (GI): 0.8 ms 情報を送る部分 : 3.2 ms 屋外電波伝搬環境に対応するため 0.8 ms の他に 1.6, 3.2 ms を規定 GI t GI 情報を送る部分 : 12.8 ms t サブキャリア間隔 khz サブキャリア間隔 khz 周波数軸上で見た OFDM 信号 f f 20 MHz 20 MHz 伝送効率を損なわずに GI を延長屋外環境のより長い遅延広がりに対応 22

23 IEEE ax Possible New Technologies (5) その他マルチユーザ伝送用プロテクション ( チャネル予約 ) メカニズム : MU-RTS (Multi-User RTS)/CTS procedure 上りマルチユーザ伝送に対する応答の効率化 M-BA (Multi-Station Block ACK) パワーセーブ機能の向上 ah の機能を流用 TWT (Target Wake Time) 運用パラメータの動的な変更 OMI (Operation Mode Indication) 長距離伝送用信号フォーマット Extended Range format マルチユーザ伝送に関連する機能周波数利用効率を改善する技術に加え無線 LAN の適用領域を拡大するための様々な技術が議論されている 23

24 IEEE ax Timeline 2016 年 9 月会合で合意されたスケジュール Comment Resolution Comment Resolution Comment Resolution TG Kick Off (May 2014) Comment Collection WG Letter Ballot Sponsor Ballot Development of Spec Framework Document (Nov 14 - Jan 2016) PAR Approval (Mar 2014) ax Draft 0.1 (Apr. 2016) ax Draft 1.0 (Dec. 2016) ax Draft 2.0 (May 2017) IEEE ax Ratification 承認率 57.7% で次のプロセスに進むための要件 ( 承認率 75%) を満たさず注 ) 標準化スケジュールと製品化の動向は必ずしも一致しないので注意が必要 24

25 5G にむけてセルラーと無線 LAN の連携 IEEE 802 委員会における 5G の取り組み

For the Future Mobile Services, Wireless LANs are

together with the cellular and other systems.

will be じたアクセス手段の選択って可 chosen considering the place and

Cloud Service Office Home/residential area Business

sharing audio/video conference and collaboration Web

26 For the Future Mobile Services, Wireless LANs are expected to support huge amount of mobile data demands together with the cellular and other systems. Cloud Service Appropriate 利用場所やアプリケーションに応 access method will be じたアクセス手段の選択って可 chosen considering the place and application 能? Cloud Service Office Home/residential area Business applications: Remote access to the office Document sharing audio/video conference and collaboration Web browsing, Web entertainment, で調べ物, 目的地ま SNS, でのナビゲーション network storage,, エンターテイメントサービス electric paper,, SNS navigation, の利用,etc etc. 26

27 5G モバイル 5G モバイルへの要求条件 Enhanced mobile broadband Massive machine type communications Ultra-reliable and low latency ax/ay ah? 多様化するニーズに対応するためには様々な無線システムが連携しながらモバイルサービスを提供してゆくこと肝要無線 LAN とセルラーとの連携はますます重要に! 27

and Selection Function) LTE 等の 3GPP のアクセスネットワークと無線 LAN 等の非 3GPP アクセスネットワークとの接続ポリシーを端末に提供する機能 3GPP における LTE と WLAN

28 セルラーと無線 LAN の連携に関する議論これまでの検討 IEEE u Interworking with External Networks GAS (Generic Advertisement Serive) による情報提供 ANDSF (Access Network Discovery and Selection Function) LTE 等の 3GPP のアクセスネットワークと無線 LAN 等の非 3GPP アクセスネットワークとの接続ポリシーを端末に提供する機能 3GPP における LTE と WLAN の連携機能の検討 LWA (LTE WLAN Aggregation) LWIP (LTE WLAN Radio Level Integration with IPsec Tunneling) LTE 基地局 (enode B) ライセンスバンド WLAN AP アンライセンスバンド LTE バックボーン (Enhanced Packet Core) リンクアグリゲーション 28

29 IEEE 802 委員会における 5G 関連の活動 IEEE 802 5G Standing Committee IEEE における 5G の議論 ( ~ ) 方向性 1: IEEE における将来の無線サービスの議論方向性 2 : 既存システムの IMT-2020 への提案 (!?) 現在の議論方向性 1: IEEE OmniRAN Task Group が主導し IEEE における将来の通信サービスの全体像を検討新グループの立ち上げを実施中無線だけではなく, アクセスネットワーク全体が検討対象モバイルオペレータ以外の産業界とも連携 Industry Connection 将来の通信サービスに必要な標準化活動等を模索方向性 2: IEEE が主導し, 無線 LAN をはじめとする IEEE 802 の技術を 3GPP と連携して IMT-2020 に提案 3GPP 側の反応はイマヒトツ ( 結果は???) 無線周波数規則関連の活動 WG が主導 WRC-19, 並びにその先に向けた周波数の拡大 29

30 5GHz 帯無線 LAN の普及に向けたチャレンジ 5GHz 帯の更なる活用にむけてシステム間の周波数共用

31 5GHz 帯の更なる活用にむけて 5GHz 帯の周波数事情 WLAN channels 20 MHz channels 40 MHz channels W52/UNII-1 ( ) W53/UNII-2 ( ) W56/UNII-2e ( ) W58/UNII-3 ( ) 36,40,44,48, 52,56,60,64 100, 108, 116, 124, 132, , 157, , 112, 120, 128, 136, , 161, 80 MHz channels 160 MHz channels MHz channels 36+40, 44+48, 52+56, , , , , UNII-2, UNII-2e: レーダとの共用が必要なため, あまり使用されていない更なる活用 Other Systems MSS Feeder Links ( ) SAR, TDWR ( ) RADAR ( ) 国際的には地球探査衛星宇宙研究その他に割り当てられている DSRC ( ) Amateur ( ) ISM ( ) [MHz] 31

32 5GHz 帯の更なる活用に向けてレーダとの周波数共用技術 :Dynamic Frequency Selection (DFS) DFS Channel DFS の動作 Channel Availability Check (>= 60 sec) 運用開始 In-Service Monitoring Wireless LAN signals レーダ検出 Channel Move Time (<= 10 sec) 停波 time 無線 LAN 標準規格で提供される機能 : レーダ検出後のチャネル変更手順 IEEE h Channel Switch Announcement (CSA) レーダ検出 Management Frame CSA CSA 情報要素で移行先チャネルと移行タイミングを報知 Beacon CSA (3) Beacon CSA (2) Beacon CSA (1) Beacon CSA (0) DFS Channel Switch to a new channel time 課題検出するべきレーダパターンの情報の不足今後更なる情報の開示が必要 32

33 5GHz 帯における無線システム間の共存 (1/2) 5GHz 帯を使用する新たな無線システム 3GPP が標準化した LTE をベースとした無線システムが出現 LTE-U (LTE-Unlicensed) LAA (Licensed Assisted Access) MuLTEFire 特徴 LAA は 3GPP が,LTE-U と MuLTEFire は業界団体が規格を策定. LTE-U と LAA は EPC (Evolved Packet Core) を前提とし, 初期版は Carrier Aggregation あるいは LTE の Supplemental Downlink として使用. MuLTEFire は, より無線 LAN 的な使い方が可能? 無線 LAN と新たな無線システムとの共存新たな課題! 33

34 5GHz 帯における無線システム間の共存 (2/2) 基本的な共存の考え方 Listen Before Talk (LBT) 自分が話をする ( 送信する ) 前に他の誰かが話をしていないか ( 送信していないか ) を確認参考 : 無線 LANのLBT 手順 ~ CSMA/CAプロトコル無線 LAN 機器は, 基本的に常時チャネルの状況を監視一定 (DIFS) 時間以上搬送波が検出されなくなると, チャネルは未使用状態とみなす. アイドル状態になったら, 送信データを持つ機器は乱数を発生させチャネルが未使用状態である間一定時間 (SlotTime) 毎に値を減算. 乱数値が 0 になったら送信を開始.0 になる前に他の局が送信を始めたら, チャネルがアイドルになるまで再び待機. Contention Window SIFS Busy Medium DIFS SlotTime Frame A C K LTE ベースのシステムも,CSMA/CA に準ずる手順を使用することにより, 無線 LAN との公平な周波数共存が可能 34

35 まとめ以下の項目についてご紹介しました IEEE 無線 LAN 標準化ワーキンググループのご紹介 IEEE ax の標準化動向をご紹介 IEEE 802 委員会における 5G モバイルの検討状況 5GHz 帯の更なる活用に向けた課題無線 LANのDFS 機能無線 LANと5GHz 帯を使用する新たな無線システムとの共存 IEEE ax webpage 35

36 Thank you very much!

次世代無線LAN

次世代無線LAN 資料 9-6 超高速高効率無線 LAN 標準化動向 204 年 7 月日 NTT アクセスサービスシステム研究所鷹取泰司モバイル通信分野におけるパラダイムシフトスマートフォンやタブレットなどのスマートデバイスの普及に伴ってより多くの人がリッチコンテンツを楽しむようになっている今後もさらにモバイルトラヒックが増大していくことが予想されている無線 LAN の利用形態特定のユーザが利用