多様な周波数帯を活用した性能拡大に向けた取り組み

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やすはるたなせ
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1 将来の IoT 将来の IoT(Internet of Things) では, メータリングや環境センシングのような低容量データだけでなく, 自動車や列車などのモノが撮影した映像のような大容量データの活用や, つながる機器を遠隔制御し社会の活動を最適化する利用も想定されます. 例えば, 自動車のドライブレコーダで撮影した映像データをクラウドへ転送して分析などに活用するためには, 長時間の映像データを転送する線通信の大容量化が必要です. また, 自動車の自動走行の実現にはリアルタイムで周囲情報取得や遠隔による制御が必要であり, 低遅延かつ高信頼な線通信が必要です. 本稿では, このような将来のIoT へ向けた大容量化, 低遅延高信頼化を実現するための取り組みを紹介します. 大容量化に向けて利用シーンモノが撮影した映像のような大容量データの利用シーンとしては次の 3 つが考えられます. そのイメージを図 ₁ に示します. 1 大容量ログデータの一括転送 : 自動車のドライブレコーダなど機器のログデータや, 屋内外, 移動体を問わずに広域に偏在されたカメラが撮影した動画モニタリングデータを適宜クラウドへ一括転送. 2 周辺情報の機器への提供 : 自動車, ロボットなどの機器を自動化するため, これらが自動で制御されるために必要な 3 次元地図情 IoT/M2Mからブロードバンドまで多様なニーズにこたえる線アクセス技術大容量低遅延高信頼化マルチバンド集多様な周波数帯を活用した性能拡大に向けた取り組み特うちだだいせいふじたたかふみ内田大誠 / 藤田隆史ひらがけんしみずたかし平賀健 / 清水敬司あかばねかずのり赤羽和徳 NTT 未来ねっと研究所報, 歩行者位置情報などの周辺環境情報をクラウドから機器へ瞬時提供. 3 大容量コンテンツのダウンロード : 機内などブロードバンド環境がなくストリーミング通信が難しい環境において, 動画やゲームなどのリッチコンテンツを楽しむために, あらかじめ希望するコンテンツをデバイスへダウンロード. このような利用シーンでは, 機器端末内のディスク上のデータを別の機器端末内のディスク上へ一括転送して, その機器端末でも同じログ環境, データベース環境を瞬時に構築することが期待されます. そのためには, これまでハードディスクなどのバックアップ作業で行っていたd2d(disk to NTT 技術ジャーナル

2 IoT/M2M からブロードバンドまで多様なニーズにこたえる線アクセス技術 disk) 通信を, 線ネットワークを介して離れた任意の機器間, 端末間で実現することが必要です. このような利用シーンを実現するために,d2d 通信の線伝送速度の目標を現在の線 LANの最高速度の10 倍以上となる, 100 Gbit/sと設定しました. 60 GHzアンライセンス帯 100 Gbit/sの実現に向け, ミリ波帯である60 GHzアンライセンス帯の活用が考えられます. アンライセンス帯は免許不要であるため, 線デバイスをさまざまな機器や端末へ自由に搭載でき, 基地局も用途に合わせて誰でも簡単に設置利用できることから, 上記の利用シーンのように多様な場所において簡単に線通信環境を構築できる利点があります. また,60 GHz 帯は以下の特徴があります. 1 広帯域性 ( 1 GHz 以上のチャネル帯域 ) 2 短波長で指向性がある ( 指向性アンテナを数 cm 程度のサイズで実現可 ) 3 通信距離が短い ( 自由空間伝搬損失, 遮蔽損失が大きい ) 1により, 従来のマイクロ波帯を用いる線 LANでは 1 ストリームの伝送速度が 1 Gbit/s 未満にとどまりますが (1),60 GHz 帯を用いますと最大 11.4 Gbit/sが可能になる見込みです (2). さらにMIMO(Multiple Input Multiple Output) の技術を用いると 100 Gbit/sの実現が見込めます. また, 3により, 通信エリアは小さくなりますが,2により, 干渉波を伝搬減衰とともにアンテナ指向性でも軽減できるため, 周辺の線使用状況に影響されない安定した100 Gbit/s 線転送が実現できると考えます. 60 GHz 帯の 1 ストリームの伝送速度 11.4 Gbit/sに対して,MIMOを用いた10ストリーム以上の空間多重により100 Gbit/sを実現するため, NTT 未来ねっと研究所は近距離 MIMOの技術に取り組んでいます. このイメージを図 2に示します. 通常, MIMOによる空間多重はマルチパス波を活用しますが, 通信距離が長い一般的な伝搬環境の場合, 空間多重数と同等の10 以上のマルチパス波を安定的に利用することは困難です. 一方, 通信距離が短い場合, 経路差を用いることにより, 各送信アンテナからの直接波を受信側で空間分離できます. しかし, 単純な平行アレイアンテナ配置を利用すると, 空間分離後のCINR (Carrie-to-Interference and Noise Ratio) *1 が空間多重数や送受信間のアンテナ位置関係によって著しく劣化します. そのため, 空間多重数を10 以上まで増やした場合, 端末位置が変動したときのCIR 補償が技術課題となります. この課題を解決するため,NTT 未来ねっと研究所では, 2 次元アレイアンテナ配置を活用した空間多重数に応じた最適配置設計や基地局側の複数 MIMO 系を利用した制御技術に関する研究開発を進めています. 60 GHzアンライセンス帯標準規格次に60 GHzアンライセンス帯の標準規格について紹介します. 各規格の特徴を表に示します. 代表的な規格として, 非接触通信にユースケースを特化したTransferJet (3) の次期高速版であるIEEE eと線 LANの高速版であるIEEE802.11ad (4), さらにその次期高速版である IEEE802.11ay (5) が挙げられます.IEEE802.11ad は2013 年 1 月に標準化を完了していますが, 送信アンテナ 2 IEEE e,IEEE802.11ayは現在標準化作業中です. いずれもチャネル帯域幅は2.16 GHzをベースとしており,IEEE e,IEEE802.11ay ではチャネルボンディング *2 やMIMO による複数ストリーム伝送により高速化機能が標準化される予定です. IEEE eについては,NTT 未来ねっと研究所は主要メンバとしてその活動を推進しており,100 Gbit/sを実現するMIMO 機能や高速の初期接続処理機能 ( 接続完了時間 0.2 秒以内 ) などを提案しています. 高信頼低遅延に向けて信アンテナ離近距離の MIMO イー社会の諸活動を支えるIoTサービス, とりわけ産業分野への応用においては, 信頼性が高く遅延 ( レイテンシ ) の小さい通信技術やシステムへの社会的要請が高まりつつあります. 産業用分野への応用では, 効率性生産性の観点から, 信頼性や遅延が特に重視されます. 例えば, 工場内の工作機械稼 *1 CINR: 所望波レベルと干渉波レベル + 雑音レベルの比. *2 チャネルボンディング : 複数のチャネルを束ねて 1 チャネルとする技術. 28 NTT 技術ジャーナル

3 周波数帯 CH 幅 ( ボンディング ) CH ボンディング ( 時の CH 幅 ) MIMO ( 時のストリーム数 ) LTE-advanced 800 MHz/1.5 GHz /1.7 GHz/ 2 GHz /3.5 GHz 1.4, 3, 5, 10, 15, 20 MHz 1 ( 最大 4) ロボットなどの制御システムには, リアルタイムで状況を把握し, センシング情報に基づき, 迅速にフィードバックを行うため, その期間内に現実に通信が完了していなくてはなりません. 産業用の線制御ネットワークとしては, 標準イーサネット共通の物理層と独自のMACプロトコルを組み合わせた産業用イーサネット規格 (EtherCATなど) が存在するほか, リアルタイム制御用途に対応可能な TSN(Time-Sensitive Network) と呼ばれる標準イーサネット拡張規格の策定などが進められています. また, 自動車業界でも, 広帯域低遅延通信を車載ハーネスで利用可能な IEEE802.3bw (6) 規格の策定が進むなど, 車載用イーサネットに関する技術表 TransferJet 伝送速度最大 375 Mbit/s Mbit/s 60 GHz 帯標準規格の仕様 IEEE802.11ac 開発や標準化が活発です. 近年では, これら局所的な線ネットワークにとどまらず, 高信頼低遅延な線ネットワークへの期待や重要性が増大してきています. 次世代 ITS 次世代 ITS(Intelligent Transport System: 高度交通システム ) の分野では,2030 年の実現を目標に, 自動走行システムの技術開発を産官学で進めています (7). 自動走行システムの制御では, 車載センサを用いた衝突回避などの自律型 ITS 技術に加えて, 車車間路車間通信を用いて車外の情報を取り込み, 人工知能 (AI) などを活用して先読み情報を提供する, 協調型 ITS 技術が必要とされています. 協調型 ITS 技術としては, 日本国内で760 MHz 帯を用いる ITS Connectが実用化 ( 最大 2.16 GHz 4) ( 検討中 ) ( 最大 16) ( 検討中 ) ~100 Gbit/s ( 最大 138 Gbit/s) ( 検討中 ) 非接触通信非接触 ~ (TransferJetの近距離 ~ 高速版 ) バックホール, 画像動画モニタリング, 集働監視やされ, サービスが開始されています. 欧米でも,5.9 GHz 帯のDSRC(Dedi- cated Short Range Communications: 狭域通信 ) サービス導入準備が進められています. これらは, いずれもIEEE802.11p (8) と呼ばれる, 線 LAN 方式をベースとした車車間路車間線通信方式を採用しています. また,LTE V2X (9) と呼ばれるセルラ方式ベースの車車間路車間通信方式の技術検討と標準化が進められています.LTE V2Xでは, 既存のLTE インフラが活用できるため, 新たな ITS 用インフラ敷設が不要というメリットがあります. このように, 自動走行システムの事例では, ライセンス帯アンライセンス帯含めた複数の周波数バンドの線通信方式が検討されており, 既存の IEEE802.11ad IEEE e IEEE802.11ay 4.5 GHz 5 GHz 60 GHz 560 MHz 20 MHz 2.16 GHz ( 最大 20 MHz 8) ( 最大 8) 866 Mbit/s 3 ( 最大 6.93 Gbit/s) 主な利用シーンセルラ非接触通信スポット近距離最大 4.6 Gbit/s Gbit/s 5 標準化完了完了完了完了 2017 年完了予定 2019 年完了予定 1 :CHボンディングとともに, キャリアアグリゲーション ( 複数バンドを束ねて伝送 ) もあり 2 :2016 年 9 月時点のNTTドコモ Premium4Gサービスのスペック ( キャリアアグリゲーション適用 ) 3 : 端末がスマートフォンの場合 ( 2 アンテナ,20 MHz 4 ボンディングを想定 ) 4 :Single-Carrier PHYを適用した場合 5 : 1 ストリーム伝送時

IoT/M2M からブロードバンドまで多様なニーズにこたえる線アクセス技術線 LANなどまで加えれば, 利用可能な線方式の選択肢は多岐にわたります.

例えば, バンドA 上で線方式 aが動作するアクセスポイント 1 と, バンド B 上で線方式 bが動作するアクセスポイント 2 とが利用可能だとします ( 図 ₃).

一方, 線方式 bの通信性能のほうが劣っていたとしても, 混雑や干渉, 障害物などの少ないバンドBのほうが, 結果的に確実に通信できることもあります.

マルチバンド伝搬評価技術そこで,NTT 未来ねっと研究所では, マルチバンド伝搬評価技術とこれを活用する線アクセス技術の研究開発に取り組んでいます. 本技術の概要を図 ₄に示します.

4 IoT/M2M からブロードバンドまで多様なニーズにこたえる線アクセス技術線 LANなどまで加えれば, 利用可能な線方式の選択肢は多岐にわたります. また, 線通信の特性や品質は, 周波数バンドや線方式, 利用可能な通信インフラや通信端末の位置, 干渉などの電波環境によって異なります. 例えば, バンドA 上で線方式 aが動作するアクセスポイント 1 と, バンド B 上で線方式 bが動作するアクセスポイント 2 とが利用可能だとします ( 図 ₃). 方式 aの通信性能 ( 伝送速度や遅延性能 ) が高くても, バンドAが多数の端末で混雑していたり, 大きな干渉が存在したり, 途中に障害物があったりすると, 線方式 aは十分にその通信性能を発揮できません. 一方, 線方式 bの通信性能のほうが劣っていたとしても, 混雑や干渉, 障害物などの少ないバンドBのほうが, 結果的に確実に通信できることもあります. このように, マルチバンドの電波環境に応じて, これら複数の線方式から最適なものを選択することで, 適切な線通信を実現していくことが可能になります. マルチバンド伝搬評価技術そこで,NTT 未来ねっと研究所では, マルチバンド伝搬評価技術とこれを活用する線アクセス技術の研究開発に取り組んでいます. 本技術の概要を図 ₄に示します. アクセスポイントや線端末周辺に存在する建物や物体の 3 次元データから, 直接波や反射波の電波強度や電波到来時間をシミュレーションして, マルチバンドでの電波伝搬データを取得します ( 図 4(a)). さらに, バンドごとに異なる線方式のネットワークシミュレーションと結合し, 端末の混雑度や干渉などの電波環境の影響まで考慮した処理遅延パケットロス特性などを評価できます ( 図 4(b)). この評価結果を利用して, 複数の周波数バンド線通信方式を活用したときに, 通信性能を最大化するマルチバンド線システムシステムの設計評価が可能となります. 30 NTT 技術ジャーナル

集 5 ITSを想定した利用シーン利用シーン次世代 ITSを想定した利用シーン例を図 ₅に示します. 道路や交差点近傍に設置されたアクセスポイントと線端末との間の電波環境を観測分析することで, 例えば自動走行システムにおけるブレーキやハンドル操作をリアルタイム制御可能な線システムの設計などに活用できます.

5 集 5 ITSを想定した利用シーン利用シーン次世代 ITSを想定した利用シーン例を図 ₅に示します. 道路や交差点近傍に設置されたアクセスポイントと線端末との間の電波環境を観測分析することで, 例えば自動走行システムにおけるブレーキやハンドル操作をリアルタイム制御可能な線システムの設計などに活用できます. このように, NTT 未来ねっと研究所では, マルチバンド伝搬評価技術, およびこれを活用する線アクセス技術を組み合わせより線伝送速度 100 Gbit/sを実現する技術, 標準化活動について紹介しました. また, 低遅延高信頼化については, 複数の異なる周波数バンド線方式を最適に組み合わせることの必要性を述べ, マルチバンド伝搬評価技術およびこれを活用する線アクセス技術の取り組みを紹介しました. IoTは, 今後要求条件がさらに多様化すると予想され, それらを満たす線技術の確立をめざしていきます. 参考文献 (1) IEEE Std ac 2013 Part11: Wireless ていくことで, 高信頼低遅延な線 LAN Medium Access Control(MAC)and 通信システムの構築提供をめざして Physical Layer(PHY)Specifications Amendment 4 : Enhancements for Very High いきます. Throughput for Operation in Bands below 6 GHz, (2) IEEE P eTM/D05: IEEE Draft 今後の展開 Standard for High Date Rate Wireless Multi- Media Networks, 本稿ではIoTへ向けた線通信システムの大容量化, 低遅延高信頼化に (3) (4) IEEE Std ad 2012 Part11: Wireless LAN Medium Access Control (MAC)and Physical Layer(PHY)Specifications ついての取り組みを紹介しました. 大 Amendment 3 : Enhancements for Very High 容量化については,60 GHzアンライセンス帯を活用して, 近距離 MIMOに Throughput in the 60 GHz Band, (5) (9) 特update.htm pdf/ /2016_roadmap.pdf LAN Medium Access Control (MAC)and Physical Layer(PHY)Specifications Amendment 6 : Wireless Access in Vehicular Environments, news/1675-lte_automotive 平賀健ビッグデータやAIの普及により,IoTの社 NTT 技術ジャーナル (6) (7) (8) IEEE Std p 2010 Part 11: Wireless ( 後列左から ) 清水敬司 / 赤羽和徳 ( 前列左から ) 藤田隆史 / 内田大誠 / 会活用の潜在ニーズは大きいと考えられます. その期待に線通信がより貢献できるよう, 多様なアンライセンスバンドを活用して線通信の通信容量, 通信品質の限界に挑戦していきます. 問い合わせ先 NTT 未来ねっと研究所ワイヤレスシステムイノベーション研究部 TEL FAX ntt-lab-wireless lab.ntt.co.jp

802.11ac技術の機器組込み時に理解しておきたいこと

802.11ac技術の機器組込み時に理解しておきたいこと 802.11ac 技術の機器組込み時に理解しておきたいこと White Paper: WP15EW0101 silex technology, Inc. はじめに IEEE802.11ac( 以下 11ac) は 2007 年に登場した規格 IEEE802.11n( 以下 11n) に比べより高速でより容量のデータ転送を実現できる規格です無線 LAN 通信の仕様策定をっている国電気電学会