多様な周波数帯を活用した性能拡大に向けた取り組み

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無線通信の大容量 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無線通信が必要で 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 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 図 1  大容量データの利用シーン ①大容量ログデータの一括転送 ②周辺情報の機器への瞬時提供 ③大容量コンテンツのダウンロード

多様な周波数帯を活用した性能拡大に向けた

取り組み

内

田　大

誠 /藤

田　隆

史

平

賀　　健

/清

水　敬

司

赤

羽　和

徳

NTT未来ねっと研究所

disk）通信を，無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 の無線伝送速度の目標を現在の無線 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，無線デバイス 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 おいて簡単に無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 いる無線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，周辺の無線使用状況に影響され ない安定した100 Gbit/s無線転送が実 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IEEE802.15.3eと 無 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， IEEE802.15.3e，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，IEEE802.15.3e，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． IEEE802.15.3e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 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． 送信 アンテナ アンテナ受信 図 2  近距離のMIMOイメージ 経路差だけで空間分離可能

働監視や，画像 ・ 動画モニタリング， 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． 産業用の有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 開発や標準化が活発です．近年では， これら局所的な有線ネットワークにと どまらず，高信頼 ・ 低遅延な無線ネッ 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 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 Communica-tions: 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，無} 線LAN方式をベースとした車車間 ・ 路車間無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無線 通信方式が検討されており，既存の無 表　60 GHz帯標準規格の仕様 （参考）

LTE-advanced TransferJet（参考） IEEE802.11ac（参考） IEEE802.11ad IEEE802.15.3e IEEE802.11ay

周波数帯 800 MHz/1.5 GHz/1.7 GHz/ 2 GHz /3.5 GHz 4.5 GHz 5 GHz 60 GHz CH幅 （ボンディング無） 1.4, 3, 5, 10, 15, 20MHz 560 MHz 20 MHz 2.16 GHz CHボンディング （有時のCH幅） 有※ 1 無 （最大20 MHz有 ×8） 無 （最大2.16 GHz有 ×4 ） （検討中）有 MIMO （有時のｽﾄﾘｰﾑ数） （最大4）有 無 （最大8）有 無 （最大16）有 （検討中）有

伝送速度 最大375 Mbit/s※ 2 _{560 Mbit/s} 866 Mbit/s※ 3

（最大6.93 Gbit/s） 最大4.6 Gbit/s※ 4 11.4 Gbit/s

※ 5 （最大138 Gbit/s） ～100 Gbit/s（検討中） 主な利用シーン セルラ 非接触通信 スポット 近距離 （TransferJetの非接触通信 高速版） 非接触～ 近距離～ バックホール 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

線LANなどまで加えれば，利用可能 な無線方式の選択肢は多岐にわたりま す．また，無線通信の特性や品質は， 周波数バンドや無線方式，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上で無線方式aが動 作するアクセスポイント 1 と，バンド B上で無線方式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，無線方式aは十分に その通信性能を発揮できません．一方， 無線方式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，これら複数の無線方式から 最適なものを選択することで，適切な 無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 を活用する無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 や無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無線方式 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 ・ 無線通信方式を 活用したときに，通信性能を最大化す るマルチバンド無線システムシステム の設計 ・ 評価が可能となります． 図 3  高信頼・低遅延化に向けたマルチバンドの活用 アクセスポイント 1 ・バンドA （無線方式a） ・他端末による混雑多 ・電波干渉大 ・経路障害物多 アクセスポイント 2 ・バンドB（無線方式b） ・他端末による混雑少 ・電波干渉小 ・経路障害物少 干渉源 干渉 無線端末 （IoTデバイス） 障害物 （建物等） 他端末群 他端末群 通信 （バンドA） （バンドB）通信 図 4  マルチバンド伝搬評価技術 （b） 無線ネットワーク特性との結合シミュレーション例 （a） 交差点における 3 次元モデル（左）および電波強度シミュレーション結果（右） スループット スループット 遅延 遅延 パケットロス _{複数方式併用} パケットロス 単一方式単独

■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無線 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無線システムの設 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 用する無線アクセス技術を組み合わせ ていくことで，高信頼 ・ 低遅延な無線 通信システムの構築 ・ 提供をめざして いきます． 今後の展開 本稿ではIoTへ向けた無線通信シス テムの大容量化，低遅延 ・ 高信頼化に ついての取り組みを紹介しました．大 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 より無線伝送速度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 ・ 無 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無線アクセス 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，それらを満たす無 線技術の確立をめざしていきます． ■参考文献

（1） IEEE Std 802.11ac 2013 Part11：“Wireless LAN Medium Access Control（MAC）and Physical Layer（PHY）Specifications ── Amendment 4 : Enhancements for Very High Throughput for Operation in Bands below 6 GHz,” 2013.

（2） IEEE P802.15.3eTM/D05：“IEEE Draft Standard for High Date Rate Wireless Multi-Media Networks,” 2015.

（3） https://www.transferjet.org/ja/

（4） IEEE Std 802.11ad 2012 Part11：“Wireless LAN Medium Access Control （MAC） and Physical Layer（PHY）Specifications Amendment 3 : Enhancements for Very High Throughput in the 60 GHz Band,” 2012. （5） http://www.ieee802.org/11/Reports/tgay_

update.htm

（6） http://www.opensig.org/

（7） http://www.kantei.go.jp/jp/singi/it2/kettei/ pdf/20160520/2016_roadmap.pdf

（8） IEEE Std.802.11p 2010 Part 11：“Wireless LAN Medium Access Control （MAC）and Physical Layer（PHY）Specifications Amendment 6 : Wireless Access in Vehicular Environments,” 2010. （9） http://www.3gpp.org/news-events/3gpp-news/1675-lte_automotive （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/ 平賀 　健 ビッグデータやAIの普及により，IoTの社 会活用の潜在ニーズは大きいと考えられま す．その期待に無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 して無線通信の通信容量，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　046-859-3261 FAX　046-859-3351 E-mail　ntt-lab-wireless lab.ntt.co.jp 図 5  次世代ITSを想定した利用シーン例 取得電波伝搬データを用いて 電波環境を観測・分析・制御 端末位置に対して無線通信品質を 制御し，高信頼・低遅延を実現