MRA国際ワークショップ 5Gに向けた新しい5GHz帯無線LAN

(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

(2)

2

Agenda



はじめに



IEEE 802.11 Working Group



これまでのIEEE 802.11無線LAN標準化



次世代5GHz帯無線LAN - IEEE 802.11ax



802.11ax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

(3)

3

(4)

4

はじめに

Train Station

Campus

Home

Shopping Mall

Class Room

Airport

_Home

Wireless LANs

everywhere!!

(5)

IEEE 802.11 Working Group



これまでのIEEE 802.11無線LAN標準化



次世代5GHz帯無線LAN - IEEE 802.11ax

(6)

6

IEEE 802.11 Working Group



IEEE 802.11 is a working group, responsible for generating

Wireless LAN standards



802.11 operates under



The “Sponsor”: IEEE LMSC “LAN / MAN Standards Committee” – aka “802”



IEEE Computer Society



IEEE-SA Standards Board



Work in 802.11 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

(7)

7

IEEE 802 LAN/MAN Standards Committee



IEEE 802: LAN/MAN (Metropolitan Area Networks)の標準化を行う委員会

802 Executive Committee

802.18 (RR-TAG)

802.19 (Coex)

802.15 (WPAN)

802.16 (WMAN)

802.21 (MIHS)

802.22 (WRAN)

有線系WG

無線系WG

Wi-Fi Alliance

IETF

Bluetooth

3GPP

映像伝送機能で

協調活動

Media Independent Handover (3G-Wi-Fi) システム間の周波数共用 無線LANの上位層や NW側のプロトコルを検討 無線LAN機器間の 相互接続性の認証 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

802.1 (HILI)

802.3 (Ethernet)

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

WLAN/WPAN間の 共存機能

802.11 (WLAN)

802.24 (Smart Grid)

周波数規則

(8)

8

History of Wireless LAN Standardization (1/2)



無線LANの主な物理層の規格

1995

2000

2005

2010

2015

10 G

1 G

100 M

10 M

1 M

Max.

PH

Y

rat

e [b

it/

s]

802.11 PHY

• 2.4 GHz • 3 PHYs (DSSS, FHSS, IrDA) • 1 or 2 M bit/s

802.11b

802.11g

802.11a

• 2.4 GHz • DSSS (1 & 2 M bit/s) • CCK (5.5 & 11 M bit/s) • 2.4 GHz • 802.11b + 802.11a

802.11n

• 2.4 GHz + 5 GHz • 20 and 40 MHz Channels • MIMO OFDM • 5 GHz • 20 MHz channel • OFDM ( 6 – 54 M bit/s) • 5 GHz • 80 and 160 MHz channels • DL MU-MIMO

802.11ad

• 60 GHz

• Single Carrier & OFDM

_802.11ac

• 920 MHz • Down clocked

(9)

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

1995

2000

2005

2010

2015

802.11i (Security) 802.11e (QoS) 802.11d (Multi-Domain Operation) 802.11k (Radio Resource Measurement)

802.11r (Fast Inter-BSS Transition)

802.11s

(Mesh Networking) 802.11v

(Wireless Network Management) 802.11u (Wireless Inter-working With External Networks)

802.11w (Protected Management Frames)

802.11z

(Tunneled Direct Link Setup) 802.11aa (Video Transport Stream)

802.11ae (Prioritized Management Frames)

Networking and Management

Security and QoS

Application

802.11ai (Fast Initial Link Setup) 802.11 MAC (original) 802.11h (Spectrum Managed 11a)

(10)

10 Scope Discussion Topics Study Group Task Group Sponsor

Ballot Published Base Standard

Making Draft WG Ballot MAC PHY

802.11-2016

無線LAN標準化プロセスと各サブグループの状況

802.11aa 802.11-2012 802.11a 802.11h 802.11j 802.11b 802.11g 802.11k 802.11r 802.11u 802.11y 802.11v 802.11e 802.11i 802.11d WNG SC Ad Hoc Groups 802.11z • 要求条件の明確化 • 提案募集 • ドラフト作成 • ユースケース， • TG設立準備 (PAR & CSD) ドラフト改訂／審議 (WG Ballot / Sponsor Ballot) TGaq PAD 802.11s 802.11n 802.11p 802.11w 802.11-1997 TGaj CmmW TGak GLK TGax HEW • 技術的なディスカッション • 新プロジェクトの提案 TGaz NGP TGay NG60G LRLP TIG TGba WUR 802.11ai FILS 802.11ah Sub 1 GHz 802.11ac 802.11ad 802.11ae 802.11af

(11)

11

IEEE 802.11 WG - 現在活動中のサブグループ

Sub-group

Mission

Task Group AJ (TGaj)

• China millimeter wave – 802.11ad (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)

• 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。

Task Group AX (TGax)

• 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。

Task Group AY (TGay)

• 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。

Task Group AZ (TGaz)

• 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

Task Group BA (TGba)

• Wake-up Radio – Energy efficient reception mode without increase

of latency for the 802.11 standard.

LC TIG

• To determine the technical and economic opportunity presented by

using the light medium for wireless communications.

WNG SC

• WLAN Next Generation Sanding Committee – General discussions

for the next generation WLAN services and technologies.

(12)

12

IEEE 802.11 Standards Family

Standards

Scope

Standards

Scope

802.11-1997

WLAN PHY & MAC

_802.11s-2011

Mesh Networking

802.11a-2001

OFDM PHY in 5GHz

_802.11u-2011

Wireless Interworking

802.11b-2001

High Rate in 2.4 GHz

_802.11v-2011

Wireless Network Management

802.11d-2001

Multi-Regulatory domain operation

_802.11w-2009

Protected Management Frames

802.11e-2005

QoS enhancement

_802.11y-2008

Contention Based Protocol for U.S. 3.5 GHz

802.11g-2003

OFDM PHY in 2.4 GHz

_802.11z-2010

Tunneled Direct Link Setup

802.11h-2003

Spectrum Managed 802.11a (DFS &TPC)

802.11aa-2012

Video Transport Stream

802.11i-2003

Security Enhancement

_{802.11ac-2013}

Very High Throughput < 6GHz

802.11j-2004

JP 5GHz Wireless Access

_{802.11ad-2012}

Directional Multi-Gigabit WLAN

802.11k-2008

Radio Resource Measurement

_{802.11ae-2012}

Prioritized Management Frames

802.11n-2009

High Throughput

_{802.11af-2013}

TV White Space operation

802.11p-2011

Wireless Access in Vehicular Environment (WAVE)

802.11ah-2016

Sub 1 GHz

(13)

13

IEEE 802.11ax 標準化



802.11ax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！

(14)

14

IEEE 802.11ax – Use Cases



Usage Models/Use Cases



標準化作業を開始する前（Study Groupの時代）に、利用形態を議論

1 high density of APs and high density of STAs per AP a stadium b airport/train stations c exhibition hall d shopping malls e E-Education

f Multi-media Mesh backhaul

2 high density of STAs – Indoor

a dense wireless office

b public transportation

c lecture hall

d Manufacturing Floor Automation 3 high density of APs (low/medium density of

STAs per AP) – Indoor

a dense apartment building

b Community Wi-Fi

4 high density of APs and high density of STAs per AP – Outdoor

a Super dense urban Street

b Pico-cell street deployment

c Macro-cell street deployment 5 Throughput-demanding applications

a surgery/health care (similar to 2e from 11ac)

b production in stadium (similar to 1d-1e from 11ac) c smart car

(出典） https://mentor.ieee.org/802.11/dcn/13//11-13-0657-06-0hew- hew-sg-usage-models-and-requirements-liaison-with-wfa.ppt

Wi-Fiアライアンスが

重要であるとの見解を示したユースケース

(15)

15

IEEE 802.11ax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

Wireless

LAN

Higher efficiency/Better area throughput

(especially in dense deployment scenarios)

Better Power Save

capability

Consideration for

outdoor environment

Extension for new market segments

(IoT, M2M, V2V, etc.)

(16)

16

Project Authorization Request (PAR) – 抜粋



Scope of the project:

• This amendment defines standardized modifications to both the IEEE

802.11 physical layers (PHY) and the IEEE 802.11 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 802.11 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．

(17)

17



Improve performance of WLAN

deployments in dense scenarios



Targeting at least 4x improvement in

the per-STA throughput compared

to 802.11n and 802.11ac.



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.

802.11 TGax – Purpose

Access to Internet, latest airlines’

announcements, and digital media

such as movies and sport events

Reference) “What 802.11 is doing?” – available from: http://www.ieee802.org/11/Publicity/What%20is%20802. 11%20doing.pptx

(18)

18

次世代5GHz帯無線LAN – IEEE 802.11ax



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 802.11a-2001：最大伝送速度 54 M bit/s



OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing)



20 MHz channel bandwidth



IEEE 802.11n-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 802.11ac-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 802.11ax

「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」

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

MAC層の効率改善

技術も同時に規定

(19)

19

IEEE 802.11ax – Possible New Technologies (1)



マルチユーザ伝送技術 (1)



これまでの到達点と課題



IEEE 802.11ac: 下りマルチユーザMIMO (Downlink Multi-User MIMO)



IEEE 802.11ax: 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

time

STA#1

STA#2

STA#4

Data (DL MU-MMO)

BAR ~ BA sequence

channel

access

STA#3

個別の確認手順

 効率劣化

AP

time

STA#1

STA#2

STA#3

STA#4

Data (UL MU-MIMO)

channel

(20)

20

IEEE 802.11ax – 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



802.11a: 20 MHz



802.11n: optional 40 MHz



802.11ac: 80 MHz, optional 160 MHz



OFDMAの規定



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

端末の能力次第では、周波数

リソースを使いきれない！！

Freq. 802.11a 20 MHz 802.11ac 80 MHz 802.11ac optional 160 MHz 20 MHz 20 MHz 20 MHz 20 MHz 20 MHz 20 MHz 20 MHz 20 MHz 802.11n optional 40 MHz ♯1 #2 #3 ♯n

20 MHz channel

・・・

20 MHz channel

最大160 MHz

(21)

21

IEEE 802.11ax – 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



802.11ax 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 AP

over reach

先行送信

障害物

隠れ端末問題

Collision

さらし端末問題

Transmission

Suppressed

AP AP 同時送信  エリアスループットの向上

(22)

22

従来のOFDMシンボル

802.11ax用OFDMシンボル

時間軸上で

見た

OFDM信号

周波数軸上

で見た

OFDM信号

IEEE 802.11ax – Possible New Technologies (4)



802.11ax用OFDMシンボルフォーマットの規定



4x symbol length  屋外環境対応

GI 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： 12.8 ms GI 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

20 MHz

t t f f

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

…

サブキャリア間隔 312.5 kHz

…

サブキャリア間隔 78.125 kHz

20 MHz

情報を送る 部分： 3.2 ms

(23)

23

IEEE 802.11ax – 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

 802.11ah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

(24)

24

IEEE 802.11ax Timeline



2016年9月会合で合意されたスケジュール

2014

2015

2016

2017

2018

2019

802.11ax Draft 2.0 (May 2017) IEEE 802.11ax Ratification PAR Approval (Mar 2014) 802.11ax Draft 0.1 (Apr. 2016) TG Kick Off (May 2014) Development of Spec Framework Document (Nov 14 - Jan 2016) WG Letter Ballot Comment Resolution … Sponsor Ballot Comment Resolution 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。 Comment Collection 802.11ax Draft 1.0 (Dec. 2016) … Comment Resolution

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。

(25)

5Gにむけて



セルラーと無線LANの連携

(26)

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 Cloud Service

Business applications:

• Remote access to the office • Document sharing

• audio/video conference and

collaboration Webで調べ物，目的地までのナビゲーション，エンターテイメントサービス， SNSの利用，etc 利用場所やアプリケーションに応じたアクセス手段の選択って可能？

Appropriate access method will be chosen considering the place

and application Home/residential area Office Web browsing, entertainment, SNS, network storage, electric paper, navigation, etc.

(27)

27

5Gモバイル

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！



5Gモバイルへの要求条件



Enhanced mobile broadband



Massive machine type communications



Ultra-reliable and low latency

802.11ax/ay 

802.11ah?

↓

(28)

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 802.11u – 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バックボーン

(Enhanced Packet Core)

LTE基地局

(eNode B)

WLAN

AP

ライセンスバンドアンライセンスバンド

リンク

アグリゲーション

(29)

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 (2016.03 ～ 2016.07)



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 802.1 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 802.11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

 802.18 WGが主導



WRC-19，並びにその先に向けた周波数の拡大

(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

(31)

31

5GHz帯の更なる活用にむけて



5GHz帯の周波数事情

5000 5100 5200 5300 5400 5500 5600 5700 5800 36,40,44,48, 52,56,60,64 100, 108, 116, 124, 132, 140 104, 112, 120, 128, 136, 144 20 MHz channels 40 MHz channels 80 MHz channels 160 MHz channels 80+80 MHz channels 36+40, 44+48, 52+56, 60+64 100+104, 116+120, 132+136 108+112, 124+128, W52/UNII-1 (5150-5250) W53/UNII-2 (5250-5350) W56/UNII-2e (5470-5725) W58/UNII-3 (5725-5850) 149, 157, 165 153, 161, DSRC (5750-5870) MSS Feeder Links (5150-5250) SAR, TDWR (5250-5372.5) ISM (5725-5875) Amateur (5650-5850) RADAR (5350-5850) WLAN channels Other Systems 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 5900 [MHz]

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

(32)

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の動作



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 802.11h Channel Switch Announcement (CSA)

DFS

Channel

Availability Check

(>= 60 sec)

運用開始

In-Service Monitoring

レーダ検出

Channel

Move Time

(<= 10 sec)

time

・・・

Wireless LAN signals

停波

time

レーダ検出

Management

_Frame

CSA

Beacon

CSA (3)

Beacon

CSA (2)

Beacon

CSA (1)

Beacon

CSA (0)

CSA情報要素で移行先チャネルと移行タイミングを報知

【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

Switch to a new channel

DFS

(33)

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？

(34)

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．

