2015年度 ホームカミングＤＡＹ講演

無線技術は何をめざすのか
２０１５年７月
電気通信大学先端ワイヤレス・コミュニケーション研究センター（ＡＷＣＣ）

山尾 泰

講演内容
 無線通信技術の革新
 要素技術の総合化（システム化）とこれからの社会での無線技術の展開
 ＡＷＣＣの研究と今後の展望

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電気通信大学と無線通信
1918年12月8日 社団法人電信協会「無線電信講習所」創設
モールス信号で通信を行う
無線通信士を養成
1949年5月31日 国立学校設置法施行により電気通信大学設置
2018年 創立100周年記念
2005年4月
先端ワイヤレスコミュニケーション研究センター （AWCC） 発足
学内に分散する無線通信技術関連の教員を結集し、シナジー効果を得る
現在 教授 8名（兼務含む）

准教授 １名
所属学生数 約１２０名

2無線通信技術の革新の原動力
 カバレッジ（どこでも、いつでも通信したい）
 ブロードバンド化（ユーザスループット向上）
 大容量化（多数のユーザを収容、周波数利用効率）
 安定な通信品質（雑音、干渉による品質低下）
 端末・基地局の小型・低消費電力化
3無線通信技術の革新の原動力（1） カバレッジ（どこでも、いつでも通信したい）
 ブロードバンド化（ユーザスループット向上）
 大容量化（多数のユーザを収容、周波数利用効率）
 安定な通信品質（雑音、干渉による品質低下）
 端末・基地局の小型・低消費電力化
4カバレッジと通信速度のトレードオフ
無線通信システムは背反する要求を目指して進化中

カバレッジ / モビリティ

現在
広域

携帯電話
市街地

2G

3G

4G

3.5G

5G

100M-1Gbps
WiMAX

構内/

ｽﾎﾟｯﾄ
ｴﾘｱ
Millimeter-wave
LAN

WLAN

屋内
/静止
100k

1M

10M

伝送速度 (bit/s)

100M

1G

10G
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理論限界
Shannonの通信路容量

P t ；送信機出力電力

S  G r G t Pt / L p

G t ；送信アンテナ利得
G r ；受信アンテナ利得
L p ；伝搬損

SC  B log 2 1   N相反C ；通信路容量（bit/s）
B ；通信路の帯域幅（Hz）
S ；帯域幅上の受信信号の総電力（W）
N ；帯域幅上の受信雑音の総電力（W）

Bn0（n0；雑音電力密度=kTF）

T；絶対温度F；雑音指数 シャノン限界を実現する具体的な方法を、Shannonが示したわけではない 広帯域化で雑音電力が増加するので、S を増加しないと容量は増加しない
6受信電力を上げる
 送受信間距離を短くして伝搬損失を減らす
無線ゾーン半径縮小（マイクロセル、ピコセル、フェムトセル基地局の導入）
送信機の電力効率改善

 マルチアンテナ受信／送信、ダイバーシチ技術
フェージングによる損失増加の軽減、システムとしてのアンテナ利得の増加

これらの技術は、ブロードバンド化のみならず、大容量化・通信品質の安定化にも大きく寄与

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無線通信技術の革新の原動力（２） カバレッジ（どこでも、いつでも通信したい）
 ブロードバンド化（ユーザスループット向上）
 大容量化（多数のユーザを収容、周波数利用効率）
 安定な通信品質（雑音、干渉による品質低下）
 端末・基地局の小型・低消費電力化
8マルチプルアクセス
移動通信を初めとするワイヤレス通信ネットワークでは、複数の加入者が空間という伝送媒体を共同利用する。

Multiple Access（MA；多元接続）
伝送媒体を利用する無線通信技術の革新

複数の（ユーザ/通信機が）（1）複数のユーザ/通信機が、互いの通信を妨害（競合）せず、伝送媒体を共同利用することがマルチプルアクセスである。
9マルチプルアクセスと通信チャネルの独立性
干渉を防ぐには、端末毎の通信が互いに「独立」で相互に影響しないことが必要

端末a

端末b?

影響しない ＝ 干渉なし

端末c

同じ空間を共有

端末d

ではどのようにして評価するか？
ここでは空間の概念の導入が必要。
単位空間において、できる限り多量の通信が可能なシステムが望ましい
10周波数（スペクトル）利用率
情報伝送速度のユーザ総計でシステム容量を表したとき単位帯域（1Hz）・単位面積（m2）あたりのシステム容量で周波数（スペクトル）利用効率を表すと考えることができる。
スペクトル利用率

bit / s  s ch t2/Hz）（bit/s/m(n)空間的利用効率

伝送周波数効率

時間軸上の利用効率（1/m2）（bit/s/Hz）（Erl/ch）

同一周波数繰り返しの稠密化（誤り訂正符号化、干渉キャンセラ）

多値変調（64QAM~） 無線リソース割当制御
適応変調・符号化（ユーザ間ダイバーシチ）
MIMO多重11

未使用周波数の有効利用
現実には全ての周波数帯域が２４時間、全ての空間で使用されているわけではない。
空間および時間によって未使用の周波数帯域を有効活用することができれば、実質的なスペクトル利用率を上げ、大容量化することが可能となる。
このためには、現在の環境を認識して２次ユーザが使用可能な帯域を決定できる必要がある。

コグニティブ無線実現の課題

１次ユーザの正確なセンシング法
１次ユーザに関する詳細なデータベースと２次ユーザのアクセス手段
任意の周波数帯域にアクセスできるバンドフリー無線回路
12無線通信技術の革新の原動力（３） カバレッジ（どこでも、いつでも通信したい）
 ブロードバンド化（ユーザスループット向上）
 大容量化（多数のユーザを収容、周波数利用効率）
 安定な通信品質（雑音、干渉による品質低下）
 端末・基地局の小型・低消費電力化
13ワイヤレス通信の品質
ワイヤレス通信の本質とは確率現象（偶然）が支配する自然現象（電波伝搬）を用いた
時には使えないシステム
直接波 d 1 , L p
送信機

h1

反射波 d
ψ

2, Lp '

R0 , Erh2

受信機d
見通し区間でも地面反射波によりフェージングが発生

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フェージング
フェージングの原因；多重波伝搬（１）気候の変化や気象現象（蜃気楼など）による空間の状態変化（２）空間をとりまく環境の変化
例1） 送信点または受信点の移動による
例2） 周囲の物体（人間を含む）の移動
例3） 建物や道路の水濡れ、積雪、落葉など

ワイヤレス通信のほとんどの環境でフェージングは避けられない
その影響を抑える技術（ＴＰＣ；送信電力制御とダイバーシチ受信）は携帯電話システムでかなり高度化したが、未だ完璧ではない
一方、小型のユビキタスデバイスやセンサーでは、高価な対策が困難であり、フェージング対策が未だ大きな課題である
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無線通信技術の革新の原動力（4） カバレッジ（どこでも、いつでも通信したい）
 ブロードバンド化（ユーザスループット向上）
 大容量化（多数のユーザを収容、周波数利用効率）
 安定な通信品質（雑音、干渉による品質低下）
 ハードウェアの小型・消費電力化
16装置・端末の小型化
小さくするだけではダメ、消費電力の低減が必要
システム、装置、回路、デバイス、全てのレイヤで電力消費を抑えることが必要。
携帯電話の＝
使用可能時間電池の蓄積エネルギ

・ 電池のエネルギー密度の向上
・ 急速充電法による充電時間短縮

平均消費電力

平均消費電力 ∝ デバイス性能 × 回路構成 × 装置構成 × システム設計
例１） 送信部

GaAs、HEMTF級動作、歪補償法

例２） 受信部

SiGe-HBT

直接変換受信TDD

送信出力、電力制御
基地局配置密度アンテナ選択ダイバーシチ

間欠受信比率17非線形補償技術
ワイヤレス通信では干渉を抑えるため帯域外放射を厳しく規制
ブロードバンド信号伝送に用いられるマルチキャリア変調（OFDM）は非線形の影響を受けやすく、帯域外放射が発生するため、高い電力効率での増幅が困難
端末や基地局の小型・消費電力化のために線形性と高効率の両立が必要

非線形補償技術、パルス変調増幅技術

OFDM信号送信スペクトル実現の課題
非線形素子の正確なモデル化と、少ない次数での逆特性の探索法
非線形補償帯域のブロードバンド化、複数帯域の一括補償
源信号が不明な受信機でのブラインド非線形補償
パルス動作送信法の技術確立

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２．要素技術の総合化（システム化）とこれからの社会での無線技術の展開

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ワイヤレス通信品質劣化の原因と対策
ワイヤレス通信で良好な通信品質を得るためには、複数の原因に対する広い範囲の技術が必要
熱雑音

S/Nth

都市雑音

S/Nm

干渉

S/I

遅延ひずみ

S/D

同期誤差

φ

装置精度

EVM

信号 S の伝搬損を抑える技術
干渉 I を抑圧・軽減する技術
信号のひずみ D を抑える技術

変復調精度を高める技術
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必要な技術分野
必要な技術分野は広く、個々の研究者の守備範囲では不足

プロジェクト研究が有効な技術を生み出す
極低温
フロントエンド

送信電力制御基地局
アンテナチルト
ＤＳＰダイレクト変調

アダプティブアレイアンテナ

マルチプル
アクセス法

適応等化器
パイロット
同期方式

ダイバーシチ

熱雑音
都市雑音

干渉キャンセラ干渉

ＲＡＫＥ受信

遅延ひずみ

同期誤差

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無線技術の新たな展開

情報通信を支えるワイヤレスから社会基盤を支えるワイヤレスへ• 現在：情報通信を支える技術として重要な役割• 将来：社会インフラを支える基幹技術– 多様な用途で、多様な端末が、多様な要求品質– 人とモノ、モノとモノ、社会にある様々な人やモノ同士が相互に接続

Ambient Wireless in Connected Community
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Ambient Wireless in Connected Community
情報・電力全てをワイヤレス化

ヒト・モノがシームレスなワイヤレス接続

有線・無線高度連携
ワイヤレスネットワーク

Connected Community

ヒト・モノの要求を規範とする適応ワイヤレス

爆発的な無線需要の増加

協調・分散ハイブリッド型ワイヤレス
環境認識・観察によるクラウド連携ワイヤレス

レイヤ・有線・無線を超えた究極的なネットワーク設計が必要

無線技術およびその周辺領域に関わる研究者の叡智の統合が必要
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例１； 自動走行に向けたＩＴＳ通信技術の高度化
交通事故のない安全な社会の実現を目指して先進安全自動車(ASV*)への期待が高まる*ASV; Advanced Safety Vehicle

車車間で車両の速度や位置を定期的研究対象；に送信して情報を交換する自律分散
車車間ブロードキャスト通信システム

技術課題① 他の車両や建物によるシャドウイング

複数車両が自律的に送信

交差点環境における車車間通信パケット受信成功率② 多数の送信車両からの信号の干渉③ 車路間通信・車車間通信の統合

検討内容
・路側中継器による中継の効果
・交差点の電波環境での通信信頼度評価
・MAC層での送信制御法の改良

内閣府の戦略的イノベーション創造プログラム（SIP）（2014~ ）の課題として官民挙げて推進
ＡＷＣＣも参画

隠れ端末によるパケット損失24例２； 放射線センサーネットワーク【研究のねらい】 放射線量の時間・空間分布を明らかにし、住民の安全や除染事業に資する①ZigBeeｾﾝｻｰﾈｯﾄﾜｰｸを開発して2012年5月より3地点の線量を連続して測定、結果を大学に送信②移動式放射線量測定装置を開発して2012年
10月より１次元、２次元（面）の線量分布を測定

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例３； ワイヤレス電子棚札【研究のねらい】：1万個以上の低電力動作可能な電子棚札を収容できる小電力ワイヤレス通信システムの実現【研究の新規性、有効性】：従来にない膨大な数のノードを収容するための間欠動作での衝突防止・自律棲み分け方式の共同研究と実システムでの実証

電池駆動で７年動作
１万台を数分で書換可能

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例４； ワイヤレス（マイクロ波）給電・高効率電力・情報同時送信・受信・有線配線困難地への無線電力・情報供給
・分散協調型レーダシステム

GaN HEMT増幅器 GaN HEMT整流器（直流→マイクロ波） （マイクロ波→直流）

類似性
変換効率78%(5.45 GHz)
１つの回路で両機能を実現
マイクロ波ー直流電力変換モジュール
DC電力 信号

変換効率82%(5.43 GHz)

マイクロ波
トランジスタ27

３．ＡＷＣＣの研究と今後の展望

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AWCCの組織体制の強化（2015.4）
AWCCは兼務教員、協力教員を通して大学院および学部と深く連携し、複数のプロジェクトを推進、産学連携や外部資金獲得でも大きな実績を上げてきたが、2015年度にミッションを見直し体制を強化
センター長 山尾 泰
専任教員 山尾 泰* 、藤井威生*、石橋功至*
3名 （+１名増員予定） * 情報・通信工学科/専攻兼務
兼務教員 石橋孝一郎、大木英司、唐沢好男、
4+2名 本城和彦、石川亮、松浦基晴

企業・研究機関

客員教員（産学連携担当） 企業・国研等所属 8名

大学院学部

AWCC

客員教員 （特定領域研究担当） 4+1名
協力教員 学内ワイヤレス関連教員 18名

UEC

国内外
他大学*
* 早稲田、東工大、ＭＩＴ、Jacobs Univ.
北京郵電大、中国電子科技大、ホーチミン工科大ほか
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AWCC教員の研究専門分野
マイクロ波デバイス
分野

アンテナ

無線回路

EMC

通信
信号処理

電波伝搬

電磁界理論

ワイヤレスのキー分野を広くカバーアレー
信号処理

マルチメディア
情報処理

ネットワーク
無線通信方式

セキュリティ

山尾*本城（IE）# *藤井石川（IE）

唐沢（IE） # *高山*斉藤

和田（IE）

安藤（IE）
桐本（IE）

C. PHAM（IE）

専任教員

兼務教員

客員教員+協力教員

市川（IE）*
太田（IE）

鈴木*肖（IE）+特定領域研究担当

大木（IE） # *松浦（IE）

早川*

上*

小花（IE）

石橋功

石橋孝（IE）#

來住（IE）

加藤（IS）西（IE）

中嶋*
稲葉（IE）# Fellow IEEE
* Fellow IEICE

崎山（IE）張（IE）

小島（IE）

田中（IE）

笠井（IS）
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AWCCのプロジェクト部門研究体制
総合力強化のため、研究領域を４つに重点化して部門別体制を整え、プロジェクトベースで産学連携・外部資金の獲得を推進

アンテナ

高度道路交通システム(ITS)

防災・災害時用ネットワーク

社会基盤
ワイヤレス工学
研究部門

電波環境

セキュリティ

将来システム
(5G以降)

PA, RFモジュール

総務省SIP，科研基盤A, 基盤B日本復興再生P,共同研究他

総務省電波資源拡大, SCOPE,科研費萌芽, 基盤A,共同研究他

コグニティブ
無線

革新的最先端Radio over Fiber
リコンフィギュラブル
自律分散NW
ベースバンドハードウェア
ワイヤレスシステム
RF(ROF)
無線創成部門
研究部門
総務省SCOPE,科研費基盤B，基盤C,共同研究他
枠内は関連した競争的資金
または外部資金(H25/26実績)

エナジー
ハーベスティング

低消費電力
通信技術

総務省SCOPE,科研費基盤C，若手B,共同研究他

低電力ワイヤレス研究部門

M
スマートメータ

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AWCCの研究分野拡大
ＡＷＣＣの長所を伸ばし不足分野を補いワイヤレスで社会に貢献
新たな研究分野の構築
研究の拡大・発展
安全・安心
ワイヤレス工学
研究部門
新概念
ハードウェア
研究部門

先進的
ワイヤレスシステム
創成部門
グリーンICT
研究部門

情報通信を支えるワイヤレス技術の発展に大きく貢献
現AWCC研究分野
基盤技術の獲得

モバイルネットワーク
社会基盤システム
分野への応用展開
社会基盤
ワイヤレス工学
研究部門

最先端ワイヤレスシステム
創成部門

革新的ハードウェア
研究部門

低電力ワイヤレス研究部門

コミュニケーションサイエンス（情報理論・複雑系ネットワーク）
分野との連携社会基盤を支えるワイヤレス技術の展開
新AWCCが目指す研究分野の展開

社会・ユーザを意識した貢献

新たな理論・技術の発掘

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Tokyo Wireless Technology Summit
AWCCと早稲田大学国際情報通信研究センター（GITI）は，ワイヤレス通信分野で世界的に著名な研究者６名の招待講演による国際シンポジウム Tokyo Wireless
Technology Summit 2014 を2014年3月に共同開催（参加者数240名）

会場の様子

講演者との集合写真

将来のワイヤレス通信のブレークスルーを起こす技術について、様々な視点から会場を含めて活発に議論． 広く今後のワイヤレス通信関連ビジネスや研究開発等の参考とするとともに、AWCCとして今後の国際協力の緒とした．
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今後ともＡＷＣＣは社会に貢献する技術の創出を目指して研究を推進します。

ご静聴
ありがとうございました

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