周波数利用効率

特 集

ワイヤレス

つくばフォーラム2013 ワークショップ

将来ネットワーク

将来ネットワークに貢献するワイヤレスアクセス技術の研究開発動向
な か つ が わ

まさし中津川 征士
NTTアクセスサービスシステム研究所 プロジェクトマネージャ
社会環境やサービス環境の変化を踏まえ，NTTではネットワーク競争力の徹底的強化を目標の 1 つに掲げています．ここでは将来ネットワークとしてさまざまな利用者が求める最適なユーザ・エクスペリエンスの提供を目指しています．本稿では，将来アクセス基盤実現のため，ワイヤレスアクセス技術として推進する周波数利用効率向上技術，省電力化技術，アンテナ・電波伝搬技術，衛星通信システム，および災害対策無線システムの研究開発について紹介します．

す．そのためには利用環境に応じたアものの，初期には 1 Mbit/s程度だっ

クセス手段の提供，すなわち，固定とた伝送速度が，IEEE802.11ac規格で近年のスマートフォン，タブレット移動のベストミックスを図り，利用者は 1 Gbit/sを超えるまでに至ってい端末の急速な普及拡大からもみられるの要望やコストレベルに応じたマルチます．モバイルでは，より広いサービように，通信の世界では固定からモバグレードサービスの提供が重要となりスエリアで，3GセルラからLTE（Longイルへと主役が入れ替わりつつあり，ます．

Term Evolution）へ，最近ではLTE-A

将来ネットワークの方向性へと進化してきています（図 1 ）．

モバイル通信におけるトラフィック量

NTTアクセスサービスシステム研は毎年倍増する勢いで増加していま究所では，将来アクセス基盤の実現にワイヤレスシステムにおけるユーザす．したがって，そのトラフィックに貢献するワイヤレスアクセスの基盤技の体感品質（QoE）向上には，各ユー十分耐えられるようにネットワークの術およびシステム技術の研究開発を推ザに対して十分な周波数リソースを割通信容量を拡大する必要があります

進しています．

り当てることが望ましいのですが，一が，定額制の料金契約が主流の現在では，通信キャリアは通信量に応じた収益を得ることができない，すなわち，ワイヤレスアクセス基盤技術の方向性方で，ユーザが利用できる周波数リソースには限りがあります．モバイル側の増大するトラフィックに対応するトラフィックは増えても収入につなが

これまで，モバイルサービスやノマには，無線LANへのオフロードも 1らないという状況に直面しています．

ディックサービスを含めたワイヤレスつの案ではありますが，将来的にはオ

こ の よ う な 状 況 を 打 破 す べ く，

アクセスでは，ユーザ利便性の向上のフロード先の周波数リソースも不足す

NTTの中期経営戦略「新たなステーため，サービスエリアの広域化と通信ることが懸念されます．そこで，将来ジを目指して」
では，ネットワークサー速度の高速化の 2 軸の方向に向けてを見据えた場合には周波数利用効率のビスの競争力を徹底的に強化すること研究開発が行われていました．モバイ

向上技術によって，空間としての大容を当面の取り組みの 1 つとしていまルやノマディックユーザのトラフィッ量化を実現することが 1 つの鍵となす．ここでは，ネットワーク主導型かク増に対応するためには，さらなる通ります．

らサービス主導型の将来ネットワーク信速度の高速化を実現する通信規格策へとシフトし，さまざまな利用者が満定とこれに伴う技術開発が推進されて足できる最適なユーザ ・ エクスペリエ

います．例えば，IEEE802.11で標準周波数利用効率の向上のため，早期ンスを提供することを目指していま化された無線LANは，エリアは狭い解としての「同一システム内における周波数利用効率の向上技術

NTT技術ジャーナル 2014.151

つくばフォーラム2013 ワークショップ

対応するには，異なるシステム間での周波数共用によって周波数利用効率を広域化上げることは極めて有効な手段です．

10 km

従来の方法では，送信時等に事前に自屋外

サービスエリア

災対無線

1 km

3G
セルラ

LTE
セルラ

3.5G
セルラ

らのおかれた環境をセンシングして時

LTE-A
セルラ

WiMAX

HetNet

オフロード

無線タグ
10 m

1k

屋内

100 m

高速化

10 k

100 k

1M

波数リソースは常に 1 つのシステムしか利用しておらず周波数利用効率の802.11ac
802.11b 802.11n
10 M

100 M

1G

10 G （bit/s）

通信速度

図１

信との衝突を回避して干渉発生を防いできました．しかし，この方法では周802.11a/g802.11

間的または周波数的に他システムの送さらなる向上が望まれます．
このためのアプローチとして，干渉を許容して周波数共用化を図り，発生ワイヤレスアクセス基盤技術の方向性

した干渉を信号処理により除去する干渉補償技術の検討を進めています．干
周波数利用効率の向上」から始まり，（1）〜（6）とする高効率無線LAN技術

中長期解としての「異なるシステム間② AP群をネットワーク上のサーにおける周波数利用効率の向上」に向バと連携 ・ 制御する無線リソー

けた基盤技術の研究開発を進めていま

（6）
（，7）

ス制御技術

す．具体的には，次の 3 つの技術的な（2） 大規模MIMO技術アプローチにて取り組んでいます．

周波数利用効率向上のための空間棲渉補償技術としては，次の 3 つの方法を検討しています（図 ₃ ）．
① 干渉抑圧技術（スペクトル抑圧（9）伝送）② 干渉除去技術（無線ネットワー（10）
クコーディング）（1） 基地局間連携送信技術

み分けのアプローチとして，大規模現在，無線LAN搭載のモバイル端MIMO（Multiple Input Multiple

末やAP（アクセスポイント）の爆発Output）技術（8）を検討しています．無現状，これら 3 つの技術を組み合わ的な増加に伴い，トラフィックのオフ線エントランス基地局に100素子程度せ，2015年までには周波数利用効率をロード先である無線LANの周波数リの超多素子の送信アンテナを用い，10倍以上とすることを目標としていソースへの要求が高まっています．一ビームフォーミングによる指向性に優ます．

方，周波数リソースが少ない2.4 GHz

れたアンテナビームで送信し，受信側帯では，フレーム衝突，電波干渉によの受信電力を向上させることによっる通信速度（スループット）の低下がて，受信側装置の簡易化が図れます．

ワイヤレスシステム装置における非生じユーザ満足度が低下しています．

また，他局への与干渉を抑えることがデータ伝送時間を効率的に動作休止

また，現時点では周波数リソースに余可能となることから，複数受信局への（スリープ）させることにより，消費裕がある 5 GHz帯でも，中長期的に同時送信が可能となり，周波数利用効電力削減，CO 2 排出量削減を実現すは同じ状況になると推測されます．

率を大きく改善することができます

る取り組みを進めています．

そこで，無線LANのAP ・ 端末数が

（図 ₂ ）．

③ 干渉低減技術（アダプティブ協（11）調伝送）

省電力化技術現在，無線LANでは端末の省電力爆発的に増大した環境下でのユーザ満（3） システム間干渉補償技術

動作に関する標準規格は存在するもの

足度を向上させるため，エリアスルー

現在，各システムに対して個別に周のAPには規格が存在していません．

プットの最大化を目指した 2 つの技

波数リソースが割り当てられています

そのため，今後の大幅な増加が予想さ術開発を推進しています．

が，周波数リソースは限られているこ

れるAPに対する無線LANスリープ技とから，将来のトラフィックの増加に術の検討を，以下の点を考慮して進め① AP ・ 端末の自律的な調和を可能

52

NTT技術ジャーナル 2014.1

特 集・ 環境発電や省電力デバイスとの組分です．このアンテナの性能を向上さ

・ 通信品質劣化を最小限にとどめるみ合せにより，商用電源に依存しせることは，ワイヤレスシステムの永ようトラフィックに応じてスないシステムの実現も視野に入遠の研究テーマの 1 つです．ています．

（12）

リープを制御する

現在取り組んでいるアンテナ技術のれる・ 端末側への機能追加は不要とし，AP単体の制御に加え，複数AP間電力効果を増大させる造体であるメタマテリアルを基地局ア

ワイヤレスシステムにとって，アンンテナの反射板に適用するマルチバン

テナは電波の出入り口となる重要な部ドアンテナ（14）があります．周波数帯の協動制御によってさらなる省（13）1 つに，誘電体などを周期配列した構アンテナ・電波伝搬技術

半径数km程度を一括収容
無線中継局（Wi-Fi AP）

Wi-Fi

超高次空間多重伝送
超多素子
アンテナ

Wi-Fi
Wi-Fi

Wi-Fi

Wi-Fi
エントランス
基地局

Wi-Fi
Wi-Fi
Wi-Fi

図2

コアネットワーク

大規模MIMO技術（適用例）

無線アクセスシステムCf
システム間干渉

無線アクセスシステムB①干渉抑圧技術（スペクトル抑圧伝送）

fff
セル間干渉fffffff
システム間干渉

さまざまな電波干渉を克服する必要あり②干渉除去技術（無線ネットワークコーディング）③干渉低減技術（アダプティブ協調伝送）

端末間干渉

無線アクセスシステムA

図3

システム間干渉補償技術

NTT技術ジャーナル 2014.153

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域ごとに設置が必要であった複数のア使って送受信することで，空間的に一りも広い帯域を必要とするチャネルにンテナを， 1 つのマルチバンドアンテ方向のみでなく多方向から電波が到来

対しては，回線の割り当てができないナにすることによって，アンテナ設置する複雑な電波伝搬状況を利用して高ために，中継器の利用効率は低下しま場所の削減が可能となります．現時点

速化 ・ 高信頼化を実現するシステムです．これらの断片化した帯域を有効利

では 3 周波数共用化を実現しており，す．このように，従来の受信レベル，用するために，チャネルのスペクトラ

今後は共用周波数帯のさらなる増加を遅延広がり特性に加え，空間的な広がムを分解，サブスペクトル化して使用検討しています（図 4 ）．

り特性も含めた電波伝搬特性の解析 ・可能領域を活用したり，場合によって（15）．

は故意にその一部を除去ないしは重畳回線設計時の活用だけでなく，コアコ周波数帯についても，これまでよく活することによって，チャネルの所要帯ンピタンスとしても非常に重要な研究用されていたマイクロ波から低い方域を削減します．さらに垂直偏波と水テーマです．

向，高い方向それぞれに広がりつつあ平偏波の偏波軸を併用することで，周ワイヤレスシステムの高度化によるる周波数帯にも対応可能となる，周波波数，空間など複数領域（マルチドメ

伝送速度の向上に伴い，把握しなけれ数横断的な電波伝搬モデルの確立を目イン）にサブスペクトルを自由に分散ばならない電波伝搬特性も変化してい指しており，標準化活動やNTTグルー配置することが可能となります．このます．第 1 〜 2 世代セルラ（1990年代）

プ無線事業に対する伝搬に関するコンマルチドメイン信号処理技術（16）によでは受信レベルの特性が検討の中心でサルティング等に活用，貢献していく

り，未使用帯域の有効活用や帯域圧縮した．無線LANや第 3 世代セルラが予定です．

伝送を実現し，限られた衛星トランス電波伝搬は，ワイヤレスシステムの主流となった2000年ごろには，受信レベルに加えて遅延広がり特性（電波が反射 ・ 散乱されて到達時間に差が生じる特性）の解析に焦点が当てられまし

モデル化が必要になっています

マルチドメイン信号処理技術を用いた衛星通信システム

た．そして，現在検討を進めている異なる帯域幅を持つチャネルの設定 ・MIMO技術を適用したシステム（次世解放を繰り返されると，使用可能な帯代無線LAN等）は複数のアンテナを域は断片化します．この断片の 1 つよ

金属反射板

2 GHz反射を用いた実験検証を進めていく予定です（図 5 ）．

（b） 提案マルチバンドアンテナ
メタマテリアル反射板# 2（2 GHz反射）

800 MHz反射

メタマテリアル反射板# 1（4 GHz反射）
84 mm

クを収容可能とします．現在，室内実験検証まで完了し，2014年度は実衛星衛星搭載中継器の周波数帯域内で，（a） 従来の 3 周波数基地局アンテナ例

ポンダ帯域で，より多くのトラフィッ

金属反射板（800 MHz反射）
375 mm

375 mm
165 mm

165 mm
375 mm4 GHz反射84 mm

設置場所の削減

アンテナ放射素子

アンテナ放射素子＊上記の例では，提案アンテナは従来アンテナと比べて設置面積20%減

図454

NTT技術ジャーナル 2014.1

メタマテリアルアンテナ

特 集

本技術を適用する次世代衛星通信のイメージ

故意に一部除去・重畳し，所要帯域削減
分解
変調信号

f

海洋衛星システム

編集f
サブスペクトラム化

ff

f

中継器の空き周波数へ自由に分散配置

f
離島衛星システム

中継器
V偏波
偏波軸の利用f
複数中継器の動的利用

中継器
H偏波

f

図5

災害対策無線システム
東日本大震災の被災経験によって，災害対策無線システムの重要性に対する認知度が一層向上しました．これまで用いられてきている災害対策無線システムは仕様書制定からかなりの時間が経過しており，方式の刷新が望まれています．そこで，中継系無線方式，加入者系無線方式，業務用無線とも，無線デジタル化や小型 ・ 軽量化，設営 ・ 運用の簡易化を行うと同時に，大容量化，長延化等の実現に向けた開発を進めています．

今後の展開
利用環境に応じた最適アクセス手段の提供のため固定と移動のベストミッ
クスは，さまざまな利用者が求める最適なユーザ ・ エクスペリエンスを提供する将来アクセス基盤の構築にとって不可欠です．利用者の要求する通信品質に対する満足度を向上させるために必要なワイヤレスアクセス技術の研究開発に今後も継続的に取り組んでいきます．

災対衛星システムf・広帯域・大容量化
・セキュリティ向上
・小型・経済化

マルチドメイン信号処理技術■参考文献（1） A．Kishida，M．Iwabuchi，T．Shintaku，and T．Sakata: “User-Oriented QoS Control
Method Based on CSMA/CA for IEEE802.11
Wireless LAN System,” IEICE Trans．
Commun.，Vol.E96-B，pp.419-429，2013.
（2） 岩渕・岸田・新宅・阪田：“フェージングを考慮した同時送信アクセス制御に関する検討，”
信学技報，Vol.112，No.132，pp.13-18，2012．
（3） 新宅・岸田・岩渕・阪田：“無線LAN規格に応じた端末グルーピングによるQoS制御方式，” 信学技報，Vol.112，No.443，pp.225-229，
2013．
（4） 石原・村上・浅井・市川・溝口：“次世代無線LANにおけるマルチユーザMIMOおよびセル間干渉制御技術，” 信学技報，Vol.112，No.286，
pp.49-54，2012．
（5） 篠 原・ 井 上・Abeysekera・ 溝 口：“無 線LANにおけるマルチユーザ・マルチチャネル伝送の 伝 送 容 量 増 大 効 果，
” 信 学 技 報，Vol.113，
No.130，pp.215-220，2013．
（6） 市川・石原・村上・Abeysekera・淺井・鷹取・
溝口：“ワイヤレスホームネットワークを実現する高速 無線LAN，” NTT技 術ジャーナル，Vol.25，No.1，pp.18-22，2013．
（7） Abeysekera・石原・井上・市川・溝口：“IEEE802.11無線LANにおけるネットワーク連携型
チャネル割当法，” 信学技報，Vol.113，No.10，pp.43-47，2013．
（8） 太田・丸田・黒崎・新井・飯塚：“大規模アンテナ無線エントランスシステムの提案〜マルチユーザMIMO技術の新しいアプローチ〜 ,”信学技報，Vol.113，No.8，pp.25-30，2013.
（9） J．Mashino，J．Abe，and T．Sugiyama:“Autologous spectrum regeneration
optimization on sub-spectrum suppressedtransmission for single-carrier satellitemodem,” GLOBECOM，pp.3407-3412，2012．
（10） N．Otsuki and T．Sugiyama: “WirelessNetwork Coding Diversity Technique Basedon Hybrid AF/DF Relay Method Employing
Adaptive Power Control at Relay Node for
Bidirectional Two-Hop Wireless Networks,”
IEICE Trans．Commun.，Vol.E95-B，No．

12，pp.3772-3785，2012．
（11） K．Maruta，A．Ohta，M．Iizuka，and T．
Sugiyama: “Iterative Inter-Cluster
Interference Cancellation for Cooperative
Base Station Systems,” VTC Spring，pp．
1-5，2012.
（12） 黄・後藤・秋元・飯塚：“無線 LANアクセス
ポイントにおける非予約型スリープ制御方式の性能評価，” 2012信学総大，B-5-157，2012．
（13） 後藤・秋元・黄・飯塚：“無線LANアクセスポイントのトラフィック集約によるスリープ制 御 手 法 の 提 案，
” 2012信 学 総 大，B-5-179，2012．
（14） 宗・安藤・関・川島・杉山：“Woodpile 型メ
タマテリアルを用いた等ビーム周波数共用アンテナ,” 2013信学総大，B-1-148，2013．
（15） M．Sasaki，W．Yamada，N．Kita，and T．
Sugiyama: “Path Loss Model with Low
Antenna Height for Microwave Bands inResidential Areas,” IEICE Trans．Commun.，
Vol.E96-B，No.7，pp.1930-1944，2013．
（16） J.Abe，F.Yamashita，K.Nakahira，andK.Kobayashi: “Direct Spectrum Division
Transmission for Highly Efficient Frequency
Utilization in Satellite Communications,”
IEICE Trans．Commun.，Vol.E-95.B，No.2，
pp.563-571，2012.

◆問い合わせ先NTTアクセスサービスシステム研究所
ワイヤレスアクセスプロジェクト
TEL 046-859-4101
FAX 046-855-1752
E-mail imaizumi.yutaka lab.ntt.co.jp

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