【ポイント】

■ 電波資源拡大のため、大幅な周波数利用効率改善の無線アクセス技術STABLEを開発

■ 5台の端末の同時接続屋外伝送実験で、周波数利用効率を2.5倍に向上できることを実証

■ 5Gの超多数接続をミリ秒オーダーの低遅延で実現する新しい無線システムの実現に期待

　国立研究開発法人情報通信研究機構（NICT、理事長: 徳田 英幸）ワイヤレスネットワーク総合研究センターは、周波数資源のひっ迫状況の解決に向け、周波数利用効率を大幅に向上できる新たな無線アクセス技術STABLE（ステーブル）を開発し、今回、横須賀リサーチパークで行った屋外伝送実験の結果、周波数利用効率を2.5倍に向上できることを確認・実証しました。

　これは、複数アンテナによる空間分割多元接続や端末固有の符号による符号分割多元接続を使うことなく、同一周波数・同一時間領域において5台の端末が同時に小サイズデータ伝送を行い（図1参照）、基地局側で4ミリ秒以下の遅延時間で各端末のデータを復元する新しい無線アクセス技術の開発により達成できたものです。従来のLTE方式における上り回線では、空間分割を用いない場合、同一周波数で複数の端末からの同時接続はできなかったことから、本研究成果は周波数利用効率の向上に大きく貢献するものです。

　5Gでは超多数接続と超低遅延を提供する無線アクセス技術は異なる方式として標準化されますが、今回実証した技術は、超多数接続と超低遅延を同時に満たすことを目指すものであり、リアルタイム性を要するコネクテッドカーなどの膨大な数の移動型IoT端末を収容する無線システムの実現につながるものと期待しています。

　本実証は、総務省委託研究開発「多数デバイスを収容する携帯電話網に関する高効率通信方式の研究開発」にて実施したものです。

【背景】

　急激なIoT社会の進展に伴い、コネクテッドカーやドローン等、低遅延性を必要とする移動型IoT端末が急速に普及するものと見込まれています。これらの移動型IoT端末を収容する周波数帯として、電波の伝搬損失が比較的少なく見通し外でも通信が行いやすいUHF帯～6GHz帯が適しています。しかしながら、これらの周波数資源は既にひっ迫しており、限られた周波数資源を活用して、膨大な数の移動型IoT端末に対して、低遅延性を保証しながら収容するためには、電波資源拡大のため、周波数利用効率の一層の向上が不可欠です。

【今回の成果】

　今回、5台の端末局が同一周波数・同一時間領域を使用して小サイズデータをミリ秒オーダーで伝送できる新たな無線システムSTABLEを開発し、移動局を含む5台の端末の同時接続の屋外伝送実験に成功しました。

　同一周波数・同一時間領域を使用すると、図1に示すように、複数の端末（A～E）からの信号が重なって基地局では受信されますが、NICTが開発した干渉抑圧・除去技術を基地局に実装することで、各端末から送信されたデータを復元できることを、図2に示すように移動端末を含む屋外伝送実験で確認しました。

　その結果、この技術を用いることで、従来のLTE方式の上り回線と比較して、周波数利用効率を約2.5倍に向上できました。

　従来のLTE方式の上り回線では、空間分割多元接続の技術を用いない場合、同一周波数・同一時間領域で基地局アンテナ1本当たり1台の端末しか収容できませんでした。これまで、このような同一周波数・同一時間領域を使用するためには、端末間の干渉を軽減するために、複数アンテナによる空間分割多元接続や端末固有の符号による符号分割多元接続などを用いていました。

　しかし、今回の技術は、このような多元接続技術を利用しなくても、周波数共用が行うことができます。また、空間分割多元接続等を併用することで、更なる周波数利用効率の向上も図ることができます。

　この技術により5台の端末を同時収容できるようになり、空間分割多元接続及び周波数分割多元接続による同時接続端末数向上技術と併用することで、5Gの超多数接続の利用シナリオにおける要求条件である100万台/km2を超える接続端末密度162万台/km2の達成が理論上可能になりました。

　また、今回の実証で使用した干渉抑圧・除去技術の処理遅延は小さく、屋外伝送実験ではこの処理遅延を含んで4ミリ秒未満の遅延時間で5台の端末から送信された信号を全て復元できることを確認しました。よって、5Gの超多数接続をミリ秒オーダーの低遅延で実現する新たな無線システムの実現が期待できます。

　超多数接続を実現するために鍵となる、上り回線における非直交多元接続技術は、3GPPにおいて議論が行われていますが、今回の実験のように、低遅延も併せて実現する無線アクセス技術に関する屋外伝送実験については、3GPPにおいてもこれまで報告がなく、我々は屋外実験で世界でも先駆的な結果を得ることができました。

図1.　5台の端末の同時接続のイメージ

図2.　横須賀リサーチパークにおける屋外伝送実験

【今後の展望】

　今後は、無線信号構成を見直すことで、従来のLTE方式（上り回線）と比較して、周波数利用効率を最大4.5倍まで向上させる実証を目指します。また、更なる周波数利用効率の向上に向けて、同一周波数・同一時間領域で接続可能な端末数を増加させる方式の研究開発に取り組む予定です。