NICTが開発中の次期5G NR「聖徳太子ワイヤレス」とは？

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NICT

2018.08.13

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「次期5G NR」での採用を目指し、NICTが新しい無線アクセス方式の開発を進めている。5Gの特徴である「大量接続」と「低遅延」の両立を可能にする技術だ。

1平方km当たり100万台を超える大量のデバイスを効率的にネットワークに収容するには、一体どんな技術を用いればいいのか――。センサーネットワークなどを対象とする「mMTC（大量マシン通信）」を5Gで実現するための技術の検討が、3GPPで本格化してきた。

3GPPでは2020年までに5Gを商用化するため、①「eMBB（超高速大容量通信）」、②「URLLC（超低遅延高信頼通信）」、③mMTCの5Gの3要件のうち、eMBB（およびURLLCの一部）の規格策定を前倒しした。これに伴い中断していたmMTCの検討が、昨年末にeMBBの無線仕様となる「5G NR（New Radio）初版」が固まったことで、再始動したのだ。

2022年頃に商用化される「次期5G NR」の策定に向けたmMTCの技術検討において、中心テーマとなっているのは、端末から基地局方向の「上り」の無線アクセスにどのような技術を用いるかである。

現行の4G/LTEはモバイルブロードバンドのニーズに応えるため、「下り」を重視して開発されている。膨大な数のデバイスから大量の上りトラフィックが発生するmMTCに対応するには、4G/LTEとは発想を異にする新技術が必要となる。

mMTC向けの上り無線アクセス方式については、すでに海外の通信ベンダーなどから、いくつかの提案がされている。そうしたなか今年5月、日本の情報報通信研究機構（NICT）も3GPPに対して内部で「聖徳太子ワイヤレス」と呼ばれている新技術を提案した。日本発の技術が、mMTCを支える可能性が出てきたのである。

ここではNICTが開発を進めているこの新たな上り無線アクセス方式を軸に、どのような技術でmMTCが実現されるのかを見ていく。

図表1　NICTが開発中のmMTC/URLLC向け無線方式

2万端末の同時接続を確認mMTCの上り無線アクセス方式では、4G/LTEと比べて、2つの点で大幅な能力の向上が求められる。その1つが同時に基地局に接続できる端末数の拡大だ。

4G/LTEをはじめとするモバイル通信では、通信を行う前に端末と基地局の間でネゴシエーションを行い、利用する周波数の領域やタイムスロットを予約（Grant）することで効率的なデータ伝送を実現している。

しかし、膨大な数の端末が数十バイト程度のごく少量のデータを送信するmMTCにこの方式を用いると、無線リソースの相当部分がネゴシエーションに費やされるため通信ができなくなってしまう。mMTCを実現するためには、よりシンプルなアクセス制御技術が必要となるのだ。

この問題の解決策として3GPPで検討されている有力技術に「グラントフリー（Grant Free）」がある。

ネゴシエーションは行わず、タイムスロットの区切りに合っていれば、デバイスが好きなタイミングでデータを送出できるという極めてシンプルなアクセス制御技術だ。

この手法では、2個以上のデバイスが同じタイミング、同じ周波数で送信を行ってデータが失われる可能性があるが、同一のデータを複数回繰り返し送信することなどによって、データの到達確率を実用レベルに高める。

まれにデータが届かないこともあるが、それでも構わない用途で利用する、必要なら上位層での再送制御に委ねることを前提とした「割り切った」技術だ。NICTが開発中の「聖徳太子ワイヤレス」でも、このGrant Freeの利用を想定している。

では、Grant Freeを用いることで、どの程度の効果が期待できるのか。NICTは昨年度に総務省が実施した5G総合実証試験の一環としてGrant Freeの能力検証を行った。この検証では、1つの基地局に2万台の端末を接続しても、通信できることを確認できたという。なお、搬送波は10MHz幅だ。検証には3GPPに提案されている上り無線アクセス方式の1つで、Grant Freeを採用するMUSA（Multi-User Shared Access）」をベースに開発した実験装置を使った。

担当したNICT ワイヤレスシステム研究室研究マネージャーの石津健太郎氏は、「2万台の端末を実際に用意してデータ送信するのは現実的ではない。そのためシミュレーターで2万台分の信号を模擬的に発生させ、そのなかで実験端末のデータがサーバーに届くかを検証した」と検証方法を説明する。

NICT ワイヤレスネットワーク総合研究センターワイヤレスシステム研究室
研究マネージャー石津健太郎氏