「AHPC×Wi-Biz企画・運営委員会合同セミナー」講演抄録
802.11ahの技術と実力、制度化状況
802.11ah推進協議会 副会長
NTTアクセスサービス研究所
上席特別研究員 鷹取 泰司 氏
最初に「802.11ahの無線規格について」、次に「各種実証実験」の結果について、お話しします。そして、「920MHz帯の利用状況調査」をご紹介したあと、最後に「制度化の取り組み」について、お伝えしていきたいと思います。
802.11ahの無線規格について
この図は、無線LANのIEEE802.11規格がどのように進化してきているかということを示しております。2.4GHz帯、5GHz帯の無線LANがどんどん広がって発展してきています。さらに高速へ、60GHz帯という周波数帯での無線LANも開発されています。
これに対して11ahは、別の領域をターゲットにしています。920MHz帯という周波数帯ですので、どうしても帯域幅が取れないというところはあります。ただ、920MHz帯の良さもありますので、次にそれを説明していきます。
こちらは無線LANだけではなくて、セルラー系を含めて無線通信に、どういう周波数帯で、どういうシステムが使われているかという一覧になっております。水色で付けているところが無線LANの領域になっています。さらに緑のところの拡張も期待されるところです。今まで無線LANは一番低い周波数でも2.4GHzだったわけです。それより低い周波数のところは、無線通信という意味ではセルラーだけが使っていました。あとは少しLPWAがあるという状況でした。
その低い周波数帯のところに無線LANが乗り出していくというのが11ahです。低い周波数帯、セルラーの周波数はプラチナバンドと呼ばれている周波数帯です。ここがどういう価値を持っているのか、もう少し見ていきます。
この図は、920MHz帯で、どういうものが使われているのか、それにライセンスバンドのIoTのシステムをかぶせております。横軸がエリアの広さ、縦軸が通信速度です。既存のLPWAでは、Wi-SUN、LoRa、Sigfoxがあるんですけれども、これらと比べると、非常に高速な通信ができるということが分かると思います。
しかも、通信できる距離も1km以上を確保でき、距離、スピードとも非常にいい性能が出せるということで、期待のできる無線システムということになります。長距離、低消費電力、それからWi-Fiよりも通信範囲が拡大できるというところが、11ahの特徴となっております。
いろいろな11ahの良さがありますが、ここではイメージの形で書いています。5GHz帯、2.4GHz帯、920MHz帯と周波数を下げていくと、より広いエリアがカバーできます。エリアが広がるだけではなくて、11ahの場合は柔軟な帯域ということで、1MHz帯から4MHz帯幅に対応できている。規格自体はもう少し広い帯域にも対応していますけれども、実際の無線モジュールでは、このぐらいの帯域幅です。
それから、設計が容易というところも特徴です。中継機能もありますし、1APあたり1,000台以上の端末が収容できる規格になっています。それから、低消費電力というようなところと、Wi-FiブランドのIoTということで、IoT向けの無線システムではありますけれども無線LANですので、通常のWi-Fiと同じような使い勝手で使っていくことができる。そういったところも、いろいろなサービスを開発していく、多様な端末をつなげていくというような観点で見ると、非常に魅力のあるものなのではないかと思っております。
ahの魅力を、まとめています。Wi-Fiの伝送距離が拡大するということ、端末・アクセスポイント・クラウドまでエンドエンドで利用者が自由にネットワークを構築できる、Wi-Fiのような使い勝手というところです。フルオープン・IPベースのWi-Fiファミリー、数Mbps程度までスループットが出る。これは数メガとなってきますので、簡単な動画は十分に送れるようなスピードと思っています。こういう点でIoT向けの無線アクセスを提供して、社会課題の解決にも貢献できるのではないかなと思っております。
それ以外の特長として、11ahは周波数を低くしているだけかというと、そうではなくて無線LANの世界最先端の技術者たちが集まって、最新の機能をいろいろ入れてあります。例えば屋外のような環境でも非常にロバストな性能を持つところや、低消費電力の機能、これは一部11axにも機能が引き継がれていますけれども、そういうものを先行して11ahの中では入れているというところがあります。
それから、中継の機能、あるいは多数の端末とアクセスするときの衝突防止の機能、そういったものも11ahの規格の特徴といえます。
エリア、スループットの関係で見ますと、既存のものはエリアが広いとスループットが出ない、スループットが高いとエリアを広く確保できないというところにあります。IoTとして一番必要な領域はこの両方を満たしてくる領域だろうと思っていまして、そこを11ahが提供できるということになります。
「11ahは非常にいいですよ」という説明をしてきたんですけれども、次に本当のところ、どんな性能が出るのかというところの各種実証実験の内容を説明させていただきます。
各種実証実験
11ah推進協議会では国内でかなり先行して、令和元年の5月20日に実験試験局の免許をもらっています。この免許を活用して、いろいろな環境で評価を行っていくことを実施してきています。モジュールは、Newracom社のチップを使ったモジュールで実験をしております。
最初に基本特性をいろいろ評価しておりますので、そちらからご紹介させていただきます。これはわりと素直な環境というか、ルーラルの環境ですけれども、ほぼ直線で1.3～1.4kmぐらいの距離が取れるようなYRP地区の環境での測定を実施しています。「わりと素直な環境」とは言ったんですけれども、そうはいっても街路樹等があったり、周りには少し森や建物があります。数百メートル以上離れると見通しは切れている状況になっています。こういった環境を1つの基準の環境として評価を行っております。
こちらの図では、この環境で評価した結果と有線で評価した結果を両方重ねております。まずモジュール自体が実力値としてどのぐらい性能が出るのかを見ています。無線LANの場合には最低受信感度、基準になる値としてよく-82dBmというような数字があるんですけれども、11ahの規格上の最低受信感度というところでは、それを13dB下げた-95dBmが最低の受信感度となっています。ただ、実機で見てみますと、-107dBmくらいのところまで感度を持っていることが分かりました。そういったモジュールで実際の屋外の反射波もある、そのような環境で評価したときに、どういった特性になるかというところで、点がたくさん打ってあると思いますけれども、これが屋外で測定したポイントの評価結果です。おおむね有線から10dBぐらいの劣化がある。通常の無線システムと同様ですけれども、そのぐらいの特性が出ることが分かりました。
距離換算で、どのぐらい飛びそうかと見ますと、最大で2kmを超えるような距離も届くのではないかという基礎特性が得られております。こういった基礎特性をもとに、より実環境に近いところで、いろいろ評価をしていきました。
評価は網羅的にやっていこうと、いろいろな環境をピックアップして、ahが想定できる利用環境をほぼカバーできるような形で測定を実施しております。一部コロナの影響もあって実験がやりにくかったところもあるんですけれども、かなりの部分でahの特性の確認ができているかなと思っております。いくつかピックアップしてご紹介したいと思います。
集合住宅の場合で、NTTの社宅で測定しています。7階の端っこのところにアクセスポイントを設置しています。全く反対側のところ、50m以上離れたようなところでも、同じフロアで届くというだけではなくて、上下のフロアも含めてしっかりahの電波が届いています。両脇に広がっているマンション、アパートの場合には、この倍の距離のところは1台のAPでカバーできてしまうということになります。1つのAPで一般的な住居の3フロアを一気にカバーできるところは、通常の無線LANでは考えられないような広いエリアを確保できる実力を持っているということかと思います。
こちらはオフィスで測定した結果です。こちらも同様の結果で、アクセスポイントを4階に設置して、3階でも、ほとんどのエリアで500Kbps以上のスループットが出ています。オフィスのような比較的壁がしっかりしているような環境でも、フロアをまたいで無線アクセスのエリアを確保できるというところが分かっております。ahは屋内でも十分に実力を発揮することが分かると思います。
屋内の場合、通常の無線LANでどうしてもデッドスポットみたいなものができてしまうようなエリアも、ahであればしっかりカバーしていける特徴を持っていると思っております。
アプリケーションに近いんですけれども、ビデオ通話のアプリケーションを使ってahを屋内から屋外につなげてみています。200mぐらいでは、しっかり届くということが確認されています。もちろん高層ビルの裏に入ってくるようなところで、どうしてもスループットが落ちてくるところはあるんですけれども、それでも接続はできるという状況です。11ahは一般的な屋外の都市部の環境でも、広いエリアをカバーするという特徴が示せていると思っております。
ナシ園という農園でも、評価を行っております。アクセスポイントから600mぐらいのエリアで、ナシの木がずっと植えられている環境で、カバーできるかどうかという確認をしております。
セルラー向けに作られている伝搬モデルを少し修正するような形で伝搬モデルを作ることができますので、受信レベルも良好に推定できます。600m距離が離れた場合でも、2MHz・4MHzの帯域を使えば1Mbpsを超える速度で通信ができることを確認しております。もちろん葉っぱの生え方とか、非常に葉っぱが茂ったところでは減衰もするんですけれども、ある程度見通しを確保できるような形で設置していくと、広いエリアのカバーも可能になることを確認しております。
小田原の海上での実験も行っております。こちらは海上を伝搬させる形になったんですけれども、2.5km離れたところでも2MHz帯域での伝送で1.3Mbps、4MHz伝送で2Mbpsということで、極めて高いスループットを確認しています。海のような環境でも広いエリアをカバーすることは非常に重要になってくると思いますので、ahの実力が確認できているというところは大きなポイントかなと思っております。
屋外の利用状況を実は他の場所でもいろいろ測っているんですけれども、都心部、都市部、ルーラル、いずれの環境でも空き周波数を比較的見つけやすい状況が今の920MHz帯の状況です。
ですので、11ahが利用可能になれば、いろいろな場所で他システムからの干渉の影響はある程度抑えながら、運用していくことができるのではないかなと思っております。
制度化の取り組み
ここから制度化の話になります。920MHz帯の中にはいろいろなシステムがあります。11ahはこの中のアクティブといわれているシステムの領域になってきます。ターゲットになってくる周波数は920.5から928.1MHzの周波数帯、免許不要で使える周波数帯になってきます。
どう制度化を進めていくか、最初にARIBの電子タグ作業班での検討を行いました。こちらは完了していまして、同じ920MHz帯を使うシステムの皆様からは、キャリアセンスの仕組みで、うまく共用できると確認いただいているところです。ARIBの中でもう少し細かい議論をして、どういう形の制度化が好ましいかというところの合意も取っているところです。
次がいよいよ総務省の電子タグシステム等作業班での議論で、ここが最後の山場になってきます。今まさにここに移行してくる状況になっています。
いくつかポイントがありますけれども、まず11ahはOFDMという無線LANで用いられている変調方式を使っていますので、これがしっかり使えるような制度にする必要があるということ。それから、11ahの場合は2MHz・4MHzのチャネルも設定可能ですので、それも利用できるよう周波数幅の拡大も取り組んでいるところです。現状は1MHzまでになっていますので、ahとしては2MHz・4MHzまで拡大させたいというところです。
送信時間率、EIRPは、既存システムとの親和性という観点で、同様の条件にしていく予定になっております。
実際にどのように運用できるのか。1MHz、2MHz、4MHzがそれぞれ伝送できる見込みという状況になっていまして、1MHzでは周波数が重ならない形で最大6チャネル、パッシブ優先を抜いたとしても5チャネルを使える。それから、ボンディングをする2MHz、さらには4MHzも設定できるような制度化になる見通しという状況になっております。
まさに今、作業班の準備というところで、作業班の開始を待っているような状況です。作業班開始になった後、一気にスムーズに進めていって、年度内にはahが国内で使える状況に持っていきたいと思っております。
加えてMCAの跡地という新しい周波数帯の話も始まっております。こちらは845から860、928から940という新しい周波数帯、今、既存システムが動いていない周波数帯で、11ahの実力をフルに発揮できるような制度化を進めていきたいと考えております。まだMCA自体が運用されているので、920MHz帯に比べると時間は掛かるんですけれども、ahの将来の拡大というところでAHPCとしては、こういったところにも取り組みを行っております。
こちらは、「最後に」というページです。920MHz帯に関してはARIBが完了して、いよいよ総務省の作業班というところに入ってくる。この後、産業における効率化・省力化、農業分野のIoT活用といったところに、うまく展開していけるのではないかなと思っています。
その先は、「さらなるユースケースの拡大に向けて」というところで、MCA跡地というようなところ、新しい周波数帯の開拓にもすでに取り組んでいるということになります。
技術のところの説明は、以上とさせていただきます。ありがとうございました。
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