【ニュースリリース】世界初！Beyond 5G/6Gに向けて、ミリ波帯での多数同時接続と超低遅延の同時実現に成功
2023年05月24日
国立大学法人電気通信大学（東京都調布市、学長：田野 俊一、以下「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） 石橋 功至教授と株式会社構造計画研究所（東京都中野区、代表執行役社長：渡邊 太門、以下「構造計画研究所」）は、Beyond 5G/6G に向けて導入が進むミリ波帯において、多数同時接続と超低遅延を同時に実現する無線通信方式を世界で初めて実証しました。実証に用いたミリ波サービスエリアの実現には、構造計画研究所が長年取り組んできたソフトウェア無線技術を用いました。
図１：（左図）５Gの代表的利用シナリオ における新方式の位置付け、（右図）圧縮センシングを活用したグラントフリー非直交伝送法 の概念図とその実証基盤としたミリ波サービスエリア
背景と概要
移動体通信システムは、これまで第３世代（３G）、第４世代（４G）、第５世代（５G）へと進化を遂げるにあたり、より高い周波数帯を使うことで通信の高速化を実現してきました。現行の最新世代である５Gにおいては、従来使用していたマイクロ波と呼ばれる周波数よりもさらに高い「ミリ波」を利用することで通信速度の向上を目指しています。今後、2030年以降のBeyond 5G/6G時代においては、ミリ波による高速通信に加えて、自動運転やドローン、ロボットの制御、工場内での超高密度の機器やセンサーの活用など、低遅延性や機器の多数同時接続性を要求するサービスの普及が想定されています。
現行の５Gでは、高速大容量・超高信頼低遅延・多数同時接続といった３つの通信要件が個別に想定されていますが、Beyond 5G/6G時代には、そうした通信要件の組み合わせを同時に満たす技術の開発が求められています（図１（左図））。例えば、通信許可なしで自由にデータ伝送可能な超低遅延を実現するためのグラントフリー（Grant Free: GF）と多数同時接続を実現するための非直交多元接続（Non-Orthogonal Multiple Access: NOMA）を組み合わせ、低遅延と多接続を同時に満たすグラントフリー非直交多元接続（GF-NOMA）という技術が検討されています。
しかしながら、従来のGF-NOMAでは、多接続性に関わるユーザ収容数の限界と、遅延に直結する演算量負荷、またデータの復元性能において、それぞれ課題がありました。今回、圧縮センシングを用いた新たなGF-NOMA方式5を開発し、従来方式より同一周波数リソースに多数のユーザを収容でき、さらに低演算量かつ高精度のデータ復元が可能となりました（図１（右図））。
今回の実証実験では、構造計画研究所が培ってきたソフトウェア無線技術を駆使してミリ波による無線通信可能なサービスエリアを実機で構成し、電気通信大学が考案したGF-NOMA方式と復調アルゴリズムを動作させることで、ミリ波帯で多数同時接続と超低遅延を両立した通信が可能なことを世界で初めて示しました。
実証内容
28GHz対応の基地局および端末を、通信機能をソフトウェアで実装することで通信方式の切り替えを自由にできる無線機（ソフトウェア無線機）をベースに構築し、信号処理機能は５GシステムのオープンソースソフトウェアであるOpenAirInterface （OAI）を用いることで、ミリ波対応５G無線通信環境を実現しました。今回は、OAI上に新たなGF-NOMAを拡張実装することで、新たな通信方式を検証する５Gシステム基盤として用意し、その検証基盤を用いて実証実験を行いました（図２）。
図２：実証実験の様子
具体的には、２台の端末から同時に同じ周波数・時間リソースを使用して小容量（10kbps程度）のデータを送信し、基地局側では専用ハードウェアでなく汎用PCを用いて、3.5ミリ秒（最良値）の遅延で受信データの復調まで２台分ともにできることを確認しました。これにより、ミリ波帯の５G通信において、多数同時接続と低遅延を同時に満たす検証方式を技術的に実証することに成功しました。
今後の展開
今回実証した通信技術の実用化により、超多数のロボット制御やセンサーによる情報収集の効率化に繋げられることが期待されます。電気通信大学と構造計画研究所は本技術の実用化を進めることで、Beyond 5G/6G時代に向けた新たな社会価値の創造に貢献してまいります。
本件は、総務省「電波資源拡大のための研究開発」のうち、技術課題ア「多様なサービス要求に応じた高信頼な高度５Gネットワーク制御技術の研究開発」の、課題アー２ サブテーマ②「ナノエリア対応高信頼ワイヤレスアクセス実現手法」により得られた成果の一部です。
詳細はPDFでご確認ください。