特集 4-3 短距離無線通信技術

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Vol.100 No.8 (2017/8) 目次へ

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原田博司 正員:フェロー 京都大学大学院情報学研究科通信情報システム専攻

Hiroshi HARADA, Fellow (Graduate School of Informatics, Kyoto University, Kyoto-shi, 606-8501 Japan).

電子情報通信学会誌 Vol.100 No.8 pp.813-818 2017年8月

©電子情報通信学会2017

abstract

 携帯電話に代表される移動通信システムの進展とともに積極的に開発されてきたのが無線LAN(Local Area Network)及び無線PAN(Personal Area Network)である.本稿では特に電波を用いた無線LAN,無線PANに焦点を当て,その変遷,今後の進化の方向性,主な技術課題をまとめる.

キーワード:無線LAN,無線PAN,IEEE 802.11,IEEE 802.15,動向

1.は じ め に

 携帯電話システムに代表される移動通信システムは,今や個人のビジネス,娯楽から安全,安心確保のための情報収集,発信のための重要な基幹ツールとなっている.しかし,移動通信システムは多くの利用者を収容するため,大規模であり複雑である.また,各利用者に対して帯域を潤沢に確保できるとは限らない.

 この問題を解決するために,利用者個人の周囲いわゆるローカルエリアで自営ネットワークを構築し,簡単にインターネット接続や,個人のみのパーソナルネットワークを構築できるようにしたものが無線LAN(Local Area Network)及び無線PAN(Personal Area Network)である.

2.無 線 L A N

2.1 標準化が行われる背景

 1980年代,コンピュータのパーソナル化に伴い,各コンピュータを有線ネットワークで接続を行うための規格化が行われた.その代表が,イーサネット等の名前で知られるIEEE 802.3規格により標準化されたパケット伝送,及びATM(Asynchronous Transfer Mode)伝送を用いたものである.これらの伝送方式により,会社内,学校等のローカルエリアで自営のコンピュータネットワークを構築するLANが普及した.その後パーソナルコンピュータ(PC)も小形,軽量化され,ラップトップ,ノートブックタイプと準静止ながら移動を行うものが増えたため,無線を用いたLANの実現への期待が1990年代に出てきた.

 無線LANは,基本的には各端末(STA: Station)はアクセスポイント(AP: Access Point)を介して通信を行う.APは有線ネットワークを介してインターネットに接続される.当時,検討されていた無線LANは二つあり,無線でイーサネットフレームを伝送するイーサネット系無線LAN,もう一つは無線でATMフレームを伝送するワイヤレスATMであった.前者は主に1990年7月に設立された米国IEEE 802.11ワーキンググループ(以下IEEE 802.11とする)(1),(2)において,後者は欧州ETSI BRAN(Broadband Radio Access Network)プロジェクト(3)にてHyperLANという名前で標準化が行われていた.

2.2 無線LANの標準化

 IEEE 802.11における主な標準化を表1にまとめるが,まず,1997年IEEE 802.11標準規格が制定された.IEEE802委員会での標準化は,一般的に物理層とデータリンク層の標準化が行われる.このIEEE 802.11においてはデータリンク層プロトコルとしてCSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance)を採用した.また,物理層として直接拡散方式(DSSS)を用い,2Mbit/s程度の伝送速度が実現できた.しかし,有線系ネットワークの速度の増加に伴い,より高速な無線LANが必要となった.そこで1997年にIEEE 802.11a及び11bの標準化が開始され,共に1999年に標準化が終了する(2).参考までに,802.11の直後に添え字としてアルファベットが付くものは,その直前の数字の標準化の改正(Amendment)を行うという意味である.

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 802.11aと11bの主な違いは,周波数と伝送方式,伝送速度で,前者が主に5GHz帯を用いてOFDM方式により最大54Mbit/sを伝送するのに対し,後者は,主に2.4GHz帯を用いてDSSSを基本としたCCK(Complementary Code Keying)により最大22Mbit/sを実現するものである.また後者は,ベースとなる標準規格IEEE 802.11との強い後方互換性が要求された.

 一方,ETSI BRANにおいては,1996年にHiperLAN/1の標準化を行った.これは,FSK,GMSKを用いて,最大23Mbit/sの伝送速度を達成するものであった.更に,IEEEワイヤレスATMを実現するHyperLAN/2の規格化を行った.このHyperLAN/2はIEEE 802.11aと同様にOFDM方式を用いて最大伝送速度54Mbit/sまでは同じであったが,MAC層プロトコルがTDMAをベースにしたDynamic TDMAであった.これはATM伝送に親和性が高いということと,再送等も容易にでき,移動体への通信等が仮に出てきた場合,高品質な通信が期待できるというところからであった.

 IEEE 802.11系,Hyper LAN系共に性能的には甲乙付けがたい状況であったが,IEEE 802.11bを搭載した低価格の無線LANカードが登場し,更に大手コンピュータ会社によるIEEE 802.11bを搭載した製品が登場した.また,IEEE 802.11標準をベースに相互接続性のある技術仕様策定,試験方法策定,並びに認証を行う団体WECA(後のWi-Fiアライアンス)が立ち上がったこともあり,無線LANの主流がIEEE 802.11系に移っていく.このWi-Fiアライアンスでの標準製品は,商品名Wi-Fiの名前で全世界に広がることになる.

 その後,2.4GHzで11bとの共通部分も保ちつつOFDMを用いて伝送を行う11g(2003年),2.4GHzと5GHz両方に対応し,両周波数帯の複数チャネルを束ねて利用するチャネルボンディング及び複数アンテナで別々の情報を送受信させ伝送容量の増大を目指すMIMO(Multiple Input Multiple Output)伝送を用いて最大600Mbit/sの伝送を実現する11n(2009年),更に多くのチャネルボンディング,オプションながらマルチユーザMIMOを用いて最大6.9Gbit/sの伝送を可能にする11ac(2014年),ミリ波(60GHz帯)を用い,最大6.8Gbit/sの伝送を可能とする11ad(2013年)(4)の標準化に続く.現在,マイクロ波帯を用いて11acの更なる高速化を目指す11ax(5),ミリ波において11adを拡張し20Gbit/sを実現する11ay(6)の標準化が行われている.

2.3 無線LANの標準化,商用化から見えること

 この1990年代の無線LANの標準化は,その後の短距離無線通信ビジネスの成功のための大きな条件を提供する.それは以下の四つの条件である.

 ① 標準仕様は性能よりも,安価に作ることができること.

 ② 標準化においては,米国,欧州,アジアの企業が入っていること.(特にチップベンダの参加)

 ③ 標準化終了時に複数の企業がその標準仕様が搭載されたチップを開発していること.

 ④ 各無線機製造メーカ間の相互接続性試験方法の策定,機器認証を行う団体(アライアンス)があること.

3.無 線 P A N

3.1 標準化が行われる背景

 1990年代後半の無線LANの研究,開発,標準化の急速な進展及びパーソナルコンピュータに対する周辺機器の多様化に伴い,無線LANのようにAPを介することなく直接通信により,簡単に接続する需要が高まってきた.これが無線PANである.この普及促進にも,研究,開発以外に標準化が必要になり,1999年にIEEE 802.11から独立する形でIEEE 802.15ワーキンググループ(以下IEEE 802.15)が立ち上がった.

3.2 無線PANの標準化

 IEEE 802.15における主な標準化は表2にまとめる.短距離無線通信のアプリケーションイメージは様々であるため,IEEE 802.11のように,全て添字が英語のプロジェクトだけではなく,.15の後に更に数字を付けて,カテゴリー分けをはっきりし,その後修正が必要である場合は,更に英語の添字を付けて追加の標準化を行う.表2において,802.15の標準化は大きく分けて四つに分類できる.表3に示すように最大伝送速度が数Mbit/s程度の低速無線PAN,最大伝送速度が10Mbit/s以上の高速無線PAN,アプリケーションに特化した無線PAN,両方のPANに利用できる共通技術である.

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 低速無線PANの例として,Bluetoothとして商用化されている802.15.1,及びWi-SUN,ZigBeeの名前で商用化されている802.15.4が挙げられる.高速無線PANの例として,UWB(Ultra-wideband)の名前で知られる802.15.3が挙げられる.アプリケーションに特化した無線PANはBody Area Network(BAN)で知られる802.15.6,可視光通信(VLC: Visible Light Communication)で知られる802.15.7等が挙げられる.共通技術の標準化としてはメッシュネットワークの方式を標準化した802.15.5,Key Management Protocolを標準化する802.15.9,データリンク層でルーチングを行う802.15.10等が挙げられる.この中でも実際に大きなビジネスにつながっているのは低速無線PANである.また,注目すべき標準化は,高速無線PANである.

3.3 低速無線PAN

 低速無線PANのうちIEEE 802.15.4における標準化を表3にまとめる.主な使用目的は,工場等で用いられるセンサネットワークにおけるセンサからの情報収集及び管理サーバからの各種機器制御(アクチュエーション)である.2003年に制定された最初のIEEE 802.15.4においては,物理層としてO-QPSK(Offset-QPSK)変調によるDSSS方式を採用し,周波数として,868MHz,915MHz,2.4GHz等が,伝送レートは,最大250kbit/sまでの伝送が可能である.また物理層のペイロード長は127Byteであり,IEEE 802.11系と比べて短いものであった.MAC層には,同期方式と,非同期方式がある.同期方式は,ビーコンを用いてスーパフレームと同期し,通信を行う方法,及び非同期方式として無線LANと同様にCSMA/CAを用いる方法が採用された.

 この標準化が終了後,表3に示すようにIEEE 802.11と同様に多くの追加修正が行われた.UWB方式及びCSS(Chirp Spread Spectrum)の物理層方式を追加した15.4a(6),中国市場向けの物理層を追加した15.4c,日本市場向けの物理層を追加した15.4d,15.4を用いたアクティブRFID用の仕様を制定した15.4fである.

 日本においては,主に2.4GHz帯を用いてZigBeeアライアンスが製品を出し,普及促進を行った.しかし,無線LANのような爆発的な台数出荷にはつながらなかった.主な理由としては,基本的に複数企業が供給するほど大量導入を行うアプリケーションがなく,その結果,相互接続性が十分担保されていなかったこと,また,電源が十分確保できない環境に対して,低消費電力で実現できる無線PANが実現できていなかったこと等が挙げられる.企業が本格的に製造体制を整えるためにはやはり最低でも1,000万以上の出荷が期待されるところであった.

 このような状況を打破したのが,通信機能を電気,ガス,水道等のメータに持たせ,使用量を収集し,その結果を基に使用量の制御を行い,エネルギー消費量の削減を実現するスマートメータの導入である(7).特に電力量計のスマートメータの導入は,2016年4月にスタートした電力自由化とともに,普及が促進された.このスマートメータ用の通信ネットワークをSUN(Smart Utility Network)と呼ぶ.東京電力管内だけでも2,700万台のメータがあり,これは一つの携帯電話会社の利用者数にも匹敵する数である.また,この1,000万台を超える数は一つの企業では製造できないため,複数企業による製造が必要となり,結果として相互接続性のある,低消費電力な802.15.4をベースにした標準仕様が必要になった.これに対応した物理層の標準が802.15.4gであり,データリンク層の標準が802.15.4eである.ここで802.15.4eは,SUN用だけではなく,2003年に制定され,2006年に機能追加,修正されたIEEE 802.15.4のMAC層での問題点も修正,機能追加がされている.

 802.15.4gでは,FSK,O-QPSK,OFDMの三つの方式が採用された.後述する高速無線PANの標準化の教訓から,IEEE標準化においては,標準化プロジェクト自身がなくならないように一つの方式に絞ることなく,また強制規格(マンダトリ規格)を増やすことなく,多くの任意規格(オプション規格)を記述し,まず標準化を円満に終了させる方向性になってきた.そして,業界団体であるアライアンスが,多くの任意規格の中から各種アプリケーション実現に必要となる規格を抜き出し,必要であるならば別の規格団体の標準も加え,作りやすく相互接続性のある業界標準規格を作る方向性になってきた.この15.4g,15.4eをサポートするWi-SUNアライアンスにより,この標準は全世界に普及し,特に日本においては,電気用スマートメータ(8),ガス用スマートメータ(9)の標準方式として採用されている.

 この15.4g,15.4eの標準化終了後,15.4規格のBANへの拡張(15.4j),数kmから数十km程度のエリアのインフラ等のモニタリングへの物理層機能追加(15.4k),54~862MHzのTV帯における周波数共用,いわゆるTV帯ホワイトスペース通信として15.4を利用するための機能追加(15.4m)等の標準仕様が制定された.

3.4 高速無線PAN

 高速無線PANのうちIEEE 802.15.3(以下15.3とする)における標準化を表4にまとめる.15.3は元来2.4GHz帯においてOFDM方式を用い最大54Mbit/sの無線PANを実現する規格である.15.3bではそのMAC層規格を制定している.この規格も大きなアプリケーションを生む変革点が見いだせなかったが,2002年に米国FCCが3.1~10.6GHzにおいて,-41.3dBm/MHzの出力であれば通信可能であるUWB方式の利用を促進し始めたため,これに呼応した規格化15.3aが行われた.このUWBによる高速無線PANの実現のため,DSSS方式及びOFDM方式を用いた方式が提案された.しかし,標準仕様を一つに絞ろうとしたため,承認に必要な投票数が集まらず2006年に解散する.これは標準仕様の一本化を行うべきという標準化に対する考え方に大きな影響を与えた.

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 次に,大画面高精細テレビとセットトップボックスとの間やスマートフォンと大容量コンテンツサーバとの間のGbit/sを超える超高速ファイルダウンロードの実現のために,ミリ波帯(60GHz)を用いて最大5.6Gbit/sの無線PANを実現する規格,15.3cが2009年に制定された(10).この標準化は,シングルキャリヤ方式,OFDM方式を併記する形で標準化したため,標準化自身は終了した.しかし,この標準化終了時に2.3に記述する複数の企業がその標準仕様が搭載されたデバイスを開発してはおらず,また各無線機製造メーカ間の相互接続性試験方法の策定,機器認証を行うアライアンスも活動が十分されておらず,「標準化は成功するが普及促進ができない」という問題が出た.この15.3cで制定された標準は,別WGのミリ波無線LAN標準で11adに受け継がれ,標準化も普及促進団体も出てきたが,安定動作し,安価なミリ波デバイスがまだ十分供給されておらず,普及促進途上となっている.

 その後15.3においてはミリ波より更に高周波数帯も用い100Gbit/sの無線PANを実現する15.3d,高速の近接通信を実現する15.3eが標準化されているが,2.3の条件を満たすものが少なく,普及促進途上となっている.

3.5 無線PANの標準化,商用化から見えること

 Bluetooth,Wi-SUN,ZigBee等の低速無線PANの商用化成功の鍵として,共通して言えることは,2.3①~④に示したとおりである.

 更に高速無線PANの標準化から見えることは,無線デバイス,チップ開発の動向を踏まえ標準化を開始,終了させる必要性があり,研究開発が十分行われ,十分市場形成ができるアプリケーションが登場し始め,アライアンス等のサポートも得られることが見え始め標準化を行うことが必要であると考えられる.また,15.3cと11adの関係のように,ほぼ同じ通信方式の標準化がある場合は,どちらかがとう汰されていくことになる.

4.今後の進化の方向性

 無線LAN及び無線PANは,携帯電話系システムと同じ速度,同じ領域をターゲットにすると,携帯電話系システムとの間で生存競争が始まり,どちらかがとう汰される.これを回避し,共存するために次の方向性に向かうと考えられる.

 まず無線LANは,高速化と高周波数有効利用率という二つの方向性が考えられる.まず高速化に関しては,今後10Gbit/sを超えるコンテンツが個々人で利用可能な,安価に製造可能な物理層,MAC層通信方式の本格的な研究,開発,標準化が行われていく.特にダウンリンクだけではなく,個人が情報を発する時代であるため,アップリンクの伝送容量の増大化,高信頼化が必要になる.

 次に高周波数有効利用に関しては,無線LANが求める準静止利用に適した6GHz以下のマイクロ波帯においては,更なるブロードバンド化に伴い,ますますの周波数のひっ迫が予想される.特に現在の無線LANにおいても異システムだけでなく同一システム間の電波干渉が問題視されており,電波干渉を抑制できる高周波数利用効率機能を具備する必要性がある.

 一方無線PANにおいては,無線LANを超える超高速無線PANと低消費電力広域低速無線PANの必要性がますます高まると考えられる.超高速無線PANに関しては,数十Gbit/sから100Gbit/sの伝送速度を実現する短距離,近接通信の実現が必要になる.

 また,低速無線PANに関しては,15.4g,15.4eを用いて,マルチホップを利用してSUNを実現する以外に,SUNより低速でその代わりマルチホップなしに,数kmの通信エリアを確保しようとする農業,防災用途,低速メータリングの用途のLPWA(Low Power Wide Area)通信の実用化が検討されている.今後は更なる低消費電力,広域性,更にマルチホップ等のサポートも可能な高信頼な低消費電力広域低速無線PANが開発されていくものと考えられる.

5.主 な 課 題

 高速無線LANに関しては,より周波数有効利用率を向上させる技術が必要になる.現在は,MIMO技術という空間的な要素を用いて高速化を図っているが,今後は全二重(Full Duplex)通信導入を視野に入れた研究開発が進むものと思われる.更に準ミリ波帯及びミリ波帯の電波伝搬の特徴を利活用した空間的な多重技術等も必要になる.周波数としてはミリ波帯においては,あらゆる機器に搭載しても安定に動作するデバイスの研究開発が必要になる.またテラヘルツ帯の本格利用も必要になる.低速無線PANにおいては,低消費電力が求められるので,電源供給及びCPU等への負担を極限まで抑えることができるデバイス構成技術,更にこの開発したデバイス構成技術と連動して低消費電力が実現できるMAC層通信方式,多段中継方式の研究が進むものと考えられる.

6.最  後  に

 本稿では,無線LAN,無線PANの変遷,今後の方向性,技術課題をまとめた,802.11a,11b若しくはHyperLAN2が標準化されていた頃は,日本でも電波産業会(ARIB)内に技術仕様を日本から発信し,IEEE,ETSI-BRAN等に提案する動きがあった(3).また,802.15.3c,802.15.4g等も日本からの提案が標準物理層,MAC層仕様に大きく反映された.今後重要になることは,大きな市場を形成できる無線通信仕様に日本からどれくらい提案を行っていけるかということである.そのためには,企業,大学はこの標準化の歴史を学習し,次に起こり得る事象を予測し,プロアクティブに研究,開発戦略を立て,行動に移すことが重要である.

文     献

(1) 足立朋子,“無線LANの標準化動向とそこから見えること,”信学技報,SRW2016-40, pp.43-48, Aug. 2016.

(2) 守倉正博,“IEEE 802.11a無線LANの研究開発と標準化,”信学通誌,no.12, pp.66-73, March 2010.

(3) 太田現一郎,“マルチメディア移動アクセスシステムMMACの標準化とそこから見えること~第5世代移動通信システムにおける無線技術研究開発への期待~,”信学技報,SRW2016-41, pp.49-54, Aug. 2016.

(4) 本塚裕幸,坂本剛憲,高橋和晃,“5Gでの活用を睨んだ60GHz帯無線標準化及び実用化動向,”信学技報,SRW2016-103, pp.195-200, Aug. 2016.

(5) 井上保彦,“IEEE 802.11ax無線LANの標準化動向とその先の展望,”信学技報,SRW2016-42, pp.55-60, Aug. 2016.

(6) E. Karapistoli and F-N. Pavlidou, “An Overview of the IEEE 802.15.4a Standard,” IEEE Commun. Mag., vol.48, no.1, pp.47-53, Jan. 2010.

(7) 原田博司,“スマートユーティリティネットワーク:概要と標準化動向,”信学技報,SR2010-48, pp.57-64, Oct. 2010.

(8) 神田 充,“スマートメーターの普及動向と今後の展開~スマートメーター通信システム・通信方式・試験/検証・連携~,”信学技報,SRW2015-57, pp.37-42, March 2016.

(9) 川田拓也,“Wi-SUN技術を活用したガススマートメーターの研究開発と将来展望,”信学技報,SRW2016-79, pp.65-68, March 2017.

(10) 加藤修三,荘司洋三,原田博司,安藤 真,池田秀人,大石泰之,川崎研一,高橋和晃,豊田一彦,中瀬博之,丸橋建一,“IEEE802.15.3cミリ波WPANに関する研究開発と標準化活動,”信学技報,RCS2006-278, pp.175-178, March 2007.

(平成29年4月7日受付 平成29年4月17日最終受付)

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(はら)() (ひろ)() (正員:フェロー)

 平7阪大大学院工学研究科博士後期課程了.同年郵政省通信総合研究所(現国立研究開発法人情報通信研究機構)入所.以来,無線通信方式に関する研究,開発,標準化に従事.平26京大大学院情報学研究科教授,現在に至る.IEEE 802.15.4g,802.15.4m,1900.4及びTIA TR-51副議長.IEEE Dyspan Standards Committee議長等を歴任.平17年度本会業績賞受賞.博士(工学).


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