2.1　セルフリーの概念

　本章ではセルフリーについての基本原理と利点，構成要素を概説する．まず，図1を用いてこれまで利用されてきたセルラシステムとセルフリーの違いを説明する．同図(a)に示すように，現在の移動通信システムでは，各基地局が無線エリアとしてセルを形成し，セルを敷き詰めて配置することでサービスエリアを構築している．端末は通信状態が良好なセルを選択し，該当するセルを形成する基地局との間で通信を行う．通信トラヒック需要が多いエリアではセルを密に配置することで通信容量を増加させる対応が取られている．しかしながらセルを密に配置すると，サービスエリア全体の通信容量を増やすことができるものの，セルの境界部分において干渉が発生し，通信品質を大きく劣化させる可能性がある．

　セルフリーシステムでは，同図(b)に示すように，分散して配置した多数のアンテナやネットワーク機器が同時接続するユーザに適した通信エリアを適応的に構成することがコンセプトとして提案されている．すなわち，これまでのセルラがネットワーク中心にエリアが構築されているのに対し，セルフリーではユーザ中心にエリアを提供することから，これを実現するネットワークはユーザセントリックネットワークと呼ばれ，ユーザの場所によらず良好な通信品質を提供できる可能性がある．

2.2　セルフリーの構成要素と研究動向

　図2にセルフリーの構成要素を示す．ターゲットエリアにアクセスポイント（AP: Access Point）としてアンテナを分散して配置し，各APはフロントホール回線を介して中央処理装置（CPU: Central Processing Unit）と接続されている．ターゲットエリア内の端末（UE: User Equipment）はAPを介してCPUと接続する．CPUでは無線信号処理やアクセス制御が行われ，またコアネットワークとのインタフェースを有している．無線リンクでは時間・周波数分割したリソースを空間多重してエリア内のUEとデータ通信を行う．空間多重を行うUEのアンテナと全APのアンテナの間の伝搬チャネルは大規模なMIMOチャネルとみなすことができ，空間信号処理を行うことで各ユーザの信号を分離することができる．このように分散して配置したアンテナの信号を集約して信号処理することでユーザ間干渉を低減でき，良好な通信品質を得ることが期待できる．

　上記コンセプトの実現に向けて，研究が進められている検討領域を図3に示す．ディジタル信号処理分野では，上記で述べたユーザを分離するためのダウンリンクのプリコーディングやアップリンクのマルチユーザ検出，またそのためのチャネル推定技術が広く研究されている．これらには，これまで多く研究されてきたMIMOで用いられる空間信号処理を適用することが可能であるが，空間多重ユーザ数や展開規模に応じて計算量が爆発的に増加することから，スケーラビリティを確保する信号処理方式が必要となる．具体的には，ユーザごとに信号処理に用いるAP数を制限することで計算量を効果的に軽減するAPクラスタリング方式と組み合わせた低演算量の信号処理の検討が活発に行われている．また，時間・周波数リソースや送信電力，MCS（Modulation and Coding Scheme）などの無線通信パラメータを適切に制御することで様々な所要の通信品質を満たす仕組みについても検討が進められている．なお，分散配置したアンテナを効果的に連携させるためには，フロントホール回線を効率的に提供する必要がある．一般にトレードオフの関係にあるフロントホールの容量確保と信号処理性能のバランスが取れる効果的なAPとCPUの機能分割の検討が重要になっている．一例として，ミリ波帯やサブテラヘルツ帯を利用した超広帯域な無線信号伝送に適したアナログRoF（Radio over Fiber）や，広帯域信号を多地点に効率良く多重伝送するIFoF（IF over Fiber）などの検討が進められている^(5),(6)．

4.1　標準化動向

　モバイル通信システムの標準化団体である3GPPにおけるLTE（Long Term Evolution）及び5G NR（New Radio）の標準規格では，異なるサイトに配置された分散アンテナが協調動作するCoMPの伝送方式として，Joint Transmission（JT）やJoint Reception（JR）が既に標準化されている．原理的には膨大な数のAPをエリア内に分散配置して各アンテナ間の同期を確保し，JTによるマルチユーザMIMO（MU-MIMO）伝送を行うことでセルフリーを動作させることが可能である．しかし，現規格では実現できる性能に限界があると考えられる．一例として，空間多重するユーザの数の上限になる復調用参照信号（DMRS）の最大ポート数による制約が挙げられる．5G NRで空間的に多重できるユーザ数は最大12であり，現在これを24まで増加させる方法が議論されている．一方，広域に多数のアンテナを分散して配置する場合は，より多くのユーザを空間多重できる可能性があり，これに適したポート数の拡大や，参照信号の柔軟な利用が期待される．また，チャネル状態情報（CSI: Channel State Information）の測定やUEからのレポート，UEの移動に合わせた連携アンテナの切換を効率的に行うメカニズム等が標準化されることが期待される．

　O-RAN Allianceでは，RANのオープン化，仮想化，インテリジェント化のために，相互接続が可能なインタフェースの国際標準仕様の策定が行われている．現在検討されている仕様は，5G及びその高度化である5G-Advanced向けが中心である．一方，セルフリーのようなBeyond 5G / 6Gでの導入を想定した技術は，Next Generation Research Group（nGRG）で検討されている．nGRGは，2022年6月に設立されたリサーチタスクフォースである．検討は，Research Stream（RS）と呼ばれる単位で行われており，例えば，RS01ではBeyond 5G / 6Gのユースケース，RS02ではアーキテクチャ，RS03ではAI/MLのRANへの適用が検討されている．最終的には，各RSでの検討結果に基づき，次世代のO-RANの発展の方向性を勧告するWhite Paperがまとめられる予定である．セルフリーを展開するRANについては，RS01において，3．で挙げたユーザセントリックRANが，一様な通信品質を必要とするユースケースとともに検討されている⁽⁹⁾．今後は，アーキテクチャ等を含めた具体的な検討が進むと想定される．

4.2　技術実証に関する動向

　これまでのセルフリーの研究は，理論検討及び計算機シミュレーションによる評価が中心であったが，近年はテストベッドを構築しての実証も報告されている．例えば，単一のCPUに16台のAPが接続され，16台のUEとの無線信号処理をクラウド基盤で行うテストベッドを構築し，屋内無線伝送実験でスループットを測定した結果が報告されている⁽¹⁰⁾．また，スケーラブルなセルフリーに関連した技術の実証例として，8台のAPと4台のUEを想定したCSI測定システムを構築し，APクラスタリングを含むユーザ間干渉抑圧方式について，実測データを用いて評価した結果が報告されている⁽¹¹⁾．また，図5に示す汎用サーバで構築された2台のCPU，及び4台のAPと2台のUEシミュレータ装置を用いた実証基盤を構築し，CPU間の連携によるユーザ間干渉抑圧方式を，屋内無線伝送実験で評価した結果が報告されている⁽¹²⁾．これらのような実証により，実環境においてセルフリーによって均質な無線通信品質が確保され得ること，及びセルフリーの無線信号処理をRANで行うことの実現性が示されつつある．今後は，実用化に向けて，より広いエリアを対象とした無線品質の均一化の検証，標準化を見据えた実装を含むシステム化技術の検証，及びアプリケーションを含めたユースケース実証が進むと考えられる．