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高速移動体通信ブロードバンド化への 取組みと標準化動向 - ITU-AJ
スポットライト 会合報告 高速移動体通信ブロードバンド化への 取組みと標準化動向 国立研究開発法人情報通信研究機構 ワイヤレスネットワーク研究所 宇宙通信システム研究室 つじ ひろゆき 辻 宏之 1．はじめに 発を実施した。この研究開発では、航空機に対してブロー 近年、移動体通信分野は利用周波数帯の需要が増加す ドバンド通信を実現するために、広い無線周波数帯域を利 る中、携帯電話等によるワイヤレスブロードバンド環境の 用し大容量通信が可能となる40GHz帯を使い地上と航空 整備が進められている。更に、スマートフォンやタブレット 機を直接接続するATG方式を採用した。 端末の普及により無線通信トラフィックが急増しており、航 図1に航空機用ミリ波帯無線通信システムの運用イメージ 空機や列車環境等の高速移動環境においてもインターネッ を示す。このシステムでは、地上局と航空機が直接回線を ト等の利用の要望が高まり、その結果大容量通信の需要 結び、航空機の移動に伴って、次の地上局へ切り替えるこ が高まっている。 とにより、連続した通信を実現している。地上と航空機を 近年の高速インターネット環境の普及に伴い、航空機や 大容量の回線で結ぶことにより、機内ではインターネット接 列車内でも動画や音楽などの高速インターネット通信が可 続やビデオ配信など、地上にいるのと同じような感覚でサー 能な無線通信システムの実現が求められている。 ビスを提供することが可能となる。 このように今後見込まれるワイヤレスブロードバンド環境 の急速な発達に対して、将来的に更なる大容量通信への要 求が増大すると想定される。これらのブロードバンド通信 に対する需要に対応するために、広い帯域が利用可能であ る30GHz帯を超えるミリ波帯を利用したシステムの実現が 期待されている［1］［2］。 本稿では、高周波数帯開拓に伴う課題を克服し、ミリ波 帯の特徴を生かす高速移動体通信システムの実現に向けた 取組みについて実例を挙げて紹介するとともに、それらに 関するITU-Rでの標準化動向について解説する。 2．40GHz帯航空機通信の研究開発概要 ■図1．航空機用ミリ波帯無線通信システムの運用イメージ 2.1 航空機へのブロードバンド化と研究開発 ミリ波帯ではアンテナの小型化が可能であり、広い無線 航空の分野では、衛星を経由する方法と、地上と航空機 周波数帯域を利用した大容量通信が実現可能であるという を直接接続（ATG：Air-to-Ground）する方法が実用化さ 利点があるが、一方、マイクロ波帯に比較して伝搬損失が れている。衛星を経由する方法は、衛星の広域なサービス 大きいため、長距離の無線通信には向いていないとされて 範囲を特徴として世界的に利用が進んでいる。一方米国で いた。更に、光のように直進性が強いため、細い電波のビー は、800MHz帯を使って地上の局と航空機を直接接続する ムをお互いに追尾する必要があるなど、実用化には解決す ATG方式によるサービスも展開している。ただし、コスト べき課題がいくつかある。これらの状況を踏まえ、ここで 面や利用周波数帯域の制限等から、100Mbpsを超えるよう は以下の研究課題を設定した。 なブロードバンド化は進んでいないのが現状である。情報 （ア）搭載アンテナと地上局アンテナにアンテナビーム追 通信研究機構と三菱電機株式会社は、 総務省委託研究「ミ 尾機構が必要 リ波帯高速移動体通信システム技術の研究開発」 （2005 ～ （イ）航空機搭載用アンテナは小型・軽量化が必要 2009年度）により、マイクロ波帯よりも更に大容量の通信 （ウ）高い周波数に適合するデバイスの開発が必要 が実現可能なミリ波帯を用い、航空機等の移動体向けイン （エ）製造・設置コストの削減が必要であり、特に地上 ターネット通信環境を実現する無線通信システムの研究開 用のアンテナは安価であることが必要 ITUジャーナル Vol. 45 No. 10（2015, 10） 17 スポットライト 会合報告 （オ）飛行する航空機と地上局においてハンドオーバが 必要 （カ）インターネットを介して様々なアプリケーションに柔 軟に対応可能 2.2 航空機を使った実証評価試験 開発したシステムを検証するため、2009年度と2011年度 に実際の航空機を使った実証評価試験を実施した。この 試験では小型航空機に無線設備を設置し、地上の陸上固 そこで、ミリ波帯を長距離の無線通信に利用可能とする ために、長距離の無線伝搬を可能とする高性能アンテナと、 航空機の移動に追随して電波放射方向を制御するシステム を開発し、航空機を用いた通信実験を実施した。この研 究開発の成果の概要を以下にまとめる。 ① 設置性に優れた小型地上局 地上局に固定されたアンテナの前面に設けた小型軽 量の反射板の向きを制御することで、地上から航空機 へ電波の放射方向を制御する技術を開発した。本開 ■図2．航空機を追尾する地上局装置 発により、アンテナ本体の向きを制御する従来の方法 に比較して可動部分が軽量化でき、地上局の小型化 を実現した。図2にそのアンテナ試作機の概観を示す。 ② 航空機搭載可能な小型機上局 航空機搭載用アンテナの小型・軽量化のため、電波 の放射方向を制御するAPAA（Active Phased Array Antenna）で電子制御する技術を開発した。更に、ミリ波 帯回路部にMMIC（Monolithic Microwave Integrated Circuits）チップセットを開発し、機上局の小型・軽量 ■図3．射出成形樹脂型1次元アクティブフェーズドアレーアンテナ 化を実現した［3］。図3に2009年に試作されたAPAAの 概観を示す。 ③ ミリ波帯を用いた移動体通信に適した高速移動 ネットワーク技術の開発 航空機の移動に応じて接続する地上基地局を切り 替えるハンドオーバ制御と、ミリ波帯無線回線の伝送 可能帯域を伝搬距離に応じて変更する無線回線制御 とを連携して、IP通信を継続させる高速移動ネットワー ク技術を開発した［4］［5］。 ■図4．実験に使用した小型飛行機 ■図5．搭載用APAAアンテナの実装（左から機械駆動アンテナ、機械駆動＋1次元APAAアンテナ、2次元APAA） 18 ITUジャーナル Vol. 45 No. 10（2015, 10） 定局との間で通信を行い、評価に必要なデータを取得した。 の見直しから始まったが、審議の結果新たな報告を別途作 実験に使用した飛行機は2人乗りの小型飛行機であり、概 成し、ITU-R報告M.1051は2013年に削除されることとなっ 観を図4に示す。また、航空機搭載アンテナは図5に示さ た。新報告書案に向けた作業文書ITU-R ［LMS.ATG］は、 れるように機械駆動アンテナ、機械駆動＋1次元APAAア 当初、欧州と米国・カナダ（地域1と2）における開発例に ンテナ、2次元APAAの3種類の送受信アンテナを機内か 加え、中国が地域3としての開発例の提案を行っていたが、 ら地上側に向くように設置し、その他装置は搭乗席に搭載 2013年11月のWP5Aにて、日本から前述の40GHz帯を使っ して試験を実施した。 たATGシステムの概要をAnnex3に提案し採択された。この この評価試験の主な概要を表1にまとめる。 結果、ITU-R報告M.2282-0（12/2013）Systems for public mobile communications with aircraft （2013）が完成した。 ■表1．航空機による評価試験の主な概要 項目 パラメータ、内容 備考 陸上固定局 機械駆動アンテナによるミリ波送受 信装置 H21、H23年度 実施時に使用 3.1 鉄道通信システムでのブロードバンド化 航空移動局 機械駆動アンテナ＋1次元アクティブ フェーズドアレイアンテナ（APAA） H21年度実施時 に使用 スマートフォンやタブレット端末の普及により、陸上の高 機 械駆動アンテナ、2次元アクティ H23年度実施時 ブフェーズドアレイアンテナ （APAA） に使用 使用周波数 上り：46.8GHz、下り：44.45GHz, 43.65GHz 取得データ 受信レベル、回線品質（PERまたは BER） 、アンテナ指向性データ、追 尾特性、モデム信号、機体振動状態、 機体位置／姿勢情報 試験実施場所 米国ハワイ州（オアフ島） 3．40GHz帯鉄道通信システムの研究開発概要 速移動環境においても大容量通信の需要が高まっている。 特に鉄道分野において、ミリ波帯を用いた大容量通信の実 現が注目されている。現在鉄道分野において実用化されて いる列車無線システムは、線路沿線に設置された漏洩同軸 ケーブル（LCX：Leaky coaxial cable）と列車間で通信を 行う通信方式が挙げられる［6］。このLCX方式の伝送速度 は2Mbps程度であり、多くのユーザが同時にインターネット 実験では、高度約8000mを飛行する航空機と地上間で アクセスを行うと、1端末あたりの伝送速度が低下してしま 100Mbpsの双方向通信が行えることや、20分以上の連続 う。一方、周波数資源がひっ迫している中、鉄道通信シス 通信を確認した。開発した装置の性能とミリ波帯の特性を テムをブロードバンド化するための新たな周波数として、ミ 考慮すると、更なる大容量化も可能となる。この航空機と地 リ波帯を移動体通信で利用することがこれまで検討されて 上を結ぶ大容量無線通信システムは、航空測量データの伝 いる［7］［8］。特にミリ波帯を使った無線システムは、鉄道等 送や映像中継技術などの分野にも利用できると考えている。 のトンネル内において導波管効果を伴うため、少ない電力 で数kmの伝送を行うことが可能である。ここでは、前述 2.3 ITU-Rにおける標準化 の地上と航空機間で通信を実現した技術を展開し、鉄道 ITU-R WP5Aでは、2011年から機上でインターネット等 通信システムで利用するため、トンネルを使用した実環境 のサービスを提供するための、地上と航空機を無線で直接 における評価試験及び自動車を利用した高速移動試験を 通信を行うシステムATGに関し、新報告書案に向けた作 実施し検討を行った例を紹介する。 業文書「航空機を利用した公共移動通信システム」ITU-R ［LMS.ATG］の審議を開始した。この審議は本来ITU-R報 告M.1051 Public mobile telephone service with aircraft 3.2 ミリ波帯鉄道通信システムの概要 図6にミリ波帯を使った鉄道通信システムのイメージを示 ■図6．ミリ波帯を使った鉄道通信システムの例 ITUジャーナル Vol. 45 No. 10（2015, 10） 19 スポットライト 会合報告 す。ここでは以下のシステムの定義を仮定している。 • 列車・地上間の双方向通信システムであり、40GHz 帯の電波を利用 ■表2．トンネル試験の試験諸元 項目 諸元 搬送波周波数 46.8 GHz • 移動局と固定局は、1対1接続、または1対多接続とする 変調方式 64QAM-OFDM • 列車の移動速度は最大300km/h程度を想定 最大伝送速度 100 Mbps • 伝送容量は500Mbps程度とする 送信電力 10 mW • トンネル内はミリ波を使用し、トンネル外（明かり区 間も含む）は、ミリ波もしくは公衆回線を使用するシ ステムとする また、システムの評価試験を実施するにあたり、以下の 空中線利得 32 dBi アンテナ半値角 ±1.0 ～ 1.5 deg アンテナ数 基地局：2，移動局：2 走行距離 基地局～ 3,500 m 移動速度 15 km/h 環境で評価試験を実施した。 （ア）明かり区間 （1）公益財団法人鉄道総合技術研究所 敷地内の 線路で実施 ① トロッコ、試験車両を使用 ② 線路の直線区間、曲線区間でデータを取得 （2）国土技術政策総合研究所 試験走路で高速走 行実験 ① 高速走行状態（100km/h以上）において、 通信機能、及びハンドオーバ機能を確認・ 実証 （イ）トンネル区間 ■図7．移動局アンテナ（送信）と基地局アンテナ（受信）の位置関係 （1）建設中の北陸新幹線飯山トンネルで実施 ① 試験車両（軌陸車）を使用 陸車により線路上を15km/hで走行し、基地局（受信局）に ② 送受複数のアンテナ（送信2：受信2）を利 て伝送速度100Mbpsの受信電力とビット誤り率を測定した。 用し、100Mbps伝送を評価 3.4 トンネルにおける評価試験結果 3.3 鉄道環境の実証実験 移動局（送信）は、基地局から遠ざかる方向に移動した。 実験は、実際の鉄道環境における直線区間と曲線区間 送受信の条件として、1送信1受信（ダイバーシチ非適用） 、 での測定、高速走行試験とトンネル試験の三つの環境で評 2送信1受信（送信ダイバーシチ適用）、1送信2受信（受信ダ 価試験を行ったが、ここではトンネルでの評価試験につい イバーシチ適用） 、2送信2受信（送受信ダイバーシチ適用） て説明する。 の四つの条件で、受信電力特性とビット誤り率特性を測定 トンネル試験の試験諸元を表2に示す。図7に、評価試 した。測定したビット誤り率から計算した場所率の結果を 験における移動局アンテナ （送信）と基地局アンテナ （受信） まとめたものを図8に示す。ここで場所率とは、移動距離 の位置関係を示す。航空機を使った実験とは異なり、ここ を0.1mごとに区切り、各区間においてビット誤りが発生し では移動局送信アンテナ、基地局受信アンテナともに指向 ない確率、すなわち100Mbps通信が可能となる確率を示し 性アンテナを使用し、移動局送信アンテナは、移動局の進 ている。この結果より、送受どちらかにダイバーシチ技術 行方向と反対方向に設置されている。また空間ダイバーシ を適用すれば、場所率が改善されることが分かる。更に チ効果を確認するため、送受それぞれ2系統のアンテナを 送受共にダイバーシチを適用すれば、送信電力10mW、基 使用した。 地局－移動局間距離が3,000m以下の範囲において、99.9％ 実験は建設中のトンネルにて実施した。それぞれのアンテ 以上の高い場所率で100Mbps通信を実現可能であること ナを正対させた状態から、移動局（送信局）を設置した軌 が確認できた。 20 ITUジャーナル Vol. 45 No. 10（2015, 10） ■図8．送受信間の距離と場所率の関係 4．ITU-Rにおける標準化状況 5．まとめ 40GHzのシステムを鉄道分野に展開するため、2014年10月 本稿では、ミリ波帯（40GHz帯）を利用した高速移動体 開催のWP5Aに日本から鉄通信システムに関する新報告の 通信システム技術の研究開発についての概要と成果及びこ 提 案 を 行 い、 新 報 告 案 に 向 け た 作 業 文 書M.［RAIL. れらに関する標準化動向を報告した。 LINK］が承認された。日本からの提案では、Annex1（ミ 今後、航空機分野では、写真や地図データなどのリアル リ波（40GHz帯）の明かり区間・トンネル区間の伝搬特性 タイム伝送への利用。地上移動体分野においては、鉄道 のまとめ）、Annex2（ミリ波のシステムを含む日本の鉄道 に向けてブロードバンドインターネットや列車無線システム 無線システムの紹介）で構成されていた。更に2015年7月 への提供を視野に入れ、40GHz帯の制度化に向けて検討 にルーマニア（ブカレスト）で開催されたWP5Aでは、日本 を行っていく予定である。また、標準化においては、ITU-R からミリ波伝搬測定の試験条件に、試験時の速度及びビッ 等でミリ波通信技術の標準化活動も活発に行われている ト誤り率データの追記提案及び日本の鉄道制御システムを 中、現在審議中のITU-R報告完成に向けて、関係機関と 含むシステム事例の追加提案を行った。また、韓国は、韓 連携し活動を行う予定である。 国における鉄道向け無線システムの具体例の追記を提案。 （2015年5月 情報通信研究会より） 中国からは、都市間や都市内（地下鉄等）といった鉄道の カテゴリごとに区分けした表記の必要性及び高架橋やトン ネルといった周辺環境のシナリオごとに検討項目について の修正提案があり、審議が行われた。その結果、これら の修正案を盛り込み、次の会合に作業文書として送られる こととなった。 このように、韓国や中国からの寄書からも伺えるように、 鉄道無線システムはアジア地域での関心が高いと考えら れ、今後議論の活性化が見込まれる。 参考文献 ［1］情報通信審議会答申「電波政策ビジョン」 （平成15年7月30日） ［2］総務省「ユビキタス時代における航空・海上通信システムの 在り方に関する調査研究会」報告書、平成16年6月 ［3］最 新ミリ波 技術、監修：松澤昭、発行日：2015年7月31日、 シーエムシー出版 ［4］航空機搭載ミリ波帯高速移動体通信システム、三菱電機技 報2010年11月号 ［5］高速移動体通信システム技術の研究開発－高速移動アドホッ クネットワーク―、電子情報通信学会情報ネットワーク研究 会、2012年1月26日 ［6］立石幸也他、 “新幹線におけるLCXを用いた高速無線伝送試 験” 、信学技報、RCS2011・46,pp.67・72, June 2011. ［7］新倉弘久他、 “山梨実験線ミリ波列車無線実験システム” 、鉄 道総研報告、vol.15,no.11, pp.35-40, Nov. 2001. ［8］今井誠治他、 “ミリ波通信技術の新幹線への適用の検討” 、 信学ソ大、no.A-17-12, Sept. 2003. 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