超高速を狙う次世代移動無線技術 次世代移動無線技術 ～進化を続ける

高柳記念未来技術フォーラム，アルカディア市ヶ谷（私学会館），2005 年 5 月 13 日
超高速を
超高速を狙う次世代移動無線技術
～進化を
進化を続ける携帯電話
ける携帯電話～
携帯電話～
安達 文幸
東北大学大学院工学研究科電気･通信工学専攻
E-mail: [email protected]
URL: www.mobile.ecei.tohoku.ac.jp
１．まえがき
通信システムの究極の目標は，時と場所の壁を越えて
「いつでも，どこでも，誰とでも，どんな情報をも瞬時にやり
取りしたい」という私たちの願いを実現することである．こ
の目標達成には無線技術が大きな役割を担っている．お
よそ 25 年前に通信ネットワークに大きな変化が起こった．
それは，移動しながら通信ができる携帯電話（当時は自
動車電話と呼ばれていた）の登場である．日本では，2005
年 3 月末の携帯電話と PHS の総数は 9147 万 3900 台
（TCA 統計データ）で，2005 年 4 月の日本の人口が
12768 万人（総務省統計局概算）であるから，人口の 72％
もの人が移動無線サービスを利用するまでになった．
最近の固定通信ネットワークではインターネットが大変
なスピードで社会を変革し続けている．携帯電話の世界
でも会話に加えて，電子メール，ホームページ閲覧，銀行
振込から娯楽にいたる様々なオンラインサービスが提供さ
れている．最近では，トラフィックの比重が，会話から電子
メール交換やインターネット接続へと移っている．今や，
携帯電話端末は，会話だけでなく個人かビジネス利用か
を問わず，様々な形態の通信を扱うマルチメディア（多様
なデータレートで多様な形態の）情報通信端末になりつ
つある． また，携 帯電話よ り高速の通信が できる無線
LAN も浸透しつつある．
日本では，高速データ通信サービス（インターネット接
続サービス）の効率的な提供を目標に開発された第 3 世
代携帯電話が 2001 年に登場した．無線アクセスには直
接拡散符号分割マルチアクセス(DS-CDMA)技術が採用
されている[1]．第 3 世代システム(W-CDMA や cdma2000)
の通信速度は当面，384kbps 程度である．ところが，インタ
ーネット接続では，携帯端末への情報ダウンロード，すな
わち下りリンク（ネットワーク→端末）利用がほとんどのトラ
フィックを占める．そこで，下りリンクのパケット通信速度を
10Mbps 程度へ高速化する下りリンク高速パケットアクセス
技術の開発が進められている[2]．
しかし，近いうちに，この程度の通信速度では足りなく
なると予想されている[3]．第 3 世代システムより格段に高
速なデータ通信サービスを提供する，いわゆる第 4 世代
システムは 2010 年頃に登場すると期待されている[4]．最
近では，第 4 世代システムの実現を目指し，100Mbps～
1Gbps もの通信速度を狙った超高速移動無線技術の研
究開発が活発に進められている．このような超高速無線
技術を，私たちはギガビット無線技術と呼んでいる．ギガ
ビット無線技術は CDMA 無線アクセス技術を中心に，
様々な高度無線技術の組み合わせになると見られている．
ギガビット無線技術の開発では日本は他国に先んじてい
る．また，無線ネットワークも大きく変わる可能性がある．
以下では，次世代移動無線は何を目指しているか，ギ
ガビット無線技術とはどんなものかについて概説する．次
世代システムは複数の無線システムが協調してユーザに
多様なサービスをシームレスに提供する複合システムに
なると予想される．まず，複合システムの考え方について
述べる．無線技術の開発にあたっては電波伝搬機構の
理解が極めて重要であるので，まず広帯域電波伝搬機
構を簡単に説明した上で，ギガビット無線技術について
議論する．
２．進化す
進化する携帯電話
セルラシステムは無線技術の進歩やユーザの要望など
の変化に伴って図 1 のように変遷してきた．表 1 は，移動
無線通信が第 1 世代から第 3 世代へどのように発展し，
そしてどのように第 4 世代へ進化しようとしているかを示し
ている．固定通信ネットワークではインターネットトラフィッ
クが飛躍的に増加している．移動無線通信でも多様（デ
ータレート，品質，通信タイプなど）なサービス提供への
期待が強くなっている．多くのユーザが，膨大な情報デー
タを瞬時にネットワークから携帯端末にダウンロードしたい
と思っている．このような背景から，第 3 世代や無線 LAN
をはるかに凌ぐ超高速データ通信を可能とする無線技術
の開発に期待が寄せられている．
数年前までは 10～20Mbps 程度の通信速度が目標とさ
れていたが[3]，この程度の通信速度は，今では第 3.5 世
代の目標になっている[2]．第 4 世代システムにおける無
線通信速度の目標は以下のようになろう．
U ホットスポットや準静止環境：100Ｍ～1Gbps
U 移動環境：～100Mbps
限られた周波数帯域幅で上記の目標を達成しようとす
ると，～10bps/Hz もの周波数効率を達成する無線技術が
必要になる．そこで，ごく最近では，複数本の送受信アン
テナを用いる Multi-input Multi-output (MIMO)システムが
大変注目を集めている[5]．MIMO システムは，アンテナと
無線信号処理の融合技術であり，第 3 世代システムにお
いても活躍する可能性が高いと見られている．
３．次世代システム
複数システム
システムが
次世代システムは
システムは複数
システムが協調する
協調する複合
する複合シス
複合シス
テムになる
テムになる？
になる？
現在の通信サービスの中心は音声，電子メール交換，
1
あり，高品質な画像情報サービスや音楽サービスなど一
方向サービスに特徴がある．異なる発展の歴史を経てき
たこのような無線システムがお互いに協調しあって，ユー
ザの要望に応じて多様なサービスを提供するためのシー
ムレスハンドオーバー技術の開発が必要である．複合シ
ステムでは次世代インターネット技術が大きな役割を果す
だろう．
なお，無線 LAN では高速化とともに広域化が進められ
ており，セルラシステムに近づきつつある．一方，セルラシ
ステムは第 2 世代から第 3 世代に進化し，今では無線
LAN に迫る高速伝送技術を手に入れようとしている．この
ような異なる無線システムがうまく連携する技術開発がこ
れから大変重要になるだろう[6]．
Multimedia
Broadband
ital
g DigS95
o
Mobile
l
a
An PS I 136 IMT-2000
M
S
I
A CS
M
TATT GSDC
P
N
1980
1990
2000
2010
Year
図１ セルラシステムの変遷
Celluar
Wireless
LAN
2G
Digital
3G
Digital
4G
Up to 1 Giga bit/s
FDMA
TDMA, DSCDMA
DS-CDMA
OFDM, CDMA
based access
Major
Services
Voice
Circuitswitched
Voice
Internet
(text, images)
Circuit-and
packet -switched
Broadband rich
Internet
Corenetwork
Voice
Internet
(text only)
Circuit-and
packet
switched
Wireless
Access
Evolution
Evolution
Broadcasting Evolution
Global wireless system
inter-connected
by internet technology
2G/3G
Celluar
Broadcasting
4G Celluar
Wireless
LAN (hot spot)
図 2 複合無線システム
４．広帯域電波伝搬
無線通信では，送信信号は多数の障害物（建造物な
ど）で散乱（反射，回折）されるので遅延時間が異なる多
数の伝搬路（パス）が形成される．このような伝搬路は多
重伝搬路と呼ばれる．もし，パス間の遅延時間のひろがり
が信号帯域幅の逆数以上になると，多重伝搬路の伝達
関数は信号帯域内でもはや一定とはならず複雑に変動
するようになる．このような多重伝搬路は周波数選択性多
重伝搬路と呼ばれ，受信信号スペクトルにひずみが発生
することになる．しかも，周波数伝達関数は受信点の移動
に伴って複雑に時間変動する．
図 3 は，搬送周波数が 2GHz で，遅延時間が互いに
150ns（距離差では 45m）だけ異なる 16 個のパスが存在す
るときに，受信点の移動につれて周波数伝達関数がどの
ように変化するかを示したものである．このように，移動し
ながら送受信すると，受信信号は周波数領域および時間
領域で複雑に変動する 2 重選択性フェージングを受ける
ことになる．どの周波数点で見てもほとんどの場合，レイリ
ーフェージングになることが知られている．
このような 2 重選択性フェージング環境下で 1Gbps に
近い超高速伝送をいかに実現するかが，極めて難しい技
術課題である．これが無線技術者を惹きつけている最大
の理由であると思う．
表１ セルラシステムの進化
1G
Analog
Future
Present
Broadband
Era
4G
~1Gbps
Narrowband
Wideband
Era
Era
1G
2G
3G
~2.4kbps
~64kbps ~2Mbps
Voice
Service type
ネットワークからのデータダウンロードなどであるが，これ
からは動画像と音声を含む画像系の情報通信が盛んに
なるだろう．画像は音声やテキストより圧倒的に大量の情
報を含んでいる．いつでもどこでもネットワークとつながっ
ていて画像を見ながら会話ができる．これこそが究極の通
信サービスになるのではないかと思う．しかしながら，全て
の人がこのような超高速通信サービスを望んでいるとも思
えない．
１Gbps に迫る超高速サービスを提供する無線システム
の全国展開は，おそらく経済的理由から無理であろう．こ
のような超高速通信サービスを提供できるのは，ホットス
ポットと呼ばれる，家庭内，商店街，駅，空港，ホテルなど
多数の人が集まる，ごく狭い範囲に限られるだろう．つまり，
いつでもどこでもネットワークに接続し，低速から超高速
に至る多様なサービスを受けたいという要求に応えること
ができる経済的な１つのスーパーシステムを構築するの
は不可能だということである．したがって，多様なサービス
を，どのようにしてユーザの多様な希望にあわせて全国で
提供するかが重要な課題になる．新しいシステム概念が
必要になる所以である．
Broadband IPbased
１つの可能性ある解決法は，各通信環境に最適化され
た多数の無線システム（たとえば，2G/3G/4G セルラシステ
ム，無線 LAN，放送など）を互いにシームレスに接続し，
ユーザから見ればあたかも一つの無線システムに見える，
そのような複合システムの構築であろう．複合システムの
概念は，図 2 に示すように個別システムの自由な発展を
許容し，それぞれの環境で最善のサービスを提供する．
セルラシステムは均質な全国サービスが提供できる．無
線 LAN では極めて高速なデータサービスを提供できるも
のの，ホットスポットなどの限定されたエリアでのみしかサ
ービス提供できない．放送は全国均質サービスが可能で
2
MC-CDMA では DS-CDMA に比較して帯域幅が狭いの
で周波数効率が高い．
DS-CDMA 受信機では，各パスの遅延時間に同期した
逆拡散器を用意してそれらの出力を最大比合成する．こ
れは Rake 受信と言われる．Rake 受信は多重伝搬路に整
合した整合フィルタであるから受信 SNR を最大にできるも
のの，拡散符号系列が理想的な自己相関・相互相関特
性を持ち得ないことからパス間干渉(IPI)を発生させてしま
う．
Time-domain
spreading
c(t)
図 3 多重伝搬路の周波数伝達関数
Data
５．ギガビット CDMA 技術
Channel
coding &
interleaving
Data
modulation
Chip shaping
(a) Transmitter
移動無線通信では多数のユーザがお互いに干渉を避
けて基地局と通信する技術が必要で，これは無線アクセ
ス技術と呼ばれる．ギガビット無線アクセスは第 4 世代シ
ステムのコア技術である．無線アクセスには大きく分けて，
符号分割マルチアクセス(CDMA)，時分割マルチアクセ
ス(TDMA)と周波数分割マルチアクセス(FDMA)とがある．
第 3 世代システムの無線アクセスには DS-CDMA が採用
されているが，3 つのアクセス技術の中からどれを選択す
るか，数年にわたって熱心に議論された．これと同じこと
が再び起きるだろう．
現在のところ，マルチキャリア CDMA (MC-CDMA) [7，
8]が最有力候補と見られている[9]．もう一つのアプローチ
が考えられる．それは第 3 世代システムで採用されている
DS-CDMA である．MC-CDMA も DS-CDMA も共にスペ
クトル拡散技術を基にしている．MC-CDMA と DS-CDMA
の違いは，前者は周波数領域拡散を，後者は時間領域
拡散を用いているということである．いずれの CDMA でも，
拡散率を可変にすることで，ユーザ毎の通信速度や同時
接続ユーザ数を自由に制御できる．拡散率 SF=1 の
MC-CDMA は 5GHz 帯無線 LAN で採用されている
OFDM に，SF=1 の DS-CDMA はいわゆるシングルキャリ
ア(SC)になる．
Bandwidth (1+ α )/T c
fc
Carrier frequency
Frequency
(b) Power spectru m
Time-domain
despreading
*
ξ L−
1 (t )
Recovered
data
c(t)
−τL-1
ξ 0* (t )
¦
Integrate
& dump
Data
demodulation
De-interleaving
& channel
decoding
−τ0
Rake combining
(c) Rake receiver
図４ DS-CDMA の送受信系
一方，MC-CDMA 受信機では，GI を取り除いたあと，
Nc ポイント FFT により Nc 個のサブキャリア成分に分解し，
周波数領域等化(FDE)を行って周波数選択性フェージン
グで歪んだ信号スペクトルを等化してから逆拡散する．各
サブキャリアの送信信号成分と等化後受信信号成分の平
均 2 乗誤差(MSE)を最小とする MMSE‐FDE が最良の伝
送特性を与える．
図 6 に，Rake 合成を用いる DS-CDMA と MMSE-FDE
を用いる MC-CDMA との平均 BER 特性の比較を示す．
データ変調は QPSK，拡散率 SF=16，コード多重数 C=16
である．伝搬路のパス数 L は 2 と 16 で，一様電力遅延プ
ロファイルを仮定している．MC-CDMA は，FDE によりチ
ャネルの周波数選択性を積極的に利用して周波数ダイ
バーシチ効果を得ることができるので優れた BER 特性が
得られている．しかし，DS-CDMA では IPI の影響によっ
て BER 特性がかなり劣化してし まう．MC-CDMA や
OFDM などのマルチキャリア伝送が次世代技術として注
目されるようになったのは，このような理由からである [7],
[8], [9]．
５.１ MC-CDMA と DS-CDMA
DS-CDMA と MC-CDMA の送受信系の構成を，それ
ぞれ図 4 および図 5 に示す．DS-CDMA と MC-CDMA
は共に，データ変調シンボル系列をまず，拡散率 SF の拡
散 直 交 可 変 拡 散 率 符 号 (OVSF)[10] で 時 間 拡 散 し て
DS-CDMA チップ系列に変換する．両者の違いはここか
ら先の送信処理にある．
DS-CDMA ではチップ系列をチップ整形フィルタで帯
域 制 限 し て 送 信 す る ． 一 方 ， MC-CDMA で は ，
DS-CDMA チップ系列をサブキャリア数 Nc と同じ数の並
列チップ系列に直並列変換して Nc ポイント逆高速フーリ
エ変換(IFFT)を適用する．こうして，周波数拡散された
MC-CDMA サ ン プ ル 系 列 （ Nc 個 ） を 得 る ． 最 後 に ，
MC-CDMA サンプル系列の後部の Ng 個を，ブロック先頭
の ガ ー ド イ ン タ バ ル (GI) に コ ピ ー し て 送 信 す る ．
3
が最近，明らかになってきた[11],[12],[13],[14]．図 7 に示
すように，送信側では DS-CDMA チップ系列に GI を付加
する．この理由は，受信機側で FFT を用いるためである．
受信機では，FFT の後に FDE を行ってから IFFT により
時間領域信号に戻した上で逆拡散する[13]．周波数領域
で逆拡散することもできる[15]．Rake 受信では逆拡散の
過程で IPI が発生するから拡散率が小さいと BER 特性が
劣化してしまうが，FDE ではこのような問題がない．
Conversion to freq.domain spread signal
Time-domain
spreading
#0
c(t)
Data
Channel
coding &
interleaving
Data
modulation
S/P
+GI
IFFT
#Nc-1
(a) Transmitter
Time-domain
spreading
fc
Carrier frequency
Data
Data
modulation
modulation
Data
Frequency
(a) Transmitter
(b) Power spectru m
Frequencydomain
equalization
Frequency-domain
equalization
c*(t)
w(n,t)
¦
P/S
Data
demodulation
w(N c-1,t)
Removal
Removal
of
of GI
GI
･･･
#N c-1
･･･
FFT
Time-domain
despreading
w(0,t)
Recovered
data
De-interleaving
& channel
decoding
AWGN
(c) R eceiver
c*(t )
w(k,t)
Integrate
Integrate
&
& dump
dump
IFFT
IFFT
Time-domain
despreading
FFT
#0
w(Nc-1, t)
Data
Data
de-modulation
de-modulation
w(0,t)
-GI
c(t )
Insertion
Insertion
of GI
GI
of
Bandwidth 1/T c
Data
図 5 MC-CDMA の送受信系
(b) Receiver
図7
1.E+00
DS-CDMA with
rake combining
FDE を用いる DS-CDMA
1.E-01
16
MMSE
Theoretical
1.E-02
Uniform delay profile
N c =256
SF =16, C =16
L =2
1.E-03
MC-CDMA with
MMSE equalization
DS-CDMA
MC-CDMA
1.E-02
L =2
Average BER
Average BER
1.E-01
16
Uniform
delay profile
L =16
N c =256
SF =256
1.E-03
Simulation
C =1
4
16
64
× ×
256
1.E-04
1.E-04
0
5
10
15
20
25
30
256
64
C =1
4
1.E-05
0
Average received E b /N 0 (dB)
図6
16
5
10
15
20
Average received E b /N 0 (dB)
Rake 合成を用いる DS-CDMA と MMSE-FDE を
用いる MC-CDMA の比較
図8
５.２ DS-CDMA への周波数領域等化(FDE)の適用
MMSE-FDE を用いる DS-CDMA と MC-CDMA の
比較
図 8 は ， MMSE-FDE を 用 い る DS-CDMA と
MC-CDMA の下りリンク BER 特性を，ユーザ多重数 C を
パラメータとしてプロットしたものである．データ変調は
QPSK，拡散率は SF=256 である．MMSE-FDE は Rake 合
MC-CDMA で用いられているような MMSE-FDE を
DS-CDMA などのシングルキャリア伝送へ応用できること
4
成 よ り 優 れ た BER 特 性 を 実 現 で き る こ と が 分 か る ．
MMSE-FDE を用いれば，両アクセス技術がほとんど等価
であり，どちらを用いても同じ BER 特性が得られることに
なる．MC-CDMA と DS-CDMA ともに第 4 世代システムの
ギガビット無線アクセスとして有望と考えられる．
と こ ろ で ， MC-CDMA 信 号 の ピ ー ク 対 平 均 電 力 比
(PAPR)は DS-CDMA よりサブキャリア数 Nc 倍だけ大きい．
特にサブキャリア数が多い超高速伝送では PAPR が大き
くなるから，上りリンクでは深刻になる．したがって，
DS-CDMA は上りリンクに適していると言えよう．
ットに誤りが検出されると，全く同一のパケットの再送を要
求する．こうして 2 つの受信パケットを同期合成すれば時
間ダイバーシチ効果が得られるから，CC 後のパケットの
受信品質が高くなる．これによりパケットが正しく受信され
る確率を高くできる．
CC の欠点は，再送時のチャネル状態が良好であるに
もかかわらず，ターボ符号の冗長ビットを全て再送してし
まう点にある．これを解決したのが，冗長ビットの一部のみ
を順次再送する IR である．再送回数が増えるにしたがっ
て符号化率が低下するから，ターボ符号の誤り訂正能力
が強くなる．MC-CDMA と OFDM における HARQ スルー
プットが文献[18]で詳しく報告されている．
６．高速パ
高速パケットアクセス
次世代の超高速データは全て無線パケット伝送される
ことになるだろう．パケット伝送では何らかの誤り制御が必
要である．DS-CDMA であれ MC-CDMA であれ，有望な
誤り制御はターボ符号化を組み合わせたハイブリッド自
動再送(HARQ)であろう[16],[17],[18]．（最近では，低密
度パリティ検査符号(LDPC)が脚光を浴びつつある．）
Previously received packet
NAK
+
Packet received now
ACK
New packet
Uniform delay profile
L =16
SF =C =256
R =3/4
3
Receiver
Same packet
64QAM
Chase combining
3.5
Throughput [bps/Hz]
Transmitter
4
2.5
16QAM
2
1.5
QPSK
1
Increased power
DS-CDMA
MC-CDMA
OFDM
0.5
: Info
Time
: Parity 1
Turbo decoding and error detection
: Parity 2
0
0
No error
5
15
20
25
30
35
40
Average received E s /N 0 [dB]
(a) CC
Transmitter
10
Receiver
(a) CC
Previously received packet
NAK
4
+
Additional redundancy
Incremental redundancy
Packet received now
ACK
3.5
Uniform delay profile
L =16
N c =256
SF =C =256
Increased redundancy
New packet
3
Throughput [bps/Hz]
Time
Turbo decoding and error detection
No error
(b) IR
図9 Chase 合 成 (CC) と Incremental Redundancy 合 成
(IR).
2.5
R =3/4
2
R =1
1.5
16QAM
1
よく知られた HARQ に，Chase 合成(CC) [19]と冗長ビッ
トを少しずつ再送する Incremental Redundancy 合成(IR)
[20]とがある．図 9 は，CC と IR を用いる HARQ の動作の
違いを示している． ARQ では誤り検出が必要で，そのた
めに巡回冗長符号 (CRC)が用いられる．図中の情報ビッ
ト(Info)はその CRC 検査ビットを含んでいる．1 回目のパ
ケット送信が失敗し，2 回目の送信でパケット送信に成功
した例を示している．CC を用いる HARQ では，受信パケ
DS-CDMA
MC-CDMA
OFDM
0.5
0
0
5
10
15
20
25
30
35
40
Average received E s /N 0 [dB]
(b)IR
図 10 OFDM, MC-CDMA と DS-CDMA のスループット
比較
5
いことが分かってきた．このことは，DS-CDMA でもセルラ
システムとホットスポットシステムのいずれにも再構成でき
ることを示している[21]．SF=1 システムでは，ALOHA など
のランダムアクセス，SC または OFDM を用いる TDMA，
あるいは受信状態の良いユーザに無線チャネルを優先
的に割り当てるスケジューリングを行う SC または OFDM を
用いることができよう．
MC-CDMA，OFDM と DS-CDMA のターボ符号化
HARQ スループット(bps/Hz)を図 10 に示す．図 10(a)は，
GI 挿入損を考慮したときの R=¾ターボ符号化を用いる
CC‐HARQ のスループットである．データ変調が QPSK で
あるときには，MC-CDMA，OFDM と DS-CDMA ともにほ
とんど同じスループットが得られているが，16QAM や
64QAM のような多値数の高いデータ変調時には OFDM
のスループットが高い．これは，MC-CDMA と DS-CDMA
では，拡散率を高くして多数のサブキャリアにわたって拡
散すると拡散符号間の直交性の崩れによる干渉の影響
が無視できなくなるからである．16QAM や 64QAM では
信号間距離が短いからこの干渉の影響を大きく受けてし
まうのである．
IR-HARQ のスループットを図 10(b)に示す．データ変
調は 16QAM である．初回の送信時の符号化率 R が R=¾
のとき，2 回目の送信時に追加の冗長ビットが全て送信さ
れる．一方，初回の送信時に情報ビットのみ送信する R=1
のとき，2 回目と 3 回目の送信時に順次，冗長ビットが送
信される．初回の送信時には冗長ビットが送信されないか
ら誤り訂正はできず，周波数ダイバーシチ効果に期待す
るしかない．しかし，OFDM では拡散を用いていないので
周波数ダイバーシチ効果が得られない．したがって，高い
Es/N0 領 域 で 優 れ た ス ル ー プ ッ ト が 得 ら れ る の は ，
MC-CDMA や DS-CDMA である．
データ変調が 16QAM で初回の符号化率 R=3/4 のとき
の CC と IR のスループットを見ると，低 Es/N0 領域で IR の
方が少し高いスループットが得られている．しかし，高
Es/N0 領域ではスループットに差はほとんど見られない．
８ ． 無線マルチホップ
無線 マルチホップを
マルチホップ を 用 いるバーチャル
いる バーチャルセルラ
バーチャル セルラネットワ
セルラ ネットワ
ーク(VCN)
ーク
第 4 世代システムの周波数帯は恐らく 5GHz 以上にな
るだろう．伝搬損失は搬送周波数のおよそ 2.6 乗に比例し
て増加する[22]． したがって，無線リンクは干渉制限型で
あるばかりか電力制限型にもなるので，送信電力の低減
のために，ギガビット無線アクセスではナノセルかピコセ
ルシステムにせざるを得ないだろう．そうなると，伝搬環境
は送受信機周辺の散乱体集合の様相に大きく依存しセ
ル毎にダイナミックに変化する．第 4 世代システムでは，
伝搬の統計的特性（すなわち平均特性）に基づいて設計
する従来のセルラシステムと違った設計法を採用しなけ
ればならないだろう．
送信電力を低減する有望な方法の一つが，図 12 に示
すような無線マルチホップ技術である．近距離の中継局
を介したマルチホップ通信の総送信電力は，1 ホップで遠
距離の通信を行うよりも遥かに少ない．これを利用したの
が図 13 のバーチャルセルラネットワーク(VCN)である
[23],[24]．VCN では，従来のセルラシステムの各セル内
に多数の無線ポートを分散配置している．各無線ポート
は端末との送受信のほか周辺無線ポートからの信号を転
送する機能を有している．バーチャルセル内の一つの無
線ポートは中央無線ポートと呼ばれ，ネットワークとのゲー
トウェイの役割を担っている．端末からの無線信号は近傍
の無線ポートで受信され，複数の無線ポートを次々と転
送されて中央無線ポートに到達し，ネットワークへと送ら
れる．
７．柔軟な
柔軟なシステム展開
システム展開を
展開を可能とする
可能とする CDMA
MC-CDMA または DS-CDMA を用いればセルラシステ
ムと孤立セルシステムのいずれにも再構成できる柔軟な
システムを構築できる．これを図 11 に示す．
PN#1
Single-hop
PN#6
PN#2
PN#0
PN#5
PN#3
SC or OFDM
with scheduling
BS
Multi-hop
図 12 無線マルチホップ
PN#4
(a) Cellular system (SF>1) (b) Isolated-cell system (SF=1)
図 11 セルラシステムと孤立セルシステム
Network
Network
拡散率 SF>1 とすれば第 3 世代と同じような同一周波数
の単一セル繰り返しを用いるセルラシステムに，SF=1 とす
れば無線 LAN のようなホットスポットをカバーする孤立セ
ルシステムになる．文献[9]で MC-CDMA についてこのよ
うな提案がなされている．
もはや，MC-CDMA と DS-CDMA に本質的な違いがな
Network
control
station
Distributed
port
Base station
(b) VCN
(a) Conventional CN
図 13 VCN
6
Central
port
に示す（数字はチャネル番号を表している）．同じチャネ
ルが繰り返して利用されていることが分かる．
ところで，全ての無線ポートが送受信機能を持つ必要
はないだろう．端末の送信電力を低減することに重点を
置くなら，受信機能だけの無線ポートもセル内に分散配
置してもよい．自己組織的な経路探索機能を持たせれば，
必要に応じて無線ポートを配置し，必要がなくなれば撤
去することができる．このような VCN は，ある程度の伝送
遅延が許容される IP パケット伝送に適している．
VCN はホットスポットエリアにおける超高速データサー
ビス提供に適していよう．バーチャルセルはお互いにオー
バラップするとは限らないから，第 2/3 世代システムと協調
したシステム運用をせざるを得ない．バーチャルセルは第
2/3 世代システムにオーバーレイすることになろう．こうす
れば，第 2/3 世代システムの基地局を中央無線ポートと共
用できる．このような異なるシステムの協調運用のために
は，VCN と第 2/3 世代システム間の移動管理，シームレス
ハンドオーバーなどの技術開発が必要である．単一端末
が第 2/3 世代システムや第 4 世代システムと通信できるた
めのソフトウエア無線技術の開発も必要になる．
各端末からの信号を中央無線ポートへと転送するマル
チホップルートを構築しなければならない．他のバーチャ
ルセルへ与える干渉を最小化し周波数利用効率を最大
化できるのは，ルート上の総送信電力を最小とする規範
に基づくルート構築である[23],[24]．シングルホップシス
テム（現セルラシステム）の送信電力で正規化した端末リ
ンク（端末～最近接無線ポート間リンク）の送信電力を図
14 に示す．バーチャルセル内の無線ポート数 K を多くす
るにつれて送信電力を飛躍的に低減できることが分か
る．
Normalized average transmit power
1
uplink MRC
uplink SC
downlink Multi TD
downlink SSTD
0.1
0.01
９ . むすび
M =2
α =3.5
σ =7(dB)
超高速移動無線技術の動向について述べた．これか
らは，画像サービスが中心になる可能性がある．いつでも
どこでも画像を見ながら会話することができれば，自分の
気持ちを相手にうまく伝えることができる．このためには現
世代よりも高速な無線技術の開発が必要になる．次世代
の無線システムは，多様なシステムをシームレスに接続し
て，１Gbps に迫る多様なデータサービスを提供する複合
無線システムとなろう．魅力的で難しい技術的な挑戦は
超高速のギガビット無線技術の開発であろう．
DS-CDMA を用いる第 3 世代システムで活躍している
Rake 合成では太刀打ちできないほど，チャネルの周波数
選択性が強い．周波数選択性チャネルを如何にして克服
するか？周波数選択性を積極的に利用して，逆に伝送
特性をいっそう改善できると見られているのが周波数領域
等化(FDE)である．DS-CDMA と MC-CDMA のいずれの
無線アクセス技術もほとんど同じ伝送特性を実現できる．
しかし，サブキャリア数が多い超高速 MC-CDMA 伝送で
はピーク対平均電力比(PAPR)が大きくなってしまうから，
上りリンクに適しているのは DS-CDMA であると言えよう．
ギガビット無線ネットワークでは送信電力が極端に大き
くなる．このため，従来のようなセルラシステム構成ではな
く，無線マルチホップを用いるバーチャルセルラネットワ
ーク(VCN)のような新しい無線ネットワークを採用せざるを
得ないだろう．
本稿では，最近注目を集めている MIMO アンテナシス
テムについては触れなかった．MIMO アンテナシステム
には，周波数効率を飛躍的に高めて超高速伝送を実現
する空間多重，フェ－ジングの影響を抑圧するアンテナ
ダイバーシチ，そして干渉を抑圧するアンテナアレーがあ
る．特に MIMO 空間多重は次世代移動無線システムお
けるきわめて重要な技術であるが，第 3 世代システムへ適
0.001
0
5
10
15
Number K of wireless ports per virtual cell
20
図 14 端末～最近接無線ポート間リンクの送信電力
8
4
0
5
12
3
11
11
3
3
9
12
12
6
6 1
111
1
5 5
5
0
8
11
0
4
4 3
Central Port
Wireless Port
6
3
7
8
9
7
5
9
7
図 15 棲み分けアルゴリズムを用いたチャネル割り当て
次に，こうして構築されたルート上の無線ポート間リンク
にチャネルを割り当てなければならない．多数のチャネル
（周波数）を管理するのは現実的でない．そこで，自律分
散的なチャネル割り当てが望まれる．総送信電力最小規
範で構成されたマルチホップルートに，棲み分けアルゴリ
ズム[25]を用いてチャネル割り当てを行った結果を図 15
7
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用される可能性もある．
また，本稿では無線ハードウエアについても触れなか
った．今後のギガビット無線ネットワークの実用化に当た
って重要なハードウエア研究課題としては，広帯域 RF 回
路の他，1000～2000 ポイントクラスの高速・低消費電力
FFT/IFFT 回路，ソフトウエア無線や MIMO アンテナシス
テムに向けた高速・低消費電力ディジタル信号処理回路
などがあげられるだろう．
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