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5G実現に向けたドコモの展望 - ITU-AJ
特 集 第5世代移動通信システムの展望 5G実現に向けたドコモの展望 きしやま 株式会社NTTドコモ 5G推進室 主任研究員 よしひさ 岸山 祥久 1．はじめに を皮切りに本格的な5Gの標準化議論が開始されている。 今日、スマートフォンやタブレット端末の普及によって、 ドコモでは、LTEの商用サービスを開始した2010年頃か いつでもどこでも気軽にインターネットを通じたサービス ら5Gの検討を開始し、技術コンセプトの提案や、伝送実験、 やアプリ、動画や音楽などが楽しめるようになったが、よ 標準化議論をリードするなど、様々な研究開発活動を進め り高度なサービスへの需要はますます高まっている。また てきた。本稿では、2020年での5G実現を見据えたドコモ 2010年以降、移動通信のトラフィック量は急激に増加して の展望とともに、こういった取組みの概要を述べる。 きており、通信事業者には、増加したトラフィックを収容 しつつより優れた品質でこれらのサービスを提供するモバ 2．5G実現に向けたコンセプト イルブロードバンド（MBB：Mobile Broad Band）の実 2.1 5G技術コンセプト 現が期待されている。さらに、あらゆるモノが無線でネッ 移動通信の世代とは関係なく、2Gや3Gでもスマートフォ トワークに接続するIoT（Internet of Things）関連のビジ ンが利用できるように、5Gで提供するサービスの多くは ネスが近年非常に注目されており、通信事業者にとって、 4Gでも提供可能であると考えられる。しかしながら、同じ IoTによって開拓される新領域のサービスを支えるインフ サービスであっても通信技術の向上によって、より快適に、 ラ（基盤）の提供は、今後ますます重要になってくるもの より様々な環境で楽しめるようになる。将来的には5Gの通 と考えられる。 信品質を前提とした新しいサービスも誕生し、いつしか このような背景を元に、第4世代（4G）であるLTE及び 5Gは普通のこと（いつか、あたりまえになること）になっ LTE-Advancedの次世代となる第5世代の移動通信システム、 ていくのだろうと考えられる。 すなわち「5G」の早期実現に対する期待が近年非常に高 5Gの時代である2020年代のキラーサービスを予測するこ まっている。移動通信システムの標準化団体である3GPP とは困難であるが、現状想定され得るサービスは、図1に （3rd Generation Partnership Project） で は、2015年9月 示す2つのトレンドに大別できる。すなわち、高精細動画ス に「3GPP RAN Workshop on 5G」会合を開催し、これ トリーミング（4K/8K動画） 、拡張現実感（AR：Augmented ■図1．5Gで想定される様々なサービス 12 ITUジャーナル Vol. 46 No. 9（2016, 9） Reality） 、触覚や体の動きなどの音や映像以外のメディア また、センチメートル波（3－30GHz）やミリ波（30GHz 通信（触覚通信）などMBBサービスの拡張と多様化、 及び、 以上）など、これまで移動通信で使われてこなかった高周 あらゆるモノが機器間通信（M2M：Machine to Machine） 波数帯においては、十分なカバレッジを確保しつつ性能改 等によって無線でネットワークに接続するIoTである。 善を図るため、無線パラメータの最適化や多数のアンテナ これら将来のサービスを実現するための無線アクセス技 素子を用いるMassive MIMO技術［1］などを適用するNew 術の発展において、取り得るアプローチとして2つの方向 RATの導入が必要である。将来的にはNew RATを既存周 性がある。すなわち、1つはLTE及びLTE-Advancedをさ 波数帯にも適用していくことが考えられるが、eLTE的な らに進化させていくアプローチ、もう1つは全く新しい無線 アプローチに比較して相応のゲインが必要である。 アクセス技術（RAT：Radio Access Technology）を導入 するアプローチである。前者は既存LTEシステムとの後方 2.2 段階的な5G技術導入のアプローチ 互換性（バックワードコンパチビリティ）を保持しながら このようなeLTEとNew RATの組合せからなる5Gの展開 継続的に進化するものであるのに対し、後者はLTEとの後 シナリオの例を図3に示す。2020年を目指す最初の5G導入 方互換性を維持するよりも、性能改善を優先させるアプ 時においては、大容量化が必要な都市部エリアなどを中心 ローチである。 に5Gすなわち、eLTE及びNew RATを展開する。ここで、 図2に示すように、ドコモの5Gの定義に対する考えは、 eLTEとNew RATは、キャリアアグリゲーションやDual 継続的なLTE/LTE-Advancedの進化（eLTE：enhanced Connectivity技術［2］によって協調し、カバレッジを確保し LTE）と新たに導入されるRAT（New RAT）との組合せ つつ大容量化を実現する。将来的には5Gの展開エリアは である。eLTEによって基本的なカバレッジエリアやブロー 都市部から郊外エリアまで幅広く展開され、ミリ波などの ドキャストなどのサービスを提供しつつ、幅広い周波数帯 非常に高い周波数帯も必要に応じて追加されていくように を用いた広帯域化に適したNew RATによって飛躍的な高 なることも想定される。以降、このような2020年以降にお 速・大容量化などの性能改善を実現するコンセプトである。 ける5Gの進化を「5G＋」と呼ぶ。 5Gでは、既存の周波数帯でもシステム容量を改善すること New RATの導入を2020年に実現するためには、3GPPに ができる非直交アクセス（NOMA：Non-Orthogonal Multiple おける最初の規格の標準化を2018年中には完了する必要 Access） や、低遅延化を実現するための無線フレーム設 がある。一方、ITU-Rの5G （IMT-2020）の要求条件を満 計など、周波数帯によらず適用可能な無線アクセス技術も たす無線インタフェース規格の標準化は、ITU-Rのスケ 提案されている。これらの技術を既存周波数帯に適用する ジュールに沿って3GPPでは2019年末頃までに完了してお 場合、特に5Gの導入初期ではLTEとの後方互換性を保持 けば間に合う。従って、段階的な技術導入（前者が5G、 することが望ましく、eLTE的なアプローチが有望である。 後者が5G＋に相当）のアプローチが有効であり、3GPPへ ［1］ ■図2．ドコモの5Gの技術コンセプト ITUジャーナル Vol. 46 No. 9（2016, 9） 13 特 集 第5世代移動通信システムの展望 ■図3．5Gの展開イメージ ■図4．5Gの導入と継続的な進化 も国内外の複数企業の連名で提案し、コンセンサスが得ら に関する機能、例えば超多数のM2M端末をサポートする れている 。ここで、比較的短期間で最初のNew RAT規 ための機能などをサポートする方向性が有望だと考えられ 格を完成させるためには、最初から多くの機能を盛り込む る。将来的には、5G＋においてNew RATにも多くの機能 ことよりも、 将来的な拡張性（フォワードコンパチビリティ） が盛り込まれ、5G時代の未知のサービスを含む多種多様な を重視した基礎設計をしっかり行うことを優先する必要が サービスやシナリオに対応していくものと考えられる。 ［3］ ある。また、図4に示すように、5G＋は5Gとの互換性を保 持しながらの連続的な進化であるべきである。これは4G 3．ドコモの5Gへの取組み のLTEとLTE-Advancedにおける互換性の関係と同様で 3.1 技術検討とシミュレータ試作 ある。 ドコモでは、LTEの商用サービスが開始された2010年頃 図5に、2020年の導入をターゲットとした無線アクセス技 から5Gに関する検討を開始し、 FRA（Future Radio Access） 術の候補を示す。前述したように、5GではMBBの拡張と という名称で次世代移動通信システムの要求条件や技術 IoTの双方がサービスのトレンドとして考えられている。ま コンセプトを提案した［4］［5］。ドコモとして「5G」という名称 た、5Gは大容量化が必要な都市部などから順次エリアを拡 を最初に用いたのは2013年10月に開催された「CEATEC 大していく展開となることが想定される。従って、2020年 JAPAN 2013」という展示会においてであり、5Gの技術コ の初期導入の段階では、New RATは都市部などで要求さ ンセプトを可視化しつつ、5Gの大容量化技術を評価する れる高速・大容量といったMBBの拡張をサポートし、それ ことができるリアルタイムシミュレータを開発し、当展示 を補う形で、面的なカバレッジを有するeLTEが様々なIoT 会における総務大臣賞を受賞した。2014年9月には、この 14 ITUジャーナル Vol. 46 No. 9（2016, 9） ■図5．5Gにおける無線アクセス技術の候補 ■図6．5Gシミュレータ伊勢志摩バージョン ■図7．20Gbpsの通信容量を達成した屋外実験の様子 ような技術コンセプトをドコモ5Gホワイトペーパーとして との協力による5G実験を開始し、2015年7月には「5G Tokyo 公開した 。 Bay Summit 2015」の開催とともに実験協力を拡大し、現 5Gリアルタイムシミュレータの試作は、5Gの大容量化技 在までに計13社との5G実験に向けた協力を合意するに 術が様々な環境で有効であることを示すため、 東京（新宿） 至っている［9］。本年2月には、エリクソン社との共同実験 版、スタジアム版、ルーラル（田舎）版とバージョンアップ により、15GHz帯を用いた屋外環境での通信実験によって、 してきた（東京版とスタジアム版をYou Tubeにて動画公 2ユーザ合計で20Gbpsを超える5Gマルチユーザ通信実験 ） 。最新版は、2016年G7サミットが開催された伊 に世界で初めて成功した［10］。図7に20Gbpsの通信容量を実 ［1］ 開中 ［6］ ［7］ 勢志摩のバージョンであり、図6に示すように、バス、電車、 現した屋外実験の様子を示す。基地局アンテナから複数 船といった様々な乗り物に5Gの伝送品質が提供される様 のビームで2台の移動局装置に対し、同時に同一周波数 子をデモするシミュレータとなっている。 （800MHzの帯域幅）を使用したデータ送信を行い、受信 時最大20Gbpsを超える通信容量の無線データ通信を実現 3.2 5G伝送実験 した。 5Gの伝送実験としては、2012年12月に東京工業大学と 現在、ベンダー各社とともに取り組んでいる5G伝送実 の共同研究で、世界初の屋外移動環境での10 Gbps伝送に 験を大別すると、①既存のセルラバンドを含む幅広い周波 成功した 。さらに、2014年5月より世界の主要ベンダー 数帯に適用可能な周波数利用効率改善技術に関する実験 ［8］ ITUジャーナル Vol. 46 No. 9（2016, 9） 15 特 集 第5世代移動通信システムの展望 協力、②ミリ波帯を含む高周波数帯の活用のための無線イ 予定である。図8に、2016年5月に開催された「5G Tokyo ンタフェース設計及び超多素子アンテナによるMassive Bay Summit 2016」における、これら5G実験協力の展示 MIMO伝送技術に関する実験協力、③5G端末デバイスの の様子を示す。 検討に向けたキーデバイス（チップセット）ベンダーとの 2020年の5G導入に向けて想定しているスケジュールを 実験協力、④5G無線伝送技術及び超高周波帯での無線装 図9に示す。伝送実験については、2017年以降、5Gの周波 置の性能を評価するための測定技術に関する測定器ベン 数帯として有望な候補である4.5GHz帯や28GHz帯を中心 ダーとの実験協力に分類される（表参照） 。①については、 とし、無線技術の検証とともに、サービスやアプリケーショ ブロードバンド通信やM2Mなど、様々なアプリケーショ ンと連携したよりシステム的な実験を進めていく予定であ ンに適した無線伝送方法や信号波形の設計をはじめ、超 る。3GPP標準化では、New RATのPhase I仕様が2018年 高密度に配置した光張出しスモールセルによるシステム容 半ばまでに、Phase II仕様が2019年中に完成される予定で 量の増大化技術やMIMO伝送におけるさらなる周波数利用 ある。ドコモでは、これら3GPPの標準仕様に準拠した5G 効率の向上など様々な要素技術の検証を対象としている。 （及び5G＋）を2020年から順次導入すること目指していく。 ②については、現在利用されている周波数よりも高い、例 えば6GHzを超える周波数を有効活用するための広帯域移 4. おわりに 動通信技術、具体的には高周波数帯における電波伝搬損 本稿では、さらに高速・大容量なMBBや、あらゆるモノ 失の補償に有効な超多素子アンテナを用いた高速大容量 が無線でネットワークに接続するIoTといった、様々なサー 伝送技術やミリ波帯の移動通信への応用を目指した要素 ビスを実現可能とする次世代移動通信システム5Gの研究 技術の検証を行っている。③については、小型・低消費 開発の取組みの概要について、世界動向を交えつつ解説 電力の5Gデバイス実現に向けた試作に関連した実験を行 した。ドコモでは2020年での5Gサービスの実現、及びそ う予定である。④については、ミリ波帯における電波伝搬 れ以降の継続的な5Gの発展（5G＋）に向けて、研究開発 の解明や超多素子アンテナにより構成されるアクティブア と標準化を推進していく。 ンテナシステムの無線性能の評価手法に関する実験を行う ■表．世界主要ベンダーとの5G実験協力概要 16 ITUジャーナル Vol. 46 No. 9（2016, 9） ■図8．「5G Tokyo Bay Summit 2016」の様子 ■図9．5G導入に向けたスケジュールの想定 参考文献 ［1］ ドコモ5Gホワイトペーパー、2014年9月。 https://www.nttdocomo.co.jp/corporate/technology/ whitepaper_5g/ ［2］ 内野ら、 “さらなる高速大容量化を実現するキャリアアグ リゲーション高度化およびDual Connectivity技術， ”NTT DOCOMOテクニカル・ジャーナル、Vol.23、No.2、pp.35-45、 2015年7月。 ［3］ 3GPP RWS-150036,“Industry vision and schedule for the new radio part of the next generation radio technology,” RAN Workshop on 5G, Sep. 2015. ［4］ 中村ら、 “LTEの発展と将来無線技術の展望， ”信学技報、 vol.111、no.451、RCS2011-334、pp.107-114、2012年3月。 ［5］ Y. Kishiyama,“LTE enhancements and future radio access,”Seminar on Future Wireless Technologies, Nov. 2010. ［6］ docomo 5G リアルタイムシミュレータの紹介： https://www.youtube.com/watch?v=75R2TU4w0IE ［7］ docomo 5Gリアルタイムシミュレータ（スタジアム版）の 紹介： https://www.youtube.com/watch?v=UVE3BN-9nmg ［8］ 報道発表資料： “超高速移動通信の実現に向けた屋外伝 送実験で世界初の10Gbps信号伝送に成功， ”2013年2月。 ［9］ 報道発表資料： “世界主要ベンダーとの5G実験を拡大， ” 2015年7月。 ［10］報道発表資料： “世界初、屋外環境で通信容量20Gbpsを 超える5Gマルチユーザ通信実験に成功， ”2016年2月。 ITUジャーナル Vol. 46 No. 9（2016, 9） 17