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時代は 5G へ:挑戦のロードマップ

「2020 年までに 5G ワイヤレス・ネットワークを配備する」が、研究所からサービス・プロバイダまでの共通目標になり、ほとんどスローガンになっています。これは、目標として研究開発活動のあらゆる方法を正当化します。しかし、スローガンとしては定義をまったく含んでいません。そもそも、5G とは何でしょうか。5G を配備するにはどのような問題を解決しなければならないでしょうか。

一見したところ、5G は 4G の次の世代の携帯電話技術であると簡単に定義付けられるように思われます。しかし、その裏には、自社の製品計画を何とか推進してネットワークが自社のサービスをサポートするようにしたり、単純に陳腐化を回避したりしようとする多くの利害が絡む現実的な事情が隠されています。関係者の声には、多種多様なウィッシュ・リストへの要求が入っています。

5G について少しでも考えたことがあるモバイル・ユーザーは、5G を各種デバイスでさまざまな環境に持ち運べる HD 映画、ゲーム、および拡張現実経験の完璧な提供手段であると想像しています。そのようなサービスは以下の性質を持っています。

  • エンドポイントに 10 Gbps を超える帯域幅を提供
  • どのエリアにも 4G の 1,000 倍の帯域幅を提供
  • どのエリアでも 10 ~ 100 倍の台数のデバイスが動作
  • 99.999 % の可用性の認識とユビキタスな地理的サービス・エリア

以上は、モバイル・ユーザーの視点から見た特徴です。ネットワーク・アーキテクトは、このリストを見て以下の事項を書き加えるかもしれません。

  • ビットあたりネットワーク消費電力量を 90 % 削減
  • 使用可能なスペクトルとアクセス・ネットワークを越えた帯域幅アグリゲーション
  • 異なる無線アクセス・ネットワーク間のスイッチング時間が 10 ms 未満
  • 動的スペクトル配分、ピア・ツー・ピア接続、および自動バックホール機能

モバイル・ユーザーとネットワーク・アーキテクトがこの議論に注意を向けているところに、モノのインターネット (IoT) 開発者はさらに以下のような独自のニーズを追加するかもしれません。

  • 1 ms 未満のラウンドトリップ・レイテンシ
  • ネットワーク上の単純なデバイスのバッテリー寿命は最大 10 年
  • 工業グレードの機能安全性とセキュリティ

さまざまな期待を取捨選択するおそらく最上の方法は、実際すでに 5G について考えている少なくとも 3 つのカテゴリのエンジニアがいるのを認識することです。最初のエンジニアは、5G を 4G サービスより広い帯域幅でさらに多くのユーザーに提供される優れた拡張版と考えています。2 番目のエンジニアは、5G を単一のワイヤレス・ネットワークではなく、短距離、超小型セル、WiFi、携帯電話といったほぼすべてのワイヤレス接続の統一体と考えています。そして 3 番目に、この統一されたネットワークによって省エネ、低レイテンシ、信頼性、セキュリティなどの IoT システムの要件を満たしたいと考える IoT 開発者がいます。

これらのグループはそれぞれ独自のウィッシュ・リストを持っています。各リストについて、5G が達成しなければならない技術上の具体的なマイルストーンを特定していきましょう。

映画の視聴

多くのユーザーは、サービス・プロバイダが 4G ですでに約束していた、ホット・スポット間での Wi-Fi ライクの帯域幅が 5G で提供されるのであれば嬉しいと考えるでしょう。そのようなユーザーは、フットボールの試合の結果を見たり、2,314 回目に見た『アナと雪の女王』のエンド・ロールが始まる前に子供を車に乗せたりしたいだけです。欲張りな消費者に提供できるロケーション・ベースの動画や拡張現実を想像して、この帯域幅を是非手に入れたいと考えるアプリ・ベンダーもいます。サービス・プロバイダは、WiFi に奪われた収益の一部を取り返したり、家庭のケーブル接続や DSL 接続をやめさせたりすることさえ想像している可能性があります。

しかし、とりわけ密度が高い都市部の市場にこの種類の帯域幅を提供するには、レガシー・ワイヤレスの前提事項の多くを打破する必要があります。エンドポイントへの連続転送レートを高めるには、パイプを太くする、またはパイプの本数を増やすという 2 つの選択肢があります。いずれのオプションも 5G に関係があります。

太いパイプ

パイプを太くする方法は基本的に 2 つあります。さらに巧妙かつ高水準のコーディング方式でビットを詰め込むか、または各チャネルに割り当てる帯域幅を広げることができます。または、フレームを長くしてオーバヘッドを簡素化することにより、少なくとも原理的にはデータ・ストリーミングの効率をいくらか向上させることができます。これらの選択肢は、いずれもネットワーク全体に影響を与えます。

アルテラ®のワイヤレス・アプリケーション専門家である Richard Maiden によれば、波形とコーディング方式を強力にすることは可能ですが、既存の周波数帯では使用できない場合があります。Maiden は、「ベースバンド・アルゴリズムはよくわかっていません。今のところ、2.5 GHz 帯まで波形は変わらないようです。2.5 ~ 10 GHz では、いくらかの波形変化によってスペクトル効率が改善されるかもしれません。スペクトルがあらかじめ割り当てられているため、パイプを太くしても 2.5 GHz 未満では波形は変わりそうもありません。2.5 ~ 6 GHz には軽免許しかないため、100 ~ 200 MHz 程度のチャネルを配備できます。新しい 28 ~ 60 GHz 帯は現時点で白紙であるため、ここに極めて広いチャネルを配備できるかもしれません」と注意しています。

Maiden が示唆するように、これらの新しい高周波数帯はチャネルあたりの帯域幅の拡大という別の機会を提供します (図 1)。しかし、それにも代償を払う必要があります。新しい周波数帯を使用するには RF 回路とアンテナを追加する必要があります。とりわけ送信機にデジタル・プリディストーションを使用する必要がある場合、ベースバンド・データ・コンバータのサンプリング・レートとおそらく解像度も上げる必要があります。ベースバンド・ユニットの高速フーリエ変換は、広くする、レイテンシを低くする、またはその両方の必要があります。

1. 6 GHz を超えるランドでは多くの周波数帯を使用できる可能性がありますが、それぞれが独自の回路、アンテナ、および伝播状況を持ちます。

There are many potentially available bands in the land above 6 GHz, but each has its own circuit, antenna, and propagation situation.

さらに、物理的な制約もあります。Maiden は、「RF 伝播特性は周波数が高くなるにつれて悪化します」と述べています。60 GHz の RF は、壁はもちろん湿度の高い空気さえよく通りません。Maiden は、「太いパイプは、高い周波数では短いものにします。60 GHz を最大限に活用するには多くの短いパイプが必要です」と要約しています。

多くのパイプ

エンドポイントへの帯域幅を広げる別のアプローチは、複数のチャネルを並列に使用して集約し、パケットをユーザーに届けるものです。実際、LTE-A はキャリア・アグリゲーションをすでにサポートしています。一方、5G はこのアイデアをはるかに推し進め、小型セルからの数チャネル、セル中継塔からの 1 チャネル、および 1 つの WiFi 接続を組み合わせるなど、異なる周波数帯や異なる種類のデバイスからのキャリア・アグリゲーションを可能にします。これらのアイデアはすべて今日の LTE-A に隠されていますが、広く配備されているわけではありません。

アグリゲーションには 2 種類の課題があります。最初の極めて明白な課題は、ネットワークとエンドポイントの両方が必要なデータ・レートを処理しなければならないことです。今日の携帯電話機のアーキテクチャは、ベースバンド・プロセッサやアプリケーション・プロセッサで 10 Gbps を処理することを意図したものではありません。したがって、携帯電話機メーカーは、ネットワークのニーズを満たすことができる次世代デバイスを開発する必要があります。

基地局はさらに厳しい状況にあります。通過するデータ量が増え、複数のパイプに分割される中、正しいパケット・シーケンスのいくらかの外観を維持しながら携帯電話機に届けなければなりません。また、大きくなるネットワークの管理という問題もあります。携帯電話機の単一データ・ストリームは、1 つまたは 2 つのマクロセル中継塔とわずかな小型セルに分割できます。ミリ波帯で動作する可能性が高い小型セルでは、自動車は言うまでもなく移動中の携帯電話機への接続もかなり不安定であり、急激にシフトするチャネル特性に対応して接続を頻繁に再構成する必要があります。

MIMO

複数のセル・サイトが複数の周波数帯を通った信号を 1 台のデバイスに送り込むなど、状況が複雑になるにつれて MIMO (Multiple-In/Multiple-Out) アンテナの次数を上げることがますます有利になります。基地局は、大規模な MIMO アンテナ・アレイを使用して狭ビームを個々のエンドポイントに向けることができます。エンドポイント・デバイスは、はるかに少ないアレイでそれ自体の受信機の感度をビーム状にしてエネルギーを伝達できます (図 2)。MIMO ビーム形成により、送信電力を抑えながらチャネル特性を改善できます。しかし、ビームを形成するには、ベースバンド処理能力を大幅に向上させてアンテナ素子間の位相差の計算に使用する行列演算を行う必要があります。

2. 携帯電話機の単純な MIMO アレイはいくらかの方向選択が可能ですが、大規模な MIMO セル・サイトは狭ビームを特定のクライアントに向けることができます。

Massive MIMO cell sites can aim narrow beams at specific clients, while simpler MIMO arrays in handsets can provide some directional selectivity

 

空間密度

アグリゲーションと MIMO は、提供された帯域幅だけでなく、郊外の近郊やオフィス・ビルのフロアなど、与えられた空間に詰め込む伝送レートを大幅に上げる能力というもう 1 つの主なウィッシュリスト項目に対処します。しかし、密度が上がるにつれて別の問題が発生します。Maiden は、「エリアを小型セルで埋めるだけであれば簡単に見えますが、常にそれで改善されるわけではありません。ほとんどのネットワークに干渉という制約があります」と述べています。小型セルの密度が上がるにつれて、それらが互いに干渉しないようにすることとマクロ・ネットワークがネットワーク管理上の重要な問題になります。チャネル割り当てとビーム形成が重要なツールになります。

Maiden は、「しかし、ビームを形成するには追跡する必要があります。ネットワークは、何らかの方法でユーザーの物理的な位置を追跡してそのセルを調整する必要があります。そうしないと、あまりにも多くのハンドオーバー・イベントが発生するため、新しい基地局がビームを狭くして新しいクライアントに向ける前にそれを見失う可能性があります。

ネットワークで多くの追跡、モニタリング、割り当て、および最適化が行われているのは明らかです。でも、どこで行われているのでしょうか。全体の集中化 (図 3) を唱える流派があります。つまり、すべてのベースバンド処理を仮想化し、コントロール・プレーン・コードおよびアプリとともに大都市圏のデータ・センターに移します。デジタル化した波形を専用ファイバ回線上で無線ヘッドとデータ・センターの間を往復させます。これは C-RAN (Centralized Radio Access Network) と呼ばれます。

3. C-RAN は基地局の電子機器をセル・サイトから大都市圏のデータ・センターに移して集中化し、デジタル化したベースバンド波形をデータ・センターと中継塔間で往復させます。

C-RAN pulls the base station electronics out of cell sites and centralizes it in a metro data center, sending digitized baseband waveforms back and forth between data center and towers.

その一方、アンテナの近くにあるスマート・ベースバンドが会計業務のような事務管理業務用集中設備のみを使用し、相互に直接ネゴシエートしてネットワークを管理するピア・ネットワークを思い描く人もいます。このコンセプトは、エンドポイントが直接的なピア・ツー・ピア接続を確立できるようにして、すべての人の携帯電話機を事実上超小型セル・サイトに変えるところまで広がる可能性があります。もちろん、この両極の間には多くのオプションがあります。

トポロジーを選択する 1 つの要素は、ベースバンドと無線の間でデータを取得するフロントホールです。フロントホールは、イーサネット上でデジタル化した無線波形に IEEE 1904 のような規格を使用して大都市圏のイーサネットで行うのが理想的ですが、データ・レートが極めて高くなる可能性があります。

Maiden は、「今日、4×4 MIMO の無線ヘッドは 20 MHz のベースバンドで CPRI (Common Public Radio Interface) に 5 Gbps を必要とします。送信または受信アンテナが 128 個あれば、5 Gbps は一気に 160 Gbps に増えます」と述べています。大規模な MIMO と今日の大都市圏のネットワークで純粋な C-RAN を実現するのはまったく不可能です。

セルが小さくなるほど問題は簡単になります。ベースバンド・ハードウェアが統合されてスループットが比較的低いのであれば、ローカル WiFi やセル中継塔接続など、利用できる媒体なら何でも利用して独自のトランポートを準備できます。純粋なピア・ネットワークでは、すべてのノードが事実上隣接ノードを使用してネットワークに戻り接続するため、この質問は無意味になります。

このようなネットワーク向けテクノロジは有望なため興味を引きます。エンドポイントに目新しいものは何もありません。軍用レーダーの設計者には、マクロセル中継塔の大規模 MIMO さえ古めかしいものです。未知の大きな問題は、厳しい電力バジェットの中、しかも基地局のネットワーク・エネルギーの 90 % 削減が叫ばれる中でこのベースバンド・コンピューティングのすべてを処理する方法です。細心の注意を払って ASIC を設計しても、半導体プロセスの改善だけでそこに到達することはできません。

ネットワーク管理

もう 1 つの大きな未知の問題はネットワーク管理です。マクロセル中継塔、小型セル、場合によってはお客様が設置した超小型セル、WiFi ハブ、さらにおそらくピア・ツー・ピア接続によってネットワークがますます複雑になる中、管理が人々の関心を引く問題になります。目標は、すべてのユーザーがわずかなレイテンシで常に最大 10 Gbps をオンデマンドでフル活用できることです。現実にあるのは、今日の 4G トポロジーと根本的に異なるネットワークです。5G のノードは、地理的パターンではなくほぼランダムに配置できます。ノードが異なればサポートする周波数帯の組み合わせも異なり、ビーム形成能力のレベルも異なる可能性があります。チャネル内の伝播は、季節、天候、時刻、および予測不可能なイベント (誰かがドアを開けたりアンテナの前に立ったりするなど) によって変わります。また、当然ながらユーザーの多くは動いており、最も重要なものの中には自動車のようにかなりの速度で動くものもあります。集中制御であれ分散制御であれ、成功を収める接続管理と最適化アルゴリズムはまだ実証されていません。

IoT への進出

これまで、5G ユーザーは 4G ユーザーと同じようにデバイスでアプリを実行し、かわいい猫のクリップから長編映画に至る動画をストリーミング配信し、写真やテキストを交換し、不審な電話をかけようとすることさえあると想定してきました。しかし、これとはまったく異なるカテゴリの別のユーザー候補である IoT 開発者も、5G で計画されている遍在性と帯域幅を物欲しそうに見つめています。

多くの場合、インターネット接続と集約ハブの間、およびハブとセンサまたはアクチュエータの間にある IoT の最後の数リンクは、実際的な必要性からワイヤレスになります。したがって、すでに設置されているワイヤレス・ネットワークを使用する動機は明らかです。しかし、IoT 開発者は、まったく異なる新しい一連の要件を通信事業者の 5G 計画に重ね合わせて自分のニーズを満たそうと考えています。

まず、IoT 開発者は帯域幅よりレイテンシをはるかに懸念しています。データ処理機能を持たないセンサとアクチュエータを対にしてクラウドのアルゴリズムを制御するシステムを設計する場合、システム性能のパラメータであるラウンドトリップ・ネットワーク・レイテンシが重要になります。1 ms を上限とする人もいます。ちなみに、ネットワークに接続された自動車や拡張現実ディスプレイなど、IoT 以外のいくつかの重要なアプリケーションでもレイテンシが懸念材料です。

次に、多くの場合、IoT 開発者はネットワークではなくエンドポイントのエネルギーに強迫観念を抱いています。IoT 開発者は、10 年のバッテリー寿命を持つデバイスでも 5G ネットワークを使用できるようにするか、またはエネルギー・ハーベスティングによってデバイスを維持できるようにする、デューティ・サイクルが極めて低い低速モードを要求しています。

3 つ目に、2 ~ 3 例の災害を経験した結果、IoT は今日の携帯電話ネットワークがまったく備えていない接続信頼性とデータ・セキュリティを要求しています。今日、政府機関に猫の動画のコピーを盗まれても気にする人はいません。ほとんどのユーザーは時折デバイスにある程度の一体感を抱きますが、暗号化アプリをインストールするほどプライバシーを重視していません。しかし、IoT 攻撃によってニューヨークで停電が発生するとなると多くの人が気にします。

IoT 固有のニーズの 3 つのカテゴリはすべて、それ自体ではなく、携帯電話ネットワークにとって新しいという理由で課題です。今日の 4G は、レイテンシの最小化より接続の維持といくつかのトークン帯域幅の提供を優先しています。サービス・プロバイダは、ユーザーがベンダーの乗り換えを準備する時点までレイテンシを犠牲にして使用率を達成します。しかし、さらに多くの小型ヘテロジニアス・セル間の切り替え処理中であっても、ネットワークは IoT ユーザーのために広範なサービス品質要件を何とか実現する必要があります。

エネルギーも同じように問題です。今日のネットワークは、セル・サイトとエンドポイント間の連続サイドチャネル信号処理、状態モニタリング、大まかなロケーション追跡、およびチャネル・パラメータ測定に基づいています。このプロトコルでは、突然どこからともなく現れ、必要最小限のヘッダでデータの短いバーストを送信し、再び消えるエンドポイントにバーストから応答までの 1 ms のレイテンシを期待する余地はありません。また、これらのニーズにより、携帯電話ネットワークは信頼性とセキュリティに関してまったく馴染みのない領域に入り込みます。

課題は明確です。通信コンソーシアム、通信事業者、および設備プロバイダは適切な質問の定義、調査の実施、および製品開発の開始を急いでいます。これらの取り組みが、LTE-A にすでに潜在するキャリア・アグリゲーションのような機能の実現から始まる、段階的な配備に徐々に収束することが期待されます。その後、業界はさらなる機能を求めて進むでしょう。スケジュールは極めて不確定で、定量化されないリスクに満ちています。しかし、いかにも 5G と呼べる何らかのサービスが 2020 年末までに始まるのは間違いありません。任務は遂行されます。


CATEGORIES : All, IoT, Wireless/ AUTHOR : Ron Wilson

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