講演抄録
無線LANのブロードバンド化
802.11bからWi-Fi6Eまで
京都大学 大学院 情報学研究科 通信情報システム専攻 守倉正博 教授
11月13日、一般社団法人無線LANビジネス推進連絡会の「第4回社員総会」が開催され、第一部特別講演で、京都大学大学院教授 守倉正博氏の「無線LANのブロードバンド化 ～802.11bからWi-Fi6Eまで～」と題して特別講演が行われました。特別講演の主な内容を紹介します。
無線ブロードバンド化と役割
本日は、「無線LANのブロードバンド化」というテーマで、歴史を振り返りながら最新の6 GHz帯の話題まで話したいと思います。「無線ブロードバンド化の背景」から「5G/ローカル5Gと無線LANの関係」を述べ、どのようにして「無線LANの伝送レートの増加」が進みブロードバンド化していったか、現在の「IEEE 802.11の標準化会合」の状況と、まだまだ無線LANには周波数が必要で特に「無線LANにどの周波数を選ぶかが重要」という話をさせていただいて、最後に6 GHz帯の「新たな免許不要の無線周波数の獲得」で、米国をはじめ各国でどういうことが起こっているかをお話ししたいと思います。
「無線アクセスの分類」ですが、無線というのは古くはマイクロ波中継の固定アクセス「Fixed Wireless Access」から始まって、その後、今の携帯につながる自動車電話等の「Mobile Wireless Access」が入ったんですが、2001年にITU-Rのリコメンデーションで「Nomadic Wireless Access」が定義され、セルラーとは違ってスポット的なものをカバーする新しい概念となりました。
今でこそ駅、空港、ホテル、仕事場、家庭の中でタブレットのパソコンやノートパソコンなどを持ち歩いて、どこでもWi-Fiで通信ができることが普通になってきましたけど、この概念が生まれたのは、そんなに古くはないのです。オフィスやホーム、家の中でしか使われていなかった無線LANが外に出て使われるようになったという画期的な概念です。
「無線LANの役割」はブロードバンド回線を提供するということになるのですが、光アクセスの先っぽに無線LAN、Wi-Fiが付くというのが基本になると思います。スマートフォンでも、トラヒックオフロードのかなりの部分がフォトニックネットワークを利用するためWi-Fiでのダウンロードが進められています。シスコのレポートでは、2022年でモバイルトラヒックの59％がWi-Fiとフォトニックネットワークによりオフロードされるであろうという予測をしています。
5Gと無線LANの関係で質問をよく受けますが、私は対決するという意識はほとんどなくて、補完の関係ではないかなと思っています。特に屋外での移動状況を考えると、カバーエリアだとかセル間のハンドオフとか、そういった意味では圧倒的にセルラーが優れていて、ギャランティード型、ベストエフォート型がサービス可能だと思います。
一方、Nomadic Wireless Accessの無線LANは基本的にベストエフォート型で、なかなかギャランティード型を満たすことは難しい状況です。どう使い分けるかというのは、ユーザが要求する通信性能に対して、CAPEX、OPEXといわれている2つのコストに対して、性能が重要かどうかという、そういったバランスを取って選んでいく、もしくは両方を使いながら共存共栄の道を選ぶのではないかと思っています。
Wi-Fiで難しいところは面的に高速移動するサービスであるとか、遠隔医療だとか、無人の工事現場での工作機械を遠隔で操作するときに低遅延が求められるものなどでしょう。スポット的なものに定義されているノマディックという概念を拡張するには無理があるかなと思います。また、無線周波数の帯域が免許不要帯域なので、自分たちだけで使っているわけにいかなくて、第三者によってその帯域を近くで使われてしまうと、無線リソースを公平にシェアしなきゃいけないというプロトコルになっていますから、ビットレートと低遅延を保証することは、なかなか困難なわけです。
その一方、ホーム、オフィス、ノマディックも含めて、ベストエフォート型サービスでいいという時に、5G/ローカル5Gを用いるのかというと、やはりWi-Fiのコストがぐーんと安くなっています。「光ネットワーク」プラス「先っぽにWi-Fi」という構造はコスト的に非常に魅力的だと思います。大きなマーケットをWi-Fiが依然として占めるのではないかと思っています。
無線LANの伝送レート増加の方法
3番目の「無線LANの伝送レートの増加」に関しては、「無線周波数帯域の増加」、「高能率変調・誤り訂正符号化」、それと「空間多重数の増加」になります。特に二番目の高能率変調に関しては、ネットに流れている情報などに一部間違いが散見されるので、少し説明しておきたいと思います。
これは米国の無線LANへの帯域割り当ての図ですが、日本もほぼ同じような状況です。右側にありますように1990年代初頭から1996年までは2.4 GHz帯でISMバンドといわれる帯域83.5 MHzを中心に世界で使われてきました。日本も2.4 GHz帯の一部のチャネルが使われて、その後、ISMバンドに無線LANが利用可能となっています。その後、1997年に2.4 GHz帯だけではなく5 GHz帯が300 MHz追加される形になっております。
5 GHz帯に関しては300 MHzから555 MHzまでさらに広くなってきております。ただし、5 GHz帯に関しては移動衛星との関係で屋内に限られる、もしくは日本ではライセンスを取って運用しなきゃいけないとか、気象レーダなど各種レーダのためにDFSというレーダ波を検知して周波数を変えるということが要求されたりしてきています。
Wi-Fi は順調に帯域を増やすことによってブロードバンドの世界を伸ばしてきたわけですが、無線の帯域を広げるだけではなくて高能率、つまり1つの無線周波数の帯域に対して、どれぐらいのビットレートを送れるかという、たくさんのビットレートを詰め込む技術が発展してきています。この図では11a、g、nまで書いています。
64QAMの信号位相の空間配置図で、横軸がIチャネル、縦軸がQチャネル、位相面で書いて64個のポイントがあります。これが11acでは、256QAMで256の点数があります。新しく商品化された11axでは1024QAM、点が1024個もある。さらには、標準化がスタートしております11beでは4096QAMという、ほとんど点にすると真っ黒になってしまいそうな数の点数が埋め込まれています。
ここで注意が必要なのは、64QAMから256QAMになると点の数で4倍になるので、速度も4倍になるという記事が散見されるんですが、それは間違っています。
この図は変調器の構成を書いていて、4相のQPSKです。Iチャネル、Qチャネルという2つの直交している信号を組み合わせて情報を伝送しています。
このQPSKで、IチャネルとQチャネルにそれぞれ1ビット載っけると横の黄色で書いてありますようにQPSKは位相面上に2の2乗の4つの点を配置して1つのシンボルで2ビット伝送できるということになります。ちょうど2のべき乗の赤のところを見ていただけると、16QAMは2の4乗なので4ビット、11acが256QAMで2の8乗、11axが1024QAMで2の10乗になるわけです。
11acから11axになると「256QAMから1024QAMになるのだから4倍」は間違いでこれを見たら分かると思うんですが、答えは1シンボルで8ビット送れるものが1シンボルで10ビット送れるということで、1.25倍で25％の増加となります。これも大きな増加ではあるんですが、先ほどの無線帯域を増やすということに比べると、なかなか技術的に大変なわりに伸びは限られてくるというところです。
同じように誤り訂正も符号化率はレート2分の1から3分の2、4分の3、6分の5というように冗長ビットを減らしていけば、情報伝送レートは上がるんですけれど、その分、雑音や干渉に対して弱くなっていくため、符号化レートを安易に上げるわけにはいかないという、そういった背景です。
11nから急激に発展してきたMIMOという空間多重技術です。送信データに対して変調器の出口のところで、この絵だと8本のアンテナにビットを分割して、空間に出して、それを受信側で、同じ8本を使って、通常は何もしないとアンテナ間で同じ無線周波数を使うので、混信するんですが、伝搬路の特徴を使って、行列演算を行うことによって、お互いのアンテナ間の分離を図って、正しく復調できるようにする。
こういったMIMOの技術によって、完全に分離できると8倍になります。見たら分かりますように空間多重の伝搬路の状況によって分離度は劣化していったりしますので、それによって伝送レートは「最大」8倍というのが正しい言い方かと思います。
いずれにしても無線の周波数の帯域を増やすという方法と、符号化率、変調方式を高めるという2番目の方法と、MIMO という3番目の技術によって非常にブロードバンド化が図られてきたというところです。
11nから11ac、axへの進歩を定性的に話しましたが、ここから定量的に話しましょう。この図にありますように、11nの物理層の最大伝送速度は600 Mbit/s、これはガードインターバル400nsecの最大限の伝送速度が出る場合の話です。600 Mbit/sに対して11acでは、さっきのサブキャリアの変調64QAMから256QAMに上げると1.33倍、無線の周波数をボンディングして40 MHzにしていたのが11nとすると、11acでは最大160 MHzまでボンディングできますので、4.33倍。空間多重のMIMOが4多重から8多重で2倍。これを見ていただいたら分かりますように、無線の伝送帯域幅を40 MHzから160 MHzに増やすと4.33倍ということで、これを全部計算すると、11acで理論的には6.9 Gbit/s、実際にここまでやった製品はなく、ストリーム数は4ストリームぐらいが多かったりするので、この半分以下のカタログ上、4 Gbit/s程度のものが最大になってきます。
11ac、11ax、11beをみると、特に11acから11axに変わってくると6 GHz帯が使えるようになってきて、さらに11axから11beに変わると、チャンネルボンディングが最大160 MHzだったものが320 MHzまで広げることができて、MIMOのストリーム数が8ストリームから16ストリームまで上がります。変調方式も4096QAMまで上げますので、伝送レートとしては先ほどの9.6から30 Gbit/s以上を狙うことになります。実際の商品はそんなに高いレートのものはないかもしれませんけれど、少なくとも無線の帯域を160 MHzから320 MHzに増やしますので、技術的困難さはそんなになくても、ビットレートは11axの2倍以上には増えるはずです。
これは、横軸が1995年から5年単位で2025年まで、縦軸が1 Mbit/sから100 Gbit/sまでになっています。横軸はリニアスケールで縦軸はログスケールになっています。標準化が制定された時期は三角の印です。矢印にあるように直線上にぐーんと伸びてきている。これは縦軸をログスケールで書いているからですが、リニアスケールで書くとエクスポネンシャルに、ものすごくビットレートが上がっていったという表現になるわけです。
1つの標準規格ができるまでの間隔を見ると、最初の1 Mbit/sから11の規格ができるまで7年掛かったんですが、その反省に基づいて11bとかaとかは3年で出来上がったんです。その後、5年、6年、7年ぐらい掛かっているのが昨今の状況かと思います。
11axも、2020年にできる予定だったのですが、来年の1月ぐらいに正式承認になるようなスケジュールに若干ずれています。11beも2025年あたりに標準化完了のスケジュールですけど、若干遅れます。Wi-Fiに関しては、そろそろビットレートに関してはログスケールで直線上に伸びるラインからちょっと飽和領域に入ってくるような感じがしてきています。
ミリ波を利用したものでWiGigがあるんですがこれは11adという規格で6.8 Gbit/sぐらいが最大です。11acとほぼ同じぐらいのビットレートであるということと、それと次の11ayに関しては、商品性を高めるためにも11axもしくは11beの向上に対してスタンバイするためにも、数十Gbit/sを超えるようなビットレートで商品化する必要があるというのは、この絵からも分かります。
最近の標準化会合がどうなっているかという状況を申し上げますと、全体会合、有線・無線を含めたPlenaryといわれているセッションは、3月、7月、11月に開かれていて、無線だけの.11と.15とかの無線に関係するWireless Interim Sessionは1月、5月、9月なんですが、残念ながら今年はコロナの関係で、例えば今月開かれるはずだったバンコクでのPlenary Sessionもキャンセルされていますし、来年1月のWireless Interimも、これはアメリカのカリフォルニアのアーバインで開催されるやつもキャンセルになっています。ですけど、そのうちコロナの問題が解決すれば、そこに書いてありますように、コロラドのデンバー、パナマ、スペイン、ハワイ、そういったところで予定されています。
Wi-Fiと802.11との違いはいろいろなところで紹介されているんですが、混同されている方がいるので、ポイントだけ説明します。802.11というのは書面上の規格を作る話です。11axの規格書だと700～800ページぐらいある分厚い資料です。ただし、それで物を作ると当然互換性が保てないので、Wi-Fiのテストラボで相互接続をチェックして認証を行う、そういった説明が多いんですが、それ以外に重要な点があります。802.11の規格を作るときに、マンダトリーと呼ばれる必須技術とオプショナルと呼ばれる技術に分かれていて、オプションの場合は必ずしも実現されなくてもいいのですが、どのオプションを採用するかというのはWi-Fi Allianceで決めることなんです。802.11で標準化の規格書に入ったといっても、それが製品として出てくるためにはWi-Fi Allianceで採用されないといけないというところが厳しいところではあります。
それと、セキュリティ、フィジカルレイヤー、MACレイヤーといわれるところ以外のものに関してWi-Fi Allianceで別途標準化がなされるというのも802.11と違うところです。ですから、Wi-Fiの中に採用されるためには、チップベンダーを含め、802.11の活動だけではだめで、Wi-Fi Allianceと両方活動しないと、実際の製品の中に自分たちの技術が盛り込めないというところがあります。
無線LANにどの周波数を選ぶか
1990年代、ISMバンドの2.4 GHz帯の83.5 MHzの帯域幅を使って、世界的にいろいろな無線LANが開発されてきたわけですけど、ようやく統一されたのは1997年になってからです。1997年当時、アメリカは5GHzを、欧州はミリ波帯と5 GHzを、日本では準ミリ波帯を主に検討していました。
1997年、米国でFCCに対して請願が行われていて、その中のメインプレーヤーであったのがWINForum（Wireless Information Network Forum）ということで、その当時は無線機器メーカーが集まったフォーラムになっています。それと、単独ではアップルです。アップル社が請願をしてFCCに対してU-NIIバンドというのを開かせたということです。1997年当時、私もアップル社が.11で講演しているのを見たことがあるんですが、まさにその当時から大学とか病院とかで板みたいなものを使って電波が飛んでいるような絵だったんですが、今思うとタブレット端末を使ってどこでも自由自在に情報のやりとりができる、そういう社会を実現するために5 GHzが必要ですという、そんなプレゼンでした。
今、無線LANは2.4 GHzと5 GHzですが、無線LANはミリ波帯だけじゃなく特に6 GHz帯が注目を浴びています。最初に述べたように11b、aから始まって最近では11nからac、axに移っていくのですが一貫して変わっていないのはMACプロトコルでキャリアセンスして誰かがいればパケットを出すのを止めて、いなければ出すよという「Listen before talk」と呼ばれているプロトコルに基づいて変わらずやってきたことです。
それが採用された理由は、自律分散制御でできるということです。メインのコントローラがいて、それに従属する形の、集中制御型でやれば、非常に効率のいいプロトコルが出来上がるのは、それは自明ではあるのですが、やはり自律分散型で、量販店でWi-Fiを買ってくれば、別に近所に気兼ねすることなく、自律分散ですぐ始められるというのが非常に大事なポイントかと思います。
とは言うものの、物理層でOFDMとかMIMOとかが使われるようになって飛躍的にスピードが大きくなってきたために、MAC層での自律分散による低効率、遅延時間、遅延ジッターがひどいよということが、ブロードバンド化によってある程度解消されてきた面もあるので、これからも使われていくとは思うんですが、今後、2020年以降もブロードバンド化すれば通信品質がネグリジブルになるというパフォーマンスを保っていけるかどうかというのが、どういうアプリで必要とされるかによって違ってくるものだと思います。
11beの最近のものでも、EHTという非常に速いスループットのグループと、それと遅延ジッターとか、高信頼を狙いとしたRTAというグループが合体して11beはできてきたんですが、高信頼、低遅延の議題に関しては、フェーズを11acのwave1、wave2と同じように、後半のほうに先送りしている感じに今はなっています。それほどこの問題は根深くて簡単には解決しないというところはあろうかと思います。
アメリカの周波数獲得動向
それをカバーするために無線の帯域を広げる。この絵は日本とアメリカの状況を書いていますが、今年4月23日に米国FCCは6 GHz帯正確にいうと5.9の終わりのほうと7 GHzの始まりのほうを合わせて1200 MHzのバンドをアンライセンスバンド、主に802.11系に開放したという形です。これに関しては総務省から9月9日に「周波数再編アクションプラン」という形で、6 GHz帯を今年度中に検討を開始するという案を提示されていますので、日本も何らかの形で6 GHz帯の議論が始まると思われます。
アメリカが先行している事例を紹介すると、5 GHz帯の上の6 GHz帯でU-NIIの5、6、7、8と分かれています。合計して1.2 GHz。なぜ分かれているかというと、これは共存する相手がそれぞれいるからです。U-NIIの5だと固定マイクロや固定の衛星通信のアップリンクが、U-NIIの6だとケーブルテレビのリレー中継とか、放送の補助サービスが中継とかも含めて放送業務があったりと、さまざまな相手がいるのです。それで4つのバンドに分けて1.2 GHz帯の議論をしています。
とは言うものの、U-NIIの5と7はハイパワーでいくけれど、6と8はそうはいかないので、5、6、7、8が続くように、全バンドをローパワーでいきましょうかと、インドアに限るよとか、そういった使われ方ですね。
表にありますように、Standard-Powerと書いていますけど、日本的な考えでいうハイパワーですね。それは最大4W吹ける。インドアで1Wまで吹けるということです。当然のことながら屋外でもパワーを絞って運用したよという議論が引き続きFCCの中で行われるということになっています。韓国では2020年10月にアジア初、米国と同じように1.2 GHz帯でStandard-Power、ハイパワーではなくてローパワーのインドアとベリーローパワーのアウトドアと両方が使えるタイプ、それに関して開放をしているという状況です。
私の想像ですけど、たぶんWi-Fiの主なマーケットを考えると、ハイパワーでいろいろなレギュレーションを規制対象となる使い方よりも自由に使えるローパワーのところが主なマーケットとみなしているのではないかと思います。そうすると周波数の管理が簡単な、下の周波数からずっと並べていく形が使いやすいという形で、たぶん来年の1月に最終決定、それは誤字脱字、タイポ等を修正したグラフとドラフトVer.8になるとは思うんですが、たぶんこの周波数帯域は変わらないと思いますので、この形で進められると思います。
ヨーロッパはどうなっているのかというと、全然まだ開放も何もしてなくて議論の状況ですが、1.2 GHzの一番下のところ、いわゆるU-NIIの5に相当する500 MHzのところがアンライセンスバンドとして対象になっているという状況です。
最後にまとめますと、無線LANの規格の統一と相互接続性が大事だということ、特に世界的な普及には低コストとブロードバンド化が大きく寄与したこと、今後は低遅延とか低ジッターとか要求されること、6 GHz帯がもし開放されればブロードバンド化によってそれを覆い隠してしまうことができるかどうかということ、こうしたことが今後のWi-Fi特に日本における伸びのキーポイントになるのではないかなと思います。
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