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世界初!テレビ放送帯のホワイトスペースを用いた長距離ブロードバンド通信に成功

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2014年1月23日
ポイント

    • テレビ放送帯のホワイトスペースを二次利用し、実際の利用シーンを想定した長距離ブロードバンド通信を実証
    •  IEEE 802.22による長距離通信とIEEE 802.11afによるエリア展開を組み合わせマルチホップネットワークを構築
    • 山間部や離島などのようにケーブル敷設が困難な地域での利用や災害時における迅速な通信確保に利用可能

独立行政法人 情報通信研究機構(以下「NICT」、理事長: 坂内 正夫)と株式会社日立国際電気(以下「日立国際電気」、執行役社長: 篠本 学)は、このたび、岩手県遠野市において、国際標準規格IEEE 802.22及びIEEE 802.11afに基づき開発した無線通信システムを用い、テレビ放送帯のホワイトスペースを利用した長距離ブロードバンド通信実験を実施しました。この結果、IEEE 802.22無線システムにより12.7 kmの基地局-端末間を、下り5.2 Mbps、上り4.5 Mbpsで伝送することに世界で初めて成功しました。さらに、これをバックボーンのリンクとして、IEEE 802.22端末にエリア展開が可能なIEEE 802.11afのアクセスポイントを接続することで中継局を構成し、マルチホップネットワークを構築することに世界で初めて成功しました。この実験では、道路や崖の監視、テレビ電話のような実際の利用シーンを想定した検証も行っており、有線ネットワークの利用が困難な地域における通信確保だけでなく、災害時における通信回線の支援システムとしての利用も期待できます。

この実験の成果は、平成25年度に総務省から受託した「ホワイトスペースにおける新たなブロードバンドアクセスの実現に向けた周波数高度利用技術の研究開発」に基づき得られたものです。

背景

情報化社会においてネットワーク通信を用いた様々なアプリケーションが利用可能になり、あらゆる場所でブロードバンド通信を行う需要が高まっています。このため、山間部や離島などのようにケーブル敷設が困難な地域であっても、低コストでインフラの整備を行うことができる無線ネットワークの導入が期待されています。また、災害時に通信インフラが被害を受けた場合には、柔軟で迅速にブロードバンド通信を可能にする無線ネットワークの構築が求められています。この無線ネットワークを構築する際に、テレビ放送帯(470~710 MHz)のホワイトスペースを利用することができれば、周波数が高い従来の無線LAN(2.4 GHz)等と比較して、省電力で長距離の伝送が可能な、障害物にも影響を受けにくい通信が期待できます。このような状況を踏まえ、ホワイトスペースを活用した無線通信について技術的な検討がなされており、米国や英国をはじめとする諸外国でも制度化が検討され始めています。NICTと日立国際電気は、上記のホワイトスペースにおける無線ブロードバンド通信を実証するために、NICTがIEEE 802.11afに対応する無線通信システムを、日立国際電気がIEEE 802.22に対応する無線通信システムを開発し、共同で接続試験を行ってきました。

今回の成果

NICTと日立国際電気は、岩手県遠野市においてIEEE 802.22及びIEEE 802.11afにそれぞれ対応する無線通信システムを用いて共同で実証実験を行いました。その結果、これまでホワイトスペースにおけるブロードバンド通信は最大でも数km程度であったところ、今回はその数倍である12.7 kmの距離を、テレビ放送の1チャネル分の帯域幅を用いて下り5.2 Mbps、上り4.5 Mbpsで伝送できることを確認しました。これは、IEEE 802.22を用いた通信距離としても世界で最長の記録です。また、IEEE 802.22で構築したネットワークを長距離バックボーンとし、IEEE 802.22の端末にエリア展開に適したIEEE 802.11afのアクセスポイントを接続することでIEEE 802.22とIEEE 802.11afによるマルチホップネットワークを構築しました。さらに、従来の無線LANシステムのアクセスポイント機能を持たせたIEEE 802.11afの端末によって、市販の無線LAN対応端末を用いてウェブサイトへのアクセスやテレビ電話による通話が可能であることを確認しました。また、IEEE 802.22を拡張して複数のテレビチャネルを同時に利用可能な機能を開発し、2チャネル分の帯域幅を用いて、6.3 kmの地点間を、下り15.5 Mbps、上り9.0 Mbpsで伝送できることを確認しました。

今後の展望

NICTと日立国際電気は、今後、今回の実験結果を踏まえ、テレビ放送等への干渉を確実に回避する仕組み等の検討や、商用化に向けた装置の小型化・省電力化を進めるほか、様々な環境における実証実験を引き続き進めていきます。
なお、本成果は、2014年1月29日(水)~31日(金)にアメリカで開催されるthe Super Wi-Fi Summitにて発表します。 また、3月3日(月)~5日(水)に早稲田大学で開催される「電子情報通信学会ソフトウェア無線研究会」及び3月18日(火)~21日(金)に新潟大学で開催される「2014年電子情報通信学会総合大会」において、実験結果の詳細を発表する予定です。



補足資料

実験の内容

1.テレビ放送帯のホワイトスペースを二次利用し、IEEE 802.22による長距離ブロードバンド通信を実証
実験を実施した位置関係を図1に示します。遠野市総合防災センター(以下、防災センター)、高清水高原、貞任高原の3地点を拠点とし、防災センターと高清水高原の間(6.3 km)と高清水高原と貞任高原の間(12.7 km)において通信を行いました。防災センターでは通信塔にアンテナを設置し、その他の2拠点では可搬型のアンテナマストにアンテナを設置しました。3拠点にはIEEE 802.22に基づく無線通信システムを設置し、防災センターでは無線通信システムをインターネット回線に接続して、防災センターから高清水高原に接続することにより、有線ネットワークが利用できない高清水高原においてインターネットを利用可能にしました。
実験の結果として、テレビの1チャネル分に収まる帯域幅(5.7 MHz)を使用し、防災センターと高清水高原の間6.3 kmだけでなく、高清水高原と貞任高原の間12.7 kmを下り5.2 Mbps、上り4.5 Mbps(防災センターから高清水方向が下り)で伝送できることを確認しました。この通信を利用するアプリケーションとして、ネットワークカメラで撮影した高品質映像を途切れることなく送信することが可能であり、図2に示すように、高清水高原において道路や崖の様子を撮影し、防災センターで監視できるということも確認しました。

図1 長距離通信における拠点の位置関係
図1 長距離通信における拠点の位置関係


図2 高清水高原における道路/崖の監視カメラ(左)と防災センターにおける表示(右)
図2 高清水高原における道路/崖の監視カメラ(左)と防災センターにおける表示(右)


2.IEEE 802.22とIEEE 802.11afを組み合わせたマルチホップネットワークを構築
有線ネットワークや商用無線ネットワークの利用が難しい地域(高清水高原)において、無線LAN対応市販端末の利用が可能となるように、図3に示すようにマルチホップネットワークを構築しました。このネットワークでは、防災センターから高清水高原の中継地点までをIEEE 802.22を利用して接続し、高清水高原内でIEEE 802.11afを利用しエリア展開を行っています。これは、長距離通信に適したIEEE 802.22とエリア展開に適したIEEE 802.11afの特徴に注目し、それぞれの部分に対して適したシステムを導入することにより実現したものです。このようにして、高清水高原の中継地点の周辺200mにおいて、IEEE 802.11af端末からのインターネットへアクセスが可能であることを確認しました。
さらに、IEEE 802.11af端末に従来の無線LAN規格である2.4 GHz帯のIEEE 802.11b/g/nのアクセスポイント機能を持たせ、既存の市販無線端末により地域情報を提供するウェブサイトの閲覧、ストリーミング映像サイトの閲覧、テレビ電話アプリケーションによるインターネット上の通信相手との通話などが可能であることを実証しました。
マルチホップネットワークの構築に当たっては、IEEE 802.22とIEEE 802.11afのシステムには、電波の発射が許可されている周波数の中から、図4に示すように異なる周波数を運用周波数として割り当てました。

 

図3  IEEE 802.22とIEEE 802.11afを組み合わせたマルチホップネットワークの構築
図3 IEEE 802.22とIEEE 802.11afを組み合わせたマルチホップネットワークの構築


図4 マルチホップネットワーク構築時のチャネル利用のイメージ
図4 マルチホップネットワーク構築時のチャネル利用のイメージ


3.IEEE 802.22を拡張した複数チャネル運用機能により、より高速な無線通信を実証
テレビ放送帯におけるホワイトスペースは、図4に示すように必ずしも連続したチャネルが利用可能であるとは限りません。ホワイトスペースとなる電波資源をさらに有効利用するためには、断片的に利用可能なチャネルを組み合わせ、同時に利用してより高速な通信を行うということが有効です。そこで、日立国際電気は、IEEE 802.22規格に基づき新たな機能を設計し、複数のテレビチャネルを同時に利用して高速通信が可能な機能を併せて開発しました。この機能を用いて実験を行った結果、2チャネル分の帯域幅を用いて、6.3 kmの地点間を下り15.5 Mbps、上り9.0 Mbpsで伝送することに成功しました。今回開発した方式はオプションユニットの簡易な増設によって運用可能なチャネル数を増やすことができるよう設計されており、利用可能なチャネル数に応じてさらに高速な通信も実現することが可能です。これにより、地域ごとのブロードバンド需要などに合わせた柔軟なインフラの構築が可能となります。
 

なお、本実験は実験試験局免許を取得し、関係機関との慎重な運用調整を経て実施したものです。


過去の報道発表:
[1] テレビの周波数を利用した国際標準無線LANシステムの実証実験に成功
独立行政法人情報通信研究機構 (2012年10月16日)

[2] テレビの周波数帯を利用する国際標準IEEE 802.22地域無線システムの実証実験に成功
独立行政法人情報通信研究機構、株式会社日立国際電気 (2013年1月23日)


参考文献:
[1] 石津 他,“一次利用局を保護し二次利用局間の共存が可能なIEEE802.11af / IEEE802.22ホワイトスペース通信ネットワーク,” 電子情報通信学会 技術報告, SR2013-58, 2013年10月.
[2] 長谷川 他,“IEEE 802.22無線伝送装置の試作機開発,” 電子情報通信学会 技術報告, MW2013-96,pp. 47-52,2013年9月.
[3] 水谷 他, “TVホワイトスペース利用無線LANシステムIEEE 802.11af/D5.0準拠ハードウェア試作機,” 電子情報通信学会 技術報告,SR2013-65,2013年10月.
[4] 長谷川 他,“TVホワイトスペースにおける屋外実証実験(1)—遠距離無線伝送試験—,” 電子情報通信学会 総合大会, 2014年3月.
[5] 石津 他,“TVホワイトスペースにおける屋外実証実験(2)—異種無線マルチホップネットワーク—,” 電子情報通信学会信学 総合大会, 2014年3月.



用語 解説

ホワイトスペース

ホワイトスペースは、放送等の目的で割当てが行われている周波数帯のうち、その周波数の利用がない場合や本来のシステムに与える影響が十分に小さい場合に、他のシステムが放送や通信の目的で二次的に使用することを対象とした周波数帯を指す。

IEEE 802.22

IEEE 802.22規格は、ホワイトスペースで地域無線ネットワーク(WRAN: Wireless Regional Area Network)を運用するための国際標準規格であり、2011年7月に発行された。現状の携帯電話よりも広い通信エリア(半径が10~40km程度)において低コストで、ブロードバンドサービスを提供することを想定している。
IEEE 802.22ワーキンググループ 公式ホームページ: http://www.ieee802.org/22/

IEEE 802.11af

IEEE 802.11af規格は、ホワイトスペースで無線LANを運用することを目的としており、現在はドラフト規格として検討が行われている。規格策定を行うIEEE 802.11afタスクグループは2009年に発足し、2014年中の策定完了を目標にしている。
IEEE 802.11afタスクグループ 公式ホームページ: http://www.ieee802.org/11/Reports/tgaf_update.htm

マルチホップネットワーク

マルチホップネットワークとは、複数の無線システムを無線接続してデータを中継伝送する構成のネットワークを指し、アクセスエリアを広く展開したり、通信距離を大きく伸ばしたりすることが可能となる。同一の種類の無線システムを組み合わせてマルチホップネットワークを構築することもできるが、無線リンクごとに要求される通信距離や通信速度に基づき適した無線システムを組み合わせて設計することにより、周波数資源の有効利用と高い通信性能を持つ無線ネットワークを構築することができる。



本件に関する 問い合わせ先

独立行政法人情報通信研究機構
ワイヤレスネットワーク研究所
スマートワイヤレス研究室

原田 博司、石津 健太郎
Tel: 046-847-5076
E-mail:

株式会社日立国際電気
映像・通信事業部 企画本部 技術開発部

浅野 勝洋
E-mail:

広報

独立行政法人情報通信研究機構
広報部 報道担当

廣田 幸子
Tel:042-327-6923
E-mail:

株式会社日立国際電気
経営戦略・コミュニケーション本部

佐々木 和哉、西野 紗代
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