5G実証試験において端末約2万台の同時接続を確認

ポイント

5Gの特徴の「多数同時接続」で、端末2万台程度の通信を収容できることを確認
防災倉庫・スマートオフィスの2つの具体的なシナリオで5Gが有効に活用できることを実証
5Gの他の特徴「超高速」「超低遅延」と組み合わせたIoT通信インフラとしての利用を期待

NICT ワイヤレスネットワーク総合研究センターは、第5世代移動通信システム（5G）において現状の100倍以上の端末を接続要求されている「多数同時接続」性能に関する実証に成功しました。5Gに向けて導入が検討されている Grant Free方式と呼ばれる無線アクセス方式により、基地局一台につき、約2万台の端末の同時接続が可能であることを確認しました。この方式が実用化されれば、災害時等において通信の輻輳が発生するような状況であっても、限られた時間内に多数の端末から情報を発信することができます。本実証では、防災倉庫とスマートオフィスの2つの利用シナリオにおいて、この性能を有効に活用できることを示しました。

※本実証は、総務省からの「屋内において2万台程度の多数同時接続通信を可能とする第5世代移動通信システムの技術的条件等に関する調査検討の請負」の成果であり、株式会社イトーキ、株式会社エイビット、シャープ株式会社、ソフトバンク株式会社と共同研究契約を締結して実施したものです。

背景

次世代の移動通信システムである5Gには、単に従来の通信システムの性能向上だけではなく、「超高速」「超低遅延」「多数同時接続」などの様々な特徴が期待されており、その性能の確認と具体的な利用シナリオに基づいた実証が求められています。NICTでは、5Gの多数同時接続に関する調査検討を総務省から請け負い、その性能を現在の移動通信システムである4Gと比較するとともに、災害時の防災倉庫や避難所及び将来のオフィス環境において有効に活用できることを示すための実証に取り組んできました。

今回の成果

本実証では、5Gの多数同時接続を実現する手段として、Grant Free方式を想定したプロトタイプ（基地局及び端末）を開発し、2万台が同時に無線通信を行おうとする状況（5G多数端末模擬装置により実現）において、一定の時間内に全ての模擬した端末から情報を受信できることを確認しました。一方で、従来のLTE方式を用いた場合、100台程度の端末であっても一斉に接続を試みると接続できなくなる場合があることも確認しました。

また、災害時を想定した防災倉庫や避難所において、5G網を通じてタグ付きの支援物資の位置や中身を把握し、ウェアラブル端末をケアが必要な避難者に着けて、遠隔地で健康状態を確認できることを実証しました。さらに、オフィス環境において「超高速」「超低遅延」の性能と組み合わせることにより、自動的な議事録作成、出席者の着座姿勢の把握、遠隔地とのホワイトボードによる円滑な意思疎通などが可能な将来のオフィス環境を実証しました。

図1: （左）Grant Free方式を実装した5Gシステム、（右）2万台接続の性能試験の様子

今後の展望

多数同時接続を含め、5Gの様々な通信性能を柔軟に利用するためには、通信事業者間の協調制御や自営マイクロセルシステムの統合を容易にするための技術が欠かせません。NICTでは、5G時代に向けてこれらの研究開発を進め、移動通信システムの国際標準化団体である3GPPにおける方式提案を行っており、引き続きこれらの活動を推進していきます。

補足資料

今回の5G実証試験の内容

（1）災害時における防災倉庫/避難所

災害時に防災倉庫や避難所では多くの物資の出入りがあり、それらを把握することが困難なために避難者の支援が困難であったという報告があります。また、特にケアが必要な子供やお年寄りの健康状態を把握して医師やボランティア等に伝えることも重要です。そこで、図2に示すように、ダンボール等の物資に5Gデバイスを装着して位置を管理し、ケアが必要な方に脈拍が測定できる5G対応のウェアラブルデバイスを身に着けていただくことを想定し、2万台程度の5G端末を模擬した環境であっても、これらの情報を取得することが可能であることを検証しました。

評価の手法として、今回開発した5Gのプロトタイプ（基地局及び端末）と5G多数端末模擬装置を用いて、2万台のGrant Free 方式の端末が情報を送信している無線環境を実現（実際に模擬した台数の電波を送信）し、この環境において、基地局と端末を介して物資やウェアラブルデバイスの情報が送信できることを確認しました（図3参照）。図1に開発した5Gシステム（基地局及び端末）と2万台を模擬した環境での試験の様子を示します。

この結果、今回想定するGrant Free方式により、2万台の情報を70秒程度で全て送信することが可能であることが確認できました。なお、通信帯域幅は10MHzとし、各端末から5秒間隔で情報をサーバに送信し、サーバで10秒間以上情報が未着である場合にはデータが欠損したという条件で計測しています。この際、従来の通信システム（LTE方式）では、一度に100台程度の端末が同時に接続を試みると接続不能になる場合があることも確認されました。

（2）将来のスマートオフィス環境

効率的で円滑な会議を実現するため、5Gを想定した無線システムによりスマートオフィス環境を構築しました。スマートオフィスはスマートテーブル、スマートチェア、電子ホワイトボードから構成されています。図4にスマートオフィス環境の概要を示します。

スマートテーブルは、5Gで使用が想定されている3.7GHz帯に対応したアンテナを内蔵しており、机上の限定された空間でのみ通信が可能です。これにより、近隣の机の間で電波干渉が起きることを防ぎ、各テーブルで超高速通信を可能にします。スマートチェアは、姿勢を検出可能なセンサと省電力無線機を内蔵しており、太陽光パネルで発電した電力のみを使ってバッテリレスで情報をクラウドに送信します。スマートチェアの無線機は、将来的に5GとIoTに対応した無線システムに置き換えることを想定し、今回はBluetooth Low Energy （BLE）を使用して機能の確認を行いました。電子ホワイトボードは、遠隔地との会議において、従来のテレビ会議システムに加えてホワイトボードの描画をリアルタイムに共有することにより、ブレインストーミングをはじめとする会議を円滑に進めることを可能にするものです。同時に書き込むことができるため共同作業が可能になりますが、その際の齟齬を防ぐためには低遅延の通信が必要になります。なお、スマートオフィス環境の一部は従来の通信方式を用いて構築しており、5Gシステムと比較した利用感覚の評価や、有線ネットワークと組み合わせた仮想ネットワークの導入などが今後の課題です。

この実証システムは、2018年3月27日～28日に東京国際交流館（東京都江東区）で開催された5G国際シンポジウム（総務省主催）において展示を行いました（図5参照）。

図5: 5G国際シンポジウムにおける展示の様子（2018年3月27日東京国際交流館（東京都江東区））

用語解説

第5世代移動通信システム（5G）

現在使われている第4世代移動通信システムの次世代として位置づけられる移動通信システム。超高速、超低遅延、多数同時接続など、これまでの移動通信システムが提供できなかった特徴を持つため、広い利用シナリオの通信インフラとして利用が期待されている。

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多数同時接続

現在は、人と人の通信や人と物の通信が主要な通信形態であるが、IoT（Internet of Things）に代表される物対物（Machine-to-Machine, M2M）の通信に対する期待が高まっている。家電や家屋、オフィスに対する遠隔制御及びセキュリティ確保や、ヘルスケアを目的としたセンサと通信機能を持つデバイスの衣類への設置など、ユースケースの多様化を考慮すると、現状と比較して極めて多くの端末が存在すると考えられており、5Gに向けては1平方キロメートル当たり100万台の端末同時接続をサポートすることが要求されている。

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