無線通信の最前線通信の歴史lte-advanced 1980 1990 2000 年 ~2.4kbps ~64kbps...

2015/12/22 FA/Tohoku University 1

無線通信の前線

安達文幸

東北大学大学院工学研究科通信工学専攻E-mail: [email protected]://www.mobile.ecei.tohoku.ac.jp/

仙台高専特別講義，2015年12月22日15：20～17：10

内容通信の歴史

携帯電話の世代交代

電波の有効利用

電波の伝わる仕組み

携帯電話がつながる仕組み

携帯電話の将来


通信の歴史


通信の目標いつでも，どこでも，誰とでも，瞬時にどんな情報も

通信は進化している！

「人と人との通信」から

「人とコンピュータとの通信」に

通信を実現する大事な技術

⇒無線技術


通信の歴史


マルコーニ（1874 ~ 1937）

無線通信の発明と実験

マルコーニ（伊）

1895年発明

1897年英仏海峡横断実験

1901年大西洋横断実験

電話の発明(1876年) グラハム・ベル（米）

通信の歴史


初のトランジスタ

テレビ技術の開発（1926年）

高柳健次郎が電子式テレビ受像機に「イ」の字を出すことに成功

FM（周波数変調）方式の発明（1933年） E・アームストロング（米）

トランジスタの発明（1948年）ショックレイ（米）

※1951年，実験に成功

AMラジオ放送（1925年）

通信の歴史

商業用移動体通信（1979年，自動車電話開始）


TV放送（1953年）

FM（ステレオ）ラジオ放送（1969年）

商業用インターネット（1993年）

携帯電話の世代交代

第2世代から第3世代へ

そして第4世代へ


F. Adachi, “Wireless past and future - evolving mobile communicationssystems,” IEICE Trans. Fundamentals, vol. E84-A, pp. 55-60， Jan.2001.

ほぼ10年ごとの世代交代携帯電話は，30年(1979年～2010年)かけて数10kbps

狭帯域システムから数10Mbps広帯域システムへと進化これからは1Gbps/BSを超えるブロードバンドシステムへと

変わる(2011年～)


2020

LTE-Advanced

1980 1990 2000 年

~64kbps~2.4kbps

音声会話低速データ通信

通信

サービス

音声会話

マル

チメディア

~2Mbps

第4世代~30bps/Hz/BS

HSPA

第0世代公衆電話

点と点の通信

現在

LTE

~300Mbps

音声会話

高速データ通信音声会話

超高速データ通信

2010

W-CDMACDMA2000

~14Mbps

~1980

第3世代第1世代第2世代 ?

小セルネットワーク

第5世代>10Gbps


ほぼ10年ごとの世代交代誰もがいつでも，どこでも，だれとでも，どんな情報をもやり取りしたいと

思っている

通信手段がどこにでも存在（偏在）するユビキタス社会

無線技術なくしてはこのような社会は実現できない

10年ごとに新しい無線技術が誕生し，私たちの社会を変革してきた

1980年代：固定通信から，「いつでもどこでも」通信の到来

1Gシステム（アナログ）

1990年代：音声からデータへ

2Gシステム（ディジタル）

インターネットへのアクセス

2000年代：広帯域データ通信の時代へ

3Gシステム，そして3.5Gシステムへ（高速パケットアクセス）

2010年代：ブロードバンド，ユビキタスモバイル

3.9Gシステムへ，そして4Gシステム

多様な無線システムへのアクセス（2G，3G，3.5G，4G)

携帯電話の進化

2015/12/22 FA/Tohoku University 11歌野, “携帯電話の進化とインパクト,”信学誌, vol.90, no.5, pp.350-356, 2005年5月

FA/Tohoku University 12

固定通信システム：基本的には静止点と静止点とを結ぶ通信（コードレスは点を面にやや広げた通信）

移動通信システム：面的通信

比較サービスエリア：固定＜移動

通信品質：固定＞移動

通信速度：固定＞移動

固定通信と移動通信

コードレス

固定電話

交換機

交換機

無線

交換機

基地局

基地局基地局

交換機

交換機

2015/12/22


携帯電話は固定電話の役割を担う携帯電話ユーザ数（PHSを含

む）がアナログ電話回線数を超えたのが2000年3月携帯: 51.141M PHS: 5.708M 固定電話：55.446M

これは，人々が通話したいのは動き回っている相手の人間であり，固定した場所ではないことを明らかに示している．

携帯電話は，これまでの固定電話が有していた役割を担うようになる．

Year0

10

20

30

40

50

60

70

1985 1990 1995 2000 2005

Mobile

Fixed

61.22M@1997

No.

of

user

s (M

)


世界中で，日本と同じように固定電話と携帯電話との役割交代が起きた．

0

200

400

600

800

1,000

1,200

1,400固定電話回線数

携帯電話ユーザ数

世界の各種電気通信サービス回線数等の推移ITUホームページITU「World Telecommunication Indicators（2003年12月）」により作成

ユーザ

数（百

万）

第2世代と第3世代携帯電話との違い第2世代携帯電話が提供するのは低速のビットパイプ

第3世代携帯電話が提供するのは高速のビットパイプ

音声から高速インターネットに至るまで，幅広いデータ速度のサービスを提供可能


リアルタイム音声低速データ

64kbps(64,000ビット/秒)

テキスト

音声

画像

マルチメディア2Mbps(2,000,000ビット/秒)

第2世代と第3世代の間には大きな飛躍があった．中心サービス

音声＋データ

狭帯域化

ピークレートの増大スループットの増大

チャネル数の増加

広帯域化

中心サービス

音声＋データ

2015/12/22 16FA/Tohoku University

1GAnalog(FDMA)

2GDigital(TDMA)

Big leap

~64kbps ~2Mbps~14Mbps

~2.4kbps

3G/3.5GDigital(CDMA)

第3.9/4世代(LTE/LTE-A)

Digital(OFDMA,SC-FDMA)

無線スループット0.3~3Gbps/BS帯域幅20~100MHz

3.5G (HSPA,5MHz)

3.9G (LTE,~20MHz)

4G (LTE-A, ~100MHz)

上り下り上り下り上り下り

5.7Mbps

14Mbps

75Mbps

300Mbps

15bps/Hz

30bps/Hz


第3世代システム

F. Adachi, M. Sawahashi and H. Suda, “Wideband DS-CDMAfor next generation mobile communications systems,” IEEECommun. Mag., vol. 36, pp. 56-69, Sept. 1998.

Indoors~2Mbps

Mobile~144kbps

IMT2000Network

Pedestrian~384kbps

2GHz帯

第2世代システムにおけるデータ伝送速度は世界中に分布するサーバーへアクセスし，情報をダウンロードするにはあまりにも低すぎた

第3世代システムは第2世代システムシステムより圧倒的に速い速度のデータ伝送を提供するよう設計 DS-CDMA技術 (5MHz帯域）を採用

屋内: 2Mbps，歩行速度:384kbps，高速移動: 144kbps


第3世代，3.5世代と3.9世代システム第3世代(~384kbps)

2001年にサービス開始．

第3世代システムの浸透は初は緩やかであったが，現在では100%に近いユーザが3世代に移行している．

第3世代システムは，ブロードバンドサービス（インターネット）の携帯電話への普及に呼応して進化し続けている．

特に下りリンク（基地局→端末）の高速化が進む．

第3.5世代(ピークレート~14Mbps/5MHz) 高速下りリンクパケットアクセス（HSDPA）は2006年に開始され

た．

ピークレート~14Mbpsでも，すぐ不十分になる．

第3.9世代（LTE) 2011年サービス開始．

上りピークレート75Mbps，下りピークレート300Mbps(20MHz帯域幅）

第3世代システムの浸透, 第3.9世代システムの始まり携帯電話ユーザ数

(2013年12月末，出典TCA)135,832,000

(人口浸透率106.5%)

第2世代システムは消滅

第3世代システムが中心第3.9世代システム(LTE)の浸透が急ピッチ

＊日本人口@ 2012年8月1日: 1億3583万2000人


0.0E+00

2.0E+07

4.0E+07

6.0E+07

8.0E+07

1.0E+08

1.2E+08

1.4E+08LTE (NTTdocomo) 3G/W-CDMA 3G/CDMA20001x 2G

電波の有効利用


音波を使った会話人間は音波で会話

人間の音波の周波数帯域（振動数）は皆同じ！

300Hz～3.4kHz


音声波形

音声スペクトル

周波数

電力

おはよう！

時間

電圧

お互い近づくとうるさくて会話できない！


会話できない

大きな声で会話

干渉

会話を成り立たせるには･･････


会話できる

③耳に手を当てて他人の声を聞こえないようにする方法も

④口に手を当てて他人に声を聞こえないようにする方法も

②声を小さくしてもらう

電波を使った通信「電波」を使った「携帯電話」は，「音波」を使った「人間同士の会話」と同じ原理

電波が足りない→同じ周波数の電波を，多くの基地局で再利用できれば問題は解決


同じ周波数を使っている基地局

強い干渉

電波の強さ

距離

同じ周波数の電波を，多くの基地局で再利用できれば問題は解決

でも同じ周波数を使うと，「強い干渉」が生じてしまう

電波の強さ

距離

通信不能

強い干渉


基地局同士の距離を十分離せば，干渉は小さくなる

この原理を利用したのが携帯電話


電波の強さ

距離

通信可能に！

弱い干渉

同じ周波数の再利用同じ周波数を異なる基地局で繰り返して利用（ここでは21個のチャネルを想定）


0.75～5km

無線セル

F3F3

F3

F3

F3F1F1

F1

F1

F1

F1F1

F4

F4F4

F4

F4

F2F2

F2F2

F2

F7F7

F7F7

F7

F6

F6F6

F6

F6

F5F5

F5

F5

F5

F1 F2 F3 F4 F6 F7周波数

全無線帯域幅

F5

3チャネル → 5チャネル → 7チャネル

F1 F2 F3 F4 F6 F7F5 F1 F2 F3 F4 F1 F2 F3

3個 5個 7個


干渉を避ける方法人間が口や耳に手を当てるのと同じような工夫を基地局で用いる

「人間に学ぼう！」です


ビームチルティング基地局アンテナのセクタ化

同じ周波数帯域（0.3~3.4kHz）を使って，私たちは会話をしている

たくさんの人がいる中で会話ができるのはなぜ？


のどや口の形がそれぞれ異なるので，音波波形に特徴が出るため

⇒誰の声か分かるのも同じ原理

Aさん

Ｂさん

音声スペクトルが異なる周波数

電力

時間


この原理を利用しているのが第３世代の携帯電話（CDMA）

CDMAではユーザー毎に拡散符号（0と1からなる周期系列）を割り当て


ユーザA

ユーザB

時間

“1” “0”

前ページの工夫を施すことで，各基地局が21チャネルを全て使って通信することが可能に

F1

21個のチャネル

周波数


携帯電話の周波数電波でなければ移動しながらの通話はできない

携帯電話はラジオよりも高い周波数の電波を使って通信している

AMラジオ 531～1,602kHz携帯電話 800MHz帯ないし2GHz帯

(AMの1,000~2,000倍)周波数が高くなればアンテナが短くてすむ

2GHz帯なら数センチでよい


電波の伝わる仕組み


電波でなければ，移動しながらの通話はできません．

携帯電話は，ラジオより非常に高い周波数の電波を用いて通信しています． AMラジオ（仙台NHK1)の周波数は，891kHz（1秒間に89万回の振

動）です．

携帯電話は，それより1000倍高い800MHz帯（1秒間に8億回の振動）や2000倍高い2GHz帯（1秒間に20億回の振動）の電波を用いています．

電波の周波数が高くなれば，アンテナが短くてすみます． 2GHz帯の電波の波長はおよそ15センチです．

波長の1/4程度の長さのアンテナが必要です．アンテナ長は数センチですみます．携帯電話機が小型になり，持ち運びしやすくなります．

2015/12/22 FA/Tohoku University 36携帯機無線基地局

電波

電波はいろんな方向から飛んできます携帯電話機の周辺の建造物などによって電波が反射されま

すから，いろんな方向から電波が飛んできます．

これが大変な状況を作り出してしまいます．


携帯機

無線基地局

2015/12/22 FA/Tohoku University 38x (cm)

電波の強さ

y (cm)

・搬送波周波数2GHz・素波数 16波

(dB)

50cm×50cmの範囲における電波（2GHz）の強さの変動

アンテナの数センチの移動で強さが大きく変動

10msec

受信信号波形送信信号波形

大ドップラー周波数fD=120Hz(搬送波周波数2GHz, 移動速度64.8km/h)

10msec


アンテナが移動すると

2015/12/22 FA/Tohoku University 40時間 (sec)

時速4km

電波の強さ

(dB)



電波の強さ

(dB)

時速40km



電波の強さ

(dB)

時速400km

アンテナを複数使った通信選択合成ダイバーシチ


アンテナ#1 アンテナ#2

時間

電波の強さ

受信機受信データ

アンテナ#1

アンテナ#2

r1(t)

r2(t)

r(t)

マルチパスフェージング受信電力はマルチパスフェージングチャネルの中を移動することで激しく変動します．


0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 0 5

10 15

20 25

30 35

40 45

50

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

5

10

Low High

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 0 5

10 15

20 25

30 35

40 45

50

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

5

10

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

5

10

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

5

10

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

5

10

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

5

10

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

5

10

受信電力

[cm]

[cm]

2015/12/22

誤り発生誤り発生誤り発生

マルチパスフェージング


受信電力

[時間]

0.5秒0.3秒 0.4秒0.2秒0.1秒

2015/12/22

アンテナを増やしたら・・・

FA/Tohoku University 462015/12/22

アンテナを複数使った通信選択合成ダイバーシチ

アンテナ#1

アンテナ#2 時間

電波の強さ


受信機受信データ

アンテナ#1

アンテナ#2

r1(t)

r2(t)

r(t)

0.5秒0.3秒 0.4秒0.2秒0.1秒

アンテナダイバーシチ受信


[時間]

受信電力

2015/12/22

携帯電話がつながる仕組み


携帯電話はも近くの無線基地局と通信する

携帯電話システム


電話機と直接通信

ホームメモリ局

ゲートウェイ交換局

ルータ

ローカル交換局電話機の

位置を記憶

ローカル交換局

信号の

行き先を制御

固定電話網

インターネット





ルータ

ローカル交換局電話機の

位置を記憶


固定電話網



信号の

行き先を制御

ホームメモリ局は電話機がどこにいるかという情報を記憶（位置登録）





ルータ

ローカル交換局携話機の

位置を記憶


固定電話網



信号の

行き先を制御

交換局は信号の行き先を制御

同じ周波数の再利用同じ周波数を異なる基地局で繰り返して利用（ここでは21個のチャネルを想定）


0.75～5km

無線セル

F3F3

F3

F3

F3F1F1

F1

F1

F1

F1F1

F4

F4F4

F4

F4

F2F2

F2F2

F2

F7F7

F7F7

F7

F6

F6F6

F6

F6

F5F5

F5

F5

F5

F1 F2F3F4 F6F7 周波数

全無線帯域幅

F5

第3世代携帯（CDMA）では，各基地局が21個のチャネルを全て使って通信することが可能に

F1

21個のチャネル

周波数


も近くの無線基地局と通信たくさんある無線基地局の中から

携帯電話はも近い無線基地局を探す

弱い電波で通信可能⇒バッテリーの減りが少ない


電波

“いどころ”の検出携帯電話は今どの地域にいるか常に自動的に調べている

どうして自分の“いどころ”が分かる？


無線基地局は所属している地域を表わす信号を常に送信（つまり“電波の灯台”）


ここは地域Bです

ここは地域Aです

新しい地域に移動したことが検出されたら携帯電話はホームメモリ局に報告


①今まで地域Aに所在

②地域Bを表わす信号を受信

③新しい地域に移動したことをホームメモリ局に報告

⑥地域A→地域Bに書き換え

④ ⑤ホームメモリ局

交換局

2015/12/22 FA/Tohoku University 59地域A 地域B

しかし，どの無線基地局の近くにいるかまでは分らない

ホームメモリ局は所在地域を記憶しかし，どの無線基地局の近くにいるかまでは分からない

なぜ，携帯電話ユーザと通話できるのか

着信するときは？地域Bに移動した「Xさん」と携帯電話で会話すると仮定

地域Bの無線基地局から「Xさん」の携帯電話をいっせいに呼出す

どのようにして呼び出すのか？


11桁の番号090-XXXX-XXXX

頭の3桁が携帯であることを表わしている




地域B

電話網

④地域Bです

③所在地はどこですか？

①

②

⑤


地域 A

固定電話から発信


地域B

⑥呼出信号

Xさんの携帯


⑥呼出信号

⑥呼出信号

⑥呼出信号

⑦応答信号

固定電話から発信


地域B

Xさんの携帯


①通信要求

②応答信号

携帯電話から発信





地域B

電話網 ③正規のユーザーか確認？

⑦

⑥

⑤ローカル交換局

地域 A

④確認

携帯電話から発信


ハンドオフ携帯電話は電波が弱くなると新しい無線基地局を探し切り替える

⇒これによりユーザが移動しても通話できる


ローカル交換局ローカル交換局

無線基地局

音声を送るしくみ音声をデジタル信号（0と1の符号系列）に変換して伝送


マイク

アナログ電気信号

音声符号器

デジタル信号

1011010001101

デジタル音声信号（1秒間に約8000個の0,1を伝送）

電波に乗せる

時間

もしもし

音声発生のモデル化のどの声帯は音源

これをパルス系列と雑音波形で表す

2015/12/22 FA/Tohoku University 67音源音声スペクトル

スペクトル情報

有声音源

発声(のどの声帯)

調音(のどと口)

音声波形

周波数

電力

無声音源

＋

周波数

もしもし

符号帳駆動線形予測音源を表わす雑音波形を雑音符号帳に記憶

相手も同じものを持っている


ピッチ再生

LPCフィルタ

-

LPC分析

自乗誤差小化

#1

#232

#2

雑音符号帳

（音源）符号帳番号

（のどと口）LPCパラメータ

232回の符号帳サーチ

音声波形のどの声帯の震え（音源）を表す雑音

“のどと口”を表す電気回

路

聴覚的重み付け

符号帳駆動線形予測送るのは音源を表す符号帳番号と “のどと口”を表す電気回路のパラメータ

聞こえてくるのは合成音！


ピッチ再生

LPCフィルタ

-

LPC分析

自乗誤差小化

#1

#232

#2

雑音符号帳

（音源）符号帳番号

（のどと口）LPCパラメータ

232回の符号帳サーチ

音声波形のどの声帯の震え（音源）を表す雑音

“のどと口”を表す電気回

路

聴覚的重み付け

携帯電話の将来


第4世代システムLTE-A 2015年3月にサービス開始

第2世代と第3世代の間には大きな飛躍

次の飛躍は第3.9世代で起こった

周波数利用効率の向上狭帯域システム→チャネル数の増加

広帯域システム→ピークスループットの増大


第1世代Analog(FDMA)

第2世代

Digital(TDMA)

~64kbps~2.4kbps

第3.9世代(LTE)Digital(OFDMA/SC-FDMA)

第1の飛躍~2Mbps

~14Mbps

第3/3.5世代Digital(CDMA)

第4世代(LTE-A)Digital

(OFDMA/SC-FDMA)

3.5G (HSPA/5MHz)

3.9G (LTE/~20MHz)

4G (LTE-A/ ~100MHz)

上り下り上り下り上り下り

5.7Mbps

14Mbps

75Mbps

300Mbps

15bps/Hz

30bps/Hz

中心サービス

音声＋データ

中心サービス

音声＋データ

第2の飛躍

第4世代の無線技術とその課題帯域幅の拡大（20MHz100MHz）マルチアンテナ（MIMO）技術の積極的利用

基地局協調送受信（CoMP）の採用



データレートの向上多値変調の限界

300Mbps/20MHz(15bps/Hz)を多値変調で実現しようすると，215QAMが必要

厳しい同一周波数チャネル環境下で超多値変調（例えば215QAM）を用いるのは無理


16QAM(4bps/Hz) 256QAM

(8bps/Hz)1024QAM

(10bps/Hz)

2015/12/22

2倍 2倍


マルチアンテナ（MIMO)技術超多値変調（例えば280QAM）に向かうのは，もはや限界と

いえよう．

異なるアンテナから並列データ伝送することで，超多値変調を実現するMIMO空間多重（SDM）が注目されている．

74FA/Tohoku University

Coding S/P Signaldetection Decod.

Multipathchannel

Nt antennas Nr antennas

2015/12/22

ウェアラブルアンテナ如何にして多数のアンテナを携帯端末に搭載するか？

一つの可能性はウェアラブルアンテナ


ウェアラブルアンテナ

多数のアンテナを搭載するのに十分なスペースがない


あと2つの技術課題強い周波数選択性チャネルの問題

厳しい符号間干渉（ISI）が発生する

新しい高度な無線信号等化技術が必要

送信電力問題

送信データレートに比例して送信電力が増加する．ピーク速度1Gbpsは膨大な端末送信電力を要求する

送信電力増加を抑えるためには根本的な無線ネットワークの変革が必要


無線チャネルの問題マルチパスチャネル

基地局・移動端末間に存在する建物などにより多数の伝搬路が形成される

強い周波数選択性 12.5MHz帯域伝送の1シンボル長はたったの24m．

シンボル長をはるかに超える遅延時間差を有する多数の伝搬路が存在．

Localscatterers

Large obstacles

Transmitter

ReceiverReflection/diffraction

d-4


周波数選択性無線チャネルブロードバンド無線チャネ

ルでは，チャネルの伝達関数H(f,t)は信号帯域幅内でもはや一定ではなく，激しく変動する．

このような周波数選択性の強いチャネルで1 Gbpsに近いデータ伝送を実現するのは至難の業．

80bps/Hz/BSを超えるギガビット無線技術が必要．

0.01

0.1

1

10

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

0.01

0.1

1

10

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Frequency f (MHz)

Frequency f (MHz)

Cha

nnel

gai

nC

hann

el g

ain

L=16Uniform power delay profilel-th path time delay=100l + [-50,50)ns

1

0)2exp()(

L

lll fjhfH

L=16 uniform power delay profilel-th path time delay=100l + [-50,50)ns

基地局協調送受信 (CoMP)


高速データ通信エリア

コアネットワークコアネットワーク

基地局協調送受信技術（CoMP）

送信電力に制限があるので，超広帯域通信では通信距離がかなり短くなってしまう．

セル端に近いユーザの品質の向上のための協調基地局連携送信 (CoMP) 限られた送信電力でSINRの向上

CoMPは分散アンテナネットワーク(DAN)への第一歩

一様な品質基地局エリア内で一様な品質を確保したい


基地局からの距離

品質

（e.

g.スル

ープット）

現在

目標

セル端

第5世代システムへの進化と技術課題第5世代システムの無線通信サービス

1Gbps/ユーザを越える太い無線パイプ

急増するトラヒック（10年で1000倍）

第5世代システムへの進化

エネルギー問題が浮上


第5世代システムの無線通信サービス人々やあらゆるものがネットワークにつながっている社会

スマートフォンなどでの超高速データサービスの享受

低レートだが極多数の様々なデバイスの出現



古典的な通信サービス

Very high mobility user

High mobility user

Stationary userLow mobility user

IoT 応用通信サービス：超多数デバイス接続

（例 M2M, D2Dなど）

超低遅延応用通信サービス：

ITS，機械制御など

1Gbps/ユーザを越える太い無線パイプ


クラウド・コンピューティング・ネットワーク

無線アクセスネットワーク

無線端末（大容量メモリ，超高速通信）

太い無線パイプ(>>1Gbps)低遅延(<1ms)

多様なデータ通信サービス

急増するトラヒック（10年で1000倍）モバイルデータトラヒックの予測（2020年代に1000倍へ）


×20 ×200

技術革新

トラヒック

2010年 2015年

×1000

2020年

音声<<データ

音声<<<データ・動画像

音声<データ5Gおよびそれ

以降にも継続的な技術革新が求めら

れる

3.9G/LTE(300Mbps)

4G/LTE-A(3Gbps)

3G/HSPA(14Mbps)

×1000

5G

第5世代システムへの進化携帯電話は今や社会の重要なインフラになったおよそ35年かけて数10kbps狭帯域システムからギガビットクラスの広

帯域システムへ進化(1979年～2015年) これからはユーザあたり1Gbpsを超えるピークデータレートの超広帯域

システム（第5世代）へと変わる(2020年～)


通信

サービス

AnalogAMPSTACSNTT

20201980 1990 2000 年

~64kbps~2.4kbps

音声会話低速データ通信

音声会話

マル

チメディア

第0世代公衆電話

点と点の通信

現在

音声会話

高速データ通信

2010

~14Mbps

~300Mbps

~1980

第3世代(3G)

第1世代(1G)第2世代(2G)

第5世代(5G)

~2MbpsW-CDMACDMA2000Digital

IS95/IS136GSMPDC

音声会話

超高速データ通信

・超高速データユーザ>>1Gbps/user

・超多数デバイス接続・極低遅延

第4世代(4G)

HSPA

LTE~30bps/Hz/BSLTE-A

エネルギー問題が浮上 2万個の3G基地局からなる移動通信ネットワークの総エネルギー消費

量は58MW(大規模風力発電所の発電量に匹敵) ，年間電気代は62M米ドルにもなる[1]

基地局あたりの年間CO2排出量は11トン全世界の移動通信ネットワークの年間エネルギー消費量は61B kWh

(2007)


Emission of mobilecommunications sector

Global GHG emission (51.9GtCO2)

ICT sector GHG emission (1.43GtCO2)

0.20GtCO2

Emission of ICT sector

Greenhouse gas emission of the Mobile communications sector in 2020 [3]

[1] Green issues challenge basestation power, EE-Times Europe, September 19, 2007, http://www.eetimes.com/document.asp?doc_id=1248720

[2] http://www.greentouch.org/?page=how-the-ict-industries-can-help-the-world-combat-climate-change

[3] http://www.gsma.com/publicpolicy/wp-content/uploads/2012/03/environgreenmanifesto.pdf

The ICT industry is responsible for 2% to 2.5% of global greenhouse gas emissions. This value is expected to double in the next decade [2]

Mobile telecommunications contribute by 9% [2]

エネルギー問題が浮上


Source:Earth Project, https://www.ict-earth.eu/news/2010/02-24_EARTH-Poster_ICT4EE.pdf

スペクトル・エネルギー効率の両方に

優れた無線ネットワーク

第5世代システムの技術課題第1～4世代システム

第1～2世代システムではカバレッジが大事であった（電波の届かないエリアの解消）

第2～4世代システムではユーザ数の飛躍的増加と無線データサービスの広がりにより，限られた帯域の有効利用に重点を置いたスペクトル効率向上に力点を置いてきた

第5世代システム動画像データなどの超高速伝送がポピュラーになるにつれ，電力（エネルギー）問題が浮上．ネットワーク全体のエネルギー効率の向上も重要になってきた

第5世代システムでは，スペクトルおよびエネルギー効率の飛躍的な同時向上，更に超高密度基地局・端末を対象とした効率的な無線資源管理も重要課題


カバレッジカバレッジ

1G 2G 3G 4G 5G

スペクトル効率スペクトル効率

エネルギー効率エネルギー効率

無線資源管理無線資源管理

分散アンテナネットワーク(DAN)

送信電力を徹底的に抑えて>1Gbps伝送をサービスエリア内で提供する新しい無線アクセスネットワークが必要．

これは分散アンテナの導入で実現．


F. Adachi, K. Takeda, T. Obara, T. Yamamoto, and H. Matsuda,"Recent Advances inSingle-carrier Frequency-domain Equalization and Distributed Antenna Network,"IEICE Trans. Fundamentals, Vol.E93-A, No.11, pp.2201-2211, Nov. 2010.F. Adachi, K. Takeda, T. Yamamoto, R. Matsukawa, and S. Kumagai,"RecentAdvances in Single-carrier Distributed Antenna Network,," Wireless Communicationsand Mobile Computing, Volume 11, Issue 12, pp. 1551–1563, Dec. 2011, doi:10.1002/wcm.1212.F. Adachi, W. Peng, T. Obara, T. Yamamoto, R. Matsukawa, and M. Nakada,“Distributed Antenna Network for Gigabit Wireless Access,” International Journal ofElectronics and Communications (AEUE), Elsevier , Vol. 66, Issue 6, pp. 605-612,2012, DOI: 10.1016/j.aeue.2012.03.010.

小セル化基地局あたりの伝送能力(bps/BS)が限られている

ユーザ/デバイスが空間的に分布しているということをより一層利用することが良いこれは元来，セルラー概念の目指すところである


BS

小セル化基地局あたりの伝送能力(bps/BS)が限られている

ユーザ/デバイスが空間的に分布しているということをより一層利用することが良いこれは元来，セルラー概念の目指すところである


超多数アンテナ小セルの実現ユーザの空間分布をより有効に利用

2つの空間分割多重アクセス(SDMA)：大規模集中MIMOと大規模分散MIMO


ㇾ伝搬損失シャドウイング損失

ㇾマルチパスフェージング

ㇾ伝搬損失ㇾシャドウイング損失ㇾマルチパスフェージング

大規模マルチユーザアクセスシングルユーザアクセス

大規模集中MIMO 大規模分散MIMO

マクロセル基地局アンテナがセルの中心

ユーザを中心とした極小セル

分散アンテナネットワーク(DAN)


通信エリア内に数多くのアンテナを分散配置分散アンテナをコヒーレント光リンクで信号処理局（基地局相当）と結ぶ端末周辺にいくつかの分散アンテナが高い確率で存在（近距離通信）分散アンテナ群が仮想マクロセルを形成

SPC

SPC

SPC

SPC

分散アンテナプレーン（ユーザ中心のセル形成）

信号処理プレーン

コヒーレント光リンク

大規模分散MIMO（多重，ダイバーシチ，リレー，ビーム形成）

ベースバンドTRx

光アクセスネットワーク

仮想マクロセル仮想マクロセル仮想マクロセル

F. Adachi, “Wireless Optical Convergence EnablesSpectrum-Energy Efficient Wireless Networks,”Proc. 2014 International Topical Meeting onMicrowave Photonics/the 9th Asia PacificMicrowave Photonics (MWP/APMP 2014), pp.51-56,Sapporo, Japan, 20-23 Oct. 2014.

F. Adachi, W. Peng, T. Obara, T. Yamamoto, R.Matsukawa, and M. Nakada, “Distributed AntennaNetwork for Gigabit Wireless Access,”International Journal of Electronics andCommunications (AEUE), Elsevier, Vol. 66, Issue 6,pp. 605-612, 2012, DOI:10.1016/j.aeue.2012.03.010.

F. Adachi, K. Takeda, T. Yamamoto, R. Matsukawa,and S. Kumagai,"Recent Advances in Single-carrierDistributed Antenna Network," WirelessCommunications and Mobile Computing, Volume11, Issue 12, pp. 1551–1563, Dec. 2011, doi:10.1002/wcm.1212.

F. Adachi, K. Takeda, T. Obara, T. Yamamoto, andH. Matsuda, "Recent Advances in Single-carrierFrequency-domain Equalization and DistributedAntenna Network," IEICE Trans. Fundamentals,Vol.E93-A, No.11, pp.2201-2211, Nov. 2010. FA/Tohoku University 94

：光ファイバー

2015/12/22


更に厳しくなるチャネル選択性ブロードバンド無線チャネ

ルでは，チャネルの伝達関数H(f,t)は信号帯域幅内でもはや一定ではなく，激しく変動

このような周波数選択性の強いチャネルで数Gbpsものデータ伝送を実現するのは至難の業

強力な周波数領域等化器は必須

0.01

0.1

1

10

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

0.01

0.1

1

10

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Frequency f (MHz)

Frequency f (MHz)

Cha

nnel

gai

nC

hann

el g

ain

L=16Uniform power delay profilel-th path time delay=100l + [-50,50)ns

1

0)2exp()(

L

lll fjhfH

L=16 uniform power delay profilel-th path time delay=100l + [-50,50)ns

送信等化 TDDでは送受信チャネルが同じ

TDDではチャネル情報の帰還なしに送信等化が可能


上り下り

TDDフレーム

時間

上りリンクチャネル推定

送信FDE

SPC

受信FDE

)2sin()(Im)2cos()(Re)2exp()(Re)(veformcarrier wa Modulated

tftstftstftstx ccc

なぜ上りリンクにはシングルキャリア伝送が適しているのか？シングルキャリア（SC）信号は

OFDM信号よりPAPRが低い．各シンボル時間点の送信信号波形に

はISIが発生しない（ナイキスト伝送）．

SCは上りリンク無線アクセスに適している．ピーク電力が少なくてよいので，比較的

安価な送信電力増幅器が使える．


-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

4

55 57 59 61 63 65

α= 0.00

4

-3

-2

-1

0

1

2

3

4

55 57 59 61 63 65

α= 1.00

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

4

55 57 59 61 63 65

α= 0.50

SC信号波形

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

4

55 57 59 61 63 65

OFDM

OFDMA信号波形

Nc=256subcarriers

Nc=256symbols/block

周波数領域時空間符号化ジョイント送受信ダイバーシチ(STBC-JTRD) (下りリンク）受信アンテナ数は4本に限定されるが，任意の数の送信アンテナを用い

ることができるので下りリンクに適する．

周波数ダイバーシチ利得を得る前置等化（チャネル情報が必要）

復号処理は加減算と複素共役処理だけなので簡単な処理．

982015/12/22 FA/Tohoku University

データ変

調

#0

#Ndan-1

IFFTFFT

・・・

・・・

+CP

SPC

Ndan本の分散アンテナ

#1

データ復

調

#0 時空

間復

号

IFFT

FFT

・・・

・・・

CP

#Nmt -1Nmt本の端末アンテナ

時空

間符

号化

・送

信等

化

スループットの空間分布（下りリンク）分散アンテナネットワーク（DAN）は無線エリア全体に亘って高いスルー

プットを実現セル端のスループットはDANではおよそ2.6 (bps/Hz)，しかるに従来のネットワーク

（CN）ではおよそ1.2 (bps/Hz)．符号化レート1/3のターボ符号を用いたタイプII S-P2 (Incremental

Redundancy)


スル

ープット

(bps

/Hz)

4.0

3.5

3.0

2.5

2.0

1.5

1.0(a) DAN (b) 従来のネットワーク

16QAM，正規化総Es/N0=0 dB，(Ndan,Nmt)=(4, 2) ．

分散協調空間多重分散アンテナを用いた協調空間多重によりスループットを著

しく増加できる


Distributed antenna

DANSPC

分散協調空間多重 QRM-MLBDを信号検出に用いるTS-SC MIMO空間多重


Nc+Ng-pointDFT

QRD of equivalent channel matrix

…

Nda

ndi

strib

uted

ante

nnas

Nc+Ng-point DFT

Y1

YNdan

…

… Mul

tiplic

atio

n of

QH

MLD

usi

ng M

-al

gorit

hmY

De-

mod

ulat

ion

SPC

Info. bits

Dat

am

odul

atio

n +TSd

S/P

…

+TS

d1

dNmt

s1

sNmt

…

Nmt antennas

Mobile terminal

T. Yamamoto, K. Takeda, and F. Adachi, “Training sequence-aided QRM-MLD block signal detection for single-carrier MIMO spatial multiplexing,” Proc. IEEE International Conference on Communications (ICC 2011), Kyoto, Japan, 5-9 June, 2011.

スループットの空間分布分散アンテナネットワーク(DAN)は従来のネットワーク(CN)より高いス

ループットを達成

無線セル端でのスループットを3bps/Hz程度向上可能

従来のネットワークでは基地局近くでのみ高いスループットが得られる


2.0

3.0

4.0

5.0

6.0

7.0 (a) DAN (b)従来のネットワーク

スル

ープット

(bps

/Hz)

*TS-SC MIMO multiplexing (Nc=64 and Ng=16)*QRM-MLBD(M=16), 16QAM*Turbo-coded HARQ type-II S-P4 strategy *Packet size=2048.

*(Ndan, Nmt)=(2,2), Es/N0=5dB*An L=16-path frequency-selective block Rayleigh fading channel with uniform power delay profile

アナログネットワーク符号化中継アナログネットワーク符号化（ANC）中継：2タイムスロット

従来のTDD中継：4タイムスロット

ANC中継は従来の協調中継よりスループットが高い

2015/12/22 103

ANC relayXB : BS transmit blockXM : Mobile transmit block

TDD Relay

XM+XB

XM+XB XM+XB

XB

XBXM

XM

XM XB

XM+XB

H. Gacanin et al., IEEE trans. Wireless Commun., Vol. 9, No. 5 pp. 1577-1783, May, 2010

FA/Tohoku University

ANC中継は無線セル内で一様に近いスループットを実現

2015/12/22 104

30

25

20

15

10

5

0

Direct link

Capacity (bps/H

z)

30

25

20

15

10

5

0

TDD cooperative relay

Capacity (bps/H

z)

30

25

20

15

10

5

0

ANC relay

Capacity (bps/H

z)

FA/Tohoku University

チャネル容量の空間分布

105

周波数領域適応アンテナアレー（上りリンク）複数の分散アンテナを用いて周波数領域MMSE-FDE合成

することにより，他ユーザ干渉を低減．

Omniantenna

Directional beam

Distributed antenna(a group of antennas)

DANProcessing

center


むすび携帯電話の進化

超高速インターネット時代に

ディスプレーは高精細，立体画像

ユビキタス社会の到来

ネットワークにいつでもつながっている社会

いつでも，どこでも，誰とでも，瞬時にどんな情報をもやり取りできる」

将来，画像を見ながらの会話が一般的に



課題超高速無線通信の技術課題について整理して述べてください．

未来の携帯電話について

どんな携帯電話機になるとよいでしょう？

どんなサービスがあるとよいでしょう？

2015/12/22

無線通信の最前線 通信の歴史lte-advanced 1980 1990 2000 年 ~2.4kbps ~64kbps...

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