NTTが60GHz帯無線LANと5G・LTEのシームレス切り替えを実現し、移動体端末における無線通信を大容量化

日本電信電話株式会社（以下、NTT）は、通信電波を用いた距離推定により、非移動体無線通信システムである60GHz帯無線LAN（以下、WiGig）と、移動体無線通信システムである5G・LTEとを切り替える技術を考案するとともに、フォーミュラカーを用いた超高速移動環境下において、その実証実験に成功したと発表した。

WiGigは、IEEE 802.11ad規格をベースとした無線LANの60GHz帯版であり、1周波数チャネルで最大4.62Gbit/sの無線伝送が可能な非移動体無線通信システムだ。

ただし、一つの基地局でサービスを提供できるゾーンは移動体無線通信システムと比較して狭く、かつ通信が完全に途絶してからでないと接続先基地局や通信方式の切り替えができない問題により、ドローン、車、高速列車など、広範囲を高速に移動する移動体端末に対して活用することは困難であった。

そこでNTTは、まず非移動体無線通信システム自体を移動体端末に対応させることを目指した。

具体的には、非移動体無線通信システムの基地局切り替えを通信断なく行うため、WiGigの通信電波を用いた端末位置測位に基づいて、適切な基地局切り替えタイミングと切り替え先を指示制御する基地局切り替え制御技術を考案した。また、複数無線部の連携制御により基地局切り替え中の通信断を回避する端末主導動的サイトダイバーシティ制御技術も考案し、フォーミュラカーを用いた超高速移動環境において、その有効性を実証した。

しかし、上記問題は移動体端末が非移動体無線通信システムのエリアを出るときにも顕在化する。つまり、現在接続中の基地局に対して接続を維持しようとする非移動体無線通信システムの性質により、その接続が切断し、完全に通信が途絶してからでないと移動体無線通信システムへの切り替えが行われないため、一時的にネットワークとの通信が切断される課題があった。

NTT、60GHz帯無線LANと5G・LTEのシームレス切り替えを実現し移動体端末における無線通信を大容量化 — 移動体無線と非移動体無線を融合させた場合の課題を表した図

このように、移動体端末において、非移動体無線通信システムを活用して無線通信を大容量化するためには、非移動体無線通信システム自体を移動体対応させるだけでなく、移動体無線通信システムとのシームレスな連携を実現する制御技術が必要だ。

そこでNTTは、高周波数帯無線の広帯域性に基づいて、WiGigの通信電波そのもので高精度な通信距離推定を行うことが可能である性質に着目し、端末側で推定距離に基づいて、非移動体無線通信システムのエリア端に到達することを検知した。そして、非移動体無線通信システムとの接続が切断される前に移動体無線通信に切り替えることにより、通信断を回避してシームレスに通信を移動体無線通信システムに切り替える手法（以下、シームレス切り替え技術）を考案した。

この手法では、高周波数帯無線通信に必要となるビーム制御情報の往復転送時間の情報を取得することにより、GPSなどの他の測位システムに頼ることなく、端末側において非移動体無線通信システムの基地局との通信距離を推定す流ことが可能だ。

通信距離が想定された非移動体無線通信システムの通信限界距離に近づくと、端末は非移動体無線通信システムとの接続が維持されている状態でも、通信を移動体無線通信システム側に切り替える。

これにより、非移動体無線通信システムのエリア端における伝送特性の劣化の影響を受けることがなく、シームレスに通信を移動体通信システム側に切り替えて維持することが可能となる。

この手法を検証する実証実験は、「2024年全日本スーパーフォーミュラ選手権　鈴鹿サーキット公式合同テスト」において、レーシングチーム「DOCOMO TEAM DANDELION RACING」による超高速移動環境を再現するフォーミュラカーの提供とオペレーション、株式会社NTTドコモおよびドコモ・テクノロジ株式会社による超高速移動実験向けエリア構築および端末の車両搭載に関する技術協力の下、実施された。

車載端末は、WiGig無線部2個を車両後部に、5G・LTEに対応したスマートフォン1台をコックピット内に、それらの機能を制御する機能制御部を車両左側のサイドポンツーン内に搭載した。

無線機能部において、スループット測定用のダミーデータを5[Mbit/s]のレートで生成するとともに、提案するシームレス切り替え技術の制御に基づいて通信システムを切り替える構成となっている。
　

地上側は、鈴鹿サーキットのメインストレート左右にWiGig基地局を6局設置。メインストレートにおいては、WiGigを用いて通信するとともに、コース内のそのほかの場所では5G・LTEを用いる構成とした。

6局のWiGig基地局には、先に述べた基地局切り替え制御技術を適用するとともに、端末側には2個のWiGig無線部を用いる端末主導動的サイトダイバーシティ制御技術を適用することで、WiGigゾーン内では通信断が発生しない構成としている。

また、車両側から送信されたダミーデータは、WiGigゾーン内ではWiGig基地局を経由して、またそのほかの場所では5G/LTE基地局を経由して、地上側に設置したスループット測定用サーバに届く構成とし、当該サーバで測定されたスループットを評価した。

下図は、シームレス切り替え技術を適用しない場合のスループットと、シームレス切り替え技術を適用した場合のスループットだ。

技術を適応しない場合では、WiGigから5G・LTEの切り替えのタイミングでスループットが0[bit/s]となる領域が数十メートル程度（時間にして数百ミリ秒程度）あることがわかる。

これは、非移動体無線通信システムの性質により、一度WiGigが完全に切断した後でないと、通信を5G・LTEに切り替えることができない従来の課題によるものだ。

一方、提案するシームレス切り替え技術を適用した場合、WiGigから5G・LTEへの切り替えにおいて、通信断が発生していないことがわかる。

すなわち、シームレス切り替え技術の適用により、非移動体無線通信システムのエリア端において、通信電波による測距機能を用いて事前に通信を移動体通信システム側に切り替えることで、通信断を回避できることが確認された。

なお、同技術実証時の車両速度は550m付近で、最高278km/h、注目するWiGigから5G・LTEへの切り替え地点においても、254km/h以上であり（実験用に搭載したGPSにより測定）、シームレス切り替え技術が有効であることが実証されたとしている。

NTTはこの成果について、「WiGigに加え、様々な高周波数帯無線伝送システムや、端末が移動する移動環境において、GPSなどの外部の測位システムに頼ることなく、エリア端での特性劣化を回避して適切に他の無線システムを選択する技術として活用が期待できる。」としている。

具体的には、高速移動する列車や車へのスポット的な映像データ等の大容量伝送や、移動するドローンやロボット等の移動体映像データの地上ネットワークへの大容量伝送などにおいて、従来用いられてきた5G等の移動体無線通信に加えて、高周波数帯無線LANなどの非移動体無線通信システムも活用することが可能になるのだという。

今後は、今回の実証実験結果を活用して、同技術を様々な利用環境で適用し、技術検討を進める計画だ。なお、今回の実験は非移動体無線通信システムをターゲットとしたものではあるが、基盤となる技術は高周波数帯の性質に着目した測距機能であり、非移動体無線通信だけでなく、あらゆる高周波数帯の無線通信システムに活用が期待できる技術なのだとしている。

また、同技術を通じ、高周波数帯無線通信システムへの適用についても検討を進めていくとのことだ。