ソフトバンクと科学大、スマホ・ドローン・基地局の電波干渉抑える屋外実証に成功

ソフトバンクは東京科学大学と共同で、隣接する基地局(セル)で通信するスマホなど地上の端末間や、地上の端末と上空のドローンなどに搭載した端末との間で発生する電波干渉を大幅に抑える「基地局連携MU-MIMO干渉キャンセラー」を開発。3月に行った屋外実証実験での成功を発表した。

基地局連携MU-MIMO干渉キャンセラーの構成出所：ソフトバンクニュースリリース

ソフトバンクと東京科学大学電気電子系藤井輝也研究室が、パナソニックホールディングスの協力の下、千葉・長生村で実験を行い、システムの有効性を実証したもので、総務省から実験試験局の免許を取得して行ったという。なお、MU-MIMO(Multi‑User Multiple Input Multiple Output)とは、基地局が複数のユーザーに対して、同一の周波数帯の電波で同時に通信する技術のことを指す。

ソフトバンクと東京科学大学は今後、さまざまな実環境下で屋外実証実験を行い、今回開発した基地局連携MU-MIMO干渉キャンセラーの有効性の確認と高度化を進めていく。さらに、5G基地局と衛星通信地球局の下り回線の電波干渉を抑圧する「システム間連携与干渉キャンセラー」も組み合わせて、3次元空間において同一または異なるシステム間の電波干渉の低減を可能とする「移動通信三次元空間セル構成」の実現に向けた研究開発を進めていく。

5Gの電波干渉と「基地局連携MU-MIMO干渉キャンセラー」の詳細

5Gでは同一周波数帯を隣接セルで使う場合、隣接セルからの干渉を受け、特にセル境界で通信品質が低下しやすいという課題がある。

また、都市部の中高層階での通信需要増加や、ドローンなど上空を移動する端末の普及も見込まれるが、上空の端末からの電波は遠くの地上基地局まで届きやすいことから、地上と上空で同一周波数帯を利用すると広範囲で干渉が起きて通信品質が落ちる可能性もある。

こうした課題を解決するため、ソフトバンクと東京科学大は地上の2次元セル構成を上空を含む3次元空間へ拡張し、干渉を抑えながら地上と上空のどちらでも同一周波数帯の電波を使えるようにする「移動通信三次元空間セル構成」の研究開発を進めてきた。

電波干渉のイメージ。隣接セル間での干渉(左)や、同一セル内での干渉(右)といった、大きく分けてふたつの課題を指摘している出所：ソフトバンクニュースリリース

隣接セル間の電波干渉を抑圧するためには、隣接セルに接続する端末から届く干渉信号の伝搬路応答(電波の振幅や位相に基づく複素振幅)を測定し、それに基づいて各基地局が隣接セル干渉を抑圧する「干渉抑圧ウェイト」(基地局が受信した信号に対して、不要な電波干渉を低減するために適用する補正係数)を生成する必要がある。

ソフトバンクと東京科学大学が今回開発した「基地局連携MU-MIMO干渉キャンセラー」では、端末から基地局へ一定間隔で送られる「サウンディング参照信号」(SRS：Sounding Reference Signal)を活用して伝搬路応答を推測。

各基地局の課題として、自セル基地局と通信している端末(自セル端末)のSRSしか認識できないので、各基地局で受信したSRSを含む受信信号を、連携する隣接基地局間で共有する。

これで、各端末と各基地局間のすべての伝搬路応答を推定できるようになるので、それを用いて干渉抑圧ウェイトを生成し、受信信号に干渉抑圧ウェイトを重ねて処理することで、隣接セル干渉信号を抑圧する仕組みだ。

さらに、複数の基地局を1カ所に集約して連携処理を行う「集中基地局構成」も実現した。

各基地局が分散配置されている構成では、隣接基地局で受信した信号を自セル基地局に転送するために複数の伝送装置が必要となり、システム構成が複雑になるという課題がある。集中基地局構成であれば、光ファイバーや伝送装置を複数追加することなく、連携制御装置で各基地局が測定した伝搬路応答を容易に集約でき、推定処理の効率化を図れるとする。

また、自セル内で地上の端末と上空の端末が通信する場合は、この集中基地局構成において、隣接セル基地局アンテナを自セル基地局と同一の場所に設置し、それぞれ自セル基地局の地上セル基地局と上空セル基地局と構成することで実現している。

集中基地局の構成出所：ソフトバンクニュースリリース

屋外実証実験の概要と実験結果

千葉で行った屋外実証実験では、グラウンドの両端に5G基地局アンテナを設置し、アンテナ間距離60ｍ、セル境界は各アンテナから30ｍに設定。各基地局に同一周波数帯の電波を利用する端末を1台ずつ接続して、測定・評価を行った。

利用する電波の周波数は4.8GHz帯、帯域幅は20MHzで、各端末の最大通信容量は上り下りともに10Mbpsという条件だ。なお、同一セル内干渉抑圧の実証実験では、同一周波数帯の電波を利用する地上の端末1台と上空の端末1台を接続した。

屋外実証実験の構成出所：ソフトバンクニュースリリース

実証実験の様子出所：ソフトバンクニュースリリース

実験の結果、各端末が自セルの基地局アンテナの近くにある場合は10Mbpsの通信を確認でき、干渉の影響は小さかったが、端末をセル境界に移すと、隣接セル間の干渉で通信容量が3Mbps以下まで大きく低下。そこで干渉キャンセラーを適用したところ、干渉を10dB以上抑え、セル境界においても上下8～10Mbpsで通信できることが分かったという。

次に、地上端末と上空のドローンに搭載した端末で、干渉抑圧効果を評価。自セルのアンテナを地上の端末に、隣接セルのアンテナを高度30ｍまで上昇させたドローン搭載の上空端末にそれぞれビームを向けて通信し、上空端末をセル境界付近で移動させながら、上下の通信品質を5回測定した。

この条件では、干渉が非常に厳しい上り回線では上空端末からの強い干渉によって、地上端末の通信容量が1Mbps以下まで低下。そこで干渉キャンセラーを適用すると、上空と地上のセル境界においても上下ともに8～10Mbpsで通信できたという。