1000台のIoT端末を用いた超高密度な屋外無線通信実験に成功

無線IoTは、センサやスマートメータなどにおいて応用が拡大しています。6G/Beyond 5G^*1においては1平方キロメートルあたり1000万端末という、非常に高密度な無線通信が必要となると予測されています。現在、無線IoTにおいては、低消費電力かつ長距離な通信が可能なLow Power Wide Area(LPWA)と呼ばれる無線通信システムが実用化し、利用されています。しかしながら、一般的な通信方式では、同じ無線チャネルで同時に複数のデータが送信されると、衝突によってデータが復調できなくなるため、高密度な環境では性能低下が深刻な問題となります。

我々はこれまでに、数値解析やシミュレーションなどにより、従来方式よりも高い性能で多数同時通信が可能であることを明らかにしました。さらに、2021年度には920MHz帯において1mWでの通信が可能なAPCMA端末を500台開発し、高密度な通信を実験室内で実証することに成功しています[3]。

実用化し、利用されています。しかしながら、一般的な通信方式では、同じ無線チャネルで同時に複数のデータが送信されると、衝突によってデータが復調できなくなるため、高密度な環境では性能低下が深刻な問題となります。

我々が提案している非同期パルス符号多重通信APCMA[1,2]は、多数のIoT送信機から同時にデータが送信され、衝突しても、受信側で正しくデータを復調できる新しい無線通信技術です。少数のパルス信号によって構成されるパルス符号を使用してデータを変調するため、パルスの衝突が発生しにくく、またパルス符号が重なり合ってもデータを復調できます。したがって、APCMAを高密度IoTに応用することにより、低消費電力、広域、かつ高密度なIoT無線通信システムの実現が期待されます。

この度、より長距離かつ高密度な無線IoT通信の実現のため、20mWでの送信を可能とするAPCMA端末を開発し、屋外において高密度IoT環境を模擬した実証実験を行いました。

本研究では、数kmの距離での通信が可能なAPCMA端末1000台を新たに開発しました。ARIB STD-T108[4] のLDC(Low Duty Cycle)方式向けの技術基準（送信電力、周波数帯域、送信時間、送信待ち時間、デューティ比等の制限）に準拠する設計を行い、920MHz帯で20mW送信が可能なAPCMA方式を設計、開発しました。開発した端末は全て、認証・試験機関TELECの技術基準適合証明^*2を取得しています。

通信距離を伸ばすために、LoRa等のLPWAシステムでも採用されているチャープスペクトル拡散方式^*3を用いたパルスを実装しています。受信機はGNU RadioソフトウェアとUSRPデバイスを用いたソフトウェア無線技術^*4により開発しています。本システムにおけるパラメータは表１のとおりです。実験室内環境では、1500台の同時通信においても、高い通信成功率が達成できました[5]。

今回、横須賀リサーチパーク(YRP)周辺において、1000台のAPCMA送信機を用いた屋外高密度IoT通信実験を行いました(図1)。1000台のAPCMA送信機からYRP1番館の屋上に設置した受信機に向けてデータ送信を行い、データが衝突した場合においても、データの復調が可能であることを実証しました。

本研究は、総務省SCOPE（課題番号JP205007001）の委託を受け、大阪大学大学院情報科学研究科、NICT、東京理科大学の共同で進めたプロジェクトの成果です。APCMAの高性能化に向けた、パルス符号／誤り訂正の研究、送信パラメータ最適化の研究も並行して進めております[6]。多数同時通信が可能なLPWAの実現、実用化を目指しており、設備監視、地中通信、洋上通信などへの実応用を志向した取り組みを進めています。