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京都大学原田研究室が無線周波数資源を有効に活用する
第5世代移動通信システム用通信方式UTW-OFDMを開発

[2016年3月3日]

京都大学大学院情報学研究科の水谷圭一助教、原田博司教授らの研究グループは、2020年以降に導入が検討されている第５世代移動通信システム (5G) で利用可能な超高密度周波数配置が可能な通信方式UTW-OFDM方式の開発に成功しました。このシステムは計算量の少ない時間軸窓処理を用いて帯域外不要輻射を抑圧することにより、現在第４世代移動通信システムLTE等で採用されているCP-OFDM方式と比べ、同じチャネル幅で伝送した場合、チャネル外不要電波を約30 dB (1000分の1) 以上削減することが可能です。本方式により移動通信に適した周波数(6GHz以下)において今まで以上に高密度に周波数を利用可能となり、5Gが目指す超多数の端末の同時接続、チャネルあたりの通信速度の向上が期待できます。

背　景

現在、端末数の激増ならび超高速のデータから超多数の低速伝送のセンサーまで多様化する無線通信のトラフィックを収容するために、第５世代移動通信システム (5G) の研究開発が国際的に進められています。しかし、移動通信に適した周波数は現在逼迫しており、限りある周波数資源を有効利用するためには、現在利用可能な第４世代移動通信システムLTEとも後方互換性があり、さらに周波数の高密度配置が可能な通信方式の開発が急務となっています。

今回の成果

今回、無線周波数利用効率を改善するために、利用効率劣化の原因となる“割り当てチャネル帯域外へ漏れ出る不要輻射電力“を簡単な信号処理で抑圧できる新しい通信方式（UTW-OFDM方式）、およびシステムを提案・開発しました。

従来は、時間軸窓処理と周波数フィルタ処理を用いて、この帯域外不要輻射を抑圧する手法が一般的でしたが、特に周波数フィルタ処理に係る計算量が大きくなる問題がありました。今回開発したUTW-OFDM方式では、計算量が少なく、超低速から超高速まで様々なアプリケーションや環境に柔軟に対応可能な時間軸窓処理のみを用いて帯域外不要輻射を抑圧します。また、現在運用中の携帯電話システムLTEにも簡単に導入可能です。

今回、本方式の実機による送信信号の特性評価、およびLTEに導入した場合のビット誤り率の計算機評価を行った結果、LTE等で用いられるCP-OFDM方式と比べ、同じチャネル幅で伝送した場合、チャネル外不要電波を約30 dB (1000分の1) 以上削減しつつ、誤り訂正符号と呼ばれる符号化技術と組み合わせることでLTEシステムと同等の通信品質を実現することができることを確認しました。

» 図1：実機による提案UTW-OFDM送信信号（5 MHzモードのLTE信号パラメタを適用）のスペクトラム波形

今後の展望

本研究グループは、今後、今回開発したUTW-OFDM方式を用いた無線アクセスシステムについてフィールド実験解析を行い、5Gの研究開発に積極的に寄与していく予定です。今回の成果は３月２日〜４日に開催される電子情報通信学会移動通信ワークショップにて発表されます。なお、本研究成果の一部は、総務省から受託した「電波資源拡大のための研究開発」によって実施されたものです。

[本件に関する問い合わせ先] 京都大学 大学院情報学研究科 通信情報システム専攻 ディジタル通信分野 水谷　圭一、原田　博司 Tel: 075-753-5317, Fax: 075-753-4982 E-mail: contact ＠ dco.cce.i.kyoto-u.ac.jp

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解　説

CP-OFDM方式

• CP-OFDM （Cyclic Prefix直交周波数分割多重）方式は、現行の無線LANシステム（IEEE 802.11a/g/n/ac）や 携帯電話システム（LTE）の下り回線などに使用されている無線方式です。 互いに直交したサブキャリアに情報ビットの変調信号を割り当てて送信する手法であり、周波数方向に密に信号を配置できるため、 帯域内の周波数利用効率が高いという利点があります。また、Cyclic Prefixを挿入することで、 無線通信において非常に重要となる伝搬遅延の問題を解決することができます。
• このように多くの利点を持つため、現在多くの無線通信システムで採用されているCP-OFDMですが、5Gシステムの開発にあたり解決すべき問題があります。 その一つに、自分の割り当てられたチャネル帯域外に輻射される電力（帯域外輻射電力）が大きいという問題があります。
• 図2に示す通り、CP-OFDM送信信号の各シンボル間に存在する信号の不連続点が、周波数軸上で不要な成分（高い帯域外輻射電力）が発生します。 高い帯域外輻射電力は、周波数資源の高密度で効率的な利用の妨げとなる（図4上）ため、抑圧される必要があります。

» 図2：CP-OFDMの帯域外輻射電力

提案UTW-OFDM方式

• 今回開発したUTW-OFDM（Universal Time-domain Windowed OFDM）方式は、CP-OFDM方式をベースにした通信方式で、問題となる各シンボル間の信号不連続点を、柔軟にパラメタ調整可能な時間軸窓を適用することで平滑化し、周波数軸上の不要成分を抑圧する手法です。図3にUTW-OFDM方式の送信信号生成プロセスを示します。
• この時間軸窓を用いたOFDM信号の帯域外輻射電力抑圧はこれまでにも一般的に用いられてきた手法ですが、時間軸窓長をあまり大きくすると、隣接シンボルへの干渉（シンボル間干渉）発生や、自身の信号成分が削り取られることによる影響（キャリア間干渉）により、通信品質が劣化します。そのため適用される時間軸窓長は非常に短いものが一般的であり（例えば無線LANなどでは時間軸窓長は高々両側１サンプル点分）、帯域外輻射電力抑圧効果も限定的でした。
• しかしさらなる周波数有効利用が求められる現在、より大きな帯域外輻射電力抑圧効果が必要です。 そこで今回提案したUTW-OFDM方式では、CP長を超えるような大きな長さの時間軸窓を適用することで、大幅な帯域外輻射電力抑圧効果を得ることができます。 これにより図4下に例を示すように、システム全体の周波数利用効率の改善が期待できます。
• ここで上述の通り、トレードオフとしてシンボル間干渉やキャリア間干渉が発生し、そのままでは通信品質が劣化しますが、本方式では畳み込みターボ符号などの強力なチャネル符号化技術と併用することで、図5に示す通り通信品質の劣化無しに大きな帯域外輻射電力抑圧効果を得ることができます。
• また本方式では、この時間軸窓の形（変化の仕方）、時間軸窓長などのパラメタを柔軟に可変可能であり、超高速なシステムや比較的低速なシステム、周波数帯の利用状況などに合わせて柔軟に対応することができます。したがって、目的や環境によって様々な異種無線システムや異なる周波数を統合的に利用する可能性が高い5Gシステムに柔軟に対応することができます。

» 図3：提案UTW-OFDM方式の送信信号生成プロセス » 図4：送信信号の帯域外輻射電力の抑圧を行うことでシステム全体の周波数利用効率改善が期待される » 図5：提案UTW-OFDM方式を5 MHz帯域幅モードのLTE信号に適用した場合の移動通信環境における通信品質評価