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グローバルスタンダード最前線

IEEE 802.11be/bnの標準化動向

Wi-Fiとして認知されているIEEE 802.11無線LANシステムは、PCやスマートフォンのみならず家電やIoT(Internet of Things)機器などにも使用され、その適用領域はコンシューマ市場に加えて、工業や農業、スタジアムWi-Fiなどのビジネス市場にも拡大しています。ここではIEEE 802.11無線LANシステムの次世代の主流規格であるIEEE 802.11be、およびその次の世代の規格となるIEEE 802.11bnの最新動向を紹介します。

岸田 朗(きしだ あきら)
NTTアクセスサービスシステム研究所

IEEE 802.11 WGによる無線LAN標準規格の策定

現在「Wi-Fi*」として広く認知されている無線LANシステムの技術仕様は、米国の学会であるIEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineers)の標準化組織IEEE-SA(Standards Association)の作業班IEEE 802.11 WG(Working Group)(1)にて策定が行われています。IEEE 802.11 WGはいくつかのサブグループで構成されており、技術仕様の策定を行うTask Group(TG)、TGのスコープを制定するStudy Group(SG)、特定のテーマに関して標準化の可能性を検討するためのTopic Interest Group(TIG)、その他いくつかの常設委員会(Standing Committee: SC)や特定の課題の検討を行うAd-Hoc Groupなどがあります。TGにより策定された技術仕様は「IEEE 802.11xx(xxはアルファベットによるナンバリング)規格」としてリリースされます。ここでは以後「IEEE 802.11xx規格」を「11xx」と略記します。表1に2023年11月時点でのIEEE 802.11 WGのサブグループと各グループの検討課題を示します。

* 「Wi-Fi」は、Wi-Fi Allianceの登録商標です。

Wi-Fi Allianceによる無線LAN機器の認証

Wi-Fi Alliance(2)はIEEE 802.11 WGが策定した標準規格に基づき、機器の相互接続試験および無線LAN機器のマーケティング活動を行う業界団体です。Wi-Fi Allianceでは、無線アクセス機能を規定するIEEE 802.11規格の認証テストプランに合格した機器に「Wi-Fi (シリーズ番号)」の認定を与えています。例えば、無線LAN機器に「Wi-Fi 6/6E」であれば11ax(Wi-Fi 6Eは6 GH帯の周波数利用に対応しているもの)の認証テストプランに合格した機器ということになります。現在は 11beのドラフト規格を基に、11be準拠のテストプラン「Wi-Fi 7」の策定が進められています。

次世代超高速無線LAN IEEE 802.11be

現在、IEEE 802.11のサブグループTGbeでは11axの次の主力規格として、11beの規格の議論と策定が進められています。11beのプロジェクト名はEHT(Extremely High Throughput)と呼称され、MAC(Media Access Control)層レベルにおいて30 Gbit/s以上の最高スループットを実現し、遅延特性を改善する機能を規定することを目標としています。11beでは11axに引き続き2.4 GHz帯、5 GHz帯の周波数に加えて6 GHz帯の周波数を対象としており、日本国内では2022年9月2日に施行された電波法令を改正する省令・告示が施行されたことにより、6 GHz帯の一部(5925-6425 MHz)の周波数帯が利用可能となっています。
11beは2019年5月にTGが発足し、2024年12月の標準化完了をめざして活動しています。2023年10月現在、規格ドラフトのバージョン4.1がリリースされ、機能仕様の大枠の規定が完了、詳細部分に対するコメントの募集・解決を実施し、ドラフト規格のアップデートを進めています。また、IEEE規格として発行するためのエディトリアルなレビュー(Mandatory Draft Review: MDR)が開始され、2023年11月にはIEEE-SAレベルでの承認投票であるSponsor Ballot(SB)が開始予定です。このように、11beは規格発行に向けたIEEEの上位組織の審査に向けたフェーズとなっています。

■主な新規機能

11beでは、周波数利用効率向上・広帯域化機能の高度化、マルチリンク伝送、低遅延化機能などが規定予定です。これらの機能により、11axの物理層における最大データレート9.6 Gbit/sを2.4倍に改善可能となり、23 Gbit/sとすることが可能です。これに複数の無線リンクを用いた同時通信を実現するマルチリンク伝送を適用することでMAC層における30 Gbit/s以上の最高スループットを実現予定となっています。表2に11beの11axと比較した高速化効果を示します。
(1) 周波数利用効率向上・広帯域化機能
11beでは新たな変調方式として4096 QAM(Quadrature Amplitude Modulation)を規定し、変調多値数をこれまでの最大1024から4096に拡張予定です。また、これまでの最大の通信帯域幅である160 MHzから320 MHzへの拡張が予定されています。
さらに11axでは端末当り1つのみだったOFDMA(Orthogonal Frequency Division Multiple Access)のチャネル帯域幅を細分化したデータ伝送を行う周波数ブロックであるRU (Resource Unit)を端末当り複数割当可能とする機能(Multiple RU: MRU)を規定予定です。これはRUの組合せパターンをいくつか規定し端末に割り当てるもので、より柔軟なリソース制御が可能となります。
(2) マルチリンク伝送
11beではこれまでにはなかった新しい機構としてマルチリンク伝送を規定しています。これは、MLD(Multi-Link Device)と呼ばれ、単一の無線機複数の無線インタフェースを搭載しこれらを連携・協調させ、MLD間で伝送路(リンク)を複数確立し用いることで、従来の単一リンクの場合と比較してリンク数に応じた高速伝送を実現する機能です。図1にマルチリンク伝送の概念図を示します。
(3) 低遅延化機能
11beでは低遅延化機能として、周期的に発生する低遅延伝送が求められるトラフィック(低遅延トラフィック)の送信機会を優先して獲得させるRestricted TWT(Target Wake Time)が規定予定です。Restricted TWTはあらかじめスケジューリングされた通信期間のうち、一定期間の送信権を優先的に低遅延トラフィックに割り当てることで非低遅延トラフィックとの競合を低減し、低遅延トラフィックをより確実に送信することができる機能です。
(4) その他の機能
11beでは端末(STA: Station)どうしであらかじめリンクをセットアップすることなくP2P(Peer to Peer)通信を実現する機能もサポート予定です。これはAP(Access Point:基地局)が特定のSTAの通信期間を確保し、指定されたSTAはAPを介することなく直接他のSTAにデータを送信可能とするものです。また無線LANにおける緊急時優先通信機能となるEPCS (Emergency Preparedness Communications Service)priority accessも規定予定です。これは、避難所などの環境下においてあらかじめ認証されたSTAの通信を優先させる仕組みとなっています。

■標準化におけるNTTのアクティビティ

11beにおいては2018年に発足したEHT TIG、EHT SGという前身を経て2019年にTGbeが形成され規格策定の議論を行っていますが、当初は通信速度の高速化のみを主眼とし、遅延特性の改善はスコープに含まれていませんでした。一方、同時期にRTA(Real Time Application) TIGというサブグループにてクラウドコンピューティング・ゲーミングなどを実現するための低遅延化議論が行われており、NTTをはじめとする各社による検討が進められていました。そしてEHT SGにて11beの標準化活動のスコープ、必要性などを規定するPAR(Project Authorization Request)および 標準化活動の位置付け、市場性などを明確化するCSD (Criteria for Standards Development)を規定する際、このRTA TIGの検討をまとめたReport文書(3)を作成・入力し、11beのスコープに「遅延特性を改善する機能を規定する」要件を盛り込むことに貢献しました。このReport文書は、11beのみならず11beの次の主力規格となる11bnのPAR&CSDを規定する際にも参照されています。またTGbe発足後も低遅延化機能、遅延通知機能の機能提案、必要性の訴求を続け、低遅延化機能(Restricted TWT)の詳細機能規定、および遅延特性通知のための新規要素(QoS Characteristic element)の定義を主導し、貢献しました。

超高信頼無線LAN IEEE 802.11bn

現在11beの標準化議論と並行して、11beの次の主力規格となる11bnの規格策定に向けた議論が進められています。2022年1月に特定の機能やトピックに関する規格化の必要性を議論するWNG(Wireless Next Generation) SCにて新規SGの設立が提起され、2022年9月に11beの次の主力規格のスコープを議論するUHR(Ultra High Reliability) SGが発足しました。UHR SGにてPAR&CSD策定のための議論が行われ、2023年11月に11bnとなるUHRの技術仕様を規定するTGbnが発足しました。現在のところ標準化完了時期は2027年3月と予定されていますが、過去の主力規格の標準化に要した期間を考慮すると延伸する可能性もあります。UHR SGで規定された11bnのPAR&CSDでは、これまで通信速度の高速化を主眼としてきた主力規格と一線を画し、無線LANの信頼性向上に着目した性能改善を主なスコープとしています。具体的には11beと同じ周波数帯(2.4 / 5 / 6 GHz帯)において、距離に応じた受信電力におけるスループット特性、遅延特性、パケットロスを11beより25%改善し、APの省電力機能およびP2P機能を強化するというものになっています。
2023年10月現在、UHR SGでは主にPAR&CSDに記載されたスコープを達成するための機能提案が各社から行われており、技術議論、仕様概要の策定フェーズとなっています。

■主な新規機能候補

UHR SGではさまざまな機能が各社から提案されていますが、ここでは代表的なものについて解説します。これらの機能は提案段階にとどまっており、11bnの技術仕様として確定したものではありません。
(1) 複数AP連携機能
11beで規定予定のマルチリンク伝送は単一のAP内に実装された複数の無線インタフェースを連携・協調するものですが、この機能は複数のAPが連携・協調することで、通信効率・信頼性を向上する機能です。もともとはTGbeにて検討された機能ですが、規格化は行われず11bnにおける技術トピックとなりました。複数AP機能の形態として、複数のAPが協調し各APの送信電力などのパラメータを最適化するCo-SR(Coordinated Spatial Reuse)、各APが同一の時間・周波数で送信対象となるそれぞれのSTAに干渉が生じないように同時送信を行うCo-BF(Coordinated Beamforming)、送信対象のSTAが複数のAPから送信されるデータを合成受信可能となるような協調伝送を行うJT(Joint Transmission)、複数のAP間でOFDMAのリソース割当てを柔軟に行うCo-OFDMA(Coordinated OFDMA)などが議論されています。図2に複数AP連携機能の概念図を示します。
(2) 周波数利用効率向上機能
11bnでは11beで規定予定のMRUを拡張し、特定のSTAのRUを特定の組み合わせパターンに割り当てるのではなく、自律分散的に割り当てるdRU(distributed RU)が議論されています。これにより、同じデータを複数のRUに割り当てることによって信頼性を向上することが可能となります。
(3) 低遅延化機能
11beでは低遅延化機能として、周期的に発生する低遅延トラフィックを優先させるRestricted TWTが規定予定ですが、11bnでは非周期的に発生する低遅延トラフィックへの保護機能も検討されています。具体的には、時間的・周波数的に低遅延トラフィックを割り込み送信させるPreemption、11beでP2P機能として規定されたTriggered TXOP sharingを用いた低遅延化機能、Buffer Status Report(BSR)の拡張、遅延要求をリアルタイムに通知し低遅延トラフィックを優先させる機能などが議論されています。
(4) その他の機能
その他の技術トピックとして、マルチリンク伝送およびマルチAP連携・協調機能における省電力化機能、メッシュネットワーク構成におけるリレー高速化機能、セキュリティ機能の向上などが議論されています。

■ミリ波帯の活用に関する議論

11bnのスコープを議論するUHR SGでは当初、60 GHz周波数帯のミリ波をマイクロ帯(2.4 / 5 / 6 GHz帯)と併せて対象周波数帯に含めるべきかの議論が活発に行われました。これはミリ波帯における無線アクセスを規定した11ad / 11ayの後継となるような独立した無線アクセス規格ではなく、マルチリンク伝送で利用可能な周波数帯のサブセットとして想定されたものでした。議論の結果、ミリ波帯の検討は11bnとは別のサブグループで検討することとなり、11bnに対して付加的にミリ波を活用する規格の策定に向け、2023年11月にIMMW(Integrated MilliMeter Wave) SGが発足しました。

■標準化におけるNTTのアクティビティ

NTTは2018年に発足したRTA TIGの時代より、無線LANの低遅延化・高信頼化の必要性の訴求を続け、コンシューマ向け市場がメインターゲットであった無線LAN市場を拡大し、ビジネス向け市場や事業での活用に資する性能向上を提起してきました。これらの活動の結果、11bnは前述のとおり従来の主力規格とは異なり、高速化だけでなく高信頼化をスコープの主眼に置くことになりました。また、11bnのスコープを規定するPAR&CSD(4)(5)の提案者として、産業オートメーションやロボティクス、物流や農業などのビジネス向けユースケースをターゲットに含め、これらのビジネスを実現するための要求条件を明確化する活動で中心的な役割を果たし、貢献しました。

まとめ

ここでは、次世代超高速無線LAN IEEE 802.11beおよび11beの次の主力規格である超高信頼無線LAN IEEE 802.11bnの標準化動向およびNTTのアクティビティについて解説しました。

■参考文献
(1) https://www.ieee802.org/11/
(2) https://www.wi-fi.org/
(3) K.Meng, A. Jones, D. Cavalcanti, K. Iyer, C. Ji, K. Sakoda,A.Kishida,F. Hsu, J. Yee, L. Li, and E. Khorov:“IEEE 802.11 Real Time Applications TIG Report,” IEEE 802.11-19/2009r6, March 2009.
(4) L.Cariou, A.Kishida:“802.11 UHR Proposed PAR,” IEEE 802.11-23/0078r7, March 2023.
(5) L.Cariou, A.Kishida:“IEEE 802.11 UHR Proposed CSD,” IEEE 802.11-23/0079r10, March 2023.