テレビの周波数を利用したホワイトスペース通信の実証実験に成功

今回開発したデータベースは、IETF PAWS で議論されているドラフト仕様に準拠したプロトコルにより、無線基地局からの問い合わせに応答します。データベースには、複数の利用可能チャネルの計算方式を組み込んで切り替えて使用することができます。また、米国 FCC が公表している規格[1][2]のほか、不足しているアルゴリズムにNICTが提案しているものを加えた設計としています。

データベースは、ウェブインターフェイスを具備しており、図1 左に示すように、チャネルを指定して一次利用者のサービス提供範囲を地図上に示すことが可能です。また、図1 右に示すように、利用者が指定する任意の地点において、利用可能なチャネルのリストを求めることも可能です。

今回試作した無線基地局の外観を図2、無線基地局の無線機能に注目したハードウェア構成を図3にそれぞれ示します。無線基地局は、無線系統1に示すように、IEEE802.11a/b/g/n のデータ通信デバイスを具備しており、これは無線基地局が無線LAN アクセスポイントとして動作する場合に使用するものです。また、無線系統2及び3に示すように、 PHY/MAC の通信方式を再構築可能な2系統の再構築可能デバイスを具備しています。この再構築可能デバイスの仕様を表1に示します。さらに、USB 接続により、LTE、WiMAX、PHS のようなデータ通信デバイスを接続してインターネットへの接続手段とすることができます。

図4は、ホワイトスペースを利用してメッシュネットワークを構築する際、現在のネットワーク利用形態がどのように変化するかを示しています。図4左のように、従来では、複数の基地局が個別に広域無線システムに接続していました。今回、複数の基地局の通信を限定した基地局に集約して広域無線システムに接続することにより、広域無線システムの接続数や通信のオーバヘッドを低減してトラフィックをオフロード（負荷分散）し、広域無線システムの利用効率を向上できます。さらに、遠方との通信を抑制することにより、通信に必要な合計電力の削減を図ることができます。

また、図4右のように、従来では、メッシュネットワークにおける基地局間の通信に無線LAN を利用していました。今回、ホワイトスペースで代替することにより、ほかの無線LAN のトラフィックとの干渉及びほかのシステムからの電波干渉が多い2.4GHz 帯（ISM 帯）の利用を回避することができ、高速で安定した通信ができます。

このように、メッシュネットワークにホワイトスペースを利用することは、トラフィックのオフロード（負荷分散）が可能になり、ネットワーク全体の性能向上が期待できます[3]。

本実証実験システムの構成の概要を図5、実際に設置した様子を図6に示します。本システムは、主にデータベース、無線基地局、メッシュマネージャから構成されており、データベースは、インターネット上に設置をし、無線基地局は、無線ルータを介して商用ネットワーク経由でデータベースにアクセスをします。無線基地局は、一定のエリアに複数配置し、それらをメッシュ技術により相互接続することにより、そのエリア全体に通信を提供します。無線LAN に対応した端末は，無線基地局に2.4GHz 帯の無線LAN により接続し、UHF 帯もしくは2.4GHz 帯を利用した基地局間のメッシュネットワークを介して、インターネットにアクセスをします。無線基地局の間は、2.4GHz 帯に加え、利用可能であればUHF 帯を選択肢に加え、通信速度や通信遅延などのパラメータから計算される指標及びメッシュマネージャの制御に従い、通信に使用する周波数とメッシュ上の通信経路を決定します。メッシュからインターネットへの出口となる無線基地局は、ゲートウェイと呼ばれ、ゲートウェイは、複数設置することが可能です。利用者のパソコンやスマートフォンは、無線LAN を利用して最寄りのコグニティブ無線基地局に接続し、通信は、このメッシュ上に設定された経路情報に従って、自動的にゲートウェイを介してインターネットと通信できるように誘導されます。ゲートウェイは、有線ネットワークを用いてインターネットに接続することもできますが、コグニティブ無線ルータのような無線システムを用いて接続することも可能です[4]。

メッシュマネージャは、無線基地局がデータベースから利用可能チャネルの情報を得ている場合、自動制御又は手動制御により、無線基地局に対して、2.4GHz 帯からUHF 帯の特定の周波数へ変更させる指示を行います（図7、図8、図9）。この間、無線基地局に接続した無線LAN 端末のデータ通信は、途切れることはありません。