60GHz帯を用いる次世代無線LAN規格「IEEE 802.11ay」の機能要件の現状

IEEE 802.11ayの機能要件

　現時点ではまだ仕様策定までだいぶ時間があることもあり、そもそも11ayの機能要件をまとめた「Function Requirement for IEEE 802.11ay」（英文、docx）を読んでも、まともに数字として出ているのは、データレート（8K UHD圧縮ビデオの伝送で28.0Gbpsというのが一番高速）、パケットロスレート（おおむね10^-8）、遅延（10ms）程度。あとはIEEE 802.11adモードをフルサポートすること、Indoor/Outdoor Operationのサポート、Fast Link Setupのサポート、Mobilityのサポート（ただし歩行者の速度程度ということで、時速3km程度）が示されている程度である。

　もっとも、そもそもドキュメントの作成日付が2015年9月と古いことが理由でもあるのだが、逆に言えば、そこから改定されていないというのは、まだFunctional Requirementに反映できるレベルまで議論が収斂していないということでもある。

　ただ、「Channel Model for IEEE 802.11ay」（英文、docx）の方では、もう少し面白い情報が幾つか示されているので、こちらをベースに少し解説を加えたい。

　基本的にIEEE 802.11ayはIEEE 802.11adの延長であるが、新たな機能として以下の3つが掲げられている。

• MIMOの実装とビームフォーミングの利用
• 256QAMの利用
• チャネルボンディングの利用

MIMOでは電波の指向性を変えられる「PAA（Phased Antenna Array）」の利用が前提に

　まずMIMOについて。こちらはIEEE 802.11acと同じく、SU-MIMOとMU-MIMOの両方がサポートされる予定となっている。面白いのは、IEEE 802.11ayでは、必須ではない模様ながら「PAA（Phased Antenna Array）」の利用が前提になっていることだ。

アンテナ素子（黄色い小さな四角状のもの）が4×4構成で並び、16個で1つのアンテナを構築するかたちとなる。出典は"Channel Models for IEEE 802.11ay"

　PAAは、上の図のようにアンテナ素子が2次元平面に規則的に並ぶ形で構成されており、例えば各々のアンテナ素子からの信号の位相を微妙に変えることで、電波の指向性を変化させることもできる。

　余談だがこのPAA、自動車用レーダーでも広く採用されている。レーダーといってもいろいろあり、一番簡単なものだと1軸で送信と受信を行い、信号の往復時間から距離が分かると言う仕組みだが、これだと本当に自分の真正面のものしか測定できない。ところがPAAを利用すると信号の方向を偏向できるので、真正面以外のものの測定も可能である。

　さすがにIEEE 802.11ayのPAAにはそこまでの機能を持たせる必要はないが、特に指向性を強めて遠距離まで信号を飛ばしたい場合には効果的である。欠点は当然ながら場所（面積）を要することで、実際の製品でどの程度まで小型化できるのかは少し気になるところだ。

MIMOとPAAにおける5つの通信パターン

　さて、話を戻すと、MIMOに関してはPAAとの絡みで現在5つの通信パターンが想定されている。

1. 同一のPAAを持つ2つの機器同士が、同一偏波で2つの空間周波数を使って通信
2. 同一のPAAを持つ2つの機器同士が、異なる偏波で2つの空間周波数を使って通信
3. 同一の2つのPAAを持つ2つの機器同士が、同一偏波で2つの空間周波数を使って通信
4. 同一の2つのPAAを持つ2つの機器同士が、異なる偏波で2つの空間周波数を使って通信
5. 片方がPAA1つ、もう片方が偏波の異なる2つのPAAを持つ機器同士が、1つの空間周波数を使って通信

　ここで「極性って何だ？」と言われそうだが、ちょっと分かりやすい例を挙げてみよう。以下の写真は筆者宅のIEEE 802.11acのルーターだが、3本のアンテナがある。今、一番左だけを水平に、残り2本を垂直にセットした状況だが、ここでは、右と中央のアンテナは同一偏波、一方、左のアンテナは異なる偏波となる。

3本のアンテナを備えた筆者宅のIEEE 802.11acのルーター。配線がアレなのは、現在もまだ引っ越し後の作業が続いてる途中ということで、ご容赦いただきたい

　最初の図では縦も横もないように見えるが、実際はすべてのアンテナ素子が同一方向に波を揃えているわけで、偏波の概念は当然発生する。さて、現在はこの5つのパターンのうち、2、3、5が必須、残り2つがオプション扱いとされている。5がクライアントとアクセスポイント、2と3はアクセスポイント同士の通信、というあたりが想定されているようだ。

　ちなみにこのChannel Modelのドキュメントを読むと、インドア（講義室内）、サーバールーム、巨大なインドア（エントランスホール）、屋外（大学のキャンパス及び街角）などを利用して電波の通信状態の測定を行った結果なども記されており、なかなか面白い。一番遠い測定条件だと95mもの距離があり、さすがに信号は相当弱くなる（受信信号強度は-128.84dBとされる）が、一応通信ができたという結果になっている。ただ全般的にマルチパス（複数の経路を通って信号が届くこと）の影響は無視できず、このためにIEEE 802.11ayは準決定論式のアプローチ（Quasi-Deterministic Approach）を利用して、こうしたことに対処していく予定となっている。

検証が実施されたイルメナウ工科大学のストリートキャニオンエリアにおける送信機と受信機の位置を表した図。出典は"Channel Model for IEEE 802.11ay"（英文、docx）

　ちなみに現時点では、MU-MIMO以前にSU-MIMOの方式（というか、方法論）を議論している段階のようで、MU-MIMOに関してはサポートすることのみが決定しており、具体的な話は後に送られているようだ。このあたりはSU-MIMOが決まった後、そのMulti-User版としてインプリメントが決まるのではないかと思われる。

　このMU-MIMOと組み合わせるかたちで、当然ビームフォーミングに関しても議論が進んでいる。もともと、IEEE 802.11adにおいてもビームフォーミングはSLS（Sector Level Sweep）とBFT（BeamForming Training）として実装されているが、この方式をさらに改善したアイディアが出されている。

　ただ、現状はまだ提案の手前といったところで、今年5月の会合では、LG ElectronicsによりMU Exclusive Beamformingのフィールドレポートが発表されているという段階であり、最終的な方式の提案まではもう少し時間が掛かりそうだ。

256QAMの採用で1シンボルあたり8bitを送信チャネルボンディングはMIMOとの排他利用に？

　次が256QAMの採用である。IEEE 802.11adでは64QAM、つまり1シンボルで6bitを転送できる方式だったが、これを8bitに増加させようというもの。これに加えて、チャネルボンディングもサポートされる見込みだ。ただ当たり前の話であるが、そもそもIEEE 802.11ayではチャネルの数が圧倒的に少ない。第12回でも触れたが、そもそも60GHz帯で利用できる周波数は6チャネルしかなく、日本だとこのうち3チャネルしか使えない。このため、チャネルボンディングを利用すると、もうMIMOが使えないという、事実上排他の関係になってしまう。このあたりをどうするつもりなのか、現時点で議論の結果は見えていない。

　ちなみに前回挙げたユーセージのうち、4/5/8/9/10で前提とされていたマルチホップの接続に関しては、2015年にBackhaul向けのFunction Requirementとして議論に挙がったものの、その後進んでいないところを見ると、議論が後回しになっている可能性がある。

　IEEE 802.11ayの現在の状況は、おおむねこんなところだ。ベンダーの中には、来年あたりにはチップセットの試作を始めるところも出てくるだろうが、現時点ではIEEE 802.11ay（のドラフト）に対応したチップセットは存在しておらず、まずは技術的な要素をもう少し詰めてから、ということになるのだろう。

　ただ、フル機能のチップセットを作る場合は別として、とりあえず必須機能のみをまとめたチップセットであれば、さすがにファームウェアアップデートだけでは無理だろうが、既存のIEEE 802.11ad向けチップセットを若干機能アップさせる程度で可能、というのがTGメンバー企業の見方のようだ。それもあって、それほど急いでいないのかもしれない。

　そんなわけで現状は、水面下で仕様策定に向けて動いている、というのがIEEE 802.11ayをめぐる動向である。