モバイルデータを伝送するためのより多くの周波数帯域を求める声が広がっているにもかかわらず、ネットワークの高速化や、より多くの周波数帯域の確保が必要になる時期の先送りに役立つ可能性のある幅広い技術がすでに利用または研究されている。
周波数帯はモバイルサービスの生命線です。ベライゾン・ワイヤレスがケーブル事業者グループから20MHzの周波数帯を購入する計画は、米国司法省が木曜日に承認しました。これは、この目に見えない資源がモバイル事業者にとっていかに重要であるかを示す新たな兆候です。
電波を利用するあらゆるサービスは、干渉を受けずに利用できる周波数帯を必要とします。その周波数帯が独占的免許によるものであれ、共有契約によるものであれ、それは変わりません。ネットワーク上で交換されるデータパケットが増えれば増えるほど、それらを伝送するために必要な周波数帯域は増加します。ただし、何らかの対策を講じない限りは。
モバイル通信事業者、テクノロジーベンダー、そして政府は、モバイルネットワークの容量が限界に近づいているという警鐘を長年鳴らし続けており、その警鐘はますます大きくなっている。投資銀行クレディ・スイスが昨年発表した調査によると、世界中のモバイルネットワークは平均で容量の65%が利用されている一方、北米のネットワークは80%で稼働しているという。米国連邦通信委員会は2009年、モバイルデータトラフィックが今後5年間で35倍に増加すると予測している。機器ベンダーのエリクソンは、2016年までに10倍の増加を予測している。さらに、新しいアプリケーションが絶えず登場するため、需要の増加は予測不可能である。そして、帯域が過負荷になると、ユーザーのモバイルエクスペリエンスが低下する可能性がある。
この需要に応えるため、規制当局と通信事業者はモバイルデータサービス向けにより多くの周波数帯域を確保しようと努めています。米国では、FCC（連邦通信委員会）が2009年に、今後数年間でモバイルブロードバンド向けに500MHzの追加周波数帯域を確保することを約束しました。一方、米国のモバイル業界団体であるCTIAは、800MHzの帯域確保を求めていました。
しかし、トラフィック増加の予測が現実のものとなった場合、それに追いつくだけの「新規」周波数帯は確保できないだろう。需要と供給の規模は桁違いだ。例えば、FCCが明日300MHz帯をオークションにかけ、それを米国最大手の通信事業者2社が分割した場合、平均的な市場における各社の周波数帯は2倍強にしか増加しないと、独立系業界アナリストのアンドリュー・セイボルド氏は述べている。（ただし、その周波数帯を実際に運用するには3～4年かかるとセイボルド氏は述べている。）
政府と業界は、これらの成長率のギャップを埋めるためには、少なくとも2つのアプローチ、すなわち周波数帯域の拡大と、既存の周波数帯域をより有効に活用するための戦略が必要であるという点で一致しています。通信事業者もまた、需要の伸びを抑制するのに役立つはずの対策を講じています。
モバイル逼迫の回避に役立つ可能性のあるいくつかの手法の概要をご紹介します。これらは主に3つのカテゴリーに分類されます。サービスプロバイダーの既存のモバイルデータ帯域を最大限に活用すること、利用可能なすべてのモバイル周波数帯域をより有効に活用すること、そしてモバイルサービスに割り当てられている帯域の需要を削減することです。
既存のスペクトルをより有効活用する
1. 小型セル
モバイル事業者は、既存の周波数帯域をそのまま利用しながら、より多くの加入者にサービスを提供し、より優れたパフォーマンスを提供できます。その方法の一つとして、地域全体をカバーする従来の「マクロ」セルを補完する小型セルを設置することが挙げられます。2種類のセルが互いに干渉しない限り、加入者のモバイルデバイスは街角やオフィスをカバーする小型セルに接続し、近隣の加入者とのみそのセルを共有することができます。エリア内に十分な数の小型セルがあれば、マクロセルに負担をかけることなく、ユーザーは小型セルから小型セルへとハンドオーバーすることができ、小型セルエリアから離れた場所にいる加入者もマクロセルを利用できます。
業界団体スモールセルフォーラムによると、マクロセルのエリア内にわずか4つのスモールセルを設置するだけで、最寄りの基地局からデータトラフィックの56%をオフロードできるという。これには、通信事業者が元の基地局を運用するために使用していたのと全く同じ量の周波数帯域が必要であり、より多くの加入者が同時にネットワークを利用できるようになる。
2. LTEアドバンスト
次世代LTEは、実際には規格バージョン10に搭載される様々な新機能を指します。バージョン10は現在完成しており、来年から導入される予定です。理論上の最大スループット100Mbps（ビット/秒）が注目を集めていますが、ノキア・シーメンス・ネットワークスのLTE製品グローバルマーケティング担当エグゼクティブ、アーネ・シェーリケ氏によると、LTE-Advancedにおける機能強化は主に周波数帯域の有効利用を目的としています。その機能強化には、セルあたりのアンテナ数増加や、マクロセルとスモールセル間の干渉を管理するメカニズムなどが含まれます。
LTEセルはこれまで2本のアンテナしか使用できませんでしたが、新規格では最大8本のアンテナを構成できるようになり、8つの独立したデータストリームを生成してスループットを向上させることができます。マクロセルとスモールセルが同じエリアで動作できるように、LTE-Advancedでは、2種類のセルが1ミリ秒ごとに互いにバックオフすることで、同じ周波数を使用し、干渉しないようにする仕組みが提供されています、とシェーリッケ氏は述べています。
3. キャリアアグリゲーション
しかし、LTE-Advancedの最大のメリットはキャリアアグリゲーション（CA）になると期待されています。この規格のこの部分により、サービスプロバイダーは複数の小さな周波数ブロックを1つのブロックに統合し、強力なLTEサービスを提供できるようになります。さらに、大きく異なるバンドの周波数を結合することも可能になり、これまで未使用または十分に活用されていなかった、既にライセンスされている周波数帯域を有効活用できるようになります。
来年LTE-Advancedネットワークの立ち上げを計画しているWiMAXホールセール事業者のClearwireは、キャリアアグリゲーションを利用して2つの20MHz帯域を1つの40MHz帯域に統合する計画だと、Clearwireの最高技術責任者（CTO）であるジョン・ソー氏は述べた。これは、VerizonとAT&Tがほとんどの市場でLTEに使用している20MHz帯域を上回ることになる。しかし、キャリアアグリゲーションは3GPPによって認定された帯域の組み合わせを使用する必要があるため、デバイスメーカーは仕様に基づいて作業を進めることができるとソー氏は述べた。
4. TDD-LTE
サービスプロバイダーが周波数帯域をより効率的に活用するのに役立つもう一つの技術が、TDD-LTE（時分割複信方式LTE）です。ほとんどの通信事業者は、上りトラフィック用と下りトラフィック用にそれぞれ1つずつ、2つの帯域をペアにして使用するFDD（周波数分割複信方式）システムでネットワークを構築しています。規制当局によってこの方式が義務付けられている事業者もあります。一方、TDD-LTEは、双方向のトラフィックに1つの帯域を使用し、ネットワーク上での所要時間に応じてトラフィックを分離します。TDD-LTEを採用しているClearwireによると、この方式は実際のトラフィックパターンに適合し、通信事業者は周波数帯域をより柔軟に活用できるようになります。
「TDDにより、顧客の行動に合わせてスペクトルリソースを調整できます」とクリアワイヤのソー氏は述べた。また、このシステムでは、各スペクトル領域を他のスペクトル領域と組み合わせる必要がないため、複数のスペクトル領域を統合することも容易になるとソー氏は述べた。
すべてのスペクトルをより有効に活用する
5. スペクトラム共有
一部の専門家は、特定の周波数帯を商用モバイルサービス専用、あるいは何らかの排他的用途に割り当てるという考え自体を放棄すべきだと主張しています。彼らは、モバイル事業者が政府機関などの既存ユーザーと周波数帯を共有することを提唱しています。
米国大統領科学技術諮問委員会は今年初めに発表した報告書の中で、商務長官に対し、商用ユーザーと連邦政府ユーザーが共存できる1,000MHz帯の周波数を特定するよう勧告した。報告書は、「この調査では、今日の周波数帯不足は、実際には周波数帯の管理方法に起因する錯覚であることがわかった」と述べている。
報告書によると、スモールセルや無線性能の向上といった技術の進歩により、干渉の可能性がある信号が一定レベルを超えない限り、モバイルネットワークが他のサービスと同じ周波数帯を利用できるようになる。例として、免許不要周波数帯におけるWi-Fiの成功例を挙げた。同グループは、周波数帯の共有によって実効容量が1,000倍に増加する可能性があると述べている。
PCASTの報告書に対し、米国の携帯電話事業者の主要業界団体であるCTIAは、その結論に疑問を呈した。CTIAは、承認された専用周波数帯がモバイルサービスの「ゴールドスタンダード」であり、PCASTが挙げた技術の一部はまだ利用できないと述べた。
6. スペクトラムリファーミング
通信事業者は、従来の技術よりもはるかに効率的に周波数を利用するLTEを採用するにあたり、ユーザーを徐々に古いネットワークから移行させ、それらの周波数を再利用していく計画を立てています。こうした動きにより、最終的には高速データサービスに利用できる周波数帯域が大幅に増えますが、一夜にして解決できるものではありません。
AT&Tは今月初め、2017年初頭までに2G GSMおよびEDGEネットワークを段階的に廃止し、顧客を市場ごとに3Gおよび4Gサービスに移行すると発表しました。同社は、加入者の12%が2G携帯電話を使用していると推定しています。5月には、スプリント・ネクステルがFCCの承認を得て、800MHz帯の周波数帯域を、より広帯域のLTEサービスに利用することになりました。この帯域は現在、老朽化したiDENネットワークに使用されており、狭帯域技術に限定されています。
7. Wi-Fi
モバイルユーザーが携帯電話ネットワークからWi-Fiに切り替えると、そのトラフィックは通信事業者の周波数帯域を一切使用しなくなります。Wi-Fiは、免許不要の大容量帯域を2つ提供し、ほぼすべてのスマートフォンやタブレットに搭載されているため、通信事業者のいわゆるオフロード戦略において重要な役割を果たしています。多くの通信事業者は既に大規模なWi-Fiホットスポットネットワークを構築または購入しており、ユーザーに携帯電話ネットワークから自宅のWi-Fiへデバイスを移行することを推奨しています。
来年には広く普及が見込まれるIEEE 802.11ac機器を含むWi-Fi技術の継続的な進歩により、無線LANは多数のユーザーへの対応がさらに容易になります。Wi-Fi AllianceのPasspoint規格などの新しいシステムにより、携帯電話からWi-Fiへの移行も容易になる可能性があります。現在、異なる通信事業者やBoingoなどのアグリゲーターが運営するホットスポット間で、ユーザーが自動的にローミングできるようにする取り組みが進められています。
この体験は携帯電話ネットワーク間のローミングに似ており、希少な携帯電話周波数帯域からより多くのモバイルトラフィックを送信できるため、携帯電話事業者は既存の周波数帯域をより長く利用できる可能性があります。しかし、通信事業者によるこの新しいローミング技術の導入は徐々に進むと予想されます。消費者は、通信事業者所有のホットスポットで現在提供されているアクセスとは異なり、Wi-Fiローミングは加入者にとって必ずしも無料ではないことに留意する必要があります。
ネットワーク上のデータ量を削減する
8. 圧縮
モバイルデータの伝送にどの周波数帯が使用されるかに関わらず、トラフィックが減れば必要な周波数帯域も減ります。データ圧縮はファイルサイズを縮小する古くからある方法ですが、ブロードコムのシニアプロダクトラインマネージャー、ラジャット・ロイ氏によると、ワイヤレスの逼迫に対する解決策としては限界があります。そもそも、動画、音声、画像といった大容量ファイルは、JPEGやMPEGといった標準プロトコルを用いて既に圧縮されています。その他のファイル形式については、モバイル機器がネットワーク上で圧縮されたファイルを解凍するためのソフトウェアを搭載できるよう、業界は共通規格の策定に取り組んでいます。
しかし、ブロードコムは、ファイルサイズは大きくないものの、効率が悪いことが多いトラフィックの種類に着目しました。同社は、VoIP（Voice over Internet Protocol）パケットのヘッダーフィールドを圧縮できる技術を無線基地局チップに組み込んでいます。ロイ氏によると、音声はそれほど帯域幅を消費しませんが、ルーティング情報などの情報を含むパケットヘッダーは、ペイロード自体の2倍のサイズになることもあるとのことです。ヘッダーを圧縮することで、ネットワークの負荷を軽減できます。
9. キャッシュ
キャッシングによって周波数帯域の必要性を減らす方法は少なくとも2つあります。1つは、トラフィックをタイムシフトしてピーク需要を抑えることです。Tolaga Researchのアナリスト、フィル・マーシャル氏によると、デバイスやリムーバブルフラッシュカードのストレージ容量の増加により、ユーザーはオフピーク時に動画などの大容量ファイルを自動的にダウンロードできるようになる可能性があります。コンテンツの送信を申し込んだユーザーは、後でデバイスで視聴できます。マーシャル氏によると、この技術の導入には、セキュリティとデジタル著作権管理（DRM）が障壁となる可能性があるとのことです。
ブロードコムは、別のキャッシュ技術も提案している。同社は、携帯電話基地局のプロセッサに、マルチメディアコンテンツをクライアントデバイスに送信しながら、そのコンテンツを識別してキャッシュする機能を搭載している。これは、ネットワークがファイル転送用に割り当てた無線パイプ上の「タイムスロット」を常に満たし続けるというものだ。これらのスロットを空のままにしておくと、ネットワーク容量が無駄になる。ブロードコムのチップは、ファイルやマルチメディアストリームのパケットをメモリに十分保存できるため、基地局は各アプリケーション専用のタイムスロットに可能な限り多くのデータを詰め込むことができるとロイ氏は述べた。
10. シグナリングトラフィックの削減
場合によっては、モバイル動画や大容量のメール添付ファイルではなく、デバイスとネットワーク間で送信される小さな信号が通信事業者の周波数帯域を消費していることがあります。プッシュメール、ソーシャルネットワーキング、さらにはWebブラウザといった高負荷のアプリケーションでは、これらの小さな信号が蓄積されていく可能性があります。
「通信事業者が自社ネットワークに十分なデータ容量を保有しているにもかかわらず、信号容量の制限によって混雑が引き起こされるケースを目にしてきました」と、クアルコムのマーケティング担当シニアディレクター、ピーター・カーソン氏は述べた。同氏は、この問題は今後さらに悪化すると予想している。
クアルコムはモバイルモデムチップに、シグナリングを削減する複数の技術を実装しています。一つは、アプリケーションがネットワークリソースを要求し、通信モードを切り替える際の効率化です。もう一つは、モデムがネットワーク要求とデバイスのアプリケーションプロセッサからのデータトラフィックを一括処理できるようにする技術です。これらの技術は消費電力を大幅に削減し、バッテリー駆動時間を延ばす効果もあります。カーソン氏によると、これらの技術はクアルコムのモデムを搭載したデバイスでまもなく利用可能になる予定です。
11. 価格とデータ上限
最後に、技術的および規制的な解決策は全体像の一部に過ぎません。周波数帯域の過負荷を防ぐ最も強力な手段は、サービスプランを通じてモバイルトラフィックを規制することかもしれません。
ほとんどの通信事業者は、かつて無制限データプランがあったとしても、段階的に廃止を進めています。月間使用量の上限が設定された今、サービスプロバイダーは必要に応じて上限を変更し、加入者がネットワーク容量を使いすぎないようにすることができます。また、タイムシフトを推奨したり、加入者のパケットを他のトラフィックよりも優先するプランに追加料金を課したりすることで、加入者の行動を微調整することもできます。
「iPadに定額プランがあって、好きな時にLTEにアクセスできるなら、そうします。しかし、それができないプランで、LTEネットワークを使うために追加料金を払う必要があるなら、おそらくWi-Fiを使うでしょう」と、Tolaga Researchのマーシャル氏は述べた。
ある通信事業者が消費者を満足させる周波数帯プランを提供できれば、他社はそれに匹敵する周波数帯を提供するために必要なあらゆる手段を講じるだろうとマーシャル氏は述べた。「基地局数、周波数帯域、そしてサービス提供に用いる技術は、純粋な需要ではなく、市場競争によって決まるのです」とマーシャル氏は述べた。
スティーブン・ローソンはIDGニュースサービスでモバイル、ストレージ、ネットワーク技術を担当しています。Twitterで@sdlawsonmediaをフォローしてください。スティーブンのメールアドレスは[email protected]です。
