電波混雑緩和に AI が活用され、通信機器の信号競合を軽減

2026 年 9 月 8 日 13:38 BST 公開

無線通信帯域が逼迫している。Carl Court/Getty Images

通話、動画のストリーミング、Wi-Fi への接続など、デバイスが電波を通じて見えない信号を送受信するたびに、ベビーモニターやガレージドアオープナー、GPS、気象観測衛星、航空機を安全に分離させるレーダーもまた同様に活動しています。これらすべてが同じく目に見えない資源である「無線スペクトラム」に依存しているのです。

スマートフォン、動画ストリーミング、そして 数十億台の接続デバイス の普及により、無線データへの需要は増え続けています。その結果、利用可能なスペクトラムはますます逼迫しています。しかし、この状況が永遠に続くわけではありません。私は無線通信を研究する電気工学者として、この無線スペクトラムの供給不足という課題に取り組む研究分野の一員です。

エンジニアと規制当局が開発を進めている解決策は「ダイナミック・スペクトラム・シェアリング（動的スペクトラム共有）」です。その核心となる考え方はシンプルです。特定の周波数帯域を特定のユーザーのために永久に独占的に確保するのではなく、複数のユーザーが同じ周波数を共有することを可能にするのです。ただし、互いの信号を妨害しないよう、明確なルールに基づいて知的に制御する必要があります。

電波スペクトルは、電磁スペクトルの低周波側に位置し、マイクロ波や光、X線よりも低い周波数帯域を指します。これは、異なる周波数で走る見えない高速道路の巨大なネットワークと考えるとわかりやすいでしょう。テレビ放送、航空管制、携帯電話、遠くの星の観測など、あらゆる通信がこの同じ見えない道路網の上を走っています。

これらの通信路は、潜水艦通信に用いられる超低周波から可視光の周波数に至るまで、非常に広範な範囲に広がっています。高い周波数は伝送距離は短くなりますが、より広い帯域幅を活用して大量のデータを運ぶことができます。物理法則上、利用可能なスペクトルには限りがあるため、政府は歴史的に排他的なライセンスを発行することで管理してきました。つまり、特定の高速道路を特定のユーザーに割り当て、他者は立ち入らないよう制限してきたのです。

このシステムは数十年間、十分に機能していました。というのも、当時の通信需要に対して道路網が十分だったからです。しかし、長年にわたる実際のスペクトル使用状況を測定した研究では、驚くべき事実が明らかになっています。多くの licensed なスペクトル帯域は、実際には長い時間、ほとんど使われていないのです。例えば、軍事レーダーシステムは特定の場所や特定の日のみにしか稼働しないことがあります。

無線周波数帯域への需要が急増する中、一部の周波数は渋滞のように混雑している一方、近隣にはほぼ空いている帯域も存在します。

無線の交通制御

動的なスペクトム共有を実現するには、過去の固定周波数デバイスよりも柔軟性が高い無線機器が必要です。

現在のスマートフォンやワイヤレスデバイスは、ソフトウェア定義無線（software-defined radio）技術を基盤として構築されつつあります。これは、動作周波数がハードウェアに固定されるのではなく、ソフトウェアによって調整可能であることを意味します。まるで自動で車線変更できる自動車のように、一つの車線に永遠にとどまる必要がないのです。初期の研究者たちは、このビジョンを「認知無線（cognitive radio）」と呼びました。これは、周囲の環境を検知し、それに応じて適応する無線という概念です。

この柔軟性は、スペクトラム共有に対する階層的アプローチへの道を開きます。その階層の最上位には、既存の周波数利用権を持つ先住ユーザー（incumbent primary users）が位置します。具体的には軍隊や放送局などです。その下位では、他の二次ユーザー（secondary users）が、先住ユーザーが利用していない時と場所で同じスペクトラムにアクセスできます。先住ユーザーが戻ってきた瞬間、自動的に譲り渡す仕組みです。

この種の共有は、家庭で使っている Wi-Fi 周波数において、すでに日常的な形で実現されています。ノートパソコン、スマートフォン、スマート TV など複数のデバイスが、中央の管理者が各機器に専用スロットを割り当てることなく、同じスペクトラムを共有しています。これを実現するために、送信前に一瞬だけチャネルが混雑しているかどうかを検知し、混雑度に応じて通信速度を自動的に調整します。このプロトコルは、信号機のない四つ角の交差点で運転するドライバーに似ています。誰かが交通整理をするわけではありませんが、暗黙のルールによって概ね円滑に機能しています。

米国における動的スペクトラム共有の顕著な事例として、3.5GHz帯で運用される「市民広域無線サービス（Citizens Broadband Radio Service：CBRS）」が挙げられます。連邦通信委員会（FCC）は、このシステムを3つの階層構造で設計しました。

最上位には、主に米海軍のレーダーシステムなどの既存ユーザー（インキュバントユーザー）が位置し、中位には優先アクセス権を購入した企業や団体が配置されます。そして、残りの周波数帯域は一般公衆が利用できるようになっています。

中央制御コンピュータである「スペクトラム・アクセス・システム（Spectrum Access System）」がリアルタイムの交通整理役として機能し、海軍レーダーが稼働している場所を常時監視しながら、他のすべてのユーザーへのアクセス調整を自動で行います。あなたの地域で海軍艦船が周波数を使用していない間、病院、工場、倉庫、キャンパスなどは、独自のワイヤレスネットワーク構築のためにその帯域を利用できます。一方、海軍が必要とする際には、他の利用者は数秒以内に使用権を明け渡す仕組みです。

干渉を回避する方法

電波帯域の共有において最大の技術的課題は、干渉です。これは、2 つの信号が重なり合い互いを撹乱してしまう現象で、まるで耳元で二人の人が同時に違うことを叫んでいるような状態です。

より多くのデバイスが電波帯域を占有するようになり、それぞれが異なる送信電力や帯域幅の要件を持っているため、信号同士の衝突を防ぐことはますます複雑さを増しています。[1]

私の研究室をはじめとする研究者たちは、今や人工知能（AI）に支援を求める動きを強めています [2]。AI は経験から学習し、変化する状況にリアルタイムで適応できます。誰がいつ、どの程度の電力で送信するかを決定するといったタスクにおいて、従来のルールベースのシステムでは不可能だったアプローチを実現します [3]。

同時に、新たな課題も浮上しています。例えば、衛星ネットワークと地上ネットワークが同じ周波数帯域を共有する必要が高まっているという問題です [4]。

[1]: https://doi.org/10.1109/COMST.2023.3249835

[2]: https://winnf-my.sharepoint.com/:b:/g/personal/admin_winnforum_org/IQCetnQ-teMQSpniVXZ6e1JNAUUD_t_iBi516vFiw3PQ_6Q?e=dUWo5O

[3]: https://doi.org/10.1109/TWC.2024.3414428

[4]: https://doi.org/10.1109/TWC.2025.3646185

電波スペクトルの管理方法が、一見すると家庭の台所事情のように思えないかもしれません。しかし、それはスマートフォンで動画を読み込む速度から、工場が床を自動化できるかどうか、そして地方の学校におけるインターネット接続の信頼性まで、あらゆるものを形作っています。

自律走行車をつなぐ技術や遠隔手術を可能にする次世代ワイヤレス技術も、十分なスペクトルへのアクセスに依存しています。既存のシステムを解体することなく、すべての需要に対応するための鍵は「動的スペクトラム共有」です。

電波帯域は有限ですが、より賢明な管理によって、かつて考えられていた可能性をはるかに超えた活用が可能になります。