解説 : ユビキタス無線ネットワーク体系 第 4 回 : 無線 MAN 標準化の狙いと IE E802.16/ 規格動向 執筆 : 千葉大学工学部情報画像工学科教授工学博士阪田史郎氏無線 LAN Bluetooth [ 更新 : ] 有線の ADSL CATV FTTH
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1 解説 : ユビキタス無線ネットワーク体系 第 4 回 : 無線 MAN 標準化の狙いと IE E802.16/ 規格動向 執筆 : 千葉大学工学部情報画像工学科教授工学博士阪田史郎氏無線 LAN Bluetooth [ 更新 : ] 有線の ADSL CATV FTTH に代わる無線のブロードバンドアクセス網として想定される IEEE802.16/ について その規格動向と展望について解説する 1. 無線 MAN の研究と標準化の推移 図 1 に 無線 MAN に関する研究と IEEE IEEE 両委員会における標準化の経緯を 示す 無線 MANの原点は 1993 年から1997 年にかけて 米国を中心に研究された FWA(Fixed WirelessAccess) である 当時の FWAは ATM(Asynchronou stransfermode) に代表される広帯域 の有線ネットワークに対し 無線ネットワークによる VOD(Video-On-Demand) をはじめとするマルチメディア サービスや地方でのインターネットアクセスの提供を狙いとしていた 図 1.IEEE 委員会における標準化の経緯 FWA によるサービスには MMDS(Multi-channelMulti-pointDistributionServices) と LMDS(Local Multi-pointDistributionServices) がある MMDS は 中小企業や SOHO(SmallOfficeHome Office) 消費者を対象とし 半径 50km 以内をサービス範囲とする LMDS は あらゆる規模の企業を対象とし 半径 5km 以内を双方向サービスの範囲とする しかし これらはシステム構築の価格 技術双方の面 で課題が多く サービスの立ち上げには至らなかった その後 FWAにおける課題や反省を踏まえ 1999 年に無線 MANの名の下に IEEE 委員会 が発足した IEEE 委員会の目的は インターネット アクセスの ファーストマイル (First-mile )/ ラ ストマイル (Last-mile ) 問題を解決するための無線標準規格を策定することにあり 有線の ADSL CATV FTTH に代わる無線のブロードバンドアクセス網として利用されることを想定している 無線 MAN 技術と VoIP(VoiceoverIP) 技術を組合せると ある程度の広域で無線 IP ベースの音声とデー タの通信をサポートすることができるようになる 米国では Cell ularkill erと呼ばれ 現在の携帯電話 のサービス提供会社つぶしになるという予想もある 無線 MAN は 通信キャリア中心に第 3 世代携 帯電話網の標準化を進めてきた 3GPP(3rdGenerationPartnershipProjects) が規格化した 3.5G 携 帯電話に位置づけられる高速パケット通信の HSDPA(HighSpeedDownli nkpacketaccess:3gppで 1
2 標準化 ) や 3GPP2 で標準化された EVDO(EvolutionDataOptimized)/EV DV(EvolutionData andvoice) とも一部競合することが考えられる いずれにしても 低スループットながら広域網として普及した携帯電話網と 高速移動には必ずしも 対応できないものの高速通信により ホットスポットシステムとして公衆スペースでの利用が増加して いる無線 LAN との間を埋める無線 MAN は 車や高速鉄道などの移動体への対応を軸に 今後の 実用化が期待される IEEE 委員会における標準化の議論は 200 年以降である また 高速移動体への対応を目 指したIEEE 委員会での標準化の議論が開始されたのは さらに2 年余り後の2002 年であり 無線 MAN の技術開発 標準化の歴史は他に比べて新しい なお IEEE 委員会においては 以下に述べるIEEE IEEE802.16a IEEE802.16d IEEE802.16e の 4つの規格の標準化を進 めており これらの規格を IEEE ファミリーと呼ぶ IEEE 委員会では 現状では IEEE として統一仕様としての検討を進めているため IEEE は規格の意味で用いる 2.IEEE ファミリー IEEE 委員会での検討対象は 当初 FBWA(FixedBroadbandMobil eaccess) と呼ばれ 移 動体を対象としたネットワークは除外されていた しかし IEEE の主対象が最高時速 250~ 300km/h すなわち新幹線のような高速鉄道ということもあり 2003 年以降最高時速 150~20km/ h の車を対象とした検討は IEEE802.16e において行われるようになった IEEE 委員会での検 討は FBWA から Fixed が除かれ BWA と呼ばれるようになった (1).IE E 年に標準化され PMP(Point-to-MultiPoint:1 対多接続 ) トポロジを想定し 1 つの基地局 (BS) がセル内の全 SS(SubscriberStation) の帯域割当等の制御を行う (2).IE E802.16a 2003 年に標準化され IEEE802.16に 2~11GHz 帯の MACレイヤと物理レイヤを追加した仕様で ある 免許が必要な帯域と免許が不要な帯域 メッシュネットワークを含む 物理レイヤには シング ルキャリアだけでなく OFDM や OFDMA も追加された (3).IE E802.16d IEEE802.16と IEEE802.16a とIEEE802.16c (2002 年に IEEE802.16の誤りや矛盾点の修正をまと めて発行された標準 ) を統合して 2004 年に策定 IEEE と同様 28MHz のチャネル幅を使う ことにより 最大 134MHz の伝送が可能 (4).IE E802.16e 車を対象とした時速 150km/h までの移動に対応可能である IEEE802.16a と互換性を保つため 2~11GHz 帯 免許が必要な帯域を対象とする 最終仕様は 2005 年前半に策定される予定である 今後 さらに高速な時速 30km/h 強まで対応可能な IEEE との相互連携 すみ分けが必要と なろう 表 1 に IEEE ファミリーの標準仕様をまとめて示す 図 2 に IEEE a の位置づ け 図 3 に IEEE ファミリーが想定する利用環境を示す 2
3 帯域 表 1.IEEE 標準仕様 a d e 10-66GH 免許帯域 2-11GHz 免許帯域 免許不要帯域 2-66GHz 免許帯域 2-11GHz 免許不要帯域 2-11GHz 免許帯域 トポロジ PMP PMP, Mesh PMP,Mesh PMP スループット 32.0~134.4Mbps 1.0~75.0Mbps ~134.4Mbps ~15Mbps セル サイズ 8km 以内 ( 通常 2-5km)32km 以内 ( 通常 6-9km)32km 以内 ( 通常 2-9km) 通常 2-5km モビリティ固定固定固定モビリティあり (~150km/h) チャネル状態 LOS nlos nlos nlos チャネル幅 20, 25, 28MHz 1.25~20MHz PHY SC SCa, OFDM, OFDMA MAC 仕様書番号 Basic Basic,DFS,AAS,ARQ, STC, Mesh 1.25~20MHz, 25, 28MHz SC, SCa, OFDM,OFDMA Basic,DFS,AAS, ARQ, STC,Mesh 1.25~20MHz SCa, OFDM, OFDMA Basic,AAS,ARQ, STC, Mobil e IEEEStd IEEEStd802.16a-203 IEEEStd IEEEStd802.16e 発行日 未発行未発行 備考 PMP:Point-to-Multipoint(1 対多接続 ) SC:Singlecarrier( シングルキャリア変調 ) 2-11GHzの免許帯域とモビリティ導入 , c, 免許不要帯域およびメ ( 例 :10km/hの移動で a の統合ッシュを追加 20Mbps 以上の性能 ) OFDM:OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing( 直交周波数分割多重 ) OFDMA:OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexingAccess( 直交周波数分割多元接続 ) DFS:DynamicFrequencySelection( 動的周波数選択 ) AAS:Adaptive ntennasystem( A 適応アンテナシステム ) ARQ:AutomaticRepeatreQuest( 自動再送制御 ) STC:SpaceTime oding( C 時間空間符号化 ) 図 2.IEEE802.16, 16a の位置づけ 3
4 例えば 視界 (LOS:Line-Of-Sight) が確保可能な高いオフィスビルなどで は 10~66GHz 帯を使用する標準仕 様としての を用いて 120Mbps 以上の高速無線通信を行う 樹木など の影響などで視界が確保できない環 境 (NLOS:Non-Line-Of-Sight) では 2~11GHz 帯を使用する a を使 用することで 安定した高速通信を行う ことができる 直接基地局と通信できな い加入者局は メッシュネットワークに よって他の加入者局を介して通信する ことも可能であり 車両など移動中でも e を使えば最大 15Mbps の安定 した無線通信が可能となる 将来的に は ユーザーの端末が直接 フ ァミリーのプロトコル群を使用して 効 率的にネットワークにアクセスすることも想定されている 図 3.IEEE ファミリーが想定する利用環境 韓国では WiBro の名で ベースの技術を 第 4 世代携帯電話網 (4G) への移行を容易にす る第 3.5 世代携帯電話網 (3.5G) として採用する予定である IEEE ファミリーの主な特徴は以下の通りである 高速テ ータ通信:28MHzのチャネル幅を使うことにより 最大 134 MHzの伝送が可能 (10-66GHzの場合) 共通 MAC レイヤ : 多様なアプリケーションに対して共通インタフェースを提供するため 帯域によって異なる PHY レイヤ ( 物理層 ) の上位の MAC レイヤは共通 異なる QoS 要求への対応 : アプリケーション毎に異なる QoS に対する要求に MAC レイヤが対応 適応変調方式 (AdaptiveModulation) をサポート : 高いオーダの変調方式を用いると 伝送速度 を上げることができるがリンク品質の影響を受けやすくなる 一方 低いオーダの変調方式を用 いると リンク品質の影響は受けにくくなるが伝送速度を上げることができない このバランスをと るため SS 単位 ハ ースト単位 アップリンクとタヴンリンクで リンク品質に応じた適応変調方式を採用 PHY レイヤ ( 物理層 ) において FDD と TDD をサポート :FDD はよく使われる 2 重化 ( 複信 ) 方式で あり 2 つのチャネルを使用して送信と受信を並行して行う TDD は 1 つのチャネルを使用し 時間で 上りと下りの通信を分割することにより 必要とされる帯域に応じて上りと下りの帯域を動的に割 当てることが可能 帯域割当てや QoS 制御のスケジューリング 資源管理方法はベンダの裁量 : 帯域割当てや QoS 制 御の機構は標準化しているが 具体的なスケジューリングや資源管理方法はベンダに任せ自由度 を与えている なお IEEE802.11における Wi-FiAlli anceに相当する WiMAX(Worldinteroperabili tyfor MicrowaveAccess) と呼ぶ米国主体の業界団体が IEEE の仕様群の業界標準化 相互 接続検証 仕様準拠製品認定を予定している 4
5 3.IEEE ( 高速移動体対応 ) 新幹線のような時速 300km 以上をも想定した高速移動体対応の無線通信の研究の歴史は比較的 浅い 2002 年に MBWA(Mobil ebroadbandwirelessaccess) の名で IEEE 委員会が発足し た 202 年末に米国の FlarionTechnologies 社 ( 基本原理は米国のルーセント テクノロジー社のベ ル研から提案された ) が開発した Flash-OFDM と呼ぶ技術により 203 年以降急速に議論が活発化 し 高速移動体においても下り数 Mbps の通信を可能とする方式の検討が進展した Flash-OFDM と ほぼ同時期に 米国のアレイコム社と日本の京セラが iburstシステムを開発し 2004 年 3 月にはオ ーストラリアで商用サービスを開始している IEEE の仕様としては未だ検討中で 標準化には未だ時間を要する Flash-OFDM 表 2 に Flash-OFDM の主要諸元を示す Flash とは あらかじめ決められた擬似ランダムパター ンですべてのトーン ( サブキャリア ) にわたって行われる高速ホッピングという意味であり シームレス なハンドオフが可能な 高速で遅延の少ないアクセス技術を意味する この高速ホッピングにより Flash-OFDM はスペクトル拡散を実現する データはパケット化され 広帯域に拡散されて大容量伝 送やセキュアな配信を可能にする 高速ホッピングでは ある 1 つのトーンを割当てられたユーザー は シンボルごとに同じトーンで伝送するのではなく シンボル毎に異なるトーンにジャンプするホッ ピングパターンを使用する 各基地局は それぞれに異なるホッピングパターンにより 利用できる周 波数をすべて使用する 表 2.Flash-OFDM のシステム主要諸元 項目 変調方式 複信方式 コアネットワーク 利用周波数範囲 利用周波数帯域 ピークハ ーストレート ( 下り ) ピークハ ーストレート ( 上り ) 平均テ ータレート ( 下り ) 平均テ ータレート ( 上り ) エンド エンド遅延時間 サービスカバレージ 仕様 OFDM FDD IETF 標準準拠 From40MHzto3.5GHz 1.25MHz 3Mbps 900kbps 1~1.5Mbps 300~50kbps <50msec ワイヤレス広域網 移動速度 320km/h 以下 ( 陸上移動局をフルサポート ) サポートフ ロトコル サポートアプリケーション TCP/IP 音声および双方向アプリケーション また セル式の配置により 周波数ダイバーシティとセル外もしくはセル間の干渉電力の平均化 ( 従来のTDMAのような狭帯域システムでは実現できなかった優れた周波数利用効率 ) を含む CDMAシステムのあらゆる利点を提供することができる 結果として Flash-OFDMでは 物理層での干渉を CDMAに比べて 66% 減少させる すなわち周波数利用効率をCDMAの 3 倍にすることが可能 5
6 以上の 大容量通信と干渉電力の平均化に加え Flash-OFDMでは OFDMのリソース割当て単位 すなわち送信できる情報単位のきめ細かさ ( 粒度 :granularity) がある 図 4に OFDMの粒状にしたリソースの割当ての様子を示す 図 4.OFDMの高い粒度のリソース割当て 図 5.Flash-OFDM ネットワークとインターネット との連携 高速移動に対しては 移動による性能劣化を抑えるため 伝送誤り訂正を行うFastARQ(AutomaticRepeatRequest) makebeforebreak のハンドオフの制御を行う makebeforebreakユのハンドオフは 移動端末が一時的に 現在のレディオルータ (Flash-OFDM 固有の基地局 ) と接続を継続しながら 移動先の新しいレディオルータとも接続できる Flash-OFDMでは 物理レイヤと MACレイヤを一体化した制御を行うが MACレイヤでは 複数ユーサ ー間での物理リソースの共有に関して アップリンクとタヴンリンクの両方で 競合 ( コンテンション ) 型アクセス方式と非競合型アクセス方式を設定し リソース スケジューリングによって帯域幅の制御を行う ネットワークレイヤ以上の特徴としては 表 2に示すように TCP/IPの利用 すなわちインターネットと完全互換性の保証である 図 5に示すように Flash-OFDMによるネットワークとインターネットとのケ ートウェイとして レディオルータの設置を想定している iburst 表 3に iburstの主要諸元を示す 項目 仕様 周波数帯域 5MHz キャリア数 8 空間多重数 3 通信方式 / 多重化方式 TDMA/TDD+FDMA+SDMA アンテナ 12 本 送信出力 33.8dBm/userMax.@12AntennaComposite アダフ ティブアレイ技術 有り 6
7 変調方式 セル ( 基地局 ) スループット 24QAM, 16QAM, 12QAM, 8PSK,QPSK, BPSK, 適応変調方式 24,402kbps ( 下り最大 )7,959kbps ( 上り最大 )32,361kbps( トータル最大 ) ユーザデータレート 1,061kbps( 下り最大 )346kbps( 上り最大 ) 周波数利用効率 最大到達距離 ネットワーク インタフェース ネットワークプロトコル セキュリティ 6.47bits/s/Hz/cell ( 最大 ) 12.75Km イーサネット (100BASE-TX/FX) 3GPP2 ITAP, ihap,isec ユーザーへの下り最大 1Mbps の通信速度の提供を目指す iburst の特徴は 以下 7 点に要約できる (1). 高速通信 マルチキャリアを採用した TDMA/TDD 方式 上りと下りのタイムスロット数は 各 3 タイムスロットず つ合計 6 タイムスロットで構成されるが 上りと下りのタイムスロット数が異なる非対称構成であり 下り の通信速度に重点をおいている シンボルレートを上げてテ ータ通信を高速化するだけでなく 1 つの シンボルにより多くのテ ータを内挿する方法を採用している その結果 3 タイムスロットすべてを 1 ユ ーザーが使用した場合 その最大データ通信速度は下り1061 kbps 上り 346kbps になる (2). 高い周波数利用効率 非対称スロットフレーム構成による TDMA/TDD 方式 アダフ ティブアレイ アンテナ技術 空間多重 (SDMA: SpatialDivisionMultipleAccess) 技術 適応変調方式を採用 この結果 1 基地局当りの最大セル / ス ループット ( 上りと下りとを合わせた基地局の最大テ ータレートの理論値 ) は Mbps 使用周波数帯域 (5MHz) から 最大周波数有効利用効率は 6.47 ヒ ット / 秒 /Hz/ セル ( 理論値最大 ) になる (3). 広いサービスエリア アダプティブアレイ アンテナ技術を用いて 実効輻射電力 (EIRP:EffectiveIsotropicRadiated Power) の利得を稼ぐことによって広いサービスエリアを実現 都市部では基地局から半径 500m 以内 郊外では半径約 1km 以内の屋外ユーザーに対して 下り 850kbps 以上のサービスを提供できる (4). 常時接続 (Always-On) 基地局間でのハンドオーバ機能を提供 (5). インターネットとの接続 ネットワークレイヤは IP ネットワークを前提 (6). セキュリティ iburst 特有の暗号化フ ロトコル 基地局とユーザー端末の認証フ ロトコル 汎用ユーザー認証フ ロトコルを採用 (7). 高速移動性 多くの符号変調クラスとそれを適応的に選択するアルゴリズム 良好な信号特性を維持する送信出力制御 PSK(PhaseShiftKeying) や QAM(QuadratureAmpli tudemodulation) の受信性能向上 により対応 なお ユーザー端末と基地局間の物理レイヤと MAC レイヤは iburst 独自のフ ロトコルである 7
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