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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しょうぶしもとり
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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 E802.16/802.20 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 :2005.3.18] 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 IEEE802.16/802.20 についてその規格動向と展望について解説する 1.

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

帯域表 1.IEEE802.16 標準仕様 802.16 802.16a 802.16d 802.16e 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.

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

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 802.16 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 802.

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

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.

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

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

資料 2-1 VHF 帯での利用を計画する具体的システムの提案について平成 30 年 12 月 21 日 ( 株 )NTT ドコモ 2018 NTT DOCOMO, INC. All Rights Reserved.

資料 2-1 VHF 帯での利用を計画する具体的システムの提案について平成 30 年 12 月 21 日 ( 株 )NTT ドコモ 2018 NTT DOCOMO, INC. All Rights Reserved. 資料 2-1 VHF 帯での利用を計画する具体的システムの提案について平成 30 年 12 月 21 日 ( 株 )NTT ドコモ CONTENTS 1. 提案内容について提案するシステムの名称及び概要参入主体として具体的に想定される者 2. サービスについて想定しているサービスの内容及び需要見込み想定するサービスエリアサービスの開始に向けた計画及び想定される課題 3. 制度技術面について

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

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