LTE/WiMAXシステムの動向

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ゆりなみやまる
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Trends in LTE/WiMAX Systems あらまし日本の携帯電話およびPHSの利用者が2009 年 2 月末には1 億 1100 万加入に達し, さらに, 第 3 世代移動通信システム (IMT-2000) について普及率が88% を超え移動環境においてデータ通信を行う環境が整いつつあるまた社会経済活動の高度化

Interoperability for Microwave Access) の状況と将来に向けた高速化の動向と今後について述べるとともに, これらのシステムに使用されている技術について概要をまとめる Abstract In Japan, the total number of mobile-phone and personal

exceeded 88%. These figures testify to the provision of a data communications environment for mobile users.

1 Trends in LTE/WiMAX Systems あらまし日本の携帯電話およびPHSの利用者が2009 年 2 月末には1 億 1100 万加入に達し, さらに, 第 3 世代移動通信システム (IMT-2000) について普及率が88% を超え移動環境においてデータ通信を行う環境が整いつつあるまた社会経済活動の高度化多様化を背景に, インターネット接続や動画像伝送など, 携帯電話を利用したデータ通信利用が拡大傾向にあり, より高速大容量で利便性の高い移動通信システムの導入に期待が寄せられている本稿では, 高速な移動無線アクセスサービスを実現するLTE(Long Term Evolution)/ WiMAX(Worldwide Interoperability for Microwave Access) の状況と将来に向けた高速化の動向と今後について述べるとともに, これらのシステムに使用されている技術について概要をまとめる Abstract In Japan, the total number of mobile-phone and personal handy-phone system (PHS) users reached 111 million as of the end of February 2009 and the penetration rate of the thirdgeneration mobile communications system (IMT-2000) exceeded 88%. These figures testify to the provision of a data communications environment for mobile users. At the same time, the use of data communications via mobile phones, mainly Internet connections and video transmission, is growing as social and economic activities become increasingly advanced and diversified. As a result of these trends, there is eager anticipation for the introduction of mobile communications systems that surpass existing ones in speed, capacity, and convenience. In this paper, we describe the current state of Long Term Evolution (LTE) and Worldwide Interoperability for Microwave Access (WiMAX) for achieving high-speed mobile wireless access services, discuss trends for bit-rate enhancement, and describe the future outlook for these systems. We also outline the technologies used for these systems. 齊藤民雄 ( さいとうたみお ) プラットフォームテクノロジー研究所所属現在, 移動通信システムの研究開発に従事田中良紀 ( たなかよしのり ) ネットワークシステム研究所所属現在, 移動通信システムの研究開発に従事加藤次雄 ( かとうつぐお ) ネットワークシステム研究所ネットワーク方式研究部所属現在, 次世代ネットワークシステム, ワイヤレスシステムの研究開発に従事 304 FUJITSU. 60, 4, p (07, 2009)

2 まえがき移動環境下で高速のデータ伝送を行う高速無線アクセスサービスは, 第 3 世代移動通信サービスが開始されて以降, 携帯電話を用いたメール送受信, Webアクセスなど様々な用途で利用されてきている近年セルラシステムにおいては7.2 Mbpsの伝送レートが実用化され, さらなる高速化を目指して WiMAX(Worldwide Interoperability for Microwave Access) のサービスが開始された本稿では, 高速移動無線アクセスサービスを実現するLTE(Long Term Evolution)/WiMAXの状況と将来に向けた高速化の動向と今後について述べるとともに, これらのシステムに使用されている技術について概要をまとめる LTE/WiMAXの動向と今後携帯電話システムおよび広帯域移動無線アクセスシステムの動向を図 -1に示す高速移動無線アクセスサービスを実現する無線システムは, 大きく分けて二つの流れに分類される一つはセルラシステム (IMT-2000 系 ) でモバイルデータ通信を行う方法で, 3GPP(3rd Generation Partnership Project) で規格化されているW-CDMA/HSDPA(High Speed Downlink Packet Access)/HSUPA(High Speed Uplink Packet Access)/HSPA+(High Speed Packet Access Plus)/LTE/LTE-Advancedおよび 3GPP2で規格化されているCDMA2000 1x/UMB (Ultra Mobile Broadband) が含まれるもう一つは固定無線アクセスシステムから移動機能の拡張を施された方式でIEEE 委員会において規格化されているWiMAX(IEEE e) とその拡張システムであるIEEE mが含まれる高速移動無線アクセスサービスを実現するシステムは現在 W-CDMA/HSDPA/HSUPA(HSPA ) と IEEE eのサービスが開始されている日本国内ではHSPA で2008 年 11 月から上り1.4 Mbps, 下り7.2 Mbpsのサービスが開始されており, また IEEE eでも2009 年 2 月からサービスが開始されている WiMAX(IEEE e) における上りリンク / 下りリンクのデータレートは公表されていないが, 規格上は上り4 Mbps(16QAM R= 3/4,12ユーザシンボル ), 下り45 Mbps(64QAM R=5/6,32ユーザシンボル,MIMO 使用時 ) が実現可能である日本の携帯電話およびPHSが2009 年 2 月末には 1 億 1100 万加入に達し, さらに, 第 3 世代移動通信システム (IMT-2000) について普及率が88% を超え移動環境においてデータ通信を行う環境が整いつつあるまた社会経済活動の高度化多様化を背景に, インターネット接続や動画像伝送など, 携帯電話を利用したデータ通信利用が拡大傾向にあり, より高速大容量で利便性の高い移動通信システムの導入に期待が寄せられているこれらのことから, 総務省では国内において2010 年ごろの商用化を目指した第 3 世代移動通信システム (IMT-2000) の高度化システムとなる3.9 世代移動通信システム (3G-LTE) の導入に向け, 必要な技術的条件など移動速度高速 WAN/ 2010 Cellular G-LTE 1G 2G 3G 3.5G (Analog) (Digital) (IMT-2000) AMPS ETACS NTT GSM/PDC/ IS-95 WLAN/WiFi 2000 W-CDMA/HSDPA CDMA2000 EV-DO/DV 2.4 GHz b WMAN/WiMAX 5 GHz a/g e 16j n LTE-Advanced (IMT-Advanced) 16m Wireless Broadband Systems 低速 PAN Bluetooth ZigBee UWB a ~40kbps 2Mbps 14 Mbps 54Mbps 100Mbps 1Gbps 伝送速度図 -1 移動通信システムの動向 Fig.1-Trends of mobile communication systems. FUJITSU. 60, 4, (07, 2009) 305

3 の検討を行った 2008 年 12 月末の一部答申 (1) では, 3.9 世代移動通信システムの基本コンセプトとして以下の五つを掲げている (1) 周波数の有効利用 (2) フレキシブルなネットワーク (3) ユーザとの親和性 (4) 高度な無線アクセス (5) グローバル性これらのコンセプトから,3.9 世代移動通信システムに要求される基本要件を表 -1 に示す 3.9 世代移動通信システムの利用シーンに関しては高精細画像伝送や動画像伝送などが主な次世代の利用内容を想定しているが, 一般的な現在のアプリケーション ( メール,Webアクセス, 音楽ダウンロードなど ) 利用でも, それぞれのダウンロード時間が短くなりユーザの使い勝手も格段に向上すると考えられる LTE/WiMAX システムの今後としては, すでに 3.9 世代の次の世代 ( 第 4 世代 ) の移動通信システムについて3GPPおよびIEEE 委員会で標準化作業が始まっており, 国際通信連合で募集の始まっている IMT-Advanced のシステムの提案に向けて急ピッチで作業が進められているなお, システムの提案締切は2009 年 10 月である次章以降では,3.9 世代移動通信システムおよび第 4 世代移動通信システムを支える技術の概要につ表世代移動通信システムの基本要件 (1) 最高伝送速度下り :100 Mbps 以上上り :50 Mbps 以上周波数利用効率 3.5G(HSPA リリース6) の3 倍以上 ( 下り ),2 倍以上 ( 上り ) 占有周波数帯幅スケーラブルな帯域幅ネットワークオールIPネットワーク将来システムへの展開将来の第 4 世代移動通信システムへの円滑な展開可能伝送品質現行 3.5Gよりも低遅延グローバル性国際ローミングやインターオペラビリティの確保が可能いて述べる LTE 系システムの技術概要標準化プロジェクトの3GPPでは,2008 年 12 月にLTEの標準化を完了し, 現在はLTEとの後方互換性を保ちつつIMT-Advancedの要求条件を満たすように拡張したLTE-Advanced 規格の標準化を 2010 年末の完成を目標に進めている LTE- AdvancedはIMT-Advancedの無線インタフェース候補としてのITU-Rに提案を行う予定である HSPA,LTEおよびLTE-Advancedの主な要求仕様を表 -2に示す (2),(3) 以下に,LTEおよびLTE-Advanced に適用されている特徴的技術について概要を紹介するなお,LTE-Advancedについては3GPPで議論中の内容の紹介である LTEの特徴的技術 (1) マルチアクセス方式下りリンクには, マルチパス干渉への耐性が高く, 柔軟なリソース割当てが可能なOFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) を採用している一方, 上りリンクには, 送信信号のピーク対平均電力比が小さいことから高出力送信が容易となるSingle-Carrier FDMAを採用している (2) マルチアンテナ技術の適用基地局と端末の双方において複数のアンテナを用いた送受信技術をサポートすることにより, 周波数利用効率の向上, カバレッジの増大を実現している伝搬環境などに応じて複数のオプション (MIMO, 送信ダイバーシチ, ビームフォーミング ) から最適な方法を選択することができる下りは最大 4ストリームのSingle User(SU)-MIMOをサポートしている表 -2 主な要求仕様 HSPA LTE LTE-Advanced 下りリンク上りリンク下りリンク上りリンク下りリンク上りリンクピーク周波数利用効率 (bps/hz) 3 2 >5 > 平均周波数利用効率 (bps/hz/cell) ~ ~ ~ ~2.0 セル端周波数利用効率 (bps/hz/user) ~ ~ ~ ~0.07 運用帯域幅 (MHz) 5 1.4~20 ~100 User plane 遅延 (1 方向 )(ms) 25 <5 <5 接続セットアップ遅延 (ms) - <100 < FUJITSU. 60, 4, (07, 2009)

4 (3) スケーラブル帯域幅のサポート様々な帯域幅の周波数に適用できるように,1.4, 3,5,10,15,20 MHzの帯域幅をサポートしている (4) 遅延の低減オンラインゲームなどのリアルタイムアプリケーションを快適に利用するためには, 伝送遅延をできるだけ短くする必要がある LTEでは短い無線パケット長 ( 伝送遅延がHSDPAの半分である1 ms) の採用, アーキテクチャのシンプル化などにより, ふくそう輻輳のない最適条件における片方向伝送遅延を5 ms としているまた, 無線リソース制御プロトコルのシンプル化などにより, 接続時間, ハンドオーバ時の制御遅延, および瞬断時間の短縮を図っている (5) プロトコルアーキテクチャのシンプル化共有チャネルをベースとしたパケット伝送のみの構成としている ( 音声通信もVoIPでサポート ) (6) アーキテクチャのシンプル化無線アクセスネットワークを基地局のみで構成するフラットアーキテクチャの採用, ノード間インタフェース数の削減により, ネットワーク構築コストの低減化を図っている LTE-Advancedの特徴的技術 (1) 広帯域化 LTEと互換性のある最大 20 MHz 帯域の周波数ブロック (Component carrier) を複数束ねて使用する技術 ( キャリアアグリゲーション ) により, 後方互換性を保ちつつ最大 100 MHz 程度までの広帯域化を実現している (2) 上りマルチアクセス方式の拡張 Component carrier 内はClustered DFT-Spread OFDMによりマルチキャリア伝送を新たにサポートし, さらに複数 Component carrierを用いることにより, 柔軟な無線リソース割当て, 連続不連続な広帯域化による上りユーザスループットおよびキャパシティの改善を実現している (3) マルチアンテナ技術の拡張下り最大 8ストリーム, 上り最大 4ストリームの SU-MIMOをサポートし, ユーザスループットおよびピーク周波数利用効率の改善を実現している (4) セル間協調送受信技術下りリンクでは複数セル間の協調スケジューリングもしくは協調送信, 上りリンクでは複数セルでの同時受信を適用することにより, とくにセル端ユーザスループットの改善を図っている (5) リレー伝送低コストでセル端データレートまたはカバレッジを拡大するため, リレー伝送を新たにサポートしている WiMAX 系システムの技術概要 IEEE 委員会では, 第 4 世代移動通信システム実現に向けて,IEEE m (4),(5) の規格化を進めている IEEE mは,WiMAX(IEEE e) をベースにしており, 以下に示すとおり基本的な技術はWiMAX(IEEE e) を踏襲している (6),(7) (1) OFDMAを上り / 下りともに適用 (2) 上り / 下りの多重化方式として, 時分割多重 / 周波数多重の双方をサポート (3) システム性能向上のためのMIMO( マルチアンテナ ) 技術を導入 (4) IPベースを前提としたプロトコルアーキテチャの採用上記で示した技術を基に, 既存のWiMAX (IEEE e) との互換性を保ちつつ, さらなる高速 / 広帯域化と IMT-Advanced の要求条件を満たすために,IEEE mでは新たな技術の導入を検討している以下では, これらの技術のうち代表的なものについて説明するマルチアンテナ技術の拡張 WiMAX(IEEE e) では送信側受信側とも2 本のアンテナ利用までをサポートしていたが, IEEE mでは送信側受信側とも最大 8 本の利用までを考慮することにより, スループットの向上を図っているまた, 複数のアンテナから送信される複数のデータストリームを, 一つのユーザに対して伝送するSU-MIMOだけでなく, 複数のユーザに伝送することにより移動端末の収容容量を増やす Multi-User(MU-)MIMOや, 異なる基地局のアンテナを用いてセルエッジのスループットの向上を図るMulti- MIMOも検討されているマルチキャリアサポート IEEE mの物理 (PHY) 層がサポートする無線キャリアの帯域幅は,WiMAX ( IEEE e) の技術の流用性も考慮して最大 20 MHz FUJITSU. 60, 4, (07, 2009) 307

5 となっているこれでは, スループットの大幅な向上は望めないそこで,IEEE mでは複数の PHY 層 ( 無線キャリア ) を束ねて, 上位層に対して1 本の太い伝送路に見せるマルチキャリア技術を MAC 層でサポートしている ( 図 -2) 理論上は, アプリケーションに対して, 束ねるPHY 層 ( 無線キャリア ) 数倍のスループットが提供できる階層化フレーム構造の導入 IEEE mではWiMAX(IEEE e) の無線フレーム構造を拡張し, スーパーフレームとサブフレームを導入しているスーパーフレームの採用は, 従来フレームごとに送信していた制御情報のうち, 頻度が低くてよい制御信号をスーパーフレームごとに送信することで, 無線の効率向上を図るねらいがある一方, サブフレームの導入は無線区間の遅延時間を削減する効果がある時分割多重方式を用いる場合の上り / 下りの切替えもサブフレームごとに行われる IEEE mのフレーム構成を図 -3に示すアプリケーション MAC PHY PHY 2048/20 MHz 2048/20 MHz マルチホップリレーのサポート無線システムの高速化は, 一方で消費電力の増大を招くこのため, 一つの無線基地局によるサービスエリアは, 従来に比べると小型化していかざるを得ない状況にあるまた, 室内では建物侵入損失のために電波強度が弱くなり, せっかくの高速性が享受できないという問題も出てくる IEEE m でも,LTE-Advancedと同様に基地局(), 端末 () に加えて中継局 () を導入することによって, サービスエリアの拡大や, 室内でのスループット向上を安価に実現するマルチホップリレーをサポートしている適用例を図 -4に示すマルチホップリレーは,IEEE j (8),(9) として従来のWiMAX 向けにも規格が存在するが, 後追いで制定されたこともあって, 互換性を保つために複雑な構成になっている側面がある IEEE m 向けでは, 規格の検討も同時進行で行われているため, 最適化されたシンプルな構成での実現が見込まれているフェムトセルのサポートサービスエリアの拡大や, 室内でのスループット向上を安価に実現するもう一つの技術としてフェムトセルが挙げられるフェムトセルは, 超小型の基地局を一般家庭などに設置し,ADSLなどのブロードバンド回線を経由して移動通信サービスを提供するシステムの総称である IEEE mでは, 一般のユーザが家電量販店で超小型基地局を購入し, 設置もユーザ自身が行う究極のモデルの実現を目指しているこのモデルでは従来キャリアが行っていたような計画的に基地局を配備することができないため, いかに干渉を回避するかが大きな課題となっ図 -2 マルチキャリアサポート Fig.2-Multi-carrier support. 屋外設置屋内設置スーパーフレーム :20 ms フレーム :5 ms サブフレーム DL/UL DL/UL DL/UL DL/UL DL/UL DL/UL DL/UL DL/UL テンポラリー設置車上設置図 m のフレーム構成 Fig m frame structure. 図 -4 マルチホップリレー適用例 Fig.4-Multihop relay usage scenario examples. 308 FUJITSU. 60, 4, (07, 2009)

6 干渉量測定位置情報測定そのほかコアネットワーク連携周波数設定送信電力調整ユーザ情報設定図 -5 SON(Self Organization Network) Fig.5-Concept of SON (Self Organization Network). ているまた, 専用線ではなくブロードバンド回線を経由するため, セキュリティの確保や帯域の補償遅延時間の吸収なども課題であるこれらの課題を克服するために,SON(Self Organization Network) というコンセプトのもと, ネットワークと連携してSelf-ConfigurationやSelf-Optimization といったいわゆる超小型基地局のPlug&Play 技術が検討されている ( 図 -5) むすび本稿では, 高速移動無線アクセスサービスを実現するシステムとしてLTEとWiMAXシステムについて, その動向とサービスを支える技術の概要について述べたこのような動向を踏まえ, 富士通においても固定系と移動無線系の主要なアクセス系基盤技術の研究開発について海外のR&D 拠点と連携しグローバルに取り組んでいく予定である参考文献 (1) 3.9 世代移動通信システムの導入に向けて情報通信審議会からの一部答申. (2) 3GPP : TR V8.0.0 Requirements for Evolved UTRA ( E-UTRA ) and Evolved UTRAN (E-UTRAN)(Release 8). 25_series/ (3) 3GPP : TR V8.0.0 Requirements for Further Advancements for E-UTRA(LTE-Advanced) (Release 8). (4) IEEE m System Description Document (SDD)[Draft]. (5) IEEE m Amendment Working Document (AWD). (6) 齊藤民雄ほか : 富士通のモバイルWiMAXへの取組み.FUJITSU,Vol.60,No.1,p.2-9(2009). (7) Air Interface for Fixed and Mobile Broadband Wireless Access Systems.IEEE STD , February (8) IEEE :IEEE Std j. (9) M. Okuda,et al.:multihop Relay Extension for WiMAX Networks - Overview and Benefits of IEEE j Standard. FUJITSU Sci. Tech.J., Vol.44,No.3,p (2008). FUJITSU. 60, 4, (07, 2009) 309

次世代モバイルネットワークの概要

次世代モバイルネットワークの概要 Next-Generation Mobile Network 加藤次雄あらまし 45 3 202010 200 3.9 3.9G LTE Long Term Evolution 2010 12 LTE Abstract The number of people using cell phones in the world has exceeded 4.5 billion and this figure