次世代モバイルネットワークの概要

あ ら ま し 世界の携帯電話ユーザは45億人を突破し，ますます増加を続けている。とくにここ数 年はインターネットアクセスや音楽のダウンロード，動画通信などのモバイルデータ通 信トラフィックが年率3倍近い伸びを示している。スマートフォンの人気に伴って今後 2020年までの10年間で200倍に激増するとも予測されているデータトラフィックを吸収 し，新たなサービスのプラットフォームとして注目されているのが，第3.9世代（3.9G）と も呼ばれるLTE（Long Term Evolution）である。

本稿では，2010年12月に国内でも商用サービスが開始された，この高速無線アクセス を実現するLTEについて，その特徴と主要技術，ネットワーク構成について概要をまと める。

Abstract

The number of people using cell phones in the world has exceeded 4.5 billion and this figure is continuing to grow. For the past several years, mobile data traffic such as Internet access, the downloading of music, and video communication has been nearly tripling every year. With the popularity of smart phones, mobile data traffic will increase 200 times in the next 10 years to 2020. There are high expectations that Long Term Evolution (LTE), which is known as a 3.9G wireless system, will be a new service platform that can support such a huge amount of mobile data traffic. This paper describes the features, technologies and network architecture of LTE, which started commercial service in December 2010 in Japan, realizing high-speed wireless access.

● 加藤次雄

バイルデータ通信トラフィックを収容する高速無 線アクセスシステムは，携帯電話をその起源とす る流れと，無線LANを起源とする流れの二つに 大きく分類できる。LTEは第3世代携帯電話方式 （3G）であるW-CDMA（Wideband Code Division

Multiple Access） の 高 速 デ ー タ 通 信 規 格HSPA （High Speed Packet Access）を更に進化させた もので，下り100 Mbps以上，上り50 Mbps以上の 高速通信の実現を目指し，W-CDMA方式の標準化 団 体 で あ る3GPP（3rd Generation Partnership Project）で2009年3月にRelease 8として標準仕様 が定められた。第4世代向けに開発された技術を用 いて，第3世代と同一の周波数帯を使ってサービス をすることで，第4世代へのスムーズな移行をね らっている。限りなく第4世代に近いシステムとい う意味で，HSPAが第3.5世代と呼ばれていること に対して，LTEは第3.9世代と呼ばれている。 LTEの要求条件は，2005年の3月から3GPPで議 論が開始された。第3世代までは，音声通信などに 用いるCS（Circuit Switched）ドメインと，デー タ通信用のPS（Packet Switched）ドメインの両 方をサポートしていたが，LTEではシステムをシ ンプルにしてコストを低減するために，今後トラ ま　え　が　き 世界の携帯電話ユーザは45億人を超え，ますま す拡大の傾向にある。その中でもインターネット アクセスや動画伝送などのモバイルデータ通信ト ラフィックは，ここ数年は年率3倍近い伸びを示し ている。今後もクラウドやスマートフォン，あるい はセンサの普及により，モバイルのデータ通信ト ラフィックは爆発的な拡大が予想されており，高 速無線アクセスへの期待はますます高まっている。 今後2020年までの10年間で200倍に激増するとも 予測されている（1）_{データトラフィックを吸収する} ための，新たな高速無線アクセスプラットフォー ムとして注目されているのが，第3.9世代（3.9G） とも呼ばれるLTE（Long Term Evolution）である。 本稿では，2010年12月に国内でも商用サービス が開始された，この高速無線アクセスを実現する LTEについて，その特徴と主要技術，ネットワー ク構成を述べるとともに，さらなる高速化に向け た将来の動向について概要をまとめる。

LTE

とは 無線アクセスシステムの動向を図

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に示す。モ ま　え　が　き

LTE

とは 高速無線 アクセス システム 移動速度 Bluetooth 802.15.1 802.15.3aUWB 1G （アナログ） 2G （デジタル） 3G （IMT-2000） LTE AMPS IS-95 GSM PDC

WiM

AX

802. 16-2004 802.16e 802.16m W-CDMA/TD-SCDMA/HSPA CDMA2000 EV-DO/DV ETACS NTT ∼40k 2M 54M 100M 伝送速度（bps） 1G 14M ZigBee 802.15.4 2.4GHz 802.11b 802.11a/g5GHz 802.11n

PAN

WiFi

携帯電話

1995

2000

2010

LTE-Advanced 高速 低速

ETACS： Extended Total Communications System IS-95： Interim Standard-95

GSM： Global System for Mobile Communications PDC： Personal Digital Cellular

TD-SCDMA：Time Division Synchronous Code Division Multiple Access

PAN： Personal Area Network EV-DO： Evolution Data Only EV-DV： Evolution Data and Voice UWB： Ultra Wide Band WiFi： Wireless Fidelity

AMPS： Advanced Mobile Phone System

図-1 高速無線アクセスシステムの動向 Fig.1-Trends of mobile communication systems.

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，および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MIMO （Multiple Input Multiple Output），送信ダイバシ ティ，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。MIMOは，複数のアンテナを 用いることで，同一周波数に異なるデータを送受 信する技術である。アンテナの数に応じて無線の 使用効率を上げることができる。LTEでは仕様上 は下り最大4ストリームのMIMOまでサポートして いる。 （3） 帯域幅の拡大 第3.5世代のHSPAが5 MHz幅の帯域を使うのに 対し，LTEは最大で20 MHz幅までをサポートする。 帯域幅と伝送速度はほぼ比例するため，帯域幅が 4倍になれば通信速度も4倍の高速化が可能となる。 さらに，LTEでは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） 伝送遅延の低減 VoIPのサポートや，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では短い無線フレーム長とパケット伝送 に特化した無線チャネル構成を採用して伝送遅延 の低減を実現している。また，無線ネットワーク アーキテクチャに関して，第3.5世代まで採用され ていた無線基地局と無線制御局の2階層構成を改 め，図

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に示すような無線制御局のないフラット な構成とすることで，輻輳のない最適条件におけ る片方向伝送遅延5 ms以下を実現している。 LTEで採用された仕様・性能と第3世代，第3.5世 代の各無線方式の仕様・性能の比較を表

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示す。 ネットワーク構成 LTEを 収 容 す る た め の コ ア ネ ッ ト ワ ー ク は，3GPPに お い てSAE（System Architecture Evolution）という名称で検討が始まり，その結 果IPベースの次世代コアネットワークとしてEPC ネットワーク構成 フィックの主流になるデータ通信に特化してPS ドメインのみをサポートし，音声サービスはVoIP （Voice over IP）を用いてデータ通信としてPSド メインで提供することを想定している。また，第 3世代で懸念となっていた遅延時間について，大幅 な改善をねらっている。 3GPPにおいて，最終的にTR25.913（2）_として承 認されたLTEの要求条件の概要を以下に示す。 （1） データ通信（パケット交換）に特化 （2） 可変帯域をサポート（1.4 ∼ 20 MHz） （3） 低遅延の実現 ・接続遅延：最大100 ms以下 ・転送遅延：5 ms以下（無線区間） （4） 高速性の実現 ・下りリンク：100 Mbps以上 ・上りリンク：50 Mbps以上 （5） 周波数利用効率の向上（第3.5世代比率） ・下りリンク：3倍以上 ・上りリンク：2倍以上 （6） 既存システム（第3世代/第3.5世代）との共存 次章以降では，上記要求条件を満足するために LTEに採用された主要技術と，ネットワーク構成 の概要を示す。 主　要　技　術 LTEの最大の目的は高速な無線アクセスの実現 である。高速化のためには，無線利用効率の向上と， 利用できる周波数帯域の拡大の二つが必要となっ てくる。そのため，LTEでは以下の技術を採用し ている。（3）−（5） （1） 無線アクセス方式 下りリンクには，無線LANなどでも適用されてい るOFDMA（Orthogonal Frequency Division Multiple Access）を採用している。OFDMAは周波数軸と時 間軸でユーザへチャネル（サブキャリア）の割当 てを行う。ユーザの無線環境に応じて伝送効率の 高いチャネルを割り当てることにより，周波数の 利用効率を向上させることができる。マルチパス 干渉への耐性も高く，第3世代，第3.5世代で採用さ れているCDMA（Code Division Multiple Access） 方式と比較して，同じ周波数幅の中に3 ∼ 4倍の データを収容することができる。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く

（Evolved Packet Core） が，LTEと 同 様 に3GPP Release 8の標準仕様として規定された。EPCは データ通信用に特化したアーキテクチャであり， 以下の特徴を有している。（6），（7） （1） パケットベースのアーキテクチャ 今後のトラフィックの主流がインターネットア クセスをはじめとするデータ通信になることが想 定されることから，ネットワークの簡素化およ び効率化を図るために，パケット交換方式のみ を規定している。第3世代システムで提供されて いる回線交換サービスは，IMS（IP Multimedia Subsystem）の能力を用いて相当のサービスを提 供する。 （2） 常時接続 接続遅延を短縮するために，端末が電源をON してネットワークに登録をした時点で，EPCは論 理的な伝送路を確立させる。コアネットワーク上 では，常に伝送路が確立している状態を保つこと になるので，実際に通信を行うときには，移動端 末と基地局間の無線の接続設定だけを行えばよい。 このため，接続遅延時間の大幅な削減が可能とな る。無線区間でのプロトコルのシンプル化や前述 の無線ネットワークアーキテクチャのフラット化 と併せて，接続遅延時間100 ms以下を実現している。 （3） 異種無線収容 EPCはLTEの収容を主眼として仕様化されたも の で あ る が， 第3世 代 のW-CDMAや 第3.5世 代 の HSPAといった3GPP準拠の無線システムだけでな く，CDMA2000やWiMAX，WiFiといった様々な 無線アクセスも収容すると同時に，これらの異な る無線アクセスシステム間のハンドオーバも可能 とする共通のコアネットワークとして規定されて いる。汎用的なIPを広く取り入れることによって， 無線アクセス方式に依存しないネットワークアー キテクチャを構成している。 EPCネットワークアーキテクチャの概要を図

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に示す。MME（Mobility Management Entity）は， 端末の認証や移動の管理を行う。既存のW-CDMA やHSPAとのインターワークも行い，EPC内のユー ザデータ転送経路の設定を行う。S-GW（Serving Gateway）は，LTEの無線基地局であるeNodeB （enhanced Node B）を収容し，ユーザデータを転 送する。LTEと既存のW-CDMA/HSPAへのユーザ MME/S-GW _MME/S-GW eNodeB eNodeB eNodeB X2 X2 X2 S1 S1 S1 S1 UE UE UE 図-2 LTE無線ネットワークアーキテクチャ Fig.2-LTE wireless network architecture.

表-1 高速無線アクセスシステムの比較 W-CDMA （3G） HSDPA/EUL （3.5G） CDMA2000 1xEV-DO LTE Rev.0 Rev.A

多重化方式 DL：CDMA_UL：CDMA DL：CDMA_UL：CDMA DL：CDMA_UL：CDMA DL：CDMA_UL：CDMA DL：OFDMA_UL：SC-FDMA 周波数帯域 5 MHz 5 MHz 1.25 MHz 1.25 MHz 20 MHz

変調方式 HPSK，QPSK HPSK，QPSK_16QAM BPSK，QPSK_8PSK，16QAM BPSK，QPSK_8PSK，16QAM QPSK，16QAM_64QAMなど データ速度

（最大） DL：384 kbpsUL：64 kbps DL：14.4 MbpsUL：5.7 Mbps DL：2.4 MbpsUL：154 kbps DL：3.1 MbpsUL：1.8 Mbps DL：325 MbpsUL：86 Mbps 商用開始時期 2000 HSDPA：2006_EUL：2008 2003 2006 2009

は更なる高速無線アクセスを実現するために，す でにLTE-Advancedの標準化が進んでいる。LTE-Advancedは第4世代に位置付けられる無線アクセ ス方式であり，その名のとおりLTEの技術をベー スにしている。LTEにおける20 MHzの無線帯域 を複数束ねて最大100 MHzまでの高帯域化を図る キャリア・アグリゲーション技術や，最大8スト リームまでサポートするMIMOの拡張によって， 1 Gbpsの高速化伝送の実現をねらっている。富士 通は，LTE端末や基地局，コアネットワーク装置 およびこれらの装置を実現するための各種要素技 術の開発を既に行っている。また，LTEやEPC を効率良く構築，運用するための管理技術やエン ジニアリング技術の開発も進めており，LTEの商 用サービスの開始に貢献してきた。引き続きLTE の本格的な普及に向けて開発を進めると同時に， LTE-Advancedの実現に向けて標準化活動から実 用化に至るまで，たゆまぬ研究開発を推進してい く予定である。 参 考 文 献 （1） 情報通信審議会 情報通信技術分科会 携帯電話等周 波数有効利用方策委員会 第32回．

（2） 3GPP：TR25.913 Requirements for Evolved UTRA (E-UTRA) and Evolved UTRAN (E-UTRAN） (Release 8)．

（3） 3GPP：TS36.300 Evolved Universal Terrestrial Access (E-UTRA) and Evolved Universal Terrestrial Access Network (E-UTRAN) overall description

データの切替えを行うアンカーポイントの機能も 有する。P-GW（Packet Data Network Gateway） は，IMSなどオペレータ自身が運営するIPサービ スシステムや，オペレータ以外のIPサービスプロ バイダとの接続機能を持ち，移動端末へのIPア ドレスの割当てなどを行うとともに，WiMAXや WiFiなど，3GPPで規定する以外の無線アクセス を収容する。PCRF（Policy and Charging Rules Function）は，EPC内におけるQoSなどのポリシー や課金ルールを規定する。P-GWやS-GWにおいて， PCRFからの指示に従ったポリシー制御や課金制 御 が 行 わ れ る。HSS（Home Subscriber Server） は，ユーザを特定するための各種識別子や，ユー ザが契約しているサービスの情報などのユーザプ ロファイルが格納されている。ユーザがeNodeBや NodeBを経由してネットワークにアクセスしたと きに，MMEによってHSSに格納されているプロ ファイルが参照されて，ユーザ認証やサービスの 認証が行われる。SGSN（Serving GPRS Support Node）は，W-CDMAやHSPAに接続される端末の 認証や移動管理を行う。これらの各ノード間が汎 用のIPを用いて相互に接続することで，EPCは無 線アクセス方式に依存することなく，高速なデー タ通信の効率的な転送を実現している。 む　　す　　び 本稿では，高速無線アクセスサービスを実現す るLTEについて，その特徴と主要技術，および ネットワーク構成について概要を述べた。3GPPで む　　す　　び eNodeB MME S-GW P-GW NodeB/RNC WiMAX WiFi PCRF HSS キャリア IPサービス （IMSなど） SGSN LTE W-CDMA/HSPA 3GPP アクセス 非3GPP アクセス 図-3 EPCネットワークアーキテクチャ Fig.3-EPC network architecture.

(GPRS) Enhancements for Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network (E-UTRAN) access (Release 8)．

（7） 3GPP：TS23.402 Architecture enhancements for non-3GPP accesses (Release 8)．

stage2 (Release 8)．

（4） 3GPP：TR36.913 Requirements for Further Advancement for E-UTRA (LTE-Advanced) (Release 8)． （5） 齊藤民雄ほか：LTE/WiMAXシステムの動向．

FUJITSU，Vol.60，No.4，p.304-309（2009）． （6） 3GPP：TS23.401 General Packet Radio Service

加藤次雄（かとう　つぐお） ネットワークシステム研究所 所属 現在，フォトニクス，ワイヤレス，IP ネットワークの研究開発に従事。