LTE/WiMAXシステムの動向

LTE/WiMAXシステムの動向

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 third-generation 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.

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。 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。

LTE/WiMAXシステムの動向

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 802.16委員会において規格化 されているWiMAX（IEEE 802.16e）とその拡張 システムであるIEEE 802.16m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 802.16e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 802.16eでも2009年2月からサービスが開始 されている。WiMAX（IEEE 802.16e）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 Wireless Broadband Systems 移動速度 2000 GSM/PDC/ IS-95 W-CDMA/HSDPA CDMA2000 EV-DO/DV Bluetooth 802.15.1 UWB 802.15.3a 1G (Analog) 2G (Digital) 3G (IMT-2000) 3G-LTE AMPS ETACS NTT ～40 kbps 2 Mbps 14 Mbps 54 Mbps 100 Mbps 1 Gbps ZigBee 802.15.4 2.4 GHz 802.11b 5 GHz 802.11a/g 802.16e 16j 802.11n 802. 16-2004 PAN WLAN/WiFi WMAN /WiMA X WAN/ Cellular 1995 2010 3.5G 16m 低速 高速 伝送速度 LTE-Advanced （IMT-Advanced） 図-1 移動通信システムの動向

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表-1 3.9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} 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 ＞2.5 30 15 平均周波数利用効率（bps/Hz/cell） 0.53 0.33 1.6～2.1 0.66～1.0 2.4～3.7 1.2～2.0 セル端周波数利用効率（bps/Hz/user） 0.02 0.01 0.04～0.06 0.02～0.03 0.07～0.12 0.04～0.07 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 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 802.16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 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。 ＜50

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（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， 輻輳 ふくそう 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 802.16委員会では，第4世代移動通信シス テム実現に向けて，IEEE 802.16m(4),(5)_{の規格化を} 進めている。IEEE 802.16mは，WiMAX（IEEE 802.16e）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 802.16e）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 802.16e）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 802.16m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 802.16e）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 802.16m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-BS MIMOも検討されている。 ● マルチキャリアサポート IEEE 802.16m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 802.16e）の技術の流用性も考慮して最大20 MHz

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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 802.16m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 802.16mではWiMAX（IEEE 802.16e）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 802.16mのフレーム構成を 図-3に示す。 ● 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 802.16m でも，LTE-Advancedと同様に基地局（BS），端末 （MS）に加えて中継局（RS）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 802.16j(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 802.16m 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 802.16m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 DL/UL 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

図-3 802.16mのフレーム構成 Fig.3-802.16m frame structure.

PHY PHY MAC 2048/20 MHz 2048/20 MHz アプリケーション ・・・ ・・・ 図-2 マルチキャリアサポート Fig.2-Multi-carrier support. BS RS RS RS RS 屋内設置 屋内設置 テンポラリー設置 テンポラリー設置 車上設置_車上設置 屋外設置 屋外設置 MS MS MS MS 図-4 マルチホップリレー適用例 Fig.4-Multihop relay usage scenario examples.

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BS 干渉量測定 位置情報測定 そのほか 周波数設定 送信電力調整 ユーザ情報設定 連携 コアネットワーク BS BS BS BS

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． http://www.soumu.go.jp/s-news/2008/081211_3.html （2） 3GPP ： TR25.913 V8.0.0 Requirements for

Evolved UTRA （ E-UTRA ） and Evolved UTRAN （E-UTRAN）（Release 8）．

http://www.3gpp.org/ftp/Specs/2008-12/Rel-8/ 25_series/

（3） 3GPP ： TR36.913 V8.0.0 Requirements for Further Advancements for E-UTRA（LTE-Advanced）

（Release 8）．

（4） IEEE 802.16m System Description Document

（SDD）［Draft］．

http://wirelessman.org/tgm/index.html

（5） IEEE 802.16m Amendment Working Document

（AWD）．

http://wirelessman.org/tgm/index.html

（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 802.16-2005， February 2006．

（8） IEEE 802.16：IEEE Std 802.16j．

http://www.ieee802.org/16/pubs/80216j.html

（9） M. Okuda，et al．：Multihop Relay Extension for

WiMAX Networks － Overview and Benefits of

IEEE 802.16j Standard. FUJITSU Sci. Tech.J．，