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(1)

修士論文

次世代移動通信システムにおける

セル間キャリアアグリゲーションに関する研究

平成

2 3

年度修了

三重大学大学院工学研究科 博士前期課程電気電子工学専攻

中村隼人

三主主 J

i

(2)

目次

1章 …...1

1.1  移動通信システムの変遷.…

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

1.次世代4Gシステムにおけるトラヒック環境....・H …......................................................2

1.本研究の目的.........................................................................................................................3

1.本論文の構成.........................................................................................................................3

2HH....H...4

2.1  セノレラシステム…....・H....H....H....H...H.....H....H........H....H....H........H...H..4

2.2  OFDMA...H...H.....H..HH...H........H......H.....H.....H.....H...H...H.....H......H.6 2.3  LTE..H......HHH.....H.....H.....H.....H.....H.....H.....HHH.....HHH.....H.....H..8

2.4  LTE‑Advanced .....H.....H...HH..HH...HHH.....H.....H.....H....H...H.....H....H...8

2.4.1  チャネル構成...9 2.4.2  キャリアアグリゲーション...・H...12 2.4.3  基地局間協調通信技術..…...14

3........H...H.....H....H....HHH...HH'"H...H....HHHHH...H...H.....H...H….17 3.1  不均一トラヒックの発生要因...・H .....H...........................................................................17

3.2  不均一トラヒックのシステムに与える影響...................................................................18 3.3  不均一トラヒックに対する対策HH.................................................................................18

4....H....H....H...H...H..HH.....20 4.1  セル間キャリアアグリゲーションによる不均一トラヒック収容.…....・H....H...H20 4 セノレ間キャリアアグリゲーションにおけるチャネノレ割当手順....・H...H....H......23 4l接 続eNB選択HH....H.....H...H...23 4.2.2  lstRB...H....H.....H...H.....23 4.2.3  2ndRB割当...26

(3)

11 

5.....H ...30 5.1  システムモデ、ル...・H .....H...30

5.1.1  チャネルモデル....・H....................................................................................................31

5.1.伝搬モデル…HHHH...32 5.1.トラヒックモデル....・H ...H...33 5.2  シミュレーション諸元…...・H....H...34

5.3  特性評価・…..........................................................................................................................36 5.3.1  チャネル使用率............................................................................................................36 5.3.2  送信成功率....・H............................................................................................................39 5.3.3  セクタスループット…....・H....H...H.....H....H....H....H...H.....H....42 5.3.4  UE平均達成データレート.…・・HH...H.....HHH...H....H...H.....H....H..45 5.3.5  伝送遅延特性...48

6......H......H..H....H...HHH......52

6.1  本研究のまとめ...・H...H....H...52 6.2  今後の課題…HH...H...HHH.53

参考文献HH...H..HH...54

....H......H......H...H...57

研究業績....・H..HH...58

(4)

1章 序 論

第 1章

序論

1 . 1  移動通信システムの変遷

移動通信の一般的な利用は, 1980年代に開発された第 l世代 (1G)システムから始 まった.システムは,セルと呼ばれる基地局の無線エリアを複数用いてサービスエリア を構成し,移動端末はいずれかのセルに所属し通信を行うセルラ方式を採用した.また,

複数のユーザが無線通信路を共有しての通信を行うための多元接続方式として, FDMA  (Frequency Division Multiple Access :周波数分割多元接続)を採用した.しかし,音声 信号をそのまま電波に乗せるアナログ方式で、あったため,雑音や干渉に弱く秘匿性がな いという弱点があった.続く 1990年代に開発された第2世代システム (2G)では,デ ィジタノレ方式を採用した.通信時に音声をディジタルデータに変換することで,暗号化 やノイズの除去が容易になり,第 l世代の弱点を克服した.多元接続方式には TDMA

(Time Division Multiple Access :時分割多元接続)を採用した.また第2世代システム では,広い周波数帯を使うことで,一度に送ることができるデータ量を増やすことがで きたため,音声中心で、あった第1世代と比較し,メール等のデータ通信の利用が進展し た.しかし第2世代システムまでは,データ通信で、あってもメールなどの少量のデータ 伝送であったため,音声通信が総トラヒックのほとんどを占め,個々の通信で利用され るトラヒック量は同程度なトラヒック環境で、あった.その後,携帯電話は爆発的に普及

2000年代には,第3世代システム (3G)のサービスが開始された.第3世代シス テムでは,多元接続方式にCDMA (Code Division Multiple Access :符号分割多元接続) を採用し,従来のシステムと比較してより高速・大容量通信が可能となった.これによ

り,動画・画像などを扱うマルチメディアサーピスも急速に進展し,総トラヒックに占 めるデータ通信の割合は音声通信を超えて,増加していくこととなった.また個々の通 信におけるトラヒック量は,大小様々なものが混在する環境へと変化していった[1].

(5)

1章 序 論

システムの発展とともに,携帯電話端末自体も高度化してきた.第 I世代・第2世代 システム当時の携帯電話は音声通話やメーノレ機能程度であったが,近年では,音楽再生 や動画撮影,インターネット利用等が可能となっている.そして現在では,携帯コンピ ュータの機能を併せ持った携帯電話であるスマートフォンが急速に普及している.端末 の高機能化に伴い,携帯電話におけるマルチメディアサービスの利用はさらに普及し,

高速・大容量通信の需要はさらに高まっている[1].

これらの需要に対し, Intemational Mobile Telecommunications‑Advanced (IMT‑Advanced)  と呼ばれる第4世代移動通信システム実現に向け,各標準化団体において,標準化が進 んでいる.The 3rd Generation Partnership Project  (3GPP)においては, 3.9世代規格とし LongTerm Evolution  (LTE)規格が策定され,日本では2010年にNTTdocomoより Xi (クロッシィ)と呼ばれる LTEのサービスが開始された[2].現在は, LTEのさらな

る発展形である LTE‑Advanced(LTE‑A)の標準化が進められている[3][4].LTE‑Aでは,

LTEと比較して高いシステム性能を実現することが要求されており,高ピークデータレ ート実現のため最大 100MHzもの広帯域のサポートが必要とされている.さらにLTE‑A では,基地局設備等の LTE仕様からの変更にかかる時間やコストを削減し, LTEから のスムーズなシステム移行を実現するため, LTEとの後方互換性が必要とされる.この 広帯域化と後方互換性を同時に実現する技術として,キャリアアグリゲーション (Carrier Aggregation : CA)が採用される[5‑8]. CAは,端末 (UserEquipment : UE) コンポーネントキャリア (ComponentCarrier : CC)と呼ばれる基本周波数ブロックを複 数束ね,一つの通信チャネルとしての利用を可能とする技術であり, UEにおける通信 チャネルの高速・大容量化と後方互換性の確保に寄与する.

次世代システムでは,高速・大容量通信が可能となることや端末の高機能化に伴い,

個々の通信で利用されるトラヒック量の差はさらに拡大する.またさらに,高いシステ ム性能を実現するためのシステム構成の変更に伴い、トラヒック環境は変化すると考え

られる.

1 . 2 次世代 4G

システムにおけるトラヒック環境

次世代システムでは高速通信の実現のために,マイクロセルやフェムトセルなどのカ ノ〈ーエリアの小さなセルが展開される[9]. このセルサイズの縮小は,セルごとの収容 ユーザ数の減少とユーザ、の偏在化を引き起こす.従来システムにおいては,ひとつのセ ルで収容するユーザ数が多いため,個々のトラヒック量が大小様々で、あったとしても,

セル単位で、見たときのトラヒック量はセル内ユーザ、で、平均化され,均一であった.しか

(6)

1章 序 論

差異はさらに拡大するため,不均一トラヒックはより顕著に現れる.

不均一トラヒック環境下では,トラヒックの集中したセルにおいて端末に割当てるチ ャネルが不足し,通信品質が劣化するとしづ問題がある.逆にトラヒックが疎になった セルでは,端末に割当てる無線チャネルは十分で、あるが,チャネルに余剰が生じてしま う.このようにチャネルが不足するセルが存在する一方で、チャネル余剰が生じている状 況は,トラヒックが均一に分布する環境と比較し,システム容量が低下してしまうとい

う問題がある.

これまで不均一トラヒックに対しては,セノレサイズをトラヒックの偏りに応じて動的 に変更する動的セル領域性制御方式 (AdaptiveCell Sizing : ACS制御方式)やリレー通 信を利用してセル間でチャネルをダイナミックに割当てる方式が提案され,その有効性 が示されてきた[912].しかしこれらは従来の CDMAシステムを研究対象システムとし ており,次世代システムで採用される OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple  Access:直交周波数分割多元接続)での研究例はほとんどない.従って次世代システム

における不均一トラヒックの高効率収容法の検討は重要な検討課題であると言える.

1 . 3 本研究の目的

本研究では,次世代4G移動通信システム下り通信においてトラヒック不均一環境を 想定し,それに起因するシステム特性の劣化の緩和を目的とする.不均一トラヒック環 境下で生じる各セノレのチャネルの不足・余剰を利用し,セル間で、の動的なチャネル割当 を導入することで,不均一トラヒックの高効率収容を目指す.対象システムとしては LTE‑Advancedを想定し,当該システムで用いられるキャリアアグリゲーション技術に 着目し,当該技術をセル間で、適用するセル間キャリアアグリゲーションによる不均一ト ラヒック収用法を提案する.提案法を計算機シミュレーションにより評価し,同一セル 内で実施される従来のキャリアアグリゲーションと比較し,提案法の有効性を示す.

1 . 4  本論文の構成

本論文は次のように構成される.第2章では,移動通信システムに関する基礎的な技 術,また次世代4Gシステムで用いられる主要技術について説明する.第3章では,本 論文で問題としている不均一トラヒック分布について説明する.第4章では,提案法で あるセル間キャリアアグリゲーション法について説明する.第5章では,計算機シミュ レーションによる特性評価の結果を示し,提案法の有効性を示す.第6章では,本論文 のまとめを行う.

(7)

2章次世代移動通信システム

2

次世代

4G 移動通信システム

本 章 で は , 本 研 究 の 研 究 対 象 シ ス テ ム で あ る LTE‑Advanced (Long  term  evolution‑Advanced : LTE‑A)の基礎的な構成技術・関連技術を説明する.2.1節では,

移動通信システムの構成技術の最も基本であるセルラ方式について述べる.2.2節では,

LTE, LTE‑Advancedで 採 用 さ れ て い る 多 元 接 続 方 式 で あ る OFDMA (Orthogonal  Frequency Division Multiple Access)について述べる.2.3節では,本研究で研究対象とす

る次世代移動通信規格である LTEおよびLTE‑Aの概要を述べる.2.5節では, LTE‑A チャネル構成, 2.6節と 2.7節では, LTEAにおける本研究に関する主要技術としてキ ャリアアグリゲーション,基地局間協調通信技術についてそれぞれ述べる.

2 . 1   セルラシステム

セルラ方式は,サービスエリアを複数のセルによって構成することで周波数を再利用 する方式である.セノレとは,ひとつの基地局がカバーする無線エリアである.セルをお 互いに干渉が許容できる距離を保ち配置することで,セルごとに周波数の再利用が可能

となり,周波数利用効率を高めることが可能である.

セル形状については,セルを隙間なく配置する必要があるため,正三角形,正方形,

正六角形の3つが考えられる.一般的には最も基地局数を減らすことが可能な正六角形 を用いる.図2.1に正六角形を用いた場合のセル配置を示す.しかし正六角形を用いた 場合でも,実際のシステムにおいては,電波は基地局から円形に伝搬するため,オーバ

(8)

2章次世代移動通信システム

てしまう.セル間干渉を減少し,また容量を増大させる技術としてセクタ化がある.セ クタ化とは,指向性アンテナを利用し,図2.2のように,ひとつのセルの中を3つある いは6つ程度のセクタに分割する方式である.他にもセル間干渉を低減するため,ひと つのセル内で、部分的に周波数を繰り返す方式 (FFR)等が提案されている[13][14].

2.1 セルラシステム

ひとつのアンテナのカバー領域

1.1  指向性アンテナ

ら〉ミミ、

2.2 セクタ化

(9)

2章次世代移動通信システム

2 . 2   OFD

時'1

A

OFDMA OFDMを利用した多元接続方式であり,次世代システムにおいて用いら れる通信方式である[15].

OFDMは,周波数帯域を複数の狭帯域サブキャリアに分割し、それぞれに送信データ を乗せ,並列伝送を行う方式である.並列伝送では,シングルキャリアにデータを乗せ 一度に伝送する方式と比較し,データを分割し別々のサブキャリアで伝送することがで きるため,マルチパスによる周波数選択性フェージンク、に強いという特徴を持つ.また OFDMは,周波数を分割して利用することから,FDMの一種ととらえることができる.

2.3FDMOFDMの周波数軸上のチャネル配置の関係を示す.FDMは,周波 数帯域を周波数軸上で分割して各周波数帯域を通信チャネルとして,ユーザ、に割り当て る方式である.しかし, FDMでは,図 2.3で示すようにキャリアが互いに干渉しない ようにガードバンドと呼ばれる一定のキャリア間の間隔を取る必要があり,周波数利用 効率が劣化してしまうとしづ問題がある.一方 OFDMは,周波数軸上でサブキャリア に直交関係を持たせ,たがいに干渉しないようにすることで,サブ、キャリアを密に配置 することができ,このFDMの問題を解決している.

OFDMAは,図2.4に示すように,特定の複数のサプキャリアをサブチャネルとし,

複数のユーザが全てのサブチャネルを共有し,各時刻において基地局がそれぞれの端末 にとって最も伝送効率の良いサブチャネルを適応的割当て,多元接続を行う.このよう OFDMAは,サブキャリアを複数のユーザ、で、効率よく割当てることでシステム全体の 通信容量を増大させることが可能であるという利点を持つ.

(10)

2章 次世代移動通信システム

‑ ‑ . :   : . . . . ・ ・

ードバンド

(a) FDM 

(b)  OFDM 

2.3 FDMとOFDMの周波数軸上のサブキャリア配置

ユーザA ユーザB ユーザC

2.4 OFDMAのサブキャ ア割当

周波数

(11)

2章次世代移動通信システム

2 . 3   LTE 

LTEとは,移動通信システムにおける次世代規格である.3GPPにて2009年にRelese.8 で仕様が凍結され,日本ではNTTdocomoより, 201012月から LTEサーピスが行わ れている.LTEは現在普及している第3世代(3G)と将来予定されている第4世代(4G) との聞の規格であるため,第 3.9世 代 (3.9G) と呼ばれ,現在のシステムから LTE‑Advancedへのスムーズなシステム移行のための橋渡し的役割を持つ.

主な特徴としては,下り通信のアクセス方式として OFDMA,上り通信に SC‑FDMA (Single  Carrier FDMA)を採用している.SC‑FDMAは,信号のピーク対信号電力比 (PAPR : Peak to Average Power Ratio)を低減できる特徴があり,これにより UEの省電 力化や送信電力増幅器の低廉化を実現している.他にもマルチアンテナを用いて空間上 で多重化を行う M跡 的 (Multi‑InputMulti‑output)技術による伝送速度の高速・大容量化 が導入される.またLTEでは,複数のシステム帯域幅(1.43, 5, 10, 15, 20 [MHz])  をサポートし,最大20民自zとすることで下り 300Mbpsものピークデータレートを達成

している.

2 . 4   L T E ‑ A d v a n c e d  

4世代規格である LTE‑Advanced(LTE‑A)は,現在3GPPにおいて要求条件が策定 され,標準化が進められている.LTE‑AはLTEの基地局設備等の変更にかかる時間や コストを削減するために,スムーズなシステム移行を実現するため LTEとの後方互換 性を保つことが重要とされ,その上で将来的なトラヒック需要も考慮して, LTEと比較 して十分なシステム性能の向上が期待されている.表 2.1 LTEとLTE‑Aの要求条件 を示す[3][4].

LTEAでは,アクセス方式はLTEと共通のものを採用し,無線チャネル構成もLTE と同様の構成となっている.さらにその要求条件を満たすため,新たな技術が導入され ている.主な技術としては,周波数帯域の拡大のためのキャリアアグリゲーション技術,

セノレ端ユーザの通信品質改善のための基地局間協調技術などである.下り通信における チャネル構成,キャリアアグリゲーション技術,基地局間協調技術ついては,次節で詳 述する.

(12)

2章次世代移動通信システム

2.1 LTEとLTEdvancedの要求条件比較

DL凡正 LTERe1.8  LTE‑Advanced  DL  300 Mbps  1 Gbps  最大伝送レート

UL  75 Mbps  500 Mbps  DL  15  30  ピーク周波数利用効率 [bpslHz]

UL  3.75  15  周波数利用効率 UL  2.67  3.7 

[bits/Hzlcell]  UL  0.74  2.0  セル端ユーザスループット DL  0.08  0.12 

[bits居並/cel1/user] UL  0.02  0.07 

2.4.1  チャネル構成

LTE‑A下り通信における無線チャネルは,時間・周波数領域で定義され,サブ、キャリ ア数に応じたチャネル構成が成されている[16].

時間領域の無線フレーム構造は図2.5のような構造を有する.無線フレーム長は 10ms であり, lms10個のサブフレームから構成されている.また,サブフレームは0.5ms 2つのスロットから構成されており, 1スロットは 7個のシンボルから構成される.

無線フレーム長を短縮することにより,接続遅延や制御遅延などの短縮が可能となり,

低遅延の無線ネットワークを実現している.

無線リソースの割当最小単位はリソースブロック (ResourceBlock : RB) と呼ばれ,

2.6に示すように周波数方向に 12本のサブキャリア,時間方向に 7シンボルで構成 されている.表2.2LTEのサポート帯域幅に対する RB数およびサブキャリア数を示 す.スケジューリングの最小時間は単位である TTI (Transmission Time Interval)は,サブフレームであり,サブフレームごとに,スケジューリングで選択された UERB が割り当てられる.

LTE‑Aではコンポーネントキャリア (CC) と呼ばれる基本周波数ブロックを用い,

それらを複数束ねて使用することで最大 100MHzをサポートする.この時, CCの帯域 幅をLTEのサポート帯域幅とすることで後方互換性を実現している.またCCは周波数 軸上で,必ずしも連続である必要はない.図 2.6CCとRBの周波数軸上の関係を示 す[15]. LTE‑ACAにより CCを束ねて使用するため, LTE‑Aにおける帯域幅に対す RB数およびサブキャリア数は, LTEを基準として決定される.具体的には,表2.2 の各帯域幅に対応する値を足し合わせた数の阻および、サブキャリアを持つ.

(13)

2章 次世代移動通信システム 10 

:1サブフレーム=1ms(TTI)  1スロット=0.5ms : 

#~寸 #2

1シンボル

│#0 

#1 

#2 

#3 

#4 

#5 

#6 

1無線フレーム=10ms

#3  #18  #19 

2.5 無線フレーム構成

N

H

白区戸

~ Resource 810ck 

1サフキャリア

ト . ︑ 初

4. 1スロット=0.5ms 

1サブフレーム=1ms 

2.6 サブフレーム構成と RB配置

(14)

2章 次世代移動通信システム 11 

合計最大1

MHz

ccの待域幅=最大20MHz

1

RB 1

180kHz (20MHz跨)

.~.I!..!' .~-~ .~_... .__!!__.~ .~. "........".~ ...~. ..~.~.~.~ 司,...

  . . .

a . . .   ︐ ;

 

la

40 0 mm wo

h@

• • •

周波数

a ‑

a '  

︐ 

• •

• •

2.7 CCとRBの周波数軸上の関係

2.2 LTEの伝送帯域幅ごとのRB数とサブキャリア数 帯域幅 [MHz]

RB

サブキャリア数

(15)

2章次世代移動通信システム 12 

2.4.2  キャリアアグリゲーション

LTEでは最大20MHzの帯域幅をサポートすることにより高ピークデータレートを達 成している.LTE‑Aでは, LTEと比較しさらなる高ピークデータレートが要求されてお り,さらなる広帯域化が必要となっている.さらに LTE‑Aでは, LTEからのスムーズ なシステムの移行が求められるため, LTEとの後方互換性が求められる.この広帯域化 と後方互換性を同時に実現する技術としてキャリアアグリゲーション (CA)が用いら れる[5‑8].LTE‑Aでは,コンポーネントキャリア (CC) と呼ばれる基本周波数ブロッ クを周波数軸上に配置する.そしてUECAを用いて,これらを複数束ねて通信を行 うことで広帯域化を実現する.このとき一つのコンポーネントキャリアの帯域幅をLTE

の最大帯域幅である 20MHzとすることで,後方互換性を実現できる.図2.8のように,

LTE端末はいずれか一つの CCを用いて通信を行い, LTE‑A端末はCAを用いて最大5 つの CCを組み合わせて通信を行う.このCA技術により, LTE‑AシステムでLTE端末

を収容でき,広帯域化と後方互換性を同時に実現できる.

またCAは次の3つの方式に分類される.3つの方式は,通信事業者等に割当られる 周波数帯域(バンド)に対する CCの位置づけにより,それぞれの方式は異なる.

(1) Intra‑band contiguous CA 

同じ周波数ノ〈ンド内のCCを用いて通信する方式である.バンド幅は20MHzより も大きく, CCは周波数軸上で連続している.連続する広帯域の周波数割当が行われ る場合に適用される.

(2)  lnter‑band Non‑contiguous CA 

異なる周波数ノ〈ンドの CCを複数用いて通信を行う方式であり,たとえば, 2GHz  帯と 800MHz帯の二つの CCを用いて通信を行う場合に適用される.この方式では,

2つのCCを用いて通信を行うことによるスループットの向上に加えて,伝搬環境が 異なる複数のキャリアを用いることによる通信の安定性の向上が実現できるかもし れないというメリットがある.

(3)  lntra‑band Non‑contiguous CA 

同じ周波数バンド内のCCを用いるが,周波数軸上で不連続なCCを用いて通信を 行う方式である.周波数帯域の割当が断片的である場合や,複数の事業者で共有する 場合に適用される.

(16)

軍豆

5 3

ノ〈ンドA

2章 次 世 代 移 動 通 信 シ ス テ ム 13 

パンドA

(1) Intra‑band Contiguous CA 

軍豆

//  IL 

周波数

直宮

11  // 

くバンドB〉 ラ 周 波 数 ノ〈ンドC

(2) Inter‑band Non‑contiguous CA 

( CE 

(冨

)

ノ〈ンドA

(3) Intra‑band Non‑contiguous CA 

2.9 CCの周波数配置

周波数

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