LTE-Advancedの導入イメージLTE-Advancedは個別の要素技術を段階的に導入することで、必要な場所をピンポイントで強化する、といった利用法が考えられている。

【ドコモセミナーレポート②】LTE-Advancedの技術仕様

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by [2013年6月28日]


5月29日から5月31日まで東京ビッグサイトで開催されていた様々な最新無線通信技術を紹介する展示会、『ワイヤレス・テクノロジー・パーク 2013』では、「セミナー・プログラム」と題して現在無線通信技術の第一線で活躍する様々な人々を講師に迎えたセミナーが多数開講されていました。

(株)NTTドコモ無線アクセス開発部担当部長 安部田 貞行 氏

今回はその中から(株)NTTドコモ無線アクセス開発部担当部長の安部田 貞行氏を迎え、『LTE-Advancedの導入に向けたドコモの取り組み』と題して5月31日に行われたセミナーの内容をご紹介します。

その1はこちら
その3はこちら

LTE-Advancedの性能目標(承前)

LTE-Advancedの性能目標
当初段階での性能目標一覧。MIMOの拡張規格が承認されていなかったため、下り1Gbps、上り500Mbpsをピークレートの目標としていた。

LTE-Advancedでは、最終的に後述する8×8のMIMOや4×4のMIMOが承認されたため、当初予定の下り1Gbps・上り500Mbpsから更に高速化し、下り3Gbps・上り1.5Gbpsがピーク伝送速度のスペックとなっています

安部田氏はこのスペックが実際に世の中にいつ出てくるのか、そもそも出てくれるのかどうかも判らないが、無線容量上限(に余裕を持たせること)は実際に運用する上で重要であるため、このような要求条件を設定している、としました。

LTE-Advancedの完成仕様
規格上は8×8 MIMOのサポートなどにより、仕様上のピークレートがLTEの300Mbpsの10倍に当たる3Gbpsまで引き上げられた。

このLTE-Advancedの完成した仕様では、ピーク速度が下り3GbpsでHSPA比210倍、LTE比でも10倍で、容量はLTEがHSPAの約3倍と言われているのに対し、約4倍となり、遅延については通信の基本となるフレームを大きく変更しなかったこともあり、LTEとほぼ同等となっています。

これは通信の前方・後方互換性を優先し、LTE-AdvancedだけでなくLTEが普通につながる、ということに焦点を置いたためで、また遅延については元々のLTEの仕様で要求条件を満たしていたため、不要な変更は行われなかった、と安部田氏は説明しました。

LTE-Advancedの主要技術

LTE-Advancedの主要技術
LTE-Advancedで規格化されている技術はこの表に示されたとおりで、全ての機能を一括導入するのではなく、性能要求に対応して必要とされる機能を組み合わせて、あるいは単独で導入することが許されている。

続いて、LTE-Advancedの主要技術の説明が行われました。

LTE-Advancedの主要技術は以下の5つです。

  • キャリアアグリゲーション(CA)
  • MMOの拡張
  • ヘテロジーニアスネットワーク(HetNet)
  • セル間協調送受信(CoMP)
  • リレー伝送

キャリアアグリゲーション

キャリアアグリゲーションの概念図
複数の周波数を束ねて1つの周波数と見なして利用することで、各周波数のピークレートの合計値を仕様上のピークレートにできる。ただし、各周波数が多数のユーザーで輻輳しているような場合には、こうした効果は期待できない。

キャリアアグリゲーション(Carrier Aggregation)は、複数のキャリア(周波数)を束ね、1つのキャリアとみなして送受信を行うことで、全体としての伝送速度を高速化する技術です。

これは、例えば1.5GHzと2GHzという2つの周波数が利用可能な場合、従来であれば1つの端末では一度にいずれか一方しか利用できなかったのですが、このキャリアアグリゲーションでは、回線が空いていればもう一方の周波数も利用し、同時に2つ(あるいはそれ以上の数)の周波数に割り振ってデータを送受信させることで、全体としての通信の伝送速度向上を実現し、またほぼ理想的なリソースの分散が可能となります。

もっともこの技術は既存の通信技術で比較的容易に大幅な高速化が図れる一方で、同時に複数の周波数で通信を行うため、端末の消費電力的にはあまり好ましくない一面もあります。

ここで安部田氏は、各周波数の混み具合を見て割り当てを切り替える、異周波数分散は現在の端末でも行っているが、瞬時瞬時で通信状況を監視して行うことを考慮したものではない、としました。

これに対し、キャリアアグリゲーションでは瞬時瞬時の通信状況に対応しているが、ある程度リソース的に(回線容量に)余裕がある状況でないと思ったような性能が出ない、と解説、キャリアアグリゲーションの導入が、即通信速度向上につながるものではないことを示唆しました。

世界の各事業者が提案した、キャリアアグリゲーションで利用するための周波数の組み合わせ一覧
下の方に列挙されている日本の事業者の提案内容からも明らかなように、これは各事業者が自分たちの利用している複数の周波数を組み合わせた場合のケースを提案したものに過ぎない。もっとも、このような提案が多数出されていること自体が、各事業者のAdvanced-LTEに対する期待の表れと見ることができる。

これに関連して、周波数の組み合わせ提案、という形でキャリアアグリゲーションの導入に向けた各国事業者の動き(最新のものではなく、現時点ではもっと提案事業者数が増えている、と断りを入れた上で)が示され、ヨーロッパ・アメリカ・日本、と世界各国で興味を持って導入計画が進められていることが示されました。

それでは、実際にキャリアアグリゲーションを使用した場合、どの程度の速度向上が見こまれるのでしょうか。

現在のLTEではカテゴリ3とカテゴリ4が使用されていて、これは周波数幅が10MHzまでは同じ伝送速度で動作するものの、15MHzあるいは20MHzで運用した場合には、いずれもカテゴリ3よりカテゴリ4の方がより高速で動作するようになっています。

キャリアアグリゲーションで得られる最大伝送速度の一覧
キャリアアグリゲーション非対応である現行LTE(カテゴリ3・カテゴリ4)の周波数幅が最大でも20MHzに留まっているのに対し、LTE-Advancedで利用されるカテゴリ6では20MHzまでの周波数幅を持つ複数の周波数を束ねて利用することで見かけ上の周波数幅をカテゴリ3やカテゴリ4の上限値である20MHzの倍の40MHz幅(相当)まで引き上げ可能となっている。

これら2種のカテゴリでの20MHz運用時より高速な伝送速度を得るには、25MHz~40MHz幅での運用が必要となってくるのですが、現行のカテゴリ3・カテゴリ4は既に20MHzで頭打ちとなっており、それより広い周波数幅に対応するには、新カテゴリ(カテゴリ6)の導入が必要となります。

これに伴い、LTE-Advancedではカテゴリ6・カテゴリ7・カテゴリ8と3つのカテゴリが定義されており、まずカテゴリ6の導入が見こまれていますが、このカテゴリ6の場合キャリアアグリゲーションによって20MHz×2の40MHz幅の場合で、下り最大300Mbpsの伝送速度が実現することになります。

MIMO

LTE-AdvancedでのMIMO拡張状況
複数の基地局アンテナを1台の端末に振り向けて利用するシングルユーザーMIMOだけでなく、基地局アンテナを分割して複数の利用者(端末)との間で高速通信を行うマルチユーザーMIMOの導入が行われる予定となっている。

次に、MIMOの拡張について解説されました。

MIMOはNTTドコモでは既にLTEで導入されている技術で、無線LANルーター(Wi-Fiルーター)の高速通信対応機種でも導入が進んでいるため、ご存じの方も少なくないことでしょう。LTE-Advancedでは、このMIMOをLTEでのそれと比較してアンテナ本数を増強することで、通信の自由度を大幅に強化しています。

まず、(LTE-Advancedにおける)基地局の8本のアンテナを1人のユーザー(端末)が使用する利用形態を8×8のシングルユーザー(Single-User:SU)-MIMOと呼び、最大のスループット(伝送速度)が得られることになります。

もっとも、安部田氏は実際に8本のアンテナをハンドセット(携帯端末)に搭載するのは難しく、それどころか4本のアンテナでさえ、搭載するのは現状では難しく、(筐体の平面積(フットプリント)の大きなタブレットやパソコンでないと(物理的な搭載スペース確保や送受信回路への給電能力の観点でアンテナ8本搭載の)可能性は出てこないのではないか、と指摘し、アンテナ搭載スペースをはじめとする物理的・電気的な制約が、スマートフォンでの8×8のSU-MIMO実現の壁になっていることを示唆しました。

実際、現在の携帯電話/スマートフォンの消費電力を考えてみた場合、通話・通信に伴う電波発信がかなり大きな割合を占めているわけで、これが単純に現状の4倍、あるいは8倍となると考えると、8×8のSU-MIMOを例えばスマートフォンに搭載するのは困難と言わざるを得ません。

こうしたことを踏まえると、一人のユーザー(端末)が基地局のアンテナ8本全てを占有するSU-MIMOの使い方はせっかくの基地局アンテナが一部遊んでしまうためクレバーとは言いがたく、別の使い方を考慮・検討する必要がある、ということになります。

そのため、LTE-Advancedでは端末側は2アンテナ構成のままとして、基地局だけアンテナを増やす、ということを行って、複数のユーザー(端末)に2アンテナ分ずつ割り当てて同時送受信することで基地局全体としての通信高速化を実現するマルチユーザー(Multi-User:MU)-MIMOという考え方が仕様化されています。

このMU-MIMOはLTE、つまりRelease 8の段階で既にEnhancement(拡張規格)として仕様化されていたものですが、Release 10のLTE-Advancedでも改めてEnhancementとして仕様化された由です。

ここでは基地局側4アンテナ、端末側2アンテナずつとして空間的に電波を分けて送受信を行うことで、2台の端末がそれぞれ(通常の)MIMOを行っているのと等価な効果が得られることが例示、説明されました。

もっとも、このMU-MIMOは同時に同じ基地局で送受信する端末が空間的に充分離れていないと、それぞれの端末と通信を行う基地局のアンテナからの電波が相互に干渉しあって上手く効果が得られないケースがあるとのことで、現在は様々な条件を試しつつその有効性を確認している段階である、と安部田氏は説明しました。

ヘテロジーニアスネットワーク(HetNet)

ヘテロジニアスネットワーク(HetNet)
送信電力などのスペックの異なる基地局を1つのエリアに混在させ、エリア内の無線容量を増大させる技術で、干渉しやすいそれら異なる基地局群を制御して干渉を回避するようになっている。

続いて、ヘテロジーニアスネットワーク(Heterogeneous Network:異種混合ネットワーク。HetNetと略称)の説明が行われました。これは1つの周波数、あるいは複数の周波数を利用し、送信電力あるいはエリアサイズの異なる基地局を同一エリアで混在させる技術です。

これについてはまず、同一のエリア内で異なる規模の基地局が同時に送受信する場合には電波干渉が生じるのですが、それを回避する目的で、eICIC(enhanced Inter-Cell Interference Coordination:拡張セル間干渉調停)という技術を用いて、マクロセル局とスモールセル局を時間的に送信タイムを切り替えて容量を増やす、といった方式が検討されていることが示されました。

もっとも、安部田氏は続けて実際のネットワークでどの程度の性能が得られるかについてはよく注意しなくてはならないと考えている、と説明しました。その理由は、シミュレーション等で検討されているHetNetの事例では、マクロセル局1局に対し、スモールセル局が3局あるいは4局必ず存在するような形となっているため、マクロセル局を止めればスモールセル局がハッピーになる、という結果になっているのですが、実際にはマクロセル局が混雑しているために、そのエリア一帯に(スモールセル局を)展開する訳ではありません。そのため、このeICICを導入したからといって必ずしも即座に効果が得られるというものではなく、その点は注意して(スモールセル局を)展開して行く必要があると考えている、としました。

セル間協調送受信(CoMP)

セル間協調送受信(CoMP)
複数の基地局のエリア境界付近に所在するユーザーに対し、それら隣接基地局群が協調・連携制御して送信を行うことで、電波品質を改善する技術。

その後、CoMP(Coordinated Multi-point transmission/reception:セル間協調送受信)が説明されました。

これは、複数局から(1台の端末に)信号を送る技術で、Joint transmissionと呼ばれるものと、Coordinated SchedulingあるいはBeamfoamingと呼ばれるもので、複数の基地局から同一内容を送信する、あるいは複数の基地局の送信ビームを上手く当てるか送信を止めて干渉を低減する、といったことを行ってエッジ(隣接基地局間の境界)付近に所在するユーザーの通信スループットを向上しよう、というものです。

リレー伝送

リレー伝送の概念図と得失
ユーザーの端末と基地局の間にこれ以上基地局を増設できないような場合に利用する。

セル間協調送受信に続いては、リレー伝送が解説されました。

リレー伝送は、eNB(evolutional Node B:LTE対応基地局)と端末との間にリレーノード(Relay Node:RN)が置かれるものです。

これは端末側から見るとリレーノードは通常の基地局と同等に見え、リレーノードとeNBの関係はバックホール(※バックボーン回線網とアクセス回線をつなぐ回線)で相互にリンクされているようなイメージとなり、このリレーノードで信号を再生して(eNBへ)送るという形になっている、と説明されました。

もっとも、このリレーノードは標準化こそされたものの、正直これを導入しようと言っているオペレーター(があると)は聞いていないので、費用対効果を考えた場合、(導入は)難しいのかな? というのが現状であると安部田氏はコメントしました。

ここで安部田氏は、若干個人的な意見は入ってますが、と断りを入れた上で、少しエリアを拡大したい、という場合にはいわゆるL1(Level 1)のリピーターあるいはブースターと呼ばれる機器を設置すればそれで済みますし、このリレーノードは再生中継となるため、基地局側にも色々手を入れる必要があって、費用対効果の観点で見た場合、さほど効果が無いと考えている、との見解を述べ、このリレー伝送はオペレーター各社としては積極的に導入したい技術ではないことが示唆されました。
(以下、その3に続く)

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