連載：IEEE無線規格を整理する（5）
〜ワイヤレスネットワークの最新技術と将来展望〜

無線MAN標準化でも新幹線でワイヤレス通信


千葉大学大学院　　阪田史郎
2006/1/7

　2. IEEE 802.16-2004とIEEE 802.16e

　 　2.1　標準化動向

　IEEE 802.16委員会での検討対象は、当初FBWA（Fixed Broadband Mobile Access）と呼ばれ、移動体を対象としたネットワークは除外されていた。しかし、IEEE 802.20の主対象が最高時速250〜300km、すなわち新幹線のような高速鉄道ということもあり、2003年以降最高時速150〜200kmの車を対象とした検討は、IEEE 802.16eにおいて行われるようになった。このため、IEEE 802.16委員会での検討はFBWAからFixedが除かれ、BWAと呼ばれるようになった。IEEE 802.16 eはIEEE 802.16-2004との互換性を保つため、2〜11GHz帯、免許が必要な帯域を対象とし、最終仕様は2005年中に策定される予定である。今後、さらに高速な時速250km強まで対応可能なIEEE 802.20との相互連携･すみ分けが必要となる。

図2　802.16-2004の位置付け

　図2にIEEE 802.16-2004と無線PAN、無線LANの位置付け、図3にIEEE 802.16-2004、IEEE 802.11eが想定する利用環境を示す。表2にIEEE 802.16-2004、IEEE 802.16eの標準仕様、表3に無線LANとの仕様の詳細比較を示す。

図3　IEEE 802.16ファミリーが想定する利用環境

　 IEEE 802.16-2004 IEEE 802.16e
標準化完了時期 2004年6月 6GHz未満
周波数帯 11GHz未満 〜2005.12
見通し環境 NLOS NLOS
伝送速度 最大75Mbps（上り19Mbps）
（20MHz幅）		 最大75Mbps
（20MHz幅）
変調方式 ・QPSK、16／64／256QAM
・SC、 OFDM、 OFDMA 		・QPSK、 16／64／256QAM
・SC、 OFDM、 OFDMA、 SOFDMA
多重化技術 MIMO MIMO
移動性 ・固定
・移動（ノマディック）		 ・固定
・移動（ノマディック）
・移動（歩行速度程度のポータブル）
・移動（時速120km程度のモバイル）
1チャネル当たりの
周波数帯		 1.25〜20MHzまで可変 1.25〜20MHzまで可変
セル半径 2〜10km程度（最大約50km） 2〜3km程度
表2　IEEE 802.16標準仕様
QPSK：Quadrature Phase Shift Keying QAM：Quadrature Amplitude Modulation MIMO：Multiple-Input Multiple-Output
SC：Single Carrier OFDM：Orthogonal Frequency Division Multiplexing OFDMA：OFDM Access SOFDM：Scalable OFDMA
PMP ：　Point-to-Multipoint （1対多接続）
SC ： Single Carrier （シングルキャリア変調）
OFDM ： Orthogonal Frequency Division Multiplexing （直交周波数分割多重）
OFDMA ： Orthogonal Frequency Division Multiplexing Access（直交周波数分割多元接続）
DFS ： Dynamic Frequency Selection（動的周波数選択）
AAS ： Adaptive Antenna System（適応アンテナシステム）
ARQ ： Automatic Repeat reQuest（自動再送制御）
STC ： Space Time Coding（時間空間符号化）

　 　 帯域、距離 帯域幅 変調方式、伝送速度 固定／移動
無線LAN IEEE 802.11a 5GHz帯
10‐100m		 　 OFDM 固定
省略
20MHz

IEEE 802.11b 		2.4GHz帯
50‐100m		 　 DSSS 　 固定
省略
20MHz
IEEE 802.11g 2.4GHz帯
50‐100m		 　 DSSS 　 固定
省略
20MHz
　 OFDM
省略
20MHz
無線MAN IEEE 802.16-2004 2.5GHz
3.5GHz
5.8GHz
約300m‐100km		 　 OFDMA（直交周波数分割多元接続） 固定
省略
1.75MHz
3.5MHz
7MHz
10MHz
20MHz
IEEE 802.11e ＜6GHz　約300m‐3km 　 スケーラブルOFDMA 移動体（時速120kmを想定）
省略
1.75MHz
3.5MHz
7MHz
10MHz
20MHz
表3　無線MANと無線LAN仕様詳細比較（クリックして別表が拡大詳細表示）
モバイル加入者局（MSS：Mobile Subscriber Station）、MMR：Moile Multi-hop Relay、MIB：Management Information Base

図4　IEEE 802.16-2004、IEEE 802.16 eのプロトコルスタック

　図4にIEEE 802.16-2004、IEEE 802.16eのプロトコルスタックを示す。図5にIEEE 802.16-2004、IEEE 802.16eの仕様分類を示す。

図5　IEEE 802.16-2004、IEEE 802.16eの仕様分類

　韓国では、WiBroの名で802.16eベースの技術を第4世代（4G）携帯電話網への移行を容易にする第3.5世代（3.5G）携帯電話網の1つとして採用し、2006年4月にサービスを開始する予定である。車内でも1Mbps の通信を可能にすることを目標にしている。

　IEEE 802.16-2004、IEEE 802.16eの無線LANとの大きな相違は、MAC層でコネクション単位の管理を行う点にある。下記のようにQoS制御はコネクション単位に行う。IEEE 802.16-2004、IEEE 802.16e共通の主な特徴は以下のとおりである。

  1. 共通のMACレイヤ：　多様なアプリケーションに対して共通なインターフェイスを提供するため、帯域によって異なるPHYレイヤ（物理層）の上位のMACレイヤは共通。
  2. 異なるQoS要求への対応：　アプリケーションごとに異なるQoSに対する要求に対して、MACレイヤでその相違に対応する。このQoS制御には以下のような特徴がある。
    ・ コネクション単位に制御：　表4に示すUGS（Unsolicited Grant Service） 、rtPS（Real-time Polling Service）、 nrtPS（Non-Real-time Polling Service）、 BE（Best Effort）の4種類のQoSタイプを、コネクション設定時のDSA（Dynamic Service Addition：コネクション設定に相当）のプロセスで指定。SS（Subscriber Station）の初期化時にもBS（Base Station）が遅延、ジッタ、スループットを決めておくことが可能。
    （無線MANのQoSタイプは、ATMにおける制御をベースとしたこともあり、無線LANのIEEE 802.11eのEDCAにおける、Voice、Video、Best effort、Backgroundの4種類のアクセスカテゴリとは微妙に異なる。）
    ・MACレイヤで交換されるパケットヘッダ内のConnection Identifier（1バイト）によって識別されるコネクション（サービスフロー）に対応付ける
    ・ダウンリンクとアップリンクで別々に指定可能

QoSタイプ 概要
UGS
（Unsolicited Grant Service） 		・音声対応リアルタイムサービス
・周期的で固定長（CBR）
・オーバヘッド、遅延回避
rtPS
（real-time Polling Service）		 ・動画対応リアルタイムサービス
・可変長（VBR）
nrtPS
（non-real-time Polling Service）		 ・非リアルタイムサービス
・可変長（VBR）
BE（Best Effort） ・特に制御しない
表4　IEEE 802.16における4つのQoSタイプ
モバイル加入者局（MSS：Mobile Subscriber Station）、MMR：Moile Multi-hop Relay、MIB：Management Information Base

  1. 適応変調方式（Adaptive Modulation）をサポート：　高いオーダの変調方式を用いると、伝送速度を上げることができるがリンク品質の影響を受けやすくなる。一方、低いオーダの変調方式を用いると、リンク品質の影響は受けにくくなるが伝送速度を上げることができない。このバランスを取るため、SS単位、バースト単位、アップリンクとダウンリンクで、リンク品質に応じた適応変調方式を採用。　

  2. PHYレイヤ（物理層）においてFDDとTDDをサポート：　FDDはよく使われる2重化（複信）方式であり、2つのチャネルを使用して送信と受信を並行する。TDDは1つのチャネルを使用し、時間で上りと下りの通信を分割することにより、必要とされる帯域に応じて上りと下りの帯域を動的に割り当てることが可能。

  3. 帯域割り当てやQoS制御のスケジューリング、資源管理方法はベンダの裁量：　帯域割り当てやQoS制御の機構は標準化しているが、具体的なスケジューリングや資源管理方法はベンダに任せ自由度を与えている。

    　なお、IEEE 802.11におけるWi-Fi Allianceに相当する、WiMAX（World interoperability for Microwave Access） Forumと呼ぶ米国主体の業界団体が、IEEE 802.16の仕様群の業界標準化、相互接続検証、仕様準拠製品認定を行う。WiMAXという名称は、組織の名称だけではなく、IEEE 802.16-2004 とIEEE 802.16eの規格、製品、技術に対しても用いられており、標準規格に関する相互接続性を有する範囲全般を指すような使われ方がされている。IEEE 802.16eを特にモバイルWiMAXと呼ぶこともある。

　 　2.2 無線MANの展開に関する動向

（1） 使用周波数
　表5に、各国におけるIEEE 802.16-2004、IEEE 802.16eで使用する周波数を示す。日本ではすでに、2.5GHz帯は防災無線等の公共業務で利用／3G用途に予約、3.5GHz帯は放送用途に予約（利用可能となるのは2012年以降）、5.8GHz帯は航空レーダとの干渉回避検討中／DSRCで利用中となっている。

米国 2.5GHz帯、 3.5GHz帯、 5.8GHz帯
韓国 2.3GHz帯　（WiBro）
イギリス 5.8GHz帯
フランス 3.5GHz帯
ドイツ 3.5GHz帯
オーストラリア 3.4〜3.5GHz帯
米国、韓国はIEEE 802.16eを想定
表5　IEEE 802.16-2004、IEEE 802.16eで使用する周波数（各国の周波数動向）

（2） 国内における展開計画
　以下のように、国内での使用周波数が未定ながらも、2005年以降急速に実証実験、サービスに向けた動きが活発になっている。

  • 2005年2月：　YOZAN（鷹山）が定額携帯電話サービスをIEEE 802.16-2004により2005年12月より東京都23区内で開始することを発表した。ほかの事業者にネットワークを開放するVNO（Virtual Network Operation）方式、全国展開するためのフランチャイズ方式を採用する予定である。将来IEEE 802.16eに拡張する予定である

  • 2005年5月：　イーアクセスが第3世代携帯電話網（3G）のW-CDMAを補完するシステムとしてIEEE802.1beに準拠した無線通信規格を総務省に提案

  • 2005年6月：　KDDIが大阪市内でIEEE 802.16eの実証実験を2005年7月から開始した。時速120km以下の速度で、通信速度の目標を最高15Mbpsに設定している

  • 2005年7月：　平成電電とドリームテクノロジーズが、2006年より無線LANとIEEE 802.16-2004 、IEEE 802.16eを組み合わせた高速無線通信サービスを提供することを発表した

　

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目次：IEEEを整理する（5）
　 1. 無線MANの研究と標準化の推移
2. IEEE 802.16-2004とIEEE 802.16e
　 3. IEEE 802.20（高速移動体対応）



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