LTEのネットワーク動作：次世代の無線技術、LTEの仕組みが分かる（6）（1/2 ページ）

日本でもスタート、LTEの商用サービス

　日本でもいよいよLTEの商用サービスが始まります。

　LTEサービス「Xi（クロッシィ）」を提供するNTTドコモの報道発表資料によれば、サービス開始当初は、受信時（下り）に最大37.5Mbps、送信時（上り）最大12.5Mbpsの高速データ通信サービスを提供（一部の屋内施設では受信時最大75Mbps、送信時最大25Mbps）。音声サービスは2011年度中に提供する予定としています。

　「Xi」のサービスエリアは当初、東名阪の一部地域から開始。2011年度に全国県庁所在地級都市へ、2012年度には全国主要都市へ拡大する予定のようです。サービスエリア外でのデータ通信は、既存のFOMAネットワークを利用することになります。

　ちなみに、上記の通信速度は技術規格上の最大値で、実際の通信速度を示す数値ではありません。実際の通信速度は通信環境やネットワークの混雑状況などによって低下することもあります。とはいえ、受信時最大75Mbpsの通信速度は、現行のHSDPA（High Speed Downlink Packet Access）の約5倍であり、モバイルユーザーのブロードバンドアクセス需要に応えるサービスであると期待されます。

　NTTドコモのほか、国内のモバイル通信事業者は2011年度〜2012年度にLTE商用サービスの提供を表明しています。「Xi」の利用動向を含め、今後、日本のLTEサービスの展開が注目されます。

　LTEは、上りと下りでそれぞれ異なる周波数を利用して送受信するFDD（Frequency Division Duplex）方式のFDD-LTEと、上りと下りで同じ周波数を時分割して送受信するTDD（Time Division Duplex）方式のTD-LTEが規定されています。

　日本のLTEサービスはFDD方式が利用されていますが、中国など海外ではTD-LTEへの移行を計画する事業者もあります。日本ではPHSやモバイルWiMAXでTDD方式が利用されており、TD-LTEの動向も注目されるところです。海外のLTEサービスの動向は、次回紹介します。

遅延が小さくシンプルな構成のコアネットワーク

　今回はコアネットワークを含めたLTEのネットワーク動作について説明します。

　第2回でも述べましたが、LTEネットワークの主な構成要素には、無線ネットワークのE-UTRAN（Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network）とコアネットワークのEPC（Evolved Packet Core）があります。

　E-UTRANは基地局装置（eNode B）で構成。そしてEPCは、ネットワーク制御を扱うコントロールプレーン（Control-Plane）のアクセスゲートウェイとして機能するMME（Mobility Management Entity）、ユーザーデータのユーザープレーン（User-plane）を扱うゲートウェイとして機能するS-GW（Serving Gateway）、外部のインターネットや企業イントラネットなどに接続するためのゲートウェイとして機能するP-GW（Packet data network Gateway）で構成されます。

図1　LTEネットワークのアーキテクチャ（クリックすると拡大します）

　LTEの特徴の1つは、3Gと異なり、無線ネットワークに基地局制御を行うRNC（Radio Network Controller）のノードを持たないことです。E-UTRANには基地局装置のみが設置され、直接コアネットワークに接続されます。このため、接続遅延、伝送遅延の短縮やシンプルなネットワーク構成が行えるという利点があります。

　また、3Gではコアネットワークにおいて、パケット交換を行うSGSN（Serving GPRS Support Node）とGGSN（Gateway GPRS Support Node）で制御系とユーザーデータ系の両方の信号を扱っていました。LTEでは制御系はMME、ユーザーデータはS-GW、P-GWが扱うというように2つが独立することにより、それぞれのトラフィックに応じたシステムの拡張が可能です。

　参考までに、LTEのコアネットワーク向けの装置が各通信機器ベンダから市場に投入されており、ノキア シーメンス ネットワークスでも、MME対応の「Flexi NS（Network Server）」、S-GW/P-GW対応の「Flexi NG（Network Gateway）」を提供しています。

3Gに比べてシンプルな端末状態遷移

　LTEでは、端末の状態遷移も3Gに比べてシンプルになっています。

　端末（UE）と基地局（E-UTRAN）との間の接続状態は、無線ネットワークを制御するRRC（Radio Resource Control）のアイドル状態（RRC idle）とRRC接続状態（RRC Connected）の2つで示されます。

　また、端末とコアネットワーク（MME）との間の接続状態を示すのは、ECM（EPS Connection Management）アイドル（ECM idle）とECM接続状態（ECM Connected）の2つです。これにより、端末の状態遷移を管理する仕組みです（図2）。

図2　端末の状態遷移

　端末と基地局およびコアネットワークの接続シーケンスの概略は次のようになります。

図3　端末と無線ネットワークの接続シーケンス

2つのタイプがあるLTEのハンドオーバー

　コアネットワークを構成するMMEの役割の1つにハンドオーバー機能があります。

　ハンドオーバーは、端末が通信中にあるセルから別のセルに移動しても、基地局を自動的に切り替えて通信を継続する機能です。ハンドオーバーでは、どんな端末が基地局に接続されているか、データの授受がどこまで行われたかといった端末に関する情報を、基地局同士でやりとりする必要があります。

　具体的には、LTEのハンドオーバーは、端末の周辺基地局の通信品質測定情報などを基にして行われ、移動先の基地局のインターフェイス条件などにより、2種類のネットワーク制御方法が定義されています。

　1つは、基地局（eNode B）同士がX2インターフェイスを使用して直接、端末の情報をやりとりする「X2ハンドオーバー」です。もう1つは、基地局間は直接情報をやりとりせず、コアネットワークとS1インターフェイスを介してハンドオーバーを行う「S1ハンドオーバー」です。

　X2ハンドオーバーは基地局同士が直接端末の情報を授受するため、S1ハンドオーバーに比べ、コアネットワークの負荷を減らし、ハンドオーバーの時間を短縮可能です。ただし、基地局同士が同一のMMEに接続されている必要があります。X2インターフェイスは、前回説明したSON（Self Organizing Network）の自動設定にも利用され、ネットワークの最適化などにも役立っています（図4）。

図4　X2ハンドオーバーのシーケンス例

　S1ハンドオーバーは、基地局同士を接続するX2ハンドオーバーが利用できない場合や、異なるMME間でのハンドオーバーで利用されます。

図5　S1ハンドオーバーのシーケンス例

　ちなみに、3GではRNCもしくはコアネットワークを介してハンドオーバーの制御を行っています。

図6　3G（HSDPA）のハンドオーバーのシーケンス例

　LTEの特徴であるX2ハンドオーバーにより、移動中でもパケットロスが少なくなり、スムーズにハンドオーバーが行えると期待されています。