5G ネットワーク導入の可能性

著者: Deepak Verma (シニア テクノロジー & 地域マネージャー、インド)、キャリア エンジニアリング サービス
 

5G セルラー技術は、前例のない導入、成長、開発、革新を観察しており、他の古いセルラー技術よりもはるかに速いペースで導入されています。セルラー技術のタイムラインに戻ると、3G (WCDMA) は、ネットワークの商業化と、たとえば携帯電話向けの関連エコシステムの開発にはるかに長い時間がかかりました。 WCDMA 3GPP 仕様が凍結されてから HSDPA が導入されるまで、スマートフォンの導入は何年も遅れました。主な理由の 1 つは、このテクノロジーによって提供されるデータ速度が儲からないことでした。しかし、3G と 4G の間には大きな飛躍があり、3GPP の標準化後、4G ネットワークの展開は非常に迅速に行われました。この好転には主に 2 つの理由がありました。

• 4G による高速データ速度
• 高速化が求められるスマートフォンの普及

新しい世代のテクノロジーが登場するたびに、標準化から商品化、導入までのサイクルは短縮されており、現在 5G はこれまでで最も加速しているテクノロジーとみなされており、LTE の 5 年と比較して、導入から 3 年以内に 5 億の加入者を獲得すると予想されています。

システムの進化

4G EPS からのシステム進化を見ると、5G 導入の出発点は、既存の 4G EPC コアを備えた Radio Access Network (RAN) になります。これは、5G コアがすぐに必要になるわけではなく、初期段階では 5G が 4G RAN とコアに大きく依存することを意味します。この配置は非スタンドアロン システムとも呼ばれ、現時点で世界中で行われているすべての主要な導入の基礎となっています。これは、エンドツーエンドの複雑な新しいシステムを導入することなく、5G 導入を加速できる理由でもあります。したがって、初期段階での 5G の展開は、主にネットワーク容量とユーザー エクスペリエンスを即座に向上させる無線アクセスのみを対象としています。非スタンドアロン システムはデュアル接続に基づいており、UE はダウンリンクとアップリンクの両方で eNB と gNB の両方によってサービスを受け、eNB はアンカー キャリアとして機能します。つまり、すべてのコントロール プレーンは eNB にあり、gNB はサービスのみを提供します。ユーザー プレーン。これは主にオプション 3x デプロイメント モードと呼ばれます。 eNB によるアンカリングは、両端、つまり UE 側とネットワーク コア側で必要です。

eNB、gNB、EPC、5GC などの複数のネットワーク エンティティの場合、それらがどのように相互作用し、相互接続されるかによって、ネットワークを展開できるさまざまな方法が定義されます。標準で定義されているオプションは複数ありますが、初期段階ではオプション 3x が世界的に最も人気のある選択肢です。あらゆるネットワークの最終目標は、gNB が 5GC に接続されるオプション 2 (スタンドアロン システムとも呼ばれます) を達成することです。あらゆる展開戦略で生じる重要な疑問は、「オプション 3 からオプション 2 への直接の移行はあるのか?」ということです。答えは通信事業者の展開戦略にあります。通信事業者は、オプション 3 の直後にオプション 2 に移行するという野心的な計画を持っている可能性があり、また、中間パスを備えている通信事業者もほとんどないかもしれません。オプション 7 (Ng-eNB がアンカーとなり、gNB が 5GC に接続されるセカンダリとなります) は、EPC を 5GC に置き換えることを除き、オプション 3 のレプリカとみなすこともできます。

5G コアと無線ネットワークの動機と実現要因

5G コアには、EPC との差別化を図り、新しいユースケースをサポートする際立った重要な要素が確かにあります。それらのいくつかは次のように分類できます

• サービスベースのアーキテクチャ: - SBA には柔軟性があり、ユースケースや要求に応じてカスタマイズできます。これは、API に基づくさまざまな関数間の疎結合を提供し、1 つの関数が他の事前定義された関数を簡単に呼び出すことができます。これにより、柔軟性が大幅に向上し、ベンダー間の統合が容易になるオープン インターフェイスの構築が促進されます。
• ネットワーク スライシング: - ネットワーク スライシングは多くの注目を集め、常に話題になる 5GC の重要な機能の 1 つです。ネットワーク スライシングとは、物理ネットワークから複数の仮想エンドツーエンド ネットワークを作成して、多様な需要、シナリオ、使用例に対応することです。たとえば、ネットワークは複数のスライスを持つことができ、必要に応じて高スループットと低遅延の両方の要求に応えることができ、ユーザーは両方のスライスを同時にサブスクライブして利点を得ることができます。
• QoS の差別化: - QoS は 4G でも確保されていましたが、5G ではより洗練された、よりきめ細かな、つまり正確な Quality of Serviceを提供できるため、差別化されたサービスを提供する際に通信事業者に多くの価値を加えることができます。

新しい概念が導入され、システム全体が 5G のさまざまな側面を実現するように設計されている 5G NR のRadio Network の動機を見てみましょう。主要な概念の一部は次のとおりです。

• スペクトル: - 低帯域 (7GHz 未満) からミリ波に至るまで、非常に広範囲のスペクトルが 5G で開かれています。地域でのスペクトルの可用性に応じて、それらのすべてが 5G NR の展開に使用できる可能性があります。この幅広いスペクトル オプションは 5G NR に特有のものであり、古いセルラー テクノロジーとは異なります。低帯域がカバレッジ レイヤーとして機能する一方の極端では、もう一方の極端ではより高い容量を提供でき、一方、中帯域はカバレッジと容量の両方を提供できます。この多様なスペクトル範囲は、通信事業者とユーザー エクスペリエンスに大きなメリットをもたらし、飛躍的に向上する可能性があります。
• 柔軟な数値学: - 4G とは異なり、5G NR の物理設計には大幅な変更があり、さまざまな要求に対処したり、次のような ITU の多様な想定目標を満たすために、基本的な送信が物理層でどのように処理されるかという点で非常に柔軟です。高スループット、超低遅延など。
• アンテナ技術: - ビームフォーミングや大規模 MIMO などのアンテナ技術は、複数のアンテナ要素を備えた 5G で多用されます。ビームフォーミングはカバレッジを強化する一方で、Massive MIMO はシステム容量またはセル全体のスループットを最大化するのに役立ちます。

導入戦略、課題、今後の方向性

NR 導入の初期段階では、3.5 GHz (または 28 GHz) が NR に使用され、NR のカバレッジ エリアは LTE のカバレッジ エリアよりもはるかに小さくなります。 NR はより高いデータ レートのサービスを提供でき、LTE を使用してコントロール プレーン (CP) データを搬送してモビリティを確保できます。また、NR はユーザー プレーン (UP) データを搬送してスループットと容量を向上できます。 NSA DC では、UP 上のアップリンク サービスとダウンリンク サービスはそれぞれ LTE と NR で伝送されます。 LTE アップリンク カバレッジは、NR によって提供される不十分なアップリンク カバレッジを補うために使用できるため、LTE の低帯域と NR の中帯域または高帯域は相互に補完できます。

NR の展開は NSA オプション 3x に基づいて簡単に加速できますが、セルラー技術の進化は新たな課題をもたらし、5G NSA も私たちが直面する可能性のあるいくつかの問題に無縁ではありません。重要な課題の 1 つは、デュアル接続でのダウンリンク接続とアップリンク接続を管理することです。アップリンクの EN-DC バンドの組み合わせ B3+n78、ここではバンド 3 とバンド n78 は連携しておらず、高調波の問題や Inter Modulation Distortion.の結果として大きな干渉に対して脆弱になります。干渉の問題を克服する解決策はほとんどありません。解決策の 1 つは RF フィルタリングを追加することですが、OEM への追加コストと厳格なフィルタ要件を考慮すると、このオプションは魅力的ではありません。もう 1 つの有望なオプションであり、多くの議論が行われているのは「Single uplink operation」です。この動作では、デバイスの全電力が必要なセル エッジで同時に送信するのとは異なり、いかなる場合でも LTE または NR で 1 つのアップリンク送信のみが行われます。ネットワークは、TDM (Time Division Multiplexing) スケジューリング パターンを定義することによってアップリンク上の送信をアンカーおよびガイドするため、UE は LTE と NR の間で切り替えを続け、いつでも 1 つのアップリンク送信にのみ全電力を割り当てることができます。

もう 1 つの重要な課題は、UE の Tx 電力が 2 つのリンク上の LTE と NR の間で分散されるため、Dual Connectivityによって引き起こされるアップリンク カバレッジとアップリンク Tx 電力管理の損失です。電力管理の開始点は、UE の最大 Tx 電力、つまり 23 dBm を 2 つのリンク、つまり各リンクで 20 dBm に分割する等電力共有技術です。ただし、LTE の最大電力が現在より低いレベルに固定されており、したがって 3dB の UL カバレッジ損失が発生するため、この手法は効果的ではない可能性があります。 LTE はコントロール プレーン トラフィックを伝送する NSA のマスター ノードとなるため、この 3dB 損失はカバレッジとシステム全体のパフォーマンスに影響を与えます。

もう 1 つの効率的な技術は、Dynamic Power Sharing(DPS) です。この技術では、デュアル接続がアクティブになり、23dBm の UE Tx 結合電力の上限を考慮して電力が動的に割り当てられ、より多くの電力が LTE に割り当てられ、NR に集中したままになります。この機能は UE の機能であり、Single Uplink Operationとは異なり、ネットワークへの依存性が最小限に抑えられています。

上記の技術に基づいて、干渉が主な懸念事項の場合は単一アップリンク動作を導入し、セル エッジでのアップリンク スループットとカバレッジが主な懸念事項の場合は動的電力共有を導入することをお勧めします。動的電力共有は、セルエッジで SUO よりも 30% 優れたアップリンク スループットを提供し、カバレッジの中核では両方の機能のパフォーマンスが同等であることが期待されます。

コントロール プレーンは LTE に残り、NR でのハンドオーバーは緊密なインターワーキングを通じて LTE と適切に調整する必要があるため、NSA のモビリティもまた重要な課題の 1 つです。したがって、ハンドオーバー プロセス全体に時間がかかる可能性があり、NR 間のハンドオーバーの遅延やHandover Dataの中断時間に大きな影響を与える可能性があります。 LTE 手順を通じてアンカーされたコントロール プレーンでの NSA NR から NR へのハンドオーバーの遅延は、従来の LTE 周波数内ハンドオーバーの 60 ～ 100 ミリ秒と比較して、75 ～ 300 ミリ秒の範囲になる可能性があります。遅延が大きくなるのは、4G 無線と 5G 無線間の緊密な相互作用に起因します (たとえば、LTE ハンドオーバーには NR セルの変更が必要になる場合があります)。

上で議論したすべての課題は NSA の種類の導入に関連しており、これらは、上で議論した 5G Radio Accessと 5G コアによってもたらされる動機を考慮すると、世界中のほぼすべての通信事業者の最終目標であるスタンドアロン システムを検討する十分な理由と動機を与えてくれます。

非スタンドアロン展開からスタンドアロンへの移行は段階的に行うことができ、カバレッジの側面を改善するために追加の機能が必要になる場合があります (例: 低帯域で動作するスタンドアロン)。

NR 普及の基盤を構築し、より広いカバレッジまたは可用性を実現するには、Dynamic Spectrum Sharing (DSS) が重要な役割を果たすことになります。Dynamic Spectrum Sharingの目的は、スペクトルの低帯域に NR 用のスペースを作成することです。新しいテクノロジーはすべて、より広範な展開のために通信事業者の既存のスペクトル チャンクにスペースを必要とします。これは前世代のテクノロジーでも行われていましたが、より静的な方法で行われ、これは「スペクトル リファーミング」とも呼ばれます。スペクトルのリファーミングには通常、技術面と商業面の両方から多くの計画が必要であり、スペースを作成するのに数年かかる場合もあります。さらに、多様なユーザーベースと要件が存在する新興市場では、複雑さが増します。動的スペクトル共有により、LTE と NR の 2 つのテクノロジーが同じ帯域内で、より低い帯域での動作と共存できます。NR はすぐにカバレッジを向上させ、ネットワークをより広範囲に浸透させることができ、通信事業者は 5G の可用性を確保できます。

Dynamic Spectrum Sharingを実装するにはさまざまな方法があります。帯域幅チャンクをそれぞれ LTE および NR 専用にすることも、帯域 (FDD または TDD など) に応じて、全帯域幅または部分帯域幅の両方で動的に共有することもできます。

High spectrum効率とカバレッジの向上とは別に、Dynamic spectrum sharingには、進化に大きく貢献する別の側面、つまり、Voice over NR があります。音声は常にあらゆるテクノロジー製品の不可欠な部分であり、音声エクスペリエンスのシームレスなカバレッジを提供するために重要です。カバレッジが広く利用可能であることを確認することが重要であり、Dynamic spectrum sharingは音声の種類のサービスの基盤を構築し始めるところです。

要約: 5G ネットワークの展開はどのように展開されるのでしょうか?

NR 導入の開始点は、主にミッドバンドでのDual Connectivityに基づく非スタンドアロン システムに基づき、eMBB のみを対象とした NR 導入を加速します。これにより、NR により追加の帯域幅がもたらされるため、既存のシステムの容量が迅速に向上します。Dual Connectivityと干渉の問題という主要な課題のいくつかに対処することが重要であるため、Single Uplink Operation 動作やDynamic Power Sharingなどの機能が重要な役割を果たすことになります。第 2 フェーズでは、低帯域に NR を展開して NR のフットプリントを増やすことが非常に重要になります。ここで、Dynamic spectrum sharingなどの機能が非常に重要な役割を果たします。これは、かなりの程度まで、スタンドアロン 5G でシームレスに音声を提供するための VoNR 導入。導入のその後の段階では、キャリア アグリゲーションによって中/高帯域を低帯域と統合することが重要になります。これにより、容量とカバレッジの両方が確保され、システム全体が非スタンドアロン システムからスタンドアロン システムに移行できるようになります。が 5G 導入の最終目標です。 5G コアと RAN によって非スタンドアロン システムからスタンドアロン システムに移行する多くの動機と利点があり、eMBB 以外の他のユースケースも可能になり、通信事業者にとって全体的な移行が魅力的になります。