第5世代 (5G) 技術規格は、ここ何年も継続的に進化し続けています。3GPP Release 16の標準化と、ITUが3GPP 5G New Radio (NR) 標準が2015年に最初に設定されたIMT-2020標準を正式に満たしているとみなしたことで、5Gに向けた技術的な飛躍ははるかに容易に実現できると思われます。
IMT-2020標準で設定された主要業績評価指標 (KPI) の達成に向けて活用される高度なプロトコル、無線テクノロジ、インフラストラクチャ強化は数多くあります。この記事では、5Gバックホールと、特定のgNBタイプおよびバックホール テクノロジーを通じてレイテンシとスループットの要件をどのように達成できるかに焦点を当てます。
5Gの目的は何ですか?
最も基本的な形では、5Gの目標は、明らかな障害にもかかわらず、ユーザーにシームレスな接続性を提供することです。これらの障害はシナリオによって異なりますが、都市環境では、使用されているスペクトル内での混雑や干渉が発生する可能性があります。田舎の環境では、地元の基地局に到達できないため、全般的にアクセスが不可能になる場合があります。また、HDビデオ、拡張現実/仮想現実 (AR/VR)、自動運転、タッチインターネット (TI) の使用など、大量のデータを消費するストリーミング アプリケーションによる接続が遅くなる可能性もあります。別のユースケースとしては、機械設備を滞りなく追跡/監視するために、何千ものセンサー ノードからデータを受信しようとする産業用アプリケーションも考えられます。
上記のシナリオにはすべて、基地局のアーキテクチャ、バックホール、スペクトルの使用に関するそれぞれの設計上の考慮事項が伴います。このため、公開された設計パラメータと標準の多くは、5Gの主要なパフォーマンス パラメータを中心に展開されます。KPIは、さまざまな5Gユースケースの公称値と上限値を形成します。ユースケースは通常、次のように定義されます。
- • 拡張モバイルブロードバンド (eMBB)
- • 超信頼性低遅延通信 (uRLLC)
- • 大規模マシン型通信 (mMTC)
さまざまな種類のストリーミング（オーディオ、ウェブ閲覧、ソーシャルメディア、ソフトウェアのダウンロードなど）のうち、ビデオストリーミングは2024年までにモバイルデータトラフィックの74％を占めると予想されています。 [1]。さらに、2023年までに世界の人口の70％がモバイル接続を持ち、ネットワーク接続されたデバイスの数は2018年より60％以上多い300億近くに達すると予測されている。 [2]。このため、eMBBの使用例のシナリオは、高容量にもかかわらず、高いデータ レートの要求を満たすことに重点を置いています。
一方、mMTCは、通常、大量のデータを送受信しないため、スループットが比較的低い、数百億台のデバイスを同時に接続します。これは、接続されたモノのインターネット（IoT）デバイスの増加によるもので、2030年までに500億台のデバイスがIoT対応になると予想されています。 [3]。名前からも明らかなように、uRLLCシナリオでは、信頼性の高い低遅延通信が求められます。これは、たとえば、通信の遅延やダウンタイムによって工場のダウンタイム、機器の損傷、または人命損失のリスクが生じる医療/ウェアラブル、ミッションクリティカル (軍事)、公共安全、または工場自動化アプリケーションに適用できます。
主要業績評価指標の達成
IMT-2020（International Mobile Telecommunications-2020）は、5Gネットワークの要件を標準化したもので、2015年にITU（国際電気通信連合）によって発行されました。ただし、これはITUと他の主要な携帯電話標準化団体である3GPP（第3世代パートナーシッププロジェクト）との共同作業です。2020年7月には、ITUは3GPP 5G（リリース15および16）が5Gフェーズ1とフェーズ2の両方の要件を満たしており、IMT-2020規格の技術要件を満たすことが可能であると結論付けました[4]。IMT-2020で設定された5Gの一般的なKPIは、 図1に示されています。
図1: 5Gの要件。
5G KPIを満たすために開発された技術的な改善やマイルストーンは数多くあります。図2 には、3GPPの機能強化の一部と、さまざまな無線の側面とシステムの側面が、すべての業界のニーズと3つの主要なユース ケースを満たすのにどのように役立つかが示されています。
図2: 3GPP Rel-16 [4]による垂直産業統合。[画像提供: ITU]
5Gを実現する主要な技術
大規模MIMOやミリ波スペクトルの使用など、さまざまなユースケースで5G KPIを可能にする主要な技術的「柱」がいくつかあります。さらに、非スタンドアロン (NSA) 5Gにおける5G新無線 (NR) による現在の4Gインフラストラクチャの拡張は、最終的に真の5Gを実現するための重要な段階です。これらのテクノロジーと5Gインフラストラクチャへの実装について詳細に説明することは、この記事の範囲を超えています。ただし、さまざまな5G gNBを5GCに接続することは、スループット、レイテンシ、スペクトル効率の要件を満たす上で重要な課題の1つです。ここで、5Gバックホール アーキテクチャが重要な役割を果たします。バックホール構造のタイプは、いくつかのパラメータによって異なります。図3 は、5Gインフラストラクチャ官民パートナーシップ（5G-PPP）が基本的なKPIを評価し、6つの主要なユースケース（高密度都市、ブロードバンド、コネクテッドビークル、スマートオフィス、IoT、TI）を分類するために使用する基本的な範囲を示しています[5]。
図3：さまざまな5Gユースケースで考慮すべきパラメータ[5]。
5Gバックホールの要点：機能分割
3GPP次世代無線アクセス ネットワーク (NG-RAN) アーキテクチャは、5G NR基地局 (gNB) の機能が集中ユニット (CU) と1つ以上の分散ユニット (DU) に分割され、さらに別の無線ユニット (RU) を追加できる分散型ネットワーク トポロジです。
通常、CUは非リアルタイム プロトコルを処理し、DUは特定のアプリケーションの低遅延ニーズを満たすためにPHYレベルのプロトコルとリアルタイム サービスを処理することを目的としています。展開シナリオは、基地局とモバイル ネットワーク オペレーター (MNO) の種類によって異なります。それぞれのケースでは、フロントホール、ミッドホール、バックホール ネットワークが異なります。表1 に、RAN展開シナリオのさまざまなトポロジを示します。それぞれの場合、フロントホールまたはミッドホール ネットワークの使用は、展開の種類によって異なります。たとえば、ホットスポットまたはスモール セルには、フロントホールやミッドホールがなく、5GCへのバックホールのみが存在する統合RU、DU、CUが存在する可能性があります。
表1: RANの展開シナリオ
図4 に示すように、gNB内の機能分割は、ネットワーク システム内の機能層を示すモデルであるオープン システム相互接続 (OSI) モデル内の低層分割 (LLS) または高層分割 (HLS) のいずれかになります。HLSは通常、LLSよりも低遅延で高スループットの通信を可能にします。PHY内分割、つまり物理層内の機能分割には、キャリア アグリゲーション (CA)、ネットワーク マルチ入力マルチ出力 (MIMO)、協調マルチポイント (CoMP)、デュアル接続 (DC) などのNR機能をサポートできるという利点があります。従来、CPRIプロトコルは、ベースバンド ユニット (BBU) とリモート ラジオ ヘッド (RRH) 間の通信をサポートするために使用されていました。ただし、CPRIはPHY内分割を備えたgNBでは拡張できないため、フロントホール (RUとDU間の通信) の機能分解をサポートするために、拡張CPRI (eCPRI) プロトコルが標準化されました。
図4: CU機能とDU機能間の分割ポイント。(a)高層分割、(b)低層分割、(c)カスケード分割[6]。[画像提供: ITU]
物理層におけるこれらの機能分割には上位層からの調整が必要であり、レイテンシ要件が非常に厳しくなります。例えば、3GPPは、放射領域におけるこれらの信号のフレームが時間的に完全に整列していないため、特定の構成/伝送モードにおける2つのNR信号間の最大タイミング差である時間アライメントエラー（TAE）に、これらのNR信号に対して100ナノ秒程度の制限を設定しました。 [7]。通信の最大片道フレーム遅延は25µs（uRLLC）まで低下し、エンドツーエンドの時間同期は1.5µsであるため、高度な同期が必要です。 [8]。
表2 3GPP標準に記載されているオペレータ入力に基づくさまざまな種類のバックホールの片道遅延と、サブGHzおよびmmW周波数のワイヤレスバックホールをリストします。 [9]。5Gでは、低遅延要件を満たすために、MACにあるハイブリッドARQ (HARQ) プロセスが有効になっています。このプロセスには5ミリ秒の往復時間が必要であり、これはCUとDU間の40kmのファイバー距離に相当します。 [10]。言い換えれば、スモールセル間およびスモールセルとマクロセル間の同期信号と非同期信号の両方を含む、多種多様なNR信号と使用シナリオが存在します。xhaulはそれに応じて変化する必要があり、干渉調整、CA、CoMPなどの操作を利用する小セルとマクロセルは、小セル クラスターの同期展開と調整された通信を通じて強化できます。これには、CU、DU、RU間の特定のgNB配置、特定の機能分解、およびバックホール用の適切なバックボーン (ファイバーまたはワイヤレス) が必要です。
表2：バックホール技術とそれぞれの片道遅延およびスループット[9]。
バックホール技術の選択: 光ファイバーか無線か
5Gがシームレスな接続を実現するために無数の無線テクノロジーとスペクトル空間を活用するのと同様に、フロントホール、ミッドホール、バックホールのインフラストラクチャも有線テクノロジーと無線テクノロジーの間で柔軟です。エリアと使用シナリオに応じて、既知のサイト構成と利用されるgNBの種類があります。表3に示すように、これは小セルまたはマクロセルの間で変化する可能性があり、gNBはmmWスペクトル、5G MIMOを活用できるほか、eNB[11][12]となることもあります。密集した都市環境では、低遅延通信のために短い伝送距離で5GCにファイバー アクセスする大規模なスモール セル インフラストラクチャを通じて、高い容量を確実に実現できます。郊外や田舎の環境ではアクセス性に大きな問題がありますが、このような場合、マクロセルを介した無線バックホール、さらに最近では静止軌道 (GEO) 高スループット衛星 (HTS) または低軌道 (LEO) コンステレーションを使用した衛星バックホールによって高いデータ レートを実現できます。
表3: さまざまなカバレッジエリアとそれぞれのパラメータ[11][12]。
いずれにせよ、5Gでは、マイクロ波およびミリ波バックホールのオプションを備えた深層ファイバー設備の増加が必要になります。ABIの調査によると、ファイバー バックホールは2025年までにマクロセルのバックホール リンクの39.6% にまで成長し、マイクロ波バックホールはその市場シェアの45.1% を占める予定です。3番目に大きいと予測されるバックホール技術は、ミリ波バックホールで6.1%です。5Gの初期段階では、ファイバーの導入はコストと時間の面で困難になることがよくあります。このため、統合アクセス バックホール (IAB) は3GPPリリース16標準の一部として指定されました。このタイプのバックホールは、すでに確立されているgNB (スモールセル、固定無線端末、マクロセルなど) を利用して、同じまたは異なる周波数帯域を使用して、一連のホップを通じて信号をバックホールします。
バックホールによる5Gの遅延、スループット、距離要件の達成
長距離や信号障害物を越えて5Gのスループットと遅延の要件を満たすには、ファイバーとワイヤレスxhaulを慎重に使用することが不可欠です。この複雑な問題は、IAB、マイクロ波バックホール、ミリ波バックホール、gNBのLLSまたはHLSのフロントホールまたはミッドホール (またはその両方) の選択など、さまざまな手法とテクノロジーによって解決されます。
一般的に、人口密度の高い都市環境では、バックホールと接続にファイバー スモール セルが多用されますが、地方の環境では、ミリ波またはマイクロ波の無線リンクを介した無線接続に依存します。
参考文献
- https://www.ericsson.com/491e34/assets/local/mobility-report/documents/2018/ericsson-mobility-report-november-2018.pdf
- シスコ。「年次インターネットレポート（2018～2023）ホワイトペーパー」2020年3月。
- https://www.statista.com/statistics/802690/worldwide-connected-devices-by-access-technology/
- https://www.itu.int/en/ITU-T/Workshops-and-Seminars/201807/Documents/3_Erik_Guttman.pdf
- 5G PPP、「バージョン1: 5G PPPのユースケースとパフォーマンス評価モデル」
- ITU-T GSTR-TN5G、「トランスポートネットワークサポートIMT-2020/5G」。2018年2月。
- 3GPP、「TS 38.104 V16.5.0:技術仕様グループ無線アクセスネットワーク; NR; 基地局(BS)無線送信および受信」。3GPP、2020年9月。
- ITU-T G.8271、「パケット ネットワークにおける時刻同期のネットワーク制限」、国際電気通信連合、2017年10月。
- 3GPP、「TR 36.932 V16.0.0; E-UTRAおよびE-UTRANのスモール セル拡張のシナリオと要件」、Tech. Rep.、3GPP、2020年7月。
- L. M. P. Larsen、A. Checko、H. L. Christiansen、「5Gモバイル クロスホール ネットワーク向けに提案された機能分割の調査」、IEEE Communications Surveys & Tutorials、vol. 21、no. 1、pp. 146-172、2019年第1四半期、doi: 10.1109/COMST.2018.2868805。
- 3GPP、「TR 38.913 V16.0.0: 次世代アクセステクノロジーのシナリオと要件に関する調査」。3GPP、2020年7月。
- https://www.itu.int/en/ITU-R/study-groups/workshops/fsimt2020/Documents/2-Wireless%20X-Haul%20Requirements.pdf