ネットワークアーキテクチャ 次世代無線通信アーキテクチャ

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1 ネットワークアーキテクチャ 次世代無線通信アーキテクチャ
ネットワークアーキテクチャ 次世代無線通信アーキテクチャ インテル株式会社　竹井　淳

2 今日お話しする内容 無線アーキテクチャの基礎 次世代無線ネットワーク
基礎の基礎 多重化方式 身近な無線ネットワーク 次世代無線ネットワーク WiMAX 前提：できるだけ高校レベルの物理および数学の知識があれば理解できるようにしゃべります

3 無線通信とは 無線通信 ＊通信と放送 電波に信号を乗せて離れた位置に存在する局の間で通信を行う
双方向 2ch必要（送りと受け） 必要な無線周波数帯域がXの場合、２Xの帯域が必要 片方向 放送型の利用 ＊通信と放送 技術は同じで適応されるルール（法律）が一般的に違う

4 無線通信と有線通信 有線通信 無線通信 回線を敷設ばならない 外乱（ノイズ）の影響を受けづらい 自由にネットワークを構築可能
移動しながらも利用が可能 ノイズとの戦い 限られた資源　＝　周波数 距離に比例して出力電力が必要となる

5 変調方式 電波に情報を乗せていく方法 波の振幅を変化させて信号を乗せる 波の周波数を変化させて信号を乗せる 波の位相を変化させて信号を乗せる
AM変調（振幅変調） 波の周波数を変化させて信号を乗せる FM変調（周波数変調） 波の位相を変化させて信号を乗せる PM変調（位相変調） 波があるかないかにより情報を送る 光通信

6 AM変調とFM変調 出典：総務省の子供向け情報通信白書
FM変調は振幅成分の変動が信号の質に影響を与えない 音質のよい放送に用いられる：FM放送

7 高度なデジタル変調方式 ディジタル通信が普及することで、複数の変調方式を組み合わせることなどにより多くの情報を運ぶことができるようになった
PM変調の多値化 BPSK→QPSK→8PSK→16PSK PM変調＋AM変調 QAM変調 16QAM→64QAM

8 PSKのいろいろ BPSK QPSK 8PSK QPSKの信号波 出典：

9 多重化方式 多重化とは 決められた道でいかに有効に使って多くの車（人）を運ぶか 決められた通信路でいかに有効に多くの情報を伝送するか
道を多くの人で効率よく共有し、さらに1台の車にどれだけ多くの人を入れるかの二つの技術により実現 通信路を複数のノードにより共有＝多重化

10 多重アクセス方式 波は周波数と時間により定義される 周波数軸と時間軸 周波数多重アクセス方式：FDMA 時間多重アクセス方式：TDMA
ノードごとに周波数を割り当てて多重化 ノードごとに走る車線をわりあてる 時間多重アクセス方式：TDMA 通信路を時間軸で区切り（スロット化）、スロットをノードに割り当てて多重化する 道路を時間軸でくぎり、走行していい部分をそれぞれの車ごとにわりあてる コード多重アクセス方式：CDMA 送信側と受信側で同期しながら利用する周波数を変えることで、同一周波数を複数の局で共有する コードが違えば、他局の信号は広く分散されたノイズに見える

11 すこし脱線 パケット通信の起源 ハワイ大学が島にまたがるキャンパスを無線ネットワークでつなぐ研究から始まる
Alohaネットワーク データをパケット化して送りたいときに勝手に送る 原始的 ぶつかったら再送 トラフィックが高くなければそれなりに使える

12 アロハからの展開 Aloha Slotted Aloha CSMA CSMA/CD 送りたいときに送る
パケットを正規化してスロットに同期して伝送 Throughputは2倍 CSMA 他の局が回線を使っているかを確認したうえで送信 さらにthroughputは向上 CSMA/CD さらに衝突の検出機能を追加 これがEthernetで利用されている通信方式

13 身近な無線ネットワーク その１ 携帯電話 昔 1G,2G ３Gと呼ばれるテクノロジーではCDMA技術が利用される １G：アナログ
身近な無線ネットワーク　その１ 携帯電話 昔 １G：アナログ ２G：デジタル回線交換 1G,2G 呼の要求に応じて周波数を割り当てる　→　FDMA ３Gと呼ばれるテクノロジーではCDMA技術が利用される ノイズに強い 多重化効率が高い

14 身近な無線ネットワーク その2 無線LAN 802.11の技術をもとに広く普及 ほとんどのノートPCは無線IFを搭載
身近な無線ネットワーク　その2 無線LAN 802.11の技術をもとに広く普及 ほとんどのノートPCは無線IFを搭載 一般的商品では到達距離が数10から100m程度 広帯域な仕様が普及し現在54Mbpsを利用できる この環境をさらに広い場所で利用できる環境への期待が高まる

15 身近な無線ネットワーク その3 地上デジタル波放送 ディジタルで復号さえできれば情報の劣化がおきない 移動環境でも受信可能（ワンセグ放送）
身近な無線ネットワーク　その3 地上デジタル波放送 ディジタルで復号さえできれば情報の劣化がおきない 移動環境でも受信可能（ワンセグ放送） 移動体にも適した伝送方式としてOFDM（直行周波数分割多重方式）がもちいられる 2011年を目標にディジタルへの完全移行を目指す いまはその移行期 片方向の放送型メディアだが、双方通信への期待が高まる

16 ここまでのまとめ 無線技術を支える要素技術の多くはインターネットの基礎技術の歴史とそれほど変わらない
パケット通信は最初に無線環境で実現 無線ネットワークは身近なメディアとなり日常生活に必要不可欠 携帯、無線LAN ネットワーク利用の方法として、利用しているメディアにかかわらず、常に同じ環境を得たいという欲求が高まる 無線LANやADSLなどで広帯域環境を知ってしまった体は、その環境を“いつでも”、“どこでも”要求してしまう さて次世代無線ネットワークはどうなるのか….

17 WiMAXと802.16技術

18 Any Time, Anywhere, Any Device
Convergence Vision All computing devices communicate All communication devices compute All enabled by silicon Demand COMPUTING COMMUNICATIONS "Convergence has happened. And it's because industry standards and high-volume silicon have made it easier for more people to use technology. As the communications and entertainment industries adopt digital technology, new uses have been created, allowing organizations and individuals to derive greater value from technology. (Paul Otellini, Fall 2004 IDF) Research and development at Intel are centered around convergence, the combination of computing platforms, communications, consumer electronics and newly created technologies to drive new business models, and ultimately new societal norms and behaviors. The future of convergence depends not only on solid foundations in silicon and micro-architecture, but on a rich ecosystem of platform components and software, and on a business and regulatory infrastructure that allows technologies to interact smoothly and reliably. From silicon nanotechnology to globally deployed applications, the breadth and depth of our research and industry collaborations uniquely position Intel to accelerate the shift to a new world of services and information access virtually anywhere, any time, and on any device Innovation

19 Mobility & Wireless Vision
WLAN SPOT Intelligent, Reconfigurable Clients Seamless access to all networks, apps, & services

20 The Result: Optimal Connectivity
WiMAXの位置づけ WAN MAN LAN PAN 3G WCDMA GPRS EDGE * WiMAX Broadband Wi-Fi 802.11 <300ft. * UWB and Bluetooth RFID/ TAG The Result: Optimal Connectivity *Other brands and names are the property of their respective owners.

21 WiMAXの技術 OFDMを多重化技術として用いるOFDMAが採用される OFDMの複数のサブキャリアを複数局で同時に利用
タイムスロットとサブキャリアの両方をトラフィックに応じてノードに割り当てる、周波数および時分割多重方式といえる もちろんOFDMを用いるため移動環境での通信にも有効 無線基地局の後ろからはIPネットワークにより構築されるIPベースの次世代MAN通信インフラといえる

22 OFDM ある決まった関係に複数の周波数にわけたキャリアを配置することで、効率よく周波数を配置できる仕組み
時間軸上で細かいデータを送ることをせずに、周波数軸に分散できる すなわち、delay、multi pathなどにつよい 今後の移動体通信では主役となっていくであろう変調方式の一つ

23 OFDM方式 (Orthogonal Frequency Division Multiplexing)
直交周波数分割多重方式 各サブキャリアの信号レベルが0になる周波数で区切られる 各信号の関数が直交関係となる 一つの周波数帯を分割し、多数の搬送波（サブキャリア）を詰め込んでデータ伝送 干渉などの通信品質低下が少ない 地上波デジタルテレビ放送,WiMAXでも採用 サブキャリア 信号レベル(dB) ・・・・ 周波数 周波数

24 OFDMA サブキャリアをグルーピングしてノードに割り当てる さらに時間スロットごとにきめ細かい割り当てを行い効率化
802.16eではサブキャリアを以下に様に配置 11.6kHz間隔 1024サブキャリア（１０MHｚBW) サブキャリア間隔の一定となる方式をSOFDMA (Scalable OFDMA)とよぶ ノードA ノードN ・・・・ ・・・・ 周波数

25 Best Connected Model WiMAX complements wireless LAN
Cellular WiMAX WiMAX WiMAX Wi-Fi* Wi-Fi* Urban Rural Suburbs Urban WiMAX complements wireless LAN and mobile cellular networks *Other brands and names are the property of their respective owners.

26 Future Broadband Wireless Vision
Wi-Fi Mobile/ Portable Broadband High Throughput Access: Business, Backhaul & some Residential Wi-Fi Hotspot Backhaul Consumer Broadband Access Broadband Wireless Strategy: Focus on mobile client end state Enable standards and interoperability Drive licensed & license exempt market development Deliver building blocks & enable platforms Wi-Fi

27 *Other brands and names are the property of their respective owners.
WiMAX Evolution Wi-Fi* PMP Backhaul Mesh Fixed Nomadic Portable Mobile Metrozone *Other brands and names are the property of their respective owners.

28 WiMAX Status WiMAX is getting market acceptance
WiMAX forum membership growth accelerating >350* Over 150* operator trialing and developing WiMAX Korea launching WiBRO services in Pusan WiBRO services will use Mobile WiMAX Certified Product when available in either late 06 or early 07 * As of November 2005

29 WiMAX Strategy One standard for wireless broadband connectivity
Drive harmonization - one global system Licensed & license-exempt spectrum reform New business opportunities for portable & mobile broadband services New solution for emerging & rural markets

30 WiMAX Usage Models & Time Frames
802.16e 2006 802.16e 2006 ……………………………………2007+ Metro coverage Access Mobility Fixed Outdoor Nomadic Metrozone Mobile Wi-Fi Fixed Indoor Backhaul 802.16e – Benefits: High Speed Data/Voice 2 to 11Ghz, licensed and unlicensed Up to 75Mbps Up to 30 Miles, non-line-of-sight QOS for voice, video and differentiated service levels Scalable to 1000’s of users with a single basestation Intel R&D Efforts: Industry leading effort to develop the next generation standards and technology for broadband wireless access Broaden system learnings to to enable coherent client and system architectures Establish a comprehensive framework to support multi-radio platforms Enterprise Campus Piconet Wi-Fi* Hotspot

31 WiMAXが実現すること 携帯電話網とWiFiが実現する利用環境をMixしたような環境が実現する
帯域、スピード 利用範囲 移動性 IEEE802技術を元にするため世界中での展開が期待される 同一の周波数帯域を利用 世界中で同一のハードウエアにてサービスを利用できる ネットワークサービス事業者と端末販売が独立して行われる可能性がある 携帯電話：携帯電話事業者が販売 WiFi：だれでもが端末を販売できる

32 まとめ 無線も有線もディジタル多重化および変復調技術は共通のものが利用されている 移動環境をサポートする無線技術への社会からの期待は大きい
技術の進歩は日々進み、それは無線技術でも同様に進歩している 個々のメディアがお互いに補完しあい、シームレスな通信環境を提供する時代が見えてきた 新たな社会的要求にこたえる技術が実現されつつあるが、それに同期した制度、政策の変化も必要とされている

33 無線ネットワークアーキテクチャを 考える場合の課題
技術的方式について 高効率 共存性 世界標準技術 周波数政策 International governance ITU-R region 1,2 and 3 National governance Spectrum as commons Open architecture

34 課題 電話ネットワークのアーキテクチャは端末を開放することで新しい世界が開けた
無線ネットワークで同じように端末を利用者に公開することでメリットが得られるであろうか？ 得られるとすればそのメリットとそこまでのシナリオを述べよ 無理な場合にはなぜそれが無理なのかを述べよ