知っておきたいキーワード
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第55回

LTE

小 西聡†

†株式会社KDDI研究所"Introduction of LTE" by Satoshi Konishi (KDDI R&D Laboratories Inc., Saitama)
キーワード：LTE, SAE, OFDMA, MIMO，周波数スケジューリング

帯域幅まで適用可能で，かつ，高速でなお，LTEプロジェクトでは，UTRA

低遅延な無線アクセスシステムの技術とUTRANの進化ということで，それLTEという用語を聞いたことがある検討を行うことが合意されました．同

ぞれ，Evolved UTRA（E-UTRA）と読者は多いと思いますが，詳しく知ら年12月より3GPPにおいて，LTEが研Evolved UTRAN（E-UTRAN）というない方も少なくないと思います．本稿

究課題（Study Item）として承認され，名称を使用しています．

では，LTEという名称の由来からシス

正式にプロジェクトとして技術検討がテム概要，さらには，さまざまなアプ開始されました．

LTEとは？

リケーションへの対応について概説します．

ここで，UTRAやUTRANは，上記のように厳密に言うと， LTEはシステム名称や技術名称ではなく，プロジェクト名です．しかしながら，Universal Terrestrial Radio Access

LTEシステム という用語が広まっ

まずは，LTEの由来です．LTEはやUTRA Networkの略称であり，そていることから，本稿でも LTEシス

Long Term Evolutionの略であり，もれぞれ3GPPで技術標準仕様化されたテム という用語を使用します．ただと も と 3GPP（ 3rd Generation

3Gの無線インタフェース技術や無線し，読者の皆さんは， LTEシステム

Partnership Project）という技術標準ネットワークの名称です．これらの名とは，正確には，LTEプロジェクトで化団体の UTRA-UTRAN Long Term

称は，一般的になじみが薄いですが，技術標準化されたE-UTRAとE-Evolution というプロジェクト名がNTTドコモやソフトバンクモバイル，UTRANを指す と理解してください．

LTEという用語の発端です．第3世代

イー・モバイルが使用している

LTEプロジェクトでのE-UTRAやE-（3G）システムの長期的な進化（Long

Wideband CDMA（W-CDMA）システ

UTRANの検討と同様に，パケット交Term Evolution）を目指して，3GPPムに相当します．ちなみに，W-換型アーキテクチャに適したコアネッが2004年11月にワークショップを開CDMAシステムのほかに，3GPP2トワークの改良を目的とした SAE催しました．そこでは，高速パケット（3rd Generation Partnership Project（System Architecture Evolution）プ

伝送の必要性やAll-IP化の流れを鑑み，2 ）が 技 術 標 準 仕 様 書 を 作 成 し た

ロジェクト の技術検討が，2004年

パケット交換のみのシステムアーキテ

cdma2000システムも3Gシステムで12月から着手されました．SAEでのクチャを想定し，20MHzという広いあり，KDDI（ au）が使用しています．

コアネットワークを，映像情報メディア学会誌 Vol. 64, No. 8, pp. 1219〜1223（2010）（101） 1219

知っておきたいキーワード

EPC（Evolved Packet Core）

ともに，UEがeNodeB間にまたがっUEとEPCの間でベアラと呼ばれるIPと呼んでいます．また，E-UTRANとたハンドオーバ時のユーザトラヒック

パケットフローの管理や，UEの移動EPCを合わせたシステム全体をEPSデータの管理を行います．MMEは，管理などを行います．

（Evolved Packet System）と呼んでいます．
LTEやSAEでのインタフェースや構

IMS, Internet

成要素を図1に示します．E-UTRAN
EPC

はeNodeBのみから構成されているの

S−GW

P−GW

MME

に対し，EPCには，P-GW（PacketData Network Gateway）やS-GW（Serving Gateway），MME（Mobility
Management Entity）といったノードEPSが存在します．P-GWは，外部のIPネットワークとのインタフェースを担当

User Plane
Control Plane

するため，ユーザ端末（以下，3GPPの用語である UE: User Equipment

eNodeBを使用）へのIPアドレスの付与のほか，
E−UTRANサ ー ビ ス 品 質（ QoS: Quality ofE−UTRA

S e r v i c e ）の 制 御 ， W i M A X やUE

cdma2000など3GPP以外のシステムとのインタワークも担当します．SGWは，P-GWとeNodeBの間のユー

図1 LTEとSAEでのインタフェースと構成要素

ザトラヒックデータの送受信を行うとLTEシステムの商用サービス波数が，各社に割当てられました．4

います．表1に示すように，日本では，社とも上りリンクと下りリンクが異なNTTドコモが2010年末に商用サービ

北欧の通信事業者であるTeliaSonera

る周波数帯を使用する，周波数分割複スを開始する予定であり，他の三社もが世界で初めて，2.6GHzを用いた信方式（FDD: Frequency Division

順次LTEシステムの商用化を進める予LTEシステムの商用サービスを2009

Duplex）を採用するため，表では一社定です．

年12月14日よりスウェーデンのストにつき二種類の周波数帯が記載されてックホルムとフィンランドのオウルで開始しました．
日本では，NTTドコモ，KDDI，ソ

表1 LTE導入予定の日本の通信事業者に割当てられた新たな周波数帯事業者

イー・モバイル

NTTドコモ

ソフトバンクモバイル

フトバンクモバイル，イー・モバイル

周波数帯域幅［MHz］

10151010の4の通信事業者がLTEの導入を表明

周波数帯［MHz］

1427.9〜1437.9，1475.9〜1485.9

1437.9〜1447.9，1485.9〜1495.9

し，表1に示すように，2009年6月に，総務省から1.5GHz帯と1.7GHz帯の周1220 （102）LTE導入時期

1749.9〜1759.9， 1447.9〜1462.9，
1844.9〜1854.9
1495.9〜1510.9
2012年以降

2010年12月

未定KDDI2012年12月

映像情報メディア学会誌 Vol. 64, No. 8（2010）

LTE

LTEシステムの概要

リソースブロック単位で無線リソース加量を， 周波数スケジューリング利を割り当てます．これは単に，同時に得 と呼びます．周波数スケジューリ

3GPPでは，システムの技術標準仕複数のUEに対して無線リソースが割ング利得は評価対象のセルラ環境や無様化をReleaseという用語で区分して当てられるため，複数のUEが同時に線リソースの割当アルゴリズムによっいます．俗に，LTEシステムの技術標通信できる，ということになりますが，て異なりますが，スループット全体で準仕様は，E-UTRAとE-UTRAN用の実はそれだけではありません．マルチは，約20〜50%の利得が得られます．

Release 8（Rel-8）とRelease 9（Rel-パスによって， UEごとに周波数軸で次に，MIMOについて簡単に説明し9）の仕様書の内容を指します．なお，のSINR（Signal to Interference andます．図4に示すように，MIMOは，同Rel-9は，Rel-8のマイナーチェンジとNoise Ratio）が異なるため，UEごと一の無線リソースを用いて，複数の信いう位置づけであり，Rel-8とRel-9のにSINRの良いリソースブロックを割号を同時に送受信する技術です．この技術標準仕様はそれぞれ，2009年3当てることが可能になります．この結ためには，複数の送受信アンテナに加月と2010年3月に確定しました．

果，ユーザにとっても，システムにとえて，複数信号を同時に送受信するたっても効率の良いシステム運用が実現めの送受信機での信号処理が必要でできます（図3）．

す．一般的に，一つの送信機から一つLTEシステムの特徴的な要素技術
は，OFDMA（Orthogonal Frequency
Division Multiple Access）とMIMO

ちなみに，既存のCDMAを用いたの受信機に対して一つの無線リソース（Multiple Input Multiple Output）で3Gシステムでは，全帯域を時間単位を用いて複数の信号を送信すると，信す．以後はこの二つの技術について簡でUEに割当てる 時間スケジューリン号同士が互いに干渉し合い，送信信号単に説明します．

グ のみでした．しかし，LTEシステを正しく受信できなくなります．このまず，OFDMAは，デジタル放送でムでは，OFDMAを用いることで，時ような事象を避けるためには，送信さも使用されているOFDMを，複数のユ間スケジューリングのみならず，周波れた信号を分離する必要があり，送受ーザが同時に送受信できるよう拡張さ数軸方向の 周波数スケジューリング

信機の情報交換と送受信機での信号処れたものです．図2に示すように，という，2次元の無線リソース割当が理が必要となります．具体的には，ZF

LTEシステムでは，OFDMAのサブキ可能になり，無線リソース割当の自由（Zero Forcing）やMMSE（Minimumャリヤを，リソースブロックと呼ばれ度も高まります．

Mean Square Error），MLD（Maximumる12サブキャリヤからなる無線リソ

このように，周波数スケジューリンースの割当単位に分割し，UEには，グによって得られるスループットの増

1 サブフレーム＝1 ms

用いたPrecodingなど，W−CDMA, CDMA2000,などのCDMAシステム

1 スロット＝0.5 ms
1 リソースブロック＝12サブキャリヤ＝180 kHz

Likelihood Detection），Codebookを

回線品質
良い

回線品質が悪いけど，パケット伝送遅延が増えるから，送るか．．．

時刻
UE#1

UE#3 UE#5
UE#2

UE#4

時間
UE#5

周波数

UE#1

良い環境で送信できてラッキー！

周波数軸上にも選択肢があるんだね．
よかった，よかった〜

LTE システム
回線品質
良い

周波数

図2 LTEの無線リソース割当例

時間
無線リソースの探索空間
CDMA システム：時間軸方向のみ
LTE システム：時間軸方向＋周波数軸方向⇒ 選択肢が増加 ＆ 高効率の無線リソース割当が可能！
・・・ 周波数スケジューリング利得 により，ユーザ端末とシステムの両方にとってハッピー！

図3 周波数スケジューリング利得（103） 1221

知っておきたいキーワード

信を実現するためには，信号分離しやすい条件が必要であり，その条件の一複数のアンテナから複数の変調信号を同時に送受信つがSINRです．前述のように，OFDMAでは，UEごとに高いSINRを選択するため，MIMO通信を実現しやすくなるのです．また，OFDMAで用いるガードインタバル（あるいはサイクリックプレフィックスとも言う）が，MIMOによる複数信号の並列伝送の実

図4 MIMOの概念図

現に必要な マルチパス環境 によって生じる，伝送シンボル間の干渉を緩さまざまな方法があります．紙面

このMIMO技術は，OFDMA技術との都合上，詳細は割愛しますので，興無関係なようですが，そうではありま以上のように，MIMOとOFDMは，非味のある方は参考文献をご覧ください．

せん．MIMOを用いて複数信号の送受常に優れた技術の組合せだと言えます．

件を想定します．この場合，このUE列に送信できたとしても，前述のの物理層での最大伝送速度は，下りリ73.7Mbpsや36.7MbpsというスルーLTEシステムの性能和することも挙げられます．

一般的に，使用可能な周波数帯域幅ンク（eNB→UE）では73.7Mbpsとな

プットは，カバレッジエリア内の複数は，国や地域，通信事業者によって異ります．一方，上りリンク（UE→eNB）のUEで分け合うことになります．こなります．LTEシステムは，多くの通では，LTEではMIMOが動作しない仕のほかにも，UEの伝送能力にも依存信事業者が使用しやすいよう，1.4，様となっているため，前述の理想的なします．LTEシステムの技術標準仕様

3，5，10，15，20MHzという，さ環境でも36.7Mbpsとなります．

では，UEを1〜5のカテゴリーに分類まざまな帯域幅に対応可能です．

しかし，実際にユーザが体感するスしています．例えば，表2に示すよう

OFDMAの利点である，さまざまな帯ループットが，上記の理想値に達するに，カテゴリー2のUEの最大伝送速度域幅への適用性のほか，LTEシステムことは極めてまれです．一つ目の理由

は下りリンクが51Mbps，上りリンク

では，帯域幅によらずに，制御チャネは，上記のような常に二つの伝送信号が25Mbpsです．したがって，たとえルの周波数帯を共通化しています．こを送信できるような理想環境ではない

セルカバレッジ内に存在するUE数がれによって，ユーザが他の地域に移動からです．二つ目の理由は，セルのカ一つであり，かつ，そのUEが理想環し，帯域幅が異なる通信事業者でもす

バレッジエリア内に複数のUEが存在境にいるとしても，下りリンクでは，ぐに通信可能となります．また，同一する場合，無線リソースを複数UEで73.7Mbpsというシステム上の最大ス

通信事業者内でも，基地局によって帯共有するためです．たとえ，すべてのループットを得られない，ということ域幅を変えることが可能です．

UEが二つの伝送信号を，誤りなく並に注意が必要です．

MIMO通信によって得られるスループットは，送受信アンテナ数や通信環境によって大きく異なります．例えば，

表2 UEカテゴリーごとの対応機能

送受信アンテナ数がそれぞれ2本ずつUE
下りリンクのアンテナ構成 下りリンクの最大 上りリンクの64QAM 上りリンクの最大カテゴリー （基地局送信アンテナ数× 伝送速度［Mbps］対応/非対応
伝送速度［Mbps］
端末受信アンテナ数）の， 2×2 MIMO のシステムを想定します．この場合，2×2 MIMOによ

11×2

10.296非対応

5.16って，二つの伝送信号を誤りなく並列

22×251.024

非対応

25.456伝送可能という理想的な環境と，セル

32×2102.048

非対応

51.02442×2150.752

非対応

51.02454×2302.752

対75.376

カバレッジ内に非常に高いSINRを有応するUEが，1台のみ存在するという条

1222 （104）

映像情報メディア学会誌 Vol. 64, No. 8（2010）

LTE

LTEシステムのQoS管理と共有するようなアプリケーションのています．また，従来のセルラシステ普及が期待されます．

ムでは，音声通信は回線交換型のアーアプリケーションの普及や進化にこのほか，携帯電話の特徴を活かしキテクチャを採用していましたが，は，伝送速度の向上が不可欠です．こた位置情報サービスやナビゲーション

LTEシステムでは，パケット交換型アれまでも，EメールからWeb閲覧，ビサービスなども，スマートフォンのよーキテクチャであるため，LTEシステ

デオストリーミングというように，有うな携帯端末画面の拡大や端末性能のムで音声サービスを提供する場合は，線回線の伝送速度が上昇するにつれ向上によって，ますます便利になるでVoIP（Voice over IP）を使用する必要て，高速かつ低遅延のサービスやアプしょうし，携帯電話ならではの新たながあります．VoIPでも，従来の回線リケーションが普及しています．一般サービスへの期待が高まります．

交換型の音声通信以上の品質確保を目的に，無線回線の伝送速度は，有線回さまざまなサービスが混在するシス

指して，VoIP用のQCIとして，100ミ線よりも遅いのですが，LTEシステムテムで重要となるのが，QoSです．

リ秒の許容パケット遅延時間と，10−によって，有線回線に引けを取らない

LTEシステムではさまざまなサービス2伝送速度が期待できます．このため，品質を満足できるよう，9種類のQoSれています．なお，VoIPでは，短いこれまで以上に，ビデオ配信やオンラクラスを設定できます．具体的には，パケット長が周期的に発生します．もインゲームの普及が予想されていま

QoSク ラ ス ID（ QCI: QoS Classし，パケットごとに無線リソース割当す．また，従来はどちらかというと，Identification）ごとに，パケットの許情報を通知すると，制御チャネル量が上りリンクよりも下りリンクの伝送速

容遅延時間と許容誤りロス率，さらに，増大します．これを避けるため，LTE度を重視していましたが，LTEでは，QCIの優先度（1〜9）を定義できます．

システムでは，Semi-Persistent

上りリンクの高速化に伴い，例えば，3GPPの技術標準仕様書では，Scheduling（SPS）と呼ばれる，周期YouTubeやSNS（Social Networking

Real Time Gaming用として，50ミリ的にパケットが発生するトラヒックにService），ツィッターのような，ユー秒の許容パケット遅延時間と，10 −3適した無線リソース割当が可能になっザがコンテンツを作成し，他のユーザの許容パケット誤りロス率が記載されています．に向けた検討が進められており，2010のさらなる高速化が実現するため，屋

年12月に，技術標準仕様書の初版が完外でも光ファイバ通信にひけをとらな成する予定です．LTE-Advancedシス

い無線通信環境が期待されます．

LTEの発展型〜LTE-Advanced〜
LTEシステムの発展型として，LTE-

テムは，最大100MHzの帯域幅やAdvancedシステムの技術標準仕様化

MIMO高度化などによって，伝送速度参考

文の許容パケット誤りロス率が記載さ（2010年5月6日受付）

こ に し献さとし小西

1）S. Sesia, I. Toufik and M. Baker: "LTE - the UMTS Long TermEvolution", John Willy and Sons Inc.（2009）2）服部武，藤岡雅宣： HSPA+/LTE/SAE教科書 ，インプレス
R&D（2009）
3）E. Biglieri, R. Calderbank, A. Constantinides, A. Goldsmith, A.
Paulraj and H.V. Poor: "MIMO Wireless Communications",
Cambridge University Press（2007）

聡 1993年，電気通信大学大学院博士
前 期 課 程 修 了 ． 同 年 ， 国 際 電 信 電 話（ 株 ）（現，KDDI（ 株））入社．1995年より，同社研究所（現，（株）KDDI研究所）にて，衛星通信や固定無線通信，セルラーシステムなどの無線通信システムに関する研究開発に従事．現在，（株）KDDI研究所無線通信方式グループリーダ．著書に「無線通信技術大全」（リックテレコム社，共著）．博士（工学）．

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