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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
®
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今日お話しする内容
 無線アーキテクチャの基礎
 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
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無線通信とは
 無線通信
 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
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無線通信と有線通信
 有線通信
 回線を敷設ばならない
 外乱(ノイズ)の影響を受けづらい
 無線通信
 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
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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
 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
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AM変調とFM変調
出典:総務省の子供向け情報通信白書
http://www.kids.soumu.go.jp/taiken/den/03.html
 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
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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
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PSKのいろいろ
QPSK
BPSK
QPSKの信号波
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8PSK
出典:http://en.wikipedia.org/
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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
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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
 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
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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
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アロハからの展開
 Aloha
 送りたいときに送る
 Slotted Aloha
 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
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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
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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
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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
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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….
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WiMAXと802.16技術
®
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Convergence Vision
All computing devices communicate
All communication devices compute
All enabled by silicon
Any Time,
Anywhere,
Any Device
Demand
COMPUTING
COMMUNICATIONS
Innovation
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Mobility & Wireless Vision
WLAN SPOT
Intelligent,
Reconfigurable Clients
Seamless access to
all networks, apps,
& services
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WiMAXの位置づけ
WAN
3G
WCDMA
GPRS
EDGE
LAN
MAN
WiMAX
*
802.16 Broadband
PAN
Wi-Fi *
UWB
802.11
<300ft.
Bluetooth
and
RFID/
TAG
The Result: Optimal Connectivity
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*Other brands and names are the property of their respective owners.
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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
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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
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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
信号レベル(dB)
サブキャリア
・・・・
周波数
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周波数
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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
 複数ノードでOFDM回線を共有
 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
ノードA
ノードN
・・・・
 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
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周波数
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Best Connected Model
Cellular
WiMAX
WiMAX
Wi-Fi*
Urban
WiMAX
Wi-Fi*
Rural
Suburbs
Urban
WiMAX complements wireless LAN
and mobile cellular networks
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Future Broadband Wireless Vision
Wi-Fi
High Throughput
Access: Business,
Backhaul & some
Residential
Mobile/
Portable
Broadband
Hotspot
Backhaul
Wi-Fi
Consumer
Broadband
Access
Wi-Fi
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WiMAX Evolution
Wi-Fi*
Wi-Fi*
Fixed
Wi-Fi*
Mesh
Backhaul
Wi-Fi*
PMP
Backhaul
Wi-Fi*
Wi-Fi*
Metrozone
Metrozone
Mobile
Nomadic
Portable
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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
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* As of November 2005
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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
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WiMAX Usage Models & Time Frames
802.16-2004 2005
802.16e 2006
Access
802.16e
2006 ……………………………………2007+
Metro
coverage
Fixed
Outdoor
Nomadic
Metrozone
WiFi
Mobility
Mobile
Fixed
Indoor
Backhaul
Enterprise
Campus Piconet
Wi-Fi* Hotspot
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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
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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
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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
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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
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