f rom NTTドコモ Xiフェムトセルの開発 モバイル通信に対する需要の急激な増大に伴い，サービスエリアの迅速な拡大が急務となっています．NTTドコモは2012年 11月にW-CDMA（Wideband Code Division Multiple Access）およびLTE（Long Term Evolution）の両方式に対応し た超小型基地局装置を開発し，同年12月から運用を開始しました．本装置は汎用ブロードバンド回線を用いることができ，かつ 運用パラメータを自動的に設定するプラグアンドプレイ機能を具備しており，サービスエリアの経済的かつ迅速な拡大を可能と します． Xiフェムトセルの開発 スマートフォンの普及と動画などのマルチメディアコ ンテンツの拡充に伴い，モバイル通信の高速化に対する ち な み，10の15乗 分 の1を 表 す 単 位 で あ る フ ェ ム ト （Femto）を用いて呼称されます． ■迅速かつ経済的な通信エリア構築 マクロセル基地局の設置には，基地局装置以外にも鉄塔， 需 要 が 増 大 し て い ま す． こ れ に 対 しNTTド コ モ で は， 屋外収容箱，アンテナといった比較的大規模な設備が必要 W-CDMA（Wideband Code Division Multiple となるため，設置場所は限定されます．このため，屋外の Access）方式を用いた通信サービス「FOMA」と比較し マクロセル基地局からの到来電波の電力が微弱であり，エ 周 波 数 利 用 効 率 ＊1 が 高 いLTE（Long Term Evolution） リア品質を十分に確保できない屋内エリアが局所的に生じ 方式を用いた「Xi」（クロッシィ）を2010年12月より提 ます． 供しています． NTTドコモでは，このような屋内のエリア化用に，該 ここで，通信容量の増大を目的とした小セル化や電波の 当施設内に変復調や電力増幅機能を備えた装置（子局）を 不感地帯の低減を目的としたきめ細やかなエリア構築に 設置し，保守監視機能を備えた装置（親局）を介して基地 は，装置の小型化および軽量化が必要となります．NTT 局と接続する光張り出し基地局や基地局装置からの無線信 ド コ モ は2007年 に 屋 内 のFOMA品 質 改 善 を 目 的 に， 号 を 複 数 の 屋 内 ア ン テ ナ に 分 配 し 伝 送 す るIMCS W-CDMA方式に対応した超小型基地局装置（FOMAフェ （Inbuilding Mobile Communication System）＊3といっ ．また，2009年には通信速 た設備を用意しています．しかし，これらの設備は大規模 度の高速化とともに，家庭内に設置するためのユーザ限 であり，コストの観点で小規模施設への展開は困難となる 定機能やプラグアンドプレイ（Plug and Play）機能（PnP 場合があります．また敷設にかかわる工事期間が比較的長 ）を具備した高性能FOMAフェムトセルを開発し 期となるため，迅速なエリア化が難しい場合があります． ムトセル）を開発しました （1） 機能 ＊2 ました（2）． そして2012年11月にW-CDMAおよびLTE方式の両方 一方，屋外からの電波を増幅することで屋内の電波環境 を改善する装置として，ブースタ，レピータがあります． に対応したフェムトセル基地局（Xiフェムトセル）を開発 これらはコスト，エリア化期間の観点で小規模施設への展 し，同年12月から運用を開始しました．ここではXiフェ 開に適しますが，マクロセル基地局からの到来電波の電力 ムトセルの適用領域，装置仕様，システムアーキテクチャ が基準レベル以上で届いていることが敷設の条件となりま について解説します． す．これら既存の屋内エリア構築手段に対して，フェムト フェムトセル基地局の特長 比較的大きな通信エリア（マクロセル）を構築するため の屋外基地局装置（マクロセル基地局）に対して，フェム トセル基地局は主に宅内やオフィスおよび小規模店舗と いった比較的小さな屋内通信エリアを構築する装置です． マクロセル基地局に比べて通信エリアが非常に狭いことに 46 NTT技術ジャーナル 2014.7 セル基地局はエリア化の迅速性，経済性の両観点で小規模 施設のエリア化に適しています（図 1 ）．まず，フェムト ＊1 ＊2 ＊3 周波数利用効率：単位時間，単位周波数当りで伝送できる情報ビット数． PnP機能：装置をブロードバンド回線に接続するだけで，装置の設置状 況などに応じて自動的に各種パラメータの設定および調整を行い，運用 を開始する機能． IMCS：高層ビルや地下街などの携帯電話がつながりにくい，あるいはつ ながらない場所でも通信を可能とするNTTドコモのシステム． セル基地局は広く普及している汎用ブロードバンド回線を 好な通信品質を安定して達成しやすいという利点がありま 用いてNTTドコモのネットワークへ接続でき，伝送路の す．また店舗のようにユーザが一定の場所に滞留してお 敷設コストや設置工事期間を大幅に低減できます．また， り，局所的にトラフィックの高いエリアに対してフェムト 単独でエリアを構築できるため，ブースタ等でエリア化が セル基地局を導入することで，これまではマクロセル基地 困難な環境にも適用できます．加えて，PnP機能により， 局に収容されていたトラフィックの一部をフェムトセル基 運用パラメータの自動取得および設置環境に応じた各種パ 地局に分散（オフロード）させることができます．その結 ラメータの自動調整を実現しており，設置 ・ 運用にかかわ 果，無線ネットワーク全体としての収容能力を効率的に増 るコストを劇的に低減します． 大させることができます． ■通信品質の改善 Xiフェムトセルの基本仕様 データ通信では基地局の通信容量を複数のユーザで共有 するため，1ユーザ当りの通信速度は接続ユーザの数およ 開発したXiフェムトセルの基本仕様を表 1 に，外観を び通信状況に影響を受けます．フェムトセル基地局の場合 はエリアが狭いことから接続ユーザ数が少数であるため， 図 2 に示します．本装置は屋内専用であり，W-CDMAと 他ユーザの通信状況の影響を受けにくいという特徴があり LTE両方式の同時運用に対応している点が最大の特徴とな ます．加えて，屋内では比較的良好な通信環境を維持しや ります．最大同時接続ユーザ数はLTEは16，W-CDMAは すいことから，マクロセル基地局配下の場合と比較して良 4となります．また，大容量データ通信サービスはLTE方 式を，音声サービスはW-CDMA方式を利用するなど，サー ビスごとに最適な通信方式を割り当てることで，快適な通 高トラフィックエリアでの 負荷分散（オフロード） 信環境を提供します．さらに，両通信方式の切り替え制御 マクロ基地局からの 電波が届かない場所の エリア化 マクロ基地局 からの電波 マクロエリアの 補完 高層階 地下階 マクロ基地局からの 電波が届かない場所 のエリア化 フェムトセル マクロセル 図 2 Xiフェムトセル 図 1 フェムトセル基地局の適用領域 表 1 Xiフェムトセルの基本仕様 対応通信方式 LTE W-CDMA 通信速度 （ハードウェア能力値） 下り：最大112.5 Mbit/s 上り：最大37.5 Mbit/s 下り：最大14 Mbit/s 上り：最大384 kbit/s 最大同時接続ユーザ数 16 4 周波数帯域 帯域幅／キャリア数 最大送信電力 送信ブランチ数 伝送路インタフェース 大きさ（高さ×幅×厚さ） 重さ 2 GHz 最大15 MHz／ 1 キャリア 5 MHz／ 1 キャリア 10 mW／ 5 MHz／ブランチ 20 mW／ 5 MHz/ブランチ 2 （MIMO対応） 1 10BASE-T／100BASE-TX／1000BASE-T 約1.45リットル（175 mm×185 mm×45 mm） 約0.7 kg NTT技術ジャーナル 2014.7 47 from NTTドコモ 表 2 3 GPPで規定されるHome BSとWide Area BSの比較 Home BS 通信方式 送信系 LTE W-CDMA LTE 最大送信電力 ＋20 dBm 規定なし 周波数安定度 ±（0.25 ppm＋12 Hz）以内 ±（0.05 ppm＋12 Hz）以内 受信機の感度 受信系 Wide Area BS W-CDMA ‒106.3 dBm ‒₉2.8 dBm/5 MHz ‒120.3 dBm ‒100.8 dBm/5 MHz 隣接チャネル選択度 ‒38 dBm ‒28 dBm ‒52 dBm ‒52 dBm スプリアスレスポンス ‒30 dBm ‒27 dBm ‒40 dBm ‒43 dBm 相互変調特性 ‒38 dBm ‒36 dBm ‒48 dBm ‒52 dBm も可能であり，各種サービスをシームレスに活用できます． W-CDMA，LTEともに2 GHz帯の1キャリアに対応して フェムト（LTE） お り，LTEは 最 大15 MHzの 帯 域 幅 に 対 応， 下 り 最 大 マクロ（LTE） 112.5 Mbit/s，上り最大37.5 Mbit/sの高速通信が可能 となります．実装においてはW-CDMA機能とLTE機能の 共用化を行い，装置の小型化および低消費電力化を達成し Xiフェムトセル ています．また，自然空冷式により無騒音を実現していま す． 無 線 特 性 は3GPP（3rd Generation Partnership 有線PnP機能 汎用BB回線を介した 運用情報の自動取得 Project）においてフェムトセル基地局を想定して策定さ , の規格（表 2 ）に れたHome BS（Base Station）＊4,（3）（4） 準拠しており，周波数安定度や受信感度などの条件から， マクロセル基地局へ適用されるWide Area BS ＊5 フェムト（３G） マクロ（３G） 無線PnP機能 定期的に設置場所の電波環境 を測定し，周辺環境を考慮した 無線パラメータの自動設定 FOMA/Xi ネットワーク 認証（暗号化） IPsec（Xi） IPsec（FOMA） 網終端装置 ゲートウェイ （Xi/FOMA） 汎用ブロードバンド（BB）回線網 図 3 Xiフェムトセルネットワーク構成例 の規格の 装置と比較して，水晶発振器＊6などの内部回路についてよ り低価格なデバイスを採用しています．さらに，NTTドコ M a n a g e m e n t E n t i t y ）＊ 1 0 ， I P - R N C （ I P - R a d i o モのネットワーク内の高精度クロック装置と接続すること Network Controller）＊11などの接続先情報をIPsec回線 で，自装置内の時刻を定期的に補正するため，クロック生 上で自動的に取得し設定することで，自律的にFOMA/Xi 成部においても，安価な水晶発振器などの内部デバイスを ネットワークへ接続します．なお，IPsecを確立する際 採用しています． の認証方式としては，EAP-AKA（Extensible Authen- Xiフェムトセルのネットワーク構成 Xiフ ェ ム ト セ ル の ネ ッ ト ワ ー ク 構 成 例 を 図 ₃ に 示 し ti ca tion Protocol Method for 3rd GenerationAuthentication and Key Agreement）＊12 方 式（5）を 採 用 し て お り，Xiフ ェ ム ト セ ル に 挿 入 さ れ たUSIM （Universal Subscriber Identity Module）＊13 の 認 証 鍵 ます． ■汎用ブロードバンド回線への対応 IPアドレスの取得方法として，PPPoE（Point-to-Point ＊7 およびDHCP（Dynamic Host Protocol over Ethernet） Configuration Protocol）＊8 に 対 応 し て お り， 設 置 環 境 ＊4 ＊5 ＊6 に応じた多様なネットワーク構成に対応可能です．また， ＊7 ブロードバンド回線上での盗聴やデータの改ざんを防 ＊8 止 するため，FOMAおよびXiネットワークそれぞれにイ ン タ ー ネ ッ ト 上 の 暗 号 化 技 術 で あ るIPsec（Security ＊9 Architecture for Internet Protocol）＊9 を 設 定 し て い ＊10 ＊11 ます． ■PnP機能 （1） 有線PnP機能 ネットワークから自局の運用に必要なMME（Mobility 48 NTT技術ジャーナル 2014.7 ＊12 ＊1₃ Home BS：3GPPで規定される無線特性規格で，家庭 ･ 屋内向けBTSを 想定して策定されたBTS classficationです． Wide Area BS：3GPPで規定される無線特性規格で，屋外向けBTSを想 定して策定されたBTS classificationです． 水晶発振器：水晶の圧電効果を利用して高い周波数精度の発振を起こす 素子. PPPoE：イーサネット上にてPPPの機能を利用するためのプロトコル． PPPは，IPアドレスの自動割当てやユーザ認証などの機能を持ちます． DHCP：ネットワークに接続したコンピュータにIPアドレスなどの情報を 自動的に割り当てるプロトコル． IPsec：IPパケットそのものを暗号化したり，認証することで，セキュリ ティの高い通信を行うプロトコル． MME：eNBを収容し，モビリティ制御機能などを提供する論理ノード． IP-RNC：無線リソース制御などを行う3Gノード，IP技術をベースに開発 され，IPおよびATMインタフェースを有した装置． EAP-AKA：IETF（Internet Engineering Task Force）で標準化された第 3世代移動通信システムの認証と鍵共有方式． USIM：携帯電話会社と契約した情報を記録しているICカード．3GPPの W-CDMA用途の移動通信用加入者識別モジュール． （a） マクロセル内にXiフェムトセルが 設置されている環境 （b） マクロセル外にXiフェムトセルが 設置されている環境 ②Xiサービスは 問題なく使用可能 ②フェムト基地局内 でFOMA⇔Xi 間の 切替不可 × ③両サービスを停止し ユーザをマクロセルへ遷移 × ③Xiフェムトエリア のサービス継続 × ①FOMAフェムトエリア が通信サービス断 ①FOMAフェムトエリア が通信サービス断 Xiフェムトセル Xiサービス Xiフェムトセル FOMAサービス マクロセル Xiサービス マクロセル FOMAサービス 図 4 サービス継続判断機能の使用例 情報に基づき認証を実施しています． （2） 無線PnP機能 初回起動時および定期的に設置場所の電波環境を測定 し，周辺のFOMA/Xiマクロセル ・ フェムトセルの電波（干 継続の有無を周辺の環境に応じて判断します． 今後の展開 渉）状況を考慮した無線パラメータ（周波数，送信出力，コー こ こ で は，NTTド コ モ が2012年11月 に 開 発 し た ドなど）設定を行います．これにより，Xiフェムトセルの W-CDMAおよびLTE方式に対応した超小型基地局装置に 設置時に必要とされていた電波測定および無線パラメータ ついて，その概要を解説しました．今後さらなる高性能 の設定が不要となるため，より簡易に運用を開始すること 化を検討するとともに，適用領域の拡大についても検討 ができます．ここで，運用帯域を5 MHzごとに分割した します． 各帯域で干渉電力を測定することで，自セルよりも狭い帯 域幅で運用されている周辺セルが存在する場合において も， 適 切 な 無 線 パ ラ メ ー タ 設 定 を 可 能 と し ま す． 無 線 PnP機能により，Xiフェムトセルを含めたネットワーク 全体として最適なエリアを形成しています． その他の特徴 装置故障や回線障害などによりFOMA/Xiの一方の通信 サービスが利用できなくなった場合に，Xiフェムトセルに おいてFOMA，Xi間の切替ができなくなる場合が想定され ます．この場合，マクロセル内にXiフェムトセルが設置さ れていれば，通信サービスへの影響を最小限にとどめるた め，Xiフェムトセルの両サービスを停止し，配下の全ユー ■参考文献 （1） 渡辺 ･ 大矢根 ･ 中南 ･ 平本： フェムトセル用超小型基地局装置の開発， NTT DOCOMO テクニカル ･ ジャーナル，Vol.16，No.2，pp.61-65，2008. （2） 寺山 ･ 大矢根 ･ 佐藤 ･ 滝本： 家庭内における新たなサービスを提供する フェムトセル技術， NTT DOCOMO テクニカル ･ ジャーナル，Vol.17， No.4，pp.19-25，2010. （3） 3GPP TS 25.141 v11.4.0： Base Station (BS) conformance testing (FDD), Jan. 2013． （4） 3GPP TS 36.141 v11.3.0： Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Base Station (BS) conformance testing, Jan. 2013． （5） 山 内 ･ 國 友 ･ 内 山 ･ 今 井： ホ ー ムUサ ー ビ ス の シ ス テ ム 開 発, NTT DOCOMO テクニカル ･ ジャーナル，Vol.16，No.3，pp.6-12，2008． ◆問い合わせ先 NTTドコモ R&D戦略部 TEL 03-5156-174₉ ザをマクロセルへ遷移させる必要があります（図 ₄（a））． 一方，周辺にマクロセルがない場所にフェムトセルが設置 された環境では，一方の通信サービスが利用できない状態 でも，他方の通信サービスを継続することに利点がありま す（図4（b））．Xiフェムトセルでは周辺のFOMAサービス およびXiサービスの運用状態を監視し，Xiフェムトセルの 一方のサービスが利用できない場合にもう一方のサービス NTT技術ジャーナル 2014.7 49
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