5G NR
Release 15以降の5G New Radio。スケーラブルなヌメロロジー、帯域幅パート、ビーム管理、NG-RANと5Gコア、そしてO-RANによる基地局の分割を解説します。
概要
5G NR（New Radio）は、3GPPの第5世代システムの無線インタフェースです。Release 15は、5G仕様として最初に揃った完全なセットでした。3GPPによれば、最初に策定されたのはノンスタンドアローンのNR仕様で、2017年後半のことです。この形態では、NRはLTEネットワークの中で動作します。その後Release 15は、新しい5Gコアを用いるスタンドアローン運用まで範囲を広げました。3GPPのリリース年表によれば、Release 16で3GPPのIMT-2020提案が完了しました。Release 17では、RedCap（reduced capability）端末、71 GHzまでのNR、非地上系ネットワークが追加されました。3GPPは、Release 18以降に5G-Advancedの名称とロゴを適用しています。
NRはLTEの基盤を引き継いでいます。サイクリックプレフィックス付きの直交周波数分割多重（OFDM）、HARQ、制御チャネルと共有チャネルの分離です。変わったのは柔軟性です。一つの無線方式で、410 MHzから71 GHzまでの周波数、広帯域と狭帯域の搬送波、スマートフォンからセンサまでの端末に対応しなければなりません。このハブは、LTEやOFDMを理解しており、仕様を読み解くために必要なNRの概念を押さえたいエンジニア向けです。
重要な考え方
スケーラブルなヌメロロジー
TS 38.211（NRの物理チャネルと変調）は、サブキャリア間隔を15 kHz × 2^μ（μは0〜6）と定義しています。つまり15、30、60、120、240、480、960 kHzです。通常のサイクリックプレフィックスでは、1スロットは常に14 OFDMシンボルです。間隔が広いほどシンボルは短くなり、スロット長はμ = 0の1 msからμ = 3の0.125 msまで縮みます。拡張サイクリックプレフィックスは60 kHzにのみ存在します。間隔が広いほど位相雑音やドップラーに強くなります。ミリ波帯で広い間隔が使われるのはこのためです。間隔が狭いとサイクリックプレフィックスが長くなり、遅延広がりの大きい大セルに向きます。
周波数範囲はTS 38.101-1と38.101-2で定められています。FR1は410 MHzから7125 MHzです。FR2は二つに分かれ、FR2-1（24.25〜52.6 GHz）とFR2-2（52.6〜71 GHz）です。たとえばバンドn78は3300〜3800 MHzのTDDです。導出されるシンボル長とサイクリックプレフィックス長は、OFDMとNRヌメロロジーのリファレンスに表でまとめています。
帯域幅パート
FR2のNR搬送波は400 MHz幅にできます（TS 38.101-2）。しかし、スマートフォンが常にその全帯域を処理する必要はありません。帯域幅パート（BWP）は、搬送波内の連続した部分集合で、独自のヌメロロジーを持ちます。TS 38.213では、UEにサービングセルあたり最大4つの下りBWPと4つの上りBWPを設定できます。TS 38.300によれば、補助上りリンクの場合を除き、セルごとに同時にアクティブなBWPは1つです。トラフィックが少ないときに狭いBWPへ切り替えると、電力を節約できます。また、BWPを使うと、対応帯域幅の小さい端末でも広い搬送波を利用できます。
ビーム管理
ミリ波帯では経路損失が大きいため、高利得のアンテナアレイが必要です。高利得とは、ビームが細いということです。gNBは同期信号ブロック（SS/PBCHブロック）を、時刻ごとに異なる方向へ送信します。TS 38.213では、一部の構成で半フレーム内に最大64個の候補SS/PBCHブロックを置けます。UEはそれらを測定して最良のものを報告し、ネットワークはチャネル状態情報参照信号を使ってビームを絞り込みます。リンクが切れると、UEはランダムアクセス手順によってビーム障害回復を開始します（TS 38.300）。GiordaniらによるNRのビーム管理のチュートリアルはわかりやすい解説です。アレイ側の話は多入力多出力（MIMO）とビームフォーミングのハブで扱います。
NG-RAN・5Gコア・Open RAN
TS 38.300はNG-RANを記述しています。そのノードはgNB（NR）とng-eNB（5Gコアに接続するLTE）で、ノード同士はXnで接続されます。これらのノードは5Gコア（5GC）に接続し、NG-Cでアクセス・モビリティ管理機能（AMF）へ、NG-Uでユーザプレーン機能（UPF）へつながります。UPFはセッション管理機能（SMF）が制御します。5GCのアーキテクチャ自体はTS 23.501で規定されています。gNB自体も、F1インタフェースを介して集約ユニットと分散ユニットに分割できます（TS 38.401）。
Open RANはさらに踏み込みます。O-RAN Allianceの概要ページによれば、同団体は2018年2月にAT&T、China Mobile、Deutsche Telekom、NTT DOCOMO、Orangeによって設立されました。その仕様は、異なるベンダーの構成要素間をつなぐオープンなインタフェースを定めています。PoleseらはUnderstanding O-RAN（IEEE Communications Surveys and Tutorials、2023年）でこのアーキテクチャを解説しています。無線ユニット（O-RU）と分散ユニット（O-DU）は、split 7.2xを用いるOpen Fronthaulインタフェースで接続されます。この分割では、O-RUがFFTとサイクリックプレフィックスの処理を受け持ちます。準リアルタイムRANインテリジェントコントローラ（RIC）は、xAppsと呼ばれるアプリケーションにより、E2インタフェース経由で10 msから1 sの制御ループを実行します。非リアルタイムRICはrAppsを用いて1 sを超える時間スケールで動作し、A1経由で準リアルタイムRICを方向付けます。
どこから始めるか
OFDMが初めての場合は、ゼロから学ぶOFDMとOFDM・マルチキャリアのハブから始めてください。NRの母体となったシステムについては、LTEのハブを読んでください。3GPP仕様マップは、どのTSがどのレイヤを扱うかを示しています。チャネル推定付きOFDMリンクのプロジェクトでは、NRで使われるのと同種のパイロットベースの受信機を作ります。Release 19以降の研究動向は6G・研究のハブにあります。
ツールとプラットフォーム
| ツール | 用途 | ライセンス |
|---|---|---|
| OCUDU（旧srsRAN Project） | NR向けのオープンソースO-RAN CU/DU | srsRANプラットフォームハブを参照 |
| OpenAirInterface | オープンソースのgNB・UE・5Gコア | プラットフォームハブを参照 |
| Open5GS | オープンソースの5GコアとEPC | AGPL-3.0 |
| free5GC | オープンソースの5Gコア | Apache-2.0 |
| Wireshark | NGAP・NAS・F1APトレースの復号 | GPL-2.0 |
ベンダーのプラットフォームハブとして、ネットワークとチップセットについてはEricsson、Nokia、Qualcomm、測定器についてはKeysight、Rohde & Schwarzがあります。
よくある間違い
- 「5G」を一つのものとして扱う。どのリリースか、どの周波数範囲か、スタンドアローンかノンスタンドアローンかを明示してください。
- ネットワークが、対応するリリースのすべての機能を実装していると思い込む。
- スロットタイミングの計算でヌメロロジーを混同する。必ずμを明記してください。
- 15 kHzのLTEの感覚をFR2に持ち込む。FR2では位相雑音とビームの整合が支配的です。
- UEが実際に受信する範囲を決めるのは、搬送波ではなくアクティブなBWPであることを忘れる。
- Open RANを一つの製品として扱う。Open RANはインタフェースの集合であり、相互接続性は今でも構成要素ごとに試験する必要があります。
さらに深く
- 3GPP TS 38.211、TS 38.213、TS 38.300。
- Dahlman、Parkvall、Sköld、5G NR: The Next Generation Wireless Access Technology、Elsevier、2018年。
- Linほか、5G New Radio: Unveiling the Essentials of the Next Generation Wireless Access Technology、arXiv、2018年。
- Giordaniほか、A Tutorial on Beam Management for 3GPP NR at mmWave Frequencies、IEEE Communications Surveys and Tutorials、2019年。
- Poleseほか、Understanding O-RAN、IEEE Communications Surveys and Tutorials、2023年。