セルラー4G LTE

概要

LTE（Long Term Evolution）は、3GPPが標準化した4Gセルラーシステムです。3GPPのリリース一覧ページによれば、最初のLTEリリースはRelease 8で、2009年に完成しました。Release 8は無線アクセスネットワーク（E-UTRAN）とEvolved Packet Core（EPC）の両方を規定しています。LTEはその後のリリースでも進化を続けており、3GPPは現在も仕様を保守しています。当サイトのリファレンスライブラリにあるTS 36.211とTS 36.300は、Release 19版です。

5Gのエンジニアにとって、LTEが重要な理由は二つあります。一つ目に、3GPPによれば、Release 15の最初のNR仕様はノンスタンドアロンでした。これは、LTEネットワークの中でNRの無線が動作する方式です。二つ目に、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）からHARQ、制御チャネルと共有チャネルの分離まで、NRの設計の多くは、LTE版を知っていると理解しやすくなります。このハブは、LTEのトレースを読む、オープンソースのLTEセルを動かす、あるいはNRの成り立ちを理解する必要があるエンジニア向けです。

重要な考え方

フラットなアーキテクチャ：eNBとEPC

LTEの無線ノードはeNBの1種類だけです。TS 36.300では、eNB同士はX2インタフェースで接続され、eNBとEPCはS1で接続されると記述されています。S1は二つの部分からなります。S1-MMEはMobility Management Entity（MME）への信号を運び、S1-UはServing Gateway（S-GW）へのユーザデータを運びます。S1の接続関係は多対多なので、一つのeNBが複数のMMEやゲートウェイと通信できます。PDN Gateway（P-GW）は、SGiを介してコアを外部のIPネットワークに接続します。ホーム加入者サーバ（HSS）は加入者データを保持します。コアネットワーク自体は、36.300が参照するTS 23.401で規定されています。

3GPP TS 36.300に記述されたLTEのネットワークアーキテクチャ。破線は制御プレーンの信号を、実線はユーザデータを運ぶ。各eNBはS1-MMEでMMEに、S1-UでS-GWに接続し、eNB同士はX2で接続する。

E-UTRANの無線ノードはeNBだけです。TS 36.300は、上りリンクと下りリンクのリソースの動的スケジューリングを含む無線リソース管理を、eNB自体に置いています。

フレーム構造とリソースグリッド

TS 36.211（E-UTRAの物理チャネルと変調）は、時間を10 msの無線フレームに区切ります。FDDで使うフレーム構造タイプ1では、各フレームは1 msのサブフレーム10個からなり、各サブフレームは0.5 msのスロット2個からなります。TDD用のフレーム構造タイプ2は、フレームを5 msのハーフフレーム二つに分け、設定によって各サブフレームを下りリンクまたは上りリンクに割り当てます。タイプ3は、免許不要帯でのLicensed-Assisted Access向けです。

下りリンクはサイクリックプレフィックス付きのOFDMで、サブキャリア間隔は15 kHzです。上りリンクはSC-FDMAを使います。これはDFT拡散を施したOFDMの一形態です。リソースブロックは1スロット分の連続する12サブキャリアで、幅は180 kHzです。1スロットは、ノーマルサイクリックプレフィックスでは7シンボル、拡張サイクリックプレフィックスでは6シンボルを運びます。TS 36.300では、下りリンクのリソースブロック数はコンポーネントキャリアあたり6〜110とされています。

項目	値（ノーマルCP、15 kHz）
無線フレーム	10 ms、10サブフレーム
サブフレーム	1 ms、2スロット
スロット	0.5 ms、7 OFDMシンボルまたはSC-FDMAシンボル
リソースブロック	12サブキャリア × 1スロット（180 kHz）

物理チャネルと物理信号

TS 36.211は、上位レイヤからのデータを運ぶ物理チャネルと、データを運ばない物理信号を区別しています。下りリンクでは、PDSCHがユーザデータを、PBCHがマスター情報ブロックを含むBCHトランスポートブロックを、PDCCHがスケジューリンググラントを運びます。PCFICHは制御領域が使うシンボル数を示し、PHICHは上りリンクに対するHARQの確認応答を運びます。上りリンクでは、PUSCHがデータを、PUCCHが制御情報を、PRACHがランダムアクセスプリアンブルを運びます。参照信号はチャネル推定を支え、同期信号によって端末はセルとそのタイミングを見つけられます。

リリースごとの進化

3GPPのリリース一覧ページによれば、Release 10（2011年）で、キャリアアグリゲーションとヘテロジニアスネットワークを備えたLTE-Advancedが導入されました。Release 13（2016年）では、免許不要帯でのLTEが追加され、LTE-Advanced Proというブランドが作られました。Release 13では、低消費電力デバイス向けのNB-IoTとLTE-Mも導入されました。これらはLPWANとIoTのハブで扱っています。あるリリースに「対応」したネットワークや端末が、そのリリースの全機能を実装していることはまれです。宣伝文句ではなく、端末の能力報告を確認してください。

どこから始めるか

無線側の内容は、ゼロから作るOFDMとフェージングチャネルを土台にしています。OFDMとマルチキャリアのハブでは、サイクリックプレフィックスが機能する理由を説明しています。3GPP仕様マップはどの文書が何を扱うかを示し、チャネル推定付きOFDMリンクのプロジェクトでは、LTEに似た簡易リンクをPythonで構築します。NRに進む準備ができたら、5G NRのハブに移ってください。

ツールとプラットフォーム

ツール	用途	ライセンス
srsRAN 4G	ソフトウェアUE、eNB、小規模なEPC（MME、HSS、S/P-GW）をソフトウェア無線（SDR）上で動かす	AGPL-3.0
OpenAirInterface	LTEを含む、オープンソースのRANとコアのコード	プラットフォームのハブを参照
Open5GS	オープンソースのEPCと5Gコア	AGPL-3.0
Wireshark	S1AP、NAS、GTPのトレースのデコード	GPL-2.0

プラットフォームのハブ：srsRAN、OpenAirInterface、Ericsson、Nokia、Qualcomm。

よくある間違い

LTEのネットワークや端末が、うたっているリリースの全機能に対応していると思い込む。
スロット（0.5 ms）を、LTEのスケジューリング間隔であるサブフレーム（1 ms）と混同する。
ガードバンドを考慮せずに、リソースブロック数をそのまま帯域幅として読む。
オープンソースのeNBを、免許帯で無線送信して動かす。ケーブルと減衰器、シールドボックス、または規制当局の試験免許を使ってください。
UEカテゴリ表のピークデータレートを、ユーザが実際に得る値であるかのように引用する。

さらに深く

3GPP TS 36.211（物理チャネルと変調）とTS 36.300（E-UTRAN全体の記述）。
Sesia、Toufik、Baker 編、LTE: The UMTS Long Term Evolution、Wiley、2011年。
各リリースで追加された内容は、3GPPのリリースタイムラインを参照。