IIJmio meeting 16 スマートフォンがつながる仕組み

3. © 2017 Internet Initiative Japan Inc. 3 コアネットワークの説明図 • 前回のIIJmio meetingでも使った図 • 今日はのへんに注目します • 今回は、4G(LTE)のネットワークのみ説明します – 3Gでも似たような処理が行われるのですが、いちいちノードやプロトコルの名前が違うので… 電話交換網インターネットコアネットワーク IMSMSC SPGW/P-CSCF MME/SGW SGSN HSS/HLR SMS-C 通信制御サーバ MNO 顧客管理システム PGW GGSN MVNO

5. © 2017 Internet Initiative Japan Inc. 5 携帯電話に係る無線通信 • 第1世代携帯電話（自動車電話等）ではアナログ無線を利用 • 第2世代携帯電話（PDC方式、海外ではGSM）以降はデジタル無線 – 現行の第4世代(LTE)でもデジタル無線 • デジタル無線の仕組み – 上り方向（携帯電話→基地局）、下り方向（基地局→携帯電話）を同時に実現するため、次のいずれかが使われる • 上り下りに別の周波数を割り当てる周波数分割多重(FDD) • 上り下りを時間で切り替える時分割多重(TDD) – 上り（携帯電話から）・下り（基地局から）のそれぞれについて、搬送波（キャリア）にデジタル信号(0,1)を載せて発信 • 搬送波とは、信号を運ぶための周波数(2.1GHzや800MHzが代表例） • 信号を搬送波に載せて運べるようにすることを変調と呼ぶ – 受信側（上りの場合は基地局、下りの場合は携帯電話）は、受信した電波を復調して信号を復元

6. © 2017 Internet Initiative Japan Inc. 6 デジタル変調 • 代表的なデジタル変調方式変調方式の名称略称説明音に例えるなら… 振幅偏移変調 ASK • 電波の強さを変えることで0,1を表す • アナログ変調のAMに相当音量周波数偏移変調 FSK • 電波の周波数を変えることで0,1を表す • アナログ変調のFMに相当音の高さ位相偏移変調 PSK • 電波の位相（波の時間的ずれ）を変えることで0,1を表すノイズキャンセラーが作る逆位相の音直角位相振幅変調 QAM • ASKとPSKの組み合わせ • かつ、直交する2つの波を重畳することで更なる効率化を達成？？？

7. © 2017 Internet Initiative Japan Inc. 7 QAM(Quadrature Amplitude Modulation) • 1bitのデータを振幅偏移変調（振幅は「強」「弱」の2段階）し、さらにもう一つ作って90度位相をずらした上で加算すると、1回の信号送出で2bitのデータを送ることができる – 90度位相が異なる（直角位相の）2つの波は、数学的に複合・分離できるため、波を加算してもそれぞれの信号が干渉し合うことがない • 振幅(Amplitude)でデジタル信号を載せた搬送波を2つ作り、直角位相(Quadrature)で1波にまとめる変調方式をQAMと呼び、現在の携帯電話では主流となっている – QAMはWiFi、ケーブルモデム、デジタルTVなど有線・無線の様々なデジタル信号の伝送に使われる基礎技術 • 最新のドコモのLTE Advancedでは、振幅を16段階(4bit)とし、 1クロックあたり8bitのデータを送出可能 – LTEでは、この搬送波を更に多数重ね合わせることで高速通信を実現

8. © 2017 Internet Initiative Japan Inc. 8 （参考）OFDMA(Orthogonal Frequency Division Multiple Access) • QAMによって作られた搬送波を複数用意し、それらを90度ずつ位相多重（波をずらして重ねること）することで、同時にデータを伝送する⇒OFDM • 周波数が接近している複数の搬送波でデータを送る場合、通常だと搬送波の干渉による影響が生じてしまうが、OFDMで多重すると、周波数を余すことなく利用することができる（ガードバンド不要） • この技術により、周波数の利用効率が上がり、多数の携帯電話に対して高速な通信を提供できる • 3Gでは、複数の信号の多重にCDMA(Code Division Multiple Access)が用いられたが、LTEではOFDMを用いたOFDMAに取って代わられた

11. © 2017 Internet Initiative Japan Inc. 11 スマートフォンに電源が入る前 • eNodeBは、報知情報と呼ばれる信号を定期的に送信 – eNodeBは、報知したい情報の種類に応じ、12のブロック(MIB、 SIB1～11）によって送信する – 受信側はMIB/SIB1をまず受信し、SIB1に含まれるスケジュールに従って残りのSIBを受信する • 報知情報に含まれる情報 – PLMN（事業者を識別するための番号。例：44010=NTTドコモ） – バンド番号 – CellId（基地局を識別するための番号） – 無線関連のパラメータ – 緊急地震速報や基地局のアクセス規制等、端末に同報したい情報 • 報知情報により、eNodeBの近辺に存在する携帯電話は、基地局の存在を知ることができる PLMN: Public Land Mobile Network

13. © 2017 Internet Initiative Japan Inc. 13 スマートフォンの電源が入ると…① • SIMカードに記録されているRPLMN(Registered PLMN)をチェック • もしRPLMNがSIMカードに記録されている場合、そのeNodeB に接続しようとする – 下図の場合は、A社のeNodeBがターゲット C社eNodeB (44050) スマートフォン SIM B社eNodeB (44020) A社eNodeB (44010) D社eNodeB (44051) RPLMN=44010

14. © 2017 Internet Initiative Japan Inc. 14 スマートフォンの電源が入ると…② • もしRPLMNがSIMカードにない、もしくはRPLMNのeNodeB が近隣になければ、SIMカードに記録されているHPLMN(Home PLMN)をチェック • HPLMNのeNodeBがあれば、そこに接続しようとする – 下図の場合は、B社のeNodeBがターゲット C社eNodeB (44050) スマートフォン SIM B社eNodeB (44020) A社eNodeB (44010) D社eNodeB (44051) RPLMN=なし HPLMN=44020

15. © 2017 Internet Initiative Japan Inc. 15 スマートフォンの電源が入ると…③ • もしRPLMNのeNodeBも、HPLMNのeNodeBもなければ、 SIMカードに記録されたOperator controlled PLMNをチェック • Operator controlled PLMNには複数のPLMNのリストであり、上から順に見ていって、そのeNodeBが近隣にあればそこに接続しようとする C社eNodeB (20810) スマートフォン SIM B社eNodeB (20820) A社eNodeB (20801) D社eNodeB (20815) RPLMN=なし HPLMN=44010 OPLMN=20810

16. © 2017 Internet Initiative Japan Inc. 16 スマートフォンの電源が入ると…④ • もしRPLMNのeNodeBも、HPLMNのeNodeBも、OPLMNの eNodeBもなければ、電波の強いeNodeBに接続しようとする C社eNodeB (45412) スマートフォン SIM B社eNodeB (45407) A社eNodeB (45403) D社eNodeB (45422) RPLMN=なし HPLMN=44010 OPLMN=なし一番電波の強いeNodeBを選択

19. © 2017 Internet Initiative Japan Inc. 19 接続するeNodeBが決まったら③ eNodeB MME HSSスマートフォン SIM RRCの確立を意味する RRC connection setup complete メッセージと同時に、コアネットワークへの接続要求となるAttach Requestを送信 MMEから端末に Authentication Requestが送られるその後、MME～端末間、および eNodeB～端末間の暗号化が確立 Attach Requestは eNodeBを透過し、 MMEに送られる SIMの認証要求 (Authentication Request) が送られる SIM認証のための RAND, AUTN, XRES, 暗号化のための KASMEが送られる

23. © 2017 Internet Initiative Japan Inc. 23 接続するeNodeBが決まったら（ローミングのケース） MME HSS MMEからみて他事業者の IMSIの場合は、IPXと呼ばれる中継事業者を経由して、その SIMの発行事業者のHSSに問い合わせる IPX IPX事業者は世界にいくつも存在するが、ローミングが提供される携帯電話事業者同士は、必ずどこかのIPX経由で繋がっている必要がある

24. © 2017 Internet Initiative Japan Inc. 24 その後 • データ通信については、APNにより識別されるPGW（インターネット等外部ネットワークとのゲートウェイ）に対しコネクションを確立することで実現 • 音声通話(VoLTE)については、専用のPGWにコネクションを確立し、その奥にあるIP電話交換設備(IMS)に接続を行う – IMSへの接続の認証にもHSSが使われる – VoLTEが使えない端末・事業者の場合は、音声通話は3Gネットワークを経由する

25. © 2017 Internet Initiative Japan Inc. 25 まとめとこれから • 携帯電話会社のコアネットワークのうち、PGWしかこれまで運用してこなかった日本のMVNOには、PGWへのアクセスが行われるまでのテクノロジは不要だった • ただ、SIMフリースマートフォンのトラブルシュートや、緊急地震速報にかかる問題の検証等の中で、携帯電話会社の無線アクセスやコアネットワークの動作について、より深く知る必要が出てきている • 今後、日本のMVNOがHSS/HLRを運用するようになると、無線アクセスの部分はともかく、コアネットワークの技術により深く関わるようになっていく – サービスの安定運用のため – 新サービス開発のため

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