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IIJmio meeting 16 スマートフォンがつながる仕組み

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IIJmio meeting 16の発表資料です
http://techlog.iij.ad.jp/archives/2236

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IIJmio meeting 16 スマートフォンがつながる仕組み

  1. 1. © 2017 Internet Initiative Japan Inc. 1 IIJmio meeting 16 「スマートフォンがつながる仕組み」 2017/7/8 株式会社インターネットイニシアティブ 佐々木 太志
  2. 2. © 2017 Internet Initiative Japan Inc. 2 スマートフォンがつながる仕組み • 電話機と基地局が無線で通信 • 電話機の個体識別 ⇒SIMカード • SIMカードを管理するデータベース ⇒HLR/HSS • 過去のIIJmio meetingでも断片的な情報を話してきましたが、 今日はこのあたりをもう少し掘り下げてご説明します
  3. 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
  4. 4. © 2017 Internet Initiative Japan Inc. LTEの無線アクセス
  5. 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. 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. 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. 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
  9. 9. © 2017 Internet Initiative Japan Inc. LTEのコアネットワーク
  10. 10. © 2017 Internet Initiative Japan Inc. 10 今回説明する部分 eNodeB MME HSSスマートフォン SIM いわゆる基地局 SIMを管理する データベース MME: Mobility Management Entity HSS : Home Subscriber Server SGW PGW インターネット
  11. 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
  12. 12. © 2017 Internet Initiative Japan Inc. 12 スマートフォンの電源が入ると… • まず対応している全ての周波数(バンド)から、報知情報を受信 し、近隣の全ての基地局をリストアップする C社eNodeB スマートフォン SIM B社eNodeB A社eNodeB D社 eNodeB
  13. 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. 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. 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. 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
  17. 17. © 2017 Internet Initiative Japan Inc. 17 接続するeNodeBが決まったら① eNodeB MME HSSスマートフォン SIM 物理層の信号(RA-preamble)を 他のスマートフォンの邪魔にならない preamble専用チャネルで送出 問題がなければ応答(RA-response)を 送出。併せて送信可能タイミングを 指示
  18. 18. © 2017 Internet Initiative Japan Inc. 18 接続するeNodeBが決まったら② eNodeB MME HSSスマートフォン SIM 端末と基地局間のリンクとなるRRCの 接続要求(connection request)を 指定された送信タイミングで送出 RRC確立のためのパラメータを、 RRC connection setupとして送信
  19. 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
  20. 20. © 2017 Internet Initiative Japan Inc. 20 接続するeNodeBが決まったら④ eNodeB MME HSSスマートフォン SIM 端末の位置登録、および 加入者情報の要求を行う 加入者情報のコピーが MMEにダウンロードされる
  21. 21. © 2017 Internet Initiative Japan Inc. 21 接続するeNodeBが決まったら⑤ eNodeB MME HSSスマートフォン SIM APNを要求 APNから、接続先のPGW(イン ターネットへのゲートウェイ)の 情報を調べる(DNSを利用) APNを通知
  22. 22. © 2017 Internet Initiative Japan Inc. 22 接続するeNodeBが決まったら⑥ eNodeB MME HSSスマートフォン SIM APNのFQDN、 PGWのIPアドレスを通知 MMEからSGWに対し、データを流 すためのトンネルを張るための Create Session Requestを送出 SGW PGW インターネット
  23. 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. 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. 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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