IIJmio meeting 28 5G SAについて

2. © 2017 Internet Initiative Japan Inc.© Internet Initiative Japan Inc. 2 はじめに 2020年になり海外キャリアでSA(スタンドアローン)方式の 5Gサービスが開始され始めました。また、日本の各キャリアも2021年からSA方式でのサービス開始を発表しています。更に、企業向けで期待が集まっている日本のローカル5GでもSA方式の利用が検討されています。本セッションでは、この5G SAに関する概要を紹介します。 • スピーカー • 大内宗徳 • IIJ MVNOにおける新サービス開発のための5Gを中心とした新技術の調査/検証/導入を担当 • フルMVNOサービス、eSIMサービスの立ち上げに参画 • IIJmio meeting 5,6,7,8,10,11,12,14,19,27 でトークセッションを担当

4. © 2017 Internet Initiative Japan Inc.© Internet Initiative Japan Inc. 4 5G SAについて • 5G SAのポイント • 5Gに関して • 5Gで目指しているもの • 4G vs 5G • 5G SA(Stand-Alone) • 5G NSA vs SA • 5G SAの特徴 • IIJの5G SAに関する取り組み • まとめ

5. © 2017 Internet Initiative Japan Inc.© Internet Initiative Japan Inc. 5 5Gに関して - 5Gで目指しているもの • 5Gでは３つの異なる特徴の機能を実現することに目標が置かれていた出典: ITU News Magazine No. 2, 2017, Forging paths to IMT-2020 (5G) (超高速) (IoT多数同時接続) (高信頼/低遅延)

6. © 2017 Internet Initiative Japan Inc.© Internet Initiative Japan Inc. 6 5Gに関して - 4G vs 5G • 4Gはモバイルブロードバンド(高速通信)に特化。一方、5Gでは1ネットワークで３つの機能を実現するためにスライスという新しい概念を導入 MBB/モバイルブロードバンドスライス４G 5 G eMBB/超高速 URLLC/高信頼、低遅延 mMTC/IoT多数同時接続

7. © 2017 Internet Initiative Japan Inc.© Internet Initiative Japan Inc. 7 5Gに関して - 5G SA(Stand-Alone) • 5Gで実現したい機能を実装したネットワークが5G SA(Stand-Alone) • しかし、仕様策定からすべての要素の入れ替えには長い時間が必要４G 5G SA MME SGW HSS PGW AMF UPF SMF AUSF UDM UDR NSSF NRF PCF PCRF OCS SMF UPF SMF UPF (Stand-Alone) eNB gNB

8. © 2017 Internet Initiative Japan Inc.© Internet Initiative Japan Inc. 8 5Gに関して - 5G NSA vs SA • 5GのeMBB(超高速)に限定し、4Gを利用することで5G機能の一部を早期に実現したものが、5G NSA(Non-Stand-Alone)方式 4G+ 5G NSA 5G SA eNB gNB gNB eMBB/超高速 URLLC/高信頼、低遅延 mMTC/IoT多数同時接続 eMBB/超高速 NSAについては前回のIIJmio meeting 27で紹介

9. © 2017 Internet Initiative Japan Inc.© Internet Initiative Japan Inc. 9 5Gに関して - 5G NSA vs SA • 4G周波数不要で、5Gのフル機能が活用できる本命の 5G SA(Stand-Alone)方式の導入が海外キャリアで開始され始めた • T-Mobile Launches World’s First Nationwide Standalone 5G Network, August 04, 2020 https://www.t-mobile.com/news/network/standalone-5g-launch 国内オペレータでも2021年度以降の導入を発表している 5G SA gNB eMBB/超高速 URLLC/高信頼、低遅延 mMTC/IoT多数同時接続 M2M/IoT分野で高信頼、低遅延での活用が期待されている加入者認証でのセキュリティーも強化された

10. © 2017 Internet Initiative Japan Inc.© Internet Initiative Japan Inc. 10 (IIJmio meeting 27 の資料再掲) 5Gの今後 • 5Gエリアの改善 • 「第5世代移動通信システム（5G）及びBWAの高度化に関する技術的条件」 https://www.soumu.go.jp/menu_news/s-news/01kiban14_02000433.html -> 4G周波数の5G転用が可能になり5Gエリアが広がる可能性あり ( 注意点 ) ５Ｇの特長の１つである超高速通信は、帯域幅の広い 3.7/4.5/28GHz 帯を用いることで実現。既存バンドを５Ｇ化しても 3.7/4.5/28GHz帯と組み合わせて使用しない場合には、通信速度は従来の４Ｇと同等程度になることが予想されることから、ユーザーが性能を誤認しないように配慮が必要であると指摘されている • 5G SAへの移行 • 5G機能をフル活用が可能に • URLLCの利用-> IoT/産業向けとしての活用 • eMBB(超高速)は変化なし -> スマホユーザでは変化は感じらない • 5GのIoTデバイス向け対応 • 5G仕様はeMBB寄りの最適化がされて小型IoTデバイス向けではない • 低消費電力機器向けの無線仕様が検討中

13. © 2017 Internet Initiative Japan Inc.© Internet Initiative Japan Inc. 13 5G SAの特徴 – URLLC(高信頼、低遅延)実現のポイント • 5G SAでURLLC(高信頼、低遅延)を実現において下記が重要 gNB 5GC 新しい無線方式導入 - 無線区間の高速化 - 無線区間の低遅延化新しい5Gシステムの導入 - 低遅延構成を実現しやすく (注) 3GPP Rel.15 の時点での重要なポイント。Rel.16では更にURLLCが強化されている＋

14. © 2017 Internet Initiative Japan Inc.© Internet Initiative Japan Inc. 14 5G SAについて • 5G SAのポイント • 5Gに関して • 5G SAの特徴 • URLLC(高信頼、低遅延)実現のポイント • 新しい無線方式の導入 • 無線区間の高速化 • 無線区間の低遅延化 • 新たな5Gシステムの導入 • IIJの5G SAに関する取り組み • まとめ

16. © 2017 Internet Initiative Japan Inc.© Internet Initiative Japan Inc. 16 新しい無線方式の導入 – 無線区間の高速化 - 1 • 端末と5G基地局(gNB)の通信に、NR(New Radio)方式を導入した • NRで利用可能な周波数帯/周波数幅の拡張によって高速化を実現 gNB 変更点ポイント 1) 利用可能な周波数を大幅に拡張 - 450MHz–6000MHz : FR1(Frequency Range 1) (* 3GPP Rel. 15) - 24.25GHz-52.6GHz : FR2 (NRで新たに使えるように。ミリ波) 2) 扱える周波数幅を拡張 - 1CCあたり FR1->最大100MHz (4Gの5倍) FR2->最大400MHz - 最大16 NR CCを束ねてのキャリアアグリゲーション(CA) NR 5GC

17. © 2017 Internet Initiative Japan Inc.© Internet Initiative Japan Inc. 17 新しい無線方式の導入 – 無線区間の高速化 - 2 • 実際に割り当てられている周波数 (引用) 5G実現に向けた総務省の取組み http://www.kiai.gr.jp/jigyou/h31/PDF/0604p1.pdf NR band n77(n78内包): 3300-4200MHz n78: 3300-3800MHz n79: 4400-5000MHz n257: 26.5-29.5GHz 次のページで説明

18. © 2017 Internet Initiative Japan Inc.© Internet Initiative Japan Inc. 18 新しい無線方式の導入 – 無線区間の高速化 - 3 • ローカル5G向けで利用に可能になる予定の周波数 (引用)ローカル５G検討作業班報告書概要（案） https://www.soumu.go.jp/main_content/000688562.pdf NR band n79: 4400-5000MHz n257: 26.5-29.5GHz

21. © 2017 Internet Initiative Japan Inc.© Internet Initiative Japan Inc. 21 新しい無線方式の導入 – 無線区間の低遅延化 - 2 データ周波数幅 4G 20MHz 時間データ周波数幅 5G 100MHz • Short TTIのみ切り出して抜粋した概念図 • 広大な帯域幅(高速化)を利用し、データの無線区間での転送時間を短縮

22. © 2017 Internet Initiative Japan Inc.© Internet Initiative Japan Inc. 22 新しい無線方式の導入 – 無線区間の低遅延化 - 3 (引用) 新世代モバイル通信システム委員会, 技術検討作業班における検討状況 https://www.soumu.go.jp/main_content/000536171.pdf LTE => FR1 => FR2 => が使われている

23. © 2017 Internet Initiative Japan Inc.© Internet Initiative Japan Inc. 23 新しい無線方式の導入 – 無線区間の低遅延化 - 4 D D D D D D D F U U30kHz Semi- Static TDD 5msec 5msec 0.5msec(1スロット) D D D D D D D F U U 1 フレーム D D D D D D F F F F U U U U UL->DLのガード部分 14シンボル無線区間データ転送では頻繁にエラーが発生 -> エラー訂正機能が重要(LDPC, ACK/NACK) 基地局がDで送ったデータが端末側で正常受信したか確認結果が分かるのはUでACK/NACK受け取ることで、それまでは送信完了とみなされない。失敗した場合 -> 次のDで再送する。再度受信確認するまでに時間がかかるデータ転送完了に時間がかかる => 低遅延化が実現できない対策: 1) 受信応答間隔を縮める -> D/U短時間で切り替え(Dynamic TDD実装がある？) 5G NR TDD における低遅延の実現について-> https://www.soumu.go.jp/main_content/000536167.pdf 2) 受信エラー確率を下げる -> NRで導入された qam64LowSE 変調利用 (ただし最大スループットが低下) • TDD低遅延化には受信応答確認(ACK/NACK)までの時間の短縮も必要

24. © 2017 Internet Initiative Japan Inc.© Internet Initiative Japan Inc. 24 5G SAについて • 5G SAのポイント • 5Gに関して • 5G SAの特徴 • URLLC(高信頼、低遅延)実現のポイント • 新しい無線方式の導入 • 新たな5Gシステムの導入 • 低遅延化が実現容易なシステム構成 • セキュリティーの強化 • IIJの5G SAに関する取り組み • まとめ

25. © 2017 Internet Initiative Japan Inc.© Internet Initiative Japan Inc. 25 5G SAの特徴 - 新たな5Gシステムの導入 - 1 • 新たな5Gシステム導入でのエンドユーザ観点で見た場合ポイント 1) 低遅延化が実現容易なシステム構成 • コントロールプレーン(CP)とユーザプレーン(UP)の分離 • ノードの柔軟な配置が可能に 2) セキュリティーの強化 • 4Gシステムでは、セキュリティー観点で根本的な問題を抱えていた • この部分を新たな仕組みで導入して解消

31. © 2017 Internet Initiative Japan Inc.© Internet Initiative Japan Inc. 31 新たな5Gシステムの導入 - 1) 低遅延化が実現容易なシステム構成 - 5 • CP/UP分離によるシステム構成例 SGW PGW eNB PCRF MME HSS (引用) 3GPP TS 23.501 制御系の部分は遠隔地のデータセンターに設置ユーザデータエンドユーザに拠点にすべて設置することで物理距離による影響を受けずに低遅延で DN(サーバ)にアクセス可能に！

33. © 2017 Internet Initiative Japan Inc.© Internet Initiative Japan Inc. 33 新たな5Gシステムの導入 - 2) セキュリティーの強化 • 4Gまでは初回接続時等に加入者識別ID(IMSI)が、暗号化されないまま無線区間を流れてしまう問題がある • これを利用した加入者トラックングやサービス拒否攻撃などの手法が知られている https://www.ndss-symposium.org/wp-content/uploads/2018/02/ndss2018_02A-3_Hussain_paper.pdf • 5G SAでは接続要求時に、IMSIを暗号化可能なSUCI(SUbscription Concealed Identifier)という識別子が新たに導入されている • 無線区間を傍受してもIMSIの特定が不可能に • IMSI暗号化に公開鍵暗号を利用しているため、5G SA対応SIM開発が必要 (重要) 既存の4G/5G NSA対応SIMでは暗号化機能は利用できない！ • SUCI詳細 -> 3GPP TS 23.003 (例) • IMSI(15桁の数字): 44003 0000000001 • 後半の赤の部分がSIMを利用して暗号化される • SUCI(暗号化あり): 0-440-03-0-1-1- 3024C3D75AD45C08A4AFC2DA4A76CCE9239797B50E077281D386E1F5435AF9286AA3F3 C6693243701D5470E0DF

35. © 2017 Internet Initiative Japan Inc.© Internet Initiative Japan Inc. 35 IIJの5G SAに関する取り組み - 1 • 2020年初頭から5G SAをE2Eで検証可能な社内ラボ構築に着手 • 目的 • 5G SAを利用するローカル5G向けの製品評価 • 将来の5G SA フルMVNO接続を見越して動作検証 • 5G SA技術的知見を得て、今後のサービス開発を加速させるため • 技術実証のためのデモ環境構築

36. © 2017 Internet Initiative Japan Inc.© Internet Initiative Japan Inc. 36 IIJの5G SAに関する取り組み - 2 • IIJ内に5G SAをE2Eで検証可能なラボを構築 gNB SA対応 -R&D基地局 SA対応端末 -商用製品 5GC #2 商用製品 5GC #1 R&D製品 5GC #3 free5GC 電波暗箱（シールドボックス）シミュレータ(SA端末+基地局) -商用製品

37. © 2017 Internet Initiative Japan Inc.© Internet Initiative Japan Inc. 37 IIJの5G SAに関する取り組み - 3 • R&D向けのソフトウェア無線ベースの基地局を利用 gNB SA対応 -R&D基地局 SA対応端末 -商用製品 5GC #2 商用製品 5GC #1 R&D製品 5GC #3 free5GC 電波暗箱（シールドボックス）シミュレータ(SA端末+基地局) -商用製品ローカル5Gで新たに利用可能になる n79(4.8-4.9GHz)を利用したスペアナでの表示

38. © 2017 Internet Initiative Japan Inc.© Internet Initiative Japan Inc. 38 IIJの5G SAに関する取り組み - 4 • 端末は市販品(スマホ,CPE,Wi-Fiルータ)を利用 gNB SA対応 -R&D基地局 SA対応端末 -商用製品 5GC #2 商用製品 5GC #1 R&D製品 5GC #3 free5GC 電波暗箱（シールドボックス）シミュレータ(SA端末+基地局) -商用製品 5G NSAとSAで5Gピクト表示が同じなので SA接続かがわかりにくい

39. © 2017 Internet Initiative Japan Inc.© Internet Initiative Japan Inc. 39 IIJの5G SAに関する取り組み - 5 • R&D用コアは端末挙動を確認したい際に利用 gNB SA対応 -R&D基地局 SA対応端末 -商用製品 5GC #2 商用製品 5GC #1 R&D製品 5GC #3 free5GC 電波暗箱（シールドボックス）シミュレータ(SA端末+基地局) -商用製品端末を接続させるために必要最小限の機能しか実装されてないので、問題発生時の比較検証用に活用

40. © 2017 Internet Initiative Japan Inc.© Internet Initiative Japan Inc. 40 IIJの5G SAに関する取り組み - 6 • E2Eでの5GC商用製品の評価 gNB SA対応 -R&D基地局 SA対応端末 -商用製品 5GC #2 商用製品 5GC #1 R&D製品 5GC #3 free5GC 電波暗箱（シールドボックス）シミュレータ(SA端末+基地局) -商用製品

41. © 2017 Internet Initiative Japan Inc.© Internet Initiative Japan Inc. 41 IIJの5G SAに関する取り組み - 7 • オープンソースソフトの free5GC も評価中 gNB SA対応 -R&D基地局 SA対応端末 -商用製品 5GC #2 商用製品 5GC #1 R&D製品 5GC #3 free5GC 電波暗箱（シールドボックス）シミュレータ(SA端末+基地局) -商用製品 https://www.free5gc.org/ 商用製品がまだ高価なため、コアの低価格での調達ができないか検討の一環で評価を実施＝＞商用利用はまだまだ厳しいのが現状 NPO法人ブロードバンド・アソシエーション内にローカル5G普及研究会が5月に設立され、その枠組でfree5GC開発を加速化させる方向なのでそこで協調することに (参考) https://www.itmedia.co.jp/news/articles/2005/22/news133.html https://www.itmedia.co.jp/mobile/articles/2006/15/news128.html

42. © 2017 Internet Initiative Japan Inc.© Internet Initiative Japan Inc. 42 IIJの5G SAに関する取り組み - 8 • オープンソース貢献の一環でフィードバック実施したもの分類内容 Issue/Pull request 状態バグ／実装漏れ PDUセッションタイプIPv4v6 非対応 https://github.com/free5gc/free5gc/issues/72 v3.0.3で修正された機能リクエスト PCOでDNSサーバアドレス要求 https://github.com/free5gc/free5gc/issues/77 v3.0.3で修正されたバグ QoS関連 https://github.com/free5gc/free5gc/issues/100 本家からbugタグついたバグ／実装漏れ QoS関連 https://github.com/free5gc/free5gc/issues/101 本家からbugタグついた機能リクエスト TUAK認証のサポート https://github.com/free5gc/free5gc/issues/93 本家からenhancementタグついたバグ SUCIの復号結果が間違っている https://github.com/free5gc/util_3gpp/pull/1 プルリク上げた機能リクエスト 5GMM: Configuration update command で時刻同期 https://github.com/free5gc/free5gc/issues/113 リクエストを上げたバグ NASヘッダが間違っている https://github.com/free5gc/amf/pull/5 マージされなかったが v3.0.3?で修正済みバグエラーハンドリングの修正 https://github.com/free5gc/amf/pull/6 マージされた

43. © 2017 Internet Initiative Japan Inc.© Internet Initiative Japan Inc. 43 IIJの5G SAに関する取り組み - 9 • シミュレータはコアネットワーク評価用として活用 gNB SA対応 -R&D基地局 SA対応端末 -商用製品 5GC #2 商用製品 5GC #1 R&D製品 5GC #3 free5GC 電波暗箱（シールドボックス）シミュレータ(SA端末+基地局) -商用製品 -無線信号出すものではない -5GCの基本動作の評価 -実機だと再現が難しい環境の試験 -無線経由で端末だと安定しにくい負荷試験 -デモ環境構築用で活用(次のページ)

44. © 2017 Internet Initiative Japan Inc.© Internet Initiative Japan Inc. 44 IIJの5G SAに関する取り組み - 10 • ローカルでの低遅延処理を活用したデモ環境を構築 gNB SA対応 -R&D基地局 SA対応端末 -商用製品 5GC #2 商用製品 5GC #1 R&D製品 5GC #3 free5GC 電波暗箱（シールドボックス）シミュレータ(SA端末+基地局) -商用製品

45. © 2017 Internet Initiative Japan Inc.© Internet Initiative Japan Inc. 45 IIJの5G SAに関する取り組み - 11 • 遠隔拠点にコア、ローカルにUPF置き低遅延処理デモ環境を構築 5GC #2IIJ本社(飯田橋) IIJ 白井データセンターキャンパスシミュレータ (SA端末+基地局) Leap Motion ハンドモーションキャプチャ PC (USB<->IP) Leap motionからUSB over IP (100+Mbps)でリアルタイム収集したデータを処理し、手(指)の動きをリアルタイムで可視化 UPF コア本体は本社に、データの出口となるUPFを白井DCC内に設置し、ローカル分散処理を実現 MECサーバ相当画像引用 https://www.ultraleap.com/

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