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＜更新情報＞
更新日 2018年11月23日
・下記の表の表示方法を修正しました。内容は従来のままです。
変更理由は、表組みプラグインを不使用のため。
＜該当する表＞
IMT-Advancedの要求仕様 対 802.16m SRD
Mobility Requirements (bit/s/Hz)
802.16eと802.16mの仕様
更新日 2012年8月7日
・誤記を修正しました。
FFR (Fractional Frequency Use)
→ FFR (Fractional Frequency Reuse)
・その他のいくつかの表現を修正・追加
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IEEE 802.16m モバイルWiMAX 2の系譜
| 用語 | 説明 | |
| モバイルWiMAX 2 | Mobile WIMAX 2 ＝Mobile WIMAX Release 2.0 ＝IEEE 802.16m |
| 名称ですが、次の図の “Mobile WiMAX Release 2.0” が一般に言うところの “モバイルWiMAX 2” です。単に“WiMAX 2″の名称も目にしますが、同じものを意味するようです。 |
802.16mは、既存のWiMAXシステムの上位規格です。802.16mは日増しに増える大容量（高速）の無線データ通信の需要に応えるべく、既存のシステムを大幅に改良しています。
WiMAXの規格は、二つの団体の名前が深く関係します。
IEEEはWiMAXの規格を作り、WiMAX Forumは互換性や相互接続性のテストを行います。WiMAX Forumはこの目的で作られた業界団体です。
WiMAXは、ラストマイルにおけるデータ通信の容量を上げる（高速化）ことを目的に開発された方式です。この意味では、ADSLモデムなどと同じですが、無線で通信する点が大きく異なります。
| 用語 | 説明 | |
| ラストマイル | the last one mile 通信事業者の通信回線の一部。利用者の最寄りの基地局から利用者の建物までを結ぶ、通信回線の最後の部分。同じ意味で「ファーストマイル」の言い方もある。 |
一般に知られるWiMAX規格は、それほど多くありませんが、実際には入り組んでいます。図に示すのは、まだすべてではありません。
＜ 図 WiMAXの系譜 ＞
IEEE802.16m の末尾”m”は、規格のリビジョンを表すようです。ただ、名前の付け方はあまり一貫していないらしく、古い802.16aというものや、数字のみの802.16-2001のような名称もあります。
| 用語 | 説明 | |
| IEEE | Institute of Electrical and Electronic Engineers 電気・電子分野における学会。本部は米ニューヨーク。この種の団体では世界最大とされる。 | |
| WiMAX Forum | ワイマックス・フォーラム 相互接続できる WiMAX製品の普及と認定を目的とする産業主導型 NPO法人。460社を超える会員企業で構成。 |
802.16m とIMT-Advancedの要求仕様
802.16mは、 ITU-Rが規定した標準規格であるIMT-Advancedの要求仕様に合致
します。
| 用語 | 説明 | |
| ITU-R | International Telecommunication Union Radiocommunications Sector 国際電気通信連合 無線通信部門 ここで決まる無線通信規則は、法的拘束力を持つ。 | |
| IMT-Advanced規格 | ITU-Rが規定した次世代のモバイル通信規格。2012年1月18日に承認。 |
IMT-Advanced 仕様を簡単に説明すると、高速移動時の伝送レートは100Mbps以上で、静止時には 1Gbps です。この他にも帯域幅や1Hzあたりの伝送レートを表すスペクトル効率や、レイテンシなどの細かい規定を定めています。
IMT-Advancedの要求仕様をなぜ気にするのかというと、ITU-Rが規定する規格はほぼそのまま電波法に反映し、無線通信装置は電波法の規制対象であるからです。
IMT-Advancedの要求仕様を満足する次世代のモバイル通信規格は、WiMAX2の他には、LTE-Advanced があります。
| 用語 | 説明 | |
| LTE-Advanced | LTE (Long Term Evolution) の次世代規格（解説記事を準備中） |
| No. | 項目 | IMT-Advanced （ITU-Rの要求仕様） |
802.16m SRD （IEEEの仕様） |
| #1 | Peak spectral efficiency ピークスペクトル効率(b/s/Hz/sector) | DL: 15(4×4), UL: 6.75(2×4) |
DL: 8.0/15.0(2×2/4×4), UL: 2.8/6.75(1×2/2×4) |
| #2 | Cell spectral efficiency セルスペクトル効率 (b/s/Hz/sector) | DL(4×2) = 2.2, UL(2×4) = 1.4(Base coverage urban) |
DL(2×2) = 2.6, UL(1×2) = 1.3(Mixed Mobility) |
| #3 | Cell edge user spectral efficiency セル境界スペクトル効率 (b/s/Hz) | DL(4×2) = 0.06, UL(2×4) = 0.03(Base coverage urban) |
DL(2×2) = 0.09, UL(1×2) = 0.05(Mixed Mobility) |
| #4 | Latency レイテンシ |
C-plane: 100ms(idle to active) U-plane: 10ms | C-plane: 100ms(idle to active) U-plane: 10ms |
| #5 | Mobility(b/s/Hz at km/h) 移動性能 | 0.55 at 120km/h 0.25 at 350km/h | Optimal performance up to 10km/h “Graceful degradation” up to 120km/h “Connectivity” up to 350km/h, Up to 500km/h depending on operating freq. |
| #6 | Handover interruption time ハンドオーバー割り込み時間 (ms) | Intra frequency: 27.5, Inter frequency: 40(in a band) /60(between bands) | Intra frequency: 27.5, Inter frequency: 40(in a band) /60(between bands) |
| #7 | VoIP capacity VoIP 容量 (Active users/sector/MHz) | 40(4×2 and 2×4)(Base coverage urban) | 60(DL 2×2 and UL 1×2) |
| 省略名 | 用語 | 説明 | |
| 802.16m SRD | 802.16m System Requirements Document | ||
| Spectral Efficiency | スペクトル効率 通信システムの決められた帯域幅で伝送できる情報の総量。 | ||
| DL | Down Link | 下り | |
| UL | Up Link | 上り | |
| base coverage urban | 市街地の基準通信範囲 | ||
| C-plane | Control plane | 制御信号の伝送路。通信の確立や切断などを行う。ユーザーデータからみるとオーバーヘッドに相当。 | |
| U-plane | User plane | ユーザーデータの伝送路 | |
| intra frequency | 同一の周波数間 | ||
| inter frequency | 異なる周波数間 | ||
| VoIP | Voice over Internet Protocol | 音声をTCP-IPネットワークで伝送する仕組み。音声信号は量子化し、パケットで伝送する。 |
表の「Mobility（移動性能）」で、IEEEの部分は、文章による表現で少し抽象的です。具体的な仕様は、次の表を参照ください。
| Test environment 試験環境 |
ITU-R Required spectral efficiency 要求仕様スペクトル効率 | Achieved spectral efficiency 802.16m LOS 達成値 |
Achieved spectral efficiency 802.16m NLoS 達成値 |
Median SINR SINRの中央値 | |
| #1 | InH (10km/h) | 1.0 | TDD: 3.76, FDD: 3.86 | TDD: 3.41, FDD: 3.56 | 16.6 dB |
| #2 | UMi (30km/h) | 0.75 | TDD: 1.81, FDD: 1.72 | TDD: 1.50, FDD: 1.51 | 5.0 dB |
| #3 | UMa (120km/h) | 0.55 | TDD: 1.72, FDD: 1.63 | TDD: 1.30, FDD: 1.34 | 4.3 dB |
| #4 | RMa (350km/h) | 0.25 | TDD: 1.70, FDD: 1.61 | TDD: 1.23, FDD: 1.27 | 5.6 dB |
| 省略名 | 用語 | 説明 | |
| LOS | Line of Sight | 見通せる直線 | |
| NLOS | Non LOS | 見通せない直線 | |
| SINR | Signal-to-Interference Noise Ratios | 信号強度対干渉ノイズ強度の比率 | |
| InH | Indoor Hotspot | 屋内のホットスポット（電界強度の高い場所） | |
| UMi | Urban Micro-cellular | 市街地（都会）のマイクロセルラー | |
| UMa | Urban Macro-cellular | 市街地（都会）のマクロセルラー | |
| RMa | Rural Macro-cellular | 田舎のマクロセルラー | |
| Micro-cellular マイクロセルラー | 半径数 100 m 程度のセル（基地局から届く範囲） | ||
| Macro-cellular マクロセルラー | 半径数 K m 程度のセル | ||
| TDD | Time Division Duplex 時分割複信 |
通信経路を時間軸で細かく分割し、送信と受信を高速に切り替える通信方式 | |
| FDD | Frequency Division Duplex 周波数分割複信 |
送信と受信にそれぞれ別の周波数を割り当て、全二重（送受信を同時）で行う通信方式 |
802.16m の特徴
802.16mでは、従来の方式を基に多くの点を改良しています。
例を示すと次の項目があります。
・カバレッジの拡大とスペクトル効率
・データ伝送レートとVoIPの容量増加
・マルチ・キャリア（チャンネル・アグリゲーション）
・低レイテンシ化による伝送品質の改善
・スリープモード、アイドルモード
・互換性
・マルチアンテナ技術とMIMO
・その他の高度な特徴
➜ カバレッジの拡大とスペクトル効率
802.16mでは、Release-1と同じアンテナの構成において、リンクバジェットを少なくとも 3dB（デシベル）またはこれ以上改善します。3dBは2倍の電力ですが、これにより、基地局から見通せない範囲で、セルの面積を2割〜3割拡大します。さらに、セルの境界付近のスループット（伝送レート）も改善し、この値は2倍と言われています。
| 用語 | 説明 | |
| カバレッジ | Coverage 無線通信では受信範囲のこと | |
| Release 1 | ＝Mobile WiMAX Release 1.0 | |
| リンクバジェット | Link Budjet 送信機から放射する電波を、受信機がどれだけ受信できるかを示す量。単位は受信する電力を dBmで表す。 | |
| dB デシベル | deci Bel 大きさの比率を底10の常用対数で表す方法。ベルは大きすぎるので、デシ（＝1/10）を付けて使う。 | |
| dBm | deci Bel milli Wats デシベルミリワット（ディービーエム）基準を1ミリW （1/1000 ワット）（＝0 dBm）にする電力の表現方法。＜例＞3dBmは約2mW、6dBmは約4mW。 | |
| セル Cell | 無線通信では、一つの基地局から電波の届く範囲 |
高度化したアンテナシステムでは、さらに恩恵を受けることができ、マルチ・ホップリレーにより受信範囲は拡大します。（後の部分で説明します。）
➜ データ伝送レートとVoIPの容量増加
スペクトル効率を上げると、伝送容量を増加する（高速化）ことに直接反映します。
次の図はWiMAX Forum の資料を基に作りました。図の最も右側の802.16m の2×20MHzで、上りは2×4 MIMOにも関わらず、下りの2×4 MIMOよりレートが高いのは奇妙な気もしますが、そのまま載せておきます。（規格の確定時点で変更があるのかもしれません。）
| 省略名 | 用語 | 説明 | |
| CM | Collaborative MIMO 協調MIMO |
MIMOにより複数ユーザーのデータを複数のアンテナで処理する仕組み | |
| MIMO | Multiple Input Multiple Output | 通信チャンネルの本数を増やし、伝送容量を上げる技術。無線通信では複数のアンテナを使用する。 |
伝送レートに関して、次の図にあるように3×20 MHzのモードを使用する1 Gbps を超す容量（速度）の仕組みも用意してあります。（マルチキャリアを使用、MIMO等の詳細は不明）
上の二つの図を見比べると、気になるところはあります。下りの2×20 MHzとマルチキャリア3×20 MHzは、帯域幅 1.5倍の拡大なのが、伝送レートはそれ以上に増加しています。上記のようにMIMO等の条件は不明ですが、WiMAX Forum 発表の数値をそのまま載せておきます。
＜ 図 802.16VoIP容量の比較 ＞
➜ マルチキャリア（チャンネル・アグリゲーション）
伝送レートは、他の条件が同じならば帯域幅に比例します。チャンネル・アグリゲーション技術は、帯域幅を広げる効果的な方法です。
| 用語 | 説明 | |
| チャンネル・アグリゲーション Channel Aggregation ＝チャンネル・ボンディング Channel Bonding | 複数のネットワークインタフェースを組み合わせ、スループット増強を行う通信ネットワークの仕組み。（スループットの増強だけではなく、冗長化する目的の場合もある。） |
802.16mは、この機能により最大帯域幅 100MHzまでの複数のキャリアで動作する仕組みを備えます。複数のキャリアは、連続するチャンネルか、または連続しないとびとびのチャンネルの両方を使うことができます。
（WiMAX Forum 2009年版の資料より）
この機能を使わない帯域幅は、標準では最大40MHz（802.16eと802.16mの比較）ですが、2.5倍に拡大することができます。
前出の「図 802.16mの伝送レート（下りのみ）」の3×20MHzの例を参照。
➜ 低レイテンシ化による伝送品質の改善
802.16mは、従来の規格よりもレイテンシを縮めてQoSの特性を改善し、伝送を高品質化しています。下記の表「802.16eと802.16mの比較」に示すように、Release-1 の半分程度に減らしています。遅延に敏感な VoIP、オンライン取引のようなアプリケーションの伝送品質を大きく改善します。
➜ スリープモード、アイドルモード
802.16mは無駄な電力消費を減らす、スリープモードとアイドルモードを備えます。
端末はスリープモードに入る前に、リスニング期間（Listening Window）と呼ぶ完全にスリープする前の状態があり、この状態では受信することができます。端末はスリープ期間（Sleep Window）に入ると受信しません。（”window” は時間帯のこと。）
リスニング期間には、スリープ期間と同じ状態のマイクロスリープ期間（Micro Sleep Period）があり、この状態でも電力消費を減らします。
アイドル状態（Idle State）にすると、電力を抑えながら周期的に短時間だけ受信動作を行うことができます。周期的に受信する動作は、消費電力を減らすのが目的です。
➜ 互換性
802.16eと802.16mの二つの仕様は、互換性があり、同一ネットワーク内で混在して利用することができます。主な仕組みを次に挙げます。
・802.16eと802.16mのフレーム（ほぼパケットの意味）構造は同じ
・両者は、多元接続方式にOFDMAを使う
OFDMAについては、次の記事を参考にどうぞ。
LTEとは
http://wimax-page.123-info.net/archives/764
➜ マルチアンテナ技術とMIMO
・改良・強化した下りと上りのマルチユーザーMIMO（MU-MIMO）
下りは8ストリームまで、上りは4ストリームまで
・セルエッジ環境下におけるスループットの向上を 図るMulti-BS MIMO
| 用語 | 説明 | |
| Multi-BS MIMO | 複数の基地局から一台の端末に送信する仕組み |
マルチユーザーMIMOについては、次の記事を参考にどうぞ
IEEE802.11ac の仕組み
http://wimax-page.123-info.net/archives/918
➜ その他の高度な特徴
IEEE802.16mでは、実に多くの改良・強化策があります。これらはスペクトル効率を改善します。項目を列記するだけに留め、詳細は省略します。
・改良したオープン／クローズド・ループ・送信電力制御
目的は、電波の競合と干渉を防ぐ
・干渉を低減する技術
FFR (Fractional Frequency Reuse)、他
・オーバーヘッドの低減
フレーム（ほぼパケットに相当する）の構造を工夫し、制御信号の割合を低減
・その他
| 用語 | 説明 | |
| オープンループ送信電力制御 Open Loop Power Control | 移動端末機が自ら端末機の送信電力を制御する方式 | |
| クローズドループ送信電力制御 Closed Loop Power Control | 基地局が移動端末機の送信電力を制御する方式 |
マルチホップリレー
802.16mは、マルチホップリレーをサポートします。
| 用語 | 説明 | |
| マルチホップリレー Multi-hop Relay |
IEEE 802.16j で規格化 |
マルチホップリレーは、「リレー伝送」方式の一つですが、電波が弱いときに有効で威力を発揮します。
具体的には、図のように基地局とユーザー端末の中間に中継局を設置します。たとえば家の軒先や窓際に１台を設置し、そこから室内の端末まで電波を導きます。（受信時の動作。送信時は、逆向き。）
大きな建物では、複数のリピータ（中継装置）を建物内に設置し、次々に電波を中継し端末まで導くと電波が弱くて使えない状況を解消することができます。「マルチホップリレー」は、このような使い方に対応します。
無線伝送の高レート（高速）化は、消費電力の増大を招きますが、同じ電力ならば通信距離が短くなることは避けられません。マルチホップリレーは、端末機の消費電力を増大せずにサービスエリアを拡大することができます。
＜ 図 マルチホップリレー ＞
802.16eと802.16mの比較
表は、Release-1 との特性の比較です。
| No. | 項目 | 802.16e/Mobile WiMAX R1 | 802.16m |
| #1 | Duplexing mode 複信方式 |
TDD | TDD, FDD |
| #2 | Channel Bandwidth チャンネルバンド幅 |
3.5 /5 /7 /8.75 /10 MHz | 5 /10 /20 /40 MHz |
| #3 | Mobility 移動性能 |
Up to 60 – 120Km/H | Up to 350Km/H |
| #4 | Latency レイテンシ |
Link-Layer Access: 〜20ms, Handoff: 〜35 – 50ms | Link-Layer Access: <10ms, Handoff: <30ms |
| #5 | MIMO Configuration MIMOの構成 | DL: 2×2 MIMO, UL: 1×2 MIMO | DL: 2×2 /2×4 /4×2 /4×4 MIMO, UL: 1×2 /1×4 /2×2 /2×4 MIMO |
| #6 | Spectral efficiency スペクトル効率 |
Peak: DL 6.4 bps/Hz, UL 2.8 bps/Hz, Sustained: DL 1.55 bps/Hz, UL 0.9 bps/Hz | Peak: DL >15 bps/Hz, UL >6.75 bps/Hz, Sustained: DL >2.6 bps/Hz, UL >1.3 bps/Hz |
| #7 | Coverage 受信範囲 |
1 /5 /30Km | 1 /5 /30Km (Optimal at 5Km) |
| #8 | # of VoIP Active Users VoIP同時接続数 |
〜25 users/sector/MHz | >60 users/sector/MHz |
| 用語 | 説明 | |
| Duplex | 複信方式 ２地点間の双方向通信 | |
| レイテンシ | Latency 遅延時間 | |
| Link-Layer Access | ＝User plane（ユーザーデータ） | |
| peak | ピークの値 | |
| sustained | 持続した（平均に近い）値 |
参考資料
この記事を書くにあたり参考にした資料です。
WiMAX and the IEEE 802.16m Air Interface Standard
Apr 2010 WiMAX Forum
IMT-Advancedの要求仕様の資料 802.16m SRD
802.16m SRD IEEE 802.16m System Requirement Document
http://ieee802.org/16/tgm/core.html#07_002
IEEE 802.16 Candidate Proposal for IMT-Advanced
Oct 15, 2009 IEEE
Next-generation mobile WiMAX– IEEE 802.16m
Dec 14, 2009 Intel
Mobile WiMAX Update and IEEE 802.16m
Mar 25, 2009 Intel
Comparing Mobile WiMAX with HSPA+, LTE, and Meeting the Goals of IMT- Advanced
Feb 200 WiMAX Forum9
Wireless Test World 2009
Agilent Technologies
LTE/WiMAXシステムの動向 Trends in LTE/WiMAX Systems
富士通
IEEE 802.16m for IMT-Advanced: The Next Step in Wireless MAN Evolution
NEC
Mobile WiMAX A System Approach to Understanding IEEE802.16m Radio Access Technology
Sassan Ahmadi 著 Academic Press 2011