Universal Mobile Telecommunications System

ユニバーサル移動体通信システム (UMTS) の詳細解説

ユニバーサル移動体通信システム (Universal Mobile Telecommunications System, UMTS) は、第3世代 (3G) 移動通信技術の中心的な存在であり、現在では4G技術への進化の過程にあります。この記事では、UMTSの技術的な詳細、機能、歴史的背景、および競合技術との比較について詳しく解説します。

UMTSの概要

UMTSの最初の公開版は、3GPPによって策定されたリリース99 (R99) アーキテクチャです。これはITUのIMT-2000規格の一部として位置づけられています。UMTSの最も一般的な形態は、無線インターフェースとしてW-CDMA (IMT Direct Spread) を使用するものですが、他にもTD-CDMAやTD-SCDMA（共にIMT CDMA TDD）などの技術も存在します。UMTSは、無線アクセスネットワーク (UTRAN) とコアネットワーク (MAP) を含み、ユーザー認証にはUIMカードを利用します。

GSM/EDGEやCDMA2000とは異なり、UMTSは新しい基地局と周波数帯を必要としますが、GSMの概念に基づいているため、GSM/EDGEと多くの共通点があります。そのため、UMTS端末の多くはGSMもサポートしており、デュアルモードで運用可能です。この親和性から、UMTSは「3GSM」として販売されることもあります。

UMTSという名称は、欧州電気通信標準化機構 (ETSI) によって定められ、主にヨーロッパで用いられます。ヨーロッパ以外では、FOMAやW-CDMAなどの名称で呼ばれることもあります。マーケティング上は、単に3Gまたは3G+と称されることが一般的です。

UMTSの特徴と機能

3GにおけるUMTSは、理論上の最大データ転送速度として42Mbit/s (HSPA+) をサポートしますが、R99規格の端末では実際の速度は384kbit/s、HSDPA規格の端末では下り7.2Mbit/sとなります。これは、GSMの9.6kbit/sやHSCSDの複数チャネル、CDMAOneの14.4kbit/sよりも高速であり、インターネットや携帯データサービスへのアクセスを可能にします。

UMTSへの移行の経緯

3G以前には、GSM、IS-95、PDC、CDMA PHSなどの2G携帯電話システムが各国で利用されていました。GSMでは、2Gから2.5Gと呼ばれるGPRSへの移行パスが用意され、データレートが理論上最大140.8kbit/s（実際には約56kbit/s）に向上しました。さらに、GPRSを拡張したEDGE（2.75G）では、約180kbit/sのパケット転送速度を実現しました。

2006年以降、UMTSネットワークを採用した国々は、HSDPA（下り最大21Mbit/s）やHSUPA（上り方向の高速化）などの3.5G技術を導入しました。将来的には、3GPP Long Term Evolution (LTE) プロジェクトにより、UMTSは4Gの速度である下り100Mbit/s、上り50Mbit/sまで高速化される予定です。

UMTSネットワークは、2002年から運用が開始され、当初は動画配信やテレビ電話などのアプリケーションが強調されましたが、実際にはインターネットアクセスへの需要が高く、携帯電話だけでなく、PC接続にも利用されるようになりました。

UMTSのテクノロジー

UMTSは、複数の無線インターフェース、GSMのMobile Application Part (MAP) コア、GSM系の音声コーデックなどを統合したものです。

無線インターフェース

UMTSは、UMTS Terrestrial Radio Access (UTRA) と呼ばれる複数の無線インターフェースを提供しています。これらは全てITUのIMT-2000の一部です。現在、最も広く使用されているのはW-CDMA (IMT Direct Spread) です。

W-CDMA、TD-CDMA、TD-SCDMAは、多元接続の種類と誤解されやすいですが、実際には無線インターフェース規格全体を指します。

W-CDMA (UTRA-FDD)

W-CDMAは、直接シーケンス方式で5MHzのチャネルを2つ使用します。一方、競合技術であるCDMA2000は、1.25MHzチャネルを複数使用します。広い周波数帯域の使用が欠点とされ、アメリカなどでは導入が遅れました。当初、UMTS規格では1885-2025MHz（上り）と2110-2200MHz（下り）を規定していましたが、アメリカでは1900MHz帯が使用されていたため、代わりに1710-1755MHzと2110-2155MHzが使われました。UMTS2100は最も広く使われていますが、国によっては850MHz帯や1900MHz帯も利用されています。

UTRA-TDD HCR (TD-CDMA)

TD-CDMAは、5MHzの周波数帯を10msのフレームに分割し、さらに15タイムスロットに分割して使用します。タイムスロットは上りと下りに割り振られます。TD-CDMAは、複数の送受信機の多重化に使われ、W-CDMAとは異なり、上りと下りの周波数帯を分ける必要がなく、より狭い帯域で使用可能です。

TD-SCDMA (UTRA-TDD 1.28 Mcps Low Chip Rate)

TD-SCDMAは、TDMAと同期CDMAを組み合わせたもので、1.6MHzの周波数帯域を使用します。TD-CDMAよりも狭い帯域で使用可能ですが、中国が開発した背景には、特許料支払いを減らすという目的がありました。TD-SCDMAはUMTSの一部ではありませんでしたが、Release 4で仕様に追加されました。

無線アクセスネットワーク (UTRAN)

UMTSは、異なる無線インターフェースや周波数帯を使用した基地局で構成されるUTRANを規定しています。UMTSとGSM/EDGEはコアネットワーク (CN) を共有でき、UTRANはGERAN (GSM/EDGEの無線アクセスネットワーク) の代替として使用できます。これにより、通信範囲やサービスニーズに応じてRAN間で透過的な切り替えが可能です。

コアネットワーク

UMTSは、GSM/EDGEと同じコアネットワーク規格を採用しており、既存のGSM事業者の移行が容易です。コアネットワークは、インターネットやISDNなどの各種ネットワークに接続できます。UMTSは、OSI参照モデルの下位3層を含んでおり、ネットワーク層にはRRMプロトコルがあり、携帯電話と固定電話間の通話などを管理します。

周波数割り当て

2004年12月現在、全世界で130以上の事業者にGSMベースのW-CDMA無線アクセステクノロジーのライセンスが発行されています。ヨーロッパでは、2100MHz帯のライセンス入札が過熱し、高額なライセンス料が問題となりました。近年では、900MHz帯でUMTSを運用する動きも出てきています。

北米では、1900MHz帯が2Gサービスに、2100MHz帯が衛星通信に使われていましたが、調整により2100MHz帯の一部が3Gサービスに解放され、1700MHz帯がアップリンク用として利用されるようになりました。北米の事業者は、ヨーロッパ風の2100/1900MHzシステムを実装しようとしており、そのためには1900MHz帯の既存の2Gサービスとの周波数帯共有が必要になります。

アメリカでは、AT&Tモビリティが1900MHz帯と850MHz帯でUMTSサービスを提供し、Tモバイルは2100/1700MHz帯を使用しています。カナダでは、Rogers、Bell、Telusが850MHz帯でサービスを提供し、最近では2100/1700MHz帯で運用を開始するプロバイダも現れています。オーストラリアでは、テルストラが850MHz帯でNextGネットワークを運用しています。

相互運用性と国際ローミング

UMTS端末は高い相互運用性を持ち、プロバイダ間でローミング契約があれば、他のUMTSネットワーク上でもローミングが可能です。また、UMTS/GSMデュアルモード端末であれば、UMTSサービス地域外でもGSMに切り替えて通話できます。ただし、ローミング料金は通常よりも高額です。

UMTSネットワークを運用する事業者にとって、透過的かつ国際的なローミングは重要な課題です。そのため、UMTS端末は複数の周波数帯をサポートし、GSMも同時にサポートすることが多いです。国によってUMTSの周波数帯は異なり、ヨーロッパでは2100MHz、アメリカでは850MHzと1900MHzが使われます。そのため、初期のUMTS端末は海外で利用できないことがありましたが、現在では多くの周波数帯をサポートする端末が増えています。

UMTS端末はGSMのSIMカードに基づくUSIMカードを使用しますが、GSMのSIMカードでも動作します。これにより、ネットワークは端末内の(U)SIMを識別・認証できます。ローミングでは、(U)SIMカードを交換することで通話が可能になり、利用可能なサービスや料金が決定されます。(U)SIMカードには、電話帳のストレージ領域も提供されます。

日本では、他国に先駆けて3G技術が採用され、当初から小型軽量の3G携帯電話が実現しました。NTTドコモのFOMAは世界初のUMTS仕様に準拠した3Gネットワークであり、USIMカードによるローミングを可能にしました。NTTドコモとソフトバンクモバイルは、現在ではUMTS規格によるネットワークを運営しています。

携帯機器とモデム

大手2G携帯電話メーカーは全て、3G携帯電話も製造しています。初期の3G携帯電話やモデムは、その国で使用されている周波数帯のみに対応していましたが、現在では複数の周波数帯に対応した端末が増えています。

携帯型無線LANルーターやPCMCIA/USBカード型のモデムを使用すると、任意のコンピュータで3Gブロードバンドサービスにアクセスできます。Bluetooth対応の3G携帯電話を使えば、複数のコンピュータをインターネットに接続することも可能です。

競合規格

UMTSの主な競合規格は、CDMA2000、EDGE、TD-SCDMA、DECT、WiMAX、Flash-OFDMなどです。

CDMA2000: 3GPP2が開発した規格で、既存の2G規格CdmaOneを進化させたものです。CDMA2000は、狭い周波数帯で運用可能で、既存の周波数帯に配置しやすいという特徴があります。
EDGE: 既存のGSMシステムを拡張したもので、UMTSよりも安価かつ迅速に導入可能です。
TD-SCDMA: 中国が開発した規格で、マクロセル・マイクロセル方式に適していますが、採用ベンダーが少ないのが現状です。
DECT: コードレス電話の規格で、人口過密な都会ではUMTSと競合する可能性があります。
WiMAX, Flash-OFDM: インターネットアクセスを提供する点で、競合規格と言えます。

GPRSからUMTSへの移行

GPRSネットワークからは、HLR、VLR、EIR、MSC、AUC、SGSN、GGSNなどのネットワーク要素が再利用できます。しかし、BSCやBTSは再利用できず、これらの要素は2Gと3Gのネットワークを並存させるために残されました。UMTSでは、Node B、RNC、MGWなどの新しいネットワーク要素が必要となりました。また、MSCとSGSNの機能は、MGWに対する制御に変更されました。

課題

アメリカや日本などでは、ITU勧告とは異なる周波数割り当てが行われているため、UMTS-2100が利用できない場合があります。そのため、代替周波数帯が使われることで、機器の設計変更が必要となります。しかし、近年ではマルチバンドに対応した端末が増え、この問題は軽減されつつあります。

初期のUMTS端末には、重量が重くバッテリー寿命が短いという問題がありました。また、UMTSからGSMへのハンドオーバー時の通話の信頼性も課題でした。現在では、これらの問題はほぼ解決されています。UMTSネットワークは、当初は多くの基地局を密に配置する必要がありましたが、低周波数帯の採用が進むにつれて、この問題も緩和されています。しかし、UMTSはGSMよりも電力を消費するため、バッテリー技術とネットワーク技術の進歩が求められています。

リリース履歴

UMTSは、計画されたリリースに従って進歩しています。

Release '99: ベアラ・サービス、回線交換64kbit/s、パケット交換384kbit/s、ロケーションサービス、電話サービス (GSM互換)
Release 4: EDGEラジオ、マルチメディアメッセージング、MExE、ロケーションサービスの改良、IMS
Release 5: IMS、IPv6、UTRANにおけるIP転送、GERAN、MExEなどの改良、HSDPA
Release 6: WLAN統合、マルチメディアブロードキャストとマルチキャスト、IMSの改良、HSUPA、Fractional DPCH
Release 7: Enhanced L2、64 QAM, MIMO、VoIP over HSPA、CPC、FRLC
* Release 8: DC-HSPA、HSUPA 16QAM

結論

UMTSは、3G技術の代表として、その後の通信技術の発展に大きな影響を与えました。その技術的詳細、機能、そして歴史的背景を理解することで、現代の通信技術の進歩をより深く理解することができます。

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