フェムトセル
電気通信において、フェムトセルは小型で低電力の携帯電話基地局で、通常は家庭や中小企業向けに設計されています。業界でより普及している広義の用語はスモールセルであり、フェムトセルはそのサブセットです。フェムトセルは通常、インターネット経由で有線ブロードバンド リンク ( DSLやケーブルなど) を介してサービス プロバイダーのネットワークに接続します。現在の設計では、バージョン番号とフェムトセルのハードウェアに応じて、住宅環境では 4 ~ 8 台の携帯電話が同時にアクティブになり、企業環境では 8 ~ 16 台の携帯電話がサポートされます。フェムトセルを使用すると、サービス プロバイダーは、特にアクセスが制限されていたり利用できなかったりする場所で、屋内またはセル エッジでサービス カバレッジを拡張できます。WCDMAに多くの注目が集まっていますが、この概念はGSM、CDMA2000、TD-SCDMA、WiMAX、LTEソリューションを含むすべての標準に適用できます。

フェムトセルを使用することで、メインネットワークセルへの信号が弱すぎる可能性のある場所でもネットワークカバレッジを確保できます。さらに、フェムトセルは、エンドユーザーからインターネット接続を介して通信事業者のプライベートネットワークインフラへの接続を確立することで、メインネットワークセルにおける競合を軽減します。メインセルへの競合の軽減は、セルタワーまでの物理的な距離に基づいて接続負荷を軽減する「 ブリージング」にも貢献します。
消費者や中小企業は、事実上の基地局を敷地内に設置することで、通信範囲と信号強度が大幅に向上するメリットを享受できます。フェムトセルに比較的近いため、携帯電話(ユーザー機器)はフェムトセルとの通信にかかる電力消費量が大幅に削減され、バッテリー寿命が延びます。また、通信事業者/ネットワークのサポート、顧客契約/料金プラン、端末およびOSのサポートなど、様々な要因に応じて、 HD音声による音声品質の向上も期待できます。通信事業者によっては、自宅からの通話料金割引など、より魅力的な料金プランを提供している場合もあります。
フェムトセルは、固定・移動融合(FMC)のメリットを実現する代替手段です。FMCアーキテクチャのほとんどでは、既存の免許不要スペクトルを利用する家庭/企業向け無線アクセスポイントと連携する新しいデュアルモード端末が必要となるのに対し、フェムトセルベースの導入では既存の端末で動作しますが、免許不要スペクトルを利用する新しいアクセスポイントの設置が必要になります。
世界中の多くの通信事業者がフェムトセルサービスを提供しています。これらのサービスは主に企業を対象としていますが、個人顧客にも(多くの場合、一回限りの料金で)提供されています。個人顧客は、居住地で電波が弱い、または全くないという苦情を通信事業者に申し立てた場合に利用できます。フェムトセルサービスを開始した通信事業者には、 SFR、AT&T、C Spire、Sprint Nextel、Verizon、Zain、Mobile TeleSystems、T-Mobile US、Orange、Vodafone、EE、O2、Threeなどがあります。
3GPP用語では、Home NodeB(HNB)は3Gフェムトセル、Home eNodeB(HeNB)はLTE 4Gフェムトセルです。
標準的な基地局の通信範囲は理論上最大35キロメートル(22マイル)ですが、実際には5~10キロメートル(3.1~6.2マイル)程度です。マイクロセルは2キロメートル未満、ピコセルは200メートル以下、フェムトセルは10メートル程度です。[ 1 ] AT&Tは通信範囲が40フィート(12メートル)の製品を「マイクロセル」と呼んでいます。[ 2 ] AT&Tは「AT&T 3G MicroCell」を商標として使用しており、必ずしも「マイクロセル」技術そのものを指しているわけではありません。[ 3 ]
概要と利点
動作モード
フェムトセルは、モバイルネットワーク事業者(MNO)が個人または法人の顧客に販売または貸与します。フェムトセルは通常、住宅用ゲートウェイと同程度かそれ以下の大きさで、ユーザーのブロードバンド回線に接続します。DSLルーターとフェムトセルの両方が一体となった統合型フェムトセルも存在します。フェムトセルはプラグインすることでMNOのモバイルネットワークに接続し、カバレッジを拡張します。ユーザーにとって、フェムトセルはプラグアンドプレイであり、特別な設置や技術的な知識は必要ありません。誰でも自宅にフェムトセルを設置できます。
ほとんどの場合、[ 4 ]ユーザーは、通常 MNO が提供するウェブインターフェースを介して、どの携帯電話番号がフェムトセルに接続できるかを宣言する必要があります。[ 5 ]これは一度だけ行う必要があります。これらの携帯電話がフェムトセルのカバー範囲に入ると、マクロセル(屋外)からフェムトセルに自動的に切り替わります。ほとんどの MNO は、たとえば携帯電話に別のネットワーク名を表示するなどして、ユーザーがこれを知ることができる方法を提供しています。その後、すべての通信は自動的にフェムトセルを経由します。ユーザーがフェムトセルのカバー範囲 (通話中かどうかに関係なく) を離れると、携帯電話はマクロネットワークにシームレスにハンドオーバーします。フェムトセルには特定のハードウェアが必要であるため、既存の WiFi または DSL ルーターをフェムトセルにアップグレードすることはできません。
ほとんどのフェムトセルは、特定の場所に設置されると、設置場所の変更がMNOに報告される保護メカニズムを備えています。MNOがフェムトセルの異なる場所での運用を許可するかどうかは、MNOのポリシーによって異なります。フェムトセルは、異なる国で異なるネットワーク事業者が所有するライセンス周波数を送信するため、フェムトセルの国際的な設置場所の変更は許可されていません。
ユーザーにとってのメリット
エンドユーザーにとっての主な利点は次のとおりです。
- 信号がない場合やカバレッジが悪い場合は「5バー」のカバレッジ
- モバイルデータ容量の増加。これは、エンドユーザーが携帯電話でモバイルデータを使用する場合に重要です(フェムトセルが設置されている場所でWi-Fi を使用する多くの加入者には関係ない可能性があります)。
- MNOの価格設定ポリシーに応じて、フェムトセルの通信範囲内での通話には、自宅での特別料金が適用される場合があります。
- 企業ユーザーの場合、 DECT (「コードレス」家庭用) 電話の代わりにフェムト電話を使用すると、電話が 1 台で済み、連絡先リストなども 1 つで済みます。
- 送信機と受信機の距離が短くなるため、モバイル機器のバッテリー寿命が向上
- 携帯電話事業者のバッテリー消耗の問題は、ネットワークのエネルギー効率化によって解消され、端末のバッテリー寿命が延びる[ 6 ]。
- ユーザー エクスペリエンスを向上させたり、追加機能を提供したりするために、新しいアプリケーションやサービスを作成できます。
フェムトセルは田舎の地域をカバーするために使用できます。
標準化されたアーキテクチャ


標準化団体は、 WCDMA、CDMA2000、LTE、WiMAXといった最も一般的な技術について、フェムトセルの正式仕様を公開しています。これらはすべて、以下の3つの主要要素からなるアーキテクチャに概ね準拠しています。
- フェムトセルアクセスポイント自体は、無線リソース制御機能など、マクロセル基地局よりも高度なネットワーク機能を備えています。これにより、フェムトセル内の自律性が大幅に向上し、自己構成と自己最適化が可能になります。フェムトセルは、DSLやケーブルモデムなどのブロードバンドIPを介して、ネットワーク事業者のコア交換センターに接続されます。
- フェムトセル ゲートウェイは、数十万のフェムトセルからの大量の暗号化された IP データ接続を終了するセキュリティ ゲートウェイと、シグナリング トラフィックを集約して検証するシグナリング ゲートウェイで構成され、各フェムトセルを認証し、Iuh などの標準プロトコルを使用してモバイル ネットワーク コア スイッチとインターフェイスします。
- ソフトウェアのアップデートと診断チェックを管理するための管理・運用システム。これらは通常、ブロードバンドフォーラムが発行し、家庭用モデムの管理にも使用されているTR-069管理プロトコルを使用します。
これらのアーキテクチャで重要なインタフェースは、フェムトセル アクセス ポイントとフェムトセル ゲートウェイ間のインタフェースです。標準化によって、あらゆるゲートウェイで使用できるフェムトセル製品の選択肢が広がり、競争圧力が高まり、コストが下がります。一般的な WCDMA フェムトセルでは、これは Iuh インタフェースとして定義されています。Iuh アーキテクチャでは、フェムトセル ゲートウェイはフェムトセルとコア ネットワークの間に位置し、既存のモバイル スイッチング センター(MSC) に対してフェムトセルが無線ネットワーク コントローラとして表示されるように必要な変換を実行します。各フェムトセルはフェムトセル ゲートウェイと通信し、フェムトセル ゲートウェイはコア ネットワーク エレメント (CNE) (回線交換通話の場合は MSC、パケット交換通話の場合はSGSN ) と通信します。このモデルは、3GPP と Femto Forum によって提案されました。[ 8 ]新しいプロトコル ( HNBAPおよび RUA [ 9 ] [RANAP User Adaptation]) が派生しています。 HNBAPはHNBとHNB-GW間の制御シグナリングに使用され[ 10 ]、RUA [ 9 ]は無線ネットワークコントローラ(RNC)のシグナリング接続制御部(SCCP)とM3UAプロトコルを置き換える軽量メカニズムであり、その主な機能はRANAPメッセージの透過的な転送である。[ 11 ]
2010年3月、フェムトフォーラムとETSIはIUH規格の相互運用性を促進するために最初のプラグフェストを開催した。 [ 12 ]
2010年3月に発表されたCDMA2000規格[ 13 ]は、フェムトセルとフェムトセルコンバージェンスサーバ(FCS)間の接続を確立するためにセッション開始プロトコル(SIP)を採用している点で若干異なっています。音声通話は、MSCをエミュレートするFCSを経由してルーティングされます。SIPはモバイルデバイス自体には必要なく、使用もされません。SIPアーキテクチャでは、フェムトセルはSIP/IMSアーキテクチャに基づくモバイルオペレータのコアネットワークに接続します。これは、回線交換3GシグナリングをSIP/IMSシグナリングに変換し、音声トラフィックをIETF規格で定義されているRTP上で転送することにより、フェムトセルがSIP/IMSネットワークに対してSIP/IMSクライアントのように動作するようにすることで実現されます。
エアインターフェース
商業的な焦点はUMTS( Universal Mobile Telecommunications System)に当てられているように見えますが、このコンセプトはあらゆる無線インターフェースに等しく適用可能です。実際、最初の商用導入は、 2007年にSprintが導入したCDMA2000 Airaveでした。
フェムトセルは、 GSM、TD-SCDMA、WiMAX、LTE向けにも開発中または市販されています。
H(e)NBの機能とインターフェースは、いくつかの追加機能を除き、通常の高速パケットアクセス(HSPA)またはLTE基地局と基本的に同じです。主な違いは、住宅向けのクローズドアクセスと企業向けオープンアクセスのアクセス制御の違い、アクティブ加入者向けのハンドオーバー機能、アイドル加入者向けのセル選択手順などです。LTEについては、3GPPリリース9で追加機能が追加されました。詳細は[ 14 ]にまとめられています。
問題
干渉
フェムトセルの設置は、より広範なネットワークのパフォーマンスに重大な影響を及ぼし、導入を成功させる上で重要な課題となっています。フェムトセルは従来の携帯電話ネットワークと同じ周波数帯域を使用できることから、状況を改善するどころか、むしろ問題を引き起こす可能性があるという懸念がありました。
フェムトセルは、マクロセルの検出、電力調整[ 15 ] 、そしてそれに応じたスクランブルコードといった干渉軽減技術を採用しています。AT&T社長のラルフ・デ・ラ・ベガ氏は2011年6月、大規模展開後に干渉問題が判明したため、信号強度が中程度または強い地域ではフェムトセルの使用を推奨しないと発表しました[ 16 ] 。これは、AT&Tなどが以前に表明した見解とは異なります。
良い例として、2010 年 3 月の CTIA の Femtozone で講演した AT&T の RAN デリバリー担当エグゼクティブ ディレクターの Gordon Mansfield 氏のコメントが挙げられます。
GSMマクロセルのホッピングチャネルとUMTSマクロセルの両方とフェムトセルを共搬送波として導入しました。干渉は問題ではありません。数千台ものフェムトセルを実際にお客様に導入し、広範囲にテストした結果、導入した緩和技術によって干渉を最小限に抑え、回避できることが分かりました。フェムトセルの導入数が増えるほど、アップリンク干渉は低減されます。
フェムトフォーラムは、このテーマに関して3GPPおよび3GPP2と共同で作成した詳細なレポートをいくつか発表しています。[ 17 ] [ 18 ]
概要論文「調査結果の要約」より引用:
Femto Forum WG2および3GPP RAN4で実施されたシミュレーションは、共有チャネルと専用チャネルの導入を含む、幅広い導入シナリオを網羅しています。さらに、これらの研究では、異なる形態、そしてクローズドアクセスとオープンアクセスの違いにおける影響についても検討しました。これらの研究から得られた大まかな結論は以下のとおりです。
- 1. フェムトセルをカバレッジが不十分なエリアやカバレッジのないエリアで使用する場合、マクロ/フェムト干渉が問題になる可能性は低くなります。
- 2. フェムトネットワークがマクロネットワークとチャネルを共有している場合(コチャネル)、干渉が発生する可能性があります。ただし、フェムトフォーラムが提唱する干渉管理技術を採用すれば、ほとんどの場合、発生する干渉を軽減できます。
- 3. 隣接する専用チャネル上に展開されたフェムトセルネットワークが、マクロネットワークに干渉を引き起こす可能性は低い。さらに、マクロネットワークが隣接チャネル上のフェムトセルの性能に与える影響は、まれなケースに限られる。フェムトフォーラムが提唱する干渉軽減技術を用いれば、影響はさらに軽減される。
- 4. クローズドアクセスは干渉発生の最悪のシナリオです。オープンアクセスは、マクロネットワーク上のユーザー機器(携帯電話端末、3Gデータドングルなど)が近接するフェムトセルに干渉する可能性を低減します。
- 5. 調査対象となった 850 MHz (3GPP バンド 17) と 2100 MHz (3GPP バンド 1) の両方の展開で同じ結論に達しました。
これらの結論は、本研究でシミュレーションされた850MHz帯と2100MHz帯に共通しており、他のモバイル帯域にも外挿できます。干渉軽減技術を適切に実装することで、フェムトセルの導入により、デッドゾーンの影響を最小限に抑え、ノイズの増加を許容範囲内に抑えながら、10~100倍の容量増加を実現し、非常に大容量のネットワークを実現できることがシミュレーションで示されています。
フェムトセルは、マクロ ネットワークで得られるデータ レートよりも大幅に高いデータ レートと、ほとんどの場合バックホールによって最終的に制限されるネット スループット (5 MHz で 20 Mbps 以上) を可能にすることで、はるかに優れたユーザー エクスペリエンスを実現することもできます。
合法的な傍受
アクセス ポイント ベース ステーションも、他のすべての公衆通信システムと同様に、ほとんどの国で 合法的な傍受要件に準拠する必要があります。
機器の設置場所
その他の規制上の問題[ 19 ]としては、ほとんどの国でネットワーク事業者が各基地局の正確な位置を示すことが求められていること、またE911の要件として機器の登録位置を緊急サービスに提供することが求められていることが挙げられます。この点に関しては、例えば消費者が自宅への設置用に販売するアクセスポイント基地局に問題があります。さらに、消費者が基地局を免許のない国に持ち込もうとする可能性もあります。製造業者の中には、フェムトセルを別の国に移動したときにロックをかけるために機器にGPSを使用しているところもありますが[ 20 ]、屋内ではGPSの信号が弱いために位置を取得できないことが多いため、この方法は議論の的となっています。
緊急通報
アクセスポイント基地局は、音声通話を担うため、一部の管轄区域のVoIP電話事業者と同様に、911(または999、112など)緊急通報サービスを提供することが義務付けられています。 [ 19 ]このサービスは、停電時の動作など、既存の有線電話システムと同じ可用性要件を満たす必要があります。これを実現するには、代替電源や既存の電話インフラへのフォールバックなど、いくつかの方法があります。
サービスの品質
イーサネットまたはADSLホームバックホール接続を使用する場合、アクセスポイントベースステーションは、インターネットブラウジング、ゲーム機、セットトップボックス、トリプルプレイ機器などの他のサービスとバックホール帯域幅を共有するか、統合ユニット内でこれらの機能を直接置き換える必要があります。現在開発されている設計の大部分を占める帯域幅共有アプローチでは、サービス品質への影響が問題となる可能性があります。
フェムトセルサービスの普及は、携帯電話事業者のネットワークとサードパーティのブロードバンド接続の両方の信頼性と品質、そしてブロードバンド接続の加入者が、加入者が利用する様々なアプリケーションによる帯域幅利用の概念を理解しているかどうかにかかっています。問題が発生した場合、加入者は、たとえ問題の根本原因が自宅や職場へのブロードバンド接続にあるとしても、携帯電話事業者にサポートを求めます。したがって、サードパーティISPのブロードバンドネットワークの問題やトラフィック管理ポリシーの影響を綿密に監視し、その影響を加入者に迅速に伝える必要があります。
最近特定された重要な問題は、基盤となるトランスポート プロトコルIPSec上で多くの ISP がアクティブにトラフィック シェーピングを行っていることです。
スペクトル精度
連邦通信委員会(FCC)/ Ofcom のスペクトル マスク要件を満たすために、フェムトセルは高精度の無線周波数信号を生成する必要があります。これを長期間にわたって行うことは、大きな技術的課題です。この問題の解決策は、外部の正確な信号を使用して発振器を継続的に較正し、精度を維持することです。これは簡単ではありません (ブロードバンド バックホールでは、ネットワークのジッター/ワンダーや復元クロックの精度の問題が発生します) が、IEEE 1588時間同期規格などのテクノロジによってこの問題を解決できる可能性があります。また、ネットワーク タイム プロトコル(NTP) は、周波数の安定性を提供するための可能なソリューションとして、一部の開発者によって検討されています。従来の (マクロセル) 基地局は同期に GPS タイミングを使用することが多いため、これを使用することもできます[ 20 ]が、コストと良好な GPS カバレッジを確保することの難しさに関する懸念があります。
標準化団体は、この問題の課題とデバイスコストへの影響を認識しています。例えば、3GPPはリリース6で屋内基地局の精度を50ppbから100ppbに緩和し、リリース8ではホームノードBの精度をさらに250ppbに緩和しました。
安全
ネバダ州ラスベガスで開催された 2013 Black Hat ハッカー カンファレンスで、3 人のセキュリティ研究者が、Verizon フェムトセルを使用して、そのデバイスに接続するあらゆる携帯電話の音声通話、データ、SMS テキスト メッセージを秘密裏に傍受する能力について詳しく説明しました。
研究者たちは、この脆弱性を利用した攻撃のデモの中で、通話開始前から携帯電話の音声を録音する方法を披露しました。録音には会話の双方の音声が含まれていました。また、AppleのiMessage(ネットワーク経由で送信されるテキストをSSLで暗号化し、傍受者が解読できないようにする)をSMSに転送し、フェムトセルがメッセージを傍受できるようにする方法も示しました。
彼らはまた、CDMA携帯電話の複製を防ぐためのセキュリティ対策が追加されているにもかかわらず、フェムトセルを介してデバイスID番号をリモートで収集することにより、CDMAネットワークで動作する携帯電話を「複製」できることを実証しました。[ 21 ]
消費者提案に関する論争
フェムトセルの導入効果は、携帯電話事業者がインフラ(基地局など)を改修することなく、携帯電話の通信範囲を拡大できることがほとんどです。これは携帯電話事業者にとっての純利益です。しかし、ユーザーはフェムトセルのトラフィックをルーティングするためにインターネット接続を提供し、その費用を負担する必要があり、さらに(通常は)携帯電話事業者に単発または月額の追加料金を支払う必要があります。ネットワークの欠陥を補うために消費者に料金を請求するという考えに反対する人もいます。[ 22 ] 一方、住宅用フェムトセルは通常、「個人用セル」として機能し、所有者の家族や友人にのみメリットをもたらします。[ 23 ]
また、モバイル通信は特定のビジネスモデルを持つ通信事業者からの契約を通じて提供されるのに対し、固定光ファイバーやケーブルテレビは全く異なるビジネスモデルで提供される場合もあるという点も違いです。例えば、モバイル通信事業者は、固定通信事業者が提供できないようなサービス制限を課す場合があります。また、Wi-Fiはホームサーバーやメディアプレーヤーなどのローカルネットワークに接続しますが、このネットワークはモバイル通信事業者のサービス提供範囲外である可能性があります。
展開
市場調査会社InformaとFemto Forumによると、[ 24 ] 2010年12月時点で18の事業者が商用フェムトセルサービスを開始しており、合計30の事業者が展開を約束している。
2011年末の時点で、フェムトセルの出荷台数は年間約200万台に達しており、今後は消費者向け、企業向け、キャリアグレードのフェムトセルの導入セグメントが明確に分かれ、市場は急速に成長すると予想されている。[ 25 ]フェムトセルの出荷台数は2010年末時点で約200万台に達したと推定されている。[ 26 ]調査会社Berg Insightは、2014年には世界全体で出荷台数が1,200万台に増加すると予測している。[ 27 ]
米国では、セルコム(ウィスコンシン州)が、世界中でフェムトセルの導入を促進するために2007年に設立された非営利団体の会員となった米国初のCDMA通信事業者となった。2009年、セルコムはロンドンで開催されたフェムトセル世界サミットで、小規模通信事業者による大きな進歩または商用化に対して初のフェムトセル業界賞を受賞した。米国内でのその他の重要な導入事業者としては、スプリント・ネクステル、ベライゾン・ワイヤレス、AT&Tワイヤレスが挙げられる。スプリントは、2007年第3四半期に、スプリントのどの端末でも動作するサムスン電子製の家庭用フェムトセル「スプリント・エアーベイブ」を限定的に(デンバーとインディアナポリスで)展開した。 [ 28 ] 2008年8月17日から、エアーベイブは全国規模で展開された。米国の他の通信事業者もこれに倣った。 2009年1月、ベライゾンはスプリント/サムスンシステムと同じ設計に基づいてワイヤレスネットワークエクステンダーを展開しました。[ 29 ] 2010年3月下旬、AT&Tは3Gマイクロセルの全国展開を発表し、4月に開始しました。この機器はシスコシステムズとip.accessによって製造され、音声とデータHSPAの両方をサポートする米国初の3Gフェムトセルでした。[ 30 ]スプリント[ 31 ]とベライゾン[ 32 ]はどちらも2010年に3G CDMAフェムトセルにアップグレードし、より多くの同時通話とはるかに高いデータレートに対応しました。2015年11月、T-モバイルUSはアルカテルルーセント製の4G LTEフェムトセルの展開を開始しました。
アジアでは、いくつかのサービスプロバイダーがフェムトセルネットワークを展開している。日本では、ソフトバンクが2009年1月にユビキシス製のデバイスを使用して住宅向け3Gフェムトセルサービスを開始した[ 33 ]。同年、同事業者は、既存のカバレッジが限られている地方の環境で屋外サービスを提供するため、フェムトセルを展開するプロジェクトを開始した。2010年5月、ソフトバンクモバイルは、住宅および法人の顧客にオープンアクセスのフェムトセルを無償提供する、初の無料フェムトセル提供を開始した。シンガポールでは、スターハブが華為技術製のデバイスを使用して、初の全国規模の商用3Gフェムトセルサービスを展開したが、普及率は低く、シングテルのサービスは中小企業を対象としている。2009年には、中国聯通が独自のフェムトセルネットワークを発表した[ 34 ]。
2009年7月、ボーダフォンはヨーロッパで最初のフェムトセルネットワークであるアルカテル・ルーセント製のボーダフォン・アクセス・ゲートウェイをリリースしました。[ 35 ] [ 36 ]これは2010年1月にSureSignalにブランド名を変更し、[ 37 ]ボーダフォンはその後、スペイン、ギリシャ、ニュージーランド、[ 38 ] [ 39 ]イタリア、アイルランド、[ 40 ]ハンガリー[ 41 ]オランダでもサービスを開始しました。[ 42 ]その後、ヨーロッパの他の通信事業者も追随しました。
退職
2019 年以降、依然としてフェムトセルを提案しているフランスの通信事業者 3 社はすべてその提供を中止し、より優れた 3G/4G カバレッジを展開することが現実的でない場合にVoice Over Wifiテクノロジを使用することに重点を置きました。
参照
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