4G(LTE)ネットワークの概要
スマホを使ってると良く聞く4Gや5Gといった単語。これって何でしょう？
これは移動通信システムの世代を表す言葉なんですね。
GってのはGenerationのことです。
以下の図のように、第1世代から今日の第5世代まで通信システムが速度や容量の面で進化してきたんですね。
少し前まで我々が使っていた4Gと比べて5Gってすごいですね。
2時間の映画を3秒でダウンロードて、、
僕、予備校に通ってたことがあって往復2時間電車乗るときに見る映画を毎日ダウンロードしてたんですけど、遅くてイライラしてたんですよね。
5Gだともうそんな悩みもなくなるんですね、、すごい。
もうぐるぐる回る表示に出会わなくて済むことを期待します（笑）
とまあ色々世代があるんですが、今回は4Gについて中身を少し詳しく見ていこうと思います。
3GPPが出してるドキュメントを参考にしようと思いましたがむずすぎたので、4Gに近い構成のLTEを解説してるサイトを参考にします。すみません、、
ちなみに、3GPPってのは無線技術のあれこれを標準化して統一しようって団体です。
こちらを参考にしました。
このサイトによると構成図はこんな感じらしいです。
何やらアルファベットばっかりです。
1つずつ見ていきましょう。
3つの領域に分けられている部分に着目します。
⑴eUTRANって何でしょう？
Evolved Universal Terrestrial Radio Networkの略らしいです。
youtubeで外国人が説明してる動画では「イーユートラン」と呼んでるぽいです。
サイトによっては、4Gのネットワークのことを言う、的なことを書いてましたがよくわかりません。とりあえず、この領域の無線ネットワークの呼び名とでも認識しておけばいいでしょう。
⑵EPCって何でしょう？
Evolved Packet Coreの略らしいです。外国人の解説動画を見てもこの通り読んでいました。
コアネットワークとも言うらしく、情報通信網の核となる部分を指すそうです。
LTEの仕組み上、核となる部分と思っとけばいいでしょう。図中のアイコンも黄色で重要そうな雰囲気はありますね。
⑶service control & network
ここは特定の呼び名というよりは、実際インターネットにつながる領域という認識でいればよさそうです。たぶん。
【eUTRANの中身】
eNodeBってのだけ入ってますね。これは何でしょうか。
これ基地局のことらしいです。
3Gまでは、基地局とRNCってものに分かれてたらしいですが、LTE以降はそれらをまとめてeNodeBという装置になったそうです。
RNCってのはまた別の記事で見ましょう。
【EPCの中身】
MME,SGW,PGWってのがありますね。またMMEは2つありますね。
順番に見ていきましょう。
まずはMMEから。Mobility Management Entityの略だそうです。これはしっくりくるサイトがなかったので微妙ですが、下記サイトによると「MMEはSIMカードが接続可能かどうかを認証する設備で、HSSにアクセスする。」だそうです。
参考：携帯電話はどのようにつながるのか？ 「圏内」になるためのステップ：IIJmio meeting 16（3/3 ページ） - ITmedia Mobile
また別の総務省のサイトだと、「制御信号を扱い、端末情報の管理や認証(ｾｷｭﾘﾃｨ制御)、ﾕｰｻﾞﾊﾟｹｯﾄ ﾃﾞｰﾀ転送経路の管理等を行う」とあるので、飛んできたパケットの転送先を決める役割なんかもあるんですね。
アクセスしてきたユーザー端末のSIMカードが、インターネットにアクセスできるかどうかを許可、却下したり、転送先を決める装置と思っといて一旦いい気がします。
2つある意味は分かりませんが、故障した時のリスクヘッジとかなんですかね、、とりあえず先へ進みましょう。
次にSGWとPGWです。総務省様のサイトを見ると、
■SGW（Serving Gateway）
ﾕｰｻﾞﾊﾟｹｯﾄﾃﾞｰﾀを取り扱い、基地局間、システム間のﾃﾞｰﾀ中継処理等を行う。
■PGW（Packet Data Network Gateway）
ﾕｰｻﾞﾊﾟｹｯﾄﾃﾞｰﾀを取り扱い、各ﾃﾞｰﾀにIPｱﾄﾞﾚｽ割り当て等を行う。 LTE網と外部網の接続ﾎﾟｲﾝﾄ。
って感じです。SGWはシステム内部でユーザーデータを中継、PGWが外部との連結地点ってイメージですかね。
ちなみにゲートウェイってのはネットワーク同士を中継する機器のことです。ルーターと似てますが、ゲートウェイの方が意味が広いらしいです。ルーターはIPアドレスを基に中継先を決めたりするらしいですね。
【service control & networkの中身】
■PCRF（Policy and Charging Rules Function）
ネットワークポリシーや課金のルールをもつデータベースとのこと。
※ネットワークポリシー：ネットワークの設計を行う際に、ネットワークの利用条件や設計条件を定めたものらしいです。
■HSS（Home Subscriber Server）
ユーザー情報の入ったデータベース。
■真ん中のグレーの部分
ここをインターネットだと思っていいでしょう。
ここまででそれぞれの機器の役割についてざっくり理解できたのではないでしょうか。
続いて、既に疑問に思っている方もいると思いますが、実践と点線に触れていきましょう。これ何の違いやねんと。
点線がcontrol plane,実践がuser planeって書いてますねー。
以下の記事が参考になりました。
■control plane
端末がどの基地局と接続するのか、端末が通信できる状況にあるかどうかを判断する制御信号。
■user plane
写真をダウンロードしたり、ウェブサイトでショッピングをしたりといった、実際のデータを伝送する信号。
と紹介されています。これで理解できましたね。
ここまでを踏まえて、もう一度はじめの図を見ましょう。
すると、大体図の流れが読めますね。
- ユーザーがMMEにアクセスし、MMEはHSSと連携してユーザーにアクセスを許可する。⇒control plane
- ユーザーはMMEにアクセスし、MMEはSGWを中継地点としてPGWにアクセスし、またそこを中継地点として外部網のPCRFにたどり着き、ユーザーのネットワークポリシーや課金データ（どれだけ回線使ってるか的な）を確認する。⇒control plane
- アクセス許可を受け、ネットワークポリシーや課金データの確認も取れた状態となったユーザーは、SGWを内部中継地点、PGWを外部との中継地点としてインターネットにアクセスする。（写真データやメールのやりとりなど）⇒user plane
本当にざっくりでしたが4G/LTEの仕組みについて勉強できました。
今後、3GPPが出しているドキュメントを和訳して読んだりして理解を深めたいとか思ってますが、まずは優しいサイトをたくさん読んで基礎から勉強していこうかな、、
では今回は以上です！
今回も楽しく勉強できました。押忍！！
【参考にさせていただいた記事】
