LTEのフレーム・サブフレーム・スロットとは？フレーム構造ついてわかりやすく解説

今回は、LTEのフレーム構造について解説します。
LTEのPhysical Layerを知る上で必須の知識になりますので、何も見なくてもイメージできるよう、しっかり頭に叩き込みましょう。

LTEのフレーム構造は主に2種類

3GPP TS 36.211 (LTE Physical channels and modulation)では、次の2種類のフレーム構造(Frame structure)を規定しています。

• Type 1 (FDD)
• Type 2 (TDD)

Type 1がFDD用、Type 2がTDD用です。

FDDのフレーム構造 (Type 1)

FDDではType 1のフレーム構造が使用されています。
Type 1のフレーム構造を図で表すと、次のようになります。

上の図から、次のことがわかります。

このフレーム構造は、DL (Downlink)でもUL (Uplink)でも同じです。

TDDのフレーム構造 (Type 2)

基本構造はFDDと同じだが少し違う

TDDではType 2のフレーム構造が使用されています。
Type 2のフレーム構造を図で表すと、次のようになります。

上の図から、次のことがわかります。

つまり、Radio Frame、Subframe、Slotの関係はFDDと同じということですね。

ただ、注意して見ると、TDDのSubframeにはSpecial Subframeというものもあります。

TDDはDownlinkとUplinkで同じ周波数帯を使うため、DownlinkとUplinkを同時に通信できません。
そこで時間を区切って、この時間はDownliknの通信、この時間はUplinkの通信、というように時間を分けて通信します。
時間を区切る単位はSubframeごとになります。

SubframeにはUplink Subframe、Downlink Subframe、Special Subframeがあります。
Special Subframeは、DwPTS (Downlink Pilot Time Slot)、GP (Guard Period)、UpPTS (Uplink Pilot Time Slot)からなります。

Special Subframeは、通信の方向をDownlinkからUplinkに切り替えるときのみ、間に入れられます。
つまり、UplinkからDownlinkに切り替えるときには使われないということです。

上の例では、1 Radio FrameにSpecial Subframeが2つありますが、設定によっては1つの場合もあります。

Uplink-Downlink ConfigurationでUL/DLの組み合わせを決める

TDDではSubframeごとにDownlink通信とUplink通信を切り替えると言いましたが、その割合は自由に決めることはできません。
割り当て設定も3GPPで規定されており、Uplink-Downlink Configurationと呼びます。
Uplink-Downlink Configurationは、TDDを使用しているeNode B (LTE基地局)から、報知情報の1つであるSIB1 (System Information Block 1)を通じて端末に知らされます。

次の図がUplink-Downlink Configurationになります。

上の図から、次のことがわかります。

どの設定を使うかは、各キャリアがDownlink/Uplinkのどちらを重視するかによって、自由に決められます。
一般に、スマホユーザは動画閲覧のようにダウンロード速度を重視する傾向があるため、Downlink Subframeの数がもっとも多いConfiguration 5を使いたいところです。
しかしConfiguration 5はUplinkが10msに1回しかないため、Downlinkデータ受信に対する応答(ACK)をUplinkで返せる頻度が少なく、かえって通信効率が悪くなることがあります。
そのため、Downlink枠を多く取りつつも適度にUplinkも行え、バランスを重視したConfiguration 2が使われることが多いようです。

Special Subframe ConfigurationでSpecial Subframeの内訳を決める

Special Subframe Configurationも、Uplink-downlink Configurationと同様にSIB1で通知されます。

SIB1のtdd-Configで指定される

Uplink-Downlink ConfigurationとSpecial Subframe Configurationの設定値は、SIB1 (System Information Block Type 1)のtdd-Configで指定されます。

SystemInformationBlockType1 ::= SEQUENCE {
   cellAccessRelatedInfo SEQUENCE {
      plmn-IdentityList PLMN-IdentityList,
      trackingAreaCode TrackingAreaCode,
      cellIdentity CellIdentity,
      cellBarred ENUMERATED {barred, notBarred},
      intraFreqReselection ENUMERATED {allowed, notAllowed},
      csg-Indication BOOLEAN,
      csg-Identity CSG-Identity OPTIONAL -- Need OR
      },
   cellSelectionInfo SEQUENCE {
      q-RxLevMin Q-RxLevMin,
      q-RxLevMinOffset INTEGER (1..8) OPTIONAL -- Need OP
      },
   p-Max P-Max OPTIONAL, -- Need OP
   freqBandIndicator FreqBandIndicator,
   schedulingInfoList SchedulingInfoList,
   tdd-Config TDD-Config OPTIONAL, -- Cond TDD
   si-WindowLength ENUMERATED {
      ms1, ms2, ms5, ms10, ms15, ms20,
      ms40},
   systemInfoValueTag INTEGER (0..31),
   nonCriticalExtension SystemInformationBlockType1-v890-IEs OPTIONAL
}

TDD-Config ::= SEQUENCE {
   subframeAssignment ENUMERATED {
      sa0, sa1, sa2, sa3, sa4, sa5, sa6},
   specialSubframePatterns ENUMERATED {
      ssp0, ssp1, ssp2, ssp3, ssp4,ssp5, ssp6, ssp7,
      ssp8}
}

まとめ

Radio Frame、Subframe、Slotの関係は、次のようになっています。

また、TDDのSubframeには次のような種類があります。

この記事は以下の資料を参考にしました。
さらに詳しく勉強したい方は、ぜひ読んでみてください。

Long Term Evolution IN BULLETS (2nd Edition), by Chris Johnson
3GPP TS 36.211 (LTE Physical channels and modulation)