マルチキャリア機能に関連して、次のようなお問い合わせをいただくことがよくあります。
- 「現在接続しているキャリアとの通信に失敗した場合、キャリアを切り替えることは可能ですか？」
- 「複数のキャリアの中から、最も電波の強いキャリアを選ぶことはできますか？」
- 「電波が弱いなどの理由で特定のキャリアの接続を解除したいのですが。」
- 「初めて電源を入れたときや久しぶりに電源を入れたとき、ネットワークに接続するのに数分かかるのはなぜですか？」
この投稿では、LTEや5Gなどの通信仕様を検討・作成する標準化プロジェクトである3GPPが公開している技術文書「3GPP TS 23.122」を概説し、デバイスがネットワークに接続する仕組みをご理解いただくことを目的としています。そうすることで、上記の疑問に対する答えを説明できればと考えています。
3GPP TS 23.122とは？
先ほどご紹介したご質問には、「誰もが良好な通信状態を得たい」という共通点があります。しかし、電波は環境の影響を受けて常に変化しており、例えば、（雨などの）湿度や、信号と基地局との間の遮蔽物（電波を通さない素材）によって信号の強度が変化することがあります。
どのキャリアを使うかという最終的な選択は、実はデバイス内で行われ、SIMカードからの影響はわずかなものです。実は、この選択について、従うべき仕様として標準化された文書があります。 3GPP TS 23.122 「アイドルモードの移動局（MS）に関連する非アクセスストラタム（NAS）機能」です。
この文書は、「まだどのキャリアにも接続されていないデバイスが保持すべきプロトコルスタック機能」を規定したものです。
PLMNとは？
3GPP TS 23.122を読む上で、覚えておきたい略語は「PLMN（Public Land Mobile Network）」です。PLMNの定義は3GPP TS 22.011「サービスアクセシビリティ」に記載されています。
「公衆陸上移動体通信網（PLMN）とは、公衆に陸上移動通信サービスを提供するという特定の目的のために、行政機関またはRPOA（公認の電気通信事業者）が設立し運営するネットワークです。それはモバイルユーザーに通信の利便性を提供します。モバイルユーザーと固定ユーザー間の通信には、固定ネットワークとのインターワークが必要です。
PLMNは、1つまたは複数の周波数帯域の組み合わせでサービスを提供することができます。
原則として、PLMNは国境によって制限されます。国の規制により、1つの国に複数のPLMNが存在する場合があります。
各加入者とそのhome PLMN（HPLMN）の間に関係が存在します。通信が他のPLMNで処理される場合、このPLMNはvisited PLMN（VPLMN）と呼ばれます。」
PLMNの定義は、携帯電話接続に関わる用語や技術の予備知識を必要とするため、少々難解であることは否定できません。簡単にいうと、PLMNとは電気通信事業者が提供する世界的にユニークな5桁か6桁のモバイルネットワーク識別番号である、と覚えるのが最も容易でしょう。
PLMN番号は、通信キャリア、使用する周波数帯、そして国/地域によって異なります。そのため、1つの国に複数のPLMNが存在することがよくあります。
PLMNの割り当てを担当する組織も国によって異なりますが、その国の政府の一部であることがほとんどです。例えば、米国では、連邦通信委員会（FCC）が通信事業者にPLMNコードを割り当てます。一方、日本では総務省（MIC）が割り当てます。
PLMN Selectionとは？
PLMN Selectionとは、SIMを搭載したデバイスが、複数のPLMNの中から接続するPLMNを選択するプロセスです。
PLMN Selectionには、一般に2つのモードがあります。自動モードと手動モードです。本稿では、より一般的な「自動」モードについて説明します。
もうお分かりかと思いますが、マルチキャリア対応SIMとは、SIMが複数のキャリア、つまり複数のPLMNに対応していることを意味します。
実際、SIMやデバイスは、いろいろなアプリケーションのために、さまざまなタイプの PLMN のリストを保持しています。3GPP TS 23.122「4.4.3 PLMN selection」に記載されているPLMNをざっとご紹介します。
| 略語 | フルネーム | 定義 |
|---|---|---|
| RPLMN | Registered PLMN |
登録されたPLMN、すなわち少なくとも一度は接続に成功したPLMNを1つだけ保持する。 |
| EPLMN | Equivalent PLMN |
RPLMNとして扱えるPLMN。RPLMNと同等のサービスを受けるPLMNを含む - 接続時にキャリアから配布される。 |
| HPLMN | Home PLMN | SIMカードを発行した事業者がIMSIから識別できるホームオペレータのPLMN。 |
| EHPLMN | Equivalent HPLMN |
HPLMNと同等に扱うことができるPLMN。 |
| UPLMN | User-Controlled PLMN |
ユーザーが設定可能な優先PLMNリスト。モジュールによっては、ATコマンドで編集できるものもある。優先順に複数のPLMNを設定することもある。 |
| OPLMN | Operater-Controlled PLMN |
キャリア側で設定可能な優先PLMNのリストで、Over the Airアップデートにより設定可能で、SIMに保持される・・・ |
| Other PLMN | Other PLMN | 電波状況やその他の要因により決定されるPLMN。 |
| FPLMN | Forbidden PLMN |
キャリアが接続を拒否している（またはキャリアに接続資格がない）PLMN。SIM内に保持され、モジュールによってはATコマンドで編集が可能。 |
| VPLMN | Visited PLMN | HPLMNとEHPLMNのいずれにも含まれないPLMN。例えばローミング時などに使われる。 |
そのため、デバイスやキャリアは、このPLMNのリストを予め用意しておき、それを使ってどのキャリアに接続するかを決めています。リストに記載された順に優先されますが、デバイスにより対応していないPLMNの場合（例えば、通信モジュールが4Gに対応していないなど）、そのPLMNは無視されます。
PLMN Selectionの概要
以下にPLMN Selectionの概要が示されており、左から右に優先順位をつけています。また、Equivalent PLMNとEquivalent HPLMNは、Registered PLMNとHome PLMNと並列に配置され、互いに交換可能であるとみなされていることに注意する必要があります。
この図は、説明のために簡略化した概要図です。状態遷移図の詳細については、3GPP TS 23.122の図2aを参照してください。
デバイスは、電源が入ったとき、またはキャリアのカバレッジを失ったときに、以下のステップでPLMN Selectionを実行します。ただし、選択したPLMNがForbidden PLMNに含まれている場合や選択したPLMNへの接続が確立できない場合は、次のステップにスキップします。
- ステップ1：基地局からのアナウンスを受信する
- ステップ2：RPLMNまたはEPLMNと比較する
- ステップ3：EHPLMNまたはHPLMNと照合する
- ステップ4：UPLMNと比較する
- ステップ5：OPLMNと比較する
- ステップ6：他のPLMNと比較する
まず初めに、デバイスは、自身のエリアの基地局から「アラート」を受信します（ステップ1）。このアラートには、PLMNが含まれています。次に、ステップ2～6のリストとアラート情報を比較することにより、接続するPLMNを最終的に決定します。特に重要なステップ2とステップ3について、以下に詳しく説明します。
素早くネットワークに接続する仕組み（ステップ2）
PLMN Selectionは、接続可能なそれぞれの接続を確実に承認するためにチェックしなければならないPLMNリストの数が多いため、時間のかかるプロセスです。
多くのネットワークもまた複数のPLMNを持っていることを考慮すると、利用可能なPLMNの中から1つひとつを特定し、自分のPLMNと照合し、カバーができなくなるたびに接続を試みるのは時間のかかることです。そこで、ネットワークに素早く接続するために、「キャッシュのような」仕組みを用いて、Registered PLMN（RPLMN）とEquivalent PLMN（EPLMN）を作成します。
前述したように、RPLMNは少なくとも一度は接続に成功したPLMNを格納するリストです。また、接続が成功した後、キャリアからはRPLMNと同等に扱えるEPLMNを配布されます。これらのリストは、まずステップ2でチェックされ、ステップ1で報告された情報と一致すれば、その後のステップは省略することができます。
しかし、この仕組みは、SIMカードによって異なる働きをする場合があります。例えば、複数のキャリアに接続できるSIMを使う場合、環境の変化によって信号環境が弱くなると、最も電波が強いキャリアに接続すればいいと思いがちですが、そうはなりません。さらに信号環境が悪化し、RPLMNやEPLMNへの接続も失敗したとしましょう。その場合、次にステップ3以降の手順を実行し、他のキャリアへの接続を確立することができます。
ホーム、連携、ローミング（ステップ3）
ステップ2でPLMNが決定されない場合、ステップ3に進みます。
ここで、Equivalent HPLMN（EHPLMN）は、Home PLMN（HPLMN）と照合されますが、HPLMNはその名の通り、SIMのホームであるPLMN事業者、つまりSIM発行事業者のPLMNが1つだけ記載されています。一方、EHPLMNは、HPLMNと同等に扱えるPLMNが記載された、少し特殊なPLMNリストです。
キャリアによっては、自社の基地局が整備されていないエリアにおいて、他社から設備を借用してカバレッジを確保することがあります。このような場合にもEHPLMNが使われ、連携するキャリアのPLMNがEHPLMNとして登録されることがあります。
もう1つ、PLMN Selectionの概要図にはVisited PLMN（VPLMN）が表示されません。IMSIから取得したHPLMNがキャリアから配布されたEHPLMNに含まれていない場合、デバイスはローミングエリアに滞在していることを認識します。
また、デバイスの設定で「ローミングが無効」となっている場合は、VPLMNでの接続を行いません。
それ以降のステップ
ステップ4のUser Controlled PLMN（UPLMN）は、ユーザーが個別に特定のPLMNに接続したい場合に使用されます。
ステップ5のOperator Controlled PLMN（OPLMN）は、国際ローミングの接続先を指定する場合など、キャリアが制御するPLMNへの接続を希望する場合に使用されます。
ステップ6のOther PLMNは、PLMNリストに該当するものがない場合に最終的に使用されます。
PLMN Selectionは、デバイス自身のPLMNリストとの照合、PLMNの選択、選択したPLMNへの接続テストを繰り返すことにより、接続するネットワークを決定します。
まとめ
この記事で、SoracomのAir SIMカードに期待できる動作の一部を明らかにすることができたと思います。しかし、定義が複雑に見えるかもしれませんが、様々なPLMNリストがチェックされる順序を覚えておけば、より正確に接続のトラブルシューティングができるようになります。 上記の動作に関して、さらにご質問がある場合は、当社のサポートチームがいつでも対応させていただきます。