【次世代通信技術】 第1回 5G入門編

2016.11.11


はじめに

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皆さんは携帯電話をお持ちでしょうか。
2015年10月1日時点の日本の総人口は、1億2709万4745人(2015年国勢調査)。そして、日本における端末の総契約数は1億9569万件です。※1

中でも、スマートフォンは、その約50%を占めます。3G,3.9G(LTE),4G(4G LTE、Xiなど)と通信規格は進化を続けてきました。情報通信技術はまさに日進月歩です。
そして、いよいよ新しい通信規格である5Gが、本格的にサービスインしようとしています。
(既にソフトバンクが5Gを構成するであろうMassiveMIMOを使用したサービスを開始しており、このMassiveMIMO の技術が5Gで使用されることはほぼ確実です。)
LTEがサービスインした際と同様に、徐々に5Gが使えるエリアが拡大していくものと思われます。(4年前のLTEのサービスが開始されたときは東名阪エリアから徐々に地方都市へと拡大していきました)ただし、5Gで最初に使用できる周波数帯によっては、サービス開始エリアが変わる可能性があります。これは、都市部とそれ以外の地域では最適な周波数帯が異なるためです。
現在はまだ開発段階であり、決めるべき国際基準が残っている段階ですが、速度は約10Gbpsを見込んでおり、これは4Gの約1000倍の通信速度です。しかし、今のままでも十分早いのでは、と考えておられるユーザーさんも少なからずいらっしゃるかと思います。なぜ、現在の通信速度の1000倍もの速度が必要なのでしょうか。

※1 総務省:電気通信サービスの契約数及びシェアに関する四半期データの公表 (平成27年度第4四半期(3月末))

5GとIoT

さて、突然ですが、IoTという言葉を聞いたことはありますでしょうか。IoTは「モノのインターネット(Internet of Things、IoT)」と呼ばれることもあります。総務省の情報通信白書では「パソコンやスマートフォン、タブレットといった従来型のICT端末だけでなく、様々な「モノ」がセンサーと無線通信を介してインターネットの一部を構成する」と定義されています。これは、様々な「モノ」がインターネットに接続される状態を指します。
これにより、今までにない新たな付加価値が生まれます。例えば、車が常時ネットワークに接続され、渋滞情報を予測しながら目的地まで自動運転で連れて行ってくれたり、家にあるテレビやエアコン、洗濯機のような家電を外出先から操作できたり、今までの暮らしが大きく変わるでしょう。
そのような社会になったら、今と同じトラフィック量であるとは考えられません。回線を流れるデータ量は劇的に増加するでしょう。そして、2020年における必要帯域の予測値は、2010年と比較して約1000倍と言われています。
次世代通信規格である5Gは、この、約1000倍のトラフィックに耐えうる通信規格なのです。

4Gと5Gの違い

まず、使用周波数帯域が異なります。

日本において、4Gではプラチナバンドと言われる700Mhz~900Mhzを含む700Mhz~2.5Ghzを主に使用します。しかし、5Gで想定される周波数帯域は、もっと高い周波数帯域になる想定です。まずは6GHz未満の周波数帯です。電波特性が3Gや4Gで使っている帯域と近く、比較的遠くまで飛ばすことができるが特徴です。さらに20GHz未満の「センチメートル波」、さらには、30GHzを超えるような「ミリ波」が含まれます。5Gはこれらの周波数帯域が主に使用されると思われますが、それぞれ、電波特性が異なるため、最適な技術も異なります。もう少し具体的に説明しますと、周波数帯域が高ければ高いほど、高速通信が容易になりますが、電波が遠くへ飛びにくくなり、電波を生成する際の使用電力も増加してしまいます。周波数帯域が新規に割り当てられるということは、言い換えると、「使い勝手が悪く、今まで使用されてこなかった」周波数とも言えます。

使用アンテナ

代表的な例として、「Massive MIMO」があります。

MIMOの技術はすでに既存のLTEにおいて使用されています。「Multi Input Multi Output」の頭文字で、複数のアンテナを同時に使って高速、安定通信を実現する技術です。現在では発信側のアンテナ数が4本、受信側のアンテナ数が4本の「4×4 MIMO」もしくは、発信側のアンテナ数が8本、受信側のアンテナ数が8本の「8×8 MIMO」が主流ですね。皆さんが持っているスマートフォンも、LTE対応であればアンテナ素子が最大8本入っています。ちなみに、周波数が高くなるほど、アンテナ素子は小さくすることができます。

そして、次世代技術であるMassive MIMOは、高い周波数帯であっても、伝送品質を向上させることができる技術です。

各アンテナ素子から送信される信号を制御して、ユーザーのいる方向に向けて、アンテナ素子(複数)から、鋭い指向性電波を照射して通信します。指向性を持たせることにより、高い周波数帯でも、電波を遠くまで飛ばすことができます。また、ユーザーへピンポイントに電波を照射することで、セル間の干渉を減らし、周波数利用効率を大きく高めることができます。ユーザーの持つ端末("UE"と呼ばれることもあります)に向かって指向性電波を生成し続ける技術が新たに必要となります。

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4G以前でも、セクタアンテナ等により、指向性を持つ電波は使用されてきました。これを指向性電波とするならば、5Gでは、"超"指向性電波を使用することになります。

変調方式

最後に、変調方式についてです。

変調とは、かなり大まかにいえば電波の飛ばし方です。コンピューターは0と1の2進数を用いて情報を処理します。その0と1の情報をどうやって電波で飛ばして、どうやって信号を取り出そうか、という話です。変調方式は、その情報を取り出すルールのようなものです。

実は、5Gで実装される変調方式は、まだ決まっていません。これは国際的に足並みをそろえるためであり、使用帯域も含めて主要国間で検討中の段階です。おそらく、使用周波数帯域で変調方式は変わってくるものと思われます。10Ghzまでであれば、現在のLTE通信規格であるOFDMで問題ないと言われています。しかし、上述にあるセンチメートル波やミリ波を使用するとなると、OFDMでは対応しきれなくなってきます。OFDMはマルチキャリア化(同時に周波数の異なった複数のキャリアを用いた通信)によってシンボル周期を大きくし、CP(サイクリックプレフィックス)によって遅延波がある状況でも干渉の生じない伝送を実現しています。しかし、5Gではさらに高効率な伝送を実現しなくてはなりませんので、OFDMのCPは遅延波に強い反面、少し伝送効率が悪いのです。

ここで、例として、5Gに採用されるかもしれない有力な変調方式を紹介します。

・FBMC(Filter-Bank Multi Carrier)

サブキャリア(マルチキャリア内のキャリア)ごとにフィルタを用いる方式です。

OFDMの特徴であったCPは使用しませんが、フィルタリングにより、帯域外輻射(スプリアス)をかなり抑えることができます。しかし、MIMOへの拡張や遅延対策が、まだ課題として残っているようです。

・f-OFDM(filtered Orthogonal Frequency Division Multiplexing)

OFDMを、設備設計者が用途やシーンに合わせて設定できるようにした変調方式です。MIMOなど現在のLTE技術とほぼ同じ設備を使用できるため、現在LTEで使用している帯域から6Ghz程度であれば、この方式で、今よりさらに効率の良い通信が可能となる可能性が高いです。

おわりに

いかがでしたでしょうか。少しは5Gが身近に感じていただけたなら、幸いです。

次回は、技術面に関して、もっと詳しく書いていきたいと思います。

最後までお付き合いを頂き、ありがとうございました。

文:遠藤 勇太

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参考サイト

総務省-報道資料
総務省-平成27年度情報通信白書
NTTドコモ-5G(次世代移動通信システム)
WirelessWire News-次世代規格「5G」の動向、課題、標準化の進展は?--ノキアに聞く5Gの姿



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