「5G」時代へ。1から4世代までの通信ネットワークをおさらい

 2020年の実用化・商用化に向けて開発が進められている新技術に、放送分野の「4K・8K放送」、自動車分野の「自動運転」、そしてネットワーク分野の「5G」がある。今よりテレビ画像が高精細になる「4K・8K放送」とドライバーが運転をしなくてもクルマが自律走行する「自動運転」は進化の姿をイメージしやすいが、5Gについてはどんなことができるようになるのかがわかりにくいかもしれない。

 それは5Gが、「4Gとの違いは速度が●●倍!」といった単純な高速化だけでなく、新しい価値に満ちた次世代社会を産み出すことを目的に設計されているからだ。4K・8K放送と自動運転もその新しい価値の一つで、5Gはこれらを支える役割も担っている。

 5Gという言葉自体は馴染みがあるだろう。Gは「Generation(世代)」のこと。つまり4Gは「モバイルネットワークの第4世代技術」を意味する。

 5Gは、4Gの次に予定されている「モバイルネットワークの第五世代技術」のことで、一般には「第五世代移動通信システム」と呼ばれる。

 5Gの特徴を知る早道は、モバイルネットワークの発展経緯を知ること。各世代の移動通信システムの発展経緯を見ていく。

「1G」アナログ携帯電話時代


 最初の携帯電話は、日本、米国、欧州の地域別に技術開発が進められ、アナログ無線技術の地域別仕様が策定されて商用化となった。この「アナログ無線技術のモバイルネットワーク」が第1世代(1G)。80年代から90年代にかけてのことだった。

 90年代になると、無線技術のデジタル化が進み、デジタル無線技術を用いたモバイルネットワークが標準化され、サービス提供が始まった。
1Gのアナログ携帯電話「mova F」(1991)

「2G」デジタル化とデータ通信


 このデジタル無線による携帯電話システムが第2世代(2G)だ。無線技術がデジタルになると、データ通信サービスの提供が容易になる。

 そこで、メールをはじめとする携帯データ通信の利用が本格化した。国内では、1999年にNTTドコモがiモードを開始し、各種の情報提供やインターネットメールを携帯電話で使えるようになり、携帯データ通信の利用が一気に広がった。

 携帯データ通信を日常的に利用するようになると、ユーザーは高速化を求める。これに応える技術開発も進められ、3Gのコア技術となる「CDMA(Code Division Multiple Access、符号分割多元接続)」を用いた「cdmaOne」が商用化された。cdmaOneは、3Gを先取りした高速化技術であったため“2.5世代”と呼ばれた。
2Gのiモード対応携帯電話「F501i HYPER」(1999年)

「3G」初の世界標準


 1G同様、2Gも地域ごとに別々の技術で商用サービスが始まったので、当時の携帯電話は地域限定の携帯電話だった。今のように、1台の携帯電話を持ち歩いて世界中で使うことはできなかった。この問題を解決するために、国際連合の専門機関であるITU(国際電気通信連合)が標準化を進めたのが3Gである。

 ITUは80年代から3Gの検討を重ね、1)サービス開始時期を西暦2000年にすること、2)使用する周波数帯域を2000MHz帯にすること、3)最大データ速度を2000kbpsにすること―をターゲットに決めた。

 この三つの目標が“2000”という数字に関係していることから、ITUは3Gを「IMT-2000(International Mobile Telecommunication 2000)」と命名し、1999年に世界標準としてIMT-2000規格を制定した。3Gによって、一つの端末を世界中に持ち歩ける時代が始まった。

 3Gの特徴は「初めての国際標準」のほかにもう一つある。それは継続的かつ急激な高速化が実施されたことだ。3Gの当初の開発目標だった2Mbpsという最大データ速度は2000年代に入って軽々とクリアされ、10M~20Mbpsクラスの高速化技術が実用化されるようになった。

 これらの高速化技術は、その技術的な特徴から二つに分かれる。一つは3Gの技術をベースに高速化する方法で3.5Gと呼ばれた。

「4G」スマホと高速化


 もう一つはさらなる高速化のために4G向けの新技術を先取りした高速化技術「LTE」(Long Term Evolution)である。将来の4G時代にでも利用できる「長期的な革新技術」として開発されたことから命名され、4Gを先取りした3G技術ということで3.9Gと呼ばれた。

 ITUはIMT-2000の後継となる国際標準を「IMT-Advanced」と命名し、その目指すべき目標として50M~1Gbps程度の超高速通信や、固定通信網と移動通信網のシームレス利用などを掲げてたが、実質的な仕様作成活動は地域ごとの標準化団体が集まって組織した標準化プロジェクト「3GPP」と技術者団体であるIEEEに任せ、それらの標準化活動の成果を国際標準として認定することにした。

 具体的には3GPPが作成したLTE-AdvancedとIEEEが作成したWirelessMAN-Advancedでる。2012年、ITUはこの2方式をIMT-Advancedとして制定した。これが4Gである。

 その一方でITUは、2012年10月6日に3.5Gや3.9Gを使ったサービスの名称として4Gの使用を認めるような記述を含むプレスリリースを発表した。

 背景には、3.5Gや3.9Gで高速化が急ピッチで進んだことと、それらの商用化時に「4G」という表現を含んだサービス名称が使われ始めたことがある。こうしたことから、日本でも3.9G技術を用いた「4Gサービス」が登場している。

 このように4Gは技術的な定義とサービス名称としての使われ方に若干のズレがある。ただ、ユーザー目線で4Gを位置付けるなら、4Gは「スマートフォンのためのモバイルネットワーク技術」であると言えるだろう。

 それでは5Gはどのような位置付けになるだろうか。5Gがターゲットとするのは、「2020年代の社会を支えるモバイルネットワーク」である。

 ちょっと漠然としているように感じられるかもしれないが、「多くの場面」で「多様なニーズ」に応えられるようにしたいと考えられている。
3.5GとLTE(3.9G)を備えるスマホ(2011年)

「5G」脱スマホ社会


 4Gが「スマートフォンのための技術」だったとすると、5Gは「すべての端末とすべてのアプリケーションのための技術」と言えるのかもしれない。

 開発の仕方も独特だ。速度や遅延時間などのネットワーク性能について明確なゴールを掲げることに加えて、具体的な活用シーンを想定し、その活用シーンに見合った通信仕様や、その仕様をクリアするための新技術が開発テーマに上がっている。

 大規模なスポーツイベントでの活用シーンを例に説明しよう。大規模スポーツイベントにおける活用シーンとしては、スタジアムに来場している利用者に向けて、ゴールシーンやスタジアム内のライブ中継の高精細映像を、スマートフォンやタブレットで視聴するサービスが想定されている。

 ここでは、比較的小さなエリアに密集している何万台もの端末全てが数100Mbpsでデータ通信するというネットワーク環境を実現しなければならない。

 このネットワーク環境を作るには、1)今のモバイルネットワークで使われていない高い周波数帯域を使って、2)これまで実現できていない10Gbpsクラスの超高速無線通信を、3)数万台クラスの多数の端末が密集している場所でも安定的に通信させる―という新技術が求められる。

 このほかにも、多数の基地局を限られたエリアに設置して運用するため、「基地局側の消費電力をWi-Fiアクセスポイント並みの10W程度に抑えたい」という大きな課題が出てくる。

 この活用シーンに向けた技術開発はすでに始まっている。富士通では、1)密集している多数の端末と基地局が効率よく通信できる技術である「ビームの分割多重」を開発し、2)これまで使われていない高い周波数であるミリ波を用いて、2)多数のアンテナ素子を用いて電波を目的の方向に集中させる「ビームフォーミング」で高速化する技術開発を進めている。

 課題となる基地局の低消費電力化については、ビームフォーミングを実現するアンテナアレイの消費電力を削減する「サブアレイ間符号化技術」を富士通研究所が開発することで、高速・大容量でありながら低消費電力を実現した。

 Wi-Fi並みの低電力での超高速通信10Gbpsが実現すれば、ネットワークの構築・運用・設計が容易になり、スタジアムだけでなく、駅や空港、イベント会場などにおいて高精細映像を含むリッチなコンテンツをフル活用した情報提供が現実味を帯びてくる。
「ビーム多重」と「ミリ波帯の利用」のイメージ


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この記事は、2017年12月21日にFUJITSU JOURNALに
掲載されたものです。
次世代モバイル通信"5G"とは?【第1回】なぜWi-Fi並みの低電力で10Gbpsの超高速通信を目指すのか
http://journal.jp.fujitsu.com/2017/12/21/01/
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FUJITSU JOURNAL2017年12月21日一部修正
FUJITSU JOURNAL

明 豊

明 豊
01月04日
この記事のファシリテーター

自分が最初に携帯電話を持ったのは1995年前後、IDO時代のモトローラ製「T207」だったような気がする。ほとんど実用性がなくすぐ使わなくなった。それからJ-PHONEの三菱電機の携帯を持つようになったのはかなり年数が経ってからだった。

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