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5G/IoT:What’s 5G?

はじめに

 皆さまは「5G」という言葉を耳にしたことがあるでしょうか?中には、重力のことが頭に浮かんだ方もいるかもしれません。例えば、飛行機のパイロットやレーシングカーのレーサーにかかる重力を「5Gの重力がかかった」などと表現します。この場合のGは重力加速度(Gravitational acceleration)を表していますが、最近、通信の世界ではこれとは別の意味を持つ「5G」が重要なキ ーワードとなってきています。
スマートフォンを使っている方であれば、「4G」「LTE」という言葉はピンと来るかもしれません。実は「5G」は、「4G」「LTE」の次世代技術として今まさに開発が進められている最新の移動通信の技術なのです。その開発は世界中で進行していて、日本でも2020年の東京オリンピック・パラリンピックの頃には、私たちが実際に5Gのサービスを利用できるといわれています。本特集では、第5世代移動通信システム「5G」とはどのようなものであるのか、私たちの生活にどんな変化をもたらすのかを紹介します。

携帯電話の進化

 ゲーム・買い物・音楽・映画・読書・スポーツ観戦など、スマートフォン一つさえあれば、さまざまなことがいつでもどこでも当たり前のようにできる時代になりました。以前はその名の通り電話をかけるためだけの端末であった携帯電話は、一昔前では想像できないくらいに進化しました。
こうした進化はどのようにして実現できたのでしょうか?私たちにとって最も分かりやすいのは、端末そのものの進化です。特にスマートフォンの登場により、アプリを入れるだけでいろいろな機能が簡単に使えるようになりました。しかし、いくら高性能なスポーツカーであっても制限速度が低く狭い道路ではその実力を発揮できないのと同じように、高性能なスマートフォンには、それに見合った通り道が必要となります。実際には、この通り道こそが、携帯電話の進化に重要な役割を果たしているのです。その通り道となる携帯電話のネットワークが今、さらなる進化の次の段階に進もうとしています。それが「5G」です。

ITU-Rで定義された5Gの利用シナリオ 【図1】移動通信システムの進化

 携帯電話の技術(移動通信システム)は図1に示すような過程で進化し、その進化に応じて第1世代(1G)から第4世代(4G)と名付けられてきました。そして次の世代が、第5世代=5G (5th Generation)というわけです。表1は各世代の主な特徴の一覧です。

世代 サービス開始 通信速度 主なアプリケーション
1G 1984年 2.4kbps 音声
2G 1993年 28.8kbps~ パケット通信、メール
3G 2001年 384kbps~ インターネット
4G 2014年 1Gbps~ 動画、ゲーム
5G 2020年~(予定) 10Gbps~ IoT、高精細動画、自動運転
【表1】移動通信システムとアプリケーションの変遷

 世代を追うごとに、通信速度が高速になっていることが分かります。現在の第4世代(4G)は最大約1Gbps(1秒あたり1ギガビットのデータ送受信)と、第1世代(1G)に比べて実に約40万倍の高速化が実現されました。つまり、狭かった1本の道路が30年の間に約40万倍の大通りに拡張されたことになり、これを活かすことでより多くのデータのやり取りが可能となりました。今、私たちがスマートフォンで動画やゲームを手軽に楽しめるのは、この広い通り道のお陰です。そして5Gでは、その通り道をさらに拡げようとしているのです。

 

携帯電話の枠を超える5Gの世界

 5Gの実現に必要とされている主な技術要件と、それらによってもたらされるメリットを3つ紹介します。

1)超高速・大容量

 通信速度のさらなる高速化が図られ、 4Gに比べて10倍の10Gbps以上に達します。これにより、4K/8Kといった高精細動画の高速配信が実現すると考えられます。例えば4Gでは約30秒かかっていた2時間映画のダウンロードが、わずか3秒で完了するといわれています 1)

2)超低遅延

 データのやりとりの際に発生する遅延時間は、4Gの10分の1となる1ミリ秒を目指しています。遅延時間が短くなると、ユーザーがストレスを感じることなく、より快適なデータ通信が可能となります。超低遅延化により、リアルタイムかつ正確な制御が必要な自動運転や遠隔医療といったミッションクリティカルな分野への応用が検討されています。

ITU-Rで定義された5Gの利用シナリオ 【図2】ITU-Rで定義された5Gの利用シナリオ
(出典:Recommendation ITU-R M.2083-0、IMT Vision - Framework
and overall objectives of the future development of IMT for 2020 and beyond)

3)多数端末同時接続

 乗り物・住宅・家電・電気/ガスメーター・ドローン・ロボットなど、あらゆるモノをインターネットに接続するIoT(Internet of Things)への活用を目標として、4Gに比べて100倍以上の複数端末を同時に接続できるようになります。 既に4Gや他の通信方式を用いたIoTサービスが一部で始まっていますが、5GによりIoTのさらなる普及が期待されます。
 図2はITU-R(国際電気通信連合 無線通信部門)で定義された5Gの利用シナリオをまとめたものです。これを見ると、5Gが従来の携帯電話の枠を超えたさまざまな分野で利用されようとしていることが分かります。具体的な利用例を表2で紹介します。

自動車運転 ict_technicalData001_h02_1.png ドライバーがいなくとも遠隔で正確な制御を行い、他車や路上システムとの通信により衝突を回避し安全な運転を実現。
AR(拡張現実)
VR(仮想現実)
ict_technicalData001_h02_2.png スタジアムでのスポーツ観戦中、別視点でのライブ映像や試合に関する情報を自在に見ることができる。自宅にいる場合でも、高精細映像によりスタジアムにいるかのような臨場感あふれる観戦が可能に。
遠隔医療 ict_technicalData001_h02_3.png 充分な医療設備が無い地域の患者の状態を高精細映像でリアルタイム配信することで、高度先進医療ができる医師が遠隔で診断可能に。
ドローン ict_technicalData001_h02_4.png ドローンの飛行を5G回線で制御することで、従来は難しかった長距離安定飛行を実現、防災・物流などへの応用が期待される。
【表2】期待される5Gの利用例

着々と進む5Gの開発

 上述したように、5Gは幅広い分野での利用が想定されています。そのため、携帯電話会社だけではなく、さまざまな業界が連携した研究開発が進められています。表3は総務省が2017年から実施している「5G総合実証試験」の一覧です。自動車・交通・建設機械・警備・メディアなど業界の枠を超えた、多くの企業や自治体が実験に参加していることが分かります。このように5Gは既に実験室を飛び出して、屋外環境で実用化に向けた具体的なトライアルの段階に進んでいます。
2018年2月に韓国で行われた平昌冬季オリンピックでは、会場一帯で5Gの実証実験が大々的に行われました。日本でも今後、私たちが実際に5Gの凄さを身近に体感できる機会が増えるものと思われます。

技術要件 技術目標 周波数帯 主な実施者 概要
超高速大容量 ユーザ端末5Gbpsの
超高速通信の実現
4.5GHz帯
28GHz帯
NTTドコモ
東武スカイツリータワー
綜合警備保障
和歌山県
高臨場・高精細の映像コンテンツ配信や広域監視、総合病院と地域診療所間の遠隔医療に関する実証
28GHz帯 国際電気通信基礎技術研究所
那覇市
屋内スタジアムでの自由視点映像の同時配信に向けた高精細映像の多重配信に関する実証
高速移動時における2Gbpsの高速通信の
実現
28GHz帯 NTTコミュニケーションズ
東武鉄道
インフォシティ
高速移動体(鉄道、サーキット走行車両)に対する高精細映像配信に関する実証
超低遅延 1ms(無線区間)の
低遅延通信の実現
4.5GHz帯
28GHz帯
KDDI
大林組
日本電気
トヨタIT開発センター
コネクテッドカー、建機の遠隔操作など、移動体とのリアルタイムな情報伝送に関する実証
ソフトバンク
先進モビリティ
SBドライブ
トラックの隊列走行、車両の遠隔監視・遠隔操作に関する実証
多数同時接続 100万台/km2の
多数同時接続の実現
3.7GHz帯
4.5GHz帯
28GHz帯
NICT
横須賀市
イトーキ
シャープ
エイビット
災害時に避難所や防災倉庫において多数の人の要求やモノの位置を的確に把握可能とする情報収集方式やスマートオフィスに関する実証
【表3】総務省「5G総合実証試験」一覧
(出典:総務省「5G総合実証試験の実施概要(平成29年度)」を基に加工)

5G導入の技術的課題

 サービス開始に向けて順調に開発が進んでいる5Gですが、導入に向けて解決すべき技術的課題もあります。主なものを2点紹介します。

1)ミリ波の活用

 5Gでは一度に大量のデータを送るために、より広い周波数幅が必要となります。そのため、これまでレーダーなど特殊用途でしか使われていない、広い周波数幅の確保が可能なミリ波(高周波数帯)の活用が想定されています。
しかしミリ波は直進性が高く、かつ遠くへ飛びにくい特性を持つため、これまで携帯電話では使われていませんでした。5Gでは、既存の携帯電話技術を応用できる比較的低い周波数であるサブ6GHz帯(3.7GHz、4.5GHzなど)とミリ波帯(28GHz、39GHzなど)とを組み合わせることで、各周波数帯の特性を生かして活用するための取り組みが現在進められています。

2)効率的な周波数利用

 従来の携帯電話では、基地局のアンテナ数本(2~8本)を使って面的に電波を飛ばしてユーザーを収容していましたが、繁華街やスタジアムなど人が密集する場所では限られた電波を多くのユーザーで分け合うこととなり、繋がりにくさや通信速度の低下を招いていました。

Massive MIMO導入イメージ 【図3】Massive MIMO導入イメージ

 5Gでは、基地局のアンテナを数十~百本以上に増やしてユーザーごとに電波を飛ばす「Massive MIMO」技術が採用されます(図3)。これにより、特定のユーザー端末ごとに専用の周波数リソースが割り当てられ、人が密集する場所でも快適な通信を実現することが期待されています。

おわりに

 5Gは、単に新しい携帯電話の技術としてだけではなく、私たちの生活になくてはならない社会インフラとしての活用が大いに期待されています。近い将来、私たちが何気なく利用するサービスで、 5Gの技術がいつの間にか使われている時代が来るでしょう。
 当社では5Gの早期実現に貢献すべく、図4および表4に示すような世界の最先端5G測定ソリューションを展開しています。
 2020年、さらにはその先のネットワークの進化を見据えて、今後も日本のお客様に最新の測定テクノロジーと試験ノウハウを提供していきます。

5G測定ソリューション カバーエリア
「Spirent Vertex」
5G対応RFチャネルエミュレータ
「WaveJudge」
5G対応エアモニタ
「PRISMA UeSIM」
5G端末シュミレータ
「Spirent Landslide」
5Gノードパフォーマンステスタ/
アクティブモニタ

 

【図4】5G測定ソリューション カバーエリア
製品名 特長 製造元
Spirent Vertex
5G対応RFチャネルエミュレータ
  • ・実RF環境をラボで再現
  • ・ミリ波特性評価
  • ・Massive MIMO試験
アメリカ
Spirent
Communications社
WaveJudge
5G対応エアモニタ
  • ・無線通信を可視化
  • ・5G端末/基地局 相互接続性検証
  • ・物理レイヤ/電波レベル/周波数マップ解析
アメリカ
Sanjole社
PRISMA UeSIM
5G端末シュミレータ
  • ・5G基地局 機能&負荷試験
  • ・数千端末以上による限界性能試験
  • ・スマートフォントラフィックの再現
イタリア
PRISMA Telecom
Testing社
Spirent Landslide
5Gノードパフォーマンステスタ/
アクティブモニタ
  • ・5Gモバイルネットワークノード負荷試験
  • ・バーストトラフィック試験
  • ・アクティブモニタによるサービス監視
アメリカ
Spirent
Communications社
【表4】5G測定ソリューション一覧


1) 出典:総務省。平成27年6月26日「2020年代に向けたワイヤレスブロードバンド戦略」

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