第5世代移動通信システム「5G」とは：Tech Basics／Keyword
すでに韓国や米国でサービスが開始されている第5世代移動通信システム（5G）が、いよいよ日本でも2020年春に正式サービスが開始される予定だ。5Gとはどういったサービスなのか、既存の4G／LTEとはどういった点で異なっているのか、今後どのような影響が生じるのかを解説する。
すでに韓国や米国でサービスが開始されている「5G（ファイブジー）」と呼ばれる第5世代移動通信システム（以下、5G）とはどういったものなのだろうか。すでに5Gプレサービスとして、ソフトバンクが新潟県の苗場スキー場で開催されたロックイベント「FUJI ROCK FESTIVAL '19」で、実験やサービスのデモを提供しており、NTTドコモも2019年9月開催の「ラグビーワールドカップ2019 日本大会」で5Gプレサービスを行うとしている。日本でも2020年に正式サービスとして提供される予定となっている。
5Gは、現在の移動通信システム（携帯電話システム）の「4G（LTE）」とどのような点が異なり、どういったサービスなのかを解説していく。
5Gとは
5Gとは、現在主流の「4G」の次世代となる移動通信システムのことである。
移動通信システムは、当初のアナログ方式の第一世代（1G）から始まり、「2G」でデジタル化された。2Gまでは、主に音声通話が主体のサービスであった。
音声通話に加え、高速なデータ通信が可能になったのが「3G」である（2Gでもデータ通信は可能であったが低速で、主に文字主体の通信であった）。3Gも当初は、384kbpsという現在からすると非常に遅い通信速度ではあったが、それでも画像などの送受信が可能になり、「携帯電話」の利用用途が大幅に広がった。
その後、3Gは、データ通信速度の向上を図ったHSPA規格やHSPA+規格、LTE規格などが追加された。これらの規格では、「3.5G」や「3.9G」などとも呼ばれていたが、LTEやWiMAX、HSPA+などの3Gを発展させた規格も「4G」と呼ばれることになり、現在に至っている。
2Gまでは、各国・地域で異なる規格や周波数帯でサービスが展開されていたため、3GではITU-R（International Telecommunication Union Radiocommunication Sector。国際電気通信連合 無線通信部門）が「世界中で使える携帯電話」を目標としてIMT-2000というコンセプトで規格策定を行った。しかし、現実には5種類の通信規格が乱立する結果となってしまい、「世界中で使える携帯電話」には程遠いものとなってしまった。
その後、IMT-Advance（4G）、IMT-2020（5G）とITU-Rが基本理念を作り、3GPP（3rd Generation Partnership Project）などの業界団体が仕様を策定し、これをITU-Rで承認して「勧告」と呼ばれる規格を発行するという形で携帯電話システムは発展してきた。
| 世代 | 時期 | 名称 | 概要 | 主な技術開発 | 通信方式 |
|---|---|---|---|---|---|
| 1G | 1980年代 | （アナログ方式） | 各国で事業者が独自に開発 | 小ゾーン方式、FDMA | Hi-Cap、AMPS、TACS、NMT、C450 |
| 2G | 1990年代 | （デジタル方式） | 日米欧でそれぞれ独自に規格化 | パケット／TDMA／CDMA | PDC、cdmaOne、GSM、D-AMPS |
| 3G | 2000年代 | IMT-2000 | 世界中で使える携帯電話を目標にITUが策定 | コアネットワークのIP化 | W-CDMA（UTRA）、CDMA2000、LTE |
| 4G | 2012年〜 | IMT-Advanced | 3Gをベースに段階的な発展 | VoLTE／OFDMA／CA／MIMO | LTE-Advanced、WiMAX2 |
| 5G | 2020年〜 | IMT-2020 | 4Gからの連続的な発展 | C/U分離／SDN／NOMA | 名称未定（New RAT、NR） |
| 移動通信システムの歴史 | |||||
5Gは、2020年代のモバイルネットワークを想定してコンセプトが作られた。具体的には、以下のような状況を想定した。
- 通信量は2010年台の1000倍
- 必要な通信速度は4Gの100倍
- 最大500km/h程度の高速輸送手段が登場
- 自動車、ドローン、ロボットの自動制御などに使われる
- IoTの普及で、都市部などには大量の端末が存在
- ネットワークのより速い拡張、改良、短時間でのサービス実現が要求される
これらを具体的なスペックにしたものが下図のレーダーチャートだ。
IMT-2020のコンセプト
IMT-2020のコンセプトは、4G（内側の図形）を強化して2020年以降に備えることだ。（「IMT-2020 Radio Interface Standardization Trends in ITU-R」より）
これを分かりやすいように表にまとめ直したのが下表だ。
| 項目 | 目標4G比 | 現状値（4G） | 目標値（5G） |
|---|---|---|---|
| 遅延 | 1/10 | 10msec | 1msec |
| 体感速度 | 10倍 | 10Mbit/sec | 100Mbit/sec |
| 接続密度 | 10倍 | 10の5乗/平方km | 10の6乗/平方km |
| 移動速度 | 1.5倍 | 350km/h | 500km/h |
| 最大データレート | 20倍 | 1Gbit/sec | 20Gbit/sec |
| 単位面積あたりの通信容量 | 100倍 | 0.1Mbit/sec/平方m | 10Mbit/sec/平方m |
| 周波数利用効率 | 3倍 | − | − |
| 無線ネットワーク電力利用効率 | 100倍 | − | − |
| IMT-2020のコンセプト | |||
ただし、これらのスペックは、全てを同時に満足させるというわけではなく、大きく以下の3つの利用分野に分けて実現する。
3つの利用分野にフォーカスするIMT-2020のコンセプト
IMT-2020では、3つの利用分野にフォーカスして重視するスペックを決めている（「IMT Vision - Framework and overall objectives of the future development of IMT for 2020 and beyond」より）。
| 利用分野 | 用途 |
|---|---|
| eMMB：enhanced Mobile Broadband（強化されたモバイルブロードバンド） | スマートフォンなどユーザーによるインターネットアクセスなど |
| URLLC：Ultra-Reliable and Low Latency Communications（超信頼性低遅延通信） | ドローンやロボットの制御、さらには自動運転の制御など |
| mMTC：massive Machine Type Communications（超大量機器間通信） | IoTデバイスの通信 |
| 5Gの主な想定利用用途 | |
eMMBは、スマートフォンなどユーザーによるインターネットアクセスなどの利用を想定する。これに対してURLLCは、ドローンやロボットの制御、さらには自動運転の制御などを想定する。
また、mMTCは、IoTデバイスの通信の場合だ。例えば、IoTデバイスの接続に使う場合には、狭い範囲にある多数のIoTデバイスの接続やそれぞれの通信帯域の確保などを目的とし、遅延が大きくなっても構わないとする。逆にドローンやロボットなどの制御用途では、遅延や移動速度が重要なパラメーターとなるが、必ずしも最大データレートでの通信は必要ない。
スマートフォンからの利用はeMMBとなり、体感速度やこれまで以上の多数の端末の接続は要求されるが、接続数はIoTデバイスほど大きくなく、また、遅延についても制御用のように小さくする必要はない。
こうした3つの利用分野に応じて適切なパラメーターで動作できるようにしようというのが5Gなのである。
5Gで広がる用途
5Gに注目が集まっているのは、4Gに比べて通信速度が速くなるだけでなく、信頼性の高い低遅延通信が可能になることだ。これにより、自動運転時分野での利用やロボット、ドローンの遠隔操作などが可能になるといわれている。
5Gでは、4Gに比べて、1つの基地局に大量の端末が接続できるようになるため、いわゆるIoT分野での利用も可能になるとされている。例えば、広汎な地域に配置された大量のセンサーからのデータ収集といった用途も期待されている。
このように5Gでは、既存の4Gにおける用途に加え、さまざまな場面での利用に期待が集まっている。
どうやって実現するか？
携帯電話システムは、大きく端末（UE：User Equipment）、基地局（Node B）とそのサービス範囲となるセルなどから構成される「RAN（Radio Access Network）」、コアネットワーク（Core Network）からなる。端末と基地局の間は無線となり、この部分を「エアインタフェース」などと呼ぶこともある。5G技術の中心になるのがRANの部分である。
4Gでは、この無線部分にLTEやCA（キャリアアグリゲーション。複数の周波数で同時に通信を行い、通信速度を向上させる方法）やMIMO（マイモ。Multiple-Input and Multiple-Output。複数のアンテナと送受信機を組み合わせ並列に通信を行い、通信品質を向上させたり、転送レートを向上させたりする技術。無線LANなどにも採用されている）などを使って速度を向上させてきた。
5Gでは、新しい通信方式が導入される予定だが、まだ名前はなく暫定的に「New RAT」や「NR」などと呼ばれている。RATとは「Radio Access Technology」のことで、従来のW-CDMAやLTEといった通信方式一般を指す用語だ。NewRATは、日本語にすれば、「新しい通信方式」といったところ。また同じ意味で「New Radio」（新しい無線）の略である「NR」も使われることがある。
5GのNewRATでは、「NOMA」「デュアルモード」「C/U分離」「マッシブMIMO」といった技術を使って高速化や大容量化などを実現する。
NOMAとは
NewRATの下り方向では、従来とは違う概念の多元接続方式（複数の通信を分離し、同時に多数の通信を行う方法）として「NOMA（Non-Orthogonal Multiple Access）」を採用する。
無線では利用可能な周波数が限定されるため、何らかの方法で多数の携帯電話と同時に接続する必要がある。例えば「1G」では、単純に周波数を分割して割り当てる「FDMA（Frequency Division Multiple Access）」が使われていた。いわゆる「チャンネル」である。その後、FDMAをベースに「TDMA（Time Division Multiple Access）」や「CDMA（Code Division Multiple Access）」といった技術が開発され、「LTE（4G）」では、「OFDMA（Orthogonal Frequency Division Multiple Access）」が採用された。
しかし、5Gではより多くの端末に対応しなければならない。そこで開発されたのが「NOMA」という技術だ。簡単にいうとNOMAでは、複数端末宛の通信に対して、信号強度を変えて重畳して送信する。このようにすることで、より多くの通信を1つの周波数帯域に詰め込むことが可能になり、利用効率が向上する。
信号を重畳させるとき、基地局の近くにある端末向けの信号の電力は小さく、遠くにある端末向けは電力を大きくする。基地局近くの端末は、十分に大きな信号を受信できるため、遠くにある端末向けの信号を復調して、レプリカと呼ばれる信号を作って再度変調して、受信信号から除去することで自分宛の信号を取り出す。これをSIC（Successive Interference Cancellation。逐次干渉除去、逐次干渉キャンセル）という。実現には高い演算能力が必要になるため、従来は、端末での実行が困難とされてきたが、半導体技術の進歩により端末での実現が可能になった。
NOMAとは
NOMA（Non-Orthogonal Multiple Access）は、従来とは違う考え方で複数の通信を多重化する。具体的には、同じ周波数に複数端末宛の通信に対して、信号強度を変えて重畳し、端末側でこれを分離する。
デュアルモード、C/U分離、ノンスタンドアロンとは
5G向けには新しい周波数帯域の割り当ても行われる。そもそも無線通信は、低い周波数の利用から発展してきたこと、携帯電話に向いているとされる周波数帯（いわゆるプラチナバンドなど）はすでに割り当て済みであることなどから、新たに利用できる周波数は高くならざるを得ない。5Gでは、24GHz以上の高い周波数帯でも割り当てを行う。
| 周波数帯域名称 | 周波数帯域 |
|---|---|
| FR1 | 410MHz〜7125MHz（7.125GHz） |
| FR2 | 24250MHz（24.250GHz）〜52600MHz（52.600GHz） |
| 5Gで割り当てられる周波数帯域 | |
電波は、周波数が高くなると直進性が高まる、透過性が低くなるといった、光のような性質を持つ（光も電波も電磁波の一種である）。このため、高い周波数では、従来のセルよりも小さく100m程度以下、建物の内部に設置した基地局は建物外の端末とは接続困難になる。こうした小さな範囲を持つセルを一般に「スモールセル」といい、数百m〜km単位のサイズを持つ従来のセルを「マクロセル」と呼ぶ。
5G端末では、eLTE（4GのLTEを強化したもの。Enhanced LTEの略）とNew RATで同時に通信を行う「Dual Mode（デュアルモード）」と呼ばれる通信方式が可能になる。このため、4G時代のマクロセルとNewRAT向けのスモールセルを重ねて配置することが可能になる。4Gでも、スモールセルとマクロセルを重ねて配置することはできたが、ともに同じLTEを使うために干渉を軽減するなどの対策が必要だった。
5Gのデュアルモード
5Gでは、都市部のデータ容量を上げるため、従来のセル内にスモールセルを配置する。eLTEとNewRATでの同時接続が可能な端末を使って、データ通信と端末制御を分離したり、4GのコアネットワークでNewRATを使えるようにしたりする仕組みが提供される。
マクロセルにスモールセルを重ねたとき、5GのDual Modeを使えば、端末の制御などはeLTE側、データ通信はNewRAT側とすることができる。これによりデータ通信速度を向上させ、より多くの端末を制御することが可能になる。
イベントやスポーツ施設、鉄道の駅などの数万人が狭い範囲に集中するような地域では、こうしたスモールセルを使い、データ通信を高速に行えるようにする。データ通信はスモールセルで、基地局からの端末制御をマクロセル側で行うことを「C/U分離」という。Cとは「Control-Plane（C-Plane）」で、基地局の切り替えや着信の呼び出しなど制御用の通信を、Uは「User-Plane（U-Plane）」でユーザーが行うデータ通信などを指す用語である。
現在は、4Gのセルが存在しており、コアネットワークも4G方式で作られている。この時点で、基地局と端末間の通信にのみ5G技術であるNewRATを使い、4Gのコアネットワーク（EPC：Evolved Packet Core）としておき、段階的にモバイルネットワークを5G化していくという構成が考えられる。4GのコアネットワークにNewRATを使う構成を「ノンスタンドアロン（NSA：Non-Standalone）」といい、5Gのコアネットワークと5Gのコアネットワークの組みあわせを「スタンドアロン（SA：Standalone）」と呼ぶ。
マッシブMIMOとは
また、4Gで導入されたMIMOをさらに進め、128〜256などの多数のアンテナと送受信機を使う（LTEでは2x2、4x4が利用されていた。無線LANなどでは8x8程度）。こうした超多素子アンテナによるMIMOをMassive（マッシブ） MIMOと呼ぶ。
MIMOに利用するアンテナアレーは、電波の指向性を制御することができ、特定方向に集中させることができる。こうした機能を「ビームフォーミング」と呼び、ビームフォーミングなどが可能なアンテナをスマートアンテナと呼ぶ。
ビームフォーミングを利用すると、特定方向に送信エネルギーを集中できるために遠方まで電波を飛ばすことができるようになる。パケット通信のような間欠的な通信では、対象端末にビームを向けることで、瞬間的な伝送速度を高めることができる。これを「Multi-User MIMO（MU-MIMO）」と呼び、IEEE 802.11acなどの無線LANに採用されている技術だ。5Gでも、このMU-MIMOを利用することで、セル内の通信容量（一定時間内の合計通信量）を高める。
コアネットワークは仮想化により高い柔軟性を持たせる
実際の通信トラフィックを扱う「コアネットワーク」も5Gでの改良が予定されている。3Gでは当初、「GSM MAP（UMTS）」と「IS-41（CDMA2000）」のコアネットワークを拡張して使うこととし、これを段階的にIP化することを目標とした（3G開始時点ではATMなどが利用されていた）。
データ通信はパケット交換（経路を確定させずに通信する方式）を採用したため、すぐにIPネットワークに転換できた。一方、音声通話（ボイス）は、固定電話由来の回線交換（事前に経路を確定させて通信する方式）のままだった。
LTEはパケット交換によるデータ通信のみのネットワークとして構成され、当初は音声通信のときのみ3Gの音声通話機能を使った。その後、音声通話を「IMS（IP Multimedia Subsystem）」でIP化し、さらに「VoLTE（Voice Over LTE）」を利用して音声サービスをパケットネットワークの上に移行させた。これによりデータと音声（ボイス）が統合され、コアネットワーク全体がIP上のパケットネットワークとなった。
5Gでは、ここに「NFV（Network Function Virtualization。ネットワーク機能仮想化）」や「SDN（Software-Defined Networking）」技術を利用し、コアネットワークを「仮想化」する。これにより、物理ハードウェアの変更や拡張などに柔軟に対応でき、さらに仮想化されたネットワークの上にサービスを構築することで短時間でのサービス立ち上げを可能にする。
国内の状況は？
5Gは、現状の4Gのネットワークサービスを拡張する形で開始される。ただし、無線通信は、どの国でも、認可や免許といった問題があるため、規格の制定とは別に認可や法整備的な準備も必要となる。
米国や韓国では、すでに5Gサービスを開始したとのことだが、実際には地域が限定されていて、正式サービス前という状態だ。日本では、2020年春のサービス開始を想定し、前述の通り、プレサービスなどが始まっている。
周波数割り当ては、まず3.7／4.5GHz帯（6バンド）、28GHz帯（4バンド）を「NTTドコモ」「KDDI/沖縄セルラー電話（以下au）」「ソフトバンク」「楽天モバイル」の4社に割り当て済みだ。総務省に提出された書類によれば、NTTドコモは2020年春、auは2020年3月、ソフトバンクは2020年3月頃、楽天モバイルは2020年6月頃からサービスを開始する予定だという。
5G特定基地局の開設計画
総務省の「申請及び審査の概要」によれば、NTTドコモ、au、ソフトバンク、楽天モバイルは、2020年春から初夏にかけて5Gサービスを開始する予定で、2024年までに最大でカバー率は90％近くになる予定だ。
日本国内の5Gに対する周波数割当
NTTドコモ、au、ソフトバンク、楽天モバイルに対する周波数帯割り当て。3.7／4.5GHz帯、28GHz帯の周波数割り当ても行われた（総務省の「申請及び審査の概要」より）。
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