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。
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