Dr.スギヌマのITランダム・ウォーカー：5Gがやってくる

「5G（ファイブ・ジー）」と呼ばれる、次世代の移動通信方式が、いよいよ実用化されることになった。これまでの携帯電話を大きく変えることになる5Gだが、機能の提供は段階的になりそうで、5Gが始まったその日から世界が変わるわけではなさそうだ。それでも、これまでの規格の限界を打ち破ることは確実になり、無線の使い方が大きく変わりそうだ。

バルセロナに集結

　2月にバルセロナ（スペイン・カタルーニャ州）で開催された「モバイル・ワールド・コングレス（MWC）2018」（写真１）は、移動体通信業界の世界的なイベントだ。講演会もあるが、なんと言っても注目されるのは移動体通信、特に携帯電話関係の設備や技術を見せる展示会だ。８つのホール（ひとつは2階建て）に世界2400社が集まり色々な分野での展示を行う。

【写真1】：移動通信の祭典として知られる「MWC2018」は、2月26日から3月1日まで、
バルセロナのFira Gran Viaなどの会場で開催された

　今年の注目は、次世代の移動通信方式である「5G」だった。これまで、規格化作業が続けられてきたが、昨年末にいよいよ無線方式の一部が決まった。これで、携帯機と基地局を開発できる。もちろん、開発自体は以前から各社で進められており、昨年末から始まるわけではない。それどころか、昨年末の規格化完了は、開発の最終段階への進展というところがほとんどだろう。

　が4Gまでとの違いとなる。1の速度向上は、すぐに納得できる。4Gよりも伝送速度が上がれば、4KやVRも問題なく送れるだろう。一方、1から4は、利用側の感覚としては、ピンとこない。もちろん電池消費が減るのは嬉しいが、それが大きく言われるほどのことかとも思えるかも知れない。遅延が減ると言われても、今、どの程度遅れているか、チャットを使うことが多くなると、「伝送遅延」と言われてもよく見えてこない。

　実は、5G化の背景には、想定利用形態（ユース・ケース）に大転換があったという。最初の携帯電話以来想定されていたのは、人間が使う、ということ。それが「機械も使う」と、利用対象が増えた。人間が使うときには、伝送速度が効いてくる。特に、マルチメディアコンテンツの利用には、大きな違いが出るだろう。そして、機械が使う時に2から4の事柄が効いてくる。今は、数十msecの遅れがある無線区間遅延を1msecにする、電池寿命は単3電池2本で10年を目指す、移動機は１㎡に1台の密度を目指す、といった現在の水準から見れば野心的とも言える目標が掲げられ、それらが実現できそうだ。こうなるとIoTが俄然やりやすくなる。

　一方、人間様にとっては、現在の数十から数百Mbpsの伝送速度が、もう一段階上がるといったメリットがある。そして、この速度向上が、5G化による最初の恩恵となりそうだ。

5Gは、6GHz以下から

　5Gで、下り（基地局→移動機）5Gbpsといった速度が例示されることがある。これまで決まっている規格で、この速度自体は実現できそうだが、重要な注釈がある。「ミリ波帯を使用した場合」ということだ。ミリ波とは、30GHzから上の周波数帯だが、最近は25GHz程度の準ミリ波帯もミリ波と呼べれている（写真２、写真３）。

【写真２】：米Qualcomm社は8波を集積（CA）して、5Gbpsに迫る通信速度をデモした

【写真3】：同じくQualcomm社のミリ波通信デモ

　無線通信にどの周波数帯を使用するかで、使える帯域幅（周波数の幅）が変わってくる。道路が広ければ交通がスムースなように、帯域幅が広ければ伝送速度を稼げる。4Gでは、一般に5MHzから20MHz程度を使用する。これは、キャリアと呼ばれる無線帯域が１つだけ使える場合だが、複数のキャリア（帯域）を合わせて使うことで伝送速度を上げる「キャリア・アグリゲーション（CA）」という方法も導入されている。最新の規格であるLTE Cat.20では、キャリアを5本束ねて使い、最大で2Gbpsを得ることができる（写真4）。ただし、これは規格上の話で、実際にそれだけの帯域幅を持っている通信事業者は、世界中にほとんどない。

【写真4】：LTE Cat.20にて2Gbpsを達成する実力を持った機器が市場投入され始める（Ericssonのブースにて）

　一方、5Gではキャリア自体の幅を広くしてしまった。ミリ波帯域では100MHz以上の帯域幅を想定している。まさに、4Gが「束になって」かかっていることを1本のキャリアでやってしまおうということになる。そして、この5Gキャリアを8本束ねれば、Gbpsの速度に達することになる。

　ところが、デモで出てくるミリ波は、まだまだ機材の準備ができていない。今回のMWCでも、ミリ波用の基地局設備というものは見つけることができなかった。その一方、3.5GHz帯での5G運用については、各社とも熱心に機材をデモしていた。

はじめの5G

　ミリ波帯は、使うのが難しい。これまで、民生用移動機器では車載レーダーに使われていた程度で、ほとんど使用例は無いようだ（固定無線通信サービスの一部に準ミリ波利用がある）。電波の飛び方も、まだ調査研究がされている部分もあり、なかなか実用化レベルに降りてきていないようだ。

　一方、5Gの周波数帯の中で「6GHz以下」とされる帯域は、多くの民生用機器がある。部品も多く、伝播モデルもできている。最初の5Gサービスと機材、少なくとも移動サービスは、6GHz以下から始まることになるだろう。そうすると、機材（＝スマートフォン）の形は、そう変わることは無い。5Gの信号を処理するモデムだけが変わることになる。

　MWC2018では、通信機器各社は6GHz以下の帯域での機材準備完了をうたっていた。一方、移動機は、5Gの「リファレンスデザイン」が1台だけ公開された（写真5）。通信機器大手のNOKIA（フィンランド）のブースに置かれていたQualcomm（アメリカ）のものだ。リファレンスデザインとは、主として半導体メーカーが最終製品メーカー用に用意する「お手本」で、「この通りに作れば動きます」というものだった。当初は、回路図レベルだったようだが、今では筐体を含めて最終製品の姿をしている。つまる、「この通りに作れば製品として通用します」というレベルにまで洗練されているのだ。自社の半導体を採用してくれれば、リファレンスデザインも提供します、というやり方で半導体メーカーは売り込みを図っているという。つまり、半導体メーカー自身が、最終製品メーカーと同じ開発機能を持っていることになる。

【写真5】：Qualcomm社の5G用モデムを搭載したリファレンスデザインは、
NOKIA(フィンランド）のブースで基地局設備とつながって動作していた

　Qualcomm製のリファレンスデザインは、3.5GHz帯の無線信号（デモでは有線で伝送）を受けて動作していた。6GHz以下の帯域ででどこまで帯域幅が取れるかは、各国の状況によって異なるが、ハードウェアの準備状況から見て6GHz以下から始まるだろう。それでもメリットは大きい。都市部での利用シミュレーションでは、LTE Cat.4（最も基本のLTE）が8.5Mbpsで使えたとき、同じ場所で5Gは99.8Mbpsを出せた（写真6）。最新のLTE Cat.20比でも3倍程度の速度が出るようで、期待が膨らむ。世界各地で2018年末から2019年の5Gサービス開始に向けて準備が進んでいる（写真7）。

【写真6】：Qualcommの都市部伝播シミュレーション（独フランクフルト市の例）では、5Gは圧倒的な速度差を見せた

【写真7】：Swisscom（スイス）は、2018年に5G「運用」（注：サービスではない）開始を宣言した

　5Gサービスは、Gbpsには達しない速度領域で始まるだろう。しかし、それでも4G比で数倍の速度向上が期待できる。HD画質どころか4Kでも余裕で楽しめそうだ。その後、機械同士が通信するのに5Gを使う時代に入るだろう。