【総まとめ/図解】5G通信とは?原理と今後の展開をわかりやすく解説

 
5G通信って最近どんどん広がっているけど、よくわからないなぁ…
4Gとの違いとか、詳しい原理とか、
5G対応のスマホを買うべきとか、
今後の展望とか、、、
 
盛り沢山ですね笑
今回はそんな要望に答えて5Gをまるっとおさらいしましょう!
これを見るだけで5Gの全てがわかることができると言っても過言ではない内容に仕上げたので長いですが、最後までご覧ください。

 

※本記事では電波の基本知識を前提に記事を書いています。
電波の基本知識に不安がある方はこちらで確認してからご覧ください。

 

5G通信とは?

5G通信とは

5Gの”G”の意味

 

 
そもそも5Gの”G”とは何でしょう?
 
うーん、”ギガ” とかかなあ?
5Gの”G”の意味は、Generation(世代)です。
つまり、5Gとは、第5世代の通信技術という意味になります。

 

したがって、4Gから5Gに移行するということは、新たな通信の時代へと変化するということになります。

 

そもそも1Gから4Gまでの変化を知りたい人は以下の記事をご覧ください。
合わせて読みたい(通信世代の変化):
通信世代まとめ

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通信世代のまとめ

 

4G通信との違い

 

4G通信との違いは色々ありますが、よく挙げられる特徴は以下の3つです。

  • 高速・大容量
  • 同時多接続
  • 低遅延

5Gって何って聞かれてたらこれをすぐに答えるようにしましょう。

では、それぞれを深堀りしていきます。

 

高速・大容量

 

1つ目は、「高速・大容量」です。

これは、一番有名な話だと思いますが、5G通信に移行することで、通信速度が飛躍的に向上します。

 

通信速度がどの程度まで上がるかは各会社や書籍によって言っていることが違います。

ですが、参考としてKDDIのデータを元に解説します。

 

5G通信になることで、20Gbpsもの速さの通信を実現することができるそうです。

この速さは、4GLTEの1Gbpsの20倍の通信速度に当たります。

 

飛躍的な通信速度の成長ですね!

 

多接続

 

2つ目は、「同時多接続」です。

5G通信が普及することで、より多くのデバイスが同時に接続できるようになります。

具体的には、平方1km当たり100万デバイスも接続できるようになり、4GLTEの10倍のデバイスを同時に接続できるようになります。

 

 
同時に多くのデバイスが接続できるようになると何がいいの?

同時にデバイスがつながることができるメリットが活かせるのは、IoTです。

何倍ものデバイスがネットワークにつながることが予想されるからです。

 

現在は、ネットワークにつながっているほとんどのデバイスがスマホかパソコンだと思います。

スマホとパソコンの普及率はすでに高くこれ以上接続台数が増えないことは確かです。

しかし、IoTが進むと話は違います。

全てのモノ(家電など)がインターネットにつながるようになるので、何倍ものデバイスがこれからネットワークにつながることが予想されます。

 

つまり、5G通信が実現することで、今後は通信機器のみがネットワークにつながる時代が終わり、

あらゆるものがネットワークにつながる時代が来るということです。

 

IoTの知識を深めたい方へ:

IoTの基礎知識

 最近よくIoTって聞くけど、何のことかよくわかんないや 今回はIoTについて、誰でもわかるように解説します。これからの社会を変える技術なので、この記事でしっかりと理解しましょう![…]

IoT(アイオーティー)

 

低遅延

 

3つ目の特徴は低遅延です。

5G通信の実現で、通信で生じる遅延が10分の1になると言われています。

 
通信の遅延が少なくなると何がいいの?

低遅延の通信が進むことのメリットが得られる場面は、「遠隔操作」「自動運転」です。

IoTの記事でも紹介したように、これから先の期待されている技術としてこの2つを紹介しましたね。

 

遠隔操作にしても、自動運転にしても、数ミリ秒の通信の遅れでも命取りになります。

医療で遠隔で手術をした場合、

「通信の遅延で間違えて関係ないところ切っちゃった。。。」

とかいう展開になったらどうしようもないですよね。

自動運転にしても、ブレーキが少しでも遅れたことによって、救えるはずの命が救えなかったりします。

 

現在は、スマホなどの通信機器の通信しかないので、通信の遅延の重要さには気づきませんが、

これからのIoT社会では、通信の遅れというものは人の命に関わる重大な問題になります。

 

5G通信とは、5世代の通信技術のこと
4Gとの違いは、「大容量」「多接続」「低遅延」の3つ。

 

 

5G通信の原理

5G通信の原理

 

では、具体的にどのようにして5G通信が実現できるのか解説していきます。

実現するためには様々な分野の通信技術が必要となってくるのですが、

今回は以下の3つの項目に焦点を当てて解説していきます。

  • 使用周波数
  • 基地局
  • ハードウェアシステム

内容盛り沢山かつ専門的な内容ですが、初心者にもわかるように解説していくので、

これを機にきちんと理解していきましょう!

 

使用周波数

5G通信の周波数帯について
図1:5G通信の周波数帯

 

5G通信で使用する電波の周波数は以下の3つの項目に分かれます。

  • mm-Wave(ミリ波)
  • Sub-6
  • LPWA

これら3つの周波数帯に加えて、従来の4G通信の電波を活用することで、安定した通信ネットワークを実現することができます。

 

参考:そもそも周波数で何が変わる?

 

そもそも電波の周波数で変わることざっくりと解説します。
(詳しく解説した記事のリンクは、この章の下に貼ってあります。)

結論からいうと、周波数が高くなるほど以下の4つの特長が現れます。

  • データ量↑
  • 直進性↑
  • 透過力↓
  • 伝搬距離↓

 

データ量は、電波に乗せることができるデータの量です。

つまり、周波数が高くなるほどより多くのデータを一度に送ることができます。

 

直進性は、電波が進む際の真っ直ぐ進む力です。

電波が真っ直ぐ進むことで、ビームのように狙いを定めて電波を届けることができます。

しかし、その一方で、障害物がある場合に回り込む事ができないので、一長一短といった感じです。

つまり、周波数が高くなるほど、直進性の高い電波を形成することができます。

 

透過力は、物体をすり抜ける力です。

皆さんは建物の中にいるときにも外の基地局の携帯の電波を利用することができるのも、この電波の性質のおかげです。

しかし、高い周波数を使えば使うほど、この透過力が落ちていくので、

これから紹介するミリ波では建物をすり抜けることができなくなってしまいます。

 

伝搬距離は、電波を届けることができる距離です。

周波数が高くなるほど空気抵抗や空気中の水蒸気の影響を受けやすくなってしまいます。

その結果として、周波数が高くなるほど、電波が遠くに届きにくくなってしまいます。

 

 
一言で表すと、高い周波数の電波では、
多くのデータを運べる分、いろんな障害物の影響を受けやすくなる
ということになります。

 

深く知りたい人へ(周波数と通信の関係):

周波数と通信の関係

<本記事の内容> 通信で使われる周波数って何?周波数が変わると通信の何が変わるの? では、今回は周波数に焦点を当てて解説していきます電波の前提知識:周波数とは?波長とは?[…]

周波数と通信の関係

 

 

mm-Wave (ミリ波)

 

まずは、mm-Wave(ミリ波)です。

具体的には、28GHz帯の周波数の電波です。

 
そもそも4Gの電波ってどれぐらいなの?
 
4Gは2GHz帯です。
補助的に800MHz帯も使われています。

 

このミリ波帯と呼ばれる28GHzの周波数帯は、これまでの通信で使われてきた周波数と比較すると圧倒的に高いものです。

周波数が高くなるほど一度に送ることができるデータ量は上がるので、

超高速な通信が実現できるポテンシャルがあると注目を集めています。

そのため、「ミリ波帯の高い周波数の活用した通信」と言っても過言がないぐらい注目を集めています。

 

とはいっても、全域でのミリ波帯の通信の実現はかなり厳しいのが現実です。

先ほども申し上げたように、高周波の電波はデータ量を多く運べる分、扱いがかなり難しいからです。

1つのアンテナを設置したとしても、アンテナ1つあたりのカバーできる範囲は小さいですし、建物が多い場所になるとまともに機能しなくなってしまいます。

 

ですので、まずはこれから紹介するSub-6と呼ばれる周波数帯の整備が中心に進んでいます。

 

Sub-6

 

Sub-6とは、6GHz以下の周波数帯のことを意味します。

日本使われている周波数は、各社ばらつきはありますが、4GHz前後の周波数帯を利用しています。

 

 
なんか4G通信とそんなに変わらなくない?

確かに、従来から使われてきた4G通信とはそこまでの違いを感じることはできませんが、

安定した通信環境を整える上では大切な周波数帯です。

 

まずは、このSub-6を整えることから各携帯会社は始めていて、

ある程度整ってきたら先ほど紹介したミリ波の運用に踏み切る流れになりそうです。

 

LPWA

 

LPWAは、Low Power Wide Area の略で、省エネかつ幅広い範囲で使えるネットワークを意味します。

使用する周波数はサブGHz帯と言われる920MHzです。

 
一気に周波数が下がったけど何に使うの?
LPWAの使用用途は、多くのデータの処理が必要がないものです。
具体的には、IoTを実現する上で役に立つと考えています。

 

例えば、ガスメーターを無線通信でやり取りするように設計するとします。
ガスメーターは1ヶ月に1回、ガスの使用量を送信するだけなので、必要とするデータ量はかなり少ないものとなります。
そういったものには4G通信の通信量すら必要ありませんよね。

 

したがって、LPWAによって、家電などのそれほど通信量が必要ないものがネットワークに繋がるようになり、IoTの普及がより一層進むことが期待されます。

 

5Gで注目される周波数帯は以下の3つ。
mm-Wave(ミリ波)/ 28GHz
Sub-6 / 4GHz前後
LPWA/920MHz

 

基地局

5G通信の原理
図2:5G通信の基地局

 

次に基地局に焦点を当てて解説していきます。

基地局側の変化として、大きく分けて4つの変化を取り上げていきます。

  • 変調方式
    (256QAM)
  • 電波の放射
    (ビームフォーミング)
  • 同時多接続可能なアンテナ
    (MIMOアンテナ)
  • 空飛ぶ基地局
    (
    HAPS)

ポイントは基地局のアンテナの性能が上がることと、

基地局が空中にできる可能性があることです。

 
基地局が空を飛ぶ!?
アンテナとかはなんとなくイメージできるけど…
 
面白いテクノロジーですよね!
まずはアンテナから紹介していきます。

 

変調方式|256QAM

 

1つ目は変調方式についてです。

「変調」とは電波にデータを乗せるプロセスのことをいいます。

変調の原理ついては、語りだすとブログ記事がもう1つ必要になるので省かせていただきます。

 

この紹介する256QAM(カム)というのは、その変調方式の1つです。

256=2^8(”0″と”1″の信号の8通りの組み合わせ)なので、

8ビットのデータを1つの波に乗せて送ることができます。

従来は64QAM(2^6)で6ビットしか詰め込めなかったので、

1つの電波で送れるデータの数が約1.3倍にもなりました。

 

このように、より密度の高い電波を乗せることができるので、結果として大容量の通信が可能になります。

 

変調の理解を深めたい:

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~この記事で解決すること~ 通信のときにどうやってデータを送るのかなあ?電波にデータを乗せる仕組みを知りたい。 変調のことですね!今回は通信の基本である変調について初心者にもわかり[…]

変調とは

 

電波の放射|ビームフォーミング

 

続いては電波の放射の方法です。

5Gでカギとなるのは、ビームフォーミングです。

名前の通り、ビームのように電波を飛ばします!

 
かっこいいけど、そんなのできるの?

これから紹介するMIMOという多数のアンテナを持つアンテナを利用することで実現できます。

具体的には、それぞれのアンテナから出る電波の干渉を利用してビームを形成します。

 

波と波ぶつかり合うときに、強めあったり弱め合ったりする現象をご存知でしょうか?

波の一番高いタイミングが重なりあえば、大きさは倍増しますし、

強いタイミングと弱いタイミングが重なると、波は消えます。

 

このような現象をうまく利用することで、アンテナのビームを作り出すことができます。

目的に応じて、複数のアンテナから同時に電波を放射する言った感じです。

 

このビームフォーミングの技術を用いて、電波をビームのように送ることで、2つのメリットがあります。

  • 障害物にぶつかることなく電波を届けられる
  • パワー密度が高いので、より遠くに届けられる

周波数が高くなればなるほど、電波を届けるのが難しくなるので、5G通信には必須の技術と言えます。

 

同時多接続可能なアンテナ|MIMOアンテナ

 

3つ目は同時多接続可能なアンテナとして、MIMOアンテナについて解説します。

MIMOとは、Multi-Input Multi-Output の略で、

受信と送信にそれぞれ複数のアンテナを使用し、複数のデータを同時に送受信することができるテクノロジーです。

 

実は、MIMOアンテナという概念は新しいものではありません。

4G通信でも使用されている技術です。

しかし、MIMOアンテナに使われる素子の数が違います。

従来は、4×4の計16個程度の数でしたが、

5G通信では128本ものアンテナを備えたものを使用するそうです。

 

このように使用するアンテナの数が膨大になってきたこともあり、massive-MIMO(大規模MIMO)なんて呼ばれたりもします。

 

アンテナの素子が増えるメリットは、以下の2つです。

  • 高度なビームフォーミングが可能
  • 同時に接続できるデバイスが増える

アンテナが増えることでより緻密な制御が可能になりますし、

送受信のアンテナの数が増えるので、より多くのデバイスに同時にデータを送ることができます。

 

空飛ぶ基地局|HAPS(ソフトバンク)

 

最後に、空飛ぶ基地局HAPS(ソフトバンク)の紹介です。

もしかしたら近い将来、通信の基地局は空中にあるのかもしれません。

 

2023年の実現を目指して、開発が続けられているのですが、計画としては、

高度20kmの成層圏にアンテナを搭載した無人飛行機を静止させて、通信を行わせるそうです。

 
風とか大丈夫なのかな?

成層圏は風が年中穏やかで安定飛行が可能なため、安全性の心配はいらないそうです。

また、雲より高い位置にあるため、太陽光パネルで発電しながら飛行をし続けることができるので、安定した飛行が可能になるそうです。

 

また、驚きなのが、なんとたった40機で日本列島をカバーすることができるということで、

地震や津波の多い日本にはもってこいの通信技術ですね。

 

5Gの基地局で注目の技術は以下の4つ:
256QAM
ビームフォーミング
MIMOアンテナ
空飛ぶ基地局 HAPS

 

 

ハードウェアシステム

 

最後に縁の下の力持ちハードウェアです。

人の目に触れることはあまり有りませんが、サーバーなどのハードウェアはいわば「ネットワークの脳みそ」です。

どうしても電波に目が行きがちな5G通信ですが、ハードウェアシステムの向上も重要な要因です。

 

扱うデータ量が増えるため、全体的な性能の向上が求められますが、5G通信で注目集めているのは、以下の2つです。

  • エッジコンピューティング
  • 仮想化

 

エッジコンピューティング

5G エッジコンピューティング
図3:エッジコンピューティングに仕組み

 

まず1つ目は、エッジコンピューティングです。

エッジコンピューティングによって、分散型のネットワークを形成することができ、情報処理を高速化することができます。

 

エッジコンピューティングとは、名前の通りエッジ(先端/デバイスの近く)にサーバーを設置して情報の処理を行うと言ったものです。

従来のネットワークでは、コアネットワーク(クラウド)に全てのデバイスのデータが送信されて処理がされています。

しかし、現在はクラウド化がどんどん進んできていて、この中央集中型のネットワークには限界にきています。

そこで、提案されたシステムがこのエッジコンピューティングです。

コアネットワークに全てのデータを処理させるのではなく、デバイスの近くにあるエッジ上で処理することで、分散型のネットワークを形成することができます。

 

エッジコンピューティングのメリットは以下の2つです。

  • 通信の高速化
  • 通信の安定化

まずは、通信の高速化です。

クラウドへデータを送信する必要がなくなるからです。

端末に近いエッジで情報が処理されることで、インターネットに接続してクラウドでデータのやり取りをする流れを踏む必要がなくなります。

このステップを省くことができるので、より高速な通信を実現することができます。

 

次のメリットは通信の安定化です。

クラウド上でのデータの渋滞を防ぐことができるからです。

今後もテクノロジーの発展が進むことで、IoTはより一層進むと考えられています。

そのため、エッジコンピューティングなしで、全てをクラウドで処理していていると、データの渋滞が起こってしまうと考えられます。

しかし、エッジコンピューティングでクラウドの負担を軽減することができるので、安定したデータの処理が可能になります。

したがって、エッジコンピューティングを通じて、通信を安定化することができます。

 

このように、エッジコンピューティングを通じてクラウドの負担を軽減することで、

高速で安定した通信を提供することが可能になります。

 

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クラウド とは

 

仮想化ネットワーク

5G 仮想化ネットワーク
図4:仮想化ネットワークの仕組み

 

2つ目は、仮想化ネットワークです。

ネットワークを仮想化することによって、よりシンプルで自由度の高い通信を実現することができます。

楽天モバイルが完全仮想化ネットワークで5Gネットワークを構築すると発表して話題になりましたね。

 

従来のネットワークを設計する際には、専用のハードウェア上に専用のソフトウェアを組み込むことで実現することができます。

しかし、ネットワークをアップデートするタイミングごとにそれに応じたハードウェアも作る必要があり、コストがかかってしまう問題があります。

そこで、提案されたものが仮想化ネットワークの採用です。

 

仮想化ソフトウェアによって汎用型のハードウェアを制御することによって、

専用ソフトウェアをハードウェアから切り離して考えることができるようになります。

 

仮想化ネットワークを採用するメリットは以下の2つです。

  • 通信ネットワークのアップデートが容易
  • メンテナンスが容易

仮想化ネットワークによって、通信ネットワークのアップデートが容易になります。

専用なハードウェアを用意する必要がなくなるからです。

仮想化ネットワークでは、汎用型のハードウェアの上に仮想化ソフトウェアを動作させることで、専用ハードウェアのような振る舞いをさせることが可能になります。

したがって、5Gそして6Gへと移行する際に、基地局の整備の手間を大幅にカットすることができ、コストと時間を削減させることができます。

 

最後のメリットはメンテナンスが容易な点です。

ハードウェアごと変える必要がなくなるからです。

従来のネットワークのメンテナンスでは、専用ハードウェアごと交換する必要があったため、メンテナンスにはコストと時間がかかってしまいました。

しかし、仮想化ネットワークでは、通信に必要な設備が仮想化ソフトウェアによって管理することができるのでソフトウェアのアップデートで大まかな更新を行うことができます。

 

また、災害などでハードウェア自体が壊れた場合でも、部分的に修復することでメンテナンスを行うことができます。

例えば、サーバーが壊れた場合でも、予備のサーバーを起動させるだけでその復旧を行うことができます。

したがって、メンテナンスの面でも仮想化ネットワークが優れていると言えます。

 

このように、仮想化ネットワークを用いることで、シンプルで自由度の高いネットワークを構築することができます。

 

仮想化について理解を深めたい:

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仮想化 とは

 

 
長くなってしまったのでまとめます!
  • 周波数規格
    • mm-Wave(ミリ波)
    • Sub-6
    • LPWA
  • 基地局
    • 256QAM
    • ビームフォーミング
    • MIMOアンテナ
    • 空飛ぶ基地局
  • ハードウェアシステム
    • エッジコンピューティング
    • 仮想化ネットワーク

 

今後の5G通信の展望

5G通信の未来

 

原理がわかったところで、今後の5G通信の展望について解説していきます。

現在は、まだサービスが開始して間もないので、以下の流れで普及が進んでいくと考えられます。

  1. Sub-6の普及
  2. mm-Waveへの移行

この流れを踏まえることで、今後5Gスマホを買うべきかどうかをきちんと判断できるようになるので、しっかりと抑えていきましょう。

 

① Sub6の普及

 

まず行われるのが、Sub-6の普及です。

もちろん、mm-Waveの整備も同時に行われていくのですが、高周波を扱うためにはかなり多くの数が必要となるので、後回しになることは確実だからです。

 

企業の立場で考えていけばわかるのかと思いますが、各通信キャリアは宣伝として5Gがどのくらいのエリアで使用できるかを示すことを一種の目的としています。

その際に、Sub-6とmm-Waveどちらが有効でしょうか?

間違えなく、Sub-6ですよね。

そして、限られたエリアだけmm-Waveを使用して以下のような宣伝をすることが考えられます。

「全国エリアの〇〇%をカバー、通信速度最大〇Gbps」

 

こう考えると説得力が増すのかと思います。

ですので、まずはSub-6の普及が進んでいくといえます。

 

② Sub6からmm-Waveへの移行

 

次のステップはSub-6からmm-Waveへの移行です。

このステップの実現はかなり時間がかかることが予想されます。

 

mm-Waveは原理でも説明しましたが、障害物の影響を受けやすく受けやすく、尚かつ広いエリアをカバーできません。

そのため、周波数がSub-6と比較してもかなり高いので、莫大なアンテナの数が必要になります。
それだけならまだいいのですが、アンテナの設計コストも高い周波数ほどかかる傾向にあります。

したがって、広い範囲で高速なmm-Waveを使用できるようになるには、まだ先の話になると言えます。

 

5Gの普及はまずはSub-6から
mm-Waveの実現はかなり先になる見通し

 

5G対応のスマホに買い換えるべきか?

5Gのスマホを買うべきか

 

5G対応スマホを買うべきか?

私の意見はNOです。

もし買い換える必要があるなら、買ってもいいと思いますが、

5Gのスマホだからといって無理して買う必要はありません。

 

理由は以下の3つです。

  • そもそも現状はスマホに5Gはオーバースペック
  • Sub-6と4Gの変化はさほどない
  • mm-Waveがどこでも使えるようになるには時間がかかる。

 

そもそも皆さんはスマホにこれ以上の通信速度を求めますか?

ほとんどの方が満足していると思います。

現状スマホでする重い動作って動画とかビデオ通話ですよね。

超大人数のビデオ会議は厳しいのかもしれませんが、ほとんどの方には4G通信で十分だと思います。

 

それに加えて、Sub-6ではあまり大きな変化を楽しむことはできません。

しばらくの5G通信のメインはSub6です。

もちろんSub6でも通信速度は早くなりますが、高い値段を払ってまで利用する必要は少ないです。

 

また、mm-Waveが使用できるようになるにはかなり時間がかかります。

おそらく数年単位の時間はかかるかと思います。

mm-Waveの通信速度が魅力の5Gで、それが使えないとなると買う意味が低減しますよね。

 

ということで、現状は5G対応スマホを買うべきではありません。

しばらく待って通信環境が整ってから買うことをオススメします。

 

まとめ

5G通信とは

 

今回の内容をまとめていきます。

  • 5G通信:第5世代の通信方式
  • 4Gとの違い:「大容量」「多接続」「低遅延」
  • 紹介した原理は以下の9つ
    • 周波数規格
      • mm-Wave
      • Sub-6
      • LPWA
    • 基地局
      • 256QAM
      • ビームフォーミング
      • MIMOアンテナ
      • 空飛ぶ基地局
    • ハードウェアシステム
      • エッジコンピューティング
      • 仮想化ネットワーク
  • 5Gの普及:Sub-6>mm-Wave
  • 現状は5Gスマホを買う必要はない

 

引き続き5Gなどの通信に関する記事を更新していきますので、ブックマークして楽しみにお待ち下さい。

疑問点がございましたら、ご気軽にコメントに書き込んでください。

全て回答していきます。

 

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