4Gから5Gで何が変わったの?【超一般人向け】【通信】

⎯⎯⎯⎯⎯ちろです。今回はサイエンス系、通信に関するトピックです。

最近、「5G: 第5世代移動通信システム」というワードを頻繁に見かけるようになりました。特にCMで携帯キャリア各社が頑張って広告している印象を受けます。

ここで素朴な疑問なのですが、4G(旧)から5G(新)になって何が変わったのでしょうか?

「要は通信速度が向上するんだ!」

まあそれは正解なんですが、、、

「何で通信速度が向上するの?」

というところがナゼナゼ理系脳男子には重要なのです。答えられますか?

4G時代に出来なかった何かが出来るようになったことで、今5Gというイノベーションが実現しようとしているのだと思います。5G実現の背景にあった技術進化って何だったのでしょうか?わたし、気になります。

Web上の携帯キャリア各社サイトや5G関連の技術文書をかみ砕き、要点だけ文言でまとめてみました。下記3点の技術進化が5G実現のキーとなっています。

通信の大容量化
4G➢5Gにおいて、
・使用帯域を増やすことで通信量を増やす。
・増やした高周波数帯域においては、「Massive MIMO(マッシブマイモ)」技術により高周波数帯域の弱点である距離減衰を克服する。
通信の低遅延化
4G➢5Gにおいて、
・ユーザーに物理的に近い位置にクラウドサーバーの代わりの端末を設置することで(=エッジコンピューティング)、クラウドサーバーへのアクセス渋滞を緩和し通信速度を低下させないようにする。
・単一のネットワークをネットワークスライシングによって、遅延が許されないデータ通信と多少遅延しても良いデータ通信を交通整理することで、遅延が許されないデータの高速化を実現する。
端末の多数同時接続化
4G➢5Gにおいて、
・スマホ端末と基地局の通信開始前に事前許可(Grant)を発行するステップを省くことで、アクセス端末が大増加してもGrant発行の大渋滞が起きない。

・・・この言葉の羅列だけでピンときますか? 私は無理。 

この記事をまとめるのに丸数日調べものをしましたが、どうも私含めた一般人向けの解説が少ない気がします今回は1点目の通信の大容量化」に的を絞り、

・なぜ4G➢5Gで通信量を増やせるようになったのか?

・むしろなぜ今まで出来なかったのか?(なぜ出来るようになったのか?)

を、高校理科教員免許持ちのちろが、一般人向けに解説していきたいと思います。

上記を理解するにあたり、電波で情報を送るしくみを背景知識として知っておく必要がある為、それについても解説していきます。

背景知識: 電波で情報を送るしくみ

さて4G⇒5Gへの進化の背景を理解するにあたり、まず「そもそもってどうやって電波で情報を送ってるのか?」を理解しておきましょう。ポンチ絵的に簡単に示すと下図のようになります。

※まず、前提としてありとあらゆる情報というのはデジタルな表現、例えば0と1の数字の組み合わせで表現することができます。(ここ話し出すと話がどんどん脇へ逸れていくので割愛。。。)

情報を電波に乗せて送るイメージ

男の子が打った「1、1、0、1」、何かのパスワードでしょうか、この数字情報は「搬送波」と呼ばれる情報を乗せる為の電波と合成されます。(変調といいます。方式も様々ありますが今回の本質ではないので割愛。)

合成された電波(=情報)はスマートフォンに内蔵された発信機により基地局へ向け発信され、どこかのサーバーへと転送されていきます。

これが、電波で情報を伝達している仕組みです。

電波は目に見えないため、理解しづらいものです。イメージですが、海の波を思い描き、それが空間をゆらゆら伝っているイメージが電波です。

波において、ある山と次の山までの時間差を波の「周期」と呼び、1秒あたりの山の数を「周波数」と呼び単位[Hz](ヘルツ)で表します。周波数が大きいほど、時間あたりに波がギチギチに詰まっているイメージです。聡(さと)い方は、この時点でワタシがこのあと何を言いたいか判るかもしれません。

なぜ通信量を増やせるようになったのか

本筋に戻ります。4G⇒5G移行に伴い、通信速度が下記のように向上すると言われております。

・4G(旧): 0.1[Gbps]~1[Gbps]
・5G(新): 20[Gbps] (最大速度比で20倍程度Up)
[Gbps]はギガバイトパーセカンドの略で、1秒あたりに1Gバイトの情報を転送できるスペックを持っていることになります。数字が大きいほど、大容量のデータを短時間で転送できるというわけです。20[Gbps]なら、数Gバイトの重い動画でも1秒を切るレベルで全て読み込めてしまいます。超ストレスフリーですねえ。

で、ここからが本題。なぜ5Gにおいて通信速度をこれほどまでに向上できたのでしょうか。答えは、5Gにおいては4Gの周波数帯域に加え、より高い周波数帯も使ってデータを転送しているからです。

・4G(旧): 3.6[GHz]以下帯
5G(新): 3.6[GHz]以下帯、+3.6[GHz]~6[GHz]帯, 28[GHz]帯

ワタシは先ほど、情報は「搬送波」という電波に乗っけて送っていると説明しました。また、波(搬送波もこれに含まれます)には周波数があると説明しました。搬送波の周波数[Hz]は、もうご想像されているかもしれませんがある特定の値だけを使っているわけではありません。すぐにパンクしてしまうからです。周波数の値はちょびっとずつずらしある領域で区切り、それを世の中のみんなで使い分けているのです。これが周波数帯という考え方です。身近なWifiの周波数帯の例を下図に示します。Wifiは2.4[GHz]~2.5[GHz]の周波数帯を14コの領域に分割して使っています。

周波数帯の例:wifiの周波数帯(2.4Ghz帯)

Wifiを例にしましたが、人が密集している地帯や、集合住宅でスマホをいじっていると通信速度が遅くなったり不安定になった経験ありませんか?それは近くにいるみんなが上記の周波数帯のいずれかのチャンネルを占有しあってデータを送受信している為です。

では周波数帯の混雑を解消するにはどうすればよいでしょうか。

別の周波数帯も使っちゃおうというのが解決手段の一つです。5Gにおいて、3.6~6[GHz]&28[GHz]を4Gから新たに追加したことがまさにコレに相当します。

さらに、4Gの3.6[GHz]以下の周波数と比較し、5Gでは3.6~6[GHz]&28[GHz]と、より大きな周波数も使っています。前節で「周波数が高いほど、時間あたりに波がギチギチに詰まっている」と説明しましたが、それは周波数が高いほど同じ時間あたりでもデータをたくさん転送できることを意味します。4Gの3.6[GHz]と比較すると、5Gの28[GHz]では8倍弱もアップすることになります。

一石二鳥ではないですか!何で今までやらなかったの?って思っちゃいます。きっとそこに技術課題があり、技術進歩があったわけですね。

高周波数帯域の課題

さて次は、なぜ高周波数帯域(一般に30[GHz]~300[GHz]、ミリ波とも呼ぶ)をこれまで使えなかったか、なぜ使えるようになったのかです。

高周波帯域を使えなかったのは、高周波の距離特性によるものです。電波を含むすべての電磁波は「マクスウェル(Maxwell)方程式」という4つの物理方程式に従います。(これはこの世の理です)。

同方程式の変形から「フリス(Friis)の伝達公式」が導かれます。フリスの伝達公式において、電波を受ける側の電力は送受信距離の二乗・周波数の二乗にそれぞれ反比例することを予言しています。つまり送受信距離が長いほど or/and 周波数が高いほど、通信に不利よってことを言ってるわけですね。4G時代で使用している帯域は高くても3.6[GHz]付近まででしたが、例えば6[GHz]付近を使いこなそうと思うと、単純計算で(6/3.6)^2~2.8倍不利な条件で通信できるようにしなければなりません。28[GHz]なら(28/3.6)^2~60倍不利です。さらに電波は周波数が高いほど、電波を発振したとき360°まんべんなく拡散してくれなくなるので(指向性を持つと言います)、二重苦になります。

これを解決してくれるのが「ビームフォーミング」という技術です。またまたポンチ絵チックに説明してみます。左は今までの数GHzの電波が伝わるイメージです、緑の濃さが電波の強さです。この絵だと誰も困っていませんよね。

左 :数GHz帯、中:数十GHz帯の電波、右:数十GHz帯+ビームフォーミング における電波が伝わるイメージ

さて周波数を数十GHzまで上げてみましょう(中央)。かなり極端に描いてます。電波が指向性を持ち始めたので、左上に住んでいる女の子に電波が届かなくなってしまいました。また、左下の基地局から遠くに住んでいる男の子は、電波方向には入っていますが、距離減衰の効果でこれもまた電波が届いておりません。クレームの嵐ですね。

ビームフォーミングを適用してみましょう、右図がそれになります。やっていることはアンテナ素子を複数個組み合わせ、「距離減衰に対しそもそもの電波の強度をアップしよう」+「各アンテナ素子の特性を電気制御し、電波の方向を変えれるようにしよう」ということです。先ほど周波数を数十GHzまで上げてしまったことで、指向性をもってしまい女の子には届きませんでしたが、方向コントロールができるようになったので、女の子に電波を届けることができました。また、左下の距離が遠すぎて届かなかった男の子に対しても、電波強度をアップしたことで無事電波を届けることができました。

まとめ

まとめです。

なぜ4G➢5Gで通信量を増やせるようになったのか?

5Gにおいて、3.6~6[GHz]&28[GHz]を4Gから新たに追加したから。

なぜ出来るようになったのか?

ビームフォーミングという電波コントロール技術の登場により。

でした。ためになりましたでしょうか。

今回は以上です。

参考リンク

・NTTデータ先端技術:「5G技術の解説とその活用

・総務省: 「電波の利用」、「新世代モバイル通信システム委員会における5G技術的条件に関する検討状況」、「第5世代移動通信システムについて

・NTT Docomo:「5Gってなんだろう

・au: 「支える技術: au 5G

・Softbank:「5Gを実現するネットワーク技術