5G の基礎

LTEの商用化が始まり、真の4G技術へと拡張する技術が採用されはじめています。こうした状況にも関わらず、なぜ産業界では5Gについて議論がなされているのでしょうか?

第5世代モバイル・ネットワーク、いわゆる 5G は、研究・開発において、世界的に重要なテーマとなっています。より高いデータレートと、高速接続を実現したいという市場からの要求に応えるためには、特にユーザ密度の高い地域において、より多くの無線ネットワーク容量が必要となります。産業界では、各ユーザのデータレートを100倍にし、1000倍以上の容量を実現することが期待されており、これを 5G の目標として位置づけています。例えば、膨大な数の観客が集まるスポーツ・イベントやコンサートにおいて、膨大な数の写真やビデオを他人とシェアすることで、自分の経験を瞬時に共有できるようになります。さらには、イベントを通じて観客にスポーツ関連の音楽や、スローモーションによるリプレイなどの情報を追加サービスとして提供できるようになるかもしれません。

5G の推進

より高いデータレート、より大きな容量、そして、選りすぐれたコスト効率....尽きることのない”より”の要求に加え、流行語となっている”モノのインターネット(IoT)”が新たな課題となっています。何百万ものデバイスが機器間(M2M)、車車間(V2V)、あるいは、より一般的なx-2-yのユースケースを通じて、お互いに「会話」ようになることが予想されています。

これは、現在のモバイル・ブロードバンド・データ・アクセスを提供するために最適化された4Gシステムとは異なる要求です。単にデバイスの数が膨大であるということが問題なのではなく、高信頼でバッテリ長寿命(日⇒年)、極めて短い応答時間(レイテンシ)などの解決すべき多くの問題が未来の”G”には期待されています。セルラー・ネットワークにおける消費電力の削減は、別の重要な要件です。容量およびピーク・データ・レートを同時に増加させる必要があるため、これは特に困難な問題です。

現在進行中の研究活動は、以下の目標を実現するために必要となる技術要素を明らかにしています。

  • ミリ波帯:高い周波数範囲の研究を通じて、広い帯域幅を利用でき、高いピーク・データ・レートと大きなシステム・キャパシティを可能にします。
  • 新しいエア・インタフェース:OFDM ベースの LTE エア・インタフェースは、いくつかのユース・ケースに適していません。そのため、新しいエア・インタフェースの候補が検討されています。
  • マッシブ MIMO/ビーム・フォーミング、アクティブ・アンテナ:高次の周波数帯では、伝播損失が非常に大きいため、より高いアンテナ利得により補償される必要があります。ユーザ・デバイスごとに、ビーム・フォーミング・アルゴリズムを採用することが必要とされており。アクティブ・アンテナ技術を用いることで実現することができます。
  • デバイス間(D2D)通信:LTE を用いた既存のユース・ケースは、公共の安全要件を満足しています。D2D 通信は、特定のシナリオにおいて低遅延を可能とします。
  • ネットワークの仮想化:目的は、コア・ネットワークにおいて、汎用ハードウェア上で動作する仮想化ソフトウェア機能として専用ハードウェアを実行することにあります。これは、無線機部とベースバンド部分に基地局を分割することによって(光ファイバなどで接続します)、無線ネットワークに拡張されます。ベースバンド部分をプールすることによって無数の無線機として処理します。
  • 分割制御およびユーザプレーン and/or ダウンリンクとアップリンクのデカップリング:異種間ネットワークを導入することにより、全てのユーザ・デバイスをマクロ層で制御できるようにすることに焦点をあてています。一方で、ユーザ・データはスモール・セルを介して独自に提供されます。
  • ライト MAC と最適なRRM 戦略:無数の極小セルを考慮すると、無線資源マネジメントが最適化される必要があります。スケジューリング戦略においては、まとまりのないシナリオで展開される多くの無駄なプロトコルスタックについて学ぶ必要があります。スケジューリング戦略においては、まとまりのないシナリオで展開される多くの無駄なプロトコル・スタックについて学ぶ必要があります。

ヨーロッパの 5G 研究プログラムは Horizon 2020 と呼ばれており、新規技術展開のための予想されるタイムラインを提供しています。最も重要な 5G 研究活動の一部を以下に示します。

  • 欧州連合(EU)により資金提供を受けている研究プロジェクト:
    • -5GNow 第 7 次フレームワーク・プログラム(PF7)の一部として 2012 年 9 月にスタートしました。
    • -METIS 第 7 次フレームワーク・プログラム(PF7)の一部として 2012 年 11 月にスタートしました。
    • -Horizon 2020 – EU の7ヵ年 研究革新プログラム(2014 ~ 2020 年)です。第 8 次フレームワーク・プログラム(FP8)。
    • -5GPPP 5G基盤官民連携プロジェクトとして欧州情報通信産業と欧州委員会が 14 億ユーロの共同出資した取り組みです。
  • 5G イノベーション・センタ:5G 研究センタを英国におき、2013 年 11 月にスタートしました。
  • 中国:IMT-2020 & フューチャーフォーラム(2013 年 2 月)を開催しました。
  • 台湾:科学技術局は国家科学委員会と経済省協力し、2014年に5G開発のための青写真を作成しました。
  • 5G フォーラム:韓国の産学官連携体制を 2013 年 5 月に設立しました。
  • 日本:ARIBは 2013 年 9月に新しいワーキング・グループ(2020 and beyond)を立ち上げました。
  • USA:大学主導の研究プロジェクトが主要研究機関であるニューヨーク大学NYU WIRELESS研究センタ(ブルックリン)などの後援を受けています。NYは、チャネル伝播で最先端の取り組みを行っており、テキサス大学オースティン校、スタンフォード大学、カリフォルニア大学サンディエゴ校などが有名です。

5G の研究は世界中で始まっており、無数のプロジェクトが基礎研究レベルで行われています。現在研究されている周波数帯よりも、高い周波数帯(>6 GHz )が重要な役割を果たすようになることは明らかです。しかし、5G はより高い周波数帯を使用し、より大きな帯域幅であるということを理解するだけでは十分ではありません。現在展開されているLTE/LTE-A(さらにはWLAN)と、革新的な技術の統合がオフロード戦略を含めて重要なポイントとなります。D2D や IoT を実現させることが、必要不可欠となるでしょう。

5Gの詳細

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