2019年に入り、携帯電話の次世代通信規格「5G」の普及に向けた動きが本格化している。先行する欧米や一部アジア地域ではすでに携帯キャリア各社の5Gサービスの売り込みに拍車がかかっているほか、日本でもNTTドコモが「プレサービス」と冠した先行商用サービスを開始し、2020年以降の本サービス投入に向けた準備を進めている。

今回は「なぜ5Gという規格が登場したのか」という背景を振り返るとともに、この5Gの登場によって「われわれの生活や仕事にどのような影響があるのか」といった話をまとめていきたい。

  • 5Gがすでに先行スタートしている米国では、このような表記を街中でよく見かける

10年ごとに進化する携帯ネットワークの世界

「5G」とは、「モバイル」や「携帯電話ネットワーク」と呼ばれる無線通信規格を指す名称の1つだ。「5th Generation」つまり「第5世代ネットワーク」を意味する略称であり、この世代に登場する技術を総称した規格の名称でもある。

この携帯電話ネットワークの世界では、1979年にNTTが最初の世代にあたる商用通信サービスを市場投入したのを皮切りに、およそ10年単位で世代交代が進められている。各年代の名称と特徴は下記のとおり。

年代 名称 技術的特徴
1980年代 1G アナログ通信
1990年代 2G デジタル通信
2000年代 3G CDMA (変調)通信
2010年代 4G LTE、キャリアアグリゲーション(CA)
2020年代 5G 5GNR、CA、マッシブMIMO、ミリ波

最初の1Gはアナログ通信であり、特定の周波数帯を占有することで音声通話を実現していた。同じ周波数帯で複数の通信は同時に行えないため電波の利用効率が非常に悪く、これは2Gでデジタル通信が導入されたことで改良された。

音声信号をデジタル変換し、さらに時分割という形で同じ周波数帯に複数の通信を載せることが可能になり、周波数当たりの回線収容率が大幅に向上。また、この時期にデジタル通信を応用したデータ通信サービスが本格化し、後のiモードなどの先駆けになるショートメールやコンテンツ配信がスタートしている。

いまや携帯電話においては音声通話よりもSNSや動画配信といったサービスを主体に利用するという人も多いと思うが、この時代を切り開いたのが3Gの登場だ。

信号を変調して電波の利用効率を向上するCDMAという技術が登場し、携帯電話においても大容量データをある程度高速にやりとりすることが可能になった。動画配信には不十分だが、前述のメールや簡単なコンテンツサービス程度であればストレスなく利用できる速度であるため、日本ではiモードを中心にさまざまなコンテンツ事業者が参加する形で携帯文化が花開いたのである。その後も3G世代での技術改良は続き、最終的には速度面でいえば80倍近い高速化が実現されている。

その後2010年代が近付いて「4G」に向けた技術開発が進むが、3Gでは複数の技術規格が乱立して混乱を招いたことを反省に、標準化団体の3GPPが主導で「LTE (Long Term Evolution)」の規格をまとめた。既存の3G技術の延長であり、スムーズにより高速で信頼性の高い技術を導入できるよう配慮された形だ。

最初のLTE規格は「3.9G」の名称が付与された「プレ4G」の位置付けにあたり、後に登場したLTE Advancedをもって4G時代の本格到来とした。速度面で高速なことに加え、3G世代と比べても遅延が大幅に縮小している。技術面では、携帯ネットワークのバックエンドでの処理がすべて「IP」というコンピュータ通信の標準技術に置き換えられたことが挙げられる。

ネットワークの効率的な運用管理の面で有利であり、LTE上での音声通話は「VoLTE (Voice over LTE)」という技術が用いられ、3G回線などでの音声通話と比べても高品質なものとなっている。このほか、キャリアアグリゲーション(CA)という複数の異なる周波数帯の通信を束ねてより高速なデータ通信を可能にする技術が導入されており、条件次第で最大2Gbpsのダウンロード速度(理論値)に到達する。これは3G最初期の仕様の1,000倍にあたる。

  • 「5G Evolution」の名称で「5G」を謳っているように見える米AT&Tのサービスだが、「“高速な”LTE」をマーケティング的にそう呼んでいるだけで、実際には5Gそのものではない

5Gが登場する背景

そして2020年代を目前に、「5G」の登場となる。携帯ネットワークの世界は世代を経て技術が進化するごとに周波数の利用効率が向上するため、“限られた”資産でもある周波数の効率利用の面から、世代交代を経るごとに「技術の置き換え」が行われてきた歴史でもあった。だが5Gに関しては事情が異なり、「4Gとの共存」が前提に技術開発が進められている。

5Gの世代では携帯ネットワークを社会インフラとして本格活用することが念頭に置かれており、可能な限り広域な“面展開”を実現するために、すでに普及したインフラである4Gのネットワークをそのまま重複活用することが重視されている。その理由としては主に下記のようなものが挙げられる。

  • 5Gは高速通信が可能だが、その主体となる「ミリ波」のカバー範囲が非常に狭く、補完となる技術が必要
  • 5Gのような新規格ネットワークの展開は当初人口の多い都市が中心となるため、面展開には時間がかかる

そのため、世界に3Gネットワーク廃止を公言する携帯キャリアは数多あれど、4G廃止を主張するキャリアは存在しない。むしろ4Gを確実に利用できる環境整備を進めている状況だ。

基本的には5Gは既存の4G技術の延長線上にあり、通信のバックエンドがIPネットワーク化されているなど共通点も多い。一方で、新技術としてLTEに代わり「5GNR (NRはNew Radioの略)」が導入されているほか、従来まで携帯ネットワークでは活用されてこなかった「Sub-6 (サブシックス)」「ミリ波」といった高い周波数帯域が通信に用いられている点で特徴がある。

ミリ波の30GHz以上など高い周波数帯ではより高速通信が可能になる反面、電波の直進性が高いため「障害物に弱い」「到達距離が短い」といった問題を抱えている。そのため、従来よりもさらに細かくアンテナが配置されたり、「ビームフォーミング」と呼ばれるアンテナと端末間でやりとりされる電波の指向性を高める技術が導入されているなど、これまで以上に広域展開の難易度が高い。

ゆえに、4Gが全体をカバーしている状態を維持したうえで、需要が逼迫し、より高速通信によるサービスが必要な場所に集中的に5Gを展開するといった、ハイブリッドな展開戦略が重要となる。

4G世代で導入されたキャリアアグリゲーションはより重要になり、5Gの時代では「マッシブMIMO」と呼ばれる大量のアンテナを同時に通信に使うことで、通信を束ねた際の高速性や信頼性を高めている。

つまり5Gとは、4G以降の世代に登場した技術をすべて包含して構築されるネットワークであり、これらを重ね合わせることで「高速」「高い信頼性」「広いカバー範囲」を実現しているのである。

  • 米Qualcommが示す5G時代のネットワークに関する概念図。高速なミリ波(mmWave)はカバー範囲が狭いため、実際にはSub-6で構成される5Gネットワークを基点に、それでもカバーしきれない郊外や通信圏外をLTEの既存ネットワークでカバーする多重構成になっている

問題は、なぜそこまで複数の技術を重ね合わせてまで5Gを導入するかという点だが、それは前述のように「社会インフラに耐えうるだけの信頼性」を持たせるためだ。

従来の携帯ネットワークはスマートフォンのような端末を中心に、自動販売機のように離れた場所で稼働する機器の管理や、作業車両の集中管理などに活用されてきたが、今後は工場などの産業用途、信号や各種設備などのインフラ管理、自動運転車やコネクテッドカーと呼ばれる次世代車両の集中管理といった、より高い信頼性を求められる環境での採用が見込まれている。

このとき、既存のインフラのままでこうした新しいデバイスの携帯ネットワークへの接続を許容したとすると、場合によっては通信許容量をオーバーしてパンクすることも考えられる。これは致命的な問題で、工場が突然操業を停止したり、あるいは制御を失った自動車が事故を起こしたりと大惨事になりかねない。

ゆえに従来の4Gと比較して10倍の通信速度を持つ5Gを採用することで、面当たりのデバイスの収容台数が100倍(10×10)となるため、こうした問題は発生しにくくなる。

5Gではこれ以外にも、通信の優先順位を設定して前述の工場やインフラ稼働のような重要なサービスの動作を高い品質で保つ技術を導入しているほか、従来比10分の1以下という「1ミリ秒以下の通信遅延」を仕様として掲げており、格段に技術の要求水準が高くなっている。

つまり、「2時間の長編4K映画が数秒でダウンロードできる」と言われてもピンとこないが、「ネットワークにつながるデバイスが増えることで、より便利になりできることが増える」というと、5Gの目指す方向性が見えてくるのではないだろうか。

後編では、5Gでどのようなことが可能になるのか、実際にサービスが開始されている国の事例などもあわせて紹介していこう。