次世代移動通信システム「5G」とは(9) 5Gではなぜ4Gよりもはるかに高い周波数帯を利用するのか

5G向けとして割り当てられている周波数帯は、これまでの4G向けと比べ非常に周波数帯が高い帯域が用いられています。こうした帯域は、4G向けの周波数が低い帯域と比べ扱いにくいとされているのですが、5Gではなぜそのような帯域を用いることになったのでしょうか。→過去の回はこちらを参照。

周波数帯が高い電波は遠くに飛びにくい

日本で携帯電話会社向け、ローカル5G向けとして5Gに割り当てられた周波数帯は、3.7GHz帯、4.5GHz帯、28GHz帯の3つです。そしてこれらの周波数帯に共通しているのは、いずれも周波数が非常に高いということです。

実際、3Gや4G向けとして割り当てられている周波数帯は700MHzから3.5GHz帯。主に使われているのが2GHz以下の周波数であることを考えると、いかに5Gの周波数帯が高いかが理解できるのではないでしょうか。

総務省「第5世代移動通信システム(5G)の導入のための特定基地局の開設計画の認定(概要)」より。携帯電話各社に割り当てられた帯域は、3.7～28GHz帯と非常に高い帯域となる

では一体、なぜ4Gまでは高い周波数帯が使われてこなかったのかというと、要は遠くに飛びにくいのです。電波は周波数が低いほど障害物の裏に回り込みやすい特性があるため遠くに飛びやすい一方、周波数が高いと回り込みにくく直進性が強いことから、障害物に電波が遮られやすく、その分遠くに飛びにくくなる訳です。

それゆえ、これまでの携帯電話業界では周波数帯が低く遠くに飛びやすい帯域が重宝される傾向にあり、1GHz未満の周波数帯「プラチナバンド」を巡る争奪戦が話題になったこともありました。にもかかわらず、なぜ5Gではそれよりはるかに高い帯域を割り当てることになったのでしょうか。

ソフトバンクはかつて、エリアカバーに有利とされる「プラチナバンド」とされる900MHz帯の割り当てを切望。2012年に割り当てを受けたことを大々的に発表するなどして注目を集めた

高速化にはまだ使われていない広い帯域幅が必要

それは、5Gの特徴の1つである高速大容量通信を実現するためです。5Gでは最大で20Gbpsという通信速度を実現することが特徴の1つとなっていますが、実は5Gの通信方式「5G NR」の基本的な技術は4Gと大きく変わっている訳ではなく、劇的な技術革新によって高速化を実現している訳でもないのです。

では、どうやって高速化を実現するのかというと、電波の帯域幅、要するにデータが通る道幅を広くすることで、一度に通信できるデータの量を増やしているのです。4Gでは同時に使用できる周波数帯域が最大で20MHz幅と限られており、それ以上帯域を広げるには複数の電波を束ねる「キャリアアグリゲーション」という技術を用いる必要があるため、幅広い帯域を有効活用できませんでした。

国内ではKDDIがいち早く導入した、電波を束ねて高速化を実現する「キャリアアグリゲーション」。狭い帯域の有効活用としては効果的だが、5Gの高速通信を実現する上ではより根本的な対策が必要とされていた

しかし、5G NRは最大で1GHz幅を同時に使って通信できる仕様であるため、広い帯域幅を効率よく活用して一層の高速大容量通信が可能となっている訳です。ただそこで問題になってくるのが、それだけ広い帯域をどうやって確保するのか？ということです。

周波数が低い帯域は使い勝手がよいことから、既に携帯電話だけでなく、テレビや無線機など非常に多くの用途に用いられているため、広い周波数帯域の空きを確保することができません。それゆえ5Gで高速化を実現できるくら広い帯域を確保するには、まだ使われていない帯域、つまり使い勝手が悪いとされてきた高い周波数帯域を使うしかなかったのです。

実際、国内の携帯電話会社に割り当てられた5Gの帯域を見ると、3.7GHz帯と4.5GHz帯が100MHz幅ずつ、28GHz帯が400MHz幅ずつとなっています。4G向けで最も帯域幅が広い3.5GHz帯は、各社ともに40MHzずつしか割り当てられていないことを考えると、いかに高い帯域の空きが広いかが理解できるのではないでしょうか。

とはいえ5Gは携帯電話向けに利用する帯域でもあるので、高い帯域を用いながらも現在の携帯電話と同じくらいのエリアカバーをする必要があります。そこで5Gでは、高い周波数帯の電波をいかに遠くに飛ばして広いエリアをカバーするかという技術にも力が入れられています。

その代表的な技術の1つが「ビームフォーミング」です。携帯電話の電波は一般的に、基地局から面的に射出することで広いエリアをカバーします。ですが先にも触れた通り、高い周波数帯の電波は障害物に遮られやすいため、電波を端末のある方向に向けてレーザービームのように射出することで、遠くにある端末にまで飛ばすことでカバーしてる訳です。

周波数が高く障害物に弱い5Gの場合、電波を面的に射出するのではなく、指向性を強め端末にレーザービームのように射出する「ビームフォーミング」という技術が用いられる

そしてもう1つは「Massive MIMO」という技術。これは数十から数百といった多数のアンテナ素子を用いて端末に向けて電波を射出するというもので、ビームフォーミングと組み合わせ直線的に電波を飛ばすことで、面的に射出する場合と比べ電波同士の干渉を防ぐことができ、なおかつ多数のアンテナ素子から電波を射出することで、多数の端末をカバーできるようになるのです。