5Gテクノロジーはどのような周波数スペクトルを使用し、4Gとどのように比較されますか?

しかし、消費者、自動車、産業、さらには軍事/航空宇宙アプリケーションにおけるワイヤレス テクノロジの普及により、セルラー ワイヤレス テクノロジの可能性は、個人間の通信プラットフォームから、非常に柔軟なワイヤレス ネットワーキング エコシステムへと変化しました。これは、4G LTEと今後の5Gテクノロジー間の機能と周波数の変化を考えると明らかです。この記事では、4G LTEシステムから5Gシステムへのパフォーマンス、周波数、要件の変化について詳しく説明します。

スペクトルの使用とセルラーネットワークのパフォーマンスを変える新しいアプリケーション

以前の携帯電話無線世代はモバイル ブロードバンド以外のアプリケーションにも利用されていましたが、2G、3G、そして現在の4G LTE携帯電話サービスの大部分はモバイル ブロードバンド専用に設計されています。これまでの携帯電話世代の標準と技術は、主に都市部と郊外地域のモバイル ブロードバンド携帯電話ユーザーをサポートしており、農村地域ではあまり重視されていませんでした。しかし、5Gテクノロジーの目標は、単にモバイル ブロードバンドを提供するだけにとどまらず、拡張モバイル ブロードバンド (eMBB)、超信頼性低遅延通信 (URLLC)、大規模マシン型通信 (MMC)、固定無線アクセス (FWA) など、はるかに幅広いアプリケーションを可能にする重要な改善を提供します。

拡張モバイルブロードバンド (eMBB)

5G eMBBが4Gモバイル ブロードバンドと異なるのは、5Gの極めて高いデータ レートと、都市部のあらゆる場所でのカバレッジ目標です。eMBBにより、IMT-2020の目標は、ピークダウンロード速度を20 Gbpsに高め、都市環境で4ミリ秒の遅延で少なくとも100 Mbpsの信頼性の高いユーザーデータレートを実現する標準を提供することです。現在の4Gモバイル ブロードバンドの速度は、ピーク時には毎秒数百メガビットに達しますが、都市部のほとんどのユーザーは、数十ミリ秒の遅延で10 Mbps未満の速度しか体験していません。5G eMBBは、高速ビデオダウンロードの枠を超えて、都市環境全体でリアルタイムに拡張現実や仮想現実のアプリケーションを実現できるユースケースを実現します。

このパフォーマンスを実現するには、携帯電話ネットワーク スタック全体のアップグレードと、携帯電話の技術強化が必要です。ネットワーク アーキテクチャの変化の多くは現在進行しており、大手通信会社は、従来の均質なマクロ セル アーキテクチャでは特に密集した都市環境では対応できないことが判明しているeMBBパフォーマンスを実現するために、より多くのスモール セルを導入しています。

超信頼性低遅延通信 (URLLC)

一部の地域ではエンタープライズ グレードと見なせるセルラー ワイヤレス パフォーマンスが実現されていますが、現在のセルラー システムのほとんどは、自律走行車、モバイル ヘルスケア、工場自動化、緊急対応などの重要なアプリケーションに必要な信頼性や遅延要件を満たすことができません。5G URLLCは、生死に関わるアプリケーションでの使用に十分な1ミリ秒未満の遅延通信を実現する、信頼性が高く、安全で、遅延の少ない通信を提供することを目指しています。

携帯電話ネットワークの信頼性を高め、遅延を減らすには、携帯電話端末、基地局、ネットワークの構築方法を変更する必要があります。これらの機能強化には、新しい波形、低遅延ハードウェア、周波数の俊敏性、冗長性、スター ネットワーク以外のネットワーク アーキテクチャ タイプを可能にするワイヤレス ネットワーク アプローチなどが含まれます。

大規模マシン型通信 (MMC)

現在、携帯電話のワイヤレス ユーザーのほとんどは、携帯電話を使用する個人ですが、将来の携帯電話ネットワークは、近代化された都市部、工場、産業施設、輸送ネットワーク全体で相互通信し、センサー情報を報告し、制御データに基づいて動作するモノのインターネット (IoT) デバイスが主流になるでしょう。将来の携帯電話通信の多く、おそらく大部分は、人間のユーザーとはまったく異なる要件を課す機械間で行われることになるでしょう。

分散したIoTおよび機械デバイスでは、非常に多様な通信要件が必要になる可能性が高く、単一の万能のワイヤレス通信プロトコルは実現不可能になります。したがって、新しい5G規格には、適応性のある通信プロトコル方式が含まれる可能性が高く、たとえば、低電力および低データ レート要件のバッテリー駆動センサーなどのシステムでも、高データ レートおよび低遅延の自律型ロボットと同じネットワーク テクノロジを使用できるようになります。これまでの携帯電話世代では、特定のアプリケーションに特定の周波数帯域を使用していましたが、スペクトルの混雑により各周波数帯域の価値が高まるため、将来の携帯電話世代ではこの方法が解決策となる可能性は低くなります。

固定無線アクセス (FWA)

あまり使用されていないものの、3Gおよび4Gセルラー ネットワークは、ホットスポットやセルラー モデムを備えたさまざまな疑似固定無線アクセス システムをサポートしてきました。しかし、5Gネットワークの強化されたデータ レートと低遅延機能により、他のラスト マイル インターネット サービスと競合するFWAを提供するという魅力的なビジネス ユース ケースが可能になります。多くの専門家は、より広い帯域幅と高度なアンテナ技術により、5Gネットワークは光ファイバーのようなパフォーマンスを提供し、先進国市場と発展途上国市場でインターネットと接続性にアクセスできるようになると予測しています。FWAサービスでは、大規模なマルチ入力マルチ出力 (mMIMO) とビームフォーミング対応アンテナに加えて、現在のセルラー ネットワークを駆動する6 GHz未満のスペクトルで利用可能な帯域幅を超える帯域幅も必要です。光ファイバーのようなサービスを提供するには、おそらく1 GHzを超える大量の帯域幅が必要になります。したがって、5Gセルラー ネットワークにはミリ波周波数帯域が含まれており、新しいアプリケーションが可能になり、以前の世代に比べてデータ レートが大幅に向上します。

5G周波数と4G周波数の比較

初期のGSMセルラー ネットワークは850 MHzと1900 MHzで動作していました。2Gおよび3Gネットワークでは変調方式が変更されていますが、周波数帯域が再編成され、スペクトルの同じ部分が大部分使用されています。3Gが進化するにつれて、2100 MHz付近のスペクトルに加えて、追加の周波数帯域が含まれるようになりました。4G LTEテクノロジーにより、600 MHz、700 MHz、1.7/2.1 GHz、2.3 GHz、2.5 GHz付近のスペクトルと周波数帯域が追加されました。これまでの携帯電話ネットワーク周波数はすべてライセンスに基づいています (表1)。

5G周波数帯域計画ははるかに複雑で、サブ6 GHz 5Gの周波数スペクトルは450 MHzから6 GHzに及び、ミリ波5G周波数は24.250 GHzから52.600 GHzに及び、無認可スペクトルも含まれています。さらに、5925〜7150 MHzの範囲と64 GHz〜86 GHzの範囲に5Gスペクトルが存在する可能性があります。したがって、5Gには、これまでのすべてのセルラー スペクトルと、サブ6 GHz範囲の大量のスペクトルが含まれ、サブ6 GHzを超えると、現在のセルラー スペクトルの何倍もの量になります (表2および表3)。5G New Radio Non-standalone (5G NR) 標準の最初の3GPPリリースには、FR1と呼ばれるいくつかの6 GHz未満の周波数帯域が含まれていました (表2)。IMT-2020に続く2番目の3GPP 5Gリリースには、ミリ波スペクトルのFR2周波数帯域が含まれます (表3)。

以前の携帯電話世代や3GPPリリースと同様に、さまざまな地域や国が5G用に独自のスペクトルを採用する可能性があります。たとえば、米国FCCは、5.925GHzから6.425GHzおよび6.425GHzから7.125GHzを無免許での使用に開放することを検討しており、3.7GHzから4.2GHzの周波数帯にモバイルブロードバンド機能を追加することを検討しています。現在、FCCはミリ波5Gの使用のために、27.5 GHz ～ 28.35 GHz、24.25 GHz ～ 24.45 GHz、および24.75 GHz ～ 25.25 GHzの範囲のスペクトルを検討中です。FCCは、5G用に3.7 GHzから4.2 GHzの中帯域周波数を開放することを検討している可能性があり、5Gアクセス用に4.9 GHzの公共安全帯域を開放することも検討している可能性があります。さらに、FCCは2.75 GHz、26 GHz、42 GHz帯域で5G用の追加帯域も提供する可能性があります。2018年12月、FCCは37.6 GHz ～ 38.6 GHz、38.6 GHz ～ 40 GHz、47.2 GHz ～ 48.2 GHzにおけるインセンティブ アクションを発表しました。他のほとんどの発展途上国でも、5Gユースケースの周波数割り当てについて同様の検討が行われています。

5G用途に追加のスペクトルが利用可能になる主な理由の1つは、スループットと帯域幅に関連する物理的な制限です。4Gバンド プランでは、チャネルあたり5 MHz ～ 20 MHzの帯域幅が占められていましたが、5G FR1標準では、チャネルあたり5 MHz ～ 100 MHzの帯域幅が許可されます。帯域幅は最大スループットに正比例するため、帯域幅が5倍に増加すると、スループットも約5倍に増加します。さらに、3GPPリリース15では、新しい波形が確立され、変調方式として π/2 BPSKが追加されました。追加の波形は、FR1の場合は離散フーリエ変換拡散直交周波数分割多重 (DFT-S-OFDM)、FR2の場合は巡回プレフィックスOFDM (CP-OFDM) です。

RFハードウェア、テクノロジー、通信インフラストラクチャは利用可能であり、初期の5G周波数およびパフォーマンス仕様の要件の一部を満たすことができますが、5Gへの期待の大部分は、現在利用可能なテクノロジーの範囲を超えています。これらの課題には、必要な周波数動作、ハンドヘルド/モバイル統合、高密度で高度に分散されたネットワーク インフラストラクチャを備えたコスト効率の高いハードウェアが含まれます。4G LTEサービスはまだ米国およびその他の国々で展開されているため、FR1 5G機能を超える5Gサービスが実行可能になるまでにはおそらく数年かかるでしょう。

結論

携帯電話技術の各新世代では、周波数帯域と動作モードが変更されています。これは5Gテクノロジーの開発でも同じです。ただし、異なるのは、追加される新しい周波数スペクトルの量と、これらの周波数が電磁スペクトルの領域のどこに位置するかです。さらに、より広い帯域幅を求める政策立案者やデバイス製造業者は、複数のセルラー帯域を集約し、単一チャネルの帯域幅を増やすさまざまな技術を使用して、混雑したサブ6 GHzセルラー周波数帯域から最大限のパフォーマンスを引き出そうとしています。モノのインターネット (IoT) やマシンツーマシン (M2M) 通信などの新しいアプリケーションも、業界が多数のアプリケーションに適合する5Gのさまざまな動作モードを調査することを促しています。多くの点で、5Gは普遍的なワイヤレス接続の課題に対するモジュール式のソリューションとなるように設計されています。

表1

表2

表3

表4

リソース

http://www.3gpp.org/specifications/specifications

地上5Gネットワーク向けGSAスペクトル: 世界規模のライセンス動向 (2018年12月)