解説：5Gの5つの支柱

インターネットの次の大きなことは、インターネット自体に関するものです、まあ、ある意味では。5G、つまり第5世代は、無線通信の次の世代であり、第4世代（4G）またはLTEの後継です。実際、これは通信業界でこのような進化に人々が気づくのは初めてではありません。明らかに、これはほぼ毎十年ごとに起こっており、第1世代（1G） – 音声伝送のためのアナログシステムを生み出し、第2世代（2G） – 音声とデータを同時に送信する能力を追加し、第3世代（3G） – メガビットインターネット速度とビデオ通話を導入し、第4世代（4G） – HDコンテンツストリーミングを伴う真のモバイルブロードバンド体験を提供しました。

第5世代（5G）は2020年頃に登場すると予想されており、データレートを大幅に改善し、接続密度を増加させ、レイテンシを減少させ、ギガビットインターネット速度を提供すると考えられています。まだ開発中であり、すぐに使用可能になることはありませんが、Nokia、Qualcomm、Ericcson、Samsung、Intelなどの企業は、5Gの研究と開発に巨額の資金を投じています。現在のところ、ある程度、これらの研究と開発は実を結んでおり、Nokiaはエンドツーエンドの5Gサービスを提供することを目指した「5Gファースト」プラットフォームを立ち上げる計画を立てており、Intelは2019年に5G対応のノートパソコンを提供すると主張し、Qualcommも2019年に5G対応のSnapdragon X50デバイスを提供する計画を立てています。

これほどの可能性を持つ5Gは、AR（拡張現実）、VR（仮想現実）、およびIoT（モノのインターネット）に対して劇的に機会を開くと期待されています。これらのサービスが5Gの恩恵を最大限に受けることができる理由は、5G接続が非常に高速なインターネット速度と非常に少ないレイテンシ（メッセージが送信されてから受信されるまでの遅延）を提供すると期待されているからです。これは、AR、VR、IoTのようなサービスが適切に機能するために必要なすべてです。

明らかに、高速インターネットをレイテンシを減少させて提供するには、信号が長距離で伝送される方法を変更する必要があります。このため、研究者たちは5Gをより良くするためのさまざまな技術を開発しています。これらの技術の中で、5Gネットワークの5つの支柱と見なされる最も重要なものは以下の通りです。

1. ミリ波

私たちの家庭にあるほとんどの電子機器は、6GHz未満のラジオ周波数（RF）波で動作しています。毎日インターネットに接続されるデバイスが増える中、この周波数帯域は過密になりつつあり、遅いインターネット速度、高いレイテンシ、接続の切断などの問題を引き起こしています。これらの問題を解決するために、研究者たちは通常30-300GHzの範囲にある短いミリ波RF波を使用する実験を行っています。このRFスペクトルの範囲を使用する理由は、これまで使用されたことがないため、インターネット上の多数のデバイスに対して非常に大きな帯域幅を提供できるからです。

2. スモールセル

ミリ波を使用することで低帯域幅やその他の関連する問題が解決されるかもしれませんが、それには独自の問題があり、研究者たちは解決策を見つける必要があります。スモールセルの動作を理解するために、高周波数のRF波を使用する際の既存の問題を考えてみましょう。私たちの多くは、インターネットに接続するために使用するWi-Fiが2.4GHzと5GHzの2つの周波数帯域を使用していることを知っているかもしれません。ほとんどの場合、私たちは接続に2.4GHzの周波数帯域を使用します（デフォルトで有効）。低周波数の波は高周波数の波よりも範囲が広いためです。ミリ波の問題はこの問題に似ており、高周波数のRF波を使用しているため、弱く（範囲が短い）長距離を移動するのに十分な潜在能力を持っていません。

しかし、研究者たちはこれを解決する方法を見つけました。それは、従来の無線基地局と比較して、互いに近接している数千の低出力ミニ基地局を設置することです。これにより、リレー網が作成され、信号が長距離をカバーするためにジャンプします。ミリ波が長距離を移動できないのと同様に、建物、木、雲などの物体を貫通することもできず、これらの物体に信号が反射して失われる原因となります。この問題に対処するために、近接した場所にあるスモールセルアンテナが実際に役立ちます。これにより、ユーザーの基地局が障害物に遭遇したときに切り替わり、シームレスで途切れのない体験を提供します。

3. マッシブMIMO（マッシブ入力マッシブ出力）

現在の4Gネットワークは、アンテナ用のポートが12個ある基地局を使用しており、そのうち8つは送信用、4つは受信用です。一方、新しい5G標準は、単一のアレイにより多くのアンテナを収容するために約100のポートをサポートできます。これにより、より多くのユーザーと信号を送受信できるため、ネットワーク容量が増加します。

要するに、MIMOまたはマルチ入力マルチ出力は、データを送受信するために2つ以上の送信機または受信機を利用する無線ネットワークに関連しています。近くに多数の基地局があり、基地局の出入りするトラフィックが多いため、信号干渉の可能性が非常に高く、これが多くの減衰や歪みを引き起こす可能性があります。

4. ビームフォーミング

MIMO駆動の基地局で使用される数百のポートによる全方向信号放送によって引き起こされる信号の減衰や歪みの問題に対処するために、研究者たちはビームフォーミングと呼ばれる別の技術を考案しました。交通信号が人々が衝突しないように交互に道路を渡ることを許可するのと同様に、ビームフォーミングはネットワーク信号とパケットに対して同じことを行います。信号ビームをユーザーに直接焦点を合わせて放送するのではなく、同時に信号を送信するパターンを作成して、より多くのユーザーに同時にサービスを提供し、信号の損失を防ぎます。これには、基地局上のアルゴリズムを利用して、周囲の物体に反射させて最適な信号経路を提供し、MIMO技術を使用して多くのユーザーにサービスを提供するために複数のパケットを地域に送信します。

5. フルデュプレックス

現在の4Gネットワークで使用されている基地局は、半二重で通信することができ、これは接続された当事者が交互に通信するタイプの通信です。このタイプの通信の問題は、接続された当事者間で同時通信をサポートしないことです（フルデュプレックス通信）。そのため、基地局は干渉を避けるために、特定の時間に信号を送信するか受信するかのいずれかを行います。これまでのところ、この問題に対処するための2つの解決策がありました：『異なる周波数を使用する』と『交互運用』です。

しかし、ミリ波を利用する新しい5Gネットワークでは、研究者たちは、受信信号と送信信号が衝突しないようにルーティングする方法を見つける必要があります。このため、研究者たちは、信号の衝突と干渉を防ぐために一時的に信号を再ルーティングするスイッチ（トランジスタで構成）を考案しました。そして、他の技術と同様に、フルデュプレックスにも欠点があります。信号を同じアンテナで送受信することは、厄介なエコーを引き起こす可能性があり、この問題を克服するためには、厄介なエコーのないネットワークを作成する方法が必要です。

5G接続により、AR、VR、IoTのような技術が普及し、より主流で使いやすくなると期待されています。そうでなければ、実現不可能です。これらの技術の進展における5Gの使用例を理解するために、医者が世界の半分の距離にいる患者に手術を行う必要があるシナリオを考えてみましょう。そのために、彼は患者の近くにあるVRデバイスとロボットアシスタントを使用します。この手術を成功させるためには、医者がコマンドや操作を送信する時と、ロボットがそれを受け取って患者に対して操作を行う時の間に遅延がないネットワークが絶対に必要です。

AR、VR、IoTの進展に加えて、5Gネットワークで期待できる他の主要な利点は以下の通りです。

1. 高速インターネット
2. 低レイテンシインターフェース
3. 改善された機械通信

現在、5Gは2020年の発売に向けて開発およびテストされており、互換性のあるデバイスは同年の終わりに登場することが期待されており、2025年までに世界中で広く利用可能になる予定です。