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第1部 5Gが促すデジタル変革と新たな日常の構築
第1節 新たな価値を創出する移動通信システム

(3)5Gの実現のために導入されている技術

これまで見てきたように、5Gは単に4Gを発展させただけでなく、新たな機能を備えた移動通信システムとして構想されてきたものである。そのため、5Gの実現には、4Gまでに導入済みの技術を一層進化させるだけでなく、これまでは導入されてこなかった新しい技術を取り入れてネットワークを構築する必要が生じる。ここでは、5Gの実現のために導入されている技術について紹介する。

ア 異なる要件を持つサービスに柔軟に対応するための技術:ネットワーク・スライシング

5Gの基本コンセプトの項で触れたように、4Gまでの移動通信システムでは、1つのネットワークの中に異なる要件のアプリやサービスの通信が混在するベストエフォート型の構造となっていた。その上、高速大容量通信の提供を前提とするネットワークであるため、全てのユースケースにおいて要求条件を満たすことは困難であった。

他方、5Gでは、「超高速」、「多数同時接続」、「超低遅延」という3つの異なる利用シナリオが登場し、いずれの条件にも対応可能な優れた柔軟性を持つネットワークが必要となってくる。そこで、ネットワーク層を仮想的に薄切りにして別の層とするネットワーク・スライシング技術をコアネットワーク22や無線アクセスネットワーク23に導入することとしている。これによって、要求条件の異なるアプリ・サービス毎にトラヒックを分離することが可能となり、あるスライスでは超高速通信を実現し、別のスライスでは超低遅延通信を実現するといったことが可能となる。また、ネットワークの機能やリソースを動的に管理し、状況次第で柔軟に改変させることでネットワーク利用の最適化を図ることが可能となる(図表1-1-3-3)。

図表1-1-3-3 ネットワーク・スライシング
(出典)総務省作成資料
イ 超高速通信を実現する技術:5Gの新たな無線技術(5G NR)

5Gの利用シナリオの一つである超高速通信を実現するためには、数百MHz以上の広い周波数帯域を確保する必要がある。しかし、これまで移動通信システムで使用してきた低い周波数帯域では超高速通信の実現に必要な帯域幅を確保することは難しいことから、5Gでは従前は使用しなかったより高い周波数帯の使用を前提に、利用可能な帯域の検討とともに、当該帯域において超高速通信を実現するための技術の開発が行われた。その結果、高速大容量通信に必要となる数百MHz以上の広周波数帯域24やミリ波などの高い周波数帯への対応を可能とするため、3GPPにおいて、New Radio(NR)と呼ばれる無線アクセス技術が標準化された(図表1-1-3-4左)。

しかしながら、使用する周波数帯が高くなるほど、発射した電波の直進性が増し、障害物がある場合には後方に回り込めなくなるほか、カバレッジ(電波が届く範囲)が狭くなるといった欠点を有する。その一方、電波を発射するアンテナの素子は、周波数帯が高くなるほど小型化できる利点も存在する。

既にLTEの段階において、複数のアンテナを用いてデータを並列に送信するMIMOが導入されていたが、その拡張版として、より小型化したアンテナ素子を数十〜数百の単位でアンテナに並べ、個々の素子から出力される電波を細かく制御することにより、通信相手のいる場所で電波が最大となるよう指向性をもたせたビーム(ビームフォーミング)を端末に向けて発射するMassive MIMOが、5Gでは本格的に導入される(図表1-1-3-4右)。これにより、個々のアンテナ素子と端末の間で、仮想的な専用通信路を個別に確保でき、一つのアンテナから同じ周波数を複数の端末向けに指向性をもたせて発射し、同時に通信できるようになることで電波の利用効率の向上にも繋がる。

図表1-1-3-4 超高速通信を実現する技術
(出典)総務省作成資料

また、移動通信システムのネットワークのうち、基地局と端末を結ぶアクセスネットワークは無線で構成されているが、基地局から先のコアネットワークは、その大半が有線によって構成されている。5Gによって4G以上の超高速通信を実現するためには、より高速の有線回線、つまり光ファイバの整備や増強が不可欠となる。

2019年3月末時点のFTTH整備率は、全国で98.8%(推計値)となっているが、都道府県別に見ると、海岸線が複雑、離島を多く抱える、人口密度が低いといった特徴を有する地域では整備率が低い傾向にある(図表1-1-3-5)。今後、5Gネットワークの全国展開にあたっては、5G基地局の整備と光ファイバの整備を一体的に行っていくことが、5Gの持つメリットを最大限に活かすためにも重要である。

図表1-1-3-5 2019年(平成31年)3月末の光ファイバの整備状況(推計)
(出典)総務省「ブロードバンド基盤の整備状況(平成31年3月末現在)」を基に作成
「図表1-1-3-5 2019年(平成31年)3月末の光ファイバの整備状況(推計)」のExcelはこちらEXCEL / CSVはこちら

こういった背景を踏まえ、総務省は2019年度から、電気通信事業者等が5G等の高速・大容量無線局の前提となる光ファイバを整備する場合に、その事業費の一部を補助する「高度無線環境整備推進事業」を実施し、2020年度第2次補正予算では同事業に501.6億円を計上した。これにより、「地域の光ファイバ整備」を加速し、2021年度末までに市町村が希望する全ての地域で光ファイバを整備する予定である。

ウ 超低遅延通信をサポートする技術:モバイル・エッジ・コンピューティングなど

前項で述べた新しい無線技術(5G NR)では、Short TTI25とよばれるデータの送信間隔を短縮する技術とともに、Fast HARQ-ACK26とよばれるデータが正常に受信できたかどうかを端末から基地局に高速でフィードバックする技術が採用されるため、超低遅延通信についても実現される。

また、従来の移動通信システムでは、利用者の端末から基地局及びコアネットワークを経由してインターネット上のサーバに接続しており、利用者から発信した後、サーバから応答が返るまでの間に遅延が生じていた。5Gの有望なユースケースである自動運転などでは少しの遅延が生命の危険につながることもある。そこで、5G NRの超低遅延通信をサポートする技術として、データ処理をクラウドなどのインターネット上のサーバで行うのではなく、基地局の近くに設置するサーバ(エッジサーバー)で処理することで、利用者への迅速な応答が可能となる技術(モバイル・エッジ・コンピューティング)についても幅広い導入が見込まれている(図表1-1-3-6)。

図表1-1-3-6 超低遅延通信をサポートする技術:モバイル・エッジ・コンピューティング
(出典)総務省作成資料
エ 4Gから5Gへの移行を円滑に行う技術:NSA構成など

5G用に割り当てられた高周波数帯を使用する場合、カバレッジが狭いという欠点を有している。そのため、4Gでカバーしてきたエリアを全て5Gに置き換えようとした場合、より膨大な量の基地局を設置する必要が生じるため、5Gのエリア拡大には時間を要することが見込まれている。

そこで、5Gの導入当初における無線アクセスネットワークは、多数の人が集まる場所から順次、新たな無線技術を導入した基地局(NR基地局)を設置するとともに、既存のLTE基地局の高度化を行い、両者が連携して一体的に動作するネットワーク構成となる。この構成をNSA(Non Stand Alone)構成と呼ぶ。事業者にとっては設備投資の効率化を図ることができるメリットがあるほか、利用者にとっては、既存のLTE基地局との連携により、4G―5G間のシームレスな接続が確保される。

図表1-1-3-7 NSA構成とSA構成
(出典)総務省作成資料


22 コアネットワークとは、通信事業者の保有するネットワークの中核部分であり、交換機同士を結び、インターネットや他の通信事業者の通信網と接続する部分を指す。

23 無線アクセスネットワークとは、通信事業者の保有するネットワークの末端部分であり、携帯電話の場合は、基地局と端末を結ぶ部分を指す。

24 通信事業者は、限られた電波資源を有効に利用するため、周波数帯域を周波数軸(サブキャリア)と時間軸を用いてチャネルに分割して通信を行う。周波数が広帯域化すれば、分割する際のサブキャリアの間隔が広がり、チャネルが大きくなるため、さらなる高速大容量通信が可能となる。

25 Short Transmission Time Intervalの略。送信単位あたりの時間を短縮することが可能となる。

26 Fast Hybrid Automatic Retransmission request - ACKnowledgementの略。高速で再送制御を行う技術。

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