2020年の東京オリンピックに先駆けて、
5Gのプレサービスおよび本格的なサービス開始が目前に迫りつつあります。
丁度3GからLTEに移行する数年前には、
3GやLTEの文字をよく見かけましたが、
今度は5Gの時代がやってきます。
5Gが来ることで、
何がどう変わるのでしょうか。
ちょうど5Gに関する以下の本が、
kindle unlimitedの対象になっていたので、
読んでみました。
5G とは
3G、4G、5GのGとは「Generation」のことで、
移動通信規格の世代を表しています。
移動通信というのは、携帯電話、スマホなどの、
移動端末同士の通信をさしています。
つまり、5Gとは、携帯・スマホ等の
５世代目の通信規格ということになります。
特に意識していなければ、
いつの間に5世代も進化していたの？
と思うかもしれません。
5G で何が変わる？
5Gが新しい通信規格だということですが、
通信規格が変わると何が変わるのでしょうか？
そもそも通信規格とは
そもそも通信規格とは何でしょうか。
スマホとスマホなど、機械同士が通信を行う場合、
お互いに通信の方法を統一しておくことが重要です。
あっちの人は日本語で話し、
こっちの人はロシア語で話したのでは、
まともな会話になりませんよね。
機械でも同様に、コミュニケーションの方法は、
前もって決めておく必要があります。
このコミュニケーションの方法というのが、
通信規格と呼ばれるものです。
特に、スマホは、今や世界中でコミュニケーションが取れるツールです。
そうなると、世界規模で通信の仕方を決めておく必要があります。
言い換えると、通信の仕方の標準化が必要になります。
スマホなどの移動端末の通信に関して、
標準化された通信規格が、
3G, 4G, 5G と呼ばれているのです。
5Gの目指すもの
最近、IoTという言葉を耳にすることが多くなってきました。
モノとモノがインターネットによって繋がることで、
様々なサービスの展開が期待されています。
電力計など、様々なセンサーがインターネットに接続されたり、
車同士が通信して自動運転に貢献したりと、
実に様々なものがインターネットに接続されようとしています。
5Gは、このような多様な通信要求に応えることを目指しています。
これまでの通信規格の進化では、
通信容量の向上に注力されてきていましたが、
5Gでは、多様な要求に応えるために、
主に下の三つを柔軟に達成することを目指しています。
- 大容量通信
- 低遅延通信
- 大量接続
大容量通信
通信容量とは、単位時間当たりに遅れるデータ量を指します。
通信容量が大きい方が、大きなファイルも短時間で送れるようになります。
近年では、YouTubeを初めとした動画サイトで、
かなり高画質の動画をストレスなく見れますが、
これは、通信容量の改善が図られてきた結果です。
ガラケー時代の映像配信を利用されたことのある方なら、
今日の映像配信が如何に滑らかになったかで、
この大容量通信の恩恵を感じることがあるかもしれません。
それでも、4K,8Kと言った超高解像度の映像や、
VRのように広視野の映像となると、
データ量が大きくなり、現状の通信容量を超えた通信が必要になってきます。
5Gでは、これらをサポートできるように、
さらなる通信容量の改善が組み込まれます。
低遅延通信
スマホで通信すれば、北海道と沖縄でも当然通信ができます。
もちろん、日本とブラジルでも通信ができます。
ところが、物理的に距離が離れていると、
その距離を信号が伝わるために時間がかかります。
これを通信の遅延と呼びます。
日本から海外のサーバーにアクセスすると、
数百ミリ秒程度遅れて信号が届くこともあります。
数百ミリ秒なら小さいと思うかもしれませんが、
例えば、これが自動運転に必要な通信だった場合、
時速60キロ進んでいる車は100ミリ秒の間に、
1.67メートルも進んでしまいます。
これが1ミリ秒の遅延なら1.67センチで済みます。
この移動距離の違いはかなり大きいものと言えます。
自動運転の応用も視野に入れた5Gでは、
このような通信の遅延が大きな影響を与えうるサービスも考慮して、
低遅延の通信を行う仕組みを導入しています。
大量接続
スマホのユーザーも年々増えており、
インターネット普及率も増加の一途を辿っている現在では、
一度にネットワークに接続する端末数が増え続けています。
中にはスマホを二台持ちする人もいるため、
実際のユーザー数以上に接続する端末は多いかもしれません。
とは言え、たとえユーザー全員が二台持ちしたところで、
せいぜい2倍の端末が接続するだけです。
IoTの時代になり、
人が操作する端末だけでなく、
あらゆるモノがインターネットに接続されるようになると、
より接続数が膨大になります。
このような大量の端末がネットワークに接続したとしても、
それらの端末の通信をさばけるような通信を実現する必要があります。
5G を支える技術
5Gでは、上記の様々な通信要求に柔軟に応えるための仕組みが、
数多く導入されようとしています。
ここでは、いくつかの技術を大まかに、
なるべく分かりやすく説明してみたいと思います。
ネットワークスライシング
ネットワークスライシングとは、
用途毎に分けたネットワークを仮想的に構築する技術です。
5Gでは大容量通信以外にも、低遅延や大量接続など、
異なるベクトルの性能が要求されることになります。
このような異なる要求がある場合、
そのどれもを同時に満たすことは、
大変困難となることが多いです。
同時に満たすのではなく、
様々なタイプのネットワークがその場で構築できることが、
重要になってきます。
サービス毎に要求は異なる
そもそも、想定されるサービスが、
全てを同時に満たすような通信が望まれるとは限りません。
たとえば、8K配信の場合、大容量通信は必要になりますが、
データが届くまでに数百ミリ秒かかったところで大きな問題はなく、
遅延に対しては寛容になります。
また、自動運転のための通信の場合、低遅延通信は必要ですが、
8K配信ほどの大容量通信は必要にならないと考えられます。
異なるタイプのネットワークを仮想的に構築する
ネットワークスライシングは、
一つのネットワーク上に、
仮想的複数のネットワークを構築する技術です。
ネットワーク機器の処理能力、通信容量等を、
切り分けて、それぞれの仮想的なネットワークに割り当てます。
このように元のネットワークから通信資源を切り出したネットワークを、
ネットワークスライスと呼びます。
このように、ネットワークスライスに分けることで、
異なる要求をもつサービスを異なるネットワークスライスで運用し、
それぞれの要求に合わせたネットワークを構築しつつ、
他のサービスとの干渉を避けることができます。
従来では、ネットワークの基幹部であるコアネットワークで、
このようなネットワーク仮想化が進められてきましたが、
5Gでは、移動通信の入り口である基地局などのアクセス網も含めた、
ネットワーク全体でのスライシングをサポートすることで、
より柔軟なネットワーク構成を目指しています。
エッジコンピューティング
情報は光速よりも早く伝わることはないと言われています。
光が地球を一周するのにかかる時間は、約130ミリ秒です。
そのため、物理的な距離の開きがあるとどうしても縮められない、
情報伝達の遅延が生じてしまいます。
今日の多くのネットワークサービスでは、
物理的に距離の離れたサーバーに、
手元の端末からアクセスして、
そこで情報のやり取りを行います。
サーバーにたどり着くまでには、
いくつものルーターを経由することになり、
そこでの処理時間も遅延に加わってきます。
エッジコンピューティングの基本的な考え方は、
サーバーと端末の距離を近くして、
低遅延を実現するというものです。
ネットワークの入り口付近（エッジ）に、
サーバーを置き、端末との通信距離を縮めます。
テーマパークに入り口にアトラクションがあるのと、
奥にアトラクションがあるのとでは、
どちらがすぐにアトラクションに乗れるかは明らかでしょう。
実は似たような考え方は、従来のCDNと呼ばれる技術でも使われてきました。
これは、WebページやYouTubeの動画と行ったコンテンツデータを、
ユーザーのサーバーにコピーして配ることで、
ユーザーからのアクセスを高速化するものです。
エッジコンピューティングでは、データのみではなく、
計算機能力を持ったサーバーをユーザーの近くに、
配置できるようにすると行った点がポイントとなります。
Massive MIMO
移動端末は、基地局と呼ばれるいわゆるアンテナと電波で通信をします。
電波同士は干渉し合うので、端末数が増えてくると、
この干渉が問題となって、うまく通信できなくなります。
電波を上手く使い、電波が重なり合っても、
それぞれの端末との通信を同時に行うことを多重化と呼びます。
Massive MIMOは、多数のアンテナを巧みに使って多重化する技術です。
アンテナと言っても、一つ一つは小さな素子で、
そのアンテナ素子を大量にまとめた基地局と、
ユーザーの端末が通信を行います。
それぞれのアンテナ素子から発せられる電波は場所によって、
強くなったり、弱くなったり、電波同士が打ち消したり、重なったりします。
このような空間の中の電波の特性を上手く活用することで、
多重化することを空間多重化と言い、
Massive MIMOはこの空間多重化を行います。
代表的な空間多重化の一つはビームフォーミングと呼ばれるもので、
これは複数のアンテナ素子の電波を上手く重ねて、
電波を特定の方向にピンポイントで飛ばすというものです。
電波を向きを付けて飛ばせるようになると、
ユーザーの場所ごとに向きを変えて電波を飛ばせば、
電波の干渉を避けることができます。
このようにして、5Gの目指す大量接続が支えられます。
まとめ
5Gは先の将来のIT応用を見据えた、
柔軟なネットワーク構築を目指した通信規格となりそうです。
従来の回線容量至上主義から、
遅延や、接続端末数など、多様な要件を意識して、
動的にネットワークをデザインしていく時代が、
すぐそこまできているようです。
下の書籍では、5Gに限らず、格安スマホなど、
携帯端末を巡る周辺話題が広く紹介されています。
