【初心者向け】5Gとは?4G LTEとの違いを電波の技術面からくわしく解説(NOMAについて) | スマホ百科

【初心者向け】5Gとは?4G LTEとの違いを電波の技術面からくわしく解説(NOMAについて)

スマホの仕組み・原理

いよいよ間近に迫った5G(第5世代移動通信システム)の導入。

本格的に5Gに移行すれば、通信速度は4Gの10倍、遅延は10分の1、接続機器数は100倍という、大幅な通信性能のアップが実現されるようになります。

そこで、来るべき5Gの時代に備えて、ここでは5Gの仕組みや5Gに至るまでの経緯を、技術的な面も含めて解説していきます。

5Gの凄さを知ったら、すぐにでも5G対応端末が欲しくなっちゃうかも!?

「5G」とは「第5世代の移動通信システム」のこと

そもそも、4Gや5Gの「G」って何のことなの?

Gは「Generation(ジェネレーション)」の略だよ。「世代」ってことだね。

「G」は「Generation(ジェネレーション)」、つまり世代のことです。

移動通信技術はアナログ無線技術がモバイルネットワーク化された1G(第1世代)に始まり、現在4Gまで普及しています。

そして2019年に導入、2020年代での本格的な実現が予定されているのが、「5G=第5世代の移動通信システム」

5Gが実現すると、超高速・大容量通信、多数同時接続などが可能となり、人々の生活に大きな変化の波が訪れることになります。

 

モバイル通信技術の変遷と歴史:2G~4G

モバイル通信技術は、どんな風に変化しているの?

それじゃあここからはそれぞれの世代について、技術的な面に焦点を当てて見てみようか。

 

1G:FDMA「周波数分割多重方式」

アナログ通信の1Gでは、FDMA「Frequency Division Multiple Access」という通信方式が使われていました。

FDMAはユーザーごとに周波数を割り当てて、通信を行う方式。

FDMAでは隣り合った電波同士が干渉するのを防ぐため、各電波が使っている周波数帯(サブキャリアと言います)の間には、一定の空白スペースが設けられます。

FDMA「周波数分割多重方式」

 

空白スペースが生まれるということは効率が悪くなるということですが、この時点ではまだほぼ音声通話のみの利用だったので、問題はありませんでした。

 

2G:TDMA「時分割多重接続方式」

TDMAとは「Time Division Multiple Access」の略で、「時分割多重接続」のこと。

TDMA「時分割多重接続方式」

 

周波数帯域を一定の時間ごとに分割して、一つの回線で複数の電波をやり取りできるようにした技術です。

3G以降の技術に比べると電波の伝送効率は悪いため、通信は音声電話やショートメッセージがメイン。

 

3G:CDMA「符号分割多元接続方式」

3Gでは、「Code Division Multiple Access(CDMA)」という通信技術が使われています。

日本語にすると「符号分割多元接続」と訳されますが、簡単に言えば「電波一つ一つに符号を付けて、同時にたくさんの電波をやりとりする技術」のこと。

モバイル通信技術の変遷(CDMA)

 

CDMAに切り替わったことによって、3Gではより長いメッセージや画像等の送受信、そしてインターネット通信が行えるようになりました。

詳しくは、こちらのページでも説明しています。

参考 キャリア間の電波(W-CDMA、CDMA2000)の仕組み・違いを解説

 

4G:OFDM「直交周波数分割多重方式」とOFDMA「直交周波数分割多元方式」

OFDMやOFDMAは、1G時代に使われていたFDMAと同じく周波数を分割して使う通信方式。

しかしFDMAとの違いは、電波同士の間にある空白スペースを無くし、より効率よく電波を利用できるようになった点です。

OFDM「直交周波数分割多重方式」

 

簡単に説明すると、隣り合う電波同士の強弱のタイミングをずらすことで、電波同士の干渉を少なくするというイメージです。

そしてOFDMAは、OFDMをさらに進化させたもの。

OFDMでは一つのサブキャリアが1人のユーザーに割り当てられるのに対し、OFDMAではその都度、ユーザーにとって最も伝送効率の良いサブキャリアを割り当てることができます。

OFDMA「直交周波数分割多元方式」

 

こういった技術により、スマホでもパソコンに匹敵するほどの大容量のデータ通信が可能となりました。

 

次世代の「5G」で導入される技術(NOMA:ノーマ)

NOMAとは「非直行多元接続」のこと

5Gでは4G時代からのOFDMAの拡張に加えて、「Non Orthogonal Multiple Access(NOMA)」、「非直交性多元接続」という技術が組み込まれていきます。

OFDMAまでの通信技術は前述のように「時間」「符号」「周波数」などによって電波を区別していましたが、NOMAはこれらに加え、ユーザーの位置によって電波の「電力」を変えることにより、電波を区別する方式です。

NOMA「非直交多元接続」

 

この説明だけではちょっとわかりにくいので、簡単な例えを見てみましょう。

例えば、近くにいるユーザーには出力「小」の電力、遠くのユーザーには出力「大」の電力を使い、どちらも同じタイミング・同じ周波数で発信。

近くにいるユーザーの場合、強すぎる電波は「あ、これは自分宛てではない電波だな」と判断して、出力「小」の電波のみを取り出して受信します。

逆に遠くにいるユーザーは、予定通り出力「大」の電波のみを受信できる、という仕組み。

これにより、「全く同じ周波数かつ同じ時間(タイミング)」での送受信が可能になり、無駄が無くなり高速化できるのです。

 

電波の情報量が多くなる「高周波数帯」の利用

今まで使われてたのは、3.6Ghz以下の低周波数帯よね。

5Gでは「ミリ波帯」と呼ばれる30GHz以上の周波数帯も利用できるように、開発が進められているんだよ。

4Gでは3.6GHz以下の低周波数帯が使われてきましたが、現在使われている周波数帯は飽和状態といっても過言ではありません。

さらなる高速通信を実現するためにはより広い帯域幅を利用することが必要となるため、今までは使われていなかった「高周波数帯」を利用することになります。

特に注目を集めているのは、30GHzを超える「ミリ波帯」と呼ばれる周波数帯の利用ですね。

周波数は高くなればなるほど伝送できる情報量も多くなる性質を持っているので、5Gでの高周波数帯の活用は欠かせない技術です。

ただし、高周波数帯の利用には弱点もあるんだ。

周波数は高くなるほど直進性が高くなるため、障害物などに弱く、遠くまで届きにくいという弱点があります。

そこで、高周波数の弱点を埋めるための中間基地局の設置や、次に紹介する「ビームフォーミング」などの技術が活用されるようになります。

 

特定の電波を強くできる「ビームフォーミング」

ビームフォーミングってどんな技術なの?

ユーザーの場所を特定して、その場所にだけ強く電波が飛ぶようにする技術なんだよ。

電波とは、基本的にアンテナから360度周辺に発信されています。

そのため、電波が不要な場所にも様々な電波が飛ぶことになるので、これでは効率が悪いですよね。

そこで登場したのが「ビームフォーミング」という技術。

ビームフォーミングは、異なる電波が重なり合うことで増幅したり打ち消し合ったりする性質を利用しています。

 

複数のアンテナから別々に電波を発し、電波が必要な場所では電波を増幅させてより強力に、電波が不要な場所では電波を打ち消し合わせることにより、より効率的に遠くまで電波を飛ばすことができるのです。

ビームフォーミングはすでにWi-Fiルーターなどでも活用されている技術。

より詳しい解説はこちらのページにも記載しています。

参考 【なぜ電波が強くなる?】Wi-Fiのビームフォーミングの原理・仕組みをやさしく解説

 

4G LTEとのスペック比較

4Gと5Gではどのくらいスペックが違うの?

5Gでは、通信速度は4Gの10倍、遅延は10分の1、接続機器数は100倍が目標なんだよ。

4G 5G
通信速度 50Mbps~1Gbps 10Gbps~20Gbps
遅延 10~50ミリ秒 1ミリ秒
接続機器数 1万台/k㎡ 100万台/k㎡
通信容量あたりの
消費電力
多い
(総量としては少ない)
少ない
(総量としては多い)

 

通信速度は10倍以上

やっぱり5Gと言えば超高速通信!どのくらい速くなるの?

なんと4Gの10倍以上!動画が途中で止まっちゃうとか、ダウンロードがなかなか終わらない…なんてケースとはおさらばだね。

5Gでは4Gと比較して高速かつ大容量の通信を実現。

信速度は4Gの10倍以上となり、有線通信の光ファイバー並~それ以上です。

例えば、今までは数分かかっていた映画のダウンロードなどでも、数秒で完了するようになるでしょう。

デスクトップパソコンでも、近い内に有線接続が不必要になる日が来る可能性も高いです。

 

遅延は10分の1以下に短縮

タップしてからページが切り替わるまでタイムラグ(遅延)があったら、ちょっとイライラしちゃうよね。

5Gなら、そういった遅延が4Gの10分の1以下になるんだよ。

通信は送信と受信を繰り返して行われるので、送受信の切り替え時には多少の遅延(タイムラグ)が生じます。

5Gでは通信速度がアップすることにより、遅延時間も10分の1以下と大幅に短縮

ロボットの遠隔操作の性能アップや自動運転の精度向上に繋がり、身近なところではゲームのオンライン対戦なども、よりシビアで繊細な操作が可能となります。

 

接続機器数100倍でIot社会に対応

今更だけど、「Iot」って何のこと?

Iotは「Internet of Things」、つまりすべてのモノがインターネットにつながることを意味しているよ。

4Gの接続機器数は1k㎡あたり約1万台。

これでも現時点で国内の携帯端末のほぼ全てをカバーできているのですが、5Gが目指す接続機器数は100倍の100万台

これにより、スマホやパソコンなどの情報通信機器だけではなく、家電や自動車など様々な「モノ」をネットワークに直接つなぐことができるようになるのです。

 

消費電力増加が課題

通信データ容量やアンテナの数が増えれば、当然消費電力もアップするんだよね?

いかにバッテリーを消費せずに通信が行えるか、または大容量バッテリーを実現するかが、5G対応端末における課題だね。

5Gの技術では電力消費あたりの通信容量は4Gよりも大きくなります。

ただし、5Gでは多くの人が通信容量そのものが何倍にも増えるため、結果的には4Gよりもバッテリー消費が速いということに。

サクサク使える変わりに、すぐに充電切れになっていたのでは意味が無いですよね。

そこで5Gでは、さらにバッテリー消費を抑える技術や、または大容量バッテリーの搭載が必要となるのです。

 

5Gで使えるCPU(Snapdragon855)について

5Gを使うためには、CPU側で対応している必要があります。

スマートフォン側でも5Gへの対応が進んでおり、新しいCPU「Snapdragon855」で対応することが決まっています。

参考 5G初対応のSnapdragon855を発表

 

ただし、5G対応するためにはSnapdragon855だけでなく、モデムX50とアンテナの「QTM052」が必要になることがポイントです。

 

Snapdragon855に対応したスマホ機種について

Snapdragon855は、日本でもハイスペックスマホに対応するといわれています。

Xperia、Galaxy、AQUOS Rシリーズ、Mateシリーズなどの上位機種で対応してくる噂が出てきています。

また、Galaxy Foldなど折り畳みスマホも軒並みSnapdragon855を採用しているようです。

参考 Galaxy Fold(公式)

 

5Gとこれまで(3G,4G)の通信技術まとめ

まだまだ先のこと、と悠長に構えていた5Gの時代は、すぐ目の前まで迫ってきています。

各メーカーがこぞって5G対応端末販売のスタートを切るのも、もう秒読み段階。

5Gでの「通信速度10倍」や「遅延10分の1」の恩恵を十分に受けるためには、端末にもそれなりのスペックが求められます。

高度な技術が使われている5G対応端末は必然的にお値段も高めになるので、端末選びに失敗しないためにも、5Gそのものの技術や仕組みについて、しっかりと理解しておきましょう。

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