はじめに

「5G」というワードはよく聞くと思います。自分自身なんとなくでしか理解していないので今回の記事を機にまとめてみました。良かったら読んで見て下さると嬉しいです。

1. 5Gとは？

デジタルトランスフォーメーション : デジタル化により産業や公共事業の効率化、それに新たな価値を創造しようとするもの
Society 5.0 : サイバー空間と現実空間の融合

近年は、IoTが注目されていた。IoTとは、様々なものに通信機能をつけて社会全体の効率化を図ったり、利便性を高めたりする事。5Gは、このIoTをさらに発展させていくための基盤。

■ 5Gが想定する3つのシナリオ

eMBB(enhanced Mobile Broadband) : 人が使うモバイルブロードバンドの高速化
mMTC(massive Machine Type Communications) : メータやセンサーなど大量のデバイスを利用するIoT
URLLC(Ultra-Reliable & Low Latency Communications) : 工場での機械の制御や遠隔手術のようなミッションクリティカルなIoT

■ 4Gまでと5Gの違い

4Gまで : 人が利用するサービスが中心としてきた
5G : 人が利用するサービスに加えて、産業界での利用を想定

5Gが目指す利用分野として、eMBB, mMTC, URLLCの3つが想定されている。特にURLLCはさまざまな産業界での利用が想定されており、機械の操作や作業のプロセスを根本的に変革する可能性を持っている。URLLCでは、データの送信元と受信先との間の遅延が非常に小さいことに加えて、非常に高い信頼性とアベイラビリティが実現される。

MVNO(Mobile Virtual Network Operator : 仮想移動通信事業者) : MNOのネットワークを利用してユーザーにモバイルサービスを提供

■ MVNOの二種類

① 再販型 : ネットワーク設備をまったく持たず、ブランドを冠した端末や特定のアプリのみを提供して、MNOのサービスを販売する
② 設備設置型 : 自ら一部のネットワーク設備をもつ。MNOと相互接続して、データ通信サービスを中心にMNOと差別化したサービスを提供

ローカル5G : 5Gでは公共用だけではなく、企業や土地の所有者が限定したエリアでネットワークを構築するための無線免許が割り当てられる場合がある。日本では、このような無線免許を利用して構築するネットワークをローカル5Gと呼ぶ。ローカル5Gの無線免許を得られるのは主に工場を操業する企業や土地の所有者。

2. 移動通信ネットワークの仕組み

■ 移動通信サービス

移動通信サービスは、ユーザーが移動しても通信を継続して行える通信システム。
移動通信サービスを提供 -> 移動通信業者(MNO=Mobile Network Operator) ex)SB, docomo, KDDI

■ 移動通信ネットワークの構成

無線ネットワーク(RAN=Radio Access Network) : 無線基地局からなる部分のネットワーク。電波を使った端末との情報のやりとりを一手に引き受ける。
コアネットワーク(CN=Core Network) : パケット処理などからなる部分のネットワーク。RANと外部のインターネットなどの間に入り、データの受け渡しや端末の移動管理など行う

■ 移動通信ネットワークに接続するまでの流れ

①RANへの接続

携帯端末の電源を入れると、端末はまず移動通信ネットワーク用の電波を探し、MNOのRANかどうか確認する。自分が契約するMNOのRANであれば接続を開始して、違ければ別の電波を探す。端末から接続の信号を受け取ると、RANは端末がCNと通信できるよう設定を行う。その後、端末はRANを経由してCNとの通信を始める。

②コアネットワークへの登録(アタッチ)

RANへの接続が完了すると、CNへ接続し登録手続きを始めます。CNへの登録手続きをアタッチと呼ぶ。アタッチ処理では、加入者情報やアクセスポイント名(APN=Access Point Name)などをCNに伝える。CNでの登録に成功すれば、CNはその端末が自分のネットワークに接続していることを認識します。これにより、データ通信などのMNOと契約している通信サービスを受けることができます。
*アタッチ時のネットワーク登録に必要な情報は、SIM(Subscriber Identity module)に保存されている

③待ち受け

アタッチによるネットワーク登録が完了すると、端末は「待ち受け」と呼ばれる状態になる。端末は常に通信を行っているわけではない。したがって通信をしていない間は、ネットワークに接続し続けるために必要な最小限の処理を行いつつ、通信の機会を待つことになる。通信の機会は大きく2つあり、1つは移動通信ネットワークから呼び出しがある場合で、もう一つは端末から通信を行う場合。

移動通信ネットワークからの呼び出しはページング信号と呼ばれる「呼び出し」用の信号により行われる。ネットワークはページング信号を数秒に一回送信しており、端末は自分に送られてきた呼び出しかどうかの確認のため、この定期的に送られてくるページング信号を受信している。逆にページング信号が送られない期間は、端末は電波を受信する回路を止めるなどして電池を節約している。

④ネットワークへの接続

ページング信号に自分宛の呼び出しがあることを知ると、端末はネットワークへの接続を行い、通信を開始する。
*緊急地震速報もページングを使用して行うわれている

■ RANの構成と役割

RANは、複数の無線基地局から構成されている
１台の基地局でカバーできるのは、数十メートルから数十キロメートルまでの距離
１台の基地局がサポートするエリアをセルと呼ぶ
ハンドオーバー : 移動通信ネットワークでは、端末が移動するため、端末が別の基地局のエリアに移った場合でも通信を続けられる仕組み
移動通信ネットワークでは、端末がアタッチを行った後、端末がどの基地局の電波を受けているかを継続して管理している

■ 無線基地局の機能と構成

基地局は、アンテナ、無線装置、ベースバンド装置から構成されている
無線装置: アンテナで受け取った電波から信号を取り出してベースバンド装置に送る役割
ベースバンド装置: 端末から受け取った信号からデータを取り出してそれをコアネットワークに送る処理や、その逆の処理を行う
フロントホール : 無線装置とベースバンド装置をつなぐ回線のこと。光ファイバーが使われる。

■ コアネットワークの構成と役割

CNは、端末の近くに置く必要のある基地局と違い、MNOが所有する「ネットワークセンター」などと呼ばれるところにおく
４G移動通信ネットワークでのCNは、**EPC(Evolved Packet Core)**と呼ばれる
制御プレーン(端末の接続や移動管理などを行う部分とユーザープレーン(データを処理する部分)から構成している
EPCでのユーザープレーンの代表的な機能要素としてP-GWとS-GWがある
P-GW(Packet data network Gateway) : インターネットなどの外部と繋がっている。端末のメールなど送受信するメールなどのデータの接続口となる。
S-GW(Serving Gateway) : 複数の基地局が接続されており、端末が移動したときに別の基地局に切り替えるハンドオーバーなど行う。通信路を確保する処理も。
制御プレーンの代表的な機能->>>端末の移動管理
移動管理機能には、アタッチやページング、ハンドオーバー制御がある。これらの移動管理を行う機能要素は**MME(Mobility Managemnet Entity)**と呼ばれる

■ 移動通信ネットワークから見たハンドオーバー処理

RANは、基地局からの電波の強さの測定結果を端末から受け取っている。現在つながっている基地局からの電波が弱くなったと判断すると、端末に新しい基地局と通信を始めようとする命令を出す。移動先の基地局は、端末が移動してくることをMMEに伝える。MMEはS-GWに対して、通信先が新しい基地局になることを伝える。S-GWはデータ型を変更する。これらの手続きにより、端末は移動先の基地局を使って外部のネットワークなどと通信を続けられる。

3. 5Gで移動通信ネットワークはどうなるのか？

■ 5G移動通信ネットワークの概要

5Gの要求条件を実現するために、3GPPでは5G向けの移動通信ネットワークの標準化が行われた
4Gまでのネットワークと同じく、5GもRANとCNから構成されている
5Gでは、RAN部分で使用される無線アクセス技術はNR(New Radio)と呼ばれ、CNは5GCと呼ばれる
また、基地局は**gNode(gNB)**と呼ばれる
5Gでは高速化だけではなく、低遅延性や高信頼性、また大量のMTC端末の接続などさまざまな要求を満足する必要がある
5Gではモバイルブロードバンドを拡張したeMBBに加えてURLLCや大量MTC接続も満足する必要がある。そのためNRには、より高速に通信ができたり、より低遅延で通信ができる仕組みがとり入れられた

■ 5Gで使える周波数

5Gでは、eMBB用途として端末は20Gbpsでデータをダウンロードできることが条件->4Gに比べてさらに広い周波数が必要

周波数帯	送信周波数の範囲
3.7GHz帯	3.6~4.1GHz (1MNOあたり100MHzまたは200MHz)
4.5GHz帯	4.5~4.6MHz (1MNOあたり100MHz)
28GHz帯	27.0~28.2GHz, 28.2~28.3GHz(ローカル5G専用周波数), 29.1~29.5GHz

電波は高い周波数になるほど遠くまで届きにくくなるため、4Gと同じ通信エリアを作るにはさらに多くの基地局が必要になる
ビルの屋上や鉄塔などでは不十分で、信号機や電柱に基地局を設置することも考えられている
本来であれば、遠くまで届く低い周波数帯を使いたいが、既にさまざまなシステムが使用している

■ 5Gで高速通信、低遅延を実現する技術「NR」

LTEの最初のバージョンでは、基地局・端末共に１ミリ秒ごとにデータ送信
それに対して5Gは、基地局から端末、または端末から基地局までの通信に要する時間を0.5ミリ秒未満にする必要がある

■ 5Gで電波を送信する仕組み

5G向けの基地局もアンテナ、無線装置、ベースバンド装置から構成
１番の特徴は、アンテナ部分 -> 周波数が高くなるにつれてその電波を送信するために必要なアンテナの長さは短くなる
マッシブMIMO(Massive MIMO) : 高い周波数の電波を遠くまで飛ばすための技術。大規模な数のアンテナを使用して電波を送信する。ある方向には強い電波を出せる反面、それ以外の方向には電波はほとんど飛ばなくなる.
ビームフォーミング : ビームの方向(電波の方向)を変える技術。30GHzや40GHz付近の高い周波数だけでなく、3GHz付近やそれ以上の「中程度」の周波数帯でも有用な技術

■ RANのオープン化

従来の基地局内を流れる信号やデータの形式はベンダーが独自に設計したもので、閉じたシステムである
RANのオープン化では基地局を複数の装置に分割し、その装置間のインターフェースを仕様化することを目的とする
したがって、MNOは複数のベンダーの機器を組み合わせてRANを構築することが容易になる

*単一ベンダーの装置でRANを実現する利点->ベンダー独自のアルゴリズムにより端末の通信速度を上げられる。ベンダー間の接続試験が不要。

■ 5Gコアネットワーク(5GC)

5GCは、4GのコアネットワークであるEPCの基本的な仕組みを継承しており、制御プレーンとユーザープレーンから構成される(ただし、各プレーン内の機能については構成が違う)
5GCは、eMBB用途だけでなく、URLLCやmMTC向けの通信など、さまざまな用途の通信に対応できるようになっている
ネットワーク仮想化やネットワークスライシングといった最新のネットワーク実現技術を念頭に入れた設計になっている

5GCのユーザープレーン :EPCでのユーザープレーンがS-GWとP-GWに別れていたのに対し、5GCでは、**UPF(User Plane Function)**のみとなり、これが両方の機能を実現

5GCの制御プレーン : 5GCでの制御プレーンの代表的な機能要素は、AMF, SMF, UDMなどがある

AMF(Access and Mobility Management Function, 接続・移動管理機能) : 端末の接続や移動の管理を行う
SMF(Session Management Function, セッション管理機能) : ユーザープレーンの制御(セッション管理)について行う
(EPCでMMEと呼ばれていたものが5GCではAMFとSMFに分割されている)
UDM(Unified Data Management, 統合化データ管理機能) : 加入者情報を管理する機能要素

5GCでの端末の登録と呼び出し

5G移動ネットワークでも、端末は電源が入ると、自分の契約する事業者のRANが送信する電波を探す。電波が見つかればRANに接続し続いてCNへの登録を行う。5GCで登録手続きするのはAMFになる。登録の際、その端末が加入者かどうかを確認するため、AMFはUDMに問い合わせをする。登録が完了すると、4Gの時と同様、端末は待ち状態になる。待ち受け中の端末は、あらかじめ設定された間隔で送信されるページング信号を読みに行き、それ以外は回路を止めるなどして電池を節約する。

待ち受け中にほかのユーザーからデータが届いた場合、それを受け取ったUPFは、SMF経由でAMFにデータの宛先の端末を呼び出すよう命令する。するとAMFは端末が接続している基地局に対して、端末を呼び出すように命令。それを受けた基地局は、呼び出し情報をページング信号に乗せて送信する。ページング信号に自分宛の呼び出しがあることを知った端末は、接続状態となりネットワークに接続するという流れ。

5GCでのハンドオーバー

5G移動通信ネットワークでの基地局間ハンドオーバーには、AMF, SMF, UPFが使用される
4Gと同じく、RANは基地局から電波の強さの測定結果を端末から受け取っている

現在つながっている基地局からの電波が弱くなったと判断すると、端末に新しい基地局と通信を始めるよう命令を出す。これまでつながっていた基地局は、新しい基地局に対し端末が移動することを伝え、データの引き継ぎをする。移動先の基地局は、端末が移動してくることをAMFに伝える。AMFはSMFに対し、データ経路を移動先に切り替えるように設定し、それを受けてUPFはデータの経路を移動元の基地局から移動先の基地局へと切り替える。

■ 移動通信ネットワークのソフトウェア化

NFV(Network Functions Virtualization) : 汎用サーバ上に仮想化環境を構築し、その上でCNやベースバンド機能を実現する
NFVの導入により、CPUやメモリなどの計算リソースやアプリケーションの柔軟な配置が可能になり、ネットワーク構築及び保守管理に要する労力や費用の削減が期待できる
移動通信ネットワークの仮想化は、4GのCNであるEPCの仮想化から実現され始めた(特に仮想化されたEPCをvEPC)と呼ぶ
5GのCNである5GCは、仮想化を前提とした設計になっている

■ 5GでのIoT

4GネットワークでのIoTの主な用途はLPWA
5Gでは、よりさまざまな用途のIoTが出てくると考えられる

	ユースケース	必要な条件
ブロードバンドIoT	ドローン、VR, AR,オンラインゲーム、　カーナビ	高速データ通信、大容量データ通信、低遅延
クリティカルIoT	高速道路交通システム、鉄道などの交通システム制御	高信頼性、超低遅延、高アベイラビリティ

産業自動化IoT

産業分野では、5G移動通信ネットワークによる通信ケーブルの置き換えが期待されている
産業自動化IoTで必要な機能として、まずは高信頼である必要がある。
その上で、ネットワーク内の端末やサーバーなど全ての機器の時刻が同期しており、かつある決められた時間内に必ずデータが届くことを保証する。
タイムセンシティブネットワーキング(TSN=Time Sensitive Networking) : 時刻同期と低遅延性を保証するネットワーク技術

■ 5Gでの端末

5Gでは、4Gでは使用してこなかった周波数も使用する
基地局やコアネットワークも5G向けのものになるので端末もまた5Gに対応したものが必要
5Gでのモバイルブロードバンド向け端末は、多くの周波数や無線システムに対応する必要がある
一方、IoT向け端末は用途がはっきりしているため、モバイルブロードバンド向けの端末のようにさまざまな機能をサポートする必要はない

■ 4Gから５Gへの移行

5Gには４Gよりも高い周波数が当てられ、基地局あたりの通信エリアが小さくなる
NSA(Non Standalone) : 既存のネットワークを最大限活用しつつ、5Gの通信エリアを徐々に広げていくために考えられたネットワーク構成
NASではアタッチや制御オーバーにLTEの制御プレーンを使用。その一方、ユーザープレーンではNRとLTEの両方を使用
SA(Standalone) : コアネットワーク及びRANが５Gとなるネットワーク構成が必要
DSS(Dynamic Spectrum Sharing) : LTEとNRとで周波数を効率よくシェアする(現在LTEが使用している周波数帯域幅の半分をNRに切り替えてしまうとLTEの周波数はより混み合い、初期のNRは利用者が少ないのであまり使用されないので)

LTE-M/NB-IoTとNRの共存

現在のネットワークでは、LTE-MやNB-IoT端末のようなLPWA型端末も多数利用されている。LPWA型端末は、電力メーターやガスメーターのように長年にわたって使われることが前提。そのためLTE-MやNB-IoTサービスの行われている周波数がNRになったとしても、これらの端末が引き続きネットワークに接続できるような仕組みが提供される。

4.社会に5Gが及ぼす影響

■ 5Gの利点と市場規模を知る

MNOは、設備コストは必要となるが、効率アップや自動化により長期的にコストを抑えられる
固定無線アクセス、URLLCやmMTC分野のビジネスは大きく拡大する可能性はある
固定無線アクセス(FWA) : 家庭、中小企業でのブロードバンドアクセス
モバイルブロードバンド高速化(eMBB) : 通信速度増大、応答性改善、新規アプリの実現
ミッションクリティカルIoT(URLLC)、大規模マシンタイプ通信(mMTC) : 産業のデジタル化、自動化による効率改善、コスト削減
従来の延長上にある収益に加えて、FWAやURLLC,mMTCによる収益を期待できる

■ 5Gの産業応用ビジネスと市場規模

さまざまな産業界で、5Gを使った工程や作業の自動化、効率化の検討が進められている
特に、リアルタイム自動化、高度ビデオサービス、観測・追跡などの市場規模が大きいと予測されている
自律ロボットや遠隔操作などは障壁が大きいと考えれている

スマートシティ : 情報通信技術などを活用して、都市計画、インフラ整備、多岐にわたるシステムの管理や運営を総合的に行い、全体として最適化を図ることにより持続可能な都市を構築していこうという考え方

■ MaaSと5G

MaaS(Mobility as a Service) :さまざまな移動手段をうまく組み合わせて移動をサポートしてくれるサービス
MaaSでは、MaaSを提供するモビリティサービスプロバイダーが私たちユーザーとさまざまな交通手段との間を仲介して、移動サービスを提供
複数の経路から自分好みのものを選択することも可能で、決済も全工程一括で行うことを想定

■ Society5.0における5Gの役割を知る

Society5.0 : 人とモノがつながり、知識や情報を共有することにより、新たな価値を生み出す未来社会の姿
AIやビックデータ解析などの高度な技術を用いて、経済発展と社会的課題の解決を両立

参考文献

いちばんやさしい 5Gの教本　人気講師が教える新しい移動通信システムのすべて