5G – 未来の高速モバイルネットワーク

超高速の5Gモバイル無線規格が、つながるギガビット社会の基盤を形成します。とくに、データ交換については、要求の厳しいアプリケーションが活性化するでしょう。スマートシティでは、5Gによって、たとえば、渋滞や事故の警告、駐車場の空き情報などを運転者に提供できます。車両は、他の車両と、またはインフラとの間で通信できます。高速で信頼性の高いデータ通信が、高度な自動運転における運転者の機能を果たします。車の新機能のためのソフトウェア更新も、モバイル無線インターフェイスを使って数秒で実施できます。

その他の重要な5Gアプリケーション例として、インダストリー4.0があります。インダストリー4.0では、ネットワーク化された価値創造とサプライチェーン、生産システムや相互に連携するロボットの広範囲なセンサー監視などにおいて、効率的な通信が重要視されています。

超高速モバイル通信のおかげで、将来のメディア利用は、より個人的で、フレキシブルで、汎用性の高いものになるでしょう。たとえば、コンサートやサッカーの試合で、何千人もが同時にモバイルインターネットにアクセスするような場合を考えてみましょう。スマートフォンを使って、リアルタイムの対話形式で、さまざまな視点から4K/8Kの超高画質のイベントを見ることができます。5Gでは、データ容量はLTEの100倍大きくなり、通信速度は、1000倍高速になります。待ち時間がほとんど知覚できない程度になるため、携帯電話の標準規格は、きわめて高速なネットワーク応答を実現し、処理に要する電力も少なくなります。この優れた性能は、四つの革新によって生まれたものです。

今までスマートフォンやその他の電子機器は、3kHzから3GHzの非常に狭い周波数範囲を利用してきました。しかし、急速に増加するモバイル機器、つながる機器やモノも、この周波数範囲を利用します。その結果、データ通信速度低下、接続不良発生率増加などが必ず発生します。その解決策は、6GHz未満の周波数範囲を利用することです。しかし、とくに30～300GHzあたりの周波数のミリ波領域は、モバイル機器のデータ通信にはまだ使われていません。この領域であれば、モノのインターネットのために十分な帯域幅を確保できます。しかし、ミリ波には欠点があります。石造りの家の壁を通り抜けられないこと、樹木や強い雨に吸収される場合があることです。

ミリ波領域でのデータ通信不感地点をなくすため、加入者に近接した場所に小規模な無線局を多数設置します。これでスモールセルネットワークを構築し、既存の携帯電話ネットワークを拡張します。この方法によるネットワーク拡張であれば、低い送信出力レベルであっても、利用者の近くに無線局を配置できます。無線局の間隔が小さいので、携帯電話やIoT機器は、必ず近くの無線局と良好な接続を得ることができます。インフィニオンは、その実現に必要な最大周波数領域の製品を提供しています。現在の市販品では最大40GHzが主流ですが、MMIC（モノリシックマイクロ波集積回路）は、最大90GHzの周波数でのデータ通信を実現します。

MIMO（Multiple Input Multiple Output）技術を使った通信システムでは、データの流れは、複数の送受信アンテナを使って送られます。これにより、受信信号状態の改善、通信可能距離の拡大、全体のデータスループット向上を実現します。LTEでは、通常は最大8本のアンテナを組み合わせて使用しますが、5Gではより多くの電力が必要となります。ミリ波の場合には、送受信局で数百本のアンテナがよく使用されています。最適化された複数アンテナ技術、すなわちMIMOは、携帯電話ネットワークの能力を何倍にも拡張します。しかし、ミリ波の利点を活用するためには、Massive MIMOの他に、もう一つの技術が必要となります。すなわち、ビームフォーミングを利用することによって初めて、信号を集中させて送信することができるのです。

従来のアンテナを使うと、信号は全方向に均一に放射されます。信号が他の無線局からの信号と重なり合うと、干渉が発生して信号レベルが大幅に低下します。Massive MIMOによる複数アンテナ技術とビームフォーミングの組み合わせにより、この問題を解決します。同じ信号を時間的にずらして複数のアンテナで送信することで、利用者の位置付近に狙いを定めて、送信機はそれに合わせた電力で送信するのです。これが信号ビームの生成、すなわちビームフォーミングです。つまり、ビームフォーミング送信機は、異なる方向に存在する個別の受信者に対して、それぞれ別の信号を送信することができます。これにより通信可能範囲が拡大し、より安定な接続、通信速度の向上、さらには、迷惑な無線障害の低減を実現できます。

接続性が向上すれば、データセキュリティのニーズも増加します。スマートホーム、コネクテッドカー、およびインダストリー4.0では、不正アクセスに対する保護、さらには、セキュアなデータやプロセスが必要になります。革新的な半導体ベースのセキュリティソリューションにより、インフィニオンは、増大するセキュリティ脅威から将来の5G携帯電話ネットワークを保護します。

夜遅くまで続いた販売担当とのミーティングを終え、イザベル・グレインジャーさんは車で家路に向かっています。「渋滞が解消していてよかったわ。ラッシュの時間帯なら大変だったかも」と思いながら、彼女は夜の街を運転しています。街の北側からイザベルさんが住む南側の郊外へは、夕方だと一時間以上はかかります。

夜遅く帰宅する難点は、街中の駐車スペースがほとんどないことです。しかしイザベルさんは心配していません。彼女が住む地区はスマートシティの試験プロジェクトに含まれているからです。レーダーセンサーと無線ID（RFID）チップを内蔵する街灯が近所の空いている駐車スペースを探し出し、モバイルネットワークを介して、その情報をセントラルサーバーへ送信します。

イザベルさんの車には、その情報を受信するアプリがインストールされています。そして街灯のある安全な駐車スペースをナビに表示します。イザベルさんはすぐに駐車スペースを見つけ、無事に彼女の家から約150mの場所に駐車することができました。「便利になったものね。時間と燃費の節約にもなるし、ご近所を何度も行き来して迷惑をかけることもないわ」と、彼女は駐車しながら思うのでした。

スマートな街灯“eluminocity”に関する詳しい情報は、こちらをご覧ください。

ジョン・スペンサーさんもまた、駐車しようとしている最中です。ほんの数ヶ月前に彼がリースした自動車です。渋滞の中でも完全に自動運転するといった新しい機能に、いまだ彼は驚きを隠せない様子です。「まるで車輪のついたコンピューターのようだ」と、ディーラーから機能の説明を受けている時にジョンさんは思いました。

エンジンを停止させると、メッセージがディスプレイに表示されました。運転をより安全に、より便利にする多くの新機能を含むアップデートが自動車メーカーから通知されているのです。整備工場まで運転する必要はありません。スマートフォンと同じように、テレマティクスユニットという自動車に搭載されているモバイルインターフェースを利用し、アップデートをダウンロードすることができるのです。また、内蔵されているセキュリティチップにより、承認されたサービスプロバイダーのみが自動車のシステムにアクセスすることができます。

高速な5Gネットワークにより、ソフトウェアの新しいバージョンをダウンロードしてインストールするまでに20分もかかりません。翌朝まで自動車を使う必要がないので、ジョンさんはアップデートをすることにしました。車外に出て自動車をロックした時には、すでにアップデートが開始されています。数秒以内には新しいユーザーガイドが自動的にジョンさんのスマートフォンに直接送信されます。こうしてジョンさんは、すぐに新機能の詳しい情報を知ることができるだけでなく、翌朝には機能向上した自動車を利用することができます。

完璧な正確性でセンターフォワードにパスが渡りました。トラップしてそのままシュート。ゴール！7万人以上の観衆が歓声を上げています。グレゴリー・ウェストさんは息子と一緒にサッカースタジアムにいます。いつものように息子のジュリアンはスマートフォンを手にして、ピッチ上の試合展開を観ています。ジュリアンは同時にスマートフォンの画面も見ています。国営のテレビ局大手がインターネットでライブ実況をしているのです。

ジュリアンは目の前のピッチで行われている試合を観戦しながら、別のカメラアングルの映像をスマートフォンでも見ているのです。しかも5Gの高速ネットワークによって遅延がありません。さらにジュリアンは小型のワイヤレスイヤフォンを装着し、同時にテレビ局の実況も聞いています。

一方、スタジアムの雰囲気に浸ることを好むグレゴリーさんが周りを見渡しています。多くの観戦者がスマートフォンを片手に、二つの方法で試合を楽しんでいます。これが大きなイベントでは現実的なトレンドになっているのです。「数千の人が同時に、何の障害もなくモバイルネットワークにアクセスできるとは、実に素晴らしいことだ」と、グレゴリーさんは思うのでした。

更新：2018年2月