5Gモバイルネットワークは、AR (拡張現実）、自律走行車、遠隔手術などの新しいアプリケーションを可能にすることが期待されています。しかし、農村地域に信頼性の高いブロードバンド接続を提供するなど、より実用性の高いアプリケーションが、初期の段階で最大の利益をもたらすでしょう。

2021年2月にモレックスが第三者調査会社のDimensional Research社と共同で実施した、研究開発、製品、エンジニアリングの職務に従事する5Gキャリアネットワークの専門家を対象とした調査では、調査対象となった経営者の43％が、5Gの恩恵を最初に受けるのは消費者であり、次に産業・工業用IoTアプリケーションであると考えていると回答しています。また、この帯域には、農村部での無線ブロードバンドアクセスなどの固定無線戦略が続いています。このような5Gのアーリーアダプターは、自律走行車や遠隔医療などの目を引くアプリケーションよりも何年も前に恩恵を受け始めると予想されます。

5Gは、前世代のモバイルネットワーク技術と比較して、データレートが大幅に向上し、単位面積当たりの接続数も大幅に増加し、遅延も大幅に短縮されることが期待されています。そのため、ネットワーク機器や携帯端末には、これまでの4Gネットワークで必要とされていたよりも複雑な無線インターフェースや基地局の配置が必要になります。

これはなぜでしょうか？その理由の一つは、無線伝送の物理学にあります。高い無線周波数は低い周波数よりも多くのデータを伝送することができますが、現実の伝搬距離は信号周波数に反比例するため、それほど遠くには届きません。5G仕様では、この難問を解決するために、FR1とFR2という2つのオーバーラップする無線帯域を定義しています。FR1は、410MHzから7125MHzまでの6GHz未満の周波数帯をカバーしています。FR1バンドの信号は、現在の4G基地局の分布を見ればわかるように、良好なカバレッジを実現していますが、その多くはミッドバンドのFR1周波数で運用されています。しかし、FR1帯の信号は、ミリ波（mmWave）周波数で可能な高速データレートには対応していない。また、FR1帯には、WiFi、GPS、Bluetooth、Zigbeeなどの競合する信号や、他の電波源からの電磁波干渉がすでに混じっているという難点もあります。

5GのFR2バンドでは、24〜52.6GHzのmmWave周波数の使用が規定されています。FR2帯は、FR1帯よりも広い帯域と高いデータレートを提供しますが、伝搬距離が大幅に短くなるため、市街地などの密集地にいるユーザーに視線を遮ることなく接続するためのスモールセル基地局の利用が増えます。

したがって、ネットワーク機器や携帯電話の開発者にとって、5Gを実現するための課題は、どのバンドをサポートするかを決定し（すべての地域ですべてのバンドが実装されているわけではありません）、そのために必要な複雑なRFインターフェースを構築することにあります。マイクロ波信号は、低周波のソリューションに比べて、PCBの配線、コネクターのインピーダンスマッチング、アンテナの設計と調整、材料の選択などの問題に敏感であるため、多くの機器メーカーにとって、mmWaveスペクトラムのサポートには新たなスキルが必要となります。また、5Gの多くの実装では、利用可能なスペクトルを最大限に活用するために、多入力多出力（MIMO）、ビームフォーミング、ビームステアなどの戦略が導入されます。そのためには、効率的なマルチプルアンテナのmmWaveアレイを設計する必要がありますが、FR1バンド信号用の別のアンテナアレイと共存しなければならないことも少なくありません。設計者は、これらのアンテナを駆動するために必要なRFパワーアンプの効率と帯域幅の間でトレードオフを行う必要があります。また、携帯電話や小型携帯電話の非常に狭い筐体の中で、高いシグナルインテグリティ、低い相互干渉、効果的な熱管理を行いながら、これらすべてを実装しなければなりません。 簡単ではありません。

これらのことから、農村部での5Gの可能性についてどう考えればよいのでしょうか。まず、農村部での課題は明確です。ブロードバンド接続のメリットを農村部のコミュニティにもたらすのは困難な場合が多いのですが、その理由は、中央から広く分散した遠隔地のユーザーに帯域幅を分配するコストが高すぎるからです。受信料収入では、溝やケーブルの敷設にかかる費用を支払うことはできません。

5Gは、アクセスとバックホールを統合した戦略を用いて、固定無線ブロードバンドアクセスを提供することで、これらの問題に対処することができます。この方式では、中央の基地局が、埋設されたファイバーやマイクロ波によるポイントツーポイントのリンク、あるいは5G専用のリンクを介して、残りの携帯電話ネットワークに接続されます。この接続によってもたらされた帯域幅は、5Gで各加入者宅の固定無線端末に再分配されます。ミッドバンドのFR1周波数を使用することで、地理的な到達性を高め、家庭用端末のビームフォーミング戦略と利得の優れたアンテナにより、利用可能な周波数を最大限に活用することができます。ミリ波のFR2に切り替えると、より短い距離でより大きなデータレートが得られるため、農村部のクラスターや都市部の既成市街地ではより有効に活用できるでしょう。いずれにしても、エリクソン社の実験によると、このアクセスとバックホールを統合した戦略は、4Kビデオのストリーミングに十分な接続性を提供し、多くの場合、有線の家庭用ブロードバンドサービスよりも高いデータレートを提供しています。

このように、ホームターミナル、リピータ、スモールセル、基地局などのエコシステムを構築することで、広く分散したコミュニティにリーズナブルな価格で5Gを導入することができます。OEMにとっての課題は2つあります。1つは、このような機器の潜在的な市場、周波数の利用可能性、実現可能な規制の進捗状況などの重要な要因を理解すること、もう1つは、世界中の任意の条件で長期的に展開するために、このような洗練されたmmWave機器を比較的低コストで設計・構築するという技術的な課題に取り組むことです。

モレックスは数十年に渡り、進化する世界および地域の携帯電話市場のニーズを分析し、関連するソリューションを開発してきました。そして、高周波マイクロコネクターの開発、mmWaveアンテナの設計、物理的な構成や材料の選択がRF性能に与える影響などの問題を理解しています。また、ローバンド、ミッドバンド、およびmmWaveデバイスの効果的なテスト戦略を開発しており、当社の5Gソリューションが必要な仕様を満たしていることを検証できる無響室も完備しています。さらに、当社のチームは、それぞれの設計課題に最も効果的な方法でさまざまな種類の高度なシミュレーションソフトウェアを活用し、開発時間とコストを効率化しています。また、複雑な電気的・機械的構造を3次元的に緊密に統合し、性能をコントロールしながら省スペース化を図ることができる特別な生産設備を備えています。

5Gは移動体通信に新たな機能を提供しますが、最も即効性のある応用例は、これまでブロードバンドにアクセスできなかった地域にブロードバンド接続を提供することでしょう。地方に住む家族や、遠隔地にある工場で、製造プロセスの速度と精度を高めるために自動化装置やロボットを必要とする人々にとって、5Gは期待する未来です。