新無線への急速な取り組みは5Gの品質を損なうでしょうか?

分析米国の通信事業者は、LTE カバレッジの展開に非常に重要であった 1GHz 未満の周波数帯への長年の愛着に終止符を打ち、5G 時代の予想される容量需要の課題に対処するために高周波帯域を活用することで世界をリードしています。

一部の地域（例えばヨーロッパの多く）の規制当局や通信事業者は、センチメートル波とミリ波の帯域を、従来型のサブ6GHzネットワークが構築された後にターゲットを絞った高密度の容量を追加する第2段階と見ていますが、米国の通信事業者は、需要の低い高周波数帯域の使用を開始することに焦りを感じています。

AT&TとVerizonは、費用対効果の高い無線を用いて固定ブロードバンドの展開範囲を拡大する戦略的な機会を見出しています。このユースケースはデバイスの可用性やローミングといった課題を伴わないため、公式規格策定前であっても検討可能です（このため、両社は5Gのプロセスを半ば独自の迂回策に誘導しているのではないかとの論争を続けています）。もちろん、これらの高周波数帯域で商用ブロードバンド無線を運用するには、大きな課題が伴います。

60GHz帯のWi-Fiに似た技術であるWiGigは、10年にわたる構想の中で、モデムチップをCMOSで提供できるようにするなど、いくつかの課題に対処してきました。これは以前は非常に困難で、マスマーケットの経済性に打撃を与えていました。ミリ波帯のセルラーシステムに最適な無線インターフェースや、通信範囲と普及率の制限を回避する最適な方法など、その他の課題は依然として議論の的となっています。

クアルコムの28GHzモデム

クアルコムは当然のことながら、この分野の標準策定において最前線に立つことを目指すでしょう。特に3GPPが全く新しい無線インターフェースを採用した場合、その重要性はさらに増すでしょう。サブ6GHz帯におけるLTE設計の後継として普及が見込まれるOFDM*ベースのオプションは、高周波数帯では最適とは言えないと多くの人が考えています。サンディエゴを拠点とするこの半導体大手は、5G時代に向けて、プレッシャーのかかるモバイルブロードバンド事業を強化するために、従来通りの知的財産権の地位と設計におけるリーダーシップを確立する必要があるでしょう。

今週、LTE-Advancedとプレ5Gに関する一連の発表の中で、Qualcommは、Verizon（サプライヤーグループとNew Radioへの独自のアプローチを追求している）とKorea Telecom（KT）による個別のプレ標準5Gトライアルで使用される28GHzモデムの計画を発表した。

実験的なSnapdragon X50は、下り最大5Gbpsの性能と、「モバイルおよび固定無線ネットワーク向けの複数ギガビットの上り」を実現するとベンダーは述べている。LTEネットワークと連携して動作するように設計されているため、既存のモバイル通信事業者が容易にこの技術を利用できるだけでなく、通信事業者は高周波スペクトルで広範囲のカバレッジを実現するという不可能に挑戦する必要がなくなる。

この設計では、制御信号のアンカーとして独立したLTE接続を使用します。これは、3GPPでLTE-LAA向けに確立されたアプローチとある程度関連しています。LTE-LAAでは、認可された電波にアンカーLTEネットワークを配置し、認可されていない帯域に補助的な高速リンクを配置します。このアンカーアプローチは、完全に独立したプラットフォームが標準化される前の、3GPP 5G仕様の第一段階の基礎となります。

X50では、28GHzリンクにより、数十メートルから数百メートルの距離でより高いデータレートを実現します。このモデムは、800MHzチャネル、2x2 MIMOアンテナアレイ、アダプティブビームフォーミング技術、256QAM変調を採用し、90dBのリンクバジェットを実現します。Qualcommのミリ波スペクトル用SDR05xトランシーバーおよびPMX50パワーマネジメントチップと連携して動作します。

事業者はより迅速な進歩を求めて圧力をかけている

詳細は追って発表される予定で、このチップは来年サンプル出荷され、2018年6月までに量産開始される予定です。VerizonとKTは、2017年後半からこのチップを試験的に使用し、2018年の商用サービス開始を目指しています。Verizonは固定無線に注力し、KTは2018年2月の冬季オリンピックでモバイル「5G」サービスを開始する予定です。2月には、これら2つの通信事業者に加え、日本のNTTドコモと韓国のSKテレコムという他の2つの先進企業が、5Gアーキテクチャの初期試験結果を共有することで合意しました。これはQualcommにとって馴染み深いパターンです。同社は既に、非商用プロトタイプを用いた5Gの標準化前の試験やデモを数多く実施しており、今回、競合他社を大きくリードする商用クラスのチップをリリースしました。これにより、市場が本格化する際には、明確な優位性を確保しています。

こうした事業者主導の標準化前活動は、公式標準化プロセスを加速させるプレッシャーとなり、さもなければ5G第一フェーズが複数のセミプロプライエタリまたはデファクトスタンダードのプラットフォームに分裂するリスクを負うことになります。そうなれば、5G導入の最先端にいない大多数のMNOにとって、標準化された手頃な価格の機器やデバイスの入手可能性に深刻な影響を与え、一部の先駆者たちがより迅速に対応できたとしても、彼らの導入は実際には遅れる可能性があります。こうした先行者にもリスクは存在します。彼らは、NTTドコモが3Gの標準化前FOMAを世界標準に近づける際に直面した困難を間違いなく覚えているでしょう。

高周波スペクトルと同様に、Wi-Fiコミュニティから学ぶべき教訓があります。Wi-Fiコミュニティも、次世代機器の進歩を加速させようとする市場の圧力と、幅広い関係者によって適切にテストされ承認された高品質な結果を保証するために、明確な標準化団体のプロセスに従う必要性との間で、同様の葛藤に直面してきました。Wi-Fiにおいては、WiFiアライアンスの認証機関としての役割が、この妥協点をほぼ成功裏に生み出しました。アライアンスはIEEEよりも迅速にプラットフォームの拡張を推進でき、事実上業界全体の支持を得ているため、独自仕様による混乱がはるかに少なく、最終的にはアライアンスが主導する仕様が公式の802.11規格に組み込まれます。

携帯電話の世界では、事前標準化のアプローチを求める企業間の協力を強化し、3GPP や ETSI に提出される前であっても、広く採用されているテクノロジーやインターフェースを認証する何らかのシステムを備えた、このような双方向のプロセスが必要です。

3GPPは確かにプレッシャーを感じている。先月、LTEにアンカーされた5Gの初期バージョンを提供する仕様の第1フェーズの完了時期を、2018年6月から早ければ2017年12月に延期することを検討する提案を支持した。このアンカーアプローチ自体が、4G事業者に当初想定されていたよりも早い段階で5Gを推進するためのツールを提供する。

「今後1～2四半期で重要な決定を下し、標準化の取り組みを加速させていきたいと考えています」と、クアルコムの製品マーケティングディレクター、ピーター・カーソン氏はブログ記事に記している。「早期の試験運用は学習曲線を加速させるのに役立ちます。…今、実際の商用フォームファクターへの実装を試みることで、トレードオフの理解を加速させることができます。」

しかし、3GPPは品質とイノベーションを犠牲にし、新しいテスト手法などの問題を十分に理解する時間も取れないような、性急なプロセスに押し込められていると懸念する声もある。3GPPの会議に参加するあるエンジニアはEETimesに対し、「フェーズIにおける多くのイノベーションを犠牲にして5Gの普及を加速させることを第一目標とする、有力な通信事業者やベンダーが複数存在する」と語った。

二段階のプロセスが懸念を呼ぶ

これにより、一部のベンダーや通信事業者、そしてLTEアンカーネットワークを持たない新規参入企業は、5Gが誇るモノのインターネットや触覚インターネットにおけるモバイル以外のブロードバンド使用事例の最適化サポートなど、はるかに広い視野を持つフェーズIIに取り組みと事業計画を集中させるようになるかもしれません。また、40GHzから100GHzの高周波数帯域にも重点が置かれます。

これは、初期の「5G」展開が実際には初期の3Gおよび4G展開と同じようなものになることを示唆しています。つまり、アーキテクチャの最も基本的な解釈に基づいており、新規格の目標とする成果には全く及ばないということです。しかし、少なくともこれらの早期導入により、通信事業者は新しいプラットフォームのいくつかの側面をテストすることができ、MNOとベンダーに初期の収益源をもたらすことができ、ひいては完全な5Gのビジネスケースを後押しする可能性があります。ただし、これは、車車間通信などのIoTユースケースのほとんどを含む、5Gで想定される最も劇的な影響は2020年代初頭まで現れず、免許不要周波数帯や新しい固定プラットフォームなど、他のコミュニティの技術に先取りされるリスクがあることを意味します。

クアルコム社などは、フェーズ I (リリース 15) の期限を前倒ししても、フェーズ II (リリース 16) のスケジュールには影響しないと主張している。フェーズ II は 2020 年に完了し、商用サービスは 2021 年または 2022 年に開始される予定である。

フェーズIが新たな期限に間に合い、十分に包括的で高品質な仕様を提供するためには、多くの合意が必要です。上りリンクと下りリンクの両方で、LTEのSC-FDMA上りリンクではなく、OFDMベースの波形、あるいは新しい設計を採用するという点については、コンセンサスが高まっています。しかし、符号化方式についてはまだ合意に至っていません。

当初、高周波5Gでは新しい波形が採用されると多くの人が予想しており、フェーズIIでも採用される可能性は残っています。しかし、ミリ波向けに最適化されたアプローチと、一部の事業者がフェーズIを28GHz帯などの帯域で展開するという事実との間には、混乱が生じる可能性があります。こうした不確実性から、ベライゾンは28GHz帯の5G無線インターフェースに関する独自の仕様を策定し、標準化プロセスを乗っ取ったとして非難されています。

フェーズIの期間短縮が妥協につながるのではないかと懸念する声もある。前回の3GPP会議では、一部の通信事業者が提案を「LTE Advanced Pro, Olympics Edition」と呼んだと参加者は報告している。しかし、クアルコムの担当者は「新しい5Gエアインターフェースは、6GHz以下の帯域において新たな機能、柔軟性、そして効率性をもたらす。OFDMベースではあるが、LTEの派生版と呼ぶつもりはない」と述べた。

エアインターフェースとコーディングの選択肢

無線インターフェースは3月までに完全に合意されることが目標とされており、もちろん、ベンダーは仕様を推進することで大きなIPRと商業的優位性を確保することができます。

Qualcomm は、大規模な IoT 展開を除くほとんどの 5G ユースケースをサポートするために、OFDM 技術スイートを提案しています。大規模な IoT 展開には、異なるものが必要になります。

3GPP規格への主要な貢献者であるインターデジタルの欧州責任者、アラン・カールソン氏は、今年初めに次のように記しています。「6GHz未満の周波数帯では、2つのライセンスバンドによるセルラー定義が想定されています。2つ目はIoTサポート向けに特化されるでしょう。私の見解では、これがOFDMベースになる可能性は低いでしょう。OFDMは動画には最適ですが、数兆件ものアクセスイベントがランダムに発生するIoTの世界では、厳格な同期が求められるため、大きなハンディキャップとなります。」

クアルコムもこの評価に同意し、データレートとシグナリングは低いものの信頼性が求められるIoT伝送向けに、非直交RSMA（リソース拡散多元接続）技術を提案しています。一方、その他の用途ではOFDMを採用しています。新たな多重化技術により、非常に低遅延が求められるトラフィックが自動的に優先され、RSMAが利用できるようになります。この技術は、時間と周波数の拡散を利用し、ユーザーをオーバーラップさせることで、ネットワーク効率と消費電力の向上を目指しています。モビリティとダウンリンクのメッシングに加え、アップリンクではネットワークアシストメッシュをサポートできます。

クアルコム・リサーチのエンジニアリング担当シニアディレクターであり、同社の5G技術部門を統括するジョン・スミー氏は、EETimesに対し次のように述べている。「これは新しい波形ではなく、スケールドトーン間隔を持つ数値体系ファミリーを用いて、より幅広いユースケースに対応するOFDMの拡張です。あらゆるユースケースに適合する数値体系は存在しませんが、3つまたは4つの数値体系ファミリーを組み合わせることで、チェッカーボードのような設計パラメータを実現できます。」これにより、システムは異なるセルサイズや周波数帯域に合わせて最適化できるようになり、5Gネットワ​​ークに期待される無限の柔軟性への一歩となります。5Gネットワ​​ークは、未だ定義されていないものも含め、様々なアプリケーションやビジネスモデルに適応する必要があります。

クアルコムはこのアプローチを「最適化された OFDM ベースの波形と多重アクセスを備えた統合エア インターフェイスであり、低スペクトル帯域から mmWave まで、マクロ展開からローカル ホットスポットまで拡張可能な柔軟なフレームワークを備え、最初からライセンス スペクトル、ライセンス不要スペクトル、および共有ライセンス スペクトルをサポートします…」と要約しています。バッテリー駆動の IoT センサーからの散発的なアップリンク トラフィックなどの対象を絞ったユース ケースでは、非直交 RSMA を使用すると、デバイスの複雑さがさらに軽減されます。

カーソン氏はブログで、このプロセスはLTE-A Proと802.11ad（WiGig）の経験を活用し、より高い周波数帯域と大規模なアンテナアレイ（これらの規格では最大32本）を採用していると述べています。また、3GPPはフェーズIにおいてOFDMの適用範囲を3種類に絞り込み、「256QAMを超える高次変調方式を検討中」と述べています。これはそれ自体興味深いことです。256QAMはもともとスモールセル向けに設計されていましたが、現在ではマクロレイヤーでも研究されています（別記事参照）。さらに高QAM、例えば1024QAMも、LTE/LTEAdvanced Proおよび5Gの将来の進化に向けて検討されています。