5GNRの概要

5G NRの基本を学びます。これには、周波数帯域、アプリケーション、それを可能にするテクノロジーなどが含まれます。

ワイヤレススマートフォン通信の次世代（第5世代）である5Gは、モバイルデバイスのレベルアップとして消費者の世界で大いに宣伝されています。しかし、これらのデバイスを開発するエンジニアの目には、5Gは何を伴うのでしょうか？

この記事では、5G NR（New Radio）について詳しく説明し、この新しい標準でカバーされている複数の用途のモデルと複数の周波数帯域について説明します。また、5GNRに関連するいくつかの高度なテクノロジーについても見ていきます。

5G標準

5Gの標準は、7つの異なるグローバル標準化団体のパートナーで構成される第3世代パートナーシッププロジェクト（3GPP）によって開発されています。 5Gの標準は、2017年12月の「リリース15」から始まり、新しい機能、機能、および要件が追加されるにつれて、後続のリリースで拡張されています。

3GPP内には、抽象化のレベルを上げながら5G NRシステムを定義するために機能する技術仕様グループ（TSG）があります。レベルの例には、以下が含まれますが、これらに限定されません。

無線アクセスネットワーク（RAN）： 以下を含む無線性能仕様の下位レベル（1〜3）を定義する責任があります。
- 物理層
- 変調
- 周波数分割複信（FDD）
- 時分割複信（TDD）
- ビームフォーミング
- エラー検出
- 修正
サービスとシステムの側面（SA）： 課金、アカウンティング、ネットワーク管理、セキュリティなど、アーキテクチャとサービスの全体的な機能を監督します
コアネットワークとターミナル（CT）： ユーザー機器の仕様、ネットワーク間のハンドオフ、サービス品質マッピングなどを定義します。

階層型5Gサービスの3つの周波数帯

無線通信技術が進歩するにつれて、周波数と帯域幅は着実に増加しています。図1に示すように、新しい世代は既存のネットワークとの下位互換性を維持していますが、より多くの周波数帯域に拡張されています。

図1。 2G、3G、4G、および5Gネットワークの周波数スペクトル割り当ての進化。エリクソンの好意により使用された画像

この傾向は、30GHzを超えるミリ波（mmWave）周波数に移行するにつれて、5Gで大きな飛躍を遂げています。これにより、5G NRは、6GHz未満の周波数で最大100MHz、より高い周波数で最大400MHzの超広帯域幅をサポートできます。

5Gは通常、次の3つの帯域に分割できます。

FR1
- 低頻度： MHz〜1 GHz
- 中周波数：1〜7 GHz
FR2
- より高い頻度： 24〜48 GHz

図2に示すように、3つの帯域は、帯域幅、遅延、およびカバレッジのさまざまなニーズを満たすために連携して動作するように設計されています。

図2。 5G NRの3つの帯域の帯域幅、遅延、およびカバレッジの関係。アドバンテックの好意により使用された画像

5Gの初期展開は、低周波数範囲（FR1）であり、450 MHz〜6 GHzのスマートフォンで使用される従来の周波数にまたがる2つの帯域（低および中と呼ばれる）があります。これらの低い周波数は、最大のカバレッジ範囲を提供します。

より高い周波数範囲（FR2）は、24〜100 GHzの周波数でミリ波領域に向かって上に移動し、より高速なダウンロード速度をサポートし、超低遅延を必要とする新しいアプリケーションを可能にします。

5GNRの直交周波数分割多重方式

アップリンク接続とダウンリンク接続の両方の5G伝送は、OFDM（直交周波数分割多重方式）に基づいています。 OFDMは、直交振幅変調（QAM）と周波数分割多重（FDM）を組み合わせて、高データレート通信を可能にします。

サブキャリア周波数は互いに直交しているため、個々のピークはすべて他のサブキャリアのヌルと一致します（図3）。

図3。直交周波数分割多重方式の周波数スペクトル。 Keysightの厚意により使用された画像

これにより、干渉が最小限に抑えられ、受信機が効率的に信号を回復できるようになります。これらの変調されたサブキャリアは、多くの独立した信号（FMラジオチャネルなど）をサポートするために使用できますが、5Gアプリケーションでは通常、単一チャネルのデータレートを上げるために組み合わされます。

NR仕様は、最大3300のサブキャリアで、15 kHz、30 kHz、60 kHz、120 kHz、240 kHz、または480kHzの調整可能なキャリア間隔をサポートします。さらに、サブキャリア変調は、QPSK（直交位相シフトキーイング）または16、64、または256QAMにすることができます。これらのオプションは、オペレーターが環境とアプリケーションに合わせて通信スキームを最適化できるようにする汎用性を提供します。

4Gと比較した5Gのパフォーマンス

新世代のスマートフォンテクノロジーに期待されるように、5Gは、以前の4Gよりも高速で、より多くの容量を提供します。 5Gは、最大10〜20 Gb / sのピークデータ転送速度と100Mb / sを超える平均データ速度をサポートすることが期待されています。 5Gは、ネットワーク効率の向上とレイテンシの10分の1の短縮により、容量を100倍に増やし、1ミリ秒まで短縮できるようにも設計されています。

これらの基本的な改善に加えて、5Gは、次のような標準のモバイルブロードバンドを超えるアプリケーションをサポートするために、4Gよりも多様な通信規格として設計されています。

低遅延のミッションクリティカルな通信
モノのインターネット（IoT）の大規模な接続
すべてのスペクトルタイプ（ライセンス、共有、ライセンスなし）のサポート
ホットスポットを含む拡張された展開モデル
デバイス間メッシュやマルチホップメッシュなどの新しい通信モデル。

5G使用モデル

通常、5Gについて聞くと、すぐに優れたスマートフォンを思い浮かべます。これは、実際、5GNR仕様の1つの側面です。ただし、標準は、より優れたスマートフォン以上のものをサポートするために開発されています。具体的には、図4に示すように、3つの主要な使用モデルがあります。

eMBB （拡張モバイルブロードバンド）：大まかに優れたスマートフォン、消費者向けアプリ
URLLC （超信頼性と低遅延の通信）：ミッションクリティカルなサービス
mMTC （大規模なマシンタイプの通信）：モノのインターネットを考える

図4。 3つの5GNR使用モデルのアプリケーション例。画像[変更]は3GPPの厚意により使用されました

eMBB（拡張モバイルブロードバンド）

5G NRネットワーク開発の最初の焦点は、ダウンロードとアップロードの速度を改善し、遅延を減らすためのeMBBに焦点を当てています。 eMBBは、モバイルビデオストリーミングを改善し、モバイル拡張現実および仮想現実（ARおよびVR）を含む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。 emBBは、人口密度の高い都市部、スポーツやコンサートの会場、スマートオフィスでワイヤレスブロードバンドへのアクセスを強化することが期待されています。

URLLC（超高信頼性低遅延通信）

名前が示すように、URLLCは、自動運転車、産業用自動化、遠隔手術などの「リアルタイム」アプリケーションに非常に低遅延の通信を提供するように設計されています。明らかに、これらの各アプリケーションには、エラー率が低く、遅延が感知できない（理論的には1ミリ秒）堅牢なネットワーク接続が必要です。これらの要件は、音声通話やお気に入りの新しい番組のストリーミングとは大きく異なります。

mMTC（Massive Machine Type Communications）

mMTCは3番目の使用モデルであり、最初の2つとはかなり異なります。 mMTCは、5G NRで利用可能な広い帯域幅を利用して、「大量の」低データレートデバイスへの通信をサポートします。アプリケーションには、モノのインターネットとスマートシティが含まれます。これらのノードでは、リモートセンシング、監視、交通と駐車の管理、ロジスティクスとフリートの管理、および電子看板に狭い帯域幅が必要になります。

5Gを可能にするテクノロジー

5G通信を可能にするために集まっている多くの技術的進歩があります。このセクションでは、ハードウェアで作業する電気技師が関心を持つ可能性のあるいくつかの主要なテクノロジーについて説明します。

高度なトランジスタ技術

受話器、基地局、およびネットワークバックボーンで必要な処理能力を向上させるには、シリコンCMOSテクノロジを継続的に高度なジオメトリに移行することが明らかに重要です。さらに、5Gが周波数スペクトルのミリ波領域に拡大するにつれて、高度なトランジスタ技術の改善が中心的な役割を果たしています。

図5に示すように、シリコンゲルマニウム（SiGe）、ガリウムヒ素（GaAs）、窒化ガリウム（GaN）、および炭化ケイ素（SiC）はすべて、6GHzを超える高周波FR2帯域での動作に適しています。特に、GaNおよびSiCデバイスは、高周波と高電力の両方が必要な基地局で広く使用されています。

図5。ワイドバンドギャップ（WBG）材料の電力対周波数。アナログ・デバイセズの好意により使用された画像

トランジスタ自体だけでなく、チップからプリント回路基板（PCB）への外部接続には、パッケージングにおける技術の進歩と高度な設計技術が必要です。パッケージ内の1mmのボンドワイヤのような単純なものは、ミリ波周波数で潜在的なアンテナになり、PCBとの50Ωのインピーダンス整合を達成することを困難にする複雑なインピーダンスを持つ可能性があります。はんだボールを使用したフリップチップアセンブリへの移行は役立つ場合がありますが、インピーダンス整合の課題は依然として残る可能性があります。

大規模なマルチ入力マルチ出力アンテナ

波長が非常に短いため、フェーズドアレイアンテナは5Gミリ波周波数で使用可能になります。たとえば、図6のQualcommによって示されているミリ波受話器のプロトタイプには、3つの4x2フェーズドアレイアンテナセクションがあるように見えます。フェーズドアレイアンテナは、ビームフォーミングをサポートしてアンテナゲインを向上させることができます。