5Gを実現する10の技術的な成功要因

5Gは、次世代のワイヤレス通信です。ただし、大容量化、低遅延化、帯域幅の拡大を実現する5Gネットワークの約束はエキサイティングな展望ではありますが、そのような技術的進歩の価値は、エンドユーザーに相互利益をもたらす実際のユースケースに適用されて初めて実現します。このため、世界中のエンジニアが、ゲーム、バーチャルリアリティ、自動運転車、ワイヤレス監視など、幅広いアプリケーションで5Gの利点を引き出そうと努力しています。いずれの場合も、5Gは、企業が強化された接続性を活用し始めることで、革新的で新たなビジネスモデルを推進することが期待されています。

しかし、5Gを大規模に適用するまでには、予想以上に時間がかかりました。事実、モレックスが委託し、ディメンショナル リサーチ社が実施した最近の調査によると、携帯電話会社のほぼ半数の展開計画が当初の予想に比べて遅れていることがわかりました。5Gで使用されるシグナル用周波数は非常に高いため、シグナル伝搬、電源・熱管理、アンテナモジュールの配置などの分野で、独自のエンジニアリング設計上の課題が発生しています。

しかし今、エンジニアたちの努力は実を結び始めており、5Gは世界中で展開されています。モレックスの調査によると、通信事業者の89%が5Gの見通しに期待を寄せており、92%が今後5年以内に5Gのビジネス目標を達成できると見込んでいます。さらに、5Gがその期間内にエンドユーザーに実質的な利益をもたらすと期待すると、通信事業者の99%は回答しています。そこでモレックスは、5Gの実現に大きく貢献する10の重要なテクノロジーイネーブラーをタイムリーに評価しています。

5Gは、モバイルネットワークの基盤となるインフラ、特に基地局同士や公衆通信網に接続するバックホール／トランスポート層への多額の投資によって支えられています。 人口密度の高いトラフィックセルが、バックホールを通じてコアネットワークへの大規模なデータフローをサポートしているため、容量やレイテンシーなどの幅広い要件を満たすためには、システム統合に対する柔軟なアプローチが最適な選択肢として浮上しています。光ファイバーによるX-haulは、天候やマルチパス伝搬の心配がなく、高い耐障害性を備えています。しかし、セル間をつなぐためにファイバーを敷設するのは、コストがかさむため、必ずしも実現できるとは限りません。そこで注目されているのが、IAB（Integrated Access Backhaul）波を利用したワイヤレスX-haulingで、可用性や導入期間などの面で大きなメリットがあります。このように柔軟なデュアルアプローチを採用することで、プロバイダーは適切なタイプのネットワークに適切なタイプのバックホール技術を提供することができます。また、IABよりも伝送距離が長い、マイクロ波によるX-haulも検討されています。

5Gは、モバイルネットワークの基盤インフラ、特に基地局同士や公衆通信網を接続するバックホール/トランスポート層への大規模な投資によって支えられています。トラフィックセルが密集し、バックホールを通じてコアネットワークへの膨大なデータフローがサポートされる中、システム統合への柔軟なアプローチは、容量や遅延などの幅広い要件を満たす最良の選択肢として浮上しています。光ファイバーXホールは、天候条件やマルチパス伝播の懸念を払拭しながら、高い弾力性を提供します。しかし、セル間を接続するためにファイバーを敷設することは、コストが莫大になるため、必ずしも実現可能とは限りません。これにより、IAB（統合アクセスバックホール）波を使用したワイヤレスXホーリングが前面に押し出され、可用性や展開時間などの領域で大きな利点が生まれます。この柔軟なデュアルアプローチを使用することで、プロバイダーは適切なタイプのネットワークに適切なタイプのバックホールテクノロジーを提供できます。マイクロ波Xホールも、IABよりも長距離であるため、研究されています。

新たな5Gアプリケーションが進化し始める中、5Gのレイテンシー、スループット、信頼性の要件を満たす柔軟なフロントホールにおけるソリューションの必要性が高まっています。 このニーズを満たすのが、次世代無線アクセスネットワーク（RAN）であり、無線ユニット（RU）、分散ユニット（DU）、集中ユニット（CU）間のファイバー接続リンクを提供します。CUの機能はリアルタイムではないため、DUの場所から数十キロ離れた場所に設置することも可能です。また、CUの機能はリアルタイムではないと考えられているため、CUとのやり取りはレイテンシーの影響を受けません。新しいアーキテクチャに加えて、フロントホールの伝送には拡張CPRI（eCPRI）プロトコルが使用され、RUから遠端のDUまでの必要帯域幅が減少します。3GPPの5G規格では、4G LTEのベースバンド機能の一部をDUとCUの間で分割することができる手法を採用しています。これにより、さまざまなレベルのパフォーマンスが得られます。性能は、使用するスペクトラムに応じて、4G LTEに比べて中程度から大幅に改善され、ビットあたりのコストは低くなります。

5Gでミリ波（mmWave）を使用する場合、いくつかの課題があります。最も重要なのは、大気、気象条件、建材、木の枝葉などに関連する吸収損失が大きいため、信号の伝搬が困難になることです。mmWaveは非常に細いビームで伝搬します。これを可能にするプロセスをビームフォーミングといいます。また、別のプロセスでは、希望するユーザー機器（UE）の位置に向けてビームを誘導することができます。これを「ビームステア」と呼びます。さらに、これらの指向性ビームは、携帯電話などのユーザー機器がユーザーの移動によって位置が変わると、移動しなければなりません。これを「ビームトラッキング」と呼びます。

mmWaveを使用することで、顧客のスループットが大幅に向上するなど、大きなメリットがあります。これにより、mmWaveの信号を当初想定していなかった方向に利用することができます。mmWaveの伝搬制限により、5Gのsub-6GHz周波数や4G LTEの700MHz周波数よりもはるかに短い範囲で周波数を再利用することができます。つまり、このプロセスにより、mmWaveの周波数が他の分野で使用できるようになり、周波数の利用効率が向上します。

デバイスとセルの間の5Gエアインターフェースは、エンドポイント間のデータレートを大規模に最大化するために、多入力多出力（MIMO）のフェーズドアレイ・アンテナ・アーキテクチャーに大きく依存しています。しかし、大規模なMIMOアーキテクチャに必要な密集したアンテナ構成は、電子部品の性能に課題をもたらします。より高いmmWaveの周波数では、アンテナアレイ上のアンテナ素子間の物理的な距離が非常に小さくなります。波長が小さければ小さいほど、その波長を捉えるために必要なアンテナ素子も小さくなります。アンテナ素子が小さければ小さいほど、アンテナアレイのスペースに配置できるアンテナ素子の数が増えます。5Gコンポーネントの数が増え、周波数が高くなると、一般的な無線機の設置場所で必要な電力も高くなると想定されます。このような環境でmmWave RFパワーを扱い、熱を放散させることは厄介な提案であり、システム設計と材料選択に革新的な技術を必要とします。このような理由から、エンジニアは、より大きなMIMOアーキテクチャで必要とされる小型パッケージを可能にする、より高い電力密度を持つ第4世代の窒化ガリウムベースの電界効果トランジスタへの移行を進めています。

5Gの国内および海外でのユビキタスな普及は、一夜にして実現するものではなく、通信事業者が異なる周波数帯を使用してネットワークを展開する中で、到達範囲や遅延、データ伝送能力が異なるため、徐々に実現していくものと思われます。実際、世界の一部の地域（主に農村部）では、6GHz以下の周波数でしかサポートされないため、より高い周波数のmmWaveでサポートされるデータレートのメリットを享受できないかもしれません。モレックスの調査によると、通信事業者の26%がmmWaveの伝搬の問題が5Gの提供に課題をもたらしていると感じている一方で、逆に53%が農村部の家庭での5Gへのアクセスが新たなビジネスの大きな収益を可能にする主要なユースケースになると感じています。(この結果は、地方のネットワークを展開するためのコストが、同等の都市部や郊外のネットワークよりも高く、多くの場合、コスト的に困難であるため、議論の余地があることに留意してください。) これは、4Gから5Gへの移行期に携帯電話などの新しいユーザー機器（UE）をリリースするモバイル機器設計者にとっての課題です。その解決策は、5Gに加えて4G LTEの波形にも対応できるように、新しい機器に複数のチューニングされたアンテナを組み込むことです。これにより、mmWaveとサブ6GHzのどちらかのアンテナ設計を選択する必要がなくなります。3G波形への対応の程度は低いと予想されます。

5Gの比較的低い周波数である6GHz以下の帯域では、アンテナの配置は性能方程式の一部に過ぎません。5Gの比較的低い周波数帯である6GHz以下の周波数帯では、アンテナの配置は性能方程式の一部に過ぎず、アンテナとモバイル機器の内部構造の間には、その機器の無線通信の全体的な共振性能を決定する強い関係があります。薄型のモバイル機器を好むユーザーのために、アンテナエンジニアは、物理的なデザイン、材料の選択、内部部品の構成を考慮してアンテナデザインを調整する必要がありました。しかし、mmWaveの周波数では、アンテナと携帯電話本体との相互作用はさほど問題になりません。むしろ、アンテナを覆っている金属、ガラス、あるいはプラスチックが電気的に薄くなくなり、基礎となるアンテナの放射性能に悪影響を及ぼす可能性があることが課題となります。また、デバイスのユーザーの手に対するアンテナの配置も、mmWaveの送受信に影響を与えます。そこで設計者は、モバイル機器のアンテナの放射パターンを最適化するために、カスタマイズされたアンテナ設計や独自のアンテナ配置、スロットベースの設計や周波数選択面の設計原理をどのように組み合わせるかを検討しています。さらに、非理想的な方向へのビーム伝搬損失を克服するために、UE上で複数のアンテナを使用することが求められています。

5Gアンテナを機器のプリント基板上またはその近くに設置した場合のRF性能の良し悪しは、アンテナが製品に効果的に組み込まれているかどうかで決まります。デバイスメーカーは、無線性能を向上させるために、各デバイスにアンテナを最適にチューニングするための最良のRF設計手法を求めて、高周波エンジニアのスキルと経験を活用するようになっています。アンテナチューニングには、アンテナの電気的な長さを調整して共振を必要な周波数帯に近づける「アパーチャチューニング」と、アンテナのインピーダンスをRFフロントエンドと相関させる「インピーダンスチューニング」があります。どちらの技術も、より広い帯域での利得を向上させ、バッテリー寿命を改善することができます。これは、次世代5G携帯電話の性能に関する消費者の期待に応えるためには、極めて重要な要素です。

5Gの高周波信号では、相互接続、基板トレース、ケーブルアセンブリ、およびコネクターについても考慮する必要があります。民生製品グレードの製品の中で、5G規格で定められた速度で数百万ビットの信号を一連のコンポーネントに送ることは、大きな課題です。コネクターは、伝送ラインのインピーダンスの変化を最小限に抑えるよう、慎重に設計・製造する必要があります。また、外部からの信号も脅威となります。そのため、コネクターは、電磁干渉や容量性ピックアップなどの外部信号からシステムを十分に保護する必要がありますが、これは高速になるほど難しくなります。また、5Gのコネクターは、最新のモバイル機器が持つ小さなスペースに収まらなければなりません。コネクター嵌合高さを抑えることで、フレキシブル基板やリジッド基板を高密度に実装することが可能になります。物理的な制約が厳しいにもかかわらず、5Gエレクトロニクスは、電圧定在波比や挿入損失などの散乱パラメータに関する厳しい要件を満たす必要があります。適切に設計されたコネクターは、物理的な設置面積を減らしながら、信号の反射、劣化、歪みを最小限に抑えることができ、適切なシールドを施すことで、EMIの削減にも効果的です。

5Gのプロトタイプを設計・構築することは、新製品開発に向けての一つのステップに過ぎません。ハードウェアが厳しい仕様を満たしているかどうかを確認するためには、新しい厳格なテスト体制が必要です。そのためには、ローバンド、ミッドバンド、ミリウェーブの5G周波数帯をテストできる5G電波暗室などの新しい機器や施設の開発が必要です。十分な試験を行うことで、OEMメーカーは、自社の製品や関連部品が目的に完全に適合していることを確信することができ、製品の市場投入が遅れたり、使用時のパフォーマンスが低下したりするリスクを低減することができます。

最小限のスペースに最大限の性能を詰め込むことは、5Gの設計エンジニアにとってもう一つの課題です。最新の成形相互接続デバイス/レーザーダイレクトストラクチャリング技術は、既存の2D技術では実現できない複雑な3D電気的・機械的構造を緊密に統合することができます。これにより、小型・軽量の高機能デバイスが実現します。この技術は、MIDの2ショット成形プロセスの汎用性とレーザーダイレクトストラクチャリング技術の精度を組み合わせ、5Gデバイスのガイドラインを満たすコンパクトで高密度なアプリケーションを実現します。これらの技術は、性能に妥協することなく小型化に取り組みたい5Gデバイスメーカーにソリューションを提供します。

5Gネットワークがその期待に応えるためには、投資とイノベーションが必要です。設計エンジニアにとっての課題は、大量生産に適し、かつ顧客の期待に応える新しい5G製品を作り出すことです。そのためには、最適な5Gコンポーネントを選択し、それらを非常に繊細な環境に適切に組み込むとともに、正確なテストを行う必要があります。

5Gが広く普及するまでには2～5年かかると予測されていますが、5Gはあらゆる用途でエンドユーザーに多大な利益をもたらします。急速な需要増や、ワイヤレスアクセスの設備の早急な整備に向けて、め、OEMおよび通信サービスプロバイダーは、技術的需要を先取りするパートナーと協力することが重要です。

モレックスは5Gの研究開発に高度に投資しており、光、銅、RF接続、アンテナ、ネットワーキング、テスト、およびコンピューティングのソリューションを幅広く提供しています。最先端の製造装置や新しい高周波RFテストチャンバーへの投資を通じて、モレックスは費用対効果の高いクラス最高の製品の開発を可能にし、お客様が5Gのアイデアやテクノロジーをより早く市場に投入できるよう支援しています。

新たな5Gアプリケーションが進化し始めるにつれて、5Gのレイテンシー、スループット、および信頼性の要件を満たす柔軟なフロントホールソリューションに対するニーズが高まっています。この要求に応えるのが、次世代無線アクセスネットワーク（RAN）であり、無線ユニット（RU）、分散ユニット（DU）、集中ユニット（CU）間のファイバー接続リンクを提供します。CUの機能はリアルタイムではないと考えられているため、DUの場所から数十キロメートル離れた場所で運用することができます。このため、これらの相互作用はレイテンシーの影響を受けません。新たなアーキテクチャーに加えて、フロントホールトランスポートでは、RUからファーエッジDUへの帯域幅要件を低減する拡張CPRI（eCPRI）プロトコルが使用されます。3GPP 5G規格では、4G LTEのベースバンド機能の一部をDUとCUの間で分割できる手法を採用しています。その結果、パフォーマンスレベルはさまざまになります。使用する周波数帯によっては、4G LTEよりもパフォーマンスが中程度から大幅に向上し、ビットあたりのコストも低くなります。

5Gによるミリ波（mmWave）の使用には、いくつかの課題があります。特に、大気・気象条件・建材・木の葉などに関連する吸収損失が非常に大きいため、シグナルの伝搬が難しくなります。人体もロスの原因となります。ミリ波は、非常に狭いビームで伝搬します。これを可能にするプロセスをビームフォーミングと呼びます。別のプロセスでは、希望するユーザー機器（UE）の位置にビームを向けられます。これは、ビームステアリングと呼ばれるものです。さらに、これらの指向性ビームは、携帯電話などのユーザー機器がユーザーの移動に伴って位置を変えると、移動しなければなりません。これは、ビームトラッキングと呼ばれるものです。

ミリ波を使用することで、お客様のスループットが大幅に向上し、その他にも大きなメリットが得られます。ミリ波のシグナルは、特定の建材に反射する傾向があります。これにより、当初想定していなかった方向で、ミリ波シグナルを利用できます。例えば、反射が適切に計算されれば、アンテナアレイを使用して背面トラフィックをサポートできます。ミリ波の伝搬制限により、5Gの6GHz未満の周波数や4G LTEの700MHz周波数よりもはるかに短い範囲でこれらの周波数を再利用できます。基本的に、このプロセスによって、mmWaveの周波数帯が他の分野で使用できるようになり、周波数帯の利用が非常に効率的になります。

デバイスとセル間の5Gエアインターフェイスは、エンドポイント間のデータ・レートをスケールに応じて最大化するために、多入力多出力（MIMO）フェーズドアレイ アンテナアーキテクチャーに大きく依存しています。しかし、大規模なMIMOアーキテクチャーに必要な緊密にクラスター化されたアンテナ構成では、電子部品にパフォーマンス上の課題が生じます。ミリ波の高周波数では、アンテナアレイ上のアンテナ素子間の物理的な距離は極めてわずかです。波長が短ければ短いほど、その波長をとらえるために必要なアンテナ素子も小さくなります。アンテナエレメントが小さいほど、一定のアンテナアレイスペースにより多くのアンテナエレメントを配置できます。5Gのコンポーネントが増え、周波数が高くなれば、一般的な無線の場所での必要とされる電力も高くなると想定されます。ミリ波の同軸パワーを扱い、この環境下で熱を放散させることは厄介な提案であり、システム設計と材料選択の革新が必要です。このため、エンジニアは、より大きなMIMOアーキテクチャーで必要とされる小型パッケージを実現する、より高い電力密度を持つ第4世代の窒化ガリウムベースの電界効果トランジスターへの移行を加速させています。

国内および国際的なユビキタスな5Gカバレッジは一夜にして実現するものではなく、通信事業者が、到達距離・遅延・データ通信能力にばらつきのある代替周波数帯を使用してネットワークを展開するにつれて、段階的に実現することになるでしょう。事実、世界の一部の地域（主に農村部）では、6GHz未満の周波数でしかサポートされないため、高い周波数のミリ波がサポートするデータ・レートの恩恵を享受できない可能性があります。モレックスの調査によると、通信事業者の26%は、ミリ波の伝搬問題が5Gを提供する上での課題になっていると感じている一方、53%は、地方の家庭での5Gへのアクセスが、大きな新規事業収益を可能にする主要なユースケースになると感じています。（地方のネットワークを運用するためのコストは、同等の都市や郊外のネットワークよりも高くなり、多くの場合、コスト的に不可能になるため、これらの結果には異論があることに注意してください）。これは、4Gから5Gへの移行期に携帯電話などの新しいユーザー機器（UE）をリリースするモバイル機器設計者にとっての課題です。その解決策は、5Gに加えて4G LTE波形にも対応できるよう、新たなデバイスに複数の同調アンテナを組み込むことです。ミリ波と6GHz未満のアンテナ設計の選択は、もはやどちらか一方という選択肢ではありません。3G波形の包含は、より小さな程度で予想されます。

5Gの比較的低い周波数である6GHz未満の帯域では、アンテナの配置はパフォーマンス方程式の一部に過ぎません。アンテナとモバイル機器の内部構成には、その機器の無線通信の全体的な共振性能を決定する上で強い関係があります。薄型のモバイル機器に対するユーザーの嗜好を考慮すると、アンテナエンジニアはアンテナ設計を調整する際に、物理的な設計、材料の選択、内部コンポーネントの構成を考慮する必要があります。しかし、ミリ波周波数では、アンテナと電話機本体との相互作用はそれほど懸念する必要はありません。その代わりに、アンテナを覆うものは金属、ガラス、あるいはプラスチックであっても電子的に薄いとはいえず、その下にあるアンテナの放射パフォーマンスに悪影響を及ぼす可能性があるという課題があります。また、デバイスユーザーの手に対するアンテナの配置も、ミリ波の送受信に影響を与えます。ここで、設計エンジニアは、モバイル機器のアンテナの放射パターンを最適化するために、スロットベースの設計または周波数選択的な表面設計の原則をうまく採用できる、カスタマイズされたアンテナ設計とユニークなアンテナ配置を組み合わせる方法に注目しています。さらに、非理想的な方向のビーム伝搬損失を克服するために、UEで複数のアンテナを使用する必要があります。

デバイスのプリント基板上またはその近傍に配置される5Gアンテナの同軸パフォーマンスの質は、アンテナの製品への効果的な統合によって決まります。デバイスメーカーは、無線パフォーマンスを高めるために各デバイスにアンテナを最適にチューニングする同軸設計のベストプラクティスを求め、無線周波数エンジニアのスキルと経験をますます重視するようになっています。アンテナのチューニングテクノロジーには、アンテナの共振を必要な周波数帯域により近づけるためにアンテナの電気的長さを調整するアパーチャーチューニングと、アンテナのインピーダンスと同軸フロントエンドの相関を調整するインピーダンスチューニングがあります。チューニングされたアンテナはチューニングされていないアンテナよりも同量の送信電力の供給に消費する電流が少ないため、どちらのテクノロジーもより広い帯域幅にわたって利得を高め、バッテリー寿命を向上させることができます。これは、次世代5G携帯電話のパフォーマンスに関する消費者の期待に応える上で極めて重要な要素です。

高周波の5Gシグナルには、相互接続、基板トレース、ケーブルアセンブリー、コネクターに関するさらなる考慮事項もあります。消費者グレードの製品内部で、一連のコンポーネントに5G規格で規定された速度で数百万ビットを送信することは、大きな課題を提示します。コネクターは、伝送線路に沿ったインピーダンスの変動を最小限に抑えるよう、注意深く設計・製造されなければなりません。外部シグナルも脅威となり得ます。そのため、コネクターは電磁干渉や容量性ピックアップによる外部シグナルからシステムを十分に保護する必要がありますが、これは高速になるほど難しくなります。また、5Gコネクターは、最新のモバイルデバイスの小さなスペースに収まる必要があります。スタックコネクターは、フレキシブルながらも硬質な回路基板の高密度実装を可能にします。厳しい物理的制約があるにもかかわらず、5G電子機器は電圧定在波比や挿入損失などの散乱パラメーターに関する厳しい要件を満たす必要があります。うまく設計されたコネクターは、物理的なフットプリントを減らしながら、シグナルの反射・劣化・歪みを最小限に抑え、EMIを効果的にカットするために十分なシールドを施すことができます。

5Gの試作品を設計・製造することは、新製品開発に向けた旅の一歩に過ぎません。また、ハードウェアが厳しい仕様に適合していることを保証するため、厳格な新しい試験体制も必要です。このため、ローバンド、ミッドバンド、ミリ波の5G周波数帯を試験できる5G無響室など、新たな機器や設備の開発が必要となりました。十分な試験により、OEMは自社製品と関連部品が目的に完全に適合していることを確信でき、製品の市場投入が遅れたり、使用時にパフォーマンスが低下したりするリスクを低減できます。

最小スペースに最大のパフォーマンスを詰め込むことも、5G設計エンジニアの課題です。最新のモールド相互接続デバイス（MID）/レーザーダイレクトストラクチャリング（LDS） テクノロジーにより、既存の2Dテクノロジーでは達成できない複雑な電気的・機械的3D構造の緊密な統合が可能になります。その結果、コンパクトで軽量でありながら、高い能力を備えたデバイスが実現しました。この機能は、MID用の2ショット成形プロセスの汎用性とレーザーダイレクトストラクチャリング テクノロジーの精度を組み合わせ、5Gデバイスガイドラインに適合するコンパクトで高密度のアプリケーションを作成します。これらのテクノロジーは、パフォーマンスを犠牲にすることなく小型化に取り組みたい5G機器メーカーにソリューションを提供します。

5Gネットワークがその大々的な宣伝に応えるためには、投資とイノベーションが不可欠です。設計エンジニアにとっての課題は、大量生産に適し、顧客の期待にも応える新たな5G製品を生み出すことです。これは、最適な5Gコンポーネントを選択して高感度環境に適切に組み込むと同時に、正確なテストを行うことを意味します。

5Gが広く運用され、あらゆるアプリケーションでエンドユーザーに大きなメリットがもたらされるまでには2～5年かかると予測されており、消費者向けおよび固定ワイヤレスアクセスでは即時の需要があるため、OEMや通信サービスプロバイダーは、技術的な需要に先んじるパートナーと協力することが重要です。

モレックスは、5Gの研究開発に積極的に取り組んでおり、光、銅、同軸コネクティビティ、アンテナ、ネットワーキング、テスト、コンピューティングの幅広いソリューションを提供しています。最先端の製造装置と新たな高周波同軸テストチャンバーへの投資を通じて、モレックスは、お客様が5Gのアイデアと技術をより早く市場に投入できるよう支援する、コスト効率の高いクラス最高の製品の開発を可能にします。