5Gモバイルネットワークは、拡張現実、自律走行車、遠隔手術などのエキサイティングで新たなアプリケーションを可能にするという約束で販売されています。ただし、農村地域に信頼性の高いブロードバンド接続をもたらすなど、より実用的なテクノロジーのアプリケーションが、早期に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であるディメンショナル リサーチ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幹部の43%が、5Gの恩恵を最初に受けるのは消費者であり、次いで産業および産業用IoTアプリケーションであると考えていると回答しました。この帯域に続いて、農村地域向けのワイヤレスブロードバンドアクセスなどの固定ワイヤレス戦略が始まりました。このような5Gの早期導入者は、自律走行車や遠隔医療など、より人目を引くアプリケーションよりも数年早く、そのメリットを実感し始めると予想されます。

5Gは、旧世代のモバイルネットワーキング テクノロジーよりもはるかに高いデータ・レートを実現し、単位面積当たりの接続数を大幅に増やし、待ち時間を大幅に短縮します。5Gの機器メーカーやネットワーク事業者にとっての課題は、単一の同軸帯域でこれらの利点を一度に実現することが難しいため、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きたよりも複雑な無線インターフェイスや基地局の配置が必要になることです。

これは、なぜでしょう? その答えは、無線伝送の物理学に起因しています。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できますが、実際の伝搬距離はシグナル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、FR1とFR2という2つの重複する無線周波数帯を定義することで、この難問に対処しています。FR1は、410MHz～7,125MHzまでの6GHz未満の帯域をカバーしています。FR1バンドのシグナルが良好なカバレッジを達成することは、今日の4G基地局の分布で証明されており、その多くはミッドバンドのFR1周波数で動作しています。ただし、FR1シグナルは、ミリ波（mmWave）周波数で可能な高いデータ・レートをサポートしません。FR1バンドのもう1つの欠点は、WiFi・GPS・Bluetooth・Zigbeeシグナルなどの競合シグナル用や、他のソースからの電磁干渉ですでに混雑していることです。

5GのFR2バンドは、24～52.6GHzの周波数範囲のミリ波の使用を規定しています。これらの周波数は、FR1の周波数よりも帯域幅が広く、データ・レートが高いのですが、その代償として、伝搬距離が大幅に短くなり、都心部などの密集地帯のユーザーに見通し線接続を提供するために、スモールセル基地局の利用が増えます。

そのため、ネットワーク機器や携帯端末の開発者にとって、5Gの実装に関わる課題は、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同軸インターフェイスを構築することなのです。多くの機器メーカーにとって、ミリ波スペクトルをサポートするには、新たなスキル開発が必要です。なぜなら、マイクロ波シグナルは、より低い周波数のソリューションと比較して、PCBの配線、コネクターのインピーダンス整合、アンテナの設計・調整、材料の選択などの問題の影響を受けやすいためです。また、5Gの実装の多くは、利用可能なスペクトラムを最大限に活用するために、多重入力・多重出力（MIMO）、ビームフォーミング、ビームステアリングなどの戦略を実装する予定です。このため、効率的な複数アンテナのミリ波アレイの設計が必要になり、多くの場合、FR1バンドシグナル用の別々のアンテナアレイと共存する必要があります。設計者はまた、これらのアンテナを駆動するために必要な同軸パワー用アンプの効率と帯域幅の間でトレードオフを行い、携帯電話またはスモールセルの筐体という非常に狭い場所で、高シグナル用インテグリティ、低相互干渉、および効果的な熱管理を実現する必要があります。それは簡単なことではありません。

地方での環境における5Gの機会について、このすべてが物語っているのは何でしょう? 第一に、地方における課題は明確です。ブロードバンド接続の利点を農村地域にもたらすことはしばしば困難であり、その理由は、中心点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額となるためです。受信料収入では、溝掘りやケーブル配線の費用を賄うことはできません。

5Gは、統合アクセスとバックホールとして知られる戦略を使用して、固定無線ブロードバンドアクセスを提供することによって、これらの問題に対処できます。この方式では、中央基地局は、埋設ファイバー、マイクロ波ポイントツーポイントリンク、あるいは単に専用5Gリンクを介して、残りのセルラーネットワークに接続されます。この接続がもたらす帯域幅は、5G経由で各加入者宅の固定無線端末に再配信されます。ミッドバンドのFR1周波数を使用することで、地理的なリーチを確保し、ホーム端末のビームフォーミング戦略と高利得アンテナは、利用可能な周波数を最大限に活用するのに役立ちます。ミリ波FR2周波数に切り替えると、より短い距離でより大きなデータ・レートを実現できるため、農村部の集合体や都市部の既成市街地ではより理にかなっているかもしれません。いずれにせよ、エリクソンの実験によれば、このアクセスおよびバックホールの統合戦略は、4K動画のストリーミングに十分な接続性を提供でき、多くの場合、有線ホームブロードバンドよりも高いデータ・レートを提供しています。

そのため、ホーム端末・中継器・スモールセル・基地局からなるエコシステム全体を構築し、5Gを広く分散したコミュニティに妥当なコストで提供する機会が存在します。それは、そのような機器の潜在的な市場、周波数帯域の利用可能性、規制の進展といった重要な要因を理解すること、さらに、世界中の任意の条件下で長期的に展開するために、そのような高度なミリ波機器を比較的低コストで設計・製造するという技術的課題に対処することです。

モレックスは、数十年にわたって、進化する世界や地域のセルラー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。高周波マイクロコネクターの開発、ミリ波アンテナの設計、物理的な構成や材料の選択が、同軸パフォーマンスに与える影響などの問題を理解しています。モレックスはまた、ローバンド、ミッドバンド、およびミリ波デバイスの効果的なテスト戦略を開発し、当社の5Gソリューションが要求仕様を満たしていることを検証できる無響室を完備しています。さらに、当社チームは、それぞれの設計課題に対して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ており、開発時間とコストを効率化できます。さらに、複雑な電気的・機械的構造を3次元的に緊密に統合し、省スペースかつパフォーマンスをコントロールできる特別な生産設備も備えています。

5Gは、モバイル通信にエキサイティングな新機能を提供しますが、最もすぐに役立つアプリケーションの1つは、本来ならアクセスできなかった地域にブロードバンド接続をもたらすことかもしれません。地方に暮らす家庭や、製造プロセスのスピードと精度を上げるために自動化機器やロボットを必要とする遠隔地の工場にとって、5Gはその未来を担っています。