5G アーキテクチャとは

以前の世代のモバイルネットワークの主な目標は、高速で信頼性の高いモバイルデータサービスをネットワークユーザーに提供することでした。5G はこの範囲を広げ、複数のアクセスプラットフォームと多層ネットワークにわたって幅広いワイヤレスサービスをエンドユーザーに提供供します。

5G は、高度なテクノロジーの動的で一貫性のある柔軟なフレームワークにより、さまざまなアプリケーションをサポートします。基地局との近接性や複雑なインフラの制約を受けることのない無線アクセスネットワーク（RAN）と共に、よりインテリジェントなアーキテクチャが採用されています。5G は分離型で柔軟な仮想 RAN の道を開き、新しいインターフェイスを通して追加のデータアクセスポイントを生み出します。

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第 3 世代パートナーシッププロジェクト（3GPP）は、RAN、コア伝送ネットワーク、サービス機能などの通信技術を対象としています。3GPP は、以前の世代よりもはるかにサービス指向である 5G ネットワークアーキテクチャの完全なシステム仕様を提供しています。

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サービスは、その使用を許可されたネットワーク機能に共通のフレームワークを介して提供されます。これらのネットワーク機能のモジュール性、再利用性、および自己充足性は、3GPP 仕様で説明されている 5G ネットワークアーキテクチャの追加の設計考慮事項です。

5G スペクトラムと周波数
現在、複数の周波数範囲が 5G NR（New Radio）専用に割り当てられています。周波数が 30GHz～300GHz の無線帯域の部分は、波長が 1～10mm の範囲であることから、ミリメートル波（ミリ波）と呼ばれています。24GHz～100GHz の周波数は、世界中の複数の地域で 5G に割り当てられています。 

• ミリ波に加えて、十分に活用されていない 300MHz～3GHz の UHF 周波数と 3.7～3.98GHz のC バンド周波数も 5G 用に再利用されています。
• 使用する周波数の多様性は、アプリケーションに合わせて特化できます。高周波数は、帯域幅が広く、到達範囲が短いという特性があります。

  ミリ波の周波数は人口密集地域には最適ですが、長距離通信には効果的ではありません。

• 5G 専用のさまざまな周波数帯域内で、通信事業者はそれぞれ、5G スペクトラムの自社専用の部分を獲得し始めています。

MEC
マルチアクセスエッジコンピューティング（MEC）は 5G アーキテクチャの重要な要素です。MEC はクラウドコンピューティングの派生物で、アプリケーションを中央集約型データセンターからエンドユーザーとそのデバイスに近いネットワークエッジに移動させます。これは、本質的には、ユーザーとホストの間の従来の長距離ネットワークパスをバイパスし、コンテンツ配信のショートカットを作成するものです。このテクノロジーは 5G 特有というわけではありませんが、その効率性に 5G が不可欠であることは確かです。

• MEC の特徴には、5G アーキテクチャを前世代とは明確に際立たせる低レイテンシ、広帯域幅、RAN 情報へのリアルタイムアクセスなどがあります。
• 3GPP の 5G 仕様に基づく 5G ネットワークは、MEC 展開に理想的な環境です。これらの仕様では、エッジコンピューティングを実現するための要素が定義されており、MEC と 5G が共同でトラフィックをルーティングできます。
• レイテンシと帯域幅の利点に加え、コンピューティングパワーの分散により、5G 展開およびモノのインターネット（IoT）に伴う大量のコネクテッドデバイスが可能になります。 
• RAN とコアネットワークのコンバージェンスでは、通信事業者はネットワークテストおよび検証に新しいアプローチを活用する必要があります。 

NFV と 5G
ネットワーク機能の仮想化（NFV）では、ファイアウォール、ロードバランサー、ルーターなどのさまざまなネットワーク機能をソフトウェアとして実行する仮想化インスタンスに置き換えられることによって、ソフトウェアをハードウェアから分離します。これにより多くの高価なハードウェア要素に投資する必要がなくなり、導入時間も短縮できるため、収益を生み出すサービスを顧客に迅速に提供できるようになります。

NFV は、5G ネットワーク内のアプライアンスを仮想化することで 5G エコシステムを実現します。これには、複数の仮想ネットワークが同時に稼働することを可能にするネットワークスライシングテクノロジーなどがあります。NFV は、アプリケーションと顧客セグメントに基づいてカスタマイズされた仮想化されたコンピューティング、ストレージ、およびネットワークリソースにより、その他の 5G の課題に対処します。 

5G RAN アーキテクチャ
NFV の概念は、O-RAN などのアライアンスによって促進されたネットワークの分離を通じて RAN にまで拡張されます。オープン RAN アーキテクチャは、オープンインターフェイスとオープンソース開発を促進することで、新しい RAN 機能とテクノロジーの展開を容易にします。この進化は柔軟性を高め、新しい競争の機会を生み出します。  

O-RAN アライアンスの目的は、相互運用性を改善するするために、既製のハードウェアを使ったマルチベンダー展開を可能にすることです。また、ネットワークの分離により、ネットワークのより多くのコンポーネントを仮想化できるようになり、容量の増加に合わせてユーザーエクスペリエンスを迅速に拡張および改善する手段が提供されます。仮想化 RAN は、急速に拡大する IoT アプリケーションのエコシステムでハードウェアとソフトウェアのコストを抑制するために不可欠です。

eCPRI
機能分割によるネットワークの分離はまた、特に eCPRI などの新しいインターフェイスの導入により、他のコスト上のメリットももたらします。RF コストが急速に増加するため、多数の 5G キャリアをテストする場合、RF インターフェイスは費用対効果がよくありません。4G 用に開発された元の CPRI インターフェイスは、多くの場合ベンダー固有であり、通信事業者にとっては問題がありました。eCPRI インターフェイスは、複数の 5G キャリアのテストに使用できるインターフェイスが少ないため、より効率的なソリューションを提供します。eCPRI は、DU などの 5G O-RAN フロントホール要素の標準インターフェイスとして指定されています。 

ネットワークスライシング
5G アーキテクチャの可能性を最大限に引き出すための重要な要素はネットワークスライシングです。

このテクノロジーは、共有の物理ネットワークインフラ上で複数の論理ネットワークを同時に実行できるようにすることで、NFV ドメインに新たな次元を追加します。この機能は、ネットワーク機能とストレージ機能の両方を含む End-to-End の仮想化ネットワークを形成することで、5G アーキテクチャをサポートします。

• 通信事業者は、ネットワークリソースを複数のユーザーまたは「テナント」に分割することによってスループット、レイテンシ、可用性の要求が異なる多様な 5G ユースケースを効果的に管理できます。 
• ネットワークスライシングは、ユーザー数は極めて多くはなるが、全体の帯域幅需要は少ない IoT などのアプリケーションに極めて有用になります。 
• 5G の垂直市場にはそれぞれに固有の要件があるため、ネットワークスライシングは 5G ネットワークアーキテクチャの重要な設計考慮事項です。
• 運用費用、リソース管理、およびネットワーク構成の柔軟性は、ネットワークスライシングによって提供されるカスタマイズのレベルを使って最適化できます。
• 5G サービスの新たな可能性の迅速なトライアル、市場投入までの時間の短縮も、ネットワークスライシングによって可能になります。  

ビームフォーミング
5G の成功に不可欠なブレークスルーテクノロジーはビームフォーミングです。従来の基地局は、対象ユーザーまたはデバイスの位置に関係なく複数の方向に信号を送信します。多数の小型アンテナを 1 つの構成に組み合わせたマルチ入力マルチ出力（MIMO）アレイを使用して、信号処理アルゴリズムは、各ユーザーへの最も効率的な伝送パスを決定するのに使われます。個々のパケットを複数の方向に送信してから、あらかじめ決められた順序でエンドユーザーに到達するように構成することができます。   

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ミリ波を占有する 5G データ伝送では、アンテナのサイズが小さいことに比例する自由空間伝搬損失と、高周波と壁貫通の欠如に固有の回折損失がはるかに大きくなります。他方では、アンテナを小型化するほど、同じ物理スペースで占有できるアンテナ数を多くなるというメリットもあります。これらの小型アンテナのそれぞれが、1 ミリ秒あたり数回ビーム方向を調整または再割り当てすることが可能になるため、5G 帯域幅の課題をサポートする大規模なビームフォーミングがより実現可能になります。同じ物理空間でより大きなアンテナ密度を実現できるため、マッシブ MIMO を使うとより狭いビームを実現でき、高いスループットとより効果的なユーザートラッキングを提供できます。  

5G のコアネットワークアーキテクチャは新しい 5G 仕様の心臓部であり、5G が対応しなければならないスループット要求の増大に応えることができます。3GPP で定義されているように、新しい 5G コアでは認証やセキュリティ、セッション管理、エンドデバイスからのトラフィックの集約などの 5G 機能と対話操作のすべてに及ぶ、クラウドの位置に応じたサービスベースのアーキテクチャ（SBA）が採用されています。5G コアは、5G アーキテクチャ原則の中心である MEC インフラを使用して展開された仮想化されたソフトウェア機能を備えた NFV を重視しています。  

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4G アーキテクチャとの相違点
ミリ波への移行、マッシブ MIMO、ネットワークスライシング、多様な 5G エコシステムの基本的にすべての他の要素など、4G から 5G への転換に伴う無数のアーキテクチャ上の変更の中には、コアレベルの変更もあります。4G の 進化したパケットコア（EPC）は 5G のコアと大きく異なり、5G コアではかってないほどのレベルで仮想化とクラウドネイティブのソフトウェア設計が活用されています。

5G コアをその前の 4G から区別するその他の変更点としては、パケットのゲートウェイ制御とユーザープレーン機能を分離するユーザープレーン機能（UPF）や、セッション管理機能を接続およびモビリティ管理タスクから分離するアクセスおよびモビリティ管理機能（AMF）があります。 

5G アーキテクチャの選択肢
4G と 5G のギャップを埋めるには、漸進的な手順と十分に調整された作戦が必要です。この移行を象徴するのは、非スタンドアロンモードからスタンドアロンモードの 5G アーキテクチャへの段階的な移行です。5G の非スタンドアロン規格は、2017 年後半に最終化され、既存の LTE RAN およびコアネットワークをアンカーとして利用し、5G コンポーネントキャリアを追加しています。4G アーキテクチャに依存しているにもかかわらず、非スタンドアロンモードではミリ波周波数を利用することで帯域幅が増加します。

5G のスタンドアロンモードは、基本的には新しいコアアーキテクチャと、すべての 5G のハードウェア、特徴、機能の完全な展開をゼロから採り入れた 5G 展開です。非スタンドアロンモードは、すべての新しい 5G モバイルネットワークアーキテクチャの展開に徐々に取って代わられるため、慎重に計画し実装することにより移行は、ユーザーベースにとってシームレスなものになります。

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スタンドアロンの 5G 展開に固有のインフラには、さまざまな地域の 5G 統合において世界規模の段階的展開が必要となります。北米、アジア、ヨーロッパなどのテクノロジーをリードする地域では展開が急速に進んでおり、他の国々がすぐ後に続いています。ほぼ 200 のライブ 5G ネットワークが、すでに世界中でインサービスとなっており、モバイル 5G 接続の数は 2025 年までに 20 億を超えると予測されています。 

ヨーロッパでは国が近接しており、また通信事業者が急増していることから展開がより困難になっています。採用は他の地域に遅れをとっていますが、欧州委員会は、2030 年までにすべての人口密集地域で 5G アクセスを提供すること求める、デジタルコンパスとして知られる政策を開始しています。  

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中国、日本、インドなどの工業先進国は、5G への移行の実用面と財政面での影響に多額の投資を行っています。新しいアンテナ、インフラのハードウェアおよびソフトウェアテクノロジーは、世界中の電子業界やソフトウェア設計業界、製造業界にとって宝の山であり、迅速な展開が強調されています。インドの 4 大通信プロバイダーは、2022 年 8 月のスペクトラムオークションに続いて 5G サービスを展開しています。中国は、2025 年までに 364 万の 5G 基地局を設置すると予想されています。 

5G を実装すると、クラウドベースのリソース、仮想化、ネットワークスライシング、その他新技術を広範に利用できるため、パフォーマンス上の多大の利点とともに、アプリケーションの多様性をもたらします。これらの変更に伴い、5G セキュリティアーキテクチャ内で新たなセキュリティリスクと新たな「攻撃面」が現れます。 

• 5G のセキュリティ慣行は、過去のモバイル技術世代に基づいて構築されていますが、「信頼モデル」は、サービス提供プロセスに関与するプレーヤーが増えて拡大しています。
• IoT およびユーザー増大によって指数関数的にエンドポイント数が増え、それらのトラフィック入力の多くは人手では監視されなくなりました。
• 3GPP 規格で詳述されている改善された 5G セキュリティ機能には、認証をアクセスポイントから分離する統一認証、メタデータの悪用のリスクを軽減する公開鍵ベースの暗号化スキームなどがあります。 
• 5G の重要なパフォーマンスノードがますます仮想化されるにつれて、セキュリティの有効性の継続的な監視と評価が不可欠になります。
• ベストプラクティスには、システムアーキテクチャ、デバイス、アプリにわたる End-to-End の 5G ネットワークセキュリティ監視が含まれます。