今日の無線通信ネットワークの容量は、 100万倍に増加しました 。これは、1957年に最初の セルラーネットワーク が導入されて以来のことです。
しかし、この改善はWiFi、2G、3Gなどの接続技術の進歩によるものではありません。これらがもたらした増加はわずか5倍です。ネットワークトラフィックを運ぶために追加の無線周波数スペクトルを使うことで25倍の改善がありましたが、単独で最大の改善をもたらしたのは、ネットワークを構成する「セル」の縮小で、1,600倍の増加を占めています。言い換えれば、より多くのネットワークトラフィックを運べる、ノードがより密集したネットワークを構築するため、物理的なネットワーク塔や中継器などの設備を増設することです。
しかし、これは非常に高くつきます。ケーブルを敷設するための掘削、塔や基地局の設置、据え付けと保守、そしてそれに伴うあらゆる計画や官僚的な手続きが必要です。そのため、次世代の5Gモバイルネットワークの設計の多くは、インフラを追加するコストをかけず、既存設備からより高い速度と容量を引き出すことに重点を置いています。
送受信の分離
現在検討されている分野の一つに、ダウンリンク（DL）とアップリンク（UL）を分離する考え方があります。共同発明者の一部はこれを DUDeと名付けました。第1世代のモバイルネットワークから最新の4Gまで、あらゆる通信セッションのダウンリンク（受信）とアップリンク（送信）は連動していました。つまり、携帯電話は一度に一つの基地局と接続し、データの送受信は同じ接続を通じて行われます。
歴史的には、これはほぼ最適な方式でした。基地局と携帯電話が、両方向で確保できる最も強い接続を確立できたためです。しかし、モバイルネットワークが多様化し、さまざまなサイズのネットワークセルや送信出力の異なる電波塔が混在するようになった今、両者を分離する方が理にかなっています。携帯電話は最大速度を得るために高出力の大きなネットワークセルから情報を受信し、低出力の無線機を介して小さなセルからデータを送信できます。これにより容量を2倍にし、接続の信頼性を最大10倍に高められます。
複信方式を倍増させる
もう一つ検討されている分野は、 全二重 無線伝送です。全二重とは、従来のアナログ固定電話で互いに話しながら会話できるのと同じように、同じ周波数で同時に送受信できるという考え方です。
衛星放送、放送、モバイルネットワーク業界でネットワークのカバー範囲を広げるために使われる種類の中継器は、何十年も全二重方式を採用してきました。ただしこれは、強い送信信号が弱い受信信号に干渉しないよう、十分に離して配置した2本のアンテナを使って実現しています。単一アンテナで全二重動作を実現するシステムは、誰が設計できるでしょうか。
鍵となるのは、 信号エコーキャンセルの利用です。最初の画期的な研究は 1978年に発表されました が、実用化 されたのは1990年代になってからでした。これらのシステムはいずれも、強い送信信号を弱い受信信号から取り除いて干渉をなくすことを基本としています。しかし、この技術が機能するのは数MHz程度のかなり狭い帯域幅に限られます。
広い帯域幅で全二重を実現する能力が得られたのはごく最近で、範囲は10～100MHzに及びます。この場合、キャンセルはアナログ領域とデジタル領域の両方で行われます。
この分野をリードする企業の一つが、 Kumu Networksです。スタンフォード大学の技術者らが立ち上げたスピンアウト企業で、 信号反転キャンセル 技術を用いた全二重の初実演を 4年前に行い、その後1,500万米ドルの投資資金を獲得しました。この技術は既存の理論研究を発展させ、実際のセルラーシステムに適合しています。提案された機能を実用可能な製品へと進める重要な一歩です。
同様の技術を使い、コロンビア大学の技術者らは最近、これを 単一のチップ上に実装しました。全二重に必要な回路を小型化し、初めて一つのシリコンチップに収めたのです。この規模であれば、性能向上のために携帯電話端末やタブレットへ導入できる可能性があります。既存の携帯電話やタブレットにシリコンチップを追加するのは比較的容易なため、ゲームチェンジャーとなる可能性があります。多少の追加調整を経て、これが広く導入されれば、実質的に一夜にしてネットワーク容量を倍増できるでしょう。
アンテナを大幅に増やす
別の方法は、Massive-MIMOと呼ばれる大規模多入力多出力アンテナシステムです。 ベル研究所のTom Marzettaが発明したこの方式では、可能であれば基地局や携帯電話端末に非常に多数のアンテナを詰め込みます。今日一般的に使われている3～6本ではなく、数千本のアンテナを想定しています。直感に反しますが、理論上はシステム内の 干渉をなくし 、ネットワーク容量と信頼性を大幅に高められます。
現時点では、これらの方法はいずれもまだ初期段階にあり、かなりの課題に直面しています。しかし、こうした5G設計にはソフトウェアとハードウェアのアップグレードがある程度必要になるものの、穴を掘ってケーブルを敷設する必要はありません。
この記事は、 The Conversationとの協力のもと掲載しています。掲載は、世界経済フォーラムが見解を支持することを意味するものではありません。
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著者：Mischa Dohlerは、英国キングス・カレッジ・ロンドンの無線通信学教授です。
画像：ニューヨークの5番街を渡るのを待つ間、AppleのiPhoneを使う女性。REUTERS/Lucas Jackson。
