0. はじめに
モバイル通信のネットワーク用語で、「セル」と言う言葉を聞いたことがある方は、少なくないと思います。「セル」(Cell)と言う英語を普通に日本語に訳すと、「細胞」ですが、モバイル通信においては、短く言えば、
「基地局から発射される電波の届く範囲」
と言う意味です。
一方、携帯電話によって、音声通話やWEB接続が出来る仕組みは、短く言えば、
「移動機(携帯電話) ⇔ 基地局ネットワーク ⇔ コアネットワーク ⇔ 電話網，インターネット網」
のネットワークにより成り立っています。つまり、「セル」と言うのは、モバイル通信のネットワークの中で、加入者(携帯電話)に最も近い位置にあるものです。クドクドとした説明を省略するために(笑)、以下の図をご参照いただければ、幸いです。
これは、2023年現在のモバイル通信の主力ネットワーク・4G(LTE)のイメージです。この例では、9の基地局を記載しておりますが、それぞれ3方向に電波を発射しているため、27の「セル」が存在することになります。
「広いサービスエリア」を動植物に例えるなら、「基地局の電波がカバーする狭いエリア」が細胞に例えられるという意味で、「セル」という言葉が使われています。また、「セル」によってサービスエリアを構築する方式を、「セルラー方式」と言います。
主力ネットワーク・4Gや、最新ネットワーク・5Gには、1G(アナログ)、2G(デジタル)、3G(W-CDMA、CDMA2000)に比較して、高い周波数帯が使用される様になって来ています。
・ 1G ・・・ 800MHz帯
・ 2G ・・・ 800MHz帯、1.5GHz帯、1.9GHz帯 (※1)
・ 3G ・・・ 800MHz帯、1.5GHz帯、1.7GHz帯、2GHz帯
・ 4G ・・・ 800MHz帯 (※2)、900MHz帯 (※2)、1.5GHz帯、1.7GHz帯、2GHz帯
・ 5G ・・・ 700MHz帯 (※3)、3.5GHz帯 (※3)、3.7GHz帯、28GHz帯、他
(※1) PHS向け。
(※2) 総務省による「710MHz～960MHz」の周波数再編(2012年)実施後、800MHz帯は引続き、NTTドコモ、
(※3) 総務省からは当初、4G用に割当てられたが、移動体通信事業者各社によりのちに、5Gに転用。
周波数が低い(波長が長い)ほど、伝搬距離が長く、回折しやすいという特徴があり、逆に、周波数が高い(波長が短い)ほど、伝搬距離が短く、直進しやすいという特徴があります。
そのため、上記の内、3.7GHz帯、28GHz帯などは、800MHz帯、900MHz帯などに比較して、1つの基地局の電波がカバー出来るエリアが狭くなります。その分、言うまでもなく、一定のエリアをカバーするためにより多くの基地局が必要になります。この傾向は、今後、5Gのサービスエリア拡大、6Gのサービス開始の過程で、さらに顕著になることは間違いありません。
この様な基地局、または、それらによりカバーされるエリアを、一般的に、「スモールセル」と言います。
その一方で、移動体通信の「スモールセル」の普及拡大とほぼ同時期に、「Wi-Fi」もまた、従前にも増して注目され始めています。
ここでは、大きく分けて、「スモールセル」、「移動体通信とWi-Fiの共存」について説明しています。
テーマは、次の8つです。
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1. スモールセル
2. スモールセルの市場展望
3. 5Gの周波数帯
4. 基地局の種類
5. 基地局のイメージ，写真
6. 5GとWi-Fi
7. 関連トピックス
8. その他参考
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それでは、早速始めさせていただきます。どうぞ最後までお付き合いください。
1. スモールセル
1.1. 5G スモールセルの紹介
● 2026年までに、 38,000,000 の「スモールセル」が展開され、企業，商業施設などの環境、続いて、都市部，地方部のサービスプロバイダー環境へと波及していくことが見込まれる。
☆ 一般的には無線機出力 5 W 未満の基地局(ピコセル、フェムトセルなど)を「スモールセル」と位置づけることが多い。
出典： https://www.litepoint.com/ja/blog/5g-スモールセルの紹介/
https://wirelesswire.jp/2010/06/34631/
1.2. 使用例
● 数千～数万人のユーザーがいる閉空間(スポーツ競技場、コンサートホール等)では、「スモールセル」を閉空間および周辺に設置する。ユーザー急増時(トラフィック上昇時)に通信容量を拡充し、ネットワーク枯渇に備え、全てのユーザーの快適な通信品質、通信速度を維持する。
● 車両間通信、車両～インフラ間通信を可能にする。特に、事故の可能性が高い場所、人命が危険にさらされる可能性が高い場所で安全維持のためのアプリケーションの動作に必要な膨大な通信量を処理するインフラを構築する。
● スマートシティでは、信号機、街路灯などに設置する。 都市部でのカバレッジを拡張し、スマートシティ 各機能実現に必要な通信速度を確保する。
● 住宅地、商業ネットワークのニーズにも対応出来る。 ユーザーが少ない地域は、「マクロセル」は費用対効果 が低いため、「スモールセル」が有効な代替手段となる。 住宅、家屋の近くに設置することでカバレッジ不足に よる通信速度劣化を解消出来る。
1.3. 主な特長
● コンパクトサイズ かつ 低消費電力である。
● コアネットワークから高人口密度の都市部への拡張、室内(企業内など)での使用における個人 または イントラネットワークの拡張が可能である。
● 都市部での使用におけるオーバーロード状態の「マクロセル」から「スモールセル」へのユーザーのオフロード(負荷軽減)が可能である。
● 建物などの遮蔽物がネットワークの障害となるエリアにおけるカバレッジ拡張、スループット改善が可能である。
● 「マクロセル」と比較して地方部、住宅街での展開も容易である。
1.4. 各ワイヤレス世代における役割の深化
● 「スモールセル」は、3G，4G ネットワークでも展開されていた。5G ネットワークで誕生した新しい技術ではない。
● 3G ネットワーク(W-CDMA、CDMA2000)では、携帯電話ネットワークが多くのユーザーを収容出来る様に、カバレッジを拡張する手段として住宅地などで使用されて来た。
● 4G ネットワーク(LTE)では、設備投資最適化に使用されて来た。 (都市部、大型ビル内の企業などのネットワーク高密度化に対応するため。)
● 5G ネットワークでは、携帯電話、スマートフォンなど個人だけでなく、IoT 機器、自動車、未来型アプリケーションなどの産業分野まで、あらゆるモノを接続するため、重要な役割を担うことになる。
● 「スモールセル」がカバレッジを拡張し、低遅延，高信頼性を可能にして、高速，大容量のパフォーマンスを維持しつつ、多数同時接続にも対応出来る様になる。
2. スモールセルの市場展望
2.1. 移動体通信，IT専門調査会社による調査結果
● LTE(3.9G)サービス開始より約1年経過後(2014年1月現在)の移動体通信事業者3社の基地局構成は、出力別基地局数と周波数帯別構成で見ると、大きく異なっている。ネットワーク構築の歴史的な経緯もあるが、トラフィック対策へのアプローチの違いも大きく影響している。
● NTTドコモ ＝ マイクロセル中心のセル構成。
トラフィック対策として、多セクタ化(6セクタなど)と「クワッドLTE」に見る周波数帯域の拡大に
重点を置く。
● KDDI ＝ ピコセル中心のセル構成。
トラフィック対策として、「スモールセル化」(ピコセルなど)とそれに伴う干渉対策に重点を置く。
● ソフトバンク ＝ マクロセル中心のセル構成。
トラフィック対策として、Wi-Fi やフェムトセルを使ったオフロードに重点を置く。
但し、グループ会社・WCPのTD-LTEを含めれば、「スモールセル」展開でも進んでいる。
出典： https://www.mca.co.jp/ifr/NewsRelease/small%20cell%20Basestation%20NL.pdf
2.2. 今後の展望
● LTE(3.9G)サービス開始より約1年経過後(2014年1月現在)は日本国内ではまだ数万局に留まっているが、前述通り、今後は世界レベルでは数千万局の規模が見込まれている。
● 現状、5Gに割当てられている周波数帯は、Sub-6が 900 MHz幅、ミリ波が 2500 MHz幅だが、新たな5G候補として、Sub-6に 160 MHz幅、ミリ波に 8250 MHz幅が検討されている。
(いずれも、LOCAL 5Gを含む。)
● また、6G特定実験対象局として検討されている周波数帯は、92 G ～ 100 GHz，152 G ～ 164 GHz，287.5 G ～ 312.5 GHz。
● スモールセルの市場拡大の傾向が従来の想像以上に顕著になっていくことが想定される。
出典： https://hyudaepon.net/2021/11/18/4534/
https://www.i-pex.com/ja-jp/library/article/what-is-5g
2.3. [参考] 3事業者の東京23区の出力別基地局数と周波数帯別構成 (2014年1月現在)
2.4. [参考] 3事業者の全国ベースの新局数 (2014年1月時点予想)
3. 5Gの周波数帯
3.1. サービス開始
● 2020年にサービスを開始した。
● 2020/03/25 NTTドコモ DL ＝ 3.4 Gbps，UL ＝ 182 Mbps
● 2020/03/26 KDDI DL ＝ 2.8 Gbps，UL ＝ 183 Mbps
● 2020/03/27 ソフトバンク DL ＝ 2.0 Gbps，UL ＝ 103 Mbps
● 2020/09/30 楽天モバイル DL ＝ 2.8 Gbps
(サービス開始当初は 870 Mbpsだったが、11月に速度向上。)
※ DLは下り(基地局→移動機)通信速度理論値、 ULは上り(移動機→基地局)通信速度理論値。
3.2. 周波数帯
● 総務省より移動体通信事業者4社に、サービス開始当初より次の周波数が割り当てられている。
● 3.6 G ～ 4.0 GHz (3.7GHz帯) [各事業者 : 100 MHz幅]
● 4.0 G ～ 4.1 GHz (4GHz帯) [KDDI : 100 MHz幅]
● 4.5 G ～ 4.6 GHz (4.5GHz帯) [NTTドコモ : 100 MHz幅]
● 4.6 G ～ 4.9 GHz (4.7GHz帯) [LOCAL 5G : 300 MHz幅]
● 27.0 G ～ 28.2 GHz (28GHz帯) [各事業者 : 400 MHz幅]
● 29.1 G ～ 29.5 GHz
● 28.2 G ～ 29.1 GHz (28GHz帯) [LOCAL 5G : 900 MHz幅]
● まず、2020年、「3.7GHz帯」を使用してサービス開始。
また、2022年現在、「28GHz帯」も一部の地域では展開開始しているが、本格展開は数年後になると見られる。
さらに、2021年以降、次の周波数の4G → 5G転用も実施されている。
● 773 M ～ 803 MHz (700MHz帯_DL)
● 718 M ～ 748 MHz (700MHz帯_UL)
● 3.4 G ～ 3.6 GHz (3.5GHz帯)
3.3. 各周波数の役割
● 5Gは3G，4Gと比較して、比類ないスループットの一方、狭いカバレッジエリアが最大の弱点。
● 総務省より従来割り当てられていた「3.7GHz帯」，「28GHz帯」だけでは、5Gの十分広いカバレッジエリアを構築することは不可能。
● このため、「700MHz帯」を4G→5Gに転用し、「キャリアアグリゲーション」により、広いカバレッジエリアと比類ないスループットの両方を実現する。
※ 「キャリアアグリゲーション」については後述。
● 2023年現在の基地局展開状況は概ね次の通り。
● 「700MHz帯」はある程度展開済だが、一部地域で不感地帯対策工事を継続中。
● 「3.7GHz帯」は「3.5GHz帯」などと合わせて急ピッチで工事が進められている。
● 「28GHz帯」は各事業者の方針によりバラツキはあるが、「700MHz帯」によりカバレッジエリア
が確立し、「3.7GHz帯」がある程度展開されたのちに急ピッチで工事が進められると見られる。
3.4. 4G キャリアアグリゲーション
● 4Gでは、「キャリアアグリゲーション」と言う、複数のLTE搬送波を同時に用いて通信を行う技術を使用し、 パフォーマンス向上(高速，大容量)を実現する。
(連続する周波数帯は元より、不連続の周波数帯でも複数同時に使用可能。)
● 以下は、「キャリアアグリゲーション」の一例。
● 800MHz帯(10MHz幅)のみ → 75Mbps
● 800MHz帯(10MHz幅) ＋ 2GHz帯(10MHz幅) → 150Mbps
● 800MHz帯(10MHz幅) ＋ 2GHz帯(10MHz幅) ＋ 1.5GHz帯(10MHz幅) → 225Mbps
3.5. 5G キャリアアグリゲーション
● 5Gでは、「キャリアアグリゲーション」が、カバレッジ拡張とネットワーク容量増加に重要な役割を果たす。
(4Gと同様、不連続の周波数でも複数同時に利用可能。)
● 4Gでは、パフォーマンス向上(高速，大容量)が最大の目的だが、5Gでは、様々なアプリケーション(高速，大容量、多数同時接続、低遅延，高信頼性)の実現のために、4G以上にその役割が重要である。
4. 基地局の種類
4.1. 基地局のスモールセル化
● 1G(アナログ)、2G(デジタル)、3G(W-CDMA、CDMA2000)に比較して、4G(LTE)以降、基地局の「スモールセル化」が進んでおり、5Gの「28GHz帯」登場により、今後、その傾向はより顕著になると見られる。
● その分、言うまでもなく、一定のエリアをカバーするためにより多くのセルが必要になる。
● 各事業者の方針によりバラツキはあるが、基地局展開、カバレッジエリア構築のために、より多くの人力が必要になることが予想される。
4.2. 移動体通信事業者各社が採用する5Gベンダー
出典： https://www.mca.co.jp/info/5greport-2020-release/
4.3. 基地局の形状
● 基地局はアンテナ、無線機(送受信機)、GPS、フィーダ(同軸、光ファイバー、イーサネットなど)で構成されており、その形状と役割の違いによって大きく4種類に分けられる。
● 以下は、4種類の概要。
● 鉄塔局 ＝ 鉄塔の頂上付近に設置されており、通常、20～50m程度の高さ。
その分、広いエリアをカバー出来る。主に、郊外(Rural area)で利用される。
● ビル局 ＝ ビルやマンションの屋上に設置されており、通常、10～30m程度の高さ。
鉄塔局と同様、広いエリアをカバー出来る。主に、市街地(Urban area)で利用される。
● 小型局 ＝ 電柱など既存の設備に設置されている。
屋外の狭いエリアをカバーする小型，軽量の基地局。
● 屋内局 ＝ 地下街、地下鉄駅構内、大型ビル地下フロア、高層ビル屋内フロアなどに設置される。
屋内の狭いエリアをカバーする基地局。
近年は、アンテナ部分が透明で目立たない「可視光透過アンテナ」も多い。
出典： https://time-space.kddi.com/au-kddi/20190801/2707
5. 基地局のイメージ，写真
5.1. 2020年現在主に使用されている基地局
FD-LTE ／ TD-LTE ／ Massive MIMO
https://www.softbank.jp/biz/mobile/network/technology/massive-mimo/
5.2. マイクロセル
オフラインや災害時にも機能する独立型の5Gマイクロセル基地局
https://tornado-japan.jp/model/
5.3. ピコセル＿屋外
「電柱に5G基地局を」 東京電力、KDDI、ソフトバンク、楽天モバイルが実験
https://k-tai.watch.impress.co.jp/docs/news/1175476.html
5.4. フェムトセル＿屋外
東京都 西新宿のスマートポール3倍に 5G実験に活用
https://www.nikkei.com/article/DGXZQOCC234VB0T20C21A4000000/
5.5. ピコセル＿屋内
WiMAX(車両用Wi-Fiレピータ)、XGP、LTE基地局などを展示 ― CEATEC JAPAN 2009 京セラブース
https://www.itmedia.co.jp/mobile/articles/0910/08/news099.html
5.6. フェムトセル＿屋内
小さく分けると使いやすい？ —フェムトセルとは—
https://www.tdk.com/ja/tech-mag/knowledge/149
5.7. AGC製 5Gミリ波透明アンテナ
● AGC製品 ー 窓ガラスに設置可能な「FWA用5Gミリ波透明アンテナ」 ー
https://www.agc.com/news/detail/1202863_2148.html
● AGC株式会社 TOP PAGE
https://www.agc.com/index.html
● AGCと5G ー 生活インフラ｜5G (次世代高速通信) ー
https://www.agc.com/hakken/infra/048_5g.html
5.8. DXアンテナ製 5Gレピータ
● DXアンテナ製品 ー 5Gネットワークに対応したネットワーク中継機器・「5Gミリ波リピーター」 ー
https://s-max.jp/archives/1800709.html
● DXアンテナ株式会社 TOP PAGE
● DXアンテナと5G ー 九工大におけるローカル5G不感地帯対策に向けた実証実験の実施 ー
https://www.dxantenna.co.jp/news/5grelease/
6. 5GとWi-Fi
6.2. 5Gの特徴
6.3. 5GとWi-Fi 6の住み分け
● 現状、「4G」、「Wi-Fi 5」は、屋内外のどちらにも利用されている。
● 他方、「5G」は、アウトドアや通信や交通機関を主とする「屋外ネットワーク」 、「Wi-Fi 6」は、一般家庭や企業など、インドアを主とする「屋内ネットワーク」で活用されると言われている。
それぞれの普及により、完全な住み分けが可能になる。
● しかし、現状、「5G」は先述の特徴(メリット)の一方、クリアしなければならない課題や問題点も多い。
● カバレッジエリアの整備
● 5G対応設備、5G対応デバイスの設置
● セキュリティ対策
6.4. 5GとWi-Fi 6の共存
● 「Wi-Fi 6」は、「5G」に先行して導入され、「Wi-Fi 5」からの通信速度向上、電波距離拡張、安定性向上など、パワーアップしている。
● 「Wi-Fi 6」は、電波干渉を受けにくく、障害物に関係なく通信が行えるなど、「5G」の弱点を補うメリットが多い。
● 「5G」は、通信事業者が多額の費用をかけて開設した基地局の電波を利用しており、「3G」，「4G」と同様、パケット制度が適用されるため、高速・大容量通信が可能である一方、「5G」だけでは、いわゆる「ギガ不足」頻発の懸念が大きい。
● 次世代移動体通信の核となる「5G」と、その弱点を補う「Wi-Fi 6」。
この2つが揃ってこそ「最強」と言える。
6.6. 無線LANの周波数一覧
6.7. 移動体通信の規格
6.8. 無線LANの規格
7. 関連トピックス
7.1. 5GとWi-Fiの違い
● ついに「5G」が登場！！ これからも「Wi-Fi」は必要？
https://www.inaba.co.jp/abaniact/column/index_02.html
● 「Wi-Fi 6」とは？ 「5G」や「Wi-Fi 5」との違いをわかりやすく解説。
7.2. 5G関連、6GHz帯 関連
● NTTドコモとJR東海 283km/hの新幹線と地上で「5G」通信の実験成功。200km/h以上は世界初
https://www.docomo.ne.jp/binary/pdf/corporate/technology/rd/topics/2019/topics_190930_00.pdf
https://jr-central.co.jp/news/release/_pdf/000040020.pdf
https://xtech.nikkei.com/atcl/nxt/news/18/06076/
https://travel.watch.impress.co.jp/docs/news/1209986.html
→ 東海道新幹線車内の移動機から28GHz帯実験用基地局へのアクセス，実験局間のハンドオーバー，
実験局経由での8K映像ダウンロード実施時のパフォーマンスの良好な結果が得られている。
● Wi-Fiで「6GHz帯」が登場。自動車内での「5.2GHz帯」が利用可能に。
https://internet.watch.impress.co.jp/docs/news/1437400.html
https://www.itmedia.co.jp/mobile/articles/2209/02/news169.html
● 「6GHz帯」 (6425 M ～ 7125 MHz) 周波数拡張に向けた検討状況。
https://www.soumu.go.jp/main_content/000845626.pdf
https://businessnetwork.jp/article/10436/
7.3. Wi-Fi 通信規格
● Wi-Fi 通信規格
https://www.wti.jp/contents/blog/blog211207.htm
● Wi-Fiの新規格・「IEEE 802.11ax」とは？
https://www2.elecom.co.jp/network/wireless-lan/column/wifi_column/00080/
● 次世代無線LAN・「IEEE 802.11be」の衝撃。
https://xtech.nikkei.com/atcl/nxt/mag/nnw/18/021700130/021700002/
● 「60GHz帯」の「IEEE 802.11ad」は普及進まず。
https://internet.watch.impress.co.jp/docs/column/nettech/1122156.html
7.4. IEEE 802.11ah 関連
● 「IEEE 802.11ah」について。
https://www.11ahpc.org/11ah/index.html
● M2M，IoT時代に対応するWi-Fiファミリーの新規格・「IEEE 802.11ah」標準とそのユースケース。
https://sgforum.impress.co.jp/article/3586?page=0%2C2
● 「IEEE 802.11ah」の現状は？ 遂に国内利用が可能に。
https://businessnetwork.jp/article/11094/
● 長距離 Wi-Fi・「IEEE 802.11ah」の国内普及に向けた取り組み事例の紹介。
https://www.jstage.jst.go.jp/article/jime/55/2/55_205/_pdf
8. その他参考
8.2. 通信速度(ダウンリンク理論値) － KDDI
