5Gは、次世代の無線通信の象徴です。大容量化、低遅延化、広帯域化を実現する5Gネットワークには大きな期待が寄せられていますが、このような技術的進歩の価値は、エンドユーザーとの相互利益を実現する実際のユースケースに適用されて初めて実現されます。そのため、世界中のエンジニアが、ゲーム、バーチャルリアリティ、自律走行車、無線監視など、幅広い用途で5Gのメリットを発揮させようと努力しています。いずれの場合も、5Gは、企業が接続性の向上を利用して、革新的な新しい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っています。実際、モレックスの委託を受けてDimensional Research社が実施した最近の調査では、携帯電話会社の約半数が導入計画を当初の予想よりも遅らせていることがわかりました。5Gでは信号周波数が非常に高いため、信号の伝搬、電力や熱の管理、アンテナモジュールの配置などの分野で、エンジニアリング設計上の課題がありました。

しかし現在、エンジニアの努力が実を結び、5Gが世界中で展開され始めています。モレックスの調査によると、通信事業者の89%が5Gの将来性に期待しており、92%が今後5年以内に5Gビジネスの目標を達成すると予想しています。さらに、99%の通信事業者が、その期間内に5Gがエンドユーザーに実質的な利益をもたらすと期待していると回答しています。そこでモレックスは、5Gの実現に大きく貢献する10つの重要な技術的要素を以下で考察しています。

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。

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。