5Gの全体像と技術革新：仕組み・用途・課題を徹底解説

2025年12月12日 最終更新日時 : 2025年12月12日 エバープレイ編集部

はじめに：5Gとは何か

5Gは第5世代移動通信システムの総称で、従来の4G（LTE）を超える通信性能と柔軟なネットワーク機能を提供することを目的としています。ITUが掲げたIMT-2020の要件を基に、3GPPが規格化したNR（New Radio）を中核技術として、エンタープライズ用途から大規模IoTまで幅広いケースを支えることを目指しています。

設計目標と主要なユースケース

5Gは主に三つのキーシナリオを想定して設計されています。

  • eMBB（Enhanced Mobile Broadband）：動画配信やVR/ARなど大容量データ通信を高速に行う用途。ピーク速度は理論的に数Gbps〜数十Gbpsのレンジを想定します。
  • URLLC（Ultra-Reliable Low Latency Communications）：産業用制御や遠隔手術、自動運転支援など、超低遅延と高信頼性が求められる用途。目標遅延は1msオーダー。
  • mMTC（Massive Machine Type Communications）：多数のIoT機器が同時接続するシナリオ。低消費電力かつ大規模接続を実現することが求められます。

無線技術の基礎：NRと周波数帯

5G NRは2つの周波数レンジで展開されます。FR1はおおむね450MHz〜6GHz、FR2はおおむね24.25GHz〜52.6GHzと定義され、FR1は広域カバレッジと中容量、FR2（一般にmmWaveと呼ばれる）は非常に広い帯域幅を使った超高速伝送に適します。

代表的なNRバンドにはn78（約3.3〜3.8GHz）やn77、n41（2.5GHz帯）などのサブ6GHz帯があり、米中や欧州での導入が進みました。mmWaveでは24GHz/28GHz/39GHz帯などが検討・運用されていますが、伝搬特性上の減衰や遮蔽によりカバレッジ設計が難しい点が特徴です。

アンテナと物理層技術：Massive MIMOとビームフォーミング

5GではMassive MIMOやアダプティブビームフォーミングが広く採用され、複数の送受信アンテナで空間多重を行うことでスループットとスペクトル効率を高めます。ビームフォーミングは特にmmWaveでの通信安定化に有効で、端末ごとに指向性の高いビームを形成して干渉を抑制します。

ネットワークアーキテクチャ：NG‑RAN、5Gコア、NSAとSA

5Gのアーキテクチャは従来のモノリシックな方式から仮想化・モジュール化が進みました。RAN側はNG‑RAN、コア側は5G Core（5GC）により、サービスベースアーキテクチャ（SBA）やネットワークスライシング、コンテナ／仮想機能（NFV）による柔軟な運用が可能です。

導入初期は既存の4G EPCを利用する非スタンドアロン（NSA）が広く採用され、徐々に5GCを使うスタンドアロン（SA）へ移行する流れが一般的です。DSS（Dynamic Spectrum Sharing）を使うことで既存LTE帯域をNRと共有し、段階的な展開を支援します。

ネットワーク機能とエッジコンピューティング

5Gではネットワークスライシングにより一つの物理ネットワーク上に用途別の論理ネットワークを作ることができます。例えば低遅延スライスと大容量スライスを分離して同時に提供可能です。また、MEC（Multi‑access Edge Computing）を組み合わせることで端末近傍での処理が可能になり、URLLCやAR/VRのような低遅延アプリケーションを支えます。

標準化ロードマップと主要な進化点

3GPPはフェーズ別に5Gを規格化しました。Release 15は5G NRの初期仕様、Release 16ではV2Xや産業用途向け強化、Release 17ではさらなる機能拡張やRedCap（低機能端末向け仕様）、非地上系通信（NTN）などが含まれ、Release 18以降は5G‑AdvancedとしてAI活用・効率化・高度化が進められています。

セキュリティとプライバシー

5Gは5G‑AKAやEAP機構、暗号化・整合性保護の強化、SUPI（加入者恒久識別子）を保護するSUCI（暗号化識別子）など、プライバシー保護を強化する機能を導入しています。ただし、ソフトウェア化に伴うサプライチェーンリスクや、ネットワーク構成の複雑化により新たな攻撃面が生まれるため、運用面での堅牢な設計と継続的な監査が重要です。

導入事例と産業応用

5Gは通信事業者の提供するパブリックネットワークだけでなく、企業向けプライベート5Gの形でも多く採用されています。製造現場でのロボット連携、港湾や空港での資産管理、スマートシティでのセンサー大量接続、医療分野での遠隔操作や映像伝送など、低遅延・高信頼性・大接続といった特性を活かした導入が進んでいます。

課題と現実的な制約

5Gは高性能ですが万能ではありません。主要な課題は次のとおりです。

  • カバレッジと屋内浸透性：特にmmWaveは遮蔽に弱く、広域カバレッジには多数の基地局が必要です。
  • 投資負担：帯域取得や基地局整備、コアネットワークのアップグレードには巨額投資が伴います。
  • 端末エコシステム：RedCapなど低コスト端末の普及や、産業用途向け端末の標準化が進行中です。
  • 電力効率：高密度MIMOや広帯域伝送は消費電力増大の要因となるため、エネルギー効率化が求められます。

運用上の留意点とベストプラクティス

事業者や導入企業は次の点に注意するとよいでしょう。スペクトル戦略を明確にし、NSAからSAへの移行計画を持つこと、MECやスライシングを前提にしたサービス設計、セキュリティ設計を最初から組み込むこと、そして省電力や環境負荷低減を考慮した運用方針を策定することが重要です。

将来展望：5G‑Advancedと6Gへの橋渡し

5Gは今後も5G‑Advancedと呼ばれる進化を続け、AI技術のネットワーク運用への組み込みやさらに高効率な無線資源管理、NTN（衛星と地上ネットワークの融合）などが実用化されつつあります。これらは将来の6G研究への基盤ともなり、通信とコンピューティングの融合が一層進む見込みです。

まとめ

5Gは単なる速度向上だけでなく、ネットワークの柔軟性、低遅延や大規模接続など新たな通信パラダイムを提供します。展開には技術的・経済的な課題がありますが、産業応用や社会インフラのデジタル化を支える重要な基盤であることは明白です。導入を検討する際は、ユースケースに合わせた周波数選定、SA移行計画、セキュリティ設計、そしてエッジ活用方針を総合的に検討してください。

参考文献

3GPP（Third Generation Partnership Project）
ITU-R Recommendation M.2150（IMT-2020）
GSMA：5Gに関する資料
Ericsson Mobility Report
Qualcomm：5G技術解説
ETSI：MEC（Multi‑access Edge Computing）
FCC：5Gとスペクトルに関する情報

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IT
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