ゴンザレスの備忘録

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1G、2G、3G、4G、そして5Gへ

どうも、ゴンザレス(@Gonzale11602907)です。

 

「5G」という言葉、最近よく聞きますがこれは一体何なのか、1G〜4G、そして5Gへと概観します。

 

 

5Gとは

5Gという言葉の"G"、これは何かというと"Generation"のことです。

つまり、"世代"という意味です。

5Gというと、第5世代を意味します。

では何についての世代か。移動体(スマートフォンなどの位置が動的に変化するもの)の通信規格についての世代を指しています。

 

現在2019年において私たちが使っているスマートフォン(以下スマホ)は電波で通信をしています。

電波とは、空間を伝搬する電界と磁界のことです。

スマホは電波を通してインターネットに繋がります。つまり、物理的な線(LANケーブルや光ケーブル)を無しに通信しています。これが無線通信です。

移動体通信も無線通信(電波を使った通信)と考えて差し支えありません。

 

電波を使って通信するには、電波(電界や磁界)の振幅や周波数に一定のルールが必要です。こんな情報を送る時はこんな振幅や周波数で電波が来ますよー、といったようなルールです。

上に挙げたルールは一例で、通信を成立させるためにもっともっと沢山のルールが決められています。このルールを"規格"と呼びます。

 

※電界と磁界は目に見えませんが下の図に示すように波打ちながら空間を伝わります。そして、波の振れ幅のことを振幅と言い(図の例では振幅は2となります)、1秒間に何回振動するかを周波数と言います(1秒間に60回振動する場合は60[Hz:ヘルツ]と言うように表現します。)

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まとめると、

5Gとは、第5世代の移動体(無線)通信規格(通信する時のルール)のことです。

 

第5世代ということは、その前に第1世代〜第4世代があったということです。

これらが1G、2G、・・・、4Gという訳です。

 

1G(アナログ方式)

1980年前後に商用化されました。1Gの技術が使われていたものとしては(私は実際に見たことはないですが)、自動車電話やショルダーホンというものがあったそうです。

1Gの無線通信技術とは、アナログ方式です。

アナログ方式とは、簡単に言う、送りたい情報をそのまま電波に乗せて送ります。

例えば、"0"という値は"0"として送る、"0.001"という値は"0.001"として送る、"0.101"は"0.101"として送る、もっと言うと"0.309"は"0.309"として送る。

とにかく送りたい情報をそのまま電波に乗せます。これがアナログ方式です。

 

また、通信に使う電波の周波数は800〜900MHz帯が使われていました。

 

2G(デジタル方式)

1990年代に導入されました。ドコモの携帯電話の中でmova(ムーバ)と呼ばれていた端末の通信方式が2Gに当たります。

2Gはデジタル方式で、(アナログ方式と異なり、)送りたいデータをデジタル化してから電波に乗せます。

デジタル化、というのは情報を"0:ゼロ"と"1:イチ"で表すことを言います。

例えば、ゼロとイチの列である「000」は数値の"0"を、「001」は"0.1"を、「010」は"0.2"を、「011」は"0.3"を、「100」は"0.4"を、「101」は"0.5"を、「110」は"0.6"を、「111」は"0.7"を表すことにする、というルールを決めます。そして、"0"〜"0.049"は"0"に近似、"0.05"〜"0.149"は"0.1"に近似、"0.15"〜"0.249"は"0.2"に近似、"0.25"〜"0.349"は"0.3"に近似、"0.35"〜"0.449"は"0.4"に近似、"0.45"〜"0.549"は"0.5"に近似、"0.55"〜"0.649"は"0.6"に近似、"0.65"〜"0.749"は"0.7に近似することにします。

これらの前提を使うと、1Gの説明に用いた"0.001"という値は"0"に近似され、すなわちゼロとイチの列で言うと「000」で表されることになり、同様に"0.309"は「011」で表されることになります。ちなみに、"0"は「000」になります。

そして、「000」「011」といったゼロとイチの列を電波に乗せて送ります。

(お気付きの方もおられると思いますが、デジタル化すると近似を使うので生のデータからの誤差が生じます。ただ、ゼロとイチの列の桁を増やして割り当てる刻み幅を小さくすることで誤差が小さくなります。「00010001010」「00000011111」というような大きい桁数でもっと細かく割り当てていけば誤差は小さくなります。)

 

また、通信に使う電波の周波数は800〜900MHz帯と1.7GHz〜1.9GHz帯が使われていました。

 

デジタル化によって、音声通信だけではなくデータ通信ができるようになりました。

 

ある一定の数のゼロイチの羅列をひとまとまりのセットと考えて、これをパケットと呼び、通信をパケットを交換するという考え方で行うようになります(パケット交換方式)。

 

「0」「1」の羅列の1桁を1bit(ビット)と言います。つまり、「00」や「01」や「10」は2bitということになります。「000」「001」「010」「011」「100」「101」「110」「111」は御察しの通り3bitです。

そして、1秒間に何bitの情報を送ることができるか、というのが通信速度の表し方となり、単位として[bps](bit per second)を使います。

 

2Gの通信速度はおおよそ数十kbps(キロビーピーエス)です。

※k(キロ)についてですが、例えば10kbpsとは10000[bps]のことです。

 

3G(デジタル方式、ブロードバンド化)

時期は1999年あたりからです。

2Gで出てきたパケット交換方式において、さらに通信速度を速くしたものが3Gです。

ブロードバンド化と書きましたが、要は通信速度を上げましょう、ということで、通信速度を上げるにはブロード(広い)周波数の帯域(バンド)が必要ですよ、ということです。

3Gの通信速度は384kbps〜2Mbpsです。後に出てくる3.5Gでは通信速度は数十Mbpsとなります。

※M(メガ)についてですが、例えば10Mbpsとは10000000[bps]のことです。

 

通信速度が速くなったおかげで、データ通信において写真や短い動画の送信が可能になりました。また、インターネットにも繋がるようになりました。

 

また、通信に使う電波の周波数は2GHz帯です。

 

3Gの中でも、高速Webアクセスができたり、電波状況に応じて通信速度を変えるベストエフォートという概念が導入される段階があり、このあたりの世代を3.5Gと呼びます。

 

4G

時期は2010年あたりからです。

ここからは、様々な技術発展によって通信速度がどんどん向上していきます。

まず、3.5Gから4Gへの架け橋となるような3.9Gと言われたりLTE(Long Term Evolution:ロングタームエボリューション)と言われる規格が出てきます。

通信速度は数十〜数百Mbpsです。

そして、LTEを高度化させた規格としてLTE-Advanced、さらにはLTE-Advanced-Proが出てきます。このあたりから通信速度が1Gbpsを超えてきます。

国際標準化の観点からは、4Gの条件として最大通信速度が1Gbpsを超えるなどの条件があるので、日本ではLTE-Advanced・LTE-Advanced-Proを4Gと呼びます。

(国際的にはLTE以降を4Gと呼んだりもするそうなので、曖昧な部分なのかもしれません。)

 

また、通信に使う電波の周波数は3.5GHz帯です。

 

5G

(2019年5月現在、まだ5Gサービスは始まっていません。)

5Gでは、さらに通信速度が向上する見込みです。

要求仕様としては、下りリンク20Gbps、上りリンク10Gbpsとなっています。

そして、大量のデータを高速で通信できるようになった暁には

・4Kや3Dビデオなどの大容量の映像データをストレス無く伝送できたり

・自動運転技術の発展に繋がったり

・遠隔医療が成立したり

するのではないか、と言われています。

 

先日、各キャリア(携帯会社)が5Gの電波としてどの周波数帯を使うのか割り当てが発表されました。

smhn.info

 

まとめ

今回はざっくりとですが、5Gという技術が出てくるにあたって、1G〜4Gを概観しました。

 

以上です。