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5Gとは?特徴や仕組みとAIへの活用事例を紹介

最終更新日:2023/02/24

5Gは、4Gの次世代にあたる最新の通信システムです。5G対応スマホなどを通して「5G」という言葉を知った人も多いでしょう。今はまだエリアや端末が限定的ですが、5G近い将来モバイルネットワークをはじめ、日常生活や事業において重要な役割を担うことが予測されています。

この記事では、5Gの特徴や普及による変化、活用事例などを紹介します。5GやAIを活用したサービスや技術開発、5Gが抱える課題についても解説していますので、5Gの基本情報や4Gの違いを知りたい方や、5G技術の導入や活用を検討している方は、ぜひご覧ください。

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■5Gとは

5Gとは、携帯電話などで使用する次世代通信規格の5世代目という意味の英語「5th Generation」を略して付けられた総称です。日本語では「第5世代移動通信システム」と言います。

5Gは、国連の専門機関「国際電気通信連合」無線通信部門(ITU-R)のレポートで、コンセプトが策定されている世界基準の規格です。同コンセプトは2017年に5G技術性能要件として合意され、医療や自動運転など70件以上の用途が提案されました。

アメリカやイギリス、韓国などに続き、日本でも2020年3月より一部地で5Gサービスがスタート。現在、エリア拡大や対応機種の開発が進められている最中です。現在の標準である4G LTEを追うように登場した5Gは、日常生活やビジネスなど幅広いシーンでの活躍が期待されています。

■5Gまでの移動通信システムの歴史

移動通信システムが5Gに到達するまで、通信インフラや使用デバイスの一新を通して、各世代で進化を遂げてきました。ここでは、1980年代の1G登場から2G、記憶に新しい人も多い3G、そして現在主流の4Gに至るまで移動通信の変遷を振り返ります。

●1G(1980年代)

1Gの登場は1980年代にさかのぼります。ショルダーホンと呼ばれるポータブル電話機や車に設置された自動車電話の通信用として1Gが採用されました。当時は日本とアメリカ、欧州は地域別に技術開発を行っており、地域別の仕様で商用化されています。

音声を電波に乗る信号へと変換するアナログ方式で、使える機能は音声通話のみでした。また、ノイズが大きく盗聴のリスクもあり、1990年代に入る頃にはデジタル技術の開発とともにデジタル方式へと移行していきます。

●2G(1990年代)

1990年代に入り、2Gが普及し始めます。通信方式がアナログからデジタルへと変わり、データ通信が容易になったため、Eメールやインターネット回線接続が日常生活に浸透していきました。

代表サービスは、1999年にスタートしたNTTドコモの「iモード」です。携帯電話の着信メロディや待受画面のダウンロード、地図検索サービスなどさまざまな機能が搭載されていました。NTTドコモに続き、KDDIの前身にあたるDDIセルラーグループによる「EZweb」やソフトバンクの前身にあたるJ-フォンの「J-スカイ」も登場。データ通信の利用が日常的になり、次第に高速化へのニーズが高まっていきます。

●3G(2000年代)

2000年代に入ると2Gから3Gへと移行し、革新的な変化を遂げます。通信速度が2.4~28.8kbpsだった2Gから、3Gになると384kbps~14Mbpsまでアップし、高速データ通信が実現。着うたなどのサービスも充実し、大容量コンテンツを効率的に楽しめるようになりました。

符号分割多元接続(CDMA)の技術により、2Gよりも圧倒的に高品質な音が再現されたこともポイントです。3Gは、国際通信連合(ITU)が定める国際基準に準拠した初めてのシステムで、日本の携帯電話も海外でも利用できるようになりました。なお、3Gと4Gの間には、第3.5世代と呼ばれるハイスピードサービスや、第3.9世代のスーパー3G(4G LTE)も存在しています。

●4G(2010年代)

2015年頃に登場した4Gは、携帯電話より高機能を備えたスマートフォンの高速モバイルブロードバンドサービスに対応できるよう設計されています。実際に、4Gの通信速度は最大1Gbpsで、3Gよりも大幅に向上しました。

現在、ほとんどのスマホで使われている移動通信システムは4Gです。厳密には3.9Gである4G LTEも、4Gに限りなく近いという理由で4Gに含まれています。

■5Gの3つの特徴

4Gに比べて飛躍的に進化した5Gは、​下記3つの特徴を持ち合わせています。

  1. 超高速・大容量
  2. 超低遅延
  3. 多数同時接続

2015年に国連の無線通信部門が策定した5Gコンセプトの3本柱であり、5Gが世界的に需要を集めている理由であるこの3点について詳しく見ていきましょう。

1.超高速・大容量

5Gでは、超高速かつ大容量の通信が可能です。2時間の映画をダウンロードするには、4G LTEで約5分かかったところ、5Gでは約3秒と大幅に短縮されています。

3Gから4Gへの移行でも最大100倍近く速度が向上しましたが、5Gではさらに最大20倍近く高速化を実現。5Gの目標理論値での最大通信速度は10Gbpsとされています。超高速の大容量通信の実現により、4Kや8Kといった高精細の動画や、VRなど360度対応コンテンツのダウンロードや転送もスムーズです。

2.超低遅延

データ通信時に発生する遅延がごく小さい「超低遅延」も5Gのメリットです。5Gでは、4G LTEの10倍の精度をリアルタイムで実現できるため、遠距離でもスムーズな通信ができます。

従来は、接続する通信機器の距離が遠いほどタイムラグは大きく、国外との中継映像などは遅延やタイムラグが発生していました。5Gでは、4Gと比較した遅延速度は約10分の1まで抑えられており、タイムラグも1ミリ秒程度に短縮。超低遅延性を活かし、リアルタイムのコミュニケーションが必要な教育指導や医療行為への活用が期待されています。

3.多数同時接続

5Gのネットワーク下ではスマホやパソコンをはじめ、各デバイスの「多数同時接続」が可能です。4Gの環境下では1㎢あたり10万台の機器に接続できますが、5Gでは10倍となり、1㎢あたり100万台の機器に接続できます。

スマートホームやIoT(Internet of Things)の浸透とともに、複数の端末を同時接続する機会が増えています。5Gによって、安定的な通信環境を確立することが可能です。今後さらにネットワーク接続用のデバイスが増えると予測できます。

■5Gを支える技術と仕組み

4Gからさらに進化を遂げた5Gを支えるのは、ユニークな最新テクノロジーです。ここでは、5Gの肝である技術と仕組みについて詳しく紹介します。

●Massive MIMO

Massive MIMO(マッシブ・マイモ)は、MIMO(マイモ)と呼ばれる通信技術の発展型です。MIMOは、送信側と受信側の複数のアンテナを使い、複数に分割された異なるデータを同時に送受信することで通信速度をアップできます。

Massive MIMOでは、多数のを利用して、従来は大勢でシェアしていた電波を個別に割り当てることが可能です。

また、超多素子アンテナにより同じ周波数帯の効率活用ができる「ビームフォーミング」技術も組み合わせています。これらにより、従来以上の大容量通信や効率アップが実現し、新幹線の中や人が集まる場所でも安定した高速通信が可能です。

●エッジコンピューティング

5Gの「超低遅延」通信を支える技術として、「エッジコンピューティング」が採用されています。エッジコンピューティングは、デバイスとサーバーの物理的な距離を縮めることで通信時間を短縮する技術です。

現在は、デバイス、基地局、インターネット、クラウドサーバーという流れでコンテンツにアクセスする「クラウドコンピューティング」が主流です。クラウドコンピューティングでは処理が集約できる分、サーバーとユーザーのデバイス間の通信に時間がかかります。

対して、エッジコンピューティングでは、基地局から基地局の近く(エッジ)のサーバーに直接接続することで通信経路が短縮されるため、素早いレスポンスが可能です。遠隔制御や遠隔医療でのキーとなる低遅延通信における高い信頼性を実現できるでしょう。

●グラント・フリー

5Gにおける「多数同時接続」を支えるのが、「グラント・フリー」技術です。グラント・フリーは、デバイスと基地局の通信をシンプル化し、デバイスの同時接続数を増やします。

通常、デバイスと基地局の間で通信には、利用する電波の周波数や利用時間についてやり取りが交わされます。その後、基地局が事前許可(グラント)を発行し、許可された方法で通信を開始できる流れです。

そこでグラント・フリーでは、基地局の事前許可なしにデータ送信を行えるようにし、通信混雑を回避。4Gでは、1基地局に100台程度の同時アクセスで不便が生じることもありましたが、5Gでは100倍の約1万台に対応できるよう配慮されています。

■5Gの普及によるAI技術への影響

5Gの普及により、AI技術にも大きな発展をもたらすと考えられます。5G環境の構築と整備が進み、超高速の大容量通信が日常的に使えるようになると、データ収集の効率が向上。処理スピードも格段に上がるため、AI技術に活かすことが可能です。

AI技術の主流といえる機械学習は、コンピュータ自身が膨大なデータを学習し、特定のタスクを高精度で処理することを目指した技術です。中でも、ディープラーニング(深層学習)は人為的なミスを減らし、高速の処理能力を発揮できる技術として重要視されています。

精度の高い解析に必要な膨大なデータを収集するためには、IoTが不可欠です。カメラやセンサーとの通信といったIoTの活用により、リアルタイムでより多くのデータ収集が実現します。5Gの特性によって、多数の端末からビッグデータを効率良く収集し、AIシステムの精度向上が期待できるでしょう。

また、「ローカル5G」とAIを組み合わせた実証実験がインフラ現場などで行われています。

■5G×AIの活用事例

5GがAI技術の発展と普及を後押しすることがわかったところで、実際に5Gの活用事例を見ていきましょう。5Gの商用利用がスタートしている現在、すでにAI技術との組み合わせがさまざまな分野で導入されています。

●自動運転

現在期待されている5Gの用途の1つが、車の自動運転です。5Gの高信頼・超低遅延という特徴を活かし、ネットワーク接続を取り入れた「コネクテッドカー」が登場しました。コネクテッドカーでは、車両の状態や歩行者の位置、交通状況、デジタル地図(ダイナミックマップ)などの情報を常時サーバーとやり取りし、安全運転をサポートします。

非常時のハンドル制御や隊列走行などリアルタイム性の高い操作も可能。自動運転で走行する車両同士は、車のブレーキやアクセルなどの操作を遅延なく周囲の車に伝えられるため、車間距離をキープした安全運転や衝突回避につながると考えられています。

自動運転の車が増えることで、交通事故や交通渋滞の低減が実現すれば、自動運転のユースケースも増えていくでしょう。

●遠隔医療

医療分野における5GとAIの活用例が、遠隔医療です。5Gの超低遅延という特性を活用し、高度な医療へのアクセスが難しい地方エリアの医療充実につながります。また、5Gによる超高速の大容量通信は、遠方にいる医師が手術中に助言する遠隔手術や支援の実現も後押ししています。

すでに、AR技術を使って遠隔地から医師の診断を直接受けられるホログラムの実証研究も進められている最中です。高齢化社会と過疎化が進んでいる現在、医療機器や医師の少ない場所でも、必要な高度医療が受けられます。

●IoT

5Gの多数同時接続という特性は、IoTの浸透につながっています。IoTは、スマホだけでなくホームスピーカーやテレビ、冷蔵庫、玄関ドアといった家電・家具がネットワーク接続に対応する技術です。5GのIoT活用が増えるにつれ、AI活用に必須のデータ収集が効率化され、AI解析における精度やデータ処理スピードの向上が見込めます。

地域レベルのIoTにより、政府が推進するスマートシティ構想の実現にもつながります。スマートシティは、地方自治体の取り組みが5Gによって統括、相互通信できる仕組みです。5Gネットワークを使った廃棄物の管理や交通の監視、公共施設や街灯の整備などを自治体が一括管理できます。

■5G普及における課題と懸念点

5Gの導入は、私たちの日常生活はもちろん、社会レベルでさまざまなメリットをもたらします。しかし、一方で5Gの普及に向けた課題や懸念点があることも事実です。

まず、5G対応エリアがまだ限定的であり、環境設備の時間とコストがかかります。2020年3月にサービスが開始されたものの、いまだ一部地域のみに限られており、総務省でも普及には時間を要すると予測しています。ビーフォーミング技術を用いても、5Gの高速通信を安定的に利用するためには、多くの基地局が必要です。

また、現時点で5Gスマホは最新機種であり、5G対応のプランも高額な傾向にあります。

5Gの高速通信ネットワークは、28GHzの高周波数で400MHzの広帯域幅をもつミリ波(mmWave)と、一般的な5Gネットワーのsub6(Sub-6)の2種類です。両方に対応可能な機種なら問題ありませんが、技術が確立されているSub6のみに対応している機種も多いため、購入時には確認しましょう。

さらに、5GによるIoTにはセキュリティリスクも潜んでいます。ネットワーク接続に対応できる端末が増えると、サイバー攻撃の脅威が高まるため、IoT家電の不具合やインフラそのものへの被害を回避する対策が重要です。

■5GはAIやIoTの活用を加速させる!

優れた特徴を持つ5GとAIの組み合わせは、無限大の可能性を秘めています。現時点では5G普及は段階的なものの、近い将来新しい製品・サービスが増えることは間違いありません。5Gは、より豊かで便利な暮らしの実現だけでなく、自動運転や遠隔医療、IoTによって、働き方改革や高齢化対策など社会的課題の解決にも直結しています。

5GとAIをかけ合わせることで、ネットワークの性能向上と活用シーンの幅が広がり、これまで不可能だったアイデアが実現するでしょう。ドラスティックな変革が予測される5G時代、さらにはその先に待つ6G技術に向けて、5Gの正しい理解と適切な活用が重要といえます。

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