電力効率は5Gの要求に適応する必要がある【特集】

5Gは、高速データ転送の到来を告げ、コンピューティングテクノロジーのニューウェーブをもたらすが、一方でエネルギー効率に新たな圧力を与えるだろう

黎明期~4G

1979年、日本電信電話(NTT)は東京で世界初のモバイルセルラーネットワークを立ち上げました。そのアナログシステムは、現在では「第1世代」または1Gネットワ​​ークと呼ばれています。1983年までに、NTTは日本全体にカバレッジを広げましたが、一方で他の1Gネットワ​​ークがヨーロッパやその他の地域で生まれました。

Motorolaは1983年に米国でサービスを開始しました。ベル研究所は1947年時点で既にそのようなネットワークを提案していましたが、実用的ではないとして却下されました。1Gには、音声品質の低さやカバレッジの制限など、多くの欠点がありました。また、標準がなかった為、異なるネットワーク間のローミングサポートはありませんでした。しかし、それは革命的であり、業界のさらなる発展への道を開きました。

次のイテレーション(反復)である2Gは、デジタル無線信号が使用され、大幅な改善が施されました。それは1991年にフィンランドで登場し、国際ローミングの可能性を約束した「GSM」という標準の下で立ち上げられました。SMSとMMSが提供され、新技術は広く採用されました。2Gは低速で帯域幅が比較的狭かったにもかかわらず、これまでにない規模で企業や顧客に革命をもたらしました。

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3Gは、各ベンダーが使用する通信プロトコルを標準化して真に国際的なローミングを提供することを目的として、2000年までの数年間で進化しました。NTTドコモは2001年に世界初の3Gネットワ​​ークを立ち上げました。3Gは2Gのピーク値の約4倍の速度を提供し、VoIP、ビデオ会議、Webアクセスなどの新しいプロトコルやソリューションをサポートしました。

これにより、携帯電話通信のパケット交換時代が始まりました。当初はインターネット接続などの機能において苦労していましたが、2007年のiPhoneの発表により、3Gの機能性は限界点に到達しました。4Gが必要であることは明らかであり、ITUを含む国際標準化団体は2002年から4Gに向けての取り組みを開始しました。

2009年に、4G Long Term Evolution(4G LTE)規格がスウェーデンとノルウェーで最初に実施され、その後数年間で全世界に展開されました。4Gのスピードは、外出先でのマルチプレーヤーゲーム、高品質のビデオストリーミングなどの数多くの事を可能にしました。ただし、一部地域の4Gの普及率は非常に低く、このプロトコルは世界中の多くの地域で通信の不均一性に悩まされています。

5Gへ

5Gへの道筋はすべて、4Gが提供された瞬間から開発されており、現在、特定の地域では既に展開が始まっています。これは、1平方キロメートルあたり最大100万台もの端末の接続を許可するなど、多くのセクターに革命をもたらす可能性を秘めた大幅な改善が約束されています。

IHS Markitによる最新の見積もりでは、5Gは少なくとも12兆ドルの経済的インパクトをもたらすと考えられています。更に、モバイル通信ネットワークの分野でエネルギー効率の革命が約束されています。

IoT 時代は今本格化してきており、地球上の全人口よりも多くの端末がインターネットに接続されています。これらのすべての端末は、ほぼ常時データを送受信します。家庭用IoTアプリケーションはローカルワイヤレスネットワークのメリットを享受しますが、ビジネスおよび産業用IoTには、全てのアプリケーションに同時に対応する十分な帯域幅だけでなく、制限されない長距離に渡る接続が必要となります。

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現在、非常に数多くの端末が3Gと4G双方の通信網に接続し、これらのネットワークは限界に近づいてきており、絶え間ない接続を要求する更に多くの新規の端末を追加することはできなくなってきています。そこで5Gの出番となります。5Gは、はるかに高帯域幅を持ち、以前よりも高速かつスマートかつ効率的です。

アンテナ、スペクトル、基地局

スペースや電力消費、そしてCO2排出が、通信ネットワークにおける経済的かつ運用上の重要な課題となってきています。接続端末数の大幅な増加を考えると、エネルギー効率は、資本支出と運用支出双方の観点からオーバーヘッドを削減したい事業者にとって最大の関心事になることは明らかです。

では、5Gは、以前のものと比較して、電力消費と効率の点でどのように機能すのでしょう?

5Gネットワ​​ークのスケーラビリティと柔軟性は、Software Definer Network(SDN)とそれに関連する仮想化技術により向上します。

5Gの設計要件では、現在の4Gネットワ​​ークと比較して90%の電力消費の削減が指定されています。これは、基地局からクライアント端末が使用するエネルギーに至るまでの、エコシステム全体に基づく数値です。この大幅な削減は、設計手法の改善、ハードウェアの最適化、新たなプロトコル、そして基盤となるインフラ上のスマートソフトウェア管理の組み合わせによって実現されます。

現在のモバイル通信は平均で、実際のデータトラフィックでは全体の電力消費量の15〜20%のみしか使っておらず、残りは主に機器を動作可能な状態に保つことで消費され無駄になっています。

5G基地局は、通信アクティビティが一時的に停止するとスリープ状態になります。基地局はモバイル通信で使用される電力の約80%を占めるため、これは非常に重要です。

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現在は、大部分の基地局は常時アイドル状態であると思われます。接続端末数の増加とデータレートの向上にもかかわらず、5Gでは基地局の電源を切る機会が増える可能性があります。5Gの方がデータ転送速度が高いため、データがネットワーク上をより速く通過し、よって基地局がアイドル状態の時間が長くなると想定されます。また、5Gデータパケットはより圧縮され、トラフィック量はさらに削減されます。

新たなネットワークには、マルチパスTCP(MPTCP)も追加されています。これにより、パケットの複製や再送信の必要性が減少し、より多くのネットワークパスが作成されるため、信頼性が向上します。5Gは安価で効率的な MIMO (Multiple Input Multiple Output)アンテナを使用するため、これが可能となります。MIMOシステムは、より多くのクライアント端末と大量の通信アクティビティを処理でき、データの通信ルートを増やすことで信頼性を高めます。例えば、あるルートで障害が発生した場合、別のルートが代用されるといった仕組みです。

MIMOアンテナは、電波を集束し複数のクライアントと通信します(これをビームフォーミングという)。これにより、データ転送速度とともにチャネル効率が向上し、干渉の可能性が減少します。また、接続された端末に向けて直接無線エネルギーを集中させ、基地局と端末双方の電力消費をさらに削減するために、必要な電力とエネルギーの正確な量を特定します。

さらに、5Gは小さなネットワークセルを利用して、多数の小さなアンテナで特定のエリアをカバーします。モバイル通信では、セルとは基地局、アンテナ、およびサービスを提供する物理的領域を指します。

5Gのスモールセルは、人口の多いエリアの大きな建物の内部かあるいは外部に設置されるよう設計されています。基地局とクライアント端末間の距離に応じて消費電力が増加します(※アンテナが「叫ぶ」必要がある)。したがって、より小さなネットワークセルを展開し、通信距離を可能な限り小さく保つ必要があります。

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最後に、新たなスケジューリングアルゴリズムとの組み合わせにより、5G New Radio( 5G NR )のスペクトル効率は、現在のネットワークより大幅に改善されます。

4Gネットワ​​ークでは、信号のスケジューリングには多数の制御コードと検証コードが定期的に含まれており、高周波での送信中にネットワークのエネルギーオーバーヘッドの最大20%を消費する可能性があります。

5Gストリームでは、制御コードと検証コードが大幅に削減されます。これは、より小さなモバイルネットワークセルを使用すると通信距離が短くなり、干渉や障害が発生する可能性が低くなるためです。

5Gネットワ​​ークのスケーラビリティと柔軟性は、Software Defined Network(SDN)と関連する仮想化技術により向上します。SDNは、データプレーンからより広いネットワークの制御層を分離し、ネットワーク全体のアクセスと概要を持つ集中型制御プレーンにマージすることで機能します。つまり、ソフトウェアはハードウェアリソースを動的に割り当て、トラフィックフローを最適化します。

5Gは実際に何を提供する?

5Gの設計では、モバイルコミュニケーション・エコシステム全体でエネルギー効率の革命を約束する、ほぼユートピア的なテクノロジーを規定していますが、実際にテクノロジーが導入された場合どのように機能するのか?を分析する際に、これらの約束は疑ってかかるべきです。

5Gの公共への展開スピードは、主に比較的高い初期投資が必要であるという理由もあり遅くなるでしょう。そのため、現在の4G同等レベルまでの5Gによる完全なカバレッジは視野にありますが、数年はかかるでしょう。完全なカバレッジはそれよりはるか先になります。

長い間、3Gや4Gなどの「レガシーな」モバイル通信では、基地局の総電力が消費の大部分を占めていました。シスコの年次インターネットレポート2018-2023の最新の数値ではこれらの約束は、この事をさらに強調しています。「2023年時点の5Gデバイス数および接続シェアの割合で予想される上位3ヵ国は、中国(20.7%)、日本(20.6%)、および英国( 19.5%)である。」

一部のアナリストは、5G全体のエネルギー効率の定義によっては、テクノロジー展開時に実際にはエネルギー節約は無いという可能性がある、と主張しています。

例えば、5G信号の処理に必要な計算能力は、4Gの約4倍です。同等のハードウェアでは、5Gのデータ処理コンポーネントのエネルギー消費は4倍になると想定されています。ただし、この理屈が当てはまるのは、機器の効率向上を考慮せず、現在4Gで稼働しているのと同じインフラ基盤で5Gを展開すると仮定した場合のみです。

差し迫った従来ネットワークの飽和状態と産業・商用IoTの台頭により、モバイル事業者は5Gネットワ​​ークの重要な周波数帯域を割り与えられました。5Gの効率性は設計によるものですが、モバイル通信インフラ全体で使用されるエネルギー量はさらに増加し​​ます。これは、旧世代のネットワークが廃止されるまで続くでしょう。

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これは、より広範なデジタルインフラにドミノ効果をもたらす可能性があります。5Gネットワ​​ークの成長は、エッジデータセンターの台頭や拡大に対応しているため、5Gの効率性を議論する際には、これらの施設のエネルギー使用量を含めるのが妥当と思われます。

重要リソースをネットワークエッジの近くに配置する事で、 レイテンシ (遅延)を削減できるため、5Gとエッジ施設の組み合わせは、個々のクライアント端末との対話をより効果的に提供できます。ただし、今後10年間でのデータストレージとこれらアプリケーションの需要の大幅な増加を考慮に入れると、5Gは実際には、今日よりもさらに電力を必要とするデジタルインフラ産業にしてくように見えます。

これは、あらゆる相互接続する業界間の密接なコラボレーションにより、潜在的には相殺される可能性があり、 再生可能エネルギー と適切なエネルギー貯蔵技術によってバックアップされた強力で信頼性の高いスマートグリッドを保証します。

標準を探る

通信やエネルギーエコシステムのさまざまな箇所でのコンセンサスが必要なため、標準の確立は遅れるでしょう。消費されたエネルギーのジュール(=単位)ごとに送信されるビット数は、現在、ネットワーク効率を分析するための主要な指標の1つになっています。

現在、セルサイトは約20kbit /ジュールのエネルギー効率を提供しています、そして世の中のいくつかの研究論文では、5Gがこれを2桁以上10Mbit /ジュールに引き上げる可能性があると予測しています。

5Gを活用する新たな手法を導入したテクノロジーがすでに登場し始めているため、将来はさらにエキサイティングに思えます。

Radio Frequency Energy Harvesting(RFEH)では、電波で伝送されたエネルギーはキャプチャされ、クライアント端末または基盤となるインフラの一部で使用されます。

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無線周波数信号には情報とエネルギーの両方が含まれているため、理論的にはエネルギーを収集し、その同じインプットから情報を受信することが可能です。

このシステムは SWIPT (Simultaneous Wireless Information and Power Transfer: データと電力の同時伝送) として知られています。これに必要なハードウェアはまだ開発段階であり、データ量と信号から得られるエネルギーの間にレートとエネルギーのトレードオフがあります。

そのため、SWIPTはスマートフォンをワイヤレス充電することはありませんが、クライアント端末でのデータ送信に必要な電力消費を相殺できる斬新なアプローチです。

5Gの本格展開は、モジュール化されコンテナ化された「エッジ」データセンター市場の台頭と密接に関連する可能性が高く、これは、時間にデリケートな機能をネットワークエッジに配置する事で、エネルギーとレイテンシの観点で可能な限り効率的に通信を行う必要性が生まれ、それにより推進されます。

エネルギー効率が、デジタルインフラ業界における将来のすべての開発の鍵となることは明らかです。

今後10年間で、5Gのエネルギー効率と、そしてそれが世界に与える影響を私たちは見ていくことでしょう。現在、テクノロジーはまだ未成熟であり、エネルギー消費が実際の生活にどのような影響を与えるかを知るのに十分なデータはありません。

業界内のあらゆる箇所の見識がより深まり、よりリスク回避できるようになると、5Gは、コラボレーションとスマートインフラストラクチャの構築・管理を通じて、世界への影響を最小限に抑えるためにあらゆる努力を払い、大量の新しい産業や市場とほぼ瞬時に通信する時代をもたらす事でしょう。

また、このエッジベース・テクノロジーの本格展開は、データセンターやその他インフラにも大きな変化をもたらすでしょう。

しかし、それらを実現するためには、(企業は競争を急いだりしますが)、効率を最優先させなければなりません。

Data Center Dynamics

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