5G とオープン RAN
世界中の加入者が、どこに行ってもモバイルアプリケーションやサービスをサポートしている高速インターネットへの途切れることのないアクセスに依存するようになっているため、第 5 世代（5G）ネットワーク技術は、現在世界のモバイル業界の主要な関心事になっています。
テクノロジー、ネットワークのアーキテクチャ、利用可能な電波スペクトルの大幅な変化によって、新しい 5G モバイルネットワークが導入される下地が整いました。ネットワークはソフトウェア主体に進化し、クラウドベースの展開モデルを利用するようになっているため、ネットワーク間で標準化されたオープンアーキテクチャを構築する機会が生まれ、オープンマルチベンダーの相互運用性を実現するオープンソフトウェアが活用されています。
このオープン RAN のコンセプトは、将来のモバイルネットワークの経済性、運用、展開モデルに確実に変化をもたらします。
5G/オープン RAN を選ぶ理由
ネットワーク容量とパフォーマンスの向上
待ち時間が非常に短い、ギガビットレベルの無線モバイルブロードバンドのパフォーマンス
ソフトウェア主体の仮想ネットワーク
ネットワーク条件が変化しても、運用効率や動的柔軟性を確保する自動展開をサポート
イノベーションのためのオープンプラットフォーム
新しい技術力で、お客様、業界、デバイスを対象とする様々なアプリケーションやサービスが利用可能
モバイル基準の進化
デジタルモバイル技術の世界的基準の継続的な進展は、1990 年代初頭のテクノロジーの最初の展開以降に生じました。1990 年代初頭の Global System for Mobile Communications（GSM）の登場によって、デジタルコード化された音声通話、双方向メッセージング、および事業者間ローミングをサポートする世界中で接続されたネットワーク（「第 2 世代」または「2G」モバイル技術と呼ばれていた）を含む、過去のアナログ携帯電話サービス（AMPS)の能力が向上しました。
グローバルネットワークで GSM の後継となる第 3 世代（3G）モバイル技術は、ユニバーサル移動電話サービス（UMTS）基準をベースにしていました。このシステムでは、容量が増えた新たな高周波数帯域へのサポートが導入され、スペクトルを効率的に使用する新たな変調技術が応用されています。半導体の小型化による端末の技術向上に伴って、このシステムは初めて広範に普及したモバイルデータサービス用プラットフォームとなり、E メール、基本的なメディアサービス、（場合によっては）ウェブアクセスを可能にしました。
３G 技術が成熟して、完全に普及した時点で、高速インターネットアクセス技術が有線ネットワークで幅広く採用されるようになり、ウェブベースのサービスやアプリケーションが多くのお客様の生活に普及しました。高速ダウンストリームパケットアクセス（HSDPA）といった一部のテクノロジーが導入され、3G ネットワークのデータサービスは拡大したものの、本格的な高速モバイルデータサービスのソリューションが必要となりました。
ロングタームエボリューション（LTE）基準は、第 4 世代（4G）ネットワーク技術で成功を収め、主流となりました。この技術は、パケットデータをまずモバイルネットワークの設計に利用することで、初めての真の高速モバイルインターネットアクセス機能を実現する手段となりました。これは、Evolved Packet Core（EPC）と呼ばれる、すべてパケットベースのコアデータネットワークにサポートされていました。LTE で回路交換パラダイムが排除されたことで、高忠実度（広帯域）音声コーデック、ボイスオーバーアイピー（VoLTE）技術、IP マルチメディアサブシステム（IMS)がサポートするリッチメディア通信サービスへの道も開けました。
LTE はリアルタイムのインタラクティブ通信サービスをサポートすることが可能でしたが、ユーザーの期待は次第に高解像度ストリーミングメディア、没入型ゲーム、ビデオ会議、ウェブでの共同作業、モノのインターネット（IoT）といった新たなエクスペリエンスやアプリケーションへと移り変わりました。こうした新たなクラウド中心のサービスによって、モバイルネットワークに応用する時に、ユビキタスネットワークパフォーマンス、容量、および低遅延の操作に対して新たな要件が生まれ、新しい第 5 世代（5G）モバイルネットワーク技術が求められる一因となりました。
5G ネットワークのコンセプト
5G 基準を作成するプロジェクトには当初から、モバイルネットワーク機能の改善において 3 つの重点分野と目的がありました。
- Enhanced Mobile Broadband（eMBB）
- Ultra-Reliable Low-Latency Communications（URLLC)
- Massive Machine-Type Communications（mMTC）
5G 標準化
Third Generation Partnership Project（3GPP）は、4G や今では 5G も含む移動無線およびネットワーク技術の主要な世界基準となっています。5G の基準に関する作業は、元々 2017 年に完成した仕様であるリリース 15 から始まりました。
この最初のリリースは、5G New Radio（5G NR）通信インターフェイスの基盤を提供しました。これには、Frequency Range 1（FR 1）とも呼ばれる「Sub-7（7GHz 未満）」周波数を拡大した、世界中で使用される複数の追加帯域が含まれます。5G NR の登場によって、それまで地上モバイル通信では使用されることのなかった、いわゆる「ミリ波」（mmWave）周波数がマイクロ波範囲（Frequency Range 2（FR2））に導入されました。エアインターフェースで利用可能なスペクトルの劇的な増加は、個々の 5G デバイスでマルチギガビットの速度を実現する大きな要因であり、このため、固定ネットワークドメインと光ブロードバンド技術がある程度同等の存在となりました。
リリース 15 の仕様書では、「5G Core（5GC）」と呼ばれる 5G 用の新しいパケットコアについても規定しています。これによって、下位互換性を得るため「非スタンドアロン（NSA）」モードで既存の Evolved Packet Core データネットワークに、または「スタンドアロン（SA）」モードで 5G 専用ネットワークの 5G コアに接続できる、5G New Radio 対応ベースステーション（「gNB」と呼ばれます）を展開するオプションが生まれました。
5G 基準は、過去の実装におけるモバイル固有のシグナリングおよびコントロール プロトコルの多くを、クラウドネイティブアプリケーションで使用されているテクノロジー（HTTPS、REST など）とより緊密に連携するウェブ中心の代替手段に置き換えることで知られています。この設計戦略によって、5GC ではコントロールプレーンエンティティとユーザー/データプレーンエンティティの正式な分離が進むため、このアプローチは「Control and User Plane Separation （CUPS）」と呼ばれます。パケットコアでサブシステムのソフトウェア中心の実装と組み合わせることで、CUPS アプローチはスケーラビリティの向上、ハードウェアリソースのバランシング、遅延や転送の利用率を最適化するネットワークの特定領域への個々のインスタンスの分布/局所化が可能になりました。
5G のリリース 16 仕様では、ダイナミックスペクトルシェアリング（DSS）のサポートが導入され、5G 無線アクセス技術（RAT)と、同じ周波数帯域の古い 4G システムを同時に展開することが可能になりました。これによって、新しい 5G 専用スペクトル帯域が利用できない、または実装の準備が整っていない環境で、5G を展開することができます。スペクトルの制約がある事業者に対して、5G ネットワークの制御下にある無許可スペクトル帯域（通常 Wi-Fi と共有される）の使用に 5G New Radio Unlicensed（NR-U）機能が追加されるという恩恵もあります。
リリース 16 のもう 1 つの主な機能は、ネットワークスライシングのサポートの追加です。このコンセプトによって、ネットワークリソース（共有インフラにあるリソースを含む）のエンドツーエンドのパーティションを作成することが可能になり、その結果、「スライス」を特定のクラスのユーザー、特定のアプリケーション、または個々のお客様に（プライベート 5G の場合）割り当てられるようになります。
さらに最近では、リリース 17 の仕様に非地上系ネットワーク（NTN）を使用したアクセスの新しい独自機能が追加されました。特別な衛星アップリンクまたはバックホールシステムは、これまで地上系モバイルネットワークと一緒に使用されてきましたが、無線システム、帯域、および手順を地上系ネットワークから初めて再利用することで、統合システムとして衛星ベースの gNB ステーションから端末に直接アクセスすることができるようになります。
リリース 17 以降は、FR2 用のスペクトルの大部分にもサポートが追加され、60GHz の領域では合計で 20GHz 近い容量を使用することができます。
RAN アーキテクチャの進歩
無線アクセス ネットワーク（RAN）は、5G アーキテクチャの鍵となる要素であり、大部分が基準の技術的な面に焦点を当てています。RAN コンポーネントの配置と相互接続に関しては、長年にわたり、さまざまなアーキテクチャが生まれてきました。
マクロセルラーネットワーク内のモバイルシステムの当初のモデルは、完全な分散無線アクセスネットワーク（D-RAN）アーキテクチャであり、無線機器、デジタル/ベースバンド処理、ネットワークの交換、トランスポートまたはルーティング要素のすべてが、「自立型」ベースステーションサイトに存在していました。このアプローチでは、サイト運用のための他のネットワーク構成要素またはインフラへの依存は最小限で済みましたが、ベースステーションまたは「ノード B」を作成するため最小限の電源、スペース、施設、付属機器は大きく増えました。
Common Public Radio Interface（CPRI）などの基準を設定することで、無線やアンテナのコンポーネントを、「フロントホール」光接続またはパケットベースのトランスポート接続を使用した RAN のデジタル/ベースバンド層機能を実行する他の構成要素と分離することが可能になり、ベースステーションサイトに設置する必要のある機器の数が最小限で済むようになります。これはネットワークが拡大を続け、密度が増すことで、無線サイトのスペースが制限された場合や、受信範囲の要件から、従来型のベースステーションの展開が不可能または望ましくなかった場所に無線装置を設置する必要が生じた場合に、特に役立ちます。このような場合、デジタル装置またはベースバンド装置（BBU）や追加の構成要素は、集中型無線アクセスネットワーク（CRAN）と呼ばれる、集中型ハブサイトに再配置することができるパケットコアへさらにネットワーク接続性を提供する必要があります。
この進化の次のステップは仮想化無線アクセスネットワーク（V-RAN）でした。このアプローチでは、仮想化またはコンテナ化されたネットワーク機能が、汎用コンピューティングプラットフォームを使用してソフトウェアに実装され、デジタル機能およびベースバンド機能の特別なハードウェア実装と置き換えられます。Enhanced CPRI（eCPRI）などのパケット型フォーマットを使用する無線装置（RU）インターフェイスの導入によって、Virtual Baseband Unit（vBBU）の無線方向およびコア方向（または「バックホール」）インターフェイスの両方が、すべてのネットワーク接続に対して共通イーサネット技術を使用することができ、事業者のデータセンターの共通標準と調整が図られます。このネットワーク機能の仮想化（NFV）アプローチを使用すると、RAN 機能の作業負荷をデプロイして、共通フレームワークおよびコンピューティングリソースを使用して事業者のデータセンターの他の同様の作業負荷と一緒に管理することができます。
オープン RAN
O-RAN ALLIANCE が設定したオープン RAN 基準は、BBU と RAN コンポーネントを完全分散型のアーキテクチャに分離することで、vRAN モデルを拡張する一方で、サブシステム間の標準インターフェイスを定義して、交換可能また相互運用可能とすることを目指しています。
現在の O-RAN アーキテクチャでは、RAN コンポーネントは機能的に無線装置（RU）、分散型装置（DU）、集中型装置（CU）、リアルタイムおよび非リアルタイム無線インテリジェントコントローラ（rtRIC および nrtRIC）に分離されます。アーキテクチャには、ネットワーク機能をホストする O クラウドインフラストラクチャとのインタラクションを含む各分散型ソフトウェアネットワーク機能コンポーネントの展開、管理、およびテレメトリーを調整するシステム管理およびオーケストレーション（SMO）コンポーネントも含まれます。これらの各構成要素では、ネットワークの相互接続が機能する必要があり、隣接するコンポーネントが離れた場所にある場合は、パケット交換機能またはトランスポート機能も必要になります。
このアーキテクチャでは、無線装置（RU）が単独で、アップストリーム分散型装置（DU）を制御するための無線層データのデジタル化を担当します。RU に存在する機能には、DU に接続するための多重入出力（MIMO）構成、アンテナ制御、およびアップリンクパケット処理での各空間ストリームに対するトランシーバー、電力増幅器、デジタル化機能の多くのインスタンスが含まれています。
分散ユニット (DU) は、それが接続されている無線ユニット (RU) のリンク層 (MAC) 制御機能と、スクランブリング、変調、イコライゼーション、MIMO レイヤ マッピング、および無線宛てトラフィックのビームフォーミングはエンコーディングに関連する物理 (PHY) 層信号処理機能の一部を提供する要素です。
1 つ以上の DU からのトラフィックは、ユーザー セッション管理、負荷分散、スケジュール決定、およびハンドオーバ機能を実行する集中型装置（CU）によって集約されます。信号や処理の負荷は低くなりますが、一般にパケットデータの総量は大きくなります。
無線インテリジェントコントローラ（RIC）は、サービスとポリシー管理、RAN アナリティクス、および人工知能（AI）/機械学習（ML）機能を実行する、O-RAN アーキテクチャの特別な個別要素で、複雑なネットワーク内で無線リソースや運用の自動化されたインテリジェントな管理と最適化を可能にします。こうした機能の実行にかかる時間は、非リアルタイム RIC サブシステムの場合は長く（1 秒以上）、リアルタイムの場合は「即時」（1 秒以下）です。変調フレームワークも開発され、rApps （nrtRIC 用）および xApps （rtRIC 用）を使用する標準化されたオープンインターフェイスを通して RIC ロジックと機能の拡張を容易にします。
