スマートフォン通信は、4Gから5Gへと移行することで「速くなった」という印象を多くの人が持っています。
しかし、実際の違いは単なる速度の向上にとどまらず、周波数帯域や波長といった電波の物理的な性質の変化に根ざしています。
電波は目に見えない「波」であり、その波の長さや振る舞い方によって届きやすさや干渉のしやすさが決まります。
本記事では、4Gと5Gを物理学的な視点で比較し、通信速度や仕組みを科学的に理解できるよう解説します。
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4Gと5Gの基本的な違いとは
4Gと5Gの最も大きな違いは、通信速度・遅延時間・同時接続数にあります。
- 通信速度
- 4G：最大1Gbps程度（理論値）
- 5G：最大10〜20Gbps（理論値）
→ 実際の利用環境では4Gで数十Mbps、5Gで数百Mbps〜1Gbps前後が多いです。
- 遅延時間（レイテンシー）
- 4G：約30〜50ミリ秒
- 5G：1ミリ秒前後まで短縮可能
→ 自動運転や遠隔医療のような「即応性」が求められる場面では極めて重要です。
- 同時接続数
- 4G：約10万台／1平方km
- 5G：約100万台／1平方km
→ IoT機器やスマートシティ実現に欠かせない進化です。
周波数帯域の違い
電波通信の進化において、周波数帯域の拡大は欠かせません。
- 4Gの周波数帯域
- 主に700MHz〜3.5GHz帯を利用
- 比較的低い周波数のため、障害物を回り込む性質が強く、広いエリアをカバーしやすい
- 5Gの周波数帯域
- Sub6（3.7GHz・4.5GHz帯）とミリ波（28GHz帯）が中心
- 高周波数になるほど一度に送れる情報量が増える
- ただし直進性が強く、建物の壁や雨粒によって減衰しやすい
👉 周波数が高くなると「高速化」と引き換えに「届きにくさ」が増すため、基地局の高密度設置やアンテナ技術の進歩が必要となります。
波長と電波の性質
電波は「波」としての性質を持ち、周波数と波長は反比例の関係にあります。
λ=cf\lambda = \frac{c}{f}λ=fc
- λ\lambdaλ：波長（m）
- ccc：光速（約3.0 × 10^8 m/s）
- fff：周波数（Hz）
4Gの波長
- 主に700MHz〜3.5GHzを使用
- 波長は約40cm〜8cm程度
- 建物を回り込みやすく、屋内でもつながりやすい
5Gの波長
- Sub6：波長約8cm〜6cm
- ミリ波：波長1cm前後
- 波長が短く直進性が強いため、障害物を避けにくい
- 反射や散乱の影響を受けやすい
👉 まとめると、波長が長いほど遠くまで届くが通信容量は小さく、波長が短いほど情報量は増えるが届きにくいというトレードオフがあります。
干渉・回折・減衰の違い
電波は波であるため、干渉・回折・減衰といった物理現象の影響を受けます。
4Gの特徴
- 回折が強い → 建物の陰や山の裏側でも電波が届きやすい
- 干渉に比較的強い → 周波数が低いため信号の安定性が高い
- 減衰（距離や障害物による弱まり）が緩やか
5Gの特徴
- 回折が弱い → 障害物の裏に電波が回り込みにくい
- 干渉しやすい → 高周波ゆえに複雑な反射や散乱を受けやすい
- 減衰が大きい → 雨や壁、人の体によって電波が吸収されやすい
👉 そのため、5Gでは基地局を高密度に配置したり、小型アンテナ（スモールセル）を都市部に設置して通信品質を維持しています。
MIMO技術とビームフォーミング
4Gから5Gに進化する際、通信の「届きにくさ」を補うために開発されたのが MIMO（Multiple Input Multiple Output） 技術と ビームフォーミング です。
MIMO技術とは
- 複数の送受信アンテナを用いることで、同時に複数のデータを送受信できる技術。
- 4Gでは2×2や4×4のMIMOが主流だったが、5Gでは64×64以上の大規模MIMO（Massive MIMO）が実用化。
- これにより、一人当たりの通信速度だけでなく、同時接続数も大幅に増加。
ビームフォーミングとは
- アンテナの送信パターンを制御し、特定の方向に電波を集中して送る技術。
- 4Gのアンテナは全方位に電波を放射 → 無駄が多い。
- 5Gではユーザーの位置を検出し、その方向にだけ電波を「ビーム」として送るため効率的。
- 直進性の強い高周波（ミリ波）でも、効率的にユーザーに届けられる。
応用と未来展望
5Gは、通信の進化によって 新しい社会インフラの基盤 として期待されています。
代表的な応用分野
- 自動運転：低遅延（1ms以下）により、車両同士や信号機とのリアルタイム通信が可能。
- 遠隔医療：手術支援ロボットや遠隔診断において、遅延の少ない高精細映像伝送が実現。
- IoT／スマートシティ：1平方kmあたり100万台の同時接続により、センサーやデバイスが都市全体をネットワーク化。
- AR／VR：大容量データを瞬時に処理できるため、没入感の高い体験が可能。
未来展望（6Gへ）
- 6Gではテラヘルツ波（100GHz〜1THz）の利用が検討されており、さらなる超高速・超低遅延を実現。
- 人工知能と融合し、ネットワークが自律的に最適化される「AIネイティブ通信」が期待される。
- 宇宙通信や水中通信など、これまで困難だった領域にも応用が広がる可能性がある。
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- 「電波の回折とは？障害物を越える電波の不思議」
まとめ
4Gから5Gへの進化は、単なる「速さ」の違いにとどまりません。
周波数帯域や波長の違いによって電波の伝わり方が変わり、干渉・回折・減衰といった物理現象の影響も大きく異なります。
- 4G：低周波・長波長 → 広域カバー・安定した通信
- 5G：高周波・短波長 → 高速大容量・低遅延・多接続
ただし5Gは直進性が強く遮蔽物に弱いため、MIMOやビームフォーミングといった新しいアンテナ技術が導入されました。
その結果、IoTや自動運転、遠隔医療など、社会基盤を支える次世代の応用が可能となっています。
今後登場する6Gはさらに高周波数へ拡大し、AIや宇宙通信との融合も見込まれています。
電波の「物理的な性質」を理解することは、次世代通信の未来を先取りする上で大切な視点といえるでしょう。
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参考情報一覧
- 総務省｜電波利用ホームページ
https://www.tele.soumu.go.jp/ - 3GPP（第5世代移動通信システム仕様）
https://www.3gpp.org/ - IEEE Spectrum｜5G関連技術記事
https://spectrum.ieee.org/ - Nature Electronics｜Next-generation wireless communications
https://www.nature.com/natelectron/ - ITU（国際電気通信連合）5G標準化レポート
https://www.itu.int/
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