次の無線ブレイクスルーへの道を拓く

無線革新のペースは、より速く、より応答性の高い、より信頼性の高い接続を世界中で実現するために加速しています。無線通信業界は、複数のシステムにわたる大幅な技術革新に対応する準備が整っています。セルラー通信が4Gから5Gへと移行し、極めて高いデータスループットを実現する一方で、衛星通信事業者は宇宙空間にネットワークを構築し、世界のどこからでも高速通信を提供できるようにしようとしています。無線エンジニアは、システムのスループット、堅牢なリンク、データ処理能力を最大化するために、画期的な技術を求めています。無線システムの物理層で重要な技術構成要素は、無線システムにおける広帯域化、高次変調方式、マルチアンテナ技術です。

より広域な信号帯域

規格開発機関は、周波数割り当てが限られているため、より高い周波数帯域での広帯域化を求めています。例えば、5G New Radio(NR)リリース15では、周波数レンジ2(FR2)が24.25GHzから52.6GHz、最大チャネル帯域幅が400MHzと規定されています。リリース16では、5GHzと6GHzの周波数帯に免許不要な周波数帯を導入しています。2022年半ばには、3GPPリリース17により、免許不要な周波数帯が71GHzまで拡張される予定です。

衛星通信は、テレビ、電話、ブロードバンド・インターネット・サービス、軍事通信など、さまざまな接続を提供します。衛星はLバンドからKaバンドまで、多くの周波数帯で運用されています。国際電気通信連合(ITU)は、Wバンドの71～76GHz/81～86GHzの区間を衛星サービスに割り当てています。これらの周波数セグメントは、より広い帯域幅を求める商業衛星事業者の関心を集めています。2021年6月30日には、W帯の無線トランスミッターを搭載した衛星の打ち上げに成功しており、W帯での商業用プロジェクトはそう遠くない未来に増えていくでしょう。

ミリ波周波数帯では、使用できる帯域幅が拡大します。帯域が広いとデータの高スループット化、低レイテンシーが可能になりますが、帯域が広いとノイズが多くなり、システム性能が低下します。無線エンジニアは、広帯域通信のためのノイズ問題を管理する必要があります。システムノイズが増えることに加え、高い周波数帯で帯域を広げると、経路損失、周波数応答、位相ノイズなど、その他の設計やテストに関する課題も発生します。

高次変調方式

高次変調方式は、信号帯域を広げることなく高速データレートを実現し、ノイズへの感度の高い、密接なシンボルを必要とします。デバイスは、変調密度が高くなるにつれて、より良い変調品質が必要となります。表1は、3GPPリリース16技術仕様38.141で定義された5G NR基地局のエラーベクトル振幅(EVM)要件を示しています。3GPPでは1,024QAMの採用が検討されており、より厳しい設計およびテストマージンが要求されます。

表1. 5G NR基地局トランスミッターテストにおける変調品質の要求事項

信号帯域の広帯域化と高次変調方式は、両方ともにスループットを向上させます。ただし、帯域幅が広くても、システム容量が大きくなるとは限りません。通信システムのS/N比(SNR)を考慮する必要があります。適切なSNRが通信リンクを維持するためには不可欠です。帯域が広いとシステムにノイズが入りやすく、高次の変調方式はノイズの影響を受けやすくなります。通信リンクを維持するために、高出力信号を歪みなく伝送し、システムノイズを低減する必要があります。設計をテストするためには、図1に示すように、各コンポーネントやサブシステムの正確な特性評価が必要です。