早稲田大学(早大)と岐阜大学の両者は3月4日、信号形式・周波数などを無線LANやBluetoothの通信規格として知られる「IEEE 802.15.3d」に準拠した、24時間の屋外設置可能なテラヘルツ通信装置を開発し、早大 西早稲田キャンパスで長期間の連続伝送実験を開始したことを共同で発表した。

また、テラヘルツ通信は雨や雪に弱いとされている中、2024年2月5日の東京地方の大雪でも稼動させながらテラヘルツ伝搬特性の計測を行った結果、今後のシステム設計に有用な情報の取得に成功したことも併せて発表された。

  • 早大西早稲田キャンパス内に設置されたテラヘルツ通信装置

    早大西早稲田キャンパス内に設置されたテラヘルツ通信装置(出所:岐阜大リリースPDF)

同成果は、早大 理工学術院の川西哲也教授、岐阜大 工学部の久武信太郎教授らの共同研究チームによるもの。なお今回開発されたテラヘルツ通信装置の技術的な詳細については、広島大学において3月8日まで開催中の電子情報通信学会総合大会にて発表予定としている。

高速テラヘルツ通信は、次世代移動通信システムのBeyond 5G/6Gシステムにおいて、基地局を接続するためのネットワーク(バックホール・フロントホール)の一部を担うことが期待されている。しかし、テラヘルツを利用した無線は雨や雪の影響を受けやすいという課題があり、これまでの研究報告のほとんどは実験室内での実証や測定器を使った通信の模擬によるものだったことから、実際に屋外で影響を評価する必要があったという。

また、ミリ波帯・テラヘルツ帯では、その波長の短さからアンテナ方向の精密調整が必要という課題も存在していたため、研究チームは今回、屋外設置が可能なIEEE802.15.3d準拠のテラヘルツ通信装置の開発に着手。それを実際に早大の西早稲田キャンパスに設置して、課題克服に向けた屋外での実証実験を開始したという。

  • テラヘルツ通信装置

    テラヘルツ通信装置(出所:岐阜大リリースPDF)

これまでのテラヘルツ帯通信実験では、測定器による伝送の模擬や単方向の画像伝送をデモンストレーションするものが大半だったという。しかし今回開発された装置はイーサネットインタフェースを有しており、実データの双方向伝送が可能だ。また併せて、屋外において連続伝送実験を行うための筐体の開発、センサ装置の実装も行われた。

なお、ミリ波帯やテラヘルツ帯ではビーム幅の細い電波が用いられるが、アンテナ方向の調整にコストがかかるという課題があった。そこで今回の研究では、精度の高い機構設計と精密電動雲台による制御により、自動アンテナ方向調整が実現された。

加えて別の課題として、テラヘルツ帯では送信と受信のアンテナを共通にすることが困難なため、それぞれ個別のアンテナを用いることが一般的だった。そこで今回は、300GHz帯の回路が設計され、送受信アンテナの共通化と機構設計の精密化により、装置の小型化、防水対応、アンテナ方向精度の向上が図られた。

以降、西早稲田キャンパス内に設置された1組のテラヘルツ通信装置を用いて、現在は長期の連続伝送実験が実施中だ。気象センサ、装置内温度センサ、振動センサなどを備え、風雨・降雪・温度変化と伝送特性の相関を連続的に観測することが可能となっている。なお、2月5日の東京地方の降雪時においても連続データを取得することに成功し、大雪時に受信電力(RSSI)の大きな変動が確認されたとする。それらの詳細については現在解析中だといい、アンテナへの着雪と落雪が繰り返されたことが原因と推定されたとしている。

  • 降雪時(2024年2月5日)の受信電力の変化

    降雪時(2024年2月5日)の受信電力の変化。縦軸RSSIは受信電力の大きさを表す指標。横軸は2月5日の日本時間での時刻。気象庁のデータでは15時ごろから降雪となっている。15時ごろから電力の低下が見られ、降雪が激しくなったと思われる16時ごろから、大きな電力の低下と上昇を繰り返している。アンテナへの着雪と落雪が繰り返しおきていることの反映であると考えられている(出所:岐阜大リリースPDF)

研究チームは今後も、今回開発された屋外動作が可能な小型のテラヘルツ通信装置を活用し、実用化に向け、伝送容量・伝送距離の拡大やほかの無線器との干渉の影響の解析など、さまざまな実験を実施する予定とのこと。さらに複数のテラヘルツ通信装置を連携させ、悪天候時にもおいても安定的に動作するシステムの実現を目指すとする。

なお研究チームは、今回の研究成果をベースとして、電子工学・機械工学・材料工学などの学際領域の知見を結集してマルチフィジックスICTという新しい概念の構築を目指す、JST ASPIRE事業(JPMJAP2324)「マルチフィジックスICTデザイン」を進める予定とする。今回開発された通信装置は、最新の電子デバイスを用いた送受信器、精度の高い微動機構によるアンテナ制御、気象状況の詳細測定などの技術がベースとされている。ASPIRE事業では、テラヘルツ波、光ファイバなどのさまざまな伝送媒体を用いたネットワークを電子工学、機械工学などを駆使してデザインすることが目標とした。同ASPIRE事業の概要については、電子情報通信学会総合大会のスポンサードセッションとして3月6日に開催されるキックオフミーティングにて発表予定としている。