資料提供 : 東京工業大学 この高い周波数帯を情報通信に利用する技術開発は 現在各国の研究機関や企業が積極的に取り組んでおり 国際標準化機関であるIEEE802 委員会で規格化されたものとしては60GH z 帯の無線 LAN 規格 IEEE ad(WiGigとも呼ばれた ) がある これ

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1 IT IT 製品 TOP > ネットワーク機器 > 無線 LAN > 無線 LAN の IT 特集 > 特集詳細 2016/05/11 最新キーワードを5 分で理解するこのコーナー 今回のテーマは ミリ波帯超高速通信 技術です 無線 LANのIEEE acの次の高速 Wi FiとされるIEEE ad(WiGi g) さらにその次のIEEE ay あるいは超高速近接無線通信のIEEE eなど 次世代高速通信技術が目白押しの ミリ波帯 それより低い周波数帯での無線 LAN への電波割り当てがほぼ期待できない現在 今後の無線トラフィック増加に備える時 広い帯域がとれる ( つまり高速通信の可能性がある ) 領域はここしかありません しかし難点は通信デバイス開発にあたって技術的難易度が高いこと 一体どこまで技術開発は進んでいるのでしょうか? ミリ波帯超高速無線通信 って何? ミリ波帯超高速通信 の応用と今後 関連するキーワード ミリ波帯超高速無線通信 って何? 30GHz~300GHzの ミリ波帯 ( 関連するキーワード の項参照 の電波を利用した 数 Gbps 以上の超高速無線通信のこと 現在のところ 東京工業大学 ( 以下 東工大 ) と富士通研究所が開発したCMOSチップによる56Gbps(72GHz~100GHzでの無線伝送 ) が世界最高速 (2016 年 2 月発表 / 図 1) となっている 図 1 ミリ波帯の広い周波数帯で 56Gbps での無線伝送に成功した送受信モジュールとチップ 資料提供 : 東京工業大学

2 資料提供 : 東京工業大学 この高い周波数帯を情報通信に利用する技術開発は 現在各国の研究機関や企業が積極的に取り組んでおり 国際標準化機関であるIEEE802 委員会で規格化されたものとしては60GH z 帯の無線 LAN 規格 IEEE ad(WiGigとも呼ばれた ) がある これは1チャネルで6.76 Gbpsの理論最大速度の通信を可能にする規格だ また まだ規格策定中であるIEEE ayタスクグループでは 60GHz 帯でMIMO 技術とチャネルボンディング技術 ( 複数のチャネルを同時に利用する ) を組み合わせることにより 100Gbpsの通信速度を実現することを目標に定めている 加えて近接通信 (10cm 程度の距離での通信 ) に特化した高速通信に取り組むIEEE eタスクグループでは 60G Hz 帯で最大 100 Gbps リンクセットアップ時間 2 msを目指す規格を策定中だ 近接通信においてはミリ波およびサブミリ波の領域で1Tbpsでの通信が可能とされており 将来はさらなる高速化も期待できる 1 1 そもそも ミリ波 って何? ミリ波 の名は波長( 周波数の振幅の幅 ) がミリ単位 (1mm~10mm) であるところからきている 周波数帯が高いほど利用できる帯域が広くなるので高速通信には好都合だ この周波数帯が今注目されるのは 昨年の電波法施行規則改正により 57GHz~66GHzの周波数帯が 無線免許が要らない 小電力データ通信システムの無線局 用に割り当てられたからだ つまり従来からの無線 LANと同様に利用できるようになったのだ この用途で9G Hzもの帯域幅がとれる周波数帯は他にはない 従来からの無線 LAN 用周波数帯ではすでに通信トラフィックが増大して先行きが怪しくなってきており 多数の無線デバイス (IoTデバイスやモバイル端末 ) が同一周波数帯を利用するために電波干渉の問題も今後ますます増加すると予想される中 通信トラフィックをこの新しい未開拓の周波数帯にオフロードできれば 将来の帯域逼迫を避けられる その期待を 今一手に担っているのが60GHz 帯なのだ IEEE ad はどのくらい高速? 例えば無線 LAN 規格ではチャネル幅や最大理論通信速度は次のようになっている 表 1 無線 LAN の周波数帯とチャネルごとの帯域幅 60GHz 帯は 表に見るように2.16GHzの帯域幅のチャネルを4つ利用することができ 理論最大通信速度はチャネルあたり6.76Gbpsだ IEEE acの最大速度が6.9Gbpsだが これはMIMO(Multiple Input and Multiple Output) と呼ばれる複数アンテナ ( 最大送信 8 本 受信 8 本 ) で1つの伝送路を形成する技術と 一度に8ビットの情報が送れる256QAMと

3 呼ばれる多値変調技術 ( 関連するキーワード の項参照) を使った場合の数字 IEEE adでは今のところMIMOがなく 多値変調は一度に6ビットが送れる64QAMまでだ チャネルボンディングもなしで あまり遜色ない速度が出せるところに注目したい また多値変調技術の研究も進んでチャネルボンディングも可能な状況にあるため 上表の数値を超える超高速通信が実現するのもそう遠くはなさそうだ 1 2 ミリ波帯の弱点とその解消のための技術は? 一方 ミリ波帯には特有の弱点もある 1つは直進性が高く 遮蔽物があるとそれを回り込むことができずに通信不能になりがちなことだ ほかにも 空気中の酸素と共振して減衰してしまうこと さらに発振器の位相雑音やRF( 高周波 ) 回路の雑音を抑え込むのが技術的に難しく 多値変調に課題があることなどが挙げられる 直進性の問題は 複数のアンテナを組み合わせて電波の向きを変えるビームフォーミング技術などである程度は解決可能だが 利用場所や利用方法を含めた検討が必要になるだろう 減衰の問題に対しても 指向性の制御も含めたアンテナ利得向上技術が研究されているが 今のところ無線 LANとして利用する場合は30m 程度までが実用的な通信距離と言われている ただし 直進性と大気中の減衰という特徴は 逆手に取れば通信範囲を限定できるということでもある これは近接通信を前提にすればむしろ長所になる 非接触型のICカード あるいは通路に設置したゲートでの情報通信などのような用途を想定すれば せいぜい遠くても数十 cm 程度の通信距離でよい 他の通信機器などに影響を与えずに 特定デバイス間で大容量通信ができる利点を生かしたアプリケーションが考えられるだろう 回路の雑音抑制により60GHz 帯でも64QAMが実現雑音の問題は多値変調技術と関連している 著名な シャノンの定理 と呼ばれる情報理論では 伝送路容量 = 帯域幅 log2(1+( 信号の電力 / 雑音の電力 )) という関係が成り立つという つまり帯域幅と信号 / 雑音比が通信速度を決めるということだ 電波法で帯域幅と信号の強度は決まっているので 雑音の大きさが速度を左右することになる 高速な通信を行うには多値変調が不可欠だが そのためには高い信号 / 雑音比が必要で 信号強度が変えられないなら雑音を下げる必要がある IEEE ay 準拠の低雑音の発振器やRF 回路を設計 開発している東工大では 60GHz 帯で64QAMを通すことに世界で初めて成功しており 4チャネルをボンディングして42.24G bpsでの通信を実証している ( 図 2) 図 2 60GHz 帯の多値変調技術による速度向上 60GHz IEEE802.11ad/ay QPSK 3.52Gbps/ch

4 QPSK 3.52Gbps/ch 16QAM 7.04Gbps/ch 64QAM 10.56Gbps/ch(ISSCC2014) Channel bonding QPSK 4 ch 14.08Gbps 16QAM 4 ch 28.16Gbps(ISSCC2014) 64QAM 4 ch 42.24Gbps(ISSCC2016) 資料提供 : 東京工業大学 将来の300Gbps 通信の可能性を開く新回路技術なお ミリ波帯としては 前述したように72GHz~100GHzの帯域での56Gbpsが世界最速 こちらの研究では16QAMを採用している それでも高速化できたのは 2つの技術開発が関わっている 1つは データ信号を2つに分けて それぞれを異なる周波数帯へ変換してから混合する技術 ( 図 3) もう1つはチップ上の配線パターンの工夫による 導波管と基板の間の効率的なインタフェースの開発だ これにより低損失化が実現した 図 3 送受信回路の 周波数インターリーブ 技術 資料提供 : 東京工業大学 低周波数帯信号 高周波数帯信号のそれぞれ10GHz 幅ごとに変復調を行うようにしたところ 20GHz 幅の超広帯域信号においても低雑音の変復調が実現した これら技術を利用し 室内で10cmの距離に置いた2 台のモジュールを対向させて行ったデータ伝送試験で 56Gbp sの通信速度が実証された 今回取材した東工大工学院電気電子系の岡田健一准教授によると この方式を洗練させれば100Gbpsまでの速度向上はそう難しくないとのことで 300Gb psも視野に入れた研究が行われているという ミリ波帯超高速通信 の応用と今後さて 無線 LANとしての利用はだいたい想像できるが IEEE eをベースにした近接通信技術はどんな応用イメージになるだろうか 考えられる1つのケースは スマートフォンなどのモバイルデバイス間の情報交換だ これまでにない高速性を生かし 動画などの大容量データでも短時間で交換できる ( 図 4 図 5) 同様にドッキングステーションからモバイルデバイスへのデータ転送もごくわずかな時間で行えよう ZigbeeやBluetoothの少なくとも数千倍の効率になる

5 図 4 60Gbps 対応無線モジュール ( 左 ) とスマートフォンとの接続 ( 右 ) 東工大とソニーが共同開発を行った CMOS チップを利用している無線モジュール (6.3 Gbps の物理層速度 ) 資料提供 : 東京工業大学 図 5 室内での 60GHz 帯高速通信実験の様子 東工大とソニーが共同開発を行った CMOS チップを利用している無線モジュール (6.3 Gbps の物理層速度 ) 資料提供 : 東京工業大学 またモバイルデバイスに 情報キヨスクからコンテンツを受け取ることが考えられる 現在でも店頭端末からメッセージやクーポンを受け取れる技術はあるが 受け取れるモノが 大容量の映像 / 画像データなどにできるところに新しい応用可能性がある さらに 通路に無線デバイスを備えたゲート ( 図 6) を設け 通る人が持つ端末に大容量の情報をプッシュするシステムも考えられる 通信可能範囲に入ってから抜けるまでに 動画などの大容量コンテンツが送れるかもしれない またゲートの代わりにエレベータ床やエスカレータのステップ内部などに無線デバイスを仕込めば 上り下りの間に長時間の映画をダウンロードできるかもしれない 図 6 ゲートに備える無線モジュールの例

6 資料提供 : 東京工業大学 このような応用では ゲートなどに最新コンテンツを配信しておく必要があるが その配信にもミリ波が使える ミリ波帯でも 小電力を前提にしなければ かなり長距離の高速通信が可能だ つまり 屋内では60GHzの免許不要の無線 LANでユーザーデバイスをゲート内のモジュールに接続して情報を配信し そのコンテンツは屋外のモジュールが遠方の他の拠点とのミリ波通信で配信されるような仕組みだ 東工大とソニー 日本無線 KDDI 研究所では 屋内での通信に60GHz 帯の小電力無線を使い 屋外の通信には40GHz 帯の免許を要するモジュールを使って 高速な無線ネットワークを構築する研究を行っており この3 月に構築の成功を発表している その全体イメージを図 7に示す 図 7 60GHz 帯 /40GHz 帯協調による次世代高速ワイヤレスアクセスネットワーク構築イメージ

7 資料提供 : 東京工業大学 図 8 屋外用の 40GHz 帯無線モジュールの例 資料提供 : 東京工業大学 この実験では 60GHz 帯のネットワークで帯域幅 2.16GHzで最大物理層速度 6.57Gbpsを実証した上 無線モジュールと端末を含めた無線システム全体で6.1 Gbpsでの無線ファイル転送に成功すると同時に 通信速度 1Gbpsで伝送距離 1km 以上の40GHz 帯無線伝送システムと 60GHz 帯 GATEシステムを協調動作させる構成も実証できた 40GHz 帯の無線通信方式は同一周波数 同一偏波で同時双方向通信を行う新方式を導入し 従来のFrequency Divisio n Duplex(FDD) 方式やTime Division Duplex(TDD) 方式と比較して原理的に2 倍の周波数利用効率を実現したという 高アイソレーション送受信アンテナ並列配置技術 と 自局送信波回り込みキャンセル技術 を世界で初めて調和的に動作させたことも成功要因だ なお 図 7の (2) のLTE 基地局を介した広域網との協調や (4) の気象条件によって通信経路を自動迂回させる技術も同時に盛り込まれている

8 以上 屋内 屋外を含めてミリ波帯を利用した無線通信の先端技術を今回は紹介した まだ未開拓のミリ波帯での超高速通信により 既存無線ネットワークの限界を打破できる可能性が見えてくると同時に 今までにない無線アプリケーションの可能性も見えている なお今回は触れていないが 携帯電話の 5G でもミリ波帯を利用した高速化技術が進展しており 2020 年の実用化に向けた動きも見逃せない やがて来る新しい無線通信の世界を期待を込めて見守りたい 関連するキーワード ミリ波 どういうもの? 電波の周波数分類の 1 つで 地デジ放送や初期からの無線 LAN 用周波数としてお馴染みの UHF( 極超短波 /0.3~3GH z) 一部の無線 LAN や衛星放送で使われるセンチメートル波 (3~30GHz) よりも上の 30GHz~ 300GHz の領域の周波数帯が ミリ波 この上の 3000GHz(3THz) までをサブミリ波という さらに高い周波数帯は電波ではなく光になる ミリ波とサブミリ波にまたがるテラヘルツレベルの周波数帯についてはテラヘルツ帯と呼ぶこともあり テラヘルツ帯の高速情報通信の研究も進んでいる ミリ波帯超高速無線通信 との関連は? ミリ波は従来 レーダーや映像 イメージング領域の情報伝送に利用されてきたが 昨年から無線 LAN などの無線局免許が不要な用途で 60GHz 帯が利用できるようになり 無線トラフィックの分散とともに 超高速通信による新しい無線アプリケーションの登場が期待されている 多値変調技術 どういうもの? 一度に多くのビットを同時送受信するための変調技術 位相偏移変調 (PSK:Phase Shift Keying) の BPSK QPS K 直交振幅変調 (QAM:Quadrature Amplitude Modulation) の 16QAM 64QAM 256QAM などが利用されている ミリ波帯超高速無線通信 との関連は? 周波数が高くなると多値変調に関わる雑音が通信速度に大きな影響を及ぼすため ミリ波での通信では 16QAM までが限界だったが 回路の雑音抑制技術の進歩により 最新研究では 64QAM での高速伝送が可能になった IEEE ad どういうもの? 無線 LAN の規格の 1 つ 60 GHz 帯で高速通信を行う WiGig として WiGig アライアンスで策定された規格がベースになっており 現在は同アライアンスが Wi Fi アライアンスに合流し Wi Fi の新規格としての認知が進んでいる ミリ波帯超高速無線通信 との関連は? ミリ波帯超高速無線通信では アプリケーションの方向性として速度はそこそこでも長距離伝送を目指す研究と 近接したエリアで超高速通信を行う研究とが進んでいる 前者では 本文で触れた 1km 離れたところと 1Gbps で通信する実証実験のほか 直線距離で 5km 離れた地点間での 1Gbps 通信も実現している ( 東工大による ) 後者では 10c m 程度の距離で 1Tbps の速度も可能という IEEE ad は最大 10m の距離で 6.76Gbps を実現する規格なので これら両方向の中間に当たるような技術と考えるとよいかもしれない 関連リンク 東京工業大学工学院電気電子系岡田健一准教授

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