将来的には、モバイル通信業界は必然的に新しい標準に移行する必要があります。 遅かれ早かれ、4Gネットワークの帯域幅は十分ではなくなります。 これは避けられません。 しかし、いくつかの抽象的な5Gテクノロジーの実装を大幅に加速できる要因の1つは、利用可能な無線周波数範囲の狭さです。 もちろん、商業利用に手頃な価格です。 この問題の解決策は、無線周波数スペクトルの別の部分であるミリメートル範囲への移行です。 私たちは今何がこれをするのを防いで、何が1つの記事の翻訳で将来助けるかについて話したいです。
ほぼ期限切れの問題
モバイル事業者が利用できる周波数がひどく不足しているため、使用権の取得に莫大なお金を費やす必要があります。 無線周波数範囲の一部を取得するために、競合他社を吸収するなどの措置を講じる必要がある場合もあります。 このような不健康な状況が生まれたのは、業界が40年にわたって存在していたのは、 デシメートル範囲である300 MHz〜3 GHzだけに依存していたためです。 ただし、調整された周波数スペクトル全体の約1％しか占めていません。 無線技術者は常にモバイルネットワークに最適であると考えてきました。 この範囲の波長は、小さなアンテナで間に合うように十分に短いです。 しかし同時に、波長は建物や植生などの障害物を丸めて通過するのに十分です。 放射電力が小さい場合でも、デシメートル範囲により、ほとんどすべての無線環境で、少なくとも大都市で、野外でも数キロメートルの範囲で通信できます。
問題は、オペレーターがいくら払っても構わないかどうかにかかわらず、デシメートルの範囲がもはや十分ではないことです。 スマートフォンやタブレットの使用は何度も増えており、人々はインターネットを積極的に使用し、ストリーミングビデオを視聴し、その場で写真を共有しています。今日、これまで以上に多くの情報が「無線」で送信されています。 シスコとエリクソンのレポートによると、グローバルなモバイルトラフィックは毎年ほぼ2倍になり、この指数関数的な成長は近い将来に続くでしょう 。 2020年までに、平均的なモバイルユーザーは年間約1テラバイトをダウンロードします。
無線標準を開発している様々なグループはLTEネットワークの帯域幅を増やすためにあらゆる種類の推薦を開発しました。 ここでは、複数のアンテナの使用、セルのサイズの縮小、およびデバイス間の「スマート」な相互作用。 しかし、これらのソリューションはいずれも、今後4〜6年間のトラフィックの増加に対処できません。 業界の代表者は、この10年の終わりまでに5Gテクノロジーが需要になると考えています。 また、新しいネットワークを展開するには、オペレーターは新しい範囲を取得する必要があります。 しかし、どこで入手できますか？
ミリ
ミリメートル範囲は 30〜300 GHzの範囲です。 ただし、私たちの条件では、波がミリ波とほぼ同じ障害物を迂回するため、10〜30 GHzのほとんどの隣接センチメートル範囲に起因する可能性もあります。 ほとんどの場合、政府の規制当局は最大100 GHzの幅のセクションを割り当てることができます。 これは、携帯電話通信のニーズに今日割り当てられている範囲の幅の100倍以上です。 つまり、理論的には、オペレーターはLTEネットワークと比較してスループットを100倍に増やすことができます。
もしこれがすべてがあまりにも良すぎて聞こえないように思えるなら、あなたは一人ではありません。 ごく最近まで、ほとんどの専門家は同じことを言っていました。 これに必要な機器が高すぎるため、オペレーターはミリメートル範囲を使用する可能性を常に拒否しています。 また、ミリ波は開発状況下でより良く伝播し、大気、雨滴、植生に吸収または散乱され、敷地内に浸透することもできないと広く信じられています。
ただし、これらのアイデアはすべてすぐに反論されます。
物語
モバイル通信用の新しいミリ波技術には、長く興味深い歴史があります。 1895年、 グリエルモマルコーニが電信装置のデモを行う前に、ヒンドゥー教の百科事典のJagdish Chandra Boseが世界初のミリ波信号装置を発表しました。 スパークトランスミッターを使用して、彼は60 GHzの周波数の信号を3つの壁とローカルガバナーの本体を介して、23メートル離れた位置にある検出器付き漏斗型ホーンアンテナに送信しました。 受信信号の確認として、簡単なデバイスが電話をかけ、銃を発射し、小さな地雷を爆発させました。
しかし、ボッシュの発明は、わずか50年後に研究所を超えました。 ミリ波デバイスを最初に使用したのは軍隊と電波天文学者で、それぞれレーダーと電波望遠鏡に適合しました。 数十年後、自動車メーカーは、ミリ波周波数を使用してクルーズコントロールと衝突警告システムを作成しました。
ドットコムブームの間に、ミリ波の範囲を使用してローカルネットワークを作成するプロジェクトが急に開始されました。 これらの目的のために、多くの国の政府は、巨大な周波数帯域を割り当てまたは競売にかけています。 しかし、完成品は難しかった。 メーカーは、ミリ波RF回路とアンテナが非常に高価であることをすぐに認識しました。 半導体業界には、そのような周波数で動作するのに十分な速度で商用デバイスを生産するインセンティブがありませんでした。 そのため、約20年間、ミリメートルの範囲は主張されていませんでした。
私たちの日々
しかし今、状況は変化しています。 ムーアの法則と高価な車のレーダーテクノロジーに基づくすべてのオプションの人気の高まりのおかげで、今日では、CMOSまたはシリコンゲルマニウムチップにミリメートル対応の無線を搭載できます。 そのため、ミリ波デバイスの価格は急速に低下しています。 今日、多くのハイエンドスマートフォン、テレビ、ゲーム用ラップトップには、ワイヤレスハイデフィニション（ WirelessHD ）とワイヤレスギガビット（ WiGig ）の2つの競合する標準に従って動作するワイヤレスチップセットが含まれています。
これらの技術は、たとえばスマートフォンと基地局との通信用に設計されていません。 これらは、非圧縮ビデオなどの大量のデータを、不都合なイーサネットまたはHDMIケーブルなしで短距離で転送します。 両方の規格は、特定の国の要件に応じて、5〜7 GHzの幅の帯域で約60 GHzの周波数で動作します。 これらの帯域は最速のWi-Fiネットワークよりもはるかに広く、最大7 Gb / sの帯域幅を提供できます。
セルラーネットワーク用の機器の製造業者も、ミリメートル範囲の超広帯域の利点を認識し始めました。 既にミリ波コンポーネントを使用して、基地局とバックボーンネットワーク間の直接の見通し距離で高速通信を提供し始めており、ファイバーの使用を節約しています。
ただし、新しい範囲に基づいてセルラー通信を作成する実験はまだ進行中です。 以下は、Samsungのプロトタイプネットワークです。 タブレットサイズの64個のアンテナのアレイ、フェーズドアレイアンテナが含まれ、信号を目的のポイントに向けます。 アナログデータはデジタル化されるため、アレイセグメントを細かく制御し、 空間多重化 （MIMO）を使用できます。 オペレータは、複数のデバイスに同時にデータを送信するか、1つのデバイスにビームを集中してダウンロード速度を上げるかを選択できます。
ミリ波デバイスの実装における明らかな進歩にもかかわらず、多くの専門家は、この範囲が安定したセルラー通信を提供できるという考えに依然として懐疑的です。 主な不満は、特に開発が密集している状況では高品質のカバレッジが不可能であることです。これは、ベースステーションとすべてのエンドデバイス間で常に直接的な可視性を提供することができないためです。 たとえば、スマートフォンを使用しているユーザーが木の後ろに立ったり、入り口に入ると、ミリ波はおそらくこれらの障害を突破できません。
次の投稿で読んでください。 ミリ波通信の範囲と安定性を検証するための一連の実験、この技術の既存の開発とさらなる展望についてお話します。