各国の５Gの特許出願状況、日本は出遅れてしまった。

ICT技術の総合的調査を⾏う株式会社サイバー創研が出している、「5G実現に資するETSI1標準規格必須特許 （5G-SEP）候補の 出願動向と標準化寄書の提案動向」を見ると、日本は５G貢献は驚くほど少ない。

これを見ると、スマホ・携帯通信各社、ドコモ、ソフトバンク、ａｕは、海外勢に多額の特許料を払わざるを得ず、日本のユーザーの通信代に跳ね返って、また、日本のスマホ通信料は高いという結果となるのではなかろうか?

この1月に総務省が６Ｇ検討委員会を起こしたが、６Ｇ技術開発力自体が弱体している可能性もある。なぜなら、2000年初頭から、自民党政府は大学や企業の基礎開発力をないがしろにしてきているから。

４Ｇの特許についても、株式会社サイバー創研が出している「LTE 関連特許の ETSI 必須宣言特許調査報告書」に以下の纏めが出ていた。４Ｇの特許は2010年初めの物で、これを見ても日本はマイナーである。日本の通信料金は他国に比べて高いと言われている理由は、もしかしたら特許代を海外メーカーに払わざるを得ないからではなかろうか?　そうなると今更、６Ｇでは後れを取りたくないと言っても、基礎技術開発力をつぶしてしまった以上、簡単に追いつけない。長期政権を担っている安倍政権の責任は重い。

 

6G現る！――NTTが実現した2つの100Gbps無線技術

 

businesnetwork.jpというサイトが『5Gの次、6G現る！――NTTが実現した2つの100Gbps無線技術』の解説をしてた。1Tbpsの通信速度が可能なBeyond 5G、すなわち「6G」の実現技術となるものだ。6Gの姿が早くも見え始めてきたという。使う周波数は300GHz以上を目指して開発が進められているもので、現在は通信距離は１０ｍという。これを最短１００ｍに延ばさないとアンテナ数が途方もなく増えてしまう。300GHzだと、光速は30万Km/秒だから、波長は１ｍｍのミリ波と言う事になる。５Gでは最終的に28GHzの周波数と言う事だから１０ｍのミリ波と言う事になる。この周波数帯でも１００ｍを飛ばせるんのだろうか?

 

 以下、同サイトからの引用：：：：：：：：：：：：：：：：：：：：：：：：：：：：：：：：：：：：：：：：：：：：：：：：：：：：：：

NTTは性格の異なる2つの技術分野で、世界に先駆けて無線による100Gbpsデータ伝送実験を成功させた。

1つは、OAM（Orbital Angular Momentum：起動角運動量）多重伝送技術を用いたもの。2018年5月、世界初となる100Gbps伝送実験（距離10m）に屋内（電波暗室）環境で成功したことが発表された。12月に開催された国際会議「IEEE GLOBECOM2018」では、信号処理の改良によって、さらに120Gbps伝送に成功したと報告されている。

屋内伝送実験の様子。10mの距離で120Gbpsのデータ伝送を実現した

もう1つの技術は、まだ利用技術が確立されていない300GHz以上の周波数資源の開拓を目指して開発が進められているもの。NTTは、東京工業大学と共同で行った実験で、300GHz帯での100Gbpsデータ伝送に成功したと2018年6月に発表した。

NTT先端集積デバイス研究所 光電子融合研究部 主幹研究員の野坂秀之氏は、この成果について「NTTが培ってきた超高速IC技術によって実現した」と説明する。

これらの技術はいずれも2030年代に登場する6Gへの導入を目指して開発が進められている。

では、こうした100Gbpsクラスの超高速・大容量無線通信は、どのように実現されているのか――。NTTが取り組んでいる2つの技術開発プロジェクトを軸に、6Gに向けた技術開発のトレンドを見ていこう。

 

電波を回転させて多重化無線システムの伝送容量は大きく、①伝送帯域幅、②変調多値数（データを電波に乗せる際の刻みの細かさ）、③空間多重数の3つのファクターで決まる（図表1）。OAM多重伝送は、③の空間多重数を拡大する手段となるものだ。

 

図表1　無線通信の大容量化の3つの方向性

OAM多重伝送では、電波の位相を進行方向の垂直面上で回転させて、螺旋状のビームにして送る。ビームの生成には、円状に多数のアンテナ素子を配置したUCA（Uniform Circular Array：円形アレイアンテナ）が主に使われ、素子の位置によって電波を送出するタイミングを遅らせるなどの手法により、螺旋状のビームを発生させる。

この螺旋状のビームは、位相の回転数・回転方向が異なっていれば、同じ周波数で複数のビームを重ねて送信しても、受信側で分離できる。この特性を用いて、同じ周波数帯域を複数の伝送路として利用可能にしたのがOAM多重伝送である。伝送路は、位相の回転数・回転方向を示す「OAMモード」で区別される。

OAM多重伝送技術のイメージ。位相の回転数・方向の違いにより
複数の螺旋状のビームを独立した伝送路として利用する

NTTはこのOAM多重伝送と、すでに4GやWi-Fiで広く使われている空間多重技術のMIMOを組み合わせた「OAM-MIMO 多重伝送」を新たに開発。同じ周波数帯域で設定できる伝送路の数を大幅に増やすことに成功した。

伝送実験に用いられたOAM-MIMO送受信装置（70×70×35cm）

「これまでOAM多重伝送の研究者は、OAMモードの数を増やすことで、高速・大容量化を図ろうとしてきた。しかし、ビームの拡散という技術的な課題に阻まれてきた。そこで我々はOAMモード数を5つに抑え、こなれたMIMO技術と組み合わせることで、多重伝送数の拡大を図った。理論だけでなく、実装のノウハウを蓄積してきた通信事業者だからこそ出てきた発想だ」

MIMOと組み合わせた理由について、「ビームの生成にアナログ技術を用いることで、デジタル技術を使う従来手法と比べ、機器構成をシンプルにできた」ことも重要なポイントの1つだという。

NTTが実験に使用した送受信装置には、円状に配置したアンテナ素子群（16素子）が4組搭載されている（図表2）。2018年に実施した実験では、このうち2組を活用した。5つのOAMモードで生成した5種類の螺旋状のビームを、MIMOで2多重して10多重を実現。さらに独立して機能する中央のアンテナ素子による伝送も加えて11多重とした。

28GHz帯の2GHz幅の帯域に、この11本の伝送路を設定することで、120Gbpsの伝送を可能にしたのだ。

 

図表2　NTTが考案したOAM-MIMO技術の構成例

 

では、120Gbpsの8倍以上となる1Tbpsは、どう実現されるのか。李氏は、いくつかの選択肢があると言う。

まず、現在の実験装置に搭載されている4組のアンテナ素子群すべてを使って、MIMOの多重数を4にすることで、21多重が可能になる。さらに「今後高い周波数帯を用いることでOAMモードの数を7、さらには9まで増やすことが可能になる。また、4組のアンテナ素子群をもう1セット搭載し、偏波（大地に対して電波の振動する方向）を変えれば、多重化数をさらに2倍にできる」（李氏）。

こうした手法により多重数を30～40とし、10GHz幅程度の帯域を利用することで、1Tbps超の高速・大容量通信が可能になる。

10GHz幅の帯域を確保するには80/90GHz帯や100GHzを超える周波数帯を用いる必要がある。李氏は1Tbpsの達成時期について、6Gでの採用を考えると「2022～2023年頃には技術開発に目途をつけ、実証実験を行えるようにする必要がある」と話す。

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16K映像を無圧縮伝送5Gの先に登場する1Tbpsの無線伝送技術によって、実現可能になるアプリケーションとは何か。

李氏は「10年後にどのようなユースケースが登場するかは予想しにくい」としながらも、ほぼ確実に出てくる用途として、携帯電話基地局とコアネットワークを接続するフロントホール／バックホールを挙げる。

「5G/6Gでは基地局の数が、今よりも格段に増える。そのため、個別に光ファイバーで基地局を直接結ぶ形から、まずは無線で束ねていく形になるだろう」と見るのだ。

8K/16Kといった超高精細映像の無圧縮伝送のニーズも確実にある。映像圧縮に伴う遅延が一切なくなれば、遠隔手術も現実的なものになる。テレビ番組などの制作手法も大きく変わるはずだ。

OAM多重伝送の実用化に向けた課題としては、伝送距離の拡大が挙げられる。NTTが実施した屋内実験での伝送距離は前述の通り10m。基地局の収容に使うのであれば、屋外で数百m離れても使えるようにする必要がある。

NTTはOAM-MIMO多重伝送の屋外実験を今年2月から開始する。実験開始時は使える帯域が28GHz帯の750MHz幅に限られるため、当初は屋内よりも低い速度で実験を行うが、周波数帯の変更などにより、「まず距離100mでの100Gbps伝送の実現を目指す」（李氏）という。

内部ノイズを抑え100Gbps化NTTが成功したもう1つの100Gbps無線伝送実験は、帯域幅の拡大に貢献するものだ。高い周波数を利用可能にする超高速ICの実用化を目指している。当面のターゲットは、国際的な周波数利用ルールの対象となる上限の275GHz帯より、やや上の300MHz帯の開拓だ。

NTTは2017年末に300MHz帯の25GHz幅の帯域を用いた100Gbpsデータ伝送実験を行い、その成果を2018年6月に開かれた国際会議「IMS2018」で発表した。

NTTは、インジウム燐半導体（InPHEMT）によるミリ波の利用技術の開拓に、7年ほど前から取り組んできた。InP-HEMTは、一般的なシリコン半導体よりも高い周波数に対応できる。2016年にはInP-HEMTを用いた300MHz帯無線装置を試作し、25Gbpsのデータ伝送実験を実施している。帯域幅は25GHz。この実験では「誤り訂正まで作り込んで、DVD1枚のデータを3秒でダウンロードできるデモを行った」（野坂氏）という。

今回の実験では同じ25GHz幅の帯域で、100Gbpsの無線伝送を実現した。変調方式をASK（振幅偏移変調）の4倍の伝送能力を持つ16QAM（16値直角位相振幅変調）に変更することで100Gbpsを可能にした。

300GHz帯を用いた屋内（電波暗室）での無線伝送実験の様子

300GHz帯などの高い周波数帯では、ノイズや歪の影響が大きくなる。そこで2016年の実験では、伝送能力は低いが、ノイズに強いASKを採用した。しかし、高速・大容量化に向けては、より伝送効率に優れる変調方式の採用が必要不可欠となる。

これを可能にしたのが、NTTが培ってきた高アイソレーション回路設計技術である。不要な信号の混入を排除する技術だ。

さて、今回の実験に使われた送受信装置では、データを低い周波数（IF）にいったん載せた後、局部発振器の信号（LO）を混入し、目的の周波数（RF）に高めてから空間に送出する。一方、受信側では、逆の手順を踏んでデータを取り出す（図表3）。無線通信では、標準的な構成だ。

 

図表3　300GHz帯を用いた100Gbps伝送実験の装置構成

この送受信装置に16QAMを実装するうえで問題になったのが、内部ノイズだった。低い周波数帯の場合、IF、LO、RFの相互混入による内部ノイズは無視できる。しかし、ノイズの影響を強く受ける300GHz帯では、16QAMが利用可能なS/N比を超えてしまう。そこでNTTでは、内部ノイズ対策用のフィルターを備えたミキサーを新たに開発。これによりIF、LO、RF信号の混入を抑制することで、16QAMの利用を可能にした。

（左から）実験で使われた300GHz帯ミキサーモジュールと、
これに搭載されているミキサーIC（サイズは1×1mm）

NTTが開発した超高速IC技術は、端末や基地局装置用のICの能力向上を図るものだ。普及すれば、100Gbpsクラスのデータ通信が様々な領域で活用できるようになる。前述したフロントホール／バックホール、8K/16K伝送での利用だけでなく、スマートフォンなどの一般向け端末に標準搭載されることも十分あり得る。

「6Gでは、ユーザー1人ひとりが実際に使える帯域が格段に広がり、新たなユースケースが生まれてくるだろう」と野坂氏は語る。

また、データセンターネットワークの無線化にも、野坂氏は大きな期待を寄せている。光ファイバーなどの有線ネットワークを代替できれば、配線がいらなくなる。

超高速IC技術についても実用化に向けて課題となっているのが、伝送距離の拡大だ。

実験での伝送距離はわずか2m。「少なくとも100m程度にしなければ、用途が限られてしまう」と野坂氏は言う。

伝送距離の拡大に必要なのは、InP-HEMTの出力性能の向上だ。根本的な解決には、半導体技術そのものの進化が求められる。このため、一定の時間が必要と見られるが、野坂氏はこう意気込んだ。

「仮に半導体の技術が今のままでも、アンテナ技術や送信機を複数台組み合わせるなどの手法で対処できるのではないか。2年ほどで100mの距離を実現したい」