5G通信技術は、モバイルデバイスへのビデオコンテンツの即時ダウンロード、最小限の遅延を伴うオンラインゲーム、雑然とした四角のないビデオ通信、およびその他の多くの楽しいことを約束します。これらには、スマートファクトリー、スマートオートパイロットカーと電車、そして地球の隅々で人間の生活を向上させる無数のIoTデバイスが含まれます。東芝のエンジニアが取り組んでいる5G関連分野の1つは、超高速無線技術です。将来的には、第5世代ネットワークのベースステーション間に光ファイバーケーブルを敷設する必要がなくなります。この投稿では、20Gbpsの速度でワイヤレス接続を実装する方法について説明します。
今はどのように機能しますか？
第5世代通信システムは、無線技術を使用して基地局に接続する加入者デバイス（アクセスレベルリンク）、加入者デバイスからネットワークコアに信号を送信する基地局（トランジットリンク）、およびネットワークコア自体で構成されます。処理が実行されます。加入者から加入者へ、および加入者からインターネットへのデータストリームの信号とルーティング。
セルラーネットワークの標準スキーム。出典（以下）：東芝
ネットワークのコアはデータを受信し、セキュリティ管理を提供します。基地局とネットワークのコアとの間のリンクが途絶えると、接続が切断されるため、バックホール接続は非常に信頼性が高く、遅延が発生しないように高速を維持する必要があります。
東芝が最初に5G速度の向上に取り組み始めた2016年、この分野の研究のほとんどは、アクセスチャネルの速度の向上に焦点を当てていました。ただし、5Gの超高速では、アクセスチャネルとバックホールチャネルの両方の帯域幅を同時に増やす必要があります。
何が提供されていますか？
従来、バックホール接続は光ファイバーを使用して実装されてきました。日本は他の国に比べて光ファイバーネットワークが多いですが、山岳地帯に敷設するのは難しく、非常に高額であり、山岳地帯で5G通信を行うためには、そのような地域に新しい基地局を設置する必要があり、コストがさらに高くなります。 。そのため、東芝のエンジニアは、ファイバーバックホールリンクをワイヤレスリンクに置き換えることに重点を置きました。
ワイヤレスバックホールネットワーク
問題は、5Gネットワークに必要な超高速をどのように実現するかでした。すべての方法の中で最も一般的なのは、帯域幅を拡張して速度を上げることです。3Gおよび4Gの周波数は、これにはもはや十分ではありません。より高い周波数、つまりミリ波に移行する必要がありました。
ミリメートルへの移行の難しさ
28 GHzからのミリ波は、これまでモバイル通信に使用されたことはありません。開発者が直面する主な問題は、ミリ波が短距離しか伝わらないことです。それらを使用する最初の試みは、それらが少なくとも1キロメートルを終えることを確実にするための闘争でした。多くの基地局が互いに近くに配置されているネットワークを構築するには、莫大なインフラストラクチャコストが必要になります。これにより、ファイバーリンクをワイヤレスリンクに置き換えることによる節約が無効になります。
通信品質とデータ転送速度を向上させるために、東芝チームは多入力多出力（MIMO）テクノロジを使用することを決定しました。 MIMOは、送信機と受信機で複数のアンテナを使用して、複数の信号を同時に送信することで速度を上げます。電波は建物やその他の物理的な障害物に当たって跳ね返り、さまざまな角度で受信アンテナに到達します。 MIMOテクノロジーは、電波からの反射を使用してパフォーマンスを向上させることにより、これらの環境で高速で安定した通信を提供します。
しかし、山岳地帯の状況では、アンテナは最も高い場所に設置されるように計画されていたため、電波の反射に対する物理的な障害はほとんどありませんでした。 2つ目の問題は、安定した通信距離を伸ばすためにミリ波を狭いビームに集束させる必要があることでした。これにより、反射がさらに減少しました。
説明した制限を考えると、MIMOの利点を利用して速度とスループットを向上させることは困難であることが証明されています。この問題を解決するために、東芝のエンジニアは、電波を垂直偏波と水平偏波の波に分離することで信号伝送を安定化および加速する偏波MIMO（偏波MIMO）技術を使用することを決定しました。
バックホールに偏波MIMOを使用する
信号を2つの波に分割すると、2つの独立した接続が確立され、2倍の速度で安定したリンクが提供されます。東芝は、通信チャネルの編成にPolarized MIMOを使用しようとした最初の企業ではありませんでしたが、すべての研究者が、1kmを超える距離では十分に高い伝送速度を提供できないと報告しました。次の問題は信号の減衰ではなく、大量の干渉。
20 Gbit / sの標準5G速度で信号を送信する場合、送信される情報の量は前世代のネットワークよりもはるかに大きくなります。大量のデータを送信すると、特にミリ波範囲の広い帯域幅の条件では、わずかな干渉でも問題になるという事実につながります。 Polarized MIMOを使用する場合は、広帯域歪みの補正が必要でした。ブロードバンド歪み補正技術は、東芝がデジタル放送や無線LANの研究開発に20年以上携わってきたデジタルテレビ放送のパイオニアです。
Polarized MIMOと広帯域歪み補正方法の組み合わせは画期的なものでした。テストでは、ワイヤレスバックホールリンクを編成するテクノロジーが5G環境でほぼ使用できる状態になっていることが示されました。オープンエリアでの実地試験は残っていましたが、ミリ波の送信については、日本の法律により許可が必要であり、取得が非常に困難でした。これに関連して、英国の東芝ヨーロッパが運営するブリストルリサーチ＆イノベーションラボでフィールドテストを実施することが決定されました。
フィールドトライアル
開発をテストするために、送信機はブリストル大学の屋上に設置され、受信機は900メートル離れた建物に設置されました。実際の距離5kmをシミュレートするために、受信側に減衰器を設置しました。
地上での送信機と受信機の位置
実験の前に、送信機と受信機の明確な焦点を合わせる必要がありました。目でやらなくてはならず、サーチライトでもピントが合いにくく、電波も見えないので簡単ではありませんでした。さらに、毎日朝に機器を設置して再構成し、夕方に屋根から取り外す必要がありました。
5Gの超高速のフィールドテストサイトからの写真
英国での滞在が予定されている終了の3日前に、研究者たちはようやく20Gbpsの安定した速度に到達しました。
将来何を期待するか
2019年12月の学会での技術発表後、東芝チームは実験計画を商業的に利用できるようにするための取り組みを続けました。これには、風雨、気温、湿度の影響など、多くの要因を考慮する必要があります。
モバイルワイヤレステクノロジーの進化は着実に進んでいます。エンジニアはすでに5Gを超えて検討しており、2030年代の6Gへの移行について話し合っています。モバイルカバレッジは、6G時代に宇宙空間に到達すると予測されています。東芝は、この過程で他の人たちと協力して、世界中の人々がどこにいても長距離で安定した高速通信を提供できる技術を生み出していきます。