ソフトバンク・岐阜大学・NICTなど、Beyond 5G/6Gに向けて小型アンテナを使用した300GHz帯テラヘルツ無線通信に成功

近年、無線通信の高速化・大容量化の要求によって、100Gbps以上の伝送速度を実現するBeyond 5G/6G(※1)技術に関する研究開発が世界的に開始されつつある。テラヘルツ無線は、5Gで利用されるミリ波帯と比べて、より広い周波数帯域が利用可能なため、超高速無線システムの候補として期待されている。

5Gで用いられる準ミリ波帯よりも周波数が1桁高い300GHz帯無線通信を広く活用するためには、大きな伝搬損失を補うために高利得(※2)アンテナの開発が重要になる。例えば、kiosk端末から50cm程度離れたスマートフォンに300GHz帯無線通信でデータをダウンロードするユースケースを考えた場合、一般的なスマートフォンに搭載されているレンズと同程度のアンテナ開口面積(3mm2)以下で14dBi程度以上のアンテナ利得が望まれる。

ところが、アンテナ利得とアンテナ開口面積はおよそ比例関係を有しており、アンテナの小型化と高利得化の両立が課題となっている。

ソフトバンク・岐阜大学・NICTなど、Beyond 5G/6Gに向けて小型アンテナを使用した300GHz帯テラヘルツ無線通信に成功
300GHz帯におけるアンテナ利得とアンテナ開口面積との関係
国立大学法人東海国立大学機構 岐阜大学、ソフトバンク株式会社、国立研究開発法人情報通信研究機構(以下、NICT)、National Research Tomsk State UniversityおよびTomsk Polytechnic Universityの研究グループは、Beyond 5G/6G時代を見据え、300GHz帯テラヘルツ無線で動作する超小型アンテナを使用した通信実験に成功した。

具体的には、昨年開発したフォトニックジェット効果(※3)を用いた小型の誘電体アンテナ(1.36mm×1.36mm×1.72mm、開口面積1.8mm2、利得およそ15dBi)を使用して、600mmという小区間で17.5Gbpsの通信実験に成功した。

この距離は最初の一歩として、テラヘルツ帯がスマートフォンなどの近距離通信に使えることを示し、また現在開発が進められているテラヘルツ無線に対応するトランシーバーの出力と受信感度の性能が向上することで、より長距離の通信への可能性を示すものとのことだ。

トップ画像の白い立方体部が開発した微小アンテナで、手前の大きなホーンアンテナ(9.0mm×9.0mm×47.5mm、利得 23dBi)はテラヘルツ波無線通信で一般に用いられるものである。試験で用いた送受信機に特別な部品は使用せず、市販の部品のみで構成されている。伝送速度は17.5Gbpsで、これは試験に用いた計測機器により制限されている。

開発したアンテナから伝送された信号スペクトル形状を測定したところ、狭窄化などのスペクトル形状の劣化は見られず、開発したアンテナが高速無線通信に適用可能な広帯域性を有していることが確認できた。試験では、送受信機間の距離を変えながら、ビットエラー率を計測している。今回、伝送距離およそ600mm以下において、一般的に伝送成功の目安となるFEC limt(BER=3.8×10-3)以下のビットエラー率を確認した。

ソフトバンク・岐阜大学・NICTなど、Beyond 5G/6Gに向けて小型アンテナを使用した300GHz帯テラヘルツ無線通信に成功
ビットエラー率(BER)と伝送距離との関係
今回の研究開発で、スマートフォンなどへの実装が可能と考えられる小型アンテナを用いた300GHz帯高速無線伝送が市販の部材のみを用いて実現した。300GHz帯で動作する高感度・小型受信機や高出力アンプの研究開発が世界的に急速に進展している中、無線信号の波長と同サイズの小型アンテナの実現によって、テラヘルツ無線で動作する小型集積回路への実装が可能となり、Beyond 5G/6G 時代の超高速無線通信などの実用化に貢献すると期待される。

今後は、超小型アンテナを相互に用いたテラヘルツ無線通信のユースケースや、無線送受信機の実現可能性を調査するとしている。

※1 Beyond 5G/6G:第5世代移動通信システム(5G)の次の無線アクセスシステムを指す。5Gの特長(超高速、超低遅延、多数同時接続)のさらなる高度化に加えて、高信頼化やエネルギー効率の向上など新たな技術革新が期待されている。
※2 利得:アンテナに入力された電力に対して、アンテナ正面方向にどの程度の電力を出力できるのかを数値化したもの。利得が高ければ、より指向性が強い電波を放射することが可能になる。
※3 フォトニックジェット効果:波長オーダーの誘電体構造に電磁波を照射することで、誘電体の後ろに発生する現象のこと。透過発生したフォトニックジェットを測定してアンテナ本体の性能を明らかにし、これを通信に応用した。

Previous

IDC、国内企業は5Gを導入する際に通信料金やカバーエリア等に懸念を抱くと発表

JCB、スマートシティに関するグローバル・オープンイノベーション・プログラム「SmartCityX」に参画

Next