ミリ波通信

ミリ波(mmWave) は、10mm (30 GHz) ～ 1mm (300 GHz) の波長を持つ電磁スペクトル帯域です。国際電気通信連合 (ITU) では、超短波 (EHF) 帯域と呼ばれています。ミリ波はスペクトル内でマイクロ波と赤外線の間に位置し、ポイントツーポイント バックホール リンクなどのさまざまな高速無線通信アプリケーションに使用できます。
マクロトレンドがデータ増加を加速
データと接続に対する世界的な需要の増加に伴い、現在無線通信に使用されている周波数帯域はますます混雑しており、ミリ波スペクトル内のより高い周波数帯域幅にアクセスする需要が高まっています。多くのマクロトレンドにより、より大きなデータ容量と速度への需要が加速しています。
1. ビッグデータによって生成および処理されるデータの量と種類は、日々指数関数的に増加しています。世界は、毎秒無数のデバイスで大量のデータを高速送信することに依存しています。2020 年には、1 人あたり 1 秒あたり 1.7 MB のデータが生成されました。(出典: IBM)。2020 年の初めに、世界のデータ量は 44ZB と推定されました (世界経済フォーラム)。2025 年までに、世界のデータ作成量は 175 ZB を超えると予想されます。言い換えれば、このような大量のデータを保存するには、今日最大の 125 億個のハード ドライブが必要になります。(インターナショナルデータコーポレーション)
国連の推計によると、2007 年は都市部の人口が農村部の人口を初めて上回った年でした。この傾向は今も続いており、2050 年までに世界人口の 3 分の 2 以上が都市部に居住すると予想されています。これにより、これらの人口密集地域の通信およびデータインフラストラクチャに対する圧力が増大しています。
3. パンデミックから政治的混乱や紛争に至る多極的な世界的危機と不安定は、各国が世界的不安定のリスクを軽減するための主権能力の開発にますます熱心になっていることを意味します。世界中の政府は、他地域からの輸入への依存を減らし、国内の製品、技術、インフラの開発を支援したいと考えています。
4. 二酸化炭素排出量削減に向けた世界的な取り組みにより、テクノロジーにより二酸化炭素排出量の多い旅行を最小限に抑える新たな機会が開かれています。現在、会議やカンファレンスは通常オンラインで開催されています。医療処置であっても、外科医が手術室に来る必要がなく、遠隔で実行することができます。この正確な操作を実現できるのは、超高速で信頼性が高く、中断のない低遅延データ ストリームのみです。
これらのマクロ要因により、人々は世界中でますます多くのデータを収集、送信、処理するようになり、より高速で遅延を最小限に抑えた送信も必要になります。

ミリ波はどのような役割を果たせるのでしょうか？
ミリ波スペクトルは広範囲の連続スペクトルを提供し、より高速なデータ伝送を可能にします。現在、ほとんどの無線通信に使用されるマイクロ波周波数は、特に防衛、航空宇宙、緊急通信などの特定部門専用のいくつかの帯域幅で、混雑と分散が進んでいます。
スペクトルを上に移動すると、利用可能な中断されないスペクトル部分がはるかに大きくなり、保持される部分は少なくなります。周波数範囲を拡大すると、データの送信に使用できる「パイプライン」のサイズが効果的に増加し、より大きなデータ ストリームが実現されます。ミリ波のチャネル帯域幅ははるかに大きいため、複雑さの少ない変調方式を使用してデータを送信でき、システムの遅延が大幅に短縮されます。
課題は何ですか?
スペクトルの改善には関連する課題があります。ミリ波で信号を送受信するために必要なコンポーネントや半導体は製造がより難しく、利用できるプロセスが少なくなります。ミリ波コンポーネントの製造もより困難です。ミリ波コンポーネントははるかに小さいため、より高い組立公差と、損失を低減し発振を回避するための相互接続とキャビティの慎重な設計が必要です。
伝播はミリ波信号が直面する主な課題の 1 つです。周波数が高くなると、壁、木、建物などの物理的な物体によって信号がブロックされたり、減少したりする可能性が高くなります。これは、建物内で信号を伝播するには、ミリ波受信機を建物の外に設置する必要があることを意味します。バックホールおよび衛星から地上への通信では、長距離にわたって信号を送信するために、より大きな電力増幅が必要です。地上では、ポイントツーポイント リンク間の距離は、低周波数ネットワークが達成できるより長い距離ではなく、1 ～ 5 キロメートルを超えることはできません。
これは、たとえば田舎ではミリ波信号を長距離に送信するためにより多くの基地局とアンテナが必要になることを意味します。この追加のインフラストラクチャの設置には、より多くの時間とコストが必要です。近年、この問題を解決するために衛星群の配備が試みられており、これらの衛星群は再びミリ波をアーキテクチャの中核として採用しています。
ミリ波を導入するのに最適な場所はどこですか?
ミリ波は伝播距離が短いため、データ トラフィックが多く人口が密集した都市部での導入に非常に適しています。無線ネットワークの代替手段は光ファイバー ネットワークです。都市部では、新しい光ファイバーを敷設するための道路掘削は非常に高価で、破壊的で、時間がかかります。それに対して、ミリ波接続は、中断コストを最小限に抑えながら、数日以内に効率的に接続を確立できます。
ミリ波信号によって達成されるデータ速度は、光ファイバーのデータ速度に匹敵すると同時に、より低い遅延を実現します。非常に高速な情報の流れと遅延を最小限に抑える必要がある場合、無線リンクが第一の選択肢になります。そのため、ミリ秒の遅延が重要となる証券取引所でワイヤレス リンクが使用されます。
田舎では、距離が長いため、光ファイバーケーブルの敷設費用が法外に高額になることがよくあります。前述したように、ミリ波タワー ネットワークにも多額のインフラ投資が必要です。ここで紹介するソリューションは、低軌道 (LEO) 衛星または高高度擬似衛星 (HAPS) を使用して、データを遠隔地に接続することです。LEO および HAPS ネットワークは、優れたデータ レートを提供しながら、光ファイバーを設置したり、短距離のポイントツーポイント無線ネットワークを構築したりする必要がないことを意味します。衛星通信ではすでにミリ波信号が使用されており、通常はスペクトルのローエンドである Ka 周波数帯 (27 ～ 31GHz) が使用されています。Q/V および E 周波数帯域、特に地上へのデータのリターン ステーションなど、より高い周波数に拡張する余地があります。
通信リターン市場は、マイクロ波周波数からミリ波周波数への移行において主導的な立場にあります。これは、過去 10 年間における消費者向けデバイス (ハンドヘルド デバイス、ラップトップ、モノのインターネット (IoT)) の急増により、より多くのより高速なデータに対する需要が加速したことによるものです。
現在、衛星事業者は通信会社の例に倣い、LEOおよびHAPSシステムでのミリ波の利用を拡大したいと考えている。以前は、従来の静止赤道軌道 (GEO) 衛星と中地球軌道 (MEO) 衛星は地球から遠すぎて、ミリ波周波数で消費者通信リンクを確立できませんでした。しかし、LEO衛星の拡張によりミリ波リンクの確立が可能となり、世界的に必要とされる大容量ネットワークを構築できるようになりました。
他の産業にもミリ波技術を活用する大きな可能性があります。自動車業界では、自動運転車が安全に動作するには、継続的な高速接続と低遅延のデータ ネットワークが必要です。医療分野では、遠隔地にいる外科医が正確な医療処置を実行できるようにするために、超高速で信頼性の高いデータ ストリームが必要になります。
10 年間にわたるミリ波イノベーション
Filtronic は、英国を代表するミリ波通信技術の専門家です。当社は、高度なミリ波通信コンポーネントを大規模に設計および製造できる英国で数少ない企業の 1 つです。当社には、新しいミリ波テクノロジーの概念化、設計、開発に必要な RF エンジニア (ミリ波の専門家を含む) が社内にいます。
過去 10 年間、当社は大手移動通信会社と協力して、一連のマイクロ波およびミリ波トランシーバー、パワーアンプ、バックホール ネットワーク用のサブシステムを開発してきました。当社の最新製品は E バンドで動作し、衛星通信における超大容量フィーダ リンクの潜在的なソリューションを提供します。過去 10 年にわたり、重量とコストを削減し、性能を向上させ、生産量を増やすために製造プロセスを改善するなど、徐々に調整と改良が行われてきました。衛星企業は、この実証済みの宇宙展開テクノロジーを採用することで、何年にもわたる社内テストと開発を回避できるようになりました。
当社は、社内で技術を創出し、社内の量産プロセスを共同開発するなど、イノベーションの最前線に取り組んでいます。当社は常にイノベーションにおいて市場をリードし、規制当局が新たな周波数帯域を開放する際に当社のテクノロジーが確実に導入できる状態にあることを保証します。
当社はすでに、今後数年間に発生する E バンドの混雑と増大するデータ トラフィックに対処するための W バンドおよび D バンド テクノロジーの開発を行っています。当社は業界の顧客と協力して、新しい周波数帯域がオープンした際の限界収益を通じて競争上の優位性を構築できるよう支援します。
ミリ波の次のステップは何でしょうか?
データの利用率は一方向にしか発展せず、データに依存するテクノロジーも常に向上しています。拡張現実が到来し、IoT デバイスが普及しつつあります。国内用途に加えて、主要な産業プロセスから油田、ガス田、原子力発電所に至るまで、あらゆるものが遠隔監視のための IoT テクノロジーに移行しており、これらの複雑な施設を運用する際の手動介入の必要性が減少しています。これらおよびその他の技術の進歩が成功するかどうかは、それらをサポートするデータ ネットワークの信頼性、速度、品質にかかっており、ミリ波は必要な容量を提供します。
ミリ波によっても、無線通信分野における 6GHz 未満の周波数の重要性が低下するわけではありません。それどころか、これはスペクトルへの重要な補足であり、さまざまなアプリケーション、特に大規模なデータ パケット、低遅延、より高い接続密度を必要とするアプリケーションの正常な配信を可能にします。

新しいデータ関連テクノロジーの期待と機会を実現するためにミリ波を使用する事例は説得力があります。しかし、課題もあります。
規制は課題だ。規制当局が特定のアプリケーションに対してライセンスを発行するまで、より高いミリ波周波数帯域に参入することは不可能です。それにもかかわらず、予測される需要の指数関数的な増加は、規制当局が混雑や干渉を避けるためにより多くのスペクトルを解放するというプレッシャーにさらされていることを意味します。パッシブ アプリケーションと気象衛星などのアクティブ アプリケーションの間でスペクトルを共有するには、アジア太平洋 Hz 周波数に移行することなく、より広い周波数帯域とより連続したスペクトルを可能にする商用アプリケーションに関する重要な議論も必要です。
新しい帯域幅によってもたらされる機会を活用する場合、高周波通信を促進する適切なテクノロジーを備えていることが重要です。そのため、フィルトロニックは将来に向けて W バンドおよび D バンド技術を開発しています。これが、私たちが大学、政府、産業界と協力して、将来のワイヤレス技術のニーズを満たすために必要な分野でのスキルと知識の開発を促進する理由でもあります。英国が将来の世界的なデータ通信ネットワークの開発で主導権を握るには、政府の投資をRF技術の適切な分野に振り向ける必要がある。
フィルトロニックは、学界、政府、産業界のパートナーとして、データの必要性がますます高まる世界で新たな機能と可能性を提供する必要がある高度な通信テクノロジーの開発において主導的な役割を果たしています。