5G にミリ波を選ぶ理由

3GPP 38.101 協定によると、5G NR は主に 2 つの周波数帯域 (FR1 周波数帯域と FR2 周波数帯域) を使用します。 FR1 周波数帯域の周波数範囲は 450MHz-6GHz で、サブ 6GHz 周波数帯域としても知られています; FR2 周波数帯域の周波数範囲は 24.25GHz-52.6GHz で、通常ミリ波 (mmWave) と呼ばれます。

長い歴史の中で、ミリ波帯は野生のものでした。なぜ？理由は単純で、ミリ波を送受信できる電子部品やデバイスはほとんどないからです。 mmWave を送受信する電子デバイスがないのはなぜですか?理由は 2 つあります。

第 1 の理由は、ミリ波はより広い帯域幅とより高いデータ レートを提供できますが、以前のモバイル アプリケーションはそれほど広い帯域幅と高いデータ レートを必要とせず、ミリ波に対する市場の需要がなかったことです。また、ミリ波には、伝搬損失が大きすぎる、カバレッジが小さすぎるなど、明らかな制限があります。

2 つ目の理由は、ミリ波が高すぎることです。ミリ波周波数帯域で動作可能なサブミクロン サイズの集積回路コンポーネントを製造することは、大きな課題でした。伝播損失を克服し、カバレッジを改善することも、多額の費用を意味します。しかし、過去10年間ですべてが変わりました。

移動通信の急速な発展に伴い、30GHz 以内の周波数リソースはほとんど使い果たされています。政府と国際標準化機構はすべての「適切な」周波数を割り当てましたが、周波数の不足と周波数の競合がまだあります。 4G セルラー システムと次期 5G の開発は、適切な周波数割り当てにかかっています。問題は、周波数がほとんど残っていないことです。

ミリ波はアメリカ大陸の新大陸のようなもので、モバイル ユーザーとモバイル オペレーターに「無限の」周波数リソースを提供します。

ミリ波は広い帯域幅と高速性をもたらします。サブ 6GHz 帯域に基づく 4G LTE セルラー システムで使用できる最大帯域幅は 100MHz であり、データ レートは 1Gbps を超えません。 mmWave 帯域では、モバイル アプリケーションで使用できる最大帯域幅は 400MHz で、データ レートは 10Gbps 以上です。

需要は常にイノベーションの最大の原動力です。安価で高品質のミリ波帯集積回路部品を製造するという技術的な困難は、すぐに克服されました。 SiGe、GaAs、InP、GaN などの新しい材料と新しい製造プロセスを使用することにより、ミリ波帯で動作するチップに数十または数ナノメートルのトランジスタが集積され、コストが大幅に削減されました。

20GHz から 300GHz までのミリ波は自由に使えますか?まだ。ミリ波の周波数を勝手に使えないのはなぜですか？電波が伝搬するとき、大気は特定の周波数（波長）の電磁波を選択的に吸収するため、これらの電磁波の伝搬損失は特に深刻です。電磁波を吸収する主な大気成分は、酸素と水蒸気の 2 つです。水蒸気による共鳴は 22 GHz と 183 GHz 付近の電磁波を吸収しますが、酸素の共鳴吸収は 60 GHz と 120 GHz 付近の電磁波に影響を与えます。したがって、どの組織がミリ波リソースを割り当てても、これら 4 つの周波数に近い周波数帯域を避けることがわかります。

最も重大な制限の 1 つは、mmWave の移動が実際に制限されていることです。物理法則によると、波長が短いほど、同じ送信電力での伝搬距離は短くなります。多くのシナリオでは、この制限により、mmWave の伝搬距離は 10 メートル以下になります。すべてのものには両面があります。伝搬距離が短いことは、ミリ波システムの利点となる場合があります。たとえば、ミリ波信号間の干渉を減らすことができます。ミリ波システムで使用される高ゲイン アンテナは優れた指向性も備えているため、干渉がさらに排除されます。このような狭ビーム アンテナは、セキュリティを強化し、信号が傍受される可能性を減らしながら、電力とカバレッジを向上させます。

さらに、「高周波数」の制限要因により、アンテナのサイズが縮小されます。これは、もう 1 つの予想外の驚きです。私たちが使用するアンテナのサイズが無線波長に対して 1/2 波長や 1/4 波長など一定であると仮定すると、キャリア周波数が高くなると、アンテナはますます小さくなります。たとえば、900M GSM アンテナの長さは約数十センチですが、ミリ波アンテナはわずか数ミリです。とはいえ、同じスペースにますます多くのハイバンド アンテナを詰め込むことができます。この事実に基づいて、アンテナ アレイのサイズを大きくすることなくアンテナの数を増やすことで、高周波のパス ロスを補償できます。これにより、5G mmWave システムで Massive MIMO テクノロジーを使用できるようになります。

これらの制限を克服した後、ミリ波で動作する 5G システムは、高解像度ビデオ、仮想現実、拡張現実、無線基地局のバックホール (バックホール)、近距離レーダー検出、高密度の都市情報など、4G では提供できない多くのサービスを提供できます。サービス、スタジアム/コンサート/ショッピング モール無線通信サービス、ファクトリー オートメーション制御、遠隔医療、セキュリティ監視、高度交通システム、空港セキュリティ検査など。ミリ波帯の開発と利用は、5G アプリケーションに広い空間と無限の想像力を提供します。

3GPP が 5G NR が OFDM 技術を使用し続けることを決定して以来、4G と比較して、5G には破壊的な技術革新はなく、ミリ波は 5G の最大の「新しいアイデア」になりつつあります。 Massive MIMO、新しい数秘術 (サブキャリア間隔など)、LDPC/Polar コードなどの 5G でのその他の新技術の導入は、ミリ波と密接に関連しており、すべて OFDM 技術をより適切に拡張できるようにするためのものです。ミリ波帯。ミリ波の広い帯域幅特性に適応するために、5G は複数のサブキャリア間隔を定義します。そのうち、より大きなサブキャリア間隔 (60KHz と 120KHz) はミリ波用に特別に設計されています。前述の Massive MIMO 技術も、ミリ波に合わせて調整されています。したがって、5Gは「mmWaveに拡張された拡張4G」または「mmWaveに拡張された拡張LTE」とも呼ばれます。