無線通信の速度がついに100Gビット/秒に達した。NTTが世界で初めて実験に成功。2018年6月のIEEE(米国電気電子技術者協会)主催の国際会議で発表した。

 いま東京オリンピック・パラリンピックが開催される2020年の商用サービスに向けて5G(第5世代移動通信システム)の準備が進んでいるが、今回の研究は5Gの次の世代を見据えたものだ。

 どのように100Gビット/秒もの速度を無線で実現したのだろうか。

「電波のねじれ」を多重化に利用

 無線通信の通信速度を上げるにはいくつかの方法がある。1つは周波数幅の拡大。これは道路の幅を広げるイメージだ。もう1つは変調の多値数の増加である。例えるとトラックに載せる荷物を増やすことに当たる。

 そして3番目の方法として、空間多重数の増加がある。空間多重とは、物理的に複数の通信路を使ってデータを同時並行で送信することだ。これは道路の本数を増やすイメージとなる。有線通信でいえば、LANケーブルを複数使って伝送することに相当する。

 無線通信の場合、複数のアンテナでデータを同時に送る「MIMO(Multiple-Input and Multiple-Output)」と呼ばれる技術が無線LANやLTEで使われている。ただ、MIMOで単純にアンテナの本数を増やすのも限界がある。特に広い周波数幅を確保できる高い周波数帯では電波の直進性が高くなるため、有効な複数経路(マルチパス)が得られず、受信側でデータを分離できなくなる。

 そこで今回、「軌道角運動量(OAM:Orbital Angular Momentum)」という新しい原理を使って空間多重数を増やした。OAMとは、電波が進む方向に対する垂直平面上で、電波の位相が回転する性質のこと。位相の回転数をOAMモードと呼び、受信機が送信機と同じOAMモードを持たないと受信できない。またOAMモードが異なる電波はお互いに干渉しない。この特徴を生かして、複数のOAMモードそれぞれにデータを載せて多重化を実現した。

OAMモードのイメージ。位相の回転数が異なる電波は受信側で分離できる
(出所:NTT)
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 今回、素子をリング状に並べたアンテナ(円形アレーアンテナ:UCA)を試作し実験を行った。1つのリングは16個の素子で構成されている。リングは全部で4個。中央の素子は1個だけで動作する。リングはそれぞれ五つのOAMモードを送受信できる。アンテナ全体で最大21本の空間多重が可能だという。

今回の実験で使ったアンテナ
(出所:NTT)
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