モバイル通信事業者は、データ需要が高まる都市部のユーザーを満足させる方法を模索しており、ニューヨーク市のある教授は彼らが探し求めているものを見つけたと考えている。
ニューヨーク大学のテッド・ラパポート氏によると、人口密度の高い都市では、携帯電話ネットワークでの使用が見送られてきた非常に高い無線周波数が、通信事業者が長年懸念されてきた帯域幅不足を回避するのに役立つ可能性があるという。そのため、業界の研究者たちは今週ブルックリンで開催される会議に出席し、ミリ波無線について講演する。ミリ波無線は、現在携帯電話データの伝送に使用されている周波数よりも何倍も高い周波数を使用する新興技術である。機器メーカーもこの周波数帯の研究を進めており、2020年頃に登場予定の5G技術をさらに加速させる可能性があると考えている。
ラパポート氏は典型的な教授ではない。ニューヨーク大学によると、携帯電話技術企業を2社設立・売却し、取得済みまたは出願中の特許を100件以上保有している。最近、彼と学生たちはニューヨークの街頭でミリ波携帯電話ネットワークのテストを行い、予想以上に良好な動作を確認した。これは朗報だ。なぜなら、これらの高周波数帯には利用頻度の低い周波数帯域が多く存在し、将来的には周波数不足を解消できる可能性があるからだ。
通信事業者が懸念する周波数逼迫が現実のものとなった場合、まず大都市で大きな打撃を受ける可能性が高いでしょう。大都市では、同じエリアで数千人もの人が同時に携帯電話ネットワークを利用していることが多いからです。携帯電話が通信する基地局の容量には限りがあり、加入者間で共有すればするほど、一人当たりの通信量は少なくなります。最終的には、単純なメールチェックは問題なく行えるかもしれませんが、タブレットでHD動画のストリーミング視聴は不安定になる可能性があります。
ミリ波無線は、少なくともいくつかの方法でその問題を遅らせるのに役立つ可能性があります。
一つは、通信事業者が人口密集地域にスモールセルを設置しやすくすることです。スモールセルは、おなじみの基地局に設置された大型セルに似ていますが、セル同士の距離が近く、サービス提供エリアが狭くなります。通常のセルと並行して動作し、同じ周波数帯域でより多くのサービスを提供できます。スモールセルは小型で数が多いため、有線ネットワークに接続するのが難しいという問題があります。ミリ波では、ポイントツーポイントの無線ビームを用いて既にこれらのリンクを構築できるため、通信事業者はスモールセルを設置できる場所の選択肢が広がり、コストも抑えられます。
ミリ波無線のもう一つのミッションは、もう少し研究開発が必要です。スマートフォンやスモールセルの追加周波数を利用し、モバイルユーザーが歩いたり車を運転したりしている間も、街路周辺に狭いデータビームを発射することです。ミリ波ネットワークがこれを実現する方法の一つは、都市部に豊富に存在する建物の側面やその他の物体にビームを反射させることです。
携帯電話業界では、これまでこれらの周波数帯の利用がほとんど進んでいませんでした。長距離通信が難しいためです。特に接続の片側がスマートフォンのような移動するターゲットである場合、この周波数帯は電波を遠くまで届けるのが困難です。ほとんどの携帯電話信号のように、この周波数帯の電波は建物や車を通り抜けることができません。無線エネルギーを狭いビームに集束させることで距離の問題は解決できますが、通常は正確な照準が必要になります。
ラパポート氏がニューヨークで行ったテストは、ミリ波ネットワークがこれまで考えられていたよりも遠くまで到達できる可能性を示唆しています。機器ベンダーはこの発見に興奮していますが、会議では多くの疑問が提起されるでしょう。研究者たちは、28GHzから72GHzまで、様々なミリ波帯域の利用可能性を検討しています。ミリ波信号がどこまで到達できるかを正確に判断するには、さらなるテストが必要です。これらの高周波数帯を利用することで、ネットワークの遅延が短縮され、音声通話や動画の画質が向上する可能性はありますが、どの程度短縮されるかはまだ明らかではありません。
なぜそこまで努力するのでしょうか？ミリ波には、現在の携帯電話の周波数では実現できない利点がいくつかあるからです。
まず、ビームが非常に狭いため、干渉がほとんど発生しないため、干渉が低減します。次に、今日の携帯電話の帯域内で利用できる周波数はわずかですが、ミリ波帯にはほとんど活用されていない膨大な帯域が存在します。
ニューヨーク大学のラパポート氏によると、米国および世界の多くの携帯電話業界はこれまで6GHz未満の周波数帯に注力してきた。しかし、その閾値をはるかに超える28GHz、38GHz、60GHz、72GHzといった帯域に目を向けると、より広い帯域とより太いチャネルが利用可能になり、より多くのスペクトルを利用できることが明らかになる。
「これは本当に未使用の帯域で、利用率も非常に低い」とラパポート氏は述べた。60GHz帯には免許不要の帯域があり、WiGigやWirelessHD技術は主に室内ビデオ接続やデバイスドッキングに利用されている。ミリ波帯の他の利用者としては、ポイントツーポイントの無線バックホールやマイクロ波通信システムなどがあり、これらは河川敷設など光ファイバーの敷設が難しい場所で使用されることがある。しかし、携帯電話の供給不足を見据えた中国や韓国などの一部の国では、既にこれらの帯域をモバイル用途に活用する検討を始めているとラパポート氏は述べた。
ファーポイント・リサーチのアナリスト、クレイグ・マティアス氏は、これらの高周波帯域は、電波の浸透率の低さなどの問題により、見通しが利かない状況での使用は非常に困難だと述べた。これはバックホールには適しているが、携帯電話と通信するいわゆるアクセスネットワークには適していない。
「ここには莫大なトレードオフがあります」とマティアス氏は述べた。「個人的には、アクセス面の将来はあまり明るいとは思えません」。モバイルネットワークはWi-Fiを統合するだけでも大きな成長の余地があると同氏は述べた。「世界のより合理的な端には、信号が少し伝わりやすい十分な周波数帯域があります」とマティアス氏は付け加えた。
しかし、新しいタイプのアンテナと、増大する数値計算能力によって、ミリ波への関心が高まっています。カンファレンスに参加する企業には、エリクソン、ノキア・ソリューションズ・アンド・ネットワークス（NSN）、AT&T、インテルなどがあります。
ラパポート氏によると、携帯電話で使われる周波数のほとんどは波長が数インチで、私たちが持ち歩く携帯電話にちょうど良い長さだという。波長よりも短いアンテナを作ることも可能だが、それは難しく費用もかかるため、携帯電話に使われるアンテナのほとんどは数インチの長さになっている。
対照的に、ミリ波は指の爪ほどの長さしかありません。そのため、正確に狙いを定め、素早く移動させることができる新しい種類のアンテナ、あるいはアンテナ群を構築することが可能になります。このいわゆるフェーズドアレイは、アレイの特定の部分に印加される電荷に基づいて、異なる方向を向くことができます。このような指向性アンテナは、基地局とデバイスの両方に搭載されており、ユーザーが移動しても互いに信号を送信し続けることができます。さらに、複数の信号を同じモバイルデバイスに向けることで、より多くのデータを送信できるとラパポート氏は述べています。
かつてバージニア大学でラパポート氏と働いていたトラーガ・リサーチ社のアナリスト、フィル・マーシャル氏によれば、ニューヨーク大学の教授は正しい方向に進んでいるという。
「アンテナの設計が鍵となるでしょう」とマーシャル氏は述べた。「いかに高速なビームフォーミングを効果的に行えるかが鍵です」。フェーズドアレイアンテナ技術は長年利用されてきたが、モバイル用途では、アンテナ同士が互いに向き合うように再構成し続けるために強力なプロセッサが必要だとマーシャル氏は述べた。
この会議では、ベンダーと研究者が意見を交換し、ミリ波からどれだけの成果が得られるかを探ります。これはまだ始まりに過ぎません。
「いくつかの結果は得られているが、さまざまな環境では十分とは言えない」とNSNの研究・技術担当副社長、ローリ・オクサネン氏は述べた。
オクサネン氏は、ミリ波ネットワークが少なくとも100メートル離れた場所から携帯電話に届くようになることを期待している。これは、通信事業者がLTEスモールセルを設置する距離とほぼ等しいと彼は述べた。より高い周波数で同じ範囲が確保できれば、通信事業者は同じ場所に将来の技術を追加できるだろう。NSNの調査結果は、ミリ波セルの信号が少なくとも数十メートルは届くことを示唆している。ラパポート氏によると、彼のチームはニューヨークの路上で200メートルの距離でも良好な結果を得たという。
新しい波長が都市の谷間でどれくらい早く飛び交い始めるのかも不明です。スマートフォンやタブレット向けには、ワイヤレスHD用にシリコンイメージ社製のフェーズドアレイアンテナが既に市場に出回っています。複数のアンテナとビームフォーミングを備えたWi-Fiネットワークは数年前から利用可能で、同様の技術が使われています。ラパポート氏は、これらのシステムに既に投入されている開発は、高周波数帯における携帯電話システムの開発を促進するはずだと述べています。
市場の力と規制も影響を与えるだろう。通信事業者は既に今後数年間でLTEネットワークを展開することを約束しているため、少なくとも5Gへの次の大きな技術革新、おそらく2020年頃までは待つだろうとラパポート氏は述べた。政府も高周波数帯に関する規則を変更する必要があり、おそらく数年かかるプロセスとなるだろう。
パートナー企業とミリ波バックホール技術を開発しているNSNは、通信事業者がこの技術に関心を示しており、スモールセルの大量展開が始まれば市場はすぐに急成長するだろうと述べている。しかし、セルが高周波数帯域で携帯電話と通信できるようになるのはもう少し先のことだ。NSNは、5Gはまず従来のセルラー周波数帯域で導入され、その後ミリ波帯域で導入されると予想している。
「容量と様々なユースケースのサポートを考えると、2020年までにミリ波ソリューションはまだ必要ありません」とオクサネン氏は述べた。「それは数年後になるでしょう。」
トラガのマーシャル氏は、6GHz以下の携帯電話周波数帯がある日突然埋まることはないと述べた。容量を少しでも増やすにはコストがかさむだけで、最終的にはミリ波を使う方が安くなるかもしれない。そうなれば、ニューヨーク大学の研究は先見の明があったと証明される可能性があると、同氏は述べた。
「テッド・ラパポートを決して侮ってはいけない」とマーシャルは言った。「彼は本当に賢い男だ。」
