ミリ波の伝播特性と通信への影響

ミリ波通信伝播の基礎

ミリ波 30〜300 GHz帯域での（mmWave）通信は、高データ速度が求められる5Gシステムの主要技術です。広帯域（～1GHz）チャネルを利用することで、拡張現実や自律走行車などの低遅延アプリケーションの増加する要件を満たすマルチギガビットスループットを提供できます。2023年のNature誌の報告によると、方向性アンテナを使用して1km距離で10Gbpsの速度が達成されましたが、その伝播特性は低い周波数のマイクロ波とは大きく異なります。

自由空間におけるパスロスは、自由空間での周波数の二乗に比例し、サブ6GHz帯と比較して20〜30dB高いパスロスをもたらします。屋外環境の問題はこれらの損失をさらに悪化させます。降雨は60GHzで5〜15dB/kmの減衰を引き起こす可能性があり、コンクリートなどの建物資材は40〜60dBの貫通損失を生じます。植生による減衰は通常、信号損失を10〜20dB生じ、明瞭な地域と同じ信頼性を実現するためには革新的なエンジニアリング解決策が必要です。

位相配列アン!テ!ナを用いた高度なビームフォーミング技術は、指向性のある伝送チャネルを構築することにより伝播の制約を克服します。このような指向性ビームにより、周波数の空間再利用が可能となり、干渉の低減も実現されます。これは都市部など混雑したエリアでの展開において特に重要な利点です。最新のアーキテクチャでは、直交マルチキャリア変調（OMM）とマスィブMIMOのハイブリッド構造を活用し、ミリ波帯域の周波数広がりとマイクロ波システムの堅牢性を最大限に生かして、その場で最大スループットを獲得するインテリジェントネットワークを実現しています。

ミリ波通信信号への環境影響

ミリ波（mmWave）通信システムは、運用シナリオごとに信号の完全性に大きな影響を与える特有の環境上の課題に直面しています。

気象要因による信号減衰メカニズム

降雨は60GHz周波数で最大20dB/kmの減衰を引き起こし、雪や霧は追加的な散乱効果を生じ、位相コヒーレンスが乱れます。これらの気象現象は、短波長が粒子干渉に対して敏感であるため、ミリ波リンクにおいて低周波システムと比較して著しく影響を受けます。

植生および建物貫通損失の影響

実測データによると、単一の木でもミリ波信号を35dB減衰させることがあり、密な葉茂りでは信号強度の98%が遮られます。ステンドグラスなどの建材は28GHzで40dBの伝送損失を示し、これはマイクロ波周波数帯域に比べて3倍高い値です。このため、構造物による障害を克服するためには戦略的なネットワーク計画が必要です。

雨減衰および大気吸収に関する課題

60GHzでの酸素吸収ピークにより、大気損失は15dB/kmに達し、熱帯地域での大雨による減衰は、深刻な状況下で30dB/kmを超えることがあります。このような影響により実際の導入範囲が短縮されるため、フェードマージン計算の適応や動的な出力調整プロトコルが必要になります。

ミリ波通信におけるパスロスモデリング

自由空間対都市部伝搬モデル

ミリ波（mmWave）伝搬は、環境によって特有の特性を示します。自由空間路損（FSPL）は送信距離の逆二乗で表され、\(\frac{1}{R^2}\)となります。ただし、都市部ではチャネルによるより複雑な相互作用が生じるため、パスロス指数は2.5～4.5（LOS）および4.7～9.2（非LOS）の範囲になります。28GHzにおける葉損は6～8dB/mであり、コンクリート壁では40～60dBの減衰が発生します。ビームフォーミングがない場合、都市部でのミリ波伝搬距離はこれらの障害物により150～200メートルに短縮され、理論上の自由空間伝搬距離である1～2kmとは大きく異なります。適応アンテナアレイは信号が確保されている経路に向けて電力を誘導することで一部の損失を回復できますが、実際の展開距離は最終的に障害物の密度によって決まります。

周波数依存性減衰特性

大気吸収は24GHz（水蒸気による）および60GHz（酸素による）でピークに達し、ミリ波システムに対して追加的な損失0.2～15dB/kmをもたらします。降雨減衰は中程度の雨において30～40GHzの範囲で2～8dB/kmの減衰を生じます。73GHz信号は同じ距離において24GHzと比較して自由空間損失が1.8倍大きくなる点に留意すべきです。これはFSPL方程式における\(f^2\)依存性によって引き起こされます。これにより重要なトレードオフが生じます。高い周波数では広い帯域幅（2GHzチャネル）が可能になる一方で、100GHz以下の範囲よりも4倍密な基地局配置が必要になります。これらの制約は現在、低損失誘電体やメタサーフィスアンテナなどの先進材料によって緩和されており、Eバンド周波数で5Gバックホールリンクにおいて90％効率的なバンドが可能になっています。

信頼性のある通信のための視通条件

ミリ波 (mmW)通信システムでは、その高周波数域（24～100GHz）での動作のため、送信機と受信機の完璧なアラインメントが必要です。低周波信号は障害物を回折できますが、ミリ波帯の信号は障害物によって最大60～90%ものエネルギーが吸収されます（ITU 2023）。このような制約により、5G/6Gシナリオでマルチギガビットスループットを実現するには、遮蔽されていない視通路（LOS）が不可欠となります。

人的活動および構造物による遮蔽効果

都市環境では、主に次の3つの要因が視通路（LOS）を妨げる原因になります：

• 固定遮蔽物 ：コンクリート壁はミリ波信号を40～60dB減衰させ、一方ガラスは伝送を15～25dB減衰させます
• 移動遮蔽物 ：単一の歩行者によっても20～35dBの信号損失が生じ、車両交通によって0.8～3.2秒間の断続的なサービス停止が引き起こされます
• 環境的ダイナミクス ：季節ごとの植生の変化により、葉への減衰が12～18dB変化します

これらの効果は密集した都市部で顕著になり、ビームフォーミングの介入がなければ平均LOS可用性が54～72％にまで低下します。

非LOSシナリオのためのビームフォーミングソリューション

フェーズドアレイアンテナにより、障害物を回避するための等方性放射電力（EIRP）27dBm相当のビームステアリングが可能になります。最新のシステムでは以下の性能を実現しています。

• 1.2°ビーム幅精度を実現する1024素子アンテナクラスタ
• AI駆動型RFパス予測による3ミリ秒未満のビーム再調整
• 壁面反射による78％のNLOS（非直視経路）信頼性

2024年のUAV通信インフラに関する研究では、適応型ビームフォーミングにより、固定セクタアンテナと比較して都市部の通信断絶確率を63％削減できることが示されました。この方式は、リアルタイムライダーマッピングと動的周波数共有を組み合わせることで、遮蔽イベント時のQoS維持を可能にしています。

ミリ波通信のためのチャネルモデリング技術

3D空間伝搬メカニズム

高解像度の3D空間モデルは、ミリ波（mmWave）通信システムが都市要素との信号相互作用を仰角面および方位角面の両方で理解するために必要です。従来の2Dモデルとは異なり、拡張Saleh-Valenzuelaモデルなどを用いて、建物のサイズや時変動する障害物を含むLOS（直視経路）確率を模倣するために統計的モデリング技術を使用します。これらのモデルは構造形状によって12〜18dBの回折損失変動を予測することを示しています。

多重反射フェージングと反射解析

MmWaveの短い波長により、反射信号はサブ6GHz帯域に比べて6〜9dBの減衰を受けるため、多重反射クラスタが希薄になります。屋内での研究では、散乱されたエネルギーのうち20〜30%のみが有効なマルチパスリンクに寄与することが分かっており、広く散乱される現象よりも支配的な反射経路を重視する統計モデルの見直しが求められています。

業界のジレンマ：高帯域幅 vs. 限られた伝送距離のトレードオフ

MmWave帯域は400〜800MHzのチャネル帯域幅を提供する一方で、28GHzにおける自由空間路損失は3GHzに比べて29dB高くなる。このため、都市中心部ではネットワークが150〜200m間隔で小型基地局（Small Cell）を設置する必要があり、マイクロ波ベースのシステムと比較して4倍の密度となる。これにより、ギガビットスループットを維持する必要がある。

現実的な都市部展開ケーススタディ

ビームフォーミングとリアルタイム遮蔽予測を組み合わせることで、マドリードの地下鉄試験は混雑した駅で26GHz周波数を使用し94%の信頼性を達成した。しかし、歩行者の移動によってRSSの変動が3〜5dB生じたため、公共の場でのAI駆動型チャネル適応技術の必要性が明らかになった。

戦略的 基地局 通信ネットワーク構築の計画

信号干渉を抑えるためのサイト選定

基地局を最適に配置することにより、障害物によって信号が急速に減衰するミリ波ネットワークにおいて干渉レベルを最小限に抑えることができます。都市環境での導入には、環境による信号遮断や重複問題を解決するための最適な配置が必要です。複雑な伝播モデリングを用いることで、システム設計者はチャンネル間干渉を最小化し、カバーエリア密度を最大化できるポイントを特定できます。地形を考慮したサイト位置の選定により、均等間隔配置と比較してデッドゾーン数を45%削減し、平均直径を24%小さくすることがわかりました。主要な要因は建物の密度および標高差、そして追加ハードウェア投資なしで干渉を抑制するために既存インフラの占有状況をマッピングすることです。

今後のトレンド：ハイブリッドRF-ミリ波アーキテクチャ

サブ6GHz帯とmmWave技術を統合したデュアルバンドアーキテクチャは、今後のネットワークにおいて実現可能な候補として明らかになっています。このハイブリッドアーキテクチャは、高スループットを必要とする密集都市部の中心部で用いられるmmWaveマス・MIMOと、郊外や rural 地域の広範なカバーに使用されるRF周波数帯を組み合わせます。スマートスイッチングプロトコルにより、移動性およびサービスプロファイルに基づいて各ユーザーをバンド間で動的に割り当てます。このシステムはmmWaveのみのネットワークと比較して展開密度を60％削減でき、ハンドオーバー時に必要なQoSを維持します。また、異なる地形においても継続的な接続が求められる産業用途のIoTアプリケーションにおいても有望であることが証明されています。