問題 Ⅱ－1－4
陸上移動無線で今後必要となる超高速・大容量伝送を実現するために、広い帯域を確保できるミリ波を利用することが検討されている。ミリ波を利用するに当たって、克服すべき電波伝搬上の課題を３つ挙げ、その概要を述べよ。これらの課題を克服するために、ミリ波の特徴を活かして高度化したMIMO（Multiple Input and Multiple Output）技術が検討されているが、この高度化したMIMOの概要と特徴を述べよ。
解答
ミリ波は数十GHz帯の高周波数であり広帯域確保が可能であるが、電波伝搬上の課題が存在する。第一に伝搬損失の増大であり、周波数が高いほど自由空間損失が大きく通信距離が短くなる。第二に遮蔽損失が大きい点であり、建物や人体、樹木等による遮断の影響を受けやすく回折も起こりにくい。第三に降雨減衰であり、雨粒による吸収・散乱により通信品質が劣化する。
これらの課題に対し、高度化したMIMO技術が有効である。ミリ波は波長が短いためアンテナを小型化でき、多数のアンテナ素子を高密度に配置したMassive MIMOが実現可能となる。この構成によりビームフォーミングを用いて電波を特定方向に集中させることで、伝搬損失を補償し到達距離を延伸できる。また、複数ビームを形成することで空間多重伝送を行い、通信容量の向上が可能である。さらに、ビームの方向を動的に制御するビームトラッキングにより、移動体や遮蔽に対して柔軟に対応できる。
以上より、ミリ波の課題は大きいものの、その特性を活かしたMassive MIMOにより高信頼かつ大容量通信が実現可能である。
① 回答内容の分かりやすく詳しい解説
ミリ波は「広い帯域が使える＝高速通信が可能」という大きなメリットがあるが、その代わりに電波としては扱いにくい性質を持つ。
まず重要なのは「届きにくい」という点である。周波数が高くなるほど電波は減衰しやすく、遠くまで届かない。また、建物や人に遮られると簡単に通信が途切れる。さらに雨でも減衰するため、環境の影響を強く受ける。
これを解決するのがMassive MIMOである。ミリ波は波長が短いため、アンテナをたくさん並べることができる。この多数アンテナを使って電波を細いビームとして集中させる（ビームフォーミング）ことで、「狙って飛ばす」ことが可能になる。
さらに、複数のビームを同時に使うことで、一度に複数のデータを送る（空間多重）ことができ、高速化につながる。
② 回答内の技術的重要語句の分かりやすく詳しい解説
- ミリ波
周波数30GHz前後の電波。広帯域が確保でき高速通信に適する。 - 伝搬損失（自由空間損失）
距離や周波数に依存して電波が減衰する現象。高周波ほど大きい。 - 遮蔽損失
障害物により電波が遮られて減衰する現象。ミリ波では特に顕著。 - 降雨減衰
雨粒による吸収・散乱で電波が弱くなる現象。 - Massive MIMO
多数のアンテナを用いるMIMO。ビーム制御と容量向上を両立。 - ビームフォーミング
アンテナの位相制御により電波を特定方向に集中させる技術。
③ 類似技術用語の紹介と解説
- ビームトラッキング
移動体に合わせてビーム方向を追従させる技術。 - ハイブリッドビームフォーミング
アナログとデジタルを組み合わせた効率的なビーム制御方式。 - スモールセル
基地局を小型・高密度に配置することでカバーを補う方式。 - サブ6GHz帯
ミリ波より低周波の帯域。伝搬性に優れるが帯域は狭い。
④ 今後の展望と代替技術
今後の6Gでは、さらに高周波であるテラヘルツ帯の活用が検討されており、超大容量通信が期待される。一方で伝搬損失はさらに大きくなるため、より高度なビーム制御やAIによる最適化が必要となる。
また、RIS（再構成可能インテリジェント表面）による反射制御や、超高密度セル配置との組み合わせも重要となる。
代替技術としては、光無線通信や可視光通信があり、電波と異なる伝搬特性を活かした通信手段として期待されている。
