5G ネットワーク容量の増大とコストの低減を支援する NIST のアンテナ評価方法

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2018/12/10国立標準技術研究所 (NIST)

 (NIST’s Antenna Evaluation Method Could Help Boost 5G Network Capacity and Cut Costs)

・ NIST が、第 5 世代(5G)の携帯電話、ワイヤレスデバイスや基地局に向けた最適なアンテナ設計を評価

・選択する手法を開発。5G ワイヤレスネットワーク能力の向上とコストの低減の可能性を提供する。

・ 5G システムでは、従来の混み合ったワイヤレス周波数帯より高いミリ波周波数帯を使用。この周波数帯での通信はエネルギーを多量に消費して受信信号を弱める。これを解決する一手法は、信号の送受信を担う極めて狭小な幅のビーム(ナロービーム)を形成し、それらのビームをあらゆる方向に迅速に進めることのできる「スマートな」アンテナの導入。

・ アンテナのビーム幅は、ワイヤレスシステム設計と性能に影響する。NIST の測定ベースの同新手法により、システム設計者やエンジニアが実用に最適なビーム幅を評価できるようになる。

・ 同手法は、初期作成のネットワーク設計を良好に機能させ、トライアルアンドエラーによるアプローチを不要にすることでコストの低減を可能にする。また、ビーム同士が干渉すること無く、複数のユーザーに同時又は連続的にデータを送信する新しい基地局の利用を促進し、より高い信頼性でネットワーク容量の増大とコストの低減を可能にする。

・ アンテナのビーム幅・方向と環境との相互作用がミリ波信号通信に及ぼす影響について、測定ベースの詳細な研究を今回初めて実施。アンテナビーム角度を幅広く網羅した NIST の測定値を、全角度を等しく含む全方向アンテナパターンに変換。同全方向パターンはより狭小なビーム幅に細かく分割できる。ユーザーは特定のワイヤレス周波数帯で見込めるアンテナビームの性能を評価・モデル化できる。

・ 同手法により、例えば表面反射を回避できる狭小なビーム幅や、相互干渉無く共存できる複数のアンテナを可能にするビーム幅等、特定のアプリケーションに最適なアンテナの選択が可能になる。・ カスタマイズしたチャネルサウンダ(伝送性能測定器)等の機器を搭載した特殊なロボットを使用し、 NIST の研究施設構内の廊下やロビーにて実験データを収集して同手法を開発。チャネルサウンダは、送信機と受信機間の信号の反射、回折、散乱を捕獲したデータを収集する。

・ 本研究の結果、ナロービームが信号の干渉と遅延を大幅に低減させることと、最適なビームの向きが通信時のエネルギー損失を低減させることを確認。例えば、アンテナのビーム幅が 360 度(全方向)から 3 度(ペンシルビーム)に減少すると、RMS 遅延スプレッドが 15 ナノ秒から約 1.4 ナノ秒となった。・ 今後は異なる環境への同手法の適用や、他のワイヤレス周波数帯特性の分析を予定。

URL: https://www.nist.gov/news-events/news/2018/12/nists-antenna-evaluation-method-couldhelp-boost-5g-network-capacity-and

(関連情報)

IEEE Communications Magazines 掲載論文(アブストラクトのみ:全文は有料)

Millimeter-Wave Radio Channels vs. Synthetic Beamwidth

URL: https://ieeexplore.ieee.org/document/8570040

<NEDO海外技術情報より>

Abstract:

High-gain narrow-beam antennas or beamformed antenna arrays will likely be used in millimeter- wave (mmWave) bands and 5G to mitigate the high path loss. Since many multipath components may be excluded by the narrow beam, the mmWave radio channel (consisting of the transmit antenna, the propagation channels, and the receive antenna) strongly depends on the beamwidth, orientation, and shape of the narrow beam. In this article, a procedure is proposed to measure and model the channels vs. synthetic beamwidth. Based on experimental data collected at 60 GHz in an indoor hallway/lobby scenario, the results show that the number of multipath components and the delay dispersion of the channel are significantly reduced by the narrow beams. In addition, the path loss can be decreased by more than 20 dB with an optimized beam-center orientation. The impact of the study on future 5G mmWave system design is discussed, including frequency reuse, antenna design, receiver design, equalization, and link budget.

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