京大、テラヘルツ帯における6G向け超広帯域無線伝送試験装置を開発

京都大学の研究グループは、テラヘルツ帯（300GHz帯）において6G向け超広帯域無線伝送試験装置をソフトウェア無線技術により開発し、時速1000kmの高速移動エミュレーション環境下において、5G標準化で定められている通信仕様に準拠しつつ、国内の5Gに割り当てられている最大チャネル帯域幅（400MHz）の約20倍にあたる7.8GHz幅を用いた超広帯域信号伝送（14.6Gbit/s）に成功した（ニュースリリース）。

「高速・大容量」「低遅延」「多接続」といった特長を持った第5世代移動通信システム（5G）は、産業や社会基盤を支える重要なインフラとして、さらなる高度化が期待されてる。この高度化には、より広範な周波数資源の確保が不可欠であり、現在5G向けに割り当てられているSub-6GHz帯1および28GHz帯に代表されるミリ波帯2の有効活用が重要とされている。しかし、5Gの普及と技術進展が進むにつれて、これら既存の周波数帯域においても将来的な逼迫が懸念されており、新たな周波数資源の開拓が求められている。

その有力候補としてミリ波の10倍の周波数に相当するテラヘルツ波が注目されている。テラヘルツ帯では、現在の5Gで利用可能なチャネル帯域幅の数十倍に及ぶ超広帯域の確保が可能であり、高精細映像の無線伝送、超高速無線バックホール基幹回線など、超高速通信技術の実現に向けて期待が高まっている。

一方、これまでのテラヘルツ帯通信に関する実証実験の多くは、5Gに準拠しない変調波の伝送にとどまっており、5Gに準拠した波形を用いた場合であっても、既存の周波数帯で割り当てられている帯域幅を超えない、比較的狭帯域、低伝送レートでの検証に限られていた。第6世代移動通信システム（6G）においては、5Gの標準方式に準拠しつつ、現在5Gで利用されている1チャネルあたりの最大帯域幅（400MHz）を超えるGHzオーダという広帯域信号をテラヘルツ帯で伝送し、あらゆる環境下における通信可能性を解明することが重要な研究課題となっている。

さらに6Gでは、衛星通信等非地上系ネットワーク（NTN）の活用も想定されており、時速1000km級の超高速移動への対応が求められている。このような要求に対して、現在、5Gで用いられている直交周波数多元接続方式3（OFDMA）の各種パラメータを変更し、テラヘルツ帯かつ高速移動環境下でも受信機を安定的に動作させる必要があり、これらを検証可能にする伝送試験装置の開発が急務となっている。

5Gの標準化団体である3GPP（3rd Generation Partnership Project）により規格化されている5G物理伝
送信号フォーマットに従いつつ、国内の5Gチャネル帯域幅の約20倍にあたる超広帯域信号をテラヘルツ帯に乗せて伝送を行なう試験装置を、ソフトウェア無線技術を利用して開発した。

この伝送装置は、テラヘルツ帯（300 GHz）で５Gアクセス方式であるOFDMA方式の標準に準拠した物理伝送信号を送信可能となっており、OFDMA方式を構成する最小単位の周波数帯域幅を現状の120kHzから、960kHzにした上で、最大帯域幅を現状（400MHz）の約２0倍（7.8GHz）に広帯域化し、伝送レート14.6Gbit/sで伝送できる。

また、受信機局部発振部の周波数を変更することで、テラヘルツ帯において高速移動する際のキャリア周波数オフセット4をエミュレーション可能となっている。高速移動環境で問題となるキャリア周波数オフセットを自動で推定・補正し、安定的に送信信号を同期させ受信できる信号処理方式を新たに開発し、超広帯域ソフトウェア無線機に搭載されている。

この装置を用いて時速1000km程度までの高速移動を想定したエミュレーションを実行し、研究室内で伝送特性試験を行ない、ブロック誤り率（BLER）を測定評価した。評価においては技術計算言語MATLABを用いて記録信号に雑音を追加したAWGN（Additive White Gaussian Noise）チャネルで実施し、SNRは–0.4dBと設定した。また、適切に同期ができない場合は、ブロック誤りとして処理した。

最大時速1000km程度まで速度を変化させた際、マイクロ波など低周波数帯に向けた従来開発手法は時速700km–1000km付近でBLERが所要値である10%を達成できない一方で、今回新たに開発した信号処理手法を用いることで、検証下すべての速度環境においてBLERの所要値以下を達成した。このことは、キャリア周波数オフセットへの対応という観点では、移動速度が時速1000km相当の環境下においても安定した信号伝送が行なうことができることを示唆している。

今回開発した伝送試験装置を用いた検証から、現状の5Gチャネル帯域幅の10倍以上を占める超広帯域5G
信号伝送をテラヘルツ帯で行なう際、キャリア周波数オフセットを考慮して受信機を精巧に構築すれば、時速1000kmの高速移動エミュレーション環境においても安定した信号伝送が可能になることが示された。今回の成果により、固定通信システムから陸上移動無線、NTNに至るまであらゆるモビリティを想定したテラヘルツ帯超高速無線伝送方式の開発・概念実証が可能となり、テラヘルツ帯無線通信システムに関する6Gに向けた取り組みがより一層加速することが期待されるとしている。