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ミリ波無線受信機を簡素化する光・無線直接伝送技術の実証成功【NICT、住友大阪セメント、早稲田大学】

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 NICT、住友大阪セメントおよび早稲田大学は共同で、2つの要素技術を組み合わせた新たなミリ波受信技術を開発し、周波数101GHz・70Gbpsを超える高速ミリ波無線信号を光ファイバに直接伝送することに成功したことを、7月15日に発表した。
 この要素技術は、新規開発の光・無線変換デバイスと、遠隔から光ファイバ光局発信号を送信するファイバ無線技術であり、ミリ波信号を光信号に直接変換する点が特徴だ。
 同成果を利用すると、既存のミリ波無線受信機で利用されている電子デバイス(信号発生器など)が不要となり、ミリ波無線受信機の簡素化が期待でき、Beyond 5G時代に多数設置される無線アンテナ局の低消費電力化と低コスト化に貢献する。
 なお、同実験結果の論文は、OFC2021にて非常に高い評価を得て、 最優秀ホットトピック論文(Post Deadline Paper)として採択され、現地時間2021年6月11日に発表されている。

背景

 5Gのサービスが開始され、ミリ波無線による10Gbps以上の高速通信が実現される見込みだ。一方、ミリ波の広帯域性から通信速度は向上するが、高速な電子デバイスの実装が必要であり、無線送受信機そのものの消費電力が大きくなる。加えて、ミリ波帯信号は従来の第4世代移動通信システム等で利用されるマイクロ波帯のそれに比べて大気中の到達距離が短いため、多数の無線アンテナ局を設置する必要があり、無線アンテナ局の低消費電力化と低コスト化が望まれている。
 これまでNICTは、ファイバ無線技術と受光デバイスを研究開発して、光信号から無線信号へ変換する無線アンテナ局送信部の簡素化を実証したが、無線信号から光信号へ変換する受信部の簡素化が課題だった。

今回の成果

無線受信機の構成
(アンテナ直径約16cm)

 今回、NICT、住友大阪セメント及び早稲田大は共同で、ミリ波無線受信機の要素技術を二点開発し、高速ミリ波無線信号を受信し、光ファイバへの直接伝送に成功した。
 要素技術の一つ目は、共同開発した、無線信号を光信号へ変換する光・無線変換デバイスで、強誘電体電気光学結晶(ニオブ酸リチウム)を利用した高速光変調器だ。結晶の厚さを従来比1/5以下である100μm以下とすることで、101GHzミリ波にも対応可能な高速性を実現した。

今回開発された薄板型ニオブ酸リチウム光変調器の概念

 二つ目は、光・無線変換デバイスから発出される光信号を光ファイバに直接伝送するためのファイバ無線技術だ。局発信号を遠隔の光局発信号発生器で発生させ光ファイバ伝送を行い、光・無線変換デバイスで生成される信号周波数を変換する技術を開発した。同技術により、ミリ波無線信号を光領域で周波数変換できるようになった。
 これらの開発した技術を組み合わせて、無線信号を光信号へ直接変換する構成を実現することができ、64QAM変調時に70Gbpsを超える高速ミリ波無線信号を光ファイバ信号へ直接変換する伝送システムを構築し、実証実験に成功した。
 この成果を利用すると、ミリ波受信機内の消費電力が大きい電子デバイスが不要になり、構成の簡素化が期待できる。Beyond 5G時代では、多数設置される無線アンテナ局の低消費電力化と低コスト化等が期待される。

既存技術と実証試験システムの比較

役割分担
NICT:光・無線直接伝送技術の設計・技術開発・実証実験・標準化活動
住友大阪セメント:光・無線変換デバイス、高速光変調器の設計・技術開発・標準化活動
早稲田大学:光局発信号発生器、ファイバ無線技術の研究開発

 三社は今後の展望について「今回基本技術を確立した光・無線相互変換デバイスとファイバ無線技術を活用し、Beyond 5G時代の無線システムに向けたさらなる高周波化、高速化及び低消費電力化を目指した技術検討を進めていく。また、技術検討と並行し、無線通信システムに関する国際標準化活動ならびに社会展開活動を推進していく」としている。

今回開発されたシステムの基本構成

伝送システムの概略図

 上図の伝送システムで、下記の手順により101GHz・71Gbpsのミリ波無線信号伝送を実現した。

① ファイバ無線信号送信器
91GHzの離調周波数をもつ光2トーン信号を生成する光局発信号源と、その信号を10GHz無線信号で変調してデータを重畳する光変調部で構成されます。光2トーン信号の片方の成分をデータ変調し、再度合成することで101GHzミリ波信号へ直接変換可能なRoF信号を生成。

②ミリ波無線送信機
光ファイバを伝送後、ミリ波変換部にて、高速光検出器をベースとした光電変換デバイスによりRoF信号から101GHzミリ波信号へ変換し、ミリ波アンテナにて空間へ放射。

③ミリ波無線受信機
放射されたミリ波信号は空間伝送後に、受信側アンテナにて集録され、増幅器にて信号レベル調整後に今回開発した高速光変調器ベースの光・無線変換デバイスへ入力。

④ファイバ無線受信器
離調周波数84GHzの光2トーン信号を生成し、片方の成分のみミリ波無線受信の光・無線変換デバイスへ入力。

⑤ミリ波無線受信機
③と④の入力により101GHzミリ波信号にて変調された光信号はファイバ無線受信機送信。

⑥ファイバ無線受信機
④で生成した84GHz離調光2トーンのもう一方の成分と組み合わせることで、中心周波数17GHz(=101GHz-84GHz)のRoF信号へ周波数下方変換する。このRoF信号を光検出器にて受信し復調することで、データを復元。

実験結果

伝送システムの概略図

実験結果のグラフ。101GHz無線信号を5mおよび20m伝送した場合の(左)伝送エラーベクトル振幅と(右)復調シンボル図

 上記の実験結果のグラフでは、誤り訂正前のエラーベクトル振幅値(EVM:Error Vector Magnitude、伝送誤りに相当)で、64QAMにおいては、オーバーヘッド20%で帯域幅14GHzの伝送が可能であることが示されている。これは、伝送レート71Gbpsに相当する。

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