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ミリ波通信の回線設計

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目次

１． はじめに

２．ミリ波

２．１ ミリ波通信の潜在力

２．２ ミリ波の性質

３．ミリ波通信の回線設計

３．１ デバイス構成および要求仕様

３．２ 計算結果

４．計算の詳細

４．１ リンクバジェットの計算

４．２ MCS 値と各種パラメータの関係

４．３ 大気による伝搬損失（酸素および水蒸気）

４．４ 降雨による伝搬損失測定

４．５ 降雨強度

５．最後に

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１．はじめに

近年、動画配信や VR/AR を活用したゲーム等の各種アプリケーションが社会に広く普及してきてい

ます。さまざまな利用ケース・利用シーンに対応する上では光ファイバといった有線での通信だけでな

く無線通信においても高速大容量化が求められています。しかし無線通信においてこの要求に対応する

には、これまでの４G で使用している Sub6GHz の周波数帯では帯域が狭くて実現できません。そのた

めモバイルネットワークは新しい周波数を Sub6GHz・ミリ波帯へ割り当てた大容量伝送を実現する第

５世代移動通信システム（５Ｇ）の検討が進められてきました。５Ｇではモバイルブロードバンドの高

度化以外に、産業の高度化・自動化、自動運転の実現に向け、特徴である超高速通信（10Gbps）、超低

遅延（<1ms）・同時多接続（100 万台/km2）を生かしたサービスが検討されています。その実現には、

広帯域の確保が可能な 28GHz・47GHz・60GHz などのミリ波帯通信の活用が不可欠で各国でインフラ

整備が進められています。５Ｇへの移行は米国・韓国では 2019 年 4 月より開始、日本では 2020 年 3

月から開始されました。

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２．ミリ波

２．１ ミリ波通信の潜在力

大容量のデータを一度に素早く送受信するためには、通信速度の向上が欠かせません。通信速度向上

のための手段の一つとして、広い周波数帯域の利用が挙げられます。現在無線通信で使用されている周

波数帯域は、極超短波、センチメートル波といわれる帯域ですが、これらの帯域は様々な用途で分割し

て使用されているため、広い帯域幅を確保することが出来ません。

シャノンの定理では通信容量は下式で示されます。

C=B log2(1+S/N)

C：通信容量

B：帯域幅

S/N：SN 比（S：信号レベル、N：雑音レベル） SN 比が倍になっても通信容量は倍にはなりませんが、帯域幅を倍にすれば通信容量を倍にすることが

出来ます。

通信容量を上げるため、SN 比を上げることは重要ですが、帯域幅を確保することがより効果的です。

例えば、 Wi-Fi で使用される 2.4GHz や 5GHz の帯域では僅か 0.5GHz 以下の帯域幅にとどまって

います（図 1①参照）。

一方、ミリ波では未だ割り当てられているサービスが少ないため、広い帯域幅が確保できます。60GHz

帯域では、日本で トータル 9GHz 、同じく米国では 14GHz の帯域幅が確保可能です（図 1②参照）。

この広い帯域幅によって通信速度は桁違いに上がり、ギガビットクラスの高速通信が可能になります。

図１ 無線通信に用いられる周波数帯

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２．２ ミリ波の性質

ミリ波帯では、その周波数の高さから損失の増大が懸念されます。

無線通信機器を構成する場合、特にアンテナを構成する基板には低損失な材料が求められるほか、損失

を抑えるために RF-IC とアンテナを最短接続する必要があります。そのため基板上に配線パターンとし

て構成したアンテナと RF-IC を組み合わせた一体型のモジュール構造が採用されます（図 2 参照）。

空中伝搬においては減衰しやすいといった特⾧があります。フリスの伝達公式から自由空間基本伝搬

損失は下式で表すことが出来ます。

損失＝(4πd/λ)2

d：距離

λ：波⾧

この式から自由空間基本伝搬損失は距離の 2 乗に比例して大きくなりますが、周波数に対しても同様に

2 乗に比例して大きくなることがわかります。図 3 に例を示します。

図 4 に電磁波の大気による伝搬損失の周

波数特性を表します。

ミリ波は他の周波数と比べ酸素や水分吸収

により減衰しやすいといった特徴があり、

特に 60GHz では、酸素吸収に起因する大

きな損失（最大 16dB/km）があり、伝搬距

離が他の周波数よりも短くなります。

以上のように、ミリ波帯の周波数を扱うに

はその性質を理解した上で、アンテナ設計

や回線設計をすることが重要になってきま

す

図２ RF モジュール 図３ 伝搬損失

AiP（Antenna in Package）

図４ 大気による伝搬損失の周波数依存性[1]

（気圧 = 1013.25 hPa, 気温 = 15℃, 水蒸気密度 = 7.5g/m3）

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３．ミリ波通信の回線設計

ミリ波帯を用いた通信ネットワークの構築において、天候（降雨量）、伝送距離と伝送速度との関係

性の把握が重要となっています。ここでは、理論上の最大伝送距離を算出する回線設計（レベルダイヤ

グラムの作成）の方法について紹介します。

３．１ デバイス構成および要求仕様

ミリ波通信部のデバイスの構成を図５示します。ミリ波通信部は、ミリ波帯無線信号の入出力を行う

RF-IC と、MAC フレームの生成・復元、および RF-IC の制御を行う BB-IC と、ミリ波帯の送受信を行

うフェーズドアレーアンテナから構成されています。また、ミリ波通信部の RF 部に関する要求事項の

一例を表 1 に示します。

図５ミリ波通信部のデバイス構成

表 1 RF 部に関係する要求仕様例

No. 項目 記号 目標仕様の例

1 中心周波数 -- CH1(58.32GHz), CH2(60.48GHz), CH3(64.64GHz),

CH4(64.80GHz), CH5(66.96GHz), CH6(69.12GHz)

2 EIRP -- +37dBm 2×RF 同時送信時の FCC のリミット値

+40dBm 1×RF 送信時の FCC のリミット値

3 アンテナ利得 -- 23dBi (θ=0)、21dBi (θ=±45°)

4 伝送距離（要求） d MCS 9 で 200m 伝送

5 動作周囲温度 T 85℃ （358K）

6 降雨強度

（降水量） --

12 mm/H[2]

ITU-R 勧告 PN.837-1 Table1 に示された Rain climatic

zones の Region K (時間確率 99.9%)の時の降雨強度

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３．２ 計算結果

表 1 の要求事項を考慮し、各送信 CH における、伝送距離と MCS 5、9、12 の受信リミット値（受信

電力値）との関係を図６示します。電波の強度を示す、送信 EIRP（実効輻射電力）は電波法で定められ

たリミット値の+40 dBm としています。実線は伝送距離における受信電力を表しております。点線で

示す、MCS リミット（表 3 に示す伝送方式および伝送レートを実現するための最小受信電力）との交

点が最大伝送距離となります。MCS 9 を基準とした時の、最大伝送距離を表 2 に示します。計算の詳細

については、4 章以降にて説明します。

（a）f=58.32 GHz (CH1) （b）f=60.48 GHz (CH2)

（c）f=62.64 GHz (CH3) （d）f=64.8 GHz (CH4)

（e）f=66.96 GHz (CH5) （f）f=69.12 GHz (CH6)

図６ 各 CH における、受信電力と MCS 5、9、12 の受信リミットとの関係

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表 2 0 度方向の時の伝送可能距離

（EIRP=+40dBm, 受信アンテナ利得 23dBi, T=85℃）

項目 単位 値

降雨強度 mm/H 12 0

MCS -- MCS 9

変調方式 -- /2 QPSK

速度（PHY） Mbps 2502.5

受信リミット値 dBm -59

最大

伝送距離

CH1(58.32GHz) m 224 248

CH2(60.48GHz) m 207 228

CH3(62.64GHz) m 216 240

CH4(64.80GHz) m 242 280

CH5(66.96GHz) m 254 301

CH6(69.12GHz) m 250 298

４ 計算の詳細

４．１ リンクバジェットの計算

伝送可能距離を計算するためのレベルダイヤグラムを図７示します。受信電力 PR と、熱雑音電力 NS、

受信機（BB-IC）の許容 C/N 値および実装損失から算出した最小受信電力 RS とを比較し、PR＞RS とな

れば、送信から受信への安定した信号の伝達（例、1% PER for 8kB packet length）が可能となります。

一方、PR＜RS となる時は、受け取ったデータにエラーが発生します。

図７ レベルダイヤグラム

受信電力 PR、最小受信電力 RS、熱雑音電力 NS の計算式を以下に示します。

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＜受信電力＞

𝑃 (dBm) = 𝑃 − 𝐿 + 𝐺 − 𝐿 − 𝐿 − 𝐿 + 𝐺 − 𝐿 (1)

（EIRP）

𝐿 (dB) = 10log + ∙

+ ∙

+ 𝐿 (2)

（自由空間損失） (大気吸収) (降雨吸収) (ポインティング損失)

但し、

PR(dBm): 受信電力

PT(dBm)： 送信電力

GT(dBi): 送信アンテナ利得

GR(dBi)： 受信アンテナ利得

LB(dB): 伝搬損失

(m)： 搬送波の波⾧（周波数設定値は表 1 を参照）

d(m)： 伝送距離

Lo(dB/km)： 大気による吸収（各周波数における伝搬損失を 4.3 項に示す。）

Lr(dB/km)： 降雨による吸収（計算式は ITU-R 勧告 P.838-3、計算結果を 4.4 項に示す）

Lc(dB)： レドームの吸収（例、1.0dB）

LP(dB)： ポインティング損失（指向性アンテナのずれによる損失, =0.1dB）

LF(dB): アンテナ引き出し線の損失（本書ではアンテナ利得に含めて計算）

＜熱雑音電力＞

𝑁 (dBm) = 10log (𝑘𝑇∆𝑓) + NF + 30 (3)

※ 式(3)の 30 は dBm 表示するため

但し、

k(J/K)： ボルツマン定数（1.38×10-23）

T(K)： 絶対温度（358K） 85℃

△f(Hz)： 等価雑音帯域幅（1.76 ×109）

NF(dB)： RF-IC 受信機の雑音指数。本書では、10dB と設定した。

＜最小受信電力＞

𝑅 (𝑑𝐵𝑚) = 𝑁 + 許容 C/N 値(dB)＋実装損失(dB) (4)

但し、

許容 C/N 値(dB)： BB-IC が受信可能な信号電力と雑音電力の比

（BB-IC の仕様による。表３にしめす、最小受信電力値に含まれている）

実装損失(dB)： 実装損失（Phased Array アンテナの位相調整誤差による損失分）の設定値。

（温度による特性変動分も含まれる。本書では、5 dB と設定した。）

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４．２ MCS 値と各種パラメータの関係

IEEE802.11ad に基づく 60GHz 帯ミリ波通信では、受信電力や SN 比といった通信状態に応じて変調

方式を調整する適応変調方式を用いております。MCS（Modulation and Coding Scheme）値と各

種パラメータ、および最小受信電力の関係を表 3 に示します。

Data Rate（Mbps）は周波数帯域（1760 MHz）、Modulation symbol（448 Symbol）と Guard interval

（64 Symbol）の比、NCBPS（1 シンボル当たりのコードビット数）、繰り返し数、Code Rate（誤り訂正

のための冗⾧符号化率）を式（５）に代入して計算します。MCS 0 については Guard interval を持たず

に 32 回繰り返しデータを扱う方式となっています。

Data Rate(Mbps) = 周波数帯域(MHz)×(448/512)×NCBPS÷繰り返し数×Code Rate (5)

表 3 MCS 値と各種パラメータ一覧

MCS 変調方式 NCBPS 繰り返し Code

Rate

DataRate

（Mbps）

最小受信電力

(dBm)[3]

0 DBPSK 1 32 0.50 27.5 -78

1 /2 BPSK 1 2 0.50 385.0 -68

2 /2 BPSK 1 1 0.50 770.0 -66

3 /2 BPSK 1 1 0.63 962.5 -65

4 /2 BPSK 1 1 0.75 1155.0 -64

5 /2 BPSK 1 1 0.81 1251.3 -62

6 /2 QPSK 2 1 0.50 1540.0 -63

7 /2 QPSK 2 1 0.63 1925.0 -62

8 /2 QPSK 2 1 0.75 2310.0 -61

9 /2 QPSK 2 1 0.81 2502.5 -59

10 /2 16QAM 4 1 0.50 3080.0 -55

11 /2 16QAM 4 1 0.63 3850.0 -54

12 /2 16QAM 4 1 0.75 4620.0 -53

（各 MCS の最小受信電力値は IEEE802.11ad Clause20 Table 20-3 から引用）

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４．３ 大気による伝搬損失（酸素および水蒸気） 60GHz 帯の電磁波は酸素による吸収が大きく、伝搬損失が無視できない大きさとなっています。各

CH における伝搬損失を、図４に基づいて算出します。読み取った損失値を表 4 に示します。CH1 から

CH3 については、酸素吸収が通信品質に影響を与える要因となっています。

表 4 大気による伝搬損失

CH（周波数） 伝搬損失(dB/km) CH（周波数） 伝搬損失(dB/km)

CH1(58.32GHz) 13.0 CH4(64.80GHz) 4.5

CH2(60.48GHz) 16.0 CH5(66.96GHz) 1.2

CH3(64.64GHz) 12.0 CH6(69.12GHz) 0.6

４．４ 降雨による伝搬損失測定 降雨による伝搬損失（dB/km）についても、酸素と同様に通信品質に影響を与える要因の一つとなっ

ています。ITU-R 勧告 P.838-3(Specific attenuation model for rain for use in prediction methods)[4]

に記載された式を用いて、降雨吸収係数のパラメータと k を算出し、降雨強度 R(mm/H)を加えて伝搬

損失γR を求めます。下記の、式（6）、式（7）にある係数は仰角、は偏波角(垂直偏波=90deg., 水

平偏波= 0deg., 円偏波=45deg.)を示します。その他の係数 kx、x については、P.838-3 規格におい

て、周波数ごとの一覧表がありますので、本書では、省略します。

k = [𝑘 + 𝑘 + (𝑘 − 𝑘 ) 𝑐𝑜𝑠 𝜃 𝑐𝑜𝑠2𝜏]/2 (6)[4]

α = [𝑘 𝛼 + 𝑘 𝛼 + (𝑘 𝛼 − 𝑘 𝛼 )𝑐𝑜𝑠 𝜃𝑐𝑜𝑠2𝜏]/2𝑘 (7)[4]

γ = 𝑘𝑅 (8) 式(6)、式(7)から得られたパラメータと k を用いて、垂直偏波=90(deg.)の時の損失を計算し、CH1

から CH6 の周波数範囲（57GHz～71GHz）における伝搬損失を算出しました。結果を図５に示します。

図５ 降雨強度による伝搬損失計算結果（ITU-R 勧告 P.838-3 を引用）

Rainfall intensity

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４．５ 降雨強度

降雨強度(mm/H)については、表 1 の要求仕様例に基づき、ITU-R 勧告 P.837-1 (Characteristics of

precipitation for Propagation modelling)の Table1 に示された Rain Climatic zones の Region K (時間

確率 99.9%)の時の降雨強度を採用します。図 6 を用いると計算に使用する降雨強度は 12mm/H となり

ます。Region K とは、北米では東海岸、欧州では地中海沿岸、アジアでは東日本、中国の一部、インド

北部が該当します。

図６ Rain Climatic zones と降雨強度の関係[2]（ITU-R 勧告 P.837-1 を引用）

５．最後に

天候（降雨量）、伝送距離と伝送速度との関係性を把握するための、回線設計方法について解説を行

いました。フジクラでは、ミリ波通信評価装置を開発し、フィールドにおける⾧期間の通信試験を実施

しております。本書で示した理論計算値と試験結果との関係性について、評価を継続して行っておりま

す。

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参考文献

[1] Recommendation ITU-R P.676-11(09/2016) Attenuation by atmospheric gases

[2] Recommendation ITU-R P.837-1 Table 1

[3] IEEE802.11-2016 Table 20-3

[4] Recommendation ITU-R P.838-3 Specific attenuation model for rain for use in prediction

methods

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ミリ波事業開発室

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