100Gbps伝送を実現するための具体的な課題

原田博司教授の研究グループがターゲットとしている10 Gbps 〜 100 Gbps超の超高速伝送（テラヘルツ・サブテラヘルツ帯通信）を実現するには、従来の4G/5Gでは無視できていた物理的・電気的な限界が大きな壁となります。

具体的には、以下の4つの技術的課題が「ブレイクスルーが必要な領域」として挙げられています。

1. 凄まじい「パスロス」と「大気吸収」への対策

周波数が100GHzを超えると、電波の直進性が極端に強くなり、わずかな障害物や空気中の水分子（酸素や水蒸気）によってエネルギーが吸収・散衰してしまいます。

• 課題: 送信したエネルギーが受信側に届くまでに激しく減衰するため、通信距離が極端に短くなる（数メートル〜数十メートル）。

• 解決策: 数百〜数千のアンテナ素子を並べた超多素子フェーズドアレイアンテナによる「鋭いビームフォーミング」が必要です。原田研究室では、これを動的に制御し、歩行者などの遮蔽物を避けるアルゴリズムを研究しています。

2. デバイスの「非線形性」と「位相雑音」

100GHz帯で4GHz以上の広い帯域幅を扱おうとすると、信号を増幅するアンプや、周波数を変換するオシレーター（発振器）の精度が追いつかなくなります。

• 課題:

  • 位相雑音（Phase Noise）: 周波数が高くなるほど、信号の「揺れ」が大きくなり、高精細な変調（256QAMなど）が崩れてしまいます。

  • 非線形歪み: アンプで増幅する際に信号が歪み、隣接する周波数にノイズが漏れ出します。

• 解決策: 歪みを事前に計算して打ち消すデジタルプリディストーション (DPD) や、位相雑音に強い特殊なパイロット信号の配置技術が開発されています。

3. A/D変換器（ADC/DAC）の速度限界と消費電力

100Gbpsを達成するには、非常に広い帯域幅（数GHz〜数十GHz）をデジタル処理する必要があります。

• 課題: * サンプリング速度: 数十GHzでアナログ信号をデジタル化するADCが必要ですが、現状では消費電力が膨大になり、発熱も深刻です。

  • データ処理のボトルネック: 無線機内部のバス速度や、FPGA/ASICでのリアルタイム処理が追いつきません。

• 解決策: 信号処理の一部をアナログ領域で行う「ハイブリッド・ビームフォーミング」や、処理負荷を分散させる並列計算アーキテクチャの研究が進んでいます。

4. 広帯域ゆえの「周波数選択性フェージング」

100Gbps級の通信では、帯域幅が非常に広いため、同じ信号内でも「低い周波数」と「高い周波数」で電波の届き方が変わってしまいます。

• 課題: 波形が時間的に重なり合う（符号間干渉）が発生しやすくなり、等化器（Equalizer）の設計が極めて複雑になります。

• 解決策: 前述の105GHz帯マルチパス測定に基づいた統計モデルを活用し、反射波をあえて積極的に合成して信号品質を高める「時空間イコライゼーション」技術が鍵となります。

原田研究室のアプローチ：OFDMの高度化

原田教授は、これらの課題に対して**「UTW-OFDM」**のような窓かけ技術を応用し、広い帯域を使いつつも隣接チャネルへの干渉を最小限に抑え、かつデジタル処理負荷を軽減するアプローチをとっています。

出典：Google Gemini

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