byハーモニックス株式会社 代表取締役社長(シェイ) 白水 重明
帯域幅の需要は急速に増加しています。インターナショナル データ コーポレーションは、米国のインターネット商取引が 1999 年の 740 億ドルから 2003 年には 7,080 億ドルに成長し、米国だけでもコンピュータ ユーザーの数が 8,100 万人から 1 億 7,700 万人と 2 倍以上に増加すると予測しています。驚異的な成長が見込まれるため、信頼性の高い光ファイバー ネットワークを迅速に設置する必要があります。

米国では、すべての商業オフィスビルのうちファイバーケーブルにアクセスできるのは 5% 未満です。物理ファイバーの設置コストは 1 マイルあたり最大 25 万ドルと高額であるため、この「ラスト マイル」の課題を克服するために、ISDN、DSL、衛星およびマイクロ波通信リンクを含む多くの一時しのぎの技術が導入されてきました。ただし、ISDN と DSL はインターネット用に設計されていない物理媒体の帯域幅を必要とし、使用可能な認可されたマイクロ波周波数 (900MHz ～ 40GHz) と衛星周波数 (6GHz ～ 30GHz) が限られているため、これらの技術は一時的な解決策しか提供しません。

米国全土の大都市圏やビジネスパークでは、短距離で高密度の無線通信デバイスの導入が必要です。ほとんどの場合、オフィス ビルは物理的にファイバー バックボーンに接続されていませんが、ローカル ファイバー トランクから 0.5 マイル以内にあります。60 GHz などのより高い周波数で動作する無線通信デバイスにより、企業は物理的なファイバーの敷設に伴うコストや時間の遅れを生じることなく、ファイバーに簡単にリンクできます。

帯域幅需要の増大とマイクロ波周波数割り当ての不足により、無線通信業界は、40GHz から 300GHz までのミリ波周波数における、これまで割り当てられていなかったスペクトルのより高い部分に焦点を当て始めています。大気中の RF エネルギー吸収が高いため、RF スペクトルのミリ波領域は長距離の無線通信セグメントでは使用できません。ただし、短距離の「ラスト マイル」セグメントでは、ミリ波領域で利用可能な拡張 RF データ帯域幅により、干渉のないファイバー速度の接続に最適です。

図 1 は、ミリ波周波数の大気吸収を示しています。
60GHz のミリ波周波数では、吸収が非常に高く、送信エネルギーの 98% が大気中の酸素によって吸収されます。60GHz での酸素吸収により通信範囲が大幅に制限されますが、同じ周波数端末間の干渉も排除されます。

周波数再利用と比較した酸素吸収の利点については、図 2 で詳しく説明 します。図 2 は、 60 GHz の周波数再利用範囲である緑色の領域と、従来の範囲である青色の領域との間の距離の関係を示しています。酸素の吸収により、空域の非常に局所的な領域内で同じ周波数の再利用が可能になります。60GHz ミリ波スペクトル内での動作により、同じ周波数の無線端末を非常に高密度で干渉のない展開が可能になります。

60GHz 通信システムは、酸素吸収の影響 (16dB/KM) を克服する必要があります。短距離でも確実に動作するには、非常に集中した狭ビーム アンテナを使用して、ターゲットの受信機が利用できる信号のレベルを高める必要があります。酸素吸収と狭ビーム送信のこの組み合わせにより、60 GHz 無線リンクのセキュリティが強化され、不正な傍受の可能性が最小限に抑えられます。

900MHz ～ 40GHz の低い周波数範囲で動作する従来の無線通信システムは、互いに近づきすぎると相互に干渉することがよくあります。大気中を通る RF エネルギーの分散と制御されない伝播によるこの干渉は、FCC の周波数調整、ライセンス、およびスペクトル拡散変調などの干渉回避技術の実装によって最小限に抑えられます。FCC ライセンスでは、付与される地域ライセンスの数が限られているため、高密度の導入が妨げられており、全体的なノイズ フロアが上昇しているため、スペクトル拡散技術の効果はわずかしか証明されていません。60GHz 領域では、酸素吸収の効果とナロー ビーム アンテナの使用により、無線間の干渉の可能性が最小限に抑えられます。理論的には、60 GHz で動作する 100,000 のシステムを干渉の問題なく 10 平方キロメートルのエリアに共存させることができます。

気象条件はすべての RF 伝送に悪影響を及ぼします。特にミリ波領域では、激しい暴風雨が伝送 1 キロメートルごとに信号強度に 20dB もの損失を引き起こす可能性があります。無線伝送の距離が長くなるにつれて、天候の影響を補償するために必要なフェードマージンも比例して増加します。60GHz で動作する無線は短距離でのみ送信するため、天候の影響に対する補償は、1 キロメートル以上を送信するシステムほど大きくありません。

60GHz では、大気吸収レベルが非常に高くなりますが、これは主に大気の分子組成によるものです。 図 3 は、波長 3 cm から 0.3 mm までの大気減衰特性を示しています。ミリ波の場合、主な吸収分子は H2O、O2、CO2、O3 です。O2 の存在は地上レベルではかなり一貫しているため、60 GHz の無線伝播に対する O2 の影響は、マージン バジェットの目的で簡単にモデル化できます。さらに、酸素吸収による減衰が高いため、特に 60 GHz システムが動作する短いパスでは、最悪の天候関連の減衰さえも無視できます。25 mm/hr (5dB/KM) という非常に激しい降雨であっても、60 GHz の酸素吸収領域における総減衰に寄与する割合はごくわずかです。

現在、連邦通信委員会 (FCC) は、パート 15 に基づいて、57.05 ～ 64 GHz のミリ波 RF スペクトルを無許可使用に割り当てています。60 GHz で動作するすべての無線機器は、FCC パート 15 の型式認証を取得する必要があります。認定されると、この製品はライセンスなしで米国全土に展開できます。このライセンスのない周波数スペクトルにより、エンドユーザーは、FCC が開催する地域スペクトル オークションや、限られた数のライセンス帯域をめぐる競争による追加コストを回避できます。

60 GHz ミリ波領域の独自の特性と利用可能な生の帯域幅により、60 GHz でのワイヤレス通信は、物理ファイバーの敷設に代わる信頼性の高い「ラスト マイル」の手段となります。60GHz 通信システムは、都市圏ネットワーク、キャンパス ネットワーク、ネットワーク バックボーン、ネットワーク ブランチ リンク、一時的な緊急復旧、ローカル アクセスなど、さまざまな用途に使用できます。

重明 (シェイ) 白水は、高速無線通信に使用される GigaLink 60GHz デジタル無線システムのメーカーである Harmonix Corporation の社長兼創設者です。www.hxi.com