ワイヤレスの歴史をざっと振り返る――5Gに至るまでの道のり
10年ごとに数多くの技術革新がもたらされますが、50年以上にわたる無線技術の変遷が積み重ねてきた影響は、私たちのコミュニケーションのあり方をいかに変えたかという点において特筆すべきものです。
- 1980年代は、第1世代携帯電話の普及とともに、パーソナルコンピューティングの時代が幕を開けた
- 1990年代には、2Gサービスの展開と時を同じくして、民生用機器に64ビット・マイクロプロセッサ・アーキテクチャが登場した。
- 2000年代には、初代iPhoneが登場し、3Gサービスが開始された
- 2010年代は、4Gの普及やデジタルトランスフォーメーション戦略の始まりとともに、スマートフォンに64ビットアーキテクチャが登場した時代である
- 2020年代は、世界的なパンデミック下での5Gの展開とともに、ミリ波技術の導入を含め、コンピューティングのルネサンスの幕開けとなる
- 2030年代は、6Gの展開が始まる時期となるだろう
世界人口が80億人に達する中、半導体業界が現在、年間約15億台のスマートフォンを生産していることは驚くべきことであり、世界のサプライチェーンは実に目覚ましいスピードで進化し続けています。この進化が示唆するように、変化の主な原動力となっているのは、デジタル技術とワイヤレス技術の融合であり、これらがシームレスに連携することで、「いつでも、どこでも情報にアクセスできる」という、より大きな共通の利益を実現しているのです。
5Gの独自機能の概要
世界的な5GNR（New Radio）の展開は順調に進んでおり、4Gと比較して、はるかに高速で応答性の高いモバイル体験を提供することになります。5Gへの移行には、新たな周波数帯域を使用する新しい無線アクセス技術（RAT）が含まれます：
- FR1は410 MHz～7125 MHzの周波数帯を使用する
- FR2-1は24.25 GHz～52.6 GHzの周波数帯を使用する（Release 15）
- FR2-2は52.6 GHzから71 GHzの周波数帯を使用する（Release 17）
はい、5Gは史上初めて、ミリ波（mmWave）技術の導入と同義となりました。ミリ波が導入される背景には、（従来の携帯電話ネットワークとは異なる）次世代のユーザー体験を提供するという目的があります。これには、これまでモバイル通信の品質が低下していた人口密集地において、1 Gbpsのダウンロード速度を実現することが含まれます。例えば、スタジアムをはじめとする多くの施設では、より没入感のある体験を提供するためにミリ波を導入するでしょう。 また、交通の要所（空港など）のような人口密集地域では、より応答性の高い接続が実現されるでしょう。将来的には、固定無線アクセス（ラストマイル）、企業内（プライベートネットワーク）、その他の産業用IoTアプリケーションへの導入が見込まれます。これらすべてに共通するのは、人口密度の高い環境において、より高速で応答性の高いモバイル体験が提供されるという点です。
より高い周波数とより広い帯域幅の組み合わせが、極めて高いデータ転送速度を実現する要因となっています。参考までに、6 GHzの信号の波長（FR1）は50 mm程度です。 39 GHz（FR2-1）では、波長は7.7 mmまで短縮されます。さらに60 GHzでは、波長はわずか5.0 mm（FR1の波長の1/10）となります。これらの数値が示すように、ミリ波の送受信技術では、ほぼどこにでも設置可能な、よりコンパクトなアンテナの使用が可能となります。
まだすべての5Gスマートフォンがミリ波（mmWave）通信に対応しているわけではありません。5Gの展開には、ミリ波を除く5Gのすべての利点を提供する「エコノミークラス」が存在します。このエコノミークラスはFR1のみの通信に対応しています。対照的に、現在の5GフラッグシップスマートフォンはFR1とFR2-1の両方に対応しています。このモジュール式のアプローチにおいて、FR1の機能は、今後発売されるエコノミークラスおよびプレミアムクラスの5Gスマートフォンの基盤となります。 エコノミークラスとプレミアムクラスのスマートフォンの最終的な構成比は、mmWave技術の今後の普及状況に左右されますが、現在の主要なフラッグシップスマートフォンはすべてmmWaveに対応しています。したがって、mmWaveの普及が進むにつれ、これらの独自の無線機能は、現在の端末の一部においてすでに搭載されています。
こうした独自の無線機能を実現する要因は何でしょうか？ すべてを網羅したリストではありませんが、この無線技術の変革を支える5Gの主要な要素は、大規模MIMO（Multiple Input, Multiple Output）と高度なビームフォーミング機能です。半導体エコシステム全体において、こうした複雑な無線技術を制御することは、途方もない規模の課題です。
アンテナ、MIMO、ビームフォーミング、および5G-IF
ミリ波帯では広帯域が利用可能なことに加え、この波長域のアンテナはFR1に比べてはるかに小型であるため、狭い領域に多数のアンテナを配置して利得を高め、ビームフォーミングを実現することが可能になりました。事実上、MIMOはスマートフォンと基地局の間でミリ波信号を効果的に制御することで、通信リンクを確立し（通信品質を向上させます）。 さらに、それだけでも十分に複雑ですが、MIMOは複数のユーザーが同時に同じリソースを共有することも可能にします（MU-MIMO）。
5Gスマートフォン内部では、ネットワークへの最適な直線視界（LOS）接続を実現するため、これらのMIMOアンテナ構造が筐体の周囲に配置されています。 信号の伝送は、これらアンテナ構造とモデムとの間を中間周波数（5G-IF）機構を介して接続することで継続されます。このようにして、5Gスマートフォン内では送信および受信操作のために、アンテナからビットへの完全な接続が実現されています。これらすべての技術がシームレスに連携し、より高速で応答性の高い接続を生み出していることを考えると、これはまさに技術の驚異と言えます。
5Gがもたらす経済的影響
規格は5Gの複雑さを規定していますが、それは解決策の半分に過ぎません。このイノベーションを実現するもう半分は、商用化のプロセスにかかっています。5Gスマートフォン内部の部品表（BOM）には、ミリ波通信に対応するために2つの新しい部品が必要となります：
- ミリ波通信に対応したパッケージ内蔵アンテナ（AiP）デバイス（スマートフォン1台あたり3個）
- AiPデバイスとの5G-IF接続に対応するように拡張されたモデム機能
これらの追加機能は、前世代のスマートフォンアーキテクチャには含まれていなかったため、追加コストが発生します。さらに、商用化に向けた取り組みには、大量出荷が可能なミリ波（mmWave）サプライチェーンの開発と構築も含まれています。
また、この新技術を市場に投入するにあたっては、商業化のプロセスにおいて財務上の障壁を克服しなければならない。価格設定が高すぎれば、普及のペースが鈍化するリスクがある。一方で、新たなサービスでプレミアム価格を設定し、投資収益率を高める可能性も、価格戦略に影響を与えるだろう。したがって、ミリ波技術のサプライヤーは、投資家や最終的に製品を購入する消費者を含む、半導体エコシステム全体にとって有益となるバランスを見出さなければならない。
AiPデバイス、RFIC内蔵パッケージアンテナ
民生向け製品におけるビームフォーミング用に設計されたAiPデバイスは、電力増幅器、低雑音増幅器、スイッチ、トランシーバー、フィルタ、および独立したアンテナを内蔵した完全統合型モジュールです。要約すると、AiPデバイスは、5Gアーキテクチャで使用されるミリ波帯のRFフロントエンド（RFFE）機能を提供します。 このパッケージは一般的にシステム・イン・パッケージ（SiP）の一種と見なされており、これは異種集積も包含していることを意味します。実際、AiPデバイスは、特に先進的なパッケージング技術の観点から見ると、工学上の驚異と言えます。また、その商用化には新たな組立および試験手法が必要であり、これには無線（OTA）による手法も含まれるよう進化しています。
5G-IF信号の分配メカニズム
5Gスマートフォンの中核をなすのは、RF信号をビット信号に変換するトランシーバーおよびモデム機能です。ミリ波（mmWave）が追加されたことで、AiPデバイスへの信号分配の連携に対応するため、この中核機能を進化させる必要があります。信号分配は通常10～20 GHzの帯域で行われ、テスト面でも影響を及ぼします。具体的には、FR1のみの場合に比べて、テスト範囲の確保にかかるコストが高くなります。
5Gがもたらす経済的課題
こうした技術的な複雑さは、テストに関連して抑制すべきコスト負担も伴います。テスト期間の短縮や部品表（BOM）に関するサプライヤーとの交渉だけでは、特に現代においては十分な戦略とは言えません。むしろ、コスト削減を絶えず追求する上で、ロードマップを策定し、より高密度なサイトへの移行を進めることが、実証済みの道筋なのです。 とはいえ、5Gの展開と時を同じくして、テスト分野でもちょっとしたルネサンスが進行中です。それは、エコシステムを通じてテストされるRFデバイスのサイト数が倍増していることです。FR1向けのデバイスだけでなく、FR2-1、FR2-2、さらにはそれ以降のデバイスも対象となります。デバイスと同様に、テスト・計測業界も、イノベーションと経済性の両面において、新たに生じている複雑さに歩調を合わせるべく進化しています。
参考までに、テラダインは、x8サイトを中心に構築された、今日のRFトランシーバー・テストの標準を確立した先駆者であることを誇りに思っています。さらに、テラダインは、新興のミリ波技術の商用化に向けたソリューションを含む、この最先端分野において、先駆的な取り組みを推進し続けています。本稿執筆時点において、当社は、RFおよびミリ波トランシーバー・テストの新たな標準となるx16サイト密度の展開を開始しています。 UltraFLEXplusにおいて、RFおよびミリ波トランシーバー・テストの新たな標準となるx16サイト密度の展開を開始しています。また、新興のAiPデバイスについては、並列OTAテストの新たな標準となるx8サイト密度を実現したことを、大変誇りに思っています。
次は何が待っているのか？ 6Gの展開をのぞいてみよう
このブログでも指摘されているように、多くの技術革新の表面を剥がして中身を覗いてみると、そこには多分野にわたる複雑な課題が潜んでおり、これを克服するには、周到かつ一貫性のあるエンジニアリングの取り組みが不可欠です。市場をリードする先駆者たちとの協業を通じて、テラダインは数十年にわたり進化を遂げ、ミリ波技術を含むワイヤレス技術の革新を実現する上で、かけがえのないパートナーとなりました。テラダインは、その複雑さを克服するのです。
6Gを見据え、私たちは前進を続けています。次の目標（駄洒落をお許しください）は、ワイヤレス・エコシステム全体におけるテストコストの削減を断固として追求することです。先駆者精神は私たちの企業文化に深く根付いており、新興技術に向けた革新的なソリューションを開拓することこそが、私たちの成功の尺度です。 未来を切り拓くテスト技術は現在、商用化に向けた仕組みと共に開発が進められています。次世代技術の実現には、優れた技術だけでなく、世界経済のニーズに応えるために生産量を拡大できるツールと実績あるチームが不可欠です。
テラダインの「UltraFLEXplus およびミリ波計測機器について詳しくはこちらをご覧ください。ワイヤレスの未来に向けた協業については、ぜひお問い合わせください。
デビッド・ヴォンドラン氏は、テラダインのワイヤレス製品マネージャーとして、ミリ波アプリケーション向けを含む大量生産向けのATEソリューションの推進を担当しています。これまでに、ロックウェル・インターナショナル、ワトキンス・ジョンソン、パシフィック・モノリシック、カリフォルニア・マイクロウェーブ、アンリツ、OML、ライトポイント、アドバンテスト、アストロニクス・テスト・システムズなどで、エンジニアリングおよびマーケティングの職を歴任してきました。カリフォルニア州立工科大学ポモナ校にて電気工学の学士号を取得しています。