PR2020159

2020 年 8 ⽉ 4 ⽇
報道機関各位
国⽴⼤学法⼈東京⼯業⼤学
株式会社ソシオネクスト

Ka 帯衛星通信向け無線 IC の開発に成功－安価な集積回路で実現、無線機の⼩型・低コスト化に貢献－【要点】○

Ka 帯衛星通信機能を安価で量産可能なシリコン CMOS チップに集積化○

2 系統の受信回路を内蔵することで、⼆偏波 MIMO と周波数多重による⾼速・⼤容量通信が可能○

⾼速衛星通信向け無線機の⼩型・低コスト化を実現【概要】
東京⼯業⼤学 ⼯学院 電気電⼦系の岡⽥健⼀教授と⽩根篤史助教らの研究グループと、株式会社ソシオネクストの研究グループは、今後⾒込まれる衛星通信機器の急速な市場拡⼤に対応できる、Ka帯（⽤語1）衛星通信無線機⽤の無線ICを開発することに成功した。
この無線ICでは世界で初めて、安価で量産が可能な標準シリコンCMOS（相補型⾦属酸化膜半導体）プロセスによってKa帯衛星通信向けトランシーバを集積した。この低雑⾳かつ⾼線形性で、低⾯積のトランシーバを⽤いることで、従来多くの個別の電⼦部品で構成されていたKa帯無線機を1チップのCMOS無線ICで実現できた。これはKa帯無線機の⼤幅な⼩型・低コスト化につながる成果である。さらに、従来の2倍の2系統の受信機を搭載することで、⼆偏波MIMO（⽤語2）および周波数多重（⽤語3）を可能にし、さらなる⾼速・⼤容量化を達成した。
本研究成果は、低軌道・中軌道衛星コンステレーション（⽤語4）を利⽤した衛星通信網や、5G（⽤語5）への導⼊が検討されている⾮地上系ネットワークの利活⽤を加速させるものである。
研究成果の詳細は、8⽉4⽇（⽶国太平洋時間）からオンライン開催される国際会議RFIC2020「Radio Frequency Integrated Circuits Symposium 2020」で発表される。

1 /5

●開発の背景
近年、これまでの放送衛星や静⽌軌道衛星に加えて、低軌道・中軌道衛星のコンステレーションを利⽤した全世界に向けた衛星通信網の構築が本格化してきている。また、5Gの次期仕様であるRelease17
では、⾮地上系ネットワークとして、こうした低軌道から静⽌軌道までを含めた衛星の利活⽤の検討が始まっている。さらに、特に地上側で使⽤される衛星通信⽤無線機には、全世界をカバーする⾼速インターネット通信網、IoTや⾞載通信、災害時の緊急通信といった幅広いサービスへの対応が期待されている。こうした流れから、衛星通信⽤無線機の⾼速・⼤容量化、および低コスト化が強く求められている。
●課題
現在、地上で利⽤されている衛星通信⽤無線機のなかでも、特に⾼速・⼤容量での通信が可能である
Ka帯無線機は、その通信機能を実現するため、多くの電⼦部品を組み合わせて構成されている。そのため、無線機の⼤型化や、部品点数の増加による消費電⼒の増加、コストの増加という課題があった。モ
バイル端末サイズの⼩型衛星通信⽤無線機は現時点でも存在するが、そうした無線機は⽐較的低い周波数帯であるL帯（⽤語6）を利⽤しており、狭い周波数帯域幅しか利⽤できないため、⾼速・⼤容量での無線通信の実現が難しい点が問題になっていた。
●研究成果
本研究では、Ka帯衛星通信機能をCMOSチップに集積化することで、これまで6〜9個のICを⽤いて実現されてきた通信機能を、1個の無線ICで実現することに成功した。これにより、⼤幅なサイズの縮⼩、消費電⼒の削減、コストの低減を実現することが可能になる。
今回開発した無線ICでは、インダクタの相互結合を利⽤した低雑⾳増幅器（LNA）および⼲渉波を打ち消す回路を提案し、低雑⾳かつ⾼線形性で⼲渉波に強いトランシーバを実現した。さらに、トランシーバの構成としてダイレクトコンバージョン⽅式を⽤いた。この⽅式は、中間周波数を持つ従来のスーパーヘテロダイン⽅式と⽐べて中間周波数帯のフィルタ等のコンポーネントを削減できるため、⼩⾯積でトランシーバを実現でき、集積化に適している。
さらに本無線ICは、⾼速・⼤容量のダウンリンクの通信を実現するために、2系統の受信機を持ち、⼆偏波MIMOおよび周波数多重に対応している。この受信機では、⼆偏波MIMOモードと周波数多重モードのいずれかを、内蔵するスイッチで選択できる（図1）。⼆偏波MIMOモードでは、右旋円偏波および左旋円偏波の2種類の偏波を利⽤することで、最⼤で2倍の通信容量を実現可能である。⼀⽅、周波数多重モードでは、キャリア周波数の異なる2つの変調信号を同時に受信可能であり、通信に利⽤する帯域幅を拡⼤して、通信容量を増⼤させることができる。

2 /5

図 1. 内蔵する 2 系統の受信機によって（a）⼆偏波 MIMO および（b）周波数多重に対応

本無線ICの試作は、65 nmのシリコンCMOSプロセスを⽤いて⾏い、送信機1系統と受信機2系統を3mm×3 mmの⼩⾯積に搭載することに成功した（図2）。試作した無線ICの測定を⾏い、通信特性を評価したところ、送信機は、Ka帯衛星通信のアップリンクの割当周波数である27-31 GHzで動作可能であり、飽和出⼒電⼒（⽤語7）は19 dBmだった。また、シンボルレートを150 Mbaudとした場合、256APSK変調（⽤語8）を⽤いることで1.2 Gbpsのデータレートを達成した。⼀⽅で受信機は、ダウンリンクの割当周波数である17-21 GHzの周波数範囲で動作可能であり、受信感度を決定する雑⾳指数
は5.0 dB、他の衛星等の⼲渉波に対する性能指標となる線形性IIP3（⽤語9）は0.2 dBmを達成した。

図 2. 開発した無線 IC のチップ写真（CMOS 65 nm プロセス）3 /5

●今後の展開
今回開発した無線ICは、通信機能をCMOSチップに集積化することで、これまで多くの部品から構成されてきたKa帯衛星通信⽤無線機の⼩型・低コスト化を牽引するものである。今後は、基地局を建設するのが困難な地域や海上での⾼速・⼤容量通信をはじめ、IoT、⾞載通信、5Gの次世代仕様における⾮地上ネットワークでの利⽤をターゲットとして、この無線ICの実⽤化を⽬指していく。
【⽤語説明】(1) Ka帯︓⼀般には26-40 GHzまでの周波数帯域を⽰すが、衛星通信においては、衛星通信⽤に割り当てられているアップリンクの27-31 GHz、ダウンリンクの17-21 GHzの周波数帯を指す。
(2) ⼆偏波MIMO︓右旋円偏波と左旋円偏波の2つの直交した偏波を⽤いるMIMO（multiple input multipleoutput）。複数の⼊出⼒を利⽤することで、帯域あたりの伝送速度を向上させることができる。
(3) 周波数多重︓複数のキャリア周波数の変調信号を同時に⽤いて通信を⾏う技術。
(4) 衛星コンステレーション︓複数の衛星の⼀群・システム。SpaceX社のStarlinkでは400台以上の衛星群がインターネット網を構成する。
(5) 5G︓第5世代移動通信システム。移動通信システムは第1世代のアナログ携帯電話から始まり、性能が向上するごとに世代、つまりジェネレーションが変わる。「G」はジェネレーション（Generation）の頭⽂字。現在の携帯電話等は4Gが主流であり、5Gは2020年内の本格的な実⽤化に向けた開発が⾏われている。
(6) L帯︓⼀般には0.5-1.5 GHzまでの周波数帯域を⽰すが、衛星通信においては、衛星通信⽤に割り当てられている1.2-1.7 GHzの周波数帯を指す。
(7) 飽和出⼒電⼒︓増幅器が最⼤で出⼒できる電⼒。
(8) 256APSK変調︓256 Amplitude Phase Shift Keying（256値振幅位相）変調。振幅と位相双⽅に情報を乗せて伝送する変調⽅式。1シンボルあたり8 bit 256値の情報を乗せることができる。
(9) IIP3︓Third Order Input Intercept Point（3次⼊⼒インターセプトポイント）。基本波成分と3次の歪成分の電⼒が交わるときの⼊⼒電⼒。受信機においては、どのくらい強い⼲渉波や強い所望信号に対応できるかを⽰す指標。

【発表予定】
この成果は 8 ⽉ 4 ⽇（⽶国太平洋時間）からバーチャル開催される国際会議 RFIC 2020（RadioFrequency Integrated Circuits Symposium 2020）において、「A CMOS Ka-Band SATCOM
Transceiver with ACI-Cancellation Enhanced Dual-Channel Low-NF Wide-Dynamic-Range RXand High-Linearity TX（隣接チャネル⼲渉波キャンセル技術を⽤いた低雑⾳かつ広ダイナミックレンジ受信機と⾼線形送信機を持つ Ka 帯 CMOS 衛星通信⽤無線トランシーバ）」の講演タイトルで、現地時間 8 ⽉ 4 ⽇ 17 時 30 分から発表される。

4 /5

講演セッション︓

Tu2B: 5G Focus Session on Millimeter-Wave Components and Systems

講演時間︓

8 ⽉ 4 ⽇ 17 時 30 分（⽶国太平洋時間）

講演タイトル︓

A CMOS Ka-Band SATCOM Transceiver with ACI-Cancellation Enhanced
Dual-Channel Low-NF Wide-Dynamic-Range RX and High-Linearity TX（隣接チャネル⼲渉波キャンセル技術を⽤いた低雑⾳かつ広ダイナミックレンジ
受信機と⾼線形送信機を持つ Ka 帯 CMOS 衛星通信⽤無線トランシーバ）

会議 Web サイト︓https://rfic-ieee.org/
https://rfic-ieee.org/technical-program/technical-sessions【問い合わせ先】
東京⼯業⼤学 ⼯学院 電気電⼦系
⽩根篤史（しらね助教あつし）

電話: 03-5734-3764

FAX: 03-5734-3764

Email: shirane@ee.e.titech.ac.jp
株式会社ソシオネクスト
正⽊ 俊⼀郎（まさき しゅんいちろう）
Email: masaki.shunichiro@socionext.com
TEL: 080-9815-0944【取材申し込み先】
東京⼯業⼤学 総務部 広報課
電話︓03-5734-2975 FAX: 03-5734-3661
Email: media@jim.titech.ac.jp
株式会社ソシオネクスト 経営企画室
http://www.socionext.com/jp/contact/
TEL: 045-568-1006

記載されている会社名、製品名などの固有名詞は、各社の商標または登録商標です。プレスリリースに記載された内容は発表⽇現在のものです。その後予告なしに変更されることがあります。あらかじめご了承ください。

5 /5