5Gマルチアンテナ技術
5G

超多素子アンテナ

ビームフォーミング

NTT DOCOMO Technical Journal

2020年のサービス実現に向けた5G技術特集

30

5Gマルチアンテナ技術
ドコモは超高速・超大容量な無線通信サービスの実現に向けて，次世代移動通信システムである「5G」の研究開発に取り組んでいる．5Gでは既存周波数帯よりも高い周
波数帯を利用することで，信号のさらなる広帯域化をめざしている．しかしながら，高周波数帯では電波伝搬損失が増大するため，5Gのマルチアンテナ技術では超多素子アンテナを用いてアンテナ指向性を適応的に制御することで伝搬損失を補償する．本稿では，5Gマルチアンテナ技術について概説し，10Gbpsを超える超高速通信の実現性について明らかにする．

1. まえがき

先進技術研究所 5G推進室

多素子アンテナでは，アンテナ指向＊1性 を適応的に制御することで電波

すやま

さとし

おくやま

須山

聡

奥山 達樹

たつき

いのうえ

ゆうき

きしやま よしひさ

井上 祐樹

岸山 祥久

かにする．

2. 超多素子アンテナの動作と効果

ドコモは超高速・超大容量な無線

伝搬損失を補償し，また，信号を空通信サービスの実現に向けて，「5G」

間多重することで通信速度を向上さの研究開発に取り組んでいる[1] [2]．

せることができる．本稿では，ドコ

5Gでは既存周波数帯よりも高い周モが世界的に先行して技術検討およ

波数帯を利用し，信号帯域幅を広帯び伝送実験を進めている[6]，5Gマ

2.1 ファントムセルにおける超多素子アンテナの導入

域化することで通信速度のさらなるルチアンテナ技術における超多素子⑴ファントムセルによるC/U分離

向上をめざしている．しかしながら，アンテナの動作と効果，高周波数帯

5Gの基本的なアーキテクチャと高周波数帯では電波伝搬損失が増大における超多素子アンテナの技術課

して図1に示すファントムセルコン

するため，100素子以上のアンテナ

題と実現に向けた取組みについて概セプトが提案されている[2]．ファン

素子により構成される超多素子アン

説し，最後に，超多素子アンテナを

トムセルコンセプトでは，従来のマテナの適用が，5Gマルチアンテナ技

用いる計算機シミュレーション結果

クロセル＊2に新たにスモールセル＊3

術として検討されている[1]〜[5]．超を示し，超高速通信の実現性を明ら（あるいは準マクロセル）をオーバ©2016 NTT DOCOMO, INC.
本誌掲載記事の無断転載を禁じます．

＊1 アンテナ指向性：アンテナからの放射強度（あるいは受信感度）の方向特性．

＊2 マクロセル：1つの基地局がカバーする半
径数百メートルから数十キロメートルの通信可能エリア．
＊3 スモールセル：送信電力が小さく，マクロセルに比較して小さいエリアをカバーするセルの総称．

NTT DOCOMOテクニカル・ジャーナル Vol. 23 No. 4

レイ＊4配置する．マクロセルでは既レイしたセルにおいては高周波数帯存システムが用いる周波数（UHF：を用いることで信号を広帯域化し，Ultra High Frequency）帯（0.3〜

超高速通信を実現する．

3GHz）を用い，オーバレイしたセル⑵超多素子アンテナの高周波数帯セも可能である．

2.2 超多素子アンテナ
によるBF効果

ルへの導入（Super High Frequency）帯（3〜10Gbpsを超える超高速通信を実図2に示すように，20GHz帯の超6GHz），高SHF帯（6〜30GHz）お現するためには，数100MHzの帯域

多素子アンテナとして，アンテナ間

よ び EHF （ Extremely High Fre-

幅が必要である．そのため，高周波隔が一様な平面アレーを用いた際

quency）帯（30〜300GHz）を用い数帯の利用が検討されているが，周には，アンテナ素子間隔を0.5波長

る．さらに，マクロセルにより制御

波数が高くなるにつれて電波伝搬損（7.5mm）とすると，約12cm四方に信号（C-Plane：Control Plane ）失が増大するという課題があり，そ256素子を搭載可能であり，波長が短の接続リンクを確立し，オーバレイ

れを解決するため，超多素子アンテい高周波数帯では同一面積当りの素したセルによりユーザデータ（U-ナを高周波数帯のセルに導入する．

子数を大幅に増やすことができる．

）に特化した

このような構成により，超多素子ア

超多素子アンテナでは，各素子から接続リンクを確立することでC/U分

ンテナで電波伝搬損失を抑えること

送信（受信）される信号の振幅と位離接続を実現する．マクロセルにおで高周波数帯の利用が可能となる．

相を制御することで，鋭いビーム

いては，UHF帯を用いることでサーまた，超多素子アンテナをマクロセ（アンテナ指向性）を生成すること

ビスエリアを確保する一方，オーバ

ルでアシストとして動作させることができる．この処理はビームフォー

NTT DOCOMO Technical Journal

ではより高い周波数である低SHF＊5

Plane：User Plane＊6⑴超多素子アンテナによるBF

C/U分離
接続

マクロセル

低周波数帯
（UHF）
超多素子アンテナ

高周波数帯（SHF，EHF）

スモールセル（準マクロセル）

図1 ファントムセルコンセプトとMassive MIMOの組合せ

約12cm

：
：

：
：

約12cm

基地局当り256アンテナ素子を搭載

図2

Massive MIMOの導入効果＊4 オーバレイ：マクロセルのエリア上に，ス
モールセルなどエリアの狭いセルを重ねて配置すること．
＊5 C-Plane：制御プレーン．通信の確立などをするためにやりとりされる，一連の制御処理を指す．
＊6 U-Plane：ユーザプレーン．ユーザデータの送受信処理を指す．

NTT DOCOMOテクニカル・ジャーナル Vol. 23 No. 4

31

5Gマルチアンテナ技術

ミング（BF：BeamForming）と呼数が増えてコスト増となるので，超多重することで通信速度を向上させばれ，その効果により電波伝搬損失

多素子アンテナにおけるコスト対策ることも可能である．

を補償することが可能となる．

は，5Gマルチアンテナ技術の課題⑵BF効果の1つである．

は，ユーザ間あるいはストリーム間

全アンテナ素子で合計した送信電

NTT DOCOMO Technical Journal

で干渉が発生しないように送信機においてプリコーディング ＊10 処理を

20GHz帯におけるBFの効果を図3に

2.3 超多素子アンテナによるユーザ多重・空間多重示す．それぞれの周波数帯で超多素⑴超多素子アンテナによるMassive

プリコーディングには，電波伝搬路

力を33dBm＊7としたとき，3.5，10，行う必要がある．さらに，高精度な子アンテナの大きさを20，40，80cm

MIMOの効果の情報であるチャネル情報（CSI：

四方としたときのビームの到達距離

超多素子アンテナを用いるMIMO

Channel State Information）＊11 が送を示している．素子数を同じで比較＊8（Multiple-Input Multiple-Output）

信機において必要であり，端末で推すると周波数が高くなるにつれて到伝 送 は Massive MIMOと 呼 ば れ て定されたCSIを基地局にフィード

達距離は短くなるものの，アンテナいる[7] [8]．図4のように，Massive

バックしなければならない．なお，が同サイズであれば20GHzにおいてMIMOでは超多素子アンテナを制御

このCSIとTDD（Time Division Du-

も到達距離が大きくは減少しないこすることで伝搬損失補償により通信

＊12
plex）
のチャネル相反性＊13によっとが分かる．しかし10GHz帯におい可能なエリアを拡大できることに加て得られるCSIを併用する方法も考て100（＝10×10）素子のアンテナ

えて，各ユーザに異なるビームを向えられる[7]．

で490mまで飛ぶのに対し，20GHz帯

けることで多数ユーザを同時接続さ⑵Massive MIMOの最適動作アンテナでは，同サイズで同程度のせるユーザ多重により，高周波数帯

Massive MIMOのアンテナ素子数

到 達 距 離 を 実 現 す る た め に は 400

セルのシステム容量を増大させるこは，BFとユーザ多重・空間多重に振（＝20×20）素子以上が必要となる．

とも可能である[9]．また，各ユーザ

り分けられて活用されるため，アン＊9

そのため，周波数が高くなると素子に対して複数のストリーム を空間
低SHF帯

3.5GHz
0m

10GHz

1素子での
到達距離

300m

20GHz

139m
294m
（10×10素子）

600m（4×4素子）

490m

625m

（20×20素子）

715m（7×7素子）

900m

855m

アンテナ
サイズ

85m
（20×20素子）

20cm

437m

（39×39素子）

629m

40cm
（77×77素子）（39×39素子）

1,029m
1,200m

テナ素子数が一定の場合には，ユー

高SHF帯

911m

（14×14素子）

：
：

：
：

1,246m80cm

図3＊7 dBm：電力P［mW］とすると10log（P）とした時の値．1mWを基準としたときの相対値（1mW＝0dBm）．
＊8 MIMO：同一時間，同一周波数において，複数の送受信アンテナを用いて信号の伝送を行い，通信品質および周波数利用効率の向上を実現する信号伝送技術．
＊9 ストリーム：MIMOに用いられる伝搬路の32

ただし，これらを実現するためにBFの効果

チャネルに送信されるデータ列．
＊10 プリコーディング：MIMOにおいて，送信する前の信号に無線伝搬路に応じた重みをあらかじめ乗算することで，受信品質を向上させる処理．
＊11 チャネル情報（CSI）：送受信間の無線伝搬路を通過する際に送信信号が受ける減衰，
位相回転および遅延を表すパラメータ．

＊12 TDD：双方向の送受信方式の1つ．上りリ
ンクと下りリンクに同一の周波数帯を利用し，異なる伝送時刻を割り当てることにより双方向通信を可能とする．
＊13 チャネル相反性：双方向通信において，上下リンクの受信信号が同一のチャネル変動の影響を受けること．

NTT DOCOMOテクニカル・ジャーナル Vol. 23 No. 4

Massive MIMOはアンテナごとに電力増幅器を持ち，電力増幅
電波伝搬損失を補償してセルのエリア拡大

多数ユーザの同時接続によりセル容量を増大器当りに必要とされる送信電力を非常に低くすることができる
ため問題にならない．一方，周波数シンセサイザ ＊ 17 は位相雑NTT DOCOMO Technical Journal

音 ＊18 レベルが比較的高いため，その影響を考慮して5Gではサブキャリア ＊ 19 間隔などの無線パ
図4

ラメータを決定する必要がある．

Massive MIMOの導入効果

・アンテナ素子数分の超多数のRF
ザ多重・空間多重の数を増やすとBFとしたときの高周波数帯の電波回路を用意する必要があるため，効果は低下する．そのため，CSIに伝搬路の空間特性は十分に明ら小型化も重要な課題であり，ア合わせて適切にMassive MIMOを動かになっていない[10]．また，

ンテナとフィルタの一体化など作させる必要がある．なお，ユーザ

高周波数帯では伝搬損失に加えについても検討が行われてい多重・空間多重の数を減らす（BFて，障害物による遮蔽損失も低る[11]．加えて，デバイスが小に振り分けるアンテナ素子数を増や周波数帯と比較して大きくなる

さくなることにより高い加工精す）ことでBF効果（到達距離）をため，携帯電話を持つときの人度が要求されるという課題もあ向上させ，図1のように準マクロセ体による遮蔽損失の影響も考慮

る．Massive MIMOでは超高密ルを実現することも可能である．そする必要がある[10]．

度に回路を組み上げ・配線する

れにより広域エリアをカバーするこ・Massive MIMOを低コストで装技術も必要であり，超高密度化とで，郊外などにおいても効率の良置化するためには，高周波数帯によりアンテナおよびデバイス

いエリア構築が可能である．

の無線周波数（RF：Radio Fre-間の相互結合の影響が大きくな

3. 高周波数帯Massive
MIMOの技術課題と実現に向けての取組み＊14

quency） 回路およびベースバン＊15

るため，これを低減し，アンテド（BB：BaseBand） 処理回路

ナ素子間の特性を一致させるたを，シリコンCMOS（CMOS：

めのキャリブレーション＊20も必Complementary Metal Oxide Sem-

要となる．

3.1 高周波数帯Massive MIMOの技術課題

iconductor） 集積回路（IC：・数十素子程度のアレーアンテ

Integrated Circuit）などを用い

ナ ＊ 21 は，すでにアダプティブ

前述の通り，5Gにおいてシステて，できるだけ1チップ化する

アレーアンテナ ＊ 22 やアクティ

ム容量および通信速度の大幅な向上必要がある．ただし，最近はブアンテナシステム（AAS：を実現するには，高周波数帯の利用

EHF帯RF回路もシリコンCMOS＊23
Active Antenna System）などが必要となる．しかしながら，高周で実装できるようになっており，の実現例もあるが，5Gでは高波数帯においてMassive MIMOを導高周波数帯を利用するための回

周波数帯Massive MIMO基地局

入するためには以下のように技術課

路的な条件は整いつつある．

を多数配置するため，従来と比・高周波数帯における電力増幅器

較して大幅な低コスト化を実現

題も多い．
・超多素子アンテナの使用を前提＊14 無線周波数（RF）：無線信号の搬送波に使用される周波数．
＊15 ベースバンド（BB）：搬送波への変調前，
もしくは復調後の信号帯域のこと．
＊16 CMOS：半導体回路の一種で，定常状態では電流がほとんど流れないため低消費電力である．
＊17 シンセサイザ：周波数や波形を変調して出NTT DOCOMOテクニカル・ジャーナル Vol. 23 No. 4＊16の高利得化は技術的に難しいが，力する装置．
＊18 位相雑音：局部発振信号における搬送周波数以外の周波数成分によって発生する位相変動．
＊19 サブキャリア：OFDMなどのマルチキャリ
ア伝送において信号を伝送する個々の搬送波のことをいい，副搬送波とも呼ばれる．
＊20 キャリブレーション：適切に電波を放射すする必要がある．

るために，複数のアンテナ素子を配置することなどによるアンテナごとの特性の偏りをあらかじめ補正すること．
＊21 アレーアンテナ：複数の素子を配列したア
ンテナのこと．

33

5Gマルチアンテナ技術

3.2 低SHF帯Massive MIMOの実現に向けてアンテナ素子⑴分散Massive MIMO
Massive MIMOでは超多素子アンテナの利用を前提としている．低SHF帯では，100素子以上のアンテ

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ナ素子を1カ所に集中して配置する

34と，図3のようにかなり大きいサイズとなる．そのため，高SHF帯超多素子アンテナと同等のサイズになる

図5 集中配置するMassive MIMOアンテナの例（128素子）

ように，小型の低SHF帯多素子アンテナを複数の場所に分散して配置すの超多素子アンテナを用いた基礎伝る．また，BB処理回路内の信号処

る分散Massive MIMOも実現方法の送実験を進めている[12]．また，分理として実現される逆高速フーリエ1つとして考えられる．

散Massive MIMOの技術検証として，

変換（IFFT：Inverse Fast Fourier⑵利用環境による集中配置と分散配

図6に示すように柔軟なアンテナ構Transform）＊25 やサイクリックプレ置の組合せ成を可能とする小型の多素子アンテフィクス（CP：Cyclic Prefix）＊ 26

集 中 配 置 す る 低 SHF帯 Massive

ナを，高密度に分散設置し，互いにを信号へ付与する処理も送信アンテ

MIMOでは，超多素子アンテナはビ協調させる基礎伝送実験を進めていナ数だけ必要となる．この構成では，

ルの屋上などに設置され，比較的高る[13]．

周波数領域＊27においてCSIを用いてい所から各ユーザに対して鋭いビー

デジタルプリコーディング処理が可能となるため，フルデジタルMassive

境において，複数の小型多素子アン

3.3 高SHF帯・EHF帯
Massive MIMOの実現に向けて

テナから電波を放射することで遮蔽

高SHF帯・EHF帯Massive MIMO

信号の広帯域化に対応した高価でかの影響を緩和することができる．そでは，低SHF帯と比較して，信号がつ消費電力が比較的高いDACやADC

れぞれの利用環境としては，郊外やさらに広帯域化され，アンテナ素子（Analog to Digital Converter），高

比較的大きい広場などでは集中配置数も増大する．低コスト化のために性能化が難しい超多数の無線回路がす る Massive MIMOを ， シ ョ ッ ピ

は，Massive MIMOを実現する無線必要になるという問題がある．

ングモールやビル街などでは分散機構成において工夫が必要になる．

⑵ハイブリッドBF

Massive MIMOを用いることが考え⑴フルデジタルMassive MIMO

ムを形成する．一方，分散Massive
MIMOでは，遮蔽物の多いような環られる．実際には，これらの集中配

OFDM （ Orthogonal Frequency＊24

MIMOと呼ばれ，優れた性能を有する．ただし，高SHF帯・EHF帯では，

BFは電波の放射（到来）方向にビームを向けることから，ある程度置と分散配置を柔軟に組み合わせてDivision Multiplexing） を用いる一の性能劣化を許容したうえで全帯域

サービスエリアを構築する必要があ

般的なMassive MIMO送信機の構成においてBFを共通化することも考り，それを実現する仕組みが重要でを図7に示す．送信アンテナ素子数えられる．その際には，BF処理をある．

と同数のデジタル・アナログ変換器

全サブキャリアで共通化することで集中配置するMassive MIMOの技（DAC：Digital to Analog Convert-

IFFT後にBF処理を移行することが術検証として，図5に示す128素子er）やアップコンバータが必要とな可能となり，デジタルプリコーディ＊22 アダプティブアレーアンテナ：複数素子の位相を制御することで電波の到来方向に指向性を持たせることが可能なアンテナ構成である．
＊23 アクティブアンテナシステム（AAS）：従
来独立していたアンテナ素子と無線装置を一体化したシステム．一体化することで，従来型と比較して高効率なシステムを提供可能となる．
＊24 OFDM：複数の搬送波にデータを分割し，搬送波を互いに直交させて並列伝送する技術．
＊25 逆高速フーリエ変換（IFFT）：離散化された周波数領域（＊27参照）の信号を離散化された時間領域（＊28参照）の信号に変換する逆離散フーリエ変換を高速に処理する計算手法．離散フーリエ変換に対応する高速処理が高速フーリエ変換（FFT）であり，その逆変換．
＊26 サイクリックプレフィクス（CP）：送信機から放射された電波は建物などで反射する
ため，受信機は複数の経路を経由した電波を受信する（マルチパス）．CPはこのマル
チパスによる信号の干渉の影響を緩和する．

NTT DOCOMOテクニカル・ジャーナル Vol. 23 No. 4

1ユニット

3ユニット

6ユニット

8ユニット

1ユニット内に複数素子

図6

アップ
コンバータ

・・・

IFFT

＋CP

DAC

アップ
コンバータ

NT

#1

・・・

・・・

図7

DAC

・・・

周波数領域

＋CP

・・・

デジタルプリコーダ

IFFT
・・・

#M

小型多素子アンテナの分散配置構成

NT

ストリーム数#1

・・・

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分散アンテナの柔軟な構成

#NT

時間領域

OFDMを用いる一般的なMassive MIMOの送信機構成（フルデジタルMassive MIMO）

ングにおけるBF処理のみを時間領域＊28に移行することができる．

ことができる．

BFで生成されるビーム間が直交す

ハイブリッドBFには，図8に示す

るように狭ビームを生成しないとMassive MIMO送信機を低コスト

全アンテナ素子を用いるフルアレー

ビーム間干渉を低減できないため，で実現するため，図8および図9の型と，図9に示す一部のアンテナ素ビームを減らし，各ビームを生成す

ように，デジタルプリコーディング子を用いるサブアレー型の構成が考るアンテナ素子数を増やす必要があとアナログBFを組み合わせたハイえられる．フルアレー型の方が加算

る．高SHF帯・EHF帯のアナログ

ブリッドBFの構成が検討されてい器 ＊30 とより多くの可変移相器が必BFの可能性については，伝送実験

る[14] [15]．これはフルデジタル構

要となるが，その分性能は高い．

により検証を進めている[16] [17]．

成においてBF処理のみを時間領域⑶アナログBFのみの構成⑷ハイブリッドBFを動作させる
FBCPアルゴリズムに移行し，さらに，それをRF回路

最も簡単な構成として，アナログ

内の可変移相器 ＊29 で実現するアナ

BFのみを用いる方法もある．アナ

数100MHzの帯域幅で10Gbpsを超ログBFに置き換えた構成である．

ログBFのみであれば，デジタルプえる超高速通信を実現するためには，

ハイブリッドBFでは，DACやアッ

リコーディングが不要となるため，複数ビームを用いてストリームを空プコンバータをビーム数L分だけ用

BB処理回路を簡略できるというメ

間多重する必要がある．このような意すればよく，IFFTの数も減らす

リットがある．ただし，アナログ

条件では，コスト面からハイブリッ＊27 周波数領域：信号などの解析において，その信号が各周波数においてどのくらいの成分を持っているかを示すのに用いられる．
周波数領域の信号を逆フーリエ変換することで時間領域の信号に変換することができる．
＊28 時間領域：信号などの解析において，その信号が各時間においてどのくらいの成分を持っているかを示すのに用いられる．時間領域の信号をフーリエ変換することで周波数領域の信号に変換することができる．
＊29 可変移相器：電波の位相を特定の位相に変化させるための機器．
＊30 加算器：複数の電気信号を加算し出力するための機器．

NTT DOCOMOテクニカル・ジャーナル Vol. 23 No. 435

5Gマルチアンテナ技術

フルアレー型
アナログBF

デジタルプリコーダ

・・・

・・・
アップ
コンバータ

・・・

・・・
DAC

・・・

・・・
＋CP

L

#NT

時間領域

可変移相器
加算器

図8

フルアレー型ハイブリッドBF

サブアレー型
アナログBF#1

デジタルプリコーダ

周波数領域

・・・

アップ
コンバータ

・・・

DAC

・・・

・・・

＋CP

NT/L

・・・

・・・

IFFT

L

・・・

アップ
コンバータ

・・・

DAC

・・・

＋CP
・・・

・・・

#M

IFFT
・・・

L

ストリーム数#1

・・・

NTT DOCOMO Technical Journal

アップ
コンバータ

・・・

DAC

IFFT

周波数領域

#NT

時間領域
可変移相器

図9

サブアレー型ハイブリッドBF

ディングを実施し，通信を行う．

ドBF構成が適していると考えられ，端末において受信電力が高い順

その具体的な動作アルゴリズムとしにL個のビーム候補を選択．

て，FBCP（Fixed analog BF and②選択されたアナログBFで生成

上記のように空間的に走査するビー

CSI-based Precoding）を提案していされたビームを用いて参照信号

ム候補のすべてで参照信号を送信する[18]．以下にアルゴリズムを示す．

を送信し，端末でCSIを推定．

るのではなく，選択されたビームで①角度で固定されたアナログBF③CSIを基地局にフィードバックし，参照信号を送信することで，参照信それを用いてデジタルプリコー

号の挿入損を抑えることができる．

により空間的にビームを走査し，

36

＋CP

・・・

・・・

・・・
#M

IFFT

・・・

L

ストリーム数#1#1

NTT DOCOMOテクニカル・ジャーナル Vol. 23 No. 4

NTT DOCOMO Technical Journal

4. 高SHF帯Massive
MIMOによる超高速通信の実現性評価

面に，MU環境ではユーザ数 N U ＝4

るビーム数L＝32とし，N U＝4ではとし，基地局の正面方向に20°間

全ユーザの合計スループットを示す．

隔で配置する．また，表1に示す変図より，フルデジタルと2種類の調方式と符号化率＊31の組合せにおハイブリッドBFは，平均SNR（Sig-

高SHF帯Massive MIMOによる超いて適応変調符号化（AMC：Adap-

nal to Noise Ratio）＊34 が16dB以上

高速通信の実現性について，計算機＊32を適
tive Modulation and Coding）

において20Gbps以上のスループッ

シミュレーションにより定量的に明用し，256QAM（256 Quadrature Am-

トを達成できることが確認できる．

＊33

らかにする．シミュレーションでは，

plitude Modulation） ，符号化率R

特に，全ユーザ合計のスループット

20GHz帯256素子のアンテナによる＝3/4のとき，16ストリームMIMO

はN U ＝1と比較してより低い平均

フルデジタルMassive MIMOと2種空間多重により最大31.4Gbpsの伝

SNRで20Gbpsを達成できることが類のハイブリッドBFの特性を比較

送レートが実現できる．

わかる．これは，MU環境において，

し，ハイブリッドBFではFBCPを

ユーザ間の干渉を適切に低減し複数ユーザに到来する強度の強い電波をす．受信アンテナ数は全ユーザで等

4.1 フルデジタルと2種類の ハ イ ブ リ ッ ド BF の特性比較

しく，総送信ストリーム数を16に

L＝N T＝256のフルデジタルMas-

特性を達成しており，特にN U＝4で固定し，マルチユーザ（MU：Multi

sive MIMOと，2種類のアナログBF

顕著である．これは，フルアレー型User）環境では各ユーザに均等に構成を用いるハイブリッドBFのスにおける1ビーム形成に利用される割り当てる．各ユーザは図10に示

ループット特性を図11に示す．なお，

アンテナ素子数が，サブアレー型よすように，シングルユーザ（SU：ハイブリッドBFではユーザ数N U＝1

り多くビームが狭くなるためMU環

Single User）環境では基地局の正およびN U＝4の両方において選択す境においてユーザ間干渉の影響が小用いる．
シミュレーション諸元を表1に示

表1

活用できるためである．また，フルアレー型はサブアレー型より優れたシミュレーション諸元

中心周波数

20GHz

帯域幅

400MHz有効サブキャリア

パイロット：32，データ：2,000

アンテナ素子数

N T＝256，N R＝16

ユーザ数

N U＝1，4

総ストリーム数

M ＝16

総ビーム数
変調方式
チャネル符号化
フェージング※3

L ＝16，32，64，128
QPSK

※1

，16QAM，64QAM，256QAM（w／AMC）

ターボ符号※2
符号化率R ＝1/2，2/3，3/4（w／AMC）
16パス

仲上・ライスフェージング※4（K ＝10dB）※1 QPSK（Quadrature Phase Shift Keying）：デジタル変調方式の1つ．位相の異なる4つの信号を組み合わせることにより，同時に2ビットの情報を送信可能．
※2 ターボ符号：誤り訂正符号化技術の1つ．復号結果の信頼度情報を用いて，繰返し復号することにより，強力な誤り訂正能力が得られる．
※3 フェージング：端末の移動やマルチパスなどにより，電波の受信レベルが変動すること．
※4 仲上・ライスフェージング：マルチパスにおいて，基地局から直接（反射を経ないで）到来する電波が存在する（電波強度が強い）環境をモデル化したもの．

＊31 符号化率：情報ビット数と，その情報ビットを誤り訂正符号化した後のビット数との比．例として，符号化率が3/4の場合は，情報ビット数3に対し，誤り訂正符号化により4ビットを生成する．
＊32 適応変調符号化（AMC）：変調方式と符号化率の組合せを，伝搬環境に応じて適応的に変更することで，伝送効率を高める方法．

NTT DOCOMOテクニカル・ジャーナル Vol. 23 No. 4＊33 256QAM：QAM（直交振幅変調）とは，変調方式の1つであり，振幅と位相の双方を利用して変調する方式．256QAMの場合は256（2の8乗）種類のシンボルが存在するため，一度に8ビットを伝送可能である．
＊34 SNR：雑音の電力に対する所望信号の電力の比．

37

5Gマルチアンテナ技術

さくなり，比較的少ないビーム数でのハイブリッドBFがフルデジタル

信品質を制御することを行っていなもユーザ間の干渉低減効果が得られより高い特性を示しているが，これいためと考えられ，制御した場合はるためであると考えられる．

は本評価において，環境に応じて受

フルデジタルが最も高いスループッ

なお，N U＝1ではフルアレー型ハ
イブリッドBFとフルデジタルの特性が同等程度であることから，ハイ
えつつ，フルデジタルと近いスルー
プットを実現できることがわかる．

MU環境

図10

4.2 ハイブリッドBFにおけるビーム数Lの影響

ユーザ配置

35

前節で述べたように，ハイブリッ
合計スループット （Gbps）

4ユーザ

ドBFではスループットがビーム数Lに依存しており，Lを増やすことで特性が改善する一方，低コスト化のためにはLは減らす方がよいため，ビーム数の最適化が必要である．そこで，ビーム数Lに対するユーザの合計スループットを図12に示す．ユー
ザ数は N U ＝1，4とし，平均SNRは

30
25
20

フルデジタル
フルアレー型
サブアレー型

15
1ユーザ

10

送信アンテナ数
NT：256
受信アンテナ数
NR：16
総ビーム数
L：32
総送信ストリーム数 M：16

5
0

0

5

10

15dBに固定した．なお，フルデジ

15

20

25

30

平均SNR（dB）

タルはアナログBFを行わないため，

図11 平均SNRに対するユーザの合計スループット

Lと関係なく一定値を示す．また，
L ＝128は低コスト化の観点では現35

実的な値ではないが，ハイブリッド

4ユーザ

BFがフルデジタルの特性に近づくことを確認するために評価した．
図より，ハイブリッドBFは L の増加に伴いフルデジタルに近い特性と な る ． 特 に ， MU 環 境 で は L を
BFと ユ ー ザ 多 重 に 割 り 振 る た め ，

N U ＝4では， L ＝16に比べて L ＝32
で特性が大きく向上しており，今回において L ＝128ではフルアレー型

30
25

1ユーザ

20
15
10
5
0
16

の環境ではL＝32程度で適切にユーザ間干渉を低減できる．なお，N U＝1

38

SU環境

合計スループット （Gbps）

NTT DOCOMO Technical Journal

ブリッドBFは送信機のコストを抑フルデジタル
フルアレー型
サブアレー型
32

48

64

送信アンテナ数
NT ：256
受信アンテナ数
NR：16
総送信ストリーム数M ：16
平均SNR＝15dB

80

96

112

128

選択ビーム数L
図12

アナログBFの選択ビーム数に対するユーザの合計スループット

NTT DOCOMOテクニカル・ジャーナル Vol. 23 No. 4

トを実現する．
以上より，超多素子アンテナを用いたとき，20GHz帯において超高[5]NTT DOCOMO Technical Journal実現できることを示した．

5. あとがき

Large Arrays,” IEEE Signal Pro-を用いた5G基礎伝送実験， 信学総大，伊達木 隆，関 宏之，箕輪 守彦，奥角 誠，中島 光雅，奥村 幸彦： 高周

山 達樹，須山 聡，奥村 幸彦： 5G

波数帯を用いた超高速Massive MIMO

超高密度分散アンテナシステムにおけ伝送の基本特性， 信学技報，Vol.113，

る広帯域MIMO伝送特性の屋内実験検No.456 ， RCS2013-348 ， pp.253-258 ，証， 信学技報，Vol.115，No.233，
RCS2015-180，pp.125-130，Oct. 2015．

原田，ほか： 世界主要ベンダとの5G[14] 須山 聡，小原 辰徳，シン キユン，

伝送実験， 本誌，Vol.23，No.4，pp.59-

奥村 幸彦： 高周波数帯ハイブリッド

68，Jan. 2016．

ビームフォーミングを用いたMassive

岸山 祥久，永田 聡，ベンジャブール

MIMOにおけるアナログビームフォーの動作と効果，高周波数帯におけるアナス，中村 武宏： 5G将来無線ア

ミング構成の影響， 信学技報，Vol.114，

超多素子アンテナの技術課題と実現

クセスにおける階層型マルチビーム

No.490 ， RCS2014-337 ， pp.213-218 ，に向けての取組みを概説した．また，

Massive MIMO， 信学総大，ABS-1-

Mar. 2015．

高周波数帯の超多素子アンテナを用[7]

B-5-93，Mar. 2015．
[13] 筒井 正文，安藤 和明，秋山 千代志，

須山 聡，シン キユン，小原 辰徳，

Mar. 2014．
[6]て取り組んでいる5Gマルチアンテ
ナ技術について，超多素子アンテナ

村 幸彦： 5GHz帯超多素子アンテナ

2013.

ドBFがフルデジタルに近い特性を

本稿では，ドコモが世界に先駆け[12] シン キユン，須山 聡，丸田 靖，奥Opportunities and Challenges with Verycessing Magazine, Vol.30, No.1, Jan.

速通信の実現性を明らかにし，パラメータを適切に設定したハイブリッ

and F. Tufvesson: “Scaling up MIMO:

8，Mar. 2014．

[15] 須山 聡，小原 辰徳，岡崎 彰浩，中須山 聡，シン キユン，武田 和晃，川 兼治，井浦 裕貴，平 明徳，奥村いる超高速通信に関するシミュレー

岸山 祥久，奥村 幸彦： 将来無線ア幸彦，岡村 敦，石岡 和明： 5G超大ションによる評価結果を示し，そのクセス・モバイル光ネットワークにお容量マルチビーム多重伝送のための実現性について明らかにした．今後

ける超高速無線アクセス技術， 信学

44GHz帯屋外基礎実験⑴， 信学ソ大，は，超多素子アンテナを用いた屋外[8]

技報，RCS2013-165，Oct. 2013．

B-5-69，Sep. 2015．

奥山 達樹，須山 聡，小原 辰徳，シ[16] T. Obara, T. Okuyama, Y. Aoki, S.

伝送実験により超高速通信の可能性

ン キユン，奥村 幸彦： 高周波数帯

Suyama, J. Lee and Y. Okumura: “In-の評価を行っていく．

超高速Massive MIMO伝送におけるマdoor and outdoor experimental trials

ルチユーザ環境での特性評価， 信学

in 28-GHz band for 5G wireless com-

技 報 ， Vol.114 ， No.490 ， RCS2014-

munication systems,” IEEE PIMRC2015,

340，pp.231-236，2015．

Sep. 2015.

文
[1]

[2]

[3]

[4]

献

岸山，ほか： ドコモの5Gに向けた取[9]

組み―2020年での5Gサービス実現に[10] 今井 哲朗，北尾 光司郎，トラン ゴ[17] 井上 祐樹，岸山 祥久，須山 聡，奥向けて―， 本誌，Vol.23，No.4，pp.6-

クハオ，大巻 信貴，奥村 幸彦，佐々村 幸彦： 屋内シールドルーム環境に

17，Jan. 2016．

木 元晴，山田 渉： [依頼講演]第5世

おける5Gミリ波無線アクセスの下り伝

アナス，ほか： 5G無線アクセス技術，

代移動通信システム設計に向けた伝搬

送およびビーム追従特性の実験評価，

本誌，Vol.23，No.4，pp.18-29，Jan.

特性の検討〜800MHzから37GHz帯に

信学技報，Vol.115，No.160，RCS2015-

2016．

おける伝搬損失の周波数特性〜， 信

126，pp.151-156，Jul. 2015．
[18] T. Obara, S. Suyama, J. Shen and Y.

T. L. Marzetta: “Non-cooperative Cel-

学技報，Vol.114，No.294，AP2014-

lular Wireless with Unlimited Numbers

149，pp.115-120，Nov. 2014．

Okumura: “Joint processing of analog

of Base Station Antennas,” IEEE Trans.

[11] 鈴木 恭宜，佐藤 圭，角 誠，福田 敦

fixed beamforiming and CSI-based pre-Wireless Commun., Vol.9, No.11, Nov.

史，楢橋 祥一：［依頼講演］Massive-coding for super high bit rate Massive

2010.

MIMO基地局装置用RFフロントエン

MIMO transmission using higher fre-F. Rusek, D. Persson, B. K. Lau, E.

ド， 信学技報，Vol.115，No.227，

quency bands,” IEICE Trans. Commun.,

G. Larsson, T. L. Marzetta, O. Edfors

MW2015-90，pp.19-23，Sep. 2015．

Vol.E98-B, No.8, Aug. 2015.

NTT DOCOMOテクニカル・ジャーナル Vol. 23 No. 4

39