5G evolution & 6Gに向けた透明RIS技術の研究（特集）

5G evolution & 6Gミリ波メタサーフェス

NTT DOCOMO Technical Journal

5G evolution & 6G特集⑴

5G evolution & 6Gに向けた
透明RIS技術の研究
きたやま

6G-IOWN推進部

はまゆうと

来山 大祐†1 濱だいすけ

優人

みやち

よしひさけんすけ

宮地 健介

きしやま

岸山 祥久

5Gの商用導入が世界的に開始され，現在は5Gのさらなる発展としての5G evolutionと次世代移動通信システムである6Gに向けた研究がさかんになってきている．本稿では，5Gevolution & 6Gに向けて議論されている「New Radio Network Topology」において重要となるIREというコンセプトについて解説する．また，IREの実現に向けて重要になるRISと，これを構成する要素技術であるメタマテリアル／メタサーフェス技術に関して，ドコモの取組み内容を述べる．

一方，これらの検証を通して，セルラ方式の無線1. まえがき

通信でミリ波帯を有効活用する上での課題も明らか

ドコモは，2020年3月より第5世代移動通信システになった．ミリ波帯は電波伝搬の直進性が強く，そム（5G）の商用サービスを開始した．これによりVRの振舞いが光に近くなるため，遮蔽物の陰への回り（Virtual Reality）/AR（Augmented Reality）/MR込み（回折）が小さい．そのため基地局アンテナか＊1（Mixed Reality）などのXR の応用やIoT（Internetら見通し外となる場所をどのようにエリア化するかof Things）デバイスによる産業／インフラの高度化が，ミリ波帯をセルラ方式の無線通信で活用する上など，さまざまな分野への5G技術の適用に期待がでの鍵といえる．
本稿では5G evolution & 6G実現に向けた重要課題高まっている［1］．このような状況の中，ドコモは＊2帯の電波を用いて，高の1つであるミリ波帯のエリア形成について，有望な速・大容量，低遅延，高信頼などの5Gの可能性をアプローチとして注目されているIRE（Intelligent

実証してきた［2］［3］．

Radio Environment）の概念を示し，IREの実現に©2021 NTT DOCOMO, INC.
本誌掲載記事の無断転載を禁じます．
本誌に掲載されている社名，製品およびソフトウエア，サービスなどの名称は，各社の商標または登録商標．

†1

現在，日本電信電話株式会社＊1

XR：VR，AR，MRといった仮想空間と現実空間との融合で新たな体験を提供する技術の総称．

5Gで利用されるミリ波

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NTT先端集積デバイス研究所

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う課題は，送受信機技術の進化だけでは解決が困難必須となるRIS（Reconfigurable Intelligent Surface）＊3

であり，新たな無線ネットワーク体系を構築する必とその要素技術であるメタマテリアル ／メタサー
＊4

要がある．

フェス 技術について，ドコモの取組み内容を通し

そこで，従来考えられていた無線環境は制御不可て解説する．

NTT DOCOMO Technical Journal能であるという仮定から脱却し，制御可能な要素と見なすことで無線ネットワークの大幅なパフォーマン

2. IREとRISス向上を目指す検討が精力的になされている．この

2.1 IRE

ようなアプローチは，これまでの無線ネットワーク近年，ミリ波帯における見通し外カバレッジの課体系との概念的な違いを強調するために，「インテ題に対して，電波環境を適応的／動的に制御しようリジェント無線環境（IRE）」や「スマート無線環と試みるIREに向けた研究がさかんになっている［4］．

境（SRE：Smart Radio Environment）」と呼ばれドコモが発表した第6世代移動通信システム（6G）ている．IREの概念図を図1に示す．IREにおいてに向けたホワイトペーパー［1］においても，ネットは，例えば遮蔽物がある場合には，送信機（Tx：ワークとの接続経路を増やすような新しい無線ネッTransmitter），受信機（Rx：Receiver）だけでなトワークの形「New Radio Network Topology」がく伝搬チャネル＊5（H ）も含めた最適制御をするこ提言されており，その中で電波環境の制御が議論さとで，遮蔽物の迂回が可能な伝搬ルートを確保する．

れている．遮蔽物により電波が遮られてしまうとい

送信機
Tx
（Tx）

伝搬チャネル（H）
伝搬チャネル（H）

受信機
Rx（Rx）

：RIS

Tx

Rx

伝搬チャネル（H）
推定制御

制御
RISにより実現

最適化

図1 IREの概念図

＊2

＊3＊4

ミリ波：周波数帯域の区分の1つ．30GHzから300GHzの周波数であり，5Gで使用される28GHz帯を含めて慣習的にミリ波と呼ぶ．
メタマテリアル：電磁波に対して自然界の物質にはない振舞いをする人工物質のこと．
メタサーフェス：波長に対して小さい構造体を周期配置して任＊5

意の誘電率・透磁率を実現する人工媒質（メタマテリアル）の一種で，構造体の周期配置を2次元とした人工表面技術．
伝搬チャネル：無線通信の個々の通信路．ここでは各送受信アンテナ間の通信路．通信路の特性は伝達関数H により表現される．

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2.2 RIS

当てはまる．

RISは，上記IREを実現するための重要技術であRISを介するパスロスは通常の金属反射板と同様る．RISは電磁波を散乱する多数の素子で構成され，にそのサイズに影響されるが，RISの場合はサイズ面的な散乱特性の分布を設計／制御可能な「メタマだけでなく位相制御の方法によってもパスロスが異テリアル／メタサーフェス技術」が利用されることなる．そこでまずは，RISサイズが受信電力へ与えが多い．またメタサーフェスは薄い板形状であり，る影響について，RISを介することにより生じる2ベース材料の選択次第では柔軟性があるシートの形回のパスロス（以下，二重パスロス）と同一経路長状で作製することも可能なため，構造物に沿った形の直接波のパスロスとの関係を解析した結果を基にでの設置が可能である．このため，既存の構造物の紹介する［5］．本解析では，以下について計算した．

形状を維持したまま電波の散乱特性を制御できる．

⒜BS ‒ MS間の距離が200mで直接波を受信する
場合

これはTx ‒ 伝搬チャネル ‒ Rxのうち，伝搬チャネルを制御していることを意味する．RISは一般的⒝BS ‒ RIS 間の距離が 100m， RIS ‒ MS間がに，以下の動作を定期的に繰り返すことにより無線100mで，RISを介したパス以外は存在しない場環境を適応的に制御することが想定されている．

合（合計の経路長200m）①RISの動作を決定するために必要な無線チャネ計算機シミュレーションによって求めた，28GHz

ルの特性を推定②所望の伝搬チャネルが得られるように，推定さ帯におけるRISサイズと各径路におけるパスロスのれた情報に基づいてRIS表面の散乱強度／位相関係を図2に示す．なお，本計算では，RISの形状分布を制御を正方形，反射率を100％とし，BS ‒ RIS ‒ MSは同一直線上にあると仮定する．実際は同一直線上に本手順の具体的な実装についてはさまざまなアプはならず，RISをBS/MSに対して角度を付けて設置ローチが研究されている．なお，RISと同様の技術することが想定され，その際は角度が付いた分，実を指す用語としてLIS（Large Intelligent Surface）効的な面積が小さくなる．
特殊な位相制御を実施しない伝搬方向のみの制御や，反射波の制御のみに着目したIRS（IntelligentReflecting Surface）などがある．

（図2の青線）に着目すると，RISがあるサイズ（図⑴RISサイズの影響中①）より小さい場合には同一経路長の直接波のパ基地局（BS：Base Station）‒ 移動局（MS：Mobile

スロスに対してRISを介した二重パスロスが著しく＊6大きいことが分かる一方で，①よりRISサイズが大などで電波を中継する場合（BS ‒ 反射板など ‒きくなると，二重パスロスが同一経路長の直接波のStation）間が見通しではなく，反射板やリピータ＊7MS），パスロス が「BS ‒ 反射板など」と「反射パスロスに漸近していく様子が確認できる．なお，板など ‒ MS」の2回発生する．伝搬による電波の後述するが，MSの受信電力が最大となるようにRISエネルギー密度の低下量は波源に近いほど大きい．

を最適制御した場合の二重パスロスが図2の赤線とそのため，合計の経路長が同一であったとしても，なり，この最適制御をした二重パスロスと直接波の「BS ‒ MS」のパスに比べて「BS ‒ 反射板など ‒パスロスが同一となる図中①のRISサイズを解析的MS」のパスのほうが，通常パスロスが大きくなりに求めると，RISの1辺の長さがフレネル半径 ＊8 と受信電力の低下を招く．この傾向はRISに対してもなる．図に示すとおりRISを最適制御しない場合で＊6＊8＊7

リピータ：基地局／移動局からの信号を電力増幅して移動局／基地局への送信を行う物理層の中継機器．
パスロス：送信電力と受信電力との差分から推定される伝搬経路損失．

フレネル半径：第1フレネルゾーン（＊9参照）の半径．

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RIS位置におけるフレネルゾーン断面

一辺がフレネル半径②

第2フレネルゾーン
第3フレネルゾーン①－70－80－90－100－110－120－130－140－150－160－170－180－190③②③フレネル半径

パスロス（dB）

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第1フレネルゾーン

距離200mにおける直接波のパスロス
RISを介したパスロス

伝搬方向のみ制御
最適制御
Fresnel shift

00.5

1

1.5 2.0

2.5 3.0

3.5

4.0 4.5

5.0

RIS（正方形）の1辺の長さ（m）

図2 RISサイズとパスロスの関係あっても，直接波のパスロスと同等のパスロスとなできる（図2の赤線）．このように最適制御をするこるRISサイズはフレネル半径とほぼ一致しており，とにより，受信電力が直接波パスの値に収束するこRISが本サイズよりも大きければ同一経路長の直接となくRISサイズと正の相関をもつようになる．な波と同等の電力を受信できることになる（図2の青お，RISサイズがフレネル半径程度以下であれば，線）．

従来の方向のみの制御（図2の青線）と最適な位相

なお，RISサイズが増加して二重パスロスが直接波のパスロスに漸近していく過程でパスロスが増減制御による差はほとんど見られないため，方向のみの制御で十分である．

＊9するのは，奇数次と偶数次のフレネルゾーン を介

RISを受信電力の観点で最適制御する場合は，上した信号が受信点において互いに打ち消し合うこと

記のとおりRISの各素子における位相変化量を最適に起因する．

な値に設定する必要があり，制御が複雑となる可能⑵RISによる位相制御の効果性がある．そこで，より簡易な制御の実現に向けて，

BS ‒ RIS ‒ MSの伝搬パスを，RISを構成する方向のみの制御に対して，0/π（rad）の2値の位素子ごとに分解して考え，受信点において各パスの相補正のみを加えることで受信電力を大幅に改善す波の位相が一致するようにRISを位相制御することる手法についても紹介する．図2に示したように，により，BS ‒ RIS ‒ MS経路の受信電力を最大化

方向のみ制御の場合，RISサイズの増大に伴ってパ＊9

フレネルゾーン：送受信点間の最短距離（ここではRISを介した最短距離）に対して経路長差が半波長以下，つまり信号の位相差がπ（rad）以下となる範囲を第1フレネルゾーンと言う．
経路長差が半波長のn −1倍以上でn 倍以下の範囲を第n フレネルゾーンと言い，同一フレネルゾーンを介する信号は互いに強め合って合成される．

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スロスは増減を繰り返す．そこで，この原因となっい特性が得られることから，2000年ごろからその技ている偶数次のフレネルゾーンを介した波の位相を術が精力的に研究されている［6］．当初，メタマテπ（rad）シフトさせる（以下，Fresnel shift）こ

リアル技術の実証はマイクロ波帯（5GHz）にて行わとで受信電力が著しく改善する（図2の緑線）．このれたが，2010年ごろからはミリ波・テラヘルツ波＊10

Fresnel shift法は，いずれの距離に位置するユーザ帯での検討がさかんになってきている［7］．これは，に対しても，最適制御した場合と同様にRISサイズミリ波・テラヘルツ波帯のメタマテリアルを構成すに応じた受信電力の向上が可能であることが分かる．

る素子構造が，mm〜µmオーダと既存の製造プロ

本手法の詳細は文献［5］を参照されたい．

セスで容易に作製可能なサイズであること，従来の無線通信で利用されている周波数帯と同様に，金属の電気抵抗をほぼ無視できる周波数領域であること

3. 透明RISの実現に向けたメタサーフェス技術の検討などが要因と考えられる．
なお，メタマテリアルが3次元の人工周期構造で前述したとおりメタマテリアル／メタサーフェスあるのに対して，2次元の人工周期構造体はメタ技術は， RISを実現するためによく利用される技サーフェスと呼ばれることが多い．メタサーフェス術である．

上の反射位相分布を制御することで，反射波の伝搬

メタマテリアルは，電磁波に対してその波長よりを制御することができる（図3）．

も十分に小さい構造を周期的に配置することで，そ現在，メタマテリアル／メタサーフェス技術は，の人工周期構造体が実効的に負の屈折率を有する材

各種研究機関の6G向けホワイトペーパーにおいて料として振る舞うなど，通常の物質では実現できな重要な技術として記載されている．

従来の反射板

メタサーフェス反射板

メタサーフェスの動的化によるRIS
制御信号
ドライバ

ビーム形状，方向などを制御

図3 メタサーフェス技術を用いたRISの概念図＊10 テラヘルツ波：1THz前後の電磁波の呼称．100GHzから10THzの周波数を指すことが多い．

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そこで以下では，ドコモにおけるRISの実現に向プロトタイプとして，高い透明性を維持しながら電けたメタサーフェス技術の取組み内容について解説

波の反射・透過を動的制御可能な「透明動的メタする．

サーフェス」を開発／検討している（図4）［9］．
メタサーフェス基板を透明化したものに透明なガラ

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3.1 透明動的メタサーフェス

ス基板を重ね，ガラス基板を微動させることで，入ドコモでは，2018年から見通し外におけるミリ波射電波を透過するモード，電波の一部を透過し一部のエリア構築に向けて，動的な制御を考えない静的を反射するモード，すべての電波を反射するモード

なメタサーフェス反射板について検討している［8］．の3パターンを動的に制御することを可能とした．

しかし，この際に検討したメタサーフェス反射板は，従来のメタマテリアル／メタサーフェス動的化手設置場所・基地局位置・対策箇所から算出される入法としては，金属パターンの抵抗／電気容量成分を，射／反射角に応じて反射位相分布を設計する必要が半導体素子を用いて制御する方法が主流であった．

あり，また反射板の裏が新たな見通し外になると今回の透明動的メタサーフェスの動的化手法は，半いった課題があった．加えて反射板は，街中の景観導体素子を用いたこれまでの手法に対して，「透明に溶け込むような意匠であることも求められる．

性を維持したまま動的制御が可能」「基板の大面積化が容易」という優位性があり，設置の際に景観やそこで，我々はAGC株式会社の協力の下，RISの〈透明動的メタサーフェスのプロトタイプ〉

透明化
約2mm

〈動作原理〉
基板間距離〈実証実験結果〉

可動基板
メタサーフェス基板

26.8GHz 26.9GHz 27.0GHz 27.1GHz 27.2GHz 27.3GHz

透過モード－0.3dB－1.4dB－0.8dB－1.2dB－1.2dB－0.3dB

反射モード

－15dB

－14dB

－10dB

－11dB

－11dB

－10dB

透過率

基板間距離
反射モード
反射モード
透過モード
透過モード

周波数> 200 m＞200µm0m0µm

図4

透明動的メタサーフェスの取組み

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屋外基地局アンテナから発信された電波は建物の窓実証実験においては，透過モードの際に透過率約ガラスに到達するまでに減衰し，さらに減衰した微−1.4dB以上，反射モードの際に透過率−10dB以下

弱な電波は広がることなく屋内に入り込むため，屋（これより計算される反射率：−1dB以上）の性能

外基地局アンテナによる屋内のエリア化は困難となを400MHz以上の帯域で達成できることを確認してる．
そこで，屋内側から窓ガラスに貼付け可能なフィいる（図4）．
今後は，透明RISの実現に向けて透過／反射方向

ルム形状で，窓ガラスを通るミリ波を屋内の特定のの制御機能の実装などさらなる高機能化を検討して場所（以下，焦点）に集めることができる「透明メいく．

タサーフェスレンズ」をAGC株式会社と共同で開発した［10］．窓ガラス全面を通る微弱な電波を焦

3.2 透明メタサーフェスレンズによる窓の電波レンズ化

点に集めることで電力を高めることができるため，ミリ波帯の電波は，現在LTEで使用されているリア改善ツールを置くことで，屋外の基地局アンテ周波数帯や，Sub6＊11焦点位置にリピータやリフレクタ＊12，RISなどのエ帯の電波と比較し，直進性がナによる建物内のエリア化が実現できると考えてい高く，減衰しやすいという特徴がある．そのため，る（図5，6）．本メタサーフェスレンズを用いた実〈動的メタサーフェスレンズのポイント〉
従来の動的メタサーフェス
従来の動的メタサーフェス〈メタサーフェスレンズのコンセプト〉
通常の窓
通常の窓

メタサーフェスレンズ＋リピータ
メタサーフェスレンズ
＋ リピーター構造が均一なメタサーフェス
構造が均一なメタサーフェス

素子ごとのマトリクス制御
素子毎のマトリクス制御

焦点制御可能なメタサーフェスレンズ＋リピータ
焦点制御可能なメタサーフェスレンズ
＋ リピーター

屋内

×
リピーター

今回のメタサーフェスレンズ
今回のメタサーフェスレンズ

焦点を動的に切り替え4種の構造を分布させたメタサーフェス
4種の構造を分布させたメタサーフェス

屋外

均一な制御
（※）
均一な制御 （※）×
〈メタサーフェスレンズのプロトタイプ〉〈静的メタサーフェスレンズ〉〈動的メタサーフェスレンズ〉※今回は、近接するガラス基板との距離を制御※今回は，近接するガラス基板との距離を制御

50cm〈実証実験結果〉〈静的メタサーフェスレンズ〉
50cm

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既存のデザインへの影響を抑えることができる．

① フロートガラス② ①＋メタサーフェスレンズ

0dB

＞24dB

焦点における受信電力※フロートガラスのみの場合の焦点における受信電力を基準とした値〈動的メタサーフェスレンズ〉

焦点における受信電力※メタサーフェスパターンが見えるよう，透明化処理前の写真を掲載

焦点1

焦点2

単焦点モード

11dB

0dB

2焦点モード

6dB

6dB※単焦点モードでの焦点2における受信電力を基準とした値

図5

透明メタサーフェスレンズによる窓の電波レンズ化＊11 Sub6：周波数帯域の区分の1つ．3.6GHzから6GHzの周波数をもつ電波信号．

＊12 リフレクタ：本稿では，従来の金属反射板やメタサーフェス反射板を含めてリフレクタと呼称する．

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図6

透明メタサーフェスレンズの利用イメージ

証実験では，焦点における受信電力が通常の透過ガ単にできることで，大きな面積のメタサーフェスラスを用いた場合に対して24dB以上向上することレンズでも焦点を動的制御できる可能性がある．

を確認している．
さらに，焦点を動的に制御する機能についても検証した．従来，電波の透過／反射波方向を制御する

4. あとがき際は，同一の素子を均一に配列することでメタサー

本稿では，5G evolution & 6G実現に向けた課題のフェスを構成し，素子ごとに異なる制御信号を与え1つであるミリ波帯における見通し外カバレッジにることで実施した．今回の動的メタサーフェスレン

ついて，有望なアプローチとして，無線環境の適応

ズでは，4種類の構造の異なる素子を適切に配置す的な制御を試みるIREの概念を示し，IREの要素技ることで，全素子に同一の制御信号を与えたとして術であるRISとその基となるメタマテリアル／メタも，焦点位置を切替えられること（今回は単焦点⇔

サーフェス技術について解説した．ある有限の面積2焦点の切替え）を実証した（図5）．単焦点モードを有したリフレクタやRISで伝搬環境に影響を与えにおいては，焦点1の受信電力が焦点2の受信電力にる場合，その面積が波長に対して大きいほど，つま対して11dB高い結果となっており，焦点1のみが焦り周波数が高いほど制御性が増す．ここで解説した点として機能している．一方で，2焦点モードにお技術は5Gのみならず，利用周波数がより高くなる

いては，焦点1と焦点2の両焦点にて，単焦点モードと予想される6G以降の無線システムにおいても，の焦点2によりも受信電力が6dB高くなっており，エリア構築における基盤技術の1つになることが期

焦点が2つ形成されていることが分かる．制御が簡待される．

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Surfaces:How It Works, State of Research, and The Road

今後は，本稿で解説したRIS技術の実環境におけAhead,”IEEE Journal on Selected Areas in Commun,る効果の実証に取り組むとともに，6Gに向けて，RISのさらなる高周波数化を検討していく．

Vol.38, No.11, pp.2450-2525, Nov. 2020.
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Environments Empowered by Reconfigurable Intelligent

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