無線の基礎

概要

無線リンクは、電磁波の何らかの性質を変化させることで、2点間で情報を運びます。ワイヤレス・フィールドガイドで扱うシステムは、Bluetooth Low Energyのセンサから5G NRの基地局まで、すべて同じチェーンを使っています。ビットは符号化され、シンボルにマッピングされ、帯域制限された波形に整形され、搬送波周波数へ移されて放射されます。受信機は各ステップを逆にたどります。その際、雑音、信号を歪ませるチャネル、そして送信機と完全には一致しないクロックに対処しなければなりません。

このハブは、無線を初めて学ぶエンジニアや、ソフトウェア・ネットワーク・デジタル設計の分野から来たエンジニアのための出発点です。チェーンの各段の名前、あらゆるリンクを制限する少数の量、そして主なシステムファミリーを紹介します。この後に続く各ハブでは、それぞれ一つの段を取り上げて掘り下げます。

重要な考え方

信号チェーン

送信機はデジタル部とアナログ部に分かれます。デジタル部では、チャネル符号器が構造化された冗長性を加え、マッパがビットのまとまりを複素シンボルに変換し、パルス整形フィルタがシンボルの占有帯域幅を制限します。続いてデジタル・アナログ変換器（DAC）が、同相（I）成分と直交（Q）成分のベースバンド波形を生成します。アナログ部では、局部発振器（LO）で駆動されるミキサがこれらを搬送波へ移し、電力増幅器がレベルを上げ、アンテナが電波を送り出します。

受信機が捉える信号は、−90 dBm（1ミリワットの10億分の1）を下回ることがよくあります。低雑音増幅器（LNA）が雑音フロアを決め、ミキサが信号をベースバンドに戻し、ADCがサンプリングします。その後のデジタル処理で、時間と周波数の同期をとり、チャネルを推定・等化し、シンボルを軟ビットにデマッピングして復号します。難しいエンジニアリングの大半は、この最後のブロックにあります。

周波数・波長・周波数帯

搬送波周波数fと波長λは、λ = c/fの関係にあります。波長は、2.4 GHzで約12.5 cm、3.5 GHzで約8.6 cm、28 GHzで約10.7 mmです。波長によって、共振アンテナの大きさ、電波が障害物を回り込む度合い、一定の大きさのパネルに収まるアンテナ素子の数が決まります。高い周波数帯ほど広いチャネルを確保できます。一方で、壁・樹木の葉・雨による損失が大きくなるため、短距離のリンクに使われます。

周波数は、ITU-Rが維持する国際的な枠組みの中で、各国の規制当局が割り当てます。免許帯域は、ある地域について1つの事業者に割り当てられます。免許不要帯域はWi-FiやBluetoothが使う帯域で、国ごとに異なる送信電力やアクセスの規則のもとで共用されます。5G NRについては、3GPPがTS 38.104（Release 19版）で、周波数範囲1（FR1）を410 MHzから7125 MHz、FR2を24250 MHzから71000 MHzと定義しています。FR2は52600 MHzを境に2つのサブレンジに分かれます。各国の割当てはスペクトラムと規制のハブで国別に扱います。

帯域幅・SNR・通信路容量

あらゆるリンクが運べる情報量の上限は、2つの数値で決まります。リンクが占有する帯域幅Bと、受信機での信号対雑音比（SNR）です。シャノンが1948年に示した結果によれば、加法性白色ガウス雑音のあるチャネルの通信路容量はC = B log2(1 + SNR)です。20 MHzのチャネルでSNRが20 dBなら、約133 Mbit/sになります。10 dBでは約69 Mbit/sに下がります。

帯域幅とSNRは独立ではありません。熱雑音の電力は290 Kで約−174 dBm/Hzなので、20 MHzのチャネルの雑音は、受信機自身の雑音指数が加わる前の段階で約−101 dBmです。送信電力を固定したまま帯域幅を2倍にすると、雑音が2倍になり、SNRが3 dB低下します。また、実際のシステムは、符号化のオーバーヘッド、参照信号、ガードバンド、実装損失のため、シャノン限界より下で動作します。これらの数値はリンクバジェットと雑音のハブで順に計算します。

システムファミリー

各ファミリーは、通信距離・データレート・消費電力・コストのトレードオフの中で、それぞれ異なる点を選んでいます。

• セルラー（LTEと5G NR）は3GPPが仕様を定め、主に免許帯域で動作し、ネットワーク事業者が設計・運用します。ITU-R勧告M.2083は、IMT-2020の利用シナリオを、高度化モバイルブロードバンド、超高信頼・低遅延通信、大量マシンタイプ通信に分類しました。M.2160はこれらのシナリオをIMT-2030向けに拡張しています。
• 無線LANはIEEE 802.11規格とWi-Fi Allianceの認証に従い、免許不要帯域で動作します。
• Bluetooth Low EnergyやUWBなどの近距離リンクは、通信距離を犠牲にして低消費電力を実現します。UWBの場合は高精度な測距も可能です。
• LoRaWANやNB-IoTなどの低消費電力広域ネットワークは、バッテリー駆動のデバイスから少量のデータを数キロメートル先まで送ります。
• 衛星と非地上系ネットワーク（NTN）は、地上ネットワークが届かない地域をカバーします。

どこから始めるか

まず/learn/beginner/01-what-is-a-radio-link/を読んでください。次に/learn/beginner/03-decibels-and-link-budgets/と/learn/beginner/04-noise-snr-and-capacity/に進んでください。この2つのレッスンで、上の図のすべての矢印に具体的な数値が付きます。/learn/beginner/02-complex-baseband-and-iq/は、以降のすべてのレッスンで使うIとQの信号を説明します。/reference/decibels-and-link-budgets/と用語集は開いたままにしておいてください。このトラックを土台とする中級レッスンは準備中です。

ツールとプラットフォーム

無線機の仕様は/reference/hardware/に、より広いツール一覧は/reference/software/にまとめています。

よくある間違い

• dBmのつもりでdBと書く。比と絶対電力は別の量です。
• 物理層のピークレートをユーザースループットとして示す。オーバーヘッド、スケジューリング、再送が大きな割合を占めます。
• 2つの受信機の受信感度を、同じ帯域幅と誤り率目標で測定されたかを確認せずに比較する。
• 免許不要帯域の規則がどこでも同じだと思い込む。国や帯域によって異なります。
• ネットワークが、対応をうたう3GPPリリースの全機能を実装していると思い込む。

さらに深く

• C. E. Shannon, A mathematical theory of communication, 「Bell System Technical Journal」 27(3), 1948.
• D. Tse and P. Viswanath, 「Fundamentals of Wireless Communication」, Cambridge University Press, 2005. 各章は著者のページから無料でダウンロードできます。
• J. G. Andrews et al., What will 5G be?, 「IEEE Journal on Selected Areas in Communications」 32(6), 2014.
• ITU-R 勧告M.2083（IMT-2020のビジョン）と勧告M.2160（IMT-2030の枠組み）。
• 3GPP TS 38.300（NRとNG-RANの全体説明）とTR 21.905（3GPP仕様全体で使われる用語集）。