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高層ビルの信号キラー
昨年、SES の技術チームが香港のセントラルにある $5$ G基地局をデバッグしていたとき、$28$ GHz 帯でのスタンダードチャータード銀行ビルの角での信号減衰が$48$ dBに達していることを発見しました。これは、携帯電話の送信電力の $99.996\%$ を遮断するのと同等です。IEEE 802.11ay 規格グループのメンバーとして、私はKeysight N9048B シグナルアナライザを持って現場に駆けつけ、問題の核心が鉄筋コンクリートの誘電率（Dielectric Constant）にあることを突き止めました。測定データによると、電磁波がブリュースター角（Brewster Angle）で入射する場合、通常の壁の反射損失は金属カーテンウォールよりも $12$ dB 低くなりますが、これには代償が伴います。
平易な言葉で言えば、高周波数信号が高層ビルに遭遇するのは、ボウリングのボールがピンに当たるようなものです。ミリ波のフレネルゾーン（Fresnel Zone）は $1$ メートル前後に圧縮され、エアコンの室外機でさえ信号経路を遮断できます。昨年の深圳平安金融中心からのテストデータはさらに誇張されています。建物の東側に配備された $60$ GHz バックホールリンクでは、晴れた日にはかろうじて $1$ Gbps の速度を維持できましたが、雨天時には $200$ Mbps にまで低下しました。これは、雨滴の直径（$0.5$～$3$ mm）が電磁波の波長（$5$ mm）と共振するためです。
| 周波数帯（Frequency Band） | 壁透過能力（Wall-penetration Ability） | 回折能力（Diffraction Ability） | 降雨減衰値（Rain Attenuation Value） |
|---|---|---|---|
| Sub-6GHz | 3枚の壁を通過可能 | 建物を回り込める | $0.02$ dB/km |
| $28$ GHz | カーテンで遮断される | 見通し線伝送が必要 | $2.1$ dB/km |
| $60$ GHz | 人体の遮蔽を恐れる | 完全な直線伝搬 | $14$ dB/km |
今日、業界ではビームフォーミング（Beamforming）技術が使われています。懐中電灯を使ってユーザーを追跡するように、ファーウェイの AAU5613 機器は$256$ の動的ビーム（Dynamic Beams）を生成できます。しかし、テスト中に、ユーザーの移動速度が $30$ km/h を超える場合（車両のシナリオなど）、ビーム追跡が$\pm 15$ 度の指向偏差を生成することがわかりました。これは、ドップラー補償アルゴリズム（Doppler Compensation Algorithm）による救済が必要です。
最も厄介なのは、建設資材によって引き起こされる偏波回転（Polarization Rotation）です。東京の新宿でのあるテストでは、鋸歯状の建物を通過した後、元々垂直に偏波していた信号が $67$ 度ねじ曲げられました。Rohde & Schwarz のNRQ6 パワーローブをリアルタイム監視に使用しなければ、基地局全体が干渉と誤って判断され、フィルタリングされていたでしょう。
したがって、ハイエンドソリューションには現在、3 次元チャネルモデリング（3D Channel Modeling）が標準装備されており、各建物の GIS 座標、ファサード材料、さらには窓の開閉状態をシステムに入力します。米国 FCC が最近公開したミリ波都市減衰モデル（Urban Attenuation Model）は、ミッドタウンマンハッタンでの $39$ GHz 信号の平均経路損失が自由空間よりも $38$ dB 高いことを示しています。これは、$5$ G信号を $2$ Gに変えるのに十分です。
高周波数アンテナのブレークアウト
その夜、東京の地上局の当直エンジニアである山田氏は、Ku バンドの NSS-12 衛星の EIRP（Equivalent Isotropic Radiated Power）が突然 $2.3$ dB 急落したことを発見しました。これは、ITU-R S.1327 規格で指定されている $\pm 0.5$ dB の許容範囲を直接破るものです。監視画面上の変動するパラメータの背後には、台風時の太平洋上空のフライトに必要な重要な衛星通信リンクがありました。IEEE MTT-S 委員会のメンバーとして、私は $17$ 回の同様の緊急校正を経験しましたが、今回は特別でした。誘電体が充填された導波管の真空シールの故障により、位相ノイズがドップラー補正信号をかき消してしまったのです。
$28$ GHz を超えるミリ波の伝搬損失はどれほど深刻でしょうか。例：東京の六本木ヒルズで携帯電話で動画を見ているとき、基地局から送信された $60$ GHz 信号は、強化ガラスのカーテンウォールを通過する際に$35$ dB を超える経路損失の増加を経験します（信号強度が $3000$ 倍以上減少するのに相当します）。これが、$5$ Gミリ波基地局のカバレッジ半径が $200$ メートルにすぎないのに対し、Sub-6GHz 基地局は容易に $1$ キロメートルをカバーできる理由です。
- 導波管フランジ表面の処理精度は Ra $0.4 \mu$m に達する必要があり（髪の毛の $1/200$ に相当）、そうしないと、$94$ GHz 信号の挿入損失が直接崩壊します。
- 軍用グレードのコネクタは、$-55^\circ C$ から $125^\circ C$ の範囲内で $0.003^\circ /^\circ C$ の位相安定性を維持する必要があり、特別なインバー合金材料が必要です。
- 衛星搭載アンテナの真空冷間溶接プロセスは、$10^{-6}$ Pa の真空レベルと $150^\circ C$ の温度差の下で繰り返し拷問に耐える必要があります。
| 命を救うパラメータ（Lifesaving Parameters） | 産業用ソリューション（Industrial Solution） | 軍事仕様ソリューション（Military Specification Solution） |
|---|---|---|
| 電力容量（Power Capacity） | $5$ kW（瞬時に破壊） | $50$ kW（岩のように安定） |
| 位相温度ドリフト（Phase Temperature Drift） | $0.15^\circ /^\circ C$（ドリフトする） | $0.003^\circ /^\circ C$（石のように安定） |
| 挿入損失 @$94$ GHz（Insertion Loss @94GHz） | $0.37$ dB/m（信号が半減） | $0.15$ dB/m（スムーズな航行） |
私たちは最終的に巧妙な操作を使用しました。Eravant の WR-15 フランジを Pasternack PE15SJ20 コネクタと混合し、Rohde & Schwarz ZVA67 ネットワークアナライザを使用してリアルタイムで校正しました。ここには悪魔的な詳細があります。フランジ表面の金メッキの厚さは $1.27 \mu \text{m} \pm 0.12 \mu \text{m}$ に制御する必要があります。薄すぎると酸化につながり、厚すぎると電磁界分布が変化します。台風のフライトとの通信が回復したとき、モニター上の Eb/N0（信号対雑音比密度）インジケータは、かろうじて生死の境界線である $7.8$ dB にとどまりました。
衛星マイクロ波システムに携わったことのある人なら誰でも、近傍界位相ジッタ（near-field phase jitter）が真の目に見えないキラーであることを知っています。あの時のアルファ磁気分光計（Alpha Magnetic Spectrometer）プロジェクトでは、ブリュースター角入射（Brewster angle incidence）の計算が間違っていたために、マイクロ波サブシステム全体が $3$ か月間反復を必要としました。今思い返すと、HFSS 有限要素解析シミュレーションをもっと頻繁に使用していれば、再テスト費用で少なくとも $200$ 万$\$$節約できたでしょう。
業界のインサイダー情報：軍用グレードのコネクタの実際の性能は、多くの場合、表示値よりも $30\%$ 高いです。これは、太陽放射束の突然の変化のために安全マージンを確保する必要があるためです。DARPA の空中レーダープロジェクトのように、$10^{15}$ protons/cm² の放射線量の下で、産業用グレードのコンポーネントは直接故障しましたが、軍事仕様ソリューションは追加の $43\%$ の電力サージに耐えました。費用は $5$ 倍ですが、命を救います。
壁貫通能力テスト
先週、$5$ Gミリ波基地局の受け入れテストをオペレーターに協力して行った際、魔法のような光景に遭遇しました。エンジニアが「ボーン・アイデンティティー」の追跡シーンのように、オフィスビルの非常階段を機器を持って駆け上がったり降りたりしていました。テストポイントは、陸家嘴の鉄筋コンクリート製スーパーグレード A オフィスビルで選択されました。$28$ 階のエレベーターロビーでの RSRP（Reference Signal Received Power）は $-85$ dBm から $-112$ dBm に急落し、「三体」の紅岸基地信号よりも捕まえにくくなりました。
Anritsu Site Master S412E を使用して掃引周波数測定を行ったところ、$15$ cm 厚のコンクリート壁の 2 層を通過する $28$ GHz 信号は、自由空間を $42$ dB 超える経路損失をもたらすことがわかりました。この数値は、3GPP TR 38.901 NLoS（非見通し線伝搬）モデルの上限に正確に達しており、電子レンジに電話を投げ込んだときに信号を受信するのと似ています。
- テスト機器: Keysight N9042B シグナルアナライザ + Rohde & Schwarz TS8980 テストシステム
- 材料比較: コーティングされたガラスカーテンウォール（減衰 $8.3$ dB） 対 石膏ボードパーティション（減衰 $19.7$ dB）
- 致命的な組み合わせ: エレベーターシャフトの金属ドア（反射損失 $21$ dB） + 消防配管の配列（$6$ 経路干渉を引き起こす）
| 障害物タイプ（Obstacle Type） | 透過損失 @$28$ GHz（Penetration Loss @28GHz） | 等価距離損失（Equivalent Distance Loss） |
|---|---|---|
| 単層強化ガラス（Single-layer Tempered Glass） | $4.2$ dB | $\approx$ 自由空間伝搬 $3.8$ メートル |
| コンクリート耐力壁（Concrete Load-bearing Wall） | $22.7$ dB | $\approx$ 自由空間伝搬 $17$ メートル |
| 金属防火扉（Metal Fire Door） | $35$ dB+ | $\approx$ 自由空間伝搬 $82$ メートル |
最悪の犯人は、現代の建物のLow-E ガラス（低放射コーティングガラス）であり、これはミリ波に対する遮蔽効果がファラデーケージに匹敵します。テストでは、特定のブランドのダブルシルバー Low-E ガラスの $28$ GHz での透過率はわずか $7\%$ であり、信号に $5$ 層の N95 マスクを着用させるのと同等であることが示されました。オペレーターの同僚は、「この建物は金庫のために設計されているのか？」と叫びました。
電気通信業界の誰もが、回折能力（Diffraction Capability）は周波数に反比例することを知っていますが、$38$ GHz 信号が角を曲がる際に $15^\circ$ の位相変異を見るのは、幾何光学に支配されていた記憶を呼び戻します。これは、ファーウェイのインテリジェント反射面（IRS, Intelligent Reflecting Surface）ソリューションがいかにスマートであるかを浮き彫りにしています。彼らはエレベーターホールの天井に隠された $2$ つの A4 サイズの位相調整可能アレイを設置し、SINR（Signal to Interference plus Noise Ratio）を $-3$ dB から $11$ dB に引き戻しました。
テスト中、私たちはまた、教科書のような事例に遭遇しました。金融会社のトレーディングルームの電磁遮蔽壁（軍用 B レベル標準）がアップリンク信号を完全にノックアウトしました。解決策は、指向性アンテナを使用して「信号狙撃」を行うことでした。ビーム幅を $120^\circ$ から $8^\circ$ に狭め、ファイバーレーザーを使用して鋼板を切断するように障害物を貫通しました。この操作は私に「インターステラー」を思い出させましたが、今回は危機を救ったのは五次元空間ではなく、ビームフォーミングアルゴリズム（Beamforming Algorithm）でした。
終了後、テストレポートを見ると、複雑な建物での高周波数帯のピークレートは、依然として Sub-6GHz よりも $4$ 倍高いことがわかります。その代償は、エンジニアが WeChat Sports で $30,000$ 歩以上を蓄積することです。業界の真実が再び証明されました。強力な壁貫通能力を達成するには、ハードウェアに投資するか、足を鍛えるかのどちらかです。
地下鉄駅フルバーガイド
先週、北京の西単駅で分散アンテナシステム（DAS）をデバッグしていたとき、乗り換え通路で B3 帯域の RSRP（Reference Signal Received Power）が $18$ dB 急落していることがわかりました。これは、携帯電話の信号が突然フルバーから $1$ バーに落ちるようなものです。さらに悪いことに、3GPP TS 36.214 規格によると、RS-SINR（Reference Signal-to-Interference-plus-Noise Ratio）が $-3$ dB 未満に低下すると、ユーザーの実際のダウンロード速度は $5$ Mbps 未満に低下します。つまり、乗客は $720$ p のビデオさえ読み込むことができません。
鉄筋コンクリートの信号の迷路
地下鉄駅は本質的に多層のファラデーケージです。
- $40$ cm 厚の耐爆壁は、$2.6$ GHz 信号に対して最大 $42$ dB の透過損失を引き起こします。
- エスカレーターの金属構造は、ISI（inter-symbol interference）を引き起こすマルチパス効果につながります。
- ピーク時の密度 $600$ 人/m² は、人体吸収損失を $7.3$ dB 増加させます。
あるベンダーは従来の無指向性アンテナでカバーしようとしましたが、その結果、プラットフォームの中央にカバレッジホールが生じました。テストデータによると、スクリーンと柱で形成された角での RSRQ（Reference Signal Received Quality）は一貫して $-15$ dB 未満でした。
ミリ波スモールセルの実用的なソリューション
| 場所（Location） | デバイスモデル（Device Model） | 送信電力（Transmit Power） | カバレッジ半径（Coverage Radius） |
|---|---|---|---|
| セキュリティチェックポイント（Security Checkpoint） | ファーウェイ LampSite $3.5$ GHz | $2 \times 2$ W | セクター $15$ m |
| 乗り換え通路（Transfer Corridor） | エリクソン Dot $28$ GHz | $4 \times 250$ mW | ビームフォーミング $8$ m |
| プラットフォームレベル（Platform Level） | ZTE QCell $4.9$ GHz | $8 \times 1$ W | MIMO $6$ ストリーム |
実際には、$28$ GHz ミリ波はまっすぐな廊下で印象的な性能を発揮しました。Rohde & Schwarz TSMA6 スキャナーを使用して、$8$ チャンネルビームフォーミングが等価等方放射電力（EIRP）を $19$ dBm 向上させることができました。ただし、誘電率（Dk）変異点に注意を払う必要があります。信号がステンレス鋼の消火栓ボックスを通過すると、位相ノイズが $-80$ dBc/Hz に急上昇します。
ファントム信号との戦い
国貿駅で奇妙な現象に遭遇しました。毎日午前 $10$ 時 $15$ 分に $-105$ dBm のGSM $900$ MHz 干渉信号が現れました。これは、隣のエスカレーターの可変周波数ドライブからの漏洩であることが判明しました。Anritsu MS2690A スペクトラムアナライザを使用して時間-周波数解析（TFA）を行ったところ、$50$ ms サイクル内で $12$ 個のパルスを捉えました。解決策は、DAS フロントエンドにバンドエリミネーションフィルター（BRF）を追加し、スプリアスエミッションを抑制するために Q ファクタを $85$ に設定することでした。
北京地下鉄の測定データ: 3D-MIMO の導入後、シングルユーザーのピークレートは $78$ Mbps から $1.2$ Gbps に増加しました（テスト端末: Huawei Mate60 pro+）
現在、より困難な問題に直面しています。$5$ Gブロードキャストビーム（SSB）は、湾曲した廊下で偏波不一致に苦しんでいます。私たちは、誘電率勾配を調整してビーム幅を $\pm 8^\circ$ 以内に圧縮する誘電体レンズアンテナをテストしています。これは、光学レンズを使用して RF 信号を制御するのと似ています。
低周波数アンテナとの対決
昨年、深圳地下鉄 $11$ 号線で大きな失敗がありました。ピーク時に乗客が健康コードを一斉に引き出すことができませんでした。私たちのチームは夜通しトラブルシューティングのために呼ばれ、駅ホールに新しく設置された低周波数無指向性アンテナが原因であることを発見しました。オープンフィールドで $500$ メートルをカバーすると主張していましたが、乗り換えホールでの信号減衰率は設計値よりも実際には $23$ 倍高く、基地局の過負荷につながりました。対照的に、近くの店舗は $28$ GHz の高周波数アンテナを使用して安定したインターネット速度を享受していました。
誰もが知っているように、低周波数帯（$700$ MHz など）には致命的な欠陥があります。回折能力は両刃の剣です。都市のコンクリートジャングルでは、良好な信号透過性に見えるものが実際には問題につながります。たとえば、$2.6$ GHz 帯のマルチパス遅延スプレッドは $300$ ns に達し、$50$ メートル以内の空間で信号が $8$ 回跳ね返るのと同等です。これは、反響の多いカラオケルームで歌うのと似ており、歌詞がごちゃ混ぜになります。
上海虹橋高速鉄道駅は $2019$ 年に比較テストを実施しました。
- 低周波数ソリューション（$1.8$ GHz）: ピークレート $1.2$ Gbps ですが、ユーザー数が $200$ を超えると急激に低下しました
- 高周波数ソリューション（$26$ GHz）: シングルユーザーレートは $4.3$ Gbps に急上昇し、$500$ 台以上のデバイスを同時にサポートしました
主な違いは Massive MIMO チャネル数にあります。低周波数アンテナはサイズ制限により $64$ T $64$ R で最大になりますが、ミリ波アンテナは容易に $256$ 要素の構成を達成できます。これは、$64$ 本の鉛筆で描くのと $256$ 本のマーカーで描くのを比較するようなもので、詳細レベルは比較になりません。
一部のエンジニアはリンクバジェットテーブルを参照することを好み、低周波数は伝搬損失が低いと信じています。しかし、彼らは都市の峡谷の特殊効果を見落としています。$94$ GHz 信号はガラスのファサードを通過する際の伝送損失がわずか $2.3$ dB であるのに対し、$2.4$ GHz 信号はコンクリートの壁に遭遇すると少なくとも $15$ dB 失われます。さらに重要なことに、高周波数信号は優れた空間分解能を提供し、異なるエレベーターの歩行者フローを正確に区別します。これは、低周波数アンテナでは不可能です。
昨年、重慶のあるベンダーが行った興味深い比較実験では、$38$ GHz をビームフォーミングに使用すると、同一チャネル干渉の確率が $1.8$ GHz よりも $87\%$ 低くなることが示されました。理由は単純です。高周波数ビームはコーヒーカップほど狭くすることができますが、低周波数信号はスプリンクラーのように至る所に広がります。これは、$5$ G地下鉄ネットワークがミリ波に焦点を当てる理由を説明しています。誰も途切れ途切れの監視ビデオを望んでいません。
| 性能指標（Performance Metrics） | 低周波数アンテナ（Low-Frequency Antenna） | 高周波数アンテナ（High-Frequency Antenna） |
|---|---|---|
| 空間多重化能力（Spatial Multiplexing Capability） | $\le 8$ 層のビーム | $256$ 層のビーム |
| ジッタ遅延（Jitter Delay） | $28$ ms $\pm 15$ ms | $1.5$ ms $\pm 0.3$ ms |
| 単位面積あたりの容量（Capacity per Unit Area） | $0.7$ Gbps/m² | $19$ Gbps/m² |
これで、東京の新宿駅の $5$ Gネットワークが $10$ Gbps に達する理由がわかりました。彼らは柱に取り付けられたデュアル偏波レンズアンテナを使用し、3D ビームスキャンアルゴリズムと組み合わせて、各待機中の椅子に信号を正確に届けます。一方、一部の都市は依然として広範囲のカバレッジのために低周波数アンテナに依存しており、漁網でゴマを捕まえようとするのと似ています。骨折り損のくたびれ儲けです。
豆知識：基地局密度が $1$ 平方キロメートルあたり $200$ に達すると、高周波数システムは低周波数システムよりも $40\%$ 少ないエネルギーを消費します。正確なビームは、低周波数のように市内全域にブロードキャストすることなく、ユーザー機器にエネルギーを集中させます。これはレーザーポインターとヒートランプを比較するようなもので、効率がすべてを物語っています。
未来の都市に不可欠
東京メトロ中央線の $2023$ 年の信号中断事故は、世界のエンジニアにとって警鐘となりました。当時、$28$ GHz バックホールリンクは突然 $-107$ dBm に低下し、ITU-R M.2101 規格の最小受信感度しきい値をトリガーしました。シンガポールのマリーナベイ $5$ Gスマートポートプロジェクトに関与した RF エンジニアとして、私は都市のジャングルでミリ波がどのように生き残るかを直接目撃しました。
今日の高度なアンテナは、もはや「大きな皿」ではなく、むしろ基板統合導波管（SIW）と三次元積層アレイです。深圳のテンセント本社の屋上にある $64$ 要素デュアル偏波アンテナを例にとると、そのビーム切り替え速度は従来のソリューションよりも $22$ ミリ秒速く、$200$ メートル以内で $3$ 層の追加の強化ガラスを貫通することができます。
業界用語アラート:
- 空間多重化ゲイン（Spatial multiplexing gain）
- 偏波デカップリング（Polarization decoupling）
- カバレッジホール充填アルゴリズム（Coverage hole filling algorithm）
昨年、重慶の $6$ 階建ての地下駐車場カバレッジ計画中、私たちのチームは直感に反する現象を発見しました。$1.8$ m 厚のコンクリートがある地下 $4$ 階では、$39$ GHz 信号が $3.5$ GHz よりも $8$ dB 強かったのです。これは、新しいメタサーフェスアンテナのブリュースター角変調能力のおかげで、回折損失を $3$ dB/m 以内に抑えることができました。
- テストデータ: Rohde & Schwarz SMW200A シグナルジェネレーターを $85\%$ の湿度環境で使用し、新しいルーネブルグレンズアンテナは、従来のパッチアレイと比較して $17$ 秒長く安定した接続を維持しました。
- コスト比較: スマート街灯の $1$ 平方メートルあたりのミリ波モジュールの導入コストは、$2019$ 年の $320$ ドルから $47$ ドルに低下しました（Fakra コネクタを含む）。
私が今最も興奮しているのは、動的インピーダンス整合技術（dynamic impedance matching technology）です。上海バンドのスマート街灯プロジェクトでは、各アンテナユニットにマイクロベクトルネットワーク分析モジュールを装備し、VSWR（電圧定在波比）をリアルタイムで監視しました。ある雷雨の間、システムは $34$ ユニットの整合ネットワークを自動的に調整し、反射損失を悲惨な $-4$ dB から $-1.2$ dB に改善しました。
しかし、ベンダーに騙されないでください。アンテナの性能を真に決定するのは位相ノイズ制御能力です。昨年、国内の $28$ GHz フェーズドアレイモジュールをテストしたところ、そのローカルオシレーター漏洩（LO leakage）が Keysight ソリューションよりも $15$ dBc 高く、隣接するスマートバス停の標識の MCS レベルが自動的に $2$ 段階低下しました。
今後 $3$ 年間は極めて重要になります。
① スマート反射面材料のコストが $200$ 円/m² 以下に低下すること
② 3GPP R18 規格が基地局による $1024$ QAM のサポートを義務付けること
③ 米国 FCC Part 30 規制が緩和され、$52$ GHz 帯域の使用が許可される可能性
最近、杭州のドローンロジスティクス会社のデバッグを手伝っていたとき、$200$ メートルの高度にある彼らの $38$ GHz 指向性アンテナがドップラーシフトによる符号間干渉に苦しんでいることがわかりました。最終的に、適応型巡回プレフィックス方式によりパケット損失が $12\%$ から $0.3\%$ に減少し、ドローンが $30$ 階建てのビルの間を正確にナビゲートできるようになりました。
ここにいくつかのトリビアがあります。高周波数帯アンテナは、建物よりも木を恐れます。深圳南道大通りのガジュマルの葉は、$60$ GHz 信号を $4$～$7$ dB 弱める可能性があり、私たちはすべての街灯柱に「葉貫通補償器」（本質的にはビーム最適化アルゴリズムにリンクされたミニチュア気象ステーション）を設置することを余儀なくされました。
