テラヘルツ帯における６G向け超広帯域無線伝送試験装置を開発し、時速1000 kmの高速移動エミュレーション環境下での基礎伝送に成功

国立大学法人京都大学大学院情報学研究科の原田博司教授、香田優介准教授らの研究グループは、テラヘルツ帯（300 GHz帯）において6G向け超広帯域無線伝送試験装置をソフトウェア無線技術により開発し、時速1000 kmの高速移動エミュレーション環境下において、５G標準化で定められている通信仕様に準拠しつつ、国内の5Gに割り当てられている最大チャネル帯域幅（400MHz）の約２0倍にあたる7.8 GHz幅を用いた超広帯域信号伝送（伝送レート：14.6 Gbit/s）に成功しました。今回の成果により、固定通信システムから陸上移動無線、非地上系ネットワークに至るまであらゆるモビリティを想定した利用モデルに対する通信仕様の開発・概念実証が可能となり、6Gに向けてテラヘルツ波を用いた超高速無線通信システムに関する研究開発がより一層加速することが期待されます。

1. 背景

商用サービスが開始されている第5世代移動通信システム（5G）は、「高速・大容量」「低遅延」「多接続」といった特長を持ち、現在、個人ユーザーに対してのみならず産業や社会基盤を支える重要なインフラとして、さらなる高度化が期待されています。この高度化には、より広範な周波数資源の確保が不可欠であり、現在5G向けに割り当てられているSub-6 GHz 帯¹および28GHz帯に代表されるミリ波帯²の有効活用が重要とされています。しかし、5Gの普及と技術進展が進むにつれて、これら既存の周波数帯域においても将来的な逼迫が懸念されており、新たな周波数資源の開拓が求められています。
その有力候補としてミリ波の10倍の周波数に相当するテラヘルツ波が注目されています（図２）。テラヘルツ帯では、現在の5Gで利用可能なチャネル帯域幅の数十倍に及ぶ超広帯域の確保が可能であり、高精細映像の無線伝送、超高速無線バックホール基幹回線など、超高速通信技術の実現に向けて期待が高まっています。

一方、これまでのテラヘルツ帯通信に関する実証実験の多くは、5Gに準拠しない変調波の伝送にとどまっており、5Gに準拠した波形を用いた場合であっても、既存の周波数帯で割り当てられている帯域幅を超えない、比較的狭帯域、低伝送レートでの検証に限られていました。第6世代移動通信システム（6G）においては、5Gの標準方式に準拠しつつ、現在5Gで利用されている1チャネルあたりの最大帯域幅（400 MHz）を超えるGHzオーダという広帯域信号をテラヘルツ帯で伝送し、あらゆる環境下における通信可能性を解明することが重要な研究課題となっています。さらに6Gでは、衛星通信等非地上系ネットワーク（NTN：Non-Terrestrial Network）の活用も想定されており、時速1000km級の超高速移動への対応が求められています。このような要求に対して、現在、5Gで用いられている直交周波数多元接続方式³（OFDMA：Orthogonal Frequency Division Multiple Access）の各種パラメータを変更し、テラヘルツ帯かつ高速移動環境下でも受信機を安定的に動作させる必要があり、これらを検証可能にする伝送試験装置の開発が急務となっています。

2. 研究成果

5Gの標準化団体である3GPP（3rd Generation Partnership Project）により規格化されている5G物理伝送信号フォーマットに従いつつ、国内の5Gチャネル帯域幅の約20倍にあたる超広帯域信号をテラヘルツ帯に乗せて伝送を行う試験装置を、ソフトウェア無線技術を利用して開発しました（基本仕様は表１に、伝送装置の構成は図1に示す）。具体的には、伝送試験装置には以下の特徴があります。

テラヘルツ帯（300 GHz）で５Gアクセス方式であるOFDMA方式の標準に準拠した物理伝送信号を送信可能
OFDMA方式を構成する最小単位の周波数帯域幅を現状の120 kHzから、960 kHzにした上で、最大帯域幅を現状（400 MHz）の約２0倍（7.8 GHz）に広帯域化し、伝送レート14.6 Gbit/sで伝送
受信機局部発振部の周波数を変更することで、テラヘルツ帯において高速移動する際のキャリア周波数オフセット⁴をエミュレーション可能（移動速度は設定周波数オフセットを生じうる最大ドップラー周波数として換算）
高速移動環境で問題となるキャリア周波数オフセットを自動で推定・補正し、安定的に送信信号を同期させ受信できる信号処理方式を新たに開発し、超広帯域ソフトウェア無線機に搭載

この装置を用いて時速1000 km程度までの高速移動を想定したエミュレーションを実行し、研究室内で伝送特性試験（図3）を行い、ブロック誤り率（BLER：Block Error Rate）を測定評価しました。評価においては技術計算言語MATLABを用いて記録信号に雑音を追加したAWGN（Additive White Gaussian Noise）チャネルで実施し、SNRは–0.4 dBと設定しました。また、適切に同期ができない場合は、ブロック誤りとして処理しました。図４に示している通り、最大時速1000 km程度まで速度を変化させた際、マイクロ波など低周波数帯に向けた従来開発手法は時速700 km–1000 km付近でBLERが所要値である10%を達成できない一方で、今回新たに開発した信号処理手法を用いることで、検証下すべての速度環境においてBLERの所要値以下を達成しました。このことは、キャリア周波数オフセットへの対応という観点では、移動速度が時速1000 km相当の環境下においても安定した信号伝送が行うことができることを示唆しています。

３．波及効果、今後の予定

今回開発した伝送試験装置を用いた検証から、現状の5Gチャネル帯域幅の10倍以上を占める超広帯域5G信号伝送をテラヘルツ帯で行う際、キャリア周波数オフセットを考慮して受信機を精巧に構築すれば、時速1000 kmの高速移動エミュレーション環境においても安定した信号伝送が可能になることが示されました。今回の成果により、固定通信システムから陸上移動無線、NTNに至るまであらゆるモビリティを想定したテラヘルツ帯超高速無線伝送方式の開発・概念実証が可能となり、テラヘルツ帯無線通信システムに関する6Gに向けた取り組みがより一層加速することが期待されます。この研究成果に関しては、2026年3月4〜6日開催の電子情報通信学会移動通信ワークショップ（東京理科大学で開催予定）において発表予定です。

４．研究プロジェクトについて

本研究の一部は国立研究開発法人情報通信研究機構の委託研究 (JPJ010017C07501)、および、委託研究（JPJ012368C04201）の一環として実施されたものです。

用語解説

» 1. sub 6 GHz 帯：
一般的には、総務省より第5世代移動通信システムに向けて、携帯電話事業者、および、その他の事業者による自営目的のために割り当てられた、3.7 GHzおよび4.5 GHz付近の周波数帯域のことを指す。

» 2. ミリ波帯：
30 GHz付近から300 GHzまでの周波数帯域全般を指す。総務省より第5世代移動通信システムに向けに割り当てられた28 GHz付近の周波数帯域もミリ波帯と呼ばれることが多く、一般的にはその下限として28 GHzを含む。

» 3. 直交周波数多元接続方式（OFDMA：Orthogonal Frequency Division Multiple Access）
データを直交する周波数サブキャリアに分割して並列に伝送する直交周波数分割多重方式（Orthogonal Frequency Division Multiplexing：OFDM）を拡張し、複数の無線局がそれぞれ異なるサブキャリアを用いることで、互いに混信することなく同時に通信を行うことを可能にする技術。第4世代移動通信システム（4G）では下り通信において採用されており、現在では第5世代移動通信システム（5G）において、下り通信および上り通信の両方に採用されている。

» 4. キャリア周波数オフセット
無線通信において送信機と受信機が用いる搬送波周波数の差分を指す。特に、送信機と受信機の周波数を合わせてデータの復調を行う同期検波において問題となる。キャリア周波数オフセットは、送信機と受信機の局部発振器の精度差や端末の移動に伴うドップラー効果により生じる。

[研究に関するお問い合わせ先]
京都大学　大学院情報学研究科　通信情報システムコース　ディジタル通信分野
原田　博司（はらだ　ひろし）　香田　優介（こうだ　ゆうすけ）　
TEL：075-753-5318
E-mail：contact [at] dco.i.kyoto-u.ac.jp

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