Verizonが2019年4月に5G Ultra Widebandサービスを開始した際、同社は1 Gbpsを超えるダウンロード速度とミリ波周波数による無線革命を約束しました。5年後、mmWave 5Gは主に人口密集都市部と屋内施設に限定されており、無線業界にとって警鐘となっています。現れたmmWave 5Gの問題は、7Gネットワーク向けに計画されているテラヘルツ（THz）周波数の開発において重要な洞察を提供しています。

ミリ波カバレッジを制限した基本的な物理法則は変わっておらず、mmWave展開から学んだ教訓は、業界が次世代無線システム向けの100 GHzから3 THzの範囲のさらに高い周波数に向かう中で不可欠であることが証明されるでしょう。

mmWaveの約束 vs. 現実

ミリ波5Gは24 GHzから100 GHzの周波数帯で動作し、前例のないスペクトラム可用性と10 Gbpsを超える理論上のピーク速度を提供します。3GPPは5G New Radio展開のために、n257（28 GHz）、n258（26 GHz）、n260（39 GHz）、n261（28 GHz）を含むいくつかのmmWave帯域を標準化しました。

初期のデモンストレーションは印象的でした。Mobile World Congress 2018で、Qualcommは4.2 Gbpsのダウンロード速度を達成するmmWave接続を披露しました。VerizonのSacramentoでの初期5G Homeサービスは、1 Gbps近いピークで平均300 Mbpsの速度を提供しました。しかし、これらの制御されたデモンストレーションは、実世界での展開を制限する根本的な伝搬の課題を隠していました。

2023年までに、mmWave 5Gのカバレッジは依然として希薄でした。VerizonのUltra Widebandネットワークは約2億人をカバーしていましたが、実際のmmWave利用可能性は特定の街区、スタジアム、空港に限定されていました。T-Mobileは主にmid-bandスペクトラムを優先してmmWave拡張をほぼ放棄し、AT&TのmmWaveフットプリントは主要都市圏のビジネス地区に集中したままでした。

mmWaveを頓挫させた技術的制約

核心的なmmWave 5G問題は、基本的な電磁波伝搬物理学に起因しています。28 GHzでは、自由空間経路損失が2.4 GHz携帯電話周波数と比較して約20 dB増加します。これは、同じ距離で信号が100倍速く減衰することを意味し、セルカバレッジ半径を劇的に減少させます。

大気吸収が問題を悪化させます。酸素分子は60 GHzで強く吸収し、水蒸気は22 GHzと183 GHz付近で吸収ピークを作ります。雨による減衰は10 GHz以上で深刻になり、大雨（25 mm/hr）は28 GHz周波数で6-8 dB/kmの追加損失を引き起こします。

建物への浸透はほぼ不可能であることが判明しました。NYU Wirelessによる測定では、28 GHz信号は一般的な建築材料を通過する際に20-40 dBの浸透損失を経験することが示されました。現代建築で標準的な低放射率コーティングを施したガラス窓は、mmWave信号を30 dB以上減衰させる可能性があります。人体でさえ20-35 dBの遮蔽を引き起こし、通常のデバイス使用中に頻繁な接続切断を招きます。

Beamformingは、mmWaveリンクを可能にする一方で、新たな複雑さをもたらしました。十分なリンクバジェットを達成するために64-256のアンテナ素子を持つMassive MIMO配列が必要になりましたが、モバイルシナリオでのビーム調整と追跡は困難であることが判明しました。狭いビーム間のHandoverは、従来の携帯電話カバレッジと比較してユーザー体験を悪化させるサービス中断を引き起こしました。

インフラ経済学

物理的制約は直接的に経済的課題に変換されました。密集したセル展開が必須となり、都市環境での典型的なmmWaveセル半径は100-300メートルに制限されました。Verizonはニューヨーク市だけで5,000以上のスモールセルを展開し、広範囲なファイバーバックホールとサイト取得コストが必要でした。

複雑なRFフロントエンドと高度なアンテナ配列により、機器コストは高いままでした。初期のmmWave基地局は、同等のsub-6 GHz機器の3-5倍のコストがかかり、デジタルbeamforming処理要件により消費電力も大幅に増加しました。

成功したmmWaveアプリケーション

カバレッジの制限にもかかわらず、mmWaveはその技術的特性に適合する特定の用途で成功を収めました。Fixed wireless access (FWA)が最も実用的なアプリケーションとして登場し、Verizonの5G Homeサービスは2023年までに200万人以上の顧客に到達しました。FWAの固定的な性質により、モビリティの課題が解消され、最適化されたアンテナ配置とビーム調整が可能になりました。

屋内企業展開は、倉庫、工場、大規模施設で成功を証明しました。Boeingなどの企業は製造アプリケーション向けにプライベートmmWaveネットワークを実装し、屋外伝搬の課題を回避しながら高帯域幅を活用しました。スポーツスタジアムや空港は、高いユーザー密度が密集したsmall cellの展開を正当化するショーケース環境となりました。

Vehicle-to-everything (V2X)通信は、短距離でのmmWaveの可能性を示しました。高帯域幅により自動運転車両間での詳細なセンサーデータ共有が可能になり、限定された範囲は100-500メートルという典型的なV2X通信距離と一致しました。

THz 7G開発のための重要な教訓

mmWaveの教訓でTHz周波数が対処しなければならない問題は、terahertz周波数でさらに顕著になります。経路損失は周波数の二乗に比例して増加するため、300 GHz THzシグナルは同じ距離で28 GHz mmWaveよりも20 dB多い減衰を経験します。

大気吸収はTHzバンドで深刻になり、複数の分子吸収線が周波数依存の伝播ウィンドウを作り出します。183 GHz、325 GHz、448 GHzでの水蒸気吸収は屋外THzコミュニケーションの「立入禁止」ゾーンを作り出し、大気透過ウィンドウ周辺での慎重な周波数計画を必要とします。

しかし、THz周波数はmmWaveにはなかった機会を提供します。THzビームで可能な極端な指向性は、大規模なデバイス密度をサポートできる空間再利用を可能にします。10 GHzを超える帯域幅が実現可能になり、特定のアプリケーションで100+ Gbpsのデータレートを可能にする可能性があります。

展開戦略への影響

THz 7Gネットワークは、最初から適切なユースケースをターゲットにすることで、mmWave展開の失敗から学ばなければなりません。デバイス間通信、拡張現実、高精度センシングなどの超短距離アプリケーションは、ユビキタスカバレッジを試みるよりもTHz伝播特性により適合します。

ハイブリッドネットワークアーキテクチャが不可欠になり、THzが容量ホットスポットを提供し、sub-6 GHz周波数がカバレッジとモビリティを維持します。intelligent reflecting surfaces (IRS)や分散beamformingなどの高度な技術が、mmWaveでは克服不可能だった伝播制限の一部を克服するのに役立つ可能性があります。

結論

mmWave 5Gの経験は、革新的なワイヤレス技術が技術的能力と現実的な展開シナリオを一致させる必要があることを実証している。millimeter wave coverageは当初約束された遍在性を達成することはなかったが、mmWaveは固定ワイヤレスアクセスや高密度屋内環境において価値あるニッチを見つけた。THz 7G開発の重要な洞察は、極端な周波数にはアプリケーションターゲティングにおける極端な精度が必要であるということである。mmWaveの過度な約束を繰り返すのではなく、THzネットワークは、その独特な特性が明確な利点を提供する特定のユースケースに焦点を当て、基本的な物理的制限と戦うのではなくそれを認識する持続可能な展開モデルを構築すべきである。