ミリ波通信におけるビームフォーミング指向性の探求： エイミル・ビヨルンソン教授の洞察に満ちたビデオシリーズによる基礎知識
キーポイント
● 5Gネットワークにおける信頼性の高いミリ波通信にはビームフォーミングの指向性が重要
● ビームフォーミングは特定の方向に信号を集中させ、信号強度を高め、干渉を低減する
● TMYTEK 開発キットを使用した実験セットアップにより、ビームフォーミングの原理と増幅の重要性が実証される
● より多くのアンテナ入力をアクティブにすることで、指向性と送信電力が増加し、受信電力が高くなる
● ビームフォーミングと指向性により、ミリ波通信で焦点を絞った高出力伝送が可能になる
序文
5G技術の登場により、無線通信の新時代が到来し、ミリ波周波数が極めて重要な役割を果たしています。これらの高周波数帯域は、より高速なデータレートを実現するための広大な帯域幅を提供しますが、カバレッジの制限や障害物に対する感度といった独自の課題ももたらします。ビームフォーミング指向性は、送信信号を特定の方向に集中させることでこれらの課題に対処し、信号の減衰を克服して信頼性の高い通信を実現します。
エイミル・ビヨルンソン教授による最初のビデオエピソードでは、ビームフォーミング指向性の基礎を掘り下げ、ミリ波通信の文脈におけるその重要性と5Gネットワークにおける重要な役割を探ります。ビームフォーミングとアレイアンテナがミリ波通信にどのような革命をもたらすのか、ビヨルンソン教授の専門知識から貴重な洞察を得ましょう。
ビームフォーミング指向性とゲイン
ビームフォーミング指向性とは、特定の方向への信号伝送を可能にするアレイアンテナの性質で、信号強度を高め、干渉を低減します。ビームフォーミングとは、複数のアンテナ素子を組み合わせて焦点の合ったビーム、つまり電波の高い指向性を形成するプロセスを指します。ミリ波通信において、ビームフォーミングは基地局とユーザー機器の双方にとって極めて重要で、5G FR2ネットワークにおける堅牢かつ高性能な接続性を保証します。
このエピソードでビヨルンソン教授は、複数のアンテナを使用することで指向性が向上することを詳しく説明し、12 dBの指向性ゲイン（16=24, 4×3 dB=12 dB）を実現する16素子アンテナを紹介しています。パッチアンテナのゲインを3 dBiと考えると、アレイアンテナ全体のゲインは 3 dBi + 12 dB = 15 dBi となります。異なる入力から信号または同じ信号の遅延バージョンを送信することにより、水平面内の送信信号の指向性を制御することができます。ビデオでは、より多くの入力をアクティブにすることで、送信信号がより直接的になり、レシーバーにフォーカスされる様子も示しています。
画像1：16素子アンテナ（ビョルンソン教授のビデオからのスクリーンショット）
実験のセットアップ
ビヨルンソン教授は、 TMYTEK 開発キット を使用して、ビームフォーミングと指向性の原理を実証しています。このキットには、n257帯の26.5〜29.5 GHzで動作する16素子ミリ波ビームフォーマーが含まれており、等方性アンテナよりも強く、焦点の合った信号を生成します。
実験セットアップには、信号発生器、ビームフォーミング・ユニット、電力増幅器、電力検出器など、必要不可欠なRFコンポーネントが含まれています。
画像2：ビヨルンソン教授がこのビデオで使用したTMYTEK 開発キットの内容
➭ 関連ビデオ： 開発キット開封の様子
リンクバジェット
このビデオでは、さまざまな段階での信号経路と電力損失について説明し、受信機で十分な信号強度を確保するための増幅の必要性を強調しています。
画像3：送受信プロセスを示す信号フロー図。信号発生器は26.5 GHzの正弦波信号を発生し、ビームフォーミング ユニットで処理されます。アンテナ・アレイから送信される前に、パワー・アンプが信号を増幅します。信号は空中で30センチ離れた受信アンテナに送られ、そこで増幅され、パワー検出器によって測定されます（ビヨルンソン教授のビデオからのスクリーンショット）。
送信パワーと指向性ゲイン
ビヨルンソン教授は、ビームフォーミングと指向性の効果を示す一連の実験を見せてくれました。異なる数のアンテナ入力をアクティブにすることで、指向性と送信電力がそれに応じて増加することを実証しています。
画像4：実験のセットアップと環境（ビヨルンソン教授のビデオからのスクリーンしょーっと）
実験では、アクティブ・アンテナ・アレイの入力数を変えることで、総送信パワーを調整します。アクティブ入力1つで開始すると、26.5 GHzで-30 dBmの信号電力が得られます。さらにアクティブ・チャンネルを増やすと、受信電力は漸増し、2チャンネルで-25.42 dBm、3チャンネルで-22.55 dBm、4チャンネルすべてで-20.04 dBmとなります。
この実験により、ビームフォーマーのRFチャンネルを増やすと、アンテナ・アレイの指向性が向上し、送信パワーが増加するため、受信パワーが増加することが実証されました。これにより、より強力で焦点の合った信号が得られ、パワーは-30 dBmから-20.04 dBmに上昇しました。理論的には、4倍の指向性と4倍のRFチャンネル・パワーで、4×4=16倍、つまり12 dBのパワー増加が得られるはずです。この実験で10 dBという結果が出たのは、環境要因によるものと思われます。
結論
ビームフォーミングと指向性はミリ波通信において不可欠な概念です。アンテナアレイを使用し、複数の素子から同時に信号を送信することで、ミリ波システムは、受信機に向けて焦点を絞った高出力伝送を実現することができます。エイミル・ビヨルンソン教授の実験的デモンストレーションは、ミリ波通信におけるビームフォーミングの理論と実用的応用に関する貴重な洞察を提供します。 このビデオは、ビヨルンソン教授を取り上げた5回シリーズの最初のものです。 今後のビデオでは、ビームフォーミングをより深く掘り下げ、TMYTEK開発キットがどのようにビームフォーミングの複雑さを学び、探求するエンジニアを支援するかを紹介する予定ですので、ご期待ください。ビヨルンソン教授をガイドとして、ビームフォーミングの世界に関する貴重な知識と実践的な洞察を得ることができます。
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TMYTEK開発キットは、開発者が5Gミリ波技術を探求し、実装するためのハードウェアとソフトウェアを組み合わせた包括的なツールです。教育プラットフォームとして機能し、研究開発活動を促進するため、先進的なアンテナ技術の学習や実験に理想的なソリューションとなっています。
TMYTEKは、開発者キットに加え、学習効果を高めるために特別に設計された一連のラボシートを提供しています。これらのラボシートは、TMYTEK開発キットを使用して5Gミリ波実験を行うユーザー、教授、学生にとって貴重なガイドとなります。ステップバイステップの手順と実践的な洞察を提供することで、ラボシートは、ユーザーが効果的に知識を適用し、5Gミリ波技術の分野で実践的な実験を行うことを可能にします。
「ラボ2：チャネルゲインとは何か」では、リンクバジェットを計算し、無線通信システムを評価する方法を学び、信号強度、受信感度、達成可能距離を評価することができます。
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