5G Advanced – 拡張5Gテクノロジーの説明

3GPP Release 18で実装された新しい技術により、5G Advancedは、以前のリリースでは不可能であった応用分野に拡張することができます。今後長年にわたり成長が最も見込まれる応用分野として、拡張現実 (XR: ARとVRを含む包括的な用語として使用される) があります。こうした応用分野に必要なワイヤレス接続の特性により、アップリンクとダウンリンクの両方向における高スループット、および超低レイテンシが、実装を成功させるための重要な要素となります。これらの要素は、今後の3GPPをリリース上で重視すべき領域です。これにより、新しい応用分野で後続のリリースを開発用のプラットフォームとして使用することが可能になります。

スループットの向上と低レイテンシに対する同様のニーズを持つもう1つの重要な応用分野は、自動車の高度な接続性です。「ソフトウェア定義車両」という用語が最近多用されていますが、高度なテレマティクス、ADAS/ADシステム用のデータへのアクセス、乗員の接続性を高めるための車載デュアルSIMモデムのデプロイメントに依存する自動車の実現性は、これらの技術を可能にするネットワーク接続の強さによって左右されます。

上記の例は、5G Advanced以降の潜在的な新しい応用分野のほんの一部ですが、5G Advancedおよび6Gに関する他の魅力的な開発分野の中では、広域IoT拡張、5G産業用ネットワーク、高精度位置調整、地上系ネットワーク (NTN) といった例も挙げることができます。

^{図2:5Gから6Gで改善された分野。}

^{参照画像は、Samsung ResearchのAdvanced Communications Research Centerのご厚意より提供}

接続がますます進む世界では、これらの応用分野によって、コミュニケーションや対話の方法が変わるでしょう。もちろん、これらの応用分野は、技術的に困難な要求を処理できる特定の技術によってのみ実現されます。これには、既存の技術の強化と最適化、新しい実装の開発、(最も重要なのは) こうした応用分野を実現するためのデバイスをテストして迅速に開発する方法が必要です。

5G Advancedの詳細とそれに関連する変更点について説明する前に、これはPHY/RF中心の考え方であることを説明しておきます。上位レイヤでは、ネットワークスライシング、O-RANを含むRAN分散の基盤、非公開ネットワーク (キャンパスネットワークなど) のサポート、LTEよりも優れたQoS機能など、いくつかの技術革新が行われており、eMBB、URLLC、mMTCのニーズに対応します。これらの技術革新は将来のワイヤレスネットワークの実装とデプロイメントに不可欠ですが、このホワイトペーパーでは、PHYレイヤの改善とそれに関連するテストへの影響に焦点を当てます。

5Gの導入により、データレート、スペクトル効率、低レイテンシが向上し、かつてないパフォーマンスを実現する多くの有用な技術が導入されました。5G Advancedはこの方針を続け、以前のリリースからの開発を継続します。

低帯域幅UE

Release 18では、消費電力と5、10、20 MHzの帯域幅を使用するUEの仕様が改善されました。これらの要件は、容量削減型 (REDCap) デバイスと呼ばれるデバイスの開発に新たな課題をもたらします。消費電力が低くなると電力計測の質も低くなります。ダイナミックレンジ、ノイズフロア、絶対確度は、計測方法においてより重要な問題となります。主要業績評価指標、消費モデル、評価方法は、設定されたテスト基準を使用して適切に定義する必要があります。

実行する新しいテストの例としては、BSからUEへの「起動」信号やgNBの「スリープモード」の有効化などがあります。どちらの場合も、コンポーネントが不要なときに電源を切って電力を消費しないようにすることで、ネットワークデバイスの効率を大幅に向上させることができます。ただし、これは正しく実装されていない場合、マイナス面をもたらす可能性があります。デバイスが継続的にオン/オフを繰り返す場合、信頼性とネットワーク容量を最大化し、レイテンシを削減するには、遅延を最小限に抑えた迅速かつ効率的で信頼性の高い「起動」信号が不可欠です。

BSおよびUE側での消費電力削減 (グリーンネットワーク)

ネットワーク効率のもう1つの要素は、個々のコンポーネントの効率です。可能な限り最も効率的な消費電力を確保するためには、RFフロントエンドを最適化する必要があります。5G Advancedは、消費電力の削減とネットワーク効率の向上を目的としています。これは、線形性を改善する最適化されたデジタルプリディストーション (DPD) アルゴリズム、またはパワーアンプ (PA) の効率を向上させるエンベロープトラッキングの形で提供されます。両方とも、迅速な特性評価と視覚化を可能にし、広範囲のテストケースに簡単に実装できる汎用性の高いオープンシステム、および5 MHzから400 MHzの帯域幅をテストする機能を必要とします。テストケースを移行する際の非効率性 (長いセットアップ時間) は、検証タイムラインが大幅に長くなり、市場投入までの時間に影響を与える可能性があります。

DPDは、特にPA設計がより複雑になるにつれてますます複雑になるDPDアルゴリズムの多くの選択肢により、実装するのが困難な場合があります。たとえば、多くのDPDアルゴリズムは、異なる周波数や電力レベルでダイナミックに変化するPAの動作に対応できていません。また多くの場合、DPDは、適切に実装するために3～5倍の信号帯域幅を必要とします。これは、一部の最新の5G NR波形では1600～2000 MHzの帯域幅を意味します。

NIは、PA検証におけるこれらのさまざまな課題を考慮し、実装および解析が容易でありながら、広範なDPDのカスタマイズを可能にするソリューションを使用して対処してきました。

DPD条件下でPAを評価するためのRFFE検証に関する詳細情報

FR2周波数に関するテスト方法の変更

ミリ波 (FR2) の仕様およびテスト方法について、いくつかの顕著な変更がありました。これらの変更の1つは、FR2-1 (24.25～52.6 GHz) でのUL 256-QAMのサポートです。これは、より高い周波数レンジでの実装に注意を要する変調方式です。周波数が高くなり、帯域幅が広くなり、ノイズフロアが高くなるにつれて、変調確度が難しいものとなります (特に、FR2周波数でのパス損失の増加と確度の低下を考慮する場合)。実装を成功させるには、このようなより高い周波数でも低いEVM計測値に到達できるテスト装置が必要になります。

^{図3:54 GHz周波数拡張機能付きPXIe-5842}

54 GHz周波数拡張機能付きPXIe-5842は、最大54 GHzまで対応しており、5G FR2周波数に完全に対応しています。また、高次変調方式でクラス最高のEVM性能を実現します。

PXI VSTを使用したミリ波テストに関する詳細情報

ミリ波周波数に関する変更に加えて、テストエンジニアに影響を与えることが明白なリリース18の開発内容の1つに、FR2のテスト方法の変更があります。この変更は、リリース15からリリース17にかけて継続的に開発されたものですが、注意が必要な例外がいくつかあります。1つ目は、2つのパネルに最大4つのDL MIMOを搭載できることです。複数のパネルが同時にアクティブになっている場合、隣接チャンネルへの電力漏れが最小限であっても信号の劣化を引き起こす可能性があるため、共存を確実にするために真の位相コヒーレント同期を実現する必要があります。FR2のテスト方法のこの変更は、これまでに議論されてきた他の多くの開発と同様、以前の5G開発から継続されているものですが、これらのすべての開発では、6Gワイヤレスネットワークを目的とした新しいプラクティスへの意図的な移行が考慮されています。この点についてこれからさらに説明します。 

前述のように、3GPPリリース18は、「5G Advanced」というタイトルを持つ最初のリリースです。将来のセルラー通信、6Gに対する注目が高まっているため、こうしたタイトルが付きました。高度なMIMOの進化、全二重アンテナアレイの実装、無線インタフェースでのAI/MLなど、この移行への道を開く多くの改善が施されています。

^{図4:5G Advancedのロゴ}

高度なMIMOの進化

これまでMIMOシステムは、アンテナのフォームファクタのサイズが大きかったため、低周波数では実現できませんでした。ただし、mmMIMO (Modular Massive Multiple Input Multiple Output) の採用によって、MIMOシステムの実現が可能になります。名前が示すように、これは基地局アンテナのデプロイ方法を標準化し、モジュール式アンテナコンポーネントを空間的に分散することでフットプリントを可能な限り削減するように設定されています。

^{図5: mmMIMOデプロイメント図}

MIMOアンテナアレイのこの標準化により、基地局コンポーネントにかかるコストや開発工数が削減されます。構築ブロックのように、アンテナモジュールはそれぞれが独立しており、モジュール式であるため、実装の複雑さが軽減されます。これらをさまざまな方法で組み合わせてアンテナアレイを構成することで、事前定義された領域の空間的制約に適応しやすくなります。実装の制限を軽減するもう1つの方法は、より広い領域にアレイを空間的かつ物理的に分散させることです。図5は、事前定義された構造または建物上で連携して動作する、さまざまな独立したアンテナモジュールの例を示しています。

これにより、大きな要素を分散させることで空間的制限が大幅に軽減されますが、実装にはいくつかの課題があります。分散型アンテナアレイには超低レイテンシの接続が必要であり、物理的に離れた場所にある基地局コンポーネントからより適切なタイミングと同期を実現する必要があります。分散型アンテナでは、信頼性の高い接続を実現するためのキャリブレーションも改善する必要があり、分散RANアーキテクチャでの実装では、基地局コンポーネント間の標準化されたインタフェースに基づいた新しいテストケースが導入されます。実装が複雑になるとテストも複雑になり、最近の一般的な傾向としては、各サブシステム接続では、ある程度の統合と完全なin-the-loopシステムレベルテスト (設定が困難) が必要となってきています。

NIとパートナー企業は、従来のRANとOpen RANの両方について、ますます複雑化する基地局コンポーネントのテストがもたらす課題を認識しています。NIは、Open RAN O-RU検証のためにSpirent Communications社と提携しています。これにより、堅牢なエミュレーション機能を使用してO-RUの包括的な検証を行うことができます。NIとそのパートナーの専門知識を活用することで、複雑なワイヤレスインフラストラクチャのテスト開発を合理化できます。 

NIワイヤレスインフラストラクチャテストソリューションに関する詳細情報

全二重へのパス

5G Advancedの速度とパフォーマンスを向上させるもう1つの開発は、全二重伝送の実装です。最近まで、これは高電力では実現できず、WiFiなどの低電力アプリケーションでのみ使用されていました。サブバンド全二重 (SBFDまたはXDD) として知られるこの技術では、超低レイテンシで信頼性の高い接続を実現するために、同じTDD帯域内の重複しない隣接サブチャンネルを使用することで、同時アップリンクとダウンリンクを可能にします。

これは、基地局の自己干渉除去 (SIC) を使用して行われます。これにより、単一チャンネル、サブチャンネル、部分的に重複するチャンネルのペア、または同じ周波数帯域内にあるチャンネルの任意ペアにおける同時伝送を実現できます。これにより、スループットを犠牲にすることなく、スペクトルをより効率的に使用できます。SBFDで必要となるスペクトルは従来のFDDに比べてはるかに少ないのですが、TDDでは不可能な連続ULおよびDL伝送と低レイテンシが維持されます。5G Advancedでは、この開発は主に基地局側に適用され、UE側では大きな変更はありません。

当然ながら、SBFDの実装には多くの技術的課題が伴い、それらに対処する必要があります。ULおよびDL方向の干渉は、同時伝送中により大きくなり、開発中に新しい抑圧技術が必要とされ、テストが実施されます。こうした技術には、RFフロントエンドの新しい回路やフィルタ処理、DPDなどのデジタル実装、またはその他の形式のデジタル信号処理 (DSP) などがあります。いずれの場合も、適切な実装のために、検証、ドキュメント化、解析を行う一連のテストケースが別途必要になるということです。

^{図6:サブバンド全二重 (SBFD) の図}

SBFDは、単一周波数全二重 (SFFD) または双方向通信に同じ周波数を使用する真の全二重を実現するために必要な多くのステップの最初のステップとなる可能性が高いため、重要な開発事項です。全二重は、RFフロントエンド開発における特有の課題です。これは、今後の6G 3GPPリリースにおける技術的課題となり、議論の主要なトピックとなるでしょう。

モバイルミリ波技術の進化

モバイルミリ波技術の大幅な変更が進行中です。統合アクセスバックホール (IAB) によって、自動車や列車の機能が拡張され、サブ6 GHzおよびミリ波のデプロイメントにおけるカバレッジが向上します。さらに、ライセンス不要の5 GHzおよび6 GHz帯域でのサイドリンク操作の最適化、マルチビーム操作、サイドリンクキャリアアグリゲーションは、ネットワーク上のデバイスをさらに統合することで、新しいレベルの接続性と信頼性を実現します。サイドリンクの機能強化には、ユーザが他のユーザを介してネットワークから情報を受信できるように、デバイス間 (UE間) リレーをサポートするメカニズムが含まれます。 

従来の単一のULおよびDL接続とは対照的に、5G Advancedネットワークで動作するデバイスは、接続網とやりとりすることとなり、通信方法が複雑になります。複数の同時UL、DL、サイドリンク接続では、それぞれの情報が周波数、時間、方向、空間でどのように分割されるかは、将来の5GデバイスにおけるRFフロントエンドおよびデジタル信号処理 (DSP) にとってますます複雑なタスクになります。

FR3周波数

ミリ波は、ほんの数年前に予測されてほどにはまだ普及していません。確かにユースケースがあり、超高密度で高トラフィックの応用分野 (例: スタジアムや都心) などのニッチな応用分野では成長が見られますが、広範囲に実装することは技術的に困難でコストがかかることが判明しています。周波数の範囲が狭いため、多数のスモールセルが必要となり、既存のネットワークインフラストラクチャをミリ波周波数に再利用することはできません。

5Gミリ波はゆっくりと普及していますが、ミリ波とネットワークインフラストラクチャ両方の長所を融合できると考えられるスペクトルの範囲が、他にもあります。ミリ波の利点 (高スループットおよび比較的オープンなスペクトル) と、サブ6 GHzセルラーネットワークの利点 (実装の容易さおよび広範囲の対象領域) を組み合わせた別の周波数があります。 

ワイヤレススペクトルのこの「スイートスポット」は、FR3として知られています。FR3は、7.125 GHz～24.25 GHzの周波数で構成され、セルラー通信の妥協点として機能し、サブ6 GHzおよびミリ波周波数が持つ長所と短所のバランスを調整します。 

^{図7:セルラー周波数帯域}

FR3周波数でのテストは、技術的にはミリ波ほど難しくありませんが、UEおよびインフラストラクチャのRFフロントエンドはこれらの周波数のみで動作するわけではありません。サブ6 GHz、FR3、ミリ波周波数は、多くの場合、同じRFフロントエンドやRFシステムで混在して使用されます。これにより、異なる周波数レンジごとにテストケースが増加し、複数の周波数レンジの相互運用性と共存が同時に発生することは間違いありません。

^{図8:PXIe-5842ベクトル信号トランシーバ}

最大26.5 GHzまでの連続周波数帯域を対象とするPXIe-5842は、サブ6 GHzとFR3の両方の周波数でのテスト要件に対応するのに最適であり、統合された将来性のあるテストシステムの中心的な計測器です。

PXIベクトル信号トランシーバに関する詳細情報

AI対応無線インタフェース

5G Advancedの最後の主要な開発事項であり、長期的に見て間違いなく最も大きな影響を与えるものは、NR対応無線インタフェース用のAI/MLです。この開発における変更案が与える影響はまだわかりませんが、業界の多くの主要企業から大きな関心を集めている人気トピックであることは確かです。AI/MLによって、システムのテスト方法が、パラメトリックテスト方法からよりシナリオベースのテスト方法に大きく変わる可能性があります。

AI対応のセルラーネットワークは、以前は人間の介入が必要であったタスクを自動化し、効率を大幅に向上させることができます。これを実現するために、ネットワークインフラストラクチャから収集される大量のデータを利用することで、これらのスマートネットワークでは、複雑な問題の解決や、より汎用性の高いシステムで必要となるソリューションの実装が可能になります。

5G非地上系ネットワーク (NTN)

5G NTNは、5G用に設計された衛星通信の形式であり、衛星を使用して、IoTおよび広帯域接続を実現します。ユースケースはまだ決定されていませんが、UE、コネクテッドカー、固定衛星/放送衛星サービスでの使用が可能であるため、興味深い開発分野となっています。現在でも、多くのUEはなんらかの形でNTN機能を備えて設計されており、既存の携帯電話インフラストラクチャから遠く離れた遠隔地や地方でも、真のグローバル通信を実現する舞台となっています。

この機能により、グローバルな通信方法が変わる可能性がありますが、NTNでは、固有の技術的課題に対処する必要があります。衛星通信の性質上、高レイテンシ、ドップラーシフト、パス損失が発生します。これは、UEと衛星との距離が長いこと、静止した物体に対して高速であること、および送信信号に対する仰角、ビームフットプリント、大気干渉の影響によるものです。さらに、NTN通信用に提案されている周波数の一部は、Lバンドのわずか数MHzから、帯域幅が最大5 GHzまでのKaまたはKuバンドまでの範囲におよび、さまざまな波形による幅広い動作が確認できます。

^{図9:異なる衛星位置における異なる量のドップラーシフト}

5G以降のNTNテストの詳細

これまでさまざまなトピックが議論されてきました。これらのトピックは、5G Advancedデバイスの設計、検証、製造を担当するエンジニアに対して、それぞれ独自の意味を持つトピックでした。状況に応じた考慮事項が数多く議論されてきましたが、ほとんどの5G Advanced開発を横断する、いくつかの一般論について説明します。

そのうちの1つは、5G Advancedの開発の副作用としてテストケースが大幅に増加することです。新しい5G Advancedデバイスには、それぞれ構成可能なパラメータが多数あり、それぞれをさまざまなテストケースで検証する必要があります。より多くの変調タイプから、異なる周波数での複数のアンテナアレイ、ULおよびDLの同時接続、サイドリンクUE間伝送、電力効率に関する考慮事項に至るまで、5G Advancedでは検証が必要となるさまざまなシナリオがあります。これにより、テストケースの数が大幅に増加します。つまり、デバイス検証を繰り返し実行する効率的な方法は、収集されたデータから意味のある洞察を維持しながら、市場投入までの時間を短縮するための鍵となります。

もう1つの例は、これらの開発を可能にするために必要な仕様の継続的な更新です。ただし、新しいテストケースと計測が組み込まれ、仕様が満たされていることを確認するための追跡を行うことが困難な場合もあります。四半期ごとにリリースされ、RFmx NRなどの標準仕様の特性を備えたRFmxは、標準ベースの計測に役立つツールです。

^{図10:ワイヤレステストアプリケーション用の完全なハードウェア/ソフトウェアソリューション}

ここで説明した以外にも、携帯電話技術の発展に伴い、ユニークで斬新なテスト要件が、数多く登場することになるでしょう。NIは、次世代や未来の世代のワイヤレス通信の開発に必要なツール、ワークフロー、システムを提供することで、これらの取り組みのパートナーとなることを目指しています。将来のワイヤレス通信の準備に向けてNIがどのようにサポートできるかについては、NIにお問い合わせいただくか、テクニカルエキスパートにご相談ください。

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