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ホワイトペーパー

5G テクノロジー

解説 By Vladan Jevremovic, PhD and Ali Jemmali, PhD

５G テクノロジーの解説 2

目次 1 はじめに……………………………………………………………………………………3 2 周波数範囲…………………………………………………………………………………3 3 主要な 5G 機能…………………………………………………………………………….4

3.1 数秘学……………………………………………………………………………4 3.2 帯域幅分割……………………………………………………………………....6 3.3 スロット形式………………………………………………………………………7

4 5G 信号……………………………………………………………………………………84.1 基準信号…………………………………………………………………………8

4.1.1 CSI-RS（チャンネル状態情報参照信号）

…………………………………………………………………………………8 4.1.2 PDSCH DM-RS ……………………………………………………..9 4.1.3 PT-RS ………………………………………………………………..9

4.2 同期信号…………………………………………………………………………9 4.3 コアセット………………………………………………………………………10

5 物理層測定機能………………………………………………………………………....11 5.1 SS 参照信号受信電力（SS-RSRP）……………………………………..…..11 5.2 CSI 基準信号受信電力（CSI-RSRP）……………………………………..…11 5.3 SS 基準信号受信品質（SS-RSRQ）………………………………………....11 5.4 CSI 基準信号受信品質（CSI-RSRQ）……………………………………….12 5.5 SS ノイズ対干渉比（SS-SINR）……………………………………………....12 5.6 CSI 信号対雑音および干渉比………………………………………………..12

6 アンテナビームフォーミング技術………………………………………………………...12 6.1 基本的なビームフォーミングの原則………………………………………...…13 6.2 アナログビームフォーミング…………………………………………………....13 6.3 デジタルビームフォーミング………………………………………………..…. 146.4 ハイブリッドビームフォーミング……………………………………………..… 14 6.5 ビーム成形アンテナの理論設計…………………………………………..…. 15

7 結論…………………………………………………………………………………….... 22 8 参考文献……………………………………………………………………………..….. 22 9 付録…………………………………………………………………………………..….. 23 iBwave について………………………………………………………………………..….. 25


1 はじめに 5G ネットワークは、3GPP リリース 16（フェーズ 1）およびリリース 17（フェーズ 2）とも呼ばれ、携帯電

話技術の分野に多くの技術革新をもたらすはずです。新しいネットワークは、マシンツーマシン通信

（M2M）やモノのインターネットを対象とした非同期の低データレートアプリケーションから、ビデオゲー

ムなどの低レイテンシーの超高データレートアプリケーションまで、その他中間にあるもの全て幅広い

多様なアプリケーションを提供できます。 5G ネットワークは、以前のものとは異なり、広範囲の周波数

帯域に配備されます。サブ 6 GHz は、モバイル受信の全面的な都市全体のカバーに使用されます

が、ミリ波周波数（24 GHz 以上）は、住宅地、スタジアム、コンベンションセンター、屋内ホットスポット

を対象とする適時的な固定大容量受信地域に適しています。このホワイトペーパーでは、主要な 5G機能、5G 信号、レイヤー1 測定機能、アンテナビームフォーミング技術に焦点を当てています。 2 周波数範囲 [1]によると、2 つの周波数範囲があります。

表 1：5G の周波数範囲 FR1 はサブ 6GHz とも呼ばれます。 3 GHz 未満の帯域の部分は低帯域とも呼ばれ、3 GHz と 6 GHz の間の部分は中間帯域と呼ばれます。6 GHz 未満の帯域は、この周波数範囲の伝搬特性が包

括的なセル受信に適しているため、都市全体の覆域に使用されます。 FR2 はミリ波帯とも呼ばれます。このバンドは、適時的な配備に使用され、スタジアム、公園、スポーツ

アリーナ、およびユーザー密度が高く、モビリティが低い他のエリアで覆域を提供します。 FR2 は、イン

ターネットアクセスとバックホール（中継）接続の両方として、ファイバーの固定ワイヤレス代替としても

使用されます。利用可能なサブ 6GHz 帯域は付録 A にリストされており、ミリ波帯域の利用可能な帯域は表 2 に示さ

れています。

表 2：FR2 の動作帯域[1]、表 5.2-1


3 主な 5G 機能 3.1 数秘学 5GPhysical Layer (物理層) は、その前身である LTE とよく似ており、OFDMA テクノロジーに基づい

ています。一言で言えば、OFDMA テクノロジーはリソースブロックとも呼ばれる時間周波数グリッドに

依存しています。このグリッドでは、最短時間単位は”OFDMA シンボル”と呼ばれ、最小周波数単位

は”サブキャリア間隔”と呼ばれます。リソースブロックは、14個の OFDMA シンボルと 12個のサブキ

ャリアで構成されます。 OFDMA に関しては、LTE を 5G の”特別なケース”と見なすことができるので

LTE での OFDMA の仕組みを思い出すことから始めるのが理にかなっています。 LTE では、サブキ

ャリア間隔（SCS）は 15 kHz であるため、LTE RB は 180 kHz 幅です。 14個の OFDMA シンボル

は、1 ミリ秒の持続時間を持つタイムスロットを構成します。 1 つの LTE フレームに 10個のタイムスロ

ットがあります。これを図 1 に示します。

図 1：LTE リソースブロック（a）および LTE フレーム（b） 5G では、”数秘学”の概念が導入されており、オペレーターはさまざまな SCS オプション（15、30、60、

120、240、または 480 kHz）から選択できます。 SCS と OFDM シンボルの持続時間の関係は反比例

します。サブキャリア間隔が大きいほど、OFDM シンボルの持続時間は短くなります。したがって、より

広い SCS の数秘学では、リソースブロックの周波数は広くなりますが、時間は短くなります。また、数


字の高い数秘学は、数字の低い数秘学よりもフレーム内のタイムスロットが多いことを意味します。こ

れを図 2 に示します。SCS= 30 kHz（μ = 1）のリソースブロックと、対応する 10 ms フレームのタイム

スロットカウント（20）が示されています。

図 2：数秘学μ = 1（a）および 5G フレーム（b）のリソースブロック図 1 と図 2 を比較すると、サブキャリア間隔が 2倍になると、フレーム内のスロット数も 2倍になること

がわかります。これは、OFDMA テクノロジーのよく知られた特徴であり、6 つの数秘学オプションすべ

てについて表 1 に要約されています。

数秘学 µ サブキャリア間隔 (kHz)

スロット持続時間 (µs)

フレームあたりのス

ロット数 0 15 1000 10 1 30 500 20 2 60 250 40 3 120 125 80 4 240 62.5 160 5 480 31.25 320

表 1：5G 数秘学オプション


サブキャリアの間隔が広いほど帯域幅が占有されるため、RF チャンネルごとのリソースブロックが少

なくなり、数秘学のオプションが増えます。 6 GHz 未満の周波数範囲 1（FR1）では、15、30、および

60 kHz の SCS が配分されます。 RF チャンネルごとの RB の数を表 2 に示します。

表 2：FR1 の RF チャンネルあたりの RB の数 [2] 表 5.3.2-1 ミリ波の周波数範囲にある FR2 の場合、現在の SCS オプションは次のとおりです。

表 3：FR2 の RF チャンネルごとの RB の数[1]表 5.3.2-1 3.2 帯域幅分割 SCS の選択に関しては多くのオプションがあり、5G モバイルネットワークの設定に関してモバイルネッ

トワークオペレーターに柔軟性を与えます。さまざまなアプリケーションにはさまざまな要件があるた

め、この柔軟性は重要です。 IoT には 1平方キロメートルあたりのユーザー密度が高く、ビデオゲーム

には低レイテンシが必要で、UHD ビデオストリーミングには大きなスループットが必要です。これらを管

理するために、帯域幅分割と呼ばれる新しい機能が導入されました。帯域幅分割（BP）により、同じ

RF チャンネル内で異なる数秘学を割り当てることができます。そのためには、RF チャンネル内の各パ

ーティションに対して、パーティション内の RB の数、そのパーティションの SCS、および CORESET を

指定する必要があります。図 3 は、20 MHz FDD RF チャンネルを 3 つの帯域幅部分に分割する例を示しています。帯域幅パー

ト 1 には SCS = 15 kHz および 40 リソースブロック（7.2 MHz）、帯域幅パート 2 には SCS = 30 kHzおよび 10 リソースブロック（3.6 MHz）、帯域幅パート 3 には SCS = 60 kHz および 10 リソースブロッ

ク（7.2 MHz）があります）。


図 3：帯域幅部分に分割された RF チャンネルの例帯域幅部分は、連続的に送信する必要も、同じ持続時間を持つ必要もありません。個々の帯域幅部分

を定義する場合、各 BP 内のリソースブロックの番号は常にゼロから始まります。たとえば、上記の

BWP2 では、RB には 0 から始まる番号が付けられています。つまり、BWP2 には 10 RB があるた

め、BWP2 の最初の RB は RB0 で、最後は RB9 です。各 BWP の帯域幅は、同期信号（SS）ブロックの帯域幅以上である必要がありますが、SS ブロックを

含む場合と含まない場合があります。ダウンリンクでは、一度にアクティブにできる帯域幅部分は 1 つ

だけです。 UE は、アクティブな帯域幅部分の外側で、ダウンリンクで PDSCH、PDCCH、CSI-RS、ア

ップリンクで PUSCH または PUCCH を受信することは要求されていません。各帯域幅部分には、UE Specific Search Space（USS）を含む少なくとも 1 つの CORESET が含まれます。 3.3 スロット形式ペアリングされていない（TDD）スペクトルを所有している LTE モバイルネットワークオペレーターに

は、LTE スロットをアップリンクおよびダウンリンクトラフィックに割り当てる際に、7 つの事前定義オプシ

ョンがあります。ダウンリンクスロットの数は少なくとも 2、最大で 7 で、アップリンクスロットの数は少な

くとも 1、最大で 6 です。バッファスロットは UL スロットと DL スロットの間にあり、とりわけ、反対側の間

にガード期間を提供します。トランスミッション。 5G は、UL および DL 伝送の指定に関して、さらに柔軟性が有ります。オペレーターは、0.5ms、

0.625ms、2.5ms、5ms、および 10ms の値を取ることができる送信周期を指定できます。指定された

周期性内で、DL から ULへの送信方向の変更は 1 つだけです。したがって、バッファスロットは 1 つだ

けです。送信期間内の連続する DL スロットの数と連続する UL スロットの数も指定されます。バッファ

スロット構成も、連続する DL シンボル、連続する UL シンボル、およびその間のブランク OFDM シン

ボルの数によって指定されます。スロットの構成オプションを付録の表 2 に示します。


TDD 5G スペクトルを構成する方法の例を挙げましょう。 SCS = 30 kHz で送信周期が 5 ミリ秒の

BWP を想定します。 SCS = 30 kHz の数秘学では、10 ミリ秒のフレームに 20 スロットがあるため、5ミリ秒の送信周期内に 10 スロットがあります。 DL に 6 つのスロットを割り当てましょう。これらの DLスロットには、付録表 2 のフォーマット 0構成があります。UL に 3 つのスロットを割り当てましょう。これ

らのスロットには、同じテーブルからのフォーマット 1構成があります。中央のバッファスロットでは、フ

ォーマット 27 を選択します。このスロットの最初の 3 つのシンボルは DL、最後の 3 つは UL、フレキシ

ブルシンボルは DL と UL の間のガードとして機能するブランクシンボルとして割り当てられます。。こ

れを図 4 に示します。

図 4：TDD UL / DL構成の例各周期は DL スロットで始まり、UL スロットで終わります。 4 5G 信号このセクションでは、基準信号、同期信号、および CORESET 信号について説明します。 4.1 基準信号 5G では多くの種類の基準信号が使用されます。ただし、5G にはセル固有の基準信号はありません。

代わりに、復調基準信号（DMRS）が PDSCH、PDCCH、および PBCH 信号の復調に使用されます。 5G で使用される基準信号は次のとおりです。 •CSI取得およびビーム管理に使用される CSI-RS •PDSCH復調に使用される PDSCH DMRS •PDCCH復調に使用される PDCCH DMRS •PBCH復調に使用される PBCH DMRS •PDSCH の位相追跡に使用される PT-RS •時間追跡に使用される追跡基準信号 4.1.1 CSI-RS（チャンネル状態情報基準信号） CSI-RS（チャンネル状態情報基準信号）は 5G の新しい信号です。この信号の送信電力は、DM-RSの送信電力とは別に定義する必要があります。


CSI-RS リソース要素は、PDSCH が送信されるのと同じ OFDM シンボル内で送信されます。 CSI-RS は次のように指定されます。 • 周波数ドメインでは、CSI-RS は 1 つの OFDM シンボルあたり 2 つまたは 4 つの RE • 時間領域では、CSI-RS は 1、2、または 4 つの OFDM シンボルで送信できます。 • CSI-RS は、フレーム内の 1 つまたは 2 つのスロットで送信できます。 • CSI の繰り返し。5、10、20、40、80、160、320、640 スロットのスロット周期によって定義されます。 [2]表 7.4.1.5.2-6 • スロット内の CSI-RS の位置を[2]表 7.4.1.5.2-1 に示します 4.1.2 PDSCH DM-RS PDSCH の DM-RS は、 •DM-RS の最大長、シングルまたはダブルシンボル。 •構成タイプ、タイプ 1 またはタイプ 2。 •PDSCH マッピング、タイプ A または B 各 PDSCH マッピングタイプについて、12個のサブキャリアと 14個のシンボルのリソースグリッド内の

DM-RS の数とシンボル位置は、パラメータ DL-DMRS-add-pos によってさらに構成されます。詳細な PDSCH DM-RS仕様は、[3]、セクション 7.4.1.1 にリストされています。 4.1.3 PT-RS PT-RS は、PDSCH の DM-RS と同じ RB で送信されます。 PT-RSユーザー定義パラメーターは次の

とおりです。 •時間密度、L_PTRS（1、2、または 4） •DM-DMRS-add-pos（0、1、2、3） •周波数密度、K_PTRS（2、4）詳細な PT-RS仕様は、[3]、セクション 7.4.1.2 にリストされています。 4.2 同期信号 NR では、同期信号（SS）と物理ブロードキャストチャンネル（PBCH）はブロックとしてグループ化され、

SS ブロックとして NR リソースグリッドにマッピングされます。同期信号ブロックのコンポーネントは次

のとおりです。同期信号

• プライマリー同期信号（PSS） • セカンダリー同期信号（SSS）


物理ブロードキャストチャンネル（PBCH） • PBCH DMRS • PBCH データ

周波数ドメインでは、SS / PBCH ブロックは連続した 240個のサブキャリア（RE）を占有します。これ

は 20 RB に相当します。時間領域では、SS / PBCH ブロックは 4 つの連続した OFDM シンボルに存

在します。次の図は、SS / PBCH ブロックの時間周波数領域の割り当てを示しています。

図 5：SS / PBCH ブロック時間領域での SS / PBCH ブロック送信のパターンまたは繰り返しは、5、10、20、40、80、または 160 msごとに 1回指定できます。時間領域[4]-セクション 4.1 は、SS / PBCH ブロックの番号と最初のシン

ボルインデックスを指定し、FR1 の場合はケース A から C、FR2 の場合は D と E の 5 つの異なるケ

ースが定義および番号付けされました。 4.3 コアセット CORESET（コアセット）は、PDCCH リソース要素の新しい名前です。 LTE とは異なり、PDCCH は周

波数帯域全体に送信されません。代わりに、周波数と時間の帯域の小さい部分が PDCCH 信号に対

して定義されます。 PDCCH が送信される同じシンボル内の残りのリソース要素は、PDSCH リソース

要素に使用できます。これによりオーバーヘッドが削減されます。 CORESET のユーザー定義パラメーターは次のとおりです：

• 連続する OFDM シンボルの数、CORESET 時間、m（m = 1、2、または 3） • CORESET がスロットで送信される回数（m / 14 未満でなければなりません） • フレームごとの CORESET スロットの数（フレームごとの最大スロット数より少なくする必要が

あります） • 1 つの CORESET シンボルごとに割り当てられた REG の数。 REG は 1 つのシンボル内の

12 リソース要素であり、REG の数は 6 の倍数でなければなりません。


5 物理層測定機能 LTE では、RSRP、RSRQ、RS-SINR、および RSSI の 4 つの主要な物理層測定値が上位に報告さ

れます。最初の 3 つは、LTE チャンネルで測定された基準信号（RS）とその受信強度、信号品質、およ

び信号対干渉とノイズ比に関連しています。 5G では、信号強度、信号品質、SINR という同じ概念を 2 つの信号（同期信号（SS）とチャンネル状態

情報（CSI））に適用します。両方とも独自の参照信号を伝送します。 [5]にある関連定義とともに、ここ

にそれらをリストします。 5.1 SS 基準信号受信電力（SS-RSRP） SS 基準信号受信電力（SS-RSRP）は、2 次同期信号（SS）を伝送するリソース要素の電力寄与（W）

の線形平均として定義されます。 SS-RSRP の測定時間リソースは、SS / PBCH ブロック内に限定さ

れます。 SS-RSRP は、同じ SS / PBCH ブロックインデックスと同じ物理層セル ID を持つ SS / PBCH ブロックに対応する参照信号の間でのみ測定されます。周波数範囲 1 の場合、SS-RSRP の基準点は UE のアンテナコネクタです。周波数範囲 2 の場合、

SS-RSRP は、特定の受信ブランチに対応するアンテナ要素からの結合信号に基づいて測定するもの

とします。いずれかの周波数範囲で受信ダイバーシティが UE で使用されている場合、報告された SS-RSRP値は、個々の受信ブランチの対応する SS-RSRP より低くなってはなりません。 5.2 CSI 基準信号受信電力（CSI-RSRP） CSI 参照信号の受信電力（CSI-RSRP）は、構成された CSI-RS の機会で考慮される測定周波数帯域

幅内で RSRP 測定用に構成された CSI 参照信号を運ぶリソース要素の電力寄与（W単位）の線形平

均として定義されます。周波数範囲 1 の場合、CSI-RSRP の基準点は UE のアンテナコネクターです。周波数範囲 2 の場

合、CSI-RSRP は、特定の受信ブランチに対応するアンテナ要素からの結合信号に基づいて測定する

ものとします。 UE がいずれかの周波数範囲で受信機ダイバーシティを使用している場合、報告される

CSI-RSRP値は、個々の受信機ブランチの対応する CSI-RSRP より低くなってはなりません。 5.3 SS 基準信号受信品質（SS-RSRQ）セカンダリー同期信号基準信号の受信品質（SS-RSRQ）は、NRキャリア RSSI に対する SS-RSRQの N倍の比率として定義されます。ここで、N は NRキャリア RSSI 測定帯域幅のリソースブロックの

数です。分子と分母の測定は、同じリソースブロックのセットで行われます。 NRキャリア受信信号強度インジケーター（NRキャリア RSSI）は、すべてのソースからの N個のリソ

ースブロックにわたって、測定帯域幅で、測定時間リソースの特定の OFDM シンボルでのみ観測され

る総受信電力（W）の線形平均を含みます、同一チャンネルの稼働中セルと非稼働セル、隣接チャンネ

ル干渉、熱雑音などを含みます。測定時間リソースは、SS / PBCH ブロック測定時間設定ウィンドウ期

間内に制限されます。


5.4 CSI 基準信号受信品質（CSI-RSRQ） CSI 参照信号品質（CSI-RSRQ）は、CSI-RSSI に対する CSI-RSRP の N倍の比率として定義されま

す。ここで、N は CSI-RSSI 測定帯域幅のリソースブロックの数です。分子と分母の測定は、同じリソー

スブロックのセットで行われます。 CSI 受信信号強度インジケーター（CSI-RSSI）は、測定時間リソースの OFDM シンボルでのみ観測さ

れる総受信電力（W）の線形平均を含みます。測定帯域幅では、同一チャンネルの稼働中セルと非稼

働中セル、隣接チャンネル干渉、熱雑音などを含む、すべてのソースからの N個以上のリソースブロッ

ク。CSI-RSSI の測定時間リソースは、CSI- RS の機会。 5.5 SS の信号対雑音および干渉比（SS-SINR） SS 信号対雑音および干渉比（SS-SINR）は、二次同期信号を搬送するリソース要素の電力寄与の線

形平均を、リソース要素の雑音および干渉電力寄与の線形平均（W）で除算して定義されます。同じ周

波数帯域幅内でセカンダリー同期信号を伝送します。 SS-SINR の測定時間リソースは、SS / PBCHブロック測定時間設定ウィンドウ期間内に制限されます。 SS-SINR の決定には、セカンダリー同期信号に加えて、物理ブロードキャストチャンネル（PBCH）の復

調基準信号を使用できます。 5.6 ノイズと干渉の比率に対する CSI 信号 CSI 信号対雑音および干渉比（CSI-SINR）は、CSI 参照信号を運ぶリソース要素の電力寄与（W）の

線形平均を、雑音および干渉電力寄与の線形平均で割ったものとして定義されます。CSI 信号対雑音

および干渉比（CSI-SINR）は、CSI 参照信号を伝送するリソース要素の電力寄与（W）の線形平均を、

雑音および干渉電力寄与の線形平均（W）で除算して定義されます。同じ周波数帯域幅内で CSI 参

照信号を伝送するリソース要素上。 6 アンテナのビームフォーミング技術従来の無線通信システムでは、送信機に 1 つのアンテナを使用し、受信機に 1 つのアンテナを使用し

ていました。情報理論の進化により、送信機と受信機で複数のアンテナを使用して、無線通信システム

のスペクトル効率を向上させることが可能になりました。これは、MIMO ワイヤレス通信システムとして

よく知られています。 MIMO システムでは、アンテナ要素の数は通常、空間層（ストリーム）の数に依存

します。たとえば、LTE の 4X2 MIMO スキームでは、基地局に 4 本の送信アンテナ、エンドユーザー

デバイスに 2 本の受信アンテナが必要です。 5G ワイヤレス通信では、ビームフォーミングおよびビームステアリング・アンテナアレイが使用されま

す。ビームフォーミングとは、アンテナエレメントのセット（アンテナアレイ）からのビームの基本的な形成

を指します。信号ビームの形状と方向は、アンテナ間隔と各アンテナ要素の位相と振幅に基づいて制

御できます。ビームステアリングは、ビームの方向を動的に変更できるようにすることで、ビームがさら

に一歩前進するという概念を取り入れています。これは、各アンテナ要素の位相と振幅をリアルタイム

で変更することで実現できます。これはソフトウェアで実行されます。


6.1 基本的なビームフォーミングの原則前述のように、ビームフォーミングアンテナはアンテナ要素で構成されています。このようなアンテナシ

ステムの基本的な構成は、すべての要素が直線状に配置され、要素間のアンテナ距離が均一になる、

よく知られた Uniform Linear Antenna Array（ULAA）です（図を参照）。

図 6：均一な線形アンテナアレイ実装に応じて、3 つの異なるビームフォーミング・アーキテクチャーーが可能です。

• アナログビームフォーミング • デジタルビームフォーミング • ハイブリッドビームフォーミング

6.2 アナログ・ビームフォーミングアナログ・ビームフォーミング・アーキテクチャーーでは、ベースバンド信号はまず変調され、RF 周波数

にアップコンバートされ、次に増幅され、アレイ内のアンテナ間で分割されます。各アンテナには、独自

の位相シフターと振幅減衰器があります。このアーキテクチャーでは、移相器と振幅減衰器のプロセス

が RF 信号のアナログ領域に適用されます。アナログアーキテクチャーはシンプルで、最小限のハード

ウェアしか必要とせず、ビームフォーミング・アンテナアレイを構築するための最も費用対効果の高いソ

リューションと考えられています。ただし、欠点は、一度に 1 つの信号ストリームと 1 つのビームしか生

成できないという事実です。基本的な原理を次の図に示します。


図 7：アナログ・ビームフォーミング・アーキテクチャー 6.3 デジタル・ビームフォーミング移相器（フェイズシフター）と振幅減衰器のプロセスは、送信信号のデジタル領域に適用されます。デジ

タル信号ストリームは、複数のデジタルストリーム、1 つのストリームから 1 つのアンテナに分割されま

す。次に、個々のデジタルストリームには、デジタルドメインで一意の位相シフトと振幅が割り当てられ

ます。アンテナエレメントに給電する前に、各デジタルストリームに個別の電力増幅器が必要になりま

す。このアーキテクチャーの利点は、同時に狭いビームが生成され、各ビームに固有の信号があることで

す。したがって、デジタルアンテナアレイのアンテナと同じ数のユーザーに同時にサービスを提供でき

ます。ただし、ハードウェアの複雑さと実装コストの増加が欠点です。デジタルビームフォーミングアー

キテクチャーの基本原理を次の図に示します。

図 8：デジタル・ビームフォーミング・アーキテクチャー 6.4 ハイブリッド・ビームフォーミング 2 つのビームフォーミング・アーキテクチャーには、それぞれ独自の欠点と利点があります。両方の方

法を組み合わせた 3番目のオプションは広く使用されており、ハイブリッド・ビームフォーミングとして知

られています。このハイブリッドアプローチでは、限定された数のデジタルストリームが複数のアナログ


ビームフォーマーに供給されます。このスキームは、実装の複雑さ、コスト、柔軟性の妥協点を提供し

ます。ハイブリッドアーキテクチャーを次の図に示します。

図 9：ハイブリッドビームフォーミングアーキテクチャー 6.5 ビーム成形アンテナの理論設計アンテナアレイ理論に基づいて、ビームフォーミングアンテナをシミュレートして設計できます。非常に

一般的なアンテナアレイ構成は、長方形の形状を形成する直交軸上にアンテナエレメントが配置され

る均一な長方形アンテナアレイです。このタイプのアンテナジオメトリは、水平軸と垂直軸の要素数によ

って特徴付けられます。たとえば、8X8 アンテナアレイには合計 64個のアンテナ要素があり、16X16アンテナアレイには合計 256個のアンテナ要素があります。 2 つのアンテナの例のアレイジオメトリを

次の図に示します。

図 10：均一な長方形のビームフォーミングアーキテクチャー水平および垂直の理論上の放射は、アンテナの間隔に依存します。


図 11：アンテナ間の間隔が 28GHz でDx= D y= l/2の 8X8均一長方形アンテナアレイの放射パターン

図 12：アンテナ間の間隔が 28GHz でDx= D y= l/2の１６X１６均一長方形アンテナアレイの放射パターン上記から、アンテナ要素の数が増えると、ビームが狭くなり、サイドローブの数が増えることがわかりま

す。 8X8 アンテナアレイの場合、水平ビーム幅は 16°ですが、16X16 アレイの場合、水平ビーム幅は

8°です。両方の配列の x および y方向の要素数が等しいため、垂直ビーム幅は同じです。 2 つの平

面で異なるビーム幅のアンテナを設計する場合、x方向と y方向のアンテナの数は異なる必要があり

ます。たとえば、水平面のビーム幅を垂直面よりも大きくするアンテナを設計する場合、水平面の要素

数は垂直面の要素数よりも少なくする必要があります。


従来の無線ネットワークでは、基地局のアンテナは特定のエリアをカバーするために使用されます。こ

れは”セクター化”と呼ばれます。一般に、360o のカバレッジエリアは、それぞれ 120o の 3 つの異なる

セクターに分割されます。複数のアンテナアレイを使用すると、120o セクターをさまざまな狭いビーム

でカバーできます。たとえば、次の図に示すように、120°セクターは 7 本の狭いビーム（各 16°）でカバ

ーできます。

図 13：7 本の狭ビームアンテナ（各 16°）を備えた 120°セクターこれらの 7 本のビームは、水平面で 120°をカバーします。垂直面で 80°をカバーする必要がある場合

は、5列の 16°ビームアンテナを使用する必要があります。したがって、水平面で 120°、垂直面で 80°をカバーするには、7x5 = 35 ビームが必要です。これは、iBwave Design での一般的な 8x8均一長方形アンテナアレイの外観です。


図 14：35 ビームの 8X8汎用 ULAA

16X16 アレイの場合、ビーム幅は 8°で、水平面には 13 本のビームが必要です。 40度の垂直面で

は、5行のビームが必要です。合計で、120度の水平面と 40o の垂直面でセクターをカバーするに

は、5x13 = 65 ビームが必要です。

図 15：65 ビームの 16X16汎用 ULAA

アナログアレイでは、一度に 1 つのビームしか生成できません。したがって、カバレッジ予測は一度に

1 つのビームを示します。たとえば、0度の水平面および 0度の垂直面でのビームの予測は、次のよう

になります。


図 16：一般的な 16x16 および 8x8 ULA のシングルビームカバレッジただし、ビームごとに予測を個別に実行しても、すべてのビームの全体的な予測を確認することはでき

ません。全体的なカバレッジを確認するために、使用可能なすべてのビームに基づいて結合ビームを

生成できます。これにより、結合セクターカバレッジが得られます。

図 17：16x16 および 8x8 ULA のすべてのビームとセクターカバレッジの組み合わせこれまでに提示された構成は、単一のビームがセクターで形成される SISO構成です。 2X2 MIMO構成では、2 つの MIMO アンテナから 2 つの信号が送信されます。 2x2 MIMO アンテナアレイの設計に

は 2 つの方法があります。2 つのアンテナを異なる偏波で配置する（交差偏波アンテナ）か、直線偏波

アンテナを一定の距離だけ離すことです。前者のソリューションは、スペースを節約するため、より実用

的なソリューションです。各場所に交差偏波アンテナを備えた 8x8 アンテナアレイの例を以下に示しま

す。


図 18：8x8x2交差偏波アンテナアレイ

アンテナアレイを使用する利点は 2 つあります。高ゲインは信号範囲を改善します。狭いビームは、ワ

イドビームアンテナを使用した従来のセクター化の場合と比較して、近くのセクターが同時に稼働中セ

クターと同じ方向に送信する可能性が減少するため、非稼働中セクターからの干渉を低減します。これ

を次の図に示します。

図 19：狭い 5G セクタービームと広い 4G セクタービーム


5G でのビームフォーミングのサポートには、異なるビームを区別する機能が必要です。 UE は、さまざ

まなビームを受信し、データ送信または制御チャンネル情報に最適なビームを選択できる必要があり

ます。この種のサポートは、SS / PBCH ブロックの物理リソースの特別な設計により可能です。時間領

域での SSB のパターンは時限シーケンスで作成されるため、各 SSB は異なるビームで送信できま

す。これを次の図に示します。

図 20：異なる狭ビームで送信された異なる SSB シーケンスセクター全体をカバーする必要がある 8 つのビームで送信できる 8 つの一意の SSB シーケンスがあ

ります。 120°x 60°セクターの場合、8 つの 30°x 30°ビームを使用できます。これらは、そのセクターに

登録されている UE がない場合でも、継続的に送信するビームです。ただし、実際のデータはより狭い

ビームで送信され、PDSCH を伝送します。したがって、単一の SSB ビームと同じ空間をカバーする複

数のより狭い PDSCH ビームがあります。セクタ内の UE の位置をさらに調整し、そのセクタに接続さ

れている UE に適切な PDSCH ビームを割り当てるには、より狭いビームで送信される CSI-RS 信号

が使用されます。アナログビームフォーミングは SINR のみを改善しますが、デジタルビームフォーミングは SINR と容

量を改善します。デジタルビームフォーミングでは、アレイエレメントに供給する前に複数のストリーム

を形成して重ね合わせることができます。このアプローチにより、1 つのアンテナアレイが複数のビー

ムを同時に生成し、各ビームが一意のユーザーセットにサービスを提供できるようになります。周波数

領域と時間領域で同じ PRB リソースを持つ複数のユーザーセットにサービスを提供すると、総セルス

ループット、つまりセル容量が向上します。


7 結論このホワイトペーパーでは、動作周波数、数秘術、帯域幅分割、スロット形式、アンテナビームフォーミ

ング技術の 5G 機能を詳細に説明しました。また、参照信号、同期信号、および PDCCH 信号の構成

の変更についても説明しました。 5G には LTE よりも多くの参照信号があるため、オーバーヘッドを削

減するにはこの変更が必要でした。同じ理由で、現在 CORESET 信号と呼ばれている PDCCH 信号

の数も削減されます。 3GPP で定義されている物理層測定機能も提示されます。これは、5G ネットワ

ークの設計に使用される重要なパフォーマンスインジケータであるためです。 5Gへの移行を効率的に

するには、建物調査、RF 計画と設計、およびファイルストレージ用の標準プラットフォームを使用する

必要があります。 iBwave Solutions は、設計プロセスを簡素化して、建物内ネットワークの最適化を

確保し、冗長性を排除し、プロジェクトの完了時間を短縮します。 8 参考文献 [1] 3GPP TS 38.101-2 v15.3.0、2018年 9月 [2] 3GPP TS 38.101-1 V15.3.0、2018年 9月 [3] 3GPP TS 38.211 v15.0、2017年 12月 [4] 3GPP TS 38.213 V2.0.0 2017年 12月 [5] 3GPP TS 38. 215 V15.0、2018年 9月


9 付録

表 A-1：NR で利用可能なサブ 6 GHz 帯域


表 A-2：スロットのフォーマット


iBwave について

統合された屋内ネットワーク計画の標準である iBwaveソリューションは、ビル内の優れたワイヤレス

エクスペリエンスの背後にあるパワーであり、数十億のエンドユーザーとデバイスが幅広い会場内で接

続できるようにします。世界的な業界のリファレンスとして、当社のソフトウェアソリューションは、規模、

複雑さ、技術に関係なく、あらゆるプロジェクトのよりスマートな計画、設計、展開を可能にします。革新

的なソフトウェアに加えて、100 か国での世界クラスのサポート、業界で最も包括的なコンポーネントデ

ータベース、定評のある認定プログラムが認められています。詳細については、www.ibwave.com を

ご覧ください。

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