プロダクトF『ミリ波ブースター』～ローカル5Gの弱点に挑め！～

従来に比べて、機能性やパフォーマンスが大幅に向上した次世代通信規格“5G”。最大20Gbps以上の超高速通信をはじめ、超低遅延や同時多接続など、ユーザビリティを激的に改善できると期待されている。

とはいえ、5Gは導入に際しての課題も抱えており、導入の遅れが指摘されていた。その解決策のひとつとしてFCNTで開発されたのが『ミリ波ブースター』だ。ケースを装着するだけで5Gの通信性能（電波強度）を向上する本プロダクトの実力と、誕生までのプロセスに迫る。

5G通信の長所を最大限に引き出せるミリ波

5Gは、2020年3月に商用サービスの提供がはじまり、着々と対応エリアを拡大している。現在、普及が進んでいるサービスは“Sub6”という周波数帯が主流だが……実は、このSub6、5Gのメリットを十分に引き出せないのだ。

そもそも、5Gの商用サービスには周波数帯の異なる“Sub6”と“ミリ波”という2種類が存在する。

Sub6とミリ波の比較表

Sub6は、3.7GHzまたは4.5GHzの周波数帯。4G向けの技術や設備を転用できるため、導入しやすいのが特徴。その反面、通信速度や同時接続など、5Gのメリットが十分に引き出せない。通信速度のテストでは“4Gとあまり変わらない”という報告もある。

一方、ミリ波は28GHzの周波数帯で、電波の届くエリアが狭くなるものの、20Gbpsの超高速通信（2時間の映画を約3秒でダウンロード可能）をはじめとした5Gのメリットを存分に引き出せるのが特徴で、“真の5G”と言える周波数帯である。主に『ローカル5G』というソリューションで利用され、たとえば、工場の検品作業や設備点検の安全管理、施設内のセキュリティなどに活用されている。

工場の検品作業

4K以上の高精細な映像なら、スタッフの手元までハッキリ確認でき、ネットを経由して組立作業をしているスタッフを支援することも可能。画像分析AIと組み合わせれば、不良パーツの選別や製品の検品などにも役立つ。

設備点検の安全管理

高所など点検しづらい場所は、4K/8Kカメラを搭載したドローンで撮影。映像が高精細なら保守の状況も的確に判断できる。また、超低遅延を実現できる5Gなら、遠隔操作でもドローンをより直感的に操作可能だ。

施設内のセキュリティ

固定カメラやドローンから送られてくる映像も、4K以上の高精細な映像であれば、状況をより詳細に把握できる。同時多接続も可能で、不審者を発見したり、トラブルの発生を察知したり、セキュリティ強化に効果を発揮する。

本来であれば、5Gのメリットを存分に発揮できるミリ波が『ローカル5G』の本命と言えるが、“通信距離の短さ”が大きな技術課題となり、導入に二の足を踏む企業も多い。それゆえに、Sub6が主流となっているのだ。

そして、この状況は、当然ながらFCNTも掴んでいた。プロダクト＆サービス事業本部でプリンシパルプロフェッショナルを務める中窪 康治は、5Gの状況を「『ローカル5G』の導入には、無線局免許の取得など、いくつかの課題がありますが、中でも有効に通信できるエリアに関しては要望が多く、対策しなくてはならない課題だという認識がありました」と語る。

FCNT株式会社 プロダクト＆サービス事業本部 プロダクト＆サービス事業部 事業戦略グループ プリンシパルプロフェッショナル

中窪 康治

大学卒業後、富士通に入社し、携帯電話端末の機構設計に従事。富士通初のFOMA端末『FOMA F2611』をはじめ、ヨコモーション端末『F903i』などを開発。FCNTに移籍後も割れない刑事スマートフォン『F-01J』など、世の中を激震させる製品を送り出し続けてきた“独創的な常識クラッシャー”。2022年2月からはプロダクト（端末）とサービス融合型の戦略立案に携わっている。

スペシャリストの閃きで『ローカル5G』の課題に挑む！

ミリ波の5Gはビジネスになると感じていた中窪だが、扱いが難しい『ローカル5G』は普及が遅れ、いまだ利用シーンは限定的であるため、顧客がミリ波を導入しやすくする対策が不可欠だった。そして、対策の中でも特に期待していたのが通信距離の改善である。通信距離ならば端末の通信感度を高めることで、距離を延ばすことが可能。すなわち“技術”で改善できる余地があるからだ。

中窪から通信距離を改善するという課題を託されたのが、プラットフォーム開発統括部で第三開発部を率いるシニアプロフェッショナル、甲斐 学である。

FCNT株式会社 プロダクト＆サービス事業本部 プラットフォーム開発統括部 第三開発部 シニアプロフェッショナル

甲斐 学

富士通研究所に入社後、FCNTに移籍した現在まで、超伝導の研究開発やRFIDアンテナの実用化など、先端技術開発をリード。国内特許出願約45件（登録約40件）、国内外学会発表約10件、社外受賞4件という根っからの“研究開発のムシ”。

プラットフォーム開発統括部 第三開発部は、アンテナ設計やアンテナモジュール周りの回路設計など、無線通信技術のスペシャリストが集まっている部門。とはいえ、ミリ波モジュールはワンパッケージ化されており、手を加えることができない。モジュールまわりの設計を工夫するだけで、通信距離を改善するというのはスペシャリストにとっても難問だ。発信された電波は減衰するものであって、理由もなく増加することはない。スマートフォンの限られたサイズでは、アンテナ感度の向上にも限界があるからだ。

きっかけは、スマートフォンの堅牢性向上をテーマにした機構設計チームとの合同ミーティングだった。

基本的に通信感度は端末の堅牢性に相反する。堅牢性を高くする設計と、通信感度を良くする設計とはトレードオフの関係にあるのだ。堅牢性を高くするほど、スマホ内に金属パーツが多くなり、その金属パーツがスマホから電波の送受信を妨げてしまうからだ。感度の低下を避けるため、アンテナ設計を担当している第三開発部の古賀 洋平も参加していた。

FCNT株式会社 プロダクト＆サービス事業本部 プラットフォーム開発統括部 第三開発部 プロフェッショナル

古賀 洋平

大学時代にアンテナを設計することの楽しさに目覚め、卒後後は富士通研究所に入社。情報端末のアンテナや電磁界制御の研究に従事。FCNTに移籍後もスマートフォンのアンテナ開発を担当し、アンテナひと筋に研究・開発を続けてきた“アンテナオタク”。

ミーティングの途中、端末ケースの活用が検討された際、古賀の中で思考回路が一気に飛躍した。

「ミリ波の“長さ”なら、アンテナモジュールから端末ケースまでに通信感度を強化する仕掛けを施せるのではないか？」

電波には、波長によって長さがあり、ミリ波は文字通り1～10ミリだ。『ローカル5G』のミリ波の場合、出力された電波の波長は約10ミリになるが、アンテナが電波を送受信するに必要な長さは、波長の1/2か1/4の単位が一般的で、長さに換算すると、5ミリまたは2.5ミリに相当する。その長さは端末とケースとの距離と同程度。テレビ用屋外アンテナの技術を応用して、通信感度を強化する“スタックトパッチアンテナ”を思いつく。電波を放射する平面状のパッチアンテナが平面方向に積層された構造で、この手法ならば電源供給も必要もない。画期的なアイディアだ。

ひたむきにアンテナ開発と向き合ってきたからこその閃きだった。

そこから『ミリ波ブースター』の開発がはじまった。まずは、原理検討としてシミュレータで解析に取り掛かる。ベースとなる素材として使う金属は6種類を検討。それぞれの素材に対して、効果があると考えられる形状・サイズ・厚み・スタックトパッチの個数を設定し、それぞれの値を変更しながら最適な設定を探す。これだけでも、検討したパターンは合計2700通りにのぼる。ほかにも、配置場所のパターンも250通り試すなどしており、通常であればシミュレーションだけでも10カ月前後はかかる作業量だ。

そのシミュレーションに掛かる時間を激的に短縮したのが、おなじ第三開発部の篠島 貴裕だ。篠島は富士通時代にはXi(クロッシィ)対応スマートフォン『F-05D』でRF設計を担当し通信速度を向上させた、無線通信技術のスペシャリストだ。

FCNT株式会社 プロダクト＆サービス事業本部 プラットフォーム開発統括部 第三開発部

篠島 貴裕

高校生時代に屋外でも気軽に通話ができる携帯電話に感動し、その開発を志す。富士通へ入社後はスマートフォンのRF設計に従事し、FCNT移籍後は同社初の5G対応スマートフォン『F-51A』のアンテナ設計に携わる。先進技術に貪欲な“不屈のモノづくり戦士”。

ミリ波のシミュレーションは、電波の波長が短いので、解析モデルがより細かくなるため、4GやLTEといった従来の電波に比べ、処理時間が大幅に長くなる。篠島が実機性能と変わらないアンテナモジュールの絶妙な簡易モデル化を担当することで、10カ月前後かかるシミュレーションが、わずか4カ月程度で完了。シミュレーションから得られた結果は、電波強度を20～25%アップできるというものだった。

スタックトパッチシール

シミュレーションの結果を元に試作されたスタックトパッチ。サイズが小さすぎると効果が得られず、大きすぎても通信特性が悪くなる。最適な条件を探し出すために、膨大なシミュレーションを繰り返した。

思い描いたイメージを具現化できる開発環境

原理検討のシミュレーションは完了したが、それですぐに完成というわけではない。実際の端末では、ミリ波アンテナモジュールの周囲にあるパーツなどの影響を受けるため、シミュレーション通りの効果が得られるとは限らない。シミュレーションの結果“電波強度の20～25%アップ”を目標として、シール状のスタックトパッチの試作品を作成し、実機を使って実際の効果を検証する。

検証では、サイズや個数を変えたシール状のスタックトパッチを20パターン制作。膨大なシミュレーションを重ねた結果から、絞り込んだ厳選の組み合わせだ。それをスマートフォンのカバーに貼り付けて計測する。

スタックトパッチシール

試作したシール状のスタックトパッチは、ケースに貼り付け可能。20パターンのスタックトパッチに対して、貼り付け位置を上下・左右でずらしたり、ケースの内側と外側で変更したり、合計60通りを検証した。

電波暗室

検証は、外部の電波をすべて遮断できる電波暗室を利用して計測を実施。電波暗室内は、測定端末の向きを変えたり、回転させたりできる仕組みになっていて、スタックトパッチの効果を全方向に渡り厳密に検証可能。

スペクトラムアナライザー

電波暗室内で検証した結果は、横に設置してあるスペクトラムアナライザーに波形として表示される。波形の状態をチェックして、スタックトパッチの最適なパターンと配置場所を探し出した。

電波暗室で検証して効果が確認できたところで、最後は“スタックトパッチをいかにしてケースに実装するのか”を検討する。検証では、シール状のスタックトパッチを使用したが、実際のケースではスタックトパッチをケースに直接実装することになる。蒸着方式や印刷方式、導体はめ込み方式など、いくつかの方式を検討し、加えて、それらの耐久性・コスト・無線性能を総合的な観点で考慮。そのうえで、実際に製造が可能なメーカーを探し出さなければならない。

スタックトパッチを搭載したケース『ミリ波ブースター』が完成したのは、シミュレーションを完了してから3カ月後のことだった。

試作ケース

最終的に、スタックトパッチの成形方法には蒸着方式を採用。ケースの外側にスタックトパッチを蒸着し、コーティングを施して耐久度もクリアしている。製造を引き受けたカバーメーカーでは、無線性能の改善を目的として蒸着方式を導入したことはなく、両社で何度も協議が重ねられた。

技術力で未来を"つなぐ"モノづくり

完成した『ミリ波ブースター』は、シミュレーションで得られた効果を発揮。電波強度を向上して、スループットが平均で約20%、最大では約50%もアップする。特にアップロード時の効果は大きく、5分の4K動画をアップロードした場合、通常は約20秒かかるが『ミリ波ブースター』を利用した場合は約16秒で完了。高精細な映像の送信が必要な業務などには効果が絶大だ。

スループット

スループットが向上することで、4K映像のような大容量データも安定して送受信が可能になる。測量や保守点検といった微細な変化をチェックしたり、監視カメラで状況を細部までハッキリと捉えたり、より精密に情報を把握できる。

加えて通信エリアの拡張も実現する。通常の端末と比較して、通信距離が最大で約25%アップ。1つの基地局がカバーできる範囲が広がることになり、設備投資のコスト削減につなげることも可能だ。

通信距離

通信距離が広がるメリットは大きい。たとえば、冒頭で紹介したプラントの保守点検では、ドローンの撮影範囲が広がる。障害物などで電波を弱くなってしまい、通常はドローンが使用できない場所でも『ミリ波ブースター』を装着していれば、外観検査などが可能になる。

また、通信速度の向上や通信エリアの拡張といった効果に目を奪われがちだが『ミリ波ブースター』の特徴として見逃せないのは“通信が安定する”という点だ。ワイヤレス通信は、基地局から離れれば、それだけ電波が減衰する。たとえばミリ波を用いた『ローカル5G』では、300ｍ地点から50m離れると電波強度が40％ほど減衰。130m離れると本来の電波強度の半分程度しか発揮できない（いずれも理論値）。“通信エリア内でも”通信の安定性は失われているのだ。

送受信する電波強度の低下を抑える『ミリ波ブースター』を利用すれば、約2dB(約60%)も受信電力が大きくなるので、通信エリア内でも、より快適にネットが使えるのである。

受信電力

電波強度は、わずかな距離の違いでも大きく減衰する。本製品ではスタックトパッチで端末が受信する電波を強化。加えて、電源は不要で、スマートフォンのバッテリー消費を抑え、充電回数の減らす効果も。

そして『ミリ波ブースター』の最も画期的な特徴は、端末にケースを装着するだけで効果を発揮できる点だ。『ミリ波ブースター』は、スタックトパッチにより、電波の指向性をコントロールすることで電波強度を向上する。そのため、稼働する部品などはなく、電源は不要。基地局の設備や端末の設計を変更する必要もない。スタックトパッチが組み込まれたスマホケースを用意するだけで、その効果を得られる。これは、ミリ波向けのアンテナモジュールが搭載されている機種なら“他社の端末でも対応が可能”ということだ。

特定の場所で限定的に利用されているミリ波の『ローカル5G』だが、通信距離という課題が解決されれば、活用の幅はグッと広がる。現状では、大規模な工場や建設現場、公共施設などが中心だが、将来的にはテーマパークやスポーツイベントなどへの活用も検討されている。

ミリ波対応の端末であれば、他社の端末にも対応でき、ケースを装着するだけで手軽に効果を得られる『ミリ波ブースター』は、それを後押しできる技術。次世代通信環境の未来へつなぐ技術として期待されている。

----------------------------------------------------------------------------【特許技術】ミリ波ブースター

無線端末を収容してもアンテナ性能の低下を抑制可能な無線端末用カバーを提供する。本無線端末用カバーは、板状に形成された無線端末に装着される無線端末用カバーであって、装着された無線端末の背面を覆うように背面と接触し、比誘電率が1から10の範囲内である誘電体で形成される底部と、装着された無線端末の側面を囲むように側面と接触し、誘電体で形成される壁部と、底部及び壁部の少なくとも一方に並んで配置される複数の導体素子と、を備え、導体素子は、前記導体素子上の任意の二点間を結んで前記導体素子上に形成される線分のうち最も長い最長線分の長さが無線端末が無線通信に使用する電波の誘電体内における実効波長の長さの0.1倍から0.4倍の範囲内となるように形成される。

※特許番号「特許第6940726号」

特許図1

実施形態に係るスマートフォンカバーの一例を示す図。

特許図4

第1シミュレーションで使用した第1モデルの一例を示す図。

※実際に屋内外のフィールドに出て使用する場合は、電波法取得が必須です。本記事に記載されたテストは、弊社の電波暗室内で行っております。