5G基地局におけるモーター制御型フィルタ

遠隔制御アンテナと人工知能がモバイルネットワークをどう変えるか

モバイル無線ネットワークは、30年前に最初の2Gネットワークが導入されて以来、トラフィックが飛躍的に増加している。容量の増加は、より効果的な無線プロトコル（3G、4G、そして間もなく5Gの物理層）とより多くのスペクトルの結果だと考えたくなるが、実際の主な貢献は「より高いスペクトル効率」である。

これが英語で何を意味するのかを理解するために、2人だけが会話している大きな部屋を考えてみよう。同じ部屋にさらに100人を加える。その人たちが2人1組になって集まり、同時に話し始める。部屋の中でやりとりされる情報量は100倍になる。全員が同じ、機械的な電波（スペクトル）を使っているので、スペクトル効率も同じ割合で増加する。

これをモバイル・ネットワークに当てはめると、基地局の高密度化、つまり周波数の再利用が、過去数十年間の総容量増加の約99％に寄与してきた（クーパーの法則と呼ばれる）。部屋にいる100人が互いに近すぎてうまくいかないように、無線基地局も地理的に離れている。都市内の2つの基地局間のサイト間距離は、時には100メートル以下になることもある。5Gシステムの出現により、より多くの、より小さなセルが屋内外に展開されるだろう。

基地局から発信されるエネルギーは、頭の向きによって声のエネルギーを誘導するのと同じように、アンテナによって誘導される。人がたくさんいる部屋に例えるなら、通常、自分の口をリスナーの耳の方向に向けたくなる。携帯基地局のアンテナも同様で、今日、アンテナは垂直方向に傾けられ、水平方向に向けられる。アライメントは、手動、デジタル（Massive Multiple Input Multiple Output、mMIMO）、または垂直方向の傾きを調整する小型エンジンを使って行うことができる。小型モーターで遠隔的に傾きを調整できる場合は、リモート・エレクトリカル・チルト（RET）と呼ばれる。

RETアンテナはマッシブMIMOアンテナに比べてコスト効率が良いが、通常は設置時に一度だけ傾きを設定する。その理由は、通信事業者が一度うまくいったネットワークのチューニングを危うくしたくないからだ。1つのアンテナの傾きを変更すると、ネットワークの他の部分で望ましくない副作用（通話が途切れたり、干渉が増えたり）が発生する可能性があり、これを把握するには経験豊富なネットワーク・オプティマイザーが必要です。

機械学習と人工知能の急速な進化を考えると、近い将来、アダプティブ・アンテナ・チューニングの背後にあるインテリジェンスがソフトウェアによって処理され、信頼性の高いRETアンテナの価値が急速に高まることが予想される。例えば、日中は工業地帯、午後は高速道路、夜は住宅街をカバーするアンテナを考えてみましょう。AIソフトウェアは、システム全体のリソースを最適化するために、エリア内のすべてのアンテナを把握し、傾けるだろう。

RETアンテナに共通する課題のひとつは、時間の経過とともに壊れやすいことだ。多くの問題は、信号ケーブルとその標準化方法に関連しているが、もう一つの重要な点は、ステッピングモーターで作られていることで、埃がベアリングに入り込むと壊れやすい。また、錆びやすい部品も使われている。その代わりにリニアモーターを使用することで、RETアンテナの寿命と信頼性を大幅に向上させることができる。

5G基地局にモーター制御フィルターが必要な理由

過去数十年間で、私たちはスマートフォン、自動車、タブレット、ウェアラブルをモバイルネットワークに接続することに慣れてきた。このインフラの上に、WhatsApp、Netflix、Uber、Spotifyのようなサービスが産業を変革した。

この進化の基盤は、モバイル・ネットワーク・インフラ（2G、3G、4G）の進歩である。これまで、移動体通信事業者（MNO）は各国で3〜5つのネットワークを並行して構築してきた。これは長らく有効なモデルであったが、ユーザー1人当たりの付加価値収入（ARPU）が年々減少しているため、多くのMNOが必要なネットワークの高密度化を進めている。

同時に、次世代ネットワーク（一般に「5G」と呼ばれる）が展開されようとしている。運用が開始されれば、5Gは以前のモバイル・ネットワークよりも費用対効果が高くなるが、新しい機器を展開し、より多くの周波数を購入するためのコストは相当なものになる。

MNOがコストを削減する最善の方法は、互いに協力し合うことである。理論的には、国ごとに単一の物理的インフラを構築し、資本支出（CAPEX）、営業費用（OPEX）、ライセンス費用を共有することができる。レガシー上の理由から、MNO各社はこのようなことにあまり興味を示していないが、実際にはすでに多くの国でインフラを共有しており、この傾向は今後も続くだろう。ドイツでは、MNOが地方における5Gのための単一の共通インフラを構築する意向を示している。

通信事業者が無線機器を共有する場合、スペクトラムやアクセス技術を適応的かつリモートで追加・削除できるように、それらがマルチスタンダード（2G、3G、4G、5G）およびマルチ周波数コンポーネントで構築されていると好都合だ。これにより、スペアパーツの面だけでなく、マストの昇降、トラブルシューティング、チューニング、市場投入までの時間など、多くのコストを削減できる。

無線機器のほとんどのベンダーは、今日、マルチスタンダードに近い基地局を提供している。不足しているのは、基地局の動作周波数を定義するためのフィルターである。これらの狭いフィルターは、通常アンテナの近くに配置されているため、周波数オークションや他の事業者の買収後、サイトにより多くの周波数が割り当てられた場合、フィルターを交換するにはコストと時間がかかる。

完全にフレキシブルで多周波数の基地局を得るためには、これらの狭帯域フィルターにリモートチューニングのサポートが必要である。これは技術的には、フィルターのカットオフ周波数を調整するための小型モーターで行うことができる。多くの企業がこれに注目しているが、フィルターを制御すべきモーターについて、価格、サイズ、品質の組み合わせがまだ満たされていないため、技術はまだ成熟していない。

チューナブル・フィルターの市場は巨大だ。現在、世界中で数百万の基地局が配備されており、その密度は5Gでさらに高まるだろう。各基地局には多くのフィルターが搭載されており、各フィルターを完全にチューニングするためには多くのモーターが必要となる。モーター制御のマルチ周波数基地局の未来は明るい。市場が待っているのは、適切な種類のモーターなのだ。