高度なアンテナ システムは、現代の通信において重要な役割を果たします。これらは、地上対地上および地上対空中通信システムの両方でシームレスな接続を保証します。そして、通信に使用される アンテナ の分野は常に進化しており、性能向上に対する要求は飛躍的に高まっています。通信アンテナの進歩と 使用可能な電磁スペクトルの拡大 により、信号速度の向上、ネットワーク容量の増加、カバレッジの強化が可能になりました。この記事では、航空宇宙および地上対地上アプリケーションにおける現代の無線通信を可能にする MIMO や分散アンテナ システム (DAS) などの最先端の高度なアンテナ システム テクノロジについて説明します。
アンテナシステムはMIMO技術に依存している
ポータブルラジオの背面に単一の伸縮アンテナが取り付けられていた時代は終わりました。現在、多くの最新のアンテナ システムでは、マルチ入力マルチ出力 (MIMO) テクノロジーが採用されています。MIMOでは、送信機と受信機の両方で複数のアンテナを使用して、信号のデータ スループットを強化し、信頼性を向上させます。MIMOは空間多重化を活用することで、同じ周波数帯域で複数のデータ ストリームを同時に送信することを可能にします。標準的なMIMOでは通常、2 ～ 6個の送信アンテナと受信アンテナを使用してデータを送受信します。
複数のアンテナを備えた衛星システムや航空宇宙システムでは、MIMO技術を利用して地上対空通信のデータ速度と品質を向上させることができます。MIMOは、衛星インターネット アクセス、ビデオ ストリーミング、データ集約型通信アプリケーションに特に役立ちます。
Massive MIMO （略してmMIMOと呼ばれる）は、前世代のMIMOの規模を大幅に拡張します。たとえば、AIR 6476製品などのEricssonの最新のmMIMOネットワーク アンテナには、64個の送信ブランチと64個の受信ブランチが備わっています。
mMIMOテクノロジーは、 5Gネットワーク を実現する重要な要素です。無線基地局に多数のアンテナを配備できるため、ネットワーク容量が増加し、より広いカバレッジが実現します。高度なアンテナ ソフトウェアは、これらの大規模なMIMOアレイを制御して干渉を感知し、ネットワーク配信セルをインテリジェントに形成し、セル間干渉を低減します。
多重化により信号強度が向上
多重化は、異なるアンテナから同じまたは異なる周波数で動作する複数の固有の情報「ストリーム」を送信するためにMIMOシステムで一般的に使用される技術です。これらのデータ ストリームは独立したアンテナによって受信され、各信号が再結合されて元の信号が形成されます。各信号はアンテナ間を移動する際に独自のチャネル歪みを持つため、受信側のMIMOアンテナは、高度なデジタル信号処理を使用して個々の信号ストリームの歪みを調整し、元の信号を再構築する必要があります。
直交振幅変調 (QAM)などの多重化技術は、全体的な信号強度を高め、アンテナアセンブリ間のデータ転送速度を向上させることができます。QAMは複数のアンテナ チャネルを介して同時にデータを送信できるため、アンテナ システム全体で送信できるチャネルの合計数が増えます。QAMは、限られた周波数スペクトルを効率的に利用して複数のユーザーと高いデータ レートに対応する必要がある Starlink などの衛星通信システムで特に役立ちます。
個々のアンテナは、1秒あたり1ヘルツあたりに送信できるデータ量が固定されています。単一の大きな信号を、単一のアンテナの容量内に収まる小さな「ストリーム」に分割できるため、大きなデータ信号を多数の小さなアンテナの動的なシリーズを介して送信できます。QAMは、単一のアンテナ信号を複数の小さなストリームに分割するように設計されています。複数のアンテナを使用すると、同じ信号周波数のチャネルを追加することで帯域幅を拡大し、ビームフォーミングによって精度を高めることができます。
多重化機能はもともと 4G LTE 用に開発されましたが、現在ではアンテナとスペクトル効率を維持しながら高速データ伝送を可能にすることで5Gにおいて重要な役割を果たしています。
空間ダイバーシティにより信号が長距離をカバーする
長距離をカバーする無線信号は、フェージング現象や障害物または電磁干渉による干渉の影響を受ける可能性があります。空間的に多様化されたエンコーディング技術は、冗長なマルチチャネル通信と考えることができます。これらの技術は、物理的に分離された複数の送信アンテナ（すでに多重化されている場合でも）を介して同じ信号の複数のコピーを送信するために使用されます。
さらに、物理的に離れた複数のアンテナは、信号が破損している可能性が高いにもかかわらず、重複した信号を受信します。ただし、信号パスが異なる場合、個別に破損した各信号を組み合わせることで、パスフェージング現象の影響を軽減し、信号の信頼性を回復できます。
航空宇宙アプリケーションにおける長距離通信のニーズを考慮すると、空間ダイバーシティ技術は航空宇宙通信の信号フェーディングと干渉を効果的に最小限に抑えます。
ビームフォーミングは信号を効率的に送信します
MIMOや分散アンテナ システムなどの複数のアンテナを使用するアプリケーションでよく使用される ビームフォーミング は、無線信号を特定の方向に集中させてワイヤレス ネットワークの範囲と容量を増やす、高度なアンテナ ネットワーク最適化技術です。アンテナ パターンはインテリジェントに調整され、特定の方向で個々の電磁波が相互に正の干渉を起こします。この戦略により、ターゲットを絞った信号増幅、干渉の低減、および信号品質の最大化が可能になります。
ビームフォーミングは、複数のアンテナを通じて出力される単一のRF信号の位相とゲインを調整することによって実現されます。MIMOアプリケーションでは、各アンテナは、組み合わせ可能な異なる信号を送信し、それぞれに独自のゲインと位相で重み付けして、マルチチャネル ビームフォームを作成できます。このタイプのビームフォーミングでは、単一のMIMOアンテナ アレイを使用して、まったく異なる信号をさまざまな方向に送信できます。
ビームフォーミングは航空宇宙通信システム、特に電力効率が重要な空対地通信において非常に重要です。ビームフォーミング技術により、衛星や航空機は地上局や他の航空機などの特定の場所に送信を集中させ、信号品質を最大化し、干渉を最小限に抑えることができます。
分散アンテナシステムはカバレッジを均等に広げます
最新の個別アンテナアセンブリは容量の増加に優れていますが、単一アンテナシステムはすべての環境で動作できるとは限りません。信号の浸透が悪かったり干渉が大きい大規模な建物では、分散アンテナ システム (DAS) が必要なネットワーク カバレッジを提供できます。DASは、建物全体に分散されたアンテナのネットワークで構成され、接続性を最大化し、信号の無駄を最小限に抑えるように調整するように設計されています。
DASネットワークは、単一のアンテナでは信頼性の高いカバレッジを提供できない建物にネットワークを拡張することで、4Gおよび5Gセルタワーなどのネットワーク基地局を補完するように設計されています。分散アンテナ システムは一般にすべての主要なネットワーク キャリアをサポートしており、概念的にはセルラー ネットワーク用のWi-Fi範囲拡張機能に似ています。
DASはさまざまなサイズがあり、2 ～ 4個のセルラー リピーター システムを備えた10,000平方フィートの小さなオフィス スペースから、500,000平方フィートを超える巨大な高層ビルまで、さまざまな建物をサポートします。屋外分散アンテナ システムは、混雑した市街地、動物園、イベント会場など、人口密度の高い広大なエリアをカバーできます。航空宇宙アプリケーションでは、均一なワイヤレス カバレッジと容量を提供するために、DASシステムが大型航空機内で一般的に使用されています。
航空宇宙用途向け通信アンテナ技術
高度なアンテナ技術は、地対空および地対地通信システムにおいて重要な役割を果たします。信頼性が高く高性能なワイヤレス接続ソリューションは、衛星、航空機間、航空機と地上、機内乗客間の通信など、航空宇宙アプリケーションにとってますます重要になっています。航空宇宙産業が進化するにつれ、これらのアンテナ ソリューションは、増大する通信需要を効率的で信頼性が高く、安全なカバレッジで満たす上で重要な役割を果たします。
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