ジェレミー・クック
無線周波数（RF）スペクトルは目に見えないところで私たちの周囲に存在し、驚異的な周波数で自然信号と人工信号を送信しています。…この記事では、「RFとは何か?」という質問に答え、この限られたリソースへの適切なアクセスを確保するために規制当局がどのように取り組んでいるかについて説明します。また、5Gがこの状況にどのように当てはまるかについても触れます。
無線周波数物理学
最も基本的な意味では、 アンテナ 上の変化する電気信号は、電磁振動 (つまり、RF波) を生成します。これらは、意図的でない（他のデバイスとの干渉を引き起こす可能性がある）場合もあれば、他のアンテナで受信され、使用可能な情報として解釈される可能性のある、意図的に慎重に変調された信号である場合もあります。たとえば、AM（振幅変調）は、一連の固定周波数波をいわゆる搬送波として使用し、これらの波の振幅を連続的に変化させて変調信号とします。
RFスペクトルは、3 Hzから3,000 GHzの間で循環する電磁波として定義され、幅広い特性と使用例を備えています。3 Hzの搬送波は1秒あたり3つの完全な電磁波を生成し、この搬送波に「乗る」変調信号は、通常、より低い周波数であることを考慮してください。
いくつかの要因が関係しますが、3 Hzの搬送波を使用する変調信号のデータ レートは非常に遅く、おそらくビット/秒の範囲かそれ以下で表されます。スペクトルの反対側では、3,000 GHzの搬送波により、はるかに高速に変調された信号が可能になり、その間には幅広い範囲の (より実用的な) 値が存在します。この範囲により、WiFiや携帯電話通信、従来のAMラジオやFMラジオで現在当たり前となっている高速データ レートが可能になります。
無線周波数は光の速度と関連しており、波長に反比例し、次の式で表されます。
光の速度 = 波長x周波数
光の速度 (約3 x 10^8 m/s) は決して変化しないため、RF信号の波長が増加すると、周波数は比例して減少し、逆もまた同様です。比較的高周波数のRF信号は波長が短く、低周波のRF信号は波長が長くなります。
高周波信号とデータレートのトレードオフは、短距離で大量の情報を送信できる一方で、これらの信号が大気や周囲の物体によってすぐに吸収されることです。日常的な例として、2.4 GHz WiFiのデータ レートは5 GHzのデータ レートよりも若干遅いものの、より遠くまで受信できることを考えてみます。
低データ長距離伝送の極限では、100ヘルツ未満の信号が海の深部まで到達する潜水艦との通信に使用されます。主なトレードオフは、データ レートが非常に低いことです。もう1つの考慮事項は、より長いRF波長で作業するには、それに応じて長いアンテナが必要になることです。
干渉を防ぐためのRF信号と規制
RF通信が適切に行われる周波数範囲は固定されているため、世界の電波は定義上、限られたリソースです。20世紀初頭のRFの先駆者たちにとって、有限の帯域幅は（そもそも考慮されたとしても）学術的なものに思われたに違いありませんが、今日ではRFは信じられないほど多様なテクノロジーに使用されており、慎重に割り当てる必要があります。信号が必然的に重複する場合 (例: ニューヨーク市の97.1 MHz無線チャネルとオースティンの同じ周波数、または世界中の何十億ものBluetoothデバイス)、干渉を最小限に抑えるために電力制限が適用されます。
あなたの周囲に、意図的にRF信号を送受信するデバイスがいくつあるか考えてみましょう。一般的なスマートフォンには、WiFi、Bluetooth、セルラー、GPSの少なくとも4つのRFモードがあります。それに加えて、電球から電気モーター、配線に至るまで、意図しないRF送信機が多岐にわたります。
幸いなことに、世界のRF信号は、国際電気通信連合 (ITU)、連邦通信委員会 (FCC)、米国電気通信情報局 (NTIA) などの団体の指導により、通常は問題なく動作しています。これらの組織はスペクトルを使用可能なチャンクに分割します。このリソースの大規模な利用によりスペクトルは制限されていますが、この範囲は3 Hzから3000 GHz ((3,000,000,000,000 Hz、表記) に及ぶことに注意してください。FCC公式オンライン周波数割り当て表 は、それに応じて181ページに及ぶ膨大なテキストです。
5Gは周波数帯域でどのように機能しますか?
一般の人々は、コンセントに差し込むときに電気が供給されることを期待するのと同じように、RFデバイスが機能することを期待するだけで、その複雑な部分にはほとんど関心を払いません。しかし、おそらく通信事業者の広告で5Gが大々的に宣伝されているため、RF、特に5Gは私たちの集合意識の一部となっています。5Gは確かに携帯電話のデータ転送速度の向上と遅延の低減を約束しているが、飛行機に使用されているレーダー高度計に干渉する恐れがあるなど、論争の対象にもなっている。
懸念はさておき、5Gは現在、大きな問題なく米国の多くの地域で導入されています。5Gは単一の周波数帯域を使用するわけではありませんが、 ここで議論されているように3つの異なる周波数範囲で動作します。高い周波数は送信機からの距離が短い場合に高いデータ レートで使用され、低い周波数は低いデータ レートで長い距離を送信します。
5Gは、似たような名前を持つ、ほとんど関係のないRF技術である5 GHz WiFiとは異なります。さらに混乱を招くのは、WiFi 5は送信に5 GHzを使用しますが、5は実際には第5世代ワイヤレスを表していることです。また、新しいWiFi規格も続々と登場しています。WiFi 6Eは、新たに利用可能になった6 GHz範囲にシグナリングを拡張し、WiFi 7は6Eと同じ帯域を使用しますが、マルチリンク操作と最大46 Gbpsの速度を可能にします。詳細はこちら 5Gと5GHz技術の違い。
RF範囲: 慎重に割り当てなければならない限られたリソース
RF周波数は石油や希土類金属のように「枯渇」することはありませんが、3 Hzから3,000 GHzの帯域で作業する必要があります。この範囲は、1800年代後半の無線通信の黎明期にも同じであり、物理学の理解方法が劇的に変化しない限り、将来も同じままでしょう。
この資源を適切に活用するには、適切な電力制限と技術革新を伴う慎重な周波数割り当てが必要です（ QPSK信号など) により、より多くの周波数空間を占有することなく、より多くのデータを転送できるようになります。
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