Wireless World 電波がつなぐ世界

2013年のノーベル物理学賞は、フランソワ・アングレールとピーター・ヒッグスの2人に贈られた。授賞理由は、ヒッグス粒子の存在の予想である。欧州合同原子核研究機関（CERN）が、実験によってヒッグス粒子の発見を発表したのが2013年3月。それから1年以内のスピード授賞であるが、2人が、その存在をそれぞれに予想したのは、49年も前の1964年のこと。東京でオリンピックが開催された年だ。

このように、理論から未発見の現象を予測し、実験や観察で確認していくのが現代の科学の進歩の原動力となっているが、その代表例の一つが電波だ。

予測したのは、スコットランドの物理学者ジェームズ・クラーク・マクスウェル。ガウス、アンペール、ファラデーが発見していた電気と磁気の性質を数学的にまとめ、1864年に、電気と磁気が影響し合って伝搬する波＝電磁波の存在を予測したのである。その存在が実験によって証明されたのは、1888年のこと。ドイツの物理学者ハインリヒ・ヘルツが2つのコイルの間で電磁波を発信・受信することに成功したと発表した。

それから7年後の1895年には、ヘルツの実験を知ったイタリアの技師グリエルモ・マルコーニが、自作の装置で約2.4km離れた場所にモールス信号を送信することに成功。無線電信の発明である。マルコーニは1897年には英仏間で無線電信事業を開始している。既に有線による電信網が世界を結んでいたが、無線電信はその名のとおりワイヤレスで、無線送受信設備を用意するだけで利用できるという利点があった。

その後、今日に至るまで、無線通信は目覚ましい発展を遂げてきたが、その歴史は、電波の性質に大きく左右されてきた。

電波と光はどちらも電磁波であり、波長が違うだけなのに、全く異なった性質を示す。同様に、同じ電波でも波長によってその特性が異なっている。基本的には、波長が長い（周波数が低い）ほど遠距離まで届きやすい上、障害物の後ろに〝回り込み〟やすく、無線通信に利用する技術的なハードルも低い。一方、波長が短い（周波数が高い）ほど直進性が高く、無線機で扱える帯域幅が広くなるので伝送できる情報量が多い。

無線通信の黎明期に使用されていた火花放電による無線機は、長波～中波の広い範囲の電波を発生させた。そのなかから、利用したい波長の電波を取り出して通信に利用していた。

無線通信が大きく発展し出したのは、20世紀に入って、真空管と、それを利用した無線機が発明され、特定の周波数を増幅して送受信できるようになってからである。国際通信のような長距離通信には長波が、沿岸と船舶の間のような短距離通信には短波が使われるようになった。ところが1920年代になると、アマチュア無線家たちによって、小出力の短波でも英米間の通信が可能なことが明らかになると、長距離の無線通信にも短波が多く利用されるようになった。短波が数千kmも届いたのは、電波の反射という性質のせいだった。大気の上層部には電波を反射する層（電離層）がある。短波は、その電離層と大地の間で何度か反射を繰り返すことによって、長距離を伝わっていたのである。

より高い周波数への挑戦は、今も続いている。開拓が進みつつあるのが、UHF帯よりも周波数が高いミリ波（EHF）である。送受信機やアンテナの性能改善や低価格化がその理由だ。また、高い周波数帯はまだ利用が進んでいないため、広い帯域を利用できるのも大きな利点だ。自動車搭載のレーダーに広く利用されるようになっているほか、10m程度までの距離の無線通信への適用も見えてきた。その一例である60GHz帯を使うWi-Fiは、最大7Gbpsの通信速度を実現でき、家庭内でハイビジョン映像を圧縮せずに伝送したり、あるいはキオスク型端末からの大容量コンテンツ（映画等）販売を可能にすると期待されている。

さらに周波数の高いサブミリ波（テラヘルツ波）の開拓も始まっている。波長が光に近いテラヘルツ波は、金属では反射するものの、紙や線維、プラスチック等を透過するため、X線に代わるセキュリティ検査や医療診断、食品や半導体等の検査用途への利用が期待されている。

通信と並んで、電波の利用方法として長い歴史を持つのがレーダーである。電波を発射して、対象物に反射して返ってくるまでの時間から距離を測るのがレーダーの基本原理だ。現代では船舶や航空機の安全確保に幅広く利用されているほか、観測する対象も大きく広がってきた。

レーダーを搭載することが増えているのが自動車だ。ミリ波を利用しており、最大100m程度までの範囲の障害物や、自動車、自転車、歩行者などを探知できる。カメラとは違って、夜間や悪天候時にも利用できるのが特徴だ。主な用途は、前方の障害物を検知して自動でブレーキをかける衝突防止システムや、前を走る車との距離や相対速度を計測して車間距離が一定になるようにアクセルをコントロールするクルーズコントロールだ。夜間等に歩行者や自転車を検知して、運転手に警告するような用途にも利用され始めている。

気象観測へのレーダーの利用もおなじみだろう。マイクロ波を使ったレーダーでは半径1mm程度の雨滴や雪を、ミリ波レーダーではそれよりも小さな雲や霧の粒子を観測する。日本では気象庁が全国20カ所に気象レーダーを設置しており、さらに、上空のさまざまな方向に電波を発射することで、風の立体的な流れを捉えるウィンドプロファイラも全国33カ所に設置している。

滋賀県信楽町には、京都大学生存圏研究所が、中層大気と超高層大気を観測するための大型大気観測レーダー「MUレーダー」を設置している。直径約100mの敷地内に475本のアンテナを設置してあり、電波の方向を素早く変えて上空を走査し、風の立体構造を観測できる。1994年には、真上を通過した台風26号を輪切りにする観測に成功している。同研究所はインドネシア航空宇宙庁と協力して、インドネシアの西スマトラ州に大型の大気観測用レーダー「赤道大気レーダー（EAR）」も設置しており、地球の大気循環のエンジンともいえる赤道インドネシアの大気の動きを観測している。

人工衛星や航空機からの観測（リモートセンシング）にもレーダーが利用されている。カメラ（可視光）は夜間には監視できず、赤外線は雲にさえぎられるが、電波（マイクロ波やミリ波）は24時間天候を問わず観測できる。さらに、地中の探査にもレーダーは利用されるようになっており、地下水や土壌中の水分や、埋設物の検査、遺跡調査なども行われている。

高齢者などの見守り用途には、カメラや人感センサー（赤外線センサー）で人の動きを検知する方法が一般的だが、電波の状態の変化から人の動きを検知する方法の開発が進められている。カメラや赤外線とは異なり、見えないところはもちろん、木造住宅なら複数の部屋を見守ることができる。また、映像ではないことからプライバシーを侵害しにくく、人目につく場所にセンサーを設置する必要がないというメリットもある。

沖電気工業は、電波センサーが検知した情報の中から、人の動きを呼吸レベルまで高精度に抽出する統計モデルを開発している。これにより、赤外線センサーでは困難だった安静状態の人の検知ができるようになり、安静状態と活動状態をリアルタイムに区別して検知できるようになった。将来は、呼吸や心拍のセンシングへの利用も視野に入れている。

NECは、床に設置したシート表面から発する弱い電波の変動を通じて、その上にいる人や物の形や動きを把握するシステムを開発している。人が立っているのか、倒れているのかも判別できるため、病院や高齢者施設等での見守りに利用できる。位置だけでなく、足跡の形から、人の動きを捉える研究も進めている。

まず「LTE-Advanced基地局用無線装置内蔵小型アンテナ」。現在は、アンテナとは別に設置されている無線装置を、アンテナ筐体に内蔵し、一体化させることに成功したものである。消費電力も半分程度に抑えられている。MIMOの高度化には、基地局のアンテナ数を現在よりも増やすことが必要になるため、このアンテナが威力を発揮することが期待できる。

MIMOでは、LTE-Advancedの次の規格への採用を目指して、「Advanced MIMO」という技術の開発に成功している。マルチユーザーMIMOでは、基地局から各ユーザーへ狙いを定めて電波を送るため、各ユーザーから基地局にフィードバック情報を送っているが、これをより正確に、しかも情報量を大きく増やさずに送る技術である。これによって、ユーザー間の干渉を抑えて、より快適な通信を行えるようになる。

その他にLTE-Advancedで注目される技術としては、「スモール・セル・エンハンスメント」がある。今後、3.4～3.6GHz帯が移動通信向けに割り当てられる見込みだが、このような高い周波数では、これまでのような広いエリア（マクロセル）を構築するのは困難になる。そこで、トラヒックの高いスポットなどを狙った限定的なエリア（小セル＝スモールセル）を構築し、その中ではこれまで以上の高速サービスを提供し、マクロセルとともに、超高速サービスを提供する技術である。一方で、小セルが増えると、接続する基地局を切り替える頻度が高くなるので、利用者の体感品質の低下や、管理信号の増大などのデメリットも増える。それらの課題の解決を図ることも、「スモール・セル・エンハンスメント」技術に含まれる。

基地局間の連携では、KDDIは、基地局やネットワークの設定を自動的に調整して最適化する技術「SON（Self Organizing Network）」を既に導入している。新しい建物が出来たり、人の流れが変わって携帯電話の利用者が増えたりすると、エリアの状況は変化し、さまざまな自然現象によっても電波の飛び方は変わる。

SONの導入により、従来は職人技に頼っていた送信出力の調整やエリア間のハンドオーバーのタイミング調整などを自動的に行うことができるようになった。また、災害時に基地局が停止しても、周囲の基地局を連携させてエリアをカバーしやすくなる効果も期待されている。

携帯電話のような高速化とは逆に、低速・低消費電力な通信方式の開発も進んでいる。電子機器同士がデータをやりとりするのに適したM2M（Machine to Machine）通信、あるいはIoT（Internet of Things、モノのインターネット）と呼ばれる分野に利用するためだ。このようなアイデア自体は新しいものではないが、各種電気機器の消費電力監視・制御やセキュリティ分野等での利用が急増しているのに加え、センサー等によって収集した大量のデータを処理・分析する技術が向上したこともあって、IoTは本格的な普及期を迎えようとしている。

離れている人やモノをつないでくれる電波の果たす役割は、これからもますます大きくなっていきそうだ。