RFとは何ですか？無線周波数スペクトラムガイド

By Jeremy Cook

無線周波数 (RF) スペクトラムは、目に見えない形で私たちの周囲に存在し、自然および人工の信号を驚くべき頻度で送信しています。本記事では「RFとは何か？」という質問に答え、この限られた資源に正しくアクセスできるよう規制当局がどのように取り組んでいるかを探ります。また、5Gがこの状況にどのように適合するかにも触れます。

無線周波数の物理学

最も基本的には、antenna上の変化する電気信号が電磁振動（つまりRF波）を生成することがあります。これらは意図しない場合（他のデバイスに干渉を引き起こす可能性がある）もあれば、意図的で他のアンテナによって受信され情報として解釈される、注意深く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、いわゆる搬送波としての固定周波数の波を使い、これらの波の振幅を順に変えることにより変調信号を形成します。
 
RFスペクトラムは、3 Hzから3,000 GHzまでの電磁波サイクルとして定義することができ、これにより幅広い特性と利用ケースがあります。たとえば、3 Hzの搬送波は1秒間に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、より遅い周波数です。
 
いくつかの要因が影響する中で、3 Hzの搬送波を使用した変調信号のデータレートは非常に遅くなり、ビット/秒の範囲、さらにはそれ以下で表現されるでしょう。スペクトラムのもう一端では、3,000 GHzの搬送波ははるかに高速な変調信号を可能にし、その間には幅広い（より実用的な）値があります。この範囲により、現在WiFiや携帯通信で当然とされる高速データレートや、伝統的なAMおよびFMラジオが可能になります。
 
無線周波数は光速に関連し、波長に反比例する関係にあり、以下の方程式で表されます:

光速（約3 x 10^8 m/s）は決して変わらないため、RF信号の波長が増えると、周波数は比例して減少し、その逆も同様です。比較的高周波数のRF信号は短い波長を持ち、低周波数のRF信号はより長い波長を持ちます。
 
高周波信号とデータレートのトレードオフは、多くの情報を短距離で送信できる一方で、これらの信号は大気や周囲の物体によってすぐに吸収されてしまうことです。日常的な例として、2.4 GHzのWiFiデータレートは5 GHzのそれに比べて若干遅いですが、より遠くで受信できます。
 
低データ長距離伝送の極端な例では、100ヘルツ未満の範囲の信号が潜水艦と通信するために使用され、海洋の深部まで達します。主なトレードオフは非常に低いデータレートです。もう一つの考慮事項は、より長いRF波長を扱うには、対応する長さのアンテナが必要であるということです。

RF信号と干渉防止の規制

RF通信が合理的に行われることができる固定の周波数範囲が存在するため、世界の空中波は定義上、限定された資源です。20世紀初頭のRFの先駆者たちには有限の帯域幅が学問的なもの（考慮されるにしても）に思えたかもしれませんが、今日ではRFは驚くほど多様な技術に使用されており、慎重に割り当てられる必要があります。信号が必然的に重なる場合（例えば、ニューヨーク市の97.1 MHzラジオチャンネルとオースティンでの同周波数、または世界中の何十億ものBluetoothデバイスなど）、干渉を最小限に抑えるために電力制限が施行されます。
 
周囲にあるどれだけのデバイスが意図的にRF信号を送受信しているか考えてみてください。典型的なスマートフォンには、少なくともWiFi、Bluetooth、セルラー、GPSの4つのRFモードがあります。その上で、RF信号を意図せずに送信するものも多数存在し、これには電球から電動モーター、配線まで含まれます。
 
幸い、世界のRF信号は通常、国際電気通信連合（ITU）、連邦通信委員会（FCC）、国家電気通信情報局（NTIA）などの団体の指導により共存しています。これらの組織はスペクトルを使用可能な部分に分けています。この資源の大規模な利用のためにスペクトルが限定されてはいますが、3 Hzから3000 GHz（3,000,000,000,000 Hzと書かれる）にわたる範囲があることを覚えておいてください。公式FCC周波数割り当て表は、それに応じた181ページの膨大なテキストです。

5Gは周波数帯でどのように作動しますか？

一般の人々は、電力をコンセントに差し込んだときに期待するのと同様に、RFデバイスが機能することを期待しており、その詳細に関わることはあまりありません。しかし、通信事業者の広告で5Gが大きく宣伝されているためか、RF、特に5Gは私たちの集団意識の一部となっています。5Gはセルラーデータ転送のデータ速度を向上させ、遅延を低減することを約束しますが、飛行機で使用されるレーダー高度計への干渉の懸念を含む議論の対象にもなっています。
 
懸念はさておき、5Gは現在、アメリカの多くの地域で大きな問題なく実装されています。5Gは単一の周波数帯を使用するのではなく、ここで説明するように3つの異なる周波数帯で動作しています。高い周波数は、短い距離での高データレートに使用され、低い周波数は、より長い距離での低データレートで送信されます。
 
5Gは、似たような名前を持つ5 GHz WiFiとは異なる、ほとんど関連のないRF技術です。さらに混乱を招くのは、WiFi 5が5 GHzで送信を行うが、5というのは実際には第5世代のワイヤレスを意味していることです。そして、新しいWiFi規格が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帯域への信号拡張を行い、WiFi 7は6Eと同じ帯域を使用しますが、マルチリンクオペレーションや最大46 Gbpsの速度を可能にしています。5Gと5GHz技術の違いについてさらに学びましょう。

RF範囲: 注意深く割り当てる必要がある限られた資源

RF周波数は石油や希少金属のように「枯渇する」ことはありませんが、3 Hzから3,000 GHzの帯域が私たちが利用できる範囲です。この範囲は1800年代後半の無線通信の黎明期から同じであり、物理学の理解に劇的な変化がない限り、将来も同じであるでしょう。
このリソースを適切に活用するためには、適切な電力制限を持つ慎重な周波数割り当てと、より多くのデータを占有することなく伝送できるQPSK信号のような技術革新が必要です。
Arrowは、業界をリードするメーカーからの広範囲の無線周波数製品とデバイスを次のプロジェクトのために取り揃えています。例えば、DFR0868 ESP32-C3開発ボードはWiFiとBluetoothを同じモジュールで始めることができます。