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最新のワイヤレス通信の分野では、LTE と 4G という用語は同じ意味で使用されることがよくありますが、それぞれに異なる特徴があります。これらの違いを理解することは、消費者とその分野の専門家の両方にとって重要です。さらに、LTE アンテナは、LTE 信号の効率的な送受信を確保する上で重要な役割を果たします。まずはLTEと4Gの基本を詳しく見ていきましょう。
Long-Term Evolution (LTE) は、モバイル デバイスおよびデータ端末用の無線ブロードバンド通信の規格です。以前のバージョンと比較して、高速データ転送、スペクトル効率の向上、待ち時間の短縮を実現するように設計されています。 LTE は、GSM/EDGE および UMTS/HSPA ネットワーク テクノロジーの進化形として、第 3 世代パートナーシップ プロジェクト (3GPP) によって開発されました。 LTE アンテナ.
LTE の重要な機能の 1 つは、多入力多出力 (MIMO) テクノロジーをサポートできることです。 MIMO は、送信側と受信側の両方で複数のアンテナを使用して、データ スループットとリンクの信頼性を向上させます。たとえば、2x2 MIMO 構成では、基地局に 2 つのアンテナがあり、モバイル デバイスにも 2 つのアンテナがあり、複数のデータ ストリームの同時送受信が可能です。
4G (第 4 世代無線モバイル通信技術) は、高速モバイル ブロードバンド サービスの提供を目的としたさまざまな規格と技術を含む広義の用語です。国際電気通信連合 (ITU) は、ピーク データ レート、スペクトル効率、モビリティ サポートなど、4G テクノロジーに対する特定の要件を定義しています。
LTE は 4G ファミリの一部とみなされることが多いですが、すべての 4G テクノロジーが LTE に基づいているわけではないことに注意することが重要です。たとえば、WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) も 4G テクノロジーの候補でした。しかし、LTE はその広範な採用と継続的な進化により、世界のほとんどの地域で主流の 4G テクノロジーとなっています。
**データ速度**: LTE は優れたデータ速度を提供し、一部の上級バージョンでは理論上のピークダウンロード速度は最大 300 Mbps、アップロード速度は最大 75 Mbps です。ただし、ITU が定義する 4G テクノロジーでは、高モビリティ (移動中の車両など) では少なくとも 100 Mbps、低モビリティ (静止時など) では 1 Gbps のピーク データ レートをサポートする必要があります。実際には、ユーザーが経験する実際のデータ速度は、ネットワークの混雑、信号強度、ユーザーのデバイスの機能などの要因によって異なります。
**スペクトル効率**: LTE はスペクトル効率が高いことで知られています。つまり、古いテクノロジーと比較して、一定量の無線スペクトル内でより多くのデータを送信できることを意味します。これは、高度な変調およびコーディング方式、および MIMO テクノロジーの使用によって実現されます。一般に 4G テクノロジーもスペクトル効率の向上を目的としていますが、改善の具体的な方法やレベルは 4G 規格によって異なる場合があります。
**レイテンシー**: レイテンシーとは、信号の送信と受信の間の遅延を指します。 LTE は前世代のモバイル ネットワークと比較して遅延が大幅に短縮されており、通常、往復遅延は 10 ～ 20 ミリ秒の範囲になります。 4G テクノロジーは、Voice over IP (VoIP) やオンライン ゲームなどのリアルタイム アプリケーションをサポートするために、遅延が十分に低いことが求められます。 LTE はほとんどの場合これらの要件を満たしますが、他の 4G テクノロジーの一部は実装に応じて遅延特性が若干異なる場合があります。
LTE アンテナは、LTE ネットワーク インフラストラクチャの重要なコンポーネントです。基地局とモバイルデバイス間の無線信号の送受信を担当します。 LTE アンテナのパフォーマンスは、LTE 接続の全体的な品質に大きな影響を与える可能性があります。
**アンテナ ゲイン**: アンテナ ゲインは、アンテナがどれだけ効果的に無線信号を特定の方向に集中または誘導できるかを示す尺度です。ゲインが高い LTE アンテナは、長距離にわたってより強い信号強度を提供できるため、カバレッジ エリアが広いエリアや、基地局がユーザー デバイスから遠く離れた場所にある場合に有益です。たとえば、基地局がまばらに配置されている田舎では、高利得 LTE アンテナがカバレッジ範囲を拡大し、モバイル ユーザーの信号品質を向上させるのに役立ちます。
**アンテナ偏波**: LTE アンテナは、垂直偏波や水平偏波など、さまざまな偏波タイプを持つことができます。アンテナの偏波は、電波の送受信方法に影響します。 LTE ネットワークでは、効率的な信号伝送のために、基地局とモバイル デバイスでのアンテナ偏波の適切なマッチングが重要です。たとえば、基地局のアンテナが垂直偏波でモバイル デバイスのアンテナが水平偏波の場合、偏波の不一致により信号強度が大幅に低下する可能性があります。
**LTE の MIMO アンテナ**: 前述したように、MIMO テクノロジーは LTE ネットワークで広く使用されています。 MIMO アンテナは、データ スループットを向上させるために連携して動作する複数のアンテナ要素で構成されています。 LTE MIMO システムでは、基地局とモバイル デバイスのアンテナは、同時に送信できる複数のデータ ストリームを活用できるように慎重に設計および構成されています。たとえば、LTE 基地局の 4x4 MIMO 構成では、モバイル デバイスも MIMO をサポートし、互換性のあるアンテナ設定を備えている場合、シングル アンテナ システムと比較してデータ スループットが 4 倍になる可能性があります。
LTE アンテナの機能とパフォーマンスを完全に理解するには、その技術仕様と開発に関わる設計上の考慮事項を検討することが不可欠です。
LTE はさまざまな周波数帯域で動作し、さまざまな地域の規制当局によって割り当てられます。最も一般的に使用される LTE 周波数帯域には、特にバンド 1 (2100 MHz)、バンド 3 (1800 MHz)、バンド 7 (2600 MHz)、およびバンド 8 (900 MHz) があります。周波数帯域の選択は、利用可能なスペクトル、ネットワーク カバレッジ要件、干渉に関する考慮事項などの要因によって異なります。
たとえば、バンド 8 (900 MHz) のような低い周波数帯域は、より長い周波数帯域に比べてより長い距離にわたって良好なカバレッジを提供し、より効果的に建物に侵入できます。ただし、バンド 7 (2600 MHz) などのより高い周波数帯域では、利用可能な帯域幅がより多くなるため、より高いデータ レートをサポートできます。 LTE アンテナは、特定の地域で LTE サービスに割り当てられた特定の周波数帯域で効率的に動作するように設計する必要があります。これには、アンテナの電気特性を動作周波数に合わせて慎重に調整し、最適な信号の送受信を確保する必要があります。
アンテナ ゲインは通常、等方性ラジエーターに対するデシベル (dB) 単位で測定されます。等方性ラジエーターは、すべての方向に均等に放射する理論上のアンテナです。 LTE アンテナは、その設計と意図された用途に応じて、異なるゲイン値を持つことができます。
高利得アンテナは、基地局がユーザー端末から遠く離れた田舎や郊外など、長距離のカバレッジが必要なシナリオでよく使用されます。これらのアンテナは無線エネルギーを特定の方向に集中させ、その方向の信号強度を増加させることができます。一方、ゲインが低いアンテナは、屋内アプリケーションや、カバーエリアが比較的狭く、長距離伝送の必要性がそれほど重要ではないエリアに適している場合があります。アンテナの指向性とは、特定の方向に信号を放射または受信する能力を指します。 LTE アンテナは、無指向性 (すべての水平方向に均等に放射する) や指向性 (信号を特定の角度範囲に集中させる) など、さまざまな指向性パターンを持つように設計できます。アンテナの指向性の選択は、サービスエリアの形状やサイズ、基地局やユーザーデバイスの位置など、LTE ネットワーク展開の特定の要件によって異なります。
前述したように、LTE アンテナは、垂直偏波、水平偏波、円偏波など、さまざまな偏波タイプを持つことができます。アンテナの偏波は、アンテナが環境内の電波と相互作用する方法に影響します。
垂直偏波は、一般的な屋外および屋内のシナリオで優れたパフォーマンスを提供するため、多くの LTE 導入で一般的に使用されます。ただし、場合によっては、特にマルチパス フェージングが顕著である環境や、モバイル デバイスの向きが大きく変化する可能性がある環境では、円偏波が優先される場合があります。円偏波は、基地局とモバイル デバイスのアンテナ間の偏波の不一致の影響を軽減し、全体的な信号品質を向上させるのに役立ちます。 LTE アンテナの設計では、予想される動作条件と無線伝播環境の特性に基づいて、適切な偏波タイプを考慮する必要があります。
インピーダンスマッチングは、LTE アンテナ設計の重要な側面です。アンテナのインピーダンスは、その端子における電圧と電流の比を指します。アンテナと伝送線 (アンテナを無線機器に接続する) の間で効率的な電力伝送を行うには、アンテナのインピーダンスを伝送線のインピーダンスと整合させる必要があります。
LTE システムでは、ほとんどのアンテナと伝送線の標準インピーダンスは 50 オームです。インピーダンスの不整合がある場合、送信電力のかなりの部分が送信元に向かって反射される可能性があり、その結果、信号強度が低下し、動作が非効率になります。アンテナ設計者は、アンテナ素子の長さと形状の調整、整合ネットワークの追加、インピーダンス変換器の使用など、さまざまな手法を使用して適切なインピーダンス整合を確保します。これは、電力伝送効率を最大化し、LTE アンテナの全体的なパフォーマンスを向上させるのに役立ちます。
実際のアプリケーションにおける LTE アンテナの信頼性と有効性を確保するには、包括的な性能評価とテスト手順が不可欠です。
LTE アンテナの放射パターンは、アンテナがさまざまな方向に無線信号をどのように放射または受信するかを表します。放射パターンの測定は、アンテナのカバーエリアと、信号を目的の場所に向けるアンテナの能力を理解するために非常に重要です。
通常、放射パターン測定のセットアップには、アンテナを無響室 (電磁波を吸収し、反射を最小限に抑えるように設計された部屋) に配置し、信号発生器と受信機を使用してアンテナの周囲のさまざまな角度で信号強度を測定することが含まれます。結果として得られる放射パターン データを極座標またはデカルト座標でプロットして、アンテナの指向性とゲイン特性を視覚化できます。たとえば、全方向性 LTE アンテナは水平面内で比較的均一な放射パターンを持ちますが、指向性アンテナは特定の方向でより集中したパターンを持ちます。ネットワーク プランナーは、放射パターンを分析することで、LTE アンテナの最適な配置を決定し、目的のカバレッジを達成し、他のアンテナや無線システムとの干渉を最小限に抑えることができます。
LTE アンテナのゲインと効率をテストすることは、予想される信号強度と電力伝送能力を確実に提供できることを確認するために重要です。
アンテナ ゲインは、ゲイン標準アンテナ (ゲインが既知のホーン アンテナなど) を使用し、テスト アンテナで受信した信号強度を標準アンテナの信号強度と比較することで測定できます。入力電力に対する放射電力の比率であるアンテナの効率は、アンテナへの入力電力と遠方界で放射される電力を測定することで決定できます。高利得アンテナと高効率アンテナは、それぞれ長距離にわたって強力な信号を提供でき、消費電力が少ないため、望ましいです。ただし、高い利得と効率を達成するには、多くの場合、アンテナの電気的および物理的特性を慎重に設計し、最適化する必要があります。
LTE は複数の周波数帯域で動作するため、LTE アンテナの周波数応答をテストして、対象の周波数範囲全体で適切に動作できることを確認することが不可欠です。
周波数応答テスト中、アンテナは LTE 周波数帯域内のさまざまな周波数の信号にさらされ、受信信号強度またはその他の関連パラメーター (リターン ロスなど) が測定されます。優れた LTE アンテナは比較的平坦な周波数応答を備えている必要があります。これは、動作周波数全体で信号強度が大きく変化しないことを意味します。周波数応答の大幅なディップまたはピークは、アンテナのパフォーマンスに影響を与える可能性のある共振効果やインピーダンスの不整合などの潜在的な問題を示している可能性があります。周波数応答データを分析することで、アンテナ設計者はアンテナの設計を調整して、必要な周波数範囲全体でアンテナの性能を向上させることができます。
実際の無線環境では、LTE アンテナは、同じまたは隣接する周波数帯域で動作する他の無線システムからの干渉を受ける可能性があります。干渉により LTE アンテナのパフォーマンスが低下し、データ レートの低下、遅延の増加、さらには接続の切断につながる可能性があります。
干渉および共存テストには、LTE アンテナを他の LTE ネットワーク、Wi-Fi ネットワーク、Bluetooth デバイスなどのさまざまな干渉源にさらし、アンテナのパフォーマンスへの影響を測定することが含まれます。これには、同一チャネル干渉 (干渉信号が LTE 信号と同じ周波数にある場合)、隣接チャネル干渉 (干渉信号が近くの周波数にある場合)、帯域外干渉 (干渉信号が LTE 周波数帯域外にあるがアンテナの動作に影響を与える場合) のテストが含まれる場合があります。干渉および共存テストを実施することで、ネットワーク オペレータは潜在的な干渉の問題を特定し、アンテナの配置の調整、干渉軽減技術の使用、異なる周波数帯域の選択などの適切な措置を講じて、複雑な無線環境で LTE アンテナがスムーズに動作するようにすることができます。
LTE アンテナは多様な用途に適しており、高速無線通信に対する需要の高まりに応えるためにさまざまなシナリオに導入されています。
モバイル ネットワークでは、LTE アンテナが基地局に設置され、スマートフォン、タブレット、モバイル ホットスポットなどのモバイル デバイスにカバレッジを提供します。基地局アンテナは通常、広いカバーエリアを実現するために塔や屋上に取り付けられます。
たとえば、典型的な都市部では、都市内を移動するモバイル ユーザーのシームレスなカバレッジを確保するために、複数の LTE 基地局とそれに関連するアンテナが戦略的に配置されています。これらの基地局のアンテナは、さまざまなユーザーのさまざまなデータ レートとカバレッジ要件を満たすために、さまざまな周波数帯域と MIMO 構成をサポートするように設計されています。モバイル ネットワークの LTE アンテナは、音声およびデータ サービスのカバレッジを提供するだけでなく、モバイル ビデオ ストリーミング、オンライン ゲーム、リアルタイムの位置情報サービスなどの新しいアプリケーションを実現する上でも重要な役割を果たします。
固定無線アクセス (FWA) は、LTE アンテナを使用して、光ファイバーや銅ケーブルなどの従来の有線接続を必要とせずに、家庭や企業などの固定場所にブロードバンド インターネット アクセスを提供するアプリケーションです。
FWA セットアップでは、LTE アンテナが建物の外側 (通常は屋根または壁の高い場所) に設置され、近くの基地局から LTE 信号を受信します。受信した信号は建物内で有線イーサネットまたは Wi-Fi 信号に変換され、複数のデバイスにインターネット アクセスが提供されます。 LTE アンテナを使用する FWA は、田舎や僻地など、ケーブルの敷設が困難または高価な地域において、有線ブロードバンドに代わる魅力的な選択肢となっています。有線ネットワークが停止した場合のバックアップ ソリューションとしても使用できます。
モノのインターネット (IoT) は、多数のデバイスがインターネットに接続されてデータを交換し、さまざまな機能を実行する急速に成長している分野です。 LTE アンテナは、IoT デバイスに信頼性の高いワイヤレス接続を提供することで、IoT アプリケーションを実現する上で重要な役割を果たします。
たとえば、スマート シティ アプリケーションでは、街路灯、信号機、環境監視ステーションに設置されたセンサーを中央制御システムに接続するために LTE アンテナを使用できます。これらのセンサーは、交通流、空気の質、エネルギー消費などのデータを収集し、LTE ネットワーク経由で制御システムに送信できます。産業用 IoT 設定では、LTE アンテナで工場内の機械や設備を接続し、遠隔監視と制御を可能にし、生産性と効率を向上させることができます。 LTE の低遅延と高データ レート機能により、リアルタイムのデータ転送と応答性を必要とする多くの IoT アプリケーションに適しています。
Vehicle-to-Everything (V2X) 通信は、車両が他の車両 (V2V)、インフラストラクチャー (V2I)、歩行者 (V2P)、およびクラウド (V2C) と通信できるようにする新しいテクノロジーです。 LTE アンテナは、V2X 通信をサポートするために車両に統合されています。
たとえば、自動運転シナリオでは、安全で効率的な運転を確保するために、車両は速度、位置、意図した操作などの情報を近くの他の車両や周囲のインフラストラクチャと交換する必要があります。車両の LTE アンテナはこの情報をリアルタイムで送受信できるため、より適切な交通管理と事故防止が可能になります。 LTE アンテナを使用した V2X 通信は、自動運転に加えて、交通渋滞の緩和、緊急車両への対応の改善、駐車管理の強化など、交通機関の他の側面も強化できます。
無線通信の需要が成長し続け、テクノロジーが進化するにつれて、LTE アンテナも将来的に大幅な変更と改良を受けることが予想されます。
5G テクノロジーの展開に伴い、LTE アンテナは多くのシナリオで 5G アンテナと共存し、潜在的には 5G アンテナと統合する必要があります。 5G は、LTE と比較して、新しい周波数帯域、より高いデータ レート、より低い遅延をもたらします。
アプローチの 1 つは、LTE と 5G の両方の周波数をサポートできるマルチバンド アンテナの使用です。これらのアンテナは、5G のより広い帯域幅やより高い周波数など、両方のテクノロジーの異なる特性に対応できるように設計されます。たとえば、将来の LTE/5G アンテナは、既存の LTE 周波数帯域と 5G で使用される新しいミリ波周波数帯域の両方で動作できるようになる可能性があります。これにより、モバイル ユーザーにとって LTE サービスと 5G サービス間のシームレスな移行が可能になり、ネットワーク オペレーターは既存の LTE サービスを中断することなくインフラストラクチャを段階的にアップグレードできるようになります。
より洗練された LTE アンテナの開発により、アンテナ技術の進歩は今後も続くと考えられます。焦点の 1 つの領域は、パフォーマンスの向上です。
