いつか、有線を超える無線技術を夢みて―岡田健一准教授

速く、途切れない無線機を実現する「ミリ波」

「ラボの中に入る前に、この白衣と帽子を身につけて、靴を履き替えてください。」

研究室の責任者である岡田に促され、白衣に袖を通す。回路の基板に埃や塵が入らないようにするためだ。ガラス越しの実験室の中では、数名の学生たちが神妙な面持ちでパソコンのディスプレイを覗き込んだり、高周波測定器を操作したりしている。彼らの目指すものは「世界最速の無線機」を自分たちの手で開発することだ。

携帯電話やパソコンの無線LANなど、無線技術の進歩には目を見張るものがある。より速く、より遠くへ、途切れない電波を送受信する。大容量の画像を送れるようになり、端末の画面上で動画も見られるようになった。ほんの10数年前には考えも及ばなかったことだ。

高周波の雑音を既存技術の応用で抑制

ミリ波は利用できる周波数も大きく、大幅な速度向上の可能性を秘めている。しかしながら、これまで開発されてきたミリ波無線機のほとんどは、入力信号の周波数を異なる周波数に2段階変換する「ヘテロダイン方式」によるもので、部品が多く電力を消耗するなどの難題を抱えていた。これを解消すべく、岡田は、従来の研究では理論的に困難と言われていた「ダイレクトコンバージョン方式」により、まず画像データ等の信号を1段階で電波に変換、さらに注入同期^[用語1]という物理現象を使って、回路の雑音を大幅に下げることに成功する。

「雑音を考えなければいくらでも通信速度を速くできるのですが、その雑音を下げられないというネックがあった。それを解消してくれたのが、注入同期現象だったんです。」

実は、ここでもうひとつ大事なポイントがある。注入同期という現象自体は古くから知られていた技術なのだが、これを集積回路に利用するには、制御が難しいというネックがあった。岡田はこれを、「リコンフィギュラブル技術^[用語2]」を応用することで、解決策を見いだしたのだ。

そしてまた一歩、夢に近づいた

さる2014年2月14日、サンフランシスコで開催された2014年IEEE国際固体素子回路会議^[用語3]のセッションで、東工大の松澤昭教授と岡田らの研究グループにより、毎秒280億ビット（28Gb/s）^[用語4]の伝送が可能な60GHz（600億ヘルツ）ミリ波無線機開発の発表がなされた。これは、一度に6ビット分の情報を送る64QAM^[用語5]という変調方式に対応した、世界初の60GHz帯無線機だ。

実用化されている中で最も高速な無線LAN規格でも、5GHz帯で160MHzの周波数帯域しか利用できないのが現状だ。そのような中で岡田らは、前述の60GHz帯を用いたミリ波無線通信を利用することで、従来より54倍も広い8.64GHzの帯域の利用が可能になると発表した。これで、一気に大幅な無線通信速度の向上が見えてきたことになる。さらに、無線機は一般に用いられるCMOS^[用語6]集積回路として実装可能。回路面積は3.9mm²とコンパクトで、消費電力も低く抑えられることから、携帯電話などのモバイル機器に搭載可能だ。

少年時代から好きだった無線機器への憧れが原点

少年時代の好奇心に端を発する電子デバイスの世界で、これまでにも幾多の功績を打ち立てている岡田だが、今の結果は決して自分1人ではなし得なかったと振り返る。現在のミリ波のプロジェクトは総務省の主導によるものであり、関連分野の研究者の協力や企業との連携を経て、初めて見えてくるものがある。それでも、結果が見えないときには精神的にも辛い。そんなときの心の支えとなっているのが、一緒に研究を続けている学生たちだと岡田は言う。

「学生って、単純にわかりやすい表現のほうがやる気が出るんです。例えば、LSIを使いやすくしようと言うよりも、「速度を上げて10倍にしよう」と言ったほうが、面白そうだなと意欲がわくんですね。そんな学生たちと一緒に研究を進めていけるのはほんとうに楽しいですし、お互いにモチベーションとなっています。」

※本記事は2014年3月に全学サイトSPECIAL TOPICSに掲載した内容です。