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低PAPRを実現する6G向け新波形の検討：NTN適用を視野に入れたアプローチ

2025/03/10に公開
ntn
6g
tech

要旨

5Gにおいて採用されているOFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) は、高い周波数効率や実装の容易性を備える一方、ピーク対平均電力比(PAPR: Peak-to-Average Power Ratio) が高いという課題がある。特にNTN (Non-Terrestrial Network) 環境下での運用では、送信機の電力効率が大きく問われるため、高PAPRは大きな不利となり得る。次世代の6Gに向けては、低PAPRを達成できる新しい波形が期待されている。本稿では、6G向け波形として候補となりうる複数の低PAPR波形技術を概観し、その特長・課題およびNTN環境での適用可能性について論じる。

1. はじめに

近年、Beyond 5G/6Gへ向けた研究開発が活発化している。5Gで主流となったOFDMは、周波数使用効率の高さや、MIMOとの親和性などの利点がある一方、PAPRが高いことが送信機の効率面で問題となる。特にNTNのような衛星通信や高高度プラットフォーム(HAPS)など、電力リソースが限られる環境では、高PAPRは送信電力の非線形歪を大きくし、受信品質や消費電力に悪影響を及ぼす可能性が高い。そこで、6Gでは低PAPRを実現する新波形の導入が期待されている。

本稿では、以下の波形技術を取り上げ、それぞれの理論的背景、長所・短所、およびNTN環境への適用性について検討する。

  1. SC-FDM (Single-Carrier Frequency Division Multiplexing)
  2. DFT-s-OFDM (DFT-spread OFDM)
  3. FBMC (Filter Bank Multi-Carrier)
  4. UFMC (Universal Filtered Multi-Carrier)
  5. GFDM (Generalized Frequency Division Multiplexing)
  6. OTFS (Orthogonal Time Frequency Space)

2. 低PAPRを実現する波形技術候補

2.1 SC-FDM (Single-Carrier Frequency Division Multiplexing)

SC-FDMは、LTEのアップリンクにおいてPAPR抑制の目的で既に導入されている。シングルキャリア伝送を周波数領域で等化するアプローチを取るため、OFDMに比べてPAPRが低いという特長がある。

  • 利点:
    • 低PAPRにより、送信機の高効率化が図れる。
    • 周波数領域の等化により、シングルキャリアのままマルチパス環境への対処が可能。
  • 課題:
    • ユーザ数や帯域幅の柔軟性確保においてはOFDMより制限が大きい場合がある。
    • 周波数選択性フェージングが厳しい環境下では等化の設計が複雑になり得る。

2.2 DFT-s-OFDM (DFT-spread OFDM)

DFT-s-OFDMはSC-FDMの原理と類似しており、送信信号に対してDFT（離散フーリエ変換）を行うことでシングルキャリア特性を実現する一方、サブキャリア化した周波数領域を利用できる。実質的にSC-FDMの一形態であるが、5Gの一部仕様でも利用が検討された経緯がある。

  • 利点:
    • SC-FDMとほぼ同様に低PAPRを実現。
    • OFDMベースのフレーム構造との親和性が高い。
  • 課題:
    • サブキャリア配置やMIMOとの協調など、システム設計が複雑になる可能性。
    • 適用シナリオによってはOFDMより周波数利用効率が劣る。

2.3 FBMC (Filter Bank Multi-Carrier)

FBMCはサブキャリアごとにフィルタを掛けることで隣接チャネル漏洩(ACI)を抑え、かつ高い周波数利用効率を得ることを目的としたマルチキャリア波形である。PAPRそのものもOFDMと比較して若干低減し得るが、主に特長としては帯域外漏洩の少なさにある。

  • 利点:
    • サブキャリアごとのフィルタ設計により、隣接帯域への干渉が抑制される。
    • ガードバンドを小さくでき、周波数効率が高い。
  • 課題:
    • フィルタ設計が複雑化する。
    • 直交性を保つための処理や遅延が大きくなりがち。
    • PAPR低減効果はSC-FDM系よりも小さい場合がある。

2.4 UFMC (Universal Filtered Multi-Carrier)

UFMCはFBMCとOFDMの中間的なアプローチとも言え、複数のサブバンド単位でフィルタを適用することで、帯域外漏洩を抑制しつつ、実装複雑度を低減することを狙っている。

  • 利点:
    • サブバンド単位のフィルタリングにより、システム設計を柔軟にできる。
    • FBMCほどの複雑さを必要とせず、実装が相対的に容易。
  • 課題:
    • PAPRそのものはOFDMと大きく変わらない可能性がある。
    • サブバンド間の干渉を十分に抑制するフィルタ設計が必要。

2.5 GFDM (Generalized Frequency Division Multiplexing)

GFDMは、時間方向にもサブキャリア方向にも柔軟なフィルタを適用する次世代マルチキャリア波形である。ブロック単位での処理が行われ、PAPRを一定程度抑制できる設計も可能とされる。

  • 利点:
    • 時間・周波数双方での柔軟なフィルタ設計が可能。
    • 各サブキャリアのオーバーラップを最適化することで帯域効率とPAPRのトレードオフを調整しやすい。
  • 課題:
    • 実装の複雑化および遅延の増大。
    • 直交性維持が困難であり、適切な受信機構成が必須。

2.6 OTFS (Orthogonal Time Frequency Space)

OTFSは時間および周波数軸ではなく、「Delay-Doppler」領域でシンボルを配置する新しい変調方式として提案されている。高速度移動環境でも安定した通信性能を発揮しやすいことが注目されており、低PAPR化は主なテーマではないが、設計次第でピーク電力を抑える工夫が可能とされる。

  • 利点:
    • 高速移動環境や高ドップラ環境に強い。
    • 非直交環境下でのチャネル推定・等化性能向上が期待される。
  • 課題:
    • 実装が複雑になり、ハードウェア負荷や遅延が増える。
    • PAPR低減手法と組み合わせるための追加研究が必要。

3. NTN環境下での考察

NTN(Non-Terrestrial Network) では、衛星や高高度プラットフォームの送信電力は限られ、電力増幅器の線形範囲も限られるため、PAPRが高い波形は効率的な運用を阻害する。特に以下の観点が重要となる:

  1. 送信機の電力効率:

    • 送信電力の限界が厳しいため、ピーク電力を下げることで平均電力に対する線形領域の余裕が増える。

  2. 線形増幅器の利用:

    • 高PAPRだと線形増幅器を必要以上に大型化する必要があり、衛星の重量・電力消費が増える。

  3. 帯域利用効率:

    • 衛星通信は限られた周波数資源を共有するため、高効率な周波数利用も同時に考慮しなければならない。

以上を踏まえると、低PAPR化の観点ではSC-FDMやDFT-s-OFDMのようなシングルキャリア系の波形が第一候補となる。一方、FBMCやUFMC、GFDMなどは、帯域外漏洩抑制や周波数効率の向上に関して優れるが、PAPR低減効果は限定的である。ただし、衛星セグメントにおいては、隣接チャネルとの干渉が重要な問題となる場合が多く、帯域外漏洩の抑制技術が必要となるため、これらの波形も引き続き注目される。

4. 結論

6Gに向けたNTN環境での効率的な通信方式を考える上で、波形設計は重要な課題である。特にPAPRの高さは送信電力制約の厳しい衛星や高高度プラットフォームでの運用を難しくする要因となる。本稿では、主要な低PAPR候補としてSC-FDM/DFT-s-OFDMを中心に、FBMC、UFMC、GFDM、OTFSといった複数の波形を比較検討した。

  • SC-FDM/DFT-s-OFDM: 既存のLTEアップリンクで実績があり、低PAPR特性が明確。NTNへの適用可能性が高い。
  • FBMC/UFMC/GFDM: 帯域外漏洩の低減や周波数利用効率の向上には有利だが、PAPR低減の観点ではシングルキャリア系ほどの効果が得られない可能性がある。
  • OTFS: 高ドップラ環境に強く、NTNでの高速移動体(LEO衛星など)への対応が期待されるが、PAPR低減を行うためには追加の研究が必要。

実際には、帯域幅やチャネル特性、運用形態(LEO/MEO/GEO衛星、HAPSなど)に応じた選択と、PAPR抑制技術(Cliping、PAPRリダクション符号など)との組み合わせが検討される見込みである。6Gに向けては、これらの波形技術の実機検証や標準化活動を通じ、複合的な要件(周波数効率、低遅延、柔軟なフレーム設計など)を満たす最適なソリューションが模索されることが期待される。

参考文献

  1. 3GPP TR 38.802, Study on new radio access technology: Radio interface protocols and procedures for NTN, 2019.
  2. H. G. Myung, J. Lim, and D. J. Goodman, “Single carrier FDMA for uplink wireless transmission,” IEEE Vehicular Technology Magazine, vol. 1, no. 3, pp. 30–38, 2006.
  3. B. Farhang-Boroujeny, “OFDM versus filter bank multicarrier,” IEEE Signal Processing Magazine, vol. 28, no. 3, pp. 92–112, May 2011.
  4. S. B. Slimane, “Peak-to-average power ratio reduction of OFDM signals using pulse shaping,” IEEE GLOBECOM, 2000.
  5. A. Monk et al., “GFDM - A flexible multicarrier modulation scheme for 5G,” in IEEE VTC Spring, 2014.
  6. R. Hadani et al., “Orthogonal time frequency space modulation,” in IEEE WCNC, 2017.
  7. F. Schaich, T. Wild, and Y. Chen, “Waveform contenders for 5G – suitability for short packet and low latency transmissions,” in IEEE VTC Spring, 2014.

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