5G交響曲の指揮者は誰？

20世紀が電気の世紀だとすれば、21世紀は光の世紀です。電気は、過去100年で送電の課題を解決しました。現在、私たちは情報伝達に光を使用しています。データの爆発的増加に直面して、データ通信の帯域幅の需要は劇的に拡大しました。光を伝送媒体とする光相互接続技術は、伝送効率、消費電力、コスト効率性に対する市場の要件を満たすために、現在および将来の中長距離データ通信の主流技術となりました。

NRZからPAM4へ

NRZとPAM4に触れることなく光通信分野の重要な技術に関する議論はできません。

NRZ（非ゼロ復帰）コードは、NRZ符号化信号と高／低信号レベルを使用して情報伝達のためのデジタル論理信号を表現します。NRZは、デジタル信号用にユニポーラNRZコードとバイポーラNRZコードという2つのベースバンド伝送モードを持っています。

NRZの開発に続き、PAM4は一般的な信号伝送技術となりました。PAM4は、4レベルのパルス振幅変調（4値パルス振幅変調）を意味します。これは、信号伝送に4つの異なる信号レベルを使用する変調技術の1つであり、高速信号の相互接続分野で幅広く採用されています。

NRZを超えるPAM4の利点は？

多くの業界関係者は、NRZにおいて伝送速度が28Gbpsに達したときに生じる信号損失に着目し、伝送にPAM4を使用することを提案しています。しかし、一般的にNRZは28Gbpsの需要に対応可能です。NRZからPAM4への移行には互換チップセットとテストシステムのサポートが必要であり余計な費用がかかります。したがって、現在までPAM4の採用率は比較的低い状態です。

伝送速度が56Gbpsまで向上したことで、NRZの信号損失の問題は無視できないレベルに達しました。その結果、NRZの欠点を克服するために高次変調技術の使用が促され、PAM4に対する業界の支持を得ました。

この2つの技術を比較してみましょう。NRZ信号は、高／低信号レベルを使用してデジタル論理信号の1と0を表し、各クロックサイクルは、1ビットの論理情報を伝送できます。他方、PAM4信号は、信号伝送に4つの異なる信号レベルを使用し、各クロックサイクルは、2ビットの論理情報（つまり、00、01、10、および11）を伝送できます。したがって、同じシリアル伝送速度の場合、PAM4信号のビットレートは、NRZ信号の2倍であり、実質的に伝送効率を倍増します。

PAM4で光信号を伝送できれば、電気信号と光信号の変換を光モジュール内で行うときに、PAM4信号のクロック・リカバリとプリエンファシスを直接導入できます。これにより、関連プロセスへ進む前に、PAM4信号をNRZ信号のシリアル伝送速度の2倍に変換する必要がなくなり、半導体の設計コストを削減できます。PAM4の利点を考慮して、IEEE 802.3ワーキンググループは、400Gbps／200Gbps／50Gbpsインタフェースの物理層の暗号化技術としてPAM4を決定しました。

5GでPAM4が必要な理由は？

5Gネットワークの最も重要な目的の1つは、4Kや8Kビデオのオンライン視聴などの広帯域幅アプリケーション、そして高速低遅延が必要なVR／ARなどのアプリケーションをサポートすることです。エンドユーザーにとって、このような変化は、視聴体験の向上や多少のアプリの追加だけでなく、ネットワーク環境全体の実質的なアップグレードを意味します。

たとえば5Gの分光幅の起点は100MHzと、初期段階で既に4Gの5倍であり、サブ6G周波数段階に至れば4Gの15~25倍に達するでしょう。ネットワークの負荷容量の点では、100～1000倍向上する可能性があります。

ただし、当然、信号伝送では、エネルギー損失の問題が生じます。現在、5Gネットワークのパラメータはあらゆる点で改善が必要ですが、損失率が同じであれば、それに比例してエネルギー損失も増加します。したがって、改善の前提条件は、まず「損失を抑えること」です。プールに水を満たす場合を考えてください。漏水があるならば無駄な作業です。

先に述べたように、PAM4信号は同じ信号伝送能力を達成するためにシンボル期間あたり2ビットの情報を伝送できるため、PAM4信号のシンボル期間は、NRZ信号の半分に達する必要があります。

たとえば、シングルチャネルの50GPAM4または50GEの光モジュールの場合、信号の発信ではPAM4暗号化チップはまず2×25G NRZ信号を1×25GBaud PAM4信号に変換し、次にレーザードライバチップがPAM4信号を増幅して25Gレーザーを駆動し、電気信号を単一波長 25GBaud（50Gbps）光信号に変換します。信号の受信では、検出器は、上記の光信号を電気信号に変換し、それが成形および増幅されてPAM4デコーディングチップの受信側の出力となります。最後に、PAM4デコーディングチップは、信号を2×25GNRZ信号に変換します。

その際、伝送チャネルにより生じる損失を大幅に抑え、帯域幅の利用効率を大幅に向上させます。

5Gネットワークの構築において通信事業者が克服すべき大きな課題の1つはコストです。特に、5G信号周波数の特性により、理想的なネットワークの範囲と速度を達成するためには、4Gの少なくとも2倍の数の基地局が必要です。この数は、5Gネットワークが本格的に導入された後に4Gの4～5倍に増加すると予測されています。さらに、各基地局の消費電力がより多く、ネットワークが必要な光ファイバーの数もより多くなります。しかし、通信事業者は、同じ比率でユーザー料金を上げることはできません。事実、速度アップしつつ料金を値下げしなければならないかもしれません。したがって、コスト節約はよりコスト効率の良い機器を活用することでのみ実現できます。

PAM4ブロードバンドの利用率の向上による光モジュールのコスト削減は、5Gのコスト削減と幅広い範囲を実現するための重要な要素の1つです。ネットワークの物理層の基本単位である光モジュールは、モバイルネットワーク機器のコストに占める割合が増加しており、機器によっては全コストの50～70％を超えます。Yole分析機関の研究によると、データ通信市場における光モジュールの需要は、2019～2025年にかけて、複合年間成長率が約20％に達します。その間の電気通信市場の複合年間成長率は、約5％です。

5G技術の継続的な開発とユーザーのネットワーク要件の拡大により、PAM6やPAM8など、より高いレベルを将来の信号伝送に使用できるかもしれません。5G「交響曲」は、この素晴らしい作品を演奏するために、「指揮者」としての光相互接続技術だけでなく、すべての「音楽家」、中核ネットワーク、およびバックホールとフロントホールの無線接続の完璧な調和を必要とします。