NTTドコモは、2020年3月より第5世代移動通信システム（5G）の商用サービスを開始しました。これによりVR（Virtual Reality）/AR（Augmented Reality）/MR（Mixed Reality）などのXR＊1の応用やIoT（Internet of Things）デバイスによる産業/インフラの高度化など、さまざまな分野への5G技術の適用に期待が高まっています（1）。このような状況の中、NTTドコモは5Gで利用されるミリ波＊2帯の電波を用いて、高速・大容量、低遅延、高信頼などの5Gの可能性を実証してきました（2）、（3）。
一方、これらの検証を通して、セルラ方式の無線通信でミリ波帯を有効活用するうえでの課題も明らかになりました。ミリ波帯は電波伝搬の直進性が強く、その振舞いが光に近くなるため、遮蔽物の陰への回り込み（回折）が小さくなります。そのため基地局アンテナから見通し外となる場所をどのようにエリア化するかが、ミリ波帯をセルラ方式の無線通信で活用するうえでの鍵となります。
本稿では5G evolution & 6G実現に向けた重要課題の1つであるミリ波帯のエリア形成について、有望なアプローチとして注目されているIRE（Intelligent Radio Environment）の概念を示し、IREの実現に必須となるRIS（Reconfigurable Intelligent Surface）とその要素技術であるメタマテリアル＊3・メタサーフェス＊4技術について、NTTドコモの取り組み内容を通して解説します。

＊1　XR：VR、AR、MRといった仮想空間と現実空間との融合で新たな体験を提供する技術の総称。
＊2　ミリ波：周波数帯域の区分の1つ。30 GHzから300 GHzの周波数であり、5Gで使用される28 GHz帯を含めて慣習的にミリ波と呼びます。
＊3　メタマテリアル：電磁波に対して自然界の物質にはない振舞いをする人工物質のこと。
＊4　メタサーフェス：波長に対して小さい構造体を周期配置して任意の誘電率・透磁率を実現する人工媒質（メタマテリアル）の一種で、構造体の周期配置を2次元とした人工表面技術。

近年、ミリ波帯における見通し外カバレッジの課題に対して、電波環境を適応的・動的に制御しようと試みるIREに向けた研究がさかんになっています（4）。NTTドコモが発表した第6世代移動通信システム（6G）に向けたホワイトペーパー（1）においても、ネットワークとの接続経路を増やすような新しい無線ネットワークのかたち「New Radio Network Topology」が提言されており、その中で電波環境の制御が議論されています。遮蔽物により電波が遮られてしまうという課題は、送受信機技術の進化だけでは解決が困難であり、新たな無線ネットワーク体系を構築する必要があります。
そこで、従来考えられていた無線環境は制御不可能であるという仮定から脱却し、制御可能な要素とみなすことで無線ネットワークの大幅なパフォーマンス向上をめざす検討が精力的に行われています。このようなアプローチは、これまでの無線ネットワーク体系との概念的な違いを強調するために、「インテリジェント無線環境（IRE）」や「スマート無線環境（SRE：Smart Radio Environment）」と呼ばれています。IREの概念図を図1に示します。IREにおいては、例えば遮蔽物がある場合には、送信機（Tx：Trans­mitter）、受信機（Rx：Receiver）だけでなく伝搬チャネル＊5（H）も含めた最適制御をすることで、遮蔽物の迂回が可能な伝搬ルートを確保します。

＊5　伝搬チャネル：無線通信の個々の通信路。ここでは各送受信アンテナ間の通信路。通信路の特性は伝達関数Hにより表現されます。

RISは、前述した IREを実現するための重要技術です。RISは電磁波を散乱する多数の素子で構成され、面的な散乱特性の分布を設計・制御可能な「メタマテリアル・メタサーフェス技術」が利用されることが多いです。またメタサーフェスは薄い板形状であり、ベース材料の選択次第では柔軟性があるシートの形状で作製することも可能なため、構造物に沿ったかたちでの設置が可能です。このため、既存の構造物の形状を維持したまま電波の散乱特性を制御できます。 RISは一般的に、以下の動作を定期的に繰り返すことにより無線環境を適応的に制御することが想定されています。
①　RISの動作を決定するために必要な無線チャネルの特性を推定
②　所望の伝搬チャネルが得られるように、推定された情報に基づいてRIS表面の散乱強度・位相分布を制御
本手順の具体的な実装についてはさまざまなアプローチが研究されています。なお、RISと同様の技術を指す用語としてLIS（Large Intelligent Surface）や、反射波の制御のみに着目したIRS（Intelligent Reflecting Surface）などがあります。
⑴　RISサイズの影響
基地局（BS：Base Station）– 移動局（MS：Mobile Station）間が見通しではなく、反射板やリピータ＊6などで電波を中継する場合（BS – 反射板など – MS）、パスロス＊7が「BS – 反射板など」と「反射板など – MS」の2回発生します。伝搬による電波のエネルギー密度の低下量は波源に近いほど大きくなります。そのため、合計の経路長が同一であったとしても、「BS – MS」のパスに比べて「BS – 反射板など – MS」のパスのほうが、通常パスロスが大きくなり受信電力の低下を招きます。この傾向はRISに対しても当てはまります。
RISを介するパスロスは通常の金属反射板と同様にそのサイズに影響されますが、RISの場合はサイズだけでなく位相制御の方法によってもパスロスが異なります。そこでまずは、RISサイズが受信電力へ与える影響について、RISを介することにより生じる2回のパスロス（二重パスロス）と同一経路長の直接波のパスロスとの関係を解析した結果を基に紹介します（5）。本解析では、以下について計算しました。
・BS – MS間の距離が200 mで直接波を受信する場合
・BS – RIS間の距離が100 m、RIS – MS間が100 mで、RISを介したパス以外は存在しない場合（合計の経路長200 m）
計算機シミュレーションによって求めた、28 GHz帯におけるRISサイズと各径路におけるパスロスの関係を図2に示します。なお、本計算では、RISの形状を正方形、反射率を100％とし、BS – RIS – MSは同一直線上にあると仮定します。実際は同一直線上にはならず、RISをBS/MSに対して角度を付けて設置することが想定され、その際は角度が付いた分、実効的な面積が小さくなります。
特殊な位相制御を実施しない伝搬方向のみの制御（図2の青線）に着目すると、RISがあるサイズ（図中①）より小さい場合には同一経路長の直接波のパスロスに対してRISを介した二重パスロスが著しく大きいことが分かる一方で、①よりRISサイズが大きくなると、二重パスロスが同一経路長の直接波のパスロスに漸近していく様子が確認できます。なお、後述するMSの受信電力が最大となるようにRISを最適制御した場合の二重パスロスが図2の赤線となり、この最適制御をした二重パスロスと直接波のパスロスが同一となる図中①のRISサイズを解析的に求めると、RISの1辺の長さがフレネル半径＊8となります。図に示すとおりRISを最適制御しない場合であっても、直接波のパスロスと同等のパスロスとなるRISサイズはフレネル半径とほぼ一致しており、RISが本サイズよりも大きければ同一経路長の直接波と同等の電力を受信できることになります（図2の青線）。
なお、RISサイズが増加して二重パスロスが直接波のパスロスに漸近していく過程でパスロスが増減するのは、奇数次と偶数次のフレネルゾーン＊9を介した信号が受信点において互いに打ち消し合うことに起因します。
⑵　RISによる位相制御の効果
BS – RIS – MSの伝搬パスを、RISを構成する素子ごとに分解して考え、受信点において各パスの波の位相が一致するようにRISを位相制御することにより、BS – RIS – MS経路の受信電力を最大化できます（図2の赤線）。このように最適制御をすることにより、受信電力が直接波パスの値に収束することなくRISサイズと正の相関を持つようになります。なお、RISサイズがフレネル半径程度以下であれば、従来の方向のみの制御（図2の青線）と最適な位相制御による差はほとんどみられないため、方向のみの制御で十分です。
RISを受信電力の観点で最適制御する場合は、RISの各素子における位相変化量を最適な値に設定する必要があり、制御が複雑となる可能性があります。そこで、より簡易な制御の実現に向けて、方向のみの制御に対して、0/π（rad）の2値の位相補正のみを加えることで受信電力を大幅に改善する手法についても紹介します。図2に示したように、方向のみ制御の場合、RISサイズの増大に伴ってパスロスは増減を繰り返します。そこで、この原因となっている偶数次のフレネルゾーンを介した波の位相をπ（rad）シフトさせる（Fresnel shift）ことで受信電力が著しく改善します（図2の緑線）。このFresnel shift法は、いずれの距離に位置するユーザに対しても、最適制御した場合と同様にRISサイズに応じた受信電力の向上が可能であることが分かります。

＊6　リピータ：基地局/移動局からの信号を電力増幅して移動局/基地局への送信を行う物理層の中継機器。
＊7　パスロス：送信電力と受信電力との差分から推定される伝搬経路損失。
＊8　フレネル半径：第1フレネルゾーン（＊9参照）の半径。
＊9　フレネルゾーン：送受信点間の最短距離（ここではRISを介した最短距離）に対して経路長差が半波長以下、つまり信号の位相差がπ（rad）以下となる範囲を第1フレネルゾーンと言います。経路長差が半波長のn－1倍以上でn倍以下の範囲を第nフレネルゾーンと言い、同一フレネルゾーンを介する信号は互いに強め合って合成されます。

前述したとおりメタマテリアル・メタサーフェス技術は、RISを実現するためによく利用される技術です。
メタマテリアルは、電磁波に対してその波長よりも十分に小さい構造を周期的に配置することで、その人工周期構造体が実効的に負の屈折率を有する材料として振る舞うなど、通常の物質では実現できない特性が得られることから、2000年ごろからその技術が精力的に研究されています（6）。当初、メタマテリアル技術の実証はマイクロ波帯（5 GHz）にて行われましたが、2010年ごろからはミリ波・テラヘルツ波＊10帯での検討がさかんになってきています（7）。これは、ミリ波・テラヘルツ波帯のメタマテリアルを構成する素子構造が、mm〜µmオーダと既存の製造プロセスで容易に作製可能なサイズであること、従来の無線通信で利用されている周波数帯と同様に、金属の電気抵抗をほぼ無視できる周波数領域であることなどが要因と考えられます。
なお、メタマテリアルが3次元の人工周期構造であるのに対して、2次元の人工周期構造体はメタサーフェスと呼ばれることが多いです。メタサーフェス上の反射位相分布を制御することで、反射波の伝搬を制御することができます（図3）。
現在、メタマテリアル・メタサーフェス技術は、各種研究機関の6G向けホワイトペーパーにおいて重要な技術として記載されています。
そこで以下では、NTTドコモにおけるRISの実現に向けたメタサーフェス技術の取り組み内容について解説します。

＊10　テラヘルツ波：1THz前後の電磁波の呼称。100 GHzから10 THzの周波数を指すことが多い。

NTTドコモでは、2018年から見通し外におけるミリ波のエリア構築に向けて、動的な制御を考えない静的なメタサーフェス反射板について検討しています（8）。しかし、この際に検討したメタサーフェス反射板は、設置場所・基地局位置・対策個所から算出される入射・反射角に応じて反射位相分布を設計する必要があり、また反射板の裏が新たな見通し外になるといった課題がありました。加えて反射板は、街中の景観に溶け込むような意匠であることも求められます。
そこで、私たちはAGC株式会社の協力の下、RISのプロトタイプとして、高い透明性を維持しながら電波の反射・透過を動的制御可能な「透明動的メタサーフェス」を開発・検討しています（9）（図4）。メタサーフェス基板を透明化したものに透明なガラス基板を重ね、ガラス基板を微動させることで、入射電波を透過するモード、電波の一部を透過し一部を反射するモード、すべての電波を反射するモードの3パターンを動的に制御することを可能としました。
従来のメタマテリアル・メタサーフェス動的化手法としては、金属パターンの抵抗・電気容量成分を、半導体素子を用いて制御する方法が主流でした。今回の透明動的メタサーフェスの動的化手法は、半導体素子を用いたこれまでの手法に対して、「透明性を維持したまま動的制御が可能」「基板の大面積化が容易」という優位性があり、設置の際に景観や既存のデザインへの影響を抑えることができます。
実証実験においては、透過モードの際に透過率約−1.4 dB以上、反射モードの際に透過率−10 dB以下（これより計算される反射率：−1 dB以上）の性能を400 MHz以上の帯域で達成できることを確認しています（図4）。
今後は、透明RISの実現に向けて透過・反射方向の制御機能の実装などさらなる高機能化を検討していきます。

ミリ波帯の電波は、現在LTEで使用されている周波数帯や、Sub6＊11帯の電波と比較し、直進性が高く、減衰しやすいという特徴があります。そのため、屋外基地局アンテナから発信された電波は建物の窓ガラスに到達するまでに減衰し、さらに減衰した微弱な電波は広がることなく屋内に入り込むため、屋外基地局アンテナによる屋内のエリア化は困難となります。
そこで、屋内側から窓ガラスに貼付け可能なフィルム形状で、窓ガラスを通るミリ波を屋内の特定の場所（焦点）に集めることができる「透明メタサーフェスレンズ」をAGC株式会社と共同で開発しました（10）。窓ガラス全面を通る微弱な電波を焦点に集めることで電力を高めることができるため、焦点位置にリピータやリフレクタ＊12、RISなどのエリア改善ツールを置くことで、屋外の基地局アンテナによる建物内のエリア化が実現できると考えています（図5）。本メタサーフェスレンズを用いた実証実験では、焦点における受信電力が通常の透過ガラスを用いた場合に対して24 dB以上向上することを確認しています。
さらに、焦点を動的に制御する機能についても検証しました。従来、電波の透過・反射波方向を制御する際は、同一の素子を均一に配列することでメタサーフェスを構成し、素子ごとに異なる制御信号を与えることで実施しました。今回の動的メタサーフェスレンズでは、4種類の構造の異なる素子を適切に配置することで、全素子に同一の制御信号を与えたとしても、焦点位置を切替えられること（今回は単焦点⇔2焦点の切替え）を実証しました（図5）。単焦点モードにおいては、焦点1の受信電力が焦点2の受信電力に対して11 dB高い結果となっており、焦点1のみが焦点として機能しています。一方で、2焦点モードにおいては、焦点1と焦点2の両焦点にて、単焦点モードの焦点2によりも受信電力が6 dB高くなっており、焦点が2つ形成されていることが分かります。制御が簡単にできることで、大きな面積のメタサーフェスレンズでも焦点を動的制御できる可能性があります。

＊11　Sub6：周波数帯域の区分の1つ。3.6GHzから6GHzの周波数を持つ電波信号。
＊12　リフレクタ：本稿では、従来の金属反射板やメタサーフェス反射板を含めてリフレクタと呼称します。

本稿では、5G evolution & 6G実現に向けた課題の1つであるミリ波帯における見通し外カバレッジについて、有望なアプローチとして、無線環境の適応的な制御を試みるIREの概念を示し、IREの要素技術であるRISとその基となるメタマテリアル・メタサーフェス技術について解説しました。ある有限の面積を有したリフレクタやRISで伝搬環境に影響を与える場合、その面積が波長に対して大きいほど、つまり周波数が高いほど制御性が増します。ここで解説した技術は5Gのみならず、利用周波数がより高くなると予想される6G以降の無線システムにおいても、エリア構築における基盤技術の1つになることが期待されます。
今後は、本稿で解説したRIS技術の実環境における効果の実証に取り組むとともに、6Gに向けて、RISのさらなる高周波数化を検討していきます。

＊　本特集は「NTT DOCOMOテクニカル・ジャーナル」（Vol.29 No. 2、 2021年7月）に掲載された内容を編集したものです。

■参考文献
（1） https://www.nttdocomo.co.jp/corporate/technology/whitepaper_6g/index.html
（2） D. Kitayama, K. Tateishi, D. Kurita, A. Harada, M. Inomata, T. Imai, Y. Kishiyama, H. Murai, S. Itoh, A. Simonsson, and P. Okvist：“High Speed Mobility Experiments on Distributed MIMO Beamforming for 5G Radio Access in 28-GHz Band,”IEICE Trans. Commun., Vol.E102-B, No.8, August 2019.
（3） D. Kurita, K. Tateishi, D. Kitayama, A. Harada, Y. Kishiyama, H. Murai, S. Itoh, A. Simonsson, and P. Okvist：“Indoor and Field Experiments on 5G Radio Access for 28-GHz Band Using Distributed MIMO and Beamforming,” IEICE Trans. Commun., Vol.E102-B, No.8, August 2019.
（4） M. D. Renzo, A. Zappone, M. Debbah, M. S. Alouini, C. Yuen, J. de Rosny, and S. Tretyakov：“Smart Radio Environments Empowered by Reconfigurable Intelligent Surfaces:How It Works, State of Research, and The Road Ahead,”IEEE Journal on Selected Areas in Commun, Vol.38, No.11, pp.2450-2525, Nov. 2020.
（6） D. R. Smith, W. J. Padilla, D. C. Vier, S. C. Nemat-Nasser, and S. Schultz：“Composite Medium with Simultaneously Negative Permeability and Permittivity,” Phys. Rev. Lett., Vol.84, No.18, pp.4184-4187, May 2000.
（7） D. Kitayama, M. Yaita, and H.-J. Song：“Laminated metamaterial flat lens at millimeter-wave frequencies,” Opt. Express, Vol.23, pp.23348-23356, Sept. 2015.
（8） D. Kitayama, D. Kurita, K. Miyachi, Y. Kishiyama, S. Itoh, and T. Tachizawa：“5G Radio Access Experiments on Coverage Expansion Using Metasurface Reflector at 28 GHz,” 2019 IEEE APMC, pp.435-437, 2019.
（9） NTTドコモ報道発表資料：“世界初，28GHz帯5G電波の透過・反射を動的制御する透明メタサーフェス技術の実証実験に成功，” Jan. 2020.
（10） NTTドコモ報道発表資料：“メタサーフェス技術により窓ガラスの電波レンズ化に世界で初めて成功，” Jan. 2021.