ビームフォーミング

ビームフォーミングの技術とその応用

ビームフォーミング（beamforming）とは、電波や音波などの波を特定の方向に集中的に送信または受信するための技術を指します。この技術は、指向性の高い信号を生成することにより、通信の効率性や質を向上させる役割を果たします。

概要

ビームフォーミングは、アクティブ・フェーズドアレイ・[[アンテナ]]などの特定のアンテナ技術において、指向性を積極的に制御するために長い間用いられてきました。具体的には、多数の小型アンテナに供給される高周波信号の位相を調整することで、これらアンテナの合成効果によって信号の指向性を変えることが可能です。

また、ソナー技術でも似たような原理が適用されており、送信・受信に使うアンテナを配列することによって、ビームフォーミングを実施しています。この技術は、Wi-Fi通信の進化とも関連があります。従来のSISO（単一入力・単一出力）方式から、IEEE802.11n規格によりMIMO（多重入力・多重出力）へと移行し、さらにはマルチユーザーMIMO（MU-MIMO）へと進化しました。この変更により、通信速度が飛躍的に向上し、限られた周波数帯域を効率的に利用するための空間多重化（SM）が実現されています。

ビームフォーミングはもともと軍用レーダーなどに限定されていましたが、最近では高周波デバイスの集積化が進む中で、メインストリームの通信機器でも広く採用されるようになりました。具体例として無線LANや携帯電話が挙げられ、さらに衛星放送や衛星通信でも雨による信号減衰を軽減する目的でこの技術が用いられています。ビームフォーミング機能を使用するためには、対応する通信規格に準拠した機器が必要です。

歴史

ビームフォーミング技術の根底にあるアイデアは、1970年代初めにはA.R. KayeとD.A. Georgeによって提唱されました。さらに、W. van Ettenが1970年代後半に同様の研究を行っています。1980年代には、ベル研究所のJack WintersとJack Salzがビームフォーミングに関する詳しい研究を進め、1984年と1986年に論文を発表しました。

1993年には、Arogyaswami PaulrajとThomas KailathがMIMO技術を用いた空間多重化（SM）のコンセプトを提唱しました。この理念に基づき1994年に特許を申請し、特に無線放送における応用を強調しています。その後、1996年にはGreg RaleighとGerard J. FoschiniがMIMO技術への新たなアプローチを考案し、複数のアンテナを一つの送信機に取り付ける構造が提案されました。

1998年には、ベル研究所はMIMO通信システムの性能を改善するための主要技術である空間多重化のプロトタイプ開発を実現しました。これにより、ビームフォーミング技術はさらに実用的かつ広範囲に適用されるようになりました。

関連項目

• - スマートアンテナ

この技術は、ビームフォーミングを利用することにより、通信の品質と効率を向上させることができます。

ビームフォーミングの確立と進化は、現代の通信技術における要素の一つとしての地位を確立しており、今後の発展が期待されています。

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