OFDM(Orthogonal Frequency-Division Multiplexing)とは？意味をわかりやすく簡単に解説

text: XEXEQ編集部

OFDM(Orthogonal Frequency-Division Multiplexing)とは

OFDMはOrthogonal Frequency-Division Multiplexingの略称で、直交周波数分割多重と呼ばれる無線通信における信号伝送技術の一種です。OFDMでは、利用可能な周波数帯域を複数の狭い帯域に分割し、それぞれの帯域で異なるデータを同時に伝送することができます。

OFDMの大きな特徴は、マルチパス伝搬による信号の遅延や干渉に強いことです。マルチパス伝搬とは、送信された信号が障害物などによって反射や回折を繰り返し、受信機に到達するまでに複数の経路を通ることを指します。OFDMでは、各サブキャリアの間隔を狭くすることで、マルチパス伝搬の影響を軽減しています。

また、OFDMは周波数利用効率が高いという利点があります。従来の周波数分割多重方式では、各チャネル間にガードバンドと呼ばれる空き周波数帯域を設ける必要がありましたが、OFDMではサブキャリア間の直交性を利用することでガードバンドを省略できます。これにより、限られた周波数帯域をより効率的に活用することが可能となります。

OFDMは、現在の無線通信システムにおいて広く採用されている技術です。代表的な例としては、無線LANの規格であるIEEE 802.11aやIEEE 802.11gが挙げられます。また、LTEやWiMAXといった高速移動通信システムでもOFDMが使用されています。

OFDMの理解には、直交性や周波数利用効率、マルチパス伝搬への耐性といった概念が重要となります。これらの特性を活かすことで、OFDMは高速かつ安定した無線通信を実現しているのです。今後も、無線通信技術の発展とともにOFDMの応用範囲が広がっていくことが期待されています。

OFDMの基本原理と動作メカニズム

OFDMの基本原理と動作メカニズムに関して、以下3つを簡単に解説していきます。

OFDMの信号生成と復調の仕組み
直交性の概念とサブキャリア間の関係性
シンボル長とガードインターバルの役割

OFDMの信号生成と復調の仕組み

OFDMの信号生成では、まず送信データをシリアル・パラレル変換し、複数のサブキャリアに割り当てます。各サブキャリアは異なる周波数を持ち、それぞれ独立したデータを伝送します。そして、逆高速フーリエ変換(IFFT)を用いてサブキャリアを時間領域の信号に変換し、送信します。

受信側では、受信した時間領域の信号に高速フーリエ変換(FFT)を適用することで、周波数領域のサブキャリアに分解します。各サブキャリアのデータを復調し、パラレル・シリアル変換を行うことで元の送信データを復元します。この一連の処理により、OFDMは効率的なデータ伝送を実現しているのです。

OFDMの信号生成と復調の過程では、IFFTとFFTが重要な役割を果たしています。これらの変換を適切に行うことで、サブキャリア間の直交性を維持し、干渉を最小限に抑えることができます。また、シンボル長やガードインターバルの設定も、信号の品質に大きく影響を与えます。

直交性の概念とサブキャリア間の関係性

OFDMにおける直交性とは、サブキャリア間の干渉を最小限に抑えるための重要な概念です。直交性を満たすためには、各サブキャリアの周波数間隔が適切に設定されている必要があります。一般的に、サブキャリア間の周波数間隔はシンボルレートの逆数に等しくなるように選ばれます。

直交性が確保されていれば、あるサブキャリアの信号は他のサブキャリアに干渉を与えません。つまり、各サブキャリアは独立してデータを伝送することができます。この特性により、OFDMは周波数利用効率を高め、限られた帯域でより多くのデータを送信できるのです。

ただし、実際の無線通信環境では、完全な直交性を維持することは困難です。マルチパス伝搬や周波数オフセットなどの影響により、サブキャリア間に干渉が生じる可能性があります。そのため、OFDMシステムでは、直交性を可能な限り維持するための技術が適用されています。

シンボル長とガードインターバルの役割

OFDMにおけるシンボル長は、各サブキャリアが一つのシンボルを伝送するのに要する時間を指します。シンボル長が長いほど、サブキャリアの帯域幅が狭くなり、マルチパス伝搬の影響を受けにくくなります。一方で、シンボル長が短すぎると、サブキャリア間の干渉が増加し、伝送品質が低下してしまいます。

ガードインターバルは、シンボル間の干渉を防ぐために設けられる無信号の区間です。マルチパス伝搬によって生じる遅延波が、次のシンボルに影響を与えないようにするために使用されます。ガードインターバルの長さは、想定される最大遅延時間より長く設定する必要があります。

シンボル長とガードインターバルの適切な設定は、OFDMシステムの性能に大きく影響します。これらのパラメータは、伝送環境や要求される品質に応じて最適化される必要があります。また、ガードインターバルの挿入によってデータレートが低下するため、効率的な設計が求められます。

OFDMの応用分野と利用事例

OFDMの応用分野と利用事例に関して、以下3つを簡単に解説していきます。

無線LANにおけるOFDMの活用
LTEおよび5Gモバイル通信でのOFDMの役割
放送分野でのOFDM技術の適用

無線LANにおけるOFDMの活用

無線LANの分野では、OFDMが広く採用されています。IEEE 802.11aやIEEE 802.11gといった規格では、5GHz帯や2.4GHz帯でOFDMが使用されています。OFDMを用いることで、高速なデータ伝送を実現しつつ、マルチパス伝搬の影響を軽減することができます。

また、IEEE 802.11nやIEEE 802.11acでは、OFDMをベースとしたMIMO(Multiple Input Multiple Output)技術が導入されています。MIMOは、複数のアンテナを用いて空間的な多重化を行う技術であり、OFDMとの組み合わせにより、さらなる高速化と信頼性の向上を達成しています。

無線LANにおけるOFDMの活用は、オフィスや家庭での高速インターネットアクセスを支える重要な技術となっています。今後も、次世代の無線LAN規格においてOFDMが中心的な役割を果たしていくことが予想されます。

LTEおよび5Gモバイル通信でのOFDMの役割

LTE(Long Term Evolution)や5Gといった高速モバイル通信システムでも、OFDMが採用されています。LTEでは、下り回線にOFDMを、上り回線にSC-FDMA(Single Carrier Frequency Division Multiple Access)を使用しています。SC-FDMAは、OFDMと類似した技術ですが、ピーク電力対平均電力比(PAPR)が低く、端末の消費電力を抑えることができます。

5Gでは、OFDMをベースとしたNR(New Radio)が導入されています。5G NRでは、より広い周波数帯域やMassive MIMOといった技術と組み合わせることで、超高速かつ低遅延の通信を実現しています。また、5Gでは、OFDMをベースとしたスケーラブルなサブキャリア間隔の採用により、様々な用途に対応可能な柔軟性を持っています。

LTEや5Gでのオフドフの活用は、スマートフォンやIoTデバイスなどの爆発的な普及を支える重要な基盤となっています。今後も、モバイル通信の進化とともにOFDMの役割がますます大きくなっていくと考えられます。

放送分野でのOFDM技術の適用

OFDMは、放送分野でも広く利用されています。地上デジタルテレビ放送では、日本の ISDB-T(Integrated Services Digital Broadcasting - Terrestrial)や欧州のDVB-T(Digital Video Broadcasting - Terrestrial)といった規格でOFDMが採用されています。OFDMを用いることで、マルチパス伝搬による信号の劣化を抑え、高品質な映像と音声を提供することができます。

また、デジタルラジオ放送の規格であるDAB(Digital Audio Broadcasting)やDRM(Digital Radio Mondiale)でもOFDMが使用されています。これらの規格では、OFDMの周波数利用効率の高さを活かし、限られた周波数帯域で多チャンネルの音声放送を実現しています。

放送分野でのOFDM技術の適用は、高品質かつ安定した放送サービスを提供するために不可欠な要素となっています。今後も、4K・8K放送などの高解像度映像の普及に伴い、OFDMの重要性がさらに高まっていくことが予想されます。

OFDMの課題と今後の展望

OFDMの課題と今後の展望に関して、以下2つを簡単に解説していきます。

OFDMのピーク電力対平均電力比(PAPR)の問題
OFDMの周波数オフセットや位相雑音への対策

OFDMのピーク電力対平均電力比(PAPR)の問題

OFDMの大きな課題の一つに、ピーク電力対平均電力比(PAPR)の問題があります。PAPRとは、信号の最大振幅と平均振幅の比を表す指標です。OFDMでは、複数のサブキャリアを同時に送信するため、サブキャリアの位相が重なると瞬間的に大きな振幅を持つ信号が発生することがあります。

高いPAPRは、送信機の非線形性による信号の歪みを引き起こし、伝送品質の劣化につながります。また、高出力の信号を扱うために、送信機の電力増幅器が大きな動作範囲を持つ必要があり、効率が低下してしまいます。PAPRを低減するための様々な技術が研究されていますが、完全な解決には至っていないのが現状です。

PAPRの問題に対処するために、Selected Mapping(SLM)やPartial Transmit Sequence(PTS)といった技術が提案されています。これらの技術は、送信信号の位相やサブキャリアの組み合わせを最適化することで、PAPRを低減しようとするものです。今後も、PAPRの低減に向けた新たな技術の開発が期待されています。

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