セルラーネットワークシステムにおいて、4G LTEであろうと5G NRであろうと、Multiple-input multiple output (MIMO) とCarrier Aggregation (CA) はどちらも重要な技術ですが、それらの違いは何でしょうか？

Carrier aggregationは、LTE Advanced ネットワークで導入された非常に革新的な技術であり、モバイルネットワークが複数の周波数キャリアを一つに結合することで、モバイルフォンユーザーのためにより大幅なデータレートの増加をもたらすため、全体的なキャリア帯域幅を増加させます。当初は、3GPP Release 8に基づいたLTEネットワークはCarrier aggregationをサポートしていませんでしたが、LTEネットワークは柔軟な帯域幅構成をサポートしており、これは1.4 MHz、3 MHz、5 MHz、10 MHz、15 MHz、20 MHzといった異なる帯域幅の周波数キャリアを使用できることを意味します。

LTE-AdvancedのRelease 10は、Carrier aggregation (intra-band continuous and inter-band) を初めて導入したLTEバージョンであり、5×20 MHzを標準CAとしましたが、これは2つのオペレーター向けのみでした。2012年に導入されたLTE-AdvancedのRelease 12は、帯域内非連続Carrier aggregationをサポートしました。柔軟な帯域幅で最大5つの周波数キャリアの集約をサポートし、最大100MHzの帯域幅を実現しました。100MHzの帯域幅も既に素晴らしいものですが、LTE-Advanced Proネットワークは、より高仕様なCarrier aggregation構成をもたらしました。これは、ダウンリンクで最大3 Gbpsのスループットを提供することを目指しており、これにはより大きなキャリアサイズが必要です。3GPP Release 13は、最大32キャリアのCarrier aggregationを可能にし、最大640MHzの帯域幅に達するLTE-Advanced Proネットワークを導入しました。

Carrier aggregationは既にLTE-Advancedネットワークで導入されている重要な技術ですが、それはLTEの進化を可能にし、1Gbpsを超えるユーザーデータレートを達成させました。しかし、5Gネットワークでは、Carrier aggregationはマルチギガビット5Gへの進化をサポートし、ユーザーデータレートは約4 Gbps以上に達します。

Carrier aggregationについて話した後、MIMOとは一体何なのか見てみましょう。

無線ネットワークでは、2つの無線ノードが無線チャネルを介してデータを送受信するために通信し、このチャネルは無線スペクトルを使用します。しかし、多くの地域では適切なスペクトルが不足しており、より多くのスペクトルを使用することは非現実的です。

MIMOはMultiple Input Multiple Outputの略で、容量を増やすことなくスペクトルを増やすことができる高度なアンテナ技術であり、4G LTE、LTE-Advanced、LTE-Advanced Proネットワークで広く採用されています。MIMOは空間多重化、アンテナダイバーシティ、およびビームフォーミングを通じてデータレートと信号品質を効果的に向上させます。

MIMOは4G LTEにおける空間多重化の原理に焦点を当てており、これは複数の空間的に分離されたアンテナ（空間分割多重）を介して通信が行われることを意味します。また、MIMOはアンテナダイバーシティを通じてマルチパスフェージングの影響を最小限に抑えることで、モバイル信号の品質も向上させます。

さらに、MIMOはビームフォーミング技術の恩恵を受け、複数のアンテナが同じ受信機に信号を送信することで、受信機がより強力な信号を受信できるようにします。LTEネットワークではダウンリンクとアップリンクで異なるMIMO構成を使用し、送信機と受信機の両方がこれらの構成をサポートする必要があります。

3GPP Release 8によると、初期のLTEネットワークはダウンリンクで4×4 MIMO構成、アップリンクで2×2 MIMO構成をサポートしていました。4×4ダウンリンク構成とは、基地局送信機内の4つのアンテナ素子が携帯電話に信号を送信し、一方、携帯電話受信機内の4つのアンテナ素子が信号の受信を担当することを意味します。アップリンク送信は携帯電話から基地局へのものです。

LTE-AdvancedおよびLTE-Advanced Proネットワークは、ダウンリンクで8×8 MIMO構成、アップリンクで4×4 MIMO構成を使用します。要約すると、MIMOとキャリアアグリゲーションは、現代のセルラーネットワークにおいてそれぞれ独自の重要な役割を果たし、共同でユーザーにより高速で安定した通信体験をもたらします。5G (NR)ネットワークでは、Massive MIMOと呼ばれる高度なMIMOが採用されており、これはより高い構成とマルチユーザーMIMOを使用します。Massive MIMOは、超高速ミリ波5Gの重要な実現技術であり、基盤となるコンポーネントとなっています。

どれだけのアンテナがあればMassive MIMOと見なされるかについては決まった定義はありませんが、8×8を超えるアンテナを持つシステムは一般的にMassive MIMOシステムと見なされます。8×8という数字は、8つの送信アンテナと8つの受信アンテナを指します。一般的に、MIMOはアンテナ技術として機能し、キャリアアグリゲーションとは異なる重点を置いています。

キャリアアグリゲーションは周波数キャリアの結合に焦点を当てていますが、MIMOは既存の周波数キャリアをより効率的に空間多重化することによって、携帯電話ユーザーのデータレートを向上させます。キャリアアグリゲーションは複数の周波数キャリアを組み合わせて、携帯電話により大きなキャリア帯域幅を割り当てます。しかし、MIMOは送信機で多数のアンテナ素子を利用して、複数の並行データストリームを受信機に送信します。MIMO受信機もこれらのデータストリームを受信するために複数のアンテナ素子を装備しており、ユーザーデバイスからの出力は、様々なデータストリームを結合することによって生成されます。このようにして、各データフローは基地局とユーザー機器の間の仮想チャネルのように機能します。