IT用語集 2023/12/09

MIMOとは？わかりやすく10分で解説

コラム

MIMO（Multiple Input Multiple Output）は、無線通信の「速度」「安定性」「同時接続」を底上げするために、いまや欠かせない基盤技術です。Wi-FiやLTE/5Gの高速化は、周波数帯域を広げるだけでなく、アンテナを複数使って電波の使い方そのものを賢くすることで実現してきました。本記事では、MIMOの基本（何ができる技術なのか）から、MISO/SIMOとの違い、LTE/5Gでの使われ方、ビームフォーミングやTDDとの関係までを、誤解が起きやすい点を整理しながら解説します。

MIMO技術の概要

MIMOは、送信側と受信側の双方で複数のアンテナを使い、電波の伝わり方（空間的な違い）を利用して通信効率を高める技術です。単に「アンテナを増やすと速くなる」という話ではなく、電波が反射・回折して複数経路で届く現実の無線環境をうまく活用することで、通信性能を引き上げます。

MIMOの基本的な定義

MIMOは、Multiple Input Multiple Outputの略で、複数の送受信アンテナを利用する無線通信方式を指します。MIMOの効果は大きく分けて次の2つです。

空間多重（Spatial Multiplexing）：同じ時間・周波数資源で複数のデータストリームを同時に送受信し、スループット（実効速度）を上げる
空間ダイバーシティ（Spatial Diversity）：複数アンテナで受信条件の良い信号を選ぶ／合成することで、フェージング等による品質劣化を抑える

よくある誤解として「同じデータを複数経路で送るから速くなる」という説明がありますが、速度向上の本質は別々のデータを同時に送る（空間多重）ことにあります。一方で、同じデータを冗長に扱う考え方（ダイバーシティ）は、主に安定性や品質改善に寄与します。MIMOはこの2つを状況に応じて使い分けたり、組み合わせたりする技術です。

無線通信におけるMIMOの役割

無線通信は、反射・遮蔽・干渉などで信号品質が揺らぎます。MIMOは、こうした揺らぎを「障害」として避けるだけでなく、空間的な違いとして利用することで、次のような価値を提供します。

速度：空間多重によって、同じ帯域幅でも実効スループットを押し上げやすい
安定性：ダイバーシティやビームフォーミングと組み合わせて、受信品質の落ち込みを減らす
収容能力：複数ユーザーを同時に扱うMU-MIMOなどにより、混雑時の体感低下を抑えやすい

ここで重要なのは、MIMOが万能ではない点です。アンテナ数だけで決まるわけではなく、端末側の対応（端末のアンテナ数）、電波環境（多重経路の有無）、チャネル状態の推定精度、基地局／APの実装などに左右されます。つまり「MIMO対応＝必ず速い」と断定できるものではなく、条件がそろったときに強く効く技術です。

MIMOの歴史とその進化

MIMOは、研究自体は以前から存在しますが、実用面では計算処理能力、信号処理技術、標準化、端末の小型化などがそろったことで普及が進みました。モバイル（3G→4G→5G）でもWi-Fiでも、「帯域を増やす」だけでは足りない局面で、MIMOの価値がより前面に出てきます。

3Gから5GへのMIMOの進化

3Gの時代は、音声中心からデータ通信へ移行する過渡期であり、無線資源の効率化が課題でした。4G（LTE）になると、IPベースの高速データ通信が主戦場になり、MIMOは高速化・安定化の中核技術として本格的に使われるようになります。

5Gでは、さらにアンテナ数を増やしたMassive MIMOや、基地局側で指向性を制御するビームフォーミングが重要になります。これは「端末が増え、帯域も広がり、周波数も高くなる」ほど、単純に電波を広く撒くだけでは届きにくく、効率が落ちるためです。5Gの高速化・大容量化の説明にMIMOが必ず出てくるのは、この構造的な理由があります。

なお、「自動車の遠隔操作」などの表現は誤解を招きやすいので注意が必要です。5Gで期待されるのは、低遅延を活かした遠隔監視・遠隔支援・制御といった用途であり、実運用では安全設計（冗長経路、フェイルセーフ、法規制、認証・暗号など）とセットで語る必要があります。通信技術単体で成立すると言い切るのは危険です。

Wi-Fiとの関連性

Wi-Fiは、家庭・オフィス・公共空間での主要なアクセス手段として定着しました。Wi-FiでもMIMOは重要ですが、モバイルと違い「同じAPに多端末がぶら下がる」状況が頻繁に起きます。このため、速度だけでなく混雑耐性の観点が強くなります。

Wi-Fi 4（802.11n）でMIMOが普及し、Wi-Fi 5（802.11ac）では高速化とビームフォーミングが進みました。さらにWi-Fi 6/6E（802.11ax）では、MU-MIMOの活用に加えてOFDMAなども組み合わさり、「多端末同時接続での体感」を改善する方向が強まっています。Wi-Fi 7（802.11be）では、さらに広いチャネル幅や複数リンク活用（MLO）などと組み合わせて、混雑環境での効率化が狙われています。

つまり、Wi-FiにおいてMIMOは「単発の最高速度を上げる技術」というより、混雑下での実効性能を落としにくくする部品として理解した方が実態に近いと言えます。

MIMOの主な利点

MIMOの利点は「速い」「安定する」と一言でまとめられがちですが、実際には何を改善しているのかを分けて理解した方が誤解が減ります。ここでは、速度と品質を、仕組みの違いも含めて整理します。

伝送速度の向上（空間多重）

MIMOが速度向上に効く代表的な仕組みは空間多重です。複数のアンテナで、同じ時間・同じ周波数帯を使いながら複数のデータストリームを同時に送受信し、実効スループットを上げます。

ただし、空間多重の効き方は環境に依存します。たとえば、電波の経路が単純すぎる（反射が少ない見通し環境で指向性が強い等）場合や、端末側が1本アンテナしか持たない場合、期待した多重度が出ません。逆に、多重経路が豊富でチャネル状態の推定がうまくいく環境では、MIMOの効果が出やすくなります。

受信品質の改善（ダイバーシティ／ビームフォーミング）

MIMOは、速度だけでなく受信品質の底上げにも使われます。複数のアンテナで受信した信号を選択・合成することで、フェージングや一時的な遮蔽の影響を受けにくくします（ダイバーシティ）。

さらに、ビームフォーミングと組み合わせると、電波を「目的方向に寄せる」ことができ、SNR（信号対雑音比）を改善しやすくなります。結果として、同じ電波条件でも高い変調方式を使える時間が増え、速度にも間接的に効いてきます。品質改善が速度改善に波及する、という構造です。

アンテナ技術の種類

MIMOを理解するうえで、MISO/SIMOとの違いを押さえることは有効です。ただし、単に「アンテナの数の違い」ではなく、何を目的にしているか（速度か、安定性か）も一緒に理解しておくと実務で混乱しにくくなります。

MISOとSIMOの違い

MISO（Multiple Input Single Output）は、送信側が複数アンテナ、受信側が単一アンテナの構成です。送信側での工夫により、受信品質の改善や安定化（ダイバーシティやビームフォーミングの一部）に寄与します。

SIMO（Single Input Multiple Output）は、送信側が単一アンテナ、受信側が複数アンテナの構成です。受信側で信号を選択・合成することで、フェージング耐性を高めたり、受信品質を安定させたりする目的で用いられます。

この2つは「速度を倍にする」というより、まずは通信が途切れにくい・受信しやすい方向で効く構成として理解すると、MIMOとの差が明確になります。

MIMOの特徴

MIMO（Multiple Input Multiple Output）は、送受信の双方が複数アンテナを持ちます。これにより、

空間多重で速度を上げる
ダイバーシティで品質を上げる
ビームフォーミングでSNRを改善しやすくする

といった選択肢が増えます。さらに、基地局／AP側のアンテナ資源を使って複数ユーザーを同時に扱うMU-MIMOは、混雑時の体感を左右する重要要素です。ここまで含めて、MIMOは「無線の効率を上げる総合技術」と捉えるのが実態に近いでしょう。

LTEとMIMO

LTE（4G）は高速データ通信を前提に設計されており、MIMOはその性能を支える重要な要素です。ただし、LTEが「常にMIMOで動く」と単純化すると誤解が起きます。端末能力や基地局設定、電波状況に応じて、利用できるMIMOの層数や方式は変わります。

LTEにおけるMIMOの利用

LTEでは、代表的に2x2 MIMO（送受信2本ずつ）から始まり、基地局・端末の対応により4x4などへ拡張されてきました。MIMOの効果は、帯域幅、変調方式、符号化率、チャネル状態などと合わせて最終的なスループットに反映されます。

混雑した都市部や屋内では、干渉や遮蔽の影響を受けやすい一方、多重経路が豊富でMIMOが効きやすい局面もあります。逆に、電波が弱すぎる場合は、空間多重よりも品質優先（冗長性の確保）に寄ることがあります。ここが「MIMOなら必ず速い」と断定できない理由です。

データ伝送の信頼性と速度

MIMOは、空間多重で速度を上げるだけでなく、ダイバーシティやビームフォーミング相当の要素で受信品質を改善し、結果として安定したスループットを維持しやすくします。通信が「速い」のではなく、速い状態を維持しやすいという点が実務上の価値になります。

5GとMIMO

5GでMIMOの重要性がさらに増した背景には、周波数の高帯域化（例：Sub-6、ミリ波）と、収容すべきトラフィック増が関係しています。高い周波数ほど直進性が強く遮蔽物に弱くなりがちで、電波を効率よく届ける工夫が必要です。その中心がMassive MIMOとビームフォーミングです。

5G MIMOシステムの特徴

5Gでは、基地局側のアンテナを多数配置したMassive MIMOが重要になります。多数のアンテナを用いて、ユーザーごとに指向性を制御し、限られた無線資源をより効率よく配分する考え方です。

このとき鍵となるのがビームフォーミングで、ユーザーの方向にエネルギーを寄せ、干渉を抑え、SNRを改善します。結果として、カバレッジや容量を両立しやすくなります。

ただし、5Gの価値を「低遅延だから何でもリアルタイムで制御できる」といった表現で言い切るのは危険です。低遅延の実現には、無線区間だけでなく、コア網、端末、アプリ、設計（冗長化・品質保証）まで含めた要件が必要であり、用途ごとの前提条件を無視すると誤解につながります。

時間分割複信（TDD）の利点

TDD（Time Division Duplex）は、同一周波数を時間で分けて上り／下りを切り替える方式です。5Gでは、広い帯域を確保しやすい周波数帯でTDDが採用されることが多く、Massive MIMOやビームフォーミングとも組み合わせやすいという特徴があります。

TDDの利点は、通信需要に応じて上り／下りの比率を調整しやすい点です。たとえば、動画視聴のように下りが多い利用形態では下り比率を増やす設計が可能です。一方で、TDDは上り／下りの切り替えや隣接セル間のタイミングずれによる干渉など、設計上の難しさもあるため、「干渉が低減できる」と一律に言い切るのは不正確です。ここは適切な同期・設計で干渉を抑えるという表現が安全です。

ビームフォーミングとMIMO

ビームフォーミングは、複数アンテナからの信号の位相・振幅を制御し、特定方向に電波エネルギーを集中させる技術です。MIMOとセットで語られるのは、複数アンテナを使うという前提が共通しているためであり、両者は「競合」ではなく「組み合わせ」で価値が出ます。

ビームフォーミングの基本

ビームフォーミングの狙いは、目的のユーザーに対してSNRを上げ、不要方向への放射や干渉を抑え、結果として効率よく通信することです。これにより、通信品質が改善し、より高い変調方式を選べる局面が増え、実効速度にも寄与します。

ただし、ビームフォーミングは「電波を一点に当て続ける魔法」ではありません。ユーザーの移動や反射環境の変化に合わせてビームを追従させる必要があり、推定精度や実装で性能が左右されます。

5Gにおける3Dビームフォーミング

一般に「3Dビームフォーミング」と呼ばれる文脈では、水平だけでなく垂直方向も含めて指向性を制御し、空間的にビームを最適化する考え方を指します。高層ビル内やスタジアムのように端末が立体的に分布する環境では、垂直方向の制御が効いてきます。

ただし、「地下でも必ず高品質」といった断定は危険です。地下は電波の遮蔽が強く、そもそもカバレッジ設計（中継設備、屋内基地局など）が前提になります。3Dビームフォーミングは、その設計の中で効率を高める要素であり、単体で課題を解消するものではありません。

まとめ

MIMOは、無線通信を「速くする」「安定させる」「混雑に強くする」ための中核技術であり、LTEや5G、Wi-Fiの進化を支えてきました。重要なのは、MIMOの効果がアンテナ数だけで決まらず、端末の対応、無線環境、実装、周波数帯、設計条件に左右されるという点です。仕組み（空間多重とダイバーシティ）を分けて理解すると、技術説明も選定判断もブレにくくなります。