ミリ波列車無線システム

40GHz帯ミリ波による対列車通信システムの実現に向け、回線設計をする際に必要となる軌道面の違いによる電波の反射減衰量の違いや、雪の厚さおよび含水率と減衰量の関係を把握しました。また、鉄道における標準的な環境である高架区間を想定した電波伝搬特性を実験により把握しました。

1.はじめに

ミリ波帯(30GHz~300GHz)の電波は直進性が強く、伝送に使用できる帯域を広く確保することができます。そのため、ワンマン運転時にホームにおける乗降客の様子などの監視画像を運転士へ伝送するシステムや、車内広告情報を更新するためのシステム、あるいは車両基地構内における入換作業を支援するための無線システムなど、近距離で大容量の情報を伝送する必要のある用途ですでに利用されていますが、走行中の列車と地上間で連続的に通信を行うシステムではまだ利用されていません。

鉄道総研では、総務省が策定している周波数アクションプランを参考に、40GHz帯ミリ波を用いて高速で走行する列車と地上間で連続的に通信を行う対列車通信システムの実現を目指した研究を行っています。

2.ミリ波による列車無線システム

現在新幹線で利用しているLCX方式に代わり、ミリ波による空間波で構成する次世代列車無線システムを検討しています(図1)。検討している構成案では、無線信号をそのまま光ケーブルに重畳することができる光無線ファイバ(Redio Over Fiber : RoF)の技術の活用により、これまでの空間波による列車無線システムにおいて沿線に設置した無線機で行っていた機能の一部(変復調や周波数変換など)を拠点箇所へ集約し、沿線装置の機能をO/E・E/O変換、増幅、アンテナのみに限定することで、基地局機能の集約と沿線装置の小型化が実現でき、設置スペースの縮小やコストダウンが期待できます。

図1 システム構成案

3.鉄道特有環境における電波伝搬特性の把握

(a) トンネル内伝搬特性のシミュレーション

これまでの研究によりミリ波の電波は、トンネル区間で特に良好な伝搬特性が得られることが分かっています。そこで、トンネル区間を対象とした電波伝搬のシミュレーション手法として、レイトレーシング法による計算の試行を行い、直線区間の減衰特性が良く再現できることを確認しました。

(b) 軌道面における反射減衰特性

鉄道特有の大地面形状である、スラブ軌道とバラスト軌道による反射減衰量の測定を行い、バラスト軌道が、スラブ軌道より約10dB反射減衰量が大きいことが分かりました(図2)。

(c) 着雪による透過減衰特性

降雪地域にアンテナを設置する場合、アンテナ表面への着雪が通信品質に影響を及ぼすことが想定されます。そこで、雪の厚さと含水率が、40GHz帯ミリ波の伝搬に与える影響(減衰量)を測定により把握しました(図3)。その結果、回線設計時のマージン設定に着雪の影響を考慮するとともに、アンテナ表面に着雪させない工夫が必要であることが分かりました。

図2 軌道の種類による反射減衰特性
図3 雪の含水率・厚さと減衰特性

(d) 高架区間における電波伝搬特性

日本の鉄道における代表的な構造である、両側をコンクリートの側壁により囲まれた高架区間における40GHz帯電波の伝搬特性を測定により把握しました。その結果、自由空間における伝搬損よりも伝搬損が小さいことが分かりました(図4、5)。

図4 試験環境
図5 高架区間における伝搬特性の例

4.今後の予定

明かりや曲線区間におけるシミュレーションモデルの作成および計算、車両が伝搬特性に及ぼす影響の把握、対列車通信に適したアンテナの検討を行い、40GHz帯ミリ波による対列車通信システムの構成例や標準無線回線設計表を提案する予定です。

参考文献

  1. 中村一城、岩澤永照、川﨑邦弘、吉田正太朗:40GHz帯ミリ波における着雪の影響、2015信学総大、B-1-11、2015
  2. 中村一城、川﨑邦弘、山口大介、川村智輝、服部鉄範、栗田明、吉田正太朗:鉄道軌道面におけるミリ波の反射損失に関する一検討、信学技報、Vol.115、No.53、MWP2015-8、pp.41-44、2015
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