１　はじめに

　近年の携帯電話やスマートフォン、タブレット端末などの普及に伴い、鉄道車両内における、メール、インターネット、テレビ視聴などのニーズが急速に高まっています。現在、これらのサービスを鉄道車両内で利用するためには、一部のサービスを除き、沿線に設置された基地局（送信所）から送信された電波を直接利用することがほとんどです。しかし、それらのサービスは、鉄道車両内で利用することを想定して設計されておらず、その伝送品質を詳細に把握することができません。そこで、簡易な測定とシミュレーションにより、鉄道車両内における電波を利用した無線通信の品質を推定する手法と、放送波を例とした車内の受信環境を向上させる手法について検討した結果を紹介します。

２　公衆高速無線通信サービスを利用したシステムの伝送品質評価手法

　鉄道環境で公衆無線通信サービスを利用しようとした場合、沿線基地局の位置やその仕様が公開されていないため、鉄道事業者側でサービスエリアや伝送品質を詳細に把握することは困難です。そこで鉄道総研では、公衆無線通信サービスを含んだ車上の端末と地上に設置されたサーバ間の通信における伝送品質を予測し、所望のアプリケーションを導入可能か否かを評価する手法を検討・提案しました。

　公衆無線通信サービスを利用したアプリケーションの導入の可否を、導入しようとする線区内で, 所望の品質を一定の割合以上確保できる区間の割合（場所率）によって評価する手順を図１に示します。提案手法では、３つのステップ（A～C）で伝送品質の予測と導入可否の評価を行います。

• 
  図１　伝搬品質予測とアプリケーション導入評価手順

２．１　伝送品質の予測

　伝送品質を予測するため、まず鉄道事業者で把握できる要素（スループットや受信電力など）を測定します。例えば、スループットと受信電力の変動は概ね相関関係にあることから、一方の特性を把握することで、もう一方の特性もその概要を把握することができます。次に、測定の結果から概ねの基地局の位置を推定して、ネットワークシミュレータによる伝送品質のシミュレーションを行い、その伝送品質を把握します。

２．２　アプリケーション導入可否の評価

　アプリケーションの導入が可能か否かを、要求事項や所望の伝送品質とシミュレーションの結果から評価する手法を紹介します。図２に車上で撮影した画像を指令や保守区などのサーバに伝送するシステムを想定し、評価手順に従って導入の可否を評価した事例を示します。この事例では、車上アンテナの位置による伝送品質の違いから、アプリケーションが導入可能かどうかを評価しています。評価の結果、全てのアンテナ位置で②中品質（標準画質）および③低品質（携帯電話用）の画像が伝送可能であるが、アンテナを屋根上に設置しても、①高品質（例えばハイビジョン）の画像の伝送に必要なスループット、遅延時間は確保できないと判定できます。このように、提案手法を用いて、所望のアプリケーションの導入可否を評価することができます。

　ここでは、車上で撮影した画像を地上に伝送することを想定した例を示しましたが、車上に設置したアクセスポイント（簡易基地局）を通して、お客様が地上と通信する際の品質も、同様に評価することができます。

• 
  図２　アプリケーションの導入評価事例

３　車内における電波の受信環境向上手法

　車内において放送波の受信環境を向上させようとした場合、車両で一旦受信した電波を増幅・再送装置により車内へ再送信する方法が最も有力な手法であると考えられます。近年、鉄道車両内で提供されている車内インターネット接続サービスも、この方法によりサービスが提供されています。当該方法であれば、車内の部分については、鉄道事業者が通信環境を設計することができます。ところが、放送波の場合は、移動体の車内において一旦受信した信号を一定レベル（微弱無線局の送信出力）以上に増幅して再送信する装置の設置が法律で認められていません。そこで、鉄道車両内で実現できる電波の受信環境の向上手法について、地上デジタルテレビ放送の移動体向サービスであるワンセグ放送を対象に検討を行いました。

３．１　無給電再送方式による受信環境向上手法の提案

　前述したように、放送波は鉄道車両内で増幅・再送信できないため、増幅せずに再送信する方法（無給電再送方式）を提案しました。提案する無給電再送方式の構成イメージを図３に示します。この手法は、受信アンテナを車上の放送波が受信しやすい場所に設置し、同軸ケーブルで接続した車内のアンテナで再送信する方法です。

• 
  図３　無給電再送方式の構成例

３．２　提案手法による受信環境向上効果

(a) 実験による提案手法の検証

　提案した手法の効果を確認するため、無給電再送方式による実験を行いました。その結果、車内再送信用アンテナの近くにおいて受信電界強度が向上するなど（図４の 測定点③④）、無給電再送方式に効果があることが確認できました。

(b) シミュレーションによる車内受信環境向上の検討

　提案した無給電再送方式による受信電界強度を向上手法の効果を車両全体で確認するため、時間領域差分法（Finite-Difference Time-Domain method：FDTD 法）によるワンセグ放送波の鉄道車両内電波伝搬特性シミュレーションを実施しました。

　その結果、送受信アンテナの利得の合計を20dBi以上とすることで、放送波の入射側とは反対側の座席まで、所望受信電力以上とすることができました（図５）。しかし、提案した手法で受信環境を向上できる範囲は限定されることから、車内全体の受信環境を向上させようとした場合には、受信アンテナと再送用アンテナを、全ての窓ごと、もしくは１つおき程度の間隔で設置することが望ましいといえます。

　なお、紹介した手法は車外から到来する電波に対して有効であり、ワンセグ放送だけでなく、他の放送や通信に対しても適用することができると考えています。

• 
  図４　無給電再送方式による受信環境の向上
• 
  図５　シミュレーションによる提案手法の効果の予測結果

４　おわりに

　鉄道車両内で公衆無線通信サービスを利用する場合の品質評価方法やワンセグ放送を対象とした受信品質の向上手法について紹介しました。鉄道車両内での電波利用については、今後も需要が増えると考えられます。快適な鉄道の旅を楽しんでいただけるように、今回紹介したような手法を活用して鉄道車両内のよりよい電波利用環境の構築を支援していきたいと考えています。