物陰へ伝わる電波、ローカル5Gで使う28GHz帯は、4.7GHz帯より伝わりにくい

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ビジネス開発本部 第１応用技術部
第１チーム
松戸 孝

はじめに

自営の新しい無線通信システムとして登場しつつあるローカル5Gが持つ特徴には、現在の自営の無線通信システムの主役である無線LAN（Wi-Fi）と比べて、同じことや違うことが存在するという事実がわかってきました[1]、[2]、[3]。

無線通信システムの命とも言える運用周波数に着目すると、免許不要の無線局である無線LAN（Wi-Fi）の運用周波数は2.4GHz帯と5GHz帯ですが、一方、免許あり無線局であるローカル5Gの運用周波数は28GHz帯と4.7GHz帯です[4]、[5]。電波の性質として、運用周波数が高くなるほど、送受信アンテナ間を結ぶ立体的な電波通路の幅（膨らみ）を持った空間が小さくなるので、様々な物体により電波が遮られやすくなります。従って、周波数が高いほど、確実で安定した無線通信を実施するためには、送信アンテナと受信アンテナ間の見通し確保には意識的に注意する必要があります[6]。

ここで、電波のもう１つの性質として、電波を遮蔽する物体の後ろ側の物陰の所、直接に見通しのない所に電波が回りこむ現象である「回折」も発生します。その際、損失が発生して電波が弱くなりますが、その回折損失の目安がナイフエッジ回折損失という考え方です[7]、[8]、[9]。

回折損失の目安＝ナイフエッジ回折損失

現実の世界において、電波を遮蔽する物体の形状や材質は様々で複雑なので、理論的に回折損失を計算することは困難です。しかしながら、電波の見通しを遮る物体の角が導電性の鋭い厚さが無視できる理想的なナイフエッジ（knife edge）の場合には、その回折損失を計算できることが知られています[7]、[8]、[9]。図1は、ナイフエッジ回折損失を計算する場合の位置関係を表しています。送信アンテナと受信アンテナを結ぶ見通し線を遮る物体としてナイフエッジが図1を見た視線の手前から奥に向かって無限の長さの壁として存在していると仮定します。見通し線を遮蔽するナイフエッジの壁の高さは、見通し線よりhだけ高い状況です。

図1 ナイフエッジ回折損失を計算する場合の位置関係

ナイフエッジ回折損失を計算＝見通し確保の大切さを知る

図1の状況において、送信アンテナから放射された電波が、ナイフエッジで遮蔽された陰の部分に存在する受信アンテナへ回折してどのくらい弱くなって到達するかを、式1で計算できます[7]。 式1は、ナイフエッジによる回折波の自由空間波（送受信アンテナ間の見通しがある状況での直接波）に対する相対的な回折損失を示しています。

表1には、図1の状況において、式1を使って計算した代表的な周波数におけるナイフエッジ回折損失を具体的に示しています。無線LAN（Wi-Fi）やローカル5Gの送受信アンテナが屋内距離が約20m離れていると想定した場合に、その中間地点の距離約10mに送受信アンテナ間を結ぶ見通し線を遮蔽するナイフエッジが存在します。そのナイフエッジの頂点は、見通し線から高さ0.5mの場合（図1のd1=d2=10m、及びh=0.5mの場合）のナイフエッジ回折損失の値です。表1から、周波数が高いほど、ナイフエッジ回折損失の値が大きい（自由空間波に比べて回折波が弱くなっている）ことがわかります。つまり、周波数が高いほど、遮蔽物の陰の部分には電波が伝わりにくいことを理解できます。

従って、周波数が高いほど、確実で安定した無線通信を実施するためには、送信アンテナと受信アンテナ間の見通し確保には意識的に注意する必要があります。例えば、屋内通信環境において送受信アンテナ間の見通しを確保するためには、無線LAN（Wi-Fi）のアクセスポイントやローカル5Gの基地局を一定のサービスエリア内において複数設置したり、無線端末を利用する人の協力（User Cooperation:利用者に通信状態の良くなる方向に向きを変えてもらう等）を促したりすること[10]が考えられます。

新しく登場している自営の免許あり無線局であるローカル5Gの運用周波数帯は、28GHz帯または、4.7GHz帯ですが、表1から理解できるように、4.7GHz帯のほうが、ナイフエッジ回折損失の値が小さいので遮蔽物の陰の部分には電波は伝わりやすく、28GHz帯よりは扱いやすいと言えましょう。

なお、0.92GHz帯で運用する無線システムの例として表1に示したIEEE802.11ahは、現在、周波数割り当ての可能性を協議中の無線LANです[11]。IEEE802.11ahは、1GHz以下の免許不要の周波数帯で、例えば、自営のIoT無線ネットワークを手軽に構築できることを期待されています。

表1 代表的な周波数におけるナイフエッジ回折損失の計算結果
（図1のd1=d2=10m、及びh=0.5mの場合）

まとめ

送受信アンテナ間の見通しが遮蔽された場合において回折した電波が弱くなる状況を、ナイフエッジ回折損失を計算することによって定量的に理解できました。

電波の波長が小さくなる、即ち周波数が高いほど、ナイフエッジ回折損失の値が大きいので遮蔽物の陰の部分には電波は伝わりにくいです。従って、新しく登場している自営の免許あり無線局であるローカル5Gが使う28GHz帯は、4.7GHz帯より見通し確保に注意が必要です。

付録）回折が、無線従事者国家試験の問題に登場している例

新しく登場している自営の免許あり無線局であるローカル5Gを運用するためには、無線従事者免許の有資格者を自ら配置することが必須です。無線従事者免許を取得するためには、無線従事者国家試験に合格する必要がありますが、その試験問題に登場している回折の例を、次に示します。無線従事者国家試験の問題と解答は、それ自身がとても良い学習教材になっていて[13]、知見を増やすためにとても有用です。

なお、下記のURLは、2020年12月31日に参照したものです。新しい試験期の問題が公開になると、古い試験期の問題は、順次、見られなくなるようですので、ご注意ください。

試験問題と解答, 日本無線協会
http://www.nichimu.or.jp/kshiken/siken.html（参照 2020年12月31日）

（第二級陸上特殊無線技士）
令和2年2月期　工学　の[16]
令和元年10月期　工学　の[15]

（第一級陸上無線技術士）
令和2年11月臨時 第2回　無線工学B　の[B-4]

（第二級陸上無線技術士）
令和2年1月期 　　無線工学B　の[A-14]

なお、本の既出問題解答集は、次のURLのオンラインショップから有料で入手できます。
情報通信振興会
https://www.dsk.or.jp/eshop/products/list.php?category_id=35

参考資料

[1]松戸孝, "ローカル5GもWiFiと同じ、皆で周波数共用だよ　～とある技術者から友人A君への手紙～", Net One Blog,ネットワンシステムズ,
https://www.netone.co.jp/media/detail/20200710-1/ ,2020年7月10日, 参照 Dec.31, 2020.

[2]スハルトノ リオスナタ, ”ローカル5GPoC環境を構築してみた-Part1- ---新任エンジニアの勉強記録---”,
https://www.netone.co.jp/knowledge-center/blog-column/20201008-1/ ,
匠コラム, ネットワンシステムズ,　2020年10月8日 , 参照 Dec.31, 2020.

[3]松戸孝, "ローカル5GとWiFiの使い分け、その考え方案　～とある技術者から友人A君への手紙～", Net One Blog,ネットワンシステムズ, https://www.netone.co.jp/media/detail/20201218-1/ ,2020年12月18日, 参照 Dec.31, 2020.

[4] 総務省,「ローカル5G導入に向けたガイドライン」, 修正版：別紙3,
https://www.soumu.go.jp/main_content/000722596.pdf ,
https://www.soumu.go.jp/menu_news/s-news/01kiban14_02000485.html ,2020年12月11日, 参照 Dec.31, 2020.

[5] 第5世代モバイル推進フォーラム 地域利用推進委員会, 「ローカル5G免許申請支援マニュアル 2.0版 2020年12月18日」,
https://5gmf.jp/wp/wp-content/uploads/2020/12/20201228_local-5g-manual2_0.pdf,
https://5gmf.jp/case/4178/ ,2020年12月18日, 参照 Dec.31, 2020.

[6]松戸孝, ”ローカル5Gで使う28GHz帯は、4.7GHz帯より見通し確保に注意が必要　～第1フレネルゾーンの大きさを計算して見通し確保の目安を知る～”,　
https://www.netone.co.jp/knowledge-center/blog-column/matsudo20200807/ , 匠コラム, ネットワンシステムズ,　2020年8月7日 , 参照 Dec.31, 2020.

[7]進士昌明, "無線通信の電波伝搬, 第2章伝搬の法則",電子情報通信学会,
https://www.coronasha.co.jp/np/isbn/9784885521027/,コロナ社,1993年6月1日（2版）, 参照 Dec.31, 2020.

[8]高田潤一, "（第1回）電波伝搬の基礎理論" ,, 映像情報メディア学会誌, Vol.70, No.1,2016,
https://www.ite.or.jp/contents/tech_guide/tech_guide201601_201701.pdf, 参照 Dec.31, 2020.

[9]長谷良裕, "特集 今さらきけない電波伝搬のABC, 第2章 遮蔽物の影響",RFワールド　No.9,
https://www.rf-world.jp/bn/RFW09/RFW09A.htm, CQ出版社, 2010年3月1日, 参照 Dec.31, 2020.

[10]唐沢好男, "移動体・パーソナル衛星通信の電波伝搬環境と高稼働率化技術", 季刊 国際衛星通信時代, No.41, 1996年9月15日,
https://dl.ndl.go.jp/info:ndljp/pid/2236341?tocOpened=1, 国立国会図書館デジタルコレクション, 参照 Dec.31, 2020.

[11]小林忠男, "小林会長の802.11ah講座　～「IoTにおけるWi-Fiの役割と802.11ah」～", 802.11ah推進協議会,
https://www.11ahpc.org/news/20191007/index.html, 2019年10月28日, 参照 Dec.31, 2020.

[12]松戸孝, "第4回 無線LANの製品や技術の理解を助けてくれる便利な単位「dB（デシベル）」 ～実験的検討に挑戦！どこのメーカも具体的に示していない無線LAN製品におけるダイバーシチ受信の性能状況 その4～", 匠コラム,ネットワンシステムズ,
https://www.netone.co.jp/knowledge-center/blog-column/knowledge_takumi_064/index.html ,2016年1月12日, 参照 Dec.31, 2020.

[13]平山浩一 et.al., "学生がいきいき学び考える電磁気学［Ⅲ・完］―電磁気学教育の現状・問題・将来―, 2．スクリーンと黒板を併用した電磁気学演習教育の取組み", 電子情報通信学会誌, Vol.103, No.3, 2020,
https://app.journal.ieice.org/trial/103_3/k103_3_334/index.html, 参照 Dec.31, 2020.

執筆者プロフィール

松戸 孝
ネットワンシステムズ株式会社 ビジネス開発本部
第１応用技術部 第１チーム所属

無線LANの技術担当SEとして製品や技術の調査、検証評価、技術者の育成、及び、提案や導入を支援する業務に従事
・第一級無線技術士
・第１回 シスコ テクノロジー論文コンテスト 最優秀賞
・第２回 シスコ テクノロジー論文コンテスト 特別賞
・第３回 シスコ 論文コンテスト 特別功労賞
・第４回 シスコ テクノロジーコンテスト 審査員特別賞

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