Ｋa帯衛星通信におけるレインセルモデル
による降雨減衰と降雨強度の時間差解析

国立研究開発法人 情報通信研究機構
中澤 勇夫† 新垣吉也† 川崎 和義† 菅 智茂†
浅井 敏男†

豊嶋 守生† 高橋 卓†

E-mail: †{i.nakazawa, arakaki, k.kawasaki, kan, asai.toshio, morio, takashi}@nict.go.jp

第622回URSI-F会合 2018年3月19日NTT横須賀研究開発センター
1

発表の内容・ 研究の背景・ Ka 帯受信レベル変動及び降雨強度の測定系
・ レインセルモデルの基本概念
・ レインセルモデルの適用例
・ まとめ

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研究の背景（情報の爆発）

Machine to Machine、つまりM2Mは機器間の通信であり、人と人との通信以上に利用の要望が高まってきている。また、M2Mの通信を行うワイヤレスM2M
システムは機器の設置および機器間の通信接続の自由度を向上させ新たなアプリケーションの実現が可能となる。また、機器の動的な配置に対しては位置認識が重要となっている。世界の携帯端末の数は現在の約60億台から2020年には120億台に達する見込みがあり、その多くはM2Mなどの分野が大半を占めると予想されている。

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3原典： 総務省 世界最先端のワイヤレス立国の実現・維持に向けて
平成27年5月25日
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4

研究の背景（無線伝送技術の進化)

原典：電波政策ビジョン懇談会最終報告書 201４ 年１２ 月
5

５ＧＭＦの仕様（ARIB白書）より

衛星通信研究会（SAT）2017年8月18日新潟大

6

総務省総合通信基盤局電波部 新たな電波利用と電波政策より 平成27年5月25日

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7

次期技術試験衛星の将来展望に関するワークショップ 2016 より

8

等

移動地球局 （ESIM)

次期技術試験衛星の将来展望に関するワークショップ 2016 より（一部修正）

9降雨減衰と降雨強度間の時間差解析

・ WINDSプロジェクトで2008年以来、降雨量強度の測定データとKa 帯受信レベル変動の測定を行っている。
・ 降雨強度の測定データとKa 帯受信レベル変動の測定から各々のピーク値の時間ずれ（Time Delay）を検証できる降雨減衰モデル（レインセルモデル）を提唱する。
・ レインセルモデルから、今後予想される移動地球局に対応したKa帯衛星通信の降雨減衰の推定可能なことを示す。

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10Ka 帯受信レベル変動及び降雨強度の測定系

図１ WINDSのKa 帯受信レベル変動及び降雨強度の測定系
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11受信電力データフォーマット（１秒間隔、CSV形式）

Time
0:00:01
0:00:02
0:00:03
0:00:04
0:00:05
0:00:06
0:00:07
0:00:08
0:00:09
0:00:10Marker1X[MHz]
135.8515
135.8515
135.8515
135.8515
135.8515
135.8515
135.8515
135.8515
135.8515
135.8515

Marker1Y[dBm]-10.20615-10.39615-10.50075-10.39615-11.10765-10.12965-10.76075-10.25865-10.53805-10.63245

Marker2X[MHz]136.151
136.151
136.151
136.151
136.151
136.151
136.151
136.151
136.151
136.151

Marker2Y[dBm]-10.4222-10.9178-10.1878-10.1355-11.1004-98.863-10.0891-10.4354-10.2385-10.2661

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12降雨強度データフォーマット（１分間隔、CSV形式）

時刻0:01:00
0:02:00
0:03:00
0:04:00
0:05:00
0:06:00
0:07:00
0:08:00
0:09:00
0:10:00
0:11:00

降雨強度[mm/h]

区間最大降雨強度[mm/h]
00000000.5000

区間最小降雨強度[mm/h]
00000000.5
0.5
0.5
0.5

00000
000000

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13表１

WINDSの網情報送受信信号を用いた受信レベル変動及び降雨強度の測定諸元
上り

アンテナ径
アンテナ利得
EIRP
周波数
変調方式

下り

備考

1.2 mφ44.9 dBi
15.7 dBW以上 (θ=8°)17.2 dBW以上 (θ=6°)
18.9 GHz
28.9 GHz
PCM(NRZ・L)/PSK/PM

副搬送波周波数
変調度

16 kHz40 kHz
1.1 rad ±10% 以下

データレート
受信電力測定4 kbps

10 kbpsSpectrum analyzer

1 秒ごと

降雨強度測定

転倒マス型

1分雨量

時刻同期

NTPサーバと同期
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受信レベル変動及び降雨強度の測定例

相対降雨減衰と降雨強度の測定の１例
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相対降雨減衰のガウス分布近似

相対降雨減衰と計算値によるガウス分布曲線
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2.4 降雨強度のガウス分布近似

降雨強度と計算値によるガウス分布曲線
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17降雨減衰と降雨強度のガウス分布近似

降雨減衰のガウス分布表示

f ( x) = ( x − mx)exp −2
2π σ L
2σ L


12 

(1)

ここで、σLは相対降雨減衰の時間軸上の標準偏差
降雨強度のガウス分布表示

f ( x) = ( x − mx) 2 exp −2
2π σ r2σr1(2)ここで、σrは降雨強度の時間軸上の標準偏差である。

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18降雨減衰と降雨強度にガウス分布を用いる根拠
中心極限定理から単体（Small Cell)ではその確率分布が正規分布とは大きく異なる確率変数であっても、nが十分大きいとき近似的に標本平均の確率分布は正規分布に近似できる。
雨雲
Small Cell

Small Cell

Small Cell

Small Cell

Small Cell

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雲群の例

西太平洋で見られた整然と並ぶ雲群
原典：国立環境研究所
http://www.nies.go.jp/kanko/news/29/29-1/29-1-04.html
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雨域のレインセルモデルの提案
雨雲の構成要素であるSmall Cellの集合体をレンセルとして表す。

雨域
垂直方向の分布は一定

降雨強度分布
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降雨強度のガウス分布
 ( x − mx )2 + ( y − my)2 
f ( x, y ) =exp −22π σ2σ


1(3)

ここで、
σ : レインセルモデルの時間軸上の標準偏差である。
mx, my : : レインセルの中央値を示す。

ymy
南地球局

mxx

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22降雨強度のガウス分布
レインセルの移動方向(移動速度:v）y

Ｐ点 降雨強度のピーク
B

β：地球局からみたレインセルの方位角（真南から）
δ：レインセルの移動方向(東方からの角度)

δA
δS点γLδ

Sat.

降雨減衰のピーク

ySβ
真南

E :地球局

xxS

図７．レインセルの幾何学的位置関係
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レインセルの諸元推定（１）
降雨強度のガウス分布表示
R(s) = R0

12π σexp 1  s  2  −  2  σ  (4)

ここで、R0：レインセル中心部にお降雨強度[mm/Hr]
σ：降雨強度分布の標準偏差
s=Δx2+Δy2

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レインセルの諸元推定（２）測定値からガウス分布のσの求値
測定点数が少ないため、最小自乗法、降下法が使えないため数点法を採用
 (x − µ )2 f ( x ) = A exp  −2σ2
零を基点に、 µ = 0からf ( x)x2 = exp  −2 σA2(4)

ガウス分布の測定に偏差がある場合

x2
 f ( x) log =−2σ 2
 A − x2σ = f ( x) 2 log  A 
複数のポイントでは、

σ = ∑σnNとなる。

(5)

平均化して(6)２点法によるσ推定値の偏差
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3.3 レインセルの諸元推定
降雨減衰の計算式
bγ = 1 / cos ξ × ∑ kR ( s )α ∆ s[ dB ]

x=−a

ここで、
a : 雨域の中心から地球局 までの距離k : 降雨強度と降雨減衰の 関係式のパラメータ

α : 降雨強度と降雨減衰の 関係式のパラメータR ( s ) : 降雨強度ガウス分布b : セルモデルの直径[ mm / h ][ km ]

s = x − xc
∆ s : 離散積分のキザミ幅 [1km ]ξ：地球局から見た衛星 の仰角
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3.3 レインセルの諸元推定
降雨強度と降雨減衰のピークと標準偏差からレインセルの諸元は以下の手順で求められる。
① レインセルの降雨強度の正規化標準偏差を計算② 降雨減衰の正規化標準偏差を計算③ レインセルの降雨強度と降雨減衰の正規化標準偏差からレインセルの移動方向の計算④ 降雨減衰のピーク値からレインセル中心部の降雨強度計算⑤ 降雨強度のピーク値からレインセル中心部と測定点の最短距離を計算⑥ レインセルの移動方向と測定点のレインセルとの最短距離からレインセル諸元の計算
ただし、補助データとして象庁高解像度降水ナウキャスト等を利用
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レインセルの諸元推定例１yレインセルの移動速度： 30 km/Hr（推定値）
レインセル中心部降雨強度： 108 mm/Hr
レインセル標準偏差：3 min.
Ｐ点 降雨強度のピーク
BA

3 km

７４．1度

δS点1.2 km

L 3.3 kmδSat.

降雨減衰のピーク

yS

Β=5度
真南
E :地球局

xxS

レインセルの幾何学的位置関係(例）
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広範囲の雨息に対する複数のレインセル構成

Wide Rain Cell

Micro Rain Cell

原典：気象庁高解像度降水ナウキャストに一部加工
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レインセルのピークが複数現れる例（標準偏差σ値は2点法による）第622回URSI-F会合 2018年3月19日NTT横須賀研究開発センター
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レインセルモデルを適用した時の利用形態
レインセルの移動方向制御
１．通信速度制御
２．送信電力制御
３．サービス選定状態Ｃ．降雨減衰大状態Ａ．通常の通信
走行方向

状態Ｂ．降雨減衰小走行方向道路
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４．むすび１． 降雨域を２次元ガウス分布と垂直方向は分布を一定とするシリンドリカルなレインセルモデルを提案した。
２． レインセルモデルを用いて、降雨減衰と降雨強度のデータ値のタイムディレイの解析を行った。
３． レインセルモデルを用いて、 移動地球局の移動ル-トに対する降雨減衰の予測が行えること示した。
４． 今後は解析データを集めてレインセルモデル諸元の推定の精度高める。

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今後の展望１．気象データの利用
２．降雨域の複数のレインセル適用の検討
３．３次元レインセルへの展開
3次元降水分布を反映

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参考文献
[1] 喜連川優,“情報爆発のこれから、”電子情報通信 学会誌、Vol.94,No8,2011[2] 大木孝, “衛星通信サービスの世界動向、” 通信衛星の将来展望に関するワーク
ショップ2017、（国）情報通信研究機構、2017年5月18日[3] I.Nakazawa, S. Yamamoto, K.Kawasaki. M.Toyoshima, T. Takahashi, “The Evaluation
Results under Condition of very Rough Radio Environment of Signal Processor
Section of Satellite Communication Facilities”IAC, IAC-16-B2, Sep.2016[4] 島田政明、黒田知紀、谷島正信、小澤悟、小川康雄、横山幹雄、高橋卓、“超高速インターネット衛星（WINDS）特集 3-2 通信システム、”情報通信研究機構季報、Vo.53 No.4 2007
[5] “Specific attenuation model for rain for use in prediction methods,” ITURECOMMENDATION Rec.P.838-3[6] 峰松史明、鈴木陽一、今井一夫、正源和義、”21GHz 帯衛星放送実現のための新しい降雨減衰推定法、“第500回 URSI-F分科会発資料,2005年12 月16日
[7] 福地一、古津年章、石塚仁好、高橋鉄雄、梶川實、乙津祐一、林理三男、古濱洋治、“電波伝搬に関する実験、”電波研究所季報、Vol.27 No.143, pp.141-178, May
1981

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34参考文献[8] Mandeep Singh Jit Singht，Syed Idris Syed Hassan, Mohd Fadzil Ain, Kiyoshi
Igarashi，Kenji Tanaka and itsuyoshi Iida, ”Proposed Rain Attenuation Model
Revised From ITU Used For Prediction In Tropical Climates,” IEEE ICICS, 2005
[9] 鈴木健治，久保岡俊宏，布施哲治，山本伸一，國森裕生，豊嶋守生，“衛星－地上局間光空間通信のための実環境データ情報収集システム”，信学技報，Vol.113，
No.436，SAT2013-50(2014-2)，pp1-4，2014-02.
[10] Kenji SUZUKI, Dimitar KOLEV, Alberto CARRASCO-CASADO, and MorioTOYOSHIMA,‘Environmental-data Collection System for Satellite-to-Ground
Optical Communications', Trans. JSASS Aerospace Tech. Japan, Vol.16, No.1,
pp.35-39,2018.
[11]中澤 勇夫、 川崎 和義、菅 智茂、浅井 敏男、豊嶋 守生、高橋 卓、”Ｋa帯衛星通信における降雨減衰と降雨強度間のタイムディレイ解析、”信学技報、SAT201737(2017-8)、pp87-91、 2017-08.

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本研究を進めるに当たり、測定データの取り扱いと整理、データ解析に助言を頂いた、WINDSシステムおよび「衛星－地上局間光空間通信のための実環境データ情報収集システム」の関係各位に感謝いたします。

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御清聴ありがとうございました

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