第 549 回 URSI-F 会合 資料2010 年 11 月 18 日(木)会場：大阪電気通信大学

スケールモデルによる伝搬遅延のための測定器作製と測定
Measuring Instrument Setup and Measurements for Delay Profile using Scale Model Method
舩木雄、岩隈龍一郎、出口和摩、三根豊和、市坪信一
九州工業大学

大学院工学府〒804-0015 北九州市戸畑区仙水町 1-1
E-mail: funaki@pro.ecs.kyutech.ac.jp, ichitsubo@ecs.kyutech.ac.jp,

あらまし 移動通信の無線回線設計のために伝搬遅延特性の解明が必要である。従来からの研究手法として実環境での測定やコンピュータ上のシミュレーションがある。しかし、都市の縮小モデルであるスケールモデルによって伝搬遅延特性を再現できるなら伝搬特性を研究する有効な手段となってくる。スケールモデルの有効性を検討するために、都市環境の 1/100 縮尺のスケールモデルを作製して、そこで遅延プロファイルを測定し、実際の特性と比較した。実験した周波数は 2GHz と 10GHz（実環境で 20MHz と100MHz に相当）である。その結果、遅延スプレッドは実環境での値に換算すると 0.1 - 0.2µs であり実環境の 1/5 程度の小さい値であった。この原因はスケールモデルではなく周波数にあると考えられ、検討結果も合わせて示す。

It is necessary to clarify the channel impulse response for the wireless link design of the mobilecommunication systems.

In the research methods for radio propagation, the computer

simulation and the measurement in a real city had been performed so far. However, if the scalemodel for urban area can reproduce the channel impulse response, it will be an effective methodto study radio propagation. To examine the effectiveness of the scale model, the 1/100 scalemodel for urban area was made, and the delay profile was measured. Then, we compared theexperimental results with a real characteristic. The measured frequency is 2 GHz and 10 GHz(correspond to 20MHz and 100MHz in a real environment). The measured delay spreads were0.1-0.2μs when these were converted into the value in a real environment ,and these were about
1/5 the value of the real environments. It is thought that this cause is not the scale model butthe frequency.
キーワード

移動伝搬，遅延プロファイル，遅延スプレッド、スケールモデル、マクロセル

１．はじめに施するには負荷が多い。また、測定した環境での特移動通信環境における電波伝搬特性を解明する方性が表れるので統計的な特性を得るには複数地域で法には、実環境で実際に測定する実測や電磁界理論の測定が必要になる。一方、理論式や計算機シミュに基づく理論式または計算機シミュレーションがあレーションは実測の欠点である稼動を軽減できる利る。実測はありのままの伝搬特性を直接測定するの点を持つ。しかし、計算を簡易化するために最初にで得られた特性の信頼性は高い。しかし、電波免許環境や電波特性を制限、仮定、簡易化する。これらの取得や測定機器の準備、人的稼動の確保などで実によって生じる誤差が欠点となる。
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第三の方法にスケールモデルがある。これは実環境のミニチュアを作ってその縮尺に応じた周波数で測定する方法である。実際に測定するという点からみると実測に近いが、自由に環境を作り変えて特性を調べるという点ではシミュレーションに近い方法である。これまでにスケールモデルは主に簡易な環境で用いられてきた。例えば、大型アンテナの縮尺模型によるアンテナパターンの測定、トンネル内

図 1 多重波伝搬の様子[1,2] や自動車内[3]といった比較的簡易な構造内での伝搬損失の測定が行われてきた。またビルが数個といった簡易な都市環境での測定も行われている[4,5]が、広い都市環境でスケールモデルが適用された例はほとんどない。
今回、電波伝搬特性のひとつとして伝搬遅延特性を検討した。伝搬遅延とは、基地局から送信された
図 2 遅延プロファイル

電波が街中の複数のビルによって反射・散乱されて多重波となり、移動局で受信され、多数の電波が時∞特性は通信品質に関係するため、移動通信の無線回P( t ) ⋅ t dt
τ = ∫0 ∞∫0 P( t ) dt

線設計においてはこの特性の解明は重要である。携である。都市内のマイクロセル環境（基地局高が周帯電話の第２世代のような狭帯域通信では大きな伝辺ビル高より高く、送受信間距離がおおよそ 1km搬遅延によって通信品質が劣化する。また、第３世以内のエリア）で周波数が 1GHz 以上では、遅延ス代のような広帯域通信でレイク受信を行うときは、プレッドは 1μs 程度で、遅延プロファイルは概ね指この伝搬遅延によってレイク受信利得を得ることが数関数で近似できる[6]と言われている。また、周波できる。この伝搬遅延特性は従来から盛んに検討さ数に対する依存性はなく、3GHz と 8GHz, 15GHz のれている。しかしながら、都市の環境によって特性周波数では遅延スプレッドや遅延プロファイルにほは異なるので、都市環境を考慮した特性の把握が必

とんど差がないことも示されている[7]。ここでは遅要である。

延プロファイルが指数関数で、遅延スプレッドが 1間的に遅れて受信されることである。この伝搬遅延(2)μs の場合を”都市モデル”と呼ぶ。

本報告は都市内での伝搬遅延特性におけるスケ－ルモデルの可能性を検討する

３．測定内容２．伝搬遅延特性

3.1 測定方法

図 1 に基地局に到来する多重波の様子を示す。こ

伝搬遅延特性はネットワークアナライザを用いて測の多重波が時間的に遅れて基地局に到来することを定した。ネットワークアナライザで送受信間の振幅伝搬遅延という。伝搬遅延を表す指標に遅延プロフと位相の周波数特性を測定して、逆フーリエ変換しァイルと遅延スプレッドがある。図 2 に到来波の受て時間特性である遅延プロファイルを求めた。周波信電力とその時間的な遅れを表す遅延プロファイル

数による違いをみるために、2GHz 帯と 10GHz 帯で測P(t)を示す。到来時間を t とすれば，遅延スプレッド定を行った。

SD と平均遅延τは，∞SD =∫0 P( t ) ⋅ ( t − τ) dt∞∫0 P( t ) dt

3.2 測定系の作製

2測定で用いたネットワークアナライザでは 3GHz(1)までしか測定できないため、10GHz の測定のた2

図 5 スケールモデル
図 3 10GHz 測定系概要
表 1 スケールモデル諸元

図 4 10GHz 測定系
めにミキサを用いて変復調を行う測定系を作製した。
図 3 に作製した測定系概要を示す。また図 4 に実際

3.4 シールドテントの作製の 10GHz 測定系の写真を示す。

広帯域測定を行うためスケールモデルを覆うシー

送信側では 10.5GHz の発振周波数でスペアナ出力ルドテントの作製を行った。電波免許不要の環境との 0.5- 1.5 GHz を 9-10 GHz にアップコンバートしするには、使用周波数における漏えい電波の電界強て、受信側では 9-10 GHz の受信波を 0.5- 1.5 GHzにダウンコンバートしてスペアナで測定した。
ミキサの周波数変換では送信側で 9-10GHz 、11-12GHz の二つの信号が生成されるため、受信側アンテナの直後に 9-10 GHz だけの受信波を取り出す
BPF を設置している。
BPF は５段のマイクロストリッ
プラインにより自作した[8]。
3.3 スケールモデルの作製
図5 にスケールモデルの写真を示す。
縮尺が1/100
図 6 シールドテント上面図の都市環境のスケールモデルを作製した。ビルの模型としてコンクリートブロック(10cm ×6cm ×20cm)を 1000 個用いた。
表 1 にスケールモデルの都市構造を示す。都市の広さは 10m ×10m で、建物が占有する割合は 30%、ビル高の平均は 20cm、道路幅は全て25cm である。ビルの高さは均一にしないで標準偏差で 8cm のばらつきを持たせた。

図 7 シールドテント横面図3

表 2 測定諸元

図 10 スケールモデルでの測定位置度を 40dB 以上減衰させなければならない。
今回作製したシールドテントは、電波の反射等が起こらない動局）である。受信点に依存しない統計的な特性を木材で骨組みを作り、ブルーシートに電波を遮蔽す得るために送受信間距離がほぼ同じである複数の受る電磁波シールドシートを貼り合わせて骨組みの上信点で測定した。受信点の数は 2GHz で 7 つ、10GHzに被せている。図 6、7 にシールドテントの上面図、で 5 つである。平均した送受信間距離は 2GHz 測定

側面図を示す。青線は骨組み、ピンク線が金属シー

では 5.2m、10GHz 測定では 5.8m である。基地局

トを表す。図 8 にシールドテントの骨組み、図 9 に高は 10GHz と 2GHz の測定でともに 50cm とした。
移シールドテントの外観を示す。作製したシールドテ

動局高は 10GHz 測定では実環境の 1.5m に相当するント内から電波を送信してシールドテントの外で受1.5cm としたが、2GHz 測定では移動局アンテナの信レベルを測定しシールドテントによる電波の減衰長さのために 5cm とした。
10GHz 測定では送信アンテナに水平方向の半値が 40dB 以上あることを確認した。

角が 20°のホーンアンテナを用いたが、送信アンテ3.5 測定内容

ナを固定すると指向性のためにスケールモデル全体

図 10 にスケールモデルでの送信点と受信点を示に電波を放射できない。そこで、図 11 のようにホす。図 10 の BS は送信点（基地局）、MS は受信点（移ーンアンテナをアンテナの半値角分回転して 4 方向測定し、その測定内容を足し合わせることで、スケールモデル全体の伝搬遅延特性を得る。このように測定した場合の等価的な半値角は、図 12 に示すよ

図 8 シールテント骨組み
図 11 10GHz 測定の工夫

図 9 シールドテント
図 12 アンテナの合成パターン
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う 80°になる。
表 2 に測定諸元を示す。スケールモデルの縮尺が1/100 であるため、測定周波数の 2GHz と 10GHz は実環境で 20MHz、100MHz に相当する。測定の帯域幅は測定系の違いにより 2GHz 帯で 1.6GHz、10GHz 帯で1.0GHz である。このため、遅延時間の分解能はそれぞれ 0.625ns、1.0ns であり、距離分解能は 0.19m、0.3m である。しかし、測定結果の比較では両者の分解能の違いはあまり影響しない。サンプリングデー
タ数は両者とも 256 個であり、観測窓は 24m、38m
図 14 10GHz 遅延プロファイルである。
3.6 測定結果
図13に2GHz帯で測定した遅延プロファイルを示す。
横軸は遅延時間の代わりに遅延時間に光速を掛けた超過伝搬路長で表している。太い線は７つの測定結果の平均値である。
図 14 に 10GHz 帯の遅延プロファイルを示す。太い線は５つの測定結果の平均値である。
図 15 に測定で得た平均の 2GHz と 10GHz の遅延プロファイルを実環境に換算して示す。1/100 スケー
ルでの測定結果であるので2GHzと10GHzの周波数は

図 15 2,10GHz 遅延プロファイル

実環境で 20MHz と 100MHz に相当する。また、超過伝搬路長は 100 倍で示される。実環境と比較するために都市モデル（遅延スプレッドが 1µs で、指数関数

20MHz は 0.13µs、100MHz は 0.2µs である。これらはの遅延プロファイル）を図中に示す。遅延距離 250m

1GHz 以上での遅延スプレッド1µs と比べて約1/5 とで比較すると測定された遅延プロファイルは都市モ小さい値である。

デルのそれより 20dB 以上もレベルが低くなってお４．検討り伝搬遅延が小さいことが分かる。20MHz と 100MHzの遅延プロファイルのピーク値から 30dB 下がった

スケールモデルの実験で、実環境での 20MHz とところまでを用いて遅延スプレッドを計算すると、100MHz に相当する周波数では遅延スプレッドの値は小さくなった。スケールモデルによる再現性を検討するために、ビルの反射面積と周波数の影響を考える。
遅延波は伝搬路の途中でビルに反射する。
反射損失は周波数によってほとんど変わらない。例えば、コンクリートの比誘電率を 5.5、導電率を 0.023 [S/m]として垂直偏波のときの反射損失はフレネルの計算
式より、100MHz で 6.5dB、1GHz で 7.9dB、10GHz でも 7.9dB である。しかし、これはビルの反射面積が電波の第一フレネルゾーンより十分に大きいとき

図 13 2GHz 遅延プロファイルである。反射面積が第一フレネルゾーンより小さく5なると反射損失が増加する。
図 16 に基地局から送信された電波がビル側面に反射して移動局で受信される様子を示す。基地局からビル壁面までの距離は d2、ビル壁面から移動局までの距離は d1 である。
ビル壁面で電波を反射する面積を SB、ビル壁面での第１フレネルゾーンの面積を S1 とする。
簡単のために、距離 d2 は無限大で、反射面は SBの面積が 20m×20m の円で、完全導体とする。距離 d1を変数としたときの反射損失を図 17 に示す。
図 17 をみると、d1=250m での反射損失は 100MHz は
図 17 周波数ごとの反射損失7dB、20MHz は 20dB である。周波数が低くなると反射損失が増加することが分かる。この反射損失の増

実環境の1GHzに相当する周波数での測定が行え加によって20MHzや100MHzの遅延スプレッドは小さなかったので本研究の目的であるスケールモデルのい値になったと考えられる。

再現性は確認できなかった。しかしながら、低い周５．まとめ波数では遅延スプレッドが小さくなる可能性がある

スケールモデルによって都市内の伝搬遅延特性が再ことがわかった。

現できるかを検証した。2GHz と 10GHz の周波数を今後の課題として、実環境の 1GHz の伝搬遅延特性用いて1/100 の都市スケールモデルで遅延プロファイと比較するのであれば 1/100 のスケールモデルではル測定を行い既存の伝搬遅延特性と比較検討した。

100GHz で実験を行う必要がある。しかし、100GHz測定の準備のために、アップ／ダウンコンバータをの測定系を作製することは困難であるため都市の縮用いた 10GHz 帯の測定系を作製し、コンクリートブ尺を小さくするなどの工夫を今後行う必要がある。

ロックを用いた1/100 の都市スケールモデルを作製した。さらに、広帯域での測定が行えるように床面積謝辞が 10m×10m で高さ 4m のシールドテントを作製した。

本研究は科学研究費補助金( 基盤研究(C)21560403)

測定の結果、実環境に換算して表現すると、遅延スの助成を受けたものである。

プレッドは20MHz で 0.13µs、100MHz は 0.2µs となった。これらは実環境の都市モデルである遅延ス
プレッド 1μs と比べて約 1/5 と小さい値であった。

＜参考文献＞

この原因は、測定周波数のフレネルゾーンとビル壁[1] Y. Yamaguchi, T. Abe, and T. Sekiguchi, "Radio wave

面の大きさによって生じる反射損失と考えられる。

propagation loss in the VHF to microwave region due tovehicles in tunnels", IEEE Trans. EMC-31, no. 1, pp. 87-91,
1989.
[2] K. Uchida, T. Matsunaga, and T. Noda, "Electromagneticwave excitation in a two-dimensional impedance tunnel witha T-junction," IEICE Trans., vol. J68-B, no.12, pp.1459-1466,
Dec. 1985.
[3] 堀内学、山田邦彦、田中信吾、山田吉英、道下尚文、
戸羽辰夫、“スケールモデルを用いた自動車内電界分布の評価”、信学技報 AP2006-42, pp. 19-24, 2006 年 7 月.

図 16 フレネルゾーンに対する反射面積[4] F. Aryanfar and K. Sarabandi, "Validation of wirelesschannel models using a scaled mm-wave measurement

6system," IEEE Antennas Propagat. Magazine, vol.49, no.4,pp.124-134, Aug. 2007.
[5] D. Erricolo, G. D’Elia, and P. L.E. Uslenghi,"Measurements on scaled models of urban environments andcomparisons with ray-tracing propagation simulation," IEEETrans. Antennas Propagat., vol.50, no.5, pp.727-735, May
2002.
[6]COST207,"Digitalland

mobileradio

communications," Final report of the COST-Project
207, Commission of the European Communities,
Brussels, 1998.
[7] Y. Oda, R. Tsuchihashi, K. Tsunekawa, and M.
Hata,"Measuredpathlossandmultipath

propagation characteristics in UHF and microwave
frequency bands for urban mobile communications,"
Proc. IEEE VTC2001 Spring, vol.1, pp.337-341,
Rhodes, May 2001.
[8] 上野伴希、“試作で学ぶ高周波フィルタの設計法”、
pp. 111~133, 総合電子出版、2002.

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