第 499 回 URSI-F 会合資料
東京工科大学
2005/11/18 （金）固定無線アクセス用 32GHz 帯都内降雨減衰特性
沢田浩和 浜口 清 小川博世
独立行政法人〒239-0847

情報通信研究機構

神奈川県横須賀市光の丘 3-4

E-mail:{sawahiro, hamaguti, hogawa}@nict.go.jp
あらまし

本研究は世界無線通信会議（WRC-2000）において加入者系無線アクセスシステムとしての使用が新たに認められた 32GHz 帯の周波数について，実験を通して当該アクセスシステムへの適用可能性を明らかにするものである．特にミリ波帯を用いた高速無線アクセスシステムでは，トラフィックの輻輳時や降雨減衰が大きい場合に適応的なルーティングを行うことによって回線信頼度を向上できるようメッシュ状にリンク構成することが考えられる．そのために単一のリンクに対する影響だけでなく，複数のリンクに連動する降雨の影響を解明することが重要となる．

１．まえがきク間の降雨減衰差や降雨同時発生確率などを短期間で低コストに通信網を構築する方法知る必要がある．更にはシステムの最終的な構として，固定無線アクセスリンク(FWA)の使用成として FWA をメッシュ状に配置した FWA メッは有効な一手段と考えられる．特に準ミリ波やシュネットワークが考えられており[4]，このミリ波を利用する場合には，波長の短さを生か場合に異なる偏波を利用した干渉抑制や広帯して装置を小さくかつ軽量に構成できること域化なども検討項目となる．

や，その広帯域性を活かした大容量通信が可能

本報告ではこれらの各項目に対し，高密度のになる長所がある[1]．但しミリ波帯では降雨FWA メッシュネットワークの設置候補としてによる減衰が大きな問題となる[2]．そこで回考えられる都市部を測定環境とした場合の結線設計を行うためには降雨の影響を推定する果を報告する．

必要がある．

２．測定システム回線の稼働率を推定するためには，まず基本使用周波数としては世界無線通信会議(WRC-的な特性として降雨減衰確率分布が必要であ2000)にて承認され，高密度 FWA への使用が検る．その場合の降雨量と降雨減衰量の関係は降討されている 32 GHz 帯の周波数を選んだ．試

雨減衰係数として表され，同様な気候地域での験はメトロポリタンネットワーク(MAN)での利回線設計に利用される．また近年の通信ではパ用を想定し，東京都内の青山を中心とした地域ケット化された情報による通信が一般的となにトポロジをスター型とした 3 リンクを設置っており，このような状況では降雨減衰量と降して行った[5,6]．測定機器の配置を図 1 に示

雨継続時間の関係が通信品質を決める重要なす．青山に受信機が設置されており，そこから要素となる．

南北（麻布，四谷）と東方向（赤坂）に送信機

また回線の信頼度向上を図るために，大きなを配置した 3 リンクで構成している．その中の減衰が発生したリンクを避けて通信品質を確

赤坂-青山のリンクでは垂直,水平偏波を受信保するルートダイバーシチが考えられておりできるようにしてあり XPD の測定が可能であ[3]，その有効性を検討するには隣接するリンる．各リンクは少なくとも第 1 フレネル内に障1

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2005/11/18 （金）３．測定装置諸元

害物はなく，伝搬距離は既存の降雨減衰理論と各測定機器の諸元を表１に示す．送信装置は，システムの降雨マージンを考慮して 2 km 程度とした．分岐角については直角に近い 70.4°，

送信周波数 31.8GHz,32.6GHz,33.4GHz が各 1107.2°が確保できたため，基本的な方形メッ台あり，送信波は無変調の正弦波（CW）である．

シュ状の配置を検討するには適した値と言えまた送信偏波は垂直偏波であり，送信出力はる．また降雨量を測定するための雨量計も設置200mW である．赤坂-青山リンクについては水している．雨量計は送受信機と同じ場所とリン平偏波成分も測定している．アンテナは 25.5

クの中間部，リンクの延長線上に配置されておmmφのパラボラアンテナを使用し，アンテナ利り合計 10 台で降雨量を毎秒測定している．測得は 33dBi，半値角は 2.2°である．ダイナミ

定は 2002 年 4 月から 2005 年 11 月現在まで継ックレンジは 55dB 以上，水平偏波で 25 dB 程続されており，今回は主に 2005 年 3 月までの度を確保している．雨量観測装置は雨滴計数型

3 年間の測定データに基づいた集計結果を利を使用し，分解能は 0.0083mm/pulse であり，用している．

1 分降雨強度に換算すると 0.5mm/hr となる．
また測定精度は±10%である．

４．降雨減衰分布
図 2 に年間平均の降雨減衰分布を示す．但し
麻布-青山リンクについては諸事情により平成16 年のみ 11 月～12 月のデータしか取得出来なかったため，2 年間と 2 ヶ月のデータを用いた結果を示している．図より，累積確率約 0.04％より小さい領域では四谷-青山間の減衰量が少なく，区間による差が表れている．それより累積確率の大きな領域では全領域にわたって近い値を示している．

５．降雨減衰係数
図 1 測定システム

単位距離あたりの減衰量を表す降雨減衰係表 1 測定機器諸元

数は降雨減衰分布を推定するのに基本となる測定装置
ミリ波無線装置

降雨計量である．ここでは区間降雨強度と単位距離パラメータ
周波数32 GHz 帯

変調なし (CW)

送信電力

200 mW

偏波

垂直アンテナタイプ

パラボラ

アンテナ利得33 dBi

アンテナ半値角

2.2 度

検出方法

雨滴計数型

最小計測精度

0.5mm/hr

図 2 降雨減衰分布（年間平均）2

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2005/11/18 （金）図 3 降雨減衰係数（年間平均）

図 4 降雨減衰継続時間累積回数（年間平均）当りの減衰量の等確率値を用いた関係により降雨減衰係数を求めた．図 3 に年間平均の降雨減衰係数を示す．図には審査基準(P.727)に実測結果に基づく補正（γ×1.1）を加えた推定値も併記した．この推定値は 3 区間において僅かに周波数が異なるため各区間により異なった推定曲線となっている．実測結果と推定結果を比較すると，赤坂-青山区間の実測結果が推

図５

降雨減衰差分布（年間平均）

定結果よりも 5dB 程大きくなるが，区間降雨強度が約 80 ｍｍ/h まではよく一致している．

６．降雨減衰継続時間累積回数
図 4 に 3 リンクの 3 年間分データを総合した年間平均の降雨減衰継続時間累積発生回数を示す．降雨減衰量が大きくなると共に継続時間は短くなる傾向が見られる．またこの推定式は ITU-R P.530-11 修正案で議論されており，図６

本データをもとにパラメータ推定した結果，次降雨減衰同時確率分布（年間平均）式が推定式として求められた．式(１)の緑部は各リンクの伝搬距離が同程度のため降雨減

日本の降雨気候区分のパラメータであり，赤部衰差の正負の領域は対称な曲線を示している．

が今回推定したパラメータである．

また累積確率の低い範囲では降雨減衰差の飽和現象が見られるが，これは測定期間を更に増（1）やすことで改善されると考えられる．同図の結果から最大 40 dB 以上の降雨減衰差が観測さ

７．隣接区間降雨減衰差
局所的な降雨が存在する場合には各リンクれており，平均して年間 175 時間以上は降雨間の降雨減衰量の差が大きくなり，リンク間干減衰差が 10 dB 以上存在していることがわか渉の原因となる．この干渉量を評価するためのる．これより降雨時のルートダイバーシチ効果

降雨減衰差の累積確率分布を図 5 に示す．

について考えると十分に有効性があると判断
3

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2005/11/18 （金）できる．また降雨マージンが大きく設計された

0
Rain attenuation [dB]

回線では，送信電力の制御を行うことで降雨減衰差による干渉問題を軽減することも可能と考えられる．

８．降雨減衰同時確率分布
最適なルーティングや各種のダイバーシチ効果を評価するには，いくつかの回線や時間差

2005/05/23-20

Vertical-40-60

Horizontal-80

Limit:95dBm-100
19における降雨減衰同時確率を計算する必要が20Time [h]ある．図６に四谷-青山，赤坂-青山の 2 リンクに対する降雨減衰同時確率を示す．ダイバーシ

図７21垂直/水平偏波減衰例

チ利得としては最大 5dB が得られており，広域のメッシュネットワークとなった場合には大きな効果が期待できる．

９．交差偏波識別度
次に降雨時の交差偏波識別度(XPD)について述べる．直接見通しのある伝搬路を利用する
ミリ波帯 FWA において，XPD を劣化させる要因には降雨時の雨滴による散乱以外にアンテナや給電系の不完全性がある．今回使用した送受信装置のハードウェア的な特性を含んだ

図８

XPD 特性通常時の XPD は 40 dB が得られていた．XPDの測定は 2005 年 4 月から行っており，今回使信レベルは-70 dBm 程度である．また測定結用したデータは 3 ヵ月分のデータに基づき集果から判断して受信レベルの下限許容値は図計を行った．

中の破線で示した-95 dBm 程度である．よっ

測定では垂直偏波を主偏波として送信し，垂て有効な水平偏波のダイナミックレンジは 25

直・水平偏波を受信している．よって 2 偏波のdB 程度である．そこで無効なデータを取り除受信電力(|Pv|,|Ph|)から次式により XPD をいた後の XPD を求めた結果が図８となり，計算した．

XPD は主偏波の降雨減衰量に比例し減衰してXPD[dB] = 10 log10| Pv || Ph |

いく傾向が見られるが，その傾きは小さく(2)XPD の劣化量はそれほど大きくない．また降測定例として降雨時の両偏波の受信電力レベ

雨時の交差偏波識別度の推定式は経験的に次ルを図７に示す．これは 1 時間程度の間に集中式の関係があることが報告されている[7,8]．

XPD[dB] = A + B × RA[dB]

した降雨があった日の測定結果である．垂直偏（3）波の減衰に伴い水平偏波も連動して減衰してここに，RA は主偏波の降雨減衰量である．そいる様子が確認できる．ただし降雨減衰が非常こで本測定で得られた XPD の推定式を求めるに大きい場合は水平偏波の受信レベルは測定ことを行った．推定式として求めた回帰直線を装置の測定限界値まで下がり正確な減衰量が測定結果と共に図に示す．この場合の推定式の得られていない．本測定での水平偏波の通常受パラメータは最小二乗法により求められ，
4

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2005/11/18 （金）A= -40，B= -0.05 となった．

参考文献

降雨時に XPD がそれほど劣化しない測定結[1]W. Webb, “Broadband fixed wireless access as a key

果は過去の報告[9]にもあり，23, 38 GHz でのcomponent of the future integrated communications

XPD の測定結果を示した文献では 23 GHz でenvironment，”Proc. of WAS2000, pp.26-33, Dec. 2000.

は垂直偏波の減衰に対して XPD が劣化する傾[2]Tomohiro OGUCHI，“Electric Wave Propagation and向が見られるが，38 GHz ではほとんど XPD

Scattering in Rain and Other Hydrometeors，”Proc.IEEE，は変化していない．本実験で行った 32 GHz

vol.71, no.9, Sept.1983.

帯での測定結果はこれらの中間的な傾向を示[3]O.Sasaki, I.Nagamune, ”Route Diversity Effect on 20

していると言える．

GHz Band Radio Relay Links，”IEEE Journal on Selected

９．まとめ

Areas in Communications, vol.1, no.4, pp.680-685, Sept.

FWA の回線設計のための降雨減衰特性につ1983.

いて示した．またルートダイバーシチの評価に[4]岸洋司，田畑慶太，小西聡，野本真一，”適応ネットワー

必要な隣接リンク間の降雨減衰差と降雨同時ク制御機構をもつメッシュ型マルチホップ無線アクセスシス

確率の測定を行った．また将来的に 2 つの偏波テムの提案，”信学論(B)，vol.J85-B, no.12, pp.2025-2036,を使用することを考慮し交差偏波識別度の測Dec. 2002.

定結果について示した．

[5]吉川誠，佐々木収，明山哲，高橋直人，岡本英二，小川博

降雨減衰継続時間累積回数などの特性は現世，“広帯域ミリ波無線アクセスシステムの開発 -(3)降雨時在の回線設計には使用されていないようだが，伝搬特性の検討-，”信学総大, B-5-326, Mar.2002.

今後は検討されるべき項目と考えられる．都内[6]吉川誠，佐々木収，石田未央，高橋直人，明山哲，高梨謙

実験結果では，隣接リンク間の降雨減衰差は最一郎，金澤亜美，小川博世，“ギガビットミリ波無線アクセス

大で 40dB を観測しており，3 年間の測定結果

システムの開発(II) -(4)32GHz 帯降雨減衰係数の検討-，”信より減衰差が 10 dB 以上となる確率は年間で学総大, B-5-295, Mar.2004

175 時間以上となることがわかった．この結果[7]細矢良雄，佐々木収，白土正，森田和夫，“20GHz 帯降雨

は回線設計時の干渉雑音量の推定値として利伝搬特性の推定，”研実報 33-6，1984

用が期待できる．また降雨減衰同時確立と併用[8]森田和夫，井上武夫，明山哲，細矢良雄，加藤修一，藤田し，FWA メッシュネットワークにおけるルート

武敏，菊島政司，佐々木収，“降雨時における 20GHz 帯伝ぱダイバーシチ効果の有効性や送信電力制御のん特性，”研実報 22-7，1973

必要性を検討するデータとなる．交差偏波識別[9]滝沢俊之，八木学，吉田敏之，“広帯域デジタル無線アク度については，主偏波の降雨減衰に比例して劣セ ス シ ス テ ム に よ る 伝 搬 特 性 ，” 信 学 技 報 ，化する傾向が見られたが，その劣化量は僅かでAP96-101,MW96-202, Nov.1996

ありほとんど一定値となることがわかった．また XPD の推定式についても求めた．今後も測定を継続しデータの信頼性を高め，精度の良い推定式の導出を行う必要がある．

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