UAV を用いた電波伝搬測定と高所環境での建物侵入損失特性モデリングRadio Propagation Measurement by UAV-based System and Building Entry Loss Modelling in High
Altitude Environment
事が重要となっている。効率的なサービスエリア設計のためには、無線チャネルどうしの干渉を抑えつつ圏外となるエリアを作らないように無線セルを配置する必要がある。しかし図 1 に示す通り、都市部の高層ビル内にはマクロセルやストリートマイクロセル等様々な環境に設置されている基地局から電波が到来しており、高層ビル内に在圏するユーザを効率的にネットワ

齋藤 健太郎 ( Kentaro Saito, Ph. D.)ークに収容するためには 2 次元的なサービスエリア

東京工業大学 環境・社会理工学院 助教

設計ではなく高さ方向も考慮した 3 次元的なサービス(Assistant Professor, Tokyo Institute of Technology)

エリア設計が重要となっている[1]。

電子情報通信学会 IEEE 他
受賞：電子情報通信学会 Best Tutorial Paper Award (2019 年), 電子情報通信学会 短距離無線通信研究会論文賞 (2017 年), 電子情報通信学会
RISING2019 優秀ポスター発表賞 (2019 年), 他
研究専門分野：通信工学 無線通信 電波伝搬

適切なサービスエリア設計を行うためには、基地局とユーザ端末の様々な位置関係における電波伝搬損失特性を把握する事が重要である。特に高層ビル等に在圏するユーザのエリア設計では、屋外無線基地局から屋内ユーザへ伝搬する電波の建物侵入損失 (Building

あらまし
近年、スマートフォンやタブレット型端末等の普及

Entry Loss：BEL）*1 特性を明らかにする事が重要でにより移動通信分野のトラフィックは年々増加していあり、様々な実験が行われてきた[2-4]。高層ビル等のる、特に都市部等の人口密度の高い地域では、高層ビ建物への建物侵入損失については COST231 BEL モ

ル内に在圏するユーザも効率的にネットワークに収容

デル[5]や ITU-R P。2109 モデル[6]等にもまとめられするため、高さ方向も考慮した 3 次元的なサービスエている。屋外から屋内に侵入する電波は窓から侵入すリア設計が必要とされている。本研究プロジェクトでる波が主であり、基地局と端末の間に見通し伝搬路がは、このようなエリア設計を実現するため、高所環境存在する場合は直線波の影響が顕著であり、見通しがにおける電波伝搬特性を明らかにする事を目的とする。

無い場合は窓際での回折波や周辺の建物からの反射波

商用の Software Defined Radio (SDR)無線機を用いての影響が強いと考えられている。

小型チャネルサウンダを開発し、Unmanned Aerial

COST231 BEL モデルでは、電波の建物に対する水Vehicle (UAV)に搭載して飛行する事で高所環境にお平面での到来方位角に関する建物侵入損失特性は考慮ける電波伝搬実験を行った。特に屋外の無線基地局かされているが、仰角に関する特性が考慮されておらず、ら屋内のユーザに伝搬する電波の建物による侵入損失

3 次元的なサービスエリア設計に用いるには不足してについて様々な角度から電波が到来する条件で損失特いる。これは、方位角・仰角を考慮した BEL モデルを性を解析し、新しい建物侵入損失モデルを構築した。

構築するためには、様々な送受信局の位置関係で伝搬得られた知見は将来の移動通信システムのサービスセ損失測定を行う必要があるが、従来の研究では無線局ル設計に活用する事が期待される。

は地上もしくは他の建物等に設置されており、測定可能な条件のバリエーションが限られるという制約があったためである。そのため本研究プロジェクトでは商１。研究背景及び研究目的
近年、スマートフォンやタブレット型端末等の普及

用 Software Defined Radio (SDR) 無 線 機 を用 い てにより移動通信分野のユーザトラフィックは急激に増Unmanned Aerial Vehicle (UAV)に搭載可能な小型チ加している。特に都市部等の人口密度の高い地域ではャネルサウンダ *2 を開発した。開発したサウンダをネットワークが混雑しやすい状況になっており、スモUAV に搭載し、UAV のフライトレコーダに記録されールセル等の小さなサービスセルを効率的に配置する

た UAV 位置・姿勢情報と連動させる事で、高層ビル環境での電波伝搬損失測定を行うシステムを開発した。
1TELECOM FRONTIER No.108 2020 SUMMERUAV を用いた電波伝搬測定と高所環境での建物侵入損失特性モデリングRadio Propagation Measurement by UAV-based System and Building Entry Loss Modelling in High
Altitude Environment=W ++,

また、大学キャンパス内の研究棟とカフェテリアにおいて 4.9 GHz 帯で電波伝搬測定を行い、 窓の形状や= cos ((1 − cos((1 − cos()),/ )，))

(5)= cos (/ )で周辺の伝搬環境が屋外-屋内伝搬損失特性に与える影

ここで響について解析を行った。解析結果を元に COST 231ある。

BEL の 3 次 元 拡 張 モ デ ル を 提 案 し た 。

面における方位角である点に注意が必要である。建物

は水平面上における方位角でなく -平損失の水平方向角度特性はが大きな領域ではフラットな特性に近づくが、をこのように定義する事で上記の特性を表現する事ができる。また、提案モデルでは角度特性の次数、もモデルパラメータに含んでいる。
(0,y,z)z(x,0,z)

図 1 3 次元無線サービスエリア構築における課題

D

θazm

Dazm

θelv

２．COST231 BEL モデルの 3 次元拡張方式の提案

SBS(x,y,z)yθ

まず COST231 BEL モデル[5]について説明する。
COST231 BEL モデルでは、屋外の無線基地局(BaseStation：BS)から屋内の移動局(Mobile Station：MS)への電波伝搬損失
損失

を屋外伝搬損失、建物侵入損失=++=W +=α1−(1 − cos( ))Delv(x,y,0)の 3 つの和で表す。

= 32.44 + 20 log( ) + 20 log( + )=W +x、屋内伝搬

Window(y-z plane)(1)

図 2 COST231 BEL モデルの 3 次元拡張

(2)
(3)

３．4.9GHz 帯電波伝搬実験(4)

テム外観を、図 4 に測定システムのブロック図を示す。

３.１ UAV を用いた電波伝搬測定システム
図 3 に本稿で用いた 4.9 GHz 帯電波伝搬測定シス

ここで、 は搬送周波数、 は BS から建物窓中心まで

商用ソフトウェア無線プラットフォームである Ettusの距離、 は窓中心から MS までの距離、 は BS から

Research 社製 USRP N210 を用いて送受信機を構成建物壁面までの距離になる。これらのパラメータの位した。屋内の送信機は制御用 PC で制御され、4.89 GHz置関係を図 2 に示す。α，はモデルパラメーの無変調連続(CW)波を連続送信する。UAV に搭載さは建物正面方向における建物侵入損失、れる受信機は軽量化のため Raspberry Pi で制御されは電波の侵入角度が変化した際の建物侵入付加損ており、受信信号電力を連続的に測定し、ストレージタであり、，失を表す。

内に記録する。受信機は軽量化のためプラスチックケ

本研究プロジェクトでは、電波の建物侵入損失につースに移し外部からの電波等を遮蔽するためアルミホ

いて水平方位角方向と仰角方向の角度特性についてモイルで梱包している。USRP の電源は UAV のバッテデリングするため、COST231 BEL モデルを下記の通リーと共用とし、Raspberry Pi の電源は携帯用モバイ

り 3 次元に拡張する手法を提案した。

ルバッテリーから供給した。
実験に先立って送受信機を直接接続し、ケーブル損
2TELECOM FRONTIER No.108 2020 SUMMERUAV を用いた電波伝搬測定と高所環境での建物侵入損失特性モデリングRadio Propagation Measurement by UAV-based System and Building Entry Loss Modelling in High
Altitude Environment
失を含む測定システム全体の校正を行った。受信局の1.7 m とした。 カフェテリアは一部の窓枠や柱部を除無線機及びフライトレコーダは 100Hz のサンプリン

いて側面はガラス張りとなっている。MS はラウンジ

グレートでそれぞれ受信信号電力とフライトログを記の中央地点に設置した。研究棟・ラウンジとも建物前録する。各時刻の UAV 位置は、水平方向移動速度はは芝生となっており、研究棟環境では南東方向へ、カGPS 信号から、垂直方向移動距離は気圧計の値から算

フェテリア環境では北西方向への緩やかな上りの傾斜出し、飛行開始の各地点での値からの差分で定義した。となっている。
屋外の UAV 局を仮想的な BS とし、様々な方向から電波が到来する場合の建物侵入損失を測定した。測定コースは建物正面から 15 m 離れた地点から建物と平行に 20 m 分設定した。測定コースに沿って 2 m 毎に測定点を設定した。測定の際には UAV を各測定点に設置し、高度約 15 m までゆっくり上昇させた後に降下させた。 飛行中の UAV の位置は上述したように
UAV のフライトログデータより確認し伝搬測定デー
タと合わせて処理を行った。測定コース上の全測定点で同様の測定を行う事により、建物正面の水平 20 m×高さ 15 m の測定平面における受信電力を測定した。

図 3 開発した UAV 伝搬測定システム外観

他の測定パラメータを表 1 に示す。
得られた受信電力データに対し、水平方向 2 m、垂Transmitting
antenna

SDR radio equipment(USRP N210)

Flightlogger

Receiving
antenna

直方向 1 m の窓長を用いて移動平均を計算し測定平面内における伝搬損失分布を算出した。また最尤推定規

USRP N210
CW signal

範により、測定結果より提案する BEL モデルのパラメータを推定した。

Ethernet

Control PC(Raspberry Pi)

Control PC(Laptop)
Indoor station(Transmitter)

Flight data
• Time stamp• Height (Barometer)• Horizontal
position (GPS)• Direction (Gyroscope)

Ethernet表 1 測定パラメータ

UAV station(Receiver)ＤRadio measurement data
• Time stamp• InstantaneousReceiving Power

図 4 開発した UAV 伝搬測定システムブロック図
３.２ 4.9GHz 帯電波伝搬実験
4.9 GHz 帯の建物侵入損失特性を明らかにするため、大学キャンパス内で伝搬測定を行った。建物の種類が伝搬特性に与える影響を調べるため、図 5(a)-(c)に示す研究棟と図 5(d)-(f)に示すカフェテリア内ラウンジにおいてそれぞれ実験を行った。研究棟での測定では、
MS 位置は 6F の会議室の窓から 0.4m、2.4m、4.4mの 3 地点設定した。また、MS アンテナ高は床面から3TELECOM FRONTIER No.108 2020 SUMMERUAV を用いた電波伝搬測定と高所環境での建物侵入損失特性モデリングRadio Propagation Measurement by UAV-based System and Building Entry Loss Modelling in HighAltitude Environment

３.３ 4.9GHz 帯電波伝搬実験結果なっており、水平方向に対してはほぼ均質な伝搬環境に研究棟における測定平面での受信電力分布を図 6 に示なっている事による。研究棟でも垂直方向角度依存性す。屋内 MS の位置関係も付記する。図 6(a)が測定結果、,は,よりも大きいが、これは窓は一般的に横長(b)が提案モデルによる予測値である。受信電力は BS がの形状であり、垂直方向の回折をより高い頻度で受ける事MS の位置に近づくにつれて急激に上昇した。水平方向によると思われる。このような水平・垂直方向で異なる建物の受信電力特性に着目した場合、高高度エリアでは低高侵入損失特性を表現するためには、BEL モデルの 3 次度エリアよりも急激に受信電力が変化している事が分かる。

元拡張が必須である。図 6(c)に従来の COST231 モデル

垂直方向の受信電力特性も同様の傾向が見られた。提案と提案モデルによるモデル誤差 CDF を示す。提案手法でBEL モデルでは、このような建物侵入損失の角度特性がはモデル誤差を 3dB 以下に改善できる事が分かる。

良く表現できている事が分かる。
本測定による BEL モデルパラメータ推定結果を表 2 に４．まとめ・将来展望示す。比較のため、5.25GHz で行われた既存研究[4]の本研究プロジェクトでは、従来明らかにされてこな解析結果も示す。提案手法では、正面方向の建物侵入損かった高所の電波伝搬特性を解明するために、UAV をは 5dB から 6dB 程度であり、既存文献[4]でのガラ用いた電波伝搬測定システムを開発した。開発したシス窓における侵入損失とほぼ同程度であった。建物侵入ステムを用い、大学キャンパス内で 4.9GHz 帯 電波伝損失の水平方向角度依存性は研究棟では文献[4]搬損失測定を行った。様々な方向から到来する電波のとほぼ同程度であったが、カフェテリアではほぼ 0dB であ建物侵入損失特性の解析を行い、COST231 BEL モデった。これはカフェテリアがガラス張りの円形のレイアウトにルの 3 次元拡張方式を提案した。提案モデルは水平・失,4TELECOM FRONTIER No.108 2020 SUMMERUAV を用いた電波伝搬測定と高所環境での建物侵入損失特性モデリングRadio Propagation Measurement by UAV-based System and Building Entry Loss Modelling in High
Altitude Environment

垂直の様々な方向から到来する電波の建物侵入損失を“Measurement of timespatial characteristics between

精度良く予測する事でき、都市部等で求められている

indoor3 次元的なサービスエリア設計に利用される事が期待

Proceedings of 2015 International Symposium on

される。

Antennas and Propagation (ISAP), Nov 2015, pp. 1–

今後の展望としては、より精密な UAV の飛行制御・

spacesindifferent

losbuildings,”in

4.
[2]

飛行位置の記録を行う事ができるようシステムを改良

J. Medbo, J. Furuskog, M. Riback, and J. E. Berg,

し、測定の精度と信頼性を向上する予定である、また“Multi-frequency path loss in an outdoor to indoor

指向性アンテナを用いた測定を組み合わせる事で、電macro cellular scenario,” in 2009 3rd European

波の伝搬経路やその伝搬メカニズムの解明を行う予定

Conference on Antennas and Propagation, Marchである。

2009, pp. 3601–3605.
[3]

H. Okamoto, K. Kitao, and S. Ichitsubo, “Outdoor-to-

用語解説

Indoor Propagation Loss Prediction in 800-MHz to 8-*1 Building Entry Loss: 電波が建物外から建物内に

GHz Band for an Urban Area,” IEEE Transactions onVehicular Technology, vol. 58, no. 3, pp. 1059–1067,

伝わる際に生じる電力損失*2 チャネルサウンダ：計測用の無線信号を送信し、受March 2009.
[4]

信側での受信信号特性から電波の伝搬特性を計測

M. Alatossava, E. Suikkanen, J. M. H. Veli-Matti,and J. Ylitalo, “Extension of COST 231 Path Lossする装置

Model in Outdoor-to-Indoor Environment to 3.7 GHz

参考文献

and 5.25 GHz,” in Int. Symp. Wireless Pers.

[1]

Multimedia Commun., Sep. 2008, pp. 1–4.

H. Omote, M. Miyashita, and R. Yamaguchi,

5

TELECOM FRONTIER No.108 2020 SUMMERUAV を用いた電波伝搬測定と高所環境での建物侵入損失特性モデリングRadio Propagation Measurement by UAV-based System and Building Entry Loss Modelling in HighAltitude Environment[5]

C. 231, COST Action 231 - Digital mobile radio

Communication Networks for 5G and Beyond

towards future generation systems - Final report.

(IRACON), 11th MCM, Sep. 2019.
[6]

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ITU-R, Propagation data and prediction methods for

4.9GHz 帯 屋 外 - 屋 内 電 波 伝 搬 測 定 ”, 電 子 情 報 通

the planning of indoor radio communication systems

信 学 会 ソサイエティ大 会 , Sep. 2017.
[7]

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齋 藤 健 太 郎 , ハン キイ, キラティウォラナン ノッポ

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https://www.itu.int/rec/RREC-P.1238/

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[8]

関連文献
[1]

NopphonAerial Vehicleを用 いた2.4GHz帯 屋 外 -屋 内 電 波 伝

Keerativoranan, and Jun-ichi Takada, “Vertical搬 測 定 ”, 電 子 情 報 通 信 学 会 技 術 研 究 報 告 (短 距and離 無 線 通 信 ) -- (移 動 通 信 ワークショップ), Vol. 116,

Kentaro

Saito,

Qiwei

Horizontal

Fan,

Building

Entry

Loss

Measurement in 4.9 GHz Band by Unmanned
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この研究は、平成２８年度ＳＣＡＴ研究助成の対象と447, April 2019.

して採用され、平成２９～令和元年度に実施されたもKentaroSaito,

QiweiFan,

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Kentaro Saito, Qiwei Fan, Nopphon Keerativoranan,
Jun-ichi Takada, “4.9 GHz Band Outdoor to Indoor
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LossAnalysisinHigh

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[4]

Kentaro Saito, Qiwei Fan, Nopphon Keerativoranan,
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Kentaro Saito, Qiwei Fan, Nopphon Keerativoranan,
Jun-ichi Takada, “Vertical and Horizontal Building
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6TELECOM FRONTIER No.108 2020 SUMMER