無線中継システム

特 集

地下漏水監視IoTの進展に向けた研究開発の取り組み

送信ダイバーシチ

電波が届きにくい場所のIoT端末を確実にネットワーク収容する中継無線技術
IoT（Internet of Things）の進展に伴い，これまでネットワークにつなげなかった場所でのIoTの利用が期待されています．例えば，電波の届きにくい地下のIoTとして，老朽化が進行する地下インフラの監視を実現する
ため，NTT研究所では，車や電柱上に中継無線機を設置し，地下インフラに設置したセンサのデータを効率的に収集する中継無線システムの研究開発を進めています．本稿では，中継無線システムで課題となる中継機の設置・運用コストを低減するための長延化技術と省電力化技術の概要とその効果を紹介します．

電波の届きにくい場所でのIoT利用期待

ふ じ のようすけ

か つ だ

はじめ

藤野 洋輔
勝田

ふくもと

ひろゆき

あかばね

かずのり/福本 浩之

肇 /赤羽 和徳

NTT未来ねっと研究所

す．例えば，IoT無線システムで利用開発を進めています（図 ₁ ）．中継無される 1 GHz前後の周波数帯では，屋線システムでは，中継機の効率的な設外から屋内への電波の侵入損失は10置 ・ 運用が重要であるため，① 1 台の（2）IoT（Internet of Things）の進展に～30 dB程度 ですが，地上から地下中継機がより広いエリアの多数のセン伴い，地下や上空や水中など，これまの水道のバルブボックス内への侵入損サを収容し，中継機の設置数を削減可（3）でネットワークにつなげなかった場所

失は50 dB程度 です．そのため，地能な長延化技術，②電池駆動が可能で，でのIoTの利用が期待されています．

下に設置したすべてのセンサを，屋外設置場所の自由度を向上可能な省電力

例えば，電波の届きにくい地下でのや屋内での利用を想定した4G/LTE化技術を開発しました．

IoTの利用の例として，水道管等の地などの無線サービスだけで直接収容す下インフラの監視が挙げられます．高

るのは困難です．

中継機の長延化技術

度経済成長期に敷設した水道管の老朽

そこで，NTT研究所では，車や電無線通信では，通信距離が長くなる化は急速に進行し，2020年には老朽

柱上に中継無線機を設置し，地下構造につれて電波が徐々に弱まる性質があ管の割合が40%を超えると見込まれて物に設置したセンサのデータを効率的ります．長距離の無線通信を行うため（1）

います ．現在，水道管の漏水調査 ・（4）に収集する中継無線システム の研究の手段として，通信速度を低速化し，点検は熟練技術者の人手に頼っていますが，少子高齢化が加速する中，人手に頼った点検はますます困難になっていくと考えられています．そこで，このような地下インフラの点検作業を，各種センサや無線機を活用したIoTで広域ネットワーク（LTE, LoRa WAN等）
固定アクセスポイント
定点回収方式インフラ監視サーバ

カバーエリア〜200 ｍ

効率的に実現することが期待されてい移動アクセスポイント

ます．

地下インフラを実現する中継無線システム

巡回収集方式

地下インフラ（上水道管）

920 MHz帯
無線伝送技術バルブボックス無線機（920 MHz，LF）
データ処理部
電池

水道管などの狭小なスペースの地下

センサ

は電波の伝搬経路が極めて限定された

センサ端末

閉空間であり，ビルなどの屋内と比べ

図1

地下インフラ監視向け中継無線システムても非常に電波が届きにくい環境でNTT技術ジャーナル 2018.715

IoTの進展に向けた研究開発の取り組み

送信電力，同じ通信距離でも受信レベ

センサなどのように端末が固定設置さ（6）あります．例えば，LoRa やSigfox

ルが大きく変動する現象です（図 2

れ，自律的に移動しない場合には，電などの無線システムでは数100 bit/s（a））．例えば， 2 波が同相で合成され波の各経路の位相関係が固定されるたまで通信速度を落とすことで −130

る場所では受信レベルが 3 dB向上す

め大きなマージンを設定して回線設計dBm以上の超高感度化を実現していまる一方で， 2 波が逆相で合成される場を行うことが必要となります．この大す．しかしながら，低速化すると 1 ビッ所では受信レベルがゼロになります．

きなマージンこそが端末が固定設置さトの送信に時間がかかるため，より多このような受信レベルの変動に対処す

れることの多いIoT無線システムの通くの電力が必要となります．また，送るため，無線通信システムでは必要と信距離を制約する要因となっています．

信電力の増加によって通信距離を延伸される通信品質に応じたマージンを確

この課題を解決するため，NTT研させる方法もありますが，この方法も保して，回線設計を行います．

受信機の受信感度を向上させる方法が（5）

究所では，複数のアンテナからわずか送信側の消費電力の増加につながりま

マルチパスフェージングによるレベに異なる周波数の電波を送信することす．そのため，地下インフラ監視のよ

ル変動は電波の各経路の位相関係にで，マルチパスフェージングによる場うに数年単位の端末電池駆動が必要なよって発生するため， 1 波長以下の周所ごとの受信レベルの変動幅を小さくシステムでは，低速化や送信電力増加期，例えば 1 GHz程度の周波数帯でする技術（7）を開発しました．本技術を以外の長距離化技術が求められます．

は15 cm以下の周期で発生します．人

適用することで，送信点から受信点まそこで，NTT研究所では，電波特が端末を手に持って利用することの多で至る複数の電波の経路の位相関係を有のマルチパスフェージングという現い移動体通信システムでは，無意識の強制的に時間変動させ，端末が移動し象に着目しました．電波は送信点からうちに自然に端末が数cm程度は動きたのと同じような状態をつくり出すこ

受信点までの空間上のさまざまな経路ますし，電波がつながらない場合は人とができます．これにより，複数の経を反射，回折しながら伝搬し，各経路間が自律的に端末を動かすこともでき路の電波が定常的に逆相で合成されるの電波が合成された信号が受信されまるため，マルチパスフェージングを克ことがなくなるため，必要なマージンす．マルチパスフェージングとは，受服するためのマージンを比較的少なくの量を削減し，通信距離を延伸するこ信点の位置のわずかな違いによって電して，回線設計を行うことができます．とが可能になります（図 2（b））．本技波の各経路の位相関係が変化し，同じ一方で，地下インフラ監視システムの術の適用によりパケット内で受信レベ

常に同相合成

雑音

受信不可
受信信号

時間

同相と逆相を周期的に繰り返す

受信レベル

受信信号

受信可

受信レベル

受信レベル

受信信号

常に逆相合成

雑音

受信信号

受信信号

受信信号

端末移動時と同様の受信状態

受信可
雑音

時間

時間

通信距離を延伸（a） 従来技術（b） 本技術

図216

NTT技術ジャーナル 2018.7

長延化技術の概念

特 集

ルが大きく変動しますが，これは端末分からないセンサ端末からのデータをを付与して送信することで間欠動作すが移動した場合と同様の現象であり，常に待ち受ける必要があるため，単純る端末に対するデータ送信を実現しま

適切な周波数オフセット量を選定するにスリープ状態による省電力化を適用す（図 4（a））．信号電力検出ではなくことで無線機が備える標準的な復調機することはできません．そのため，中プリアンブル検出を利用することで，能で補償することが可能となります．

継機の年単位の電池駆動を実現するた

大きな環境雑音が存在する環境や信号

本技術はさまざまな無線方式への適めには，間欠的な動作をしつつセンサ電力より雑音電力のほうが大きいよう用が可能ですが，一例として，LoRa端末からのデータを待ち受ける省電力な劣悪な無線環境においても短時間で方式に適用した場合の効果を実機評価

待ち受け技術が必要となります．

確実な信号検出が可能になります．な

しました．マルチパスフェージング環

省電力待ち受け技術を実現するた（8）

お，プリアンブルサンプリングの一境下におけるEb/N0（ 1 ビット当りめ，プリアンブルサンプリング とい種であるCSL（Coordinated Sampledの信号エネルギー対雑音電力密度比）う技術が提案されています．この技術

Listening）はIEEE802.15.4eの省電力とパケット誤り率の関係を図 3 に示

では，受信側はデータ待ち受けのため技術として採用されています．

します．本技術の適用により，パケッの一定間隔でプリアンブル検出を行

しかしながら，さまざまな無線シス

ト誤り率（端末が固定設置の場合，通い，送信側ではデータ送信前に受信側テムが共用するアンライセンスバンド

信できない端末の割合とほぼ等価）のの間欠受信間隔より長いプリアンブル

では， 1 台の無線機が電波を占有する

許容値が 1 %の場合で 6 dBのマージン量削減効果が得られることが確認で1きます．見通し外通信では電波の受信フェージングなし

レベルはおおむね距離の 3 乗に反比フェージングあり（本技術）
フェージングあり（提案技術）

例するため， 6 dBのマージン量削減待できます．

中継機の省電力化技術

0.1

パケット誤り率により1.5倍以上の距離延伸効果が期

本技術の必要マージン量

本技術の効果（約 5 dB）

0.01
従来技術の必要マージン量

IoT無線の端末は，データの送信量が非常に少なく，データ送信を行っている時間が短いため，データ通信時以0.001

外はスリープ状態で省電力化を図るこ

051015（dB）

1ビット当りの信号対雑音電力比とで年単位の電池寿命を実現していま

図3

長延化技術の効果す．一方で，中継機はいつ送信するか4 秒以下@920 MHz帯

4 秒以下@920 MHz帯

送信側送信側

受信側受信側（a） 従来技術

プリアンブル検出（b） 本技術

信号受信

図4

プリアンブル送信

応答信号送信データ信号送信

省電力待ち受け技術の動作

NTT技術ジャーナル 2018.717

IoTの進展に向けた研究開発の取り組み

本研究の一部は，総合科学技術 ・ イ（年）

ノベーション会議のSIP（戦略的イノ

15

ベーション創造プログラム）「社会インフラ（地下構造物）のセンシングデー

10
電池寿命
5よ

用に

術適

本技

タ収集 ・ 伝送技術及び処理技術の研究命化

寿る長開発」（管理法人：JST）によって実施されました．

従来技術※

00

■参考文献

24

6810（秒）

間欠受信間隔※ データ信号長が 2 秒の場合

図5

省電力待ち受け技術の効果ことを回避するため，各国の電波法で本技術を適用した場合の効果を評価し1 回に送信可能な無線信号の時間長ました．電池容量が3000 mAh，デーが制限されており，一定以上の長いプタ送受信や測定にかかる消費電流量がリアンブルを送信することができませ0.5 mAh/日， 1 回当りの間欠受信時ん．例えば，日本の920 MHz帯では間を10 ms，受信時の消費電流を20データ信号も含めた 1 回当りの送信mAとした場合の間欠受信間隔と電池時間が400ミリ秒または 4 秒に制限さ寿命の関係を図 5 に示します．本技術

れています．そのため，従来技術ではにより送信時間制限に依存しない長い一定以上の長い間隔での間欠待ち受け間欠受信間隔の設定を可能にし，間欠をすることができず，中継機の低消費受信間隔を 5 秒以上にすることで 5電力化は困難でした．

年以上の電池寿命が実現できます．

そこで，NTTでは，複数個に分割したプリアンブル信号を利用して中継今後の展開無線機を起動する技術を開発しまし

電波の届きにくい地下のIoTとした．本技術では，分割したプリアンブて，老朽化が進行する地下インフラのル信号の送信時間長や送信間隔を適切監視の実現に向け，地下構造物に設置に制御することで，電波法規に準拠ししたセンサのデータを確実かつ効率的た無線信号を利用しつつ，任意の受信に収集して漏水調査可能なシステムを間隔で待ち受ける中継機を最短時間，実現し，水道事業体や漏水調査機関等最小電力で確実に起動することが可能と連携しながら社会実装に向けた活動となります（図 4（b））．これにより，を進めていきます．また，本稿で紹介

送信時間制限に依存しない長い間欠受した長延化技術や省電力技術は無線方

信間隔の設定を可能にし，中継機を数式に依存しない汎用的な技術のため，年単位で電池駆動させることを可能に地下インフラの監視以外のさまざまなしました．

利用用途への水平展開を積極的に推進

本技術の効果の一例として，日本の920 MHz帯を利用した無線システムに

18

NTT技術ジャーナル 2018.7（1） Japan Water Works Association：“WaterStatistics，” No.97，2014．
（2） ITU-R P.2109- 0 ：“Prediction of Building
Entry Loss. Recommendation，” 2017．
（3） S. Teruhi, Y. Yamaguchi, and J. Akahani：“Water Leakage Detection System forUnderground Pipes by Using WirelessSensors and Machine Learning，” Journal ofDisaster Research，Vol.12，No.3，pp.557568，2017．
（4） https://www.jst.go.jp/sip/dl/k07/booklet/40_
yoshino.pdf（5） https://lora-alliance.org/（6） https://www.sigfox.com/（7） Y. Fujino, S. Kuwano, S. Ohmori, T. Fujita,and S. Yoshino：“Cell Range Extension
Techniques for Wide-Area Ubiquitous
Network，” Proc. of ISADS 2011，Kobe，Japan，June 2011．
（8） A. El-Hoiydi：“Aloha with preamble sampling
for sporadic traffic in ad hoc wireless sensor
networks，” Proc. of ICC 2002，New York，U.S.A.，April 2002．

していく予定です．

（左から）藤野  洋輔/ 福本  浩之/勝田  肇/ 赤羽  和徳

あらゆるモノがネットワークに接続する
IoTサービスの発展に向け，今後はさらに電波の届きにくい場所にも電波を届かせるためのIoT無線高信頼化技術の研究開発を進めていきます．

◆問い合わせ先NTT未来ねっと研究所
ワイヤレスシステムイノベーション研究部
TEL 046-859-8054
FAX 046-859-3351
E-mail fujino.yosuke lab.ntt.co.jp