（様式 20）成果報告書

TSUBAME 共同利用

平成 30 年度

産業利用

成果報告書

利用課題名 5GHz 帯無線 LAN における大型車両内電磁界特性に関する基礎検討
英文：A Study on the Electromagnetic-field Characteristic in a Large-scale Vehicle in wireless LAN
利用課題責任者 池田 和彦
First name Surname
Kazuhiko Ikeda
所属

株式会社パナソニック システムネットワークス開発研究所
Affiliation
Panasonic System Networks R&D Lab. Co., Ltd.
URL
http://panasonic.co.jp/avc/psnrd/

邦文抄録（300 字程度）
近年，鉄道やバス等の公共交通機関において多種多様な情報を活用するクラウド化が進んでいる．大型車両内での安定した高速・大容量通信を実現するための無線通信システムとして，無線 LAN システムや第５世代移動通信システム（5G）などが想定されており，それぞれの無線システムに適したアンテナが必要となる．大型車両の車室内における通信としては 5GHz 帯を用いた無線 LAN が考えられ、搭載されるアンテナの性能の評価が求められる．しかしながら，大型車両に搭載したアンテナ特性を測定するためには多大な時間と労力が必要であり，また電磁界シミュレーションでは空間セル数が大規模になる課題がある．
そこで本報告では，5GHz 帯無線 LAN を解析対象のシステムとし，5.2GHz 帯で動作するアンテナをバスに搭載した場合のアンテナ性能について，TSUBAME3.0 を用いた電磁界シミュレーションにより解析する．
英文抄録（100 words 程度）
The system into a cloud has been advanced to utilize various kinds of information in public transportation such asrailroads and buses in recent years. Wireless LAN and the 5th generation mobile communication system (5G) areproposed, as a wireless communication system for achieving stable high-speed and large-capacity communication in alarge vehicle, a suitable antenna for each wireless system is requited. Wireless LAN using 5 GHz band is conceivableas communication in the large-scale vehicle, and the evaluation of the antenna performance installed on thelarge-scale vehicle is required. However, the antenna measurement with large-scale vehicle involves immense amountof time and effort, and the antenna electromagnetic simulation requires the enormous analysis cells because of thevolume of the vehicle. In this paper, we adopt the wireless LAN as the target system of the cloud service, andevaluate the 5.2 GHz antenna performance installed on the bus by electro- magnetic simulation using supercomputer
TSUBAME 3.0.
Keywords: Electromagnetic simulation, Large-scale vehicle, Cloud service, Wireless LAN

1.まえがき両に搭載される 5G 用アンテナの特性や車室内における無近年，鉄道やバス等の公共交通機関において多種多様な

線 LAN システムにおける車両構造物や人体の影響を把握情報を活用するクラウド化が進んでいる．大型車両内でのすることが重要である．しかしながら，大型車両に搭載し安定した高速・大容量通信を実現するための無線通信シスたアンテナ特性や車室内の電磁界分布を測定することは，テムとして，無線 LAN システムや超高速，大容量，低遅評価設備等の問題から非常に困難であるため，電磁界シミ延といった特徴を持つ第 5 世代移動通信システム（5G）ュレーションを用いてアンテナ性能を解析することが望などが想定されており，それぞれの無線システムに適したましい[1]．また，電磁界シミュレーションでは，解析空アンテナが必要となる．その無線システムの具体的な実現

間を波長の数十分の一程度の大きさで分割する必要があ

方法の一つとして，基地局と大型車両との間の通信にはることから，解析周波数が高くなるほど，また解析対象が5G を利用し，大型車両の車室内においては 5GHz 帯を用大規模になるほど，膨大な空間メッシュの解析が必要とないた無線 LAN システムを用いてユーザ（端末）と車両とる．現在，解析に用いられる一般的なスタンドアロン型計の間で通信を行うことにより，ユーザスループットを向上

算機では，2 億個程度のメッシュ数のモデルの解析が限界できると考えられる．

であるため，並列処理によって大規模メッシュの解析が可このような無線システムを構築する上において，大型車能なスーパーコンピュータの利用が有効となる．

（様式 20）成果報告書
本利用課題では，基礎検討として，5GHz 帯無線 LAN

図 1 に本検討で用いる大型車両のバスモデルを示

システムを解析対象のシステムとし，大型車両のバスに搭す．大きさは全長 8990mm×全幅 2315mm×全高載されるアンテナの性能をスーパーコンピュータ

2980mm，ボディ及びホイールは金属，座席シート，TSUBAME3.0[2]を用いて電磁界解析する．実際の構造をダッシュボード，窓ガラス，バンパーは誘電体でモモデリングしたバスモデル車両内に 5.2GHz で動作するアデリングしている．

ンテナを配置し，バス車両内の電磁界分布を可視化するこ

図 2 にアンテナモデルを示す．5.2GHz で動作するアンとで、バス車両内の構造物の影響について検証する．このテナとして，一般的な車両搭載アンテナである 1/4 波長モ検討により，使用ノード数と解析時間の関係を把握し，電ノポールアンテナを採用した．

磁界シミュレーションにおける TSUBAME3.0 活用の有効性について検討する．

図 3 にアンテナ配置位置を示す．バス車両内へのアンテナ配置として，①前方ダッシュボード上配置，②後方ダッシュボード上配置，③ルーフ中央裏配置，④ルーフ後方裏配置の 4 通りを検証する．アンテナの配置向きは，①②の2.解析モデルと解析条件
表 1 に解析条件を示す．計算機システムはスーパーコン

ダッシュボード上配置では図 2 に示す座標軸の向き（アンピュータ TSUBAME3.0，電磁界解析には有限積分法を用テナ素子がルーフ側）であり，③④のルーフ裏配置では図いた電磁界シミュレータである DASSAULT SYSTEMES

2 においてアンテナを X 軸中心に 180 回転させた向き（ア社の MICROWAVE STUDIO[3]を使用する．解析周波数はンテナ素子が床側）である．

5GHz 帯無線 LAN を想定し 5.2GHz としている．

以上の解析条件でモデル 1 条件あたりの解析メッシュ数は 21 億メッシュとなり，一般的なスタンドアロン型計

表 1 解析条件

算機での MICROWAVE STUDIO で解析可能な約 2 億メッ計算機システム

TSUBAME 3.0

シュを大きく超えているため，TSUBAME3.0 での解析が電磁界解析

MICROWAVE STUDIO必要である．

解析周波数5.2GHz

車両モデルバス

アンテナ

1/4 波長モノポールアンテナ

2mm①前方ダッシュボード上配置
アンテナ②後方ダッシュボード上配置

配置位置③ルーフ中央裏配置

100mm14mm
PortGND④ルーフ後方裏配置

図 2 解析モデル（アンテナ）

21 億メッシュ

解析メッシュ数8990mm

2315mm2980mm① 前方ダッシュボード上配置② 後方ダッシュボード上配置③ ルーフ中央裏配置④ ルーフ後方裏配置（a） 全景図 3 アンテナ配置位置（b） 断面図

図 1 解析モデル（バス）（様式 20）成果報告書
向であるが．今回の解析モデルでは，12 ノードで解析時

3.車両内電界分布
図 4 に各アンテナ配置位置における車両内の電界分布間がほぼ飽和すると考えられる．の比較を示す．それぞれ XZ 面（垂直面）及び XY 面（水平面）の電界分布であり，図中にピンクで示した点にアンテナを配置している．

5.まとめ
本利用課題では，スーパーコンピュータ TSUBAME3.0③のルーフ中央裏配置の場合であれば，車両全体に電界を用いて，バスに搭載される 5.2GHz 帯アンテナの特性をが分布しやすいという傾向が確認できる．一方，他の条件

電磁界シミュレーションにより解析した．バス車両内のア

では，アンテナが車両の端に配置される条件のため，反対ンテナ配置位置により放射指向性が大きく変化し，車両中側の車両端における電界強度が低くなっていることがわ

央のルーフ裏にアンテナを配置する場合にバス全体に電かる．また，座席シートや運転席背面の仕切り板の遮蔽の界が分布する傾向であることを確認した．座席シート等の影響によって電界強度が低下する傾向も確認できる．

遮蔽によって電界強度が低下するため，車両の端にアンテナが配置される場合は，その反対側における電界強度が低4.TSUBAME ノード数と解析時間の関係くなることを把握した．また，TSUBAME3.0 の 12 ノード

図 5 に TSUBAME ノード数と解析時間の関係を示す．

を用いた並列解析により約 21 億メッシュのモデルを約 3

解析モデルは①の前方ダッシュボード上配置のモデルを時間で解析でき，電磁界シミュレーションにおける用い，解析メッシュ数は表 1 の通り 21 億メッシュである．

TSUBAME3.0 の有用性を確認した．

図 5 より，ノード数を増やすことで解析時間が低減する傾大①前方ダッシュボード上配置②後方ダッシュボード上配置③ルーフ中央裏配置③ルーフ後方裏配置

図4

車両内の電界分布

小（様式 20）成果報告書
本検討はスーパーコンピュータ活用による電磁界解析の基礎検討の位置付けであり，今後は、アンテナ形式の違Y

ZEθ 成分Eφ成分

いや乗客などの人体影響の検討などが研究課題となる．

Caluculation time (sec.)

14000
13000
12000
11000

-40

10000

Y

9000
8000

4

681012
Nodes for caluculation

Y[3] CST STUDIO SUITE（http://www.cst.com/）
-40

Y20

Eθ 成分
Eφ成分

X

X

(dBi)

(dBi)

Z

[2] 東京工業大学 学術国際情報センター TSUBAME（http://www.gsic.titech.ac.jp/tsubame）

図 6 に各アンテナ配置位置における XY 面と XZ 面のア(dBi)

20-40②後方ダッシュボード上配置[1] S. Horiuchi et al., “Comparisons of Simulated and Measured Electric Field Distributions in Cabin of a Simplified
Scale Car Model,” IEICE TRANS. COMMUN., Vol. E90-B, No. 9, Sep. 2007.

6.付録(dBi)Z

図 5 ノード数と解析時間の関係

参考文献

X

20-40
①前方ダッシュボード上配置

14-40

X

20Eθ 成分
Eφ成分

X

X(dBi)

(dBi)

20-40
③ルーフ中央裏配置

20Z

Eθ 成分
Eφ成分

ンテナ放射指向性を示す．バス車両内に搭載するアンテナ位置によって車両外部への放射を示す放射指向性が大きX

X(dBi)(dBi)

く変化することが確認できる．
XZ 面の放射指向性より，①②のダッシュボード上配置
では天頂方向に，③④のルーフ裏配置では地面方向に最大-40

20-40④ルーフ後方裏配置

放射方向が向くことがわかる．また，車両の影響で放射指向性に多数のヌルが発生している．

図6

アンテナ放射指向性20