東急建設技術研究所報 No. 44

U.D.C 537.8.7

920 MHz 帯を用いたタワークレーン上下間の電波伝搬シミュレーション
渡辺

要

拓人 ＊

約： 本報は，最近注目されている省電力かつ長距離通信が可能な 920 MHz 帯に着目し，その電波伝搬特性についてレイトレース法による検証を行った結果について報告する。電波伝搬経路として，超高層建築現場におけるタワークレーンの無線通信への適用を想定し，地上より最大 280 m の高さまでの経路における受信電力を計算し，通信可否について検証を行った。さらに，2.4 GHz 帯無線 LAN と 920 MHz 帯の比較において，それぞれの通信可否について判定を行った結果，2.4 GHz 帯無線 LAN ではつながらないケースでも 920 MHz 帯を使用することで，タワークレーン上下間において通信可能であることが確認できた。

キーワード：

920 MHz 帯，2.4 GHz 帯無線 LAN，長距離伝送，受信電力，タワークレーン目

1．はじめに

4．電波環境の実測

2．シミュレーション

5．まとめ

次：

3．レイトレース解析結果
1．はじめにるデータ通信手段への利用も考えられ，応用範囲は広い。

IoT 向 け 無 線 ネ ッ ト ワ ー ク「LPWA : Low‑Power

従来の無線 LAN を利用する場合，電波が混雑している上Wide‑Area」と呼ばれる省電力かつ長距離伝送特性に優に，2.4 GHz という高い周波数を使用するため，送受信間れた通信技術が最近になり注目されている。LWPA の特の見通しが悪い場合，回り込み性能が低く，減衰が大きく徴は，従来の無線 LAN の中でも屋外利用が可能な 2.4なり，結果として電波が届かないケースがある。また携帯GHz 帯と比べると，920 MHz 帯の電波を用いるため，周電話回線網を利用する場合，超高層建築現場のような高所波数的に電波の回り込み性能に優れ，遠くまで電波を飛ばでは基地局からの電波が微弱となり，地上より概ね 100 m

せ る 点 が 挙 げ ら れ る。ま た，LPWA の 通 信 速 度 は 250以上では圏外となるケースもある。

kbps 程度であり，実効性能で数 Mbps 程度以上の速度がこのような理由により，高層建築現場のような高所で，出る無線 LAN と比較すると，1/10 以下の通信速度となっ携帯電話網や LAN の電波届かないようなケースでも，電ている。このような特徴から，各種センサーが発する小容波の回り込み性能に優れた 920 MHz 帯を用いることで，量のデータを低頻度で集めるような IoT の用途で用いる

常時安定した通信経路が構築でき，音声やその他センサ等ことが想定されている。国内でも 920 MHz 帯を用いたのデータ通信が可能になる。

Wi‑Sun，Smart‑HOP，さらに 2017 年には Sigfox や LoRaWAN と呼ばれるデータ通信サービスが始まっており 1)，
今後，建設工事でも LPWA を活用することで，各種センサを用いた様々なデータを集約・分析し，施工管理の効率化に繋がることが期待されている。
本報では，このような特徴を持つ 920 MHz 帯の電波伝搬特性ついて検証するために，超高層建築現場に利用されるタワークレーン無線通信への適用を想定し，レイトレース法を用いて検証を行った。高層建築工事におけるタワークレーンの通信では，通話やデータ送信を目的としており，現在，通話に関しては主にインターカム（400 MHz帯）が用いられているが，都市部では電波が混雑し繋がりに く い 状 況 も 存 在 す る。そ の た め，混 信 の 少 な い 920
MHz 帯を利用することによるメリットは大きい。また，タワークレーンの強風対策のために，風速センサによるデータの送信や，作業上の緊急トラブルや災害発生時におけ＊技術研究所図1

建設 ICT グループ103

タワークレーン解析モデル

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2．シミュレーション
シミュレーションにはレイトレース法 2)3) を用いた。ここで，レイトレース法は，電波を無数のレイ（光線）と見なし，周囲の建物や構造物において，レイが反射を繰り返すことで幾何学的に描かれる軌跡をトレースする手法である。ここで，送信パワーに対して，反射を繰り返すことによるエネルギー損失，伝搬距離によるエネルギー損失，および回り込みによる損失（回折損失）を差し引くことで，受信点に到達するエネルギー（受信電力）を求めることができる。
図 1 に解析モデルを示す。高さ 150 m および 230 m の高層建物をモデルとし，建物直下の地上 5 m の位置に送信点（Tx）を設定し，タワークレーンの受信点として建図3920 MHz 及び 2.45 GHz における解析結果

物上空 50 m の位置に受信点（Rx）を設定した。また，建物 の 材 質 は 完 全 導 体（PEC : Perfect ElectricConductor）とすることで，建物の中を電波が一切通らない，最も通信13 dB 低下していることが分かる。ここで，無線 LAN の条件として厳しい条件としている。送信点より LPWA を通信に必要となる最低の受信電力は約−90 dBm であるこ想定した 920 MHz の電波を送信し，受信点における受信とより 4)，無線 LAN を使用した場合は，通信不可である電力の計算を行い，通信可否について検証を行った。さらと予測される。920 MHz 帯を利用する通信規格においてに，無線 LAN を想定した 2.4 GHz の場合との比較も併せ定義される最低の受信電力は無線 LAN より低いレベルでて行った。なお送信電力は，特定小電力無線の上限値に合あり，Wi‑Sun を例にとると最低受信電力は−103 dBm でわせて 20 mW としている。

あり 5)，Wi‑Sun を使用する場合では，通信可能となることが分かる。

3．レイトレース解析結果

このように，レイトレース法を用いることで，工程ごと

図 2 に解析結果を示す。この結果より，受信点においてに変化するタワークレーンの高さに対してシミュレーショ

建物のエッジからの回折波が到達し，建物高さ 150 m のンを行い，事前に通信可否を予測することができる。

解析モデルにおいて−92.5 dBm，建物高さ 230 m の解析

実際の工事現場では周辺に建物が存在し，タワークレーモデルにおいて−96.2 dBm の受信電力が得られているこ

ン上部の受信部は周辺建物の反射の影響を受ける。そことが分かる。

で，図 4 に示す解析モデルを用いた場合の受信電力につい次に，920 MHz 帯，および 2.45 GHz 帯無線 LAN を使ても解析を行い，隣接した建物からの反射波の影響を検証用する場合の 2 つのケースを想定し，高さ 150 m の解析した。なお，本解析モデルでは，図 1 の解析モデル（高さモデルを用いて，920 MHz 及び 2.45 GHz における受信電150 m の建物）に対して，高さ 180 m の建物が隣接してお力の比較を図 3 に示す。

り，送受信点の位置（,）は同様の位置としている。

この結果より，920 MHz に比べ 2.45 GHz 帯無線 LAN

図 5 に 920 MHz 帯における解析結果を示す。この結果では到達する電波が弱くなり，受信電力の差として，約より，180 m の建物からの反射波が支配的となり，図 2 の150 m の建物モデル単体の場合に比べ，受信電力が，25dB 以上高くなることが分かる。この結果より，図 2 で得られた−92.5 dBm の受信電力は，回折した微弱な電波を受信した結果であり，通信可能なレベルが得られているものの，近隣に反射を起こすような高い建物が存在する場合は，回折により到達する電波のレベルに比べて非常に強いレベルの反射波を受信することで通信可能となることが分かる。
4．電波環境の実測
前述したように 920 MHz 帯は混信が少なく，都市部のように電波が混雑している環境でも，様々なデータ通信手段として利用できると考えられる。一方，無線 LAN で使用する 2.4 GHz 帯の場合は，都市部ではアクセスポイントの設置数が膨大であり，混信が避けられない状況にある。

図2

そこで，渋谷駅周辺において 920 MHz 帯の混信の有無

920 MHz における解析結果

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図4

隣接した建物が存在する解析モデル
図6

図5920 MHz 帯の測定状況

図7

測定に用いたスペクトラムアナライザ

図8600 MHz〜1000 MHz 帯の実測結果

接した建物からの反射を考慮した解析結果を確かめるために，920 MHz 帯の電波の実測を行った。
図 6 に測定環境の写真を示す。受信アンテナにはログペリオディックアンテナ/UHALP 9108A を用い，受信機にはスペクトラムアナライザ/MS2721B を用いた。測定に使用したスペクトラムアナライザの写真を図 7 に示す。なお，垂直偏波および水平偏波を，それぞれ 1 分間連続で計測し続けて Max‑Hold で受信電力データを取得した。なお，アンテナで受信可能な周波数帯として 600 MHz〜1000
MHz 帯におけるスペクトルを測定した。
図 8 に実測結果を示す。縦軸にはログペリオディックア

5．まとめンテナのアンテナファクター適用し，電界値へ換算した後高 層 建 築 現 場 の よ う な 高 所 に お い て，携 帯 電 話 網 やの単位 dBμV/m を用いている。この結果より，880 MHz

LAN の電波届かないようなケースでも，電波の回り込み付近および 960 MHz 付近に強いスペクトルが観測される性能に優れた 920 MHz 帯を用いることで，常時安定したが，920 MHz 付近にはほとんどスペクトルが観測されな通信経路が構築できると考えられる。そこで，本稿では，いことが分かる。この結果より，920 MHz 帯の電波は微920 MHz 帯の電波伝搬特性ついて，超高層建築現場に利弱であり，混信はほとんど起こらない環境であることが確用されるタワークレーン無線通信への適用を想定し，レイ認できた。

トレース法による検証を行った。

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具体的には，タワークレーンの上下間において，工程ごも加味してシミュレーションを行った結果，微弱な回折波とに変化する高さを考慮し，地上より最大 280 m の位置に比べ近隣のビルからの反射波の影響が大きく現れる傾向

におけるデータ通信の可否について，シミュレーションをも併せて確認できた。

行った結果，2.4 GHz 帯無線 LAN では通信不可のエリア

さらに，都市部においてログペリオディックアンテナをでも，920 MHz 帯の場合では，いずれの条件でも通信可

用いて固定点における電波のスペクトルを測定した結果，能であることが分かった。また，タワークレーンの周辺に920 MHz 帯のスペクトルは微弱であり，都市部でも混信存在する建物の影響も考慮し，隣接する建物からの反射波が少ないことを併せて確認した。

参考文献
1) 高橋，垣内：「LPWA（Low Power Wide Area）の規格と技術動向」，電子情報通信学会誌，Vol. 100, No. 9, pp. 982‑986．
2) 今井：「レイトレーシング法による移動伝搬シミュレーション」，電子情報通信学会論文誌 B，Vol. J92‑B, No. 9, pp. 1333‑1347．
3) 高橋，石田，吉浦：「イメージ法を用いた電波伝搬シミュレーションの高速化」，電子情報通信学会技術研究報告，Vol. 94, No.
363, pp. 49‑54．
4) 宮下，黒野，高田：「マルチホップ無線 LAN の伝送特性に関する基礎検討」，電気学会電子・情報・システム部門大会講演論文集，pp. 1406‑1411．
5) 野末，岩澤，流王，川村，川﨑，岩城：「鉄道環境における Wi‑SUN センサネットワークの活用」，鉄道総研報告，Vol. 32, No.
5, pp. 17‑22．

Simulation of EM‑wave propagation between ups and downs of the tower‑crane using 920 MHz band.
T. Watanabe
In this report, the EM‑wave band of 920 MHz was focused on long propagation characteristics and power saving
function. And propagation characteristics, of 920 MHz band, between ups and downs of tower‑crane on prodigious highbuilding were analized by the ray‑trace method. At first, the received power of RX at the height of 200 m and 280 m werecalculated by the method of ray‑tracing, to demonstrate the connection of EM‑wave communication using 920 MHz band.
Next, the received power of RX was calculated using WLAN of 2.4 GHz band to demonstrate the advantage of thecommunication using 920 MHz band. As a result, the connections of EM‑wave communication using 920 MHz weresuccessful under each condition, and the received electric power of 920 MHz band was higher on comparison with WLANof 2.4 GHz band. Additionally, the cross‑talk of 920 MHz bands, measured on the surrounding environment in an urban area
using a log‑periodic antenna, was far less than WLAN of 2.4 GHz band.

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