Technological Report

高速鉄道で大容量通信（最大１Gbps）を実現する
ミリ波方式列車無線の開発
田口 尚
技術開発部 信号通信技術チーム チームマネージャー（鉄道通信担当） 松村 善洋
技術開発部 信号通信技術チーム チームマネージャー

１ はじめに２ ミリ波の性質

東海道新幹線の列車無線は、指令員と乗務員との間で携帯電話（5G：第５世代）でも注目されて始めている通話できる専用電話として、1964 年の開業当初から使用

ミリ波は、周波数が 30～300GHz すなわち波長が 1～しています。当時の無線通信は、空間波方式でしたが、10mm の電波をさします。周波数が高いミリ波は、周波1989 年の設備の老朽取替を機に、通信ケーブルとして漏数が低い電波に比べて広い帯域幅を使用できるので同じえい同軸ケーブルを用いた LCX 方式に変更することで、時間でより多くの情報を送ることができます。その一方トンネルや高層ビル群の間を走行するときでも安定したで、ミリ波のエネルギーは、空気中の水分子や酸素分子通信を実現し、周波数繰り返しを不要とすることで多チに吸収されて減衰してしまうため、長距離通信には向きャンネル化をはかりました。これにより指令電話や公衆ません。特に、降雨時には電波に乗せた信号が弱まって電話の回線数を増やすとともに、車両機器の動作状態や雑音に埋もれてしまい、信号を再生できなくなるという車内のテロップニュースなどのデータを伝送する機能を問題がありました。地上の無線基地局間隔をせばめて基実現しました。その後、2009 年にデジタル変調技術を導地局を増やせば、大雨でも安定して通信できますが、無入したデジタル LCX 方式へ移行して通信品質をさらに線機数が増えてしまいます。

向上するとともに通信容量の拡大(最大 3Mbps)を図り、また、ミリ波で遠方と通信するために指向性の高いア現在に至っています。

ンテナを採用すると電波は拡がらず、車両基地のような近年、メンテナンスやセキュリティ向上を見据えた地広い範囲での通信には不利になり、留置線ごとに多数の上と車上の間のさらなる大容量通信に対するニーズが高基地局を設置する必要がありました。

まってきたことから、大容量通信に適したミリ波の列車

３ ミリ波無線機の概要

無線システムへの活用を目指して技術開発に取り組みました。
ミリ波を採用するには様々な課題がありましたが、現行の LCX 方式と開発したミリ波方式の列車無線シ一つひとつをクリアすることでミリ波無線機の開発に成ステムを比較したものが表１です。無線通信部分を構成功し、最大１Gbps の大容量通信を実現するミリ波方式

するミリ波無線機は、地上および車上に設置し、地上に列車無線を東海道新幹線全線に導入することが決まりま設置するものを地上局無線機、車上に設置するものを車した。

上局無線機と呼びます。いずれの無線機も 1 台の IDU

本稿では、ミリ波無線機の概要と、最も大きな課題で（In Door Unit）とそれに接続される複数台の ODU

あった豪雨モードの開発、及び、ミリ波の特徴を生かし（Out Door Unit）で構成されています。最大伝送容量たリフレクタによる車両所構内の無線機数削減について

約 500Mbps の無線通信に必要な機能を IDU と ODU が紹介します。

分担しており IDU が変復調機能を、ODU は 40GHz 帯への周波数変換、増幅および、アンテナ機能をもってい1ます。なお、車上局は 1 号車と 16 号車に搭載し、2 組のことがわかりました。この状態でも一定の無線品質を維無線機で最大 1Gbps の伝送容量を実現しています。

持するためには、地上局の設置間隔を狭めて多数配置すればよいのですが、導入コストが膨大となるため現実的

表1

LCX 方式とミリ波方式の特徴の比較

列車無線方式

LCX方式（現行）

ミリ波方式（次期）

使用周波数400MHz（UHF帯）

40~50GHz（ミリ波帯）

ではありません。そこで、何らかの対策を検討することにしました。
電波が空気中で減衰すると、周囲の雑音と混在して信号を取り出すことが非常に難しくなります。雑音の中か伝送容量

設備の特徴

約 3 Mbps

約 1 Gbps

ら信号を取り出す方法を検討するにあたり、情報によっ東京から新大阪まで東京から新大阪までて決まった波形である信号とランダムな波形が混じりあ上下線に切れ目なくLCXを布設 ミリ波無線機を一定間隔に設置っている雑音との違いに着目しました。電波が減衰した地上無線機としても、同じ信号を複数回にわたって繰り返し送信し、LCX受信側でうまく重ね合わせれば、同じ波形が繰り返され地上設備写真る信号は強調される一方で雑音はお互いに打ち消しあいます。一般にはシンボル合成とよばれる手法ですが、当※反対線路側にも布設されている※一定間隔で設置される社ではこの手法を「豪雨モード」と呼ぶことにしました。

車載無線機

この手法をイメージ化したものが図１です。

車載アンテナ
車上設備写真大雨等により通信が途絶えると自動的に豪雨モードに※車体側面カバーを外した状態移行して同じ信号を繰り返し送信します。受信側では電※先頭カバーを外した状態波の先頭部を見つけてうまく重ね合わせるのですが、こ３ 基地局を削減する工夫（１）降雨減衰対策「豪雨モード」の開発の開発に大変苦労しました。
豪雨モードでの無線信号は 45GHz の搬送波（情報をまず、過去 12 年間の東海道新幹線沿線での降雨の実載せる波の意味）の位相（例えば 45 度を 0、225 度を 1

績を調査したところ、10 分間に最大で 30 ㎜程度（時雨などと対応）に情報ビットを載せています（図 2）。送信量に換算すると 180 ㎜程度）が数回発生していました。

機の送信する 45GHz のミリ波信号と、受信機の内部でこの調査結果を踏まえて、10 分間雨量 30 ㎜の雨が降り発生する 45GHz の信号は、少々のずれがあるのが一般続いた場合であっても安定した通信を確保できるよう、的です。しかし送信機と受信機その僅かなズレが、図 2ミリ波無線機の開発を進めることとしました。

における位相の回転に対応するため、正確に合わせるこミリ波は空気中の水分子や酸素分子に吸収されて減衰と（同期）が必要です。豪雨モードになるとこの同期がすることは先に述べましたが、10 分間雨量 30 ㎜の降雨正確でないと重ね合わせの効果が得られないことから、の中では、電波は 1km 先で晴天時の 4500 分の 1 になる更に難しくなります。

2

「豪雨モード」の原理

信号

1010雑音＋信号1030※雑音が混在した波形

51020551000※信号が減衰※黒色は雑音5-5015020510・・・
15020 05101502005101520-10-5-5-10-10-20-10

受信側で信号を足し合わせ-30

送信側で信号を複数回送信

豪雨時送信する信号10

図 1 豪雨モードにおけるシンボル合成のイメージ
最初に開発した豪雨モードでは、16 回の繰り返し信号号で AFC（自動周波数同期）機能を実現しています。更を受信している間に位相が回転してしまい、信号の合成に主信号に埋め込まれた参照信号の回転速度を観測する効果が得られない状況でした。

機能を実装することにより、豪雨時においての信号の重Y軸ね合わせ効果を得ることが出来ました。
「０の信号」
45度の位相＝
X軸「1の信号」
45度の位相＝

図 2 位相に情報を載せるイメージ

図 3 豪雨モードの効果対策として、電波の先頭を表す周期的な同期信号の正豪雨モードの効果を視覚的に表したものを図 3 に示し

確なタイミングを、雑音に埋もれた中でも正しく読み取ます。ここでは、合成しないもの（×1 モード）と 16 回り、更に情報の中に埋め込んだ参照信号（既知の信号）合成したもの（×16 モード）を示しています。図 2 の 45の回転量を観測し補正する手法を考案し、実装に成功し度と 225 度に情報があると示しましたが、×1 モードのました。

場合は 45 度と 225 度の信号点が混ざってしまっているのが、×16 モードではしっかり 45 度と 225 度の信号点

ミリ波列車無線の信号構成（スロット）1msec

一次同期信号

二次同期信号

1msec毎の先頭を検出

周波数同期

粗めに同期

高精度に同期が分離できているおり、情報ビットの 0 と 1 が区別でき主信号
実際のデータ制御信号ます。
この豪雨モードの開発により、地上局間隔を約 1.3 倍

参照信号（既知の信号）
豪雨時には既知の信号の位相変化量（回転量）を把握し重ね合わせ前に補正に拡大でき、地上局を 2～3 割削減することができまし

さらに高精度に同期た。

図 3 豪雨モードで同期に使用するの同期信号、（２） 車両基地内の地上局の削減

参照信号の位置と役割

車両基地では、多数の車両が横並びの留置線に留置さ

図 3 に豪雨モードにおける同期に使う信号の位置と役れており、それぞれの車両（車上局）が地上局と接続し割を表します。一次同期信号でミリ波通信における最小て通信する必要があります。先に述べたように車上局の通信単位である 1msec 毎の切れ目を判定し 2 次同期信ミリ波無線機は指向性の高いアンテナを採用することで、3長距離通信を実現しました。一方、車両基地では複数のその使用可能性を確認するとともに実測でも、使用可能車両が横並びに留置されるため、それぞれの留置線の端であることを確認しました。直轄で分析したレイトレー部に車両と正対するように地上局のアンテナを設置する

スシミュレーション結果の例を図 5 に示します。リフレ必要があります。その際、地上局のアンテナを車両からクタにおける反射が車上局への到来電波の主たる成分を遠ざければ電波が拡がり地上局を少なくできますが、用占めることが分かりました。また車両所構内においてこ地の制約から車両とアンテナとの間に距離をとれない箇の無線機の配置を再現し、シミュレーション結果と実測所があります。の受信レベルを比較した結果を図 6 に示します。これにより実測とシミュレーション結果の傾向がほぼ一致する

構成①
1線越え2線カバー

構成②2線越え3線カバーことが分かりました。

構成③3線越え3線カバー

図 4 の構成①、②、③を組み合わせて実際の車両基地

車上局 リフレクタ
線路3に適用した場合、19 ある留置線に対して、7 つの地上局

線路3線路2でカバーできることが分かり、その構成を採用すること

線路2線路1としました。

車上局

車上局

リフレクタ

線路2リフレクタ

線路1線路1地上局

地上局

地上局

図 4 3 つの地上局構成案
一方で、留置線の形状が直線であること、車両は必ず図 5 レイトレースシミュレーションの例

同じ場所に留置することから、車両の停止位置から少し離れたところに電波を反射させるための板（以下、リフ0レクタ）を置いて、図 4 のように車上局と地上局の距離受信レベル (dBm)を稼ぎ地上局の数を減らすことにしました。実際に車両基地での試験やシミュレーションの結果から図 4 の３つの地上局構成を採用しました。
図 4 の構成②を例に配置の特徴を示します。この場合

実測
シミュレーション
BPSK所要受信レベルは 2 線を越えた先の 3 線にリフレクタを置きミリ波の電波を線路に向けて反射します。この配置を検討するにあ-1000

たり、電波の放射方向にリフレクタが重ならない範囲でかつ、狭い放射方向の間に 3 つのリフレクタを配置する

車上局ーリフレクタ間距離 (m)250

図 6 シミュレーションと実測の比較

よう、工夫してリフレクタを配置しました。
リフレクタは、ミリ波の波長が短いという特徴を十分４ おわりにに生かしています。必要な反射板の大きさは波長に依存し、周波数が低いほど辺の長さが長くなるためミリ波の本稿では、大容量通信による新しい東海道新幹線列車場合はある程度小さい反射板を利用することが可能です。

無線システムに採用したミリ波無線の開発の一部につい今回は施工のしやすさも考慮し反射板の 1 辺を 50cm とて紹介しました。
ミリ波列車無線は、2013 年度から８年間の調査、開発し、電磁界解析とレイトレースシミュレーションにより4

期間をへて、ミリ波無線機の小型化、低コスト化に成功

松村 善洋
信号通信技術チーム

し、東海道新幹線の次期列車無線システムに採用される工学博士、技術士（電気・電子）、電子情報通信学会会員、電子情報通信学会無線通信シス
テム研究会専門委員、電気学会員ことになりました。現在は、2027 年初の使用開始にむけて、地上局の新設工事や車上局の改良工事（現行の LCX

鉄道に無線通信技術は必須です。急速なモバイル通信技術の発展に追従するのは大変ですが、地上車上間通信を更に発展させ、お客様サービスを充実させる構想を実現すべく様々な検討を進めています。

デジタル方式、アナログ方式無線機を改良し、ミリ波無線機を加えた３方式に対応する工事）が進められています。
今後は、今回完成した最大 1Gbps という大容量通信基盤を活用し、メンテナンスの革新をはじめとした様々なアプリケーションの開発に取り組んでいきます。

謝辞
本ミリ波列車無線の実用化に向けて開発に携わって頂いた、日本電気株式会社、三菱電機株式会社の皆様に心より感謝申し上げます。

参考文献
松村善洋ほか「ミリ波の新幹線環境での活用を想定した45GHz 帯伝搬特性の曲線区間での測定・解析及び適切な地上局配置間隔」2022 年 3 月，信学論(B) ，Vol.J105B.no.3
白井大貴ほか「リフレクタによるミリ波方式列車無線の通信エリアの拡大」2022 年 4 月、電子情報通信学会 無線通信システム研究会，信学技報 RCS2022-05

田口 尚
信号通信技術チーム
電気学会員
鉄道分野以外を見渡しても、ミリ波を使ったこれだけ大規模な移動体無線通信システムは、世界にありません。この開発で培った無線技術を、次代の鉄道システムに活かしたいと思います。

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