第 557 回 URSI-F 会合 資料2011 年 9 月 28 日(水)会場：広島市立大学

30MHz～900MHz 帯における伝搬損失と到来波広がり特性
Spatial Dispersion of Radio Waves and Propagation Loss for 30MHz to 900MHz Band川島大地，宮田康正，行衛秀明，串山健太，市坪信一
九州工業大学

大学院工学府〒804-0015 北九州市戸畑区仙水町 1-1
E-mail: [kawashima, k-miyata]@pro.ecs.kyutech.ac.jp, ichitsubo@ecs.kyutech.ac.jp,

あらまし 移動通信ではさまざまな周波数の電波が使われる．電波伝搬の周波数特性が広い帯域に渡って解明されれば，周波数ごとの研究は必要なくなり，自システムの回線設計だけでなく他システムとの干渉設計にも有益である．都市や住宅地での伝搬損失と到来波広がりの周波数特性を 30MHz と 150MHz，900MHz の３つの実験電波を用いて測定した．到来波広がりは多重波伝搬特性の１つとして検討した．
測定の結果，900MHz から 150MHz までの伝搬損失の周波数特性は従来から示されている特性（α logf で係数α=20～26）となるが，30MHz になるその特性から損失が数 dB 高くなる．３波の短区間中央値変動を比べると，30MHz の変動は他の２波に比べて相関が低くなり，変動の様子が変わっている．到来
波広がりは受信レベルの相関カーブを測定で求めて３波を比較した．900MHz と 150MHz の相関カーブは近い値だが，30MHz ではこれらと異なる結果となった．これらのことから 900MHz から 150MHz までの特性と 150MHz 以下での特性は異なると考えられる．

Abstract In mobile communication systems, the various frequencies of radio waves are used. If the frequency
characteristics of radio wave propagation are made clear over the wide frequency band, the research of every
frequency will be unnecessary.

The frequency characteristics of propagation loss and spatial dispersion ofincoming radio wave at BS are measured on 30 MHz, 150 MHz and 900 MHz band in urban area and residentialarea.

In measurement results, the propagation loss on 30 MHz is several dB larger than the usual characteristic.

And the correlation coefficient between short-term variation on 30 MHz and that on 150/900 MHz is low.
Furthermore, the spatial dispersion on 30 MHz is different from that on 150/900 MHz. For these reasons, it isthought that the frequency characteristics of radio wave propagation change about 30 MHz.
キーワード

移動伝搬，伝搬損失，到来波広がり，多重波伝搬，マイクロセル

log f の特性が示されていた[1]．近年の調査によって１．はじめに移動通信ではさまざまな周波数の電波が使われていマイクロセルでの周波数特性は 400MHz～15GHzるので，その周波数帯全ての特性を明らかにする必要の広範囲において αlog f の関数で近似でき，α は 20がある．しかし，周波数ごとに伝搬特性を調査するに近い値であることが示されている[2-4]．これは自のは不効率である．周波数によって伝搬特性がどの由空間損失を除くと周波数による差が小さいことをように変化するのかという周波数特性が明らかにな示している．また，多重波伝搬特性の 1 つである到れば，得られた伝搬特性の利便性が高まる．

来波広がり特性は，400MHz～8GHz の範囲で同じ伝搬損失特性は，マクロセルを対象にした奥村秦式によって 150MHz～1500MHz の範囲で 26ような特性になり，これもまた周波数による差は小さいことが示されている[5]．
1移動通信で用いられる周波数帯での特性が明らかになったのでこれ以上の検討は必要ないと思われるが，まだ次の２つの問題がある．１つは，周波数による差が小さいという結論は，測定精度や測定条件などの原因で差分が明確に現れないのではないかという指摘に反論するのが難しい点である．また，何と比べて差分が小さいのかを説明しなければならな
い．２つ目の問題は，測定によって周波数特性が明らかになっても，その物理的な根拠（メカニズム）まで明らかになっていない点である．

図 1. 測定コース（戸畑区西側）

そこで，周波数特性に変化が見られる低い周波数

2.2 測定結果まで調べて，周波数に依存する／依存しない範囲の境界を明らかにする．この境界周波数を示すことで戸畑区西側で測定したデータを 10m 間隔で中央周波数に依存しない範囲の信頼性が高まると考えら値をとり，周波数ごとに平均した．図 2 に３地区のれる．さらに，低い周波数で周波数に依存するメカ周波数特性を示す．
図中の数値は測定値を α log f のニズムを検討することで，周波数に依存しないメカ関数で結んだときの傾き α を示す．全ての地区におニズムの検討も進展すると考える．

いて 150MHz と 900MHz による傾きに対して，30MHz

本稿では移動通信のマイクロセル環境での伝搬損と 150MHz の傾きが緩やかになる．傾き α は近年で失と到来波広がりの周波数特性を測定して，周波数は 20 に近いと言われているが，測定結果は α＝特性が変わる境界周波数やそのメカニズムを検討す

22,26,28 とばらついている．これらの傾きを外挿しる．

た点線に対して30MHzの損失は約13dB増加している．

２．伝搬損失以前に我々は北九州市の小倉北区（市街地）と戸畑区東側（住宅地）で 30MHz と 150MHz，900MHzの伝搬損失の測定を行い，30MHz で伝搬損失が増加することを報告した[6,7]．今回，測定データを増やすために新たに測定を行い，30MHz で伝搬損失が増加する原因について検討を行う．
2.1 伝搬損失測定
実験電波の 29.83MHz, 151.89MHz, 902.85MHzを用い，北九州市の戸畑区西側（住宅地）で伝搬損失測定を行った．過去に測定した２地区も加えて，
図 2. 伝搬損失周波数特性

３地区での測定条件は次のとおりである．送受信間
距離は 0.3~1km，基地局高は戸畑区東側 20m，戸2.3 道路角・道路幅の検討

畑区西側 22m，小倉北区 32m である．各地区の測周波数が低い 30MHz の伝搬損失が増加する原因

定距離は 2.1~4.7km，移動局高は 1.5m，基地局にを検討する．周波数が低いとフレネルゾーンは大きはダイポールアンテナまたは八木アンテナ，移動局くなるため，移動局のいるビルの谷間を伝搬するとにはロッドアンテナを用いた．測定距離 4cm ごとにきに道路面やビル側面によって減衰が増えるのでは受信レベルをサンプリングした．図 1 に戸畑区西側ないかと思われる．このため，道路角や道路幅の影における測定コースを示す．

響を検討する．
150MHz から 30MHz の伝搬損失を引き，伝搬損2失差を求めた．
図 3 に道路角に対する伝搬損失差を，このため 150MHz と 900MHz は同じような変動で

図 4 に道路幅に対する伝搬損失差を示す．しかしなあるが，30MHz になると周波数の違いが大きく現がら，図 3，4 から道路角や道路幅に対する伝搬損れて，他の周波数とは伝搬メカニズムが異なること失差の影響は見られなかった．このため，移動局のが分かる．

いるビルの谷間が 30MHz の伝搬損失増加の原因であることを示すことはできない．

図 5 短区間変動（戸畑区西側）
表 1. 短区間変動の相関係数
図 3. 道路角に対する伝搬損失差

3．到来波広がり

以前に我々は戸畑区西側（住宅地）で 150MHzと 900MHz の到来波広がりを測定して周波数による差が小さいことを明らかにした[7]．今回は30MHz の測定も行い，周波数依存性の検討を行った．
3.1 到来波広がり測定
到来波広がりの測定は以前と同様に受信レベル相関法を用いた．路上を移動する測定車から CW 波

図 4. 道路幅に対する伝搬損失差を送信し，基地局に設置した 2 本のアンテナで受信2.4 短区間変動の検討

し，2 つの瞬時レベル変動から相関係数を求め，ア30MHz の伝搬損失が増加する原因を街の構造とンテナの間隔に対する相関カーブを求めた．2 本の結び付けることが出来ないので，次に短区間変動を受信アンテナの間隔を 1λ，2λ，4λとした．瞬時検討する．測定したデータから 10m 短区間中央値レベルのサンプリング間隔は約 1/10λである．基地を求め送受信間の距離特性を除いた．図 5 に戸畑区

局アンテナは，基地局周辺の散乱体の影響を小さく西側での移動距離に対する短区間変動を示す．縦のするため八木アンテナを用いた．測定エリアは戸畑点線で区切られた区間が 1 つの測定コースである．

区西側で，基地局を九工大戸畑キャンパス内の建物

表 1 に短区間変動の周波数間の相関係数を示す．

6 階(22m)と椎ノ木町の丘(54m)に設置した．測定コ

150MHz と 900MHz との相関は 0.6~0.7 と高く，ースの送受信間距離は 0.5~2km である．基地局を30MHz と他の周波数との相関は 0~0.4 と小さい．

九工大 6 階にしたときの 150MHz と 900MHz は以3前に測定したので今回は測定していない．また，基間の相関係数を測定コースごとに平均した値である．

地局を九工大6 階にしたときの30MHz の4λでは，基地局高が高い図 9 の方が全体的に相関係数が高く，アンテナ設置場所の確保が難しかったための測定を到来波広がりが小さいことが分かる．また，図 8 と行わなかった．測定コースの長さは，両基地局の場

図 9 から 30MHz は相関係数が高く，他の 150MHz合とも約 5km である．と 900MHz とは違う傾向にあることがわかる．し3.2 測定結果

かしながら，基地局が椎ノ木町のときは 150MHzと 900MHz は同じ傾向になっていないので，今後図6 に1つの測定コースでの相関係数の変動を示す．アンテナ間隔は 1λで 40m 区間の相関係数を求の課題である．

めた．150MHz と 900MHz の変動は近く，30MHz

1Correlation coefficient

1Correlation coefficientとは異なる傾向にある．
30MHz

0.80.6900MHz0.4

30MHz

0.6150MHz

0.4

900MHz0.2150MHz

BS height:22 m
Situation:Residential area

BS height:22 m
Antenna separation：1λShort term:40 m

0.2

0.8

00134

Antenna separation [d/λ]00100 200 300 400 500 600 700 800
Distance along measurement course [m]図 8 相関カーブ（基地局：九工大 6F)

図 6 移動距離に対する相関係数

130MHz相関係数を導出するときの短区間長さを検討す

0.8Correlation coefficientる．図 7 は基地局が椎ノ木町の丘のときのすべてのコースの相関係数を示し，短区間長さを 10m，20m，30m，40m と変えた。短区間長さを短くすると相関係数は低くなるが，全体の傾向は変わらない．そこで，今回は短区間長さを 40m とした．
で測定した相関カーブを示す．
プロット点は 40m 区

0.4

900MHz

0110m
20m
30m
40m

0.8150MHz
0.6

BS height:54 m
Situation:residential area

0.2

図 8 と図 9 に基地局が九工大 6 階と椎ノ木町の丘

Correlation coefficient

201234Antenna separation [d/λ]図 9 相関カーブ（基地局：椎ノ木町の丘)

3.3 周波数による到来波広がりの検討

0.630MHz の相関カーブの相関係数が高くなる（到来波広がり角度が小さくなる）原因について検討す

0.4る．図 10 に周波数に対する到来波広がり特性を示
0.2010す．周波数が高いとフレネルゾーンが小さいため，BS height:54 m
Antenna separation：1λ，2λ，4λ
100

ビル屋上を伝搬するときにはフレネルゾーンが遮蔽されにくく電波が遠くまで飛び，ビル反射するとき

1000

Frequency [MHz]はビル壁面がフレネルゾーンより大きいのでビル反図 7 相関係数を区切る距離（基地局：椎ノ木町の丘）射しやすい．このため，電波の散乱半径が長くなり
4

(a) 30 MHz(b) 150MHz(c) 900 MHz

図 11 周波数ごとのビル反射パターン
図 10 周波数と到来波広がりの特性

謝辞
結果として到来波広がりが大きくなる．逆に周波数本研究は科学研究費補助金( 基盤研究(C)21560403)が低いときはこの逆で，到来波広がりが小さくなる．の助成を受けたものである．

図 11 に周波数ごとのビル反射パターンを示す．
グラフの原点に幅 20m のビルがあり，それに反射＜参考文献＞

した電波の強さを 500m×500m のエリアに示して[1] M．Hata，"Empirical Formula for Propagation Loss inいる．周波数が 30MHz になると反射波が散乱してLand Mobile Radio Services", IEEE Trans．Veh．Technol．
，

遠くまで届かない．これもまた周波数が低くなるとVT- 29，No．3，pp．317-325，Aug．1980．

到来波広がりが小さくなる原因と考えられる．

[2] Y. Oda, R. Tsuchihashi, K. Tsunekawa, and M. Hata,"Measured

4．まとめ

path

lossandmultipath

propagation

characteristics in UHF and microwave frequency bands for

今回，周波数特性が変わる境界周波数やそのメカ

urban mobile communications", Proc. IEEE Vehicular

ニズムを検討することを目的とし，移動通信環境でTechnology Conf. (VTC 2001) Spring, Vol. 1, pp. 337–341,の伝搬損失と到来波広がりの周波数特性を測定した．

May 2001.

伝搬損失の周波数特性は 900MHz から 150MHz[3] K. Kitao, S. Ichitsubo, "Path loss Prediction formula inの傾きに対して 30MHz で損失が増加する．この原

urban area for the fourth-generation mobile communication

因として道路角や道路幅の影響を検討したが明確な

systems", IEICE Trans. Commun., vol. E91-B, no. 6, pp.

傾向が得られなかった．周波数間の短区間変動の相1999-2009, June 2008.

関を求めると，30MHz と 150MHz／900MHz は相[4] H．H．Xia，"A Simplified Analytical Model for Predicting

関が低く，伝搬メカニズムが異なることが分かった．

Path Loss in Urban and Suburban Environments", IEEE

30MHz を加えて 3 つの周波数で到来波広がりをTrans．Veh．Technol．
，VT- 46，No．4, pp．1040-1046，

測定して相関カーブを求めた結果，30MHz は相関

Nov．1997．

係数が高く 150MHz／900MHz とは違い，異なる[5] K. Kitao and S. Ichitsubo, "Frequency dependence of傾向にあることが明らかになった．

spatial dispersion of radio waves arriving at base station in 0.4

これらの伝搬損失と到来波広がりの測定結果か

to 8 GHz band", Electronics Letters, Vol. 43, No. 13,

ら，周波数が 30MHz まで低くなるとそれより高い

pp.725-727, June, 2007

周波数とは異なる傾向にあることが明らかになった．

[6] 岡田裕, 他, "30MHz～900MHz 帯におけるマイクロ今後の課題としては，伝搬損失では 150MHz からセル伝搬損失の周波数特性", 2008 年電子情報通信学会

900MHz までの傾きを明確にして，30MHz の伝搬総合大会, B-1-53, 2008.

損失が増加するメカニズムを検討する．また，到来[7] 市坪 信一, “移動通信における多重波伝搬の周波数波広がりでは，椎ノ木町の丘の測定で 150MHz と特性”, 電子情報通信学会論文誌 B Vol. J93-B, No. 9, pp.

900MHz の相関カーブが同じではなかったので，測1140-1149, 2010.

定エリアを増やして統計的に結論付ける．

5