Annual Review No.26

人体通信技術による車両内通信システム実現に向けた研究調査【2023 年度

KR-103】

電気通信大学 大学院情報理工学研究科 機械知能システム学専攻 准教授

村松 大陸

１．調査研究の背景

床・シート・つり革等の構造物に接続される。ユー
ザが車両内にいる場合、靴や衣類を介しこれらの構鉄道車両内における高速インターネット接続サー造物に必ず接触することになるため、ユーザの体をビスは、東海道新幹線やつくばエクスプレスにおい介して各端末へ情報を伝送することができれば、車て利用が開始されて以来、ユーザのニーズを満たし両内のどこにいても安定高速通信が可能となる。本鉄道の付加価値向上にも貢献してきた研究では後述する人体通信技術を用いて、電気信1-3)。近年では、

第 5 世代移動通信システム（5G）の登場で 、車両号をユーザ周囲に電界としてオーラのように分布さ内通信のさらなる高速化に向けた研究開発も進んでせることで、ユーザが所持している端末に信号を伝いる。例えば JR 東日本と KDDI は、在来線試験車両送し車両内通信システムを実現することを想定し調を用いた実証実験により、高速走行する列車内で生査研究を行っている。本システムの実現には、①構

じるビームトラッキングやハンドオーバ性能を評価

造物と人体を含むモデルでの電磁界分布の解析、②している。また、列車内の各ユーザ端末（スマートフォ

ユーザ移動に伴う伝送路変動の影響評価、③近接・ン等）への情報伝送高速化という点では、スペイン接触するユーザとの干渉制御、④伝送路となる人体のマドリード工科大の研究グループが、シーメンスへの電磁曝露の最小化、などが必要となる。調査研

製の車両内で 60 GHz 帯ミリ波無線通信モジュール

究 1 年目は特に①の観点から、床面に配置された電を用いた超高速伝送実験を実施して成果を上げてい極から人体へ高周波信号を入力したときの電磁界の4)分布について検討した。

5)る 。
一方で、ミリ波帯などの超高周波は電波の直進性

スマートフォンやPC等のユーザ端末構造物側のアンテナ(電極)が極めて強く、アンテナ設置位置やユーザの移動が通信状態に大きな影響を与える。さらに座席等の構造物に加え、その 60% 以上が電界質で構成される人体は、ミリ波帯の電波にとって致命的な障害物となる。本研究の目的は、車両内の安定高速通信（インターネット接続も含む広義の通信）実現に向け、対象に「触れる」あるいは「近接する」ことで通信する「人体通信」技術を用いた車両内通信システムの実現を目指し、要求される仕様や要素技術について調査することである。
図1

人体通信による車両内通信システムのイメージ

２．調査研究の概要(1) 人体通信

本研究で提案するシステムは図 1 に示すように、一般に電磁波の周波数が高いほど人体に吸収されアクセスポイントのアンテナ（電極）相当の部分がAnnual Review No.26 2024.5

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(2) 床面からの信号入力を想定した数値電磁界解析るエネルギーは大きくなることが知られており、スマートフォン等における無線通信で使用される数百モデル

MHz ～数 GHz の周波数帯において人体の存在は障車両内の床面に配置された電極から人体へ高周波6)害として作用する 。このように、無線通信におい信号を入力したときの電磁界の分布を、数値電磁界て人体は電磁波を減衰させ通信を妨害する厄介な存解析を用いて検討した。ユーザを想定した人体モデル

在であるが、その人体を高周波信号の伝送路としてとして、国立研究開発法人 情報通信研究機構から提とらえ、有効活用しようという発想がある。これは供を受けた詳細人体モデル TARO を用いた 8)。TARO

一般に人体通信と呼ばれる技術で、人体に接触または 2 × 2 × 2 mm3 のボクセル約 800 万個で構成さは近接させた電極（アンテナ）を介して高周波信号れており、各ボクセルは 51 種類の生体組織のいず

7)を入出力し通信する、一種の無線通信方式である 。

れかが割り当てられている。生体と電磁波の相互作

図 2 に人体通信の基本的な伝送メカニズムを示す。

用を精確に評価するため、各生体組織には周波数に人体通信では、人体表面を流れる電流と、周囲に形依存する電気特性を設定した 9)。人体モデルの足下成される近接場電界が通信に寄与する。人体は電気には、完全導体で構成された 1 × 1 m2 の 1 対の電的にみると導電性誘電体であるので、電極を介して極が、比誘電率 4.6 で厚み 1 mm の誘電体を挟んで人体に高周波信号が励振された場合、人体表面には配置されている。これらの電極間中央部に内部イン高周波電流パスが形成される。また、数十 MHz 以

ピーダンス 50 Ωの励振源を配置し信号を入力した。

下の周波数では人体と空間（空気）の界面には近接数値解析モデルを図 3 に示す。今回は人体モデル

場電界（準静電界）が生じ、遠方への放射電磁界にの足裏を電極表面に直接接触させている。メッシュ比べて支配的となる。近接場電界は距離に応じて指は人体モデル内部および周辺から離れるに従って粗数関数的に減衰する性質をもつため、信号伝送時にくなる不均一なメッシュとし、解析空間端の吸収境周辺空間に電磁界がほとんど漏洩せず、秘匿性に優界は 7 層の Perfectly Matched Layer を配置、タイれ、電磁雑音を発生しない通信が可能となる。また、

ムステップは 9.533 ps に設定した。電磁界解析は、通信距離が限定されるため、空中の電磁波を利用す

Finite-difference time-domain 法に基づく商用ソフト

る既存の無線通信技術より低消費電力で通信が行えウェアを用いて行った。

る可能性がある。さらに、通信対象となる人や物に「触れる」ことで伝送路が確立するため、ユーザの動作を利用した直感的なヒューマンインターフェースに利用できるといった特長もある。本研究では、
この人体通信の特長を車両内通信システムに活用する方法について調査する。
人体モデル

近接場電界
人体上の電流パス
送信機

誘電体を挟んだ1対の電極

受信機給電点(上下電極間で給電)
人体モデルの断面図

図3

受信機電極ｰGND間
容量結合パス

送信機電極ｰGND間
容量結合パス電極

電極

3．電磁界解析の結果および考察

大地グラウンド

図2

床面からの信号入力を想定した数値電磁界
解析モデル

人体通信の基本伝送メカニズム

上述した数値電磁界解析モデルを用いて、周波数による電界分布の差違を比較するため、10 MHz お
よび 2.4 GHz の 2 つの信号周波数で解析した。10Annual Review No.26 2024.5

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4．まとめMHz は人体通信での利用が多数検討されていること、
2.4 GHz は Bluetooth や WiFi に 用 い ら れ る こ と から、それぞれ採用した。図 4 にモデル周囲の電界分

本研究では、車両内の安定高速通信実現に向け、布を示す。電界分布は電極中央の給電点を通り人体対象に「触れる」あるいは「近接する」ことで通を両断する面で観察している。10 MHz と 2.4 GHz

信する「人体通信」技術を用いた車両内通信システ

で解析空間の大きさが異なるのは、信号周波数（あムの実現を目指し、その第一段階として床面に配置るいは波長）に応じて適応的にメッシュサイズを変された電極から人体へ高周波信号を入力したときの更しているためである。図からわかるように、10電磁界の分布について検討した。検討の結果、数十MHz では人体モデル周囲にオーラのように電界が生MHz 程度の信号を入力した場合に人体周囲に強い電じ、人体から離れるにしたがって急激に減衰してい界が分布することが明らかとなった。このため、安る。一方で、2.4 GHz では床面から空間に対して放定した車両内通信を実現するためには、数十 MHz射する成分が大きく、人体周辺は足下を除いてほと程度がキャリア周波数の候補として有力であると考んど電界が分布していないことがわかる。この結果えられる。今後は、ユーザ移動に伴う伝送路変動のから、数十 MHz 程度を通信のキャリア周波数とす影響評価、近接・接触するユーザとの干渉制御、伝ることで、人体周囲に強い電界を分布させることが送路となる人体への電磁曝露の最小化、について検でき、安定した通信が可能になると考えられる。

討を進める。

さらに人体通信ではユーザ自身の体を伝送路と今回の電磁界解析に用いた人体モデルは、厳密なして活用するため、電磁曝露の点で生体への安全組織構造や人体形状を再現することで生体と電磁波性 を 担 保 す る こ と が 極 め て 重 要 と な る。 今 回 はの相互作用を精確に評価できる一方で、膨大な計算Bluetooth や Wi-Fi などの一般的な無線通信システリソースを消費し解析には相当の時間を要する。さムで使用される出力を想定したときに、励振されるらに、車両内の通信環境をより厳密に再現するため電界が生体に与える影響を確認するための指標としに、シートやつり革等の構造物を追加するとともに、て比吸収率（SAR: specific absorption rate）を計算床面積も広げる必要があり、解析にはさらに時間をした。その結果、局所的な SAR の最大値はいずれの要することになると考えられる。このため、解析精周波数においても 0.8 W/kg を下回っており、公衆度と必要計算リソースのトレードオフを考慮した簡の曝露の制限値である 2 W/kg 以下であることを十略人体モデルの開発を進めている。また、実際の使分に満たしている。このことから、電磁的な曝露と用環境を想定し、電極間に挿入する誘電体の種類や、いう点で、本技術が安全であることも確認できた。

電極と人体間の距離や絶縁方法（床材や靴を想定）について検討している。さらに、数値解析モデルと同様の状況の検証実験を行うため、床面内埋込型の電極および測定系の構築なども並行して進めている。
□謝辞
本研究は一般財団法人研友社の 2023 年度調査研究助成を受けて行われた。ここに謝意を表する。
2.4 GHz

10 MHz−100−75−50−25

参考文献・引用文献
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[dB]

図4

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No.12，pp.48-51，20172) 杉山寛之 , 佐川雄一 , 駒井伸一 : 東海道新幹線

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