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微弱電波で長距離通信のメモ

株式会社 数理設計研究所 玉置晴朗
2005/01/17 - 2008/02/06
Index

システム構成

 システムの複雑さとして送信機は非常に簡素で低電力、受信機は高度に複雑で電力消費型となるだろう。簡易的な設計では、毎秒1〜55ビットデジタル通信のための送信機の送信時には5-30mAぐらい。受信機は最低でも3V30mAは必要になると思われる。このSS技術は間欠送信が可能なので、15分に5秒送信すると平均電力は5/900、約200分の1になる。送信時に30mAだとすると平均電流は150uA。単二電池で2年動く。必要電力はGID-LOGに相当すると思われるので、GID-LOGの電源状態の観察が寿命の参考になる。

遠達能力

 以下は同じような周波数と電力、アンテナと仮定して従来型のFM,AM通信との比較をしてみよう。

 従来の通信がノイズレベルより+6dB高いことを条件としていると仮定すれば、1024TIP型ではSNRが最低でも-16dBで検出可能になる。およそ22dBの改善となる。22dBの改善は(同じランクや周波数の装置で)到達距離にして10倍となるだろう。
 また8192TIP型にすれば+39dBの理論利得があるがおそらくSNRが-24dBで検出可能になると思われる。このとき上と同じ仮定に立てばさらに9dB底上げされ約29dBの改善となる。

 実験的には、送受信ともに1.6m高さのアンテナ、50MHz、2.5nW@DPinputのシステムで180m届いた。同じアンテナ高さで微弱電波50nW@150MHzでは600mが実験的には確認されています。地表付近の到達距離は距離の4乗に反比例する。

利用周波数

 一般的に1GHzまでの周波数では周波数が高いほど低雑音になる。しかし、周波数が低いほど空間から受け取る電力は大きくなる。
 既存の微弱通信機は300MHzが多い。しかし、環境や防災用として使う場合には周波数を低くしたほうが森の中や小さな土手を乗り越えられます。

空周波数の調査

 スペクトラム拡散を使うとは言え混信耐性は万全ではない。運用する地域が違えば目的とする周波数が使えなくなることも多い。特に無免許で運用することができる微弱通信となれば、これの問題をあらかじめ考察しておく必要がある。
 そこで、運用に先立ってある帯域全体をスキャンして調査する受信機を先に提供して空周波数を調査する。それから複数の空周波数を利用した複数回線で動作するものを提供すればよい。

生存証明

 受信機に電力を必要とするので防災のための情報発信機としては単方向通信で確実性を保証しなければいけない。
 たとえば通常は15分に1度の通信で生存を証明し続ける。およそ1000秒に1秒の送信で済むから、電力消費はわずかだ。その通信が年間を通じて安定ならば緊急時にも通信が保証される確率は非常に高い。また、土石流警報機などならば、何か別のきっかけ(降雨)で最短警報余裕時間以内または連続した通報を開始してもいいだろう。
 送信電力はわずかでしかないがシステムを動かすのにはそれなりの電力、数ミリWが必要なので、これのバランスを考慮して決定しなければいけない。

市場考察

土石流、崩壊警報機

国土交通省のWEB から
【土石流危険渓流等】 総数 183,863渓流
【急傾斜地崩壊危険箇所等】 総数 330,156箇所
 全部を対策すると50万箇所の警報機が必要だ。単純すぎる嫌いはあるが、1箇所につき簡単なセンサを置きケーブルを300m配線する。ケーブル配線費用だけで1000円/mとすると30万円かかります。これが一式15万円で置き換えできればよいとしましょう。

50万ヶ所×15万円=750億円となります。

ケーブルの置き換えによる利点は雷被害の低減、ケーブル破損の低減、設置費用の低コスト化にある。

テレメトリ用途

 市町村が自営するテレメトリでは、管理にテレメトリを要する。多くは山奥にありNTTの専用線で運用しているが、災害時に通信不能になることが多い。さらに言えば、現在通信不能な山奥の水源地までの通信を確保できればおもしろいものになる。
 全国で4000の市町村があるとして、1市について1台としても4000セット、15万円として60億円になる。

医療介護

 送信機がコイン電池または太陽電池のみで動き、病院敷地の全体をカバーできる。さらに、既存のテレメトリに妨害を与えることのない微弱な電力で通信できる。これがメリットとなるだろう。ただし、従来のテレメトリのように高速通信はできない。
 残念ながらまともな市場規模を推定できない・・・

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