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金属構造物の多い製鉄所で安定した通信を可能にする 漏洩同軸
一 般 論 文 FEATURE ARTICLES 金属構造物の多い製鉄所で安定した通信を可能にする 漏洩同軸ケーブル方式無線ＬＡＮ Leaky Coaxial Cable Wireless LAN System for Stable Communication in Steelworks with Various Metal Structures 杉山 智則 後藤 幾 野田 敬介 ■ SUGIYAMA Tomonori ■ GOTOU Chikashi ■ NODA Keisuke 製鉄所では，操作者が天井クレーンなどの移動体を使用して長い移動路に沿って作業を行うシステムが多数ある。操作者は無 線通信を介して受信するモニタの映像を見ながら作業を行うため，移動路全区間にわたり常に安定した通信が求められる。 東芝テック（株）は，従来型のアンテナに代わって漏洩（ろうえい）同軸ケーブルをアクセスポイントのアンテナとした新しい無 線ＬＡＮ方式を開発してきたが，今回，製鉄所にこの漏洩同軸ケーブル方式無線ＬＡＮを用いることで，天井クレーンの移動路 全区間で安定した受信レベルとスループットが得られることを実証し，実用化することができた。 In a steelworks, many systems such as overhead crane systems that have vehicle structures moving along a lengthy track are operating. Stable wireless communication between the moving vehicle and access point is necessary for operators of such crane systems to work while continuously watching the monitor display. We have successfully put this system into practical use in steelworks having a multipath environment due 1 まえがき 移動路 現在，無線 LAN はオフィスや店舗だけでなく，工場や物流 移動体 端末 倉庫，列車内など広い分野で使われるようになっている。従 来の無 線 LAN は，放 射状に電波を出すアンテナが一体と なったアクセスポイントを用いる方式（以下，従来方式と呼ぶ） が一般的であり，障害物が多数ある環境で使用すると，1台の アクセスポイントでは安定した通信を行うことができない場合 がある。 アクセス ポイント 受信レベル（dBm） to the presence of various metal structures. −50 −60 −70 −80 −90 −100 0 1 2 3 4 5 6 7 アクセスポイントからの距離 （m） ⒜ 従来方式における電波の到達経路 ⒝ 受信レベル 図 1．従来方式の問題点 ̶ 障害物や壁などによるマルチパスの影響によ り，受信レベルが大きく変動する。 Problem in conventional wireless LAN systems 東芝テック （株）は，障害物の多い環境や通信エリアが細長 く曲がりくねった場所でも1台のアクセスポイントで安定した 通信を行うことができる，漏洩同軸ケーブル方式無線 LANの ⑴ 開発を行ってきた 。 路の端に設置したアクセスポイントと移動体に設置した端末と の間を無線 LAN で通信できるようにした。しかし，従来の方 ここでは，移動距離が長く金属構造物が多い製鉄所に従来 式では，アクセスポイントと移動体が数百m 離れることもあ 方式の無線 LANシステムを導入した場合の問題点と，それに り，移動体や壁，柱など金属構造物が多い製鉄所内ではマル 対する漏洩同軸ケーブル方式無線 LANシステムの有効性に チパス（注 1）などの影 響により通信が 安定しないことがある ついて述べる。 。移動路に沿ってアクセスポイントを複数台配置するこ （図 1） とで，通信距離を短くしてマルチパスを軽減することも考えら 2 従来方式の問題点 れるが，通信エリアが変わるたびにアクセスポイントの切替え 作業が必要となり，このときに通信が瞬断することがある。 製鉄所には，天井クレーンシステムや搬送台車システムなど 製鉄所では，移動路全区間にわたり常に安定した通信が求 があり，移動路の長さは数十 m から数百mにも及ぶ。操作者 められるため，マルチパスやアクセスポイントの切替えによる は，移動路に沿ってクレーン又は台車（以下，移動体と総称す 通信の瞬断は大きな問題となる。また，従来方式ではアンテ る）の操縦や位置制御などを行う。そこで，操作者が各所に 設置したカメラで撮影した映像を見て作業を行えるよう，移動 東芝レビュー Vol.64 No.11（2009） （注1） 一つのアンテナから発信された無線信号が，複数の経路を経て受信 アンテナに達すること。干渉などの障害を引き起こす場合がある。 43 一 般 論 文 Toshiba TEC Corporation has developed a new wireless LAN system using leaky coaxial cable (LCX) as a long antenna for the wireless access point instead of conventional antennas. ナから放射状に電波が出されるため，複数のシステムが並行し されるため，同じ通信チャネルを並行して配置された複数のシ て配置されている環境では，通信チャネル数が不足し，電波 ステムで繰り返し利用しても，電波の干渉の問題は発生しない。 漏洩同軸ケーブル方式無線 LANのアンテナ構成の種類を が干渉するといった問題が発生する。 図 3 に示す。1本の漏洩同軸ケーブルでアンテナを構成する 3 漏洩同軸ケーブル方式無線 LAN の原理と特長 単一構成，漏洩同軸ケーブルの長さを延ばすために分配器を 用いて 2 本の漏洩同軸ケーブルを反対方向に接続する分岐構 当社は，アクセスポイントを接続した漏洩同軸ケーブルを移 成，及び特性の異なる複数の漏洩同軸ケーブルを直列に接続 動路に沿って敷設し，これを介して移動体に設置した端末と してアンテナとするグレーディング構成がある。これらの構成 無線通信を行う，漏洩同軸ケーブル方式無線 LANが製鉄所 は，設置環境や用途に応じて使い分けられる。 に有効であると考えた。 漏洩同軸ケーブルは，同軸ケーブルの外部導体部分にス ロットと呼ばれる多数の小さい穴が設けられたものである。 4 基礎特性の検証 これら各スロットが送受信のためのアンテナとして機能するた これまで当社は，オフィスの天井裏及びトンネルの壁面に漏 め，ケーブル全体がある放射方向を持つ一つのアンテナとな 洩同軸ケーブルを敷設して通信実験を行い，漏洩同軸ケーブ る。この漏洩同軸ケーブルを移動体の移動路に沿って設置し ル方式無線 LANの基礎特性を検証してきた。 た場合，移動体の端末は漏洩同軸ケーブルからの直接波を支 オフィスでの実験では，1台のアクセスポイントに複数の端 配的に受信し，柱など障害物からの反射波の影響を受けにくく 末が同時に接続できるかを確認した。天井 裏に敷設した なる。そのため，図 2 に示すように，漏洩同軸ケーブルの長手 10 mの漏洩同軸ケーブルにアクセスポイントを接続し，オフィ 方向に沿って安定した受信レベルを得ることができる。 スの机上に置いた10 台のノートPC（パソコン）を同時に稼働 また，漏洩同軸ケーブルに沿って細長い通信エリアが構成 させてスループット（注 2）を評価した。これにより，それぞれの ノートPC で安定したスループットが得られることを確認した。 受信レベル（dBm） また，トンネル内での実 験では，1台のアクセスポイントが 移動路 移動体 端末 −50 −60 −70 −80 −90 −100 数百mのサービスエリアをカバーできるかを確認した。全長 500 m 以上の区間に 2 本の漏洩同軸ケーブルを分岐構成にし て敷設し，1台のアクセスポイントに接続して無線 IP（Internet 0 漏洩同軸 ケーブル アクセス ポイント 1 2 3 4 5 6 7 アクセスポイントからの距離（m） ⒜ 漏洩同軸ケーブル方式 における電波の到達経路 Protocol）電話を用いて通信実験を行った。これにより，無線 IP 電話が全区間にわたり安定して通信できることを確認した。 ⒝ 受信レベル 以上の実験結果から，複数台の移動体がそれぞれ数百m 図 2．漏洩同軸ケーブル方式の有効性 ̶ 障害物や壁などによるマルチパ スの影響を受けず，安定した受信レベルが得られる。 Effectiveness of LCX wireless LAN system 移動する製鉄所でも，漏洩同軸ケーブル方式無線 LANを用 いれば，1台のアクセスポイントによって全区間で安定した通 信を実現できると考えた。 しかし，実際の製鉄所は鉄粉じんが舞ったり，水蒸気が立 終端抵抗＊ ⒜ 単一構成 漏洩同軸ケーブル アクセス 分配器 ポイント 給電線 信レベルに差がないことを確認した（図 4 ⒜）。また，漏洩同 終端抵抗 アクセス ポイント 給電線 特性 A の区間 漏洩同軸 ケーブル B 特性 B の区間 漏洩同軸 ケーブル C 終端抵抗 特性 C の区間 ⒞ グレーディング構成 ＊信号の反射を防ぐためにケーブルの終端に接続する抵抗 図 3．漏洩同軸ケーブル方式無線 LAN のアンテナ構成 ̶ 漏洩同軸ケー ブル方式無線 LANには 3 種類のアンテナ構成がある。 Configuration of antenna 44 軸ケーブルと受信側のアンテナに水滴を付着させた状態で受 信レベルを評価して，水滴の有無で受信レベルに大きな差が ⒝ 分岐構成 漏洩同軸 ケーブル A で，漏洩同軸ケーブルと受信側のアンテナに鉄粉じんを降り積 もらせた状態で受信レベルを評価して，鉄粉じんの有無で受 漏洩同軸ケーブル 同軸ケーブル 終端抵抗 ちこめたりする環境であり，これらの影響が懸念された。そこ 漏洩同軸ケーブル アクセス ポイント 給電線 生じないことも確認した（図 4 ⒝） 。 以上の結果から，製鉄所と同等の環境においても，漏洩同 軸ケーブル方式無線 LAN は安定した通信を行えることが示 された。そこで次に，温度や湿度が高く，かつ鉄 粉じんが 舞ったり，水蒸気が立ちこめたりする実際の製鉄所において， 漏洩同軸ケーブル方式無線 LANの効果を検証した。 （注 2） コンピュータの単位時間当たりの処理量や通信回線の単位時間当たり のデータ転送量。 東芝レビュー Vol.64 No.11（2009） 間隔： 鉄粉じんなし 鉄粉じんあり −10 −30 電波を平面アンテナで受信し，スペクトラムアナライザで受信 −40 レベルを測定した。結果を図 6 に示す。 −50 −60 平面 アンテナ 0 100 50 間隔（cm） 受信レベル 構 成 抗側に向かうにつれて弱くなっていく。ほぼ設計値どおりの結 0 受信レベル（dBm） 漏洩同軸 ケーブル 間隔：100 cm 平面 アンテナ 受信レベルは天井クレーンが SG の近くにいるときがもっと も強く，漏洩同軸ケーブルの伝送損失の影響により，終端抵 ⒜ 鉄粉じん実験 水滴 天井クレーンをSG 側から終端抵抗側へ漏洩同軸ケーブル に沿って移動させながら，漏洩同軸ケーブルから放射される −20 水滴なし 水滴あり −10 果となっていることがわかる。 −20 −30 −40 −50 −60 0 100 50 測定時間（s） 受信レベル 構 成 ⒝ 水滴実験 設計値 −40 −60 −80 測定結果 −100 漏洩同軸ケーブル（100 m） SG 終端抵抗 Test configuration and results of basic experiment 図 6．受信レベルの測定結果 ̶ 漏洩同軸ケーブルに沿ってクレーンを移 動させながら受信レベルを測定し，設計値どおりの値が得られた。 製鉄所での性能と検証 5 Results of received signal level measurement ここでは，実際の製鉄所において，天井クレーンの移動路 に沿って漏洩同軸ケーブルを敷設し，クレーンを移動させなが 5.2 スループット測定 ら受信レベルとスループットの測定を行った。 スループット測定時の機器構成を図 7 に示す。 140 mと80 mの漏洩同軸ケーブルを分岐構成で接続し，約 5.1 受信レベルの測定 受信レベル測定時の機器構成を図 5 に示す。 2 m間隔で専用の固定金具を用いて床から2 mの高さに固定 100 mの漏洩同軸ケーブルを約 2 m間隔で並んだ鉄 製の した。全長 80 mの漏洩同軸ケーブルの終端部側は，将来天 ポールに高さ85 cmの位置で固定し，一端に信号発生器（以 井クレーンの移動路を延長することを想定してあらかじめ長め 下，SGと略記）を接続した。一方，天井クレーンには，平面ア のものを準備し，余剰部分（30 m）は丸め処理を施してある。 ンテナをクレーン側面に取り付けた。取付け位置は漏洩同軸 ケーブルと平面アンテナの放射面の中心が対向する位置で， 一方，天井クレーンには平面アンテナを側面に取り付けた。 取付け位置は，漏洩同軸ケーブルと平面アンテナの放射面の 両者の間隔は 15 cmとした。また平面アンテナにはスペクトラ ランウェイ ランウェイ 2m 鉄製ポール 終端抵抗 SG 給電線 LAN ケーブル （平面図） （平面図） 漏洩同軸ケーブル（100 m） 15 cm 鉄製 ポール 15 cm 85 cm 2m 漏洩同軸 ケーブル （140 m） 給電線 アクセス 分配器 ポイント 漏洩同軸ケーブル 終端抵抗 （80 m） 漏洩同軸 ケーブル 天井クレーン 50 cm 同軸ケーブル クライアント スペクトラム アナライザ LAN ケーブル 同軸ケーブル PC 天井クレーン 丸め処理 50 m 同軸ケーブル 平面アンテナ 漏洩同軸ケーブル 天井クレーン 平面アンテナ 同軸 ケーブル スペクトラム アナライザ PC 天井クレーン 50 cm 鉄製 ポール 2m （側面図） 平面アンテナ 平面アンテナ 終端抵抗 鉄製 ポール クライアント 同軸 ケーブル LAN ケーブル PC （側面図） 図 5．受信レベル測定時の機器構成 ̶ 漏洩同軸ケーブルに沿ってクレー ンを移動させながら受信レベルを測定した。 図 7．スループット測定時の機器構成 ̶ 漏洩同軸ケーブルに沿ってクレー ンを移動させながらスループットを測定した。 Configuration of received signal level measurement equipment Configuration of throughput measurement equipment 金属構造物の多い製鉄所で安定した通信を可能にする漏洩同軸ケーブル方式無線 LAN 45 一 般 論 文 図 4．基礎実験の構成と結果 ̶ 漏洩同軸ケーブルと平面アンテナに鉄粉じ んを積もらせたり，水滴を付着させたりしても，受信レベルに差はなかった。 受信レベル（dBm） 受信レベル（dBm） 漏洩同軸 ケーブル 10 cm， 50 cm， 及び 100 cm ムアナライザを接続した。 0 鉄粉じん 中心が対向する位置で，両者の間隔は 50 cmとした。また， 更に，2 台の天井クレーンが同時に移動したときのスループッ 平面アンテナにはクライアント端末を接続し，アクセスポイント トを図 9 に示す。それぞれの天井クレーンが受信レベルの高い とクライアント端末それぞれに PCを接続した。 位置を移動しているときには，いずれのクレーンでも10 Mビット/s 天井クレーンを全長 140 mの漏洩同軸ケーブルの終端抵抗 付近から，ケーブルに沿ってアクセスポイント付近を通過して 以上のスループットが得られ，画像データを伝送するような製鉄 所のシステムにも十分使えることが確認できた。 全長 80 mの漏洩同軸ケーブルの丸め処理部の手前まで移動 させながら，2 台のPC 間で FTP（File Transfer Protocol）通 信による連続データ伝送を行い，スループットを測定した。結 果を図 8 に示す。 6 あとがき 製鉄所での性能検証により，金属構造物が多い環境でも漏 スループットは，全長 140 mの漏洩同軸ケーブルの終端抵 洩同軸ケーブル方式無線 LANを用いることで，1台のアクセ 抗付近で10 Mビット/s 以上あり，天井クレーンがアクセスポイ スポイントで数百mの移動路全区間にわたり安定した通信が ントに近づくにつれて高くなり，アクセスポイントの手前 60 m 実現できることを確認した。特に，天井クレーンは，移動路に 付近から通過後 50 m 付近までは約 22 Mビット/sであった。 沿って直線的に移動するため，漏洩同軸ケーブルを直線状に アクセスポイントに近い位置では，クライアント端末は漏洩同軸 敷設することで天井クレーン側のクライアント端末のアンテナ ケーブルから十分な受信レベルが得られるために 54 Mビット/s との距離を一定に保つことができ，常に安定した受信レベル のリンク速度で接続できるが，アクセスポイントから60 m 以上 が得られると考えられる。 離れると，受信レベルの低下に伴ってリンク速度が低くなりス 漏洩同軸ケーブル方式無線 LAN は現在，製鉄所の製鋼工 ループットが落ちる。この結果は設計値ともほぼ一致してい 程の設備として実際に運用されている。この工程では，各ポイ る。また，全長 80 mの漏洩同軸ケーブルの終端部付近でも， ントに配置されているカメラの画像が，漏洩同軸ケーブル方式 丸め処理している影響はなかった。 無線 LANによって天井クレーン操作室内のモニタに表示さ スループット （M ビット/s） れ，操作者はそれを見ながらクレーンを操作する。更に，冷却 工程のコイル搬送設備として導入が計画されている。この工 クレーン 停止 クレーン 移動開始 程では，漏洩同軸ケーブル方式無線 LANによって位置情報 20 が制御室から無人搬送クレーンに伝えられ，クレーンが自動 15 走行する。 10 今後は，製鉄所だけでなく，移動体が移動路に沿って走行 設計値 5 時間 0 終端抵抗 50 m 60 m するほかのシステムやトンネル内など，細長い通信エリアでの 用途として広く展開していくことを検討する。 終端抵抗 漏洩同軸 漏洩同軸 ケーブル（140 m） アクセス ケーブル（80 m） ポイント 文 献 図 8．スループットの測定結果1 ̶ 漏洩同軸ケーブルに沿ってクレーンを 移動させながらスループットを測定し，漏洩同軸ケーブル全体にわたって設 計値どおりの値が得られた。 ⑴ 松下尚弘，ほか．漏洩同軸ケーブル方式無線 LAN．東芝レビュー．58，11， 2003，p.41−44． Results of throughput measurement (1) 20 クレーン 同時移動中 15 10 5 時間 0 クレーン 1 スループット （M ビット/s） スループット （M ビット/s） 杉山 智則 SUGIYAMA Tomonori 20 東芝テック （株）技術企画部 コア技術開発センター主務。 無線通信技術の研究・開発に従事。 Toshiba TEC Corp. クレーン 同時移動中 15 後藤 幾 GOTOU Chikashi 10 東芝テック （株）リテールソリューション事業本部 大仁事業所 グループ長。POSシステム及び漏洩同軸ケーブル方式無線 LANなどにかかわる商品企画業務に従事。 5 時間 0 クレーン 2 図 9．スループットの測定結果 2 ̶ 漏洩同軸ケーブルに沿って 2 台のク レーンを同時に移動させながらスループットを測定し，いずれのクレーンで も10 Mビット/s 以上のスループットが得られた。 Results of throughput measurement (2) 46 Toshiba TEC Corp. 野田 敬介 NODA Keisuke 東芝テック （株）リテールソリューション事業本部 大仁事業所 専門主幹。無線通信技術及び RFID 技術の研究・開発に従事。 Toshiba TEC Corp. 東芝レビュー Vol.64 No.11（2009）