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社団法人 電子情報通信学会 THE INSTITUTE OF ELECTRONICS, INFORMATION AND COMMUNICATION ENGINEERS 信学技報 IEICE Technical Report 自然を観測するための低電力通信 －スペクトラム拡散の高速同期法による長距離通信－ 玉置 晴朗 1 矢澤 正人 2 株式会社数理設計研究所 〒371-0816 群馬県前橋市上佐鳥町 54-2 E-mail: 1: [email protected] , 2: [email protected] あらまし 人と人を結ぶ通信は進化しつづけている．しかし人は自然の一部であり，自然世界を観測して生きる 存在である．自然を知るためにはセンサで得た情報を伝えなくてはならない．既存の伝送手段は人と人をつなぐシ ステムの流用であった．我々は防災計測を手がけてきたが，自然相手の通信法が欠如していることに気づき，開発 の発起から 10 年かけて成功した． キーワード スペクトラム拡散，高速同期法，低電力通信，テレメトリ，環境保護，防災通信，MAD-SS Low power communication to observe nature Long-distance communications by high-speed synchronizing technique of spread spectrum Haruo Tamaki1 Mathematical Assist Design Laboratory E-mail: Yazawa Masato2 54-2 Kamisadori,Maebashi-city,Gunma, 371-0816 Japan 1: [email protected], 2: [email protected] Abstract Telecommunication between people continues evolving. People are part of nature and observing the natural world for survive. We have to get the information by a sensor from nature world. The existing transmission means was diversion of the communication system for people. Our work was development of the disaster prevention measurement. We noticed that we lacked the Telecommunications Act of the natural partner. Afterwards we succeeded from project of the development for ten years. Keyword Spread Spectrum, high speed synchronization method, low power communication, telemetry, environmental protection, disaster prevention communications，MAD-SS 1. 研 究 開 発 の 経 緯 と 目 標 野生生物の調査，防災・警報テレメトリのため微弱 無 線 局 に よ る 超 長 距 離 通 信 の 実 現 を 目 指 し て 2000 年 頃 か ら 通 信 ア ル ゴ リ ズ ム の 研 究 に 着 手 ．2003 年 2 月 に 国 際 出 願 し て 特 許 を 取 得 し 、 MAD-SS と 称 し て い る ． 川を頼りに人が住み，ときおり大雨が降ると土石流 が 流 れ 下 る・・と 同 時 に 人 も 家 も い っ し ょ に 流 れ 去 る ． 自然変化が人に害を及ぼした時に災害と言われる． 災害は平坦地を作り，人は住みやすい平坦地に住む． 田舎だけではなく大都会でも，平坦地は全て自然変化 初期段階から微弱無線局での利用を主目標として の結果だ．知ってか知らずしてか人はそこに住む．先 いる．微弱無線局を適用目標としたのは，ふたつの意 人の言い伝えにどれほどの信頼性があるかを疑わせる 味 が あ る ．ひ と つ は 電 波 法 に 抵 触 し な い 合 法 性 の 獲 得 ． 話だが，数世代の記憶とはそんな程度のものである． もうひとつは微弱無線局による通信は電力をほとんど いずれにしろ，人は災害地に住むことしかできないの 必要とせず電池で長時間動作できる可能性である．野 ならば，電子技術者として自然の変化を下流の人々に 生生物の環境調査や防災テレメトリでは完全な電池運 警告するシステムを構成してみよう． 用が必須条件なので送信側の必要電力を極限まで小さ 危険な渓流には土石流警報機，土砂崩壊が予測でき く で き る 可 能 性 を 保 障 す る 意 味 で 目 標 と し た ．（ 注：微 る斜面には各種のセンサが設置されるが，多くはケー 弱 無 線 局 は 標 準 ダ イ ポ ー ル ア ン テ ナ に 50nW 相 当 ）． ブル伝送が可能な所である．山奥の谷底で運用するに 1.1. 防 災 ･警 報 通 信 の分 析 は太陽電池が使えず電池動作が必須となる．携帯電話 最初の目標は防災のための警報通信であった．日本 で は 山 間 地 に 人 が 住 み ，典 型 的 に は 1km ほ ど の 小 さ な 渓流が大きめの河川に合流する地に村落ができる． は届かないし電源も無い． 防災観測の決定的な場面では太陽電池が使えない （火山噴火，谷底，長期の大雨）ことが多い．特定小 Copyright ©2010 by IEICE 電力無線など高い周波数の電波は尾根を乗り越えられ のみ通信する＝間歇送信の実現でもある． ない．そこで，自由に周波数を選定できて免許を必要 小 電 力 で 長 距 離 性 能 を 出 す た め に ，SS を 通 信 手 法 と と し な い 微 弱 無 線 局 で 500m の 通 信 を 可 能 に す る 技 術 し た ．SS の 長 距 離 通 信 能 力 は 長 い 拡 散 コ ー ド に 依 拠 し を 志 し た ． 土 石 流 10m/秒 が 50 秒 で 流 れ 下 る 距 離 か ら ており，長い拡散コードは同期に長い時間がかかるこ 通 信 距 離 500m と 設 定 し た ． 目 標 は 【 低 コ ス ト ， 長 い とになる．これが問題となり打開に 3 年を要した． 波 長 =VHF，距 離 500m，数 秒 以 内 の 通 報 ，電 池 で 2 年 】 開発は「事の困難性の証明」を実施し，困難性の完 全な証明ができないならば可能性を持つと想定した． となる． た と え ば ，【 人 は 空 を 飛 べ る か ？ 】 → 【 人 は 空 気 よ り重いから飛べない】→【常温空気より軽い熱空気と 1.2. 野 生 生 物 調 査 の分 析 大型の渡り鳥やワシタカ類は，衛星を利用する ARGOS シ ス テ ム で 地 球 規 模 の 追 跡 が で き る ．し か し ， 込 み の シ ス テ ム 】＝【 熱 気 球 は 空 気 よ り 軽 い 】．こ ん な 道筋をたどれないものかと試みた． 装置や運用コストが高く，衛星の周回にあわせて情報 が得られるのでリアルタイムに位置や高度を知ること はできない．野生生物のリアルタイム観察のための通 2.1. スライド同 期 法 短 い 拡 散 コ ー ド は CDMA や 無 線 LAN で 使 わ れ る ． こ れ ら は 多 重 通 信 の た め に 使 わ れ ，非 常 に SNR の 悪 い 信システムを求められていた． 単純な発信器も方位の調査で運用されている．現在 は 合 法 周 波 数 も 割 り 当 て ら れ て い る が ，2000 年 当 時 は 状態で通信を実現するものではない．同期もハードウ ェアによるものが可能で，それほど困難ではない． 調査用発信器の全てが違法であった．違法無線機を利 SS 同 期 に つ い て 送 受 信 機 そ れ ぞ れ に 正 確 な 時 計 が 用した自然環境の調査は，論文中に仔細に書けない． あるのならば同期の困難は無い．しかし，野外運用す 観測手法の情報が欠如した論文では科学性が乏しいも る電池で動く低電力装置に正確な時計は無理．短い拡 のになっていた．そこで合法性がある無線システムの 散コードから順に長い拡散コードへ同期を拡張する方 提供を目標に，渡り鳥の調査で高名な東大大学院農学 法もあるが，いずれにしても原理的にはスライド同期 部の樋口広芳教授や野生生物の研究者と一緒に研究を 法 が 基 本 で あ っ た [1]． 開始した． 大型野生動物ならば特定小電力による運用もでき る の だ が ，運 用 可 能 な 距 離 が 1km ほ ど の 短 距 離 で あ り ， 小 型 鳥 類 で は 体 重 の 5％ 以 下 の 重 さ し か 装 着 で き な い の で ，大 き 目 の 伝 書 鳩（ 体 重 400g）で も 20g が 限 界 だ ． 目標は【合法性，超小型，長距離】となる． 送 信 機 の 基 本 構 成 [1] 1.3. 性 能 要 件 電波を扱うには法律と運用上からの制約がある．帯 域巾を広くすれば混信確率が増加するので帯域をあま り 広 く し た く な い ．VHF で は SSB の 3kHz が 実 験 し や すい．これらを勘案して ・帯域 3kHz 以 内 ・時間 最初の情報が届くまで 2 秒以内 ・性能 微 弱 無 線 局 で 500m の 到 達 距 離 を目標とした． ス ペ ク ト ラ ム 拡 散 （ 以 下 SS） パ ラ メ ー タ は ・拡散コード長 ・拡散コード時間 1024TIP ≒ 1ms/TIP 1秒 と し て み る と ， 帯 域 巾 は 2kHz と な る ． 受 信 機 の 基 本 構 成 [1] 送信機が送信を開始すると，受信機の擬似雑音発生 器のクロックが正確に送信機と同じとしても，擬似雑 2. 困 難 の 検 討 通信方法が直接に微弱無線局と関係するわけでは ないが，電池運用のテレメトリと微弱無線局は省電力 の共通点がある．省電力とは，送信情報があるときに 音の拡散コードの周期としての始点は送信側とは一致 し て い な い の で ，そ れ を 一 致 さ せ る 動 作 を 必 要 と す る ． （ 以 下 ， 擬 似 雑 音 を 拡 散 コ ー ド と 言 う ．） ス ラ イ ド 同 期 法 は 拡 散 コ ー ド の 位 置 を 0.5TIP 単 位 でずらせて逆拡散を実施して，搬送波が検出できる位 結 論 ：【 受 信 機 が 持 つ 拡 散 コ ー ド を ス ラ イ ド さ せ な 置 を 捜 す ．ず ら せ る 動 作 か ら ス ラ イ ド 法 と 言 う ．0.5TIP がら逆拡散して搬送波を検出する】代わりに【受信信 ず ら し １ 拡 散 周 期 長 1024TIP の 逆 拡 散 を 試 み て 同 期 が 号から搬送波を検出しないでスライド位置を検出】す 成 功 し た か ど う か 判 定 す る ． 1024TIP の 拡 散 コ ー ド を る方法があればよい． 0.5TIP 単 位 で 動 か す と 2048 の 位 置 が あ り 平 均 は 半 分 の 1024 回 で 同 期 が 成 功 す る ．平 均 100 万 TIP 時 間 が 同 期に要する時間となる． 3.2. トグル点 の抽 出 拡 散 コ ー ド を 決 め れ ば ，信 号 の 遷 移（ ト グ ル と 言 う ） 性 能 要 件 を 当 て は め て み れ ば ，同 期 に 1000 秒 ≒ 16.6 位置は固有パターンとなる．この固有パターンには搬 分 か か る こ と に な り ，最 悪 で は 33 分 後 に 同 期 す る ．土 送波の周波数情報を含まない．ならば，受信信号に含 石流警報機として通信が確立したころには手遅れで， まれるトグル点をしらべて，あらかじめ持っているト そ ろ そ ろ 死 体 捜 索 が 初 ま る こ ろ だ ．（ GPS は 同 じ 試 算 グル点列と比較すれば搬送波検出の必要は無いのでは 法 で は 平 均 1 秒 で 同 期 す る ．） なかろうか，これが発想である． BPSK 変 調 は 搬 送 波 を 180 度 の ２ 値 で 位 相 変 調 す る ． 2.2. 狭 帯 域 BPF の問 題 スライド同期法で，もうひとつ問題なのは狭帯域フ ィルタの通過電力を検出する必要があることだ．たと え ば 毎 秒 1kTIP の 拡 散 コ ー ド を 送 出 す る と 帯 域 は 2kHz に な る ． 受 信 は 逆 拡 散 の 後 に 1～ 数 Hz の 狭 帯 域 フィルタを通過させ同期の判定をする． 150MHz で 1ppm の TCXO を 使 う と ±150Hz の ど こ か に い る は ず な の だ が ，±150Hz で 受 信 す る と SS の 利 点 は生かせない．周波数がわからなければ同期できない 上 2TIP 分 の 拡 散 信 号 ， 下 変 調 波 し，同期できなければ周波数がわからない． 同 期 は 時 間 軸 で 2048，周 波 数 軸 で 300 個 の ２ 次 元 空 間 中 に 正 解 が あ る ，総 計 60 万 点 か ら の 探 索 問 題 と な る ． この時間軸と周波数軸の２次元探索をするところに非 常 な 困 難 が あ る [1]． 3. 困 難 の 解 決 策 一般的に困難の解決法は「分割」である．2 次元探 索問題を 1 次元化するなど受信方式の構造転換として 検討しなければならない． 同期していない拡散信号と搬送波の場合 拡散信号と搬送波が同期しているかどうかで受信 し た 信 号 の 形 が 異 な り ，さ ら に 受 信 機 が 高 周 波 か ら IF や Audio 帯 ま で 周 波 数 変 換 し て か ら 処 理 す る の で ， 同 3.1. 問 題 の明 示 期している綺麗な波形は望めない． 困 難 は ，「 １ 拡 散 コ ー ド 長 全 体 の SS 信 号 に つ い て 逆 拡散を実施して，狭い帯域巾を通過したエネルギーを 検出する」ことにある． 逆拡散 → 狭 帯 域 BPF → 検出 トグル検出のための参照信号（複素） 逆 拡 散 後 の 狭 帯 域 BPF が 雑 音 か ら 目 的 信 号 を 浮 き 上 受信信号からトグル点を検出するため，受信信号中 が ら せ る 効 果 を 受 け 持 つ の で ， 広 帯 域 検 出 で は SS の に存在を期待するトグル信号の複素表記波形を用意す 利点を失う．問題の核心は，逐次のスライド操作のた る ，こ れ を「 ト グ ル 検 出 の た め の 参 照 信 号 」と 言 お う ． び に 狭 帯 域 BPF を 通 過 す る エ ネ ル ギ ー を 検 出 す る と 狭 帯域が故に時間がかかることにある． であるならば，１拡散コード長全体ではなく，部分 処理できないだろうか？ と問題を組みなおせる．し か し 単 に 短 い 拡 散 コ ー ド と す る と SS の 利 点 を 失 う ． 受信機はこの参照信号で受信信号を相手とした相 互相関をすると遷移点＝トグル点（の候補）が抽出で き る ．こ の 段 階 で は た か だ か 2TIP の 参 照 信 号 と 受 信 信 号の間の相互相関なので搬送波周波数がそれほど正確 でなくてもよい． 受 信 信 号 の SNR が 良 い 場 合 信号の形を複数の遷移方向に対応した複数のトグル検 出部を用意すれば同じように扱える．しかし，数値計 算 や 実 証 試 験 で は 感 度 と 構 造 の 簡 素 さ か ら BPSK を 採 用している． 点線：拡散信号 実線：受信信号 3.4. 確 認 の手 続 き 送信側の拡散コードと受信側の拡散コードのズレ 量が判定できた．強力な信号であれば，ここで完了と し て も よ い が SNR が 悪 い 信 号 の 解 読 が 目 標 な の で ，ず れ量を加味した拡散コードで逆拡散を実施して搬送波 が明瞭に立っていることを確認すると確実になる． 点線：拡散信号 実線：トグル点の相関信号 無雑音の信号ではこのようになり，トグル点で相関 信 号 が 大 き な 値 を 持 つ ．こ の 段 階 で は 2TIP 長 の 波 形 を 扱 っ て い る の で 搬 送 波 の 周 波 数 偏 差 は お よ そ 10％ の ずれまで問題にならないことが数値計算でわかった． SNR=-14dB で も 逆 拡 散 後 に 搬 送 波 が 確 認 で き る 3.3. トグル信 号 列 の相 関 点線：拡散信号 実線：受信機が用意するトグル点 受信機はあらかじめ１拡散コード長分のトグル点 を１，その他を０とした数列を保持して，受信信号か ら作られた１拡散コード長分のトグル信号列と相関を 取ると，送信機と受信機の拡散信号のずれ量が相互相 シフト量が間違いなら搬送波が確認できない 搬 送 波 は 平 均 値 か ら の 突 出 率 や 帯 域 内 の SNR 評 価 な ど で 評 価 し て ，有 効 か ど う か 判 定 で き る ．SS 通 信 で は受信強度の算定が困難なので信号の品質評価として 逆 拡 散 後 の 帯 域 内 SNR を 指 標 と し て い る ． 関のピーク位置として現われる． 4. 通 信 手 順 実現例を示そう．拡散コードを２種，拡散コード周 期 を １ 単 位 と し て 扱 い ， FLAG 部 と DATA 部 と 名 づ け た ２ 種 の 拡 散 コ ー ド で BPSK 変 調 し て 送 出 す る ． 受 信 信 号 の SNR が 良 好 ， ズ レ 量 ＝ 600 FLAG DATA FLAG1 FLAG2 DATA1 DATA2 DATA3 FLAG 部 2 個 ， DATA 部 ３ つ （ 任 意 数 で よ い ）， こ れ を例として以下に述べる． 4.1. 同 期 確 立 最初に同期を確立させるため，送信側では同期のた め の 拡 散 コ ー ド（ FLAG＝ FLAG1+FLAG2）を 連 続 し て 受 信 信 号 の SNR が 限 界 (-14.5dB)， ズ レ 量 ＝ 600 ２拡散コード長の送出をする． SNR が 良 好 な 時 は 明 瞭 な ピ ー ク が あ る ．帯 域 内 の 雑 送受で拡散コード区切りの同期は取れていないの 音 を 白 色 雑 音 と し て 増 や し て い く と -14dB あ た り が 検 で，受信側では１拡散コード区間を受信信号から切り 出 限 界 と な る ， 1024TIP の 拡 散 信 号 の 中 に は 512 個 の 出して処理する．２つ送るのは受信側で切り出した１ トグル点があるので，このトグル点の配置パターンに 拡散コード長さの中に確実に拡散コード全体が含まれ よる相互相関で検出していることになる． るようにするためである． BPSK を 例 題 と し て き た が QPSK や FSK で も ト グ ル 受信信号 受信処理 雑音 RX0 FLAG1 RX1 FLAG2 RX2 DATA1 信機の間で拡散コードの同期が成功しているとすれば， 次 に 続 く DATA 拡 散 コ ー ド の 開 始 位 置 を ず ら し て も ， 受信側は１拡散コード長さで切り出して処理する． DATA 部 の シ フ ト 位 置 を 高 速 同 期 法 に よ っ て 判 定 す る 状態は ことができる． １ ． RX0 ま で は 受 信 で き て い な い ． 同 期 が 確 立 し た 後 に 拡 散 コ ー ド 長 の 単 位 で DATA 部 ２ ．RX1 を 獲 得 ，雑 音 ＋ FLAG1 の 前 半 部 が 含 ま れ て い を 分 析 す れ ば １ 拡 散 コ ー ド あ た り 10bit の 伝 送 が で き るので強力な信号であれば受信できるが，解読が る こ と に な る ．短 い デ ー タ 部 で あ れ ば 最 初 の FLAG に 不成功だったとしよう． よる同期のみで十分だが，長いデータが続くならば， ３ ． RX2 を 獲 得 ， FLAG1 の 後 半 ＋ FLAG2 の 前 半 が 含 毎回小さなずれを検出して補正することもできる．送 まれており，同一の拡散コードなのでズレ量ｄが 受 信 機 の 間 で の TIP 送 出 ク ロ ッ ク の 必 要 精 度 は 算出できる． 受信信号 雑音 受 信 処 理 RX0 バッファ FLAG1 RX1 d FLAG2 RX2 RX2a DATA1 ４ ． RX2 の 切 り 出 し 区 間 を RX2a と し て や り 直 し ， 逆 拡散して搬送波を確認する． ASYNC 伝 送 と 同 じ 考 え 方 に な る ． FLAG と DATA は 同 じ 拡 散 コ ー ド で も よ い が ， 受 信 側 が FLAG 部 の 検 出 ミ ス か ら DATA 部 に 同 期 し て し ま う こ と も あ り え る の で ， 実 証 試 験 で は FLAG と DATA に別の拡散コードを使っている． 送 信 機 は 1 拡 散 コ ー ド あ た り 10 ビ ッ ト と し て ２ つ の FLAG が あ れ ば 高 速 に 同 期 で き る ．RX1 の 段 階で同期と検出が成功することもあるので，後続が FLAG か DATA か を 判 定 す れ ば よ い ． 一 部 し か FLAG に 重 な っ て い な い な ら ば 低 感 度 に な ・ FLAG を ふ た つ 連 続 で 送 出 す る ・ DATA 部 と し て 1024 の 1/0 信 号 列 を 用 意 ・ 情 報 を 拡 散 コ ー ド 位 置 の 0～ 1023 に 指 定 し て 変 調を始める る が ， い ず れ に し ろ FLAG1＋ FLAG2 の ど こ か で 高 感 ・ 度 に 同 期 が 確 立 す る ． 1024TIP の 数 値 実 験 で は SNR≒ 1024 に 満 た な い 部 分 は 最 初 か ら 送 り ，合 計 1024 の拡散コードで変調する -14dB 程 度 ， 実 証 試 験 で は SNR≒ -10dB で あ っ た ． FLAG FLAG1 FLAG2 4.2. 情 報 の載 せ方 DATA1 DATA DATA2 DATA3 SS 通 信 は 遠 距 離 に 届 く だ け で は な く ，情 報 を 運 ん で もらわなければならない． d 1.023M TIP/sec（ 帯 域 巾 ≒ 2MHz），1023TIP/拡 散 コ ー DATA ← DATA 拡 散 コ ー ド ２ つ を 並 べ て お き 、 情 報 ド な の で ， 拡 散 コ ー ド 長 は 約 1msec で あ る ． ま た ， に応じたシフト位置 d から拡散コード長だけ切り出 50BPS の 通 信 速 度 な の で ，20 拡 散 コ ー ド を １ ブ ロ ッ ク し て DATA1,DATA2 と 並 べ て い く ． GPS は DATA と し て 位 相 変 調 し て 伝 送 情 報 １ bit に わ り つ け て い る ． GPS を そ の ま ま 真 似 れ ば 2kHz 程 度 の 帯 域 巾 を 使 う 実 験 機 と 単 純 比 較 す る と 1000 分 の 1 の 速 度 に な り ，20 受信機は ・ 間とする 秒 で 1bit の 伝 送 に な る ．拡 散 コ ー ド 長 毎 の 位 相 反 転 を 使 う な ら ば 1bit/拡 散 コ ー ド 長 ，し か 期 待 で き な い ．さ いわい，高速同期法を実現したことにより，初期にこ の問題は解決した． 4.3. シフト法 による情 報 伝 送 送信側の１拡散コード時間の始点と終点が受信側 によって判明しているならば，受信機は同期後常に１ FLAG 部 で 確 立 し た 同 期 を 拡 散 コ ー ド の 基 準 時 ・ DATA 部 は シ フ ト 量 ゼ ロ の 拡 散 コ ー ド 列 を 用 意 し、比較してシフト量を計算 シフト量＝送信された情報になる． 実験機では拡散コードあたり 8 ビットしか送ってな い が ， 1024TIP の 拡 散 コ ー ド を 使 え ば シ フ ト 法 に よ り 10 ビ ッ ト 伝 送 が 可 能 に な る ． 区間を切り出して分析することができ，送受で共通に 今 ま で の SS は １ 拡 散 コ ー ド あ た り 1bit， (GPS で は 持っている拡散コードのどの位置から送出を始めたか 5 拡 散 コ ー ド で 1bit)で あ っ た の に 比 す れ ば ，10 倍 の 高 を 判 定 で き る ． た と え ば 1024TIP な ら 0～ 1023 の 開 始 速 化 に な っ て い る ． ト レ ー ド と し て SS と し て の 感 度 位 置 と し て 10bit の 情 報 が 伝 送 で き る こ と に な る ． こ は少し落ちる．もともと高速同期法の実現のために少 れ を SDK（ シ フ ト ･ド メ イ ン ･キ ー イ ン グ ） と 言 お う ． し感度が落ちているが，高速同期法の利点を利用して 先 頭 の FLAG＋ FLAG に よ り 同 期 を 確 立 し て ， 送 受 いるのでそれ以上の劣化は無い． 5. 実 証 試 験 5.1.2. 遠 距 離 実 験 広島県呉市 ・数値計算による感度評価 帯域巾全体に白色雑音を混入させた時の検出感度 は SNR=-14dB．32 サ ン プ ル /TIP で あ り ，８ サ ン プ ル /TIP で は -10dB 程 度 だ っ た ． ・室内試験 感 度 は -140dBm ぐ ら い ，確 実 な 測 定 は で き て い な い ． 実証試験の開始当初は遠距離性能を確認したかっ ただけなのだが，実験を進めていくにしたがって，通 信は送受信機だけではなく地形など総合的な評価を必 要とすることが理解できたので，実験環境を含めた情 報として蓄積していく必要を感じた． 受信地点を地図に表記 5.1. 野 外 試 験 5.1.1. 微 弱 (2.5nW,50MHz)に よ る 実 験 周 波 数 50MHz，送 信アンテナはフェラ イトコア．これを， 群馬県の産業技術セ ンターにある電波暗 室で送信電界強度を ３m 法で測定して実 験した．標準ダイポ ー ル 2.5nW と 等 価 ． VE2DBE シ ミ ュ レ ー タ 出 力 3uW， 145.790MHz， 標 準 DP， 実 験 地 は 広 島 県 呉市にある休山（やすみやま）の展望台に送信機を設 置（ 設 置 標 高 501m）し て ，周 辺 の 島 の 海 岸 で 受 信 調 査 ， さらに呉から松山までのフェリーで限界距離を調査し た．アマチュア無線局免許で実験した． フェリーによる海上移動ではシミュレータの受信 感 度 を -125dBm に 設 定 し た の と 等 し か っ た ． 近 距 離 で はハイトパターンによる不感地帯があることもわかる． 実証試験は，どんな評価法が適するなのかを調査し た．その結果，室内実験でも野外実験でも限界を超え るとまったく受信できず，限界よりわずかに受信電力 が 大 き け れ ば 100％ 近 い 受 信 確 率 に な る ． し た が っ て フ ィ ー ル ド で は 受 信 電 力 を パ ラ メ ー タ に し た BER 評 価はあまり適さないことがわかった． 以後，実用化試験は遠距離に到達したことで喜ぶア マチュア無線的な方向ではなく，距離以外の環境を固 定して限界距離を調査する方向で実験をしている． 運用者は装置感度ではなく距離性能を指標にする． 運用環境の情報を蓄積してシミュレータの誤差補正の 方法を明確にしていけば運用環境ごとのシミュレーシ ョンができると考えたからである．電子技術者が業界 の枠内で性能を誇示すれば事足れりとするならば，防 災や環境の役にはたてない．もっとも，装置感度の測 2006/11/25 最 初 の 実 験 ， 田 園 地 で 183m 50MHz，2.5nW，計 算 上 の 感 度 は -129dBm で あ っ た ． その後，微弱無線局の規定による実験を重ねて，周 波 数 150MHz，送 受 信 と も に 垂 直 ダ イ ポ ー ル ア ン テ ナ ， 地 上 高 2m の 平 坦 地 で 500～ 600m の 通 信 が 限 界 と な る こ と を 確 認 し た ． こ の 時 の 感 度 は -140dBm で あ っ た ． 周波数によって感度が異なるのは，実用感度は周囲雑 音 に 対 し て -10dB の 線 で 限 界 を 迎 え る か ら だ ろ う ． 定が無駄と言うわけではない． 5.1.3. 電 波 伝 搬 シ ミ ュ レ ー タ カ ナ ダ の ア マ チ ュ ア 無 線 局 VE2DBE の フ リ ー ソ フ ト を 使 っ て い る ．地 形 は ス ペ ー ス シ ャ ト ル に よ る SRTM3 の 標 高 値 を 組 み 込 ん だ ．VHF 帯 の 実 証 実 験 と 比 較 し た ところ精度もよく，水平線越えの遠距離でも後述のス マトラ実験によって妥当性があると評価している． 我々はこれを山地実験の事前評価に使用している． 出 力 300uW， 145MHz， 送 信 高 さ 10m， シ ン ガ ラ ン か 6. 実 用 化 試 験 防災・環境分野で試験を進めている．無線システム の性能を提示するだけでは実用に結びつかない． ら 150km の 地 点 で 通 信 確 率 が 50%に な っ た ．双 方 と も に垂直ダイポールである．実験評価では島の海岸から 極度に感度の高い装置がどのように適用できるの 10mW と 3 素 子 の 八 木 ア ン テ ナ に て こ の 間 の 安 定 通 信 か ，VHF 帯 の 長 距 離 性 能 が 何 に 影 響 を 受 け ，安 定 回 線 が可能と見ている．来年度からは電池パック＋強震計 の確立に必要な情報を集めるために試験をしている． ＋ SS 送 信 機 を 完 全 防 水 に し て 島 の マ ン グ ロ ー ブ 海 岸 太陽電池は災害に耐えず盗難も多い，そこで完全に電 に設備して運用実験をする予定だ．なお，通信実験は 池で運用する長距離通信に目標を定めている． インドネシア気象庁の免許保持者が実施した． 6.1. スマトラ島 の緊 急 地 震 警 報 のための実 験 長距離回線の資料が乏しいので，シンガランとほぼ同 こ の 通 信 で ど れ ぐ ら い の 余 裕 度 が 必 要 か VHF 帯 の 2005 年 ス マ ト ラ 大 津 波 に 相 当 す る 規 模 の 大 地 震 が インド洋で再発生することが予想されている． じ標高である富士山の 5 合目，スマトラ島の沖の島を 三 宅 島 に 模 し て ，こ の 夏 か ら 出 力 10mW に て 運 用 試 験 をしている． 6.2. 斜 面 災 害 スマトラ島のインド洋側 日本に見立てた配置 防災科学技術研究所国際地震観測管理室とインド ネシア気象庁が共同で警報を実施しようとしている． 図は日本をスマトラ島に見立てて南海地震の震源域に スマトラ島と同じく島を配置したものだ．スマトラ島 インド洋の沖にある震源の真上に大きな島があり，人 口密度は非常に低いが人は住む．ここに強震計を設置 し て ，ス マ ト ラ 島 に 警 報 す る ．距 離 120km な の で 地 震 波 の 速 度 が 4km と す る と 30 秒 前 の 警 報 が で き る ． 島 と の 間 に は 衛 星 回 線 が あ る ． M8 の 直 下 地 震 で 衛 防災科学技術研究所・大型降雨施設内の実験 星に向けたパラボラアンテナが維持できるだろうか？ 指向性の広い小さなアンテナで実用できれば大地震の 揺れに耐えるだろう．通信の複数化と海岸に多数を配 置して震源に近いところから送信して 1 秒でも余裕時 間を稼ぎたい．スマトラ島の警報エリア（パダン）の そ ば に シ ン ガ ラ ン (2840m)と い う 山 が あ り ，頂 上 に は 放 送や中継設備がある． 角度変化が加速してから崩壊に至る 微 弱 無 線 局 に よ る 斜 面 崩 壊 警 報 機 の 実 験 を 2007 年 から実施している．実斜面では困難なので防災科学技 術研究所の大型降雨施設の中に作った斜面模型である． 模 型 は 斜 面 長 10m， 巾 4m， 40 立 方 m， 80 ト ン が 崩 壊 す る ． 装 置 は φ 50 ミ リ ， 長 さ 40cm の 塩 ビ パ イ プ に 組 み 込 ん だ MEMS 加 速 度 セ ン サ に よ っ て 0.01 度 の 分 解 能で 3 軸の傾斜を測定して微弱無線局で送信，周囲数 百 m で 受 信 で き る ．人 命 に 関 わ る 装 置 な の で 適 用 例 を シベル島海岸からの送信 シベル島海岸からシンガラン山頂まで直線距離 180km（ 海 上 は 140km） の 間 で 通 信 試 験 を し た ． 送 信 多く獲得しなければならない． 6.3. 野 生 動 物 の調 査 8. 今 後 の 展 開 GPS 付 の 送 信 機 に つ い て 鳩 で 実 験 を 進 め て い る ．周 通信技術としては初期段階であり，シャノン限界の 波 数 144.47MHz，ア ン テ ナ 17cm な の で 標 準 DP へ の 等 概 算 は ，SNR=13BPS/2.7kHz か ら 約 -23dB と な る ．数 値 価 入 力 で 換 算 す れ ば 100uW， 重 量 は 16 グ ラ ム ． 伝 書 実 験 で は -13dB，実 験 で は -10dB の 性 能 を 持 っ て い る の 鳩 に 装 着 し た 飛 翔 実 験 を 2010 鳥 学 会 で 公 開 し た ． で 改 善 余 裕 10dB ぐ ら い な の で 高 速 化 や 距 離 性 能 の 向 上 余 地 が あ る と 言 え る ．な お 、こ の 通 信 シ ス テ ム を 我 々 は MAD-SS と 称 し て い る ． 送信ハードウェアは間歇動作する警報装置として は「 電 池 で 2 年 間 動 作 さ せ る 」目 標 の 達 成 は で き た が ， 間 歇 動 作 と し て も 送 信 出 力 50nW で も 3.3V で 30mA， 100mW の 電 力 を 必 要 な の は 非 効 率 す ぎ る ． 近 頃 の RFID 技 術 の 転 用 が 可 能 だ ろ う ． 受 信 解 読 部 に 大 き な 計 算 力 が 必 要 な の で ，PC を 使 っ ているが小さくない電力が必要なことなど，解決すべ き課題は多い．適用分野として人と人をつなぐ携帯電 話とは異なり，自然と人をつなぐ通信装置として桁違 いの需要量になる可能性もあり今後の発展が期待でき 受 信 局 を 尾 根 線 (比 高 300m)に 設 置 し て 20km か な た を飛ぶ鳩をリアルタイム観察できた．数値計算による る ．本 技 術 は 各 国（ 日 ，米 ，英 ，独 ，仏 ，韓 国 ，台 湾 ） で特許が確立している． カ バ ー 範 囲 は 飛 翔 高 度 5m に て 50km で あ っ た ． 9. 問 合 先 7. 実 験 機 の 諸 元 と 合 法 性 〒 371-0816 群 馬 県 前 橋 市 上 佐 鳥 町 54-2 7.1. 実 験 機 の諸 元 周波数 放射電力 変調形式 TIP 時 間 TIP 周 波 数 拡散コード長 拡散周期 FLAG DATA 50, 144, 150 MHz W 2.5n ～ 10m BPSK = G1D Phase 0.725623582 msec 1378.125 Hz 1024 TIP 0.743038548 sec 連続 2 拡散周期分を送出 シフト位置で情報を表現 玉置晴朗 E-mail： [email protected] http://www.madlabo.com/mad/product/ss/ 文 13.5BPS 7.2. 合 法 性 微弱無線局規定を超える電界強度の実験では，以下 の ア マ チ ュ ア 無 線 局 に 本 方 式 の 送 信 機 （ G1D） を 申 請 して運用している． 自然環境保護アマチュア無線クラブ JA1QPY 玉 置 晴 朗 ， JP1COK 矢 澤 正 人 電 波 法 施 行 規 則 第 ４ 条 第 １ 項 第 24 号 ア マ チ ユ ア 局 金 銭 上 の 利 益 の た め で な く ，専 ら 個 人 的 な 無 線 技 術 の 興 味 に よ っ て 自 己 訓 練 ，通 信 及 び 技術的研究の業務を行う無線局をいう． 事 業 用 と し て は ARIB-STD-T99 等 へ の G1D 追 加 が あ れ ば 実 施 で き る だ ろ う ．ち な み に ARIB-STD-T99 に よ る 実 験 で は 1mW に て 500m ほ ど の 評 価 が あ る [4]．我 々 の 平 坦 地 実 験 で は 3～ 5km で あ っ た [6]． 特 定 小 電 力 な ど既存の通信機に比して非常に低速度ではあるが距離 性 能 は 10 倍 に な っ た ． 数理設計研究所 WEB ・ 搬 送 波 偏 差 は TIP 周 波 数 の 10％ を 許 容 す る ． JQ1YUR 株式会社 献 [1] R.C.Dixon,ス ペ ク ト ラ ム 拡 散 通 信 方 式 ,ジ ャ テ ッ ク 出 版 ,東 京 ,1978 [2] 玉 置 他 ,警 報 と 観 測 の た め の ス ペ ク ト ラ ム 拡 散 ・ 長 距 離 通 信 技 術 の 野 外 実 験 ,平 成 21 年 度 砂 防 学 会 研 究 発 表 会 概 要 ,pp540-541 [3] 防 災 科 学 技 術 研 究 所 で の 崩 壊 実 験 , 数 理 設 計 研 究 所 ,http://www.madlabo.com/mad/research/20080807 NIED/index.htm [4] 総 務 省 ,検 知 シ ス テ ム 部 会 報 告 書 ,http://www.soum u.go.jp/soutsu/shinetsu/sbt/kenkyu/seitai/kenti/seitai 03-01_02.pdf [5] 玉 置 他 , 大 潟 村 の 平 坦 農 地 を 利 用 し た 伝 搬 実 験 , 数 理 設 計 研 究 所 ,http://www.madlabo.com/necora/ex amin/20090925oogata/index.htm [6] VE2DBE,Real Mobile,http://www.cplus.org/rmw/en glish1.html [7] 玉 置 ,装 着 可 能 な 重 量 の 推 定 ,数 理 設 計 研 究 所 ,http: //www.madlabo.com/necora/examin/Wearing/energy. htm [8] 時 田 賢 一 他 ,電 波 を 利 用 し た 鳥 類 の 位 置 を 知 る 観 察 装 置 の 開 発 と 実 用 化 に 向 け て ,日 本 鳥 学 会 2010 年 度 大 会 要 旨 集 ,p103 [9] 東 淳 樹 他 , BirdGPS の 野 鳥 へ の 運 用 に つ い て , 日 本 鳥 学 会 2010 年 度 大 会 要 旨 集 ,p104 [10] 長 谷 山 聡 也 他 ,宇 都 宮 市 に お け る GPS-TX を 用 い た ハ シ ブ ト ガ ラ ス の 飛 翔 追 跡 の 報 告 ,日 本 鳥 学 会 2 010 年 度 大 会 要 旨 集 ,p105