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鉄道沿線の電波環境を守る - [鉄道総合技術研究所]文献検索
特集：沿線環境を守る 鉄道沿線の電波環境を守る 川﨑 邦弘 信号通信技術研究部（通信 研究室長） はじめに かわさき くにひろ が開発した鉄道沿線向けの地上デジタル放送の受信品質の 鉄道沿線の環境に関する分野の一つに，電波環境があり 予測計算方法について紹介します。 ます。鉄道沿線の電波環境を守るためには，放送通信の受 信に影響を与えるような電波が鉄道から出ていないか，ま 電波と測定方法 た逆に，鉄道で使われている様々な装置に影響を与えるよ 電波は，電界と磁界がともに振動しながら空間を伝搬す うな電波が周辺から到来していないか，を把握することが る，いわば電気エネルギーの波です（図 1）。この電気の波 まず必要となります。ところが，電波は，騒音や振動とは が 1 秒間に振動する回数を周波数（単位は Hz ＝ヘルツ）と 異なり，人間が五感で直接感じることができません。そこ 呼び，1 周期の波の進行方向の長さを波長（単位は m）と呼 で，空間を飛んでくる電波の周波数と強さをいかに正しく， びます。電波は光の速度で空間中を進みますので，周波数 定量的に捉えるかが鍵となります。しかし，測定者が，自 f と波長λ（ギリシャ文字のラムダ）の関係は，以下の式か 分の都合のよいように測定の方法や条件を決めて測定した ら求められます。 のでは，測定結果がばらばらになってしまい，公正な比較・ 波長λ（m）＝光速（m/s）÷周波数 （ f Hz） 評価ができなくなってしまいます。そのため，再現性が確 光の速度は約 3 × 108 m/s ですので，例えば AM ラジオ 保できる測定の条件と方法（以下では，測定の条件と方法 で使われている 1 MHz（MHz ＝メガヘルツ，106 Hz）の電 をまとめて「測定法」と呼びます）が規格などによって定義 波の波長は約 300 m，地上デジタル放送で使われている されており，測定者は，その条件と方法にきちんと従って 500 MHz 前後の電波の波長は約 60 cm，無線 LAN で使用 測定しなければなりません。鉄道総研では，こういった鉄 されている 2 . 45 GHz（GHz ＝ギガヘルツ，109 Hz）の電波 道沿線の電波環境を保全していくうえで必要となる測定評 は約 12 cm の波長になります。 価手法の開発に取り組んでいます。ここでは，国際的に決 電波を送受信するために不可欠なものがアンテナです。 められている鉄道周辺での電波の測定法のほか，鉄道総研 アンテナは，送受信しようとする電波の周波数（波長）や 利用形態によって，図 2 のように様々なタイプがあります。 㪜 㪜 㪜 㪜 これらのアンテナは，使う周波数によって大きさが決まり， 㪜 波長λの1/2や1/4など，波長λを基準にしてエレメント （ア 䌾 㪟 㪟 㪟 㪟 㪟 㔚ᵄ䈱 ㅴⴕᣇะ 㔚⇇䊶⏛⇇䈱ᒝᐲᄌൻ䈪␜䈜䈫䋮䋮䋮 㸢 㔚⇇䌅 㔚⇇ᚑಽ 䃩䋱⑽㑆䈱ᵄ䋨䋱ᦼ䋩䈱ᢙ䋽ᵄᢙ㪽䋨㪟㫑䋩 䃩䋱ᦼ䈱㐳䈘䋽ᵄ㐳㱗䋨㫄䋩 䃩ᵄ㐳㱗䋨㫄䋩䋽శㅦ㪺䋨㫄㪆㫊䋩䋯ᵄᢙ㪽䋨㪟㫑䋩 ◲ᤃ䈮䈲䇮㱗㩿㫄㪀䋽㪊㪇㪇䋯㪽䋨㪤㪟㫑䋩 ンテナを構成する電線）の長さが決められています。携帯 電話やテレビ放送，また列車無線など，ある特定の周波数 を送受信する場合には，アンテナをその周波数に同調させ， 使う周波数だけを効率よく送受信できるようにする必要が あります。電波環境を評価するためには，使おうとする周 波数だけでなく，数 kHz から数 GHz に至るまで，広い周 ㅴⴕᣇะ 㸢 ⏛⇇䌈 します。 䋱ᵄ㐳 図 1 電波 30 波数範囲を測定しなければならない場合が多いので，図 3 に示すようなやや大型の測定専用の広帯域アンテナを使用 ⏛⇇ᚑಽ 電波環境の測定では，これらのアンテナを使って空間を 2009.8 ࡞ࡊࠕࡦ࠹࠽ 㐿ญ㕙ࠕࡦ࠹࠽ ✢⁁ࠕࡦ࠹࠽ߩઍ 㱗㪆㪋 㱗㪆㪉 䌾 䌾 䌾 㱗㪆㪉䉻䉟䊘䊷䊦䉝䊮䊁䊅 䋨㱗㪆㪉䈱㐳䈘䈪䇮䈏㪉ᧄ䋩 㱗㪆㪋䊝䊉䊘䊷䊦䉝䊮䊁䊅 䋨㱗㪆㪋䈱㐳䈘䈪䇮䈏㪈ᧄ䋩 䉣䊧䊜䊮䊃䈏ベ ߦߥߞߡࠆ 㔚ᵄࠍㅍฃߔࠆ ญ߇㐿ߡࠆ 䊋䉟䉮䊆䉦䊦䉝䊮䊁䊅 䋨㪊㪇㪤㪟㫑 䌾 㪊㪇㪇㪤㪟㫑䋩 ࠹ࡆߩࠕࡦ࠹࠽ߪ ࠳ࠗࡐ࡞ࠕࡦ࠹࠽ ߩ⊒ዷဳ ゞή✢ߩゞࠕࡦ࠹࠽ߪࠬޔ ࡉࠕࡦ࠹࠽ߣ߫ࠇࠆࡕࡁࡐ࡞ࠕ ࡦ࠹࠽ߩ⊒ዷဳ ࠻ࡦࠪࡃߥߤߩࡎࠗ࠶ࡊࠕࡦ࠹ ࠽߿ޔ៤Ꮺ㔚ߩࠕࡦ࠹࠽㧔ㅒ㧲ߥ ߤ㧕߽ࡕࡁࡐ࡞ࠕࡦ࠹࠽ߩ৻⒳ ✢⁁ࠕࡦ࠹࠽ߩၮᧄᒻ ྾ⷺ࠲ࠗࡊ ߽ࠆ ⴡᤊㅍߩࡄ ࡏ߽㐿ญ㕙ࠕ ࡦ࠹࠽ߩ৻⒳ 図 2 さまざまなアンテナの例 飛んでくる電波を電圧・電流に変換し，その大きさを測 䊨䉫䊕䊥䉥䊂䉞䉾䉪䉝䊮䊁䊅 䋨㪊㪇㪇㪤㪟㫑 䌾 㪈㪞㪟㫑䋩 図 3 広帯域アンテナの例 ケーブルを使用する必要があります。この時，アンテナと ることによって，電波の周波数や大きさを調べます（図 4）。 測定器，そして両者を接続する同軸ケーブルの特性（正確 電波の測定の場合，アンテナと測定器を接続する電線は何 には「特性インピーダンス」と呼ばれる信号に対する抵抗 でもよいわけではなく，無線周波数でも損失が少ない同軸 値）をきちんと合わせなければ，正しい値を得ることがで きません。測定器では，入力された電圧・電流の大きさを 測り，電波の強さを示す単位（電界強度：V/m または磁界 ᷹ቯ䉝䊮䊁䊅 強度：A/m）に換算して表示あるいは出力します。具体的 ᷹ቯེ หゲ䉬䊷䊑䊦 ⸥㍳ⵝ⟎䈻 波の強さが変動する様子を測定できる測定器）や，スペク ၮᧄ⊛ߥ᷹ቯ♽⛔ トラムアナライザ（どのような周波数の電波が，どのよう 㔚ᵄ 䉝䊮䊁䊅 㔚ᵄ䈮䉋䈦䈩䉝䊮䊁䊅䈮↢䈛䉎㔚 䋽㐿┵㔚 ⚳┵ᛶ᛫ หゲ䉬䊷䊑䊦 䉝䊮䊁䊅 ࿑䈱╬ଔ࿁〝 㐿┵ 䌾 㔚 ᷹ቯེ䈱ਛ 䉝䊮䊁䊅䈱 䉟䊮䊏䊷䉻䊮䉴 な測定器としては，電界強度計（ある調べたい周波数の電 ⚳┵ᛶ᛫䈱 ਔ┵䈱㔚 䋽 ⚳┵㔚 ⚳┵ᛶ᛫ ⚳┵ᛶ᛫䈪 ᶖ⾌䈘䉏䉎㔚ജ 䋽 㔚ജ୯ な強さで届いているかを測定できる測定器）などが使用さ れますが，使用すべき測定器の性能や仕様については，関 連する規格等で決められています。 沿線における電波環境の測定 鉄道沿線における電波の測定法のうち，鉄道システムか ら沿線に放射される電波については，国際規格で測定法 と限度値が定められています。これは，国際電気標準会 ᷹ቯ୯ߦ㑐ߔࠆ↪⺆ 議（International Electrotechnical Commission：IEC と略 図 4 電波を測定する仕組み 称されます）が発行している IEC 62236 と呼ばれる規格で 表 1 IEC 62236 の構成 規格の番号 IEC 62236 - 1 IEC 62236 - 2 IEC 62236 - 3 IEC 62236 - 3 - 2 IEC 62236 - 4 IEC 62236 - 5 2009.8 鉄道応用 電磁両立性 – 鉄道応用 電磁両立性 – 鉄道応用 電磁両立性 – 鉄道応用 電磁両立性 – 鉄道応用 電磁両立性 – 鉄道応用 電磁両立性 – タイトル 総則 鉄道システム全体から外界への放射 車両 - 列車・車両からの放射 車両 - 車両搭載機器 地上の信号通信機器 固定給電設備で使用される危機 す。IEC 62236 は，2003 年 4 月に第 1 版 が発行されましたが，2008 年 12 月に改 訂され，現在は第 2 版が発行されていま す。この国際規格は，表 1 に示すように 6 つのパートで構成されていますが，こ こでは，パート 2（IEC 62236 - 2）で定義 されている鉄道から沿線に放射される電 波の測定法を紹介します。 31 ڎゞߪᦨᄢㅦᐲߩ㧑એߩㅦᐲߢ㧘 ߩߘޓㅦᐲࠍ⛽ᜬߢ߈ࠆജߢⴕ ڎ࿁↢ࡉࠠ߇ࠆ႐วߪ㧑એ ߢࡢࡄߩޓᷫㅦߒߡࠆ⁁ᘒ߽᷹ቯ 㪐㫂㪟㫑䌾㪊㪇㪤㪟㫑䋺䊦䊷䊒 㪊㪇㪤㪟㫑䌾㪊㪇㪇㪤㪟㫑䋺䊋䉟䉮䊆䉦䊦 㪊㪇㪇㪤㪟㫑䌾㪈㪞㪟㫑䋺䊨䉫䊕䊥䉥䊂䉞䉾䉪 䉝䊮䊁䊅㜞䋺㪊㪇㪤㪟㫑એਅ䋽㪈䌾㪉㫄 㪊㪇㪤㪟㫑એ䋽㪉㪅㪌㫄䌾㪊㪅㪌㫄 ᷹ቯὐ ᦨ䉅ᄖ䈱✢〝ਛᔃ䈎䉌㪈㪇㫄 ✢〝ਛᔃ ᷹ቯ䉝䊮䊁䊅 䊋䉟䉮䊆䉦䊦䉝䊮䊁䊅䋨㪊㪇㪤㪟㫑䌾㪊㪇㪇㪤㪟㫑䋩 䉝䊮䊁䊅㜞䋽㪊㫄 䊦䊷䊒䉝䊮䊁䊅䋨㪐㫂㪟㫑䌾㪊㪇㪤㪟㫑䋩 䉝䊮䊁䊅㜞䋽㪈㫄䌾㪉㫄 䊨䉫䊕䊥䉥䊂䉞䉾䉪䉝䊮䊁䊅䋨㪊㪇㪇㪤㪟㫑䌾㪈㪞㪟㫑䋩 䉝䊮䊁䊅㜞䋽㪊㫄 㪈㪇䌭 ᷹ ቯ ゞ ゠ หゲ䉬䊷䊑䊦 㪈㪌㫄 એ 㶎㪈㪇㫄䈪᷹ቯ䈪䈐䈭䈇႐ว㸢㪈㪇㫄એ㔌䉏䈩᷹ቯ䈚䈩〒㔌ᱜ ⊒㔚ᯏ 䋨᷹ቯゞ䈱ਛ䋩 図 5 規格で定義されている測定位置 図 6 実際の測定配置の例と測定機材の例 表 2 規格で定義されている測定の設定 150 kHz ～ 30 MHz 30 MHz ～ 300 MHz 300 MHz ～ 1 GHz 使用 ログペリオ ループ バイコニカル アンテナ ディック アンテナのエ アンテナのエ ループ面が大地に垂直，線路 アンテナの レメントが大 レメントが大 （または変電所のフェンス）に 向き 地 に 垂 直・ 水 地 に 垂 直・ 水 平行 平の双方 平の双方 アンテナ高 1m～2m 1m～2m 2.5m～3.5m 2.5m～3.5m 水平離隔 10 m（10 m 以上の場合は，規定された換算式で補正する） 測定器 CISPR 16 準拠の電波雑音測定器 㪋㪇 㔚ᵄ䈱⋧ኻᒝᐲ㩿㪻㪙㪀 9 kHz ～ 150 kHz ゞ䈏᷹ቯ䉝䊮䊁䊅䈱೨䉕ㅢㆊ 㪈㪇㪇㪤㪟㫑 㪊㪌 㪊㪇 㪈㪤㪟㫑 㪉㪌 㪇㪅㪈㪤㪟㫑 㪉㪇 㪈㪌 㪈㪇 㪌 㪇 㪄㪍㪇 㪄㪋㪇 㪄㪉㪇 㪇 㪉㪇 㪋㪇 㪍㪇 ⚻ㆊᤨ㑆㩿⑽㪀 図 7 測定される電波の強さの変化のイメージ IEC 62236 - 2 では，図 5 に示すように鉄道の線路中心 周囲環境の状況も考慮しながら評価すべき電波の強さを求 から 10 m 離れた位置にアンテナを設置して測定すること めて，測定対象・測定条件に応じて設定されている限度値 を基本としています。もし 10 m 離れた位置にアンテナが に照らし，電波環境の状態を判断します。 置けない場合は，10 m より離れた位置にアンテナを置き， 鉄道総研では，このような国際規格に従った沿線での測 測定結果を換算することとしています。実際の測定アンテ 定評価に対応できる測定用ワゴン車（図 8）を所有してお ナの配置と測定機材の例を図 6 に，また表 2 に測定の設定 り，実際に測定評価を実施しています。また，国際規格の の概要を示します。測定周波数は，9 kHz ～ 1 GHz の範囲 審議作業にも参加し，測定法などの提案を行っています。 から少なくとも 16 点の周波数を選びます。なお，測定周 なお，図 8 に示した測定用ワゴン車は，テレビ放送の受 波数は，放送波や通信波が存在する周波数や既に鉄道以外 信品質の測定にも使用されています。1999 年まではアナ から発生している妨害波の周波数をあらかじめ確認してお ログ放送の測定のみでしたが，2000 年からは鉄道沿線に き，その周波数を避けて設定する必要があります。 おけるデジタル放送の受信品質の測定にも対応できるよう， 各周波数の電波の強さは，列車が通過する前後数分間の 列車通過に伴う受信品質の時間変化を測定する方法をまと 時間変化を連続して測定します。これは，鉄道の場合，沿 め，デジタル放送用の測定機材を整備し，測定評価等を行っ 線に放射される電波の強さは一定ではなく，列車の走行に てきています。また，沿線における地上デジタル放送の受 よって大きく変動するためです（図 7） 。さらに，同一の測 信品質を予測するためのプログラムの開発にも取り組んで 定条件下で複数のサンプルを得るため，規格で定義されて います。 いる運転条件での試験走行を複数回行わなければなりませ ん。このような実際の沿線での測定を実施する際に最も重 要なことは，測定場所の選定と走行条件の設定です。測定 沿線における地上デジタル放送の 受信品質の予測 場所の適否はそのまま測定結果の正しさに直結しますので， 地 上 デ ジ タ ル 放 送 が 2006 年 12 月 に 全 国 で 開 始 さ れ， 測定場所の選定作業は慎重に行わなければならず，列車の 2011 年 7 月にはアナログ放送が終了して地上放送が完全 走行条件も規格の指定通りに設定する必要があります。 にデジタル化される予定となっています。地上デジタル放 測定によって得られた時間変化のデータから，測定中の 送は，電波の強さの変動や電波雑音等による影響を受けに 32 2009.8 ㅍାᚲ 図 8 測定用ワゴン車 ฃାὐ ㅍାᚲ 䊂䉳䉺䊦ㅍᵄ ゞ ࿁᛬ ᭴ㅧ‛ くく，受信した放送波の強さと雑音の強 ㆤᢿ さの比（ “C/N”＝“シーエヌ”と呼ばれま す）がある一定以上の値であれば，高い 品質の映像と音声を安定して受信するこ とができます。この地上放送のデジタル ฃାὐ ⸘▚䊝䊂䊦䈱ᔨ 図 9 鉄道沿線向け地上デジタル放送受信品質予測計算プログラム 化によって，鉄道沿線の大部分の箇所では良好に受信でき が予測できるよう，高架橋や列車による回折現象と，高架 るようになることが期待されています。特に，高架橋や列 下を通過して到来する電波の影響を考慮して受信レベルを 車の車体等によって電波が反射されて発生するゴースト現 計算・評価するプログラムを開発しました（図 9）。このプ 象（映像が二重・三重にぶれて映る現象）は，デジタル放 ログラムでは，計算対象とする地域の送信所を選択して鉄 送の原理上，完全に無くなります。 道構造物の位置・大きさと受信地点の位置・高さ等を任意 ところが逆に，C/N がその値よりも低い場合，すなわ に設定することにより，列車通過に伴う C/N の変動幅を ち受信できる放送波の強さが弱く，雑音が多いような場合 計算し，影響が起こる可能性を 4 段階（極めて低い，低い， には，今度は映像や音声が全く出力されなくなります。つ あり，高い）で予測します。特異な電波伝搬条件でなければ， まり，デジタル放送では映像や音声を「1」か「0」のデジタ 列車通過に伴う放送波強度の変動幅を± 6 dB 程度の誤差 ルデータで伝送していますので，影響の出方もデジタル的 で算出できます。このプログラムにより，影響が出る可能 になり，受信できるか，できないか，のいずれかになりま 性がほとんどない地点と，影響が出る可能性のある地点と す。もし，この C/N が変動していて，一時的に所定の値 を分別でき，実測調査すべき箇所をあらかじめ選ぶことが よりも下がるような場合には，ブロックノイズと呼ばれる できますので，実測調査にかかる時間と経費を軽減するこ 現象が現れ，場合によっては画面が動かなくなってしまう とができます。 画像凍結という現象が起きます。アナログ放送では，C/N 現在のプログラムは，列車通過による変動幅の計算に重 の大小によって画質が変化してしまいますが， 全く復調（受 点を置いて開発しましたが，今後は，受信できる放送波強 信した電波から画像や音をとり出すこと）ができない C/N 度の絶対値を予測計算できるようにし，沿線での受信品質 の他まで下がらない限り，品質は悪くても受信して映像を を総合的に評価できるシステムに発展させる予定です。 見ることが可能でした。このため，鉄道の沿線において， 従来のアナログ放送のときには品質が悪くとも受信できた おわりに のに，デジタル放送になると受信できなくなる，あるいは ここでは，鉄道の沿線での電波環境を測定評価する方法 列車通過のタイミングなどによって一時的に受信品質に影 と，地上デジタル放送の受信品質の変動を予測するプログ 響が表れるような箇所が存在する可能性があります。 ラムについて紹介しました。鉄道沿線の電波環境を守るた このような鉄道沿線における地上デジタル放送の受信状 めには，客観的・定量的にきちんと測定評価を行い，現状 況を把握，特に列車通過等による一時的な受信品質の変化 を正しく把握することがまず第一歩となります。直接見た が表れてしまうような箇所があるか否かを把握するために り感じたりすることができない電波をいかに正しくとらえ は実測調査が必要となりますが，全線にわたって状況を把 て鉄道の電波環境を把握・予測すべきか，これからも新し 握するためには，膨大な時間と経費がかかってしまいま い技術を取り入れながら，測定評価法や予測手法を検討し す。そこで，実測に依らずに鉄道構造物や列車通過の影響 ていく予定です。 2009.8 33