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次世代高速鉄道のための無線通信システムに関する研究 (本文)

松村, 善洋 慶應義塾大学

2022.03.23

概要

新幹線をはじめとする高速鉄道の世界的な広がりと共に，高速鉄道の車内から地上へのデータ通信に求められるニーズは今後更に高まる傾向にある．このため，高速に移動する鉄道における地上車上間通信インフラを高速化することは重要な課題である．

東海道新幹線では開業当初から列車無線装置が設置された．開業当初から列車あたり8回線の電話回線を有しており，公衆電話とも接続され旅客サービスにも寄与していた．東北・上越新幹線開業時に列車無線は漏えい同軸ケーブル（LeakeyCoaxialCable：LCX）化され，列車発信の公衆電話に自動交換方式が採用されるなど，移動体通信方式としては充実した設備であった．その後，東北・上越新幹線や東海道新幹線の列車無線はLCXデジタル方式が採用され更に進化してきた．東海道新幹線における車内インターネット方式では1列車あたり最大2.3Mbps程度の通信が実現されたが．インターネット技術とスマートフォンの発展により，利用者が要求する回線容量の水準を満たさなくなった．現在の列車無線が利用するLCXは400MHz帯を用いているが，この帯域は各種無線局により混雑しており10MHz以上の帯域を確保することは大変難しい．このため，高速走行する新幹線において，安定して大容量の通信を確保することは大変困難な課題である．

そのような中，東海道新幹線のサービス水準の向上，乗客の安全・安心・快適な旅行のサポート，今後の労働力不足に対応する保守の実現に向けて，地上車上間の大容量通信インフラの確保が重要な課題である．具体的には，新幹線車内から車両の状態や車内の状況，先頭映像などを地上に伝送することなどが可能なインフラが今後も求められる．このため，数百MHz幅の周波数帯域を比較的確保しやすいミリ波を新幹線の無線通信システムに適用することが考えられ，ミリ波帯活用の検討を続けてきた．ミリ波は直進性が高く，降雨減衰が大きいことが課題であるが，地上局間隔を短くすれば列車無線システムの構築は可能と考えられる．しかし，地上局間隔は設置コストに反映されるため，伝搬環境を明らかにし，適切な地上局間隔を算出することが，ミリ波列車無線システムを設備する上で重要であり，本論文の大きなテーマの1つである．

一方，新幹線をはじめとする高速鉄道は，高速化を続けている．高速で走行する列車の大きな課題は，列車からの騒音であり，車両形状に対して様々な工夫がなされてきた．しかし，東海道新幹線の先頭車両および最後尾車両の屋根上に設置されている架線電圧検知／無線通信共用アンテナ（静電アンテナ）は，60Hzの架線電圧を検知する機能と，VHF（VeryHighFrequency）帯の無線通信を行う機能の双方を有しており，東海道新幹線の開業以来，外部形状の変化があったものの，内部構造は変わっていない．高速走行する新幹線では，このアンテナ形状が突起しているため騒音源の一つとなっており，低騒音化が必要となった．低騒音化のためには，形状円滑化，小形化が必要となり，特に架線電圧を検知する検知棒を短縮することが必要となった．このため，従来アンテナと電気的性能が同等で低騒音化を満たすアンテナの開発が本論文のもう1つのテーマである．

本論文は以下のように構成されている．まず，第1章では，新幹線における無線通信方式の変遷，現在の列車無線方式の課題と，新幹線の静電アンテナの機能について述べる．また，ミリ波の鉄道利用に向けた検討の変遷と，海外，国内の取組の推移について述べると共に，研究の位置づけについて述べる．

第2章では，新幹線静電アンテナの低騒音化について検討する．折返しモノポール構造と並列共振回路の採用により，本アンテナを小型化することを検討・提案し，提案静電アンテナを製作した．提案静電アンテナの有効性を計算と測定により実証し，また，降雨・積雪に対する影響を実験と計算で確認する．

第3章では，新幹線環境におけるミリ波伝搬環境の解明を試みる．曲線区間においての45GHz帯における実測伝搬測定結果とレイトレースシミュレーションとの比較を行った．曲線区間においては，無線機アンテナのメインビーム範囲外まで電波が到達することが分かり，その原因は，主にレールによる反射によるものであることであると分析した．レールは曲線区間を連続的にカーブしていること，レールの材質が鉄であり反射が大きく表れることから，レールによる反射の影響が大きいことが把握できた．

第4章では，新幹線に適用するミリ波列車無線システムの構成について提案している．新幹線ミリ波列車無線システムとして，セルを構成する周波数配置やセル間ハンドオーバなど実用化を想定したシステム構成の検討と，それに伴う曲線区間における地上局配置を検討した．また，ミリ波の弱点である降雨減衰の影響を低減する高利得モードの適用を前提とした回線設計例を示し，地上局間隔を広げられることを確認した．

第5章に，東海道新幹線N700S確認試験車による走行試験結果を記載している．第2章で試作した新幹線用の新型静電アンテナの走行試験の結果，提案静電アンテナによる低騒音化の効果を確認すると共に，提案静電アンテナの無線通信の受信レベルは，従来アンテナより0～2.6dB高く，両アンテナの利得の差分が走行試験結果に現れている．また，第4章で提案したミリ波無線機の走行試験の結果，セル内ハンドオーバ，セル間ハンドオーバを円滑に実施できることを確認した．この結果，LCX方式に比べ地上車上間通信を改善できるミリ波通信を新幹線環境に適用可能で，大容量無線通信インフラの無線装置として列車無線システムを構成できることを示している．

最後に第6章では，本論文のまとめを述べる．

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参考文献

[1] 新幹線支社運転車両部列車課（信号通信課編抜粋），新幹線通信設備，日本国有 鉄道，東京，1964.

[2] 北原文夫他，最新の国鉄通信技術，社団法人鉄道通信協会，東京，1987.

[3] 黒田忠光，久保田肇，永岡 栄，喜連川隆，武市吉博，”東海道新幹線 架線電圧 検知・構内無線共用アンテナ，” 三菱電機技報, vol.38, no.4, pp.102–105, Apr. 1964.

[4] 杉山寛之，”東海道新幹線車内インターネット接続サービスの導入，” 日本鉄道 電気技術協会, 鉄道と電気技術, vol.11, pp.10-14, Nov. 2008.

[5] H. Meinel, A. Plattner, and G. Reinhold, “A 40 GHz railway communication system,” IEEE Journal on Selected Areas in Communications, Vol.SAC-1, No.4, pp.615-622, Sept. 1983,

[6] J. Schlichting and M. Müller, “The Transrapid Radio System,” SIGNAL+ DRAHT INTERNATIONAL, pp.34-39, Eurailpress, 1-2/2005.

[7] 佐々木伸，山村 博，川村武彦，”ミリ波による対列車通信，” 鉄道総研報告 Vol.3, No.5, pp.17-25, May 1989.

[8] 山村 博，林 秀一，鈴木尚子，佐々木達也，”大容量ミリ波無線システム，” 鉄 道総研報告 Vol.9, No.11, pp.37-42, Nov. 1995．

[9] K. Abe, T. Hattori, and H. Koizumi, “Millimeter-wave radio communication system between trains and ground facilities,” IEEE Proc. 12th International Conference on Information Networking, pp.363-368, Jan. 1998.

[10] 秋山良夫，新倉弘久，”山梨リニア実験線の列車無線システム，” 信学誌，Vol.85, No.1, pp.54-56, Jan. 2002.

[11] 塚本 薫，加藤泰典，梅田周作，河原伸幸，永山博幸，川崎邦弘，中村一城，辻 宏之，岡崎彰浩，石津文雄，”40GHz 帯を用いた移動体無線通信システムのフィー ルド試験，” 信学技報, RCS2013-149, pp.43-48, Oct. 2013.

[12] 中村一城，岩澤永照，岩城詞也，竹内恵一，川崎邦弘，柴垣信彦，梁取勝也，佐 藤洋介，藤井誠人，加島謙一，菅野敦史，山本直克，川西哲也，”100GHz 帯ミリ波 による対列車通信システムのフィールド試験，” 信学技報, RCS2019-10, p45, Apr. 2020.

[13] 川本真紀夫，”解説 鉄道向け無線システムの概要，” 電子情報通信学会 通信ソ サイエティマガジン, No.42, 2017 年秋号．

[14] JR 東海ニュースリリース，”次期新幹線車両「N700S」量産車の仕様および投入 計画について，” Jan. 2019.

[15] D. He, B. Ai, K. Guan, Z. Zhong, B. Hui, J. Kim, H. Chung, and I. Kim, “Channel measurement, simulation, and analysis for high-speed railway communications in 5G millimeter-wave band,” IEEE Trans. On Intelligent Transportation Systems, Vol.19, No.10, pp.3144-3158, Oct. 2018.

[16] 喜連川隆，武市吉博，水沢丕雄，”東海道新幹線列車無線用アンテナ，” 電気通 信学会 アンテナ研究会資料, Aug. 1964.

[17] 喜連川隆，武市吉博，水沢丕雄，”列車無線用環状スロットアンテナ，” 電気四 学会連合大会, no.1157, 1960.

[18] 喜連川隆，武市吉博，水沢丕雄，阿部 修，大林愛弘，”東海道新幹線 列車用 400Mc 帯指向性埋込み形アンテナ，” 三菱電機技報, vol.38, no.3, pp.488-491, 1964.

[19] 亘理 達，岡田茂生，安達芳男，平沢 稔，”150MHz 帯列車無線車上アンテナ，” 電子通信学会全国大会, no.553, 1975.

[20] 近藤幹雄，佐々木伸，松本和臣，沼崎 正，茶谷嘉之，真野清司，武田文雄， ”新幹線用ビーム切換型列車アンテナ，” 信学技報, A･P85-32, pp.57–62, Jul. 1985.

[21] 内田英成，虫明康人，超短波空中線，コロナ社，1961.

[22] 西本研悟，圷 浩行，西岡泰弘，米田尚史，松村善洋，笹木栄志，西山武志， ”新幹線向け架線電圧検知／無線通信共用アンテナの小形化，” 信学技報, A･P2019-115, RCS 2019-207, Nov. 2019.

[23] 松村善洋，西山武志，笹木栄志，西本研悟，圷 浩行，眞田幸俊，”新幹線向け 架線電圧検知／無線通信共用アンテナの降雨降雪対策と性能評価，” 信学技報，A･ P2019-114, RCS2019-206, Nov. 2019.

[24] Y. Matsumura, E. Sasaki, T. Nishiyama, K. Nishimoto, H. Akutsu, and Y. Sanada, “Performance evaluation of miniaturized antenna of the Shinkansen used for overhead line voltage detection and wireless communication,” Proceeding of the 23rd International Symposium on Wireless Personal Multimedia Communications, (WPMC2020), Online, Oct. 2020.

[25] R. F. Harrington and J. R. Mautz, “Theory of characteristic modes for conducting bodies,” IEEE Trans. Antennas Propag., vol.19, no.5, pp.622-628, Sept. 1971.

[26] 竹井 巖，前野紀一，”融点近傍における雪および霜の誘電的性質，” 北陸大学 紀要, 第 23 号, pp.13-24, 1999.

[27] M. Bittelli, M. Flury, and K. Roth, “Use of dielectric spectroscopy to estimate ice content in frozen porous media,” Water Resources Research, vol.40, Issue 4, W04212, Apr. 2004.

[28] N.S. Shah, P.S. Shah, and V.A. Rana, “Dielectric and electrical properties of coconut water and distilled water in the frequency range 20 Hz to 2 MHz,” Ionics, vol.21, pp.3217-3222, 2015.

[29] A.A. Sherman and H.M. Uribe, “Dielectric spectroscopy of water at low frequencies: the existence of an isopermitive point,” Chemical Physics Letters, vol.503, Issues 4-6, pp.327-330, Feb. 2011.

[30] 柴垣信彦，佐藤洋介，石川恭介，加島謙一，”W 帯を利用した次世代列車無線シ ステムの検討と国際標準化動向―RoF とミリ波を用いた新しい電波システム―，” 信学技報, RCS2017-10, pp.45-50, Apr. 2017.

[31] 服部鉄範，栗田明，殖栗英介，工藤 司，塚本 薫，岡崎彰浩，”鉄道における対 列車ミリ波通信の伝搬試験，” 信学技報, RCS2014-210, pp.79-84, Nov. 2014.

[32] H. Song, X. Fang, and Y. Fang, “Millimeter-Wave Network Architectures for Future High-Speed Railway Communications: Challenges and Solutions,” IEEE Wireless Communications, pp.114-122, Dec. 2016.

[33] 松村善洋，丹下智之，西山武志，笹木栄志，岩本功貴，中村一城，荒川智樹，井 倉裕之，眞田幸俊，”ミリ波の新幹線環境での活用を想定した 45GHz 帯伝搬特性 の曲線区間での測定・解析及び適切な地上局配置間隔，” 信学論(B), Vol.J105-B, no.3, Mar. 2022.

[34] 生岩量久，安 昌俊，OFDM 技術とその適用，コロナ社，東京，2010.

[35] 伊村 真，”無線通信システム技術の変遷と今後の展望，” 三菱電機技報, Vol.88, No.9, pp.66-69, Sept. 2014.

[36] S. Alamouti, “Space block coding: A simple transmitter diversity technique for wireless communications,” IEEE J. Select. Areas. Commun. , vol.16, no.5, pp.1451-1458, Oct. 1998.

[37] 大槻知明，”7-2 時空間符号，” 電子情報通信学会知識ベース 知識の森，4 群 モ バイル・通信，1 編 無線通信基礎 7 章 MIMO 伝送, 電子情報通信学会，2010．

[38] ITU-R, “Specific attenuation model for rain for use in prediction methods,” P.838-3, Mar. 2005.

[39] 今井哲郎，電波伝搬解析のためのレイトレーシング法－基礎から応用まで－，コ ロナ社，東京，2016．

[40] 今井哲郎，角 誠，多賀登喜雄，”レイトレーシング法を用いた市街地マクロセル 伝搬推定システム，” NTT DoCoMo テクニカルジャーナル, Vol.12, no.1, pp.41-49, Apr. 2004.

[41] 公益財団法人鉄道総合技術研究所，株式会社日立国際電気，国立研究開発法人情 報通信研究機構プレスリリース，”世界初，90 GHz 帯を用いて時速 240 km で走行 する列車と地上間で毎秒 1.5 ギガビットのデータ伝送に成功，” Jan. 2019.

[42] ITU-R, P.676-12, “Attenuation by atmospheric gases and related effects.”

[43] 松村善洋，西山武志，笹木栄志，西本研悟，圷 浩行，眞田幸俊，”新幹線架線電 圧検知・無線通信共用アンテナの小形化と試験結果，” 信学論(B), Vol.J104-B, no.1, pp.42-53, Jan. 2021.

[44] 笹木栄志，松村善洋，西山武志，笹木栄志，西本研悟，牧村英俊，圷 浩行，”東 海道新幹線新型静電アンテナの開発，” 日本鉄道サイバネティクス協議会, 2020 年 度鉄道サイバネシンポジウム Nov. 2020.

[45] JR 東海 ニュースリリース，”東海道新幹線におけるミリ波方式列車無線の整備 について，” Sept. 2021.

[46] N. Nonaka, K. Muraoka, T. Okumura, S. Suyama, Y. Okumura, T. Asai, and Y. Matsumura, “28 GHz-Band Experimental Trial Using the Shinkansen in Ultra High-Mobility Environment for 5G Evolution,” IEICE Trans. Commun., Vol.E104-B, no.9, pp.1000-1008. Sept. 2021.

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