電気通信における信号強度

電気通信、特に無線周波数工学において、信号強度とは、送信アンテナから一定距離離れた基準アンテナが受信する送信電力出力のことです。放送で使用されるような高出力送信は、 dB（ミリボルト毎メートル、dBmV/m）で測定されます。携帯電話などの非常に低出力のシステムでは、信号強度は通常、dB（マイクロボルト毎メートル、dBμV/m）または1ミリワットの基準レベルを超えるデシベル（dBm ）で表されます。放送用語では、1 mV/mは1000 μV/mまたは60 dBμ （dBuと表記されることが多い）です。

例

100dBμまたは100mV/m：一部の受信機ではブランケット干渉が発生する可能性があります
60 dBμまたは1.0 mV/m:北米では無線局の保護区域の境界とよく考えられています
40 dBμまたは0.1 mV/m: ほとんどの受信機で許容できる品質で放送局を受信できる最小の強度

平均放射電力との関係

特定の点における電界強度は、送信アンテナに供給される電力、アンテナの形状、および放射抵抗から決定できます。自由空間における中央給電型半波長ダイポールアンテナの場合を考えてみましょう。ここで、全長Lは半波長（λ/2）に等しいとします。薄い導体で構成されている場合には、電流分布は基本的に正弦波となり、放射電界は次のように表されます。

半波長に等しい長さのアンテナ上の電流分布（）。 $\scriptstyle {L}$ $\scriptstyle {\lambda /2}$

E_{\theta }(r)={-jI_{\circ } \over 2\pi \varepsilon _{0}c\,r}{\cos \left(\scriptstyle {\pi \over 2}\cos \theta \right) \over \sin \theta }e^{j\left(\omega t-kr\right)}

ここで、はアンテナ軸と観測点へのベクトルとの間の角度、は給電点におけるピーク電流、は自由空間の誘電率、は真空中の光速、はアンテナまでの距離（メートル）である。アンテナを横から（）見たとき、電界は最大となり、次式で表される。 $\scriptstyle {\theta }$ $\scriptstyle {I_{\circ }}$ $\scriptstyle {\varepsilon _{0}\,=\,8.85\times 10^{-12}\,F/m}$ $\scriptstyle {c\,=\,3\times 10^{8}\,m/s}$ $\scriptstyle {r}$ $\scriptstyle {\theta \,=\,\pi /2}$

\vert E_{\pi /2}(r)\vert ={I_{\circ } \over 2\pi \varepsilon _{0}c\,r}\,.

この式をピーク電流について解くと、

I_{\circ }=2\pi \varepsilon _{0}c\,r\vert E_{\pi /2}(r)\vert \,.

アンテナへの平均電力は

{P_{avg}={1 \over 2}R_{a}\,I_{\circ }^{2}}

ここで、中央給電型半波長アンテナの放射抵抗はである。の式をの式に代入し、最大電界を求めると、 $\scriptstyle {R_{a}=73.13\,\Omega }$ $\scriptstyle {I_{\circ }}$ $\scriptstyle {P_{avg}}$

\vert E_{\pi /2}(r)\vert \,=\,{1 \over \pi \varepsilon _{0}c\,r}{\sqrt {P_{avg} \over 2R_{a}}}\,=\,{9.91 \over r}{\sqrt {P_{avg}}}\quad (L=\lambda /2)\,.

したがって、半波長ダイポールアンテナへの平均電力が 1 mW の場合、313 m (1027 フィート) での最大電界は 1 mV/m (60 dBμ) になります。

短双極子（）の場合、電流分布はほぼ三角形になります。この場合、電界と放射抵抗は $\scriptstyle {L\ll \lambda /2}$

E_{\theta }(r)={-jI_{\circ }\sin(\theta ) \over 4\varepsilon _{0}c\,r}\left({L \over \lambda }\right)e^{j\left(\omega t-kr\right)}\,,\quad R_{a}=20\pi ^{2}\left({L \over \lambda }\right)^{2}.

上記と同様の手順を用いると、中央給電短ダイポールの最大電界は

\vert E_{\pi /2}(r)\vert \,=\,{1 \over \pi \varepsilon _{0}c\,r}{\sqrt {P_{avg} \over 160}}\,=\,{9.48 \over r}{\sqrt {P_{avg}}}\quad (L\ll \lambda /2)\,.

無線信号

世界中の多くの国に携帯電話基地局の塔網がありますが、受信状態が良好でない地域が依然として多く存在します。一部の地方では、携帯電話の塔を建設するコストが高額で、少数の顧客しか利用できないため、効果的に電波が届く可能性は低いでしょう。信号強度の高い地域でも、地下室や大きな建物の内部では受信状態が悪いことがよくあります

信号強度が弱い原因としては、都市部にある基地局からの信号が干渉し合うことや、建物に使用されている建築資材が信号強度を著しく減衰させることなどが挙げられます。倉庫、病院、工場などの大きな建物では、外壁から数メートル以上離れた場所では信号が利用できないことがよくあります。

これは特に、高周波数で動作するネットワークに当てはまります。高周波数で動作するネットワークは、反射や回折を利用して障害物を回避できるものの、介在する障害物によって減衰が大きくなるためです。

推定受信信号強度

アクティブRFID タグの推定受信信号強度は次のように推定できます。

\mathrm {dBm_{e}} =-43.0-40.0\ \log _{10}\left({\frac {r}{R}}\right)

一般的に、経路損失指数を考慮することができる：^[1]

\mathrm {dBm_{e}} =-43.0-10.0\ \gamma \ \log _{10}\left({\frac {r}{R}}\right)

パラメータ	説明
dBm _e	アクティブRFIDタグにおける推定受信電力
−43	最小受信電力
40	モバイルネットワークの10年あたりの平均伝搬損失
$r$	携帯端末から携帯電話基地局までの距離
$R$	携帯電話基地局の平均半径
$γ$	経路損失指数

実効経路損失は、周波数、地形、および環境条件によって異なります

実際には、任意の距離 r ₀における既知の信号電力dBm ₀を基準として使用できます。

\mathrm {dBm_{e}} =\mathrm {dBm} _{0}-10.0\ \gamma \ \log _{10}\left({\frac {r}{r_{0}}}\right)

10年単位の周期

\log _{10}(R/r)

10年単位の周期の推定値が得られ、これは平均経路損失40dB/10年と一致する

セル半径を推定する

セル距離rと受信電力 $dBm m の$ ペアを測定すると、平均セル半径を次のように推定できます。

R_{e}=\operatorname {avg} [\ r\ 10^{(\mathrm {dBm_{m}} +43.0)/40.0}\ ]

新しい携帯電話基地局の位置を計画するための特殊な計算モデルが存在します。この計算モデルでは、地域の状況や無線機器のパラメータ、さらに反射が発生しない限りモバイル無線信号は見通し内で伝播するという点を考慮します。

参照

参考資料

^ フィゲイラス、ジョアン、フラッタシ、シモーネ（2010年）『モバイル測位と追跡：従来型技術から協調型技術へ』ジョン・ワイリー・アンド・サンズ、ISBN 978-1119957560。

外部リンク

ネットワーク別の携帯電話電波の世界地図。クラウドソーシングデータに基づく
クラウドソーシングによる携帯電話とWi-Fiの電波マップ。データはオープンデータベースライセンスに基づいて公開されます。

[1] フィゲイラス、ジョアン、フラッタシ、シモーネ（2010年）『モバイル測位と追跡：従来型技術から協調型技術へ』ジョン・ワイリー・アンド・サンズ、ISBN 978-1119957560。