技術情報
Wi-Fi提供に向けた離島への4.9GHz帯無線アクセスシステム
新技術導入促進委員会 吉田英邦

日本には周囲0.1km以上の「島」と定義されている島は総務省統計局の発表で6852島(本州等含む)あるそうです。そのうち、人が住んでいる島は300~400近く(半定住等がありカウントが難しいようです)あり、近年、島おこし施策として、トライアスロン大会の開催や島全体にオブジェなどを配置し屋外美術館としてプロモートするなど、スポーツ愛好家や観光客の誘客も盛んになっています。これらの参加者や観光客向けにWi-Fiを整備しようとする施策も実施されるようになってきています。

これらの離島において課題となるのが島までの通信回線です。海底ケーブルが敷設され光回線が整備されている島もあれば、メタルの海底ケーブルで結ばれている島、11GHz帯等の無線システムで結ばれている島など様々であり、通信速度が遅くブロードバンド回線が利用できない島も多くあります。

これらのブロードバンド回線が利用できない島でWi-Fiサービスを提供しようすると、まず島までの高速な通信回線を確保する必要があります。ブロードバンドの通信回線を簡易に構築する方法の一つに4.9GHz帯無線アクセスシステムを用いる方法があります。ご存知の様に4.9GHz帯無線アクセスシステムは総務省に登録するのみの簡易な申請で利用でき、出力もWi-Fiより大きくアンテナも既製品として高利得のものがあることから、離島と光回線が敷設されている対岸(以下、便宜上「本土」とします)を結ぶ回線として利用可能です。

昨年、我々は瀬戸内海のとある離島でこの4.9GHz帯無線アクセスシステムを用いその有用性を確認するため実験を行いました。この島では、海底ケーブルが届いておらず無線システムによって通信が提供されていました。その無線回線を島民でシェアするため各建物に有線で敷設されている回線の速度が遅くWi-FiのAPを接続する回線としては使えないものでした。いくつかの回線の候補を検討し、まず4.9GHz帯無線アクセスシステムを試すこととしました。

実験システムは、A社製4.9GHz帯無線アクセスシステムを用い、本土側には港に面した島への見通しがとれるビルの6F 屋上の海面高約30mの位置に設置、離島側も海面高約20mの小学校内に設置し、その距離は約7kmありました。

図1.4.9GHz帯無線アクセスシステム(パラボラアンテナ部)

このような場合、まず無線伝送路となる空間として主にエネルギー伝達に寄与する第一フレネルゾーンを確保することが必要になります。

第一フレネルゾーンとは、電波エネルギーが受信機に最短距離で到達する場合と、別ルートで到達する場合との経路差がλ/2以内である経路の軌跡内に作られる回転楕円体空間です(図2の卵型の空間)。ちなみに本実験における周波数、距離に基づいて第一フレネルゾーン半径を計算すると約10.35mになります。本実験のアンテナ設置高は第一フレネルゾーン半径より高いところにありますので、我々の予想としては海の潮位の変化ではスループット等にあまり影響がなく、気を付けなければいけないのは直接波と海面からの反射波の位相が180度反転し合成されることよりNull点(電界強度が著しく低くなる点)が現れることだと思っていました。

結果は、潮位が低い時は20Mbps以上のスループットを計測しましたが、潮位が高い時は1~2Mbpsとなることが分かりました。第一フレネルゾーンを確保したつもりでしたが、我々の予想に反し明らかに潮位の影響を大きく受ける結果となりました。逆に明確にはNull点は現れず、これも予想に反するものでした。この結果に関する考察はいくつかの文献をみてみましたが、潮位の変化の他、気温と海水温の関係、風速、降雨などの幾つかの要因を総合的に分析する必要があることがわかったのですが、残念ながらそれらのデータのうちいくつかは取得していたものの全ては取得していなかったためこれ以上の分析は行うことができませんでした。ただ、これらの結果から海上における電波伝搬は様々な要素を勘案する必要があるものの、それらの影響を軽減するため対策、例えば、アンテナを2つ取り付けるスペースダイバーシティやアンテナ高の確保等を十分行うことにより4.9GHz帯無線アクセスシステムは離島向けの通信回線として十分利用できる可能性があることが分かったことは大きな収穫となりました。

実は、実験を行った離島については4.9GHz帯無線アクセスシステムではなく適切な代替手段が見つかりましたのでそちらでWi-Fiサービスの提供を行っています。次回、島跨ぎの案件があった時には是非活用したいと思っています。