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

• 100 dBμまたは100 mV/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（ ）。${\displaystyle \scriptstyle {L}}$ ${\displaystyle \scriptstyle {\lambda /2}}$

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

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 。${\displaystyle \scriptstyle {\theta}}$ ${\displaystyle \scriptstyle {I_{\circ}}}$ ${\displaystyle \scriptstyle {\varepsilon _{0}\,=\,8.85\times 10^{-12}\,F/m}}$ ${\displaystyle \scriptstyle {c\,=\,3\times 10^{8}\,m/s}}$ ${\displaystyle \scriptstyle {r}}$ ${\displaystyle \scriptstyle {\theta \,=\,\pi /2}}$

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

この式をピーク電流について解くと、

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

アンテナへの平均電力は

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

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、 ${\displaystyle \scriptstyle {R_{a}=73.13\,\Omega }}$ ${\displaystyle \scriptstyle {I_{\circ }}}$ ${\displaystyle \scriptstyle {P_{avg}}}$

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

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 ${\displaystyle \scriptstyle {L\ll \lambda /2}}$

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

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

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

RF信号

世界中の多くの国々に携帯電話基地局の塔網が敷設されていますが、それでも受信状態が良好でない地域が数多く存在します。一部の地方では、少数の顧客しか利用できないため、基地局の設置費用が高額になり、電波が十分に届かない可能性があります。信号強度の高い地域でも、地下室や大型建物の内部では受信状態が悪くなる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。

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

一般的に、経路損失指数を考慮することができる：^{[ 1 ]}

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

パラメータ	説明
dBm e	アクティブRFIDタグの推定受信電力
−43	最小受信電力
40	モバイルネットワークの10年あたりの平均パス損失
r	モバイルデバイス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	パス損失指数

実効パス損失は周波数、地形、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。

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

数十年

${\displaystyle \log _{10}(R/r)}$ 10 年あたりの平均パス損失が 40 dB/10 年になるという推定値が得られます。

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。

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

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

• 携帯電話ネットワーク
• 携帯電話
• 携帯電話リピーター
• 通話が切れました
• デッドゾーン（携帯電話）
• 自由空間における双極子場の強度
• 電界強度計
• 受信信号強度インジケーター
• Sメーター
• 信号
• 携帯電話の電波
• モバイル通信範囲

参考文献

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。

外部リンク

• ネットワーク別の携帯電話電波状況の世界地図。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。