無線通信システムが実現できる通信距離は、システムを構成する各種機器や通信環境など、様々な要因によって決まります。これらの関係は、以下の通信距離計算式で表すことができます。
通信システムの送信装置の送信電力をPT、送信アンテナ利得をGT、動作波長をλとする。受信装置の受信感度をPR、受信アンテナ利得をGR、受信アンテナと送信アンテナ間の距離をRとすると、可視距離内かつ電磁干渉のない環境において、以下の関係が成立する。
PT(dBm)-PR(dBm)+GT(dBi)+GR(dBi)=20log4pr(m)/l(m)+Lc(dB)+L0(dB) 式中、Lcは基地局送信アンテナのフィーダ挿入損失、L0は伝搬中の電波損失です。
システムを設計する際には、最後の項目である電波伝搬損失 L0 に十分な余裕を持たせる必要があります。
一般的に、森林や民間の建物を通過する場合は 10 ～ 15 dB の余裕が必要であり、鉄筋コンクリートの建物を通過する場合は 30 ～ 35 dB の余裕が必要です。
800MHz、900MHzのCDMAおよびGSM周波数帯では、携帯電話の受信閾値レベルは約-104dBmと一般的に考えられており、必要な信号対雑音比を確保するには、実際の受信信号は少なくとも10dB高くなければなりません。実際、良好な通信を維持するために、受信電力は-70dBmと計算されることがよくあります。基地局のパラメータは以下のとおりと仮定します。
送信電力は PT = 20W = 43dBm、受信電力は PR = -70dBm です。
フィーダー損失は2.4dB（約60mフィーダー）
携帯電話受信アンテナ利得 GR = 1.5dBi;
動作波長 λ = 33.333cm（周波数 f0 = 900MHz に相当）
上記の通信方程式は次のようになります。
43dBm-(-70dBm)+ GT(dBi)+1.5dBi=32dB+ 20logr(m) dB +2.4dB + 伝搬損失 L0
114.5dB+ GT(dBi) -34.4dB = 20logr(m)+ 伝搬損失 L0
80.1dB+ GT(dBi) = 20logr(m)+ 伝搬損失 L0
上記の式の左側の値が右側の値より大きい場合、次のようになります。
GT(dBi) > 20logr(m)-80.1dB+伝搬損失L0。この不等式が成立する場合、システムは良好な通信を維持できるとみなすことができます。
基地局が利得GT=11dBiの全方向性送信アンテナを使用し、送信アンテナと受信アンテナ間の距離がR=1000mの場合、通信方程式はさらに11dB>60-80.1dB+伝搬損失L0となり、つまり伝搬損失L0<31.1dBの場合、1kmの距離内で良好な通信を維持できます。
上記と同じ伝搬損失条件下では、送信アンテナ利得GT = 17dBi、つまり6dBiの増加で通信距離は2倍、つまりr = 2キロメートルまで延長できます。他の条件も同様に推論できます。ただし、利得GTが17dBiの基地局アンテナは、ビーム幅が30°、65°、90°などの扇形ビームカバレッジしか実現できず、全方向カバレッジを維持できないことに注意してください。
また、上記の計算において送信アンテナ利得GT=11dBiは変わらないものの、伝搬環境が変化し、伝搬損失L0=31.1dB-20dB=11.1dBとなった場合、伝搬損失が20dB減少することで通信距離は10倍、つまりr=10キロメートルに伸びます。伝搬損失の項は周囲の電磁環境と関係があり、都市部では高層ビルが多く伝搬損失が大きくなります。一方、郊外の農村部では農家が低くまばらで伝搬損失は小さくなります。そのため、通信システムの設定が全く同じであっても、使用環境の違いによって有効カバー範囲は異なります。
したがって、全方向性アンテナ、指向性アンテナ、高利得または低利得アンテナの形態を選択する場合には、移動通信ネットワークやアプリケーション環境の具体的な条件に応じて、異なるタイプおよび仕様の基地局アンテナの使用を検討する必要があります。
アンテナの詳細については、以下をご覧ください。
投稿日時: 2025年7月25日
