無線通信システムが達成できる通信距離は、システムを構成する様々な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、以下の通信距離方程式で表すことができます。
通信システムの送信機器の送信電力がPT、送信アンテナの利得がGT、動作波長がλである場合、受信機器の感度がPR、受信アンテナの利得がGR、受信アンテナと送信アンテナ間の距離がRであり、視覚距離内かつ電磁干渉のない環境下では、以下の関係が成り立つ。
PT(dBm)-PR(dBm)+GT(dBi)+GR(dBi)=20log4pr(m)/l(m)+Lc(dB)+ L0(dB) この式において、Lcは基地局送信アンテナのフィーダー挿入損失、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のために十分な余裕を持たせておく必要がある。
一般的に、森林や一般建築物を通過する際には10～15dBのマージンが必要であり、鉄筋コンクリート建築物を通過する際には30～35dBのマージンが必要である。
800MHz、900MHzのCDMAおよびGSM周波数帯では、一般的に携帯電話の受信閾値レベルは約-104dBmと考えられており、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。実際には、良好な通信を維持するために、受信電力は-70dBmとして計算されることがよくあります。基地局のパラメータが次のようになっていると仮定します。
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です（フィーダー長約60m）。
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）
上記のコミュニケーション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
上記の式の左辺の値が右辺の値より大きい場合、つまり次のようになります。
GT(dBi) > 20logr(m)-80.1dB+伝搬損失L0。この不等式が成り立つ場合、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。
基地局がゲインGT=11dBiの無指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以内の距離で良好な通信を維持できます。
上記と同じ伝搬損失条件の下で、送信アンテナの利得GTが17dBi、つまり6dBi増加すると、通信距離は2倍になり、r = 2キロメートルになります。他の場合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°などの扇形ビームしかカバーできず、全方向カバーを維持できないことに注意してください。
さらに、上記の計算で送信アンテナ利得 GT=11dBi が変わらない場合でも、伝搬環境が変化すると伝搬損失 L0=31.1dB-20dB=11.1dB となり、伝搬損失が 20dB 減少することで通信距離が 10 倍、つまり r=10 キロメートルに増加します。伝搬損失項は周囲の電磁環境に関係しています。都市部では高層ビルが多く、伝搬損失が大きくなります。郊外の農村部では農家が低くまばらに建っているため、伝搬損失は小さくなります。したがって、通信システムの設定がまったく同じであっても、使用環境の違いにより有効カバレッジ範囲は異なります。
したがって、無指向性アンテナ、指向性アンテナ、高利得アンテナ、低利得アンテナなどを選択する際には、移動体通信ネットワークの具体的な条件やアプリケーション環境に応じて、異なる種類や仕様の基地局アンテナを使用することを検討する必要がある。
アンテナについてさらに詳しく知りたい場合は、以下をご覧ください。
投稿日時：2025年7月25日
