第6回
無線回線の工事設計
〜フェージングマージンと熱雑音〜

第5回講座では、QPSKの理論C/N特性、無線中継器の固定劣化などについて説明し、無線回線の雑音配分について説明しました。
今回は図23に示すような総伝送路長150km、無線中継数3のモデル伝送路を想定し、雑音配分をもとにして無線回線設計（以下：工事設計または設計）を行ってみましょう。図23に示す無線中継区間A、B、Cは同一条件とし、本講座では無線中継区間Bを代表区間として工事設計を行います。本無線回線は1対1の送受対称の2波複信方式ですが、本工事設計では図23に示す送信（f1）⇒受信（f1）の無線回線について工事設計を行います。実際にはf1を用いた無線回線とは逆方向のf2を用いた無線回線についても工事設計を行う必要があります。
図23において、送信器（f1）の出力は送受共用器（T/R）（*3）に入力され、フィーダを経て送信側アンテナから電波として送出され50km離れた対向した受信側アンテナで受信されます。受信電力はフィーダと送受共用器（T/R）を経由して受信器に入力されます。
無線回線の工事設計を行う場合、表10に示すような計算シートを作成すると便利です。[ア]　以下、表10に従って工事設計を進めたいと思います。
なお、本講座では「電波法関係審査基準」[イ]に示された数値および計算式等を参考に工事設計を行っていますが、あくまでも検討のためのモデルですので実際の設計を行う場合は混信保護など他の項目について詳細な設計が必要となります。

1. Fmrの算出

   無線通信では、受信レベルが時間的に変化することをフェージングと言います。フェージングは送信側アンテナから放射された電波が伝搬路において地形、気象などの影響を受けて複数の経路（パス）を伝搬するため、これらの複数の電波を受信側アンテナで受信すると、振幅と位相の異なる電波が干渉し、受信レベルが変化します。マイクロ波帯固定無線中継ではレーレーフェージング発生確率[ウ]を用いて工事設計を行います。
   このため無線中継装置には、フェージングによる受信電力の変化に対しても安定な受信状態を保ち、目標とする回線品質を満足することが求められます。
   はじめに無線中継区間Bの距離50km、周波数6.7GHz（周波数帯の中心）、平均伝搬路高を100mとした場合の「目標回線品質を満足するための所要フェージングマージン」Fmrを求めます。本講座では目標回線品質は符号誤り率1×〖10〗^(-4)以下です。
   Fmrは下式を用いて求めます。

   

   ここで、
   k：年変動による増加係数で2
   PR：レーレーフェージング発生確率で下式を用いて求めます

   

   Qは伝搬路係数で、伝搬路は平野、平均伝搬路高は100mの場合、伝搬路係数は「電波法関係審査基準」を参考にQ=5.1×10^-9としています。
   16.2式にQおよびf＝6.7（GHz）、d＝50kmを代入すると

   PR＝0.00837

   次に伝送路の目標回線瞬断率Pirは表8から

   Pir=5×10^-5/D・・・（16.3）

   全伝送区間の距離Dは150kmですので

   Pir=3.33×10^-7/km

   目標回線品質を満足するための所要フェージングマージンFmrはk、PR、Pirおよびdを16.1式に代入することにより

   Fmr=30dB

   が得られます。このFmrを用いて本無線回線設計における標準受信電力Prnは

   

   となり、－44.5dBmが本無線回線の標準受信電力Prnとなります。

2. 定常時受信電力

   次に、図23に示した無線中継区間Bの定常時受信電力Prを算出してみましょう。
   無線回線を構成する各部の数値を、表10から送信電力（Pt）30dBm、送受共用器損失（送信側：Ldt）3dB、フィーダ損失（Lft）5dB、送信側アンテナ利得（Gat）42dBi、伝搬損失（Lp）142.9dB、受信側アンテナ利得（Gar）42dBi、フィーダ損失（Lfr）5dB、送受共用器損失（受信側：Ldr）3dBとした場合の定常時受信電力Prは

   Pr＝Pt－Ldt－Lft＋Gat－Lp＋Gar－Lfr－Ldr（表10_R4項参照）
   ＝30－3－5＋42－142.9＋42－5－3＝－44.9dBm

   となります。
   工事設計の結果、定常時受信電力（Pr）は－44.9dBmで、①.1項で求めた標準受信電力（Prn）－44.5dBmに対して±3dBの範囲内となっておりますので工事設計の第一段階は「合格」と考えてよいでしょう。これは図23に示すf2の無線区間も同じ考え方で設計を行うことができます。
   なお、本工事設計ではフィーダに導波管を用いることとします。導波管の配管長はアンテナの設置条件にもよりますが数十メートルから100m程度が想定されます。長尺の可とう導波管の損失は100mあたり約5dBですので本工事設計に適用可能と思われます。[エ]
   またアンテナは、直径2.6mΦ、効率（η）を0.5としたとき、利得は約42dBiとなりますので、本工事設計では直径2.6mΦのアンテナを用いることとします。（参考：アンテナ博士の電波講座；第3回 アンテナの利得）

3. フェージングマージン

   雑音配分（図21：第5回）にフェージング時の熱雑音（C/Ntho）として23.2dBが配分されています。これはフェージングによって受信電力が低下した場合でもこの配分値を満足するように工事設計を行う必要があります。
   図24は雑音配分の熱雑音（C/Ntho）とフェージングマージンの関係を図示したものです。図24から無線中継Bのフェージングマージンは32.1dBが得られていることがわかります、これは①.1項で算出したFmr＝30dBに対して2.1dBのマージンがありますので熱雑音に対する工事設計は「合格」といえます。
   フェージングは伝搬路の気象条件、地理的条件などの影響を受け、確率的に発生しますので、受信電力がFmrの値より大きく低下し、熱雑音の23.2dBを満足しない状態となることがあります。その場合には回線品質目標の符号誤り率1×10^－4を維持できなくなり回線断の状態となります。これを「回線瞬断率」で規定しますが、これについては今後機会がありましたら説明したいと思います。
   今回はフェージングマージンと熱雑音について工事設計を行いました。次回は歪雑音、干渉雑音について説明いたします。

   

   図24 熱雑音およびフェージングマージン（Fm）