電波伝搬に関する基礎知識とLoRaの実際の計測結果について

1. みなみテック第0回
明日から役立つ（？）IoTと電波と通信
2019年8月19日
船田 悟史

2. 自己紹介
• 船田 悟史
– 1975年1月1日 栃木県栃木市生まれ
– 株式会社イーツリーズ・ジャパン 代表取締役
– 徳島県海部郡美波町 と 東京都日野市の2拠点居住
– 回路設計、FPGA論理設計、プリント配線板設計・実装など
– 通信、ものづくりが楽しい

3. 本日の内容
• LoRaってどれくらい飛ぶの？ という疑問を解決するために
• 無線の基礎の基礎 → 頭で理解
• 実際の計測データ → 感覚での理解

4. IoTでよく使われる無線通信
• Wi-Fi
• Bluetooth Low Energye
• Zigbee
• 920MHz独自方式
(IM920, トワイライト, Private LoRa, …)
• LoRaWAN
• Sigfox
• Wi-SUN
• Wi-Fi HaLow
• NB-IoT
• LTE-M
• …
なぜこんなに多くの方式があるのか？
どの通信方式を使ったらよいのか？

5. 電波って何？
• 電気（電界）と磁気（磁界）の波
送信機
磁気の
変化
電気の
変化
磁気の
変化
受信機
送信アンテナでの
電気の変化
受信アンテナでの
電気の変化

6. 波の大きさ ＝ 波長
• 光の伝搬速度と、波の周波数で決まる
波長（ｍ） ＝ 299,792,458(m/sec) x 波の周期(sec)
＝ 300 (Mm) / 周波数(MHz)
http://www.hp.phys.titech.ac.jp/yatsu/1FGL2339/img/elemag_waves.pdf

7. 地面、水面、壁、山、人など
電波の伝わり方
• 電波は直進する
直接波
• 受信アンテナから送信アンテナが直接見えなくても、電波は伝わることもある
反射波
回折波

8. フレネルゾーン
電波が伝わるには空間が必要
• 受信アンテナから送信アンテナが見えるだけ、では不十分
http://circuitdesign-jp.check-xserver.jp/wp-pre/technical/technicaltool/fresnel-zone/
フレネルゾーン計算ツール（㈱サーキットデザイン提供）
フレネルゾーン半径：
920MHzのとき、アンテナ間距離1000mで、2.9m
1000mで、8m
2.4GHzのとき、アンテナ間距離10mで、0.6m
100mで、1.7m

9. アンテナの感度
• 送信アンテナに送り込んだ電力のうち、送信したい方向の電波に変換される効率
• 受信アンテナに入ってきた電波のうち、電力に変換される効率
等方性アンテナ
（現実には存在しない）
指向性アンテナ
八木アンテナ
1倍
1倍
2倍
指向性を絞れば、その方向の感度は上がる
0.3倍
1倍

10. 受信機が受信できるかどうかの理論的な計算方法
• リンクバジェット
送信機の電力 － 伝搬ロス ＞ 受信機での最低限必要な電力
基準1mW(=0dBm)
送信電力 20mW(13dBm)
送信アンテナ感度 2.14dBi
LoRa受信感度 -136dBm(2.5x10^-14 mW )
空間損失 -91.7dB(奥村・秦モデル,920MHz郊外1000m)
受信アンテナ感度 2.14dBi
受信機入力電力 = -99.7dBm(1.1x10^-10mW)
リンクバジェット=36.3dB

11. LoRaでの到達限界距離はどれくらい？
• リンクバジェット＝０となる空間損失最大の地点
基準1mW(=0dBm)
送信電力 20mW(13dBm)
送信アンテナ感度 2.14dBi
受信機入力電力 = LoRa受信感度 -136dBm
空間損失 -153.28dB(奥村・秦モデル,920MHz郊外 約40km)
受信アンテナ感度 2.14dBi
リンクバジェット=0dB

12. どこから日和佐城まで、LoRaで届くか？
• まずは、見通しの範囲の調査から
カシミール3D（スーパー地形セット）使用
城山文化交流拠点施設前、地上高2mから可視範囲

13. 送信機
• EASEL社のPrivate LoRaモジュール「ES920LR」を使用
GPS
GPSの位置データを、
10秒に一回、LoRaで送信
NotePC
USB
リュックサックに入れて、
自転車で低速移動した

14. 受信機
• EASEL社のPrivate LoRaモジュール「ES920LR」を使用
– RaspberryPiで制御
– LoRa受信データをLTEでイーツリーズIoTクラウドに送信

15. 実際の計測結果データ
2019/8/10 14:00 ~ 18:00 計測, LoRa設定：BW62.5kHz, SF12, CH7, ACK ON, Retry 3, Power 13dBm
送信側ログデータ、クラウド受信データを、folium/Leafletにより可視化

16. 参考資料・出典
• 電磁波の波長と名称
http://www.hp.phys.titech.ac.jp/yatsu/1FGL2339/img/elemag_waves.pdf
• フレネルゾーン計算ツール
http://circuitdesign-jp.check-xserver.jp/wp-pre/technical/technicaltool/fresnel-zone/
• 奥村・秦カーブ計算ツール
http://circuitdesign-jp.check-xserver.jp/wp-pre/technical/technicaltool/okumura-hata-curve/
• dBm計算ツール
https://www.analog.com/jp/design-center/interactive-design-tools/dbconvert.html
• カシミール3D
https://www.kashmir3d.com/