ローカル5G電波シミュレーションを活かした基地局配置計画

検証や実証に用いた方法・データ・技術・機材

3D都市モデルを活用した電波伝搬シミュレーションの有効性を検証するため、横浜市みなとみらい21地区を対象に、シミュレーション結果と電波の実測結果との比較を行った。シミュレーションでは、対象地域の3D都市モデルを用い、地形、建物形状を電波伝搬解析の物理条件、基地局位置、アンテナ特性等を入力条件とした。電波伝搬経路のアルゴリズムはG. Wölfleらによる論文[1]を参照し、支配的な電波伝搬経路に沿った損失を算出するモデルを構築した。実測では移動基地局車から発射された電波を位置情報と周波数、電波強度を同時取得可能なエリアテスターで受信し、シミュレーションの結果と突合比較を行った。樹木の有無など現実の状況とシミュレーションでモデル化された都市の状況との違いを踏まえ、シミュレーションの精度を向上するための改善点の検討を実施した。また、エリア全体に的確に5Gの電波を行き渡らせるための基地局配置を検討するため、基地局の配置が可能な764箇所それぞれで、電波の向きを東西南北の4方向と、電波の鉛直方向の向き0°、20°、40°、60°の4パターンを組み合わせ、合計で12,224回の電波伝搬シミュレーションを実施し、この中から最もエリア内をカバーできる基地局の組み合わせを見つけることを試みた。この試行は、「組合せ最適化」と呼ばれ、厳密な最適解を求めるためには膨大な組み合わせの試行が必要となるため、解を求めるのには長い計算時間を要する。そこで、今回のシミュレーションにおいては、生物進化の仕組みを模擬し、最適な解を効率的に探索する手法である遺伝的アルゴリズムを利用することで、最適な基地局配置案を導出した。
[1] G. Wölfle, F.M. Landstorfer, R. Gahleitner, and E. Bonek: “Extensions to the field strength prediction technique based on dominant paths between transmitter and receiver in indoor wireless communications”, 2nd European Personal and Mobile Communications Conference (EPMCC) 1997 (together with 3. ITG Fachtagung “Mobile Kommunikation”), Bonn, Germany, pp. 29-36, Sept 1997.

検証で得られたデータ・結果・課題

計測結果とシミュレーション結果を重ねて表示したグラフを下に示す。横軸は計測地点の番号、縦軸は電波強度をdBmという電波強度を表すのに利用される単位で表示している。青線は計測結果、オレンジ色の線はシミュレーション結果を示している。シミュレーション結果はおおむね計測の変動の範囲内に収まっていることが確認できた。

計測結果とシミュレーション結果の差をヒストグラムにしたものが下図である。縦軸が度数、横軸が計測値とシミュレーション値の差を表している。この結果から、計測とシミュレーションとでは平均-1.68 dB程度の差があり、分布としては7.88 dB程度の広がりがあることが確認できた。電波の計測では、同一地点においても常に電波強度は変動を示す。今回の計測においてはその変動幅がおよそ10 dB程度に対し、平均で1.68 dB程度の差でシミュレーション結果が得られていることから、本シミュレーション結果については、実用的に利用可能な精度であると考えている。

シミュレーション精度を高めるため、当初、樹木についてはシミュレーションモデルとして考慮に入れていなかったが、実測により、樹木により電波が遮蔽されるエリアは電波強度が弱まることが明らかになったため、改めてシミュレーションモデルに樹木を取り入れたところ、下図のように実測値とシミュレーション値の差を平均-0.498 dB程度まで小さくすることができた。

基地局配置の最適化については、基地局を6局的確に配置することで、エリアの電波カバー率を最大にできる事が確認できた。

下左図に最適化前の電波カバーエリア、下右図に最適化後のカバーエリアの図を示す。濃い青の領域は電波が弱いことを示しており、最適化後のカバーエリアでは電波の弱い領域が少なくなったことが確認できた（カバーエリアの図の中の赤矢印の根元が基地局の配置位置を示しており、矢印の向きが電波の発射方向を示している。）。

今回、シミュレーションを実施したエリアでは、3D都市モデルが整備された後に建築された建物も含まれていたため、その建物については3D都市モデルを手作業で作成し、シミュレーションモデルに組み入れた。開発が活発な地域で精度高くシミュレーションを実施するためには、3D都市モデルの情報と実際の情報にずれが生じないよう、最新の状況を踏まえたデータを活用する必要がある。

参加ユーザーからのコメント

実証に参加した5Gや電波業務にかかわる事業者から、以下のコメントがあった。
・5G基地局の選定を事前に検討できるのは有用
・5Gネットワークの最適エリアを証明しやすい
・ドローン航路の予想に使える
・電波を見える化できることで電波に新しい価値が与えられる
・建物構造、道路環境のデータが詳細になればシミュレーション精度も上がるが、どこまで細かくモデル化するかの際限がなくなる
・街路灯、樹木などの付加データの収集が重要になる

今後の展望

今回の実証実験では、ローカル5Gの電波伝搬シミュレーションと、基地局の最適配置シミュレーションについて、オープンデータとして提供されている3D都市モデルを活用することで、より手軽かつ安価に行うことを可能とするワークフローの構築を試みた。これにより、通信の専門家や関連事業者以外でも、現地での事前調査にかかるコストを削減しつつ、机上で3D都市モデルを活用した電波伝搬シミュレーションや最適な基地局配置の検討が可能となる。これらにより、全国での5Gの早期ネットワークの整備・活用を促進するとともに、これを活用した新たなサービスの創出を目指していく。