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7 ミリ波列車通信システムの開発
鉄道総研創立十周年記念論文（北山敏和　入賞論文集）平成8年12月　アニメの追加

　この下にアニメソフト・フラッシュで作成したアニメを表示しています。
　インターネットは表示できますがタブレットの機種によっては何も標示しないのもあいます。

１　まえがき

　最近の情報通信分野の技術進歩は驚異的である。携帯電話、PHS、LAN、インターネット、デジタル衛星放送、テレビ電話等次々と新しい通信技術が開発され実用化されている。これは情報インフラの整備が進んできたからである。基幹ルートの有線回線はすべて光ファイバ化され、通信能力が飛躍的に増大した。無線回線でも情報量の大きいマイクロ波帯の無線技術が開発され、通信衛星やパラボラアンテナによる大容量の基幹通信ネットワークが構築されてきた。 21世紀には一般家庭にも光ファイバが敷設され、テレビ電話、スポーツ競技やライブのインターネット中継、在宅したままで大学の講義の受講や会社の会議への出席等が可能なマルチメディア時代が来るといわれている。
　鉄道の分野でも地上の基幹回線は光ファイバ化が実現した。しかし列車の無線回線は割当周波数の関係から、運転保安用の列車無線と防護無線だけの以前の最低レベルのままである。最近、携帯電話の普及で列車からの電話が可能になったが、21世紀のマルチメディア時代にはさらに列車内でもオフィスや家庭と同様の情報インフラが要求されるだろう。

２　ミリ波  top

　ミリ波は波長が1cm〜1mmの短い電波で、光のように直進する、ビーム状の電波を作りやすい、降雨や空気に吸収される、霧や降雪は透過する、アンテナと回路デバイスを小さくできる等の特徴をもつ。また、波長が1cm以上のマイクロ波までの電波の９倍の広い帯域幅（30〜300GHz）をもつため、光ファイバ並みの高速通信が可能である。マイクロ波までの電波（O〜30GHz）は広く利用が進んでおり、今後の電波需要に対してはこの未利用のミリ波が有望視されており、その開発が世界的に進められている。　
　日本でも郵政省がミリ波の開発を促進するため平成５年に、波長が約 5mmの60GHz帯を開発周波数に指定し、この周波数帯を使って民間が開発したシステムについては、原則としてそのまま免許申請を認めるとしている。（第１図参照）

この60GHz帯の電波はミリ波の中でも特に､酸素吸収による適度の減衰があり電波は数100 mしか届かない特徴をもつ。これは逆に少し離れれば同一電波を繰り返して利用できる利点となる。他のミリ波は降雨による減衰で晴天時と降雨時で到達距離が大幅に変るが、60GHz帯は酸素吸収が大きいため天候による変動は少ない。（第２図参照） 　通信総合研究所ではこの実験システムとして超高速の構内無線を開発中で、今年８月にその成果を一般公開している。そこではビーム幅 60度の広角のアンテナ４個を、ビラミッド型の４面に並べた角度ダイバーシチにして全方位型にした親局用と、親局に対向させて使用するビーム幅4.6度の指向性の鋭い子局用の平面アンテナが試作されている。 アンテナは手のひら程度の大きさで、その中に光−ミリ波変換器等のミリ波デバイスを内臓しており、通信機器やコンピュータと光ファイバで直結できるようになっている。 　この実験システムでは親局をオフィスの天井に取り付けて部屋全体に直射電波を出し、子局のオフィス内の情報機器類と超高速無線LANで結ぶ利用法が考えられており、近く実用化される予定である。 　その他にミリ波の開発で知られているものに、テレビ局が使用する屋外番組中継機、自動車の衝突防止レーダと路車間通信、衛星間通信等がある。これらの開発によりミリ波デバイスのモノリシック集積回路（MMIC）の基盤技術が確立すれば、今後多くの分野でミリ波を利用したシステムの開発が進められていくだろう。

３　ミリ波列車通信システム  top

　以下、鉄道における地上と列車間の高速通信システムとして、この60GHz帯ミリ波の利用を考えてみる。ミリ波を鉄道で利用するには、走る列車の子局アンテナから常に地上の親局アンテナを見通せる必要があり、又その間の距離を電波の到達距離以内にする制約がつく。これは鉄道の信号機の設置条件と似ている。鉄道の線路は細長いので超高速無線LANの場合とは異なり親局子局とも指向性の鋭いアンテナを用いる。

　地上の親局アンテナは電波の到達距離の２倍のピッチで設置し、子局アンテナは列車の先頭と後尾に設ける。親局、子局ともアンテナは２個背中合わせにして線路の上りと下りの方向に向ける。列車が親局間を走行中は、子局の外向きの２個と隣接した親局の内向きの２個を生かす。（第３図ａ参照）
　また列車が親局直下を走行中は、アンテナの死角を防ぐため子局は内向きの２個と親局の一対を生かす。（第３図ｂ参照）
さらに隣接ゾーンに別の列車がいてもその電波は減衰するので、電波の干渉の問題も生じない（第３図ｃ参照）

　このように常にミリ波の通路を２ルート生かしながら、その中で受信レベルの良好な方で通信を行い、また列車の走行に合わせて親局と子局を順次切り換えて、列車へのシームレスな高速移動通信を実現する。
　アンテナの指向性が鋭いので電波の拡がりによる減衰が小さくできるので、到達距離は手のひらサイズのアンテナで500m以上期待できる。従って親局のピッチはその２倍の約1kmとなる。親局は上りと下りの両方の列車と交信できるように設置する。より幅の広い電波領域が必要な曲線や駅構内に対しては、角度ダイバーシチアンテナを用いるか、アンテナの指向角を広げて親局間隔を縮める。なお親局は追越駅や本線上の団子運転を想定して､４列車と同時通信可能な多元接続方式とする。（第４図参照）

　ミリ波アンテナのフィーダ線は光ファイバとし通信コンピュータと光信号でやりとりする。従って地上−車両間のデータ通信はデジタル信号→光信号→ミリ波→光信号→デジタル信号と変換されながら行われる。
　基地局の通信コンピュータは管内の親局全体を制御し、さらに交換機を用いてCTCコンピュータ、鉄道ＷＡＮ、公衆電話回線、インターネット、ケーブルテレビ局等につながったネットワークを構成する。列車の通信コンビューダも運転台パソコン、車内プラズマデスプレイ、PHS親局等とネットワークを構成する。PHS親局は車内にマイクロ波の微弱電波を出しPHS端末につなぐ。

４　ミリ波列車通信を利用した21世紀の鉄道技術  top

（1）列車運転
　CTCコンピュータと各列車のパソコンで分散コンピューテイングを構築する。これはお互いに情報交換しながら、自らの守備範囲の最適処理を行うものである。　CTCコンビゴータは各列車からリアルタイムの運転情報を得て、ダイヤ遅延時の最適な修復処理やきめの細かい案内処理を行う。列車パソコンはCTCの運転情報データベースから必要な情報を得て､==j次駅までの最適な運転操作法を計算し、それを運転台モニタに表示して運転士の運転操作を支援する。

（2）列車間隔制御
　先行列車の後尾位置と速度を基点とした時々刻々のATS−Pパタンを作成し、後続電車はそのパタン内の位置と速度で走行する（第５図参照）／電車長を200m、駅進入速度を時速90キロ、加速度1m/82、減速度1m/s2とすると、この方式では先行電車が駅を発車してから後続電車がホームに停車するまでの最小時間は40秒となる。また先行電車の急ブレーキ等の運転操作を後続電車に伝送七適切な列車間隔を維持できるようにする。

(3)運転保安への利用
　踏切や見通しの悪い危険地帯には夜間も見える赤外線カメラを取り付け映像を送信して、列車がその地点に近ずいた時に運転台モニタに表示する。また駅停車中の列車の全ドアを見通せる位置に高解像度の望遠カメラを取り付け、運転台モニタに表示する。

(4)車内の案内表示とテレビ番組
　車内にカラープラズマデスプレイを取り付け、そこに案内表示やテレビ番組を流す。
案内表示は列車案内だけでなくご沿線案内や沿線ニユース等も流す。テレビ番組には字幕を入れるとか、車内に微弱電波を流して専用イヤホンで音を聞けるようにする。

(5)PHSとインターネヅト
　PHSは走行する列車からは利用できないので､車内にPHS親局を設け利用できるようにする。またPHSはデータ通信機能を持つので、ノートパソコンやマルヂメディア携帯端末を使って、インターネットやLANに車内からアクセスできるようにする。

(6)車掌業務への利用
　　PHSを使って司令所や駅とテレビ電話ができ、また指定券の販売、ホテルやレンダー　カーの予約等もできる液晶表示付きの車掌用携帯端末を開発する。また、鉄道LANの　営業案内のデータベースを簡単な操作で索引できるようにし、乗客の各種問い合わせに　対応できるようにする。　

(7)検査業務への利用
　運転中に電車の故障が発生すればその電車の保守基地とテレビ電話でつなぐ。そしてベテランの車両技術者が電車をリモートチェックし、運転士の故障の処置や復旧を支援する。走行中の電車の車輪やパンタグラフの映像、振動、音等をデジタルカメラやセンサで捉え線路の保守基地に伝送する。これらのデータをコンピュータ分析し、異常区間があれば生デこタをモニタに再生し、線路や架線の保守に役立てる。

　以上、ミリ波列車通信の利用例をいくつか示した（第６図）。他にもいろんなアイデアがあるだろうし、またマルチメディア技術の進歩でさらに有用な利用法も現れるだろう。この情報インフラ方式としては他にも光通信や通信衛星が考えられるが、列車への適用には課題が多いと思われる。細長い線路に沿ってビー-ム状に電波を出すことができ、また多数の列車に繰り返し利用できる60GHz帯のミリ波は鉄道に適した電波だといえる。急激な変貌を遂げているマルチメディア技術を鉄道に取り入れるために、ミリ波列車通信とその利用技術の研究開発が望まれる。

参考文献　赤池他「特集よみがえるミリ波と産業応用」エレクトロニクス（1993年3月）

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