——Towards Realization of Intersection Collision Prevention Using Inter-Vehicle
Communications——
Tatsuya KASHIWA
†a), Kenji TAGUCHI
†, and Suguru IMAI
†あらまし 現代はIoT と呼ばれる時代に突入しており，自動車技術の分野において自動運転，衝突防止，交通 制御などを目的として発達してきたITS 技術の融合が始まっている．ITS において特に重要となるのは安全性に 関わる部分である．中でも，衝突防止技術は重要な技術の一つである．近年，交差点における出会い頭衝突防止 を実現するためにITS Connect と呼ばれるシステムが実用化されつつある．本システムは，車車間通信あるい は路車間通信を用いて衝突を防止する安全支援システムである．これらの無線通信システムの設計においては電 波伝搬特性の把握が重要である．システム設計を行うためには，基本的には実験を行うことが必要であるが，電 波伝搬シミュレーションを行うことは効率的かつ有効であると考えられる．本論文では，IoT 時代の自動車通信 を目的とした電波伝搬解析について述べる．具体的には，交差点出会い頭衝突防止を目的とした760 MHz 帯車 車間通信の電波伝搬解析を例に詳述する． キーワード IoT，ITS，電波伝搬解析，車車間通信，760 MHz
1.
ま え が き
現代は
IoT (Internet of Things)
と呼ばれる時代に
突入しており，自動車技術の分野において自動運転，
衝突防止，交通制御などを目的として発達してきた
ITS (Intelligent Transport Systems)
技術の融合が始
まっている
[1], [2]
．このような時代においては，通信
ネットワーク，自動車衝突防止用レーダ，
VICS
(Vehi-cle Information and Communication System)
，
ETC
(Electronic Toll Collection System)
，
GPS (Global
Positioning System)
，テレビ・ラジオなどに見られる
ように自動車においても電波の送受信技術が非常に重
要になってきている．図
1
に国内における自動車通
信及び計測技術とその周波数を示す．また，北米では
Sirius XM Radio
社によって広い放送エリアを実現可
†北見工業大学，北見市Kitami Institute of Technology, 165 Koen-cho, Kitami-shi, 090–8507 Japan a) E-mail: [email protected]
能な
2.3 GHz
帯衛星デジタルラジオ放送も広く利用さ
れている．
ITS
において特に重要となるのは安全性に関わる部
分である．中でも，衝突防止技術は重要な技術の一つ
である．前方障害物の感知にはミリ波レーダ，光学及
び赤外線カメラを用いたシステムが既に実用化されて
いる．一方，交差点における出会い頭衝突事故は件数
が多いにもかかわらず，これまで技術的な対処方法が
確立されていない．このような事故の場合，前述の前
図 1 国内における自動車通信及び計測技術とその周波数 Fig. 1 Vehicular communications and radar, and図 2 車車間通信による交差点の出会い頭衝突事故防止 Fig. 2 Prevention of intersection collision using
inter-vehicle communication.
方衝突防止技術を用いることは困難である．
近年，この問題に対処すべく無線通信技術を応用し
た
ITS Connect
と呼ばれるシステムが実用化されつ
つある．本システムでは，車車間通信あるいは路車間
通信を用いて，周辺車両の位置，速度などの情報を取
得することにより衝突を防止する安全支援システムで
ある．図
2
に車車間通信による交差点の出会い頭衝突
事故防止の概略図を示す．車車間通信においては，日
本では
760 MHz
帯，欧米では
5.9 GHz
帯の利用が規
格として制定されている
[3]
∼
[6]
．
車車間通信システムの設計においては，電波伝搬特
性を把握することが重要である
[7]
∼
[14]
．電波伝搬特
性を把握するためには，基本的には実験を行うこと
が必要であるが，電波伝搬シミュレーションを用いる
ことは効率的かつ有効である．また，電波伝搬シミュ
レーションは物理現象の意味を解釈するのにも役立つ．
本論文では，
IoT
時代の自動車通信を目的とした電
波伝搬解析について述べる．具体的には，交差点出会
い頭衝突防止を目的とした
760 MHz
帯車車間通信の
電波伝搬解析を例に詳述する．
2.
電波伝搬解析法
本章では代表的な電波伝搬解析法について述べる．
現代の無線通信システムの設計において，工学的に必
要な電波伝搬特性は，
a)
伝搬損失，
b)
電力遅延プロ
ファイル，
c)
電力角度プロファイルである
[15]
．図
3
にそれぞれのイメージを示す．
電波伝搬解析法としては，
Ray-tracing
法，
FDTD
(Finite-Difference Time-Domain)
法，及び両手法を
連結したハイブリッド法が知られている．以下に，こ
れらの手法の特徴について簡単に述べる．
2. 1 Ray-tracing
法
Ray-tracing
法は高周波近似法であり，電波を光線
図 3 無線通信システム設計のための電波伝搬特性 Fig. 3 Radio wave propagation characteristics fordesign of radio communication system.
として近似し伝搬問題を解析する手法である
[16]
．図
4
に示すように電波を直接波，反射波，透過波，回折波
等に分解し最後に全てを加え合わせ観測点の電磁界を
計算する．あくまで本来波動である電波を高周波近似，
あるいは光線近似で計算する都合上，電波の波長に比
べて大きな物体を扱うことを前提としている．また，
回折係数は媒質の誘電率やエッジ形状によっては厳密
に求めることが困難である．基本的に伝搬問題に対し
ては非常に効率的で標準的な手法であるが，解の精度
を高めるため，
1)
レイの本数を増加させる，
2)
詳細
な物体形状を考慮する必要があることなどの理由によ
図 4 Ray-tracing法 Fig. 4 Ray-tracing method.
図 5 FDTD格子 Fig. 5 FDTD Cells.
り計算時間が劇的に増加する場合がある．
本手法では手法単体で伝搬損失，電力遅延プロファ
イル，電力角度プロファイルの解析が可能である．
2. 2 FDTD
法
FDTD
法はマクスウェル方程式を時間及び空間で
直接差分する非常に簡便な手法である
[17], [18]
．した
がって，行列計算等の複雑な計算を必要としない．空
間の差分法であるため，図
5
に示すように解析空間
を直方体格子で分割する領域分割型の解法となる．そ
のため，大きな空間を扱う場合には莫大なメモリ量
が必要となる．電波を本来の波動として扱っているた
め，物理的な近似が入っておらず，波長と同程度ある
いはそれ以下の形状をもつ物体を取り扱うことができ
る．したがって，正確な伝搬解析を行うことが可能で
ある．
本手法では，手法単体で伝搬損失及び電力遅延プロ
ファイルの解析が可能である．一方，電力角度プロファ
イルにおいては，
MUSIC (Multiple Signal
Classifi-cation)
法などの到来波推定法が必要となる
[19]
．
本手法の計算アルゴリズムは並列性が高く，現在主
流である並列型スーパーコンピュータ，
PC
クラスタ，
GPU
などの並列型計算機との適合性が高い．したがっ
て，今後の計算機の高速・大容量化に伴い，より大規
模かつ高速な電波伝搬解析が実現できる可能性を有し
ている
[20]
．
2. 3
ハイブリッド法
図
6
に
FDTD
法と
Ray-tracing
法によるハイブ
図 6 FDTD法と Ray-tracing 法によるハイブリッド法 Fig. 6 Procedure of hybrid method for radio prop-agation analysis using both FDTD and Ray-tracing methods.リッド法
[21]
の手順を示す．手順としては，
1) FDTD
法を用いて等価面上の電磁流分布を計算する．ここ
で，車載アンテナが設置された車体は自由空間中に
配置されている．また，吸収境界条件として
CPML
(Convolution Perfectly Matched Layer)
を用い，空
間離散間隔を
1.0 cm
としている．
2)
求めた電磁流分
布及び等価定理を用いて指向性を計算する．
3)
得られ
た指向性を
Ray-tracing
法における波源指向性として
用い，電波伝搬特性を解析する．ここで，指向性及び
Ray-tracing
法では位相を考慮して計算を行っている．
また，レイラーンチング法を用いている．
2. 4 Ray-tracing
法のカウンターパートとして
の
FDTD
法
図
7
に
Ray-tracing
法と
FDTD
法の比較を示す．
横軸は周波数あるいは解析空間の大きさを示しており，
縦軸は時代を表している．
Ray-tracing
法は，時代の
進展とともに波長に対してより小さな物体の解析に適
用するための研究が行われてきた．しかしながら，基
本的に高周波近似法であるため光線近似が成立する範
囲でしか用いることができない．一方，
FDTD
法は本
質的に領域分割型の差分法であるため，高い周波数，
あるいは大きな領域を扱うことに関しては計算効率の
面から不利である．しかしながら，手法の改良，また
は時代の進展による計算機の劇的な性能向上により，
解析可能な周波数範囲及び空間サイズが年々拡大して
図 7 Ray-tracing法と FDTD 法の比較 Fig. 7 Comparison of Ray-tracing and FDTD
methods.
いる．そのことにより，近年ではこれまで高周波近似
法でしか解けなかった問題が
FDTD
法でも解けるよ
うになってきた．
このことが意味しているのは，電波伝搬解析におい
て，
1) Ray-tracing
法でしか解析できなかった大規模
空間問題を
FDTD
法でも解くことが可能になったと
いうことと，
2) Ray-tracing
法では不可能であった高
周波近似ができない領域での解析が
FDTD
法を用い
ることにより可能になったということである．
3.
車車間通信を目的とした交差点電波伝
搬解析
本章では
760 MHz
帯車車間通信を目的とした交
差点電波伝搬解析について述べる．現在の近距離車
車間通信システムにおいては，到来波の遅延時間は
OFDM (Orthogonal Frequency Division
Multiplex-ing)
のガードインターバル内に収まるため問題となら
ない．また，単一アンテナを用いているため，到来波
の角度広がりによる影響は伝搬損失特性に含まれる．
そのため，近距離車車間通信システムにおいては伝搬
損失を把握することが重要になると考えられる．した
がって，ここでは伝搬損失のみについて示す．なお，
電波伝搬解析手法としては，
FDTD
法と
Ray-tracing
法のハイブリッド法を用いる．
3. 1
見通しの悪い市街地交差点及び自動車モデル
図
8
に本研究で用いた交差点モデルを示す．表
1
に
解析パラメータを示す．交差点は例としてビルで囲ま
れた見通しの悪い狭路交差点とした．ビル高は無限大
で近似し，路面及びビル壁の材質はそれぞれ乾燥アス
ファルト及びコンクリートとした．送信側自動車位置
S = 30 m
は約
50 km/h
で走行する自動車の停止距離
に対応している．受信側のアンテナ高さは
h = 1.5 m
図 8 見通しの悪い市街地交差点 Fig. 8 Blind intersection in urban area.表 1 解析パラメータ
Table 1 Parameters used in this paper. frequency 760 MHz
car location S = 30 m receiving height h = 1.5 m
road (dry asphalt) εr= 4.9, σ = 0.00761 S/m
building (concrete) εr= 7.0, σ = 0.0473 S/m
図 9 自動車及びアンテナ取付位置：a) ルーフトップ中央， b)ルーフトップ後方，c) 右サイドミラー，d) 左サ イドミラー，e) フロントバンパー．lx= 4.64 m，
ly= 1.76 m，lz= 1.3 m，lrl=lrw= 1.2 m Fig. 9 Car model and antenna positions.
とした．
TCQ
経路は伝搬損失を解析する経路に対応
しており，
C
地点における自動車衝突防止の状況を想
定している．市街地における電波伝搬解析では，ビル
透過波の影響により見通し外領域における伝搬損失が
一般には小さくなる．しかしながら，車車間通信シス
テムの設計においては伝搬損失に関する最悪ケースを
把握することが重要となる．したがって，今回はビル
の透過波は考慮していない．
図
9
に自動車及びアンテナ取付位置を示す．表
2
に
本研究で用いたアンテナタイプを示す．自動車形状と
しては国内で広く普及している小型セダンタイプとし
た．自動車ボディは完全導体を仮定した．アンテナ取
付位置は
a)
∼
e)
の
5
箇所とし，各々のアンテナ取付位
置に対して伝搬損失特性を解析した．アンテナタイプ
については，ルーフトップ搭載の
a)
及び
b)
の場合は
1/4
波長モノポールアンテナ，その他の取付位置
c)
∼
図 10 ルーフトップ中央搭載アンテナにおける電流分布 及び指向性
Fig. 10 Current distribution and directivity in case of rooftop center.
e)
については半波長ダイポールアンテナを用いた．
3. 2
車載アンテナ取付位置の影響
自動車にアンテナを搭載した場合，自動車ボディに
も電流が流れるため自動車全体がアンテナとして機能
する．そのため，最初に
FDTD
法を用いて各アンテ
ナ取付位置における自動車の電流分布及び
3
次元指向
性を解析する．次に，指向性と
Ray-tracing
法を用い
てアンテナ取付位置が伝搬損失に与える影響を調べる．
解析手順の詳細は
2. 3
を参照されたい．なお，本論
文では受信側アンテナ高を
h = 1.5 m
に固定している
が，実際の車車間通信においては送信及び受信側のア
ンテナ高を考慮する必要がある
[14]
．
3. 2. 1
電流分布及び指向性
図
10
及び図
11
に一例として，ルーフトップ中央
及び右ドアミラーにアンテナを搭載した場合の電流分
布と指向性を示す．
ルーフトップ中央の場合は，ルーフ部及びピラー部
図 11 右ドアミラー搭載アンテナにおける電流分布及び 指向性Fig. 11 Current distribution and directivity in case of right door mirror.
図 12 各車載アンテナ取付位置における伝搬損失特性 Fig. 12 Path loss for each antenna position.
に強い電流が流れていることが示されている．指向性
については，水平面はほぼ等方性だが垂直面ではルー
フサイズが有限であるため，斜め上方に強い指向性が
現れている．
右ドアミラーの場合は，ミラー部を中心にボディ右
側面に強い電流が流れていることが示されている．指
向性については，電流分布の結果を受けて車両右側の
比較的広い角度範囲に強い指向性が現れている．
3. 2. 2
伝搬損失特性
図
12
に各車載アンテナ取付位置における伝搬損失
特性を示す．図に示すように，伝搬損失特性はアンテ
ナ取付位置によって定量的に異なる．しかしながら，
各アンテナ取付位置の伝搬損失特性には定性的に同じ
図 13 車載アンテナと半波長ダイポールアンテナ単体の 伝搬損失特性の比較
Fig. 13 Comparison of path losses for car antenna andλ/2 vertical dipole antenna.
傾向を示す．なお，フロントバンパーに搭載した場合
は
L < 3 m
の範囲において他の取付位置と比べて伝
搬損失が約
20 dB
大きい値を示している．この理由
は，
1)
フロントバンパーが
T
点より右側に位置する，
2)
自動車前方に強い指向性を有するためである．
3. 3
車載アンテナと半波長ダイポールアンテナ単
体の比較
図
13
に車載アンテナと半波長ダイポールアンテナ
単体の伝搬損失特性の比較を示す．ここでは一例とし
て，ルーフトップ中央，右ドアミラー及びフロントバ
ンパーに搭載した場合の特性を示す．なお，半波長ダ
イポールアンテナは，各車載アンテナ取付位置に対応
する場所にアンテナ単体で設置されている．アンテナ
高は，それぞれルーフトップ中央：
1.5 m
，右ドアミ
ラー：
1.055 m
，フロントバンパー：
0.405 m
となって
いる．また，車載アンテナと同様に垂直偏波を用いて
いる．図に示すように，各アンテナ取付位置と半波長
ダイポールアンテナ単体の伝搬損失は，非常に近い特
性をもっているが定量的にはわずかに異なっている．
これは自動車前方における車載アンテナと半波長ダイ
ポールアンテナの指向性利得の差異が原因であると考
えられる．
4.
む す び
本論文では，
IoT
時代の自動車通信を目的とした電
波伝搬解析について，電波伝搬解析法及び
760 MHz
帯車車通信を目的とした電波伝搬解析の詳細について
述べた．
自動車通信においては車載アンテナの設計及び車載
アンテナを含めた無線端末の評価も重要である．アン
テナの設計においては自動設計も重要となっている．
自動最適設計法には寸法最適化法，形状最適化法，ト
ポロジー最適化法がある．車載アンテナを含めた無線
端末の評価法においては，フェージングエミュレータ
型，電波反射箱型，
Two-stage
法がある．筆者等は，ト
ポロジー最適化法を用いたアンテナ設計，
Two-stage
法を用いた車載無線端末の評価に関する研究も行って
いる
[22]
∼
[24]
．興味のある読者はこれらの文献を参
照されたい．
謝辞 本研究の一部は
JSPS
科研費
26420335
の助
成を受けたものである．ここに謝意を表する．
文
献
[1] 津川定之，“自動運転システムの動向と課題，”電学誌， vol.135, no.7, pp.417–420, July 2015.[2] 津川定之，“高度道路交通システムにおける通信システ ム，”信学論（B），vol.J82-B, no.11, pp.1958–1965, Nov. 1999.
[3] ETSI TR 102 638, “Intelligent transport systems (ITS); vehicular communications; basic set of appli-cations; definitions,” v1.1.1, June 2009.
[4] IEEE standard for information technology – Telecom-munication and information exchange between sys-tems local and metropolitan area networks – specific requirements part 11: wireless LAN medium access control (MAC) and physical layer (PHY)
specifica-M. Kizu, “Field evaluation of UHF radio propaga-tion for an ITS safety system in an urban environ-ment,” IEEE Commun. Mag., vol.47, no.11, pp.120– 127, Nov. 2009.
[8] 伊藤健二，三田勝史，高梨昌樹，田所幸浩，“周辺車両が 車車間伝搬損特性に及ぼす影響に関する一検討，”信学論 （B），vol.J94-B, no.3, pp.455–467, March 2011. [9] 多賀登喜雄，“ITS 車車間通信環境における伝搬損失モデ
ル，”信学技報，A·P2012-145, Jan. 2013.
[10] K. Taguchi, S. Imai, T. Kashiwa, K. Ohshima, and T. Kawamura, “FDTD analysis of radio wave prop-agation at intersection surrounded by concrete block walls in residential area for inter-vehicle communica-tions using 720 MHz band,” IEICE Trans. Electron., vol.E95-C, no.1, pp.79–85, Jan. 2012.
[11] T. Abbas, J. Karedal, and F. Tufvesson, “Measure-ment-based analysis: The effect of complementary antennas and diversity on vehicle-to-vehicle commu-nication,” IEEE Antennas Wireless Propag. Lett., vol.12, pp.309–312, March 2013.
[12] L. Reichardt, T. Mahler, T. Schipper, and T. Zwick, “Influence of single and multiple antenna placements on the capacity of C2C communication systems,” Proc. 43rd European Microwave Conference, EuMA 2013, pp.720–723, Nuremberg, Germany, Oct. 2013. [13] D. Quack, M. Meuleners, S. Hommen, and C. Degen,
“Simulation-based evaluation of MIMO antenna sys-tems in car-to-car communication,” Proc. 8th Euro-pean Conference on Antennas and Propagation, Eu-CAP 2014, pp.3049–3052, Hague, Netherlands, April 2014.
[14] S. Imai, K. Taguchi, T. Kawamura, and T. Kashiwa, “Numerical study on path loss characteristics con-sidering antenna positions on car body at blind in-tersection in urban area for inter-vehicle communica-tions using 700MHz band,” IEICE Trans. Electron., vol.E99-C, no.1, pp.36–43, Jan. 2016.
[15] 藤井輝也，表 英穀，太田善元，“広帯域移動体通信におけ る時空間電波伝搬モデル，”信学論（B），vol.J91-B, no.9, pp.901–905, Sept. 2008.
[16] 細矢良雄（監修），電波伝搬ハンドブック，リアライズ社， 1999.
[17] A. Taflove and S.C. Hagness, Computational Elec-trodynamics: The Finite-Difference Time-Domain Method, 3rd ed., Artech House, Norwood, MA, 2005. [18] 山下榮吉（監修），マイクロ波シミュレータの基礎，5.2 節，
hybrid technique based on combining ray tracing and FDTD methods for site-specific modeling of in-door radio wave propagation,” IEEE Trans. Antennas Propag., vol.48, no.5, pp.743–754, May 2000. [22] T. Nomura, K. Sato, K. Taguchi, T. Kashiwa, and
S. Nishiwaki, “Structual topology optimization for the design of broadband dielectric resonator antennas using the finite difference time domain technique,” Int. J. Numer. Methods Eng., vol.71, no.11, pp.1261– 1296, Sept. 2007.
[23] S. Komatsu, S. Imai, K. Taguchi, and T. Kashiwa, “Development of tool for evaluation of automotive conformity of FM receivers using two-stage method,” SAE Int. J. Passenger Cars – Electronic and Electri-cal Systems, vol.8, no.1, pp.170–179, May 2015. [24] S. Imai, K. Taguchi, T. Kashiwa, and S. Komatsu,
“Estimation of the incoming wave characteristics by MUSIC method using virtual array antenna,” SAE Int. J. Passenger Cars – Electronic and Electrical Sys-tems, vol.8, no.1, pp.146–155, May 2015.
（平成 28 年 3 月 8 日受付，6 月 9 日再受付， 9月 8 日公開）
