JP7328584B2 - 無給電中継装置および無給電中継方法 - Google Patents

無給電中継装置および無給電中継方法 Download PDF

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Description

本発明は、無給電中継装置および無給電中継方法に関する。
地中に埋設された鉄筋コンクリートマンホールをはじめとする地下構造物の内部(電波遮蔽空間)には、管路、計器などが設置されているが、地上からの点検が困難であるため、作業者が定期的に内部に入孔し、設置設備又は地下構造物自体を点検する必要がある。しかし、地下構造物の内部には、毒性ガス、滞留水などが存在することがあり、また、車道内に地下構造物が存在する場合には、車道の使用許可を得る必要があるなど、入孔のための準備が煩雑である。そこで、地下構造物の内部への入孔を不要とする、あるいは、入孔頻度を低減するため、地下構造物の内部に、ひずみセンサ、水位センサ、カメラなどの測定装置を設置し、これらから得られたデータを地下構造物の外部へ送信する方法が検討されている(例えば、非特許文献1参照)。
藤野他、「電波が届きにくい場所のIoT端末を確実にネットワーク収容する中継無線技術」、NTT技術ジャーナル、2018年7月号、pp. 15-18(2018)
しかしながら、地下構造物の内部に測定装置を設置して地下構造物の外部へデータを送信する場合、地下構造物を取り巻く土壌又は構造物材料が高周波の電波を通しにくいため、Wi-Fi(登録商標)をはじめとする高周波の電波を用いたデータの送信が、ごく短距離に限られてしまうという問題があった。高周波の電波を長距離送信するために、中継装置を設置して信号強度を増幅させると、測定装置および中継装置のそれぞれに電力が必要となるため、複数の電源を設置しなければならない、あるいは、大容量単一電源からこれらの装置への配電設備を設置しなければならないなど、構成が複雑になってしまうという問題もあった。
かかる事情に鑑みてなされた本発明の目的は、簡易な構成でありながら、電波遮蔽空間と外部との長距離無線通信が可能な無給電中継装置および無給電中継方法を提供することにある。
一実施形態に係る無給電中継装置は、電波遮蔽構造物の内部と前記電波遮蔽構造物の外部との無線通信を中継する無給電中継装置であって、前記内部と接続する内部アンテナと、前記外部と接続する外部アンテナと、前記内部アンテナと前記外部アンテナとを接続する接続部と、を備え、前記電波遮蔽構造物は、地中に埋設されたマンホールであり、前記マンホールの鉄蓋には、貫通孔が設けられ、前記内部アンテナは、前記内部に設けられ、前記外部アンテナは、前記貫通孔に設けられ、前記接続部の長さは、前記鉄蓋の厚さ以上であり、前記貫通孔の一の径は前記外部アンテナの幅よりも大きいことで前記外部アンテナを前記鉄蓋内部に収納可能であり、前記貫通孔の他の径は前記外部アンテナの幅よりも小さいことで当該無給電中継装置の前記鉄蓋からの抜け落ちを防止することを特徴とする。
一実施形態に係る無給電中継方法は、電波遮蔽構造物の内部に設けられる内部装置と前記電波遮蔽構造物の外部に設けられる外部装置との無線通信を中継する無給電中継装置の無給電中継方法であって、前記無給電中継装置は、前記内部装置と電波を送受信する内部アンテナと、前記外部装置と前記電波を送受信する外部アンテナと、前記内部アンテナと前記外部アンテナとを接続する接続部と、を備え、前記電波遮蔽構造物は、地中に埋設されたマンホールであり、前記マンホールの鉄蓋には、貫通孔が設けられ、前記内部アンテナは、前記内部に設けられ、前記外部アンテナは、前記貫通孔に設けられ、前記接続部の長さは、前記鉄蓋の厚さ以上であり、前記貫通孔の一の径は前記外部アンテナの幅よりも大きく、前記貫通孔の他の径は前記外部アンテナの幅よりも小さく、前記外部アンテナを前記鉄蓋内部に収納し、当該無給電中継装置を前記鉄蓋から抜け落ちないように配置するステップと、前記内部アンテナが、前記内部装置からデータを受信し、前記接続部を介して、前記外部アンテナへ前記データを送信するステップと、前記外部アンテナが、前記接続部を介して、前記内部アンテナから前記データを受信し、前記外部装置へ前記データを送信するステップと、を含むことを特徴とする。
本発明によれば、簡易な構成でありながら、電波遮蔽空間と外部との長距離無線通信が可能な無給電中継装置および無給電中継方法を提供することができる。
本発明の一実施形態に係る無給電中継装置の構成の一例を示す図である。 本発明の一実施形態に係る無給電中継装置が組み込まれたマンホール鉄蓋の構成の一例を示す図である。 本発明の一実施形態に係る内部アンテナの指向性を説明するための図である。 本発明の一実施形態に係る無給電中継方法の一例を示すフローチャートである。 実施例および比較例に係る信号の受信強度を測定する測定系の一例を示す図である。 実施例および比較例に係る信号の受信強度の測定結果の一例を示す図である。
以下、本発明の一実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
<無給電中継装置>
図1乃至図3を参照して、本発明の一実施形態に係る無給電中継装置100の構成の一例について説明する。
無給電中継装置100は、内部アンテナ10と、外部アンテナ20と、接続部30と、を備える。無給電中継装置100は、電源系を不要とする装置であり、電波遮蔽構造物の内部に設けられる内部装置1000と電波遮蔽構造物の外部に設けられる外部装置2000との無線通信を中継する。
内部装置1000は、例えば、電波遮蔽構造物の内部における所定箇所の測定を行うひずみセンサ、水位センサ、カメラなどである。外部装置2000は、例えば、電波遮蔽構造物の内部における各種の情報を管理するサーバなどである。内部装置1000と外部装置2000とは、無給電中継装置100を介して、例えば、LTE(Long Term Evolution)、LoRaWAN(Long Range Wide Area Network)などの広域ネットワークにより接続される。
電波遮蔽構造物は、電波を遮蔽する材質で構成される。電波を遮蔽する材質としては、例えば、金属、コンクリート又はレジンコンクリートなどが挙げられる。電波遮蔽構造物の内部は、電波が遮蔽された電波遮蔽空間となっている。電波遮蔽構造物の外部は、電波が遮蔽されていない電波非遮蔽空間となっている。なお、本明細書における電波遮蔽空間又は電波非遮蔽空間とは、電波が完全に遮蔽された又は完全に遮蔽されていない空間のみならず、電波が略遮蔽された又は略遮蔽されていない空間も含むものとする。
図1および図2に示すように、電波遮蔽構造物は、例えば、地中Aに埋設されたマンホール200である。マンホール200の内部Sは、電波遮蔽空間となっている。マンホール200の外部Sは、電波非遮蔽空間となっている。
マンホール200は、首部210と、筐体220と、鉄蓋230と、を備える。首部210および筐体220は、例えば、鉄筋コンクリートで製造される。首部210は、略円筒形状であり、内部が電波遮蔽空間となっている。筐体220は、略直方体形状であり、内部が電波遮蔽空間となっている。鉄蓋230は、略円柱形状であり、貫通孔Cが設けられ、マンホール200の出入口に配置されている。
図2に示すように、鉄蓋230には、マンホール200の内部Sとマンホール200の外部Sとを連通させる第1貫通孔Cおよび第2貫通孔Cが設けられている。作業者が、第1貫通孔Cおよび第2貫通孔Cに接続部30を通し、第1貫通孔C付近で、コネクタなどを介して接続部30と外部アンテナ20とを接続し、第2貫通孔C付近で、コネクタなどを介して接続部30と内部アンテナ10とを接続することで、無給電中継装置100は、鉄蓋230に組み込まれる。無給電中継装置100が鉄蓋230に組み込まれることで、無給電中継装置100は、マンホール200の内部Sで内部装置1000から受信した電波を、マンホール200の外部Sの外部装置2000へ送信することが可能になる。これにより、マンホール200の内部Sとマンホール200の外部Sとの長距離無線通信が可能となる。
接続部30の長さKは、鉄蓋230の厚さT以上であることが好ましい。例えば、鉄蓋230の厚さTが、46mmである場合、接続部30の長さKは、46mm以上であることが好ましい。
貫通孔Cの大きさは、少なくとも、鉄蓋230に無給電中継装置100を組み込むことが可能な程度の大きさを有していればよい。例えば、無給電中継装置100において、内部アンテナ10の横幅が50mm、外部アンテナ20の横幅が40mm、接続部30の長さが120mmである場合、第1貫通孔Cの径Dは、55mm程度、第1貫通孔Cの長さLは、20mm程度、第2貫通孔Cの径Dは、30mm程度、第2貫通孔Cの長さLは、30mm程度であることが好ましい。
内部アンテナ10は、マンホール200の内部Sと接続する。すなわち、内部アンテナ10は、内部装置1000と電波を送受信する送受信アンテナである。内部アンテナ10は、鉄蓋230における貫通孔Cの一端側付近に設けられている。内部アンテナ10は、指向性アンテナであることが好ましい。指向性アンテナとしては、例えば、ホーンアンテナなどが挙げられる。内部アンテナ10が指向性アンテナである場合、電波遮蔽構造物の形状に基づいて算出される電波の受信角度に対して指向性を有することが好ましい。
ここで、図3を参照して、内部アンテナ10の指向性について簡単に説明する。アンテナの指向性とは、電波の受信強度又は送信強度が、電波の受信方向又は送信方向に依存して異なる性質を指す。内部アンテナ10の指向性は、例えば、内部アンテナ10における電波の受信角度を適宜設定することで調整される。内部アンテナ10における電波の受信角度は、電波遮蔽構造物の形状に基づいて算出される。電波遮蔽構造物が、例えば、マンホール200である場合、電波遮蔽空間への導入口となるマンホール200の首部210が、内部アンテナ10における電波の受信角度を制限するため、内部アンテナ10における電波の受信角度θは、次式で表すことができる。
Figure 0007328584000001
aは、首部210の径である。yは、首部210の長さである。xは、無給電中継装置100の位置と鉄蓋230の所定の径の一端との距離である。xは、無給電中継装置100の位置と鉄蓋230の該所定の径の他端との距離である。
内部アンテナ10における電波の受信感度は、内部アンテナ10における電波の受信角度が上式の受信角度θを満たす領域Zで高くなり、内部アンテナ10における電波の受信角度が上式の受信角度θを満たさない領域Zで低くなる。したがって、鉄蓋230に組み込まれる無給電中継装置100が備える内部アンテナ10の指向性は、上式の受信角度θを適宜設定することで調整される。
内部アンテナ10が指向性アンテナであることで、マンホール200の内部Sでの電波干渉が低減されるため、無給電中継装置100は、マンホール200の内部Sで内部装置1000が送信する電波を高効率に受信することができる。これにより、無給電中継装置100は、マンホール200の内部Sで内部装置1000から受信した電波を、マンホール200の外部Sの外部装置2000へ高効率で送信することが可能となる。したがって、マンホール200の内部Sに設けられる内部装置1000とマンホール200の外部Sに設けられる外部装置2000との無線通信において、電波の減衰を抑制することができるため、高効率な長距離無線通信が可能な無給電中継装置100を実現できる。
なお、内部アンテナ10が指向性アンテナでない場合、内部装置1000が指向性アンテナを備えることで、同様の効果を得ることができる。すなわち、内部装置1000が、内部アンテナ10が存在する方向に電波を送信する指向性アンテナを備えることで、無給電中継装置100は、内部装置1000が送信する電波を高効率に受信することができる。
外部アンテナ20は、マンホール200の外部Sと接続する。すなわち、外部アンテナ20は、外部装置2000と電波を送受信する送受信アンテナである。外部アンテナ20は、鉄蓋230における貫通孔Cの他端側付近に設けられている。外部アンテナ20は、単純な構成を有する無指向性アンテナであることが好ましい。無指向性アンテナとしては、例えば、ダイポールアンテナ、モノポールアンテナ、L型アンテナ、逆F型アンテナなどが挙げられる。
外部アンテナ20は、指向性アンテナであってもよいが、外部アンテナ20が指向性アンテナである場合、電波の送受信方向が限定される。このため、無給電中継装置100のアンテナ性能を、特定方向において向上させたい場合には、外部アンテナ20を指向性アンテナとすることが有益である。
接続部30は、内部アンテナ10と外部アンテナ20とを接続する。接続部30は、例えば、同軸ケーブル又は導波管である。接続部30は、例えば、両端にコネクタなどを備えていてよい。接続部30は、例えば、一端において、コネクタを介して、内部アンテナ10と接続されている。接続部30は、例えば、他端において、コネクタを介して、外部アンテナ20と接続されている。接続部30は、マンホール200の内部Sに設けられる内部装置1000とマンホール200の外部Sに設けられる外部装置2000との無線通信で用いられる電波の周波数帯に対応するものであることが好ましい。
接続部30は、鉄蓋230における貫通孔Cに設けられている。接続部30の長さは、鉄蓋230の厚さ以上であることが好ましい(図2参照)。接続部30の長さが、少なくとも鉄蓋230の厚さを有することで、無給電中継装置100は、マンホール200の内部Sとマンホール200の外部Sとの間で、効率的に電波を中継することが可能となる。
なお、内部アンテナ10と外部アンテナ20とを接続する構成要素は、同軸ケーブル又は導波管に限定されるものではない。
本実施形態に係る無給電中継装置100は、マンホール200の内部Sと接続する内部アンテナ10と、マンホール200の外部Sと接続する外部アンテナ20と、内部アンテナ10と外部アンテナ20とを接続する接続部30と、を備える。当該構成によれば、電源系が不要となるため、無給電中継装置100の構成を簡易化することができる。また、本実施形態に係る無給電中継装置100を、電波遮蔽構造物の内部に設けられる内部装置1000と電波遮蔽構造物の外部に設けられる外部装置2000との無線通信に適用することで、電波の減衰を抑制することができるため、高効率な長距離無線通信が可能となる。
<無給電中継方法>
次に、図4を参照して、本発明の一実施形態に係る無給電中継方法について説明する。
ステップS101において、内部アンテナ10は、内部装置1000からデータを受信する。データとは、内部装置1000と外部装置2000との間で送受信されるデータであり、例えば、マンホール200の内部Sのひずみに関するひずみデータ、マンホール200の内部Sの水位に関する水位データ、マンホール200の内部Sの画像に関する画像データなどである。
ステップS102において、内部アンテナ10は、接続部30を介して、外部アンテナ20へデータを送信する。
ステップS103において、外部アンテナ20は、接続部30を介して、内部アンテナ10からデータを受信する。
ステップS104において、外部アンテナ20は、外部装置2000へデータを送信する。
本実施形態に係る無給電中継装置100を適用して、上述の無給電中継方法を実施することで、電波遮蔽構造物の内部に設けられる内部装置1000と電波遮蔽構造物の外部に設けられる外部装置2000との無線通信において、電波の減衰を抑制することができるため、内部装置1000と外部装置2000との距離が離れていても、外部装置2000は、内部装置1000から、各種のデータを確実且つ効率的に収集することができる。この結果、例えば、地下構造物において不具合が発生している箇所の原因解析、水道管などの老朽化が進行する地下インフラの監視などを、高精度且つ高効率に行うことができる。
<信号の受信強度の比較>
図5に示すように、模擬マンホール200Aを使用して、外部装置2000が受信する信号の受信強度を測定した。
電波の周波数を、2.45GHzとした。また、電波漏れがないように、模擬マンホール200Aにおける首部210Aおよび筐体220Aをシールドした。また、模擬マンホール200Aの中心Oと外部装置2000との距離を6mとした。また、地面Bに対する模擬マンホール200Aの中心Oと外部装置2000とを結ぶ直線の角度Φを、0°≦角度Φ≦180°の間で変化させた(図5の矢印参照)。
比較例1として、模擬マンホール200Aにおいて鉄蓋230Aを取り外し、無給電中継装置100を使用せずに、信号の受信強度を測定した。
比較例2として、模擬マンホール200Aにおいて鉄蓋230Aを取り付け、無給電中継装置100を使用せずに、信号の受信強度を測定した。
実施例1として、模擬マンホール200Aにおいて鉄蓋230Aを取り付け、無給電中継装置100を使用して、信号の受信強度を測定した。模擬マンホール200Aの中心O付近に無給電中継装置100が配置されるように、鉄蓋230Aに無給電中継装置100を組み込んだ。実施例1において使用した無給電中継装置100において、内部アンテナ10の横幅を50mm、外部アンテナ20の横幅を40mm、接続部30の長さを120mmとした。
図6は、外部装置2000が受信する信号の受信強度の測定結果の一例を示す図である。
グラフ301は、比較例1における信号の受信強度の一例を示すグラフである。グラフ302は、比較例2における信号の受信強度の一例を示すグラフである。グラフ303は、実施例1における信号の受信強度の一例を示すグラフである。
グラフ301とグラフ303とを比較すると、比較例1における信号の受信強度は、0°≦角度Φ≦60°、又は、120°≦角度Φ≦180°において、実施例1における信号の受信強度より、10dB程度強いことがわかる。また、グラフ301とグラフ303とを比較すると、比較例1における信号の受信強度は、60°<角度Φ<120°において、実施例1における信号の受信強度より、5dB程度強いことがわかる。
すなわち、模擬マンホール200Aにおいて鉄蓋230Aを取り外した場合の信号の受信強度は、模擬マンホール200Aにおいて鉄蓋230Aに無給電中継装置100を組み込んだ場合の信号の受信強度より、強いことがわかる。
グラフ302とグラフ303とを比較すると、比較例2における信号の受信強度は、0°≦角度Φ≦180°において、実施例1における信号の受信強度より、10dB程度弱いことがわかる。
すなわち、模擬マンホール200Aにおいて鉄蓋230Aに無給電中継装置100を組み込んでいない場合の信号の受信強度は、模擬マンホール200Aにおいて鉄蓋230Aに無給電中継装置100を組み込んだ場合の信号の受信強度より、弱いことがわかる。
図6より、模擬マンホール200Aにおいて鉄蓋230Aを取り付けた場合の信号の受信強度は、模擬マンホール200Aにおいて鉄蓋230Aを取り外した場合の信号の受信強度より、弱くなるものの、模擬マンホール200Aにおいて鉄蓋230Aに無給電中継装置100を組み込むことで、信号の受信強度を、10dB以上、向上させることができることがわかる。
したがって、本実施形態に係る無給電中継装置100を、電波遮蔽構造物の内部に設けられる内部装置1000と電波遮蔽構造物の外部に設けられる外部装置2000との無線通信に適用することで、電波の減衰を抑制することができ、高効率な長距離無線通信が可能となることが示唆される。
<変形例>
本実施形態では、電波遮蔽構造物として、マンホールを適用する場合を一例に挙げて説明したが、電波遮蔽構造物は、マンホールに限定されるものではなく、例えば、ハンドホール、シールドトンネル、汚泥貯留槽などであってもよい。
また、本実施形態では、無給電中継方法が、内部アンテナ10が、内部装置1000からデータを受信し、接続部30を介して、外部アンテナ20へデータを送信するステップ、外部アンテナ20が、接続部30を介して、内部アンテナ10からデータを受信し、外部装置2000へデータを送信するステップを含む場合を一例に挙げて説明したが、無給電中継方法が含むステップは、これに限定されない。無給電中継方法は、例えば、外部アンテナ20が、外部装置2000からデータを受信し、接続部30を介して、内部アンテナ10へデータを送信するステップ、内部アンテナ10が、接続部30を介して、外部アンテナ20からデータを受信し、内部装置1000へデータを送信するステップ、などを、さらに含んでいてもよい。
<その他の変形例>
本発明は上記の実施形態および変形例に限定されるものではない。例えば、上述の各種の処理は、記載にしたがって時系列に実行されるのみならず、処理を実行する装置の処理能力あるいは必要に応じて並列的にあるいは個別に実行されてもよい。その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更が可能である。
上述の実施形態は代表的な例として説明したが、本開示の趣旨および範囲内で、多くの変更および置換ができることは当業者に明らかである。したがって、本発明は、上述の実施形態によって制限するものと解するべきではなく、請求の範囲から逸脱することなく、種々の変形や変更が可能である。例えば、実施形態のフローチャートに記載の各工程の順序は、上記に限定されず適宜変更可能である。また、複数の工程を1つに組み合わせたり、あるいは1つの工程を分割したりすることが可能である。
10 内部アンテナ
20 外部アンテナ
30 接続部
100 無給電中継装置
200 マンホール(電波遮蔽構造物)
210 首部
220 筐体
230 鉄蓋



Claims (6)

  1. 電波遮蔽構造物の内部と前記電波遮蔽構造物の外部との無線通信を中継する無給電中継装置であって、
    前記内部と接続する内部アンテナと、
    前記外部と接続する外部アンテナと、
    前記内部アンテナと前記外部アンテナとを接続する接続部と、
    を備え
    前記電波遮蔽構造物は、地中に埋設されたマンホールであり、
    前記マンホールの鉄蓋には、貫通孔が設けられ、
    前記内部アンテナは、前記内部に設けられ、
    前記外部アンテナは、前記貫通孔に設けられ、
    前記接続部の長さは、前記鉄蓋の厚さ以上であり、
    前記貫通孔の一の径は前記外部アンテナの幅よりも大きいことで前記外部アンテナを前記鉄蓋内部に収納可能であり、前記貫通孔の他の径は前記外部アンテナの幅よりも小さいことで当該無給電中継装置の前記鉄蓋からの抜け落ちを防止することを特徴とする、無給電中継装置。
  2. 前記内部アンテナは、指向性アンテナである、
    請求項1に記載の無給電中継装置。
  3. 前記指向性アンテナは、前記電波遮蔽構造物の形状に基づいて算出される電波の受信角度に対して指向性を有する、
    請求項2に記載の無給電中継装置。
  4. 前記電波遮蔽構造物は、金属、および、コンクリート又はレジンコンクリートを含む材質で構成される、
    請求項1からのいずれか一項に記載の無給電中継装置。
  5. 前記接続部は、同軸ケーブル又は導波管である、
    請求項1からのいずれか一項に記載の無給電中継装置。
  6. 電波遮蔽構造物の内部に設けられる内部装置と前記電波遮蔽構造物の外部に設けられる外部装置との無線通信を中継する無給電中継装置の無給電中継方法であって、
    前記無給電中継装置は、前記内部装置と電波を送受信する内部アンテナと、前記外部装置と前記電波を送受信する外部アンテナと、前記内部アンテナと前記外部アンテナとを接続する接続部と、を備え、
    前記電波遮蔽構造物は、地中に埋設されたマンホールであり、
    前記マンホールの鉄蓋には、貫通孔が設けられ、
    前記内部アンテナは、前記内部に設けられ、
    前記外部アンテナは、前記貫通孔に設けられ、
    前記接続部の長さは、前記鉄蓋の厚さ以上であり、
    前記貫通孔の一の径は前記外部アンテナの幅よりも大きく、前記貫通孔の他の径は前記外部アンテナの幅よりも小さく、
    前記外部アンテナを前記鉄蓋内部に収納し、当該無給電中継装置を前記鉄蓋から抜け落ちないように配置するステップと、
    前記内部アンテナが、前記内部装置からデータを受信し、前記接続部を介して、前記外部アンテナへ前記データを送信するステップと、
    前記外部アンテナが、前記接続部を介して、前記内部アンテナから前記データを受信し、前記外部装置へ前記データを送信するステップと、
    を含む、無給電中継方法。
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