アンテナゲインの力を最大限に引き出す：ゲートウェイアンテナの通信範囲とカバレッジを最適化する方法

IoTネットワークのパフォーマンスを最大化するには、 アンテナ利得 非常に重要です。新しいゲートウェイアンテナを導入する場合でも、既存のシステムを最適化する場合でも、適切なアンテナを選ぶことで大きな違いが生まれるからです。

20年以上の経験を持つ LoRaWAN ソリューションTEKTELICチームは、アンテナゲイン、それが通信範囲とカバレッジに与える影響、そしてニーズに最適な外部アンテナの選び方について、分かりやすいガイドを作成しました。

アンテナゲインとは何ですか?

アンテナ利得 ゲインは、アンテナが信号を送受信する能力に影響を与える重要な要素です。簡単に言うと、ゲインは、信号をあらゆる方向に均等に拡散する理想的なアンテナと比較して、アンテナが信号を特定の方向にどれだけ集中させているかを示します。

理想的なアンテナは、ボールのようにあらゆる方向に均等に信号を拡散します。しかし、実際のアンテナはそうではありません。特定の方向に信号を集中させるため、その方向への通信範囲は広がりますが、全体的なカバレッジは狭くなります。IoTネットワークに適したアンテナを選ぶ際には、このバランスが重要になります。

全方向性アンテナと指向性アンテナ

ネットワークを最適化するには、無指向性アンテナと指向性アンテナの違いを理解することが不可欠です。

• 全方向性アンテナ: これらのアンテナは通常、0 dBから3 dBのゲインを持ちます。信号をあらゆる方向にほぼ均等に放射し、完全な球形ではなくドーナツのような形状をしています。無指向性アンテナは、広い倉庫や開けた場所など、広範囲をカバーする必要がある場面に最適です。
• 指向性アンテナ: これらのアンテナはゲインが高く、信号を特定の方向に集中させることができます。この設計により、その方向への通信範囲を大幅に拡大できますが、他の方向への通信範囲は犠牲になります。施設の隅など、特定のエリアをターゲットにする必要がある場合は、指向性アンテナを使用することで必要な通信範囲を確保できます。

アンテナゲインがネットワークに与える影響

アンテナ利得はデシベル（dB）で測定されます。利得が高いほど、アンテナの指向性が高くなります。例えば、 3 dB増加 ゲインが信号パワーを2倍にする一方、 6 dB増加 ゲインを上げると、通信範囲が2倍になります。ただし、ゲインを上げても信号自体が増幅されるわけではなく、既存のエネルギーがより狭いビームに集中するだけであることを覚えておくことが重要です。

水風船を例に考えてみましょう。水の体積は信号の総電力を表します。風船の形をどのように変えても、体積は変わりません。アンテナのゲインを調整することで、風船の形を変えることができます。つまり、風船を長く細くするだけで、水の総体積は増えないのです。

別の例えとしては、電球と懐中電灯を比較すると、それぞれが全方向性アンテナと指向性アンテナを表していると言えるでしょう。

アンテナ利得を上げると信号受信範囲は狭くなりますが、一般的な手法としてダイバーシティ受信機が用いられます。これは複数のアンテナを連携させ、各アンテナの信号強度を常に監視し、最も強い信号を受信するアンテナを選択するものです。この方式により、通信距離の延長と受信範囲の拡大の両方を実現できます。

放射パターン

アンテナはそれぞれ異なる放射パターンを持つ。仮想的な等方性アンテナの0dBゲインにおける放射パターンは、垂直軸と水平軸の両方においてほぼ完全な球形となる。

例えば、標準的な無指向性3dBラバーダックアンテナは、上部と下部（90度/270度）で信号損失が著しくなります。同様の放射パターンは、ほとんどの無指向性FPVアンテナにも当てはまります。

ご覧のとおり、利得は見る方向によって変化します。したがって、アンテナの利得について話すとき、実際には特定の方向における最大利得を意味しています。3次元で見ると、この放射パターンはドーナツのような形をしています。

下図は、ゲイン8dBの指向性アンテナ（パッチアンテナ）です。図に示すように、信号の大部分は一方向に集中し、他の方向への到達距離は限られています。

製品概要

アンテナゲインを高くすると通信範囲は広がりますが、必ずしも最良の選択肢とは限らず、具体的な使用状況や目的に合わせて選択する必要があります。まとめとして、覚えておくべき重要なポイントをいくつかご紹介します。

• アンテナ利得の基礎知識： アンテナ利得は単に無線信号を増幅するだけでなく、放射パターンを変化させ、通信距離とカバー範囲のトレードオフを生み出します。理想的な等方性アンテナ（利得0dB）はあらゆる方向に均等に信号を放射しますが、実際のアンテナは特定の方向に信号を集中させます。
• 指向性アンテナと無指向性アンテナ： 無指向性アンテナは一般的にゲインが低く（0～3 dB）、ドーナツのようにあらゆる方向にほぼ均等に信号を放射します。一方、指向性アンテナはゲインが高く、信号をより狭いビームに集中させることで、その方向の通信範囲を広げますが、他の方向の通信範囲は狭くなります。つまり、ゲインが高くなるにつれてビームが狭くなり、信号を増幅するのではなく、特定の方向にエネルギーを集中させるというトレードオフが生じます。
• ユースケースに関する考慮事項： 利得が高いほど良いとは限りません。例えば、長距離通信よりも広い範囲をカバーすることが重要な状況では、利得の低い無指向性アンテナの方が適している場合があります。逆に、特定の方向への長距離通信が必要な用途では、利得の高い指向性アンテナが最適な選択肢となるでしょう。
• 実用的なアプリケーション： この記事では、アンテナ利得の違いによってエネルギーの分配がどのように変化するかを、水風船や電球と懐中電灯といった例えを用いて説明しています。また、複数のアンテナを組み合わせて異なる方向からの最適な信号を選択することで信号強度を最適化するダイバーシティ受信機についても言及しています。

ゲートウェイアンテナの導入や最適化を行う際には、アンテナゲインとその通信範囲およびカバレッジへの影響を理解することが不可欠です。無指向性アンテナを選択する場合でも、指向性アンテナを選択する場合でも、ネットワークのニーズに合致していることを確認してください。これらの要素を慎重に検討することで、IoTネットワークのパフォーマンスと信頼性を向上させることができます。

適切な方法でネットワークを最適化する準備はできていますか？ LoRaWAN ゲートウェイご相談はTEKTELICチームまでお問い合わせください。 info@tektelic.com