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リンクバジェットとは

りんくばじぇっと

送信電力から受信電力までの利得と損失を積み上げて、受信機に届く電力と、受信に必要な電力(受信感度)に対する余裕を見積もる計算。dBとdBmを使い、送信電力 + アンテナ利得 − 伝搬損失 − ケーブル損失などを足し引きして求める。無線のほか、光通信のパワーバジェットでも同じ考え方を使う。

「リンクバジェット」は、2分野の2問の練習問題に出てきます(シリコンフォトニクス, 無線通信の基礎など)。

この用語の分野: 無線通信の基礎

計算の手順

まず、送信電力(dBm)に送信アンテナと受信アンテナの利得(dBi)を足し、伝搬損失やケーブル・コネクタの損失(dB)を引いて受信電力を求めます。次に、受信機の雑音指数と帯域幅から受信感度を求め、受信電力との差をリンクマージン(余裕)とします。例えば、送信20 dBm、アンテナ利得2 dBiずつ、伝搬損失100 dB、ケーブル損失4 dBなら受信電力は−80 dBmで、受信感度が−90 dBmなら10 dBの余裕があります。

余裕を見込む理由

実際の伝搬損失は、自由空間伝搬損失より大きくなるのが一般的で、建物や人体による遮蔽、雨による減衰、フェージングによる一時的な落ち込みもあります。そのため、通信を途切れさせない確率の目標に合わせて、フェージングマージンなどの余裕を見込んで設計します。余裕が足りなければ、送信電力やアンテナの利得を上げる、受信機の雑音指数を下げる、伝送速度を下げて必要なS/Nを小さくする、といった対策をとります。

dBで計算する利点

電力の比を対数で表すdBと、1 mWを基準にしたdBmを使うと、何桁にもわたる電力の掛け算と割り算を、足し算と引き算で扱えます。送信機が数W、受信機に届く電力が1 pW以下といった、10桁以上違う量も同じ表の中で扱えるので、どこで損失が大きいかもひと目で分かります。

リンクバジェットの練習問題に挑戦

出力+3 dBmのレーザー光が、合計10 dBの損失(ファイバとの結合、導波路、変調器など)を経て受光器に届いた。受光パワーに最も近いものはどれか。

  1. A約0.2 mW(−7 dBm)
  2. B約20 mW(+13 dBm)
  3. C約0.05 mW(−13 dBm)
答えと解説を見る

正解：A. 約0.2 mW(−7 dBm)

dBmは1 mWを基準にした絶対的なパワーの単位で、0 dBmが1 mW、+3 dBmが約2 mW、−10 dBmが0.1 mWです。損失はdBで引き算すればよく、3 − 10 = −7 dBm、10^(−0.7) ≈ 0.2 mWとなります。このように送信パワーから損失を引き、受光器が必要とする最小のパワー(受信感度)を上回るかを確かめる計算をリンクバジェット(パワーバジェット)と呼びます。+13 dBmは損失を足してしまった値、−13 dBmは送信パワーの符号を誤った値です。

送信電力20 dBm、送信アンテナの利得2 dBi、受信アンテナの利得2 dBi、伝搬損失100 dB、送信側と受信側のケーブルの損失が合わせて4 dBのとき、受信電力はどれか。

  1. A−88 dBm
  2. B−80 dBm
  3. C−76 dBm
答えと解説を見る

正解：B. −80 dBm

受信電力は、dBmで表した送信電力にアンテナの利得(dBi)を足し、伝搬損失やケーブルの損失(dB)を引いて求めます。この計算をリンクバジェットと呼び、20 + 2 + 2 − 100 − 4 = −80 dBmです。受信機が正しく受信できる最小の電力(受信感度)が例えば−90 dBmなら、10 dBの余裕(リンクマージン)があることになります。実際には、フェージングで受信電力が下がることも考えて、余裕を見込んで設計します。

よくある質問

受信感度はどう決まりますか?

温度290 Kの熱雑音の電力密度−174 dBm/Hzに、帯域幅(10·log₁₀ B)と受信機の雑音指数を足すと、入力に換算した雑音の電力になります。これに復調に必要なS/Nを足したものが受信感度の目安です。帯域幅1 MHz、雑音指数6 dB、必要なS/N 10 dBなら、−174 + 60 + 6 + 10 = −98 dBmです。

光通信のパワーバジェットと同じものですか?

考え方は同じです。光通信では、レーザーの出力(dBm)から、ファイバや導波路、コネクタ、結合の損失(dB)を引いて受光器に届くパワーを求め、受光器の感度に対する余裕を確かめます。無線と違ってアンテナの利得はありませんが、dBとdBmで足し引きする手順は共通です。

解説の中の「リンクバジェット」

「リンクバジェット」が出てくる問題(2問)

  1. 出力+3 dBmのレーザー光が、合計10 dBの損失(ファイバとの結合、導波路、変調器など)を経て受光器に届いた。受光パワーに最も近いものはどれか。
  2. 送信電力20 dBm、送信アンテナの利得2 dBi、受信アンテナの利得2 dBi、伝搬損失100 dB、送信側と受信側のケーブルの損失が合わせて4 dBのとき、受信電力はどれか。

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