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RF リンク・マージン計算ツール

TX 電力、アンテナゲイン、自由空間パス損失、および受信感度から RF リンクマージンを計算します。ワイヤレスリンクの最大レンジとフェードマージンを決定します。

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公式

M=PTX+GTX+GRX−FSPL−Lcable−PsensM = P_{TX} + G_{TX} + G_{RX} - FSPL - L_{cable} - P_{sens}
M— リンクマージン (dB)
FSPL— 20·log( 4π df/c) (dB)
P_TX— 送信電力 (dBm)
G_TX, G_RX— アンテナゲイン (dBi)
P_sens— レシーバ感度 (dBm)

仕組み

リンク・マージン・カリキュレータは、受信信号電力と受信感度閾値の間の安全バッファを計算します。ワイヤレス・ネットワーク・エンジニア、衛星通信設計者、レーダー・システム設計者は、これを使用して、さまざまな条件下で信頼性の高い通信を保証します。リンクマージン = P_Received-P_感度。正の値は、ITU-R P.530-17方法論に従って実行可能なリンクであることを示します。

ITU-R では、地上波マイクロ波リンクについて 99.999% の可用性 (1 年あたり 5 分のダウンタイム) を実現するために、25 ～ 40 dB の最小マージンを推奨しています。セルラー LTE システムは 8 ～ 15 dB のマージンで動作し、電力制御を使用して動的に適応します。衛星リンク（ITU-R S.1525準拠）では、晴天での運用には3〜6 dBのマージンと、Kuバンド以上での追加の降雨マージンが必要です。12 GHzの衛星テレビダウンリンクでは、温暖な気候で99.7％の可用性を実現するには、6 dBの晴天マージンと8 dBの降雨マージンが必要です。

マージンの要素には、フェードマージン (マルチパス、雨、大気)、実装マージン (機器の許容値、経年劣化)、干渉マージンが含まれます。合計マージンが 30 dB の場合、フェージングには 20 dB、実装には 5 dB、干渉には 5 dB が割り当てられる可能性があります。マージンのプロビジョニングが不十分だと、不利な条件で断続的にシステム停止が発生し、これが固定ワイヤレスシステムにおけるフィールド障害の主な原因となります。

計算例

問題：2 つのオフィスビル間の 8 km にわたる 5 GHz ポイントツーポイントワイヤレスブリッジのリンクマージンを確認します。

与えられた仕様: -送信電力:23 dBm (200 mW、一般的なユビキティ・エアファイバー) -送信/受信アンテナ:それぞれ 23 dBi (パラボリックディッシュ) -ケーブル損失:片側につき 1 dB (LMR-400 を短時間使用) -レシーバ感度:-91 dBm (100 Mbps、20 MHz チャネル時)

ITU-R P.525-4 あたりのリンクバジェットの計算: 1.フリースペースパスロス:FSPL = 20*log10 (8000) + 20*log10 (5e9)-147.55 = 128.0 dB 2.トータルアンテナゲイン:23 + 23 = 46 dBi 3.ケーブル/コネクタの合計損失:1 + 1 + 0.5 = 2.5 dB 4.受信電力:P_Rx = 23 + 46-128-0-2.5 = -61.5 dBm 5.リンクマージン:-61.5-(-91) = 29.5 デシベル

マージン配分: -マルチパスフェードマージン:15 dB (ITU-R P.530あたりの 99.99% のアベイラビリティ) -雨による減衰量 (5 GHz): 2 dB (温帯気候) -機器の経年劣化:3 dB -アライメント許容値:2 dB -残りマージン:7.5 dB — 快適な安全バッファーがあればリンクも可能

実践的なヒント

  • ✓ITU-R P.530によると、固定リンクでは最小15〜20dB、モバイル/可変条件では25〜30dB、99.999％の可用性を持つ重要なインフラストラクチャでは35〜40dBのマージンを実現するように設計
  • ✓マージンの割り当てを明示的に文書化：フェード、実装、干渉、残りの安全バッファ。これにより、リンクが劣化した場合のトラブルシューティングが可能になります
  • ✓生産システムのリンクマージンを継続的に監視 — 時間の経過に伴う劣化（アンテナのずれ、コネクタの腐食、機器の経年劣化）は、完全に故障する前のマージンの低下として現れます

よくある間違い

  • ✗感度しきい値（0 dB マージン）を正確に満たす設計 — どのような悪条件でもリンク障害が発生する。業界慣行によると、重要度の低いリンクでも最低10 dBのマージンが必要
  • ✗リンクマージンと信号強度の混同性：感度が-50 dBm（わずか10 dBm）の場合、信号強度が高い（-40 dBm）場合でも、マージンは保証されません。逆に、-90 dBm、感度が -120 dBm の場合、30 dB のマージンが得られます。
  • ✗10 GHz を超える雨による減衰は無視してください。18 GHz では、激しい嵐の際に雨のフェードが 20 dB を超えることがあります (ITU-R P.838)。雨に余裕のない設計では、季節的な停電が保証されます。
  • ✗アンテナのずれを考慮しない — 高ゲインディッシュ (20+ dBi) ではビーム幅が狭く (10 度未満)、24 dBi アンテナで 1 度のポインティング誤差が発生すると 3 dB の信号が消費される

よくある質問

ITU-R P.530-17 に基づく可用性要件により異なります。10 dB マージン:99% の可用性 (年間 87 時間のダウンタイム) — 重要ではないコンシューマー向けリンクでは許容範囲です。15-20 dB: 99.9% の可用性 (年間 8.7 時間) — 商用ワイヤレスの標準。25-30 dB: 99.99% の可用性 (53 分/年) — エンタープライズ/キャリアグレード。35-40 dB: 99.999% の可用性 (5 分/年) — 重要インフラストラクチャ、緊急サービス。マージンを過剰にプロビジョニングすると容量が浪費され（より高い変調が必要になる可能性がある）、プロビジョニング不足はシステム停止の原因となります。
周波数が高くなると、空き領域パスの損失が 20*log10 (f2/f1) dB 増加し、マージンが直接減少します。同じ機器を想定すると、2.4 GHz で 30 dB のマージンがあるリンクでも、5.8 GHz では 22 dB のマージンしかありません（FSPL は 7.7 dB 追加）。さらに、10 GHz を超えると雨による減衰が顕著になります。18 GHz では、大雨（50 mm/時）が発生すると、ITU-R P.838 によると 10 dB/km の損失が発生します。これが、60 GHz リンク (V バンド) が 1 km 未満の範囲に制限され、大きな降雨範囲を必要とする理由です。
関係はフェージング統計に依存します。地上のマイクロ波によく見られるフラット (レイリー) フェージングの場合、停電確率はおよそ 10^ (-margin_dB/10) に等しくなります。マージンが 20 dB の場合、システム停止時 = 10^ (-2) = 1% = 99% の可用性が得られます。30 dB の場合、システム停止 = 0.1% = 99.9% のアベイラビリティ。ITU-R P.530には、経路長、周波数、地形の粗さ、気候帯を考慮した詳細なモデルが用意されています。実際の可用性は、機器のMTBF、電力の信頼性、およびメンテナンス方法によっても異なります。
負のマージンは、受信信号が受信機の感度を下回っていることを意味し、リンクは閉じません。現代のシステムは順調に劣化します。適応変調はより低いレート（WiFi では 256-QAM から QPSK へ、スループットは 8 倍に低下）に低下し、ARQ 再送信は遅延を増加させ、最終的にパケットは CRC に失敗してドロップされます。マージンが変調の最低閾値を下回ると、完全に停止します。セルラーでは、電力制御によって送信電力が増加し、最大電力に達するまでマージンを回復します。
有効性でランク付けされたオプション:(1) 高ゲインアンテナ — 各アンテナゲインが 3 dB 増加 = 3 dBi のディッシュが 12 dBi セクタに対して 24 dB 増加する。(2) 経路長を短縮 — 距離を半分にすると 6 dB マージンが追加される。(3) 低周波数 — 5.8 GHz から 2.4 GHz に移行すると 7.7 dB が追加される。(4) 送信電力の増加 — 規制上の制限が適用されます。(4) 送信電力の増加 — 規制上の制限が適用されます。(3) 最大1 W (30 dBm)) ISM 帯域の EIRP。(5) ケーブル損失の削減 — RG-58 と比較して LMR-400 は 2.4 GHz で 15 dB/100m を節約できます。(6) レシーバーの感度の向上 — LNA (雑音指数の低下) または帯域幅の狭いフィルタ。

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