FI114671B

FI114671B - Menetelmä langattoman viestintäjärjestelmän suunnittelemiseksi

Info

Publication number: FI114671B
Application number: FI964798A
Authority: FI
Inventors: John Douglas Reed; Yuqiang Tang
Original assignee: Motorola Inc
Priority date: 1995-03-31
Filing date: 1996-11-29
Publication date: 2004-11-30
Also published as: IL117022A0; CA2190140A1; EP0763313B1; AU678123B2; EP0763313A1; DE69632292D1; EP0763313A4; FI964798A; CA2190140C; US5828960A; AU4965496A; WO1996031099A1; DE69632292T2; FI964798A0

Description

114671

Menetelmä langattoman viestintäjärjestelmän suunnittelemiseksi

Esillä oleva keksintö liittyy yleisesti langattomiin vies-5 tintäjärjestelmiin ja erityisesti menetelmään langattoman viestintäjärjestelmän suunnittelemiseksi säteen jäljitystä käyttäen.

Langattomassa viestintäjärjestelmässä kuten solukkojärjes-10 telmässä tai henkilökohtaisissa tietoliikennepalveluissa (Personal Communications Services) tukiasemat sijaitsevat siten, että radiosignaalit ovat käytettävissä koko peitto-alueella. Lähes saumattoman peiton saamiseksi tarvitaan monia soluja. Tällaisten solujen peiton ennustaminen on 15 vaikea tehtävä, ja on kehitetty joukko työkaluja, jotka käyttävät jollakin tavoin maastotietoja yhdessä rakennus-massatietojen kanssa, kuten esimerkiksi Yhdysvalloissa US Geological Surveyn käytettäväksi asettamia tietoja. Näitä tietoja käytetään alalla tunnettujen mallien kuten Longley-20 Rice-mallin yhteydessä, joka käyttää asema- ja tilaa- jakorkeuksia yhdessä maaston kuvauksen kanssa odotetun etenemisvaimennuksen ennusteen laskemiseksi tarkastelta-ville sijaintipaikoille.

25 Tämä menetelmä toimii riittävän hyvin suurilla soluilla, joiden tukiaseman antenni on asiaankuuluvasti rakennusmas- • » · ;;; sojen yläpuolella, joten rakennusten/rakenteiden tai ra- • I | '·' kennusryhmien vaikutus on hyvin vähäinen. Jos tukiasemien antennit ovat lähellä katonharjojen tasoa tai rakennusten 30 katonharjojen alapuolella, rakennusten kulloinenkin koko ja ·...·’ muoto vaikuttavat signaaleihin niiden edetessä katujen . .·. suunnassa ja taipuessa nurkkien ympäri. Nämä solut, joita ,···. yleensä kutsutaan mikrosoluiksi, peittävät tyypillisesti paljon pienemmän alueen erityisesti tiheään rakennetuilla ’ 35 kaupunkialueilla. Työkalut, joita käytetään mikrosolujen ·...· peiton ennustamiseksi, käyttävät rakennuksissa ja raken- 2 114671 nusten ympäri peittoalueella kulkevien etenemisteiden mallintamisen apuna tyypillisesti tietoja rakennusten koosta, muodosta ja joskus materiaalityypeistä.

5 Deterministinen menetelmä, päinvastoin kuin edellä mainittu tilastollinen menetelmä, yrittää pohjimmiltaan mallintaa radioaaltojen etenemisen säteinä, jotka säteilevät lä-hettimeltä vastaanottimelle. Tämä lähestymistapa voi olla tehokas ja tarkka, jos mallinnetussa ympäristössä olevien 10 kohteiden ulottuvuudet ovat paljon lähetetyn signaalin aallonpituutta suurempia. Etenemisilmiöt, jotka säteen jäljitysmenetelmässä voidaan mallintaa, käsittävät heijastumisen, taipumisen, läpäisyn sekä edellä mainittujen yhdistelmät. Säteen jäljityksessä on kaksi yleisesti tunnet-15 tua lähestymistapaa. Ensimmäistä kutsutaan "ampuminen ja kimmahdus" ("shooting-and-bouncing") -menetelmäksi, jossa lähteeltä (lähettimeltä) heitetään kiinteä määrä säteitä, sen jälkeen niiden eteneminen jäljitetään eri etenemisteitä seuraten, ja säde päättyy, jos se osuu vastaanottimen koh-20 dalla olevaan ilmaisupalloon. Tämän lähestymistavan pää asiallisena etuna on, että sitä voidaan soveltaa lähes mille tahansa pinta tyypille. Pääasiallisena epäkohtana on, .·;·. että vastaanottimen jokaisen sijaintipaikan osalta säteet ;·. on heitettävä ja taas jäljitettävä kaikissa suunnissa. Käy- 25 tännön ympäristön ollessa kysymyksessä tämä voisi merkitä "! tuntien tai jopa päivien laskenta-aikaa.

• ♦ · ♦ * · • « « *·* Toinen menetelmä perustuu kuvateoriaan, joka on perintei sesti rajoittunut ympäristössä oleviin enemmän tai vähemmän 30 tasomaisiin pintoihin. Perusajatuksena tässä on, että kiinteässä sijaintipaikassa tietyssä ympäristössä olevan . lähteen kuvat ovat havaintopaikan (vastaanottimen) sijain- ,···, nista riippumattomat niin kauan kuin ympäristössä on poh- jimmiltaan tasomaisia pintoja. Siksi voidaan muodostaa

i t I

V * 35 kaikki kuvat lähteen tietyn sijaintipaikan ja ympäristön tapauksessa ja käyttää niitä uudelleen niin monen vastaan- 3 114671 ottimen sijaintipaikan tapauksessa kuin on tarpeen. Tämä edustaa parannusta, mitä tulee laskentatehokkuuteen, mutta rajoituksena tietenkin ovat ympäristössä olevat tasomaiset pinnat. Tämä on kuitenkin kaupunkien mikrosoluympäristölle 5 tyypillistä. Tavanomaista kuvateorian mukaista lähestymistapaa voidaan siten edullisesti käyttää mikrosoluilla siten, että ensin määritetään kuvapuu (joka on käytön helpottamiseksi järjestetty hierarkkisesti) perustuen lähteen sijaintiin ympäristössä ja itse ympäristöön. Ympäristö kä-10 sittää heijastuspintoja (mirrors) ja nurkkia (corners). Lähtemällä liikkeelle lähteen kuvasta kunkin heijastuspin-nan tai nurkan on mahdollista kehittää lähteen kuvasta "lapsikuva" ("child" image). Kukin lapsikuva voi edelleen kehittää lapsikuvia kunkin heijastuspinnan ja nurkan osal-15 ta. Kuvapuun muodostamisen jälkeen vastaanottimen tietyn sijaintipaikan tapauksessa on tarpeen tutkia kukin puussa oleva kuva, jotta nähtäisiin, myötävaikuttaako se vastaanotettuun kokonaistehoon, käyttämällä apuna taaksepäin jäljitystä vastaanottimelta lähettimelle.

20 Säteen jäljityksen avainongelmana on kuitenkin realistisen ; ympäristön kuvapuun koko, mikä johtaa hyvin suuriin las- : kenta- ja muistivaatimuksiin. Seuraava esimerkki kuvaa tätä :* ongelmaa. N heijastuspinnan määrittelemässä ympäristössä on

25 myös (tyypillisesti) noin N nurkkaa. Kukin N

" ! heijastuspinnasta voi potentiaalisesti kehittää heijastus- kuvan, ja kukin N nurkasta voi potentiaalisesti kehittää ’·’ taipumakuvan. Ilman kuvapuun kasvun jonkinlaista rajoitusta lähde, jolla on m heijastus tasoa ja n taipumistasoa, 30 kehittää luokkaa (2N)nN<m'n) olevan määrän kuvia olettaen, ί.,,ί että m > n. Esimerkiksi jos N = 100, m = 3, n = 1, tavan- , omainen kuvapuu sisältää noin 2 000 000 kuvaa. Jos kukin kuvaolio vaatii 100 tavua muistia (sen omien attribuuttien ja osoittimien sen edeltäjäkuviin ja jälkeläiskuviin säi-·.· · 35 lyttämiseksi) , edellä mainitun kuvapuun säilyttämiseen :,#i- tarvittava muisti on kohtuullisin oletuksin kaikkiaan 200 4 114671 megatavua! Ottaen huomioon kysymykseen tulevien kuvien lukumäärän on tyypillistä, että lähettimien/vastaanottimien sijoitusten määri tyskäsittely vaatii päiviä tai jopa viikkoja riippuen rakennusten tai muiden rakenteiden luku-5 määrästä, peittoalueen koosta ja ennustettujen pisteiden lasketun hilan erottelutarkkuudesta.

Mainituista syistä jäljelle jää sellaisen parannetun menetelmän tarve säteen jäljittämiseksi, joka kompensoi maini-10 tut ja muut ongelmat.

Täsmällisemmin sanottuna keksinnön mukaiselle menetelmälle on tunnusomaista se, mikä on esitetty patenttivaatimuksen 1 tunnusmerkkiosassa.

15

Kuvio 1 on kaavio, joka kuvaa, miten heijastuskuva kehitetään heijastuspinnan ("mirror") tapauksessa ja miten taipumakuva kehitetään taivutuspinnan eli nurkan ("comer") tapauksessa tämän keksinnön parhaana pidetyn suoritusmuodon 2 0 mukaan; ;kuvio 2 on kaavio, joka esittää kuvapuun hierarkkista kuvaa . tietyn ympäristön ja lähteen tapauksessa; . 25 kuvio 3 on kaavio, joka esittää kuvan "jäljitystä taakse- ; päin" ("back-tracing") kuvapuussa vastaanottimelta lähet- timelle; f i · kuvio 4 on kaavio, joka esittää vaikutusalueen käyttämistä 30 sekä heijastuskuvalla että taipumakuvalla tämän keksinnön I I » parhaana pidetyn suoritusmuodon mukaan; » » · kuvio 5 on vuokaavio, joka esittää tämän keksinnön parhaana *!’ pidetyn suoritusmuodon mukaista menetelmää kuvapuun mää- ·.· · 35 rittämiseksi; * » 5 114671 kuvio 6 on vuokaavio, joka kuvaa tämän keksinnön parhaana pidetyn suoritusmuodon mukaista menetelmää vastaanotetun tehon estimoimiseksi.

5 Kuvio 7 on kaavio, joka esittää vastaanotettujen signaalien tehomerkintöjä tämän keksinnön parhaana pidetyn suoritusmuodon mukaan.

Keksinnön mukainen menetelmä järjestelmän suunnittelemi-10 seksi ratkaisee mainitut ja muut ongelmat. Tämä jäljempänä lähemmin selitetty menetelmä on erityisen edullinen, koska useimmat tavanomaiset säteen jäljitysmenetelmät käyttävät kuvapuita, jotka käsittävät suuret määrät herättämättömiä kuvia. Jos voidaan määrittää, onko kuva herätetty, ennen-15 kuin tämä kuva kehitetään, voidaan kehittää ja tallentaa kuvat vain herätetyille osille. Muistin säästämisen lisäksi tähän liittyy myös myöhempään käsittelyyn ja sijoituksen määräämiseen kuluvan ajan lyheneminen. Myös tällaista kuvapuun "karsimista" käytettäessä kuvapuussa on silti 20 kuitenkin varsin suuri määrä kuvia (esim. 50 000) realistisen kaupunkiympäristön tapauksessa. Vastaanottimen tie-, . tyllä sijaintipaikalla vastaanotetun signaalin määrittäni! - ; 't seksi suoritetaan siitä syystä mieluimmin parannettu ta kaisinpäin jäljittävä menettely kuvapuun kunkin kuvan ta-: 1’ 25 pauksessa. Toistamalla tämä menettely tietyn lähettimen osalta muiden vastaanottopaikkojen tapauksessa saadaan ; peiton laadun estimaatti, josta lähettimen optimaalinen i : : sijoitus voidaan määrätä. Kaikki tämä voidaan suorittaa siten, että esillä olevan keksinnön mukaisen parannuksen . 30 ansiosta saavutetaan ennestään tunnettuihin menetelmiin t » · verrattuna huomattava muistin ja käsittelyä jän säästö.

» i · «Iti1 ‘ ' Parhaana pidetty menetelmä signaalin etenemisominaisuuksi- en määrittämiseksi tunnetun (esim. mikrosolun tai raken-35 nuksen sisäisen) ympäristön tapauksessa alkaa kuvapuun 6 114671 koon minimoimisella (so. karsimisella) määrittelemällä kunkin kuvapuussa olevan kuvan vaikutusalue (scope). "Vaikutusalue" ("scope") määritellään kulmana, jonka sisäpuolelle suurin osa kuvasta säteilleestä energiasta on ra-5 joittunut. Lähdekuvalla tietenkin on ennalta määrätty vaikutusaluekulma — tyypillisesti 360 astetta, mutta se voitaisiin asettaa pienemmäksi, jos niin määrätään (esim. jotta ei lähetettäisi kohti välittömässä läheisyydessä olevaa seinää, tai sektoriantennien tapauksessa). Heijas-10 tuskuvan vaikutusaluekulma on kuitenkin tavallisesti paljon pienempi kuin 180 astetta. Taipumakuvan vaikutusalue-kulma on tyypillisesti pienempi kuin 45 astetta. Kun kuva-puu on muodostettu tietyn ympäristön ja lähdepaikan tapauksessa, vaikutusalueattribuutti määritellään joka kerta 15 kun uusi kuva kehitetään. Uusia kuvia kehitetään vain kuvan vaikutusalueella olevien heijastuspintojen ja nurkkien tapauksessa. Määrittelemällä vaikutusaluekulma ja kuvaamalla vain kuvapuun herätetty osa tuloksena olevan kuvapuun kokoa saadaan varsin paljon pienennetyksi. Tämä 20 vuorostaan säästää kuvien tallentamiseen tarvittavaa muistia ja suurentaa vastaanotetun tehon ja muiden tietojen , . laskentanopeutta.

Seuraavaksi kuvapuun hierarkiassa olevaa luontaista infor-: ·' 25 maatiota käytetään mieluimmin kuvapuun osittaiseen jäljit- ,,,·* tämiseen vastaanotetun signaalitason (tai samatapaisen etenemisen/laadun mittaluvun, signaalin tehovaimennus mu-kaanluettuna) perusteella. Minkä tahansa kuvapuussa olevan kuvan tapauksessa sen heijastumisen synnyttämä lapsikuva 30 antaa osaltaan vähemmän tehoa pääkuvaan verrattuna ylimää- ·;·, räisen heijastumisen vuoksi. Realististen ympäristöjen ta- i · • pauksessa erotus voi olla vähintään 14 dB. Toisaalta tai- ' * pumisen synnyttämä lapsikuva antaa osaltaan tyypillisesti vähintään 6 dB vähemmän tehoa kuin pääkuva ja tavallisesti 35 paljon vähemmän. Kun on asetettu absoluuttinen ja suhteel- » i I i » t 7 114671 linen signaalitasokynnys, esillä olevasta kuvasta vastaanotettua signaalitasoa voidaan verrata kynnykseen ja kulloinkin vastaanotettuun kokonaistehoon ja voidaan tehdä päätökset sen suhteen, tutkitaanko esillä olevan kuvan 5 lapsikuvia. Summatun signaalitason laskemiseksi tietyssä paikassa suoritetaan siis kuvapuun osittainen tutkiminen. Tämä lyhentää signaalitehon laskemiseen tarvittavaa aikaa vastaanottimen kunkin mahdollisen sijaintipaikan osalta.

10 Tarkastellaan aluksi kuviota 1, jossa kuvan syntyminen on esitetty yleisesti ja joka esittää, miten heijastuspinta 110 synnyttää heijastuskuvan 103 ja miten nurkka 120 synnyttää taipumakuvan 113. Lähde (s) 101 voi synnyttää hei-jastuspinnan 110 taakse heijastuskuvan (i) 102, joka mää-15 rittelee heijastuneen säteen etenemistien lähteeltä vas-taanottimelle 103, jos vastaanottimen sijainti on määritelty. Huomattakoon että kuvan 102 sijainti on riippumaton vastaanottimen 103 sijainnista. Lähde (s) 111 voi lisäksi synnyttää taivutusnurkan 120 kohdalla taipumakuvan (i) 20 112, joka määrittelee taipuneen etenemistien lähettimeltä vastaanottimelle 113, jos vastaanottimen sijainti on määritelty. Taipumakuvan 112 sijainti on nytkin riippumaton vastaanottimen 113 sijainnista.

25 Kuvio 2 esittää yleisesti kuvapuun (joka on merkitty ylei-sesti viitenumerolla 200) hierarkiaa. Tietyn ympäristön ja / lähteen tietyn sijaintipaikan tapauksessa lähde 201 voi : : synnyttää jokaisen ympäristössä olevan heijastuspinnan tapauksessa heijastuneen lapsikuvan ja jokaisen ympäris- .·, 30 tössä olevan nurkan tapauksessa taipumakuvan. Näitä kutsu- - * · taan ensimmäisen sukupolven (tai ensimmäisen keraluvun) I · kuviksi 210. Kukin ensimmäisen sukupolven kuva voi vuoros- « ' ‘ taan toimia lähdekuvan tavoin ja synnyttää jokaisen ympä- ristössä olevan hei jastuspinnan tapauksessa heijastuneen 35 lapsikuvan ja jokaisen ympäristössä olevan nurkan tapauk- t · 8 114671 sessa taipumakuvan. Näitä kutsutaan toisen sukupolven tai toisen kertaluvun kuviksi 220. Tämä prosessi voidaan toistaa toisen ja korkeamman kertaluvun kuvilla ja keskeyttää sen jälkeen, kun on saavutettu ennalta määrätty määrä hei-5 jastumisia ja taipumisia. Tässä prosessissa kehitetyt kuvat linkitetään sen jälkeen toisiinsa hierarkkisen kuva-puun 200 muodostamiseksi.

Jos tietty lähetin TX on kuvapuun tyvi, ts. lähde 201, ja 10 jos A on puussa jossakin kohdassa oleva kuva, joko heijastuskuva tai taipumakuva, ja jos B on kuvan A heijastunut lapsikuva, niin kuvasta B saatu tehoniisäys on pienempi määrällä, joka on yhtä kuin heijastumisesta aiheutuva vaimennus plus kuvan A alapuolella olevan vapaan tilan lisä-15 vaimennus. Reaalisten ympäristöjen tapauksessa tämä on vähintään 14 dB plus vapaan tilan vaimennuserotus (joka määritetään perustuen yhteystien segmentin pituuteen kuvaa A vastaavasta heijastus-/taivutuspinnasta kuvaa B vastaavalla pinnalla olevaan heijastuspisteeseen — perustuen 20 esim. kuvion 3 rl:n 312 ja r2:n 322 väliseen etäisyyteen). Vastaavasti jos C on A:n taipumakuva, niin kuvan C myötä-. . vaikutus tehoon on vähintään 6 dB:n vaimennus (tavaili- t « sesti paljon enemmän kuin 6 dB) plus kuvan A alapuolella , · olevan vapaan tilan vaimennuserotus. Jos kuvan A myötä- • " 25 vaikutus tehoon on jo tietyn kynnyksen alapuolella, niin t ei ole tarvetta tutkia B:tä ja C:tä eikä niiden sisaruksia • ν' ja jälkeläisiä, joten kuvapuuta voidaan edelleen karsia.

* f

Kuviossa 3 on esitetty kuvan "jäljitys taaksepäin" ("back-30 tracing"), ts. kuvapuun jäljittäminen taaksepäin vastaan- * t * ·;·, ottimelta 331 lähettimelle 301. Kun vastaanottimen sijain- t t ti on tunnettu, kukin kuvapuussa oleva kuva voidaan tut- 4 * kia, jotta nähdään, onko se lähettimen 301 ja vastaanotti- ‘ί*1 · men 331 välisellä etenemistiellä. Tämä tehdään taaksepäin , 35 jäljittämisen avulla. Vastaanottimelta (RX) 331 alkaen I 1 I f t * 9 114671 toisen sukupolven kuvan (aa) 321 ja RX:n 331 välille piirretään etenemistie, jolta löytyy pinnalla (heijastuspin-nalla 320) oleva heijastuspiste (r2) 322. Jos r2 322 ei ole heijastuspinnalla 320 tai jos RX:n 331 ja r2:n 322 5 välinen tähtäysviiva (LOS, line-of-sight) on esteen katkaisema, niin tämä kuva ei muodosta mahdollista etenemistietä. Muussa tapauksessa r2:n 322 ja (a):n välille, joka on kuvan aa 321 emokuva 311, vedetään viiva tai säde. Silloin löydetään toinen pinnalla 310 oleva heijastuspiste 10 (rl) 312. Nytkin jos (rl) 312 ei ole heijastuspinnalla 310 tai jos (r2):n 322 ja (rl):n 312 välinen tähtäysviiva on esteen katkaisema, niin tämä kuva 311 ei muodosta kelvollista etenemistietä. Jos vapaa tähtäysviiva on olemassa (rl):n 312 ja lähteen (s) 301 välillä (joka on kuvan 311 15 emokuva), niin lähteeltä 301 vastaanottimelle 331 on olemassa kahden heijastuspisteen 312, 322 kautta kulkeva etenemistie.

Kuvio 4 esittää yleisesti, miten vaikutusaluetta voidaan 20 käyttää muodostettaessa kuvapuu kaupunkikanjonissa 400.

Vaikutusalue on kulma, joka määrittelee avaruuden heräte-' V tyn alueen mahdollisten kuvasta lähtevien etenemisten • t • : : perusteella. Rakennuksen 410, jossa on pinta 415 (joka | *·· toimii tässä tapauksessa heijastuspintana), tapauksessa 25 kuva i]^ 411 on kuva minkä tahansa pinnasta 415 heijastu- I misten tapauksessa lähettimen lähdepaikasta 401. Koska i * * kuva 411 voi kuitenkin toimia kuvana vain niillä säteillä, jotka etenevät pinnasta 415 vaikutusalueen 412 määrittelemässä alueessa, niin vaikutusaluetta 412 voidaan * · · 30 käyttää kuvan ii 411 mahdollisten tytärkuvien vähentämi- i : : *. seksi huomattavasti (ts. niiden kuvien, joissa on heijas- tus- tai taivutuspisteitä vaikutusalueen 412 määrittele-·”·: mässä alueessa). Samaten siinä tapauksessa, että rakennuk- sessa 420 on pinnan reuna 425 (joka toimii taivutusnurkka-! . 35 na), kuva i2 421 on kuva minkä tahansa pinnasta 425 taipu- 10 114671 misten tapauksessa lähteestä 401. Nytkin kuva ±2 421 voi kuitenkin toimia kuvana vain niillä säteillä, jotka etenevät reunasta 425 vaikutusalueen 422 määrittelemässä alueessa, ja vaikutusaluetta 422 voidaan käyttää samoin kuvan 5 i2 421 mahdollisten tytärkuvien vähentämiseksi huomatta vasti (ts. niiden kuvien, joissa on heijastus- tai taivu-tuspisteitä vaikutusalueen 422 määrittelemässä alueessa). Kummassakin tapauksessa heijastus- ja taipumakuvien vaiku-tusaluekulmat ovat paljon pienemmät kuin 360 astetta, joka 10 kaksiulotteisessa tapauksessa tavanomaisesti vaadittaisiin. Synnyttämällä lapsikuvat vain niiden pintojen (esim. heijastuspintojen ja nurkkien) tapauksessa, jotka ovat esillä olevan kuvan vaikutusalueella, kuvapuun kasvu rajoitetaan mahdollisen kuvapuun herätettyyn osaan. Tämä 15 "karsii" kuvapuun tehokkaasti hallittavan kokoiseksi realistisen ympäristön tapauksessa kuten kaupunkialueiden mikrosolusovelluksissa.

Seuraavaksi kuvio 5 kuvaa menetelmää 500, jonka avulla 20 karsittu kuvapuu voidaan muodostaa. Ensiksikin, ellei jo ole määritetty, määritetään kaikkien merkitsevien rakenteiden (rakennusten, tornien, maaston jne.) ja kaikkien ' 1 * haluttujen rakenneominaisuuksien (esim. kunkin usean hei- * '·· jastuspinnan sijainti (jotka määrittelevät kaikki mahdol- 25 liset heijastuspisteet pinnalla) sekä useiden taivutus-; pintojen sijainti yhdessä signaalin tehovaimennusominai- j ·*: suuksien kanssa). Sen jälkeen lähettimen tietyn lähdepai- kan ja tunnetun ympäristön (ts. rakenneominaisuuksien) . ,·. tapauksessa lähde asetetaan esillä olevaksi kuvaksi ja sen !11 30 ennalta määrätty vaikutusalue asetetaan (tyypillisesti 360 asteeksi) (vaihe 510). Sen jälkeen jokaisen ympäristössä olevan heijastuspinnan tapauksessa (vaihe 520) tehdään määritys sen suhteen, onko heijastuspinta osittain tai täysin esillä olevan kuvan vaikutusalueella (esim. estee-! . 35 tön tähtäysviiva) (vaihe 530). Jos on, määritetään lapsi- t » 11 114671 kuva (eli ensimmäisen kertaluvun heijastuskuva) (vaihe 540) (tavallisen trigonometrian avulla) tämän heijastus-pinnan ja vaikutusalueen tapauksessa. Seuraavaksi kunkin ympäristössä olevan "nurkan" tapauksessa (vaihe 550) mää-5 ritetään, onko nurkka esillä olevan kuvan vaikutusalueella (vaihe 560). Jos on, määritetään lapsikuva (eli ensimmäisen kertaluvun taipumakuva) tämän nurkan ja lasketun vaikutusalueen tapauksessa (vaihe 570). Lopuksi prosessi toistetaan kunkin haaran osalta ennalta määrätyllä määräl-10 lä heijastumisia ja taipumisia. Esimerkiksi jos halutaan kaksi heijastumistasoa ja kolme taipumistasoa, kuvapuu olisi tässä haarassa viiden tason syvyinen. Kaikki kolmannen tason heijastuskuvat (ja niiden lapsikuvat) kuitenkin karsittaisiin, vaikka ne olisivatkin kolmannen kertaluvun 15 kuvia. Väljemmin rakennetuissa kaupunkiympäristöissä, joissa on suurempi energiahäviö heijastumista/taipumista kohti johtuen muiden tekijöiden lisäksi pitemmistä etenemisteistä, kahden heijastustason ja kolmen taipumistason määritys ovat yleensä riittävät todellisen etenemisympä-20 ristön mallintamiseksi riittävällä tavalla. Tiheämmin rakennetuissa ympäristöissä lisätaso tai ehkä useampikin lisätaso voi olla välttämätön. Alan asiantuntijalle on • « ' ’ * selvää, miten tarkoituksenmukainen kuvankehitystaso vali- ; ·· taan ympäristön rakennustiheyden perusteella samoinkin t||’ 25 muiden näkökohtien perusteella kuten käytettävissä olevan i muistin/käsittelytehon (jotka suurenevat huomattavasti, i kun kukin ylimääräinen taso lisätään).

, ,·. Lopuksi vielä kuvio 6 esittää yleisesti parhaana pidettyä • 30 menetelmää (600) kuvapuussa olevien kuvien jäljittämiseksi taaksepäin ja vastaanotetun signaalin laadun mittaluvun '·”· (esim. vastaanotetun kokonaistehon, etenemisvaimennuksen jne.) määrittämiseksi. Prosessi initialisoidaan ensin alkamalla kuvapuun huipulta, lähettimeltä (610). Taakse-. 35 päin jäljittävä prosessi (kuten kuviossa 3 esitetty pro- 12 114671 sessi) suoritetaan sen määrittämiseksi, onko vastaanottimen ensimmäinen sijaintipaikka suorassa näköyhteydessä lähettimeen (620). Jos on, etenemistie lähettimeltä vas-taanottimelle muodostaa ensimmäisen etenemistien, ja mää-5 ritetään (630) signaalin laadun muutos (esim. tehovaimen-nus, vaimennus tai muu laadun mittaluvun muutos) etenemistiellä, joka muutos tässä tapauksessa johtuu yksinomaan etenemistien vaimennuksesta vapaassa avaruudessa. Ellei ole, seuraava kuva, mieluimmin alenevassa järjestyksessä 10 kuvapuussa, asetetaan esillä olevaksi kuvaksi (640).

Niinpä lähettimen jälkeen jatketaan määrittämällä (kuvion 2) lapsikuvan A myötävaikutus (620). Jos kuva A on taipu- makuva, tämä määritettäisiin kuten lähettimen tapauksessa, 15 ts. onko olemassa suora tähtäysviiva kuvan (joka sijaitsee samassa paikassa kuin taivutuspinta) ja vastaanottimen välillä. Jos kuva A on taipumakuva, vaihe 620 määrittää,

onko kuvan A ja vastaanottimen määrittelemä viiva kuvan A

heijastuspinnan ja vastaanottimen välillä esteetön (tämän 20 viivan ja heijastuspinnan leikkauspisteen määritellessä heijastuspisteen) ja onko viiva heijastuspisteestä lähet- timelle esteetön — toisin sanoen, onko kuvaa A käytettäes- ’ ' ' sä olemassa etenemistie. Jos etenemistie on olemassa, *· tehovalmennuksen estimointi suoritetaan määrittämällä ‘|· 25 kukin myötävaikutus — ts. vapaan tilan vaimennus etenemis- [ tien kahden segmentin matkalla ja heijastuspinnan vaimen- *« I ·’: nus. Laskutoimitusten yksinkertaistamiseksi heijastuspin nan vaimennus voidaan määritellä joukkoarvona kaikille , ,·. heijastuspinnoille (esim. 14 desibeliä). Vaihtoehtoisesti 30 voidaan käyttää kunkin heijastuspinnan materiaaliominai-suuksia/rakennetta, mikäli ne tunnetaan, myös ottamalla mukaan kulmatekijä tietyillä karkeilla/epäsäännöllisillä pinnoilla, joten voidaan saada tarkempi tehovalmennuksen ,···, estimointi. Samaten voidaan käyttää taipumisominaisuuksia 13 114671 yhdessä taivutuskulman kanssa laskettaessa tehovalmennus taivutuspintojen kohdalla.

Vaiheen 630 jälkeen tehdään vertailu esillä olevan etene-5 mistien myötävaikutuksen (esim. alkuperäinen lähetysteho kertaa tehovalmennus) ja ennalta määrätyn kynnyksen välillä. Kynnys asetetaan mieluimmin riittävän matalaksi (esim.

120 dB:n aleneminen lähetystehosta) de minimus myötävaikutusten poissulkemiseksi. Jos esimerkiksi kuvion 2 kuvan B 10 myötävaikutus tehoon olisi pienempi kuin kynnys, sen lapsikuvien (esim. kuvan D) myötävaikutuksen määritystä ei tehtäisi, koska tällainen olisi välttämättä myös de minimus. Tässä tapauksessa saman kertaluvun kuvan sisaruksista seuraava asetettaisiin esillä olevaksi kuvaksi (esim. kuva 15 C) (vaihe 660) ja prosessi toistettaisiin. Lisäksi myötävaikutusta tehoon verrataan mieluimmin myös jo määritettyjen kumulatiivisten myötävaikutusten ja suhteellisen kynnyksen erotusta (esim. 20 dB) vastaan suhteellisten de minimus ehtojen poissulkemiseksi. Tämä on hyödyllistä 20 esim. poissuljettaessa ensimmäisen kynnyksen yläpuolella olevat mutta silti de minimus myötävaikutukset, jos on '·*·' myös olemassa lyhyitä etenemisteitä, joiden vaimennus on ’ ' ’ pieni. Jos myötävaikutus tehoon on suurempi kuin kumpikin : ’·* kynnys, tehdään kunkin lapsikuvan/alemman kertaluvun kuvan , 25 osavaikutuksen määritys (670).

• · * Γ:*: Tämä prosessi toistetaan (vaiheet 541, 571), kunnes kaikki puussa olevat kuvat on tutkittu tai poissuljettu kynnys-j .·. määrityksen avulla, mikä tuottaa vastaanotetun signaalin 30 laadun mittaluvun (esim. vastaanotetun tehon) kumuloituna < t · vaiheen 630 aikana.

t Tämä prosessi toistetaan sen jälkeen vastaanottimen kaik-kien ennalta määrättyjen sijaintipaikkojen tapauksessa, /· ; 35 mikä tuottaa signaalin etenemisominaisuuksien estimaatin 14 114671 tietyn lähettimen ennalta määrätyllä kiinnostavalla alueella. Kiinnostava alue mikrosolujärjestelmien ollessa kysymyksessä määritellään tyypillisesti kaikkina alueina ennalta määrätyllä säteellä lähettimen sijaintipaikasta 5 lukien, jotka alueet ovat alueella olevien rakenteiden ulkopuolella (sisäisiä laskutoimituksia voitaisiin myös suorittaa, mutta se edellyttäisi mutkikkaampia laskutoimituksia, joihin liittyy läpäisyominaisuuksiin perustuva tehovaimennus). Rakennusten sisällä olevien järjestelmien 10 tapauksessa kiinnostavaa aluetta rajoittaisivat rakennusten ääriviivat. Alan asiantuntijalle on selvää, että signaalin etenemisominaisuuksien tarkkuus riippuu vastaanottimen sijaintipaikkojen lukumäärästä/niiden välisestä etäisyydestä ja siitä, miten tarkoituksenmukainen lukumää-15 rä valitaan sellaisten tekijöiden balanssin perusteella kuten haluttu tarkkuus ja käytettävissä oleva laskentaka-pasiteetti/-aika. Kummassakin tapauksessa vastaanottimen kutakin sijaintipaikkaa vastaavaa signaalitehoa voidaan käyttää eri tavoin järjestelmäsuunnittelun ratkaisujen 20 tekemiseksi esimerkiksi muodostamalla yhdistämällä peiton laadulle jokin yleismittaluku, tulostamalla vastaanottimen sijaintipaikat ja halutun vastaanotetun signaalitason ala-' 1' puolella olevat tehot (jotka ilmaisevat katveessa olemista * ’·· tai solun rajoja) ja näyttämällä ne käyttäjälle suhteel- , 25 listen vastaanotintehojen esittämiseksi.

Viimeksi mainittua lähestymistapaa voidaan käyttää edullisesti vastaanottimen sijoitusta määrättäessä kuten langat-, .·. toman kiinteän liityntäyksikön (WAFU, wireless fixed ac- 30 cess unit), jota käytetään PCS-järjestelmissä (personal communication services; henkilökohtaiset tietoliikennepal-velut). Tämä on esitetty kuviossa 7, jossa yhtä lähetin-paikkaa 701 käytetään paikallisalueen 700, kuten useita taloja 710, 720, käsittävän naapuriasuinalueen peittämi- ! . 35 seksi. Vastaanottimen mahdollisten eri sijaintipaikkojen, • · 15 114671 jotka on kuvattu alueina 711-713 ja 721-722, tapauksessa määritetään suhteelliset vastaanotetut tehot- Tällaisten alueiden koko voi vaihdella halutusta sijoitustarkkuudesta riippuen. Lisäksi määrityksen helpottamiseksi vain suh-5 teelliset tehotasot näytetään (tässä tapauksessa asteikolla l:stä 10:een, vaikka voitaisiin käyttää mitä tahansa asteikkoa, mukaanluettuna värikoodaus tietokoneen näytöllä). Tämä on riittävä WAFU:n sijoituksen määräämiseksi alueessa 711 rakennuksen 710 läheisyydessä. Sellaisissa 10 tapauksissa, joissa suhteellinen näyttö ei anna riittävän yksityiskohtaista tietoa, kuten alueilla 721 ja 722 rakennuksen 720 läheisyydessä, jotka kumpikin osoittavat suhteellista tehoa 3, todellisuudessa määritetyt vastaanotetut signaalitehot kummassakin alueessa voidaan näyttää, 15 jotta optimaalinen alue voidaan valita. Lopuksi vielä mikäli lähettimen useat lähdepaikat ovat mahdollisia, esim. sijaintipaikka 702, koko prosessi voidaan toistaa vastaanottotehojen määrittämiseksi koko peittoalueella lähettimen toisen sijaintipaikan 702 käytön perusteella.

20 Tuloksia voidaan verrata eri tavoin, kahden vertailutavan ollessa joko peiton vertailu vastaanottimen/tilaajän tunnettujen sijaintipaikkojen tapauksessa (esim. jos vain ‘ * ' rakennukset 710 ja 720 olisivat todennäköisiä tilaajia, TX

; *·· 702 olisi parhaana pidetty paikka) tai yleispeittoarvon , jj’ 25 määrääminen alueelle 700. Tämä viimeksi mainittu ratkaisu f : : voitaisiin toteuttaa monilla tavoilla, mukaanluettuna i ·*: kaikkien signaali tehojen yksinkertainen yhteenlasku kunkin lähettimen alueella ja vertaamalla summia, sellaisten , ,·. vastaanottoalueiden suhteellisen osuuden määrittäminen, 30 jotka ovat pienimmän halutun signaalitehon alapuolella kullakin lähettimellä ja vertaamalla näitä suhteellisia osuuksia, jne.

Alan asiantuntijalle on siten selvää, että keksinnön mu-. 35 kaan on saatu aikaan sellainen menetelmä ja laite kuvapuun i · , 16 114671 kehittämiseksi ja karsimiseksi, joka täysin täyttää edellä esitetyt tavoitteet ja tuottaa mainitut edut. Vaikka keksintö on selitetty sen erityisten suoritusmuotojen yhteydessä, niin on selvää, että monet vaihdokset, muutokset ja 5 muunnokset ovat edellä esitetyn selityksen valossa alan asiantuntijoille ilmeisiä. Näin ollen tämän keksinnön on tarkoitettu käsittävän kaikki tällaiset oheisten patenttivaatimusten hengen mukaiset ja niiden suojapiirissä olevat vaihdokset, muutokset ja muunnokset.

i s · i : : i ; : • > > · ·

Claims

17 114671

1. Menetelmä signaalin etenemisominaisuuksien määrittämiseksi tunnetussa ympäristössä, tunnettu siitä, 5 että se käsittää seuraavat vaiheet: (a) määritetään kukin tunnetun ympäristön useista heijastuspinnoista ja kukin useista taittavista pinnoista; (b) määritetään ensimmäinen kuvapuu (500) tunnetussa ympäristössä lähettimen ensimmäisen lähdepaikan tapauksessa 10 seuraavasti: (i) määritetään ensimmäisen kuvapuun (500) ensimmäisen kertaluvun kuvat kullekin mainituista useista heijastuspinnoista ja kullekin mainituista useista taivutuspinnoista (425), jolloin ensimmäisen kertaluvun 15 kuva useista heijastavista pinnoista (415) tai useista taittavista pinnoista on rajoitettu vaikutusalue ennalta määritetyssä vaikutusalueessa; (ii) määritetään ensimmäisen kuvapuun (500) toisen ja korkeamman kertaluvun kuvat toistamalla vaihe (b) (i) 20 ennalta määrätyllä määrällä heijastumisia ja taittumisia siten, että kunkin mainituista useista heijastuspinnoista . ·. (415) ja useista taivutuspinnoista (425) tapauksessa , ·, määritetään seuraavan kertaluvun kuva kun useilla ; heijastavilla pinnoilla (415) tai taittavilla pinnoilla on 25 vaikutusalue mainitun aiemman kertaluvun kuvan rajoitetun ” ; vaikutusalueen sisällä; ; (c) valitaan vastaanottimen ensimmäinen sijainti- ‘ paikka ja suoritetaan taaksepäin jäljitys vastaanottimen ensimmäisestä sijaintipaikasta lähtien ensimmäistä kuva- 30 puuta (500) käyttäen kunkin useista etenemisteistä määrit- : ί tämiseksi vastaanottimen ensimmäisestä sijaintipaikasta .·. lähettimen ensimmäiseen lähdepaikkaan; (d) määritetään signaalin laadun muutos kullakin mainituista useista etenemisteistä; ja v : 35 (e) määritetään vastaanotetun signaalin laadun :iit: mittaluku vastaanottimen ensimmäisen sijaintipaikan 18 114671 kohdalla kunkin mainituista useista etenemisteistä signaalin laadun muutoksen perusteella.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, t u n -5 n e t t u siitä, että se käsittää lisäksi: (f) vaiheiden (c) - (e) toistamisen vastaanottimien useiden muiden sijaintipaikkojen tapauksessa ensimmäistä kuvapuuta (500) käyttäen vastaanotetun signaalin laadun 10 mittaluvun määrittämiseksi kaikkien vastaanottimen ensimmäisen ja useiden muiden sijaintipaikkojen kohdalla.

3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että se käsittää lisäksi: 15 (g) lähettimen parhaaksi katsotun sijaintipaikan määrittämisen perustuen vastaanotetun signaalin laadun mitta-lukuun vastaanottimen mainittujen ensimmäisen ja useiden muiden sijaintipaikkojen tapauksessa. 20

4. Patenttivaatimuksen 2 mukainen menetelmä, t u n - : n e t t u siitä, että se käsittää lisäksi: (g) lähettimen peiton laadun määrittämisen perustuen * · 25 vastaanotetun signaalin laadun mittalukuun vastaanottimen ! mainittujen ensimmäisen ja useiden muiden sijaintipaikkojen * ! kohdalla; ja (h) vaiheiden (b) - (g) toistamisen lähettimen useiden : 30 muiden lähdepaikkojen tapauksessa lähettimen peiton laadun : * määrittämiseksi lähettimen mainittujen ensimmäisen ja ; useiden muiden lähdepaikkojen tapauksessa ja määritetään ,···, lähettimen parhaaksi katsottu sijaintipaikka perustuen » » I lähettimen peiton laatuun lähettimen mainittujen ensimmäi- * · t '·' ‘ 35 sen ja useiden muiden lähdepaikkojen tapauksessa. * · * · 19 114671

5. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että vaihe (a) käsittää lisäksi kunkin useista heijastus- (415) ja taivutuspinnoista (425) rakenneominaisuuksien määrittämisen. 5

6. Patenttivaatimuksen 5 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että kunkin mainituista useista heijas-tuspinnoista (415) rakenneominaisuudet käsittävät ainakin toisen ryhmästä, jonka muodostavat sijainti tunnetussa 10 ympäristössä ja heijastumasignaalin laatuhäviön mittaluku, ja että kunkin mainituista useista taivutuspinnoista (425) rakenneominaisuudet käsittävät ainakin toisen ryhmästä, jonka muodostavat sijainti tunnetussa ympäristössä ja taipuneen signaalin laatuhäviön mittaluku. 15

7. Patenttivaatimuksen 6 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että vaiheen (c) taaksepäin jäljittäminen käsittää kunkin mainituista useista etenemisteistä tapauksessa kullakin mainituista useista heijastuspinnoista 20 (415) olevan heijastuspisteen sijainnin määrittämisen kullakin mainituista useista etenemisteistä. > >

8. Patenttivaatimuksen 7 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että vaihe (d) käsittää kunkin maini- » · 25 tuista useista etenemisteistä tapauksessa seuraavat vai-heet: (i) määritetään etenemistien segmenttien pituudet kullakin mainituista useista etenemisteistä käyttäen lähetti-> : 30 men ensimmäistä sijaintipaikkaa, vastaanottimen ensimmäistä sijaintipaikkaa ja kunkin taivutuspinnan (425) sijaintia ; sekä kutakin heijastuspistettä kullakin mainituista useista ,*·*. heijastuspinnoista; ’·' ‘ 35 (ii) määritetään signaalin laadun muutos etenemistien kunkin segmentin matkalla vapaan tilan vaimennu s omi nai- 20 114671 sarvon perusteella, kunkin taivutuspinnan (425) tapauksessa taipumasignaalin mainitun laatuhäviön mittaluvun perusteella sekä kunkin heijastuspisteen tapauksessa heijas-tumasignaalin mainitun laatuhäviön mittaluvun perusteella; 5 ja (iii) määritetään signaalin laadun muutos kullakin mainituista useista etenemisteistä laskemalla yhteen kukin signaalin laadun muutos kullakin etenemistien segmentin mat-10 kalla, kunkin mainituista taivutuspinnoista (425) tapauksessa sekä kunkin mainituista heijastuspisteistä tapauksessa .

9. Patenttivaatimuksen 7 mukainen menetelmä, t u n - 15. e t t u siitä, että vaihe (c) käsittää lisäksi seuraavat vaiheet: (i) valitaan kuvapuun (500) esillä oleva kuva, jossa on vastaava ensimmäinen pinta; 20 (ii) määritetään, onko ensimmäinen pinta vastaanottimen • : ensimmäiseen sijaintipaikkaan ulottuvalla ensimmäisellä : etenemistiellä jäljittämällä taaksepäin vastaanottimen ; t ensimmäisestä sijaintipaikasta lähettimen ensimmäiseen ;. 25 lähdepaikkaan; t ja että vaihe (d) käsittää lisäksi seuraavat vaiheet: > · (i) määritetään etenemistien segmenttien pituudet ensim- · 30 mäisellä etenemistiellä käyttäen lähettimen ensimmäistä I I ·* lähdepaikkaa, vastaanottimen ensimmäistä sijaintipaikkaa ; sekä kunkin hei jastuspisteen paikkaa ja kunkin taivutuspin- nan (425) paikkaa; » · • I I 35 (ii) määritetään signaalin laadun muutos etenemistien *·· kunkin segmentin matkalla vapaan tilan vaimennusominaisar- 21 114671 von perusteella, kunkin taivutuspinnan (425) tapauksessa taivutuspinnan (425) signaalin mainitun laatuhäviön mitta-luvun perusteella ja kunkin heijastuspisteen tapauksessa heijastumasignaalin mainitun laatuhäviön mittaluvun perus-5 teella sekä kumuloimalla kukin signaalin laadun muutos, joka on määritetty kumulatiivisessa signaalin laadun muutoksessa; ja (iii) jos kumulatiivinen signaalin laadun muutos ylittää 10 ennalta määrätyn kynnyksen, keskeytetään mainitun ensimmäisen etenemistien taaksepäin jäljitys ja asetetaan kumulatiivinen signaalin laadun muutos ensimmäisellä etenemistiellä vastaamaan nollan suuruista myötävaikutusta; 15 ja että vaiheet (c) ja (d) toistetaan ensimmäisen kuvapuun (500) kunkin sellaisen kuvan tapauksessa, joka on muu kuin mikä tahansa esillä olevan kuvan lapsikuva.

10. Patenttivaatimuksen 9 mukainen menetelmä, t u n -20 n e t t u siitä, että signaalin laadun muutos on signaalin tehovalmennuksen mitta. S · i * > » I t » 1 • I 22 114671