JP2007068163A

JP2007068163A - 屋内環境における基地局設置スキームを決定するための無線通信計画方法及び装置

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Publication number: JP2007068163A
Application number: JP2006225483A
Authority: JP
Inventors: Shan Che; チェ・シャン; Song Song; ソン・ソン; Fan Chian; チアン・ファン; Chin Chan Han; ハン・チン・チャン
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 2005-08-29
Filing date: 2006-08-22
Publication date: 2007-03-15
Also published as: CN1925667B; CN1925667A; US7881720B2; US20080057873A1

Abstract

【課題】屋内環境における基地局の設置スキームを決定するための無線通信計画方法及び装置を提供する。
【解決手段】本発明において用いられる無線信号伝搬モデルは、理論的減衰部分と環境影響部分とを含む。オンサイト測定を通して、屋内無線信号伝搬モデルとオンサイト測定の結果とを組み合わせて、サイト無線信号伝搬特性データベースを構築し、該データベースには、所与のサイトにおける無線信号伝搬特性が記述される。環境依存データベースに基づき、上述の屋内無線信号伝搬モデルを用いて、いずれかのタイプの基地局をいずれかの位置に配置する場合にサイトにおいて生成される無線信号分布を表す無線信号マップが生成される。異なる基地局パラメータを入力することによって、異なるタイプの基地局についてそれぞれの無線信号マップを生成し、それにより、特定の設計要件に従った計画の結果として最適な基地局設置スキームを選択することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、屋内無線通信計画の方法及び装置に関し、より具体的には、屋内環境における基地局設置スキームを決定するための無線通信計画方法及び装置に関する。

広範な無線通信システムの開発に伴って、例えば、ＷＬＡＮ（無線ＬＡＮ）、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ、及びＺｉｇＢｅｅなどのますます多くの屋内無線サービス及びアプリケーションが近年登場している。しかしながら、レイアウト、建物、及び建具材の影響といった屋内環境の複雑さのために、無線信号が不規則なパターンで伝搬され、それが無線通信及びアプリケーションのサービス品質（ＱｏＳ：Quality of Service）に大きな影響を与える。したがって、屋内無線通信計画が、屋内無線サービス及びアプリケーションについての重要で興味深い問題となる。

一般に、屋内無線通信計画の目的は、一定の品質要件を満足するために無線基地局をどのように配置し、設定するかを決定することである。以下のように、いくつかの典型的なシナリオが挙げられる。
・シームレスな通信をサポートするように、ＣＤＭＡ／ＧＳＭ基地局を地下鉄駅に設置する。通信をサポートするために、一定の出力を有する信号が、地下鉄駅の各場所（corner）をカバーするようにしなければならない。しかし同時に、無線の出力は、健康及び法律を考慮して、ある程度のものに制限するべきでもある。したがって、どの程度の数の、及びどのようなタイプの基地局を選択し、その基地局をどこに配置するかが問題になる。
・通信のために、ＷＬＡＮアクセス・ポイントを事務所内に設置する。セキュリティを考慮すると、情報漏れ及び無線妨害を防止するために、無線信号を一定のエリアに制限すべきである。この場合、アクセス・ポイントをどこに配置するか、アクセス・ポイントの出力をどのように調整するか、及び、アンテナをどのように選択するかが問題になる。
・博物館及びスーパーマーケットで用いられる無線位置決めサービスは、ゾーン内で来訪者を案内するのに役立つ。サービスは、無線基地局の信号強度を利用し、機械学習能力又は三角法などといったいくつかの位置決めアルゴリズムを活用して、位置を決定する。サービスの精度は、基地局の無線信号マップ（radio signal map）に大きく依存する。したがって、最良の位置決め性能を達成するために、基地局の設置をどのように取り決めるかが問題になる。

従来、屋内無線通信計画方法は、２つのカテゴリ、すなわち、オンサイト測定と、モデルに基づく計画とに分類される。オンサイト測定のカテゴリにおいては、選択された位置に基地局を置いてテストを実行する。無線分布を得るために、他の位置において信号が測定される。次いで、それに応じて計画決定が立案される。しかしながら、オンサイト測定は、非常に時間がかかり、煩雑である。１つ又は複数の基地局が別の位置に動かされた場合には、測定手順全体をもう一度実行しなければならない。大量の測定作業量が、オンサイト測定が無線の環境評価及び計画にとっては適切ではないことの原因である。さらに、基地局の初期位置をどのように決定するかということが、依然として問題である。この方法は、場当たり的なものであるか、経験的なものであるかの何れかである。この方法によって行われた計画決定は、通常は可能なケースの全てがテストされるわけではないため、最適である可能性が低い。第２のカテゴリの方法、例えばレイリー・フェージング・モデル（Rayleigh fading model）、リシアン分布モデル（Riciandistribution model）、及び、フロア減衰率モデル（Floor AttenuationFctor model）などのモデルに基づく方法は、無線信号マップを数学的に計算することによって測定の負担を軽減する。しかしながら、屋内環境における無線信号の伝搬は、建物内部の構造に起因する電波の反射、回折、及び散乱によって左右されるため、従来技術の屋内伝搬モデルは、十分な精度がないものであるか、又は、得ることが難しいいくつかのモデル・パラメータに依存するものであるかの何れかである。実際には、これらのモデルの最も深刻な問題は、これらのモデルは信号伝搬に関する屋内環境の影響を単純化し過ぎて、精度の低下につながっていることである。

H. Hashemi, "The Indoor Radio Propagation Channel", Proceedings of the IEEE, 943-968ページ, 1993年7月 S. Rice, "Mathematical analysis of RandomNoise", Bell Systems Technical Journal, 1944年 Y. Chen and H. Kobayashi, "Signal strengthbased indoor geolocation", IEEE International Conferenceon Communications, 436-439ページ, 2002年4月 Zhe Xiang, Hangjin Zhang, Jian Huang, Song Song and Kevin C.Almeroth, "A Hidden Environment Model for ConstructingIndoor Radio Maps", IEEE International Symposium on aWorld of Wireless, Mobileand Multimedia Networks2005(WoWMoM2005)

本発明の目的は、屋内環境における基地局の設置スキームを決定するための無線通信計画方法及び装置を提供することであり、本方法及び装置により、１つのタイプの基地局について実際のオンサイト測定を実行するだけでそのサイトにおけるあらゆるタイプの基地局についての無線信号マップを得ることが可能となる。

本発明の態様によれば、屋内環境における基地局の設置スキーム（setting scheme）を決定するための無線通信計画方法であって、基地局を配置するための少なくとも１つの送信点と、該基地局によって送信される信号を受信するための少なくとも１つの受信点とを定めるステップと、送信点に配置された該基地局を用いて、実際の測定を実行することによって、該送信点の各々から該受信点の各々に伝搬した無線信号に対する該屋内環境の影響を反映するそれぞれの環境影響因子を取得するステップであって、１つのタイプの基地局が１つの送信点に配置されるステップと、該少なくとも１つの送信点の所与の１つと、様々な所与のタイプの基地局とについて、該所与のタイプの基地局に対応する非環境影響理論減衰モデルに従って、該所与の送信点に該所与のタイプの基地局を配置する場合に該少なくとも１つの受信点の各々において受信される信号強度の非環境影響理論値を計算するステップと、該非環境影響理論値と該環境影響因子とに基づいて、該少なくとも１つの受信点の各々において受信される信号強度のマップを生成するステップと、を含む方法が提供される。

好ましくは、送信点と受信点との間の環境影響因子は、１つのタイプの基地局を該送信点に配置するステップと、該受信点において実際に受信される信号強度を測定するステップと、該１つのタイプの基地局に対応する理論減衰モデルに従って、該受信点において受信される信号強度の理論値を計算するステップと、該実際に受信される信号強度から該理論値を引いて、該環境影響因子を取得するステップとを通して、該１つのタイプの基地局を用いて実際の測定を実行することによって取得される。さらに、取得された環境影響因子から推論された環境影響因子も含むことができる。

好ましくは、屋内無線通信計画の目的に従って、生成された無線信号強度マップがサービス品質（ＱｏＳ）マップにマッピングされる。少なくとも１つのタイプの基地局が少なくとも１つの送信点に配置される複数の基地局設置のサービス品質マップがそれぞれ評価され、評価結果に従って最適な基地局設置スキームが選択される。

本発明の別の態様によれば、屋内環境における複数の基地局設置スキームを決定するための無線通信計画装置であって、基地局を配置するための少なくとも１つの送信点と該基地局によって送信される信号を受信するための少なくとも１つの受信点とが該屋内環境内に定められており、該装置は、送信点に配置された該基地局を用いて、実際の測定を実行することによって、該送信点の各々から該受信点の各々に伝搬した無線信号に対する該屋内環境の影響を反映するそれぞれの環境影響因子を取得するための環境影響因子取得手段であって、１つのタイプの基地局が１つの送信点に配置される手段と、該少なくとも１つの送信点の所与の１つと、様々な所与のタイプの基地局とについて、該所与のタイプの基地局に対応する非環境影響理論減衰モデルに従って、該所与の送信点に該所与のタイプの基地局を配置する場合に該少なくとも１つの受信点の各々において受信される信号強度の非環境影響理論値を計算するための非環境影響理論減衰モデル計算手段と、該非環境影響理論値と該環境影響因子とに基づいて、該少なくとも１つの受信点の各々において受信される信号強度のマップを生成するための受信信号強度マップ生成手段と、を備える装置も提供される。

本発明は少なくとも以下の利点を有する。
正確な無線信号マップ：本発明に係る方法は、オンサイト測定を導入することによって無線信号マップの精度を保証する。見通し距離（ｌｉｎｅ−ｏｆ−ｓｉｇｈｔ）の信号減衰の影響を考えるだけでなく、反射、回折、及び散乱などの多重経路の影響も考慮し、それにより、屋内環境における無線信号伝搬特性が効果的に反映される。

高効率及び作業量の減少：屋内伝搬モデルが導入されるため、オンサイト測定の作業量を大幅に減少させる。実際には、限られたオンサイト測定を通して、屋内環境についての無線信号伝搬特性がとらえられる。したがって、無線信号マップを数学的な方法で導き出すことができ、それが、オンサイト測定の作業量を大幅に減少させる。

融通性：本発明に係る無線通信計画方法及び装置によって、再測定を必要とすることなく任意の基地局設置スキームについて無線信号マップを得ることが可能である。さらに、サイト無線信号伝搬特性データベースは、基地局又はアンテナのタイプには依存せず、したがって、同じ環境において全方位（omni-directional）アンテナと指向性アンテナの両方の無線信号マップを導き出すことができる。すなわち、１つのタイプの基地局に関して測定を実行することによって得られた無線環境データベースは、全てのタイプの基地局について用いることができる。

操作に関する実行可能性：計画方法の手順全体を通して、オンサイト測定だけを手動で行うことが必要であり、他の全てのステップはコンピュータで自動的に行うことができる。したがって、需要者についての多くの知識を必要とすることなく、本発明に係る無線通信計画方法を実行することが容易である。

最適性：コンピュータの処理能力が十分であれば、本発明に係る無線通信計画方法及び装置は最適な又は近似最適な計画結果を達成することが可能である。

本発明の上記の及び他の目的、特徴、及び利点は、添付の図面と併せて本発明の好ましい実施形態を詳細に説明することによって、より明らかになるであろう。

図面を参照して、本発明に係る、屋内環境における基地局設置スキームを決定するための無線通信計画方法及び装置が説明される。

屋内環境における基地局設置スキームを決定するときは、複数のタイプの基地局が異なる屋内位置に配置される複数のケースの無線信号分布を考慮に入れる必要がある。しかしながら、実際の無線信号マップは、基地局のタイプ及び位置だけでなく屋内環境にも関連する。

本発明の発明者は、基地局の位置が与えられている場合には、屋内環境における無線信号強度分布を２つの部分に分割することができ、第１の部分は、基地局のタイプのみに関連し、環境の影響には依存せず、基地局のタイプに関連する理論モデル式を用いて数学的に計算することができるものであり、それに対して第２の部分は、無線信号伝搬に対する屋内環境の影響であり、基地局のタイプには依存しないものであることに注目した。言い換えれば、本発明は、屋内環境における無線信号の伝搬減衰ルールを表現するように屋内無線信号伝搬モデルを選択するが、このモデルは、理論的減衰部分と屋内環境影響部分とからなり、理論的減衰部分は、真空環境における基地局の伝搬減衰特性を表し、一方、屋内環境影響部分は、無線信号伝搬に対する、壁、家具などといった屋内環境の付加的な影響を表す。

したがって、基地局のタイプに依存しない環境影響部分の寄与は、１つのタイプの基地局に関する実際のオンサイト測定を実行し、基地局のタイプに関連する理論的減衰部分の寄与を実際の測定結果から除くことによって、得ることができる。１つのタイプの基地局を用いて測定を実行することによって屋内環境影響の寄与を取得した後、該取得した屋内環境影響の寄与を直接利用することによって、他のあらゆるタイプの基地局について実際の無線信号強度を推定することができる。すなわち、１つのタイプの基地局に関して取得された屋内環境影響部分は、全てのタイプの基地局について適用可能である。したがって、ユーザによって選択されたいずれかのタイプの基地局について、その基地局のタイプに関連する理論モデル式を用いて無線信号分布に対する該基地局のタイプの寄与を計算し、初めに取得した基地局のタイプに依存しない環境影響部分を、無線信号分布に対する屋内環境影響の寄与として単に利用することにより、このタイプの基地局を所与の基地局の位置に置いたときの屋内環境における無線信号分布を得ることができる。

本発明は、レイリー・フェージング・モデル（非特許文献１を参照されたい）、リシアン分布モデル（非特許文献２を参照されたい）、フロア減衰率モデル（非特許文献３を参照されたい）、及び、隠れ環境モデル（Hidden Environment Model）（非特許文献４を参照されたい）などといった、種々の屋内無線信号伝搬モデルを利用することができる。

以下において、隠れ環境モデルを例として用いて本発明の無線通信計画方法及び装置を説明する。しかしながら、当業者であれば、他のモデルが本発明に完全に適用可能であり、同様のステップを用いて実行することができ、したがって他のモデルに関する説明はここでは詳細に行わないことを理解すべきである。

まず、本発明の実施形態において用いられる隠れ環境モデルを簡単に説明する。基地局によって送信された信号強度がＰ_０であり、環境影響を考慮せずに受信点Ｂにおいて受信される送信点Ａからの信号強度の理論値がＰ^ｔｈ _ＡＢであり、実際の環境において受信点Ｂにおいて受信された送信点Ａからの実際の信号強度がＰ^ｅｎｖ _ＡＢであるとする。以下の式（１）〜（３）、すなわち、

で定義されるように、理論値Ｐ^ｔｈ _ＡＢとＰ_０との間の相対的差異はＰ_Ａ（Ｂ）によって表され、Ｐ^ｅｎｖ _ＡＢとＰ^ｔｈ _ＡＢとの間の相対的差異はＥｎｖ（Ａ，Ｂ）によって表され、実際の信号強度Ｐ^ｅｎｖ _ＡＢと基地局によって送信された信号強度Ｐ_０との間の相対的差異はＰ^ｅｎｖ _Ａ（Ｂ）によって表され、ｋは定数である。Ｅｎｖ（Ａ，Ｂ）は、実質的に２つの点ＡとＢとの間の無線信号伝搬に対する環境の影響を表し、所与の環境における所与の点Ａ及びＢについての定数と考えることができる。式（３）は、実施形態において利用される隠れ環境モデルを与えるものであり、ここでは、理論的減衰部分はＰ_Ａ（Ｂ）であり、環境影響部分はＥｎｖ（Ａ，Ｂ）である。実施形態においては、それぞれの信号強度の比の対数に基づいてモデル化が行われる。しかしながら、当業者であれば、他の方法でモデル化を行うことができることを理解すべきである。例えば、対数を計算することなくそれぞれの信号強度の比に基づいて直接モデル化を行うことができ、この場合には、理論的減衰部分と環境影響部分との間の関係は、加算関係ではなく乗算関係となる。代替的に、いくつかの特定の場合には、信号強度の理論値Ｐ^ｔｈ _ＡＢ及び実際の信号強度Ｐ^ｅｎｖ _ＡＢ（又は、信号強度と、基地局によって送信された信号強度などの基準強度との比）に加算演算及び減算演算を直接実行する方法又は他の方法で理論的減衰部分と環境影響部分との間の関係を表して、実施形態のモデルとは異なるモデルを構築することも可能である。

実施形態においては、通常は全方位アンテナについての理論的減衰部分に関して、以下の無線理論減衰モデル式（４）からＰ_Ａ（Ｂ）を計算することができる。

一方、指向性アンテナについては、以下の無線理論減衰モデル式（５）からＰ_Ａ（Ｂ）を計算することができ、

ここで、｜ＡＢ｜は、送信点Ａと受信点Ｂとの間の距離を表し、θは、指向性アンテナの主軸と送信点Ａから受信点Ｂへの接続線との間の角度を表し、Ｃ、Ｋ、Ｋ１、Ｋ２は、基地局の物理的仕様に関連するパラメータである。例えば、基地局の仕様は、基地局アンテナの出力の大きさ、基地局アンテナが全方位アンテナであるか指向性アンテナであるか、基地局アンテナが指向性アンテナのときには該アンテナの開口方向及び開口タイプ、などを指す。所与のタイプの基地局について、パラメータＣ、Ｋ、Ｋ１、及びＫ２は、全て定数であり、製造者から又は実験によって、取得することができる。当業者であれば、他の適切な式を用いて様々なアンテナをモデル化できることを理解すべきである。

環境影響部分Ｅｎｖ（Ａ，Ｂ）に関しては、所与の環境について、屋内環境影響は環境行列Ｅｎｖ（Ａ，Ａ）を用いてモデル化され、ここでＡは、屋内環境における点の組を表す。各々の点の組（Ａ，Ｂ）について、環境影響因子Ｅｎｖ（Ａ，Ｂ）は、点Ａと点Ｂとの間の信号減衰に対する周囲の環境の影響を表す。理論的には、真空環境においては、各々の環境影響因子の値はゼロである。実際には、開かれた空間（オープンスペース）においても、各々の環境影響因子の値はゼロであると考えられる。しかしながら、屋内環境については、これらの因子はゼロではなくなり、後述されるオンサイト測定及び数学的推論によって取得することが必要である。

以下に、添付図面を参照して本発明に係る無線通信計画方法及び装置を詳細に説明する。
図１は、本発明に係る屋内環境における基地局設置スキームを決定するための無線通信計画方法のプロセスを概略的に示す。
図１において示されるように、最初に屋内無線信号伝搬モデルが構築され、無線通信計画を必要とするサイト・マップについて測定場所の決定が選択的に行われる。所与のサイトの無線信号伝搬特性を記述するサイト無線信号伝搬特性データベースは、屋内無線信号伝搬モデルと選択されたオンサイト測定とを組み合わせることによって構築される。この環境依存データベースに基づいて、あらゆる位置におけるあらゆる基地局のタイプについて、サイトにおける無線信号マップを数学的な方法で生成することができる。好ましくは、信号−品質マッピング（signal-to-quality mapping）を用いることによって、あらゆる基地局について特定の品質測定基準（メトリック）の分布を得ることができる。したがって、基地局の入力された異なるパラメータを用いて、品質認識プランナ（quality-aware planner）が、異なるタイプの基地局についての計算を実行し、それにより、特定の設計要件に従った計画結果として最適な基地局設置スキームを選択することができる。

以下に、図２及び図３を参照して本発明を詳細に説明する。図２は、本発明に係る屋内環境における基地局設置スキームを決定するための無線通信計画装置を示し、図３は、本発明に係る屋内環境における基地局設置スキームを決定するための無線通信計画方法のフローチャートを示す。

図２において示されるように、本発明に係る無線通信計画装置は、因子取得手段（環境影響因子取得手段）１と、モデル計算手段（非環境影響理論減衰モデル計算手段）２と、マップ生成手段（受信信号強度マップ生成手段）３と、マッピング手段４と、評価手段５と、選択手段６とを備える。因子取得手段１は、入力手段（信号強度入力手段）１１と、因子計算手段（環境影響因子計算手段）１２と、因子推論手段（環境影響因子推論手段）１３とを含む。

図２において示される無線通信計画装置がどのように作動するかを、図３と併せて以下に説明する。
まず、ステップＳ１において示されるように、基地局を配置することができるいくつかの送信点と、基地局によって送信された信号を受信するための受信装置を配置することができるいくつかの受信点とを、屋内環境に置かなければならない。実際には、当該技術分野において周知のように、サイト（site）は複数のセル（cell）に分割することができ、セルの各々における全ての点は同様に１つの点と等価である。このように、屋内環境における複数の点が決められ、点の各々は、異なる場合においてそれぞれ送信点及び受信点として機能することができる。言い換えれば、複数の点の各々に、基地局と受信装置の両方を配置することができる。

次に、準備作業として、因子取得手段１は、モデル計算手段２と共に上述の環境影響因子の取得を開始する。
ステップＳ２においては、サイトのいくつかの送信点に基地局を配置するが、ここでは、１つの送信点に１つの基地局のみを配置することが必要であり、言い換えれば、１つの送信点について１つのタイプの基地局のみを測定することが必要である。異なる送信点に置かれた基地局は、同じタイプのものか異なるタイプのもののいずれかとすることができる。異なる送信点に置かれた基地局は、異なる周波数の無線信号を送信するようにすることができるため、異なる基地局に関する測定は、互いに影響を及ぼさず、送信点の各々の基地局が個別に測定されると考えることができる。当然のことながら、１つの基地局を用い、それを異なる送信点に配置することによって、測定を実行することができる。

ステップＳ３において、上記の送信点に置かれた基地局によって送信された無線信号は、サイトのいくつかの受信点において受信され、受信された無線信号の信号強度Ｐ^ｅｎｖ _ＡＢは、入力手段１１を通して本発明の無線通信計画装置に入力される。

ステップＳ４においては、送信点の各々に置かれた基地局のタイプに対応する理論減衰モデルに従って、送信点において基地局によって送信され、受信点の各々において受信される無線信号の強度の理論値Ｐ^ｔｈ _ＡＢが、モデル計算手段２によって計算される。

ステップＳ５においては、因子計算手段１２は、対応する送信点と受信点の間の無線信号伝搬に対する屋内環境の影響を表す環境影響因子Ｅｎｖ（Ａ，Ｂ）を取得するために、入力手段１１によって入力された、実際に受信された信号強度Ｐ^ｅｎｖ _ＡＢから、モデル計算手段２によって計算された理論値Ｐ^ｔｈ _ＡＢを引く。

確かに、本発明におけるそれぞれの点の間の環境影響因子は、オンサイト測定によって全て取得することができる。しかしながら、全ての点において測定を実行することは負担の大きい作業である。したがって、いくつかの最適化アルゴリズムを採用して、実際の測定量を減らすことができる。すなわち、実際のオンサイト測定によって取得された環境影響因子に基づいて、因子推論手段１３は、ステップＳ６において示されるように、数学的推論によって他の環境影響因子を取得する。

因子推論手段１３は、多くの方法で未知の環境影響因子を推論することができる。さらに、環境影響因子によって構成される行列は、斜め対称であると考えることができ、すなわち、第１の点が送信点であり第２の点が受信点である環境因子は、第２の点が送信点であり第１の点が受信点である環境因子と同じであり、これは一般に、２点間の環境影響因子と呼ぶことができる。したがって、実際のオンサイト測定の作業量を減らすこともできる。

一般的に言えば、実際の測定がより多く実行されるほど、環境影響因子はより正確になるが、その一方で、作業量はより多くなる。測定作業量と環境影響因子の精度とのバランスをとることは、トレードオフの問題であることが分かる。環境影響因子の精度を保証しながら測定作業量を最小にするために、どれくらいの数の環境影響因子を測定し、どの環境影響因子を測定すべきかを決定することが必要である。

非特許文献４の論文においては、部分的な測定結果から他の環境影響因子をどのように推論するかが説明されており、環境影響因子をどのように測定するかを決定するために、後述される遅延サンプリング（lazy sampling）・アルゴリズムが導入されている。しかしながら、環境影響因子を推論する方法は、この論文で説明されているアルゴリズムに限定されるものではなく、また、測定作業量と精度との間のトレードオフ問題に対する解決策は、上記の特定のアルゴリズムに限定されるものではない。異なる場合について、環境影響因子の異なる推論方法を採用することができ、異なる最適化基準に従って、他のいずれかの測定スキーム最適化方法を用いることができる。

まず、環境影響因子をどのように推論するかを、以下に簡単に説明する。
上述のように、オンサイト測定の結果と、環境の影響を考慮しない純粋な理論値との間の相違を計算することによって、環境影響因子の一部を取得する。そして、因子推論手段１３は、環境影響因子が一定の局所的な連続性（local continuity）を満たすという仮定に基づいて、他の環境影響因子を推論する。本発明によって用いることができる推論方法を、図４（Ａ）〜（Ｃ）を参照して以下に説明する。ここでは、例として３つの点Ｐ_ｊ、Ｐ_ｉ、及びＰ_ｋを用い、Ｐ_ｉとＰ_ｊとの間の環境影響因子ｅ（ｉ，ｊ）、及び、Ｐ_ｉとＰ_ｋとの間の環境影響因子ｅ（ｉ，ｋ）は、測定によって取得され、Ｐ_ｊとＰ_ｋとの間の環境影響因子ｅ（ｊ，ｋ）は、計算されることが必要であると仮定する。

図４（Ａ）に示されるように、３つの点Ｐ_ｊ、Ｐ_ｉ、及びＰ_ｋが同一直線上にあり、２つの点Ｐ_ｊ及びＰ_ｋがＰ_ｉの両側にあるときは、ｅ（ｊ，ｋ）は、以下の式（６）、
ｅ（ｊ，ｋ）＝ｅ（ｉ，ｊ）＋ｅ（ｉ，ｋ）（６）
によって推論される。
図４（Ｂ）に示されるように、３つの点Ｐ_ｊ、Ｐ_ｉ、及びＰ_ｋが同一直線上にあり、２つの点Ｐ_ｊ及びＰ_ｋがＰ_ｉの同じ側にあるときは、ｅ（ｊ，ｋ）は、以下の式（７）、
ｅ（ｊ，ｋ）＝ｅ（ｉ，ｋ）−ｅ（ｉ，ｊ）（７）
によって推論される。
そして、３つの点Ｐ_ｊ、Ｐ_ｉ、及びＰ_ｋが同一直線上にはないが、偏差｜ε｜が所与のしきい値より小さいか、又はそれと等しいときには、例えば図４（Ｃ）に示されるように、３つの点は同一直線上にあるとみなすことができ、２つの点Ｐ_ｊ及びＰ_ｋはＰ_ｉの両側にあり、ｅ（ｊ，ｋ）は、やはり上式（６）を用いて推論される。

実際の操作では、どのように測定を実行するか、すなわち、どの環境影響因子を測定すべきかがまず決定される。次いで、基地局が実際にサイトに置かれ、特定の点において信号を測定して、対応する環境影響因子を取得する。上述の遅延サンプリング・アルゴリズムを以下に説明する。

上に示されたように、環境影響因子の全ては、いくつかのオンサイト測定の結果から推論することができる。いくつかのオンサイト測定を用いて直接的に取得するか又は間接的に推論することができる環境影響因子は、これらのオンサイト測定によってカバーすることができる環境影響因子と呼ぶことができる。したがって、いくつかの特定の測定は、いくつかの特定の環境影響因子ｅ（ｉ，ｊ）をカバーすることができる。環境影響因子の全てを計算するために、オンサイトで測定することが必要な環境影響因子を適切に選択して、これらのオンサイト測定が環境影響因子の全てをカバーするようにすることが必要である。

第１ステップにおいて、集合Ｓが環境影響因子の全てを表し、実行される必要があるオンサイト測定の集合Ｒが空であるとする。第２ステップにおいて、集合Ｒの環境影響因子と組み合わせることによって集合Ｓの最も多くの環境影響因子をカバーすることができる測定Ｐを検索する。測定Ｐを集合Ｒに追加し、次いで、集合Ｒに存在する測定によってカバーすることができる環境影響因子を集合Ｓから削除する。集合Ｓが空でない場合には、プロセスは第２ステップに戻り、集合Ｓが空になるまで、上述の検索、追加、及び削除の操作を繰り返す。集合Ｓが空になった時点で、集合Ｒは、環境影響因子の全てをカバーすることができるオンサイト測定の選択内容を与える。
これに基づいて、選択的にオンサイト測定が前述のステップに従って実行され、環境影響因子の全てを取得するために推論が実行される。

取得された環境影響因子は、行列形式でサイト無線信号伝搬特性データベースに格納される。データベースの核（kernel）は、環境影響因子からなる環境行列Ｅｎｖ（Ａ，Ａ）であり、これは、実質的にその中の全ての２点間の無線信号伝搬に対する屋内環境の影響を表す。環境行列Ｅｎｖ（Ａ，Ａ）を構築した後、本発明に係る無線通信計画の準備フェーズの作業が完了し、次いで、数学的計算によって、屋内環境における任意の基地局設置スキームの無線信号マップを得ることができる。すなわち、環境行列Ｅｎｖ（Ａ，Ａ）を得た後、必要条件に従って様々な設置スキームの中から最適なスキームを選択するために、送信点のいずれか１つにいずれかのタイプの基地局を配置するという仮定に基づいて、対応する無線信号マップを作成することができる。

ステップＳ７においては、所与の送信点の各々及び様々な所与のタイプの基地局について、モデル計算手段２は、所与のタイプの基地局に対応する非環境影響理論減衰モデルに従って、所与の送信点に所与のタイプの基地局を置いたときに受信点の各々において受信される信号強度の非環境影響理論値を計算する。

ステップＳ８においては、マップ生成手段３は、非環境影響理論値及び環境影響因子に基づいて、所与の送信点に所与のタイプの基地局を置いた場合にそれぞれの受信点において受信される信号強度のマップを生成する。

一例として、図５（Ａ）〜（Ｃ）は、同一環境における２つのタイプのアンテナについて、サイト無線信号伝搬特性データベースに従って生成された２つの無線信号マップを示す。

図５（Ａ）は、オンサイト・レイアウト・マップを示すものであり、ここで、三角形のアイコンは、予め設定された受信点及び送信点を表し、アンテナのアイコンは、オンサイト測定において実際に配置された基地局の位置を表し、星形五角形のアイコンは、環境行列Ｅ（Ａ，Ａ）が取得された後に基地局が配置されると考えられる位置（点Ａ）を表す。

図５（Ｂ）は、全方位アンテナを持つ基地局を点Ａに配置する設置スキームに対して生成された無線信号マップであり、一方、図５（Ｃ）は、指向性アンテナを持つ基地局を点Ａに配置し、該アンテナを右に向けた設置スキームに対して生成された無線信号マップである。図面では、異なる信号強度を異なるグラデーションで示しており、当然のことながら、異なる信号強度を異なる色で表すこともできる。図５（Ａ）においては、複数の送信点及び受信点は飛び飛びに置かれており、図５（Ｂ）及び（Ｃ）において示される連続マップは、微分、補間（interpolation）などの一般に知られた手段によって、飛び飛びの点の上の信号強度から得ることができる。

任意の送信点に任意の基地局を配置する場合について、対応する無線信号マップは数学的な方法で生成することができるため、容易かつ自動的な方法で無線通信計画を達成することもできる。すなわち、上述のように、環境行列を取得した後に、オンサイト測定することなく様々な所望の基地局設置状況の下での無線信号マップを生成することができる。したがって、様々な基地局設置スキームの無線信号分布を評価して、最適な基地局設置スキームを選択することができる。

異なる用途の場合には、無線通信計画の目的も異なり、したがってサービス品質（ＱｏＳ：Quality of Service）の評価は異なる。したがって、ステップＳ９において、異なる用途について、マッピング手段４は、生成された無線信号マップを特定のサービス品質（ＱｏＳ）マップに変換するために、屋内無線通信計画の目的に従ってそれぞれの方法で無線信号からサービス品質へのマッピングを実行することができる。ここで、「品質（quality）」という言葉は、無線信号の品質だけでなく、他の特定の用途における性能測定基準（performance metrics）も指す。例えば、無線ベースの位置決めシステムを構築するときは、サービス品質は位置決め精度を指す。次に、無線信号強度は、位置決め精度を反映する信号ベクトル微分にマッピングされる。別の例として、無線ベースの識別システムを構築するときは、サービス品質は識別システムの精度及び応答時間を指す。

無線信号マップをサービス品質マップにマッピングした後、ステップＳ１０において、評価手段５は、ステップＳ９における少なくとも１つのタイプの基地局を少なくとも１つの送信点に配置する複数の基地局設置スキームのサービス品質マップを、それぞれ評価する。次いで、ステップＳ１１において、評価結果に従って選択手段６によって最適な基地局設置スキームが選択される。

上述のように、所与の基地局／アンテナを所与の点に配置する場合には、用途特有のサービス品質（ＱｏＳ）マップを数学的な方法で得ることができる。この場合は、いくつかの数学的技術を選択して、無線通信計画を実行することもできる。この手順は、品質認識計画（quality aware planning）と呼ぶことができる。例として、位置決めサービス（location service）・システムにおいて無線通信計画を取り入れる場合を以下の説明で行う。

位置決めサービス・システムにおいては、各々の幾何学的な点について、受信した信号が他の信号強度ベクトルとは明らかに異なる別個の信号強度ベクトルを形成するような方法で、基地局を配置すべきである。したがって、シミュレーション・ツールを用いて、位置決めサービスのための品質認識プランナを構築することができる。サイト無線環境データベースを適用することによって、シミュレーション・ツールで無線基地局の各無線設置スキームの性能を評価することができる。無線基地局設置スキームについて異なる入力（例えば、出力レベル、位置、指向性アンテナの方向など）を与えると、シミュレーション・ツールは、異なる評価スコアを出力する。このシミュレーション・ツールにおいて典型的なヒルクライミング・アルゴリズム（hill-climbing algorithms）又は他のアルゴリズムを用いて、設置スキームを最適化することができる。結果として、最適な基地局設置スキームを計算して、基地局をどのように配置するか、アンテナの方向をどのように設定するか、及び、各基地局の出力をどのように調整するか決定することを支援する。

本発明に係る無線通信計画方法及び装置は、実際の無線信号伝搬特性において環境影響部分から理論的減衰部分を分離し、それにより１つのタイプの基地局について測定することによって、環境の影響のみに関連する環境影響因子を取得することができるようにする。基地局のタイプに依存しない取得された環境影響因子を用いて、あらゆるタイプの基地局について無線信号マップを生成することができる。このように、各々のタイプの基地局に関する測定を同じ送信点において実行する必要が無くなり、それにより、実際のオンサイト測定の作業量が減少する。

環境影響因子推論プロセスを用いると、全ての送信点及び全ての受信点で測定を実行する必要がさらに無くなり、それにより、オンサイト測定の作業量がさらに減少する。

特定の無線信号マップは、信号−品質マッピングによって、通常のユーザがサービス品質（ＱｏＳ）を容易に認識するのに役立つサービス品質マップに変更される。さらに、評価及び選択の手順は、システムによって自動的に遂行することもできる。

本発明は、その好ましい実施形態を参照して具体的に示され、説明されたが、当業者であれば、特許請求の範囲によって定義される本発明の主旨及び範囲から逸脱することなく、その形態及び細部を様々に変更できることを理解すべきである。

本発明に係る屋内環境における基地局設置スキームを決定するための無線通信計画方法のプロセスを概略的に示す。本発明に係る屋内環境における基地局設置スキームを決定するための無線通信計画装置を示す。本発明に係る屋内環境における基地局設置スキームを決定するための無線通信計画方法のフローチャートを示す。本発明の実施形態にしたがって環境影響因子を推論するときに考えられる３つのケースを示す。一例として、同一環境における２つのタイプのアンテナについてサイト無線信号伝搬特性データベースにしたがって生成された２つの無線信号マップを示す。

Claims

屋内環境における基地局設置スキームを決定するための無線通信計画の方法であって、
基地局を配置するための少なくとも１つの送信点と、前記基地局によって送信された信号を受信するための少なくとも１つの受信点とを定めるステップと、
前記送信点に配置された前記基地局を用いて、実際の測定を実行することによって、前記送信点の各々から前記受信点の各々に伝搬した無線信号に対する前記屋内環境の影響を反映するそれぞれの環境影響因子を取得するステップであって、１つのタイプの基地局が１つの送信点に配置されるステップと、
前記少なくとも１つの送信点の所与の１つと、様々な所与のタイプの基地局とについて、前記所与のタイプの基地局に対応する非環境影響理論減衰モデルに従って、前記所与の送信点に前記所与のタイプの基地局を配置する場合に前記少なくとも１つの受信点の各々において受信される信号強度の非環境影響理論値を計算するステップと、
前記非環境影響理論値と前記環境影響因子とに基づいて、前記少なくとも１つの受信点の各々において受信される信号強度のマップを生成するステップと、
を含む方法。
１つのタイプの基地局を用いて実際の測定を実行することによって前記送信点と前記受信点との間の前記環境影響因子を取得する前記ステップは、
前記１つのタイプの基地局を前記送信点に配置するステップと、
前記受信点において実際に受信される信号強度を測定するステップと、
前記１つのタイプの基地局に対応する理論減衰モデルに従って、前記受信点において前記受信される信号強度の理論値を計算するステップと、
前記実際に受信される信号強度から前記理論値を引いて、前記環境影響因子を取得するステップと、
を含む、請求項１に記載の方法。
前記実際の測定によって取得された前記環境影響因子に加えて、前記取得された環境影響因子から推論される環境影響因子も存在する、請求項１に記載の方法。
遅延サンプリング・アルゴリズムを用いて、実際の測定によって取得されるべき環境影響因子を選択するステップをさらに含む、請求項３に記載の方法。
屋内無線通信計画の目的に従って、生成された無線信号強度マップをサービス品質（ＱｏＳ）マップにマッピングするステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
前記屋内無線通信計画の前記目的は、位置決め精度並びに識別システムの精度及び応答時間のうちの少なくとも１つである、請求項５に記載の方法。
少なくとも１つのタイプの基地局が前記少なくとも１つの送信点に配置される複数の基地局設置スキームのサービス品質マップをそれぞれ評価するステップと、
前記評価の結果に従って最適な基地局設置スキームを選択するステップと、
をさらに含む、請求項５に記載の方法。
前記理論減衰モデルは基地局の物理的仕様に関連し、前記基地局の物理的仕様は、基地局アンテナの出力の大きさ、基地局アンテナが全方位アンテナであるか指向性アンテナであるか、及び、基地局アンテナが指向性アンテナのときには当該アンテナの開口方向及び開口タイプ、のうちの少なくとも１つを含む、請求項１に記載の方法。
前記全方位アンテナに対応する前記理論減衰モデルの式が、

であり、前記指向性アンテナに対応する前記理論減衰モデルの式が、

であり、これらの式において、Ａは前記送信点を表し、Ｂは前記受信点を表し、Ｐ_Ａ（Ｂ）は受信点Ｂにおいて受信される送信点Ａからの無線信号の強度を表し、｜ＡＢ｜は前記送信点Ａと前記受信点Ｂとの間の距離を表し、θは前記指向性アンテナの主軸と前記送信点Ａから前記受信点Ｂへの接続線との間の角度を表し、Ｃ、Ｋ、Ｋ１、Ｋ２は前記基地局の前記物理的仕様に関連するパラメータである、請求項８に記載の方法。
屋内環境における基地局設置スキームを決定するための無線通信計画装置であって、基地局を配置するための少なくとも１つの送信点と前記基地局によって送信された信号を受信するための少なくとも１つの受信点とが前記屋内環境内に定められており、前記装置は、
前記送信点に配置された前記基地局を用いて、実際の測定を実行することによって、前記送信点の各々から前記受信点の各々に伝搬した無線信号に対する前記屋内環境の影響を反映するそれぞれの環境影響因子を取得するための環境影響因子取得手段であって、１つのタイプの基地局が１つの送信点に配置される手段と、
前記少なくとも１つの送信点の所与の１つと、様々な所与のタイプの基地局とについて、前記所与のタイプの基地局に対応する非環境影響理論減衰モデルに従って、前記所与の送信点に前記所与のタイプの基地局を配置する場合に前記少なくとも１つの受信点の各々において受信される信号強度の非環境影響理論値を計算するための非環境影響理論減衰モデル計算手段と、
前記非環境影響理論値と前記環境影響因子とに基づいて、前記少なくとも１つの受信点の各々において受信される信号強度のマップを生成するための受信信号強度マップ生成手段と、
を備える装置。
環境影響因子取得手段は、
前記送信点に配置された少なくとも１つのタイプの基地局を用いて前記受信点における実際の測定を実行することによって取得された受信信号強度を入力するための信号強度入力手段と、
前記実際の測定によって取得された前記受信信号強度から、前記１つのタイプの基地局、前記送信点、及び前記受信点について前記非環境影響理論減衰モデル計算手段によって計算された前記非環境影響理論値を引いて、前記送信点と前記受信点との間の前記環境影響因子を取得するための環境影響因子計算手段と、
を備える、請求項１０に記載の装置。
前記取得された環境影響因子から未知の環境影響因子を推論するための環境因子推論手段をさらに備える、請求項１０に記載の装置。
屋内無線通信計画の目的に従って、生成された無線信号強度マップをサービス品質（ＱｏＳ）マップにマッピングするためのマッピング手段をさらに備える、請求項１０に記載の装置。
前記屋内無線通信計画の前記目的は、位置決め精度並びに識別システムの精度及び応答時間のうちの少なくとも１つである、請求項１３に記載の装置。
少なくとも１つのタイプの基地局が前記少なくとも１つの送信点に配置される複数の基地局設置スキームのサービスの品質（ＱｏＳ）マップをそれぞれ評価するための評価手段と、
前記評価の結果に従って最適な基地局設置スキームを選択するための選択手段と、
をさらに備える、請求項１３に記載の装置。
前記理論減衰モデルは基地局の物理的仕様に関連し、前記基地局の物理的仕様は、基地局アンテナの出力の大きさ、基地局アンテナが全方位アンテナであるか指向性アンテナであるか、及び、基地局アンテナが指向性アンテナのときには当該アンテナの開口方向及び開口タイプ、のうちの少なくとも１つを含む、請求項１０に記載の装置。
前記全方位アンテナに対応する前記理論減衰モデルの式が、

であり、前記指向性アンテナに対応する前記理論減衰モデルの式が、

であり、これらの式において、Ａは前記送信点を表し、Ｂは前記受信点を表し、Ｐ_Ａ（Ｂ）は受信点Ｂにおいて受信される送信点Ａからの無線信号の強度を表し、｜ＡＢ｜は前記送信点Ａと前記受信点Ｂとの間の距離を表し、θは前記指向性アンテナの主軸と前記送信点Ａから前記受信点Ｂへの接続線との間の角度を表し、Ｃ、Ｋ、Ｋ１、Ｋ２は前記基地局の前記物理的仕様に関連するパラメータである、請求項１６に記載の装置。