JP2012034313A - 携帯端末送信電波測定装置およびその測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】携帯端末と基地局間で通信し、基地局からの指令に基づいて該携帯端末の送信電力が制御される携帯電話システムにおける携帯端末の送信電力と送信波の減衰量を同時に取得しその伝送路特性を抽出するための携帯端末電波測定装置とその測定方法を提案する。
【解決手段】携帯端末から基地局への送信時の送信電力を移動体上で測定し正確な時刻情報とともに記録する送信電力測定装置と、上記携帯端末からの送信波を送信電力測定装置の移動領域よりも高所にある固定地点で受信し測定し正確な時刻情報とともに記録する受信電力測定装置と、データ解析装置を備える。各地点についての送信電力測定装置の記録データと受信電力測定装置の記録データとから同時刻の送信電力値と受信電力値を再生して、必要な校正を行った後、データ解析装置で伝送路特性を解析する。
【選択図】図１

Description

この発明は、移動しながら携帯端末の送信電波の測定に用いる携帯端末電波測定装置とその測定方法に関するものであり、特に、基地局との位置関係や携帯端末周辺の電波の遮蔽条件に依存して変動する携帯端末の送信電力と送信波の減衰量を同時に取得することを可能とする携帯端末送信電波測定装置およびその測定方法に関するものである。

地上系通信システムと衛星系通信システムが同一周波数帯を共用しつつ通信可能な携帯電話システム（以下、地上／衛星共用携帯電話システム；ＳＴＩＣＳと呼ぶ）の研究開発が進められている。ＳＴＩＣＳでは、地上系から衛星系通信システムへの電波干渉が発生するため、その干渉量評価が重要である。

現在運用されているＩＭＴ−２０００等の携帯電話システムでは、なるべく基地局での受信レベルが一定になるようにして、スペクトル逆拡散による符号復調がどの携帯端末に対しても等しく行えるようにするために、通信状態に応じてその送信出力が制御されている（送信電力制御：ＴＰＣ）。そのため、携帯端末である携帯電話機とそれと交信する基地局との距離が大きい郊外では、その送信出力を大きくし、また、その距離が小さい都市部の地域では、一般に、その送信出力は、抑制されていることはよく知られている。加えて、郊外と都市部では通信路におけるビル等の障害物の種類や密度が異なることから伝搬路での減衰量が異なり、携帯端末の送信出力はこの減衰量に依存して変動する。

このように、郊外と都市部では携帯電話機の送信出力が異なり、また、膨大な数の携帯電話機が利用されていることから、各地域からの電波が、上記の衛星にそれぞれ異なる量の電波干渉を及ぼす可能性がある。この干渉量の参考データを得るためには、既存の地上系携帯電話機の出力レベルを包括的に測定する必要がある。

地上系から衛星系通信システムへの電波干渉量は、携帯端末の送信電力と使用場所周辺の遮蔽物による電波の減衰量によって決まり、それらは携帯端末と基地局、衛星、使用場所周辺のビル、家屋等の遮蔽物の位置関係に依存して変動する。したがって、携帯端末の送信電力と使用場所周辺の遮蔽物による電波の減衰量をそれぞれ取得できる装置が必要となる。

非特許文献１（Karabanis 他）には、コンバーチブル型自動車に携帯電話機を取り付けた模擬人頭を乗せて、ＣＤＭＡ２０００方式の携帯端末の出力を記録する実験装置が記載されている。この実験装置では、電力増幅器から携帯端末のアンテナに供給される電力を記録している。

この非特許文献１には、衛星および地上システムを同じ周波数で運用するシステムが記載されている。この様なシステムにおいては、地上システムで使われている携帯端末が実運用で送信している電力を包括的に評価し衛星システムへの干渉量を推定することが、システム設計上重要である。

また、非特許文献２（渡邉 他）に記載の測定装置では個々の携帯端末の運用中の送信電力を測定できるのみで、周辺遮蔽物による送信波の減衰量を測定できない。また、特許文献１（登録実用新案第３０９７６７８号公報）に記載の測定装置を、衛星の代わりとして疑似的に例えば鉄塔などの高所に設置したうえで、地上の携帯端末で送信した送信波を測定装置において受信し電波強度を測定すれば、地上系から衛星系通信システムへの電波干渉量を推定することができる。しかしながら、携帯端末の送信電力の情報が得られないため、周辺遮蔽物による送信波の減衰量（いわゆる伝搬路損失）を求めることができない。

登録実用新案第３０９７６７８号公報

P.D. Karabanis 他, ："Interference Potential to MSS due to Terrestrial Reuse of Satellite Band Frequencies" AIAA- 2005-2028 渡邉、三浦、藤野、浜本、鈴木、市枝、土谷、"地上/衛星共用携帯電話システムにおける携帯電話出力測定装置の開発、" 2009 年電子情報通信学会ソサイエティ大会、B-3-7

携帯端末の送信電力と送信波の減衰量は、携帯端末を使用する周辺環境における基地局との位置関係や電波の遮蔽条件に依存して変動するが、これらを同時に取得しその伝送路特性を抽出するために、移動中の携帯端末電波の測定に適用できる携帯端末電波測定装置とその測定方法を提案する。

本発明は、携帯端末と基地局間で通信し、基地局からの指令に基づいて該携帯端末の送信電力が制御される携帯電話システムに適用する携帯端末送信電波測定装置である。これは、携帯端末から基地局への送信時の送信電力を移動体上で測定する送信電力測定装置と、上記携帯端末からの送信波を受信し測定する受信電力測定装置と、上記送信電力測定装置の測定データと上記受信電力測定装置の測定データとから伝送路特性を解析するデータ解析装置と、を備える。
ここで、上記送信電力測定装置は、該携帯端末に給電線で接続された外部アンテナと、該給電線の途中に設けられ送信信号の一部を分岐する分配器と、該分配器で分岐された電波の強度を計測する第１電力測定器と、測定時の時刻情報を出力する第１時計装置と、第１電力測定器の測定値と第１時計装置の上記時刻情報を記録する第１記録装置と、を備え、移動しながら送信信号強度を測定し、上記時刻情報とともに記録できるものである。
また、上記受信電力測定装置は、上記外部アンテナよりも高所に設置され上記送信波を受信するための受信アンテナと、受信した上記送信波の強度を計測する第２電力測定器と、測定時の時刻情報を出力する第２時計装置と、第２電力測定器の測定値と第２時計装置の上記時刻情報を記録する第２記録装置と、を備え、移動する上記携帯端末に対して、固定点での測定を行うものである。
また、上記データ解析装置は、第１記録装置上の記録情報と第２記録装置上の記録情報とから、それぞれの測定時の時刻情報を介して上記送信電力測定装置の測定データとそれに対する上記受信電力測定装置の測定データの対を決定し、上記対から伝送路特性を解析するものである。

また、たとえば、上記第１時計装置および第２時計装置は、それぞれＧＰＳ（Global Positioning System）装置である。これによって、正確な時刻情報を容易に得ることができる。

また、上記データ解析装置は、第１記録装置上の記録情報あるいは第２記録装置上の記録情報の記録データで補間を行って得たデータを用いて、それぞれの測定時の時刻情報を介して上記送信電力測定装置の測定データとそれに対する上記受信電力測定装置の測定データの対を決定し、上記対から伝送路特性を解析するものである。第１記録装置上と第２記録装置の記録時刻は、ほぼ同じであるが一致しない場合があるが、この場合は、隣接する測定点間で例えば線形補間を行うことで、測定時刻を無視できる誤差内で一致させることができる。但し、この場合、測定は電波の波長に比べて十分密に行うものとする。

また、上記の携帯端末送信電波測定装置の使用方法としては、次の様に行う。（１）上記受信電力測定装置が上記携帯端末からの送信波を捕捉する。次に、（２）同一の時間帯に、上記送信電力測定装置によって第１電力測定器の測定値と第１時計装置の上記時刻情報を第１記録装置に記録し、上記受信電力測定装置によって第２電力測定器の測定値と第２時計装置の上記時刻情報を第２記録装置に記録する。（３）第１記録装置と第２記録装置から読み出した測定データについて、上記対を決定し、上記対にあらかじめ決定したそれぞれの校正値を適用して伝送路特性を解析する。

ビル街や住宅街、さらには建物内部など、周辺地物環境の異なる種々の環境における携帯端末の使用において、本発明の携帯端末送信電波測定装置およびその測定方法を適用することにより、周辺遮蔽物の影響下における携帯端末の送信電力、送信波の減衰量、伝送路特性などを同時に取得することができる。

本発明の携帯端末用電波測定装置のうち、（ａ）は、携帯端末から携帯基地局３０への送信時の送信電力を移動体上で測定する送信電力測定装置１０と、上記携帯端末からの送信波を受信し測定する受信電力測定装置２０の構成を示し、（ｂ）は、送信電力測定装置１０の測定データと受信電力測定装置２０の測定データとから伝送路特性を解析するデータ解析装置５０の構成を示す図である。受信電力測定装置２０は、送信電力測定装置１０よりも高所に設置する。 （ａ）は、送信電力測定装置１０のブロック図を示し、携帯電話システムの送信電力を測定するものであって、台車や測定用車輛上などの移動手段８に設置して移動可能である。この送信電力測定装置１０は、携帯端末１、２、３などから外部アンテナ４を通じて電波を送信し、分配器１５、１６を介して電力計測器１４またはスペクトラムアナライザ１５により送信電力を測定し、ＧＰＳ受信機１１により正確な時刻を測定し、その送信電力の測定値やその測定時刻をＰＣ（コンピュータ）１２等の記録器へ記録する機能を有する。ここで、携帯端末１、２、３などとしては、測定しようとする携帯電話事業者の端末を選択して使用できる。また、（ｂ）は、受信電力測定装置２０のブロック図を示し、受信アンテナ２１と、信号増幅器２２、スペクトラムアナライザ２３、ＧＰＳ受信機２５、および記録器となるＰＣ２４等を用いて構成し、鉄塔やビル屋上のような高所、あるいは気球や飛行機や飛行船を用いて高高度に設置して受信信号強度を測定するものである。上記受信電力測定装置２０は、該携帯端末１からの送信波の受信アンテナ２１による受信、信号増幅器２２による受信信号の適正な信号強度への増幅、スペクトラムアナライザ２３による受信電力の測定、ならびにＧＰＳ受信機２５による正確な時刻の測定と該時刻のＰＣ２４等の記録器による記録の機能を有する。 測定およびデータ処理の流れを示す図である。（ａ）測定開始に当たり、測定しようとする携帯端末からの送信波の識別を受信電力測定装置２０で行う。（ｂ）送信電力測定装置１０によって携帯端末１の送信電力を測定し測定値とその測定時刻を記録する。また、それと同時に、受信電力測定装置２０によって受信電力を測定し測定値とその測定時刻を記録する。（ｃ）の測定終了までは、送信電力測定装置１０と受信電力測定装置２０は、それぞれの時刻に従って同時に測定し、記録する。（ｄ）送信電力測定装置１０と受信電力測定装置２０の両方の記録を読み出して処理する。(ｅ)上記で記録した測定値およびその測定時刻を用いて、同時刻における上記送信電力と上記受信電力、ならびに送信電力測定装置１０と受信電力測定装置２０の内部回路の利得および損失を補正するための校正値を加減することにより、送信波の減衰量（伝搬路損失）を計算する。（ｆ）上記（ｅ）の計算を所定の測定領域について行って終了する。 （ａ）は、送信電力測定装置１０と塔４０の上部に設置された受信電力測定装置２０の間にビル、家屋等の遮蔽物４１が存在するとともに送信電力測定装置１０と携帯電話基地局３０の間にもビル、家屋等の遮蔽物４２が存在する屋外の使用環境の例を示す。（ｂ）は、送信電力測定装置１０をビル、家屋等の遮蔽物４３の内部、つまり屋内、に設置した使用環境の例を示す。

以下に、この発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の説明においては、同じ機能あるいは類似の機能をもつ装置に、特別な理由がない場合には、同じ符号を用いるものとする。

本発明は、携帯端末と基地局間で通信し基地局からの指令に基づいて前記携帯端末の送信電力が制御される携帯電話システムに関し、図１（ａ）に示すように、携帯端末から携帯基地局３０への送信時の送信電力を移動体上で測定する送信電力測定装置１０と、上記携帯端末からの送信波を受信し測定する受信電力測定装置２０と、図１（ｂ）に示す様に、送信電力測定装置１０の測定データと受信電力測定装置２０の測定データとから伝送路特性を解析するデータ解析装置５０と、を備える携帯端末用電波測定装置である。受信電力測定装置２０は、送信電力測定装置１０よりも高所に設置する。

図２（ａ）に送信電力測定装置１０のブロック図を、図２（ｂ）に受信電力測定装置２０のブロック図を示す。

上記送信電力測定装置１０は、携帯電話システムの送信電力を測定するものであって、台車や測定用車輛上などの移動手段８に設置して移動可能である。この送信電力測定装置１０は、携帯端末１、２、３などから外部アンテナ４を通じて電波を送信し、分配器１５、１６を介して電力計測器１４またはスペクトラムアナライザ１５により送信電力を測定し、ＧＰＳ受信機１１により正確な時刻を測定し、その送信電力の測定値やその測定時刻をＰＣ（コンピュータ）１２等の記録器へ記録する機能を有する。ここで、携帯端末１、２、３などとしては、測定しようとする携帯電話事業者の端末を選択して使用できる。

また、受信電力測定装置２０は、受信アンテナ２１と、信号増幅器２２、スペクトラムアナライザ２３、ＧＰＳ受信機２５、および記録器となるＰＣ２４等を用いて構成し、鉄塔やビル屋上のような高所、あるいは気球や飛行機や飛行船を用いて高高度に設置して受信信号強度を測定するものである。ここで、受信アンテナ２１は外部アンテナ４よりも高所に設置する。上記受信電力測定装置２０は、該携帯端末１からの送信波の受信アンテナ２１による受信、信号増幅器２２による受信信号の適正な信号強度への増幅、スペクトラムアナライザ２３による受信電力の測定、ならびにＧＰＳ受信機２５による正確な時刻の測定と該時刻のＰＣ２４等の記録器による記録の機能を有する。なお、本発明の携帯端末電波測定装置の使用環境がＧＰＳ衛星から見通し外となる場合には、ＰＣ２４等の記録器の時刻を正しい時刻に合わせることで正確な時刻での測定が可能である。

また、本発明の携帯端末電波測定装置の使用環境がＧＰＳ衛星から見通し状態の場合、上記に加えてＧＰＳ受信機１１、２５で送信電力測定装置１０および受信電力測定装置２０の位置情報を取得し、ＰＣ１２等の記録器で記録することにより、送信電力測定装置１０および該受信電力測定装置２０の正確な位置関係を得ることができる。

通常の携帯電話システムでは、スペクトル逆拡散による符号復調がどの携帯端末に対しても等しく行えるようにするために、なるべく基地局での受信レベルが一定になるようにして、通信状態に応じてその送信出力が制御されている。このため、携帯端末電波測定装置での測定方法およびデータ処理方法は、上記送信電力測定装置１０によって携帯端末１の送信電力測定値と測定時刻を、上記受信電力測定装置２０によって受信電力測定値と測定時刻を同時に記録し、後に、データ処理を行って、同時刻における送信電力と受信電力、ならびに送信電力測定装置１０と受信電力測定装置２０の内部回路の校正値を加減することにより送信波の減衰量（伝搬路損失）を計算するものである。

図３に測定およびデータ処理の流れ図を示す。まず、（ａ）測定開始に当たり、測定しようとする携帯端末からの送信波の識別を受信電力測定装置２０で行う必要がある。一般に、携帯電話による通信は、秘匿性が高く、送信波に含まれる通信内容から識別することはできない。このために、例えば、測定開始前に、上記携帯端末からの発呼前に送信電力測定装置１０側から受信電力測定装置２０側へ信号や合図を送った後に発呼し、送信電力測定装置１０のスペクトラムアナライザ１３と受信電力測定装置２０のスペクトラムアナライザ２３により観測されるスペクトルの周波数が一致することをデジタル処理や目視で確認することで行う。
また、受信アンテナ２５の指向性が個々の携帯端末からの送信波を識別できる程度に充分高い場合は、受信アンテナ２５の方向を変えながらスペクトラムアナライザ２３によりスペクトル強度を観測することにより、携帯端末を識別することができる。

次に、（ｂ）送信電力測定装置１０によって携帯端末１の送信電力を測定し測定値とその測定時刻を記録する。また、それと同時に、受信電力測定装置２０によって受信電力を測定し測定値とその測定時刻を記録する。また、測定時間帯に、他の通話者の通話による送信波が測定しようとする携帯端末からの送信波のチャネルに混入しないことを確認することが望ましく、これは、例えば、受信電力測定装置２０のスペクトラムアナライザなどを用いて確認することができる。測定においては、送信電力測定装置１０は、測定目的に応じた適切な経路を移動する。測定を開始すると、送信電力測定装置１０と受信電力測定装置２０は同時に記録を行い、経路の終点において測定を終了する。

（ｃ）の測定終了までは、送信電力測定装置１０と受信電力測定装置２０は、それぞれの時刻に従って同時に測定し、記録する。また、（ｄ）における処理は、送信電力測定装置１０と受信電力測定装置２０の両方の記録を読み出して行う処理である。つまり、(ｅ)上記で記録した測定値およびその測定時刻を用いて、同時刻における上記送信電力と上記受信電力、ならびに送信電力測定装置１０と受信電力測定装置２０の内部回路の利得および損失を補正するための校正値を加減することにより、送信波の減衰量（伝搬路損失）を計算するステップを備える。また、（ｆ）上記計算は、所定の領域の測定値について行ってデータ処理を終了する。

つまりデータ処理においては、記録したそれぞれの測定時刻を用いて同時刻の送信電力および受信電力の測定値を使用し、送信電力測定装置１０と受信電力測定装置２０の内部回路の利得および損失の校正値を用いて送信波の減衰量、すなわち伝搬路損失などの伝搬特性を計算する。内部回路とは、例えば外部アンテナ４、分配器１５、１６、給電線、受信アンテナ２１、信号増幅器２２などであって、これらは、利得および損失について校正することが望ましい。
また、互いの時計の記録時刻が一致しない場合は、線形補間などの補間処理を行って、同一時刻での測定値を得ることは、よく知られた方法を用いて容易に実行できる。

図４（ａ）、図４（ｂ）に本発明の使用環境の具体例を示す。図４（ａ）の具体例１は、送信電力測定装置１０と塔４０の上部に設置された受信電力測定装置２０の間にビル、家屋等の遮蔽物４１が存在するとともに送信電力測定装置１０と携帯電話基地局３０の間にもビル、家屋等の遮蔽物４２が存在する屋外の使用環境の例を示している。塔４０の代わりに飛行船や気球、あるいは、飛行機などで代用することもできる。図４（ａ）のような環境では、携帯電話基地局３０の送信電力制御により遮蔽物による送信波の減衰が補償されるため、携帯電話基地局３０が携帯端末からの見通しがよい場合に比べ送信電力測定装置１０の位置にある携帯端末の送信電力は上昇することが予想される。また、携帯端末と受信電力測定装置２０の間に遮蔽物４１が存在するため、遮蔽物４１が存在しない場合に比べ受信電力測定装置２０での受信電力は低下することが予想される。図４（ａ）のような環境において本発明を適用することにより、携帯端末と該携帯電話基地局との間に存在する遮蔽物の状況に依存して変動する該送信電力と、遮蔽物による電波の減衰量（伝搬路損失）を同時に取得することができる。

また、図４（ｂ）の具体例２は、送信電力測定装置１０をビル、家屋等の遮蔽物４３の内部、つまり屋内、に設置した使用環境の例を示している。図４（ｂ）のような屋内からの送信においても、携帯電話基地局３０の送信電力制御により建物の壁等による送信波の減衰が補償されるため、送信電力測定装置１０の位置にある携帯端末について携帯電話基地局３０との間が見通しのよい場合に比べ携帯端末の送信電力は上昇することが予想される。一方、屋内から屋外への送信において建物の壁等により送信波が減衰するため、携帯端末と受信電力測定装置２０の間が見通しの場合に比べ受信電力測定装置２０での受信電力は低下することが予想される。図４（ｂ）のような環境においても、本発明を適用することにより、屋内から屋外へ携帯端末で送信した際に建物の影響により変動する送信電力と受信電力を同時に得て、電波の減衰量（伝搬路損失）を取得することができる。

また、マルチパスフェージングの出やすい環境での測定においては、送信電力測定装置１０の移動距離に対する測定点の密度を高く取り、局所的に平均化することで、受信電力の測定結果から、その影響を実質的に除外することができる。

周辺遮蔽物の影響下における携帯端末の送信電力と受信電力から送信波の減衰量を取得することができる。これにより、ＳＴＩＣＳのシステム設計において、地上系から衛星系通信システムへの電波干渉量を正確に予測することができる。

１、２、３ 携帯端末
４ 外部アンテナ
８ 移動手段
１０ 送信電力測定装置
１１ ＧＰＳ受信機
１２ ＰＣ（コンピュータ）
１３ スペクトラムアナライザ
１４ 電力計測器
１５、１６ 分配器
２０ 受信電力測定装置
２３ スペクトラムアナライザ
２１ 受信アンテナ
２２ 信号増幅器
２４ ＰＣ
２５ ＧＰＳ受信機
３０ 携帯電話基地局
４０ 塔
４１、４２、４３ 遮蔽物
５０ データ解析装置

Claims (4)

1. 携帯端末と基地局間で通信し基地局からの指令に基づいて該携帯端末の送信電力が制御される携帯電話システムに関し、
   上記携帯端末から上記基地局への送信時の送信電力を移動体上で測定する送信電力測定装置と、上記携帯端末からの送信波を受信し測定する受信電力測定装置と、上記送信電力測定装置の測定データと上記受信電力測定装置の測定データとから伝送路特性を解析するデータ解析装置と、を備える携帯端末用電波測定装置、であって、
   上記送信電力測定装置は、
   該携帯端末に給電線で接続された外部アンテナと、
   該給電線の途中に設けられ送信信号の一部を分岐する分配器と、
   該分配器で分岐された電波の強度を計測する第１電力測定器と、
   測定時の時刻情報を出力する第１時計装置と、
   第１電力測定器の測定値と第１時計装置の上記時刻情報を記録する第１記録装置と、
   を備え、移動しながら送信信号強度を測定し、上記時刻情報とともに記録できるものであり、
   上記受信電力測定装置は、
   上記外部アンテナよりも高所に設置され上記送信波を受信するための受信アンテナと、受信した上記送信波の強度を計測する第２電力測定器と、
   測定時の時刻情報を出力する第２時計装置と、
   第２電力測定器の測定値と第２時計装置の上記時刻情報を記録する第２記録装置と、
   を備え、移動する上記携帯端末に対して、固定点での測定を行うものであり、
   上記データ解析装置は、
   第１記録装置上の記録情報と第２記録装置上の記録情報とから、それぞれの測定時の時刻情報を介して上記送信電力測定装置の測定データとそれに対する上記受信電力測定装置の測定データの対を決定し、上記対から伝送路特性を解析するものである、
   ことを特徴とする携帯端末送信電波測定装置。
2. 第１時計装置および第２時計装置は、それぞれＧＰＳ装置であることを特徴とする請求項１に記載の携帯端末送信電波測定装置。
3. 上記データ解析装置は、第１記録装置上の記録情報あるいは第２記録装置上の記録情報の記録データで補間を行って得たデータを用いて、それぞれの測定時の時刻情報を介して上記送信電力測定装置の測定データとそれに対する上記受信電力測定装置の測定データの対を決定し、上記対から伝送路特性を解析するものであることを特徴とする請求項１から２のいずれか１つに記載の携帯端末送信電波測定装置。
4. 請求項１から３のいずれか１つに記載の携帯端末送信電波測定装置を用いた測定方法であって、
   （１）上記受信電力測定装置が上記携帯端末からの送信波を捕捉するステップと、
   （２）同一の時間帯に、上記送信電力測定装置によって第１電力測定器の測定値と第１時計装置の上記時刻情報を第１記録装置に記録し、上記受信電力測定装置によって第２電力測定器の測定値と第２時計装置の上記時刻情報を第２記録装置に記録するステップと、
   （３）第１記録装置と第２記録装置から読み出した測定データについて、上記対を決定し、上記対にあらかじめ決定した上記送信電力測定装置および上記受信電力測定装置の校正値を適用して伝送路特性を解析するステップと、
   を順に含むことを特徴とする携帯端末送信電波測定方法。

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