JP2020145638A - 無線端末収容判定装置、無線端末収容判定方法、及びプログラム - Google Patents

無線端末収容判定装置、無線端末収容判定方法、及びプログラム Download PDF

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Abstract

【課題】通信成功率をより高速に推定すること。【解決手段】無線端末収容判定装置は、エリアを構成するメッシュごとに平均受信電力を算出する平均受信電力算出部と、全干渉信号電力の累積分布関数を作成する干渉信号電力ＣＤＦ作成部と、所望信号電力の確率密度関数を示す第４確率密度関数を作成する所望信号電力ＰＤＦ作成部と、基地局ごとに前記累積分布関数と前記第４確率密度関数とに基づいて前記所望端末の通信成功率を算出する通信成功率推定部とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、無線端末収容判定装置、無線端末収容判定方法、及びプログラムに関する。
ＩｏＴ（Internet of Things；モノのインターネット）技術の発展により、各種センサ及び通信機能を備えたモノ（以下、「ＩｏＴ機器」又は「端末」という。）がネットワークに接続され、遠隔データ収集及びＩｏＴ機器の遠隔制御等を行うことが年々盛んになっている。また、近年、ＩｏＴ機器向けの無線通信方式として、ＬＰＷＡ（Low Power Wide Area network）が注目されている。ＬＰＷＡには、例えば、アンライセンスバンド（無線局免許を必要としない周波数帯）を用いるＬｏＲａＷＡＮ及びＳｉｇｆｏｘ、ライセンスバンド（無線局免許を必要とする周波数帯）を用いるＬＴＥ−Ｍ（Long Term Evolution for Machines）及びＮＢ（Narrow Band）−ＩｏＴ等の無線通信方式がある。
ＩｏＴ機器は、主に特定の場所に固定して設置され、利用されることが多い。一方、電波伝搬は、場所依存性が高い。これにより、基地局からの電波の受信電力が低い不感地帯にＩｏＴ機器が設置された場合、長期的に通信不可の状態となりうる。そのため、ＩｏＴ機器の設置予定場所において十分な受信電力を確保できるように置局設計を行うことが重要となる。
また、基地局に収容される端末数が多すぎる場合、あるいは、周辺の基地局等の干渉源からの電波干渉が多い場合、新規にＩｏＴ機器を設置しても十分な通信品質が確保できないことがある。この場合、通信の失敗が頻発することになる。そのため、上述したような設置予定場所における受信電力の評価だけでなく、基地局の無線リソースの使用状況、及び周辺の電波干渉の発生状況を考慮して、新規ＩｏＴ機器を収容可能か否かを事前に判定することが重要となる。そして、当該判定を行うためには、通信成功率を推定する手段が必要となる。
通信成功率を推定する従来技術として、例えば、特許文献１及び特許文献２に記載の技術がある。特許文献１に記載の技術は、無線機を仮設置して実際に通信を試行することによって通信成功率を測定する技術である。また、特許文献２に記載の技術は、複数の基地局によって構成されるマルチセル環境におけるスループットを、モンテカルロシミュレーションを用いて推定する技術である。
特開２０１４−７２８５３号公報 特許第５０７７３４７号公報
岩井誠人著、「移動通信における電波伝搬 −無線通信シミュレーションのための基礎知識−」、株式会社コロナ社、ｐ．１６−P．１９、２０１２年１１月２２日
特許文献１に記載の技術は、設置予定場所に端末を仮設置して実環境で通信成功率を測定するため、測定準備及び測定作業に多くの人的コストが必要になるという課題がある。特に、ＬＰＷＡのような広域の無線通信システムでは、実環境での通信成功率の測定に要する人的コストは膨大になる。
特許文献２に記載の技術は、モンテカルロシミュレーションによりスループットを推定するため、実環境での測定は不要である。しかしながら、特許文献２に記載の技術は、乱数を用いて多数の端末のトラフィックを確率的に発生させる処理を、膨大な回数（例えば、数万回以上）、繰り返し実行することによって、周辺端末との干渉を考慮したスループットの推定を行う。そのため、膨大な計算時間が必要になるという課題がある。
また、特許文献２では、基地局と端末との間の伝搬損失を、伝搬モデルに基づく距離減衰（長区間変動）とシャドウイング（短区間変動）とを考慮して計算する。しかしながら、特に、端末が固定して設置されることが多いＬＰＷＡのような無線通信システムにおいては、フェージングによる瞬時変動も考慮して通信成功率を推定することが重要になる。フェージングによる瞬時変動を考慮して精度高く通信成功率を推定するためには、例えば乱数を用いて瞬時変動の影響を与えて所望信号及び干渉信号の受信電力瞬時値を計算する処理を、膨大な回数（例えば、数万回以上）、繰り返し実行する必要がある。そのため、更に膨大な計算時間を必要になる。
本発明は、このような事情を考慮してなされたものであり、実環境での測定やモンテカルロシミュレーションを行うことなく、新規無線端末の設置予定場所における通信成功率をより高速に推定する技術を提供することを目的とする。
本発明の一態様は、複数の基地局の各々に関して、エリアを構成する微小メッシュごとに平均受信電力を算出する平均受信電力算出部と、前記平均受信電力に基づいて各基地局に所属する端末を決定し、各基地局について、前記基地局からの干渉信号の平均受信電力を受信電力瞬時値の確率密度関数に代入することによって基地局間の干渉信号電力の確率密度関数を示す第１確率密度関数を作成し、各端末からの干渉信号の平均受信電力を前記受信電力瞬時値の前記確率密度関数に代入することによって各端末からの干渉信号電力の確率密度関数を示す第２確率密度関数を作成し、前記第１確率密度関数及び前記第２確率密度関数の畳み込みを行うことによって全干渉信号電力の確率密度関数を示す第３確率密度関数を作成し、前記第３確率密度関数に基づいて全干渉信号電力の累積分布関数を作成する干渉信号電力ＣＤＦ作成部と、各基地局について、所望端末からの所望信号の平均受信電力を前記受信電力瞬時値の前記確率密度関数に代入することによって所望信号電力の確率密度関数を示す第４確率密度関数を作成する所望信号電力ＰＤＦ作成部と、基地局ごとに、前記累積分布関数と前記第４確率密度関数とに基づいて前記所望端末の通信成功率を算出する通信成功率推定部と、を備える無線端末収容判定装置である。
また、本発明の一態様は、上記の無線端末収容判定装置であって、前記干渉信号電力ＣＤＦ作成部は、前記所望端末を含めた全端末から基地局に到来する信号の受信電力瞬時値を用いて前記第２確率密度関数を作成することによって全端末共通に利用可能な前記累積分布関数を作成する。
また、本発明の一態様は、上記の無線端末収容判定装置であって、前記平均受信電力算出部は、各基地局の位置関係から基地局間干渉の平均干渉信号電力をさらに算出し、前記干渉信号電力ＣＤＦ作成部は、前記平均受信電力に瞬時変動の影響を考慮して作成された受信電力瞬時値と、端末数と、トラフィックパターンと、前記平均干渉信号電力とに基づいて、前記第１確率密度関数と前記第２確率密度関数とを作成する。
また、本発明の一態様は、上記の無線端末収容判定装置であって、繰り返し判定部をさらに備え、前記所望信号電力ＰＤＦ作成部は、算出された平均受信電力の高い順に前記基地局をソートし、繰り返し処理ごとに、通信成功率推定において考慮される基地局数を電力の高い順に増加させ、計算対象の基地局について所望信号電力ＰＤＦを作成し、前記通信成功率推定部は、前記累積分布関数と、計算対象の基地局の前記第４確率密度関数と、熱雑音電力とに基づいて通信成功率を算出し、前記繰り返し判定部は、算出された前記通信成功率が第１所定値以上になった場合、又は、１つ前の前記繰り返し処理において算出された前記通信成功率からの値の変化が第２所定値以内になった場合に、前記繰り返し処理を終了する。
また、本発明の一態様は、複数の基地局の各々に関して、エリアを構成する微小メッシュごとに平均受信電力を算出する平均受信電力算出ステップと、前記平均受信電力に基づいて各基地局に所属する端末を決定し、各基地局について、前記基地局からの干渉信号の平均受信電力を受信電力瞬時値の確率密度関数に代入することによって基地局間の干渉信号電力の確率密度関数を示す第１確率密度関数を作成し、各端末からの干渉信号の平均受信電力を前記受信電力瞬時値の前記確率密度関数に代入することによって各端末からの干渉信号電力の確率密度関数を示す第２確率密度関数を作成し、前記第１確率密度関数及び前記第２確率密度関数の畳み込みを行うことによって全干渉信号電力の確率密度関数を示す第３確率密度関数を作成し、前記第３確率密度関数に基づいて全干渉信号電力の累積分布関数を作成する干渉信号電力ＣＤＦ作成ステップと、各基地局について、所望端末からの所望信号の平均受信電力を前記受信電力瞬時値の前記確率密度関数に代入することによって所望信号電力の確率密度関数を示す第４確率密度関数を作成する所望信号電力ＰＤＦ作成ステップと、基地局ごとに、前記累積分布関数と前記第４確率密度関数とに基づいて前記所望端末の通信成功率を算出する通信成功率推定ステップと、を有する無線端末収容判定方法である。
また、本発明の一態様は、上記の無線端末収容判定装置としてコンピュータを機能させるためのプログラムである。
本発明によれば、実環境での測定やモンテカルロシミュレーションを行うことなく、新規無線端末の設置予定場所における通信成功率をより高速に推定することができる。
本発明の第１の実施形態に係る無線端末収容判定装置１ａの機能構成を示すブロック図である。 本発明の第１の実施形態に係る無線端末収容判定装置１ａによる通信成功率推定処理を説明するための図である。 本発明の第１の実施形態に係る無線端末収容判定装置１ａの動作を示すフローチャートである。 本発明の第２の実施形態における無線端末収容判定装置１ｂの機能構成を示すブロック図である。 本発明の第２の実施形態に係る無線端末収容判定装置１ｂの動作を示すフローチャートである。
以下、図面を参照して、本発明の実施形態について詳しく説明する。なお、以下の実施形態では、ＬｏＲａＷＡＮの、Ｃｌａｓｓ Ａ及びＣｌａｓｓ Ｂのプロトコルを用いる無線通信システムを例に挙げて説明する。
また、以下の実施形態では、端末（ＩｏＴ機器）から基地局への上り通信は、Ｃｌａｓｓ Ａのプロトコルにより行われる。また、基地局から端末への下り通信は、上記上り通信に対するＡｃｋ（Acknowledge）を送信する場合にはＣｌａｓｓ Ａのプロトコルにより行われ、アプリケーションサーバ（図示せず）から基地局に転送されてきたデータ送信する場合にはＣｌａｓｓ Ｂのプロトコルにより行われる。
また、以下の実施形態では、周辺に複数の基地局がある場合、端末から送信された信号は複数の基地局において受信され、復調される。そして、受信に成功した信号は、上位のネットワークサーバ（図示せず）へ送られる。そして、ネットワークサーバにおいて受信に成功した信号のうち、最も受信電力が高い信号が選択される（サイトダイバーシチ）。また、基地局が複数のアンテナを備える場合、端末から送信された信号は複数のアンテナで受信され、復調される。そして、基地局において受信に成功した信号のうち、最も受信電力が高い信号が選択される（アンテナダイバーシチ）。
また、以下の実施形態では、下り通信では、直前の上り通信の際に選択された基地局及びアンテナにより下り通信が行われることで、高い通信品質が確保される。
なお、以下の説明において、通信成功率を推定する対象となる端末を「所望端末」といい、その他の端末を「干渉端末」という。また、所望端末が通信を行う基地局を「所望基地局」といい、その他の基地局を「干渉基地局」という。
＜第１の実施形態＞
以下、本発明の第１の実施形態について説明する。
［無線端末収容判定装置の機能構成］
図１は、本発明の第１の実施形態に係る無線端末収容判定装置１ａの機能構成を示すブロック図である。図１に示すように、無線端末収容判定装置１ａは、平均受信電力算出部１１と、無線設備データベース１２と、所望信号電力ＰＤＦ作成部１３ａと、干渉信号電力ＣＤＦ作成部１４と、通信成功率推定部１５ａと、を具備する。
平均受信電力算出部１１は、一般的な電波伝搬シミュレータに相当するものである。平均受信電力算出部１１は、地図データ（例えば、地形の高さ、建物の高さ、土地の利用分類等のデータ）を外部の機器等からインポートする。平均受信電力算出部１１は、作業者によって指定されたエリアの地図データを、微小なメッシュ（例えば、５ｍ間隔のメッシュ）に分割する。そして、平均受信電力算出部１１は、基地局と各メッシュ（すなわち、各メッシュに相当する位置に設置されているものと仮定した仮想端末）との間の上り通信の平均受信電力を算出する。また、平均受信電力算出部１１は、各基地局の位置に基づいて、基地局間で発生する基地局間干渉の平均干渉信号電力を算出する。
なお、以下の説明は全て、作業者によって指定されたエリア内に位置する基地局と端末とを判定の対象とする場合についての説明である。
無線設備データベース１２は、各基地局の、アンテナ本数、及び熱雑音電力等の無線設備に関わるパラメータを保持する。また、無線設備データベース１２は、各端末の、アンテナ本数、熱雑音電力、及びトラフィックパターン（通信頻度、及び１回あたりの通信時間）等の無線設備に関わるパラメータを保持する。なお、ＬｏＲａＷＡＮのように、チャネルが複数あり、使用されるチャネルが通信の度にランダムに選択される場合、端末の通信頻度をチャネル数で割った値を通信頻度とすればよい。
所望信号電力ＰＤＦ作成部１３ａは、所望端末が位置するメッシュと基地局との間の平均受信電力に、瞬時変動の影響を考慮して、受信電力瞬時値の確率密度関数（ＰＤＦ：Probability Density Function）を基地局ごとに作成する。以下、所望信号の受信電力瞬時値のＰＤＦを、「所望信号電力ＰＤＦ」という。
干渉信号電力ＣＤＦ作成部１４は、干渉端末が位置するメッシュと基地局との間の平均受信電力に、瞬時変動の影響とトラフィックパターンとを考慮して、受信電力瞬時値の確率密度関数（ＰＤＦ：Probability Density Function）を作成する。また、干渉信号電力ＣＤＦ作成部１４は、所望基地局と干渉基地局との間の平均受信電力と干渉基地局配下の干渉端末のトラフィックパターンとに基づいて、干渉信号電力のＰＤＦを作成する。干渉信号電力ＣＤＦ作成部１４は、作成したＰＤＦを集計してＣＤＦを作成する。以下、干渉信号のＰＤＦを集計することによって作成されたＣＤＦを、「干渉信号電力ＣＤＦ」という。
通信成功率推定部１５ａは、所望信号電力ＰＤＦ作成部１３ａで作成された所望信号電力ＰＤＦと、干渉信号電力ＣＤＦ作成部１４で作成された干渉信号電力ＣＤＦと、基地局の熱雑音電力とから、所望信号電力対干渉及び雑音電力比（ＳＩＮＲ；Signal-to-Interference plus Noise power Ratio）が所要ＳＩＮＲ以上となる確率を算出する。そして、通信成功率推定部１５ａは、算出された確率に基づき、サイトダイバーシチ及びアンテナダイバーシチの効果を考慮して、通信成功率を算出する。ここで、所要ＳＩＮＲとは、用いられる変調方式の無線通信において、通信が成功するために必要となるＳＩＮＲの値を示す。
［通信成功率推定］
以下、通信成功率の推定処理について説明する。
図２は、本発明の第１の実施形態に係る無線端末収容判定装置１ａによる通信成功率推定処理を説明するための図である。なお、以下では、ＬｏＲａＷＡＮの複数のチャネルのうち、Ｃｌａｓｓ Ａの通信のみで使用されるチャネルにおける通信成功率を推定する場合について説明する。なお、Ｃｌａｓｓ Ａ及びＣｌａｓｓ Ｂの通信で使用されるチャネルにおける通信成功率を推定する場合には、干渉信号電力ＣＤＦ作成部１４で干渉基地局からの干渉信号電力のＰＤＦを作成する際に、Ｃｌａｓｓ Ｂの通信発生時間も考慮すればよい。
以下、図２に示すように、基地局３台で面的に無線エリアが構築されている環境に端末＃１及び端末＃６を新規に設置する際に、端末＃１及び端末＃６の通信成功率を推定する場合について説明する。各基地局は、それぞれ１本のアンテナを備える。基地局＃ｉ（ｉ＝１，２，３）における、端末＃ｊ（ｊ＝１，２，・・・，１５）からの上り通信の平均受信電力をＲｕｐ（ｉ，ｊ）と表す。
上述したように、平均受信電力算出部１１は、一般的な電波伝搬シミュレータに相当するものである。平均受信電力算出部１１は、作業者によって指定されたエリアを、微小なメッシュに分割する。そして、平均受信電力算出部１１は、基地局と各メッシュ（すなわち、各メッシュに相当する位置に設置されているものと仮定した仮想端末）との間の上り通信の平均受信電力を算出する。平均受信電力算出部１１は、端末＃ｊが位置するメッシュにおける平均受信電力の値を取得し、基地局＃ｉと端末＃ｊとの間の上り通信の平均受信電力Ｒｕｐ（ｉ，ｊ）とする。また、平均受信電力算出部１１は、各基地局の位置に基づて、基地局間で発生する基地局間干渉の平均干渉信号電力を算出する。基地局＃ｉから基地局＃ｋへの基地局間干渉の平均干渉信号電力を、ＲＩＣＩ（ｉ，ｋ）と表す。
干渉信号電力ＣＤＦ作成部１４は、まず、端末からの干渉信号電力のＰＤＦ（第２確率密度関数）と基地局間の干渉信号電力のＰＤＦ（第１確率密度関数）とを作成する。
干渉信号電力ＣＤＦ作成部１４は、所望端末の所望基地局と端末との間の平均受信電力に、瞬時変動の影響とトラフィックパターンを考慮して、受信電力瞬時値のＰＤＦを端末ごとに作成し、作成された複数のＰＤＦの畳み込みを行うことによって、端末からの干渉信号電力のＰＤＦ（所望端末の所望基地局における全端末からの干渉信号のＰＤＦ）を得る。
なお、受信電力瞬時値を算出する単純な方法として、モンテカルロシミュレーション法がある。モンテカルロシミュレーション法では、基地局＃ｉに複数の経路で到来する電波の位相を乱数を用いてランダムに決定して合成することで、受信電力瞬時値を算出する。そして、これを繰り返し行うことによって、受信電力瞬時値のＰＤＦを作成することができる。しかしながら、この繰り返し計算は、一般的に膨大な回数（数万回程度）行われる。そのため、膨大な計算時間が必要になるという課題がある。
そこで、本実施形態においては、フェージングによる瞬時変動を、下記の解析式で表す。これにより、本実施形態では、モンテカルロシミュレーションを行うことなく、所望信号電力ＰＤＦを得る。
受信信号の振幅をａとした場合、レイリーフェージングにより瞬時変動する振幅ａのＰＤＦは、Ｒｕｐ（ｉ，ｊ）を用いて、以下の式（１）で表すことができる（非特許文献１参照）。
Figure 2020145638
これを電力ｒ＝ａ２のＰＤＦに変換することで、受信電力瞬時値のＰＤＦは、以下の式（２）で表すことができる。
Figure 2020145638
一方、基地局間の干渉信号電力のＰＤＦを作成するためには、各端末がどの基地局に所属するか（すなわち、端末への下り通信がどの基地局から送信されるか）を決定し、各基地局に所属する端末の端末数を集計する必要がある。ここでは、各端末は、Ｒｕｐ（ｉ，ｊ）が最大となる基地局＃ｉに所属するものとして、端末数が集計される。そして、基地局ごとに、所属する端末の上り通信のトラフィックパターンに基づいて、端末へのＡｃｋ（Ｃｌａｓｓ Ａによる下り通信）の通信発生時間が算出され、全体の時間のうち前記算出した通信発生時間の間、干渉電力ＲＩＣＩ（ｉ，ｋ）の基地局間干渉が発生するものとしてＰＤＦが作成される。
なお、基地局は、一般的に高層ビル屋上の等の高い位置に設置されることが多く、基地局同士は、周辺に反射物や遮蔽物がなく見通しがある環境であることが一般的である。そのため、基地局間干渉については、基地局同士の位置関係に基づいて算出される平均干渉信号電力を用いるものとしている。但し、基地局間の見通し経路を到来する直接波の他に、電力の低い反射波が到来するような場合においては、ライスフェージングを仮定し、基地局同士の位置関係から算出される平均干渉信号電力に、ライスフェージングによる瞬時変動の影響を考慮することによって、基地局間の干渉信号電力瞬時値のＰＤＦを作成すればよい。
そして、干渉信号電力ＣＤＦ作成部１４は、基地局＃１が所望基地局である場合の干渉信号電力ＣＤＦを作成するにあたっては、干渉基地局＃２と干渉基地局＃３とから基地局＃１への干渉信号電力のＰＤＦ２つと、基地局＃１への端末からの干渉信号電力のＰＤＦとの畳み込みを行う。これにより、干渉信号電力ＣＤＦ作成部１４は、全干渉信号電力のＰＤＦ（ＰＤＦＩ（ｒ）と定義する）（第３確率密度関数）を作成し、以下の式（３）によって干渉信号電力ＣＤＦ（ＣＤＦＩ＿１（ｙ））（累積分布関数）を作成する。
Figure 2020145638
同様にして、干渉信号電力ＣＤＦ作成部１４は、基地局＃２が所望基地局である場合の干渉信号電力ＣＤＦを作成するにあたっては、干渉基地局＃１と干渉基地局＃３とから基地局＃２への干渉信号電力のＰＤＦ２つと、基地局＃２への端末からの干渉信号電力のＰＤＦとの畳み込みを行う。これにより、干渉信号電力ＣＤＦ作成部１４は、全干渉信号電力のＰＤＦ（第３確率密度関数）を作成し、干渉信号電力ＣＤＦ（ＣＤＦＩ＿２（ｙ））（累積分布関数）を作成する。
同様にして、干渉信号電力ＣＤＦ作成部１４は、基地局＃３が所望基地局である場合の干渉信号電力ＣＤＦを作成するにあたっては、干渉基地局＃１と干渉基地局＃２とから基地局＃３への干渉信号電力のＰＤＦ２つと、基地局＃３への端末からの干渉信号電力のＰＤＦとの畳み込みを行う。これにより、干渉信号電力ＣＤＦ作成部１４は、全干渉信号電力のＰＤＦ（第３確率密度関数）を作成し、干渉信号電力ＣＤＦ（ＣＤＦＩ＿３（ｙ））（累積分布関数）を作成する。
所望信号電力ＰＤＦ作成部１３ａは、端末＃１から基地局＃１、基地局＃２、及び基地局＃３への所望信号の平均受信電力Ｒｕｐ（１，１）、Ｒｕｐ（２，１）、及びＲｕｐ（３，１）に、瞬時変動の影響を考慮して、所望信号電力ＰＤＦ（ＰＤＦＳ＿１（ｙ）、ＰＤＦＳ＿２（ｙ）、及びＰＤＦＳ＿３（ｙ））を作成する。
通信成功率推定部１５ａは、所望信号電力ＰＤＦ作成部１３ａで作成された所望信号電力ＰＤＦと、干渉信号電力ＣＤＦ作成部１４で作成された干渉信号電力ＣＤＦと、基地局の熱雑音電力とから、ＳＩＮＲが所要ＳＩＮＲ以上となる確率を算出する。ここで、基地局＃ｉにおける確率をＰｕｐ（ｉ）で表す。そして、サイトダイバーシチ効果を考慮すると、通信成功率Ｐ’ｕｐは以下の式（４）によって算出される。
Figure 2020145638
上記により端末＃１の通信成功率の推定が完了すると、続いて同手順で端末＃６の通信成功率を推定する。ここで、干渉信号電力ＣＤＦ作成部１４で実施される、基地局ごとの干渉信号電力ＣＤＦの作成までの処理は、全端末で共通である（すなわち、作成された干渉信号電力ＣＤＦは、全端末共通に利用可能である）。そのため、同じ結果を用いて端末＃６の通信成功率推定を行うことができる。すなわち、所望信号電力ＰＤＦ作成部１３ａが端末＃６から各基地局への所望信号電力ＰＤＦを作成し、通信成功率推定部１５ａがＰｕｐ（ｉ）を算出し、通信成功率推定部１５ａが、上記式（４）により上り通信成功率Ｐ’ｕｐを算出するだけでよい。
［無線端末収容判定装置の動作］
以下、通信成功率推定処理における無線端末収容判定装置１ａの動作について説明する。
図３は、本発明の第１の実施形態に係る無線端末収容判定装置１ａの動作を示すフローチャートである。なお、以下、所望端末（通信成功率を推定する対象の端末）を端末＃ｊとし、所望端末数をＪとする。
平均受信電力算出部１１は、作業者によって指定されたエリアを微小なメッシュに分割する。平均受信電力算出部１１は、分割された各メッシュから各基地局への上り通信の平均受信電力を算出する。また、平均受信電力算出部１１は、各基地局の位置に基づいて基地局間干渉の平均干渉信号電力を算出する（ステップＳ００１）。
干渉信号電力ＣＤＦ作成部１４は、平均受信電力が最大となる基地局に各端末が所属するものとして、各基地局の所属端末数を集計する（ステップＳ００２）。
次に、干渉信号電力ＣＤＦ作成部１４は、所属端末の上り通信のトラフィックパターンに基づいて、基地局間の干渉信号電力のＰＤＦを基地局ごとに作成する。また、干渉信号電力ＣＤＦ作成部１４は、基地局と端末との間の平均受信電力に、瞬時変動の影響とトラフィックパターンとを考慮して、受信電力瞬時値のＰＤＦを端末ごとに作成する。そして、干渉信号電力ＣＤＦ作成部１４は、作成されたＰＤＦの畳み込みを行うことで、端末からの干渉信号電力のＰＤＦを基地局ごとに作成する（ステップＳ００３）。
基地局を識別する変数ｉに値１が代入される（ステップＳ００４）。
干渉信号電力ＣＤＦ作成部１４は、基地局＃ｉを所望基地局としたときの、干渉基地局から所望基地局への基地局間の干渉信号電力のＰＤＦと、所望基地局への端末からの干渉信号電力のＰＤＦとの畳み込みを行うことで全干渉信号電力のＰＤＦを作成し、干渉信号電力ＣＤＦを作成する（ステップＳ００５）。
変数ｉが基地局数Ｉと等しいか否かが判定される（ステップＳ００６）。変数ｉが基地局数Ｉと等しくない場合（ステップＳ００６−Ｎｏ）、変数ｉに値１が加算され（ステップＳ００７）、ステップＳ００５に移行する。一方、変数ｉが基地局数Ｉと等しい場合（ステップＳ００６−Ｙｅｓ）、ステップＳ００８に移行する。
所望端末を識別する変数ｊに値１が代入される（ステップＳ００８）。
所望信号電力ＰＤＦ作成部１３ａは、端末＃ｊから各基地局への所望信号の平均受信電力に、瞬時変動の影響を考慮して、所望信号電力ＰＤＦを基地局ごとに作成する（ステップＳ００９）。
通信成功率推定部１５ａは、所望信号電力ＰＤＦと、干渉信号電力ＣＤＦと、基地局の熱雑音電力とに基づいて、ＳＩＮＲが所要ＳＩＮＲ以上となる確率を基地局ごとに算出する。そして、通信成功率推定部１５ａは、算出された確率に基づき、上記式（４）によって上り通信成功率を算出する（ステップＳ０１０）。
変数ｊが所望端末数Ｊと等しいか否かが判定される（ステップＳ０１１）。変数ｊが所望端末数Ｊと等しくない場合（ステップＳ０１１−Ｎｏ）、変数ｊに値１が加算され（ステップＳ０１２）、ステップＳ００５に移行する。一方、変数ｊが所望端末数Ｊと等しい場合（ステップＳ０１１−Ｙｅｓ）、図３に示すフローチャートの処理が終了する。
なお、以上の説明では、Ｃｌａｓｓ Ａの通信で用いられるチャネルが複数あり、端末からのＣｌａｓｓ Ａの上り通信に対するＡｃｋ送信（Ｃｌａｓｓ Ａによる下り通信）が前記複数チャネルのいずれかのチャネルで行われることを前提に説明してきた。但し、Ａｃｋ送信用のチャネルが用意され、Ｃｌａｓｓ Ａの上り通信と下り通信とが干渉しない場合には、干渉信号電力ＣＤＦを作成するにあたって基地局間の干渉信号電力のＰＤＦを作成する必要はなく、端末からの干渉信号電力のＰＤＦのみを用いればよい。
以上説明したように、本発明の第１の実施の実施形態に係る無線端末収容判定装置１ａは、複数の基地局の各々に関して、エリアを構成するメッシュごとに平均受信電力を算出する平均受信電力算出部１１と、前記平均受信電力に基づいて各基地局に所属する端末を決定し、各基地局について、前記基地局からの干渉信号の平均受信電力を受信電力瞬時値のＰＤＦ（確率密度関数）に代入することによって基地局間の干渉信号電力の確率密度関数を示すＰＤＦ（第１確率密度関数）を作成し、各端末からの干渉信号の平均受信電力を前記受信電力瞬時値の前記ＰＤＦ（確率密度関数）に代入することによって各端末からの干渉信号電力の確率密度関数を示すＰＤＦ（第２確率密度関数）を作成し、前記第１確率密度関数及び前記第２確率密度関数の畳み込みを行うことによって全干渉信号電力の確率密度関数を示すＰＤＦ（第３確率密度関数）を作成し、前記第３確率密度関数に基づいて全干渉信号電力の累積分布関数を示す干渉信号電力ＣＤＦ（累積分布関数）を作成する干渉信号電力ＣＤＦ作成部１４と、各基地局について、所望端末からの所望信号の平均受信電力を前記受信電力瞬時値の前記ＰＤＦ（確率密度関数）に代入することによって所望信号電力の確率密度関数を示すＰＤＦ（第４確率密度関数）を作成する所望信号電力ＰＤＦ作成部１３ａと、基地局ごとに、前記干渉信号電力ＣＤＦ（累積分布関数）と前記所望信号電力ＰＤＦ（第４確率密度関数）とに基づいて前記所望端末の通信成功率を算出する通信成功率推定部１５ａと、を備える。
上記の構成を備えることにより、本発明の第１の実施の実施形態に係る無線端末収容判定装置１ａは、実環境での測定やモンテカルロシミュレーションを行うことなく、新規無線端末の設置予定場所における通信成功率をより高速に推定することができる。
＜第２の実施形態＞
第１の実施形態では、全基地局によるサイトダイバーシチ効果を考慮して通信成功率を推定する場合について説明した。一方、以下に説明する第２の実施形態では、通信成功率への寄与度の高い基地局のみを計算対象として通信成功率を推定する場合について説明する。なお、以下の説明では、第１の実施形態との相違点についてのみ説明する。
［無線端末収容判定装置の機能構成］
図４は、本発明の第２の実施形態における無線端末収容判定装置１ｂの機能構成を示すブロック図である。図４に示すように、無線端末収容判定装置１ｂは、平均受信電力算出部１１と、無線設備データベース１２と、所望信号電力ＰＤＦ作成部１３ｂと、干渉信号電力ＣＤＦ作成部１４と、通信成功率推定部１５ｂと、繰り返し判定部１６と、を具備する。繰り返し判定部１６を具備する点が、第１の実施形態における無線端末収容判定装置１ａの機能構成との相違点である。
所望信号電力ＰＤＦ作成部１３ｂは、平均受信電力算出部１１で算出された平均受信電力Ｒｕｐ（ｉ，ｊ）に基づいて、平均受信電力の高い順に基地局をソートする。所望信号電力ＰＤＦ作成部１３ｂは、後述する繰り返し処理において、現在何回目の処理なのかに応じて、平均受信電力の高い順に何台の基地局を通信成功率推定における計算対象とするかを決定する。そして、所望信号電力ＰＤＦ作成部１３ｂは、計算対象の基地局のＲｕｐ（ｉ，ｊ）から所望信号電力ＰＤＦを作成する。
通信成功率推定部１５ｂは、繰り返し処理における各回において、所望信号電力ＰＤＦ作成部１３ｂで作成された所望信号電力ＰＤＦと、干渉信号電力ＣＤＦ作成部１４で作成された干渉信号電力ＣＤＦと、基地局の熱雑音電力とから、ＳＩＮＲが所要ＳＩＮＲ以上となる確率を算出する。そして、通信成功率推定部１５ｂは、算出された確率に基づいて、サイトダイバーシチやアンテナダイバーシチの効果を考慮して、通信成功率を算出する。そして、通信成功率推定部１５ｂは、繰り返し判定部１６にて繰り返し処理終了の判定がなされると繰り返し処理を終了し、その時点で算出された通信成功率を結果として出力する。
繰り返し判定部１６は、算出された通信成功率が当該設計作業における目標値（第１所定値）以上となった場合、又は、１つ前の繰り返し処理で算出された通信成功率からの変化量が所定値（第２所定値）以内になった場合に、繰り返し処理終了の判定を行う。
［通信成功率推定］
以下、通信成功率の推定処理について説明する。第１の実施形態と同様に、端末＃１と端末＃６とを新規に設置する際に、端末＃１と端末＃６の通信成功率を推定する場合について説明する。
まず端末＃１の通信成功率の推定において、作業者により、当該設計作業における通信成功率の目標値Ｐｔａｒｇｅｔ（例えば、０．９等）と、繰り返し処理における通信成功率の変化の収束目標値ΔＰｔａｒｇｅｔ（例えば、０．０２等）とが決定される。そして、繰り返し判定部１６に対してそれらの値が設定される。
平均受信電力算出部１１は、基地局＃ｉへの端末＃１からの上り通信の平均受信電力Ｒｕｐ（ｉ，１）を算出する。なお、ｉは、１〜Ｉのいずれかであり、Ｉは基地局数を表す。また、第１の実施形態を同様に、平均受信電力算出部１１は、基地局間で発生する基地局間干渉の平均干渉信号電力を算出する。
無線設備データベース１２、及び干渉信号電力ＣＤＦ作成部１４の構成は、第１の実施形態と同様であるため、説明を省略する。
所望信号電力ＰＤＦ作成部１３ｂは、Ｒｕｐ（ｉ，１）の高い順に基地局をソートする。なお、基地局が複数のアンテナを備える場合、各アンテナについてそれぞれ平均受信電力が算出されるが、これらの平均受信電力のうち一番高い値を当該基地局の代表値として基地局をソートしてもよいし、これらの平均受信電力を平均した値を用いて基地局をソートしてもよい。
以下、繰り返し処理ごとに、通信成功率の計算対象とする基地局を１台ずつ増加させる場合について説明する。すなわち、ｎ回目の処理において通信成功率の計算対象となる基地局は、平均受信電力が高いほうから上位ｎ台の基地局である。
なお、繰り返し処理ごとに増やす台数は１台に限られるものはなく、２台ずつ増やしたり、１台→２台→４台と指数関数的に増やしたりしてもよい。所望信号電力ＰＤＦ作成部１３ｂは、ｎ回目の処理において、上述した第１の実施形態と同様の方法で、端末＃１から上記の上位ｎ台の基地局への所望信号の平均受信電力に、瞬時変動の影響を考慮して、所望信号電力ＰＤＦを作成する。
通信成功率推定部１５ｂは、上述した第１の実施形態と同様の方法で、所望信号電力ＰＤＦ作成部１３ｂで作成された所望信号電力ＰＤＦと、干渉信号電力ＣＤＦ作成部１４で作成された干渉信号電力ＣＤＦと、基地局の熱雑音電力とから、ｎ回目の処理における通信成功率Ｐ’ｕｐ（ｎ）を算出する。
繰り返し判定部１６は、ｎ回目の処理で算出された通信成功率Ｐ’（ｎ）が以下の式（５）を満たす場合、又は、ｎ−１回目の処理で算出された通信成功率Ｐ’ｕｐ（ｎ−１）からの変化量が以下の式（６）を満たす場合に、繰り返し処理終了の判定を行う。そして、通信成功率推定部１５ｂは、その回において算出された通信成功率Ｐ’ｕｐ（ｎ）を、端末＃１の通信成功率の推定結果として外部の装置等へ出力する。
Figure 2020145638
Figure 2020145638
上記条件を満たさない場合、繰り返し判定部１６は、繰り返し処理継続の判定を行い、ｎ＋１回目の処理に移行する。すなわち、計算対象の基地局が１台増やされ、所望信号電力ＰＤＦ作成部１３ｂは、上位ｎ＋１台の基地局について所望信号電力ＰＤＦを作成し、通信成功率推定部１５ｂは、Ｐ’ｕｐ（ｎ＋１）の値を算出する。
上記により端末＃１の通信成功率の推定が完了すると、続いて同様の手順で端末＃６の通信成功率を推定するが、第１の実施形態と同様、干渉信号電力ＣＤＦ作成部１４で実施される、基地局ごとの干渉信号電力ＣＤＦの作成までの処理は、全端末で共通である。そのため、同じ結果を用いて端末＃６の通信成功率推定を行うことができる。すなわち、所望信号電力ＰＤＦ作成部１３ｂが端末＃６から各基地局への所望信号電力ＰＤＦを作成し、通信成功率推定部１５ｂが、上記式（４）により上り通信成功率Ｐ’ｕｐ（ｎ）を算出するだけでよい。
［無線端末収容判定装置の動作］
以下、通信成功率推定処理における無線端末収容判定装置１ｂの動作について説明する。
図５は、本発明の第２の実施形態に係る無線端末収容判定装置１ｂの動作を示すフローチャートである。
まず、作業者により、当該設計作業における通信成功率の目標値Ｐｔａｒｇｅｔと、繰り返し処理における通信成功率の変化の収束目標値ΔＰｔａｒｇｅｔとが決定される。繰り返し判定部１６は、決定されたこれらの値を取得し設定する（ステップＳ１０１）。
平均受信電力算出部１１は、作業者によって指定されたエリアを微小なメッシュに分割する。平均受信電力算出部１１は、各メッシュから各基地局への上り通信の平均受信電力を算出する。また、平均受信電力算出部１１は、各基地局の位置関係から基地局間干渉の平均干渉信号電力を算出する（ステップＳ１０２）。
干渉信号電力ＣＤＦ作成部１４は、各端末が平均受信電力最大の基地局に所属するものとして、各基地局の所属端末数を集計する（ステップＳ１０３）。
次に、干渉信号電力ＣＤＦ作成部１４は、所属端末の上り通信のトラフィックパターンに基づいて、基地局間の干渉信号電力のＰＤＦを基地局ごとに作成する。また、干渉信号電力ＣＤＦ作成部１４は、基地局と端末との間の平均受信電力に、瞬時変動の影響とトラフィックパターンを考慮して、受信電力瞬時値のＰＤＦを端末ごとに作成する。そして、干渉信号電力ＣＤＦ作成部１４は、作成されたＰＤＦの畳み込みを行うことで、端末からの干渉信号電力のＰＤＦを基地局ごとに作成する（ステップＳ１０４）。
干渉信号電力ＣＤＦ作成部１４は、図３に示したステップＳ００４〜Ｓ００７と同様の手順により、各基地局を順に所望基地局として、干渉基地局から所望基地局への基地局間の干渉信号電力のＰＤＦと、所望基地局への端末からの干渉信号電力のＰＤＦとの畳み込みを行うことで、全干渉信号電力のＰＤＦを作成し、干渉信号電力ＣＤＦを作成する（ステップＳ１０５）。
所望端末を識別する変数ｊに値１が代入される（ステップＳ１０６）。
所望信号電力ＰＤＦ作成部１３ｂは、平均受信電力の高い順に基地局をソートする（ステップＳ１０７）。
繰り返し処理における何回目の処理かを識別する変数ｎに値１が代入される（ステップＳ８）。所望信号電力ＰＤＦ作成部１３ｂは、端末＃ｊから上位ｎ台の基地局への所望信号の平均受信電力に、瞬時変動の影響を考慮して、所望信号電力ＰＤＦを基地局ごとに作成する（ステップＳ１０９）。
通信成功率推定部１５ｂは、所望信号電力ＰＤＦと、干渉信号電力ＣＤＦと、基地局の熱雑音電力とから、ＳＩＮＲが所要ＳＩＮＲ以上となる確率を基地局ごとに算出する。そして、通信成功率推定部１５ｂは、算出された確率に基づいて、上記式（４）により上り通信成功率を算出する（ステップＳ１１０）。そして、通信成功率推定部１５ｂは、上記式（５）及び式（６）のうち少なくとも一方を満たすか否かを判定する（ステップＳ１１１）。どちらも満たさない場合（ステップＳ１１１−Ｎｏ）、変数ｎに値１が加算され（ステップＳ１１２）、ステップＳ１０９に移行する。
一方、上記式（５）及び式（６）のうち少なくとも一方を満たす場合（ステップＳ１１１−Ｙｅｓ）、通信成功率推定部１５ｂは、端末＃ｊの通信成功率の算出を終了し、ステップＳ１１３に移行する。
変数ｊが所望端末数Ｊと等しいか否かが判定される（ステップＳ１１３）。変数ｊが所望端末数Ｊと等しくない場合（ステップＳ１１３−Ｎｏ）、変数ｊに値１が加算され（ステップＳ１４）、ステップＳ１０８に移行する。一方、変数ｊが所望端末数Ｊと等しい場合（ステップＳ１１３−Ｙｅｓ）、図５に示すフローチャートの処理が終了する。
以上説明したように、第２の実施形態に係る無線端末収容判定装置１ｂは、通信成功率への寄与度の高い（平均受信電力の高い）基地局のみを計算対象として通信成功率を算出する。これにより、第２の実施形態に係る無線端末収容判定装置１ｂは、通信成功率の推定に要する計算時間を、より短縮させることができる。
上述した実施形態における無線端末収容判定装置１ａ及び無線端末収容判定装置１ｂの一部又は全部を、コンピュータで実現するようにしてもよい。その場合、この機能を実現するためのプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行することによって実現してもよい。なお、ここでいう「コンピュータシステム」とは、ＯＳや周辺機器等のハードウェアを含むものとする。また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ、ＣＤ−ＲＯＭ等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。更に「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線を介してプログラムを送信する場合の通信線のように、短時間の間、動的にプログラムを保持するもの、その場合のサーバやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリのように、一定時間プログラムを保持しているものも含んでもよい。また上記プログラムは、上述した機能の一部を実現するためのものであっても良く、更に上述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるものであってもよく、ＰＬＤ（Programmable Logic Device）やＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）等のハードウェアを用いて実現されるものであってもよい。
以上、図面を参照して本発明の実施形態を説明してきたが、上記実施形態は本発明の例示に過ぎず、本発明が上記実施形態に限定されるものではないことは明らかである。したがって、本発明の技術思想及び要旨を逸脱しない範囲で構成要素の追加、省略、置換、及びその他の変更を行ってもよい。
１ａ、１ｂ…無線端末収容判定装置、１１…平均受信電力算出部、１２…無線設備データベース、１３ａ、１３ｂ…所望信号電力ＰＤＦ作成部、１４…干渉信号電力ＣＤＦ作成部、１５ａ、１５ｂ…通信成功率推定部、１６…判定部

Claims (6)

  1. 複数の基地局の各々に関して、エリアを構成するメッシュごとに平均受信電力を算出する平均受信電力算出部と、
    前記平均受信電力に基づいて各基地局に所属する端末を決定し、各基地局について、前記基地局からの干渉信号の平均受信電力を受信電力瞬時値の確率密度関数に代入することによって基地局間の干渉信号電力の確率密度関数を示す第１確率密度関数を作成し、各端末からの干渉信号の平均受信電力を前記受信電力瞬時値の前記確率密度関数に代入することによって各端末からの干渉信号電力の確率密度関数を示す第２確率密度関数を作成し、前記第１確率密度関数及び前記第２確率密度関数の畳み込みを行うことによって全干渉信号電力の確率密度関数を示す第３確率密度関数を作成し、前記第３確率密度関数に基づいて全干渉信号電力の累積分布関数を作成する干渉信号電力ＣＤＦ作成部と、
    各基地局について、所望端末からの所望信号の平均受信電力を前記受信電力瞬時値の前記確率密度関数に代入することによって所望信号電力の確率密度関数を示す第４確率密度関数を作成する所望信号電力ＰＤＦ作成部と、
    基地局ごとに、前記累積分布関数と前記第４確率密度関数とに基づいて前記所望端末の通信成功率を算出する通信成功率推定部と、
    を備える無線端末収容判定装置。
  2. 前記干渉信号電力ＣＤＦ作成部は、
    前記所望端末を含めた全端末から基地局に到来する信号の受信電力瞬時値を用いて前記第２確率密度関数を作成することによって全端末共通に利用可能な前記累積分布関数を作成する
    請求項１に記載の無線端末収容判定装置。
  3. 前記平均受信電力算出部は、
    各基地局の位置関係から基地局間干渉の平均干渉信号電力をさらに算出し、
    前記干渉信号電力ＣＤＦ作成部は、
    前記平均受信電力に瞬時変動の影響を考慮して作成された受信電力瞬時値と、端末数と、トラフィックパターンと、前記平均干渉信号電力とに基づいて、前記第１確率密度関数と前記第２確率密度関数とを作成する
    請求項１または請求項２に記載の無線端末収容判定装置。
  4. 繰り返し判定部
    をさらに備え、
    前記所望信号電力ＰＤＦ作成部は、
    算出された平均受信電力の高い順に前記基地局をソートし、繰り返し処理ごとに、通信成功率推定で考慮される基地局数を電力の高い順に増加させ、計算対象の基地局について所望信号電力ＰＤＦを作成し、
    前記通信成功率推定部は、
    前記累積分布関数と、計算対象の基地局の前記第４確率密度関数と、熱雑音電力とに基づいて通信成功率を算出し、
    前記繰り返し判定部は、
    算出された前記通信成功率が第１所定値以上になった場合、又は、１つ前の前記繰り返し処理において算出された前記通信成功率からの値の変化が第２所定値以内になった場合に、前記繰り返し処理を終了する
    請求項１から請求項３のうちいずれか一項に記載の無線端末収容判定装置。
  5. 複数の基地局の各々に関して、エリアを構成するメッシュごとに平均受信電力を算出する平均受信電力算出ステップと、
    前記平均受信電力に基づいて各基地局に所属する端末を決定し、各基地局について、前記基地局からの干渉信号の平均受信電力を受信電力瞬時値の確率密度関数に代入することによって基地局間の干渉信号電力の確率密度関数を示す第１確率密度関数を作成し、各端末からの干渉信号の平均受信電力を前記受信電力瞬時値の前記確率密度関数に代入することによって各端末からの干渉信号電力の確率密度関数を示す第２確率密度関数を作成し、前記第１確率密度関数及び前記第２確率密度関数の畳み込みを行うことによって全干渉信号電力の確率密度関数を示す第３確率密度関数を作成し、前記第３確率密度関数に基づいて全干渉信号電力の累積分布関数を作成する干渉信号電力ＣＤＦ作成ステップと、
    各基地局について、所望端末からの所望信号の平均受信電力を前記受信電力瞬時値の前記確率密度関数に代入することによって所望信号電力の確率密度関数を示す第４確率密度関数を作成する所望信号電力ＰＤＦ作成ステップと、
    基地局ごとに、前記累積分布関数と前記第４確率密度関数とに基づいて前記所望端末の通信成功率を算出する通信成功率推定ステップと、
    を有する無線端末収容判定方法。
  6. 請求項１から請求項４のうちいずれか一項に記載の無線端末収容判定装置としてコンピュータを機能させるためのプログラム。
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