JP2021150870A - Electromagnetic wave detection device, electromagnetic wave detection method, and program - Google Patents
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Description
本発明は、周波数の利用効率を向上させるための電波検知装置、電波検知方法、及びプログラムに関する。 The present invention relates to a radio wave detection device, a radio wave detection method, and a program for improving frequency utilization efficiency.
近年、スマートフォンや関連アプリケーションの普及に伴い移動通信分野におけるトラフィック量は年々増加し続けている(非特許文献1、2参照)。そのため、2020年から高速通信、低遅延、多元接続を可能とする第5世代移動通信システム(5G)の運用が順次開始される予定である。しかしながら、早期に運用が開始される5Gの26GHz帯の電波は、既に日本において固定無線アクセスシステム(Fixed wireless access:FWA)に割当てられている(非特許文献3参照)。周波数利用効率を向上させるためには、両システム間での電波の干渉を回避できる動的周波数共用技術の導入が検討されている(非特許文献4参照)。
In recent years, with the spread of smartphones and related applications, the traffic volume in the mobile communication field has been increasing year by year (see Non-Patent
動的周波数共用技術において、無線通信システムは周波数帯域(スペクトラム)を使用する優先度に応じて、Primary users(PUs)とSecondary users(SUs)に分類される。FWAはPusに分類され、5Gシステムは、SUsに分類されている。PusであるFWAの通信を保護するためには、SUsである5Gシステムにおいて通信を開始する前にFWAの通信に干渉を与えないFWAの電波が届かないエリアを抽出し、該エリアに5Gシステムの周波数帯域を割り当てられることを確認する必要がある。FWAと5Gシステムとの共用可能エリアを決定する為に、例えば、電波の伝搬路における損失を推定するための伝搬損失推定モデルが研究されている。 In the dynamic frequency sharing technology, wireless communication systems are classified into Primary users (PUs) and Secondary users (SUs) according to the priority of using the frequency band (spectrum). FWAs are classified as Pus and 5G systems are classified as SUs. In order to protect the communication of FWA which is Pus, before starting the communication in the 5G system which is SU, the area where the radio wave of FWA which does not interfere with the communication of FWA does not reach is extracted, and the area where the radio wave of FWA does not reach is extracted and the area of the 5G system is used. You need to make sure that you can allocate a frequency band. In order to determine the commonable area between the FWA and the 5G system, for example, a propagation loss estimation model for estimating the loss in the propagation path of radio waves is being studied.
伝搬損失推定において、既知の自由空間伝搬モデルや統計的な伝搬モデルが知られている。しかしながら、伝搬損失推定において、既知の自由空間伝搬モデルや統計的な伝搬モデルを使用した場合、実測値と推定値との差異が大きくなる場合がある(非特許文献5、6参照)。また、自由空間伝搬モデルや統計的な伝搬モデルによる伝搬損失推定において、PUsの推定運用エリアを実際より過大に推定する場合があり、SUsが利用可能なエリアが過少に推定され、SUsが送信機会を失う可能性が有る。 Known free space propagation models and statistical propagation models are known for propagation loss estimation. However, when a known free space propagation model or statistical propagation model is used in the propagation loss estimation, the difference between the measured value and the estimated value may become large (see Non-Patent Documents 5 and 6). In addition, in the propagation loss estimation by the free space propagation model or the statistical propagation model, the estimated operation area of PUs may be overestimated, the area where SUs can be used is underestimated, and SUs is a transmission opportunity. May lose.
この他の伝搬損失推定の手法として、Kirchhoff approximation(KA)を適用した伝搬損失推定が知られている(非特許文献7参照)。KAを用いた伝搬損失推定には、市街地環境における支配的な到来波が建物の屋根を越えて伝搬すると仮定し、建物に起因する伝搬損失を算出する方法が知られている(非特許文献8から10参照)。 As another method for estimating the propagation loss, the propagation loss estimation to which Kirchhoff approximation (KA) is applied is known (see Non-Patent Document 7). For the propagation loss estimation using KA, a method of calculating the propagation loss caused by the building is known on the assumption that the dominant incoming wave in the urban environment propagates over the roof of the building (Non-Patent Document 8). See 10).
一般にそれらのモデルの評価は実測値と推定値との差異を比較することによって行われる。動的周波数共用における比較においては、該当スペクトラムが空いているか否かを推定する検知精度の正確さが最も重要である。しかしながら既存文献ではミリ波帯におけるKAの適用可能性及び、動的周波数共用に適用した際のスペクトラム検知精度に関して議論されていない。 Generally, the evaluation of these models is performed by comparing the difference between the measured value and the estimated value. In the comparison in dynamic frequency sharing, the accuracy of detection accuracy for estimating whether or not the corresponding spectrum is free is the most important. However, the existing literature does not discuss the applicability of KA in the millimeter wave band and the spectrum detection accuracy when applied to dynamic frequency sharing.
更にKAモデルでは支配的な到来波として屋根越え伝搬のみを考慮し、他の反射波の影響を一切考慮しない。到来波は、様々な伝搬路を経由して到来するため、到来波の伝搬を簡易化した伝搬モデルを考慮し、伝搬損失推定を算出する必要がある。そのため、伝搬損失推定を算出するためには、到来波の簡易化に伴うスペクトラム検知精度の変化についても把握する必要がある。 Furthermore, the KA model considers only cross-roof propagation as the dominant incoming wave and does not consider the effects of other reflected waves at all. Since the incoming wave arrives via various propagation paths, it is necessary to calculate the propagation loss estimation in consideration of the propagation model that simplifies the propagation of the incoming wave. Therefore, in order to calculate the propagation loss estimation, it is necessary to grasp the change in the spectrum detection accuracy due to the simplification of the incoming wave.
本発明は、空き周波数リソースを検知するための電波の伝搬路における伝搬損失推定において、算出過程を簡略化しつつも、検知精度を向上することができる電波検知装置、電波検知方法、及びプログラムを提供することを目的とする。 The present invention provides a radio wave detection device, a radio wave detection method, and a program capable of improving the detection accuracy while simplifying the calculation process in the propagation loss estimation in the radio wave propagation path for detecting a free frequency resource. The purpose is to do.
本発明は、電波を送信する送信部と、任意に設定された位置における前記電波を受信する受信部との間の伝搬路における地形データを取得する取得部と、前記取得部により取得された前記地形データに基づいて、前記伝搬路を遮蔽する少なくとも1つの遮蔽物を検出する検出部と、前記遮蔽物において回折により発生する回折損失に基づく前記伝搬路における前記電波の伝搬損失を算出する演算部と、を備える、電波検知装置である。 The present invention includes an acquisition unit that acquires topographical data in a propagation path between a transmission unit that transmits radio waves and a reception unit that receives the radio waves at an arbitrarily set position, and the acquisition unit acquired by the acquisition unit. A detection unit that detects at least one obstruction that shields the propagation path based on topographical data, and a calculation unit that calculates the propagation loss of the radio wave in the propagation path based on the diffraction loss generated by diffraction in the obstruction. It is a radio wave detection device including.
本発明は、コンピュータが、電波を送信する送信部と、任意に設定された位置における前記電波を受信する受信部との間の地形データを取得し、前記地形データに基づいて、前記送信部と前記受信部との間の前記電波の伝搬路を遮蔽する少なくとも1つの遮蔽物を検出し、前記遮蔽物において回折により発生する回折損失に基づく前記伝搬路における前記電波の伝搬損失を算出する、電波検知方法である。 In the present invention, a computer acquires terrain data between a transmitting unit that transmits radio waves and a receiving unit that receives the radio waves at an arbitrarily set position, and based on the terrain data, the transmitting unit and the transmitting unit A radio wave that detects at least one shield that blocks the propagation path of the radio wave with the receiving unit, and calculates the propagation loss of the radio wave in the propagation path based on the diffraction loss generated by diffraction in the shield. It is a detection method.
本発明は、コンピュータに、電波を送信する送信部と、任意に設定された位置における前記電波を受信する受信部との間の地形データを取得させ、前記地形データに基づいて、前記送信部と前記受信部との間の前記電波の伝搬路を遮蔽する少なくとも1つの遮蔽物を検出させ、前記遮蔽物において回折により発生する回折損失に基づく前記伝搬路における前記電波の伝搬損失を算出させる、プログラムである。 The present invention causes a computer to acquire terrain data between a transmitting unit that transmits radio waves and a receiving unit that receives the radio waves at an arbitrarily set position, and based on the terrain data, the transmitting unit and the transmitting unit A program that detects at least one shield that shields the radio wave propagation path with the receiving unit, and calculates the radio wave propagation loss in the propagation path based on the diffraction loss generated by diffraction in the shield. Is.
空き周波数リソースを検知するための電波の伝搬路における伝搬損失推定において、算出過程を簡略化しつつも、検知精度を向上することができる。 In the propagation loss estimation in the radio wave propagation path for detecting the free frequency resource, the detection accuracy can be improved while simplifying the calculation process.
以下、本発明の実施形態の電波検知装置、電波検知方法、及びプログラムについて説明する。電波検知装置は、基地局から送信される電波が伝搬するエリアを判定するシミュレーション装置である。先ず電波検知装置の構成について説明する。 Hereinafter, the radio wave detection device, the radio wave detection method, and the program according to the embodiment of the present invention will be described. The radio wave detection device is a simulation device that determines an area in which radio waves transmitted from a base station propagate. First, the configuration of the radio wave detection device will be described.
図1に示されるように、電波検知装置1は、ネットワークNWに接続されている。ネットワークNWには、例えば、各種の情報を記憶するサーバSが接続されている。電波検知装置1と、ネットワークNWを介して接続されたサーバSとにより電波検知システムを構成してもよい。電波検知装置1は、例えば、パーソナルコンピュータ等により構成される情報処理端末である。サーバSは、3D地図データを記憶し、ネットワークNWを介してデータを提供する。
As shown in FIG. 1, the radio
電波検知装置1は、地形データを取得する取得部2と、所定のデータに基づいて電波の伝搬路における建物等の遮蔽物を検出する検出部4と、伝搬路における伝搬損失を算出する演算部6と、種々のデータを記憶する記憶部8と、算出結果を表示する表示部10と、ネットワークNWに接続されデータを送受信する通信部12を備える。
The radio
取得部2は、例えば、通信部12を介して電波の伝搬路を含む対象領域における地形データを取得する。取得部2は、例えば、ネットワークNWから入手可能な地形データを取得する。地形データは、3D地図データに含まれる地表面の形状、標高等の3Dデータ、建物の外周の形状、高さ等の3Dデータを含む。
The
取得部2は、例えば、電波を送信する送信部に関するデータを取得する。送信部は、例えば、無線基地局である。取得部2は、例えば、送信部の位置、アンテナの高さ、通信機能等のデータを取得する。送信部は、後述のように、対象となる周波数帯域の電波を送信する通信設備である。送信部は、地表面において所定の通信範囲(セル)毎に設けられている。本実施形態では、送信部は、仮想的に設定されるものであり、現実的に存在していなくてもよい。送信部は任意の位置に設定されるため、取得部2は、任意の位置における送信部に関するデータを自動的に生成してもよい。
The
取得部2は、例えば、電波を受信する受信部に関するデータを取得する。取得部2は、例えば、受信部の位置、高さ等のデータを取得する。受信部は、後述のように、対象となる周波数帯域の電波を受信する無線基地局である。本実施形態では、受信部は、仮想的に設定されるものであり、現実的に存在していなくてもよい。受信部は、任意に設定された位置において電波を受信する。受信部は、移動端末装置であってもよい。受信部は任意の位置に設定されるため、取得部2は、任意の位置における受信部に関するデータを自動的に生成してもよい。取得部2が取得するデータは、記憶部8に記憶されていてもよい。
The
取得部2は、シミュレーションの対象領域における地形データを取得する。取得した地形データは、検出部4により読み取られる。
The
検出部4は、送信部と受信部が決定された場合、送信部と受信部との間における地形データを抽出する。検出部4は、BSから各MSに対して直線状の伝搬路を進行するline-of-sight(LoS)波を定義する。検出部4は、送信部と受信部とを結ぶ直線を含む鉛直方向の断面における地表面の高低を含む形状データ、建物の高低を含む形状データを抽出する。
When the transmitting unit and the receiving unit are determined, the detecting
検出部4は、地形データ、送信部BS及び受信部MSに関するデータに基づいて送信部BS及び受信部MSのアンテナの標高を算出する。アンテナの標高は、地表面の高さにアンテナの高さを加算して算出する(図4参照)。検出部4は、送信部BS及び受信部MSのアンテナの標高に基づいて、送信部BS及び受信部MSのアンテナ間を結ぶ直線を伝搬路Dとして、伝搬路Dの方向、距離を算出する(図4参照)。
The
検出部4は、地形データを参照し、伝搬路Dにおいて電波を遮蔽する少なくとも1つの遮蔽物を検出する。遮蔽物は、地表面の高さに建物の高さを加算して算出する(図4参照)。検出部4は、地形データに含まれる建物IDを使用して伝搬路Dと交差した座標における建物高を抽出する。
The
検出部4は、伝搬路Dに交差する建物を遮蔽物として抽出する。検出部4は、伝搬路Dにおいて、送信部から前記伝搬路の方向に沿って最初に交差する第1遮蔽物(edge1)を検出する(図4参照)。検出部4は、交差点から最近傍の地表面の標高情報(hterrain)を参照する。標高情報とは、地図データ上にてメッシュ状に区切られた領域における地表面の高さである。
The
検出部4は、交差点における建物エッジ高(hbuilding)を参照する。検出部4は、交差点から最近傍の標高情報を標高として遮蔽物のエッジ高を算出する。検出部4は、交差点の座標における地表面の標高(hterrain)と建物エッジ高(hbuilding)とを加算して遮蔽物のエッジ高(Hedge)を算出する。
The
検出部4は、第1遮蔽物と第2遮蔽物との間隔dを算出する。検出部4は、受信部から前記伝搬路の方向に沿って最初に交差する第2遮蔽物(edge2)を検出する(図4参照)。更に、検出部4は、受信部において伝搬路と反対方向、即ち受信部から見て送信部と反対側において電波を反射する反射体を検出する。検出した遮蔽物、反射体のデータは、演算部6に読み出される。
The
演算部6は、遮蔽物において回折により発生する回折損失Lshadowedに基づく伝搬路における電波の伝搬損失を算出する。演算部6は、伝搬路において距離に従って減衰する自由空間伝搬損失を後述の自由空間伝搬損失モデルに基づいて算出する。
The
演算部6は、伝搬路において遮蔽物の上部のエッジにおいて回折により発生する回折損失を算出する。演算部6は、第1遮蔽物において発生する第1回折損失を算出する。演算部6は、第2遮蔽物において発生する第2回折損失を算出する。演算部6は、第1回折損失と第2回折損失とに基づいて回折損失を算出する。
The
演算部6は、後述のように、キルヒホッフ近似に基づいて回折損失を算出する。演算部6は、後述のように、反射体から反射される反射波により発生する反射影響に基づく伝搬路における電波の伝搬損失を算出する。演算部6は、自由空間伝搬損失Lfspl、回折損失Lshadowed、反射影響Preflectionに基づいて、伝搬路における電波の最終的な伝搬損失Ltotalを算出する。
The
演算部6は、遮蔽物及び反射体が存在しない場合、自由空間伝搬損失に基づいて伝搬路における電波の伝搬損失を算出する。演算部6は、遮蔽物、反射体の存在に応じて伝搬路における電波の伝搬損失を算出する。演算部6は、遮蔽物が存在する場合、自由空間伝搬損失と回折損失とに基づいて最終的な伝搬損失を算出する。演算部6は、遮蔽物と反射体が存在する場合、自由空間伝搬損失、回折損失、及び反射影響に基づいて最終的な伝搬損失を算出する。
The
演算部6は、自由空間伝搬損失と、回折損失及び/又は反射影響とに基づいて受信部における受信電力値を算出する。
The
演算部6は、算出した受信電力値と予め設定された閾値とを比較する。演算部6は、算出した受信電力値と閾値とを比較して、受信電力値が閾値未満である場合、受信部の位置において電波の帯域が空いていると判定する。演算部6は、受信電力値が閾値以上である場合、電波の帯域が空いていないと判定する。
The
電波検知装置1において実行される電波検知方法の処理の流れは、以下の通りである。取得部2は、電波を送信する送信部と、任意に設定された位置における電波を受信する受信部との間の地形データを取得する。検出部4は、地形データに基づいて、送信部と受信部との間の前記電波の伝搬路を遮蔽する少なくとも1つの遮蔽物を検出する。演算部6は、遮蔽物において回折により発生する回折損失に基づく伝搬路における電波の伝搬損失を算出する。
The processing flow of the radio wave detection method executed by the radio
そして、電波検知装置1にインストールされたプログラムは、電波検知装置1に以下の処理を行わせる。電波を送信する送信部と、任意に設定された位置における電波を受信する受信部との間の地形データを取得させる。地形データに基づいて、送信部と受信部との間の電波の伝搬路を遮蔽する少なくとも1つの遮蔽物を検出させる。遮蔽物において回折により発生する回折損失に基づく伝搬路における電波の伝搬損失を算出させる。
Then, the program installed in the radio
上述した取得部2、検出部4、演算部6の各構成要素は、例えば、CPU(Central Processing Unit)などのハードウェアプロセッサがプログラム(ソフトウェア)を実行することにより実現される。これらの構成要素のうち一部または全部は、LSI(Large Scale Integration)やASIC(Application Specific Integrated Circuit)、FPGA(Field-Programmable Gate Array)、GPU(Graphics Processing Unit)などのハードウェア(回路部;circuitryを含む)によって実現されてもよいし、ソフトウェアとハードウェアの協働によって実現されてもよい。プログラムは、予めHDD(Hard Disk Drive)やフラッシュメモリなどの記憶装置に格納されていてもよいし、DVDやCD−ROMなどの着脱可能な記憶媒体に格納されており、記憶媒体がドライブ装置に装着されることでインストールされてもよい。
Each component of the
記憶部8は、HDD(Hard Disk Drive)やフラッシュメモリなどの記憶装置である。記憶部8には、取得部2が取得した地形データ、閾値等のデータの他、演算部6の処理を実行させるためのプログラムが記憶されている。データやプログラムは、ネットワークNWに接続されたサーバSに記憶されていてもよい。
The
表示部10は、例えば、液晶ディスプレイ、LED(Light Emitting Diode)ディスプレイ、有機EL(Organic Electro-Luminescence)ディスプレイ、デジタルミラーデバイス(Digital Mirror Device)、プラズマディスプレイ等の表示装置が用いられる。
As the
通信部12は、ネットワークNWに接続するための通信デバイスを備えるインタフェースである。通信部12は、無線LAN、有線LAN、Bluetooth(登録商標)等を有する通信装置を有し、ネットワークNWに接続される。
The
次に、電波が伝搬するメカニズムについて説明する。 Next, the mechanism by which radio waves propagate will be described.
動的周波数共用技術が適用される5GとFWAが共存する環境は、主に市街地であると想定される。市街地環境における電波の伝搬測定は、過去様々な研究が行われている(非特許文献11から14参照)。
It is assumed that the environment in which 5G and FWA, to which dynamic frequency sharing technology is applied, coexist is mainly in urban areas. Various studies have been conducted in the past on the measurement of radio wave propagation in urban environments (see
図2に示されるように、Kriangsakらは、市街地環境における到来波をbasestation (BS、送信部) とmobile station (MS、受信部)の位置に応じて以下に示す(1)から(4)の4つの類型に分類している(非特許文献11参照)。(1)BS-direction:あるMSにおける主な到来波方向がBSの方向を指す。MS前後の建物に起因する複数反射を持つ。(2)Opposite BS-direction:主な到来波方向がBSとは反対方向を指す。BS-directionと同様にMS背後の建築物に起因する反射をもつ。 As shown in FIG. 2, Kriangsak et al. Show the incoming waves in the urban environment according to the positions of the base station (BS, transmitter) and mobile station (MS, receiver) below (1) to (4). It is classified into four types (see Non-Patent Document 11). (1) BS-direction: The main direction of arrival wave in a certain MS points to the direction of BS. It has multiple reflections due to buildings before and after MS. (2) Opposite BS-direction: The main direction of the incoming wave is the direction opposite to the BS. Like BS-direction, it has reflection caused by the building behind MS.
(3)Street direction:道路に沿うような方向で到来する。複数の波が道路沿いのビル壁面によって反射を繰り返してMSに到来する。(4)Rooftop-diffraction:BS−MS間の建築物の屋根上を越えて到来する。そのため仰角が一番大きいことが期待される。中でも基地局高がその周辺の建物高と比較して高い場合は、(4)Rooftop diffractionが支配的であり(非特許文献16、17参照)、約65%以上の電力が屋根を経由して到来したことが明らかになっている(非特許文献13参照)。 (3) Street direction: It arrives in the direction along the road. Multiple waves repeatedly reflect from the wall of the building along the road and arrive at the MS. (4) Rooftop-diffraction: It arrives over the roof of the building between BS and MS. Therefore, it is expected that the elevation angle is the largest. Above all, when the height of the base station is higher than the height of the surrounding buildings, (4) Rooftop diffraction is dominant (see Non-Patent Documents 16 and 17), and about 65% or more of the power goes through the roof. It has been clarified that it has arrived (see Non-Patent Document 13).
更にMSがBSから見てNLoSであっても、MSの遠方背後に比較的高さのある建築物が存在する場合は(2)Opposite BS-directionによる寄与があることが明らかになっている(非特許文献15参照)。 Furthermore, even if the MS is NLoS when viewed from the BS, it has been clarified that (2) Opposite BS-direction contributes when there is a relatively tall building far behind the MS (2). See Non-Patent Document 15).
次に、電波が屋根を超える場合の伝搬モデルについて説明する。 Next, a propagation model when the radio wave exceeds the roof will be described.
一般にミリ波帯は強い直進性を有する。そのため、一度支配的な到来波がBS−MS間に存在する建物によって遮蔽された場合、受信信号レベルが著しく低下することが予想される。ミリ波帯の電波は、建物の透過損失および建物垂直エッジにおける回折損失が大きいからである(非特許文献18、19参照)。 Generally, the millimeter wave band has strong straightness. Therefore, once the dominant incoming wave is shielded by the building existing between BS and MS, it is expected that the received signal level will drop significantly. This is because radio waves in the millimeter wave band have a large transmission loss of the building and a large diffraction loss at the vertical edge of the building (see Non-Patent Documents 18 and 19).
これらのことから、決定論的な伝搬推定手法であるshooting and bouncing rays(SBR)(非特許文献20参照)やvertical plane launching (VPL)(非特許文献21参照)のように3次元空間的にレイを出射して全てのレイを均等に考慮するのではなく、支配的な到来波のモデリングのみでスペクトラムの空きを検知出来る可能性がある。 From these facts, three-dimensional spatially such as shooting and bouncing rays (SBR) (see Non-Patent Document 20) and vertical plane launching (VPL) (see Non-Patent Document 21), which are deterministic propagation estimation methods. Rather than emitting rays and considering all rays equally, it may be possible to detect spectrum vacancy only by modeling the dominant incoming wave.
Walfischらは市街地環境における支配的な到来波が屋根越え伝搬であることを念頭におき、Kirchhoff approximation(KA)を用いてBS−MS間に存在する複数建物に起因する伝搬損失を算出した。 Walfisch et al. Calculated the propagation loss due to multiple buildings existing between BS and MS using Kirchhoff approximation (KA), keeping in mind that the dominant incoming wave in the urban environment is cross-roof propagation.
図3に示されるように、このモデルにおいて市街地環境は、一様なビル高および間隔であると仮定される。BS−MS間に存在する建物は、n個の連続した吸収壁とみなされる。そして各吸収壁に対してKAを逐次使用し、伝搬損失を算出する。ある吸収壁n上に存在する点yにおける散乱波分布Hn(y)は、式(1)のようにKAを逐次各吸収壁に適用することにより算出される。
次に、Kirchhoff approximationを発展させた最小伝搬損失推定モデルについて説明する。 Next, the minimum propagation loss estimation model developed from Kirchhoff approximation will be described.
Walfischらが提案したKAを用いたUHF帯向けモデル(非特許文献8参照)では、BS−MS間のエリア内に存在する複数の建物Bは、高さ及び間隔が均一のものであると仮定されていた。しかしながらミリ波帯においては、電波は単一建築物によっても遮蔽され、電波の伝搬特性に影響を及ぼす。 In the model for the UHF band using KA proposed by Walfisch et al. (See Non-Patent Document 8), it is assumed that the plurality of buildings B existing in the area between BS and MS are uniform in height and spacing. It had been. However, in the millimeter wave band, radio waves are blocked by a single building and affect the propagation characteristics of radio waves.
そのため、実環境を反映した上でシミュレーション環境を構築する必要が有る。発明者らは、国土地理院から提供された建物外周データ、地形情報及びGoogle Earthから取得した地図データを使用して、建物高推定し実環境を反映させたシミュレーション環境を構築した。提案手法は、KAを使用したモデルを改良した最小伝搬損失を推定するモデルである。 Therefore, it is necessary to build a simulation environment after reflecting the actual environment. The inventors constructed a simulation environment in which the building height was estimated and the actual environment was reflected, using the building circumference data provided by the Geospatial Information Authority of Japan, topographical information, and map data acquired from Google Earth. The proposed method is an improved model using KA to estimate the minimum propagation loss.
図4に示されるように、提案手法によれば、BS−MS間に存在する限られた数の建物エッジが抽出される。提案手法によれば、抽出した建物エッジにおいて発生する損失のみが考慮される。提案手法においては、計算に使用される市街地環境および建物エッジが単純化されている。提案手法は、全ての建物エッジに起因する損失を考慮するのではなく、2つの遮蔽物の上端における回折による回折損失を算出し、伝搬損失を過剰に推定することが避けられる。回折損失は、以下の窓関数W(非特許文献4参照)とKAを用いた式(2)に基づいて算出される。建物エッジn上の点yにおける散乱波分布はエッジ(n−1)上の散乱波分布を用いて下記のように表される。
上記計算による回折損失を考慮した提案手法によれば、自由空間伝搬モデルよりも損失が大きくなることが保証される。提案手法によれば、PUsの空きエリアを抽出する精度が向上し、SUsに対して空きエリアを割り当てることにより適切に送信権を付与することが出来る。 According to the proposed method considering the diffraction loss by the above calculation, it is guaranteed that the loss is larger than that of the free space propagation model. According to the proposed method, the accuracy of extracting the free area of PUs is improved, and the transmission right can be appropriately granted by allocating the free area to SUs.
次に、実験結果について説明する。 Next, the experimental results will be described.
図5に示されるように、一つのBSを設定後、MSの位置を変化させ受信電波を測定した。測定は、神奈川県横浜市青葉区江田地域周辺において実施された。測定エリアは比較的勾配のある市街地環境である。エリア内には、高さ6m前後の一般的な戸建住宅に加え、高さ30m前後の集合住宅及び商業施設が混在している。 As shown in FIG. 5, after setting one BS, the position of the MS was changed and the received radio wave was measured. The measurement was carried out around the Eda area in Aoba Ward, Yokohama City, Kanagawa Prefecture. The measurement area is a relatively sloping urban environment. In the area, in addition to general detached houses with a height of about 6 m, apartment houses and commercial facilities with a height of about 30 m coexist.
図6には、実験に用いた測定諸元が示されている。送受信アンテナには無指向性アンテナを使用し、送信信号は信号発生器により生成された連続波を使用した。BSは、地上18mのビル屋上に設置された。MSは、カート上に設けられた高さ2mのポールの上に設置された。測定の際はMSが載置されたカートを順次移動させ、スペクトラムアナライザを使用して受信信号強度を緯度経度情報と共に記録した。
FIG. 6 shows the measurement specifications used in the experiment. An omnidirectional antenna was used for the transmission / reception antenna, and a continuous wave generated by the signal generator was used for the transmission signal. The BS was installed on the roof of a
次に、測定結果について説明する。 Next, the measurement result will be described.
図7には、測定結果に基づく受信信号強度が示されている。受信信号強度は、5mメッシュ毎に平均化処理されている。受信信号強度は、BS−MS間の距離に比例して減衰し、BS−MS間に高さ30m前後のビルが存在する場合も、ほぼノイズレベルまで低下する。更に、MSがBSの比較的に近傍の位置に配置されている場合であっても、複数の建築物によって伝搬路が遮蔽された場合、受信信号レベルは著しく低下する。このようにミリ波帯における電波の伝搬特性は、建築物による遮蔽の影響が顕著であり、それらの位置情報を考慮して伝搬損失推定を行うことが重要である。 FIG. 7 shows the received signal strength based on the measurement result. The received signal strength is averaged every 5 m mesh. The received signal strength is attenuated in proportion to the distance between the BS and MS, and even when a building having a height of about 30 m exists between the BS and MS, the received signal strength is reduced to almost a noise level. Furthermore, even when the MS is located relatively close to the BS, the received signal level drops significantly when the propagation path is blocked by a plurality of buildings. As described above, the propagation characteristics of radio waves in the millimeter wave band are significantly affected by the shielding by buildings, and it is important to estimate the propagation loss in consideration of their position information.
次に、測定結果とシミュレーション結果との比較について検証する。 Next, the comparison between the measurement result and the simulation result will be verified.
提案手法の有効性を検証するため、提案手法および既存手法によって算出された周波数リソース検知精度の比較を行う。既存手法、あ自由空間伝搬(FSPL)モデルと3次元的にレイを出射して各受信点の信号強度を算出するVPL法を使用する。提案手法はMatlab上に構築された環境で実行し、自由空間伝搬モデルおよびVPL法はRemcom社のWirelessInsite(非特許文献22参照)を使用して実行した。各モデルから予測された検知結果と、実測データとを比較し、各モデルの精度を検証する。 In order to verify the effectiveness of the proposed method, the frequency resource detection accuracy calculated by the proposed method and the existing method will be compared. The existing method, A Free Space Path Loss (FSPL) model, and the VPL method, which calculates the signal strength at each receiving point by emitting rays three-dimensionally, are used. The proposed method was performed in an environment built on Matlab, and the free space propagation model and VPL method were performed using Remcom's Wireless Institute (see Non-Patent Document 22). The accuracy of each model is verified by comparing the detection result predicted from each model with the measured data.
例えば、あるモデルから算出された推定値と実測値との両方が、干渉閾値以下と判断した場合、True Positive (TP)をカウントする。同様に算出された推定値と実測値との比較結果に対して、True Positive(TP)、True Negative(TN)、Miss Detection(MD)、and False Alarm(FA)の4つのパターンを設定する。 For example, if it is determined that both the estimated value calculated from a certain model and the measured value are equal to or less than the interference threshold value, True Positive (TP) is counted. Four patterns of True Positive (TP), True Negative (TN), Miss Detection (MD), and False Alarm (FA) are set for the comparison result between the estimated value calculated in the same manner and the measured value.
このうち、TP及びTNはモデルが予測に成功したことを意味し、MDは各モデルが伝搬損失を過剰に推定したことを示す。MDと判定された場合、PUsへの干渉を与える可能性があることを意味する。FAと判定された場合、MDの逆のパターンであると判定されており、SUsが送信機会を失ったことを意味する。 Of these, TP and TN mean that the models were successful in prediction, and MD indicates that each model overestimated the propagation loss. If it is determined to be MD, it means that it may interfere with PUs. When it is determined to be FA, it is determined to be the reverse pattern of MD, which means that SUs has lost the transmission opportunity.
図8には、提案モデルによる検知結果が示されている。本評価では、干渉許容閾値を-115dBmに設定した。提案手法は、BSからの距離に関わらずスペクトラムの検知の精度が向上している。しかしながら、提案手法は、BSから放射状に伸びるMSルートにおいて、MDも観測している。 FIG. 8 shows the detection result by the proposed model. In this evaluation, the interference tolerance threshold was set to -115 dBm. In the proposed method, the accuracy of spectrum detection is improved regardless of the distance from the BS. However, the proposed method also observes MD in the MS route extending radially from BS.
図9には、提案手法と既存手法との検知精度を比較した結果が示されている。従来の統計モデルの一種である自由空間伝搬モデルでは、FAが38%という結果となり、検知精度が3つのモデルの中でも最低であった。これは自由空間伝搬損失モデルでは、建物に起因する遮蔽や反射といった現象が一切考慮されていないことに起因する。 FIG. 9 shows the result of comparing the detection accuracy between the proposed method and the existing method. In the free space propagation model, which is a kind of the conventional statistical model, the FA is 38%, which is the lowest detection accuracy among the three models. This is because the free-space propagation loss model does not take into account phenomena such as shielding and reflection caused by buildings.
提案手法の検知結果とVPLの検知結果とを比較した場合、提案手法は、予測に成功した(TP+TN)の割合がVPLに比して約7.5%向上した。これは提案手法が限られた建物エッジのみを考慮し、伝搬損失を過剰に推定することを防止した結果である。 When the detection result of the proposed method and the detection result of VPL were compared, the ratio of successful prediction (TP + TN) of the proposed method was improved by about 7.5% as compared with VPL. This is a result of the proposed method considering only the limited building edges and preventing the propagation loss from being overestimated.
次にレイトレースシミュレーションを使用した誤差検証について説明する。 Next, error verification using ray tracing simulation will be described.
上述したように、提案手法は、従来のレイトレースシミュレーションの1つであるVPL法と比較して検知精度が7.5%向上した。しかしながら、提案手法は屋根越え伝搬のみを対象としているため、仮に受信点において反射波が卓越した場合、それらの寄与を考慮しない為にMiss Detection の結果を招く可能性がある。 As described above, the proposed method has improved the detection accuracy by 7.5% as compared with the VPL method, which is one of the conventional ray tracing simulations. However, since the proposed method targets only cross-roof propagation, if the reflected waves are predominant at the receiving point, the result of Miss Detection may be obtained because their contributions are not taken into consideration.
そこで、実験に使用されたルートの中から抽出された所定のルートにおける遅延及び到来角度特性を参照することにより、反射波が検知精度に与える影響を検証する。 Therefore, by referring to the delay and arrival angle characteristics of the predetermined route extracted from the routes used in the experiment, the influence of the reflected wave on the detection accuracy will be verified.
図10に示されるように、ルート1、ルート2は、MDを有するポイントが複数存在するため、検証対象として選定された。ルート1、ルート2は、MSのルートがBSから放射状に伸びておりルートに沿う形で比較的高さおよび面積がある建築物が集合していることから反射波の影響が比較的大きいため、検証対象として選定された。
As shown in FIG. 10,
測定において、狭帯域信号及び無指向性アンテナを使用したため、実際の測定時における遅延、到来角度情報は未知である。発明者らは、レイトレースシミュレータ上に同環境を構築し、各MS ポイントにおける到来角度及び遅延情報を参照することにより反射波の有無を確認した。また、本シミュレーションでは最大6回の反射および2回の回折まで考慮して検証した。 Since a narrow band signal and an omnidirectional antenna were used in the measurement, the delay and arrival angle information at the time of actual measurement is unknown. The inventors constructed the same environment on the ray race simulator and confirmed the presence or absence of reflected waves by referring to the arrival angle and delay information at each MS point. In addition, in this simulation, up to 6 reflections and 2 diffractions were taken into consideration for verification.
次に、誤差検証結果について説明する。 Next, the error verification result will be described.
図11には、ルート1の各MSにおける到来角度(方位角)及び遅延特性が示されている。到来角度特性より、ほぼ全ての到来波がφ=110,280deg付近から到来していることが分かる。これらはBSからの直接波・屋根越え波、比較的高さのある建築物(図13内建物2)に起因する反射波と推定される。さらに遅延特性を確認すると、LoSに対して約1.6μsec遅れてBS方向から到来する波が観測されている。これは、BS背後に位置する集合住宅(図13内建物1)からの反射波であると推定される。
FIG. 11 shows the arrival angle (azimuth) and delay characteristics of each MS of
図12には、このように屋根越え到来波に加え、エリア内の比較的大きな建築物に起因する反射波を観測した例が示されている。さらに、ルート1のMS position #7−21、ルート2のMS position #40−50のように、BS−建物間および建物−MS間の各区間においてレイが著しく遮蔽されない場合は、この反射波の影響は顕著である。従来のKAを用いた手法では屋根越え伝搬のみを対象としていた為、このようなMS背後および遠方に存在する建築物に起因する反射波を考慮していない。そのため、伝搬損失を過剰に推定し結果としてMDの結果が得られたと推定される。
FIG. 12 shows an example of observing the reflected wave caused by a relatively large building in the area in addition to the wave arriving over the roof. Furthermore, if the rays are not significantly shielded in each section between BS and building and between building and MS, such as MS position # 7-21 on
次に、伝搬損失推定モデルに反射波の影響を追加することについて説明する。 Next, it will be described that the influence of the reflected wave is added to the propagation loss estimation model.
図14に示されるように、反射波の影響による伝搬損失推定を行うため、伝搬損失推定モデルにおいて第1遮蔽物、第2遮蔽物に加えて反射体Rが設定される。反射波の影響による伝搬損失推定を行うと、受信部において受信強度が高まり、伝搬損失が小さくなる。 As shown in FIG. 14, in order to estimate the propagation loss due to the influence of the reflected wave, the reflector R is set in addition to the first shield and the second shield in the propagation loss estimation model. When the propagation loss is estimated due to the influence of the reflected wave, the reception intensity is increased in the receiving unit and the propagation loss is reduced.
反射体Rは、受信部において伝搬路Dと反対方向において設定される。反射体Rは、受信部MSにおける後方散乱波の反射影響Preflectionを発生させる。検出部4は、受信部MSの近傍の反射体を抽出する。検出部4は、物理光学近似に基づいて後方散乱波の強度を算出し、反射影響を算出する。検出部4は、反射体Rの壁面をメッシュ化し、各メッシュiにおいて反射した電力Piの受信部への反射影響Preflectionを算出する。検出部4は、電力Piの総和を反射影響Preflectionとして算出する。反射体Rが存在しない場合、反射影響は、ゼロである。
The reflector R is set in the receiving unit in the direction opposite to the propagation path D. The reflector R generates the reflection influence P reflection of the backscattered wave in the receiving unit MS. The
上述したように、電波検知装置1によれば、電波の伝搬路における遮蔽物を2つに限定し、受信部に到来する到来波を見通し波に限定することにより、計算量を大幅に削減できる。電波検知装置1によれば、回折損失伝搬損失の過剰推定を避けることにより、動的周波数共用技術に適用した際に、周波数帯域が異なる他無線システムへの干渉を低減できる。
As described above, according to the radio
電波検知装置1によれば、自由空間伝搬モデルよりも伝搬損失が大きくなることが保証される。電波検知装置1によれば、所定の周波数帯域の電波の空きエリアを抽出する精度を向上できる。電波検知装置1によれば、伝搬路Dに受信部の背後に存在する反射体を伝搬損失推定モデルに適用して受信部への反射影響を算出することにより、受信部における電波の受信強度の推定値の精度を向上できる。
According to the radio
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。例えば、電波検知装置は、シミュレーション装置として記載したが、既存の基地局に適用し、検証してもよい。伝搬損失推定モデルは、2つの遮蔽物を抽出することを例示したが、2つ以上であってもよい。 Although some embodiments of the present invention have been described, these embodiments are presented as examples and are not intended to limit the scope of the invention. These embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the gist of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and gist of the invention, as well as in the scope of the invention described in the claims and the equivalent scope thereof. For example, although the radio wave detection device is described as a simulation device, it may be applied to an existing base station and verified. The propagation loss estimation model exemplifies the extraction of two obstructions, but may be two or more.
1 電波検知装置
2 取得部
4 検出部
6 演算部
8 記憶部
10 表示部
12 通信部
B 建物
BS 送信部
D 伝搬路
edge1 第1遮蔽物
edge2 第2遮蔽物
MS 受信部
NW ネットワーク
R 反射体
S サーバ
1 Radio
Claims (8)
前記取得部により取得された前記地形データに基づいて、前記伝搬路を遮蔽する少なくとも1つの遮蔽物を検出する検出部と、
前記遮蔽物において回折により発生する回折損失に基づく前記伝搬路における前記電波の伝搬損失を算出する演算部と、を備える、
電波検知装置。 An acquisition unit that acquires terrain data in the propagation path between a transmission unit that transmits radio waves and a reception unit that receives the radio waves at an arbitrarily set position.
Based on the topographical data acquired by the acquisition unit, a detection unit that detects at least one shield that shields the propagation path, and a detection unit.
A calculation unit for calculating the propagation loss of the radio wave in the propagation path based on the diffraction loss generated by diffraction in the shield is provided.
Radio wave detection device.
請求項1に記載の電波検知装置。 The calculation unit calculates the propagation loss based on the free space propagation loss that is attenuated according to the distance in the propagation path and the diffraction loss generated by diffraction at the upper edge of the shield.
The radio wave detection device according to claim 1.
前記演算部は、前記第1遮蔽物において発生する第1回折損失と、前記第2遮蔽物において発生する第2回折損失とに基づいて前記回折損失を算出する、
請求項1または2に記載の電波検知装置。 In the propagation path, the detection unit first intersects the first shield from the transmission unit along the direction of the propagation path and the second shield that first intersects from the reception unit along the direction of the propagation path. Detects things and
The calculation unit calculates the diffraction loss based on the first diffraction loss generated in the first shield and the second diffraction loss generated in the second shield.
The radio wave detection device according to claim 1 or 2.
請求項1から3のうちいずれか1項に記載の電波検知装置。 The calculation unit calculates the received power value in the receiving unit based on the propagation loss, and if the received power value is less than the threshold value, determines that the radio wave band is free at the position of the receiving unit. If it is equal to or more than the threshold value, it is determined that the band of the radio wave is not available.
The radio wave detection device according to any one of claims 1 to 3.
請求項1から4のうちいずれか1項に記載の電波検知装置。 The calculation unit calculates the diffraction loss based on the Kirchhoff approximation.
The radio wave detection device according to any one of claims 1 to 4.
前記演算部は、前記反射体から反射される反射波により発生する反射影響に基づく前記伝搬路における前記電波の伝搬損失を算出する、
請求項1から5のうちいずれか1項に記載の電波検知装置。 The detection unit detects a reflector that reflects the radio wave in the direction opposite to the propagation path in the reception unit.
The calculation unit calculates the propagation loss of the radio wave in the propagation path based on the reflection effect generated by the reflected wave reflected from the reflector.
The radio wave detection device according to any one of claims 1 to 5.
電波を送信する送信部と、任意に設定された位置における前記電波を受信する受信部との間の地形データを取得し、
前記地形データに基づいて、前記送信部と前記受信部との間の前記電波の伝搬路を遮蔽する少なくとも1つの遮蔽物を検出し、
前記遮蔽物において回折により発生する回折損失に基づく前記伝搬路における前記電波の伝搬損失を算出する、
電波検知方法。 The computer
Acquires terrain data between a transmitting unit that transmits radio waves and a receiving unit that receives the radio waves at an arbitrarily set position.
Based on the terrain data, at least one shield that blocks the propagation path of the radio wave between the transmitting unit and the receiving unit is detected.
The propagation loss of the radio wave in the propagation path is calculated based on the diffraction loss generated by diffraction in the shield.
Radio wave detection method.
電波を送信する送信部と、任意に設定された位置における前記電波を受信する受信部との間の地形データを取得させ、
前記地形データに基づいて、前記送信部と前記受信部との間の前記電波の伝搬路を遮蔽する少なくとも1つの遮蔽物を検出させ、
前記遮蔽物において回折により発生する回折損失に基づく前記伝搬路における前記電波の伝搬損失を算出させる、
プログラム。 On the computer
The terrain data between the transmitting unit that transmits radio waves and the receiving unit that receives the radio waves at an arbitrarily set position is acquired.
Based on the terrain data, at least one shield that blocks the propagation path of the radio wave between the transmitting unit and the receiving unit is detected.
The propagation loss of the radio wave in the propagation path is calculated based on the diffraction loss generated by diffraction in the shield.
program.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2020050271A JP2021150870A (en) | 2020-03-19 | 2020-03-19 | Electromagnetic wave detection device, electromagnetic wave detection method, and program |
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WO2023073993A1 (en) * | 2021-11-01 | 2023-05-04 | 日本電信電話株式会社 | Propogation model estimation system, propogation model estimation device, and propogation model estimation method |
WO2024069965A1 (en) * | 2022-09-30 | 2024-04-04 | 日本電信電話株式会社 | Propagation environment fabricating device, propagation environment fabricating method, and propagation environment estimation system |
WO2024089847A1 (en) * | 2022-10-27 | 2024-05-02 | 日本電信電話株式会社 | Propagation loss estimation method, propagation loss estimation system, propagation loss estimation device, and propagation loss estimation program |
-
2020
- 2020-03-19 JP JP2020050271A patent/JP2021150870A/en active Pending
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