JP2022094197A - Position estimation device, position estimation method, and program - Google Patents

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Junichi Takada
健太郎 齋藤
Kentaro Saito
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Abstract

To provide a position estimation device for estimating an installation position of a base station, a transmission power and a radio wave transmission direction in a spectrum sharing system.SOLUTION: A position estimation device includes a detection unit 20 for detecting a communication signal, and an arithmetic unit 12 for estimating an installation position, a transmission direction, and a transmission power of the communication signal based on detection values of a reception power and an arrival direction of the communication signal and a position of the detection unit which are detected by the detection unit at least at two locations. The arithmetic unit sets parameters including the installation position, the transmission direction, and the transmission power based on the detected values. The arithmetic unit calculates a direction error between the arrival direction and an estimated transmission direction calculated including the parameters. The arithmetic unit calculates a power error between the reception power and an estimated reception power calculated including the parameters. The arithmetic unit changes the parameters in the retrieval region where ranges of the parameters are set. The arithmetic unit calculates the parameters for minimizing the sum of errors of the direction error and the power error. The calculation unit estimates the installation position, the transmission power, and the transmission direction of a base station based on the calculated parameters.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、電波の利用効率を向上させるための位置推定装置、位置推定方法、及びプログラムに関する。 The present invention relates to a position estimation device, a position estimation method, and a program for improving the utilization efficiency of radio waves.

近年、無線通信における通信速度が高速化すると共に、通信容量も増大している。無線通信において、電波の利用効率を高めるため、所定の周波数帯域において事業者が異なる通信システムが同一の周波数の電波を利用する周波数共用システムが運用されている。周波数共用システムにおいて、時間や領域毎に空いている周波数帯域を、電波干渉を抑制しつつ、異なる通信システムに割り当てることが行われる。 In recent years, the communication speed in wireless communication has increased, and the communication capacity has also increased. In wireless communication, in order to improve the efficiency of radio wave utilization, a frequency sharing system is operated in which communication systems of different operators use radio waves of the same frequency in a predetermined frequency band. In a frequency sharing system, frequency bands that are free for each time or region are assigned to different communication systems while suppressing radio wave interference.

周波数共用システムにおいて、第1通信システムを利用するPrimary User (PU、プライマリユーザ)と第1通信システムと異なる第2通信システムを利用するSecondary User(SU、セカンダリユーザ)が存在する。PUは、高い通信権を有し、SUはPUに比して低い優先度を有する。周波数共用システムにおいては、PUが所定の周波数帯域において通信している場合、PUが通信している領域以外の空き領域にSUの通信を割り当てる場合がある。 In the frequency sharing system, there are a Primary User (PU, primary user) who uses the first communication system and a Secondary User (SU, secondary user) who uses a second communication system different from the first communication system. The PU has a high communication right, and the SU has a lower priority than the PU. In the frequency sharing system, when the PU is communicating in a predetermined frequency band, SU communication may be allocated to an empty area other than the area in which the PU is communicating.

PUが利用する第1通信システムの第1通信と、SUが利用する第2通信システムの第2通信との干渉を防止するため、周波数共用システムの通信環境において、第1通信における空き領域を事前に検出する必要がある。 In order to prevent interference between the first communication of the first communication system used by the PU and the second communication of the second communication system used by the SU, in the communication environment of the frequency sharing system, a free area in the first communication is previously reserved. Need to be detected.

S. Nardone, A. Lindgren, and Kai Gong, “Fundamental properties and performance of conventional bearings-only target motion analysis,” IEEE Transactions on Automatic Control, vol. 29, no. 9, pp. 775-787, 1984.S. Nardone, A. Lindgren, and Kai Gong, “Fundamental properties and performance of conventional bearings-only target motion analysis,” IEEE Transactions on Automatic Control, vol. 29, no. 9, pp. 775-787, 1984. A. Molisch, “Wireless Communications”, John Wiley & Sons Ltd., 2011 ISBN: 978-0-470-74187-0A. Molisch, “Wireless Communications”, John Wiley & Sons Ltd., 2011 ISBN: 978-0-470-74187-0

無線基地局のうち、臨時の無線基地局や免許不要な一部の無線基地局は、無線免許データベースに登録されておらず、設置位置が不明である場合がある。また、基地局が指向性を有するアンテナにより送受信を行っている場合、周波数の空き領域を検出するために、基地局の電波送信角度を正確に推定する必要がある。 Of the wireless base stations, temporary wireless base stations and some wireless base stations that do not require a license are not registered in the wireless license database, and the installation location may be unknown. Further, when the base station transmits and receives by an antenna having directivity, it is necessary to accurately estimate the radio wave transmission angle of the base station in order to detect the free area of the frequency.

本発明は、周波数共用システムにおいて基地局の設置位置、送信電力、及び電波送信方向を推定し、所定の周波数帯域における空き領域を抽出できる位置推定装置、位置推定方法、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 position estimation device, a position estimation method, and a program capable of estimating the installation position, transmission power, and radio wave transmission direction of a base station in a frequency sharing system and extracting an empty area in a predetermined frequency band. The purpose.

本発明の一態様は、指向性を有する通信信号を送信する基地局の設置位置、送信電力、及び送信方向を推定する位置推定装置であって、前記通信信号を検出する検出部と、前記検出部により少なくとも2箇所において検出された前記通信信号の受信電力、到来方向、及び前記検出部の位置の検出値に基づいて前記設置位置、前記送信方向、及び前記通信信号の送信電力を推定する演算部と、を備え、前記演算部は、前記検出値に基づいて前記設置位置、前記送信方向、及び前記送信電力を含むパラメータを設定し、前記到来方向と、前記パラメータを含んで算出される推定送信方向との方向誤差を算出し、前記受信電力と前記パラメータを含んで算出される推定受信電力との電力誤差を算出し、前記パラメータの範囲が設定された検索領域において前記パラメータを変化させ、前記方向誤差と前記電力誤差との誤差の総和が最小となる前記パラメータを算出し、算出した前記パラメータに基づいて前記設置位置、前記送信電力、及び前記送信方向を推定する位置推定装置である。 One aspect of the present invention is a position estimation device that estimates the installation position, transmission power, and transmission direction of a base station that transmits a directional communication signal, the detection unit that detects the communication signal, and the detection. Calculation to estimate the installation position, the transmission direction, and the transmission power of the communication signal based on the detected values of the reception power, the arrival direction, and the position of the detection unit of the communication signal detected at at least two places by the unit. The calculation unit includes the unit, and the calculation unit sets parameters including the installation position, the transmission direction, and the transmission power based on the detection value, and calculates the arrival direction and the estimation including the parameters. The direction error with the transmission direction is calculated, the power error between the received power and the estimated received power calculated including the parameter is calculated, and the parameter is changed in the search area in which the range of the parameter is set. It is a position estimation device that calculates the parameter that minimizes the sum of the errors of the direction error and the power error, and estimates the installation position, the transmission power, and the transmission direction based on the calculated parameters.

本発明の一態様は、指向性を有する通信信号を送信する基地局の設置位置、送信電力、及び送信方向を推定する位置推定方法であって、少なくとも2箇所において検出部により前記通信信号を検出し、検出された前記通信信号の受信電力、到来方向、及び前記検出部の位置の検出値に基づいて、前記設置位置、前記送信方向、及び前記送信電力を含むパラメータを設定し、前記到来方向と、前記パラメータを含んで算出される推定送信方向との方向誤差を算出し、前記受信電力と前記パラメータを含んで算出される推定受信電力との電力誤差を算出し、前記パラメータの範囲が設定された検索領域において前記パラメータを変化させ、前記方向誤差と前記電力誤差との誤差の総和が最小となる前記パラメータを算出し、算出した前記パラメータに基づいて前記設置位置、前記送信電力、及び前記送信方向の推定値を算出する位置推定方法である。 One aspect of the present invention is a position estimation method for estimating the installation position, transmission power, and transmission direction of a base station that transmits a directional communication signal, and the communication signal is detected by a detection unit at at least two locations. Then, based on the detected values of the received power, the arrival direction, and the position of the detection unit of the detected communication signal, the parameters including the installation position, the transmission direction, and the transmission power are set, and the arrival direction is set. And, the direction error with the estimated transmission direction calculated including the parameter is calculated, the power error between the received power and the estimated received power calculated including the parameter is calculated, and the range of the parameter is set. The parameter is changed in the searched search area, the parameter that minimizes the sum of the errors of the direction error and the power error is calculated, and the installation position, the transmission power, and the transmission power are calculated based on the calculated parameters. This is a position estimation method that calculates an estimated value in the transmission direction.

本発明の一態様は、指向性を有する通信信号を送信する基地局の設置位置、送信電力、及び送信方向を推定する位置推定装置において実行されるプログラムであって、少なくとも2箇所において検出部により前記通信信号を検出させ、検出された前記通信信号の受信電力、到来方向、及び前記検出部の位置の検出値に基づいて、前記設置位置、前記送信方向、及び前記送信電力を含むパラメータを設定させ、前記到来方向と、前記パラメータを含んで算出される推定送信方向との方向誤差を算出させ、前記受信電力と前記パラメータを含んで算出される推定受信電力との電力誤差を算出させ、前記パラメータの範囲が設定された検索領域において前記パラメータを変化させ、前記方向誤差と前記電力誤差との誤差の総和が最小となる前記パラメータを算出させ、算出した前記パラメータに基づいて前記設置位置、前記送信電力、及び前記送信方向の推定値を算出させるプログラムである。 One aspect of the present invention is a program executed in a position estimation device that estimates the installation position, transmission power, and transmission direction of a base station that transmits a directional communication signal, and is executed by a detection unit at at least two locations. The communication signal is detected, and parameters including the installation position, the transmission direction, and the transmission power are set based on the detected values of the received power, the arrival direction, and the position of the detection unit of the detected communication signal. The direction error between the arrival direction and the estimated transmission direction calculated including the parameter is calculated, and the power error between the received power and the estimated received power calculated including the parameter is calculated. The parameter is changed in the search area in which the parameter range is set, the parameter that minimizes the sum of the errors of the direction error and the power error is calculated, and the installation position and the said are based on the calculated parameter. It is a program to calculate the transmission power and the estimated value of the transmission direction.

周波数共用システムにおいて基地局の設置位置、電波強度、及び電波送信方向を推定し、所定の周波数帯域における空き領域を抽出できる。 In the frequency sharing system, the installation position of the base station, the radio wave strength, and the radio wave transmission direction can be estimated, and an empty area in a predetermined frequency band can be extracted.

実施形態に係る位置推定装置の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the position estimation apparatus which concerns on embodiment. 位置推定装置において推定される電波利用可能な領域を概念的に示す図である。It is a figure which conceptually shows the radio wave available area estimated by a position estimation device. 基地局の設置位置の既存の推定方法を概念的に示す図である。It is a figure which conceptually shows the existing estimation method of the installation position of a base station. 検出部における検出方法を概念的に示す図である。It is a figure which conceptually shows the detection method in a detection part. 設置位置の推定値の算出方法を概念的に示す図である。It is a figure which conceptually shows the calculation method of the estimated value of an installation position. 基地局の送信電波が広角に送信される場合の設置位置の推定値の誤差を概念的に示す図である。It is a figure which conceptually shows the error of the estimated value of the installation position when the transmission radio wave of a base station is transmitted in a wide angle. 基地局の送信電波が挟角に送信される場合の設置位置の推定値の誤差を概念的に示す図である。It is a figure which conceptually shows the error of the estimated value of the installation position when the transmission radio wave of a base station is transmitted in a narrow angle. 基地局が指向性アンテナにより通信する状態を概念的に示す図である。It is a figure which conceptually shows the state which a base station communicates with a directional antenna. 基地局が指向性アンテナにより通信する状態を概念的に示す図である。It is a figure which conceptually shows the state which a base station communicates with a directional antenna. 実施形態に係る基地局の設置位置、送信角度の推定方法を概念的に示す図である。It is a figure which conceptually shows the installation position of the base station which concerns on embodiment, and the method of estimating the transmission angle. 実施形態に係る基地局の受信電力の推定方法を概念的に示す図である。It is a figure which conceptually shows the estimation method of the received power of the base station which concerns on embodiment. 基地局の設置位置の推定に用いられる検索グリッドを概念的に示す図である。It is a figure which conceptually shows the search grid used for estimating the installation position of a base station. 基地局の送信角度、送信電力の推定に用いられる検索グリッドを概念的に示す図である。It is a figure which conceptually shows the search grid used for estimating the transmission angle and transmission power of a base station. 基地局の設置位置、送信電力、及び送信方向の算出方法を概念的に示す図である。It is a figure which conceptually shows the calculation method of a base station installation position, transmission power, and transmission direction. 位置推定法の処理を示すフロチャートである。It is a flow chart showing the processing of the position estimation method. 位置推定装置と既存手法との精度を比較する図である。It is a figure which compares the accuracy of a position estimator and an existing method.

以下、本発明に係る位置推定装置、位置推定方法、及びプログラムの実施形態について説明する。位置推定装置は、例えば、検出部から取得した受信信号に基づいて指向性を有する通信信号を送信する基地局の設置位置及び送信方向を推定するものである。 Hereinafter, the position estimation device, the position estimation method, and the embodiment of the program according to the present invention will be described. The position estimation device estimates, for example, the installation position and transmission direction of a base station that transmits a communication signal having directivity based on a received signal acquired from a detection unit.

図1に示されるように、位置推定装置10は、例えば、演算処理を行う演算部12と、演算に必要な各種データを記憶する記憶部14と、演算結果に基づく所定の画像を表示する表示部16とを備える。 As shown in FIG. 1, the position estimation device 10 has, for example, a calculation unit 12 that performs calculation processing, a storage unit 14 that stores various data required for calculation, and a display that displays a predetermined image based on the calculation result. A unit 16 is provided.

演算部12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。 The arithmetic unit 12 is realized by, for example, a hardware processor such as a CPU (Central Processing Unit) executing a program (software). Some or all of these components are hardware (circuit parts) such as LSI (Large Scale Integration), ASIC (Application Specific Integrated Circuit), FPGA (Field-Programmable Gate Array), GPU (Graphics Processing Unit). It may be realized by (including circuits), or it may be realized by the cooperation of software and hardware. The program may be stored in advance in a storage device such as an HDD (Hard Disk Drive) or a flash memory, or may be stored in a removable storage medium such as a DVD or a CD-ROM, and the storage medium is stored in the drive device. It may be installed by being attached.

記憶部14は、HDD(Hard Disk Drive)やフラッシュメモリなどの記憶装置である。後述する閾値等のデータの他、演算部12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、ネットワークに接続された外部サーバに記憶されていてもよい。 The storage unit 14 is a storage device such as an HDD (Hard Disk Drive) or a flash memory. In addition to the data such as the threshold value described later, a program for executing the processing of the calculation unit 12 is stored. Data and programs may be stored in an external server connected to the network.

表示部16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 display unit 16, for example, a display device such as a liquid crystal display, an LED (Light Emitting Diode) display, an organic EL (Organic Electro-Luminescence) display, a digital mirror device, or a plasma display is used.

検出部20は、基地局から通信信号が送信されている通信環境において通信信号を傍受して受信信号を検出する。検出部20は、例えば、指向性を有するアンテナを備える。検出部20は、例えば、アンテナを回転させ、受信信号の受信強度が最も高い方向においてアンテナを固定し、受信信号を測定し、電波強度及びアンテナ角度(電波の到来方向)の測定値を取得する。検出部20は、1つ以上設けられていてもよい。1つ以上の複数の検出部20は、演算部12に検出値を出力してもよい。検出部20は、ネットワークを通じて演算部12に検出値を出力してもよい。また、検出部20は、また、GPSの座標データに基づいて自体の位置データを検出する。検出部20は、例えば、磁気コンパスにより、アンテナ角度を計測する。 The detection unit 20 intercepts the communication signal and detects the received signal in the communication environment in which the communication signal is transmitted from the base station. The detection unit 20 includes, for example, an antenna having directivity. For example, the detection unit 20 rotates the antenna, fixes the antenna in the direction in which the reception intensity of the received signal is highest, measures the received signal, and acquires the measured values of the radio wave strength and the antenna angle (arrival direction of the radio wave). .. One or more detection units 20 may be provided. One or more of the plurality of detection units 20 may output the detection value to the calculation unit 12. The detection unit 20 may output the detection value to the calculation unit 12 through the network. Further, the detection unit 20 also detects its own position data based on the GPS coordinate data. The detection unit 20 measures the antenna angle with, for example, a magnetic compass.

次に位置推定装置10の測定方法ついて説明する。 Next, the measurement method of the position estimation device 10 will be described.

図2に示されるように、位置推定装置10は、基地局30が他の基地局40と通信している第1通信システム(1次ユーザ)の第1通信領域R1を推定する。基地局30,40は、例えば、指向性を有するアンテナを用いて通信している。基地局30,40が通信している第1通信領域R1を推定することにより、基地局30,40の通信電波が届かない第2通信領域R2を推定できる。異なる無線通信システムが同一の周波数帯を使用する周波数共用技術において、第2通信領域R2には、第2通信システム(2次ユーザ)の通信を割り当てることができる。 As shown in FIG. 2, the position estimation device 10 estimates the first communication area R1 of the first communication system (primary user) in which the base station 30 communicates with another base station 40. The base stations 30 and 40 communicate using, for example, an antenna having directivity. By estimating the first communication area R1 with which the base stations 30 and 40 are communicating, it is possible to estimate the second communication area R2 to which the communication radio waves of the base stations 30 and 40 do not reach. In the frequency sharing technique in which different wireless communication systems use the same frequency band, the communication of the second communication system (secondary user) can be assigned to the second communication area R2.

図3から図5に示されるように、例えば、基地局30からの送信電波を測定して基地局30の位置を推定する手法が提案されている(例えば非特許文献1参照)。基地局30の推定位置pは、指向性を有するアンテナを備える検出部20の検出結果に基づいて推定される。例えば、基地局30の第1通信領域R1において、複数の測定点において測定値を取得する。 As shown in FIGS. 3 to 5, for example, a method of measuring the transmitted radio wave from the base station 30 to estimate the position of the base station 30 has been proposed (see, for example, Non-Patent Document 1). The estimated position p of the base station 30 is estimated based on the detection result of the detection unit 20 including the antenna having directivity. For example, in the first communication area R1 of the base station 30, measured values are acquired at a plurality of measurement points.

検出部20は、例えば、指向性を有するアンテナを備える。測定において、検出部20のアンテナを回転し、受信電波の強度が最も高い方向の角度を計測する。計測された角度は、送信電波の到来角度φ~R,1,φ~R,2,…φ~R,N(N:測定地点の数)と推定される。i番目の測定された到来角度φ~R,iには、方向誤差εφ,iが含まれている。 The detection unit 20 includes, for example, an antenna having directivity. In the measurement, the antenna of the detection unit 20 is rotated to measure the angle in the direction in which the intensity of the received radio wave is the highest. The measured angle is estimated to be the arrival angle of the transmitted radio wave φ ~ R, 1 , φ ~ R, 2 , ... φ ~ R, N (N: number of measurement points). The i-th measured arrival angle φ ~ R, i includes the direction error ε φ, i .

方向誤差は、pをパラメータとした推定位置pのi番目の推定角度φR,i(p)、測定値φ~R,iとすると、以下の式(1)を用いて算出される。

Figure 2022094197000002
方向誤差は、到来方向の測定値φ~R,iと、パラメータを含んで算出される推定送信方向φR,i(p)との差分により算出される。 The direction error is calculated using the following equation (1), where the i-th estimated angle φ R, i (p) of the estimated position p with p as a parameter and the measured values φ to R, i .
Figure 2022094197000002
The direction error is calculated by the difference between the measured values φ to R, i in the arrival direction and the estimated transmission direction φ R, i (p) calculated including the parameters.

複数の測定点における測定値φ~R,iの誤差の総和e(p)は、以下の式(2)を用いて算出される。

Figure 2022094197000003
図5に示されるように、基地局30の推定位置p^は、誤差の総和e(p)が最小となる位置である。推定位置p^は、pをパラメータとして変化させ、誤差の総和e(p)を最小化して算出される。 The total error e (p) of the measured values φ to R, i at a plurality of measurement points is calculated using the following equation (2).
Figure 2022094197000003
As shown in FIG. 5, the estimated position p ^ of the base station 30 is a position where the total error e (p) is minimized. The estimated position p ^ is calculated by changing p as a parameter and minimizing the total error e (p).

図6に示されるように、基地局30の送信電波が広角に送信されている場合、検出部20が測定する到来角度に小角度の誤差が含まれている場合、推定位置の演算結果に含まれる誤差への影響は小さい。 As shown in FIG. 6, when the transmission radio wave of the base station 30 is transmitted at a wide angle, and when the arrival angle measured by the detection unit 20 contains a small angle error, it is included in the calculation result of the estimated position. The effect on the error is small.

図7に示されるように、基地局30の送信電波が指向性を有し、狭小角に送信されている場合、検出部20が測定する到来角度に小角度の誤差が含まれている場合、推定位置の演算結果に含まれる誤差への影響は大きくなる虞がある。 As shown in FIG. 7, when the transmitted radio wave of the base station 30 has directivity and is transmitted at a narrow angle, and when the arrival angle measured by the detection unit 20 includes a small angle error. The influence on the error included in the calculation result of the estimated position may be large.

図8及び図9に示されるように、基地局30,40の送信電波が指向性を有し、狭小角の第1通信領域R1において通信電波が送受信されている場合、周波数共用システムにおいて共用可能な周波数の空き領域(第2通信領域R2)を検出するためには、基地局30の設置位置に加えて送信電波の送信方向を推定する必要がある。 As shown in FIGS. 8 and 9, when the transmission radio waves of the base stations 30 and 40 have directivity and the communication radio waves are transmitted and received in the narrow angle first communication region R1, they can be shared in the frequency sharing system. In order to detect an empty area (second communication area R2) having a high frequency, it is necessary to estimate the transmission direction of the transmitted radio wave in addition to the installation position of the base station 30.

以下、位置推定装置10における基地局30の設置位置、送信電波の送信方向の推定方法について説明する。位置推定装置10は、例えば、特許文献1に記載された方法に更に、検出部20において検出された複数の到来方向及び受信電力の検出値に基づいて基地局30の設置位置及び送信方向を推定する。 Hereinafter, a method of estimating the installation position of the base station 30 and the transmission direction of the transmitted radio wave in the position estimation device 10 will be described. For example, the position estimation device 10 estimates the installation position and the transmission direction of the base station 30 based on the detection values of the plurality of arrival directions and the received powers detected by the detection unit 20 in addition to the method described in Patent Document 1. do.

図10に示されるように、検出部20を用いて、指向性を有する通信信号を送信する基地局30から送信された送信信号の到来方向φ~R,i及び受信電力P~R,iを検出する。検出部20においてアンテナ(図4参照)を回転し、基地局30の通信信号を検出する。検出部20において、通信信号が最も高く検出されるアンテナの角度においてアンテナを固定し、その時の到来方向φ~R,i(角度データ)、受信電力P~R,i、検出部20の位置の検出値を記憶する。検出部20により、少なくとも2箇所において通信信号の受信電力P~R,i、到来方向φ~R,i、及び検出部20の位置の検出値が検出される。基地局30の設置位置pがパラメータとして設定される。また、パラメータとして送信方向φ及び送信電力Pを含むq=[Pφ]が設定される。 As shown in FIG. 10, the detection unit 20 is used to determine the arrival directions φ to R, i and the received powers P to R, i of the transmission signal transmitted from the base station 30 that transmits the communication signal having directivity. To detect. The detection unit 20 rotates the antenna (see FIG. 4) to detect the communication signal of the base station 30. In the detection unit 20, the antenna is fixed at the angle of the antenna at which the communication signal is detected to be the highest, and the arrival direction φ ~ R, i (angle data), the received power P ~ R, i , and the position of the detection unit 20 at that time. Store the detected value. The detection unit 20 detects the received powers P to R, i of the communication signal, the arrival directions φ to R, i , and the detection values of the positions of the detection unit 20 at at least two places. The installation position p of the base station 30 is set as a parameter. Further, q = [ PT φ T ] including the transmission direction φ T and the transmission power PT is set as parameters.

検出部20において検出される到来角度φ~R,iに含まれる方向誤差は、pをパラメータとして上記の式(1)により算出される。検出部20において検出される受信電力P~R,iに含まれる電力誤差は、p及びqをパラメータとして以下の式(3)により算出される。

Figure 2022094197000004
式(3)に示されるように、電力誤差は、受信電力P~R,iとパラメータを含んで算出される推定受信電力PR,i(p,q)との差分である。 The direction error included in the arrival angles φ to R, i detected by the detection unit 20 is calculated by the above equation (1) with p as a parameter. The power error included in the received powers P to R, i detected by the detection unit 20 is calculated by the following equation (3) with p and q as parameters.
Figure 2022094197000004
As shown in the equation (3), the power error is the difference between the received powers P to R, i and the estimated received powers P R, i (p, q) calculated including the parameters.

図11に示されるように、推定受信電力PR,i(p,q)は、例えば、特許文献2に記載されている手法を用いた以下の式(4)により算出される。

Figure 2022094197000005
但し、λ:波長、G:検出部20の受信アンテナの利得、GT,φ:送信方向の角度の利得パターン、di:pに基づいて算出された基地局30と検出部20との間の距離である。 As shown in FIG. 11, the estimated received power PR , i (p, q) is calculated by, for example, the following equation (4) using the method described in Patent Document 2.
Figure 2022094197000005
However, λ: wavelength, GR : gain of the receiving antenna of the detection unit 20 , GT, φ : gain pattern of the angle in the transmission direction, di : p, and the base station 30 and the detection unit 20 calculated based on p. The distance between.

基地局30の設置位置の推定値、送信方向、送信電力の推定値(推定送信電力)は、p、qをパラメータとして、式(1)に基づいて算出される方向誤差と、式(3)に基づいて算出される電力誤差との誤差の総和(エラーe(p,q))が最小となるパラメータを算出することにより決定される。エラーe(p,q)は、例えば、以下の式(5)を用いて算出される。

Figure 2022094197000006
但し、N:検出部20の検出位置の数、σ φ:送信方向のエラー分散、σ :受信電力のエラー分散である。式(5)において、符号が正となるように、正規化された方向誤差の二乗和と、正規化された電力誤差の二乗和との和に基づいて、誤差の総和であるエラーe(p,q)が算出される。演算部12は、式(5)を用いてパラメータp,qを変化させた数値計算を行う。 The estimated value of the installation position of the base station 30, the transmission direction, and the estimated value of the transmission power (estimated transmission power) are the direction error calculated based on the equation (1) and the equation (3) with p and q as parameters. It is determined by calculating the parameter that minimizes the total error (error e (p, q)) with the power error calculated based on. The error e (p, q) is calculated using, for example, the following equation (5).
Figure 2022094197000006
However, N: the number of detection positions of the detection unit 20, σ 2 φ : error dispersion in the transmission direction, and σ 2 P : error dispersion of received power. In equation (5), the error e (p) is the sum of the errors based on the sum of the squared sum of the normalized directional errors and the squared sum of the normalized power errors so that the sign is positive. , Q) is calculated. The calculation unit 12 performs numerical calculation by changing the parameters p and q using the equation (5).

図12に示されるように、式(5)を用いた基地局30の設置位置の推定において、基地局30の位置を含む設置位置用の検索グリッドG1(検索領域)が設定される。検索グリッドG1は、座標上に設定された所定範囲p(xmin-xmax,ymin-ymax)の領域内において、所定のゲインにより設定された座標上のM個(M:自然数)のグリッドを有する。複数のグリッドのゲインは、所望の精度、計算機の処理能力において設定される。基地局30の設置位置の推定値は、各グリッドの座標を式(5)に適用することにより算出される。 As shown in FIG. 12, in the estimation of the installation position of the base station 30 using the equation (5), the search grid G1 (search area) for the installation position including the position of the base station 30 is set. The search grid G1 has M (M: natural numbers) on the coordinates set by the predetermined gain within the region of the predetermined range p (x min -x max , y min -y max ) set on the coordinates. Has a grid. The gains of the plurality of grids are set with the desired accuracy and the processing power of the computer. The estimated value of the installation position of the base station 30 is calculated by applying the coordinates of each grid to the equation (5).

図13に示されるように、式(5)を用いた基地局30の送信電力の推定において、基地局30の送信方向φと送信電力Pとの関係を示す送信電力用の検索グリッドG2(検索領域)が設定される。検索グリッドG2は、座標上に設定された所定範囲q(φT,min-φT,max, PT,min-PT,max)の領域内において、所定のゲインにより設定された座標上のk個(k:自然数)のグリッドを有する。複数のグリッドのゲインは、所望の精度において設定される。基地局30の送信電力の推定値は、各グリッドの座標を式(5)に適用することにより算出される。演算部12は、複数のグリッドに対応してパラメータp,qを変化させ、基地局30の設置位置p、送信方向φ、通信信号の送信電力Pの推定値を算出する。 As shown in FIG. 13, in the estimation of the transmission power of the base station 30 using the equation (5), the search grid G2 for the transmission power showing the relationship between the transmission direction φ T of the base station 30 and the transmission power PT . (Search area) is set. The search grid G2 is on the coordinates set by the predetermined gain within the region of the predetermined range q (φ T, min −φ T, max , P T, min −P T, max ) set on the coordinates. It has k (k: natural numbers) grids. The gains of the plurality of grids are set with the desired accuracy. The estimated value of the transmission power of the base station 30 is calculated by applying the coordinates of each grid to the equation (5). The calculation unit 12 changes the parameters p and q corresponding to the plurality of grids, and calculates the estimated values of the installation position p of the base station 30, the transmission direction φ T , and the transmission power PT of the communication signal.

図14に示されるように、検索グリッドG1,G2における各グリッドにおける各座標を式(5)に適用し、エラーe(p,q)の最小値が探索される。探索によりエラーe(p,q)を最小とするパラメータp,qが算出される。算出されたパラメータp,qに基づいて、基地局30の設置位置p、送信方向φ、通信信号の送信電力Pの推定値が算出される。 As shown in FIG. 14, each coordinate in each grid in the search grids G1 and G2 is applied to the equation (5), and the minimum value of the error e (p, q) is searched. The parameters p and q that minimize the error e (p, q) are calculated by the search. Based on the calculated parameters p and q, the estimated values of the installation position p of the base station 30, the transmission direction φ T , and the transmission power PT of the communication signal are calculated.

表示部16は、演算部12の算出結果に基づいた表示画像を表示する。演算部12は、例えば、地図データ上に基地局30の位置、送信方向、送信電力を示す画像を生成し、表示部16に表示させてもよい。 The display unit 16 displays a display image based on the calculation result of the calculation unit 12. For example, the calculation unit 12 may generate an image showing the position, transmission direction, and transmission power of the base station 30 on the map data and display it on the display unit 16.

次に、位置推定装置10を用いた位置推定方法の処理の流れについて説明する。 Next, the flow of processing of the position estimation method using the position estimation device 10 will be described.

図15に示されるように、演算部12は、検出部20に少なくとも2箇所において基地局30の通信信号が検出させる(ステップS100)。演算部12は、検出部20により検出された通信信号の受信電力、到来方向、及び検出部の位置の検出値に基づいて、設置位置、送信方向、及び送信電力を含むパラメータを設定する(ステップS102)。演算部12は、到来方向と、パラメータを含んで算出される推定送信方向との方向誤差を算出する(ステップS104)。 As shown in FIG. 15, the arithmetic unit 12 causes the detection unit 20 to detect the communication signal of the base station 30 at at least two places (step S100). The calculation unit 12 sets parameters including the installation position, the transmission direction, and the transmission power based on the detected values of the received power, the arrival direction, and the position of the detection unit of the communication signal detected by the detection unit 20 (step). S102). The calculation unit 12 calculates a direction error between the arrival direction and the estimated transmission direction calculated including the parameter (step S104).

演算部12は、受信電力とパラメータを含んで算出される推定受信電力との電力誤差を算出する(ステップS106)。演算部12は、正規化された方向誤差の二乗和と、正規化された電力誤差の二乗和との和に基づいて、誤差の総和を算出する。演算部12は、パラメータの範囲が設定された検索領域においてパラメータを変化させ、方向誤差と電力誤差との総和が最小となるパラメータを算出する(ステップS108)。演算部12は、算出したパラメータに基づいて設置位置及び送信方向の推定値を算出する(ステップS110)。 The calculation unit 12 calculates a power error between the received power and the estimated received power calculated including the parameter (step S106). The calculation unit 12 calculates the total error based on the sum of the squared sum of the normalized direction errors and the squared sum of the normalized power errors. The calculation unit 12 changes the parameter in the search area in which the parameter range is set, and calculates the parameter that minimizes the sum of the direction error and the power error (step S108). The calculation unit 12 calculates an estimated value of the installation position and the transmission direction based on the calculated parameter (step S110).

図16には、位置推定装置10による基地局30の設置位置の推定値と非特許文献1に記載された既存手法による推定値との位置誤差のCDF(cumulative distribution function:累積分布関数)が示されている。設置位置の位置エラーedは、基地局30の設置位置の推定値:p^、基地局30の実際の位置:ptrueとすると式(6)により算出される。

Figure 2022094197000007
FIG. 16 shows a CDF (cumulative distribution function) of the position error between the estimated value of the installation position of the base station 30 by the position estimation device 10 and the estimated value by the existing method described in Non-Patent Document 1. Has been done. The position error ed of the installation position is calculated by the equation (6) assuming that the estimated value of the installation position of the base station 30 is p ^ and the actual position of the base station 30 is p true .
Figure 2022094197000007

位置推定装置10により算出される設置位置の推定値の中央距離エラーは164.0mであるのに比して従来手法による設置位置の推定値は、326.9mである。位置推定装置10によれば、従来手法に比して精度を160m程度向上させる。位置推定装置10によれば、既存手法に比して基地局30の設置位置の推定値の誤差を大幅に低減することができる。位置推定装置10によれば、例えば、屋外の通信環境において基地局の設置位置、送信電力、及び電波送信方向を推定し、通信電波を追跡するレイトレーシングを行うことができる。 The central distance error of the estimated value of the installation position calculated by the position estimation device 10 is 164.0 m, whereas the estimated value of the installation position by the conventional method is 326.9 m. According to the position estimation device 10, the accuracy is improved by about 160 m as compared with the conventional method. According to the position estimation device 10, it is possible to significantly reduce the error of the estimated value of the installation position of the base station 30 as compared with the existing method. According to the position estimation device 10, for example, in an outdoor communication environment, it is possible to estimate the installation position of the base station, the transmission power, and the radio wave transmission direction, and perform ray tracing to track the communication radio wave.

位置推定装置10によれば、通信電波を追跡するレイトレーシングにより、基地局30から送信される送信電波の第1通信領域R1とそれ以外の第2通信領域R2のシミュレーションを行うことができる。 According to the position estimation device 10, ray tracing that tracks the communication radio wave can simulate the first communication area R1 and the other second communication area R2 of the transmission radio wave transmitted from the base station 30.

上述したように、位置推定装置10によれば、周波数共用システムにおいて基地局の設置位置、送信電力、及び電波送信方向の推定値を算出できる。位置推定装置10によれば、算出した推定値に基づいて、基地局30の第1通信領域R1を推定することができ、所定の周波数帯域における空き領域である第2通信領域R2を抽出できる。位置推定装置10によれば、周波数共用システムにおける電波の利用効率を向上させることができる。 As described above, according to the position estimation device 10, it is possible to calculate the estimated value of the installation position of the base station, the transmission power, and the radio wave transmission direction in the frequency sharing system. According to the position estimation device 10, the first communication area R1 of the base station 30 can be estimated based on the calculated estimated value, and the second communication area R2 which is a free area in a predetermined frequency band can be extracted. According to the position estimation device 10, it is possible to improve the utilization efficiency of radio waves in the frequency sharing system.

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。 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 embodiments, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the gist of the invention. These embodiments and variations thereof are included in the scope of the invention described in the claims and the equivalent scope thereof, as are included in the scope and gist of the invention.

10 位置推定装置
12 演算部
14 記憶部
16 表示部
20 検出部
30 基地局
40 基地局
G1 検索グリッド
G2 検索グリッド
R1 第1通信領域
R2 第2通信領域
10 Position estimation device 12 Calculation unit 14 Storage unit 16 Display unit 20 Detection unit 30 Base station 40 Base station G1 Search grid G2 Search grid R1 First communication area R2 Second communication area

Claims (6)

指向性を有する通信信号を送信する基地局の設置位置、送信電力、及び送信方向を推定する位置推定装置であって、
前記通信信号を検出する検出部と、
前記検出部により少なくとも2箇所において検出された前記通信信号の受信電力、到来方向、及び前記検出部の位置の検出値に基づいて前記設置位置、前記送信方向、及び前記通信信号の送信電力を推定する演算部と、を備え、
前記演算部は、前記検出値に基づいて前記設置位置、前記送信方向、及び前記送信電力を含むパラメータを設定し、
前記到来方向と、前記パラメータを含んで算出される推定送信方向との方向誤差を算出し、
前記受信電力と前記パラメータを含んで算出される推定受信電力との電力誤差を算出し、
前記パラメータの範囲が設定された検索領域において前記パラメータを変化させ、前記方向誤差と前記電力誤差との誤差の総和が最小となる前記パラメータを算出し、算出した前記パラメータに基づいて前記設置位置、前記送信電力、及び前記送信方向を推定する、位置推定装置。
A position estimation device that estimates the installation position, transmission power, and transmission direction of a base station that transmits a communication signal with directivity.
A detector that detects the communication signal and
The installation position, the transmission direction, and the transmission power of the communication signal are estimated based on the detection values of the reception power, the arrival direction, and the position of the detection unit of the communication signal detected at at least two places by the detection unit. With a calculation unit
The calculation unit sets parameters including the installation position, the transmission direction, and the transmission power based on the detected value.
Calculate the direction error between the arrival direction and the estimated transmission direction calculated including the parameters.
Calculate the power error between the received power and the estimated received power calculated including the parameters.
The parameter is changed in the search area in which the range of the parameter is set, the parameter that minimizes the sum of the errors of the direction error and the power error is calculated, and the installation position is based on the calculated parameter. A position estimation device that estimates the transmission power and the transmission direction.
前記検索領域は、所定のゲインにより設定された複数のグリッドにより設定される、
請求項1に記載の位置推定装置。
The search area is set by a plurality of grids set by a predetermined gain.
The position estimation device according to claim 1.
前記演算部は、前記複数のグリッドに対応して前記パラメータを変化させる、
請求項2に記載の位置推定装置。
The arithmetic unit changes the parameter corresponding to the plurality of grids.
The position estimation device according to claim 2.
前記演算部は、正規化された前記方向誤差の二乗和と、正規化された前記電力誤差の二乗和との和に基づいて、前記総和を算出する、
請求項1から3のうちいずれか1項に記載の位置推定装置。
The arithmetic unit calculates the sum based on the sum of the normalized sum of squares of the direction errors and the sum of the normalized sums of squares of the power errors.
The position estimation device according to any one of claims 1 to 3.
指向性を有する通信信号を送信する基地局の設置位置、送信電力、及び送信方向を推定する位置推定方法であって、
少なくとも2箇所において検出部により前記通信信号を検出し、
検出された前記通信信号の受信電力、到来方向、及び前記検出部の位置の検出値に基づいて、前記設置位置、前記送信方向、及び前記送信電力を含むパラメータを設定し、
前記到来方向と、前記パラメータを含んで算出される推定送信方向との方向誤差を算出し、
前記受信電力と前記パラメータを含んで算出される推定受信電力との電力誤差を算出し、
前記パラメータの範囲が設定された検索領域において前記パラメータを変化させ、前記方向誤差と前記電力誤差との誤差の総和が最小となる前記パラメータを算出し、
算出した前記パラメータに基づいて前記設置位置、前記送信電力、及び前記送信方向の推定値を算出する、
位置推定方法。
It is a position estimation method that estimates the installation position, transmission power, and transmission direction of a base station that transmits a communication signal with directivity.
The communication signal is detected by the detection unit at at least two places, and the communication signal is detected.
Based on the detected values of the received power, the arrival direction, and the position of the detection unit of the detected communication signal, parameters including the installation position, the transmission direction, and the transmission power are set.
Calculate the direction error between the arrival direction and the estimated transmission direction calculated including the parameters.
Calculate the power error between the received power and the estimated received power calculated including the parameters.
The parameter is changed in the search area in which the range of the parameter is set, and the parameter that minimizes the sum of the errors between the direction error and the power error is calculated.
Based on the calculated parameters, the estimated values of the installation position, the transmission power, and the transmission direction are calculated.
Position estimation method.
指向性を有する通信信号を送信する基地局の設置位置、送信電力、及び送信方向を推定する位置推定装置において実行されるプログラムであって、
少なくとも2箇所において検出部により前記通信信号を検出させ、
検出された前記通信信号の受信電力、到来方向、及び前記検出部の位置の検出値に基づいて、前記設置位置、前記送信方向、及び前記送信電力を含むパラメータを設定させ、
前記到来方向と、前記パラメータを含んで算出される推定送信方向との方向誤差を算出させ、
前記受信電力と前記パラメータを含んで算出される推定受信電力との電力誤差を算出させ、
前記パラメータの範囲が設定された検索領域において前記パラメータを変化させ、前記方向誤差と前記電力誤差との誤差の総和が最小となる前記パラメータを算出させ、
算出した前記パラメータに基づいて前記設置位置、前記送信電力、及び前記送信方向の推定値を算出する、
プログラム。
A program executed by a position estimation device that estimates the installation position, transmission power, and transmission direction of a base station that transmits a directional communication signal.
The communication signal is detected by the detection unit at at least two places, and the communication signal is detected.
Based on the detected values of the received power, the arrival direction, and the position of the detection unit of the detected communication signal, the parameters including the installation position, the transmission direction, and the transmission power are set.
The direction error between the arrival direction and the estimated transmission direction calculated including the parameter is calculated.
The power error between the received power and the estimated received power calculated including the parameters is calculated.
The parameter is changed in the search area in which the range of the parameter is set, and the parameter that minimizes the sum of the errors between the direction error and the power error is calculated.
Based on the calculated parameters, the estimated values of the installation position, the transmission power, and the transmission direction are calculated.
program.
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