JP3078500B2 - 電波伝搬特性算出方法及び装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は電波伝搬特性算出方
法及び装置に関し、特に、移動無線通信システムの回線
設計に必要となる電波伝搬損失特性についての分析処理
において、実測した電界に関する瞬時値変動デ−タに基
づいて中央値変動特性を求める際の適切な中央値算出の
ための区間長の決定方法および装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、移動無線システムの回線設計を行
う場合に、基地局からの距離に応じた電界強度を連続し
て測定し、測定された瞬時値変動データから所定の区間
長を設定して短区間中央値を求めることが行われてい
た。この短区間中央値を求めるための区間長としては、
例えば進士昌明編著、無線通信の電波伝搬、電子情報通
信学会、ｐｐ．２０４−２０５（１９９２）に述べられ
ているように、市街地では定在波の波長を基準として１
０〜１００程度の波数区間長の範囲内で試行錯誤的に単
一の中央値算出区間長を決定していた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記したような従来の
区間長の決定方法においては、例えば送信周波数が３．
３５ＧＨｚで定在波の波長が４．４８ｃｍのときには、
１０〜１００の波数区間長は４４．８ｃｍ〜４．４８ｍ
と比較的広範囲に渡る。測定地点のレベルを表すために
は、区間長はできるだけ短い方が望ましいが、もし、区
間長が短すぎた場合には瞬時値変動（ファストフェージ
ング）の影響が大きくなり、中央値データが得られなく
なる。また、長すぎる場合には中央値の変動がデータに
反映されなくなってしまう。それ故、従来の、試行錯誤
的に単一の中央値算出区間長を決定する方法では、区間
長が一意に決まらず、設定する区間長によって結果の短
区間中央値の特性にばらつきが発生してしまうという問
題点があった。本発明の目的は、前記のような従来技術
の問題点を解決し、測定環境の変化に応じて、定量的か
つ一意に中央値算出のための区間長を決定することが可
能な電波伝搬特性算出方法及び装置を提供することにあ
る。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明は、送信局からの
距離に対応した電界強度レベルとして表わされる瞬時値
系列データに対して、区間長を設定して、区間の位置を
ずらしながら、その区間の電波伝搬特性値を求める処理
を行って特性値系列データを作成する方法において、瞬
時値系列データのサンプリング間隔を変えて、フラクタ
ル次元解析を行う工程と、フラクタル次元が変化する点
に対応するサンプリング間隔から区間長を求める工程と
を含むことを特徴とする電波伝搬特性算出方法および該
方法を実行する装置に特徴がある。

【０００５】本発明においては、フラクタル解析によっ
てフラクタル次元の変化するサンプリング間隔を求め、
該間隔に対応する区間長を使用して中央値を求めるの
で、瞬時値変動よりも中央値変動が支配的な区間長の内
の最短の区間長を自動的に一意に求めることができる。

【０００６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照して詳細に説明する。本発明において用いる一変
数データの特徴抽出方法は、例えば樋口知之、「時系列
のフラクタル解析」統計物理第３７巻第２号、ｐｐ．２
０９−２３２（１９８９年）に記載されたフラクタル解
析方法に準じる。フラクタルとは一言で表現すれば自己
相似性であり、対象を任意のスケールで粗視化して行っ
たときに同様な形状が出現するならば、その対象はフラ
クタル性を有しており、そのときのスケール変化の度合
がフラクタル次元として実数値で定義される。見方を変
えると、対象の形状が単純であれば次元値は小さくな
り、複雑であるほど次元値が大きくなる。例えば時系列
変動に対するフラクタル次元を考えると、直線を呈する
１次式で表わされる単純な挙動であれば次元数は１とな
り、一様乱数列のような複雑な挙動であれば平面を埋め
尽くす形状に近く次元数はほぼ２になる。

【０００７】フラクタル解析法の概要を、図６で説明す
る。与えられた時系列データＺ（ｔ）は、時間間隔τで
サンプリングされているものとする。この時系列を時間
間隔ｋで粗視化（再サンプリング）し、初期点ｍを１番
目からｋ番目まで変化させて計算し、下記のようなｋ個
の時系列セットＺｍ（ｋ）を構成する。

【０００８】

【数１】 ここで、記号［・］は小数点以下切り捨て演算を表わす
ものとし、Ｎは時系列のデータ数を示す。粗視化の時間
間隔ｋは、例えば瞬時値のサンプリング間隔τから始め
て２τ、３τ、・・・、（Ｎ−１）・τと増やして行
く。図６においては、ｋ＝τの場合におけるサンプリン
グ点を結ぶ折れ線が破線によって描かれており、ｋ＝２
τの場合の折れ線が点線によって、ｋ＝３τの場合の折
れ線が実線によって、それぞれ描かれている。次に、粗
視化したときの時系列長Ｌｍ（ｋ）を各ｋ毎に下記の式
に従って求める。

【０００９】

【数２】 このＬｍ（ｋ）は、初期点ｍ、時間間隔ｋでサンプリン
グされた隣接する各サンプリング値間の電界強度レベル
差の総和に対応するものであり、各サンプリング点を結
んだ折れ線の長さに対応している。更に、Ｌｍ（ｋ）の
ｋについての算術平均＜Ｌｍ（ｋ）＞を下記の式により
計算する。

【００１０】

【数３】 以上のようにして求めたｋに対する＜Ｌｍ（ｋ）＞を両
対数グラフへプロット（描画）したとき、（ｋ、＜Ｌｍ
（ｋ）＞）の点列が一直線上に乗れば時系列データはフ
ラクタル性を有し、その直線の傾きがフラクタル次元に
等しくなる。（実際に区間長を求める処理においては、
使用者への表示用以外にグラフを作成する必要は無く、
両対数グラフ上の座標データを求めれば足りる。） なお、本フラクタル解析手法は事前にフラクタルを仮定
したモデル化を行っていないノンパラメトリックな解析
手法であるので、両対数グラフが正確に直線に乗らず、
厳密にはフラクタル性が成立していない場合でも、最小
二乗法等の関数近似アルゴリズムを利用して直線（折れ
線）でフィッティングしたときの傾斜値を時系列の複雑
さを評価する指標とみなすことができる。以下、こうし
た場合も含めてフィッティング直線の傾斜値をフラクタ
ル次元と総称する。また、フィッティングされる直線は
１本が最適とは限らず、傾斜の異なる複数の直線、即ち
折れ線で近似する方が良い場合もある。

【００１１】図１は、本発明の中央値算出区間決定方法
を示す説明図である。横軸は粗視化の間隔ｋの対数をと
り、縦軸は前記した時系列長Ｌｍ（ｋ）のｋについての
算術平均＜Ｌ（ｋ）＞の対数である。傾斜がＤｓとＤｔ
である２本の直線からなる折れ線でフィッティングされ
ており、その交点（屈折点）はｋｃである。

【００１２】移動伝搬路においては、マルチパスで生じ
た定在波中を受信点が移動することで発生する激しいフ
ェージングの瞬時値変動と、基地局から送信された電波
が伝搬路途中にある建物等の地物により減衰を受けるこ
とに起因する比較的ゆっくりとした変動成分である中央
値変動とが、重畳したフェージングを呈している。それ
故、このフェージングの時系列に対してフラクタル解析
処理を適用すると、例えばある点ｋｃを境にしてｋｃ以
下では瞬時値変動の影響が支配的であるため、フィッテ
ィング直線の傾きＤｓ、即ちフラクタル次元が大きくな
り、一方ｋｃ以上では中央値変動の影響下にあるためフ
ィッテイング直線の傾斜Ｄｔが小さくなると考えられ
る。

【００１３】従って、瞬時値変動に影響されない中央値
を求めるためには十分なデータ数が必要であることと、
且つ区間を長くしすぎると、中央値の変動が平均化され
た値になってしまうこととのトレードオフから、フラク
タル次元の変化点ｋｃを短区間中央値算出のための区間
長とするのが最適であることが分かる。

【００１４】図２は、本発明の中央値算出装置のハード
ウェア構成例を示すブロック図である。例えば移動局を
移動させながら測定した電界強度の瞬時値変動データで
ある入力データはキーボード装置あるいはシリアル通信
ポート、フロッピィディスクドライブ装置等の入力装置
１から演算処理装置２（ＣＰＵ）に入力されて、適宜ハ
ードディスク等の記録装置３に記憶させる。そして、演
算処理装置２により中央値算出区間決定演算処理が実行
され、その結果を記録装置３に記録すると共に、プリン
タ等の出力装置４に出力する。中央値算出装置として
は、図２のような装置を有する任意のコンピュータシス
テムを使用可能である。

【００１５】図３は、中央値算出処理の処理機能を示す
機能ブロック図である。入力データは瞬時値変動の系列
データである。フラクタル解析処理部１０は、後述する
ような演算によって、フラクタル次元を表す近似直線を
求める。次元変化位置検出処理部１１においては、２つ
の直線からなる折れ線によって近似された場合の直線の
交点（屈折点）を求める。なお、近似直線が３本以上あ
る場合および１本しかない場合には、データ分割処理部
１４に処理が移行する。

【００１６】近似直線が３本以上ある状態は、例えば市
街地と郊外で中央値変動の特性が異なり、瞬時値変動の
特性と合わせて３つ以上のフラクタル次元が存在するた
めに起こる。従って、データ分割処理部１４は、基地局
の近傍から最遠地点までの入力データを距離によって複
数に分割し、分割したそれぞれのデータを再びフラクタ
ル解析部１０に渡して解析処理させる。分割方法は等間
隔に任意の数だけ分割してもよいし、手動で市街地と郊
外など特性が異なると思われる地域を分割してもよい。

【００１７】次元変化位置検出処理部１１によって正常
に変化位置が検出された場合には、区間長の設定処理部
１２に移行する。区間長の設定処理部１２は、次元が変
化するサンプリング間隔ｋｃを該区間における中央値算
出のための区間長として設定する。中央値算出処理部１
３は、設定された区間長に基づき、瞬時値データを順次
ずらしながら区間長分のデータの中央値、即ち区間長内
のデータを大きい順に並べた場合の半数番目のデータ値
を求めていく。

【００１８】図４は、前記演算処理装置において実行さ
れる中央値算出処理の処理手順を示すフローチャートで
ある。Ｓ１においては瞬時値系列データを入力し、Ｓ２
においては、サンプリング間隔を表すｋの値を０に初期
設定すると共に、ｋの最大値ｋmaxを設定する。Ｓ３に
おいては、初期点の位置を表すｍの値を０に初期化する
と共に、ｋ＝ｋ＋１の演算を実行する。

【００１９】Ｓ４においては、ｍ＝ｍ＋１の演算を行
い、Ｓ５においては、前記した式によりＬｍ（ｋ）を計
算する。Ｓ６においては、ｍがｋより小さいか否かが判
定され、結果が肯定の場合にはＳ４に戻る。従って、Ｌ
ｍ（ｋ）の計算がｍ＝ｋとなるまでｍに関して繰り返さ
れる。Ｓ７においては、前記した式によって＜Ｌ（ｋ）
＞の計算が実行され、Ｓ８においては、ｋがｋmaxより
小さいか否かが判定され、結果が肯定であれば、Ｓ３に
戻る。従って、＜Ｌ（ｋ）＞の計算がｋ＝ｋmaxとなる
までｋに関して繰り返される。

【００２０】以上の処理が終わったら、Ｓ９において
は、ｌｏｇｋとｌｏｇ＜Ｌ（ｋ）＞の組みを求め、Ｓ１
０においては、最小二乗法等の関数近似アルゴリズムを
用いて、１本の直線あるいは２本以上の直線による折れ
線で近似直線を求める。具体的には、まず１本の直線で
近似した場合のr.m.s.誤差を求め、次に、２つの直線の
交点を１からｋmaxまで変化させながら、２本の直線に
よる折れ線で近似した場合のr.m.s.誤差をそれぞれ求め
る。次に、３本の直線の２つの交点をそれぞれ変化させ
ながら、３本の直線による折れ線で近似した場合のr.m.
s.誤差を求める。こうして求めたそれぞれの直線あるい
は折れ線に対応する誤差の内から最も誤差の小さな近似
直線を選択する。なお、図４のフローチャートにおいて
は、Ｓ１０において２本の直線による近似直線が得られ
るものとする。

【００２１】Ｓ１１においては近似直線の傾きの変化す
る点、即ち２つの直線の交点を求め、Ｓ１２において
は、交点の座標からｋｃを求める。そして、このｋｃの
値を中央値を算出する時の区間長として設定する。Ｓ１
３においては、瞬時値データを順次ずらしながら区間長
分のデータの中央値、即ち区間長内のデータを大きい順
に並べた場合の中間番目のデータ値を求める。Ｓ１４に
おいては、結果である中央値系列データをディスプレイ
やプリンタに出力する。以上のような処理によって、自
動的に最適な区間長を決定することができる。

【００２２】以上述べた図４の処理においては、瞬時値
系列データをフラクタル解析処理した結果として、両対
数グラフが一本の直線だけでフィッティングされる場合
や、３本以上の直線でフィッティングされる場合が起こ
り得る。こうした状況は、伝搬路にある建物等の地物の
環境が途中で著しく変化しているため、複数の中央値変
動成分の混在したデータが一括処理されて生じると考え
られる。

【００２３】そこで、こうした場合には、自動的にある
いは地物等の測定環境状況の変化に応じて手動により、
瞬時値系列データを複数の区間に分割することとし、各
区間毎にフラクタル解析を実施して中央値算出区間長を
決定する処理を適用することが有効となる。

【００２４】図５は、前記演算処理装置において実行さ
れる、区間分割機能を含んだ中央値算出処理の処理手順
を示すフローチャートである。Ｓ２０においては瞬時値
系列データを入力する。Ｓ２１においては、フラクタル
解析処理が実行される。この処理は、図１のＳ２〜Ｓ１
０と同一の処理である。Ｓ２２においては、近似直線の
数が１本かるいは３本以上であるか否か、即ち屈折点が
無いか２個以上あるか否かが判定され、結果が肯定の場
合にはＳ２３に移行するが、否定の場合にはＳ２４に移
行する。

【００２５】Ｓ２３においては、現在フラクタル解析中
の区間を距離によって複数の区間に分割する。分割する
方法は等間隔に任意の数だけ分割してもよいし、手動で
市街地と郊外など特性が異なると思われる地域を分割し
てもよい。Ｓ２３から移行するＳ２１のフラクタル解析
においては、分割された内の１つの区間について再解析
が行われる。

【００２６】Ｓ２４においては近似直線が２本であり、
交点の座標から区間長が求められるので、該区間長を用
いて中央値を算出し、出力する。この処理は図１のＳ１
１〜Ｓ１４と同一である。Ｓ２５においては、全ての区
間について解析処理が終了したか否かが判定され、結果
が肯定であれば処理を終了するが、否定の場合にはＳ２
６に移行し、次の区間の解析データを取り込んでＳ２１
のフラクタル解析処理を繰り返す。以上のような処理に
よって、区間毎に最適な区間長を用いて中央値を求める
ことができる。

【００２７】以上、実施例を開示したが、本発明におい
ては以下に示すような変形例も考えられる。図５のフロ
ーチャートにおいては、屈折点が１個以外の場合に区間
を分割する処理を行う例を開示したが、フラクタル解析
前に、入力データを複数の区間に分割しておいてもよ
い。実施例においては短区間中央値を求める例を開示し
たが、本発明の方法および装置は、任意の電波伝搬特性
値を求める処理に適用可能である。

【００２８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
定量的かつ一意に適切な中央値算出のための区間長を決
定することができる。また、伝搬路上の環境変化に応じ
て区間長の設定を変更すべきかどうかの判断が可能とな
り、適応的に区間長を設定することが可能である。従っ
て、適切に区間長を設定することにより、自動的に高精
度な中央値変動特性が得られるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の中央値算出区間決定方法を示す説明図
である。

【図２】本発明の中央値算出装置のハードウェア構成例
を示すブロック図である。

【図３】本発明の中央値算出処理の機能を示す機能ブロ
ック図である。

【図４】中央値算出処理の処理手順を示すフローチャー
トである。

【図５】区間分割機能を含んだ中央値算出処理手順を示
すフローチャートである。

【図６】本発明で用いるフラクタル解析方法を示す説明
図である。

【符号の説明】

１…入力装置、２…演算処理装置、３…記憶装置、４…
出力装置、１０…フラクタル解析処理部、１１…次元変
化位置検出処理部、１２…区間長の設定処理部、１３…
中央値算出処理部、１４…データ分割処理部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山田 吉英 神奈川県横浜市神奈川区新浦島町一丁目 １番地32 株式会社ワイ・アール・ピー 移動通信基盤技術研究所内 (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01R 29/08 H04B 17/00

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】送信局からの距離に対応した電界強度レベ
   ルとして表わされる瞬時値系列データに対して、区間長
   を設定して、区間の位置をずらしながら、その区間の電
   波伝搬特性値系列データを算出する方法において、 瞬時値系列データのサンプリング間隔を変えて、フラク
   タル次元解析を行う工程と、 フラクタル次元が変化する点に対応するサンプリング間
   隔から区間長を求める工程とを含むことを特徴とする電
   波伝搬特性算出方法。
2. 【請求項２】送信局と受信局との間の距離に応じた電界
   強度レベルとして表わされる瞬時値系列データに対し
   て、区間長を設定して、その区間の中央値を求める処理
   を、区間の位置をずらしながら行って、中央値系列デー
   タを作成する方法において、区間長を決定するために、 瞬時値系列データのサンプリング間隔を変えたときの隣
   接するサンプリング値間の電界強度レベル差の総和を粗
   視化の間隔で算術平均した値の変化を両対数グラフに描
   画して、近似折れ線を求める第１の工程と、 前記第１の工程で求めた折れ線の屈折点に対応するサン
   プリング間隔を検出する第２の工程と、 前記第２の工程で検出したサンプリング間隔を中央値算
   出処理における区間長として設定する第３の工程とを含
   むことを特徴とする電波伝搬特性算出方法。
3. 【請求項３】前記第２の工程において、屈折点が２個以
   上存在する場合には、送信局と受信局との間の電波伝搬
   路を複数の区間に分割する第４の工程を含み、 前記第４の工程で分割した各区間毎に、前記第１から第
   ３の工程を適用することを特徴とする、請求項２に記載
   の電波伝搬特性算出方法。
4. 【請求項４】送信局と受信局との間の伝搬距離の変化に
   応じて変動する電界強度に関する瞬時値系列データを入
   力する入力手段と、 前記入力手段により入力されたデータを記憶する記録手
   段と、 記録したデータを粗視化するサンプリング間隔を変えて
   サンプリングした時の前記データのフラクタル次元を求
   めて、該フラクタル次元の変化点に基づき中央値算出の
   ための区間長を決定する演算を実行する演算処理手段
   と、 前記演算処理手段により実行された中央値算出区間長を
   決定する演算の結果を出力する出力手段とを有すること
   を特徴とする電波伝搬特性算出装置。
5. 【請求項５】前記電波伝搬特性算出装置は、更に分割手
   段を備え、 前記分割手段は、前記演算処理手段によって算出される
   フラクタル次元データを入力し、フラクタル次元の急激
   な変化が２回以上生じる場合には、送信局と受信局との
   間の電波伝搬路を各区間でフラクタル次元の急激な変化
   が１回だけ含まれるような複数の区間に分割し、分割し
   た各区間毎に再度中央値算出区間長を決定する演算を施
   すことを特徴とする、請求項４に記載の電波伝搬特性算
   出装置。