JP3570572B2 - 3D delay dispersion estimation method - Google Patents
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Description
【0001】
【産業上の利用分野】
この発明は無線通信においてアンテナから放射された電波が反射、回析を繰り返して作る3次元的なマルチパス遅延波の分散を推定する方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
前記遅延分散は通信品質の評価に利用され、例えば遅延分散の値から通信可能な最大ビットレートが決まる。従来においては例えばIEEE Transactions on Antenas and Propagation,Vol.42,No.10.Oct.,1994,PP.1369〜1376「A New Approach for Estinating Indoor Radio Propagation Characteristics」に示されているように、PNコードを変調した電波を送信し、測定したい位置に設けた受信機で前記送信波を受信して測定している。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
従来においては評価したい各場所に、いちいち受信機を設置して、直接測定しているため、測定作業が大変で時間も掛る。PNコードで変調しているため、変調周波数帯域幅を十分広げないと短かい遅延を分離することができず、測定精度も悪い。
【0004】
【課題を解決するための手段】
この発明によれば一次波源を見ることでき、かつ推定したい波動場空間を見渡せる位置で波動の2次元干渉データを少くとも2周波数で測定し、この測定した2次元干渉データを用いて波源像を再生し、その再生波源像の一次波源に対する伝搬遅延時間をその波源の位相から求め、更に再生波源像と伝搬遅延時間と、推定したい周波数で観測された波源の位相を用いて各波源を3次元空間中に再配置し、評価したい受信点から、再配置された各波源までの距離に応じた遅延時間と強度減衰量とを求め遅延平均値と遅延分散値とを算出する。
【0005】
【実施例】
以下この発明を、構内における電波の3次元遅延分散の推定に適用した実施例につき説明する。この実施例では一次波源を見ることができ、かつ推定したい電磁場空間を見渡せる位置で電磁波の2次元干渉データを少くとも2周波数で測定する。例えば図1に示すように構内11内に一次波源として周波数f1 の電波と周波数f2 の電波とを放射する放射器12が用いられ、この放射器12を見ることができ、かつ推定したい電磁場空間を見渡せる位置に観測面13を配し、観測面13の各点に走査アンテナ14を位置させて受信すると共に、これと比較的接近した位置に固定的に設けた固定アンテナ15で受信する。アンテナ14,15の各受信出力は前置増幅器16,17を通じ、更にフィルタ18,19で不要波が除去された後、周波数混合器21,22で局部発振器23よりの局部信号と周波数混合され、その各差周波数成分(例えば21.4MHz)が帯域通過フィルタ24,25でそれぞれ取出され、これらは更に周波数混合器26,27で局部発振器28の局部信号(例えば22.4MHz)と周波数混合され、その各差周波数成分(例えば1MHz)が低域通過フィルタ29,31でそれぞれ取出される。フィルタ29,31の各出力はフーリエ積分器32,33に供給され、発振器34からのパルス(例えば10.24MHz)によりそれぞれサンプリングされ、各サンプル値がディジタル信号に変換され、それぞれ離散的フーリエ積分される。これらフーリエ積分結果Sm (x,y),Sr はホログラム演算部35において、フーリエ積分器33の出力Sr を基準としたホログラム演算
H(x,y)=(Sm (x,y)/Sr )・|Sr | …(1)
がなされ干渉データが得られる。x,yは観測面13上の直交座標の各点を示す。発振器23,28,34は基準発振器36からの安定した基準信号(例えば10MHz)により同期化されている。局部発振器23の周波数を調整して、周波数f1 の電波を受信した時の複素ホログラム(二次元干渉データ)と、周波数f2 の電波を受信した時の複素ホログラムとを測定する。観測面13の大きさは例えば28×28cm2 であり、走査アンテナ14のx,yの各方向における移動ピッチはそれぞれ例えば0.45cmである。
【0006】
H(x,y)は観測面13における各点の固定アンテナ15の受信波を基準とした受信信号の振幅と位相とを求めたことになる。このH(x,y)を二次元フーリエ積分すると、
となる。zは観測面13と垂直なz軸上の観測面13からの距離、ξはz軸に対する方位角、ηはz軸に対する仰角である。
【0007】
このI(ξ,η)は観測面13から各方向を見た時の振幅と、位相とが求まり、電波源像が再生されたことになる。この再生波源像の一次波源である放射器12の波動に対する各伝搬遅延時間をその波源の位相から求める。即ち一次波源である放射器12の位置を(ξ0 ,η0 )、放射器12の観測面13からの距離をγ0 とし、電波の速度をc、ω1 =2πf1 、ω2 =2πf2 とすると再生波源像、つまり観測面から見た二次波源および一次波源の伝搬遅延時間D(ξ,η)は次式より求まる。
更に上記再生波源像I(ξ,η)exp(jθ(ξ,η))と、伝搬遅延時間D(ξ,η)と、推定したい周波数2πf=ωにより観測された波源の位相とを用いて各波源を3次元空間に再配置する。つまり各波源の絶対座標は次式で与えられる。
【0008】
γ(ξ,η)=D(ξ,η)・cとすると、
X(ξ,η)=γ(ξ,η)・ξ・cos(sin−1(η)) …(4) Y(ξ,η)=γ(ξ,η)・η・cos(sin−1(ξ)) …(5) Z(ξ,η)=√(γ(ξ,η)2 −X(ξ,η)2 −Y(ξ,η)2 …(6) この時の各波源の放射強度と位相は次式となる。
【0009】
I′(ξ,η,ω)=γ(ξ,η)・I(ξ,η,ω) …(7)
θ′(ξ,η,ω)=θ(ξ,η,ω)+2πγ(ξ,η)f …(8)
再生像の座標(ξ,η)で決る3次元空間の各位置つまり(4),(5),(6)式で与えられる座標X,Y,Z上に(7)式及び(8)式で与えられる波源が存在することになる。
【0010】
ここで3次元空間の任意の位置(x′,y′,z′)における遅延平均値τm 、遅延の標準差τrms は、その位置(x′,y′,z′)から各波源までの距離γ′(ξ,η)に応じた遅延時間γ′(ξ,η)/cと強度(I′(ξ,η,ω)/r(ξ,η))2とからそれぞれ次式により求まる。
【0011】
【数1】
(9),(10)式でΣΣはそれぞれξ,ηの各値についての加算であり、
このようにしてホログラム観測面13から見える3次元空間の任意の位置(x′,y′,z′)における遅延平均τm 、遅延の標準偏差τrms をそれぞれ(9),(10)式を演算することにより求めることができる。上述の処理手順を図2に示す。なお遅延波分散量は(9)式において開平演算を行うものであるが、(9)式を遅延分散と呼ぶこともある。
【0012】
通常の電波による通信においては有限の周波数帯域で行われる。従って有限帯域ω±Δωの範囲では各波源の強度I′(ξ,η,ω)位相θ′(ξ,η,ω)は変化が小さいと考えられ、それぞれをI′(ξ,η)、θ′(ξ,η)とし、アンテナ指向特性をA(ξ,η)とすると、任意の位置(x′,y′,z′)における伝搬路の周波数応答を次式で求めることができる。
【0013】
更に周波数帯域制限関数をB(ω)とすると、伝搬路の時間応答関数g(t)は次式で表すことができる。
g(t)=∫G(ω)・B(ω)・exp(jωt)dω
∫は制限されている周波数範囲の積分
この時間応答関数から、任意の位置(x′,y′,z′)における遅延平均τm 、遅延の標準偏差τrms はそれぞれ次式で求めることができる。
【0014】
τm =∫t・|g(t)|2 dt/∫|g(t)|2 dt …(12)
τrms =√{∫(t−τm )2 |g(t)|2 dt/∫|g(t)|2 dt}…(13)
電波ホログラム(干渉データ)H(x,y)を得るにはスペクトル領域ではなく、時間領域での積分により求めることもできる。その例を図3に、図1と対応する部分に同一符号を付けて示す。低域通過フィルタ29、31よりのベースバンド信号は乗算器64,65ヘ供給される。一方基準となる固定アンテナ15側の帯域通過フィルタ25の出力は、局部発振器28の出力を移相器66でπ/2ずらされたものと乗算器67で乗算され、その乗算出力は低域通過フィルタ68によりベースバンド信号が取出される。低域通過フィルタ31,68の各出力はそれぞれ乗算器64,65へ供給される。つまり帯域通過フィルタ25の出力は直交検波されるその検波出力の同相成分と、直交成分とが走査アンテナ14側のベースバンド信号と乗算器64,65で乗算される。乗算器64,65の各出力は積分器71,72で発振器34からのクロックによりサンプリングされ、時系列デジタル信号にされた後、それぞれ時間領域で積分され、実部Re 、虚部Im として演算部73へ供される。この例では図に示していない固定無線機よりの電波をアンテナ14,15で受信すると共に、前記固定無線機との通信用送受信機74によリ得られている受信電界強度|Sr |が演算部73へ供給される。演算部73ではRe +jIm =Sm ・Sr * を演算し、これを|Sr |で割算して、電波ホログラムH(x,y)を得る。またこの例では送受信機74が受信した特定のIDコードを検出した時に、乗算器64,65の各出力を積分器71,72へ供給するようにすることもできる。また送受信機74での受信電波の選択と対応して、局部発振器23の発振周波数を自動的に制御するようにされている。
【0015】
このようにすると、運用中の通信システムの電波を利用して、その電波の伝搬路の3次元空間の各部の遅延平均τm と遅延標準偏差τrms を求めることにより、ビルディングの設置、取壊しなどで電波環境が変化したことにもとずく通信品質の劣化などを評価することができる。
【0016】
【発明の効果】
以上述べたようにこの発明によれば、干渉データを観測し、その波源像を再生し、これを3次元空間の再配置し、ホログラム観測面から見ることができる任意の位置の各波源との距離に対応した減衰と遅延とを求めて遅延平均τm と遅延標準偏差τrms とを求めているため、各位置に受信機を移動させて測定する従来技術と比較して簡単かつ短時間に求めることができ、しかも特別な変調を必要とせず、狭帯域で測定して、短かい遅延も分離することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】干渉データを得るための構成例を示すブロック図。
【図2】この発明による方法の処理手順を示す図。
【図3】干渉データを得る他の構成例を示すブロック図。[0001]
[Industrial applications]
The present invention relates to a method for estimating the variance of a three-dimensional multipath delay wave generated by repeating reflection and diffraction of radio waves radiated from an antenna in wireless communication.
[0002]
[Prior art]
The delay dispersion is used for evaluating communication quality. For example, the maximum communicable bit rate is determined from the value of the delay dispersion. Conventionally, for example, in IEEE Transactions on Antenas and Propagation, Vol. 42, no. 10. Oct. , 1994, PP. 1369-1376, as shown in "A New Approach for Estimating Indoor Radio Propagation Characteristics", a radio wave obtained by modulating a PN code is transmitted, and a receiver provided at a position to be measured receives the transmission wave to measure. ing.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
Conventionally, a receiver is installed in each place to be evaluated and measurement is performed directly, so that the measurement operation is difficult and time-consuming. Since modulation is performed using the PN code, short delays cannot be separated unless the modulation frequency bandwidth is sufficiently widened, and measurement accuracy is poor.
[0004]
[Means for Solving the Problems]
According to the present invention, two-dimensional interference data of a wave is measured at at least two frequencies at a position where the primary wave source can be seen and the wave field space to be estimated can be seen, and a wave source image is formed using the measured two-dimensional interference data. Reconstructed, the propagation delay time of the reconstructed wave source image with respect to the primary wave source is obtained from the phase of the wave source, and each wave source is three-dimensionally determined using the reproduced wave source image, the propagation delay time, and the phase of the wave source observed at the frequency to be estimated. The delay time and the intensity attenuation corresponding to the distance from the reception point to be rearranged in the space to be evaluated to each of the rearranged wave sources are obtained, and a delay average value and a delay dispersion value are calculated.
[0005]
【Example】
Hereinafter, an embodiment in which the present invention is applied to estimation of three-dimensional delay dispersion of radio waves in a premises will be described. In this embodiment, two-dimensional interference data of an electromagnetic wave is measured at at least two frequencies at a position where the primary wave source can be seen and the electromagnetic field space to be estimated can be seen. For
Is performed to obtain interference data. x and y indicate each point of the rectangular coordinates on the
[0006]
H (x, y) means that the amplitude and phase of the received signal with respect to the received wave of the
It becomes. z is the distance from the
[0007]
The amplitude and phase of this I (ξ, η) when viewing each direction from the
Further, using the reproduced wave source image I (ξ, η) exp (jθ (ξ, η)), the propagation delay time D (ξ, η), and the phase of the wave source observed at the frequency 2πf = ω to be estimated. Each wave source is rearranged in a three-dimensional space. That is, the absolute coordinates of each wave source are given by the following equations.
[0008]
If γ (ξ, η) = D (ξ, η) · c,
X (ξ, η) = γ (ξ, η) · ξ · cos (sin −1 (η)) (4) Y (ξ, η) = γ (ξ, η) · η · cos (sin −1) (Ξ)) ... (5) Z (ξ, η) = √ (γ (ξ, η) 2 -X (ξ, η) 2 -Y (ξ, η) 2 … (6) The radiation intensity and phase are as follows.
[0009]
I ′ (ξ, η, ω) = γ (ξ, η) · I (・, η, ω) (7)
θ ′ (ξ, η, ω) = θ (ξ, η, ω) + 2πγ (ξ, η) f (8)
Equations (7) and (8) on each position in the three-dimensional space determined by the coordinates (ξ, η) of the reproduced image, that is, coordinates X, Y, and Z given by equations (4), (5), and (6) There will be a wave source given by
[0010]
Here, the delay average value τ m and the standard delay τ rms at an arbitrary position (x ′, y ′, z ′) in the three-dimensional space are calculated from the position (x ′, y ′, z ′) to each wave source. From the delay time γ ′ (ξ, η) / c and the intensity (I ′ (ξ, η, ω) / r (ξ, η)) 2 according to the distance γ ′ (ξ, η) of I get it.
[0011]
(Equation 1)
In equations (9) and (10), ΣΣ is an addition for each value of ξ and η, respectively.
In this way, the delay average τ m and the standard deviation τ rms of the delay at an arbitrary position (x ′, y ′, z ′) in the three-dimensional space viewed from the
[0012]
Normal radio wave communication is performed in a finite frequency band. Therefore, in the range of the finite band ω ± Δω, the intensity I ′ (位相, η, ω) and the phase θ ′ (波, η, ω) of each wave source are considered to have a small change. Assuming that θ ′ (ξ, η) and the antenna directivity characteristic is A (ξ, η), the frequency response of the propagation path at an arbitrary position (x ′, y ′, z ′) can be obtained by the following equation.
[0013]
Further, assuming that the frequency band limiting function is B (ω), the time response function g (t) of the propagation path can be expressed by the following equation.
g (t) = ∫G (ω) · B (ω) · exp (jωt) dω
∫ is the integral of the limited frequency range From this time response function, the average delay τ m and the standard deviation τ rms of the delay at an arbitrary position (x ′, y ′, z ′) can be obtained by the following equations. .
[0014]
τ m = ∫t · | g (t) | 2 dt / ∫ | g (t) | 2 dt (12)
τ rms = {(t−τ m ) 2 | g (t) | 2 dt / ∫ | g (t) | 2 dt} (13)
In order to obtain the radio wave hologram (interference data) H (x, y), it is also possible to obtain the radio wave hologram (integration data) in the time domain instead of the spectral domain. An example is shown in FIG. 3 by attaching the same reference numerals to parts corresponding to FIG. The baseband signals from the low-
[0015]
In this way, by using the radio wave of the operating communication system and obtaining the delay average τ m and the delay standard deviation τ rms of each part in the three-dimensional space of the propagation path of the radio wave, the building is installed, demolished, etc. Thus, it is possible to evaluate the deterioration of the communication quality based on the change in the radio wave environment.
[0016]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, interference data is observed, its wave source image is reproduced, and this is rearranged in a three-dimensional space. Since the delay average τ m and the delay standard deviation τ rms are obtained by calculating the attenuation and the delay corresponding to the distance, it is easier and faster than the conventional technology in which the receiver is moved to each position and measured. It can be determined, and requires no special modulation, and can be measured in a narrow band to isolate short delays.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration example for obtaining interference data.
FIG. 2 is a diagram showing a processing procedure of a method according to the present invention.
FIG. 3 is a block diagram showing another configuration example for obtaining interference data.
Claims (2)
上記測定した2次元干渉データを用いて波源像を再生し、
その再生波源像の上記一次波源に対する伝搬遅延時間をその波源の位相から求め、
上記再生波源像、上記伝搬遅延時間、推定したい周波数で観測された波源の位相を用いて各波源を3次元空間中に再配置し、
評価したい受信点から、上記再配置された各波源までの距離に応じた遅延時間と強度減衰量とを求め遅延平均値と遅延の標準偏差とを算出することを特徴とする3次元遅延分散推定方法。Measuring the two-dimensional interference data of the wave at at least two frequencies at a position where the primary wave source can be seen and the wave field space to be estimated can be seen;
A wave source image is reproduced using the measured two-dimensional interference data,
The propagation delay time of the reproduced wave source image with respect to the primary wave source is obtained from the phase of the wave source,
Using the reproduced wave source image, the propagation delay time, and the phase of the wave source observed at the frequency to be estimated, rearrange each wave source in a three-dimensional space,
3D delay variance estimation, wherein a delay time and an intensity attenuation amount according to a distance from a reception point to be evaluated to each of the rearranged wave sources are obtained, and a delay average value and a standard deviation of delay are calculated. Method.
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