JP3596785B2 - 電界強度計算装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電界強度を計算する電界強度計算装置に関する。特に本発明は、基地局のアンテナから電波を送信してサービスエリアを構成する移動通信において、各移動局の位置（受信位置）の電界強度を計算する電界強度計算装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
移動局が受信する電波の電界強度は、基地局アンテナと移動局アンテナとの間の伝搬損失値、および基地局アンテナの指向利得に依存する。
ここで基地局アンテナと移動局アンテナの間の伝搬損失値としては、実測値または計算値を用いる。この場合、基地局には無指向性のアンテナを用いても、指向性アンテナを用いてもよい。ただし、指向性アンテナを用いた場合は、アンテナ利得を差し引き、無指向性アンテナ相当の電界強度値を得る。なお、伝搬損失値の計算は、例えばＭ． Ｈａｔａ： “Ｅｍｐｒｉｃａｌ Ｆｏｒｍｕｌａ ｆｏｒ Ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ Ｌｏｓｓ ｉｎ Ｌａｎｄ Ｍｏｂｉｌｅ Ｒａｄｉｏ Ｓｅｒｖｉｃｅｓ”，ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ， Ｖｅｈ． Ｔｅｃｈｎｏｌ．， ＶＴ−２９， ３， ｐｐ． ３１７−３２５（１９８０）， 坂上久保井：“市街地構造を考慮した伝搬損の推定”、信学論Ｂ−ＩＩ， Ｊ７４−Ｂ−ＩＩ， １， ｐｐ．１７−２５（１９９１−１）等の方法により行うことができる。
【０００３】
次に基地局アンテナのアンテナ指向利得は、基地局に設けた実際のアンテナの指向特性から求める。図７に示すように、受信位置の近傍に建物がない場合は、移動局の位置によって電波が到達する方向が一意に決まる。そこで従来は、例えば
θ＝ｔａｎ−１（Ｈｂ／ｄ） （式１）
の垂直方向、および所定の水平方向でアンテナ利得を計算していた。ここで、Ｈｂは基地局のアンテナ高、ｄは基地局と移動局間の距離である。
【０００４】
しかし、図８に示すように受信位置近傍に建物があると、受信位置に到達する受信波は多重散乱波となる。このため受信位置の電界強度を求めるためには、受信位置に到達する各素波の伝搬損失値およびアンテナ利得を求め、各素波の電界強度を計算して合成する必要がある。しかし、受信位置には各素波が合成された電波が受信されるので、各素波の伝搬損失値を実測することができない。また各素波の伝搬損失値を各々計算することは困難である。
【０００５】
そこで従来は、基地局アンテナと移動局とを直線で結んだ方向に対応するアンテナ利得を求め、これを伝搬損失値に重畳して電界強度を求めていた。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、受信位置の近傍に建物がある場合は、受信位置に到達する電波の中で建物を回折する電波の電界強度が最も大きいことがある。例えば、建物の屋上や横側（脇）から回り込む電波が最大となる場合がある。そして、建物を回折する電波のアンテナ利得は、基地局アンテナと移動局とを直線で結んだ方向のアンテナ利得とは異なる。このため、従来の方法では、受信位置の電界強度を正しく計算することができない。
【０００７】
特に基地局アンテナの指向性が鋭い場合、方向がわずかに異なるだけでアンテナ利得が大きく変動する。このため電界強度の計算に与える影響が大きい。そこで本発明は、基地局アンテナに垂直面内指向性が鋭いアンテナを用いた場合でも、受信位置近傍の建物の高さに応じて、高い精度で電界強度を計算することができる電界強度計算装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成するために、請求項１に記載の電界強度計算装置は、基地局の第１のアンテナから送出された電波の所定の受信位置における電界強度を計算するために、第１のアンテナと同位置に設けた第２のアンテナから電波を送出した場合の前記受信位置における第２の電界強度を記憶する手段と、前記受信位置の近傍の所定の範囲の建物高さを取得する建物高さ取得手段と、当該建物高さ取得手段により取得した前記建物高さの上部への前記第１のアンテナからの垂直方向の見込み角を演算する手段と、当該見込み角における前記第１のアンテナのアンテナ指向性利得の前記第２のアンテナのアンテナ指向性利得に対する利得差を計算する利得差計算手段と、前記第２の電界強度を前記利得差により修正する手段とを備えた。
【０００９】
請求項２に記載の電界強度計算装置は、前記建物高さ取得手段が、前記第１のアンテナによる通信エリア内の各建物の高さを当該建物の位置に対応づけて各々記憶する建物データ格納手段と、前記受信位置の近傍の所定の広さを前記所定の範囲として選択する手段と、前記建物データ格納手段から読み出した前記所定の範囲内の建物の高さの平均値を前記建物高さとして演算する手段とを有する。
【００１０】
請求項３に記載の電界強度計算装置は、前記第２のアンテナが無指向性アンテナであり、前記利得差計算手段が、前記第１のアンテナの、垂直面内の各指向方向におけるアンテナ利得を前記各指向方向に対応づける垂直面内指向性テーブルを格納する格納手段と、前記見込み角における前記第１のアンテナのアンテナ利得を前記格納手段に格納した前記垂直面内指向性テーブルから読み出す読み出し手段と、当該読み出し手段により読み出した前記第１のアンテナのアンテナ利得の、前記第２のアンテナのアンテナ利得に対する利得差を計算する計算手段とを有する。
【００１１】
（作用）
請求項１に記載の電界強度計算装置は、第２のアンテナから電波を送出した場合の電界強度を記憶している。この電界強度を基準として第１のアンテナから電波を出力した場合の電界強度を計算する。より具体的には、まず受信位置を基準とする基地局側の所定の範囲の建物高さを取得する。次に、この建物高さの上部への見込み角における、第１のアンテナのアンテナ指向性利得の第２のアンテナのアンテナ指向性利得に対する利得差を計算する。この利得差により、既に記憶してある電界強度を修正する。
【００１２】
記憶手段に記憶した第２のアンテナによる電界強度を用いることにより、第１のアンテナによる電界強度を高速に計算することができる。また建物高さの上部への見込み角における利得差により電界強度を修正するので、受信位置の近傍に高い建物がある場合でも、正確に電界強度を計算することができる。
【００１３】
請求項２に記載の電界強度計算装置は、第１のアンテナによる通信エリア内の各建物の高さを建物の位置に対応づけて各々記憶し、受信位置を基準とする所定の広さの範囲内の各建物の高さの平均値を演算して建物高さとする。各建物の高さをそれぞれ記憶しているので、各受信位置を基準とする建物の高さの平均値をそれぞれ記憶する場合と比較して、建物高さの変更を容易に行うことができる。
【００１４】
請求項３に記載の電界強度計算装置は、第１のアンテナの垂直面内の各指向方向におけるアンテナ利得を各指向方向に対応づける垂直面内指向性テーブルを格納している。また、建物高さの上部への見込み角における第１のアンテナのアンテナ利得を垂直面内指向性テーブルから読み出し、読み出したアンテナ利得の、第２のアンテナのアンテナ利得に対する利得差を計算して第１のアンテナによる電界強度を修正する。このため、第１のアンテナを変更した場合であっても、垂直面内指向性テーブルを変更するのみで、第１のアンテナによる電界強度を容易に計算することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。
図１に、本発明の実施例における電界強度計算装置の構成を示す。図１において、ＣＰＵ１２は、本電界強度計算装置全体の制御および電界強度の計算を行う。ＲＯＭ１４は、ＣＰＵ１２が実行するプログラムを格納している。ＲＡＭ１６には、ハードディスク（ＨＤ）２２から読み出した基地局アンテナの垂直面内指向性テーブル１７が格納される。垂直面内指向性テーブル１７は、基地局で使用するアンテナの、垂直面内の各指向方向と各指向方向におけるアンテナ利得とを対応づけるテーブルであり、指向方向からアンテナ利得を検索することができる。
【００１６】
ＣＰＵ１２が計算した電界強度は、表示装置１８に表示され、また出力装置２０に出力される。操作部２４は操作者からの入力を行う。入出力制御装置（Ｉ／Ｏ）２６は、ＣＤ−ＲＯＭ駆動装置２８から建物データ２９を入力し、更にＦＤ駆動装置３０から各エリアにおける電界強度測定値３１を入力する。電界強度測定値３１は無指向性のアンテナを用いて（もしくは、指向性アンテナの測定値からアンテナ利得を差し引くことによって）測定した電界強度であり、予めＦＤに格納してある。但し、他の実施例としては無指向性のアンテナを用いた場合の電界強度を計算で求めてＦＤに格納しておいても良い。建物データ２９には、通信エリア内の各建物の高さが、水平面内のＸおよびＹ方向の位置に対応づけて格納されている。各建物のＸ、Ｙ方向の位置は、例えば航空写真、住宅地図等をもとに取得しても良い。
【００１７】
図２に、本実施例におけるＣＰＵ１２の動作を示す。ＣＰＵ１２は、電界強度を計算する位置（Ｘ，Ｙ）から基地局側の、所定の広さ（Ｘ１、Ｙ１）の範囲を選択する。所定の広さ（Ｘ１、Ｙ１）は予めＲＯＭ１４またはＨＤ２２に格納してある。但し他の実施例としては、所定の広さ（Ｘ１、Ｙ１）を操作部２４から入力しても良い。次に選択した範囲内の建物高さｆ（ｈ）を計算する。建物高さｆ（ｈ）は、位置（Ｘ，Ｙ）の関数として与えられる。一例として建物高さｆ（ｈ）を選択した範囲内の各建物の高さの平均値とすると、建物高さｆ（ｈ）は次式で与えられる。

【００１８】
ここで、Ｎは移動局の位置（受信位置）に応じて選択した範囲の建物の総数、ｈｉは各建物の高さである。ＣＰＵ１２は、各受信位置の建物高さｆ（ｈ）を計算してＨＤ２２の建物高さファイル２３に格納する（Ｓ１０）。
次にＣＰＵ１２は、一つの受信位置を選択して基地局からの距離ｄを求める。また、選択した受信位置の建物高さｆ（ｈ）をＨＤ２２の建物高さファイル２３から読み出す。次に次式により基地局からみた受信位置の垂直方向の見込み角θを算出する（Ｓ２０）。
θ＝ｔａｎ−１（（Ｈｂ−ｆ（ｈ））／ｄ） （式３）
次にＲＡＭ１６に格納した垂直面内指向性テーブル１７を用いて、見込み角θから基地局の実際の指向性アンテナのアンテナ利得を計算する（Ｓ３０）。
【００１９】
図３に、移動局Ｐの基地局側の近傍に無限の幅を持つ建物が存在するモデルを示す。このモデルでは、移動局Ｐには建物で回折される素波Ａと、建物を透過する素波Ｂが到達する。素波Ａが支配的で素波Ｂは十分に減衰している。素波Ａの方向のアンテナ利得をＧ１、 素波Ｂの方向のアンテナ利得をＧ２とすると、受信位置Ｐの電界強度は、素波Ａの電搬損失値に利得Ｇ１を重畳して得られた電界強度と、素波Ｂの伝搬損失値に利得Ｇ２を重畳して得られた電界強度を合成した電界強度となる。しかしながら素波Ｂの伝搬損失値は大きいので、このモデルでは、受信位置の電界強度は素波Ａの電界強度で近似することができる。
【００２０】
従来は、素波Ｂの方向、即ち実際の基地局アンテナから移動局アンテナを見た方向のアンテナ利得Ｇ２を、伝搬損失値に重畳して電界強度を計算していた。しかしこのモデルでは素波Ａが支配的であり素波Ｂは無視できる。従って従来の方法では、素波Ａの伝搬損失値に素波Ｂのアンテナ利得Ｇ２を重畳することになり、電界強度を正確に求めることができない。
【００２１】
本実施例では、式（３）に示したように、実際の基地局アンテナからの見込み角が受信位置近傍の建物高さｆ（ｈ）の上部に対する見込み角となる。このためアンテナ利得を計算する方向が、素波Ａの方向と一致し、アンテナ利得Ｇ１が得られる。次にＣＰＵ１２は、伝搬損失値にアンテナ利得を重畳することにより電界強度を計算する（Ｓ４０）。素波Ａの伝搬損失値に素波Ａのアンテナ利得Ｇ１を重畳することにより、高い精度で電界強度を計算することができる。
【００２２】
最後にＣＰＵ１２は、全ての受信位置の電界強度を計算したか否かを判断し、計算していなければＳ２０に戻る（Ｓ５０）。
図４に、無指向性アンテナのアンテナ利得を示す。本実施例では、伝搬損失値は基地局に無指向性アンテナを設けて測定する。受信位置には代表的にはＡ、 Ｂ、および Ｃの３つの素波が到達し、各素波の合成波の伝搬損失値が測定される。しかし素波Ｂおよび Ｃは十分に減衰しているので、実測値は概ね素波Ａの伝搬損失値に等しくなる。
【００２３】
図５に、実際の指向性アンテナの垂直方向のアンテナ指向利得を示す。受信位置に到達する素波Ａ、 Ｂ、および Ｃの内で素波Ｂおよび Ｃは十分に減衰するので、受信位置の電界強度は素波Ａによる電界強度に概ね等しくなる。従来は、実測した伝搬損失値に素波Ｂの方向のアンテナ利得を加算して、基地局に指向性アンテナを用いたときの電界強度を計算していたので、電界強度を正しく計算することができなかった。本実施例では、ＣＤ−ＲＯＭ記録媒体に格納した建物データに基づいて、受信位置の周辺の建物高さｆ（ｈ）を求め、建物高さｆ（ｈ）に基づいて実際のアンテナ指向利得を計算するので、素波Ａのアンテナ利得を得ることができる。本発明では、予めに格納した伝搬損失値に素波Ａの方向のアンテナ利得を加算するので、電界強度を正確に計算することができる。
【００２４】
図６に、指向性が鋭いアンテナのアンテナ指向利得の例を示す。図６から明らかなように、指向性が鋭いアンテナの利得は方向がわずかに変わるだけで大きく変化する。本発明によれば、このようなアンテナを基地局に用いた場合でも高い精度で電界強度を計算することができる。
【００２５】
以上のように、本発明は、受信点で支配的となる素波のアンテナ利得に着目しているが、その素波は必ずしも建物屋上からのものとは限らない。支配的となる素波のアンテナ利得を、建物高さの関数として求めるようにしたもので、この建物高さの演算の仕方によって、多様な「支配的となる素波」に対応できるものである。上述した実施例においては、分かり易いように、建物屋上からの回析波が支配的となる場合を示したが、本発明はこれに限定されるものではない。
また、建物高さを取得する範囲は、受信点近傍のエリアであり、受信点から見て基地局側のエリアに限定することはない。これは、建物による回析によって、基地局とは反対の方向から受信点に回り込む電波もあるためである。
【００２６】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、建物高さの上部への見込み角における利得差を用いて電界強度を計算するので、受信位置の近傍に高い建物がある場合でも、正確に電界強度を計算することができる。また、各建物の高さをそれぞれ記憶しておくことにより、各受信位置を基準とする建物の高さの平均値をそれぞれ記憶する場合と比較して、建物高さの変更を容易に行うことができる。このため、建物の高さが変更された場合でも、新たな電界強度を容易に計算することができる。
【００２７】
更に本発明によれば、各指向方向のアンテナ利得を各指向方向に対応づける垂直面内指向性テーブル１７を予め格納し、建物高さの上部への見込み角におけるアンテナ利得を垂直面内指向性テーブルから読み出して電界強度を計算するので、基地局のアンテナを変更した場合であっても、垂直面内指向性テーブル１７を変更するのみで電界強度を容易に計算することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施形態における電界強度測定装置の構成を示すブロック図である。
【図２】ＣＰＵ１２の動作を示すフローチャートである。
【図３】移動局Ｐの基地局側の近傍に無限の幅を持つ建物が存在するモデルを示す説明図である。
【図４】無指向性アンテナを用いて伝搬損失値を測定するモデルを示す説明図である。
【図５】指向性アンテナを用いて伝搬損失値を測定するモデルを示す説明図である。
【図６】指向性が鋭いアンテナのアンテナ指向利得を示す説明図である。
【図７】指向性アンテナの、垂直方向のアンテナ指向利得を示す説明図である。
【図８】移動局に到達する各種素波を示す説明図である。
【符号の説明】
１２ ＣＰＵ
１４ ＲＯＭ
１６ ＲＡＭ
１７ 垂直面内指向性テーブル
１８ 表示装置
２０ 出力装置
２２ ＨＤ
２３ 建物高さファイル
２４ 操作部
２６ Ｉ／Ｏ
２８ ＣＤ−ＲＯＭ駆動装置
２９ 建物データ
３０ ＦＤ駆動装置
３１ 電界強度測定値

Claims (3)

1. 基地局の第１のアンテナから送出された電波の、所定の受信位置における電界強度を計算する電界強度計算装置であって、前記第１のアンテナと同位置に設けた第２のアンテナから電波を送出した場合の、前記受信位置における第２の電界強度を記憶する記憶手段と、前記受信位置を基準とする所定の範囲の建物高さを取得する建物高さ取得手段と、当該建物高さ取得手段により取得した前記建物高さの上部への、前記第１のアンテナからの垂直方向の見込み角を演算する手段と、当該見込み角における、前記第１のアンテナのアンテナ利得の前記第２のアンテナのアンテナ利得に対する利得差を計算する利得差計算手段と、前記第２の電界強度を前記利得差により修正する手段と、を備えたことを特徴とする電界強度計算装置。
2. 前記建物高さ取得手段が、
   前記第１のアンテナによる通信エリア内の各建物の高さを当該建物の位置に対応づけて各々記憶する建物データ格納手段と、
   前記受信位置を基準とする所定の広さを前記所定の範囲として選択する手段と、
   前記建物データ格納手段から読み出した前記所定の範囲内の建物の高さの平均値を前記建物高さとして演算する手段と
   を有することを特徴とする請求項１に記載の電界強度計算装置。
3. 前記第２のアンテナが無指向性アンテナであり、前記利得差計算手段が、
   前記第１のアンテナの垂直面内の各指向方向におけるアンテナ利得を、前記各指向方向に対応づける垂直面内指向性テーブルを格納する格納手段と、
   前記見込み角における前記第１のアンテナのアンテナ利得を、前記格納手段に格納した前記垂直面内指向性テーブルから読み出す読み出し手段と、
   当該読み出し手段により読み出した前記第１のアンテナのアンテナ利得の、前記第２のアンテナのアンテナ利得に対する利得差を計算する計算手段と、
   を有することを特徴とする請求項２に記載の電界強度計算装置。

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