JP3816499B2

JP3816499B2 - フェージングシミュレータ

Info

Publication number: JP3816499B2
Application number: JP2004113579A
Authority: JP
Inventors: 隆行外山; 郁雄平館; 哲朗今井; 信一市坪
Original assignee: NTT Docomo Inc; Matsushita Communication Industrial Co Ltd
Current assignee: NTT Docomo Inc; Panasonic Mobile Communications Co Ltd
Priority date: 2004-04-07
Filing date: 2004-04-07
Publication date: 2006-08-30
Anticipated expiration: 2024-04-07
Also published as: JP2005303474A

Description

本発明は、３次元モデルを用いて伝搬環境を模擬するフェージングシミュレータに関する。

フェージングシミュレータは、送信機と受信機との間にケーブルを接続して使用し、実際の通信環境の時空間特性を模擬的に作り出す装置である。このフェージングシミュレータにおいて、実際の通信環境をシミュレーションするときに重要になるのが伝搬モデルである。従来のフェージングシミュレータでは、一般化した伝搬モデル式を用いて距離に対する時間変動により受信レベル変動を生成し、統計的なモデルを使用してマルチパスの発生確率、各パスのレベルを決定している。そして、フェージングシミュレータ内で確率論的に伝搬チャネルを変化させることにより、時間の進行に伴ってフェージング状態を変化させている。なお、伝搬チャネルとは、電波が通る経路（パス）のことであり、複数の伝搬チャネルが互いにうち消し合ったり、足し合わさったりすることによりフェージング現象が起こる。

ところで、移動体通信の分野では、第三世代携帯電話サービスが始まり、収容数や加入者数に対するデータ伝送速度が大幅に改善された。これは、周波数拡散技術を用いたアクセス技術の導入により広帯域伝送時の時間軸を有効に利用できるようになったためである。

現在、次の段階として多重電波伝搬の空間軸を有効に利用するアレーアンテナやＭＩＭＯ（Multi-Input Multi-Output）等の複数のアンテナ素子を使用する技術を用いたシステム開発が盛んである。このようなシステムに対応するためには、時間に対する受信電力の変動だけではなく、各経路を正確に再現するために空間を表現する必要があるため、従来の時間ドメイン、受信電力ドメインの２つのドメインで表現するモデルでは機能的に不十分である。

そこで、電波の往来を立体的に表現することができ、実際の３次元地図から絶対的に伝搬チャネルを決定することができる３次元モデルを用いたフェージングシミュレータの開発が期待されている。
特開２００２−３３３４５９号公報

しかしながら、従来の２次元モデルを用いたシミュレーションのように、ガウスノイズ発生器で発生させたガウスノイズをドップラースペクトラムフィルタでフィルタリングする方法でレイリーフェージングを表現すると空間的な広がりを持たせることができない。

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、空間的な広がりを持ったレイリーフェージングを表現することができる３次元モデルを用いたフェージングシミュレータを提供することを目的とする。

かかる課題を解決するため、本発明は、伝搬モデル生成装置によって生成された３次元モデルのパラメータを用いて伝搬環境のシミュレーションを行うフェージングシミュレータであって、遅延時間のパラメータに基づいて遅延量を設定する手段と、受信電力のパラメータに基づいて到来電波に割り当てるパス数を設定する手段と、受信電力、位相及びドップラー周波数のパラメータに基づいて複素係数を設定する手段と、前記パス数に応じて分岐された入力信号を前記遅延量に基づいて遅延させるＦＩＦＯ型メモリーと、遅延後の各パスの入力信号に対して前記複素係数を乗算する複素乗算器と、を具備する構成を採る。

本発明によれば、受信電力のパラメータに基づいて各到来電波に割り当てるパス数を設定し、割り当てられた各パスの信号に対し、設定した角度広がりに応じた到来角度の重み付けを行い、速度及び進行方向に対する入射角度に応じた連続する複素係数を乗算することができるので、空間的な広がりを持ったレイリーフェージングを表現することができる。

本願発明者は、後述するレイトレーシング法により全ての電波の到来方向を知ることができ、複数のパスを用いて電波到来角度等に応じたそれぞれの到来角度の重み付けを行い、ドップラー周波数分だけ電波を周波数シフトさせることにより空間的な広がりを持ったレイリーフェージングを表現することができることに着目し、本発明をするに至った。

すなわち、本発明の骨子は、受信電力に基づいて各到来電波に割り当てるパス数を設定し、各パスの信号に対して到来角度の重み付けと速度に応じた所定の複素係数を乗算することである。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。

（実施の形態）
図１は、本発明の一実施の形態に係るフェージングシミュレータを含むシステム構成図である。

伝搬モデル生成装置１００は、空間モデルを生成し、空間モデルのパラメータをフェージングシミュレータ２００に出力する。フェージングシミュレータ２００は、空間モデルのパラメータを使用して実際の通信環境の時空間特性を模擬的に作り出し、移動機３００から出力された信号に空間マルチパスを付加してアレーアンテナを有する基地局４００に出力する。

次に、伝搬モデル生成装置１００の構成について、図２のブロック図を用いて説明する。伝搬モデル生成装置１００は、３次元地図データ生成部１０１と、伝搬環境構築部１０２と、チャネルインパルスレスポンス取得部１０３と、時空間プロファイル生成部１０４と、パラメータ算出部１０５とから主に構成される。

３次元地図データ生成部１０１は、実際のフィールドの地図・建物情報等の２次元の住宅地図データと標高メッシュデータとを用いて３次元の地図データを生成する。伝搬環境構築部１０２は、３次元の地図データと基地局データとを用いて基地局における伝搬環境を構築する。

チャネルインパルスレスポンス取得部１０３は、移動機の走行ルートのデータを入力し、伝搬環境構築部１０２にて構築された伝搬環境から、受信電界強度、遅延プロファイル等の推定パラメータと到来角度（Angle Of Arrival）、送信角度（Angle Of Departure）の推定を行い、当該基地局受信機のチャネルインパルスレスポンスを取得する。

時空間プロファイル生成部１０４は、移動機のスピードのデータを入力し、チャネルインパルスレスポンスと到来角度との合成により移動機の走行ルート上の基地局における時空間遅延プロファイルを生成する。

パラメータ算出部１０５は、時空間遅延プロファイルを用いて、基地局受信機に到達した素波（レイ）の各種パラメータ（受信電力、遅延時間、水平方向到来角度、垂直方向到来角度、ドップラー周波数）を取得し、フェージングシミュレータ２００に出力する。

次に、伝搬モデル生成装置１００における処理手順について説明する。

まず、伝搬モデル生成装置１００は、実際のフィールドの地図・建物情報を用いて、環境データ（３次元の都市データ）を作成する。なお、この環境データには、各障害物の材質毎に複素誘電率が設定される。

次に、伝搬モデル生成装置１００は、レイトレーシング法により、環境データを使って、受信電界強度、遅延プロファイル等の推定パラメータと到来角度、送信角度の推定を行い、当該基地局受信機のチャネルインパルスレスポンスを取得する。

なお、レイトレーシング法の代表的なものに、ラウンチング法（launching-method）とイメージ法（Imaging-method）がある。ラウンチング法は、電波の経路を探索するために送信機からΔθで素波（レイ）を離散的に放射し、障害物で反射、透過、回折を繰り返しながら受信機をトレースする方法である。イメージ法は、全ての送信機の虚像を作って電波の経路を探索する方法である。イメージ法は、厳密な探索ができる反面、障害物が増えると指数関数的に探索する経路の組み合わせが増えてしまうため、室内などの比較的狭いエリアを評価するモデルとして使われる。ラウンチング法は、離散角度の広がりによる障害物探索（トレース）の不確かさは増えるが、高速化の工夫がし易い。

レイトレーシング法では、受信電力が受信機の近傍に到着した全てのレイの総和で導出され、到着したレイの経路が明確なため遅延時間が経路長から導出される。これらの結果として、当該受信機のチャネルインパルスレスポンスを取得することができる。なお、電波の振る舞いの推定精度を決める最大のポイントは３次元地図データである。一般に３次元地図データを広範囲に作ることは困難であるが、発明者は、住宅地図から自動的に任意の地域を３次元化することができるソフトウェアを開発した。

次に、伝搬モデル生成装置１００は、チャネルインパルスレスポンスと到来角度との合成により移動機の走行ルート上の基地局における時空間遅延プロファイルを生成する。なお、時空間遅延プロファイルの集合がフェージングシミュレータの空間モデルとなる。

次に、伝搬モデル生成装置１００は、時空間遅延プロファイルを用いて、基地局受信機に到達した素波（レイ）の各種パラメータ（受信電力、遅延時間、水平方向到来角度、垂直方向到来角度、ドップラー周波数）を取得し、フェージングシミュレータ２００に出力する。

以上が、伝搬モデル生成装置１００における処理手順の説明である。

次に、フェージングシミュレータ２００の構成について、図３のブロック図を用いて説明する。フェージングシミュレータ２００は、位置情報記憶部２０１と、アンテナ素子数分の位相算出部２０２と、アンテナ素子数分のフェージング回路２０３と、から主に構成される。

位置情報記憶部２０１には、基地局のアンテナ素子の空間位置がユーザによって予め設定／記憶される。なお、位置情報記憶部２０１に記憶される各アンテナ素子の空間位置は、各アンテナ素子回路の位相のばらつきが補正されたものである。

位相算出部２０２は、伝搬モデル生成装置１００から出力された基準位相、水平方向到来角度、垂直方向到来角度の各パラメータと位置情報記憶部２０１に記憶されたアンテナ素子の空間位置から各アンテナ素子の位相を算出する。

フェージング回路２０３は、伝搬モデル生成装置１００から出力された受信電力、遅延時間、ドップラー周波数の各パラメータと、位相算出部２０２にて算出された各アンテナ素子の位相パラメータに基づいて、伝搬チャネルのフェージング状態を生成する。

以下、フェージング回路２０３の構成について図４を用いて説明する。図４は、１つのフェージング回路２０３の構成を示す図である。各フェージング回路２０３は、ＦＩＦＯ型メモリー３０１と、複素乗算器３０２と、ＤＳＰ３０３と、ガウスノイズ発生器３０４と、ドップラースペクトラムフィルタ３０５と、複素乗算器３０６と、合成器３０７とから主に構成される。

ＦＩＦＯ型メモリー３０１は、最大パス数Ｎだけ用意され、ＤＳＰ３０３により制御された遅延量だけ入力信号を遅延させる。複素乗算器３０２は、最大パス数Ｎだけ用意され、ＦＩＦＯ型メモリー３０１にて遅延された入力信号に対して、ＤＳＰ３０３により制御された複素係数を乗算する。

ＤＳＰ３０３は、遅延量設定部３１１と、パス数設定部３１２と、複素係数設定部３１３を備える。遅延量設定部３１１は、遅延時間のパラメータに応じてＦＩＦＯ型メモリー３０１の遅延量を設定する。パス数設定部３１２は、各電波の受信電力の大きさに基づいて、複数のパスを利用してレイリーフェージングを表現する電波（以下、「第１電波」という）とドップラースペクトラムフィルタ３０５でフィルタリングしてレイリーフェージングを表現する電波（以下、「第２電波」という）とを選別し、第１電波に割り当てるパス数を設定する。また、パス数設定部３１２は、第２電波について、最大ドップラー周波数をドップラースペクトラムフィルタ３０５に出力する。複素係数設定部３１３は、第１電波について、受信電力、位相及びドップラー周波数のパラメータに基づいて複素乗算器３０２の複素係数を設定する。なお、ＤＳＰ３０３における電波の選別処理の詳細については後述する。

ガウスノイズ発生器３０４は、ガウスノイズを発生させて、ドップラースペクトラムフィルタ３０５に出力する。ドップラースペクトラムフィルタ３０５は、最大ドップラー周波数に応じた広がりを持つように、ガウスノイズをフィルタリングする。

複素乗算器３０６は、最大パス数Ｎだけ用意され、各複素乗算器３０２の出力信号に、ドップラースペクトラムフィルタ３０５のフィルタリングによって得られた複素係数を乗算する。

合成器３０７は、各複素乗算器３０６の出力信号を合成する。これにより、移動機等からの入力信号をマルチパス化し、それぞれのパスに対して位相回転とレベル制御を行うことができ、実際の通信環境の時空間特性を模擬的に作り出すことができる。

次に、なお、ＤＳＰ３０３における電波の選別処理の詳細について、図５、図６を用いて具体的に説明する。図５は、シミュレートされた伝搬環境における到来電波の遅延プロファイルの一例を示す図である。なお、以下の説明では、フェージングシミュレータの最大パス数を３２個とする。

遅延プロファイルは、時間に対する受信電力の変動だけを示すものであるから、角度的に広がりをもたせる必要がある。そこで、ＤＳＰ３０３は、第１電波として受信電力が大きい順にｍ本の到来電波を選別し、選別した各第１電波にｎのパスを割り当てる。例えば、図５に示すように７つの到来波４０１〜４０７が存在する場合であって、ｍ＝３、ｎ＝８とすると、ＤＳＰ３０３は、受信電力が大きい順に上位３つまでの到来波４０１〜４０３にそれぞれ８個のパスを割り当てる。そして、ＤＳＰ３０３は、設定された到来角度広がりで分散するように、かつ、進行方向に対する入射角度と速度に応じた連続した位相回転を持つように各パスの複素係数を設定して複素乗算器３０２に出力する。この結果、到来波４０１〜４０３について、２４個のパスを用いて、空間的な広がりを持ったレイリーフェージングを表現することができる。また、ＤＳＰ３０３は、残りの到来波４０４〜４０７にはそれぞれ１個のパスを割当て、最大ドップラー周波数をドップラースペクトラムフィルタ３０５に出力する。この結果、到来波４０４〜４０７について、４個のパスを用いて、従来の統計的な処理によりレイリーフェージングを表現することができる。

図６は、フェージング回路２０３から出力された信号の時空間プロファイルを示す図である。図６に示すように、フェージング回路２０３の処理により、空間的な広がりを持ったレイリーフェージングを表現することができる。

このように、本実施の形態によれば、受信電力のパラメータに基づいて各到来電波に割り当てるパス数を設定し、割り当てられた各パスの信号に対し、設定した角度広がりに応じた到来角度の重み付けを行い、速度及び進行方向に対する入射角度に応じた連続する複素係数を乗算することができるので、空間的な広がりを持ったレイリーフェージングを表現することができる。さらに、受信電力が小さい電波について、従来の統計的な処理によりレイリーフェージングを表現し、組み合わせることで、より現実的な伝搬環境を再現することができる。

なお、本発明では、最大パス数Ｎ内において、ｍ、ｎを自由に設定することができる。

本発明は、空間再現能力により複数のアンテナ素子を使用する装置を用いて無線通信を行う移動体通信システムの開発に用いるに好適である。また、本発明は、地域特性の再現、任意の走行速度による伝搬環境の再現が可能であり、新しい移動体通信の開発に用いるに好適である。

本発明の一実施の形態に係るフェージングシミュレータを含むシステム構成を示す図上記実施の形態に係る伝搬モデル生成装置の構成を示すブロック図上記実施の形態に係るフェージングシミュレータの構成を示すブロック図上記実施の形態に係るフェージングシミュレータのフェージング回路の構成を示す図遅延プロファイルの一例を示す図遅延プロファイルの一例を示す図

符号の説明

１００伝搬モデル生成装置
１０１３次元地図データ生成部
１０２伝搬環境構築部
１０３チャネルインパルスレスポンス取得部
１０４時空間プロファイル生成部
１０５パラメータ算出部
２００フェージングシミュレータ
２０１位置情報記憶部
２０２位相算出部
２０３フェージング回路
３０１ＦＩＦＯ型メモリー
３０２、３０６複素乗算器
３０３ＤＳＰ
３０４ガウスノイズ発生器
３０５ドップラースペクトラムフィルタ
３０７合成器
３１１遅延量設定部
３１２パス数設定部
３１３複素係数設定部

Claims

伝搬モデル生成装置によって生成された３次元モデルのパラメータを用いて伝搬環境のシミュレーションを行うフェージングシミュレータであって、
遅延時間のパラメータに基づいて遅延量を設定する遅延量設定手段と、
受信電力のパラメータに基づいて到来電波に割り当てるパス数を設定するパス数設定手段と、
受信電力、位相及びドップラー周波数のパラメータに基づいて複素係数を設定する複素係数設定手段と、
前記パス数に応じて分岐された入力信号を前記遅延量に基づいて遅延させるＦＩＦＯ型メモリーと、
遅延後の各パスの入力信号に対して前記複素係数を乗算する複素乗算器と、を具備することを特徴とするフェージングシミュレータ。
３次元モデルを生成する伝搬モデル生成装置であって、
３次元地図データを用いて時空間プロファイルを生成する時空間プロファイル生成手段と、請求項１記載のフェージングシミュレータにて使用される伝搬チャネルを表すパラメータを前記時空間プロファイルを用いて算出するパラメータ算出手段と、を具備することを特徴とする伝搬モデル生成装置。
３次元地図データを用いて伝搬チャネルを決定し、伝搬チャネルを表すパラメータを算出する伝搬モデル生成装置と、
入力信号を到来電波毎に複数のパスに分岐させ、複数のパスを用いてドップラー周波数分だけ前記電波を周波数シフトさせ、前記パラメータを用いて前記入力信号に空間マルチパスを付加するフェージングシミュレータと、を具備することを特徴とするフェージングシミュレーションシステム。