JP3854973B2 - Fading simulator - Google Patents
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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。 The present invention relates to a fading simulator that simulates a propagation environment using a three-dimensional model.
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。 The fading simulator is a device that creates a spatio-temporal characteristic of an actual communication environment by using a cable connected between a transmitter and a receiver. In this fading simulator, a propagation model is important when simulating an actual communication environment. In a conventional fading simulator, a generalized propagation model equation is used to generate reception level fluctuations due to time fluctuations with respect to distance, and a statistical model is used to determine the occurrence probability of multipaths and the level of each path. . Then, by changing the propagation channel stochastically in the fading simulator, the fading state is changed with the progress of time. The propagation channel is a path through which radio waves pass, and a fading phenomenon occurs when a plurality of propagation channels are erased from each other or added together.
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。 By the way, in the field of mobile communications, the third generation mobile phone service has begun, and the data transmission speed with respect to the number of accommodations and the number of subscribers has been greatly improved. This is because the time axis at the time of broadband transmission can be effectively used by introducing the access technology using the frequency spread technology.
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。 Currently, as a next step, system development using a technique that uses a plurality of antenna elements such as an array antenna and MIMO (Multi-Input Multi-Output) that make effective use of the spatial axis of multiple radio wave propagation is in progress. In order to cope with such a system, it is necessary not only to change the received power with respect to time but also to represent a space in order to accurately reproduce each path. The domain representation model is not functional enough.
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。
しかしながら、2次元モデルを用いたシミュレーションの考え方をそのまま3次元モデルに転用すると、伝搬モデル生成装置からフェージングシミュレータに各アンテナ素子のパラメータを全て転送することになるため、装置間で転送されるデータ量(通信トラフィック)が膨大になり、高速逐次転送に支障をきたしてしまう。 However, if the simulation concept using a two-dimensional model is directly converted to a three-dimensional model, all parameters of each antenna element are transferred from the propagation model generation device to the fading simulator, so the amount of data transferred between the devices (Communication traffic) becomes enormous, which hinders high-speed sequential transfer.
本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、少ない通信トラフィックで3次元モデルによる伝搬環境のシミュレーションを行うことができる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。 The present invention has been made in view of this point, and an object of the present invention is to provide a fading simulator capable of simulating a propagation environment using a three-dimensional model with less communication traffic.
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、基地局のアンテナ素子の空間位置を記憶する位相情報記憶手段と、前記伝搬モデル生成装置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前記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位相算出手段と、前記伝搬モデル生成装置から出力された受信電力、遅延時間のパラメータと前記各アンテナ素子の位相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フェージング生成手段と、を具備する構成を採る。 In order to solve such a problem, the present invention is a fading simulator that simulates a propagation environment using parameters of a three-dimensional model generated by a propagation model generation device, and stores a spatial position of an antenna element of a base station Phase information storage means; phase calculation means for calculating the phase of each antenna element from the reference phase, horizontal direction arrival angle, vertical direction arrival angle parameter output from the propagation model generation device and the spatial position of the antenna element; And a fading generation means for generating a fading state of the propagation channel based on the received power and delay time parameters output from the propagation model generation device and the phase of each antenna element.
本発明によれば、空間モデルのパラメータを全アンテナ素子共通とし、各アンテナ素子の空間位置と電波の水平/垂直方向到来角度から各アンテナ素子の位相を算出することができるので、アンテナ素子の数に拠らず、少ない通信トラフィックで3次元モデルを用いたシミュレーションを行うことができる。また、プログラムの変更無しに、ハードウェアを追加するだけで、アンテナ素子数の拡張を行うことができる。 According to the present invention, the parameters of the spatial model are common to all antenna elements, and the phase of each antenna element can be calculated from the spatial position of each antenna element and the horizontal / vertical arrival angle of radio waves. The simulation using the three-dimensional model can be performed with less communication traffic. Also, the number of antenna elements can be expanded by adding hardware without changing the program.
本願発明者は、3次元モデル(空間モデル)のパラメータのうち、受信電力、遅延時間、電波の水平/垂直方向到来角度は、各アンテナ素子で共通とすることができ、位相のみが各アンテナ素子で異なること、及び、各アンテナ素子の位相は電波の水平/垂直方向到来角度と各アンテナ素子固有の位置により決定付けられることに着目し、本発明をするに至った。 The inventor of the present application can set the received power, delay time, and horizontal / vertical arrival angle of radio waves among the parameters of the three-dimensional model (spatial model) common to each antenna element, and only the phase of each antenna element In particular, the present inventors have made the present invention by paying attention to the difference between the antenna elements and the phase of each antenna element determined by the arrival angle of the radio wave in the horizontal / vertical direction and the position unique to each antenna element.
すなわち、本発明の骨子は、空間モデルのパラメータ(受信電力、基準位相、遅延時間、水平方向到来角度、垂直方向到来角度)を全アンテナ素子共通とし、各アンテナ素子の空間位置と電波の水平/垂直方向到来角度から各アンテナ素子の位相を算出することである。なお、基準位相とは、所定の1本のアンテナ素子の位相である。 That is, the essence of the present invention is that the parameters of the spatial model (reception power, reference phase, delay time, horizontal arrival angle, vertical arrival angle) are common to all antenna elements, and the spatial position of each antenna element and the horizontal / The phase of each antenna element is calculated from the angle of arrival in the vertical direction. The reference phase is the phase of a predetermined single antenna element.
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。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
(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。
(Embodiment)
FIG. 1 is a system configuration diagram including a fading simulator according to an embodiment of the present invention.
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。
Propagation
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。
Next, the configuration of the propagation
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。
The three-dimensional map
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。
The channel impulse
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。
The spatio-temporal
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)を取得し、フェージングシミュレータ200に出力する。
The
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。
Next, a processing procedure in the propagation
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。
First, the propagation
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。
Next, the propagation
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。 Representative ray tracing methods include a launching method (launching-method) and an image method (Imaging-method). The launching method is a method in which a wave (ray) is discretely emitted from a transmitter at Δθ to search for a radio wave path, and the receiver is traced while repeating reflection, transmission, and diffraction by an obstacle. The image method is a method of searching radio wave paths by creating virtual images of all transmitters. The image method can be used as a model for evaluating a relatively narrow area such as a room because the number of obstacles increases, but the number of combinations of paths searched exponentially increases as obstacles increase. The launching method increases the uncertainty of obstacle search (trace) due to the spread of discrete angles, but it is easy to devise speedup.
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。 In the ray tracing method, the received power is derived as the sum of all the rays that have arrived in the vicinity of the receiver, and the delay time is derived from the route length because the route of the arrived ray is clear. As a result of these, the channel impulse response of the receiver can be acquired. The maximum point that determines the estimation accuracy of the behavior of radio waves is 3D map data. In general, it is difficult to create a wide range of 3D map data, but the inventor has developed software that can automatically convert any area to a 3D from a house map.
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。
Next, propagation
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)を取得し、フェージングシミュレータ200に出力する。
Next, the propagation
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。
The above is the description of the processing procedure in the propagation
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。
Next, the configuration of
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。
In the position
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。
The
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。具体的には、フェージング回路203は、伝搬モデル生成装置100から出力された遅延時間に応じて入力信号を遅延させる。また、フェージング回路203は、受信電力、位相のパラメータを用いて複素係数を設定し、遅延後の入力信号に複素係数を乗算する。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。
The
このように、本実施の形態によれば、空間モデルのパラメータを全アンテナ素子共通とし、各アンテナ素子の空間位置と電波の水平/垂直方向到来角度から各アンテナ素子の位相を算出することにより、アンテナ素子の数に拠らず、少ない通信トラフィックで3次元モデルを用いたシミュレーションを行うことができる。また、プログラムの変更無しに、ハードウェアを追加するだけで、アンテナ素子数の拡張を行うことができる。 Thus, according to this embodiment, the parameters of the spatial model are common to all antenna elements, and by calculating the phase of each antenna element from the spatial position of each antenna element and the horizontal / vertical arrival angle of radio waves, A simulation using a three-dimensional model can be performed with less communication traffic regardless of the number of antenna elements. Also, the number of antenna elements can be expanded by adding hardware without changing the program.
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。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention is suitable for use in the development of a mobile communication system that performs wireless communication using an apparatus that uses a plurality of antenna elements due to space reproduction capability. Further, the present invention can reproduce regional characteristics and propagation environment at an arbitrary traveling speed, and is suitable for use in the development of new mobile communications.
100 伝搬モデル生成装置
101 3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
DESCRIPTION OF
Claims (2)
基地局のアンテナ素子の空間位置を記憶する位置情報記憶手段と、
全アンテナ素子に共通の、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を前記伝搬モデル生成装置から入力し、前記基準位相、水平方向到来角度、垂直方向到来角度の各パラメータと前記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位相算出手段と、
アンテナ素子毎の受信電力、遅延時間の各パラメータを前記伝搬モデル生成装置から入力し、前記受信電力、遅延時間の各パラメータと前記各アンテナ素子の位相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フェージング生成手段と、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。 A fading simulator for simulating a propagation environment using parameters of a three-dimensional model generated by a propagation model generation device,
Position information storage means for storing the spatial position of the antenna element of the base station;
The reference phase, horizontal arrival angle, and vertical arrival angle parameters common to all antenna elements are input from the propagation model generation device, and the reference phase, horizontal arrival angle, vertical arrival angle parameters, and the Phase calculating means for calculating the phase of each antenna element from the spatial position of the antenna element;
Each parameter of received power and delay time for each antenna element is input from the propagation model generation device , and fading for generating a fading state of a propagation channel based on each parameter of the received power and delay time and the phase of each antenna element. A fading simulator comprising: a generating means;
前記基準位相、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し、前記受信電力、遅延時間の各パラメータと前記各アンテナ素子の位相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。 The propagation channel is determined using the three-dimensional map data, and the received power for each antenna element representing the propagation channel, the delay time, and the parameters of the reference phase, the horizontal arrival angle, and the vertical arrival angle common to all antenna elements A propagation model generation device for calculating
The reference phase, the horizontal angle of arrival, to calculate the phase of each antenna element from the spatial position of the respective parameters and the antenna element in the vertical direction angle of arrival, based on the received power, the each parameter of the delay time-phase of each antenna element And a fading simulator for generating a fading state of the propagation channel.
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