JP4075663B2 - 電波伝搬特性推定システム及びその方法並びにプログラム - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は電波伝搬特性推定システム及びその方法並びにプログラムに関し、特に送信点より放射される電波を複数の電波線（レイ）に近似し前記複数のレイの経路を追跡して受信点に到達するレイを検出するレイトレーシング手法による電波伝搬特性推定によって周波数伝達関数を求める電波伝搬特性推定システムの改良に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
極短パルスを変調をかけずにそのままアンテナから放出するＵＷＢ(Ultra Wide Band) 通信方式は、ミキサ等の非線形回路が不要であるなどの特徴から、低コストな近距離高速無線通信方式として着目されている。パルス波形、アンテナ指向性、送信パワー等の最適設計に際しては、実電波伝搬環境の正確な把握、すなわちチャネル推定が不可欠である。近距離通信のためのチャネル推定法としては、幾何光学近似による電波伝搬解析手法、いわゆるレイトレーシング法が一般的である（例えば、非特許文献１参照）。
【０００３】
レイトレーシング法では、送信点から放射される電波をレイと呼ばれる電波線に分解し、各レイの伝搬経路を反射、透過、回折により模擬し、各受信点に到達するレイ（各受信点近傍を通過するレイ）を検出することで目的とする電波伝搬特性の推定を行う。このとき、送信点から放射される電波はコヒーレント波（以下、ＣＷと称す）である。反射係数、透過係数及び回折係数は、ＣＷの設定周波数（中心周波数）並びにレイの入射角に応じてしかるべき値が設定される。
【０００４】
レイトレーシング法について図面を用いて説明する。図９は所定の観測領域（観測空間）内に送信点Ｔ１、受信点Ｒ１、構造物Ｏ１〜Ｏ３とが与えられた場合のレイトレーシングについて説明するための図である。
【０００５】
図９において、送信点Ｔ１から放射されたレイＲａ１はまず構造物Ｏ１へ入射する。反射点Ｒｆ１において反射レイＲａ２と透過レイＲａ３が発生し、それぞれのレイは各方向へさらに伝搬する。このとき反射点Ｒｆ１における反射レイＲａ２の電力ｐｒ１は、送信点Ｔ１から放射された電力に反射係数並びに送信点Ｔ１から反射点Ｒｆ１に至る伝搬経路による空間減衰量を乗じることにより与える。
【０００６】
さらに、反射レイＲａ２はエッジ構造物Ｏ２のエッジＲｆ２へ到達し、エッジＲｆ２にて回折レイＲａ４が発生する。エッジＲｆ２における回折レイＲａ４の電力ｐｒ２は、電力ｐｒ１に回折係数並びに反射点Ｒｆ１からエッジＲｆ２に至る伝搬経路による空間減衰量を乗じることで与えられる。
【０００７】
回折レイＲａ４はさらに構造物Ｏ３へと入射し、透過レイＲａ６と反射レイＲａ５が生成される。透過点Ｒｆ３における透過レイＲａ６の電力ｐｒ３は、電力ｐｒ２に透過係数並びにエッジＲｆ２から透過点Ｒｆ３に至る伝搬経路による空間減衰量を乗じることで与えられる。
【０００８】
透過レイＲａ６は受信点Ｒ１へ到達し、受信点Ｒ１における受信電力ｐｒ４は透過点Ｒｆ３から受信点Ｒ１に至る伝搬経路による空間減衰量を電力ｐｒ３に乗じることで与えられる。
【０００９】
受信点Ｒ１に到達したレイＲａ６に対して、その受信強度ｐｒ４並びに送信点Ｔ１から受信点Ｒ１に至る総伝搬経路長により規定される到来遅延時間を基に図１０に示すような遅延プロファイルが記録される。図１０において、横軸１０１はレイが送信点Ｔ１から受信点Ｒ１に到達するのに要した到来遅延時間を、縦軸１０２は受信強度を示している。
【００１０】
同様に、互いに異なる経路を通って送信点Ｔ１から受信点Ｒ１に到達する他の全てのレイについてもその到来遅延時間並びに受信強度を記録することで、最終的には、図１１に示すような遅延プロファイルが得られる。図１０において、横軸１１１は各レイが送信点Ｔ１から受信点Ｒ１に到達するのに要した到来遅延時間を、縦軸１０２は受信強度を示している。
【００１１】
図９〜１１では、受信点に到来するレイの受信強度のみを記録したが、キャリアの位相回転についても考慮可能である。位相を考慮する場合には、図９のｐｒ１〜ｐｒ４は電力ではなく電磁界振幅となり、その値は複素数で与えられる。この場合、反射係数、透過係数及び回折係数もそれぞれ複素数で与えられる。
【００１２】
図９〜１１を用いて説明したレイトレーシング法では、位相を考慮することにより受信点での複素インパルス応答が取得される。位相を考慮して得られた受信点での複素インパルス応答をフーリエ変換することにより、当該受信点での周波数伝達関数を得ることが可能となる。図１２には、レイトレーシングによりある受信点に対して得られた複素インパルス応答をフーリエ変換した結果である周波数伝達関数が示されている。図１２に示したように、送信点から放射されるＣＷの周波数ｆを中心とし、周波数の正負両方向に無限に広がった周波数特性が得られる。
【００１３】
【非特許文献１】
S. Y. Seidel and T. S. Rappaport, “Site-Specific Propagation Prediction for Wireless In-Building Personal Communication System Design, ” IEEE Trans VehTechnol, 43, 4, pp.879-891, 1994
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
レイトレーシングで用いられる反射係数、透過係数、回折係数及び空間減衰量は、周波数依存性を持つ。したがって、レイトレーシングにより得られる図１２に例示した周波数伝達関数は、周波数が送信点から放射されるＣＷの設定周波数ｆから離れるほど関数の値が不正確なものとなる。すなわち、レイトレーシング法は広い占有周波数帯域幅を有する通信方式、例えばＵＷＢ通信方式等を対象とした電波伝搬特性推定には不向きであった。
【００１５】
本発明の目的は、レイトレーシングを用いて広い占有周波数帯域幅を有する通信方式に適合した電波伝搬特性推定を行なうことができる電波伝搬特性推定システム及びその方法並びにプログラムを提供することである。
さらに、本発明の目的は、上記電波伝搬特性推定の演算処理量を削減することができる電波伝搬特性推定システム及びその方法並びにプログラムを提供することである。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明による電波伝搬特性推定システムは、送信点より放射される電波を複数の電波線（レイ）に近似し前記複数のレイの経路を追跡して受信点に到達するレイを検出するレイトレーシング手法による電波伝搬特性推定によって周波数伝達関数を求める電波伝搬特性推定システムであって、所望の無線通信システムの無線信号スペクトルを複数の帯域に分割し、これら複数の帯域それぞれの所定周波数の各々を前記送信点より放射される電波の周波数として、前記電波伝搬特性推定によって前記所定周波数の各々毎に周波数伝達関数を求める第１の手段と、前記第１の手段により求められた周波数伝達関数を基に前記無線通信システムにおける電波伝搬特性を求める第２の手段とを含むことを特徴とする。
【００１７】
本発明による電波伝搬特性推定方法は、送信点より放射される電波を複数の電波線（レイ）に近似し前記複数のレイの経路を追跡して受信点に到達するレイを検出するレイトレーシング手法による電波伝搬特性推定によって周波数伝達関数を求める電波伝搬特性推定方法であって、所望の無線通信システムの無線信号スペクトルを複数の帯域に分割し、これら複数の帯域それぞれの所定周波数の各々を前記送信点より放射される電波の周波数として、前記電波伝搬特性推定によって前記所定周波数の各々毎に周波数伝達関数を求める第１のステップと、前記第１のステップにより求められた周波数伝達関数を基に前記無線通信システムにおける電波伝搬特性を求める第２のステップとを含むことを特徴とする。
【００１８】
本発明によるプログラムは、送信点より放射される電波を複数の電波線（レイ）に近似し前記複数のレイの経路を追跡して受信点に到達するレイを検出するレイトレーシング手法による電波伝搬特性推定によって周波数伝達関数を求める電波伝搬特性推定方法をコンピュータに実行させるためのプログラムであって、所望の無線通信システムの無線信号スペクトルを複数の帯域に分割し、これら複数の帯域それぞれの所定周波数の各々を前記送信点より放射される電波の周波数として、前記電波伝搬特性推定によって前記所定周波数の各々毎に周波数伝達関数を求める第１のステップと、前記第１のステップにより求められた周波数伝達関数を基に前記無線通信システムにおける電波伝搬特性を求める第２のステップとを含むことを特徴とする。
本発明によれば、評価対象の広い占有帯域幅を有する無線通信システムにおける送信点及び受信点間の電波伝搬特性を求めるために、送信点より放射される電波の周波数を当該無線通信システムの占有帯域内で変えながらレイトレーシングによる電波伝搬特性推定を複数回行うことにより周波数伝達関数を複数求める。そして、これら周波数伝達関数を周波数軸上で合成し、この合成結果を当該無線通信システムにおける送信点及び受信点間の電波伝搬特性とする。
【００１９】
また、本発明によれば、送信点より放射される電波の周波数によらずレイの伝搬経路は同一であることに着目し、レイの伝搬経路探索処理は１回だけ行なうようにする。この１回の探索処理により検出された受信点に到達するレイの各々について、反射係数、透過係数、回折係数及び空間減衰量を電波の設定周波数に応じて適宜設定することにより、探索処理を複数回行うことなく周波数伝達関数をそれぞれ求める。
【００２０】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態によれば、評価対象の広い占有帯域幅を有する無線通信システムにおける送信点及び受信点間の電波伝搬特性を求めるために、まず、送信点より放射される電波に近似された複数のレイの経路を追跡し、受信点に到達するレイを検出する。また、評価対象の無線通信システムの占有帯域をＭつの狭帯域に分割し、これらＭつの狭帯域の中心周波数ｆ１〜ｆＭの各々を送信点より放射される電波の周波数とする。
【００２１】
そして、受信点に到達するレイの各々の伝搬経路上の反射点、透過点、回折点における反射係数、透過係数、回折係数及び当該伝搬経路による空間減衰量を周波数ｆ１〜ｆＭそれぞれに応じて求める。これにより、送信点より放射される電波の周波数がそれぞれ周波数ｆ１〜ｆＭである場合の受信点でのインパルス応答が求められる。そして、これらインパルス応答をそれぞれフーリエ変換することにより周波数伝達関数が得られ、これら周波数伝達関数を周波数軸上で合成し、この合成結果を評価対象の無線通信システムにおける送信点及び受信点間の電波伝搬特性とするものである。
【００２２】
以下に、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。図１は本発明の実施の形態による電波伝搬特性推定方法（広帯域チャネル推定方法）の動作を説明するための図であり、図９と同じ状況（すなわち、所定の観測領域（観測空間）内に送信点Ｔ１、受信点Ｒ１、構造物Ｏ１〜Ｏ３とが与えられた状況）を想定している。
【００２３】
図１において、送信点Ｔ１から放射されたレイＲａ１は構造物Ｏ１へ入射する。このとき、反射点Ｒｆ１では反射レイＲａ２と透過レイＲａ３が発生する。本発明の実施の形態では、反射点Ｒｆ１における反射レイＲａ２の強度が、周波数による反射係数並びに空間減衰量の違いを反映させて、（ｒ１１，ｒ１２，・・・，ｒ１Ｍ）で与えられる。ここで、Ｍは周波数インデックスを、ｒｉｊは、送信点Ｔ１からの反射・透過・回折の発生回数がｉであり送信点Ｔ１より放射される電波の周波数がインデックスｊの周波数（周波数ｊ）である場合におけるレイの複素強度を表す。複素強度とは、その位相成分がキャリアの位相回転を表し、大きさの自乗がレイの電力を表す。
【００２４】
なお、複素強度ｒ１１〜ｒ１Ｍは、反射点Ｒｆ１における反射係数及び送信点Ｔ１から反射点Ｒｆ１に至る伝搬経路による空間減衰量を周波数ｆ１〜ｆＭ各々ごとに求めることにより、求められる。
【００２５】
さらに、レイＲａ２はエッジ構造物Ｏ２のエッジＲｆ２へ到達し、エッジＲｆ２にて回折レイＲａ４が発生する。エッジＲｆ２における回折レイＲａ４の複素強度が、周波数による回折係数並びに空間減衰量の違いを反映させて、（ｒ２１，ｒ２２，・・・，ｒ２Ｍ）で与えられる。なお、複素強度ｒ２１〜ｒ２Ｍは、エッジＲｆ２における回折係数及び反射点Ｒｆ１からエッジＲｆ２に至る伝搬経路による空間減衰量を周波数ｆ１〜ｆＭ各々ごとに求めることにより、求められる。
【００２６】
レイＲａ４はさらに構造物Ｏ３へと入射し、透過点Ｒｆ３において透過レイＲａ６と反射レイＲａ５が生成される。透過点Ｒｆ３における透過レイＲａ６の複素強度が、周波数による透過係数並びに空間減衰量の違いを反映させて、（ｒ３１，ｒ３２，・・・，ｒ３Ｍ）で与えられる。なお、複素強度ｒ３１〜ｒ３Ｍは、透過点Ｒｆ３における透過係数及びエッジＲｆ２から透過点Ｒｆ３に至る伝搬経路による空間減衰量を周波数ｆ１〜ｆＭ各々ごとに求めることにより、求められる。
【００２７】
レイＲａ６は受信点Ｒ１へ到達する。受信点Ｒ１におけるレイＲａ６の複素強度が、周波数による空間減衰量の違いを反映させて、（ｒ４１，ｒ４２，・・・，ｒ４Ｍ）で与えられる。なお、複素強度ｒ４１〜ｒ４Ｍは、透過点Ｒｆ３から受信点Ｒ１に至る伝搬経路による空間減衰量を周波数ｆ１〜ｆＭ各々ごとに求めることにより、求められる。また、送信点Ｔ１から受信点Ｒ１に至る総伝搬経路長（レイＲａ１〜Ｒａ６の伝搬経路長の合計）を基に到来遅延時間が求められる。なお、到来遅延時間は、電波伝搬特性を推定する周波数帯域が、構造物を構成する材質の電気特性が一様であるとみなせる範囲内にある場合、周波数によらず同一であり、例えばＵＷＢのような通信機器が使用する周波数帯域内では一定とみなしても問題ない。
【００２８】
送信点Ｔ１より放射される複数のレイの経路を追跡する経路追跡処理を行なうことにより検出された受信点Ｒ１に到達するレイＲａ６について、以上説明したようにして周波数ｆ１〜ｆＭ各々ごとに受信点Ｒ１における複素強度及び到来遅延時間を求める。したがって、本発明の実施の形態によれば、複数の周波数ｆ１〜ｆＭに対する受信点Ｒ１における受信特性を、経路追跡処理をＭ回行なうのではなく１回行うのみで把握することができる。
【００２９】
同様に、経路追跡処理により検出された、互いに異なる経路を通って送信点Ｔ１から受信点Ｒ１に到達する他の全てのレイについても、周波数ｆ１〜ｆＭ各々ごとに受信点Ｒ１における複素強度及び到来遅延時間を求める。これにより、送信点Ｔ１より放射される電波の周波数がそれぞれ周波数ｆ１〜ｆＭである場合の受信点Ｒ１での複素インパルス応答が得られる。さらに、これら複素インパルス応答をそれぞれフーリエ変換することにより、送信点Ｔ１より放射される電波の周波数がそれぞれ周波数ｆ１〜ｆＭである場合の周波数伝達関数 （チャネル推定結果）が得られる。
【００３０】
そして、これら周波数伝達関数を周波数軸上で合成する。図２（ａ）及び（ｂ）は本発明の実施の形態による電波伝搬特性推定方法における周波数伝達関数の合成について説明するための図である。
【００３１】
周波数伝達関数はそれぞれ対応するバンドパスフィルタに入力される。バンドパスフィルタの通過帯域はそれぞれ、周波数ｆ１〜ｆＭを中心周波数とする上述したＭつの帯域である。したがって、電波の周波数がｆ１である場合の周波数伝達関数は、通過帯域がＭつの帯域のうちｆ１を中心周波数とする帯域であるフィルタに入力され、これにより図２（ａ）に示した周波数伝達関数Ｓ１が得られる。同様に、電波の周波数がそれぞれｆ２〜ｆＭである場合の周波数伝達関数も、対応するバンドパスフィルタにそれぞれ入力され、これにより図２ （ａ）に示した周波数伝達関数Ｓ２〜ＳＭが得られる。
【００３２】
そして図２（ａ）に示すように、周波数伝達関数Ｓ１〜ＳＭが周波数軸上に並べられ、これら周波数伝達関数Ｓ１〜ＳＭを図２（ｂ）に示すように平滑化して合成する。これにより、評価対象の無線通信システムにおける送信点Ｔ１及び受信点Ｒ１間の電波伝搬特性としての周波数伝達関数Ｓ（広帯域チャネル推定結果）が得られる。
【００３３】
なお、図２（ａ）及び（ｂ）を参照すると、周波数ｆ１〜ｆＭはそれぞれ等間隔に設定されているが、周波数ｆ１〜ｆＭの間隔は不等間隔としてもよい。
【００３４】
以上のように、本発明の実施の形態によれば、複数の周波数伝達関数Ｓ１〜ＳＭ（複数の狭帯域チャネル推定結果）を合成することにより、レイトレーシングを用いた広帯域チャネル推定が可能になる。また、複数の周波数に対する受信特性が一度の伝搬経路追跡処理によって把握できるため、演算処理量が少なくて済む。
【００３５】
本発明の実施の形態における帯域分割数Ｍは、その値を大きくすればするほどより正確な広帯域チャネル推定が可能となる。しかし、チャネル推定処理に必要なメモリ量や演算処理量はＭを大きくすればするほどより大きくなってしまう。図３は本発明の実施の形態における帯域分割数Ｍについて説明するための図であり、評価対象の無線通信システムの送信信号スペクトルに対して下限周波数と上限周波数を規定し、下限周波数及び上限周波数間のスペクトルをいくつの帯域に分割するかを示している。
【００３６】
図３に示すように、送信信号スペクトルの広がりが増えるほど分割数Ｍの値が増加される。送信信号スペクトルの広がりは、上記下限周波数及び上限周波数間の帯域幅（送信信号スペクトルの帯域幅）、最大パワーとなる周波数を中心としこれよりＸｄＢ減衰するパワーを有する下限周波数及び上限周波数間の帯域幅、あるいは送信信号スペクトルの帯域分散である。なお、帯域分散ＳＰは送信信号のスペクトルがＴｓ（ｆ）として与えられる際に式（１）で定義される。
【００３７】
【数１】
ただし、式（１）のエネルギー中心周波数ｆＡは、式（２）で与えられる。
【００３８】
【数２】
このように送信信号スペクトルの広がりに応じて分割数Ｍを設定することにより、送信信号の占有帯域に応じて過不足の無い分割数の適値を設定することが可能となり、チャネル推定処理の効率化が達成される。
【００３９】
図４は上述した実施の形態の処理動作を実現するための機能ブロックを示す図である。図４において、レイの経路追跡部１は送受信間を結ぶレイの伝搬経路を追跡するブロックであり、このブロックは周波数帯域の分割数Ｍによらず１回だけ実行される。周波数帯域分割部２は送信信号スペクトルの広がりに応じて最適な帯域分割を実施するブロックである。幾何光学係数計算部３は、レイの経路追跡部１で検出された受信点に到達するレイの伝搬経路中の反射・透過・回折に対し、Ｍつの分割帯域の中心周波数ｆ１〜ｆＭ各々ごとに反射係数・透過係数・回折係数を計算するブロックである。
【００４０】
インパルス応答計算部４はＭつの分割帯域各々のインパルス応答を受信点ごとに計算するブロックである。周波数伝達関数計算部５はインパルス応答計算部４で求めたインパルス応答をフーリエ変換して周波数伝達関数を計算するブロックである。周波数伝達関数合成部６は、周波数伝達関数計算部５で求めた各分割帯域の周波数伝達関数を各分割帯域の帯域幅を通過帯域とするバンドパスフィルタにより濾過して周波数軸上に並べることにより、評価対象の無線通信システムにおける送信点及び受信点間の電波伝搬特性としての周波数伝達関数を求めるブロックである。
【００４１】
制御部７はこれら各部１〜６を制御するものであり、記録媒体８に記憶されているプログラムの動作手順に従って動作して各部の制御を行うものであって、ＣＰＵ（コンピュータ）からなる。記録媒体８はＲＡＭ及びＲＯＭからなり、ＲＡＭはＣＰＵの作業用メモリであり、ＲＯＭはプログラムを格納したものである。上記の実施の形態における動作処理手順は、予めプログラムとしてこのＲＯＭに格納しておくことで、制御可能である。
【００４２】
図５は本発明の実施の形態の動作を示すフローチャートであり、図４の機能ブロックの動作に従った処理手順となっており、図４の各部１〜６の処理を、ステップＤ１〜Ｄ６として、それぞれ対応して示している。なお、図５において、ステップＤ２における帯域分割処理をステップＤ１における経路追跡処理より前に行うようにしてもよい。
【００４３】
本発明の実施の形態において、レイトレーシングによる経路追跡演算は一般に負荷が大きく、複雑な伝搬環境を対象とする場合には膨大な計算時間を要することがある。また、所定の観測領域内に受信点Ｒ１の他にも受信点が与えられている場合に受信点の総数が増大すると、図４の周波数伝達関数計算部５において実行するフーリエ変換の演算負荷が増えて多くの演算時間が必要になる。さらに、インパルス応答の時間分解能を増大させると、受信点に到来する遅延パルスの到来遅延時間と受信強度を記憶するメモリの消費量が増大し、受信点の総数が大きな場合にはこのメモリ消費量はさらに増大して高価な大容量メモリが必要になる。
【００４４】
本発明の実施の形態は単一ＣＰＵと単一メモリを用いても実現しうるが、複雑な伝搬環境を精度良く短時間で解析し、なおかつ高価な大容量メモリの使用を回避するには複数のＣＰＵを用いて処理を並列化し、全体のメモリ消費量を複数の小容量メモリに分散させるのが有効である。
【００４５】
図６は本発明の実施の形態を複数ＣＰＵと複数の小容量メモリを用いて実現する際の基盤システムを説明する図である。図６に示したシステムは、Ｎ個の中央演算ユニット（ＣＰＵ１〜Ｎ）Ａ０２〜Ａ０５、Ｎ個のメモリ（メモリ１〜Ｎ）Ａ０６〜Ａ０９、共通記録装置Ａ０１、ネットワークＡ１０からなり、各ＣＰＵは他の全てのＣＰＵとネットワークＡ１０を介して通信することが可能である。共通記録装置Ａ０１は全てのＣＰＵ１〜Ｎから読み書きが可能である。
【００４６】
共通記録装置Ａ０１はＣＰＵのいずれかの内部に配置される場合があり、この場合、当該ＣＰＵ以外のＣＰＵはネットワークＡ１０を経由して共通記録装置Ａ０１にアクセスする。共通記録装置Ａ０１はネットワークＡ１０上に配置される場合がある。共通記録装置Ａ０１は、周波数伝達関数の記録や、各ＣＰＵを制御するための動作プログラムを格納する等に使用されるものである。
【００４７】
図７は経路追跡処理を複数ＣＰＵで分散処理する方法について説明する図である。送信点と受信点を結ぶレイの伝搬経路は、送信点を起点とする方位（各レイが放射される方位）ごとに互いに重複なく分類することができる。したがって、送信点を起点とする各方位ごとの経路追跡処理を異なるＣＰＵに割り当てれば全体の経路追跡処理を並列化することができる。図７に、Ｃ０１〜Ｃ０４で示される互いに異なるＬ個の方位（方位１〜Ｌ）の経路追跡処理がＣ１１〜Ｃ１３で示される複数のＣＰＵ（ＣＰＵ１〜Ｎ）に割り当てられる様子が示されている。この方法に従えば、経路追跡処理を並列化して短時間で演算を終えることができる。
【００４８】
この方法によれば、各ＣＰＵのレイの経路追跡部１（図４参照）は、自身に割り当てられた方位に放射されるレイの経路を追跡する。各ＣＰＵの幾何光学係数計算部３（図４参照）は、各受信点に到達するレイが検出された場合、周波数帯域分割部２により分割されたＭつの帯域の中心周波数ｆ１〜ｆＭ各々ごとに、当該レイの伝搬経路における反射・透過・回折の各係数を算出する。
【００４９】
各ＣＰＵのインパルス応答計算部４（図４参照）は各受信点におけるインパルス応答を求めるために、周波数ｆ１〜ｆＭ各々ごとに当該レイの到来遅延時間及び強度を求める。当該レイの到来遅延時間及び強度からは部分的なインパルス応答が求まる。したがって、各受信点におけるインパルス応答の全体を求めるには各ＣＰＵのインパルス応答計算部４の計算結果から求まる部分インパルス応答を合成する必要がある。このとき、各ＣＰＵに付随するメモリに格納されている部分インパルス応答を、ネットワークＡ１０を通じてメモリ１〜Ｎのうちの１つに集めると大容量メモリが必要になるが、受信点ごとに部分インパルス応答の集約先のメモリを別にすればメモリの消費量を分散させることができる。そして、集約先のメモリに付随するＣＰＵのインパルス応答計算部４は、周波数ｆ１〜ｆＭ各々ごとに部分インパルス応答を合成することにより周波数ｆ１〜ｆＭに対するインパルス応答を求める。
【００５０】
さらに、集約先のメモリに付随するＣＰＵの周波数伝達関数計算部５（図４参照）は、周波数ｆ１〜ｆＭに対するインパルス応答をそれぞれフーリエ変換することにより周波数伝達関数を求め、集約先のメモリに付随するＣＰＵの周波数伝達関数合成部６（図４参照）は、求められた周波数伝達関数を合成する。周波数伝達関数計算を集約先メモリに付随するＣＰＵで行うことにより、受信点ごとの周波数伝達関数計算の負荷を容易に分散させることができ、同じく周波数伝達関数合成処理を集約先メモリに付随するＣＰＵで行うことにより、受信点ごとの周波数伝達関数合成処理も各ＣＰＵで分散処理できる。なお、集約先のメモリに付随するＣＰＵ以外のＣＰＵは周波数伝達関数計算部５及び周波数伝達関数合成部６を有していなくてもよい。
【００５１】
最終的に、各集約先のメモリに付随するＣＰＵが合成された伝達関数を、例えばハードディスクのような共通記録装置Ａ０１に記録することにより、送信点と各受信点との間の電波伝搬特性の解析を小容量メモリのみを用いて実行することができる。
【００５２】
以上説明した方法に従えば、複数のＣＰＵと複数の安価な小容量メモリを用いることで、演算負荷とメモリ消費量を分散させることができ、解析を高速かつ安価に行うことができる。
【００５３】
なお、以上説明した方法は、複数のＣＰＵ１〜Ｎの各々が自身に割り当てられたレイについて図５に示したステップＤ１〜Ｄ４の処理を行い、複数のＣＰＵ１〜Ｎのうち集約先のメモリに付随するＣＰＵが図５に示したステップＤ５及びＤ６の処理を行うことにより、実現される。
【００５４】
上記実施の形態に従った電波伝搬解析システムはスタンドアロン型の計算機を用いても実現できるが、個々のユーザが独自にシステムを構築するとコスト高になる傾向が否めない。図８は、電波伝搬解析部分をネットワークを介して複数のユーザ間で共用するシステムモデルを説明する図である。このモデルでは、ユーザ端末２００が広域ネットワーク２０１を介してサーバ２０２にアクセスする。サーバ２０２にはユーザ認証機能と電波伝搬解析機能が含まれており、上記実施の形態で述べた単数もしくは複数ＣＰＵを利用した電波伝搬解析システムはこの部分に集約される。
【００５５】
図８のシステムにおいて、ユーザはまず、ユーザ端末内に格納されている編集クライアントを用いて環境データの編集を行う（Ｐ１００）。環境データには解析対象となる空間の構造情報が記されており、電波伝搬解析シミュレータであるサーバ２０２はこの構造情報をもとにレイトレーシングを行う。また、環境データには解析対象となる無線通信システムの仕様に関する特性情報が記される場合もあり、当該無線通信システムにおける周波数分割の方法等のように当該無線通信システムの特性に応じた電波伝搬解析をこの環境データを介してサーバ２０２に指示することもできる。
【００５６】
次に、作成した環境データをサーバへ転送するためにサーバ２０２との間でユーザ認証を行い（Ｐ１０１）、アクセス許可を得る（Ｐ１０２）。サーバ２０２とユーザ端末２００の間で交換されるデータは、認証系によるアクセス制御と通信路の暗号化によって機密保持が行われており、環境データの記載内容や解析データが当該ユーザ外の第三者に漏れることのないようにしてある。
【００５７】
認証処理が済んだ後は、ユーザの環境データをサーバ２０２へ転送し（Ｐ１０３）、サーバ２０２は受信した環境データをもとに電波伝搬解析を行う（Ｐ１０４）。解析が終了すると、解析結果をユーザ端末２００に転送し（Ｐ１０５）、ユーザ端末２００は解析結果を表示する（Ｐ１０６）。
【００５８】
以上のように、この方法に従えば、伝搬解析シミュレータのような高コスト部を集約して共有することで、解析コストを低く抑えることができる。また、システムの中心部分を一元管理できるため、メンテナンスが容易になるという利点もある。
【００５９】
【発明の効果】
本発明による効果は、レイトレーシングを用いて広い占有周波数帯域幅を有する通信方式に適合した電波伝搬特性推定を行なうことができることである。その理由は、送信点より放射される電波を複数の電波線（レイ）に近似し前記複数のレイの経路を追跡して受信点に到達するレイを検出するレイトレーシング手法による電波伝搬特性推定によって周波数伝達関数を求める電波伝搬特性推定システムにおいて、所望の無線通信システムの無線信号スペクトルを複数の帯域に分割し、これら複数の帯域それぞれの所定周波数の各々を前記送信点より放射される電波の周波数として、前記電波伝搬特性推定によって前記所定周波数の各々毎に周波数伝達関数を求める第１の手段と、前記第１の手段により求められた周波数伝達関数を基に前記無線通信システムにおける電波伝搬特性を求める第２の手段とを設けるようにしたためである。
【００６０】
また、複数のレイの経路を追跡することにより検出された受信点に到達するレイの伝搬損を周波数それぞれについて調べるようにしているので、経路追跡処理を複数回行うことなく当該無線通信システムにおける電波伝搬特性を求めることができ、よって、電波伝搬特性推定の演算処理量の削減及び電波伝搬特性推定処理の高速化を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態による電波伝搬特性推定方法を説明する図である。
【図２】（ａ）及び（ｂ）は本発明の実施の形態による電波伝搬特性推定方法における周波数伝達関数の合成について説明する図である。
【図３】本発明の実施の形態における帯域分割数Ｍについて説明する図である。
【図４】本発明の実施の形態の処理動作を実現するための機能ブロックを示す図である。
【図５】本発明の実施の形態の動作を示すフローチャートである。
【図６】本発明の実施の形態を複数ＣＰＵと複数の小容量メモリを用いて実現する際の基盤システムの構成を示す図である。
【図７】本発明の実施の形態のプロセスを複数ＣＰＵに割り当てる方法を説明する図である。
【図８】本発明の実施の形態による電波伝搬推定システムの構成を示す図である。
【図９】従来の電波伝搬推定方法を説明する図である。
【図１０】１本のレイに対する受信点における遅延プロファイルの例を示す図である。
【図１１】従来の電波伝搬推定方法により得られる受信点における遅延プロファイルの例を示す図である。
【図１２】従来の電波伝搬推定方法により得られる周波数伝達関数の例を示す図である。
【符号の説明】
１ レイの経路追跡部
２ 周波数帯域分割部
３ 幾何光学係数計算部
４ インパルス応答計算部
５ 周波数伝達関数計算部
６ 周波数伝達関数合成部
７ 制御部
８ 記録媒体
Ａ０１ 共通記録装置
Ａ０２〜Ａ０５ ＣＰＵ
Ａ０６〜Ａ０９ メモリ
Ａ１０ ネットワーク
Ｏ１〜Ｏ３ 構造物
Ｒ１ 受信点
Ｒａ１〜Ｒａ６ レイ
Ｒｆ１ 反射点
Ｒｆ２ エッジ
Ｒｆ３ 透過点
Ｔ１ 送信点
【発明の属する技術分野】
本発明は電波伝搬特性推定システム及びその方法並びにプログラムに関し、特に送信点より放射される電波を複数の電波線（レイ）に近似し前記複数のレイの経路を追跡して受信点に到達するレイを検出するレイトレーシング手法による電波伝搬特性推定によって周波数伝達関数を求める電波伝搬特性推定システムの改良に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
極短パルスを変調をかけずにそのままアンテナから放出するＵＷＢ(Ultra Wide Band) 通信方式は、ミキサ等の非線形回路が不要であるなどの特徴から、低コストな近距離高速無線通信方式として着目されている。パルス波形、アンテナ指向性、送信パワー等の最適設計に際しては、実電波伝搬環境の正確な把握、すなわちチャネル推定が不可欠である。近距離通信のためのチャネル推定法としては、幾何光学近似による電波伝搬解析手法、いわゆるレイトレーシング法が一般的である（例えば、非特許文献１参照）。
【０００３】
レイトレーシング法では、送信点から放射される電波をレイと呼ばれる電波線に分解し、各レイの伝搬経路を反射、透過、回折により模擬し、各受信点に到達するレイ（各受信点近傍を通過するレイ）を検出することで目的とする電波伝搬特性の推定を行う。このとき、送信点から放射される電波はコヒーレント波（以下、ＣＷと称す）である。反射係数、透過係数及び回折係数は、ＣＷの設定周波数（中心周波数）並びにレイの入射角に応じてしかるべき値が設定される。
【０００４】
レイトレーシング法について図面を用いて説明する。図９は所定の観測領域（観測空間）内に送信点Ｔ１、受信点Ｒ１、構造物Ｏ１〜Ｏ３とが与えられた場合のレイトレーシングについて説明するための図である。
【０００５】
図９において、送信点Ｔ１から放射されたレイＲａ１はまず構造物Ｏ１へ入射する。反射点Ｒｆ１において反射レイＲａ２と透過レイＲａ３が発生し、それぞれのレイは各方向へさらに伝搬する。このとき反射点Ｒｆ１における反射レイＲａ２の電力ｐｒ１は、送信点Ｔ１から放射された電力に反射係数並びに送信点Ｔ１から反射点Ｒｆ１に至る伝搬経路による空間減衰量を乗じることにより与える。
【０００６】
さらに、反射レイＲａ２はエッジ構造物Ｏ２のエッジＲｆ２へ到達し、エッジＲｆ２にて回折レイＲａ４が発生する。エッジＲｆ２における回折レイＲａ４の電力ｐｒ２は、電力ｐｒ１に回折係数並びに反射点Ｒｆ１からエッジＲｆ２に至る伝搬経路による空間減衰量を乗じることで与えられる。
【０００７】
回折レイＲａ４はさらに構造物Ｏ３へと入射し、透過レイＲａ６と反射レイＲａ５が生成される。透過点Ｒｆ３における透過レイＲａ６の電力ｐｒ３は、電力ｐｒ２に透過係数並びにエッジＲｆ２から透過点Ｒｆ３に至る伝搬経路による空間減衰量を乗じることで与えられる。
【０００８】
透過レイＲａ６は受信点Ｒ１へ到達し、受信点Ｒ１における受信電力ｐｒ４は透過点Ｒｆ３から受信点Ｒ１に至る伝搬経路による空間減衰量を電力ｐｒ３に乗じることで与えられる。
【０００９】
受信点Ｒ１に到達したレイＲａ６に対して、その受信強度ｐｒ４並びに送信点Ｔ１から受信点Ｒ１に至る総伝搬経路長により規定される到来遅延時間を基に図１０に示すような遅延プロファイルが記録される。図１０において、横軸１０１はレイが送信点Ｔ１から受信点Ｒ１に到達するのに要した到来遅延時間を、縦軸１０２は受信強度を示している。
【００１０】
同様に、互いに異なる経路を通って送信点Ｔ１から受信点Ｒ１に到達する他の全てのレイについてもその到来遅延時間並びに受信強度を記録することで、最終的には、図１１に示すような遅延プロファイルが得られる。図１０において、横軸１１１は各レイが送信点Ｔ１から受信点Ｒ１に到達するのに要した到来遅延時間を、縦軸１０２は受信強度を示している。
【００１１】
図９〜１１では、受信点に到来するレイの受信強度のみを記録したが、キャリアの位相回転についても考慮可能である。位相を考慮する場合には、図９のｐｒ１〜ｐｒ４は電力ではなく電磁界振幅となり、その値は複素数で与えられる。この場合、反射係数、透過係数及び回折係数もそれぞれ複素数で与えられる。
【００１２】
図９〜１１を用いて説明したレイトレーシング法では、位相を考慮することにより受信点での複素インパルス応答が取得される。位相を考慮して得られた受信点での複素インパルス応答をフーリエ変換することにより、当該受信点での周波数伝達関数を得ることが可能となる。図１２には、レイトレーシングによりある受信点に対して得られた複素インパルス応答をフーリエ変換した結果である周波数伝達関数が示されている。図１２に示したように、送信点から放射されるＣＷの周波数ｆを中心とし、周波数の正負両方向に無限に広がった周波数特性が得られる。
【００１３】
【非特許文献１】
S. Y. Seidel and T. S. Rappaport, “Site-Specific Propagation Prediction for Wireless In-Building Personal Communication System Design, ” IEEE Trans VehTechnol, 43, 4, pp.879-891, 1994
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
レイトレーシングで用いられる反射係数、透過係数、回折係数及び空間減衰量は、周波数依存性を持つ。したがって、レイトレーシングにより得られる図１２に例示した周波数伝達関数は、周波数が送信点から放射されるＣＷの設定周波数ｆから離れるほど関数の値が不正確なものとなる。すなわち、レイトレーシング法は広い占有周波数帯域幅を有する通信方式、例えばＵＷＢ通信方式等を対象とした電波伝搬特性推定には不向きであった。
【００１５】
本発明の目的は、レイトレーシングを用いて広い占有周波数帯域幅を有する通信方式に適合した電波伝搬特性推定を行なうことができる電波伝搬特性推定システム及びその方法並びにプログラムを提供することである。
さらに、本発明の目的は、上記電波伝搬特性推定の演算処理量を削減することができる電波伝搬特性推定システム及びその方法並びにプログラムを提供することである。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明による電波伝搬特性推定システムは、送信点より放射される電波を複数の電波線（レイ）に近似し前記複数のレイの経路を追跡して受信点に到達するレイを検出するレイトレーシング手法による電波伝搬特性推定によって周波数伝達関数を求める電波伝搬特性推定システムであって、所望の無線通信システムの無線信号スペクトルを複数の帯域に分割し、これら複数の帯域それぞれの所定周波数の各々を前記送信点より放射される電波の周波数として、前記電波伝搬特性推定によって前記所定周波数の各々毎に周波数伝達関数を求める第１の手段と、前記第１の手段により求められた周波数伝達関数を基に前記無線通信システムにおける電波伝搬特性を求める第２の手段とを含むことを特徴とする。
【００１７】
本発明による電波伝搬特性推定方法は、送信点より放射される電波を複数の電波線（レイ）に近似し前記複数のレイの経路を追跡して受信点に到達するレイを検出するレイトレーシング手法による電波伝搬特性推定によって周波数伝達関数を求める電波伝搬特性推定方法であって、所望の無線通信システムの無線信号スペクトルを複数の帯域に分割し、これら複数の帯域それぞれの所定周波数の各々を前記送信点より放射される電波の周波数として、前記電波伝搬特性推定によって前記所定周波数の各々毎に周波数伝達関数を求める第１のステップと、前記第１のステップにより求められた周波数伝達関数を基に前記無線通信システムにおける電波伝搬特性を求める第２のステップとを含むことを特徴とする。
【００１８】
本発明によるプログラムは、送信点より放射される電波を複数の電波線（レイ）に近似し前記複数のレイの経路を追跡して受信点に到達するレイを検出するレイトレーシング手法による電波伝搬特性推定によって周波数伝達関数を求める電波伝搬特性推定方法をコンピュータに実行させるためのプログラムであって、所望の無線通信システムの無線信号スペクトルを複数の帯域に分割し、これら複数の帯域それぞれの所定周波数の各々を前記送信点より放射される電波の周波数として、前記電波伝搬特性推定によって前記所定周波数の各々毎に周波数伝達関数を求める第１のステップと、前記第１のステップにより求められた周波数伝達関数を基に前記無線通信システムにおける電波伝搬特性を求める第２のステップとを含むことを特徴とする。
本発明によれば、評価対象の広い占有帯域幅を有する無線通信システムにおける送信点及び受信点間の電波伝搬特性を求めるために、送信点より放射される電波の周波数を当該無線通信システムの占有帯域内で変えながらレイトレーシングによる電波伝搬特性推定を複数回行うことにより周波数伝達関数を複数求める。そして、これら周波数伝達関数を周波数軸上で合成し、この合成結果を当該無線通信システムにおける送信点及び受信点間の電波伝搬特性とする。
【００１９】
また、本発明によれば、送信点より放射される電波の周波数によらずレイの伝搬経路は同一であることに着目し、レイの伝搬経路探索処理は１回だけ行なうようにする。この１回の探索処理により検出された受信点に到達するレイの各々について、反射係数、透過係数、回折係数及び空間減衰量を電波の設定周波数に応じて適宜設定することにより、探索処理を複数回行うことなく周波数伝達関数をそれぞれ求める。
【００２０】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態によれば、評価対象の広い占有帯域幅を有する無線通信システムにおける送信点及び受信点間の電波伝搬特性を求めるために、まず、送信点より放射される電波に近似された複数のレイの経路を追跡し、受信点に到達するレイを検出する。また、評価対象の無線通信システムの占有帯域をＭつの狭帯域に分割し、これらＭつの狭帯域の中心周波数ｆ１〜ｆＭの各々を送信点より放射される電波の周波数とする。
【００２１】
そして、受信点に到達するレイの各々の伝搬経路上の反射点、透過点、回折点における反射係数、透過係数、回折係数及び当該伝搬経路による空間減衰量を周波数ｆ１〜ｆＭそれぞれに応じて求める。これにより、送信点より放射される電波の周波数がそれぞれ周波数ｆ１〜ｆＭである場合の受信点でのインパルス応答が求められる。そして、これらインパルス応答をそれぞれフーリエ変換することにより周波数伝達関数が得られ、これら周波数伝達関数を周波数軸上で合成し、この合成結果を評価対象の無線通信システムにおける送信点及び受信点間の電波伝搬特性とするものである。
【００２２】
以下に、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。図１は本発明の実施の形態による電波伝搬特性推定方法（広帯域チャネル推定方法）の動作を説明するための図であり、図９と同じ状況（すなわち、所定の観測領域（観測空間）内に送信点Ｔ１、受信点Ｒ１、構造物Ｏ１〜Ｏ３とが与えられた状況）を想定している。
【００２３】
図１において、送信点Ｔ１から放射されたレイＲａ１は構造物Ｏ１へ入射する。このとき、反射点Ｒｆ１では反射レイＲａ２と透過レイＲａ３が発生する。本発明の実施の形態では、反射点Ｒｆ１における反射レイＲａ２の強度が、周波数による反射係数並びに空間減衰量の違いを反映させて、（ｒ１１，ｒ１２，・・・，ｒ１Ｍ）で与えられる。ここで、Ｍは周波数インデックスを、ｒｉｊは、送信点Ｔ１からの反射・透過・回折の発生回数がｉであり送信点Ｔ１より放射される電波の周波数がインデックスｊの周波数（周波数ｊ）である場合におけるレイの複素強度を表す。複素強度とは、その位相成分がキャリアの位相回転を表し、大きさの自乗がレイの電力を表す。
【００２４】
なお、複素強度ｒ１１〜ｒ１Ｍは、反射点Ｒｆ１における反射係数及び送信点Ｔ１から反射点Ｒｆ１に至る伝搬経路による空間減衰量を周波数ｆ１〜ｆＭ各々ごとに求めることにより、求められる。
【００２５】
さらに、レイＲａ２はエッジ構造物Ｏ２のエッジＲｆ２へ到達し、エッジＲｆ２にて回折レイＲａ４が発生する。エッジＲｆ２における回折レイＲａ４の複素強度が、周波数による回折係数並びに空間減衰量の違いを反映させて、（ｒ２１，ｒ２２，・・・，ｒ２Ｍ）で与えられる。なお、複素強度ｒ２１〜ｒ２Ｍは、エッジＲｆ２における回折係数及び反射点Ｒｆ１からエッジＲｆ２に至る伝搬経路による空間減衰量を周波数ｆ１〜ｆＭ各々ごとに求めることにより、求められる。
【００２６】
レイＲａ４はさらに構造物Ｏ３へと入射し、透過点Ｒｆ３において透過レイＲａ６と反射レイＲａ５が生成される。透過点Ｒｆ３における透過レイＲａ６の複素強度が、周波数による透過係数並びに空間減衰量の違いを反映させて、（ｒ３１，ｒ３２，・・・，ｒ３Ｍ）で与えられる。なお、複素強度ｒ３１〜ｒ３Ｍは、透過点Ｒｆ３における透過係数及びエッジＲｆ２から透過点Ｒｆ３に至る伝搬経路による空間減衰量を周波数ｆ１〜ｆＭ各々ごとに求めることにより、求められる。
【００２７】
レイＲａ６は受信点Ｒ１へ到達する。受信点Ｒ１におけるレイＲａ６の複素強度が、周波数による空間減衰量の違いを反映させて、（ｒ４１，ｒ４２，・・・，ｒ４Ｍ）で与えられる。なお、複素強度ｒ４１〜ｒ４Ｍは、透過点Ｒｆ３から受信点Ｒ１に至る伝搬経路による空間減衰量を周波数ｆ１〜ｆＭ各々ごとに求めることにより、求められる。また、送信点Ｔ１から受信点Ｒ１に至る総伝搬経路長（レイＲａ１〜Ｒａ６の伝搬経路長の合計）を基に到来遅延時間が求められる。なお、到来遅延時間は、電波伝搬特性を推定する周波数帯域が、構造物を構成する材質の電気特性が一様であるとみなせる範囲内にある場合、周波数によらず同一であり、例えばＵＷＢのような通信機器が使用する周波数帯域内では一定とみなしても問題ない。
【００２８】
送信点Ｔ１より放射される複数のレイの経路を追跡する経路追跡処理を行なうことにより検出された受信点Ｒ１に到達するレイＲａ６について、以上説明したようにして周波数ｆ１〜ｆＭ各々ごとに受信点Ｒ１における複素強度及び到来遅延時間を求める。したがって、本発明の実施の形態によれば、複数の周波数ｆ１〜ｆＭに対する受信点Ｒ１における受信特性を、経路追跡処理をＭ回行なうのではなく１回行うのみで把握することができる。
【００２９】
同様に、経路追跡処理により検出された、互いに異なる経路を通って送信点Ｔ１から受信点Ｒ１に到達する他の全てのレイについても、周波数ｆ１〜ｆＭ各々ごとに受信点Ｒ１における複素強度及び到来遅延時間を求める。これにより、送信点Ｔ１より放射される電波の周波数がそれぞれ周波数ｆ１〜ｆＭである場合の受信点Ｒ１での複素インパルス応答が得られる。さらに、これら複素インパルス応答をそれぞれフーリエ変換することにより、送信点Ｔ１より放射される電波の周波数がそれぞれ周波数ｆ１〜ｆＭである場合の周波数伝達関数 （チャネル推定結果）が得られる。
【００３０】
そして、これら周波数伝達関数を周波数軸上で合成する。図２（ａ）及び（ｂ）は本発明の実施の形態による電波伝搬特性推定方法における周波数伝達関数の合成について説明するための図である。
【００３１】
周波数伝達関数はそれぞれ対応するバンドパスフィルタに入力される。バンドパスフィルタの通過帯域はそれぞれ、周波数ｆ１〜ｆＭを中心周波数とする上述したＭつの帯域である。したがって、電波の周波数がｆ１である場合の周波数伝達関数は、通過帯域がＭつの帯域のうちｆ１を中心周波数とする帯域であるフィルタに入力され、これにより図２（ａ）に示した周波数伝達関数Ｓ１が得られる。同様に、電波の周波数がそれぞれｆ２〜ｆＭである場合の周波数伝達関数も、対応するバンドパスフィルタにそれぞれ入力され、これにより図２ （ａ）に示した周波数伝達関数Ｓ２〜ＳＭが得られる。
【００３２】
そして図２（ａ）に示すように、周波数伝達関数Ｓ１〜ＳＭが周波数軸上に並べられ、これら周波数伝達関数Ｓ１〜ＳＭを図２（ｂ）に示すように平滑化して合成する。これにより、評価対象の無線通信システムにおける送信点Ｔ１及び受信点Ｒ１間の電波伝搬特性としての周波数伝達関数Ｓ（広帯域チャネル推定結果）が得られる。
【００３３】
なお、図２（ａ）及び（ｂ）を参照すると、周波数ｆ１〜ｆＭはそれぞれ等間隔に設定されているが、周波数ｆ１〜ｆＭの間隔は不等間隔としてもよい。
【００３４】
以上のように、本発明の実施の形態によれば、複数の周波数伝達関数Ｓ１〜ＳＭ（複数の狭帯域チャネル推定結果）を合成することにより、レイトレーシングを用いた広帯域チャネル推定が可能になる。また、複数の周波数に対する受信特性が一度の伝搬経路追跡処理によって把握できるため、演算処理量が少なくて済む。
【００３５】
本発明の実施の形態における帯域分割数Ｍは、その値を大きくすればするほどより正確な広帯域チャネル推定が可能となる。しかし、チャネル推定処理に必要なメモリ量や演算処理量はＭを大きくすればするほどより大きくなってしまう。図３は本発明の実施の形態における帯域分割数Ｍについて説明するための図であり、評価対象の無線通信システムの送信信号スペクトルに対して下限周波数と上限周波数を規定し、下限周波数及び上限周波数間のスペクトルをいくつの帯域に分割するかを示している。
【００３６】
図３に示すように、送信信号スペクトルの広がりが増えるほど分割数Ｍの値が増加される。送信信号スペクトルの広がりは、上記下限周波数及び上限周波数間の帯域幅（送信信号スペクトルの帯域幅）、最大パワーとなる周波数を中心としこれよりＸｄＢ減衰するパワーを有する下限周波数及び上限周波数間の帯域幅、あるいは送信信号スペクトルの帯域分散である。なお、帯域分散ＳＰは送信信号のスペクトルがＴｓ（ｆ）として与えられる際に式（１）で定義される。
【００３７】
【数１】
【００３８】
【数２】
【００３９】
図４は上述した実施の形態の処理動作を実現するための機能ブロックを示す図である。図４において、レイの経路追跡部１は送受信間を結ぶレイの伝搬経路を追跡するブロックであり、このブロックは周波数帯域の分割数Ｍによらず１回だけ実行される。周波数帯域分割部２は送信信号スペクトルの広がりに応じて最適な帯域分割を実施するブロックである。幾何光学係数計算部３は、レイの経路追跡部１で検出された受信点に到達するレイの伝搬経路中の反射・透過・回折に対し、Ｍつの分割帯域の中心周波数ｆ１〜ｆＭ各々ごとに反射係数・透過係数・回折係数を計算するブロックである。
【００４０】
インパルス応答計算部４はＭつの分割帯域各々のインパルス応答を受信点ごとに計算するブロックである。周波数伝達関数計算部５はインパルス応答計算部４で求めたインパルス応答をフーリエ変換して周波数伝達関数を計算するブロックである。周波数伝達関数合成部６は、周波数伝達関数計算部５で求めた各分割帯域の周波数伝達関数を各分割帯域の帯域幅を通過帯域とするバンドパスフィルタにより濾過して周波数軸上に並べることにより、評価対象の無線通信システムにおける送信点及び受信点間の電波伝搬特性としての周波数伝達関数を求めるブロックである。
【００４１】
制御部７はこれら各部１〜６を制御するものであり、記録媒体８に記憶されているプログラムの動作手順に従って動作して各部の制御を行うものであって、ＣＰＵ（コンピュータ）からなる。記録媒体８はＲＡＭ及びＲＯＭからなり、ＲＡＭはＣＰＵの作業用メモリであり、ＲＯＭはプログラムを格納したものである。上記の実施の形態における動作処理手順は、予めプログラムとしてこのＲＯＭに格納しておくことで、制御可能である。
【００４２】
図５は本発明の実施の形態の動作を示すフローチャートであり、図４の機能ブロックの動作に従った処理手順となっており、図４の各部１〜６の処理を、ステップＤ１〜Ｄ６として、それぞれ対応して示している。なお、図５において、ステップＤ２における帯域分割処理をステップＤ１における経路追跡処理より前に行うようにしてもよい。
【００４３】
本発明の実施の形態において、レイトレーシングによる経路追跡演算は一般に負荷が大きく、複雑な伝搬環境を対象とする場合には膨大な計算時間を要することがある。また、所定の観測領域内に受信点Ｒ１の他にも受信点が与えられている場合に受信点の総数が増大すると、図４の周波数伝達関数計算部５において実行するフーリエ変換の演算負荷が増えて多くの演算時間が必要になる。さらに、インパルス応答の時間分解能を増大させると、受信点に到来する遅延パルスの到来遅延時間と受信強度を記憶するメモリの消費量が増大し、受信点の総数が大きな場合にはこのメモリ消費量はさらに増大して高価な大容量メモリが必要になる。
【００４４】
本発明の実施の形態は単一ＣＰＵと単一メモリを用いても実現しうるが、複雑な伝搬環境を精度良く短時間で解析し、なおかつ高価な大容量メモリの使用を回避するには複数のＣＰＵを用いて処理を並列化し、全体のメモリ消費量を複数の小容量メモリに分散させるのが有効である。
【００４５】
図６は本発明の実施の形態を複数ＣＰＵと複数の小容量メモリを用いて実現する際の基盤システムを説明する図である。図６に示したシステムは、Ｎ個の中央演算ユニット（ＣＰＵ１〜Ｎ）Ａ０２〜Ａ０５、Ｎ個のメモリ（メモリ１〜Ｎ）Ａ０６〜Ａ０９、共通記録装置Ａ０１、ネットワークＡ１０からなり、各ＣＰＵは他の全てのＣＰＵとネットワークＡ１０を介して通信することが可能である。共通記録装置Ａ０１は全てのＣＰＵ１〜Ｎから読み書きが可能である。
【００４６】
共通記録装置Ａ０１はＣＰＵのいずれかの内部に配置される場合があり、この場合、当該ＣＰＵ以外のＣＰＵはネットワークＡ１０を経由して共通記録装置Ａ０１にアクセスする。共通記録装置Ａ０１はネットワークＡ１０上に配置される場合がある。共通記録装置Ａ０１は、周波数伝達関数の記録や、各ＣＰＵを制御するための動作プログラムを格納する等に使用されるものである。
【００４７】
図７は経路追跡処理を複数ＣＰＵで分散処理する方法について説明する図である。送信点と受信点を結ぶレイの伝搬経路は、送信点を起点とする方位（各レイが放射される方位）ごとに互いに重複なく分類することができる。したがって、送信点を起点とする各方位ごとの経路追跡処理を異なるＣＰＵに割り当てれば全体の経路追跡処理を並列化することができる。図７に、Ｃ０１〜Ｃ０４で示される互いに異なるＬ個の方位（方位１〜Ｌ）の経路追跡処理がＣ１１〜Ｃ１３で示される複数のＣＰＵ（ＣＰＵ１〜Ｎ）に割り当てられる様子が示されている。この方法に従えば、経路追跡処理を並列化して短時間で演算を終えることができる。
【００４８】
この方法によれば、各ＣＰＵのレイの経路追跡部１（図４参照）は、自身に割り当てられた方位に放射されるレイの経路を追跡する。各ＣＰＵの幾何光学係数計算部３（図４参照）は、各受信点に到達するレイが検出された場合、周波数帯域分割部２により分割されたＭつの帯域の中心周波数ｆ１〜ｆＭ各々ごとに、当該レイの伝搬経路における反射・透過・回折の各係数を算出する。
【００４９】
各ＣＰＵのインパルス応答計算部４（図４参照）は各受信点におけるインパルス応答を求めるために、周波数ｆ１〜ｆＭ各々ごとに当該レイの到来遅延時間及び強度を求める。当該レイの到来遅延時間及び強度からは部分的なインパルス応答が求まる。したがって、各受信点におけるインパルス応答の全体を求めるには各ＣＰＵのインパルス応答計算部４の計算結果から求まる部分インパルス応答を合成する必要がある。このとき、各ＣＰＵに付随するメモリに格納されている部分インパルス応答を、ネットワークＡ１０を通じてメモリ１〜Ｎのうちの１つに集めると大容量メモリが必要になるが、受信点ごとに部分インパルス応答の集約先のメモリを別にすればメモリの消費量を分散させることができる。そして、集約先のメモリに付随するＣＰＵのインパルス応答計算部４は、周波数ｆ１〜ｆＭ各々ごとに部分インパルス応答を合成することにより周波数ｆ１〜ｆＭに対するインパルス応答を求める。
【００５０】
さらに、集約先のメモリに付随するＣＰＵの周波数伝達関数計算部５（図４参照）は、周波数ｆ１〜ｆＭに対するインパルス応答をそれぞれフーリエ変換することにより周波数伝達関数を求め、集約先のメモリに付随するＣＰＵの周波数伝達関数合成部６（図４参照）は、求められた周波数伝達関数を合成する。周波数伝達関数計算を集約先メモリに付随するＣＰＵで行うことにより、受信点ごとの周波数伝達関数計算の負荷を容易に分散させることができ、同じく周波数伝達関数合成処理を集約先メモリに付随するＣＰＵで行うことにより、受信点ごとの周波数伝達関数合成処理も各ＣＰＵで分散処理できる。なお、集約先のメモリに付随するＣＰＵ以外のＣＰＵは周波数伝達関数計算部５及び周波数伝達関数合成部６を有していなくてもよい。
【００５１】
最終的に、各集約先のメモリに付随するＣＰＵが合成された伝達関数を、例えばハードディスクのような共通記録装置Ａ０１に記録することにより、送信点と各受信点との間の電波伝搬特性の解析を小容量メモリのみを用いて実行することができる。
【００５２】
以上説明した方法に従えば、複数のＣＰＵと複数の安価な小容量メモリを用いることで、演算負荷とメモリ消費量を分散させることができ、解析を高速かつ安価に行うことができる。
【００５３】
なお、以上説明した方法は、複数のＣＰＵ１〜Ｎの各々が自身に割り当てられたレイについて図５に示したステップＤ１〜Ｄ４の処理を行い、複数のＣＰＵ１〜Ｎのうち集約先のメモリに付随するＣＰＵが図５に示したステップＤ５及びＤ６の処理を行うことにより、実現される。
【００５４】
上記実施の形態に従った電波伝搬解析システムはスタンドアロン型の計算機を用いても実現できるが、個々のユーザが独自にシステムを構築するとコスト高になる傾向が否めない。図８は、電波伝搬解析部分をネットワークを介して複数のユーザ間で共用するシステムモデルを説明する図である。このモデルでは、ユーザ端末２００が広域ネットワーク２０１を介してサーバ２０２にアクセスする。サーバ２０２にはユーザ認証機能と電波伝搬解析機能が含まれており、上記実施の形態で述べた単数もしくは複数ＣＰＵを利用した電波伝搬解析システムはこの部分に集約される。
【００５５】
図８のシステムにおいて、ユーザはまず、ユーザ端末内に格納されている編集クライアントを用いて環境データの編集を行う（Ｐ１００）。環境データには解析対象となる空間の構造情報が記されており、電波伝搬解析シミュレータであるサーバ２０２はこの構造情報をもとにレイトレーシングを行う。また、環境データには解析対象となる無線通信システムの仕様に関する特性情報が記される場合もあり、当該無線通信システムにおける周波数分割の方法等のように当該無線通信システムの特性に応じた電波伝搬解析をこの環境データを介してサーバ２０２に指示することもできる。
【００５６】
次に、作成した環境データをサーバへ転送するためにサーバ２０２との間でユーザ認証を行い（Ｐ１０１）、アクセス許可を得る（Ｐ１０２）。サーバ２０２とユーザ端末２００の間で交換されるデータは、認証系によるアクセス制御と通信路の暗号化によって機密保持が行われており、環境データの記載内容や解析データが当該ユーザ外の第三者に漏れることのないようにしてある。
【００５７】
認証処理が済んだ後は、ユーザの環境データをサーバ２０２へ転送し（Ｐ１０３）、サーバ２０２は受信した環境データをもとに電波伝搬解析を行う（Ｐ１０４）。解析が終了すると、解析結果をユーザ端末２００に転送し（Ｐ１０５）、ユーザ端末２００は解析結果を表示する（Ｐ１０６）。
【００５８】
以上のように、この方法に従えば、伝搬解析シミュレータのような高コスト部を集約して共有することで、解析コストを低く抑えることができる。また、システムの中心部分を一元管理できるため、メンテナンスが容易になるという利点もある。
【００５９】
【発明の効果】
本発明による効果は、レイトレーシングを用いて広い占有周波数帯域幅を有する通信方式に適合した電波伝搬特性推定を行なうことができることである。その理由は、送信点より放射される電波を複数の電波線（レイ）に近似し前記複数のレイの経路を追跡して受信点に到達するレイを検出するレイトレーシング手法による電波伝搬特性推定によって周波数伝達関数を求める電波伝搬特性推定システムにおいて、所望の無線通信システムの無線信号スペクトルを複数の帯域に分割し、これら複数の帯域それぞれの所定周波数の各々を前記送信点より放射される電波の周波数として、前記電波伝搬特性推定によって前記所定周波数の各々毎に周波数伝達関数を求める第１の手段と、前記第１の手段により求められた周波数伝達関数を基に前記無線通信システムにおける電波伝搬特性を求める第２の手段とを設けるようにしたためである。
【００６０】
また、複数のレイの経路を追跡することにより検出された受信点に到達するレイの伝搬損を周波数それぞれについて調べるようにしているので、経路追跡処理を複数回行うことなく当該無線通信システムにおける電波伝搬特性を求めることができ、よって、電波伝搬特性推定の演算処理量の削減及び電波伝搬特性推定処理の高速化を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態による電波伝搬特性推定方法を説明する図である。
【図２】（ａ）及び（ｂ）は本発明の実施の形態による電波伝搬特性推定方法における周波数伝達関数の合成について説明する図である。
【図３】本発明の実施の形態における帯域分割数Ｍについて説明する図である。
【図４】本発明の実施の形態の処理動作を実現するための機能ブロックを示す図である。
【図５】本発明の実施の形態の動作を示すフローチャートである。
【図６】本発明の実施の形態を複数ＣＰＵと複数の小容量メモリを用いて実現する際の基盤システムの構成を示す図である。
【図７】本発明の実施の形態のプロセスを複数ＣＰＵに割り当てる方法を説明する図である。
【図８】本発明の実施の形態による電波伝搬推定システムの構成を示す図である。
【図９】従来の電波伝搬推定方法を説明する図である。
【図１０】１本のレイに対する受信点における遅延プロファイルの例を示す図である。
【図１１】従来の電波伝搬推定方法により得られる受信点における遅延プロファイルの例を示す図である。
【図１２】従来の電波伝搬推定方法により得られる周波数伝達関数の例を示す図である。
【符号の説明】
１ レイの経路追跡部
２ 周波数帯域分割部
３ 幾何光学係数計算部
４ インパルス応答計算部
５ 周波数伝達関数計算部
６ 周波数伝達関数合成部
７ 制御部
８ 記録媒体
Ａ０１ 共通記録装置
Ａ０２〜Ａ０５ ＣＰＵ
Ａ０６〜Ａ０９ メモリ
Ａ１０ ネットワーク
Ｏ１〜Ｏ３ 構造物
Ｒ１ 受信点
Ｒａ１〜Ｒａ６ レイ
Ｒｆ１ 反射点
Ｒｆ２ エッジ
Ｒｆ３ 透過点
Ｔ１ 送信点
Claims (19)
- 送信点より放射される電波を複数の電波線（レイ）に近似し前記複数のレイの経路を追跡して受信点に到達するレイを検出するレイトレーシング手法による電波伝搬特性推定によって周波数伝達関数を求める電波伝搬特性推定システムであって、
所望の無線通信システムの無線信号スペクトルを複数の帯域に分割し、これら複数の帯域それぞれの所定周波数の各々を前記送信点より放射される電波の周波数として、前記電波伝搬特性推定によって前記所定周波数の各々毎に周波数伝達関数を求める第１の手段と、前記第１の手段により求められた周波数伝達関数を基に前記無線通信システムにおける電波伝搬特性を求める第２の手段とを含むことを特徴とする電波伝搬特性推定システム。 - 前記第２の手段は、前記第１の手段により求められた周波数伝達関数を前記複数の帯域をそれぞれ通過帯域とするバンドパスフィルタにより濾過し、濾過された周波数伝達関数を周波数軸上に並べて合成することにより前記電波伝搬特性を得ることを特徴とする請求項１記載の電波伝搬特性推定システム。
- 前記第１の手段は、前記電波伝搬特性推定によって前記所定周波数の各々毎に前記受信点に到達するレイの到来遅延時間及び強度の情報を求める第３の手段を有し、前記第３の手段により求められた前記情報を基に前記所定周波数の各々毎に周波数伝達関数を求めることを特徴とする請求項１又は２記載の電波伝搬特性推定システム。
- 前記第３の手段は、前記受信点に到達するレイの伝搬損を前記所定周波数それぞれについて求めることにより、前記複数のレイの経路の追跡を一度行なうのみで前記所定周波数の各々毎に前記情報を求めることを特徴とする請求項３記載の電波伝搬特性推定システム。
- 前記複数のレイの方位ごとに前記第３の手段を設けて、並列に実行するようにしたことを特徴とする請求項３又は４記載の電波伝搬特性推定システム。
- 前記複数の周波数の数は前記無線信号スペクトルの広がりに応じて設定されることを特徴とする請求項１〜５いずれか記載の電波伝搬特性推定システム。
- 前記無線信号スペクトルの広がりは前記無線信号スペクトルの帯域幅であることを特徴とする請求項６記載の電波伝搬特性推定システム。
- 前記無線信号スペクトルの広がりは前記無線信号スペクトルの帯域分散であることを特徴とする請求項６記載の電波伝搬特性推定システム。
- 前記無線信号スペクトルの広がりは前記無線信号スペクトルのうち、当該スペクトルの最大パワーより所定値だけ小であるパワー以上のパワーを有する帯域幅であることを特徴とする請求項６記載の電波伝搬特性推定システム。
- 送信点より放射される電波を複数の電波線（レイ）に近似し前記複数のレイの経路を追跡して受信点に到達するレイを検出するレイトレーシング手法による電波伝搬特性推定によって周波数伝達関数を求める電波伝搬特性推定方法であって、
所望の無線通信システムの無線信号スペクトルを複数の帯域に分割し、これら複数の帯域それぞれの所定周波数の各々を前記送信点より放射される電波の周波数として、前記電波伝搬特性推定によって前記所定周波数の各々毎に周波数伝達関数を求める第１のステップと、前記第１のステップにより求められた周波数伝達関数を基に前記無線通信システムにおける電波伝搬特性を求める第２のステップとを含むことを特徴とする電波伝搬特性推定方法。 - 前記第２のステップは、前記第１のステップにより求められた周波数伝達関数を前記複数の帯域をそれぞれ通過帯域とするバンドパスフィルタにより濾過し、濾過された周波数伝達関数を周波数軸上に並べて合成することにより前記電波伝搬特性を得ることを特徴とする請求項１０記載の電波伝搬特性推定方法。
- 前記第１のステップは、前記電波伝搬特性推定によって前記所定周波数の各々毎に前記受信点に到達するレイの到来遅延時間及び強度の情報を求める第３のステップを有し、前記第３のステップにより求められた前記情報を基に前記所定周波数の各々毎に周波数伝達関数を求めることを特徴とする請求項１０又は１１記載の電波伝搬特性推定方法。
- 前記第３のステップは、前記受信点に到達するレイの伝搬損を前記所定周波数それぞれについて求めることにより、前記複数のレイの経路の追跡を一度行なうのみで前記所定周波数の各々毎に前記情報を求めることを特徴とする請求項１２記載の電波伝搬特性推定方法。
- 前記複数のレイの方位ごとに前記第３のステップを並列に実行するようにしたことを特徴とする請求項１２又は１３記載の電波伝搬特性推定方法。
- 前記複数の周波数の数は前記無線信号スペクトルの広がりに応じて設定されることを特徴とする請求項１０〜１４いずれか記載の電波伝搬特性推定方法。
- 前記無線信号スペクトルの広がりは前記無線信号スペクトルの帯域幅であることを特徴とする請求項１５記載の電波伝搬特性推定方法。
- 前記無線信号スペクトルの広がりは前記無線信号スペクトルの帯域分散であることを特徴とする請求項１５記載の電波伝搬特性推定方法。
- 前記無線信号スペクトルの広がりは前記無線信号スペクトルのうち、当該スペクトルの最大パワーより所定値だけ小であるパワー以上のパワーを有する帯域幅であることを特徴とする請求項１５記載の電波伝搬特性推定方法。
- 送信点より放射される電波を複数の電波線（レイ）に近似し前記複数のレイの経路を追跡して受信点に到達するレイを検出するレイトレーシング手法による電波伝搬特性推定によって周波数伝達関数を求める電波伝搬特性推定方法をコンピュータに実行させるためのプログラムであって、
所望の無線通信システムの無線信号スペクトルを複数の帯域に分割し、これら複数の帯域それぞれの所定周波数の各々を前記送信点より放射される電波の周波数として、前記電波伝搬特性推定によって前記所定周波数の各々毎に周波数伝達関数を求める第１のステップと、前記第１のステップにより求められた周波数伝達関数を基に前記無線通信システムにおける電波伝搬特性を求める第２のステップとを含むことを特徴とするプログラム。
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