JP4291200B2 - 無線通信シミュレーション方法及び無線通信シミュレータ - Google Patents

Description

本発明は、屋内あるいは屋外の空間を伝搬する電波を使用してデータを送受信する無線通信システムの通信性能をシミュレートするシミュレーション方法及び無線通信シミュレータに関する。

従来、電波伝搬の状態を計算して通信性能を予測する無線通信シミュレータとしては、例えば、特許文献１に記載の電磁環境設計方法を用いたシミュレータが知られている。

このシミュレータは、入力された無線通信環境の解析対象レイアウト情報と基地局配置情報と雑音情報と電波干渉源情報から電波伝搬特性を解析する。そして、電界強度分布と遅延特性分布を求め、前記電界強度分布と遅延特性分布に基づいて通信特性を解析し、誤り率特性分布と伝送速度分布を求める。次いで、これら電界強度分布と遅延特性分布と誤り率特性分布と伝送速度分布に対して所定の閾値を設定し、無線通信システムの基地局の通信可能エリアと通信可能な端末局数を求めるものである。

特開２００１−９４５０２号公報（要約、そのほか全体）

一般に、無線通信では、無線伝送路上で基地局と複数の無線端末との間でデータ通信を実現するために、例えば、ＩＥＥＥ８０２．１１標準プロトコルや、ＨｙｐｅｒＬＡＮプロトコルなどの通信プロトコルが用いられている。

これらの通信プロトコルでは、基地局と複数の無線端末の間で複数のデータ送信が同時に発生した場合に、衝突によるデータ消失を防止するため、送信待ち手順や正常受信確認手順などが規定されている。これらの手順によって発生するオーバヘッドにより、通信性能はかなり低下する。また、このオーバヘッドは、無線端末の数や無線伝送路の誤り率によってその大きさが変化する。

したがって、電界強度と遅延特性から求めた誤り率や伝送速度だけでは、無線通信システムのデータ伝送性能を正確にシミュレーションすることはできない。

本発明は、実際にデータ伝送を行った場合のデータ伝送性能をより正確に予測することが可能なミュレーション方法及び無線通信シミュレータを提供することを目的とする。

本発明の望ましい実施形態においては、使用する通信プロトコルのオーバーヘッドを考慮したデータ伝送性能（実効通信スループット）分布を計算し、この計算結果に基づくデータ伝送性能分布又はこの性能分布に関係するデータを出力する。

また、本発明の望ましい他の実施形態においては、使用する通信プロトコルの種別、シミュレーション対象領域、最大基地局数、端末局数及び／又は各端末局に必要な送受信データ量を設定するパラメータ設定手段と、端末局が所望の送受信データ量を満足する基地局数及び／又はその配置位置を計算する手段を備える。

さらに、本発明の望ましい他の実施形態においては、無線通信に使用する通信プロトコルのオーバーヘッドを考慮したデータ伝送性能分布又はこの性能分布に関係するデータを表示する表示手段を備える。

本発明の望ましい実施形態においては、無線伝送路上で実現する通信プロトコルのオーバヘッドを考慮したデータ伝送性能（実効通信スループット）を計算することにより、実際にデータ伝送を行った場合のデータ伝送性能をより正確に予測することが可能となり、データ通信に関するシステム性能のシミュレーション精度を向上させることができる。

本発明によるその他の目的及び特徴は以下の実施形態の説明で明らかにする。

次に、本発明の実施形態による無線通信シミュレータを、その動作概要から説明する。

まず、シミュレーションに必要なパラメータをパラメータ設定手段に設定する。設定する情報としては、使用する無線周波数やシミュレーションの対象となる空間（送受信局が存在する空間）の周囲環境（建物のレイアウトなど）や送受信局の位置や送信電力や送受信アンテナの特性などである。次に、これらの情報を基に、電波強度分布計算手段において、電波強度分布と遅延特性分布を計算する。電波強度とは、例えば、受信電界強度や受信電力であり、遅延特性とは、電波伝搬経路の異なる複数の電波の位相差の特性である。

次に、パラメータ設定手段において設定された情報と、電波強度分布計算手段において計算された情報を基に、伝送路誤り率特性分布計算手段において、無線伝送路の伝送路誤り率特性分布を計算する。利用する設定情報としては、送受信に使用される変調方式や周囲の雑音及び電波干渉波の電力などの情報である。また、利用する計算された情報としては、無線伝送路の伝送路誤り率特性分布などである。この伝送路誤り率とは、例えばビット誤り率やフレーム誤り率である。

さらに、実効通信スループット分布計算手段において、実効通信スループット分布を計算する。ここで、実効通信スループットとは、使用する通信プロトコルのオーバヘッドによる伝送性能の低下を考慮したデータ伝送性能である。例えば、１端末局が、単位時間当りに送受信可能なデータ量（ビット数）や、システム全体（全無線局）で単位時間当りに送受信可能な合計データ量（合計ビット数）などである。この実効通信スループットは、設定された通信プロトコルや、基地局数や無線端末数や各無線局が送信する単位時間当りのデータ量などの情報と、計算された伝送路誤り率特性分布等の情報を基に計算される。

最後に、計算結果出力手段において、実効通信スループット分布を出力する。

本発明の実施形態は、上記計算手段をソフトウェア化すれば、キーボードやディスプレイなどの入出力装置を備えるパーソナルコンピュータなどの計算機で実現可能である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る無線通信シミュレータの機能ブロック図である。この実施形態の無線通信シミュレータは、以下の機能ブロックを備えている。まず、シミュレーションに必要なパラメータを設定するパラメータ設定手段１１と、このパラメータ設定手段１１において設定された情報を基に、電波強度分布と遅延特性分布を計算する電波強度分布計算手段１２である。また、パラメータ設定手段１１において設定された情報と、電波強度分布計算手段１２において計算された情報とを基に、伝送路誤り率特性分布を計算する伝送路誤り率特性分布計算手段１３を備えている。

ここで、この実施形態の要部として、パラメータ設定手段１１に設定された情報と、伝送路誤り率特性分布計算手段１３で計算した情報を基に、実効通信スループット（データ伝送性能）分布を計算する実効通信スループット分布計算手段１４を備えている。最後に、実効通信スループット分布計算手段４の計算結果を出力する計算結果出力手段１５を備えている。

図２は、本実施形態における処理の概略を示す処理フロー図である。

まず、ステップ２１では、シミュレーションに必要なパラメータをパラメータ設定手段１１に設定する。例えば、次のような情報が設定される。まず、（ａ）無線パラメータやシミュレーションの対象となる空間（送受信局が存在する空間）の周囲環境（建物のレイアウトなど）、（ｂ）送受信局の位置、（ｃ）送受信アンテナの特性、（ｄ）周囲の雑音、（ｅ）電波干渉波の電力等のシミュレーション環境に関する情報である。次に、（ｆ）使用する通信プロトコルであり、さらに、（ｇ）基地局数、（ｈ）端末数、（ｉ）各端末局に必要な単位時間当りの送受信データ量及び（ｊ）その他の所望のシミュレーション条件である。前記無線パラメータとは、使用する無線周波数や送受信変調方式や送信電力などである。

次に、ステップ２２では、電波強度分布計算手段１２において、電波強度分布と遅延特性分布を計算する。この計算は、パラメータ設定手段１１に設定された情報、特に、使用する無線周波数やシミュレーションの対象となる空間（送受信局が存在する空間）の周囲環境（建物のレイアウトなど）や送受信局の位置や送信電力や送受信アンテナの特性などの情報に基くものである。電波強度とは、例えば、受信電界強度や受信電力であり、前記遅延特性とは、電波伝搬経路の異なる複数の電波の位相差の特性である。

電波強度分布計算手段１２において電波強度分布や遅延特性分布を計算する方法としては、例えば、一般的に知られているレイトレーシング法や有限差分時間領域法などを用いればよい。レイトレーシング法は、電波伝搬を幾何光学的に解析する方法であり、鹿子嶋憲一著「光・電磁波工学」コロナ社、２００３年などの文献において述べられている。また、有限差分時間領域法は、マクスウェルの方程式を差分化して電磁界を解析する方法であり、宇野亨著「ＦＤＴＤ法による電磁界およびアンテナ解析」コロナ社、１９９８年などの文献に述べられている。

次に、ステップ２３では、伝送路誤り率特性分布計算手段１３において、無線伝送路の伝送路誤り率特性分布を計算する。この計算は、パラメータ設定手段１１において設定された情報、特に、送受信に使用される変調方式や周囲の雑音および電波干渉波の電力などの情報と、電波強度分布計算手段１２において計算された電波強度分布などの情報に基くものである。前記伝送路誤り率とは、例えばビット誤り率やフレーム誤り率である。

伝送路誤り率特性分布計算手段１３において伝送路誤り率特性分布を計算する方法としては、例えば、送受信に使用される変調方式がＢＰＳＫ方式やＱＰＳＫ方式であれば、１ビット当りの信号電力に対する雑音密度の比であるＥｂ／Ｎｏを用いて計算することができる。この信号電力対雑音密度の比Ｅｂ／Ｎｏは、電波強度分布計算手段１２で計算した受信電界強度分布や受信電力分布と送信電力や周囲の雑音及び電波干渉波の電力などから算出できる。Ｅｂ／Ｎｏから伝送路誤り率特性分布を求める方法は、藤野忠著「ディジタル移動通信」昭晃堂、２０００年などの文献において述べられている。

次に、ステップ２４では、実効通信スループット分布計算手段１４において、次のような情報に基いて、実効通信スループット分布を計算する。すなわち、パラメータ設定手段１１で設定した情報、特に、通信プロトコル、基地局数、無線端末数、各無線局が送信する単位時間当りのデータ量などの情報と、伝送路誤り率特性分布計算手段１３において計算された伝送路誤り率特性分布などの情報を用いる。実効通信スループットとは、前述したように、例えば、１端末局が単位時間当りに送受信可能なデータ量（ビット数）やシステム全体（全無線局）で単位時間当りに送受信可能な合計データ量（合計ビット数）などである。

実効通信スループット分布計算手段１４において実効通信スループット分布を計算する方法としては、無線通信に使用する通信プロトコルをモデル化して計算する方法がある。本実施形態では、使用する通信プロトコルがＩＥＥＥ８０２．１１標準プロトコルである場合について、実効通信スループット分布の計算方法を以下に述べる。

まず、伝送路誤り率特性分布計算手段１３において計算された伝送路誤り率特性分布がビット誤り率ＢＥＲ（Bit Error Rate）に関するものであった場合、ビット誤り率ＢＥＲからフレーム誤り率ＦＥＲ（Frame Error Rate）を式（１）あるいは式（２）にて計算する。

図３は、ＩＥＥＥ８０２．１１標準プロトコルにおけるフレームフォーマットである。プリアンブルとスタートデリミタ３１１と物理層ヘッダ３１２は、１Ｍｂｐｓ、ＭＡＣヘッダ３１３とＭＡＣデータ３１４は、伝送速度Ｒｔ（Ｒｔ＝１Ｍｂｐｓ、２Ｍｂｐｓ、５．５Ｍｂｐｓ、１１Ｍｂｐｓ）で伝送される。したがって、ＭＡＣデータ長がＬｍのときフレーム誤り率ＦＥＲは、Ｒt＝１Ｍｂｐｓのとき、
ＦＥＲ＝１−［（１−ＢＥＲｂ）＾｛（２＋６）×２×８｝
×（（１−ＢＥＲｂ）＾｛（３０＋Ｌｍ＋４＋１４）×８｝）…………（１）
であり、他方、Ｒt＝２Ｍｂｐｓ、５．５Ｍｂｐｓ、１１Ｍｂｐｓのとき、
ＦＥＲ＝１−［（１−ＢＥＲｂ）＾｛（２＋６）×２×８｝
×（（１−ＢＥＲｑ）＾｛（３０＋Ｌｍ＋４＋１４）×８｝）…………（２）
となる。なお、式（１）および式（２）において、伝送速度が１ＭｂｐｓのときのＢＥＲをＢＥＲｂ、伝送速度が２Ｍｂｐｓ、５．５Ｍｂｐｓ、１１ＭｂｐｓのときのＢＥＲをＢＥＲｑとする。

次に、上述の条件下（ＦＥＲ）においてデータ通信を行った場合の実効通信スループット分布を計算する。

この実施形態では、タイムスロットＳlotが２０μｓ、ＳＩＦＳ（Short Inter-frame Space）は１０μｓ、ＤＩＳＦ（Distributed Inter-frame Space）は５０μｓである。符号の定義としては、同一周波数を使用する無線局の総数（端末数＋基地局数）をＮｔ、送受信フレームの平均ＭＡＣデータ長をＬｍ、全局が単位時間当りに送信するＭＡＣデータの総量をＲｌとする。また、送受信フレームのＭＡＣデータのスループットをここでは実効通信スループットＲｍａｃと定義し、換算無線局数（後述）をＮｔｌ、フレーム送信時間（フレーム送信開始からＡｃｋフレーム送信終了までの所要時間）をＴftとする。さらに、再送ｎ回目のバックオフ時間の期待値をＴｂｋ（ｎ）、再送ｎ回目に衝突発生する確率をＰｃｌ（ｎ）、再送ｎ回目に送信成功する確率をＰｔｓ（ｎ）、リトライオーバする確率をＰｒｏとする。再送ｎ回目の送信延期時間、すなわち他局が送信中のためバックオフのカウントダウンを中断する時間の期待値をＴｄｆ（ｎ）とする。また、衝突、フレームエラー及び他送信延期を考慮しない場合の送信完了時間、すなわちキャリアセンスからＡｃｋフレーム送信終了までの所要時間の期待値をＴｔｃｏとする。再送ｎ回目の送信完了時間、すなわちキャリアセンスからＡｃｋフレーム送信終了までの所要時間の期待値をＴｔｃ（ｎ）とする。最後に、送信延期を考慮した送信完了時間、すなわち上位ソフトウェアの送信起動からＡｃｋフレーム送信終了までの所要時間の期待値をＴｔｃとする。また、以下の数式では、ａ＞ｂの場合、次の式（３）であるものとする。

次に、フレーム送信時間について説明する。

ＩＥＥＥ８０２．１１標準プロトコルにおいて、ユニキャスト送信の場合、送信局（無線局Ａ）がフレーム３１を送信すると、それを正常に受信した受信局（無線局Ｂ）はＡｃｋフレーム３２を返信する。ユニキャストの場合のフレーム送信タイミングは図３に示す通りである。なお、ブロードキャスト送信の場合には、受信局はＡｃｋフレーム３２を返信しない。

図３より、フレーム３１の送信開始から、Ａｃｋフレーム３２を送信終了するまでの所要時間Ｔｆｔは、式（４）で示される。

再送ｎ回目のバックオフ時間の期待値Ｔｂｋ（ｎ）は、バイナリポテンシャルバックオフアルゴリズムより、式（５）で示される。

したがって、他のフレームとの衝突やノイズによるフレームエラーおよび他フレームの送信終了を待つ送信延期を考慮しない場合のフレーム送信時間の期待値Ｔｔｃｏは、
Ｔｔｃｏ＝ＤＩＳＦ＋Ｔｂｋ（０）＋Ｔｆｔ………………………………………（６）
となる。

次に、他フレームとの衝突確率について説明する。

図４は、この実施形態における衝突発生時のフレーム再送信開始タイミング図である。ＣＳＭＡ／ＣＡ方式であるＩＥＥＥ８０２．１１標準プロトコルでは、フレーム送信前にランダムに選んだ数に比例した時間（バックオフ時間）だけ送信延期した後に送信を開始する。しかし、図４のように、他の無線局のフレーム送信開始タイミングと一致（衝突）する確率はゼロにはならず、衝突発生時はバイナリポテンシャルバックオフアルゴリズムにより決定した時間Ｔｂｋ（ｎ）だけ待って再送する。

フレームを送信しようとしているある無線局が、ｎ回目の再送時に他の無線局と送信タイミングが一致するランダム時間を選ぶ確率Ｐｃｌ（ｎ）は、式（７）で表される。

式（７）において、衝突確率を考える場合、他の無線局が送信起動をかけるタイミング及びフレーム送信開始までの時間はどちらもランダムである。したがって、ある無線局がフレームをどのタイミングで送信しても、他の無線局の送信タイミングが一致する確率は全て等しいと考える。例えば、ある無線局が送信時にランダムに選ぶ整数（ｎ個の中から１個）に対応するタイミングと、他のＮ個の無線局の送信タイミングが一致する確率は（１／ｎ）Ｎとする。

また、ネットワーク全体の負荷が小さいことは、ある時点、例えばある無線局が送信起動をかけた時点で送信フレームを持っている他の無線局の数が少ないことと等価であると見なし、換算無線局数Ｎｔｌを式（８）で定義し、これを式（７）に適用した。

換算無線局数Ｎｔｌ＝CEILING［Ｎｔ×η］…………………………………………（８）
（CEILING［ ］：［ ］内の数値を挟む整数のうち０から遠い方の数を表わす）
ただし、ηは、式（９）の通りである。

（MIN［ ］：［ ］内の２個の数値のうち絶対値が小さい方の数を表わす）
次に、図５を参照して送信延期時間について説明する。

図５は、本発明の第１の実施形態における通信フレームの送信延期時間を示す図である。ＣＳＭＡ／ＣＡ方式であるＩＥＥＥ８０２．１１標準プロトコルでは、図５に示すように、フレーム送信前にキャリアセンスを行い、無線伝送路に他の無線局からのキャリアが存在しなければ、予定のランダム時間だけ待ってからフレームを送信する。この例は、ランダム時間を１４スロットとした場合である。

もし、キャリアが存在していれば、そのキャリアが停止するまで待ち、さらにランダム時間待ってからフレームを送信する。また、送信前にランダム時間待っている途中でキャリアをセンスした場合は、そのキャリアが存在している期間はランダム時間の計測を一時停止し、キャリアが停止した後、再度ランダム時間の計測を再開する。このキャリア存在中にランダム時間の計測を停止することを送信延期と呼ぶ。

再送ｎ回目の送信延期時間の期待値Ｔｄｆ（ｎ）は、式（１０）で表わすことができる。

式（１０）では、送信延期がバックオフのランダム時間計測中に発生するため、ランダム時間の平均値に相当する時間に他の無線局が送信するフレーム数の期待値を計算している。なお、あるタイミングで他の無線局がフレーム送信する確率は衝突確率と同様、Ｐｃｌ（ｎ）である。例えば、再送０回目（最初の送信時）は、０〜３１の中からランダムに整数を選び、それに２０μｓをかけた時間だけバックオフを行う。上記各整数から３を選ぶと、０，１，２のタイミングで送信される他の無線局のフレームが送信延期の対象となり、送信延期時間の期待値は、３×（Ｐｃｌ（０）×Ｔｆｔ）となる。他方、５を選んだ場合には、同様に、送信延期時間の期待値は、５×（Ｐｃｌ（０）×Ｔｆｔ）である。各整数を選ぶ確率は１／３２であり、また、０を選んだ場合は衝突のみで送信延期はあり得ない。したがって、
Ｔdf(0)＝31・(31+1)/2×(Ｐcl(0)・Ｔft) ×(1/32)
＝（31/2）×(Ｐcl(0)・Ｔft) ……………………………………………（１１）
となる。

他の再送回数の時も同様に考えて、式（１１）が得られる。

次に送信成功確立について説明する。

送信成功する確率は、フレームエラーが発生しない確率と衝突が発生しない確率の積である。したがって、再送０回目（最初の送信時）に送信成功する確率Ｐｔｓ（０）は、
Ｐts(0)＝(１−ＦＥＲ)(１−Ｐcl(n))………………………………………………（１２）
である。次に、再送１回目（最初の送信時）に送信成功する確率Ｐｔｓ（１）は、再送０回目で送信失敗したフレームが対象であるから、
Ｐts(1)＝(１−ＦＥＲ)(１−Ｐcl(1))×(１−Ｐts(0))…………………………（１３）
である。以下同様に、再送ｎ回目に送信成功する確率Ｐｔｓ（ｎ）は、式（１４）となる。

また、所定回数（７回）再送しても送信成功しなかったフレームは、再送失敗（リトライオーバ）フレームとして廃棄する。リトライオーバ確率Ｐｒｏは、式（１５）となる。

実効通信スループット分布の計算の最後に、送信完了時間および実効通信スループットについて考える。

再送ｎ回目の送信完了時間（キャリアセンスからＡｃｋフレーム送信終了までの所要時間）の期待値Ｔｔｃ（ｎ）は、
Ｔtc(n)＝Ｔtc(n-1)＋DISF＋Ｔbk(n)＋Ｔdf(n)＋Ｔft…………………………（１６）
となる。ただし、Ｔtc(-1)＝０とする。

したがって、送信完了時間（アプリの送信起動からＡｃｋフレーム送信終了までの所要時間）の期待値Ｔｔｃは、式（１７）で表わすことができる。

また、１フレームを送信完了するために必要な時間の期待値をＴｔｃとすると、ＭＡＣデータの実効通信スループットＲｍａｃは、再送失敗する確率Ｐｒｏも考慮して、式（１８）となる。

Ｒmac＝Ｌm×8/Ｔtc×(１−Ｐro)…………………………………………………（１８）
図６は、上述の本発明の第１の実施形態によるＢＥＲと実効通信スループットの関係の計算例図である。図６では、横軸にＢＥＲ、縦軸に実効通信スループットを表し、伝送速度Ｒｔを１１Ｍｂｐｓ、無線局の総数（端末数＋基地局数）Ｎｔを５にした場合の６種類のＭＡＣフレーム長Ｌｍに対して計算した結果を示している。

さらに、上述の方法により、シミュレーションの対象範囲の全域に渡って実効通信スループットを計算すると実効通信スループット分布が求められる。

以上で、ＩＥＥＥ８０２．１１標準プロトコルにおける実効通信スループット分布の計算を終了した。

最後に、図１の計算結果出力手段１５において、図２のステップ２５で、実効通信スループット分布計算手段１４の計算結果である実効通信スループット分布を出力する。

図７は、本発明の第１の実施形態に係る計算結果出力手段の出力例を示す図である。この図では、外壁７１の中に電波を透過させない壁７２が存在する建物内のある場所に、基地局７３を設置した場合の実効通信スループット分布の表示例を、実効通信スループットの大きさに応じて異なるパターンで表示している。表示パターンと実効通信スループット値の対応表７４と、使用した通信プロトコルの種別や無線端末数を表示する表示部７５を設けている。

この表示例７０においては、送受信データ量の複数レベルのエリアをパターンで区別して表示している。したがって、表示各端末局の所望の送受信データ量が決っておれば、その所望の送受信データ量に対応するパターンが、それら端末局の所定の送受信データ量を満足するエリアを表示していることとなる。

図８は、上述の第１の実施形態を実行する無線通信シミュレータのハード構成ブロック図である。計算機８０は、演算装置８１と、キーボードやマウスなどの入力装置８２と、計算結果を出力するディスプレイなどの出力装置８４を備えている。この外に、プリンタなどの外部出力装置８５と、ＣＤＲＯＭドライブなどの外部記憶装置８６を備えて構成されるが、外部出力装置８５と外部記憶装置８６は必須ではない。

まず、プログラム言語でシミュレーション手順が記述された情報を入力装置８２あるいは外部記憶装置８６から記憶装置８３へ記憶させる。次に、計算に必要なパラメータを、入力装置８２あるいは外部記憶装置８６から記憶装置８３へ記憶させる。そして、シミュレーションの計算を演算装置８１で実行し、計算結果の出力を出力装置８４あるいは外部出力装置８５へ出力する。あるいは、計算結果を外部記憶装置８６へ出力し、前記外部記憶装置８６を他の計算機へ接続し、他の計算機から出力してもよい。

図９は、本発明の第２の実施形態に係る無線通信シミュレータのハード構成ブロック図である。図に示すように、複数の計算機９０、９１、９２や外部出力装置９５や外部記憶装置９６を、イーサネット（登録商標）などのデータ伝送ネットワーク９３へ接続する。このデータ伝送ネットワーク９３を介して、複数の計算機９０、９１、９２や外部出力装置９５や外部記憶装置９６の間でシミュレーションの計算や入出力処理を分散させて処理させている。

図１０は、本発明の実施形態に係る計算結果出力手段の第２の出力例１００を示す図である。この図に示すように、受信電界強度分布あるいは受信電力分布１０６と、伝送路誤り率特性分布１０７を、実効通信スループット分布１０８と併せて出力してもよい。また、受信電界強度分布あるいは受信電力分布１０６と、伝送路誤り率特性分布１０７と、実効通信スループット分布１０８を切り替えながら表示させてもよい。

図１１は、本発明の第３の実施形態に係る無線通信シミュレータの構成を示すブロック図である。この図は、図１に、（１）最適基地局位置、（２）必要基地局数などを計算する計算手段１１６を追加したものである。

上述の第１、第２の実施形態は、基地局をある位置に設置した場合の実効通信スループット分布を計算するものであった。この第３の実施形態においては、（１）希望する実効通信スループットを実現可能な範囲の面積を最大にする基地局の設置場所を求めることができる。あるいは、（２）全ての端末局が所望の通信性能を満足する基地局数とその配置位置を求めることができる。これを図１２を参照して説明する。

図１２は、本発明の第３の実施形態に係る無線通信シミュレータの処理フロー図である。この図は、図２のステップ２１をステップ１２１に変更し、ステップ１２６〜１２８を加えたものであり、前述した（１）又は（２）のシミュレーション例の処理を実行するフローである。

最初に、（１）最適基地局位置の計算を実行する場合から説明する。まず、ステップ１２１では、パラメータ設定手段１１において、一般的な設定条件に加えて、各端末無線局が希望する送受信データ量と最大許容基地局数を設定する。次に、ステップ１２６では、実効通信スループット分布の計算結果から、仮定中の基地局配置又は基地局数によって、希望する実効通信スループットを実現可能なエリアの面積を求める。ステップ１２７では、計算結果の実現可能エリアの面積が最大となる基地局配置が確定したかを判定する。ステップ１２８では、その面積が最大となるまで、基地局の位置あるいは基地局の数を変化させながら計算を繰返す。そして、その面積が最大となる基地局配置あるいは基地局数が決定すると、最後に、求めた結果、すなわち得られた実効通信スループット分布とともに基地局配置あるいは基地局数を出力手段１５へ出力し、表示する。ただし、基地局数は可能な限り少なくするように計算する。

第２に、（２）全ての端末局が所望の通信性能を満足するために必要な基地局数とその配置位置を計算する場合につき説明する。まず、パラメータ設定手段１１において、一般的な設定条件に加えて、端末局の配置及び各端末無線局が希望する送信データ量を設定する。次に、ステップ１２６で、仮定の基地局数とその配置位置での全端末局の実効通信スループット（可能な送受信データ量）を計算する。ステップ１２７では、全ての端末局が希望する送信データ量を達成できるかを判定する。達成できない場合には、ステップ１２８において、基地局の位置あるいは基地局の数を変化させながら計算を繰返して、全ての端末局が希望する送信データ量を実現できる基地局数と基地局の位置を計算する。最後に、ステップ２５において、求めた結果、すなわち全ての端末局が希望する送受信データ量を実現できる基地局数と基地局の位置を出力手段１５へ出力し、表示する。

この実施形態によれば、無線伝送路上で実現する通信プロトコルのオーバヘッドを考慮したデータ伝送性能（実効通信スループット）を計算することにより、実際にデータ伝送を行った場合のデータ伝送性能をより正確に予測することが可能となる。したがって、無線通信システムのシミュレーション精度を向上させ、基地局の通信可能エリアを正確に求めることができ、システム設計に役立てることができる。

無線通信システムを構築する際に、基地局位置や無線端末台数、通信性能などのシステム性能を事前に予測するために本発明を適用することが可能である。

本発明の第１の実施形態に係る無線通信シミュレータの機能ブロック図。 本発明の第１の実施形態に係る無線通信シミュレータの処理フロー図。 本発明の第１の実施形態における通信フレームフォーマットと送信タイミング図。 本発明の第１の実施形態における衝突発生時のフレーム再送信開始タイミング図。 本発明の第１の実施形態における通信フレームの送信延期時間を示す図。 本発明の第１の実施形態に係るＢＥＲと実効通信スループットの関係の計算例図。 本発明の第１の実施形態に係る計算結果出力手段の第１の出力表示例を示す図。 本発明の第１の実施形態に係る無線通信シミュレータのハード構成ブロック図。 本発明の第２の実施形態に係る無線通信シミュレータのハード構成ブロック図。 本発明の実施形態に係る計算結果出力手段の第２の出力表示例を示す図。 本発明の第３の実施形態に係る無線通信シミュレータの機能ブロック図。 本発明の第３の実施形態に係る無線通信シミュレータの処理フロー図。

符号の説明

１１…パラメータ設定手段、１２…電波強度分布計算手段、１３…伝送誤り率特性分布計算手段、１４…実効通信スループット分布計算手段、１５…計算結果出力手段、１１６…最適基地局位置又は必要基地局数計算手段、８０，９０，９１，９２…計算機、９３…データ伝送ネットワーク、８１…演算装置、８２…入力装置、８３…記憶装置、８４…出力装置、８５，９５…外部出力装置、８６，９６…外部記憶装置、６００…ＢＥＲと実効通信スループットの関係を表わすグラフ、７０，１００…出力表示例、７１…建物の外壁、７２…建物内の電波を透過させない壁、７３，１０３…基地局、７４，１０４…表示パターンと実効通信スループット値の対応表の表示部、７５，１０５…使用する通信プロトコルと無線端末数の表示部、１０６…受信電界強度分布あるいは受信電力分布表示部、１０７…伝送誤り率特性分布表示部、１０８…実効通信スループット分布表示部。

Claims (8)

1. 基地局から端末局への無線通信のシミュレーションに必要なパラメータを設定するステップと、設定された情報に基いて、電波強度分布、遅延特性分布、伝送路誤り率特性分布又は実効伝送速度分布の少なくとも１つを計算するステップと、この計算結果を出力するステップを備えた無線通信シミュレーション方法において、
   （１２１−２）端末局の配置及び各端末局が希望する送信データ量を設定するステップ、
   （２２）各基地局の初期配置位置を決め、指定エリア内の電波強度分布を計算するステップ、
   （２３）無線伝送路の伝送路誤り率特性分布を計算するステップ、
   （２４）通信プロトコル、基地局数、端末局数、ならびに前記基地局および端末局が送信する単位時間当りのデータ量を含む情報と、計算された伝送路誤り率特性分布を用い実効通信スループット分布を計算するステップ、
   （１２６−２）仮定の基地局数とその配置位置での全端末局の実効通信スループット（可能な送受信データ量）を計算するステップ、
   （１２７−２）全ての端末局が希望する送信データ量を達成できるかを判定するステップ、
   （１２８）全ての端末局が希望する送信データ量を達成できない場合に、基地局の位置あるいは基地局の数を変化させながら計算を繰返して、全ての端末局が希望する送信データ量を実現できる基地局数と基地局の位置を計算するステップ、および
   （２５）求めた全ての端末局が希望する送受信データ量を実現できる基地局数と基地局の位置を出力し、表示するステップ
   を備えたことを特徴とする無線通信シミュレーション方法。
2. 請求項１において、前記実効通信スループット分布は、単位時間当りに送受信可能なデータ量の平均値又はこの値に関係する尺度を含むことを特徴とする無線通信シミュレーション方法。
3. 請求項１において、前記パラメータを設定するステップは、使用する無線周波数、送受信に使用される変調方式の種類、送信電力、シミュレーションの対象となる空間の周囲環境情報、送受信アンテナの特性、周囲の雑音の電力及び／又は電波干渉波の電力を設定するステップを含むことを特徴とする無線通信シミュレーション方法。
4. 請求項１において、前記パラメータを設定するステップは、使用する通信プロトコルの種別を設定するステップを含むことを特徴とする無線通信シミュレーション方法。
5. 請求項１において、前記パラメータを設定するステップは、シミュレーション対象領域、最大基地局数、端末局数及び／又は各端末局に必要な送受信データ量を設定するステップを含むことを特徴とする無線通信シミュレーション方法。
6. 請求項１において、前記パラメータを設定するステップは、端末局へデータを送信する基地局数の上限を設定するステップと、各端末局に必要な単位時間当りの所望の送受信データ量を設定するステップを含み、前記実効通信スループット分布を計算するステップは、設定された基地局数の上限内で、前記所望の送受信データ量を満足するエリアが最大となる前記基地局の配置及び／又は基地局数を計算するステップを備えたことを特徴とする無線通信シミュレーション方法。
7. 請求項１において、前記パラメータを設定するステップは、端末局数とその配置エリア及び各端末局に必要な単位時間当りの所望の送受信データ量を設定するステップを含み、前記実効通信スループット分布を計算するステップは、前記端末局が前記所望の送受信データ量を満足する基地局数及び／又はその配置位置を計算するステップを備えたことを特徴とする無線通信シミュレーション方法。
8. 請求項１において、前記パラメータを設定するステップは、端末局へデータを送信する基地局数の上限を設定するステップと、端末局数とその配置エリア及び各端末局に必要な単位時間当りの所望の送受信データ量を設定するステップを含み、前記実効通信スループット分布を計算するステップは、設定された基地局数の上限内で、前記端末局が前記所望の送受信データ量を満足する基地局数及び／又はその配置位置を計算するステップを備えたことを特徴とする無線通信シミュレーション方法。

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