JP5076156B2 - 無線ネットワーク評価方法、無線ネットワーク評価システム、無線ネットワーク監視装置、及び無線ネットワーク評価プログラム、プログラムを記録した記録媒体 - Google Patents
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Description
特に、送受信する無線ノード間を直接見通しで結んだ直線以外の経路が主要通信路である場合には、このような影響を受けやすい。
さらに、複数の電波経路のそれぞれにおいて、反射、透過、または回折の影響を与える構造物を求め、その構造物の存在確率を用いて、受信電力を調整し、調整後の受信電力に基づいて、それぞれの電波経路の利用可能性を評価するようにしている。
図1は、本発明の実施の形態例としての無線通信ネットワーク評価システムを示すブロック構成図であり、図2は、その動作を示すフローチャートである。
先ず、図1のブロック構成図を用いて、本例の無線ネットワーク評価システムの構成の概略を説明し、その後で、図2のフローチャートに基づいて本例の評価システムの動作について説明する。
図2に示すように、まず、送信する一の無線ノード110と受信する他の無線ノード120間に存在する構造物の形状、送信側無線ノード110の送信出力、アンテナ指向特性、利得、配置場所、姿勢等の無線パラメータが、無線パラメータ設定手段101によって入力される(ステップS201)。また、無線パラメータ設定手段101により、無線ノード間の経路上にある構造物による最大の反射回数N、回折回数Ndが入力される。
この指向特性テーブル501は、角度θフィールド512、角度φフィールド513、当該角度θ及びφにおける利得G(θ、φ)フィールド514の3つのフィールドを持っている。ここで、角度θ、φは、アンテナの基準座標系においてアンテナから放射される方位角度、もしくはアンテナにて受信される方位角度を示すものである。角度θは、アンテナの基準座標系のz軸と、放射方向とのなす角度を示し、角度φは、アンテナの基準座標系のxy平面に放射方向を投影した場合のx軸とのなす角度を示している。
構造物管理テーブル601に記述される各構造物には、それぞれの構造物毎には物体ID611が定められている。この物体ID611は、各構造物を管理するための個別の番号である。
図9は、図6の確率IDが「1」のテーブルの例である。確率情報テーブル901には、確率情報テーブルID911、配置情報フィールド912、確率値フィールド913、開始時刻フィールド914、終了時刻フィールド914が設けられている。
すなわち、各確率情報テーブル901は互いに異なる確率ID値を持つ。そして、それぞれの構造物(物体ID)は、それぞれの持つ確率ID(図6参照)によってこの確率情報テーブル901にリンクされている。
また、確率値フィールド913は、配置情報フィールド912によって示された各配置情報に対し、構造物が存在する確率を表すフィールドである。
図10は、本発明の実施の形態例を説明する上で必要な、従来手法による電波経路算出手段103における処理を示すフローチャートである。
まず、電波経路算出手段103の処理が開始されると(ステップS1001)、対象となる2つの無線ノード間における直接到達する電波経路が生成される(ステップS1002)。ここで、直接到達する電波経路とは、3次元空間内の2つの点(無線ノード)を直線で結ぶ線分を生成することと等価である。
続いて、構造物による反射回数nを1から最大反射回数Nまでセットし、各反射回数nに対し、後述するステップS1005〜ステップS1010までの処理を繰り返す(ステップS1004)。
すなわち、電波経路を算出するということは、A,B,C、それぞれの物体上での反射点(もしくは回折点)を求める計算を行うことを意味する。
ただし、算出された反射点(もしくは回折点)が、実際に定義された有限の範囲に限定される物体上に存在するとは限らないため、定義された構造物の範囲内に存在するか否かのチェックを行い、全ての反射点(もしくは回折点)が定義された構造物上に存在していれば、当該電波経路を採用し、ひとつでも構造物上に存在しなければ、当該電波経路を存在し得ないものとして破棄する。
鏡像変換は、平行移動を表す行列と、回転変換を表す行列の積により表すことができる。たとえば、前述の電波経路の候補を現す順列A、B、Cにおいて、A、B、Cがいずれも反射体である場合、A、B、Cにおける鏡像変換を表す行列をそれぞれTa、Tb、Tcとした場合、物体Bに対しては、Taによる鏡像変換、物体Cに対しては、Ta、Tbによる鏡像変換、受信点に対しては、Ta、Tb、Tcによる鏡像変換を行う。
この各変換後の座標において、送信点と受信点間を直線で結び、当該直線と各物体との交点を求める計算を施すものである。
なお、上記A,B,Cに回折エッジが含まれる場合は、当該物体による鏡像変換行列は単位行列であるものとする。すなわち、物体Bが回折エッジである場合は、物体AおよびCによる鏡像変換を施した座標において、送信点から物体Bによる回折を経て受信点に到達する線分を求め、この線分と物体AおよびBとの交点を算出することで、送信点から物体Aで反射、物体Bで回折、物体Cで反射し、受信点に到達する電波経路を求めることができる。
また、反射係数、透過係数、回折係数は、当該現象を発生する構造物の電気的特性である、比誘電率ε、比透磁率μ、導電率σ、厚さΔw、によって求められる値である。この求め方については、例えば、「リアライズ社 電波伝搬ハンドブック(ISBM4-89808-012)」に詳細な計算方法が記載されている。なお、比誘電率ε、比透磁率μ、導電率σ、厚みΔwの具体的な値は、図7及び図8に示したように、それぞれ物体IDに対する形状テーブル701と属性テーブル801により検索することができる。
ここでは、説明のために2次元空間で示しているが、実際には3次元空間で計算される。この例では、電波経路内に存在する構造物である、壁1111、柱1112、窓1113、隔壁1114、扉1115が入力データとされる。
この図11は、電波経路算出手段102において、幾何光学的手法を用いて電波経路1121及び1122が算出できたことを示している。
本発明の実施の形態例では、上述した従来の計算方法に加えて、更に、各構造物に対して、図6の構造物管理テーブル601に示す確率情報614を追加して計算する点に特徴がある。
図12は、本発明の実施の形態例である、図6の構造物管理テーブル601の確率情報614を、反映して算出された電波経路における構造物の配置例を示したものである。
本発明の実施の形態例では、図1に示した利用可能性評価手段107の働きが重要である。図2のステップS207でも説明したように、利用可能性評価手段107は、以下のような処理を行う。例えば、利用可能性評価手段107は(5)式に示されるような計算を行っている。
図13は、本発明の実施の形態例において、幾何光学的手法によって電波経路を算出する処理手順を示すフローチャートである。図10と異なるところは、図10のステップS1005の処理が、図13ではステップS1302に変更されていることである。更に、図10のステップS1004の処理の前に図13ではステップS1301の処理が加えられたことである。このステップS1301の処理は、入力された構造物のリストから、反射または回折を行う構造物リストを生成する処理を示している。すなわち、図13のステップS1302の処理によって、図14に示される反射もしくは回折構造物リスト1401のテーブルが生成される。なお、図13において、ステップS1301とステップS1302以外の処理は、図10と同じであるので、各ステップには図10と同一符号を付している。
図15は、本発明の実施の形態例を用いた無線ネットワークの例であり、いわゆる、論理的な無線接続状態を表す無線ノードグラフである。各無線ノードは、端末ノード、中継ノード、GWノードのいずれかである。図15に示す無線ネットワークでは、端末ノード1501とGWノード1510との間で通信データの送受信を行う例を示している。端末ノード1501とGWノード1510の間にある中継ノードRT11〜RT33は、端末ノード1501とGWノード1510間が直接無線接続できない場合にその中継接続を行う無線ノードである。
図16は、図15に示した無線ノードグラフを用いて、端末ノード1501からGWノード1510までの複数の中継経路を探索するための処理を説明するためのフローチャートである。
中継経路を探索する処理(ステップS1601)が開始されると、最初に無線ノードグラフの入力処理が行われる(ステップS1602)。このステップS1602の処理は、無線ネットワークを構成する無線ノード群をグラフのノードとし、各無線ノード間の経路評価値をグラフのエッジの重みとして無線ノードグラフを作成する処理である。いわば、図15に示す無線ノードグラフを作成する処理といってよい。
そして、指定された端末ノード1501とGWノード1510の組み合わせに対して、以下に説明するステップS1611〜ステップS1633の経路探索処理を繰り返し実施する(ステップS1605)。
最初に、図15に示される与えられた無線ノードグラフを用いて、端末ノード1501からGWノード1510までの中継経路を求める(ステップS1621)。このステップS1621の処理には、公知の経路検索アルゴリズムであるAスターアルゴリズムやダイクストラ法などのアルゴリズムが適用可能である。
図18は、本発明の他の実施の形態の例を説明するための図である。
この実施形態例は、図15で説明した実施形態例(実施例1)の無線ネットワークに、更に、無線ネットワーク監視装置1801を付加した構成となっている。
一方、端末ノード1814〜1816は、中継ノード1823に接続され、中継ノード1823は中継ノード1833を経由してGWノード1841に接続されている。
また、各端末ノード1811〜1816は、図示しないセンサや制御装置等に接続されている。そして、各端末ノード1811〜1816は、接続したセンサや制御装置から出力される情報を収集し、上述した無線ネットワークの中継経路を介して、収集した情報を定期的にGWノード1841または1842に送信するようにしている。
最後に、GWノード1841及び1842はそれぞれが受け取ったデータを制御装置1861に送信する。
このように、制御装置1861は、同一データを2つ以上の独立した中継経路を経由して受け取ることにより、仮に無線ネットワークのどこかに無線通信の不具合が発生しても、中継経路の冗長度以下の不具合であれば、確実にデータを得ることができる。
一般的には、2つのデータが届く時間にはずれが生じる可能性があるため、制御装置1861は、両方とも受信した上で、2つのデータを比較チェックして、データが整っている方を採用することが望ましいが、先に届いたデータもしくは後から届いたデータを採用するとしてもよい。
図19は、無線ネットワーク監視装置1801の構成例を示した図である。無線ネットワーク監視装置1801は、電波経路評価部1901、伝搬パラメータ修正部1902、通信部1903、記憶部1904、伝搬情報集計部1905、中継経路再構築部1906から構成される。
通信部1903は、ネットワークへ接続する機能を持つ。図18に示すように有線ネットワーク1851に接続され、GWノード1841、1842と通信することが可能となっている。
また、各無線ノードは、伝搬情報監視部1905から監視要求(プローブ要求)を受信すると、伝搬情報監視部1905に対して、無線ネットワークの中継経路を用いて信号強度情報テーブル2001を送信する。
この際、不確定な未知数として、前記の確率情報を選択し、反射計数、透過係数、回折係数といった物理量を固定することにより、未知数を少なく取ることができる。
また、サンプル数が不確定な未知数である係数に比べて多い場合でも、最小二乗誤差となるように未知数を決定することにより、補正精度を高めることが可能である。
図21に示す存在確率入力手段105の存在確率設定部2112は、構造物2211の分割面2302と、分割掃引面2303を順番に表示し、ユーザから各面に対する存在確率の指定を受け付ける。以上のように、ユーザは各構造物に対する存在確率を容易に入力することが可能となる。
Claims (17)
- 複数の無線ノードの中の一の無線ノードが有する電波の送信アンテナと他の無線ノードが有する電波の受信アンテナの間の電波の状態をシミュレーションする電波伝搬シミュレータを用いた無線ネットワーク評価方法であって、
前記一の無線ノード及び前記他の無線ノードの間の電波経路上に存在し、該電波経路に影響を与える物理現象を発生させる構造物の形状、位置情報及び電気的特性、前記一の無線ノードにおける送信出力及びアンテナ特性、及び前記他の無線ノードにおける受信出力及びアンテナ特性などの無線パラメータを入力する無線パラメータ設定ステップと、
前記構造物の形状及び位置情報に基づいて、前記一の無線ノードから前記他の無線ノードまで到達する、電波経路を算出する電波経路算出ステップと、
前記一の無線ノードから送信され、前記電波経路を経由して前記他の無線ノードで受信される電波の電波強度を算出する電波強度算出ステップと、
前記電波経路及び前記電波強度の算出結果を出力する計算結果出力ステップと、
前記構造物が、前記一の無線ノード及び前記他の無線ノード間の電波経路内の当該位置に存在する確率を計算して入力する存在確率入力ステップと、
前記電波経路における前記構造物の前記存在確率に基づいて、前記他の無線ノードで受信される電波強度を調整する伝搬特性算出ステップと、
前記調整後の電波強度を用いて、前記一の無線ノード及び前記他の無線ノード間の前記電波経路の利用可能性を評価する利用可能性評価ステップと、
を含む、無線ネットワーク評価方法。 - 更に、
前記複数の無線ノードに対し、該無線ノードが、端末ノード、中継ノードもしくはGWノードのいずれかであるかを定義するステップを、含み、
前記一の無線ノードを前記端末ノードとし、前記他の無線ノードを前記GWノードとして、前記利用可能性評価ステップで求めた前記複数の電波経路の利用可能性を評価する、請求項1に記載の無線ネットワーク評価方法。 - 前記電波経路に影響を与える物理現象は、電波を反射もしくは透過もしくは回折させる物理現象である、請求項1に記載の無線ネットワーク評価方法。
- 前記複数の端末ノードのうちのいずれかの端末ノードから、前記複数のGWノードのうちのいずれかのGWノードに対して、前記中継ノードを経由して無線信号を伝送する無線中継経路を探索するため、前記端末ノードと前記GWノード間の複数の電波経路の利用可能性を、前記各電波経路の評価値とする、
ことを特徴とする請求項2に記載の無線ネットワーク評価方法。 - 前記端末ノードから前記GWノードへの無線中継経路を複数探索する際に、前記複数の中継経路において、該中継経路を構成する中継ノードは、互いに重複しないように複数の中継経路を探索する、
ことを特徴とする請求項2に記載の無線通信ネットワーク評価方法。 - 複数の無線ノードの中の一の無線ノードが有する電波の送信アンテナと他の無線ノードが有する電波の受信アンテナの間の電波の状態をシミュレーションする電波伝搬シミュレータを用いた無線ネットワーク評価システムであって、
前記一の無線ノード及び前記他の無線ノードの間の電波経路上に存在し、該電波経路に影響を与える物理現象を発生させる構造物の形状、位置情報及び電気的特性、前記一の無線ノードにおける送信出力及びアンテナ特性、及び前記他の無線ノードにおける受信出力及びアンテナ特性などの無線パラメータを入力する無線パラメータ設定手段と、
前記構造物の形状及び位置情報に基づいて、前記一の無線ノードから前記他の無線ノードまで到達する電波経路を算出する電波経路算出手段と、
前記一の無線ノードから送信され、前記電波経路を経由して前記他の無線ノードで受信される電波の電波強度を算出する電波強度算出手段と、
前記電波経路及び前記電波強度の算出結果を出力する計算結果出力手段と、
前記構造物が、前記一の無線ノード及び前記他の無線ノード間の電波経路内の当該位置に存在する確率を計算して入力する存在確率入力手段と、
前記電波経路における前記構造物の前記存在確率に基づいて、前記他の無線ノードで受信される電波強度を調整する伝搬特性算出手段と、
前記調整後の電波強度を用いて、前記一の無線ノード及び前記他の無線ノード間の前記電波経路の利用可能性を評価する利用可能性評価手段と、
を備えたことを特徴とする無線ネットワーク評価システム。 - 前記複数の無線ノードは、端末ノード、中継ノード、GWノードのいずれかに定義されており、
前記一の無線ノードを前記端末ノードとし、前記他の無線ノードを前記GWノードとして、前記利用可能性評価手段で求めた前記複数の電波経路の利用可能性を評価する、
ことを特徴とする請求項6に記載の無線ネットワーク評価システム。 - 前記電波経路に影響を与える物理現象は、電波を反射もしくは透過もしくは回折させる物理現象である、請求項6に記載の無線ネットワーク評価システム。
- 前記複数の端末ノードのうちのいずれかの端末ノードから、前記複数のGWノードのうちのいずれかのGWノードに対して、前記中継ノードを経由して無線信号を伝送する無線中継経路を探索するため、前記端末ノードと前記GWノード間の複数の電波経路の利用可能性を、前記各電波経路の評価値とする、
ことを特徴とする請求項7に記載の無線ネットワーク評価システム。 - 前記端末ノードから前記GWノードへの無線中継経路を複数探索する際に、前記複数の中継経路において、該中継経路を構成する中継ノードは、互いに重複しないように複数の中継経路を探索する、
ことを特徴とする請求項7に記載の無線通信ネットワーク評価システム。 - 前記各無線ノード間で送受信される無線信号に基づいて、前記各無線ノードにおいて自ノード以外の他の各無線ノードからの無線信号の受信電力が測定され、
前記各無線ノードからの受信電力測定値は、前記ネットワークに有線接続されたGWノードを介してネットワーク監視装置に送信される、
ことを特徴とする、請求項7に記載の無線ネットワーク評価システム。 - 前記シミュレーションにより求めた前記各無線ノード間の受信電力を、前記電波経路毎に分解し、前記電波経路に影響を与える前記構造物の物理的特性及び存在確率を未知変数として、測定された前記受信電力測定値と比較することにより、前記構造物の物理的特性及び存在確率の補正値を統計的に推定する、
ことを特徴とする請求項6に記載の無線通信ネットワーク評価システム。 - 前記構造物の物理的特性及び存在確率の補正値を用いて、前記無線ネットワークにおける中継経路を再評価し、新たな中継経路を求める、
ことを特徴とする請求項12に記載の無線通信ネットワーク評価システム。 - 前記存在確率入力手段は、
前記構造物データを表示する表示部と、
存在確率を指定したい構造物を指定し、該構造物の移動ベクトルと移動範囲及び分割数の入力を受け付ける構造物指定部と、
前記指定された構造物データに対し、前記移動ベクトルの方向に拡張した掃引面と、
前記分割数により前記移動ベクトルの方向に算出した分割点位置に前記構造物データを複製した分割面と、
前記掃引面と前記分割面の重複箇所を算出して、前記掃引面から分割面の重複部を削除した分割掃引面を生成する構造物拡張部と、
前記構造物、分割面、分割掃引面が表示された前記表示部を用いて、前記分割面に対する存在確率を入力する存在確率設定部と、
からなることを特徴とする請求項6に記載の無線通信ネットワーク評価システム。 - GWノードに有線ネットワークを介して接続する通信部と、
シミュレーションにより求めた各無線ノード間の電波経路情報と、前記電波経路内にあって、電波伝搬に影響を与える構造物の物理的特性及び存在確率を保持する記憶部と、
前記各無線ノードが、無線ネットワーク内の他の無線ノードから受信した受信電力情報を収集する伝搬情報監視部と、
前記伝搬情報監視部で収集された前記受信電力情報によって、前記記憶部に保持された前記電波経路情報及び前記構造物の物理的特性及び存在確率の補正値を求める電波経路評価部と、
前記電波経路評価部で求めた前記補正値を用いて、前記電波経路を再評価し、新たな無線ネットワークの中継経路情報を生成し、
前記新たな中継経路情報を前記各無線ノードに送信し、前記各無線ノード間の中継経路を再構築する、
ことを特徴とする無線ネットワーク監視装置。 - 複数の無線ノードの中の一の無線ノードが有する電波の送信アンテナと他の無線ノードが有する電波の受信アンテナの間の電波の状態をミューレションする電波伝搬シミュレータとして、コンピュータを機能させる無線ネットワーク評価プログラムであって、
前記一の無線ノード及び前記他の無線ノードの間の電波経路上に存在し、前記電波経路に影響を与える物理現象をもたらす構造物の形状、位置情報及び電気的特性、前記一の無線ノードにおける送信出力及びアンテナ特性、及び前記他の無線ノードにおける受信出力及びアンテナ特性などの無線パラメータを入力する無線パラメータ設定機能と、
前記構造物の形状及び位置情報に基づいて、前記一の無線ノードから前記他の無線ノードまで到達する電波経路を算出する電波経路算出機能と、
前記電波経路を経由して前記他の無線ノードで受信される電波の電波強度を算出する電波強度算出機能と、
前記電波経路及び前記電波強度の算出結果を出力する計算結果出力機能と、
前記構造物が、前記一の無線ノード及び前記他の無線ノード間の電波経路内の当該位置に存在する確率を計算して入力する存在確率入力機能と、
前記電波経路における前記構造物の前記存在確率に基づいて、前記他の無線ノードで受信される電波強度を調整する伝搬特性算出機能と、
前記調整後の電波強度を用いて、前記一の無線ノード及び前記他の無線ノード間の前記電波経路の利用可能性を評価する利用可能性評価機能と、
をコンピュータで実現するための無線ネットワーク評価プログラム。 - 請求項16記載の無線ネットワーク評価プログラムを記録した記録媒体。
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