JP5714107B2 - 電波伝搬環境計測装置、無線ネットワーク構築システムおよび電波伝搬環計測方法 - Google Patents

Description

本発明は、無線ネットワークシステムにおける電波伝搬環境の設計を支援する電波伝搬環境計測装置、無線ネットワーク構築システムおよび電波伝搬環計測方法に関する。

所望の無線局間で通信を行う場合に、当該無線局間に中継局として複数の無線局を設置し、マルチホップにデータの授受を行うマルチホップ無線ネットワーク通信技術がある。

特に近年では、無線ＬＡＮ（Ｌｏｃａｌ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）などの無線通信機器の低コスト化や、主にディジタル機器用の近距離無線通信規格であるＢｌｕｅｔｏｏｔｈ、主に家電向けの短距離無線通信規格であるＺｉｇＢｅｅなどのセンサネット技術の標準化に伴い、産業分野における無線技術応用の期待が高まり、応用事例が増えつつある。

マルチホップ無線ネットワークは、産業分野、例えば、電力・交通などの社会インフラ事業やＦＡ（Ｆａｃｔｏｒｙ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ）・ＰＡ（Ｐｒｏｃｅｓｓ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ）などの製造業の監視・制御ネットワークへの適用による、監視・制御用ケーブルの削減に寄与するものと期待されている。また、有線ケーブルを無線化することにより、ケーブルの敷設コストや定期点検時のメンテナンスコストの低減を計ることができる。さらには、無線技術を活用することで、事業者は機器の追加や機器の構成の変更といった運用の変化に対して、より柔軟に対応することが可能となる。

但し、産業分野において無線によるリアルタイム通信を適用する場合には、高い信頼性が要求され、無線ネットワークに障害が発生した場合でも迅速な対応が要求される。例えば、マルチホップ通信により、複数系統の経路を確保することで要求を満たすネットワークを構築する場合、片方経路に障害が起きた時点で、一経路の信頼性に落ちてしまう。このため、できるだけ経路構築時に他の影響をうけにくい、良好な経路を設計することが必要となる。また、設置時は良好な状態であっても、時間の経過の中で、状態が大きく変わってしまうことも考えられる。

この対応としては、無線ネットワークを構築するサイト内において、無線局を設置可能な各所での電波の伝搬状態を測定し、その結果に基づいて無線局を配置設計していくことが望まれる。然しながら、広大な産業フィールドの隅々にわたって実測を行うことは困難である。そこで、上記のような網羅的な測定を行う代わりに、計算機上に仮想モデルを構築し、電波伝搬シミュレーションを実施することによりサイトの伝搬環境を推定することが必要であり、時間の経過によって状態が変わったときの変化要因を特定することが必要である。

しかし電波伝搬シミュレーションを実施するためには、無線ネットワークを構築するサイトにおける構造物の３次元形状と、構造物の誘電率、透磁率、導電率などの材料特性情報が必要である。また環境に変化が起きた場合でもそれに応じた、３次元形状と材料特性情報を容易に変動要因を特定できることが必要となる。

電波伝搬推定に、さまざまな場所での実験値に基づく統計モデルを用いる手法もあるが、上記のような高い信頼性が必要となる無線ネットワークシステムの構築には、サイト特有の伝搬環境を考慮したネットワーク設計を行うことが望ましい。

これらの点に関し、特許文献１では、レーザースキャナ、画像センサ等を用いて電波伝搬シミュレーション用のポリゴンデータを作成する。その上で、移動体に設置したレーザースキャナにより三次元の点座標群データを取得し、移動体の進行方向に沿った空間におけるポリゴンモデルデータを作成する方法が開示されている。

特開２００５−７０８４０号公報

上記特許文献１では、３次元形状を得ることが可能であるが、材料特性を得ることはできない。電波伝搬シミュレーションを実施するためには、得られたポリゴンモデルデータに対して、材料特性を別途設定する必要がある。また、ポリゴンモデルとして得られるのは、表面の形状のみであるため、電磁波が形状を突き抜けて伝搬する透過特性についても不明である。プラント、工場、ビルなどでは、壁や床、窓などを透過する伝搬経路についても重要な伝送経路となるため、透過特性についても得られることが望ましい。

上記に鑑み、本発明の目的は、信頼性の高い無線ネットワークを構築するために、無線ネットワークシステムの構築における、無線局間の電波伝搬推定に必要な３次元形状データならびに材料特性データを容易に得ることができる電波伝搬環境計測装置、無線ネットワーク構築システムおよび電波伝搬環計測方法を提供することにある。

上記目的達成のために本発明においては、無線ネットワークシステムを構築予定のサイトに設置された無線信号を送信する電磁波送信手段および該無線信号を受信して電磁波計測値を得る電磁波計測手段と、サイトを構成する構造物の電気的特性と３次元形状情報を含む３次元構造物情報を入力する３次元構造物入力手段と、３次元構造物情報を用いて電磁波送信手段と電磁波計測手段の間の電磁波の伝搬状態を推定して電磁波推定値を得る伝搬状態推定部と、各時刻での信号強度として表された電磁波計測値と電磁波推定値を時刻ごとに比較し、その誤差値が基準値より大きい時間帯を求め、この時間帯に電磁波送信手段からの無線信号が電磁波計測手段に受信されるまでの経路を電磁波経路として求める推定誤差マッピング部と、電磁波経路上に位置する部位の３次元構造物情報を修正して電磁波推定値を再度求め、電磁波計測値と再度求めた電磁波推定値を比較して、より小さい誤差値となる３次元構造物情報の修正情報を得る質問生成部から構成される。

また、無線ネットワークシステムを構築予定のサイトを構成する構造物の配置図上に、電磁波経路上に位置する部位の３次元構造物情報に関連する情報を表示する表示装置を備える。

また、表示装置に表示される３次元構造物情報に関連する情報とは、当該部位の構造物の電気的特性の値が適切でないことを示す内容とされる。

また、表示装置に表示される３次元構造物情報に関連する情報とは、当該部位の構造物の電気的特性の値の修正を指摘する内容とされる。

また、３次元構造物情報の値を修正するための３次元構造物情報修正手段を備える。

また、３次元構造物情報修正手段は、材料特性の属性値として、確定もしくは未確定を選択して入力するこ。

また、無線ネットワークシステムを構築予定のサイトの対象空間をブロックに分割し、ブロック毎に３次元形状の材料特性を推定する材料特性推定部を有する。

上記目的達成のために本発明においては、無線ネットワークシステムを構築予定のサイトに設置された無線信号を送信する電磁波送信手段および該無線信号を受信して電磁波計測値を得る電磁波計測手段と、サイトを構成する構造物の電気的特性と３次元形状情報を含む３次元構造物情報を入力する３次元構造物入力手段と、３次元構造物情報を用いて電磁波送信手段と電磁波計測手段の間の電磁波の伝搬状態を推定して電磁波推定値を得る伝搬状態推定部と、各時刻での信号強度として表された電磁波計測値と電磁波推定値を時刻ごとに比較し、その誤差値が基準値より大きい時間帯を求め、この時間帯に電磁波送信手段からの無線信号が電磁波計測手段に受信されるまでの経路を電磁波経路として求める推定誤差マッピング部と、電磁波経路上に位置する部位の３次元構造物情報を修正して電磁波推定値を再度求め、電磁波計測値と再度求めた電磁波推定値を比較して、より小さい誤差値となる３次元構造物情報の修正情報を得る質問生成部と、無線ネットワークシステムを構築予定のサイトを構成する構造物の配置図上に、電磁波経路上に位置する部位の３次元構造物情報に関連する情報を表示する表示装置と、３次元構造物情報の値を修正するための３次元構造物情報修正手段を備える。

上記目的達成のために本発明においては、無線ネットワークシステムを構築予定のサイトの各所に配置され無線信号を送受信する無線通信装置と、無線通信装置と通信を行う無線制御装置と、無線制御装置から各無線通信装置の送信する無線信号を受信して電磁波計測値と各無線通信装置におけるアンテナ位置、方向を得る電磁波計測手段と、サイトを構成する構造物の電気的特性と３次元形状情報を含む３次元構造物情報を入力する３次元構造物入力手段と、３次元構造物情報を用いて電磁波送信手段と電磁波計測手段の間の電磁波の伝搬状態を推定して電磁波推定値を得る伝搬状態推定部と、各時刻での信号強度として表された電磁波計測値と電磁波推定値を時刻ごとに比較し、その誤差値が基準値より大きい時間帯を求め、この時間帯に電磁波送信手段からの無線信号が電磁波計測手段に受信されるまでの経路を電磁波経路として求める推定誤差マッピング部と、電磁波経路上に位置する部位の３次元構造物情報を修正して電磁波推定値を再度求め、電磁波計測値と再度求めた電磁波推定値を比較して、より小さい誤差値となる３次元構造物情報の修正情報を得る質問生成部と、修正した３次元構造物情報に基づき、伝搬状態推定部においてアンテナ位置を変更して伝搬推定を行い、複数の伝搬状態の中から、所望の伝搬状態に近い伝搬状態となるアンテナ位置を提示するアンテナ位置指示手段を備える。

上記目的達成のために本発明においては、無線ネットワークシステムを構築予定のサイトに無線信号送受信設備を備えてこの間の無線信号の電磁波計測値を得、サイトを構成する構造物の電気的特性と３次元形状情報を含む３次元構造物情報を用いて無線信号送受信設備の間の無線信号の電磁波の伝搬状態を推定して電磁波推定値を得、各時刻での信号強度として表された電磁波計測値と電磁波推定値を時刻ごとに比較してその誤差値が基準値より大きい時間帯を求め、この時間帯に受信される無線信号送受信設備間の経路を電磁波経路として求め、電磁波経路上に位置する部位の３次元構造物情報を修正して電磁波推定値を再度求め、電磁波計測値と再度求めた電磁波推定値を比較して、より小さい誤差値となる３次元構造物情報の修正情報を得る。

本発明によれば、無線ネットワークシステムの構築における、無線局間の電波伝搬推定に必要な３次元形状データならびに材料特性データを容易に得ることができる。

第一の実施形態における電波環境計測装置の構成例を表す図。 第二の実施形態における電波環境計測装置の構成例を表す図。 推定誤差マッピング部１０６の処理フローの例を示す図。 ３次元構造物の一例を示す図。 遅延プロファイルの計測値および推定値ならびに推定誤差の例を示す図。 特定階の３次元構造を表す３次元構造情報を分割片に分割した例を示す図。 伝搬状態推定部１０５における伝搬状態の推定例を示す図。 電磁波経路７０２ｄ、７０２ｅに寄与する修正分割片の例を示す図。 図１の質問生成部１０７の処理フローの一例を表す図。 図９の処理フローのうち、ステップＳ９１０の処理の詳細一例を表す図。 推定誤差表示部１０８による表示の一例。 推定誤差表示部１０８による表示の一例。 第二の実施形態における、無線通信装置配置の一例を示す図。 座標で表現された３次元構造情報４０１の一例を示す図。

以下、図面を用いて本発明の実施例について詳細に説明する。

図１は、本発明の第一の実施例に係る電波伝搬環境計測装置１００の構成例を示した図である。電波伝搬環境計測装置１００は、送信アンテナ１０１ａを備えた電磁波送信手段１０２、受信アンテナ１０１ｂを備えた電磁波計測手段１０３、３次元構造情報入力手段１０４、伝搬状態推定部１０５、推定誤差マッピング部１０６、質問生成部１０７、推定誤差表示部１０８、３次元構造情報修正手段１０９により構成される。

以下順を追って、図１の構成を詳細に説明するが、その前にこの電波伝搬環境計測装置１００の概略機能を説明しておく。ここで、推定誤差マッピング部１０６に与えられる一方の入力５０１は、電磁波計測手段１０３からの実測のデータ（計測値）であり、他方の入力５０２は伝搬状態推定部１０５からの推定データ（推定値）である。本発明では、計測値５０１と推定値５０２の間の誤差をもとにして、より正確な電波伝搬環境データを得る。

以下、図１の各手段について、計測値５０１を得る側の装置構成から順を追って詳細に説明する。

電磁波送信手段１０２は、送信アンテナ１０１ａと、計測する無線周波数の信号の（図示していない）電磁波送信源から構成されている。電磁波計測手段１０３は、電磁波送信手段１０２から送信された信号を受信するアンテナ１０１ｂと、受信した信号を処理し、遅延プロファイル情報を出力する（図示していない）受信処理部で構成される。

これらの電磁波送信手段１０２と電磁波計測手段１０３は、無線ネットワークを構築する予定の例えば図４のサイトにおいて、無線送受信予定箇所に設置され、この間の電波伝搬環境を計測するために使用される。

電磁波送信手段１０２および電磁波計測手段１０３は、超広帯域無線ＵＷＢ（Ｕｌｔｒａ Ｗｉｄｅ Ｂａｎｄ）や直交周波数分割多重方式ＯＦＤＭ（Ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）、符号分割多元接続ＣＤＭＡ（Ｃｏｄｅ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ａｃｃｅｓｓ）を用いた無線送受信機を利用することにより、遅延プロファイルを得ることが可能である。もしくは、ネットワークアナライザなどの測定装置であれば、電磁波送信手段１０２および電磁波計測手段１０３として利用することが可能である。なお、遅延プロファイルの詳細については、図５を用いて後述するが、この遅延プロファイルが、推定誤差マッピング部１０６に与えられる一方の入力としての計測値５０１である。

次に、図１の推定値５０２を得る側の装置構成について詳細に説明する。まず、３次元構造情報入力手段１０４は、計測する周辺構造物の電気的特性（誘電率、透磁率、導電率など）と、３次元形状情報を含む３次元構造情報と、アンテナ１０１ａおよび１０１ｂの位置・方向と指向特性の入力、を受け付け、図示していない記憶部（メモリやハードディスクなどの記憶媒体）に保持する。

このうち、３次元構造情報は、複数のエントリを持つことが可能であり、壁面、床、天井、窓、パーティションなどの建造物や、装置、什器等を表現可能である。各エントリには、ひとつ以上の三角形や平面の座標値等のデータにより、物体の３次元形状を表す。

３次元構造情報入力手段１０４は、キーボードなどから作業員が手入力するものであっても良く、その他の装置に接続されてこれらの情報を自動的に得られるものであってもよい。例えばＣＡＤ（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ａｉｄｅｄ Ｄｅｓｉｇｎ）に接続して、ＣＡＤ図面を３次元構造情報として利用してもよい。また、レーザーレンジスキャナ、３次元認識カメラなどに接続して、空間情報の入力装置として利用することも可能である。

図４に、典型的な３次元構造物の一例を示す。３次元構造物は例えばビルなどの特定階の構造であり、この特定階に無線ネットワークを構築しようとしている。この建物は、壁面Ｗ、床Ｆ、天井、窓、柱Ｐなどで構成され、さらにこの特定階にはこれらで仕切られた室内に設置される装置Ｍ、什器などの構造物も存在する。

無線ネットワークを構築しようとしている特定階の３次元構造は、あらかじめ定義する３次元座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）によって、その配置された位置などが記述される。例えば左下角を３次元座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）の基点とし、壁面Ｗ、床Ｆ、天井、窓、柱Ｐ、室内に設置される装置Ｍ、什器などの構造物の位置が予め定義されている。

図１４は、座標で表現された３次元構造情報４０１の一例であり、構造物の種類、名称、３次元座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）、形状の情報として記憶される。なお、ここでは壁、柱などの形状が立方体の構造物について、対角の２点の座標位置を特定する形で３次元構造情報が表現されている。例えば、図４下側の壁Ｗ１は、始点の座標が（０，０，０）にあり、終点を（１６，０．５，３）とする長さ１６（ｍ）、厚さ０．５（ｍ）、高さ３（ｍ）の立方体構造である。また基点部分の柱Ｐ１は、始点の座標が（０，０，０）にあり、終点を（１，１，３）とする長さ１（ｍ）、厚さ１（ｍ）、高さ３（ｍ）の立方体構造である。また柱Ｐ１に隣接する柱Ｐ２は、始点の座標が（３，０，０）にあり、終点を（４，１，３）とする長さ１（ｍ）、厚さ１（ｍ）、高さ３（ｍ）の立方体構造である。

なお、図１４には３次元構造情報の例を示しているが、これらの周辺構造物ごとに、その電気的特性（誘電率、透磁率、導電率など）が記憶されている。つまり、周辺構造物が壁W1である場合に、その材料の電気的特性（誘電率、透磁率、導電率など）が記憶されている。これは、その他の周辺構造物が柱である場合にも同様に記憶されている。

図１の伝搬状態推定部１０５は、３次元構造情報入力手段１０４により入力された３次元構造情報４０１を用いて、送信アンテナ１０１ａと受信アンテナ１０１ｂの間の電波伝搬状態を推定する。推定には、レイトレーシング法（Ｒａｙｔｒａｃｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ）や、ＦＤＴＤ法（Ｆｉｎｉｔｅ Ｄｉｆｆｅｒｎｅｃｅ Ｔｉｍｅ Ｄｏｍａｉｎ ｍｅｔｈｏｄ）、モーメント法（Ｍｏｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄ）などの電磁界解析手法が利用可能である。

伝搬状態推定部１０５は、３次元構造情報４０１を所定の大きさの分割片６０１に分割する。図６は、図４の特定階の３次元構造を表す図１４の３次元構造情報を分割片６０１に分割した例を示す。ここでは、３次元構造情報の各物体における３次元形状を、分割片の大きさに分割した例を示している。なお、分割片は高さ方向も含めた立方体として定義されるが、ここで取り上げた構造物(特定階)は高さが一律に３（ｍ）であるので、説明を簡便にする意味もあり、以下の説明では必要がない限り、Ｘ，Ｙの２次元の領域で説明する。

分割片は、例えばＸ方向を１（ｍ）単位、Ｙ方向を０．５（ｍ）単位とする大きさである。これにより図４下側の、長さ１６（ｍ）、厚さ０．５（ｍ）の壁Ｗ１は、基点位置からＸ方向に１６個の分割片として表現することができる。また基点部分の柱Ｐ１は、基点位置からＹ方向に２個の分割片として表現することができる。その他の全ての構造物は同様の考えによって、分割片とされる。分割片の情報は、構造物の位置情報と共に記憶される。このような分割手法には、ボクセル分割手法や、オクツリー分割、ｋＤ−ｔｒｅｅ分割等の空間分割手法が利用可能である。

また、各分割片６０１を記憶するに際しては、個別の分割片の情報が、３次元構造情報入力手段１０４により入力された周辺構造物の電気的特性（誘電率、透磁率、導電率など）と関連付けて記憶される。例えば構造物が壁であれば、壁材の電気的特性（誘電率、透磁率、導電率など）も合わせて記憶される。

図７に、伝搬状態推定部１０５（図１）における伝搬状態の推定例を示す。まず、伝搬状態推定部１０５には、分割片６０１で表現された３次元構造情報４０１が、周辺構造物の電気的特性（誘電率、透磁率、導電率など）とともに入力されている。そのうえで、送信アンテナ１０１ａと受信アンテナ１０１ｂを、図７図示の位置に設置したときの伝播を推定する。ここでは、送信アンテナ１０１ａは四方に送信（送信方向に指向性が無い）され、かつ電磁波は壁などの構造物で反射、回折、透過などを受けて電磁波経路７０２ａ〜７０２ｆ（破線で示す）により受信アンテナ１０１ｂに到達したとする。ここでは、説明の単純化のために、電磁波経路の数は、限定して示している。

なお、電磁波経路は、アンテナ間を直接的に到来するものや、周囲の構造物で反射、回折したり、透過して減衰しつつ到来したりするものが存在する。反射、回折、透過する際の反射損失、回折損失、透過損失は、各反射位置、回折位置、透過位置における前記分割片における電気的特性（誘電率、透磁率、導電率など）を利用することによって計算される。

これらの計算には、フレネルの反射係数、透過係数や、ナイフエッジ回折係数、ＧＴＤ（Ｇｅｏｍｅｔｒｉｃａｌ Ｔｈｅｏｒｙ ｏｆ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）、ＵＴＤ（Ｕｎｉｆｏｒｍ Ｔｈｅｏｒｙ ｏｆ Ｄｉｆｆａｒａｃｔｉｏｎ）などの算出法が利用可能である。また、電磁波と電気的特性（反射、回折、透過など）の関係を記述した文献としては、細矢良雄他著の「電波伝搬ハンドブック」リアライズ社, 1999発行などがある。

図７の構造物の配置と、このアンテナ設置位置の場合には、受信アンテナ１０１ｂは、ほぼ送信アンテナ１０１ａに向き合う方向からの受信を受けていることがわかる。但し、受信波には直接受信したものと反射経路で受信したものとがあり、電磁波経路の長さにより到達時刻に差を生じる。この電磁波経路の長さは、電磁波の速度により送受信アンテナ間の飛来時間に換算することができ、各到来時刻における電磁波の強さあるいは減衰量を推定することが可能である。

伝搬状態推定部１０５において推定された送信アンテナ１０１ａと受信アンテナ１０１ｂの間の電波伝搬状態の推定値５０２は、時系列的な受信信号強度信号として表現されている。

推定誤差マッピング部１０６は、このようにして電磁波計測手段１０３から遅延プロファイル（計測値５０１）を得、伝搬状態推定部１０５から電波伝搬状態の推定値５０２を得る。いずれも、送信アンテナ１０１ａと受信アンテナ１０１ｂの間の電波伝搬状態を表す時系列的な受信強度の信号である。

図５に、図１の電磁波計測手段１０３により計測された遅延プロファイルの測定値の一例である計測値５０１と、図１の伝搬状態推定部１０５により推定された遅延プロファイルの推定値の一例である推定値５０２を示す。なお、遅延プロファイルとは、電磁波の到来時刻ｔに対し、計測時間間隔Δｔ毎にサンプルされた、電磁波の強度もしくは、減衰量を示すものである。

この説明事例では、計測値５０１は時間経過と共に大きく３つのピークとして計測された。これに対し、伝搬状態推定部１０５による推定値５０２では、電磁波経路７０２ａ〜７０２ｆ（破線で示す）からの受信信号は、直接受信の７０２ａが最も短い到来時間で大きな強度（少ない減衰量）で届くことを示しており、以後反射を伴う電磁波経路７０２ｅ、７０２ｄが、７０２ａより遅れて小さい強度で届いていることを示している。２回反射の７０２ｂは、更に遅れ、強度も小さい。

図３に、図１の推定誤差マッピング部１０５における処理フローを示す。図1に示すように、推定誤差マッピング部１０５は、電磁波計測手段１０３と、伝播状態推定部１０５に接続されて、遅延プロファイルの計測値と推定値を入力している。

この処理フローの最初のステップＳ３００は、処理の開始を示す。

ステップＳ３０１では、電磁波計測手段１０３により計測された計測値５０１を取得する。この取得処理は、電磁波計測手段１０３に直接接続されて計測と同時に得ることも、また計測後にデータのみを得ることであってもよい。なお、この計測は無線ネットワークを構築しようとしている図４の特定階において、送信機と受信機を設置予定している箇所で直接送受信を行ってデータを取得する。

ステップＳ３０２は、伝搬状態推定部１０５により算出した推定値５０２を取得する処理である。

ステップＳ３０３は、推定誤差を算出する処理である。図１の推定誤差マッピング部１０５においては、図５の測定値５０１の各時刻における値と、伝搬状態推定部１０５により得られた図５の推定値５０２の各時刻における値との差分から推定誤差値５０３を算出する。推定誤差値５０３には、差分の絶対値や、二乗平均平方根等を利用することが可能である。図５に、時系列的に求めた推定誤差値５０３の一例を示す。

ステップＳ３０４では、算出した推定誤差値５０３が、所定の値である推定誤差閾値５０５以下となっているか否かを、時刻ごとに判断する。推定誤差閾値５０５以下であれば、処理終了を示すステップＳＳ３１０に移る。推定誤差閾値５０５以上であれば、ステップＳ３０５に移る。

ステップＳ３０５では、推定誤差値５０３のうち、所定の値より大きくなる時間領域を検出する。この時間領域を、修正時間領域５０４として抽出する。

ステップＳ３０６では、修正時間領域５０４の時刻に到達する電磁波経路を抽出する。図５の例では、７０２ｄ、７０２ｅがこの期間の電磁波経路として抽出される。図７を参照すると、この電磁波経路７０２ｄ、７０２ｅの電磁波は、右側と上側の壁で反射したものであることがわかる。

ステップＳ３０７では、ステップＳ３０６で抽出した電磁波経路に寄与する分割片６０１を検索し、修正分割片８０１として抽出する。図８に、電磁波経路７０２ｄ、７０２ｅに寄与する修正分割片の例を示す。この図では、修正分割片８０１ａ、８０１ｂ、８０１ｃ、８０１ｄ、８０１ｅが、修正時間領域５０４に属する電磁波経路７０２ｄ、７０２ｅに寄与する。ここで、「寄与する」とは、当該分割片が、電磁波経路の反射位置、回折位置、透過位置を含むことを意味する。

図８の場合、電磁波経路７０２ｄについて、反射位置を含む修正分割片８０１ｂ、回折位置を含む修正分割片８０１ａ、透過位置を含む修正分割片８０１ｅをそれぞれ抽出する。また、電磁波経路７０２ｅについて、反射位置を含む修正分割片８０１ｄ、透過位置を含む修正分割片８０１ｃ，修正分割片８０１ｅをそれぞれ抽出する。ここで、修正分割片８０１ｅは、電磁波経路７０２ｄおよび７０２ｅの両方に寄与するものとして抽出される。

ステップＳ３１０は処理終了を示す。

質問生成部１０７は、誤差マッピング部１０６により得られた図５の修正時間領域５０４における推定誤差値５０３、電磁波経路７０２、修正分割片８０１を用いて、既存の最初に設定された３次元構造情報の電気的特性（誘電率、透磁率、導電率等）を修正するための質問を生成する。

つまり、図５において推定値５０２が計測値５０１と大きくかけ離れている時間領域５０４、従ってこの間の電磁波経路７０２ｄ、７０２ｅでは、３次元構造情報の電気的特性（誘電率、透磁率、導電率等）が、実際の値とかけ離れていることに起因して推定誤差値５０３に大きな差を生じていると考えられる。このことから、この正しいと思われる値を推定し、かつこの修正を実行すべきかを確認する為の質問を生成する。
図９に質問生成部１０７における処理フローを示す。

この処理フローの最初のステップＳ９００は処理の開始を示す。

ステップＳ９０１は、ステップＳ９０３から９０９までの処理を繰り返す際に、繰り返し回数をカウントするために初期値として０を設定する処理を示す。

ステップＳ９０２では、繰り返し処理の中で、図５の推定誤差を修正した場合に最も小さくなる推定誤差Ｍを得るために、現在の推定誤差値を初期値としてセットする処理である。

ステップＳ９０３は、繰り返し回数が、所定の上限値以下であるか否かを判定し、上限値を越えている場合は、ステップＳ９１０に移る。繰り返し回数が、所定の上限値以下である場合は、ステップＳ９０４に移る。

所定の上限値以下である場合の最初のステップＳ９０４では、繰り返し回数を１増加させる。

ステップＳ９０５は、修正時間領域５０４(図５)に属する電磁波経路７０２および修正分割片８０１に関するパラメータを変更する処理を行う。変更するパラメータは、たとえば、電磁波経路７０２の場合には、その到来時刻であり、修正分割片８０１の場合には、この修正分割片８０１における電気的特性（誘電率、透磁率、導電率等）である。これらの値を変更する量は、遺伝的アルゴリズムや、実験計画法、シンプレックス法などの最適解探索アルゴリズムが利用可能である。

ステップＳ９０６は、修正したパラメータを用いて、電磁波経路７０２における到来時刻、反射量、回折量、透過量の再計算を行い、遅延プロファイルの推定値を修正する。

ステップＳ９０７は、修正した遅延プロファイルの推定値と計測値５０１を比較することにより、新たに推定誤差値を求める。

ステップＳ９０８は、修正して得られた推定誤差値が、最小推定誤差より小さいか否かを判断する。もし小さくなければ、ステップＳ９０３に戻る。この場合、ステップＳ９０３からステップＳ９０８の処理を再度繰り返すことになるが、前回設定したパラメータでは推定誤差を拡大する結果であったので、ステップＳ９０５のパラメータ変更ではこの点が考慮された新たなパラメータとされる。

ステップＳ９０９では、ステップＳ９０２で設定した最小推定誤差値Ｍを修正した推定誤差値に変更する。今回の一連の処理では、パラメータを初期設定よりもいっそう適切なものに改善できたが、更なる改善のためにステップＳ９０３からステップＳ９０８の処理を再度繰り返す。この場合に、前回設定したパラメータは推定誤差を縮小する結果であったので、ステップＳ９０５のパラメータ変更ではこの点が考慮された新たなパラメータとされる。

ステップＳ９０３からステップＳ９０８の処理は、ステップＳ９０１で設定した繰り返し回数が完了するまで継続され、この中で順次更新されていった最新の推定誤差値（従って最小値）のときのパラメータを最終値として得ることができる。

ここで得られたパラメータは、電磁波経路の場合にはその到来時刻であり、修正分割片の場合には、この修正分割片における電気的特性（誘電率、透磁率、導電率等）である。

ステップＳ９１０は、各修正分割片に関する質問を生成する処理を示す。すなわち、繰り返し処理を行う前のパラメータセットと、繰り返し処理の中で、最小の推定誤差Ｍを得るパラメータセットを比較することにより、質問を生成する。この内容は図１０に示されている。なお、ステップＳ９１１は終了処理を示す。

図１０は、質問生成における処理（ステップＳ９１０）の詳細を示すフローである。

ステップＳ１０００は、処理の開始を示す。

ステップＳ１００１は、各修正分割片について、ステップＳ１００２を繰り返し行うことをしめす。

ステップＳ１００２は、すべての修正分割片８０１における誤差量を初期化する処理を示す。ここでは、誤差量として、形状誤差量、反射誤差量、回折誤差量、透過誤差量を定義する。なお、形状は電磁波経路の遅延時間に関与し、反射、回折、透過は分割片における電気的特性（誘電率、透磁率、導電率等）で定まることが知られている。また誤差量として、例えば反射誤差量とは、繰り返し処理を行う前のパラメータセットで定まる反射量と、繰り返し処理後の推定誤差Ｍを得るパラメータセットで定まる反射量との差を意味している。他の誤差量も同じ概念である。更に誤差量の初期化とは適宜の値を設定すればよい。

ステップＳ１０１０は、各修正電磁波経路７０２について、ステップＳ１０１１〜１０１５を繰り返し行う処理を示す。ここで、修正電磁波経路７０２とは、修正しようとしている電磁波経路のことであり、繰り返し処理後の推定誤差Ｍを得るパラメータセットで定まる電磁波経路のことである。

ステップＳ１０１１は、修正電磁波経路７０２に寄与する修正分割片について、ステップＳ１０１２〜１０１５を繰り返し行う処理を示す。

ステップＳ１０１２においては、修正電磁波経路７０２において、修正前の遅延時間と、修正後の遅延時間の差分を、形状誤差量として、当該修正分割片における形状誤差量の初期値に増加する処理を示す。差分量は、正負の値を区別するために、符号によって別々に集計する。

ステップＳ１０１３から１０１５は、当該修正分割片における、当該修正電磁波経路への寄与の種別によって対応する修正前と修正後の差分をそれぞれ誤差量として、初期値に増加する処理を示す。これにより、パラメータセットの修正前後で電気的特性（誘電率、透磁率、導電率等）がそれぞれ相違した値に変更されたことに起因する、反射、回折、透過の量の差分が、反射誤差量、回折誤差量、透過誤差量として求められる。

ステップＳ１０１０が一連の下位処理フローの実行完了を確認した時点で、全ての修正電磁波経路について、これに関与する修正分割片での新たな誤差量のセット（形状誤差量、反射誤差量、回折誤差量、透過誤差量）が準備された。

ステップＳ１０２０は、各修正分割片について、ステップＳ１０２１を繰り返し行う処理を示す。

ステップＳ１０２１は、当該修正分割片における形状誤差量、反射誤差量、回折誤差量、透過誤差量に基づき、質問を生成する処理を示す。ここでは、パラメータセットの修正前後で、誤差量が基準以上に大きいものについて修正の可否を質問する。

具体的には、形状誤差量が所定量以上の場合、当該分割片における形状情報の修正を求める質問を生成する。また、反射誤差量、回折誤差量、透過誤差量が規定値より大きい場合は、当該分割片における材料特性の修正を求める質問を生成する。

また、次に示すように、各誤差量の符号によっても質問の生成法を変えてもよい。たとえば、反射減衰量が過小に評価されていると判定されれば、修正前の設定値よりも反射減衰量が大きい材料特性への修正を求める質問を生成する。

図１の推定誤差表示部１０８は、修正分割片８０１の状態を３次元構造情報に重ね合わせて表示する。図１１に推定誤差表示部１０８の表示例を示す。

推定誤差表示部１０８の画面１０８０には、３次元構造情報４０１を分割片により表示している。特に修正分割片８０１が、他の分割片と表示上区別されて表示されている。ここでは、修正分割片は８０１ａ〜８０１ｅの５箇所が抽出され、かつ各修正分割片に対して、この分割片の状態が付記して表示されている。状態は如何なる形式で表示されてもよいが、ここでは誤差量が基準よりも大きい（小さい）といった、結果情報として表示している。

推定誤差表示部１０８の画面１０８０には、無線ネットワークシステムを構築予定のサイトを構成する構造物の配置図上に、電磁波経路上に位置する部位の３次元構造物情報に関連する情報を表示する。３次元構造物情報に関連する情報としては、当該部位の構造物の電気的特性の値が適切でないことを示す内容、当該部位の構造物の電気的特性の値の修正を指摘する内容を含む。

１１０１〜１１０５は、それぞれ修正分割片８０１ａ〜８０１ｅに対する状態表示として、誤差量の状態を示した例である。各誤差量のうち、最も大きい誤差量の種別と誤差の方向を示している。

例えば、修正分割片８０１ａと８０１ｂに対する状態表示部１１０１および１１０２は、各種誤差慮のうち遅延誤差量が最も大きいことを示している。したがって、分割片８０１ａ、８０１ｂ付近の３次元形状情報に修正が必要であることを示している。

修正分割片８０１ｃに対する状態表示部１１０３は、透過誤差量が過小、すなわち透過減衰量が過小に設定されていることを示す例である。したがって、分割片８０１ｃに含まれる３次元構造情報において、透過減衰量がより大きくなる方向に修正する必要があることを示す。

修正分割片８０１ｄに対する状態表示部１１０４は、反射誤差量が過小、すなわち、反射減衰量が過小に設定されていることを示している。したがって、分割片８０１ｄにおける反射減衰量はより大きくなる方向に修正する必要があることを示している。

修正分割片８０１eに対する状態表示部１１０５は、透過誤差量が過大に評価された、すなわち透過減衰量が計測値に比べて過大に設定されていることを示す。したがって、分割片８０１ｅに含まれる３次元構造情報において、透過減衰量が少なくなるように設定を修正する必要があることを示す。

推定誤差表示部１０８の画面表示を行うに際し、各分割片の表示において、各誤差量の種類と大きさによって表示する色を変更することにより、より分かりやすくユーザに表示することが可能である。また、ユーザからのインタラクティブな入力を受け付ける入力部により、表示された修正分割片８０１の中から、修正分割片８０１を選択することが可能である。

図１１は、各修正分割片の状態を表示したが、図１２の表示例では、選択された各修正分割片ついて、質問生成部１０７で生成された質問を表示する例を示している。

例えば、修正分割片８０１ａと８０１ｂに対する質問表示部１２０１および１２０２では、８０１ａおよび８０１ｂの付近の形状の修正が必要であり、変更あるか否かをユーザに質問している。

修正分割片８０１ｄに対する質問表示部１２０３は、この部分の反射減衰量をより小さい電気的特性に変更するか否かを問い合わせている。

修正分割片８０１eに対する質問表示部１２０４は、この部分の透過減衰量をより小さい電気的特性に変更するか否かを問い合わせている。

図１の３次元構造情報修正手段１０９は、各質問に対するユーザの回答を受け付け、その回答に基づき、３次元構造情報を修正する。

一方、ユーザは、各質問に対して、当該分割片の修正の必要がない場合は、「確定」あるいは「未確定」を選択することを可能としてもよい。

「確定」を選択した場合、質問生成部１０７は、再度、誤差量を算出する場合に、当該分割片の誤差量を他の分割片の誤差量として算出する。

「未確定」を選択した場合、質問生成部１０７は、再度、誤差量を算出する場合に、当該分割片の誤差量に対してより広い範囲のパラメータを試算する。上記の処理を、推定誤差が所定の値以下となるまで繰り返すことにより、計測値により修正された３次元構造情報が得られる。

以上のように、本発明の第一の実施例によれば、計測値に基づき、３次元構造情報の修正箇所を提示することにより、ユーザが修正箇所を明確に認識することが可能となり、質問に基づいて３次元構造情報を修正することにより、簡単な操作で、より正確な３次元構造情報を構築することが可能となる。

なお、以上の図１１、図１２の表示例に見られるように、ここでの質問問い合わせに関する表示には各種の形式を用いることができる。図１１は、誤差量の大小のみを表示する形式での質問問い合わせとし、図１２は修正の可否を直接質問問い合わせする。

これらの事例では、電波環境計測装置１００は、計測結果を表示するのみであり、修正の判断はあくまでもユーザである操作員の判断に委ね、操作員が判断を誤らないように情報提示し、サポートする形式を取っている。

このようにしている理由は、無線ネットワークシステムを構築しようとしているサイトの構造物などに関する情報が十分に把握できていない場合が多いことから、質問形式とし、操作員の最終判断を仰ぐ形式としている。従って、無線ネットワークシステムを構築しようとしているサイトの構造物などの情報が十分に得られている場合には、最終的に求められたパラメータセットを新たな電波伝搬環境データとして提供する利用の仕方としてもよい。

この場合には、操作員の判断を仰ぐことなく新たな電波伝搬環境データを獲ることができる。

図２に、本発明の第二の実施例を示す。実施例１は、電波伝搬環境を計測し、サイトの構造物などの情報を修正することに主眼があった。第二の実施例では、通信環境がよくないアンテナ設定位置である場合に、より適切な設置位置を教示することができる無線ネットワーク構築システムの提供である。

図２の電波伝搬環境計測装置１００は、図１に示す電波伝搬環境計測装置１００に対し、電磁波送信手段１０２が、複数の無線通信装置２０１により構成されていることと、無線制御装置２０２を有すること、ならびに配置指示部２０３を有するところが異なる。

また、図１３に示すように無線通信装置２０１−１〜２０１−３は、無線ネットワークシステムを構築しようとしているサイトの各所に配置され、各無線通信装置間で相互に通信を行っている。図では、３台の無線通信装置を示しているが、２台でもよいし、４台以上であってもよい。

無線制御装置２０２は、無線通信装置２０１と通信を行い、無線通信装置２０１の動作を制御することが可能である。また、無線制御装置２０２は、電磁波計測手段と同期して動作することにより、電磁波計測手段１０３は、各無線通信装置２０１の送信する無線信号を計測することが可能である。また、３次元構造情報入力手段１０４においては、その入力として各無線通信装置におけるアンテナ１０１−１〜１０１−３の位置、方向を得る。

上記の構成とすることにより、実施例１に示す処理を、各無線通信装置２０１に対して実施することにより、修正された３次元構造情報を得ることができる。

配置指示部２０３は、各無線通信装置２０１のアンテナ１０１−１〜１０１−３の配置を修正する機能を持つ。すなわち、修正された３次元構造情報を用いて、伝搬状態推定部１０５により、各無線装置間の伝搬状態を推定することにより、より通信状態の良いアンテナ１０１−１〜１０１−３の位置を求める。配置指示部２０３では、各アンテナの新しい位置を、３次元構造情報に重ねて表示する。

以上のように、本発明の第二の実施例によれば、より簡単な操作で、無線ネットワークのアンテナ位置を通信状態の良い場所に変更することが可能となる。

本発明の第３の実施例に係る電波伝搬環境計測装置は、材料特性データベースを持つ。

図１２における、材料変更に対する質問１２０３、１２０４において、各特性の変更の方向と誤差量に対して、材料特性データベースに登録された材料特性の中から、相関の高いほうから、あらかじめ指定した数だけリスト表示し、その中からユーザが選択する。

すなわち、電気的材料特性に起因する各誤差量と、過小、過大の方向に対し、修正前の電気的材料特性と、材料特性データベースにおける各特性値による反射減衰量、透過減衰量、回折減衰量の差分を求め、相関性の最も高いものからリストとして取り出すことにより可能である。

以上のように、本発明の第３の実施例によれば、より簡単な操作で、誤差量と修正の方向に沿って、３次元構造情報を修正することが可能となる。

１：電波環境計測装置
１０１：アンテナ、１０２：電磁波送信手段、１０３：電磁波計測手段、１０４：伝搬状態推定部、１０５：３次元構造情報入力手段、１０６：推定誤差マッピング部、１０７：質問生成部、１０８：推定誤差表示部、１０９：３次元構造情報修正手段

Claims (10)

1. 無線ネットワークシステムを構築予定のサイトに設置された無線信号を送信する電磁波送信手段および該無線信号を受信して電磁波計測値を得る電磁波計測手段と、前記サイトを構成する構造物の電気的特性と３次元形状情報を含む３次元構造物情報を入力する３次元構造物入力手段と、前記３次元構造物情報を用いて前記電磁波送信手段と電磁波計測手段の間の電磁波の伝搬状態を推定して電磁波推定値を得る伝搬状態推定部と、各時刻での信号強度として表された前記の電磁波計測値と電磁波推定値を時刻ごとに比較し、その誤差値が基準値より大きい時間帯を求め、この時間帯に電磁波送信手段からの無線信号が電磁波計測手段に受信されるまでの経路を電磁波経路として求める推定誤差マッピング部と、該電磁波経路上に位置する部位の前記３次元構造物情報を修正して前記の電磁波推定値を再度求め、前記の電磁波計測値と再度求めた電磁波推定値を比較して、より小さい前記誤差値となる前記３次元構造物情報の修正情報を得る質問生成部から構成される電波伝搬環境計測装置。
2. 請求項１記載の電波伝搬環境計測装置において、
   前記無線ネットワークシステムを構築予定のサイトを構成する構造物の配置図上に、前記電磁波経路上に位置する部位の前記３次元構造物情報に関連する情報を表示する表示装置を備えることを特徴とする電波伝搬環境計測装置。
3. 請求項２記載の電波伝搬環境計測装置において、
   前記表示装置に表示される前記３次元構造物情報に関連する情報とは、前記当該部位の構造物の電気的特性の値が適切でないことを示す内容とされることを特徴とする電波伝搬環境計測装置。
4. 請求項２記載の電波伝搬環境計測装置において、
   前記表示装置に表示される前記３次元構造物情報に関連する情報とは、前記当該部位の構造物の電気的特性の値の修正を指摘する内容とされることを特徴とする電波伝搬環境計測装置。
5. 請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の電波伝搬環境計測装置において、
   前記３次元構造物情報の値を修正するための３次元構造物情報修正手段を備えることを特徴とする電波伝搬環境計測装置。
6. 請求項５に記載の電波伝搬環境計測装置において、
   ３次元構造物情報修正手段は、材料特性の属性値として、確定もしくは未確定を選択して入力することを特徴とする電波伝搬環境計測装置。
7. 請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の電波伝搬環境計測装置において、
   無線ネットワークシステムを構築予定のサイトの対象空間をブロックに分割し、ブロック毎に３次元形状の材料特性を推定する材料特性推定部を有することを特徴とする電波伝搬環境計測装置。
8. 無線ネットワークシステムを構築予定のサイトに設置された無線信号を送信する電磁波送信手段および該無線信号を受信して電磁波計測値を得る電磁波計測手段と、前記サイトを構成する構造物の電気的特性と３次元形状情報を含む３次元構造物情報を入力する３次元構造物入力手段と、前記３次元構造物情報を用いて前記電磁波送信手段と電磁波計測手段の間の電磁波の伝搬状態を推定して電磁波推定値を得る伝搬状態推定部と、各時刻での信号強度として表された前記の電磁波計測値と電磁波推定値を時刻ごとに比較し、その誤差値が基準値より大きい時間帯を求め、この時間帯に電磁波送信手段からの無線信号が電磁波計測手段に受信されるまでの経路を電磁波経路として求める推定誤差マッピング部と、該電磁波経路上に位置する部位の前記３次元構造物情報を修正して前記の電磁波推定値を再度求め、前記の電磁波計測値と再度求めた電磁波推定値を比較して、より小さい前記誤差値となる前記３次元構造物情報の修正情報を得る質問生成部と、前記無線ネットワークシステムを構築予定のサイトを構成する構造物の配置図上に、前記電磁波経路上に位置する部位の前記３次元構造物情報に関連する情報を表示する表示装置と、前記３次元構造物情報の値を修正するための３次元構造物情報修正手段を備えることを特徴とする電波伝搬環境計測装置。
9. 無線ネットワークシステムを構築予定のサイトの各所に配置され無線信号を送受信する無線通信装置と、該無線通信装置と通信を行う無線制御装置と、該無線制御装置から各無線通信装置の送信する無線信号を受信して電磁波計測値と各無線通信装置におけるアンテナ位置、方向を得る電磁波計測手段と、前記サイトを構成する構造物の電気的特性と３次元形状情報を含む３次元構造物情報を入力する３次元構造物入力手段と、前記３次元構造物情報を用いて前記電磁波送信手段と電磁波計測手段の間の電磁波の伝搬状態を推定して電磁波推定値を得る伝搬状態推定部と、各時刻での信号強度として表された前記の電磁波計測値と電磁波推定値を時刻ごとに比較し、その誤差値が基準値より大きい時間帯を求め、この時間帯に電磁波送信手段からの無線信号が電磁波計測手段に受信されるまでの経路を電磁波経路として求める推定誤差マッピング部と、該電磁波経路上に位置する部位の前記３次元構造物情報を修正して前記の電磁波推定値を再度求め、前記の電磁波計測値と再度求めた電磁波推定値を比較して、より小さい前記誤差値となる前記３次元構造物情報の修正情報を得る質問生成部と、修正した前記３次元構造物情報に基づき、前記伝搬状態推定部において前記アンテナ位置を変更して伝搬推定を行い、複数の伝搬状態の中から、所望の伝搬状態に近い伝搬状態となるアンテナ位置を提示するアンテナ位置指示手段を備えることを特徴とする無線ネットワーク構築システム。
10. 無線ネットワークシステムを構築予定のサイトに無線信号送受信設備を備えてこの間の無線信号の電磁波計測値を得、前記サイトを構成する構造物の電気的特性と３次元形状情報を含む３次元構造物情報を用いて前記無線信号送受信設備の間の無線信号の電磁波の伝搬状態を推定して電磁波推定値を得、各時刻での信号強度として表された前記の電磁波計測値と電磁波推定値を時刻ごとに比較してその誤差値が基準値より大きい時間帯を求め、この時間帯に受信される無線信号送受信設備間の経路を電磁波経路として求め、該電磁波経路上に位置する部位の前記３次元構造物情報を修正して前記の電磁波推定値を再度求め、前記の電磁波計測値と再度求めた電磁波推定値を比較して、より小さい前記誤差値となる前記３次元構造物情報の修正情報を得ることを特徴とする電波伝搬環境計測方法。

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