JP6358616B2 - アンテナ性能評価装置及び到来波角度プロファイル推定装置 - Google Patents

Description

本発明は、アンテナ性能評価装置及び到来波角度プロファイル推定装置に係わり、特に、車両に搭載された空間ダイバーシチ方式のアンテナの受信性能を定量的に評価するアンテナ性能評価装置、及び、車車間通信環境における受信点の到来波角度プロファイルを推定する到来波角度プロファイル推定装置に関する。

車車間通信においては、通信を行う自車両の移動、通信相手である他車両の移動、あるいは、通信を行う各車両の周辺に存在する物（歩行者、車両等）の移動等により、通信環境が変化し、これに伴い、通信品質（例えば、他車両から送信されたパケットを自車両が受信できる確率）が時々刻々と変化する。従って、通信環境が悪化した場合、車車間通信に要求される通信品質を確保できず、車車間通信によるサービスを提供できない可能性がある。そこで、通信環境の変化にかかわらず必要な通信品質を確保することができるように、車両に搭載され電波を受信するアンテナの受信性能を向上することが要求されている。

アンテナの受信性能を向上するための技術として、ダイバーシチアンテナを用いることが検討されている。例えば、特許文献１には、車両に搭載される空間ダイバーシチ方式のダイバーシチアンテナが開示されている。この特許文献１のダイバーシチアンテナでは、ダイバーシチアンテナを構成する第１アンテナと第２アンテナとの間に誘電体が配置されている。これにより、アンテナ間距離の実効長を保持して各アンテナ間の結合を抑制しつつ、ダイバーシチアンテナの小型化を実現している。

特開２０１１−２５０１０８号公報

上述の特許文献１に記載されたような空間ダイバーシチ方式のダイバーシチアンテナでは、ダイバーシチアンテナを構成する各アンテナの配置（各アンテナ間の距離やアンテナの配置方向等）に応じて、得られるダイバーシチ効果が変化する。また、同一のアンテナ配置を有するダイバーシチアンテナであっても、車車間通信における通信環境の変化（例えば、アンテナの位置に到来する電波の到来方向の変化）に応じて、得られるダイバーシチ効果も変化し、これにより通信品質が変化する。
従って、通信環境の変化にかかわらず必要な通信品質を確保することができるダイバーシチアンテナを得るためには、アンテナの配置や通信環境に応じて変化するダイバーシチ効果を定量的に評価し、その評価結果に基づき、通信環境の変化や車両の方向の変化に対して安定してダイバーシチ効果を得ることのできるアンテナ配置を設計する必要がある。

しかしながら、特許文献１に記載されているような従来のダイバーシチアンテナの設計においてダイバーシチ効果を定量的に評価する場合、ダイバーシチアンテナを構成する各アンテナの受信点における受信電力を、実験的にあるいはシミュレーション（例えばレイトレース等）により取得しなければならない。従って、想定すべき様々な通信環境について、評価対象としたアンテナ配置毎にダイバーシチ効果を定量的に評価するためには、膨大な実験コストや計算コストが必要となり、現実的には困難である。

本発明は、上述した従来技術の問題点を解決するためになされたものであり、計算負荷の増大を抑制しつつ、ダイバーシチアンテナにおけるダイバーシチ効果を定量的に評価することができるアンテナ性能評価装置を提供すること、及び、アンテナの性能を定量的に評価する場合に使用される、車車間通信環境における受信点の到来波角度プロファイルを推定する到来波角度プロファイル推定装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために本発明によれば、アンテナ性能評価装置は、車両に搭載された空間ダイバーシチ方式のアンテナの受信性能を定量的に評価するアンテナ性能評価装置であって、アンテナの位置における到来波角度プロファイルを取得する到来波角度プロファイル取得手段と、到来波角度プロファイルに基づき、アンテナの設置領域における受信電力分布を算出する受信電力分布算出手段と、受信電力分布と、設置領域内に設置されたアンテナの配置とに基づき、そのアンテナのダイバーシチ効果を算出するダイバーシチ効果算出手段とを有し、受信電力分布算出手段は、アンテナの位置における到来波角度をΦ、到来波の波長をλ、設置領域内の座標（ｘ，ｙ）における複素振幅をＨ（ｘ，ｙ）、設置領域内の基準位置における複素振幅をＡ₀、アンテナの位置における到来波角度プロファイルをＳ（Φ）とした場合、以下の式により受信電力分布を算出することを特徴とする。

このように構成された本発明によれば、受信電力分布算出手段は、アンテナの位置における到来波角度プロファイルに基づき、上記式により受信電力分布を算出し、ダイバーシチ効果算出手段は、受信電力分布とアンテナの配置とに基づき、そのアンテナのダイバーシチ効果を算出するので、レイトレースシミュレーションや実験を行わなくても、それらと同等の精度で車車間通信環境におけるアンテナ設置領域の受信電力分布を導出することができ、その受信電力分布に基づいてアンテナのダイバーシチ効果を定量的に評価することができる。従って、実験コストや計算コストの増大を抑制しつつ、ダイバーシチアンテナにおけるダイバーシチ効果を定量的に評価することができる。

また、本発明において、好ましくは、到来波角度プロファイル取得手段は、アンテナの前方にある構造物のエッジで回折され、又は、アンテナの側方にある構造物の側面で反射されてアンテナに到達する第１の到来波と、アンテナの前方にある構造物のエッジで回折され、又は、アンテナの側方にある構造物の側面で反射されて、第１の到来波とは異なる経路でアンテナに到達する第２の到来波との、それぞれのピーク電力、角度拡がり、及び中心角度をパラメータとして取得するパラメータ取得手段と、第１の到来波のピーク電力をＡ₁、第２の到来波のピーク電力をＡ₂、第１の到来波のピークの角度拡がりをσ₁、第２の到来波のピークの角度拡がりをσ₂、第１の到来波の中心角度を

第２の到来波の中心角度を

とした場合、アンテナの位置における到来波角度プロファイルＳ（Φ）を以下の式により算出する到来波角度プロファイル算出手段と、を備える。

このように構成された本発明によれば、各パラメータを、車車間通信が行われる市街地交差点の形状や、交差点周辺において通信に影響を及ぼし得る各種要素（建造物、車両、歩行者等）等の周辺環境、車車間通信を行う送信車両及び受信車両の位置等に基づいて適宜決定することにより、実験やシミュレーションを実施しなくても、送信車両から送信された電波が反射や回折により複数の経路を経由して異なる角度から受信車両に到達する車車間通信環境に特有の到来波角度プロファイルを精度よく推定することができ、ダイバーシチ効果を高精度に評価することができる。

また、本発明において、好ましくは、第１の到来波は、アンテナの前方にある構造物のエッジで回折されてアンテナに到達する回折波であり、第２の到来波は、アンテナの側方にある構造物の側面で反射されてアンテナに到達する反射波である。
このように構成された本発明によれば、実験やシミュレーションを実施しなくても、アンテナの前方にある構造物のエッジで回折されてアンテナに到達する回折波によるピークと、アンテナの側方にある構造物の側面で反射されてアンテナに到達する反射波によるピークとの２つのピークを持つ、車車間通信環境（例えば市街地交差点）に特有の到来波角度プロファイルを精度よく推定することができ、ダイバーシチ効果を高精度に評価することができる。

また、本発明において、好ましくは、パラメータ取得手段は、アンテナの位置を原点とするグローバル座標系により表されたパラメータを取得し、到来波角度プロファイル算出手段は、グローバル座標系により表されたパラメータに基づいて算出した到来波角度プロファイルを、アンテナの配置方向に応じて座標軸の方向が決定されたアンテナ座標系による到来波角度プロファイルに変換し、受信電力分布算出手段は、アンテナ座標系による到来波角度プロファイルに基づき、アンテナの設置領域における受信電力分布を算出する。
このように構成された本発明によれば、任意の方向で配置されたダイバーシチアンテナにおける受信電力分布を、アンテナの設置領域における平均受信電力や到来波角度プロファイルの形状が同一の特性に従う下で導出することができ、これにより、任意の方向で配置されたダイバーシチアンテナのダイバーシチ効果を定量的に比較評価することができる。

また、本発明において、好ましくは、ダイバーシチ効果算出手段は、アンテナの位置における信号対雑音比をγ、アンテナの位置における平均信号対雑音比を

通信の伝送方式により決定されるホワイトガウスノイズ環境下での信号対雑音比と平均パケット誤り率の固有の関係を表す関数をＰＥＲ（γ）、確率密度関数で表した信号対雑音比の空間分布を

とした場合、アンテナのダイバーシチ効果として、アンテナの位置における平均パケット誤り率

を以下の式により算出する。

このように構成された本発明によれば、車車間通信に要求されるパケット誤り率を達成するために必要となる平均信号対雑音比を、アンテナのダイバーシチ効果の定量的な指標として得ることができる。

また、本発明の第２発明による到来波角度プロファイル推定装置は、車車間通信環境における受信点の到来波角度プロファイルを推定する到来波角度プロファイル推定装置であって、受信点の前方にある構造物のエッジで回折されて受信点に到達する回折波と、受信点の側方にある構造物の側面で反射されて受信点に到達する反射波との、それぞれのピーク電力、角度拡がり、及び中心角度をパラメータとして取得するパラメータ取得手段と、回折波のピーク電力をＡ₁、反射波のピーク電力をＡ₂、回折波のピークの角度拡がりをσ₁、反射波のピークの角度拡がりをσ₂、回折波の中心角度を

反射波の中心角度を

とした場合、受信点における到来波角度プロファイルを以下の式により算出する到来波角度プロファイル算出手段と、を有することを特徴とする。

また、本発明の第２発明において、好ましくは、第１の到来波は、受信点の前方にある構造物のエッジで回折されて受信点に到達する回折波であり、第２の到来波は、受信点の側方にある構造物の側面で反射されて受信点に到達する反射波である。

本発明によるアンテナ性能評価装置によれば、計算負荷の増大を抑制しつつ、ダイバーシチアンテナにおけるダイバーシチ効果を定量的に評価することができる。また、本発明の第２発明による到来波角度プロファイル推定装置によれば、アンテナの性能を定量的に評価する場合に使用される、車車間通信環境における受信点の到来波角度プロファイルを精度良く推定することができる。

車車間通信が行われる環境（車車間通信環境）の一例として市街地交差点を示した概念図である。 市街地交差点で車車間通信を行った場合の電波の伝搬経路をレイトレースシミュレーションにより算出した結果を示す斜視図である。 市街地交差点における車車間通信のレイトレースシミュレーション結果に基づき導出した、受信点における到来波電力の角度分布特性を示す線図である。 本発明の実施形態による、モデル化された車車間通信環境における到来波角度プロファイルを示す線図である。 本発明の実施形態によるモデル化した到来波角度プロファイルと、レイトレースシミュレーション結果に基づく到来波角度プロファイルとを比較した線図である。 本発明の実施形態によるアンテナ性能評価装置の電気的構成を示すブロック図である。 アンテナ性能評価処理のフローチャートである。 本発明の実施形態によるダイバーシチ効果算出部が算出したダイバーシチアンテナの空間相関特性を示す線図である。 本発明の実施形態による受信電力分布算出部が受信電力分布を算出するアンテナ設置領域を示した平面図である。 本発明の実施形態による受信電力分布算出部が算出したアンテナ設置領域の受信電力分布を示すコンター図である。 本発明の実施形態によるダイバーシチ効果算出部が算出したダイバーシチアンテナのＰＥＲ−ＳＮＲ特性を示す線図である。 本発明の実施形態によるダイバーシチ効果算出部が算出した、要求ＰＥＲを達成するために必要となるＳＮＲとアンテナ配置間隔との関係を示す線図である。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態によるアンテナ性能評価装置、及び到来波角度プロファイル推定装置を説明する。
まず、図１乃至図５により、受信性能の評価対象となるアンテナが使用される車車間通信の概要を説明する。図１は、車車間通信が行われる環境（車車間通信環境）の一例として市街地交差点を示した概念図であり、図２は、市街地交差点で車車間通信を行った場合の電波の伝搬経路を示す斜視図であり、図３は、市街地交差点における車車間通信のレイトレースシミュレーション結果に基づき導出した、受信点における到来波電力の角度分布特性を示す線図であり、図４は、本発明者らによりモデル化された車車間通信環境における到来波角度プロファイルを示す線図であり、図５は、モデル化した到来波角度プロファイルとレイトレースシミュレーション結果に基づく到来波角度プロファイルとを比較した線図である。

車車間通信とは、複数の車両間で行われる無線通信をいい、例えば図１に示すような見通しの悪い交差点において、交差点に進入する車両同士がお互いの位置や車速等の車両情報を伝達するために使用される。これにより、衝突の可能性の判定や、衝突回避のための各種制御（例えば警報出力や自動ブレーキ等）が可能になる。
この車車間通信では、交差点の形状や、交差点周辺において通信に影響を及ぼし得る各種要素（建造物、車両、歩行者等）等の周辺環境、あるいは、車車間通信を行う車両の移動により、通信環境が変化し、これに伴い、通信品質（具体的には、例えば、他車両から送信されたパケットを自車両が受信できる確率）が時々刻々と変化するが、どのような通信環境においても、車車間通信を利用するサービスに必要な通信品質及び通信エリアを達成することが求められる。従って、車車間通信を行うために車両に搭載するアンテナには、高い受信性能が要求される。

アンテナの受信性能を向上させる技術として、空間ダイバーシチ方式のアンテナを用いることが挙げられる。例えば、最大比合成方式の空間ダイバーシチアンテナでは、所定の間隔を空けて複数のアンテナを配置し、これらのアンテナにより受信された信号の位相を合わせて合成することにより、各アンテナで受信する電波強度の相関を小さくし、フェージングによる受信性能の低下を防止する。この空間ダイバーシチ方式のアンテナにおいては、各アンテナの受信強度の相関が小さいほど空間ダイバーシチの効果が大きくなるが、各アンテナの受信強度の相関は、アンテナの配置間隔や、アンテナに対する電波の到来方向に応じて変化する。従って、通信環境の変化にかかわらず必要な通信品質を確保することができるアンテナを得るためには、アンテナの配置や通信環境に応じて変化する空間ダイバーシチの効果を定量的に評価し、その評価結果に基づき、通信環境の変化や車両の方向の変化に対して安定して空間ダイバーシチの効果を得ることのできるアンテナ配置を設計する必要がある。

ここで、本発明者らは、一般的な市街地交差点における道路形状や周辺構造物をモデル化し、そのモデルかした市街地交差点で車車間通信を行った場合の電波の伝搬経路をレイトレースシミュレーションにより導出した。その結果、図２に示すように、送信車両Ｔｘから送信された電波は、送信車両Ｔｘや受信車両Ｒｘの側方にある構造物の側面により反射されることにより、あるいは、交差点付近の構造物のエッジで回折されることにより、複数の経路を経由して異なる角度から受信車両Ｒｘに到達することが分かった。

このレイトレースシミュレーションにより、受信点周辺における到来波複素振幅の空間分布を得ることができ、この到来波複素振幅の空間分布に基づき、図３に示すように、受信点における到来波電力の角度分布特性（到来波角度プロファイル）を求めることができる。この図３において、横軸は、グローバル座標系における到来波角度を表し、縦軸は、到来波角度が０から２πｒａｄの範囲で積分したときの値が１となるように正規化した受信電力を表している。ここで、本実施形態におけるグローバル座標系とは、受信点の位置を原点とし、受信点から交差点に向かう方向の到来波角度（即ち受信車両Ｒｘの進行方向後方から受信車両Ｒｘに到来する角度）を０ｒａｄとし、角度の符号を反時計回りに正とした座標系をいうものとする。
図３に示すように、モデル化した市街地交差点で車車間通信を行った場合の受信点における到来波角度プロファイルは、約２．８ｒａｄと約４．２ｒａｄを中心とする２つのピークを持っている。図２に示した電波の伝搬経路を考慮すると、到来波角度プロファイルにおける２つのピークの内、約２．８ｒａｄのピークは回折波に起因し、約４．２ｒａｄのピークは反射波に起因するものであると考えることができる。このような到来波角度プロファイルは、従来知られている到来波角度プロファイル、例えばセルラー方式の陸上移動通信における基地局側受信時の到来波角度プロファイル（ラプラス分布として扱われる）又は移動局側の到来波角度プロファイル（一様分布として扱われる）とは大きく異なるものであり、市街地交差点に代表される車車間通信環境に特有のものであると考えられる。

そこで本発明者らは、市街地交差点で車車間通信を行った場合の受信点における到来波角度プロファイルにおいて、回折波（第１の到来波）に起因する角度プロファイルと反射波（第２の到来波）に起因する角度プロファイルのそれぞれをラプラス分布として表し、それらの２つのラプラス分布を重ね合わせることで、図４に示すように、車車間通信環境に特有の到来波角度プロファイルをモデル化することを想到した。
このように２つのラプラス分布の和としてモデル化した車車間通信環境における到来波角度プロファイルＳ（Φ）は、受信車両Ｒｘのアンテナに到達する回折波及び反射波のそれぞれの受信電力ピークの中心角度、ピークの拡がり、及びピーク電力をパラメータとして、以下の式（１）及び（２）により算出することができる。

ここで、Φは、受信車両Ｒｘのアンテナの位置（受信点）における到来波角度である。また、図４に示すように、Ａ₁は回折波のピーク電力であり、Ａ₂は反射波のピーク電力であり、σ₁は回折波のピークの角度拡がりであり、σ₂は反射波のピークの角度拡がりであり、

は回折波の中心角度であり、

は反射波の中心角度である。
上記式（１）、（２）における各パラメータを、車車間通信が行われる市街地交差点の形状や、交差点周辺において通信に影響を及ぼし得る各種要素（建造物、車両、歩行者等）等の周辺環境、車車間通信を行う送信車両Ｔｘ及び受信車両Ｒｘの位置等に基づいて適宜決定することにより、実験やシミュレーションを実施しなくても、車車間通信環境に特有の到来波角度プロファイルを精度よく推定することができる。

例えば、図２に示した市街地交差点のモデルについて、従来知られているラプラス分布や一様分布による到来波角度プロファイルを導出した場合、図５に示すように、レイトレースシミュレーション結果に基づく到来波角度プロファイルに一致させることができない（図５においては、ラプラス分布、一様分布、及びレイトレースシミュレーション結果に基づく到来波角度プロファイルを、それぞれ、破線、一点鎖線、及び点線により示す）。なお、この図５において、横軸は、グローバル座標系における到来波角度を表し、縦軸は、到来波角度が０から２πの区間で定積分したときの値が１となるように正規化した受信電力を表している。

一方、本実施形態においては、上記式（１）、（２）における各パラメータを、Ａ₁＝０．３９、Ａ₂＝１．７４、σ₁＝０．６５、σ₂＝０．１８、

とすることにより、図５に示すように、モデル化した到来波角度プロファイル（図５において実線により示す）を、レイトレースシミュレーション結果に基づく到来波角度プロファイルに良く一致させることができる。
そこで、本発明者らは、上述のようにモデル化した到来波角度プロファイルを用いることによって車車間通信環境における空間ダイバーシチの効果を定量的に評価することができるアンテナ性能評価装置を想到した。

次に、図６により、本発明の実施形態によるアンテナ性能評価装置の構成を説明する。図６は、本発明の実施形態によるアンテナ性能評価装置の電気的構成を示すブロック図である。
本実施形態のアンテナ性能評価装置１は、車両に搭載された空間ダイバーシチ方式のアンテナの受信性能を定量的に評価する。図６に示すように、アンテナ性能評価装置１は、車車間通信環境においてアンテナに到達する回折波及び反射波のそれぞれの受信電力ピークの中心角度、ピークの拡がり、及びピーク電力をパラメータとして取得するパラメータ取得部２と、パラメータ取得部２により取得された各パラメータに基づき、アンテナの位置における到来波角度プロファイルを算出する到来波プロファイル算出部４と、到来波プロファイル算出部４により算出された到来波角度プロファイルに基づき、アンテナの設置領域における受信電力分布を算出する受信電力分布算出部６と、受信電力分布算出部６により算出された受信電力分布及びアンテナの設置領域内に設置されたアンテナの配置に基づき、アンテナの空間ダイバーシチの効果を算出するダイバーシチ効果算出部８とを有する。
これらの各構成要素は、ＣＰＵ、当該ＣＰＵ上で解釈実行される各種のプログラム（ＯＳなどの基本制御プログラムや、ＯＳ上で起動され特定機能を実現するアプリケーションプログラムを含む）、及びプログラムや各種のデータを格納するためのＲＯＭやＲＡＭの如き内部メモリを備えるコンピュータにより構成される。

次に、図７乃至図１２により、本発明の実施形態によるアンテナ性能評価装置１が行うアンテナ性能評価処理について説明する。図７は、アンテナ性能評価処理のフローチャートであり、図８は、本発明の実施形態によるダイバーシチ効果算出部８が算出したダイバーシチアンテナの空間相関特性を示す線図であり、図９は、本発明の実施形態による受信電力分布算出部６が受信電力分布を算出するアンテナ設置領域を示した平面図であり、図１０は、本発明の実施形態による受信電力分布算出部６が算出したアンテナ設置領域の受信電力分布を示すコンター図であり、図１１は、本発明の実施形態によるダイバーシチ効果算出部８が算出したダイバーシチアンテナのＰＥＲ−ＳＮＲ特性を示す線図であり、図１２は、本発明の実施形態によるダイバーシチ効果算出部８が算出した、要求ＰＥＲを達成するために必要となるＳＮＲとアンテナ配置間隔との関係を示す線図である。

図７に示すように、アンテナ性能評価処理が開始されると、ステップＳ１において、パラメータ取得部２は、ダイバーシチアンテナを構成する複数のアンテナの配置、具体的には各アンテナ間の距離、アンテナの配置方向、アンテナの設置高さ等を取得する。このアンテナの配置は、例えば、入力装置を介してユーザにより入力される。なお、以下の説明では、ダイバーシチアンテナが２本のアンテナを備えている場合を例示するが、３本以上のアンテナを備えていてもよい。

次に、ステップＳ２において、パラメータ取得部２は、車車間通信環境において受信車両のアンテナに到達する到来波のパラメータを取得する。到来波のパラメータは、車車間通信環境において受信車両のアンテナに到達する回折波（第１の到来波）及び反射波（第２の到来波）のそれぞれの受信電力ピークの中心角度、ピークの拡がり、及びピーク電力を含み、例えば、車車間通信が行われる市街地交差点の形状や、交差点周辺において通信に影響を及ぼし得る各種要素（建造物、車両、歩行者等）等の周辺環境、車車間通信を行う送信車両及び受信車両の位置等に基づいて決定される。なお、回折波及び反射波のそれぞれの受信電力ピークの中心角度は、グローバル座標系における角度として与えられる。これらの到来波のパラメータは、例えば、入力装置を介してユーザにより入力される。

次に、ステップＳ３において、到来波プロファイル算出部４は、ステップＳ２で取得したパラメータに基づき、アンテナの位置における到来波角度プロファイルＳ（Φ）を上述の式（１）及び（２）により算出する。ステップＳ２で取得した到来波のパラメータは、グローバル座標系におけるパラメータであるので、このステップＳ３では、グローバル座標系における到来波角度プロファイルＳ_G（Φ）が算出される。

次に、ステップＳ４に進み、到来波プロファイル算出部４は、ステップＳ３で算出されたグローバル座標系における到来波角度プロファイルＳ_G（Φ）を、ステップＳ１で取得したアンテナの配置に基づき、このアンテナの配置方向に応じて座標軸の方向が決定された座標系（以下「アンテナ座標系」という）における到来波角度プロファイルＳ_A（Φ）に変換する。このアンテナ座標系は、例えば、ダイバーシチアンテナを構成する２本のアンテナを結ぶ直線に沿って一方のアンテナ側から到来する電波の到来波角度を０ｒａｄとし、角度の符号を反時計回りに正とした座標系である。
具体的には、到来波プロファイル算出部４は、ステップＳ１で取得したアンテナの配置に基づき、グローバル座標系の座標軸とアンテナ座標系の座標軸との成す角度θを特定し、グローバル座標系における到来波角度プロファイルＳ_G（Φ）を、角度軸方向に沿って−θだけ平行移動させることにより、任意のアンテナ座標系における到来波角度プロファイルＳ_A（Φ）を算出することができる。

次に、ステップＳ５において、ダイバーシチ効果算出部８は、ステップＳ１で取得したアンテナの配置と、ステップＳ４で算出したアンテナ座標系における到来波角度プロファイルＳ_A（Φ）に基づき、ダイバーシチアンテナを構成する２本のアンテナで受信する電波強度の相関係数ρと、アンテナの間隔Δｘとの関係（空間相関特性ρ（Δｘ））を算出する。具体的には、ダイバーシチ効果算出部８は、空間相関特性ρ（Δｘ）を以下の式（３）により算出する。

ここで、λは車車間通信に使用される電波の波長である。

例えば、ダイバーシチアンテナを構成する２本のアンテナが受信車両の車幅方向に沿って配置されている場合（車幅方向配置）と、受信車両の前後方向に沿って配置されている場合（車両前後方向配置）のそれぞれについて、ステップＳ４で算出したアンテナ座標系における到来波角度プロファイルＳ_A（Φ）に基づき、ステップＳ５において空間相関特性を算出した結果を、車幅方向配置について図８（ａ）に示し、車両前後方向配置について図８（ｂ）に示す。
これらの図８（ａ）、（ｂ）に示すように、いずれのアンテナ配置の空間相関特性（図８において実線で示す）も、レイトレースシミュレーション結果に基づく空間相関特性（図８において点線で示す）と良く一致している。即ち、本実施形態では、２つのラプラス分布の和としてモデル化した到来波角度プロファイルを用いることにより、レイトレースシミュレーションや実験を行った場合と同等の精度で、車車間通信環境における任意の配置のダイバーシチアンテナの空間相関特性を導出することができる。
なお、到来波角度プロファイルをラプラス分布や一様分布として扱った場合において、既知の方法により空間相関特性を算出した場合、図８に示すように、レイトレースシミュレーション結果に基づく空間相関特性に一致しない（図８においては、ラプラス分布及び一様分布に基づく空間相関特性を、それぞれ、破線及び一点鎖線により示す）。

次に、ステップＳ６に進み、受信電力分布算出部６は、ステップＳ４で算出したアンテナ座標系における到来波角度プロファイルＳ_A（Φ）に基づき、アンテナの設置領域における受信電力分布を算出する。アンテナ配置に応じたダイバーシチ効果を定量的に評価するためには、平均受信電力が一定とみなせるアンテナ設置領域を設定する必要があるため、交差点角建物による回折波の自由空間減衰量が１ｄＢ以内となる範囲として、図９に示すように、アンテナ座標系における縦軸方向及び横軸方向にそれぞれ３３分割された１．８ｍ四方の領域を想定し、受信電力分布算出部６は、この設置領域内の各点における受信電力を以下の式（４）により算出する。

ここで、Ｈ（ｘ，ｙ）は座標（ｘ，ｙ）における複素振幅であり、Ａ₀は基準位置の複素振幅であり、Ａ（Φ）は到来波角度プロファイルを振幅の次元で表現したものであり、ステップＳ４で算出したアンテナ座標系における到来波角度プロファイルＳ_A（Φ）の平方根として求められる。

例えば、図２に示した市街地交差点のモデルにおいて図９に示したアンテナ設置領域の受信電力分布を算出する場合、図１０に示すように、受信電力分布をステップＳ４で算出したアンテナ座標系における到来波角度プロファイルＳ_A（Φ）に基づいて上記の式（４）により算出した結果（図１０（ｂ））は、受信電力分布をレイトレースシミュレーションにより取得した結果（図１０（ａ））と良く一致している。即ち、本実施形態では、２つのラプラス分布の和としてモデル化した到来波角度プロファイルに基づき、上記式（４）によりアンテナ設置領域の受信電力分布を算出することにより、レイトレースシミュレーションや実験を行った場合と同等の精度で車車間通信環境におけるアンテナ設置領域の受信電力分布を導出することができる。
なお、受信電力分布を、従来知られているラプラス分布や一様分布による到来波角度プロファイルに基づき上記の式（４）により算出した結果（図１０（ｃ）、（ｄ））は、受信電力分布をレイトレースシミュレーションにより取得した結果と一致しない

次に、ステップＳ７に進み、ダイバーシチ効果算出部８は、ステップＳ６で算出した受信電力分布と、ステップＳ１で取得したアンテナの配置とに基づき、アンテナのダイバーシチ効果を算出する。
このステップＳ７において、ダイバーシチ効果算出部８は、受信車両のアンテナ位置における平均ＳＮＲ（Ｓｉｇｎａｌ ｔｏ Ｎｏｉｓｅ Ｒａｔｉｏ）の関数として平均パケット誤り率（ＰＥＲ：Ｐａｃｋｅｔ Ｅｒｒｏｒ Ｒａｔｉｏ）を算出する（ＰＥＲ−ＳＮＲ特性）。このＰＥＲ−ＳＮＲ特性により、車車間通信に要求されるＰＥＲ（例えば１％以下）を達成するために必要となるＳＮＲを、アンテナのダイバーシチ効果の定量的な指標として得ることができる。

具体的には、ダイバーシチ効果算出部８は、ＰＥＲ−ＳＮＲ特性を以下の式（５）により算出する。

ここで

右辺のＰＥＲ（γ）はホワイトガウスノイズ環境下でのＳＮＲとＰＥＲの固有の関係を表す関数であり、変調方式、パケット構成、誤り訂正方式等の通信機の伝送方式（本実施形態では、変調方式：１６ＱＡＭ、パケット長：１００Ｂｙｔｅ、誤り訂正方式：畳み込み符号化（ｋ＝７，Ｒ＝１２））により決定される。また、

は、ＳＮＲの空間分布を確率密度関数で表したものであり、ステップＳ６で算出した受信電力分布とステップＳ１で取得したアンテナの配置に基づいて算出される。例えば、ダイバーシチ効果算出部８は、ステップＳ６において受信電力分布を算出したアンテナ設置領域内の各点の中から、アンテナ座標系の横軸方向においてステップＳ１で取得したアンテナ間の距離だけ離れた２点を、ダイバーシチアンテナを構成する２本のアンテナとして選択する。そして、これらの２点のうち受信電力が高い方を、ダイバーシチアンテナの受信電力として決定する（選択合成方式）。同様に、アンテナ設置領域の中から選択可能な２点の組み合わせの全てについて、選択合成方式によるダイバーシチアンテナの受信電力を求め、それらの受信電力群からＳＮＲ及び平均ＳＮＲを算出し、

を算出する。あるいは、アンテナ設置領域の中から選択可能な２点の組み合わせの全てについて、最大比合成方式によるダイバーシチアンテナの受信電力を求め、それらの受信電力群からＳＮＲ及び平均ＳＮＲを算出し、

を算出してもよい。

このステップＳ７により、図１１に示すように、アンテナのダイバーシチ効果の定量的な指標としてＰＥＲ−ＳＮＲ特性を算出することができる。この図１１では、ダイバーシチアンテナを構成する２本のアンテナ間の距離が所定距離であり、これらのアンテナのアンテナ座標系の座標軸とグローバル座標系の座標軸との成す角度θがπ／２ｒａｄ（パターンＡ）、πｒａｄ（パターンＢ）、２π／３ｒａｄ（パターンＣ）、５π／６ｒａｄ（パターンＤ）、π／６ｒａｄ（パターンＥ）、及び、π／３ｒａｄ（パターンＦ）の場合におけるそれぞれのＰＥＲ−ＳＮＲ特性と、ダイバーシチアンテナではない単一アンテナにおけるＰＥＲ−ＳＮＲ特性を重ねて示している。図１１における横軸は平均ＳＮＲを示し、縦軸は平均ＰＥＲを示している。

図１１に示したＰＥＲ−ＳＮＲ特性によれば、パターンＡ、Ｃ、Ｆのように、ダイバーシチアンテナを構成する２本のアンテナを、車幅方向を中心に±３０°の範囲内に配置すると、要求されるＰＥＲを達成するために必要となるＳＮＲを小さくすることができ、例えば要求ＰＥＲが１％の場合における通信システムマージンを、ワーストケースであるパターンＢの配置と比較して３ｄＢ、単一アンテナと比較して８ｄＢ大きく確保できることが分かる。

さらに、ステップＳ７により、図１２に示すように、ダイバーシチアンテナを構成する２本のアンテナの配置方向を上記パターンＡ〜Ｆとし、各配置方向においてアンテナ配置間隔を０から１．５λまで変化させた場合において、ＰＥＲ＝１％を達成するために必要となるＳＮＲを求めることができる。この図１２によれば、パターンＡ〜Ｆの各配置方向において、アンテナ配置間隔を０．５λ以上にすると、要求されるＰＥＲを達成するために必要となるＳＮＲを小さくできることが分かる。
ステップＳ７の後、アンテナ性能評価装置１はアンテナ性能評価処理を終了する。

次に、本発明の実施形態のさらなる変形例を説明する。
上述した実施形態では、パラメータ取得部２が、アンテナの前方にある構造物のエッジで回折されてアンテナに到達する回折波と、アンテナの側方にある構造物の側面で反射されてアンテナに到達する反射波との、それぞれのピーク電力、角度拡がり、及び中心角度をパラメータとして取得すると説明したが、パラメータ取得部２は、別の経路を経由して異なる角度からアンテナに到達する２つの回折波のそれぞれのピーク電力、角度拡がり、及び中心角度をパラメータとして取得してもよく、あるいは、別の経路を経由して異なる角度からアンテナに到達する２つの反射波のそれぞれのピーク電力、角度拡がり、及び中心角度をパラメータとして取得してもよい。これらの何れの場合においても、到来波角度プロファイル算出部は、取得されたパラメータを用いて、上記式（１）及び（２）によりアンテナの位置における到来波角度プロファイルを算出することができる。

次に、上述した本発明の実施形態及び本発明の実施形態の変形例によるアンテナ性能評価装置１、及び到来波角度プロファイル推定装置の作用効果を説明する。

まず、受信電力分布算出部６は、アンテナの位置における到来波角度プロファイルに基づき、上記式（４）により受信電力分布を算出し、ダイバーシチ効果算出部８は、受信電力分布とアンテナの配置とに基づき、そのアンテナのダイバーシチ効果を算出するので、レイトレースシミュレーションや実験を行った場合と同等の精度で車車間通信環境におけるアンテナ設置領域の受信電力分布を導出することができ、その受信電力分布に基づいてアンテナのダイバーシチ効果を定量的に評価することができる。従って、実験コストや計算コストの増大を抑制しつつ、ダイバーシチアンテナにおけるダイバーシチ効果を定量的に評価することができる。

特に、パラメータ取得部２は、アンテナの前方にある構造物のエッジで回折され、又は、アンテナの側方にある構造物の側面で反射されてアンテナに到達する第１の到来波及び第２の到来波の、それぞれのピーク電力、角度拡がり、及び中心角度をパラメータとして取得し、到来波角度プロファイル算出部は、これらのパラメータを用いて、上記式（１）及び（２）によりアンテナの位置における到来波角度プロファイルを算出するので、各パラメータを、車車間通信が行われる市街地交差点の形状や、交差点周辺において通信に影響を及ぼし得る各種要素（建造物、車両、歩行者等）等の周辺環境、車車間通信を行う送信車両及び受信車両の位置等に基づいて適宜決定することにより、実験やシミュレーションを実施しなくても、送信車両から送信された電波が反射や回折により複数の経路を経由して異なる角度から受信車両に到達する車車間通信環境に特有の到来波角度プロファイルを精度よく推定することができ、ダイバーシチ効果を高精度に評価することができる。

特に、パラメータ取得部２は、アンテナの前方にある構造物のエッジで回折されてアンテナに到達する回折波と、アンテナの側方にある構造物の側面で反射されてアンテナに到達する反射波との、それぞれのピーク電力、角度拡がり、及び中心角度をパラメータとして取得するので、アンテナの前方にある構造物のエッジで回折されてアンテナに到達する回折波によるピークと、アンテナの側方にある構造物の側面で反射されてアンテナに到達する反射波によるピークとの２つのピークを持つ、市街地交差点に代表される車車間通信環境に特有の到来波角度プロファイルを精度よく推定することができる。

また、パラメータ取得部２はグローバル座標系により表されたパラメータを取得し、到来波角度プロファイル算出部は、グローバル座標系により表された到来波角度プロファイルを、アンテナ座標系による到来波角度プロファイルに変換し、受信電力分布算出部６は、アンテナ座標系による到来波角度プロファイルに基づき、アンテナの設置領域における受信電力分布を算出するので、任意の方向で配置されたダイバーシチアンテナにおける受信電力分布を、アンテナの設置領域における平均受信電力や到来波角度プロファイルの形状が同一の特性に従う下で導出することができ、これにより、任意の方向で配置されたダイバーシチアンテナのダイバーシチ効果を定量的に比較評価することができる。

また、ダイバーシチ効果算出部８は、アンテナのダイバーシチ効果として、アンテナの位置における平均パケット誤り率

を上記式（５）により算出するので、車車間通信に要求されるＰＥＲを達成するために必要となるＳＮＲを、アンテナのダイバーシチ効果の定量的な指標として得ることができる。

１ アンテナ性能評価装置
２ パラメータ取得部
４ 到来波プロファイル算出部
６ 受信電力分布算出部
８ ダイバーシチ効果算出部
Ｔｘ 送信車両
Ｒｘ 受信車両

Claims (7)

1. 車両に搭載された空間ダイバーシチ方式のアンテナの受信性能を定量的に評価するアンテナ性能評価装置であって、
   上記アンテナの位置における到来波角度プロファイルを取得する到来波角度プロファイル取得手段と、
   上記到来波角度プロファイルに基づき、上記アンテナの設置領域における受信電力分布を算出する受信電力分布算出手段と、
   上記受信電力分布と、上記設置領域内に設置された上記アンテナの配置とに基づき、そのアンテナのダイバーシチ効果を算出するダイバーシチ効果算出手段とを有し、
   上記受信電力分布算出手段は、上記アンテナの位置における到来波角度をΦ、上記到来波の波長をλ、上記設置領域内の座標（ｘ，ｙ）における複素振幅をＨ（ｘ，ｙ）、上記設置領域内の基準位置における複素振幅をＡ₀、上記アンテナの位置における到来波角度プロファイルをＳ（Φ）とした場合、以下の式により上記受信電力分布を算出することを特徴とするアンテナ性能評価装置。
   

   
2. 上記到来波角度プロファイル取得手段は、
   上記アンテナの前方にある構造物のエッジで回折され、又は、上記アンテナの側方にある構造物の側面で反射されて上記アンテナに到達する第１の到来波と、上記アンテナの前方にある構造物のエッジで回折され、又は、上記アンテナの側方にある構造物の側面で反射されて、上記第１の到来波とは異なる経路で上記アンテナに到達する第２の到来波との、それぞれのピーク電力、角度拡がり、及び中心角度をパラメータとして取得するパラメータ取得手段と、
   上記第１の到来波のピーク電力をＡ₁、上記第２の到来波のピーク電力をＡ₂、上記第１の到来波のピークの角度拡がりをσ₁、上記第２の到来波のピークの角度拡がりをσ₂、上記第１の到来波の中心角度を
   

   

   上記第２の到来波の中心角度を
   

   

   とした場合、上記アンテナの位置における到来波角度プロファイルＳ（Φ）を以下の式により算出する到来波角度プロファイル算出手段と、を備える請求項１に記載のアンテナ性能評価装置。
   

   

   
3. 上記第１の到来波は、上記アンテナの前方にある構造物のエッジで回折されて上記アンテナに到達する回折波であり、上記第２の到来波は、上記アンテナの側方にある構造物の側面で反射されて上記アンテナに到達する反射波である、請求項２に記載のアンテナ性能評価装置。
4. 上記パラメータ取得手段は、上記アンテナの位置を原点とするグローバル座標系により表された上記パラメータを取得し、
   上記到来波角度プロファイル算出手段は、上記グローバル座標系により表された上記パラメータに基づいて算出した到来波角度プロファイルを、上記アンテナの配置方向に応じて座標軸の方向が決定されたアンテナ座標系による到来波角度プロファイルに変換し、
   上記受信電力分布算出手段は、上記アンテナ座標系による到来波角度プロファイルに基づき、上記アンテナの設置領域における受信電力分布を算出する、請求項２又は３に記載のアンテナ性能評価装置。
5. 上記ダイバーシチ効果算出手段は、上記アンテナの位置における信号対雑音比をγ、上記アンテナの位置における平均信号対雑音比を
   

   

   通信の伝送方式により決定されるホワイトガウスノイズ環境下での信号対雑音比と平均パケット誤り率の固有の関係を表す関数をＰＥＲ（γ）、確率密度関数で表した信号対雑音比の空間分布を
   

   

   とした場合、上記アンテナのダイバーシチ効果として、上記アンテナの位置における平均パケット誤り率
   

   

   を以下の式により算出する請求項１乃至４の何れか１項に記載のアンテナ性能評価装置。
   

   
6. 車車間通信環境における受信点の到来波角度プロファイルを推定する到来波角度プロファイル推定装置であって、
   上記受信点の前方にある構造物のエッジで回折され、又は、上記受信点の側方にある構造物の側面で反射されて上記受信点に到達する第１の到来波と、上記受信点の前方にある構造物のエッジで回折され、又は、上記受信点の側方にある構造物の側面で反射されて、上記第１の到来波とは異なる経路で上記受信点に到達する第２の到来波との、それぞれのピーク電力、角度拡がり、及び中心角度をパラメータとして取得するパラメータ取得手段と、
   上記第１の到来波のピーク電力をＡ₁、上記第２の到来波のピーク電力をＡ₂、上記第１の到来波のピークの角度拡がりをσ₁、上記第２の到来波のピークの角度拡がりをσ₂、上記第１の到来波の中心角度を
   

   

   上記第２の到来波の中心角度を
   

   

   とした場合、上記受信点における到来波角度プロファイルを以下の式により算出する到来波角度プロファイル算出手段と、を有することを特徴とする到来波角度プロファイル推定装置。
   

   

   
7. 上記第１の到来波は、上記受信点の前方にある構造物のエッジで回折されて上記受信点に到達する回折波であり、上記第２の到来波は、上記受信点の側方にある構造物の側面で反射されて上記受信点に到達する反射波である、請求項６に記載の到来波角度プロファイル推定装置。

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