JP6478784B2 - 電波伝搬シミュレーション装置 - Google Patents

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Description

本発明は、電波伝搬シミュレーション装置に関する。
移動体通信において、移動局での下りリンクの電波の伝搬特性を推定すること(すなわち、計算すること)、および基地局での上りリンクの電波の伝搬特性を推定すること(すなわち、計算すること)は、加入者へのサービスのために重要であり、例えば、基地局を配置すべき位置の決定に利用される。
伝搬特性を求める電波伝搬シミュレーション方法の一つとして、図1のように波源Oから一定角度Δθ間隔(例えば、0.5°間隔)で離散的にレイ(光線)を出射して受信電界強度を推定するレイローンチング(ray launching)法がある(例えば、特許文献1)。出射されたレイは伝搬するに従って減衰する他、散乱体に入射して反射、回折、透過などの影響を受ける。レイローンチング法では、一般的に、所定のサイズを有し連続的に並べられた計算単位であるメッシュに到達するレイに基づいて、メッシュごとの受信電界強度が計算される。
特開2009-168534号公報
レイローンチング法では、図2に示すように、波源Oの近傍に存在する計算メッシュM1においてレイが過密になり計算量が膨大になるという課題、及び、波源Oの遠方に存在する計算メッシュM2においてレイが過疎になり計算精度が低下するという課題がある。
以上の事情を考慮して、本発明は、電波伝搬シミュレーションにおいて、波源の近傍における計算量を抑制し、かつ、波源の遠方における計算精度を向上させることを目的とする。
本発明に係る電波伝搬シミュレーション装置は、レイトレーシング法に基づき電波の受信電界強度を推定する電波伝搬シミュレーション装置であって、波源を中心とする複数のレイヤを設定するレイヤ設定部と、レイを出射するレイ処理部と、推定対象領域に到達するレイに基づいて当該推定対象領域における受信電界強度を推定する電界強度推定部とを備え、前記レイ処理部は、前記波源から第1レイを出射し、第mレイ(mは1以上の整数)がレイヤに到達すると、前記第mレイが前記レイヤを通過するとともに、前記第mレイが前記レイヤを通過する通過点とは異なる前記レイヤ上の出射点から第(m+1)レイを出射する。
本発明に係る電波伝搬シミュレーション方法は、レイトレーシング法に基づき電波の受信電界強度を推定する電波伝搬シミュレーション方法であって、波源を中心とする複数のレイヤを設定することと、前記波源から第1レイを出射することと、第mレイ(mは1以上の整数)がレイヤに到達すると、前記第mレイが前記レイヤを通過するとともに、前記第mレイが前記レイヤを通過する通過点とは異なる前記レイヤ上の出射点から第(m+1)レイを出射することと、推定対象領域に到達するレイに基づいて当該推定対象領域における受信電界強度を推定することとを備える。
本発明によれば、波源の近傍における計算量を抑制し、かつ、波源の遠方における計算精度を向上させることが可能である。
レイローンチング法の概略図である。 レイローンチング法の課題の説明図である。 本実施形態のレイジャンピング法の概略図である。 隣接するレイ間の関係の説明図である。 本実施形態の電波伝搬シミュレーション装置の構成図である。 プロセッサにより実現される機能ブロックの論理構成図である。 本実施形態の電波伝搬シミュレーションの動作フローである。 電波伝搬シミュレーションに用いられる各種パラメータの説明図である。 レイがレイヤを通過し新たなレイが出射される様子を示す図である。 レイが散乱体に入射し反射する様子を示す図である。 レイが2回反射する様子を示す図である。 レイが散乱体に入射し透過する様子を示す図である。 レイが散乱体の端部に入射し回折する様子を示す図である。 従来法と比較した出射レイ数の比値を示す図である。
以下、添付の図面を参照しながら本発明に係る実施の形態を詳細に説明する。本実施形態では、レイローンチング法に代わる手法としてレイジャンピング(ray jumping)法が提案される。
1. 実施形態
1−1. レイジャンピング法の概略
図3に、本実施形態のレイジャンピング法を概略的に示す。レイジャンピング法は、レイを追跡して電界強度を推定するレイトレーシング法の一種である。本実施形態のレイジャンピング法では、波源Oを中心とする複数のレイヤL(L,L,…)が設定される。1つのレイヤLは、波源Oからの距離が等しい点の集合である。
自由空間において、波源Oから出射されたレイR(第1レイR)は直進し、各レイヤLを通過する。あるレイR(第mレイR(mは1以上の整数))がレイヤLを通過すると、通過点PPとは異なるそのレイヤL上の出射点LPから、新たなレイR(第(m+1)レイRm+1)が出射される。
波源Oから出射された第1レイRだけでなく、レイヤLから出射された第2番目以降のレイR(R,R,…)が別のレイヤLを通過するときにも、そのレイヤLから新たなレイRが出射される。
したがって、本実施形態のレイジャンピング法によれば、波源Oから遠いレイヤLほど、そのレイヤLから出射されるレイRの数が増大する。結果として、波源Oの近傍でレイRが過密になることがなく、かつ、波源Oの遠方でレイRが過疎になることもない。
図4に示すように、本実施形態のレイジャンピング法においては、同一レイヤL上における隣接するレイR間(通過点PPと出射点LPとの間)の距離dが一定になるように、波源Oからの距離r(r,r,…)に応じて、隣接するレイR間の角度Δθ(Δθ,Δθ,…)が決定される。d、r、及びΔθの関係は以下の数式(1)で表される。
d=r・Δθ ……(1)
以上の数式(1)から理解されるように、距離dは一定であるから、隣接するレイRがなす角の角度Δθ(Δθ,Δθ,…)は、波源Oからの距離r(r,r,…)が大きくなる程に小さくなる。なお、本実施形態において、以上の距離dは、受信球の半径dに等しい。
1−2. 電波伝搬シミュレーション装置の構成
図5は、本実施形態の電波伝搬シミュレーション装置SAの構成図である。電波伝搬シミュレーション装置SAは、例えばサーバ、ワークステーション、デスクトップ型コンピュータ、またはラップトップ型コンピュータなどの情報処理装置であり、プロセッサ12と記憶部14とマンマシンインタフェース16とを備える。
記憶部14は、例えばハードディスクのような情報記憶媒体であり、レイジャンピング法に基づく電波伝搬シミュレーションを実行するためのプログラムを記憶する。プロセッサ12は、以上のプログラムに従って動作する。また、プロセッサ12は、電界強度推定結果(計算結果)およびその他の計算結果を記憶部14に記憶する。計算結果が記憶される情報記憶媒体は、プログラムが記憶される情報記憶媒体と別個に設けられてもよい。
マンマシンインタフェース16は、電波伝搬シミュレーションに用いられる各種のパラメータ(詳細は後述される)をユーザがプロセッサ12に入力するために使用される。また、マンマシンインタフェース16は、電波伝搬シミュレーションの結果を出力するために使用される。
図6は、電波伝搬シミュレーション装置SAのプロセッサ12が以上のプログラムに従って動作することにより実現する機能ブロックである制御部20の論理構成図である。制御部20は、パラメータ処理部22とレイヤ設定部24とレイ処理部26と電界強度推定部28とを備える。各機能ブロックの動作については後述される。
1−3. 動作フロー
図7は、本実施形態の電波伝搬シミュレーションの動作フローである。
1−3(1). 各種パラメータの設定および算出
電波伝搬シミュレーションが開始すると、ユーザは、一部のパラメータ(ユーザ設定パラメータ)をマンマシンインタフェース16を介して電波伝搬シミュレーション装置SA(パラメータ処理部22)に入力する(S100)。ユーザ設定パラメータには、領域サイズD、誤差許容範囲d、及び波源Oからの最大距離MLが含まれる。
図8は、レイジャンピング法に基づく電波伝搬シミュレーションに用いられる各種パラメータの説明図である。
領域サイズDは、受信電界強度を推定する領域(推定対象領域)である矩形メッシュの一辺の長さを示す。図8に示すように、本実施形態の電波伝搬シミュレーションが実行される仮想領域内に、複数の推定対象領域TAが設定される。
誤差許容範囲dは、ユーザが誤差を許容する範囲のサイズを示す。本実施形態において、電波伝搬シミュレーションにおける受信球の半径dは、誤差許容範囲dに等しい。
波源Oからの最大距離MLは、波源Oから、複数の推定対象領域TAに含まれる波源Oから最も遠い点までの距離を示す。波源Oからの最大距離MLは、最も大きなレイヤLの半径に等しい。
電波伝搬シミュレーション装置SAのプロセッサ12(パラメータ処理部22)は、入力された以上のユーザ設定パラメータに基づいて、他のパラメータ(導出パラメータ)を算出する(S110)。導出パラメータには、必要レイヤ数N、実効レイヤ数N’、角度方向分割数M’、計算用メッシュサイズd’、各レイヤLの半径Lr、及び各レイヤLから出射されるレイRの角度Δθが含まれる。
必要レイヤ数Nは、波源からの最大距離MLと誤差許容範囲dに基づいて算定される、本実施形態の電波伝搬シミュレーションに必要とされるレイヤ数である。必要レイヤ数Nは、以下の数式(2)に基づいて算定される。
N=(logML−log2d)/log2 ……(2)
必要レイヤ数Nに基づいて、実際のシミュレーション計算に用いられるレイヤ数である実効レイヤ数N’が算定される。
N’=ceil(N)+1 ……(3)
なお、以上の数式(3)において、ceil(・)は、カッコ内の数値を小数点以下繰り上げる天井関数を意味する。
計算用メッシュサイズd’は、実際のシミュレーション計算に用いられるメッシュのサイズであり、角度方向分割数M’を用いて算定される(数式(6))。角度方向分割数M’は、以下の数式(4)及び数式(5)に基づいて算出される。
M=2N’−1・π ……(4)
M’=floor(M) ……(5)
なお、以上の数式(5)において、floor(・)は、カッコ内の数値を小数点以下繰り下げる床関数を意味する。
d’=π・ML/M’ ……(6)
各レイヤL(L,L,…,LN’)の半径(レイヤ半径)Lr(Lr(1),Lr(2),…,Lr(N’))は、波源からの最大距離MLに基づいて算定される。半径Lr(n)の算定式は以下の数式(7)である。
Lr(n)=ML/2N’−n (n=1〜N’) ……(7)
以上の数式(7)から明らかなように、最も外側に設定されるレイヤLN’の半径Lr(N’)は、波源からの最大距離MLに等しい。
各レイヤL(L,L,…,LN’)から出射されるレイRの角度Δθは、波源OからあるレイヤL上の通過点PP(第mレイRがレイヤLを通過する点)に向かうベクトルと、波源OからそのレイヤL上の出射点LP(第mレイRに起因して生成される第(m+1)レイRm+1が出射する点)に向かうベクトルとがなす角度を示す。第n番目のレイヤLから出射されるレイRの角度Δθ(n)は、以下の数式(8)で示される。
Δθ(n)=d/Lr(n) (n=1〜N’) ……(8)
以上の数式(8)は、数式(1)を変形し、波源Oからの距離rにレイヤ半径Lr(n)を代入した数式である。前述の通り、dは一定であるから、Δθ(n)は、波源Oからの距離r、すなわちレイヤ半径Lr(n)が大きくなる程に小さくなる。
1−3(2). レイ処理
以上のように設定及び算出されたパラメータに基づいて、レイヤ設定部24によりレイヤLが配置され(S120)、レイ処理部26により波源OからレイRが出射される(S130)。出射されたレイRには、それぞれ、出射角度、伝搬距離(通路長)、及び伝搬損などを含む伝搬パラメータがレイ処理部26により設定される。
出射されたレイRの各々について、レイ処理が実行される(S140)。すなわち、レイ処理部26が、出射されたレイRを時系列的に追跡(トレース)する(例えば、自由空間においてレイRを直進させる)。
図9に示すように、レイ処理部26は、レイR(第mレイR)がレイヤLを通過すると、そのレイヤL上の通過点PPから反時計回りに(換言すると、第1方向に)距離dだけ離れた出射点LPから、新たなレイR(第(m+1)レイRm+1)を出射する。新たに生成される第(m+1)レイRm+1は、生成の起因となった第mレイRの伝搬パラメータを承継する。
本実施形態の電波伝搬シミュレーションでは、建物等の構造物に相当する散乱体Sが仮想領域内に配置される。波源OまたはレイヤLから出射されたレイRは、散乱体Sに入射すると反射または透過する。また、波源OまたはレイヤLから出射されたレイRは、散乱体Sの端部に入射すると回折する。ステップS140のレイ処理においては、反射、透過、及び回折の影響がレイRに組み込まれる(すなわち、伝搬パラメータに反映される)。
図10は、レイRが散乱体Sに入射し反射する様子を示す。レイRが散乱体S(反射面)に入射する入射角IAと、レイRが散乱体S(反射面)から反射する反射角RAとは等しい。
図10に示すように、レイヤ設定部24は、散乱体Sで反射したレイRについて、散乱体S上の反射面に対する波源Oのイメージ(鏡像)を波源O’としてレイヤLを再設定する。ある点のイメージとは、反射面に対して対称な位置に存在する点を意味する。
図10において、波源Oのイメージである波源O’は、反射後のレイR(第mレイR)を示す方向ベクトルの反対方向に向いた、波源Oから反射点RPまでの通路長と同じ大きさを有するベクトルの終端に位置する。
散乱体Sで1回反射したレイRがレイヤLを通過すると、レイ処理部26は、そのレイヤL上の通過点PPから時計回りに(換言すると、第1方向とは異なる第2方向に)距離dだけ離れた出射点LPから、新たなレイRを出射する。
前述と同様、新たに生成されるレイRは、生成の起因となったレイRの伝搬パラメータを承継する。そのため、第nレイヤLを通過した後に散乱体Sで反射したレイRが次に通過するのは、第(n+1)レイヤLn+1である。
図11は、レイRが2回反射する様子を示す。図10と同様、波源Oのイメージを波源O’’としてレイヤLが設定される。散乱体Sで2回反射したレイRがレイヤLを通過すると、レイ処理部26は、そのレイヤL上の通過点PPから反時計回りに(換言すると、第1方向に)距離dだけ離れた出射点LPから、新たなレイRを出射する。
すなわち、レイ処理部26は、レイRがレイヤLを通過すると、レイRの反射回数が偶数回(0回を含む)の場合には反時計回りに、レイRの反射回数が奇数回の場合には時計回りに、通過点PPから距離dだけ離れた出射点LPから新たなレイRを出射する。
図12は、レイRが散乱体Sに入射し透過する様子を示す。レイRが散乱体Sを透過する場合、散乱体Sの存在によってレイRの進行方向は変わらないが、レイRの電界強度は散乱体Sにより減衰する。前述のように、反射の場合は反射の回数に応じてレイRがレイヤLを通過する際に新たなレイRが出射される方向が変化するが、透過の場合はそのような変化はない。
図13は、レイRが散乱体Sの端部に入射し回折する様子を示す。レイ処理部26は、レイRが散乱体Sの端部(回折点DP)に入射すると、そのレイRについては回折点DPを新たな波源Oとして新たなレイヤLを設定し、回折点DPから回折後のレイRを出射する。したがって、回折後のレイRが最初に通過するのは、回折前に通過したレイヤLの数に関わらず、第1レイヤLである。
なお、前述のように、反射の場合は反射の回数に応じてレイRがレイヤLを通過する際に新たなレイRが出射される方向が変化するが、回折の場合はそのような変化はない。
電界強度推定部28は、以上のように処理され各推定対象領域TAに到達するレイRに基づいて、推定対象領域TAにおける受信電界強度を推定する(S150)。
1−4. 従来手法との比較
図14は、所望解像度を一定にした場合の出射レイ数の比値(レイジャンピング法/従来法)をレイヤLの数ごとに示す図である。図示されるように、レイヤLの数が増加するほど、出射されるレイRの数は従来法よりもレイジャンピング法の方が相対的に少なくなる。レイヤLの数を増加させていくと、出射レイ数の比値は0.5(50%)に漸近する。
1−5. 本実施形態の効果
以上の本実施形態の構成によれば、波源Oから遠いレイヤLほど、そのレイヤLから出射されるレイRの数が増大する。結果として、波源Oの近傍でレイRが過密になることがなく、かつ、波源Oの遠方でレイRが過疎になることもない。そのため、波源の近傍における計算量が抑制され、かつ、波源の遠方における計算精度が向上する。
2. 変形例
以上の実施形態は多様に変形される。具体的な変形の態様を以下に例示する。以上の実施の形態および以下の例示から任意に選択された2以上の態様は、相互に矛盾しない限り適宜に併合され得る。
2−1. 変形例1
以上の実施形態及び図面では、レイRやレイヤL等の構成が2次元的に表現されているが、本実施形態の構成が3次元空間にも適用可能であることは当然に理解される。
2−2. 変形例2
電波伝搬シミュレーション装置SAは、スタンドアロン型のコンピュータ装置であってもよいし、ネットワーク型のコンピュータ装置であってもよい。電波伝搬シミュレーション装置SAがネットワーク型のコンピュータ装置である場合、電波伝搬シミュレーション装置SAがマンマシンインタフェース16に代えて又は加えてネットワークインタフェースを備え、他のコンピュータ装置からユーザ設定パラメータが入力されてもよい。
2−3. 変形例3
以上の実施形態において、推定対象領域TAは矩形メッシュであるが、推定対象領域TAの形状は任意である。例えば、六角形のメッシュが推定対象領域TAとして採用されてもよいし、他の形状のメッシュが対象領域TAとして採用されてもよい。
12……プロセッサ、14……記憶部、16……マンマシンインタフェース、20……制御部、22……パラメータ処理部、24……レイヤ設定部、26……レイ処理部、28……電界強度推定部、Δθ……角度、D……領域サイズ、L……レイヤ、O……波源、R……レイ、S……散乱体、SA……電波伝搬シミュレーション装置、TA……推定対象領域。

Claims (6)

  1. レイトレーシング法に基づき電波の受信電界強度を推定する電波伝搬シミュレーション装置であって、
    波源を中心とする複数のレイヤを設定するレイヤ設定部と、
    レイを出射するレイ処理部と、
    推定対象領域に到達するレイに基づいて当該推定対象領域における受信電界強度を推定する電界強度推定部とを備え、
    前記レイ処理部は、
    前記波源から第1レイを出射し、
    第mレイ(mは1以上の整数)がレイヤに到達すると、前記第mレイが前記レイヤを通過するとともに、前記第mレイが前記レイヤを通過する通過点とは異なる前記レイヤ上の出射点から第(m+1)レイを出射する
    電波伝搬シミュレーション装置。
  2. 前記レイ処理部は、
    前記第mレイが前記レイヤに到達すると、前記通過点から所定距離だけ離れた前記出射点から1つの前記第(m+1)レイを出射する
    請求項1の電波伝搬シミュレーション装置。
  3. 前記第mレイと前記第(m+1)レイとがなす角の大きさは、前記波源からの距離が大きくなる程に小さくなる
    請求項1または2の電波伝搬シミュレーション装置。
  4. 前記第mレイに基づいて出射される前記第(m+1)レイは、前記第mレイが有する伝搬パラメータを承継する
    請求項1から3のいずれかの電波伝搬シミュレーション装置。
  5. 前記レイヤ設定部は、
    散乱体によってレイが反射すると、当該レイについては前記散乱体上の反射点に対する前記波源のイメージを波源として前記複数のレイヤを再設定する
    請求項1から4のいずれかの電波伝搬シミュレーション装置。
  6. 前記レイヤ設定部は、
    散乱体によってレイが回折すると、当該レイについては前記散乱体上の回折点を新たな波源として新たなレイヤを設定する
    請求項1から4のいずれかの電波伝搬シミュレーション装置。
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