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

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_１，Ｌ_２，…）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_１）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（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Ｒ_ｍ＋１）が出射される。

波源Ｏから出射された第１レイＲ_１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_２，Ｒ_３，…）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_１，ｒ_２，…）に応じて、隣接するレイＲ間の角度Δθ（Δθ_１，Δθ_２，…）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_１，Δθ_２，…）は、波源Ｏからの距離ｒ（ｒ_１，ｒ_２，…）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_Ｎ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_Ｎ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_Ｎ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_Ｎ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_Ｎ−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＝２^Ｎ’−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_Ｎ／Ｍ’ ……（６）

各レイヤＬ（Ｌ_１，Ｌ_２，…，Ｌ_Ｎ’）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_Ｎ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_Ｎ／２^Ｎ’−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Ｌ_Ｎ’の半径Ｌｒ（Ｎ’）は、波源からの最大距離ＭＬ_Ｎに等しい。

各レイヤＬ（Ｌ_１，Ｌ_２，…，Ｌ_Ｎ’）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_ｍ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_ｍに起因して生成される第（ｍ＋１）レイＲ_ｍ＋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_ｎ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_ｍ）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Ｒ_ｍ＋１）を出射する。新たに生成される第（ｍ＋１）レイＲ_ｍ＋１は、生成の起因となった第ｍレイＲ_ｍ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_ｍ）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_ｎ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Ｌ_ｎ＋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_１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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