JP7207659B2

JP7207659B2 - 飛散粒子推定装置、飛散粒子推定方法及び飛散粒子推定プログラム

Info

Publication number: JP7207659B2
Application number: JP2019193624A
Authority: JP
Inventors: 光貴中村; 泰司鷹取; 貴庸守山; 渉山田; 伸晃久野; 正人井口
Original assignee: Kyoto University; Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Kyoto University; Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2019-10-24
Filing date: 2019-10-24
Publication date: 2023-01-18
Anticipated expiration: 2039-10-24
Also published as: JP2021067573A

Description

本発明は、飛散粒子推定装置、飛散粒子推定方法及び飛散粒子推定プログラムに関する。

火山灰などの大気中に飛散する粒子は、無線通信における電波の伝搬に影響を与えることが知られている。例えば、降灰量については、気象観測レーダの観測結果や、堆積量から推定することが可能である。

また、電波の伝搬特性を推定し、無線通信における通信エリアを推定する技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１６－０５２０６１号公報

しかしながら、例えば大気中に飛散する火山灰の存在を確認するときに、気象観測レーダの設置場所が限られていたり、降灰量の測定機を設置した点でしか測定を行うことができないという課題があった。

本発明は、無線通信における電波伝搬に影響を与える飛散粒子の存在を容易に推定することができる飛散粒子推定装置、飛散粒子推定方法及び飛散粒子推定プログラムを提供することを目的とする。

本発明の一態様にかかる飛散粒子推定装置は、無線信号の伝搬に損失を生じさせる飛散粒子の存在を推定する飛散粒子推定装置において、送信局から受信局へ複数の伝搬経路を介して送信される無線信号の電力強度を前記伝搬経路ごとに測定する測定部と、飛散粒子が存在しないときに前記伝搬経路ごとに測定された無線信号の基準電力強度それぞれを基準として、前記測定部が測定した電力強度それぞれの変動量を前記伝搬経路ごとに計算する計算部と、前記計算部が前記伝搬経路ごとに計算した変動量それぞれに基づいて、飛散粒子の存在範囲を推定する範囲推定部と、前記範囲推定部が推定した飛散粒子の存在範囲、及び前記計算部が計算した変動量に基づいて、飛散粒子が存在する密度を推定する密度推定部とを有することを特徴とする。

また、本発明の一態様にかかる飛散粒子推定方法は、無線信号の伝搬に損失を生じさせる飛散粒子の存在を推定する飛散粒子推定方法において、送信局から受信局へ複数の伝搬経路を介して送信される無線信号の電力強度を前記伝搬経路ごとに測定する測定工程と、飛散粒子が存在しないときに前記伝搬経路ごとに測定された無線信号の基準電力強度それぞれを基準として、前記測定工程により測定した電力強度それぞれの変動量を前記伝搬経路ごとに計算する計算工程と、前記伝搬経路ごとに計算した変動量それぞれに基づいて、飛散粒子の存在範囲を推定する範囲推定工程と、推定した飛散粒子の存在範囲、及び前記計算工程により計算した変動量に基づいて、飛散粒子が存在する密度を推定する密度推定工程とを含むことを特徴とする。

本発明によれば、無線通信における電波伝搬に影響を与える飛散粒子の存在を容易に推定することができる。

（ａ）は、飛散粒子が存在しない場合の無線通信システムにおける複数の伝搬経路を示す図である。（ｂ）は、飛散粒子が存在している場合の無線通信システムにおける複数の伝搬経路を示す図である。（ａ）は、飛散粒子が存在しない場合に無線局が受信した電波の電力強度と遅延時間を例示するグラフである。（ｂ）は、飛散粒子が存在している場合に無線局が受信した電波の電力強度と遅延時間を例示するグラフである。無線通信システムが備える飛散粒子推定装置が有する機能の概要を例示する機能ブロック図である。飛散粒子推定装置の動作例を示すフローチャートである。飛散粒子推定装置のハードウェア構成例を示す図である。

以下に、一実施形態にかかる飛散粒子推定装置を備えた無線通信システム１００について、図面を用いて説明する。図１は、一実施形態にかかる飛散粒子推定装置を備えた無線通信システム１００の概要及び複数の伝搬経路（マルチパス）を模式的に示す図である。図１（ａ）は、飛散粒子が存在しない場合の無線通信システム１００における複数の伝搬経路を示す図である。図１（ｂ）は、飛散粒子が存在している場合の無線通信システム１００における複数の伝搬経路を示す図である。

図１（ａ）に示すように、無線通信システム１００は、例えば信号転送装置１及び無線局２を有する。ここでは、信号転送装置１を送信局とし、無線局２を受信局とする場合について説明する。以下、飛散粒子推定装置は、無線局２に設けられていることとするが、これに限定されない。

信号転送装置１が無線局２に対して無線信号を送信するときに、例えば伝搬経路Ａ，Ｂ，Ｃを含む多くの伝搬経路があるとする。伝搬経路Ａは、直接波の伝搬経路である。伝搬経路Ｂ，Ｃは、それぞれ大地反射、ビル反射又は山岳反射などの反射波（遅延波）の伝搬経路である。

飛散粒子が存在しない場合、直接波の伝搬損失は、信号転送装置１と無線局２との距離をｄ（ｍ）とし、電波の波長をλ（ｍ）とすると、下式（１）によって表される自由空間伝搬損失Ｌに近い値となる。

Ｌ（ｄＢ）＝（４πｄ／λ）^２・・・（１）

飛散粒子が存在しない場合であっても、反射波には、反射物による伝搬損失がある。なお、伝搬経路Ｃは、伝搬経路Ｂよりも距離が長い伝搬経路である。

また、図１（ｂ）に示すように、信号転送装置１が無線局２に対して無線信号を送信するときに、伝搬経路Ａ上と伝搬経路Ｂ上に例えば火山灰などの飛散粒子３がある程度の範囲に飛散している場合、伝搬経路Ａ，Ｂによって伝搬される電波には損失が生じる。

図２は、無線通信システム１００の伝搬経路Ａ，Ｂ，Ｃを介して無線局２が受信した電波の電力強度と遅延時間を例示するグラフである。図２（ａ）は、飛散粒子が存在しない場合に無線局２が受信した電波の電力強度と遅延時間を例示するグラフである。図２（ｂ）は、飛散粒子が存在している場合に無線局２が受信した電波の電力強度と遅延時間を例示するグラフである。

図２（ａ）に示すように、無線局２が受信する電力強度は、伝搬経路の距離が長くなるほど損失が大きくなっている。また、無線局２が受信する電波の遅延時間は、伝搬経路の距離が長くなるほど長い時間になっている。

図２（ｂ）に示すように、伝搬経路Ａ上と伝搬経路Ｂ上に飛散粒子３が飛散している場合、伝搬経路Ａ，Ｂを介して無線局２が受信した電波の電力強度は、図２（ａ）に示した場合よりも損失により小さくなっている。

このとき、飛散粒子推定装置は、伝搬経路Ａ，Ｂを介して無線局２が受信した電波の電力強度が小さくなるように変動しているため、伝搬経路Ａ上と伝搬経路Ｂ上に飛散粒子３が存在していると推定することができる。また、飛散粒子推定装置は、伝搬経路Ａ上の点と、伝搬経路Ｂ上の点とを含む範囲（領域）に飛散粒子３が存在していると推定することができる。

飛散粒子推定装置は、さらに多くの伝搬経路それぞれの電力強度の変動を測定することにより、多くの伝搬経路上の多くの点を含む範囲に飛散粒子３が存在していることを推定することができ、飛散粒子３が存在する範囲の推定精度を高めることができる。

また、飛散粒子推定装置は、伝搬経路Ｂにおける損失（変動）が伝搬経路Ａにおける損失よりも大きいことを測定すると、伝搬経路Ｂ内における飛散粒子３が存在している範囲が、伝搬経路Ａ内における飛散粒子３が存在している範囲よりも広い可能性があると推定することができる。

また、飛散粒子推定装置は、伝搬経路Ｂにおける損失が伝搬経路Ａにおける損失よりも大きいことを測定すると、伝搬経路Ｂ内における飛散粒子３の密度が、伝搬経路Ａ内における飛散粒子３の密度よりも高い可能性があると推定することもできる。

さらに、飛散粒子推定装置は、より多くの伝搬経路それぞれの電力強度の変動を測定することにより、伝搬経路Ｂにおける損失が伝搬経路Ａにおける損失よりも大きいことが、飛散粒子３が存在している範囲が広いことによるか、飛散粒子３の密度が高いことによるかを推定することも可能になる。

ここで、飛散粒子推定装置は、予め実施される学習に用いられる学習データに含まれているデータに応じて推定精度を高めることが可能である。例えば、飛散粒子推定装置は、飛散している火山灰の大きさ、形状、物性値（誘電率、導電率）などが学習データに含まれている場合には、飛散粒子３が存在する範囲と密度を学習データの種類に応じてより高い精度で推定することができる。

つまり、飛散粒子推定装置は、多くの伝搬経路の伝搬損失の変動を測定することにより、多くの伝搬経路が存在する範囲（領域）内において、飛散粒子３が存在する範囲及び密度を推定することができる。

なお、飛散粒子３は、火山灰などに限らず、例えば雨などであってもよい。降雨強度が異なれば、電波の伝搬損失も異なるためである。

次に、無線通信システム１００が備える飛散粒子推定装置の具体例について説明する。図３は、無線通信システム１００が備える飛散粒子推定装置（飛散粒子推定装置４）が有する機能の概要を例示する機能ブロック図である。ここでは、飛散粒子推定装置４は、上述した無線局２に設けられているとする。

図３に示すように、飛散粒子推定装置４は、例えば記憶部４０、測定部４２、計算部４４、範囲推定部４６、及び密度推定部４８を有する。

記憶部４０は、例えば多数（例えば１０万本～１００万本）のレイを発射させるレイトレース法などを用いて生成された多数の伝搬経路を示す情報を予め記憶している。レイトレース法には、例えばレイローンチング法やイメージング法がある。

また、記憶部４０は、飛散粒子３が存在しないときに伝搬経路ごとに測定された無線信号の基準電力強度それぞれを予め記憶している。なお、記憶部４０は、飛散粒子推定装置４を構成する各部に対し、記憶している情報を出力する。

測定部４２は、信号転送装置（送信局）１から無線局（受信局）２へ複数の伝搬経路を介して送信される無線信号の電力強度を伝搬経路ごとに測定し、記憶部４０に記憶させる。なお、測定部４２は、無線信号の遅延時間を測定することにより、伝搬経路それぞれと、電力強度それぞれとを対応させる。

計算部４４は、飛散粒子３が存在しないときに伝搬経路ごとに測定された無線信号の基準電力強度それぞれを記憶部４０から取得して基準とし、測定部４２が測定した電力強度それぞれの変動量を伝搬経路ごとに計算して、記憶部４０に記憶させる。

範囲推定部４６は、計算部４４が伝搬経路ごとに計算した変動量それぞれに基づいて、飛散粒子３の存在範囲を推定し、記憶部４０に記憶させる。

密度推定部４８は、範囲推定部４６が推定した飛散粒子３の存在範囲、及び計算部４４が計算した変動量に基づいて、飛散粒子３が存在する密度を推定し、記憶部４０に記憶させる。例えば、密度推定部４８は、飛散粒子３が存在しているときに計算部４４が伝搬経路ごとに計算した変動量を学習データとして飛散粒子３が存在する密度を推定する。

なお、飛散粒子推定装置４は、飛散粒子３に基づく伝搬経路ごとの伝搬損失モデルを学習して生成するモデル生成部などを備えていてもよい。

次に、飛散粒子推定装置４の動作例について説明する。図４は、飛散粒子推定装置４の動作例を示すフローチャートである。

まず、飛散粒子推定装置４は、電力強度を伝搬経路ごとに測定する（Ｓ１００）。次に、飛散粒子推定装置４は、飛散粒子３が存在しないときに伝搬経路ごとに測定された無線信号の基準電力強度それぞれを基準とし、電力強度それぞれの変動量を伝搬経路ごとに計算する（Ｓ１０２）。

そして、飛散粒子推定装置４は、飛散粒子３の存在範囲を推定し（Ｓ１０４）、飛散粒子３が存在する密度を推定する（Ｓ１０６）。

このように、飛散粒子推定装置４は、伝搬経路ごとに電力強度の変動量を算出するので、飛散粒子３の存在範囲及び密度を推定することができ、無線通信における電波伝搬に影響を与える飛散粒子３の存在を容易に推定することができる。すなわち、飛散粒子推定装置４は、レーダ装置や降灰量測定機等が設置されていなくても、電波伝搬に影響を与える火山灰等の飛散粒子の量と位置を推定することができる。

なお、飛散粒子推定装置４が有する各機能は、それぞれ一部又は全部がハードウェアによって構成されてもよいし、ＣＰＵ等のプロセッサが実行するプログラムとして構成されてもよい。

すなわち、本発明にかかる飛散粒子推定装置４は、コンピュータとプログラムを用いて実現することができ、プログラムを記憶媒体に記録することも、ネットワークを通して提供することも可能である。

図５は、一実施形態にかかる飛散粒子推定装置４のハードウェア構成例を示す図である。図５に示すように、飛散粒子推定装置４は、例えば入力部４００、出力部４１０、通信部４２０、ＣＰＵ４３０、メモリ４４０及びＨＤＤ４５０がバス４６０を介して接続され、コンピュータとしての機能を備える。また、飛散粒子推定装置４は、記憶媒体４７０との間でデータを入出力することができるようにされている。

入力部４００は、例えばキーボード及びマウス等である。出力部４１０は、例えばディスプレイなどの表示装置である。通信部４２０は、例えば有線及び無線のネットワークインターフェースである。

ＣＰＵ４３０は、飛散粒子推定装置４を構成する各部を制御し、上述した計算等を行う。メモリ４４０及びＨＤＤ４５０は、データを記憶する上述した記憶部４０を構成する。特に、メモリ４４０は、上述した計算に用いる各データを記憶する。記憶媒体４７０は、飛散粒子推定装置４が有する機能を実行させる飛散粒子推定プログラム等を記憶可能にされている。なお、飛散粒子推定装置４を構成するアーキテクチャは図５に示した例に限定されない。

以上述べた実施形態は、本発明の実施形態を例示的に示すものであって、限定的に示すものではなく、本発明は他の種々の変形態様及び変更態様でも実施することができる。

１・・・信号転送装置、２・・・無線局、３・・・飛散粒子、４・・・飛散粒子推定装置、４０・・・記憶部、４２・・・測定部、４４・・・計算部、４６・・・範囲推定部、４８・・・密度推定部、４００・・・入力部、４１０・・・出力部、４２０・・・通信部、４３０・・・ＣＰＵ、４４０・・・メモリ、４５０・・・ＨＤＤ、４６０・・・バス、４７０・・・記憶媒体

Claims

無線信号の伝搬に損失を生じさせる飛散粒子の存在を推定する飛散粒子推定装置において、
送信局から受信局へ複数の伝搬経路を介して送信される無線信号の電力強度を前記伝搬経路ごとに測定する測定部と、
飛散粒子が存在しないときに前記伝搬経路ごとに測定された無線信号の基準電力強度それぞれを基準として、前記測定部が測定した電力強度それぞれの変動量を前記伝搬経路ごとに計算する計算部と、
前記計算部が前記伝搬経路ごとに計算した変動量それぞれに基づいて、飛散粒子の存在範囲を推定する範囲推定部と、
前記範囲推定部が推定した飛散粒子の存在範囲、及び前記計算部が計算した変動量に基づいて、飛散粒子が存在する密度を推定する密度推定部と
を有することを特徴とする飛散粒子推定装置。
前記密度推定部は、
飛散粒子が存在しているときに前記計算部が前記伝搬経路ごとに計算した変動量を学習データとして飛散粒子が存在する密度を推定すること
を特徴とする請求項１に記載の飛散粒子推定装置。
無線信号の伝搬に損失を生じさせる飛散粒子の存在を推定する飛散粒子推定方法において、
送信局から受信局へ複数の伝搬経路を介して送信される無線信号の電力強度を前記伝搬経路ごとに測定する測定工程と、
飛散粒子が存在しないときに前記伝搬経路ごとに測定された無線信号の基準電力強度それぞれを基準として、前記測定工程により測定した電力強度それぞれの変動量を前記伝搬経路ごとに計算する計算工程と、
前記伝搬経路ごとに計算した変動量それぞれに基づいて、飛散粒子の存在範囲を推定する範囲推定工程と、
推定した飛散粒子の存在範囲、及び前記計算工程により計算した変動量に基づいて、飛散粒子が存在する密度を推定する密度推定工程と
を含むことを特徴とする飛散粒子推定方法。
前記密度推定工程は、
飛散粒子が存在しているときに前記計算工程により前記伝搬経路ごとに計算した変動量を学習データとして飛散粒子が存在する密度を推定すること
を特徴とする請求項３に記載の飛散粒子推定方法。
請求項１又は２に記載の飛散粒子推定装置の各部としてコンピュータを機能させるための飛散粒子推定プログラム。