JP7282385B2

JP7282385B2 - 電波監視装置および電波監視方法

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Publication number: JP7282385B2
Application number: JP2020011422A
Authority: JP
Inventors: 修田久; 浩平秋元
Original assignee: Shinshu University NUC
Current assignee: Shinshu University NUC
Priority date: 2020-01-28
Filing date: 2020-01-28
Publication date: 2023-05-29
Anticipated expiration: 2040-01-28
Also published as: JP2021118469A

Description

本発明は、複数の無線端末が同一エリアで同一の周波数を利用する場合に干渉を検知し、または予測を行う電波監視装置および電波監視方法および電波監視プログラムに関する。

近い将来本格導入される５Ｇ規格は、「高速・大容量」「低遅延」「多数端末との接続」という特徴を持っており、これらの特徴により、高精細映像の伝送は勿論、より高い臨場感のＡＲ／ＶＲの実現、自動運転や遠隔医療などの実現等、様々なサービス、産業にイノベーションをもたらすことが期待されている。

しかし、５Ｇの本格導入やこれに伴うＩｏＴシステムの拡大は従来とは比較にならない量の周波数資源を消費する。そこで、新たな周波数を確保するため、既存無線システムとの高度な周波数共用など、電波有効利用を同時に推進していく必要がある。例えば、２６ＧＨｚ帯のある周波数において、一次利用者がＦＷＡにアクセスしているときに、電波監視装置が常時電波モニタリングを行い、同一の周波数を使っても干渉しない電波強度や時間領域において二次使用者に対して使用許可を出す、といった徹底した電波監視の下、よりフレキシブルな周波数リソースの割り当てが必要となる。

電波監視の方法としては、例えば、屋外に固定された受信装置（センサ）の各周波数帯における電波の受信電力に基づいて、各周波数帯の電波を使用する装置が存在する範囲を推定し、特定されるエリアを表示するマップ情報を表示し、空き周波数リソースの探査に使用する方法が検討されている（特許文献１）。

また、ＬＰＷＡのように、周波数を共有する端末数が増加した場合、パケット衝突が発生する頻度が増えそうであれば、実観測型スペクトラムデータベースと連携し、他システムへの干渉時間比率およびアップリンク通信時のパケットロス率を許容値以下に抑える検討もなされている（非特許文献１）。

特開２０１９－１１８０７８号公報

山崎悠大、藤井威生、田久修、太田真衣、安達宏一、スペクトラムデータベースを活用したＬＰＷＡ向け周波数共用手法の検討、信学技報、ｖｏｌ．１１９、ｎｏ．６２、ＳＲ２０１９－１０、ｐｐ．６３－６８、２０１９年５月

しかし、前記の電波監視装置または方法は、無線端末側のアンテナからは無指向性の、つまりどの方向にも均等な強度の電波が放射されることを前提としている。その一方で、５Ｇさらに次の世代の通信規格においては、ミリ波帯の周波数（例えば２６ＧＨｚ）が用いられるため、１波長が１ｃｍ程度となり、フェイズドアレイアンテナなどの（可変）指向性アンテナがスマートフォンなどの小型携帯端末の筐体の中に容易に実装することができるようになる。アンテナの指向性化は省エネの効果もあり、今後使用が増えると考えられる。

このように、無線端末が指向性アンテナを使用している場合、従来の電波監視装置または方法では、エリア内の電波使用状況を正しく測定できないことがある。なぜなら、指向性アンテナが用いられる場合、基地局等、通信相手に向けて送信される（実際に干渉を与える）電波の強度と、センサが受信する電波の強度は通常異なるからである。

本開示の一態様に係る電波監視装置は、任意の無線端末から到来する信号を受信するセンサアンテナと、前記信号の電力を逐次サンプリングするモジュールとを少なくとも有するＲＦ処理部と、無線端末の複数のアンテナ指向性パターンを登録するメモリと、前記アンテナ指向性パターンを受信電力パターンに変換するモジュールとを少なくとも有する受信電力パターン生成部と、前記無線端末が前記センサアンテナ付近を移動した時間における信号の電力の変化を受信信号パターンとして抽出するモジュールと、前記受信信号パターンと前記受信電力パターンを比較して前記無線端末が放射する電波の指向性を推定するモジュールとを少なくとも有する信号処理部と、を含む。

前記信号処理部は、前記センサアンテナが受信した電波の周波数のドップラーシフトにより前記無線端末の移動速度を推定するモジュールを、さらに含んでもよい。

前記電波の指向性を推定するモジュールは、前記受信信号パターンと前記受信電力パターンとの相関演算を実施し、最も相関の強いアンテナ指向性パターンを推定結果としてもよい。

前記センサアンテナが受信した電波の周波数はミリ波帯に属してもよい。

本開示の一態様に係る電波監視装置用の電波監視方法は、任意の無線端末から到来する信号をセンサアンテナで受信するステップと、前記信号の電力を逐次サンプリングするステップと、無線端末の複数のアンテナ指向性パターンが登録されたメモリからアンテナ指向性パターンを読出し、受信電力パターンに変換するステップと、前記無線端末が前記センサアンテナ付近を移動した時間における信号の電力の変化を受信信号パターンとして抽出するステップと、前記受信信号パターンと前記受信電力パターンを比較して前記無線端末が放射する電波の指向性を推定するステップと、を含む。

前記電波監視装置用の電波監視方法は、前記センサアンテナが受信した電波の周波数のドップラーシフトにより前記無線端末の移動速度を推定するステップをさらに含んでもよい。

前記電波監視装置用の電波監視方法は、前記電波の指向性を推定するステップは、前記受信信号パターンと前記受信電力パターンとの相関演算を実施し、最も相関の強いアンテナ指向性パターンを推定結果とするステップを含んでもよい。

本開示の一態様に係る電波監視装置用の電波監視プログラムは、任意の無線端末から到来する信号をセンサアンテナで受信するステップと、前記信号の電力を逐次サンプリングするステップと、無線端末の複数のアンテナ指向性パターンが登録されたメモリからアンテナ指向性パターンを読出し、受信電力パターンに変換するステップと、前記無線端末が前記センサアンテナ付近を移動した時間における信号の電力の変化を受信信号パターンとして抽出するステップと、前記受信信号パターンと前記受信電力パターンを比較して前記無線端末が放射する電波の指向性を推定するステップと、を含む。

前記電波監視装置用の電波監視プログラムは、前記センサアンテナが受信した電波の周波数のドップラーシフトにより前記無線端末の移動速度を推定するステップをさらに含んでもよい。

前記電波監視装置用の電波監視プログラムは、前記電波の指向性を推定するステップは、前記受信信号パターンと前記受信電力パターンとの相関演算を実施し、最も相関の強いアンテナ指向性パターンを推定結果とするステップを含んでもよい。

本開示の一態様によれば、任意の無線端末が指向性アンテナを使用していた場合でも、アンテナをスキャンすることなく当該指向性アンテナパターンを推定することができ、この指向性アンテナパターンに基づいて、エリア内の電波使用状況を正確に把握することができる。

本開示の実施の形態の背景を示す概念図である。電波監視装置とアンテナパターンとの関係を示す図である。本開示の実施の形態のブロック図である。本開示の実施の形態の動作を表すフローチャートである。本開示の実施の形態における移動予測の説明図である。本開示の実施の形態における受信電力パターンの時間変動を示す概念図である。本開示の一実施例におけるアンテナ指向性パターン図である。本開示の一実施例における受信信号パターンと受信電力パターンのグラフである。本開示の一実施例における相関値のグラフである。

以下、本開示の一態様に係る実施の形態（以降、本実施の形態）について説明する。
先ず図１に本実施の形態の背景となる無線通信エリアの全体モデルを示す。２００は基地局２が管轄するエリアである。１は無線端末であり、所定の周波数の電波を放射する機能を有する。本実施例では移動体として扱う。例えば自動車に備えつけの無線機器（例えばレーダー）やユーザーが車内で使用中のスマーフォンであってもよい。３ａ、３ｂはエリア２００内に複数設けられたセンサであり、それぞれセンサアンテナを有しており、無線端末１から放射される電波の周波数および強度を測定する。すべてのセンサの情報を収集することにより、エリア内の電波使用状況を漏れなく探知することができる。４は二次利用者であり、現在スタンバイ状態にあり、無線端末１（一次利用者）と干渉が生じなければ、同一の周波数を用いて基地局２と通信を開始することができる。

本実施の形態において、無線端末１は指向性アンテナを備えているとする。また、その指向性は基地局２の方向に対し最大利得となるように、すなわちメインローブのほぼピークが基地局２の方を向くように制御されているとする。無線端末１がセンサ３ａに近接しているとき、センサ３ａは無線端末１のアンテナ指向性パターンの最大利得ではない方向、例えばサイドローブや最悪ヌル近傍の方向へ放射される電波を受信する。この様子を図２（ａ）～（ｃ）にそれぞれ側面図、正面図、および上面図で示す。図中、角度θ、φ は極座標表示（ｘ，ｙ，ｚ）＝（ｃｏｓφｓｉｎθ，ｓｉｎφｓｉｎθ，ｃｏｓθ）と関連付けられる。

図２（ｂ）において、角度αは正面方向から見た電波監視装置（センサ３ａ）の角度である。電波の放射源（無線端末１）から見た受信機（基地局２）の仰角θ_０および方位角φ_０、ならびに電波監視装置（センサ３ａ）の仰角θおよび方位角φは無線端末１の移動によって変動するため、センサ３ａのアンテナが受信する電力は時間により変動する。

図３に本実施の形態における電波監視装置のブロック図を、図４にその動作のフローチャートを、それぞれ示す。本実施の形態において、電波監視装置はＲＦ処理部３１と信号処理部３２と受信電力パターン生成部３３より構成される。ＲＦ処理部３１は、センサアンテナ３１０、低雑音増幅器３１１、周波数変換（モジュール）３１２、Ａ／Ｄ変換（モジュール）３１３で構成されていて、無線端末１から到来する信号をチャネルごとにセンサアンテナで受信し（Ｓ３０１）、受信電力を逐次Ａ／Ｄサンプリングする（Ｓ３０２）。

受信電力パターン生成部３３は、アンテナ指向性パターン記憶メモリ３３１（以下、単にメモリ）、時間変動パターン生成（モジュール）３３２、受信電力パターン生成（モジュール）３３３で構成されていて、メモリ３３１に登録されている複数のアンテナ指向性パターン群から任意のパターンを選び出し、これを無線端末１がセンサ３ａの近くを通過したときの時間変動パターンに変換した後、無線端末１とセンサ（アンテナ）との距離に応じた減衰成分による補正を加えて受信電力パターンを生成する（Ｓ３０３）。

信号処理部３２はチャネル時変動解析（モジュール）３２１と放射方向推定（モジュール）３２２で構成される。チャネル時変動解析（モジュール）３２１はＲＦ処理部３１より供給される受信信号から最寄りのセンサ３ａを通過した時間における信号の電力変化を受信信号パターンとして抽出し（Ｓ３０４）、このパターンと受信電力パターン（受信電力生成部３３出力）とを比較し（放射方向推定モジュール３２２）、無線端末１の放射パターンの推定を行う（Ｓ３０５）。このとき、チャネル時変動解析（モジュール）３２１はドップラーシフトの分析も行う。

なお、本実施の形態における電波監視装置は各センサ３ａ、３ｂの中に組み込まれていてもよい。また、センサ３ａ、３ｂはセンサアンテナを含むＲＦ処理部３１のみを有し、受信電力パターン生成部３３と信号処理部３２は基地局２に組み込まれていてもよい。いずれにせよセンサ３ａ、３ｂは少なくとも電波監視装置のセンサアンテナとその周辺部分を有していればよい。

また、本実施の形態における電波監視装置、特に信号処理部３２と受信電力パターン生成部３３をそれぞれ構成するモジュールは、それぞれＡＳＩＣやＦＰＧＡのようなハードウェアであってもよいが、図４で示したフローチャートを実行できるものであればマイクロプロセッサ上で動作するプログラムにより構築されてもよい。このプログラムは信号処理部３２または受信電力パターン生成部３３部に予め組み込まれたものでもよいし、外部のサーバー等から供給されるものでもよい。

ここで、本実施の形態における無線端末１が使用する可変指向性アンテナについて簡単に説明しておく。当該アンテナはＭ×Ｎ素子の２次元フェイズドアレイであるとすると、アンテナ指向性パターンＥ（θ，φ）は式（１）で示される。

ここでθ，φは放射源である無線端末１から見たセンサアンテナの仰角および方位角を表す。また、θ_０，φ_０は無線端末１の放射方向（メインローブ）の仰角および方位角を表す。ｇ（θ，φ）はアンテナ素子の指向性パターンを表す。

Ｆ（θ，φ，θ_０，φ_０）はアレイアンテナのアンテナファクターであり、本実施の形態では以下の式のよう表すことができる。

ここで、

である。また、ＮとＭはそれぞれθ方向とφ方向のアンテナ素子数、ｄはアンテナ素子間隔を、λは監視対象となるチャネル周波数の波長を表す。

監視対象のシステムが決まっている場合，ｇ（θ，φ），Ｎ，Ｍ，ｄ，λ はそれぞれ既知であるから、θ，φ，θ_０，φ_０が変数（未知数）となる。ここで無線端末１の位置が判れば電波の到来角θ，φが判明する。無線端末１の位置は、路上に設置されたセンサ３ａの近くを無線端末１が通過したときにセンサが受信した電波の強度やドップラーシフトの変化から、ほぼ特定することができる。

無線端末１の位置が判れば、θ_０，φ_０（無線端末１のアンテナパターンの仰角および方位角）のみが未知数となる。これらの未知数は予めメモリに記憶された無線端末１のアンテナパターン群との比較により、推定することができる。すなわち、θ_０，φ_０を例えば１０度刻みで変化させ、それぞれの組み合わせに対して、式（１）～式（４）を用いてアンテナ指向性パターンＥ（θ，φ）を計算し、メモリ３３１に予め記憶させておく。

前記アンテナ指向性パターンＥ（θ，φ）はθ，φをそれぞれ０度～３６０度の範囲で変化させたもの、言い換えれば仮想的にそれぞれθ，φ各方向にアンテナを１回転してその指向性を計算したものである。一方、センサ３ａが検出するアンテナパターンは、図５で示されるように、無線端末１がセンサ３ａの近くを通過したときの受信電波の強度変化をそのまま測定したものである。

そこで、センサ３ａの近くを通過したときの受信電波の強度変化（受信信号パターン）と指向性パターンＥ（θ，φ）を直接比較するのではなく、指向性パターンＥ（θ，φ）を、図６に示されるようにまずは時間変動パターンに変換し、さらに受信電力パターンに変換してから、この受信電力パターンと受信信号パターンとを比較する。時間変動パターンは指向性パターンＥ（θ，φ）を単に（ｘ、ｙ）座標変換したものであり、指向性パターンＥ（θ，φ）を、現在のセンサ３ａの相対位置（ｘ座標軸上）を変数としたときのパターンに変換したものである。

受信電力パターンはこの時間変動パターンに距離減衰成分を掛け合わせたものである。例えば、図６では、センサ３ａが無線端末１に最も近づくのが、メインローブと第１サイドローブの間のヌル付近であり、逆にメインローブのピークをセンサ３ａが受信するときには、無線端末１との距離が開いている。この両者の距離による受信強度の変化（距離減衰成分）で補正した値が受信電力パターンであり、実際にセンサ３ａで受信する電波の強度に相当するものである。

センサ３ａにより実際の受信電力の変動が測定されれば、メモリ３３１からＥ（θ，φ）を順次読出し、上記のようにＥ（θ，φ）を受信電力パターンに変換したものと、実際の受信信号パターンとを順次比較することで放射方向推定を行う。このとき、雑音の影響や直接波以外の反射波の影響による受信電力の変動が考えられるため、受信電力パターンと実際の受信電力との相関をとり、相関値が一番大きいアンテナ指向性パターンの放射方向を放射方向の推定角とする。

以上、まとめると、無線端末１の位置は、近くを通ったセンサ３ａの位置とセンサ３ａが検出したドップラーシフトの変位から概ね推定できる。また、ドップラーシフトの量からセンサ３ａの近くを通過したときの無線端末１の移動速度が推定できる。さらに無線端末１のアンテナ指向性パターンが推定できる。これらの情報により、送信電波が影響を与える程度に無線端末１が基地局２に近づく時刻が推定できる。言い換えれば、当該時刻までであれば、無線端末４は、無線端末１と同じ周波数を用いて基地局２と通信を行っても、無線端末１からの干渉は受けない。

このように、本実施の形態によれば、移動体である無線端末１がエリア内に設置された複数のセンサのうちいずれか（センサ３ａ）を通過したときの受信電力の変化と、メモリ３３１に記憶された複数のアンテナ指向性パターンとを比較することで、無線端末１のアンテナ指向性パターンを推定することができ、その結果、基地局２はエリア内の電波の仕様状況を正確に把握することができ、効率的なチャネル（周波数）の割り当てを行うことができる。

以下、本開示の実施例について説明する。本実施例では、自動車が道路上を真っすぐ（ｘ軸上を）走行し、電柱や信号機などに設置されたセンサ３ａによりアンテナ指向性を推定する計算機シミュレーションを行った。無線端末１と基地局２との距離は無線端末１とセンサ３ａとの距離に比べ十分離れているとし、放射方向θ_０，φ_０は変動しないと仮定する。また反射波による推定精度劣化を考慮し、直接波を１つ、反射波を２つ受信するとする。

ここで、無線端末１がｘ軸上を移動するとしているので、正面方向から見た直接波および反射波の到来角α_ｄ、α_ｒ１、α_ｒ２はそれぞれ一定となる。この直接波と反射波による合成受信電力（チャネル時変動解析部３２１の出力）を図８（ａ）に示す。横軸は時間である。また、メモリ３３１に記憶されたアンテナ指向性パターンＥ（θ，φ）から生成した受信電力パターンを図８（ｂ）に示す。本実施例では、φ_０’（方位角）を０度～８０度まで１０度刻みで変化させたときアンテナ指向性パターンＥを予め準備しておいた。ここで、各受信電力パターン右側の数字は、図８（ａ）の受信信号パターンとの相関値を表す。なお、θ_０’（仰角）を変化させたときのアンテナ指向性パターンも同様にメモリ３３１に保全されており、これらについて相関値が計算されるが、図８（ｂ）にはθ_０’＝５０度のときのφ_０’のパターンと相関値のみが示されている。

表１に本実施例におけるシミュレーション諸元をまとめる。放射方向の分解能はθ_０，φ_０ともに１０度とした。また直接波に対して反射波は２０ｄＢ減衰して受信するものとした。直接波はα_ｄ＝５０度方向から到来し、反射波はα_ｒ１＝３０度方向、およびα_ｒ２＝１３０度方向から到来するものとした。

図７に放射方向をθ_０＝５０度、φ_０＝２０度とした場合のアンテナ指向性パターンを示す。受信電力パターン生成部３３３では、まず放射方向分解能ごとに図７のようなアンテナ指向性パターンが計算され、さらに、拘束条件であるα_ｄ＝５０度より、このθ，φ平面上の軌跡として時間変動パターンが生成される。

図８（ａ）で示した受信電力のチャネル時変動解析結果（受信信号パターン）と、図８（ｂ）の受信電力パターンとを逐次比較すると、θ_０’＝５０度（固定）、φ_０’＝２０度のときの相関値（０．９９）が一番大きく、反射波が存在する場合でも放射方向が推定できていることが確認できた。

図９に、θ_０’とφ_０’をパラメータとして計算した相関値の３次元グラフを示す。図８（ｂ）ではθ_０’＝５０度（固定）としたが、θ_０’を変化させた場合、このときの相関値が最大であることが確認される。

本発明は、５Ｇ等の高速無線通信に限らず、ＬＰＷＡ等の低速通信においても、周波数の共有化により周波数資源の有効利用を図ることができる。

１無線端末
２基地局
２００エリア
３ａ、３ｂセンサ
３１ＲＦ処理部
３２信号処理部
３３受信電力パターン生成部
４無線端末

Claims

任意の無線端末から到来する信号を受信するセンサアンテナと、前記信号の電力を逐次サンプリングするモジュールとを少なくとも有するＲＦ処理部と、
無線端末の複数のアンテナ指向性パターンを登録するメモリと、前記アンテナ指向性パターンを受信電力パターンに変換するモジュールとを少なくとも有する受信電力パターン生成部と、
前記無線端末が前記センサアンテナ付近を移動した時間における信号の電力の変化を受信信号パターンとして抽出するモジュールと、前記受信信号パターンと前記受信電力パターンを比較して前記無線端末が放射する電波の指向性を推定するモジュールとを少なくとも有する信号処理部と、を含む電波監視装置。
前記信号処理部は、前記センサアンテナが受信した電波の周波数のドップラーシフトにより前記無線端末の移動速度を推定するモジュールをさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載の電波監視装置。
前記電波の指向性を推定するモジュールは、前記受信信号パターンと前記受信電力パターンとの相関演算を実施し、最も相関の強いアンテナ指向性パターンを推定結果とすることを特徴とする、請求項１または請求項２のいずれかに記載の電波監視装置。
前記センサアンテナが受信した電波の周波数はミリ波帯に属することを特徴とする、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の電波監視装置。
任意の無線端末から到来する信号をセンサアンテナで受信するステップと、
前記信号の電力を逐次サンプリングするステップと、
無線端末の複数のアンテナ指向性パターンが登録されたメモリからアンテナ指向性パターンを読出し、受信電力パターンに変換するステップと、
前記無線端末が前記センサアンテナ付近を移動した時間における信号の電力の変化を受信信号パターンとして抽出するステップと、
前記受信信号パターンと前記受信電力パターンを比較して前記無線端末が放射する電波の指向性を推定するステップと、を含む電波監視装置用の電波監視方法。
前記センサアンテナが受信した電波の周波数のドップラーシフトにより前記無線端末の移動速度を推定するステップをさらに含むことを特徴とする、請求項５に記載の電波監視装置用の電波監視方法。
前記電波の指向性を推定するステップは、前記受信信号パターンと前記受信電力パターンとの相関演算を実施し、最も相関の強いアンテナ指向性パターンを推定結果とするステップを含むことを特徴とする、請求項５または請求項６のいずれかに記載の電波監視装置用の電波監視方法。
任意の無線端末から到来する信号をセンサアンテナで受信するステップと、
前記信号の電力を逐次サンプリングするステップと、
無線端末の複数のアンテナ指向性パターンが登録されたメモリからアンテナ指向性パターンを読出し、受信電力パターンに変換するステップと、
前記無線端末が前記センサアンテナ付近を移動した時間における信号の電力の変化を受信信号パターンとして抽出するステップと、
前記受信信号パターンと前記受信電力パターンを比較して前記無線端末が放射する電波の指向性を推定するステップと、を含む電波監視装置用の電波監視プログラム。
前記センサアンテナが受信した電波の周波数のドップラーシフトにより前記無線端末の移動速度を推定するステップをさらに含むことを特徴とする、請求項８に記載の電波監視装置用の電波監視プログラム。
前記電波の指向性を推定するステップは、前記受信信号パターンと前記受信電力パターンとの相関演算を実施し、最も相関の強いアンテナ指向性パターンを推定結果とするステップを含むことを特徴とする、請求項８または請求項９のいずれかに記載の電波監視装置用の電波監視プログラム。