(57)【要約】【課題】計算量の低減とメモリ容量を削減した反射波の受信レベル解析方法を提供する。【解決手段】▲１▼送信点と受信点、反射面から正規反射点の位置を求め、▲２▼正規反射点を用いて、反射面上の計算に用いられると予想した最大の第Ｘフレネルゾーンを求め、▲３▼第Ｘフレネルゾーン端で、隣接する２つの格子の送信点−格子の中心−受信点の経路長差を求め、この経路長差がｎ分の１（ｎ：予め設定された値）となる格子の長さを求め、▲４▼各フレネルゾーン端の高さを求め、第ｍフレネルゾーン（ｍ＋１＜Ｘ）端までの反射波の受信レベルと第ｍ＋１フレネルゾーン端までの反射波の受信レベルを求め、両者の比が設定された値より小さければ第ｍ＋１フレネルゾーン端までの反射波の受信レベルを出力する。【選択図】図６
2004023543.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
送信点から送信された電波が物体に反射して受信点に到達する場合、反射面を微小面積に分割して格子とし、各微小面に反射する電波の各素波の受信レベルと位相を求め、受信点でこれら素波を位相合成して、反射波の受信レベルを求める反射波の受信レベル解析方法において、
ｘｙｚの３次元座標上で、物体の反射面の形状をｘｙ平面上で近似し、
ｘｙ平面上の反射面を微小面積の格子に分割し、（送信点−格子の中心点−受信点）という経路長と（送信点−該格子の隣接する格子の中心点−受信点）の経路長との経路長差△ｄを求め、設定値ｎを予め設定し、格子の一辺の長さは経路長差△ｄが電波の波長λのｎ分の１となる長さとし、
送信点と受信点の位置から反射面に入射する角度と反射する角度が等しくなる正規反射点を求め、送信点から正規反射点までの長さ、正規反射点から受信点までの長さ、および波長の３つから格子の反射波の受信レベル計算範囲を決める長さｒを求め、ｘｙ平面上で正規反射点から長さｒ以内の格子の各素波の受信レベルと位相を求め、受信点でこれらの素波を位相合成して反射波の受信レベルを求めることを特徴とする反射波の受信レベル解析方法。
【請求項２】
請求項１に記載の反射波の受信レベル解析方法において、
格子をｘｙ平面に平行にしたままｚ方向にそれぞれずらして、反射面全体に凹凸を付けた反射面を用い、各素波の経路長は反射面の凹凸も含めて計算することを特徴とする反射波の受信レベル解析方法。
【請求項３】
ｍがある整数のときに、
正規反射点から垂直方向に距離ｒｍ離れた点を格子の中心点Ｕｍとしたとき、（送信点−正規反射点−受信点）という経路長と（送信点−点Ｕｍ−受信点）という経路長との差Δｄがｍ・λ／２となるように点Ｕｍを求め、同様に経路長差△ｄが（ｍ＋１）・λ／２となるように格子の中心点Ｕｍ＋１を求め、正規反射点から点Ｕｍ＋１までの距離ｒｍ＋１を求め、正規反射点から上下に距離ｒｍの範囲にある格子だけで計算した反射波の受信レベルと、正規反射点から上下に距離ｒｍ＋１の範囲にある格子だけで計算した反射波の受信レベルとの比率が設定値以下で、かつｍが最も小さい整数値であるときの距離ｒｍ＋１を受信レベルの計算範囲ｒとすることを特徴とする反射波の受信レベル解析方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、無線通信や電波放送で用いる電波の通信品質を求める場合の反射波の受信レベル解析方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電波は平板で反射される性質があるので、市街地ではビルによって電波が反射される。無線を用いる通信や放送では、このビル反射によって品質が劣化する。例えば、テレビ放送ではゴースト障害となり、無線通信では同一電波干渉となる。カーナビで用いられるＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ　Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｎｇ　Ｓｙｓｔｅｍ）では位置検出の精度を悪くする。このように市街地で無線を用いる場合には、ビル反射によって電波の品質劣化が起こるので、どの程度のビル反射が起こるか計算機シュミレーションで求めることは重要である。
平板による電波の反射特性を求める計算方法は既に明らかになっている。例えば、［文献１：ロッシ著、「光学」，中井祥夫，他（共訳）、ｐｐ．２１２−２１６，吉岡書店，１９９０発行］、［文献２：伊藤士郎、「建造物によるテレビ電波の反射波強度」昭和５１年電気四学連大４−１７６，１９７６］に計算方法が示されている。この計算方法は、平板（反射面）を格子状の微小面積に分割して、各微小面積に反射して受信される電波（素波）の強さ（レベル）と位相をそれぞれ求め、これらの素波を位相も考慮して合成することで、反射波の受信レベルを求めることができる。
【０００３】
図１を参照して従来のビル反射特性をシュミレーション（計算する）方法を説明する。
図１でＰは送信点、Ｑは受信点、Ｏはｘ，ｙ平面の原点、１ａは反射面、１ｂは微小面積（格子）、Ｕは微小面積１ｂの中心点である。素波の経路長Ｐ−Ｕ−Ｑから受信点Ｑで受信される素波の位相を求めることができる。距離Ｐ−Ｏや距離Ｏ−Ｑが反射面の大きさにくらべ十分大きい場合は、経路長Ｐ−Ｕ−Ｑはどの格子の場合も同程度なので、各格子に反射される素波の強さはどれも同じと仮定することができる。また、微小面積に反射する角度も素波ごとに異なるがその影響は小さいものと仮定することができる。これらにより、単純に経路長をもとにして全ての素波を位相合成することで、電波が反射面（平板）に反射した場合の受信レベルを求めることができる。
【０００４】
この計算では、格子の一辺の長さはある程度小さくしないと計算誤差が生じる。具体的には、ある格子によってできる経路長Ｐ−Ｕ−Ｑと隣接する格子のそれとの差を電波の波長λより十分小さくする必要がある。周波数が１ＧＨｚ〜１０ＧＨｚなら波長λは３０ｃｍ〜３ｃｍなので、格子の一辺の長さは数ｃｍ〜数ｍｍ程度（波長λの１０分の１程度）にする必要がある。ビルの幅や高さは一般的に数十ｍ程度なので、この場合の格子の数は１０６〜１０８個と大量になる。また、移動通信の場合は、市街地の任意の地点が受信点となるので多くの受信点で計算する必要があり、市街地にある全てのビルが電波を反射するビルと考えるとこれら全てのビルについて計算する必要がある。このような場合は計算量が膨大となる。このため、従来の計算方法では計算時間が長くなる欠点や、計算機のメモリが足りず計算ができない欠点があった。
そこで、計算時間の短縮や大型計算機でなくても計算が可能となるように、計算量の低減が必要である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来の計算方法では、ビルによる電波の反射特性を計算する場合、格子の数に比例して計算量が多くなり計算時間が長くなる欠点や、計算機のメモリが足りず計算できないという欠点があった。本発明は、計算量の低減とメモリ容量の削減を図ることにより、計算時間の短縮やパソコンなどの小型計算機でも計算が可能となる反射波の受信レベル解析方法を提供することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、上述の目的は前記特許請求の範囲に記載された手段により達成される。
本発明は、送信点から送信された電波が物体に反射して受信点に到達する場合、反射面を微小面積の格子に分割して各格子に反射する電波の各素波の受信レベルと位相を求め、受信点でこれら素波を位相合成して、反射波の受信レベルを求める受信レベル解析方法に関する。
この反射波の受信レベル解析方法で計算量を減少するには、計算の許容誤差の範囲で、格子の大きさを最大限にして、格子の数を必要最低限にすればよい。
【０００７】
請求項１の発明は、ｘｙｚの３次元座標上で、物体の反射面の形状をｘｙ平面上で近似する。このｘｙ平面上の反射面を微小面積の格子に分割し、（送信点−格子の中心点−受信点）という経路長と（送信点−該格子に隣接する中心点−受信点の経路長）との経路長差△ｄを求める。この経路長差△ｄが設定値以下になるように格子の大きさを決める。設定値は、経路長差△ｄが電波の波長のｎ分の１となる長さとし、ｎの値は予め設定する（例えば、５〜１０）。
送信点と受信点の位置から反射面に入射する角度と反射する角度が等しくなる正規反射点Ｏｎを求め、送信点Ｐから正規反射点Ｏｎまでの長さ、正規反射点Ｏｎから受信点Ｑまでの長さ、および波長λの３つから計算範囲を決める長さｒを求める。ｘｙ平面上で正規反射点から長さｒ以内の格子だけを計算に用いることで計算量を減らす。
【０００８】
請求項２の発明は、反射面が平板でない場合の計算方法である。請求項１のｘｙ平面上の反射面を複数に分割した格子の各反射面をｘｙ平面に平行にしたままｚ方向にそれぞれずらして、反射面に凹凸を付けて、反射物体の反射面形状を近似する。
この場合の格子の長さは、請求項１と同じ方法で、反射面を元の平板と仮定して求める。各素波の経路長は反射面の凹凸も含めて計算する。
【０００９】
請求項３の発明は、計算に用いる格子の範囲を具体的に決める方法である。
（送信点−正規反射点−受信点）という経路長と（送信点−点Ｕｍ−受信点）という経路長との経路長差△ｄを考えた場合に、この経路長差△ｄがｍ・λ／２となる点を点Ｕｍ（ここでｍは任意の整数である）とする。点Ｕｍは正規反射点を中心とし半径ｒｍの円周上にあることになる。経路長差△ｄが（ｍ＋１）・λ／２の場合は、点Ｕｍ＋１は半径ｒｍ＋１の円周上にある。
反射面での高さが正規反射点より距離ｒｍまでの格子だけで計算した反射波の受信レベルと、距離ｒｍ＋１までの格子で計算した反射波の受信レベルとの比を求める。この比が設定した値より小さくなり、かつｍが最も小さい整数値であるときの距離ｒｍ＋１を求める。計算に用いる格子は、正規反射点から上下に距離ｒｍ＋１の範囲にある格子だけとする。
【００１０】
【発明の実施の形態】
（格子の大きさ）
図２を参照して格子の大きさに対する反射波レベルの計算精度について説明する。
Ｕ１〜Ｕ３は各格子の中心点を示す。Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３は、それぞれ経路Ｐ−Ｕ１−Ｑ、Ｐ−Ｕ２−Ｑ、Ｐ−Ｕ３−Ｑを通る素波の受信レベルと位相をベクトル図で表している。θ１２，θ２３はそれぞれＰ１とＰ２、Ｐ２とＰ３の角度差（または位相差）を表している。経路長差△ｄが１波長ある場合の角度差は２πラジアン（３６０度）である。
図２（ｂ）に示すように、格子の大きさを大きくすると、隣接する素波の経路長差θ１２，θ２３が大きくなり、素波ベクトルの角度差が大きくなる。反射波の受信レベルは各素波を位相合成（ベクトル合成）して求めるため、角度差が大きくなると計算誤差が大きくなる。
計算誤差を一定値以下にするには、隣接する素波の角度差を一定値以下にする必要がある。素波の角度差△θは、経路長差△ｄ、波長をλとすると、
△θ＝２π・△ｄ／λで表される。このため、経路長差△ｄを波長λの設定値ｎ分の１以下に制限することで角度差△θも一定値以下に制限され、計算精度も一定値に保たれる。（ｎは５〜１０程度に設定される。）
図３に格子の大きさと受信レベルの関係を表す。電波の周波数は２ＧＨｚ（λ：１５ｃｍ）の場合で、格子の大きさを０．５ｍ×０．５ｍ、０．１ｍ×０．１ｍ、０．０５ｍ×０．０５ｍと変えた場合の反射波の角度パターンである。この例では、格子の大きさが０．１ｍ×０．１ｍより小さくなると受信レベルの誤差がかなり小さくなることが分かる。
【００１１】
（格子の計算範囲）
図４を参照して格子の計算範囲を説明する。
Ｏｎは正規反射点を示す。正規反射点とは、送信点と受信点及び正規反射点の３点によってできる平面上で電波の入射角度と反射角度が等しくなる点である。Ｆ１〜Ｆ４は、それぞれ第１フレネルゾーン〜第４フレネルゾーンを表す。第１フレネルゾーンは、（送信点Ｐ−正規反射点Ｏｎ−受信点Ｑ）という経路長と（送信点Ｐ−反射面の点Ｕ−受信点Ｑ）という経路長との経路長差△ｄがλ／２となる点Ｕによってできる円内のことである。第２フレネルゾーンは経路長差△ｄがλとなる点によってできる円から第１フレネルゾーンを引いた残りのゾーンのことである。
【００１２】
反射波の受信レベルに影響が大きいのは、第１フレネルゾーンで次は第２フレネルゾーン、第３フレネルゾーンと続き、正規反射点に近い順に影響が強い。このため、正規反射点Ｏｎに近い格子から順に計算していき、設定した計算誤差内に収まった段階で計算を打ち切れば計算時間を短縮できる。
図５に格子の計算範囲と受信レベルの関係を示す。図５は平板の底辺の中央に正規反射点Ｏｎがある場合である。平板の大きさは同じで、計算する格子の範囲を高さによって徐々に変えた。その結果、受信レベルは図５のように変動しながら一定値に収束していく。図５中のｒ１〜ｒ４は第１フレネルゾーンの格子の高さ〜第４フレネルゾーンの格子の高さを表す。これをみると、第１フレネルゾーンの高さまでの格子は受信レベルを高くするように働き（０〜ｒ１の反射波の受信レベル）、第２フレネルゾーンの高さまでの格子は逆に受信レベルを低くするように働く（ｒ１〜ｒ２の反射波の受信レベル）。これが交互に繰り返されるので受信レベルが変動する。しかし、高次のフレネルゾーンほど受信レベルへの影響が小さくなるので、受信レベルは一定値に収束する。そこで、第ｍフレネルゾーンの高さまでの受信レベルを計算し、次にｍ＋１フレネルゾーンの高さまでの受信レベルを計算し、両者の比が一定値以下（例えば両者の差が３ｄＢ以下）ならそこで計算を打ち切ることで一定値以下の計算誤差にすることができる。
【００１３】
（反射面の凹凸）
反射面に凹凸がある場合、格子を送信点（あるいは受信点）に対して前後に平行移動させて模擬する。反射面に凹凸があると、素波の経路長が変わるので受信レベルが変わる。しかし、反射面の凹凸が波長に比べて十分大きい場合は、計算誤差を一定値以下にするための格子の大きさや計算を行う格子の範囲は、平板の場合と大きく違わない。このため、格子の大きさや計算範囲は平板と仮定して求める。素波の経路長は受信レベルに影響があるので、反射面の凹凸を考慮して求める。
【００１４】
（反射波の受信レベル解析装置）
図６に本発明の実施例である電波が建物に反射した場合の反射波の受信レベル解析装置の構成を示す。
１０は建物データベース、２０は送受信点設定部、３０は格子の大きさ設定部、３１はｎ値入力部、３２はＸ値入力部、４０は格子の計算範囲設定部、５０は反射波演算部、５１は比率値入力部、６０は出力部である。
建物データベース１０には計算対象となる建物の位置や向き、大きさ、壁面の凹凸情報が入っている。送受信点設定部２０で、送受信の位置（送受信点Ｐ，Ｑ）を入力する。
格子の大きさ設定部３０は、ｎ値入力部３１で設定されたｎ値とＸ値入力部３２で設定されたＸ値を元に格子の大きさを求める。ｎ値は、経路長差△ｄと波長λの比である。経路長差△ｄとは、（送信点Ｐ−ある格子の中心点Ｕ−受信点Ｑ）の経路長と（送信点Ｐ−該格子に隣接する格子の中心点Ｕ−受信点Ｑ）の経路長との差である。ここで該格子をどの格子にするかで経路長は異なる。そこで計算の用いられるであろうと思われる最大のフレネルゾーンを予想し、そのフレネルゾーン端の格子を用いて経路長を求める。この最大のフレネルゾーン（第Ｘフレネルゾーンとする。）はＸ値入力部３２で入力する予め設定されたＸ値によって決められる。
【００１５】
格子長の決め方は次の通りである。
（１）送信点Ｐと受信点Ｑ、反射面から正規反射点Ｏｎの位置を求める。
（２）第Ｘフレネルゾーン端で、隣接する２つの格子の（送信点Ｐ−格子の中心Ｕ−受信点Ｑ）という経路長の差を求める。この経路長差△ｄが波長のｎ分の１となる格子長さを求める。（ｎ値は計算精度を考慮して５〜１０から選び、ｎ値入力部３１で設定する。）
格子の計算範囲設定部４０では、各フレネルゾーン端の高さｒを求める。反射波演算部５０では、第ｍフレネルゾーン端（ｒｍ）までの受信レベルと第ｍ＋１フレネルゾーン端（ｒｍ＋１）までの受信レベルとの比を求め、比率値入力部５１で設定された比率値よりこの比が小さければ、計算を終了し、第ｍ＋１フレネルゾーン端までの受信レベルを出力部６０に出力する。比率値としては、第ｍフレネルゾーン端までの受信レベルと第ｍ＋１フレネルゾーン端までの受信レベルの差が例えば、３ｄＢ以内の値とする。
第ｍ＋１フレネルゾーンが予想した最大の第Ｘフレネルゾーンより大きい（すなわち、予想した最大の第Ｘフレネルゾーンでの反射波の受信レベルの収束が不十分である場合）、つまりｍ＋１＞Ｘなら、Ｘ値入力部３２での設定値をｍ＋１に変更して、格子の大きさを再度設定し、再度計算を行い受信レベルを求める。
【００１６】
図６に示された反射波の受信レベル解析装置は、ＣＰＵやメモリ等を有するコンピュータと、利用者端末と、ＣＤ−ＲＯＭ，磁気ディスク装置，半導体メモリ等の機械読み取り可能な記録媒体とから構成することができる。記録媒体に記録された反射波の受信レベル解析プログラムはコンピュータに読み取られ、コンピュータの動作を制御し、コンピュータ上に前記各構成要素を実現する。
【００１７】
【発明の効果】
以上説明したように本発明は、電波の反射特性を計算する上で、反射面を微小面積に分割する格子の大きさや反射波の受信レベルの計算対象とする格子の範囲を、計算誤差が大きくならない範囲で求めることによって、計算量の削減を図ることができる。これにより計算時間の短縮、またはパソコン等の小型計算機でも計算が可能となる利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のビル反射の受信レベル計算方法を説明する図。
【図２】反射面の格子の大きさに対する計算精度を説明する図。
【図３】格子の大きさと反射波の受信レベルの関係を示す図。
【図４】格子の計算範囲を説明する図。
【図５】格子の計算範囲と受信レベルの関係を示す図。
【図６】反射波の受信レベル解析装置の構成図。
【符号の説明】
Ｐ・・・送信点、Ｑ・・・受信点、Ｏ・・・ｘｙ平面（反射面）の原点
１ａ・・・反射面、１ｂ・・・微小面積（格子）、Ｕ・・・微小面積１ａの中心点
Ｕ１〜Ｕ３・・・各格子の中心点、Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３・・・経路Ｐ−Ｕ１−Ｑ，経路Ｐ−Ｕ２−Ｑ，経路Ｐ−Ｕ３−Ｑを通る素波のベクトル、θ１２，θ２３・・・Ｐ１とＰ２，Ｐ２とＰ３の角度差（または位相差）
Ｏｎ・・・正規反射点、Ｆ１〜Ｆ４・・・第１フレネルゾーン〜第４フレネルゾーン、ｒ１〜ｒ４・・・第１フレネルゾーンの高さ〜第４フレネルゾーンの高さ
１０・・・建物データベース、２０・・・送受信点設定部、３０・・・格子の大きさ設定部、４０・・・格子の計算範囲設定部、５０・・・反射波演算部、５１・・・比率値入力部、６０・・・出力部
【図１】
2004023543.tif 000003
【図２】
2004023543.tif 000004
【図３】
2004023543.tif 000005
【図４】
2004023543.tif 000006
【図５】
2004023543.tif 000007
【図６】
2004023543.tif 000008