JP6919286B2

JP6919286B2 - 電波品質測定装置及び電波品質測定方法

Info

Publication number: JP6919286B2
Application number: JP2017076200A
Authority: JP
Inventors: 畠内　孝明; 孝明畠内; 豊実土屋
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2017-04-06
Filing date: 2017-04-06
Publication date: 2021-08-18
Anticipated expiration: 2037-04-06
Also published as: JP2018182434A

Description

本発明は、電波品質測定装置及び電波品質測定方法に関する。

無線機からの受信電波の品質を評価する方法の１つに、該無線機に対する受信電波強度が低下する割合を示す累積確率分布を利用する方法がある。受信電波強度に関する累積確率分布は、受信電波強度［ｄＢ］を横軸とし、受信電波強度が低下する累積確率を縦軸としたグラフにより表される。こうした累積確率分布としては、例えば、仲上・ライス分布等がある。

累積確率分布における受信電波強度中央値は、特定の無線機から受信した複数の電波の強度の中央値である。例えば、特定の無線機から電波を１００００回受信した場合、１００００回受信した電波の強度の中で５０００番目の強度が受信電波強度中央値である。受信電波強度中央値以下の累積確率分布は概して直線になり得る。

上述のような累積確率分布を精度よく得るためには、時間的な制約を設けずに、受信電波強度のサンプル数を多くすることが望ましい。時間的な制約を設けずに、受信電波強度のサンプル数を多くすれば、精度の高い受信電波強度中央値を計算し得、精度の高い累積確率分布を得ることができる。

なお、関連する技術として特許文献１及び２に記載の技術が知られている。
特許文献１に記載の無線受信信号瞬時レベル累積確率分布推定方法では、まず、通信に使用する周波数帯での通信範囲で、複数個の受信帯域幅に対する受信信号瞬時レベル変動特性が測定される。そして、受信帯域幅毎に受信信号瞬時レベル変動特性から受信信号瞬時レベル累積確率分布が計算される。次に、受信帯域幅毎に上記複数個の累積確率に対する受信信号瞬時レベルの中央値からの相対レベルが計算された後、累積確率毎に受信帯域幅に対する相対レベルの回帰式が計算される。そして、累積確率毎に回帰式より所要受信帯域幅に対する相対レベルが計算され、所要受信帯域幅おける受信信号瞬時レベルの累積確率分布が推定される。

特許文献２に記載の受信レベル測定回路は、受信レベル測定手段と演算手段とを備える。受信レベル測定手段は、無線受信機の信号受信レベル測定値を電気信号として検出する。演算手段は、電気信号を時間ｔにわたり取り込み、その電気信号に演算処理を施して受信レベル測定結果として出力する。演算手段には、所定時間ｔ０が保持され、時間ｔがｔ＜ｔ０のときには測定値が所定値以下のデータを省いて測定結果を演算する手段が備えられる。

特開平１１−２５２０２２号公報特開平６−２２４８１２号公報

しかしながら、時間的な制約を設けずに、受信電波強度のサンプル数を多くすると、多数の受信電波強度を長期間に渡って記憶するための記憶装置が必要になる等、受信電波の品質を測定する装置のハードウェア構成が複雑になり得る。

本発明の一側面にかかる目的は、時間的な制約を設けずに、多数の受信電波強度を基に得た累積確率分布を用いて受信電波の品質を測定する電波品質測定装置を簡易なハードウェア構成によって実現することである。

一実施形態に従った電波品質測定装置は、中央値計算部及び傾き計算部を備える。中央値計算部は、無線機から受信した電波に対して新たに測定された受信電波強度と、前回計算した受信電波強度中央値とを用いて、受信電波強度中央値を再計算する。傾き計算部は、中央値計算部が再計算した受信電波強度中央値に従って得られる累積確率分布の傾きを計算する。

一実施形態に従った電波品質測定装置によれば、時間的な制約を設けずに、多数の受信電波強度を基に得た累積確率分布を用いて受信電波の品質を測定する電波品質測定装置を簡易なハードウェア構成によって実現することができる。

実施形態に従った電波品質測定装置を含む無線機の構成例を示す図である。受信電波強度の測定例を説明する図である。実施形態に従った電波品質測定方法の例示的な処理フローを示す図である。実施形態に従った電波品質測定装置が記憶する電波品質測定結果の一例を示す図である。実施形態に従った電波品質測定方法から得られる累積確率分布の一例を示す図である。

以下、図面に基づいて実施形態について詳細を説明する。
図１は、実施形態に従った電波品質測定装置を含む無線機の構成例を示す図である。図１に示す無線機１は、ＬＴＥ（Long Term Evolution）等に準拠した移動通信ネットワークを構成する無線端末であってもよく、例えば、携帯電話、スマートフォン、又はタブレット端末等であってもよい。また、無線機１は、マルチホップ無線ネットワークを構成する無線端末であってもよく、例えば、センサネットワークを構成するセンサノード等であってもよい。図１に示す構成例では、無線機１は、アンテナ１１、無線通信回路１２、及び電波品質測定装置１３を備える。

アンテナ１１は、無線機１の周辺に存在する他の無線機、すなわち、周辺無線機から送信された電波を受信する。アンテナ１１は、周辺無線機へ電波を送信するように更に構成されてもよい。

無線通信回路１２は、アンテナ１１が周辺無線機から受信した電波を処理する。無線通信回路１２は、アンテナ１１が周辺無線機へ送信する電波を処理するように更に構成されてもよい。

例えば、無線通信回路１２は、アンテナ１１が周辺無線機から受信した電波の強度、すなわち、受信電波強度を定期的又は非定期的に測定する。図２は、受信電波強度の測定例を説明する図である。図２に示す一例では、周辺無線機Ａ〜Ｆが夫々送信した電波は、無線機１のアンテナ１１が受信する。無線機１の無線通信回路１２は、アンテナ１１が受信した電波が示す信号から、該電波の送信元である周辺無線機の識別子を抽出する。また、無線通信回路１２は、アンテナ１１が受信した電波の強度、すなわち、受信電波強度を測定する。受信電波強度の測定対象の電波は、受信電波強度の測定のために周辺無線機Ａ〜Ｆが送信した電波であってもよいし、データ通信のために周辺無線機Ａ〜Ｆが送信した電波であってもよい。無線通信回路１２は、測定した受信電波強度を、対応する周辺無線機の識別子と共に電波品質測定装置１３へ出力する。

電波品質測定装置１３は、実施形態に従った電波品質測定装置の一例であり、図１に示した一例では無線機１が電波品質測定装置１３を備える。電波品質測定装置１３は、無線通信回路１２が測定した受信電波強度を用いて受信電波強度に関する累積確率分布を周辺無線機毎に求める。電波品質測定装置１３は、求めた累積確率分布の傾きに従って周辺無線機毎の電波品質を測定する。

図１に示す構成例では、電波品質測定装置１３は処理部１３１及び記憶部１３２を備える。処理部１３１は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、マルチコアＣＰＵ、又はプログラマブルデバイス（ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）やＰＬＤ（Programmable Logic Device）等）により構成される。記憶部１３２は、例えば、ＲＡＭ（Random Access Memory）やＲＯＭ（Read only Memory）等により構成される。処理部１３１は、中央値計算部１３１１及び傾き計算部１３１２を含む。

電波品質測定装置１３は、例えば図３に示すような処理を実行する。図３は、実施形態に従った電波品質測定方法の例示的な処理フローを示す図である。無線通信回路１２が新たに測定した受信電波強度が、対応する周辺無線機の識別子と共に電波品質測定装置１３に入力する度に、電波品質測定装置１３は図３に示す一連の処理を行う。なお、電波品質測定装置１３は、当該周辺無線機に対する初回の処理を開始する前に、当該周辺無線機に対する測定総数ｎ_ｔ及び低下数ｎ_ｄを初期値０（ゼロ）に夫々設定する。測定総数ｎ_ｔは、無線通信回路１２が当該周辺無線機に対して測定した受信電波強度の数であり、電波品質測定装置１３が処理した受信電波強度の数を指す。低下数ｎ_ｄは、無線通信回路１２が当該周辺無線機に対して測定した受信電波強度の中で、受信電波強度中央値よりも所定値Ｐ以上低い受信電波強度の数を指す。所定値Ｐは、受信電波強度中央値以下の累積確率分布の傾きを計算するために用いる設定値である。すなわち、所定値Ｐは、受信電波強度中央値からの受信電波強度の偏差であり、例えば、５［ｄＢ］であってもよい。

ステップＳ１０１において、傾き計算部１３１２は、電波品質測定装置１３に入力した受信電波強度に対応する周辺無線機に対する測定総数ｎ_ｔに１を加算する。傾き計算部１３１２が加算により更新した測定総数ｎ_ｔは、対応する周辺無線機の識別子と共に記憶部１３２が記憶する。

ステップＳ１０２において、電波品質測定装置１３に入力した受信電波強度が、対応する周辺無線機に対して初回の処理対象の受信電波強度であるか否かを中央値計算部１３１１は判定する。

電波品質測定装置１３に入力した受信電波強度が、対応する周辺無線機に対して初回の処理対象の受信電波強度であると判定する場合（ステップＳ１０２で“ＹＥＳ”）、中央値計算部１３１１は、電波品質測定装置１３に入力した受信電波強度を受信電波強度中央値に設定する（ステップＳ１０３）。中央値計算部１３１１が設定した受信電波強度中央値は、電波品質測定装置１３に入力した受信電波強度に対応する周辺無線機の識別子と共に記憶部１３２が記憶する。そして、電波品質測定装置１３に入力した受信電波強度に対する一連の処理は終了する。

電波品質測定装置１３に入力した受信電波強度が、対応する周辺無線機に対して初回の処理対象の受信電波強度ではないと中央値計算部１３１１が判定する場合（ステップＳ１０２で“ＮＯ”）、一連の処理はステップＳ１０４へ進む。ステップＳ１０４において、中央値計算部１３１１は、電波品質測定装置１３に入力した受信電波強度と中央値計算部１３１１が前回計算した受信電波強度中央値とを比較する。中央値計算部１３１１が前回計算した受信電波強度中央値とは、当該周辺無線機に対する受信電波強度を基に中央値計算部１３１１が前回計算した受信電波強度中央値である。中央値計算部１３１１が前回計算した受信電波強度中央値は、対応する周辺無線機の識別子と共に、前回までの一連の処理を通じて記憶部１３２が既に記憶している。

電波品質測定装置１３に入力した受信電波強度が中央値計算部１３１１が前回計算した受信電波強度中央値を上回る場合（ステップＳ１０４で“＞”）、中央値計算部１３１１は、次のような処理を実行する。電波品質測定装置１３に入力した受信電波強度が中央値計算部１３１１が前回計算した受信電波強度中央値を上回る場合、電波品質測定装置１３に入力した受信電波強度を加味した受信電波強度中央値は、該受信電波強度を加味する前の受信電波強度中央値、すなわち、中央値計算部１３１１が前回計算した受信電波強度中央値よりも大きくなる。そこで、中央値計算部１３１１は、前回計算した受信電波強度中央値に所定の加算用調整値Δｐ_１を加算することにより受信電波強度中央値を再計算する（ステップＳ１０５）。加算用調整値Δｐ_１は、受信電波強度の時間変化量［ｄＢ］よりも小さい値であり、例えば、受信電波強度の時間変化量の１０分の１の値であってもよい。中央値計算部１３１１が再計算した受信電波強度中央値は、当該測定総数ｎ_ｔにおける受信電波強度中央値と見なし、電波品質測定装置１３に入力した受信電波強度に対応する周辺無線機の識別子と共に記憶部１３２が記憶する。そして、電波品質測定装置１３に入力した受信電波強度に対する一連の処理は終了する。

電波品質測定装置１３に入力した受信電波強度が中央値計算部１３１１が前回計算した受信電波強度中央値を下回る場合（ステップＳ１０４で“＜”）、中央値計算部１３１１は、次のような処理を実行する。電波品質測定装置１３に入力した受信電波強度が中央値計算部１３１１が前回計算した受信電波強度中央値を下回る場合、電波品質測定装置１３に入力した受信電波強度を加味した受信電波強度中央値は、中央値計算部１３１１が前回計算した受信電波強度中央値よりも小さくなる。そこで、中央値計算部１３１１は、前回計算した受信電波強度中央値から所定の減算用調整値Δｐ_２を減算することで、受信電波強度中央値を再計算する（ステップＳ１０６）。減算用調整値Δｐ_２は、受信電波強度の時間変化量［ｄＢ］よりも小さい値であり、例えば、受信電波強度の時間変化量の１０分の１の値であってもよい。中央値計算部１３１１が再計算した受信電波強度中央値は、当該測定総数ｎ_ｔにおける受信電波強度中央値と見なし、電波品質測定装置１３に入力した受信電波強度に対応する周辺無線機の識別子と共に記憶部１３２が記憶する。そして、電波品質測定装置１３に入力した受信電波強度に対する一連の処理はステップＳ１０７へ進む。

電波品質測定装置１３に入力した受信電波強度が中央値計算部１３１１が前回計算した受信電波強度中央値と同じである場合（ステップＳ１０５で“＝”）、電波品質測定装置１３に入力した受信電波強度を加味した受信電波強度中央値は、中央値計算部１３１１が前回計算した受信電波強度中央値と同じであってもよい。そこで、電波品質測定装置１３に入力した受信電波強度に対する一連の処理は終了する。

ステップＳ１０７において、傾き計算部１３１２は、電波品質測定装置１３に入力した受信電波強度が受信電波強度中央値よりも所定値Ｐ以上低いか否かを判定する。電波品質測定装置１３に入力した受信電波強度が受信電波強度中央値よりも所定値Ｐ以上低くないと傾き計算部１３１２が判定する場合（ステップＳ１０７で“ＮＯ”）、電波品質測定装置１３に入力した受信電波強度に対する一連の処理は終了する。

電波品質測定装置１３に入力した受信電波強度が受信電波強度中央値よりも所定値Ｐ以上低いと判定する場合（ステップＳ１０７で“ＹＥＳ”）、傾き計算部１３１２は、電波品質測定装置１３に入力した受信電波強度に対応する周辺無線機に対する低下数ｎ_ｄに１を加算する（ステップＳ１０８）。傾き計算部１３１２が加算により更新した低下数ｎ_ｄは、電波品質測定装置１３に入力した受信電波強度に対応する周辺無線機の識別子と共に記憶部１３２が記憶する。そして、電波品質測定装置１３に入力した受信電波強度に対する一連の処理は終了する。

図３を参照しながら上述したような一連の処理を通じて、記憶部１３２は電波品質測定結果を周辺無線機毎に記憶する。図４は、実施形態に従った電波品質測定装置が記憶する電波品質測定結果の一例を示す図である。図４に示す一例では、図２に示した周辺無線機Ａ〜Ｆ夫々に対して、受信電波強度中央値、測定総数ｎ_ｔ、及び低下数ｎ_ｄを電波品質測定結果として記憶部１３２は記憶する。図５に示すように、図４に示したような電波品質測定結果から、受信電波強度に関する累積確率分布が得られる。図５は、実施形態に従った電波品質測定方法から得られる累積確率分布の一例を示す図である。

傾き計算部１３１２は、所定値Ｐ、測定総数ｎ_ｔ、及び低下数ｎ_ｄを用いて、図５に示すような累積確率分布の傾きを定期的又は非定期的に計算する。具体的には、傾き計算部１３１２は、次の式(1)に示すような計算式によって、各周辺無線機の累積確率分布の傾きＳを計算する。

式(1)において、値０．５は、累積確率分布における受信電波強度中央値の割合、すなわち、当該周辺無線機に対する受信電波強度が受信電波強度中央値以下である割合を指す。また、低下数ｎ_ｄを測定総数ｎ_ｔで除算した値（ｎ_ｄ／ｎ_ｔ）は、累積確率分布において受信電波強度中央値よりも所定値Ｐ以上受信電波強度が低い割合、すなわち、当該周辺無線機に対する受信電波強度が受信電波強度中央値よりも所定値Ｐ以上低下する割合を指す。

例えば、図４に示した一例では、所定値Ｐが５［ｄＢ］であるとすると、傾き計算部１３１２は、周辺無線機Ａ〜Ｆに対する累積確率分布の傾きＳを約０．０９０、約０．０８２、約０．０８３、約０．０８８、約０．０７１、及び約０．０９２と夫々計算する。

なお、各割合を百分率で表す場合、累積確率分布における受信電波強度中央値の割合（確率）は５０［％］である。また、累積確率分布において受信電波強度中央値よりも所定値Ｐ以上受信電波強度が低い割合（確率）は、低下数ｎ_ｄを測定総数ｎ_ｔで除算した値に値１００を乗算した値［％］である。各割合を百分率で表す場合、累積確率分布の傾きＳは、式(1)で計算された値に値１００を乗算した値である。

このように、傾き計算部１３１２は、受信電波強度中央値での割合０．５（或いは５０［％］）と、受信電波強度中央値よりも所定値Ｐ以上受信電波強度が低い割合とを結んだ直線の傾きによって、累積確率分布の傾きを計算する。

累積確率分布の傾きが大きい（急である）場合、受信電波強度のばらつきが小さいため、当該周辺無線機から無線機１が受信する電波の品質は良いと評価され得る。一方、累積確率分布の傾きが小さい（緩やかである）場合、受信電波強度のばらつきが大きいため、当該周辺無線機から無線機１が受信する電波の電波品質は悪いと評価され得る。例えば、図４に示した一例では、周辺無線機Ａ〜Ｆの中で、累積確率分布の傾きＳが最も大きい周辺無線機Ｆの電波品質が最も良いと評価され得る。また、周辺無線機Ａ〜Ｆの中で、累積確率分布の傾きＳが最も小さい周辺無線機Ｅの電波品質が最も悪いと評価され得る。そこで、無線品質測定装置１３によって測定された、各周辺無線機に対する累積確率分布の傾きに従って、無線機１と周辺無線機との間の通信ルートや通信方式を選択することが可能である。

例えば、電波品質測定装置１３が累積確率分布の傾きを計算した複数の周辺無線機の中で、累積確率分布の傾きが大きい周辺無線機が、無線機１が通信する無線機に選択されてもよい。また、例えば、電波品質測定装置１３が計算した累積確率分布の傾きが小さい周辺無線機が、無線機１が通信する無線機に選択される場合には、無線機１と該周辺無線機との間の通信方式は、低い電波品質に応じた通信方式に変更されてもよい。低い電波品質に応じた通信方式への変更の一例としては、１回当たりのデータ通信量の削減や、通信のリトライ回数の増加等が挙げられる。

通信ルートや通信方式の選択は、無線機１（例えば、処理部１３１）が行ってもよい。また、通信ルートや通信方式の選択は、無線機１が属する無線通信ネットワークの上位装置（例えば、移動通信ネットワークにおける無線基地局（図示せず）やマルチホップ無線ネットワークにおける集約器（図示せず）等）が行ってもよい。

以上の説明から理解し得るように、実施形態に従った電波品質測定方法では、無線通信回路１２が新たに測定した受信電波強度を電波品質測定装置１３が処理する際に、電波品質測定装置１３は、前回計算した受信電波強度中央値を基に累積確率分布における受信電波強度中央値を再計算し得る。このため、受信電波強度中央値を計算するためのサンプルとされる多数の受信電波強度が長期間に渡って記憶装置等が記憶しなくても、受信電波強度中央値は計算可能である。したがって、実施形態に従った電波品質測定装置によれば、時間的な制約を設けずに、多数の受信電波強度を基に得た累積確率分布を用いて受信電波の品質を測定する電波品質測定装置を簡易なハードウェア構成によって実現することができる。

例えば、移動通信ネットワークを構成する無線機は移動し得るため、無線機間の電波品質及び無線機と無線基地局と間の電波品質は短時間（例えば、数分又は数時間）で変動し得る。このため、累積確率分布を得るための受信電波強度のサンプリング時間やサンプル数に制約が設けられた場合であっても、所望の累積確率分布が得られる可能性がある。しかしながら、例えば、センサネットワークを構成する無線機の所在地は固定され得るため、無線機間の電波品質及び無線機と集約器との間の電波品質は、長期間（例えば、１日）に渡って緩やかに変動する外部環境に従って変動し得る。そこで、所望の累積確率分布を得るためには、受信電波強度のサンプリング時間やサンプル数に制約が設ないことが望ましい。上述したように、実施形態に従った電波品質測定方法では、受信電波強度のサンプリング時間やサンプル数に制約が設なくてもよい。したがって、実施形態に従った電波品質測定方法によれば、無線機が移動局であるか固定局であるかを問わず、簡易なハードウェア構成によって所望の累積確率分布を得ることができる。

本発明は、以上の実施の形態に限定されるものでなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変更が可能である。

１無線機
１１アンテナ
１２無線通信回路
１３電波品質測定装置
１３１処理部
１３２記憶部
１３１１中央値計算部
１３１２傾き計算部
Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆ周辺無線機

Claims

無線機から受信した電波に対して新たに測定された受信電波強度と、前回計算した累積確率分布の受信電波強度中央値とを用いて、前記累積確率分布の受信電波強度中央値を再計算する中央値計算部を備え、
前記中央値計算部は、
新たに測定された受信電波強度が、前回計算した累積確率分布の受信電波強度中央値を上回る場合、前回計算した累積確率分布の受信電波強度中央値に所定の加算用調整値を加算することにより前記累積確率分布の受信電波強度中央値を再計算し、
新たに測定された受信電波強度が、前回計算した累積確率分布の受信電波強度中央値を下回る場合、前回計算した累積確率分布の受信電波強度中央値から所定の減算用調整値を減算することにより前記累積確率分布の受信電波強度中央値を再計算する
ことを特徴とする電波品質測定装置。
無線機から受信した電波に対して新たに測定された受信電波強度と、前回計算した受信電波強度中央値とを用いて、前記受信電波強度中央値を再計算する中央値計算部と、
前記中央値計算部が再計算した受信電波強度中央値に従って得られる累積確率分布の傾きを計算する傾き計算部と、を備え、
前記傾き計算部は、前記受信電波強度中央値からの前記受信電波強度の偏差である所定値と、前記無線機に対して測定された受信電波強度の測定総数と、前記測定総数内において前記受信電波強度が前記所定値以上低下した回数である低下数と、を用いて前記累積確率分布の前記傾きを計算する
ことを特徴とする電波品質測定装置。
前記傾き計算部は、新たに測定された受信電波強度が、再計算後の前記受信電波強度中央値よりも所定値以上低い場合に前記低下数を更新する
請求項２に記載の電波品質測定装置。
記憶部を更に備え、
前記記憶部は、前記無線機に対して測定された受信電波強度の測定総数と、前記低下数と、再計算後の前記受信電波強度中央値とを記憶し、
前記傾き計算部は、前記所定値、前記測定総数、及び前記低下数を用いて前記累積確率分布の前記傾きを計算する、
請求項２又は３に記載の電波品質測定装置。
無線機から受信する電波の受信電波強度についての累積確率分布の中央値を表す受信電波強度中央値を求める処理を含む電波品質測定方法であって、
新たに測定された受信電波強度が、前回計算した累積確率分布の受信電波強度中央値を上回る場合、前回計算した累積確率分布の受信電波強度中央値に所定の加算用調整値を加算することにより前記累積確率分布の受信電波強度中央値を再計算し、
新たに測定された受信電波強度が、前回計算した累積確率分布の受信電波強度中央値を下回る場合、前回計算した累積確率分布の受信電波強度中央値から所定の減算用調整値を減算することにより前記累積確率分布の受信電波強度中央値を再計算する
ことを特徴とする電波品質測定方法。
無線機から受信した電波に対して新たに測定された受信電波強度と、前回計算した受信電波強度中央値とを用いて、前記受信電波強度中央値を再計算し、
前記受信電波強度中央値からの前記受信電波強度の偏差である所定値と、前記無線機に対して測定された受信電波強度の測定総数と、前記測定総数内において前記受信電波強度が前記所定値以上低下した回数である低下数とを用いて、再計算した受信電波強度中央値に従って得られる累積確率分布の傾きを計算する
ことを特徴とする電波品質測定方法。