JP7601211B2

JP7601211B2 - 情報処理システム、電波伝搬シミュレーション方法、及びプログラム

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Publication number: JP7601211B2
Application number: JP2023512528A
Authority: JP
Inventors: 稔猪又; 渉山田; 伸晃久野; 元晴佐々木
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp; NTT Inc USA
Current assignee: NTT Inc; NTT Inc USA
Priority date: 2021-04-05
Filing date: 2021-04-05
Publication date: 2024-12-17
Anticipated expiration: 2041-04-05
Also published as: JPWO2022215138A1; US20240135631A1; US20240233245A9; WO2022215138A1

Description

本発明は、情報処理システム、電波伝搬シミュレーション方法、及びプログラムに関する。

無線通信システムのエリア評価等に用いられる電波伝搬シミュレーションを行う方法として、レイトレース（又はレイトレーシング）がある。レイトレースでは、送信点から送信した電波（レイ）が、途中にある構造物で反射、又は回折して受信点に到達する様子を各レイの軌跡として追跡（トレース）し、受信点に到達した全てのレイの電力を加算することにより、受信点における電波の強度を推定する。

また、レイトレースを用いて、無線基地局と端末局との間の伝播伝搬特性のシミュレーションを行い、シミュレーション結果に基づいて、電磁干渉を低減する屋内無線通信システムが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００１－１６８８１２号公報

従来の技術では、例えば、屋内等の構造物が多く存在する環境でレイトレースを行う場合、レイが受信点に到達するまでに数多くの構造物で反射、又は回折を繰り返すため、計算量が増大するという問題がある。

また、電波伝搬シミュレーションに用いる環境データには様々なフォーマットがあり、従来の技術では、環境データの読み込みに時間を要し、電波伝搬シミュレーションの高速化の妨げとなっていた。

本発明の実施形態は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、電波伝搬シミュレーションにおける計算量の増大を抑制し、電波伝搬シミュレーションを高速化する情報処理システムを提供する。

上記の課題を解決するため、本発明の実施形態に係る情報処理システムは、対象エリアを所定のサイズの複数のメッシュに分割し、前記複数のメッシュの各々の高さ情報で前記対象エリアの環境を表すメッシュデータを取得する取得部と、前記メッシュデータに基づいて、電波を送信する送信点から前記電波を受信する受信点までの２次元のレイトレースを求める第１のレイトレース部と、前記メッシュデータと、前記送信点、及び前記受信点の高さ情報とに基づいて、前記２次元のレイトレースに対応する３次元のレイトレースを求める第２のレイトレース部と、前記第２のレイトレース部が求めた１つ以上の前記３次元のレイトレースを用いて、前記受信点における前記電波の強度を算出する電波強度算出部と、を有する。

電波伝搬シミュレーションにおける計算量の増大を抑制し、電波伝搬シミュレーションを高速化する情報処理システムを提供することができる。

本実施形態に係る情報処理システムの構成例を示す図である。本実施形態に係るデータ処理の概要について説明するための図（１）である。本実施形態に係るデータ処理の概要について説明するための図（２）である。地域メッシュの区分方法を示す図である。実施例１に係るデータ処理の一例を示すフローチャートである。実施例１に係るデータ処理の別の一例を示すフローチャートである。実施例１に係るレイトレース処理の例を示すフローチャートである。実施例１に係る３次元のレイトレースについて説明するための図である。実施例２に係る回折レイの算出処理の例を示すフローチャートである。実施例２に係る見通し判定の例について説明するための図（１）である。実施例２に係る見通し判定の例について説明するための図（２）である。実施例２に係る見通し判定の例について説明するための図（３）である。実施例２に係る見通し判定の例について説明するための図（４）である。実施例２に係る見通しが無い場合の処理について説明するための図（１）である。実施例２に係る見通しが無い場合の処理について説明するための図（２）である。実施例２に係る複数の構造物がある場合の処理について説明するための図である。実施例３に係るレイトレース処理の例を示すフローチャートである。コンピュータのハードウェア構成の例を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態（本実施形態）を説明する。以下で説明する実施形態は一例に過ぎず、本発明が適用される実施形態は、以下の実施形態に限られるわけではない。

＜システム構成＞
図１は、本実施形態に係る情報処理システムの構成例を示す図である。情報処理システム１は、例えば、情報処理システム１が備えるコンピュータが所定のプログラムを実行することにより、データ処理部１０、記憶部２０、シミュレーション部３０、及びインタフェース部４０等を実現している。なお、上記の各機能構成は、物理マシン（コンピュータ）に限られず、例えば、クラウド上の仮想マシンが実行するプログラムにより実現されるものであっても良い。また、上記の各機能構成は、別々の物理マシン、又は仮想マシンに分散して配置されていても良い。

記憶部２０は、電波伝搬シミュレーションの対象となる対象エリアの環境データ２２を予め記憶している。環境データ２２には、例えば、ＣＡＤ（Computer Aided Design）データ１０１、建物データ１０２、及び点群データ１０３等が含まれ得る。

ＣＡＤデータ１０１は、例えば、対象エリア内にある物体（構造物、建物等）の各面の幅、高さ、形状、及び位置等を示すデータと、各面における電波の反射率、透過率等の情報とを含む３次元のＣＡＤデータである。ＣＡＤデータ１０１は、例えば、オペレータ等が、３次元ＣＡＤ等にデータを入力したものであっても良いし、ＳＬＡＭ（Simultaneous Localization and Mapping）技術で作成した３次元の環境地図データ等を、ＣＡＤデータに変換したもの等であっても良い。

建物データ１０２は、対象エリア内にある建物の各面の幅、高さ、形状、及び位置等を示すデータと、各面における電波の反射率等の情報とを含むデータベース（建物データベース）である。本実施形態では、建物データ１０２には、建物の内側の壁、床、天井、及び柱等の各面の情報が含まれる。点群データ１０３は、例えば、ＬＩＤＡＲ等を用いて取得した、対象エリア内にある物体の各点までの距離等を表す３次元の点群データである。或いは、点群データ１０３は、ＳＬＡＭ（Simultaneous Localization and Mapping）技術を用いて、３次元の点群情報に基づいて作成した３次元の環境地図データ等であっても良い。

なお、記憶部２０は、例えば、情報処理システム１の外部のストレージサーバ、又はクラウドサービス等であっても良い。

（データ処理部）
データ処理部１０は、例えば、ＣＡＤデータ１０１、建物データ１０２、又は点群データ１０３等の環境データ２２を用いて、シミュレーション部３０が電波伝搬シミュレーションを行う所定のエリアのメッシュデータを作成する。データ処理部１０は、例えば、分割部１１、抽出部１２、及び作成部１３等を有している。

分割部１１は、例えば、電波伝搬シミュレーションの対象となる対象エリアを複数のメッシュに分割する。例えば、分割部１１は、図２Ａに示すように、対象エリア２００を所定のサイズの複数のメッシュ２０１に分割する。一例として、分割部１１は、緯度及び経度に基づき地域を網の目（メッシュ）の区域に分割した地域メッシュに基づいて、対象エリアを複数のメッシュ２０１に分割する。

図３は、総務省統計局のホームページ（https://www.stat.go.jp/data/mesh/m_tuite.html）に掲載されている地域メッシュの区分方法を示している。分割部１１は、一例として、図３の地域メッシュの区分方法に従って、対象エリア２００を複数のメッシュ２０１に分割する。なお、図３に示す地域メッシュの区分方法では、４分の１地域メッシュまでしか規定されていないが、分割部１１は、所定のサイズに応じて図３の地域メッシュの区分方法を、例えば、８分の１地域メッシュ、１６分の１地域メッシュ、・・・等のように拡張しても良い。

別の一例として、分割部１１は、例えば、シミュレーション部３０が屋内の電波伝搬シミュレーションを行うとき等、緯度及び経度情報が必要ない場合、ＣＡＤデータ１０１の相対座標等に基づいて、対象エリア２００を複数のメッシュ２０１に分割しても良い。

ここで、図１に戻り、データ処理部１０の機能構成の説明を続ける。抽出部１２は、環境データ２２から、例えば、図２Ａに示すような複数のメッシュ２０１の各々の高さ情報を抽出する。例えば、抽出部１２は、ＣＡＤデータ１０１を解析して、メッシュ２０１内に高さ３ｍの構造物がある場合、当該メッシュ２０１の高さ情報を３ｍとする。なお、抽出部１２は、メッシュ２０１の高さ情報が得られない場合、例えば、建物データ１０２、等の他の環境データ２２を解析して、当該メッシュ２０１の高さ情報を抽出しても良い。また、抽出部１２は、環境データ２２を解析して、メッシュ２０１の高さ情報が得られない場合、当該メッシュ２０１の高さ情報を０とする。

作成部１３は、抽出部１２が抽出した各メッシュの２１１の高さ情報を用いて、例えば、図２Ｂに示すようなメッシュデータ２１を作成する。図２Ｂに示すメッシュデータ２１において、ｘ、ｙ方向は、各メッシュ２０１の位置（例えば、緯度、経度、又は行、列等）に対応しており、各データの値は、各メッシュ２０１の高さ情報を示している。従って、例えば、メッシュデータ２１において、高さ情報が「３」のエリア２０２には、例えば、高さが３ｍの構造物があり、高さ情報が「６」のエリア２０３には、例えば、高さが６ｍの構造物があることを示している。また、高さ情報が「０」のエリアには、例えば、構造物がないことを示している。

これにより、データ処理部１０は、記憶部２０に記憶されている環境データ２２のうち、対象エリア内にある物体（構造物、建物等）の各面の幅、高さ、形状、及び位置等を示すデータを、図２Ｂに示すような、２次元のメッシュデータ２１に変換することができる。また、このメッシュデータ２１は、画像データの形式を有しているため、ＧＰＵ（Graphicss Processing Unit）を用いて、高速に読込、及び処理が可能であるという特徴を有している。

また、メッシュデータ２１は再利用が可能なので、シミュレーション部３０が、対象エリアで、２回目以降の電波伝搬シミュレーションを行う場合、データ処理部１０は、メッシュデータ２１の作成処理を省略することができる。

（シミュレーション部）
シミュレーション部３０は、データ処理部１０が作成したメッシュデータ２１を、記憶部２０等から読み出して、対象エリアの電波伝搬シミュレーションを行う。ここでは、シミュレーション部３０が、レイトレースにより、対象エリアの電波伝搬シミュレーションを行うものとして、以下の説明を行う。レイトレースでは、送信点から送信した電波（レイ）が、途中にある構造物で反射、回折、又は透過して受信点に到達する様子を各レイの軌跡として追跡（トレース）し、受信点に到達した全てのレイの電力を加算して、受信点における電波の強度を推定する。

ただし、従来の技術では、例えば、屋内等の構造物が多く存在する環境でレイトレースを行う場合、レイが受信点に到達するまでに数多くの構造物で反射、回折、又は透過を繰り返すため、計算量が増大し、処理速度が遅くなってしまうという問題がある。

そこで、本実施形態に係るシミュレーション部３０は、上記の問題点を解決するために、例えば、取得部３１、単位ベクトル算出部３２、第１のレイトレース部３３、第２のレイトレース部３４、及び電波強度算出部３５等を有している。

取得部３１は、例えば、記憶部２０等から、レイトレースを行う対象エリアのメッシュデータ２１を取得する。好ましくは、取得部３１は、コンピュータが備えるＧＰＵを用いて、記憶部２０からメッシュデータ２１を高速に読み出す。

単位ベクトル算出部３２は、取得部３１が取得したメッシュデータ２１を用いて、天井面を除く各平面の単位ベクトル、及びエッジの単位ベクトルを算出する。例えば、メッシュデータ２１は、建物内にある構造物、及び天井を除く建物の内側（例えば、壁、床、柱等）を平面で表している。単位ベクトル算出部３２は、これらの各平面の単位ベクトル、及び平面と平面が交差してできるエッジの単位ベクトルを算出する。なお、単位ベクトル算出部３２の機能は、例えば、第１のレイトレース部３３等に含まれていても良い。

第１のレイトレース部３３は、メッシュデータ２１に基づいて、電波を送信する送信点から電波を受信する受信点までの２次元のレイトレースを求める。例えば、第１のレイトレース部３３は、送信点から水平方向に２次元レイを出射して、受信点までの２次元レイをトレースする。

第２のレイトレース部３４は、メッシュデータ２１と、送信点、及び受信点の高さ情報とに基づいて、第１のレイトレース部３３が求めた２次元のレイトレースに対応する３次元のレイトレースを求める。例えば、第２のレイトレース部３４は、送信点、及び受信点の高さ情報（アンテナ高）と、構造物の高さ情報とに基づいて、第１のレイトレース部３３が求めた２次元のレイトレースを、３次元のレイトレースに変換する。

好ましくは、第２のレイトレース部３４は、３次元のレイトレースを求めるときに、例えば、フェルマーの定理に基づいて、レイローンチの出射角を制約して、反射レイ、又は回折レイを求める。

また、第２のレイトレース部３４は、送信点と受信点との間に見通しがない場合、送信点と受信点との間にある構造物を、例えば、金属平板に置き換えて、当該金属平板をスクリーン回折する回折レイを求める。

好ましくは、第２のレイトレース部３４は、送信点と受信点との間に複数の構造物がある場合、例えば、ＩＴＵ―Ｒ勧告（ITU-R Recommendation P.526 "Propagation by diffraction"）で勧告されているBullington modelを適用して、複数の構造物を回折する回折レイを求める。

また、第２のレイトレース部３４は、例えば、建物データ１０２を用いて、メッシュデータ２１に基づいて求めた３次元のレイトレースに、建物の天井面からの反射レイ、回折レイを追加する。

電波強度算出部３５は、第２のレイトレース部３４が求めた１つ以上の３次元のレイトレースを用いて、受信点における電波の強度を算出する。例えば、電波強度算出部３５は、第２のレイトレース部３４が求めた１つ以上の３次元のレイトレースの反射係数、及び回折係数を計算し、各レイの電界強度を加算して、総電界強度を算出する。

このように、シミュレーション部３０は、取得部３１が、環境データであるメッシュデータ２１を、ＧＰＵを用いて記憶部２０から高速に取得することができる。

また、シミュレーション部３０は、第１のレイトレース部３３が、送信点から受信点までの２次元のレイトレースを求め、第２のレイトレース部３４が、２次元のレイトレースに対応する３次元のレイトレースを求める。一般的に、受信点における電波の強度をレイトレースで推定する場合、電波の強度に寄与するレイは僅かであり、従来の技術では、大部分のレイが棄却されていた。一方、本実施形態に係る情報処理システム１は、主要なレイを探索することで、精度を劣化させずにレイトレースを高速化することができる。

さらに、シミュレーション部３０は、２次元のレイトレースに対応する３次元のレイトレースを求める際に、レイローンチングの出射角を制約して、反射レイ、又は回折レイを求める。これにより、情報処理システム１は、探索するレイの数を削減し、レイトレースをさらに高速化することができる。

さらにまた、シミュレーション部３０は、送信点と受信点との間にある複数の構造物を回折する回折レイを求める際に、Bullington modelを適用して複数の構造物を回折する回折レイを求める。Bullington modelは、他の方法より単純で計算速度が速いため、情報処理システム１は、レイトレースをさらに高速化することができる。

インタフェース部４０は、他のシステムから、情報処理システム１が提供する様々な機能を利用するためのＡＰＩ（Application Programming Interface）、又はユーザが、当該機能を利用するためのＵＩ（User Interface）等を提供する。例えば、ユーザ（又は他のシステム）は、インタフェース部４０を利用して、データ処理部１０によるメッシュデータ２１の作成、又は電波伝搬シミュレーションの実行等を要求することができる。また、ユーザ（又は他のシステム）は、インタフェース部４０を利用して、電波伝搬シミュレーションに必要なパラメータ（例えば、送信点の位置、受信点の位置、周波数、送信出力等）の設定、又は記憶部２０への環境データ２２の登録等を行うことができる。

上記の構成により、本実施形態によれば、電波伝搬シミュレーションにおける計算量の増大を抑制し、電波伝搬シミュレーションを高速化する情報処理システム１を提供することができる。

＜処理の流れ＞
続いて、本実施形態に係る伝搬環境データの処理方法の処理の流れについて説明する。

［実施例１］
（データ処理１）
図４は、実施例１に係るデータ処理の一例を示すフローチャートである。この処理は、データ処理部１０が、環境データ２２を用いて、メッシュデータ２１を作成するデータ処理の一例を示している。

ステップＳ４０１において、データ処理部１０の分割部１１は、例えば、図３に示すような地域メッシュ、又は拡張した地域メッシュ（例えば、８分の１地域メッシュ、１６分の１地域メッシュ、・・・等）から、所定のサイズ以下となる地域メッシュを選定する。ここで、所定のサイズは、例えば、シミュレーション部３０を介して、ユーザ、又は他のシステム等から設定されるものであっても良いし、データ処理部１０に予め設定されているものであっても良い。

ステップＳ４０２において、分割部１１は、処理対象となる対象エリアを地域メッシュのサイズの複数のメッシュに分割する。例えば、分割部１１は、図２Ａに示すように、対象エリア２００を、ステップＳ４０１で選定した地域メッシュのサイズの複数のメッシュ２０１に分割する。

ステップＳ４０３において、データ処理部１０の抽出部１２は、例えば、記憶部２０から、対象エリアの環境データ２２を取得する。なお、環境データ２２が、緯度、経度ではなく、相対座標を用いている場合、環境データ２２のいずれかの点の緯度、経度情報を予め取得しておき、例えば、環境データ２２内に記憶しておく。これにより、データ処理部１０は、環境データ２２の相対座標と、緯度、経度とを対応付けることができる。

ステップＳ４０４において、データ処理部１０は、複数のメッシュ２０１の各々に対して、ステップＳ４０５～Ｓ４０８の処理を実行する。

ステップＳ４０５において、データ処理部１０の抽出部１２は、複数のメッシュ２０１のうち、処理対象となるメッシュ２０１の高さ情報を、環境データ２２から抽出する。なお、環境データ２２が、例えば、ＣＡＤデータ１０１、建物データ１０２、及び点群データ１０３等のように複数ある場合、各データの優先度を予め定めておくと良い。この場合、抽出部１２は、優先度のより高いデータから高さ情報の取得を試行し、最初に取得できた高さ情報を抽出しても良い。

ステップＳ４０５において、データ処理部１０の作成部１３は、環境データ２２に、処理対象となるメッシュ２０１の高さ情報があるか否かを判断する。例えば、作成部１３は、抽出部１２が、環境データ２２から高さ情報を取得できた場合、高さ情報があると判断する。一方、作成部１３は、抽出部１２が、環境データ２２から高さ情報を取得できない場合、高さ情報がないと判断する。高さ情報がある場合、作成部１３は、処理をステップＳ４０７に移行させる。一方、高さ情報がない場合、作成部１３は、処理をステップＳ４０８に移行させる。

ステップＳ４０７に移行すると、作成部１３は、処理対象となるメッシュ２０１のメッシュデータに、抽出部１２が抽出した高さ情報を入力する。一方、ステップＳ４０８に移行すると、作成部１３は、処理対象となるメッシュ２０１のメッシュデータに、０を入力する。

データ処理部１０は、複数のメッシュ２０１の各々に対して、上記のステップＳ４０５～Ｓ４０８の処理を実行することにより、例えば、図２Ｂに示すようなメッシュデータ２１を作成することができる。

（データ処理２）
図５は、実施例２に係るデータ処理の例を示すフローチャートである。この処理は、データ処理部１０が、環境データ２２を用いて、メッシュデータ２１を作成するデータ処理の別の一例を示している。

図４で説明した処理では、データ処理部１０が、対象エリアを、例えば、図３に示すような地域メッシュに分割する場合の例について説明した。ただし、これに限られず、データ処理部１０は、例えば、環境データ２２（例えば、ＣＡＤデータ１０１等）の相対座標等に基づいて、対象エリアを所定のサイズの複数のメッシュに分割しても良い。

例えば、建物内等の屋内の電波伝搬シミュレーションを行う場合、緯度、経度情報は必要ない場合が多い。また、屋内の構造物は、例えば、建物の壁面、又は柱等に沿って配置されていることが多いため、環境データ２２の相対座標に基づいて、対象エリアを所定のサイズに分割した方が良い場合もある。

ここでは、データ処理部１０は、例えば、環境データ２２の相対座標等に基づいて、対象エリアを所定のサイズの複数のメッシュに分割する場合の処理の例について説明する。なお、図５に示す処理のうち、ステップＳ４０４～Ｓ４０８の処理は、図４で説明した処理と同様なので、ここでは、図４で説明した処理との相違点を中心に説明を行う。

ステップＳ５０１において、データ処理部１０の分割部１１は、例えば、記憶部２０から、対象エリアの環境データ２２を取得する。例えば、建物内のあるフロアで電波伝搬シミュレーションを行う場合、分割部１１は、当該フロアの環境データ２２を取得する。

ステップＳ５０２において、分割部１１は、対象エリアを所定のサイズの複数のメッシュに分割する。例えば、分割部１１は、取得した環境データ２２（例えば、ＣＡＤデータ１０１）の相対座標に基づいて、図２Ａに示すように、対象エリア２００を、所定のサイズの複数のメッシュ２０１に分割する。

ステップＳ４０４において、データ処理部１０は、複数のメッシュ２０１の各々に対して、ステップＳ４０５～Ｓ４０８の処理を実行する。これにより、データ処理部１０は、例えば、図２（Ｂ）に示すようなメッシュデータ２１を作成することができる。

（レイトレース処理）
図６は、実施例１に係るレイトレース処理の例を示すフローチャートである。なお、ここでは、屋内環境でレイトレースを行う場合の処理の例について説明する。また、レイトレースのアルゴリズムとして、一般的にイメージング法（Imaging method）と、レイローンチ法（Ray-launching method）が知られているが、ここではレイローンチ法による処理の例について説明する。レイローンチ法では、送信点から一定の角度ごとにレイを出射して、それぞれの出射レイに対して、壁面、又は壁面のエッジとの交差判定を行いながら幾何学的に軌跡を追跡することにより、受信点に到達するレイを求める。

ステップＳ６０１において、データ処理部１０は、例えば、図４、又は図５で説明したデータ処理により、環境データ２２からメッシュデータ２１を作成する。なお、データ処理部１０は、既にメッシュデータ２１を作成済である場合、ステップＳ６０１の処理を省略できる。また、データ処理部１０は、ステップＳ６０１の処理を、別のタイミング（例えば、夜間のバッチ処理等）で予め実行しておくものであっても良い。

ステップＳ６０２において、取得部３１は、記憶部２０等から、レイトレースを行う対象エリアのメッシュデータ２１を、ＧＰＵを用いて読み込む。

ステップＳ６０３において、単位ベクトル算出部３２は、取得部３１が取得したメッシュデータ２１を用いて、レイトレースを行う対象エリアにおける、天井面を除く各平面の単位ベクトル、及びエッジの単位ベクトルを算出する。

ステップＳ６０４において、第１のレイトレース部３３は、メッシュデータ２１に基づいて、電波を送信する送信点から電波を受信する受信点までの２次元のレイトレースを求める。例えば、第１のレイトレース部３３は、送信点から水平方向に２次元レイを出射して、最大透過回数Ｎ_Ｔ、最大反射回数Ｎ_Ｒ、及び最大回折回数Ｎ_Ｄの範囲内で、受信点まで到達する２次元レイをトレースする。これにより、例えば、天井、及び床面の反射を考慮しない２次元のレイトレースが得られる。

なお、最大透過回数Ｎ_Ｔ、最大反射回数Ｎ_Ｒ、及び最大回折回数Ｎ_Ｄは、例えば、インタフェース部４０等を利用して、レイトレースを開始する前に設定可能であっても良い。また、第１のレイトレース部３３は、最大反射回数Ｎ_Ｒ、及び最大回折回数Ｎ_Ｄの設定値が設定されていない場合、デフォルト値（例えば、Ｎ_Ｔ＝１、Ｎ_Ｒ＝１、Ｎ_Ｄ＝１等）を用いて、２次元のレイトレースを求めても良い。

ステップＳ６０５において、第２のレイトレース部３４は、ステップＳ６０４で、第１のレイトレース部３３が求めた２次元のレイトレースを、３次元のレイトレースに変換する。

図７は、実施例１に係る３次元のレイトレースについて説明するための図である。図７において、破線の矢印は、第１のレイトレース部３３が求めた２次元のレイトレース７１１の一例を示している。２次元のレイトレース７１１は、送信点から出射した２次元のレイが、構造物７０３ｂのエッジで回折した後に、構造物７０３ａの平面で反射して、受信点に到達する２次元のレイトレースである。

第１のレイトレース部３３が求める２次元のレイトレースには、これ以外にも、送信点から受信点に直接到達する２次元のレイトレース、及び他の構造物や建物の壁等で反射、回折、又は透過して受信点に到達する２次元のレイトレース等も含まれる。ここでは、説明用の一例として、反射回数１回、回折回数１回の２次元のレイトレース３１１を示している。

第２のレイトレース部３４は、例えば、図７に示した２次元のレイトレース７１１に、送信点７０１の高さｈ１、受信点７０２の高さｈ２、及び構造物７０３ａ、７０３ｂの高さ等を加えて、２次元のレイトレース７１１に対応する３次元のレイトレース７１２を求める。

例えば、第２のレイトレース部３４は、構造物７０３ａ等の平面と交差した３次元のレイを反射方向に再出射させる。このとき、第２のレイトレース部３４は、フェルマーの定理に基づいて、次の式（１）を満たす単位方向ベクトルｒ_Ｒ＾の反射レイを残し、例えば、他の反射レイを除外する。

なお、単位方向ベクトルｒ_Ｒ＾の記号は、図４に示すように、文字列「ｒ_Ｒ」のうえにハット記号（又はサーカムフレックス）を付加したものであるが、明細書の本文では、文字列にハット記号を付加できないため、「ｒ_Ｒ＾」と表記する。他の「ｒ_ｉｎ＾」、「ｎ＾」、及び式（２）の「ｌ＾」、「ｒ_Ｄ＾」等についても同様である。

式（１）において、ｒ_ｉｎ＾は、レイの入射方向を示す単位方向ベクトルであり、ｎ＾は、レイが交差した平面の単位ベクトル（法線ベクトル）を示す。このように、反射レイを出射する方向に制約を設けることにより、情報処理システム１は、３次元レイの計算量を削減することができる。

また、第２のレイトレース部３４は、構造物７０３ａのエッジと交差した３次元のレイを、回折方向に再出射させる。このとき、第２のレイトレース部３４は、フェルマーの定理に基づいて、次の式（２）を満たす単位方向ベクトルｒ_Ｄ＾の回折レイを残し、例えば、他の回折レイを除外する。

式（２）において、ｌ＾は、レイが交差したエッジの単位ベクトルであり、ｒ_ｉｎ＾は、レイの入射方向を示す単位方向ベクトルを示す。このように、回折レイを出射する方向に制約を設けることにより、情報処理システム１は、３次元レイの計算量を削減することができる。

なお、第２のレイトレース部３４は、図７に示した２次元のレイトレース７１１に、送信点７０１の高さｈ１、及び受信点７０２の高さｈ２を加えたことに伴い、例えば、床面による反射レイ、回折レイ等も求める。

ステップＳ６０６において、第２のレイトレース部３４は、ステップＳ６０５で求めた３次元のレイトレースに、天井面からの反射レイ、回折レイを追加する。例えば、第２のレイトレース部３４は、建物データ１０２（又はＣＡＤデータ１０１）等を参照して、建物の天井を表す平面を特定し、送信点７０１から、天井面で反射、又は回折して受信点７０２に届くレイを求める。

ステップＳ６０７において、電波強度算出部３５は、第２のレイトレース部３４が求めた全ての３次元のレイトレースを用いて、受信点における電波の強度（例えば、電界強度）を算出する。例えば、電波強度算出部３５は、環境データ２２から、構造物、及び建物内部の各面における電波の反射率、透過率等の情報を取得し、探索された全てのレイの反射係数、回折係数、及び透過係数を計算し、全てのレイの電界強度を加算して、総電界強度を算出する。なお、ステップＳ６１２の処理は、従来のレイトレースの手法を適用することができる。

以上、実施例１によれば、電波伝搬シミュレーションにおける計算量の増大を抑制し、電波伝搬シミュレーションを高速化する情報処理システム１を提供することができる。

［実施例２］
実施例２では、図６のステップＳ６０４において、２次元のレイトレースを３次元のレイトレースに変換するときに、第２のレイトレース部３４が実行する回折レイの算出処理の例について説明する。

図８は、実施例２に係る回折レイの算出処理の例を示すフローチャートである。

ステップＳ８０１において、第２のレイトレース部３４は、対象となるレイが回折レイであるか否かを判断し、回折レイである場合、ステップＳ８０２以降の処理を実行する。

ステップＳ８０２において、第２のレイトレース部３４は、送信点と受信点との間に見通しがあるか否かを判定する。例えば、第２のレイトレース部３４は、送信点から出射した電波（レイ）が、受信点に直接届く場合、送信点と受信点との間に見通しがあると判定する。

図９Ａ～図９Ｄは、実施例１に係る見通し判定の例について説明するための図である。第２のレイトレース部３４は、図６のステップＳ６０４で求めた水平面における２次元のレイトレースにおいて、例えば、図９Ａに示すように、送信点７０１と受信点７０２との間の経路９０１上に、構造物９０２があるか否かを判断する。ここで、送信点７０１と受信点７０２との間の経路９０１上に、構造物９０２がない場合、第２のレイトレース部３４は、送信点７０１と受信点７０２との間に見通しがあると判定する。

一方、送信点７０１と受信点７０２との間の経路９０１上に、構造物９０２がある場合、第２のレイトレース部３４は、例えば、図９Ｂ、図９Ｃに示すように、送信点７０１と受信点７０２とを通る垂直面で、見通し判定を行う。例えば、図９Ｂに示すように、送信点７０１と受信点７０２との間の経路９０１上に構造物９０２がある場合、第２のレイトレース部３４は、送信点７０１と受信点７０２との間に見通しがないと判定する。一方、図９Ｃに示すように、送信点７０１と受信点７０２との間の経路９０１上に構造物９０２がない場合、第２のレイトレース部３４は、送信点７０１と受信点７０２との間に見通しがあると判定する。なお、この場合、第２のレイトレース部３４は、３次元のレイトレースを求めるときに、床面による反射レイに代えて図９Ｄに示すように、構造物９０２の上面による反射レイ９０３を求める。

なお、上記の説明では、第２のレイトレース部３４が上記の見通し判定を行なうものとして説明したが、これに限られず、例えば、シミュレーション部３０は、上記の見通し判定を行う見通し判定部を有していても良い。

ここで、図８に戻り、フローチャートの説明を続ける。ステップＳ８０２において、送信点と受信点との間に見通しがある場合、第２のレイトレース部３４は、処理をステップＳ８０３に移行させる。一方、送信点と受信点との間に見通しがない場合、第２のレイトレース部３４は、処理をステップＳ８０４に移行させる。

ステップＳ８０３に移行すると、第２のレイトレース部３４は、例えば、図７で説明したように、構造物等のエッジを回折する回折レイを算出する。

一方、ステップＳ８０４に移行すると、第２のレイトレース部３４は、送信点と受信点との間にある構造物を金属平板に置き換える。

ステップＳ８０５において、第２のレイトレース部３４は、送信点と受信点との間に複数の構造物があるか否かを判断し、複数の構造物がない場合、処理をステップＳ８０６に移行させる。一方、送信点と受信点との間に複数の構造物がある場合、第２のレイトレース部３４は、処理をステップＳ８０７に移行させる。

ステップＳ８０６に移行すると、第２のレイトレース部３４は、送信点と受信点との間にある構造物と置き換えた金属平板をスクリーン回折する回折レイを算出する。

一方、ステップＳ８０７に移行すると、第２のレイトレース部３４は、Bullington modelを用いて、送信点と受信点との間にある複数の構造物を解析する回折レイを算出する。

図１０Ａ、図１０Ｂは、実施例２に係る見通しが無い場合の処理について説明するための図である。図１０Ａに示すように、送信点７０１と受信点７０２との間に１つの構造物１００１がある場合、第２のレイトレース部３４は、構造物１００１を図１０Ｂに示すように金属平板１００２に置き換える。また、第２のレイトレース部３４は、金属平板１００２の上、及び左右のスクリーン回折波を計算して、回折レイを求める。

図１１は、実施例２に係る複数の構造物がある場合の処理の例について説明するための図である。送信点７０１と受信点７０２との間に複数の構造物がある場合、第２のレイトレース部３４は、図１１に示すように、複数の構造物を、複数の金属平板１００２ａ、１００２ｂ、１００２ｃに置き換える。また、第２のレイトレース部３４は、Bullington modelを適用して、複数の金属平板１００２ａ、１００２ｂ、１００２ｃを回折する回折レイを求める。

例えば、第２のレイトレース部３４は、送信点７０１と金属平板１００２ｃの上端とを通る送信側見通し限界線１１０１と、受信点７０２と金属平板１００２ａの上端とを通る受信側見通し限界線１１０２との交点である仮想遮断点１１０３を求める。また、第２のレイトレース部３４は、仮想遮断点１１０３における仮想ナイフエッジ（バリントンエッジ）を回折する回折波を計算して、回折レイを求める。この方法により、第２のレイトレース部３４は、より少ない計算量で、複数の構造物を回折する回折レイを求めることができる。

上記の処理により、第２のレイトレース部３４は、送信点と受信点との間に見通しがない場合における回折レイの算出を高速化することができる。

［実施例３］
図１２は、実施例３に係るレイトレース処理の例を示すフローチャートである。なお、図１２に示す処理のうち、ステップＳ１２０１以外の処理は、図６で説明した実施例１に係るレイトレース処理と同様なので、ここでは、実施例１に係る処理との相違点を中心に説明する。

図６のステップＳ６０４では、第１のレイトレース部３３は、最大透過回数Ｎ_Ｔ、最大反射回数Ｎ_Ｒ、及び最大回折回数Ｎ_Ｄの範囲内で、送信点から受信点まで到達する２次元のレイトレースを求めていた。

一方、図１２のステップＳ１２０１において、第１のレイトレース部３３は、建物内にある構造物を介して送信点から受信点に至る経路を、送信点又は受信点から見通しがある構造物を介して送信点から受信点に至る経路に限定して、２次元のレイトレースを求める。

例えば、第１のレイトレース部３３は、建物内にある構造物のうち、送信点から見通しがある構造物（以下、Ｔｘ見通し構造物と呼ぶ）と、受信点から見通しがある構造物（以下、Ｒｘ見通し構造物と呼ぶ）を特定する。具体的な一例として、第１のレイトレース部３３は、環境データ２２に、ＬＩＤＡＲで取得した３次元の点群データ１０３がある場合、当該点群データ１０３を用いて、Ｔｘ見通し構造物、及びＲｘ見通し構造物を特定しても良い。また、別の一例として、第１のレイトレース部３３は、メッシュデータ２１、又は環境データ２２に含まれる３次元ＣＡＤデータ等を解析して、Ｔｘ見通し構造物、及びＲｘ見通し構造物を特定しても良い。

また、第１のレイトレース部３３は、建物内にある構造物を介して送信点から受信点に至る経路を、例えば、次の３つの経路に限定して、２次元のレイトレースを求める。
１）送信点からＴｘ見通し構造物を介して受信点に至る経路。
２）送信点からＴｘ見通し構造物とＲｘ見通し構造物を介して受信点に至る経路。
３）送信点からＲｘ見通し構造物を介して受信点に至る経路。

これにより、第１のレイトレース部３３は、受信点における電波の強度の推定に寄与する主要なレイを、より少ない計算量で、より高速に求めることができる。

なお、上記の３つの経路は一例であり、様々な変形、又は応用が可能である。例えば、Ｔｘ見通し構造物、及びＲｘ見通し構造物には、建物データ１０２に含まれる建物の壁、又は柱等が含まれていても良い。

以上、実施例３によれば、屋内等の構造物が多く存在する環境でレイトレースを行う際の計算量の増大を、さらに抑制する情報処理システムを提供することができる。

なお、上記の各実施例では、屋内でレイトレースを行う場合の例について説明したが、本実施形態に係るレイトレース方法は、例えば、床を大地に置き換えて、構造物が多く存在する屋外でレイトレースを行う際にも適用することができる。

＜ハードウェア構成例＞
本実施形態に係る情報処理システム１は、例えば、コンピュータに、本実施形態で説明する処理内容を記述したプログラムを実行させることにより実現することができる。

上記プログラムは、コンピュータが読み取り可能な記録媒体（可搬メモリ等）に記録して、保存したり、配布したりすることが可能である。また、上記プログラムをインターネットや電子メール等、ネットワークを通して提供することも可能である。

図１３は、コンピュータのハードウェア構成の例を示す図である。図１３のコンピュータ１３００は、それぞれバスＢで相互に接続されているドライブ装置１３０１、補助記憶装置１３０３、メモリ装置１３０４、ＣＰＵ１３０５、インタフェース装置１３０６、表示装置１３０７、入力装置１３０８、出力装置１３０９、及びＧＰＵ１３１０等を有する。

コンピュータ１３００での処理を実現するプログラムは、例えば、ＣＤ－ＲＯＭ又はメモリカード等の記録媒体１３０２によって提供される。プログラムを記憶した記録媒体１３０２がドライブ装置１３０１にセットされると、プログラムが記録媒体１３０２からドライブ装置１３０１を介して補助記憶装置１３０３にインストールされる。但し、プログラムのインストールは必ずしも記録媒体１３０２より行う必要はなく、ネットワークを介して他のコンピュータよりダウンロードするようにしても良い。補助記憶装置１３０３は、インストールされたプログラムを格納すると共に、必要なファイルやデータ等を格納する。

メモリ装置１３０４は、プログラムの起動指示があった場合に、補助記憶装置１３０３からプログラムを読み出して格納する。ＣＰＵ１３０５は、メモリ装置１３０４に格納されたプログラムに従って、本実施形態で説明した各部に係る機能を実現する。インタフェース装置１３０６は、ネットワークに接続するためのインタフェースとして用いられる。表示装置１３０７はプログラムによるＧＵＩ等を表示する。入力装置１３０８はキーボード及びマウス、ボタン、又はタッチパネル等で構成され、様々な操作指示を入力させるために用いられる。出力装置１３０９は演算結果を出力する。なお、情報処理システム１において、表示装置１３０７、入力装置１３０８のいずれか又は両方を備えないこととしても良い。ＧＰＵ１３１０は、主に画像処理（特に３Ｄグラフィックス処理）に関連する様々な処理を、ＣＰＵ１３０５より高速に実行するプロセッサである。

＜実施形態の効果＞
本実施形態に係る技術によれば、電波伝搬シミュレーションにおける計算量の増大を抑制し、電波伝搬シミュレーションを高速化する情報処理システムを提供することができる。

＜実施形態のまとめ＞
本明細書には、少なくとも下記各項の情報処理システム、伝搬環境シミュレーション方法、及びプログラムが開示されている。
（第１項）
対象エリアを所定のサイズの複数のメッシュに分割し、前記複数のメッシュの各々の高さ情報で前記対象エリアの環境を表すメッシュデータを取得する取得部と、
前記メッシュデータに基づいて、電波を送信する送信点から前記電波を受信する受信点までの２次元のレイトレースを求める第１のレイトレース部と、
前記メッシュデータと、前記送信点、及び前記受信点の高さ情報とに基づいて、前記２次元のレイトレースに対応する３次元のレイトレースを求める第２のレイトレース部と、
前記第２のレイトレース部が求めた１つ以上の前記３次元のレイトレースを用いて、前記受信点における前記電波の強度を算出する電波強度算出部と、
を有する、情報処理システム。
（第２項）
前記メッシュデータは、ＧＰＵで読込可能なデータ形式を有し、
前記取得部は、前記メッシュデータをＧＰＵで読み込む、第１項に記載の情報処理システム。
（第３項）
前記対象エリアを前記所定のサイズの複数のメッシュに分割する分割部と、
前記対象エリアにある物体の位置及び形状を表す環境データを用いて、前記複数のメッシュの各々の高さ情報を抽出する抽出部と、
前記複数のメッシュの各々の前記高さ情報を表す前記メッシュデータを作成する作成部と、
を有する、第１項又は第２項に記載の情報処理システム。
（第４項）
前記メッシュデータは、建物内にある構造物、及び天井を除く前記建物の内側を複数の平面で表し、
前記第１のレイトレース部は、前記メッシュデータに基づいて、前記建物内で電波を送信する前記送信点から前記建物内で前記電波を受信する前記受信点までの２次元のレイトレースを求め、
前記第２のレイトレース部は、
前記送信点、及び前記受信点の高さ情報と、前記メッシュデータとに基づいて、前記２次元のレイトレースに対応する３次元のレイトレースを求め、
前記建物のデータに基づいて、前記３次元のレイトレースに前記建物の天井面からの反射レイ、及び回折レイを追加する、
第１項乃至第３項のいずれか一項に記載の情報処理システム。
（第５項）
前記第１のレイトレース部は、構造物を介して前記送信点から前記受信点に至る経路を、前記送信点又は前記受信点から見通しがある構造物を介して前記送信点から前記受信点に至る経路に限定して、前記２次元のレイトレースを求める、第１項乃至第４項のいずれか一項に記載の情報処理システム。
（第６項）
前記第２のレイトレース部は、前記３次元のレイトレースにおいて、反射又は回折レイを求めるときに、レイローンチングの出射角を制約して、前記反射又は回折レイを求める、第１項乃至第５項のいずれか一項に記載の情報処理システム。
（第７項）
前記第２のレイトレース部は、前記３次元のレイトレースにおいて、回折レイを求めるときに、前記送信点と前記受信点との間の経路に見通しがない場合、前記送信点と前記受信点との間にある構造物を金属平板に置き換えて前記回折レイを求める、第１項乃至第６項のいずれか一項に記載の情報処理システム。
（第８項）
前記第２のレイトレース部は、前記送信点と前記受信点との間に複数の構造物がある場合、Bullington モデルを用いて、前記複数の構造物を回折する前記回折レイを求める、第７項に記載の情報処理システム。
（第９項）
情報処理システムが、
対象エリアを所定のサイズの複数のメッシュに分割し、前記複数のメッシュの各々の高さ情報で前記対象エリアの環境を表すメッシュデータを取得する取得処理と、
前記メッシュデータに基づいて、電波を送信する送信点から前記電波を受信する受信点までの２次元のレイトレースを求める第１のレイトレース処理と、
前記メッシュデータと、前記送信点、及び前記受信点の高さ情報とに基づいて、前記２次元のレイトレースに対応する３次元のレイトレースを求める第２のレイトレース処理と、
前記第２のレイトレース処理で求めた１つ以上の前記３次元のレイトレースを用いて、前記受信点における前記電波の強度を算出する電波強度算出処理と、
を実行する、電波伝搬シミュレーション方法。
（第１０項）
情報処理システムに、
対象エリアを所定のサイズの複数のメッシュに分割し、前記複数のメッシュの各々の高さ情報で前記対象エリアの環境を表すメッシュデータを取得する取得処理と、
前記メッシュデータに基づいて、電波を送信する送信点から前記電波を受信する受信点までの２次元のレイトレースを求める第１のレイトレース処理と、
前記メッシュデータと、前記送信点、及び前記受信点の高さ情報とに基づいて、前記２次元のレイトレースに対応する３次元のレイトレースを求める第２のレイトレース処理と、
前記第２のレイトレース処理で求めた１つ以上の前記３次元のレイトレースを用いて、前記受信点における前記電波の強度を算出する電波強度算出処理と、
を実行させる、プログラム。

以上、本実施形態について説明したが、本発明はかかる特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

１情報処理システム
１０データ処理部
１１分割部
１２抽出部
１３作成部
２１メッシュデータ
３１取得部
３３第１のレイトレース部
３４第２のレイトレース部
３５電波強度算出部
２２環境データ
３０シミュレーション部
１０１ＣＡＤデータ
１０２建物データ
１０３点群データ
１３０１ドライブ装置
１３０２記録媒体
１３０３補助記憶装置
１３０４メモリ装置
１３０５ＣＰＵ
１３０６インタフェース装置
１３０７表示装置
１３０８入力装置
１３０９出力装置
１３１０ＧＰＵ

Claims

対象エリアを所定のサイズの複数のメッシュに分割し、前記複数のメッシュの各々の高さ情報で前記対象エリアの環境を表すメッシュデータを取得する取得部と、
前記メッシュデータに基づいて、電波を送信する送信点から前記電波を受信する受信点までの２次元のレイトレースを求める第１のレイトレース部と、
前記メッシュデータと、前記送信点、及び前記受信点の高さ情報とに基づいて、前記２次元のレイトレースに対応する３次元のレイトレースを求める第２のレイトレース部と、
前記第２のレイトレース部が求めた１つ以上の前記３次元のレイトレースを用いて、前記受信点における前記電波の強度を算出する電波強度算出部と、
を有する、情報処理システム。
前記メッシュデータは、ＧＰＵで読込可能なデータ形式を有し、
前記取得部は、前記メッシュデータをＧＰＵで読み込む、請求項１に記載の情報処理システム。
前記対象エリアを前記所定のサイズの複数のメッシュに分割する分割部と、
前記対象エリアにある物体の位置及び形状を表す環境データを用いて、前記複数のメッシュの各々の高さ情報を抽出する抽出部と、
前記複数のメッシュの各々の前記高さ情報を表す前記メッシュデータを作成する作成部と、
を有する、請求項１又は２に記載の情報処理システム。
前記メッシュデータは、建物内にある構造物、及び天井を除く前記建物の内側を複数の平面で表し、
前記第１のレイトレース部は、前記メッシュデータに基づいて、前記建物内で電波を送信する前記送信点から前記建物内で前記電波を受信する前記受信点までの２次元のレイトレースを求め、
前記第２のレイトレース部は、
前記送信点、及び前記受信点の高さ情報と、前記メッシュデータとに基づいて、前記２次元のレイトレースに対応する３次元のレイトレースを求め、
前記建物のデータに基づいて、前記３次元のレイトレースに前記建物の天井面からの反射レイ、及び回折レイを追加する、
請求項１乃至３のいずれか一項に記載の情報処理システム。
前記第１のレイトレース部は、構造物を介して前記送信点から前記受信点に至る経路を、前記送信点又は前記受信点から見通しがある構造物を介して前記送信点から前記受信点に至る経路に限定して、前記２次元のレイトレースを求める、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の情報処理システム。
前記第２のレイトレース部は、前記３次元のレイトレースにおいて、反射又は回折レイを求めるときに、レイローンチングの出射角を制約して、前記反射又は回折レイを求める、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の情報処理システム。
前記第２のレイトレース部は、前記３次元のレイトレースにおいて、回折レイを求めるときに、前記送信点と前記受信点との間の経路に見通しがない場合、前記送信点と前記受信点との間にある構造物を金属平板に置き換えて前記回折レイを求める、請求項１乃至６のいずれか一項に記載の情報処理システム。
前記第２のレイトレース部は、前記送信点と前記受信点との間に複数の構造物がある場合、Bullington モデルを用いて、前記複数の構造物を回折する前記回折レイを求める、請求項７に記載の情報処理システム。
情報処理システムが、
対象エリアを所定のサイズの複数のメッシュに分割し、前記複数のメッシュの各々の高さ情報で前記対象エリアの環境を表すメッシュデータを取得する取得処理と、
前記メッシュデータに基づいて、電波を送信する送信点から前記電波を受信する受信点までの２次元のレイトレースを求める第１のレイトレース処理と、
前記メッシュデータと、前記送信点、及び前記受信点の高さ情報とに基づいて、前記２次元のレイトレースに対応する３次元のレイトレースを求める第２のレイトレース処理と、
前記第２のレイトレース処理で求めた１つ以上の前記３次元のレイトレースを用いて、前記受信点における前記電波の強度を算出する電波強度算出処理と、
を実行する、電波伝搬シミュレーション方法。
情報処理システムに、
対象エリアを所定のサイズの複数のメッシュに分割し、前記複数のメッシュの各々の高さ情報で前記対象エリアの環境を表すメッシュデータを取得する取得処理と、
前記メッシュデータに基づいて、電波を送信する送信点から前記電波を受信する受信点までの２次元のレイトレースを求める第１のレイトレース処理と、
前記メッシュデータと、前記送信点、及び前記受信点の高さ情報とに基づいて、前記２次元のレイトレースに対応する３次元のレイトレースを求める第２のレイトレース処理と、
前記第２のレイトレース処理で求めた１つ以上の前記３次元のレイトレースを用いて、前記受信点における前記電波の強度を算出する電波強度算出処理と、
を実行させる、プログラム。