特開 2024-101349 推定装置及び推定方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024101349

(43)【公開日】2024-07-29

(54)【発明の名称】推定装置及び推定方法

(51)【国際特許分類】

   G01S 3/48 20060101AFI20240722BHJP

   G01S 7/02 20060101ALI20240722BHJP

   H01Q 21/06 20060101ALI20240722BHJP

   G01S 5/04 20060101ALN20240722BHJP

【ＦＩ】

G01S3/48

G01S7/02 218

H01Q21/06

G01S5/04

【審査請求】有

【請求項の数】2

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023005294

(22)【出願日】2023-01-17

(71)【出願人】

【識別番号】000000572

【氏名又は名称】アンリツ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110003694

【氏名又は名称】弁理士法人有我国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】満井 勉

(72)【発明者】

【氏名】菅沼 碩文

【テーマコード（参考）】

5J021

5J062

5J070

【Ｆターム（参考）】

5J021AA05

5J021GA04

5J021JA10

5J062AA08

5J062CC14

5J062GG02

5J070AA02

5J070AC13

5J070AE20

5J070AF01

5J070AH34

5J070AK14

(57)【要約】

【課題】マップを使用した事前計算を行うことなく、基地局アンテナから送信されるビームのビーム方向及びビーム幅を推定することができる推定装置及び推定方法を提供する。
【解決手段】推定装置１は、複数のアンテナ素子Ｒｘ１～ＲｘＮを有し、基地局アンテナＴｘから送信された送信信号の複数のビームを測定エリア内の複数の測定点で受信信号として受信するアンテナ装置１０と、アンテナ装置１０が配置された各測定点の位置及び方位を取得する位置方位取得装置１３と、各測定点に配置されたアンテナ装置１０により受信された受信信号のデータと、位置方位取得装置１３より取得された各測定点の位置及び方位のデータとを記録するデータ収録装置１４と、データ収録装置１４に記録された受信信号のデータ並びに各測定点の位置及び方位のデータから各ビームのビーム方向及びビーム幅を推定する信号処理装置２０と、を備える。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

複数のアンテナ素子（Ｒｘ１～ＲｘＮ）を有し、基地局アンテナ（Ｔｘ）から送信された送信信号の複数のビームを測定エリア（ＭＡ）内の複数の測定点（３０）で前記複数のアンテナ素子により受信信号として受信するアンテナ装置（１０）と、
前記アンテナ装置が配置された各前記測定点の位置及び方位を取得する位置方位取得装置（１３）と、
各前記測定点に配置された前記アンテナ装置により受信された前記受信信号のデータと、前記位置方位取得装置より取得された各前記測定点の位置及び方位のデータと、を記録するデータ収録装置（１４）と、
前記データ収録装置に記録された前記受信信号のデータ並びに各前記測定点の位置及び方位のデータから、各前記ビームのビーム方向及びビーム幅を推定する信号処理装置（２０）と、を備え、
前記信号処理装置は、
前記受信信号に含まれる参照信号を抽出する参照信号抽出部（２２）と、
前記送信信号に含まれる既知の参照信号と、前記参照信号抽出部により前記受信信号から抽出された前記参照信号とから、各前記ビームのチャネル応答を生成するチャネル応答生成部（２３）と、
前記チャネル応答生成部により生成された各前記ビームのチャネル応答に基づいて、各前記ビームの最も電力レベルが高い到来方向を前記測定点ごとに推定する到来方向推定部（２４）と、
前記到来方向推定部により推定された前記到来方向を用いて、前記基地局アンテナの位置を推定する基地局位置推定部（２５）と、
各前記測定点における前記複数のアンテナ素子の受信電力を算出する受信電力算出部（２６）と、
各前記測定点の位置と、前記基地局位置推定部により推定された前記基地局アンテナの位置と、前記受信電力算出部により算出された受信電力に基づいて、前記測定エリアにおける各前記ビームの電力分布の最大値の位置である最大値位置と、前記最大値から３ｄＢ低い位置であるビーム境界と、を算出する電力分布計算部（２７）と、
前記基地局位置推定部により推定された前記基地局アンテナの位置と、前記電力分布計算部により算出された各前記ビームの前記最大値位置に基づいて、各前記ビームのビーム方向を推定するビーム方向推定部（２８）と、
前記電力分布計算部により算出された各前記ビームの前記ビーム境界に基づいて、前記ビームのビーム幅を推定するビーム幅推定部（２９）と、を含むことを特徴とする推定装置。

【請求項2】

複数のアンテナ素子（Ｒｘ１～ＲｘＮ）を有し、基地局アンテナ（Ｔｘ）から送信された送信信号の複数のビームを測定エリア（ＭＡ）内の複数の測定点（３０）で前記複数のアンテナ素子により受信信号として受信するアンテナ装置（１０）と、
前記アンテナ装置が配置された各前記測定点の位置及び方位を取得する位置方位取得装置（１３）と、
各前記測定点に配置された前記アンテナ装置により受信された前記受信信号のデータと、前記位置方位取得装置より取得された各前記測定点の位置及び方位のデータと、を記録するデータ収録装置（１４）と、
前記データ収録装置に記録された前記受信信号のデータ並びに各前記測定点の位置及び方位のデータから、各前記ビームのビーム方向及びビーム幅を推定する信号処理装置（２０）と、を備える推定装置（１）を用いる推定方法であって、
前記受信信号に含まれる参照信号を抽出する参照信号抽出ステップ（Ｓ５）と、
前記送信信号に含まれる既知の参照信号と、前記参照信号抽出ステップにより前記受信信号から抽出された前記参照信号とから、各前記ビームのチャネル応答を生成するチャネル応答生成ステップ（Ｓ６）と、
前記チャネル応答生成ステップにより生成された各前記ビームのチャネル応答に基づいて、各前記ビームの最も電力レベルが高い到来方向を前記測定点ごとに推定する到来方向推定ステップ（Ｓ９）と、
前記到来方向推定ステップにより推定された前記到来方向を用いて、前記基地局アンテナの位置を推定する基地局位置推定ステップ（Ｓ１０）と、
各前記測定点における前記複数のアンテナ素子の受信電力を算出する受信電力算出ステップ（Ｓ１１）と、
各前記測定点の位置と、前記基地局位置推定ステップにより推定された前記基地局アンテナの位置と、前記受信電力算出ステップにより算出された受信電力に基づいて、前記測定エリアにおける各前記ビームの電力分布の最大値の位置である最大値位置と、前記最大値から３ｄＢ低い位置であるビーム境界と、を算出する電力分布計算ステップ（Ｓ１２）と、
前記基地局位置推定ステップにより推定された前記基地局アンテナの位置と、前記電力分布計算ステップにより算出された各前記ビームの前記最大値位置に基づいて、各前記ビームのビーム方向を推定するビーム方向推定ステップ（Ｓ１３）と、
前記電力分布計算ステップにより算出された各前記ビームの前記ビーム境界に基づいて、前記ビームのビーム幅を推定するビーム幅推定ステップ（Ｓ１４）と、を含むことを特徴とする推定方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、基地局から送信される電波のビーム形状を推定する推定装置及び推定方法に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、移動体通信システムとして第５世代移動通信システムが運用され、対応する携帯端末も増えている。その中で超高速通信を実現可能な周波数が高いミリ波も用いられている。ミリ波の電波は直進性が強く、遮蔽に弱く、距離減衰が大きいという特徴がある。そのため、携帯端末で通信可能な十分な電力が得られるように、基地局が形成するアンテナビームは、ビーム幅の狭い複数のビームからなる複雑なものとなっている。そして、アンテナビームのビーム方向やビーム幅などのビーム形状の情報は、基地局によって異なることや秘匿性確保のために開示されていない。しかしながら、基地局新設時には、既存システムへの干渉等を回避するために、周辺に存在する基地局のアンテナビームの情報が必要となる。

【0003】

また、ミリ波よりも周波数の低い電波を用いるシステムでは、建物の影であっても電波の回析によって通信可能となるが、ミリ波では直進性が高いために建物で遮られてしまうと通信可能なエリアが限定されてしまう。このため、通信可能エリアの拡大を図る目的で、反射板等を設置する技術も開発されている。反射板の設置位置の算出には、既存の基地局アンテナのビーム方向やビーム幅などのパラメータを把握する必要がある。

【0004】

アンテナビームのパラメータを推定する方法としては、電波マップを構築し、観測データが見通しか非見通しかをフレネルゾーンと高さマップを用いて判定して見通しでの測定データを選定し、加重平均を行うことで推定する方法（例えば、非特許文献１参照）が知られている。また、他の推定方法として、フィールドに無線センサを配置して測定した受信電力分布と、計算により求めた推定電力分布との相関係数を用いる方法（例えば、非特許文献２参照）も知られている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【非特許文献1】松尾祥吾，中條宏郁，宮本直，藤井威生，若藤健司"電波マップとマルチビームアンテナモデルに基づいたミリ波ビームパターン推定手法の検討，"信学技報RCS2022-120(2022-08)

【非特許文献2】國澤良雄，松野宏己，林高弘，天野良晃，"ダイナミック周波数共用のための指向性アンテナの指向方向推定に関する一検討，"電子情報通信学会総合大会2020, B-17-4, March 2020

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

しかしながら、非特許文献１，２に開示された従来の方法は、推定するエリアごとに３Ｄマップ等を用いた事前計算を必要とする。事前計算に必要とされる３Ｄマップ等は随時更新されていればよいが、フィールドでの測定時とは異なる場合が想定され、大きな誤差を生じる可能性がある。

【0007】

本発明は、このような従来の課題を解決するためになされたものであって、マップを使用した事前計算を行うことなく、基地局アンテナから送信されるビームのビーム方向及びビーム幅を推定することができる推定装置及び推定方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

上記課題を解決するために、本発明に係る推定装置は、複数のアンテナ素子を有し、基地局アンテナから送信された送信信号の複数のビームを測定エリア内の複数の測定点で前記複数のアンテナ素子により受信信号として受信するアンテナ装置と、前記アンテナ装置が配置された各前記測定点の位置及び方位を取得する位置方位取得装置と、各前記測定点に配置された前記アンテナ装置により受信された前記受信信号のデータと、前記位置方位取得装置より取得された各前記測定点の位置及び方位のデータと、を記録するデータ収録装置と、前記データ収録装置に記録された前記受信信号のデータ並びに各前記測定点の位置及び方位のデータから、各前記ビームのビーム方向及びビーム幅を推定する信号処理装置と、を備え、前記信号処理装置は、前記受信信号に含まれる参照信号を抽出する参照信号抽出部と、前記送信信号に含まれる既知の参照信号と、前記参照信号抽出部により前記受信信号から抽出された前記参照信号とから、各前記ビームのチャネル応答を生成するチャネル応答生成部と、前記チャネル応答生成部により生成された各前記ビームのチャネル応答に基づいて、各前記ビームの最も電力レベルが高い到来方向を前記測定点ごとに推定する到来方向推定部と、前記到来方向推定部により推定された前記到来方向を用いて、前記基地局アンテナの位置を推定する基地局位置推定部と、各前記測定点における前記複数のアンテナ素子の受信電力を算出する受信電力算出部と、各前記測定点の位置と、前記基地局位置推定部により推定された前記基地局アンテナの位置と、前記受信電力算出部により算出された受信電力に基づいて、前記測定エリアにおける各前記ビームの電力分布の最大値の位置である最大値位置と、前記最大値から３ｄＢ低い位置であるビーム境界と、を算出する電力分布計算部と、前記基地局位置推定部により推定された前記基地局アンテナの位置と、前記電力分布計算部により算出された各前記ビームの前記最大値位置に基づいて、各前記ビームのビーム方向を推定するビーム方向推定部と、前記電力分布計算部により算出された各前記ビームの前記ビーム境界に基づいて、前記ビームのビーム幅を推定するビーム幅推定部と、を含む構成である。

【0009】

この構成により、本発明に係る推定装置は、基地局アンテナからの送信信号の直接波の到来方向を推定できるため、マップを使用した事前計算を行うことなく、基地局アンテナから送信されるビームのビーム方向及びビーム幅を推定することができる。

【0010】

また、本発明に係る推定方法は、複数のアンテナ素子を有し、基地局アンテナから送信された送信信号の複数のビームを測定エリア内の複数の測定点で前記複数のアンテナ素子により受信信号として受信するアンテナ装置と、前記アンテナ装置が配置された各前記測定点の位置及び方位を取得する位置方位取得装置と、各前記測定点に配置された前記アンテナ装置により受信された前記受信信号のデータと、前記位置方位取得装置より取得された各前記測定点の位置及び方位のデータと、を記録するデータ収録装置と、前記データ収録装置に記録された前記受信信号のデータ並びに各前記測定点の位置及び方位のデータから、各前記ビームのビーム方向及びビーム幅を推定する信号処理装置と、を備える推定装置を用いる推定方法であって、前記受信信号に含まれる参照信号を抽出する参照信号抽出ステップと、前記送信信号に含まれる既知の参照信号と、前記参照信号抽出ステップにより前記受信信号から抽出された前記参照信号とから、各前記ビームのチャネル応答を生成するチャネル応答生成ステップと、前記チャネル応答生成ステップにより生成された各前記ビームのチャネル応答に基づいて、各前記ビームの最も電力レベルが高い到来方向を前記測定点ごとに推定する到来方向推定ステップと、前記到来方向推定ステップにより推定された前記到来方向を用いて、前記基地局アンテナの位置を推定する基地局位置推定ステップと、各前記測定点における前記複数のアンテナ素子の受信電力を算出する受信電力算出ステップと、各前記測定点の位置と、前記基地局位置推定ステップにより推定された前記基地局アンテナの位置と、前記受信電力算出ステップにより算出された受信電力に基づいて、前記測定エリアにおける各前記ビームの電力分布の最大値の位置である最大値位置と、前記最大値から３ｄＢ低い位置であるビーム境界と、を算出する電力分布計算ステップと、前記基地局位置推定ステップにより推定された前記基地局アンテナの位置と、前記電力分布計算ステップにより算出された各前記ビームの前記最大値位置に基づいて、各前記ビームのビーム方向を推定するビーム方向推定ステップと、前記電力分布計算ステップにより算出された各前記ビームの前記ビーム境界に基づいて、前記ビームのビーム幅を推定するビーム幅推定ステップと、を含む構成である。

【発明の効果】

【0011】

本発明は、マップを使用した事前計算を行うことなく、基地局アンテナから送信されるビームのビーム方向及びビーム幅を推定することができる推定装置及び推定方法を提供するものである。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】本発明の実施形態に係る推定装置の構成を示す図である。

【図2】（ａ）は本発明の実施形態に係る推定装置におけるアンテナ装置及び位置方位取得装置が一体の装置として構成される例を示しており、（ｂ）は本発明の実施形態に係る推定装置におけるアンテナ装置、位置方位取得装置、及びデータ収録装置が一体の装置として構成される例を示している。

【図3】アンテナ装置の構成を示す概略図であり、（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は平面図である。

【図4】基地局アンテナと複数の測定点の位置関係の例を示す図である。

【図5】本発明の実施形態に係る推定装置における信号処理装置の構成を示すブロック図である。

【図6】信号処理装置による基地局アンテナの位置の推定方法を説明するための図である。

【図7】（ａ）は基地局アンテナから送信されたビームの電力分布の最大値の位置と最大値から－３ｄＢの位置を示すグラフであり、（ｂ）は送信信号のビームの仰俯角θを示すグラフである。

【図8】基地局アンテナから送信されたビームのフィッティング例を示すグラフである。

【図9】（ａ）は送信信号のビームの水平ビーム幅を説明するためのグラフであり、（ｂ）及び（ｃ）は送信信号のビームの垂直ビーム幅を説明するためのグラフである。

【図10】レイトレースシミュレーションによるビームのパラメータと、本発明の実施形態に係る推定装置によるビームのパラメータの推定結果との誤差を示すグラフである。

【図11】本発明の実施形態に係る推定装置を用いる推定方法の処理を説明するためのフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0013】

以下、本発明に係る推定装置及び推定方法の実施形態について、図面を用いて説明する。

【0014】

図１に示すように、本実施形態の推定装置１は、アンテナ装置１０と、位置方位取得装置１３と、データ収録装置１４と、信号処理装置２０と、表示装置４０と、操作装置４１と、を備える。各装置は、互いに無線通信又は有線通信で接続される。

【0015】

図２（ａ）は、アンテナ装置１０と位置方位取得装置１３とがドローン等に積載可能な一体の装置として構成され、アンテナ装置１０及び位置方位取得装置１３がデータ収録装置１４にそれぞれ無線通信で接続され、データ収録装置１４と信号処理装置２０とが有線通信で接続される構成を示している。データ収録装置１４と信号処理装置２０とは、クラウドサーバ内に構成されてもよい。

【0016】

図２（ｂ）は、アンテナ装置１０と位置方位取得装置１３とデータ収録装置１４とがドローン等に積載可能な一体の装置として構成され、アンテナ装置１０及び位置方位取得装置１３がデータ収録装置１４にそれぞれ有線通信で接続され、データ収録装置１４と信号処理装置２０とが無線通信で接続される構成を示している。信号処理装置２０は、クラウドサーバ内に構成されてもよい。

【0017】

アンテナ装置１０は、基地局１００の基地局アンテナＴｘから送信された送信信号の複数のビームを、測定エリアＭＡ内の複数の測定点３０（図４参照）で受信するものである。アンテナ装置１０は、基地局アンテナＴｘから送信された送信信号を受信信号として受信する複数Ｎのアンテナ素子Ｒｘ１～ＲｘＮと、複数Ｎのアンテナ素子Ｒｘ１～ＲｘＮと同数の受信部１１－１～１１－Ｎを有する受信機１１と、を有する。各アンテナ素子Ｒｘ１～ＲｘＮは、例えば、マイクロストリップアンテナなどの平面アンテナである。

【0018】

各受信部１１－１～１１－Ｎは、対応するアンテナ素子Ｒｘ１～ＲｘＮにより受信された受信信号（無線信号）に、増幅、周波数変換、アナログ－デジタル変換などの受信処理を行うようになっている。なお、受信部１１－１～１１－Ｎの数は、アンテナ素子Ｒｘ１～ＲｘＮの数より少なくてもよく、その場合には、スイッチなどでアンテナ素子Ｒｘ１～ＲｘＮを切り替えて各受信部１１－１～１１－Ｎに接続できる構成であればよい。

【0019】

図３（ａ）及び（ｂ）は、アンテナ装置１０の構成例を示す概略図である。図３（ａ）及び（ｂ）の例では、Ｎ＝８であり、四角柱状の柱１２の４つの側面において、高さｈ１に４つのアンテナ素子Ｒｘ１～Ｒｘ４、高さｈ２に４つのアンテナ素子Ｒｘ５～Ｒｘ８が設けられている。

【0020】

図３（ａ）に示されているように、４つのアンテナ素子Ｒｘ１～Ｒｘ４の組と４つのアンテナ素子Ｒｘ５～Ｒｘ８の組とは、高さ方向に０．５λ離れるように配置される。また、図３（ｂ）に示されているように、４つのアンテナ素子Ｒｘ１～Ｒｘ４は、隣り合うアンテナ素子の中心位置が水平方向に互いに０．５λ離れるように配置される。４つのアンテナ素子Ｒｘ５～Ｒｘ８も同様に、隣り合うアンテナ素子の中心位置が水平方向に０．５λ離れるように配置される。ここで、λは基地局アンテナＴｘから送信されるミリ波のビームの波長である。

【0021】

図４は、基地局アンテナＴｘと複数の測定点３０の位置関係の例を示している。図中の黒丸は基地局アンテナＴｘの位置を示しており、白四角は各測定点３０の位置を示している。例えば、基地局アンテナＴｘから送信されるビームがミリ波である場合には、複数の測定点３０は、通信エリアであると想定される１００ｍ×１００ｍの範囲に設けられればよい。アンテナ装置１０は、例えば、４つのアンテナ素子Ｒｘ１～Ｒｘ４の組の中心位置と、４つのアンテナ素子Ｒｘ５～Ｒｘ８の組の中心位置との中間の位置が各測定点３０に一致するように配置される。

【0022】

位置方位取得装置１３は、アンテナ装置１０が配置された各測定点３０の位置及び方位を取得する装置である。位置方位取得装置１３は、例えば、２つのＧＰＳ（Global Positioning System）アンテナの相対的な位置関係から測定点３０の方位を取得するとともに、測定点３０の位置を取得するＧＰＳコンパスによって構成される。位置方位取得装置１３は、複数の測定点３０の位置及び方位を取得することが可能であれば、ＧＰＳコンパスに限定されず、電子コンパス、ジャイロコンパス、又は量子センサなどであってもよい。

【0023】

データ収録装置１４は、各測定点３０に配置されたアンテナ装置１０により受信処理された受信信号のデータと、位置方位取得装置１３より取得された各測定点３０の位置及び方位のデータと、を記録するストレージを備えた装置である。

【0024】

信号処理装置２０は、データ収録装置１４に記録された上記のデータ（受信信号のデータと、各測定点３０の位置及び方位のデータ）から、基地局アンテナＴｘから送信された送信信号のビームのビーム方向及びビーム幅を推定する装置である。

【0025】

図５に示すように、信号処理装置２０は、信号同期部２１と、参照信号抽出部２２と、チャネル応答生成部２３と、到来方向推定部２４と、基地局位置推定部２５と、受信電力算出部２６と、電力分布計算部２７と、ビーム方向推定部２８と、ビーム幅推定部２９と、を含む。

【0026】

信号同期部２１は、アンテナ装置１０により受信処理された受信信号に含まれる同期信号と、対応する既知の同期信号とを用いて、時間領域同期（シンボルやスロットなどのタイミング同期）と、周波数領域同期（キャリア周波数オフセットの補償）のどちらか少なくとも一方を、アンテナ装置１０により受信処理された受信信号に対して行うようになっている。例えば、５Ｇ ＮＲ（New Radio）規格であれば、ＳＳ／ＰＢＣＨブロック（Synchronization Signal / Physical Broadcast Channel Block：ＳＳＢ）に含まれるプライマリ同期信号（Primary Synchronization Signal：ＰＳＳ）及びセカンダリ同期信号（Secondary Synchronization Signal：ＳＳＳ）のどちらか少なくとも一方が同期信号として信号同期部２１に用いられる。

【0027】

また、信号同期部２１は、受信信号のＳＳＢに含まれているＰＢＣＨに基づいて、ＳＳＢを識別するためのＳＳＢインデックスを取得する。ＳＳＢインデックスは、基地局アンテナＴｘから放射されるビームと一対一で対応しているため、信号同期部２１は、受信信号が基地局アンテナＴｘから放射されたどのビームに対応するものであるかを特定することができる。

【0028】

参照信号抽出部２２は、信号同期部２１により同期された受信信号に含まれる参照信号を抽出するようになっている。例えば、５Ｇ ＮＲ規格であれば、ＣＳＩ－ＲＳ（Channel State Information Reference Signal）、ＤＭ－ＲＳ（Demodulation Reference Signal）、ＴＲＳ（Tracking Reference Signal）、ＰＴ－ＲＳ（Phase Tracking Reference Signal）などの参照信号が参照信号抽出部２２により抽出される。

【0029】

チャネル応答生成部２３は、基地局アンテナＴｘから送信された送信信号に含まれる既知の参照信号と、参照信号抽出部２２により受信信号から抽出された参照信号とから、基地局アンテナＴｘから放射されるビームごとのチャネル応答を測定点３０ごとに生成するようになっている。チャネル応答は、受信信号から抽出された参照信号の既知の参照信号に対する振幅変動量及び位相変動量の情報を含んでいる。例えば、５Ｇ ＮＲ規格であれば、参照信号抽出部２２により受信信号から抽出されたＣＳＩ－ＲＳ、ＤＭ－ＲＳ、ＴＲＳ、及びＰＴ－ＲＳなどの参照信号と、対応する既知の参照信号とが、チャネル応答生成部２３によるチャネル応答の生成に用いられる。

【0030】

到来方向推定部２４は、チャネル応答生成部２３により生成された各測定点３０における各ビームのチャネル応答に基づいて、基地局アンテナＴｘからの送信信号の各ビームの到来方向特性を測定点３０ごとに算出し、算出された各ビームの到来方向特性において最も電力レベルが高い到来方向を測定点３０ごとに推定するようになっている。すなわち、到来方向推定部２４は、基地局アンテナＴｘからの送信信号の直接波の到来方向を推定するものである。例えば、到来方向推定部２４は、周知のビームフォーマ、ＭＵＳＩＣ（Multiple Signal Classification）法、又はＦＩＳＴＡ（Fast Iterative Shrinkage-Thresholding Algorithm）などのアルゴリズムを使用して到来方向推定を行うものであればよい。

【0031】

具体的には、到来方向推定部２４は、基地局アンテナＴｘからの送信信号の各ビームの到来方向の方位角依存性を、４つのアンテナ素子Ｒｘ１～Ｒｘ４の組又は４つのアンテナ素子Ｒｘ５～Ｒｘ８の組を用いて測定点３０ごとに算出し、算出された方位角依存性において最も高い電力レベルを示す方位角を測定点３０ごとに推定するようになっている。

【0032】

また、到来方向推定部２４は、基地局アンテナＴｘからの送信信号の各ビームの到来方向の仰俯角依存性を４つのアンテナ素子Ｒｘ１～Ｒｘ４の組を用いて測定点３０ごとに算出し、算出された仰俯角依存性において最も高い電力レベルを示す仰俯角を測定点３０ごとに推定するようになっている。同様に、到来方向推定部２４は、基地局アンテナＴｘからの送信信号の各ビームの到来方向の仰俯角依存性を４つのアンテナ素子Ｒｘ５～Ｒｘ８の組を用いて測定点３０ごとに算出し、算出された仰俯角依存性において最も高い電力レベルを示す仰俯角を測定点３０ごとに推定するようになっている。

【0033】

基地局位置推定部２５は、到来方向推定部２４により推定されたビームごとの各測定点３０における到来方向を用いて、基地局アンテナＴｘの位置を推定するようになっている。なお、基地局位置推定部２５は、基地局アンテナＴｘの位置を推定する際に、全ての測定点３０で得られた到来方向を用いてもよく、あるいは、一部の測定点３０で得られた到来方向を用いてもよい。

【0034】

図６は、基地局位置推定部２５による水平面（複数の測定点３０が配置されるｘｙ平面）内の基地局アンテナＴｘの位置の推定方法を説明するための図であり、到来方向推定部２４により圧縮センシングの１つであるＦＩＳＴＡを用いて推定された到来方向の一部が示されている。

【0035】

図６に示すように、基地局位置推定部２５は、例えば３つの測定点３０ａ，３０ｂ，３０ｃにおける到来方向の方位角φａ，φｂ，φｃによってそれぞれ規定されるｘｙ平面内の直線（図６中の矢印）の交点の位置を基地局アンテナＴｘのｘｙ平面内の位置と推定する。各測定点３０における到来方向の直線が一点に交わらない場合には、基地局位置推定部２５は、それらの交点で形成される多角形の重心を基地局アンテナＴｘのｘｙ平面内の位置と推定する。

【0036】

基地局位置推定部２５によるｘｙ平面内の基地局位置の推定結果は、アンテナ装置１０において同一の高さｈ１に配置された４つのアンテナ素子Ｒｘ１～Ｒｘ４の組、又は、アンテナ装置１０において同一の高さｈ２に配置された４つのアンテナ素子Ｒｘ５～Ｒｘ８の組から得られる。

【0037】

また、基地局位置推定部２５は、高さ方向をｚ軸方向とするとき、測定点３０を含む垂直面（ｘｙ平面に垂直な面）内の基地局位置、すなわち、基地局アンテナＴｘの高さを推定することもできる。基地局位置推定部２５による基地局アンテナＴｘの高さの推定結果は、例えば、４つのアンテナ素子Ｒｘ１～Ｒｘ４の組から得られた到来方向の仰俯角と、４つのアンテナ素子Ｒｘ５～Ｒｘ８の組から得られた到来方向の仰俯角とを用いて、ｘｙ平面内の基地局位置の推定方法と同様に交点の位置を求めることで得られる。アンテナ装置１０において、４つのアンテナ素子Ｒｘ１～Ｒｘ４の組と４つのアンテナ素子Ｒｘ５～Ｒｘ８の組と異なる高さに他のアンテナ素子の組が更に設けられている場合には、基地局位置推定部２５により、そのアンテナ素子の組から得られた仰俯角も用いて交点（又は多角形の重心）の位置を求めることで、基地局アンテナＴｘの高さの推定結果が得られる。

【0038】

受信電力算出部２６は、各測定点３０における複数のアンテナ素子Ｒｘ１～ＲｘＮの最大の受信電力Ｐ_ｒを算出するようになっている。

【0039】

電力分布計算部２７は、位置方位取得装置１３により取得された各測定点３０の位置と、基地局位置推定部２５により推定された基地局アンテナＴｘの位置と、受信電力算出部２６により算出された受信電力Ｐ_ｒに基づいて、測定エリアＭＡにおける各ビームの電力分布Ｐ_ａを算出するようになっている。

【0040】

より詳細には、電力分布計算部２７は、基地局位置推定部２５により推定された基地局アンテナＴｘの位置から各測定点３０までの距離ｄを算出し、算出された距離ｄと基地局アンテナＴｘから送信されるビームの波長λとを用いて、下記の式（１）に従って自由空間伝搬損失（Free Space Path Loss：ＦＳＰＬ）［ｄＢ］を算出する。

【0041】

【数1】

【0042】

各測定点３０における受信電力Ｐ_ｒ［ｄＢｍ］は、下記の式（２）で表される。ここで、Ｇ_ｔ［ｄＢｉ］は基地局アンテナＴｘのアンテナ利得であり、Ｇ_ｒ［ｄＢｉ］は複数のアンテナ素子Ｒｘ１～ＲｘＮのアンテナ利得であり、Ｐ_ｔ［ｄＢｍ］は基地局アンテナＴｘの送信電力である。

【0043】

【数2】

【0044】

次に、電力分布計算部２７は、下記の式（３）に示すように、各測定点３０で得られた受信電力Ｐ_ｒから複数のアンテナ素子Ｒｘ１～ＲｘＮの既知のアンテナ利得Ｇ_ｒを差し引くとともに、ＦＳＰＬを補償して、測定エリアＭＡ内の各ビームの電力分布Ｐ_ａを算出する。ここで、送信電力Ｐ_ｔは一定であると仮定する。

【0045】

【数3】

【0046】

次に、電力分布計算部２７は、内挿法により測定エリアＭＡ内の各ビームの電力分布Ｐ_ａの最大値の位置（以下、「最大値位置」と呼ぶ）を算出する。さらに、電力分布計算部２７は、電力分布Ｐ_ａの最大値から－３ｄＢの位置（以下、「ビーム境界」と呼ぶ）を内挿法により算出する。図７（ａ）は、基地局アンテナＴｘから送信されたビームの数が１２のときに、電力分布計算部２７により得られた各ビームの電力分布Ｐ_ａの最大値位置を＊で示すとともに、最大値から－３ｄＢの位置を－３と表されている曲線で示している。以下、この曲線を３ｄＢ曲線とも呼ぶ。

【0047】

ビーム方向推定部２８は、基地局位置推定部２５により推定された基地局アンテナＴｘの位置と、電力分布計算部２７により算出された各ビームの最大値位置に基づいて、各ビームのビーム方向を推定するようになっている。ビーム方向は、基地局アンテナＴｘから見た方位角と仰俯角とで示される。

【0048】

図７（ａ）に示すように、ビーム方向推定部２８は、基地局アンテナＴｘから見た各ビームの電力分布Ｐ_ａの最大値位置の方位角φを推定する。図７（ａ）においては、ｘｙ平面上に投影した基地局アンテナＴｘの位置と、注目するビームの電力分布Ｐ_ａの最大値位置とを結ぶ方向にｘ'軸を取っている。このとき、ｘ'軸とｘ軸が成す角度が方位角φとなる。

【0049】

また、図７（ｂ）に示すように、ビーム方向推定部２８は、送信信号のビームの仰俯角θを、基地局アンテナＴｘの位置と各ビームの電力分布Ｐ_ａの最大値位置の水平垂直距離の差分を用いて算出する。

【0050】

ここで、垂直距離の差分Δｈは、基地局アンテナＴｘの高さｈｂと測定点３０の高さｈａの差で表される。また、水平距離の差分Δｌは、ｘｙ平面上に投影した基地局アンテナＴｘの位置と、注目するビームの電力分布Ｐ_ａの最大値位置との距離で表される。すなわち、仰俯角θは、ａｔａｎ（Δｈ／Δｌ）で求められる。なお、複数の測定点３０が配置されるｘｙ平面の高さは、十分な受信電力が得られる高さであれば、どのような高さであっても同様の仰俯角θが得られることになる。

【0051】

ビーム幅推定部２９は、電力分布計算部２７により算出された各ビームのビーム境界に基づいて、送信信号のビームのビーム幅を推定するようになっている。以下、ビーム幅推定部２９によるビーム幅の推定方法について説明する。

【0052】

まず、ビーム幅推定部２９は、電力分布計算部２７により算出された電力分布Ｐ_ａの３ｄＢ曲線のデータを楕円にフィッティングし、短軸半径ａ及び長軸半径ｂを求める。このフィッティングには最小二乗法を用いることができるが、その他のアルゴリズムを用いてもよい。

【0053】

図８は、ビーム幅推定部２９によるフィッティング例を示している。図８において、実線は電力分布Ｐ_ａの３ｄＢ曲線を表しており、破線は３ｄＢ曲線にフィッティングした楕円を表している。図８から、３ｄＢ曲線が楕円によくフィッティングできていることが分かる。なお、図中の＊は、電力分布計算部２７により得られた電力分布Ｐ_ａの最大値位置を示している。

【0054】

図９（ａ）～（ｃ）は、ビーム幅推定部２９による送信信号のビームのビーム幅の算出例を示している。図９（ａ）に示すように、基地局アンテナＴｘをｘｙ平面に投影した位置から見た、上記のフィッティングにより得られた楕円の短軸の見込角をφ０とすると、φ０が水平ビーム幅となる。

【0055】

図９（ａ）には、ｘｙ平面上に投影した基地局アンテナＴｘの位置と、上記のフィッティングにより得られた楕円の２つの長軸の両端Ｂ１，Ｂ２とを結ぶ方向に取ったｘ_１軸及びｘ_２軸も表示されている。図９（ｂ）及び（ｃ）に示すように、ｘ_１ｚ平面及びｘ_２ｚ平面において両端Ｂ１，Ｂ２から見た基地局アンテナＴｘの仰俯角をそれぞれθ１，θ２とすると、θ２－θ１が垂直ビーム幅となる。

【0056】

信号処理装置２０は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＧＰＵ（Graphics Processing Unit）、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）などを含むコンピュータなどの制御装置で構成される。例えば、信号処理装置２０は、ＣＰＵ又はＧＰＵによる所定のプログラムの実行により、信号同期部２１、参照信号抽出部２２、チャネル応答生成部２３、到来方向推定部２４、基地局位置推定部２５、受信電力算出部２６、電力分布計算部２７、ビーム方向推定部２８、及びビーム幅推定部２９の少なくとも一部をソフトウェア的に構成することが可能である。なお、上記のプログラムは、ＲＯＭ又はＨＤＤにあらかじめ格納されている。あるいは、上記のプログラムは、インストール可能な形式又は実行可能な形式でコンパクトディスク、ＤＶＤ等のコンピュータで読み取り可能な記録媒体に記録された状態で提供又は配布されるものであってもよい。あるいは、上記のプログラムは、インターネット等のネットワークに接続されたコンピュータに格納され、ネットワーク経由でのダウンロードにより提供又は配布されるものであってもよい。

【0057】

表示装置４０は、例えばＬＣＤ（Liquid Crystal Display）やＣＲＴ（Cathode Ray Tube）などの表示機器で構成され、信号処理装置２０からの制御信号に基づいて、各ビームの方位角、仰俯角、水平ビーム幅、及び垂直ビーム幅の推定結果を表示するようになっている。さらに、表示装置４０は、各種条件を設定するためのボタン、ソフトキー、プルダウンメニュー、テキストボックスなどの操作対象の表示を行うようになっている。

【0058】

操作装置４１は、ユーザによる操作入力を受け付けるためのものであり、例えば表示装置４０の表示画面に対応する入力面への接触操作による接触位置を検出するためのタッチセンサを備えるタッチパネルで構成される。あるいは、操作装置４１は、キーボード又はマウスのような入力デバイスを含んで構成されてもよい。例えば、ユーザは、操作装置４１への操作入力により、基地局アンテナＴｘから送信されるビームの波長λ、複数のアンテナ素子Ｒｘ１～ＲｘＮの既知のアンテナ利得Ｇ_ｒなどを設定することができる。

【0059】

以下、シミュレーションにより、本実施形態に係る推定装置１の効果を確認する。

【0060】

まず、レイトレースシミュレーションで所望のパラメータ（方位角、仰俯角、水平ビーム幅、垂直ビーム幅）のビームを生成し、各測定点３０における複数のアンテナ素子Ｒｘ１～ＲｘＮの受信電力Ｐ_ｒを求めた。ここでは、基地局アンテナＴｘが高さ１１ｍの建物の屋上に設置されているとし、図４に示すように、通信エリアであると想定される測定エリアＭＡに格子状に複数の測定点３０が設けられているとした。また、基地局アンテナＴｘからのビームの数は１２であるとした。

【0061】

図１０は、レイトレースシミュレーションで生成された各測定点３０における受信電力Ｐ_ｒを用いて、ビームのパラメータを本発明の推定装置１による推定方法で推定した結果と、レイトレースシミュレーションで生成されたビームの所望のパラメータとの誤差を、１２のビームの二乗平均平方根誤差（Root Mean Squared Error：ＲＭＳＥ）［ｄｅｇ］で表している。このシミュレーションでは、測定点３０の格子間隔を１ｍ～８ｍの範囲で変化させている。図１０に示した結果から、測定点３０の格子間隔が５ｍ程度以下であれば、１°程度のＲＭＳＥでビームのパラメータを推定可能であることが確認できた。

【0062】

以下、本実施形態に係る推定装置１を用いる推定方法について、図１１のフローチャートを参照しながらその処理の一例を説明する。以下の処理では、１つの測定点３０で全てのビームのデータを取得した後に、他の測定点３０で同様の処理を順次行うものとする。

【0063】

まず、ドローン等に積載されたアンテナ装置１０及び位置方位取得装置１３が、測定エリアＭＡ内の複数の測定点３０のうちのいずれかに配置される（ステップＳ１）。

【0064】

次に、アンテナ装置１０は、基地局アンテナＴｘから送信された送信信号のビームを複数のアンテナ素子Ｒｘ１～ＲｘＮにより受信信号として受信し、受信信号に増幅、周波数変換、アナログ－デジタル変換などの受信処理を行う（ステップＳ２）。

【0065】

次に、信号同期部２１は、アンテナ装置１０により受信処理された受信信号に含まれる同期信号と、対応する既知の同期信号とを用いて、時間領域同期及び周波数領域同期のどちらか少なくとも一方を受信信号に対して行う（信号同期ステップＳ３）。

【0066】

次に、信号同期部２１は、受信信号のＳＳＢに含まれているＰＢＣＨに基づいて、ＳＳＢを識別するためのＳＳＢインデックスを取得し、基地局アンテナＴｘから送信されたビームを特定する（ステップＳ４）。

【0067】

次に、参照信号抽出部２２は、信号同期部２１により同期された受信信号に含まれる参照信号を抽出する（参照信号抽出ステップＳ５）。

【0068】

次に、チャネル応答生成部２３は、基地局アンテナＴｘから送信された送信信号に含まれる既知の参照信号と、参照信号抽出ステップＳ５により受信信号から抽出された参照信号とから、ステップＳ４で特定されたビームのチャネル応答を生成する（チャネル応答生成ステップＳ６）。

【0069】

次に、信号処理装置２０は、基地局アンテナＴｘから送信され得る全てのビームのチャネル応答がチャネル応答生成ステップＳ６により生成されたか否かを判断する。チャネル応答生成ステップＳ６で全てのビームのチャネル応答が生成された場合（ステップＳ７：ＹＥＳ）、信号処理装置２０は、ステップＳ８以降の処理を実行する。チャネル応答生成ステップＳ６で全てのビームのチャネル応答が生成されていない場合（ステップＳ７：ＮＯ）、信号処理装置２０は、まだチャネル応答が得られていないビームについて再びステップＳ２以降の処理を実行する。

【0070】

次に、信号処理装置２０は、アンテナ装置１０及び位置方位取得装置１３が測定エリアＭＡ内の全ての測定点３０に配置されたか否かを判断する。アンテナ装置１０及び位置方位取得装置１３が、測定エリアＭＡ内の全ての測定点３０に配置された場合（ステップＳ８：ＹＥＳ）、信号処理装置２０は、ステップＳ９以降の処理を実行する。アンテナ装置１０及び位置方位取得装置１３が測定エリアＭＡ内の全ての測定点３０に配置されていない場合（ステップＳ８：ＮＯ）、信号処理装置２０は、再びステップＳ１以降の処理を実行して、アンテナ装置１０及び位置方位取得装置１３がまだ配置されていない測定点３０に、アンテナ装置１０及び位置方位取得装置１３を配置させる。

【0071】

次に、到来方向推定部２４は、チャネル応答生成ステップＳ６により生成された各測定点３０における各ビームのチャネル応答に基づいて、基地局アンテナＴｘからの送信信号の各ビームの到来方向特性を測定点３０ごとに算出し、算出された各ビームの到来方向特性において最も電力レベルが高い到来方向を測定点３０ごとに推定する（到来方向推定ステップＳ９）。

【0072】

基地局位置推定部２５は、到来方向推定ステップＳ９により推定されたビームごとの各測定点３０における到来方向を用いて、基地局アンテナＴｘの位置を推定する（基地局位置推定ステップＳ１０）。

【0073】

受信電力算出部２６は、各測定点３０における複数のアンテナ素子Ｒｘ１～ＲｘＮの最大の受信電力Ｐ_ｒを算出する（受信電力算出ステップＳ１１）。

【0074】

電力分布計算部２７は、位置方位取得装置１３により取得された各測定点３０の位置と、基地局位置推定ステップＳ１０により推定された基地局アンテナＴｘの位置と、受信電力算出ステップＳ１１により算出された受信電力Ｐ_ｒに基づいて、測定エリアＭＡにおける各ビームの電力分布Ｐ_ａの最大値の位置である最大値位置と、最大値から３ｄＢ低い位置であるビーム境界と、を算出する（電力分布計算ステップＳ１２）。

【0075】

ビーム方向推定部２８は、基地局位置推定ステップＳ１０により推定された基地局アンテナＴｘの位置と、電力分布計算ステップＳ１２により算出された各ビームの最大値位置に基づいて、各ビームのビーム方向、すなわち、基地局アンテナＴｘから見た各ビームの最大値位置の方位角及び仰俯角を推定する（ビーム方向推定ステップＳ１３）。

【0076】

ビーム幅推定部２９は、電力分布計算ステップＳ１２により算出された各ビームのビーム境界に基づいて、送信信号のビームのビーム幅、すなわち、測定点３０が存在するｘｙ平面における水平ビーム幅及び垂直ビーム幅を推定する（ビーム幅推定ステップＳ１４）。

【0077】

次に、表示装置４０は、各ビームの方位角、仰俯角、水平ビーム幅、及び垂直ビーム幅の推定結果を表示する（ステップＳ１５）。

【0078】

以上説明したように、本実施形態に係る推定装置１は、基地局アンテナＴｘから送信された送信信号の複数のビームの到来方向を測定点３０ごとに推定し、推定した複数のビームの到来方向を用いて基地局アンテナＴｘの位置を推定するようになっている。ここで、本実施形態に係る推定装置１は、各ビームの最も電力レベルが高い到来方向を測定点３０ごとに推定するようになっている。さらに、本実施形態に係る推定装置１は、基地局アンテナＴｘの位置と各ビームの電力分布とに基づいて、各ビームのビーム方向及びビーム幅を推定するようになっている。

【0079】

これにより、本実施形態に係る推定装置１は、基地局アンテナＴｘからの送信信号の直接波の到来方向を推定できるため、マップを使用した事前計算を行うことなく、基地局アンテナＴｘから送信されるビームのビーム方向及びビーム幅を推定することができる。

【符号の説明】

【0080】

１ 推定装置
１０ アンテナ装置
１１ 受信機
１１－１～１１－Ｎ 受信部
１３ 位置方位取得装置
１４ データ収録装置
２０ 信号処理装置
２１ 信号同期部
２２ 参照信号抽出部
２３ チャネル応答生成部
２４ 到来方向推定部
２５ 基地局位置推定部
２６ 受信電力算出部
２７ 電力分布計算部
２８ ビーム方向推定部
２９ ビーム幅推定部
３０，３０ａ，３０ｂ，３０ｃ 測定点
１００ 基地局
Ｔｘ 基地局アンテナ
Ｒｘ１～ＲｘＮ アンテナ素子
ＭＡ 測定エリア

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】