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応用例

フィンランド、ヘルシンキにおける都市伝播の比較

Wireless InSite®の最も強力な機能の1つは、幅広い伝搬問題に最先端のモデルと解析手法を適用できることです。この例では、「Urban Canyon」モデルを使用して、フィンランドのヘルシンキの一角のマイクロセル環境における都市伝搬予測を行います。このシミュレーションは、W.Zhangによる最近の論文「Fast Two-Dimensional Diffraction Modeling for Site Specific Propagation Prediction in Urban Microcellular Environments」(IEEE Transactions on Vehicular Technology、2000年3月[1])の測定および解析と比較されています。この例と同様に、[1]で研究されたカバーエリアを図1に示す。ヘルシンキの「元老院広場」と呼ばれる地域付近で、位置はEである。

ヘルシンキのこの部分の伝搬特性をシミュレートするには、まず、Wireless InSiteのユーザー・インターフェースの「シティ・エディター」(図2)を使って各建物のフットプリントを描くか、都市のDXF形式のモデルをインポートします。シティ・エディターの使用は、スケールと建物の詳細に注意しながら、各建物の境界をクリックするだけの簡単な手順です。アーバンキャニオン」モデルを使用した都市伝搬モデリングでは、建物の高さ情報を保存する必要はありません。すべての建物は、送信機または受信機の位置よりもはるかに高いとみなされるため、建物の高さを例えば50mに統一することができます。建物が入力された後、WIは都市の正投影図と透視図で2Dと3Dをレンダリングすることができます。図3は、モデル化されるヘルシンキの断面の3D正投影図である。

 

図1.1]で研究されたカバーエリアとこの例。ヘルシンキの「元老院広場」と呼ばれる地域付近で、位置はE。

図1:[1]で研究されたカバーエリアとこの例。ヘルシンキで「元老院広場」として知られる地域のE地点付近。

 

図2.対象地域の建物の2Dアウトラインを示すシティエディタ。

図2:対象地域の建物の2Dアウトラインを示すシティエディター。

 

図3 ヘルシンキ・アーバンキャニオンモデルとその周辺調査地域の3Dビュー。

図3:ヘルシンキ・アーバンキャニオンモデルとその周辺調査地域の3Dビュー。

 

特定の建物の材料パラメータに関する具体的な知識がなければ、レンガやコンクリートのような単一の材料を都市全体に使用することができる。この解析では、[1]で行ったように、誘電率5の一様なコンクリート建材を使用した。より詳細な情報があれば、各建物の面ごとに異なる材料パラメータ(ガラス、スチールなど)を割り当てることができる。図1で十字に示されている部分は階段と思われる。垂直面が送信機や受信機の位置よりはるかに高いという都市峡谷モデルの要件を満たさないため、この分析を始めるにあたり、これらを取り除いた。これらの領域がどのようにモデル化されたかは、[1]からは明らかではない。階段の影響を判断するために、この機能がある場合とない場合のシミュレーションを実行することができる。

都市が定義されると、地形は材料パラメータの設定もある当該領域にフィットされる。この解析では、誘電率25の誘電半空間を地形に使用しました。地形の追加は、Featuresリストで右クリックし、New->Feature->Terrainで行います。地形は、他のフィーチャ(この場合は都市)に自動的にフィットさせることもできるし、陸地や水域など特定の地域ごとに指定することもできる。地形のマテリアルパラメータを変更するには、図4のダイアログボックスを使用します。

 

図4.材料指定ダイアログボックス。

図4:材料指定ダイアログボックス。

 

図5.道路AOBに沿ってルートを定義する過程でのRxプロパティボックス

図5:道路AOBに沿ってルートを定義する過程でのRxプロパティ・ボックス

 

これが終わると、受信機リストは図6のようになる。送信機も同様に配置される。図7はポイントBSの送信機と地形を含む都市に配置された受信機のルートを示しています。送信機と受信機が定義されると、アンテナをそれぞれに関連付けることができる。この研究では、Zhangの論文[1]で使われたものと同様のアンテナを追加した。送信機にはナロービーム指向性アンテナ、各受信点にはモノポールが使用されている。解析は2次元平面で行われるため、垂直偏波のオムニアンテナも受信に使用できる。

 

図6.Wireless InsiteのメインウィンドウのReceiversタブに、[1]の受信機ルート一式を表示。受信電力または経路損失のサーフェスプロットを作成するために、調査エリアをカバーする3528台の受信機のグリッドも追加された。この ...

図6:[1]の受信機ルート一式を表示したWireless Insiteのメインウィンドウの「受信機」タブ。受信電力またはパスロスのサーフェスプロットを作成するために、調査エリアをカバーする 3528 台の受信機のグリッドも追加した。これは最後の行に示されている。

 

図7.受信ルートと送信機を示すプロジェクト図。

図7:受信ルートと送信機を示すプロジェクト図。

 

図8.アンテナ・タブをクリックしたメイン・ウィンドウ。このウィンドウには900.5MHzと1800MHzの両方のアンテナが表示されています。

図 8: Antenna タブをクリックしたメイン・ウィンドウ。このウィンドウには900.5MHzと1800MHzの両方のアンテナが表示されています。

 

次に、都市を完全に囲むように研究エリアが追加される。初期状態では、4反射、2回折、完全相関のUrban Canyon光線撮影モデルで計算が行われます。計算の他のパラメータのプロパティはすべて、Wireless InSiteのメインウィンドウから適切なタブを選択し、項目を右クリックすることで利用できます。最初の実行では、プロジェクト内のすべてのレシーバーがアクティブまたは使用中です。詳細な調査のために、特定の道路や分譲地では、特別な関心領域の外にある受信機セットを非アクティブにして、実行時間を短縮することができます。シミュレーションの実行これで、図7に示した送信機と受信機の位置について計算を行う準備が整いました。すべてのファイルを適切なファイル名で保存した後、Project>Run>Newを右クリックすると、計算エンジンが起動します。計算が終了すると、[1]の結果と比較することができます。経路損失または受信電力は、受信経路が定義されている場合、距離または受信機数に対してプロットすることができます。通りAOBに沿ったルートを図9に、通りKDCに沿ったルートを図10に示す。解析は、1回の実行で複数の周波数で行うことができる。1.8GHzのLMNに沿った経路損失予測を図11に示す。

 

図9 通りのAOBに沿ったパスロスのプロット(Zhang氏[1]の解析結果と測定結果をWireless Insiteと比較したもの)。

図9:Wireless Insiteと比較したZhang氏[1]の解析結果と測定結果を示す、AOB通りに沿ったパスロスのプロット。

 

図 10.Zhang氏[1]の解析結果と測定結果をWireless Insiteと比較したKDC沿いの経路損失のプロット。

図10:Wireless Insiteと比較したZhang氏[1]の解析結果と測定結果を示すKDC沿いの経路損失のプロット。

 

図11

図11:ストリートLMNに沿った1.8GHzでのパスロス比較。

 

Wireless InSiteの測定結果は、建物の位置や形状が正確に把握されていないため、小規模なフェードを再現することはできない。この点を考慮すると、一致度はかなり高い。より正確な建物データが入手可能であれば、50cmごとにレシーバーを設置し、相関した複素電界を保存することができます(レシーバーのプロパティダイアログボックスの「詳細設定」をクリックすることで利用可能なオプションです)。

Zhangの計算でもWireless Insiteでも、もう一つの誤差の原因は、測定がある程度の交通量のある道路で行われたことである。バス、トラック、自動車の影響は計算には含まれないが、伝搬に測定可能で動的な影響を与える。これはおそらく、交通量がなければ見通し線(LOS)が支配的になるはずの交差点M,O,D付近で最も顕著である。Zhang氏の解析でもWireless InSiteの解析でも、これらの場所でのパスロスが過小評価されているのは、自動車交通がないことが一因である。いくつかの金属構造物(トラフィックをシミュレート)をパスに配置して、それが精度に与える影響を確認することができます。これを図12に示します。新しい障害物を入れて解析を再実行し、図13の交通がない場合の結果と比較します。LOS経路損失の過小評価の一部は、交通がないことに起因している可能性があることは明らかです。

 

図12.長方形の青い構造物は、AOBの交差点付近の交通をシミュレートするために追加された。

図12:AOBの交差点付近の交通をシミュレートするために追加された長方形の青い構造

 

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図13:車両交通の影響を考慮した場合の経路損失予測の違いを示すプロット。赤いトレースは交通量のない交差点付近のパスロスを示し、青いトレースは図12の架空の車両数台によるパスロスの増加を示す。

 

図1(クロスハッチ)のDEF周辺の段差の影響を分析するために、段差を定義する下部構造の有無にかかわらずモデルを実行することができる。個々の実行は、ストリートBCエリアを調査するために行うことができます。個々の光線軌跡を見ることで、与えられた領域における伝播メカニズムに関する洞察を得ることができます。段差のない場合の光線路解析を図14に、段差のある場合の解析を図15に示します。

 

図14 .上院広場周辺の階段の効果の研究。階段は撤去された。

図14 .上院広場周辺の階段の効果の研究。階段は撤去された。

 

図15.階段のあるBC通りでの伝播。

図15.階段のあるBC通りでの伝播。

 

図16.900MHzにおけるヘルシンキ受信電力の表面積プロット。

図16.900MHzにおけるヘルシンキ受信電力の表面積プロット。

 

これは、Wireless Insiteがアーバン・マイクロセルラー環境の予測とプランニングにどのように使用できるかを示す例であり、最先端の解析手法とマッチングさせることで、ファーストパス設計を確実に成功させることができる。通常、同様の結果を得るには、1 GHzのPentium 4ワークステーションで数分の計算が必要です。

参考文献

  1. W. Zhangによる "Fast Two-Dimensional Diffraction Modeling for Site Specific Propagation Prediction in Urban Microcellular Environ", IEEE Transactions on Vehicular Technology, March 2000.