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2014 Fiscal Year Research-status Report

高速モバイルネットワーク構築のための高精度時空間電波伝搬モデルの基盤研究

Research Project

Project/Area Number 25330098
Research InstitutionHokkaido University

Principal Investigator

大宮 学  北海道大学, 情報基盤センター, 教授 (30160625)

Project Period (FY) 2013-04-01 – 2016-03-31
Keywords移動通信 / 電波伝搬 / 屋内伝搬 / チャネルモデリング / 無線LAN / MIMO-OFDM / 計算機シミュレーション / 電磁界解析
Outline of Annual Research Achievements

本研究は,高速・広帯域ワイヤレスネットワークの構築を支援するための屋内伝搬特性推定及び回線設計に有効な手法を提案する.平成26年度は,一般的なオフィス環境を想定した電波伝搬特性推定及び評価のため,数値モデルの改良とそれを利用した計算機シミュレーションを行った.オフィス環境として,本学情報基盤センター北館を対象とした.オフィスビルでは,外壁や床・天井などのコンクリート構造内部に鉄筋や鉄骨が含まれている.屋内伝搬特性推定においては,これら金属構造要素の影響は大きい.そこで,建築図面等で鉄筋構造を調査し,それらを数値モデルとして考慮した.大規模電磁界シミュレーション結果に基づくポインティングベクトルの可視表示による伝搬チャネル推定及び評価から,MIMO-OFDM通信で重要なマルチパス伝搬路を高精度に求めることができることを明らかにした.これにより,伝搬遅延時間特性及び電波到来角度特性を高精度に推定するために有効なデータ取得法を確立した.併せて,複数フロアを対象とした数値モデルを開発した.そこでは,階下から階上への伝搬チャネル推定を試み,計算機シミュレーション結果と実験結果の比較検討を行った.
さらに,計算機シミュレーションで生成される大規模データを効率よく保存・利用するために汎用的なデータ形式HDF5を大規模電磁界解析システムに組み込み,データ圧縮機能によるファイル容量の低減と計算機プラットフォームに依存しないデータ取り扱いを可能にした.
このほか,無線LANアクセスポイントの最適設置位置決定を支援するための進化型計算手法としてパラメータフリー遺伝的アルゴリズム(PfGA)及びマイクロ遺伝的アルゴリズム(MGA)について,計算時間短縮を目的とした並列化手法を提案し,並列処理性能の観点からMGAが適していることを明らかにした.

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

研究においては,大規模電磁界解析アルゴリズムに基づく計算機シミュレーションソフトウエアを開発し,その計算精度,処理性能及び大規模分散メモリ型並列計算環境における性能を検証する.さらに,屋内伝搬推定ツール,屋外から屋内への建物侵入推定ツール及び設計ツールを提供する.
計算機シミュレーションソフトウエアの開発が完了し,2.4GHz帯及び5GHz帯無線LANシステムの屋内伝搬特性解析のための数値モデルでは空間分解能が5mmで十分であることを前年度明らかにしたことから,本年度は数値モデルの改良と伝搬チャネルモデルの検討に集中できた.コンクリート構造内部の鉄筋及び鉄骨構造物を含めて数値モデル化することで,高精度な屋内伝搬チャネルモデルの推定が可能になった.この成果は本研究において実証されたことであり,この成果により大規模電磁界解析システムとシミュレーション結果の有効性を示した.同時に,レイトレース法で課題となっている解析対象の規模と精度に関する制約を解決した.
さらに,一般的なオフィスビルでの伝搬チャネルモデルの計算機シミュレーションに基づく検討結果から,新たに「天井裏を伝搬するチャネル」や「階段を介して階下に伝搬するチャネル」が存在することを明らかにした.これまで考慮されていなかったり,可能性が考えられていた伝搬路をポインティングベクトルの可視化によって具体的に示した.ただし,複数フロアを考慮した伝搬チャネル推定・評価については,予備的な検討段階である.
また,進化型計算手法に基づく最適設計法を大規模電磁界シミュレーションに組み込むことが可能になり,この研究成果を発展させることで無線LANアクセスポイントの設置位置決定のための参考資料を提示できるようになると考える.

Strategy for Future Research Activity

これまでの検討結果から,一般的なオフィスビル複数フロア間での伝搬チャネル推定が興味深い検討課題であることが明らかになった.最終年度は,複数フロアを含む高精度数値モデルを完成させ,大規模電磁界解析ソフトウエアを利用した計算機シミュレーションを実施する.階下から階上への伝搬チャネルを対象とした検討から,天井を通過する伝搬チャネルがほとんどであるとの結論に至った.そこで,階下への伝搬チャネルについて検討を行う.その場合,階段などを介した伝搬チャネルが考えられることから,伝搬チャネルと建物構造との関係を明らかにできるものと期待している.ただし,受信電界強度(RSSI)に関する予備的な検討結果から,測定結果に比較して,計算機シミュレーション結果ではフロア間伝搬損失を充分に再現できていない.そこで,数値モデルにおける天井・床面コンクリート内部の鉄筋構造及びコンクリートの誘電率を見直し,両者の結果を一致させる数値モデルについて考察する.
さらに,計算機シミュレーションにより得られた高精度電磁界データを利用して,マルチパス信号の遅延時間,到来角度,遅延スプレッド及び到来角度スプレッドなどの特性を定量的に評価する方法を提案する.
最後に,3年間にわたる研究期間中に実施した検討内容と得られた研究成果のまとめを行う.

Causes of Carryover

研究成果発表のための旅費が,当初計画よりも安価であった。

Expenditure Plan for Carryover Budget

平成27年度に予定している研究成果発表のための旅費として利用する。

  • Research Products

    (13 results)

All 2015 2014

All Journal Article (5 results) (of which Acknowledgement Compliant: 5 results,  Peer Reviewed: 3 results) Presentation (8 results)

  • [Journal Article] A large-scale numerical simulation of indoor radio wave propagation for a wireless LAN system2015

    • Author(s)
      H. Otani, S. Yamaguchi, S. Yonezawa, M. Omiya
    • Journal Title

      2015 IEEE International Conference on Computational Electromagnetics

      Volume: 1 Pages: 312-314

    • DOI

      10.1109/COMPEM.2015.7052645

    • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] 遺伝的アルゴリズムに基づく自動最適設計法の並列処理に関する比較検討2014

    • Author(s)
      大谷 元,山口将一,前田祐史,大宮 学
    • Journal Title

      映像情報メディア学会技術報告

      Volume: 38 Pages: 1-4

    • Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] 5GHz帯無線LANシステムの屋内伝搬チャネルモデリング2014

    • Author(s)
      山口将一,米澤 聡,大宮 学
    • Journal Title

      映像情報メディア学会技術報告

      Volume: 38 Pages: 5-8

    • Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] A Parallelization Method of Genetic Algorithms for Optimal Design of Microwave Filter2014

    • Author(s)
      H. Otani, S. Yamaguchi, Y. Maeda, M. Omiya
    • Journal Title

      2014 IEEE International Workshop on Electromagnetics

      Volume: 1 Pages: 211-212

    • DOI

      10.1109/iWEM.2014.6963711

    • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] High-speed, Automatic and Optimal Design of Microwave Filter Using Genetic Algorithm2014

    • Author(s)
      H. Otani, S. Yamaguchi, Y. Maeda, M. Omiya
    • Journal Title

      2014 International Symposium on Antennas and Propagation

      Volume: 1 Pages: 163-164

    • DOI

      10.1109/ISANP.2014.7026581

    • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
  • [Presentation] 無線LANシステムの複数フロア間での屋内伝搬損失特性の測定に基づく検討2015

    • Author(s)
      大宮 学,京谷 篤,島田旭雄
    • Organizer
      2015年電子情報通信学会総合大会
    • Place of Presentation
      立命館大学びわこ・くさつキャンパス(滋賀県・南草津市)
    • Year and Date
      2015-03-12
  • [Presentation] FDTD法による電磁界解析での活用2015

    • Author(s)
      大宮 学
    • Organizer
      第1回名古屋大学情報基盤センター・ネットワーク型共同研究シンポジウム
    • Place of Presentation
      名古屋大学(愛知県・名古屋市)
    • Year and Date
      2015-01-20
  • [Presentation] Efficient Data Compression by Efficient Use of HDF5 Format2014

    • Author(s)
      K. Hagita, M. Omiya, T. Honda, M. Ogino
    • Organizer
      SC14: International Conference for High Performance Computing, Networking, Storage and Analysis
    • Place of Presentation
      Ernest N. Morial Convention Center (New Orleans, Louisiana, USA)
    • Year and Date
      2014-11-20
  • [Presentation] パラメータフリーGAに基づく自動最適設計の並列処理に関する比較検討2014

    • Author(s)
      大谷 元,山口 将一,前田 祐史,大宮 学
    • Organizer
      平成26年度電気・情報関係学会北海道支部連合大会
    • Place of Presentation
      北海道科学大学(北海道・札幌市)
    • Year and Date
      2014-10-25
  • [Presentation] デュアルバンド無線LANシステムのオフィス環境複数階での屋内伝搬特性2014

    • Author(s)
      趙 巍,大宮 学
    • Organizer
      平成26年度電気・情報関係学会北海道支部連合大会
    • Place of Presentation
      北海道科学大学(北海道・札幌市)
    • Year and Date
      2014-10-25
  • [Presentation] デュアルバンド無線LANシステムの屋内伝搬に関する大規模数値電磁界シミュレーション2014

    • Author(s)
      大宮 学,山口将一,米澤 聡
    • Organizer
      2014年電子情報通信学会ソサイエティ大会
    • Place of Presentation
      徳島大学(徳島県・徳島市)
    • Year and Date
      2014-09-25
  • [Presentation] パラメータフリーGAによるダイクロイックフィルタ自動最適設計の並列処理と速度向上度の関係2014

    • Author(s)
      大谷 元,山口将一,前田祐史,大宮 学
    • Organizer
      2014年電子情報通信学会ソサイエティ大会
    • Place of Presentation
      徳島大学(徳島県・徳島市)
    • Year and Date
      2014-09-23
  • [Presentation] 大規模数値シミュレーションに基づくデュアルバンド無線LANシステムの屋内伝搬チャネル推定2014

    • Author(s)
      大宮 学,山口将一,米澤 聡
    • Organizer
      映像情報メディア学会2014年年次大会
    • Place of Presentation
      大阪大学吹田キャンパス(大阪府・吹田市)
    • Year and Date
      2014-09-02

URL: 

Published: 2016-05-27  

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