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(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】P2023003513
(43)【公開日】2023-01-17
(54)【発明の名称】無線通信方法及び無線局
(51)【国際特許分類】
H04W 16/28 20090101AFI20230110BHJP
H04B 7/06 20060101ALI20230110BHJP
H04W 64/00 20090101ALI20230110BHJP
【ＦＩ】
H04W16/28
H04B7/06 950
H04W64/00 120
H04W64/00 150
【審査請求】未請求
【請求項の数】8
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2021104631
(22)【出願日】2021-06-24
(71)【出願人】
【識別番号】000004226
【氏名又は名称】日本電信電話株式会社
(71)【出願人】
【識別番号】504176911
【氏名又は名称】国立大学法人大阪大学
(74)【代理人】
【識別番号】110003199
【氏名又は名称】弁理士法人高田・高橋国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】村上 友規
(72)【発明者】
【氏名】内山 彰
(72)【発明者】
【氏名】大河原 一輝
【テーマコード（参考）】
5K067
【Ｆターム（参考）】
5K067BB06
5K067EE02
5K067EE08
5K067EE10
5K067FF03
(57)【要約】
【課題】無線局と飛行体との間で無線通信を行う際にビームフォーミングを効率的に行うことができる技術を提供する。
【解決手段】無線局と飛行体との間で無線通信を行う無線通信方法は、無線局から飛行体に指向したビームを形成するビームフォーミング処理と、ビームを用いて無線局と飛行体との間で通信を行う通信処理と、を含む。ビームフォーミング処理は、飛行体の移動方向を示す移動方向情報を取得する移動方向取得処理と、移動方向情報に基づいて、飛行体の移動方向と交差する部分空間の範囲内でビームのビーム方向を決定するビーム方向決定処理と、を含む。
【選択図】図２
【解決手段】無線局と飛行体との間で無線通信を行う無線通信方法は、無線局から飛行体に指向したビームを形成するビームフォーミング処理と、ビームを用いて無線局と飛行体との間で通信を行う通信処理と、を含む。ビームフォーミング処理は、飛行体の移動方向を示す移動方向情報を取得する移動方向取得処理と、移動方向情報に基づいて、飛行体の移動方向と交差する部分空間の範囲内でビームのビーム方向を決定するビーム方向決定処理と、を含む。
【選択図】図２
【特許請求の範囲】
【請求項1】
無線局と飛行体との間で無線通信を行う無線通信方法であって、
前記無線局から前記飛行体に指向したビームを形成するビームフォーミング処理と、
前記ビームを用いて前記無線局と前記飛行体との間で通信を行う通信処理と
を含み、
前記ビームフォーミング処理は、
前記飛行体の移動方向を示す移動方向情報を取得する移動方向取得処理と、
前記移動方向情報に基づいて、前記飛行体の前記移動方向と交差する部分空間の範囲内で前記ビームのビーム方向を決定するビーム方向決定処理と
を含む
無線通信方法。
前記無線局から前記飛行体に指向したビームを形成するビームフォーミング処理と、
前記ビームを用いて前記無線局と前記飛行体との間で通信を行う通信処理と
を含み、
前記ビームフォーミング処理は、
前記飛行体の移動方向を示す移動方向情報を取得する移動方向取得処理と、
前記移動方向情報に基づいて、前記飛行体の前記移動方向と交差する部分空間の範囲内で前記ビームのビーム方向を決定するビーム方向決定処理と
を含む
無線通信方法。
【請求項2】
請求項１に記載の無線通信方法であって、
前記移動方向取得処理は、
カメラを用いて前記飛行体を撮像する処理と、
前記カメラによる撮像結果に基づいて前記飛行体の前記移動方向を取得する処理と
を含む
無線通信方法。
前記移動方向取得処理は、
カメラを用いて前記飛行体を撮像する処理と、
前記カメラによる撮像結果に基づいて前記飛行体の前記移動方向を取得する処理と
を含む
無線通信方法。
【請求項3】
請求項１に記載の無線通信方法であって、
前記移動方向取得処理は、
測距センサを用いて前記飛行体の位置を検出する処理と、
前記飛行体の検出位置に基づいて前記飛行体の前記移動方向を取得する処理と
を含む
無線通信方法。
前記移動方向取得処理は、
測距センサを用いて前記飛行体の位置を検出する処理と、
前記飛行体の検出位置に基づいて前記飛行体の前記移動方向を取得する処理と
を含む
無線通信方法。
【請求項4】
請求項１に記載の無線通信方法であって、
前記移動方向取得処理は、
他の無線局から送信される無線信号を前記無線局において受信する処理と、
前記受信した無線信号の特徴量の時間変化に基づいて前記飛行体の前記移動方向を推定する処理と
を含む
無線通信方法。
前記移動方向取得処理は、
他の無線局から送信される無線信号を前記無線局において受信する処理と、
前記受信した無線信号の特徴量の時間変化に基づいて前記飛行体の前記移動方向を推定する処理と
を含む
無線通信方法。
【請求項5】
請求項１に記載の無線通信方法であって、
前記移動方向取得処理は、
前記飛行体によって検出された前記飛行体の位置を示す飛行体位置情報を取得する処理と、
前記飛行体位置情報に基づいて前記飛行体の前記移動方向を取得する処理と
を含む
無線通信方法。
前記移動方向取得処理は、
前記飛行体によって検出された前記飛行体の位置を示す飛行体位置情報を取得する処理と、
前記飛行体位置情報に基づいて前記飛行体の前記移動方向を取得する処理と
を含む
無線通信方法。
【請求項6】
請求項１乃至５のいずれか一項に記載の無線通信方法であって、
前記ビームフォーミング処理は、更に、前記飛行体の前記移動方向と交差する前記部分空間の範囲内で少なくとも一つのビーム方向候補を設定する処理を含み、
前記ビーム方向決定処理は、
前記少なくとも一つのビーム方向候補の前記ビームを用いて、前記無線局から前記飛行体に測定信号を送信する処理と、
前記測定信号の受信結果を示す受信結果情報を前記飛行体から前記無線局にフィードバックする処理と、
前記受信結果情報に基づいて、前記少なくとも一つのビーム方向候補のうち通信品質が条件を満たすものを前記ビーム方向として選択する処理と
を含む
無線通信方法。
前記ビームフォーミング処理は、更に、前記飛行体の前記移動方向と交差する前記部分空間の範囲内で少なくとも一つのビーム方向候補を設定する処理を含み、
前記ビーム方向決定処理は、
前記少なくとも一つのビーム方向候補の前記ビームを用いて、前記無線局から前記飛行体に測定信号を送信する処理と、
前記測定信号の受信結果を示す受信結果情報を前記飛行体から前記無線局にフィードバックする処理と、
前記受信結果情報に基づいて、前記少なくとも一つのビーム方向候補のうち通信品質が条件を満たすものを前記ビーム方向として選択する処理と
を含む
無線通信方法。
【請求項7】
飛行体と無線通信を行う無線局であって、
前記無線局から前記飛行体に指向したビームを形成し、前記ビームを用いて前記飛行体と通信を行うコントローラを備え、
前記コントローラは、更に、
前記飛行体の移動方向を示す移動方向情報を取得する移動方向取得処理と、
前記移動方向情報に基づいて、前記飛行体の前記移動方向と交差する部分空間の範囲内で前記ビームのビーム方向を決定するビーム方向決定処理と
を実行するように構成された
無線局。
前記無線局から前記飛行体に指向したビームを形成し、前記ビームを用いて前記飛行体と通信を行うコントローラを備え、
前記コントローラは、更に、
前記飛行体の移動方向を示す移動方向情報を取得する移動方向取得処理と、
前記移動方向情報に基づいて、前記飛行体の前記移動方向と交差する部分空間の範囲内で前記ビームのビーム方向を決定するビーム方向決定処理と
を実行するように構成された
無線局。
【請求項8】
請求項７に記載の無線局であって、
前記コントローラは、更に、前記飛行体の前記移動方向と交差する前記部分空間の範囲内で少なくとも一つのビーム方向候補を設定し、
前記ビーム方向決定処理は、
前記少なくとも一つのビーム方向候補の前記ビームを用いて、前記無線局から前記飛行体に測定信号を送信する処理と、
前記飛行体における前記測定信号の受信結果を示す受信結果情報を前記飛行体から受信する処理と、
前記受信結果情報に基づいて、前記少なくとも一つのビーム方向候補のうち通信品質が条件を満たすものを前記ビーム方向として選択する処理と
を含む
無線局。
前記コントローラは、更に、前記飛行体の前記移動方向と交差する前記部分空間の範囲内で少なくとも一つのビーム方向候補を設定し、
前記ビーム方向決定処理は、
前記少なくとも一つのビーム方向候補の前記ビームを用いて、前記無線局から前記飛行体に測定信号を送信する処理と、
前記飛行体における前記測定信号の受信結果を示す受信結果情報を前記飛行体から受信する処理と、
前記受信結果情報に基づいて、前記少なくとも一つのビーム方向候補のうち通信品質が条件を満たすものを前記ビーム方向として選択する処理と
を含む
無線局。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、無線局と飛行体との間で無線通信を行う技術に関する。
【背景技術】
【0002】
現在、通信エリアの拡大に向けて、無線通信機能を備えたドローンなどの飛行体を利用した無線通信システムの検討が進められている（非特許文献１）。そのような無線通信システムを用いることにより、電波が届かずに無線通信が利用できなかったエリアにおいても高品質の無線通信を実現することが可能となる。
【0003】
また、更なる通信高速化に向けて、ミリ波帯などの高周波数帯の利用が加速している。一般的に、高周波数帯の電波は、低周波数帯と比較して、減衰しやすく、また、回折しづらいという特性を有する。言い換えれば、高周波数帯の電波は、伝搬損失が大きく、また、直進性が強いという特性を有する。よって、無線局間の距離が大きい場合や、無線局間に障害物が存在する場合には、高品質な無線通信を提供できなくなるという課題がある。このような課題に対してもドローンなどの飛行体は有用であり、飛行体を活用することによって無線通信を安定的に提供することが可能となる。
【0004】
高周波数帯を利用した無線通信においては、電波減衰を補償し、受信電力を高めることができるビームフォーミングが有効である。ビームフォーミングには、アナログデバイスを用いたアナログビームフォーミングや、デジタル信号処理に基づくデジタルビームフォーミングがある。ビームフォーミングを行うためには、通信相手の無線局の方向や伝搬チャネル情報などの情報が必要となる。例えば、アナログビームフォーミングの場合、通信相手の無線局の方向を知るために、自局のビーム可変アンテナを用いて様々な方向にビームを送信し、各方向のビームの測定結果（受信電力など）を取得する。そして、その測定結果に基づいて、通信相手の無線局に指向した最適なビーム方向が決定される。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【0005】
【非特許文献1】Silvia Sekander, Hina Tabassum, and Ekram Hossain, "Multi-Tier Drone Architecture for 5G/B5G Cellular Networks: Challenges, Trends, and Prospects," IEEE Communications Magazine 56.3 (2018): 104-111.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
無線局とドローンなどの飛行体との間の無線通信にビームフォーミング技術を適用する場合について考える。無線局と飛行体との間の無線通信の場合、それらの垂直方向の高さが異なるため、３次元空間に対してビームの送信を行う必要がある。従って、２次元平面の場合と比較して、適切なビーム方向を決定するためのビーム送信／測定処理が増大する。このことは、伝送効率の低下の原因となる。また、様々な方向に電波を送信することは、干渉発生の原因にもなる。
【0007】
本開示の１つの目的は、無線局と飛行体との間で無線通信を行う際にビームフォーミングを効率的に行うことができる技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0008】
第１の観点は、無線局と飛行体との間で無線通信を行う無線通信方法に関連する。
無線通信方法は、
無線局から飛行体に指向したビームを形成するビームフォーミング処理と、
ビームを用いて無線局と飛行体との間で通信を行う通信処理と
を含む。
ビームフォーミング処理は、
飛行体の移動方向を示す移動方向情報を取得する移動方向取得処理と、
移動方向情報に基づいて、飛行体の移動方向と交差する部分空間の範囲内でビームのビーム方向を決定するビーム方向決定処理と
を含む。
無線通信方法は、
無線局から飛行体に指向したビームを形成するビームフォーミング処理と、
ビームを用いて無線局と飛行体との間で通信を行う通信処理と
を含む。
ビームフォーミング処理は、
飛行体の移動方向を示す移動方向情報を取得する移動方向取得処理と、
移動方向情報に基づいて、飛行体の移動方向と交差する部分空間の範囲内でビームのビーム方向を決定するビーム方向決定処理と
を含む。
【0009】
第２の観点は、飛行体と無線通信を行う無線局に関連する。
無線局は、無線局から飛行体に指向したビームを形成し、ビームを用いて飛行体と通信を行うコントローラを備える。
コントローラは、更に、
飛行体の移動方向を示す移動方向情報を取得する移動方向取得処理と、
移動方向情報に基づいて、飛行体の移動方向と交差する部分空間の範囲内でビームのビーム方向を決定するビーム方向決定処理と
を実行するように構成される。
無線局は、無線局から飛行体に指向したビームを形成し、ビームを用いて飛行体と通信を行うコントローラを備える。
コントローラは、更に、
飛行体の移動方向を示す移動方向情報を取得する移動方向取得処理と、
移動方向情報に基づいて、飛行体の移動方向と交差する部分空間の範囲内でビームのビーム方向を決定するビーム方向決定処理と
を実行するように構成される。
【発明の効果】
【0010】
本開示によれば、無線局から飛行体に指向したビームを形成するビームフォーミングにおいて、飛行体の移動方向が考慮される。３次元空間全ての中からではなく、飛行体の移動方向と交差する部分空間の範囲内でビーム方向が決定される。よって、ビーム方向の決定に要する処理負荷及び処理時間が軽減される。すなわち、効率的にビームフォーミングを行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【0011】
【図1】本開示の実施の形態に係る無線通信システムを概略的に示す概念図である。
【図2】本開示の実施の形態に係るビームフォーミングを説明するための概念図である。
【図3】本開示の実施の形態に係る無線局の機能構成例を示すブロック図である。
【図4】本開示の実施の形態に係る無線局の構成例を示すブロック図である。
【図5】本開示の実施の形態に係る飛行体の機能構成例を示すブロック図である。
【図6】本開示の実施の形態に係る無線通信システムにおける処理を示すフローチャートである。
【図7】本開示の実施の形態に係るビームフォーミング処理（ステップＳ１００）に関連する機能構成例を示すブロック図である。
【図8】本開示の実施の形態に係るビームフォーミング処理（ステップＳ１００）を示すフローチャートである。
【図9】本開示の実施の形態に係るビームフォーミング処理（ステップｓ１００）を示すタイミングチャートである。
【図10】本開示の実施の形態に係るビーム方向決定処理（ステップＳ１３０）を説明するためのフローチャートである。
【図11】本開示の実施の形態に係る移動方向取得処理（ステップＳ１１０）の第１の例を説明するためのブロック図である。
【図12】本開示の実施の形態に係る移動方向取得処理（ステップＳ１１０）の第２の例を説明するためのブロック図である。
【図13】本開示の実施の形態に係る移動方向取得処理（ステップＳ１１０）の第３の例を説明するためのブロック図である。
【図14】本開示の実施の形態に係る移動方向取得処理（ステップＳ１１０）の第３の例を説明するための概念図である。
【図15】本開示の実施の形態に係る移動方向取得処理（ステップＳ１１０）の第３の例を説明するための概念図である。
【図16】本開示の実施の形態に係る移動方向取得処理（ステップＳ１１０）の第４の例を説明するためのブロック図である。
【図17】本開示の実施の形態に係る移動方向取得処理（ステップＳ１１０）の第５の例を説明するためのブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【0012】
添付図面を参照して、本開示の実施の形態を説明する。
【0013】
１．概要
図１は、本実施の形態に係る無線通信システム１を概略的に示す概念図である。無線通信システム１は、無線局１０と飛行体２０を含んでいる。無線局１０は、地上に存在している。無線局１０としては、無線基地局や無線端末が例示される。一方、飛行体２０は、空中を移動可能である。飛行体２０としては、ドローンが例示される。飛行体２０は無線通信機能を備えており、無線局１０と飛行体２０との間の無線通信が可能である。例えば、飛行体２０は、無線局１０間の通信を中継する中継局として機能する。
図１は、本実施の形態に係る無線通信システム１を概略的に示す概念図である。無線通信システム１は、無線局１０と飛行体２０を含んでいる。無線局１０は、地上に存在している。無線局１０としては、無線基地局や無線端末が例示される。一方、飛行体２０は、空中を移動可能である。飛行体２０としては、ドローンが例示される。飛行体２０は無線通信機能を備えており、無線局１０と飛行体２０との間の無線通信が可能である。例えば、飛行体２０は、無線局１０間の通信を中継する中継局として機能する。
【0014】
本実施の形態では、無線局１０と飛行体２０との間の無線通信にビームフォーミング技術が適用される。少なくとも無線局１０は、ビームフォーミングを行い、ビームを用いて飛行体２０と通信を行う。但し、無線局１０と飛行体２０との間の無線通信の場合、それらの垂直方向の高さが異なるため、３次元空間に対してビームの送信を行う必要がある。従って、２次元平面の場合と比較して、適切なビーム方向を決定するための処理負荷が増大するおそれがある。そこで、本開示は、適切なビーム方向を決定するための処理負荷を軽減し、効率的にビームフォーミングを行うことができる技術を提案する。
【0015】
図２は、本実施の形態に係るビームフォーミングを説明するための概念図である。無線局１０は、飛行体２０と無線通信を行う際、飛行体２０に指向したビームを形成する。このビームフォーミングにおいて、無線局１０は、飛行体２０の移動方向ＤＦを考慮してビーム方向ＤＢを決定する。
【0016】
より詳細には、無線局１０は、飛行体２０の移動方向ＤＦを示す移動方向情報を取得する。後に詳しく説明されるように、移動方向情報を取得する方法としては様々な例が考えられる。そして、無線局１０は、移動方向情報に基づいて、飛行体２０の移動方向ＤＦと交差する部分空間ＰＳの範囲内でビーム方向ＤＢを決定する。無線局１０は、３次元空間全ての中から適切なビーム方向ＤＢを探索する必要はなく、飛行体２０の移動方向ＤＦと交差する部分空間ＰＳの範囲内で適切なビーム方向ＤＢを探索すればよい。例えば、飛行体２０の移動方向ＤＦと反対方向に存在する空間は、ビーム方向ＤＢの探索範囲から除外してもよい。従って、ビーム方向ＤＢの決定に要する処理負荷及び処理時間が軽減される。
【0017】
このように、本実施の形態によれば、無線局１０から飛行体２０に指向したビームを形成するビームフォーミングにおいて、飛行体２０の移動方向ＤＦが考慮される。３次元空間全ての中からではなく、飛行体２０の移動方向ＤＦと交差する部分空間ＰＳの範囲内でビーム方向ＤＢが決定される。よって、ビーム方向ＤＢの決定に要する処理負荷及び処理時間が軽減される。すなわち、効率的にビームフォーミングを行うことが可能となる。また、ビーム方向ＤＢの決定に要する処理負荷及び処理時間が軽減されるため、伝送効率の低下が抑制される。更に、ビーム方向ＤＢの探索範囲が減るため、干渉発生も抑制される。
【0018】
以下、本実施の形態に係る無線通信システム１について更に詳しく説明する。
【0019】
２．構成例
２－１．無線局の構成例
図３は、無線局１０の機能構成例を示すブロック図である。ここでは、特に、ビームフォーミングに関連する機能構成が示されている。無線局１０は、信号生成部１１、送信部１２、ビーム可変アンテナ１３、受信部１４、信号解析部１５、及びビーム方向決定部１６を含んでいる。
２－１．無線局の構成例
図３は、無線局１０の機能構成例を示すブロック図である。ここでは、特に、ビームフォーミングに関連する機能構成が示されている。無線局１０は、信号生成部１１、送信部１２、ビーム可変アンテナ１３、受信部１４、信号解析部１５、及びビーム方向決定部１６を含んでいる。
【0020】
信号生成部１１は、無線局１０が送信する送信信号を生成し、生成した送信信号を送信部１２に出力する。送信信号には、適切なビーム方向ＤＢ（ビームパタン）を決定する際に用いられる測定信号も含まれる。送信部１２は、入力された送信信号を無線信号に変換し、その無線信号をビーム可変アンテナ１３に出力する。ビーム方向決定部１６は、ビーム方向ＤＢを決定し、ビーム方向ＤＢをビーム可変アンテナ１３に通知する。ビーム可変アンテナ１３は、ビーム方向決定部１６から通知されたビーム方向ＤＢに従ってビームを設定し、送信部１２から入力される無線信号を空中に送信する。
【0021】
また、ビーム可変アンテナ１３は、空中の無線信号を受信し、受信した無線信号を受信部１４に出力する。受信部１４は、入力された無線信号を受信信号に変換し、受信信号を信号解析部１５に出力する。信号解析部１５は、入力された受信信号から必要なデータを抽出する。抽出されたデータは、ビーム方向決定部１６によるビーム方向ＤＢの決定に用いられてもよい。
【0022】
図４は、無線局１０の構成例を示すブロック図である。無線局１０は、無線通信を制御する通信コントローラ１００を備えている。通信コントローラ１００は、ビームフォーミング処理を行い、ビームを用いて飛行体２０と通信を行う。通信コントローラ１００は、１又は複数のプロセッサ１０１（以下、単に「プロセッサ１０１」と呼ぶ）、及び１又は複数の記憶装置１０２（以下、単に「記憶装置１０２」と呼ぶ）を含んでいる。プロセッサ１０１は、各種情報処理を行う。例えば、プロセッサ１０１は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）を含んでいる。記憶装置１０２は、プロセッサ１０１による処理に必要な各種情報を格納する。記憶装置１０２としては、揮発性メモリ、不揮発性メモリ、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）、ＳＳＤ（Solid State Drive）、等が例示される。
【0023】
通信制御プログラム１０３は、プロセッサ１０１によって実行されるコンピュータプログラムである。通信制御プログラム１０３を実行するプロセッサ１０１と記憶装置１０２との協働により、通信コントローラ１００の機能が実現される。通信制御プログラム１０３は、記憶装置１０２に格納される。通信制御プログラム１０３は、コンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録されてもよい。通信制御プログラム１０３は、ネットワーク経由で通信コントローラ１００に提供されてもよい。
【0024】
他の例として、通信コントローラ１００は、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、ＰＬＤ（Programmable Logic Device）、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）等のハードウェアを用いて実現されてもよい。
【0025】
２－２．飛行体の構成例
図５は、飛行体２０の機能構成例を示すブロック図である。ここでは、特に、ビームフォーミングに関連する機能構成が示されている。飛行体２０は、通知信号生成部２１、送信部２２、アンテナ２３、受信部２４、及び信号解析部２５を含んでいる。
図５は、飛行体２０の機能構成例を示すブロック図である。ここでは、特に、ビームフォーミングに関連する機能構成が示されている。飛行体２０は、通知信号生成部２１、送信部２２、アンテナ２３、受信部２４、及び信号解析部２５を含んでいる。
【0026】
アンテナ２３は、無線局１０から送信される無線信号を受信し、受信した無線信号を受信部２４に出力する。受信部２４は、入力された無線信号を受信信号に変換し、受信信号を信号解析部２５に出力する。信号解析部２５は、入力された受信信号に基づいて、受信結果情報を生成する。受信結果情報としては、受信電力、受信信号強度、伝搬チャネル情報（ＣＳＩ：Channel State Information）、等が例示される。信号解析部２５は、受信結果情報を通知信号生成部２１に出力する。
【0027】
通知信号生成部２１は、受信結果情報を含む通知信号を生成し、通知信号を送信部２２に出力する。尚、ＣＳＩそのものではなく、圧縮されたＣＳＩや、特異値分解により得られる変換情報が用いられてもよい。送信部２２は、入力された通知信号を無線信号に変換し、その無線信号をアンテナ２３に出力する。アンテナ２３は、送信部２２から入力される無線信号を空中に送信する。
【0028】
３．ビームフォーミングに関連する処理
図６は、本実施の形態に係る無線通信システム１における処理を示すフローチャートである。ステップＳ１００において、無線局１０（通信コントローラ１００）は、無線局１０から飛行体２０に指向したビームを形成するビームフォーミング処理を行う。ビームフォーミング処理は、少なくともアナログビームフォーミングを含む。ステップＳ２００において、無線局１０（通信コントローラ１００）は、形成したビームを用いて飛行体２０と無線通信を行う。
図６は、本実施の形態に係る無線通信システム１における処理を示すフローチャートである。ステップＳ１００において、無線局１０（通信コントローラ１００）は、無線局１０から飛行体２０に指向したビームを形成するビームフォーミング処理を行う。ビームフォーミング処理は、少なくともアナログビームフォーミングを含む。ステップＳ２００において、無線局１０（通信コントローラ１００）は、形成したビームを用いて飛行体２０と無線通信を行う。
【0029】
図７は、ビームフォーミング処理（ステップＳ１００）に関連する機能構成例を示すブロック図である。通信コントローラ１００は、移動方向取得部１１０、ビーム方向候補設定部１２０、ビーム方向決定部１３０、及びビームフォーミング部１４０を含んでいる。これら移動方向取得部１１０、ビーム方向候補設定部１２０、ビーム方向決定部１３０、及びビームフォーミング部１４０は、図３におけるビーム方向決定部１６とビーム可変アンテナ１３に対応している。
【0030】
図８及び図９は、それぞれ、ビームフォーミング処理（ステップＳ１００）を示すフローチャート及びタイミングチャートである。以下、図７～図９を参照して、本実施の形態に係るビームフォーミング処理（ステップＳ１００）について説明する。
【0031】
３－１．移動方向取得処理（ステップＳ１１０）
ステップＳ１１０において、移動方向取得部１１０は、飛行体２０の移動方向ＤＦを示す移動方向情報２１０を取得する。この移動方向取得処理の様々な例は後述される。移動方向取得部１１０は、移動方向情報２１０をビーム方向候補設定部１２０に出力する。
ステップＳ１１０において、移動方向取得部１１０は、飛行体２０の移動方向ＤＦを示す移動方向情報２１０を取得する。この移動方向取得処理の様々な例は後述される。移動方向取得部１１０は、移動方向情報２１０をビーム方向候補設定部１２０に出力する。
【0032】
３－２．ビーム方向候補設定処理（ステップＳ１２０）
ステップＳ１２０において、ビーム方向候補設定部１２０は、少なくとも一つのビーム方向候補ＤＣを設定する。ビーム方向候補ＤＣは、ビーム方向ＤＢの候補である。ビーム方向候補設定部１２０は、複数のビーム方向候補ＤＣを設定してもよい。
ステップＳ１２０において、ビーム方向候補設定部１２０は、少なくとも一つのビーム方向候補ＤＣを設定する。ビーム方向候補ＤＣは、ビーム方向ＤＢの候補である。ビーム方向候補設定部１２０は、複数のビーム方向候補ＤＣを設定してもよい。
【0033】
より詳細には、ビーム方向候補設定部１２０は、移動方向情報２１０に基づいて、飛行体２０の移動方向ＤＦと交差する部分空間ＰＳ（図２参照）を設定する。そして、ビーム方向候補設定部１２０は、その部分空間ＰＳの範囲で少なくとも一つのビーム方向候補ＤＣを設定する。尚、設定可能なビーム方向候補ＤＣは、全空間にわたって予め決められていてもよい。その場合、ビーム方向候補設定部１２０は、全てのビーム方向候補ＤＣの中から部分空間ＰＳに存在するものだけを抽出してもよい。
【0034】
ビーム方向候補設定部１２０は、設定したビーム方向候補ＤＣを示すビーム方向候補情報２２０を生成し、ビーム方向候補情報２２０をビーム方向決定部１３０に出力する。
【0035】
３－３．ビーム方向決定処理（ステップＳ１３０）
ステップＳ１３０において、ビーム方向決定部１３０は、適切なビーム方向ＤＢを決定する。具体的には、ビーム方向決定部１３０は、ビーム方向候補情報２２０で示されるビーム方向候補ＤＣの中から適切なものをビーム方向ＤＢとして選択する。図１０は、ビーム方向決定処理（ステップＳ１３０）を説明するためのフローチャートである。
ステップＳ１３０において、ビーム方向決定部１３０は、適切なビーム方向ＤＢを決定する。具体的には、ビーム方向決定部１３０は、ビーム方向候補情報２２０で示されるビーム方向候補ＤＣの中から適切なものをビーム方向ＤＢとして選択する。図１０は、ビーム方向決定処理（ステップＳ１３０）を説明するためのフローチャートである。
【0036】
ステップＳ１３１において、ビーム方向決定部１３０は、各ビーム方向候補ＤＣをビームフォーミング部１４０に通知する。ビームフォーミング部１４０は、各ビーム方向候補ＤＣのビームを形成する。通信コントローラ１００は、各ビーム方向候補ＤＣのビームを用いて、測定信号を飛行体２０に送信する。
【0037】
ステップＳ１３２において、飛行体２０は、無線局１０から送信される測定信号を受信し、その受信結果を示す受信結果情報を生成する。受信結果情報としては、受信電力、受信信号強度、伝搬チャネル情報（ＣＳＩ）、等が例示される。飛行体２０は、受信結果情報を無線局１０に送信する、つまり、受信結果情報を無線局１０にフィードバックする。尚、ビーム方向候補ＤＣ毎に受信結果情報が一つずつ送信されてもよいし、全てのビーム方向候補ＤＣに関する受信結果情報がまとめて送信されてもよい。無線局１０のビーム方向決定部１３０は、飛行体２０からフィードバックされる受信結果情報を取得する。
【0038】
ステップＳ１３３において、ビーム方向決定部１３０は、受信結果情報に基づいて、通信品質が条件を満たすビーム方向候補ＤＣをビーム方向ＤＢとして選択する。例えば、ビーム方向決定部１３０は、複数のビーム方向候補ＤＣのうち受信電力の最も高い一つをビーム方向ＤＢとして選択する。ビーム方向候補ＤＣが一つである場合、ビーム方向決定部１３０は、受信電力が所定の電力閾値を超えた場合にそのビーム方向候補ＤＣをビーム方向ＤＢとして選択してもよい。
【0039】
他の例として、ビームフォーミング対象ではない他の飛行体２０に対する干渉が所定の閾値以下に抑えられるという条件の下で、受信電力が最も高くなるビーム方向候補ＤＣがビーム方向ＤＢとして選択されてもよい。これにより、他の飛行体への干渉電力を抑えることができる。更に他の例として、複数のビーム方向ＤＢが選択される場合、ＭＩＭＯ伝送容量が最大となるビーム方向が選択されてもよい。
【0040】
ビーム方向決定部１３０は、決定したビーム方向ＤＢを指定するビーム方向情報２３０を生成し、ビーム方向情報２３０をビームフォーミング部１４０に出力する。
【0041】
３－４．ビームフォーミング（ステップＳ１４０）
ビームフォーミング部１４０は、ビーム方向情報２３０を受け取り、ビーム方向情報２３０によって指定されるビーム方向ＤＢのビームを形成する。形成されたビームに基づいて無線局１０と飛行体２０との間の無線通信が行われる。
ビームフォーミング部１４０は、ビーム方向情報２３０を受け取り、ビーム方向情報２３０によって指定されるビーム方向ＤＢのビームを形成する。形成されたビームに基づいて無線局１０と飛行体２０との間の無線通信が行われる。
【0042】
４．移動方向取得処理の様々な例
以下、本実施の形態に係る移動方向取得処理（ステップＳ１１０）の様々な例について説明する。
以下、本実施の形態に係る移動方向取得処理（ステップＳ１１０）の様々な例について説明する。
【0043】
４－１．第１の例
図１１は、移動方向取得処理の第１の例を説明するためのブロック図である。第１の例では、移動方向取得部１１０は、カメラ１１１を含んでいる。移動方向取得部１１０は、カメラ１１１を用いて飛行体２０を撮像する。そして、移動方向取得部１１０は、カメラ１１１による撮像結果に基づいて、飛行体２０の移動方向ＤＦを取得する。例えば、移動方向取得部１１０は、カメラ１１１により撮像された画像を解析して、飛行体２０を検出（認識）する。パターンマッチング等の画像解析手法は周知である。そして、移動方向取得部１１０は、飛行体２０の検出位置をトレースすることにより、飛行体２０の移動方向ＤＦを取得する。
図１１は、移動方向取得処理の第１の例を説明するためのブロック図である。第１の例では、移動方向取得部１１０は、カメラ１１１を含んでいる。移動方向取得部１１０は、カメラ１１１を用いて飛行体２０を撮像する。そして、移動方向取得部１１０は、カメラ１１１による撮像結果に基づいて、飛行体２０の移動方向ＤＦを取得する。例えば、移動方向取得部１１０は、カメラ１１１により撮像された画像を解析して、飛行体２０を検出（認識）する。パターンマッチング等の画像解析手法は周知である。そして、移動方向取得部１１０は、飛行体２０の検出位置をトレースすることにより、飛行体２０の移動方向ＤＦを取得する。
【0044】
４－２．第２の例
図１２は、移動方向取得処理の第２の例を説明するためのブロック図である。第２の例では、移動方向取得部１１０は、測距センサ１１２を含んでいる。測距センサ１１２としては、ＬＩＤＡＲ（Laser Imaging Detection and Ranging）、ミリ波レーダ、等が例示される。移動方向取得部１１０は、測距センサ１１２を用いて飛行体２０の位置を検出する。飛行体２０の検出位置は、測距センサ１１２に対する相対位置であり、測距センサ１１２から見た距離と方向により規定される。そして、移動方向取得部１１０は、飛行体２０の検出位置をトレースすることにより、飛行体２０の移動方向ＤＦを取得する。
図１２は、移動方向取得処理の第２の例を説明するためのブロック図である。第２の例では、移動方向取得部１１０は、測距センサ１１２を含んでいる。測距センサ１１２としては、ＬＩＤＡＲ（Laser Imaging Detection and Ranging）、ミリ波レーダ、等が例示される。移動方向取得部１１０は、測距センサ１１２を用いて飛行体２０の位置を検出する。飛行体２０の検出位置は、測距センサ１１２に対する相対位置であり、測距センサ１１２から見た距離と方向により規定される。そして、移動方向取得部１１０は、飛行体２０の検出位置をトレースすることにより、飛行体２０の移動方向ＤＦを取得する。
【0045】
ＬＩＤＡＲは、空間分解能が高いという特徴を有する。但し、ＬＩＤＡＲの場合、悪天候時や逆光環境においては計測精度が低下する可能性がある。ミリ波レーダが用いられる場合、天候や逆光の影響は抑制される。ＬＩＤＡＲとミリ波レーダの両方を用いて、両方による計測結果を統合（フュージョン）してもよい。
【0046】
尚、測距センサ１１２によって、飛行体２０と異なる物体も一緒に検出される可能性もある。移動方向取得部１１０は、検出物体の形状に基づいてパターンマッチングを行い、飛行体２０と他の物体を識別してもよい。移動方向取得部１１０は、カメラ１１１と測距センサ１１２を組み合わせて、飛行体２０の移動方向ＤＦを取得してもよい。
【0047】
４－３．第３の例
図１３は、移動方向取得処理の第３の例を説明するためのブロック図である。第３の例では、移動方向取得部１１０は、送受信装置１１３を含んでいる。送受信装置１１３は、無線信号を他の無線局１０に送信し、また、他の無線局１０から無線信号を受信する。無線信号としては、無線ＬＡＮ（Local Area Network）信号が例示される。
図１３は、移動方向取得処理の第３の例を説明するためのブロック図である。第３の例では、移動方向取得部１１０は、送受信装置１１３を含んでいる。送受信装置１１３は、無線信号を他の無線局１０に送信し、また、他の無線局１０から無線信号を受信する。無線信号としては、無線ＬＡＮ（Local Area Network）信号が例示される。
【0048】
図１４は、無線ＬＡＮ信号に基づいて物体移動方向を推定する手法の一例を説明するための概念図である。送信装置Ｔｘは、無線ＬＡＮ信号を受信装置Ｒｘに向けて送信する。送信装置Ｔｘと受信装置Ｒｘとの間にはマルチパスが存在する。受信装置Ｒｘは、各パスを介して無線ＬＡＮ信号を受信する。受信装置Ｒｘは、各パス毎の無線ＬＡＮ信号の特徴量をモニタする。特徴量としては、受信電力、受信信号強度、位相、等が例示される。図１４に示されるように、物体がパスＡ、パスＢ、及びパスＣを順番に横切った場合、パスＡ、パスＢ、及びパスＣに関する特徴量が順番に変化する。よって、各パスに関する特徴量の時間変化に基づいて、物体の移動方向を推定することが可能となる。
【0049】
図１５は、無線ＬＡＮ信号に基づいて物体移動方向を推定する手法の他の例を説明するための概念図である。送信装置Ｔｘは、複数のアンテナを備えている。送信装置Ｔｘは、複数のアンテナのそれぞれから無線ＬＡＮ信号を送信する。受信装置Ｒｘは、複数のアンテナから送信された無線ＬＡＮ信号を受信する。受信装置Ｒｘは、各アンテナ毎の無線ＬＡＮ信号の特徴量をモニタする。特徴量としては、受信電力、受信信号強度、位相、等が例示される。図１５に示されるように、物体が送信装置Ｔｘと受信装置Ｒｘとの間を横切った場合、各アンテナに関する特徴量が順番に変化する。よって、各パスに関する特徴量の時間変化に基づいて、物体の移動方向を推定することが可能となる。図１５に示される手法は、マルチパスが少ない屋外環境にも適用可能である。
【0050】
移動方向取得部１１０は、上記手法に基づいて、飛行体２０の移動方向ＤＦを推定する。すなわち、移動方向取得部１１０は、他の無線局１０から送信される無線信号（例：無線ＬＡＮ信号）を送受信装置１１３を介して受信する。そして、移動方向取得部１１０は、受信した無線信号の特徴量の時間変化に基づいて、飛行体２０の移動方向ＤＦを推定する。上述の通り、複数のアンテナを用いることによって推定精度は向上する。
【0051】
４－４．第４の例
図１６は、移動方向取得処理の第４の例を説明するためのブロック図である。第４の例では、移動方向取得部１１０は、飛行体２０と通信を行う通信装置１１４を含んでいる。飛行体２０は、自身の位置を検出する位置センサを搭載している。位置センサとしては、ＧＰＳ（Global Positioning System）センサが例示される。飛行体２０は、位置センサにより検出される自身の位置を示す飛行体位置情報２００を無線局１０に送信する。移動方向取得部１１０は、通信装置１１４を介して飛行体２０から飛行体位置情報２００を取得する。そして、移動方向取得部１１０は、飛行体位置情報２００で示される位置をトレースすることにより、飛行体２０の移動方向ＤＦを取得する。
図１６は、移動方向取得処理の第４の例を説明するためのブロック図である。第４の例では、移動方向取得部１１０は、飛行体２０と通信を行う通信装置１１４を含んでいる。飛行体２０は、自身の位置を検出する位置センサを搭載している。位置センサとしては、ＧＰＳ（Global Positioning System）センサが例示される。飛行体２０は、位置センサにより検出される自身の位置を示す飛行体位置情報２００を無線局１０に送信する。移動方向取得部１１０は、通信装置１１４を介して飛行体２０から飛行体位置情報２００を取得する。そして、移動方向取得部１１０は、飛行体位置情報２００で示される位置をトレースすることにより、飛行体２０の移動方向ＤＦを取得する。
【0052】
４－５．第５の例
図１７は、移動方向取得処理の第５の例を説明するためのブロック図である。第５の例では、移動方向取得部１１０は、無線局１０の外部の飛行体管理装置５０と通信を行う通信装置１１５を含んでいる。飛行体管理装置（管理サーバ）５０は、各飛行体２０の位置、移動方向、状態、等を管理する。例えば、飛行体管理装置５０は、上述の第１～第４の例で説明された手法のいずれかにより各飛行体２０の移動方向を把握し、各飛行体２０に関する移動方向情報２１０を提供する。移動方向取得部１１０は、通信装置１１５を介して飛行体管理装置５０と通信を行い、飛行体管理装置５０から移動方向情報２１０を取得する。
図１７は、移動方向取得処理の第５の例を説明するためのブロック図である。第５の例では、移動方向取得部１１０は、無線局１０の外部の飛行体管理装置５０と通信を行う通信装置１１５を含んでいる。飛行体管理装置（管理サーバ）５０は、各飛行体２０の位置、移動方向、状態、等を管理する。例えば、飛行体管理装置５０は、上述の第１～第４の例で説明された手法のいずれかにより各飛行体２０の移動方向を把握し、各飛行体２０に関する移動方向情報２１０を提供する。移動方向取得部１１０は、通信装置１１５を介して飛行体管理装置５０と通信を行い、飛行体管理装置５０から移動方向情報２１０を取得する。
【符号の説明】
【0053】
１…無線通信システム， １０…無線局， １１…信号生成部， １２…送信部， １３…ビーム可変アンテナ， １４…受信部， １５…信号解析部， １６…ビーム方向決定部， ２０…飛行体， ２１…通知信号生成部， ２２…送信部， ２３…アンテナ， ２４…受信部， ２５…信号解析部， ５０…飛行体管理装置， １００…通信コントローラ， １０１…プロセッサ， １０２…記憶装置， １０３…通信制御プログラム， １１０…移動方向取得部， １２０…ビーム方向候補設定部， １３０…ビーム方向決定部， １４０…ビームフォーミング部， ２００…飛行体位置情報， ２１０…移動方向情報， ２２０…ビーム方向候補情報， ２３０…ビーム方向情報， ＤＢ…ビーム方向， ＤＦ…移動方向， ＰＳ…部分空間
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】