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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】P2023041153
(43)【公開日】2023-03-24
(54)【発明の名称】キャリブレーション方法及びキャリブレーションシステム
(51)【国際特許分類】
H04B 7/06 20060101AFI20230316BHJP
H04B 7/08 20060101ALI20230316BHJP
B64F 5/60 20170101ALI20230316BHJP
【ＦＩ】
H04B7/06 982
H04B7/08 982
B64F5/60
【審査請求】未請求
【請求項の数】7
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2021148342
(22)【出願日】2021-09-13
(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】304027279
【氏名又は名称】国立大学法人 新潟大学
(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】山田 渉
(72)【発明者】
【氏名】猪又 稔
(72)【発明者】
【氏名】久野 伸晃
(72)【発明者】
【氏名】西森 健太郎
(57)【要約】
【課題】アレーアンテナの設置環境によらず、また、アレーアンテナにキャリブレーション専用装置を付加することなく、アレーアンテナのキャリブレーションを行うこと。
【解決手段】複数のアンテナ素子部を有するアレーアンテナのキャリブレーションに、ドローン等の飛翔体が利用される。アレーアンテナと飛翔体の一方から他方へ電波が送信され、受信側における電波の受信結果に基づいてＫファクタを算出される。Ｋファクタが閾値以上になるように、飛翔体の高度が調整される。その後、複数のアンテナ素子部の各々及び飛翔体の一方から他方へキャリブレーション信号が送信される。そして、キャリブレーション信号の受信結果に基づいて、複数のアンテナ素子部間の送信機あるいは受信機のキャリブレーション値が算出される。
【選択図】図３
【解決手段】複数のアンテナ素子部を有するアレーアンテナのキャリブレーションに、ドローン等の飛翔体が利用される。アレーアンテナと飛翔体の一方から他方へ電波が送信され、受信側における電波の受信結果に基づいてＫファクタを算出される。Ｋファクタが閾値以上になるように、飛翔体の高度が調整される。その後、複数のアンテナ素子部の各々及び飛翔体の一方から他方へキャリブレーション信号が送信される。そして、キャリブレーション信号の受信結果に基づいて、複数のアンテナ素子部間の送信機あるいは受信機のキャリブレーション値が算出される。
【選択図】図３
【特許請求の範囲】
【請求項1】
複数のアンテナ素子部を有するアレーアンテナに適用されるキャリブレーション方法であって、
前記アレーアンテナと飛翔体の一方から他方へ電波を送信し、受信側における前記電波の受信結果に基づいてＫファクタを算出するＫファクタ算出処理と、
前記Ｋファクタが閾値以上になるように、前記飛翔体の高度を調整する高度調整処理と、
前記高度調整処理の後、前記複数のアンテナ素子部の各々及び前記飛翔体の一方から他方へキャリブレーション信号を送信し、前記キャリブレーション信号の受信結果に基づいて前記複数のアンテナ素子部間の送信機あるいは受信機のキャリブレーション値を算出するキャリブレーション値算出処理と
を含む
キャリブレーション方法。
前記アレーアンテナと飛翔体の一方から他方へ電波を送信し、受信側における前記電波の受信結果に基づいてＫファクタを算出するＫファクタ算出処理と、
前記Ｋファクタが閾値以上になるように、前記飛翔体の高度を調整する高度調整処理と、
前記高度調整処理の後、前記複数のアンテナ素子部の各々及び前記飛翔体の一方から他方へキャリブレーション信号を送信し、前記キャリブレーション信号の受信結果に基づいて前記複数のアンテナ素子部間の送信機あるいは受信機のキャリブレーション値を算出するキャリブレーション値算出処理と
を含む
キャリブレーション方法。
【請求項2】
請求項１に記載のキャリブレーション方法であって、
前記複数のアンテナ素子部は、第１アンテナ素子部と第２アンテナ素子部を含み、
前記キャリブレーション値算出処理は、
前記第１アンテナ素子部から前記キャリブレーション信号を前記飛翔体に送信する処理と、
前記飛翔体において、前記第１アンテナ素子部から送信された前記キャリブレーション信号を第１受信信号として受信する処理と、
前記第２アンテナ素子部から前記キャリブレーション信号を前記飛翔体に送信する処理と、
前記飛翔体において、前記第２アンテナ素子部から送信された前記キャリブレーション信号を第２受信信号として受信する処理と、
前記第１受信信号と前記第２受信信号との比較に基づいて、前記第１アンテナ素子部と前記アンテナ素子部との間の前記送信機の前記キャリブレーション値を算出する処理と
を含む
キャリブレーション方法。
前記複数のアンテナ素子部は、第１アンテナ素子部と第２アンテナ素子部を含み、
前記キャリブレーション値算出処理は、
前記第１アンテナ素子部から前記キャリブレーション信号を前記飛翔体に送信する処理と、
前記飛翔体において、前記第１アンテナ素子部から送信された前記キャリブレーション信号を第１受信信号として受信する処理と、
前記第２アンテナ素子部から前記キャリブレーション信号を前記飛翔体に送信する処理と、
前記飛翔体において、前記第２アンテナ素子部から送信された前記キャリブレーション信号を第２受信信号として受信する処理と、
前記第１受信信号と前記第２受信信号との比較に基づいて、前記第１アンテナ素子部と前記アンテナ素子部との間の前記送信機の前記キャリブレーション値を算出する処理と
を含む
キャリブレーション方法。
【請求項3】
請求項１に記載のキャリブレーション方法であって、
前記複数のアンテナ素子部は、第１アンテナ素子部と第２アンテナ素子部を含み、
前記キャリブレーション値算出処理は、
前記飛翔体から前記キャリブレーション信号を前記アレーアンテナに送信する処理と、
前記第１アンテナ素子部において、前記飛翔体から送信された前記キャリブレーション信号を第１受信信号として受信する処理と、
前記第２アンテナ素子部において、前記飛翔体から送信された前記キャリブレーション信号を第２受信信号として受信する処理と、
前記第１受信信号と前記第２受信信号との比較に基づいて、前記第１アンテナ素子部と前記アンテナ素子部との間の前記受信機の前記キャリブレーション値を算出する処理と
を含む
キャリブレーション方法。
前記複数のアンテナ素子部は、第１アンテナ素子部と第２アンテナ素子部を含み、
前記キャリブレーション値算出処理は、
前記飛翔体から前記キャリブレーション信号を前記アレーアンテナに送信する処理と、
前記第１アンテナ素子部において、前記飛翔体から送信された前記キャリブレーション信号を第１受信信号として受信する処理と、
前記第２アンテナ素子部において、前記飛翔体から送信された前記キャリブレーション信号を第２受信信号として受信する処理と、
前記第１受信信号と前記第２受信信号との比較に基づいて、前記第１アンテナ素子部と前記アンテナ素子部との間の前記受信機の前記キャリブレーション値を算出する処理と
を含む
キャリブレーション方法。
【請求項4】
請求項１乃至３のいずれか一項に記載のキャリブレーション方法であって、
前記Ｋファクタ算出処理は、
前記受信側において前記電波の受信電力と前記受信電力の変動量を測定する処理と、
前記受信電力と前記変動量に基づいて前記Ｋファクタを算出する処理と
を含む
キャリブレーション方法。
前記Ｋファクタ算出処理は、
前記受信側において前記電波の受信電力と前記受信電力の変動量を測定する処理と、
前記受信電力と前記変動量に基づいて前記Ｋファクタを算出する処理と
を含む
キャリブレーション方法。
【請求項5】
請求項１乃至４のいずれか一項に記載のキャリブレーション方法であって、
前記Ｋファクタ算出処理において、前記アレーアンテナから前記飛翔体に前記電波が送信される
キャリブレーション方法。
前記Ｋファクタ算出処理において、前記アレーアンテナから前記飛翔体に前記電波が送信される
キャリブレーション方法。
【請求項6】
複数のアンテナ素子部を有するアレーアンテナに適用されるキャリブレーション方法であって、
前記アレーアンテナと飛翔体の一方から他方へ電波を送信する処理と、
前記アレーアンテナと前記飛翔体の前記他方が受信する前記電波が直接波だけであるとみなすことができるまで前記飛翔体の高度を調整する高度調整処理と、
前記高度調整処理の後、前記複数のアンテナ素子部の各々及び前記飛翔体の一方から他方へキャリブレーション信号を送信し、前記キャリブレーション信号の受信結果に基づいて前記複数のアンテナ素子部間の送信機あるいは受信機のキャリブレーション値を算出するキャリブレーション値算出処理と
を含む
キャリブレーション方法。
前記アレーアンテナと飛翔体の一方から他方へ電波を送信する処理と、
前記アレーアンテナと前記飛翔体の前記他方が受信する前記電波が直接波だけであるとみなすことができるまで前記飛翔体の高度を調整する高度調整処理と、
前記高度調整処理の後、前記複数のアンテナ素子部の各々及び前記飛翔体の一方から他方へキャリブレーション信号を送信し、前記キャリブレーション信号の受信結果に基づいて前記複数のアンテナ素子部間の送信機あるいは受信機のキャリブレーション値を算出するキャリブレーション値算出処理と
を含む
キャリブレーション方法。
【請求項7】
複数のアンテナ素子部を有するアレーアンテナと、
飛翔体と
を含み、
前記飛翔体と前記アレーアンテナの一方は、前記飛翔体と前記アレーアンテナの他方から送信される電波を受信し、前記電波の受信結果に基づいてＫファクタを算出し、
前記飛翔体は、前記Ｋファクタが閾値以上になるように、前記飛翔体の高度を調整する高度調整処理を行い、
前記高度調整処理の後、前記複数のアンテナ素子部の各々及び前記飛翔体の一方である送信側は、前記複数のアンテナ素子部の各々及び前記飛翔体の他方である受信側へキャリブレーション信号を送信し、
前記受信側は、前記キャリブレーション信号の受信結果に基づいて前記複数のアンテナ素子部間の送信機あるいは受信機のキャリブレーション値を算出する
キャリブレーションシステム。
飛翔体と
を含み、
前記飛翔体と前記アレーアンテナの一方は、前記飛翔体と前記アレーアンテナの他方から送信される電波を受信し、前記電波の受信結果に基づいてＫファクタを算出し、
前記飛翔体は、前記Ｋファクタが閾値以上になるように、前記飛翔体の高度を調整する高度調整処理を行い、
前記高度調整処理の後、前記複数のアンテナ素子部の各々及び前記飛翔体の一方である送信側は、前記複数のアンテナ素子部の各々及び前記飛翔体の他方である受信側へキャリブレーション信号を送信し、
前記受信側は、前記キャリブレーション信号の受信結果に基づいて前記複数のアンテナ素子部間の送信機あるいは受信機のキャリブレーション値を算出する
キャリブレーションシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、アレーアンテナのキャリブレーションに関する。
【背景技術】
【0002】
スマートフォン等の普及により、小型端末を用いて高速データ通信を行うことができるようになった。限られた周波数帯域で伝送速度を向上させるキー技術として、送受信アンテナに複数のアンテナを用い高速伝送を実現するＭｕｌｔｉｐｌｅ Ｉｎｐｕｔ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｏｕｔｐｕｔ （ＭＩＭＯ）伝送技術が導入されている。ＬＴＥ－ＡｄｖａｎｃｅｄやＩＥＥＥ８０２．１１ａｃでは、ＭＩＭＯ技術を複数のユーザに適用可能なマルチユーザＭＩＭＯ（ＭＵ－ＭＩＭＯ）が採用されている。第５世代移動通信システム（５Ｇ）では、Ｍａｓｓｉｖｅ ＭＩＭＯと呼ばれるコンセプトが提案されている（非特許文献１参照）。Ｍａｓｓｉｖｅ ＭＩＭＯは、端末数が増大する環境で、基地局のアンテナを多素子化することにより、サービスエリアの改善と干渉問題を解決する。
【0003】
ＩＥＥＥ８０２．１１ａｃやＬＴＥ－Ａｄｖａｎｃｅｄに導入される予定であるＭＵ－ＭＩＭＯでは、サポートする基地局のアンテナ数は８までである。このような状況では、ユーザの合計アンテナ数が基地局のアンテナ数と同等となると、ユーザあたりの伝送速度が急激に低下することが知られている。一方、Ｍａｓｓｉｖｅ ＭＩＭＯは、基地局のアンテナ素子数がユーザの合計アンテナ数よりも十分に多いことを想定しているため、ユーザ数が増加しても伝送速度はさほど低下しない利点を有する。
【0004】
Ｍａｓｓｉｖｅ ＭＩＭＯを実現するためには、シングルユーザＭＩＭＯ（ＳＵ－ＭＩＭＯ）やＭＵ－ＭＩＭＯの場合と同様に、伝搬チャネル応答、すなわちＣｈａｎｎｅｌ Ｓｔａｔｅ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ（ＣＳＩ）の情報が必要である。従来の無線ＬＡＮやセルラシステムにおける標準化では、端末側から基地局側にＣＳＩをフィードバックする手法が採用されている。しかしながら、Ｍａｓｓｉｖｅ ＭＩＭＯの場合、端末側からのＣＳＩのフィードバックを適用すると、使用する素子数が膨大になることから伝送効率の低下が大きな問題となる。
【0005】
そこで、Ｍａｓｓｉｖｅ ＭＩＭＯの場合、端末から基地局に信号を送信し、基地局においてＣＳＩ推定を行うことが考えられる。図１は、この手法を概略的に示している。図１において、アレーアンテナは、複数のアンテナ素子部を有している（Ｍは２以上の整数）。各々のアンテナ素子部は、送信機Ｔｘ、受信機Ｒｘ、及びアンテナ素子を含んでいる。
【0006】
図１で示される手法において注意しなければならないことは、複数のアンテナ素子部間の送信機Ｔｘ及び受信機Ｒｘの“個体差”である。典型的には、複数のアンテナ素子部間には、送信機Ｔｘ及び受信機Ｒｘの電気特性のばらつきが存在する。このような個体差により、複数のアンテナ素子部間で振幅及び位相の誤差が発生する。振幅／位相誤差が存在する場合、ヌルが上昇する。図２は、一例として、３素子アレーの送信機に振幅と位相の誤差を与えた場合の計算例を示している。誤差が大きくなるとヌルが上昇することがわかる。
【0007】
従って、複数のアンテナ素子部間の振幅／位相誤差を正しく認識し、補正する必要がある。すなわち、アレーアンテナの複数のアンテナ素子部のキャリブレーションを行う必要がある。
【0008】
キャリブレーションに関連する従来技術として、遠方界／近傍界校正法や装置内フィードバック校正法が知られている（非特許文献２、非特許文献３参照）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【0009】
【非特許文献1】F. Rusek, D. Persson, B. K. Lau, E. G. Larsson, T. L. Marzetta, O. Edfors, and F. Tufvesson, "Scaling Up MIMO -- Opportunities and challenges with very large arrays --," IEEE Signal Processing Magazine, pp.40-60, Jan. 2013.
【非特許文献2】真野清司，片木孝至，“フェイズドアレーアンテナの素子振幅位相測定法－素子電界ベクトル回転法－，” 電子通信学会論文誌 Vol.J65-B, No. 5, pp.555-560, May 1982.
【非特許文献3】Tsoulos, J. McGeehan and M. Beach, "Space division multiple access (SDMA) field trials. Part 2: Calibration and linearity issues," IEE Proc. Radar, Sonar Navig., Vol.145, No.1, Feb. 1998.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0010】
遠方界／近傍界校正法の問題点として、次のものが挙げられる。まず、遠方界測定では、基準基地局と基地局との間が見通し環境であることや反射波が存在しないことが必要である。よって、キャリブレーションが実現できる環境が限定される。また、電波暗室等を必要とするため、実際の電波を送信中にキャリブレーションを行うことはできない。近傍界測定の場合、大規模アレーになると後処理が煩雑となる。
【0011】
装置内フィードバック校正法は、外部装置を一切用いず、基地局内でキャリブレーションを実現する。但し、そのためには、基地局内にキャリブレーション専用装置を付加する必要がある。
【0012】
本発明の１つの目的は、アレーアンテナの設置環境によらず、また、アレーアンテナにキャリブレーション専用装置を付加することなく、アレーアンテナのキャリブレーションを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】
【0013】
第１の観点は、複数のアンテナ素子部を有するアレーアンテナに適用されるキャリブレーション方法に関連する。
キャリブレーション方法は、
アレーアンテナと飛翔体の一方から他方へ電波を送信し、受信側における電波の受信結果に基づいてＫファクタを算出するＫファクタ算出処理と、
Ｋファクタが閾値以上になるように、飛翔体の高度を調整する高度調整処理と、
高度調整処理の後、複数のアンテナ素子部の各々及び飛翔体の一方から他方へキャリブレーション信号を送信し、キャリブレーション信号の受信結果に基づいて複数のアンテナ素子部間の送信機あるいは受信機のキャリブレーション値を算出するキャリブレーション値算出処理と
を含む。
キャリブレーション方法は、
アレーアンテナと飛翔体の一方から他方へ電波を送信し、受信側における電波の受信結果に基づいてＫファクタを算出するＫファクタ算出処理と、
Ｋファクタが閾値以上になるように、飛翔体の高度を調整する高度調整処理と、
高度調整処理の後、複数のアンテナ素子部の各々及び飛翔体の一方から他方へキャリブレーション信号を送信し、キャリブレーション信号の受信結果に基づいて複数のアンテナ素子部間の送信機あるいは受信機のキャリブレーション値を算出するキャリブレーション値算出処理と
を含む。
【0014】
第２の観点は、複数のアンテナ素子部を有するアレーアンテナに適用されるキャリブレーション方法に関連する。
キャリブレーション方法は、
アレーアンテナと飛翔体の一方から他方へ電波を送信する処理と、
アレーアンテナと飛翔体の他方が受信する電波が直接波だけであるとみなすことができるまで飛翔体の高度を調整する高度調整処理と、
高度調整処理の後、複数のアンテナ素子部の各々及び飛翔体の一方から他方へキャリブレーション信号を送信し、キャリブレーション信号の受信結果に基づいて複数のアンテナ素子部間の送信機あるいは受信機のキャリブレーション値を算出するキャリブレーション値算出処理と
を含む。
キャリブレーション方法は、
アレーアンテナと飛翔体の一方から他方へ電波を送信する処理と、
アレーアンテナと飛翔体の他方が受信する電波が直接波だけであるとみなすことができるまで飛翔体の高度を調整する高度調整処理と、
高度調整処理の後、複数のアンテナ素子部の各々及び飛翔体の一方から他方へキャリブレーション信号を送信し、キャリブレーション信号の受信結果に基づいて複数のアンテナ素子部間の送信機あるいは受信機のキャリブレーション値を算出するキャリブレーション値算出処理と
を含む。
【0015】
第３の観点は、キャリブレーションシステムに関連する。
キャリブレーションシステムは、
複数のアンテナ素子部を有するアレーアンテナと、
飛翔体と
を含む。
飛翔体とアレーアンテナの一方は、飛翔体とアレーアンテナの他方から送信される電波を受信し、電波の受信結果に基づいてＫファクタを算出する。
飛翔体は、Ｋファクタが閾値以上になるように、飛翔体の高度を調整する高度調整処理を行う。
高度調整処理の後、複数のアンテナ素子部の各々及び飛翔体の一方である送信側は、複数のアンテナ素子部の各々及び飛翔体の他方である受信側へキャリブレーション信号を送信する。
受信側は、キャリブレーション信号の受信結果に基づいて複数のアンテナ素子部間の送信機あるいは受信機のキャリブレーション値を算出する。
キャリブレーションシステムは、
複数のアンテナ素子部を有するアレーアンテナと、
飛翔体と
を含む。
飛翔体とアレーアンテナの一方は、飛翔体とアレーアンテナの他方から送信される電波を受信し、電波の受信結果に基づいてＫファクタを算出する。
飛翔体は、Ｋファクタが閾値以上になるように、飛翔体の高度を調整する高度調整処理を行う。
高度調整処理の後、複数のアンテナ素子部の各々及び飛翔体の一方である送信側は、複数のアンテナ素子部の各々及び飛翔体の他方である受信側へキャリブレーション信号を送信する。
受信側は、キャリブレーション信号の受信結果に基づいて複数のアンテナ素子部間の送信機あるいは受信機のキャリブレーション値を算出する。
【発明の効果】
【0016】
本発明によれば、アレーアンテナの設置環境によらず、また、アレーアンテナにキャリブレーション専用装置を付加することなく、アレーアンテナのキャリブレーションを行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【0017】
【図1】従来技術を説明するための概念図である。
【図2】従来技術を説明するためのグラフ図である。
【図3】本発明の実施の形態に係るキャリブレーション処理の概要を説明するための概念図である。
【図4】Ｋファクタを説明するためのグラフ図である。
【図5】本発明の実施の形態に係るキャリブレーションシステムの構成例を示す概略図である。
【図6】本発明の実施の形態に係る飛翔体の構成例を示すブロック図である。
【図7】本発明の実施の形態に係るキャリブレーション処理の例を示すフローチャートである。
【図8】本発明の実施の形態に係るキャリブレーション値算出処理（ステップＳ４００）を説明するための概念図である。
【図9】本発明の実施の形態に係るキャリブレーション値算出処理（ステップＳ４００）の一例を示すフローチャートである。
【図10】本発明の実施の形態に係るキャリブレーション値算出処理（ステップＳ４００）の他の例を示すフローチャートである。
【図11】本発明の実施の形態に係るキャリブレーション処理の具体例を説明するための概念図である。
【図12】本発明の実施の形態に係るキャリブレーション処理の具体例を説明するためのグラフ図である。
【図13】本発明の実施の形態に係るキャリブレーション処理の効果を説明するためのグラフ図である。
【図14】本発明の実施の形態に係るキャリブレーション処理の効果を説明するためのグラフ図である。
【発明を実施するための形態】
【0018】
添付図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。
【0019】
１．概要
図３は、本実施の形態に係るキャリブレーション処理の概要を説明するための概念図である。基地局ＢＳは、複数のアンテナ素子部を有するアレーアンテナ１０を備えている。このアレーアンテナ１０がキャリブレーションの対象である。
図３は、本実施の形態に係るキャリブレーション処理の概要を説明するための概念図である。基地局ＢＳは、複数のアンテナ素子部を有するアレーアンテナ１０を備えている。このアレーアンテナ１０がキャリブレーションの対象である。
【0020】
アレーアンテナ１０の複数のアンテナ素子部間には、送信機及び受信機の個体差（例：電気特性のばらつき）が存在する可能性がある。そのような個体差により、複数のアンテナ素子部間で振幅及び位相の誤差が発生する。よって、複数のアンテナ素子部間の振幅／位相誤差を正しく認識し、補正する必要がある。しかしながら、複数方向から信号が到来するマルチパス環境では、複数のアンテナ素子部間の振幅／位相誤差を正しく推定することができない。
【0021】
例えば図３において、アレーアンテナ１０から送信される電波は周辺の建物により反射される。その結果、位置Ｐ１には複数方向から電波が到来する。従って、位置Ｐ１に受信装置を置いても、複数のアンテナ素子部間の振幅／位相誤差を正しく推定することはできない。一方、周辺の建物よりも十分に高い位置Ｐ２にはほぼ直接波のみが到来する。言い換えれば、位置Ｐ２では、反射波と比較して直接波が十分に支配的となる。従って、位置Ｐ２に受信装置を置けば、複数のアンテナ素子部間の振幅／位相誤差を正しく推定することができると考えられる。
【0022】
そこで、本実施の形態では、「飛翔体１００」がキャリブレーションに利用される。飛翔体１００としては、ドローン等が例示される。この飛翔体１００は、通信装置を搭載しており、アレーアンテナ１０と通信可能である。飛翔体１００を周辺の建物よりも十分に高い位置Ｐ２まで上昇させることにより、マルチパスを回避することができる。そして、その状態で飛翔体１００とアレーアンテナ１０との間で信号をやりとりすることにより、複数のアンテナ素子部間の振幅／位相誤差を正しく推定することが可能となる。推定された振幅／位相誤差に基づいて、アレーアンテナ１０の複数のアンテナ素子部のキャリブレーションが行われる。
【0023】
このように、飛翔体１００を利用することによって、アレーアンテナ１０の設置環境によらず、また、アレーアンテナ１０にキャリブレーション専用装置を付加することなく、アレーアンテナ１０のキャリブレーションを行うことが可能となる。
【0024】
２．Ｋファクタ
本実施の形態では、アレーアンテナ１０と飛翔体１００との間で直接波が支配的となっているか（マルチパスを回避できているか）を判断する必要がある。そのために電波到来方向を推定する技術を利用することも考えられるが、その場合、信号処理が複雑となる可能性がある。そこで、他の例として、直接波と反射波との電力比を表す「Ｋファクタ」の利用が提案される。
本実施の形態では、アレーアンテナ１０と飛翔体１００との間で直接波が支配的となっているか（マルチパスを回避できているか）を判断する必要がある。そのために電波到来方向を推定する技術を利用することも考えられるが、その場合、信号処理が複雑となる可能性がある。そこで、他の例として、直接波と反射波との電力比を表す「Ｋファクタ」の利用が提案される。
【0025】
仲上－ライスフェージングの場合、受信信号ｈＲｉｃｅは次の式で表される。
【0026】
【数1】
【0027】
ｈＬＯＳは見通し内信号であり、ｈＮＬＯＳは見通し外信号である。Ｌ－１は、見通し外信号の数である。ｒ及びθは、それぞれ、振幅及び位相である。Ｋファクタは、次の式で表される。
【0028】
【数2】
【0029】
このように、Ｋファクタは、直接波と反射波との電力比を表す。Ｋファクタが大きいほど直接波がより支配的な環境になっていると言える。そして、Ｋファクタが閾値以上となれば、受信側には直接波だけが到来しているとみなすことができる。
【0030】
図４は、Ｋファクタに応じた相対受信電力の累積確率分布（Cumulative Distribution Function, CDF）を表すグラフ図である。横軸は相対受信電力［ｄＢ］を表し、縦軸は累積確率（横軸の値以下となる確率）を表している。図４に示されるように、Ｋファクタに応じて相対受信電力の累積確率分布は変動する。逆に、相対受信電力の累積確率分布を取得することができれば、それに相当するＫファクタを算出することができる。つまり、受信電力とその変動値に基づいて、Ｋファクタを算出することができる。
【0031】
本実施の形態では、Ｋファクタが閾値以上となった場合、受信側には直接波だけが到来していると判断される。閾値は、例えば２０ｄＢに設定される。但し、実際には、Ｋファクタが１０～１５ｄＢ程度まで増加すればほぼ直接波とみなすことができる。
【0032】
３．構成例及び処理フロー例
以下、本実施の形態に関連するキャリブレーション処理について更に詳しく説明する。
以下、本実施の形態に関連するキャリブレーション処理について更に詳しく説明する。
【0033】
３－１．構成例
図５は、本実施の形態に係るキャリブレーションシステム１の構成例を示す概略図である。キャリブレーションシステム１は、基地局ＢＳと飛翔体１００を含んでいる。
図５は、本実施の形態に係るキャリブレーションシステム１の構成例を示す概略図である。キャリブレーションシステム１は、基地局ＢＳと飛翔体１００を含んでいる。
【0034】
基地局ＢＳは、アレーアンテナ１０を含んでいる。アレーアンテナ１０は、複数のアンテナ素子部２０－１～２０－Ｍを有している。ここで、Ｍは２以上の整数である。各アンテナ素子部２０－ｉ（ｉ＝１～Ｍ）は、送信機２１－ｉ、受信機２２－ｉ、及びアンテナ素子２３－ｉを含んでいる。
【0035】
基地局ＢＳは、更に、制御装置３０を含んでいる。制御装置３０は、各種信号処理、アレーアンテナ１０の制御、及びアレーアンテナ１０を通した信号送受信を行う。典型的には、制御装置３０は、プロセッサと記憶装置を含むコンピュータにより実現される。
【0036】
図６は、本実施の形態に係る飛翔体１００の構成例を示すブロック図である。飛翔体１００は、アクチュエータ１１０、通信装置１２０、及び制御装置１３０を含んでいる。
【0037】
アクチュエータ１１０は、飛翔体１００を飛行させるための動力源である。例えば、飛翔体１００がドローンの場合、アクチュエータ１１０はロータを回転させるモータを含んでいる。
【0038】
通信装置１２０は、アレーアンテナ１０（基地局ＢＳ）と通信を行う。通信装置１２０は、送信機１２１、受信機１２２、及びアンテナ１２３を含んでいる。
【0039】
制御装置１３０は、飛翔体１００を制御する。制御装置１３０は、各種情報処理を行う。また、制御装置１３０は、アクチュエータ１１０を制御することにより飛翔体１００の飛行制御を行う。更に、制御装置１３０は、通信装置１２０を介して信号送受信を行う。典型的には、制御装置１３０は、プロセッサと記憶装置を含むコンピュータにより実現される。
【0040】
３－２．処理フロー例
図７は、本実施の形態に係るキャリブレーション処理の例を示すフローチャートである。
図７は、本実施の形態に係るキャリブレーション処理の例を示すフローチャートである。
【0041】
３－２－１．Ｋファクタ算出処理（ステップＳ１００）
ステップＳ１００において、アレーアンテナ１０と飛翔体１００の一方から他方へ電波を送信し、受信側における電波の受信結果に基づいてＫファクタを算出する「Ｋファクタ算出処理」が実行される。一例として、アレーアンテナ１０から飛翔体１００に電波が送信される場合を考える。
ステップＳ１００において、アレーアンテナ１０と飛翔体１００の一方から他方へ電波を送信し、受信側における電波の受信結果に基づいてＫファクタを算出する「Ｋファクタ算出処理」が実行される。一例として、アレーアンテナ１０から飛翔体１００に電波が送信される場合を考える。
【0042】
ステップＳ１１０において、基地局ＢＳの制御装置３０は、アレーアンテナ１０を制御し、電波を送信する。飛翔体１００の通信装置１２０は、アレーアンテナ１０から送信された電波を受信する。
【0043】
ステップＳ１２０において、飛翔体１００の通信装置１２０は、電波の受信電力とその変動量を測定する。このとき、電波の受信方向を測定する必要は必ずしもない。
【0044】
ステップＳ１３０において、飛翔体１００の制御装置１３０は、電波の受信結果に基づいてＫファクタを算出する。例えば、図４で示された相対受信電力の累積確率分布を示す参照情報が予め生成され、制御装置１３０の記憶装置に格納される。参照情報は、相対受信電力の累積確率分布を様々なＫファクタ毎に示す。制御装置１３０は、ステップＳ１２０で測定された受信電力及び変動量と参照情報に基づいて、Ｋファクタを算出（推定）する。例えば、制御装置１３０は、ステップＳ１２０で測定された受信電力及び変動量から得られる累積確率分布と参照情報とを対比することによって、Ｋファクタを算出（推定）する。
【0045】
他の例として、飛翔体１００からアレーアンテナ１０に電波が送信されてもよい。この場合、アレーアンテナ１０が電波を受信し、制御装置３０が電波の受信結果（受信電力と変動量）と参照情報に基づいてＫファクタを算出する。そして、制御装置３０は、算出したＫファクタの情報を飛翔体１００に送信する。
【0046】
３－２－２．判定処理（ステップＳ２００）
ステップＳ２００において、飛翔体１００の制御装置１３０は、Ｋファクタを閾値と比較する。例えば、閾値は２０ｄＢである。Ｋファクタが閾値未満である場合（ステップＳ２００；Ｎｏ）、処理は、ステップＳ３００に進む。一方、Ｋファクタが閾値以上である場合（ステップＳ２００；Ｙｅｓ）、処理は、ステップＳ４００に進む。
ステップＳ２００において、飛翔体１００の制御装置１３０は、Ｋファクタを閾値と比較する。例えば、閾値は２０ｄＢである。Ｋファクタが閾値未満である場合（ステップＳ２００；Ｎｏ）、処理は、ステップＳ３００に進む。一方、Ｋファクタが閾値以上である場合（ステップＳ２００；Ｙｅｓ）、処理は、ステップＳ４００に進む。
【0047】
３－２－３．高度調整処理（ステップＳ３００）
ステップＳ３００において、飛翔体１００の制御装置１３０は、アクチュエータ１１０を制御し、飛翔体１００を上昇させる。その後、処理はステップＳ１００に戻る。
ステップＳ３００において、飛翔体１００の制御装置１３０は、アクチュエータ１１０を制御し、飛翔体１００を上昇させる。その後、処理はステップＳ１００に戻る。
【0048】
このように、高度調整処理により、Ｋファクタが閾値以上になるように飛翔体１００の高度が調整される。言い換えれば、ステップＳ１００において受信側が受信する電波が直接波だけであるとみなすことができるまで、飛翔体１００の高度が調整される。
【0049】
３－２－４．キャリブレーション値算出処理（ステップＳ４００）
ステップＳ４００において、キャリブレーション値が算出される。図８は、このキャリブレーション値算出処理を説明するための概念図である。
ステップＳ４００において、キャリブレーション値が算出される。図８は、このキャリブレーション値算出処理を説明するための概念図である。
【0050】
ここでは、第１アンテナ素子部２０－１と第２アンテナ素子部２０－ｋ（ｋ＝２～Ｍ）について考える。第１アンテナ素子部２０－１の送信機２１－１及び受信機２２－１の伝達関数は、それぞれ、Ｔ１及びＲ１である。第２アンテナ素子部２０－ｋの送信機２１－ｋ及び受信機２２－ｋの伝達関数は、それぞれ、Ｔｋ及びＲｋである。各伝達関数は、複素振幅であり、位相成分と振幅成分とを含む。第１アンテナ素子部２０－１の送信機２１－１と第２アンテナ素子部２０－ｋの送信機２１－ｋとの間の伝達関数の誤差を補正するためのキャリブレーション値は、Ｔｋ／Ｔ１である。同様に、第１アンテナ素子部２０－１の受信機２２－１と第２アンテナ素子部２０－ｋの受信機２２－ｋとの間の伝達関数の誤差を補正するためのキャリブレーション値は、Ｒｋ／Ｒ１である。
【0051】
図９は、送信機２１に関するキャリブレーション値算出処理を示すフローチャートである。
【0052】
ステップＳ４１０において、基地局ＢＳの制御装置３０は、第１アンテナ素子部２０－１を介してキャリブレーション信号ｓを飛翔体１００に送信する。第１アンテナ素子部２０－１の送信機２１－１から送信されるキャリブレーション信号ｓは、Ｔ１・ｓとなる。
【0053】
ステップＳ４２０において、飛翔体１００の通信装置１２０は、第１アンテナ素子部２０－１から送信されたキャリブレーション信号を第１受信信号Ｔ１・ｓとして受信する。
【0054】
ステップＳ４３０において、基地局ＢＳの制御装置３０は、第２アンテナ素子部２０－ｋを介してキャリブレーション信号ｓを飛翔体１００に送信する。第２アンテナ素子部２０－ｋの送信機２１－ｋから送信されるキャリブレーション信号ｓは、Ｔｋ・ｓとなる。
【0055】
ステップＳ４４０において、飛翔体１００の通信装置１２０は、第１アンテナ素子部２０－１から送信されたキャリブレーション信号を第２受信信号Ｔｋ・ｓとして受信する。
【0056】
ステップＳ４５０において、飛翔体１００の制御装置１３０は、第１受信信号Ｔ１・ｓと第２受信信号Ｔｋ・ｓとの比較に基づいて、送信機２１－１、２１－ｋに関するキャリブレーション値Ｔｋ／Ｔ１を算出する。
【0057】
図１０は、受信機２２に関するキャリブレーション値算出処理を示すフローチャートである。
【0058】
ステップＳ４６０において、飛翔体１００の制御装置１３０は、通信装置１２０を介してキャリブレーション信号ｓをアレーアンテナ１０（基地局ＢＳ）に送信する。
【0059】
ステップＳ４７０において、第１アンテナ素子部２０－１の受信機２２－１は、飛翔体１００から送信されたキャリブレーション信号ｓを受信する。受信機２２－１によって受信されたキャリブレーション信号ｓは、第１受信信号Ｒ１・ｓとなる。
【0060】
ステップＳ４８０において、第２アンテナ素子部２０－ｋの受信機２２－ｋは、飛翔体１００から送信されたキャリブレーション信号ｓを受信する。受信機２２－ｋによって受信されたキャリブレーション信号ｓは、第２受信信号Ｒｋ・ｓとなる。
【0061】
ステップＳ４９０において、基地局ＢＳの制御装置３０は、第１受信信号Ｒ１・ｓと第２受信信号Ｒｋ・ｓとの比較に基づいて、受信機２２－１、２２－ｋに関するキャリブレーション値Ｒｋ／Ｒ１を算出する。
【0062】
このように、各アンテナ素子部２０－ｉ及び飛翔体１００の一方から他方へキャリブレーション信号ｓが送信される。そして、キャリブレーション信号ｓの受信結果に基づいて、複数のアンテナ素子部２０－１～２０－Ｍ間の送信機２１あるいは受信機２２のキャリブレーション値が算出される。
【0063】
４．効果
以上に説明されたように、本実施の形態によれば、飛翔体１００を利用することによってアレーアンテナ１０のキャリブレーションが行われる。これにより、アレーアンテナ１０の設置環境によらず、マルチパスを回避して適切にキャリブレーションを行うことが可能となる。
以上に説明されたように、本実施の形態によれば、飛翔体１００を利用することによってアレーアンテナ１０のキャリブレーションが行われる。これにより、アレーアンテナ１０の設置環境によらず、マルチパスを回避して適切にキャリブレーションを行うことが可能となる。
【0064】
また、本実施の形態によれば、アレーアンテナ１０にキャリブレーション専用装置を付加する必要はない。このことは、コストの観点から好ましい。
【0065】
更に、本実施の形態によれば、基地局ＢＳが信号を送受信している間にキャリブレーションを実現することが可能となる。
【0066】
５．具体例
以下、本実施の形態に係るキャリブレーション処理による効果の具体例を説明する。
以下、本実施の形態に係るキャリブレーション処理による効果の具体例を説明する。
【0067】
図１１に示される環境において、キャリブレーション処理が実行された。アレーアンテナ１０は１６素子半波長円形アレーであり、飛翔体１００はドローンである。図１１において、Ｔｘはアレーアンテナの水平位置を表し、Ｒｘはドローンの水平位置を表している。周波数は５．１２ＧＨｚ、送信電力は１Ｗ、熱雑音電力は－９０ｄＢｍ、帯域は１００ＭＨｚであるとする。反射回数は５回であり、回折回数は２回であるとする。
【0068】
図１２は、ドローン高度ｈと電波到来方向との関係を示している。縦軸は受信電力を表し、横軸は電波受信方向を表している。ドローン高度ｈを高くすれば主要パスは直接波の方向に収束することが分かる。
【0069】
Ｋファクタが２０ｄＢになるまでドローンの高度が変更された。そして、上述の手法によりキャリブレーション値が算出され、キャリブレーションが行われた。図１３及び図１４は、キャリブレーションの効果を説明するための図である。
【0070】
図１３は、キャリブレーション前後のアンテナ素子部２０間の位相誤差を示している。横軸は、１６個のアンテナ素子部２０－１～２０－１６の識別子を表している。縦軸は、アンテナ素子部２０－１を基準とした位相誤差を表している。キャリブレーション前、位相誤差は－６０°～１５０°の範囲であった。キャリブレーション後、位相誤差は－１°～１°の範囲に収束した。すなわち、位相誤差が顕著に低減された。
【0071】
図１４は、アレーアンテナ１０の放射パターンの例を示している。横軸は角度を表し、縦軸は相対電力を表す。位相誤差を考慮して、アレーファクタが計算された。各グラフにおいて、キャリブレーション前後の放射パターンと、位相誤差の無い場合の理想的な放射パターン（理論値）が示されている。キャリブレーション前の放射パターンでは、サイドローブが上昇しており、理想的な放射パターンから乖離している。一方、キャリブレーション後は、理想的な放射パターン、すなわち、理想的なアレー指向性が実現されていることが分かる。
【符号の説明】
【0072】
１ キャリブレーションシステム
１０ アレーアンテナ
２０ アンテナ素子部
２１ 送信機
２２ 受信機
２３ アンテナ素子
３０ 制御装置
１００ 飛翔体
１１０ アクチュエータ
１２０ 通信装置
１２１ 送信機
１２２ 受信機
１２３ アンテナ
１３０ 制御装置
ＢＳ 基地局
１０ アレーアンテナ
２０ アンテナ素子部
２１ 送信機
２２ 受信機
２３ アンテナ素子
３０ 制御装置
１００ 飛翔体
１１０ アクチュエータ
１２０ 通信装置
１２１ 送信機
１２２ 受信機
１２３ アンテナ
１３０ 制御装置
ＢＳ 基地局
【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】