JP2012204955A - 無線通信装置およびビーム制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】狭ビーム幅の無線信号の到来方向を推定する場合において、信号処理負荷を増大させることなく、到来方向推定が完了するまでに要する時間が短縮することができる無線通信装置を提供する。
【解決手段】ビームパターンを制御可能なアンテナを用いて無線通信を行う無線通信装置であって、通信相手との間で信号の送受信を行う第１の送受信手段と、周辺環境の画像情報を取得する画像取得手段と、画像取得手段により取得した画像情報から通信相手の無線通信装置の方向を特定し、当該方向に対してビームが向くように、ビームパターンを制御するビーム制御手段とを備えた。
【選択図】図１

Description

本発明は、アンテナのビームパターンが制御可能な無線通信装置におけるビームパターンの制御を行うビーム制御方法に関する。

アレーアンテナを用いた到来方向推定法としては、ビームフォーマー法やＣａｐｏｎ法、線形予測法などが知られている。その他にも、アレー入力の相関行列の固有展開に基づく最小ノルム法等も知られている（例えば、非特許文献１参照）。

菊間信良「アダプティブアンテナ技術」オーム社、２００３年

ところで、アンテナのビームパターンが制御可能な無線通信装置において、従来技術を用いて狭ビーム幅の無線信号の到来方向を推定する場合、高分解能処理が要求されるとともに、探索ステップ数も増加するため、信号処理負荷の増大や到来方向推定が完了するまでに要する時間が長くなるという問題がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、狭ビーム幅の無線信号の到来方向を推定する場合において、信号処理負荷を増大させることなく、到来方向推定が完了するまでに要する時間が短縮することができる無線通信装置およびビーム制御方法を提供することを目的とする。

本発明は、ビームパターンを制御可能なアンテナを用いて無線通信を行う無線通信装置であって、通信相手との間で信号の送受信を行う第１の送受信手段と、周辺環境の画像情報を取得する画像取得手段と、前記画像取得手段により取得した画像情報から前記通信相手の無線通信装置の方向を特定し、当該方向に対してビームが向くように、前記ビームパターンを制御するビーム制御手段とを備えたことを特徴とする。

本発明は、前記第１の送受信手段の通信品質が劣化したか否かを検出する通信劣化検出手段をさらに備え、前記通信劣化検出手段により、前記通信品質の劣化が検出された場合に、前記ビーム制御手段が、前記画像取得手段により取得した画像情報から前記通信相手の無線通信装置の方向を特定し、当該方向に対してビームが向くように、前記ビームパターンを制御することを特徴とする。

本発明は、前記第１の送受信手段より低い周波数を用いて、前記通信相手との間で信号の送受信を行う第２の送受信手段と、前記第１の送受信手段と、前記第２の送受信手段のうち、使用する送受信手段を切り替える通信切替手段とをさらに備え、前記第１の送受信手段により送受信が行われている場合に、前記通信劣化検出手段により、前記通信品質の劣化が検出されたときは、前記通信切替手段により、使用する送受信手段を前記第２の送受信手段に切り替え、前記第２の送受信手段により送受信が行われている場合に、前記ビーム制御手段が、前記画像取得手段により取得した画像情報から前記通信相手の無線通信装置の方向を特定した場合には、前記通信切替手段により、使用する送受信手段を前記第１の送受信手段に切り替えることを特徴とする。

本発明は、前記無線通信装置の方向や仰角を制御する姿勢制御手段をさらに備え、前記画像取得手段により取得した画像情報から前記通信相手の無線通信装置の方向を特定し、当該方向に対して、前記無線通装置が向くように、前記姿勢制御手段によって、前記方向と仰角を制御することを特徴とする。

本発明は、前記通信相手に対して自局を認識させるための光源又は画像表示装置を備えたことを特徴とする。

本発明は、前記第１の送受信手段が、ミリ波を用いて無線通信を行なうことを特徴とする。

本発明は、ビームパターンを制御可能なアンテナを用いて無線通信を行うために、通信相手との間で信号の送受信を行う第１の送受信手段と、周辺環境の画像情報を取得する画像取得手段と、ビームを制御するビーム制御手段とを備えた無線通信装置におけるビーム制御方法であって、前記ビーム制御手段が、前記画像取得手段により取得した画像情報から前記通信相手の無線通信装置の方向を特定し、当該方向に対してビームが向くように、前記ビームパターンを制御するビーム制御ステップを有することを特徴とする。

本発明は、前記無線通信装置は、前記第１の送受信手段の通信品質が劣化したか否かを検出する通信劣化検出手段をさらに備え、前記ビーム制御手段が、前記通信劣化検出手段によって前記通信品質の劣化が検出された場合に、前記画像取得手段により取得した画像情報から前記通信相手の無線通信装置の方向を特定し、当該方向に対してビームが向くように、前記ビームパターンを制御することを特徴とする。

本発明は、前記無線通信装置は、前記第１の送受信手段より低い周波数を用いて、前記通信相手との間で信号の送受信を行う第２の送受信手段と、前記第１の送受信手段と、前記第２の送受信手段のうち、使用する送受信手段を切り替える通信切替手段とをさらに備え、前記第１の送受信手段により送受信が行われている場合に、前記通信劣化検出手段により、前記通信品質の劣化が検出されたときは、前記通信切替手段により、使用する送受信手段を前記第２の送受信手段に切り替え、前記第２の送受信手段により送受信が行われている場合に、前記ビーム制御手段が、前記画像取得手段により取得した画像情報から前記通信相手の無線通信装置の方向を特定した場合には、前記通信切替手段により、使用する送受信手段を前記第１の送受信手段に切り替えることを特徴とする。

本発明は、前記無線通信装置は、前記無線通信装置の方向や仰角を制御する姿勢制御手段をさらに備え、前記姿勢制御手段が、前記画像取得手段により取得した画像情報から前記通信相手の無線通信装置の方向を特定し、当該方向に対して、前記無線通装置が向くように、前記方向と仰角を制御することを特徴とする。

本発明によれば、取得した画像情報から通信相手の無線通信装置の方向を特定し、当該方向に対してビームが向くように、ビームパターンを制御するようにしたため、狭ビーム幅の無線信号の到来方向を推定する場合において、信号処理負荷を増大させることなく、到来方向推定が完了するまでに要する時間が短縮することができるという効果が得られる。

本発明の第１の実施形態の構成を示すブロック図である。 図１に示す無線通信装置を変形した無線通信装置の構成を示すブロック図 である。 図２に示す無線通信装置の動作を示すフローチャートである。 本発明の第２の実施形態の構成を示すブロック図である。 図４に示す無線通信装置の動作を示すフローチャートである。 本発明の第３の実施形態の構成を示すブロック図である。 図６に示す無線通信装置の動作を示すフローチャートである。 本発明の第４の実施形態の構成を示すブロック図である。 図８に示す無線通信装置の動作を示すフローチャートである。 第５の実施形態による無線通信装置における通信開始の動作を示すシーケンス図である。 第６の実施形態による無線通信装置における通信開始の動作を示すシーケンス図である。

＜第１の実施形態＞
以下、図面を参照して、本発明の第１の実施形態による無線通信装置およびビーム制御方法を説明する。図１は同実施形態の構成を示すブロック図である。この図において、符号１００は、無線通信装置である。ここでは、図１に示す無線通信装置１００が２つ存在し、これらが、互いに無線通信を行うものとする。無線通信装置１００は、アレーアンテナを備えるアンテナ制御部１０２、送受信部１０４、ビーム制御値算出部１０８、画像検出手段１１０、自己表示部１１１により構成する。

アンテナ制御部１０２は、アレーアンテナの各アレー素子の制御を行うことで、任意のビームの形成を行う。アンテナ制御部１０２は、ビーム制御値算出部１０８から通知されるパラメータに応じてビームパターンの制御を行う。ここで、パラメータとは、いわゆる重み係数であり、各アンテナに対して振幅成分と位相成分により構成される重み係数を、通信相手にビームが向くように設定する。通信相手にビームが向くようなビームの形成方法としては、例えばビームフォーマー法に対して検出した通信相手の方向を適用すれば実現できる。また、アンテナとしてアレーアンテナを用いたが、ビームパターンを制御可能なアンテナであればこれに限らない。

送受信部１０４は、アレーアンテナを備えるアンテナ制御部１０２を介して受信した受信電波に含まれる受信信号の復調処理や復号処理などを行い、データを外部に出力するとともに、外部から入力されたデータに対して符号化や変調処理などを行い、デジタルアナログ変換後、アナログ信号を搬送波を用いアレーアンテナから送信することにより、通信を実現する。ここで、外部とは、例えば無線通信装置１００を接続したコンピュータ等である。

送受信部１０４は通信品質を測定し、通信品質の劣化を検出した場合はビーム制御値算出部１０８に通信品質の劣化を通知する。ここで、通信品質の劣化は、例えば受信電力が閾値を下回ることを検出することにより検出する。画像検出部１１０は、無線通信装置１００の周辺状況を画像情報として取得し、取得した画像情報をビーム制御値算出部１０８に通知する。ビーム制御値算出部１０８は、画像検出部１１０により取得した画像情報を解析し、通信相手となる無線通信装置の方向を特定する。すなわち、通信相手が放射する光、表示する画像、あるいは、通信相手となる無線通信装置自体の形・色を画像処理により検出する。

そして、検出結果から通信相手となる無線通信装置の方向を特定し、ビーム形成に必要な値を計算し、アンテナ制御部１０２に通知する。アンテナ制御部１０２はビーム制御値算出部１０８から通知されるパラメータ（重み係数）に応じてビームパターンの制御を行いビームの方向を調整し、通信品質の改善を行う。ここで、画像検出部１１０としては、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）やＣＭＯＳイメージセンサなどの撮像素子が適用できるが、通信相手から放射される光、通信相手が表示する画像、あるいは、通信相手の色や形を検出し画像情報として取得できるものであればこれらに限らない。

自己表示部１１１は、通信相手が自己の方向を検出するためのトリガーを与える。すなわち、自己表示部１１１が光源によって実現される場合には、通信相手はこの光源から照射される光を検出することによって、光源の方向を通信相手の方向として特定する。また、自己表示部１１１が画像表示を行う場合には、ＱＲコードが画像として表示されてもよい。なお、無線通信装置１００自体の形、色によって通信相手を検出する場合には、自己表示部１１１は実質的には実装されない。

次に、図２を参照して、図１に示す無線通信装置１００を変形した無線通信装置２００について説明する。図２に示す無線通信装置２００が図１に示す無線通信装置１００と異なる点は、光源２０６を用いて通信相手を特定する点、送受信部１０４に代えてミリ波の電波を利用して通信を行うミリ波通信部２０４が設けられている点、画像検出部１１０としてイメージセンサ２１０を備えた点である。アンテナ制御部２０２、ビーム制御値算出部２０８は、図１に示すアンテナ制御部１０２、ビーム制御値算出部１０８と同様である。

光源２０６は可視光、或いは否可視光を照射する。アンテナ制御部２０２は、アレーアンテナのアレー素子の制御を行なうことで、任意のビームの形成を行なう。アンテナ制御部２０２は、ビーム制御値算出部２０８から通知されるパラメータ（重み係数）に応じてアンテナの制御を行なう。ミリ波通信部２０４はアンテナによって受信された受信電波に含まれる受信信号の復調処理や復号処理等を行ない、データを外部に出力するとともに、外部から入力されたデータを符号化や変調処理等を行ない、デジタルアナログ変換後、アナログ信号をミリ波の搬送波を用いてアンテナから送信することにより、ミリ波を用いた通信を実現する。

また、ミリ波通信部２０４は通信品質を測定し、通信品質の劣化を検出した場合はビーム制御値算出部２０８に劣化を通知する。イメージセンサ２１０は、無線通信装置２００の周辺状況を画像情報として取得する。取得したデータをビーム制御値算出部２０８に通知する。ビーム制御値算出部２０８は、イメージセンサ２１０で取得した画像情報を解析し、通信相手となる無線通信装置が出力する光源を画像処理により検出する。検出結果から通信相手となる無線通信装置の方向を特定し、ビーム形成に必要な重み係数を計算し、アンテナ制御部２０２に通知する。

次に、図３を参照して、図２に示す無線通信装置２００の動作を説明する。図３は、図２に示す無線通信装置２００の動作を示すフローチャートである。まず、イメージセンサ２１０は、画像情報を取得してビーム制御値算出部２０８へ出力する（ステップＳ１）。これを受けて、ビーム制御値算出部２０８は、取得した画像情報について光源の有無について判定を行い（ステップＳ２）、光源が検出されれば、検出された光源と無線通信装置の位置関係から光源の位置と方向を算出する（ステップＳ３）。予め対向通信を行なう通信装置の光源の波長情報、或いは光源の形状、或いは光源を含んだ無線通信装置の画像情報を利用することで通信相手の方向の特定を行なう。

そして、ビーム制御値算出部２０８は、算出結果に基づき、ビームを形成するように、アンテナ制御部２０２へ指示を出力する。これを受けて、アンテナ制御部２０２は、ビーム制御値算出部２０８から通知された算出結果を基に送信電波のビーム形成を行なうことによりビームのトラッキングを行なう（ステップＳ４）。

このように、イメージセンサ２１０により取得した画像情報を解析することにより、通信相手の方向を短時間で検出することが可能になる。従来技術において、例えばミリ波のような直進性の高い周波数帯を使っている場合には、各方向からの受信電力等のデータを取得するためのセンシング処理を行うために時間を要していたところ、イメージセンサ２１０で画像情報を取得する場合には、例えば、広角なイメージセンサを用いた場合に、水平方向に９０度の視野の画像が取得できるとすると、４回（３６０度÷９０度）の画像取得により、水平方向全体の画像データを取得することができる。また、このときに使用するイメージセンサ２１０の解像度が高ければ、その後の画像情報の解析により高い精度で通信相手の照射する光源等を特定することが可能となる。よって、センシング処理にかかる時間を大きく削減し、画像処理により通信相手の位置する方向を特定することによって、高速なビーム制御を実現することが可能となる。

＜第２の実施形態＞
次に、図４を参照して、本発明の第２の実施形態による無線通信装置およびビーム制御方法を説明する。図４は、第２の実施形態による無線通信装置３００の構成を示すブロック図である。図４に示す無線通信装置３００が図２に示す無線通信装置２００と異なる点は、姿勢制御部３０６が新たに設けられている点である。無線通信装置３００は、光源３０８を用いて通信相手を特定し、かつ、姿勢制御部３０６による姿勢制御によってアンテナ制御部３０２によるアンテナ制御を行う構成である。光源３０８は可視光、或いは非可視光を照射する。アンテナ制御部３０２は、アレーアンテナの各アレー素子の制御を行なうことで、任意のビームの形成を行なう。アンテナ制御部３０２はビーム制御値算出部３１０から通知されるパラメータに応じてアンテナの制御を行なう。

ミリ波通信部３０４はアンテナから受信された、受信電波に含まれる受信信号の復調処理や復号処理等を行ない、データを外部に出力するとともに、外部から入力されたデータを符号化や変調処理等を行ない、デジタルアナログ変換後、アナログ信号をミリ波の搬送波を用いてアンテナから送信することにより、ミリ波を用いた通信を実現する。また、ミリ波通信部３０４は通信品質を測定し、通信品質の劣化を検出した場合はビーム制御値算出部３１０に劣化を通知する。イメージセンサ３１２は、無線通信装置３００の周辺状況を画像情報として取得する。取得した画像情報をビーム制御値算出部３１０に出力する。

ビーム制御値算出部３１０は、イメージセンサ３１２により取得した画像情報を解析し、通信相手となる無線通信装置が出力する光源を画像処理により検出する。検出結果から通信相手となる無線通信装置の方向を特定し、無線通信装置の姿勢制御量とビーム形成に必要な重み係数を計算し、姿勢制御部３０６とアンテナ制御部３０２にそれぞれ通知する。姿勢制御部３０６は、無線通信装置３００の絶対的な基準（方位や垂直・水平など）を基にビーム制御値算出部３１０から通知された姿勢制御量に基づき、無線通信装置の姿勢制御を行なう。なお、姿勢制御は物理的な制御を伴うことから、構造的な制限により姿勢制御では十分に通信相手の方向を向くことができない場合がある。このような場合には、アンテナ制御部３０２によるビーム形成を併用することによって、受信信号の品質を改善する。

次に、図５を参照して、図４に示す無線通信装置３００の動作を説明する。図５は、図４に示す無線通信装置３００の動作を示すフローチャートである。まず、イメージセンサ３１２は、画像情報を取得してビーム制御値算出部３１０へ出力する（ステップＳ１１）。これを受けて、ビーム制御値算出部２０８は、取得した画像情報において光源の有無について判定を行い（ステップＳ１２）、光源が検出されれば、検出された光源と無線通信装置の位置関係から光源の位置と方向を算出する（ステップＳ１３）。予め対向通信を行なう無線通信装置の光源の波長情報、或いは光源の形状、或いは光源を含んだ無線通信装置の画像情報を利用することで通信相手の方向の特定を行なう。

そして、ビーム制御値算出部２０８は、算出した方向から無線通信装置３００の姿勢制御量とビーム形成を行なうための制御値を算出して（ステップＳ１４）、アンテナ制御部３０２と姿勢制御部３０６に対して算出した方向の情報を通知する。これを受けて、姿勢制御部３０６は、無線通信装置３００の姿勢制御を行う（ステップＳ１５）。一方、アンテナ制御部２０２は、ビーム制御値算出部２０８から通知された算出結果を基に送信電波のビーム形成を行なうことによりビームのトラッキングを行なう（ステップＳ１６）。

＜第３の実施形態＞
次に、図６を参照して、本発明の第３の実施形態による無線通信装置およびビーム制御方法を説明する。図６は、第３の実施形態による無線通信装置４００の構成を示すブロック図である。図６に示す無線通信装置３００が図２に示す無線通信装置２００と異なる点は、マイクロ波通信部４０２と通信方式切替部４０８が新たに設けられている点である。無線通信装置４００は、光源４１０を用いて通信相手を特定し、かつ、通信品質が劣化した場合には、マイクロ波による通信に切り替える構成である。

光源４１０は可視光、或いは否可視光を照射する。アンテナ制御部４０４は、アレーアンテナの各アレー素子の制御を行なうことで、任意のビームの形成を行なう。アンテナ制御部４０４はビーム制御値算出部４１２から通知されるパラメータに応じてアンテナの制御を行なう。ミリ波通信部４０６は、アンテナから受信された、受信電波に含まれる受信信号の復調処理や復号処理等を行ない、データを外部に出力する。また、外部から入力されたデータに対して符号化や変調処理等を行ない、デジタルアナログ変換後、アナログ信号をミリ波の搬送波を用いてアンテナから送信する。これにより、ミリ波を用いた通信を実現する。マイクロ波通信部４０２は、マイクロ波を利用した送受信を実施する。また、ミリ波通信部４０６は通信品質を測定し、通信品質の劣化を検出した場合はビーム制御値算出部４１２に通信品質の劣化を通知する。イメージセンサ４１４は、無線通信装置４００の周辺状況を画像情報として取得する。取得したデータをビーム制御値算出部４１２に通知する。

ビーム制御値算出部４１２は、イメージセンサ４１４で取得した画像情報を解析し、通信相手となる無線通信装置が出力する光源を画像処理により検出する。検出結果から通信相手となる無線通信装置の方向を特定し、ビーム形成に必要な値を計算し、アンテナ制御部４０４に通知する。ここで、光源、通信相手の表示する画像、通信相手の無線通信装置自体の形状、色により通信相手の方向を特定する場合には、通信相手との間での見通しがない場合には、通信相手を検出することができない。そこで、通信方式切替部４０８は、マイクロ波通信部４０２とミリ波通信部４０６の切替えを行なう。ミリ波通信を行なっている際に通信品質が劣化した場合は、まずマイクロ波通信に切り替える。このようにすることで、通信の継続性を確保することができる。その後、マイクロ波通信時に、ビーム制御値算出部４１２が光源を新たに発見した場合は、通信方式切替部４０８に検出結果を通知し、ミリ波通信へ移行する。

次に、図７を参照して、図６に示す無線通信装置４００の動作を説明する。図７は、図６に示す無線通信装置４００の動作を示すフローチャートである。まず、ミリ波通信部４０６は、ミリ波を用いた通信を実施している（ステップＳ２１）際に、通信品質の測定を行ない（ステップＳ２２）、通信品質の劣化を検出したか否かを判定する（ステップＳ２３）。この判定の結果、通信品質の劣化が検出されなければ処理を終了する。一方、通信品質の劣化が検出された場合、ミリ波通信部４０６は、通信品質が劣化したことを通信方式切替部４０８へ通知する。これを受けて、通信方式切替部４０８は、マイクロ波通信部４０２に対して通信を開始する指示を出して、ミリ波を用いた通信から、マイクロ波を用いた通信へ通信方式の切替を行なう（ステップＳ２４）。

次に、イメージセンサ４１４の電源を投入し（ステップＳ２５）、イメージセンサ４１４は、画像情報を取得してビーム制御値算出部４１２へ出力する（ステップＳ２６）。これを受けて、ビーム制御値算出部４１２は、取得した画像情報において光源の有無について判定を行い（ステップＳ２７）、光源が検出されれば、検出された光源と無線通信装置の位置関係から光源の位置と方向を算出する（ステップＳ２８）。ビーム制御値算出部４１２は、算出結果に基づき、ビームを形成するように、アンテナ制御部４０４へ指示を出力する。これを受けて、アンテナ制御部４０４は、ビーム制御値算出部４１２から通知された算出結果を基に送信電波のビーム形成を行なうことによりビームのトラッキングを行なう（ステップＳ２９）。

次に、ビーム制御値算出部４１２は、通信方式切替部４０８に対して、通信方式の切替えを指示する。通信方式切替部４０８は、ミリ波通信部４０６に対して、ミリ波による通信の開始を指示するとともに、マイクロ波通信部４０２に対して通信の終了を指示する。これを受けて、ミリ波通信部４０６は、ミリ波を用いた通信を開始し（ステップＳ３０）、マイクロ波通信部４０２は、マイクロ波を用いた通信を終了する（ステップＳ３１）。そして、イメージセンサの電源をＯＦＦにして（ステップＳ３２）、処理を終了する。

なお、図７に示す例では、省電力化のためにミリ波で通信している間はイメージセンサの電源をＯＦＦしたが、ミリ波通信時もイメージセンサの電源をＯＦＦすることなく稼働させ、ミリ波通信時のビーム制御に利用してもよい。

＜第４の実施形態＞
次に、図８を参照して、本発明の第４の実施形態による無線通信装置およびビーム制御方法を説明する。図８は、第４の実施形態による無線通信装置５００の構成を示すブロック図である。図８に示す無線通信装置５００が図６に示す無線通信装置３００と異なる点は、姿勢制御部５１０が新たに設けられている点である。無線通信装置５００は、光源５１２を用いて通信相手を特定し、かつ、ビーム制御値算出部５１４により光源が検出できなかった場合には、マイクロ波による通信に切り替え、かつ、姿勢制御によってアンテナ制御を行う構成である。

光源５１２は可視光、或いは非可視光を照射する。アンテナ制御部５０４は、アレーアンテナの各アレー素子の制御を行なうことで、任意のビームの形成を行なう。アンテナ制御部はビーム制御値算出部５１４から通知されるパラメータに応じてアンテナの制御を行なう。ミリ波通信部５０６はアンテナから受信された、受信電波に含まれる受信信号の復調処理や復号処理等を行ない、データを外部に出力する。また、外部から入力されたデータを符号化や変調処理等を行ない、デジタルアナログ変換後、アナログ信号をミリ波の搬送波を用いてアンテナから送信する。これにより、ミリ波を用いた通信を実現する。マイクロ波通信部５０２はマイクロ波を利用した送受信を実施する。

また、ミリ波通信部５０６は通信品質を測定し、通信品質の劣化を検出した場合はビーム制御値算出部５１４に劣化を通知する。イメージセンサ５１６は、無線通信装置５００の周辺状況を画像情報として取得する。取得した画像情報をビーム制御値算出部５１４に通知する。ビーム制御値算出部５１４は、イメージセンサ５１６で取得した画像情報を解析し、通信相手となる無線通信装置が出力する光源を画像処理により検出する。検出結果から通信相手となる無線通信装置の方向を特定し、無線通信装置５００の姿勢制御量とビーム形成に必要な値を計算し、姿勢制御部５１０とアンテナ制御部５０４にそれぞれ通知する。姿勢制御部５１０は、無線通信装置５００の絶対的な基準（方位や垂直・水平など）を基に姿勢制御部５１０から通知された姿勢制御量に基づき、無線通信装置の姿勢制御を行なう。

ここで、光源、通信相手の表示する画像、通信相手の無線通信装置自体の形状、色により通信相手の方向を特定する場合には、通信相手との間での見通しがない場合には、通信相手を検出することができない。そこで、通信方式切替部５０８は、マイクロ波通信部５０２とミリ波通信部５０６の切替を行なう。ミリ波通信を行なっている際に通信品質が劣化した場合は、まずマイクロ波通信に切り替える。このようにすることで、通信の継続性を確保することができる。その後、マイクロ波通信時に、ビーム制御値算出部５１４が光源を新たに発見した場合は、通信方式切替部５０８に検出結果を通知し、ミリ波通信へ移行する。

次に、図９を参照して、図８に示す無線通信装置５００の動作を説明する。図９は、図８に示す無線通信装置５００の動作を示すフローチャートである。まず、ミリ波通信部５０６は、ミリ波を用いた通信を実施している（ステップＳ４１）際に、通信品質の測定を行ない（ステップＳ４２）、通信品質の劣化を検出したか否かを判定する（ステップＳ４３）。この判定の結果、通信品質の劣化が検出されなければ処理を終了する。一方、通信品質の劣化が検出された場合、ミリ波通信部５０６は、通信品質が劣化したことを通信方式切替部５０８へ通知する。これを受けて、通信方式切替部５０８は、マイクロ波通信部５０２に対して通信を開始する指示を出して、ミリ波を用いた通信から、マイクロ波を用いた通信へ通信方式の切替を行なう（ステップＳ４４）。

次に、イメージセンサ５１６の電源を投入し（ステップＳ４５）、イメージセンサ５１６は、画像情報を取得してビーム制御値算出部５１４へ出力する（ステップＳ４６）。これを受けて、ビーム制御値算出部５１４は、取得した画像情報において光源の有無について判定を行い（ステップＳ４７）、光源が検出されれば、検出された光源と無線通信装置の位置関係から光源の位置と方向を算出する（ステップＳ４８）。そして、ビーム制御値算出部５１４は、算出した方向から無線通信装置５００の姿勢制御量とビーム形成を行なうための制御値を算出して（ステップＳ４９）、アンテナ制御部５０４と姿勢制御部５１０に対して算出した方向の情報を通知する。これを受けて、姿勢制御部５１０は、無線通信装置５００の姿勢制御を行う（ステップＳ５０）。一方、アンテナ制御部５０４は、ビーム制御値算出部５１４から通知された算出結果を基に送信電波のビーム形成を行なうことによりビームのトラッキングを行なう（ステップＳ５１）。

次に、ビーム制御値算出部５１４は、通信方式切替部５０８に対して、通信方式の切替えを指示する。通信方式切替部５０８は、ミリ波通信部５０６に対して、ミリ波による通信の開始を指示するとともに、マイクロ波通信部５０２に対して通信の終了を指示する。これを受けて、ミリ波通信部５０６は、ミリ波を用いた通信を開始し（ステップＳ５２）、マイクロ波通信部５０２は、マイクロ波を用いた通信を終了する（ステップＳ５３）。そして、イメージセンサの電源をＯＦＦにして（ステップＳ５４）、処理を終了する。

なお、図９に示す例では、省電力化のためにミリ波で通信している間はイメージセンサの電源をＯＦＦしたが、ミリ波通信時もイメージセンサの電源をＯＦＦすることなく稼働させ、ミリ波通信時のビーム制御に利用してもよい。

＜第５の実施形態＞
次に、図１０を参照して、本発明の第５の実施形態による無線通信装置およびビーム制御方法を説明する。図１０は、第５の実施形態による無線通信装置における通信開始の動作を示すシーケンス図である。ここでは、一方の無線通装置を無線通装置Ａと称し、この無線通信装置Ａの通信相手の無線通信装置を無線通信装置Ｂと称する。まず、時刻ｔ１１において、無線通信開始要求を受け、通信を開始しようとする無線通信装置Ａは、時刻ｔ１２において、自身が具備している光源から認証用の信号を含んだ光を放射する。そして、この光を時刻ｔ１３において、画像検出部により検出した無線通信装置Ｂは、光に含まれる信号を分析し、自局宛の信号であった場合に無線通信装置Ａとの通信を開始する。

通信開始の手段としては、無線通信装置Ｂが認証用の信号を含んだ光を放射してもよいし、通信用の電波を放射してもよい。図１０に記載のシーケンスでは、時刻ｔ１４において通信開始許可信号を含んだ光を放射している。図１０に記載のシーケンス例は無線ＬＡＮの認証シーケンスと組み合わせた例であるため、時刻ｔ１５からｔ１１０までのシーケンスは無線ＬＡＮの認証シーケンスとなる。図１０に記載の認証シーケンスは、無線ＬＡＮの認証シーケンスを強化した形であるが、光信号による認証終了後に無線通信装置間でデータ通信を開始することも可能である。本実施形態によれば、直進性が高く、壁などを透過しない光を用いて認証を行うため、セキュリティを向上することができる。

＜第６の実施形態＞
次に、図１１を参照して、本発明の第６の実施形態による無線通信装置およびビーム制御方法を説明する。図１１は、第５の実施形態による無線通信装置における通信開始の動作を示すシーケンス図である。ここでは、一方の無線通装置を無線通装置Ａと称し、この無線通信装置Ａの通信相手の無線通信装置を無線通信装置Ｂと称する。まず、時刻ｔ２１において、無線通信要求を受け、通信を開始しようとする無線通信装置Ａは、時刻ｔ２２において、自身が具備している画像表示装置に認証用の画像を表示する。そして、時刻ｔ２３において、この画像を画像検出部により検出した無線通信装置Ｂはこの画像が自局宛の信号であることを示すと認識した場合に無線通信装置Ａとの通信を開始する。

通信開始の手段としては、図１１に示すシーケンスでは、無線通信装置Ｂが時刻ｔ２４において認証用の画像を表示しているが、通信用の電波を放射してもよい。図１１に記載のシーケンス例は無線ＬＡＮの認証シーケンスと組み合わせた例であるため、時刻ｔ２５からｔ２１０までのシーケンスは無線ＬＡＮの認証シーケンスとなる。図１１に記載の認証シーケンスは、無線ＬＡＮの認証シーケンスを強化した形であるが、画像による認証終了後に無線通信装置間でデータ通信を開始することも可能である。本実施形態によれば、直進性が高く、壁などを透過しない画像を用いて認証を行うため、セキュリティを向上することができる。

このように、無線通信装置が放射する光、表示する画像、あるいは、無線機の色や形を、イメージセンサを用いて検出し、検出した画像情報を画像解析することで相手局の方向を特定することが可能となる。この結果を用いアレーアンテナの制御を行うことで、到来方向の推定及びビームパターンの制御が可能となる。また、マイクロ波とミリ波の両方の機能を有した無線機では、マイクロ波で通信している間もイメージセンサを用いたミリ波通信の可否に対するセンシングを実施することができるため、マイクロ波を用いた無線システムからミリ波を用いた無線通信システムへの切り替えを容易に実施することができる。このようにすることで、ミリ波を用いた指向性が強く、狭ビーム幅の無線信号に対しても、高速に到来方向を検出し、ビームパターンを制御することが可能となるため、通信開始にかかる時間が短縮される。

従来、たとえばアレーアンテナを制御する際の到来方向推定方法としては、主に受信電力レベルに基づいて方向を推定する方法が利用されてきたが、狭ビーム幅の無線信号の到来方向を推定する場合は、高分解能処理が要求され、また、探索ステップ数も増加することとなるから、信号処理負荷の増大や到来方向推定が完了するまでに要する時間が長くなるといった問題があった。

以上説明したように、本発明では、無線信号の受信電力レベルを使用せずに、無線通信装置が別途備えるイメージセンサ等の光源や画像を認識する手段を用いて通信相手の存在する方向を特定し、当該方向を電波の到来方向として特定することによって、信号処理負荷の増大や到来方向推定に要する時間の短縮化を実現した。本発明は、特に、ミリ波のような直進性の高い電波を使用する無線通信システムにおいて有効である。直進性の高い電波を使用する場合は、マルチパス波によるフェージングがないため、イメージセンサ等により認識された通信相手の方向が、無線信号の受信電力レベルが最も高くなる方向と一致するためである。また、イメージセンサ等によって通信相手が特定できない場合は、通信相手との間に障害物がある場合と見なし、この場合は直進性の低いマイクロ波による通信に切り替える構成とすることによって、通信の継続性を高くすることができる。

なお、図１、図２、図４、図６、図８における各処理部の機能を実現するためのプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行することによりビーム制御処理を行ってもよい。なお、ここでいう「コンピュータシステム」とは、ＯＳや周辺機器等のハードウェアを含むものとする。また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ、ＣＤ−ＲＯＭ等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。さらに「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線を介してプログラムが送信された場合のサーバやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリ（ＲＡＭ）のように、一定時間プログラムを保持しているものも含むものとする。

また、上記プログラムは、このプログラムを記憶装置等に格納したコンピュータシステムから、伝送媒体を介して、あるいは、伝送媒体中の伝送波により他のコンピュータシステムに伝送されてもよい。ここで、プログラムを伝送する「伝送媒体」は、インターネット等のネットワーク（通信網）や電話回線等の通信回線（通信線）のように情報を伝送する機能を有する媒体のことをいう。また、上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであってもよい。さらに、前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるもの、いわゆる差分ファイル（差分プログラム）であってもよい。

アンテナのビームパターンが制御可能な無線通信装置によって、通信相手を特定して通信行うことが不可欠な用途に適用できる。

１００、２００、３００、４００、５００・・・無線通信装置、１０２、２０２、３０２、４０４、５０４・・・アンテナ制御部、１０４・・・送受信部、２０４、３０４、４０６、５０６・・・ミリ波通信部、１０８、２０８、３１０、４１２、５１４・・・ビーム制御値算出部、１１０・・・画像検出部、２１０、３１２、４１４、５１６・・・イメージセンサ、１１１・・・自己表示部、２０６、３０８、４１０、５１２・・・光源、３０６、５１０・・・姿勢制御部、４０２、５０２・・・マイクロ波通信部、４０８、５０８・・・通信方式切替部

Claims (10)

1. ビームパターンを制御可能なアンテナを用いて無線通信を行う無線通信装置であって、
   通信相手との間で信号の送受信を行う第１の送受信手段と、
   周辺環境の画像情報を取得する画像取得手段と、
   前記画像取得手段により取得した画像情報から前記通信相手の無線通信装置の方向を特定し、当該方向に対してビームが向くように、前記ビームパターンを制御するビーム制御手段と
   を備えたことを特徴とする無線通信装置。
2. 前記第１の送受信手段の通信品質が劣化したか否かを検出する通信劣化検出手段をさらに備え、
   前記通信劣化検出手段により、前記通信品質の劣化が検出された場合に、前記ビーム制御手段が、前記画像取得手段により取得した画像情報から前記通信相手の無線通信装置の方向を特定し、当該方向に対してビームが向くように、前記ビームパターンを制御することを特徴とする請求項１に記載の無線通信装置。
3. 前記第１の送受信手段より低い周波数を用いて、前記通信相手との間で信号の送受信を行う第２の送受信手段と、
   前記第１の送受信手段と、前記第２の送受信手段のうち、使用する送受信手段を切り替える通信切替手段とをさらに備え、
   前記第１の送受信手段により送受信が行われている場合に、前記通信劣化検出手段により、前記通信品質の劣化が検出されたときは、前記通信切替手段により、使用する送受信手段を前記第２の送受信手段に切り替え、
   前記第２の送受信手段により送受信が行われている場合に、前記ビーム制御手段が、前記画像取得手段により取得した画像情報から前記通信相手の無線通信装置の方向を特定した場合には、前記通信切替手段により、使用する送受信手段を前記第１の送受信手段に切り替えることを特徴とする請求項２に記載の無線通信装置。
4. 前記無線通信装置の方向や仰角を制御する姿勢制御手段をさらに備え、
   前記画像取得手段により取得した画像情報から前記通信相手の無線通信装置の方向を特定し、当該方向に対して、前記無線通装置が向くように、前記姿勢制御手段によって、前記方向と仰角を制御することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の無線通信装置。
5. 前記通信相手に対して自局を認識させるための光源又は画像表示装置を備えたことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の無線通信装置。
6. 前記第１の送受信手段が、ミリ波を用いて無線通信を行なうことを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の無線通信装置。
7. ビームパターンを制御可能なアンテナを用いて無線通信を行うために、通信相手との間で信号の送受信を行う第１の送受信手段と、周辺環境の画像情報を取得する画像取得手段と、ビームを制御するビーム制御手段とを備えた無線通信装置におけるビーム制御方法であって、
   前記ビーム制御手段が、前記画像取得手段により取得した画像情報から前記通信相手の無線通信装置の方向を特定し、当該方向に対してビームが向くように、前記ビームパターンを制御するビーム制御ステップ
   を有することを特徴とするビーム制御方法。
8. 前記無線通信装置は、前記第１の送受信手段の通信品質が劣化したか否かを検出する通信劣化検出手段をさらに備え、
   前記ビーム制御手段が、前記通信劣化検出手段によって前記通信品質の劣化が検出された場合に、前記画像取得手段により取得した画像情報から前記通信相手の無線通信装置の方向を特定し、当該方向に対してビームが向くように、前記ビームパターンを制御することを特徴とする請求項７に記載のビーム制御方法。
9. 前記無線通信装置は、前記第１の送受信手段より低い周波数を用いて、前記通信相手との間で信号の送受信を行う第２の送受信手段と、前記第１の送受信手段と、前記第２の送受信手段のうち、使用する送受信手段を切り替える通信切替手段とをさらに備え、
   前記第１の送受信手段により送受信が行われている場合に、前記通信劣化検出手段により、前記通信品質の劣化が検出されたときは、前記通信切替手段により、使用する送受信手段を前記第２の送受信手段に切り替え、
   前記第２の送受信手段により送受信が行われている場合に、前記ビーム制御手段が、前記画像取得手段により取得した画像情報から前記通信相手の無線通信装置の方向を特定した場合には、前記通信切替手段により、使用する送受信手段を前記第１の送受信手段に切り替えることを特徴とする請求項８に記載のビーム制御方法。
10. 前記無線通信装置は、前記無線通信装置の方向や仰角を制御する姿勢制御手段をさらに備え、
    前記姿勢制御手段が、前記画像取得手段により取得した画像情報から前記通信相手の無線通信装置の方向を特定し、当該方向に対して、前記無線通装置が向くように、前記方向と仰角を制御することを特徴とする請求項７から９のいずれかに記載のビーム制御方法。

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