JP2013165406A

JP2013165406A - 指向性アンテナのアライメント方法

Info

Publication number: JP2013165406A
Application number: JP2012027699A
Authority: JP
Inventors: Shinichi Namiki; 慎一並木
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2012-02-10
Filing date: 2012-02-10
Publication date: 2013-08-22

Abstract

【課題】指向性アンテナを有する対向した通信局間において互いに指向性アンテナをアライメントする際に、良好な通信品質が保持された通信経路を確保する。
【解決手段】互いの位置情報に基づき相手局の方向を初期方向として算出した後、相手局から自局に向けて送信されるパイロット信号を受信しながら、自局の指向性アンテナの指向方向を相手局の初期方向を中心に粗角度ステップでスパイラル状に移動し、パイロット信号の受信レベルが最大となる方向を相手局の粗方向として取得する粗サーチのステップと、相手局から自局に向けて送信されるパイロット信号を受信しながら、自局の指向性アンテナの指向方向を相手局の粗方向を中心に精角度ステップでスパイラル状に移動し、パイロット信号の受信品質値が最良の方向を相手局の精方向として取得する精サーチのステップとを実行する。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、対向する通信局間における指向性アンテナのアライメント方法に関する。

対向する地上無線装置間等での通信においては、通信距離の延伸や不要波の除去等のために指向性アンテナが利用される。その際には、自局の指向性アンテナの指向方向を相手局の方向に互いに指向させるためのアライメントを行って、対向する両局間の通信回線として所望する通信特性を持った通信経路を構成する。アライメントを実行するにあたっては、例えば両局間で互いに信号の送受信を行い、相手からの信号レベルに着目して指向方向を設定する手法等がある。

特開平８−２７１５６１号公報

しかしながら、指向性アンテナを互いに相手局の方向に指向させた場合においても、特に野外に展開された地上無線装置間では、互いの展開場所周囲の地形や障害物等が通信経路に及ぼす不規則な影響により、マルチパスフェージング等が発生する。また、その影響は時間経過に伴って種々変化する場合もある。そして、このようなマルチパスフェージング等の影響下では、相対する両局のそれぞれにおいて信号レベルが不安定化するとともに、データの伝送誤りも増加し、通信回線としての品質が劣化していた。

本実施形態は、上述の事情を考慮してなされたものであり、指向性アンテナを有する対向した通信局間において互いに指向性アンテナをアライメントする際に、良好な通信品質が保持された通信経路を確保する指向性アンテナのアライメント方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本実施形態の指向性アンテナのアライメント方法は、指向性アンテナを有し、互いの位置情報が既知の対向する通信局であるＡ局及びＢ局間において相互に信号を送受信しながら行う指向性アンテナのアライメント方法であって、Ａ局及びＢ局は、互いの位置情報に基づき自局から見た相手局の方向を初期方向として算出する初期方向算出ステップと、Ａ局は、前記Ａ局の初期方向に向けてＢ局から送信されるパイロット信号を受信しながら、前記Ｂ局の初期方向を中心に自局の指向性アンテナのビーム幅程度の角度に相当する粗角度ステップでスパイラル状にその指向方向を移動してそれぞれの指向方向における前記パイロット信号の受信レベルを測定し、これら測定した受信レベルが最大の指向方向を判定してこれをＢ局の粗方向とする、Ａ局による粗サーチのステップと、Ｂ局は、Ａ局が取得した前記Ｂ局の粗方向に向けてＡ局から送信されるパイロット信号を受信しながら、前記Ａ局の初期方向を中心に自局の指向性アンテナのビーム幅程度の角度に相当する粗角度ステップでスパイラル状にその指向方向を移動してそれぞれの指向方向における前記パイロット信号の受信レベルを測定し、これら測定した受信レベルが最大の指向方向を判定してこれをＡ局の粗方向とする、Ｂ局による粗サーチのステップと、Ａ局は、Ｂ局が取得した前記Ａ局の粗方向に向けてＢ局から送信されるパイロット信号を受信しながら、前記Ｂ局の粗方向を中心に自局の指向性アンテナのビーム幅範囲を複数に分割した角度に相当する精角度ステップでスパイラル状にその指向方向を移動してそれぞれの指向方向における前記パイロット信号の受信品質値を測定し、これら測定した受信品質値中に前記Ｂ局の粗方向に対する受信品質値を超える値がある場合にはそれらの中の最良値に対応した指向方向をＢ局の精方向とする一方、超える値がない場合には前記Ｂ局の粗方向をＢ局の精方向とする、Ａ局による精サーチのステップと、Ｂ局は、Ａ局が取得した前記Ｂ局の精方向に向けてＡ局から送信されるパイロット信号を受信しながら、前記Ａ局の粗方向を中心に自局の指向性アンテナのビーム幅範囲を複数に分割した角度に相当する精角度ステップでスパイラル状にその指向方向を移動してそれぞれの指向方向における前記パイロット信号の受信品質値を測定し、これら測定した受信品質値中に前記Ａ局の粗方向に対する受信品質値を超える値がある場合にはそれらの中の最良値に対応した指向方向をＡ局の精方向とする一方、超える値がない場合には前記Ａ局の粗方向をＡ局の精方向とする、Ｂ局による精方向サーチのステップと、Ａ局及びＢ局は、互いに自局の指向性アンテナを相手局の前記精方向に指向させる指向方向設定ステップとを有することを特徴とする。

また、前記指向方向設定ステップ後に、さらにＡ局及びＢ局は、相互にパイロット信号を送受信して受信品質値を取得するとともに、この取得した受信品質値をそれぞれにあらかじめ設定された所定のしきい値と比較し、少なくともいずれか一方の局の取得した受信品質値が前記しきい値に満たない場合は、前記Ａ局による精サーチのステップにおいてＡ局が測定した前記Ｂ局からのパイロット信号の受信品質値の中で、次善の値に対応した指向方向をＢ局の精方向としてそれ以降のステップを実行する、再サーチステップを有することを特徴とする。

本実施形態の指向性アンテナのアライメント方法の第１の実施例における第一段階を示すフローチャート。本実施形態の指向性アンテナのアライメント方法の第１の実施例における第二段階を示すフローチャート。対向する通信局の構成の一例を示すブロック図。粗サーチにおける指向性アンテナの指向方向の移動の様子をモデル化して示す説明図。精サーチにおける指向性アンテナの指向方向の移動の様子をモデル化して示す説明図。本実施形態の指向性アンテナのアライメント方法の第２の実施例における第一段階を示すフローチャート。本実施形態の指向性アンテナのアライメント方法の第２の実施例における第二段階を示すフローチャート。本実施形態の指向性アンテナのアライメント方法の第２の実施例における第三段階を示すフローチャート。

以下に、本実施形態の指向性アンテナのアライメント方法について、図１〜図８を参照して説明する。

図１及び図２は、本実施形態の指向性アンテナのアライメント方法の第１の実施例を示すフローチャートである。この図１及び図２に例示した指向性アンテナのアライメント方法は、例えば、対向する通信局間において実行される。まずはじめに、このときの対向する通信局の構成について説明する。図３は、図１及び図２に例示した指向性アンテナのアライメント方法を用いる、対向する通信局の構成の一例を示すブロック図である。

図３に示した事例では、対向する通信局をＡ局１ａ及びＢ局１ｂとし、それぞれに同様の構成を備えているものとしている。Ａ局１ａは、無線信号を授受する指向性アンテナ１０ａ、この指向性アンテナ１０ａを方位方向及び仰角方向に駆動して指示された方向に指向させる駆動部２０ａ、無線信号の送信及び受信処理を行う送受信部３０ａ、ならびにこれら各部、及び例えばネットワーク経由による他機器との接続制御等を含む局全体の動作を制御する制御部４０ａを有している。

同様に、Ｂ局１ｂについても指向性アンテナ１０ｂ、駆動部２０ｂ、送受信部３０ｂ、及び制御部４０ｂを有している。これら両局のそれぞれの制御部４０ａ及び４０ｂは、例えば制御用にプロセッサ等を含んで構成されているものとし、本実施形態の指向性アンテナのアライメント方法は、この制御部内のプロセッサ等で実行可能にソフトウェア化した上で、制御部４０を中心とした制御のもとで実施するように構成することができる。

次に、図１及び図２を参照して、本実施例の指向性アンテナのアライメント方法を説明する。まず、Ａ局１ａ及びＢ局１ｂが動作を開始すると、それぞれに初期化が行われる。この初期化においては、各局内の機器等の初期設定に加え、互いの時刻同期等、２局間において必要となる各種の初期設定も行われる（ＳＴ１０１ａ、及びＳＴ１０１ｂ）。次いで、互いの位置情報に基づいて、自局から見た相手局の方向が算出される。位置情報については、事前情報としてあらかじめ相互に取得されており、算出結果は自局から見た相手局の初期方向として自局内に保持される（ＳＴ１０２ａ、及びＳＴ１０２ｂ）。

次いで、Ａ局１ａ及びＢ局１ｂによる粗サーチのステップが順次開始される。粗サーチとは、相手局から自局に向けて送信されるパイロット信号を受信しながら、自局の指向性アンテナの指向方向を相手局の初期方向を中心に粗角度ステップでスパイラル状に移動し、パイロット信号の受信レベルが最大となる方向を相手局の粗方向として取得するステップである。このときの粗角度ステップとは、自局の指向性アンテナのビーム幅程度に相当する角度としている。

粗サーチにおける指向性アンテナの指向方向の移動の様子をモデル化して図４に例示する。図４の事例では、自局から見た相手局の初期方向を番号１で示し、この方向を中心にして数字で示した番号順に自局の指向性アンテナを方位方向及び仰角方向に粗角度ステップで外側に向けてスパイラル状に移動させている場合を示している。

粗サーチのステップが開始されると、はじめにＡ局１ａがＢ局１ｂの粗方向を取得し、次いでＢ局１ｂがＡ局１ａの粗方向を取得する。すなわち、Ｂ局の指向性アンテナ１０ｂがＡ局１ａの初期方向に向けられ、Ｂ局１ｂからパイロット信号が送信される（ＳＴ１０３）。Ａ局１ａは、このＢ局からのパイロット信号を受信しながら、Ｂ局１ｂの初期方向を中心に、図４に例示したように指向方向を粗角度ステップでスパイラル状に移動させ、それぞれの指向方向でのパイロット信号の受信レベルを測定する（ＳＴ１０４）。そして、Ａ局１ａは、これら測定結果の中で最大の受信レベルの指向方向を判定し、これをＢ局１ｂの粗方向とする。取得されたＢ局１ｂの粗方向は、Ａ局１ａ内に保持される（ＳＴ１０５）。

次いでＡ局の指向性アンテナ１０ａが、直前の動作ステップで取得されたＢ局１ｂの粗方向に向けられ、Ａ局１ａからパイロット信号が送信される（ＳＴ１０６）。Ｂ局１ｂは、このＡ局からのパイロット信号を受信しながら、Ａ局１ａの初期方向を中心に、図４に例示したように指向方向を粗角度ステップでスパイラル状に移動させ、それぞれの指向方向でのパイロット信号の受信レベルを測定する（ＳＴ１０７）。そして、Ｂ局１ｂは、これら測定結果の中で最大の受信レベルの指向方向を判定し、これをＡ局１ａの粗方向とする。取得されたＡ局１ａの粗方向は、Ｂ局１ｂ内に保持される（ＳＴ１０８）。

続いて、Ａ局１ａ及びＢ局１ｂによる精サーチのステップが順次開始される。精サーチとは、相手局から自局に向けて送信されるパイロット信号を受信しながら、自局の指向性アンテナの指向方向を相手局の粗方向を中心に精角度ステップでスパイラル状に移動し、パイロット信号の受信品質値が最良の方向を相手局の精方向として取得するステップである。ただし、その最良値が相手局の粗方向に対する受信品質値を超えない場合には、相手局の粗方向をそのまま、相手局の精方向としている。

ここで、精角度ステップとは、自局の指向性アンテナのビーム幅範囲を所定数に分割した角度に相当する角度としている。また、受信品質値は、本実施例においては、パイロット信号の受信レベル、及び受信誤り率をそれぞれに重み付けして算出された、通信品質を評価するための値である。なお、受信品質値を算出する際のパラメータとしては、さらに、例えばパイロット信号の受信レベルの変動幅等を加えることも可能である。

精サーチにおける指向性アンテナの指向方向の移動の様子をモデル化して図５に例示する。図５の事例では、自局の指向性アンテナのビーム幅を、方位方向及び仰角方向共に３分割し、相手局の粗方向を中心にして図４と同様な順序でスパイラル状に指向方向を移動している。

精サーチのステップが開始されると、はじめにＡ局１ａがＢ局１ｂの精方向を取得し、次いでＢ局１ｂがＡ局１ａの精方向を取得する。すなわち、Ｂ局の指向性アンテナ１０ｂがＡ局１ａの粗方向に向けられ、Ｂ局１ｂからパイロット信号が送信される（ＳＴ１０９）。Ａ局１ａは、このＢ局からのパイロット信号を受信しながら、Ｂ局１ｂの粗方向を中心に、図５に例示したように指向方向を精角度ステップでスパイラル状に移動させ、それぞれの指向方向でのパイロット信号の受信品質値を測定する（ＳＴ１１０）。そして、これら測定結果の中で受信品質値が最良の指向方向を判定し、これをＢ局１ｂの精方向とする（ＳＴ１１１のＹ、ＳＴ１１２）。ただし、その最良の受信品質値が、Ｂ局１ｂの粗方向に対する受信品質値（図５の番号１での測定結果）を超えない場合には、Ｂ局１ｂの粗方向をそのまま、Ｂ局１ｂの精方向とする（ＳＴ１１１のＮ、ＳＴ１１３）。このようにして取得されたＢ局１ｂの精方向は、Ａ局１ａ内に保持される。

次いで、Ａ局の指向性アンテナ１０ａが、直前の動作ステップで取得されたＢ局１ｂの精方向に向けられ、Ａ局１ａからパイロット信号が送信される（ＳＴ１１４）。Ｂ局１ｂは、このＡ局からのパイロット信号を受信しながら、Ａ局１ａの粗方向を中心に、図５に例示したように指向方向を精角度ステップでスパイラル状に移動させ、それぞれの指向方向でのパイロット信号の受信品質値を測定する（ＳＴ１１５）。そして、これら測定結果の中で受信品質値が最良の指向方向を判定し、これをＡ局１ａの精方向とする（ＳＴ１１６のＹ、ＳＴ１１７）。ただし、その最良の受信品質値が、Ａ局１ａの粗方向に対する受信品質値（図５の番号１での測定結果）を超えない場合には、Ａ局１ａの粗方向をそのまま、Ａ局１ａの精方向とする（ＳＴ１１６のＮ、ＳＴ１１８）。このようにして取得されたＡ局１ａの精方向は、Ｂ局１ｂ内に保持される。そして、この後は両局とも自局の指向性アンテナを相手局の精方向に指向させ、アライメントを完了する（ＳＴ１１９）。

以上説明したように、本実施例においては、対向する通信局であるＡ局及びＢ局間において指向性アンテナをアライメントするに際して、互いの位置情報に基づき相手局の方向を初期方向として算出した後、相手局から自局に向けて送信されるパイロット信号を受信しながら、自局の指向性アンテナの指向方向を相手局の初期方向を中心に粗角度ステップでスパイラル状に移動し、パイロット信号の受信レベルが最大となる方向を相手局の粗方向として取得する粗サーチのステップと、相手局から自局に向けて送信されるパイロット信号を受信しながら、自局の指向性アンテナの指向方向を相手局の粗方向を中心に精角度ステップでスパイラル状に移動し、パイロット信号の受信品質値が最良の方向を相手局の精方向として取得する精サーチのステップとを実行している。すなわち、互いにパイロット信号を送受信してその受信信号レベルに基づいて粗アライメントした後、通信品質を評価する受信品質値に基づき精アライメントを行っている。これにより、指向性アンテナを有する対向した通信局間において互いに指向性アンテナをアライメントする際に、マルチパス等の影響のより少ない、良好な通信品質が保持された通信経路を確保することができる。

図６〜図８は、本実施形態の指向性アンテナのアライメント方法の第２の実施例を示すフローチャートである。この第２の実施例について、図１〜図５に示した第１の実施例の各部と同一の部分は同一の符号で示し、その説明を省略する。この第２の実施例が第１の実施例と異なる点は、第１の実施例においては、精サーチのステップの終了を以てアライメント完了としているのに対し、第２の実施例においては、精サーチのステップの後に相互に受信品質値を取得するとともに、その値を所定のしきい値と比較し、少なくともいずれか一方の局の取得した受信品質値がしきい値を満足しない場合には、ビーム幅範囲内で再サーチを繰り返すようにした点である。以下、前出の図１〜図５、ならびに図６〜図８のフローチャートを参照して、その相違点のみを説明する。

図６〜図８のフローチャートにおいて、ＳＴ１０１ａ及びＳＴ１０１ｂの動作ステップからＳＴ１１９の動作ステップまでは、第１の実施例と同一の動作である。すなわち、Ａ局１ａ及びＢ局１ｂが互いに初期方向を算出し、パイロット信号を送受信しながらその受信レベルに基づき相手局の粗方向を取得し、さらに受信品質値に基づき相手局の精方向を取得して、自局の指向性アンテナを取得した相手局の精方向に指向させる。

次いで、相互にパイロット信号を送受信し、それぞれに相手局からのパイロット信号に対する受信品質値を取得し、その結果を局間で共有する（ＳＴ８０１）。そして、この取得した受信品質値をあらかじめ設定されたしきい値と比較し、少なくともどちらか一方の局の受信品質値がしきい値に満たない場合は（ＳＴ８０２のＹ）、Ａ局１ａによる精サーチの動作中のＳＴ１１０の動作ステップにおいて測定された受信品質値の中から、ＳＴ１１２またはＳＴ１１３で採用された値の次善の受信品質値に対応する指向方向を、順次Ｂ局１ｂの精方向としてＳＴ１１４の動作ステップ以降を繰り返す（ＳＴ８０３のＮ、ＳＴ８０４）。そして、この繰り返しは、両局の受信品質値が共にしきい値以上となった場合に終了する（ＳＴ８０２のＮ）。なお、本実施例においては、あらかじめ設定された繰り返し回数に達した場合にも終了させている（ＳＴ８０３のＹ）。

以上説明したように、本実施例においては、互いに相手局の精方向を取得した後、さらに相互に精方向での受信品質値を取得し共有するとともに、その値を所定のしきい値と比較し、少なくともいずれか一方の局の取得した受信品質値がしきい値を満足しない場合には、ビーム幅範囲内で再サーチを繰り返している。これにより、第１の実施例における効果に加え、確保された通信経路を所望の通信品質が備わった、より安定したものとすることができる。

なお、いくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１ａＡ局
１ｂＢ局
１０ａ、１０ｂ指向性アンテナ
２０ａ、２０ｂ駆動部
３０ａ、３０ｂ送受信部
４０ａ、４０ｂ制御部

Claims

指向性アンテナを有し、互いの位置情報が既知の対向する通信局であるＡ局及びＢ局間において相互に信号を送受信しながら行う指向性アンテナのアライメント方法であって、
Ａ局及びＢ局は、互いの位置情報に基づき自局から見た相手局の方向を初期方向として算出する初期方向算出ステップと、
Ａ局は、前記Ａ局の初期方向に向けてＢ局から送信されるパイロット信号を受信しながら、前記Ｂ局の初期方向を中心に自局の指向性アンテナのビーム幅程度の角度に相当する粗角度ステップでスパイラル状にその指向方向を移動してそれぞれの指向方向における前記パイロット信号の受信レベルを測定し、これら測定した受信レベルが最大の指向方向を判定してこれをＢ局の粗方向とする、Ａ局による粗サーチのステップと、
Ｂ局は、Ａ局が取得した前記Ｂ局の粗方向に向けてＡ局から送信されるパイロット信号を受信しながら、前記Ａ局の初期方向を中心に自局の指向性アンテナのビーム幅程度の角度に相当する粗角度ステップでスパイラル状にその指向方向を移動してそれぞれの指向方向における前記パイロット信号の受信レベルを測定し、これら測定した受信レベルが最大の指向方向を判定してこれをＡ局の粗方向とする、Ｂ局による粗サーチのステップと、
Ａ局は、Ｂ局が取得した前記Ａ局の粗方向に向けてＢ局から送信されるパイロット信号を受信しながら、前記Ｂ局の粗方向を中心に自局の指向性アンテナのビーム幅範囲を複数に分割した角度に相当する精角度ステップでスパイラル状にその指向方向を移動してそれぞれの指向方向における前記パイロット信号の受信品質値を測定し、これら測定した受信品質値中に前記Ｂ局の粗方向に対する受信品質値を超える値がある場合にはそれらの中の最良値に対応した指向方向をＢ局の精方向とする一方、超える値がない場合には前記Ｂ局の粗方向をＢ局の精方向とする、Ａ局による精サーチのステップと、
Ｂ局は、Ａ局が取得した前記Ｂ局の精方向に向けてＡ局から送信されるパイロット信号を受信しながら、前記Ａ局の粗方向を中心に自局の指向性アンテナのビーム幅範囲を複数に分割した角度に相当する精角度ステップでスパイラル状にその指向方向を移動してそれぞれの指向方向における前記パイロット信号の受信品質値を測定し、これら測定した受信品質値中に前記Ａ局の粗方向に対する受信品質値を超える値がある場合にはそれらの中の最良値に対応した指向方向をＡ局の精方向とする一方、超える値がない場合には前記Ａ局の粗方向をＡ局の精方向とする、Ｂ局による精方向サーチのステップと、
Ａ局及びＢ局は、互いに自局の指向性アンテナを相手局の前記精方向に指向させる指向方向設定ステップと
を有することを特徴とする指向性アンテナのアライメント方法。
さらに、Ａ局及びＢ局は、前記指向方向設定ステップ後に相互にパイロット信号を送受信して受信品質値を取得するとともに、この取得した受信品質値をそれぞれにあらかじめ設定された所定のしきい値と比較し、少なくともいずれか一方の局の取得した受信品質値が前記しきい値に満たない場合は、
前記Ａ局による精サーチのステップにおいてＡ局が測定した前記Ｂ局からのパイロット信号の受信品質値の中で、次善の値に対応した指向方向をＢ局の精方向としてそれ以降のステップを実行する、再サーチのステップを有することを特徴とする請求項１に記載の指向性アンテナのアライメント方法。
前記受信品質値は、少なくとも前記パイロット信号の受信レベル及び受信誤り率に基づき算出された値であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の指向性アンテナのアライメント方法。