JP6942909B2 - 協調的ｍｉｍｏシステムにおける空中中継器 - Google Patents

Description

［関連出願の相互参照］
本出願は、参照により本明細書にその全体が明示的に組み込まれる、２０１５年７月２７日に出願された米国仮特許出願第６２／１９７、３３６号の優先権を主張する。

本発明は概して無人航空機（ＵＡＶ）の制御に関し、特に無線アクセスネットワークの中継器（リレー）として機能するように構成されたＵＡＶ群で使用される制御方法及びシステムに関する。

背景説明は、本発明を理解するために有用な情報を含む。本明細書に記載のどの情報も先行技術であり、又は現在クレームされている本発明に関連すること、又は明示的又は暗黙的に参照されている刊行物が先行技術であることを認めるものではない。

多様な任務を遂行するために遠隔制御ドローン／航空機、ヘリコプタ、及びマルチコプタなどの無人航空機（ＵＡＶ）を利用することへの関心が高まっている。しかし、進行中の課題は、これらの特定の用途の各々でＵＡＶを如何にしてより良く制御するかにある。

幾つかの用途では、制御され、集中化され、又は組織化された２機以上のＵＡＶを使用して任務を遂行することが望ましく、又は有用である。例えば、ＵＡＶが目標となる地理的領域を飛行する際に、ＵＡＶは群制御を使用して制御され得る。群は、その集合的な移動が風や、（別の隣接するＵＡＶなどの）障害物などの局所的な影響によって決定されることがある多くの自律的，反応（reflexive）的なエージェント（例えばＵＡＶはパーティクルである）を有する自己組織化されたパーティクルシステムであると考えることができる。ＵＡＶは、独立しており、かつ衝突の危機を回避するため隣接したＵＡＶと通信してどのＵＡＶが移動するか、又は両方が移動すべきかを決定することを含め、局所的に制御されることが多い。

マルチエージェントシステムの形成は、主な２つのアプローチ、すなわち集中型、及び分散型アプローチに基づいて制御可能である。集中型アプローチには、各々のエージェントがセントラルコントローラを通して受信することができるグローバル情報という利点がある。分散型アプローチでは、各々のエージェントがローカコントローラを有し、その信頼性を高められる。分散型アプローチは、グローバル情報を入手できない場合にも有用であり得る。

飛行管理の文脈では、同期化は時間の一致、又は同時操作であり、これは動力学系を制御する重要なコンセプトである。同期性能を高める重要な技術は、制御ループのフィードバック情報の共有に基づくクロス結合であり、これには多軸及び協調マニピュレータロボットの動作同期化に多くの用途がある。一方では、より多くのエージェントとの結合は動作の同期化を改善し、他方ではエージェントの通信範囲がエージェントが結合可能なエージェントを制限する。

高速無線通信を達成するためのＵＡＶの使用は、将来の通信システムに重要な役割を果たすものと期待されている。無線アクセスネットワーク（ＲＡＮ）では、ＲＡＮトランシーバが装備されたＵＡＶを使用して迅速にＲＡＮサービスを展開し、地上セルラネットワークと比較してＣＡＰＥＸ（設備投資）及びＯＰＥＸ（運用コスト）が低い信頼性の高いブロードバンドネットワークインフラを提供することができる。例えば、このようなＵＡＶは、地上ベーストランシーバ基地局（ＢＴＳ）と１つ又は複数のユーザ機器（ＵＥ）との間の中継器として機能することができる。

ＵＡＶの高移動性は、通常は疎く、断続的に接続された高度に動的なネットワークトポロジを生じ得る。その結果、効果的なマルチＵＡＶの協調、又はＵＡＶの群運用は信頼性の高いネットワーク接続を確保するように設計されるべきである。

別の課題は、通信、計算、及び耐久力を制限するＵＡＶのサイズ、重量、及び電力の制約である。このような問題に対処するため、合理的なエネルギ使用及び補充のためのエネルギを意識したＵＡＶの展開及び動作メカニズムが必要である。その上、ＵＡＶの移動性、並びに固定的バックホールリンクにより、近隣のセルとＵＡＶで可能になる空中基地局との間の干渉制御は、地上セルラシステムより困難である。従来の知見はＵＡＶ支援のセルラ受信可能範囲（カバレッジ）の効果的な干渉制御技術を必要とするが、協調的マルチ入力マルチ出力（ＭＩＭＯ）は、干渉を活用してＲＡＮの性能を飛躍的に向上させることが実証されている。

２００１年、Ｓｈａｔｔｉｌは協調的ＢＴＳ間の連結的ＭＩＭＯ処理を含む協調マルチポイント（米国仮特許出願第６０２８６８５０）を発表した。これはユニバーサル周波数の再利用を可能にすることにより、どのＵＥにも役立つようにＲＡＮのフルスペクトルが利用可能である。２００２年、Ｓｈａｔｔｉｌは、ソフトウェア無線が協調マルチポイントシステムでの分散コンピューティングを介して実施されるクラウドＲＡＮ（米国特許第７４３０２５７号）を発表した。２００２年と２００４年に、Ｓｈａｔｔｉｌはクライアントサイドの協調マルチポイントシステム（米国特許公報第２００８００９５１２１号及び米国特許第８６７０３９０号）を記述した。ＲＡＮリンクの両端で協調的ＭＩＭＯを使用することによって、ＵＥごとの全帯域幅はもうＲＡＮスペクトルによって制限されることはない。むしろ、全帯域幅は協調デバイスを接続する短距離、高帯域幅のフロントホールネットワークによって決められる。これは、無線通信の最も重要な問題の１つを解決するものである。

ＵＡＶが協調的ＭＩＭＯネットワークで機能するためには、例えばＵＡＶはＲＡＮの性能を保証し、及び／又は増強するために空間的に協調されることができよう。ＲＡＮの用途でのＵＡＶの制御は、ＵＡＶ間の通信を行い、同期化、クラスタ形成、並びに群管理にも不可欠な他の制御及び／又は検出能力を提供することを含み得よう。したがって、ＲＡＮの性能増強を含み、飛行管理、ターゲット追尾、障害物回避他を含み得る多目的任務向けに構成された群管理のための行動的構造を可能にする必要がある。

ＵＡＶを含む無線通信システムは、インフラの受信可能範囲（カバレッジ）にないデバイスの費用効果の高い接続性を確保することを保証する。地上通信、又は高高度プラットフォーム（ＨＡＰ）に基づく通信と比較して、低高度ＵＡＶによるオンデマンド無線システムは展開が迅速で、より柔軟に再構成され、通信チャネルを向上させる可能性がある。本開示の態様は、無線通信用に移動性が高く、エネルギが制約されたＵＡＶを使用する課題の多くに対応する。

本開示の態様は、ＭＩＭＯ処理を含み得る協調的ＭＩＭＯ処理を記載し、マルチ入力（ＭＩ）は複数のＵＡＶからのダウンリンク伝送を含み、マルチ出力（ＭＯ）は複数のＵＡＶへのアップリンク伝送を含む。本開示の更なる態様は、協調的ＭＩＭＯ処理がＵＥ、ＢＴＳ、及び／又はＵＡＶなどの中継ノードを使用可能であることを示している。幾つかの態様によれば、ＢＴＳ、ＵＡＶ、ＵＥ，及び少なくとも１つの中央プロセッサ（ＣＰ）の組み合わせは、協調的ＭＩＭＯ処理を実行するように構成される。

幾つかの態様では、ＵＡＶは、少なくとも１つのオンボードセンサに結合され、他のＵＡＶの位置を検出するように構成された状況認識システムを備えている。協調的無線アクセスネットワーク（ＲＡＮ）の信号プロセッサは、少なくとも１つの他のＵＡＶと協調してＵＡＶ−ユーザ機器（ＵＥ）のチャネル内のＲＡＮ信号を処理し、ＲＡＮの性能基準を生成するように構成され、この協調的処理がＵＡＶ−ＵＥチャネルのランクを高める。飛行コントローラは、状況認識システム及び協調的ＲＡＮ信号プロセッサに結合され、他のＵＡＶの相対的空間位置に基づく、またナビゲーション基準の所定の境界内で動作するＲＡＮの性能基準に基づくＵＡＶの飛行の自律ナビゲーション制御を使用する。本明細書で用いられるＲＡＮ性能基準は、ＲＡＮミティゲーション性能基準を含み得る（ミティゲーションは、軽減、緩和又は影響軽減を意味する）。幾つかの態様では、ＵＡＶは脅威であると識別された１つ又は複数のＵＥに対するミティゲーション戦術を使用するように構成され、他のＵＡＶがこのようなミティゲーションを行うように協調し得る。ＲＡＮ性能基準はＲＡＮミティゲーション基準として使用可能であり、飛行制御（フライトコントロール）は自律ナビゲーション制御を適応させることによってＲＡＮの経変性能を増強する。上記の動作を行うように構成された送信機及び受信機が本開示の態様で使用され得る。

以下の特許出願、２００１年４月２６日に出願された出願番号第６０／２８６，８５０号、２００２年４月２４日に出願された第１０／１３１，１６３号、２００２年５月１４日に出願された第１０／１４５／８５４号、２００５年７月２２日に出願された第１１／１８７，１０７号、２０１５年１月２７日に出願された第１４／１６８，４４２号、２０１５年５月１２日に出願された第１４／７０９，９３６号、２０１５年９月２８日に出願された第６２／２３３，９８２号、及び２０１５年９月１１日に出願された第６２／２５２，７１７号は全て参照として本明細書に組み込まれている。

「処理ブロック」又は「ステップ」を含む開示される方法を示すフローチャートは、コンピュータソフトウェア命令、又は命令群を表し得る。あるいは、処理ブロック又はステップは、ディジタル信号プロセッサ、又は特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）などの機能的に同等の回路により実行されるステップを表し得る。フローダイアグラムはいすれかの特定のプログラミング言語の構文を示すものではない。むしろ、フローダイアグラムは回路を製造し、又はコンピュータソフトウェアを生成し、本開示に基づいて必要な処理を実行するために当業者が必要とする機能情報を示すものである。ループ及び変数の初期化、及び一時変数などの多くのルーチンプログラム要素は図示されていないことに留意されたい。本明細書に別段の指示がない限り、特定のステップの順序は説明目的であるに過ぎず、変更可能であることが当業者には理解されよう。別段の記載がない限り、記載のステップの順序は順不同であり、すなわちステップは便利な、又は望ましいどの順序でも実行可能である。

本開示の一態様によるネットワークトポロジのブロック図である。

本開示のある態様によるＵＡＶのブロック図である。

図３Ａ，３Ｂ，３Ｃは、本開示の態様による方法を示すフローダイアグラムを示す図である。

本開示の態様により動作するように構成されたコンピュータプロセッサによって実施可能な手順を示す図である。

本開示の態様によるＵＡＶ群の管理に関連するナビゲーション指令とＲＡＮ指令間の関係を示す図である。

本開示のある態様によるＵＡＶのブロック図である。

本開示の様々な態様を以下に記載する。本明細書の教示は広範な形態で実施され、本明細書に開示のどの特定の構造、機能、又はその両方は代表的なものであるに過ぎないことを理解されたい。本明細書の開示に基づいて、本明細書に開示の態様は他の任意の態様とは別個に実施されてもよく、又は２つ以上のこれらの態様は様々な方法で組み合わせ得ることを当業者は理解されたい。例えば、本明細書に記載の任意の数の態様を用いて装置が実施され、又は方法が実行されてもよい。加えて、本明細書に記載の１つ又は複数の態様に加えた、又はそれ以外の他の構造、機能、又は構造と機能を使用してこのような装置が実施され、又はこのような方法が実施されてもよい。

本開示を通して用いられる（「フロントホール」、「プリコーディング」、「ＵＥ」、「ＢＴＳ」、「ノード」、及び「ＣＰ」を含む）様々な用語の記載は、全体が参照として組み込まれる、２０１５年７月２７日に出願された米国仮特許出願第６２／１９７，３３６号に記載されている。

本開示のいくつかの態様によるＭＩＭＯシステムの特徴の１つは、複数の空中中継局（リレーステーション、例えばＵＡＶ）１１１．１〜１１１．４、１１２．１〜１１２．３、及び１１３．１〜１１３．３で図１に示されるような複数の能動的散乱プラットフォームを備えるマルチパス通信チャネルである。能動的散乱プラットフォームは、ＢＴＳ（１つ又は複数）とＵＥ（１つ又は複数）間の順方向リンク及び／又は逆方向リンク内のＲＡＮチャネル行列のランクを拡大する役割を果たすことができる。その結果、送信源（例えば１つ又は複数のＢＴＳ１００．１及び１００．２）から複数の送信先（例えばＵＥ１２０．１〜１２０．５）へのマルチパス伝搬チャネルは計測可能であるだけではなく、これらの能動的散乱プラットフォーム１１１．１〜１１１．４、１１２．１〜１１２．３、及び１１３．１〜１１３．３を介して制御可能であり、それによって差別的な伝搬機能を介して複数のユーザ間でのより効果的な周波数の再利用が可能になる。本開示の幾つかの態様は、割り当てられたスペクトルを複数のユーザがＭＩＭＯ通信構成で同時に再利用し、これらのユーザが割り当てられたリソースを動的かつ効果的に共用することを可能にする手段を提供する。

第１の一般的な態様では、ＵＥ１２０．１〜１２０．５はＲＡＮを使用して、能動的散乱プラットフォーム１１１．１〜１１１．４、１１２．１〜１１２．３、及び１１３．１〜１１３．３を介して１つ又は複数のＢＴＳ１０１．１及び１０１．２と通信する。無線アップリンクはリンク１４１．ｕ、１４２．ｕ、及び１４３．ｕによって示され、無線ダウンリンクはリンク１４１．ｄ、１４２．ｄ、及び１４３．ｄによって示されている。しかし、これらのダウンリンクのうちの１つ又は複数のダウンリンクは、光通信を使用してもよい。リンク１６０によって示されるような能動的散乱プラットフォーム１１１．１〜１１１．４、１１２．１〜１１２．３、及び１１３．１〜１１３．３の間の通信は、（それらに限定されないが）ＷＰＡＮ及びＷＬＡＮ無線技術、及び光通信技術を含む任意の様々な近距離ブロードバンド無線リンクを備えることができる。能動的散乱プラットフォーム１１１．１〜１１１．４、１１２．１〜１１２．３、及び１１３．１〜１１３．３からＢＴＳ１０１．１及び１０１．２へのダウンリンクは、リンク１５１．ｄ、１５２．ｄ、及び１５３．ｄによって示されている。ＢＴＳ１００．１及び１０１．２から能動的散乱プラットフォーム１１１．１〜１１１．４、１１２．１〜１１２．３、及び１１３．１〜１１３．３へのアップリンクは、リンク１５１．ｕ、１５２．ｕ、及び１５３．ｕによって示されている。リンク１５１．ｄ、１５２．ｄ、１５３．ｄ、１５１．ｕ、１５２．ｕ、及び１５３．ｕは、光及び／又は無線通信リンクを含むことを理解されたい。

本明細書に記載のどの方法及びデバイスも、この第１の一般的態様により具現化されるネットワーク構成で、また本開示の特定の態様により構成されるネットワーク構成で実施され得る。第１の一般的態様は図１から推察できるが、能動的散乱プラットフォームと通信するためにＨＡＰ及び／又は衛星を使用するネットワーク構成などの追加の態様が提供されてもよい。

一態様では、ＵＥ１２０．１〜１２０．５は協調グループ（例えばユーザグループ１３１．１〜１３１．３）内で構成され、各グループのＵＥは、動作を協調し、リソースを共用し、又は他の方法で協調してＲＡＮ内の信号を処理する。別の態様では、能動的散乱プラットフォーム１１１．１〜１１１．４、１１２．１〜１１２．３、及び１１３．１〜１１３．３はクラスタ１３２．１〜１３２．３に編成され、クラスタ間及び／又はクラスタ内通信を提供し得る。各クラスタ内のプラットフォームは、ＵＥ１２０．１〜１２０．５と通信する信号、クラスタ１３２．１〜１３２．３間で交換される信号、及び／又はＢＴＳ１００．１及び１００．２と交換される信号を処理するように協調及び／又は協力するなど、互いに協調するように構成され得る。

別の態様では、ＢＴＳ１００．１〜１００．３は、ＢＴＳ１００．１〜１００．３、能動的散乱プラットフォーム１１１．１〜１１１．４、１１２．１〜１１２．３、及び１１３．１〜１１３．３、及び／又はＵＥ１２０．１〜１２０．５によって要求される信号処理操作の少なくとも一部を実行するように構成されたＣＰ１３０に通信可能に結合される。このような信号処理は、１つ又は複数のデータセンタ内のサーバなどのクラウドコンピューティングアーキテクチャ内にあるソフトウェア定義無線（ＳＤＲ／software defined radio）で実施することができる。幾つかの態様では、ＵＥ１２０．１〜１２０．５、能動的散乱プラットフォーム１１１．１〜１１１．４、１１２．１〜１１２．３、及び１１３．１〜１１３．３、及び／又は他のネットワークデバイスなどのネットワーク全体で通信可能に結合されたデバイスを介して、分散コンピューティングが行われてもよい。

中央処理を用いることによって、複雑なグローバル操作から多種類のローカル操作にわたる多様な信号処理タスクがプールされ得る。これによって、ＢＴＳ及び能動的散乱プラットフォーム、中継ノードなどのエッジデバイスのコスト、電力需要、及び／又は処理要件を低減可能である。幾つかの態様では、ある操作はネットワークエッジで行われる方が適している。例えばエッジ分散型操作は待ち時間、及び通信帯域幅の要件を低減することができる。様々なコスト評価及び他の評価アルゴリズムを使用して、エッジでどの操作を行うか、またいつそれを行うかを決定することができる。幾つかの態様では、エッジ処理は単純な操作であり得るが、グローバルな観点で見ると、複雑な集合的知能を示す。本開示の幾つかの態様では、エッジ処理と中央処理との組み合わせを行って、簡略化エッジデバイス間の衡平な（例えば向上する）均衡を達成し、変化する条件への適切な対応を達成し、管理可能なフロントホール負荷を維持することができる。

図１に示される別の態様は、デバイス非依存協調のコンセプトを用いる。具体的には、多目的に役立つなどの役割を変更するようにデバイスを構成可能である。例えば、グループ１３１．２はＵＥ１２０．２及びＢＴＳ１０１．２を備えている。一態様では、ＵＥ１２０．２はＢＴＳ１０１．２と協調してＢＴＳ１０１．２のアレイ用の追加のＲＡＮアンテナ（１つ又は複数）として機能する。ＵＥ１２０．２は、無線フロントホールリンクを使用してＢＴＳ１０１．２と直接通信し、例えばＲＡＮでの送信及び／又は受信を協調させてもよいであろう。同様に、ＢＴＳ１０１．２は、例えばＲＡＮでの協調的なサブスペース処理操作のためのチャネル行列のランクを上げることによってＵＥ１２０．２を支援するように構成されることができよう。別の例では、能動的散乱プラットフォーム１１１．１〜１１１．４、１１２．１〜１１２．３、及び１１３．１〜１１３．３のうちの１つ又は複数は、いずれかのＵＥ１２０．１〜１２０．５、いずれかのＢＴＳ１００．１〜１００．３、又はそのいずれかの組み合わせと協調アレイを形成してもよいであろう。例えば、能動的散乱プラットフォームはＵＥグループと連携して、そのグループのためのＲＡＮ信号の協調的ＭＩＭＯ処理を支援してもよいであろう。能動的散乱プラットフォームは１つ又は複数のＢＴＳと連携して、協調的ベーストランシーバアレイとして機能することができよう。幾つかの態様では、ＵＥ及び／又はＢＴＳは、能動的散乱プラットフォームのクラスタに参加して、無線信号を能動的散乱プラットフォームの別のクラスタに中継することを支援することができよう。

図１には、ＲＡＮチャネルが（ＢＴＳ１００．３からのリンク１４４によって描写されているような）地上ベーストランシーバ通信と、（能動的散乱プラットフォームグループ１３２．３からのＲＡＮリンク１４３．ｕ及び１４３．ｄなどの）能動的散乱プラットフォームの両方によって提供されるネットワークも描写されている。このような態様では、協調的ＭＩＭＯサブスペース処理がＣＰ１３０で実施可能であり、これはプリコードされたＲＡＮ信号を送信し、及び／又はＲＡＮ信号を受信するための協調ＲＡＮノード（例えばＢＴＳ１００．３及び散乱プラットフォームグループ１３２．３）をも調整する。

ＵＥ１２０．１〜１２０．５及びＢＴＳ１００．１〜１００．３はアンテナシステム（それぞれ１２１．１〜１２１．２及び１０１．１〜１０１．３）を有するものとして示されているが、他のタイプの無線トランシーバが使用されてもよい。例えば、リンクの一部（それらに限定されないが１５１．ｕ、１５１．ｄ、１５２．ｕ、１５２．ｄ、１５３．ｕ、１５３．ｄなど）は光リンクを有してもよい。したがって、ＬＥＤ及び光検出器アレイ（又は他の適宜な光トランシーバ）がトランシーバとして使用されてもよい。各々のアンテナシステム１２１．１〜１２１．２及び１０１．１〜１０１．３は１つ又は複数のアンテナを備えていてもよいが、光トランシーバは単一又は複数の光送信機と単一又は複数の光検出器を含み得る。各々の能動的散乱プラットフォーム１１１．１〜１１１．４、１１２．１〜１１２．３、及び１１３．１〜１１３．３は、少なくとも１つのアンテナ、及び必要に応じて少なくとも１つの光送信機、及び少なくとも１つの光受信機などのある種の無線トランシーバ装置を備えていることを理解されたい。

本開示の幾つかの態様によれば、ＢＴＳ１００．１〜１００．２トランシーバ装置１０１．１〜１０１．２はランプ、スポットライト、交通信号、街灯、及び／又はその他様々な種類の偏在（ユビキタス）照明を備えることができ、このようなユビキタス光源はデータで変調されてアップリンク１５１．ｕ、１５２．ｕ、及び１５３．ｕを提供する。幾つかの態様では、通信リンクの少なくとも幾つか（例えばアップリンク１５１．ｕ、１５２．ｕ、及び１５３．ｕ）は、通信の他の追加機能の提供に関して多目的であり得る。例えば、一態様では、アップリンク１５１．ｕ、１５２．ｕ、及び１５３．ｕは、能動的散乱プラットフォーム１１１．１〜１１１．４、１１２．１〜１１２．３、及び１１３．１〜１１３．３の少なくとも幾つかに電力（パワー）を供給する。別の態様では、アップリンク１５１．ｕ、１５２．ｕ、及び１５３ｕは、能動的散乱プラットフォーム１１１．１〜１１１．４、１１２．１〜１１２．３．及び１１３．１〜１１３．３の少なくとも幾つかに同期信号（又は他の制御信号）を供給する。別の態様では、アップリンク１５１．ｕ、１５２．ｕ、及び１５３．ｕは、能動的散乱プラットフォーム１１１．１〜１１１．４、１１２．１〜１１２．３、及び１１３．１〜１１３．３の位置を探索し、追尾し、及び／又は方向を定め得る。

別の態様によれば、能動的散乱プラットフォーム１１１．１〜１１１．４、１１２．１〜１１２．３、及び１１３．１〜１１３．３は、グループ（又はクラスタ）１３２．１〜１３２．３）へと自己編成し、及び／又はこれらは地上操作（例えばＣＰ１３０）によってそれぞれのグループへと編成され得る。幾つかの態様では、各グループはクラスタヘッドを有することができる（例えば、各々の能動的散乱プラットフォーム１１１．１、１１２．１、及び１１３．１は、それぞれのグループ１３２．１、１３２．２、１３２．３のクラスタヘッドとして機能してもよいであろう。）各クラスタヘッド１１１．１、１１２．１、及び１１３．１は、（それらに限定されないが）他のメンバを同期化し、グループのためにＢＴＳと通信し、地上ユニットから受信されたコマンド及び制御信号に従ってグループ操作を編成し、グループ内の通信を制御し、グループの中央処理操作を行い、グループがＲＡＮを介してＵＥ及び／又はＢＴＳと通信するように調整し、グループのヘッドを決定し、グループの飛行編隊を編成し、グループメンバ間の演算及び／又は電力負荷のバランスを取り、及び／又は制御責任を他のグループメンバに転移することを含むサービスをそれぞれのグループの他のメンバに提供することができる。

幾つかの態様では、能動的散乱プラットフォーム（例えば１１１．４）は、１つ又は複数のグループ（例えば１３２．１及び１３２．２）に属することができる。プラットフォーム１１１．４は複数のクラスタヘッド（例えば１１１．１及び１１２．１）から制御情報を受信し、処理することができる。プラットフォーム１１１．４は、複数のクラスタヘッド１１１．１及び１１２．１の少なくとも１つからのコマンド及び制御信号の少なくとも幾つかを無視してもよい。幾つかの態様では、プラットフォーム１１１．４は、どのクラスタヘッドが制御情報を受信するかを選択し得る。幾つかの態様では、どのクラスタヘッド（１つ又は複数）がどの制御信号をプラットフォーム１１１．４に提供するかを別のデバイス（例えばクラスタヘッド、ＢＴＳ、ＵＥ、及び／又はＣＰ）が決定する。

以下の記述で「順方向リンク」は、順方向アップリンク（例えばリンク１５１ｕ）、能動的散乱プラットフォーム間の任意の通信リンク（１つ又は複数）（例えばリンク１６０などの中継チャネル）、及びＵＥ（１つ又は複数）への順方向ダウンリンク（例えばリンク１４３．ｄ）を含み得る、ＢＴＳ（１つ又は複数）からＵＥ（１つ又は複数）への通信経路を指す。順方向リンクはＣＰとＢＴＳ間の通信リンクをも含む。

「逆方向リンク」は、逆方向アップリンク（例えばリンク１４１ｕ）、能動的散乱プラットフォーム間の任意の通信リンク（１つ又は複数）（例えばリンク１６０などの中継チャネル）、及びＢＴＳへの逆方向ダウンリンク（例えばリンク１４３ｕ）を含み得る、ＵＥ（１つ又は複数）からＢＴＳ（１つ又は複数）への通信経路を指す。順方向リンクはＣＰとＢＴＳ間の通信リンクをも含む。

中継チャネルは、各々がノイズの存在、アルゴリズムの複雑性、及び必要なノイズ情報に関して困難さが異なる増幅転送（ＡＦ）、復調転送（ＤＦ）、又はフィルタ転送（ＦＦ）などのソースノードからのメッセージに対して何を行うかによって特徴付けされる。能動的散乱プラットフォームは、多経路の支配的チャネルを提供することができ、多経路の少なくとも幾つかは能動的散乱プラットフォームを通る。幾つかの態様では、これらのプラットフォームは、増幅、遅延、及び送信元から送信先（例えばＵＥやＢＴＳ）への方向調整を行う並列経路である。幾つかの態様では、送信元と送信先とは地上にあり、空中プラットフォームは、サービング信号の受信、低ノイズ増幅、フィルタ処理、周波数変換、電力増幅、及び再放射機能を行うベントパイプトランスポンダーとしての役割を果たす。

幾つかの態様では、ＭＩＭＯ構成は、ＢＴＳ，空中プラットフォーム、又はその幾つかの組み合わせの共通のカバレッジ内で複数のＢＴＳから送信先への放射を介した通信ハブに送信元を有するポイントツーポイントアーキテクチャを特徴とする。幾つかの態様では、ＭＩＭＯ構成は、ＢＴＳ，空中プラットフォーム、又はその幾つかの組み合わせの共通のカバレッジ内で複数のＢＴＳから送信先への放射を介した通信ハブに送信元を有するポイントツーマルチポイントアーキテクチャを特徴とする。

ある態様によれば、ＭＩＭＯシステムは、多経路によって占められる伝搬チャネルの探査信号シーケンスからの応答を含み得る、チャネル状態情報（ＣＳＩ）に基づいて選択され、特徴付けられる複合転送機能を利用する。各々の伝搬経路は一組の固有の応答機能によって特徴付けられ、複合転送機能は、選択されたユーザへの応答が増強され、（必要に応じて）他のユーザへの応答が抑制される「ユーザ依存」型に構築され、又は成形可能である。幾つかの態様では、調整モードで動作する場合、協調ＵＥはＲＡＮと同じ周波数リソースを使用して、又はローカルエリアネットワークを介して情報を通信し、ベースバンドをキャンセルすることによって他のＵＥへの干渉を抑制するように構成される。

出願人の’８５０号特許出願に最初に記載されたように、分散型マルチユーザＭＩＭＯ（ＭＵ−ＭＩＭＯ）は、利用可能なアンテナ素子が複数の別個のアクセスポイント、又は各々が１つ又は複数のアンテナを有する無線端末に広がる一組の先進ＭＩＭＯ技術である。全ての端末の通信能力を高めるため、ＭＵ−ＭＩＭＯには空間分割多重アクセス（ＳＤＭＡ）の拡張版が備えられ、複数の送信機がサブスペース符号化信号を送信し、複数の受信機が同時に同じ周波数で別個の信号を受信できるようにされている。

’１６３号及び８５４号出願では、分散型マルチユーザＭＩＭＯの実施形態は空中及び空地通信を含む。したがって、中継ノードは空中と地上の通信プラットフォームの任意の組み合わせを含み得る。幾つかの態様では、複数の並列経路は複数の能動的ベントパイプトランスポンディングプラットフォームを通る。ＭＩＭＯチャネルの転送機能は、１つ又は複数の中継ノードを通って伝搬する集合的効果を含み得る利用可能なＣＳＩに基づいており、空間多重方式（例えばサブスペースプリコーディング及びデコーディング）重量は、複数のユーザがＲＡＮで同じスペクトラルリソースを同時に使用できるようにするために周波数の再使用を提供する。

幾つかの態様では、図１に示されるネットワークは、ＲＡＮミティゲーションを実行するように構成可能である。例えば、無認可の無線信号が検出され、又は遠隔制御ビークル（遠隔制御無人機）（例えばＵＡＶ）が脅威であると判断されると、１つ又は複数のＵＥはビークルの無線コントローラとして同定される。ＵＡＶは、協調的にＲＡＮ信号を処理し、ＵＥ（１つ又は複数）及びビークル（１つ又は複数）のいずれか又は両方の位置を探査し、同定する。このような場合、ＵＡＶのクラスタ間の調整されたナビゲーションは、ＵＥの位置探査及び／又は同定を可能にする。この場合、ＲＡＮミティゲーションは、用いられるミティゲーション（影響軽減）のタイプに応じてナビゲーションが適応されるＵＡＶ間の協調的ナビゲーションを含み得る。ＵＡＶは協調して、コントローラ及び／又はビークルによって送信されたＲＡＮ信号を傍受することができる。（チャネル推定のために行われるような）信号の単純な傍受及びその特質の測定は、受動的攻撃と呼ばれることがある。ＲＡＮミティゲーションは、攻撃を可能にするために、その間にクラスタ内のＵＡＶ間の調整されたナビゲーションが実行される能動的攻撃を含み得る。能動的攻撃は、ＵＥ及び／又はビークルのフォーカスされたＲＡＮの電波妨害を含むことがあり、協調的ＭＩＭＯで実行される類似のプレコーティング技術を使用して実施することができる。他の能動的攻撃は、例えばその通常の動作パラメータ内の方法で無線を実行させるが、所定の条件又はオペレータの意図には適さない、ターゲットのＵＥ（１つ又は複数）及び／又はビークルにより使用されるＲＡＮ信号のプロトコル操作を含む。幾つかの態様では、能動的攻撃はその無線リンクを介してビークルを電子的にハイジャックし、ときにはソフトウェアの脆弱性を逆手に取って、これを安全な場所に着陸させ、これを制限空域から遠ざけ、又はそのホーミングルーチンを起動することを含み得る。本開示の態様では、調整されたナビゲーションは、各ＵＡＶ搭載のルールベースの自律ナビゲーション制御を介して達成され、このルールは他のＵＡＶの相対的空間位置に基づくものであり、任務の目的に基づいて適応化され得る。場合によっては、任務の目的は、ＲＡＮの性能基準を確立し得るＲＡＮの測定に基づいてルール、ひいてはナビゲーションを適応させることで果たされる。このような自律ナビゲーションの実施は群知能につながり得る。

群知能は一般に、分散型制御及び自己編成を用いて調整されるマルチコンポーネントシステムの集合的挙動の研究を指す。工学的な観点から、群知能は、適応型で強靭かつ拡張可能な挙動を提供可能な自律的分散型システムのボトムアップ設計を強調する。

上述のように、分散型ＭＩＭＯ通信システムは、複数のアンテナ素子を有する複数のＢＴＳ、ＣＰ、及び複数の遠隔受信機（例えばＵＥ）を備えることができ、複数のＢＴＳ（及び／又はＣＰ）は、（例えばトレーニング（training）信号を送信し、遠隔受信機からトレーニング信号の応答を受信し、遠隔受信機からトレーニング信号を受信し、遠隔受信機から受信されたデータ信号の既知の特性、及び／又は遠隔受信機から受信された信号の他のブラインド適応処理に基づいてチャネル推定を行う）など、ＢＴＳ（及び／又はＣＰ）は、現在のチャネル状態情報を計測し、次いで現在のＣＳＩを更新し、ＭＩＭＯ処理の設定を更新するように構成される。しかし、多経路チャンネルは、ＢＴＳから発信され、複数の遠隔受信機へと向かう通信信号を無線で能動的に散乱させるように構成された複数のプラットフォーム上にある無線通信電子装置をさらに含む。

モバイルアドホックネットワーク、特にＵＡＶを中継ノードとして使用するネットワークでは、ネットワーク要素の移動性、及び（場合によっては）集中制御の欠如は協調的ＭＩＭＯ処理を困難なものにすることがある。これらのネットワークでは、強靭で適応性があり、分散及び自己編成的に動作する協調的ＭＩＭＯ処理アルゴリズムを提供することが有利である。

本開示の態様は、能動的散乱プラットフォーム１１１．１〜１１１．４、１１２．１〜１１２．３、及び１１３．１〜１１３．３の決定処理と制御を含む。広く考えると、協調的決定及び制御のフィールドは、共通の目的を達成するために展開される準自律エージェントの動作のために使用可能なこれらの学際的方法を対象とする。エージェントの能力を活用することによって、チームの協力が一部の努力の総和を超えるものと期待される。しかし、この潜在的利益の利用は、動的で不確実な環境での多岐にわたるコンポーネントへの対処がもたらす複雑さのため困難である。一般に、協調的決定及び制御アルゴリズムは、センサ及びアクチュエータ監視ネットワーク、サプライチェーン管理システム、送電網、及び交通体系などの大規模ネットワークシステムの監視に応用される。特別重要な用途は、偵察及び戦闘シナリオなどのＵＡＶチームの指揮統制である。

本開示の幾つかの態様では、能動的散乱プラットフォーム１１１．１〜１１１．４、１１２．１〜１１２．３、及び１１３．１〜１１３．３はＵＡＶであり、ＵＡＶの指揮統制は飛行管理と協調的ＭＩＭＯ処理の両方を行うことができる。幾つかの態様では、（航空交通管制の用途での「フリーフライト」のコンセプトなどの）協調的飛行管理は、ＭＩＭＯ処理用の協調アンテナを調整するために有用な多くの同じローカル通信及び状況認識基準を用いる。従来の分散型航空交通管制技術は、ナビゲーション管理（例えば衝突防止、航空機の安全な離隔距離、最適なルーティングなど）だけを提供するのに対して、本明細書に記載の態様は、ＭＩＭＯ処理基準をナビゲーション決定プロセスに導入する。幾つかの態様では、ＭＩＭＯ処理基準は（例えばＵＡＶによって）ローカルに、（例えばＣＰ，ＢＴＳ、ＵＥによって）遠隔から、又はその幾つかの組み合わせによって設定されてもよい。

幾つかの態様は、協調的飛行管理が分散同期に有用な多くの同じローカル通信及び状況認識基準を用いていることを活用している。このような態様は、各々の送信機が受信機（１つ又は複数）からのフィードバックに基づいて、その周波数及び位相を別個に適応させる分散型のフィードバックベースの同期アーキテクチャを可能にする。原則として、これはシステムが無限の多数の協調送信機に拡大できるようにする。

様々なタイプのルーティングアルゴリズムが使用可能である。テーブル駆動アルゴリズムは、通常は純然たる積極型であり、すべてのノードが常に他のすべてのノードへのルーティングを維持しようと試みる。これは、これらがトポロジ変化を全て記録する必要があることを意味し、それは多くのノードがある場合、及び／又はノードが極めてモバイルである場合は困難なことがある。要求駆動アルゴリズムは、純然たる対応型である。すなわち、ノードは、新たな送信先へのデータセッションが開始され、又は使用中の経路が失敗である場合だけルーティング情報を収集する。対応型アルゴリズムは一般に、ルーティングオーバーヘッドを低減するためより拡張性があるが、通常は破壊イベントに対する備えがないため性能が変動する可能性がある。幾つかの態様で使用されるルーティングアルゴリズムは、積極型と対応型の両方を使用するハイブリッド型であってもよい。

ＵＡＶ群では、特にＵＡＶ対ＵＡＶ通信の場合は個々のＵＡＶの通信範囲は限定されることがある。マルチホップ方式ではデータ及び制御パケットをルーティングすることが必要なこともある。異なる活動を支援するため、ネットワーク内のノード間でデータ通信を確立可能である。例えば、ＵＡＶ対ＵＡＶ通信は、協調的ＭＩＭＯ処理のためのデータ転送及び制御シグナリングを含み得る。これはまた、郡内、及びクラスタ間のルーティングオペレーションをも含み得る。中間ＵＡＶシンクノードは、結果をグローバルシンクに送信する前に個々に、又は協調的にデータ処理することができ、及び／又は適宜のアクションをローカルに始動することができる。（ＵＡＶのクラスタヘッド又はＣＰ１３０であってよい）グローバルシンクは全データ集約、並びにＭＩＭＯサブスペースのプレコーティング及び／又はデコーディングなどのグローバル処理動作を実行する。

幾つかの態様では、協調的ＭＩＭＯネットワーク内の効率的な情報交換と処理任務を支援することができるルーティング方式の設計と実施は、有利には以下を考慮に入れることができる。第１に、経路発見と情報ルーティング用に採用された機構は、エネルギ効率が高いことが必要である。第２に、ネットワークは自律的特性を有する必要があり、すなわち使用されるプロトコルは自己編成的で、故障や損失に対する耐性がなければならない。最後に、ルーティングプロトコルは、大規模で高密度のネットワーク、及び潜在的には長いマルチホップ経路を発見し、維持し、使用する必要性から生じる関連する困難に対処できる必要がある。効率的な情報交換のためのこのような基準は、ＵＡＶによって使用されるナビゲーションルールへの適応によって実施可能である。

図２は、本開示のある態様によるＵＡＶのブロック図である。フライトコントローラ２０２は、状況認識システム２０１及び協調的ＲＡＮ信号プロセッサ２０３に通信可能に結合されている。ＵＡＶのフロントホールトランシーバ２０４は、ＵＡＶフロントホールルータ２３２を含み得る。システム２０１は、少なくとも１つ又は複数のオンボードセンサ２１１及びＧＰＳモジュール２１２を備え得る。プロセッサ２０３は、ＵＡＶ−ＵＥ ＣＳＩエスティメータ２３１、ＵＡＶフロントホールルータ２３２、及び必要に応じてＭＩＭＯプロセッサ２３３を含み得る。プロセッサ２０３は、ＵＡＶ−ＢＴＳトランシーバ２０６及びＵＡＶ−ＵＥトランシーバ２０７に結合されている。必要に応じて、フリートマネージャ２０５が備えられてもよい（フリートは、艦隊、集団又は集合体を意味し得る）。フリートマネージャ２０７は、ＵＡＶクラスタマネージャ２５１、同期マネージャ２５２、ＭＩＭＯプロセッサ２５３、スケジューラ２５４、フロントホールネットワークマネージャ２５５、及び／又は軽減コーディネータ２５６を含み得る。

システム２０１は、少なくとも１つの他のＵＡＶに対するＵＡＶの相対的空間位置を判定するように構成される。相対的空間位置は、例えば地理的位置情報（例えば経度、緯度など）、及び／又は方向性経路特性情報（例えば距離、高度、機首方位、対気速度、及び／又は姿勢）を含み得る。隣接するＵＡＶ及び／又は特定のクラスタに配属されたＵＡＶの相対的空間位置が判定され得る。オンボードセンサ２１１は、相対的空間位置を判定するため、レーダ、ライダ、音響測距及び検出システムなどの能動型センサ、並びに他の能動型センサを含み得る。オンボードセンサ２１１は、カメラ、他のタイプの任意の撮像システム、（アンテナアレイ受信機を含む）無線受信機、及びマイク、並びに他の受動型センサを含み得る。必要に応じて、ＧＰＳモジュール２１２などのＧＰＳデバイスが備えられてもよい。幾つかの態様では、システム２０１はＵＡＶのフロントホールトランシーバ２０４を介して他のＵＡＶから地理的位置情報及び／又は方向性経路特性情報を受信してもよい。例えば、ＧＰＳデータ及び／又はフライト計器データがＵＡＶフロントホールネットワークを経てＵＡＶによって送信されてもよい。

フライトコントローラ２０２は、互いに隣接して運航する２機以上のＵＡＶの調整された運航を促進するように構成されたオンボードシステムである。フライトコントローラ２０２は、周囲の安全エリアを保つために、相対的位置情報を利用してＵＡＶの方向性経路を調整し得る。開示されるシステム及び方法は、例えば無人航空機の飛行経路をリアルタイムで調整するため、無人航空機のオートパイロットにフライト入力を行うなどの自律的な方法で実施されてもよく、例えばフライト入力は、既存のウェイポイントは変更せず、むしろウェイポイントを得るために無人航空機が使用する軌跡ベクトルを変更するように入力されてもよい。

フライトコントローラ２０２は、有人機でパイロットにより実行されると同様のタスクを遂行する。自律的な飛行を可能にするため、プラットフォームと飛行環境の動力学の変更に適用するように構成された強靱な制御技術が提供される。幾つかの態様では、フライトプランがフライトコントローラ２０２に入力される。例えば、フライトプランは、地上管制局、又はＵＡＶクラスタヘッドによって決定され得る。他の可能性は、ＵＡＶ、地上局、又はその幾つかの組み合わせのコンセンサスを介したフライトプランの決定などの分散フライト計画を含む。フライトコントローラ２０２は、（例えば各々のＵＡＶのコンピュータプロセッサ（１つ又は複数）又は他のタイプ（１つ又は複数）の適宜の処理コンポーネントを介して）ルールベースの飛行調整プロトコルを使用して、リアルタイム又は準リアルタイムベースでの飛行経路の効果的な衝突回避を提供する。

幾つかの態様では、フライトコントローラ２０２は、（気象測器などの対応するセンサ、及びその他によって測定され得る）様々な環境要因及び／又は任務の目的に基づいて飛行調整プロトコルのルールを適応させるように構成可能である。更に、フライトコントローラ２０２は、フライトテレメトリデータをＲＡＮの性能データと一緒に処理して、ＲＡＮの通信性能を高めるＵＡＶのモビリティ制御を提供するように構成可能である。例えば、フライトコントローラ２０２は、隣接するＵＡＶに対する速度、機首、高度、姿勢、及び／又は位置を提供するようにＵＡＶの飛行経路を適応させて、ＵＥなどの地上端末との接続性を増強することができる。クラスタ内のＵＡＶ間の協調的ＲＡＮ処理の性能を促進及び／又は増強するために、ＵＡＶの飛行経路を変更することができる。

別の態様では、ＵＥはミティゲーションの対象となる。例えば、ＵＥは、脅威であると認識される無線制御ビークル用の無線コントローラを備え得る。ＣＳＩエスティメータ２３１、又は協調的ＲＡＮ信号プロセッサ２０３の幾つかの他のコンポーネントは、攻撃される１つ又は複数のターゲット（例えば無線制御ビークル及び／又はそのコントローラ（１つ又は複数））のためのＲＡＮの性能基準を生成可能である。ＲＡＮの性能基準は、ターゲット（１つ又は複数）に対する無線対抗措置を講じるＵＡＶの能力を促進するようにＵＡＶの飛行を適応させるため、フライトコントローラ２０２によってＲＡＮミティゲーション基準として使用可能である。幾つかの態様では、ＲＡＮ性能基準は、付加的なＲＡＮミティゲーション基準を含むように構成することができる。受信されたＲＡＮミティゲーション基準に応じて、フライトコントローラ２０２は他のＵＡＶとの協調的ミティゲーション処理を促進するようにＵＡＶの飛行を適応させることができる。例えば、フライトコントローラ２０２は、ＲＡＮミティゲーション性能を増強するために提供可能なＲＡＮ性能基準に従ってフライトナビゲーション基準を適応させるためにプロセッサ２０３に応答し得る。ナビゲーション基準は、自律的なナビゲーション制御のルールベースとしてフライトコントローラ２０２によって実施することができる。フライトナビゲーション基準の選択又は適応は、最小／最大高度、最小／最大対気速度、最小／最大航空機離隔距離、空域制限などの所定のナビゲーション基準境界によって制限されることがあろう。フライトコントローラ２０２は、ナビゲーション基準及びナビゲーション基準境界をメモリに格納することができよう。次いで、フライトコントローラ２０２は、ＵＡＶの飛行を制御するためのナビゲーションパラメータ及び／又は目標ナビゲーションパラメータ（１つ又は複数）（例えば、航空機の離隔距離、高度、姿勢、航空機の離隔距離など）の動作範囲としてナビゲーション基準を用い得る。幾つかの態様では、フライトコントローラ２０２は、他のＵＡＶと通信し、ＲＡＮ性能目的を達成するための調整された及び／又は応答のプロセスとしてそのナビゲーション基準を適応させ得る。

幾つかの態様では、ＲＡＮ性能を増強する目的で、本明細書で使用されるＲＡＮ性能基準を使用して、ＲＡＮリンクをミティゲーションすることもできる（例えば、リンクを用いたＲＡＮトランシーバに対する能動的及び／又は受動的攻撃の実行）。このような態様では、ＲＡＮミティゲーション基準は、ＲＡＮ性能基準を含み得る。例えば、ミティゲーションは、脅威に対する戦術的応答であり、付随するＲＦの損傷（例えば、他の通信システムの動作を損なうなど）を低減又は回避しつつ、ターゲットのＲＡＮリンクを損ない、操作し、及び／又はハイジャックするなど、ターゲットに無線送信信号を送ることを含み得る。

一態様では、プロセッサ２０３は、ＵＡＶと少なくとも１つのＵＥ間の少なくとも１つのＲＡＮチャネルを測定及び／又は特徴付けるように構成されたＲＡＮチャネルエスティメーター２３１を備えている。例えば、ＣＳＩ、受信信号強度、ビット誤り率、送信制御メッセージ、誤り検出、誤り制御メッセージなどを使用して、ＲＡＮリンク性能を特徴付けることができる。あるいは、ＲＡＮチャネルエスティメーター２３１は、ＵＥによって送信されたＣＳＩ及び／又は他のＲＡＮリンク性能測定値を受信する。

ＵＡＶフロントホール受信機２０４は、ルータ２３２を含み得る。一態様では、ルータ２３２は、プロセッサ２０３の一部である。しかし、ルータ２３２は、別個であってもよく、トランシーバ２０４の一部として構成されていてもよく、又はＵＡＶシステム内に別途配置されてもよい。一態様では、ルータ２３２は、ＲＡＮとＢＴＳとの間で信号を中継するためのマルチホップ機能を提供する。トランシーバ２０６又は２０７からの信号は、ルータ２３２を介してトランシーバ２０４を介して別のＵＡＶに送られてもよい。幾つかの態様では、ルータ２３２は、モジュール２３１からのチャネル推定値、オンボードセンサ２１１の測定値、ＧＰＳ２１２のデータ、地上局制御メッセージ、フロントホールネットワーク制御メッセージ、及び／又はフリートマネージャ２０５制御メッセージをフロントホールネットワークを介して他のＵＡＶへ通信し得る。

幾つかの態様では、ＭＩＭＯプロセッサ２３３はルータ２３２を使用して、一緒に処理されるＲＡＮ信号、及び（必要に応じて）ＭＩＭＯ制御信号を他のＵＡＶに配信する。ＭＩＭＯプロセッサ２３３は、ＲＡＮのベースバンド信号の協調的処理を実行するようにクラスタ内のＵＡＶを協調させることができる。

従来のＭＩＭＯでは、ＲＡＮトランシーバ２０７のアンテナシステム２１７は、全てのＭＩＭＯ利得を提供するアンテナアレイを備えている。しかし、ＵＡＳ環境での豊富な散乱の欠如は、空間多重化利得を制限する。視線（ラインオブサイト／ＬｏＳ）チャネルにおいてさえ、キャリア波長及びリンク距離に関してアンテナの離隔距離を注意深く設計することによって幾らかの空間多重化利得を達成可能であるが（例えば、Ｆ．Ｂｏｈａｇｅｎら、 「Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｏｐｔｉｍａｌ ｈｉｇｈ−ｒａｎｋ ｌｉｎｅ−ｏｆ−ｓｉｇｈｔ ＭＩＭＯ ｃｈａｎｎｅｌｓ」（ＩＥＥＥ 議事録、Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ誌、第６巻、第４号、１４２０−１４２５ページ、２００７年４月刊）、それにはアンテナ間隔が大きく、キャリア周波数が高く、また通信範囲が短いことが必要である。別のアプローチは、ＵＡＶに設置されたアンテナアレイの角分解能を超える角離隔距離を有する十分に分離された地上端末を同時に役立てることによって、マルチユーザＭＩＭＯを実施することを含む。

ＵＡＶ間の協調を可能にすることにより、協調ＭＩＭＯ処理は、アンテナの離隔距離が大きいきわめて大型のアンテナアレイを合成する。これによって、空間的な再利用を飛躍的に増し、ＲＡＮの性能を高め、しかも搬送波周波数を低くし、通信範囲を長くすることができる。ＵＡＶ−ＭＩＭＯチャネルの特性は、ＵＡＶ−ＭＩＭＯデータリンクの性能に影響する。したがって、本開示の態様では、協調的ＭＩＭＯ ＵＡＶクラスタにおけるＵＡＶの位置決めは、各々のフライトコントローラ２０２によって適応されて、ＵＡＶ−ＭＩＭＯチャネルの有利な特性を増幅してＲＡＮ性能を高めることができる。

フライトコントローラ２０２によって使用されるナビゲーション基準は、プリセットされたナビゲーション基準境界内で（例えばＭＩＭＯプロセッサ２３３を介して）プロセッサ２０３によって適応させることができる。例えば、決定基準プロセスで、（エスティメータ２３１及び／又は少なくとも１つの他のＵＡＶのエスティメータからの測定値などの）ＲＡＮ性能測定値を用いてナビゲーション基準を更新し、フライトコントローラに指示し、ＭＩＭＯサブスペース処理を介して達成可能な性能など、ＲＡＮ性能を向上させるようにＵＡＶの飛行経路を適応させることができる。

幾つかの態様では、ＵＡＶクラスタの集中制御は、フリートマネージャ２０２を介して実施されることができる．ＵＡＶクラスタヘッドとして機能するＵＡＶはフリートマネージャ２０２を含むことができ、これによってクラスタ管理を行うことが可能である。クラスタ管理には、クラスタ内で動作するＵＡＶの割当、ＵＡＶへの作業の割当、ＵＡＶによって使用されるリソースのスケジューリング、クラスタ内のＵＡＶの同期、他のクラスタとの同期の実行、ＵＡＶへのナビゲーション制御メッセージの提供、クラスタのネットワークのフロントホールネットワーク管理の提供、ミティゲーションを実行するためのＵＡＶの調整、クラスタ内のＵＡＶによって受信され、及び／又は送信されたＲＡＮ信号の中央処理の実施を含み得る、ＲＡＮ信号の協調ＭＩＭＯ処理を実行するためのＵＡＶの調整のうちの１つ又は複数が（これらに限定されるわけではないが）含まれる。ＭＩＭＯプロセッサ２５３は、各ＵＡＶのローカルＭＩＭＯプロセッサ２３３と通信し得る。一例では、ＭＩＭＯプロセッサ２５３は、各ＵＡＶフライトコントローラ２０２に対して、ＲＡＮの性能が増強するようにその飛行を適応させるよう直接的又は間接的に命令する。一例として、ＭＩＭＯプロセッサ２５３は、各ＵＡＶフライトコントローラ２０２によって使用されるナビゲーション基準を更新し得る。

幾つかの態様では、ＵＡＶクラスタの分散制御が用いられる。飛行の適応化は、クラスタ内の異なるＵＡＶのフライトコントローラ２０２と協議されてもよい。幾つかの態様では、ＵＡＶフライトコントローラ２０２間のフィードバック機構が使用されてもよく、これらのフィードバック機構は、振動を回避し、及び／又は最適なクラスタ構成に迅速に収束するためのルールを含み得る。ある態様では、クラスタ内のＵＡＶは、クラスタ内にないＵＡＶに予測可能な態様で飛行経路を適応させるような方法で、その飛行経路を適応させ得る。一例では、クラスタ内のＵＡＶは、所定のクラスタ構成が占有するスペースを空けるなどするよう他のＵＡＶを移動させるような反復的プロセスを使用する。ある態様では、ＵＡＶは、他の（例えば、隣接の）ＵＡＶがより効率的にそれらの飛行経路を適応できるように、その意図をＵＡＶに送信し得る。ＵＡＶには異なるレベルの優先度が与えられ、優先度がより高いＵＡＶは優先度の低いＵＡＶをどかせ得る。優先レベルは、クラスタのミッション、クラスタ内のＵＡＶの機能、各ＵＡＶのＲＡＮ性能測定値、操作性、処理能力、バッテリ寿命、及び／又は他の基準によって決定され得る。

フリートマネージャ２０５は、ＵＡＶ搭載のシステムを含むことができ、及び／又はＵＡＶに通信可能に結合された１つ又は複数の遠隔システムを介して実施されることができる。フリートマネージャ２０５は、集中システム又は分散システムとして実施されることができる。構成要素２５１〜２５６のいずれかは、集中化された手段又は分散された手段で実施されることができる。別の態様では、フリートマネージャ２０５は、ＵＡＶクラスタのクラスタヘッド上に存在する。別の態様では、フリートマネージャ２０５は、１つ又は複数の地上局に存在する。別の態様では、フリートマネージャ２０５は各々のＵＡＶに存在するが、どのＵＡＶに存在するかに応じて異なる機能を含み得る。

幾つかの態様では、フリートマネージャ２０５は、ＵＡＶ及び地上局を含むデバイスの組み合わせで実施される。例えば、ＭＩＭＯプロセッサ２５３は、（ローカルＭＩＭＯ処理などのため）クラスタ内の各ＵＡＶ上に実施されてもよく、ＭＩＭＯプロセッサ２５３は（グローバルＭＩＭＯ処理の場合などのため）ＢＴＳに結合されたデータセンタ内に実施されてもよい。クラスタマネージャ２５１は、クラスタヘッド上にあってもよく、（それらに限定されないが）ＵＡＶの隣接性、ＵＡＶの性能、ＲＡＮ要求トポロジ、ＵＡＶネットワークトポロジ、ＵＡＶの地理的位置、ＵＡＶのバッテリ寿命、チャネル測定値（フロントホール及び／又はＲＡＮ）などの様々な要因に基づいてＵＡＶクラスタを生成し適用させ得る。幾つかの態様では、クラスタ管理は、地上管制局によって実行又は補足されてもよい。

同期マネージャ２５２は、信号処理及び通信の同期を支援するように構成されたクラスタ内のクラスタヘッド及び／又は１つ又は複数のＵＡＶ上にあってもよい。幾つかの態様では、同期は、地上ベースの同期化及び／又はＧＰＳベースの同期化を含み得る。同期マネージャ２５２は、ＵＡＶクロックを同期させ、同期ＲＡＮ送信を行い、ＵＡＶフロントホール通信のためタイミング基準を提供することができる。同期マネージャ２５２は、位相ドリフト、周波数オフセット、及びタイミングオフセットの補償など、様々な較正機能用に構成され得る。一態様では、同期マネージャ２５２は、ＵＡＶに搭載されたローカル発振器を較正するのに役立つ。

スケジューラ２５４は、異なるタイプのスケジューリング機能を備えることができる。例えば、ＲＡＮリソーススケジューリングは、ＲＡＮリソースを各ＵＥに割り当てるなど、地上局によって実行され得る。幾つかの態様では、クラスタヘッド上に存在するスケジューラ２５４は、どのＵＡＶが各ＵＥにサービスするかの予定を決める。幾つかの態様では、ＳＤＲは、ＢＴＳに結合されたデータセンタなどの地上局に常駐する。ＳＤＲは、各ＵＥにサービスするように構成されたＳＤＲインスタンスを生成する。幾つかの態様では、ＳＤＲインスタンスは、そのＵＥにサービスするＢＴＳアンテナを選択する。ＳＤＲインスタンスは、どのＵＡＶ及び／又はＵＡＶアンテナがＵＥにサービスするかを選択し、又はＳＤＲは、クラスタヘッドがＵＡＶ及び／又はＵＡＶアンテナを選択することを可能にし得る。幾つかの態様では、ＲＡＮリンクがどのように実施されるかについての少なくとも幾つかの詳細がＳＤＲから隠される。幾つかの態様では、１つ又は複数のＵＡＶに存在するスケジューラ２５４は、クラスタ内のどのＵＡＶが能動ＲＡＮトランシーバであるかを選択する。スケジューラ２５４は、どのＵＡＶがＭＩＭＯの重み計算などのＲＡＮ信号の処理を行うかを決定することができる。スケジューラ２５４は、特にバッテリ寿命、処理能力、記憶容量などを含む様々な基準のいずれかに基づいてＵＡＶに異なる信号処理タスクを割り当て得る。

フロントホールネットワークマネージャ２５５は、クラスタ内の１つ又は複数のＵＡＶ上にあることができ、クラスタ内のルーティングトポロジ、ストレージトポロジ、及び／又は処理トポロジを提供するように構成されることができる。マネージャ２５５は、ルータ２３２のためにルーティングテーブルを提供することができる。マネージャ２５５は、ＵＡＶフロントホールリンク品質に応じて、ＵＡＶのいずれかに搭載されたフライトコントローラ２０２に指示をすることで飛行経路（１つ又は複数）を適応させ、クラスタ間及び／又はクラスタ内通信を含み得るＵＡＶのフロントホール通信を強化又は保証することができる。

軽減コーディネータ２５６は、クラスタ内の１つ又は複数のＵＡＶ上にあり、ターゲットＵＥによって使用されるＲＡＮ通信リンクへの攻撃を調整するなどによって、脅威をミティゲーションするように構成されることができる。例えば、軽減コーディネータ２５６は、（クラスタ内のＵＡＶなどの）１機又は複数の他のＵＡＶに対して、ターゲットとなるコントローラデバイスによってビークルを遠隔制御するために使用される送信プロトコル、及び／又はビークルから測距（テレメトリー）、ビデオフィードなどを受信するためにコントローラ装置によって使用されるＲＡＮ送信プロトコルを操作するように指示することができる。ＲＡＮリンクのミティゲーションは、例えば、好ましくは他の通信リンクの途絶を避ける態様でＲＡＮリンクを途絶させるためにＭＩＭＯプロセッサ２５３を使用することを含み得る。ミティゲーションは、ターゲットのＲＡＮリンク上での傍受、ＲＡＮリンクの制御をハイジャックするように設計された対策の使用、及び／又はビークルの制御を獲得するためにソフトウェアの脆弱性の活用を含み得る。軽減コーディネータ２５６は、例えば、ＣＳ１エスティメータ２３１、レーダ、及び／又は他のシステムと連携して、コントローラデバイス及び／又はビークル（１機又は複数）の地理的位置情報の取得及び追跡を行い、この情報を脅威の緩和を提供し得る他のシステムに伝達し得る。一態様では、軽減コーディネータ２５６は、ターゲットの通信及び／又は移動に応答して、所定のミティゲーションの有効性を判定する。コーディネータ２５６は、スケジューラ２５４と連携して、ターゲットによって使用されるＲＡＮプロトコルの判定された有効性及び／又は特徴の分類に基づくなどによって、ＵＡＶによって実行されるミティゲーションへの適応をスケジューリングし得る。

図３Ａは、本開示の一態様による方法を示すフローダイアグラムである。ＲＡＮ端末のための操作性の良いＵＡＶの使用は、通信環境に最も適応するようにＵＡＶクラスタを動的に調整することにより、性能増強のための新たな機会をもたらす。協調的通信はＵＡＶモビリティ制御と共に設計され、通信性能を更に向上させることができる。ＵＡＶは、近接ＵＡＶ３０１の空間位置情報を備えている。ＵＡＶは、ＵＡＶクラスタ内の少なくとも１つの他のＵＡＶ３０２と協調的なＲＡＮ処理を実行する。３０３で協調的ＲＡＮ処理を可能にするためにＵＡＶ間通信が提供される。自律型ＵＡＶナビゲーション（例えば、飛行制御）は、部分的には３０４でのＲＡＮ性能基準によって決定される空間位置情報及びナビゲーション基準に基づく。

図４は、ステップ３０１及び３０４を用いる手順を示す。幾つかの態様では、手順は、本明細書に記載の入力された物理的測定値で動作するように構成されたソフトウェアプログラムの命令に従ってコンピュータプロセッサによって実施される。ＵＡＶは、定期的な間隔でセンサ読取４０１を行い、少なくとも１つの隣接するＵＡＶに関する相対的な空間位置を判定する。幾つかの態様では、センサ読取値はＧＰＳ座標を含む。一態様では、他のＵＡＶ上のＧＰＳ受信機によって得られたＧＰＳ座標は、ステップ４０１でセンサ読取値を提供するためにフロントホールネットワークを介して搬送される。センサ読取値は、４０２でナビゲーション基準４１０と比較される。センサデータが所定範囲（例えばナビゲーション基準）外のナビゲーションパラメータ（ＵＡＶ間の離隔距離、相対速度、機首方位の変化、高度の変動など）を示す場合は、ＵＡＶの飛行経路は、４０３でそのフライトコントローラ２０２によって適応され、次いで、４０１で次の時間間隔でセンサ読取値が監視される。さもければ、フライトコントローラ２０２又は状況認識システム２０１がセンサ読取値４０１の監視を継続する。

システム及び方法は、２つ以上のＵＡＶ又は他のエンティティ間で位置情報を通信するために使用されてもよく、２つ以上のそのようなエンティティの調整動作を促進するために使用されてもよい。一例では、ＵＡＶは、１機又は複数の他の隣接する航空機の１つ又は複数の位置（例えば、経度、緯度など）及び／又は飛行特性（例えば高度、機首の方位、対気速度、姿勢など）を認識し、ＵＡＶはその位置情報を使用して、飛行経路を調整して、自身の周囲の空いた空間の安全球域を保持し得る。開示されたシステム及び方法は、ＵＡＶをマイクロ管理するための地上システム及び／又は管制官を必要とせずに実施され得る。航空機の各々は、至近の空域内の他の航空機を認識し、適切な場合には、衝突を避けるために回避行動を取り得る。ルールベースのフライト調整プロトコルは、（例えば、コンピュータプロセッサ（１つ又は複数）又は各ＵＡＶ上の他のタイプの適切な処理コンポーネント（１つ又は複数）によって）リアルタイム又は準リアルタイムベースで飛行経路の有効な緩衝回避を行うために実施されてもよい。このようなルールベースの飛行調整プロトコルは、一貫性があり単純である。

ＲＡＮの性能測定は、センサ監視４０１と４１１で同時に監視されてもよい。ＲＡＮ性能測定値は、エスティメータ２３１によって生成されてもよい。ＲＡＮ性能は、飛行経路がＲＡＮ性能を高めるように適応されるべきかどうかを判断するために評価される。これはフライトコントローラ２０２、又はプロセッサ２０３によって実行されてもよい。一態様では、ナビゲーション基準４１０は、４１３で所定のナビゲーション基準境界４２０内で更新されることができる。このような境界は、ＵＡＶ間の安全な距離を確保するように設計され、ＵＡＶ操作能力、クラスタ内のＵＡＶの数、クラスタ密度、気象条件、並びに他の要因に基づいて選択可能である。境界は、（それらに限定されないが、）制限空域、高度規制、対気速度制限を含む様々な規制によって課される可能性がある。境界及び／又はナビゲーション基準は、ＵＡＶ対ＵＡＶのフロントホール通信範囲、フロントホールネットワークトポロジ、ＵＡＶ電力効率の最適化、並びに他の要因及び／又は目的などの付加的な基準に基づいて選択され得る。境界は、特定の場所への物品の配送、偵察の実施、又は限定量の変化を可能にするプリセットされた飛行計画を必要とし得る他のミッションの遂行など、ＵＡＶの動作目的に基づいて決定され得る。ナビゲーション基準４１０は自律的ナビゲーション制御のためのルールベースとして実施可能であるため、ナビゲーション基準４１０の更新は、ステップ４０２でのフライトコントローラ４０２による飛行経路４０３の適応を作動させ得る。

一態様では、ＵＡＶ飛行システムは、飛行経路４０３を適応させるための制御信号に応答してモータのスロットルを選択的に調整するオンボードフライトコントローラ／安定化ボード（例えば、フライトコントローラ２０２）によって制御されるモータ及びプロペラを備えている。１つのタイプのＵＡＶは、マルチロータ又はマルチコプタである。このＵＡＶは２つ以上のロータを備えた回転翼機であり、マルチコプタは各ロータの速度を変えて推力とトルクを変化させることによってビークル動作が制御される、固定ピッチのブレードを使用することが多い。飛行経路の適応４０３は、ＵＡＶの姿勢を適応させることを含み得る。ビークルの方位（姿勢）の制御システムは、様々な方向に力を加え、航空機の空力中心に関する回転力又はモーメントを生成し、したがって、航空機をピッチ、ロール、ヨーイングで回転させるアクチュエータを含む。

一態様では、ステップ４１２は、ステップ４１１から受信した測定値からＭＩＭＯチャネル品質を定量化することを含む。ＭＩＭＯチャネル行列Ｈの条件数は、チャネル行列Ｈの最大と最小特性値の比として定義される。ＭＩＭＯシステムでは、条件数が１に近づくにつれて、平行な空間チャネルの品質が向上する。比が大きくなると、ＭＩＭＯチャネルの品質が低下する。ＵＡＶ−ＭＩＭＯ正規化チャネル相関行列の計算方法に基づいて、プロセッサ２０３は、ＵＡＶ−ＭＩＭＯチャネルの特性を分析することができる。

ＵＡＶ展開のためのステップ４１２における飛行制御の問題は、最適なＵＡＶの離隔距離、ホバリング高度、及び地理的位置を見出してＲＡＮ性能に加えてカバレッジを拡張することを含み得る。しかし、これにはトレードオフの関係がある。アンテナ素子間の離隔距離が増加すると、チャネル行列の条件数が減少し、ＭＩＭＯチャネル品質が向上する。しかし、ナビゲーション基準の境界及び／又はＵＡＶのフロントホールの考慮事項（例えば、周波数再利用の目的や最大有効範囲）などの他の要因に基づいて、隣接するＵＡＶ間の最大距離が制限されることがある。離隔距離がより大きい場合は、利益が減少する可能性がある。したがって、ナビゲーション基準の更新４１３は、複数の要因間の利益／不利益のトレードオフを用い得る。

ＵＥ間の距離を増やすことによっても条件数が減少し、ＲＡＮ ＭＩＭＯチャネルを向上させ得る。したがって、ＵＡＶクラスタ構成は、周波数再利用を増強させるためにどのＵＥがＲＡＮリソースブロックを共用するかというスケジューリングなどのスケジューリングを含み得る。

アンテナ離隔距離の他に、方位角及びピッチ角も平均チャネル容量に影響を及ぼす。例えば、より小さなピッチ角は、平均チャネル容量をより大きくすることができる。また、ＵＡＶアンテナは、より大きなチャネル容量を提供するために水平に方向付けられてもよいであろう。

特定の環境では、カバレッジの最大化のための最適なＵＡＶ高度が存在することがあり、それは以下のトレードオフによるものである。ＵＡＶ高度を上げると自由空間経路損失が大きくなるが、地上端末とのＬｏＳリンクを有する可能性も増加する。しかし、ＵＡＶ高度が高いほど条件数が多くなり、ＭＩＭＯの性能が阻害される。

ＵＡＶがＵＥからより遠く離間している場合、平均ＭＩＭＯチャネル容量はより小さい。これは、より大きな地理的距離が空間分解能を低下させ、またマルチパスの減少にも関連するからである。

ＵＡＶ−ＵＥチャネルの特性は、ＵＡＶベースの協調ＭＩＭＯの性能に大きく影響する。したがって、協調ＭＩＭＯクラスタにおけるＵＡＶの位置決めは、協調ＭＩＭＯチャネルの有利な特性を向上させて性能を向上させるように適応させ得る。本開示の幾つかの態様では、ＵＡＶ飛行経路は、（飛行経路調整、航空機の離隔距離などを提供するためなどの）互いの相互作用だけでなく、ＵＥのセットとの無線通信に対応する多次元探索空間内で測定され、及び／又は計算されたパラメータによっても決定される。母集団ベース（ポピュレーションベース）の検索アルゴリズムでは、最適化は、コスト関数の最小化、又は利益の最大化を含み得る。本開示の幾つかの態様では、最適化は、コスト関数を低減し、及び／又は利益を増加させる（飛行パターンを含む）ＵＡＶ位置の決定を含むが、これは、航空電子工学システム（例えば、最高／最低速度、高度、操縦性など）、航空交通制御（例えば状況認識、必要最低限の航空機間隔、最適な間隔、最高／最低高度、所定の飛行経路、意図する目的地など）、及び必要に応じて環境要因（例えば天候、地形、建物など）によって左右される制約の範囲内で行われる。

粒子群最適化（ＰＳＯ）は、個体（粒子）が時間とともに多次元の探索空間内でそれらの位置を変化させる母集団ベースの探索手順である。ＰＳＯでは、多次元探索空間は、潜在的な解決策のセットを含む。探索空間内の「飛行」中、各粒子は、独自の経験に基づいて、及び近隣の粒子の経験に基づいて、それ自体とその近隣の粒子が遭遇する最良の位置を利用してその位置を調整する。したがって、ＰＳＯシステムは、ローカルサーチ方法をグローバルサーチ方法と組み合わせる。したがって、各々のＰＳＯは、解決策を連続的に改善する方向に動く傾向がある。

本開示の幾つかの態様によれば、各ＰＳＯ粒子はＵＡＶを含む。幾つかの態様では、粒子は一群のＵＡＶを含み、ある態様では、そのようなグループにおけるＵＡＶの選択は変化し得る。ＵＡＶは、実際の３次元空間において物理的に移動（すなわち、飛行）し、それらの飛行経路は、（進路調整、航空機の間隔などを提供するなどの）互いの相互作用によってだけでなく、ＵＥのセットとの無線通信に対応する多次元探索空間における測定及び／又は計算されたパラメータによっても決定される。

母集団ベースの検索アルゴリズムでは、最適化は、コスト関数の最小化、又は利益の最大化を含み得る。本開示の幾つかの態様において、最適化は、コスト関数を低減し、及び／又は利益を増加させる（飛行パターンを含む）ＵＡＶ位置の決定を含むが、航空電子工学システム（例えば、最高／最低速度、高度、操縦性など）、航空交通制御（例えば状況認識、必要最低限の航空機間隔、最適な間隔、最高／最低高度、所定の飛行経路、意図する目的地など）、及び必要に応じて環境要因（例えば天候、地形、建物など）によって左右される制約の範囲内で行われる。

協調ＭＩＭＯ通信では、チャネル状態は時間的に迅速に変化することがあり、通信システムは、高性能を維持するためにアンテナの選択を頻繁に変更する必要があり得る。アンテナ選択アルゴリズムの計算効率は、アンテナ選択を迅速に変化するチャネル条件に適応させるために重要である。最適な選択の計算上の複雑さが高いため、複雑さの低い準最適
化が有利であり得る。

図３Ｂは、本開示の幾つかの態様による方法を例示するフローチャートである。ステップ３０４で、自律型ＵＡＶナビゲーションは、エネルギ効率のよい動作パラメータに従って構成されたルールベースを使用することができる。ステップ３０５は、ＲＡＮ性能を向上させるなど、ＵＡＶ−ＵＥリンク内のＲＡＮ信号を処理する。

エネルギ効率の良い運用は、ＵＡＶによる不要なエネルギ消費を低減することを目的とする。ＵＡＶの主なエネルギ使用量は、航空機の推力と無線通信をサポートするため、エネルギ効率の高い運航方式は２つのカテゴリに分類可能である。第１のカテゴリは、エネルギ効率の高いモビリティであり、そのためにＵＡＶの動きは全ての操縦に伴うエネルギ消費を考慮して注意深く制御する必要がある。ＵＡＶの速度、加速度、高度などを関数として適切なエネルギ消費モデルを使用することによって、経路計画が最適化された、エネルギ効率の高いモビリティ計画が設計され得る。このようなモデルは、ナビゲーション基準及びナビゲーション基準境界の一方又は両方を適応させる基礎をもたらし得る。

エネルギ効率のよい運用の他のカテゴリは、コンピュータプロセッサ、増幅器などの通信関連機能に関するエネルギ消費の削減で通信要件が満たされる、エネルギ効率のよい通信である。この目的のために、１つの一般的なアプローチは、ビット／ジュール単位のエネルギ効率（例えば、単位エネルギ消費当たりの通信に成功したデータビットの数）を最大にするための通信戦略を最適化することである。そのようなアプローチを使用して、ナビゲーション基準を適応させることができる。

図３Ｃは、少なくとも１つのＵＥのＲＡＮリンクをミティゲーションするためにステップ３０６が実行される、本開示の幾つかの態様による方法を示すフローダイアグラムである。この場合、ステップ３０２は、信号のタイプ、無線送信機のタイプ、及び／又は遠隔制御されるビークルのタイプを識別するために、ＵＥ送信を識別し、ＵＥのチャネル特性を測定し、及び／又は受信したＵＥ送信を処理することを含み得る。ＵＥが制御しているビークルとＵＡＶ（１機または複数）との間のチャネル特性を含み得るＵＥのチャネル特性は、ナビゲーション基準を適応３０４させ、及び／又はビークルを追尾し、及び／又は送信された対応策を効率的に指示するなどのミティゲーション３０５を行うために使用され得る。ナビゲーション基準３０４の適応化は、ＲＡＮミティゲーション性能を高めるように設計された飛行の適応化をもたらし得る。それに限定されないが、一例として、ナビゲーション基準は、３０４でターゲットを協調的にミティゲーションするように割当られたＵＡＶのグループ（例えば、クラスタ）の協調的ＲＡＮミティゲーション性能を向上させるように適応させることができる。幾つかの態様では、信号のタイプ、無線送信機のタイプ、及び／又は遠隔制御ビークルのタイプを用いてＵＡＶ及び／又はグループの軽減３０５策を策定し得る。

図５は、本開示の態様によってＵＡＶの群の管理に関連するナビゲーション指令とＲＡＮ指令との間の関係を示す。ＲＡＮ指令の少なくとも一部は、ナビゲーション指令の少なくとも一部を適応させるように構成され得る。ナビゲーション指令は個々の指令５０１〜５０６を含み、ＲＡＮ指令は個別の指令５１１〜５１６を含む。

指令５０１〜５０６は、自身の隣接機と同じ方向への移動５０１、衝突回避５０２、隣接機との接近状態の保持５０３、高度及び空域制限の遵守５０４、自身の隣接機に対する特定の飛行編隊の維持５０５などの単純なルールを含むことができ、群メンバの少なくとも１機は、意図する目的地又は特定のウェイポイントを有する飛行計画などのグループの機首方位５０６に関する情報を有する。

指令５０１〜５０６は、閾値又は許容値の範囲などのセンサ測定値に基づくナビゲーション基準を含み得る。例えば、衝突回避５０２は、航空機の最小離隔距離を確立することができよう。指令５０２の場合のように、幾つかの場合にはナビゲーション基準は、ＲＡＮ指令によって変更できない境界を含むことがあろう。しかし、（気象条件などの）その他の要因が境界に影響を与えることがあろう。他の場合は、指令５０３（隣接機との接近状態の保持）などのナビゲーション指令は、ＲＡＮ指令によって適応された、おそらく所定の範囲内にある閾値又は範囲を持つことがあり得る。

指令５１１〜５１６は、ローカルデータ収集、ローカル処理、及び／又はリモート処理に基づく単純なルールを含むこともある。幾つかの態様では、ＲＡＮ指令５１１〜５１６は、ルール（例えば、５０１〜５０６）の範囲内でＵＡＶナビゲーションに影響を及ぼす。幾つかの態様では、ＲＡＮ指令は、ナビゲーションルール５０１〜５０６の１つ又は複数のルールを変更し得る。

ＵＥの地理的な密度５１１への適応は、ＵＡＶのクラスタを形成し、又はＵＥにサービスするように群の中の少なくとも１つの既存のクラスタを特定の地理的位置に向けるなど、１つ又は複数のＵＡＶの機首方位を選択することを含み得る。機首方位の選択は、ＲＡＮチャネルアクティビティを介するなど、ＵＡＶによる間接的なＵＥ密度の検出に応答して実行されることができる。同様に、ＢＴＳ及び／又はＣＰは、検出されたＵＥ密度に適応するためにＵＡＶに機首方位を変更するように指令することができる。一態様では、ＲＡＮは、ＭＩＭＯチャネルランクを上げ、多様性を改善し、複数のデバイス間の電力負荷を平衡し、及び／又はデバイス間で処理負荷を分散させるなど、ＭＩＭＯチャネルのいずれかの側で使用されるアンテナの選択を適応させる。一例として、特定の地理的エリア内のＵＥの数が、ＵＥにサービスするように構成されたサーバ側アンテナの数（例えば、ＵＥのセットにサービスするように構成（プロビジョニング）された利用可能なＵＡＶアンテナ及びベーストランシーバアンテナの合計）を超える場合、ＵＥ、ＢＴＳ、ＣＰ、及び／又はＵＡＶは、ＲＡＮにおける協調ＭＩＭＯ処理をサポートするために追加のＵＡＶを要求し得る。更に、ＵＥは、ＭＩＭＯチャネル行列のランクを上げ、信号を中継し、計算リソースを提供するなど、サーバ側の動作をサポートするようにプロビジョニングできることを理解されたい。

幾つかの態様では、ナビゲーション指令の条件は、１つ又は複数のＲＡＮ指令に関連して適応させることができる。例えば、ルール５０１及び５０３は、他のＵＡＶとの編隊飛行（これは抗力／ドラッグを低下させる）による電力節減などのある特定の利点を、所定の位置への最も直接的進路をたどらないという欠点と比較検討することを介して実施され得る。アルゴリズムは、新しい進路が選択され、ＵＡＶ（１機又は複数）がグループから離脱するあるポイントまで、ＵＡＶが特定のグループと共に飛行することを可能にする経路を選択するかもしれない。幾つかの態様では、群内の異なるグループは、グループ又は個々のＵＡＶのニーズに基づいて群のための進路を協議する。少なくとも２乗型の方法、又は他の回帰分析法を使用して、ＵＡＶにいかに良く適するかを特徴付ける（電力節減及び有用性の関数などの）少なくとも１つのパラメータを最適化する群のための進路を誘導することが可能であろう。

ルール５０１の基準などの幾つかの条件は、ＲＡＮ指令の影響下でわずかに曲げられることがあろう。例えば、ＵＡＶは、以下に開示される摂動技術によるなどして、群の中の位置の変更、又は進路の変更などの、多少の非標準的な動きを用いるものの、一般に隣接機とほぼ同じ方向に移動することができる。

幾つかの態様では、ナビゲーション指令とＲＡＮ指令とは同一であってもよい。例えば、ＵＡＶ間の通信を維持することの一態様は、指定された範囲内に留まることを含むので、ルール「隣接機との接近状態を保持する」５０３は、ルール「ローカルエリア通信を確保する」５１３と調和する。別の態様では、群は複数のクラスタを含むことがあり、クラスタ内のＵＡＶは、十分なチャネルランクを達成し、又は条件数を低減する５１２ため、十分に大きいアパーチャーを合成する（不図示）ため、又は他のいくつもの任意の理由などで、十分な距離だけ空間的に離隔される必要があるかもしれない。しかし、ナビゲーションルール５０３は、他のグループに属するＵＡＶに関してはなお維持され得る。したがって、ここで明示するように、ＲＡＮ指令は、１つ又は複数のナビゲーション指令を適応させることができる。場合によっては、コスト対メリットの最適化に基づくなど、妥協的なＲＡＮ基準を決定することによって、相反するＲＡＮ指令が解決され得る。したがって、１つのＲＡＮ指令は、別のＲＡＮ指令によって指定された条件に影響を与える可能性があろう。

ナビゲーション指令は分散動作に対応する傾向があるが、これらの指令の幾つかは、飛行計画５０５（幾つかの態様では、飛行計画５０５は目的地だけを含む）及びグループの機首方位５０６などの集中制御動作によって得られる。例えば、飛行計画５０５はＣＰ１３０（例えば、ＵＥのサービス要求に応答し、ＵＡＶを選択し、これらに対してＵＥにサービスすることを指示するＣＰ１３０）によって決定され得る。グループの機首方位５０６は、ＵＡＶクラスタ（例えばクラスタヘッド）内の集中コントローラによって決定され得る。

ある態様によれば、制御指令に関して階層が存在する。一態様では、遠隔集中機関からの制御指令は、ローカル機関からの制御指令によって覆され得る。例えば、特定のＵＡＶによって実行される操作に関して、ＣＰはＵＡＶクラスタヘッド又は特定のＵＡＶによって覆される可能性がある。衝突を回避するなどの幾つかの指令は、飛行計画５０５などの他の指令よりも優先される。このような優先する制御指令は一時的なものであってもよく、その後、中央機関によって発された制御指令の順守が再開され得る。別の態様では、中央機関（例えば、ＣＰ１３０）は、ＵＡＶクラスタヘッドなどのローカル機関からの特定の制御指令を覆すことができる。幾つかの態様では、中央機関（例えば、ＣＰ１３０及び／又はＵＡＶのクラスタヘッド）はＵＡＶの個々の指令を覆し得る。

一態様では、ＵＡＶのセットの各々がローカルＭＩＭＯ処理動作を実行し、次いでローカルＭＩＭＯ処理の結果が中央機関に通信され、中央機関はその結果に基づいてグローバルＭＩＭＯ処理を実行する。一例として、ＵＡＶのクラスタは、ローカルＣＳＩからのサブスペース処理重みの決定などのローカル協調ＭＩＭＯ処理を実行し得る。ローカルＭＩＭＯ処理の結果（例えばローカルサブスペースの重み、及び必要に応じてＣＳＩ）は、中央機関に通信されることができ、中央機関は他のクラスタからのローカルＭＩＭＯ処理の結果を受信する。複数のクラスタからローカルＭＩＭＯ処理結果を収集する際に、中央機関は結果に基づいてグローバルＭＩＭＯ処理を実行することができる。

本開示の幾つかの態様では、ローカルの結果はＭＩＭＯ処理の重みの第１の推定値を構成し、グローバル処理は改善された推定値を提供し、これは次いで空間多重化及び／又は逆多重化を実行するために使用可能である。幾つかの態様では、グローバルＭＩＭＯ処理は複数のローカルＭＩＭＯ処理結果を構成することができ、その後、グローバルＭＩＭＯ中央機関がクラスタに特定の摂動又はそれらの重みに対する所定の適応化を指令する。

前述のローカル及びグローバル処理は、異なるスケールで実行されてもよいことを理解されたい。一例として、ローカル処理は無線ネットワークノード自体のアンテナアレイ信号の処理を含んでいてもよく、その場合にはグローバル処理は、例えばクラスタヘッドによる複数のノード信号の協調的処理を含むことができよう。ローカル処理は、このような協調的処理を実行するノードのクラスタを含んでもよく、その場合にはグローバル処理は、例えばスーパークラスタなどによる、又はＣＰ１３０による複数のクラスタからの信号の処理を含むことができよう。ローカル処理は、例えばＣＰ１３０内での複数のクラスタから受信された信号の処理を含んでもよく、その場合にはグローバル処理は、複数のＣＰ間の信号処理を含むことができよう。したがって、グローバル処理は、スケールに応じてノード間、クラスタ間、及び／又はＣＰ間の干渉のミティゲーションに役立ち得る。処理階層は、ローカル処理とグローバル処理との間の１つ又は複数の処理レベルを提供し得ることも理解されたい。

本開示の一態様では、ＵＥのグループにより良くサービスするようにクラスタの機首方位を適応させるために勾配法を用いることができる。一例では、クラスタ内の各ＵＡＶは、１つ又は複数のＵＥを含むＵＥセットからの送信を測定する。測定値は、信号電力、ＳＮＲ、チャネル測定値などを含み得る。次いで測定値は、クラスタの飛行編隊（フライトフォーメーション）で処理される。飛行編隊の一方の側でのＵＡＶからの測定値が、少なくとも１つの他の側のＵＡＶからの測定値よりも優越する場合、（例えば、クラスタヘッドによって）クラスタのための新しい機首方位ベクトルを測定勾配の方向にマッピングするアルゴリズムの使用が可能である。

本開示の別の態様は、ネットワークサービスを配信するための手段として、分配ネットワーク内の勾配型ルーティングを使用し、変化するネットワーク負荷の変化に適応するようにネットワークを構成するために使用され得る。例えば、ネットワーク内のノード（例えば、ＵＡＶ）は、相互に品質測定値を共有することができる。ＵＡＶによって互いに通信するために使用されるローカルエリアリンクは、ショートレンジ、超高帯域幅リンク（例えば、ＵＷＢ、光無線など）であり得るので、帯域幅オーバヘッドは一般に問題ではない。これらの品質測定値は、測定されたＵＥの送信の電力、ＳＮＲ、ＣＳＩなどを含み得る。これらの品質測定値は、測定されたＵＥの送信出力、ＳＮＲ、ＣＳＩなどを含み得る。これらの品質測定値は、前述の測定値の基づく計算を含んでもよく、固有値、チャネル相関、様々なサブスペースチャネル品質インジケータなどを含んでもよい。特定のＵＥ又はＵＥセットについてのデータは、ネットワークを介してルーティングされてもよく、ルーティング経路は、品質測定値を連続的に改善することによって決定される。したがって、ルーティング経路は、連続的に増加する品質測定値を有する一連のノードを辿り得る。データは、閾値品質測定値、最大（ローカル値又は絶対値）などの所定の品質測定条件が満たされるまで、品質測定勾配を辿り、その時点でその勾配目的地ルーティング中継ノードを見出している。データは、ＲＡＮ送信を介してそのノードからＵＥ（１つ又は複数）に送信されてもよく、又はＲＡＮ内で送信される前に（協調ＭＩＭＯクラスタ内のノードなどの）少なくとも１つの他のノードに分配されてもよい。

勾配ルーティングの一態様では、オンデマンドでルーティング情報が確立され得るが、メッセージを伝えるコストの代わりに、送信先ＵＥへの連続的なより良いＲＡＮ接続性を有するノード間でメッセージが送られる。例えば、第１のケースでは、各ノードは、その隣接ノードの品質測定値を格納する品質測定値テーブルを有する。メッセージを受信したときに、ノードがその隣接ノードのうちの１つがより良い品質測定値を有すると判断した場合、メッセージをその隣接ノードにルーティングする。第２のケースでは、各ノードは、（おそらくは、それらの測定値が、そのノードが属するクラスタでの協調ＭＩＭＯ処理に関与しない限り）それ自体の品質測定値のみを掌握する。ノードは、メッセージを含み、メッセージの送信先ＵＥに対応する近隣ノードの品質測定値を示す近隣ノードからのブロードキャストを聞く。時には同じメッセージを複数のブロードキャストが同時に生じることがあるが、その場合にはノードは、最高の品質測定値を有するブロードキャストにのみ注意を払う。ノードが受信されたブロードキャストに示されたより良い品質測定値を有する場合、そのノードはその品質測定と共にメッセージを再ブロードキャストし、次いでメッセージがより良好な品質測定値を有する次のノードによって再ブロードキャストされたことを示す任意のブロードキャストを聞く。フラッディングの結果、データ帯域幅のオーバヘッドは高くなるが、帯域幅極端に高いローカルエリアリンク（光、ＵＷＢなど）を使用すると、これが最小限になる。しかし、幾つかの態様では、重複ブロードキャストメッセージを除去する技術が使用されてもよい。第３のケースでは、第２のケースのように各ノードはそれ自体の品質測定値しか掌握しない。しかし、ノードに送信すべきメッセージがある場合は、ノードは送信先ＵＥに固有の対応する品質測定値をその近隣ノードにポーリングする。次いでノードは、最良の品質測定値でメッセージを隣接ノードにルーティングする。

本開示の一態様では、勾配ルーティングの方法は、ＣＰから少なくとも１つのベーストランシーバ端末へ、フロントホールネットワークを介してルーティングされる特定のＵＥに送信されるデータを含む。少なくとも１つのベーストランシーバ端末は、ＵＡＶなどの中継ノードセットのうちの少なくとも１つにデータを送信する。データは、その送信先ＵＥに対応する品質測定値に基づく勾配ルーティングアルゴリズムを使用して中継ノードを介してルーティングされる。データが送信先中継ノードに送られると、データはその送信先ＵＥに送信されるか、又は送信先ＵＥに信号を協調して送信するように構成された他の中継ノードに配信され得る。

本開示の一態様によれば、図６に示される装置は、以下の方法を実行するように構成されることができる。装置全体、又はそのいずれかのコンポーネントは、集中型又は分散型の方法で実施されることができる。分散動作の態様では、１つ又は複数のブロックは、複数のＵＡＶにあるコンポーネントを含み得る。集中動作の態様では、装置は中央コーディネータ（ＣＰ又はＵＡＶクラスタヘッドなど）内にある。

フリートマネージャ６０５は、クラスタマネージャ６５１を使用して、グローバル飛行制御指令（例えば飛行計画、飛行境界、障害物の位置など）、及びローカル飛行制御指令（例えば航空機の離間距離、衝突回避、他の自律的な飛行制御ルールなどの）の組み合わせを含み得る飛行ルールを介してクラスタ内の個々のＵＡＶのナビゲーションを調整する。ＵＡＶが優先度の階層に応じて指令に応答するように、幾つかの指令には他の指令よりも高い優先度を付与することができる。例えば、ＵＡＶは、そのローカル飛行制御指令によって設定された境界内のグローバル飛行制御指令を定めることができよう。

クラスタマネージャ６５１への入力は、状況認識マネージャ６０１から受信され、クラスタ内のＵＡＶ用のＵＡＶ空間位置データを含み得る。このデータは、ＵＡＶ飛行測距データ、遠隔検出データ、他のＵＡＶ位置データ、及び／又はそれらの組み合わせを含み得る。状況認識マネージャ６０１は、飛行測距データマネージャ６１１、センサネットワークマネージャ６１２、及び必要に応じて脅威検出システム６１３を備えることができる。クラスタマネージャ６５１は、協調Ｍ１ＭＯプロセッサ６５３からの入力を受信して、協調的ＭＴＭＯ性能基準に関して構成されたグローバル及び／又はローカル飛行指令を選択し、ナビゲーション基準の所定の境界内の飛行指令を選択し得る。

脅威検出システム６１３は、ミティゲーションのためにＵＥ及び／又は遠隔制御ビークルをターゲットにし、対応する位置データをフリートマネージャ６０５に送信するように構成されることができる。フリートマネージャ６０５は、スケジューラ６５２を介してターゲットに対する対抗手段を実行するように特定のＵＡＶをスケジューリングし、及び／又は攻撃を調整するなど、特定のＵＡＶに送信する飛行制御指令を選択し得る。そのような態様では、プロセッサ６５３は、受動的及び／又は能動的な攻撃を実施するためにターゲットの無線リンクを利用するように構成されたミティゲーションシステム（図示せず）を備えることができる。

分散処理のために、協力型協調プロセッサ６５３は、クラスタマネージャ６５１と通信するフロントホールネットワークマネージャ６５５と通信する。フロントホールネットワークマネージャ６５５は、ネットワークトポロジ基準をクラスタマネージャ６５１に伝達して、グローバル及び／又はローカルの飛行制御指令を適応させて、フロントホールネットワークトポロジを適応させる。

スケジューラ６５２を介したクラスタマネージャ６５１は、クラスタ内で動作するようにＵＡＶをスケジューリングする。スケジューラ６５２は、ＵＡＶをクラスタに割当得る。一例として、プロセッサ６５３及び／又はマネージャ６５５と連携して動作するスケジューラ６５２は、信号処理、データストレージ、及び／又はルーティング機能を含む任務を個々のＵＡＶに割り当て得る。

協調ＭＩＭＯプロセッサ６５３によって入力された動作基準に応答して、フロントホールネットワークマネージャ６５５は、ネットワークルーティングトポロジが、遅延時間閾値以下、データ帯域幅閾値超、ＱｏＳ閾値超、信頼性閾値超、ＢＥＲ閾値超、ＳＮＲ閾値超などの規定された公差内のリンクで動作するようにネットワークトポロジを定式化する。フロントホールネットワークマネージャ６５５は、クラスタマネージャ６５１がＵＡＶ空間位置を適応させて、ネットワークが規定の公差内で動作できるようにすることを要求し得る。

協調ＭＩＭＯプロセッサ６５３は、分散ビームフォーミングを実行するように構成される。「分散」という用語の使用には分散型ビームフォーミングの意味においては２つの意味がある。第１の意味は、アレイのアンテナが、おそらくは何らかのランダムに構造化された態様で、受信面に分散されることを示す。これは、アレイ内のこのノード位置への依存性をなくすることにより解析の複雑さを低減するために、アンテナ要素の厳密で均一な配置に依存する従来のビームフォーミングから乖離している。ノード位置が構造化されないと、各要素の位置は、単にこのアレイの位置を全体として考慮するのではなく、要素ごとに考慮されなければならない。このシナリオでは、要素は依然として何らかの制御源によって制御され、したがって各ノードの位置、位相オフセット、及び送信能力は、重み計算を行うために使用される既知量になる。第２の意味は第１の意味に基づいており、要素は位置に関して分散されるだけではなく、ＵＡＶ及びＥＵなどの独立した処理ユニットでもあることを暗示している。この第２のシナリオは、通常はビームフォーミング装置が利用できる情報の量と質とを制限する。

一態様では、複雑な重みを決定する方法は、有意な量の情報を共有せずに各々のノードによって個々に実行され得るという意味で分散される。別の態様では、ノードは、幾つかの通信前段階を介するなどして、それ自体に関する情報の総量を共有し得る。この場合、ほぼ理想的な重みは、グローバル情報に基づいて計算され、単一のクラスタヘッドによってフロントホールネットワークを介して伝播され得よう。これらの態様は組み合わせることができる。例えば、光通信は、特に短距離通信のために膨大なデータ帯域幅を可能にするので、多くのＣＳＩ（及びＭＩＭＯ処理情報）をローカルに共有することができる。これはクラウドコンピューティングなどの分散処理を容易にする。これは、グローバルＭＩＭＯ処理（又はローカルＭＩＭＯ処理の上の少なくとも１つのレベル）を実行するのに十分な情報を有し、しかも中央コーディネータが分散コンピューティングリソースを活用できるようにする中央コーディネータ（又はクラスタヘッド）を提供し、そのリソースの利用可能性を協調ＭＩＭＯアレイサイズで増加させることができる。

一態様による複雑なＭＩＭＯ重みを決定する方法は、以下のステップを含む。先ず、受信ノードでのＳＮＲなどの制約が選択される。しかし、総リンク容量、全電力消費量、ノードごとの電力消費量などの任意の定量化可能な量を選択することができる。第２に、最適化された関心値（value of interest／利益値）の解析的導出が中継ネットワークモデルに基づいて作成され、その最適値に反復的に到達する方法が提示される。最後に、送信器アレイ及び／又は受信器アレイが、個々のノードがそれら自体の最適な重みを見出して、ネットワーク上で計算を分散するようにする単一のカバレッジパラメータを計算できるように問題が解消される。

ターゲットが動いているとき、又は情報の欠如のために理想的な重み計算が不可能であるとき、アレイ性能に基づいて位相を反復的に変化させるなど、理想的な重み付けを狙って適応的方法を使用し得る。これは、アレイ、ターゲット、ソース、チャネル及び干渉物の中での動きを補償し、チャネル内の他の変化に適応させることができる分散型スマートアンテナにつながる。完全なＣＳＩなしに理想的な重み（又は少なくとも極大値）に到達するために、送信先ノードからの１ビットのフィードバックを使用して各中継器で最適な重み付けを反復的に見出す試みを行うことができる。例えば、プラス／マイナス摂動を使用して、次の重みは送信中に２回摂動され、フィードバックビットは２つのうちどれが最良であるかを指定する。

別の態様では、ＵＥのセットにＲＡＮサービスを提供するＵＡＶのクラスタは、ナビゲーションパラメータを適応させてＲＡＮサービスを改善するように構成される。進路への摂動、クラスタ飛行の編成、及び／又は高度を使用して、改善されたアレイ性能を求めるようにクラスタを適応させることができる。例えば、ＳＮＲ、ＭＩＭＯ固有ベクトルに対応する固有値、又は別の測定可能なパラメータなどの制約が選択される。制約に基づいて、ＵＡＶは、ＵＥのセットから受信された信号から直接制約を測定することができ、及び／又はＵＥのセットは、制約を測定し、フィードバック情報をＵＡＶに返信することができる。次いで、クラスタの機首方位及び／又は他の飛行特性に対する摂動が実行される。制約（１つ又は複数）の測定は、ＵＡＶ及び／又はＵＥによって行われ、チャネルの他の変化による影響による影響から摂動による影響を区別するために（おそらくは少なくとも１つの中央機関によって）処理される。摂動効果を他の効果と区別する多くの技術があり、本発明は特定の技術に限定されない。一態様では、ゼロ平均を有する分散によって特徴付けられる影響は、十分な数のサンプルで平均化することができる。

一態様によれば、特異値分解（ＳＶＤ／singular value decompositions）を使用して、グローバルＣＳＩを用いてビームフォーミング重みを得ることができる．ＳＶＤ法は、送信機がＭＩＭＯチャネルｈ上で送信されたデータｘをチャネルｖの左分解でプレコードし、受信機が右分解ｕで復号することを可能にし、受信された下記のベクトルを与える。

ｙ ＝ ｕ^ＨＨｖｘ＋ｕ^Ｈｎ

反復法は、左ＳＶＤベクトルの計算のブラインド適応法に依存して、右ＳＶＤベクトルを計算するために使用可能である。この方法は、ＳＶＤの対角要素によって指定された利得で複数の経路を並列ＳＩＳＯリンクとして扱い、ノードがそれらの局所要素に基づいて理想的な重みを計算できるようにすることによって機能する。フィードバックチャネルを経て送信される情報の量は、各反復でベクトルをフィードバックするのではなく、予測器を使用して各送信ノードにおける現在の特異ベクトルの値を推定することによって低減することができる。送信の各反復の後、推定値と計算値との間の差が設定された閾値を超える場合、特異ベクトルの値が中継器に返送され、制御チャネルでの性能とオーバヘッドとの平衡が可能になる。

ＳＤＭＡシステムのプレコードアルゴリズムは、線形タイプと非線形タイプのプレコードを含む。容量達成アルゴリズムは非線形であるが、線形プリコーディングは通常、かなり低い複雑度で合理的な性能を達成する。線形プリコーディング戦略は、最大比伝送（ＭＲＴ）、ゼロフォーシング（ＺＦ）プリコーディング、及び送信Ｗｉｅｎｅｒプリコーディングを含む。また、ＣＳＩの低レートフィードバックに適合するプリコーディング戦略、例えばランダムビームフォーミングも存在する。非線形プリコーディングは、ダーティペーパ符号化（ＤＰＣ）の概念に基づいて設計され、これは、最適なプレコード方式を送信信号に適用できる場合、無線リソースのペナルティなしに、送信機における既知の干渉を差し引くことができることを示す。ＤＰＣでは、送信機だけがこの干渉を掌握する必要があるが、加重合計容量を達成するためには、全面的なＣＳＩが必要である。このカテゴリは、Ｃｏｓｔａプリコーディング、Ｔｏｍｌｉｎｓｏｎ−Ｈａｒａｓｈｉｍａプリコーディング、及びベクトル摂動技術を含む。

ポイントツーポイントＭＩＭＯにおいて性能最大化には明確な解釈があるが、マルチユーザシステムは、全てのユーザの性能を同時に最大化することができない。これは各目的／オブジェクティブがユーザのうちの１人の能力の最大化に対応する多目的最適化の問題とみなすことができる。この問題を簡単にする通常の方法は、システムの効用関数、例えば、重みがシステムの主観的なユーザ優先順位に対応する場合の加重合計容量を選択することである。

幾つかの態様では、各ユーザのプレコーティング重みは、このユーザにおける信号利得と（ある程度の加重された）他のユーザで生じる干渉プラスノイズとの比率が最大になるように選択可能である。したがって、プレコーティングは、より強力な信号利得の達成とユーザ間の緩衝との最適な平衡（バランス）を見出すことであると解釈できる。最適に加重されたＭＭＳＥプレコーティングを見出すことは困難な場合があり、重みが発見的に選択される近似的アプローチに繋がる。このような態様では、重み選択の一部として群知能が使用されてもよい。

１つの近似的アプローチは、意図されたユーザでの信号利得だけを最大化するＭＲＴである。ＭＲＴは、ユーザ間の干渉がノイズと比較すると無視可能であるノイズ制限システムで最適に近い。ＺＦプレコーティングは、信号利得のある程度の損失を犠牲にしてユーザ間の干渉をゼロにすることを目指している。ＺＦプレコーティングは、ユーザ数が多数であり、又はシステムが干渉制限されている場合（すなわち、干渉と比較するとノイズが弱い）、合計容量に近い性能を達成することができる。ＭＲＴとＺＦとの平衡は、（信号対リーク及び干渉雑音比）ビームフォーミング、及びＷｉｅｎｅｒ送信フィルタリングとしても知られる）いわゆる正規化されたゼロフォーシングによって得られる。これらの発見的アプローチは全て複数のアンテナを有する受信機に適用可能である。

実際には、ＣＳＩは、推定誤差及び量子化のために送信機において制限される。完全なチャネル知識が良好な精度でフィードバックされれば、性能低下の少ない完全なチャネル知識を有するように設計された戦略を用いることができる。ＣＳＩのフィードバックと量子化はベクトル量子化に基づいており、Ｇｒａｓｓｍａｎラインパッキングに基づくコードブックは良好な性能を実証している。空間的な相関のある環境では、長期のチャネル統計を低レートフィードバックと組み合わせて、マルチユーザプリコーディングを実行することができる。空間相関統計は多くの方向情報が含むため、合理的なチャネル知識を得るには、ユーザは、現在のチャネル利得をフィードバックすることだけが必要なだけである。

ビームフォーミングアルゴリズムは、ＣＳＩへのアクセスを必要とし、最適なビームフォーミング重みの計算はそれに基づいて行われる。これらの重みを決定する最適性の基準は、全ての送信先で望ましいＳＩＮＲレベルを満たすことを条件として、中継器での総送信電力を最小化することを伴い得る。グローバルＣＳＩを収集し、次いで全てのビームフォーミング器に最適な重みを送信する中央処理ユニットを含む集中化された最適化方法は、大きな通信コストを招く。それらはまた大きな遅延を伴い、各ビームフォーミング器がローカル情報のみに基づいてその最適な重みを計算しなければならない分散技術の必要性を生じさせ得る。

典型的には、分散ビームフォーミングにおける最大のオーバヘッドは、ネットワークにわたる重み計算を可能にするノード間のＣＳＩ又は位置の共有である。これらの重みを分散して計算する方法は必要最小限のデータを共有しようとするが、本開示の態様は、ＵＡＶ中継ノード間のローカルエリア通信の大きなデータ帯域幅を活用することができる。ＵＷＢ、光通信、及び他のＷＬＡＮ及びＷＰＡＮ技術は、協調ノードによって大量のデータを共有することを可能にする。

理想的な重みの初期推定から開始して、個々のノードは、受信機からフィードバックされるアップリンクでの送信の組合せに基づくパラメータのみを使用して、それ自体の重みをローカルに改善し続け得る。一態様では、二次統計計算は、複数の送信元−送信機対を含み、中継ノードで重みを調整して、１つだけではなく複数の受信機で信号を最適化する。

幾つかの態様は、クラスタ内及びクラスタ間の干渉効果を考慮しながら、各クラスタによるビームフォーミング決定の自律的な計算を可能にする分散最適化アルゴリズムを使用することができる。（それらに限定されないが）、通常のラグランジュに二次ペナルティ項を加えることによって得られる正規化技術である拡張ラグランジュ法（ＡＬ）を含む様々なアルゴリズムが異なる態様で使用されてもよい。ＡＬ法は、特に一次法（通常のラグランジュ分解可能性を有する双対分解法、収束速度が非常に速いＡＬ分解法である加速分散拡張ラグランジュ（ＡＤＡＬ）アルゴリズ、一般的な凸最適化問題のための代替ＡＬ分解技術、マルチセルダウンリンクビームフォーミング問題のための双対分解を用いる他の分散型の方法、及び口語方向乗数（ＡＤＭＭ）法の技術）と比較して、非常に速く収束する。

幾つかの態様は、ソース／送信先ノード対の複数のクラスタが、それらの専用中継器と共に空間内に共存する中継ネットワークにおける協調ビームフォーミングの問題に適応させることができる。半定値緩和法を利用することで、問題は凸プログラミング形式で近似することができ、各クラスタによる最適なビームフォーミングの決定の自律的計算にする分散最適化アルゴリズムを使用して解くことができる。このアプローチは、低い計算上の複雑さと正規化の収束速度と堅牢性を組み合わせることができ、しかも最小限の通信オーバヘッドしか必要としない。

本明細書で開示される装置及び方法の特徴は、サーバ、インターフェース、システム、データベース、エージェント、ピア、エンジン、コントローラ、モジュール、又は個別的、又は集合的に動作する他のタイプのコンピューティングデバイスを含む、コンピューティングデバイスの任意の適切な組み合わせを使用して実施され得ることを理解されたい。コンピューティングデバイスは、有形の非一時的なコンピュータ可読記憶媒体（例えば、ハードドライブ、ＦＰＧＡ、ＰＬＡ、ソリッドステートドライブ、ＲＡＭ、フラッシュ、ＲＯＭなど）に格納されたソフトウェア命令を実行するように構成されたプロセッサを備えることを理解されたい。ソフトウェア命令は、開示された装置及び方法の態様に関して本明細書で論じられるような役割、責任又は他の機能を提供するようにコンピューティングデバイスを構成又はプログラムする。

下記は、本願当初に記載の発明である。
＜請求項１＞
無人航空機（ＵＡＶ）であって、
少なくとも１つのオンボードセンサに結合され、少なくとも１つの他のＵＡＶの少なくとも１つの相対的空間位置を決定するように構成された状況認識システムと、
ＵＡＶ−ユーザ機器（ＵＥ）チャネル内の無線アクセスネットワーク（ＲＡＮ）信号を少なくとも１つの他のＵＡＶと協調して処理し、前記ＵＡＶ−ＵＥチャネルのランクを上げるとともにＲＡＮ性能基準を生成するように構成された協調的ＲＡＮ信号プロセッサと、
前記状況認識システムと前記協調的ＲＡＮ信号プロセッサとに結合され、前記少なくとも１つの相対的空間位置とナビゲーション基準の所定の境界内で動作する前記ＲＡＮ性能基準とに少なくとも基づいて前記ＵＡＶの飛行の自律的ナビゲーション制御を使用するように構成されたフライトコントローラと、を備える無人航空機。
＜請求項２＞
前記ＲＡＮ性能基準はＲＡＮミティゲーション基準として使用され、前記自律的ナビゲーション制御はＲＡＮミティゲーション性能を高めるように構成された、請求項１に記載のＵＡＶ。
＜請求項３＞
前記協調的ＲＡＮ信号プロセッサは、協調的マルチ入力マルチ出力プロセッサを備える請求項１に記載のＵＡＶ。
＜請求項４＞
前記協調的ＲＡＮ信号プロセッサは、ＵＡＶ間通信を行うように構成されたＵＡＶフロントホールトランシーバを備える請求項１に記載のＵＡＶ。
＜請求項５＞
前記ＵＡＶをクラスタヘッドとして操作するように構成されたフリートマネージャを更に備える、請求項１に記載のＵＡＶ。
＜請求項６＞
前記フリートマネージャは、クラスタマネージャ、同期マネージャ、ＭＩＭＯプロセッサ、スケジューラ、及びフロントホールネットワークマネージャの少なくとも１つを備える、請求項５に記載のＵＡＶ。
＜請求項７＞
無人航空機（ＵＡＶ）の飛行を制御するシステムであって、
各々がローカルフライトコントローラモジュール及び協調的無線アクセスネットワーク（ＲＡＮ）信号処理モジュールを実行するプロセッサを含み、前記フライトコントローラモジュールによる使用のために前記プロセッサがアクセス可能なメモリを更に含む複数のＵＡＶを備え、
飛行操作中、前記複数のＵＡＶのうちの少なくとも１つの他のＵＡＶの相対的空間位置、前記メモリに格納されたナビゲーション基準、及び前記ナビゲーション基準の境界内で動作するＲＡＮ性能基準に少なくとも部分的に基づいて、各フライトコントローラモジュールはそのＵＡＶの飛行を制御し、前記ＲＡＮ性能基準は、前記複数のＵＡＶの各々の前記協調的ＲＡＮ信号処理モジュールによって生成されるＲＡＮチャネル測定値から導出される、システム。
＜請求項８＞
前記ＲＡＮ性能基準はＲＡＮミティゲーション基準として使用され、前記複数のＵＡＶの各々はＲＡＮミティゲーションを実行するように構成され、前記ローカルフライトコントローラモジュールの各々は、ＲＡＮミティゲーション性能を高めるようにそのＵＡＶの飛行を自律的に制御する、請求項７に記載のシステム。
＜請求項９＞
前記ＲＡＮ性能基準は、ＲＡＮチャネル行列の条件数を低減するように決定されるナビゲーションパラメータを含む、請求項７に記載のシステム。
＜請求項１０＞
前記ローカルフライトコントローラモジュールのそれぞれは更に、そのＵＡＶのエネルギ効率的動作を向上させるように構成される、請求項７に記載のシステム。
＜請求項１１＞
少なくとも１つの協調的ＲＡＮ信号処理モジュールは、協調的マルチ入力マルチ出力モジュールを備える、請求項７に記載のシステム。
＜請求項１２＞
前記複数のＵＡＶの少なくとも１つは、ＵＡＶのクラスタヘッドとして動作するように構成され、フリートマネージャを備える、請求項７に記載のシステム。
＜請求項１３＞
前記フリートマネージャは、クラスタマネージャ、同期マネージャ、ＭＩＭＯプロセッサ、スケジューラ、及びフロントホールネットワークマネージャの少なくとも１つを備える請求項７に記載のシステム。
＜請求項１４＞
無人航空機（ＵＡＶ）のクラスタ内で動作するＵＡＶを制御する方法であって、
オンボードセンサを使用して、少なくとも１つの他のＵＡＶに対する相対的空間位置を決定し、
ＵＡＶ−ユーザ機器（ＵＥ）チャネル内の無線アクセスネットワーク（ＲＡＮ）信号を少なくとも１つの他のＵＡＶと協調して処理し、前記ＵＡＶ−ＵＥチャネルのランクを上げるとともにＲＡＮ性能基準を生成し、
ＵＡＶ間通信を使用して、前記ＵＡＶのクラスタが互いに通信することを可能にし、
自律的ナビゲーション制御を使用して、前記相対的空間位置、ナビゲーション基準境界、及び前記ナビゲーション基準境界の所定の境界内で動作するＲＡＮ性能基準に少なくとも部分的に基づいて前記ＵＡＶの飛行を制御することを特徴とする方法。
＜請求項１５＞
少なくとも１つの対象のＵＥに対するＲＡＮミティゲーションを実行することを含むように前記処理を構成するステップを更に含み、前記ＲＡＮ性能基準はＲＡＮミティゲーション基準として使用され、前記自律的ナビゲーション制御は、ＲＡＮミティゲーション性能を高めるように前記ＵＡＶの飛行の自律制御を行う、請求項１４に記載のシステム。
＜請求項１６＞
前記ＲＡＮ性能基準は、ＲＡＮチャネル行列の条件数を低減するように決定されたナビゲーションパラメータを含む、請求項１４に記載のシステム。
＜請求項１７＞
前記処理は、少なくとも１つの他のＵＡＶと調整された協調的マルチ入力マルチ出力（ＭＩＭＯ）処理を含む、請求項１４に記載のシステム。
＜請求項１８＞
前記ＲＡＮ信号、処理済のＲＡＮ信号、及び前記ＲＡＮ性能基準の少なくとも１つを、協調的ＭＩＭＯ処理を実行するように構成された中央プロセッサに送信するステップを更に含む、請求項１４に記載のシステム。
＜請求項１９＞
前記クラスタのフリート管理を実行するステップを更に含み、フリート管理は、ＵＡＶを前記クラスタに割り当てるステップ、前記クラスタ内のＵＡＶを同期化するステップ、前記クラスタ内の他のＵＡＶによって処理されたＲＡＮ信号の中央処理を実行するステップ、スケジューリングするステップ、及び、前記クラスタ内のＵＡＶを接続するフロントホールのネットワーク管理を実行するステップの少なくとも１つを含む、請求項１４に記載のシステム。
＜請求項２０＞
自律的ナビゲーション制御の使用は、前記ＵＡＶのエネルギ効率的動作を高めるように構成される、請求項１４に記載のシステム。

Claims (20)

1. 無人航空機（ＵＡＶ）であって、
   少なくとも１つのオンボードセンサに結合され、少なくとも１つの他のＵＡＶの少なくとも１つの相対的空間位置を決定するように構成された状況認識システムと、
   ＵＡＶ−ユーザ機器（ＵＥ）チャネル内の無線アクセスネットワーク（ＲＡＮ）信号を少なくとも１つの他のＵＡＶと協調して処理し、前記ＵＡＶ−ＵＥチャネルのランクを上げるとともにＲＡＮ性能基準を生成するように構成された協調的ＲＡＮ信号プロセッサと、
   前記状況認識システムと前記協調的ＲＡＮ信号プロセッサとに結合され、前記少なくとも１つの相対的空間位置とナビゲーション基準の所定の境界内で動作する前記ＲＡＮ性能基準とに少なくとも基づいて前記ＵＡＶの飛行の自律的ナビゲーション制御を使用するように構成されたフライトコントローラと、を備え、
   前記フライトコントローラは、協調的マルチ入力マルチ出力（ＭＩＭＯ）クラスタ内の少なくとも１つの他のＵＡＶに対する前記ＵＡＶの位置を調整してＭＩＭＯチャネル容量を改善するよう構成されている、ＵＡＶ。
2. 前記ＲＡＮ性能基準はＲＡＮミティゲーション基準として使用され、前記自律的ナビゲーション制御はＲＡＮミティゲーション性能を高めるように構成された、請求項１に記載のＵＡＶ。
3. 前記協調的ＲＡＮ信号プロセッサは、協調的マルチ入力マルチ出力プロセッサを備える請求項１に記載のＵＡＶ。
4. 前記協調的ＲＡＮ信号プロセッサは、ＵＡＶ間通信を行うように構成されたＵＡＶフロントホールトランシーバを備える請求項１に記載のＵＡＶ。
5. 前記ＵＡＶをクラスタヘッドとして操作するように構成されたフリートマネージャを更に備える、請求項１に記載のＵＡＶ。
6. 前記フリートマネージャは、クラスタマネージャ、同期マネージャ、ＭＩＭＯプロセッサ、スケジューラ、及びフロントホールネットワークマネージャの少なくとも１つを備える、請求項５に記載のＵＡＶ。
7. 無人航空機（ＵＡＶ）の飛行を制御するシステムであって、
   各々がローカルフライトコントローラモジュール及び協調的無線アクセスネットワーク（ＲＡＮ）信号処理モジュールを実行するプロセッサを含み、前記ローカルフライトコントローラモジュールによる使用のために前記プロセッサがアクセス可能なメモリを更に含む複数のＵＡＶを備え、
   飛行操作中、前記複数のＵＡＶのうちの少なくとも１つの他のＵＡＶの相対的空間位置、前記メモリに格納されたナビゲーション基準、及び前記ナビゲーション基準の境界内で動作するＲＡＮ性能基準に少なくとも部分的に基づいて、各フライトコントローラモジュールは、そのＵＡＶの飛行を制御し、
   前記ＲＡＮ性能基準は、前記複数のＵＡＶの各々の前記協調的ＲＡＮ信号処理モジュールによって生成されるＲＡＮチャネル測定値から導出され、
   前記フライトコントローラモジュールは、協調的マルチ入力マルチ出力（ＭＩＭＯ）クラスタ内の少なくとも１つの他のＵＡＶに対する前記ＵＡＶの位置を調整してＭＩＭＯチャネル容量を改善するよう構成されている、システム。
   
8. 前記ＲＡＮ性能基準はＲＡＮミティゲーション基準として使用され、前記複数のＵＡＶの各々はＲＡＮミティゲーションを実行するように構成され、前記ローカルフライトコントローラモジュールの各々は、ＲＡＮミティゲーション性能を高めるようにそのＵＡＶの飛行を自律的に制御する、請求項７に記載のシステム。
9. 前記ＲＡＮ性能基準は、ＲＡＮチャネル行列の条件数を低減するように決定されたナビゲーションパラメータを含む、請求項７に記載のシステム。
10. 前記ローカルフライトコントローラモジュールのそれぞれは更に、そのＵＡＶのエネルギ効率的動作を向上させるように構成される、請求項７に記載のシステム。
11. 少なくとも１つの協調的ＲＡＮ信号処理モジュールは、協調的マルチ入力マルチ出力モジュールを備える、請求項７に記載のシステム。
12. 前記複数のＵＡＶの少なくとも１つのＵＡＶは、ＵＡＶクラスタヘッドとして動作するように構成されたフリートマネージャを備える、請求項７に記載のシステム。
13. 前記フリートマネージャは、クラスタマネージャ、同期マネージャ、ＭＩＭＯプロセッサ、スケジューラ、及びフロントホールネットワークマネージャの少なくとも１つを備える、請求項７に記載のシステム。
14. 無人航空機（ＵＡＶ）のクラスタ内で動作するＵＡＶを制御する方法であって、
    オンボードセンサを使用して、少なくとも１つの他のＵＡＶに対する相対的空間位置を決定するステップと、
    ＵＡＶ−ユーザ機器（ＵＥ）チャネル内の無線アクセスネットワーク（ＲＡＮ）信号を少なくとも１つの他のＵＡＶと協調して処理し、前記ＵＡＶ−ＵＥチャネルのランクを上げるとともにＲＡＮ性能基準を生成するステップと、
    ＵＡＶ間通信を使用して、前記ＵＡＶのクラスタが互いに通信することを可能にするステップと、
    自律的ナビゲーション制御を使用して、前記相対的空間位置、ナビゲーション基準境界、及び前記ナビゲーション基準境界の所定の境界内で動作する前記ＲＡＮ性能基準に少なくとも部分的に基づいて前記ＵＡＶの飛行を制御するステップを有し、
    前記自律的ナビゲーション制御は、協調的マルチ入力マルチ出力（ＭＩＭＯ）クラスタ内の少なくとも１つの他のＵＡＶに対する前記ＵＡＶの位置を調整してＭＩＭＯチャネル容量を改善するよう構成されていることを特徴とする方法。
15. 少なくとも１つの対象のＵＥに対するＲＡＮミティゲーションを実行することを含むように前記処理を構成するステップを更に含み、前記ＲＡＮ性能基準はＲＡＮミティゲーション基準として使用され、前記自律的ナビゲーション制御は、ＲＡＮミティゲーション性能を高めるように前記ＵＡＶの飛行の自律制御を行う、請求項１４に記載の方法。
16. 前記ＲＡＮ性能基準は、ＲＡＮチャネル行列の条件数を低減するように決定されたナビゲーションパラメータを含む、請求項１４に記載の方法。
17. 処理は、少なくとも１つの他のＵＡＶに対して調整された協調的マルチ入力マルチ出力（ＭＩＭＯ）処理を含む、請求項１４に記載の方法。
18. 前記ＲＡＮ信号、処理済のＲＡＮ信号、及び前記ＲＡＮ性能基準の少なくとも１つを、協調的ＭＩＭＯ処理を実行するように構成された中央プロセッサに送信するステップを更に含む、請求項１４に記載の方法。
19. 前記クラスタのフリート管理を実行するステップを更に含み、フリート管理は、ＵＡＶを前記クラスタに割り当てるステップ、前記クラスタ内のＵＡＶを同期させるステップ、前記クラスタ内の他のＵＡＶによって処理されたＲＡＮ信号の中央処理を実行するステップ、スケジューリングするステップ、及び、前記クラスタ内のＵＡＶを接続するフロントホールのネットワークの管理を実行するステップの少なくとも１つを含む、請求項１４に記載のシステム。
20. 自律的ナビゲーション制御を使用するステップは、前記ＵＡＶのエネルギ効率的動作を高めるように構成される、請求項１４に記載のシステム。

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