JP7203833B2 - 通信ネットワークにおける音声チャネルを介した信頼性が高く短い待ち時間のデータ送信 - Google Patents

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Description

本発明は、通信ネットワークまたはシステムの分野に関し、より具体的には、そのような通信ネットワークにおけるデータの送信に関する。本発明の実施形態は、ワイヤレス通信リソースを介したデータの改善された送信に関する。
図1は、コアネットワーク102および無線アクセスネットワーク104を含むワイヤレスネットワーク100の一例の概略図である。無線アクセスネットワーク104は、複数の基地局eNB1からeNB5を含み得、各基地局は、それぞれのセル1061から1065によって概略的に表される基地局を囲む特定のエリアにサービスを提供する。基地局は、セル内のユーザにサービスを提供するために提供されている。ユーザは、固定デバイスでもよく、モバイルデバイスでもよい。さらに、ワイヤレス通信システムは、基地局に、またはユーザに接続するモバイルまたは固定の「モノのインターネット」(IoT)デバイスによってアクセスされ得る。モバイルデバイスまたはIoTデバイスは、物理デバイス、ロボットや車などの地上車両、有人または無人航空機(UAV)などの航空機(後者はドローンとも呼ばれる)、電子機器、ソフトウェア、センサ、アクチュエータなどが組み込まれた建物および他のアイテム、ならびにこれらのデバイスが既存のネットワークインフラストラクチャ全体でデータを収集および交換することを可能にするネットワーク接続を含み得る。図1は5つのセルのみの例示的な図を示すが、ワイヤレス通信システムはより多くのそのようなセルを含み得る。図1は、セル1062内にあり、基地局eNB2によってサービスを提供される、ユーザ機器(UE)とも呼ばれる2人のユーザUE1およびUE2を示す。別のユーザUE3がセル1064に示されており、これは基地局eNB4によってサービスを提供される。矢印1081、1082、および1083は、ユーザUE1、UE2、およびUE3から基地局eNB2、eNB4にデータを送信するための、または基地局eNB2、eNB4からユーザUE1、UE2、UE3にデータを送信するためのアップリンク/ダウンリンク接続を概略的に表す。さらに、図1は、セル1064にある2つのIoTデバイス1101および1102を示しており、それらは固定でもよく、モバイルデバイスでもよい。IoTデバイス1101は、矢印1121によって概略的に表されるように、データを送受信するために、基地局eNB4を介してワイヤレス通信システムにアクセスする。IoTデバイス1102は、矢印1122によって概略的に表されるように、ユーザUE3を介してワイヤレス通信システムにアクセスする。それぞれの基地局eNB1からeNB5は、それぞれのバックホールリンク1141から1145を介してコアネットワーク102に接続され、それらは図1においてeNBの下の矢印によって概略的に表されている。コアネットワーク102は、1つまたは複数の外部ネットワーク(図示せず)に接続され得る。
データ送信には、物理リソースグリッドが使用され得る。物理リソースグリッドは、様々な物理チャネルと物理信号がマッピングされるリソース要素のセットを備え得る。たとえば、物理チャネルは、ダウンリンクおよびアップリンクペイロードデータとも呼ばれるユーザ固有のデータを搬送する物理ダウンリンクおよびアップリンク共有チャネル(PDSCH、PUSCH)、たとえばマスタ情報ブロック(MIB)およびシステム情報ブロック(SIB)を搬送する物理ブロードキャストチャネル(PBCH)、たとえばダウンリンク制御情報(DCI)を搬送する物理ダウンリンクおよびアップリンク制御チャネル(PDCCH、PUCCH)などを含み得る。アップリンクの場合、物理チャネルは、UEがMIBとSIBを同期して取得した後にネットワークにアクセスするためにUEによって使用される物理ランダムアクセスチャネル(PRACHまたはRACH)をさらに含み得る。物理信号は、基準信号(RS)、同期信号などを備え得る。リソースグリッドは、時間領域において10ミリ秒のような特定の持続時間を有し、周波数領域において所与の帯域幅を有するフレームを備え得る。フレームは、あらかじめ定義された長さの特定の数のサブフレーム、たとえば、1ミリ秒の長さの2つのサブフレームを有し得る。各サブフレームは、サイクリックプレフィックス(CP)の長さに応じて6または7個のOFDMシンボルの2つのスロットを含み得る。
ワイヤレス通信システムは、直交周波数分割多重(OFDM)システム、直交周波数分割多元接続(OFDMA)システム、または任意の他の逆高速フーリエ変換、CPありまたはなしのIFFTベースの信号、たとえばDFT-s-OFDMのような、周波数分割多重に基づく任意のシングルトーンまたはマルチキャリアシステムであり得る。フィルタバンクマルチキャリア(FBMC)、汎用周波数分割多重(GFDM)、またはユニバーサルフィルタードマルチキャリア(UFMC)などの、多元接続用の非直交波形などの他の波形が使用され得る。ワイヤレス通信システムは、たとえば、LTE-Advanced pro規格あるいは5GまたはNR(新無線)規格に従って動作し得る。
図1を参照して上記で説明したワイヤレス通信ネットワークにおいては、アップリンク送信は、要求許可手順を使用して、基地局などのアクセスポイント(AP)によってスケジューリングされ得、すなわち、モバイルデバイスまたはユーザが、登録手順中にAPにスケジューリング要求(SR)を送信する。次いで、リソースを集中的にユーザに許可するために、APはスケジューリングを実行する。要求許可手順、すなわちユーザのワイヤレス通信ネットワークへの初期アソシエーションは、競合ベースの方法で実行される。接続障害時にユーザとAPとの間の接続を再確立するために、同じメカニズムが使用され得る。従来の競合ベースのランダムアクセス手順は4つのステップを含み得、図2は、たとえば参照[1]において説明されているような成功した競合ベースのランダムアクセス手順のシグナリング図である。最初に、ユーザUEによって、プリアンブルがアクセスポイントeNBに送信される。eNBによってプリアンブルが検出されると、ランダムアクセス応答が送信され、さらに2つのメッセージ、UEからeNBへのL2/L3メッセージ、および必要に応じてeNBからUEへの早期競合解決のためのメッセージが送信される。しかしながら、eNBがプリアンブルを検出しない場合、UEにおいてタイムアウトが発生し、UEは同じプリアンブルフォーマットのさらなるランダムアクセスシーケンスを再度送信する。
システムに散発的にアクセスするデバイスが大量に存在する場合、競合ベースのランダムアクセス手順は、パフォーマンスの急激な低下と大きなアクセス遅延を伴い、通信を非実用的にする可能性がある。たとえば、現在実装されているアクセスメカニズムでは、時間制約のあるシステム内の数百または数千のデバイスからのアクセス要求を管理できない場合がある。
上記の「モノのインターネット」は、オブジェクトの相互接続を容易にする。これらのオブジェクトのほとんどは、インターネットへの物理的な接続を持たず、WLANおよび/またはモバイル通信技術を使用して接続される必要がある。WLANのカバレッジ半径は制限されており、モバイルインターネットは、多くの地域では利用できないか、または不十分にのみ利用可能である。ネットワークの過負荷により、データレートが大幅に低下する可能性があり、長い待ち時間が発生する可能性があり、または通信リンクの障害が発生したりする可能性さえある。前述の理由により、モバイルデバイス、および/または車両、センサまたは無人航空機、UAVなどの機械との信頼性の高い継続的に利用可能な通信は保証されない場合がある。
具体的には、利用可能な無線ネットワークインフラストラクチャにUAVを統合すると、モバイルインターネットを介した無人の航空交通の遠隔制御および監視が容易になり得る。
具体的には、ロジスティクスにおいては、UAVの使用に関する有望なパイロットプロジェクトがあり、これらは、インフラストラクチャが弱い地域に限定される。その理由は、自律飛行中に、特定の状況でUAVを制御するために制御信号をUAVと交換すること、たとえば、修正制御信号を送信したり、パイロットによる制御を遠隔で引き継いだりすることができないことである。たとえばWLANまたは無線システムを使用する市販の無線制御は、最大数キロメートルの範囲のカバレッジしか有していない。3Gまたは4G/LTEなどのセルラー無線システムは、ほとんどの場合カバレッジが不完全である可能性があるため、問題にならない。
現在、たとえば商品を輸送するUAVのような輸送手段は自律的に動作しており、地上局はそれらの位置についての知識を持たず、介入する可能性がない。これは、カバレッジが十分でない場合の回避策であるが、これらの輸送手段を直接制御する可能性を逃してしまうという欠点がある。
前述の欠点に基づいて、制御するための新しいより信頼性の高い技法が所望される。
本発明の目的は、通信ネットワークを介したデータの送信を改善する手法を提供することである。
この目的は、独立請求項の主題によって解決される。
実施形態は、従属請求項において定義されている。
第1の実施形態によれば、送信デバイスと受信デバイスとの間のモバイル通信接続を使用して、送信デバイスから受信デバイスに制御信号を提供するための方法であって、通信接続は音声チャネルを備え、方法は、送信デバイスにおいてユーザデータを提供するステップであって、ユーザデータは、受信デバイスの動作を制御するために使用される制御信号を備える、ステップと、モバイル通信接続の音声チャネルの周波数スペクトルのあらかじめ定められた数の周波数に送信デバイスにおいてユーザデータをマッピングするステップとを備える方法が提供される。この技法には、音声チャネルを含む通信接続では短い待ち時間の接続が使用されるため、制御信号を短い待ち時間で送信できるという利点がある。送信は、データの堅牢な送信を容易にするあらかじめ定められた数の周波数のみが使用されるため、高効率で実行される。
第2の実施形態では、使用される周波数は、基本周波数の整数倍に対応する。これには、周波数スペクトルを基本周波数の整数倍に制限することで非常に効率的な高速フーリエ変換アルゴリズムを使用できるため、データ送信を非常に効率的に実行できるという利点がある。
第3の実施形態では、あらかじめ定められた数の周波数は、利用可能な周波数の最大数までの少なくとも1つの周波数を備える周波数のサブセットを備える。これには、最適なデータ送信効率を提供する周波数の組合せを選択できるという利点がある。
第4の実施形態では、利用可能な周波数の最大数は、基本周波数で除算された音声チャネルの周波数範囲の商に対応する整数よりも小さい。
第5の実施形態では、ユーザデータは複数のデータ要素を備え、マッピングするステップは、各データ要素を周波数の一意の組合せに割り当てるステップを備える。これには、周波数の組合せとユーザデータとの間の変換を効率的に実行できるように、ユーザデータが全単射対応に導く1対1方式で周波数の組合せにマッピングされるという利点がある。
第6の実施形態では、周波数の組合せへのデータ要素の割り当てはコードブックに基づく。コードブックを使用すると、強力な計算能力を必要とせずに、データ要素と周波数との間の非常に効率的なマッピングが提供される。
第7の実施形態では、周波数スペクトルは、送信デバイスから受信デバイスに送信される。具体的には、送信することは時間信号として実行され、これは、周波数領域ではなく、時間空間における信号を意味する。
第8の実施形態では、ユーザデータの変更が発生するまで、同じ周波数スペクトルが繰り返しまたは連続して送信される。これには、周波数スペクトルの1つの送信が破損した場合、後のフレームにおいて同じデータが再送信され、後の送信から情報を取得できるため、送信に影響しないという利点がある。さらに、これにより、情報を失うことなく、破損したフレームを破棄することができる。
第9の実施形態によれば、送信デバイスと受信デバイスとの間に音声チャネルを備えるモバイル通信接続を介して受信デバイスの動作を制御するための方法であって、本方法は、受信デバイスにおいて、モバイル通信接続の音声チャネルの周波数スペクトルのあらかじめ定められた数の周波数を備える周波数スペクトルを受信するステップであって、受信デバイスの動作を制御するための制御信号があらかじめ定められた数の周波数にマッピングされる、ステップと、受信デバイスにおいて、周波数スペクトルのデマッピングを実行して制御信号を取得するステップと、取得された制御信号に基づいて受信デバイスを制御するステップとを備える。これには、たとえば、回線交換モバイル通信接続などの音声チャネルは短い待ち時間の接続であるため、受信デバイスの動作を待ち時間なしに制御できるという利点がある。
第10の実施形態によれば、受信デバイスは、周波数の一意の組合せをそれぞれの制御信号に割り当てるコードブックを備える。これには、周波数の組合せと制御信号との間の効果的なマッピングが提供され、わずかな計算労力しか必要ないという利点がある。
第11の実施形態によれば、周波数スペクトルはフレーム、たとえば時間フレームとして受信され、フレームがあらかじめ定められた数の周波数に等しくない数の周波数を含む場合、フレームは破棄される。これには、破損したフレームが特定の基準に基づいて容易に認識され、次いで破棄され得るという利点がある。
第12の実施形態によれば、フーリエ変換FTは、受信デバイスにおいて周波数スペクトルに対して実行されてFTスペクトルを取得し、FTスペクトルのピークの振幅は、基本周波数の整数倍に対応する周波数で、受信デバイスにおいて抽出される。これには、ピークを基本周波数の整数倍にする必要があるため、ピークを容易に見つけることができるという利点があり、したがって、高速で効率的なデマッピングが可能になる。さらに、非常に効率的な高速フーリエ変換(FFT)アルゴリズムが知られているため、説明されている技法は、少ない計算労力しか必要としない効果的な制御方法を提供する。
第13の実施形態によれば、抽出された振幅の周波数は、コードブックを使用して受信デバイスにおいて制御信号に変換される。これには、コードブックに基づくマッピングを非常に高速かつ効率的に実行できるため、周波数と制御信号との間の変換を削減された計算労力で実行できるという利点がある。
第14の実施形態によれば、基本周波数は高速フーリエ変換の周波数分解能に対応する。
第15の実施形態によれば、実施形態1から8のうちの1つに従って動作し、実施形態9から14のうちの1つに従って受信デバイスの動作を制御する制御システムが提供される。
第16の実施形態によれば、コンピュータ上で実行されると、コンピュータに、実施形態1から15のうちの1つによる方法を実行させるコンピュータプログラム製品が提供される。
第17の実施形態によれば、実施形態1～8のうちの1つに従って動作する送信デバイスが提供される。
第18の実施形態によれば、実施形態9～14のうちの1つに従って動作する受信デバイスが提供される。
ワイヤレス通信システムの例の概略図である。 本発明の一実施形態による、いくつかのフレームからなるオーディオ信号のスペクトルを示す図である。 本発明の一実施形態による、離散FTスペクトルの格子点への周波数分解能の整数倍のマッピングを示す図である。 本発明の一実施形態によるマッピングテーブルの例を示す図である。 本発明の一実施形態による、3次元空間の1次元空間への全単射マッピングを示す図である。 本発明の一実施形態による、2つのデバイス間で情報要素を全二重方式で送信する一般的なケースを示す図である。 本発明の実施形態による、フレーム間の急激な遷移および滑らかな遷移の例を示す図である。 本発明の一実施形態による、フーリエスペクトルの遷移の例を示す図である。 本発明の一実施形態による、制御信号を提供するための方法のフローチャートである。 本発明の一実施形態による、受信デバイスを制御するための方法のフローチャートである。 本発明の一実施形態による、制御信号を提供するための送信デバイスのブロック図である。 本発明の一実施形態による、受信デバイスを制御するための受信デバイスのブロック図である。 OFDMエンコード/デコードを使用してワイヤレス通信チャネルを介してビットワードを送信するための実施形態を説明する図である。 本発明の一実施形態によるマッピングテーブルの別の例を示す図である。 周波数分解能の整数倍である搬送周波数を採用した場合の、図13の位置(1)における各信号の例を示す図である。 周波数分解能の整数倍である搬送周波数を採用した場合の、図13の位置(2)における各信号の例を示す図である。 周波数分解能の整数倍である搬送周波数を採用した場合の、図13の位置(3)における各信号の例を示す図である。 周波数分解能の整数倍ではない搬送周波数を採用した場合の、図13の位置(1)におけるそれぞれの信号の例を示す図である。 周波数分解能の整数倍ではない搬送周波数を採用した場合の、図13の位置(2)におけるそれぞれの信号の例を示す図である。 周波数分解能の整数倍ではない搬送周波数を採用した場合の、図13の位置(3)におけるそれぞれの信号の例を示す図である。
上記の問題に対して、たとえばUAVなどのオブジェクトの広範囲で中断のない遠隔制御を提供する解決策は現在存在しない。1つの例外は、たとえば軍用ドローンなどの衛星リンクを介した遠隔制御であり、これは任意の場所から制御され得る。
たとえばLTEサービスによるカバレッジが良好な地域では、LTEネットワークが使用され得、そのようなネットワークが利用できない場合には、範囲が限られた従来の遠隔制御、あるいは自律的または半自律的な動作のみが可能である。
本発明は、GSMまたはUMTSシステムにおける回線交換接続、あるいはLTEシステムのパケット交換接続などの、通常は音声を搬送するモバイル通信接続の使用に焦点を合わせている。音声信号は通常、モバイル通信を介して非常に信頼性が高く、カバレッジが良好で短い待ち時間(200ミリ秒未満)で送信される。たとえば、GSMネットワークにおける音声信号の待ち時間は、データチャネルを使用した場合と比較して大幅に小さくなる。その理由の1つは、通常、自動繰返し要求(ARQ)なしで音声が送信されることである。また、音声接続は通常、高品質のサービス(QoS)を提供する。音声接続の信頼性は、たとえば、これらがGSMネットワークにおける回線交換接続(エンドツーエンド接続)であることに基づいている。したがって、音声接続に割り当てられたリソースは、データレート、待ち時間などに関するGSM音声接続のすべての要件を満たす必要があるため、基地局の負荷は接続の品質に影響を与えない。
これらのプロパティは、事実上無制限のカバレッジで信頼性の高いリアルタイム接続を促進し、これは多くのアプリケーションにとって有利である。
GSMネットワークのこれらの有利な特性は、マシンの制御、測定データクエリ、または位置クエリにリアルタイムで使用され得る。このために、データまたは制御信号が、音声チャネルの周波数スペクトル(300Hzから3400Hz)にマッピングされる必要がある。待ち時間を最小限に抑えるために、ARQを使用しないこの仮想メディア上に通信プロトコルが構築され得る。この場合、送信機は、送信されたデータワードが受信デバイスによって受信されたかどうかに関する知識を有していない。
送信の信頼性は、現在のデータ/データワードを変化するまで継続的に送信することによって保証され得る。
この手順は、データを搬送する連続オーディオ信号210が示されている図2に示されている。図2は、オーディオ信号210のスペクトルを示し、信号は、いくつかのフレーム、この場合は4つのフレーム2151から2154からなり、したがって4つの周波数スペクトル2201から2204が示されている。フレームの各々は、それぞれの位相に関係なく、特性スペクトルの形で同じ情報を備える。フレームの長さは通常16、32、または64ミリ秒であるが、任意の他の期間もあり得る。
オーディオ信号が破損した場合、または接続が中断されて、1つまたは複数のフレームのスペクトルが歪められた場合、問題のフレームは破棄され得、情報は次の完全なフレームから取得され得る。1つのフレームが破損している場合、データ送信の待ち時間はフレームの長さだけ増加する。
送信される必要のある情報は、本質的にオーディオスペクトルに含まれている。このために、周波数分解能の整数倍がFTスペクトルのノードまたは格子点に正確にマッピングされることが使用される。「ノード」または「格子点」という用語は、フーリエ変換の周波数分解能の倍数に対応する周波数を指す。使用されるフーリエ変換は、様々な方法で実装され得、たとえば、高速で効率的なアルゴリズムが知られている高速フーリエ変換の場合、結果の周波数スペクトルは離散フーリエスペクトルであり得る。
図3において、周波数分解能の整数倍が離散FTスペクトルの格子点(または、ノード)にどのようにマッピングされるかが示されている。ボックス310、312、314、および316において、周波数1から4が示されており、これらの周波数の各々は、周波数分解能の整数倍、すなわち基本周波数である。これらの周波数は、周波数スペクトルを形成するために加算器318によって加算される。結果のスペクトルはボックス320に示されている。ボックス320のスペクトルは、FFTモジュール322によってFTに、たとえば高速フーリエ変換FFTにかけられる。ボックス330に示される結果のフーリエスペクトルは4つの明確かつ良好に分離されたピークを備え、これらのピークの各々が周波数1から4に属する。
この手順を使用すると、周波数パターンが適切に区別され得、このトポロジから逸脱するオーディオスペクトルを含むフレームが破棄され得る。たとえば、手順が同期されていないため、それは、FFTはスライドウィンドウで実行され、必ずしもフレームの先頭から開始されるわけではないことを意味する。この場合、ウィンドウが第1のフレームの一部と次のフレームの一部をカバーし、これら2つのフレームによって送信されたデータが同一でない場合、FFTスペクトルにおいて予想よりも多くのピークが発生し、この場合、フレームは破棄され得る。
振幅情報は周波数情報の送信と比較してより低い信頼性で送信されるため、発生する周波数の振幅は等しくてもよい。それでも、振幅情報はまた、信号に追加情報を埋め込むためのオプションとして使用され得る。
送信される情報はオーディオスペクトルの外観にコード化されるため、情報密度は、信号において使用される周波数の数と利用可能な周波数の数、すなわち格子点の数に依存する。可能な順列の数は、二項係数
Figure 0007203833000001
によって計算され、上式で、nは周波数スペクトルにおける格子点の数であり、kは信号内に発生する周波数の数である。音声接続の場合、たとえばGSM音声チャネルでは、300Hzと3400Hzとの間の周波数が送信される場合があり、これは通常の音声の周波数範囲に対応する。
一例として、サンプリングレートは、たとえば8kHzであり得る。たとえば、32ミリ秒の長さのフレームの場合、たとえば、これはフレームあたり256サンプルに対応する。このことから、FTスペクトルは、周波数分解能31.25Hzの0～4kHzから得られる。この周波数分解能は、このスペクトルにおける2つの格子点間の距離に対応する。300から3400Hzの周波数のみがコーデックによって送信され得ることを考慮すると、98個の格子点が変調に使用できることになる。実際のテストでは、良好な信号対雑音比を有する6つの周波数が同時に送信され得ることが明らかになった。これは、フレームあたり1.0525×109の組合せに対応し、29ビットに対応する。したがって、本システムは0から
Figure 0007203833000002
までの自然数を送信し得る。このために、これらの周波数の組合せの各々に数値をマッピングするアルゴリズムが使用される。
図4は、そのようなマッピングのためのマッピングテーブル400を例として示している。図4は、ステータス列410に、0から35,989まで番号付けされた可能なステータスを示している。これらのステータスの各々に対応して、他の列420は、離散周波数スペクトルの構造を示している。この例では、3つの周波数が使用され、FFTスペクトルの61個の格子点が使用され、その結果、35,990の可能な組合せが得られる。
一般的な場合、いくつかの信号が送信されるが、送信できるのは1次元のベクトルのみである。したがって、送信される情報の次元の削減が実行されなければならない。いくつかの自然数が送信される必要がある場合、次元の削減が実行されなければならず、これは、図5における3次元の場合について示されている。3次元空間における点の数は、
Figure 0007203833000003
以下でなければならない。次いで、各ポイントに1次元の値を割り当て、これに特定の周波数パターンを割り当てることができる。これは、任意の次元数に適用され得る。
図5は、3次元空間の1次元空間への全単射マッピングを示す図である。点510、520、530、および540のような3次元空間内の点は、それぞれ点515、525、535、および545上の1次元空間にマッピングされることが示されている。このマッピングは一意であるため、情報が失われることはなく、全単射で3次元空間から1次元空間に切り替えることができる。
通常、モバイル通信を介した音声接続は双方向であり、全二重接続とも呼ばれる。したがって、本システムは両方向において動作することができる。2つのデバイス間で送信されるデータのすべての符号化および変調ステップを含む接続のダウンリンクおよびアップリンクパスが図6に示されている。
図6は、デバイスAとデバイスBとの間でN個の情報要素が送信される一般的なケースを示している。デバイスAとデバイスBは、音声接続またはリンクを介して接続されており、この音声接続は、アップリンク接続とダウンリンク接続の両方を備える。アップリンクでは、情報要素610、すなわちINFO1からINFONがN次元空間を構成する。このN次元空間は、次元削減モジュール620によって1次元空間に削減される。この1次元空間は、MDFSモジュール630によって離散周波数スペクトルにマッピングされる。MDFS要素630の出力に基づいて、SGモジュール640によって信号が生成され、この信号は送信機TX650によって送信される。信号は受信機RX660によって受信され、受信後、この信号はフーリエ変換、たとえばFFTモジュール670による高速フーリエ変換にかけられ、また、その後IMDFSモジュール680によって離散周波数スペクトルの逆マッピングにかけられる。出力は、DEモジュール685による次元拡張の影響を受け、その結果、N個の情報要素690が生じる。逆の順序でダウンリンクを使用して同様の手順が実行される。
モバイル通信ネットワークにおいて音声が両方向に同時に送信される可能性があるという事実を使用すると、たとえば、UAVを同時に制御および検出することが可能になる。一般に、リアルタイム要件を満たすには400ミリ秒未満の遅延で十分であるため、データレートが低下するため、位置や高さなどの単純なセンサデータのみをドローンから基地にリアルタイムで送信することができる。
UAVの制御
以下では、前述の技法を使用してUAVが制御され得る手順を説明する。UAVを制御することは、そのような方法で制御され得るデバイスの例にすぎないことは当業者には明らかであり、車両またはコーヒーメーカーなど、モバイル通信ネットワークの一部になり得るあらゆるデバイスが、本出願に記載されている制御技法に従って実装され得ることは明らかである。
この例では、飛行コントローラを使用してUAVが制御および安定化され得、これらのデバイスは、基地局からの単純な制御コマンドのみを必要とする。そのような制御コマンドは、一般に、高度情報と高度の変化率(上昇または下降)、ピッチ(傾斜角/横軸またはピッチ軸周りの動き)、ロール(縦軸またはロール軸周りの動き)およびヨー(垂直軸またはヨー軸周りの動き)を備える。半自動飛行の場合、第5のコマンドである飛行モード(高度の維持、位置の維持、基地への復帰など)があり得る。
これらの5つの基本的な制御コマンドは、5次元空間を開く。たとえば、オーディオ信号内に6つのアクティブな周波数とFFTスペクトル内に98個の利用可能な格子点があるため、制御コマンド(クライムレート、ピッチ、ロール、ヨー)ごとの120個の異なる状態と5つの異なる飛行モードを32ミリ秒のフレームにおいて通信することが可能である。これは、UAVの滑らかな制御を提供するために十分以上でなければならない。所与の高さへの登山、基地への復帰、または自動着陸などの機能は、飛行モードを使用して実現され得る。これまでのところ、制御コマンドごとに5つの可能な状態があれば、動作制御を制御するために十分である。
UAVの位置決め
たとえば、UAVを位置決めするために、経度、緯度、および高さの情報で十分であり、特定の場合には、向きも役割を果たし得る。
緯度と経度は、移動するオブジェクトのビューからの強い相関データである。座標は、ある瞬間から別の瞬間に、小数点以下の桁でわずかにしか変化しない。この場合、差分のみを送信するだけで十分である。通信プロトコルは確認応答メッセージなしで動作するため、変化はあらかじめ定義された固定座標を参照する必要がある。高さ情報に関しては、たとえば開始点などの所与の高さに対する差分を送信するだけで十分であり得る。
例として、周波数スペクトル内に98個の格子点と6つのアクティブな周波数がある場合、0～100メートルのスケールで1メートルの分解能で高さを符号化することができる。緯度と経度は0.0002度単位で変更でき、約3kmのアクション半径が得られ、UAVは約2メートルの精度で位置決めされ得る。精度は、所与のケースに適切に適合され得る。
確認応答メッセージを考慮することにより、範囲の制限が放棄され得る。確認応答メッセージは、基準座標が定義され得る追加情報チャネルを使用し得る。このためには、UAVがアクションの半径を離れる前に、基準座標を再定義する必要がある。前述の説明では、モバイル通信システムについて言及したが、音声通信を提供する任意のモバイル通信システムが、2G、3G、4G/VoLTE、および5Gシステムなどの説明した技法で機能し得ることは明らかである。
そのような通信システムでは、人間間のコミュニケーションが自然に見えるように、音声ベースの送信技術の待ち時間は非常に短く設計されている。GSMの場合、エンドツーエンドQoSが提供されていない場合のGSM、UMTS、および/またはLTEにおけるデータチャネルと比較すると、待ち時間ははるかに短くなる。音声接続は、待ち時間、パケットジッタ、およびデータレートに関する適切なサービス品質(QoS)を有し、使用される通信システムに関係なく、接続が高速で信頼できるという事実につながる。
さらなる利点は、GSMシステムが多くの国で十分に開発されていることである。UAVがモバイル通信を介してモバイルインターネットに接続されている場合、制御ユニットは、スピーチを転送できる限り、多くの通信手段を使用して接続され得る。
説明されたシステムは、通信プロトコルが定義されたフレーム開始またはフレーム終了を必要としないため、シンプルで堅牢であるが、オーディオ信号のセクションは情報を適切にデコードするために十分である。選択されたセクションが、送信された値が変化する時点を備える場合、適切なデコードは不可能である。このケースは、周波数スペクトルを評価することによって検出することができ、スペクトルが予想よりも多くのピークおよび/または小さい振幅を備える場合、そのようなフレームは破棄され得、代わりに次のフレームが使用される。ウィンドウサイズは自由に選択でき、通常は16ミリ秒と32ミリ秒との間である。
音声接続の場合に通常そうであるように、いわゆるフラットレートが利用可能であり、このデータの転送に余分な費用はかからず、したがって、制御データの送信にかかる費用は比較的小さい。これは、通常、使用されたデータ量に対して料金を支払う必要があるモバイルインターネットの通信とは反対である。
フレーム間の遷移
音声チャネルでは、通常、音声が滑らかに変化するという事実に基づいた圧縮技術が適用される。これは、音声の場合、時間信号において不連続性がないことを意味する。信号に含まれる周波数を変更する必要がある瞬間、遷移は安定し、「ジャンプ」せずに、すなわち急激な遷移になる。
これは図7に示されており、ボックス710には、特定の周波数に関して、2つのフレーム間の急激な遷移715が示されている。ボックス720において、特定の周波数に関して、2つのフレーム間の滑らかな遷移725が描かれている。
前述したように、送信機と受信機の間には同期がなく、したがって、送信される状態情報は、分析されるフレームの期間がクリーンなスペクトルを取得するためのものである限り、少なくとも2倍送信される必要がある。これは、ある時点が任意に選択された場合にのみ有効であり、これは常に同期なしの場合であり、FFTはこの特定のウィンドウにのみ適用される。
図8は、2つの状態間の遷移を表すフレームの例を示している。ボックス810において、第1の状態のクリーンなスペクトルが、異なる周波数における4つのピーク811から814とともに示されている。状態という用語は、特定のコマンドまたはユーザデータを伝達する特定の周波数の組合せを指す。同様に、図8のボックス830はまた、第2の状態に属する4つのピーク831から834を示しているが、これらのピークは、ボックス810のピーク811から814と比較して異なる位置にある。ボックス820は、ボックス810の第1の状態とボックス830の第2の状態との間の遷移を表しており、周波数の混合のために明確なピークが含まれていないため、このスペクトルは前述のボックス810および830のスペクトルから逸脱していることが視覚的に明らかである。この混合は、予想される4つのピークよりも多くのピーク、この場合は821から827の7つのピークにつながり、これらのピークはより広く、ノイズに囲まれている。この場合、スペクトルを適切にデコードすることができない。
ボックス820のスペクトルは、スペクトルのトポロジに対応していないため、破棄される。これは、N+1個の最大ピークを検索することによって決定することができ、ここで、Nは、この例では4つのスペクトルに含まれる必要があるピークの数を表す。したがって、検出された場合、ピークN+1は、ノイズまたは異なる状態を表す異なるスペクトルの混合の結果でなければならない。
有効なフレームを識別するための可能な基準は、ピークN+1の振幅が第1のN個のピークの最小振幅より少なくとも3倍小さくなければならないことであり得る。この基準は単なる例であり、適切に適合させることができる。
予想されるピークの数に等しくないいくつかのピークを含むフレームを破棄するために使用される破棄基準の代わりに、フレームがベース周波数の整数倍に対応しない周波数を含む場合、フレームを破棄することもできる。
十分な計算能力があれば、送信機と受信機との間で一種の同期が実現され得る。これには、配列の第1のエントリを削除し、最後に新しい値を追加することによって、各オーディオサンプルの後に更新される移動配列または移動ウィンドウが使用される。同期を提供するために、アレイに記録された各サンプルの後にFFTを適用することができ、有効なフレームであるかどうかにかかわらず、上記の基準に従って結果のスペクトルが調査され得る。この場合、状態の持続時間はフレーム長の2倍である必要はない場合がある。
振幅スペクトルにおける格子点への周波数のマッピング
時間離散信号のフーリエ変換は、離散周波数スペクトルを生成し、離散フーリエ変換と呼ばれる。たとえば、FFT、高速フーリエ変換は、離散フーリエ変換を計算するための最適化されたアルゴリズムである。これは、配列の長さが2の累乗、たとえば64、128、256などであることを必要とする。離散周波数スペクトルは有限数の格子点を有するため、周波数分解能は制限される。周波数分解能Δfは、
Figure 0007203833000004
によって計算され得る。
たとえば、フレームに256個の値があり、サンプリングレートが8kHzの場合、周波数分解能は31.25Hzである。
期間と値の数を増やすことによって、周波数分解能を上げることができ、たとえば、8,000kHzにおいて512個のサンプルになる。この場合、周波数分解能は15,625Hzである。周波数分解能は、依然として区別できる2つの正弦波プロセスの最小周波数距離を示す。
その結果、周波数分解能の整数倍である周波数は、離散格子点に正確にマッピングされる。2つの格子点の間にある整数倍ではない周波数は、複数の周波数の見かけの重ね合わせとして離散周波数スペクトルに現れる。
音声コーデックとの相互作用
帯域幅を節約するために、音声は通常、モバイル通信ネットワークにおいて強く圧縮される。音声の圧縮には、時間の経過に伴う振幅の進展が比較的ゆっくりと変化することが利用される。この特性は、変調の基礎でもある。実際の実験により、現在問題なく使用されているすべてのコーデックで送信が機能することが示されている。これは、GSM、ならびにUMTSに当てはまる。このシステムはVoLTEでも動作すると仮定され得る。一次近似では、送信に使用できる帯域幅が大きいほど、コーデックによるオーディオ信号の品質の低下が少なくなる。
以下において、前述の技法に基づく実施形態が説明される。
図9は、送信デバイスから受信デバイスに制御信号を提供するための方法900のフローチャートを示している。送信デバイスと受信デバイスは、モバイル通信接続によって接続されている。この接続は音声チャネルを備える。ステップ910においてユーザデータが提供され、ユーザデータは、受信デバイスの動作を制御するために使用される制御信号を備える。ステップ920において、ユーザデータは、音声チャネルの周波数スペクトルのあらかじめ定められた数の周波数にマッピングされる。任意のステップ930において、周波数スペクトルが受信デバイスに送信される。ユーザデータのマッピング920は、図3および図4に関連して説明されたものに従って実行される。より詳細には、ステップ910において提供されるユーザデータは、受信デバイスを制御するために使用される制御信号を備える。ユーザデータは、一般的な場合、多次元であってもよく、この場合、ユーザデータの周波数へのマッピング920を容易にするために、ユーザデータは多次元空間から1次元空間に転送される。ユーザデータの周波数へのマッピングは、たとえば、図4のボックス410に記載されたステータスのうちの1つを表す特定のユーザデータを、図4のボックス420に示される周波数の特定の組合せにマッピングすることによって、図4に従って実行され得る。特定の周波数の組合せがわかるとすぐに、これらの周波数は、図3から知られる周波数スペクトル320などの周波数スペクトルにともに加算される。次いで、この周波数スペクトルは受信デバイスに送信される(930)。
図10は、モバイル通信接続を介して受信デバイスの動作を制御するための方法1000のフローチャートを示している。ステップ1010において、周波数スペクトルが受信デバイスによって受信される。ステップ1020において、周波数スペクトルがデマッピングされる。ステップ1030において、受信デバイスが、取得された制御信号に基づいて制御される。
より詳細には、周波数スペクトルが受信デバイスによって受信される(1010)。この周波数スペクトルは、あらかじめ定められた数の周波数を備え、受信デバイスの動作を制御するための制御信号が周波数にマッピングされる。周波数スペクトルの周波数は、制御信号を取得するためにデマッピングされる(1020)。このデマッピングは、周波数スペクトルに含まれる構成周波数を取得するために、周波数スペクトルのフーリエ変換を実行することを備え得る。前述のように、任意で基本周波数の整数倍の周波数が使用され、周波数スペクトルのピークの特定の振幅が抽出され得る。周波数スペクトルに含まれる周波数は、基本周波数のこれらの整数倍の特定の組合せを表し、次いで、この特定の周波数の組合せは、たとえば図4に示される表を使用して、特定の制御情報に変換される。周波数スペクトルに含まれる特定の周波数の組合せを知ると、この組合せから、図4の列410において定義されたステータスのステータスを推測することができる。周波数の組合せに接続される特定のステータスが検出されると、この1次元情報によって表される特定のステータスは、必要に応じて、図5に従って多次元空間に再び転送され得る。
図11は、音声チャネルを備えるモバイル通信接続1140によって受信デバイス1150と接続された送信デバイス1110の動作を示している。送信デバイス1110はユーザデータを提供するコントローラ1120を備え、ユーザデータは受信デバイスの動作を制御するための制御信号を備える。制御データは、コントローラ1120によってマッパ1130に提供され、マッパは、周波数スペクトルのあらかじめ定められた数の周波数にユーザデータをマッピングしている。送信デバイスは、前述の方法900に従って動作する。
図12は、送信デバイス1210と受信デバイス1230との間のモバイル通信接続を介して受信デバイス1230を制御するための受信デバイス1230を示し、通信接続1220は音声チャネルを備える。受信デバイス1230は、あらかじめ定められた数の周波数を備える周波数スペクトルを受信する受信機1240を備え、受信デバイス1230を制御するための制御信号は、あらかじめ定められた数の周波数にマッピングされる。さらに、受信デバイスは、制御信号を取得するために周波数スペクトルをデマッピングするデマッパ1250を備え、取得された制御信号に基づいて受信デバイス1230を制御するコントローラ1260を備える。
受信デバイス1230は、図10に関して定義された方法1000に従って動作する。
図11および図12に示されるモバイル通信接続は、たとえばGSMシステムで使用される場合は回線交換モバイル通信であってもよいが、たとえばUMTS、LTE、または5Gシステムで使用されるパケット交換通信接続であってもよい点に留意されたい。
上述したように、本発明の実施形態によれば、特定の制御またはステータス情報、あるいはワードは、各ステータスワードに関連付けられる離散周波数スペクトルの一意の構造によって表され得る。図4を参照して上記で説明したように、たとえば、ステータスワードの送信に61個の周波数を含む周波数スペクトルを使用する場合、各ステータスワード410は、スペクトルの各異なる周波数位置において生じる離散周波数スペクトルにおける3つのピークによって表され得、それによって、ステータスワード410ごとに、離散周波数スペクトルの一意の構造を定義する。言い換えれば、図4を検討すると、ステータスワード「0」は、第1、第2、および第3の周波数位置にピーク有する周波数スペクトルによって表されるが、たとえば、ステータスワード「16」は、第1、第3、および第5の周波数または周波数ビンにおいて発生する周波数スペクトルにおける3つのピークによって表される。それぞれのステータスワードは、受信デバイスを制御するために使用される様々な制御ワードに関連付けられ得、または言い換えると、ステータスワードは、受信デバイスに送信される特定の制御命令を表し得、それに応答してデバイスがその動作を変更する可能性がある。
実施形態によれば、音声チャネルを介してそれぞれのステータスワードを送信するために使用される周波数スペクトルは、高い圧縮率を達成するために、周波数ビンの総数よりも実質的に少ない数のピークを含む。使用されるピークの数は、図4のような3つのピークと、10個のピークとの間であることが好ましい。図4を参照して上述したように、周波数スペクトルにおける3つのピークによって表されなければならないステータスワードを送信するために、図4のステータスワード410の各々は、3つの「1」のみを含む一意のバイナリワードによって表され得る。たとえば、図4では、61個のビットのワードが使用され得、各ワードは3つの「1」のみを含み、残りのビット位置は「ゼロ」である。言い換えれば、図4では、垂直バーは「1」を表すと見なされ得、「ドット」は「ゼロ」を表すと見なされ得、したがって、ステータスワード410の各々について一意の61個のビットワードが存在する。図4の各ステータスワードを表す61個のビットワードは、たとえば、チャネルを介して送信され、以下で図13を参照してより詳細に説明される方法でOFDMデコーダにおいてデコードされる送信信号を生成するOFDMエンコーダに適用され得る。
当然、本発明の手法は、図4に示されるような各ステータスワードの表現に限定されず、むしろ複数のステータスワード410を表すために3から10個の間のビットを含む任意のバイナリワードが使用され得、各ステータスワードは一意のビットの組合せによって表される。したがって、他の実施形態によれば、前述のように、ビット数は図4の実施形態より少なくてもよく、たとえば、複数の一意のステータスワードを表すための8つの「1」をそれぞれ含む11個のビットワードが提供され得る。たとえば、受信デバイスに送信される特定のコマンドに関連付けられ得る、値「983」を有するステータスワードは、11個のビットワード「01111010111」によって表され得る。そのような場合、入力ビットワードまたはビットストリームは、ワイヤレス通信システムの音声チャネルを介した送信のために入力データをエンコードするために使用されるOFDMエンコーダにとって十分に長くない場合がある。そのような場合、入力ビットワードまたはビットストリームが拡張される。
図13は、OFDMエンコード/デコードを使用してワイヤレス通信チャネルを介してビットワードを送信するための実施形態を説明している。図13の例では、図示される例において、送信される特定の制御情報に関連付けられている値「983」を表す上述のビットストリームに対応する入力ビットストリーム1300が表されている。入力ビットストリーム1300は、OFDMエンコード/デコードエンティティが動作する基礎となる入力ビットストリームの長さより短い長さを有する。したがって、拡張アルゴリズム1302が入力ビットストリーム1300に適用され、拡張ビットストリーム1304が生成される。上述のように、チャネル上の周波数スペクトルにおけるピークの数は、3と10の間のピークであることが好ましく、そのため、入力ビットストリーム1300を拡張ビットストリーム1304に拡張することは、入力ビットストリーム1300における、および拡張ビットストリーム1304における「1」の数が同一または同じであるように、拡張アルゴリズム1302によって実行される。言い換えると、示された実施形態では、拡張アルゴリズム1302は、11ビットワード1302を拡張された34ビットワード1304に拡張するために「ゼロ」を挿入する。当然、エンコーダ/デコーダの実装形態および利用可能な周波数に応じて、拡張ビットワード1304におけるビット数は異なる場合がある。
図13の実施形態の拡張ビットストリームは、図4と同様の方法で表される場合、図14に表される。図14では、図4と同様に、それぞれのステータスワードが領域1410内に表され、離散周波数スペクトルがセクション1402内に示されており、垂直バーはスペクトル内のピークを示し、ドットはスペクトル内のゼロを示している。したがって、図13および図14の例では、ステータスワードの各々は、8つの「1」を含む一意の34ビットワードによって表され、値983を表す例示的なビットワード1300も図14の1430に示されている。
拡張アルゴリズム1302は、たとえば、それぞれ異なる制御ワードを表す11個のビットワード1300の各々を一意の拡張ビットワードにマッピングし、次いで、それらがOFDMエンコーダ1306に適用される、コードブックを使用することによって、一意の入力ビットストリーム1300ごとに対応する一意の拡張ビットストリーム1304が取得されるように動作する。
OFDMエンコーダ1306は、逆高速フーリエ変換に適用される34個のパラレル入力ストリームを取得するために、入力信号s(n)として受信し、シリアルからパラレルへの変換を実行する。エンコーダ1306は、OFDMデコーダを含む受信機の受信アンテナにワイヤレスチャネル1308を介して送信機のアンテナを介して送信されるアナログ信号s(t)を出力する。より具体的には、チャネル1308を介して受信機のアンテナにおいて受信される信号r(t)は、デコードされた拡張ビットストリーム1304'を含むデコード信号s(n)を出力において生成するOFDMデコーダ1310に入力される。拡張ビットストリーム1304'は、受信機において受信した拡張ビットストリーム1304'に基づいて、入力ビットストリーム1300によって表される元の制御ワードまたは値を表す出力ビットストリーム1300'を生成するように、およびこれに基づいて、受信機がその動作を直ちに制御できるように、削減アルゴリズム1312に適用される。図13に示されるように、実施形態によれば、OFDMエンコーダ1306およびOFDMデコーダ1310は、サブキャリア(オン)の存在がバイナリ1を表し、その不存在(オフ)がバイナリゼロを表すようにオン/オフ符号化を適用する。
削減アルゴリズム1312は、拡張ビットストリームの各々を一意の出力ビットストリームにマッピングするコードブックが提供されるという点で、拡張アルゴリズム1302と同様の方法で動作し得、やはり、拡張ビットストリーム1304'と出力ビットストリーム1300'は、同じ数の「1」を含む。
図13では、エンコーダ1306の出力における位置(1)、デコーダ1310の入力における位置(2)、およびデコーダ1310の出力における位置(3)が示されており、図15および図16は、位置(1)、(2)、および(3)におけるそれぞれの信号のグラフである。
上述の実施形態では、使用される周波数スペクトルの周波数が周波数分解能の整数倍に対応し、したがってそれぞれのサンプリング点が格子の上にあるようにすることが好ましいことが述べられた。図15は、周波数分解能の整数倍である搬送周波数を採用した場合の、図13の位置(1)、(2)、および(3)における各信号の例を示している。図15(a)は8つのアクティブビンを有するエンコーダ出力信号を示し、図15(b)は8つのアクティブビンを有するデコーダ入力信号を示している。図15(c)左は、8つのアクティブビンを有するデコーダ出力信号を示している。図15(c)左は、複数の送信を含む出力信号を示しており、すなわち、複数のステータスワードが存在し、説明した例では、図15(c)左の中央部分は、スペクトル(拡張ビットワード1304に関連付けられるスペクトル)の関連部分を示す興味の対象であり、図15(c)右は、図15(c)左の中央部分の拡大図である。
図15(a)および図15(b)は、描かれた例では8kHzのサンプリングレートで256サンプルの長さを有するオーディオ信号または実信号のスペクトルを示している。これは、必要な同期で情報をエンコードする1つのフレームである。周波数分解能は8000Hz/256=31,25Hzである。図15(c)左および図15(c)右は、OFDMデコーダのFFT後の出力を示している。図15(c)右から、定義された1の数を有する拡張ビットストリームを直接取得することができる。図15の例では、搬送周波数は周波数分解能の整数倍である。図15(c)右のスペクトルは、図15(a)および図15(b)のスペクトルのミラーされたものであり、すなわち、ピークの順序が反転またはミラーされている点に留意されたい。
本発明の手法は、周波数スペクトルの周波数が周波数分解能の整数倍に使用される上述の実施形態に限定されない。実際に、エンコード/デコードプロセスの実装形態に応じて、OFDMエンコーダ1306において生成された周波数スペクトルにおいて発生するそれぞれの周波数は、周波数分解能の整数倍ではない可能性があり、すなわち、格子から外れている場合がある。
図16は、周波数分解能の整数倍ではない搬送周波数を採用した場合の、図13の位置(1)、(2)、および(3)におけるそれぞれの信号の例を示している。図16(a)は8つのアクティブビンを有するエンコーダ出力信号を示し、図16(b)は8つのアクティブビンを有するデコーダ入力信号を示している。図16(c)左は、8つのアクティブビンを有するデコーダ出力信号を示している。図16(c)左は、複数の送信を含む出力信号を示しており、すなわち、複数のステータスワードが存在し、説明した例に関しては、図16(c)左の中央部分が、スペクトルの関連部分(拡張ビットワード1304に関連付けられるスペクトル)を示し、興味の対象であり、図16(c)右は図16(c)左の中央部の拡大図である。
図16(a)および図16(b)は、描かれた例では8kHzのサンプリングレートで256サンプルの長さを有するオーディオ信号または実信号のスペクトルを示している。これは、必要な同期で情報をエンコードする1つのフレームである。周波数分解能は8000Hz/256=31,25Hzである。図16(c)左および図16(c)右は、OFDMデコーダのFFT後の出力を示している。図16(c)右から、定義された1の数を有する拡張ビットストリームを直接取得することができる。図16の例では、搬送周波数は周波数分解能の整数倍ではなく、したがって、図16(c)左および図16(c)右に示されるように、オーディオ信号がOFDMデコーダの復調器を通過した後にのみ、ピークを検出することができる。図16(c)右のスペクトルは、図15(c)右と同様に、図16(a)および図16(b)のスペクトルのミラーされたものであり、すなわち、ピークの順序が反転またはミラーされている点に留意されたい。
上述の実施形態のうちのいくつかにおいて、2G、3G、4G/VoLTEおよび5Gシステムのようなセルラーモバイル通信システムが参照されたが、本発明はそのような実施形態に限定されない。むしろ、本明細書で説明する本発明の手法を実装するために、音声または通信チャネルを使用して音声通信を提供する任意のモバイルまたはワイヤレス接続が使用され得る。通信または音声チャネルは、1人または複数の送信者から1人または複数の受信者に情報信号、たとえばデジタルビットストリームをワイヤレスで伝達するために使用される任意のチャネルであり得る。実施形態によれば、チャネルは、空気および/または水を介して送信される電波を使用する無線チャネルであってもよい。チャネルは、アナログまたはデジタル無線システム、たとえば、警察、救急車、または消防士などの緊急サービスによって使用される無線電話などの無線電話または衛星電話を使用するシステムの音声または音響チャネルであり得る。
他の実施形態によれば、電波ではなく、チャネルは、音波のような他の波、たとえば水中での送信用の超音波を使用するチャネルであってもよい。
上述のように、本発明の手法は、制御情報を送信するためのワイヤレス通信システムの音声チャネルを使用するため、実施形態に従って、制御情報をデバイスに同時に送信し、デバイスからデータを受信するために、音声が両方向に同時に送信され得るそのような音声チャネルの特性(全二重特性)が使用され得る。たとえば、デバイスの位置および高さなどのセンサデータは、ドローンから基地にリアルタイムで送信され得る。これは、基地とデバイスとの間の見通し線をはるかに超えてモバイルデバイスの範囲を拡張できるため、有利である。たとえば、環境内のデバイスの仮想ビューを提供するために、受信したデータが使用され得る。他の実施形態によれば、視覚情報またはオーディオ情報は、たとえば圧縮された形式で、デバイスから基地に送信され得る。他の実施形態によれば、デバイスが1つまたは複数のセンサおよび/またはアクチュエータを備えている場合、デバイスは、センサによって取得された基本データ、あるいはセンサまたはアクチュエータに関するデータに戻ることができる。デバイスから基地にデータを送信する可能性は、音声チャネルの帯域幅に依存してもよく、音声チャネルの帯域幅によって制限されてもよい。
上記の実施形態のいくつかでは、制御されるデバイスとしてドローンまたはUAVが参照されたが、本発明はそのような実施形態に限定されない。むしろ、任意の遠隔デバイス、たとえば、地上船舶、あるいは乗り物、水上船舶、または潜水艦のような海上船舶が制御され得る。
説明された概念のいくつかの態様が装置の文脈で説明されたが、これらの態様は、ブロックまたはデバイスが方法のステップまたは方法のステップの特徴に対応する、対応する方法の説明も表すことは明らかである。同様に、方法のステップの文脈で説明される態様は、対応するブロックまたはアイテム、あるいは対応する装置の機能の説明も表す。
本発明の様々な要素および特徴は、アナログおよび/またはデジタル回路を使用するハードウェアに、ソフトウェアに、1つまたは複数の汎用あるいは専用プロセッサによる命令の実行を通じて、あるいはハードウェアとソフトウェアの組合せとして実装され得る。たとえば、本発明の実施形態は、コンピュータシステムまたは別の処理システムの環境において実装され得る。ユニットまたはモジュール、ならびにこれらのユニットによって実行される方法のステップは、1つまたは複数のコンピュータシステム上で実行し得る。コンピュータシステムは、専用または汎用のデジタルシグナルプロセッサのような1つまたは複数のプロセッサを含み得る。プロセッサは、バスまたはネットワークなどの通信インフラストラクチャに接続され得る。コンピュータシステムは、たとえばランダムアクセスメモリ(RAM)などのメインメモリと、たとえばハードディスクドライブおよび/またはリムーバブルストレージドライブなどのセカンダリメモリとを含み得る。セカンダリメモリは、コンピュータプログラムまたは他の命令がコンピュータシステムにロードされることを可能にし得る。コンピュータシステムは、ソフトウェアおよびデータがコンピュータシステムと外部デバイスとの間で転送されることを可能にする通信インターフェースをさらに含み得る。通信は、電子的、電磁的、光学的、または通信インターフェースによって処理可能な他の信号の形式であり得る。通信は、ワイヤまたはケーブル、光ファイバ、電話回線、セルラー電話リンク、RFリンク、および他の通信チャネルを使用し得る。
「コンピュータプログラム媒体」および「コンピュータ可読媒体」という用語は、リムーバブルストレージユニットまたはハードディスクドライブにインストールされたハードディスクなどの有形のストレージメディアを一般的に指すために使用される。これらのコンピュータプログラム製品は、前述のコンピュータシステムなどのコンピュータシステムにソフトウェアを提供するための手段である。コンピュータ制御ロジックとも呼ばれるコンピュータプログラムは、メインメモリおよび/またはセカンダリメモリに記憶される。コンピュータプログラムはまた、通信インターフェースを介して受信され得る。コンピュータプログラムは、実行されると、コンピュータシステムが本発明を実装することを可能にする。具体的には、コンピュータプログラムは、実行されると、プロセッサが本明細書に記載の方法のうちのいずれかなどの本発明のプロセスを実装することを可能にする。したがって、そのようなコンピュータプログラムは、コンピュータシステムのコントローラを表し得る。本開示がソフトウェアを使用して実装される場合、ソフトウェアは、コンピュータプログラム製品に記憶され、リムーバブルストレージドライブ、通信インターフェースなどのインターフェースを使用してコンピュータシステムにロードされ得る。
ハードウェアまたはソフトウェアにおける実装形態は、電子的可読制御信号を記憶し、それぞれの方法が実行されるように、プログラム可能なコンピュータシステムと協働する(または協働することができる)、デジタルストレージ媒体、たとえばクラウドストレージ、フロッピーディスク、DVD、ブルーレイ、CD、ROM、PROM、EPROM、EEPROM、またはフラッシュメモリを使用して実行され得る。したがって、デジタルストレージ媒体はコンピュータ可読であり得る。
本発明によるいくつかの実施形態は、本明細書に記載の方法のうちの1つが実行されるように、プログラム可能なコンピュータシステムと協働することができる電子的可読制御信号を有するデータ担体を備え得る。
一般に、本発明の実施形態は、プログラムコードを備えたコンピュータプログラム製品として実装され得、プログラムコードは、コンピュータプログラム製品がコンピュータ上で実行されるときに方法のうちの1つを実行するために動作する。プログラムコードは、たとえば、機械可読担体に記憶され得る。
他の実施形態は、機械可読担体に記憶された、本明細書に記載の方法のうちの1つを実行するためのコンピュータプログラムを備える。言い換えれば、したがって、本発明の方法の実施形態は、コンピュータプログラムがコンピュータ上で実行されるときに、本明細書に記載の方法のうちの1つを実行するためのプログラムコードを有するコンピュータプログラムである。
したがって、本発明の方法のさらなる実施形態は、本明細書に記載の方法のうちの1つを実行するためのコンピュータプログラムを備え、記録した、データ担体(または、デジタルストレージ媒体、またはコンピュータ可読媒体)を備え得る。したがって、本発明の方法のさらなる実施形態は、本明細書に記載の方法のうちの1つを実行するためのコンピュータプログラムを表すデータストリームまたは信号のシーケンスである。たとえば、データストリームまたは信号シーケンスは、たとえばインターネットなどのデータ通信接続を介して転送されるように構成され得る。さらなる実施形態は、本明細書に記載の方法のうちの1つを実行するように構成または適合された処理手段、たとえばコンピュータ、またはプログラマブルロジックデバイスを備える。さらなる実施形態は、本明細書に記載の方法のうちの1つを実行するためのコンピュータプログラムがインストールされたコンピュータを備える。
いくつかの実施形態では、本明細書に記載の方法の機能のうちのいくつかまたはすべてを実行するために、プログラマブルロジックデバイス(たとえば、フィールドプログラマブルゲートアレイ)が使用され得る。いくつかの実施形態では、フィールドプログラマブルゲートアレイは、本明細書に記載の方法のうちの1つを実行するためにマイクロプロセッサと協働し得る。一般に、これらの方法は、任意のハードウェア装置によって実行されることが好ましい。
上述の実施形態は、本発明の原理の単なる例示にすぎない。本明細書に記載の構成および詳細の修正および変更は、他の当業者には明らかであることを理解されたい。したがって、本明細書の実施形態の説明および解説として提示される特定の詳細によってではなく、特許請求の範囲によってのみ限定されることが意図されている。
100 ワイヤレスネットワーク
102 コアネットワーク
104 無線アクセスネットワーク
210 オーディオ信号
310 ボックス
312 ボックス
314 ボックス
316 ボックス
318 加算器
320 ボックス、周波数スペクトル
322 FFTモジュール
330 ボックス
400 マッピングテーブル
410 ステータス列、ボックス、ステータスワード
420 列、ボックス
610 情報要素
620 次元削減モジュール
630 MDFSモジュール、MDFS要素
640 SGモジュール
650 送信機TX
660 受信機RX
670 FFTモジュール
680 IMDFSモジュール
685 DEモジュール
710 ボックス
715 急激な遷移
720 ボックス
725 滑らかな遷移
810 ボックス
811から814 ピーク
820 ボックス
821から827 ピーク
830 ボックス
831から834 ピーク
900 方法
1000 方法
1061から1065 セル
1081 矢印
1082 矢印
1083 矢印
1101 IoTデバイス
1102 IoTデバイス
1110 送信デバイス
1120 コントローラ
1121 矢印
1121 矢印
1141から1145 バックホールリンク
1140 モバイル通信接続
1150 受信デバイス
1210 送信デバイス
1220 通信接続
1230 受信デバイス
1240 受信機
1250 デマッパ
1260 コントローラ
1300 マッパ、入力ビットストリーム、ビットワード
1300' 出力ビットストリーム
1302 拡張アルゴリズム、ビットワード
1304 拡張ビットストリーム、拡張ビットワード
1304' 拡張ビットストリーム
1306 OFDMエンコーダ
1308 ワイヤレスチャネル
1310 OFDMデコーダ
1312 削減アルゴリズム
1410 領域
1402 セクション
2151から2154 フレーム
2201から2204 周波数スペクトル

Claims (28)

  1. 送信デバイスと受信デバイスとの間のモバイル通信接続を使用して、前記送信デバイスから前記受信デバイスへ送信するための制御信号を提供するための方法であって、前記モバイル通信接続が音声チャネルを備え、前記方法が、
    前記送信デバイスにおいてユーザデータを提供するステップ(910)であって、前記ユーザデータが前記制御信号を備え、前記制御信号が前記受信デバイスの動作を制御するために使用される、ステップと、
    前記送信デバイスにおいて、前記モバイル通信接続の前記音声チャネルの周波数スペクトルのあらかじめ定められた数の周波数に前記ユーザデータをマッピングするステップ(920)と
    を備え、
    前記ユーザデータが複数のデータ要素を備え、前記ユーザデータをマッピングするステップが、各データ要素を周波数の一意の組合せに割り当てるステップを備え、
    各データ要素を周波数の一意の組合せに割り当てるステップが、各データ要素を複数の格子点を有する一意の離散周波数スペクトルによって表されるようにし、前記離散周波数スペクトルが、前記複数の格子点のサブセットでピークを備え、残りの前記格子点でゼロを備え、
    ピークの数はゼロの数よりも実質的に少ない、方法。
  2. 前記周波数スペクトルの前記周波数が、基本周波数の整数倍に対応する、請求項1に記載の方法。
  3. 前記あらかじめ定められた数の周波数が周波数のサブセットを備え、周波数の前記サブセットが、利用可能な周波数の最大数までの少なくとも1つの周波数を備える、請求項1または2のいずれか一項に記載の方法。
  4. 利用可能な周波数の最大数が、基本周波数で除算された前記音声チャネルの周波数範囲の商に対応する整数よりも小さい、請求項1から3のいずれか一項に記載の方法。
  5. 周波数の前記組合せへの前記データ要素の前記割り当てがコードブックに基づく、請求項1から4のいずれか一項に記載の方法。
  6. 前記周波数スペクトルを前記送信デバイスから前記受信デバイスに送信するステップ(930)をさらに備える、請求項1から5のいずれか一項に記載の方法。
  7. 送信することが、前記ユーザデータの変更が発生するまで、同じ周波数スペクトルを繰り返しまたは連続して送信することをさらに備える、請求項1から6のいずれか一項に記載の方法。
  8. 前記モバイル通信接続の前記音声チャネルの周波数スペクトルのあらかじめ定められた数の周波数に前記ユーザデータをマッピングする前記ステップが、
    前記ユーザデータをビットワードによって表すステップであって、複数のユーザデータの各々に対して一意のビットワードが提供され、各一意のビットワードが同じあらかじめ定義された数の1を有する、ステップと、
    OFDMエンコーダの入力ワード長に対応する長さを有する拡張ビットワードを取得するように、前記ビットワードを拡張ビットワードに拡張するステップと
    を備える、請求項1から7のいずれか一項に記載の方法。
  9. 1の前記数がゼロの数よりも実質的に少なく、好ましくは1の前記数が3と10との間にある、請求項8に記載の方法。
  10. 送信デバイスと受信デバイスとの間のモバイル通信接続を介して前記受信デバイスの動作を制御するための方法であって、前記モバイル通信接続が音声チャネルを備え、前記方法が、
    前記受信デバイスにおいて、周波数スペクトルを受信するステップ(1010)であって、前記周波数スペクトルが、前記モバイル通信接続の前記音声チャネルの周波数スペクトルのあらかじめ定められた数の周波数を備え、前記受信デバイスの前記動作を制御するための制御信号を備えるユーザデータが前記あらかじめ定められた数の周波数にマッピングされる、ステップと、
    前記受信デバイスにおいて、前記周波数スペクトルのデマッピングを実行して前記制御信号を取得するステップ(1020)と、
    前記取得された制御信号に基づいて前記受信デバイスを制御するステップ(1030)とを備え、
    ユーザデータが複数のデータ要素を備え、前記ユーザデータが、各データ要素が複数の格子点を有する一意の離散周波数スペクトルによって表されるように、各データ要素を周波数の一意の組合せに割り当てることによって、前記あらかじめ定められた数の周波数にマッピングされ、前記離散周波数スペクトルが、前記複数の格子点のサブセットでピークを備え、残りの前記格子点でゼロを備え、
    ピークの数はゼロの数よりも実質的に少ない、方法。
  11. 前記受信デバイスが、周波数の一意の組合せをそれぞれの制御信号に割り当てるように適合されたコードブックを備える、請求項10に記載の方法。
  12. 前記周波数スペクトルがフレームとして受信され、前記方法が、
    前記フレーム内の周波数の前記数が、あらかじめ定められた周波数の数に等しくない場合、フレームを破棄するステップをさらに備える、請求項10または11に記載の方法。
  13. 前記デマッピングを実行する前記ステップが、
    前記受信デバイスにおいて、前記周波数スペクトルに対してフーリエ変換(FT)を実行してFTスペクトルを取得するステップと、
    前記受信デバイスにおいて、基本周波数の整数倍に対応する周波数で前記FTスペクトルのピークの振幅を抽出するステップと
    を備える、請求項10から12のいずれか一項に記載の方法。
  14. 前記受信デバイスにおいて、前記抽出された振幅の前記周波数を、コードブックを使用して制御信号に変換するステップをさらに備える、請求項13に記載の方法。
  15. 前記基本周波数が、前記FTの周波数分解能に対応する、請求項13または14に記載の方法。
  16. 前記モバイル通信接続の前記音声チャネルの前記周波数スペクトルをデマッピングする前記ステップが、
    前記受信した周波数スペクトルを使用して、OFDMデコーダによって拡張ビットワードを取得するステップと、
    ユーザデータを表すビットワードを取得するように拡張ビットワードを削減するステップであって、複数のユーザデータの各々に対して一意のビットワードが提供され、各一意のビットワードが同じあらかじめ定義された数の1を有する、ステップと
    を備える、請求項10から15のいずれか一項に記載の方法。
  17. 1の前記数がゼロの数よりも実質的に少なく、好ましくは1の前記数が3と10との間にある、請求項16に記載の方法。
  18. 前記受信デバイスから前記送信デバイスにデータを送信するステップを備える、請求項1から17のいずれか一項に記載の方法。
  19. 前記音声チャネルが両方向への同時送信を提供し、データが、前記送信デバイスから前記受信デバイスに、および前記受信デバイスから前記送信デバイスに同時に送信される、請求項1から18のいずれか一項に記載の方法。
  20. 制御システムのための方法であって、前記制御システムが送信デバイス、受信デバイス、および前記送信デバイスと前記受信デバイスとの間のモバイル通信接続を備え、前記方法が、
    請求項1から9のいずれか一項に記載の方法に従って、前記送信デバイスから前記受信デバイスに制御信号を提供するステップと、
    請求項10から17のいずれか一項に記載の方法に従って、前記受信デバイスの動作を制御するステップと
    を備える、方法。
  21. 前記受信デバイスから前記送信デバイスにデータを送信するステップを備える、請求項20に記載の方法。
  22. 前記音声チャネルが両方向への同時送信を提供し、データが、前記送信デバイスから前記受信デバイスに、および前記受信デバイスから前記送信デバイスに同時に送信される、請求項20または21に記載の方法。
  23. コンピュータ上で実行されると、前記コンピュータに、請求項1から22のいずれか一項に記載の方法を実行させる命令を含む、非一時的コンピュータプログラム。
  24. 送信デバイス(1110)と受信デバイス(1150)との間のモバイル通信接続(1140)を使用して、前記送信デバイスから前記受信デバイス(1150)への送信のための制御信号を提供するための送信デバイス(1110)であって、前記モバイル通信接続(1140)が音声チャネルを備え、前記送信デバイス(1110)が、
    ユーザデータを提供するように適合されたコントローラ(1120)であって、前記ユーザデータが前記制御信号を備え、前記制御信号が、前記受信デバイス(1150)の動作を制御するために使用される、コントローラと、
    前記モバイル通信接続(1140)の前記音声チャネルの周波数スペクトルのあらかじめ定められた数の周波数に前記ユーザデータをマッピングするように適合されたマッパ(1130)とを備え、
    ユーザデータが複数のデータ要素を備え、前記マッパが、各データ要素が複数の格子点を有する一意の離散周波数スペクトルによって表されるように、各データ要素を周波数の一意の組合せに割り当てることによって、前記あらかじめ定められた数の周波数に前記ユーザデータをマッピングするように適合され、前記離散周波数スペクトルが、前記複数の格子点のサブセットでピークを備え、残りの前記格子点でゼロを備え、
    ピークの数はゼロの数よりも実質的に少ない、送信デバイス。
  25. 前記送信デバイスが、前記受信デバイスからデータを受信するように構成される、請求項24に記載の送信デバイス(1110)。
  26. 送信デバイス(1210)と受信デバイス(1230)との間のモバイル通信接続(1220)を介して前記受信デバイス(1230)の動作を制御するための受信デバイス(1230)であって、前記モバイル通信接続(1220)が音声チャネルを備え、前記受信デバイス(1230)が、
    周波数スペクトルを受信するように適合された受信機(1240)であって、前記周波数スペクトルが、前記モバイル通信接続(1220)の前記音声チャネルの周波数スペクトルのあらかじめ定められた数の周波数を備え、前記受信デバイス(1230)の前記動作を制御するための制御信号を備えるユーザデータが、前記あらかじめ定められた数の周波数にマッピングされる、受信機と、
    前記周波数スペクトルのデマッピングを実行して前記制御信号を取得するように適合されたデマッパ(1250)と、
    前記取得された制御信号に基づいて前記受信デバイス(1230)を制御するように適合されたコントローラ(1260)と
    を備え、
    ユーザデータが複数のデータ要素を備え、前記ユーザデータが、各データ要素が複数の格子点を有する一意の離散周波数スペクトルによって表されるように、各データ要素を周波数の一意の組合せに割り当てることによって、前記あらかじめ定められた数の周波数にマッピングされ、前記離散周波数スペクトルが、前記複数の格子点のサブセットでピークを備え、残りの前記格子点でゼロを備え、
    ピークの数はゼロの数よりも実質的に少ない、受信デバイス。
  27. 前記受信デバイスが、前記送信デバイスにデータを送信するように構成される、請求項26に記載の受信デバイス(1230)。
  28. 請求項24または25に記載の送信デバイス(1110)、請求項26または27に記載の受信デバイス(1230)、および前記送信デバイス(1110)と前記受信デバイス(1230)との間のモバイル通信接続(1140、1220)を備える、システム。
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