JP7280654B1 - 制御装置、コードブック生成装置、制御方法、コードブック生成方法及びプログラム - Google Patents

制御装置、コードブック生成装置、制御方法、コードブック生成方法及びプログラム Download PDF

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Abstract

ＩＲＳのターゲットから取得される参照値から特定される代表値とＩＲＳの制御パターンとの対応関係を示すコードブックと、前記参照値に基づいて、前記ＩＲＳの制御パターンを選択する制御パターン選択部と、前記制御パターンに基づいて、前記ＩＲＳを制御する制御部と、を備え、前記コードブックは、ＩＲＳのターゲットの参照値の複数のサンプルを複数のクラスタにクラスタリングし、各クラスタにクラスタリングされた参照値から各クラスタにおける代表値を算出し、代表値に対応する制御パターンを算出し、代表値と制御パターンの対応関係を算出することで生成されたものである、制御装置。

Description

本発明は、制御装置、コードブック生成装置、制御方法、コードブック生成方法及びプログラムに関する。
ネットワーク性能を改善する手段として、ＩＲＳ(Intelligent Reflecting Surface)がある。ＩＲＳは、電磁気特性を自由に制御することができる微小な構造体であるメタマテリアル素子を集積したデバイスである。メタマテリアル素子を制御することでデバイスに入射した電磁波を任意の方向に反射させることができる。通常、ＩＲＳを制御するときには電磁波環境を把握するためにＣＳＩ(Channel State Information)が必要である。
H. Guo, Y. Liang, J. Chen and E. G. Larsson, "Weighted Sum-Rate Maximization for Reconfigurable Intelligent Surface Aided Wireless Networks," in IEEE Transactions on Wireless Communications, vol. 19, no. 5, pp. 3064-3076
しかし、ＩＲＳは受動デバイスであり、情報を送受信することができない。そのため、ＣＳＩを収集するデバイスをＩＲＳとは別に設け、ＩＲＳに接続する必要がある。そのため、費用がかかり、又は技術的に負担となることがある。
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、ＣＳＩを必要とせず、ＩＲＳを制御することができる制御装置を提供することを目的とする。
本発明の一態様は、反射対象の参照値と、代表値とＩＲＳの制御パターンの対応関係を示すコードブックに基づいて、前記参照値と同じクラスタである代表値に対応する制御パターンを決定する制御パターン選択部と、前記制御パターンに基づいて、前記ＩＲＳを制御する制御部と、を備え、前記コードブックは、参照値をクラスタに分類し、各クラスタにおいて代表値を生成し、代表値に対応する制御パターンを生成することで生成されたものである、 制御装置である。
本発明によれば、ＣＳＩを必要とせず、ＩＲＳを制御することができる。
本実施形態の電磁波制御システム１の構成例を示す図である。 本実施形態の制御装置２０の構成例を示す図である。 本実施形態のコードブック生成装置３０の構成例を示す図である。 代表値の一例を示す図である。 制御装置２０の動作を示すフローチャートである。 コードブック生成装置３０の動作を示すフローチャートである。 シミュレーションの環境を示す図である。 シミュレーションにおけるパラメータを示す図である。 第２の方法により生成された代表値を示す図である。 ターゲット５０の位置を一様分布としたときのＳＮＲの比較を示す図である。 ターゲット５０の位置をガウス分布としたときのＳＮＲの比較を示す図である。
図１は、本実施形態の電磁波制御システム１の構成例を示す図である。電磁波制御システム１は、ＩＲＳ１０、制御装置２０、コードブック生成装置３０を備える。電磁波制御システム１は、ＩＲＳ１０が制御装置２０により制御されることで、ＩＲＳ１０に例えば波源４０（例えば、ＢＳ(Base Station)）から入射した電磁波がターゲット５０（例えば、ＵＥ(User Equipment)）の方向に反射される。制御装置２０による制御は、コードブック生成装置３０により生成されるコードブックに基づく。
図２は、本実施形態の制御装置２０の構成例を示す図である。制御装置２０は、参照値取得部２１、制御パターン選択部２２、制御部２３、記憶部２５を備える。記憶部２５は、コードブック２５Ａを備える。
参照値取得部２１は、ターゲット５０の参照値を取得する。ターゲット５０の参照値は例えばターゲット５０の位置情報である。参照値取得部２１は、例えばアンテナ１１又はセンサ１２により収集されたターゲット５０の位置情報を取得する。アンテナ１１又はセンサ１２は、例えば波源４０が発する電磁波よりも低い周波数帯の電磁波を用いてターゲット５０の位置情報を収集する。アンテナ１１又はセンサ１２は、例えばＩＲＳ１０により備えられる。
制御パターン選択部２２は、参照値取得部２１により取得された参照値及び記憶部２５により記憶されたコードブック２５Ａに基づいて、ＩＲＳ１０の制御パターンを選択する。コードブック２５Ａは、代表値と制御パターンの対応関係を示す。制御パターン選択部２２は、参照値取得部２１により取得された参照値と同じクラスタである代表値に対応する制御パターンを、制御部２３による制御のパターンと決定する。コードブック２５Ａの生成方法については後述する。
制御部２３は、制御パターン選択部２２により選択された制御パターンに基づいてＩＲＳ１０を制御する。
図３は、本実施形態のコードブック生成装置３０の構成例を示す図である。コードブック生成装置３０は、参照値サンプル取得部３１、代表値算出部３２、制御パターン算出部３３、コードブック生成部３４、コードブック出力部３５を備える。
参照値サンプル取得部３１は、ターゲット５０の参照値の複数のサンプルを取得する。ターゲット５０の参照値は例えばターゲット５０の位置情報である。参照値サンプル取得部３１は、コードブック生成のために作成された参照値のデータセットを取得するが、参照値取得部２１と同様の手法により参照値を取得してもよい。
代表値算出部３２は、参照値サンプル取得部３１により取得された参照値に基づいて代表値を算出する。算出される代表値の数ｋは予め２以上の任意の整数に設定される。代表値算出部３２は、以下の手順により代表値を算出する。代表値算出部３２は、初めに参照値のサンプルをその値に基づいて代表値の数ｋと同じ数のクラスタにクラスタリングする。例えば、参照値が位置情報である場合は、位置情報が示す位置に基づいてクラスタにクラスタリングする。その後、各クラスタにおいてクラスタに含まれる参照値の平均を代表値とする。例えば、参照値が位置情報である場合は、代表値は、位置情報が示す位置の中心である。
その後、代表値算出部３２は、各クラスタにおいて、代表値と参照値との差の総和を各クラスタにおける「歪み」として算出する。例えば、参照値が位置情報である場合は、代表値と参照値との差は、代表値が示す位置と位置情報が示す位置との距離である。
代表値算出部３２は、各クラスタにおける「歪み」の総和を算出する。代表値算出部３２は、「歪み」の総和が最小となるように参照値の各クラスタのクラスタリングを決定する。これは例えばk-meansアルゴリズムを用いることで達成される。最終的に代表値算出部３２は、各クラスタにおける「歪み」の総和が最小となるときの代表値を決定する。
k-meansアルゴリズムは、式（１）で表される。
Figure 0007280654000001
式（１）において、Ｓｎは第ｎクラスタにおける代表値、Ｍｎは第ｎクラスタにおける参照値の数、Ｖｎ，ｍは第ｎクラスタにおけるｍ番目の参照値、ｄ（ａ，ｂ）は、ａとｂとの間の差を出力する関数である。式（１）を算出することで、各クラスタにおける「歪み」の総和が最小となるときの代表値が算出される。
図４は、代表値の一例を示す図である。第１代表値から第４代表値までの４つの代表値が算出され、ターゲット５０の参照値のサンプルは第１クラスタから第４クラスタまでのクラスタに分類される。
代表値算出部３２による代表値の算出方法は上記方法に限られず、他の統計的手法や最適化手法により代表値を算出してもよい。
制御パターン算出部３３は、各クラスタにおける「歪み」の総和が最小となるときの代表値それぞれに対して制御パターンを算出する。参照値が位置情報である場合には、制御パターン算出部３３は、ＩＲＳ１０に入射した電磁波が反射して代表値が示す位置に到達するような制御パターンを算出する。
コードブック生成部３４は、代表値と対応する制御パターンに基づいてコードブックを生成する。コードブック出力部３５は、コードブック生成部３４により生成されたコードブックを制御装置２０に出力する。制御装置２０は入力されたコードブックを記憶部２５に記憶する。
図５は、制御装置２０の動作を示すフローチャートである。初めに参照値取得部２１がターゲット５０の参照値を取得する（ステップＳ２０１）。次に、制御パターン選択部２２は参照値とコードブックに基づいて制御パターンを選択する（ステップＳ２０２）。制御部２３は、決定された制御パターンに基づいてＩＲＳ１０を制御する。
図６は、コードブック生成装置３０の動作を示すフローチャートである。初めに参照値サンプル取得部３１がターゲット５０の参照値のサンプルを取得する（ステップＳ３０１）。次に代表値算出部３２が参照値のサンプルを複数のクラスタにクラスタリングする（ステップＳ３０２）。その後、代表値算出部３２は、代表値を各クラスタにおける歪みに基づいて算出する（ステップＳ３０３）。制御パターン算出部３３は生成された代表値に対応する制御パターンを算出する（ステップＳ３０４）。コードブック生成部３４は代表値と対応する制御パターンに基づいてコードブックを生成する（ステップＳ３０５）。コードブック出力部３５は、生成されたコードブックを出力する（ステップＳ３０６）。
〈シミュレーション〉
以下、２つの方法により作成されたコードブックに基づいて制御装置２０がＩＲＳ１０を制御したときの、ターゲット５０に到達する電磁波のＳＮＲを比較する。
図７は、シミュレーションの環境を示す図である。ターゲット５０が発生する範囲は４０ｍ×４０ｍの正方形であるのに対し、通信範囲は８０ｍ×８０ｍの正方形と設定し、ターゲット５０が発生する範囲の面積が通信範囲の面積の１／４となるようにした。後述するが、代表値を生成する際のクラスタは通信範囲に基づいて生成されるため、ターゲット５０が発生する範囲は局所的であるといえる。
また、ターゲット５０が発生する範囲における反射対象の位置は、一様分布と発生範囲の中心を平均としたガウス分布とした。反射対象の位置をガウス分布とすることで、反射対象の位置をより局所的な位置とした。ガウス分布の分散ｖ２は１０とした。
図８は、シミュレーションにおけるパラメータを示す図である。波源４０が出力する電磁波の周波数を２８ＧＨｚとし、アンテナの本数を１６本とし、出力する電磁波の送信電力を１００ｍＷ（２０ｄＢｍ）とした。また、波源４０が出力する電磁波はＩＲＳ１０の中心に入射するように設定した。ＩＲＳ１０上の素子の数は６４個とした。雑音電力は－９０ｄｂｍと設定した。コードブックを生成するためのターゲット５０の学習用データの数は１００００個とした。コードブックを評価するためのターゲット５０の評価用データの数は１０００個とした。
本シミュレーションにおいて、コードブックを２つの方法で生成した。第１の方法は本実施形態のコードブック生成装置３０による方法と同じ方法である。つまり、通信範囲を学習用データであるターゲット５０のサンプルの位置に基づいて、代表値の数ｋと同じ数のクラスタに分割することで代表値を算出する。第２の方法は通信範囲を均等な大きさのクラスタに分割し、各クラスタの中心を代表値とすることで代表値を算出する。つまり、第２の方法において、代表値は学習用データであるターゲット５０の位置に基づいて算出されない。図９は第２の方法により算出された代表値を示す図である。第２の方法において、代表値は学習用データであるターゲット５０のサンプルの位置に基づいて生成されないため、例えば第２クラスタにはターゲット５０が含まれていない。
本シミュレーションは、ＭＩＳＯ(Multi-Input and Single-Output)伝送による通信が想定される。また、波源４０からターゲット５０へ直接到達する電磁波は無視する。ターゲット５０のＳＮＲは式（２）で表される。
Figure 0007280654000002
式（２）において、Ｐは波源４０が出力する電磁波の電力、ＨはＩＲＳ１０とターゲット５０の伝搬チャネル応答、ΘはＩＲＳ１０の位相シフト、Ｇは波源４０とＩＲＳ１０の伝搬チャネル応答、ｗは波源４０が出力する電磁波の重みである。また、Θとｗの最適化は非線形制約付き最適化問題と捉えることができ、ＣＯＢＹＬＡ法(constrained optimization by linear approximation method)を用いて最適化した。
第１の方法及び第２の方法により代表値の数ｋを変化させてコードブックを作成した。作成されたコードブック及び評価用データであるターゲット５０に基づいてＩＲＳ１０を制御したときの、ターゲット５０に到達する電磁波のＳＮＲの平均値を算出した。
図１０は、ターゲット５０の位置を一様分布としたときのＳＮＲの比較を示す図である。図１１は、ターゲット５０の位置をガウス分布としたときのＳＮＲの比較を示す図である。ターゲット５０の位置を一様分布とし、ｋが２００以上とした場合は第２の方法におけるＳＮＲが第１の方法におけるＳＮＲよりも大きくなることがあるが、それ以外の場合においては第１の方法におけるＳＮＲが第２の方法におけるＳＮＲよりも大きくなった。特にターゲット５０の位置をガウス分布とし、ターゲット５０の位置を局所的にした場合に第１の方法におけるＳＮＲが特に顕著に第２の方法におけるＳＮＲよりも大きくなった。
このように電磁波制御システム１において、制御装置２０は、ターゲット５０から取得される参照値から特定される代表値とＩＲＳの制御パターンとの対応関係を示すコードブックと、参照値に基づいて、制御パターンを選択し、ＩＲＳ１０を制御する。コードブックはコードブック生成装置３０により生成されたものであり、コードブック生成装置３０は、ＩＲＳのターゲットの参照値の複数のサンプルを複数のクラスタにクラスタリングし、各クラスタにクラスタリングされた参照値から各クラスタにおける代表値を算出し、代表値に対応する制御パターンを算出し、代表値と制御パターンの対応関係を算出することでコードブックを生成する。そのため、参照値に応じてＩＲＳ１０を制御することができ、また、ＣＳＩなしにＩＲＳ１０を制御することができる。
〈他の実施形態〉
以上、この発明の一実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計等も含まれる。
本実施形態の説明においては、位置情報を参照値として用いることを説明したが、参照値はこれに限られない。例えば、参照値はターゲット５０の移動の方向、速度、加速度であってもよく、また、これらの複数のパラメータを含んでもよい。代表値算出部３２は、ターゲット５０の移動の方向、速度、加速度などに基づいてクラスタのサイズや形を調整してもよい。また、参照値はターゲット５０からの視点の写真であってもよく、写真を処理することで位置に関する情報が取得されてもよい。
なお、本発明における制御装置２０及びコードブック生成装置３０の機能の全てまたは一部を実現するためのプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行することにより制御装置２０及びコードブック生成装置３０が行う処理の全てまたは一部を行ってもよい。なお、ここでいう「コンピュータシステム」とは、ＯＳや周辺機器等のハードウェアを含むものとする。また、「コンピュータシステム」は、ホームページ提供環境（あるいは表示環境）を備えたＷＷＷシステムも含むものとする。
また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ、ＣＤ－ＲＯＭ等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。さらに「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線を介してプログラムが送信された場合のサーバやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリ（ＲＡＭ）のように、一定時間プログラムを保持しているものも含むものとする。
また、上記プログラムは、このプログラムを記憶装置等に格納したコンピュータシステムから、伝送媒体を介して、あるいは、伝送媒体中の伝送波により他のコンピュータシステムに伝送されてもよい。ここで、プログラムを伝送する「伝送媒体」は、インターネット等のネットワーク（通信網）や電話回線等の通信回線（通信線）のように情報を伝送する機能を有する媒体のことをいう。また、上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであってもよい。さらに、前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるもの、いわゆる差分ファイル（差分プログラム）であってもよい。
１ 電磁波制御システム、１０ ＩＲＳ、２０ 制御装置、２１ 参照値取得部、２２ 制御パターン選択部、２３ 制御部、２５ 記憶部、２５Ａ コードブック、３０ コードブック生成装置、３１ 参照値サンプル取得部、３２ 代表値算出部、３３ 制御パターン算出部、３４ コードブック生成部、３５ コードブック出力部、４０ 波源、５０ ターゲット

Claims (10)

  1. ＩＲＳのターゲットから取得される参照値から特定される代表値とＩＲＳの制御パターンとの対応関係を示すコードブックと、前記参照値に基づいて、前記ＩＲＳの制御パターンを選択する制御パターン選択部と、
    前記制御パターンに基づいて、前記ＩＲＳを制御する制御部と、
    を備え、
    前記コードブックは、ＩＲＳのターゲットの参照値の複数のサンプルを複数のクラスタにクラスタリングし、各クラスタにクラスタリングされた参照値から各クラスタにおける代表値を算出し、代表値に対応する制御パターンを算出し、代表値と制御パターンの対応関係を算出することで生成されたものである、
    制御装置。
  2. 前記参照値は、位置情報である、
    請求項１に記載の制御装置。
  3. 前記コードブックにおける代表値は、各クラスタにおいて参照値の複数のサンプルとの差の総和である歪みを算出され、各クラスタで算出された歪みの総和が最小になるようにして生成される、
    請求項１又は２に記載の制御装置。
  4. ＩＲＳのターゲットの参照値の複数のサンプルを複数のクラスタにクラスタリングし、
    各クラスタにクラスタリングされた参照値から各クラスタにおける代表値を算出し、
    代表値に対応する制御パターンを算出し、
    前記代表値と前記制御パターンの対応関係を算出することでコードブックを生成する、
    コードブック生成装置。
  5. 前記参照値は、位置情報である、
    請求項４に記載のコードブック生成装置。
  6. 前記代表値は各クラスタにおいて代表値と参照値との差の総和である歪みを算出し、各クラスタで算出された歪みの総和が最小になるようにして生成される、
    請求項４又は５に記載のコードブック生成装置。
  7. ＩＲＳのターゲットから取得される参照値から特定される代表値とＩＲＳの制御パターンとの対応関係を示すコードブックと、前記参照値に基づいて、前記ＩＲＳの制御パターンを選択する制御パターン選択ステップと、
    前記制御パターンに基づいて、前記ＩＲＳを制御する制御ステップと、
    を有し、
    前記コードブックは、ＩＲＳのターゲットの参照値の複数のサンプルを複数のクラスタにクラスタリングし、各クラスタにクラスタリングされた参照値から各クラスタにおける代表値を算出し、代表値に対応する制御パターンを算出し、代表値と制御パターンの対応関係を算出することで生成されたものである、
    制御方法。
  8. ＩＲＳのターゲットの参照値の複数のサンプルを複数のクラスタにクラスタリングするステップと、
    各クラスタにクラスタリングされた参照値から各クラスタにおける代表値を算出するステップと、
    代表値に対応する制御パターンを算出ステップと、
    前記代表値と前記制御パターンの対応関係を算出することでコードブックを生成するステップと、
    を有するコードブック生成方法。
  9. 請求項１から３のいずれか一項に記載の制御装置としてコンピュータを機能させるためのプログラム。
  10. 請求項４から６のいずれか一項に記載のコードブック生成装置としてコンピュータを機能させるためのプログラム。
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