WO2022038678A1 - ビーム制御装置、ビーム制御方法及びプログラム - Google Patents

ビーム制御装置、ビーム制御方法及びプログラム Download PDF

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臨太朗 原田
直剛 柴田
慎 金子
純 寺田
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日本電信電話株式会社
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    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B10/00—Transmission systems employing electromagnetic waves other than radio-waves, e.g. infrared, visible or ultraviolet light, or employing corpuscular radiation, e.g. quantum communication
    • H04B10/11—Arrangements specific to free-space transmission, i.e. transmission through air or vacuum
    • H04B10/112—Line-of-sight transmission over an extended range

Definitions

  • the present disclosure relates to a beam control device, a beam control method, and a program for controlling a directional beam transmitted from a beam transmitting unit toward a beam receiving unit in a wireless communication system.
  • Optical wireless communication that uses a beam with strong directivity for data transmission / reception is being studied (see, for example, Non-Patent Documents 1 and 2).
  • a directional beam is transmitted from a beam transmitting unit provided in the transmitting side device to a beam receiving unit provided in the receiving side device.
  • the beam receiving unit is mounted on a moving body such as a railroad or an aircraft, beam tracking that changes the direction of the beam transmitted from the beam transmitting unit toward the receiving unit is required in order to maintain communication. Beam tracking is performed, for example, by changing the direction of the transmitted beam at regular intervals.
  • the present disclosure has been made to solve the above-mentioned problems, and the purpose of the present disclosure is to obtain an optical wireless communication device capable of facilitating beam tracking to a moving beam receiving unit.
  • the beam control device is a beam control device that controls a directional beam transmitted from a beam transmitting unit toward a beam receiving unit in a wireless communication system, and acquires the moving speed of the beam receiving unit.
  • the moving speed acquisition unit, the divergence angle calculation unit that calculates the divergence angle setting value of the beam based on the movement speed, and the divergence angle of the beam transmitted from the beam transmission unit are controlled to the set value.
  • the divergence angle control unit is provided, and the divergence angle calculation unit is characterized in that the set value increases as the moving speed increases.
  • the set value of the divergence angle is increased as the moving speed of the beam receiving unit is increased.
  • the receivable range of the beam receiving unit becomes large, so that it is possible to easily follow the beam to the moving beam receiving unit.
  • FIG. 1 is a diagram showing a wireless communication system according to an embodiment.
  • a directional beam 5 is transmitted from a beam transmitting unit 2 of a transmitting side device 1 toward a beam receiving unit 4 of a receiving side device 3.
  • data is transmitted and received between the transmitting side device 1 and the receiving side device 3.
  • Beam 5 is an optical wireless communication (FSO) signal.
  • the FSO signal is an optical signal having a very high frequency, for example, around 193 THz.
  • the beam 5 transmitted by the beam transmission unit 2 is not limited to an optical signal such as an FSO signal, but may be a wireless signal.
  • FIG. 2 is a diagram showing a beam transmission unit according to the embodiment.
  • the beam transmission unit 2 includes a laser 6 that sends out a beam 5 and a beam control device 7 that controls the beam 5.
  • the beam control device 7 includes a moving speed acquisition unit 8, a divergence angle calculation unit 9, and a divergence angle control unit 10.
  • the moving speed acquisition unit 8 acquires the moving speed of the beam receiving unit 4 in the direction perpendicular to the transmission direction of the beam 5. For example, when the beam receiving unit 4 is installed on an object that moves based on a predetermined operation plan such as a railroad or an aircraft, the moving speed acquisition unit 8 moves the beam receiving unit 4 based on the operation plan information. Get the speed. Further, the moving speed acquisition unit 8 may have a speed sensor, and the moving speed of the beam receiving unit 4 may be acquired by the speed sensor. Further, when the intensity of the beam 5 in the plane perpendicular to the transmission direction of the beam 5 is not uniform, the intensity of the beam 5 received by the beam receiving unit 4 is fed back to the beam transmitting unit 2 and based on the fed back value. The moving speed of the beam receiving unit 4 may be acquired.
  • the divergence angle calculation unit 9 calculates the set value of the divergence angle of the beam 5 based on the movement speed of the beam receiving unit 4 acquired by the movement speed acquisition unit 8. As will be described in detail later, the divergence angle calculation unit 9 increases the set value as the movement speed of the acquired beam receiving unit 4 increases.
  • the divergence angle control unit 10 controls the divergence angle of the beam 5 transmitted from the beam transmission unit 2 to a set value calculated by the divergence angle calculation unit 9.
  • the divergence angle control unit 10 includes a collimator lens 11 that collimates the beam 5, and a collimator control unit 12 that controls the focal length of the collimator lens 11.
  • the collimator lens 11 focuses the beam 5 transmitted from the laser 6 in parallel.
  • the beam 5 after passing through the collimator lens 11 is not completely parallel and spreads little by little, and the degree of this spread is expressed by the divergence angle ⁇ . It is generally known that the divergence angle ⁇ is approximately inversely proportional to the focal length.
  • the collimator control unit 12 can control the divergence angle ⁇ of the beam 5 by controlling the focal length of the collimator lens 11.
  • a variable focus lens may be used as the collimator lens 11, but there are several other methods, and any of them may be used.
  • FIG. 3 is a diagram showing how the beam receiving unit moves.
  • the beam receiving unit 4 moves in the xyz space together with the receiving side device 3.
  • the z-axis is the central axis of the beam 5 along the transmission direction of the beam 5.
  • the x-axis and y-axis are perpendicular to the transmission direction of the beam 5.
  • the beam 5 diffuses from the origin O, which is the emission end of the beam transmission unit 2, in the z-axis direction at a divergence angle ⁇ .
  • the signal intensity decreases as the distance from the center of the beam 5 increases.
  • the beam receiving unit 4 can receive the beam 5 when it is within the receivable range of a certain distance from the center of the beam 5, and cannot receive the beam 5 when it is outside the receivable range. Therefore, in order to maintain communication, the beam transmitting unit 2 needs to make the direction of the beam 5 follow the direction of the beam receiving unit 4 at regular intervals.
  • the z coordinate of the beam receiving unit 4 is r.
  • the divergence angle calculation unit 9 increases the set value of the divergence angle ⁇ as the moving speed v of the acquired beam receiving unit 4 increases.
  • the receivable range 13 of the beam receiving unit 4 becomes large, so that it is possible to easily follow the beam to the moving beam receiving unit 4.
  • a divergence angle ⁇ satisfying 2r ⁇ tan ⁇ / v ⁇ ⁇ may be selected as a set value. This makes it possible to easily follow the beam to the moving beam receiving unit 4.
  • the divergence angle ⁇ is set large in order to ensure that 2r ⁇ tan ⁇ / v is equal to or higher than the target value ⁇ under the condition that the values of r and v are unknown.
  • At least a part of the beam control device 7 in the above-described embodiment may be realized by a computer.
  • a program for realizing this function may be recorded on a computer-readable recording medium, and the program recorded on the recording medium may be read by a computer system and executed.
  • the term "computer system” as used herein includes hardware such as an OS and peripheral devices.
  • the "computer-readable recording medium” refers to a portable medium such as a flexible disk, a magneto-optical disk, a ROM, or a CD-ROM, and a storage device such as a hard disk built in a computer system.
  • a "computer-readable recording medium” is a communication line for transmitting a program via a network such as the Internet or a communication line such as a telephone line, and dynamically holds the program for a short period of time. It may also include a program that holds a program for a certain period of time, such as a volatile memory inside a computer system that is a server or a client in that case. Further, the above program may be for realizing a part of the above-mentioned functions, and may be further realized for realizing the above-mentioned functions in combination with a program already recorded in the computer system. It may be realized by using a programmable logic device such as FPGA (Field Programmable Gate Array).
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Abstract

無線通信システムにおいてビーム受信部（４）に向けてビーム送信部（２）から送信される指向性のビーム（５）をビーム制御装置（７）が制御する。ビーム制御装置（７）は移動速度取得部（８）と発散角算出部（９）と発散角制御部１０）を備える。移動速度取得部（８）は、ビーム受信部（４）の移動速度を取得する。発散角算出部（９）は、移動速度に基づいてビーム（５）の発散角の設定値を算出する。発散角制御部（１０）は、ビーム送信部（２）から送信されるビーム（５）の発散角を設定値に制御する。発散角算出部（９）は、移動速度が大きいほど設定値を大きくする。

Description

ビーム制御装置、ビーム制御方法及びプログラム
　本開示は、無線通信システムにおいてビーム受信部に向けてビーム送信部から送信される指向性のあるビームを制御するビーム制御装置、ビーム制御方法及びプログラムに関する。
　指向性の強いビームをデータの送受信に用いる光無線通信（ＦＳＯ）が研究されている（例えば、非特許文献１，２参照）。光無線通信システムでは、送信側装置に設けられたビーム送信部から受信側装置に設けられたビーム受信部に向けて指向性のあるビームを送信する。ビーム受信部が鉄道又は航空機などの移動体に搭載されている場合、通信を保つためには、ビーム送信部から送信されるビームの方向を受信部方向に変化させるビーム追従が必要となる。ビーム追従は、例えば、送信されるビームの方向を一定周期で変化させることにより行われる。
松本 充司， "光無線通信の課題と将来展望，" 2016年 Y. Kaymak et al.， "A Survey on Acquisition， Tracking， and Pointing Mechanisms for Mobile Free-Space Optical Communications"， IEEE Communications Surveys & Tutorials， Vol. 20， No. 2， 2018
　ビーム受信部の移動速度が大きいほどビーム受信部が受信可能範囲に存在する期間が短くなる。従って、高速にビーム方向を変更する必要があるため、ビーム追従が困難という問題があった。
　本開示は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は移動するビーム受信部へのビーム追従を容易にすることができる光無線通信装置を得るものである。
　本開示に係るビーム制御装置は、無線通信システムにおいてビーム受信部に向けてビーム送信部から送信される指向性のあるビームを制御するビーム制御装置であって、前記ビーム受信部の移動速度を取得する移動速度取得部と、前記移動速度に基づいて前記ビームの発散角の設定値を算出する発散角算出部と、前記ビーム送信部から送信される前記ビームの発散角を前記設定値に制御する発散角制御部とを備え、前記発散角算出部は、前記移動速度が大きいほど前記設定値を大きくすることを特徴とする。
　本開示では、ビーム受信部の移動速度が大きいほど発散角の設定値を大きくする。これにより、移動速度が大きい場合にビーム受信部の受信可能範囲が大きくなるため、移動するビーム受信部へのビーム追従を容易にすることができる。
実施の形態に係る無線通信システムを示す図である。 実施の形態に係るビーム送信部を示す図である。 ビーム受信部が移動する様子を示す図である。 ｚ＝ｒの平面を示す図である。
　図１は、実施の形態に係る無線通信システムを示す図である。無線通信システムにおいて、送信側装置１のビーム送信部２から受信側装置３のビーム受信部４に向けて指向性のあるビーム５が送信される。これにより、送信側装置１と受信側装置３との間でデータの送受信が行われる。
　ビーム５は光無線通信（ＦＳＯ）信号である。ＦＳＯ信号は、例えば１９３ＴＨｚ付近の非常に高い周波数を有する光信号である。ＦＳＯ信号を用いることにより、ミリ波帯（～３００ＧＨｚ）以下の無線信号に比べて非常に高い指向性を持つビームで通信を行うことができる。なお、ビーム送信部２が送出するビーム５は、ＦＳＯ信号などの光信号に限らず、無線信号でもよい。
　図２は、実施の形態に係るビーム送信部を示す図である。ビーム送信部２は、ビーム５を送出するレーザ６と、ビーム５を制御するビーム制御装置７とを有する。ビーム制御装置７は移動速度取得部８と発散角算出部９と発散角制御部１０を備える。
　移動速度取得部８は、ビーム５の送信方向に対して垂直方向におけるビーム受信部４の移動速度を取得する。例えば、ビーム受信部４が鉄道又は航空機など予め策定された運行計画に基づいて移動する物体に設置されている場合は、移動速度取得部８はその運行計画情報に基づいてビーム受信部４の移動速度を取得する。また、移動速度取得部８が速度センサを保有し、その速度センサによりビーム受信部４の移動速度を取得してもよい。さらに、ビーム５の送信方向に対して垂直平面におけるビーム５の強度が一様でない場合は、ビーム受信部４が受信したビーム５の強度をビーム送信部２にフィードバックし、フィードバックされた値に基づいてビーム受信部４の移動速度を取得してもよい。
　発散角算出部９は、移動速度取得部８が取得したビーム受信部４の移動速度に基づいてビーム５の発散角の設定値を算出する。後で詳細に説明するが、発散角算出部９は、取得したビーム受信部４の移動速度が大きいほど設定値を大きくする。
　発散角制御部１０は、ビーム送信部２から送信されるビーム５の発散角を、発散角算出部９が算出した設定値に制御する。発散角制御部１０は、ビーム５をコリメートするコリメータレンズ１１と、コリメータレンズ１１の焦点距離を制御するコリメータ制御部１２とを有する。コリメータレンズ１１は、レーザ６から送出されたビーム５を平行にして集束させる。ただし、コリメータレンズ１１を通過した後のビーム５は完全な平行ではなく少しずつ拡がり、この拡がりの程度は発散角θで表される。一般的に、発散角θは焦点距離にほぼ反比例することが知られている。従って、コリメータ制御部１２がコリメータレンズ１１の焦点距離を制御することにより、ビーム５の発散角θを制御することができる。ここで、コリメータレンズ１１の焦点距離を変更する方法として、例えば、コリメータレンズ１１として可変焦点レンズを用いることが挙げられるが、この他にもいくつかあり、どれでも良い。
　図３は、ビーム受信部が移動する様子を示す図である。ビーム受信部４は受信側装置３とともにｘｙｚ空間を移動する。ｚ軸は、ビーム５の送信方向に沿ったビーム５の中心軸である。ｘ軸とｙ軸はビーム５の送信方向に対して垂直方向である。ビーム５は、ビーム送信部２の出射端である原点Ｏからｚ軸方向に発散角θで拡散する。ｚ座標が同じ条件で比較した場合、ビーム５の中心から離れるほど信号強度は低下する。従って、ビーム受信部４は、ビーム５の中心から一定距離の受信可能範囲内に存在する場合にはビーム５を受信でき、受信可能範囲外に存在する場合にはビーム５を受信できない。そこで、通信を保つために、ビーム送信部２は一定周期ごとにビーム５の方向をビーム受信部４の方向に追従させる必要がある。
　図４は、ｚ＝ｒの平面を示す図である。ある時刻におけるビーム送信部２とビーム受信部４の距離がｒの場合、ビーム受信部４のｚ座標はｒとなる。ｚ＝ｒの平面においてｘ２＋ｙ２≦（ｒ・ｔａｎθ）２を満たす範囲を受信可能範囲１３とする。ｚ＝ｒの平面に正射投影したビーム受信部４の移動速度が、ビーム５の送信方向に対して垂直方向におけるビーム受信部４の移動速度ｖである。
　ビーム受信部４の移動速度ｖが大きいほどビーム受信部４が受信可能範囲１３に存在する期間が短くなる。そこで、発散角算出部９は、取得したビーム受信部４の移動速度ｖが大きいほど発散角θの設定値を大きくする。これにより、移動速度ｖが大きい場合にビーム受信部４の受信可能範囲１３が大きくなるため、移動するビーム受信部４へのビーム追従を容易にすることができる。
　ここで、ビーム受信部４がｚ軸に垂直に等速直線運動をする場合にはｒ、ｖが一定となる。この場合、ビーム受信部４が受信可能範囲１３に存在する期間は最大で２ｒ・ｔａｎθ／ｖとなる。この２ｒ・ｔａｎθ／ｖの値が大きいほどビーム受信部４へのビーム追従が容易になる。そこで、ビーム送信部２がビーム５の方向をビーム受信部４の方向に追従させるのに必要な期間をαとして、発散角算出部９は２ｒ・ｔａｎθ／ｖ＝αを満たす発散角θを設定値として選択する。ただし、これに限らず、２ｒ・ｔａｎθ／ｖ≧αを満たす発散角θを設定値として選択すればよい。これにより、移動するビーム受信部４へのビーム追従を容易にすることができる。なお、ビーム送信部２の動作開始時には、ｒ、ｖの値が未知である条件下で２ｒ・ｔａｎθ／ｖを確実に目標値α以上にするため、発散角θを大きく設定しておく。
　上述した実施の形態におけるビーム制御装置７の少なくとも一部をコンピュータで実現するようにしてもよい。その場合、この機能を実現するためのプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行することによって実現してもよい。なお、ここでいう「コンピュータシステム」とは、ＯＳや周辺機器等のハードウェアを含むものとする。また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ、ＣＤ－ＲＯＭ等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。さらに「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線を介してプログラムを送信する場合の通信線のように、短時間の間、動的にプログラムを保持するもの、その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のように、一定時間プログラムを保持しているものも含んでもよい。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く、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であってもよく、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）等のプログラマブルロジックデバイスを用いて実現されるものであってもよい。
２　ビーム送信部、４　ビーム受信部、５　ビーム、７　ビーム制御装置、８　移動速度取得部、９　発散角算出部、１０　発散角制御部、１１　コリメータレンズ、１２　コリメータ制御部

Claims (6)

  1. 　無線通信システムにおいてビーム受信部に向けてビーム送信部から送信される指向性のビームを制御するビーム制御装置であって、
    　前記ビーム受信部の移動速度を取得する移動速度取得部と、
    　前記移動速度に基づいて前記ビームの発散角の設定値を算出する発散角算出部と、
    　前記ビーム送信部から送信される前記ビームの発散角を前記設定値に制御する発散角制御部とを備え、
    　前記発散角算出部は、前記移動速度が大きいほど前記設定値を大きくすることを特徴とするビーム制御装置。
  2. 　前記ビームは光信号であり、
    　前記発散角制御部は、前記ビームをコリメートするコリメータレンズと、前記コリメータレンズの焦点距離を制御するコリメータ制御部とを有することを特徴とする請求項１に記載のビーム制御装置。
  3. 　前記ビームは光無線通信信号であることを特徴とする請求項２に記載のビーム制御装置。
  4. 　前記ビーム送信部と前記ビーム受信部の距離をｒ、前記ビームの送信方向に対して垂直方向における前記ビーム受信部の移動速度をｖ、前記ビームの発散角をθ、前記ビーム送信部が前記ビームの方向を前記ビーム受信部の方向に追従させるのに必要な期間をαとして、前記発散角算出部は２ｒ・ｔａｎθ／ｖ≧αを満たす前記発散角θを前記設定値として選択することを特徴とする請求項１～３の何れか１項に記載のビーム制御装置。
  5. 　光無線通信システムにおいてビーム受信部に向けてビーム送信部から送信される指向性のビームをビーム制御装置が制御する方法であって、
    　前記ビーム受信部の移動速度を取得する工程と、
    　前記移動速度に基づいて前記ビームの発散角の設定値を算出する工程と、
    　前記ビーム送信部から送信される前記ビームの発散角を前記設定値に制御する工程とを備え、
    　前記移動速度が大きいほど前記設定値を大きくすることを特徴とするビーム制御方法。
  6. 　請求項１～４の何れか１項に記載のビーム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。
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