WO2022137441A1 - 無線通信装置及び制御方法 - Google Patents

Abstract

通信装置は、アンテナと支持部とアクチュエータと浮体とセンサと制御装置とを備える。アンテナは、棒状のエレメントを有する。指示部は、アンテナを、エレメントの延在方向に直交する回転軸回りに回転可能に支持する。アクチュエータは、アンテナを回転軸回りに回転させる。浮体は、支持部を支持し、水に浮く。センサは、支持部の傾きに係る物理量を計測する。制御装置は、計測値取得部と回転制御部とを備える。計測値取得部は、センサの計測値を取得する。回転制御部は、計測値に基づいて、傾きの変化が最も小さい方向とアンテナの延在方向とが一致するようにアクチュエータを駆動させる。

Description

無線通信装置及び制御方法

　本発明は、無線通信装置及び制御方法に関する。

　ＩｏＴ（Internet of Things）技術の発展により、各種センサを備えたＩｏＴ端末を様々な場所に設置することが検討されている。例えば、海上のブイや船舶など、基地局の設置が困難な場所のデータを収集するためにＩｏＴを活用することも想定されている。このようなＩｏＴ端末が取得したデータをＵＡＶ（無人航空機、Unmanned Aerial Vehicle）や人工衛星が収集することが検討されている。

　ＩｏＴ端末を海上に設ける場合、信号の送信中に波による揺動によりアンテナの指向性の方向が変化し、信号の受信レベルが変動してしまう可能性がある。非特許文献１には、対象物を追跡する追跡用３軸旋回装置が開示されている。非特許文献１に記載されるような旋回装置でアンテナを支持することで、アンテナの方向の変化を抑制することができる。

鳴海　昇、荒川　顕一、豊嶋　毅、「追跡用３軸旋回装置」、東芝レビュー、Ｖｏｌ．５９、Ｎｏ１０、２００４年

　非特許文献１には、３軸のジンバル構成を有する装置が開示されている。一方で、旋回装置は制御可能な軸が多いほど構成が複雑になり、装置サイズ及び消費電力が増大する。
　本発明の目的は、簡易な構成でアンテナの指向性の方向を維持することができる無線通信装置及び制御方法を提供することにある。

　本発明の一態様は、棒状のエレメントを有するアンテナと、前記アンテナを、前記エレメントの延在方向に直交する回転軸回りに回転可能に支持する支持部と、前記アンテナを前記回転軸回りに回転させるアクチュエータと、前記支持部を支持し、水に浮く浮体と、前記支持部の傾きに係る物理量を計測するセンサと、制御装置とを備え、前記制御装置は、前記センサの計測値を取得する計測値取得部と、前記計測値に基づいて、傾きの変化が最も小さい方向と前記アンテナの延在方向とが一致するように前記アクチュエータを駆動させる回転制御部とを備える無線通信装置である。

　本発明の一態様は、棒状のエレメントを有するアンテナと、前記アンテナを、前記アンテナの延在方向に直交する回転軸回りに回転可能に支持する支持部と、前記回転軸回りに前記アンテナを回転させるアクチュエータと、前記支持部を支持し、水に浮く浮体と、前記支持部の傾きに係る物理量を計測するセンサと、を備える無線通信装置の制御方法であって、前記センサの計測値を取得するステップと、前記計測値が示す傾きの変化が最も小さい方向と前記アンテナの延在方向とが一致するように前記アクチュエータを駆動させるステップとを有する制御方法である。

　上記態様によれば、簡易な構成でアンテナの指向性の方向を維持することができる。

第１の実施形態による無線通信システムの構成図である。 第１の実施形態による端末局の外観を示す斜視図である。 第１の実施形態による端末局の構成を示すブロック図である。 第１の実施形態による端末局の動作を示すフロー図である。 アンテナの延在方向が水面波の進行方向に直交した状態を維持したときの指向性パターンの変化の例を示す図である。 アンテナの延在方向が水面波の進行方向に直交しないときの指向性パターンの変化の例を示す図である。

（第１の実施形態）
　図１は、第１の実施形態による無線通信システム１の構成図である。無線通信システム１は、移動中継局２と、端末局３と、基地局４とを有する。無線通信システム１が有する移動中継局２、端末局３及び基地局４それぞれの数は任意であるが、端末局３の数は多数であることが想定される。

　移動中継局２は、移動体に搭載され、通信可能なエリアが時間の経過により移動する中継装置の一例である。移動中継局２は、例えば、ＬＥＯ（Low Earth Orbit）衛星に備えられる。ＬＥＯ衛星の高度は２０００ｋｍ以下であり、地球の上空を１周約１．５時間程度で周回する。端末局３及び基地局４は、地上や海上など地球上に設置される。端末局３は、例えば、ＩｏＴ端末である。端末局３は、センサが検出した環境データ等のデータを収集し、移動中継局２へ無線により送信する。同図では、２台の端末局３のみを示している。移動中継局２は、地球の上空を移動しながら、複数の端末局３それぞれから送信されたデータを無線信号により受信し、受信したこれらのデータを基地局４へ無線送信する。基地局４は、移動中継局２から端末局３が収集したデータを受信する。

　移動中継局２として、静止衛星や、ドローン、ＨＡＰＳ（High Altitude Platform Station）などの無人航空機に搭載された中継局を用いてもよい。ただし、移動中継局２が静止衛星に搭載される場合、ＬＥＯ衛星に搭載される場合と比較して地上のカバーエリア（フットプリント）は広いものの、高度が高いために、地上に設置されたＩｏＴ端末に対するリンクバジェットは小さい。一方、移動中継局２が無人航空機に搭載される場合、ＬＥＯ衛星に搭載される場合と比較してリンクバジェットは高いものの、カバーエリアが狭い。また、無人航空機には高度を維持するために動力源（例えばバッテリーや太陽光パネル）が必要である。

　図２は、第１の実施形態による端末局３の外観を示す斜視図である。端末局３のうち、少なくとも水上に設けられるものは、浮体３１、筐体３２、センサ群３３、支持部３４、アクチュエータ３５、アンテナ３６及び制御装置３７を備える。浮体３１は、水に浮く構造物である。筐体３２は、端末局３の外殻をなす。筐体３２は、電波透過性が高く、また防水性を有する。

　センサ群３３は、浮体３１に取り付けられ、様々な物理量を計測する。また、センサ群３３は、少なくとも鉛直方向に対する浮体３１の傾きに係る物理量を計測するセンサを含む。例えば、センサ群３３は、３軸の加速度センサを含む。鉛直方向に対する浮体３１の傾きは、加速度の計測値に基づいて重力加速度の方向を検出することで特定可能である。また、例えば、センサ群３３は、浮体３１の底面に設けられた少なくとも３つの圧力センサ群を含むものであってよい。鉛直方向に対する浮体３１の傾きは、圧力の計測値に基づいて浮体３１の底面に掛かる水圧の分布に基づいて特定可能である。

　支持部３４は、アンテナ３６を回転軸Ｘ回りに回転可能に支持する。回転軸Ｘは、端末局３を波のない水面に浮かべたときに鉛直となるように設けられる。図２に示す例では、支持部３４は制御装置３７の上に設けられているが、これに限られない。アクチュエータ３５は、アンテナ３６を回転軸Ｘ回りに回転させる。アンテナ３６は、直線上に配置された棒状のエレメントを有する。アンテナ３６の例としては、２つのエレメントが直線状に配置されたダイポールアンテナ、モノポールアンテナ、ホイップアンテナ、スリーブアンテナなどが挙げられる。すなわち、アンテナ３６はエレメントの軸に対して回転対称なドーナツ状の指向性を有する。アンテナ３６は、回転軸Ｘに対してエレメントの軸が直交するように設けられる。すなわち、アンテナ３６は、端末局３を波のない水面に浮かべたときに水平となるように設けられる。また、回転軸に対するアンテナ３６の回転中心は、アンテナ３６が形成する電界の中心である。つまり、アンテナ３６がダイポールアンテナである場合、２つのエレメントの中間が回転中心となる。アンテナ３６がモノポールアンテナ又はホイップアンテナである場合、エレメントとグラウンド面の中間が回転中心となる。アンテナ３６がスリーブアンテナである場合、エレメント（同軸ケーブルの内部導線の露出部分）とスリーブの中間が回転中心となる。

　制御装置３７は、アクチュエータ３５を制御し、移動中継局２に信号を送信する。図３は、第１の実施形態による端末局３の構成を示すブロック図である。制御装置３７は、データ取得部３７１、データ記憶部３７２、タイミング決定部３７３、方向特定部３７４、回転制御部３７５、送信部３７６を備える。

　データ取得部３７１は、センサ群３３からセンサデータを取得し、データ記憶部３７２に記録する。タイミング決定部３７３は、ＬＥＯ衛星の軌道情報と、端末局３の位置とに基づいて、信号の送信期間を決定する。ＬＥＯの軌道情報は、任意の時刻におけるＬＥＯ衛星の位置、速度、移動方向などを得ることが可能な情報である。すなわち、タイミング決定部３７３は、ＬＥＯ衛星の軌道情報に基づいて、移動中継局２の通信可能範囲の推移を計算し、端末局３の位置が通信可能範囲内に含まれる時間帯を特定する。

　方向特定部３７４は、センサ群３３のうち鉛直方向に対する浮体３１の傾きに係る物理量を計測するセンサのセンサデータに基づいて、水面波の進行方向に直交する方向を特定する。例えば、方向特定部３７４は、センサデータから回転軸Ｘ周りの回転角ごとの傾きの時系列を特定し、傾きの変化量が最も小さい回転角を特定する。特定した回転角に向く方向が水面波の進行方向に直交する方向である。

　回転制御部３７５は、タイミング決定部３７３が決定した送信期間の間、方向特定部３７４が特定した方向とアンテナ３６の延在方向が一致するようにアクチュエータ３５を制御する。送信部３７６は、データ記憶部３７２からセンサデータを設定した端末アップリンク信号を、タイミング決定部３７３が決定した送信期間の間、アンテナ３６を介して無線により送信する。送信部３７６は、例えば、ＬＰＷＡ（Low Power Wide Area）により信号を送信する。ＬＰＷＡには、ＬｏＲａＷＡＮ（登録商標）、Ｓｉｇｆｏｘ（登録商標）、ＬＴＥ－Ｍ（Long Term Evolution for Machines）、ＮＢ（Narrow Band）－ＩｏＴ等があるが、任意の無線通信方式を用いることができる。また、送信部３７６は、他の端末局３と時分割多重、ＯＦＤＭ（Orthogonal Frequency Division Multiplexing：直交周波数分割多重）、ＭＩＭＯなどにより送信を行ってもよい。送信部３７６は、使用する無線通信方式において予め決められた方法により、自局が端末アップリンク信号の送信に使用するチャネル及び送信タイミングを決定する。また、送信部３７６は、使用する無線通信方式において予め決められた方法により、複数本のアンテナ３６から送信する信号のビーム形成を行ってもよい。

　端末局３の動作を説明する。
　図４は、第１の実施形態による端末局３の動作を示すフロー図である。端末局３のデータ取得部３７１は、センサ群３３が検出したセンサデータを取得し、取得したセンサデータをデータ記憶部３７２に書き込む（ステップＳ１）。タイミング決定部３７３は、ＬＥＯ衛星の軌道情報と端末局３の位置とに基づいて、次回の送信期間を決定する（ステップＳ２）。タイミング決定部３７３は、現在時刻が送信期間に含まれるか否かを判定する（ステップＳ３）。すなわち、タイミング決定部３７３は、現在時刻が信号の送信タイミングであるか否かを判定する。

　現在時刻が送信期間に含まれない場合（ステップＳ３：ＮＯ）、ステップＳ１に戻りセンサデータの取得を継続する。現在時刻が送信期間に含まれる場合（ステップＳ３：ＹＥＳ）、方向特定部３７４は、データ記憶部３７２が記憶するデータに基づいて、水面波の進行方向に直交する方向を特定する（ステップＳ４）。回転制御部３７５は、方向特定部３７４が特定した方向にアンテナ３６の延在方向が向くようにアクチュエータ３５を制御する信号を出力する（ステップＳ５）。送信部３７６は、データ記憶部３７２からセンサデータを読み出す（ステップＳ６）。送信部３７６は、読み出したセンサデータを設定した端末アップリンク信号をアンテナ３６から無線送信する（ステップＳ７）。そして、制御装置３７は、ステップＳ１に処理を戻す。

　これにより、制御装置３７は、信号の送信期間の間、アクチュエータ３５によりアンテナ３６を回転させ、かつアンテナ３６から信号を送信する。つまり、制御装置３７の回転制御部３７５は、送信タイミングにアクチュエータ３５の駆動を開始させ、信号の送信が完了するまでアクチュエータ３５の駆動を継続させる。これにより、端末局３は、アンテナ３６の延在方向が水面波の進行方向に直交した状態を維持しながら信号を送信することができる。アンテナ３６の延在方向が水面波の進行方向に直交した状態を維持することで、鉛直方向上方への信号の送信強度を維持することができる。以下、その理由を説明する。

　図５は、アンテナ３６の延在方向が水面波の進行方向に直交した状態を維持したときの指向性パターンの変化の例を示す図である。図５に示す例において、鉛直方向をＺ軸方向、水平方向のうち水面波の進行方向をＸ軸方向、Ｘ軸に直交する方向をＺ軸方向とよぶ。図５に示す例では、アンテナ３６の延在方向は水面波の進行方向に直交している。すなわちアンテナ３６の延在方向はＹ軸方向を向いている。アンテナ３６は、ダイポールアンテナやモノポールアンテナなどのドーナツ状の指向性パターンを有するアンテナであるため、指向性パターンＰはアンテナ３６の延在方向に対して回転対称である。そのため、水面波によってアンテナ３６が水面波の進行方向と直交するＹ軸回りに回転しても、指向性パターンＰは維持される。すなわち、鉛直方向上方への信号強度Ｐｘの変動を防ぐことができる。

　図６は、アンテナ３６の延在方向が水面波の進行方向に直交しないときの指向性パターンの変化の例を示す図である。図６に示す例では、アンテナ３６の延在方向は水面波の進行方向を向いている。すなわちアンテナ３６の延在方向はＸ軸方向を向いている。アンテナ３６の指向性パターンＰはアンテナ３６の延在方向に対して回転対称であるため、水面波によってアンテナ３６がＹ軸回りに回転すると、指向性パターンＰは回転対称の軸に直交する軸回りに回転する。そのため、アンテナ３６の延在方向が水面波の進行方向に直交しない場合、水平面に対する傾きが大きいほど鉛直方向上方への信号強度Ｐｘが小さくなる。

〈コンピュータ構成〉
　制御装置３７は、バスで接続されたプロセッサ、メモリ、補助記憶装置などを備え、通信プログラムを実行することによってデータ取得部３７１、データ記憶部３７２、タイミング決定部３７３、方向特定部３７４、回転制御部３７５及び送信部３７６を備える装置として機能する。プロセッサの例としては、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＧＰＵ（Graphic Processing Unit）、マイクロプロセッサなどが挙げられる。
　通信プログラムは、コンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録されてもよい。コンピュータ読み取り可能な記録媒体とは、例えば磁気ディスク、光磁気ディスク、光ディスク、半導体メモリ等の記憶装置である。通信プログラムは、電気通信回線を介して送信されてもよい。
　なお、制御装置３７の各機能の全て又は一部は、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）やＰＬＤ（Programmable Logic Device）等のカスタムＬＳＩ（Large Scale Integrated Circuit）を用いて実現されてもよい。ＰＬＤの例としては、ＰＡＬ(Programmable Array Logic)、ＧＡＬ(Generic Array Logic)、ＣＰＬＤ(Complex Programmable Logic Device)、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）が挙げられる。このような集積回路も、プロセッサの一例に含まれる。

　以上説明した実施形態によれば、制御装置３７が浮体３１の傾きの変化が最も小さい方向とアンテナ３６の延在方向とが一致するようにアクチュエータ３５を駆動させることで、図５に示すようにアンテナ３６の延在方向が水面波の進行方向に直交した状態を維持することができる。したがって、端末局３は、制御すべき回転軸Ｘの数が少ない簡易な構成でアンテナ３６の指向性の方向を維持することができる。

　上述した実施形態において無線通信装置は、端末局３である。一方で、他の実施形態に係る無線通信装置は、基地局４であってもよい。

　上述した実施形態に係る端末局３は、アンテナ３６の延在方向に対して直交する回転軸Ｘ回りにアンテナ３６を回転させる１つのアクチュエータ３５を備える。一方で、他の実施形態に係る端末局３は、さらに回転軸Ｘ及びアンテナ３６の延在方向に対して直交する回転軸回りにアンテナ３６を回転させるもう１つのアクチュエータを備えてもよい。上述した実施形態により、水面波の主たる進行方向に対する揺れの影響を抑えることができるが、主たる進行方向に直交する方向にも波が存在することがある。この場合、制御装置３７がもう１つのアクチュエータを駆動させることで、水平面に対する揺れをすべて抑えることができる。なお、主たる進行方向に直交する方向に進行する波は主たる進行方向に進行する波と比較して十分に小さいため、上述した実施形態のように１つの回転軸Ｘに対してアンテナ３６を回転させることでも十分に指向性の方向を維持することができる。

　上述した実施形態において、端末局３のうち、少なくとも水上に設けられるものは、図２に示す構造を備える。一方で、地上に設けられる端末局３については、アンテナ３６を回転可能に支持する構成を有しない物であってよい。

　以上、この発明の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。

　１…無線通信システム　２…移動中継局　３…端末局　３１…浮体　３２…筐体　３３…センサ群　３４…支持部　３５…アクチュエータ　３６…アンテナ　３７…制御装置　３７１…データ取得部　３７２…データ記憶部　３７３…タイミング決定部　３７４…方向特定部　３７５…回転制御部　３７６…送信部　４…基地局　Ｘ…回転軸

Claims (5)

1. 　棒状のエレメントを有するアンテナと、
   　前記アンテナを、前記エレメントの延在方向に直交する回転軸回りに回転可能に支持する支持部と、
   　前記アンテナを前記回転軸回りに回転させるアクチュエータと、
   　前記支持部を支持し、水に浮く浮体と、
   　前記支持部の傾きに係る物理量を計測するセンサと、
   　制御装置と
   　を備え、
   　前記制御装置は、
   　前記センサの計測値を取得する計測値取得部と、
   　前記計測値に基づいて、傾きの変化が最も小さい方向と前記アンテナの延在方向とが一致するように前記アクチュエータを駆動させる回転制御部と
   　を備える無線通信装置。
2. 　前記支持部は、前記浮体が波のない水面に浮くときに前記アンテナの延在方向が水平になるように前記アンテナを支持する
   　請求項１に記載の無線通信装置。
3. 　前記制御装置は、
   　信号の送信タイミングを決定するタイミング決定部と、
   　前記送信タイミングに前記信号を送信する送信部と
   　を備え、
   　前記回転制御部は、前記送信タイミングに前記アクチュエータを駆動させる
   　請求項１又は請求項２に記載の無線通信装置。
4. 　前記回転制御部は、前記信号の送信が完了するまで前記アクチュエータを駆動させる
   　請求項３に記載の無線通信装置。
5. 　棒状のエレメントを有するアンテナと、
   　前記アンテナを、前記アンテナの延在方向に直交する回転軸回りに回転可能に支持する支持部と、
   　前記回転軸回りに前記アンテナを回転させるアクチュエータと、
   　前記支持部を支持し、水に浮く浮体と、
   　前記支持部の傾きに係る物理量を計測するセンサと、
   　を備える無線通信装置の制御方法であって、
   　前記センサの計測値を取得するステップと、
   　前記計測値が示す傾きの変化が最も小さい方向と前記アンテナの延在方向とが一致するように前記アクチュエータを駆動させるステップと
   　を有する制御方法。

Images