WO2022215119A1

WO2022215119A1 - ビーム送信装置及びビーム送信方法

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Publication number: WO2022215119A1
Application number: PCT/JP2021/014511
Authority: WO
Inventors: 直剛柴田; 健之今井; 臨太朗原田; 慎金子
Original assignee: 日本電信電話株式会社
Priority date: 2021-04-05
Filing date: 2021-04-05
Publication date: 2022-10-13
Also published as: JPWO2022215119A1

Abstract

ビーム送信装置は、無線通信システムにおいてビーム受信装置に向けて指向性のビームを送信する。主信号生成部は、主信号を生成する。制御信号生成部は、ビーム受信装置との通信維持に関わる制御信号を周期的に生成する。信号多重部は、主信号および制御信号を多重する。発散角調整部は、多重された信号に制御信号が含まれていない期間は、目標発散角を第１発散角に設定し、多重された信号に制御信号が含まれている期間は、目標発散角を第１発散角よりも大きい第２発散角に設定する。ビーム制御部は、多重された信号で変調されたビームの発散角を目標発散角に変更する。これにより、主信号の受信電力を損なうことなく、軸ずれが生じた場合に制御信号の喪失を回避できる。

Description

ビーム送信装置及びビーム送信方法

　本発明は、無線通信システムにおいてビーム受信装置に向けて指向性のビームを送信するビーム送信装置及びビーム送信方法に関する。

　指向性の強いビームをデータの送受信に用いる自由空間光通信（ＦＳＯ）が研究されている。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ビーム受信部方向に変化させるビーム追従が必要となる。

　非特許文献１には、移動するビーム受信部へのビーム追従を実施できる光無線通信装置が開示されている。

原田臨太朗，柴田直剛，金子慎，寺田純，"6Gに向けた移動体との光空間通信を実現する指向性制御方式"，電子情報通信学会，2020年通信ソサイエティ大会，B-8-7，2020年9月1日

　ところで、ビーム送信部の出力は、完全な平行ではなく、微小な発散角θにより、伝送距離とともに拡がっていく。信号電力を高く保つためには、発散角をなるべく小さくする必要があるが、発散角が小さいほど狭ビームとなるため、送受信部位置の変動による光軸ズレに対して弱くなる。

　光空間通信では、専用の通信装置を設備しない限り、受信側装置に対する指令や装置情報通知などの通信維持にかかわる制御情報は主信号の一部を利用する形で伝送される。すなわち、光軸の微小なずれにより主信号及び制御情報が失われる可能性がある。

　主信号の喪失は再送信を行うことで補償できる。しかしながら、制御情報を失った場合には通信の維持自体が不能となる恐れがある。そのため、主信号よりも制御情報の喪失を回避する必要がある。また、制御情報を取りやすくするために発散角を広くすると、送受信部位置の変動による光軸ズレに対しては強いが、信号電力が小さくなるため、主信号電力が低くなるという課題がある。

　本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、主信号の受信電力を損なうことなく、軸ずれが生じても制御信号の喪失を回避できるビーム送信装置及びビーム送信方法を提供することを目的とする。

　第１の観点は、無線通信システムにおいてビーム受信装置に向けて指向性のビームを送信するビーム送信装置に関連する。
　ビーム送信装置は、主信号生成部、制御信号生成部、信号多重部、発散角調整部、およびビーム制御部を備える。
　主信号生成部は、主信号を生成する。
　制御信号生成部は、前記ビーム受信装置との通信維持に関わる制御信号を周期的に生成する。
　信号多重部は、前記主信号および前記制御信号を多重する。
　発散角調整部は、前記多重された信号に前記制御信号が含まれていない期間は、目標発散角を第１発散角に設定し、前記多重された信号に前記制御信号が含まれている期間は、前記目標発散角を前記第１発散角よりも大きい第２発散角に設定する。
　ビーム制御部は、前記多重された信号で変調された前記ビームの発散角を前記目標発散角に変更する。

　第２の観点は、無線通信システムにおいてビーム受信装置に向けて指向性のビームを送信するビーム送信方法に関連する。
　ビーム送信方法は、主信号生成工程、制御信号生成工程、信号多重工程、発散角調整工程、およびビーム制御工程を備える。
　主信号生成工程は、主信号を生成する。
　制御信号生成工程は、前記ビーム受信装置との通信維持に関わる制御信号を周期的に生成する。
　信号多重工程は、前記主信号および前記制御信号を多重する。
　発散角調整工程は、前記多重された信号に前記制御信号が含まれていない期間は、目標発散角を第１発散角に設定し、前記多重された信号に前記制御信号が含まれている期間は、前記目標発散角を前記第１発散角よりも大きい第２発散角に設定する。
　ビーム制御工程は、前記多重された信号で変調された前記ビームの発散角を前記目標発散角に変更する。

　本発明に係るビーム送信装置は、通信維持に関わる制御信号の送信ビームの発散角を、主信号の送信ビームの発散角よりも大きくする制御を行う。そのため、本発明によれば、主信号の受信電力を損なうことなく、軸ずれが生じた場合に制御信号の喪失を回避できる。

本発明の実施の形態１に係る無線通信システムを示す図である。本発明の実施の形態１に係るビーム送信装置が有する機能の概要を例示するブロック図である。本発明の実施の形態１に係るビーム発散角の制御について説明するための図である。本発明の実施の形態２に係るビーム送信装置が有する機能の概要を例示するブロック図である。ビーム送信装置の各部が有するハードウェア構成例を示す図である。

　以下、図面を参照して本発明の実施の形態について詳細に説明する。但し、以下に示す実施の形態において各要素の個数、数量、量、範囲等の数に言及した場合、特に明示した場合や原理的に明らかにその数に特定される場合を除いて、その言及した数にこの発明が限定されるものではない。また、以下に示す実施の形態において説明する構造等は、特に明示した場合や明らかに原理的にそれに特定される場合を除いて、この発明に必ずしも必須のものではない。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。

実施の形態１．
１．無線通信システム
　図１は、実施の形態１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、ビーム送信装置１のビーム送信部２からビーム受信装置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、ビーム送信装置１とビーム受信装置３との間でデータの送受信が行われる。

　ビーム５は自由空間光通信（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。

２．ビーム送信装置
　図２は、実施の形態１に係るビーム送信装置１が有する機能の概要を例示するブロック図である。ビーム送信装置１は、主信号生成部１０、制御信号生成部１１、信号多重部１２、発散角調整部２０、およびビーム制御部３０を備える。

　主信号生成部１０は、主情報に、変調多値数に関する変調処理および誤り訂正符号化に関する符号化処理を施して、主信号を生成する。主情報は、例えばユーザデータであり、通信維持のための制御に関係しないデータである。

　制御信号生成部１１は、制御情報に、変調多値数に関する変調処理および誤り訂正符号化に関する符号化処理を施して、主信号よりも受信電力が低い制御信号を周期的に生成する。制御情報は、ビーム受信装置３に対する指令や装置情報通知などのビーム受信装置３との通信維持に関わるデータである。ここでは、主信号と制御信号では変調多値数または誤り訂正符号化の符号化率が違うものとする。

　信号多重部１２は、主信号生成部１０において変調処理と符号化処理とが施された主信号、および制御信号生成部１１において変調処理と符号化処理とが施された制御信号を多重する。信号多重部１２は、多重された信号をビーム制御部３０へ出力する。

　ここで、実施の形態１に係るビーム送信装置１におけるビーム発散角の制御について説明する。上述したように、主信号の喪失は再送信を行うことで補償できるが、制御情報を失った場合には通信の維持自体が不能となる恐れがある。そのため、主信号よりも制御信号の喪失を回避する必要がある。

　そこで、本実施形態では、ビーム送信装置１が、主信号と制御信号とを時分割で送信し、制御信号の送信ビームの発散角を主信号の送信ビームの発散角よりも大きくすることとした。

　図３は、ビーム発散角の制御について説明するための図である。基本発散角（第１発散角）は主信号を適切な受信電力で送信するために設定された発散角である。制御信号発散角（第２発散角）は、制御信号送信区間にのみ設定される発散角である。第２発散角は第１発散角よりも大きいため、制御信号の受信電力は主信号よりも低い。図３に示すように、ビーム送信装置１が制御信号の送信時にのみ発散角を拡げることで、主信号の受信電力を大きく損なわずに、ビーム受信装置３は制御信号を受信しやすくなる。

　図２に戻り説明を続ける。発散角調整部２０は、多重された信号に制御信号が含まれていない期間は、目標発散角を第１発散角に設定する。発散角調整部２０は、多重された信号に制御信号が含まれている期間は、目標発散角を第１発散角よりも大きい第２発散角に設定する。ここで、第２発散角は、制御信号生成部１１における変調多値数および誤り訂正符号化の符号化率に基づいて、制御信号の受信電力が受信可能下限電力を下回らないように算出される。詳細には、発散角調整部２０は、発散角算出部２１および発散角制御部２２を備える。

　発散角算出部２１は、発散角制御部２２による制御後の発散角を計算する。まず、発散角算出部２１は、制御信号の変調多値数および誤り訂正符号化の符号化率に基づいて、主信号の所要受信電力に対する制御信号の所要受信電力の低下量［ｄＢ］を計算する。発散角算出部２１は、予め定めた発散角と受信電力低下量との関係に基づいて、発散角拡大に伴う受信電力の低下量が該算出された所要受信電力の低下量よりも小さい範囲内で、第２発散角を算出する。発散角と受信電力低下量との関係は、理論式により定めてもよいし、実測又はシミュレーションを基にした対応表により定めてもよい。

　発散角制御部２２は、信号多重部１２から制御信号を送信するタイミングを抽出し、そのタイミングで、目標発散角を、主信号送信時の第１発散角よりも大きく、かつ制御信号の所要受信電力を満たす範囲の第２発散角に設定する。発散角制御部２２は、目標発散角に応じたアクチュエータ制御量をビーム制御部３０へ出力する。

　ビーム制御部３０は、多重された信号で変調されたビームの発散角を目標発散角に変更する。詳細には、ビーム制御部３０は、光源３１、変調器３２、空間送出部３３、および光信号集束部３４を備える。

　光源３１は、光搬送波を出力する。変調器３２は、信号多重部１２が多重した信号により光搬送波を変調する。空間送出部３３は、ファイバを流れる光信号を空間に放出する。

　光信号集束部３４は、空間を伝送する光を集束する。一例として、光信号集束部３４は、液体レンズと、その曲率半径を変更するアクチュエータとを備える。液体レンズは、曲率半径の変化により焦点距離が変化し、焦点距離の変化により発散角が変化する。光信号集束部３４は、発散角制御部２２からのアクチュエータ制御量に基づき、液体レンズの曲率半径を電子制御する。

　他の例として、光信号集束部３４は、２枚の凸レンズと、片方の凸レンズに位置調整用モータを付けたものでも良い。２枚の凸レンズにより、合成レンズとしての焦点距離が生まれるが、位置調整用モータで２枚の凸レンズの間隔を調整することで、焦点距離を変えられる。光信号集束部３４は、発散角制御部２２からのアクチュエータ制御量に基づき、位置調整用モータを制御する。

　以上説明したように、実施の形態１に係るビーム送信装置１によれば、通信維持に関わる制御信号の送信ビームの発散角を、主信号の送信ビームの発散角よりも大きくすることができる。そのため、本発明によれば、軸ずれが生じた場合であっても、主信号の受信電力を損なうことなく、制御信号の喪失を回避できる。また、この効果は、ビーム送信装置１の制御のみで得られるため、ビーム受信装置３への構成変更が不要であり、各種受信側構成と併用することが可能である。

（変形例）
　ところで、上述した実施の形態１では、制御信号と主信号とで、変調多値数または誤り訂正符号化の符号化率が違う前提で説明したが、制御信号と主信号とで変調速度が違う場合でも本発明は適用可能である。なお、この点は実施の形態２でも同様である。

実施の形態２．
　次に、図４を参照して本発明の実施の形態２について説明する。
　図４は、実施の形態２に係るビーム送信装置１の構成を示すブロック図である。実施の形態２に係るビーム送信装置１は、上述した図２の構成に発散角遷移時調整部２３が追加されている点を除き、実施の形態１と同様である。以下、実施の形態１と同じ処理内容についてはその説明を省略または簡略する。

　上述した実施の形態１に係るビーム送信装置１によれば、制御信号の送信ビームの発散角を、主信号の送信ビームの発散角よりも大きくすることができる。ところで、主信号用の発散角から制御信号用の発散角、または制御信号用の発散角から主信号用の発散角に変更する際には、発散角の切替遷移時間が存在する。この切替遷移時間が非常に短い発散角制御部２２が搭載される場合は、実施の形態１の構成でも問題は無いが、製品の性能により、主信号伝送速度に対して切替遷移時間が短くない場合も考えられる。この場合、主信号伝送中に発散角が拡がることとなり、主信号をビーム受信装置３で復調／復号できない可能性がある。

　そこで、実施の形態２では、発散角制御中つまり切替遷移時間において、主信号の変調多値数または誤り訂正符号化の冗長度またはその両方を調整して、主信号伝送時の発散角より大きい発散角でも主信号を復調できるようにした。

　発散角調整部２０は、上述した発散角算出部２１、発散角制御部２２に加えて、発散角遷移時調整部２３を備える。発散角遷移時調整部２３は、第１発散角と第２発散角とを切り替える間の切替遷移時間において、主信号生成部１０における変調多値数および誤り訂正符号化の冗長度の少なくとも１つを変更する。

　例えば、切替遷移時間をＴ、主信号の変調多値数を１６ＱＡＭ、制御信号の変調多値数をＢＰＳＫとした場合、Ｔの区間では常に主信号の変調多値数をＢＰＳＫに変更しても良い。または、時間をｔ１，ｔ２，ｔ３（ｔ１＋ｔ２＋ｔ３＝Ｔ）のように複数に分割し、主信号用から制御信号用の発散角に遷移する際は、遷移開始からｔ１の間は１６ＱＡＭ、次のｔ２はＱＰＳＫ、最後のｔ３ではＢＰＳＫとし、徐々に多値数を変更する構成としても良い。ｔ１，ｔ２，ｔ３の値は、所要受信電力を満たす範囲で、任意に決定して良い。また、制御信号用から主信号用の発散角に遷移する際も同様で、時間をｔ１’，ｔ２’，ｔ３’（ｔ１’＋ｔ２’＋ｔ３’＝Ｔ）のように複数に分割し、最初のｔ１’ではＢＰＳＫ、次のｔ２’ではＱＰＳＫ、最後のｔ３’では１６ＱＡＭ、としても良い。

　このように変調方式が変化する場合、切替遷移時間における変調多値数または誤り訂正符号化の冗長度を、通常と同じように制御信号に含めて通知しても良いし、周期ごとに変更する必要が無いため、予め運用前にビーム受信装置３にその情報を設定しておいても良い。

　以上説明したように、実施の形態２に係るビーム送信装置１によれば、切替遷移時間において、主信号の変調多値数および誤り訂正符号化の冗長度の少なくとも一方を調整して、主信号伝送時の発散角より大きい発散角でも主信号を復調できる。

（ハードウェア構成）
　図５は、上述した実施の形態のビーム送信装置１の各部が有する処理回路のハードウェア構成例を示す概念図である。上述した各機能は処理回路により実現される。一態様として、処理回路は、少なくとも１つのプロセッサ９１と少なくとも１つのメモリ９２とを備える。他の態様として、処理回路は、少なくとも１つの専用のハードウェア９３を備える。

　処理回路がプロセッサ９１とメモリ９２とを備える場合、各機能は、ソフトウェア、ファームウェア、又はソフトウェアとファームウェアとの組み合わせにより実現される。ソフトウェアおよびファームウェアの少なくとも一方は、プログラムとして記述される。ソフトウェアおよびファームウェアの少なくとも一方は、メモリ９２に格納される。プロセッサ９１は、メモリ９２に記憶されたプログラムを読み出して実行することにより、各機能を実現する。

　処理回路が専用のハードウェア９３を備える場合、処理回路は、例えば、単一回路、複合回路、プログラム化したプロセッサ、又はこれらを組み合わせたものである。各機能は処理回路で実現される。

　ビーム送信装置１が有する各機能は、それぞれ一部又は全部がハードウェアによって構成されてもよいし、プロセッサが実行するプログラムとして構成されてもよい。すなわち、ビーム送信装置１が有する各機能はコンピュータとプログラムによっても実現でき、プログラムを記録媒体に記録することも、ネットワークを通して提供することも可能である。

　以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は、上記の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。

１　ビーム送信装置
２　ビーム送信部
３　ビーム受信装置
４　ビーム受信部
５　ビーム
１０　主信号生成部
１１　制御信号生成部
１２　信号多重部
２０　発散角調整部
２１　発散角算出部
２２　発散角制御部
２３　発散角遷移時調整部
３０　ビーム制御部
３１　光源
３２　変調器
３３　空間送出部
３４　光信号集束部
θ　発散角

Claims

　無線通信システムにおいてビーム受信装置に向けて指向性のビームを送信するビーム送信装置であって、
　主信号を生成する主信号生成部と、
　前記ビーム受信装置との通信維持に関わる制御信号を周期的に生成する制御信号生成部と、
　前記主信号および前記制御信号を多重する信号多重部と、
　前記多重された信号に前記制御信号が含まれていない期間は、目標発散角を第１発散角に設定し、前記多重された信号に前記制御信号が含まれている期間は、前記目標発散角を前記第１発散角よりも大きい第２発散角に設定する発散角調整部と、
　前記多重された信号で変調された前記ビームの発散角を前記目標発散角に変更するビーム制御部と、
　を備えることを特徴とするビーム送信装置。
　前記制御信号生成部は、前記ビーム受信装置との通信維持に関わる制御情報に、変調多値数に関する変調処理および誤り訂正符号化に関する符号化処理を施して、前記主信号よりも受信電力が低い前記制御信号を周期的に生成し、
　前記第２発散角は、前記制御信号生成部における前記変調多値数および前記誤り訂正符号化の符号化率に基づいて、前記制御信号の前記受信電力が受信可能下限電力を下回らないように算出されること、
　を特徴とする請求項１に記載のビーム送信装置。
　前記主信号生成部は、主情報に、変調多値数に関する変調処理と誤り訂正符号化に関する符号化処理とを施して、前記主信号を生成し、
　前記発散角調整部はさらに、前記第１発散角と前記第２発散角とを切り替える間の切替遷移時間において、前記主信号生成部における前記変調多値数および、前記主信号生成部における前記誤り訂正符号化の冗長度の少なくとも１つを変更すること、
　を特徴とする請求項１又は２に記載のビーム送信装置。
　前記ビームは、光信号であること、
　を特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のビーム送信装置。
　無線通信システムにおいてビーム受信装置に向けて指向性のビームを送信するビーム送信方法であって、
　主信号を生成する主信号生成工程と、
　前記ビーム受信装置との通信維持に関わる制御信号を周期的に生成する制御信号生成工程と、
　前記主信号および前記制御信号を多重する信号多重工程と、
　前記多重された信号に前記制御信号が含まれていない期間は、目標発散角を第１発散角に設定し、前記多重された信号に前記制御信号が含まれている期間は、前記目標発散角を前記第１発散角よりも大きい第２発散角に設定する発散角調整工程と、
　前記多重された信号で変調された前記ビームの発散角を前記目標発散角に変更するビーム制御工程と、
　を備えることを特徴とするビーム送信方法。
　前記制御信号生成工程は、前記ビーム受信装置との通信維持に関わる制御情報に、変調多値数に関する変調処理および誤り訂正符号化に関する符号化処理を施して、前記主信号よりも受信電力が低い前記制御信号を周期的に生成し、
　前記第２発散角は、前記制御信号生成工程における前記変調多値数および前記誤り訂正符号化の符号化率に基づいて、前記制御信号の前記受信電力が受信可能下限電力を下回らないように算出されること、
　を特徴とする請求項５に記載のビーム送信方法。
　前記主信号生成工程は、主情報に、変調多値数に関する変調処理と誤り訂正符号化に関する符号化処理とを施して、前記主信号を生成し、
　前記発散角調整工程はさらに、前記第１発散角と前記第２発散角とを切り替える間の切替遷移時間において、前記主信号生成工程における前記変調多値数および、前記主信号生成工程における前記誤り訂正符号化の冗長度の少なくとも１つを変更すること、
　を特徴とする請求項５又は６に記載のビーム送信方法。