WO2024023965A1 - 無線通信システム、アンテナ方向制御装置、アンテナ方向制御方法及びアンテナ方向制御プログラム - Google Patents

無線通信システム、アンテナ方向制御装置、アンテナ方向制御方法及びアンテナ方向制御プログラム Download PDF

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antennas
wireless communication
direction control
communication system
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博幸 古谷
利文 宮城
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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
    • H04B1/00—Details of transmission systems, not covered by a single one of groups H04B3/00 - H04B13/00; Details of transmission systems not characterised by the medium used for transmission
    • H04B1/38—Transceivers, i.e. devices in which transmitter and receiver form a structural unit and in which at least one part is used for functions of transmitting and receiving
    • 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 invention relates to a wireless communication system, an antenna direction control device, an antenna direction control method, and an antenna direction control program.
  • Wireless communication systems are known that realize high-speed, large-capacity wireless communication by using high-frequency electromagnetic waves such as terahertz waves and light (see, for example, Non-Patent Documents 1 and 2).
  • high-frequency electromagnetic waves such as light have high directivity and a narrow beam width.
  • it is necessary to accurately align the antennas.
  • a device that transmits and receives light even if it is a device that emits or receives light, will be referred to as an antenna in the same way as an antenna that transmits and receives high-frequency radio waves.
  • the state in which the antennas that perform transmission and reception are directly facing each other is also referred to as having the optical axes aligned.
  • a wireless communication system that uses high-frequency electromagnetic waves may be equipped with a GPS or a high-magnification camera just to align the direction of the antenna. Then, it may be necessary to correct the angle of the antenna by detecting changes in the direction of the antenna within a narrow receivable range.
  • wireless communication systems that use high-frequency electromagnetic waves generally have narrow beams, and even if a small obstacle crosses between the transmitter and receiver, communication is likely to be interrupted. Furthermore, as a countermeasure against instantaneous power outages, the use of frequency bands with different characteristics in combination has been considered.
  • the conventional method uses ring aggregation (LAG) as is, and simply adds up the communication speeds of individual networks.
  • LAG ring aggregation
  • Wireless communications that use high frequency bands require manual alignment of the axis quite accurately (within a few degrees) during initial installation. Furthermore, in wireless communications using high frequency bands, it is often difficult to move devices.
  • Wireless communication systems that use high frequency bands generally have high speed and large capacity, but as mentioned above, if axis misalignment occurs, communication will be interrupted and no information will be able to be transmitted until reconnection. It is also difficult to determine whether the interruption is due to equipment failure or equipment failure.
  • the present invention has been made in view of the above-mentioned problems, and can easily correct the direction of two antennas that face each other and mutually transmit and receive electromagnetic waves with a frequency higher than a predetermined frequency.
  • the present invention aims to provide a wireless communication system, an antenna direction control device, an antenna direction control method, and an antenna direction control program.
  • a wireless communication system includes two first antennas that face each other and mutually transmit and receive electromagnetic waves with a frequency higher than a predetermined frequency, and two first antennas that face each other and transmit/receive electromagnetic waves with a frequency lower than the predetermined frequency.
  • a plurality of pairs of second antennas that mutually transmit and receive, each one of the first antenna and a plurality of the second antennas are fixed so as to face in the same direction and are integrated, and the two first antennas and the plurality of second antennas are fixed to form a pair.
  • Two support members support each of the plurality of second antennas so as to face each other within a predetermined movable range, and the plurality of second antennas fixed to one of the support members are connected to the other same second antennas.
  • a measurement unit that measures the difference in arrival time of direct waves received from an antenna, and a deviation in the opposing direction between the first antenna and the other first antenna based on the difference in arrival time measured by the measurement unit. It is characterized by having a detection part which detects.
  • the antenna direction control device includes two first antennas that face each other and mutually transmit and receive electromagnetic waves with a frequency higher than a predetermined frequency, and a direct wave with a frequency lower than the predetermined frequency.
  • a plurality of pairs of second antennas that face each other and transmit and receive data, and one first antenna and a plurality of second antennas, respectively, are fixed so as to face in the same direction and are integrated, and the two first antennas and
  • the device includes two support members that support each of the plurality of second antennas in a pair so as to face each other within a predetermined movable range.
  • the present invention is characterized by comprising a correction section that corrects the direction of the antenna.
  • an antenna direction control method includes two first antennas that face each other and mutually transmit and receive electromagnetic waves with a frequency higher than a predetermined frequency, and a direct wave with a frequency lower than the predetermined frequency.
  • a plurality of pairs of second antennas that face each other and transmit and receive data, and one first antenna and a plurality of second antennas, respectively, are fixed so as to face in the same direction and are integrated, and the two first antennas and
  • An antenna direction control method for controlling the antenna direction of a wireless communication system comprising: two support members that support each of the plurality of second antennas in a pair so as to face each other within a predetermined movable range; a measuring step in which the plurality of second antennas fixed to the second antenna measure the difference in arrival time of direct waves received from other identical second antennas;
  • the method is characterized in that it includes a detection step of detecting a deviation in the facing direction between the antenna and the other first antenna.
  • the present invention it is possible to easily correct the directions of two antennas that face each other and mutually transmit and receive electromagnetic waves with a frequency higher than a predetermined frequency.
  • FIG. 1 is a diagram showing an overview of the configuration of a wireless communication system according to an embodiment.
  • (a) is a diagram showing a state in which two first antennas face each other.
  • (b) is a diagram showing a state in which the directions of the first antennas are not directly facing each other.
  • FIG. 2 is a functional block diagram illustrating functions of an antenna direction control device according to an embodiment.
  • (a) is a diagram schematically showing a state in which two first antennas face each other.
  • (b) is a diagram schematically showing a state in which two first antennas are not directly facing each other. It is a figure which shows typically the 1st example of operation when a wireless communication system correct
  • (a) is a diagram showing a state in which the supporting member is tilted in a predetermined direction.
  • (b) is a diagram showing a position where the difference in arrival time of radio waves received by the two second antennas is equal even though the second antennas are not directly facing each other.
  • (c) is a diagram showing positions where the difference in arrival time of radio waves directly received by the second antennas is equal for each pair, although the second antennas are not directly facing each other.
  • (d) is a diagram showing a process of determining an angle for correcting the support member by finding an intermediate angle between the inclinations of the support member shown in (c) and (d).
  • (e) is a diagram showing the relationship between the angles shown in (d).
  • FIG. 1 is a diagram showing an example of a wireless communication system. 1 is a diagram illustrating an example of a hardware configuration of an antenna direction control device according to an embodiment; FIG. (a) is a diagram showing a state in which the optical axes are aligned. (b) is a diagram showing a state in which the optical axis is shifted.
  • (a) is a diagram showing a state in which a high frequency band device 2 that uses high frequency electromagnetic waves as terahertz waves and an FSO device 1 that uses high frequency electromagnetic waves as light are blocked by an obstacle.
  • (b) is a diagram illustrating a wireless communication system that allows communication to continue even if the FSO device 1 is blocked by an obstacle.
  • FIG. 10 is a diagram showing antenna alignment (optical axis alignment) in a wireless communication system of a comparative example.
  • FIG. 10(a) is a diagram showing a state in which the optical axes are aligned.
  • FIG. 10(b) is a diagram showing a state in which the optical axis is shifted.
  • electromagnetic waves with a frequency higher than a predetermined frequency are considered to be light.
  • FIG. 11 is a diagram showing continuity of communication in a wireless communication system of a comparative example.
  • FIG. 11A is a diagram showing a state in which a high frequency band device 2 that uses high frequency electromagnetic waves as terahertz waves and an FSO device 1 that uses high frequency electromagnetic waves as light are blocked by an obstacle.
  • FIG. 11(b) is a diagram illustrating a wireless communication system that allows communication to continue even if the FSO device 1 is blocked by an obstacle.
  • communication may be interrupted by small obstacles, rain, etc.
  • the FSO device 1 and the wireless LAN device 3 configure a link aggregation (LAG) using an L2SW (layer 2 switch, etc.) 4. Even if communication between the FSO devices 1 is cut off, communication can be continued (assisted) between the wireless LAN devices 3.
  • LAG link aggregation
  • the wireless communication system of the comparative example shown in FIG. do not have. In other words, there is no interaction between the high frequency band and the low frequency band, and only link aggregation is established as a wireless LAN technology.
  • a wireless communication system is configured to easily correct the directions of two antennas that face each other and mutually transmit and receive electromagnetic waves having a frequency higher than a predetermined frequency. ing.
  • FIG. 1 is a diagram showing an overview of the configuration of a wireless communication system 10 according to an embodiment.
  • the wireless communication system 10 includes, for example, two first antennas 20 that mutually transmit and receive electromagnetic waves with a frequency higher than a predetermined frequency, and two first antennas 20 that mutually transmit and receive electromagnetic waves with a frequency lower than the predetermined frequency.
  • Two support members (pan heads) 40 that support the two first antennas 20 and the two paired second antennas 30 so as to face each other within a predetermined movable range, and an antenna direction control device 50.
  • the plurality of pairs of second antennas 30 perform MIMO (multiple-input and multiple-output) wireless communication.
  • the two support members 40 are driven by a drive section (not shown), and the directions of the two support members 40 can be changed within a predetermined movable range.
  • the wireless communication system 10 simplifies direction alignment (axis alignment) of the first antenna 20 by combining low frequency and high frequency radio.
  • the wireless communication system 10 uses the second antenna 30 to assist in continuing high-speed communication using the first antenna 20, which is vulnerable to environmental changes.
  • the wireless communication system 10 facilitates operation so as not to interrupt wireless communication.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating a change in direction of the first antenna 20 supported by the support member 40.
  • FIG. 2A is a diagram showing a state in which two first antennas 20 face each other.
  • FIG. 2(b) is a diagram showing a state in which the directions of the first antennas 20 are not directly facing each other.
  • the wireless communication system 10 utilizes the ease with which radio waves in the low frequency band are spread and the difficulty in discontinuing them using the second antennas 30, and uses the time difference between the radio waves received by the plurality of second antennas 30 to determine whether the first antenna 20 Make direction adjustments.
  • the wireless communication system 10 can grasp the opposing state of each of the second antennas 30 even when the high frequency band radio using the first antenna 20 is interrupted, and the direction of the first antenna 20 is shifted. Even in such a case, quick recovery (correction of the direction of the first antenna 20) is possible.
  • the wireless communication system 10 achieves communication speed that exceeds wireless communication using only the first antenna 20. is made possible.
  • FIG. 3 is a functional block diagram illustrating functions of the antenna direction control device 50 according to an embodiment.
  • the antenna direction control device 50 includes, for example, an acquisition section 51, a measurement section 52, a detection section 53, and a correction section 54, and controls each section constituting the wireless communication system 10.
  • the acquisition unit 51 acquires parameters related to electromagnetic waves transmitted by each of the first antenna 20 and the second antenna 30, for example, and outputs them to the detection unit 53 and the correction unit 54.
  • the acquisition unit 51 acquires MIMO calculation parameters such as received power and throughput of each of the second antennas 30.
  • the measuring unit 52 measures the difference in arrival time of direct waves received by the plurality of second antennas 30 fixed to one support member 40 from other identical second antennas 30, and measures the difference in the arrival time of the direct waves received from the same second antenna 30, and transmits the difference to the detecting unit 53. Output.
  • the detection unit 53 detects a deviation in the facing direction between the first antenna 20 and the other first antenna 20 based on the difference in arrival time measured by the measurement unit 52, and outputs the detected deviation to the correction unit 54.
  • the correction unit 54 corrects the orientation of the first antenna 20 fixed to the support member 40 based on the deviation in the opposing direction detected by the detection unit 53. Further, the correction unit 54 corrects the orientation of the first antenna 20 fixed to the support member 40 based on the parameters acquired by the acquisition unit 51 so as to maximize the quality of communication by the second antenna 30. Good too. That is, the correction unit 54 performs control to change the orientation of the support member 40, and performs correction to cause the two first antennas 20 to face each other.
  • FIG. 4 is a diagram schematically showing a specific arrangement example of each of the first antenna 20, the second antenna 30, and the support member 40.
  • FIG. 4A is a diagram schematically showing a state in which two first antennas 20 are facing each other.
  • FIG. 4(b) is a diagram schematically showing a state in which the two first antennas 20 are not directly facing each other.
  • the second antenna 30 is fixed to the support member 40 so as to be shifted in a predetermined direction with respect to the other second antennas 30 by a width in units of the wavelength of the direct wave to be transmitted (for example, a width corresponding to one wavelength). has been done. That is, the plurality of pairs of second antennas 30 are arranged in an offset manner so that the optical axes are accurately aligned and MIMO communication has the maximum quality. This is to facilitate measurement of the difference in arrival time of direct waves by the measurement unit 52.
  • the predetermined direction is a direction in which the two first antennas 20 are oriented to face each other. That is, the predetermined direction is the direction directly facing the first antenna 20 (in the case where the first antenna 20 is a device that transmits and receives light, the optical axis direction).
  • the amount of offset in the arrangement of the second antenna 30 is adjusted to, for example, one wavelength so that the performance of MIMO communication is maximized, and it is easy to separate signals based on the difference in arrival time of radio waves received by the second antenna 30. I have to. For example, if the optical axis correction performance of the first antenna 20 is 1 degree, the distance from the optical axis to the second antenna 30 is about 60 times (tan 1 degree).
  • the positions before and after the second antenna 30 (offset amount) where the communication performance is maximum are within at least one wavelength. Therefore, if the distance of the second antenna 30 from the optical axis is appropriate, it will fall within the optical axis correction performance of the first antenna 20.
  • the electromagnetic waves transmitted by the first antenna 20 are high-frequency electromagnetic waves, they have high linearity and reach only the first antenna 20 in front.
  • the radio waves transmitted by the second antenna 30 have a lower frequency than the electromagnetic waves transmitted by the first antenna 20 and have a strong tendency to spread, so they reach the second antenna 30 diagonally opposite as well as the second antenna 30 in front. .
  • MIMO communication connection is possible by aligning the directions of the plurality of pairs of second antennas 30 so that they generally face each other.
  • the radio waves received by the first antenna 20 include radio waves transmitted by the first antenna 20 in front (low frequency band A system) and radio waves transmitted by the first antenna 20 diagonally opposite (low frequency band B). system), and a difference occurs between the arrival times of radio waves in the low frequency band A system and radio waves in the low frequency band B system.
  • the difference in the arrival time of the radio waves is different from when the plurality of pairs of second antennas 30 are directly facing each other, and therefore can be recognized.
  • the correction unit 54 performs control to equalize the difference in arrival time between the radio waves of the low frequency band A system and the radio waves of the low frequency band B system, thereby making it possible for the two first antennas 20 to face each other directly. can.
  • the plurality of pairs of second antennas 30 can transmit data indicating the deviation between the two first antennas 20, the state of wireless communication in a high frequency band, etc. while continuing communication.
  • FIG. 5 is a diagram schematically showing a first operation example when the wireless communication system 10 corrects the orientation of the first antenna 20.
  • the antenna direction control device 50 measures the distribution of received power received by the second antenna 30 by tilting the support member 40 within a movable range in the vertical axis direction and the horizontal axis direction, and tilts the support member 40 in the direction where the received power is strongest. Adjust the orientation.
  • FIG. 6 is a diagram schematically showing a second operation example when the wireless communication system 10 corrects the orientation of the first antenna 20.
  • FIG. 6A is a diagram showing a state in which the support member 40 is tilted in a predetermined direction.
  • FIG. 6B is a diagram showing a position where the difference in arrival time of radio waves received by the two second antennas 30 is equal although the second antennas 30 are not directly facing each other.
  • FIG. 6C is a diagram showing positions where the second antennas 30 are not directly facing each other, but where the difference in arrival time of the radio waves directly received by the second antennas 30 is equal for each pair.
  • FIG. 6A is a diagram showing a state in which the support member 40 is tilted in a predetermined direction.
  • FIG. 6B is a diagram showing a position where the difference in arrival time of radio waves received by the two second antennas 30 is equal although the second antennas 30 are not directly facing each other.
  • FIG. 6C is a diagram showing positions where the second antennas 30 are
  • FIG. 6(d) is a diagram showing the process of determining the angle at which the supporting member 40 is corrected by finding the intermediate angle between the inclinations of the supporting member 40 shown in FIGS. 6(c) and 6(d).
  • FIG. 6(e) is a diagram showing the angular relationship shown in FIG. 6(d).
  • the wireless communication system 10 corrects the quality of MIMO communication while continuing communication using the plurality of pairs of second antennas 30, thereby keeping the direction of the first antenna 20 within the optical axis correction range. It is possible to induce
  • FIG. 7 is a diagram illustrating a configuration around the first antenna 20 in a modified example of the wireless communication system 10.
  • FIG. 7A is a diagram showing a state in which two first antennas 20 face each other in a modified example of the wireless communication system 10.
  • FIG. 7B is a diagram illustrating a modified example of the wireless communication system 10 in which the two first antennas 20 are not directly facing each other.
  • a patch array antenna 30a is used in place of the second antenna 30 described above.
  • the patch array antenna 30a has a plurality of antenna elements that use a frequency band lower than that of the first antenna 20, and has a function of combining radio waves.
  • the patch array antenna 30a is configured such that parameters for forming beamforming can be set. Furthermore, the measurement unit 52 is capable of measuring the difference in arrival time between individual antenna elements of the radio waves received by the patch array antenna 30a. For example, by controlling the directivity of the patch array antenna 30a to the front (90 degrees), it is possible to align the optical axes of the wireless communication system 10.
  • FIG. 8 is a diagram showing an example of a wireless communication system (wireless communication system 10a).
  • a high frequency band device 60 including the wireless communication system 10 and a low frequency MIMO wireless device 61 including a plurality of second antennas 30 are coupled by an L2SW 62, and wireless communication is performed using a high frequency band and a low frequency band. communicate.
  • the wireless communication system 10a can detect the deviation in the facing direction between the first antenna 20 and the other first antennas 20 based on the difference in arrival time measured by the measurement unit 52, and It is possible to easily correct the directions of two antennas that mutually transmit and receive electromagnetic waves of opposite frequencies.
  • the wireless communication system 10 can improve the continuity of wireless communication by using band bundling technology (for example, LAG), and can also improve recovery. Furthermore, during normal communication, the wireless communication system 10 can improve throughput by auxiliary transmission of a low frequency wireless clock and MIMO parameters on the high frequency side.
  • band bundling technology for example, LAG
  • each function of the antenna direction control device 50 may be partially or entirely configured by hardware such as a PLD (Programmable Logic Device) or an FPGA (Field Programmable Gate Array), or may be configured by a processor such as a CPU. It may be configured as a program to be executed.
  • hardware such as a PLD (Programmable Logic Device) or an FPGA (Field Programmable Gate Array)
  • PLD Processable Logic Device
  • FPGA Field Programmable Gate Array
  • the antenna direction control device 50 can be realized using a computer and a program, and the program can be recorded on a storage medium or provided through a network.
  • FIG. 9 is a diagram showing an example of the hardware configuration of the antenna direction control device 50 according to an embodiment.
  • the antenna direction control device 50 has an input section 500, an output section 510, a communication section 520, a CPU 530, a memory 540, and an HDD 550 connected to each other via a bus 560, and has a function as a computer.
  • the antenna direction control device 50 is also capable of inputting and outputting data to and from a computer-readable storage medium 570.
  • the input unit 500 is, for example, a keyboard and a mouse.
  • the output unit 510 is, for example, a display device such as a display.
  • the communication unit 520 is a communication interface that performs wireless communication.
  • the CPU 530 controls each part of the antenna direction control device 50 and performs predetermined processing.
  • the memory 540 and HDD 550 store data and the like.
  • the storage medium 570 is capable of storing programs and the like that execute the functions of the antenna direction control device 50. Note that the architecture configuring the antenna direction control device 50 is not limited to the example shown in FIG. 9.

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Abstract

一実施形態にかかる無線通信システムは、所定周波数よりも高い周波数の電磁波を対向して相互に送受信する２つの第１アンテナと、所定周波数よりも低い周波数の直接波を対向して相互に送受信する複数対の第２アンテナと、それぞれ１つの第１アンテナ及び複数の第２アンテナを同一方向に向けて一体となるように固定し、２つの第１アンテナ及び対となる複数の第２アンテナそれぞれを所定の可動範囲内で対向させるように支持する２つの支持部材と、１つの支持部材に固定された複数の第２アンテナが、他の同一の第２アンテナから受信した直接波の到達時間の差を測定する測定部と、測定部が測定した到達時間の差に基づいて、第１アンテナと、他の第１アンテナとの対向方向のずれを検出する検出部とを有することを特徴とする。

Description

無線通信システム、アンテナ方向制御装置、アンテナ方向制御方法及びアンテナ方向制御プログラム
　本発明は、無線通信システム、アンテナ方向制御装置、アンテナ方向制御方法及びアンテナ方向制御プログラムに関する。
　テラヘルツ波や光に代表される高周波数の電磁波を用いることにより、高速大容量の無線通信を実現する無線通信システムが知られている（例えば、非特許文献１，２参照）。しかし、光などの高周波数の電磁波は、指向性が高くビーム幅も細い。このような無線通信システムは、正常な無線通信を行うために、アンテナを正確に正対（軸合わせ）する必要がある。
　ここでは、光を送受信する装置は、発光又は受光する装置であっても、高周波の電波を送受信するアンテナと同様に、アンテナと記すこととする。また、送受信を行うアンテナが正対している状態を光軸が合っているとも記すこととする。
　例えば、高周波数の電磁波を用いる無線通信システムは、アンテナの方向を合わせるためだけにＧＰＳや高倍率カメラなどを搭載することがある。そして、狭い受信可能範囲の中でアンテナの方向の変動をとらえて、アンテナの角度を補正する必要が生じることがある。
　また、高周波数の電磁波を用いる無線通信システムは、一般的にビームが細く、小さな障害物が送受信装置間を横切った場合でも通信断が発生しやすい。また、従来より、瞬断対策として、特性の異なる周波数帯の併用が検討されている。しかし、従来の方法は、リングアグリゲーション（ＬＡＧ）そのままであり、個々のネットワークの通信速度を単純に合計するものであった。
"高速・大容量通信を実現した新しい光無線通信装置を開発"、［online］、ＮＩＣＴ　ＮＥＷＳ、［令和４年６月３０日検索］、インターネット〈URL：https://www.nict.go.jp/publication/NICT-News/1005/01.html〉 若森和彦、「屋外光無線通信システムの開発と信頼性向上に関する研究」、大阪市立大学大学院　工学研究科、２００８年３月
　高周波数帯を用いる無線通信は、初期設置時に手動でかなり正確（数度以内）に軸を合わせる必要がある。また、高周波数帯を用いる無線通信は、装置を移動させることが容易でない場合が多い。
　また、アンテナの方向の自動補正範囲を広げようとすると、アンテナ、レンズ、ミラーなどの通常時の通信に寄与する装置のサイズを超えて機器の大型化を招いてしまう。高周波数帯を用いる無線通信システムは、一般的に高速大容量であるが、上述したように軸ずれを起こすと通信が途絶し、再接続まで一切の情報が伝送出来ないため、障害物による途絶であるか、機器不具合による途絶であるかを把握することも難しい。
　本発明は、上述した課題を鑑みてなされたものであり、所定周波数よりも高い周波数の電磁波を対向して相互に送受信する２つのアンテナの方向を容易に補正することを可能にすることができる無線通信システム、アンテナ方向制御装置、アンテナ方向制御方法及びアンテナ方向制御プログラムを提供することを目的とする。
　本発明の一実施形態にかかる無線通信システムは、所定周波数よりも高い周波数の電磁波を対向して相互に送受信する２つの第１アンテナと、前記所定周波数よりも低い周波数の直接波を対向して相互に送受信する複数対の第２アンテナと、それぞれ１つの前記第１アンテナ及び複数の前記第２アンテナを同一方向に向けて一体となるように固定し、２つの前記第１アンテナ及び対となる複数の前記第２アンテナそれぞれを所定の可動範囲内で対向させるように支持する２つの支持部材と、１つの前記支持部材に固定された複数の前記第２アンテナが、他の同一の前記第２アンテナから受信した直接波の到達時間の差を測定する測定部と、前記測定部が測定した到達時間の差に基づいて、前記第１アンテナと、他の前記第１アンテナとの対向方向のずれを検出する検出部とを有することを特徴とする。
　また、本発明の一実施形態にかかるアンテナ方向制御装置は、所定周波数よりも高い周波数の電磁波を対向して相互に送受信する２つの第１アンテナと、前記所定周波数よりも低い周波数の直接波を対向して相互に送受信する複数対の第２アンテナと、それぞれ１つの前記第１アンテナ及び複数の前記第２アンテナを同一方向に向けて一体となるように固定し、２つの前記第１アンテナ及び対となる複数の前記第２アンテナそれぞれを所定の可動範囲内で対向させるように支持する２つの支持部材とを有する無線通信システムのアンテナ方向を制御するアンテナ方向制御装置において、１つの前記支持部材に固定された複数の前記第２アンテナが、他の同一の前記第２アンテナから受信した直接波の到達時間の差を測定する測定部と、前記測定部が測定した到達時間の差に基づいて、前記第１アンテナと、他の前記第１アンテナとの対向方向のずれを検出する検出部と、前記検出部が検出した対向方向のずれに基づいて、前記支持部材に固定された前記第１アンテナの向きを補正する補正部とを有することを特徴とする。
　また、本発明の一実施形態にかかるアンテナ方向制御方法は、所定周波数よりも高い周波数の電磁波を対向して相互に送受信する２つの第１アンテナと、前記所定周波数よりも低い周波数の直接波を対向して相互に送受信する複数対の第２アンテナと、それぞれ１つの前記第１アンテナ及び複数の前記第２アンテナを同一方向に向けて一体となるように固定し、２つの前記第１アンテナ及び対となる複数の前記第２アンテナそれぞれを所定の可動範囲内で対向させるように支持する２つの支持部材とを有する無線通信システムのアンテナ方向を制御するアンテナ方向制御方法において、１つの前記支持部材に固定された複数の前記第２アンテナが、他の同一の前記第２アンテナから受信した直接波の到達時間の差を測定する測定工程と、測定した到達時間の差に基づいて、前記第１アンテナと、他の前記第１アンテナとの対向方向のずれを検出する検出工程とを含むことを特徴とする。
　本発明によれば、所定周波数よりも高い周波数の電磁波を対向して相互に送受信する２つのアンテナの方向を容易に補正することを可能にすることができる。
一実施形態にかかる無線通信システムの構成の概要を示す図である。 （ａ）は、２つの第１アンテナが正対した状態を示す図である。（ｂ）は、第１アンテナの方向が正対していない状態を示す図である。 一実施形態にかかるアンテナ方向制御装置が有する機能を例示する機能ブロック図である。 （ａ）は、２つの第１アンテナが正対している状態を模式的に示す図である。（ｂ）は、２つの第１アンテナが正対していない状態を模式的に示す図である。 無線通信システムが第１アンテナの向きを補正する場合の第１動作例を模式的に示す図である。 （ａ）は、支持部材の向きを所定方向に傾けた状態を示す図である。（ｂ）は、第２アンテナが正対していないが２つの第２アンテナが受信する電波の到達時間の差が等しくなる位置を示す図である。（ｃ）は、第２アンテナが正対していないが対ごとに第２アンテナが直接受信する電波の到達時間の差が等しくなる位置を示す図である。（ｄ）は、（ｃ）と（ｄ）に示した支持部材の傾きの中間の角度を求めることによって支持部材を補正する角度を決定する過程を示す図である。（ｅ）は（ｄ）に示した角度の関係を示す図である。 （ａ）は、無線通信システムの変形例において２つの第１アンテナが正対している状態を示す図である。（ｂ）は、無線通信システムの変形例において２つの第１アンテナが正対していない状態を示す図である。 無線通信システムの実施例を示す図である。 一実施形態にかかるアンテナ方向制御装置が有するハードウェア構成例を示す図である。 （ａ）は、光軸が合った状態を示す図である。（ｂ）は、光軸がずれた状態を示す図である。 （ａ）は、高い周波数の電磁波をテラヘルツ波とする高周波数帯装置２と、高い周波数の電磁波を光とするＦＳＯ装置１が障害物によって遮断された状態を示す図である。（ｂ）は、ＦＳＯ装置１が障害物によって遮断されても、通信を継続させる無線通信システムを例示する図である。
　まず、本発明がなされるに至った背景について説明する。図１０は、比較例の無線通信システムにおけるアンテナの方向合わせ（光軸の方向合わせ）を示す図である。図１０（ａ）は、光軸が合った状態を示す図である。図１０（ｂ）は、光軸がずれた状態を示す図である。ここでは、所定周波数よりも高い周波数の電磁波を光であるとしている。
　ＦＳＯ（Ｆｒｅｅ　Ｓｐａｃｅ　Ｏｐｔｉｃｓ：自由空間光通信）においては僅かな位置、角度ズレでも即時に通信断となってしまう。対向するように配置された２つのＦＳＯ装置１は、レンズなどの光学系の工夫で光ファイバ内と同等の光品質を空間上で保つ必要がある。そのため、ＦＳＯは、手動で光軸合わせをし、しっかりと固定したうえで、自動捕捉機能（例えば、補正範囲±１．２度）で対向する相手のＦＳＯ装置１を追尾して通信を継続する。補正範囲は、例えば風などによる設置構造物（建物など）の振動を考慮される。
　図１１は、比較例の無線通信システムにおける通信の継続性を示す図である。図１１（ａ）は、高い周波数の電磁波をテラヘルツ波とする高周波数帯装置２と、高い周波数の電磁波を光とするＦＳＯ装置１が障害物によって遮断された状態を示す図である。図１１（ｂ）は、ＦＳＯ装置１が障害物によって遮断されても、通信を継続させる無線通信システムを例示する図である。
　図１１（ａ）に示したように、比較例の無線通信システムは、小さな障害物や降雨などによって通信が遮断されることがある。また、図１１（ｂ）に示すように、比較例の無線通信システムは、ＦＳＯ装置１と無線ＬＡＮ装置３がＬ２ＳＷ（レイヤ２スイッチ等）４によりリンクアグリゲーション（ＬＡＧ）を構成されることにより、ＦＳＯ装置１間で通信が遮断されても、無線ＬＡＮ装置３間で通信を継続（補助）させることができる。
　しかし、図１１（ｂ）に示した比較例の無線通信システムは、単位ＬＡＧを構成しているだけであり、ＦＳＯ装置１間の通信の遮断を回復させるために無線ＬＡＮ装置３は寄与していない。つまり、高周波数帯と低周波数帯との相互作用は無く、無線ＬＡＮの技術としてリンクアグリゲーションを組んでいるだけである。
　そこで、一実施形態にかかる無線通信システムは、所定周波数よりも高い周波数の電磁波を対向して相互に送受信する２つのアンテナの方向を容易に補正することを可能にすることができるように構成されている。
　図１は、一実施形態にかかる無線通信システム１０の構成の概要を示す図である。図１に示すように、無線通信システム１０は、例えば、所定周波数よりも高い周波数の電磁波を対向して相互に送受信する２つの第１アンテナ２０と、所定周波数よりも低い周波数の直接波を対向して相互に送受信する複数対（例えば２つの対＝４つ）の第２アンテナ３０と、それぞれ１つの第１アンテナ２０及び２つの第２アンテナ３０を同一方向に向けて一体となるように固定し、２つの第１アンテナ２０及び対となる２つの第２アンテナ３０それぞれを所定の可動範囲内で対向させるように支持する２つの支持部材（雲台）４０と、アンテナ方向制御装置５０とを有する。
　例えば、複数対の第２アンテナ３０は、ＭＩＭＯ（multiple-input and multiple-output）の無線通信を行う。また、２つの支持部材４０は、図示しない駆動部により駆動され、それぞれ所定の可動範囲内で方向を変更可能にされている。
　無線通信システム１０は、低周波数と高周波数の無線を組み合わせることにより、第１アンテナ２０の方向合わせ（軸合わせ）を簡易化する。例えば、無線通信システム１０は、環境変化に弱い第１アンテナ２０を用いた高速通信の継続を第２アンテナ３０を用いて補助する。つまり、無線通信システム１０は、無線通信を遮断させないための運用を容易にする。
　図２は、支持部材４０に支持された第１アンテナ２０の方向の変化を例示する図である。図２（ａ）は、２つの第１アンテナ２０が正対した状態を示す図である。図２（ｂ）は、第１アンテナ２０の方向が正対していない状態を示す図である。
　無線通信システム１０は、第２アンテナ３０を用いた低周波数帯の電波の広がりやすさと途切れづらさを利用して、複数の第２アンテナ３０が受信する電波の時間差に基づいて第１アンテナ２０の方向調整を行う。
　また、無線通信システム１０は、第１アンテナ２０を用いた高周波数帯の無線が途切れている間も、第２アンテナ３０それぞれの対向状態を把握することができ、第１アンテナ２０の方向がずれた場合にも迅速な復旧（第１アンテナ２０の方向の補正）が可能となっている。
　また、無線通信システム１０は、第１アンテナ２０を用いた無線通信と、第２アンテナ３０を用いた無線通信とを合わせることにより、第１アンテナ２０のみを用いた無線通信を超える通信速度を実現可能にされている。
　次に、アンテナ方向制御装置５０が有する機能について説明する。図３は、一実施形態にかかるアンテナ方向制御装置５０が有する機能を例示する機能ブロック図である。図３に示すように、アンテナ方向制御装置５０は、例えば取得部５１、測定部５２、検出部５３及び補正部５４を有し、無線通信システム１０を構成する各部を制御する。
　取得部５１は、例えば第１アンテナ２０及び第２アンテナ３０それぞれが送信する電磁波に関するパラメータなどを取得し、検出部５３及び補正部５４に対して出力する。例えば、取得部５１は、第２アンテナ３０それぞれの受信電力やスループットなどのＭＩＭＯ演算パラメータ等を取得する。
　測定部５２は、１つの支持部材４０に固定された複数の第２アンテナ３０が、他の同一の第２アンテナ３０から受信した直接波の到達時間の差を測定し、検出部５３に対して出力する。
　検出部５３は、測定部５２が測定した到達時間の差に基づいて、第１アンテナ２０と、他の第１アンテナ２０との対向方向のずれを検出し、補正部５４に対して出力する。
　補正部５４は、検出部５３が検出した対向方向のずれに基づいて、支持部材４０に固定された第１アンテナ２０の向きを補正する。また、補正部５４は、取得部５１が取得したパラメータに基づいて、第２アンテナ３０による通信の品質を最大にするように、支持部材４０に固定された第１アンテナ２０の向きを補正してもよい。つまり、補正部５４は、支持部材４０の向きを変更する制御を行い、２つの第１アンテナ２０を正対させる補正を行う。
　次に、第１アンテナ２０、第２アンテナ３０及び支持部材４０それぞれの向きについて、さらに詳述する。図４は、第１アンテナ２０、第２アンテナ３０及び支持部材４０それぞれの具体的な配置例を模式的に示す図である。図４（ａ）は、２つの第１アンテナ２０が正対している状態を模式的に示す図である。図４（ｂ）は、２つの第１アンテナ２０が正対していない状態を模式的に示す図である。
　第２アンテナ３０は、より詳細には、送信する直接波の波長単位の幅（例えば１波長に相当する幅）で他の第２アンテナ３０に対して所定方向にずれるように支持部材４０に固定されている。すなわち、複数対の第２アンテナ３０は、光軸が正確に合っている状態でＭＩＭＯ通信が最大品質となるようにオフセット配置されている。測定部５２による直接波の到達時間の差の測定を容易にするためである。
　ここで、所定方向は、２つの第１アンテナ２０が正対するように向けられた方向であるとする。すなわち、所定方向は、第１アンテナ２０の正対方向（第１アンテナ２０が光を送受信する装置である場合には、光軸方向）である。
　第２アンテナ３０の配置のオフセット量は、ＭＩＭＯ通信の性能が最大となるように例えば１波長に調整され、第２アンテナ３０が受信する電波の到達時間の差に基づいて、信号の分離を容易にしている。例えば、光軸から第２アンテナ３０の距離は、第１アンテナ２０の光軸補正性能が１度である場合、６０倍程度（ｔａｎ１度）となる。
　つまり、通信性能が最大となる第２アンテナ３０の前後の位置（オフセット量）は、少なくとも１波長以内に収まる。よって、光軸からの第２アンテナ３０の距離が適切であれば、第１アンテナ２０の光軸補正性能内に収まる。
　第１アンテナ２０が送信する電磁波は、高周波数帯の電磁波であるため、直線性が高く、正面の第１アンテナ２０に対してのみ届く。
　第２アンテナ３０が送信する電波は、第１アンテナ２０が送信する電磁波よりも周波数が低く、拡散する傾向が強いため、正面の第２アンテナ３０の他に斜め向かいの第２アンテナ３０にも届く。
　無線通信システム１０の利用開始時には、複数対の第２アンテナ３０が概ね対向するように方向を合わせることにより、ＭＩＭＯ通信の接続は可能である。
　図４（ｂ）に示したように、２つの第１アンテナ２０が正対せずに、方向ずれが発生した場合、第１アンテナ２０による高周波数帯の無線は切断してしまう。一方、複数対の第２アンテナ３０は、正対していなくても、低周波数帯であるために通信が遮断されづらい。
　このとき、第１アンテナ２０が受信する電波は、正面の第１アンテナ２０が送信した電波（低周波数帯Ａ系とする）と、斜め向かいの第１アンテナ２０が送信した電波（低周波数帯Ｂ系）となり、低周波数帯Ａ系の電波と低周波数帯Ｂ系の電波の到達時間には差が生じる。このとき、電波の到着時間の差は、複数対の第２アンテナ３０が正対しているときと異なるため認識可能である。
　よって、補正部５４は、低周波数帯Ａ系の電波と低周波数帯Ｂ系の電波の到達時間の差を等しくするように制御を行うことにより、２つの第１アンテナ２０を正対させることができる。
　また、複数対の第２アンテナ３０は、通信を継続しながら、２つの第１アンテナ２０のずれを示すデータや、高周波数帯の無線通信の状態などを伝送することが可能である。
　図５は、無線通信システム１０が第１アンテナ２０の向きを補正する場合の第１動作例を模式的に示す図である。アンテナ方向制御装置５０は、支持部材４０を縦軸方向及び横軸方向の可動範囲内で傾けて第２アンテナ３０が受信する受信電力の分布を測定し、受信電力が最も強い方向に支持部材４０の向きを合わせる。
　図６は、無線通信システム１０が第１アンテナ２０の向きを補正する場合の第２動作例を模式的に示す図である。図６（ａ）は、支持部材４０の向きを所定方向に傾けた状態を示す図である。図６（ｂ）は、第２アンテナ３０が正対していないが２つの第２アンテナ３０が受信する電波の到達時間の差が等しくなる位置を示す図である。図６（ｃ）は、第２アンテナ３０が正対していないが対ごとに第２アンテナ３０が直接受信する電波の到達時間の差が等しくなる位置を示す図である。図６（ｄ）は、図６（ｃ）と図６（ｄ）に示した支持部材４０の傾きの中間の角度を求めることによって支持部材４０を補正する角度を決定する過程を示す図である。図６（ｅ）は、図６（ｄ）に示した角度の関係を示す図である。
　このように、無線通信システム１０は、複数対の第２アンテナ３０による通信を継続しながら、ＭＩＭＯ通信の品質がよくなるように補正することにより、第１アンテナ２０の方向を光軸補正可能範囲内に誘導することが可能である。
　次に、無線通信システム１０の変形例について説明する。図７は、無線通信システム１０の変形例における第１アンテナ２０の周辺の構成を例示する図である。図７（ａ）は、無線通信システム１０の変形例において２つの第１アンテナ２０が正対している状態を示す図である。図７（ｂ）は、無線通信システム１０の変形例において２つの第１アンテナ２０が正対していない状態を示す図である。
　無線通信システム１０の変形例では、上述した第２アンテナ３０に代えて、パッチアレイアンテナ３０ａが用いられている。パッチアレイアンテナ３０ａは、第１アンテナ２０よりも低い周波数帯を用いる複数のアンテナ素子を有し、電波を合成する機能を備えている。
　パッチアレイアンテナ３０ａは、ビームフォーミングを形成するパラメータを設定可能にされている。また、パッチアレイアンテナ３０ａにより受信される電波は、個別のアンテナ素子間の到着時間の差を測定部５２が測定可能にされている。例えば、パッチアレイアンテナ３０ａの指向性を正面（９０度）に制御することにより、無線通信システム１０の光軸を合わせることが可能である。
　次に、無線通信システム１０の実施例について説明する。図８は、無線通信システムの実施例（無線通信システム１０ａ）を示す図である。無線通信システム１０ａは、無線通信システム１０を備える高周波帯装置６０と、複数の第２アンテナ３０を備える低周波数ＭＩＭＯ無線装置６１がＬ２ＳＷ６２によって結合され、高周波数帯と低周波数帯とを用いて無線通信を行う。
　無線通信システム１０ａは、測定部５２が測定した到達時間の差に基づいて、第１アンテナ２０と、他の第１アンテナ２０との対向方向のずれを検出することができ、所定周波数よりも高い周波数の電磁波を対向して相互に送受信する２つのアンテナの方向を容易に補正することを可能にすることができる。
　また、無線通信システム１０は、帯域を束ねる技術（例えばＬＡＧ）を用いて無線通信の継続性を高めることができ、復旧性も高めることができる。また、無線通信システム１０は、正常通信時には、低周波数の無線クロックやＭＩＭＯパラメータを高周波数側で補助伝送することにより、スループットを向上させることができる。
　なお、アンテナ方向制御装置５０が有する各機能は、それぞれ一部又は全部がＰＬＤ（Programmable Logic Device）やＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）等のハードウェアによって構成されてもよいし、ＣＰＵ等の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。
　例えば、アンテナ方向制御装置５０は、コンピュータとプログラムを用いて実現することができ、プログラムを記憶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。
　図９は、一実施形態にかかるアンテナ方向制御装置５０が有するハードウェア構成例を示す図である。図９に示すように、アンテナ方向制御装置５０は、入力部５００、出力部５１０、通信部５２０、ＣＰＵ５３０、メモリ５４０及びＨＤＤ５５０がバス５６０を介して接続され、コンピュータとしての機能を備える。また、アンテナ方向制御装置５０は、コンピュータ読み取り可能な記憶媒体５７０との間でデータを入出力することができるようにされている。
　入力部５００は、例えばキーボード及びマウス等である。出力部５１０は、例えばディスプレイなどの表示装置である。
　通信部５２０は、無線通信を行う通信インターフェースである。
　ＣＰＵ５３０は、アンテナ方向制御装置５０を構成する各部を制御し、所定の処理等を行う。メモリ５４０及びＨＤＤ５５０は、データ等を記憶する。
　記憶媒体５７０は、アンテナ方向制御装置５０が有する機能を実行させるプログラム等を記憶可能にされている。なお、アンテナ方向制御装置５０を構成するアーキテクチャは図９に示した例に限定されない。
　１０，１０ａ・・・無線通信システム、２０・・・第１アンテナ、３０・・・第２アンテナ、４０・・・支持部材、５０・・・アンテナ方向制御装置、５１・・・取得部、５２・・・測定部、５３・・・検出部、５４・・・補正部、３０ａ・・・パッチアレイアンテナ、６０・・・高周波帯装置、６１・・・低周波数ＭＩＭＯ無線装置、６２・・・Ｌ２ＳＷ、５００・・・入力部、５１０・・・出力部、５２０・・・通信部、５３０・・・ＣＰＵ、５４０・・・メモリ、５５０・・・ＨＤＤ、５６０・・・バス、５７０・・・記憶媒体

Claims (8)

  1. 　所定周波数よりも高い周波数の電磁波を対向して相互に送受信する２つの第１アンテナと、
    　前記所定周波数よりも低い周波数の直接波を対向して相互に送受信する複数対の第２アンテナと、
    　それぞれ１つの前記第１アンテナ及び複数の前記第２アンテナを同一方向に向けて一体となるように固定し、２つの前記第１アンテナ及び対となる複数の前記第２アンテナそれぞれを所定の可動範囲内で対向させるように支持する２つの支持部材と、
    　１つの前記支持部材に固定された複数の前記第２アンテナが、他の同一の前記第２アンテナから受信した直接波の到達時間の差を測定する測定部と、
    　前記測定部が測定した到達時間の差に基づいて、前記第１アンテナと、他の前記第１アンテナとの対向方向のずれを検出する検出部と
    　を有することを特徴とする無線通信システム。
  2. 　前記第２アンテナは、
    　送信する直接波の波長単位の幅で他の前記第２アンテナに対して前記同一方向にずれるように前記支持部材に固定されていること
    　を特徴とする請求項１に記載の無線通信システム。
  3. 　前記検出部が検出した対向方向のずれに基づいて、前記支持部材に固定された前記第１アンテナの向きを補正する補正部
    　をさらに有すること
    　を特徴とする請求項１又は２に記載の無線通信システム。
  4. 　所定周波数よりも高い周波数の電磁波を対向して相互に送受信する２つの第１アンテナと、前記所定周波数よりも低い周波数の直接波を対向して相互に送受信する複数対の第２アンテナと、それぞれ１つの前記第１アンテナ及び複数の前記第２アンテナを同一方向に向けて一体となるように固定し、２つの前記第１アンテナ及び対となる複数の前記第２アンテナそれぞれを所定の可動範囲内で対向させるように支持する２つの支持部材とを有する無線通信システムのアンテナ方向を制御するアンテナ方向制御装置において、
    　１つの前記支持部材に固定された複数の前記第２アンテナが、他の同一の前記第２アンテナから受信した直接波の到達時間の差を測定する測定部と、
    　前記測定部が測定した到達時間の差に基づいて、前記第１アンテナと、他の前記第１アンテナとの対向方向のずれを検出する検出部と、
    　前記検出部が検出した対向方向のずれに基づいて、前記支持部材に固定された前記第１アンテナの向きを補正する補正部と
    　を有することを特徴とするアンテナ方向制御装置。
  5. 　所定周波数よりも高い周波数の電磁波を対向して相互に送受信する２つの第１アンテナと、前記所定周波数よりも低い周波数の直接波を対向して相互に送受信する複数対の第２アンテナと、それぞれ１つの前記第１アンテナ及び複数の前記第２アンテナを同一方向に向けて一体となるように固定し、２つの前記第１アンテナ及び対となる複数の前記第２アンテナそれぞれを所定の可動範囲内で対向させるように支持する２つの支持部材とを有する無線通信システムのアンテナ方向を制御するアンテナ方向制御方法において、
    　１つの前記支持部材に固定された複数の前記第２アンテナが、他の同一の前記第２アンテナから受信した直接波の到達時間の差を測定する測定工程と、
    　測定した到達時間の差に基づいて、前記第１アンテナと、他の前記第１アンテナとの対向方向のずれを検出する検出工程と
    　を含むことを特徴とするアンテナ方向制御方法。
  6. 　前記第２アンテナは、
    　送信する直接波の波長単位の幅で他の前記第２アンテナに対して前記同一方向にずれるように前記支持部材に固定されていること
    　を特徴とする請求項５に記載のアンテナ方向制御方法。
  7. 　前記検出工程により検出した対向方向のずれに基づいて、前記支持部材に固定された前記第１アンテナの向きを補正する補正工程
    　をさらに含むこと
    　を特徴とする請求項５又は６に記載のアンテナ方向制御方法。
  8. 　請求項４に記載のアンテナ方向制御装置の各部としてコンピュータを機能させるためのアンテナ方向制御プログラム。
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