JP5758341B2 - アンテナ方向調整方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は、無線通信システムを構成する対向する無線装置間で指向性アンテナの方向調整を行うアンテナ方向調整方法および装置に関する。

災害等により途絶したアクセス通信路を回復するために臨時の通信回線を構築するとき、可搬型無線通信システムが用いられている。可搬型無線通信システムは無線装置の設置場所を固定することなく、需要の発生した任意の２地点間に無線装置を設営し、通信回線を構築する。無線装置を設営する際には、双方の無線装置の指向性アンテナを対向するように向けて設置し、最も回線品質の良好となる方向にアンテナ方向を調整する作業が必要である。

従来のアンテナ方向調整方法として、無線装置のアンテナの指向方向と一致するように固定されたスコープまたは望遠鏡を用いて、対向局のアンテナがスコープまたは望遠鏡の中心に位置するように調整する方向調整冶具が提案されている（例えば特許文献１）。

また、スコープを通して対向するアンテナの画像を撮影する第１のカメラと、アンテナが装着された固定部にアンテナの指向方向を向くように取り付けられた第２のカメラとを用い、対向局のアンテナが第２のカメラが撮影する画像のほぼ中央に位置するようにアンテナの指向方向を調整し、さらに第１のカメラが撮影する画像の中心に位置するようにアンテナの指向方向を微調整する方向調整治具が提案されている（例えば特許文献２）。

特開２００４−２５３９２１号公報 特開２００７−０８８５７６号公報

従来のアンテナ方向調整方法は、いずれも目視によりアンテナの指向方向を調整することから対向局のアンテナまでの見通しが必要になる。したがって、夜間や雨天、霧など気象条件により対向局のアンテナが見えなければ、その方向に調整することが困難になる。

本発明は、夜間や雨天、霧など気象条件に影響されることなく、アンテナの指向方向の調整を行うことができるアンテナ方向調整方法および装置を提供することを目的とする。

第１の発明は、第１の無線局と第２の無線局が見通し内で無線通信を行うためのアンテナの指向方向を調整するアンテナ方向調整方法において、第１の無線局と第２の無線局は、指向方向を調整するアンテナ以外の他の通信手段を介してそれぞれ自局の位置情報を相互に通知し、自局の位置情報と対向局の位置情報に基づいて、互いのアンテナの指向方向を対向させる粗調整を行う第１のステップと、 第１のステップで粗調整されたアンテナを用いて、第１の無線局と第２の無線局が試験信号を送受信し、それぞれ受信した試験信号の受信電界強度および受信ＢＥＲを測定し、受信電界強度が第１の基準値以上かつ受信ＢＥＲが第２の基準値以下の場合に、アンテナの指向方向を確定して通信回線を確立し、受信電界強度が第１の基準値以上かつ受信ＢＥＲが第２の基準値を超える場合に、対向局以外からの受信電波によって通信回線が確立できない旨を通知する第２のステップと、第２のステップで受信電界強度が第１の基準値未満の場合に、所定の調整可動範囲内でアンテナの指向方向を走査する微調整を行い、得られた受信電界強度の最大値が第１の基準値以上かつその時の受信ＢＥＲが第２の基準値以下の場合に、当該受信電界強度の最大値が得られたアンテナの指向方向を確定して通信回線を確立し、受信電界強度の最大値が第１の基準値以上かつその時の受信ＢＥＲが第２の基準値を超える場合に、対向局以外からの受信電波によって通信回線が確立できない旨を通知する第３のステップと、第３のステップで受信電界強度の最大値が第１の基準値未満の場合に、自局のアンテナと対向局のアンテナとの間の障害物によって通信回線が確立できない旨を通知する第４のステップとを有する。

第１の発明のアンテナ方向調整方法において、第１のステップで用いる他の通信手段は、位置情報の伝送に必要な容量と、全方位性でかつ遠距離通信が可能な業務用無線回線または衛星通信回線を用いる。

第２の発明は、第１の無線局と第２の無線局が見通し内で無線通信を行うためのアンテナの指向方向を調整するアンテナ方向調整装置において、第１の無線局と第２の無線局は、指向方向を調整するアンテナ以外の他の通信手段を介してそれぞれ自局の位置情報を相互に通知し、自局の位置情報と対向局の位置情報に基づいて、互いのアンテナの指向方向を対向させる粗調整を行う粗調整手段と、粗調整手段で粗調整されたアンテナを用いて、第１の無線局と第２の無線局が試験信号を送受信し、それぞれ受信した試験信号の受信電界強度および受信ＢＥＲを測定し、受信電界強度が第１の基準値以上かつ受信ＢＥＲが第２の基準値以下の場合に、アンテナの指向方向を確定して通信回線を確立し、受信電界強度が第１の基準値以上かつ受信ＢＥＲが第２の基準値を超える場合に、対向局以外からの受信電波によって通信回線が確立できない旨を通知するとともに、受信電界強度が第１の基準値未満の場合に、所定の調整可動範囲内でアンテナの指向方向を走査する微調整を行い、得られた受信電界強度の最大値が第１の基準値以上かつその時の受信ＢＥＲが第２の基準値以下の場合に、当該受信電界強度の最大値が得られたアンテナの指向方向を確定して通信回線を確立し、受信電界強度の最大値が第１の基準値以上かつその時の受信ＢＥＲが前記第２の基準値を超える場合に、対向局以外からの受信電波によって通信回線が確立できない旨を通知し、受信電界強度の最大値が第１の基準値未満の場合に、自局のアンテナと対向局のアンテナとの間の障害物によって通信回線が確立できない旨を通知する微調整手段とを備える。

第２の発明のアンテナ方向調整装置において、粗調整手段で用いる他の通信手段は、位置情報の伝送に必要な容量と、全方位性でかつ遠距離通信が可能な業務用無線回線または衛星通信回線を用いる構成である。

本発明は、第１の無線局と第２の無線局の双方の位置情報に応じて互いのアンテナの指向方向を対向させる粗調整後に、当該アンテナを用いて試験信号を送受信し、その通信品質が基準値以上（受信電界強度が第１の基準値以上かつ受信ＢＥＲが第２の基準値以下）になるようにアンテナの指向方向の微調整を行うことにより、双方のアンテナの指向方向を正確に対向させることができる。これにより、夜間や雨、霧など天候に影響されることなく、双方のアンテナの指向方向を正確に対向させて通信回線を確立することができる。

本発明のアンテナ方向調整装置の実施例構成を示す図である。 本発明のアンテナ方向調整装置のブロック構成例を示す図である。 本発明のアンテナ方向調整装置の方向調整手順例を示すフローチャートである。 指向方向の微調整におけるアンテナの調整可動範囲（閾値）を説明する図である。

図１は、本発明のアンテナ方向調整装置の実施例構成を示す。ここでは、災害時などの緊急時に仮設のアンテナを対向して設置し、それぞれのアンテナの指向方向を互いに対向するように調整する場合を想定する。

図１において、本発明のアンテナ方向調整装置は、自局のアンテナ１１Ａと対向局のアンテナ１１Ｂが対向するように指向方向を調整して無線回線を確立させることが目的であるが、その無線回線を確立する前に、当該アンテナを用いない他の通信手段を介して双方の位置情報が送受信される。この他の通信手段としては、位置情報の伝送に必要な容量と、全方位性でかつ遠距離通信が可能な業務用無線回線（例えば防災無線回線）や衛星通信回線を用いることができる。このための無線機２１Ａ，２１Ｂが双方に備えられる。

アンテナ１１Ａ，１１Ｂは同一構成であり、以下自局のアンテナ１１Ａを中心に説明する。自局のアンテナ１１Ａには、対向局との間で送受信される信号を処理する無線通信装置１２が接続される。この無線通信装置１２と、アンテナ１１Ａの位置情報を検出するＧＰＳ装置１３と、アンテナ１１Ａの指向方向を調整する水平／垂直方向調整機１４とが制御処理装置１５に接続され、さらに制御処理装置１５に無線機２１Ａが接続される。

図２は、本発明のアンテナ方向調整装置のブロック構成例を示す。
図２において、アンテナ１１Ａに接続される無線通信装置１２は、対向局との間で無線回線を確立した後に、試験信号を送信する機能、受信した試験信号の受信電界強度を計測する機能、および計測した受信電界強度を制御処理装置１５に出力する機能を有する。また、対向局から送信された試験信号を復調し、対向局が送信する試験信号のＢＥＲ（Bit Error Rate）を計測して制御処理装置１５に出力する機能を有する。なお、無線回線を確立した後に定期的にこれらの測定を行い、それぞれの測定結果が基準値を満たさない場合は、アンテナ１１Ａの指向方向の再調整が行われる構成でもよい。

ＧＰＳ装置１３は、ＧＰＳ衛星３１からの電波を受けて、アンテナ１１Ａの設置場所の緯度・経度・高度の位置情報を取得し、この位置情報を制御処理装置１５に出力する。

水平／垂直方向調整機１４は、アンテナ１１Ａの方位を検出する電子コンパスおよび傾斜角度を検出する傾斜センサを搭載し、検出した方位および傾斜角度を含む姿勢情報を制御処理装置１５に出力するとともに、制御処理装置１５から与えられる方向調整量に応じた方向にアンテナ１１Ａの指向方向を調整する。

制御処理装置１５は、アンテナ１１Ａの指向方向を調整するために、ＧＰＳ装置１３から設置場所の位置情報と、無線機２１Ａを介して対向局のアンテナ１１Ｂの位置情報を入力し、さらに水平／垂直方向調整機１４からアンテナ１１Ａの姿勢情報（方位および傾斜角度）を入力し、アンテナ１１Ａの指向方向が対向局のアンテナ１１Ｂの方向に向くための方向調整量を算出して水平／垂直方向調整機１４に出力する。また、制御処理装置１５は、設置場所の位置情報を無線機２１Ａを介して対向局に通知し、対向局においてもアンテナ１１Ｂの指向方向がアンテナ１１Ａの方向を向くように調整される。このように双方のアンテナ１１Ａ，１１Ｂにおいて、位置情報に基づく指向方向の粗調整を行った後に試験信号を送受信し、その受信電界強度および受信ＢＥＲに基づいて指向方向の微調整が行われる。

図３は、本発明のアンテナ方向調整装置の方向調整手順例を示す。ここでは、自局のアンテナ１１Ａの指向方向の方向調整手順を中心に示す。

図３において、まず、災害地など緊急に必要な場所でアンテナ１１Ａを設置し、方向調整を開始する（Ｓ１）。制御処理装置１５は、ＧＰＳ装置１３から自局のアンテナ１１Ａの設置場所の位置情報を取得する（Ｓ２）。さらに、当該位置情報を無線機２１Ａから対向局の無線機２１Ｂに送信するとともに、無線機２１Ａに受信する対向局のアンテナ１１Ｂの位置情報を取得する（Ｓ３）。次に、制御処理装置１５は、アンテナ１１Ａとアンテナ１１Ｂの双方の位置情報から対向局のアンテナ１１Ｂの相対位置を算出する（Ｓ４）。例えば、自局の緯度がＮ35.40.40、経度がＥ139.46.18 、対向局の緯度がＮ35.43.37、経度がＥ139.42.55 の場合の相対位置は、自局から見て対向局は北西方向に位置し、北をＸ軸、西をＹ軸と仮定すれば、Ｘ軸からＹ軸方向へθyaw （Ｚ軸回転）＝41.99 °となる。なお、自局と対向局との距離は 8.5ｋｍと算出される。

次に、制御処理装置１５は、対向局のアンテナ１１Ｂの相対位置と、水平／垂直方向調整機１４の電子コンパスおよび傾きセンサから得られる自局のアンテナ１１Ａの姿勢（方位および傾斜角度）に基づいて、アンテナ１１Ａの指向方向をアンテナ１１Ｂの方向に向けるための方向調整量（立体偏差角θpitch ，θroll，θyaw ）を算出し、水平／垂直方向調整機１４に指示する（Ｓ５）。水平／垂直方向調整機１４は、この方向調整量に基づいて自局のアンテナ１１Ａの指向方向を対向局のアンテナ１１Ｂへ向ける。制御処理装置１５は、水平／垂直方向調整機１４から方向調整の完了通知を受けることにより、自局のアンテナ１１Ａの指向方向の粗調整を終了し（Ｓ６）、次の指向方向の微調整に移行する。

なお、以上の指向方向の粗調整は、対向局のアンテナ１１Ｂにおいても自局の位置情報に基づいて行われており、この時点でアンテナ１１Ａとアンテナ１１Ｂの指向方向はそれぞれ他方のアンテナにほぼ向いていることになる。したがって、アンテナ１１Ａとアンテナ１１Ｂとの間に障害物がない限り、一方のアンテナから送信される試験信号は他方のアンテナで受信可能な状態となる。そこで、粗調整の終了後に双方のアンテナ１１Ａとアンテナ１１Ｂからそれぞれ試験信号を送信し、指向方向の微調整に入る。

制御処理装置１５は、指向方向の微調整に入ると、まずアンテナの調整可動範囲（閾値）を設定する（Ｓ７）。ここでは、水平角の閾値を±Δφ度、垂直角の閾値を±Δθとする。次に、無線通信装置１２およびアンテナ１１Ａを用いて対向局との間で試験信号の送受信を行う（Ｓ８）。すなわち、無線通信装置１２およびアンテナ１１Ａは、所定の周期で試験信号を送信するとともに、それ以外の期間に受信する対向局からの試験信号を受信し、受信電界強度および受信ＢＥＲを測定して制御処理装置１５に通知する。

制御処理装置１５は、受信電界強度が基準値ａ以上か否かを判定し（Ｓ９）、受信電界強度が基準値ａ以上の場合には、受信ＢＥＲが基準値ｂ以下か否かを判定し（Ｓ10）、受信ＢＥＲが基準値ｂ以下の場合には、正常な通信が可能であるのでアンテナ１１Ａの指向方向の微調整処理を終了する。

一方、受信電界強度が基準値ａ以上、かつ受信ＢＥＲが基準値ｂを超えていれば（Ｓ９: Yes 、Ｓ10：No）、対向局からの試験信号でない他の電波を受信していることを示すアラームＡを出力し（Ｓ11）、微調整処理を終了する。

また、受信電界強度が基準値ａ未満であれば（Ｓ９：No）、アンテナ１１Ａの調整可動範囲内で指向方向を走査させながら受信電界強度および受信ＢＥＲを測定し（Ｓ12）、アンテナ１１Ａの調整可動範囲内で最大受信電界強度が得られる水平角度および垂直角度の方向を設定する（Ｓ13）。そして、その方向において、最大受信電界強度が基準値ａ以上か否かを判定し（Ｓ14）、最大受信電界強度が基準値ａ以上の場合には、受信ＢＥＲが基準値ｂ以下か否かを判定し（Ｓ15）、受信ＢＥＲが基準値ｂ以下の場合には、アンテナ１１Ａの指向方向の微調整処理を終了する。

一方、最大受信電界強度が基準値ａ以上、かつ受信ＢＥＲが基準値ｂを超えていれば（Ｓ14: Yes 、Ｓ15：No）、対向局からの試験信号でない他の信号を受信していることを示すアラームＡを出力し（Ｓ11）、微調整処理を終了する。

また、アンテナ１１Ａの調整可動範囲内で指向方向を走査させて得られる最大受信電界強度が基準値ａ未満であれば（Ｓ14：No）、位置情報に基づいて指向方向の粗調整を終えた自局のアンテナ１１Ａと対向局のアンテナ１１Ｂとの見通し範囲に障害物等があり、それ以上のアンテナ調整は不能であることを示すアラームＢを出力し（Ｓ16）、微調整処理を終了する。

以上の指向方向の微調整は、対向局のアンテナ１１Ｂにおいても自局からの試験信号に基づいて行われており、受信電界強度が基準値ａ以上かつ受信ＢＥＲが基準値ｂ以下になるように指向方向の微調整が終了した時点で、自局のアンテナ１１Ａと対向局のアンテナ１１Ｂとの間で所定の通信品質による無線通信が可能になる。

ここで、指向方向の微調整におけるアンテナの調整可動範囲（閾値）について、図４を参照して説明する。上記に示す水平角の閾値±Δφ度、垂直角の閾値±Δθは、次のように決められる。

アンテナ１１Ａの指向方向は、ＧＰＳ装置１３で得られる自局および対向局の位置情報から得られる相対位置に基づいて粗調整されている。このＧＰＳの誤差が１ｍであれば、自局のアンテナ１１Ａと対向局のアンテナ１１Ｂの位置がそれぞれ１ｍの誤差をもっている。したがって、相対位置の最大誤差は図４(1) に示すように４ｍとなる。この４ｍの誤差は、図４(2),(3) に示すように視野角として、アンテナ１１Ａとアンテナ１１Ｂとの距離が 0.5ｋｍであれば0.46°（±0.23°）となり、距離が20ｋｍであれば 0.012°（±0.006 °）となる。これは、自局と対向局との間に 0.5〜20ｋｍの距離が想定される場合、水平角および垂直角を±0.23°程度の範囲で微調整すればよいことになる。実際には水平角および垂直角を、例えば±１°程度の範囲で微調整すれば十分である。

以上説明したアンテナ方向調整装置の構成およびアンテナの方向調整手順例は、自局と対向局の双方で自律的にアンテナ指向方向の粗調整および微調整を行うことを前提としている。すなわち、双方のアンテナ間に無線回線を確立する前に、例えば業務用無線回線や衛星通信回線を介して双方の位置情報をやりとりし、自局および対向局の位置情報に基づいてアンテナ指向方向の粗調整を行う。その後、双方から所定の周期で試験信号を送信させ、受信電界強度および受信ＢＥＲをモニタしながらアンテナ指向方向の微調整を行う手順であった。

しかし、例えば自局をマスターとし、対向局をスレーブとして、マスター局の遠隔指示に従ってスレーブ局が自動的にアンテナ指向方向の粗調整および微調整を行うようにしてもよい。以下、その手順を示す。なお、マスター局とスレーブ局との間でやりとりされる位置情報や指示や終了通知などの伝送は、例えば業務用無線回線や衛星通信回線を介して行われる。

マスター局からスレーブ局にマスター局の位置情報を通知し、その後にスレーブ局からスレーブ局の位置情報を報告させ、それぞれアンテナ指向方向の粗調整を行い、スレーブ局は粗調整が完了したことをマスター局に報告する。

次に、マスター局は、スレーブ局に対して試験信号の受信電界強度および受信ＢＥＲの測定を行い、アンテナ指向方向の微調整を行うように指示するとともに、スレーブ局に向けて試験信号を送信する。スレーブ局は、試験信号の受信電界強度および受信ＢＥＲをモニタしながらアンテナ指向方向の微調整を行い、終了通知をマスター局に送信する。マスター局は、スレーブ局からの終了通知を受けて試験信号の送信を停止し、スレーブ局に対して試験信号の送信を指示するとともに、試験信号の受信電界強度および受信ＢＥＲの測定を開始する。スレーブ局が試験信号の送信を開始すると、マスター局は試験信号の受信電界強度および受信ＢＥＲをモニタしながらアンテナ指向方向の微調整を行い、終了通知をスレーブ局に送信する。スレーブ局は、マスター局からの終了通知を受けて試験信号の送信を停止する。

１１Ａ 自局のアンテナ
１１Ｂ 対向局のアンテナ
１２ 無線通信装置
１３ ＧＰＳ装置
１４ 水平／垂直方向調整機
１５ 制御処理装置
２１Ａ，２１Ｂ 無線機
３１ ＧＰＳ衛星

Claims (4)

1. 第１の無線局と第２の無線局が見通し内で無線通信を行うためのアンテナの指向方向を調整するアンテナ方向調整方法において、
   前記第１の無線局と前記第２の無線局は、指向方向を調整するアンテナ以外の他の通信手段を介してそれぞれ自局の位置情報を相互に通知し、自局の位置情報と対向局の位置情報に基づいて、互いのアンテナの指向方向を対向させる粗調整を行う第１のステップと、 前記第１のステップで前記粗調整されたアンテナを用いて、前記第１の無線局と前記第２の無線局が試験信号を送受信し、それぞれ受信した試験信号の受信電界強度および受信ＢＥＲを測定し、前記受信電界強度が第１の基準値以上かつ前記受信ＢＥＲが第２の基準値以下の場合に、前記アンテナの指向方向を確定して通信回線を確立し、前記受信電界強度が前記第１の基準値以上かつ前記受信ＢＥＲが前記第２の基準値を超える場合に、対向局以外からの受信電波によって通信回線が確立できない旨を通知する第２のステップと、 前記第２のステップで前記受信電界強度が前記第１の基準値未満の場合に、所定の調整可動範囲内でアンテナの指向方向を走査する微調整を行い、得られた前記受信電界強度の最大値が前記第１の基準値以上かつその時の前記受信ＢＥＲが前記第２の基準値以下の場合に、当該受信電界強度の最大値が得られたアンテナの指向方向を確定して通信回線を確立し、前記受信電界強度の最大値が前記第１の基準値以上かつその時の前記受信ＢＥＲが前記第２の基準値を超える場合に、対向局以外からの受信電波によって通信回線が確立できない旨を通知する第３のステップと、
   前記第３のステップで前記受信電界強度の最大値が前記第１の基準値未満の場合に、自局のアンテナと対向局のアンテナとの間の障害物によって通信回線が確立できない旨を通知する第４のステップと
   を有することを特徴とするアンテナ方向調整方法。
2. 請求項１に記載のアンテナ方向調整方法において、
   前記第１のステップで用いる他の通信手段は、前記位置情報の伝送に必要な容量と、全方位性でかつ遠距離通信が可能な業務用無線回線または衛星通信回線を用いる
   ことを特徴とするアンテナ方向調整方法。
3. 第１の無線局と第２の無線局が見通し内で無線通信を行うためのアンテナの指向方向を調整するアンテナ方向調整装置において、
   前記第１の無線局と前記第２の無線局は、指向方向を調整するアンテナ以外の他の通信手段を介してそれぞれ自局の位置情報を相互に通知し、自局の位置情報と対向局の位置情報に基づいて、互いのアンテナの指向方向を対向させる粗調整を行う粗調整手段と、
   前記粗調整手段で前記粗調整されたアンテナを用いて、前記第１の無線局と前記第２の無線局が試験信号を送受信し、それぞれ受信した試験信号の受信電界強度および受信ＢＥＲを測定し、前記受信電界強度が第１の基準値以上かつ前記受信ＢＥＲが第２の基準値以下の場合に、前記アンテナの指向方向を確定して通信回線を確立し、前記受信電界強度が前記第１の基準値以上かつ前記受信ＢＥＲが前記第２の基準値を超える場合に、対向局以外からの受信電波によって通信回線が確立できない旨を通知するとともに、前記受信電界強度が前記第１の基準値未満の場合に、所定の調整可動範囲内でアンテナの指向方向を走査する微調整を行い、得られた前記受信電界強度の最大値が前記第１の基準値以上かつその時の前記受信ＢＥＲが前記第２の基準値以下の場合に、当該受信電界強度の最大値が得られたアンテナの指向方向を確定して通信回線を確立し、前記受信電界強度の最大値が前記第１の基準値以上かつその時の前記受信ＢＥＲが前記第２の基準値を超える場合に、対向局以外からの受信電波によって通信回線が確立できない旨を通知し、前記受信電界強度の最大値が前記第１の基準値未満の場合に、自局のアンテナと対向局のアンテナとの間の障害物によって通信回線が確立できない旨を通知する微調整手段と
   を備えることを特徴とするアンテナ方向調整装置。
4. 請求項３に記載のアンテナ方向調整装置において、
   前記粗調整手段で用いる他の通信手段は、前記位置情報の伝送に必要な容量と、全方位性でかつ遠距離通信が可能な業務用無線回線または衛星通信回線を用いる構成である
   ことを特徴とするアンテナ方向調整装置。

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