JP2005064672A - Control method and control apparatus for wireless network - Google Patents

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Tetsuo Ueda
哲郎 植田
Bandyopadhyay Somprakash
ソンプラカッシュ・バンディオパダイ
Shinsuke Tanaka
信介 田中
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a MAC protocol capable of suppressing interference from other stations and bringing efficiency to the SDMA in a multi-hop wireless network. <P>SOLUTION: A control method or a control apparatus is provided to the wireless network wherein a plurality of wireless stations each including an antenna capable of forming beams having both a sector pattern with a prescribed beam width and an omnidirectional beam pattern are provided and wireless communication is executed between a sender wireless station and a destination wireless station among the plurality of wireless stations. Each wireless station detects a wireless signal from a sender wireless station by using an omnidirectional or sector pattern, searching an azimuth angle at which a maximum signal strength is obtained by using the sector pattern to rotate a beam direction of the antenna over all azimuth angles and thereafter inhibiting wireless communication using the sector pattern to the azimuth angle of a wireless station when the detected wireless signal indicates that the wireless station is not the wireless station for the wireless communication. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、複数の無線局を備えた、例えば無線LANなどの無線ネットワークにおいてパケット通信を行う、例えばアドホック無線ネットワークなどの無線ネットワークのための制御方法及び制御装置に関する。   The present invention relates to a control method and a control apparatus for a wireless network such as an ad hoc wireless network that performs packet communication in a wireless network such as a wireless LAN including a plurality of wireless stations.

無線通信やパーソナルコンピュータの最近の進歩により、各ノード無線局が無線送受信機を備えた移動局ルータ装置として動作する、高速で実施可能なインフラストラクチャ(基盤)無しのネットワークであることが仮定されたアドホック無線ネットワークが研究されている。   With recent advances in wireless communication and personal computers, it was assumed that each node wireless station operates as a mobile station router device equipped with a wireless transceiver and is a network without infrastructure (base) that can be implemented at high speed. Ad hoc wireless networks are being studied.

通常、アドホック無線ネットワークではすべてのノード無線局はオムニパターンアンテナを備えている。しかしながら、オムニパターンアンテナを備えるアドホック無線ネットワークは、広い領域に及ぶ無線媒体を確保することによって、ネットワーク容量の大部分を浪費するRTS(Request To Send;通信開始制御信号)/CTS(Clear To Send;通信受付信号)を基礎とするフロア確保方法を使用している。その結果、送信機及び受信機の近傍にある多くの隣接ノード無線局は、送信機と受信機との間のデータ通信の終了を無為に待機していなければならない。この問題を緩和するために、研究者達は、送信ビーム及び受信ビームを受信ノード無線局及び送信ノード無線局のみへと方向づける指向性(固定又は適応制御型)アンテナの使用を提案している。これは無線干渉を大幅に低減させ、これにより、無線媒体の利用を改善し、それ故、ネットワークスループットを改善することができる(特許文献1及び2、並びに非特許文献1乃至11参照。)   Usually, in an ad hoc wireless network, all node radio stations are equipped with omni-pattern antennas. However, an ad hoc wireless network equipped with an omni-pattern antenna secures a wireless medium over a wide area, thereby consuming a large part of the network capacity, RTS (Request To Send; Communication Start Control Signal) / CTS (Clear To Send; The floor securing method based on the communication acceptance signal) is used. As a result, many adjacent node radio stations in the vicinity of the transmitter and receiver must wait indefinitely for the end of data communication between the transmitter and the receiver. To alleviate this problem, researchers have proposed the use of directional (fixed or adaptively controlled) antennas that direct the transmit and receive beams only to the receive node radio station and the transmit node radio station. This significantly reduces radio interference, thereby improving the utilization of the radio medium and thus improving the network throughput (see Patent Documents 1 and 2 and Non-Patent Documents 1 to 11).

次いで、本発明に関連する研究について以下簡単に説明する。指向性アンテナの持つ優位点にもかかわらず、指向性アンテナをアドホック無線ネットワークの無線通信システムにおいて使用する効率的なMAC(Media Access Control:メディアアクセス制御)プロトコルに関する研究は、アドホック無線ネットワークにおける移動性への即応に関する固有の困難さ、及び分散制御に起因して限定されている。研究者の中には、従来この課題に幾つかの方法で取り組もうとした者がある。ザンダーは、パケット無線ネットワークにおける指向性アンテナの使用を提案した(非特許文献1参照。)。また、非特許文献2では、指向性アンテナを使用するMACプロトコルも提案され、この場合、各局にはその隣接ノード無線局固有のトーン信号が割り当てられる。1つの局がパケットを受信すると、同局は直ちにそのトーン信号を一定の時間期間に渡って同報通信するため、その隣接ノード無線局はその存在を識別してその方向への送信を回避することができる。   Next, the research related to the present invention will be briefly described below. Despite the advantages of directional antennas, research into efficient MAC (Media Access Control) protocols that use directional antennas in wireless communication systems for ad hoc wireless networks has been focused on mobility in ad hoc wireless networks. Limited due to the inherent difficulties associated with responsiveness and distributed control. Some researchers have attempted to tackle this issue in several ways. Zander proposed the use of directional antennas in packet radio networks (see Non-Patent Document 1). Non-Patent Document 2 also proposes a MAC protocol using a directional antenna. In this case, each station is assigned a tone signal unique to the adjacent node radio station. When a station receives a packet, it immediately broadcasts its tone signal over a period of time so that its adjacent node radio station can identify its presence and avoid transmission in that direction Can do.

さらに、近年、IEEE 802.11に規定されているようなRTS/CTS型ハンドシェイクに依存するMACプロトコルが、指向性アンテナを使用して幾つか提案されている(非特許文献3乃至11参照。)。非特許文献3では、指向性/全方向性RTS/CTSの組み合せを使用して、ノード無線局による既に存在するデータ通信と干渉する方向への送信をブロックし、一方で他の方向へは送信できるようにするD−MAC(指向性MAC)方法が提案されている。また、非特許文献4では、マルチホップ効率を確立するためのMACプロトコルが、指向性アンテナを使用するマルチホップRTS−シングルホップCTSを用いて提案されている。このメカニズムでは、より大きいレンジの指向性ビームの使用により、オムニパターンアンテナを使用する場合より少ないホップ数で宛先に到達することができる。これら非特許文献3及び4の方法では何れも、移動ノード無線局は、GPSを使用して自らの、及びそれらの隣接ノード無線局の物理的位置を認識することが仮定されている。但し、指向性RTS/指向性CTS方法に起因して、利得の非対称性及び認識されないRTS/CTSによる新たな隠れ端末の問題、難聴の問題及び非特許文献4に記載されているようなより指向性の高い干渉のような幾つかの問題点は解決されないままである。   Furthermore, in recent years, several MAC protocols that rely on RTS / CTS type handshake as defined in IEEE 802.11 have been proposed using directional antennas (see Non-Patent Documents 3 to 11). ). In Non-Patent Document 3, a combination of directivity / omnidirectional RTS / CTS is used to block transmission in a direction that interferes with existing data communication by the node radio station, while transmitting in the other direction. A D-MAC (Directive MAC) method has been proposed that enables this. In Non-Patent Document 4, a MAC protocol for establishing multi-hop efficiency is proposed using multi-hop RTS-single hop CTS using a directional antenna. In this mechanism, the use of a larger range of directional beams allows the destination to be reached with fewer hops than when using an omni-pattern antenna. In both methods of Non-Patent Documents 3 and 4, it is assumed that mobile node radio stations recognize the physical positions of their own and their neighboring node radio stations using GPS. However, due to the directional RTS / directional CTS method, the gain asymmetry and the problem of new hidden terminal due to unrecognized RTS / CTS, the problem of hearing loss and the more directional as described in Non-Patent Document 4. Some problems such as high quality interference remain unresolved.

さらに、非特許文献5では、提案されているMACプロトコルは位置情報を認識する必要がなく、発信無線局及び宛先無線局は、全方向性のRTS−CTSがオンデマンドを基礎として交換される間に互いの方向を識別する。このRTS−CTSダイアローグを聞いた発信無線局Ns及び宛先無線局Ndのすべての隣接ノード無線局は、この情報を使用して進行中のデータ送信との干渉を防止することが仮定されている。しかしながら、RTS及びCTSパケットの全方向性送信に起因して、このプロトコルは、無線チャネルの空間再使用の恩恵を全くもたらさない。但しそれでも、本プロトコルは、指向性データ送信に起因して発生する干渉の量が低減されることにより(非特許文献11参照。)、オムニパターンアンテナを使用するMACを凌いでスループットを向上させる。   Furthermore, in Non-Patent Document 5, the proposed MAC protocol does not need to recognize location information, and the source radio station and the destination radio station are exchanged on the basis of on-demand RTS-CTS. Identify each other's direction. It is assumed that all neighboring node radio stations of the originating radio station Ns and the destination radio station Nd that heard this RTS-CTS dialog use this information to prevent interference with ongoing data transmission. However, due to the omnidirectional transmission of RTS and CTS packets, this protocol does not provide any benefit of spatial reuse of the radio channel. However, this protocol still improves the throughput over the MAC using the omni-pattern antenna by reducing the amount of interference generated due to directional data transmission (see Non-Patent Document 11).

また、非特許文献6において、ラマナサンは、変化するアンテナパターン及びビーム制御、チャネルアクセスメカニズム、リンク電力制御及び隣接ノード無線局の発見を有するビーム形成アンテナを使用するアドホック無線ネットワークの性能について調査している。さらに、非特許文献7では、著者達は位置情報の事前認識を仮定しており、各セクタに1つの指向性NAV(DNAV(Directional Network Allocation Vector:指向性ネットワーク位置ベクトル)の概念が使用され、全セクタ上の同時的な送信が安全となるまで送信延期を余儀なくされる代わりに、クリアなセクタパターン上の制御パケットの即時的送信が可能にされる。同じく、非特許文献8では、タカイほかが、当該方向の信号強度に依存して設定される方向及び幅を有するDNAV方法を提案した。この場合も、よりスマートなアンテナを使用して、1つの信号のそのマルチパス成分に起因する複数の到来角を識別することが可能であり、かつこれを使用して異なる幅及び方位角の複数のDNAVをブロックすることができる。   Also, in Non-Patent Document 6, Ramanathan investigated the performance of ad hoc wireless networks using beamforming antennas with changing antenna patterns and beam control, channel access mechanisms, link power control and discovery of adjacent node radio stations. Yes. Furthermore, in Non-Patent Document 7, the authors assume that the position information is pre-recognized, and one directional NAV (DNAV (Directional Network Allocation Vector) concept is used for each sector. Instead of having to postpone transmission until the simultaneous transmission on all sectors is secure, non-patent document 8 allows for the immediate transmission of control packets on a clear sector pattern. Proposed a DNAV method with a direction and width that is set depending on the signal strength of the direction, again using a smarter antenna and using multiple antennas due to its multipath component of one signal. Can be identified and used to block multiple DNAVs of different widths and azimuths.

全体的な性能向上を目的とした、指向性アンテナの優位点を活用するためのアドホック無線ネットワークにおける適切なMACプロトコルの開発は、適切な位置追跡及び近傍認識を必要とする。各ノード無線局は、隣接ノード無線局と指向的に通信可能な方向を認識しなければならない。この情報により、効果的な通信を保証する方位角又はビーム形成を選択することが可能になる。同時に、各ノード無線局は、既に存在する通信を妨害することなく他の方向への通信を開始できるように、共有近傍における現在の通信状態について認識していなければならない。さらに、各ノード無線局とその各隣接ノード無線局との指向性アクセス情報を含むこの近傍情報の伝播は、これがネットワークによる適正なネットワークステータス情報の保持を促進することから、効率的でプロアクティブな(先を見込んだ革新的な)ルーティングプロトコルの設計にも役立つ(非特許文献10参照。)。   Developing an appropriate MAC protocol in an ad hoc wireless network to take advantage of directional antennas with the goal of improving overall performance requires proper location tracking and proximity recognition. Each node radio station must recognize a direction in which it can communicate directionally with an adjacent node radio station. This information makes it possible to select an azimuth or beamforming that ensures effective communication. At the same time, each node radio station must be aware of the current communication state in the shared neighborhood so that it can start communication in the other direction without interfering with existing communication. In addition, the propagation of this neighborhood information, including directional access information between each node radio station and each adjacent node radio station, is efficient and proactive because it facilitates the retention of proper network status information by the network. It is also useful for the design of routing protocols (innovative anticipation) (see Non-Patent Document 10).

特開2001−024431号公報。JP 2001-024431A. 特開2001−244983号公報。Japanese Patent Laid-Open No. 2001-244983. J. Zander, “Slotted ALOHA multihop packet radio networks with directional antennas”, Electronic Letters”, Vol. 26, No. 25, 1990。J. Zander, “Slotted ALOHA multihop packet radio networks with directional antennas”, Electronic Letters ”, Vol. 26, No. 25, 1990. T. S. Yum et al., “Design algorithms for multihop packet radio networks with multiple directional antennas stations”, IEEE Transactions on Communications, Vol. 40, No. 11, pp. 1716-1724, 1992。T. S. Yum et al., “Design algorithms for multihop packet radio networks with multiple directional antennas stations”, IEEE Transactions on Communications, Vol. 40, No. 11, pp. 1716-1724, 1992. Y. B. Ko et al., “Medium access control protocols using directional antennas in ad hoc networks”, Proceedings of the IEEE INFOCOM 2000, March 2000。Y. B. 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上述の非特許文献2では、移動無線局の位置の追跡が、トーンセットを使用し、かつネットワーク内の各ノード無線局で多大なネットワーク状態(ステータス)情報を保持することによって行われている。しかしながら、これは、動的方法では非現実的である。例えば、非特許文献5では、発信無線局及び宛先無線局が全方向性RTS−CTS交換の間に互いの方向を識別する。しかしながら、このメカニズムでは、ノード無線局はその完全な近傍情報を認識していない。   In Non-Patent Document 2 described above, tracking of the position of a mobile radio station is performed by using a tone set and holding a large amount of network status (status) information at each node radio station in the network. However, this is impractical for dynamic methods. For example, in Non-Patent Document 5, the originating radio station and the destination radio station identify each other's direction during an omnidirectional RTS-CTS exchange. However, with this mechanism, the node radio station does not recognize its complete neighborhood information.

また、非特許文献3及び4では、各ノード無線局の位置を追跡するためにGPS(Global Positioning System)の使用が提案されているが、情報交換の正確なメカニズム及び結果的に生じるオーバーヘッドについては論じられていない。本発明者らは、先の研究で、各ノード無線局が方位角毎のSINRを示すテーブル(以下、ASテーブルという。)の保守を行うことにより、所定の近傍情報を動的に保持するMACプロトコルを開発した(非特許文献9参照。)。この方法では、ASテーブルを形成するために、各ノード無線局は、指向性ビーコンを指向性同報通信の形式で周期的に30度間隔で全方向へ逐次送信し、360度の空間全体をカバーする。これらの信号を異なる方位角で受信するノード無線局は、受信される最良の信号強度を決定し、その情報を発信無線局へRTS/CTSハンドシェイクを有するデータパケットとして送り返す。但し、非特許文献6に開示されたこの方法では、制御パケットに起因するオーバーヘッドが極めて高い。   In Non-Patent Documents 3 and 4, the use of GPS (Global Positioning System) is proposed to track the position of each node radio station. However, regarding the exact mechanism of information exchange and the resulting overhead, Not discussed. In the previous research, the present inventors conducted a maintenance of a table (hereinafter referred to as an AS table) in which each node radio station indicates SINR for each azimuth, thereby dynamically maintaining a predetermined neighborhood information. A protocol was developed (see Non-Patent Document 9). In this method, in order to form an AS table, each node radio station sequentially transmits directional beacons in the direction of directional broadcast periodically in 30-degree intervals in all directions, and transmits the entire 360-degree space. Cover. The node radio station receiving these signals at different azimuths determines the best signal strength received and sends the information back to the originating radio station as a data packet with an RTS / CTS handshake. However, with this method disclosed in Non-Patent Document 6, the overhead due to the control packet is extremely high.

例えば、図10が示すように、ノード無線局NnがオムニパターンAn0のオムニパターンアンテナを使用してノード無線局Nmと通信している間、ノード無線局NpとNrとは不使用状態でいなければならない。しかしながら、指向性ビームパターンAn,Ar,Apを使用する場合には、ノード無線局Nnがノード無線局Nmと通信している間に、ノード無線局Np及びNrは共にそれぞれノード無線局Nq及びNsと通信することが可能であり、媒体利用又はSDMA(Space Division Multiple Access:空間分割多重アクセス)の効率が劇的に向上する。   For example, as shown in FIG. 10, while the node radio station Nn communicates with the node radio station Nm using the omni pattern antenna of the omni pattern An0, the node radio stations Np and Nr must be in an unused state. I must. However, when using the directional beam patterns An, Ar, Ap, while the node radio station Nn is communicating with the node radio station Nm, the node radio stations Np and Nr are both node radio stations Nq and Ns, respectively. And the efficiency of medium utilization or SDMA (Space Division Multiple Access) is dramatically improved.

指向性アンテナの能力を十分に活用するためには、各ノード無線局は隣接ノード無線局の情報(ノード無線局のID、方向、リンク品質ほかなど)を事前に認識している必要がある。ノード無線局NpとNqとの通信は、ノード無線局Npからノード無線局Nqへの方向がノード無線局NpからNm又はノード無線局Npからノード無線局Nnへの方向と同じでない場合にのみ開始することができる。従って、発信無線局と宛先無線局とが通信しているときはいつも、発信無線局及び宛先無線局のすべての隣接ノード無線局は、それらが他の方向で新規無線通信を開始できるようにその通信の方向を認識していなければならず、これにより、発信無線局と宛先無線局間で進行中のデータ通信との干渉が防止される。言い替えれば、効果的なMAC及びルーティングプロトコルを当該無線通信システムで実施するためには、ノード無線局は、パケットをその隣接ノード無線局へ送信するためのその送信方向の設定方法を認識していなければならない。従って、各ノード無線局でその隣接ノード無線局の位置を追跡するメカニズムを保有することが不可避となる。   In order to fully utilize the capability of the directional antenna, each node radio station needs to recognize information on adjacent node radio stations (node radio station ID, direction, link quality, etc.) in advance. Communication between the node radio stations Np and Nq is started only when the direction from the node radio station Np to the node radio station Nq is not the same as the direction from the node radio station Np to Nm or from the node radio station Np to the node radio station Nn. can do. Thus, whenever the originating radio station and the destination radio station are communicating, all neighboring node radio stations of the originating radio station and the destination radio station must be able to initiate new radio communications in the other direction. The direction of communication must be known, thereby preventing interference with ongoing data communication between the originating radio station and the destination radio station. In other words, in order to implement an effective MAC and routing protocol in the wireless communication system, the node radio station must be aware of how to set its transmission direction for transmitting packets to its neighboring node radio stations. I must. Therefore, it is inevitable that each node radio station has a mechanism for tracking the position of the adjacent node radio station.

しかしながら、指向性アンテナを使用するアドホック無線ネットワークの無線通信システムにおけるこの位置追跡メカニズムは、多大な制御用オーバーヘッドが掛かることから深刻な問題点である。   However, this position tracking mechanism in a wireless communication system of an ad hoc wireless network using a directional antenna is a serious problem because of a great control overhead.

また、第2に、指向性アンテナの能力を完全に活用するためには、各ノード無線局はデータ通信が既に進行している方向への送信を回避するだけでなく、他の隣接ノード無線局に対してその通信状態(通信ステータス)を通知する必要がある。言い替えれば、露出端末問題及び隠れ端末問題を同時に解決しなければならない。特に、ITS(Intelligent Transportation System:高度道路交通システム)の高速道路交通制御方法におけるストリングトポロジー(図22に示すように、互いに離間した2つの無線リンクが一直線上に延在するように配置されたトポロジーをいう。)では、進行中の無線通信を認識していないノード無線局の幾つかが、既に何らかの無線通信で使用中であるノード無線局との通信を試行する可能性がある。これは、指向性モードのスループットを劣化させる可能性があり、全方向性モードの場合より悪くなることもある。従って、指向性アンテナにより多重パラレル通信が可能であるとしても、隠れ端末ファクタが指向性アンテナによってもたらされる利得を制限する。その結果、その送信方向を宛先無線局へ向けて設定する隣接ノード無線局の位置追跡機構を保有することだけでなく、隠れたノード無線局による近傍で進行中のデータ通信を妨害する多くの無駄なパケットの送信を防止するブロードキャスト機構を実施することが不可欠である。   Second, in order to fully utilize the capability of the directional antenna, each node radio station not only avoids transmission in the direction in which data communication is already in progress, but also other adjacent node radio stations. It is necessary to notify the communication state (communication status). In other words, the exposed terminal problem and the hidden terminal problem must be solved simultaneously. In particular, a string topology in an ITS (Intelligent Transportation System) highway traffic control method (as shown in FIG. 22, a topology in which two wireless links spaced apart from each other extend in a straight line. In some cases, some of the node wireless stations that are not aware of the ongoing wireless communication may try to communicate with a node wireless station that is already in use for some wireless communication. This can degrade the throughput of the directional mode and can be worse than in the omnidirectional mode. Thus, even if multiple parallel communications are possible with a directional antenna, the hidden terminal factor limits the gain provided by the directional antenna. As a result, not only does it have a location tracking mechanism for the adjacent node radio station that sets its transmission direction toward the destination radio station, but also a lot of waste that interferes with ongoing data communication by hidden node radio stations. It is essential to implement a broadcast mechanism that prevents the transmission of stale packets.

本発明の目的は以上の問題点を解決し、マルチホップの無線ネットワークにおいて、他局からの干渉を抑圧することができ、SDMAのために効率的なMACプロトコルを提供できる無線ネットワークのための制御方法及び制御装置を提供することにある。   The object of the present invention is to solve the above-mentioned problems, and in a multi-hop wireless network, it is possible to suppress interference from other stations and to provide an efficient MAC protocol for SDMA. It is to provide a method and a control device.

第1の発明に係る無線ネットワークの制御方法は、それぞれ所定のビーム幅を有するセクタパターンと無指向性のビームパターンの双方のビームを形成できるアンテナをそれぞれ含む複数の無線局を備え、上記複数の無線局のうちの発信元無線局と宛先無線局との間で複数ホップで無線通信を行う無線ネットワークのための制御方法において、
送信元からの通信開始制御信号(RTS:Request To Send)、及び受信元からの通信受付信号(CTS:Clear To Send)を双方ともに無指向性アンテナで送信し、データ信号(DATA)と受信完了通知信号(ACK:Acknowledge)を指向性で送信するステップと、
他の無線局からの無線信号をオムニパターン又はセクタパターンを用いて検出し、セクタパターンを用いてすべての方位角にわたってアンテナのビーム方向を回転して最大の信号強度を有する方位角を探索した後、上記検出した無線信号が無線通信を行う無線局でないときに、当該無線局の方位角に対するセクタパターンを用いて無線通信を行うことを禁止するステップを含むことを特徴とする。
According to a first aspect of the present invention, there is provided a radio network control method comprising a plurality of radio stations each including an antenna capable of forming both a sector pattern having a predetermined beam width and an omnidirectional beam pattern. In a control method for a wireless network that performs wireless communication with a plurality of hops between a source wireless station and a destination wireless station among wireless stations,
A communication start control signal (RTS: Request To Send) from the transmission source and a communication reception signal (CTS: Clear To Send) from the reception source are both transmitted by the omnidirectional antenna, and the data signal (DATA) and reception are completed. Transmitting a notification signal (ACK: Acknowledge) with directivity;
After detecting a radio signal from another radio station using an omni pattern or sector pattern and rotating the beam direction of the antenna over all azimuth angles using the sector pattern to search for the azimuth angle with the maximum signal strength The method includes a step of prohibiting wireless communication using a sector pattern with respect to an azimuth angle of the wireless station when the detected wireless signal is not a wireless station performing wireless communication.

上記無線ネットワークの制御方法において、上記各無線局はセクタパターンを用いて無線送信し、上記各無線局においてそれぞれ互いに、受信機感度と受信機しきい値とを実質的に等しく設定したことを特徴とする。   In the wireless network control method, each of the wireless stations wirelessly transmits using a sector pattern, and the receiver sensitivity and the receiver threshold are set substantially equal to each other in each of the wireless stations. And

第2の発明に係る無線ネットワークの制御装置は、それぞれ所定のビーム幅を有するセクタパターンと無指向性のビームパターンの双方のビームを形成できるアンテナをそれぞれ含む複数の無線局を備え、上記複数の無線局のうちの発信元無線局と宛先無線局との間で複数ホップで無線通信を行う無線ネットワークのための制御装置において、
送信元からの通信開始制御信号(RTS:Request To Send)、及び受信元からの通信受付信号(CTS:Clear To Send)を双方ともに無指向性アンテナで送信し、データ信号(DATA)と受信完了通知信号(ACK:Acknowledge)を指向性で送信する手段と、
他の無線局からの無線信号をオムニパターン又はセクタパターンを用いて検出し、セクタパターンを用いてすべての方位角にわたってアンテナのビーム方向を回転して最大の信号強度を有する方位角を探索した後、上記検出した無線信号が無線通信を行う無線局でないときに、当該無線局の方位角に対するセクタパターンを用いて無線通信を行うことを禁止する手段とを備えたことを特徴とする。
According to a second aspect of the present invention, there is provided a wireless network control device including a plurality of wireless stations each including an antenna capable of forming both a sector pattern having a predetermined beam width and a non-directional beam pattern. In a control device for a wireless network that performs wireless communication with a plurality of hops between a source wireless station and a destination wireless station among wireless stations,
A communication start control signal (RTS: Request To Send) from the transmission source and a communication reception signal (CTS: Clear To Send) from the reception source are both transmitted by the omnidirectional antenna, and the data signal (DATA) and reception are completed. Means for transmitting a notification signal (ACK: Acknowledge) with directivity;
After detecting a radio signal from another radio station using an omni pattern or sector pattern and rotating the beam direction of the antenna over all azimuth angles using the sector pattern to search for the azimuth angle with the maximum signal strength And a means for prohibiting wireless communication using a sector pattern with respect to the azimuth angle of the wireless station when the detected wireless signal is not a wireless station performing wireless communication.

上記無線ネットワークの制御装置において、上記各無線局はセクタパターンを用いて無線送信し、上記各無線局においてそれぞれ互いに、受信機感度と受信機しきい値とを実質的に等しく設定したことを特徴とする。   In the wireless network control device, each of the wireless stations wirelessly transmits using a sector pattern, and the receiver sensitivity and the receiver threshold value are set substantially equal to each other in each of the wireless stations. And

従って、本発明に係る無線ネットワークの制御方法又は制御装置によれば、例えばITSなどの無線通信システムにおいて、すべての無線局が1つの線上に位置するトポロジーの下では、指向性のRTS/CTSは発信元無線局による通信の意向を宛先無線局の反対方向へ知らせることが可能であり、隠れたノード無線局から多くのパケットが送信されることはない。従って、シミュレーション結果を参照して詳細後述するように、ホップ数が増加してもスループットとエンド・ツー・エンド遅延時間を従来技術に比較して改善できる。   Therefore, according to the wireless network control method or control apparatus of the present invention, in a wireless communication system such as ITS, for example, under a topology in which all wireless stations are located on one line, the directional RTS / CTS is The intention of communication by the source radio station can be notified in the opposite direction of the destination radio station, and many packets are not transmitted from the hidden node radio station. Therefore, as will be described later in detail with reference to the simulation result, the throughput and the end-to-end delay time can be improved as compared with the prior art even if the number of hops increases.

以下、本発明に係る実施形態について図面を参照して説明する。なお、同様の構成要素については同一の符号を付している。   Hereinafter, embodiments according to the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, the same code | symbol is attached | subjected about the same component.

第1の実施形態.
図1は、本発明に係る実施形態であるアドホック無線ネットワークの構成を示す複数の無線局1−1乃至1−9(総称して、符号1を付す。)の平面配置図であり、図2は、図1の各無線局1の構成を示すブロック図である。
First embodiment.
FIG. 1 is a plan layout diagram of a plurality of radio stations 1-1 to 1-9 (generally referred to by reference numeral 1) showing the configuration of an ad hoc radio network according to an embodiment of the present invention. These are block diagrams which show the structure of each radio station 1 of FIG.

この実施形態の無線通信システムでは、図1に示すように、複数の無線局1が平面的に散在して存在し、各無線局1はそれぞれ、可変ビームアンテナ101の利得や送信電力、受信感度などのパラメータで決定される所定のサービスエリアを有し、このサービスエリア内でパケット通信を行うことができ、サービスエリア外の無線局1とパケット通信を行うときは、サービスエリア内の無線局1を中継局として用いてパケットデータを中継することにより、所望の宛先無線局1にパケットデータを伝送する。すなわち、各無線局1は、パケットのルーティングを行うルータ機能を備え、発信元無線局、中継局、又は宛先無線局として動作する。   In the wireless communication system of this embodiment, as shown in FIG. 1, a plurality of wireless stations 1 are present in a plane and each wireless station 1 has a gain, transmission power, and reception sensitivity of the variable beam antenna 101. A predetermined service area determined by parameters such as, and can perform packet communication within the service area. When performing packet communication with the wireless station 1 outside the service area, the wireless station 1 within the service area Is used as a relay station to relay packet data, thereby transmitting the packet data to a desired destination wireless station 1. That is, each wireless station 1 has a router function for routing packets and operates as a source wireless station, a relay station, or a destination wireless station.

この実施形態の無線通信システムは、例えば無線LANなどのアドホック無線ネットワークのパケット通信システムに適用するものであって、無指向性放射パターンであるオムニパターンと、自局を中心とした水平面内の所定の方位角毎にセクタ形状のメインビームを選択的に変更可能なセクタビームパターンと、上記方位角毎にヌル点を形成可能な排他的セクタパターンとを選択的に切り換え可能な可変ビームアンテナ101を備えるとともに、自局を中心とするサービスエリア内の隣接ノード無線局(自局から無線通信可能なノード無線局を隣接ノード無線局という。)1から無線信号を受信するときに測定可能な隣接ノード無線局1に対する方位角及び信号強度レベルを格納する方位角及び信号強度レベルテーブルであるASテーブル(Angle and Signal strength Table)をデータベースメモリ154に格納し、これらのテーブルに基づいて、可変ビームアンテナ101の放射パターンを制御しながらパケット信号のルーティングを行うことを特徴としている。   The wireless communication system of this embodiment is applied to a packet communication system of an ad hoc wireless network such as a wireless LAN, for example, and includes an omni pattern that is an omnidirectional radiation pattern and a predetermined plane in a horizontal plane centered on the own station. A variable beam antenna 101 capable of selectively switching between a sector beam pattern capable of selectively changing a sector-shaped main beam for each azimuth angle and an exclusive sector pattern capable of forming a null point for each azimuth angle. An adjacent node that can be measured when a radio signal is received from an adjacent node radio station (a node radio station that can perform radio communication from the own station) 1 in a service area centered on the own station AS table that is an azimuth and signal strength level table for storing the azimuth and signal strength levels for the radio station Stores Angle and Signal strength Table) in the database memory 154, based on these tables, is characterized by performing a routing of the packet signal while controlling the radiation pattern of variable beam antenna 101.

本実施形態では、特に、位置追跡及びMACプロトコルのための受信機中枢的なアプローチを提案する。各ノード無線局1は、その隣接のノード無線局の位置を追跡するために、その近隣情報を周期的に収集し、上記ASテーブルを形成する。ASテーブルを基礎として、ノード無線局1はその隣接ノード無線局の方向を認識して送信−受信の間の媒体アクセスを制御する。詳細後述するように、クアルネット(QualNet)のネットワークシミュレータ(例えば、非特許文献12参照。)に関する性能評価結果は、本発明者らのプロトコルが増加する通信数及び増加するデータレートに関して高度に効率的であることを示しており、本発明者らのプロトコルによる1ホップMACのスループットは、IEEE 802.11の規格の1.8倍である結果を得ている。   This embodiment proposes a receiver-centric approach, especially for location tracking and MAC protocol. Each node radio station 1 periodically collects its neighbor information in order to track the position of its adjacent node radio station, and forms the AS table. Based on the AS table, the node radio station 1 recognizes the direction of the adjacent node radio station and controls medium access during transmission and reception. As will be described in detail later, the performance evaluation results regarding the QualNet network simulator (see, for example, Non-Patent Document 12) are highly efficient with respect to the increased number of communications and the increased data rate of our protocol. The throughput of the 1-hop MAC according to the present inventors' protocol is 1.8 times that of the IEEE 802.11 standard.

本実施形態では、制御オーバーヘッドを低減するための受信機指向の位置追跡メカニズム及び効率的な媒体利用のための単純なMACプロトコルについて説明する。本発明者らは、クアルネットを使用して広範な性能評価を実行し、その有効性を実証した。このMACプロトコルは、RTSとCTSとの全方向性交換を基礎としている。しかしながら、この場合のRTS/CTSの目的は、オムニパターンアンテナを使用する場合のような、送信機及び受信機の隣接ノード無線局による送信又は受信を禁止することではなく、これらにこの通信に関する通知を行うことにある。これはまた、通信のおおよその持続時間を特定する。送信及び受信のすべての隣接ノード無線局は、それらのそれぞれに各ASテーブルからその方向が知られている通信を追跡し、仮想搬送波検出のためのDNAVを設定してその方向の通信のみを禁止する。   In this embodiment, a receiver-oriented location tracking mechanism for reducing control overhead and a simple MAC protocol for efficient medium utilization are described. The inventors performed extensive performance evaluation using Qualnet and demonstrated its effectiveness. This MAC protocol is based on an omnidirectional exchange between RTS and CTS. However, the purpose of RTS / CTS in this case is not to prohibit transmission or reception by adjacent node radio stations of the transmitter and receiver, as in the case of using an omni pattern antenna, but to notify them about this communication. Is to do. This also specifies the approximate duration of the communication. All adjacent node wireless stations for transmission and reception track communication whose direction is known from each AS table for each of them, and set DNAV for virtual carrier detection to prohibit communication in that direction only To do.

次いで、図2を参照して、各無線局1の装置構成について説明する。図2において、無線局1は、可変ビームアンテナ101と、その指向性を制御するための指向制御部103と、サーキュレータ102と、データパケット送信部140及びデータパケット受信部130を有するデータパケット送受信部104と、トラヒックモニタ部105と、回線制御部106と、上位レイヤ処理装置107とを備える。   Next, the device configuration of each radio station 1 will be described with reference to FIG. In FIG. 2, a radio station 1 includes a variable beam antenna 101, a directivity control unit 103 for controlling the directivity thereof, a circulator 102, a data packet transmission / reception unit having a data packet transmission unit 140 and a data packet reception unit 130. 104, a traffic monitor unit 105, a line control unit 106, and an upper layer processing apparatus 107.

送受信すべきデータを処理する上位レイヤ処理装置107によって発生されたパケット形式の通信用送信信号データは、送信バッファメモリ142を介して変調器143に入力され、変調器143は、所定の無線周波数の搬送波信号を、拡散符号発生器160でCDMA方式で発生された所定の通信チャネル用拡散符号を用いて、入力された通信用送信信号データに従ってスペクトル拡散変調して、変調後の送信信号を高周波送信機144に出力する。高周波送信機144は入力された送信信号に対して増幅などの処理を実行した後、サーキュレータ102を介して可変ビームアンテナ101から他の無線局1に向けて送信する。一方、可変ビームアンテナ101で受信されたパケット形式の通信チャネル用受信信号は、サーキュレータ102を介して高周波受信機131に入力され、高周波受信機131は入力された受信信号に対して低雑音増幅などの処理を実行した後、復調器132に出力する。復調器132は、入力される受信信号を、拡散符号発生器160でCDMA方式で発生された通信チャネル用拡散符号を用いて、スペクトル逆拡散により復調して、復調後の受信信号データを受信バッファメモリ133を介して上位レイヤ処理装置107に出力するとともに、トラヒックモニタのためにトラヒックモニタ部105に出力する。   Transmission signal data for communication in packet format generated by the upper layer processing device 107 that processes data to be transmitted / received is input to the modulator 143 via the transmission buffer memory 142, and the modulator 143 has a predetermined radio frequency. The carrier wave signal is subjected to spread spectrum modulation in accordance with the input communication transmission signal data using a predetermined communication channel spreading code generated by the spread code generator 160 by the CDMA method, and the modulated transmission signal is transmitted at a high frequency. Output to the machine 144. The high-frequency transmitter 144 performs processing such as amplification on the input transmission signal, and then transmits the variable signal from the variable beam antenna 101 to another wireless station 1 via the circulator 102. On the other hand, the communication signal received in the packet format received by the variable beam antenna 101 is input to the high-frequency receiver 131 via the circulator 102, and the high-frequency receiver 131 performs low noise amplification on the input received signal. After executing the above process, the data is output to the demodulator 132. The demodulator 132 demodulates the input received signal by spectrum despreading using the communication channel spreading code generated by the spreading code generator 160 by the CDMA method, and receives the demodulated received signal data as a receiving buffer. The data is output to the upper layer processing apparatus 107 via the memory 133 and also output to the traffic monitor unit 105 for traffic monitoring.

本実施形態においては、指向性アンテナである可変ビームアンテナ101は、複数のアンテナ素子とその指向性を制御する制御部103に接続され、
(a)無指向性放射パターンであるオムニパターンと、
(b)例えば図3に示すように、自局を中心とした水平面内の所定の方位角毎にセクタ形状のメインビームを選択的に変更可能な指向性パターンであるセクタビームパターンと、
(c)上記方位角毎にヌル点を形成可能な排他的セクタパターンと
を電気的な制御により選択的に切り換え可能なアンテナである。
In the present embodiment, the variable beam antenna 101 that is a directional antenna is connected to a plurality of antenna elements and a control unit 103 that controls the directivity,
(A) an omni pattern which is an omnidirectional radiation pattern;
(B) For example, as shown in FIG. 3, a sector beam pattern that is a directivity pattern capable of selectively changing the sector-shaped main beam for each predetermined azimuth angle in a horizontal plane centered on the own station;
(C) An antenna capable of selectively switching an exclusive sector pattern capable of forming a null point for each azimuth angle by electrical control.

なお、可変ビームアンテナ101については、例えば、公知のフェーズドアレーアンテナ装置であってもよいし、もしくは、図11及び図12を参照して詳細後述するように、特許文献1及び2、非特許文献16、17及び18に開示された電子制御導波器アレーアンテナ装置(Electronically Steerable Passive Array Radiator Array Antenna Apparatus)である可変ビームアンテナであってもよい。   The variable beam antenna 101 may be, for example, a known phased array antenna device, or, as will be described in detail later with reference to FIGS. 11 and 12, Patent Documents 1 and 2, Non-Patent Documents It may be a variable beam antenna which is an electronically controlled array antenna apparatus (Electronically Steerable Passive Array Radiator Array Antenna Apparatus) disclosed in 16, 17 and 18.

トラヒックモニタ部105は、検索エンジン152と、更新エンジン153と、データベースメモリ154と、クロック回路155とを備え、後述のルーティング及び通信処理を実行するとともに、無線局1が他の無線局1とのパケット通信において使用すべき通信チャネルを決定して、決定した通信チャネルに対応する拡散符号の指定データを回線制御部106を介して拡散符号発生器160に送ることにより、拡散符号発生器160が当該指定データに対応する拡散符号を発生するように制御するとともに、決定した通信チャネルに対応するタイムスロットの指定データを回線制御部106を介して送信タイミング制御部141に送ることにより、送信タイミング制御部141が送信バッファメモリ142による通信チャネル用送信信号データの書き込み及び読み出しを制御することにより通信チャネル用送信信号が対応するタイムスロットで送信されるように制御する。なお、クロック回路155は、現在日時を計時してその情報を、必要に応じて管理制御部151に出力する。   The traffic monitor unit 105 includes a search engine 152, an update engine 153, a database memory 154, and a clock circuit 155, and performs routing and communication processing described later, and the wireless station 1 communicates with other wireless stations 1. The communication channel to be used in the packet communication is determined, and the spread code generator 160 sends the spread code designation data corresponding to the determined communication channel to the spread code generator 160 via the line control unit 106. The transmission timing control unit is controlled by generating a spreading code corresponding to the designated data and sending the designated data of the time slot corresponding to the determined communication channel to the transmission timing control unit 141 via the line control unit 106. 141 is a communication channel transmission signal by the transmission buffer memory 142 Controls to transmit the signal for the communication channel is transmitted in the corresponding time slot by controlling the writing and reading of over data. The clock circuit 155 counts the current date and time and outputs the information to the management control unit 151 as necessary.

トラヒックモニタ部105の検索エンジン152は、管理制御部151の制御によりデータベースメモリ154内のデータを検索して検索したデータを管理制御部151に返信する。また、更新エンジン153は、管理制御部151の制御によりデータベースメモリ154内のデータを更新する。さらに、データベースメモリ154に、ASテーブルを記憶している。なお、後述の第1の実施形態の変形例では、データベースメモリ154はさらに、DNAV制御テーブルを記憶する。   The search engine 152 of the traffic monitor unit 105 searches the data in the database memory 154 under the control of the management control unit 151 and returns the searched data to the management control unit 151. The update engine 153 updates data in the database memory 154 under the control of the management control unit 151. Further, an AS table is stored in the database memory 154. In the modification of the first embodiment to be described later, the database memory 154 further stores a DNAV control table.

本実施形態においては、アンテナ放射パターンを単一の通信相手先方向の利得が最大となるように指向性を変化させるセクタビームパターンの実効的な送信ビーム幅を30°としており、可変ビームアンテナ101は、方位角を30°毎に選択的に変化可能に設定できる。ビーム幅及び方位角の変化方位角は、60°又は他の方位角であってもよい。また、本実施形態のパケット通信システムで用いるパケットデータは、図4に示す形式のフォーマットを有する。すなわち、パケットデータは、宛先無線局のIDと、パケット種別(トーン、RTS(Request To Send)、CTS(Clear To Send)、DATAなど)と、自局のIDと、データ(上位レイヤでのデータなどを含む)とを含む。なお、RTS信号又はCTS信号のとき、データには当該無線通信における通信持続時間を含む。さらに、データベースメモリ154に格納されたASテーブルは、図5に示すように、自局のサービスエリア内の隣接ノード無線局毎に、方位角と、信号強度レベルの情報を格納し、後述する図15の無線通信制御処理により作成更新される。   In this embodiment, the effective transmission beam width of the sector beam pattern for changing the directivity so that the gain in the direction of a single communication partner is maximized is set to 30 °, and the variable beam antenna 101 is used. The azimuth angle can be selectively changed every 30 °. The changing azimuth of the beam width and azimuth may be 60 ° or other azimuth. Further, the packet data used in the packet communication system of the present embodiment has a format of the format shown in FIG. That is, the packet data includes the ID of the destination wireless station, the packet type (tone, RTS (Request To Send), CTS (Clear To Send), DATA, etc.), the ID of the local station, and data (data in the upper layer). Etc.). In the case of an RTS signal or a CTS signal, the data includes a communication duration in the wireless communication. Furthermore, as shown in FIG. 5, the AS table stored in the database memory 154 stores azimuth and signal strength level information for each adjacent node radio station in the service area of its own station. It is created and updated by 15 wireless communication control processes.

さらに、本実施形態で用いる無線通信システムについて詳細に説明する。   Further, the wireless communication system used in the present embodiment will be described in detail.

まず、本実施形態で用いるスマートアンテナである可変ビームアンテナ101の詳細について説明する。本実施形態に係る無線ネットワークにおいて使用されるスマートアンテナには、基本的に、スイッチビーム又は固定ビームアンテナと回転式適応型アレーアンテナとの2タイプを用いることができる(例えば、非特許文献12,13,14参照。)。スイッチビームアンテナは、複数の予め画定された固定指向性ビームパターンを生成し、信号を受信すると1回に1パターンを設定する。これは最も単純な技術であり、別々の指向性アンテナ間、又はそれぞれが360/N度の方位角で張られた非重複性の固定セクタパターンへと配備されているN個のアンテナ素子より成るアレーアンテナの予め画定されたビーム間の基本的なスイッチング関数のみで構成されている。すべてのセクタパターンで信号検出が行われ、可変ビームアンテナ101は、最大の利得を有するセクタを認識する能力を備えている。受信に際しては、一般に検出プロセスによって選択されるものである正確に1つのセクタパターンがその信号を集めて受信する。   First, details of the variable beam antenna 101 which is a smart antenna used in the present embodiment will be described. As a smart antenna used in the wireless network according to the present embodiment, basically, two types of a switch beam or a fixed beam antenna and a rotary adaptive array antenna can be used (for example, Non-Patent Document 12, 13, 14). The switch beam antenna generates a plurality of predefined fixed directional beam patterns, and sets one pattern at a time when a signal is received. This is the simplest technique and consists of N antenna elements deployed between separate directional antennas or in a non-overlapping fixed sector pattern, each spanned at an azimuth of 360 / N degrees. It consists only of the basic switching function between the predefined beams of the array antenna. Signal detection is performed in all sector patterns, and the variable beam antenna 101 has a capability of recognizing a sector having the maximum gain. Upon reception, exactly one sector pattern, generally selected by the detection process, collects and receives the signals.

スイッチビームアンテナより進化している回転式適応型アレーアンテナの場合、ビーム構成は無線周波数(RF)の信号環境に適応し、ビームを所望の無線信号へ向けて配向してアンテナ利得を最大化すると同時に干渉信号の方向にあるアンテナパターンを(ヌルに設定することにより)抑制する(非特許文献14参照。)。適応型アレーアンテナでは、出力信号を制御するため、すなわち信号対干渉プラス雑音比(SINR)を最大化するためのアルゴリズムが必要とされる。これらの両スマートアンテナ間の相違点は、次のように仮定することができる。すなわち、固定ビームアンテナはそのスマートさを最強強度の信号ビームの方向に集中させるが、適応型アレーアンテナは、すべてのアンテナ素子内の受信された全情報からの恩恵により、ウェイトベクトルの調整を用いて出力SINRを最適化する。   For rotating adaptive array antennas that have evolved from switched beam antennas, the beam configuration is adapted to the radio frequency (RF) signal environment and directs the beam towards the desired radio signal to maximize antenna gain. At the same time, the antenna pattern in the direction of the interference signal is suppressed (by setting it to null) (see Non-Patent Document 14). For adaptive array antennas, an algorithm is required to control the output signal, ie, to maximize the signal-to-interference plus noise ratio (SINR). The difference between these two smart antennas can be assumed as follows. That is, the fixed beam antenna concentrates its smartness in the direction of the strongest signal beam, while the adaptive array antenna uses weight vector adjustment to benefit from all received information in all antenna elements. To optimize the output SINR.

本発明者らは、スマートアンテナを使用するアドホック無線ネットワークのテストベッドを開発しており(非特許文献15参照。)、各ユーザ端末は、電子制御導波器アレーアンテナ装置として知られる小型で低コストのスマートアンテナを使用する(非特許文献16,17,18参照。)。適応型アレーアンテナは、通常はデジタル式のビーム形成アンテナである。これに対して、電子制御導波器アレーアンテナ装置はRFビーム形成に依存し、これにより回路の複雑さが劇的に減少する。電子制御導波器アレーアンテナ装置は受信機出力を1つしか必要としないため、周波数変換器及びアナログ−デジタル変換器の必要数はアレー分岐の数だけ減少し、DC電力の消散及び製造コストの両方を劇的に改善することができる(非特許文献16参照。)。   The present inventors have developed a test bed of an ad hoc wireless network using a smart antenna (see Non-Patent Document 15), and each user terminal is small and low-profile known as an electronically controlled waveguide array antenna device. A cost smart antenna is used (see Non-Patent Documents 16, 17, and 18). An adaptive array antenna is usually a digital beamforming antenna. In contrast, electronically controlled waveguide array antenna devices rely on RF beamforming, which dramatically reduces circuit complexity. Since the electronically controlled waveguide array antenna device requires only one receiver output, the required number of frequency converters and analog-to-digital converters is reduced by the number of array branches, reducing DC power dissipation and manufacturing costs. Both can be improved dramatically (see Non-Patent Document 16).

次いで、電子制御導波器アレーアンテナ装置の具体例について以下に詳細説明する。当該電子制御導波器アレーアンテナ装置であるアレーアンテナ装置100とその周辺回路を備えたアレーアンテナの制御装置を図11に示し、また、アレーアンテナ装置100の縦断面図を図12に示す。なお、図11において、アレーアンテナ装置100は図1の可変ビームアンテナ101に対応し、サーキュレータ6は図1のサーキュレータ102に対応し、無線送信機7は図1のパケット送信部140に対応し、低雑音増幅器1Lから復調器4までの部分は図1のパケット受信部130に対応し、適応制御型コントローラ20及び学習シーケンス信号発生器21は図1の指向制御部103に対応する。   Next, a specific example of the electronically controlled waveguide array antenna device will be described in detail below. FIG. 11 shows an array antenna device 100 that is the electronically controlled waveguide array antenna device and an array antenna control device including peripheral circuits thereof, and FIG. 12 shows a longitudinal sectional view of the array antenna device 100. In FIG. 11, the array antenna apparatus 100 corresponds to the variable beam antenna 101 of FIG. 1, the circulator 6 corresponds to the circulator 102 of FIG. 1, the wireless transmitter 7 corresponds to the packet transmitter 140 of FIG. The portions from the low noise amplifier 1L to the demodulator 4 correspond to the packet receiver 130 in FIG. 1, and the adaptive control controller 20 and the learning sequence signal generator 21 correspond to the directivity controller 103 in FIG.

当該アレーアンテナの制御装置は、図1に示すように、1つの励振素子A0と、可変リアクタンス素子12−1乃至12−6がそれぞれ装荷された6個の非励振素子A1乃至A6と、接地導体11とを備えてなるアレーアンテナ装置100と、適応制御型コントローラ20とを備えて構成される。   As shown in FIG. 1, the array antenna control apparatus includes one excitation element A0, six non-excitation elements A1 to A6 each loaded with variable reactance elements 12-1 to 12-6, and a ground conductor. 11 and an adaptive control type controller 20 are configured.

ここで、適応制御型コントローラ20は、例えばコンピュータなどのディジタル計算機で構成され、受信時において、復調器4による無線通信を開始する前に、相手先の送信機から送信される無線信号に含まれる学習シーケンス信号を上記アレーアンテナ装置100の励振素子A0により受信したときの受信信号y(t)と、上記学習シーケンス信号と同一の信号パターンを有して学習シーケンス信号発生器21で発生された学習シーケンス信号r(t)とに基づいて、例えば最急勾配法による適応制御処理を実行する。この適応制御処理では、上記アレーアンテナ装置100の主ビームを所望波の方向に向けかつ干渉波の方向にヌルを向けるための、各可変リアクタンス素子12−1乃至12−6に印加されるバイアス電圧値を探索して制御電圧信号を用いて設定する。以上の説明においては最急勾配法を用いているが、これに限らず他の適応制御方法を用いてもよい。適応制御型コントローラ20にはキーボードなどの入力装置(図示せず。)が接続され、復調器又は無線送信機7を用いた無線通信を開始する前に、ユーザは当該入力装置を用いて適応制御方法の選択等を行って、適応制御型コントローラ20の動作を制御することができる。   Here, the adaptive control type controller 20 is configured by a digital computer such as a computer, for example, and is included in a radio signal transmitted from the counterpart transmitter before starting radio communication by the demodulator 4 at the time of reception. A learning signal generated by the learning sequence signal generator 21 having the same signal pattern as the received signal y (t) when the learning sequence signal is received by the excitation element A0 of the array antenna apparatus 100. Based on the sequence signal r (t), for example, adaptive control processing by the steepest gradient method is executed. In this adaptive control processing, bias voltages applied to the variable reactance elements 12-1 to 12-6 for directing the main beam of the array antenna apparatus 100 in the direction of the desired wave and directing null in the direction of the interference wave The value is searched and set using the control voltage signal. Although the steepest gradient method is used in the above description, the present invention is not limited to this, and other adaptive control methods may be used. An input device (not shown) such as a keyboard is connected to the adaptive control type controller 20, and before starting wireless communication using the demodulator or the wireless transmitter 7, the user uses the input device to perform adaptive control. The operation of the adaptive control type controller 20 can be controlled by selecting a method or the like.

図1において、アレーアンテナ装置100は、接地導体11上に設けられた7本のアンテナ素子、すなわち励振素子A0及び非励振素子A1乃至A6から構成され、励振素子A0は、半径dの円周上に設けられた6本の非励振素子A1乃至A6によって囲まれるように配置されている。好ましくは、各非励振素子A1乃至A6は上記半径dの円周上に互いに等間隔(すなわち、励振素子A0を中心として互いに等方位角で離間して)を保って設けられる。各励振素子A0及び非励振素子A1乃至A6は、例えば、所望波の波長λに対して約λ/4の長さのモノポール素子になるように構成され、また、上記半径dはλ/4になるように構成される。また、各アンテナ素子の直径は0.02λである。励振素子A0の給電点は、同軸ケーブル5及びサーキュレータ6を介して低雑音増幅器(LNA)1に接続され、また、非励振素子A1乃至A6はそれぞれ可変リアクタンス素子12−1乃至12−6に接続され、これら可変リアクタンス素子12−1乃至12−6は、適応制御型コントローラ20からの制御電圧信号に応答してそのリアクタンス値を変化させる。   In FIG. 1, an array antenna apparatus 100 is composed of seven antenna elements provided on a ground conductor 11, that is, an excitation element A0 and non-excitation elements A1 to A6. The excitation element A0 is on the circumference of a radius d. Are arranged so as to be surrounded by six non-excitation elements A1 to A6. Preferably, each of the non-excitation elements A1 to A6 is provided on the circumference of the radius d so as to be equidistant from each other (that is, spaced apart from each other by an equal azimuth angle with the excitation element A0 as the center). Each of the excitation elements A0 and the non-excitation elements A1 to A6 is configured to be a monopole element having a length of about λ / 4 with respect to the wavelength λ of the desired wave, and the radius d is λ / 4. Configured to be. Each antenna element has a diameter of 0.02λ. The feeding point of the excitation element A0 is connected to the low noise amplifier (LNA) 1 via the coaxial cable 5 and the circulator 6, and the non-excitation elements A1 to A6 are connected to the variable reactance elements 12-1 to 12-6, respectively. These variable reactance elements 12-1 to 12-6 change their reactance values in response to a control voltage signal from the adaptive control type controller 20.

図2は、アレーアンテナ装置100の縦断面図である。図2において、励振素子A0は接地導体11と電気的に絶縁され、各非励振素子A1乃至A6は、可変リアクタンス素子12−1乃至12−6を介して、接地導体11に対して高周波的に接地される。可変リアクタンス素子12−1乃至12−6の動作を説明すると、例えば励振素子A0と非励振素子A1乃至A6の長手方向の長さが実質的に同一であるとき、例えば、可変リアクタンス素子12−1がインダクタンス性(L性)を有するときは、可変リアクタンス素子12−1は延長コイルとなり、非励振素子A1乃至A6の電気長が励振素子A0に比較して長くなり、反射器として働く。一方、例えば、可変リアクタンス素子12−1がキャパシタンス性(C性)を有するときは、可変リアクタンス素子12−1は短縮コンデンサとなり、非励振素子A1の電気長が励振素子A0に比較して短くなり、導波器として働く。また、他の可変リアクタンス素子12−2乃至12−6に接続された非励振素子A2乃至A6についても同様に動作する。   FIG. 2 is a longitudinal sectional view of the array antenna device 100. In FIG. 2, the excitation element A0 is electrically insulated from the ground conductor 11, and the non-excitation elements A1 to A6 are connected to the ground conductor 11 through the variable reactance elements 12-1 to 12-6 at high frequency. Grounded. The operation of the variable reactance elements 12-1 to 12-6 will be described. For example, when the longitudinal lengths of the excitation element A0 and the non-excitation elements A1 to A6 are substantially the same, for example, the variable reactance element 12-1 Is inductive (L property), the variable reactance element 12-1 becomes an extension coil, and the electrical lengths of the non-excitation elements A1 to A6 are longer than that of the excitation element A0, and function as a reflector. On the other hand, for example, when the variable reactance element 12-1 has capacitance (C-type), the variable reactance element 12-1 becomes a shortening capacitor, and the electrical length of the non-excitation element A1 becomes shorter than that of the excitation element A0. Acts as a director. The non-excitation elements A2 to A6 connected to the other variable reactance elements 12-2 to 12-6 operate in the same manner.

従って、図1のアレーアンテナ装置100において、各非励振素子A1乃至A6に接続された可変リアクタンス素子12−1乃至12−6に印加するバイアス電圧値を変化させて、その接合容量値であるリアクタンス値を変化させることにより、アレーアンテナ装置100の平面指向特性を変化させることができる。   Accordingly, in the array antenna apparatus 100 of FIG. 1, the reactance that is the junction capacitance value is changed by changing the bias voltage value applied to the variable reactance elements 12-1 to 12-6 connected to the non-excitation elements A1 to A6. By changing the value, the plane directivity of the array antenna apparatus 100 can be changed.

アレーアンテナ100で受信される無線信号を送信する送信局は、学習シーケンス信号発生器21で発生される所定の学習シーケンス信号と同一の信号パターンを有する学習シーケンス信号を含む所定のシンボルレートのディジタルデータ信号に従って、無線周波数の搬送波信号を、例えばBPSK、QPSKなどのディジタル変調法を用いて変調し、当該変調信号を電力増幅して受信局のアレーアンテナ装置100に向けて送信する。本実施形態においては、データ通信を行う前に、送信局から受信局に向けて学習シーケンス信号を含む無線信号が送信され、受信局では、適応制御型コントローラ20による適応制御処理が実行される。   A transmitting station that transmits a radio signal received by the array antenna 100 includes digital data having a predetermined symbol rate including a learning sequence signal having the same signal pattern as the predetermined learning sequence signal generated by the learning sequence signal generator 21. According to the signal, a radio frequency carrier signal is modulated using a digital modulation method such as BPSK or QPSK, and the modulated signal is amplified and transmitted to the array antenna apparatus 100 of the receiving station. In this embodiment, before performing data communication, a radio signal including a learning sequence signal is transmitted from the transmitting station to the receiving station, and adaptive control processing by the adaptive control type controller 20 is executed at the receiving station.

アレーアンテナ装置100は送信局からの無線信号を受信し、上記受信された信号は、給電用同軸ケーブル5及びサーキュレータ6を介して低雑音増幅器(LNA)1に入力されて増幅され、次いで、ダウンコンバータ(D/C)2は増幅された信号を所定の中間周波数の信号(IF信号)に低域変換する。さらに、A/D変換器3は低域変換されたアナログ信号をディジタル信号にA/D変換し、そのディジタル信号を適応制御型コントローラ20及び復調器4に出力する。次いで、適応制御型コントローラ20は、入力される受信信号y(t)と学習シーケンス信号r(t)とに基づいて、各可変リアクタンス素子のリアクタンス値を、順次所定の差分幅だけ摂動させ、各リアクタンス値に対して所定の評価関数値(例えば、受信信号の電力)を計算し、上記計算された評価関数値に基づいて、最急勾配法を用いて、当該評価関数値が最大となるように、各リアクタンス値を反復して計算することにより、当該アレーアンテナ装置100の主ビームを所望波の方向に向けかつ干渉波の方向にヌルを向けるための各可変リアクタンス素子のリアクタンス値を計算して設定するように制御する。これにより、当該評価関数値が最大となるように、上記アレーアンテナ装置100の主ビームを所望波の方向に向けかつ干渉波の方向にヌルを向けるための各可変リアクタンス素子のバイアス電圧値を探索し、探索された各バイアス電圧値を有する制御電圧信号を各可変リアクタンス素子に出力して設定する。   The array antenna apparatus 100 receives a radio signal from a transmitting station, and the received signal is input to a low noise amplifier (LNA) 1 through a feeding coaxial cable 5 and a circulator 6 and amplified, and then downed. The converter (D / C) 2 performs low-frequency conversion of the amplified signal into a signal having a predetermined intermediate frequency (IF signal). Further, the A / D converter 3 A / D converts the low-frequency converted analog signal into a digital signal, and outputs the digital signal to the adaptive control controller 20 and the demodulator 4. Next, the adaptive control type controller 20 sequentially perturbs the reactance value of each variable reactance element by a predetermined difference width based on the input received signal y (t) and the learning sequence signal r (t). A predetermined evaluation function value (for example, received signal power) is calculated with respect to the reactance value, and the evaluation function value is maximized using the steepest gradient method based on the calculated evaluation function value. In addition, by repeatedly calculating each reactance value, the reactance value of each variable reactance element for directing the main beam of the array antenna apparatus 100 toward the desired wave and the null toward the interference wave is calculated. Control to set. Thus, the bias voltage value of each variable reactance element for directing the main beam of the array antenna apparatus 100 in the direction of the desired wave and the null in the direction of the interference wave is searched so that the evaluation function value becomes maximum. Then, a control voltage signal having each searched bias voltage value is output to each variable reactance element and set.

また、無線送信機7は入力される送信ベースバンド信号に基づいて無線搬送波を所定の変調方式で変調し、変調された無線搬送波である無線信号をサーキュレータ6、給電用同軸ケーブル5を介してアレーアンテナ装置100の励振素子A0に出力され、これにより当該アレーアンテナ装置100から無線信号が放射される。   The radio transmitter 7 modulates a radio carrier wave by a predetermined modulation method based on the input transmission baseband signal, and the radio signal that is the modulated radio carrier wave is arrayed via the circulator 6 and the feeding coaxial cable 5. The signal is output to the excitation element A0 of the antenna device 100, whereby a radio signal is radiated from the array antenna device 100.

ところで、電子制御導波器アレーアンテナ装置であるアレーアンテナ装置100はの特徴には、ビーム方向制御、多重ビーム(周波数は同じ)形成、機械的回転ビーム(360度掃引)及びヌルステアリング制御がある。受信機アプリケーションの場合、ヌルは干渉信号が到来する方向へ配向されなければならない。受信機における適応型ヌルステアリングアルゴリズムは、他の方向から到来する干渉信号の自動的抑制にも使用されることが可能である(非特許文献17参照。)。7素子のアレーアンテナ装置100を使用すれば、同時的な8dBiビーム利得及び−30dBiヌルにより360度の連続ビーム/ヌルステアリングが可能であることが観察されている(非特許文献17参照。)。また、7素子のアレーアンテナ装置100では、指向性の多重ビーム及び多くのヌルの同時形成が可能であることも観察されている。   By the way, the characteristics of the array antenna device 100 which is an electronically controlled waveguide array antenna device include beam direction control, formation of multiple beams (frequency is the same), mechanical rotating beam (360 degree sweep), and null steering control. . For receiver applications, the null must be oriented in the direction in which the interference signal arrives. The adaptive null steering algorithm in the receiver can also be used for automatic suppression of interference signals coming from other directions (see Non-Patent Document 17). It has been observed that if the 7-element array antenna apparatus 100 is used, 360-degree continuous beam / null steering is possible with simultaneous 8 dBi beam gain and −30 dBi null (see Non-Patent Document 17). It has also been observed that the 7-element array antenna apparatus 100 can simultaneously form directional multiple beams and many nulls.

アドホック無線ネットワークにおける適応型アンテナを有する適切なMACプロトコルの開発は、困難でも興味深いタスクである。そのため、アドホック無線ネットワークの無線通信システムで行われている研究のほとんどが、より単純なスイッチビームアンテナの使用を仮定している。本実施形態においても、本発明者らはスイッチビームアンテナとして、好ましくは、スマートな電子制御導波器アレーアンテナ装置であるアレーアンテナ装置100を使用する。また、アレーアンテナ装置100は、複数の指向性ビームパターンの中から1つの特定の指向性ビームのリアクタンス値を選択することにより、複数の受信機出力(周波数変換器及びアナログ−デジタル変換器)を使用することなく、一般化されたスイッチビームアンテナ又は擬似スイッチビームアンテナとしても使用することが可能である。詳細後述するように、ユーザから受信される信号の到来方向(DOA)を検出する何らかのメカニズムを包含すれば、連続追跡を達成することが可能であり、これをスイッチビームの概念の一般化と見なすことができる(非特許文献14参照。)。この場合も、受信される電力は最大化される。一般化されたスイッチビームアンテナとしてアレーアンテナ装置100を使用することの優位点は、わずか1つの受信機出力だけで連続追跡が可能であり、かつ可変数のビームパターンを保有可能なことにある。言い替えれば、スイッチビームモードで使用されるときに、電子制御導波器アレーアンテナ装置を使用して形成される指向性ビームは、複数N個の素子を有する従来型のスイッチビームアンテナの場合のようにそれぞれが360/N度の方位角を張る非重複性の固定セクタに限定される必要がない。アレーアンテナ装置100は低コスト、低電力の小型アンテナとなることから、アドホック無線ネットワークにおけるユーザ端末の電力消費量の低減を促進し、かつスイッチビームアンテナの優位点のすべてをもたらすことができると考えられる。   Developing a suitable MAC protocol with adaptive antennas in ad hoc wireless networks is a difficult but interesting task. As such, most of the research done in wireless communication systems for ad hoc wireless networks assumes the use of simpler switched beam antennas. Also in this embodiment, the present inventors preferably use an array antenna device 100 which is a smart electronically controlled waveguide array antenna device as a switch beam antenna. The array antenna apparatus 100 selects a plurality of receiver outputs (frequency converter and analog-digital converter) by selecting a reactance value of one specific directional beam from a plurality of directional beam patterns. Without being used, it can also be used as a generalized switch beam antenna or a pseudo switch beam antenna. Details As described below, continuous tracking can be achieved by including some mechanism for detecting the direction of arrival (DOA) of the signal received from the user, and this is considered a generalization of the concept of switched beams. (See Non-Patent Document 14). Again, the received power is maximized. The advantage of using the array antenna apparatus 100 as a generalized switch beam antenna is that it can be continuously tracked with only one receiver output and can have a variable number of beam patterns. In other words, when used in the switched beam mode, the directional beam formed using the electronically controlled waveguide array antenna device is as in a conventional switched beam antenna having a plurality of N elements. It is not necessary to be limited to non-overlapping fixed sectors each having an azimuth angle of 360 / N degrees. Since array antenna apparatus 100 is a low-cost, low-power small antenna, it can be considered to promote reduction of power consumption of user terminals in an ad hoc wireless network and bring all the advantages of a switch beam antenna. It is done.

図13(a)及び図13(b)は、60度のビーム幅を有するアレーアンテナ装置100のアンテナパターンを示したものである。図13(a)は方位角Adが0度における放射パターンを示し、このビームパターンは、各アンテナ素子において0乃至60度の区間、60乃至120度の区間などで6個のビームが形成される。図13(b)は30度における放射パターンを示し、このビームパターンは、各アンテナ素子間において30乃至90度の区間、90乃至150度の区間などでさらに6個のビームが形成される。これらは、30度の間隔で合わせて12個の重複するパターンを構成する。図13(c)は45度のビーム幅を有するクアルネットのデフォルトアンテナパターンを示し、図13(d)は重要でないサイドローブを有するビーム幅45度の理想的な指向性アンテナを示している。性能評価で実証されるように、理想的な指向性アンテナの性能は(予想通り)最良であり、同時に、アレーアンテナ装置100の性能はクアルネットのデフォルトアンテナパターンより遙かに優れている。その理由は、アレーアンテナ装置100の放射パターンは、クアルネットにおけるデフォルトアンテナパターンの場合よりも少ない有効範囲を有し、サイドローブもさほど目立たない点にある。   13A and 13B show antenna patterns of the array antenna apparatus 100 having a beam width of 60 degrees. FIG. 13 (a) shows a radiation pattern when the azimuth angle Ad is 0 degrees. In this beam pattern, six beams are formed in each antenna element in a section of 0 to 60 degrees, a section of 60 to 120 degrees, and the like. . FIG. 13B shows a radiation pattern at 30 degrees, and in this beam pattern, six more beams are formed in each section between 30 and 90 degrees, 90 to 150 degrees, and the like. These constitute twelve overlapping patterns combined at 30 degree intervals. FIG. 13 (c) shows a Qualnet default antenna pattern with a 45 degree beam width, and FIG. 13 (d) shows an ideal directional antenna with a 45 degree beam width with insignificant side lobes. As demonstrated in the performance evaluation, the performance of an ideal directional antenna is (as expected) best, and at the same time, the performance of the array antenna device 100 is far superior to the Qualnet default antenna pattern. The reason is that the radiation pattern of the array antenna apparatus 100 has a smaller effective range than the case of the default antenna pattern in the qualnet, and the side lobe is not so conspicuous.

次いで、本実施形態に係る到来方向(DOA)の検出と位置追跡メカニズムについて以下に詳述する。   Next, the direction of arrival (DOA) detection and the position tracking mechanism according to the present embodiment will be described in detail below.

本実施形態においては、各ノード無線局1はアイドル状態の間、全方向性の受信モードで待機する。しきい値を超える何らかの無線信号を検出すると、これは回転セクタパターンの受信モードに入る。回転セクタパターンの受信モードにおいて、ノード無線局1は、その指向性アンテナである可変ビームアンテナ101を30度の間隔で全方向へ逐次回転させて360度の空間全体を各方向における逐次指向性受信の形式でカバーし、各方向で受信される信号を検出する。1回転すると、ノード無線局1は、受信された最大の信号強度を有する信号を以て最善の受信可能方向を決定する。次に、ノード無線局1は、そのビームをその方向へ設定し、無線信号を受信する。   In this embodiment, each node radio station 1 stands by in an omnidirectional reception mode while in an idle state. When any radio signal exceeding the threshold is detected, it enters a rotating sector pattern receive mode. In the reception mode of the rotating sector pattern, the node radio station 1 sequentially rotates the variable beam antenna 101, which is the directional antenna, in all directions at intervals of 30 degrees, and sequentially receives the entire 360-degree space in each direction. The signal received in each direction is detected. After one rotation, the node radio station 1 determines the best receivable direction with the received signal having the maximum signal strength. Next, the node radio station 1 sets the beam in the direction and receives a radio signal.

しかしながら、受信される信号を復号する受信機を有効化するために、図7に示すように、各制御パケット(ビーコン信号、RTS信号又はCTS信号を含む。)は先行するトーン信号(無変調搬送波)に続いて、受信機の回転受信ビームを360度回転させる時間の方がトーン信号の持続時間よりも短いような持続時間で送信される。任意の制御パケットより前にこのようにしてトーン信号を送信する目的は、受信機が無線信号の最善の受信可能方向を追跡できるようにすることにある。受信機がそのビームをその方向へ設定すると、トーン信号の目的は果たされ、続いて制御パケットが送信される。   However, to enable the receiver to decode the received signal, each control packet (including a beacon signal, an RTS signal, or a CTS signal) is preceded by a preceding tone signal (unmodulated carrier as shown in FIG. 7). ) Is transmitted for a duration such that the time to rotate the receiver's rotating receive beam 360 degrees is shorter than the duration of the tone signal. The purpose of transmitting the tone signal in this way before any control packet is to allow the receiver to track the best possible direction of the radio signal. When the receiver sets the beam in that direction, the purpose of the tone signal is fulfilled and a control packet is subsequently transmitted.

本発明者らは、提案した本実施形態に係る無線通信システムにおいて、3つのタイプの制御パケット、すなわち隣接ノード無線局1の位置の追跡に使用するビーコン信号又は「ハロー」パケット、媒体アクセス制御のためのRTS信号及びCTS信号を使用している。ビーコン信号は周期的な信号であり、各ノード無線局1から予め定義された間隔で送信される。各周期的間隔において、例えばNmである各ノード無線局1は、媒体がフリーであればその隣接ノード無線局へ全方向性のビーコン信号を送信する。先に指摘したように、各ビーコン信号は、受信機によるビーコン信号の最善の受信可能方向の検出を補助するトーン信号に続いて送信される。次に各受信機はそのビームをその方向へ設定し、ビーコン信号を受信して復号化する。こうして、例えばノード無線局Nmの隣接ノード無線局であるノード無線局Nnはノード無線局Nmの方位角毎の信号レベル情報を形成し、かつ同様にして他の隣接ノード無線局の情報も形成する。ノード無線局Nnのその隣接ノード無線局Nmに関するASテーブルへの入力は「SIGNALα n,m(t)」であり、これは、ノード無線局Nnにおいてノード無線局Nmからノード無線局Nnに対して方位角αで受信されかつノード無線局Nnにより任意の時間ポイントtで検出された信号の最大強度である。ASテーブルを基礎としてノード無線局Nnはノード無線局Nmの方向を認識し、送受信の間の媒体アクセスを制御する。 In the proposed wireless communication system according to the present embodiment, the inventors of the present invention have three types of control packets, that is, beacon signals or “hello” packets used for tracking the position of the adjacent node wireless station 1, and medium access control. RTS signal and CTS signal are used. The beacon signal is a periodic signal and is transmitted from each node radio station 1 at a predefined interval. At each periodic interval, each node radio station 1, for example Nm, transmits an omnidirectional beacon signal to its adjacent node radio station if the medium is free. As pointed out above, each beacon signal is transmitted following a tone signal that assists the receiver in detecting the best possible direction of the beacon signal. Each receiver then sets its beam in that direction and receives and decodes the beacon signal. Thus, for example, the node radio station Nn, which is an adjacent node radio station of the node radio station Nm, forms signal level information for each azimuth angle of the node radio station Nm, and similarly forms information of other adjacent node radio stations. . The input of the node radio station Nn to the AS table related to the adjacent node radio station Nm is “SIGNAL α n, m (t)”, which is the node radio station Nn to the node radio station Nn. The maximum intensity of the signal received at the azimuth angle α and detected at any time point t by the node radio station Nn. Based on the AS table, the node radio station Nn recognizes the direction of the node radio station Nm and controls medium access during transmission and reception.

RTS信号は同報通信パケットであって発信元アドレスを含むことから、ノード無線局はこのRTS信号を復号することによってもまた、方位角毎の信号レベルテーブルであるASテーブルを形成することができる。従って、本発明者らはRTS信号をビーコン信号として使用したことになる。RTS信号が送信されると、ビーコン信号のタイマがリセットされる。ビーコン信号としてのRTS信号の使用は、ビーコン信号に起因するオーバーヘッドが最小化される高頻度のトラフィックにおいて効果的である。これは、送信側のノード無線局は、追加のビーコン信号を送信してその隣接ノード無線局に対してその存在を通知する必要がないためである。   Since the RTS signal is a broadcast packet and includes a source address, the node radio station can also form an AS table that is a signal level table for each azimuth by decoding the RTS signal. . Therefore, the inventors used the RTS signal as a beacon signal. When the RTS signal is transmitted, the beacon signal timer is reset. The use of an RTS signal as a beacon signal is effective in high frequency traffic where the overhead due to the beacon signal is minimized. This is because the transmitting-side node radio station does not need to send an additional beacon signal to notify its neighbor node radio station of its presence.

次いで、指向性通信をサポートする媒体アクセス制御プロトコルについて以下に説明する。IEEE 802.11のMACプロトコル規格では、RTS−CTS/データ−肯定応答(ACK;受信完了通知信号)の交換メカニズムを使用して信頼性の高いデータ通信が保証される。本発明者らの方法では、まず、ノード無線局Nnがノード無線局Nmとの通信を希望すると媒体を検出し、媒体がフリー(未使用)であれば全方向性のRTS信号を送信する。バックオフのメカニズムは、IEEE 802.11の場合と同じである。RTS信号の目的は、ノード無線局Nmを含むノード無線局nのすべての隣接ノード無線局に対して、ノード無線局Nnからノード無線局Nmへ通信が要求されていると通知することにある。これはまた、通信のおおよその持続時間も特定する。ノード無線局Nnのすべての隣接ノード無線局はノード無線局Nnからのこの要求を追跡し、その方向は、受信されたRTS信号からこれらのノード無線局のそれぞれに認識される。RTS信号を受信するメカニズムは、ビーコン信号の場合と同じである。   Next, a medium access control protocol that supports directional communication will be described below. The IEEE 802.11 MAC protocol standard uses an RTS-CTS / data-acknowledgement (ACK; exchange completion notification signal) exchange mechanism to ensure reliable data communication. In our method, first, when the node radio station Nn desires communication with the node radio station Nm, the medium is detected, and if the medium is free (unused), an omnidirectional RTS signal is transmitted. The back-off mechanism is the same as in IEEE 802.11. The purpose of the RTS signal is to notify all adjacent node radio stations of the node radio station n including the node radio station Nm that communication is requested from the node radio station Nn to the node radio station Nm. This also specifies the approximate duration of the communication. All neighboring node radio stations of the node radio station Nn track this request from the node radio station Nn, the direction of which is recognized by each of these node radio stations from the received RTS signal. The mechanism for receiving the RTS signal is the same as for the beacon signal.

対象のノード無線局Nmは、全方向性のCTS信号を送信して要求を発行し、ノード無線局Nmの隣接ノード無線局に対して、ノード無線局Nmがノード無線局Nnからデータを受信しつつあることを通知する。これはまた、通信のおおよその持続時間も特定する。ノード無線局Nmのすべての隣接ノード無線局は受信側であるノード無線局Nmを追跡し、その方向は、受信されたCTS信号からこれらのノード無線局のそれぞれに認識される。この場合もやはり、CTS信号を受信するメカニズムは、ビーコン信号の場合と同じである。但し、この場合のRTS/CTSの目的は、オムニパターンアンテナを使用する場合のような、ノード無線局Nn及びNmの隣接ノード無線局による送信又は受信を禁止することではなく、ノード無線局Nn及びNmの隣接ノード無線局に対して、ノード無線局Nmがノード無線局Nnからデータを受信しつつあると通知することにある。   The target node radio station Nm issues a request by transmitting an omnidirectional CTS signal, and the node radio station Nm receives data from the node radio station Nn to the adjacent node radio station of the node radio station Nm. Notify that you are going. This also specifies the approximate duration of the communication. All adjacent node radio stations of the node radio station Nm track the receiving node radio station Nm, and its direction is recognized by each of these node radio stations from the received CTS signal. Again, the mechanism for receiving the CTS signal is the same as for the beacon signal. However, the purpose of RTS / CTS in this case is not to prohibit transmission or reception by the node radio stations Nn and Nm adjacent to the node radio stations Nn and Nm, as in the case of using an omni-pattern antenna. This is to notify Nm adjacent node radio stations that the node radio station Nm is receiving data from the node radio station Nn.

全方向性のCTS信号を送信すると、受信側のノード無線局は指向性受信モードで待機し、データ信号が送信される、又はタイムアウトになると全方向性の受信モードに戻る。また、CTS信号が受信されると、送信側はデータを指向的に送信して肯定応答信号(ACK信号)を指向性パターンで待機し、肯定応答信号(ACK信号)が受信されると、又はタイムアウトになると全方向性の受信モードに戻る。指向性の受信モードは、要求された方向からの適正な信号受信及び他の方向からの干渉の最小化を保証する。   When the omnidirectional CTS signal is transmitted, the receiving node radio station stands by in the directional reception mode, and returns to the omnidirectional reception mode when a data signal is transmitted or a time-out occurs. Also, when a CTS signal is received, the transmitting side transmits data directionally and waits for an acknowledgment signal (ACK signal) in a directional pattern, and when an acknowledgment signal (ACK signal) is received, or When timeout occurs, it returns to the omnidirectional reception mode. A directional reception mode ensures proper signal reception from the required direction and minimization of interference from other directions.

RTS/CTSの交換を受信した(耳にした;オーバーヒアした)ノード無線局Nn及びNmの近傍にある他の隣接ノード無線局は、自らのDNAVをそれらがそれぞれRTS信号又はCTS信号の到来方向として検出した方向へ設定する。この時点で、これらが、ASテーブルから認識されるその方向がブロックされたDNAVの方向でないノード無線局へ送るパケットを有していれば、これらはノード無線局NnとNmとの間の通信を妨害することなくRTS信号及びCTS信号の両方を全方向的に発行することができる。受信側ノード無線局の方向がDNAVによってブロックされかつRTS信号が発行されていれば、CTS信号は発行されない可能性が最も高く、そうでなければRTS信号との衝突が生じる可能性がある。その結果、当該ノード無線局はその衝突ウィンドウを増大してバックオフに入る。これは繰り返し発生する可能性があり、結果的にノード無線局は送信の機会を少なくしていく。よってこの場合、本発明者らはRTS信号の送信を許可しない。ノード無線局はここでDNAVの時間を待って通信の開始を試行する。これは、IEEE 802.11の規格に説明されているNAVの待機に類似している。   Other adjacent node radio stations in the vicinity of the node radio stations Nn and Nm that have received (heard; overheard) the exchange of RTS / CTS receive their DNAVs in the direction of arrival of the RTS signal or CTS signal, respectively. Is set in the detected direction. At this point, if they have a packet to send to a node radio station whose direction as recognized from the AS table is not in the direction of the blocked DNAV, they will communicate between the node radio stations Nn and Nm. Both RTS and CTS signals can be issued omnidirectionally without interference. If the direction of the receiving node radio station is blocked by DNAV and an RTS signal is issued, the CTS signal is most likely not issued, otherwise a collision with the RTS signal may occur. As a result, the node radio station increases its collision window and enters backoff. This may occur repeatedly, and as a result, the node radio station decreases the transmission opportunities. Therefore, in this case, the inventors do not permit transmission of the RTS signal. Here, the node radio station waits for the DNAV time and tries to start communication. This is similar to the NAV standby described in the IEEE 802.11 standard.

図14は、第1の実施形態の変形例に係る同一のサービスエリアの領域で発生する2つの同時的通信のメカニズムを示している。通信しているのは、発信元無線局Nと宛先無線局Nであるものとする。図14には、宛先無線局Nを含む発信元無線局Nからの指向性ビームが示されている。ここで、共に無線局N及びNの全方向の近傍に存在する他の隣接ノード無線局対N及びNが無線通信を望んでいるものとする(図14)。ノード無線局N及びNは共に、無線局N及びNから既にRTS/CTSを受信している。それらの個々のASテーブルから、ノード無線局Nは発信元無線局N及び宛先無線局Nのノード無線局Nに対する方位角位置を認識し、ノード無線局N及びNもまた無線局N及びNのノード無線局Nに対する方位角位置を認識している。ノード無線局N及びNは共に、無線局N及びNに向けてDNAVを設定する。ノード無線局Nからノード無線局Nへの指向性ビームが無線局N又はNを捕捉すれば、ノード無線局NはDNAVにおいてタイムアウトが言及されるまでアイドル状態のままであることを余儀なくされ、こうして、その無線通信の希望は延期される。これ以外であれば、ノード無線局NはRTS信号を発行することができる。言い替えれば、ノード無線局は、当該無線通信が既に存在している無線通信の領域に立ち入らない場合にのみRTS信号を発行することができる。 FIG. 14 shows two simultaneous communication mechanisms that occur in the same service area according to a modification of the first embodiment. The communicating shall originating a source radio station N S and a destination radio station N D. Figure 14 shows the directional beam from the source radio station N S including the destination radio station N D. Here, both assumed that the radio station N S other neighboring nodes a radio station pair present in the vicinity of the omnidirectional and N D N X and N Y wants wireless communication (Fig. 14). Both the node radio stations N X and N Y have already received RTS / CTS from the radio stations N S and N D. From their respective AS table, the node radio station N X recognizes the azimuthal position with respect to the node radio station N X of the source radio station N S and a destination radio station N D, also the node radio station N X and N Y The It recognizes the azimuthal position with respect to the node radio station N Y radio station N S and N D. Both the node radio stations N X and N Y set DNAV toward the radio stations N S and N D. If the directional beam from the node radio station N X to node radio station N Y is by capturing a radio station N S or N D, the node radio station N X remains idle until a timeout is mentioned in DNAV And thus hope for wireless communication is postponed. If other, the node radio station N X may issue a RTS signal. In other words, the node radio station can issue the RTS signal only when the radio communication does not enter the existing radio communication area.

図15は、本実施形態において実行される無線通信制御処理における状態遷移図である。図15において、まず、状態S101ではアイドル状態にあり、オムニパターン検出モード又は回転セクタ検出モードで待機する。ここで、周期的なビーコン信号の発行を行うためのビーコンタイマーがタイムアウトしたとき、状態S102においてオムニパターンでビーコン信号を送信した後、状態S101に戻る。また、状態S101で送信すべきデータがあるとき、状態S103においてオムニパターンでRTS信号を送信した後(このときオムニパターンなので受信無線局の方向のDNAVはブロックされない)、状態S101に戻る。さらに、状態S101で検出しきい値を超える信号レベルの信号を受信したとき、状態S104においてセクタパターンを1回転して信号到来方向を追跡し最大受信方向に主ビームを向けた後、状態S105においてセクタパターンでパケット信号を受信する。   FIG. 15 is a state transition diagram in the wireless communication control process executed in the present embodiment. In FIG. 15, first, in the state S101, it is in an idle state, and waits in the omni pattern detection mode or the rotation sector detection mode. Here, when the beacon timer for issuing a periodic beacon signal times out, after the beacon signal is transmitted in an omni pattern in the state S102, the process returns to the state S101. When there is data to be transmitted in the state S101, after transmitting the RTS signal in the omni pattern in the state S103 (at this time, since it is an omni pattern, the DNAV in the direction of the receiving radio station is not blocked), the process returns to the state S101. Further, when a signal having a signal level exceeding the detection threshold is received in the state S101, the sector pattern is rotated once in the state S104 to track the signal arrival direction and direct the main beam in the maximum reception direction, and then in the state S105. A packet signal is received with a sector pattern.

状態S105でビーコン信号を受信したときは、状態S106から状態S107に遷移し、状態S107において情報データを格納し、ここで、ASテーブルにおける方位角及び信号強度レベルを更新した後、状態S101に戻る。   When the beacon signal is received in the state S105, the state transits from the state S106 to the state S107, and the information data is stored in the state S107. Here, the azimuth and the signal intensity level in the AS table are updated, and then the state returns to the state S101. .

また、状態S105でRTS信号を受信したときは、状態S108から状態S109に遷移し、状態S109において無線通信したい目的の受信無線局であるか否かをチェックし、YESであれば状態110に遷移する一方、NOであれば状態S113に遷移する。状態S110においてオムニパターンでCTS信号を送信し、状態S111においてセクタパターンでDATA信号を待機し、ここで、DATA信号を受信したときは、状態S112でセクタパターンでACK信号を送信した後、状態S101に戻る。一方、状態S111でタイムアウトしたとき、状態S101に戻る。さらに、上記状態S109でNOであるとき、状態S113においてDNAV制御テーブルにおいて制御データとして現在時刻に詳細後述する所定の通信時間を加算して計算した「時刻データ」(当該時刻までは当該方位角で無線通信が不可能であることを示す。)を記録した後、状態S101に戻る。   Further, when the RTS signal is received in the state S105, the state transits from the state S108 to the state S109, and in the state S109, it is checked whether or not the target receiving radio station is desired to perform wireless communication. On the other hand, if NO, the flow proceeds to the state S113. In state S110, a CTS signal is transmitted in an omni pattern. In state S111, a DATA signal is waited for in a sector pattern. When a DATA signal is received, an ACK signal is transmitted in a sector pattern in state S112. Return to. On the other hand, when a time-out occurs in the state S111, the process returns to the state S101. Further, when NO in the above state S109, “time data” calculated by adding a predetermined communication time, which will be described in detail later, to the current time as control data in the DNAV control table in the state S113 (until the azimuth angle until the time After indicating that wireless communication is impossible, the process returns to the state S101.

またさらに、状態S105でCTS信号を受信したとき、状態S114から状態S115に遷移し、ここで、無線通信したい目的の受信無線局であるか否かをチェックし、YESであれば状態S116に遷移する一方、NOであれば状態S118に遷移する。状態S116ではセクタパターンでDATA信号を送信した後、状態S117においてセクタパターンでACK信号を待機し、状態S101に戻る。また、状態S118では、DNAV制御テーブルにおいて制御データとして現在時刻に詳細後述する所定の通信時間を加算して計算した「時刻データ」(当該時刻までは当該方位角で無線通信が不可能であることを示す。)を記録した後、状態S101に戻る。   Furthermore, when the CTS signal is received in the state S105, the state transits from the state S114 to the state S115, where it is checked whether or not it is the intended receiving radio station to be wirelessly communicated. If YES, the state transits to the state S116. On the other hand, if it is NO, the flow goes to the state S118. In state S116, after transmitting the DATA signal in the sector pattern, in state S117, it waits for the ACK signal in the sector pattern, and returns to state S101. In the state S118, “time data” calculated by adding a predetermined communication time, which will be described in detail later, to the current time as control data in the DNAV control table (until this time, wireless communication is impossible at the azimuth angle). ) Is recorded, and the process returns to the state S101.

さらに、本実施形態に係る無線通信システムにおける幾つかの仮定と理論的根拠について以下に説明する。   Furthermore, some assumptions and theoretical grounds in the wireless communication system according to the present embodiment will be described below.

ノード無線局のアンテナが全方向性モードで動作しているとき、信号を、例えば無指向性利得Gomniで全方向から送受信する能力を有し、アイドル状態の間、ノード無線局は全方向性の受信モードで動作する。   When the node radio station antenna is operating in omnidirectional mode, it has the ability to send and receive signals from all directions, for example with an omnidirectional gain Gomni, and during idle periods the node radio station is omnidirectional Operates in receive mode.

ノード無線局のアンテナが指向性モードで動作しているとき、ノード無線局はそのビーム(主ローブ)を、ビーム幅w及び例えばGdir(Gdir>>Gomni)の利得である特定の方向へ向けることができる。本発明者らのシミュレーションでは、ビーム幅は約60度である。   When the node radio station's antenna is operating in a directional mode, the node radio station directs its beam (main lobe) in a particular direction that is a gain of the beam width w and Gdir (Gdir >> Gomni), for example. Can do. In our simulation, the beam width is about 60 degrees.

従って、所定の入力電力量に関しては、指向性アンテナを使用する送信到達距離(半径)Rdirの方が対応するオムニパターンアンテナを使用する場合の送信到達距離Romniよりはるかに大きくなる。   Therefore, with regard to the predetermined input power amount, the transmission arrival distance (radius) Rdir using the directional antenna is much larger than the transmission arrival distance Romni when the corresponding omni pattern antenna is used.

本発明者らは、ノード無線局Nnの隣接ノード無線局を、当該ノード無線局Nnの全方向性送信到達距離の送信サービスエリア内にあるノード無線局セットとして定義する。これらは、ノード無線局Nnから1ホップの距離にあることが仮定されている。これは、ノード無線局Nnの全方向性の送信サービスエリアの外にあるノード無線局は、それがノード無線局Nnからそのノード無線局へと形成される指向性ビームを使用すれば、ノード無線局Nnによって1ホップで到達可能なものであっても、ノード無線局Nnの隣接ノード無線局とは見なされないことを意味する。指向性データ通信の観点からすれば、これは、例えばNnであるノード無線局の例えばNmである隣接ノード無線局は必ず強力な隣接ノード無線局であることを意味する。図10に示すように、ノード無線局Nnがその隣接ノード無線局Nmに向けて指向性ビームを形成するとき、ノード無線局Nmは、そうして形成された送信サービスエリアの送信ゾーン内に完全に含まれる(図10参照。)。故に、ノード無線局Nmにおいてノード無線局Nnから受信される信号の強度は、常に、他の干渉が存在していても適切な捕捉が保証される強力なものである。従って、ノード無線局Nm又はNnの何れかの外向きの移動性に起因してノード無線局Nnからのデータパケット転送の間にノード無線局Nmのリンク接続が外れ、又はリンク接続が弱まるという可能性は極めて少ない。   The inventors define a node radio station adjacent to the node radio station Nn as a node radio station set within the transmission service area of the omnidirectional transmission reach of the node radio station Nn. These are assumed to be one hop away from the node radio station Nn. This is because a node radio station outside the omnidirectional transmission service area of the node radio station Nn uses a directional beam formed from the node radio station Nn to the node radio station. This means that even if it can be reached by the station Nn in one hop, it is not regarded as an adjacent node radio station of the node radio station Nn. From the viewpoint of directional data communication, this means that, for example, an adjacent node radio station of Nm, for example, of a node radio station of Nn is always a strong adjacent node radio station. As shown in FIG. 10, when the node radio station Nn forms a directional beam toward the adjacent node radio station Nm, the node radio station Nm is completely within the transmission zone of the transmission service area thus formed. (See FIG. 10). Therefore, the strength of the signal received from the node radio station Nn at the node radio station Nm is always strong enough to ensure proper acquisition even in the presence of other interference. Therefore, there is a possibility that the link connection of the node radio station Nm is disconnected or the link connection is weakened during the data packet transfer from the node radio station Nn due to the outward mobility of either the node radio station Nm or Nn. The nature is extremely low.

これにより、非特許文献4で指摘されているような隠れ端末の問題は緩和される。ノード無線局Nnが指向性ビームによってノード無線局Nmと無線通信している図16について考える。ここでは、ノード無線局Npがノード無線局Nqとの通信を希望している。ノード無線局Npがノード無線局Nnの近傍内(送信サービスエリア内)にあれば、ノード無線局Npがノード無線局Nn及び/又はNmの方向へ指向性ビームを形成することは許されないことから、この通信は開始されない。しかしながら、ノード無線局Npがノード無線局Nnの近傍(送信サービスエリア)外にあれば、ノード無線局Npはノード無線局Nqに向けて指向性ビームを形成して通信を開始する。これは、ノード無線局Nmの受信に干渉する可能性がある。但し、ノード無線局Npとノード無線局Nmとの距離は、ノード無線局Nnとノード無線局Nmとの距離より少なくとも、オムニパターン利得Romni(全方向性レンジ)分は長いため、ノード無線局Nmにおいてノード無線局Nnから受信される信号は優勢であり、この干渉によってデータパケットが失われる可能性は些少になる。   Thereby, the problem of the hidden terminal as pointed out in Non-Patent Document 4 is alleviated. Consider FIG. 16 where the node radio station Nn is in radio communication with the node radio station Nm by a directional beam. Here, the node radio station Np wishes to communicate with the node radio station Nq. If the node radio station Np is in the vicinity of the node radio station Nn (in the transmission service area), the node radio station Np is not allowed to form a directional beam in the direction of the node radio station Nn and / or Nm. This communication is not started. However, if the node radio station Np is outside the node radio station Nn (transmission service area), the node radio station Np forms a directional beam toward the node radio station Nq and starts communication. This may interfere with reception of the node radio station Nm. However, since the distance between the node radio station Np and the node radio station Nm is longer than the distance between the node radio station Nn and the node radio station Nm by the omni pattern gain Romni (omnidirectional range), the node radio station Nm The signal received from the node radio station Nn is dominant, and the possibility of data packets being lost due to this interference is negligible.

しかしながら、この仮定の結果、より大きい送信サービスエリアの指向性ビームの使用によって、宛先無線局はオムニパターンアンテナを使用する場合より少ないホップ数で到達され得ることから、指向性アンテナを使用すれば達成され得たはずのマルチホップ効率は犠牲にされている。但し、性能評価で実証されるように、本発明者らが得ようとしているのはSDMA効率である。   However, as a result of this assumption, the use of a directional antenna can be achieved because the destination radio station can be reached with fewer hops than by using a directional beam with a larger transmission service area. The multi-hop efficiency that could have been done is sacrificed. However, as demonstrated by the performance evaluation, what we are trying to obtain is SDMA efficiency.

図8は第1の実施形態において用いられる各ノード無線局での放射パターンの種類と無線通信プロトコルを示すタイミングチャートである。図8において、送信側のノード無線局からのトーン信号+RTS信号の送信やトーン信号+CTS信号の送信では、オムニパターンが使用される。これに対して、受信側のノード無線局におけるトーン信号+RTS信号の受信では、その開始時にオムニパターン又はセンタパターンでトーン信号を検出した後、セクタパターンを用いて360度の範囲で1回転して(回転セクタパターン)最大の信号強度を得ることができる方位角を検出して、ASテーブルに基づいた方位角に向けられたセクタパターンを使用し、当該セクタパターンを用いた通信中において適応制御のための準備処理を実行し、最後に、セクタパターン(又はオムニパターンもしくは適応制御パターンであってもよい。)を用いてRTS信号を受信することを特徴としている。   FIG. 8 is a timing chart showing the types of radiation patterns and radio communication protocols in each node radio station used in the first embodiment. In FIG. 8, an omni pattern is used in the transmission of the tone signal + RTS signal and the transmission of the tone signal + CTS signal from the node wireless station on the transmission side. On the other hand, in the reception of the tone signal + RTS signal at the receiving node radio station, the tone signal is detected by the omni pattern or the center pattern at the start thereof, and then rotated once in a range of 360 degrees using the sector pattern. (Rotating sector pattern) An azimuth angle capable of obtaining the maximum signal strength is detected, a sector pattern directed to the azimuth angle based on the AS table is used, and adaptive control is performed during communication using the sector pattern. And a RTS signal is received using a sector pattern (or an omni pattern or an adaptive control pattern).

以上説明したように、第1の実施形態によれば、発信元無線局からの無線信号を検出した後、セクタパターンを用いてすべての方位角にわたってアンテナのビーム方向を回転して最大の信号強度を有する方位角を探索した後、上記最大の信号強度を有する方位角に対してアンテナのビーム方向を向けて無線通信を行うように制御する。従って、発信元無線局と宛先無線局との間で1ホップで無線通信を行う無線ネットワークにおいて、従来技術に比較してオーバーヘッドを大幅に減少させて、高速で位置追跡を行うことができる。   As described above, according to the first embodiment, after detecting the radio signal from the source radio station, the beam pattern of the antenna is rotated over all azimuth angles using the sector pattern to maximize the signal strength. After searching for an azimuth angle having an angle, control is performed so that wireless communication is performed with the beam direction of the antenna directed toward the azimuth angle having the maximum signal strength. Therefore, in a wireless network in which wireless communication is performed with one hop between a source wireless station and a destination wireless station, overhead can be greatly reduced as compared with the prior art, and position tracking can be performed at high speed.

さらに、第1の実施形態の変形例に係る無線通信制御処理の特徴について以下に説明する。図6は図2のデータベースメモリ154において格納され、第1の実施形態の変形例において用いるDNAV制御テーブルの一例を示す表であり、図9は第1の実施形態の変形例において用いられる各周辺隣接無線局(正確には、図14において、発信元無線局NSのオムニパターンのエリアである送信サービスエリア内に存在するノード無線局をいう。)での放射パターンの種類と無線通信プロトコルを示すタイミングチャートである。   Furthermore, the characteristics of the wireless communication control process according to the modification of the first embodiment will be described below. FIG. 6 is a table showing an example of the DNAV control table stored in the database memory 154 of FIG. 2 and used in the modification of the first embodiment, and FIG. 9 shows each peripheral used in the modification of the first embodiment. FIG. 14 shows the types of radio patterns and radio communication protocols in adjacent radio stations (more precisely, in FIG. 14, a node radio station existing in a transmission service area that is an omni pattern area of a source radio station NS). It is a timing chart.

まず、第1の実施形態の変形例で用いるDNAV制御テーブルの作成及び更新処理について以下に説明する。なお、可変ビームアンテナ101は30度毎にビームの方位角を設定できるセクタパターンを有するものとする。DNAV制御テーブルは、図6に示すように、設定可能な方位角毎に、制御データの欄において、「時刻データ」と「使用可能」の情報が付与されており、「時刻データ」はその時刻まで当該方位角は使用中であることを示し、すなわち、その時刻まで使用不可能であることを示している。また、「使用可能」はその方位角について無線通信は使用可能であることを示している。   First, creation and update processing of the DNAV control table used in the modification of the first embodiment will be described below. Note that the variable beam antenna 101 has a sector pattern in which the azimuth of the beam can be set every 30 degrees. As shown in FIG. 6, the DNAV control table is provided with “time data” and “usable” information in the control data column for each set azimuth angle. This indicates that the azimuth is in use, that is, it cannot be used until that time. “Usable” indicates that wireless communication can be used for the azimuth angle.

まず、初期状態では、DNAV制御テーブルの制御データのすべての欄に「使用可能」の情報を挿入する。次いで、図15の状態S109又はS115においてNOであるときに、DNAV制御テーブルにおいて以下の通り制御データを記録して状態S101に戻る。
(ケース1)DNAV制御テーブルにおいて、受信したRTS信号又はCTS信号の方位角に対応する制御データの欄が「使用可能」であるとき、RTS信号又はCTS信号に含まれている通信持続時間を現在時刻に加算することにより通信終了時刻を計算し、受信したRTS信号又はCTS信号の方位角に対して当該計算した「時刻データ」を記録する。
(ケース2)DNAV制御テーブルにおいて、受信したRTS信号又はCTS信号の方位角に対応する制御データの欄が所定の「時刻データ」であるときに、RTS信号又はCTS信号に含まれている通信持続時間を現在時刻に加算することにより通信終了時刻を計算し、その計算した通信終了時刻がすでに記録済みの「時刻データ」の時刻と同じ又は早い時刻であるときは何も処理をしないが、その計算した通信終了時刻がすでに記録済みの「時刻データ」の時刻よりも遅いときは、遅い方の当該計算した通信終了時刻を当該方位角の「時刻データ」として記録する。
First, in the initial state, “usable” information is inserted in all the columns of the control data of the DNAV control table. Next, when NO in the state S109 or S115 in FIG. 15, the control data is recorded as follows in the DNAV control table, and the process returns to the state S101.
(Case 1) In the DNAV control table, when the field of control data corresponding to the azimuth angle of the received RTS signal or CTS signal is “available”, the communication duration included in the RTS signal or CTS signal is The communication end time is calculated by adding to the time, and the calculated “time data” is recorded with respect to the azimuth angle of the received RTS signal or CTS signal.
(Case 2) In the DNAV control table, when the field of control data corresponding to the azimuth angle of the received RTS signal or CTS signal is a predetermined “time data”, the communication duration included in the RTS signal or CTS signal The communication end time is calculated by adding the time to the current time, and if the calculated communication end time is the same as or earlier than the already recorded “time data” time, no processing is performed. When the calculated communication end time is later than the already recorded “time data” time, the later calculated communication end time is recorded as “time data” of the azimuth.

さらに、状態S101におけるアイドル状態において、DNAV制御テーブルの制御データの欄に記載の「時刻データ」の時刻が現在時刻を過ぎたときは、当該「時刻データ」を「使用可能」に変更して更新する。   Furthermore, in the idle state in state S101, when the time of “time data” described in the control data column of the DNAV control table has passed the current time, the “time data” is changed to “usable” and updated. To do.

すなわち、各周辺隣接無線局は、他の無線局と無線通信を開始するときに、図9に示すように、トーン信号及びRTS信号を送信し、もしくはそれに応答してトーン信号及びCTS信号を送信するときに、DNAV制御テーブルを参照して使用可能な方位角のセクタパターンのみを用いて無線通信を行う。従って、各ノード無線局は、DNAV制御テーブルを生成して使用することにより、現在進行中の無線通信を所定の方位角毎に知ることができ、この情報を用いて、他の方向への新たな無線通信を開始することができ、このとき、現在進行中の無線通信との干渉を防止できる。これにより、1ホップの無線ネットワークにおいて、SDMAのために効率的なMACプロトコルを提供できる。   That is, each neighboring neighboring radio station transmits a tone signal and an RTS signal or transmits a tone signal and a CTS signal in response to the start of radio communication with another radio station as shown in FIG. In doing so, wireless communication is performed using only the sector pattern of the azimuth angle that can be used with reference to the DNAV control table. Therefore, each node wireless station can know the wireless communication currently in progress for each predetermined azimuth by generating and using the DNAV control table, and using this information, a new communication in another direction can be performed. Wireless communication can be started, and at this time, interference with currently ongoing wireless communication can be prevented. This can provide an efficient MAC protocol for SDMA in a one-hop wireless network.

本発明者らは、第1の実施形態に係る無線通信システムについて以下の通りシミュレーションを行い、以下のシミュレーション結果を得た。当該シミュレーションは、クアルネット(QualNet)3.1を使用して実行した(非特許文献12参照。)。電子制御導波器アレーアンテナ装置であるアレーアンテナ装置100のシミュレーションは、30度の方位角で離散的に回転されて360度のスパンをカバーする擬似スイッチビームアンテナの形式で行った。   The present inventors performed a simulation as follows for the wireless communication system according to the first embodiment, and obtained the following simulation results. The simulation was performed using QualNet 3.1 (see Non-Patent Document 12). The simulation of the array antenna device 100, which is an electronically controlled waveguide array antenna device, was performed in the form of a pseudo-switched beam antenna that was rotated discretely at an azimuth angle of 30 degrees to cover a span of 360 degrees.

ここで、MACプロトコルのシミュレーションは、上述した下記の放射パターンを用いた。
(i)シミュレーションされた電子制御導波器アレーアンテナ装置100の放射パターン(図17乃至図20において「アレーアンテナ装置100」と記す。);
(ii)クアルネットのデフォルト指向性アンテナパターン(図17乃至図20において「クアルネットのデフォルトアンテナ」と記す。);
(iii)サイドローブのない理想的な指向性アンテナパターン(図17乃至図20において「理想的な指向性アンテナ」と記す。)。
Here, the following radiation pattern described above was used for the simulation of the MAC protocol.
(I) The radiation pattern of the electronically controlled waveguide array antenna device 100 simulated (referred to as “array antenna device 100” in FIGS. 17 to 20);
(Ii) Qualnet default directional antenna pattern (referred to as “Qualnet default antenna” in FIGS. 17 to 20);
(Iii) An ideal directional antenna pattern without side lobes (referred to as “ideal directional antenna” in FIGS. 17 to 20).

クアルネットシミュレータには、MAC層における指向性仮想搬送波検出及びクアルネットシミュレータの物理層における指向性送信を実施するために必要な変更を行った。当該シミュレーションでは、アレーアンテナ装置100のハードウェア性能を基礎として、制御パケット信号における先行トーンの持続時間を200マイクロ秒となるように選択した。   The Qualnet Simulator was modified to perform directional virtual carrier detection in the MAC layer and directional transmission in the physical layer of the Qualnet Simulator. In the simulation, based on the hardware performance of the array antenna apparatus 100, the duration of the preceding tone in the control packet signal was selected to be 200 microseconds.

ルーティングプロトコルの影響を回避して、IEEE 802.11に規定するMACプロトコルと、本発明者らが提案する本実施形態に係るMACプロトコルとの相違を明確に示すため、ランダムに選択された単純な1ホップ無線通信を使用した。また、静的ルートを使用して、プロアクティブであれアクティブであれ、任意のルーティングプロトコルによって発生されるパケットをすべて停止させた。当該シミュレーションでは、データレート及び同時通信の数を変化させて、従来の全方向性のIEEE 802.11のMACプロトコルと、本実施形態に係るMACプロトコルとの性能を比較調査した。本発明者らが提案する本実施形態に係るMACプロトコルの調査では、本実施形態に係るMACプロトコルのロバスト性を確証するために上述のような異なるアンテナパターンを使用した。その実行に際しては、アレーアンテナ装置100をアンテナパターンの1つとして使用し、当該アレーアンテナ装置100の性能も評価した。   In order to avoid the influence of the routing protocol and clearly show the difference between the MAC protocol defined in IEEE 802.11 and the MAC protocol according to the present embodiment proposed by the present inventors, a simple randomly selected One-hop wireless communication was used. We also used static routes to stop all packets generated by any routing protocol, whether proactive or active. In the simulation, the performance of the conventional omnidirectional IEEE 802.11 MAC protocol and the MAC protocol according to the present embodiment were compared and investigated by changing the data rate and the number of simultaneous communications. In the investigation of the MAC protocol according to the present embodiment proposed by the present inventors, different antenna patterns as described above were used in order to confirm the robustness of the MAC protocol according to the present embodiment. In the execution, the array antenna apparatus 100 was used as one of the antenna patterns, and the performance of the array antenna apparatus 100 was also evaluated.

当該シミュレーションでは、1000m×1000mのエリア範囲に40個のノード無線局1をランダムに配置した。当該シミュレーションは2ステップで行い、まず同時通信数を10に保持してデータレートを81.92kbs(50ミリ秒間隔で送信される512バイトのデータパケット)から順次2.048Mbps(2ミリ秒間隔で送信される512バイトのデータパケット)まで上昇させ、次に、データレートを409.6kbps(10ミリ秒間隔で送信される512バイトのデータパケット)に保持して同時通信の数を4から12へ増加させた。両ステップにおいて、平均スループット及び1ホップの平均エンド・ツー・エンド遅延時間を評価した。表1は、使用されたパラメータセットを示したものである。   In the simulation, 40 node radio stations 1 are randomly arranged in an area range of 1000 m × 1000 m. The simulation is performed in two steps. First, the number of simultaneous communications is maintained at 10, and the data rate is sequentially set to 2.048 Mbps (512-byte data packet transmitted at 50-millisecond intervals) from 81.92 kbps (at 2-millisecond intervals). Increase the number of simultaneous communications from 4 to 12, keeping the data rate at 409.6 kbps (512-byte data packets transmitted at 10 millisecond intervals). Increased. In both steps, the average throughput and the average end-to-end delay time of 1 hop were evaluated. Table 1 shows the parameter set used.

Figure 2005064672
Figure 2005064672

次いで、当該シミュレーションの結果と検討について以下に説明する。図17乃至図20において「IEEE 802.11」と表記している従来のIEEE 802.11に規定するMACプロトコルを比較用のベンチマークとして使用し、それぞれアレーアンテナ装置100と、クアルネットのデフォルトアンテナと、理想的な指向性アンテナとによって、本発明者らが提案するMACプロトコルの性能を評価した。評価は、平均スループット及び1ホップの平均エンド・ツー・エンド遅延時間である2つの基準に基づいて行った。   Next, the results and examination of the simulation will be described below. The conventional MAC protocol defined in IEEE 802.11, which is denoted as “IEEE 802.11” in FIGS. 17 to 20, is used as a benchmark for comparison, and each of the array antenna apparatus 100, the Qualnet default antenna, The performance of the MAC protocol proposed by the present inventors was evaluated with an ideal directional antenna. The evaluation was based on two criteria: average throughput and 1 hop average end-to-end delay.

図17乃至図20はそれぞれ、そのシミュレーション結果を示したものである。報告されている結果のそれぞれは、異なるシードによる10回実施した平均値である。従って、完璧な結果を得るために、400を超えるシナリオをシミュレーションすることを余儀なくされ、そのそれぞれをシミュレータで5分間実施して全体的な平均結果を得た。   17 to 20 show the simulation results, respectively. Each reported result is an average of 10 runs with different seeds. Therefore, in order to obtain perfect results, we were forced to simulate over 400 scenarios, each of which was run in the simulator for 5 minutes to obtain an overall average result.

図17では、データレートの上昇に伴って、任意の指向性アンテナパターンを使用する本発明者らが提案するMACプロトコル(以下、E−MACのプロトコルという。)の平均スループットの方が、オムニパターンアンテナを使用するIEEE 802.11の場合より遙かに優れていることが分かる。また、図18からは、任意の指向性アンテナを使用するE−MACの1ホップの平均エンド・ツー・エンド遅延時間の性能の方が、IEEE 802.11のMACプロトコルを使用して達成されるものより遙かに優れていることが分かる。   In FIG. 17, as the data rate increases, the average throughput of the MAC protocol proposed by the present inventors using an arbitrary directional antenna pattern (hereinafter referred to as E-MAC protocol) is more omni pattern. It can be seen that it is far superior to the case of IEEE 802.11 using an antenna. Also from FIG. 18, the E-MAC 1-hop average end-to-end delay time performance using any directional antenna is achieved using the IEEE 802.11 MAC protocol. It turns out that it is far superior to the thing.

全方向性のIEEE 802.11のMACプロトコルでは、媒体が使用中であることが分かるとバックオフ状態に入らなければならない場合がより多い。データレートが上昇すると、MACのコンテンションは増大する。但し、指向性アンテナを使用しかつ指向性仮想搬送波検出を実施すると、本実施形態に係るE−MACのプロトコルは、オムニパターンアンテナを使用する「IEEE 802.11のMACプロトコル」では生成し得ない、コンテンションがより低い環境を作り出す。従って、図17が示すように、データレートが上昇すると、E−MACのプロトコルでは平均スループットが急激に増大する。E−MACのプロトコルでは、RTS/CTSハンドシェイクが実行されると、ノード無線局は高利得で指向的にデータを送信しかつ肯定応答信号(ACK信号)を受信する。従って、受信機側でデータを、又は送信機側で肯定応答信号(ACK信号)を受信し損なう可能性は最小化される。しかしながら、IEEE 802.11のプロトコルでは、データを受信し損なう可能性はRTS/CTSの場合よりも逆に多くなる。これは、(a)データはRTS/CTSの場合と同じ利得で全方向に送信され、かつ全方向で受信される、(b)RTS/CTSに比べてデータパケットが大きく、適正に受信するためにはSINRレベルを長い時間期間にわたって高く保持する必要がある、という2つの理由による。これらの理由は、IEEE 802.11に比べてE−MACのプロトコルで平均スループットが高く、エンド・ツー・エンド遅延時間が低いことをも説明している。   In the omnidirectional IEEE 802.11 MAC protocol, it is more likely that a backoff state must be entered when the medium is found to be in use. As the data rate increases, MAC contention increases. However, if the directional antenna is used and the directional virtual carrier detection is performed, the E-MAC protocol according to the present embodiment cannot be generated by the “IEEE 802.11 MAC protocol” using the omni pattern antenna. Create an environment with lower contention. Therefore, as shown in FIG. 17, when the data rate increases, the average throughput increases rapidly in the E-MAC protocol. In the E-MAC protocol, when the RTS / CTS handshake is executed, the node radio station transmits data directionally with high gain and receives an acknowledgment signal (ACK signal). Therefore, the possibility of failing to receive data at the receiver side or an acknowledgment signal (ACK signal) at the transmitter side is minimized. However, in the IEEE 802.11 protocol, there is a greater possibility that data will be missed than in the case of RTS / CTS. This is because (a) data is transmitted in all directions with the same gain as in RTS / CTS, and is received in all directions. (B) Data packets are larger than RTS / CTS and are received properly. For two reasons that the SINR level needs to be kept high over a long period of time. These reasons also explain that the average throughput is higher and the end-to-end delay time is lower in the E-MAC protocol than in IEEE 802.11.

MACプロトコルの性能は、指向性アンテナのパターンにも大きく依存する。従って、シミュレーションは3つの異なるタイプの指向性アンテナパターンに関して行っている。クアルネットのデフォルトアンテナは、標準的なアンテナパターンである。理想的な指向性アンテナは、サイドローブのない理想の指向性アンテナパターンである。これについては、上述した通りである。アレーアンテナ装置100を使用する平均スループットはクアルネットのデフォルトアンテナより優れ、アレーアンテナ装置100によって達成されるスループットの利得はIEEE 802.11の場合のほぼ1.8倍である。   The performance of the MAC protocol greatly depends on the pattern of the directional antenna. Therefore, the simulation is performed on three different types of directional antenna patterns. Qualnet's default antenna is a standard antenna pattern. An ideal directional antenna is an ideal directional antenna pattern without side lobes. This is as described above. The average throughput using the array antenna apparatus 100 is superior to the Qualnet default antenna, and the throughput gain achieved by the array antenna apparatus 100 is approximately 1.8 times that of IEEE 802.11.

図19では、同時通信数の増大に伴って平均スループットは、E−MACのプロトコル及びIEEE 802.11のプロトコルの両方で低減することが観察されるが、E−MACのプロトコルは平均スループットにおける大幅な利得を示している。これは、E−MACのプロトコルは隣接ノード無線局による送信を禁止せず、単に隣接ノード無線局に進行中の通信及びその方向を通知するだけであるため、隣接ノード無線局は他の方向への通信を開始できることによる。しかしながら、オムニパターンアンテナを使用するIEEE 802.11は、RTS/CTSを発行してすべての隣接ノード無線局をサイレント状態(沈黙の無言状態)に保持する。   In FIG. 19, it is observed that the average throughput decreases with both the E-MAC protocol and the IEEE 802.11 protocol as the number of simultaneous communications increases, but the E-MAC protocol significantly increases the average throughput. Show a good gain. This is because the E-MAC protocol does not prohibit transmission by the adjacent node radio station, but merely notifies the adjacent node radio station of the ongoing communication and its direction, so that the adjacent node radio station moves to the other direction. By being able to start communication. However, IEEE 802.11 using an omni-pattern antenna issues RTS / CTS to keep all adjacent node radio stations in a silent state (silent silent state).

また、同時通信数が増加すると、図19が示すように、平均エンド・ツー・エンド遅延時間(1ホップ)はIEEE 802.11のプロトコル及びE−MACのプロトコルの両方で増大するが、その増大の程度は、指向性アンテナパターンの使用に関わらずE−MACのプロトコルより「IEEE 802.11のプロトコル」の方が遙かに顕著である。同時通信の数が増大すると、追加される同時通信数分の干渉によって各通信の干渉は増加する。しかしながら、E−MACのプロトコルは、その近隣の他のノード無線局に進行中の通信を通知し、かつより大きな捕捉で指向性放射パターンを用いて送受信を行うため、他の方向からの干渉も最小限に抑えられる。このように、E−MACのプロトコルはより多くの数の同時通信を可能にするSDMA効率を活用することから、図20で観察されるようなより少ない待ち行列遅延及びより少ない1ホップの平均エンド・ツー・エンド遅延時間を得ることができる。   Further, as the number of simultaneous communication increases, as shown in FIG. 19, the average end-to-end delay time (1 hop) increases in both the IEEE 802.11 protocol and the E-MAC protocol. The “IEEE 802.11 protocol” is much more prominent than the E-MAC protocol regardless of the use of the directional antenna pattern. When the number of simultaneous communications increases, the interference of each communication increases due to the interference corresponding to the added number of simultaneous communications. However, since the E-MAC protocol notifies the other node radio stations in the vicinity of the ongoing communication, and transmits and receives using a directional radiation pattern with a larger acquisition, interference from other directions is also caused. Minimized. In this way, the E-MAC protocol exploits SDMA efficiency that allows for a greater number of simultaneous communications, so less queuing delay and less one-hop average end as observed in FIG. -A two-end delay time can be obtained.

以上説明したように、適正なMACプロトコルの設計が可能であれば、アドホック無線ネットワークにおける指向性アンテナの使用は、システム性能を劇的に向上させることができる。指向性アンテナを使用すれば、仮想搬送波検出の指向的な設定により、媒体を最大限に利用することができる。位置追跡のオーバーヘッドを最小限に抑えることにより、MACで達成される利得は実に多大なものとなる。同時に、MACプロトコルの成功は、指向性アンテナのパターンに大きく依存する。電子制御導波器アレーアンテナ装置であるアレーアンテナ装置100を使用する場合の平均スループットは、クアルネットのデフォルトアンテナの場合より優れ、アレーアンテナ装置100によって達成されるスループットの利得はIEEE 802.11のMACプロトコルの場合のほぼ1.8倍である。   As described above, the use of a directional antenna in an ad hoc wireless network can dramatically improve system performance if an appropriate MAC protocol can be designed. If the directional antenna is used, the medium can be utilized to the maximum by the directional setting of the virtual carrier detection. By minimizing the location tracking overhead, the gain achieved with the MAC can be enormous. At the same time, the success of the MAC protocol is highly dependent on the pattern of directional antennas. The average throughput when using the array antenna device 100, which is an electronically controlled waveguide array antenna device, is better than that of the Qualnet default antenna, and the throughput gain achieved by the array antenna device 100 is the MAC of IEEE 802.11. This is approximately 1.8 times that of the protocol.

第2の実施形態.
図21は第2の実施形態に係るアドホック無線ネットワークにおけるマルチホップの無線通信制御処理を実行する各無線局の平面図である。第2の実施形態に係る無線通信システムは、第1の実施形態に係る無線通信システムに比較して、無線通信システム自体のハードウエアは同一であるが、第1の実施形態における1ホップの無線通信ルーティングに対して、図21に示すように、他のノード無線局と無線リンクを少なくとも1つをそれぞれ有するノード無線局1−1乃至1−7のうち、発信元無線局から宛先無線局まで複数ホップ、すなわちマルチホップの無線通信ルーチィングを実施するものであり、ここで、特に、各周辺隣接無線局は、他の無線局と無線通信を開始するときに、図9に示すように、トーン信号及びRTS信号を送信し、もしくはそれに応答してトーン信号及びCTS信号を送信するときに、DNAV制御テーブルを参照して使用可能な方位角のセクタパターンのみを用いて無線通信を行うことを特徴としている。具体的には、マルチホップの無線通信において、図9、図14及び図15の無線通信制御処理を実行する。
Second embodiment.
FIG. 21 is a plan view of each wireless station that executes multihop wireless communication control processing in an ad hoc wireless network according to the second embodiment. The wireless communication system according to the second embodiment has the same hardware as the wireless communication system itself as compared with the wireless communication system according to the first embodiment, but the one-hop wireless in the first embodiment. For communication routing, as shown in FIG. 21, among the node radio stations 1-1 to 1-7 each having at least one radio link with another node radio station, from the source radio station to the destination radio station Multi-hop, i.e., multi-hop wireless communication routing, where each neighboring neighboring wireless station, particularly when starting wireless communication with other wireless stations, as shown in FIG. When transmitting a signal and an RTS signal, or transmitting a tone signal and a CTS signal in response thereto, a sector pad of an azimuth angle that can be used with reference to the DNAV control table is referred to. It is characterized by performing wireless communication by using only over emissions. Specifically, in multi-hop wireless communication, the wireless communication control process of FIGS. 9, 14 and 15 is executed.

本実施形態では、アドホック無線ネットワークのための方向探索方法を有する効率的な指向性MACプロトコルを提案する。この効率的な指向性MACプロトコルは、各ノード無線局1が周期的にその近傍の指向性情報を収集して、ASテーブルを形成する受信のノード無線局1に対して配向された方向探索方法を使用している。ASテーブルを基礎として、各ノード無線局1はその隣接ノード無線局の方向を知り、送受信の間の媒体アクセスを制御する。第1の実施形態の変形例に係る図9に示すように、指向性のDATA/ACKパケットは、全方向性のRTS/CTSの後に送信される。この全方向性のRTS/CTSは、ASテーブルからの方位角情報を有するDNAV(指向性ネットワーク位置ベクトル)の使用により、進行中の近傍の無線通信を妨害することなく発行することができる。また、均等化された受信機感度及び受信機しきい値の効果も調査している。   In this embodiment, an efficient directional MAC protocol with a direction search method for ad hoc wireless networks is proposed. This efficient directional MAC protocol is a direction search method oriented to a receiving node radio station 1 in which each node radio station 1 periodically collects directional information in the vicinity thereof and forms an AS table. Is used. Based on the AS table, each node radio station 1 knows the direction of its adjacent node radio station and controls medium access during transmission and reception. As shown in FIG. 9 according to the modification of the first embodiment, the directional DATA / ACK packet is transmitted after the omnidirectional RTS / CTS. This omnidirectional RTS / CTS can be issued without interfering with ongoing wireless communications by using DNAV (Directed Network Position Vector) with azimuth information from the AS table. We are also investigating the effects of equalized receiver sensitivity and receiver threshold.

本発明者らの先の研究では、各ノード無線局は、方位角毎のSINRテーブルの保守更新を行うことにより、所定の近傍情報を動的に保持するMACプロトコル(非特許文献9参照。)を開発した。この方法では、ASテーブルを形成するために各ノード無線局が周期的に指向性ブロードキャストの形式の指向性ビーコン信号を30度間隔で連続して全方向に送信し、360度の空間全体をカバーする。これらの信号を異なる方位角で受信する複数のノード無線局は、受信した信号の最良品質を決定し、その情報をソースノード無線局へRTS/CTSハンドシェイクを有するデータパケットとして送り返す。ここで、この方法では、制御パケットに起因するオーバーヘッドが極めて高い(非特許文献9参照。)。   In the previous research by the present inventors, each node radio station performs maintenance update of the SINR table for each azimuth, thereby dynamically maintaining predetermined neighborhood information (see Non-Patent Document 9). Developed. In this method, in order to form an AS table, each node radio station periodically transmits a directional beacon signal in the form of a directional broadcast continuously in 30-degree intervals in all directions to cover the entire 360-degree space. To do. A plurality of node radio stations that receive these signals at different azimuth angles determine the best quality of the received signals and send the information back to the source node radio station as data packets with an RTS / CTS handshake. Here, with this method, the overhead due to the control packet is extremely high (see Non-Patent Document 9).

次いで、指向性探索方法を有する指向性MACプロトコルについて以下に説明する。本実施形態に係る指向性MACプロトコルは、基本的には、指向性探索方法としても機能する「受信機指向性の回転セクタを基礎とする指向性MACプロトコル」である。その隣接ノード無線局の方向を追跡するため、各ノード無線局Nnは周期的にその近傍情報を収集してASテーブルを形成する。SIGNALθ n,m(t)は、ノード無線局Nnにおいてノード無線局Nmからノード無線局Nnに対する方位角θで受信され、かつノード無線局Nnにより任意の時間ポイントtで検出された信号の最大強度である。ASテーブルに基づいて、ノード無線局Nnはノード無線局Nmの方向を知り、送受信の間の媒体アクセスを制御する。この場合、各ノード無線局は無為に全方向性検出モードで待機する。これは、しきい値を超える何らかの信号を検出する度に回転セクタ受信モードに入り、その指向性アンテナを連続的に全方向へ30度間隔で回転させて各方向で連続する指向性受信の形式で360度の空間全体をカバーし、受信される信号を各方向で検出する。回転が一周すると、最大の受信信号強度によって、信号を受信する最良の可能方向を決定する。次いで、そのビームをその方向に設定し、信号を受信する。但し、受信機が受信された信号を復号できるようにするため、各制御パケットは、受信機の回転性の受信ビームが360度回転する時間が当該トーンの持続時間よりわずかに短い(本発明者らのケースでは、200マイクロ秒)持続時間を有する先行トーン信号を伴って送信される。任意の制御パケットの前に送信されるこのトーンの目的は、受信機が信号受信の最良可能方向を追跡できるようにすることにある。当該ビームがその方向へ設定されると、トーン信号の目的は果たされ、続いて制御パケットが送信される。各ノード無線局は周期的に全方向性ビーコンを送信し、ビーコン信号を受信する側のその隣接ノード無線局はこれを復号化してASテーブルにエントリする。この場合、RTS/CTS信号は先行トーン信号を伴って送信されかつビーコン信号としても機能する発信元無線局アドレスを包含するため、高いトラフィックでのビーコン送信のオーバーヘッドが最小化される。 Next, a directional MAC protocol having a directional search method will be described below. The directional MAC protocol according to the present embodiment is basically a “directional MAC protocol based on a receiver-oriented rotating sector” that also functions as a directional search method. In order to track the direction of the adjacent node radio station, each node radio station Nn periodically collects its neighborhood information and forms an AS table. SIGNAL θ n, m (t) is the maximum of signals received at the node radio station Nn from the node radio station Nm at the azimuth angle θ with respect to the node radio station Nn and detected by the node radio station Nn at an arbitrary time point t. It is strength. Based on the AS table, the node radio station Nn knows the direction of the node radio station Nm and controls medium access during transmission and reception. In this case, each node radio station stands by in the omnidirectional detection mode. This is a form of directional reception in which a rotating sector reception mode is entered every time a signal exceeding a threshold is detected, and the directional antenna is continuously rotated in all directions at intervals of 30 degrees. Covers the entire 360 degree space and detects the received signal in each direction. Once the rotation is complete, the maximum possible signal reception direction is determined by the maximum received signal strength. The beam is then set in that direction and a signal is received. However, in order for the receiver to be able to decode the received signal, each control packet has a slightly shorter time for the receiver's rotating receive beam to rotate 360 degrees than the duration of the tone (inventor's In these cases, it is transmitted with a preceding tone signal having a duration of 200 microseconds). The purpose of this tone transmitted before any control packet is to allow the receiver to track the best possible direction of signal reception. When the beam is set in that direction, the purpose of the tone signal is fulfilled and a control packet is subsequently transmitted. Each node radio station periodically transmits an omnidirectional beacon, and the adjacent node radio station receiving the beacon signal decodes it and enters it in the AS table. In this case, the RTS / CTS signal is transmitted with a preceding tone signal and includes a source radio station address that also functions as a beacon signal, thereby minimizing the overhead of beacon transmission at high traffic.

ノード無線局Nnは、例えばノード無線局Njとのデータ通信の開始を希望するとき、無線媒体をチェックし、フリー(未使用)であれば、ノード無線局Nnは全方向性RTS信号を送信して発行する。RTS信号を受信した目的の受信ノード無線局Njは、全方向性CTS信号を送信して発行する。この場合のRTS/CTSの目的は、オムニパターンアンテナの場合がそうであるようなノード無線局Nn及びNjの隣接ノード無線局による送信又は受信を禁止することではなく、ノード無線局Njがノード無線局Nnからデータを受信しつつあることをノード無線局Nj及びNnの隣接ノード無線局に知らせることにある。これはまた、通信のおおよその持続時間も特定することができる。ノード無線局Nn及びNjのすべての隣接ノード無線局は、そのDNAVをノード無線局Nn及びNjに向けて設定することにより、ノード無線局Nn及びNj間の通信を追跡する。こうして、ノード無線局Nn及びNjの近傍における隣接ノード無線局は、ノード無線局Nn及びNj間の現行通信を妨害することなく他の方向で通信を開始することができる。次いで、発信元無線局及び宛先無線局はデータ及び肯定応答信号(ACK信号)をセクタパターンを用いて指向的に送信し、それぞれ指向性受信モードで肯定応答信号(ACK信号)及びデータ信号を待つ。   For example, when the node radio station Nn wishes to start data communication with the node radio station Nj, the node radio station Nn checks the radio medium, and if it is free (unused), the node radio station Nn transmits an omnidirectional RTS signal. Issue. The target receiving node radio station Nj that has received the RTS signal transmits and issues an omnidirectional CTS signal. The purpose of RTS / CTS in this case is not to prohibit transmission or reception by the node radio stations adjacent to the node radio stations Nn and Nj as in the case of the omni-pattern antenna, but the node radio station Nj It is to inform the node radio stations Nj and Nn adjacent node radio stations that data is being received from the station Nn. This can also specify the approximate duration of the communication. All adjacent node radio stations of the node radio stations Nn and Nj track communication between the node radio stations Nn and Nj by setting their DNAVs toward the node radio stations Nn and Nj. Thus, adjacent node radio stations in the vicinity of the node radio stations Nn and Nj can start communication in the other direction without interfering with the current communication between the node radio stations Nn and Nj. Next, the source radio station and the destination radio station transmit data and an acknowledgment signal (ACK signal) directionally using the sector pattern, and wait for an acknowledgment signal (ACK signal) and a data signal in the directional reception mode, respectively. .

以上説明したように、本実施形態によれば、マルチホップの無線通信を行う無線ネットワークにおいて、他の無線局からの無線信号を検出し、セクタパターンを用いてすべての方位角にわたってアンテナのビーム方向を回転して最大の信号強度を有する方位角を探索した後、上記検出した無線信号が無線通信を行う無線局でないときに、当該無線局の方位角に対するセクタパターンを用いて無線通信を行うことを禁止する。従って、例えばITSなどの無線通信システムにおいて、すべてのノード無線局が1つの線上に位置するトポロジーの下では、指向性のRTS/CTSは発信元無線局による通信の意向を宛先無線局の反対方向へ知らせることが可能であり、隠れたノード無線局から多くのパケットが送信されることはない。従って、シミュレーション結果を参照して詳細後述するように、ホップ数が増加してもスループットとエンド・ツー・エンド遅延時間を従来技術に比較して改善できる。   As described above, according to the present embodiment, in a wireless network that performs multi-hop wireless communication, a radio signal from another wireless station is detected, and the beam direction of the antenna over all azimuth angles using a sector pattern After searching for the azimuth having the maximum signal strength by rotating, wireless communication is performed using the sector pattern for the azimuth of the wireless station when the detected wireless signal is not a wireless station performing wireless communication. Is prohibited. Therefore, in a wireless communication system such as ITS, for example, in a topology in which all node wireless stations are located on one line, the directional RTS / CTS determines the communication intention of the source wireless station in the opposite direction of the destination wireless station. And many packets are not transmitted from a hidden node radio station. Therefore, as will be described later in detail with reference to the simulation result, the throughput and the end-to-end delay time can be improved as compared with the prior art even if the number of hops increases.

図29は全方向性の無線通信を示しており、ノード無線局Nは送信エリアAt1を有し、ノード無線局Nは受信機感度で決定される受信エリアAr1を有している。また、ノード無線局Nは受信機しきい値で決定される搬送波検出エリアAc1を有しており、一般に、Ac1>At1である。さらに、図30は第2の実施形態に係る指向性の無線通信を示している。IEEE802.11の規定によれば、搬送波検出エリアAc1内に存在するノード無線局は、ノード無線局N,N間の無線通信が進行中はアイドル状態のままでいなければならない。オムニパターンアンテナを使用する場合、搬送波検出エリアAc1内の任意のノード無線局、例えばノード無線局Nがノード無線局N,N間の無線通信の進行中に通信を開始すれば、ノード無線局Nは全方向的な受信状態にあることから、ノード無線局Nで干渉が発生するため、これは必要である。しかしながら、本実施形態に係る図30に示すように、指向性アンテナを使用すれば、ノード無線局Nはそのセクタパターンで決まる受信エリアAr2をノード無線局Nに向けて回転させ、他の全方向にはヌルを形成することが可能であり、他の方向からの干渉の機会が最小限に抑えられる。この場合、ノード無線局Nが無線通信を開始しても、ノード無線局Nの無線信号がノード無線局Nにおいて干渉を発生させることはない。 FIG. 29 shows omnidirectional radio communication, where the node radio station N A has a transmission area A t1 and the node radio station N B has a reception area A r1 determined by the receiver sensitivity. . Further, the node radio station N A has a carrier detection area A c1 determined by the receiver threshold value, and generally A c1 > A t1 . Further, FIG. 30 shows directional wireless communication according to the second embodiment. According to the IEEE 802.11 standard , a node radio station existing in the carrier detection area A c1 must remain in an idle state while radio communication between the node radio stations N A and N B is in progress. When using an omni-pattern antenna, if any node radio station in the carrier wave detection area A c1 , for example, the node radio station N C starts communication during radio communication between the node radio stations N A and N B , since the node radio station N B is in the omnidirectional reception state, the interference nodes radio station N B is generated, which is necessary. However, as shown in FIG. 30 according to the present embodiment, the use of directional antennas, the node radio station N B rotates toward the receiving area A r2 determined by the sector pattern to the node radio station N A, other In all directions, nulls can be formed, and the chance of interference from other directions is minimized. In this case, also the node radio station N C starts to wireless communications, there is no possibility that the radio signal of the node radio station N C generates the interference at the node radio station N B.

ここで、上記各無線局はセクタパターンを用いて無線送信し、上記各無線局においてそれぞれ互いに、図30に示すように、受信機感度(受信機において変調された無線信号を実質的に誤り無く復調することができる受信信号レベルをいう。)と受信機しきい値(受信機において無線信号の有無を判断するときの信号レベルのしきい値をいう。)とを実質的に等しく設定することが好ましい。従って、指向性のセクタパターンのアンテナを使用する場合、受信機感度と受信機しきい値とを等しくすることによって、図22のごとく、2つの無線リンクで同時に無線通信を行うことができる。また、SDMA効率を大幅に向上させることができる。それ故、ノード無線局は、当該ノード無線局によって受信されかつ復号化される可能性を有する無線信号のみによってサイレント状態にされる。   Here, each wireless station transmits wirelessly using a sector pattern, and each wireless station mutually receives a receiver sensitivity (a wireless signal modulated by the receiver is substantially error-free as shown in FIG. 30). The reception signal level that can be demodulated is set to be substantially equal to the receiver threshold value (referred to as the signal level threshold value when the presence or absence of a radio signal is determined in the receiver) Is preferred. Therefore, when an antenna having a directional sector pattern is used, wireless communication can be performed simultaneously on two wireless links as shown in FIG. 22 by equalizing the receiver sensitivity and the receiver threshold value. In addition, the SDMA efficiency can be greatly improved. Therefore, the node radio station is silenced only by radio signals that can be received and decoded by the node radio station.

本発明者らは、第2の実施形態に係る無線通信システムについて以下のようにシミュレーションを行い、以下の結果を得た。ここで、クアルネット3.1(非特許文献12参照。)を使用し、ストリングトポロジーにおいて、「E−MAC」と称する本発明者らが提案しているMACプロトコルと、「IEEE802.11(全方向性)」と称する全方向性IEEE802.11と、「D−MAC」と称する従来型の指向性MACプロトコルとの比較評価を行った。また、D−MACでは、RTS、CTS、DATA及びACKパケットを指向性パターンであるセクタパターンを用いて送信する。無線通信していない静止したノード無線局は、距離300mで分離される。1024バイトのCBRパケットは、2Mbpsを超えるデータ速度で5.4ミリ秒間隔で送信される。RTS/CTS/ビーコン信号における先行トーン信号の持続時間は200マイクロ秒である。   The present inventors performed a simulation as follows for the wireless communication system according to the second embodiment, and obtained the following results. Here, using the Qualnet 3.1 (see Non-Patent Document 12), in the string topology, the MAC protocol proposed by the present inventors called “E-MAC” and “IEEE802.11 (omnidirectional)” A comparative evaluation was made between the omni-directional IEEE 802.11, designated as "D", and the conventional directional MAC protocol, designated as "D-MAC". In D-MAC, RTS, CTS, DATA, and ACK packets are transmitted using a sector pattern that is a directivity pattern. Stationary node radio stations that are not in radio communication are separated by a distance of 300 m. 1024-byte CBR packets are transmitted at 5.4 millisecond intervals at data rates in excess of 2 Mbps. The duration of the preceding tone signal in the RTS / CTS / beacon signal is 200 microseconds.

まず、指向性利得が全方向性利得と等しい理想のケースでの評価を行った。図23及び24における結果は、E−MACがD−MACより遙かに性能が良く、かつその性能はIEEE802.11(全方向性)のそれに匹敵することを示している。非特許文献4において指摘されているような隠れ端末及び難聴問題により、D−MACはストリングトポロジーでは性能が低い。しかしながら、E−MACは、ホップ数が増えればIEEE802.11(全方向性)より性能が良い。しかし、現実的には、アンテナの指向性利得は全方向性利得より大きい。従って、本発明者らは、全方向性利得より大きい5.4dBiの指向性利得を有するE−MACについて評価した。IEEE802.11の場合と同様に、受信機感度(RS)は受信機しきい値(RT)より低く保持されている。グラフ「E−MAC(RS<RT)」は、アンテナの利得が等しくなくてもE−MACの性能は低下しないことを示している。   First, evaluation was performed in an ideal case where the directivity gain is equal to the omnidirectional gain. The results in FIGS. 23 and 24 show that E-MAC performs much better than D-MAC and its performance is comparable to that of IEEE 802.11 (omnidirectional). Due to hidden terminals and deafness problems as pointed out in Non-Patent Document 4, D-MAC has low performance in string topology. However, E-MAC performs better than IEEE 802.11 (omnidirectional) as the number of hops increases. However, in reality, the directivity gain of the antenna is larger than the omnidirectional gain. Therefore, the inventors evaluated an E-MAC having a directional gain of 5.4 dBi that is greater than the omnidirectional gain. As in the case of IEEE 802.11, the receiver sensitivity (RS) is kept below the receiver threshold (RT). The graph “E-MAC (RS <RT)” indicates that the performance of the E-MAC does not deteriorate even when the antenna gains are not equal.

図29及び図30を参照して説明したように、IEEE802.11の規格に係るMACプロトコルによれば、ノード無線局N,N間の無線通信の進行中、搬送波検出エリアAc1内のノード無線局は無為に存在しているしかない。搬送波検出エリアAc1内の例えばノード無線局Nである任意のノード無線局がノード無線局N,N間の無線通信の進行中に無線通信を開始すれば、ノード無線局Nは全方向的に受信しているためにノード無線局Nにおいて干渉が発生することから、オムニパターンアンテナを使用することが必要である。しかしながら、指向性アンテナを使用すれば、ノード無線局Nはそのセクタパターンをノード無線局Nの方へ回転することが可能であって、他のすべての方向へはヌルが形成され、よって他の方向からの干渉の機会は最小限に抑えられる。これで、ノード無線局Nが無線通信を開始しても、ノード無線局Nからの無線信号はノード無線局Nにおいて干渉を発生させることはできない。従って、指向性アンテナを使用し、受信機感度と受信機しきい値とを実質的に等しくすることにより、SDMAの効率を向上させることができる。それ故、ノード無線局は、そのノード無線局によって受信されかつ復号化される信号強度を有する無線信号によってのみ沈黙状態に保持される。 As described with reference to FIGS. 29 and 30, according to the MAC protocol according to the IEEE 802.11 standard, the wireless communication between the node wireless stations N A and N B is in progress in the carrier detection area A c1 . Node radio stations can only exist involuntarily. If start wireless communication is in progress wireless communication between the carrier detection area A c1 in the example node radio station N C is any node radio stations Node radio station N A, N B, the node radio station N B is since the interference occurs at the node radio station N B to have received omnidirectionally, it is necessary to use an omni pattern antenna. However, the use of directional antennas, the node radio station N B is be capable of rotating the sector pattern towards the node radio station N A, a null is formed to all other directions, thus The opportunity for interference from other directions is minimized. Now, even if the node radio station N C starts radio communication, the radio signal from the node radio station N C can not make interference in the node radio station N B. Therefore, the efficiency of SDMA can be improved by using directional antennas and making receiver sensitivity and receiver threshold value substantially equal. Therefore, the node radio station is kept in silence only by radio signals having signal strengths that are received and decoded by the node radio station.

図25及び図26では、「E−MAC(RS=RT)」のグラフが、ストリングトポロジーにおけるE−MACの利得の向上を示し、これは「IEEE802.11(全方向性)」の場合のほぼ2倍である。E−MACはまた、図27及び図28から明らかなように、取得される最大利得が「IEEE802.11(全方向性)」の場合のほぼ4倍であるパラレルトポロジーでも「IEEE802.11(全方向性)」の性能を凌いでいる。   In FIG. 25 and FIG. 26, the graph of “E-MAC (RS = RT)” shows the improvement of the gain of E-MAC in the string topology, which is almost the same as the case of “IEEE802.11 (omnidirectional)”. 2 times. As is clear from FIGS. 27 and 28, the E-MAC is also used in a parallel topology in which the maximum gain obtained is about four times that of “IEEE802.11 (omnidirectional)”. Direction)).

以上説明したように、本実施形態によれば、受信機指向性の方向探索方法を用いて、方向情報を保持することが可能であり、かつDNAVを有する全方向性RTS/CTSが露出端末問題及び隠れ端末問題に有効である、効果的な指向性MACプロトコルを提示している。受信機感度と受信機しきい値とを等しくした場合の組合せでは、従来技術の全方向性IEEE802.11に比較して、スループットはストリングトポロジーで2倍、パラレルトポロジーで4倍の向上が可能である。   As described above, according to the present embodiment, it is possible to hold direction information by using the direction-directing method of receiver directivity, and omnidirectional RTS / CTS having DNAV is an exposed terminal problem. And an effective directional MAC protocol that is effective for the hidden terminal problem. When the receiver sensitivity and the receiver threshold are equal, the throughput can be improved by 2 times in the string topology and 4 times in the parallel topology compared to the conventional omnidirectional IEEE 802.11. is there.

本発明に係る第1の実施形態であるアドホック無線ネットワークを構成する複数の無線局1−1乃至1−9の平面配置図である。1 is a plan layout diagram of a plurality of radio stations 1-1 to 1-9 that constitute an ad hoc radio network according to a first embodiment of the present invention. 図1の各無線局1の内部構成を示すブロック図である。FIG. 2 is a block diagram showing an internal configuration of each wireless station 1 in FIG. 1. 図1の可変ビームアンテナ101のセクタビームパターンの一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the sector beam pattern of the variable beam antenna 101 of FIG. 図1のアドホック無線ネットワークにおいて用いられるパケットデータのフォーマットを示す図である。It is a figure which shows the format of the packet data used in the ad hoc wireless network of FIG. 図2のデータベースメモリ154において格納される方位角及び信号強度レベルテーブル(ASテーブル)の一例を示す表である。3 is a table showing an example of an azimuth and signal intensity level table (AS table) stored in the database memory 154 of FIG. 2. 図2のデータベースメモリ154において格納され、第1の実施形態の変形例において用いるDNAV制御テーブルの一例を示す表である。It is a table | surface which shows an example of the DNAV control table stored in the database memory 154 of FIG. 2, and used in the modification of 1st Embodiment. 図1のアドホック無線ネットワークにおいて用いられるトーン信号とパケット信号の送受信処理を示すタイミングチャートである。2 is a timing chart showing transmission / reception processing of tone signals and packet signals used in the ad hoc wireless network of FIG. 1. 第1の実施形態において用いられる各ノード無線局での放射パターンの種類と無線通信プロトコルを示すタイミングチャートである。It is a timing chart which shows the kind of radiation pattern and radio | wireless communication protocol in each node radio station used in 1st Embodiment. 第1の実施形態の変形例において用いられる各周辺隣接無線局での放射パターンの種類と無線通信プロトコルを示すタイミングチャートである。It is a timing chart which shows the kind of radiation pattern and radio | wireless communication protocol in each adjacent neighboring radio station used in the modification of 1st Embodiment. 第1の実施形態において、指向性アンテナを用いて改善されたSDMA効率を有する無線通信システムにおける各ノード無線局の放射パターンを示す平面図である。In a 1st embodiment, it is a top view showing a radiation pattern of each node radio station in a radio communications system which has improved SDMA efficiency using a directional antenna. 第1の実施形態において用いる、電子制御導波器アレーアンテナ装置であるアレーアンテナ装置100を用いたアレーアンテナの制御装置の構成例を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structural example of the control apparatus of the array antenna using the array antenna apparatus 100 which is an electronically controlled waveguide array antenna apparatus used in 1st Embodiment. 図11のアレーアンテナ装置100の縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view of the array antenna apparatus 100 of FIG. 第1の実施形態のシミュレーションにおいて用いた種々の異なったアンテナ放射パターンであって、(a)は図11のアレーアンテナの制御装置100の方位角Ad=0度のときの放射パターンの平面図であり、(b)は図11のアレーアンテナの制御装置100の方位角Ad=30度のときの放射パターンの平面図であり、(c)は公知のクアルネットにおけるデフォルトの切り換えアンテナの放射パターンを示す平面図であり、(d)は理想的な指向性アンテナの放射パターンを示す平面図である。FIG. 11A is a plan view of a radiation pattern when the azimuth angle Ad = 0 degrees of the array antenna control apparatus 100 of FIG. 11, showing various different antenna radiation patterns used in the simulation of the first embodiment. FIG. 11B is a plan view of a radiation pattern when the azimuth angle Ad = 30 degrees of the array antenna control apparatus 100 of FIG. 11, and FIG. 10C shows a radiation pattern of a default switching antenna in a known qualnet. It is a top view, (d) is a top view which shows the radiation pattern of an ideal directional antenna. 第1の実施形態の変形例で用いるDNAV法を説明するための平面図である。It is a top view for demonstrating the DNAV method used in the modification of 1st Embodiment. 図2の管理制御部151によって実行される無線通信制御処理を示す状態遷移図である。It is a state transition diagram which shows the radio | wireless communication control process performed by the management control part 151 of FIG. 第1の実施形態において、送信無線局Nからの電波を受信無線局Nによって捕捉するときの受信しきい値が、別の送信無線局Nからの干渉波を許容するために十分に高いときを説明するための平面図である。In the first embodiment, the reception threshold when the radio wave from the transmission radio station N n is captured by the reception radio station N m is sufficient to allow an interference wave from another transmission radio station N p. It is a top view for demonstrating when it is high. 第1の実施形態のシミュレーション結果であって、各種のアンテナを用いたときのデータレートに対する平均スループットを示すグラフである。It is a simulation result of 1st Embodiment, Comprising: It is a graph which shows the average throughput with respect to a data rate when using various antennas. 第1の実施形態のシミュレーション結果であって、各種のアンテナを用いたときのデータレートに対する1ホップの平均エンド・ツー・エンド遅延時間を示すグラフである。It is a simulation result of 1st Embodiment, Comprising: It is a graph which shows the 1 hop average end-to-end delay time with respect to the data rate when using various antennas. 第1の実施形態のシミュレーション結果であって、各種のアンテナを用いたときの同時通信数に対する平均スループットを示すグラフである。It is a simulation result of 1st Embodiment, Comprising: It is a graph which shows the average throughput with respect to the number of simultaneous communications when using various antennas. 第1の実施形態のシミュレーション結果であって、各種のアンテナを用いたときの同時通信数に対する1ホップの平均エンド・ツー・エンド遅延時間を示すグラフである。It is a simulation result of 1st Embodiment, Comprising: It is a graph which shows the average end-to-end delay time of 1 hop with respect to the number of simultaneous communications when using various antennas. 第2の実施形態に係るアドホック無線ネットワークにおけるマルチホップの無線通信制御処理を実行する各無線局の平面図である。It is a top view of each radio station which performs multihop radio communication control processing in an ad hoc radio network concerning a 2nd embodiment. 図21のマルチホップの無線通信制御処理における作用効果を説明するための各無線局の平面図である。FIG. 22 is a plan view of each wireless station for describing the operational effects in the multi-hop wireless communication control process of FIG. 21. 第2の実施形態のシミュレーション結果であって、各種の無線MAC通信制御手順を用いたときに、ストリングトポロジーで指向性アンテナの利得がオムニパターンアンテナの利得に等しいときのホップ数に対する平均スループットを示すグラフである。It is a simulation result of 2nd Embodiment, Comprising: The average throughput with respect to the number of hops when the gain of a directional antenna is equal to the gain of an omni pattern antenna in a string topology when using various wireless MAC communication control procedures It is a graph. 第2の実施形態のシミュレーション結果であって、各種の無線MAC通信制御手順を用いたときに、ストリングトポロジーで指向性アンテナの利得がオムニパターンアンテナの利得に等しいときのホップ数に対する平均エンド・ツー・エンド遅延時間を示すグラフである。FIG. 6 is a simulation result of the second embodiment, and when using various wireless MAC communication control procedures, the average end-to-hop with respect to the number of hops when the gain of a directional antenna is equal to the gain of an omni-pattern antenna in a string topology. -It is a graph which shows end delay time. 第2の実施形態のシミュレーション結果であって、各種の無線MAC通信制御手順を用いたときに、ストリングトポロジーで指向性アンテナの利得がオムニパターンアンテナの利得よりも大きいときのホップ数に対する平均スループットを示すグラフである。The simulation results of the second embodiment show the average throughput with respect to the number of hops when the gain of the directional antenna is larger than the gain of the omni pattern antenna in the string topology when various wireless MAC communication control procedures are used. It is a graph to show. 第2の実施形態のシミュレーション結果であって、各種の無線MAC通信制御手順を用いたときに、ストリングトポロジーで指向性アンテナの利得がオムニパターンアンテナの利得よりも大きいときのホップ数に対する平均エンド・ツー・エンド遅延時間を示すグラフである。The simulation results of the second embodiment, when using various wireless MAC communication control procedures, the average end hop count with respect to the number of hops when the gain of the directional antenna is larger than the gain of the omni pattern antenna in the string topology It is a graph which shows a two end delay time. 第2の実施形態のシミュレーション結果であって、各種の無線MAC通信制御手順を用いたときに、パラレルトポロジーで指向性アンテナの利得がオムニパターンアンテナの利得よりも大きいときのホップ数に対する平均スループットを示すグラフである。The simulation results of the second embodiment show the average throughput with respect to the number of hops when the gain of the directional antenna is larger than the gain of the omni-pattern antenna in the parallel topology when various wireless MAC communication control procedures are used. It is a graph to show. 第2の実施形態のシミュレーション結果であって、各種の無線MAC通信制御手順を用いたときに、パラレルトポロジーで指向性アンテナの利得がオムニパターンアンテナの利得よりも大きいときのホップ数に対する平均エンド・ツー・エンド遅延時間を示すグラフである。The simulation result of the second embodiment, when using various wireless MAC communication control procedures, the average end hop count with respect to the number of hops when the gain of the directional antenna is larger than the gain of the omni pattern antenna in the parallel topology. It is a graph which shows a two end delay time. 第2の実施形態においてオムニパターンアンテナを用いたときの送信エリアAt1、受信エリアAr1及び搬送波検出エリアAc1を示す平面図である。FIG. 10 is a plan view showing a transmission area A t1 , a reception area A r1 and a carrier wave detection area A c1 when an omni pattern antenna is used in the second embodiment. 第2の実施形態において指向性アンテナを用いたときの送信エリアAt1、受信エリアAr1及び搬送波検出エリアAc1を示す平面図である。FIG. 10 is a plan view showing a transmission area A t1 , a reception area A r1, and a carrier wave detection area A c1 when a directional antenna is used in the second embodiment.

符号の説明Explanation of symbols

A0…励振素子、
A1乃至A6…非励振素子、
…発信元無線局、
…宛先無線局、
,N…隣接無線局、
1,1−1乃至1−9,1−i,1−j,1−k,N,N,N,N,N,N,N,N,N…ノード無線局、
1L…低雑音増幅器(LNA)、
2…ダウンコンバータ、
3…A/D変換器、
4…復調器、
5…給電用同軸ケーブル、
6…サーキュレータ、
7…無線送信機、
11…接地導体、
12−1乃至12−6…可変リアクタンス素子、
20…適応制御型コントローラ、
21…学習シーケンス信号発生器、
100…アレーアンテナ装置。
101…可変ビームアンテナ、
102…サーキュレータ、
103…指向制御部、
104…パケット送受信部、
105…トラヒックモニタ部、
106…回線制御部、
107…上位レイヤ処理装置、
130…パケット受信部、
131…高周波受信機、
132…復調器、
133…受信バッファメモリ、
140…パケット送信部、
141…送信タイミング制御部、
142…送信バッファメモリ、
143…変調器、
144…高周波送信機、
151…管理制御部、
152…検索エンジン、
153…更新エンジン、
154…データベースメモリ、
155…クロック回路、
160…拡散符号発生器。
A0: Excitation element,
A1 to A6 ... non-excited elements,
N S ... originating radio station,
N D ... destination radio station,
N X , N Y ... adjacent radio stations,
1, 1-1 to 1-9,1-i, 1-j, 1-k, N s, N r, N n, N m, N p, N q, N A, N B, N C ... node Radio station,
1L ... Low noise amplifier (LNA),
2 ... Down converter,
3 ... A / D converter,
4 ... demodulator,
5 ... Coaxial cable for feeding,
6 ... circulator,
7 ... Wireless transmitter,
11: Ground conductor,
12-1 to 12-6 ... variable reactance element,
20 ... Adaptive control type controller,
21 ... Learning sequence signal generator,
100: Array antenna device.
101 ... Variable beam antenna,
102 ... circulator,
103 ... Direction control unit,
104 ... packet transmission / reception unit,
105 ... Traffic monitor section,
106 ... line control unit,
107 ... upper layer processing apparatus,
130: Packet receiver,
131 ... high frequency receiver,
132: demodulator,
133: Receive buffer memory,
140 ... packet transmitter,
141. Transmission timing control unit,
142 ... transmission buffer memory,
143 ... modulator,
144 ... high frequency transmitter,
151... Management control unit,
152 ... Search engine,
153 ... Update engine,
154 ... Database memory,
155 ... Clock circuit,
160. Spread code generator.

Claims (4)

それぞれ所定のビーム幅を有するセクタパターンと無指向性のビームパターンの双方のビームを形成できるアンテナをそれぞれ含む複数の無線局を備え、上記複数の無線局のうちの発信元無線局と宛先無線局との間で複数ホップで無線通信を行う無線ネットワークのための制御方法において、
送信元からの通信開始制御信号(RTS:Request To Send)、及び受信元からの通信受付信号(CTS:Clear To Send)を双方ともに無指向性アンテナで送信し、データ信号(DATA)と受信完了通知信号(ACK:Acknowledge)を指向性で送信するステップと、
他の無線局からの無線信号をオムニパターン又はセクタパターンを用いて検出し、セクタパターンを用いてすべての方位角にわたってアンテナのビーム方向を回転して最大の信号強度を有する方位角を探索した後、上記検出した無線信号が無線通信を行う無線局でないときに、当該無線局の方位角に対するセクタパターンを用いて無線通信を行うことを禁止するステップを含むことを特徴とする無線ネットワークの制御方法。
A plurality of radio stations each including an antenna capable of forming both a sector pattern having a predetermined beam width and an omnidirectional beam pattern, and a source radio station and a destination radio station of the plurality of radio stations In a control method for a wireless network that performs wireless communication with multiple hops between
A communication start control signal (RTS: Request To Send) from the transmission source and a communication reception signal (CTS: Clear To Send) from the reception source are both transmitted by the omnidirectional antenna, and the data signal (DATA) and reception are completed. Transmitting a notification signal (ACK: Acknowledge) with directivity;
After detecting a radio signal from another radio station using an omni pattern or sector pattern and rotating the beam direction of the antenna over all azimuth angles using the sector pattern to search for the azimuth angle with the maximum signal strength And a wireless network control method comprising a step of prohibiting wireless communication using a sector pattern with respect to an azimuth angle of the wireless station when the detected wireless signal is not a wireless station performing wireless communication. .
上記各無線局はセクタパターンを用いて無線送信し、上記各無線局においてそれぞれ互いに、受信機感度と受信機しきい値とを実質的に等しく設定したことを特徴とする請求項1記載の無線ネットワークのための制御方法。   2. The radio according to claim 1, wherein each radio station performs radio transmission using a sector pattern, and the receiver sensitivity and the receiver threshold are set to be substantially equal to each other in each radio station. Control method for the network. それぞれ所定のビーム幅を有するセクタパターンと無指向性のビームパターンの双方のビームを形成できるアンテナをそれぞれ含む複数の無線局を備え、上記複数の無線局のうちの発信元無線局と宛先無線局との間で複数ホップで無線通信を行う無線ネットワークのための制御装置において、
送信元からの通信開始制御信号(RTS:Request To Send)、及び受信元からの通信受付信号(CTS:Clear To Send)を双方ともに無指向性アンテナで送信し、データ信号(DATA)と受信完了通知信号(ACK:Acknowledge)を指向性で送信する手段と、
他の無線局からの無線信号をオムニパターン又はセクタパターンを用いて検出し、セクタパターンを用いてすべての方位角にわたってアンテナのビーム方向を回転して最大の信号強度を有する方位角を探索した後、上記検出した無線信号が無線通信を行う無線局でないときに、当該無線局の方位角に対するセクタパターンを用いて無線通信を行うことを禁止する手段とを備えたことを特徴とする無線ネットワークの制御装置。
A plurality of radio stations each including an antenna capable of forming both a sector pattern having a predetermined beam width and an omnidirectional beam pattern, and a source radio station and a destination radio station of the plurality of radio stations In a control device for a wireless network that performs wireless communication with multiple hops between
A communication start control signal (RTS: Request To Send) from the transmission source and a communication reception signal (CTS: Clear To Send) from the reception source are both transmitted by the omnidirectional antenna, and the data signal (DATA) and reception are completed. Means for transmitting a notification signal (ACK: Acknowledge) with directivity;
After detecting a radio signal from another radio station using an omni pattern or sector pattern and rotating the beam direction of the antenna over all azimuth angles using the sector pattern to search for the azimuth angle with the maximum signal strength And a means for prohibiting wireless communication using a sector pattern with respect to the azimuth angle of the wireless station when the detected wireless signal is not a wireless station performing wireless communication. Control device.
上記各無線局はセクタパターンを用いて無線送信し、上記各無線局においてそれぞれ互いに、受信機感度と受信機しきい値とを実質的に等しく設定したことを特徴とする請求項3記載の無線ネットワークのための制御装置。
4. The radio according to claim 3, wherein each radio station performs radio transmission using a sector pattern, and the receiver sensitivity and the receiver threshold are set to be substantially equal to each other in each radio station. Control device for the network.
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