CN101513110A - 无线通信系统以及无线通信方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种无线通信系统以及无线通信方法。无线通信系统的基站利用多个波束天线，从多个天线元件向对应的多个特定地域以时分方式放射同一频率的电波而形成多个点波束，使用多个信标信道分别发送通知信息，特定地域的任一个中存在的终端如果接收到通知信息，则选择最佳的信标信道，使用与对通过所选择的信标信道接收到的通知信息中包含的天线元件进行识别的信息对应的请求信道，向基站发送通信建立要求以及频带要求，基站如果接收到通信建立要求以及频带要求，则在针对要求终端分配信道的情况下，调度包括下行和上行链路数据频带等的信道分配时间。

Description

无线通信系统以及无线通信方法
技术领域
本发明涉及基站与多个终端以无线方式进行通信的无线通信系统以及无线通信方法，涉及基站具有多个指向性天线、且仅在终端存在的特定地域确保通信时间的无线通信系统以及无线通信方法。
背景技术
以往的无线LAN(Local Area Network，局域网)系统、超宽带(UWB：Ultra Wide Band)无线系统中使用的天线大多还依赖于其系统中使用的频带的特性，具有比较广角的指向性。因此，可利用的应用(application)、可对应的环境也是各式各样的，可预想到在今后也会普及。但是，近年来无线通信的传送速度的高速化要求越来越高，进而正在研究使用了可以确保超宽带的毫米波带等的无线通信系统(IEEE 802.15.3c)。
与微波带相比，毫米波带具有直线前进性高且干扰影响少的同时可确保隐秘性的优点，目前代替有线通信，在楼间通信、家用电视的影像传送系统等的一部分中被使用，并且还作为标准规格制定了“ARIB STD-T69”或“ARIB STD-T74”等。
作为以往的无线通信系统，提出了设置有具有多个天线的控制站和多个终端站的系统(例如参照专利文献1)。在该以往的无线通信系统的控制站侧，使用多个天线依次接收来自多个终端站的信号，对使用各天线接收到的信号的质量进行测定，在与终端站的通信中使用接收到质量最高的信号的天线。
专利文献1：日本特开平7-135675号公报
发明要解决的课题
但是，一般毫米波带与微波带等相比，空间中的功率衰减大，所以存在通信地域被限定、使用环境和应用被限定这样的问题。
另外，在上述那样的以往的无线通信系统中，并未以快的传送速度、隐秘性的确保等为目的。
发明内容
本发明是为了解决上述那样的课题而完成的，其目的在于提供一种无线通信系统以及无线通信方法，可以确保快的传送速度以及隐秘性，并且可以在宽范围的地域中实现高效的通信。
用于解决课题的方案
本发明的无线通信系统在基站与多个终端之间使用直线前进性高的频带以无线方式进行通信，其特征在于，上述基站具备由多个天线构成的多个波束天线，利用上述多个波束天线，从上述多个天线向对应的多个特定地域，在同一定时不重复地以时分方式放射同一频率的电波而形成多个点波束，分配了基站与终端之间的通信信道的帧包括：作为从基站向全部终端的信道的、对上述天线单位分配的多个信标信道；作为从全部终端向基站的信道的、对上述天线单位分配的多个请求信道；以及对要求终端分配的下行链路数据信道和上行链路数据信道，上述基站使用上述多个信标信道，从各天线分别发送包括识别上述天线的信息的通知信息，上述多个特定地域的任一个中存在的终端如果通过上述信标信道接收到上述通知信息，则选择最佳的信标信道，使用上述多个请求信道中的、与通过所选择的最佳的信标信道接收到的通知信息中包含的对天线进行识别的信息对应的请求信道，向上述基站发送包括识别上述天线的信息的通信建立要求以及包括所希望的通信频带的频带要求，上述基站如果通过上述请求信道接收到上述通信建立要求以及频带要求，则针对要求终端判断是否对上述帧分配信道，在分配信道的情况下，调度用于与上述要求终端进行通信的调制方式和编码方式、以及包括下行链路数据信道和上行链路数据信道的信道分配时间。
发明的效果
本发明的无线通信系统起到如下效果：可以确保快的传送速度以及隐秘性，并且可以在宽范围的地域中实现高效的通信。
附图说明
图1是示出本发明的实施例1的无线通信系统的结构的图。
图2是示出本发明的实施例1的无线通信系统的基站的结构的框图。
图3是示出本发明的实施例1的无线通信系统的终端的结构的框图。
图4是示出本发明的实施例1的无线通信系统的另一结构的图。
图5是示出本发明的实施例1的无线通信系统的帧的结构的图。
图6是示出本发明的实施例1的无线通信系统的帧的另一结构的图。
图7是示出在本发明的实施例1的无线通信系统中终端向基站连接的步骤的流程图。
图8是示出本发明的实施例2的无线通信系统的帧的结构的图。
图9是示出在本发明的实施例3的无线通信系统中在扇区之间产生干扰时的例子的图。
图10是示出本发明的实施例1的无线通信系统的帧的又一结构的图。
图11是示出本发明的实施例4的无线通信系统的MAC帧的详细结构的图。
图12是示出本发明的实施例4的无线通信系统的MAC Header(MAC头)的结构例的图。
图13是示出本发明的实施例4的无线通信系统的MAC Header的结构例的图。
图14是示出本发明的实施例5的无线通信系统的帧的结构的图。
图15是示出本发明的实施例5的无线通信系统的利用Beacon帧(信标帧)发送的BCCH信息要素的图。
图16是示出本发明的实施例5的无线通信系统的FCH的信息要素的图。
图17是示出本发明的实施例6的无线通信系统的帧的结构的图。
图18是示出本发明的实施例7的无线通信系统的基站的结构的框图。
图19是示出本发明的实施例7的无线通信系统的帧的结构的图。
图20是示出在本发明的实施例7的无线通信系统中终端向基站连接的步骤的流程图。
图21是示出本发明的实施例8的无线通信系统的帧的结构的图。
图22是示出在本发明的实施例8的无线通信系统中终端向基站连接的步骤的流程图。
具体实施方式
以下对本发明的实施例1～实施例8进行说明。
实施例1
参照图1至图7以及图10对本发明的实施例1的无线通信系统进行说明。图1是示出本发明的实施例1的无线通信系统的结构的图。另外，以后在各图中，同一标号表示同一或相当的部分。
在图1中，在本实施例1的无线通信系统中，设置有基站1和多台(例如三台)终端2。基站1例如设置于建筑物的天花板，具有天线的个人电脑等终端2设置在建筑物的地面(floor)。基站1与终端2的空间上的配置不限于此。基站1也可以设置于建筑物的侧壁。另外，也可以将两者上下颠倒过来，例如将基站1设置在建筑物的地面，将终端2设置于建筑物的天花板。而且，基站1与终端2的空间上的配置不限于建筑物内，只要是电波到达的范围内则可以是任意的。
设置在基站1中的多个波束天线11由多个(例如七个)扇区12构成，各扇区12分别从多个天线元件13放射同一频率的电波(例如毫米波带)。从一个扇区12内的多个天线元件13放射的频率设为使用同一频率，且不会在同一定时重复放射。另外，在图1的例子中，中央的扇区12使用频率f1，其上的扇区12使用频率f4，以下按照顺时针方向的五个扇区12依次使用频率f2、f3、f4、f2、f3。即，在邻接的扇区12彼此中使用不同频率，在有间隔的扇区12彼此中使用同一频率。另外，用一台基站1覆盖规定的无线通信地域。
在图1中，构成一个扇区12的天线元件13的数量是“20”(天线元件编号0～19)，所以20个天线元件13在分别不同的定时向各自形成的各特定地域放射点波束。终端2在存在于由基站1的各天线元件13形成点波束的任意一个特定地域内的情况下，通过该天线元件13与基站1进行通信。另外，构成一个扇区12的天线元件13的数量不限于20个，既可以是10个，也可以是50个，是自由的。而且，天线元件13可以由多个天线元件构成，只要可以向特定的地域放射电波，则也可以使用自适应阵列天线等来构成扇区12。
图2是示出本发明的实施例1的无线通信系统的基站的结构的框图。
在图2中，在基站1中设置有构成多个波束天线11的多个(例如7×20＝140个)指向性天线元件13、切换部14、IF/RF部15、调制解调部16、以及控制部17。
另外，在调制解调部16中设置有编码器(ENC：Encoder)161、调制器(MOD：Modulator)162、逆快速傅立叶变换(IFFT：InverseFast Fourier Transform)部163、保护间隔(+GI：Guard Interval)附加部164、保护间隔(-GI：Guard Interval)去除部165、快速傅立叶变换(FFT：Fast Fourier Transform)部166、解调器(DEM：Demodulator)167、解码器(DEC：Decoder)168、以及质量测定部169。
并且，在控制部17中设置有帧分析部171、重发控制部172、调度器173。
如图2所示，多个天线元件13与切换部14连接。该切换部14以仅按照所要求的连接时间、连接间隔与各天线元件13连接的方式进行切换。IF/RF部15与调制解调部16连接，将来自该调制解调部16的发送数字信号变换成模拟，从IF频率向RF频率进行上变频(upconvert)。另外，IF/RF部15将来自切换部14的接收信号从RF频率向IF频率进行下变频并进行数字变换，作为接收数字信号输出到调制解调部16。
另外，调制解调部16进行数字无线信号处理。在该调制解调部16内的调制部分中，针对从控制部17输入的发送数据包利用编码器(ENC)161实施纠错处理，在调制器(MOD)162中根据调制度，进行I、Q映射处理。在逆快速傅立叶变换部(IFFT)163以及保护间隔附加部(+GI)164中，进行正交频分复用(OFDM：OrthogonalFrequency Division Multiplexing)调制处理。
在调制解调部16内的解调部分中，针对从IF/RF部15输入的接收数字信号使用保护间隔去除部(-GI)165以及快速傅立叶变换部(FFT)166进行正交频分复用(OFDM)解调处理。在解调器(DEM)167中进行I、Q解映射(de mapping)处理，并在解码器(DEC)168中进行解码处理后，接收数据包被输出到控制部17。在该调制解调部16中，作为无线调制解调方式示出了正交频分复用(OFDM)的例子，但本发明的无线通信系统例如既可以使用正交频分多址接入(OFDMA：Orthogonal Frequency Division Multiple Access)或多载波码分多址接入(MC-CDMA：Multi-Carrier Code DivisionMultiple Access)等多载波的调制方式，也可以使用频移键控(FSK：Frequency Shift Keying)、振幅键控(ASK：Amplitude Shift Keying)、正交振幅调制(QAM：Quadrature Amplitude Modulation)等单载波的调制方式(Single Carrier：单载波)，而不依赖于无线调制解调方式。而且，也可以兼用利用MIMO(Multiple Input Multiple Output，多输入多输出)等多个天线进行的空间复用传送技术。
并且，在质量测定部169中，使用接收数字信号，对来自终端2的接收信号的接收信号强度指示(RSSI：Received Signal StrengthIndicator)、载波对噪声功率比(CNR：Carrier to Noise power Ratio)等无线通信质量进行测定，并输出到控制部17。
控制部17向调制解调部16发送来自网络或应用的发送数据包，并且从调制解调部16接收接收数据包。帧分析部171生成并分析数据包，重发控制部172在无线线路中发生了错误的情况下进行数据包重发处理。调度器173根据来自终端2的频带要求、无线通信质量、服务的质量(QoS：Quality of Service)以及传输状况，对帧内的下行链路(Downlink)/上行链路(Uplink)的频带(区域)分配进行控制。
另外，该调度器173还管理各天线元件13针对切换部14的连接时间、连接间隔。即，调度器173经由调制解调部16以及IF/RF部15对切换部14指示各天线元件13的连接时间、连接间隔，使得周期性地分别发送以及接收信标信道(Beacon ch)以及请求信道(Requestch)。在从终端2通过请求信道接收到通信建立要求的情况下，调度器173考虑通过请求信道的来自终端2的频带要求、由质量测定部169测定的终端2的无线通信质量、与应用相应的服务的质量以及基站1所管理的无线通信地域的总传输状况等，判断是否对固定长度的帧分配信道。在判断为分配信道的情况下，通过信标信道(Beacon ch)和帧控制头(FCH：Frame Control Header)，对终端2通知有无信道分配、以及下行链路/上行链路的频带量(区域量)、帧中的位置(用从基准数据(例如开头的数据)起的时间、码元数来确定)、调制方式以及编码方式(编码率)等来作为信道结构。
图3是示出本发明的实施例1的无线通信系统的终端的结构的框图。
该图3说明终端2的框结构，但关于与图2的基站的框图相同的部分，仅举出框结构的名称，而省略其功能、动作的说明。
天线23由单一的天线元件构成，切换部24切换天线23的发送连接时间与接收连接时间。控制部27不具备调度器。另外，天线23也可以与图2同样地由从多个天线元件放射的扇区构成。
在终端2中，下行链路数据(Downlink Data)经由天线23、切换部24以及IF/RF部25，作为接收数字信号被输入到调制解调部26。在该调制解调部26中，进行解调处理以及解码处理，并且使用质量测定部269测定接收信号的质量。
即，在图3中，在终端2中设置有天线23、切换部24、IF/RF部25、调制解调部26、以及控制部27。
另外，在调制解调部26中设置有编码器(ENC)261、调制器(MOD)262、逆快速傅立叶变换(IFFT)部263、保护间隔(+GI)附加部264、保护间隔(-GI)去除部265、快速傅立叶变换(FFT)部266、解调器(DEM)267、解码器(DEC)268、以及质量测定部269。
进而，在控制部27中设置有帧分析部271和重发控制部272。
图4是示出本发明的实施例1的无线通信系统的另一结构的图。在图1中，设置于基站1的多个波束天线11由七个扇区12构成，但在图4中，设置于基站1的多个波束天线11由一个扇区12构成，所以也可以通过配置多台(例如七台)基站1来覆盖与图1相同的无线通信区域。另外，多台基站1既可以以有线方式相互连接，也可以以无线方式连接。
接下来，参照附图对本实施例1的无线通信系统的动作进行说明。
图5是示出本发明的实施例1的无线通信系统的帧的结构的图。在图5中，信标信道(Beacon ch 0～19)是从基站1的各天线元件13放射各自的通知信息的信道，包括基站编号、扇区编号、天线元件编号等识别各天线元件13的信息。另外，请求信道(Request ch 0～19)是从终端2对基站1进行用于建立通信的通信建立要求、频带要求的信道，终端2通过接收从基站1的各天线元件13放射的信标信道，选择最佳的信标信道，使用与最佳的信标信道编号对应的请求信道编号进行通信建立要求、频带要求。上述帧是固定长度，但也可以是可变长度。
作为最佳的信标信道的选择方法，考虑基于各信标信道的接收信号强度指示(RSSI)、载波对噪声功率比(CNR)等无线通信质量信息的方法、基于使用前导或导频等既知信息的终端2侧的相关检测结果的方法等。
图5图示出与图1的右下方所示的扇区(使用频率f3)12对应的帧的例子，但对于其他六个扇区12也可以并行地用同样的帧在基站1与终端2之间进行通信。即，在图1的例子中，用与七个扇区12分别对应的七个帧同时在基站1与终端2之间进行通信。
通过将信标信道以及请求信道设为固定长度，信标信道与请求信道的信道编号的对应关系变得明确。即，终端2在期望的定时发送期望的请求信道编号，从而基站1得知是与哪个天线元件13的信标信道对应的请求信道。此时，终端2在请求信道中包括确定自身的信息以及天线元件编号而进行发送。其中，通过在信标信道内包括对应的请求信道的定时信息，可以将信标信道以及请求信道设为可变长度。
从终端2通过请求信道接收到包括天线元件编号的通信建立要求的基站1根据从各终端2要求的服务质量、希望频带、通信时间等，决定天线元件13的连接时间、连接间隔，分别决定用于与接收到要求的各终端2进行通信的信道分配时间。另外，基站1根据从终端2接收到的请求信道的接收信号强度指示(RSSI)、载波对噪声功率比(CNR)等无线通信质量、所要求的频带、QoS以及传输状况等，决定调制方式以及编码方式(编码率)，决定上述的信道分配时间。
基站1通过帧控制头(FCH)对各终端2通知用于进行无线通信的各天线元件13的连接时间、即针对各终端2的信道分配时间。即，各终端2通过接收帧控制头(FCH)，可以掌握是否确认了自身的通信建立要求，同时可以掌握表示对自身分配的下行链路以及上行链路的频带、调制方式以及编码方式的信息。另外，基站1根据所通知的信息，决定针对自身控制的各天线元件13的连接时间、连接间隔。
图5是总计三台终端(用户)k0、k1以及k2分别分配了下行链路数据(Downlink Data)频带(区域)以及上行链路数据(Uplink Data)频带(区域)的例子。即，关于包括帧控制头(FCH)的数据(Data)区域，仅使用形成终端k0、k1以及k3所存在的特定地域的点波束的天线元件13。
图6是示出本发明的实施例1的无线通信系统的帧的另一结构的图。在图5中，示出了终端k0、k1以及k2这三台的下行链路数据频带(区域)以及上行链路数据频带(区域)的分配，但如图6所示当所存在的终端仅有一台的情况下，关于一个帧的数据频带(区域)，也可能被一个终端k0占有。另外，在图5以及图6中，对各终端分配的上行链路数据信道以及下行链路数据信道分别为一处，但帧结构不限于此。例如，也可以在图5中，进一步分割并重复分配对终端k0、k1以及k2分配的各信道。
另外，本实施例1的双工方式以时分双工(TDD：Time DivisionDuplex)为例子进行了说明，但本实施例1的无线通信系统也可以使用频分双工(FDD：Frequency Division Duplex)。而且，本实施例1的多址接入方式以时分多址接入(TDMA：Time Division MultipleAccess)为例子进行了说明，但本实施例1的无线通信系统也可以使用频分多址接入(FDMA：Frequency Division Multiple Access)、码分多址接入(Code Division Multiple Access)或载波侦听多路访问/冲突避免方式(CSMA/CA：Carrier Sense Multiple Access withCollision Avoidance)等，它们也可以不依赖于是否在同一超帧内而被并用。
图7是示出在本发明的实施例1的无线通信系统中终端向基站连接的步骤的流程图。
在步骤101～102中，终端2通过从基站1周期性地以时分方式发送的信标信道接收通知信息。通过基站1的调度器173从各天线元件13分别发送该信标信道。终端2通过调制解调部26，使用所接收到的信标信道的前导部(未图示)，针对期望的基站1取得自身的频率以及时间的同步。另外，通过帧分析部271选择最佳的信标信道的点波束，即选择发送了观测到最佳的无线通信质量的信标信道的天线元件13。
接下来，在步骤103中，终端2通过帧分析部271，使用与所选择的天线元件13的天线元件编号对应的请求信道，针对期望的基站1进行通信建立要求。此时，还对应地要求所希望的通信频带，即进行频带要求。在通过信标信道发送过来的通知信息中，包括基站编号、扇区编号、天线元件编号等识别各天线元件13的信息，针对每个天线元件编号，使各信标信道与各请求信道相对应。
图10是示出本发明的实施例1的无线通信系统的帧的又一结构的图。此处，如图10所示，关于信标信道与请求信道，例如使用上次的信标信道来通知其周期，如果终端2可以判断下次要发送的定时，则未必需要每帧都存在。
基站1如果从终端2通过请求信道接收到通信建立要求以及频带要求，则利用调度器173，根据从终端2要求的通信频带、要求终端的无线通信质量、QoS以及当前正在受理的其他终端的总传输量等，调度是否对要求终端分配信道、以及在分配的情况下对下行链路/上行链路分别分配多少频带。
调度器173在判断为对要求终端分配信道的情况下，通过信标信道对要求终端通知表示帧控制头(FCH)的存在有无以及帧中的位置的信息。在帧控制头(FCH)中，通知针对要求终端的下行链路/上行链路的频带量和帧中的位置。此时，也可以同时通知无线调制方式以及是否重发帧的信息。
接下来，在步骤104中，终端2利用帧分析部271，针对帧的下行链路以及上行链路分别进行接收以及发送，从而与基站1交换逻辑上的通信连接中所需的控制消息，由此完成逻辑上的通信连接，完成相互发送接收所需数据的准备。
在步骤105中，直到通信建立完成为止，反复进行步骤104的动作。即，与基站1交换逻辑上的通信连接中所需的控制消息。
在步骤106中，终端2也可以利用帧分析部271，在通信建立之后，使用请求信道针对基站1进行通信频带的追加或删除的频带要求。
这样在设置有从多个天线元件13放射同一频率电波的多个波束天线11的基站1中，从各天线元件13向分别形成的各特定地域，以时分方式、即不会在同一定时重复的方式放射点波束，使存在于各特定地域中的终端2与各天线13的关系相对应，从而可以仅使用放射终端2所存在的特定地域的点波束的天线元件13来进行通信，所以可以增大频率利用效率，并且可以降低功耗。
另外，仅使用放射终端2所存在的特定地域的点波束的天线元件13，从基站1放射点波束，所以可以确保隐秘性。
而且，仅使用放射终端2所存在的特定地域的点波束的天线元件13，从基站1放射点波束，所以可以减小向别处放射无用电波的现象，即可以降低干扰波，可以实现通信区域的扩大以及传送速度的高速化。
本实施例1示出了以作为物理特性而具有直线前进性高的性质的毫米波带为前提的无线通信系统的结构，但还可以用于使用了频率高的THz带等的无线通信系统，即使在使用了微波带等的无线通信系统中也可以应用于使用了指向性天线等的情况。
实施例2
参照图8对本发明的实施例2的无线通信系统进行说明。图8是示出本发明的实施例2的无线通信系统的帧的结构的图。另外，本实施例2的无线通信系统的结构与上述实施例1相同。
从终端2通过包括该天线元件编号的请求信道(Request ch)接收到通信建立要求的基站1根据从各终端2要求的服务质量、希望频带、通信时间等，决定该天线元件13的连接时间、连接间隔，分别决定用于与接收到要求的各终端2进行通信的信道分配时间。另外，基站1根据从终端2接收到的请求信道的接收信号强度指示(RSSI)、载波对噪声功率比(CNR)等无线通信质量、所要求的频带、QoS以及传输状况等，决定调制方式以及编码方式(编码率)，决定上述信道分配时间。
基站1如图8所示，通过与各天线元件13对应的信标信道(Beacon ch)对各终端2通知用于进行无线通信的各天线元件13的连接时间、即针对各终端2的信道分配时间。即，各终端2通过接收信标信道，不仅得到基站编号、扇区编号、天线元件编号等识别各天线13的信息，而且还可以掌握是否确认了自身的通信建立要求，同时可以掌握表示对自身分配的下行链路和上行链路的频带、调制方式以及解码方式的信息。另外，基站1根据所通知的信息，决定针对自身控制的各天线元件13的连接时间、连接间隔。
这样，通过将基站1对各终端2通知的表示下行链路和上行链路的频带、调制方式以及编码方式的信道分配时间与通知信息组合，可以高效地使用帧，而且可以缓和针对终端2的硬件以及软件处理延迟的要求。
实施例3
参照图9对本发明的实施例3的无线通信系统进行说明。图9是示出在本发明的实施例3的无线通信系统中在扇区之间产生干扰时的例子的图。另外，本实施例3的无线通信系统的结构与上述实施例1相同。
如图1所示，在多个波束天线11采用扇区结构的情况下，通过在同一无线通信地域内反复利用相同频率而平面地展开，进而可以形成宽范围的地域。此时，在终端2中使用的天线23的指向性为广角的情况下，即使在使扇区之间拉开距离时，有时在扇区之间也产生干扰。
图9(a)示出多个波束天线11的七个扇区的结构，图9(b)以及(c)示出扇区12a以及12b的各帧的结构。
如图9(a)所示，在有间隔的扇区12a以及扇区12b中使用同一频率f3的情况下，如果各个扇区12a、12b采用图9(b)以及(c)那样的帧结构，则由于终端2的天线23为广角，所以扇区12a的上行链路数据(Uplink Data)对扇区12b的下行链路数据(DownlinkData)产生干扰。
终端2的质量测定部269测定接收信号的质量。具体而言，对来自基站1的接收信号的接收信号强度指示(RSSI)、载波对噪声功率比(CNR)等无线通信质量进行测定，并输出到控制部27。此时，质量测定部269不仅对下行链路数据频带整体的无线通信质量进行测定，而且还对正交频分复用(OFDM)码元单位的无线通信质量或将下行链路数据频带分割为某特定的时间区域的各字段(field)的无线通信质量进行测定。
在控制部27中，与生成接下来的发送用数据包的定时对应地，将质量测定结果与上行链路数据一起报告给基站1。基站1通过接收从终端2报告的下行链路的无线通信质量，根据自身进行的调度结果，可以掌握所分配的下行链路数据频带的干扰量。因此，使用上述报告值以及针对下行链路数据的送达确认(ACK)的结果，适应地变更下行链路数据频带(区域)。
这样，基站1使用来自各终端2的下行链路数据的无线通信质量以及送达确认结果等，从而可以掌握自身先前分配的下行链路数据频带中的无线通信质量。使用该结果，可以回避无线通信质量劣化的频带(区域)而重新分配下行链路数据频带(区域)，或者可以变更分配天线元件13，可以在使用同一频率的天线元件之间降低电波干扰。
各基站1自主地进行本动作，从而可以提高使多个波束天线11利用频率重复而进行扇区化的系统整体的吞吐量。
另外，在图9中，示出了反复使用四个频率进行扇区化时的避免上行链路数据信道与下行链路数据信道之间的干扰(无线通信质量劣化)的例子，但本实施例不限于该结构。例如，既可以在全部扇区中使用同一频率，也可以是多个波束天线11不采用扇区结构而完全重叠。在该情况下，不仅是上行链路数据信道与下行链路数据信道之间的干扰，上行链路数据信道彼此以及下行链路数据信道彼此的干扰也变得更显著，但通过使各基站1自主地进行本实施例中示出的动作，可以降低干扰，可以提高系统整体的吞吐量。
实施例4
参照图11至图13对本发明的实施例4的无线通信系统进行说明。图11是示出本发明的实施例4的无线通信系统的MAC帧的详细结构的图。另外，本实施例4的无线通信系统的结构与上述实施例1相同。
在图11中，如果MAC(Medium Access Control，介质访问控制)从比MAC层靠上位的LLC层将数据(Data)、管理帧(Management frame)或控制帧(Control frame)作为MSDU(MACService Data Unit，MAC服务数据单元)接收或者生成，则向开头附加Subframe Header(子帧头)，并对于Subframe Header和MSDU，在末尾附加循环冗余校验(CRC：Cyclic Redundancy Check)，从而构筑MAC Subframe(MAC子帧)。另外，Subframe Header包括：作为用于检测开头位置的字符串的Delimiter(定界符)；表示子头种类的Type(类型)；表示针对MSDU的ACK策略(NoACK、BlockACK、NormalACK等)的ACK Policy(ACK策略)；表示BlockACK(块ACK)的种类(Go-back-N、Selective-Repeat等)的BlockACKType；表示是否对BlockACK的Bitmap(位图)信息进行压缩的CompressedBitmap(压缩位图)；表示MSDU长度的Length(长度)；表示MSDU的传输标识符或要求传输种类的TID(TrafficID：传输ID)；表示序列号、分段号、或者BA利用时的开始时序编号的SequencControl(序列控制)；以及用于通知分段状态的LastFragmentation(最后分段)，并根据需要包括Reserved(保留)、以及针对Subframe Header的HCS(Header Check Seq uence，头检查序列)等。另外，关于Subframe Header的结构，不限于本实施例。
针对该MAC Subframe，在开头附加General MAC Header(普通MAC头)，从而构筑MAC帧(MAC PDU：MAC Packet Data Unit(MAC数据包数据单元))，并传送到PHY层。虽然未图示，但在PHY层中，附加表示帧的解调方法以及长度的PHY Header(PHY头)和HCS(Header Check Sequence)及时间/频率同步、ACG以及载波检测等中使用的PLCP(Physical Layer Convergence Protocol，物理层收敛协议)前导。但是，在如本发明的实施例1以及实施例2中所示另外设置表示帧结构的FCH等的情况下，无需PHY Header。另外，General MAC Header根据需要包括Destination ID(目的ID)、表示Subframe(子帧)长度的Length(长度)、表示聚合种类和聚合的ON(接通)/OFF(断开)的Aggregation(聚合)；针对GeneralMAC Header的HCS等。另外，关于General MAC Header的结构，不限于本实施例。
另外，还可以在附加General MAC Header之前，在连接了多个MAC Subframe之后附加General MAC Header，而设为A-MSDU(Aggregated-MSDU：聚合MSDU)。例如，此时可以利用上述General MAC Header内的Aggregation来通知。虽然未图示，但还可以在制成A-MSDU时在末尾附加以Byte Align(字节排列)为目的的Pad(垫)，而识别帧的开头。
而且，还可以针对由单一的Subframe构筑的MAC PDU或A-MSDU，在末尾附加以Byte Align为目的的Pad，为了识别帧的开头而在开头附加作为固有的标识符的MPDU Delimiter(MPDU定界符)，从而构筑A-MPDU Subframe(A-MPDU子帧)，而且通过连接多个A-MPDU来构筑A-MPDU。另外，MPDU Delimiter由表示MPDU长度的MPDU Length(MPDU长度)、CRC、和用于检测MPDU的开头位置的Delimiter等构成。另外，关于MPDUDelimiter的结构，不限于本实施例。
图12以及图13是示出MAC Header的结构例的图。FrameControl包括协议版本、表示是否为安全性帧的信息、ACK的发送种类、ACK策略、帧类型、帧子类型、表示是否为重发帧的信息、表示在后续是否存在数据的信息以及帧聚合种类等。另外，如图11、图12以及图13所示，以包含在PSDU(PLCP Service Data Unit，PLCP服务数据单元)中的形式说明了MAC Header，但也可以设为包含在PLCP Header(PLCP头)的一部分中的结构。而且，关于构成MACHeader的各信息要素的顺序，不限于本实施例。
Subframe包括表示MSDU长度的信息、分段信息、帧聚合信息以及帧时序编号。
这样在以往的宽带无线系统(UWB)等中，无法安装多个发送目的地/种类的帧聚合，但如本实施例4所示，可以利用帧内的字段来识别未使用帧聚合的方式、A-MSDU或A-MPDU，所以可以针对每个终端，自由地选择应用或其组合。由此，可以灵活地执行帧的构成方法，并且可以削减MAC Header等开销(over head)，所以即使在使用了毫米波等的大容量传送的无线通信系统中，也可以高效地生成并发送帧。另外，在面向多个发送目的地地址的应用中，使用用户分集效果或统计复用效果，在易于发生错误群的无线传送路径中，可以使错误率分散。而且，也可以不依赖于是否为多个发送目的地，而变更进行帧聚合之前的A-MSDU、A-MPDU以及MPDU各自的传送速率。
另外，如上述实施例2的图8中所示，对于通知信息(BCCH)和帧信息(FCH)，如上所述可以使用帧聚合来构筑MAC帧，并作为Beacon帧进行发送。另外，在Downlink Data或Uplink Data中，可以共同利用数据帧与ACK帧等控制帧或Command帧(命令帧)等。
实施例5
参照图14至图16对本发明的实施例5的无线通信系统进行说明。图14是示出本发明的实施例5的无线通信系统的帧的结构的图。另外，本实施例5的无线通信系统的结构与上述实施例1相同。
通过使用Beacon等来通知超帧的结构、各帧的位置以及结构，可以实现更灵活的帧构成，即使在使用了毫米波等的大容量传送的无线通信系统中，也可以高效地生成并发送帧。
例如，在使用基站1的波束数少且要发送的Beacon的数少的情况下等，直到终端2发送Request等上行控制帧为止的容许处理延迟短，无法进行同一超帧内的通知。在这样的情况下，并非紧接着Beacon字段之后配置Request字段，而是经过一定时间之后配置Request字段，从而可以缩短系统总体的传送延迟。
另外，在特定的数据帧中要求缩短等待时间的情况下等，可以在Request字段之前，首先分配数据帧。
图15是示出使用该Beacon帧发送的BCCH(Broadcast ControlCHannel，广播控制信道)信息要素的一个例子。相当于图11中示出的MSDU。利用Num FCH(FCH数)以及Pointer to FCH(对FCH的指针)来表示图5中示出的部分的各FCH的位置、结构。利用NumRCH(RCH数)以及Pointer to RCH(对RCH的指针)来示出各RCH的位置、结构。Beam ID(信标ID)以及Num Beam(Beam数)表示各Beacon的编号以及基站所发送的Beam数。通过向基站1通知终端2接收到的Beacon的Beam ID，基站1可以与对该终端2分配的频带对应地识别Beam编号。另外，通过向终端2通知Beam总数，得知终端2应接收的最大的Beam编号，从而不会为了补充Beacon而不必要地消耗时间。而且，通过识别Beam ID和Num Beam，可以识别Beacon区间的接下来的Reques字段的开头的时间，可以简化并可靠地进行接收处理。另外，关于构成图15中示出的BCCH的各信息要素的顺序，不限于本实施例。
图16是示出FCH的信息要素的一个例子。在TYPE中，通知是上行/下行中的哪一个，具体的帧种类既可以通过图11中示出的Subframe Header来通知，也可以通过该TYPE来通知。利用User info(用户信息)通知MAC Address(MAC地址)或Device Address(装置地址)等用户固有的信息和MCS(Modulation and Coding Scheme，调制和编码方法)等。利用SLLOT OFFSET以及Allocation Slot Time(分配时隙)通知各帧的开头位置和长度。另外，关于图16中示出的构成FCH的各信息要素的顺序，不限于本实施例。
实施例6
参照图17对本发明的实施例6的无线通信系统进行说明。图17是示出本发明的实施例6的无线通信系统的帧的结构的图。另外，本实施例6的无线通信系统的结构与上述实施例1相同。
根据包含在通知信号(Beacon)中的Superframe(超帧)结构信息，终端掌握作为随机访问期间的CAP(Contention Access Period，竞争访问期)的时间期间、和作为频带预约期间的CTAP(ChannelTime Allocation Period，信道时间分配期)等。另外，各终端所掌握的Superframe的基准定时既可以基于开头的Beacon # 0以及从开头的Beacon # 0到终端接收的某一个Beacon为止的偏移时间，也可以以终端接收到的某一个信标的定时为基准。即，不管终端是否掌握基站所形成的每个Superframe的开头定时，只要终端可以识别Superframe的周期和终端接收的任一个Beacon以后的Superframe结构信息即可。在使用偏移时间的情况下，基站例如在各自的Beacon内利用时间、码元数或波束数等来通知偏移信息。
关于Beacon，如上述实施例1～3所述，从各波束独立地隔着天线开关时间以时分方式进行发送。另外，在CAP期间，进行将基站1以各波束为单位受理的CSMA/CA设为基本的随机访问。在CTAP期间，设为各终端2以时分方式发送接收基站1通过随机访问期间所分配的频带。另外，虽然未图示，但CTAP也可以进一步分成主要利用无线基站1进行网络管理的Management CTA(MCTA：管理CTA)、和主要利用无线基站1的数据通信中使用的具有CTA的结构。
由此，可以实现在CAP期间使用了上行下行的访问控制，所以在CAP期间内还能够实施针对来自终端2的连接要求(Probe(探寻)要求、Association(联合)要求、Authentication(认证)要求等)的响应，因此无需使用其他控制帧等，即使在切换使用多个波束的无线通信系统或使用了毫米波等的大容量传送的无线通信系统中，也可以高效地生成并发送帧。
实施例7
参照图18至图20对本发明的实施例7的无线通信系统进行说明。图18是示出本发明的实施例7的无线通信系统的基站的结构的框图。另外，除了基站以外，本实施例7的无线通信系统的结构与上述实施例1相同。
在图18中，针对与图2相同或等同的部分附加同一标号而省略说明。指向性天线部由多个天线元件13构成、或者通过具有多个由多个天线元件构成的天线而构成。无指向性天线18与指向性天线不同，例如利用全向天线等，可以在较宽的范围内放射电波。174是无指向性天线切换信号，是用于切换指向性天线部或无指向性天线18的信号。为了方便，从帧分析部171直接与切换部14连接，但也可以经由调制解调部16以及IF/RF部15连接。
图19是示出本发明的实施例7的无线通信系统的帧的结构的图。如图19所示，在Beacon或CAP中与基站1受理的连接要求相关的访问控制等控制帧使用无指向性天线18，在分配了频带的CTAP区间中使用指向性天线部，从而基站1以及终端2进行通信。
图20是示出在本发明的实施例7的无线通信系统中终端向基站连接的步骤的流程图。
在步骤701中，基站1根据超帧的周期，使用无指向性天线18发送Beacon。
接下来，在步骤702～703中，终端2通过观测Beacon，对基站1物理地进行时间/频率同步，并且分析Beacon帧，从而利用PNID以及BSID等加入到基站1形成的无线通信系统。使用Beacon帧中嵌入的CAP区间的结构或预先由系统决定的CAP区间的区域，终端2使用无指向性天线18对基站1进行连接要求。
在步骤704～705中，此时，基站1根据天线元件所接收的无线频率的相位信息等，检测存在终端2的方向、以及自身所具有的波束编号或方向。并行地，根据连接要求中接收到的来自终端2的QoS、服务种类、以及通过接收无线帧来算出的接收功率、干扰对噪声功率比信息等，进行调度处理，在响应于要求的情况下预约相应的终端2的频带。所预约的频带利用Beacon或CAP区间，通知超帧中的其结构和波束编号等。另外，在步骤702中，如果物理帧的前导等中，通过扩散处理对前导图案等重叠了用于识别各无线方式的固有的标识符，则可以混合存在不同的无线方式、例如ASK等单载波方式和OFDM等。而且，通过使用PLCP Header或RX VECTOR(RX向量)等从PHY层向MAC层、以及向应用层通知识别了不同的无线方式的结果，从而可以在同一系统内排他地控制并收容具备不同的无线方式的基站以及终端。
此时，在使用了传输衰减比微波大的毫米波带等的无线通信系统的情况下，在使用无指向性天线18放射电波时，如果使用传送速度与数据帧相同的调制方式、编码率以及频带宽度，则有时无法满足期望的S/N而使通信距离变得极短。因此，在使用无指向性天线18的情况下，与发送数据帧时相比，既可以降低传送速度来发送，也可以减小频带宽度来发送。而且，也可以使用与发送数据帧的无线频率不同的无线频率。在步骤706中，基站1以及终端2使用无指向性天线来对控制帧进行发送接收处理，从而在经由认证处理等之后，使用指向性天线来对数据帧进行发送接收处理。使用Beacon区间或CAP期间等，从基站1向终端2通知此处使用的指向性天线的编号、方向。
这样，关于Beacon、连接要求(Request)等控制帧，通过使用无指向性天线18，可以削减送出Beacon帧的次数、PLCP Header、MAC Header以及波束切换时间等各种开销，即使在使用了毫米波等的大容量传送的无线通信系统中，也可以高效地生成并发送帧。而且，与使用了指向性天线的情况相比，可以减轻连接步骤所涉及的复杂度以及连接时间。
另外，在本实施例7中，以仅对控制帧使用无指向性天线18的情形为前提进行了说明，但只要通信距离、传送速度允许，则当然也可以使用无指向性天线18来发送数据帧。
实施例8
参照图21以及图22对本发明的实施例8的无线通信系统进行说明。本发明的实施例8的无线通信系统的基站的结构与图18的实施例7相同。另外，除了基站以外，本实施例8的无线通信系统的结构与上述实施例1相同。
图21是示出本发明的实施例8的无线通信系统的帧的结构的图。如图21所示，在Beacon或CAP中，与基站1受理的连接要求相关的访问控制等控制帧使用无指向性天线18或指向性天线13，在分配了频带的CTAP区间中使用指向性天线部而使基站1以及终端2进行通信。
例如，关于使用了无指向性天线18的Beacon的发送，向SuperFrame # 0、# 17、# 34进行一次发送，关于使用了指向性天线13的Beacon的发送，指向性天线# 0向SuperFrame # 1、# 18、#35进行一次发送，指向性天线#1向SuperFrame # 2、# 19、# 36进行一次发送，指向性天线#2向SuperFrame # 3、# 20、# 37进行一次发送，指向性天线# 15向SuperFrame # 16、# 33、# 50与17SuperFrame进行一次发送。
另外，如果基站1使用无指向性天线18或指向性天线13，在CAP区域中受理来自终端2的连接要求，则通过对该连接要求帧的接收功率、到来方向等信息进行分析，决定最适合于与相应终端的通信的指向性天线13，受理连接要求而在以后的SuperFrame中，向受理了连接要求的终端，使用相应指向性天线发送Beacon。
在图21中，由于在SuperFrame # 18的CAP区域中受理来自终端A的连接要求，所以基站1还可以使用自身进行发送的指向性天线#0来暗示地识别终端A接收到Beacon的情况，另外还可以通过分析来自终端A的连接要求帧来明示地识别。由此，在SuperFrame #19以后，为了能够使终端A可以接收每个SuperFrame、Beacon，使用指向性天线#0发送每个SuperFrame、Beacon，由此终端A接收每个帧Beacon，从而可以取得频带的分配信息。对于终端B也是同样的。
另外，在图21中，将Beacon的区域设为固定区域，但也可以是可变长度区域。在该情况下，也可以利用该SuperFrame的Beacon，表示该Beacon区域或CAP的开始位置。也可以在该SuperFrame之前，使用事先的SuperFrame的Beacon等来进行通知。
而且，例如如图21所示，也可以未必针对每17SuperFrame使用无指向性天线18以及各指向性天线13来发送Beacon。既可以针对每34SuperFrame也可以针对每68SuperFrame，另外各天线也无需以相同周期进行发送。另外，发送Beacon的周期未必是固定周期。此时，在特定的SuperFrame中不存在Beacon的区域的情况下，也可以代替Beacon，而分配CAP或CTAP的区域。这样在Beacon的发送周期、区域等被变更的情况下，在该SuperFrame之前，使用事先的SuperFrame的Beacon等来进行通知。
图22是示出在本发明的实施例8的无线通信系统中终端向基站连接的步骤的流程图。
基站1根据超帧的周期，使用无指向性天线18以及指向性天线13发送Beacon(步骤801、803)。终端2观测Beacon，从而针对基站1物理地进行时间、频率同步(步骤802、804)，并且分析Beacon帧，从而利用PNID以及BSID等加入到基站1形成的无线通信系统。
使用嵌入到Beacon帧中的CAP区间的结构或预先由系统决定的CAP区间的区域，终端2使用无指向性天线18对基站1进行连接要求(步骤805)。此时，基站1根据天线元件所接收的无线频率的相位信息等的计算结果、或是否通过对从终端受理的连接要求的帧进行分析而明示地进行判断中的至少一方，检测终端存在的方向和自身所具有的波束编号或方向。并行地，根据连接要求中接收到的来自终端的QoS、服务种类、以及通过接收无线帧而算出的接收功率、干扰对噪声功率比信息等，进行调度处理，在响应于要求的情况下预约相应的终端的频带并进行分配(步骤806)。所预约的频带在Beacon或CAP区间内，通知该超帧中的其结构和波束编号等。另外，受理了连接要求的终端2可以接收每个SuperFrame、Beacon，所以发送每个SuperFrame、Beacon(步骤807)。
此时，在使用了传输衰减比微波大的毫米波带等的无线通信系统的情况下，在使用无指向性天线18放射电波的情况下，如果使用与数据帧相同的传送速度的调制方式、编码率以及频带宽度，则有时无法满足期望的S/N而使通信距离变得极短。因此，在使用无指向性天线18的情况下，也可以与发送数据帧时相比降低传送速度以及频带宽度来发送。
这样，关于Beacon、连接要求(Request)等控制帧，通过组合使用无指向性天线18以及指向性天线13，可以削减送出Beacon帧的次数、PLCP Header、MAC Header以及波束切换时间等各种开销，即使在使用了毫米波等的大容量传送的无线通信系统中，也可以高效地生成并发送帧。而且，与仅使用指向性天线13或仅使用无指向性天线18的情况相比，可以减轻与连接步骤相关的复杂度以及连接时间。
另外，在本实施例8中，以数据帧使用指向性天线13的情形为前提进行了说明，但只要通信距离、传送速度允许，则当然也可以使用无指向性天线18来发送数据帧。

Claims (12)

1.一种无线通信系统，在基站与多个终端之间以无线方式进行通信，其特征在于，
上述基站具备由多个天线构成的多个波束天线，利用上述多个波束天线，从上述多个天线向对应的多个特定地域，在同一定时不重复地以时分方式放射同一频率的电波而形成多个点波束，
在基站与终端之间传送的无线帧包括：作为从基站向全部终端的信道的、对上述天线单位分配的多个信标信道；作为从全部终端向基站的信道的、对上述天线单位分配的多个请求信道；以及对要求终端分配的下行链路数据信道和上行链路数据信道，
上述基站使用上述多个信标信道，从各天线分别发送包括识别上述天线的信息的通知信息，
上述多个特定地域的任一个中存在的终端如果通过上述信标信道接收到上述通知信息，则选择最佳的信标信道，使用上述多个请求信道中的、与通过所选择的最佳的信标信道接收到的通知信息中包含的对天线进行识别的信息对应的请求信道，向上述基站发送包括识别上述天线的信息的通信建立要求以及包括所希望的通信频带的频带要求，
上述基站如果通过上述请求信道接收到上述通信建立要求以及频带要求，则针对要求终端判断是否对上述帧分配信道，在分配信道的情况下，调度用于与上述要求终端进行通信的调制方式和编码方式、以及包括下行链路数据信道和上行链路数据信道的信道分配时间。
2.根据权利要求1所述的无线通信系统，其特征在于，
上述多个波束天线由多个扇区构成，并且各扇区由多个天线构成，在邻接的扇区之间放射不同频率的电波，在有间隔的扇区之间放射同一频率的电波。
3.根据权利要求1或2所述的无线通信系统，其特征在于，
上述基站基于通过利用上述多个天线经上述请求信道接收的来自终端的上述通信建立要求和频带要求而掌握的传输量，决定各天线的连接时间，控制用于与要求终端进行通信的信道分配时间。
4.根据权利要求1、2或3所述的无线通信系统，其特征在于，
上述基站通过该信标信道向要求终端通知帧控制头的有无以及上述帧内的位置，并且通过该下行链路数据信道中包含的上述帧控制头向要求终端通知上述信道分配时间。
5.根据权利要求1、2或3所述的无线通信系统，其特征在于，
上述基站通过该信标信道向要求终端通知上述信道分配时间。
6.根据权利要求2所述的无线通信系统，其特征在于，
上述基站对使用同一频率的扇区的上述帧的结构进行控制，使得在使用上述同一频率的扇区之间使下行链路数据信道以及上行链路数据信道、下行链路数据信道彼此或上行链路数据信道彼此不产生干扰。
7.一种无线通信方法，在基站与多个终端之间以无线方式进行通信，其特征在于，
上述基站具备由多个天线构成的多个波束天线，利用上述多个波束天线，从上述多个天线向对应的多个特定地域，在同一定时不重复地以时分方式放射同一频率的电波而形成多个点波束，
在基站与终端之间传送的无线帧包括：作为从基站向全部终端的信道的、对上述天线单位分配的多个信标信道；作为从全部终端向基站的信道的、对上述天线单位分配的多个请求信道；以及对要求终端分配的下行链路数据信道和上行链路数据信道，
上述无线通信方法包括如下步骤：
使用上述多个信标信道，从各天线分别发送包括识别上述天线的信息的通知信息；
如果通过上述信标信道接收到上述通知信息，则选择最佳的信标信道，使用上述多个请求信道中的、与通过所选择的最佳的信标信道接收到的通知信息中包含的对天线进行识别的信息对应的请求信道，从上述多个特定地域的任一个中存在的终端向上述基站发送包括识别上述天线的信息的通信建立要求以及包括所希望的通信频带的频带要求；以及
如果通过上述请求信道接收到上述通信建立要求以及频带要求，则针对要求终端判断是否对上述帧分配信道，在分配信道的情况下，调度用于与上述要求终端进行通信的调制方式和编码方式、以及包括下行链路数据信道和上行链路数据信道的信道分配时间。
8.根据权利要求7所述的无线通信方法，其特征在于，
上述多个波束天线由多个扇区构成，并且各扇区由多个天线构成，在邻接的扇区之间放射不同频率的电波，在有间隔的扇区之间放射同一频率的电波。
9.根据权利要求7或8所述的无线通信方法，其特征在于，
上述基站基于通过利用上述多个天线经上述请求信道接收的来自终端的上述通信建立要求以及频带要求而掌握的传输量，决定各天线的连接时间，控制用于与要求终端进行通信的信道分配时间。
10.根据权利要求7、8或9所述的无线通信方法，其特征在于，
上述基站通过该信标信道向要求终端通知帧控制头的有无以及上述帧内的位置，并且通过该下行链路数据信道中包含的上述帧控制头向要求终端通知上述信道分配时间。
11.根据权利要求7、8或9所述的无线通信方法，其特征在于，
上述基站通过该信标信道向要求终端通知上述信道分配时间。
12.根据权利要求8所述的无线通信方法，其特征在于，
上述基站对使用同一频率的扇区的上述帧的结构进行控制，使得在使用上述同一频率的扇区之间使下行链路数据信道以及上行链路数据信道、下行链路数据信道彼此或上行链路数据信道彼此不产生干扰。
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