CN101517930A - 无线通信装置和无线通信方法 - Google Patents

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Abstract

公开了即使是具有方向性的电波，也能够确保传输距离并能够实现随机多址访问的无线通信装置。该无线通信装置(100)为发送和接收方向性电波来与其它无线通信装置进行自组织网络通信的无线通信装置，包括：天线(110)，发送和接收方向性电波，并进行方向性的切换；以及控制单元(132)，控制天线进行方向性切换的定时。

Description

无线通信装置和无线通信方法
技术领域
本发明涉及无线通信装置和无线通信方法，特别涉及移动环境下的自组织网络中的无线通信装置和无线通信方法。
背景技术
PAN(Personal Area Network，个人局域网)为近年正在发展的网络技术。特别是，利用微波UWB(Ultra Wide Band，超宽带)的WiMedia的规格作为ECMA(European Computer Manufacturer Association，欧洲计算机制造者协会)的标准而被采用，并达到了产品即将上市的程度。另外，由于WiMedia的规格还作为无线USB(Universal Serial Bus，通用串行总线)的标准而被采用，所以被期待着其产品今后会普及市场。
作为WiMedia的MAC(Media Access Control，介质访问控制)技术的特征，可举出信标期间(beacon period)方式。该方式为如下技术：以在互相位于次附近范围内的自律分散装置(节点)之间所发送的信标的位置不重复的方式，所有的装置进行信标的发送和交换，并进行MAS(Media Access Slot，介质访问时隙)的预约宣言以免侵害已经由其它装置确保了的预约时隙，来进行通信。
进而，在IEEE802.15.3C等标准化委员会上，作为虽然传输距离短于微波频带但比微波频带更高速的无线技术，在毫米波频带利用UWB的技术备受瞩目。对于该技术，以如在车站检票口等地方即触即得(Touch and Move)那样地能够高速交换包括活动图像的文件大小较大的数据为目标，正在进行研究。
与微波不同，毫米波的电波具有方向性。在WiMedia的信标期间方式中设想无方向性的电波，所以无法将MAC方式原样不动地适用于WiMedia方式中。其结果，目前在IEEE802.15.3C中，仅限于以从固定的天线发送到确定了位置的对象为前提的通信，进行研究。
另外，专利文献1公开了在确定了位置的基站与用户台之间，使用扇区天线(sector antenna)进行毫米波频带的一对多通信的技术。
【专利文献1】日本专利申请特开2004-72523号公报
发明内容
本发明需要解决的问题
在上述的现有技术中，难以实现在未确定位置的、即任意位置的装置之间的多址访问(multiple access)。如果在上述的现状的基础上要实现未确定位置的、即任意位置的装置之间的多址访问的信标期间方式，则可考虑扇区天线的利用。扇区天线是指贴合多个方向性天线以指向二维平面上的所有方向地，从而使其模拟地成为无方向性天线的装置。
但是，如果这样同时使用多个方向性天线则会影响其它通信装置，所以一次能够发送的整体的发送功率受到限制。其结果，不得不将从一个扇区天线的发送功率设得较小。因此，存在如下问题：本来毫米波能够确保的传输距离就不大，由于采用扇区天线，传输距离会变得更短。
本发明的目的为，提供无线通信装置和无线通信方法，即使是具有方向性的电波，也能够确保传输距离并能够实现随机多址访问。
解决问题的方案
本发明的无线通信装置为发送和接收方向性电波来与其它无线通信装置进行自组织(ad hoc)网络通信的无线通信装置，该无线通信装置所采用的结构包括：天线，发送和接收上述方向性电波，并进行方向性的切换；以及控制单元，控制上述天线进行方向性切换的定时。
本发明的效果
根据本发明，即使是具有方向性的电波，也能够确保传输距离并能够实现与二维或三维空间内的所有终端之间的随机多址访问通信。
附图说明
图1是表示本发明的实施方式1的无线通信装置的结构的方框图。
图2是表示实施方式1中的扇区(sector)天线的结构例的图。
图3是表示实施方式1中的超帧(super frame)的结构的图。
图4是在实施方式1中进行超帧的同步时的流程图。
图5是表示在实施方式1的信标中的、用于表示关于其它装置的存在的信息的比特标识(bit flag)的图。
图6是用于说明在实施方式1中的多个装置互相取得同步时的超帧的使用状况的图。
图7是表示实施方式1中的空闲子超帧的利用方法的图。
图8是表示本发明的实施方式2的无线通信装置的结构的方框图。
图9是用于说明在实施方式2中的节点间的轴匹配的原理的图。
图10是实施方式2中的轴匹配处理的流程图。
图11是表示实施方式2中的信标信息的结构的图。
图12是实施方式2中的同步控制处理的流程图。
具体实施方式
下面，使用附图详细说明本发明的各个实施方式。
(实施方式1)
图1是表示本发明的实施方式1的无线通信装置的结构的方框图。
图1所示的无线通信装置100包括：扇区天线110、载波检测单元120、MAC单元130、发送接收单元140以及切换开关150。这里，将构成扇区天线110的、具有方向性的各个天线元件称为“扇区”，例如，将扇区1和扇区4的一对记述为“发送接收对1-4”，所述扇区4是指向与扇区1正相反的方向的(具有正相反的方向性的)扇区。发送接收对1-4、2-5、3-6分别由扇区1和扇区4、扇区2和扇区5、扇区3和扇区6构成。另外，MAC单元130包括：控制单元132、信标处理单元134和帧处理单元136。
另外，这里，扇区的方向是指在天线元件中的天线增益最大的方向。本发明中，作为该方向，采用与电波可到达范围的中心线的方向一致的方向。
通过上述结构，即使是具有方向性的电波，本实施方式的无线通信装置100也能够确保传输距离并能够实现随机多址访问。
本实施方式中采用使用了超帧的信标期间方式。为了在自律分散网络上取得超帧同步，参加无线网络的所有装置将信标排列地发送，从而确认各个装置互相识别对方的事实。此时，多个装置互相发送在第X时隙中存在装置A的信标那样的信息。这里，在某个装置接收到其它装置的信标时，判定是否在接收到的信标的至少一个信标中，在自身要发送的时隙中记述有自身的地址。进行判定的结果，识别出没有记述自身的地址时，则该装置判断为发生重复(冲突)而移动到其它时隙。结果，该装置能够获得附近的、或者次附近的装置的地址的一览表，在决定用于发送自身的信标的时隙时有用。
扇区天线110通过被配置2N个扇区(N为2以上的整数)而构成，以使能在全平面方向进行发送和接收。然后，将超帧与扇区天线110相对应地均等划分为N个子超帧，并使各个子超帧与N个各个发送接收对相对应。在各个子超帧的期间内，发送接收单元140由所对应的发送接收对进行该子超帧的发送和接收。子超帧的发送和接收结束后，对发送接收对进行切换，根据必要，由与下一个子超帧对应的发送接收对进行该下一个子超帧的发送和接收。在本实施方式中记述N＝3的情况。
然后，参照图2说明本实施方式的扇区天线110的结构。在本实施方式中，采用将整体分割为三对的发送接收对1-4、2-5、3-6的结构，并将六个扇区1、2、3、4、5和6配置在二维平面上。也就是说，发送接收对1-4由扇区1和扇区4构成，发送接收对2-5由扇区2和扇区5构成，而发送接收对3-6由扇区3和扇区6构成。
另外，分为区域201、202、203、204、205和206的六个区域来考虑扇区天线110周围的区域。扇区1的天线具有区域201的方向上的方向性，能够与位于区域201内的装置之间发送和接收数据。同样地，扇区2、3、4、5、6的天线能够与位于区域202、203、204、205内的装置之间进行发送和接收。
然后，参照图3说明本实施方式的超帧的结构。超帧300被均等划分为三个子超帧。也就是说，超帧300从左边开始依序由1-4对的子超帧311、2-5对的子超帧312、以及3-6对的子超帧313构成。本实施方式的无线通信装置(以下称为“装置”)对位于附近或次附近的所有装置，通过该超帧发送和接收数据。另外，各个子超帧为与多个发送接收对相应地决定的、构成超帧的多个子超帧中的一个。
1-4对的子超帧311由位于开头的1-4对的信标期间(BP：BeaconPeriod)321和1-4对的数据期间(DP：Data Period)331构成。1-4对的信标期间321的开头为1-4对的子信标期间的开始时间。也可以同样地理解2-5对的子超帧312以及3-6对的子超帧313。另外，对于超帧300的开始而言，既可以认为是在1-4对的子信标期间的开始时间，也可以认为在2-5对的子信标期间的开始时间或在3-6对的子信标期间的开始时间开始。将由发送接收对1-4发送和接收时的信标记述在1-4对的信标期间321中，而将由发送接收对1-4发送和接收时的帧记述在1-4对的数据期间331中。2-5对和3-6对的信标期间322、323以及数据期间332、333也同样。
由扇区1和扇区4的发送接收对(天线对)发送和接收1-4对的子超帧311，由扇区2和扇区5的发送接收对发送和接收2-5对的子超帧312，而由扇区3和扇区6的发送接收对发送和接收3-6对的子超帧313。
接着，参照图1详细地说明无线通信装置100的结构要素。
如上所述，在扇区天线110中，发送接收对1-4由扇区1和扇区4构成，而且扇区1和扇区4位于正相反的方向上，互相形成180°的角度(参照图1和图2)。同样地，发送接收对2-5由扇区2和扇区5构成，而且扇区2和扇区5位于正相反的方向上，互相形成180°的角度，所以它们的方向性也正相反。另外，发送接收对3-6由扇区3和扇区6构成，而且扇区3和扇区6位于正相反的方向上，互相形成180的角度。扇区2的指向为相对扇区1在逆时针60°的方向，扇区3的指向为相对扇区1在逆时针120°的方向。扇区1作为对来自以角度0的方向为中心±30°的方向的电波具有方向性的天线而发挥作用，它能够与位于该方向的其它装置之间进行发送和接收。扇区2以后的扇区也可以同样理解。
载波检测单元120与扇区天线110的发送接收对1-4、2-5、3-6的每一个相连接，在对由某些发送接收对接收到的电波进行解调，且在超帧的期间内检测到包含信标的任何信号(载波)时，将表示它最初检测到载波的定时和发送接收对的信息传达给MAC单元130中的控制单元132。
MAC单元130除了发挥发送和接收来自高层的数据帧的作用之外，还发挥如下作用：接收来自载波检测单元120的信息(检测到载波的定时和发送接收对)，对切换开关150传送同步信息，并进行各个子超帧中的信标的解读和生成。
控制单元132进行同步控制和对切换开关150的切换定时控制。也就是说，从载波检测单元120接收到该检测到载波的定时，控制单元132将该定时认为该检测到载波的发送接收对的子超帧的开头，并将该定时传达给切换开关150、信标处理单元134以及帧处理单元136。另外，控制单元132在各个子超帧中，将子超帧的开头的定时传达给切换开关150。
信标处理单元134从控制单元132接收到子超帧的开头的定时之后，以该定时作为基准，决定该子超帧中的用于发送自身装置的信标的定时。信标处理单元134生成信标以便能够在该定时发送自身装置的信标，并将其传达给帧处理单元136。
另外，信标处理单元134进行如下处理：从帧处理单元136读出其它装置所发送的信标，识别位于发送接收对的直线上的其它装置的存在，并决定不与其重复的信标时隙(信标期间内的信标的位置)作为自身的信标时隙，在该时隙的定时生成信标，并传达给帧处理单元136。
帧处理单元136从控制单元132接收到子超帧的开头的定时之后，以该定时作为基准，决定该子超帧中的用于发送数据期间的定时。另外，帧处理单元136对接收到的数据进行生成MAC帧所需的处理，并发送到高层。另外，对于从高层接收的要发送的数据，帧处理单元136将该数据的MAC帧变换为物理层的信号，传达给发送接收单元140。
帧处理单元136对构成超帧的多个子超帧的每一个子超帧，通过所对应的发送接收对发送和接收数据帧。进而，帧处理单元136对于除了与实际进行数据帧的发送和接收的发送接收对相对应的子超帧以外的子超帧，也通过实际进行发送和接收的发送接收对，发送和接收数据帧。
发送接收单元140通过帧处理单元136从信标处理单元134接收信标，并从帧处理单元136接收帧数据，然后构成子超帧并进行作为物理层所需的信号处理，进行调制并装载于载波上，传达给切换开关150。另外，发送接收单元140对从切换开关150接收到的载波进行解调并变换为物理层的信号，传达给帧处理单元136，并通过帧处理单元136传达给信标处理单元134。
切换开关150进行开关动作，以使在子超帧的期间内能够仅由与该子超帧相对应的发送接收对进行信号的发送和接收。例如，在1-4对的超帧311的期间内，切换开关150进行切换动作，以仅使发送接收对1-4即扇区1和扇区4与发送接收单元相连接。在信标期间的期间内，仅连接与子超帧相对应的发送接收对。在数据期间的期间内，原则上仅连接与子超帧相对应的发送接收对，但是也可以如后述那样从与子超帧相对应的发送接收对以外的发送接收对接收数据。
另外，在本实施方式中将控制单元132记述为MAC单元130的一部分，但是既可以将控制单元132设置在MAC单元的外部，也可以采用使其与切换开关150和发送接收单元140一起成为PHY单元的一部分的结构。
下面，使用图4说明本实施方式中的超帧300的同步的动作。
首先，载波检测单元120对于三个发送接收对1-4、2-5、3-6，在一定期间监视是否在从其它通信装置接收到的超帧300的期间内存在载波(S410)。如果载波检测单元120检测到载波时(S420：是)，则该载波的检测定时是检测到载波的发送接收对的子超帧的开头，且是子信标期间开始时间的定时。基于该子信标期间开始时间，进行超帧300的同步。
信标处理单元134基于挑选出的载波的检测定时即子信标期间开始时间，使用通过检测到该载波的发送接收对接收到的子超帧，实际试行信标的接收(S430)。但是，即使试行也未检测出信标而多次重复试行的情况下，对去除了至此已经试行过的定时的定时进行载波检测，并进行再次试行。在信标处理单元134通过试行未能检测信标时(S440：否)，返回到步骤410，载波检测单元120对三个发送接收对的每一个发送接收对，在一定期间监视是否在从其它通信装置接收到的超帧300的期间内存在载波。
如果载波检测单元120检测到信标时(S440：是)，控制单元132根据该信标的值执行超帧同步。具体而言，从接收到信标的时刻减去信标的偏移的时间，从而算出信标期间开始时间。得知信标期间开始时间，则能够据此决定本装置所发送和接收的信标的定时。
控制单元132指示信标处理单元134以该定时发送信标。信标处理单元134通过帧处理单元136、发送接收单元140和切换开关150发送信标(S450)。另外，在步骤420中载波检测单元120在一定时间内未检测载波时(S420：否)，判定附近不存在装置，以任意的时间发送信标(S460)。这样，当什么时候有其它装置接近时可以产生通信的契机。
另外，控制单元132如果以相同的定时从多个发送接收对接收到信号，则挑选其中任一个信号。也可以优先挑选来自先接收到的发送接收对的信号。另外，如果在来自多个发送接收对的子超帧中存在定时一致的子超帧，以这样的发送接收对的子超帧的开始时间作为基准进行其它子超帧的同步，从而进行整个超帧300的同步。
在通过载波信号检测而决定的子超帧的开始时间与实际接收到的信标的子信标期间开始时间不同时，控制单元132根据实际接收到的信标的子信标期间开始时间进行超帧同步。
子信标期间内的信标的发送方法基本上与公知的WiMedia中的子信标期间内的信标的发送方法相同。不同之处在于，子信标期间在一个超帧300中到来三次，在每个子信标期间内发送一次信标，因此在每个超帧内共三次发送信标。
各个装置在各个子信标期间内，可对自身的信标内的DRPIE(DistributedReservation Protocol Information Element，分配预约协议信息元素)指定该超帧中的进行通信的数据时隙的开始时刻。各个装置可以将关于除了自身之外不存在正在发送信标的装置的子超帧是哪一子超帧的信息，在通过该子超帧发送的信标中宣言，并请求开始通信。
图5表示用于通知无线通信子超帧的“SSF Availability IE(子超帧有效信息元素)”(SSF：Sub SuperFrame，IE：Information Element)。在子超帧为除了自身之外不存在正在发送信标的装置的子超帧时，使在与该子超帧对应的比特标记为0。另外，在子超帧为除了自身之外还存在正在发送信标的装置的子超帧时，使在与该子超帧对应的比特标记为1。在“SSF Availability IE ID”中记述子超帧有效信息元素的ID。在固定部分510记述装置地址等。
例如，装置C在2-5对的子超帧312中与其它装置A进行通信，而且装置C在1-4对的子超帧311和3-6对的子超帧313中未检测出其它装置的信标的情况下，1-4对的子超帧311的比特标记520为0，2-5对的子超帧312的比特标记530为1，且3-6对的子超帧313的比特标记540为0。
在形成有上述比特标记的子超帧中，其它装置参照信标，在请求了开始通信的装置为该其它装置希望通信的对方时，对该希望通信的对方发送DRP(Distributed Reservation Protocol，分配预约协议)请求。在受理DRP请求时送回表示受理的事实的响应。也就是说，其它装置能够通过指定子超帧中的进行通信的数据时隙的开始时刻地送回响应而使预约成立，并根据该预约开始通信。这是有效利用不存在通信对象的发送接收对的子超帧的时间的方法。
接下来，参照图6说明在本实施方式的多个装置互相取得同步时的超帧的使用状况。首先，装置A位于装置B的发送接收对3-6的延长线附近，装置B位于装置A的发送接收对3-6的延长线附近，所以装置A和装置B以发送接收对3-6取得同步。其结果，装置A的帧处理单元136将信标A3发送，并将信标B 1和接收数据601A接收。装置B的帧处理单元136将信标A4接收，并将信标B4和发送数据601B发送。只要不发生差错，发送数据601B与接收数据601A相同。
其结果，在装置A和装置B中，进行3-6对的子超帧313的同步，并进行超帧300的同步。
这里，装置发送信标时，无须将子超帧为哪一发送接收对的子超帧的信息通知给对方。例如，装置A与装置B以3-6对的子超帧313取得了同步的情况下，即使装置B识别了取得了同步的发送接收对例如为1-4对的子超帧311，只要各个装置以相同速度向一定方向上(左旋或右旋)旋转超帧300，从周围观看时视为在旋转相同的发送接收对，由于相位差恒定，所以可以认为取得了同步。
接着，考虑在装置A和装置B以发送接收对3-6取得了同步的状态下，装置A和装置C要取得同步的情况。装置A和装置C被配置在两者的发送接收对2-5的延长线附近，所以能够以2-5对的子超帧312取得同步。其结果，装置A的帧处理单元136将信标A2和发送数据602A发送，并将信标C1接收。装置C的帧处理单元136将信标A5和接收数据602C接收，并将信标C4发送。只要不发生差错，发送数据602A与接收数据602C相同。
这样，在装置A与装置B取得了同步，且装置A与装置C取得了同步时，由于这里被配置在发送接收对1-4的延长线附近的装置C与装置B以相同的定时互相指向发送接收对1-4，所以能够进行使用该发送接收对的通信。同时可以使装置B和装置C以1-4对的子超帧311取得同步。因此，装置A和装置B、装置A和装置C以及装置B和装置C的三个组能够同时取得同步。这是该方式的最大优点。另外，在图6中示出了装置B将信标B2发送并将信标C2接收，装置C将信标B5接收并将信标C3发送的情形。
作为可以取得这样的同步的发送接收对的切换方法，有以左转或右转地移动到相邻的发送接收对的方法。此外，可以考虑，在将发送接收对设为N个(N为2以上的自然数)时，向左转或向右转每隔M个(其中，M为自然数，但是在移动到相邻的发送接收对时可认为M为0。另外，N与M+1为互质(coprime)的自然数)。例如，在M＝2，N＝4时，如果向左转1、2、3、…地附加了扇区号码，则发送接收对以扇区1和5、扇区4和8、扇区7和3(扇区3和7)、扇区2和6的顺序移动并绕一周。
接下来、参照图7说明空闲子超帧的利用方法。图7的上一半部分表示装置A和装置B仅使用3-6对的子超帧313进行发送和接收的情形。装置B的帧处理单元136将信标B14和发送数据701B发送，并将信标A14接收。装置A的帧处理单元136将信标A13发送，并将信标B11和接收数据701A接收。装置A和装置B由于除了3-6对的子超帧313以外不存在进行发送和接收的对方，所以只发送自身的信标A11、A12、B12、B13。
于是，在图7的下一半部分示出了，仅在空闲的1-4对的子超帧311的信标期间321以及2-5对的子超帧312的信标期间322由各自的发送接收对进行动作，并在数据期间331和332由发送接收对3-6进行数据交换的情形。仅在信标期间由与原来的子超帧对应的发送接收对进行发送和接收的原因为，为了与新参加的装置或通过移动而成为可发送和接收的装置取得同步，需要预先发送各个装置的信标。
更具体而言，在1-4对的子超帧311以及2-5对的子超帧312中，装置A的帧处理单元136分别将信标A11和A12发送。在数据期间331和332中，装置A的帧处理单元136使用发送接收对3-6将接收数据702A和703A接收。另外，在1-4对的子超帧311以及2-5对的子超帧312中，装置B的帧处理单元136分别将信标B12和B13发送，在数据期间331和332，装置B的帧处理单元136使用发送接收对3-6将发送数据702B和703B发送。在3-6对的子超帧313中，与仅使用3-6对的子超帧313进行发送和接收时相同。
这里，帧处理单元136对于除了与实际进行数据帧的发送和接收的发送接收对相对应的子超帧以外的子超帧，也通过实际进行发送和接收的发送接收对，进行上述数据帧的发送和接收。
这样，有效利用在切换发送接收对时所发生的空闲子超帧，能够与平面上的许多个装置之间发送和接收更多的数据。
这样，本实施方式的无线通信装置100包括由方向性互相正相反的两个发送接收方向构成的多个发送接收对，并且包括：扇区天线110，以多个发送接收对的每一个为单位发送和接收方向性电波，以及切换开关150，时间性地切换多个发送接收对，所以即使是具有方向性的电波，也能够确保传输距离并能够实现与终端之间的随机多址访问通信。
另一方面，在使单一的发送接收扇区旋转的情况下，在以相同的方向旋转时，会出现处于互不相向的方向而无法进行发送和接收的问题。然而，本实施方式的无线通信装置包括由方向性互相正相反的两个发送接收方向构成的多个发送接收对，所以即使在以相同的方向上使发送接收对旋转时，也能够将发送接收对配置在互相面向的方向上，所以可以使无线通信装置进行发送和接收。
另外，即使是具有方向性的电波，也能够确保传输距离并能够实现与二维或三维空间内的所有终端之间的随机多址访问通信。
(实施方式2)
各种波束赋形天线(beam steering antenna)被广泛利用为可切换方向性的天线。波束赋形天线可以对方向性进行软件性的微致控制。在实施方式2中，说明在波束赋形天线中进行二维空间上的多路连接的情形。
波束赋形天线不具有像扇区天线那样的固定的方向性。因此，在各个无线通信装置中需要辨别应将哪一方向与哪一方向成对地进行控制。另外，在多个无线通信装置之间，需要匹配在使天线增益最大的方向上伸延的轴(以下仅称为“轴”)的旋转。也就是说，由所有的无线通信装置(以下适当地称为“节点”)共享一个发送接收方向，并根据所共享的发送接收方向决定波束赋形的方向。在自律分散型的网络的情况下，通过网络上的其它所有的节点对某一节点的轴匹配自身的轴，能够实现发送接收方向的共化。可是，问题在于以哪一节点作为基准。
为了解决该问题，在本实施方式中，各个节点设定作为进行自身装置的加权的基准值的度量(metric)，并与其它节点通过信标等交换度量。然后，根据度量进行各个节点的排序，诸如以使度量大的节点成为母节点，度量小的节点成为子节点。
图8是表示本发明的实施方式2的无线通信装置的结构的方框图，其与实施方式1中的图1相对应。对于与图1相同的部分附上相同的标号，并省略其说明。
图8所示的无线通信装置800包括波束赋形天线810、到来方向估计单元820、MAC单元830以及天线控制单元850，以取代图1所示的扇区天线110、载波检测单元120、MAC单元130以及切换开关150。
波束赋形天线810受到天线控制单元850的控制，切换轴方向并将电波发送和接收。
到来方向估计单元820与波束赋形天线810连接，估计从其它节点发送的电波的到来方向。具体而言，到来方向估计单元820根据波束赋形天线810的接收定时差进行估计电波的到来方向的计算，并将计算结果输出到MAC单元830。
MAC单元830包括控制单元832，以取代图1所示的MAC单元130中的控制单元132。控制单元832使接收信标帧与由到来方向估计单元820估计出的电波的到来方向相关联，重新设定本装置的信标发送数据和对天线控制单元850进行的轴的指定。具体而言，控制单元832执行用于与其它节点进行轴匹配的轴匹配处理，以及用于与其它节点取得帧同步的同步控制处理。
天线控制单元850根据控制单元832的控制来控制波束赋形天线810的轴方向。
这里，说明节点间的轴匹配的原理。
图9是用于说明节点间的轴匹配的原理的图。这里，说明在从装置A的轴向装置B发送电波的情况下，使装置B的轴与装置A的轴匹配的情形。另外，为了简化说明，这里仅着眼于指向正相反的两个轴方向中的一个轴方向，并将所着眼的轴方向仅称为“轴方向”。另外，将从装置A观看的装置B的方向记述为“方向B”，而将从装置B观看的装置A的方向记述为“方向A”。而且，在以下的关于角度的记述都以逆时针方向为基准。
如图9所示，将相对于装置A的轴方向910的方向B的角度设为α，将相对于装置B的轴方向920的方向A的角度设为β。另外，为了便于说明，划出与装置A的轴方向910平行的、通过装置B的线910a。此时，从图9可知，为了使装置B的轴方向920与装置A的轴方向910匹配，将以装置B为中心从当前的装置B的轴方向920旋转了角度β+(π-α)的方向，作为新的装置B的轴方向920的方向即可。
也就是说，如果在装置A测量角度α，在装置B测量角度β，并由装置A将角度α通知给装置B，则装置B能够使自己的轴方向920与装置A的轴方向910匹配。另外，如果与此相反地由装置B将角度β通知给装置A，则装置A通过以装置A为中心从当前的装置A的轴方向910旋转了角度α+(π-β)的方向，能够使自己的轴方向910与装置B的轴方向920匹配。
为了在网络上共化发送接收方向，需要决定作为轴方向的基准的节点(以下称为“母节点”)。例如，可以考虑通过将最初决定了轴方向的节点作为母节点，来共享发送接收方向的方法。但是，根据该方法，在各自已经存在母节点的多个网络通过节点的移动等成为可通信的情况下，会发生问题。
于是，如上所述，在本实施方式中，对各个节点设定度量，并根据度量动态地决定母节点。
对于各个节点的度量而言，需要设定在节点间不完全一致的值。MAC地址为以唯一(unique)的值分配给各个节点的识别信息。因此，作为度量，例如可采用MAC地址。
接下来，说明具有图8所示的结构的无线通信装置800的动作。这里，由于除了上述的轴匹配处理和同步控制处理之外都与实施方式1同样，所以仅说明轴匹配处理和同步控制处理。
首先说明轴匹配处理。
图10是表示由控制单元832进行的轴匹配处理的流程图。
首先，在步骤S1010中，控制单元832对所有的方向试行信标的接收，并判定是否从其它节点接收到信标。在接收到信标时(S1010：是)，控制单元832进入步骤S1020，在未接收信标时(S1010：否)，控制单元832进入步骤S1030。
在本实施方式中，在信标的发送源为母节点时，假设在信标信息中包含有发送源的度量。另外，在信标的发送源为母节点以外的节点(以下称为“子节点”)时，假设在信标信息中包含有该节点所匹配其轴的母节点的度量。各个节点在信标中表示度量，而且该表示被保持到附近存在新的母节点，或者原来的母节点不存在于附近为止。另外，在自身为根节点(root)时，各个节点将自身的ID信息记述在信标中作为母节点的ID信息，在自身不为根节点时，各个节点将其母节点的ID信息记述在信标中作为母节点的ID信息。然后，各个节点将各个节点的方向的测量值记述在信标中，以使子节点能够各自调整方向。
图11是表示本实施方式中的信标信息的结构的图。
如图11所示，信标信息950包括：信标报头951、度量952、母节点ID953、子节点数954、以及子节点信息955。这里，图示了包含有关于第一～第N子节点的子节点信息955-1～955-N的情形。各个子节点信息955包括子节点ID 955a和子节点方向955b。
信标信息950的发送源(以下只称为“发送源”)的ID信息记述在信标报头951。发送源的度量记述在度量952。发送源为母节点时，发送源的ID信息记述在母节点ID 953，发送源为子节点时，发送源的母节点的ID信息记述在母节点ID 953。包含在信标信息950的子节点信息955的数量记述在子节点数954。发送源可以直接进行通信的子节点的ID信息记述在子节点ID 955a。从发送源观看时的、子节点ID 955a相对于发送源的轴方向所示的子节点的方向的角度(以下称为“方位角”)记述在子节点方向955b。
无线通信装置800基于从其它节点接收到的信标信息950，获取可以直接进行通信的子节点的ID信息。然后，无线通信装置800基于从可以直接进行通信的子节点发送来的电波，获取该子节点的方位角。无线通信装置800基于通过后述的处理对自身设定了的度量以及母节点的ID信息，以及所获取的子节点的ID信息和方位角，生成信标信息950，并将其定期地送出。
在图10的步骤S1020中，控制单元832判断接收到的信标中所包含的度量是否大于本装置所保持的度量。在初始状态下，本装置所保持的度量例如为本装置的MAC地址。在接收到的度量大于本装置的度量时(S1020：是)，控制单元832进入步骤S1040。
在步骤S1040中，控制单元832使用接收到的度量更新本装置的度量。
然后，在步骤S1050中，控制单元832使用接收到的信标中所包含的母节点的ID信息(例如，MAC地址)，更新本装置的母节点的ID信息(例如，MAC地址)，进入步骤S1060。
另一方面，在接收到的度量不大于本装置的度量时(S1020：否)，直接进入步骤S1060。
然后，在步骤S1060中，控制单元832基于信标的发送源的ID信息与信标中所包含的母节点的ID信息是否一致，来判断接收到的信标是否是从母节点送出的信标。在信标是从母节点送出的信标时(S1060：是)，控制单元832进入步骤S1070，在信标是从子节点送出的信标时(S1060：否)，控制单元832进入步骤S1080。
在步骤S1070中，控制单元832获取在信标中作为子节点的方位角而包含的本装置的方位角，并基于所获取的方位角，重新计算应对本装置设定的轴方向。
然后，在步骤S1090中，控制单元832判断是否结束轴匹配的处理。在继续轴匹配的处理时(S1090：否)，控制单元832返回到步骤S1010，在结束轴匹配的处理时(S1090：是)，控制单元832结束一系列的处理。
然后，在步骤S1080中，控制单元832判断信标的发送源是否以本装置作为母节点。在发送源是以本装置作为母节点时(S1080：是)，控制单元832进入步骤S1100，在发送源不是以本装置作为母节点时(S1080：否)，控制单元832进入步骤S1090。
在步骤S1100中，到来方向估计单元820通过计算估计信标的到来方向。然后，控制单元832使估计出的信标的方位角与作为本装置的子节点的、信标的发送源的ID信息相关联并存储它们，进入步骤S1090。
另一方面，在步骤S1030中，控制单元832判断是否满足以下条件：未接收信标、本装置为子节点且从母节点不再发送来信标。在满足上述条件时(S1030：是)，控制单元832进入步骤S1110，在不满足上述条件时(S1030：否)，控制单元832进入步骤S1120。
在步骤S1110中，控制单元832使用本装置的ID信息(这里为MAC地址)更新本装置的度量。也就是说，控制单元832将本装置设定为母节点。
然后，在步骤S1130中，控制单元832作为记述在送出信标时的母节点ID 953的ID信息，设定本装置的ID信息(这里为MAC地址)，并进入步骤S1090。
另外，在步骤S1120中，控制单元832判断是否是本装置送出信标的定时。在是送出信标的定时时(S1120：是)，控制单元832进入步骤S1140，在不是送出信标的定时时(S1120：否)，控制单元832返回到步骤S1010。
在步骤S1140和S1150中，控制单元832将当前时点的本装置的度量记述在信标信息950中的度量952，并将当前时点的本装置的母节点(在本装置为母节点时将本装置)的度量记述在母节点ID 953。然后，在步骤S1160中，控制单元832将在步骤S1100中所存储的子节点的ID信息和方位角记述在信标信息950的子节点信息。然后，控制单元832送出信标，并进入步骤S1090。
通过这样的轴匹配处理，各个节点相对具有最大权重的度量的节点成为子节点，并将母节点的度量作为本装置的度量，通过信标进行重新分配。由此，所有的节点所宣言的度量收敛于某个最大的度量。另外，母节点所送出的信标中包含有关于子节点的电波到来方向的测量值。由此，在子节点基于包含在信标中的测量值和从本装置观看的母节点的方向的测量值，进行轴校正。
固定了轴之后，例如设基于轴的0°和180°的方向为第一对，60°和240°的方向为第二对，120°和300°的方向为第三对那样地，由系统固定轴可取向的方向，并对所固定的轴方向进行波束赋形。由此，能够如在实施方式1说明过的扇区天线那样地使用波束赋形天线810。
此外，即使对轴进行了重新构成，所接收的信标的方向是根据到前一次为止的信息已知的，所以如果不考虑发送接收对的编号，不会发生60°以上的误差。因此，发送和接收以前的信标的发送接收对，以哪一发送接收对构成信标期间，是显而易见的。在不是显而易见时，也有等候超帧，在由各个发送接收对接收到信标之后再进行重新设定的方法。
接下来说明同步控制处理。
图12是表示由控制单元832进行的同步控制处理的流程图。例如在启动的最初的定时，以及在通过图10所示的轴匹配处理中使轴与其它节点匹配时，控制单元832进行如下所述的同步控制处理。这里，将固定了的轴方向的两个方向处理为发送接收对。
首先，在步骤S2010中，控制单元832设将轴的初始值设定为切换信标检测的对象的发送接收对时的默认值，从而选择最初的发送接收对。
然后，在步骤S2020中，控制单元832判断是否在所选择的发送接收对检测出从其它节点送出的信标。在未检测出信标时(S2020：否)，控制单元832进入步骤S2030。
在步骤S2030中，控制单元832判断是否存在未选择的下一个发送接收对。在存在下一个发送接收对时(S2030：是)，控制单元832进入步骤S2040，在不存在下一个发送接收对时(S2030：否)，控制单元832进入步骤S2050。
在步骤S2040中，控制单元832进行切换选择下一个发送接收对，并返回步骤S2020。
另一方面，在步骤S2050中，由于从任何方向都未检测出信标，控制单元832在任意的时间送出信标，结束一系列的处理。
在反复进行步骤S2020～S2040的过程中，从某一方向检测到信标时(S2020：是)，进入步骤S2060。
在步骤S2060中，控制单元832根据所检测的信标的值进行超帧同步，送出信标，结束一系列的处理。由于超帧同步与实施方式1同样，所以这里省略其说明。
这样，通过同步控制处理，在网络上的各个无线通信装置800之间能够进行通信。
如上所述，在本实施方式，通过使用波束赋形天线，与实施方式1同样地，即使是具有方向性的电波，也能够确保传输距离并能够实现随机多址访问。另外，对于在实施方式1中说明过的扇区天线而言，发送端的扇区的轴与接收端的扇区的轴有时不完全一致而产生若干的偏离，所以虽然天线的方向性具有一定幅度，但是有可能降低接收功率或接收特性。在这点上，由于本实施方式使用波束赋形天线，所以能够高精度地使发送端的天线的轴与接收端的天线的轴一致，从而能够防止起因于发送端的扇区的轴与接收端的扇区的轴的偏移的接收功率或接收特性的降低。因此能够实现更良好的安装。
另外，在以上说明过的各个实施方式中，说明了将扇区天线的各个扇区的方向或波束赋形天线的轴的方向配置在二维平面上的情形，但是也可以将本发明适用于三维的波束赋形天线。此时，通过由所有的节点共享如重力方向等的一轴，能够容易实现。在共享了重力方向时，通过适用在实施方式2中说明过的轴匹配的原理，能够使重力的垂直平面上的互相的指向匹配。
另外，本实施方式中实现的功能和动作也可以通过计算机的程序来实现，此时，无线通信装置具备用于存储该程序的未图示的存储器和进行控制的CPU等。另外，用于存储程序的媒体也可以是外置存储媒体，例如可以是EPROM(电可擦除只读存储器)、闪速EPROM和CD-ROM(只读光盘)等。
2006年9月15日提交的日本专利申请第2006-251924号以及2007年9月3日提交的日本专利申请第2007-227910号所包含的说明书、说明书附图以及说明书摘要的公开内容全部被引用于本申请。
工业实用性
本发明具有以下效果：即使是具有方向性的电波，也能够确保传输距离并能够实现与二维或三维空间内的所有终端之间的随机多址访问通信，因此对于移动环境下的自组织网络中的无线通信装置等很有效。

Claims (11)

1、无线通信装置，发送和接收方向性电波来与其它无线通信装置进行自组织网络通信，该无线通信装置包括：
天线，发送和接收所述方向性电波，并进行方向性的切换；以及
控制单元，控制所述天线进行方向性切换的定时。
2、如权利要求1所述的无线通信装置，
所述天线为具有多个发送接收对，并且以所述多个发送接收对的每一个发送接收对为单位发送和接收所述方向性电波的扇区天线，该发送接收对由方向性互相正相反的两个天线元件构成且具有两个发送接收方向，
所述无线通信装置还包括：
开关，时间性地切换所述多个发送接收对，
所述控制单元控制所述开关的切换定时，以规则性地切换所述多个发送接收对。
3、如权利要求2所述的无线通信装置，
在将所述发送接收对的数量设为N个时，所述控制单元将N个发送接收对每隔M个规则性地切换，其中，N是2以上的自然数，M是0或自然数，而且N与(M+1)互质。
4、如权利要求2所述的无线通信装置，还包括：
检测单元，对所述多个发送接收对进行来自所述其它无线通信装置的载波的检测，
所述控制单元基于检测出所述载波的定时和发送接收对，进行使该无线通信装置与所述其它无线通信装置同步的处理。
5、如权利要求3所述的无线通信装置，还包括：
帧处理单元，进行用于发送和接收数据帧的处理，
所述帧处理单元对与所述多个发送接收对相对应地决定了的、构成超帧的多个子超帧的每一个子超帧，通过所对应的发送接收对进行数据帧的发送和接收。
6、如权利要求4所述的无线通信装置，还包括：
帧处理单元，进行用于发送和接收数据帧的处理，
所述帧处理单元对与所述多个发送接收对相对应地决定了的、构成超帧的多个子超帧的每一个子超帧，通过所对应的发送接收对进行数据帧的发送和接收。
7、如权利要求5所述的无线通信装置，
所述帧处理单元对于除了与实际进行数据帧的发送和接收的所述发送接收对相对应的子超帧以外的子超帧，也通过实际进行发送和接收的所述发送接收对，进行所述数据帧的发送和接收。
8、如权利要求6所述的无线通信装置，
所述帧处理单元对于除了与实际进行数据帧的发送和接收的所述发送接收对相对应的子超帧以外的子超帧，也通过实际进行发送和接收的所述发送接收对，进行所述数据帧的发送和接收。
9、如权利要求1所述的无线通信装置，
所述天线为在互相正相反的两个方向上同时进行发送和接收的波束赋形天线，
该无线通信装置还包括：
天线控制单元，时间性地切换所述波束赋形天线的发送和接收的轴方向，
所述控制单元控制所述天线控制单元的切换定时，以便规则性地切换所述轴方向。
10、如权利要求9所述的无线通信装置，还包括：
度量设定单元，设定唯一的值作为本装置的度量的初始值；以及
比较单元，判断其它无线通信装置所设定的度量是否大于本装置所设定的度量，
所述控制单元在其它无线通信装置所设定的度量大于本装置所设定的度量时，使本装置的发送和接收的轴方向与该其它无线通信装置的所述轴方向同步，并使用该其它无线通信装置所设定的度量更新本装置的度量。
11、无线通信方法，用于发送和接收方向性电波来与其它无线通信装置进行自组织网络通信，包括以下步骤：
在具有由方向性互相正相反的两个发送接收方向构成的多个发送接收对的天线中，以所述多个发送接收对的每一个发送接收对为单位发送和接收所述方向性电波；以及
时间性且规则性地切换所述多个发送接收对。
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