JP2006166314A

JP2006166314A - 無線局位置推定装置及び方法

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Publication number: JP2006166314A
Application number: JP2004358044A
Authority: JP
Inventors: 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
Original assignee: ATR Advanced Telecommunications Research Institute International
Current assignee: ATR Advanced Telecommunications Research Institute International
Priority date: 2004-12-10
Filing date: 2004-12-10
Publication date: 2006-06-22

Abstract

【課題】マルチホップでのエリア外の無線局の位置推定において高精度でかつ確実に無線局の位置推定を実行することができる。
【解決手段】無線ビーコン信号を受信した無線局は、無線ビーコン信号の信号強度を各放射ビームパターン毎に測定して第１のテーブルを作成し、これに基づいて、最大の信号強度を有する放射ビームパターンの情報を検索して第２のテーブルを作成し、各無線局につき第２のテーブルの作成処理を繰り返して第２のテーブルを作成し、第２のテーブルを含む無線信号を送信元の無線局に返信する。第１と第２の無線局の各位置座標が既知であるとき、第１と第２の無線局の各位置座標と第２のテーブルに基づいて、第３の無線局の位置座標を計算し、第２と第３の無線局の各位置座標及び第２のテーブルに基づいて、第２と第３の無線局の送信エリア内にある第４の無線局の位置座標を計算する。
【選択図】図１３

Description

本発明は、自局のエリア外に存在する無線局の位置を推定する無線局位置推定装置及び方法に関する。

無線通信及びパーソナルコンピューティングの最近の進歩は、各ノード無線局が無線トランシーバを備える移動ルータとして機能する高速配備が可能なインフラなしのネットワークとして想定されたアドホック無線ネットワークの研究を促している。一般に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に無指向性アンテナが備えてられている。しかしながら、無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は、ネットワーク容量の大部分を広いエリアにわたって無線媒体を確保することに浪費するＲＴＳ／ＣＴＳベースのフロア確保方法を使用する。その結果、送信機及び受信機の近傍にある多くのノード無線局は送受信機間のデータ通信の終了を待ってアイドル状態で存在することを余儀なくされる。

この問題点を緩和するため、研究者らは、送信及び受信ビームを受信及び送信ノード無線局のみに方向づける指向性アンテナの使用を提案している（例えば、特許文献１及び２、非特許文献１及び２）。これは無線干渉を大幅に低減し、これにより無線媒体の利用、すべてはネットワークスループットが向上される。さらに、指向性アンテナの使用は、無指向性アンテナに比べて少ない電力で近傍ノード無線局へ指向的にアクセスできることから電力の節約になる。

例えば、非特許文献１においては、位置推定プロトコル（以下、従来例という。）は、マルチホップを基礎とする位置計算の能力を有することが必要であること、並びに、指向性アンテナシステムとＤＯＡ（Direction Of Arrival:到達方向）推定アルゴリズムを利用した位置検出プロトコルを提案している。また、非特許文献１では、複数の指向性アンテナシステムを利用した上記位置検出プロトコルは、特に距離を基礎とする三角法技術を用いる、無指向性アンテナを用いた同様のプロトコルよりもさらにより正確な結果を得ることができることを確認している。ここで、複数の基準ノード無線局を有する切り換え可能なビームアンテナシステムと、移動体ノード無線局を有する切り換えビーム又は無指向性アンテナシステムを提案している。

特開２００１−０２４４３１号公報。特開２００１−２４４９８３号公報。 T. Ohira et al., "Electronically Steerable Passive Array Radiator (ESPAR) Antennas for Low-cost Adaptive Beam forming", IEEE International Conference on Phased Array Systems, Dana Point, California, U.S.A., May 2000. K. Gyoda et al., "Beam and Null Steering Capability of ESPAR Antennas", Proceedings of the IEEE AP-S International Symposium, July 2000. Jeongkeum Lee et al., "Location sensing protocol utilizing directional antenna systems in millimeter-wave broadband ad hoc networks", Technical Report of Seoul National University, Korea, SNU-CSE-MMLAB-LSDA, Version 1, September 2003.

しかしながら、従来例に係る位置推定プロトコルでは、実際に、指向性アンテナを用いて有効性を確認しておらず、また、マルチホップでのエリア外の無線局の位置推定方法について全く記載していないという問題点があった。

本発明の目的は以上の問題点を解決し、マルチホップでのエリア外の無線局の位置推定において、従来例に比較して高精度でかつ確実に無線局の位置推定を実行することができ、しかも構成が簡単である無線局位置推定装置及び方法を提供することにある。

第１の発明に係る無線局位置推定装置は、複数の無線局を備え、各無線局間で無線通信を行う無線ネットワークにおいて複数ホップの位置にある無線局の位置を推定する無線局位置推定装置において、
上記各無線局は、所定の角度毎に全方位にわたって放射ビームパターンを切り換えながら掃引して、当該送信元の無線局の位置情報及びその放射ビームパターン情報を含む所定の無線ビーコン信号を送信し、
上記無線ビーコン信号を受信した無線局は、上記無線ビーコン信号の信号強度を上記各放射ビームパターン毎に測定し、測定した各放射ビームパターン毎の信号強度を含む第１のテーブルを作成して記憶装置に格納し、上記第１のテーブルに基づいて、最大の信号強度を有する放射ビームパターンの情報を検索して第２のテーブルを作成して上記記憶装置に格納し、当該無線局の近傍の各無線局について上記の第２のテーブルの作成処理を繰り返して、当該無線局の近傍の各無線局についての第２のテーブルを作成して上記記憶装置に格納した後、上記作成された第２のテーブルを含む無線信号を上記送信元の無線局に返信し、
上記無線局位置推定装置は、
上記複数の無線局のうちの第１と第２の無線局の各位置座標が既知であるとき、上記第１と第２の無線局の各位置座標及び上記第１と第２の無線局の記憶装置に格納された第２のテーブルに基づいて、上記第１と第２の無線局の送信エリア内にある、上記複数の無線局のうちの第３の無線局の位置座標を計算し、上記第２と第３の無線局の各位置座標及び上記第２と第３の無線局の記憶装置に格納された第２のテーブルに基づいて、上記第２と第３の無線局の送信エリア内にある、上記複数の無線局のうちの第４の無線局の位置座標を計算する制御手段を備えたことを特徴とする。

上記無線局位置推定装置において、上記制御手段は、
上記第３の無線局の位置座標を計算する前に、上記第１と第２と第３の無線局のうちの少なくとも各１対の無線局間で、互いの位置方向を向く各放射ビームパターンを検出し、当該検出された各放射ビームパターンに基づいて、上記第１と第２と第３の無線局のうちの１つの無線局の各放射ビームパターンにそれぞれ対応する同期した各放射ビームパターンを計算し、上記計算された各放射ビームパターンの関係を示す第３のテーブルを作成して上記記憶装置に格納した後、上記作成された第３のテーブルに基づいて、上記第３の無線局の位置座標を計算し、
上記第４の無線局の位置座標を計算する前に、上記第３と第４の無線局の１対の無線局間で、互いの位置方向を向く各放射ビームパターンを検出し、当該検出された各放射ビームパターンに基づいて、上記第３と第４の無線局のうちの１つの無線局の各放射ビームパターンにそれぞれ対応する同期した各放射ビームパターンを計算し、上記計算された各放射ビームパターンの関係を示す第４のテーブルを作成して上記記憶装置に格納した後、上記作成された第３と第４のテーブルに基づいて、上記第４の無線局の位置座標を計算することを特徴とする。

また、第２の発明に係る無線局位置推定方法は、複数の無線局を備え、各無線局間で無線通信を行う無線ネットワークにおいて複数ホップの位置にある無線局の位置を推定する無線局位置推定方法において、
上記各無線局は、所定の角度毎に全方位にわたって放射ビームパターンを切り換えながら掃引して、当該送信元の無線局の位置情報及びその放射ビームパターン情報を含む所定の無線ビーコン信号を送信し、
上記無線ビーコン信号を受信した無線局は、上記無線ビーコン信号の信号強度を上記各放射ビームパターン毎に測定し、測定した各放射ビームパターン毎の信号強度を含む第１のテーブルを作成して記憶装置に格納し、上記第１のテーブルに基づいて、最大の信号強度を有する放射ビームパターンの情報を検索して第２のテーブルを作成して上記記憶装置に格納し、当該無線局の近傍の各無線局について上記の第２のテーブルの作成処理を繰り返して、当該無線局の近傍の各無線局についての第２のテーブルを作成して上記記憶装置に格納した後、上記作成された第２のテーブルを含む無線信号を上記送信元の無線局に返信し、
上記無線局位置推定方法は、
上記複数の無線局のうちの第１と第２の無線局の各位置座標が既知であるとき、上記第１と第２の無線局の各位置座標及び上記第１と第２の無線局の記憶装置に格納された第２のテーブルに基づいて、上記第１と第２の無線局の送信エリア内にある、上記複数の無線局のうちの第３の無線局の位置座標を計算し、上記第２と第３の無線局の各位置座標及び上記第２と第３の無線局の記憶装置に格納された第２のテーブルに基づいて、上記第２と第３の無線局の送信エリア内にある、上記複数の無線局のうちの第４の無線局の位置座標を計算する制御ステップを含むことを特徴とする。

上記無線局位置推定方法において、上記制御ステップは、
上記第３の無線局の位置座標を計算する前に、上記第１と第２と第３の無線局のうちの少なくとも各１対の無線局間で、互いの位置方向を向く各放射ビームパターンを検出し、当該検出された各放射ビームパターンに基づいて、上記第１と第２と第３の無線局のうちの１つの無線局の各放射ビームパターンにそれぞれ対応する同期した各放射ビームパターンを計算し、上記計算された各放射ビームパターンの関係を示す第３のテーブルを作成して上記記憶装置に格納した後、上記作成された第３のテーブルに基づいて、上記第３の無線局の位置座標を計算するステップと、
上記第４の無線局の位置座標を計算する前に、上記第３と第４の無線局の１対の無線局間で、互いの位置方向を向く各放射ビームパターンを検出し、当該検出された各放射ビームパターンに基づいて、上記第３と第４の無線局のうちの１つの無線局の各放射ビームパターンにそれぞれ対応する同期した各放射ビームパターンを計算し、上記計算された各放射ビームパターンの関係を示す第４のテーブルを作成して上記記憶装置に格納した後、上記作成された第３と第４のテーブルに基づいて、上記第４の無線局の位置座標を計算するステップとを含むことを特徴とする。

従って、本発明に係る無線局位置推定装置及び方法によれば、上記複数の無線局のうちの第１と第２の無線局の各位置座標が既知であるとき、上記第１と第２の無線局の各位置座標及び上記第１と第２の無線局の記憶装置に格納された第２のテーブルに基づいて、上記第１と第２の無線局の送信エリア内にある、上記複数の無線局のうちの第３の無線局の位置座標を計算し、上記第２と第３の無線局の各位置座標及び上記第２と第３の無線局の記憶装置に格納された第２のテーブルに基づいて、上記第２と第３の無線局の送信エリア内にある、上記複数の無線局のうちの第４の無線局の位置座標を計算することにより、マルチホップでのエリア外の無線局の位置推定において、従来例に比較して構成が簡単であって、高精度でかつ確実に無線局の位置推定を実行することができる。

また、上記無線局の位置座標を計算する前に、各１対の無線局間で、互いの位置方向を向く各放射ビームパターンを検出し、当該検出された各放射ビームパターンに基づいて、上記１つの無線局の各放射ビームパターンにそれぞれ対応する同期した各放射ビームパターンを計算し、上記計算された各放射ビームパターンの関係を示す第３及び第４のテーブルを作成したので、マルチホップでのエリア外の無線局の位置推定において、従来例に比較してさらに高い精度でかつ確実に無線局の位置推定を実行することができる。

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。

本実施形態では、ＧＰＳ（Global Positioning System：全地球測位システム）等のハードウェアを一切追加使用せずにノード無線局のおおよその位置を推定する際の指向性アンテナの別の優位点を探り、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試験装置を設定して各ノード無線局の近傍の指向性追跡及びこれに続く各ノード無線局の２つの基準ノード無線局に対する位置推定方法の有効性を実証する。この近傍追跡及び位置推定方法は、指向性ＭＡＣ及び位置支援ルーティングのような指向性ルーティングプロトコルの実装において手助けとなるだけでなく、各ノード無線局がネットワーク内の他のノード無線局のおおよその位置を知る必要のある位置ベースのサービスに関連するアプリケーションにおいても手助けとなる。

指向性アンテナの能力を十分に利用するためには、各ノード無線局が近傍ノード無線局に関する情報（ノード無線局のＩＤ、方向、リンク品質等）を予め知っておく必要がある。発信元ノード無線局及び宛先ノード無線局が通信しているときはいつも、発信元及び宛先ノード無線局の近傍のすべてのノード無線局は、発信元と宛先との間で進行中のデータ通信を妨害せず他の方向で新たな通信を開始できるようにその通信方向を認識していなければならない。言い替えれば、この無線通信システムにおいて有効なＭＡＣ及びルーティングプロトコルを実施するためには、ノード無線局は、パケットをその近傍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知らなければならない。従って、各ノード無線局でその近傍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欠となる。

本実施形態では、位置追跡及び位置推定には複数のビーコンの使用と位置データに関する複合的観察が必要とされることを示した。これは、移動性の高い場合における発明者らのメカニズムの適用可能性を制限するが、（移動性がまれであるか、数ノード無線局しか移動しない）半静的場合では、この方法がうまく動作する。アプリケーション分野には、リモート環境監視（森林、鉱山、自然災害の発生しやすい地域ほか）用のセンサネットワーク又はリモートエリアにおける地域ネットワーク（例えば、リモートエリアの測地調査又はハイキング及びトレッキング）が含まれる。

図１は、本発明に係る実施形態である、無線局位置推定機能を有す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。

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。

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、隣接リンク状態テーブル（Neighbor Link-State Table）（以下、ＮＬＳテーブルという。）及び方位角及び信号強度レベルテーブル（Angle and Signal strength Table）（以下、ＡＳテーブルという。）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処理及び無線局位置推定処理を実行することを特徴としている。

本実施形態では、あるノード無線局Ｎ_Ａは、ビーコン信号（ノード無線局Ｎ_Ａの位置情報と放射パターン番号を含む。）を、例えば３０度毎の１２個の指向性パターン（放射パターン番号は０から１１まで）を順次切り替えて掃引し、これに対して、ノード無線局Ｎ_Ａの各近傍ノード無線局Ｎ_Ｂ（１個又は複数）は無指向性パターンで受信し、各放射パターン番号に対して信号強度を測定することにより、例えば図５に示すＮＬＳテーブル（放射パターン番号、方位角、信号強度を含む。）を作成してデータベースメモリ１５４に格納する。

ＮＬＳテーブルの作成後、各近傍ノード無線局Ｎ_Ｂは、ＮＬＳテーブルに基づいて、最大の信号強度を有する方位角を検索し、検索した方位角を、当該ビーコン信号を送信したノード無線局Ｎ_Ａについての方位角として検出し、当該検出した方位角及びその信号強度レベルをＡＳテーブルに格納する。当該無線通信システム内の複数のノード無線局Ｎ_Ａが互いに時間的に重複しないように周期的に繰り返すことにより、各近傍ノード無線局Ｎ_Ｂにおいて、例えば図６のごとくＡＳテーブルを作成でき、各近傍ノード無線局Ｎ_Ｂはノード無線局Ｎ_Ａに対して当該ＡＳテーブルの情報を無指向性パターンで送信する。これに応答して、ノード無線局Ｎ_Ａは当該ＡＳテーブルを受信してデータベースメモリ１５４に格納する。以上の処理が各ノード無線局において繰り返された後、詳細後述する無線局位置推定処理が実行される。

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。

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。

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。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、特許文献１、非特許文献１及び２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。

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。

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、ＮＬＳテーブル及び公知のルーティングテーブル（図示せず。）を記憶している。

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角度は、６０°又は他の角度であってもよい。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、ＡＮＬテーブル、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。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６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、パケット送受信制御処理により作成更新される。

次いで、本実施形態で用いるＭＡＣ通信プロトコルについて以下に説明する。本実施形態に係る無線通信ネットワークにおいて、互いに無線通信を行う１組の無線局１は二次元的な閉鎖空間内を動き回り、共通の無線通信チャンネルを共有するものと仮定する。各無線局１は、上述の４個の放射パターンを有する、例えば電子制御導波器アレーアンテナ装置である可変ビームアンテナ１０１を備える。各無線局１は一度に送信又は受信の何れかを実行可能であるが、１つの無線局１で複数の送受信を行うことはできない。

ＩＥＥＥ８０２．１１のＭＡＣプロトコル基準では、ＲＴＳ／ＣＴＳ／ＤＡＴＡ／ＡＣＫアクセス制御方式を用いて、高信頼性のデータ通信が保証されているが、本実施形態の方法では、このアクセス制御方式をベースとして、図７及び図８を参照して後述するように、トーン信号＋パケット信号を用いた制御信号を用いて、ＡＮＬテーブルその他のデータを含むパケット信号を送受信する。従って、データ通信は周期的な、ＡＮＬテーブルの生成及び更新フェーズの合間に実行される。また、各フレームにはトレーニングシーケンスが追加されて送受信アンテナによるそのビーム及びヌルの制御及び適応制御モードへの移行が可能にされる。

本実施形態における本発明者らにより発明されたＭＡＣプロトコルは、基本的に「受信機による指向、回転セクタベースの指向性のＭＡＣプロトコル」であり、これはまた位置追跡メカニズムとしても機能する。この場合、各ノード無線局はアイドルの間、全方向性の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」に入る。「回転セクタ受信モード」では、ノード無線局ｎはその指向性アンテナを全方向へ例えば３０度間隔で順次回転させて、各方向における順次指向性受信の形式で３６０度の空間全体をカバーし、各方向で受信された信号を検出する。一回転の後、これは、受信された最大の信号強度によって信号の受信方向として最良である可能性のあるものを決定する。次に、そのビームをその方向へ設定し、信号を受信する。

ここで、受信された信号を復号する受信機を有効化するために、各制御パケットは、受信機の回転受信ビームを３６０度回転させる時間がトーン信号の持続時間（本発明者らのシミュレーションでのケースでは２００マイクロ秒）より少し短いような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信号より前にこのトーン信号を送信する目的は、受信機が、信号の受信方向として最良である可能性のあるものを追跡できるようにすることにある。これ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信号が送信される。

本発明者らにより提案した本実施形態に係るフレームワークでは、媒体アクセス制御のために、次の４タイプのブロードキャスト（全方向性）制御パケットを使用している。
（１）ＡＮＬテーブルを含むパケット信号（ＡＮＬパケット信号）、
（２）ＲＴＳ（送信要求）信号を含むパケット信号、及び
（３）ＣＴＳ（送信可）信号を含むパケット信号。

このほか、制御パケットＡＣＫ信号も、指向性の制御パケットである。データを含むパケット信号は、ＲＴＳ／ＣＴＳのハンドシェイクが行われた後に方向を決めて送信される。ＡＮＬパケット信号及びＧＬＳパケット信号は上述のように、周期的な信号であり、各ノード無線局から予め決められた送信周期（送信間隔）で送信される。各周期的間隔において、例えば各ノード無線局ｍは、ＡＮＬパケットをその隣接ノード無線局へ、もしその無線媒体（無線チャンネル）が空き状態であればブロードキャストを行う。先に指摘した通り、ＡＮＬパケットは、受信機が信号の受信方向として最良である可能性のあるものを検出する際に役立つ先行のトーン信号を伴って送信される。次いで、各受信機はそのビームをその方向へ設定し、パケットを受信して復号する（図７参照）。

さらに、ノード無線局ｎは、例えばノード無線局ｊとのデータ通信の開始を希望する度に無線媒体（無線チャンネル）をチェックし、無線媒体が空き状態であれば全方向性のＲＴＳ信号を発行して送信する。宛先無線局ｊは、ＲＴＳ信号を受信すると全方向性のＣＴＳ信号を発行して送信する。この場合のＲＴＳ／ＣＴＳの目的は、（オムニアンテナを使用する場合のように）ノード無線局ｎ及びｊ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ｎ及びｊの隣接ノード無線局に、隣接ノード無線局ｊがノード無線局ｎからデータパケットを受信しようとしていることを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。ノード無線局ｎ及びｊのすべての隣接ノード無線局は、それらの指向性ネットワーク配置ベクトル（Directional Network Allocation Vector（ＤＮＡＶ））をノード無線局ｎ及びｊの方向へ設定することにより、ノード無線局ｎとｊとの間の通信を追跡する。従って、ノード無線局ｎ及びｊの隣接に存在するノード無線局は、「ノード無線局ｎとノード無線局ｊとの間で行われている通信を妨害することなく」他の方向への通信を開始することができる。発信元無線局と宛先無線局は、指向性の受信モードでそれぞれ肯定応答信号及びデータパケット信号を待つ。

次いで、図１の無線局１を用いた、アドホック無線ネットワークのための無線通信システムの詳細について以下に説明する。

図１の可変ビームアンテナ１０１としては、上述のように、好ましくは、電子制御導波器アレーアンテナ装置を用いる。一般の適応型アレーアンテナは通常、ディジタル型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高周波ビーム形成に依存し、これが回路の複雑さを大幅に低減する。電子制御導波器アレーアンテナ装置は、発信元無線局の無線送受信機に接続された中央の励振素子と、当該励振素子を中心として所定の半径上に設けられて円形状で取り囲む複数本の非励振素子（典型的には、４乃至６本）とを備えて構成される。各非励振素子には、可変リアクタンス素子が接続され、そのリアクタンス値を調整することにより、各非励振素子は、当該アレーアンテナ装置の放射パターンを異なる形状に形成する。当該電子制御導波器アレーアンテナ装置の特徴は、ビーム方向の制御、同一の周波数による多重ビームの形成、可動式（３６０度の掃引走査が可能である）ビーム及びヌルステアリングの制御にある。当該電子制御導波器アレーアンテナ装置を一般化されたスイッチング用ビームアンテナとして使用することの優位点は、少数のアンテナ素子で継続して追跡が可能であり、かつ可変数のビームパターンを保有できることにある。当該電子制御導波器アレーアンテナ装置は低コスト、低電力の小型アンテナになるため、ユーザ端末であるノード無線局の電力消費の低減が促進され、スイッチング用ビームアンテナのあらゆる優位点を導出することが可能になる。

次いで、本実施形態に係る無線システムにおける無線局位置追跡と近傍ノード無線局の発見について以下に説明する。

まず、ＮＬＳテーブルの作成方法について説明する。指向性アンテナを使用して近傍ノード無線局と効果的に通信するためには、ノード無線局は、その近傍ノード無線局と通信するためにそのアンテナの放射ビームを設定するためにその近傍におけるノード無線局の各々の正確な方向を知る必要がある。各ノード無線局は、この指向的な位置追跡を周期的に実行する。通常、各ノード無線局は、アイドル状態の間は無指向性の受信モードで待機する。位置追跡を開始するに当たっては、例えばＮｎであるノード無線局は、その１２個の指向性ビームパターンを使用して１２個の指向性ビーコン信号を順次同報送信する。各ビーコン信号は、ノード無線局ＩＤ（その２次元位置情報を含む）及び対応する送信方向（放射パターン番号など）を含む。これは、３６０度のスパンをカバーして順次３０度間隔で全方向に実行される。全方向性受信モードで待機していたノード無線局Ｎｎの近傍にある近傍ノード無線局（例えばＮｉ）は、各指向性ブロードキャストパケットを受信し、受信した信号強度をノード無線局Ｎｎからノード無線局Ｎｉへの各方向でノード無線局Ｎｉにより検出されたものとして記録する（ＳＩＧＮＡＬ^α _ｎｉ，α＝｛０，３０，６０，．．．，３３０｝）。ノード無線局Ｎｉにおけるノード無線局Ｎｎに対するＮＬＳテーブルは、このようにして生成されてデータベースメモリ１５４に格納される。図４は、ノード無線局Ｎｉにおける典型的なＮＬＳテーブルの一例を示したものである。

同様に、すべてのノード無線局は周期的な指向性ビーコン信号を送信し、例えばノード無線局Ｎｉである各ノード無線局は図４に示したフォーマットでそのすべての近傍ノード無線局に関するＮＬＳテーブルを生成し、これが周期的に更新される。

次いで、ＡＳテーブルの作成方法について説明する。ＮＬＳテーブルの作成後、ノード無線局Ｎｉはそれがノード無線局Ｎｎから最大信号強度を有する信号を受信した際のノード無線局Ｎｎのビームパターンと、ノード無線局Ｎｎから受信した対応する信号強度値とを計算する。次いで、ノード無線局Ｎｉは、この情報をノード無線局Ｎｎに無指向性パターンで送信する。これを受信すると、ノード無線局Ｎｎはこの情報をそのＡＳテーブルに記録する。同様にして、ノード無線局Ｎｎはそのすべての近傍ノード無線局から同様の情報を受信し、そのＡＳテーブルを更新する。従って、任意のノード無線局ＮｎにおけるＡＳテーブルは基本的に、ノード無線局Ｎｎの近傍ノード無線局と、ノード無線局Ｎｎの各近傍ノード無線局にアクセスする最良の可能方向と、対応する最良方向で各近傍ノード無線局により検出された信号強度とを含む。ＡＳテーブルを構築するためのこの近傍情報は、任意のノード無線局Ｎｎに周期的に到来することになる。なお、ノード無線局Ｎｎが予め決められた時間にわたってその近傍ノード無線局の任意のものから方向情報を受信しなければ、そのＡＳテーブルからその近傍ノード無線局に対応する入力が削除される。

次いで、無線局位置推定処理について以下に説明する。

ここでは、アドホック無線ネットワークにおけるノード無線局位置の単純な推定メカニズムについて説明する。本実施形態で提案するメカニズムでは、ノード無線局は三角形の幾何学的特性に基づく単純な三角測量技術を適用してその固有位置を演算する。三角測量の引数は、距離測定値又は角度測定値の何れかを参照する。距離測定値は複数の基準位置からの距離測定値から位置を演算するために使用可能であり、角度測定値は距離測定値ではなく複数の基準位置に対する角度測定値を使用してオブジェクトの位置を計算する。二次元空間では、２つの角度測定値と２つの基準ノード無線局の位置とがあれば、ある目的物の位置を一意に同定することができる。従って、提案の位置推定技術は、位置が決まっている基準ノード無線局対からあるノード無線局までの最良の信号の到来角（ＡｎｇｌｅｏｆＡｒｉｖａｌ：ＡＯＡ）を使用する。任意のノード無線局は、位置追跡／近傍発見プロセスを介してそのＮＬＳテーブルにおいて近傍の基準ノード無線局からの最良信号の到来角（ＡＯＡ）測定値を入手することができる。従って、基準ノード無線局対のレンジ（送信エリア）内にあるノード無線局は、各基準ノード無線局からの最良信号の到来角（ＡＯＡ）及びこれら２つの基準ノード無線局が供給する座標からその固有の座標を計算することができる。従って、提案の枠組みの下では、指定された基準ノード無線局対のレンジ内にあるノード無線局の座標を発見することが可能である。

しかしながら、ノード無線局が両基準ノード無線局から複数のホップで離隔されて存在する場合には問題が生じる。こうしたケースでは両基準ノード無線局からの信号の到来角（ＡＯＡ）の測定が利用不可であることから、この場合は上述の方法でそのノード無線局の位置を推定することができない。従って、本発明者らは提唱する位置推定メカニズムにおいて、基準ノード無線局対（一次基準ノード無線局）の１ホップの近傍ノード無線局が自ら進んで二次基準ノード無線局となるマルチホップ拡張を提案している。その結果、次には、一次基準ノード無線局から２ホップ離れているノード無線局がこの二次基準ノード無線局を使用して上述の手順によりその位置を計算する。同様に、一次基準ノード無線局から３ホップ離れた近傍ノード無線局は、これらの２番目のホップのノード無線局をその基準ノード無線局として使用する。このようにして、ネットワーク内のすべてのノード無線局の位置を漸次推定することが可能である。

２ホップノード無線局の位置を正確に決定するためには、二次基準ノード無線局のアンテナと一次基準ノード無線局とのアラインメントの同期が必要である。アンテナと基準ノード無線局とのアラインメントの同期は、必然的にアンテナの０番目のビームパターンと基準ノード無線局のそれとのアラインメントを指す。そうでなければ、一次基準ポイントの１ホップの近傍ノード無線局が使用する座標フレームが２ホップの近傍ノード無線局が使用するそれとは異なるものになる。従って、位置推定のための共通の基準フレームを実装するために、アンテナ配向の同期は必要不可欠である。一次基準ノード無線局と二次基準ノード無線局との間（及び二次と三次基準ノード無線局との間など）の段階的なアンテナ同期は、ネットワーク内のすべてのノード無線局に共通する基準フレームを作り上げる。

以下の説明では、まず、一次基準位置対に関連してノード無線局の座標を計算する基本メカニズムを説明し、次に、遠隔ノード無線局の位置を計算する極めて重大なタスクであるアンテナと基準ノード無線局との同期プロセスについて詳述する。最後に、一次基準ノード無線局から複数ホップで離隔しているノード無線局の位置推定プロセスを示す。

まず、基準ノード無線局対を使用するノード無線局による位置推定処理手順について説明する。

＜ステップ１＞まず最初に、２つの一次基準ノード無線局（これらの位置情報は既知である。）として２つのノード無線局を選択する。ここで、例えば図１３に示すように、双方の０番目のビームパターンをＸ軸を挟んで整合させ、一方のノード無線局を（０，０）に置き、もう一方のノード無線局を（ｘ０，０）におく。提案するケースでは、これらの２つの基準座標セットと、これらの基準ノード無線局からそのノード無線局までの最良の信号の対応する到来角とに基づいてノード無線局の座標を計算する。近傍ノード無線局をあるノード無線局にアクセスさせることができる最良のビームパターンに関する情報は、各ノード無線局が保有するＮＬＳテーブルから入手可能である。このビームパターンからは、対応する到来角を得ることができる。例えば、放射パターン番号０の到来角は０、放射パターン番号１は３０゜、放射パターン番号２は６０゜など、以下同様である。）。従って、基準ノード無線局から到来するあるノード無線局への最良の信号の到来角は、そのノード無線局のＭＧＬＳテーブルに格納された対応するビームパターンから解読することができる。提案する座標計算プロセスでは、この方法を使用した。

＜ステップ２＞各基準ノード無線局は指向性ビーコンを介してその座標を周期的に送信し、従って、基準ノード無線局の何れか又は双方の近傍に存在する他のノード無線局はこの情報を収集して自らの座標を計算することができる。

＜ステップ３＞あるノード無線局（例えば図９のＰ）が２つの基準ノード無線局Ｒ１，Ｒ２の座標を何とか収集することができれば（これは、このノード無線局が基準ノード無線局Ｒ１及びＲ２の双方の送信レンジ内にある場合にのみ可能である。すなわち、近傍ノード無線局Ｒ１，Ｒ２の位置座標は既知であるという仮定。）、当該ノード無線局は、当該ノード無線局が利用可能である次の４つのパラメータを使用して即座に自らの座標（ｐ，ｑ）を計算する。
（ａ）この場合は（０，０）である基準ノード無線局Ｒ１の座標（ｘ１，ｙ１）、
（ｂ）この場合は（ｘ０，０）である近傍ノード無線局Ｒ２の座標（ｘ２，ｙ２）、
（ｃ）基準ノード無線局Ｒ１からの信号の到来角（α）及び
（ｄ）基準ノード無線局Ｒ２からの信号の到来角（β）。
ここで、ノード無線局Ｐの座標は、下記のプロセスを使用して容易に計算することができる。

図９において、ラインＰＲ１及びラインＰＲ２に関する一般式は次式で表される。

［数１］
（ｙ−ｙ１）＝ｔａｎα（ｘ−ｘ１）（１）
［数２］
（ｙ−ｙ２）＝ｔａｎβ（ｘ−ｘ２）（２）

ここで、ノード無線局Ｐ（ｐ，ｑ）はラインＰＲ１及びラインＰＲ２の交点である。従って、上記式（１）及び（２）の（ｘ，ｙ）に（ｐ，ｑ）を代入すると、次式を得る。

［数３］
ｐ＝
（（ｙ２−ｙ１）＋ｘ１ｔａｎα−ｘ２ｔａｎβ）／（ｔａｎα−ｔａｎβ）
（３）
［数４］
ｑ＝
（（ｘ１−ｘ２）ｔａｎαｔａｎβ＋（ｙ２ｔａｎα−ｙ１ｔａｎβ））
／（ｔａｎα−ｔａｎβ）（４）

＜ステップ４＞一次基準ノード無線局から２ホップで離隔されているノード無線局は、これらの基準ノード無線局とこのノード無線局との間に直接リンクがないために、上記パラメータからその座標を計算することができない。従って、この場合、２ホップで離隔されたノード無線局はＰのようなノード無線局をその基準ノード無線局として使用し、その座標を計算しなければならない。従って、この場合Ｐは二次基準ノード無線局として動作する。但しその前に、Ｐのような二次基準ノード無線局はそのアンテナを一次基準ノード無線局に同期させ、共通の基準フレームを共用できるように、かつこの同一の基準フレームに関連して他の遠隔ノード無線局が自らの位置を計算する手助けとなり得るようにしなければならない。よってアンテナを同期させた後、ノード無線局Ｐは自ら進んで二次基準ノード無線局になることができる。

さらに、非一次基準ノード無線局によるアンテナ同期について以下に説明する。

この問題点及びその解法として可能性のあるものを、反時計方向に０乃至１１のビームパターンによって同定される予め決められた１２個の放射ビームパターンを有する指向性アンテナモデルとして電子制御導波器アレーアンテナ装置を考慮しながら示す。基準ノード無線局Ｒ１はその０番目のビームを東向きに合わせ、例えばＰである別のノード無線局の０番目のビームはこのＲ１の０番目のビームに対して１２０゜の角度に設定されるものとする（図１０）。この場合、Ｒ１がＰにアクセスするビームパターンは例えば５である。よって理想的には、共通する基準フレームにおいてノード無線局Ｐは基準ノード無線局Ｒ１にその逆ビームパターン１１（＝５＋６）でアクセスするはずである。

しかしながら、ノード無線局Ｐの０番目のビームの初期アラインメントは基準ノード無線局Ｒ１のそれに対して反時計方向に角度１２０゜である。従って、ノード無線局Ｐによれば、基準ノード無線局Ｒ１にアクセスする最良のビームパターンはそのＡＳテーブルに放射パターン番号１１ではなく、放射パターン番号７と記録されている（図１１）。ビームパターンのこの不一致は、ノード無線局Ｐ及び基準ノード無線局Ｒ１におけるアンテナの初期アラインメントが異なることに起因して発生する。

従って、基準ノード無線局Ｒ１（又はＲ２）からの最良のビームパターンは、基準ノード無線局Ｒ１（又はＲ２）によって送信されたビーコンから両者のアンテナのアラインメントに従ってノード無線局Ｐにより抽出される。しかしながら、ノード無線局Ｐの原初のアラインメントはノード無線局Ｒ１（又はＲ２）のアラインメントとは異なる可能性がある。従って、ノード無線局Ｐは、基準ノード無線局Ｒ１（又はＲ２）のアラインメントに従ってそのビームパターンをマッピングし、その基準フレームを一次基準ノード無線局に同期させなければならない。但し、これは、ノード無線局Ｐが基準ノード無線局Ｒ１の場合に類似する物理的なアンテナアラインメントを保証しなければならないことを意味しない。従って、ノード無線局Ｐはその時点以降、そのビームパターンの原初のアラインメントではなく同期されたビームパターンを明示するビーコンを送信できるように、何らかのメカニズムを介してその現在のビームパターン（又は放射パターン番号）を同期されたビームパターンにマッピングしなければならない。言い替えれば、ノード無線局Ｐは、そのアンテナの配向を物理的に変更することなくそのビームパターンを改名する。この改名は、図１１のマッピングテーブルを用いて行われる。従って、ノード無線局のアンテナを物理的に合わせる代わりに、マッピングテーブルはその原初のビームパターンを共通の基準フレームに論理的に合わせる。

次いで、同期後のマッピングテーブルの形成方法について以下に説明する。

＜ステップ１１＞例えばＰであるノード無線局は、まず、近傍の基準ノード無線局Ｒ１からの最大信号強度を有するビーコン信号を得るビームパターン（放射パターン番号）を発見する。これは、基準ノード無線局Ｒ１がノード無線局Ｐにアクセスするための最良のビームパターンである。この情報はノード無線局ＰのＮＬＳテーブルから取得され、これをｐｘとする。

＜ステップ１２＞基準ノード無線局Ｒ１は次に、パターンｐｘの逆パターンを導出する。これは、次のように行うことができる。電子制御導波器アレーアンテナ装置は１２個のビームパターンを有することから、次式により導出可能である。

［数５］
０≦ｐｘ≦５であれば、パターンｐｘの逆ビームパターン＝ｐｘ＋６。（５）
［数６］
６≦ｐｘ≦１１であれば、パターンｐｘの逆ビームパターン＝ｐｘ−６。（６）

＜ステップ１３＞次に、ノード無線局ＰはそのＡＳテーブルを調べて基準ノード無線局Ｒ１にアクセスするための最良のビームパターン記録を見つける。これをｐｙとする。

＜ステップ１４＞次に、ノード無線局Ｐは逆ビームパターンをｐｙと付き合わせて下記のように同期後の放射パターン番号を含むマッピングテーブルを形成する。
＜ステップ１４ａ＞ノード無線局Ｐはまず、逆ビームパターンの計算値（ステップ１２を使用して計算される、ノード無線局Ｐから基準ノード無線局Ｒ１まで）及びそのＡＳテーブルに記載されている基準ノード無線局Ｒ１へアクセスする最良のビームパターン（ｐｙ）から取得される差を求める。この差をオフセットと呼ぶ。
＜ステップ１４ｂ＞次に、ノード無線局Ｐは、各ビームパターンについて、このオフセット値を加算し、下記のように対応する同期後のビームパターンを得る。
＜ステップ１４ｂ１＞結果である値が１１以下であれば、この結果値を対応するパターンの同期後ビームパターンとして、マッピングテーブルに格納する。
＜ステップ１４ｂ２＞但し、結果である値が１１より上であれば、対応するパターンの実際の同期後ビームパターンは（結果である値−１２）になる。

図１０に示す例について上記のマッピングテーブルの作成手順を適用した場合は以下のようになる。なお、図１０において、ノード無線局ＰのビームパターンＰｐ０は放射パターン番号０の方向を示しており、ノード無線局ＰのビームパターンＰｐ３は放射パターン番号３の方向を示している。また、ノード無線局Ｒ１のビームパターンＲ１ｐ０は放射パターン番号０の方向を示しており、ノード無線局Ｒ１のビームパターンＲ１ｐ３は放射パターン番号３の方向を示している。

（１）ノード無線局Ｐは、基準ノード無線局Ｒ１から例えば放射パターン番号５で最大信号強度を有する信号を受信している。図１０において、ベストビームパターン（Ｒ１−Ｐ）＝５で示している。
（２）次いで、ノード無線局Ｐは、放射パターン番号５の逆の放射パターン番号を５＋６＝１１のように計算する。
（３）次いで、ノード無線局Ｐは、そのＡＳテーブルから基準ノード無線局Ｒ１へアクセスするベストビームパターンの放射パターン番号が７であることを発見する。
（４）オフセット（計算した逆ビームパターン（Ｐ−Ｒ１）とＡＳテーブルに記載されたベストビームパターン（Ｐ−Ｒ１）との差）は（１１−７＝４）である。
（５）これで、ノード無線局Ｐは、上記ステップ１４ｂで説明した規則に従って、図１１に示すような同期後マッピングテーブルを作成してデータベースメモリ１５２に格納する。

従って、マッピングテーブルの作成及び自己座標の計算の後、任意のノード無線局（例えばＰ）は、固定された基準ノード無線局Ｒ１及びＲ２から物理的に遠位に離隔されているノード無線局のための二次基準ノード無線局のように動作することが可能である。

さらに、基準ノード無線局から複数のホップで離隔されているノード無線局の位置推定方法について以下に説明する。

一次基準ノード無線局Ｒ１及びＲ２から複数のホップ（例えば２ホップ）で離隔されているノード無線局（例えばＱ）は、基準ノード無線局Ｒ１、Ｒ２とノード無線局Ｑとの間に直接リンクがないために、上述したプロセスを使用して直接的にその座標を計算することができない。この場合、ノード無線局Ｑは、図１２に示すノード無線局Ｐ及びＳのようなノード無線局をその基準ノード無線局として使用し、その座標を計算しなければならない。従って、この場合のノード無線局Ｐ及びＳは二次基準ノード無線局として動作する。但し、その前に、ノード無線局Ｐのような二次基準ノード無線局は上述した方法（マッピングテーブルを用いた放射パターンの同期化方法）を使用してそのアンテナを一次基準ノード無線局に同期させ、共通の基準フレームを共用できるように、かつこの同一の基準フレームに関連してＱのような他の遠隔ノード無線局が自らの位置を計算する手助けとなり得るようにしなければならない。従って、ノード無線局Ｐにおける（図１１に一例を示した）同期後のマッピングテーブルの形成後、ノード無線局Ｐは自ら進んで二次基準ノード無線局になることができる。次に、ノード無線局Ｑは、例えばノード無線局Ｐ、Ｓのような近傍の２つの二次基準ノード無線局の位置及びこれらからの信号の対応する到来角（ＡＯＡ）を使用し、詳細上述した式（３）及び（４）を用いてその座標を計算することができる。

図１３は、図１のアドホック無線ネットワークの無線局位置推定機能において２個の基準ノード無線局Ａ，Ｂからノード無線局Ｐの位置を推定した後、第２の基準ノード無線局Ｐ，Ｂからノード無線局Ｑの位置を推定する方法を説明するための平面図である。図１３において、ノード無線局Ａ，Ｂ，Ｐはこれらの送信エリア内にあるが、ノード無線局Ｑはノード無線局Ａからの送信エリア外にあるものと仮定している。図１３においては、それぞれの位置座標が既知であるノード無線局Ａ，Ｂからノード無線局Ｐの位置座標を計算した後、ノード無線局Ｐ，Ｂからノード無線局Ｑの位置座標を計算する。ここで、ノード無線局Ｐの位置座標の計算前に、ノード無線局Ａ，Ｂ，Ｐにおいてマッピングテーブルの同期化を行ってノード無線局Ｐの位置座標の計算を例えばノード無線局Ｐにおいて行い、また、ノード無線局Ｑの位置座標の計算前に、ノード無線局Ｂ，Ｐ，Ｑ（少なくともノード無線局Ｐ，Ｑ）においてマッピングテーブルの同期化を行ってノード無線局Ｑの位置座標の計算を例えばノード無線局Ｑにおいて行う必要がある。

以上説明したように、本実施形態では、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におけるノード無線局の位置追跡及び位置推定方法を用いて、複数ホップのノード無線局の位置推定を行うときに、マッピングテーブルの同期化を行うようにしたので、従来例に比較して高い精度でノード無線局の位置推定を行うことができる。

以上詳述したように、本発明に係る無線局位置推定装置及び方法によれば、複数の無線局のうちの第１と第２の無線局の各位置座標が既知であるとき、上記第１と第２の無線局の各位置座標及び上記第１と第２の無線局の記憶装置に格納された第２のテーブルに基づいて、上記第１と第２の無線局の送信エリア内にある、上記複数の無線局のうちの第３の無線局の位置座標を計算し、上記第２と第３の無線局の各位置座標及び上記第２と第３の無線局の記憶装置に格納された第２のテーブルに基づいて、上記第２と第３の無線局の送信エリア内にある、上記複数の無線局のうちの第４の無線局の位置座標を計算することにより、マルチホップでのエリア外の無線局の位置推定において、従来例に比較して構成が簡単であって、高精度でかつ確実に無線局の位置推定を実行することができる。

本発明に係る実施形態である無線局位置推定機能を有す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。図１の各無線局１の内部構成を示すブロック図である。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。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。図１の各無線局１において測定されるＮＬＳテーブルの一例を示す図である。図１の各無線局１において測定されるＡＳテーブルの一例を示す図である。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。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各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１のアドホック無線ネットワークの無線局位置推定機能において２個の基準ノード無線局Ｒ１，Ｒ２からノード無線局Ｐの位置を計算する方法を説明するための平面図である。図１のアドホック無線ネットワークの無線局位置推定機能において２個のノード無線局Ｒ１，Ｐ間でベストビームパターンを互いに送受信することを説明するための平面図である。図１のアドホック無線ネットワークの無線局位置推定機能においてビームパターン番号の同期化処理を説明するための、同期前後のビームパターン番号変換テーブルの一例を示す図である。図１のアドホック無線ネットワークの無線局位置推定機能において第２の基準ノード無線局Ｐ及びＳからノード無線局Ｑの位置を推定する方法を説明するための平面図である。図１のアドホック無線ネットワークの無線局位置推定機能において２個の基準ノード無線局Ａ，Ｂからノード無線局Ｐの位置を推定した後、第２の基準ノード無線局Ｐ，Ｂからノード無線局Ｑの位置を推定する方法を説明するための平面図である。

符号の説明

１，１−１乃至１−９，１−ｉ，１−ｊ，１−ｋ，１−ｌ，Ｎ_１乃至Ｎ_６…ノード無線局、
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。

Claims

複数の無線局を備え、各無線局間で無線通信を行う無線ネットワークにおいて複数ホップの位置にある無線局の位置を推定する無線局位置推定装置において、
上記各無線局は、所定の角度毎に全方位にわたって放射ビームパターンを切り換えながら掃引して、当該送信元の無線局の位置情報及びその放射ビームパターン情報を含む所定の無線ビーコン信号を送信し、
上記無線ビーコン信号を受信した無線局は、上記無線ビーコン信号の信号強度を上記各放射ビームパターン毎に測定し、測定した各放射ビームパターン毎の信号強度を含む第１のテーブルを作成して記憶装置に格納し、上記第１のテーブルに基づいて、最大の信号強度を有する放射ビームパターンの情報を検索して第２のテーブルを作成して上記記憶装置に格納し、当該無線局の近傍の各無線局について上記の第２のテーブルの作成処理を繰り返して、当該無線局の近傍の各無線局についての第２のテーブルを作成して上記記憶装置に格納した後、上記作成された第２のテーブルを含む無線信号を上記送信元の無線局に返信し、
上記無線局位置推定装置は、
上記複数の無線局のうちの第１と第２の無線局の各位置座標が既知であるとき、上記第１と第２の無線局の各位置座標及び上記第１と第２の無線局の記憶装置に格納された第２のテーブルに基づいて、上記第１と第２の無線局の送信エリア内にある、上記複数の無線局のうちの第３の無線局の位置座標を計算し、上記第２と第３の無線局の各位置座標及び上記第２と第３の無線局の記憶装置に格納された第２のテーブルに基づいて、上記第２と第３の無線局の送信エリア内にある、上記複数の無線局のうちの第４の無線局の位置座標を計算する制御手段を備えたことを特徴とする無線局位置推定装置。
上記制御手段は、
上記第３の無線局の位置座標を計算する前に、上記第１と第２と第３の無線局のうちの少なくとも各１対の無線局間で、互いの位置方向を向く各放射ビームパターンを検出し、当該検出された各放射ビームパターンに基づいて、上記第１と第２と第３の無線局のうちの１つの無線局の各放射ビームパターンにそれぞれ対応する同期した各放射ビームパターンを計算し、上記計算された各放射ビームパターンの関係を示す第３のテーブルを作成して上記記憶装置に格納した後、上記作成された第３のテーブルに基づいて、上記第３の無線局の位置座標を計算し、
上記第４の無線局の位置座標を計算する前に、上記第３と第４の無線局の１対の無線局間で、互いの位置方向を向く各放射ビームパターンを検出し、当該検出された各放射ビームパターンに基づいて、上記第３と第４の無線局のうちの１つの無線局の各放射ビームパターンにそれぞれ対応する同期した各放射ビームパターンを計算し、上記計算された各放射ビームパターンの関係を示す第４のテーブルを作成して上記記憶装置に格納した後、上記作成された第３と第４のテーブルに基づいて、上記第４の無線局の位置座標を計算することを特徴とする請求項１記載の無線局位置推定装置。
複数の無線局を備え、各無線局間で無線通信を行う無線ネットワークにおいて複数ホップの位置にある無線局の位置を推定する無線局位置推定方法において、
上記各無線局は、所定の角度毎に全方位にわたって放射ビームパターンを切り換えながら掃引して、当該送信元の無線局の位置情報及びその放射ビームパターン情報を含む所定の無線ビーコン信号を送信し、
上記無線ビーコン信号を受信した無線局は、上記無線ビーコン信号の信号強度を上記各放射ビームパターン毎に測定し、測定した各放射ビームパターン毎の信号強度を含む第１のテーブルを作成して記憶装置に格納し、上記第１のテーブルに基づいて、最大の信号強度を有する放射ビームパターンの情報を検索して第２のテーブルを作成して上記記憶装置に格納し、当該無線局の近傍の各無線局について上記の第２のテーブルの作成処理を繰り返して、当該無線局の近傍の各無線局についての第２のテーブルを作成して上記記憶装置に格納した後、上記作成された第２のテーブルを含む無線信号を上記送信元の無線局に返信し、
上記無線局位置推定方法は、
上記複数の無線局のうちの第１と第２の無線局の各位置座標が既知であるとき、上記第１と第２の無線局の各位置座標及び上記第１と第２の無線局の記憶装置に格納された第２のテーブルに基づいて、上記第１と第２の無線局の送信エリア内にある、上記複数の無線局のうちの第３の無線局の位置座標を計算し、上記第２と第３の無線局の各位置座標及び上記第２と第３の無線局の記憶装置に格納された第２のテーブルに基づいて、上記第２と第３の無線局の送信エリア内にある、上記複数の無線局のうちの第４の無線局の位置座標を計算する制御ステップを含むことを特徴とする無線局位置推定方法。
上記制御ステップは、
上記第３の無線局の位置座標を計算する前に、上記第１と第２と第３の無線局のうちの少なくとも各１対の無線局間で、互いの位置方向を向く各放射ビームパターンを検出し、当該検出された各放射ビームパターンに基づいて、上記第１と第２と第３の無線局のうちの１つの無線局の各放射ビームパターンにそれぞれ対応する同期した各放射ビームパターンを計算し、上記計算された各放射ビームパターンの関係を示す第３のテーブルを作成して上記記憶装置に格納した後、上記作成された第３のテーブルに基づいて、上記第３の無線局の位置座標を計算するステップと、
上記第４の無線局の位置座標を計算する前に、上記第３と第４の無線局の１対の無線局間で、互いの位置方向を向く各放射ビームパターンを検出し、当該検出された各放射ビームパターンに基づいて、上記第３と第４の無線局のうちの１つの無線局の各放射ビームパターンにそれぞれ対応する同期した各放射ビームパターンを計算し、上記計算された各放射ビームパターンの関係を示す第４のテーブルを作成して上記記憶装置に格納した後、上記作成された第３と第４のテーブルに基づいて、上記第４の無線局の位置座標を計算するステップとを含むことを特徴とする請求項３記載の無線局位置推定方法。