JP2007509523A - 無線通信ネットワークでの通信方法、対応する局及びネットワーク - Google Patents

Abstract

本発明は、無線通信ネットワークの送信／受信局（1、2）に関する通信方法に関する。その方法では、第１のマルチ受信フレーム（RTS、CTS）は、局と複数の他の局との間で交換され、第２のモノ受信フレーム（DATA、ACK）は送信局と受信局との間で交換される。第１のフレームは無指向性で送信される。本発明によれば、ネットワークのスループットを増加させるために、第２のフレームは指向性で送信される。更に、無指向性での送信は指向性での送信よりロバストに行われる。

Description

本発明は、無線通信ネットワークの送信／受信局（1、2）に関する通信方法に関し、その方法で、第１のマルチ受信フレームは局と複数の他の局との間で交換され、第２のモノ受信フレームは送信局と受信局との間で交換され、第１のフレームは無指向性で送信される。

より具体的には、本発明は、例えばIEEE802.11a/g米国標準又はETSI（European Telecommunications Standards Instutute）のHiperlan/2欧州標準を使用した企業又はドメスティック無線通信ネットワークを対象とする。

距離での信号出力の減衰、雑音、他の電気装置との干渉のため、また、壁のような障害物からの波の反射によるマルチパス効果のため、無線通信の性能は主に閉ざされた空間に限られる。これらの性能の問題は、1987年8月のIEEE communication magazine volume 25、No.8に公開されたA.S.Acamporaによる“System Applications for Wireless Indoor Communications”に示されている。

IEEE802.11a/g標準では、ネットワークの固定局又は移動局（具体的にはコンピュータとアクセスポイント（又はネットワークのノード））の間での通信は、以下の転送により行われる。
−小さいサイズの制御フレーム（媒体へのアクセスを制御するために使用される“Request To Send”及び“Clear To Send”をそれぞれ表すいわゆる“RTS”及び“CTS”フレーム、並びにデータの受信を確認する“Acknowledgement”を表す“ACK”等）
−データフレーム（データの送信のために使用され、場合によっては大量の情報を含むいわゆる“DATA”フレーム）
−管理フレーム（ネットワーク管理情報を交換するために使用され、データフレームと同様に送信される）
“DCF”（“Distributed Coordination Function”）と呼ばれる局の間の基本アクセス機構は、フレーム間の衝突を回避するために、以下に説明する“CSMA/CA”プロトコル（“Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance”）に従う。
−第２の局にデータを発信しようとする第１の局は、ソースと宛先とトランザクションの継続期間とを指定して、その送信範囲にある全ての局にRTSフレームを送信し、特定の継続期間だけ通信媒体を確保する。
−媒体が未使用である場合、第２の局は、その送信範囲にある全ての局に応答し、RTSフレームと同じ情報を有するCTSフレームでデータの転送を受け入れたことを伝える。
−通信している２つの局以外のRTS又はCTSフレームのうち少なくとも１つを受信した全ての局は、受信した情報に基づいて“NAV”（“Network Allocation Vector”）（すなわち、データの転送を妨げないように全てのアクティビティを中止する期間）を設定する。
−CTSフレームの受信後に、第１の局は１つ以上のDATAフレームで第２の局に転送されるデータを発信する。
−第２の局はデータを受信し、第１の局にACKフレームを発信し、データの正確な受信を伝える。

RTS及びCTSフレームは、２つの局と通信するためにネットワークの全ての局により受信される必要があるマルチ受信フレームである。一方、DATA及びACKフレームは、通信している２つの局のみにより受信されるモノ受信フレームである。

現在、無線通信ネットワークでは、ネットワークの各局は、前述の全ての形式のフレームを発信するために無指向性アンテナを利用する。受信範囲、ネットワークのロバスト性及びデータ転送のスループットは、アンテナの物理レイヤにより使用される送信モードに依存する。これらの物理モードは、その変調形式と、そのFEC（“Forward Error Correction”を表す）レートとにより定められる。IEEE802.11a/g標準及びHiperlan/2標準では、これらのモードはそのスループットで表１及び２に定められる。それぞれの表に、モードはロバスト性の高いモード（低スループット）からロバスト性の低いモード（高スループット）に分類されている。所定の変調形式（例えばBPSK）では、モードは低FECレート（例えばBPSK1/2）から高FECレート（例えばBPSK3/4）に分類される。

これらの標準は、OFDM変調を使用しているため、前記のモードはサブキャリアの変調に対応する。

受信範囲が広くなるほど、設定されるロバスト通信の数が大きくなり、スループットが小さくなる。通信がロバストモードで行われる場合（例えばBPSK1/2）、受信範囲は大きいが、スループットは小さい。一方、通信が高いモードで行われる場合（例えば64QAM3/4）、スループットは大きくなるが、受信範囲は制限される（他の送信モードについてはIEEE802.11a/g標準を参照のこと）。従って、無指向性アンテナを備えた局での無線通信ネットワークは、限られた受信範囲と、比較的小さい通信スループットとを示す。更に、通信はマルチパス効果を受け、ネットワークの動作を低下させる。更に、性能を改善するために受信時にアンテナダイバーシチを使用する特定のシステムが知られている。

本発明の目的は、包括的にネットワークのスループットを増加させることにより、前述のような無線通信ネットワークで通信を改善することである。

より具体的には、本発明は、無線通信ネットワークの送信／受信局に関する通信方法であり、その方法では、第１のマルチ受信フレームは、局と複数の他の局との間で交換され、第２のモノ受信フレームは送信局と受信局との間で交換される。第１のフレームは無指向性で送信される。第２のフレームは指向性で送信される。本発明による通信方法を用いて、（送信時と受信時との双方で）無指向性での送信は指向性での送信よりロバストに行われる。

本発明による方法の更なる特徴によれば、最高のロバストの送信は、最低のロバストの送信より低いスループットで行われる。本発明による通信方法では、ネットワークの各局は、特にRTS及びCTSフレームの送信用の無指向性アンテナと、DATA及びACKフレームの送信用の１つ以上の指向性アンテナとを備える。この構成は、特にモノ受信メッセージのスループットを高めることにより、スループットの増加と、局の間の通信の品質の増加とを提供する。

本発明による通信方法では、モノ受信フレームは第１の数の位相を備えた変調により変調され、マルチ受信フレームは第２の数の位相を備えた変調により変調され、第１の数の位相は第２の数の位相より大きい。

モノ受信フレームは２つより多い位相を備えた変調により変調され、マルチ受信フレームは２つの位相の変調により変調されることが好ましい。

本発明による方法の更なる特徴によれば、モノ受信フレームは第１の前方誤り訂正レートで符号化され、マルチ受信フレームは第２の前方誤り訂正レートで符号化され、第１のレートは第２のレートより大きい。

本発明の特定の実施例によれば、モノ受信フレーム及びマルチ受信フレームは、同じ変調により変調される。

本発明のその他の特徴によれば、送信は、
−Hiperlan形式2及び
−IEEE802.11a
を有するセットに属する標準のうち１つに従う。

送信は更にIEEE802.11gに従ってもよい。

本発明は、無線通信ネットワークの送信及び／又は受信局に及ぶ。局は、無指向性でマルチ受信フレームを送信及び／又は受信し、指向性でモノ受信フレームを送信及び／又は受信するように講じられる。より正確には、局は、無指向性でマルチ受信フレームを送信及び／又は受信する手段と、指向性でモノ受信フレームを送信及び／又は受信する手段とを有し、無指向性での送信は、指向性での送信よりロバストに行われる。

本発明の一実施例によれば、局は、第１の数の位相を備えた変調により変調されるモノ受信フレームと、第２の数の位相を備えた変調により変調されるマルチ受信フレームとを送信及び／又は受信するように適合され、第１の数の位相は第２の数の位相より大きい。

本発明の特定の実施例によれば、局は、２つより多い位相を備えた変調により変調されるモノ受信フレームと、２つの位相の変調により変調されるマルチ受信フレームとを送信及び／又は受信するように適合される。

本発明の一実施例によれば、局は、第１の前方誤り訂正レートで符号化されるモノ受信フレームと、第２の前方誤り訂正レートで符号化されるマルチ受信フレームとを送信及び／又は受信するように適合され、第１のレートは第２のレートより大きい。

本発明の特定の実施例によれば、局は、同じ変調により変調されるモノ受信フレームとマルチ受信フレームとを送信及び／又は受信するように適合される。

本発明による送信／受信局は、少なくとも１つの無指向性アンテナと、１つ以上の指向性アンテナ（例えば相互に90°の方向の４つの指向性アンテナ）とを有する。

本発明のその他の態様によれば、局は、
−Hiperlan2形式2及び
−IEEE802.11a
とを有するセットに属する標準のうち１つに従って送信するように適合される。

局は、IEEE802.11gに従って送信するように更に適合される。

本発明は、１つ以上のこのような送信／受信局を有する無線通信ネットワークにも更に及ぶ。

本発明による方法及び局は以下に詳細に記載されており、図面に図示されている。

２つの局1、2の間で高スループットでデータを転送するための本発明による無線通信方法を、非常に概略的に図１に示す。局1は、第１のマルチ受信フレームRTSを無指向性（無指向性アンテナ11）で発信する。局2は、（その無指向性アンテナ21での）RTSフレームの受信に応じて、マルチ受信フレームCTSを発信する。（無指向性アンテナ11での）CTSフレームの受信に応じて、局1は、（指向性アンテナ12を用いて）モノ受信フレームDATAを発信する。（指向性アンテナ22での）DATAフレームの受信に応じて、局2は、（アンテナ22で）モノ受信フレームACKを返信し、モノ受信フレームACは局1によりアンテナ12で受信される
従って、本発明による方法では、RTS及びCTSのようなマルチ受信フレームは、無指向性アンテナを用いてネットワークの局により発信されるが、DATA及びACKのようなモノ受信フレームは、指向性アンテナを用いて局により発信及び受信される。

４つの局1、2、3、4を備えた本発明による無線通信ネットワークのトポロジを図２に示す。当然のことながら、本発明による無線通信ネットワークは、より多くの数の局を有してもよい。この図は、局1がマルチ受信フレームRTSを発信するときの、局1の無指向性アンテナの使用（及び無指向性アンテナを使用する受信局の使用）に対応する円5で示す受信範囲を示している。また、局2がマルチ受信フレームCTSを発信するときの、局2の無指向性アンテナの使用（及び無指向性アンテナを使用する受信局の使用）に対応する円6で示す受信範囲を示している。最後に、モノ受信フレームDATA及びACKの送信のために局1及び2がその指向性アンテナを使用するときの楕円7で示す受信範囲が図示されている。

局1〜4は、固定又は移動コンピュータでもよく、ネットワークのアクセスポイントでもよく、又はオーディオ及びビデオ装置でもよい。

局1及び2の間の通信において、局3は、局1及び2の間の通信の継続期間についての情報を有するRTSフレームを受信する。更に、局4は、図２に示すネットワークトポロジを用いて、局1及び2の間の通信の継続期間についての情報を有するCTSフレームを受信する。その結果、局3及び4は、少なくとも局1及び2の間の指向性アンテナでの通信中に、非アクティブに留まるようにNAVを設定することができる。

当然のことながら、局1及び2は、受信時と送信時との双方で最善の指向性アンテナを決定するために、既知のアルゴリズムを使用しなければならない。

特に、送信時及び受信時の最善の指向性アンテナの選択は、２つの局の指向性アンテナが送信と受信との双方に使用可能であるときに局の指向性アンテナが他の局の指向性アンテナと対応してマッチする場合に、各局のテーブルの更新で受信した信号の出力の測定の分析と、２つの局の間で交換されるテストフレームの分析とに基づいてもよい。

小さいサイズ（従って高スループットで送信される必要がない）のマルチ受信フレームを発信するために低スループット送信モードに従って無指向性アンテナを使用することにより、ネットワークの非常に良好な受信範囲が可能になり、これにより、干渉及びフレーム間の衝突を最大限に制限し、他の隣接ネットワークがアクティビティを検出することが可能になる。従って、後者は他のチャネルに切り替えて通信を行うことが可能になる。

更に、大きいサイズのフレームであるモノ受信フレームを転送するために高スループットモードに従って指向性送信／受信アンテナを使用することにより、ネットワークの通信スループットを増加させることが可能になる。更に、その指向性のおかげで、指向性アンテナは信号対雑音比及び信号対干渉比を改善し、それにより送信時及び受信時のアンテナ利得を改善し、ネットワークの通信に対する全体的な改善という結果を生じる。

円で象徴的に示されている11のような無指向性アンテナと、同一平面に配置されているが相互に90°の方向の４つの指向性アンテナ12a、12b、12c、12dとを有する局1のような局を、図３に非常に概略的に示す。

無指向性アンテナ11は、ロバスト送信モードでマルチ受信フレームを送信及び／又は受信するように構成され得る（例えばマルチ受信フレームは２つの位相の変調（例えばBPSK1/2）により変調される）。各指向性アンテナ12a〜12dは、高いモードでモノ受信フレームを送信又は受信するように構成されてもよい（例えばモノ受信フレームは２つより多い位相を備えた変調（例えばQPSK、8PSK、16又は64QAM3/4）により変調される）。最高のロバスト送信は、最低のロバスト送信より低いスループットで実行されることがわかる。一般的には、最高のロバスト送信は、低スループットの物理モードに基づく。例えば、マルチ受信フレームは物理モード（例えばBPSK1/2（それぞれQPSK1/2））により変調され、モノ受信フレームは高スループットの物理モード（例えばQPSK1/2（それぞれQPSK3/4又は16QAM3/4又は64QAM2/3又は64QAM3/4））により変調される。

従って、本発明の他の実施例によれば、マルチ受信フレームは４つの位相の変調（例えばQPSK1/2（それぞれQPSK3/4））により変調され、モノ受信フレームは４つより多い位相の変調（例えば16QAM1/2（それぞれ16QAM3/4又は64QAM2/3又は64QAM3/4）により変調される。

本発明のその他の実施例によれば、マルチ受信フレームは、低FECレートを備えた４つの位相の変調（例えばQPSK1/2（それぞれ16QAM1/2）により変調され、モノ受信フレームは、高FECレートを備えた４つの位相の変調（例えばQPSK3/4（それぞれ16QAM3/4）により変調される。

当然のことながら、本発明による局は、４つより多い又は小さい指向性アンテナを有してもよい。当然のことながら、本発明による通信方法を実装するように構成された局は、本発明による通信方式を適用しない局との通信に関して互換性を維持する。

通信がマルチ受信フレームとモノ受信フレームとを用いて行われる場合には、本発明はIEEE802.11a/g又はHiperlan/2標準以外の標準にも適用可能である。

本発明による無線通信ネットワークの通信方法を示す図 本発明による方法を使用したネットワークの概略図 本発明による４つの指向性アンテナと無指向性アンテナとを備えた局の概略図

Claims (18)

1. 無線通信ネットワークの送信／受信局に関する通信方法であって、
   第１のマルチ受信フレームは、局と複数の他の局との間で交換され、
   第２のモノ受信フレームは送信局と受信局との間で交換され、
   前記第１のフレームは無指向性で送信され、
   前記第２のフレームは指向性で送信され、
   無指向性での送信は指向性での送信よりロバストに行われることを特徴とする方法。
2. 請求項１に記載の方法であって、
   最高のロバストの送信は、最低のロバストの送信より低いスループットで行われることを特徴とする方法。
3. 請求項１又は２に記載の方法であって、
   前記モノ受信フレームは第１の数の位相を備えた変調により変調され、
   前記マルチ受信フレームは第２の数の位相を備えた変調により変調され、
   前記第１の数の位相は前記第２の数の位相より大きいことを特徴とする方法。
4. 請求項３に記載の方法であって、
   前記モノ受信フレームは２つより多い位相を備えた変調により変調され、
   前記マルチ受信フレームは２つの位相の変調により変調されることを特徴とする方法。
5. 請求項１ないし４のうちいずれか１項に記載の方法であって、
   前記モノ受信フレームは第１の前方誤り訂正レートで符号化され、
   前記マルチ受信フレームは第２の前方誤り訂正レートで符号化され、
   前記第１のレートは第２のレートより大きいことを特徴とする方法。
6. 請求項５に記載の方法であって、
   前記モノ受信フレーム及び前記マルチ受信フレームは、同じ変調により変調されることを特徴とする方法。
7. 請求項１ないし６のうちいずれか１項に記載の方法であって、
   送信は、
   −Hiperlan形式2及び
   −IEEE802.11a
   を有するセットに属する標準のうち１つに従うことを特徴とする方法。
8. 請求項１ないし６のうちいずれか１項に記載の方法であって、
   送信はIEEE802.11gに従うことを特徴とする方法。
9. 無線通信ネットワークの送信及び／又は受信局であって、
   前記局は、無指向性でマルチ受信フレームを送信及び／又は受信する手段と、指向性でモノ受信フレームを送信及び／又は受信する手段とを有し、
   無指向性での送信は、指向性での送信よりロバストに行われることを特徴とする送信及び／又は受信局。
10. 請求項９に記載の局であって、
    前記モノ受信フレームは、第１の数の位相を備えた変調により変調され、
    前記マルチ受信フレームは、第２の数の位相を備えた変調により変調され、
    前記第１の数の位相は前記第２の数の位相より大きいことを特徴とする局。
11. 請求項１０に記載の局であって、
    前記モノ受信フレームは、２つより多い位相を備えた変調により変調され、
    前記マルチ受信フレームは、２つの位相の変調により変調されることを特徴とする局。
12. 請求項９ないし１１のうちいずれか１項に記載の局であって、
    前記モノ受信フレームは、第１の前方誤り訂正レートで符号化され、
    前記マルチ受信フレームは、第２の前方誤り訂正レートで符号化され、
    前記第１のレートは前記第２のレートより大きいことを特徴とする局。
13. 請求項１２に記載の局であって、
    前記モノ受信フレーム及び前記マルチ受信フレームは、同じ変調により変調されることを特徴とする局。
14. 請求項９ないし１３のうちいずれか１項に記載の局であって、
    少なくとも１つの無指向性アンテナと、１つ以上の指向性アンテナとを有することを特徴とする局。
15. 請求項９ないし１４のうちいずれか１項に記載の局であって、
    相互に90°の方向の４つの指向性アンテナを有することを特徴とする局。
16. 請求項９ないし１５のうちいずれか１項に記載の局であって、
    送信は、
    −Hiperlan形式2及び
    −IEEE802.11a
    を有するセットに属する標準のうち１つに従うことを特徴とする局。
17. 請求項９ないし１５のうちいずれか１項に記載の局であって、
    送信はIEEE802.11gに従うことを特徴とする局。
18. 請求項９ないし１７のうちいずれか１項に記載の複数の送信及び／又は受信局を有することを特徴とする無線通信ネットワーク。

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