JP2010199804A - 無線ネットワークシステムとその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】２つの無線通信システムを含む無線ネットワークシステムにおいて、タイミング同期の獲得を容易にでき２次システムの無線局での無線通信を可能にする。
【解決手段】制御信号の交換を行った後にデータ伝送を行う第１の無線通信システムと、第１の無線通信システムと同一の周波数帯域を用いて重畳してデータ伝送を行う第２の無線通信システムと備えた無線ネットワークシステムにおいて、第２の無線通信システムの送信側無線局は、第１の無線通信システムの制御信号に基づいて第１の無線通信システムのデータ伝送のタイミングを予測し、予測したタイミングで送信すべきデータを送信し、第２の無線通信システムの受信側無線局は、第１の無線通信システムの制御信号に基づいて第１の無線通信システムのデータ伝送のタイミングを予測し、予測したタイミングで第２の無線通信システムの送信側無線局からのデータを受信する。
【選択図】図７

Description

本発明は、例えばＲＴＳ（Request to Send）／ＣＴＳ（Clear to Send）／ＤＡＴＡ／ＡＣＫ（Acknowledgement）信号を交換することにより無線通信を行う無線ローカル・エリア・ネットワーク（以下、ローカル・エリア・ネットワークをＬＡＮという。）システムと、それと同一のカバーエリアに設けられかつ無線ＬＡＮシステムと同一の運用周波数を用いて無線通信を行う２次無線通信システム（以下、２次システムという。）とを備えた無線ネットワークシステムにおいて、２次システムの無線局での無線通信を可能にする無線ネットワークシステムとその制御方法に関する。

近年、無線通信に対する需要増加に伴い、深刻な周波数の逼迫状況が生じている。そのため、周波数資源利用効率の大幅な改善に向け、複数の無線システムが同一周波数帯域を共同利用する周波数共用技術の研究開発がなされてきた（例えば、非特許文献１参照。）。これらの周波数共用技術は１次システムで未使用の時間・周波数を２次システムが利用する方法と、１次及び２次システムが同時に同一周波数を利用する方法に大別される。前者は、運用周波数帯域に対してスペクトラムセンシング行い、使用されてない時間あるいは周波数帯において２次システムを運用する。このため、１次システムのネットワーク負荷が高い場合は運用周波数帯域が１次システムに占有され、２次システムは通信を行うことができない。一方、後者は２次システムが干渉対策を行い、同時に同一周波数で複数の通信を重畳する。非同期系システムでは所望信号の到来時刻が必ずしも予測できないため、受信機は一定レベル以上のＲＳＳＩ（Received Signal Strength Indication：受信信号強度表示）が観測されると同期処理を開始する。

特開２００８−２７８４５０号公報。

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図３は従来技術に係る無線通信ネットワークにおいて２次システムの受信側無線局での同期捕捉の可能な例を示すタイミングチャートであり、図４は従来技術に係る無線通信ネットワークにおいて２次システムの受信側無線局での同期捕捉の不可能な例を示すタイミングチャートである。すなわち、図３及び図４にそれぞれ重畳伝送における２次システムの受信側で同期捕捉の可能な例と不可能な例を示す。図３においては、受信機は先行して到来する信号に対して同期処理を開始（ｔ０）するため、２次システムの信号が同期処理の時間窓（Ｔ_ｗ）以内に到来すれば同期捕捉が可能である（図３）が、時間窓以降に到来すると同期捕捉が不可能になる（図４）。重畳伝送に関する研究例が例えば非特許文献２〜４において開示されている。しかし、これらにおいては上記受信タイミング同期に関する問題が考慮されていない。

非特許文献２は、ＲＴＳ／ＣＴＳ信号の交換を行って無線通信を行う無線ＬＡＮシステムにおいて、ＲＴＳ／ＣＴＳ信号を無指向性で送信し、ＤＡＴＡ／ＡＣＫ信号の送信時には宛先端末に対して送信ビームフォーミングを行う方式を開示している。この方式では、先行通信のＤＡＴＡ伝送中に他の端末がＲＴＳ／ＣＴＳ信号の交換を開始できるように、ＮＡＶ（Network Allocation Vector：パケットの送信禁止期間をいう。）の長さをＲＴＳ／ＣＴＳ信号のみを保護するように調整している。しかし、先行通信のＤＡＴＡ伝送中に次のＲＴＳ／ＣＴＳ信号交換が開始された場合、先行通信からの被干渉が発生する。これにより、自局宛ＲＴＳの受信タイミング同期、ひいてはＲＴＳ信号の受信が失敗する恐れがある。

非特許文献３では、ウルトラ・ワイドバンド・ワイヤレス・パーソナル・エリア・ネットワーク（Ultra-Wideband Wireless Personal Area Network(UWB WPAN)）のコーディネータ装置が指向性アンテナを有し、信号帯域内に存在する無線ＬＡＮシステムの送受信端末に対してヌルを形成することで被干渉及び与干渉を回避する方式が提案されている。ＰＡＮコーディネータ装置は無線ＬＡＮシステムのＣＴＳ／ＤＡＴＡ信号の交換時に、無線ＬＡＮシステムの送受信端末へヌルを形成するウエイトを計算し、求めたウエイトを利用して周囲の無線ＰＡＮ端末に対して通信可能状態に遷移したことを知らせる制御信号を送信する。しかし、無線ＬＡＮシステムからの被干渉が抑制されてないため、無線ＰＡＮの端末はＰＡＮコーディネータ装置から送信された制御信号の受信タイミングを検出できない可能性がある。また、２次システムの送信端末が１次システムの送信信号を受信し、小電力な自身の情報信号を加えて再送信する手法が提案されている（例えば、非特許文献４参照。）。

１次システムの受信端末は１次システム送信端末と２次システムの送信端末から中継された信号を用いて復調を行う。２次システムの受信端末は１次システムからの干渉を除去した後に、所望信号の復調を行う。しかし、２次システムの信号は１次システムよりも充分に小さな電力にて送信されているため、精度の良い受信タイミング検出が行えない恐れがある。

本発明の目的は以上の問題点を解決し、例えばＲＴＳ／ＣＴＳ／ＤＡＴＡ／ＡＣＫ信号を交換することにより無線通信を行う無線ＬＡＮシステムと、それと同一のカバーエリアに設けられかつ無線ＬＡＮシステムと同一の運用周波数を用いて無線通信を行う２次システムとを備えた無線ネットワークシステムにおいて、タイミング同期の獲得を容易にでき、２次システムの無線局での無線通信を可能にする無線ネットワークシステムとその制御方法を提供することにある。

第１の発明に係る無線ネットワークシステムは、
複数の無線局を備えて構成され、制御信号の交換を行った後にデータ伝送を行う第１の無線通信システムと、
複数の無線局を備えて構成され、上記第１の無線通信システムと同一の周波数帯域を用いてかつ時間的に重畳してデータ伝送を行う第２の無線通信システムと備えた無線ネットワークシステムであって、
上記第２の無線通信システムの送信側無線局は、上記第１の無線通信システムの制御信号を受信し、当該受信した制御信号に基づいて上記第１の無線通信システムのデータ伝送のタイミングを予測し、当該予測したタイミングで送信すべきデータを送信し、
上記第２の無線通信システムの受信側無線局は、上記第１の無線通信システムの制御信号を受信し、当該受信した制御信号に基づいて上記第１の無線通信システムのデータ伝送のタイミングを予測し、当該予測したタイミングで上記第２の無線通信システムの送信側無線局からのデータを受信することを特徴とする。

上記無線ネットワークシステムにおいて、上記第１の無線通信システムは、ＲＴＳ／ＣＴＳ信号である制御信号を用いて無線通信を行う無線ＬＡＮシステムであり、上記第２の無線通信システムの送信側無線局及び受信側無線局は、上記第１の無線通信システムからのＣＴＳ信号を受信し、当該受信したＣＴＳ信号に短フレーム間隔（ＳＩＦＳ）を加算して上記第１の無線通信システムのデータ伝送のタイミングを予測することを特徴とする。

また、上記無線ネットワークシステムにおいて、上記第２の無線通信システムの送信側無線局は、上記第１の無線通信システムの受信側無線局からの制御信号を受信したときに、上記受信した制御信号に基づいて、アダプティブ制御方法を用いて上記第１の無線通信システムの受信側無線局に対しヌルを形成するようにデータ送信の指向性パターンを制御することを特徴とする。

さらに、上記無線ネットワークシステムにおいて、上記第２の無線通信システムの送信側無線局は、上記第１の無線通信システムの送信側無線局からの制御信号を受信しかつ上記第２の無線通信システムの送信側無線局から送信するデータ長が上記第１の無線通信システムの送信側無線局からのデータ長よりも長いときに、上記受信した制御信号に基づいてアダプティブ制御方法を用いて上記第１の無線通信システムの送信側無線局に対しヌルを形成するようにデータ送信の指向性パターンを制御することを特徴とする。

またさらに、上記無線ネットワークシステムにおいて、上記第２の無線通信システムの受信側無線局は、上記第１の無線通信システムの送信側無線局からの制御信号を受信したときに、上記受信した制御信号に基づいて、アダプティブ制御方法を用いて上記第１の無線通信システムの送信側無線局に対しヌルを形成するようにデータ送信の指向性パターンを制御することを特徴とする。

また、上記無線ネットワークシステムにおいて、上記第２の無線通信システムの受信側無線局は、上記第１の無線通信システムの受信側無線局からの制御信号を受信しかつ上記第２の無線通信システムの送信側無線局から送信するデータ長が上記第１の無線通信システムの送信側無線局からのデータ長よりも長いときに、上記受信した制御信号に基づいてアダプティブ制御方法を用いて上記第１の無線通信システムの受信側無線局に対しヌルを形成するようにデータ送信の指向性パターンを制御することを特徴とする。

さらに、上記無線ネットワークシステムにおいて、上記第２の無線通信システムの送信側無線局は、上記第１の無線通信システムからの制御信号を受信したときに、所定のアクセス制御に従ってデータの送信開始の可否を決定することを特徴とする。

第２の発明に係る無線ネットワークシステムの制御方法は、
複数の無線局を備えて構成され、制御信号の交換を行った後にデータ伝送を行う第１の無線通信システムと、
複数の無線局を備えて構成され、上記第１の無線通信システムと同一の周波数帯域を用いてかつ時間的に重畳してデータ伝送を行う第２の無線通信システムと備えた無線ネットワークシステムの制御方法であって、
上記第２の無線通信システムの送信側無線局は、上記第１の無線通信システムの制御信号を受信し、当該受信した制御信号に基づいて上記第１の無線通信システムのデータ伝送のタイミングを予測し、当該予測したタイミングで送信すべきデータを送信し、
上記第２の無線通信システムの受信側無線局は、上記第１の無線通信システムの制御信号を受信し、当該受信した制御信号に基づいて上記第１の無線通信システムのデータ伝送のタイミングを予測し、当該予測したタイミングで上記第２の無線通信システムの送信側無線局からのデータを受信することを特徴とする。

上記無線ネットワークシステムの制御方法において、上記第１の無線通信システムは、ＲＴＳ／ＣＴＳ信号である制御信号を用いて無線通信を行う無線ＬＡＮシステムであり、上記第２の無線通信システムの送信側無線局及び受信側無線局は、上記第１の無線通信システムからのＣＴＳ信号を受信し、当該受信したＣＴＳ信号に短フレーム間隔（ＳＩＦＳ）を加算して上記第１の無線通信システムのデータ伝送のタイミングを予測することを特徴とする。

また、上記無線ネットワークシステムの制御方法において、上記第２の無線通信システムの送信側無線局は、上記第１の無線通信システムの受信側無線局からの制御信号を受信したときに、上記受信した制御信号に基づいて、アダプティブ制御方法を用いて上記第１の無線通信システムの受信側無線局に対しヌルを形成するようにデータ送信の指向性パターンを制御することを特徴とする。

さらに、上記無線ネットワークシステムの制御方法において、上記第２の無線通信システムの送信側無線局は、上記第１の無線通信システムの送信側無線局からの制御信号を受信しかつ上記第２の無線通信システムの送信側無線局から送信するデータ長が上記第１の無線通信システムの送信側無線局からのデータ長よりも長いときに、上記受信した制御信号に基づいてアダプティブ制御方法を用いて上記第１の無線通信システムの送信側無線局に対しヌルを形成するようにデータ送信の指向性パターンを制御することを特徴とする。

またさらに、上記無線ネットワークシステムの制御方法において、上記第２の無線通信システムの受信側無線局は、上記第１の無線通信システムの送信側無線局からの制御信号を受信したときに、上記受信した制御信号に基づいて、アダプティブ制御方法を用いて上記第１の無線通信システムの送信側無線局に対しヌルを形成するようにデータ送信の指向性パターンを制御することを特徴とする。

また、上記無線ネットワークシステムの制御方法において、上記第２の無線通信システムの受信側無線局は、上記第１の無線通信システムの受信側無線局からの制御信号を受信しかつ上記第２の無線通信システムの送信側無線局から送信するデータ長が上記第１の無線通信システムの送信側無線局からのデータ長よりも長いときに、上記受信した制御信号に基づいてアダプティブ制御方法を用いて上記第１の無線通信システムの受信側無線局に対しヌルを形成するようにデータ送信の指向性パターンを制御することを特徴とする。

さらに、上記無線ネットワークシステムにおいて、上記第２の無線通信システムの送信側無線局は、上記第１の無線通信システムからの制御信号を受信したときに、所定のアクセス制御に従ってデータの送信開始の可否を決定することを特徴とする。

本発明に係る無線ネットワークシステムとその制御方法によれば、従来技術に比較してタイミング同期の獲得を容易にでき、第２の無線通信システムの無線局での無線通信を可能にすることができる。特に、以下の特有の作用効果を有する。
（１）第２の無線通信システムの受信側無線局における受信タイミング同期を容易に実現することができる。すなわち、第２の無線通信システムは第１の無線通信システムのフレーム伝送を観測してデータ送信開始タイミングを予測し、第２の無線通信システムのデータ送信開始タイミングを合わせることで第２の無線通信システムの受信側無線局において所望信号の到来タイミングを予測可能となる。
（２）また、第２の無線通信システムの送信側無線局が第１の無線通信システムの事前通信を観測することで第１と第２の無線通信システム間の伝搬路状況の推定が可能になるため、その推定した伝搬路情報を用いて空間的に与干渉を抑圧する。すなわち、第２の無線通信システムの送信側無線局での処理は事前通信の観測→伝搬路状況推定→与干渉抑圧の順になる。
（３）さらに、第２の無線通信システムの受信側無線局が第１の無線通信システムの事前通信を観測することで第１と第２の無線通信システム間の伝搬路状況の推定が可能になるため、その推定した伝搬路情報を用いて空間的に被干渉を抑圧する。すなわち、第２の無線通信システムの受信側無線局での処理は事前通信の観測→伝搬路状況推定→被干渉抑圧の順になる。
（４）またさらに、第２の無線通信システムにおけるアクセス制御において、第２の無線通信システムの重畳伝送が可能となる条件を満たした状態をアクセス制御の最小単位とすることで、第２の無線通信システム内でのアクセス制御を可能にする。

本発明の実施形態に係る無線通信ネットワークの構成を示すブロック図である。 図１の各無線局２−１，２−２の構成を示すブロック図である。 従来技術に係る無線通信ネットワークにおいて２次システムの受信側無線局での同期捕捉の可能な例を示すタイミングチャートである。 従来技術に係る無線通信ネットワークにおいて２次システムの受信側無線局での同期捕捉の不可能な例を示すタイミングチャートである。 図１の無線通信ネットワークにおいて無線ＬＡＮシステム１０１と２次システム１０２のフレーム交換フローを示すタイミングチャートである。 図１の２次システム１０２における送信側無線局２及び受信側無線局２の通信処理の第１の部分を示すフローチャートである。 図１の２次システム１０２における送信側無線局２及び受信側無線局２の通信処理の第２の部分を示すフローチャートである。 本実施形態に係る相互同期によるタイミング同期処理を示すタイミングチャートである。 図２の受信側無線局２の受信指向性制御回路１４の構成を示すブロック図である。 図２の受信側無線局２の送信指向性制御回路１８の構成を示すブロック図である。 図１の無線通信ネットワークにおける各無線局の配置と直接波到来角のモデルを示す平面図である。 実施形態の無線通信ネットワークを用いて行うシミュレーションにおける遅延プロファイルを示す図である。 実施形態の無線通信ネットワークを用いて行うシミュレーションの結果であって、無線ＬＡＮシステム１０１の受信側無線局１−２と、２次システム１０２の受信側無線局２−２における信号対雑音電力比（ＳＮＲ）及び信号対干渉電力比（ＳＩＲ）を示す表である。 実施形態の無線通信ネットワークを用いて行うシミュレーションの結果であって、アンテナ素子数Ｍ＝２のときの送信電力比に対するフレーム誤り率ＦＥＲを示すグラフである。 実施形態の無線通信ネットワークを用いて行うシミュレーションの結果であって、アンテナ素子数Ｍ＝３のときの送信電力比に対するフレーム誤り率ＦＥＲを示すグラフである。 実施形態の無線通信ネットワークを用いて行うシミュレーションの結果であって、アンテナ素子数Ｍ＝４のときの送信電力比に対するフレーム誤り率ＦＥＲを示すグラフである。

１，１−１，１−２，１−３，２，２−１，２−２…無線局、
１ａ…アンテナ素子、
１０−０〜１０−（Ｍ−１）…アンテナ素子、
１１−０〜１１−（Ｍ−１）…スイッチ、
１２−０〜１２−（Ｍ−１）…低雑音増幅器、
１３−０〜１３−（Ｍ−１）…電力増幅器、
１４…受信指向性制御回路、
１５…無線受信回路、
１６…信号処理回路、
１７…無線送信回路、
１８…送信指向性制御回路、
２０…コントローラ、
２１−０−１〜２１−（Ｍ−１）−（Ｌｐ−１）…遅延回路、
２２−０−０〜２２−（Ｍ−１）−（Ｌｐ−１）…乗算器、
２３−０−１〜２３−（Ｍ−１）−（Ｌｐ−１）…加算器、
２４…加算器、
２５…分配器、
２６−０−１〜２６−（Ｍ−１）−（Ｌｐ−１）…遅延回路、
２７−０−０〜２７−（Ｍ−１）−（Ｌｐ−１）…乗算器、
２８−０−１〜２８−（Ｍ−１）−（Ｌｐ−１）…加算器、
１００…相互の電波が届くカバーエリア、
１０１…無線ＬＡＮシステム、
１０２…２次システム、
２００…アレーアンテナ。

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、以下の各実施形態において、同様の構成要素については同一の符号を付している。

図１は本発明の実施形態に係る無線通信ネットワークの構成を示すブロック図であり、図２は図１の各無線局２−１，２−２の構成を示すブロック図である。

本発明に係る実施形態においては、上述の従来技術の問題点を解決するために、２次システムの受信タイミング同期問題を解決する重畳伝送方式について検討を行う。具体的には、図１に示すように、それぞれ例えば単一のアンテナ素子１ａを有する複数の無線局１−１〜１−３（総称して、符号１を付す。）を含む無線ＬＡＮシステム１０１を１次システムとし、当該無線ＬＡＮシステム１０１と相互の電波が届くカバーエリア１００内に位置しかつ例えば指向性を変化させることができるアレーアンテナ２００（複数Ｍ個のアンテナ素子１０−１〜１０−（Ｍ−１）から構成される）を有する複数の無線局２−１〜２−２（総称して、符号２を付す。）を含み、無線ＬＡＮシステム１０１の運用周波数帯域（すなわち、同一の運用周波数を用いる）を２次的に利用する新規な２次システム１０２を提案する。提案する無線通信ネットワークでは、ＩＥＥＥ８０２．１１のプロトコルを考慮して２次システム１０２側の送信タイミングを決定し、２次システム１０２の受信機におけるタイミング同期の獲得を容易にすることを特徴としている。また、ＲＴＳ／ＣＴＳ信号の交換時に被干渉・与干渉を抑制するアダプティブアレーのウエイトを計算し、ＤＡＴＡ伝送時に送受信ビームを形成することでタイミング同期制度の改善、並びに重畳通信を実現することを特徴としている。

図２において、２次システム１０２の各無線局２は、以下の構成要素を備えて構成される。
（１）複数Ｍ個のアンテナ素子１０−０〜１０−（Ｍ−１）からなるアレーアンテナ２００（例えば、アレーアンテナ２００に代えて、例えばエスパアンテナなどの可変指向性アンテナを備えてもよい。）；
（２）コントローラ２０により制御される送受信切り替えスイッチ１１−０〜１１−（Ｍ−１）；
（３）低雑音増幅器１２−０〜１２−（Ｍ−１）；
（４）電力増幅器１３−０〜１３−（Ｍ−１）；
（５）コントローラ２０により制御され、受信信号の受信時においてアレーアンテナ２００の指向性パターンを制御する受信指向性制御回路１４；
（６）ダウンコンバータ及び復調器などを含む無線受信回路１５；
（７）無線ＬＡＮモードにおいてＲＴＳ／ＣＴＳ／ＤＡＴＡ_Ｗ／ＡＣＫ信号を生成し、これらの信号を検出するとともに（なお、２次システムモードにおいてもこれらの信号の検出機能を有する。）、２次システムモードにおいて図６及び図７の通信処理を実行するためにＤＡＴＡ_Ｓ信号を生成し当該信号を検出する信号処理回路１６；
（８）変調器及びアップコンバータなどを含む無線送信回路１７；
（９）コントローラ２０により制御され、送信信号の送信時においてアレーアンテナ２００の指向性パターンを制御する送信指向性制御回路１８；及び
（１０）図６及び図７の通信処理を実行することにより無線局２の各構成要素を制御するコントローラ２０。

なお、無線ＬＡＮシステム１０１の各無線局１は無線局２と同様の構成を有し、もしくは、アレーアンテナ２００を有さず、単一のアンテナ素子１ａのみを有してもよい。この場合、受信指向性制御回路１４及び送信指向性制御回路１８を備えない。また、無線局１の信号処理回路１６はＲＴＳ／ＣＴＳ／ＤＡＴＡ_Ｗ／ＡＣＫ信号を生成し、これらの信号を検出する機能のみを有してもよい。

図２の無線局２において、信号処理回路１６により生成された信号は無線送信回路１７において変調されかつアップコンバートされた後、送信指向性制御回路１８、電力増幅器１３−０〜１３−（Ｍ−１）、送受信切り替えスイッチ１１−０〜１１−（Ｍ−１）の接点ｂ側及びアンテナ素子１０−０〜１０−（Ｍ−１）を介して相手先の無線局に送信される。一方、アンテナ素子１０−０〜１０−（Ｍ−１）により受信された受信信号は、送受信切り替えスイッチ１１−０〜１１−（Ｍ−１）の接点ａ側、低雑音増幅器１２−０〜１２−（Ｍ−１）及び受信指向性制御回路１４を介して無線受信回路１５に入力され、当該受信信号がダウンコンバート及び復調された後、その復調信号が信号処理回路１６に入力されて所定の信号処理が行われる。

次いで、無線ＬＡＮシステム１０１に対して重畳伝送を行う２次システム１０２においてタイミング同期を容易に実現する方法及び運用手順について説明する。

２次システム１０２の通信開始にあたり、１次システムの無線ＬＡＮシステム１０１のバックオフ処理の進行を阻害することによる送信機会の減少を避けること、そして与干渉の影響を十分に少なくすることが重要である。そこで、本実施形態に係る２次システム１０２では無線ＬＡＮシステム１０１のＲＴＳ／ＣＴＳ信号の交換時にはデータ伝送を控え、無線ＬＡＮシステム１０１のＤＡＴＡ信号のフレーム伝送に対して自らのフレーム伝送を重畳する。その際、アダプティブアレーのウエイト制御により空間軸上で信号を分離し、与干渉並びに被干渉の抑圧を行うことを特徴としている。

図５は図１の無線通信ネットワークにおいて無線ＬＡＮシステム１０１と２次システム１０２のフレーム交換フローを示すタイミングチャートである。また、図６及び図７は、図１の２次システム１０２における送信側無線局２及び受信側無線局２の通信処理（通信手順）を示すフローチャートである。ここで、無線ＬＡＮシステム１０１における送信側無線局１−１と受信側無線局１−２はそれぞれＤＡＴＡ_Ｗフレームを送信と受信する端末を表す。また、ＤＡＴＡ_Ｗフレームは無線ＬＡＮシステム１０１の送信側無線局１−１から送信されるＤＡＴＡフレームであり、ＤＡＴＡ_Ｓフレームは２次システム１０２の送信側無線局２−１から送信されるＤＡＴＡフレームである。さらに、ＮＡＶ（ＲＴＳ）はＲＴＳ信号のＤｕｒａｔｉｏｎ／ＩＤフィールド内の使用予定期間に基づく衝突防止用パケット送信禁止期間であり、ＮＡＶ（ＣＴＳ）はＣＴＳ信号のＤｕｒａｔｉｏｎフィールド内の使用予定期間に基づく衝突防止用パケット送信禁止期間である。また、ＳＩＦＳ（Short Inter Frame Space）は、ＩＥＥＥ８０２．１１において規定されているＣＳＭＡ／ＣＡ（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance）方式を用いた無線チャネルアクセス制御で用いる短フレーム間隔である。なお、図５〜図７の通信処理において、説明の便宜上、無線局に符号を付しているが、各無線局は送信側にも受信側にもなることは可能である。

図６において、本実施形態に係る２次システム１０２の送信側無線局２−１では、送信要求に応じてＲＳＳＩの測定を開始する（Ｓ１）。ＲＳＳＩ測定時間Ｔｃｓ内にキャリアセンスしきい値Ｐｔｈを超える信号レベルの検出がない場合は（Ｓ２でＮＯかつＳ３でＹＥＳ）、対象帯域を空き帯域と見なしてＤＡＴＡ_Ｓフレーム送信を開始する（Ｓ４）。一方、ＲＳＳＩ測定値がしきい値Ｐｔｈを超えた場合は（Ｓ２でＹＥＳ）信号受信処理を開始する（Ｓ５）。

受信信号がＲＴＳフレームの場合は（Ｓ６でＹＥＳ）無線ＬＡＮシステム１０１の送信側無線局１−１に対しヌル（指向性パターンにおける最小値をいい、以下同様である。）を形成するウエイトの計算及びＣＴＳ／ＤＡＴＡ_Ｗ／ＡＣＫフレームの送信開始・終了タイミングの予測を行う（Ｓ８；図６のフェーズＡ）。また、受信信号がＣＴＳフレームの場合は（Ｓ７でＹＥＳかつＳ９でＹＥＳ）無線ＬＡＮシステム１０１の受信側無線局１−２に対しヌルを形成するウエイトの計算及びＤＡＴＡ_Ｗ／ＡＣＫフレームの送信開始・終了タイミングの予測を行う（Ｓ１０；図６のフェーズＢ）。受信信号が無線ＬＡＮシステム１０１のＲＴＳ／ＣＴＳフレームではない場合は（Ｓ６でＮＯかつＳ７でＮＯ）ＲＳＳＩ測定を再開する（Ｓ１）。ＣＴＳフレーム受信に成功した場合は（Ｓ９でＹＥＳ）、図７のステップＳ１１に進み、ランダムバックオフなどのアクセス制御に従ってＤＡＴＡ_Ｓフレーム送信開始の可否を決定する。ＤＡＴＡ_Ｓフレームの送信が開始可能な場合（Ｓ１１でＹＥＳ）、無線ＬＡＮシステム１０１の受信側無線局１−２に対しヌルを形成し（Ｓ１２）ＤＡＴＡ_Ｓフレームの送信を開始する（Ｓ１３；図７のフェーズＣ）。送信ビーム形成に関しては詳細後述する。一方、ＣＴＳフレーム受信に失敗、あるいはアクセス制御により送信を行わない場合は（Ｓ１１でＮＯ）ＲＳＳＩ測定を再開する（Ｓ１）。

送信ＤＡＴＡ_Ｓフレーム長は予測ＤＡＴＡ_Ｗフレーム長を超えない範囲で設定する。ただし、ＲＴＳフレーム受信に成功した場合は無線ＬＡＮシステム１０１の送信側無線局１−１に対しヌル形成が可能であるため、ＡＣＫフレーム伝送時にも与干渉を回避できる。すなわち、ＤＡＴＡ_Ｗフレーム長を超えるＤＡＴＡ_Ｓフレームの送信が可能となる。そこで、必要に応じてＡＣＫフレームの予測終了タイミングを超えない範囲でＤＡＴＡ_Ｓフレーム長を設定する。この場合は（Ｓ１４でＹＥＳ）ＤＡＴＡ_Ｗフレームの予測終了タイミングに合わせて無線ＬＡＮシステム１０１の受信側無線局１−２に対しヌルを形成するウエイトに切り替える（Ｓ１５；図７のフェーズＤ）。ＤＡＴＡ_Ｓフレームの送信（Ｓ４）終了後はＲＳＳＩ測定を再開する（Ｓ１）。

図６において、２次システム１０２の受信側無線局２−２では、継続的にＲＳＳＩ測定を行い（Ｓ２１）、しきい値Ｐｔｈを超える信号レベルが検出された場合は（Ｓ２２でＹＥＳ）信号受信処理を開始する（Ｓ２３）。受信信号がＲＴＳフレームの場合は（Ｓ２４でＹＥＳ）無線ＬＡＮシステム１０１の送信側無線局１−１に対しヌルを形成するウエイトの計算及びＣＴＳ／ＤＡＴＡ_Ｗ／ＡＣＫフレームの送信開始・終了タイミングの予測を行う（Ｓ２７；図６のフェーズＡ）。受信信号がＣＴＳフレームの場合は（Ｓ２５でＹＥＳかつＳ２８でＹＥＳ）無線ＬＡＮシステム１０１の受信側無線局１−２に対しヌルを形成するウエイトの計算及びＤＡＴＡ_Ｗ／ＡＣＫフレームの送信開始・終了タイミングの予測を行う（Ｓ２９；図６のフェーズＢ）。そして、図７のステップＳ３１に進む。

一方、受信信号がＤＡＴＡ_Ｓフレームの場合は（図６のＳ２６でＹＥＳ）受信タイミング同期処理後（図７のＳ３３）、受信ビームを形成し受信を開始する（Ｓ３４；図７のフェーズＣ）。受信ビーム形成に関しては詳細後述する。ここで、ＲＴＳフレーム受信に成功した場合は（Ｓ３１でＹＥＳ）無線ＬＡＮシステム１０１の送信側無線局１−１に対しヌルを形成し、被干渉を抑制した上で受信タイミング同期処理を行う（Ｓ３３）。これにより同期捕捉性能の向上が期待できる。なお、ＤＡＴＡ_Ｗフレーム長を超えるＤＡＴＡ_Ｓフレームを受信に際し（Ｓ３５でＹＥＳ）、事前にＣＴＳフレーム受信に成功している場合は（Ｓ３６でＹＥＳ）、予測したＤＡＴＡ_Ｗフレームの終了タイミングに合わせて無線ＬＡＮシステム１０１の受信側無線局１−２に対しヌルを形成するウエイトに切り替える（Ｓ３７）。次に所望信号に対し受信ビーム更新を行い、ＤＡＴＡ_Ｓフレーム受信を再開する（Ｓ３８；図７のフェーズＤ）。当該ＤＡＴＡ_Ｓフレームの受信終了後、ＲＳＳＩ測定を再開する（Ｓ２１）。

次いで、本実施形態に係るタイミング同期の方法について以下に説明する。

ＩＥＥＥ８０２．１１の無線ＬＡＮフレームのＤｕｒａｔｉｏｎ／ＩＤフィールドには無線チャネルの占有時間が記載されている（例えば、非特許文献５参照。）。本実施形態に係る２次システム１０２の送受信無線局２−１，２−２は、無線ＬＡＮシステム１０１のＲＴＳ／ＣＴＳ信号を検出し、Ｄｕｒａｔｉｏｎ／ＩＤフィールドを復調することでＤＡＴＡ_Ｗフレームのおおよその送信タイミングとその終了タイミングを獲得する。また、ＣＴＳとＤＡＴＡ_ＷフレームはそれぞれＲＴＳとＣＴＳフレームの送信終了後、短フレーム間隔ＳＩＦＳ（Short Inter Frame Space）その送信が開始されると定められているため（例えば、非特許文献５参照。）、これらのタイミングを予測することが可能である。

本実施形態に係る方法では、自身のＤＡＴＡ_Ｓフレームを無線ＬＡＮシステム１０１のＤＡＴＡ_Ｗフレームの予測送信タイミングに合わせて送信する。２次システム１０２の受信側無線局２−１では伝搬遅延や送信タイミング誤差を考慮し、予測送信タイミングのマージン期間を含むように、受信信号の到来タイミング検出のための時間窓を設定し、当該時間窓の間に既知の参照プリアンブルをシフトしながら受信されるプリアンブルとの相互相関値を計算することで行うタイミング同期処理を開始する。なお、２次システム１０２のＤＡＴＡ_Ｓフレーム送信タイミングを無線ＬＡＮシステム１０１のＤＡＴＡ_Ｗフレーム予測送信タイミングに合わせることにより、２次システム１０２におけるＤＡＴＡ_Ｓフレームの伝送時間を最大限に確保することが可能である。すなわち、無線ＬＡＮシステム１０１と２次システム１０２の両方ともフレームの先頭にプリアンブルをもっている。２次ステム１０２の無線局２は無線ＬＡＮシステム１０１と２次システム１０２のプリアンブル両方とも既知である。ＲＴＳ／ＣＴＳフレーム受信時は、無線ＬＡＮシステム１０１のプリアンブルを用いてタイミング同期を行う。また、ＤＡＴＡｓフレーム（２次システム１０２自身のデータ）を受信する時はＤＡＴＡｓフレームの先頭に配置された既知のプリアンブルでタイミング同期処理を行う。２次システム１０２の送信側無線局２−１で１次システムのＤＡＴＡｗフレームの送信開始タイミングにあわせてＤＡＴＡｓフレームを送信しているので、２次システム１０２の受信側無線局２−２ではＤＡＴＡｓフレームの到来タイミングが予測でき、ＤＡＴＡｓフレームに対し同期処理を行えばよい。

図８は本実施形態に係る相互同期によるタイミング同期処理を示すタイミングチャートであり、すなわち、想定するタイミング同期処理を示す。図中のｔ_ｓは送信タイミング誤差を考慮した同期点探索開始タイミング、Ｔ_ｗは伝搬遅延を考慮した時間窓の幅を表す。タイミング同期は、２次システム１０２の無線局２から送信されることが予め既知であるデータパターンである参照信号（プリアンブル）と、実際に無線局２から受信される受信信号（プリアンブル）との相互相関値を計算し、当該相互相関値のピーク値検出によりタイミング同期点及び遅延波到来タイミングの推定を行う。

さらに、与干渉抑圧及び被干渉抑圧について以下に説明する。

２次システム１０２の送受信無線局２−１，２−２では、ＲＴＳ／ＣＴＳフレーム受信時に無線ＬＡＮシステム１０１の送受信無線局１−１，１−２との間の伝搬路応答を推定し、推定伝搬路応答に対してヌル拘束付きのウエイトを求める。そして、ＤＡＴＡ_Ｓフレームの送受信時にそれぞれのウエイトを適用して与干渉及び被干渉の抑圧を行う。以下、具体的手法を説明する。

送信ウエイト及び受信ウエイトの生成について以下に説明する。２次システム１０２の送信側無線局２−１では、広帯域伝送においてアレーの自由度を超える遅延波を抑圧するため、タップ付遅延線型アダプティブアレー（ＴＤＬ−ＡＡＡ：Tapped Delay Line Adaptive Array Antenna；以下、ＴＤＬ−ＡＡＡという。）を用いる（例えば、非特許文献７参照。）。ＲＴＳ／ＣＴＳ信号フレーム受信時に、無線ＬＡＮシステム１０１の送受信無線局１−１，１−２との間の伝搬路応答を推定し、推定伝搬路応答に対してヌル拘束付きのウエイトを求める。ＤＡＴＡ_Ｓフレームの送信時には本ウエイトに基づく送信ＴＤＬ−ＡＡＡにより無線ＬＡＮシステム１０１への与干渉を回避する。

図９は図２の受信側無線局２の受信指向性制御回路１４の構成を示すブロック図であり、図１０は図２の受信側無線局２の送信指向性制御回路１８の構成を示すブロック図である。図９及び図１０ではそれぞれ受信ＴＤＬ−ＡＡＡ及び送信ＴＤＬ−ＡＡＡの構成を示す。ここで、Ｍはアンテナ素子数、Ｌｐは各ＴＤＬのブランチ数、Ｔはサンプル間隔、ｚ_Ｔｘ，ｍ（ｔ）は第ｍ番目のアンテナ素子１０−ｍへの入力信号、ｓ（ｔ）はＤＡＴＡ_Ｓフレーム信号、ｗ_{Ｔｘ，ｍ，ｌ}は第ｍ番目のアンテナ素子１０−ｍの第ｌブランチにおけるウエイトを表す。ただし、時間遅延τ_ｌはサンプル間隔Ｔの整数倍でτ_０（＝０）≦τ_１≦…≦τ_Ｌｐ−１と仮定する。

図９において、受信指向性制御回路１４はいわゆるトランスバーサルフィルタの構成を有し、各アンテナ素子で互いに縦続接続され受信信号を遅延させる複数（Ｌｐ−１）個の遅延回路２１−０−１〜２１−（Ｍ−１）−（Ｌｐ−１）と、各遅延回路２１−０−１〜２１−（Ｍ−１）−（Ｌｐ−１）の入出力端子に接続され各遅延信号にウェイトを乗算する乗算器２２−０−０〜２２−（Ｍ−１）−（Ｌｐ−１）と、各乗算器２２−０−０〜２２−（Ｍ−１）−（Ｌｐ−１）からの各信号を加算する加算器２３−０−１〜２３−（Ｍ−１）−（Ｌｐ−１）と、すべての受信信号を加算して受信信号ｙ（ｔ）を出力する加算器２４とを備えて構成される。

図１０において、送信指向性制御回路１８は受信指向性制御回路１４とは逆の構成を有し、送信信号ｓ（ｔ）をＭ分配する分配器２５と、各アンテナ素子で互いに縦続に接続され各分配送信信号を遅延させる遅延回路２６−０−１〜２６−（Ｍ−１）−（Ｌｐ−１）と、各アンテナ素子の送信信号にウェイトを乗算する乗算器２７−０−０〜２７−（Ｍ−１）−（Ｌｐ−１）と、各乗算器２７−０−０〜２７−（Ｍ−１）−（Ｌｐ−１）からの信号と、各遅延回路２６−０−１〜２６−（Ｍ−１）−（Ｌｐ−１）空の信号を加算する加算器２８−０−１〜２８−（Ｍ−１）−（Ｌｐ−１）とを備えて構成される。

図９において、受信指向性制御回路１４からの出力信号は次式で表される。

２次システム１０２の送信側無線局２−１と、無線ＬＡＮシステム１０１の送受信無線局１−１，１−２との間の伝搬路応答に対してヌル拘束を行う最適ウエイトは、方向拘束付出力電力最小化法（ＤＣＭＰ：Directionally Constrained Minimization of Power；以下、ＤＣＭＰ法という。）を用いて次式により求められる（例えば、非特許文献６参照。）。

式（２）を満たす送信最適ウエイトＷ_{ＴＸ，ｏｐｔ}は次式で表される。

ここで、Ｒ_Ｔｘ、ｗ_Ｔｘ、Ｃ_Ａ及びｑはそれぞれ入力信号ｚ_Ｔｘ（ｔ）の相関行列、ウエイト、拘束行列及び拘束応答ベクトルを表し、次式のようになる。

［数１］
Ｒ_Ｔｘ＝Ｅ［ｚ_Ｔｘ（ｔ） ｚ^Ｈ _Ｔｘ（ｔ）］ （４）
［数２］
ｚ^Ｔ _Ｔｘ（ｔ）＝［ｚ’^Ｔ _Ｔｘ（ｔ）…ｚ’^Ｔ _Ｔｘ（ｔ-τ_Ｌｐ−１）］ （５）
［数３］
ｚ’_Ｔｘ（ｔ）＝［ｚ_Ｔｘ，０（ｔ）…ｚ_Ｔｘ，_Ｍ−１（ｔ）］^Ｔ （６）
［数４］
ｗ^Ｔ _Ｔｘ＝［ｗ^Ｔ _Ｔｘ，０…ｗ^Ｔ _{Ｔｘ，Ｌｐ−１}］ （７）
［数５］
ｗ_Ｔｘ，ｌ＝［ｗ_{Ｔｘ，０，ｌ}…ｗ_{Ｔｘ，Ｍ−１，ｌ}］^Ｔ（８）
［数６］
Ｃ_Ａ＝［ｐ_Ｔｘ ｄ］ （９）
［数７］
ｑ＝［０ １］^Ｔ （１０）

ここで、Ｅ［・］はアンサンブル平均、Ｈは複素共役転置、Ｔと＊はそれぞれ転置と複素共役を表す。なお、ｐ_Ｔｘ＝Ｅ［ｚ_Ｔｘ（ｔ） ｄ^＊ _ｒｅｆ（ｔ）］はｚ_Ｔｘ（ｔ）と参照信号ｄ_ｒｅｆ（ｔ）との間の相関ベクトルであり、ｄ_ｒｅｆ（ｔ）は無線ＬＡＮシステム１０１のプリアンブル波形とする。本実施形態では２次システム１０２の送信側無線局２−１では自システム内の伝搬路応答情報を未知とし、ｄ＝［１ … １］^Ｔとする。しかし、受信側からの伝搬路応答情報が事前に得られる場合は、ｄを所望信号における伝搬路応答に設定することにより受信信号対雑音電力比（ＳＮＲ）を改善できる。

次いで、受信ウエイトの生成について以下に説明する。２次システム１０２の受信側無線局２−２では、２種類のＴＤＬ−ＡＡＡのウエイトを用いる。まず、所望波のパス検出精度を向上させるため、送信側と同様の処理により被干渉抑圧のためのヌル拘束付きウエイトを生成する。そして、そのウエイトに基づく合成信号に対して所望信号のパス検出を行う。次に、復調精度の改善に向けて、パス検出結果に基づきＴＤＬ−ＡＡＡのタップ位置を決定し、ＭＭＳＥウエイトを生成する。パス検出用ウエイトは、ＲＴＳ／ＣＴＳフレーム受信時に送信側と同様にＤＣＭＰ法で求められる。受信最適ウエイトＷ_{Ｒｘ，ｏｐｔ}は次式で表される。

ここで、Ｒ_Ｒｘ＝Ｅ［ｚ_Ｒｘ（ｔ） ｚ^Ｈ _Ｒｘ（ｔ）］は入力信号ｚ_Ｒｘ（ｔ）の相関行列、Ｃ_Ｂ＝［ｐ_Ｒｘ ｄ］は拘束行列、ｐ_Ｒｘ＝Ｅ［ｚ_Ｒｘ（ｔ） ｄ^＊ _ｒｅｆ（ｔ）］は相関ベクトルを表す。上式により求めたウエイトに基づく合成信号に対してパス検出を行うと、被干渉が抑圧されているため、パス検出精度の改善が期待できる。

パス検出後はＤＡＴＡ_Ｓフレーム先頭に配置されたプリアンブル信号を用い、所望信号の受信ＳＩＮＲが改善するように受信指向性制御回路１４（受信ＴＤＬ−ＡＡＡ）のウエイト制御を行う。具体的には、受信指向性制御回路１４からの出力信号とプリアンブル信号ｄ_ｔｒ（ｔ）との平均２乗誤差を最小にする以下のＭＭＳＥ（Minimum Mean Square Error)規範に基づいて最適ウエイトを求める（例えば、非特許文献６参照。）。

ただし、ｚ_Ｒｘ，Ｄ（ｔ）はＤＡＴＡ_Ｓフレーム受信時における受信指向性制御回路１４（受信ＴＤＬ−ＡＡＡ）への入力信号である。従って、受信最適ウエイトＷ_{Ｒｘ，ＭＭＳＥ，ｏｐｔ}は次式で表される。

ここで、Ｒ_Ｒｘ，Ｄ＝Ｅ［ｚ_Ｒｘ，Ｄ（ｔ） ｚ^Ｈ _Ｒｘ，Ｄ（ｔ）］は入力信号ｚ_Ｒｘ,Ｄ（ｔ）の相関行列、ｐ_Ｒｘ，Ｄ＝Ｅ［ｚ_Ｒｘ，Ｄ（ｔ） ｄ^＊ _ｔｒ（ｔ）］は相関ベクトルを表す。

一方、ＲＴＳフレーム受信に失敗した場合はいずれかの基準アンテナ素子における受信信号を用いてパス検出を行う。検出結果に基づき上記のＭＭＳＥ規範を用いて受信指向性制御回路１４（受信ＴＤＬ−ＡＡＡ）のウエイト制御を行い、被干渉を抑圧する。

また、ＤＡＴＡ_Ｗフレーム長を超えるＤＡＴＡ_Ｓフレームを受信する場合は、直前に到来したＣＴＳフレームの受信に成功していれば、無線ＬＡＮシステム１０１のＡＣＫフレームに起因する被干渉を抑圧するような初期ウエイトをセットした上で、ＤＡＴＡ_Ｗフレーム予測終了タイミングに合わせて受信ビーム形成のウエイトを更新し、ＤＡＴＡ_Ｓフレーム受信を再開する。一方、ＣＴＳフレーム受信に失敗した場合はウエイトのリセットなしに、所望信号に対して受信ビーム形成のウエイトを更新し、ＤＡＴＡ_Ｓフレーム受信を再開する。

以上の実施形態においては、図２、図９及び図１０に示すように、無線周波数帯で送信指向性及び受信指向性を制御しているが、本発明はこれに限らず、中間周波数帯又はベースバンド帯で送信指向性及び受信指向性を制御するように構成してもよい。

次いで、本発明者らは、図１の無線通信ネットワークシステムを用いて計算機シミュレーションを行った結果について以下に説明する。

図１１は図１の無線通信ネットワークにおける各無線局の配置と直接波到来角のモデルを示す平面図である。図１１において、各無線局配置のトポロジーは正方形とし、無線ＬＡＮシステム１０１と２次システム１０２の経路は互いに交差するとした。ここで、φ_ｘは無線局ｘのアダプティブアレーのブロードサイド方向と、無線局２−１と無線局２−２を結ぶ直線が成す角度を表す。φ_Ａとφ_Ｂは各実行毎に０度から１８０度までランダムに与えた。

図１２は実施形態の無線通信ネットワークを用いて行うシミュレーションにおける遅延プロファイルを示す図である。伝搬路モデルは図１２に示す５波（Ｌ＝５）モデルを想定し、先行波は直接波のみ、遅延波はレイリーフェージングを受けるとした。また、伝搬損失は２乗則、遅延波のアンテナ間フェージング相関は無相関であると想定した。

ＴＤＬのブランチ数Ｌｐは、無線ＬＡＮシステム１０１と２次システム１０２との間の与干渉抑圧及び被干渉抑圧のためのＤＣＭＰ法によるウエイト生成ではＬｐ＝Ｌとした。また、所望波受信におけるＭＭＳＥ規範によるウエイト生成ではＬｐ＝２×Ｌ−１と設定した。これは、所望信号に対する見かけの伝搬路応答が送信指向性制御回路１８（送信ＴＤＬ−ＡＡＡ）のインパルス応答と実際の伝搬路応答との畳み込みとなるためである。実施形態の無線通信ネットワークを用いて行うシミュレーションにおいて、特性評価のためのシミュレーション諸元を表１及び表２に示す。

［表１］
無線ＬＡＮシステム１０１のシミュレーション諸元
―――――――――――――――――――――――――――――――――――――――
サンプリングレート ２０ＭＨｚ
変調方法 １６ＱＡＭ−ＯＦＤＭ
副搬送波数 ５２（データ：４８、パイロット：４）
ＦＦＴポイント数 ６４
有効シンボル期間 ３．２μｓｅｃ（６４サンプル）
ガード期間 ｌ０．８μｓｅｃ（１６サンプル）
チャネルコーディング 畳み込みコード（レート：１／２、拘束長：７）
チャネルデコーディング ハード入力ビタビアルゴリズム
インターリーバーのタイプ ブロック・インターリーバー（深さ：１２×１６）
ペイロード長 １０００バイト
アンテナ素子数 １
―――――――――――――――――――――――――――――――――――――――

［表２］
２次システム１０２のシミュレーション諸元
―――――――――――――――――――――――――――――――――――――――
サンプリングレート ２０ＭＨｚ
変調方法 π／４−ＤＱＰＳＫ ＤＳ−ＳＳ
拡散コード Ｍ系列
コード長 ６３（トレーニング），１５（データ）
トレーニングシンボル数 ３
チャネルコーディング 畳み込みコード（レート：１／２、拘束長：７）
チャネルデコーディング ハード入力ビタビアルゴリズム
インターリーバーのタイプ ブロック・インターリーバー（深さ：４×２）
ペイロード長 ６０バイト
アレーアンテナ構成 リニアアレー
アンテナ素子数 ２〜４
アンテナ間隔 半波長
―――――――――――――――――――――――――――――――――――――――

無線ＬＡＮシステム１０１のパラメータはＩＥＥＥ８０２．１１ａ規格（例えば、非特許文献５参照。）に準拠したものとする。規格では、先行フレームにおける最終シンボルの終了タイミングから次フレームのプリアンブルにおける最初シンボルの送信タイミングまでの区間を短フレーム間隔（ＳＩＦＳ）とし、許容送信タイミング誤差がコンテンションスロット長の１０％以下と定めている。本シミュレーションでは上記許容タイミング誤差を考慮し、予測到来タイミングからｔｓ＝−１８サンプル、そして、同期処理の時間窓Ｔｗ＝（１８×２）サンプル＋Ｌｐサンプルとした。

２次システム１０２のフレームは、先頭のプリアンブルと情報データで構成し、プリアンブルは同期捕捉及び遅延波検出と受信ウエイト制御用として、周期６３のＭ系列を３周期分、配置した。また、情報データは周期１５のＭ系列を拡散符号として用いた。参照信号ｄ_ｔｒ（ｔ）は上記プリアンブルの１８９サンプル、参照信号ｄ_ｒｅｆ（ｔ）は無線ＬＡＮシステム１０１の長いプリアンブル区間のうち、ガードインターバルを除いた１２８サンプルを用いた。

２次システム１０２のＤＡＴＡ_Ｓフレーム長は無線ＬＡＮシステム１０１のＤＡＴＡ_Ｗフレームより時間的に短くなるように、ペイロード長は６０バイトとした。これは、制御情報の伝送を想定している。２次システム１０２の送信側無線局２−１では無線ＬＡＮシステム１０１のＣＴＳフレーム受信時に送信指向性制御回路１８（送信ＴＤＬ−ＡＡＡ）のウエイトを求めた。そして、２次システム１０２の受信側無線局２−２では無線ＬＡＮシステム１０１のＲＴＳフレーム受信時にパス検出用の受信指向性制御回路１４（受信ＴＤＬ−ＡＡＡ）のウエイトを求めた。また、復調用のＭＭＳＥ規範のウエイト生成には公知のＳＭＩ（Sample Matrix Inversion）アルゴリズムを用いた。

次いで、シミュレーション結果について以下に説明する。

図１３は実施形態の無線通信ネットワークを用いて行うシミュレーションの結果であって、無線ＬＡＮシステム１０１の受信側無線局１−２と、２次システム１０２の受信側無線局２−２における信号対雑音電力比（ＳＮＲ）及び信号対干渉電力比（ＳＩＲ）を示す表である。すなわち、図１３では、無線ＬＡＮシステム１０１の送信電力Ｐ_Ｔｘ，Ｗと２次システム１０２の送信電力Ｐ_Ｔｘ，Ｓの比（Transmission Power Ratio：ＴＰＲ＝Ｐ_Ｔｘ，Ｗ／Ｐ_Ｔｘ，Ｓ）、無線ＬＡＮシステム１０１と２次システム１０２の受信側無線局２−２における信号対雑音電力比（ＳＮＲ）及び信号対干渉電力比（ＳＩＲ）の関係を示す。ここで、２次システム１０２の受信側無線局２−２におけるＳＮＲとＳＩＲは１本の受信アンテナ当たりの逆拡散後平均信号電力に基づき計算した。

２次システム１０２の送受信側無線局２のアレー素子数を同数とし、素子数Ｍ＝２、３及び４における無線ＬＡＮシステム１０１と２次システム１０２のＴＰＲに対する平均フレーム誤り率（Frame Error Rate：ＦＥＲ）特性をそれぞれ図１４、図１５及び図１６に示す。表２の条件で重畳伝送を行った場合、無線ＬＡＮ（ＷＬＡＮ ｗｉｔｈ ｓｅｃｏｎｄａｒｙ）は重畳伝送を行ってない場合（ＷＬＡＮ ｗｉｔｈｏｕｔ ｓｅｃｏｎｄａｒｙ）と比べて低ＴＰＲ領域において大きく劣化するものの、ＴＰＲが高くなるにつれ与干渉を回避できることがわかる。また、アレー素子数Ｍ＝２の場合はＭ＝３の場合と比べ、低ＴＰＲ領域で無線ＬＡＮシステム１０１のＦＥＲ特性が大きく劣化しているがＭ＝３とＭ＝４の場合はおおむね同程度の与干渉抑圧効果を示している。

２次システム１０２（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ ｗｉｔｈ ＷＬＡＮ）は、アレー素子数Ｍ＝２の場合はおよそＴＰＲ＝−３ｄＢで平均ＦＥＲ＝１％を達成している。しかし、無線ＬＡＮシステム１０１への与干渉が大きく、無線ＬＡＮシステム１０１の平均ＦＥＲが著しい劣化を示している。一方、Ｍ＝３の場合はおよそＴＰＲ＝６ｄＢ、そしてＭ＝４の場合はおよそＴＰＲ＝１０ｄＢ程度で平均ＦＥＲ＝１％を達成し、無線ＬＡＮシステム１０１への与干渉の影響が十分に抑圧できている。以上の結果より２次システム１０２はＭ＝３以上のアレー素子を用いることで無線ＬＡＮシステム１０１への与干渉を回避しながら平均ＦＥＲ＝１％以下に抑え通信可能であることがわかる。

以上説明したように、本実施形態によれば、重畳伝送における２次システム１０２の受信タイミング同期問題の解決策として、無線ＬＡＮシステム１０１のプロトコルを考慮したタイミング同期処理を容易に実現する重畳伝送方式を考案した。さらに、広帯域伝送においての遅延波対策として、送受信ＴＤＬ−ＡＡＡによる与干渉抑圧及び被干渉抑圧手法の検証を行なった。計算機シミュレーションによる評価の結果、無線ＬＡＮシステム１０１への与干渉の影響は適切な送信アダプティブアレー素子数と送信電力で十分に回避することができる。また、無線ＬＡＮシステム１０１からの被干渉は２次システム１０２の送信電力が制限された場合においてもＴＤＬ−ＡＡＡによる時空間信号処理を用いることで抑圧できると考えられる。

２次システム１０２の通信処理の変形例．
図７及び図８に図示した実施形態に係る通信処理においては、ＣＴＳフレーム受信に失敗した場合は（図７のＳ７でＮＯ）重畳伝送を行わずＲＳＳＩ測定（Ｓ１）を再開している（図７のフェーズＢ）。しかし、下記に示す方法によりＣＴＳフレーム受信に失敗（ＤＡＴＡ復調に失敗）した場合においても受信側無線局１−２に対しヌル形成ができていれば重畳伝送が開始可能である。

（Ａ）送信側無線局２−１の通信処理．
（１）２次システム１０２の送信側無線局２−１では、送信要求に応じてＲＳＳＩ測定を開始する。ＲＳＳＩ測定時間Ｔｃｓ内にキャリアセンスしきい値Ｐｔｈを超える信号レベルの検出がない場合は、対象帯域を空き帯域と見なしてＤＡＴＡ_Ｓフレーム送信を開始する。一方、ＲＳＳＩ測定値がしきい値Ｐｔｈを超えた場合は信号受信処理、及び帯域幅と継続時間の測定を開始する。
（２）ＲＴＳフレームの受信に成功、あるいは帯域幅と継続時間の測定結果ＲＴＳフレームの到来が推定された場合は無線ＬＡＮシステム１０１の送信側無線局１−１に対しヌルを形成するウエイトの計算及びＣＴＳ／ＤＡＴＡ_Ｗ／ＡＣＫフレームの送信開始・終了タイミングの予測を行う（図６のフェーズＡ）。また、ＣＴＳフレームの受信に成功、あるいは帯域幅と継続時間の測定結果ＣＴＳフレームの到来が推定された場合は無線ＬＡＮシステム１０１の受信側無線局１−２に対しヌルを形成するウエイトの計算及びＤＡＴＡ_Ｗ／ＡＣＫフレームの送信開始・終了タイミングの予測を行う（図６のフェーズＢ）。受信信号が無線ＬＡＮシステム１０１のＲＴＳ／ＣＴＳフレームではない場合はＲＳＳＩ測定を再開する。
（３）ＣＴＳフレーム受信に成功、あるいはＲＴＳフレームの受信に成功し、かつＣＴＳフレームの到来が推定された場合は、ランダムバックオフなどのアクセス制御に従ってＤＡＴＡ_Ｓフレーム送信開始の可否を決定する。ＤＡＴＡ_Ｓフレームの送信が開始可能な場合、無線ＬＡＮシステム１０１の受信側無線局１−２に対しヌルを形成し送信を開始する（図７のフェーズＣ）。一方、ＣＴＳフレーム受信に失敗またはＣＴＳフレームの到来が推定されていない場合、あるいはアクセス制御により送信を行わない場合はＲＳＳＩ測定を再開する。
（４）送信ＤＡＴＡ_Ｓフレーム長は予測ＤＡＴＡ_Ｗフレーム長を超えない範囲で設定する。ただし、ＲＴＳフレーム受信に成功した場合は無線ＬＡＮシステム１０１の送信側無線局１−１に対しヌル形成が可能であるため、ＡＣＫフレーム伝送時にも与干渉を回避できる。すなわち、ＤＡＴＡ_Ｗフレーム長を超えるＤＡＴＡ_Ｓフレームの送信が可能となる。そこで、必要に応じてＡＣＫフレームの予測終了タイミングを超えない範囲でＤＡＴＡ_Ｓフレーム長を設定する。この場合はＤＡＴＡ_Ｗフレーム予測終了タイミングに合わせて無線ＬＡＮシステム１０１の受信側無線局１−２に対しヌルを形成するウエイトに切り替える（図７のフェーズＤ）。ＤＡＴＡ_Ｓフレームの送信終了後はＲＳＳＩ測定を再開する。

（Ｂ）受信側無線局２−２の通信処理．
（１）２次システム１０２の受信側（ＳＴＡ−Ｂ）では継続的にＲＳＳＩ測定を行い、Ｐｔｈを超える信号レベルが検出された場合は信号受信処理、及び帯域幅と継続時間の測定を開始する。
（２）ＲＴＳフレームの受信に成功、あるいは帯域幅と継続時間の測定結果ＲＴＳフレームの到来が推定されたに場合は無線ＬＡＮシステム１０１の送信側無線局１−１に対しヌルを形成するウエイトの計算及びＣＴＳ／ＤＡＴＡ_Ｗ／ＡＣＫフレームの送信開始・終了タイミングの予測を行う（図６のフェーズＡ）。ＣＴＳフレームの受信に成功、あるいは帯域幅と継続時間の測定結果ＣＴＳフレームの到来が推定されたに場合は無線ＬＡＮシステム１０１の受信側無線局１−２に対しヌルを形成するウエイトの計算及びＤＡＴＡ_Ｗ／ＡＣＫフレームの送信開始・終了タイミングの予測を行う（図６のフェーズＢ）。
（３）一方、受信信号がＤＡＴＡ_Ｓフレームの場合は受信タイミング同期処理後、受信ビームを形成し受信を開始する（図７のフェーズＣ）。ここで、ＲＴＳフレーム受信に成功、あるいはＲＴＳフレームの到来が推定された場合は無線ＬＡＮシステム１０１の送信側無線局１−１に対しヌルを形成し、被干渉を抑制した上で受信タイミング同期処理を行う。これにより同期捕捉性能の向上が期待できる。
（４）なお、ＤＡＴＡ_Ｗフレーム長を超えるＤＡＴＡ_Ｓフレームを受信に際し、事前にＣＴＳフレーム受信に成功、あるいはＣＴＳフレームの到来が推定されたに場合は、予測したＤＡＴＡ_Ｗフレームの終了タイミングに合わせて無線ＬＡＮシステム１０１の受信側無線局１−２に対しヌルを形成するウエイトに切り替える。次に所望信号に対し受信ビーム更新を行い、ＤＡＴＡ_Ｓフレーム受信を再開する（図７のフェーズＤ）。

以上詳述したように、本発明に係る無線ネットワークシステムとその制御方法によれば、従来技術に比較してタイミング同期の獲得を容易にでき、第２の無線通信システムの無線局での無線通信を可能にすることができる。特に、以下の特有の作用効果を有する。
（１）第２の無線通信システムの受信側無線局における受信タイミング同期を容易に実現することができる。すなわち、第２の無線通信システムは第１の無線通信システムのフレーム伝送を観測してデータ送信開始タイミングを予測し、第２の無線通信システムのデータ送信開始タイミングを合わせることで第２の無線通信システムの受信側無線局において所望信号の到来タイミングを予測可能となる。
（２）また、第２の無線通信システムの送信側無線局が第１の無線通信システムの事前通信を観測することで第１と第２の無線通信システム間の伝搬路状況の推定が可能になるため、その推定した伝搬路情報を用いて空間的に与干渉を抑圧する。すなわち、第２の無線通信システムの送信側無線局での処理は事前通信の観測→伝搬路状況推定→与干渉抑圧の順になる。
（３）さらに、第２の無線通信システムの受信側無線局が第１の無線通信システムの事前通信を観測することで第１と第２の無線通信システム間の伝搬路状況の推定が可能になるため、その推定した伝搬路情報を用いて空間的に被干渉を抑圧する。すなわち、第２の無線通信システムの受信側無線局での処理は事前通信の観測→伝搬路状況推定→被干渉抑圧の順になる。
（４）またさらに、第２の無線通信システムにおけるアクセス制御において、第２の無線通信システムの重畳伝送が可能となる条件を満たした状態をアクセス制御の最小単位とすることで、第２の無線通信システム内でのアクセス制御を可能にする。

Claims (14)

1. 複数の無線局を備えて構成され、制御信号の交換を行った後にデータ伝送を行う第１の無線通信システムと、
   複数の無線局を備えて構成され、上記第１の無線通信システムと同一の周波数帯域を用いてかつ時間的に重畳してデータ伝送を行う第２の無線通信システムと備えた無線ネットワークシステムであって、
   上記第２の無線通信システムの送信側無線局は、上記第１の無線通信システムの制御信号を受信し、当該受信した制御信号に基づいて上記第１の無線通信システムのデータ伝送のタイミングを予測し、当該予測したタイミングで送信すべきデータを送信し、
   上記第２の無線通信システムの受信側無線局は、上記第１の無線通信システムの制御信号を受信し、当該受信した制御信号に基づいて上記第１の無線通信システムのデータ伝送のタイミングを予測し、当該予測したタイミングで上記第２の無線通信システムの送信側無線局からのデータを受信することを特徴とする無線ネットワークシステム。
2. 上記第１の無線通信システムは、ＲＴＳ／ＣＴＳ信号である制御信号を用いて無線通信を行う無線ＬＡＮシステムであり、上記第２の無線通信システムの送信側無線局及び受信側無線局は、上記第１の無線通信システムからのＣＴＳ信号を受信し、当該受信したＣＴＳ信号に短フレーム間隔（ＳＩＦＳ）を加算して上記第１の無線通信システムのデータ伝送のタイミングを予測することを特徴とする請求項１記載の無線ネットワークシステム。
3. 上記第２の無線通信システムの送信側無線局は、上記第１の無線通信システムの受信側無線局からの制御信号を受信したときに、上記受信した制御信号に基づいて、アダプティブ制御方法を用いて上記第１の無線通信システムの受信側無線局に対しヌルを形成するようにデータ送信の指向性パターンを制御することを特徴とする請求項１又は２記載の無線ネットワークシステム。
4. 上記第２の無線通信システムの送信側無線局は、上記第１の無線通信システムの送信側無線局からの制御信号を受信しかつ上記第２の無線通信システムの送信側無線局から送信するデータ長が上記第１の無線通信システムの送信側無線局からのデータ長よりも長いときに、上記受信した制御信号に基づいてアダプティブ制御方法を用いて上記第１の無線通信システムの送信側無線局に対しヌルを形成するようにデータ送信の指向性パターンを制御することを特徴とする請求項１乃至３のうちのいずれか１つに記載の無線ネットワークシステム。
5. 上記第２の無線通信システムの受信側無線局は、上記第１の無線通信システムの送信側無線局からの制御信号を受信したときに、上記受信した制御信号に基づいて、アダプティブ制御方法を用いて上記第１の無線通信システムの送信側無線局に対しヌルを形成するようにデータ送信の指向性パターンを制御することを特徴とする請求項１乃至４のうちのいずれか１つに記載の無線ネットワークシステム。
6. 上記第２の無線通信システムの受信側無線局は、上記第１の無線通信システムの受信側無線局からの制御信号を受信しかつ上記第２の無線通信システムの送信側無線局から送信するデータ長が上記第１の無線通信システムの送信側無線局からのデータ長よりも長いときに、上記受信した制御信号に基づいてアダプティブ制御方法を用いて上記第１の無線通信システムの受信側無線局に対しヌルを形成するようにデータ送信の指向性パターンを制御することを特徴とする請求項１乃至５のうちのいずれか１つに記載の無線ネットワークシステム。
7. 上記第２の無線通信システムの送信側無線局は、上記第１の無線通信システムからの制御信号を受信したときに、所定のアクセス制御に従ってデータの送信開始の可否を決定することを特徴とする請求項１乃至６のうちのいずれか１つに記載の無線ネットワークシステム。
8. 複数の無線局を備えて構成され、制御信号の交換を行った後にデータ伝送を行う第１の無線通信システムと、
   複数の無線局を備えて構成され、上記第１の無線通信システムと同一の周波数帯域を用いてかつ時間的に重畳してデータ伝送を行う第２の無線通信システムと備えた無線ネットワークシステムの制御方法であって、
   上記第２の無線通信システムの送信側無線局は、上記第１の無線通信システムの制御信号を受信し、当該受信した制御信号に基づいて上記第１の無線通信システムのデータ伝送のタイミングを予測し、当該予測したタイミングで送信すべきデータを送信し、
   上記第２の無線通信システムの受信側無線局は、上記第１の無線通信システムの制御信号を受信し、当該受信した制御信号に基づいて上記第１の無線通信システムのデータ伝送のタイミングを予測し、当該予測したタイミングで上記第２の無線通信システムの送信側無線局からのデータを受信することを特徴とする無線ネットワークシステムの制御方法。
9. 上記第１の無線通信システムは、ＲＴＳ／ＣＴＳ信号である制御信号を用いて無線通信を行う無線ＬＡＮシステムであり、上記第２の無線通信システムの送信側無線局及び受信側無線局は、上記第１の無線通信システムからのＣＴＳ信号を受信し、当該受信したＣＴＳ信号に短フレーム間隔（ＳＩＦＳ）を加算して上記第１の無線通信システムのデータ伝送のタイミングを予測することを特徴とする請求項８記載の無線ネットワークシステムの制御方法。
10. 上記第２の無線通信システムの送信側無線局は、上記第１の無線通信システムの受信側無線局からの制御信号を受信したときに、上記受信した制御信号に基づいて、アダプティブ制御方法を用いて上記第１の無線通信システムの受信側無線局に対しヌルを形成するようにデータ送信の指向性パターンを制御することを特徴とする請求項８又は９記載の無線ネットワークシステムの制御方法。
11. 上記第２の無線通信システムの送信側無線局は、上記第１の無線通信システムの送信側無線局からの制御信号を受信しかつ上記第２の無線通信システムの送信側無線局から送信するデータ長が上記第１の無線通信システムの送信側無線局からのデータ長よりも長いときに、上記受信した制御信号に基づいてアダプティブ制御方法を用いて上記第１の無線通信システムの送信側無線局に対しヌルを形成するようにデータ送信の指向性パターンを制御することを特徴とする請求項８乃至１０のうちのいずれか１つに記載の無線ネットワークシステムの制御方法。
12. 上記第２の無線通信システムの受信側無線局は、上記第１の無線通信システムの送信側無線局からの制御信号を受信したときに、上記受信した制御信号に基づいて、アダプティブ制御方法を用いて上記第１の無線通信システムの送信側無線局に対しヌルを形成するようにデータ送信の指向性パターンを制御することを特徴とする請求項８乃至１１のうちのいずれか１つに記載の無線ネットワークシステムの制御方法。
13. 上記第２の無線通信システムの受信側無線局は、上記第１の無線通信システムの受信側無線局からの制御信号を受信しかつ上記第２の無線通信システムの送信側無線局から送信するデータ長が上記第１の無線通信システムの送信側無線局からのデータ長よりも長いときに、上記受信した制御信号に基づいてアダプティブ制御方法を用いて上記第１の無線通信システムの受信側無線局に対しヌルを形成するようにデータ送信の指向性パターンを制御することを特徴とする請求項８乃至１２のうちのいずれか１つに記載の無線ネットワークシステムの制御方法。
14. 上記第２の無線通信システムの送信側無線局は、上記第１の無線通信システムからの制御信号を受信したときに、所定のアクセス制御に従ってデータの送信開始の可否を決定することを特徴とする請求項８乃至１３のうちのいずれか１つに記載の無線ネットワークシステムの制御方法。

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