JP2017092522A - 通信装置及び通信方法、コンピュータプログラム - Google Patents
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Abstract
【課題】ビーム指向性アンテナを用いる無線通信システムにおいて、無線環境の変化に対する堅牢性を高めながら通信効率を維持することが可能な技術を提供する。【解決手段】通信装置は、複数の受信機の各々について、当該受信機を相手受信機として、該相手受信機に対してメインローブによる通信によりテスト信号を送信することが可能な、送信機アンテナ指向性を判定し、この送信機アンテナ指向性の各々について、当該送信機アンテナ指向性でテスト信号を送信した場合に、サイドローブにより該テスト信号を受信可能な受信機をモニター受信機として判定する。そして、相手受信機における通信の受信品質とモニター受信機における受信品質とに基づいて、データの送信に用いる送信機アンテナ指向性と、複数の受信機の中からデータの受信対象となる相手受信機及びモニター受信機とを決定して、データを送信する。【選択図】 図2
Description
本発明は、通信装置及び通信方法、コンピュータプログラムに関する。
近年の映像画質の高品位化に伴い、高速の伝送レートで大容量データを無線伝送する技術に対する要求が高まっている。高速な無線伝送レートを実現する技術として、ミリ波とよばれる60GHz帯を用いた無線通信技術が知られており、ミリ波無線通信規格であるIEEE802.11adにおいては、最大で約6.8Gbpsの伝送レートが規定されている。ミリ波無線通信においては、通信用アンテナとしてビームステアリング可能なビーム指向性アンテナを用いることで、特定の方向にエネルギーを集中させて通信範囲を拡大する技術が知られている。
高速な無線伝送速度が実現できるミリ波無線通信であるが、ミリ波の持つ直進性により、人体などの障害物に通信パスが遮断され、通信エラーが生じる可能性がある。この観点から、障害物による通信パス遮断を防ぐために、予備の通信パスを備えるシステム構成が有用である。特許文献1には、送信局と受信局の間で複数の通信リンクを備え、複数の通信リンクを用いて同時に送信する無線通信システムの構成が記載されている。
前述したとおり、予備の通信パスを複数備えることで、通信パスの遮断に対処することができる。しかしながら、1台の送信機に対して1台の受信機を備える構成の場合、受信機の直近に障害物が存在する場合など、複数の通信リンクが同時に使用できなくなる状況が存在する。ゆえに、1台の送信機と1台の受信機の間で、全く通信リンクが存在しなくなる状況が存在する無線システムにおいては、1台の送信機と1台の受信機の間で複数の通信リンクで同時に伝送する特許文献1の手法は適用することができない。
上述のような、無線局間での通信リンクが確保できなくなるような状況が生じうる無線システムにおいては、1台の送信局に対して複数の受信局を備える構成を適用することで、通信の堅牢性を高めることができる。しかしながら、例えば、時分割多重通信におけるタイムスロットを複数の受信機毎に割り当てて無線通信を実行する場合、通信の堅牢性を高めることができる反面、通信効率の悪化が生じる。複数の受信機を宛先局にしてマルチキャスト通信を行う構成を適用すれば、通信効率の悪化を生じない。しかし、複数の受信機がカバーできるアンテナ指向性として、例えばオムニ指向性(無指向性)を適用した場合にはビーム指向性(有指向性)を適用した場合に比べ、通信距離が限定される。ゆえに、指向性アンテナをビーム指向性からオムニ指向性に切り替えたことで通信エラーが生じる可能性があるため、通信の堅牢性を高めることができない。
このように従来の構成においては、人体などの障害物による通信パスの遮断や無線機の移動に伴う通信環境の変化などの無線環境の変化により、通信の堅牢性と通信効率の少なくとも一方が悪化していた。
そこで本発明は、ビーム指向性アンテナを用いる無線通信システムにおいて、無線環境の変化に対する堅牢性を高めながら通信効率を維持することが可能な技術を提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、本発明による通信装置は以下の構成を備える。即ち、
指向性アンテナによりデータを送信する通信装置であって、
複数の受信機の各々について、当該受信機を相手受信機として、該相手受信機に対してメインローブによる通信によりテスト信号を送信することが可能な、送信機アンテナ指向性を判定する第一の判定手段と、
前記第一の判定手段により判定された送信機アンテナ指向性の各々について、当該送信機アンテナ指向性でテスト信号を送信した場合に、前記メインローブに付随するサイドローブにより該テスト信号を受信可能な受信機をモニター受信機として判定する第二の判定手段と、
前記メインローブによる通信の前記相手受信機における受信品質と、当該メインローブに付随するサイドローブによる通信の前記モニター受信機における受信品質とに基づいて、前記複数の受信機の中からデータの送信に用いる送信機アンテナ指向性と、データの受信対象となる相手受信機及びモニター受信機とを決定する決定手段と、
前記決定手段により決定された送信機アンテナ指向性により、前記決定された相手受信機及びモニター受信機に向けてデータを送信する送信手段と
を備えることを特徴とする通信装置。
指向性アンテナによりデータを送信する通信装置であって、
複数の受信機の各々について、当該受信機を相手受信機として、該相手受信機に対してメインローブによる通信によりテスト信号を送信することが可能な、送信機アンテナ指向性を判定する第一の判定手段と、
前記第一の判定手段により判定された送信機アンテナ指向性の各々について、当該送信機アンテナ指向性でテスト信号を送信した場合に、前記メインローブに付随するサイドローブにより該テスト信号を受信可能な受信機をモニター受信機として判定する第二の判定手段と、
前記メインローブによる通信の前記相手受信機における受信品質と、当該メインローブに付随するサイドローブによる通信の前記モニター受信機における受信品質とに基づいて、前記複数の受信機の中からデータの送信に用いる送信機アンテナ指向性と、データの受信対象となる相手受信機及びモニター受信機とを決定する決定手段と、
前記決定手段により決定された送信機アンテナ指向性により、前記決定された相手受信機及びモニター受信機に向けてデータを送信する送信手段と
を備えることを特徴とする通信装置。
本発明によれば、ビーム指向性アンテナを用いる無線通信システムにおいて、無線環境の変化に対する堅牢性を高めながら通信効率を維持することが可能な技術を提供することができる。
以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
<<実施形態1>>
(無線通信システム)
図1は、本発明の一実施形態(実施形態1)に関わる無線通信システムの構成例を示す図である。本無線通信システムは、本実施形態に係る通信装置としての無線送信機(送信機)100、複数の無線受信機(受信機)101〜104、及び、パーソナルコンピュータ(以下、PCと称する)105を備える。無線送信機100と無線受信機101〜104は、それぞれビーム形成可能な指向性アンテナを備えている。無線送信機100と、無線受信機101〜104は、それぞれ指向性アンテナを用いた無線通信方式により接続され、このような無線通信方式として、例えばIEEE802.11adを用いることができる。本実施形態では、IEEE802.11adに基づいて説明するが、指向性アンテナを用いる無線通信方式であれば、他の無線通信方式により構成することができる。PC105は、無線受信機101〜104と接続し、データ処理を行う。
(無線通信システム)
図1は、本発明の一実施形態(実施形態1)に関わる無線通信システムの構成例を示す図である。本無線通信システムは、本実施形態に係る通信装置としての無線送信機(送信機)100、複数の無線受信機(受信機)101〜104、及び、パーソナルコンピュータ(以下、PCと称する)105を備える。無線送信機100と無線受信機101〜104は、それぞれビーム形成可能な指向性アンテナを備えている。無線送信機100と、無線受信機101〜104は、それぞれ指向性アンテナを用いた無線通信方式により接続され、このような無線通信方式として、例えばIEEE802.11adを用いることができる。本実施形態では、IEEE802.11adに基づいて説明するが、指向性アンテナを用いる無線通信方式であれば、他の無線通信方式により構成することができる。PC105は、無線受信機101〜104と接続し、データ処理を行う。
無線受信機101〜104とPC105はそれぞれ有線通信信号が伝送できる有線106で接続しており、無線受信機101〜104は、受信した無線信号をPC105へ転送する。これにより、PC105は複数の経路から無線送信機100の無線信号を受信することができるため、通信遮断の生じる可能性を低減することができる。有線通信方式として、Gigabit Ethernet(登録商標)等の通信方式を利用することができる。また、無線受信機101〜104とPC105との間の通信は、IEEE802.11nなどの無線通信方式により実施することも可能である。
本実施形態では無線通信において、無線送信機100の送信アンテナ指向性を、最も多くの無線受信機が受信できるように設定することで、障害物による通信遮断の確率を低減し、通信の堅牢性を高めることができる。
(無線送信機)
次に、無線送信機100の構成について、図2を参照して説明する。図2は無線送信機100の機能構成例を示すブロック図である。アンテナ200は任意の方向にビーム形成可能なアンテナである。本実施形態では、アンテナ200を、アンテナ毎に移相器を備えるフェーズドアレイアンテナにより構成した例を説明する。アンテナ200は指向性を有するものであればこれに限られない。例えば、固定ビームを複数備えスイッチ毎にビームを選択することができるスイッチドアレイアンテナや、固定ビームを備え機械的にビームを走査することで特定の方向にビームを指向するアンテナにより構成してもよい。
次に、無線送信機100の構成について、図2を参照して説明する。図2は無線送信機100の機能構成例を示すブロック図である。アンテナ200は任意の方向にビーム形成可能なアンテナである。本実施形態では、アンテナ200を、アンテナ毎に移相器を備えるフェーズドアレイアンテナにより構成した例を説明する。アンテナ200は指向性を有するものであればこれに限られない。例えば、固定ビームを複数備えスイッチ毎にビームを選択することができるスイッチドアレイアンテナや、固定ビームを備え機械的にビームを走査することで特定の方向にビームを指向するアンテナにより構成してもよい。
アンテナ200は、複数のアンテナ素子を備え、アンテナ素子毎に移相器と、移相器に接続するDigital Analog Converter回路(デジタル−アナログ変換回路、以下「DAC回路」)を備える。移相器はアナログ電圧による制御で、入力信号に対する出力信号の移相量を変えることができる回路である。アンテナ200は、アンテナ指向性設定部201が出力したアンテナ素子毎の移相量を示すデジタル信号を、移相器に接続するDAC回路がアナログの電圧信号に変換し、移相器毎に電圧を印加することで電気的にビームを走査する。アンテナ200は、無線信号送信部202が生成した無線パケットを、アンテナ指向性設定部201が設定した指向性で送信する。また、アンテナ指向性設定部201が設定した指向性で、無線受信機101〜104が送信する応答信号等の無線パケットを受信し、無線信号受信部203へ出力する。
アンテナ指向性設定部201は、アンテナ200に指向性を設定する。具体的には、アンテナ200のアレイアンテナの配置を示すステアリングベクトルとアンテナ200がビームを指向する指向角度に基づき、アンテナ200の各アンテナ素子に給電する電気信号の振幅及び位相を示すアンテナウエイティングベクトルを計算する。例えば、アンテナのステアリングベクトルをa(θ)、アンテナを指向する角度をθ0、アンテナ素子の個数をN、とすればアンテナウエイティングベクトルwは以下の式で与えられる。
[数1]
そして、アンテナウエイティングベクトルwにより示される各アンテナ素子の位相量をアンテナ200へ出力する。
[数1]
そして、アンテナウエイティングベクトルwにより示される各アンテナ素子の位相量をアンテナ200へ出力する。
無線信号送信部202は、テスト信号生成部204が生成するテスト信号や、データ信号生成部205が生成するデータ信号、及び、通信設定信号生成部206が生成する通信設定信号を、IEEE802.11adのパケット形式に変換する。テスト信号は、Sector Sweepフレーム(以下「SSWフレーム」)、またはBeam Refinement Protocolフレーム(以下「BRPフレーム」)等である。これらのテスト信号は、無線送信機100の送信機アンテナ指向性と、無線受信機101〜104それぞれの受信機アンテナ指向性の組合せのうち、一定の通信品質以上が得られる指向性の組合せを探索するのに用いられる。データ信号は映像信号などのペイロードデータ信号であり、通信設定信号はアンテナ指向性や宛先局を指定するMACアドレス情報等の通信設定情報を記載した信号である。テスト信号を用いた指向性の組み合わせの探索(「ビームテスト」という)については、後述する。
無線信号受信部203は、ビームテストにおける肯定応答信号や応答信号、データ通信に対する応答信号を受信し、受信品質に関する情報を受信品質取得部207に出力する。
受信品質取得部207は、ビームテストにおける応答信号に記載されている通信品質に関する情報を、無線受信機のMACアドレス、送信機アンテナ指向性、受信機アンテナ指向性、受信品質を関連付けて記憶し、宛先受信機決定部208へ出力する。また、データ通信時にも、宛先局、及び、宛先局以外の無線局における受信品質を取得し、宛先受信機決定部208へ出力する。宛先局、及び、宛先局以外の無線局における受信品質は、宛先局がデータ通信に対する応答信号に記載することで、送信局の受信品質取得部207が上記の受信品質を取得することができる。
宛先受信機決定部208は、最も多くの無線受信機が一定の通信品質が得られるような、送信機アンテナ指向性、宛先局、及び、宛先局における受信機アンテナ指向性、を決定し、無線受信機に通知する信号を生成し、通信設定信号生成部206へ出力する。
通信設定信号生成部206は、宛先受信局決定部208が決定した、送信機アンテナ指向性、宛先局、及び、宛先局における受信機アンテナ指向性、を記載した信号を生成し、無線信号送信部202へ出力する。
図3は、無線送信機100のハードウェア構成例を示すブロック図である。図3において、CPU990は中央演算処理装置であり、コンピュータプログラムに基づいて他の構成要素と協働し、無線送信機100全体の動作を制御する。ROM991は読出し専用メモリであり、基本プログラムや基本処理に使用するデータ等を記憶する。RAM992は書込み可能メモリであり、CPU990のワークエリア等として機能する。
外部記憶ドライブ993は記録媒体へのアクセスを実現し、USBメモリ等のメディア(記録媒体)994に記憶されたコンピュータプログラムやデータを本システムにロードすることができる。ストレージ995はSSD(ソリッドステートドライブ)等の大容量メモリとして機能する装置である。ストレージ995には、各種コンピュータプログラムやデータが格納される。
操作部996はユーザからの指示やコマンドの入力を受け付ける装置であり、キーボードやポインティングデバイス、タッチパネル等がこれに相当する。ディスプレイ997は、操作部996から入力されたコマンドや、それに対する情報処理装置の応答出力等を表示する表示装置である。インターフェイス(I/F)998は外部装置とのデータのやり取りを中継する装置である。前述のアンテナ200は、I/F998として設けられる。システムバス999は、情報処理装置内のデータの流れを司るデータバスである。
図2の各機能要素201〜208は、このような構成においてソフトウェアにより実現される。もっとも、各機能要素201〜208の全部又は一部を専用のハードウェアにより構成してもよい。
(ビームテスト)
図4、図5を用いて、2つの無線機間における、送信機アンテナ、及び、受信機アンテナ指向性、の組合せ探索について説明する。「2つの無線機間における送信機アンテナ指向性、及び、受信機アンテナ指向性の組合せ探索」を、本明細書では「ビームテスト」と称する。ビームテストでは、送信機および受信機がアンテナ指向性を走査し、メインローブによるデータ通信により一定の良好な通信品質が得られる送信機および受信機のアンテナ指向性の複数の組み合わせを探索する。以下、無線送信機100、及び、無線受信機101〜104が属する無線通信エリアにおいて、無線帯域の管理をする無線局を制御局と称する。また、一定の通信品質として要求する通信品質は、システムが要求する伝送レートを満足する通信品質である。
図4、図5を用いて、2つの無線機間における、送信機アンテナ、及び、受信機アンテナ指向性、の組合せ探索について説明する。「2つの無線機間における送信機アンテナ指向性、及び、受信機アンテナ指向性の組合せ探索」を、本明細書では「ビームテスト」と称する。ビームテストでは、送信機および受信機がアンテナ指向性を走査し、メインローブによるデータ通信により一定の良好な通信品質が得られる送信機および受信機のアンテナ指向性の複数の組み合わせを探索する。以下、無線送信機100、及び、無線受信機101〜104が属する無線通信エリアにおいて、無線帯域の管理をする無線局を制御局と称する。また、一定の通信品質として要求する通信品質は、システムが要求する伝送レートを満足する通信品質である。
図4は、ビームテストを行う際の各装置から送信されるフレーム番号と、各フレームの種別や送受信の指向性を示す図である。図5は本無線通信システムにおけるアンテナ指向性を説明する図である。アンテナ指向性には、ビーム指向性501と、複数のビーム指向性501を包含するセクター指向性502と、さらに複数のセクター指向性502を包含するオムニ指向性503が含まれる。図5の例では、無線機504は、12個のビーム指向性501、4個のセクター指向性502、及び、1個のオムニ指向性503を備える。ビーム指向性501、セクター指向性502、オムニ指向性503をアレイアンテナで実現する手法は、駆動するアンテナの数を切り替えるものが挙げられるが、指向性の半値幅を変えることができるならば、他の手法でもよい。無線送信機505と無線受信機506は2つの通信リンク507、508で接続することができる。一つ目の通信リンク507は送信ビーム指向性509がBeam=5、受信ビーム指向性510がBeam=6であり、2つ目の通信リンク508は送信ビーム指向性511がBeam=11、受信ビーム指向性512がBeam=2である。なお、ここでは、図5の紙面上で時計回りにX(=1〜12)番目のビーム指向性をBeam=Xと表記している。以下、セクターについても図5の紙面上で時計回りに順序を計数する。以下では、無線送信機505と無線受信機506が上記の2つのビーム指向性の組合せを発見するまでの動作を説明する。
まず無線送信機505が制御局(不図示)に対して、ビームテストを実行するための無線帯域の割当を要求する。テスト信号の送信回数は、(送信局セクター指向性数)×(受信局セクター指向性数)+(送信機セクター指向性あたりのビーム指向性数)×(受信機セクター指向性あたりのビーム指向性数)×(通信リンクの候補数)である。このため、ビームテストを実行するための無線帯域は、無線機間の通信リンクの数に依存して決定される。
例えば、図5の例で、送信機セクター指向性数、及び受信機セクター指向性数が4、送信機セクター指向性あたりのビーム指向性数、及び受信機セクターあたりのビーム指向性数が3、通信リンクの候補数が2である場合、テスト信号の送信回数は34である。そこで、上記のテスト信号、及び、その応答信号が十分に送信可能な無線帯域の割当を要求する必要がある。また、テスト信号の送信回数は最大でも(送信機ビーム指向性数)×(受信機ビーム指向性数)を超えることはない。このため、(送信機ビーム指向性数)×(受信機ビーム指向性数)のテスト信号、及び、その応答信号が十分に送信可能な無線帯域の割当を受けた後、ビームテストが終了した段階で無線帯域の解放を制御局に通知するように動作してもよい。無線機それぞれのビーム指向性数やセクター指向性数などのアンテナ構成情報は、ビームテストを開始する前の段階で、制御局がビーコン信号などの報知信号により通知することで、無線機それぞれが相手無線機のアンテナ構成情報を取得することができる。
無線帯域の割当を受けた無線送信機505は、フレーム番号1で、ビームテスト開始を通知するビームテスト開始信号を無線受信機506に対してオムニ指向性で送信する。ビームテスト開始信号には、無線送信機505のMACアドレスを記載することで、無線受信機506がどの無線送信機505とビームテストを実行するのかを認識することができる。
ビームテスト開始信号を受信した無線受信機506は、フレーム番号2で肯定応答信号をオムニ指向性で送信する。上記の2つの信号は、無線送信機505、及び、無線受信機506が互いの位置関係を認識していないため、オムニ指向性での送受信を行う。オムニ指向性での送受信を可能とするために、無線送信機505、及び、無線受信機506は、変調度を下げ符号化率を上げるなどして、通信のロバストネスを高めるように動作する。
肯定応答信号を受信した無線送信機505は、フレーム番号3からフレーム番号5の期間で、送信機セクター指向性1で受信機セクター指向性数だけSSW信号を送信し、次に送信機セクター指向性2、3、4と同一の動作を繰り返す。無線受信機506は、受信機セクター指向性1でSSWフレーム信号の期間受信動作を行ったのち、受信機セクター指向性2、3,4と同一の動作を繰り返した後、再び受信機セクター指向性1に切り替え、同一の動作を繰り返す。無線受信機506は各SSWフレームの受信品質として、例えば信号対雑音比(以下「SNR」)を受信タイミングとともに記録する。受信品質は、無線送信機505が送信する信号の品質を検査できるものであればよい。例えばSSWフレームのフレーム番号3からフレーム番号5の期間では、送信機セクター指向性と受信機セクター指向性の全ての組合せで通信品質をテストすることが目的である。このため、上記のように送信機アンテナ指向性を固定して受信機アンテナ指向性を随時切り替える手法か、反対に送信機アンテナ指向性を随時切り替えて受信アンテナ指向性を固定する手法でもよい。
フレーム番号6では、無線受信機506が各SSWフレームの受信品質結果を、応答信号に記載し、オムニ指向性で送信する。受信品質結果の送信は、全てのSSW信号の受信品質結果と受信機セクター指向性、受信タイミングでも、SNRに基づき一定の通信品質以上であった受信品質結果と受信機セクター指向性、受信タイミングでもよい。ここでは送信機セクター指向性が2で、受信機セクター指向性が2であったときと、送信機セクター指向性が4で、受信機セクター指向性が1であったときに、受信品質が一定の通信品質以上となる。そこで、応答信号には、上記のアンテナ設定の受信タイミング、及び、SNRを記載する。
フレーム番号7では、無線送信機505が、送信機ビーム指向性、及び、受信機ビーム指向性の組合せをテストする順番をBRPセットアップ信号に記載し、無線受信機506にオムニ指向性で送信する。ここでは、始めに送信機セクター指向性が2、受信機セクター指向性が2、それぞれに属する送信機ビーム指向性、及び、受信機ビーム指向性の組合せをテストする。次に送信機セクター指向性が4、受信セクター指向性が1、それぞれに属する送信機ビーム指向性、及び、受信機ビーム指向性の組合せをテストする。
フレーム番号8では、受信局がBRPセットアップ信号に対する肯定応答信号をオムニ指向性で送信することで、無線送信機505と無線受信機506において、送信機ビーム指向性、及び、受信機ビーム指向性の組合せをテストする順番が共有できる。
肯定応答信号を受信した無線送信機505は、フレーム番号9からフレーム番号11の期間に、送信機ビーム指向性4で受信機セクター指向性に属する受信機ビーム指向性数だけBRP信号を送信する。次に無線送信機505は、送信機ビーム指向性5、6と送信機セクター指向性にある送信機ビーム指向性数だけ同一の動作を繰り返す。無線受信機506は、受信機ビーム指向性4でBRPフレーム信号の期間受信動作を行ったのち、受信機ビーム指向性5,6と受信機セクター指向性にある受信機ビーム指向性数だけ同一の動作を繰り返す。その後、無線受信機506は、再び受信機ビーム指向性4に切り替え、同一の動作を繰り返す。ここで、BRP信号であるが、送信機ビーム指向性、及び、受信機ビーム指向性の組合せにおける受信品質を計測できるものであればよい。例えば、BRP信号内に既知信号系列を備え、二乗誤差最小化基準をウエイティングベクトルに適用した場合のSNRを受信品質として計測してもよい。
無線受信機506は各BRPフレームの受信品質を受信タイミングとともに記録する。フレーム番号9からフレーム番号11の期間では、ある特定の送信機セクター指向性における送信機ビーム指向性と、ある特定の受信機セクター指向性における受信機ビーム指向性の全ての組合せで通信品質をテストすることが目的である。このため、上記のように送信機アンテナ指向性を固定して受信機アンテナ指向性を随時切り替える手法か、反対に送信機アンテナ指向性を随時切り替えて受信アンテナ指向性を固定する手法でもよい。
フレーム番号12では、無線受信機506が各BRPフレームの受信品質結果を、応答信号に記載し、オムニ指向性で送信する。受信品質結果は、全てのBRP信号の受信品質結果と受信機ビーム指向性、受信タイミングでも、SNRに基づき一定の通信品質以上であった受信品質結果と受信機ビーム指向性、受信タイミングでもよい。ここでは送信機ビーム指向性が5で、受信機ビーム指向性が6であったときに、受信品質が一定の通信品質以上であるため、応答信号には、上記アンテナ設定の受信タイミング、及び、SNRを記載する。また、隣接する指向性ビームにおいても一定の通信品質が得られる場合には、応答信号内に、上記アンテナ設定の受信タイミング、及び、SNRを記載する。
応答信号を受信した無線送信機505は、フレーム番号13からフレーム番号15の期間で、送信機セクター指向性が4、受信機セクター指向性が1、それぞれに属する送信機ビーム指向性、及び、受信機ビーム指向性の組合せをテストする。
上述のフレーム番号9からフレーム番号12と同様の動作をフレーム番号13からフレーム番号16で実行する。これにより、送信機セクター指向性4と受信機セクター指向性1に存在する、送信機ビーム指向性11と受信機ビーム指向性2の組合せを一定の通信品質が得られる通信リンクとして発見することができる。
フレーム番号17では、無線送信機505が無線受信機506に対して、ビームテスト結果信号を送信し、ビームテストを完了する。
上記のように、ビームテストでは、複数の受信機の各々について、当該受信機を相手受信機として、該相手受信機に対してメインローブによる通信によりテスト信号を送信することが可能な、送信機アンテナ指向性を判定する。具体的には、所定の閾値以上の受信品質でテスト信号を送信可能な送信機アンテナ指向性を判定する。これにより、メインローブによる通信により通信可能な送信機アンテナ指向性を判定することができる。
(無線受信機)
次に、無線受信機101〜104の構成について、図6を参照して説明する。アンテナ300のハードウェア構成は無線送信機100のアンテナ200と同様である。アンテナ300は、無線信号送信部302が生成した無線パケットを、アンテナ指向性設定部301が設定した指向性で送信する。また、アンテナ指向性設定部301が設定した指向性で、無線送信機100が送信する無線パケットを受信し、無線信号受信部303に出力する。
次に、無線受信機101〜104の構成について、図6を参照して説明する。アンテナ300のハードウェア構成は無線送信機100のアンテナ200と同様である。アンテナ300は、無線信号送信部302が生成した無線パケットを、アンテナ指向性設定部301が設定した指向性で送信する。また、アンテナ指向性設定部301が設定した指向性で、無線送信機100が送信する無線パケットを受信し、無線信号受信部303に出力する。
アンテナ指向性設定部301のハードウェア構成は無線送信機100のアンテナ指向性設定部201と同様であり、アンテナ指向性設定部301はアンテナ300に指向性を設定する。具体的には、アンテナ300のアレイアンテナの配置を示すステアリングベクトルとアンテナ300がビームを指向する指向角度に基づき、アンテナ300の各アンテナ素子に給電する電気信号の振幅および位相を示すアンテナウエイティングベクトルを計算する。アンテナ指向性を切り替えるタイミングは、次のいずれかである。
・無線信号送信部302が無線パケットを生成し終えたタイミング。
・通信設定信号取得部304が無線送信機100からの指向性切替情報、及び、宛先局切替情報を取得したタイミング。
・通信タイミング取得部308が取得する、無線送信機100が他の無線受信機とビームテスト、及び、データ通信を行っているタイミング。
・無線信号送信部302が無線パケットを生成し終えたタイミング。
・通信設定信号取得部304が無線送信機100からの指向性切替情報、及び、宛先局切替情報を取得したタイミング。
・通信タイミング取得部308が取得する、無線送信機100が他の無線受信機とビームテスト、及び、データ通信を行っているタイミング。
無線信号送信部302は、応答信号生成部307が生成した応答信号を、IEEE802.11adのパケット形式に変換する。無線信号受信部303は、通信設定信号、上述のビームテストにおけるテスト信号、あるいはデータ信号を受信し、それぞれ通信設定信号取得部304、受信品質計測部305、データ信号転送部309へ出力する。
通信設定信号取得部304は、無線信号受信部303が受信した通信設定信号に基づき、自局が宛先受信局であるか否かを取得する。自局が宛先受信局であれば指定されている受信機アンテナ指向性でデータ受信を行い、自局が宛先局でない場合には、任意の無線受信機アンテナ指向性でデータ受信、及び、無線信号の検出を行うように動作する。
通信タイミング取得部308は、他の無線受信機におけるビームテストを実行するタイミング、及び、自局が宛先受信局ではない場合に、無線送信機がデータ送信を実行するタイミングを、有線I/F部310を介して取得する。
受信品質計測部305はテスト信号、及び、データ信号を受信した受信品質を計測し、計測した受信品質を有線I/F部310、受信品質取得部306、応答信号生成部307に出力する。応答信号には自局における受信品質のほかに、他の無線受信機における受信品質情報を記載する。全ての無線受信機101〜104が有線I/F310を介して互いの受信品質情報を共有して、無線送信機100に他の受信機情報も含めてフィードバックする。これにより、無線送信機100はいずれかの無線受信機からフィードバック情報を受信できれば全無線受信機の受信品質情報を取得することができるため、通信のロバストネスを高めることができる。
受信品質取得部306は、受信品質計測部305から自局の受信品質情報を取得し、有線I/F310を介して他の無線受信機と受信品質情報を共有する。応答信号生成部307は、ビームテストに対する応答信号、及び、データ信号に対する応答信号を生成し、IEEE802.11adのパケット形式に変換する。データ信号転送部309は、自局が宛先受信局に指定されている場合に、受信したデータ信号をPC105に転送するため、有線I/F部310に出力する。
有線I/F部310は、受信品質情報、及び、テスト信号またはデータ信号の受信タイミングを共有するために、他の無線受信機と有線接続する。また、他の無線受信機を介して、もしくは直接、PC105に受信データを転送するためにPC105と有線接続する。
なお、無線受信機101〜104のハードウェア構成は、無線送信機100と同様に図3により示される。
(無線通信システムの動作)
次に、図7、図8を用いて、本実施形態の無線通信システムの無線送信機100、及び、無線受信機101〜104の動作を説明する。図7は無線送信機100の動作手順を示すフローチャートであり、図8は無線受信機101〜104の動作手順を示すフローチャートである。図7の各ステップは無線送信機100のCPU(中央演算処理装置)990の制御により実行され、図8の各ステップは無線受信機101〜104のCPU990の制御により実行される。
次に、図7、図8を用いて、本実施形態の無線通信システムの無線送信機100、及び、無線受信機101〜104の動作を説明する。図7は無線送信機100の動作手順を示すフローチャートであり、図8は無線受信機101〜104の動作手順を示すフローチャートである。図7の各ステップは無線送信機100のCPU(中央演算処理装置)990の制御により実行され、図8の各ステップは無線受信機101〜104のCPU990の制御により実行される。
無線送信機100、及び、無線受信機101〜104は、S601〜S605、S701〜S703においてビームテストを行う。前述のように、ビームテストでは、各受信機について、その受信機へメインローブでテスト信号を送信をした場合に一定の受信品質を得られる送信側と受信側の指向性を判定する。無線送信機100は、まず、S601でパラメータNに値1をセットし、S602でビームテスト開始信号の受信機MACアドレスに無線受信機N(ここでは、N=1)のMACアドレスを記載して無線送信する。そして、S603に進む。
これに応じて無線受信機は、S701において、ビームテスト開始信号を受信する。S702では無線受信機は、ビームテスト開始信号の受信機MACアドレスに、自局のMACアドレスが記載されているかを判定する。自局のMACアドレスが記載されていなければ(S702でNO)、有線I/Fを介して他の受信局にビームテスト開始信号を転送するか、何もせずにS701へ戻る。以下、自局のMACアドレスが記載されている無線受信機を相手受信機と呼称する。自局のMACアドレスが記載されている場合(S702でYES)には、S703に進む。
S603、S703では、無線送信機100、及び、相手受信機がビームテストを実施し、一定の通信品質が得られる通信リンクを検出する。ビームテストは、相手受信機が無線送信機100に対して、ビームテスト結果を通知することで、完了する。S604で全ての無線受信機とビームテストを実施したかを判定し、全ての無線受信機とビームテストを終えた場合(S604でYES)には、無線送信機100はS606に進む。全ての無線受信機とビームテストを完了していない場合(S604でNO)にはS605に進み、次の無線受信機を相手受信機として選択しビームテストを実施する。すなわち、Nを1だけインクリメントして(N=N+1)、S602、S603で無線受信機Nとの間でビームテストを行う。一方、ビームテストを終えた無線受信機は、S704に進む。
以下、ビームテストの結果、無線送信機100と無線受信機101の間で(送信機アンテナ指向性,受信機アンテナ指向性,SNR)として以下の3つの通信リンクが検出された場合の例を説明する。
・(送信機指向性Beam=4,受信機指向性Beam=5,SNR=50)。
・(送信機指向性Beam=5,受信機指向性Beam=6,SNR=40)。
・(送信機指向性Beam=11,受信機指向性Beam=8,SNR=20)。
同様にビームテストの結果、無線送信機100と無線受信機102の間では、以下の3つの通信リンクが検出されたとする。
・(送信機指向性Beam=3,受信機指向性Beam=4,SNR=20)。
・(送信機指向性Beam=4,受信機指向性Beam=5,SNR=20)。
・(送信機指向性Beam=12,受信機指向性Beam=6,SNR=50)。
同様にビームテストの結果、無線送信機100と無線受信機103の間では、以下の3つの通信リンクが検出されたとする。
・(送信機指向性Beam=17,受信機指向性Beam=6,SNR=30)。
・(送信機指向性Beam=18,受信機指向性Beam=5,SNR=40)。
・(送信機指向性Beam=19,受信機指向性Beam=8,SNR=40)。
同様にビームテストの結果、無線送信機100と無線受信機104の間では、以下の3つの通信リンクが検出されたとする。
・(送信機指向性Beam=5,受信機指向性Beam=1,SNR=30)。
・(送信機指向性Beam=23,受信機指向性Beam=5,SNR=50)。
・(送信機指向性Beam=24,受信機指向性Beam=7,SNR=40)。
なお、ここでは図1の紙面上において、無線送信機100は24通りの送信機アンテナ指向性をとることができ、無線受信機101〜104はそれぞれ8通りの受信機アンテナ指向性とることができる。そして、ある方向から数えてXtx(=1〜24)番目の送信機アンテナ指向性を送信機指向性Beam=Xtxと表記し、Xrx(=1〜8)番目の受信機アンテナ指向性を受信機指向性Beam=Xrxと表記している。
・(送信機指向性Beam=4,受信機指向性Beam=5,SNR=50)。
・(送信機指向性Beam=5,受信機指向性Beam=6,SNR=40)。
・(送信機指向性Beam=11,受信機指向性Beam=8,SNR=20)。
同様にビームテストの結果、無線送信機100と無線受信機102の間では、以下の3つの通信リンクが検出されたとする。
・(送信機指向性Beam=3,受信機指向性Beam=4,SNR=20)。
・(送信機指向性Beam=4,受信機指向性Beam=5,SNR=20)。
・(送信機指向性Beam=12,受信機指向性Beam=6,SNR=50)。
同様にビームテストの結果、無線送信機100と無線受信機103の間では、以下の3つの通信リンクが検出されたとする。
・(送信機指向性Beam=17,受信機指向性Beam=6,SNR=30)。
・(送信機指向性Beam=18,受信機指向性Beam=5,SNR=40)。
・(送信機指向性Beam=19,受信機指向性Beam=8,SNR=40)。
同様にビームテストの結果、無線送信機100と無線受信機104の間では、以下の3つの通信リンクが検出されたとする。
・(送信機指向性Beam=5,受信機指向性Beam=1,SNR=30)。
・(送信機指向性Beam=23,受信機指向性Beam=5,SNR=50)。
・(送信機指向性Beam=24,受信機指向性Beam=7,SNR=40)。
なお、ここでは図1の紙面上において、無線送信機100は24通りの送信機アンテナ指向性をとることができ、無線受信機101〜104はそれぞれ8通りの受信機アンテナ指向性とることができる。そして、ある方向から数えてXtx(=1〜24)番目の送信機アンテナ指向性を送信機指向性Beam=Xtxと表記し、Xrx(=1〜8)番目の受信機アンテナ指向性を受信機指向性Beam=Xrxと表記している。
次に、S606〜S610、S704〜S707において通信リンクテストを行う。通信リンクテストでは、ビームテストで検出した一定の通信品質が得られる送信機アンテナ指向性でテスト信号を送信し、他の無線受信機で受信できるか否かを判定する。すなわち、各受信機についてビームテストで得られた送信機アンテナ指向性でテスト信号を送信した場合に、ほかの受信機でもサイドローブによる通信により信号を受信可能かを検査する。以下、信号を受信できるか否かを検査する対象の無線受信機を、モニター受信機と呼称する。
無線送信機100は、S606においてパラメータNに値1をセットする。次に、S607では無線送信機100は、受信機MACアドレスに受信機N以外の受信機(すなわち、モニター受信機)のMACアドレスを記載した通信リンクテスト開始信号を送信する。具体的には、通信リンクテスト開始信号には、
・オムニ指向性でテスト信号送信開始タイミング。
・テスト信号一つのDuration期間。
・テスト信号の送信回数。
・モニター受信機である無線受信機102〜104のMACアドレス。
等が記載されている。通信リンクテスト開始信号を送信すると、S608に進む。
・オムニ指向性でテスト信号送信開始タイミング。
・テスト信号一つのDuration期間。
・テスト信号の送信回数。
・モニター受信機である無線受信機102〜104のMACアドレス。
等が記載されている。通信リンクテスト開始信号を送信すると、S608に進む。
一方、無線受信機はS704において通信リンクテスト開始信号を受信するが、無線送信機100がこの動作を行うため、全ての無線受信機は最も受信品質の良かった受信機アンテナ指向性で、上述の無線信号が受信できるまで受信状態を維持する。上述の無線信号を受信した無線受信機は、有線I/F部を用いて、他の無線受信機に対して上述の無線信号を有線信号で転送する。これにより、全ての無線受信機101〜104が無線送信機100のテスト信号送信タイミングを含めて、通信リンクテスト開始信号を取得する。
次に、S705で無線受信機は通信リンクテスト開始信号に自局のMACアドレスが記載されているかを判定する。記載されている場合(S705でYES)には自局がモニター受信機であるためS706に進み、記載されていない場合(S705でNO)にはS704に戻る。
S608、S706においては、通信リンクテストを行う。通信リンクテストでは、ビームテストにより判定された送信機アンテナ指向性の各々について、テスト信号を送信した場合に、メインローブに付随するサイドローブによりテスト信号を受信可能な受信機をモニター受信機として判定する。具体的には、所定の閾値以上の受信品質でテスト信号を送信可能な送信機アンテナ指向性を判定する。図9は、通信リンクテストにおける無線送信機アンテナ指向性、及び、モニター受信機の受信機アンテナ指向性と、その受信結果の例を示す図である。無線送信機100は、無線受信機101と一定の通信品質が得られる送信機アンテナ指向性Beam=4で送信を行う。無線受信機102〜104は無線送信機100と一定の通信品質が得られる受信機アンテナ指向性で、無線送信機100からの信号を受信するように動作する。具体的には、モニター受信機は、ビームテストで検出した無線送信機100と一定の通信品質が得られる受信機アンテナ指向性で信号を受信する。
アレイアンテナによるビーム形成方式の場合、メインビームを指向している方向以外にも電磁波が集中して放射されるサイドローブが存在する。サイドローブの、強さ、範囲、及び、個数は、メインビームを指向している角度やアンテナ実装形態に依存して大きく異なることが一般に知られている。モニター受信機は、ビームテストで検出した無線送信機100と一定の通信品質が得られる受信機アンテナ指向性で受信動作を行うことで、サイドローブが無線受信機に指向している場合に信号の受信が可能となる。なおモニター受信機は、無線送信機100が他の無線受信機にビームを指向している場合に自局も信号受信が可能であるかは、全ての受信機アンテナ指向性で検査する必要はなく、ビームテストで検出した受信機アンテナ指向性で検査すれば十分である。
無線送信機100がテスト信号を送信し続ける期間は、前述のテスト信号一つのDuration期間×検出した通信リンクの数である。このため、無線受信機102〜104はDuration期間が経過するごとに、他の無線受信機アンテナ指向性に切り替えて、無線送信機100からの信号を受信するように動作する。受信機アンテナ指向性を切り替える毎に、モニター受信機は受信信号品質を記録する。計測したSNRを受信品質情報として記録し、信号の検出ができなかった場合には、SNR=0として記録する。
送信機アンテナ指向性Beam=4でのテスト信号送信を終えた無線送信機100は、次に無線受信機101と一定の通信品質が得られる送信機アンテナ指向性Beam=4以外の送信機アンテナ指向性でテスト信号を送信する。ここでは、送信機アンテナ指向性Beam=5でテスト信号の送信を行う。無線受信機102〜104は先ほどと同様に、受信機アンテナ指向性を切り替えながら受信を行い、随時受信品質を記録する。無線受信機101と一定の通信品質が得られる送信機アンテナ指向性でのテスト信号の送信、及び、計測を終えた後、無線受信機102〜104は応答信号を無線送信機100に送信する。
無線送信機100はテスト信号送信後に応答信号を受信するため、テスト信号送信後は受信状態に切り替える必要がある。また、無線受信機102〜104のいずれが応答信号を送信するかを無線送信機100は知りえない。このため、無線送信機100は例えば受信指向性を最も広い指向性であるオムニ指向性か、一定の周期毎に送信機アンテナ指向性を巡回させて、どの方向から無線信号がきても受信できるように動作する。また、無線受信機102〜104が有線I/Fを介して、互いの受信結果を取得し、いずれかの無線受信機が応答信号を送信してもよい。S608で通信リンクテストを完了した無線送信機100はS609に進み、S706で通信リンクテストを完了した無線受信機はS707に進む。
S609では無線送信機100が、全ての通信リンクで通信リンクテストを実施したかを判定する。実施した場合(S609でYES)にはS611に進む。実施していない場合(S609でNO)には、S610に進み、Nを1だけインクリメントして(N=N+1)S607に戻り、残りの通信リンクを対象に通信リンクテストを実施する。
S707では、無線受信機が(受信機数−1)回、通信リンクテストを実施したかを判定する。通信リンクテストにおいては、自局が対象外となる通信リンクテストが1回存在するので、通信リンクテストの実施回数に基づいて、通信リンクテストが完了したかを判定する。完了している場合にはS708に進み、完了していない場合には、S704に進む。
通信リンクテストで複数の受信機で受信できる送信機アンテナ指向性が発見できた場合には、S611〜S615、S708〜S712において、その送信機アンテナ指向性を選択して無線データ通信を実行する。具体的には、メインローブによる受信品質と、サイドローブによる受信品質とに基づいて、一対多の通信全体として最も伝送効率のよいデータ送受信の指向性を判定して、その指向性により無線データ通信を実行する。
S611では、各無線受信機での受信品質を計測したテーブルを、図10が示すような通信リンクテーブルとして作成する。図10において、910は受信機の識別情報であり、911は送信機アンテナの指向性である。912は、識別情報910により識別される受信機の受信機アンテナ指向性である。913は、識別情報910により識別される受信機が受信機アンテナ指向性912で受信した、送信機アンテナの指向性911により送出されたメインローブの信号のSNR(信号対雑音比)である。914は、識別情報910以外の受信機の識別情報であり、915は、識別情報914により識別される受信機の受信機アンテナ指向性である。916は、識別情報914により識別される受信機が受信機アンテナ指向性912で受信した、送信機アンテナの指向性911により送出されたサイドローブの信号のSNRである。図10において、910〜913の結果はビームテスト(S601〜S605、S701〜S703)で取得され、914〜916の結果は通信リンクテスト(S606〜S610、S704〜S707)で取得される。図11は本実施形態において選択する送信機指向性を示す図である。図10において、例えば、通信リンクテーブルの行901は、
・(送信機アンテナ指向性Beam=4(1001))。
・(無線受信機1(1003),受信機アンテナ指向性Beam=5)。
・(無線受信機3(1005),受信機アンテナ指向性Beam=6)。
の場合、
・無線受信機1(1003)におけるメインローブによる通信のSNR=50dB。
・無線受信機3(1005)におけるサイドローブによる通信のSNR=10dB
となることを示している。行902は、
・(送信機アンテナ指向性Beam=5(1002))。
・(無線受信機1(1003),受信機アンテナ指向性Beam=6)。
・(無線受信機2(1004),受信機アンテナ指向性Beam=4)。
の場合、
・無線受信機1(1003)におけるメインローブによる通信のSNR=40dB。
・無線受信機2(1004)におけるサイドローブによる通信のSNR=30dB。
となることを示している。
・(送信機アンテナ指向性Beam=4(1001))。
・(無線受信機1(1003),受信機アンテナ指向性Beam=5)。
・(無線受信機3(1005),受信機アンテナ指向性Beam=6)。
の場合、
・無線受信機1(1003)におけるメインローブによる通信のSNR=50dB。
・無線受信機3(1005)におけるサイドローブによる通信のSNR=10dB
となることを示している。行902は、
・(送信機アンテナ指向性Beam=5(1002))。
・(無線受信機1(1003),受信機アンテナ指向性Beam=6)。
・(無線受信機2(1004),受信機アンテナ指向性Beam=4)。
の場合、
・無線受信機1(1003)におけるメインローブによる通信のSNR=40dB。
・無線受信機2(1004)におけるサイドローブによる通信のSNR=30dB。
となることを示している。
S612では、通信リンクテーブルに基づき、複数の無線受信機が一定の通信品質以上で受信可能となる、送信機アンテナ指向性、相手受信機、モニター受信機における受信機アンテナ指向性、及び、通信スケジューリングを決定する。送信アンテナ指向性に対する選択基準は、「複数の無線受信機が一定の通信品質以上で同時に受信できること」である。
比較基準として、たとえば各無線受信機におけるSNRを合計した値で比較してもよく、この場合、901:50+10=60dBであり、902:40+30=70dBであるため、902を送信アンテナ指向性として選択する。他にも、一定の通信品質以上を得る無線受信機数で比較してもよく、要求SNRを25dB以上とした場合、901は無線受信機1の一つ、902は無線受信機1及び無線受信機2の二つであるため、902を送信アンテナとして選択する。つまり、無線受信機1(1003)の受信品質のみに基づいて判定すれば、901を選択することになりそうである。しかし、無線受信機1(1003)だけでなく他の無線受信機も受信可能であるため障害物などの遮断に耐性を持つ、902を、送信アンテナ指向性、及び、通信設定、として選択してもよい。このようにして、無線送信機100は、無線受信機1、及び、無線受信機2を後述のデータ送信期間における宛先局として選択する。まとめると、902の、
・(送信機指向性Beam=5(1002))。
・(宛先局:無線受信機1(1003),無線受信機2(1004))。
・(無線受信機1(1003),受信機アンテナ指向性Beam=6)。
・(無線受信機2(1004),受信機アンテナ指向性Beam=4)
が通信設定として選択される。
・(送信機指向性Beam=5(1002))。
・(宛先局:無線受信機1(1003),無線受信機2(1004))。
・(無線受信機1(1003),受信機アンテナ指向性Beam=6)。
・(無線受信機2(1004),受信機アンテナ指向性Beam=4)
が通信設定として選択される。
また、いずれの送信機アンテナ指向性及び受信機アンテナ指向性を選択しても複数の無線受信機が同時に信号を受信できない場合には、符号化率、変調度を変更して伝送レートや要求SNRを下げて、より多くの無線受信機が信号を受信するように動作する。例えば、「伝送レートが4Gbpsで受信機数が1」よりも、「伝送レートが2.5Gbpsで受信機数が2」や、「伝送レートが1.5Gbpsで受信機数が3」を優先的に選択する。つまり、伝送レート×受信機数の値が最も大きくなるように通信設定を決定する。
S613では、無線送信機100が、送信機アンテナ指向性、宛先局、宛先局となる無線受信機の受信機アンテナ指向性、送信タイミング、及び、符号化率・変調度を記載した通信設定信号を無線受信機に送信し、S708で無線受信機が受信動作を行う。通信設定信号は、無線受信機101〜104のいずれかにビームを指向した状態で送信し、受信した無線受信機が有線I/Fを通して他の無線受信機に転送することで、全ての無線受信機が通信設定信号を取得することができる。また、時分割多重通信におけるタイムスロットに空きがある場合には、データ信号のあとにテスト信号を送信する。その場合には、テスト信号のDuration期間、テスト信号の個数、各テスト信号における送信機アンテナ指向性、無線受信機のMACアドレス、及び、無線受信機毎の受信機アンテナ指向性等を通信設定信号に記載する。
無線受信機は、S708で通信設定信号を受信すると、S709で自局が通信設定信号において宛先局に指定されているか否かを判定する。宛先局に指定されている場合(S709でYES)には、S710に進み、通信設定信号内で指定されている受信機アンテナ指向性で受信動作を行い、受信信号品質を計測する。自局が宛先局に指定されていない場合(S709でNO)には、S711に進み、任意の指向性で受信動作を行い、受信信号品質を計測する。通信状態は、無線送信機と無線受信機の位置関係の変化や、無線送信機・無線受信機間の障害物の有無に応じて変化する。そのため、複数の無線受信機が常時観測することで、一定の通信品質を維持する可能性を高めることができる。また、受信機アンテナ指向性はビームテストで検出した指向性でも、任意の指向性でもよいが、任意の指向性で受信動作を行う場合には、複数のデータ送信期間を経て全ての無線受信機アンテナ指向性をカバーするように動作する。
S614では、S613において無線送信機100が通信設定信号に記載したタイミング、及び、送信機アンテナ指向性でデータ送信を行う。テスト信号を送信する場合には、データ信号送信後にテスト信号の送信を行う。
無線受信機は、S712において、S710、S711で計測した受信品質情報を、有線I/F310を介して無線受信機101〜104で共有する。自局のMACアドレス、受信信号品質、及び、受信機アンテナ指向性を記載した有線信号を生成し、有線I/Fで共有を行う。各無線受信機の受信品質情報を記載した無線信号をフィードバック信号として生成し、無線送信機100に無線送信する。無線信号には各無線受信機の、MACアドレス、受信信号品質、受信機アンテナ指向性、及び、受信信号タイミングを記載する。全ての無線受信機が同一のタイミングで無線信号の送信を行った場合、無線送信機100で無線信号の衝突が発生するため、無線受信機間で調停を行う必要がある。無線受信機は有線信号を介して、送信するタイミングをそれぞれ調停して割り当ててもよいし、例えばS710、S711で最も受信品質の良かった無線受信機のみが送信する構成でもよい。
S615で無線送信機100はフィードバック信号を受信する。ただし、無線送信機100は、いずれの無線受信機がフィードバック信号を送信するか知りえない。このため、無線送信機100は、いずれの無線受信機がフィードバック信号を送信しても受信できるように動作する。例えば、複数の無線受信機をカバーするような広範なオムニ指向性で受信動作を行ったり、各無線受信機方向をそれぞれ送信機アンテナ指向性が巡回する等の動作を行う。そして、フィードバック情報に基づき、無線送信機100は通信リンクテーブルを更新する。具体的には、現在の通信品質よりも良好な通信品質が得られる、送信機アンテナ指向性、宛先局、及び、宛先局となる無線受信機の受信機アンテナ指向性の組合せが発見できた場合には、S611で生成した通信リンクテーブルを更新する。そして、新たに通信設定信号を生成し、S612で各無線受信機に通知を行う。このように、本実施形態では、通信品質を常に観測して、送受信の指向性、宛先局等を適宜修正する。このため、障害物による通信パスの遮断や、無線機の移動に伴う通信環境の変化による受信品質の劣化などにより通信エラーが発生する前に、より無線通信に適した送信機指向性、宛先局、及び、宛先局の受信機指向性の組合せに切り替えることができる。
上記のように、本実施形態では、指向性アンテナによりデータを送信する通信装置において、
・複数の受信機の各々について、当該受信機を相手受信機として、相手受信機に対してメインローブによる通信によりテスト信号を送信することが可能な、送信機アンテナ指向性を判定する(ビームテスト)。
・ビームテストにより判定された送信機アンテナ指向性の各々について、送信機アンテナ指向性でテスト信号を送信した場合に、メインローブに付随するサイドローブによりテスト信号を受信可能な受信機をモニター受信機として判定する(通信リンクテスト)。
という二段のテストを行う。そして、相手受信機に対するメインローブによる通信の受信品質と、当該メインローブに付随するサイドローブによる通信のモニター受信機における受信品質とに基づいて、
・データの送信に用いる送信機アンテナ指向性。
・データの受信対象となる相手受信機及びモニター受信機。
を決定して、データを送信する。このように、本実施形態の構成においては、同時に複数の受信機が無線信号を受信できるように、通信装置が送信機指向性を選択し、無線信号を受信した受信機が最終的な共通の宛先装置である通信処理装置に転送をする。それにより、送信機から複数の受信機を経て通信処理装置へデータを伝送できるため、通信環境の変化に対する堅牢性を高めながら、通信効率を維持することが可能となる。
・複数の受信機の各々について、当該受信機を相手受信機として、相手受信機に対してメインローブによる通信によりテスト信号を送信することが可能な、送信機アンテナ指向性を判定する(ビームテスト)。
・ビームテストにより判定された送信機アンテナ指向性の各々について、送信機アンテナ指向性でテスト信号を送信した場合に、メインローブに付随するサイドローブによりテスト信号を受信可能な受信機をモニター受信機として判定する(通信リンクテスト)。
という二段のテストを行う。そして、相手受信機に対するメインローブによる通信の受信品質と、当該メインローブに付随するサイドローブによる通信のモニター受信機における受信品質とに基づいて、
・データの送信に用いる送信機アンテナ指向性。
・データの受信対象となる相手受信機及びモニター受信機。
を決定して、データを送信する。このように、本実施形態の構成においては、同時に複数の受信機が無線信号を受信できるように、通信装置が送信機指向性を選択し、無線信号を受信した受信機が最終的な共通の宛先装置である通信処理装置に転送をする。それにより、送信機から複数の受信機を経て通信処理装置へデータを伝送できるため、通信環境の変化に対する堅牢性を高めながら、通信効率を維持することが可能となる。
なお、モニター受信機における受信品質がいずれも所定の閾値を下回る場合は、相手受信機に対するメインローブによる通信の受信品質のみに基づいて、送信機アンテナ指向性と、データの受信対象となる相手受信機及びモニター受信機とを決定してもよい。これにより、サイドローブによる通信が困難な状況であっても、メインローブによる通信を効果的に利用して効率的かつ堅牢な通信を行うことができる。
<<実施形態2>>
実施形態1では、複数の無線受信機が信号を受信できる送信機アンテナ指向性で無線通信を行う構成について述べた。本発明の第二の実施形態(実施形態2)では、複数の無線受信機が信号を受信できるように複数の送信機アンテナ指向性を合成して無線通信を行う構成について説明する。複数の送信機アンテナ指向性を合成することで複数の指定した角度にビームを指向できるため、実施形態1の構成に比べて複数の無線受信機でより高い受信品質を得ることができる。
実施形態1では、複数の無線受信機が信号を受信できる送信機アンテナ指向性で無線通信を行う構成について述べた。本発明の第二の実施形態(実施形態2)では、複数の無線受信機が信号を受信できるように複数の送信機アンテナ指向性を合成して無線通信を行う構成について説明する。複数の送信機アンテナ指向性を合成することで複数の指定した角度にビームを指向できるため、実施形態1の構成に比べて複数の無線受信機でより高い受信品質を得ることができる。
以下、図面を参照して本実施形態における無線送信機100と無線受信機101〜104の構成及び動作を説明する。図中、実施形態1の構成及び動作が同様のブロックについては実施形態1と同様の符号を付与し、その詳細な説明は省略する。
(無線送信機)
図12は、本実施形態における無線送信機100の機能ブロックの構成例を示す図である。実施形態1と比較し、本実施形態の無線送信機100は指向性合成部1101をさらに備える。指向性合成部1101は、アンテナ指向性設定部201が指定した複数のアンテナ指向角に対して同時に同一の指向性ゲインを備えるようなウエイティングベクトルをアンテナ200に対して出力し、マルチビームを形成する。ウエイティングベクトルwは、例えば、ステアリングベクトルをa(θ)、アンテナを指向する角度をθ0、θ1とすれば、以下の関係式を満たす。
[数2]
図13は、本実施形態における無線送信機100が送信するビームの指向性を示す図である。無線送信機1201は、RF(Radio Frequency)モジュール1202、アレイアンテナ1203、1204を備える。各アレイアンテナはビームを形成する方向がそれぞれ異なるように配置する。アレイアンテナ1203はz軸方向を、アレイアンテナ1204はx軸方向にそれぞれビームを形成する。また、各アレイアンテナはアンテナ素子毎の移相量を変えることで複数の指向性を形成できる。つまり、アレイアンテナ1203はビーム1205、1206を形成でき、アレイアンテナ1204はビーム1207、1208を形成することができる。
図12は、本実施形態における無線送信機100の機能ブロックの構成例を示す図である。実施形態1と比較し、本実施形態の無線送信機100は指向性合成部1101をさらに備える。指向性合成部1101は、アンテナ指向性設定部201が指定した複数のアンテナ指向角に対して同時に同一の指向性ゲインを備えるようなウエイティングベクトルをアンテナ200に対して出力し、マルチビームを形成する。ウエイティングベクトルwは、例えば、ステアリングベクトルをa(θ)、アンテナを指向する角度をθ0、θ1とすれば、以下の関係式を満たす。
[数2]
図13は、本実施形態における無線送信機100が送信するビームの指向性を示す図である。無線送信機1201は、RF(Radio Frequency)モジュール1202、アレイアンテナ1203、1204を備える。各アレイアンテナはビームを形成する方向がそれぞれ異なるように配置する。アレイアンテナ1203はz軸方向を、アレイアンテナ1204はx軸方向にそれぞれビームを形成する。また、各アレイアンテナはアンテナ素子毎の移相量を変えることで複数の指向性を形成できる。つまり、アレイアンテナ1203はビーム1205、1206を形成でき、アレイアンテナ1204はビーム1207、1208を形成することができる。
また、無線送信機1201はマルチビームを形成することができる。もっとも、実施形態に応じてマルチビームの形成条件は異なりうる。例えば、同一のアレイアンテナに属するビームでなければマルチビームが形成できない場合や、異なるアレイアンテナに属するビームでなければマルチビームが形成できない場合がある。前者は無線送信機に、一つのRFモジュール、複数のアレイアンテナを実装し、排他的にアレイアンテナを駆動する実装形態が挙げられる。後者は無線送信機に、複数のRFモジュール、複数のアレイアンテナを実装し、複数のRFモジュールを同時に駆動する実装形態が挙げられる。両方式の間で消費電力、実装の複雑性、コストが大きく異なるため、ユースケースに応じて適切な実装形態は異なる。本実施形態におけるマルチビーム形成条件は、同一のアレイアンテナに属するビームとする。つまり、ビーム1205、ビーム1206を合成してマルチビーム1209を形成し、ビーム1207とビーム1208を合成してマルチビーム1210を形成することができる。また、異なるアレイアンテナに属するビームは同時に形成できないため、例えばビーム1205とビーム1209を同時に形成することはできない。
指向性合成部1101は、無線送信機1201の実装形態に基づいたマルチビーム形成条件を備える。指向性合成部1101は、無線送信機1201が形成可能なビームを、ビームを形成するアレイアンテナに関連付けて記憶する。つまり、ビーム番号1(ビーム1205)、ビーム番号2(ビーム1206)はアンテナ1(アレイアンテナ1203)に関連付ける。ビーム番号3(ビーム1207)、ビーム番号(ビーム1208)はアンテナ2(アレイアンテナ1204)に関連付ける。これにより指向性合成部1101は、ビーム番号1、ビーム番号2は指向性合成可能であると判定でき、ビーム番号3、ビーム番号4は指向性合成可能であると判定できる。本実施形態では、以下マルチビーム形成条件を「同一のアレイアンテナに属するビームであること」として説明するが、マルチビーム形成条件を「異なるアレイアンテナに属するビームであること」としても実施可能である。
(無線通信システムの動作)
次に、図14、図15を用いて、本実施形態の無線通信システムの無線送信機100、及び、無線受信機101〜104の動作を説明する。図14は無線送信機100の動作手順を示すフローチャートであり、図15は無線受信機101〜104の動作手順を示すフローチャートである。図14の各ステップは無線送信機100のCPU990の制御により実行され、図15の各ステップは無線受信機101〜104のCPUの制御により実行される。
次に、図14、図15を用いて、本実施形態の無線通信システムの無線送信機100、及び、無線受信機101〜104の動作を説明する。図14は無線送信機100の動作手順を示すフローチャートであり、図15は無線受信機101〜104の動作手順を示すフローチャートである。図14の各ステップは無線送信機100のCPU990の制御により実行され、図15の各ステップは無線受信機101〜104のCPUの制御により実行される。
無線送信機100、及び、無線受信機101〜104は、S1301〜S1305、S1401〜S1403においてビームテストを行う。ビームテストの処理手順は実施形態1と同様であるため、説明を省略する。
以下、ビームテストの結果、無線送信機100と無線受信機101の間で(送信機アンテナ指向性,受信機アンテナ指向性,SNR)として以下の3つの通信リンクが検出された場合の例を説明する。
・(送信機指向性Beam=4,受信機指向性Beam=5,SNR=30)。
・(送信機指向性Beam=5,受信機指向性Beam=6,SNR=20)。
・(送信機指向性Beam=11,受信機指向性Beam=8,SNR=25)の3つの同様にビームテストの結果、無線送信機100と無線受信機102の間では、以下の3つの通信リンクが検出されたとする。
・(送信機指向性Beam=3,受信機指向性Beam=4,SNR=25)。
・(送信機指向性Beam=5,受信機指向性Beam=5,SNR=15)。
・(送信機指向性Beam=12,受信機指向性Beam=6,SNR=50)。
同様にビームテストの結果、無線送信機100と無線受信機103の間では、以下の3つの通信リンクが検出されたとする。
・(送信機指向性Beam=17,受信機指向性Beam=6,SNR=30)。
・(送信機指向性Beam=18,受信機指向性Beam=5,SNR=20)。
・(送信機指向性Beam=19,受信機指向性Beam=8,SNR=40)。
同様にビームテストの結果、無線送信機100と無線受信機104の間では、以下の3つの通信リンクが検出されたとする。
・(送信機指向性Beam=5,受信機指向性Beam=1,SNR=20)。
・(送信機指向性Beam=23,受信機指向性Beam=5,SNR=30)。
・(送信機指向性Beam=24,受信機指向性Beam=7,SNR=35)。
なお、ここでも実施形態1と同様に、図1の紙面上において、無線送信機100は24通りの送信機アンテナ指向性をとることができ、無線受信機101〜104はそれぞれ8通りの受信機アンテナ指向性とることができる。そして、ある方向から数えてXtx(=1〜24)番目の送信機アンテナ指向性を送信機指向性Beam=Xtxと表記し、Xrx(=1〜8)番目の受信機アンテナ指向性を受信機指向性Beam=Xrxと表記している。
・(送信機指向性Beam=4,受信機指向性Beam=5,SNR=30)。
・(送信機指向性Beam=5,受信機指向性Beam=6,SNR=20)。
・(送信機指向性Beam=11,受信機指向性Beam=8,SNR=25)の3つの同様にビームテストの結果、無線送信機100と無線受信機102の間では、以下の3つの通信リンクが検出されたとする。
・(送信機指向性Beam=3,受信機指向性Beam=4,SNR=25)。
・(送信機指向性Beam=5,受信機指向性Beam=5,SNR=15)。
・(送信機指向性Beam=12,受信機指向性Beam=6,SNR=50)。
同様にビームテストの結果、無線送信機100と無線受信機103の間では、以下の3つの通信リンクが検出されたとする。
・(送信機指向性Beam=17,受信機指向性Beam=6,SNR=30)。
・(送信機指向性Beam=18,受信機指向性Beam=5,SNR=20)。
・(送信機指向性Beam=19,受信機指向性Beam=8,SNR=40)。
同様にビームテストの結果、無線送信機100と無線受信機104の間では、以下の3つの通信リンクが検出されたとする。
・(送信機指向性Beam=5,受信機指向性Beam=1,SNR=20)。
・(送信機指向性Beam=23,受信機指向性Beam=5,SNR=30)。
・(送信機指向性Beam=24,受信機指向性Beam=7,SNR=35)。
なお、ここでも実施形態1と同様に、図1の紙面上において、無線送信機100は24通りの送信機アンテナ指向性をとることができ、無線受信機101〜104はそれぞれ8通りの受信機アンテナ指向性とることができる。そして、ある方向から数えてXtx(=1〜24)番目の送信機アンテナ指向性を送信機指向性Beam=Xtxと表記し、Xrx(=1〜8)番目の受信機アンテナ指向性を受信機指向性Beam=Xrxと表記している。
次に、S1306〜S1311、S1404〜S1407において、マルチビームによる通信リンクテストを行う。マルチビーム通信リンクテストでは、ビームテストで得られた複数の送信機アンテナ指向性の中でマルチビームを形成できる組み合わせを選択し、指向性を合成したマルチビーム送信機アンテナ指向性を形成して各受信機での受信品質を検査する。具体的には、ビームテストで検出した一定の通信品質が得られる送信機アンテナ指向性を複数合成してマルチビームを形成してテスト信号を送信し、無線受信機での受信品質の劣化を計測する。一般に、指向性を単一の角度に指向する単一ビーム指向性から、複数の角度に指向するマルチビーム指向性に切り替えた場合、指向角度におけるアンテナ利得は減少する。また、複数のRFモジュールを駆動してマルチビームを形成する場合であっても、無線機全体の出力電力値を一定に保つ必要がある通信条件の場合には、RFモジュール一つあたりの出力電力値をビームの数で割る必要がある。このため、複数のRFモジュールを使用した場合であっても、指向角度における電界強度は減少する。他にもマルチビームにすることでマルチパスが増加しSNRが劣化する現象が起こりうる。以上の観点から、単一ビームとマルチビーム時の受信品質の劣化を計測し、劣化が一定の閾値以内に収まるかを判定する必要がある。閾値は、ビームの数により劣化する度合いにマージンとして2dBを付与したものでもよい。例えばビーム数が2の場合、(ビームによる利得減衰:3dB)+(マージン:5dB)=8dBを閾値とすることができる。
S1306では無線送信機100がオムニ指向性で、以下のパラメータを記載したマルチビーム通信リンクテスト開始信号を送信する。
・テスト信号送信開始タイミング。
・テスト信号一つのDuration期間。
・テスト信号の送信回数。
・宛先受信機のMACアドレス。
・テスト信号送信タイミング毎の宛先受信局毎の受信機指向性。
・テスト信号送信開始タイミング。
・テスト信号一つのDuration期間。
・テスト信号の送信回数。
・宛先受信機のMACアドレス。
・テスト信号送信タイミング毎の宛先受信局毎の受信機指向性。
図16は、マルチビーム通信リンクテストにおける送信機アンテナ指向性、及び、受信機アンテナ指向性と、その受信結果、及び、マルチビーム形成可否を示す図である。図16において、1510は受信機の識別情報であり、1511は送信機アンテナの指向性である。1512は、識別情報1501により識別される受信機の受信機アンテナ指向性である。1513は、識別情報1510により識別される受信機が受信機アンテナ指向性1512で受信した、送信機アンテナの指向性1511により送出されたメインローブによる信号のSNRである。1514は、識別情報1510の受信機と異なる受信機の識別情報であり、1515は、送信機アンテナの指向性1511と異なる、送信機アンテナの指向性である。1516は、識別情報1514により識別される受信機の受信機アンテナ指向性である。1517は、識別情報1514により識別される受信機が受信機アンテナ指向性1516で受信した、送信機アンテナの指向性1515により送出された信号のSNRである。1518は、送信機アンテナの指向性1511のビームと送信機アンテナの指向性1515のビームとによるマルチビームの形成の可否を○×で示している。1519は、マルチビームを形成した場合にマルチビームの受信品質の劣化の有無を○×で示している。図16において、1510〜1517の結果はビームテスト(S1301〜S1305、S1401〜S1403)で取得される。1518〜1519の結果はマルチビーム通信リンクテスト(S1306〜S1311、S1404〜S1407)で取得される。
前述したように、マルチビームの形成可否はアンテナ、及び、RFモジュールの実装形態に依存して異なる。本実施形態の無線送信機100は、複数のアンテナ、及び、一つのRFモジュールを備える。そして、Beam=1〜Beam=6、Beam=7〜Beam=12、Beam=13〜Beam=18、Beam=19〜Beam=24がそれぞれ異なる4つのアレイアンテナに属し、同一のアレイアンテナに属するビームがマルチビーム形成可能である。
S1307において、無線送信機100は、マルチビームの形成が可能な通信設定のうち、受信機SNR1513とSNR1517の合計が最も大きいものを選択する。図16の例では、1501に示す、
・(送信機指向性Beam=11、無線受信機1の受信機指向性Beam=8)。
・(送信機指向性Beam=12、無線受信機2の受信機指向性Beam=6)。
と、1502に示す、
・(送信機指向性Beam=24、無線受信機4の受信機指向性Beam=7)。
・(送信機指向性Beam=19、無線受信機3の受信機指向性Beam=8)。
がともにマルチビームを形成可能であり、2つの無線受信機における合計SNRが75dBで最も大きい。そこで、まず、
・(送信機指向性Beam=11、無線受信機1の受信機指向性Beam=8)。
・(送信機指向性Beam=12、無線受信機2の受信機指向性Beam=6)。
でマルチビームによる受信品質劣化を検証し、次に
・(送信機指向性Beam=24、無線受信機4の受信機指向性Beam=7)。
・(送信機指向性Beam=19、無線受信機3の受信機指向性Beam=8)。
を検証するため、マルチビーム通信リンク開始信号における宛先受信機のMACアドレス、及び、受信機指向性を、テスト信号の第一のDuration期間では
・(無線受信機1の受信機指向性Beam=8)。
・(無線受信機2の受信機指向性Beam=6)。
とし、第二のDuration期間では
・(無線受信機4の受信機指向性Beam=7)。
・(無線受信機3の受信機指向性Beam=8)。
として、マルチビーム通信リンクテスト信号を送信する。
・(送信機指向性Beam=11、無線受信機1の受信機指向性Beam=8)。
・(送信機指向性Beam=12、無線受信機2の受信機指向性Beam=6)。
と、1502に示す、
・(送信機指向性Beam=24、無線受信機4の受信機指向性Beam=7)。
・(送信機指向性Beam=19、無線受信機3の受信機指向性Beam=8)。
がともにマルチビームを形成可能であり、2つの無線受信機における合計SNRが75dBで最も大きい。そこで、まず、
・(送信機指向性Beam=11、無線受信機1の受信機指向性Beam=8)。
・(送信機指向性Beam=12、無線受信機2の受信機指向性Beam=6)。
でマルチビームによる受信品質劣化を検証し、次に
・(送信機指向性Beam=24、無線受信機4の受信機指向性Beam=7)。
・(送信機指向性Beam=19、無線受信機3の受信機指向性Beam=8)。
を検証するため、マルチビーム通信リンク開始信号における宛先受信機のMACアドレス、及び、受信機指向性を、テスト信号の第一のDuration期間では
・(無線受信機1の受信機指向性Beam=8)。
・(無線受信機2の受信機指向性Beam=6)。
とし、第二のDuration期間では
・(無線受信機4の受信機指向性Beam=7)。
・(無線受信機3の受信機指向性Beam=8)。
として、マルチビーム通信リンクテスト信号を送信する。
S1404では、無線受信機は通信リンクテスト開始信号を受信する。通信リンクテスト開始信号の送信は、無線送信機100により行われるため、全ての無線受信機は最も受信品質の良かった受信機指向性で、上述の無線信号が受信できるまで受信状態を維持する。上述の無線信号を受信した無線受信機は、有線I/F部310を用いて、他の無線受信機に対して上述の無線信号を有線信号で転送することで、全ての無線受信機が無線送信機100のテスト信号送信タイミングを取得する。
S1405で無線受信機はマルチビーム通信リンクテスト開始信号に自局のMACアドレスが記載されているか否かを判定する。記載されている場合(S1405でYES)にはS1406に進み、記載されていない場合(S1405でNO)にはS1407に進む。
S1406では無線送信機100との間で通信リンクテストを行い、無線受信機が計測した受信品質結果をフィードバック信号として送信する。フィードバック信号には受信品質結果に加えて、無線受信機のMACアドレス、受信タイミング、受信機アンテナ指向性、及び、SNRを記載する。
S1308では、無線送信機100がフィードバック信号を受信し、マルチビームによる受信品質の劣化を検証する。複数のマルチビーム通信リンクのうち、受信品質の劣化が閾値以内であるものや、より通信品質の劣化が少ないものをマルチビーム通信リンクとして選択する。例えば、マルチビーム送信時の
・(送信機指向性Beam=11、無線受信機1の受信機指向性Beam=8)。
におけるSNRが15dB、
・(送信機指向性Beam=12、無線受信機2の受信機指向性Beam=6)。
におけるSNRが45dBであった場合、合計SNRは60dBである。次にマルチビーム送信時の
・(送信機指向性Beam=24、無線受信機4の受信機指向性Beam=7)。
におけるSNRが30dB、
・(送信機指向性Beam=19、無線受信機3の受信機指向性Beam=8)。
におけるSNRが35dBであった場合、合計SNRは65dBである。また、後者においては、マルチビーム時の各無線受信機における受信品質の劣化が閾値以内であるため、通信設定は次のように設定する。すなわち、
・送信機指向性:Beam=19とBeam=24の合成指向性。
・宛先局1:無線受信機3、受信機指向性Beam=8。
・宛先局2:無線受信機4、受信機指向性Beam=7。
である。通信設定が完了したらS1309に進む。
・(送信機指向性Beam=11、無線受信機1の受信機指向性Beam=8)。
におけるSNRが15dB、
・(送信機指向性Beam=12、無線受信機2の受信機指向性Beam=6)。
におけるSNRが45dBであった場合、合計SNRは60dBである。次にマルチビーム送信時の
・(送信機指向性Beam=24、無線受信機4の受信機指向性Beam=7)。
におけるSNRが30dB、
・(送信機指向性Beam=19、無線受信機3の受信機指向性Beam=8)。
におけるSNRが35dBであった場合、合計SNRは65dBである。また、後者においては、マルチビーム時の各無線受信機における受信品質の劣化が閾値以内であるため、通信設定は次のように設定する。すなわち、
・送信機指向性:Beam=19とBeam=24の合成指向性。
・宛先局1:無線受信機3、受信機指向性Beam=8。
・宛先局2:無線受信機4、受信機指向性Beam=7。
である。通信設定が完了したらS1309に進む。
S1309で、マルチビーム時における受信品質(SNR)と、単一ビーム時における受信品質との差分が所定の閾値以内であるか否かを判定する。閾値以内の場合(S1309でYES)はS1311へ進み、閾値以内でない場合(S1309でNO)はS1310へ進む。例えばもし、S1307で選択したマルチビーム通信リンクの候補がいずれも閾値を超えて通信品質が劣化した場合(S1309でNO)には、S1310に進む。S1310では、S1307で選択したマルチビームはマルチビーム形成不可として、マルチビーム形成条件を更新し、再度新しいマルチビーム通信リンクを候補として選出する。S1311では無線送信機100がマルチビーム通信リンクテスト完了信号を送信し、S1312に進む。一方、S1407において、無線受信機はマルチビーム通信リンクテスト完了信号を受信し、S1408に進む。
マルチビーム形成後も良好な通信品質で複数の受信機が受信できる場合には、S1312〜S1316、S1408〜S1412において、そのマルチビーム送信機アンテナ指向性を選択して無線データ通信を実行する。具体的には、複数の指向性の組み合わせのうち受信品質が最も良好なものを、データ送信に用いる指向性として判定して、その指向性により無線データ通信を実行する。
S1312では無線送信機100がマルチビーム通信リンクのテスト結果を示す通信リンクテーブルを作成し、S1313に進む。通信リンクテーブルは、例えば図16に示すようなものになる。通信リンクテーブルには、複数の無線受信機で良好な受信品質が得られるマルチビームに関するテスト結果が記載される。図17は選択したアンテナ指向性を示している。複数の無線受信機1602、1603に対してビームを指向するマルチビームアンテナ指向性1604により、無線送信機1601から無線受信機1602、1603に同時に送信することで、通信効率を悪化することなく通信の堅牢性を高めることができる。
S1313では、無線送信機100が通信リンクテーブルに基づき、複数の無線受信機における合計SNRが最大である、送信機アンテナ指向性、宛先局、宛先局毎の受信機アンテナ指向性を選択する。
尚、これ以降の、図14のS1314〜S1316の処理、及び、図15のS1408〜S1402の処理は、それぞれ図6のS613〜S615、及び図7のS708〜S712の処理と同様のため、説明は省略する。
上記のように、本実施形態では、指向性アンテナによりデータを送信する通信装置において、
・複数の受信機の各々について、当該受信機に対してメインローブによる通信によりテスト信号を送信することが可能な、送信機アンテナ指向性を判定する(ビームテスト)。
・ビームテストにより判定された送信機アンテナ指向性に含まれる複数の送信機アンテナ指向性による通信に基づきテスト信号を送信することが可能な、送信機アンテナ指向性の組み合わせを判定する(マルチビーム通信リンクテスト)。
という二段のテストを行う。そして、送信機アンテナ指向性の組み合わせに含まれる送信機アンテナ指向性による通信の受信品質の各々と、送信機アンテナ指向性の組み合わせによる通信の受信品質とに基づいて、
・データの送信に用いる送信機アンテナ指向性の組み合わせ。
・データの受信対象となる受信機。
を決定して、データを送信する。
このように、二段のテストにより複数の受信機にデータを同時に送信可能な複数の送信機アンテナ指向性を判定することで、無線信号を受信した受信機に接続された最終的な共通の宛先装置である通信処理装置に対して、確実にデータを送信することができる。したがって、通信環境の変化に対する堅牢性を高めながら、通信効率を維持することが可能となる。
・複数の受信機の各々について、当該受信機に対してメインローブによる通信によりテスト信号を送信することが可能な、送信機アンテナ指向性を判定する(ビームテスト)。
・ビームテストにより判定された送信機アンテナ指向性に含まれる複数の送信機アンテナ指向性による通信に基づきテスト信号を送信することが可能な、送信機アンテナ指向性の組み合わせを判定する(マルチビーム通信リンクテスト)。
という二段のテストを行う。そして、送信機アンテナ指向性の組み合わせに含まれる送信機アンテナ指向性による通信の受信品質の各々と、送信機アンテナ指向性の組み合わせによる通信の受信品質とに基づいて、
・データの送信に用いる送信機アンテナ指向性の組み合わせ。
・データの受信対象となる受信機。
を決定して、データを送信する。
このように、二段のテストにより複数の受信機にデータを同時に送信可能な複数の送信機アンテナ指向性を判定することで、無線信号を受信した受信機に接続された最終的な共通の宛先装置である通信処理装置に対して、確実にデータを送信することができる。したがって、通信環境の変化に対する堅牢性を高めながら、通信効率を維持することが可能となる。
<<その他の実施形態>>
本発明は、上述の実施形態の1以上の機能を実現するプログラムを、ネットワーク又は記憶媒体を介してシステム又は装置に供給し、そのシステム又は装置のコンピュータにおける1つ以上のプロセッサーがプログラムを読出し実行する処理でも実現可能である。また、1以上の機能を実現する回路(例えば、ASIC)によっても実現可能である。
本発明は、上述の実施形態の1以上の機能を実現するプログラムを、ネットワーク又は記憶媒体を介してシステム又は装置に供給し、そのシステム又は装置のコンピュータにおける1つ以上のプロセッサーがプログラムを読出し実行する処理でも実現可能である。また、1以上の機能を実現する回路(例えば、ASIC)によっても実現可能である。
200:アンテナ、201:アンテナ指向性設定部、202:無線信号送信部、203:無線信号受信部、204:テスト信号生成部、205:データ信号生成部、206:通信設定信号生成部、207:受信品質取得部、208:宛先受信局決定部
Claims (19)
- 指向性アンテナによりデータを送信する通信装置であって、
複数の受信機の各々について、当該受信機を相手受信機として、該相手受信機に対してメインローブによる通信によりテスト信号を送信することが可能な、送信機アンテナ指向性を判定する第一の判定手段と、
前記第一の判定手段により判定された送信機アンテナ指向性の各々について、当該送信機アンテナ指向性でテスト信号を送信した場合に、前記メインローブに付随するサイドローブにより該テスト信号を受信可能な受信機をモニター受信機として判定する第二の判定手段と、
前記メインローブによる通信の前記相手受信機における受信品質と、当該メインローブに付随するサイドローブによる通信の前記モニター受信機における受信品質とに基づいて、データの送信に用いる送信機アンテナ指向性と、前記複数の受信機の中からデータの受信対象となる相手受信機及びモニター受信機とを決定する決定手段と、
前記決定手段により決定された送信機アンテナ指向性により、前記決定された相手受信機及びモニター受信機に向けてデータを送信する送信手段と
を備えることを特徴とする通信装置。 - 前記第一、第二の判定手段が判定する際に、前記複数の受信機の各々から、当該受信機への通信の受信品質を受信する受信手段をさらに備え、
前記決定手段は、前記受信手段が受信した受信品質に基づき、前記送信機アンテナ指向性と、前記複数の受信機の中からデータの受信対象となる前記相手受信機及びモニター受信機とを決定する
ことを特徴とする請求項1に記載の通信装置。 - 前記受信手段は、前記送信手段がデータを送信している間に当該データを受信している相手受信機及びモニター受信機から受信品質を受信し、
前記送信手段がデータを送信している間に前記受信手段が受信した受信品質に基づいて、データの送信に用いる送信機アンテナ指向性と、データの受信対象となる相手受信機及びモニター受信機とを更新する更新手段をさらに備える
ことを特徴とする請求項2に記載の通信装置。 - 前記送信手段は、前記受信手段が受信した受信品質に基づいて決定される伝送レートにより、前記データを送信することを特徴とする請求項2又は3に記載の通信装置。
- 前記第一の判定手段は、前記メインローブによりテスト信号を受信可能な、前記相手受信機における受信機アンテナ指向性をさらに判定し、
前記第二の判定手段は、前記サイドローブによりテスト信号を受信可能なモニター受信機における受信機アンテナ指向性をさらに判定し、
前記決定手段は、前記相手受信機及びモニター受信機と、当該相手受信機及びモニター受信機について判定された前記受信機アンテナ指向性との組み合わせの中から、データの受信対象となる相手受信機及びモニター受信機における受信機アンテナ指向性をさらに決定し、
前記データの受信対象となる相手受信機及びモニター受信機に対して、前記決定手段により決定された受信機アンテナ指向性を通知する通知手段をさらに備える
ことを特徴とする請求項1から4のいずれか1項に記載の通信装置。 - 前記決定手段は、
メインローブによる通信の受信品質と当該メインローブに付随するサイドローブによる通信の受信品質とを合計した値に基づいて、前記データの送信に用いる送信機アンテナ指向性、データの受信対象となる相手受信機及びモニター受信機を決定する
ことを特徴とする請求項1から5のいずれか1項に記載の通信装置。 - 前記決定手段は、
前記モニター受信機における受信品質がいずれも所定の閾値を下回る場合は、前記相手受信機に対するメインローブによる通信の受信品質に基づいて、前記送信機アンテナ指向性と、前記データの受信対象となる相手受信機及びモニター受信機とを決定する
ことを特徴とする請求項1から6のいずれか1項に記載の通信装置。 - 前記第一の判定手段は、所定の閾値以上の受信品質でテスト信号を送信可能な送信機アンテナ指向性を判定することを特徴とする請求項1から7のいずれか1項に記載の通信装置。
- 前記第二の判定手段は、所定の閾値以上の受信品質でテスト信号を受信可能な受信機を前記モニター受信機として判定することを特徴とする請求項1から8のいずれか1項に記載の通信装置。
- 指向性アンテナによりデータを送信する通信装置であって、
複数の受信機の各々について、当該受信機に対してメインローブによる通信によりテスト信号を送信することが可能な、送信機アンテナ指向性を判定する第一の判定手段と、
前記第一の判定手段により判定された送信機アンテナ指向性に含まれる複数の送信機アンテナ指向性による通信に基づきテスト信号を送信することが可能な、送信機アンテナ指向性の組み合わせを判定する第二の判定手段と、
前記送信機アンテナ指向性の組み合わせに含まれる送信機アンテナ指向性による通信の受信品質の各々に基づいて、データの送信に用いる送信機アンテナ指向性の組み合わせと、データの受信対象となる受信機を決定する決定手段と、
前記決定手段により決定された送信機アンテナ指向性の組み合わせにより、前記決定された受信機に向けてデータを送信する送信手段と
を備えることを特徴とする通信装置。 - 前記決定手段は、
前記送信機アンテナ指向性の組み合わせに含まれる各送信機アンテナ指向性による通信の受信品質の合計に基づいて、前記データの送信に用いる送信機アンテナ指向性の組み合わせと、前記データの受信対象となる受信機を決定する
ことを特徴とする請求項10に記載の通信装置。 - 前記第一、第二の判定手段が判定する際に、前記複数の受信機の各々から、当該受信機への通信の受信品質を受信する受信手段をさらに備え、
前記決定手段は、前記受信手段が受信した受信品質に基づき、前記送信機アンテナ指向性の組み合わせと、データの受信対象となる前記受信機を決定する
ことを特徴とする請求項10または11に記載の通信装置。 - 前記受信手段は、前記送信手段がデータを送信している間に当該データを受信している受信機から受信品質を受信し、
前記送信手段がデータを送信している間に前記受信手段が受信した受信品質に基づいて、データの送信に用いる送信機アンテナ指向性の組み合わせと、データの受信対象となる受信機とを更新する更新手段をさらに備える
ことを特徴とする請求項12に記載の通信装置。 - 前記第一の判定手段は、前記テスト信号を受信可能な、前記受信機における受信機アンテナ指向性をさらに判定し、
前記決定手段は、前記受信機と、当該受信機について判定された前記受信機アンテナ指向性との組み合わせの中から、データの受信対象となる受信機における受信機アンテナ指向性をさらに決定し、
前記データの受信対象となる受信機に対して、前記決定手段により決定された受信機アンテナ指向性を通知する通知手段をさらに備える
ことを特徴とする請求項10から13のいずれか1項に記載の通信装置。 - 前記第一の判定手段は、所定の閾値以上の受信品質でテスト信号を送信可能な送信機アンテナ指向性を判定することを特徴とする請求項10から14のいずれか1項に記載の通信装置。
- 前記第二の判定手段は、所定の閾値以上の受信品質でテスト信号を送信可能な送信機アンテナ指向性の組み合わせを判定することを特徴とする請求項10から15のいずれか1項に記載の通信装置。
- 指向性アンテナを用いた通信方法であって、
第一の判定手段が、複数の受信機の各々について、当該受信機を相手受信機として、該相手受信機に対してメインローブによる通信によりテスト信号を送信することが可能な、送信機アンテナ指向性を判定する第一の判定工程と、
第二の判定手段が、前記第一の判定工程により判定された送信機アンテナ指向性の各々について、当該送信機アンテナ指向性でテスト信号を送信した場合に、前記メインローブに付随するサイドローブにより該テスト信号を受信可能な受信機をモニター受信機として判定する第二の判定工程と、
決定手段が、前記メインローブによる通信の前記相手受信機における受信品質と、当該メインローブに付随するサイドローブによる通信の前記モニター受信機における受信品質とに基づいて、データの送信に用いる送信機アンテナ指向性と、前記複数の受信機の中からデータの受信対象となる相手受信機及びモニター受信機とを決定する決定工程と、
送信手段が、前記決定工程により決定された送信機アンテナ指向性により、前記決定された相手受信機及びモニター受信機に向けてデータを送信する送信工程と
を備えることを特徴とする通信方法。 - 指向性アンテナを用いた通信方法であって、
第一の判定手段が、複数の受信機の各々について、当該受信機に対してメインローブによる通信によりテスト信号を送信することが可能な、送信機アンテナ指向性を判定する第一の判定工程と、
第二の判定手段が、前記第一の判定工程により判定された送信機アンテナ指向性に含まれる複数の送信機アンテナ指向性による通信に基づきテスト信号を送信することが可能な、送信機アンテナ指向性の組み合わせを判定する第二の判定工程と、
決定手段が、前記送信機アンテナ指向性の組み合わせに含まれる送信機アンテナ指向性による通信の受信品質の各々に基づいて、データの送信に用いる送信機アンテナ指向性の組み合わせと、データの受信対象となる受信機を決定する決定工程と、
送信手段が、前記決定工程により決定された送信機アンテナ指向性の組み合わせにより、前記決定された受信機に向けてデータを送信する送信工程と
を備えることを特徴とする通信方法。 - コンピュータを請求項1から16のいずれか1項に記載の通信装置が備える各手段として機能させるためのコンピュータプログラム。
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