JP4087875B2 - ワイヤレスｌａｎシステム - Google Patents

Description

本発明はローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）に係り、更に詳しくは主としてミリ波帯の電磁波を使用したワイヤレスＬＡＮシステムにおいて、ワイヤレスＬＡＮ子局側で受信アンテナの物理的な位置を調整することなく、親局との間で最良の通信状況を実現するための通信品質最適化方式に関する。

近年、ＬＡＮは益々普及し、ＬＡＮ上で取り扱われるデータも増加している。さらに、パーソナルコンピュータを始めとして、データ端末の通信機能の充実、小型化が進み、また移動環境での使用に対する要求が高まっており、ワイヤレスＬＡＮシステムが注目されている。

これまでワイヤレスＬＡＮシステムは、ＩＳＭ帯という約１〜３ＧＨｚの電波帯域がワイヤレスＬＡＮ用に使用されていた。しかし、この帯域は工業用あるいは電子レンジ用などに使用され、ノイズが多いことからスペクトラム拡散方式等を使用してノイズの影響を抑えなくてはならず、システムが複雑になってしまうことや、この電波帯域では高速伝送に必要な帯域が十分に確保できないという欠点があった。

そこで、未利用帯域でもある50〜70ＧＨｚのミリ波帯域が、データ通信用に注目されるようになり、さらにこの帯域はデータ通信用に使用が認可されようとしている。
この帯域の電磁波の特徴として、直進性が強いこと、酸素やガラス等に比較的吸収されやすいことがあり、たとえばオフィス環境での使用では、外部に電磁波が漏れる可能性が少なく、セキュリティの面で有効である。さらに未利用帯域のために、ＩＳＭ帯を使用する場合と異なり、スペクトラム拡散方式等を使用する必要がなく、その分システムを簡単にでき、また高速伝送に必要な帯域が十分に確保でき、有線ＬＡＮで 100Ｍbps 以上の高速化が進みつつある現在、非常に有望な帯域である。

しかし、ミリ波ワイヤレスＬＡＮシステムでは、親局アンテナは通信可能範囲を広げるため通常比較的ブロードな放射指向特性を持つが、子局アンテナは、ミリ波の強い直線性、酸素に吸収されやすいという特性、子局間干渉、あるいはマルチパスの影響があるため、良好な通信環境を得るためには放射指向特性をブロードにせずに鋭い指向性とし、正確に親局アンテナ方向に向けておかなければならなかった。さらにこれらの影響を避けるためのダイバシティ方式やスペクトラム拡散方式の採用は、ミリ波帯域では実現が難しく、仮に採用してもシステムが複雑になってしまう。

ミリ波帯域の電磁波を使用するワイヤレスＬＡＮシステムにおいては、以下のような問題点がある。第１の問題点は、子局のアンテナの位置や方向の微妙な変動によって、急激に通信状況が悪化するということである。すなわち、前述のように、ミリ波帯域においては親局アンテナは通信範囲を広げるためにブロードな放射特性を持つ必要がある。これに対して直進性が強く、酸素に吸収されやすいという特性を持つミリ波の帯域では、マルチパスの影響などのために、子局アンテナの放射特性をブロードにすることはできず、子局アンテナの放射指向特性を鋭くすると共に、その方向は親局の方向を正確に向いていなければ良好な通信状態を得ることができない。すなわち良好な通信状況を維持するために、子局アンテナの放射パターンを極めて鋭くし、かつその方向を親局アンテナ方向に常に正確に向けておかなければならないという問題点があった。

第２の問題点は、マルチパスや子局間の干渉を避ける方法としてダイバシティ方式のアンテナを用いること、あるいはスペクトラム拡散方式を導入することが考えられるが、これらの実現はミリ波帯では難しく、システムが複雑になってしまうということである。

本発明の課題は、上述の問題点に鑑み、子局アンテナとしてその指向特性を動的に変化することができるアクティブ・フェーズド・プレーナアレイ・アンテナを採用し、親局側から搬送波のみの送信を受けて、その受信電界強度が最大となるようなアンテナ指向特性を検索することにより、ワイヤレスＬＡＮにおける通信品質を最適化することである。

図１は本発明の原理構成ブロック図である。同図はバックボーンＬＡＮに接続され、配下の子局相互間の通信をサポートするワイヤレスＬＡＮ親局と、ワイヤレスＬＡＮ子局とから構成されるワイヤレスＬＡＮシステムの原理構成ブロック図である。なお、親局と子局とは、それぞれ相手側との通信としての送信と受信が可能な送受信装置である。

図１においてアンテナ手段１、制御フレーム送信手段２、およびアンテナ指向特性制御手段３は子局４側に備えられ、また搬送波送信手段５は親局６側に備えられる。
アンテナ手段１は、親局からの電波の受信に際してその指向特性を動的に変化することができるものである。制御フレーム送信手段２は、親局または他の子局との間での通信の開始に先立って、あるいは通信開始後に通信状況が悪化したときに、親局側に制御フレームを送信するものである。

アンテナ指向特性制御手段３はアンテナ手段１、例えばアクティブ・フェーズド・プレーナアレイ・アンテナの指向特性を変化させ、制御フレームに対応して親局側から送信される搬送波の受信電界強度が最大となるような指向特性を検索するものである。

搬送波送信手段５は、子局側からの制御フレームの受信に対応して、搬送波の送信を開始するものである。通常、ＬＡＮのデータは、バースト的に、ある時点に集中して通信される特性を持っており、一般に通信すべきデータがない時点ではＬＡＮシステムの親局側ではデータフレームは勿論、搬送波の送信も行っていない。そのため本発明においては、子局側の制御フレーム送信手段２によって制御フレームが親局側に送信され、親局６ではその制御フレームの受信に対応して、搬送波送信手段５によって搬送波のみの送信を開始し、この搬送波が送信されている間に子局４側で、アンテナ指向特性制御手段３によってその搬送波の受信電界強度が最大となるようにアンテナ手段１の指向特性が検索される。

本発明においては、制御フレーム送信手段２が制御フレームを送信するにあたり、アンテナ手段１を構成するアクティブ・フェーズド・プレーナアレイ・アンテナのアレイとしての複数の素子のうち、１つの素子のみを使用して制御フレームを送信し、これによって子局側のアンテナ手段１の指向特性をブロードにすることもできる。またこの場合、この１つの素子のみに対する給電電力を増加させることによって、制御フレームの送信電力を全ての素子を使用する場合に比べて低下させることなく、制御フレームを親局側に確実に送ることができる。

更に本発明においては、子局側から送信される搬送波の受信電界強度が最大となるような指向特性が検索され、アンテナ手段１の指向特性がその方向に固定された後に、親局との間の通信としてのデータフレーム送受信が開始されるが、その後にも必要に応じて再度アンテナ指向特性の検索が行われる。

例えば親局から受信したデータフレームのエラー、例えばフレームチェックシーケンスエラーが検出され、検出されたエラーフレームの数があらかじめ定められた値を越えた時には、制御フレーム送信手段２が制御フレームを送信し、搬送波送信手段５が搬送波の送信を開始し、アンテナ指向特性制御手段３が指向特性の検索を行うことにより、ワイヤレスＬＡＮにおける通信品質が再び最適化される。

以上のように、本発明によればアクティブ・フェーズド・プレーナアレイ・アンテナを採用することによって、子局側でのアンテナの物理的な位置を調整することなく、親局との間で最良の通信状況を実現することができる。

本発明によれば主としてミリ波を使用するワイヤレスＬＡＮシステムにおいて、子局アンテナとしてその放射指向特性を自由に変化させることができるアクティブ・フェーズド・プレーナアレイ・アンテナを採用し、子局から制御フレームを送信して、親局がそれに対応して搬送波の送信を開始し、子局がアンテナ素子への給電位相を変化させて、親局から送信される搬送波を最大強度で受信できるアンテナ指向特性の方向を検索し、その方向に子局アンテナの指向特性を固定することによって、データ端末、子局、または子局アンテナの位置を調整することなく、最適な通信状況を確保することが可能となる。

更に子局側で受信したエラーフレームの数、あるいはデータフレームの受信電界強度の強さに対して条件を設定し、その条件が成立しなくなった時点で再度最適なアンテナ指向特性の検索を行うことにより、データ端末や子局の移動、あるいはアンテナの位置ずれによる通信状況の悪化に自動的に対応でき、常に最良な通信品質を提供することができる。

また検索動作中における親局からの送信搬送波の強度を通常データ通信時より下げることにより、親局側での省電力化を図ることも可能となる。以上のことから、強固で柔軟性を持ったワイヤレスＬＡＮシステムを構築することができ、テーブル通信用に割り当てられた未利用帯域のミリ波帯を使用する高速ワイヤレスＬＡＮシステムの実用化に寄与するところが大きい。

図２は本発明の通信品質最適化方式が実現されるワイヤレスＬＡＮシステムの基本構成図である。
図２においてワイヤレスＬＡＮシステムは、例えば有線方式のバックボーンＬＡＮ１１に接続されたワイヤレスＬＡＮ親局１２と、それぞれデータ端末１４に接続された複数のワイヤレスＬＡＮ子局１５から構成されている。ワイヤレスＬＡＮ親局１２のアンテナはブロードな放射指向特性１３を持っているのに対して、ワイヤレスＬＡＮ子局１５の子局アンテナ１６は鋭い放射指向特性１７を持っている。

一般にＬＡＮシステムではデータはバースト的に送信されることが多いため、送信すべきデータがない場合には、例えばワイヤレスＬＡＮ親局１２は搬送波の送信は行っていない。そのため本実施例において、子局１５はその起動時、接続されているパソコンなどのデータ端末１４の起動時、あるいはデータ端末１４の通信開始時に、通常のＬＡＮデータフレームとは異なる制御フレームを親局１２に送信し、親局１２はそれを受信して搬送波のみの送信を開始する。子局１５はその指向特性を動的に変化させることができるアクティブ・フェーズド・プレーナアレイ・アンテナ１５によって、親局から送信される搬送波を最大強度で受信できる方向を検索し、検索された方向にアンテナの放射ビームの方向、すなわち放射指向特性を合わせることによって良質の通信品質を確保する。

図２において、ワイヤレスＬＡＮ子局１５の形式としてはＰＣカード型、端末内蔵型、別筐体型など、各種の形式のものが使用される。また子局１５とアンテナ１６とは一体型のものや、アンテナ１６が子局１５と信号線で接続されている型のものなどがあり、特に子局１５とアンテナ１６の構成、および形状は限定されない。更にアンテナ１６としては、送信と受信を１つのアンテナで行うものでも、また送受信を別々のアンテナで行うものでもよい。本実施例では送信アンテナと受信アンテナが別のものとして説明する。

図３は図２の子局アンテナ１６の例としてのアクティブ・フェーズド・プレーナアレイ・アンテナの説明図である。同図においてアクティブ・フェーズド・プレーナアレイ・アンテナ２１は複数のパッチ素子、ここでは９つのパッチ素子２２から構成されている。各パッチ素子に対応してｘ位相器２３、およびｙ位相器２４が備えられている。ｘ位相器２３は、ｘｚ平面内での指向特性を変化させるためにパッチ素子のｙ軸に平行な辺への給電位相を変化させるものであり、ｙ位相器２４はｘ軸に平行な辺への給電位相を変化させるためのものである。また各ｘ位相器２３に対してはｘ位相器の励振の制御器２５、各ｙ位相器２４に対してはｙ位相器の励振の制御器２６が接続されている。

図３におけるアクティブ・フェーズド・プレーナアレイ・アンテナ２１は９つのパッチ素子によってアンテナアレイが構成されているが、特に素子の数はこれには限定されない。更に素子の形は正方形のパッチ素子としているが、正方形の４つの角のうちで１つの辺の両端にない２つの角を切り取った形、円形、ダイポール形など、いずれの形式でもよいことは当然である。

図４はアクティブ・フェーズド・プレーナアレイ・アンテナをｙ方向から見た場合の放射指向特性の変化の説明図である。同図において、各パッチ素子２１に対するｘ位相器２３の制御によって、アンテナ全体の放射指向特性の方向はｘｚ平面上で変化することが分かる。

図５は子局の構成を示すブロック図である。同図において子局３１に対しては、受信アンテナ３２と送信アンテナ３３が接続されている。子局３１は大別して無線部３４、制御部３５、ＬＡＮ機能部３６、およびタイマ３７から構成されている。

無線部３４は受信アンテナ３２および送信アンテナ３３と接続され、変復調器、位相器、位相器制御器、アンテナ給電回路、バーストスイッチ回路などから構成されている。
ＬＡＮ機能部３６はデータ送受信制御機能、キャリア検出機能、ＦＣＳ（フレームチェックシーケンス）エラー検出機能、コリージョン検出機能、プリアンブル付加機能、および端末インタフェースなどから構成されている。

制御部３５は検索機能制御部４１、アンテナ指向特性制御４２、受信制御部４３、電界強度検出／記憶部４４、制御フレーム生成部４５、給電電力制御部４６、送信制御部４７、およびＦＣＳエラーフレーム検出部／カウンタ４８から構成されている。

図６は図５の検索機能制御部４１の構成、およびその動作の説明図である。同図において、検索機能制御部４１には検索状態記憶／指示部５１が備えられており、例えば親局側から折り返された制御フレームに対して受信制御部４３によってエラーが検出された時、親局側から受信した搬送波の電界強度が、後述するような条件を満たさないことが電界強度検出／記憶部４４によって検出された時、ＦＣＳエラーフレーム検出部／カウンタ４８によって通常のデータフレームに対するエラーが何回も検出された時、またデータ端末起動信号が入力された時、検索開始を指示する信号を制御フレーム生成部４５などに送ることになる。

図７はアンテナ指向特性制御部４２の構成と、その動作の説明図である。同図においてアンテナ指向特性制御部４２は指向性指示部５２、および使用素子指示部５３を備えている。

ここでアンテナ指向特性制御部による制御について更に説明する。前述のようにＬＡＮ子局は、受信アンテナとしてその放射指向特性を自由に連続的に変化させることが可能なアクティブ・フェーズド・プレーナアレイ・アンテナを使用する。図４で説明したように、各パッチ素子２１に対応する位相器を用いてパッチ素子２１への給電位相を変化させることによって、ｘｚ平面上でその放射指向特性の方向を自由に変化させることができる。同様のことはｙｚ平面内でも行うことができ、ｘ位相器２３、およびｙ位相器２４によってそれぞれ給電位相を変化させることにより、アンテナ面上の半球面内で放射指向特性の方向を自由に変化させることができる。

ここでアクティブ・フェーズド・プレーナアレイ・アンテナについて更に説明すると、このアンテナは複数のアンテナ素子、すなわちパッチ素子が誘電体基板上に２次元（プレーナ）に配列されたアンテナであり、パッチ素子１つずつに対して位相器が備えられ、この位相器によってそれぞれのパッチアンテナの励振の位相を連続的に変化させ、アンテナの物理的方向を変えることなく、電磁波の放射方向、つまり放射指向特性をアクティブに変化させることができるものであり、例えばレーダなどに使用される。またパッチ素子を多数並べることにより、鋭い放射指向特性を持つアンテナを構成することができる。逆に１つのパッチ素子だけでは、半値角90°〜120 °以上のブロードな放射指向特性が得られる。

図８は子局アンテナの放射指向特性の検索方法、すなわち親局方向の検索方法の説明図である。子局受信アンテナ３２は、図３で説明したように９つのパッチ素子２２が２次元状で配列され、鋭い放射指向特性を持つものとする。その放射指向特性が親局の方向５４を向くように検索が行われる。

まずｘｙ平面上で放射指向特性を移動させることにより、水平面での検索によるθ角の決定５５がなされる。その後ｚ−α面での検索によるφ角の決定５６がなされる。これによって子局アンテナの放射指向特性５７は親局の方向５４を向くことになる。

図９はアンテナ方向検索開始に先立って親局側に制御フレームを送る方法の説明図である。同図において、子局送信アンテナ３３を構成する複数のパッチ素子のうちで、例えば中央のパッチ素子５８だけが使用されて、制御フレームが親局側に送信される。この時パッチ素子が１つだけ用いられることによって、その放射指向特性５９はブロードなものとなり、制御フレーム６０は広い方向に向かって送信され、親局がどの方向にあっても、親局は制御フレームを受信することが可能になる。

図７の指向性指示部５２は、アンテナ指向特性の検索結果としてのθおよびφの値を保持すると共に、無線部３４に対してその値を通知し、送信アンテナ３３および受信アンテナ３２の放射指向特性を固定させる。すなわち通常のデータ通信時には、送信、受信の両アンテナが最適なθとφの値によって決まる方向を向く。また使用素子指示部５３は、検索機能制御部４１からの検索開始指示信号に対応して、無線部３４に対して送信アンテナ３３の１つの素子だけを使用して制御フレームを送る命令を送信する。

図１０は図５の受信制御部４３の構成と、動作の説明図である。同図において、受信制御部４３は制御フレームＦＣＳエラーチェック部６４、データスイッチ部６５、およびランダムバックオフタイマ６６を備えている。

制御フレームＦＣＳエラーチェック部６４は、無線部３４からのデータの入力を受けて親局側で折り返された制御フレームにエラーが検出された時、例えば他の子局から送られた通常のデータフレームとコリージョンが発生したとみなして、ランダムバックオフ後に再度検索を行うことを検索機能制御部４１に指示するものである。データスイッチ部６５は、無線部３４からのデータを、アンテナ方向の検索時にはデータとしての制御フレームを電界強度検出／記憶部４４に、また通常のデータフレームの通信時にはデータをＬＡＮ機能部３６と電界強度検出／記憶部４４との両方に出力するスイッチ機能を実行するものであり、ランダムバックオフタイマ６６はコリージョン検出後の制御フレーム再送までの送信の待ち時間をランダムに決めるためのタイマである。

図１１は電界強度検出／記憶部４４の構成と、その動作の説明図である。同図において電界強度検出／記憶部４４は、電界強度検出部６８と記憶部６９から構成されている。
電界強度検出部６８は、アンテナ方向の検索時には親局から送信される搬送波の電界強度を検出し、その時の放射指向特性の角度を記憶部６９に通知する。角度を変化させても検出された電界強度があらかじめ設定されたスレッショルド以下である場合には、検索機能制御部４１に対して検索再実行を指示する。また通常データ通信時には、通常のデータフレームの受信電界強度の監視を行い、その値があらかじめ設定されたスレッショルド以下の時には、同様に検索機能制御部４１に対してアンテナの指向特性の検索再実行を指示する。

記憶部６９は、電界強度検出部６８からの出力を受けて検索中の最大受信強度があらかじめ定められた設定最低値、すなわちスレッショルド以上であれば角度θおよびφの値を記憶し、アンテナ指向特性制御部４２に通知して、その角度θおよびφの方向にアンテナ指向特性を固定させる。

図１２は制御フレーム生成部４５の構成と、その動作の説明図である。同図において制御フレーム記憶ＲＯＭ７１は、検索機能制御部４１からの検索開始の指示を受けて、ＲＯＭ内に焼き付けられた制御フレームを送信制御部４７に出力する。

図１３は給電電力制御部４６の構成と、その動作の説明図である。同図において電力強化指示部７２は、検索機能制御部４１からの検索開始の指示を受けて、制御フレームの送信のために使用されるアンテナ素子、すなわちパッチ素子１つのみに対する給電電力を増大させる指示を無線部３４に送り、制御フレームの送信後は通常の給電電力に戻すような指示を与える。これは図９で説明したように、制御フレームの送信時には放射指向特性をブロードにする目的でパッチ素子１つのみを用いており、アンテナからの送信電力が小さくなるため、そのパッチ素子に対する給電電力を増大させるためである。

図１４は送信制御部４７の構成と、その動作の説明図である。同図においてデータスイッチ部７３は、検索機能制御部４１からの指示に応じたアンテナ指向特性の検索時には制御フレーム生成部４５から入力された制御フレームを無線部３４に、また通常のデータ通信時にはＬＡＮ機能部３６からの通常データフレームを無線部３４に送るスイッチ機能を実行する。

図１５はＦＣＳエラーフレーム検出部／カウンタの構成と、その動作の説明図である。同図においてＦＣＳエラーカウント／記憶部７４は、ＬＡＮ機能部３６からの入力を受けて、通常のデータ通信時にＬＡＮ機能部３６によってエラーが検出されたデータフレーム数をカウントし、例えば連続してエラーフレームが設定された個数だけ受信された時、検索機能制御部４１に対して検索開始の指示を送る。

あるいは最初にエラーフレームを受信した時にタイマ３７に対してタイマ起動の指示を出し、そのタイムアウト以前にあらかじめ設定された個数のエラーフレームが受信された時に検索機能制御部４１に対して検索開始の指示を送る。なおこのような動作については更に後述する。

図１６はＬＡＮ親局の構成を示すブロック図である。同図において親局８１には、受信アンテナ８２と送信アンテナ８３が接続されている。親局８１は大別して無線部８４、制御部８５、およびＬＡＮ機能部８６から構成されている。

無線部８４は変復調器、位相器、位相器制御器、アンテナ給電回路、バーストスイッチ回路などから構成されており、制御部８５は検索機能制御部８７、フレーム判別部８８、および給電電力制御部８９から構成されている。更にＬＡＮ機能部８６はデータ送受信制御機能、キャリア検出機能、コリージョン検出機能、プリアンブル付加機能、データ折り返し機能、およびバックボーンインタフェースなどを含んでいる。

図１７は図１６の検索機能制御部８７の構成と、その動作の説明図である。同図において検索機能制御部８７は、フレーム判別部８８から制御フレームを受信したことが通知されると、無線部８４に対して搬送波送信の指示を出す。またこの時省電力を計る場合には、搬送波の送信電力を下げるように給電電力制御部８９に対して指示を出す。

図１８はフレーム判別部８８の構成と、その動作の説明図である。同図において制御フレーム判別部９１は、無線部８４からの受信フレームの入力に対してそのフレームが制御フレームであるか否かを判別し、その結果をスイッチ部９２に出力する。スイッチ部９２は、制御フレームである場合には制御フレームを受信したことを検索機能制御部８７に通知し、制御フレームでない場合には受信したフレームをＬＡＮ機能部８６に送る。

図１９は給電電力制御部８９の構成と、その動作の説明図である。同図において電力調整部９３は、搬送波を送るに際して検索機能制御部８７からの指示に応じ給電電力を低下させて、その電力を無線部８４に供給する。

以上においてＬＡＮ子局およびＬＡＮ親局の構成を中心として、その動作の概要を説明したが、以下において本実施例における通信品質最適化方式について更に詳細に説明する。

まずＬＡＮ子局３１側では、前述のように例えば子局の起動時に検索機能制御部４１から制御フレームの送信指示が制御フレーム生成部４５に与えられ、通常のＬＡＮデータフレームとは異なる制御フレームが通信制御部４７、無線部３４を介して親局側に送信される。この時子局の送信アンテナ３３の放射指向特性は親局の方向を向いているとは限らないため、確実に親局に制御フレームを受信させるために、この制御フレームをブロードな放射指向特性を用いて送信する必要がある。

そこでアンテナ指向特性制御部４２の制御によって、図９で説明したように１つのパッチ素子のみを使用して送信することにより、確実に親局側に制御フレームを受信させることができる。なお必ずしも図９のように中央のパッチ素子５８を使用する必要はない。また１つの素子のみによる送信では放射電磁界強度が弱いために、確実に制御フレームを親局に受信させるために、パッチ素子５８への給電電力を給電電力制御部４６によって通常のデータフレームの通信時より増大させて送信を行う。

ＬＡＮ親局８１は、子局側から送信された制御フレームを受信アンテナ８２で受信し、無線部８４を介してフレーム判別部８８によって受信したフレームが制御フレームであることを確認し、検索機能制御部８７の制御によって無線部８４は搬送波のみの送信を開始する。この時には親局８１からその制御フレームを、例えばバックボーンＬＡＮ側に転送するようなことは行われない。

また親局が搬送波を送信している間にバックボーンＬＡＮ側、または別の子局からデータフレームが送信されても、上り、すなわち子局から親局へと、下り、すなわち親局から子局へとでは送信の周波数が異なり、またその電界強度は一定であり、アンテナ指向特性検索中の子局には影響はない。すなわち、アンテナ指向特性検索中の子局は、この時親局から送信される搬送波を受信しているだけであり、フレームのコリージョン（衝突）は起こらない。しかしながら後述するように子局が制御フレームを送信した時、バックボーンＬＡＮ経由、または他の子局が制御フレーム、または通常のデータフレームを同時に送信した場合にはコリージョンが発生する。

この時子局側から送信される制御フレームは、通常のデータフレームとは明確に区別される必要がある。図２０はこの制御フレームのフォーマットの例を示す。同図に示すように、例えばフレームの終点アドレスと始点アドレスを示すビットを全て“０”とすることにより、親局側では制御フレームを通常のデータフレームと明確に区別することができる。特にこの図のようにフレームの先頭部分にあるＭＡＣ（物理）アドレス部分を使用することにより、親局側では制御フレームの区別を瞬間的に実行することができる。また始点アドレスフィールドは各データ端末でユニークなアドレスを設定する部分であり、始点アドレスを全て“１”とする方法でもよい。あるいはＭＡＣアドレス部分以外を使用して、制御フレームを通常のデータフレームと区別する方法を取ってもよい。すなわち制御フレームのフォーマットは、通常のデータフレームと区別がつけばどのようなものでもよい。

更に図２０に示すように、例えばイーサネット（登録商標）の場合には、パディング、すなわち任意の内容の８ビット単位のビット列をＰＡＤとして制御フレームのデータフィールドに埋め込み、更にフレームチェックシーケンスデータを埋め込んで、制御フレームの長さをイーサネット（登録商標）における最短フレーム長として 512ビットとし、通常のデータフレームとコリージョンを起こした場合には、アンテナ指向特性検索中の子局、およびデータの送信を行った端末の双方にコリージョンが発生したことを認識することができる。

これによって指向特性の検索を行っている子局が存在しても、通常のデータ通信に影響が出ないようにすることができ、一方検索中の子局は検索を中断、無効として、検索機能制御部４１によって、例えばランダムバッファオフ後に再度制御フレームを送信して検索動作を行う。

子局は制御フレームの送信に続いて、受信アンテナの指向特性を、図３，図４で説明したように位相器によって給電電力の位相を変化させることによって変化させながら、親局から送信される搬送波の受信電界強度を電界強度検出／記憶部４４によって検出して、親局方向の検索を開始する。この時親局から受信した搬送波などは、受信制御部４３からＬＡＮ機能部３６には出力されない。すなわち、搬送波のレベル（振幅）はデータのレベル（振幅）より小さく、受信制御部４３は搬送波のレベルより大きいスレッショルドを用いてデータを検出するため、搬送波がＬＡＮ機能部３６に出力されることはない。

アンテナ指向特性の検索においては、図８で説明したようにまず最初にアンテナ平面と平行な平面上 360度に渡って親局からの搬送波を最も強く受信できる角度θが検出され、更にアンテナ面に垂直な面内の 180度に渡る検索により、角度φが検出される。

アンテナ指向特性の検索に際して、検出された電界強度の最高値と最低値とに応じて、必要な場合には検索手順の再実行が行われる。まず親局から送信される搬送波の電界強度の最低限界値があらかじめ電界強度検出／記憶部４４に設定され、検索中にその最低限界値以上の電界強度が検出されなかった場合には、再度検索手順を実行して最適な子局アンテナの放射ビームの方向が決定される。

ここで受信電界強度の最低限界値とは正常な通信に影響がでる程度の弱い受信電界強度を意味するが、その具体的な値としては、例えばワイヤレスＬＡＮシステムの製品化過程の試作段階においてそのような限界値を実測により決定してシステムに設定したり、あるいはその値がシステム自体の特性、すなわち使用されている部品や送信パワーなどの特性に依存すると考えられるために、計算によって求めてシステムに設定したり、あるいはエラーフレームの発生率によって決定するというような方法が考えられる。

また子局の電界強度検出／記憶部４４に、親局から送信された搬送波の受信電界強度の最高値と最低値の差の最小値を記憶しておき、アンテナ指向特性の検索を行ってもその最小値以上の差を持つような状態で搬送波が受信できない場合には、再度検索手順を最初から実行し、子局アンテナの最適な指向特性の方向を決定する。

図２１は、そのような受信電界強度の最高値と最低値の差の最小値があらかじめ設定された値に達するか否かで、検索成功／失敗とみなす場合の説明図である。同図(a) は、例えば図８のアンテナ平面と平行な平面上で座標を変化させた場合に、実測された受信電界強度の最高値と最低値の差があらかじめ設定された最小値より大きい場合を示し、このような場合には検索成功とみなすことにする。これに対して同図(b) は受信電界強度の最高値と最低値の差があらかじめ設定された最小値より小さく、検索失敗とみなされる場合を示す。

更にこのように子局アンテナの指向特性の検索時において親局からの搬送波の受信電界強度の最高値と最低値とを検出する場合には、最高値と最低値の比率、すなわち“最高値／最低値”の比率を電界強度検出／記憶部４４に記憶しておき、検索中にその比率を越える検索が行えない場合には再度最初から検索手順を実行して、最適な子局アンテナの放射ビームの方向を決定することもできる。あるいは逆に比率“最低値／最高値”を電界強度検出／記憶部４４に記憶しておき、検索中にその比率を下回る検索が行えない場合には再度最初から検索手順を実行することもできる。

次に検索が終了して最適な子局アンテナの指向特性の方向が固定され、通常のデータ送受信、すなわち親局との間でのデータフレームの送受信が開始された後の検索の再実行について説明する。

子局は電界強度検出／記憶部４４に、親局との正常通信に支障が出始めるデータフレーム受信電界強度をスレッショルドして記憶しておき、親局から受信する通常のデータフレームの受信電界強度の検出を行う。データ端末、あるいはそれに接続された子局の移動や、アンテナの位置ずれなどのために、親局から送信されたデータフレームの受信電界強度があらかじめ設定されているスレッショルドを下回った時点で、前述のように検索機能制御部４１から制御フレーム生成部４５に検索開始の指示を送り、検索動作を開始して再び最適な通信環境を確保することができる。

この時、例えば検索動作中に前述のようにあらかじめ記憶されている親局からの搬送波の受信電界強度の最低値を上回る電界強度を検出できなかった場合には、改めてもう一度検索手順を実行することができる。最高値と最低値の差の最小値、最高値と最低値の比率、最低値と最高値の比率に関しても、前述と同様の処理を実行することができる。

更に親局からの受信搬送波の強度については電界強度のみでなく、磁界の強度を基準としてもよく、更には赤外線ワイヤレスＬＡＮシステムでは赤外線強度を基準とすることもできる。

親局との間での通常のデータフレームの送受信が開始された後の検索再開の他の条件としては、データフレームのエラーがある。子局には図５に示すようにＦＣＳエラーフレーム検出部／カウンタ４８が備えられている。親局から受信したフレームにエラーが検出された場合、そのフレーム数をカウントし、あらかじめ設定されたフレーム数に達した時点で、前述と同様に検索機能制御部４１が検索開始を指示し、再び最適な通信環境確保のためのアンテナ指向特性の検索が行われる。この時前述のように電界強度の最低値、最高値と最低値の差の最小値、最高値と最低値の比率、および最低値と最高値の比率に関して同様の処理を行い、条件に適合しない場合には検索を再度やり直すこともできる。

このエラーフレームのカウントについては、親局から連続的に受信したエラーフレームの数があらかじめ設定された数に達した時点で、前述と同様に検索を再度実行することもできる。また最初のエラーフレームを受信した時点でタイマ３７を起動し、タイマ３７のタイムアウトまでに受信したエラーフレームの数があらかじめ設定された数に達した時点で、再度アンテナ指向特性の検索を行うこともできる。タイマ３７のタイムアウトまでにあらかじめ設定された数のエラーフレームが受信されなかった場合には、タイムアウトの後にカウンタをクリアし、再度エラーフレームを受信した時点でタイマ３７の起動以降の処理を繰り返すこともできる。

あるいはエラーフレームを受信した時点でタイマ３７を起動し、連続的に受信したエラーフレームの数があらかじめ定められた数に達した時点で、アンテナ指向特性の検索を開始することもできる。タイマ３７が起動されて更にいくつかの連続したエラーフレームが受信されても、あらかじめ設定された数に達する前に再び正常フレームが受信された場合には、カウンタとタイマはリセットされる。またタイマ３７がタイムアウトした場合には、カウンタをクリアする。

このようにタイマ３７を起動する場合についても、親局から送信される搬送波の受信電界強度の最低値、最高値と最低値の差の最小値、最高値と最低値の比率、最低値と最高値の比率に関して、前述と同様に処理を行い、アンテナ指向特性の再々度の検索を実行することもできる。

次に親局側の動作として、子局からの制御フレームを受信して、それに対応して子局側に搬送波を送信する場合、図１６の給電電力制御部８９によって通常のデータフレームの送信時より送信電力を下げて、搬送波の送信を行うこともできる。これによって省電力を図ることが可能となる。

このように親局が通常のデータ通信時より弱い送信電力で搬送波を送信し、子局がアンテナ指向特性の検索を行っている間に、別の子局あるいはバックボーンＬＡＮからデータフレームが送信された場合には、子局の電界強度検出／記憶部４４は、不連続で急激な電界強度の上昇を検出することが予想される。このような場合には正常なアンテナ指向特性の最適方向の検索が不可能となるため、子局は検索を中断し、それまでの検索の結果をクリアし、データフレームの送信が終了した時点、あるいは例えばランダムバックオフアルゴリズムによって決まるある時間の経過後に再度制御フレームを送信して、親局に搬送波を送信させ、アンテナ指向特性の検索を行うことができる。

本発明の原理構成を示すブロック図である。 本発明の通信品質最適化方式が実現されるワイヤレスＬＡＮシステムの基本構成図である。 子局アンテナの例としてのアクティブ・フェーズド・プレーナアレイ・アンテナの説明図である。 アクティブ・フェーズド・プレーナアレイ・アンテナにおける放射指向特性の変化の説明図である。 ワイヤレスＬＡＮ子局の構成例を示すブロック図である。 図５の検索機能制御部の構成、およびその動作の説明図である。 アンテナ指向特性制御部の構成とその動作の説明図である。 子局アンテナの放射指向特性の検索方法の説明図である。 アンテナ放射指向特性の検索開始に先立って親局側に制御フレームを送る方法を説明する図である。 図５の受信制御部の構成とその動作の説明図である。 電界強度検出／記憶部の構成とその動作の説明図である。 制御フレーム生成部の構成とその動作の説明図である。 図５の給電電力制御部の構成とその動作の説明図である。 送信制御部の構成とその動作の説明図である。 ＦＣＳエラーフレーム検出部／カウンタの構成とその動作の説明図である。 ワイヤレスＬＡＮ親局の構成例を示すブロック図である。 図１６の検索機能制御部の構成とその動作の説明図である。 フレーム判別部の構成とその動作の説明図である。 図１６の給電電力制御部の構成とその動作の説明図である。 制御フレームのフォーマットの例を示す図である。 電磁界強度の最高値と最低値の差による検索の成功／失敗の判定を説明する図である。

符号の説明

１ アンテナ手段
２ 制御フレーム送信手段
３ アンテナ指向特性制御手段
５ 搬送波送信手段
１１ バックボーンＬＡＮ
１２ ワイヤレスＬＡＮ親局
１４ データ端末
１５ ワイヤレスＬＡＮ子局
１６ 子局アンテナ
２１ アクティブ・フェーズド・プレーナアレイ・アンテナ
２２ パッチ素子
２３ ｘ位相器
２４ ｙ位相器
２５ ｘ位相器の励振の制御器
２６ ｙ位相器の励振の制御器
３１ 子局
３４ 無線部
３６ ＬＡＮ機能部
４１ 検索機能制御部
４２ アンテナ指向特性制御部
４３ 受信制御部
４４ 電界強度検出／記憶部
４５ 制御フレーム生成部
４６ 給電電力制御部
４７ 送信制御部
４８ ＦＣＳエラーフレーム検出部／カウンタ
８１ 親局
８７ 検索機能制御部
８８ フレーム判別部
８９ 給電々力制御部

Claims (1)

1. ワイヤレスＬＡＮシステムにおいて、
   子局に、
   指向特性を動的に変化することができるアンテナ手段と、
   データ通信開始に先立って通信相手側に制御フレームを送信する制御フレーム送信手段と、
   該アンテナ手段の指向特性を変化させ、該制御フレームに対応して通信相手側から送信される搬送波の受信電界強度が最大になるような指向特性を検索すると共に、該受信電界強度の不連続な上昇を検出した場合は、該指向特性の検索を中止し、所定時間の経過後に該検索を行うアンテナ指向特性制御手段と、
   を備え、
   更に、親局に、検索中における該搬送波をデータ通信時より弱い送信電力で送信する送信手段を備えた
   ことを特徴とするワイヤレスＬＡＮシステム。

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