JP4224099B2 - 無線通信装置およびシステム - Google Patents

Description

本発明は、無線通信システムに係わり、特に複数の端末が一つのネットワークを形成する無線通信装置およびシステムに関する。

従来の無線アドホックネットワークでは、たとえば、親端末が複数の子端末から親端末の候補を選択し、優先順位を通達することにより、所定の時間、報知信号がブロードキャストされない場合、親端末の候補が優先順位に従って新たな親端末となって、報知信号を送信する。このようにすることで、親端末が存在しない期間を短くすることができ、ネットワークに参加したい端末がすぐに親端末と通信を開始することができる（例えば、特許文献１参照）。
特開２００５−６３２７公報

しかし、親端末が信号の受信動作中は、ネットワークに参加するための報知信号を送信することは困難である。なぜならば、受信を行っている周波数帯域において、信号を送信するためには、親端末が送信した信号が受信機に回り込まないように、チューナブルフィルタやエコーキャンセラなどの回路が必要になる。これらの回路は非常に高い性能が要求されるため、消費電力、回路規模ともに大きくなるという問題がある。親端末が受信動作中に報知信号を停止すると、新たにネットワークに参加したい端末が、報知信号を受信できず、自ら親端末として動作を開始してしまう。このため、ネットワーク負荷が高く、親端末の受信動作時間が長い場合は、親端末が乱立し、ネットワークのシステムスループットが著しく低下する恐れがある。

この発明は、上述した事情を考慮してなされたものであり、ネットワークのシステムスループットを向上することができる無線通信装置およびシステムを提供することを目的とする。

上述の課題を解決するため、本発明の無線通信システムは、親無線通信装置と、複数の子無線通信装置とを含む無線通信システムにおいて、前記親無線通信装置は、ビーコンを送信する第１送信手段と、前記ビーコンの周波数および送信タイミングの情報を含む第１報知信号を送信する第２送信手段と、前記複数の子無線通信装置それぞれが送信する信号の受信電力を測定する測定手段と、前記受信電力に基づいて、前記第１報知信号と同じ前記ビーコンの周波数および送信タイミングの情報を含む第２報知信号を送信させるべき報知無線通信装置を、前記複数の子無線通信装置から選択する選択手段と、前記報知無線通信装置に、前記第２報知信号を送信せよとの指示を含む報知指示情報を送信する第３送信手段と、を具備し、
前記子無線通信装置は、前記報知指示情報を受信する第１受信手段と、前記報知指示情報を受信した場合に、他の子無線通信装置に前記第２報知信号を送信する第４送信手段と、前記第１報知信号および前記第２報知信号の少なくともいずれか一方を受信する第２受信手段と、前記受信した第１報知信号および前記受信した第２報知信号のいずれか一方に含まれる情報に基づいて前記ビーコンを受信する第３受信手段と、を具備することを特徴とする。

本発明の無線通信装置は、複数の子無線通信装置と通信する無線通信装置において、ビーコンを送信する第１送信手段と、前記ビーコンの周波数および送信タイミングの情報を含む第１報知信号を送信する第２送信手段と、前記複数の子無線通信装置それぞれが送信する信号の受信電力を測定する測定手段と、前記受信電力に基づいて、前記第１報知信号と同じ前記ビーコンの周波数および送信タイミングの情報を含む第２報知信号を送信させるべき報知無線通信装置を、前記複数の子無線通信装置から選択する選択手段と、前記報知無線通信装置に、前記第２報知信号を送信せよとの指示を含む報知指示情報を送信する第３送信手段と、を具備することを特徴とする。

本発明の無線通信装置は、親無線通信装置と、複数の無線通信装置とを含む無線通信システムでの前記無線通信装置において、前記親無線通信装置から送信されるビーコンの周波数、および、ビーコンの送信タイミングの情報を含む、前記親無線通信装置から送信される第１報知信号と同じ前記ビーコンの周波数および送信タイミングの情報を含む第２報知信号を送信せよとの指示を含む報知指示情報を、前記親無線通信装置から受信する第１受信手段と、前記報知指示情報を受信した場合に、他の子無線通信装置に前記第２報知信号を送信する送信手段と、前記第１報知信号および前記第２報知信号の少なくともいずれか一方を受信する第２受信手段と、前記受信した第１報知信号および前記受信した第２報知信号のいずれか一方に含まれる情報に基づいて前記ビーコンを受信する第３受信手段と、を具備することを特徴とする。

本発明の無線通信装置およびシステムによれば、ネットワークのシステムスループットを向上することができる。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態に係る無線通信装置およびシステムについて詳細に説明する。なお、無線通信装置を端末と呼ぶことがある。
図１に本実施形態のシステム構成例を示す。端末１０１から端末１０７は一つのネットワーク（以下、システムとも呼ぶ）を形成し、通信周波数帯域（以下、メインバンドと称する）の信号を用いて互いにデータの通信が可能なものとする。ここでは、端末１０１は、親端末として動作している。親端末は、ネットワークに新たに参加する端末のために、報知信号およびビーコンを送信している。ネットワーク内の各端末は親端末から指定された周波数および時間スロットにおいてデータ通信信号を送信する。

図２に親端末から送信する報知信号およびビーコンの概念図を示す。報知信号２０１は、ネットワークに新たに参加する端末が、比較的長い時間（例えば数十フレーム：１フレームは４ｍｓとする）受信し続けることで、復調が可能な信号であり、親端末から送信されるビーコン２０２の周波数およびタイミングの情報が含まれる。親端末から送信されるビーコンにはネットワーク固有の情報が含まれ、ネットワークに参加したい端末は、この情報を用いて、親端末へのネットワーク参加要求を行う。ビーコンは１フレームに一回、親端末が送信する。親端末１０１および子端末１０２から子端末１０７は報知信号２０１やビーコン２０２とは異なる周波数もしくは時間を用いてデータ通信２０３を行う。データ通信２０３は、同じネットワーク内での通信に使用される。

親端末１０１はネットワーク内の子端末の中から報知信号送信端末を選択する。選択方法については後に図６、図７、図１１を参照して説明する。選択する機会は、定期的に行ってもよいし、端末が新たにネットワークに参加したとき行っても良い。ここでは、親端末１０１は子端末１０３および子端末１０４を報知信号送信端末に選択したものとする。親端末１０１は報知信号送信端末に選択した子端末１０３および子端末１０４に対して報知信号送信指示情報１０８、１０９を通知する。報知信号送信指示情報には、通知された子端末が報知信号を送信するために必要な情報が含まれる。ここでは、報知信号送信指示情報は、通知する相手のＩＤ、報知信号を送信するタイミング、周期、送信する長さを含んでいるとする。その他に含まれる情報としては、例えば、報知信号送信端末が報知信号を送信する周波数帯域、周波数ホッピングパターン、拡散コードある。報知信号送信指示情報１０８、１０９を受けた子端末１０３、１０４は、報知信号送信端末となり、指示情報に従って報知信号の送信を開始する。また、報知信号送信端末を変更する際には、報知信号送信指示情報と同様に、親端末が、報知信号送信端末から普通の子端末に戻すための報知信号停止指示情報を該当する報知信号送信端末に対して送信する。

図３に報知信号の具体的な一例を示す。図３の報知信号２０１は、図２の報知信号２０１と同じものを示している。報知信号２０１は２本の狭帯域信号３０１、３０２を含んでいる。狭帯域信号３０１と３０２は、例えば、ＡＳＫ（Amplitude Shfit Keying）の信号であり、全く同じベースバンド信号をΔｆの周波数分だけ離れた２つの周波数帯域で同時に送信する。ＰＳＫ（Phase Shift Keying）を用いる際は、片方の信号ともう一方の信号の位相の差に情報をのせる差動位相変調を用いて送信される。Δｆはシステムに固有の値であり、各端末はその値が既知であるものとする。子端末は、狭帯域信号３０１と３０２との相互相関をとって受信する。

図４、図５に親端末が送信する報知信号と報知信号送信端末が送信する報知信号の関係を示す。
図４では親端末１０１の報知信号４０１と、報知信号送信端末１０３、１０４の報知信号４０５、４０６が異なる周波数で同時に送信されている。このとき、報知信号４０５を送信する報知信号送信端末１０３は、自分の送信信号が信号干渉となり、データ通信信号４０３を受信することはまず出来ない。同様に、報知信号４０６を送信する報知信号送信端末１０４は、データ通信信号４０４を受信することは非常に困難になる。このため、一つの端末が送受信を同時に行わないように、スロットの割り当てを行う必要がある。

報知信号４０１および報知信号４０５、４０６は数十フレームかけてビーコン４０２の周波数およびタイミングを報知する。この間、干渉信号４０７が発生し、親端末１０１が報知信号４０１を停止せざるを得ない状況になった場合においても、報知信号送信端末１０４の報知信号４０６が送信され続ける。すなわち、親端末１０１の報知信号を子端末が受信しにくい状況になっても、報知信号送信端末１０４があるため、子端末は報知信号を受信することができるようになる。したがって、新たにネットワークに参加する端末は、最初から報知信号の受信をやり直す必要なく、ビーコン４０２を受信することが可能になる。なお、端末１０１は干渉信号４０７の発生を検出すると、その周波数帯域での送信（報知信号４０１の送信）を停止し、メインバンド内をキャリアセンスした後、干渉信号の無い帯域において再び報知信号の送信を開始する。なお、信号干渉だけでなく、親端末の位置によっても親端末からの報知信号を子端末が受信することが困難な場合がある。このような場合を想定すれば、報知信号送信端末１０４は親端末から遠い場所にいることが望ましい。

図５では、親端末１０１の報知信号５０１と、報知信号送信端末１０３、１０４の報知信号５０５、５０６が時分割で送信されている。データ通信信号５０３、５０４は子端末が送信し、親端末１０１が受信する信号である。ここでは、データ通信信号５０３、５０４は報知信号送信端末１０３、１０４が送信しているものとする。この時、親端末１０１はデータ通信信号５０３およびデータ通信信号５０４を受信する際に、もし、報知信号５０１を送信していると、親端末１０１が送信する送信信号が、親端末１０１の受信側に回り込み、大きな信号干渉となり信号の受信を行うことは困難となる。このため、親端末１０１は、受信動作中に報知信号を送信せず、選択した報知信号送信端末１０３、１０４に、親端末が受信動作中に報知信号を送信するように指示を出す。このような指示を出すことにより、親端末１０１と報知信号送信端末１０３、１０４は報知信号を時分割で送信することになる。

報知信号５０１および報知信号５０５、５０６は数十フレームかけてビーコン５０２の周波数およびタイミングを報知する。図５では親端末の報知信号５０１と報知信号送信端末の報知信号５０５、５０６とが異なる周波数で送信されているが、同一の周波数で送信しても良い。この間、親端末１０１が、データ通信信号５０３、５０４を受信する際に、報知信号の送信を停止せざるを得ない状況になった場合においても、報知信号送信端末からの報知信号が時分割で送信され続けるため、新たにネットワークに参加する端末は、最初から報知信号の受信をやり直す必要なく、ビーコン５０２を受信することが可能になる。このような場合を想定すれば、報知信号送信端末１０４は親端末から近い場所にいることが望ましい。

図４、図５では、報知信号が送信されている周波数帯域を端末が知らなくても、端末が受信できる報知信号が送信されている場合の例を示している。このほかに、端末が、報知信号が送信されている周波数帯域を知らないと受信できない報知信号が送信されている場合も考えら得る。このとき、親端末が送信している報知信号と同一の周波数帯域で、報知信号送信端末が報知信号を送信することにより、親端末が送信する報知信号が停止した場合でも、ネットワークに参加したい端末は報知信号を受信することが可能になる。ただし、この場合は、ネットワークに参加したい端末が、親端末が送信する報知信号の周波数帯域を知っていることが前提となる。このような、周波数を知らなければ端末が受信できない報知信号と、報知信号が送信されている周波数帯域を端末が知らなくても受信できるような報知信号が同時に存在しても良い。また、どちらの報知信号に図４、図５を参照して説明した報知信号を適用しても良い。

図６に、子端末がネットワーク参加時に報知信号送信端末となるか否かを親端末が決定する時のシーケンス図を示す。まだ親端末６１０のネットワークに参加していない端末６１１、６１２は親端末もしくは報知信号送信端末が送信する報知信号を受信し、かつ、親端末が送信するビーコンを受信して、ネットワークの情報を得ているものとする。子端末６１１にネットワークへの参加要求、つまりデータ通信のためのチャネル割り当ての要求が発生すると、子端末６１１は親端末６１０へネットワークへの参加要求を通知する（ステップＳ６０１）。ネットワーク参加要求を受け取った親端末６１０は、信号電力等を用いて、報知信号送信端末選択処理を行う（ステップＳ６０２）。報知信号送信端末選択処理は、親端末６１０がネットワーク参加要求の信号の信号電力を測定して、その大きさに基づいて子端末との距離を推定し、処理内容によって所望の距離に位置する子端末を選択する。報知信号送信端末選択処理については後に図１１を参照して説明する。この例では、端末６１１を報知信号送信端末には指定しない場合を示している。この場合、親端末６１０はネットワーク参加要求に関する回答のみを通知する。ここでは、ネットワーク参加要求に関する許可通知を子端末６１１に通知する（ステップＳ６０３）。

次に、子端末６１２にネットワークへの参加要求が発生し、親端末６１０へネットワーク参加要求を通知したものとする（ステップＳ６０４）。この時、親端末６１０は、上記と同様に、報知信号送信端末選択処理を行う（ステップＳ６０５）。ここで、親端末６１０が子端末６１２を報知信号送信端末に選択すると決定した場合、親端末６１０はネットワーク参加要求に関する許可通知を子端末６１２に通知する（ステップＳ６０６）とともに、報知信号送信指示情報も通知する（ステップＳ６０７）。

報知信号送信指示情報には、子端末６１２が送信するべき報知信号のタイミング情報のほか、報知信号に乗せる情報、周波数帯域、拡散コード、ビームの方向、送信電力等の情報を含めても良い。報知信号送信タイミングには、親端末６１０が受信動作中に子端末６１２が報知信号を送信するように、親端末６１０が受信動作を行うタイミングを指定してもよい。また、親端末６１０が干渉信号の発生等により、報知信号を停止する場合を考慮して、他の報知信号送信端末と時分割で送信させるように指定してもよい。周波数帯域を指定する場合、親端末６１０が送信する報知信号の周波数帯域と周波数的相関が低い帯域を指定すると、干渉信号発生時に同時に報知信号が送信できなくなる可能性を低減できる。ビームの方向を指定する場合は、ネットワークの中心方向か親端末の方向にビームを向けさせることで、親端末６１０のビーコンが届かない端末に報知信号を受信させないようにすることが可能になる。報知信号送信指示情報は、親端末６１０から、例えば、ビーコンまたはデータ通信信号で送信される。

報知信号送信指示情報を受け取った端末６１２は、報知信号送信指示情報の内容に従い、報知信号送信開始処理を行う（ステップＳ６０８）。報知信号送信指示情報に報知信号を送信するための周波数帯域の明確な指示がなければ、子端末６１２はメインバンド内のキャリアセンスを行い、干渉信号が存在しない帯域において報知信号を送信する。子端末６１２が送信する報知信号には、親端末が送信する報知信号と同様に、親端末が送信するビーコンを受信するために必要な情報が含まれている。

図７は定期的に報知信号送信端末を子端末の中から選択する時のシーケンス図を示す。子端末７１１および子端末７１２は、すでに、親端末７１０のネットワークに参加していて、データ通信のためのチャネル割り当てが行われているものとする。子端末７１１および子端末７１２は定期的に親端末が信号電力や到来方向を推定するための測定用パケットを送信する（ステップＳ７０１、ステップＳ７０３）。測定用パケットは、電力測定がしやすいように、既知信号を用いることが望ましい。また、狭帯域の信号を送信した場合、周波数選択性のフェージングにより電力が著しく低下することも考えられるので、広帯域の信号とするか、複数の狭帯域信号を幾つかの周波数帯域を用いて送信しても良い。親端末７１０は、例えば、既知信号の受信電力、到来方向を推定して、所望の子端末を選択する。

子端末７１１からの測定用パケットを受信した親端末７１０は、報知信号送信端末選択処理を行い（ステップＳ７０２）、子端末７１１を報知信号送信端末に選択するべきか否かを判断する。ここでは、親端末７１０は、子端末７１１を報知信号送信端末に選択するべきではないと判断し、その後のアクションは起こさない。子端末７１２から測定用パケット６０３を受信した親端末７１０は、同様に報知信号送信端末選択処理を行い（ステップＳ７０４）、親端末７１０が子端末７１２を報知信号送信端末に選択するべきと判断したとする。この時、親端末７１０は報知信号送信指示情報を子端末７１２に送信し（ステップＳ７０５）、報知信号送信指示情報を受信した子端末７１２は、その指示に従って、報知信号送信開始処理を行う（ステップＳ７０６）。なお、報知信号送信指示情報は、図４に例示したように異なる周波数で同時に報知信号を送信するか、図５に例示したように時分割で報知信号を送信するかの情報も含んでいる。

図８に無線通信装置の一例のブロック図を示す。
まず、受信動作に沿って各部ついて説明する。アンテナ８１２から受信した無線周波数信号は、ＲＦ／ＩＦ処理部８０１により無線周波数信号からメインバンドの周波数帯域幅を持つベースバンド信号に変換される。ベースバンド信号は、ＡＤＣ８０２によりデジタル信号に変換される。

電力測定処理部８０３は、親端末として動作する際に、子端末からの信号の信号電力を測定するために用いる。子端末から受信する信号の電力は、例えば、信号帯域のＲＳＳＩ（received-signal intensity）を用いて計算する。測定するタイミングは、子端末からのネットワーク参加要求受信時や、電力測定用パケット受信時に、制御処理部８０６から通知される。ここで、電力測定用パケットは定期的に子端末から送信されてくるものとし、制御処理部８０６はその周期が分かっているものとする。測定された信号電力は、制御処理部８０６を経て、端末カテゴリＤＢ（ＤＢ：データベース）８１１に保存される。

報知信号受信処理部８０４は、端末が子端末として動作する際に、親端末からの報知信号を受信するために用いられる。報知信号受信処理部８０４で得られた報知信号のデータ、つまり、親端末のビーコンを受信するために必要な、周波数、タイミング等の情報は、制御処理部８０６に通知される。

データ信号受信処理部８０５は、親端末もしくは子端末からの送信データや、親端末からのビーコンを受信する際、報知信号送信指示情報を受信する際に用いられる。ビーコン受信時は、ビーコンの受信に必要な情報を制御処理部８０６から受け取り、ビーコンを受信した後、ビーコンに含まれるネットワーク参加に必要な情報や、データ通信のためのスロット割り当て情報を制御処理部８０６に通知する。親端末もしくは子端末からの送信データ受信時は、スロット割り当て情報を制御処理部８０６から受け取り、これにしたがって、受信処理を行う。

次に、送信動作に沿って各部ついて説明する。
報知信号送信処理部８０９は、端末が親端末として動作しているときに、報知信号を作成し、ＤＡＣ８０８へ送信する。報知信号に乗せるビーコン情報は、制御処理部８０６から受け取る。

データ信号送信処理部８１０は、制御処理部８０６からのデータを受け取り、親端末もしくは子端末へのデータ送信、ビーコン送信等を行う。報知信号送信処理部８０９およびデータ信号送信処理部８１０から出力された信号はＤＡＣ８０８でアナログ信号に変換され、ＲＦ／ＩＦ処理部８０７で無線周波数信号に変換された後、アンテナ８１２から出力される。

制御処理部８０６は、上記の処理の他、上位レイヤとのデータのやり取り、報知信号送信端末決定処理を行う。
端末カテゴリデータベース８１１は、親端末として動作する際、ネットワーク内の子端末の情報を記憶している。

図９に報知信号受信処理部８０４の一例のブロック図を示す。
ＡＤＣ８０２から入力された信号は、複素乗算処理部９０１でΔｆの分だけ周波数を変換する。その後、複素共役処理部９０２で複素共役をとり、さらに複素乗算部９０３がＡＤＣ８０２からの入力信号と複素共役をとった信号とを複素乗算する。このようにすることで、図３の２本の狭帯域信号３０１、３０２の位相の差分ベクトルが得られることになる。これを報知信号のシンボル帯域にあわせたＬＰＦ（Low Pass Filter）９０４に通すことで、親端末から送信信号された信号に対する受信結果が得られる。この結果に対して、マッチドフィルタ９０５がマッチドフィルタ処理を行うことで、同期を確立し、報知信号の情報を得る。

この構成をとることにより、子端末はメインバンド内のどの周波数帯域報知信号が存在するかを知ることなく、報知信号を受信することが可能になる。また、複数の端末が報知信号を送信しても、報知信号の内容が同じで、Δｆが等しければ、特に意識をすることなく、受信が可能になる。このため、報知信号送信端末は任意の周波数で報知信号の送信が可能になる。

図１０に親端末が保持するデータベースの情報の例を示す。
親端末はネットワーク内の子端末について登録しているデータベース（端末カテゴリデータベース８１１）を持っている。端末カテゴリデータベース８１１は、子端末からの受信電力、子端末の報知信号送信端末になるための優先度、報知信号送信端末タイプの情報を登録している。

受信電力は、その強度により、ランク付けされている。ここでは、１から５の５段階でグルーピングしていて、５が最も強い電力を持つ端末であるものとする。もし、端末が送信電力制御を行うシステムであれば、子端末の送信電力を用いて正規化する必要がある。

優先度は、子端末が報知信号送信端末としてふさわしいか否かを表す指標であり、一定の基準を用いて親端末が判断するか、子端末が親端末に通知する。ここでは、０から５の６段階でグルーピングしていて、０は報知信号を送信することが出来ない端末、５が最も報知信号送信端末になりやすい子端末となる。ここで、報知信号送信端末になりやすい子端末の例を挙げると、例えば、電源の供給継続時間であり、電源を継続して供給できる時間によって優先度が変わる。例えば、ＡＣ電源に接続されていて、消費電力を気にしなくて良い端末は優先度が高くなる。逆に、電池動作で、かつ、電池残量が低い端末は優先度が低くする。また、端末が行うメインバンド内の干渉検出の結果、頻繁に干渉が検出される端末では優先度を低くし、メインバンド内の一周波数帯域において、長時間干渉が検出されない端末では、優先度を高くする。

報知信号送信端末タイプは、報知信号送信端末がどのように報知信号を送信しているかを示す。例えば、“Ｆｒｅｑ”と登録されている端末は、親端末が干渉信号により報知信号を送信できなくなる場合に備えて、図４のように親端末とは異なる周波数を用いて、親端末の報知信号と同時に、報知信号を送信している。“Ｔｉｍｅ”と登録されている端末は、親端末が受信動作中に報知信号を送信できなくなる場合を考慮して、図５のように親端末の報知信号と時分割で報知信号を送信している。

図１１に親端末がデータベースの値を更新し、報知信号送信端末を決定するためのフローの例を示す。この動作は、ステップＳ６０２、Ｓ６０５、Ｓ７０２、Ｓ７０４で行われる。
まず、親端末は子端末からの信号電力を測定する（ステップＳ１１０１）。この信号電力測定は、子端末からのネットワーク参加要求信号を用いても良いし、電力測定用パケットを用いても良い。次に、測定した信号電力に応じて端末カテゴリデータベース８１１の値を更新する（ステップＳ１１０２）。更新結果を用いて、優先度１以上の端末の中から、受信電力の高いＮ台（Ｎは１以上の整数）の端末を報知端末１に選択する（ステップＳ１１０３）。すなわち、親端末の近くに位置する端末を選択する。ここで報知端末１とは、親端末が受信動作中に報知信号を送信できなくなる場合を考慮して、親端末の報知信号と時分割で報知信号を送信する端末である。受信電力が同じカテゴリに、Ｎ台以上あれば、優先度が高い端末を選択する。

さらに、更新結果を用いて、優先度１以上の端末の中から、受信電力の低いＭ台（Ｍは１以上の整数）の端末を報知端末２に選択する（ステップＳ１１０４）。すなわち、親端末から遠くに位置する端末を選択する。ここで報知端末２とは、親端末が干渉信号により報知信号を送信できなくなる場合に備えて、親端末とは異なる周波数を用いて、親端末の報知信号と同時に、報知信号を送信する端末である。受信電力が同じカテゴリに、Ｍ台以上あれば、優先度が高い端末を選択する。最後に、データベースの報知端末欄に変更があれば、該当する端末に、報知信号送信指示情報、もしくは、報知信号停止指示情報を通知する（ステップＳ１１０５）。

図１２のような端末配置の場合に、データベースおよび、報知信号送信端末がどのように変化するかを具体的に説明する。

親端末が図１０のような端末カテゴリデータベース８１１を持ち、端末Ａから端末Ｆが子端末として動作しているものとする。また、Ｎ＝１、Ｍ＝２であるものとする。端末Ｇがネットワーク参加要求を親端末に通知すると、親端末は、ネットワーク参加要求を用いて、受信電力を測定しそのカテゴリを決定し、また、ネットワーク参加要求内に含まれる、端末状況を用いて優先度のカテゴリを決定する。この情報を用いて、端末カテゴリデータベース８１１を更新する。親端末はさらに、報知信号送信端末の決定処理に入る。

図１３のように、端末Ｇの信号電力が１、優先度が２の場合、受信電力が最も低いカテゴリであり、かつ、端末Ｆの優先度より高いため、端末Ｇを報知信号送信端末（報知信号２、“Ｆｒｅｑ”）とし、端末Ｆは報知信号送信端末から普通の子端末へ変更する。この結果、端末Ｆには報知信号停止通知を送信し、端末Ｇには報知信号送信通知を送信する。

図１４に無線通信装置の別の例のブロック図を示す。以下、既に説明した装置部分と同様なものは同一の番号を付してその説明を省略する。
まず、受信動作に沿って各部について説明する。図１４中、アンテナは４本で記しているが、２パターン以上の指向性を作れる本数であればよい。多くの本数を搭載すれば指向性パターン数は増えて、端末の位置を把握しやすくなるが、無線通信装置が大きくなるなどの欠点がある。

アンテナ８１２から受信した無線周波数信号はＲＦ／ＩＦ処理部８０１により無線周波数信号からメインバンドの周波数帯域幅を持つベースバンド信号に変換される。ベースバンド信号はＡＤＣ８０２によりデジタル信号に変換される。

アンテナ指向性処理部１４０１は、制御処理部１４０２からの指示により、受信信号の位相を回転させてそれぞれの信号を加算することで、指示に合わせたアンテナ指向性を盛った受信信号を出力する。電力測定処理部８０３は、親端末として動作する際に、子端末からの信号電力を測定するために用いる。子端末からの信号電力は、例えば、信号帯域のＲＳＳＩを用いて計算する。測定するタイミングは、子端末からのネットワーク参加要求受信時や、電力測定用パケット受信時に、制御処理部１４０２から通知される。ここで、電力測定用パケットは定期的に子端末から送信されてくるものとし、制御処理部１４０２はその周期が分かっているものとする。測定された信号電力は、制御処理部１４０２を経て、端末カテゴリＤＢ１４０３に保存される。

報知信号受信処理部８０４は、端末が子端末として動作する際に、親端末からの報知信号を受信するために用いられる。報知信号受信処理部８０４で得られた報知信号のデータ、つまり、親端末のビーコンを受信するために必要な、周波数、タイミング等の情報は制御処理部１４０２に通知される。報知信号受信処理部８０４が報知信号受信処理を行う際、アンテナ指向性処理部１４０１はオムニ（全方向）になるように制御されることが望ましい。

データ信号受信処理部８０５は、親端末もしくは子端末からの送信データや、親端末からのビーコンを受信する際に用いられる。ビーコン受信時は、ビーコンの受信に必要な情報を制御処理部１４０２から受け取り、ビーコンを受信した後、データ信号受信処理部８０５は、ビーコンに含まれるネットワーク参加に必要な情報や、データ通信のためのスロット割り当て情報を制御処理部１４０２に通知する。親端末もしくは子端末からの送信データ受信時は、データ信号受信処理部８０５は、スロット割り当て情報を制御処理部１４０２から受け取り、これにしたがって、受信処理を行う。

次に、送信動作に沿って各部について説明する。報知信号送信処理部８０９は、端末が親端末として動作しているときに、報知信号を作成し、アンテナ指向性処理部１４０４へ送信する。報知信号に乗せるビーコン情報は、報知信号送信処理部８０９が制御処理部１４０２から受け取る。データ信号送信処理部８１０は、制御処理部１４０２からのデータを受け取り、親端末もしくは子端末へのデータ送信、ビーコン送信等を行う。報知信号送信処理部８０９およびデータ信号送信処理部８１０から出力された信号はアンテナ指向性処理部１４０４に入力される。

アンテナ指向性処理部１４０４は、制御処理部１４０２の指示に基づいて、それぞれのアンテナに対応するＤＡＣ８０８に信号の位相を回転させて出力する。例えば、報知信号送信処理において、親端末が受信動作中に報知信号を送信できなくなる場合を考慮して、親端末の報知信号と時分割で報知信号を送信する場合は、指向性を作らず、オムニになるように送信を行うと良い。また、親端末が干渉信号により報知信号を送信できなくなる場合に備えて、親端末とは異なる周波数を用いて、親端末の報知信号と同時に報知信号を送信する場合は、ネットワークの中心や、親端末の方向にビームを形成すると、無駄にネットワークを広げすぎることが無く、システムのスループットを向上できる。このとき、指向性パラメータは、親端末が指示をしてもよいし、報知信号送信端末が到来方向推定技術を用いて、ビーコンの到来方向を推定し、親端末の方向を認識して、指向性パラメータを決定しても良い。アンテナ指向性処理部１４０４から出力された信号はＤＡＣ８０８でアナログ信号に変換され、ＲＦ／ＩＦ処理部８０７で無線周波数信号に変換された後、アンテナ８１２から出力される。

図１４に対応する実施形態では、アンテナパターンをデジタル信号処理で形成しているが、アナログ信号処理で行っても良い。また、アンテナの方向を物理的に変えることで、アンテナパターンを形成しても良い。

制御処理部１４０２は、上記の処理の他、上位レイヤとのデータのやり取り、報知信号送信端末決定処理、アンテナ指向性の決定処理を行う。端末カテゴリデータベース１４０３は親端末として動作する際、ネットワーク内の子端末の情報を保持する。

図１５に親端末（図１４の構成）が保持するデータベースの情報の例を示す。
親端末はネットワーク内の子端末について登録している端末カテゴリデータベース１４０３を持っていて、ここでは、子端末からの受信電力、子端末の報知信号送信端末になるための優先度、報知信号送信端末タイプの情報、分類されたアンテナパターングループが登録されている。受信電力は、その強度により、ランク付けされている。受信電力はアンテナパターン毎に、記憶されている。ここでは、１から５の５段階でグルーピングしていて、５が最も強い電力を持つ端末であるものとする。もし、端末が送信電力制御を行うシステムであれば、子端末の送信電力を用いて正規化する必要がある。優先度は、子端末が報知信号送信端末としてふさわしいか否かを表す指標であり、一定の基準を用いて親端末が判断するか、子端末が親端末に通知する。ここでは、０から５の６段階でグルーピングしていて、０は報知信号を送信することが出来ない端末、５が最も報知信号送信端末になりやすい子端末となる。ここで、報知信号送信端末になりやすさの例を挙げると、例えば、ＡＣ電源に接続されていて、消費電力を気にしなくて良い端末は優先度が高くなり、電池動作で、かつ、電池残量が低い端末は優先度が低くする。また、端末が行うメインバンド内の干渉検出の結果、頻繁に干渉が検出される端末では優先度を低くし、メインバンド内の一周波数帯域において、長時間干渉が検出されない端末では、優先度を高くする。報知信号送信端末タイプは、報知信号送信端末がどのように報知信号を送信しているかを示す。例えば、“Ｆｒｅｑ”と登録されている端末は、親端末が干渉信号により報知信号を送信できなくなる場合に備えて、図４のように親端末とは異なる周波数を用いて、親端末の報知信号と同時に、報知信号を送信している。“Ｔｉｍｅ”と登録されている端末は、親端末が受信動作中に報知信号を送信できなくなる場合を考慮して、図５のように親端末の報知信号と時分割で報知信号を送信している。

図１６に、図１４の親端末のデータベースにおける受信電力の更新方法、アンテナパターングルーピングの方法、報知信号送信端末選択方法について説明する。本実施形態では、アンテナパターンは一方向にヌルを向けるアンテナパターンで、電力の測定を行うことを想定する。以下、既に説明したステップと同様なものは同一の番号を付してその説明を省略する。
まず、親端末は子端末からの信号電力を測定する前に、自らが持つアンテナパターンのうちの一つのアンテナパターンを形成する（ステップＳ１６０１）。子端末からの信号電力を、ネットワーク参加要求信号を用いて測定する場合は、例えば、ネットワーク参加要求の後に続くポストアンブルのような信号が送信される際に、アンテナパターンを形成する。定期的に測定を行う場合は、子端末から送信される電力測定用パケットを受信する際に、アンテナパターンを形成する。アンテナパターンを形成したのち、子端末からの信号電力を受信する（ステップＳ１１０１）。この信号電力測定は、子端末からのネットワーク参加要求信号を用いても良いし、電力測定用パケットを用いても良い。次に、アンテナパターンに応じて、測定した信号電力の値を用いて端末カテゴリデータベース１４０３を更新する（ステップＳ１１０２）。これらの動作をすべてのアンテナパターンで行う（ステップＳ１６０２）。例えば、図１５のデータベースの場合では、ステップＳ１６０１からステップＳ１６０２まで５回ループを回ることになる。

すべてのアンテナパターンで電力の測定が終了したら（ステップＳ１６０２のＹｅｓ）、データベース更新結果を用いて、アンテナパターングループ分けを行う（ステップＳ１６０３）。まず、特定のアンテナパターンについてのみ、信号電力が大きく下がっている端末を見つける。その端末は、該当するアンテナパターンにおいて、ヌルが向いた方向に存在するとして、そのパターンのグループに分類する。ここで、信号電力が大きく下がっているか否かの判定には、例えば、該当する端末の全パターンの平均信号電力から２０ｄＢ以上の低い電力を示すパターンが存在した場合に、そのパターンのヌルが向いた方向に端末が存在すると考える。また、どのパターンも平均的に同じような電力を持つ場合は、アンテナパターングループには入れない。このような手続きを用いて、すべての端末の分類わけを行う。

全てのパターングループの中で、優先度１以上の端末から受信電力が高いＮ台の端末を報知端末１に選択する（ステップＳ１６０４）。報知端末１は上記のものと同様である。

その後、それぞれのグループについて、優先度１以上の端末の中から、受信電力の低いＭ台の端末を報知端末２に選択する（ステップＳ１６０５）。報知端末２は上記のものと同様である。最後に、データベースの報知端末欄に変更があれば、該当する端末に、報知信号送信指示情報、もしくは、報知信号停止指示情報を通知する（ステップＳ１１０５）。なお、ステップＳ１６０４、Ｓ１６０５で優先度１以上に設定したが、これは適宜決めればよく、優先度１に限定する必要はない。

図１７のような端末配置の場合に、アンテナパターンおよびデータベースの更新方法を具体的に説明する。
親端末が図１５のような内容を有するデータベースを持ち、端末Ａから端末Ｇが子端末として動作しているものとする。また、Ｍ＝１であるものとする。親端末は端末が電力測定用パケットを送信するときに、幾つかのアンテナパターンを形成する。例えば、図１７に円で示すようにオムニのパターンと、図１８から図２１のように１方向にヌルを向けたパターンをパターン１からパターン４の４種類を形成する。これらのパターンを変化させるたびに端末からの電力測定用パケットを用いて、受信電力を測定する。端末Ｂからの電力測定用パケットを受信する際は、端末Ｂの方向にヌルが向くアンテナパターン１のときのみ測定電力が著しく低下する。図１５の例では、他のアンテナパターンで端末Ｂからの電力を測定した場合、受信電力は「３」となるが、パターン１の場合のみ「０」となる。このことから、端末Ｂはアンテナパターン１がヌルをむけた方向に端末が存在すると考えて、パターングループをパターン１に決定する。同様に、アンテナパターン２で信号電力を受信すると端末Ｃの信号電力は低下するため、端末Ｃはパターングループ２に分類される。端末Ｅと端末Ｇについては、この例において、ヌルが向く方向のアンテナパターンが無いため、受信電力はほぼ一定となり、グループ分けは行われない。

グループ分けが行われた後、親端末はさらに、報知信号送信端末の決定処理に入る。図１５の状況において、パターングループ１、パターングループ４では、端末Ｂ、端末Ｄが１台のみ存在するため、それぞれ報知信号送信端末に選択される。パターングループ２では、端末Ｃが存在するが、優先度が０であり、報知信号送信端末として選択できないため、端末Ｃは報知信号送信端末には選択されない。パターングループ３については、２台の端末が存在する。ここで、Ｍ＝１であるため、１台の端末を選択することになる。ここでは、端末Ｆの優先度が端末Ａより高いため、端末Ｆが報知信号送信端末として選択される。

この例では、アンテナパターンを用いて端末の位置を推定し、分類を行ったが、例えば、端末にＧＰＳを搭載しておき、その位置情報を親端末に通知し、親端末はデータベースに登録する際にＧＰＳの位置情報を端末情報と関連付けて登録してもよい。このばあい、位置が近い端末を一つのグループとしてまとめて、そのなかから、同期信号報知端末を選択しても良い。

以上に示した実施形態によれば、親端末が受信動作中において、親端末からの報知信号を送信できなくても、報知信号送信端末からの報知信号を用いることにより、ネットワークに参加する要求を持つ端末が、ネットワークへ参加することが容易になる。

そのほか、複数の端末から報知信号を、異なる周波数を用いて送信しているため、アンテナダイバーシチ効果、周波数ダイバーシチ効果により、ネットワークに参加する要求を持つ端末が、ネットワークへの参加をすることが容易になる。ネットワークに参加する要求を持つ端末が、ネットワークへの参加をすることが容易になることから、意図しない親端末の乱立を防ぎ、ネットワークのシステムスループットを向上することが出来る。

なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

本実施形態のシステム構成の一例を示す図。 親端末から送信する報知信号およびビーコンの概念図。 報知信号の一例を示す図。 親端末が送信する報知信号と報知信号送信端末が送信する報知信号の関係を示す図。 親端末が送信する報知信号と報知信号送信端末が送信する報知信号の関係を示す図。 子端末がネットワーク参加時に報知信号送信端末判定のシーケンス図。 定期的に報知信号送信端末を子端末の中から選択する場合のシーケンス図。 本実施形態の無線通信装置のブロック図。 図８の報知信号受信処理部のブロック図。 親端末が有するデータベースの内容の一例を示す図。 データベースの値を更新し、報知信号送信端末を決定するためのフローチャート。 端末配置の一例を示す図。 親端末が有するデータベースの内容の一例を示す図。 本実施形態の図８とは異なる、無線通信装置のブロック図。 図１４の構成の親端末が有するデータベースの内容の一例を示す図。 図１４の親端末による、受信電力の更新、グルーピング、報知信号送信端末選択のためのフローチャート。 端末配置の一例を示す図。 アンテナパターンの一例を示す図。 アンテナパターンの一例を示す図。 アンテナパターンの一例を示す図。 アンテナパターンの一例を示す図。

符号の説明

１０１、６１０、７１０…親端末、１０２、１０３、１０４、１０７、６１１、６１２、７１１、７１２…子端末、１０８…報知信号送信指示情報、２０１、４０１、４０５、４０６、５０１、５０５…報知信号、２０２、４０２、５０２…ビーコン、２０３…データ通信、３０１…狭帯域信号、４０３、４０４、５０３、５０４…データ通信信号、４０７…干渉信号、６０３…測定用パケット、８０１…ＲＦ／ＩＦ処理部、８０２…ＡＤＣ、８０３…電力測定処理部、８０４…報知信号受信処理部、８０５…データ信号受信処理部、８０６…制御処理部、８０７…ＲＦ／ＩＦ処理部、８０８…ＤＡＣ、８０９…報知信号送信処理部、８１０…データ信号送信処理部、８１１、１４０３…端末カテゴリデータベース、８１２…アンテナ、９０１…複素乗算処理部、９０２…複素共役処理部、９０３…複素乗算部、９０５…マッチドフィルタ、１４０１…アンテナ指向性処理部、１４０２…制御処理部、１４０４…アンテナ指向性処理部。

Claims (14)

1. 親無線通信装置と、複数の子無線通信装置とを含む無線通信システムにおいて、
   前記親無線通信装置は、ビーコンを送信する第１送信手段と、
   前記ビーコンの周波数および送信タイミングの情報を含む第１報知信号を送信する第２送信手段と、
   前記複数の子無線通信装置それぞれが送信する信号の受信電力を測定する測定手段と、
   前記受信電力に基づいて、前記第１報知信号と同じ前記ビーコンの周波数および送信タイミングの情報を含む第２報知信号を送信させるべき報知無線通信装置を、前記複数の子無線通信装置から選択する選択手段と、
   前記報知無線通信装置に、前記第２報知信号を送信せよとの指示を含む報知指示情報を送信する第３送信手段と、を具備し、
   前記子無線通信装置は、
   前記報知指示情報を受信する第１受信手段と、
   前記報知指示情報を受信した場合に、他の子無線通信装置に前記第２報知信号を送信する第４送信手段と、
   前記第１報知信号および前記第２報知信号の少なくともいずれか一方を受信する第２受信手段と、
   前記受信した第１報知信号および前記受信した第２報知信号のいずれか一方に含まれる情報に基づいて前記ビーコンを受信する第３受信手段と、を具備することを特徴とする無線通信システム。
2. 複数の子無線通信装置と通信する無線通信装置において、
   ビーコンを送信する第１送信手段と、
   前記ビーコンの周波数および送信タイミングの情報を含む第１報知信号を送信する第２送信手段と、
   前記複数の子無線通信装置それぞれが送信する信号の受信電力を測定する測定手段と、
   前記受信電力に基づいて、前記第１報知信号と同じ前記ビーコンの周波数および送信タイミングの情報を含む第２報知信号を送信させるべき報知無線通信装置を、前記複数の子無線通信装置から選択する選択手段と、
   前記報知無線通信装置に、前記第２報知信号を送信せよとの指示を含む報知指示情報を送信する第３送信手段と、を具備することを特徴とする無線通信装置。
3. 前記複数の子無線通信装置からデータ通信信号を受信する受信手段をさらに具備し、
   前記報知指示情報は、前記無線通信装置が前記データ通信信号を受信する受信タイミングを含み、
   前記報知無線通信装置は、前記受信タイミングに基づいて、前記無線通信装置が前記データ通信信号を受信している間に、前記第２報知信号を送信することを特徴とする請求項２に記載の無線通信装置。
4. 前記選択手段は、複数の前記報知無線通信装置を選択し、
   前記複数の報知無線通信装置は、前記第２報知信号を時分割して送信することを特徴とする請求項２に記載の無線通信装置。
5. 前記報知無線通信装置は、信号干渉を検出し、信号干渉が存在しない周波数帯域で前記第２報知信号を送信することを特徴とする請求項２に記載の無線通信装置。
6. 前記報知指示情報は、前記第２報知信号を周波数ホッピングで送信する周波数ホッピングパターンを含み、
   前記報知無線通信装置は、前記周波数ホッピングパターンで前記第２報知信号を送信することを特徴とする請求項２に記載の無線通信装置。
7. 前記受信電力の大きさに応じて、前記複数の子無線通信装置をグルーピングするグルーピング手段と、をさらに具備し、
   前記選択手段は、最も受信電力が大きいグループからＮ（Ｎは１以上の整数）台の子無線通信装置を報知無線通信装置に選択することを特徴とする請求項２に記載の無線通信装置。
8. 前記子無線通信装置ごとに、電源の供給継続時間、電池残量、および、信号干渉が検出された頻度のうちの少なくとも１つ以上を含む優先度情報を前記複数の子無線通信装置から取得する取得手段と、
   前記優先度情報に基づいて、電源の供給の継続時間および電池残量が大きいほど、信号干渉が検出された頻度が小さいほど、高い優先度を付与する付与手段と、
   前記受信電力の大きさに応じて、前記複数の子無線通信装置をグルーピングするグルーピング手段と、をさらに具備し、
   前記選択手段は、最も受信電力が大きなグループの中から前記優先度の高いＮ（Ｎは１以上の整数）台の子無線通信装置を報知無線通信装置に選択することを特徴とする請求項２に記載の無線通信装置。
9. 親無線通信装置と、複数の無線通信装置とを含む無線通信システムでの前記無線通信装置において、
   前記親無線通信装置から送信されるビーコンの周波数、および、ビーコンの送信タイミングの情報を含む、前記親無線通信装置から送信される第１報知信号と同じ前記ビーコンの周波数および送信タイミングの情報を含む第２報知信号を送信せよとの指示を含む報知指示情報を、前記親無線通信装置から受信する第１受信手段と、
   前記報知指示情報を受信した場合に、他の子無線通信装置に前記第２報知信号を送信する送信手段と、
   前記第１報知信号および前記第２報知信号の少なくともいずれか一方を受信する第２受信手段と、
   前記受信した第１報知信号および前記受信した第２報知信号のいずれか一方に含まれる情報に基づいて前記ビーコンを受信する第３受信手段と、を具備することを特徴とする無線通信装置。
10. 前記報知指示情報は、前記親無線通信装置が前記データ通信信号を受信する受信タイミングを含み、
    前記受信タイミングに基づいて、前記親無線通信装置が前記データ通信信号を受信している間に、前記第２報知信号を送信することを特徴とする請求項９に記載の無線通信装置。
11. 前記送信手段は、前記第２報知信号を時分割して送信することを特徴とする請求項９に記載の無線通信装置。
12. 信号干渉を検出する検出手段をさらに具備し、
    前記送信手段は、信号干渉が存在しない周波数帯域で前記第２報知信号を送信することを特徴とする請求項９に記載の無線通信装置。
13. 前記報知指示情報は、前記第２報知信号を周波数ホッピングで送信する周波数ホッピングパターンを含み、
    前記送信手段は、前記周波数ホッピングパターンで前記第２報知信号を送信することを特徴とする請求項９に記載の無線通信装置。
14. 通信装置ごとに、電源の供給継続時間、電池残量、および、信号干渉が検出された頻度のうちの少なくとも１つ以上を含む優先度情報を、前記親無線通信装置に送信する送信手段をさらに具備し、
    前記親無線通信装置は、複数の無線通信装置から優先度情報を取得し、該優先度情報に基づいて、電源の供給の継続時間および電池残量が大きいほど、信号干渉が検出された頻度が小さいほど、高い優先度を付与し、前記受信電力の大きさに応じて、前記複数の子無線通信装置をグルーピングし、最も受信電力が大きなグループの中から前記優先度の高いＮ（Ｎは１以上の整数）台の子無線通信装置を報知無線通信装置に選択することを特徴とする請求項９に記載の無線通信装置。

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