JP4590969B2 - 無線通信システム、無線通信装置及び無線通信方法、並びにコンピュータ・プログラム - Google Patents

Description

本発明は、無線ＬＡＮ（Ｌｏｃａｌ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）若しくはＰＡＮ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）のように複数の無線局間で相互に通信を行なう無線通信システム、無線通信装置及び無線通信方法、並びにコンピュータ・プログラムに係り、特に、制御局と被制御局の関係を有しないで各通信局がＣＳＭＡ（Ｃａｒｒｉｅｒ Ｓｅｎｓｅ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ａｃｃｅｓｓ：搬送波感知多重アクセス）などのキャリア検出若しくはメディア状態の監視に基づくランダム・アクセス動作を自律分散的に行なうことにより無線ネットワークが構築される無線通信システム、無線通信装置及び無線通信方法、並びにコンピュータ・プログラムに関する。

さらに詳しくは、本発明は、複数の通信チャネルが用意されている通信環境下において、近隣の無線システムが干渉し合うことなく特定の制御局の介在なしに自律分散型の無線ネットワークを形成する無線通信システム、無線通信装置及び無線通信方法、並びにコンピュータ・プログラムに係り、特に、ネットワークへの負荷を少なくしつつ、通信チャネルの利用状況などに応じて各通信局が動的且つ自律的に通信チャネルを切り替えていく、マルチチャネル自律分散型の無線ネットワークを形成する無線通信システム、無線通信装置及び無線通信方法、並びにコンピュータ・プログラムに関する。

無線通信システム：
有線方式による機器間のケーブル配線からユーザを解放する通信システムとして、無線ネットワークが注目されている。無線ネットワークによれば、オフィスなどの作業空間において、有線ケーブルの大半を省略することができるので、パーソナル・コンピュータ（ＰＣ）などの通信端末を比較的容易に移動させることができる。近年では、無線ＬＡＮシステムの高速化、低価格化に伴い、その需要が著しく増加してきている。特に最近では、人の身の回りに存在する複数の電子機器間で小規模な無線ネットワークを構築して情報通信を行なうために、パーソナル・エリア・ネットワーク（ＰＡＮ）の導入が検討されている。例えば、２．４ＧＨｚ帯や、５ＧＨｚ帯など、監督官庁の免許が不要な周波数帯域を利用して、異なった無線通信システム並びに無線通信装置が規定されている。

無線ネットワークに関する標準的な規格として、ＩＥＥＥ（Ｔｈｅ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ）８０２．１１（例えば、非特許文献１を参照のこと）や、ＨｉｐｅｒＬＡＮ／２（例えば、非特許文献２又は非特許文献３を参照のこと）やＩＥＥＥ８０２．１５．３、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ通信などを挙げることができる。ＩＥＥＥ８０２．１１規格については、無線通信方式や使用する周波数帯域の違いなどにより、ＩＥＥＥ８０２．１１ａ規格、ＩＥＥＥ８０２．１１ｂ規格…などの各種無線通信方式が存在する。

無線技術を用いてローカル・エリア・ネットワークを構成するために、エリア内に「アクセス・ポイント」又は「コーディネータ」と呼ばれる制御局となる装置を１台設けて、この制御局の統括的な制御下でネットワークを形成する方法が一般的に用いられている。

アクセス・ポイントを配置した無線ネットワークでは、ある通信装置から情報伝送を行なう場合に、まずその情報伝送に必要な帯域をアクセス・ポイントに予約して、他の通信装置における情報伝送と衝突が生じないように伝送路の利用を行なうという、帯域予約に基づくアクセス制御方法が広く採用されている。すなわち、アクセス・ポイントを配置することによって、無線ネットワーク内の通信装置が互いに同期をとるという同期的な無線通信を行なう。

ところが、アクセス・ポイントが存在する無線通信システムで、送信側と受信側の通信装置間で非同期通信を行なう場合には、必ずアクセス・ポイントを介した無線通信が必要になるため、伝送路の利用効率が半減してしまうという問題がある。

これに対し、無線ネットワークを構成する他の方法として、端末同士が直接非同期的に無線通信を行なう「アドホック（Ａｄ−ｈｏｃ）通信」が考案されている。とりわけ近隣に位置する比較的少数のクライアントで構成される小規模無線ネットワークにおいては、特定のアクセス・ポイントを利用せずに、任意の端末同士が直接すなわちランダムな無線通信を行なうことができるアドホック通信が適当であると思料される。

アドホック型無線通信システムには中央制御局が存在しないので、例えば家庭用電気機器からなるホーム・ネットワークを構成するのに適している。アドホック・ネットワークには、１台が故障又は電源オフになってもルーティングを自動的に変更するのでネットワークが破綻しにくい、移動局間でパケットを複数回ホップさせることにより高速データ・レートを保ったままで比較的遠くまでデータを伝送することができる、といった特徴がある。アドホック・システムにはいろいろな開発事例が知られている（例えば、非特許文献４を参照のこと）。

ＩＥＥＥ８０２．１１における送受信手順：
例えば、ＩＥＥＥ８０２．１１系の無線ＬＡＮシステムでは、制御局を配さなくとも自律分散的にピア・ツウ・ピア（Ｐｅｅｒ ｔｏ Ｐｅｅｒ）で動作するアドホック・モードが用意されている。すなわち、ＩＥＥＥ８０２．１１におけるネットワーキングは、ＢＳＳ（Ｂａｓｉｃ Ｓｅｒｖｉｃｅ Ｓｅｔ）の概念に基づいており、ＡＰ（Ａｃｃｅｓｓ Ｐｏｉｎｔ：制御局）のようなマスタが存在するインフラ・モードで定義されるＢＳＳと、複数のＭＴ（Ｍｏｂｉｌｅ Ｔｅｒｍｉｎａｌ：移動局）のみにより構成されるアドホック・モードで定義されるＩＢＳＳ（Ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔ ＢＳＳ）の２種類で構成される。

インフラ・モードのＢＳＳにおいては、無線通信システム内にコーディネイションを行なうＡＰが必須である。ＡＰは、自局周辺で電波の到達する範囲をＢＳＳとしてまとめ、いわゆるセルラ・システムで言うところの「セル」を構成する。ＡＰ近隣に存在するＭＴは、ＡＰに収容され、ＢＳＳのメンバとしてネットワークに参入する。すなわち、ＡＰは、適当な時間間隔でターゲット・ビーコン送信時刻（ＴＢＴＴ：Ｔａｒｇｅｔ Ｂｅａｃｏｎ Ｔｒａｎｓｍｉｔ Ｔｉｍｅ）が到来する度にビーコンと呼ばれる制御信号を送信し、このビーコンを受信可能であるＭＴはＡＰが近隣に存在することを認識し、さらにＡＰとの間でコネクション確立を行なう。ＡＰ周辺のＭＴは、ビーコンを受信し、内部のＴＢＴＴフィールドをデコードすることにより次回のビーコン送信時刻を認識することが可能であり、毎回受信する必要がない場合には、次回あるいは複数回先のＴＢＴＴまで受信機の電源を落としスリープ状態に入ることもある。

一方、アドホック・モードのＩＢＳＳにおいては、ＭＴは複数のＭＴ同士でネゴシエーションを行なった後に自律的にＩＢＳＳを定義する。ＩＢＳＳが定義されると、ＭＴ群は、ネゴシエーションの末に、一定間隔毎にＴＢＴＴを定める。各ＭＴは自局内のクロックを参照することによりＴＢＴＴが到来したことを認識すると、ランダム時間の遅延の後、未だ誰もビーコンを送信していないと認識した場合にはビーコンを送信する。したがって、ビーコンはＩＢＳＳに属するいずれかのＭＴが、ＴＢＴＴが訪れる毎にビーコンを送信することになる。

アドホック環境の無線ＬＡＮネットワークにおいては、一般的に隠れ端末問題が生じることが知られている。隠れ端末とは、ある特定の通信局間で通信を行なう場合、通信相手となる一方の通信局からは聞くことができるが他方の通信局からは聞くことができない通信局のことであり、隠れ端末同士ではネゴシエーションを行なうことができないため、送信動作が衝突する可能性がある。

隠れ端末問題を解決する方法論として、ＲＴＳ／ＣＴＳ手順を併用したＣＳＭＡ／ＣＡが知られている。ＩＥＥＥ８０２．１１においてもこの方法論が採用されている。

ＣＳＭＡ（Ｃａｒｒｉｅｒ Ｓｅｎｓｅ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ａｃｃｅｓｓ：搬送波感知多重アクセス）とは、キャリア検出に基づいて多重アクセスを行なう接続方式である。無線通信では自ら情報送信した信号を受信することが困難であることから、ＣＳＭＡ／ＣＤ（Ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ）ではなくＣＳＭＡ／ＣＡ（Ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ Ａｖｏｉｄａｎｃｅ）方式により、他の通信装置の情報送信がないことを確認してから、自らの情報送信を開始することによって、衝突を回避する。ＣＳＭＡ方式は、ファイル転送や電子メールなどの非同期データ通信に適しているアクセス方式である。

なお、非常に広い周波数帯域でキャリアを使用せず１ナノ秒以下の超短パルス波や、数ギガヘルツの帯域幅に拡散した信号やマルチキャリア信号を用いた通信を行なうウルトラワイドバンド（ＵＷＢ）通信では、キャリア検出を行なうことができないが、データ送信を行なう通信局がメディアのクリア状態を検出することにより、同様のランダム・アクセスを行なうことができる。

また、ＲＴＳ／ＣＴＳ方式では、データ送信元の通信局が送信要求パケットＲＴＳ（Ｒｅｑｕｅｓｔ Ｔｏ Ｓｅｎｄ）を送信し、データ送信先の通信局から確認通知パケットＣＴＳ（Ｃｌｅａｒ Ｔｏ Ｓｅｎｄ）を受信したことに応答してデータ送信を開始する。そして、隠れ端末はＲＴＳ又はＣＴＳのうち少なくとも一方を受信すると、ＲＴＳ／ＣＴＳ手続に基づくデータ伝送が行なわれると予想される期間だけ自局の送信停止期間を設定することにより、衝突を回避することができる。送信局にとっての隠れ端末は、ＣＴＳを受信して送信停止期間を設定し、データ・パケットとの衝突を回避し、受信局にとっての隠れ端末は、ＲＴＳを受信して送信期間を停止し、ＡＣＫとの衝突を回避する。

マルチチャネル通信：
上述したように、アドホック・モードでは、制御局の介在なしにネットワークを構築することが可能であるが、互いに直接通信可能な複数のＭＴによってＩＢＳＳを構成することが前提となる。このため、同じ通信チャネルを使用してそれぞれ独立して動作する複数のネットワークが、ネットワークの移動や、ネットワーク間を遮る障壁の除去などにより、互いの通信範囲が重なるようになった場合、ビーコンやパケットの衝突が生じる可能性があり、問題である。

図１５には、それぞれ３つのＭＴで構成されたＩＢＳＳ０とＩＢＳＳ１がそれぞれ独立して動作している様子を示している。図示の例では、これら２つのネットワークが同じチャネルを使っていたとしても、互いの電波は届かないので問題は発生しない。ところが、図１６に示したように、一方のネットワークＩＢＳＳ１が移動し、ＳＴＡ１とＳＴＡ５の通信範囲が重なると、両ＭＴのパケットの衝突が生じてしまう。単一の通信チャネルのみを使用した無線ネットワークの場合、このような事態を修復する余地はない。

そこで、通信チャネルをあらかじめ複数用意しておくというマルチチャネル通信方式が採用される。通信中に他のシステムが割り込んだり、参入局数が多くなって帯域の余裕がなくなってきたりしたときに、使用する通信チャネルを選択して動作を開始することにより、ネットワーク動作を維持し、他のネットワークとの共存を実現することができる。

例えば、ＩＥＥＥ８０２．１５．３の高速無線ＰＡＮシステムにおいても、マルチチャネル通信方式が採用されている。すなわち、システムで利用可能な周波数チャネルが複数用意され、無線通信デバイスは、電源投入後にすべての利用可能なチャネルにわたってスキャン動作を行なうことで、周囲にピコネット・コーディネータ（ＰＮＣ）としてビーコン信号を送信しているデバイスの有無を確認し、利用する周波数チャネルを選択する、というアルゴリズムが採用されている。

ここで、図１６に示した状況下で、ＩＢＳＳ１が、ネットワークの重なりに対し、ＩＢＳＳ０と異なる通信チャネルに動的に切り替えようとした場合について考える。図示の例では、ＳＴＡ４及びＳＴＡ３はＩＢＳＳ０に属するＭＴからの干渉を受けていないにも拘らず、チャネルの切り替えを強要されてしまう。すなわち、ネットワークの一部の干渉により、ネットワーク全体のチャネルを切り替える必要が生じるため、チャネル切り替えに伴うネゴシエーションが増加してスループットが低下してしまう。

制御局を配置しない自律分散型のアドホック・ネットワークにおいては、近隣で稼動中の異なる無線ネットワークとの干渉を極力抑えるために、通信チャネルに関するリソース管理は重要である。しかしながら、ネットワークで使用する周波数チャネルを一斉に切り替えるためには、コーディネータあるいはアクセス・ポイントと呼ばれる代表局が各端末局に利用チャネルの指示を行なう必要がある。言い換えれば、アドホック・ネットワークにおいて周波数チャネルを切り替えることは困難である。

ＩＥＥＥ８０２．１１系の無線ＬＡＮシステムにおいては、最初にアクセス・ポイントが設定した周波数チャネルを利用してネットワークが形成されるので、基地局を配置せずにアドホック・ネットワークを構築することが困難である。他の周波数チャネルで動作するＡＰに収容されている無線通信装置（端末）と通信を行なう場合には、ＡＰ同士を例えば有線ＬＡＮのケーブルなどで接続しておかなければならない。つまり、収容されたＡＰ同士が接続されていなければ、物理的に隣接して存在する無線通信装置（端末）同士が異なるＡＰに収容されていても通信が行なえない。

また、ＩＥＥＥ８０２．１５．３の高速無線ＰＡＮシステムにおいても、最初にすべての周波数チャネルのスキャンを行ない、周辺に存在するコーディネータの探索を行なうことは可能であるが、一旦特定の周波数チャネルでの運用が開始されてしまうと、他の周波数チャネルの利用状況を把握することができない。このため、近隣に利用している周波数チャネルの異なるピコネットが存在しても、そのピコネットに接続されている無線通信装置との通信が行なえない。

また、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ通信においては、マスタと呼ばれる中央制御局が基準となってランダムに周波数ホッピングすることで各周波数チャネルを公平に利用する方法が採られている。ネットワークを構成するためにはマスタの存在が必須で、周波数チャネルのホッピング・パターンと時間軸方向の同期の基準になっている。マスタが消失した場合は、それまで形成されたネットワークは一旦切断状態となり、新たなマスタを選択する処理が必要になる。

このように従来の無線通信方式では、周波数チャネル切り替えのタイミング、参入している端末が相互に同期して周波数チャネル切り替え動作を開始するためにメッセージ交換などによって実現するセットアップ処理、周波数チャネル切り替えを決定するための調停処理などといった複雑な機構が必要になる。また、制御を主体的に行なう、ＩＥＥＥ８０２．１１やＨｉｐｅｒＬＡＮ／２におけるＡＰ、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ通信におけるマスタといった中央制御局の存在が必須である。仮にＡＰやマスタなどの中央制御局が消失した場合には、その代わりになる中央制御局を選択する何らかのプロトコル処理若しくは人為的な設定変更作業が必要になり、その処理の間は通信が途絶えるという問題点がある。

分散ビーコンを用いた自律分散ネットワーク：
上述したネットワークの移動に伴うパケットの衝突の問題に関する対策として、分散ビーコンを用いたネットワークの構築方法を挙げることができる（例えば、特願２００３−２６４５７号明細書を参照のこと）。

この場合、制御局と被制御局の関係を有しない自律分散型の無線通信システムにおいて、各通信局はビーコン情報を報知することにより、近隣（すなわち通信範囲内）の他の通信局に自己の存在を知らしめるとともに、ネットワーク構成を通知する。また、ある通信局の通信範囲に新規に出現した通信局は、ビーコン信号を受信することにより、通信範囲に突入したことを検知するとともに、ビーコンに記載されている情報を解読することによりネットワーク認識し、ネットワークに参入することができる。

各通信局は、互いのビーコン送信タイミングにより緩やかに時間同期し、時分割多重アクセス構造を持った伝送（ＭＡＣ）フレームによりチャネル・リソースを効果的に利用した伝送制御が行なわれる。したがって、通信局は、自律動作しながら、帯域を予約する、あるいは優先利用期間を設定するなど時間同期をベースにしたアクセス方式を行なうことができる。

分散ビーコンを用いた自律分散ネットワークでは、各ＭＴはＴＢＴＴが互いに重ならないようにビーコンを送信する。受信可能な周辺ＭＴのビーコン時刻に関する情報をビーコンに記載することで、通信局は次隣接のＭＴまで重ならないビーコン位置を有するネットワークの構築が可能となる。すなわち、各ＭＴが中心となる、ゆるやかなＩＢＳＳが形成される。

図１７には、分散ビーコンを用いてネットワークが自律的に形成されている様子を示している。次隣接のＭＴを考慮したネットワークができるので。ＳＴＡ１にとっては、点線の楕円で示したＳＴＡ４以下の範囲がＩＢＳＳとみなされる。また、ＳＴＡ５にとっては、一点鎖線の楕円で示したＳＴＡ３以上の範囲がＩＢＳＳとみなされる。

以上によって隠れ端末問題を緩和すると同時に、ネットワークの動的変化への対応が可能となる。すなわち、ネットワークの移動によってビーコン位置が他のＭＴと重なってしまったＭＴのみが自局のビーコン位置ＴＢＴＴを変更することにより、衝突の問題を解消することができる。

分散ビーコンを用いたネットワークでは、動的なネットワークの構築が可能である。しかし、ネットワークの境界がＭＴ毎に異なるため、すべてのＭＴが同じチャネルを利用することが前提となる。したがって、他のチャネルへの切り替えを行なう場合、ＩＥＥＥ８０２．１１におけるアドホック・モードと同様に、すべてのＭＴがチャネルを一斉に切り替える必要がある。

また、すべてのＭＴが同じチャネルを利用し、所定の伝送フレーム周期間隔で同じ時間的位置（スロット）若しくは同じ帯域を繰り返し利用しているため、自分が認識していないＭＴから干渉を受けることがある。電波状況などによってその干渉が大きくなると、利用したいスロットが空いているにも拘らず、所要ＳＩＮＲを満たさないために送受信できなくなる。

この対策として、自局の送信電力を受信側の所要ＳＩＮＲを満たす最低限の電力に制御（送信電力制御）し、さらに、受信側ではプリアンブル検出のための閾値を変えることで、送受信間の信号到達範囲を制御し、干渉を低減する方法（すなわち、電力制御と閾値変更による送受信範囲の操作）が提案されている（例えば、特願２００４−０２５５０６号明細書を参照のこと）。しかしながら、すべてのＭＴが同じチャネルを利用しているので、チャネル上に収容されている通信局数などによっては干渉の低減には限界がある。

上記の分散ビーコンを用いたネットワークでは、１つのチャネルをデータ伝送の帯域を確保する最小単位であるスロット毎に分け、複数のスロットを１まとめにして伝送フレーム周期（すなわちスーパーフレーム）を構成している。そして、各ＭＴは、スーパーフレーム毎にビーコンを送信し、自分が知りうる範囲（次隣接まで）のＭＴと重ならないスロットを自局のビーコン送信位置として選択している。スーパーフレーム長を固定（すなわちスーパーフレーム内のスロット数を固定）としているので、この最小のビーコン間隔によって、そのネットワークに参加できるＭＴの最大数はスーパーフレーム内のスロット数以下に決まってしまう。したがって、たとえスーパーフレームに未使用帯域（スロット）が残っていたとしても、ＭＴの数が最大値に達している場合は新たなＭＴはそのネットワークに参加できないことになる．

次に、複数のネットワークがそれぞれ異なるチャネルを用いている場合について考える。図１８には、複数のネットワークがそれぞれ異なるチャネルを使用している様子を示している。ＩＢＳＳ０とＩＢＳＳ１は異なるチャネルを使用しているため干渉は発生しない。このような通信環境下で、新たなＳＴＡ６がそれらのネットワークに移動してきたものと仮定する。そして、この新規参入局ＳＴＡ６が図１９に示す位置に存在し、既存局ＳＴＡ１及びＳＴＡ５の双方との通信を要望したとする。

ＳＴＡ６は、何れか一方のＩＢＳＳに参加しなければならない。このため、交互にＩＢＳＳへの参加と離脱を繰り返すか、若しくはすべてのＭＴを同じチャネルに切り替えなければならない。前者では、ＳＴＡ１とＳＴＡ６、及びＳＴＡ１とＳＴＡ５間のオーバーヘッドが大きくなる。後者では、直接関係のないＭＴまでチャネルを切り替えなければならなくなり、無駄な手続きが必要となる。

また、網目のように配置された多くのＭＴを有する自律分散ネットワークでは、ネットワークの境界が個々のＭＴで異なるため、従来のチャネル割当方式では複数のチャネルを有効に共用することが困難になる。

複数チャネルを利用した無線分散ネットワーク：
複数のチャネルが用意されている通信環境下において、同一のネットワークに属しながら通信局によって異なるビーコン送信チャネルを用いる通信システムについて提案されている（例えば、特願２００３−２８１５８６号明細書、特願２００３−３１５２８０号明細書を参照のこと）。これらの通信システムでは、チャネルの干渉状況に応じて送信チャネルを選択することにより、干渉を低減したアドホック・ネットワークを形成することが可能となる。

例えば特願２００３−２８１５８６号明細書では、各通信局は自分の受信に最適なチャネル上で他局のビーコンと重ならないようにビーコンを送信する。ビーコン送信後に優先送信権を得た通信局は、受信側の最適チャネルへ移行して送信を開始する。したがって、受信側で最適な干渉状況の下での通信が可能となっている。

一方、特願２００３−３１５２８０号明細書では、各通信局は、周辺局が受けている干渉の平均レベルをチャネル毎に求め、その平均干渉レベルが最も低くなるチャネルを送信チャネルとして決定する。自局にとって優先度の高い周辺局の干渉に重み付けをしてチャネル毎の加重平均を求めることにより、自局から見て優先される周辺局にとって干渉の少ないチャネルが送信チャネルとして選択されるようになり、システム全体のスループットが向上する。

ここで、各通信局が移動するような環境や、人体などの遮蔽物の移動が頻繁に起こる環境を想定する。このような環境で複数チャネルを利用した無線分散通信システムを用いると、激しい伝搬変動のためにビーコン送信チャネルやデータ通信チャネルの変動も頻繁になる。このため、他の通信局から送信されるビーコンを受信するスキャン動作も頻繁に行なう必要が生じ、通信のオーバーヘッドが大きくなってしまうという問題が生じる。

また、複数チャネルを用いた通信では、他の通信局のビーコンをスキャンするために、チャネル数分だけスキャンを繰り返す必要があるため、単一のチャネルを用いた通信システムと比べてオーバーヘッドが大きくなる。

Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｔａｎｄａｒｄ ＩＳＯ／ＩＥＣ ８８０２−１１：１９９９（Ｅ） ＡＮＳＩ／ＩＥＥＥ Ｓｔｄ ８０２．１１， １９９９ Ｅｄｉｔｉｏｎ， Ｐａｒｔ１１：Ｗｉｒｅｌｅｓｓ ＬＡＮ Ｍｅｄｉｕｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｃｏｎｔｒｏｌ（ＭＡＣ） ａｎｄ Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｌａｙｅｒ（ＰＨＹ） Ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎｓ ＥＴＳＩ Ｓｔａｎｄａｒｄ ＥＴＳＩ ＴＳ １０１ ７６１−１ Ｖ１．３．１ Ｂｒｏａｄｂａｎｄ Ｒａｄｉｏ Ａｃｃｅｓｓ Ｎｅｔｗｏｒｋｓ（ＢＲＡＮ）； ＨＩＰＥＲＬＡＮ Ｔｙｐｅ ２； Ｄａｔａ Ｌｉｎｋ Ｃｏｎｔｒｏｌ（ＤＬＣ） Ｌａｙｅｒ； Ｐａｒｔ１： Ｂａｓｉｃ Ｄａｔａ Ｔｒａｎｓｐｏｒｔ Ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ ＥＴＳＩ ＴＳ １０１ ７６１−２ Ｖ１．３．１ Ｂｒｏａｄｂａｎｄ Ｒａｄｉｏ Ａｃｃｅｓｓ Ｎｅｔｗｏｒｋｓ（ＢＲＡＮ）； ＨＩＰＥＲＬＡＮ Ｔｙｐｅ ２； Ｄａｔａ Ｌｉｎｋ Ｃｏｎｔｒｏｌ（ＤＬＣ） Ｌａｙｅｒ； Ｐａｒｔ２： Ｒａｄｉｏ Ｌｉｎｋ Ｃｏｎｔｒｏｌ（ＲＬＣ） ｓｕｂｌａｙｅｒ Ｃ．Ｋ．Ｔｈｏ著"Ａｄ Ｈｏｃ Ｍｏｂｉｌｅ Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｎｅｔｗｏｒｋ"（Ｐｒｅｎｔｉｃｅ Ｈａｌｌ ＰＴＲ社刊）

本発明の目的は、制御局と被制御局の関係を有しないで各通信局がＣＳＭＡなどのキャリア検出若しくはメディア状態の監視に基づくランダム・アクセス動作を自律分散的に行なうことにより無線ネットワークを好適に構築することができる、優れた無線通信システム、無線通信装置及び無線通信方法、並びにコンピュータ・プログラムを提供することにある。

本発明のさらなる目的は、複数の通信チャネルが用意されている通信環境下において、近隣の無線システムが干渉し合うことなく特定の制御局の介在なしに自律分散型の無線ネットワークを形成することができる、優れた無線通信システム、無線通信装置及び無線通信方法、並びにコンピュータ・プログラムを提供することにある。

本発明のさらなる目的は、ネットワークへの負荷を少なくしつつ、通信チャネルの利用状況などに応じて各通信局が動的且つ自律的に通信チャネルを切り替えていく、マルチチャネル自律分散型の無線ネットワークを形成することができる、優れた無線通信システム、無線通信装置及び無線通信方法、並びにコンピュータ・プログラムを提供することにある。

本発明は、上記課題を参酌してなされたものであり、その第１の側面は、複数の通信チャネルが用意されている通信環境下において、通信局がランダム・アクセスを行なう無線通信システムであって、パケットを送信する通信局は、パケット単位で通信チャネルを割り当てることを特徴とする無線通信システムである。

但し、ここで言う「システム」とは、複数の装置（又は特定の機能を実現する機能モジュール）が論理的に集合した物のことを言い、各装置や機能モジュールが単一の筐体内にあるか否かは特に問わない。

無線通信システムでは、制御局となる装置を１台設けて、この制御局の統括的な制御下でネットワークを形成する方法が一般的であり、制御局の配下で、通信装置同士で情報伝送の衝突が生じないように帯域予約通信を行なう。ところが、制御局の介在が伴うことにより伝送路の利用効率が半減してしまうため、端末同士が直接非同期的に通信を行なう自律分散型の通信システムが考案されている。

他方、同じ通信チャネルを使用する複数の独立したネットワーク間でビーコンやパケットの衝突が生じる可能性があるために、通信チャネルをあらかじめ複数用意しておくというマルチチャネル通信方式が採用される。通信中に他のシステムが割り込んだり、参入局数が多くなって帯域の余裕がなくなってきたりしたときに、使用する通信チャネルを選択して動作を開始することにより、ネットワーク動作を維持し、他のネットワークとの共存を実現することができる。

ところが、ネットワークで使用する通信チャネルを一斉に切り替えるためには、制御局の介在により利用チャネルの指示を行なう必要がある。言い換えれば、自律分散型のアドホック・ネットワークでは、複数の通信チャネルを利用したリソース管理は重要であるにも拘らず、制御局不在のために、通信チャネルを切り替えることが困難である。また、制御局の配下で動作するシステムにおいても、ネットワークの一部の干渉により、ネットワーク全体のチャネルを切り替える必要が生じるため、チャネル切り替えに伴うネゴシエーションが増加してスループットが低下してしまう。

従来のマルチチャネル通信システムでは、同一の周波数チャネル又は符号チャネルで通信チャネルを構成し、１つの通信局群で同一の通信チャネルを割り当てるという運用方法が多い。これに対し、本発明に係る無線通信システムでは、パケットを送信する通信局は、パケット単位で通信チャネルを割り当てる。そして、使用する通信チャネルを検出できるようにパケットのプリアンブル・パターンを構成するようにした。これにより、送信局がパケット単位で動的にチャネルを選択しても、受信局はパケット単位でこれに追従することができる。また、パケット単位での通信チャネルの動的な切り替えにより、通信可能な通信局数を増やすことが可能となる。

自律分散型の無線通信システムでは、各通信局はビーコン情報を報知することにより、ネットワーク構成を通知し合うとともに緩やかに時間同期して、時分割多重アクセス構造を持った伝送（ＭＡＣ）フレームによりチャネル・リソースを効果的に利用した伝送制御が行なう。本発明によれば、ビーコンやパケットの受信局では、送信チャネルに関する情報を事前に知らなくてもチャネル切り替えに追従することができることから、ビーコン送信に使用する通信チャネルとは無関係に、パケット送信に使用する通信チャネルを個別に割り当てることができる。

このように、パケット単位で通信チャネルを割り当てる場合、送信局がパケット単位で動的にチャネルを選択しても、受信局はパケット単位でこれに追従できるようにしなければならない。そこで、本発明では、送信局はパケットのプリアンブル部に通信チャネルの識別情報を含ませ、受信局はプリアンブル部を検出してパケット単位での通信チャネルの切り替えに追従できるようにしている。

本発明に係る無線ネットワークでは、同じ周波数帯を利用し、拡散符号の相違により分離される複数の通信チャネルを用いてマルチチャネル・システムを構成することができる。

この場合、受信局は、各通信チャネルに相当する拡散符号との相関を並列的に求め、各相関値との閾値比較に基づいてプリアンブルを検出し、受信パケットが使用する通信チャネルを判定することにより、パケット単位での通信チャネルの切り替えに追従することができる。

あるいは、本発明に係る無線ネットワークでは、パケットのプリアンブル部送信用の制御チャネルと、パケットのデータ部送信用のデータ・チャネルを設けるようにしてもよい。制御チャネルは単一の周波数帯で構成される。これに対し、データチャネルは、周波数帯の相違により分離される複数の周波数チャネルで構成されるマルチチャネルである。

この場合、送信局は、データ・チャネルにおいて使用する周波数チャネルと１対１で対応する拡散符号で拡散したプリアンブル・パターンを送信した後、該拡散符号に対応する周波数帯からなるデータ・チャネルにおいてパケットのデータ部を送信する。プリアンブル・パターンは、周波数チャネルに対応する拡散符号により決められたものとなる。したがって、受信局は、データ・チャネルとして利用される各周波数帯と１対１で対応する拡散符号とプリアンブル・パターンとの相関を並列的に求め、各相関値との閾値比較に基づいて拡散符号を検出することにより、パケット単位での通信チャネルの切り替えに追従することができる。そして、検出した拡散符号に相当する周波数チャネルでパケットのデータ部を受信処理することができる。

あるいは、本発明に係る無線ネットワークでは、利用可能な複数の直交分離チャネルをシンボル毎に切り替える固有のホッピング・パターンにより通信チャネルを定義し、複数の直交分離チャネルにおけるホッピング・パターンの相違により分離される複数の通信チャネルによりマルチチャネルを構成することができる。

例えば、周波数ホッピング系列により通信チャネルを構成することができる。但し、ここで言う直交分離チャネルは、周波数の相違で分離される周波数チャネル以外にも、拡散符号の相違により直交可能な符号チャネルや空間直交された空間チャネルなどが挙げられ、ホッピングを行なうためのチャネル分離の方法は特に限定されない。

直交分離チャネルのホッピング・パターンによりチャネルを分離してマルチチャネルを構成する通信システムでは、パケットを送信する通信局は、パケットのプリアンブル部を、データ部と同じホッピング・パターンで伝送するようにする。そして、パケットの受信局でパケット毎の通信チャネル（すなわち、ホッピング・パターン）の切り替わりに追従できるように、送信局からは、ホッピング・パターンと１対１で対応するプリアンブル・パターンを、少なくとも基本となる１つの直交分離チャネル上で送信するようにする。

このような場合、パケットを受信する通信局は、プリアンブル部では直交分離チャネルをホッピングせず、基本となる１つの直交分離チャネル上で受信して得られるプリアンブル・パターンに基づいてホッピング・パターンを識別することができる。そして、以後のデータ部では、識別されたホッピングを行なうことでデータの受信並びに復調が可能となる。

例えば、パケットを送信する通信局は、ホッピング・パターン（すなわち通信チャネル）に１対１で対応する拡散符号によって決められるプリアンブル・パターンを前記１つの直交分離チャネル上で送信する。この場合、パケットを受信する通信局は、プリアンブル部を受信するときに、プリアンブル・パターンと各ホッピング・パターンに相当する拡散符号との相関を並列的に求め、各相関値との閾値比較に基づいて拡散符号を検出する。そして、検出した拡散符号に相当するホッピング・パターンに従ってパケットのデータ部を受信処理することができる。

あるいは、パケットを送信する通信局は、すべての通信チャネルで共通の拡散符号を用いてプリアンブル・パターンを決定し、少なくとも１つの直交分離チャネル上において各シンボルのプリアンブル・パターンに通信チャネルを識別する情報を重畳する。情報を重畳する方法としては、ＢＰＳＫなどの位相変調を利用することができる。この場合、受信側で用意すべき拡散符号の相関器を１つにすることが可能となる。そして、通信チャネルの分離はプリアンブル・パターンに信号を重畳することで実現する。すなわち、前記１つの直交分離チャネル上で、シンボル毎の前記共通の拡散符号との相関値を累積加算していくことで、通信チャネルを分離することができる。

上述したように、通信局が各通信チャネルに対応したプリアンブル部を検出する複数のプリアンブル検出部を備えている場合、これらのプリアンブル検出器を並列的に動作させて受信待機し、最も早く検出できたプリアンブル部に対応する通信チャネルにおけるパケットの受信動作を起動するようにしてもよい。この場合、受信パケットのチャネル情報が未知の場合には、時間的にパケットが重なったときには、最も早く検出されたパケットが受信対象となる。

上述したように、本発明によれば、各通信局がランダム・アクセスを行なう場合において、パケット単位で通信チャネルを切り替えることができ、パケットの受信局では、送信チャネルに関する情報を事前に知らなくてもチャネル切り替えに追従することができる。

この場合、チャネル切り替えに伴う通信局間のネゴシエーションはなく、チャネル切り替えに伴いシステムのスループットが低下することはない。また、チャネル切り替えにより、ネットワーク同士の衝突を回避しながら、より多くの通信局をシステムに収容することができる。また、パケットの受信局は、パケットのプリアンブル部で通信チャネルを識別できることから、周辺局がビーコン信号の送信に利用するチャネルを検出するためのスキャン動作を行なう必要がない。

また、本発明に係るマルチチャネル通信システムにおいて、通信局同士で、各通信方向で使用する通信チャネルを事前に選択するようにしてもよい。例えば、複数の通信チャネルの空き情報や、他の通信チャネルにおける干渉量に基づいて、通信チャネルを事前に切り替えるようにする。通信相手と通信チャネル並びに帯域をあらかじめ決定しておけば、パケットを受信する通信局では、動作させるべきプリアンブル検出器の数を減らすことが可能となり、消費電力を低減することができる。また、異なる通信チャネルを利用する複数のネットワークが交錯する通信環境下であっても、新規参入局は、いずれのネットワークの通信局と通信を行なうかに応じて通信チャネルを切り替えることで、柔軟に対応することが可能となる。

また、通信局同士で通信チャネル並びに使用する帯域を事前に決定するようにしてもよい。この場合、パケットを受信する通信局は、該事前に決定された帯域において、該事前に決定された通信チャネル上でのみプリアンブル検出を行なうことにより、所望のパケットを受信することができる。

また、パケットを送信する通信局は、所要ＳＩＮＲを満たす最小の電力でパケットを送信するように送信電力制御を行なうようにしてもよい。一方のパケットを受信する通信局は、プリアンブル検出時の閾値を調整し、希望のパケットのみ検出し、干渉となるパケットのプリアンブルを検出しないようにしてもよい。この場合、所要ＳＩＮＲを満たし易くなり、通信局Ａと通信局Ｂ間の通信が可能になる。すなわち、通信チャネルの動的割当てを行なう場合の干渉量を低減することができる。

また、本発明の第２の側面は、複数の通信チャネルが用意されている通信環境下で通信動作を行なうための処理をコンピュータ・システム上で実行するようにコンピュータ可読形式で記述されたコンピュータ・プログラムであって、
パケット送信用の通信チャネルをパケット単位で割り当てる通信チャネル設定ステップと、
該設定した通信チャネルの識別情報を含んだプリアンブル部を付加したパケットを該設定した通信チャネル上で送信するパケット送信ステップと、
受信したパケットのプリアンブル部を検出するプリアンブル検出ステップと、
プリアンブル部の検出結果に基づいてパケットを受信する通信チャネルに切り替えてパケットのデータ部を受信するパケット受信ステップと、
を具備することを特徴とするコンピュータ・プログラムである。

本発明の第２の側面に係るコンピュータ・プログラムは、コンピュータ・システム上で所定の処理を実現するようにコンピュータ可読形式で記述されたコンピュータ・プログラムを定義したものである。換言すれば、本発明の第２の側面に係るコンピュータ・プログラムをコンピュータ・システムにインストールすることによってコンピュータ・システム上では協働的作用が発揮され、無線通信装置として動作する。このような無線通信装置を複数起動して無線ネットワークを構築することによって、本発明の第１の側面に係る無線通信システムと同様の作用効果を得ることができる。

本発明によれば、制御局と被制御局の関係を有しないで各通信局がＣＳＭＡなどのキャリア検出若しくはメディア状態の監視に基づくランダム・アクセス動作を自律分散的に行なうことにより無線ネットワークを好適に構築することができる、優れた無線通信システム、無線通信装置及び無線通信方法、並びにコンピュータ・プログラムを提供することができる。

また、本発明によれば、複数の通信チャネルが用意されている通信環境下において、近隣の無線システムが干渉し合うことなく特定の制御局の介在なしに自律分散型の無線ネットワークを形成することができる、優れた無線通信システム、無線通信装置及び無線通信方法、並びにコンピュータ・プログラムを提供することができる。

また、本発明によれば、ネットワークへの負荷を少なくしつつ、通信チャネルの利用状況などに応じて各通信局が動的且つ自律的に通信チャネルを切り替えていきながら、マルチチャネル自律分散型の無線ネットワークを形成することができる、優れた無線通信システム、無線通信装置及び無線通信方法、並びにコンピュータ・プログラムを提供することができる。

本発明によれば、ネットワークの境界があいまいとなる自律分散無線ネットワークにおいて、複数のチャネルを共用することが容易になる。

また、本発明によれば、チャネルの利用状況や、他チャネルからの干渉量を基に、ビーコン送信チャネルと無関係にデータ送信チャネルを動的に割り当てることで、被干渉量を減らすことができる。

また、本発明によれば、ネットワークの移動や新たな通信局の発生に伴うネットワークの動的な変動に対し、必要最小限の通信局のみがチャネルを切り替えることにより衝突の問題を解消することが可能となり、不要なチャネル切り替え作業が軽減される。

また、本発明によれば、送信局はパケット単位で動的にチャネルを選択しても受信局はこれに追従することができる。したがって、パケット単位でのチャネルの動的な切り替えにより通信可能な通信局数を増やすことが可能となる。

また、本発明によれば、複数のチャネルを使用したパケットのプリアンブル部分のみを同一の周波数チャネルとし、符号やホッピング・パターンによってチャネルを識別子とすることで、複数チャネルのパケット検出が容易となる。また、分散ビーコン・システムにおいて、周辺局同士で同じ時刻（スロット）に複数のビーコンを配置しないという制限を加えた場合には、ビーコンを探索するスキャン動作も１チャネル分だけ行えば良いことになる。

また、本発明によれば、通信局は、複数のプリアンブル・パターンをそれぞれ検出する検出器を並列的に動作させることで、最もＳＩＮＲの大きなパケットのみを選択的に受信することが可能となる。

また、本発明によれば、送信側が利用するチャネルとスロットをあらかじめ受信側に伝えておくことで、異なるチャネルのパケットが時間的に衝突した場合であっても、受信ＳＩＮＲが要求を満たせば選択的にいずれかのパケットを受信することが可能となる。

本発明のさらに他の目的、特徴や利点は、後述する本発明の実施形態や添付する図面に基づくより詳細な説明によって明らかになるであろう。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳解する。

本発明において想定している通信の伝搬路は無線であり、且つ複数の通信チャネルすなわちマルチチャネルからなる伝送媒体を用いて、複数の通信局間でネットワークを構築する。本発明で想定している通信は蓄積交換型のトラヒックであり、パケット単位で情報が転送される。

従来のマルチチャネル通信システムでは、同一の周波数チャネル又は符号チャネルで通信チャネルを構成し、１つの通信局群で同一の通信チャネルを割り当てるということが多い。これに対し、本発明に係る無線通信システムでは、パケット単位で通信チャネルを動的に割り当てることにより、通信可能な通信局数を増やすことが可能となる。

本発明では、使用する通信チャネルを検出できるようにパケットのプリアンブル・パターンを構成するようにしている。これにより、送信局がパケット単位で動的にチャネルを選択しても、受信局はパケット単位でこれに追従することができる。受信局はこれに追従することができる（後述）。

本発明に係る無線ネットワークでは、各通信局は、ＣＳＭＡに基づくアクセス手順に従い直接（ランダム）に情報を伝送し、自律分散型の無線ネットワークを構築することができる。

制御局と被制御局の関係を有しない自律分散型の無線通信システムでは、例えば、各通信局はビーコン情報を報知することにより、近隣（すなわち通信範囲内）の他の通信局に自己の存在を知らしめるとともに、ネットワーク構成を通知する。また、ある通信局の通信範囲に新規に出現した通信局は、ビーコン信号を受信することにより、通信範囲に突入したことを検知するとともに、ビーコンに記載されている情報を解読することによりネットワーク認識し、ネットワークに参入することができる。

本発明に係る無線ネットワークでは、通信局同士のビーコン信号の交換により互いに緩やかに時間同期して、時分割多重アクセス構造を持った伝送（ＭＡＣ）フレームによりチャネル・リソースを効果的に利用した伝送制御が行なわれる。したがって、各通信局は、自律動作しながらも、周辺局に対し帯域を予約する、あるいは優先利用期間を設定するなど時間同期をベースにしたアクセス方式を行なうことができる。

以下に説明する各通信局での処理は、基本的にはネットワークに参入するすべての通信局で実行される処理である。但し、場合によっては、ネットワークを構成するすべての通信局が、以下に説明する処理を実行するとは限らない。

Ａ．無線通信装置の構成
図１には、本発明の一実施形態に係る無線ネットワークにおいて通信局として動作する無線通信装置１００の機能構成を模式的に示している。図示の無線通信装置１００は、複数の通信チャネルが用意されている通信環境下において、同じ無線システム内では効果的にチャネル・アクセスを行なうことにより、他の無線システムと干渉し合うことなく適当なアドホック・ネットワークを形成することができる。

無線通信装置１００は、インターフェース１０１と、データ・バッファ１０２と、中央制御部１０３と、ビーコン生成部１０４と、制御信号生成部１０５と、無線送信部１０６と、タイミング制御部１０７と、チャネル設定部１０８と、アンテナ１０９と、無線受信部１１０と、制御信号解析部１１１と、ビーコン解析部１１２と、情報記憶部１１３とで構成される。

インターフェース１０１は、この無線通信装置１００に接続される外部機器（例えば、パーソナル・コンピュータ（図示しない）など）との間で各種情報の交換を行なう。

データ・バッファ１０２は、インターフェース１０１経由で接続される機器から送られてきたデータや、無線伝送路経由で受信したデータをインターフェース１０１経由で送出する前に一時的に格納しておくために使用される。

中央制御部１０３は、送信パケットの生成や受信パケットの解析を始めとする無線通信装置１００における一連の情報送信並びに受信処理の管理、伝送路のアクセス制御（マルチチャネルにおけるスキャン設定動作やチャネル設定動作、ビーコン受信動作、ＲＴＳ／ＣＴＳ方式に則ったデータ通信動作などを含む）などを通信機としての動作制御を一元的に行なう。

ビーコン生成部１０４は、近隣にある無線通信装置との間で周期的に交換されるビーコン信号を生成する。

制御信号生成部１０５は、データ送信に先立ち、必要に応じて送信要求（ＲＴＳ）信号や確認通知（ＣＴＳ）信号などの制御情報を生成する。

アンテナ１０９は、信号を選択された通信チャネル上で他の無線通信装置宛てに無線送信し、あるいは他の無線通信装置から送られる信号を収集する。本実施形態では、単一のアンテナを備え、送受信をともに並行しては行なえないものとする。また、同時刻に複数の通信チャネルをハンドルすることはできないものとする。

無線送信部１０６は、送信信号を所定の変調方式で変調する変調器や、パケットのプリアンブル部の付加、デジタル送信信号をアナログ信号に変換するＤ／Ａ変換器などのＰＨＹ部と、アナログ送信信号を周波数変換してアップコンバートするアップコンバータ、アップコンバートされた送信信号の電力を増幅するパワーアンプ（ＰＡ）などのＲＦ部（いずれも図示しない）を含み、データ・バッファ１０２に一時格納されているデータやビーコン信号などを所定の伝送レートにて無線送信する。

無線受信部１１０は、アンテナ１０９を介して他局から受信した信号を電圧増幅する低雑音アンプ（ＬＮＡ）や、電圧増幅された受信信号を周波数変換によりダウンコンバートするダウンコンバータ、自動利得制御器（ＡＧＣ）などのＲＦ部と、アナログ受信信号をデジタル変換するＡ／Ｄ変換器、パケットのプリアンブル部の検出、同期獲得のための同期処理やチャネル推定、所定の復調方式により復調処理する復調器などのＰＨＹ部（いずれも図示しない）で構成され、所定の時間に他の無線通信装置から送られてきた情報やビーコンなどの信号を受信処理する。

図２には、無線受信部１１０の機能構成を模式的に示している。図示の例では、無線受信部１１０は、プリアンブル検出部１１０−１と、同期獲得及び保持部１１０−２と、データ復調部１１０−３で構成される。プリアンブル検出部１１０−１は、受信フレームの先頭のプリアンブル部分を検出する。同期獲得及び保持部１１０−２は、このプリアンブル検出結果を基に、受信フレームの同期を獲得し、これをデータ復調部１１０−３に出力する。そして、データ復調部１１０−３は、獲得した同期に従って、ヘッダ部以降の受信信号の復調処理を行なう。

無線送信部１０６及び無線受信部１１０における無線送受信方式は、例えば無線ネットワークに適用可能な、比較的近距離の通信に適した各種の通信方式を適用することができる。具体的には、ＵＷＢ（Ｕｌｔｒａ Ｗｉｄｅ Ｂａｎｄ）方式、ＯＦＤＭ（Ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ：直交周波数分割多重）方式、ＣＤＭＡ（Ｃｏｄｅ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ａｃｃｅｓｓ：符号分割多元接続）方式などを採用することができる。

タイミング制御部１０７は、無線信号を送信並びに受信するためのタイミングの制御を行なう。例えば、自局のビーコン送信タイミングや周辺局からのビーコン受信タイミング、各通信チャネルにおけるスキャン動作周期、ＲＴＳ／ＣＴＳ方式に則った各パケット（ＲＴＳ、ＣＴＳ、データ、ＡＣＫなど）の送信タイミング（フレーム間スペース（ＩＦＳ））などを制御する。

チャネル設定部１０８は、マルチチャネル方式の無線信号を実際に送受信する通信チャネルを選択する。本実施形態では、パケット単位で通信チャネルを切り替えることができる。

制御信号解析部１１１は、周辺の無線通信装置から送られてきたＲＴＳ信号やＣＴＳ信号などの制御情報を解析する。

ビーコン解析部１１２は、周辺局から受信したビーコン信号を解析し、近隣の無線通信装置の存在などを解析し、得られた情報を近隣装置情報として情報記憶部１１３に格納する。

情報記憶部１１３は、中央制御部１０３において実行される一連のアクセス制御動作などの実行手順命令や、自己のビーコン送信タイミングやビーコン送信チャネル、他の通信局のビーコン送信タイミングやビーコン送信チャネルなどのマルチチャネル情報、近隣装置情報などを蓄えておく。

Ｂ．プリアンブル・パターンの構成方法
本発明では、パケット単位で通信チャネルを割り当てる。そして、使用する通信チャネルを検出できるようにパケットのプリアンブル・パターンを構成することにより、送信局がパケット単位で動的にチャネルを選択しても、受信局はパケット単位でこれに追従できるようにした。パケット単位での通信チャネルの動的な切り替えにより、通信可能な通信局数を増やすことが可能となる。

Ｂ−１．拡散符号を用いたチャネル分離
まず、通信チャネルが符号（拡散符号）で分けられている場合について考える。この場合、すべての通信チャネルが同じ周波数帯を利用しているので、無線受信部１１０のＲＦ部では１つの周波数帯を受信できれば良い。また、ＰＨＹ部内のプリアンブル検出部１１０−１では、すべての通信チャネルに相当する拡散符号とその相関器を備える。

図３には、この場合のプリアンブル検出部１１０−１の構成例を示している。図示の通り、拡散符号で分けられている通信チャネルＣＮ１〜ＣＮ４毎に相関器１１〜１４が設けられ、各相関器１１〜１４はそれぞれの通信チャネルに割り当てられた拡散符号との相関値を出力する。比較回路１５では、相関値と所要ＳＩＮＲなどによって定められた閾値とを比較する。そして、閾値よりも大きい場合はプリアンブルを検出できたとみなし、データの復調を開始する。

なお、ヘッダ部以降のデータに用いた拡散符号がプリアンブルに用いた拡散符号と同じ場合である場合には、データの復調時においても、使用する通信チャネルに対応する相関器の出力をそのまま用いても良い。その際、不要な相関器との接続を断ち、閾値との比較回路１５をバイパスすればよい。

以上のように、拡散符号をチャネルとし、すべて同じ周波数チャネルを用いる場合には、Ｍ−ａｒｙ ＳＳ方式の受信回路と同様の構成となる。

続いて、通信チャネルが周波数で分けられている場合について考える。この場合のプリアンブルの構成方法は、符号で通信チャネルを分ける場合よりも複雑となる。以下では、制御チャネルとデータ・チャネルを分離する方法、及び周波数ホッピングを用いる方法についてそれぞれ説明する。

Ｂ−２．制御チャネルとデータ・チャネルを分離する方法
ここでは、パケットのプリアンブル部の送信に使用する制御チャネルと、パケットのデータ部の送信に使用するデータ・チャネルを設ける。制御チャネルには、単一の周波数帯を使用する。一方、データ・チャネルは、使用する周波数帯の相違により分離される複数の周波数チャネルで構成される。

また、制御チャネルには、データ・チャネルと同じ数だけの拡散符号を用意し、それぞれの拡散符号は、データ・チャネルの各周波数帯と１対１で対応している。すなわち、データ・チャネルにおいて使用する周波数チャネルと１対１で対応する拡散符号によって、プリアンブル・パターンが決められる。

パケットの送信側では、パケット内のプリアンブル部分は制御チャネルで送信され、続くデータ部分はプリアンブルの拡散符号に相当するデータ・チャネルで送信される。プリアンブル部分とデータ部分のチャネル切り替えは、周波数ホッピング拡散方式と同様の手法で行なわれる。

図４には、プリアンブル部分とデータ部分のチャネル切り替えを行なっている様子を示している。図示の例では、制御チャネルには周波数帯ｆ０を使用し、データ・チャネルは周波数帯の相違により分離される複数の周波数チャネルｆ１〜ｆ５で構成される。時間軸上で、３つのパケットが連続して送信されているが、いずれのパケットのプリアンブル部も、制御チャネルｆ０上で伝送される。そして、各々のプリアンブル部は、それぞれ後続のデータ部を伝送する周波数チャネルと１対１で対応する拡散符号Ｐ０、Ｐ５、Ｐ３を用いて拡散されたプリアンブル・パターンとなっている。

送信局は、データ・チャネルにおいて使用する周波数チャネルと１対１で対応する拡散符号によって決められるプリアンブル・パターンを送信した後、この拡散符号に対応する周波数チャネルからなるデータ・チャネルにおいてパケットのデータ部を送信する。これに対し、受信局は、受信したプリアンブル・パターンと、各周波数チャネルに相当するそれぞれの拡散符号との相関を並列的に求める。そして、各相関値との閾値比較に基づいて拡散符号を検出し、検出した拡散符号に相当する周波数チャネルでパケットのデータ部を受信処理する。

この場合、無線受信部１１０におけるプリアンブル検出器１１０−１は、図３と同様の回路で実現することができる。すなわち、拡散符号で分けられている通信チャネル毎に相関器が設けられ、各相関器はそれぞれの通信チャネルに割り当てられた拡散符号との相関値を出力する。比較回路では、相関値と所要ＳＩＮＲなどによって定められた閾値とを比較する。そして、閾値よりも大きい場合はプリアンブルを検出できたとみなし、データの復調を開始する。

プリアンブルにＭ系列などの自己相関特性の高い系列を用いることで受信タイミングの精度を上げることができ、そのタイミングを基にして周波数ホッピングし、データ部の復調を行なう。プリアンブル・パターンに相互相関特性の良いものを選ぶことで、異なるチャネルのプリアンブルが重複しても、大きな干渉を受けずにプリアンブルの検出が可能となる。

Ｂ−３．周波数ホッピングを用いる方法
本発明では、パケット単位での通信チャネルの動的な切り替えにより、通信可能な通信局数の増加を図るものである。上述した各方法では、１つの通信チャネルは同一の周波数チャネル又は符号チャネルで構成され、パケット内では周波数又は拡散符号で分離される単一のチャネルのみを使用している。

これに対し、本実施形態では、シンボル毎に直交分離チャネルを切り替える固有のホッピング・パターンにより各通信チャネルを定義するようにした。この場合、ホッピング・パターンの相違により、複数の直交分離チャネルを利用した複数の通信チャネルを構成することができる。パケットは、シンボル毎に周波数チャネルが切り替わるが、切り替わるホッピング・パターン自体が通信チャネルを形成する。ここで言う直交分離チャネルは、例えば周波数帯域が異なる周波数チャネルや、拡散符号の相違により直交可能な符号チャネル、空間直交された空間チャネルなどを含み、ホッピングを行なうためのチャネル分離の方法は特に限定されない。

例えば、ＩＥＥＥ８０２．１５．３ａの候補であるＭＢ−ＯＦＤＭ（Ｍｕｌｔｉ-Ｂａｎｄ ＯＦＤＭ）方式では、続いて、周波数ホッピング・パターン（ＴＦコード）で分離されたチャネルについて考察されている（例えば、ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｍｕｌｔｉｂａｎｄｏｆｄｍ．ｏｒｇ／ｐａｐｅｒｓ／１５−０３−０２６８−０３−００３ａ−Ｍｕｌｔｉ−ｂａｎｄ−ＣＦＰ−Ｄｏｃｕｍｅｎｔ．ｐｄｆを参照のこと）。

図５には、周波数ホッピング系列により構成されるマルチチャネルの一例を示している。同図に示す例では、３つの周波数帯ｆ０〜ｆ２を用い、これら周波数帯を利用してホッピング・パターンにより、ＣＮ１からＣＮ４までの４つのチャネルを分離している。また、シンボル毎にホッピングが行なわれ、６シンボルで１周期となるホッピング・パターンが用いられている。通信チャネルＣＮ１は、シンボル毎に周波数帯をｆ０、ｆ１、ｆ２の順で切り替えるというホッピング・パターンにより分離される。また、通信チャネルＣＮ２は、シンボル毎に周波数帯をｆ０、ｆ２、ｆ１の順で切り替えるというホッピング・パターンにより分離される。また、通信チャネルＣＮ３は、シンボル毎に周波数帯をｆ０、ｆ０、ｆ１、ｆ１、ｆ２、ｆ２の順で切り替えるというホッピング・パターンにより分離される。また、通信チャネルＣＮ４は、シンボル毎に周波数帯をｆ０、ｆ０、ｆ２、ｆ２、ｆ１、ｆ１の順で切り替えるというホッピング・パターンにより分離される。

パケットの送信局は、パケット内のプリアンブル及びデータは、各通信チャネルとして定義されたホッピング・パターンに従って送信する。そして、パケットの受信局でパケット毎の通信チャネル（すなわち、ホッピング・パターン）の切り替わりに追従できるように、送信局からは、ホッピング・パターンと１対１で対応するプリアンブル・パターンを、基本となる１つの周波数チャネル（例えば、図５中の周波数帯ｆ０）上で送信するようにする。このような場合、パケットを受信する通信局は、プリアンブル部では周波数チャネルをホッピングする必要はなく、この基本となる周波数チャネル上でプリアンブル部を受信し、得られたプリアンブル・パターンに基づいてホッピング・パターンを識別することができる。そして、以後のデータ部では、識別されたホッピングを行なうことで、データの受信並びに復調が可能となる。

なお、ＭＢ−ＯＦＤＭ方式（前述）においても、プリアンブル・パターンとホッピング・パターンを１対１対応にさせる点が記載されている。

ここで、ホッピング・パターンと１対１で対応するプリアンブル・パターンを構成する方法について２種類の例を挙げて説明する。１つ目の例は、プリアンブルに各チャネルに対応した拡散符号を割り当てる方法であり、ＭＢ−ＯＦＤＭ方式（前述）で採用されている。

この場合、パケットを送信する通信局は、ホッピング・パターンに１対１で対応する拡散符号によって決められるプリアンブル・パターンを基本となる１つの直交分離チャネル上で送信する。これに対し、パケットを受信する通信局では、基本となる周波数帯ｆ０において、各ホッピング・パターンに相当する拡散符号との相関を並列的に求め、各相関値との閾値比較に基づいて拡散符号を検出し、以降のデータ部では、検出した拡散符号に相当するホッピングを行なうことでデータ部の受信並びに復調が可能となる。

すなわち、拡散符号で分離されたチャネルでマルチチャネルを構成する場合と同様に、図３に示したようなプリアンブル検出回路を用いてホッピング・パターンを検出することができる。ホッピング・パターンと１対１で対応する拡散符号毎に相関器が設けられ、各相関器はそれぞれの通信チャネルに割り当てられた拡散符号との相関値を出力する。比較回路では、相関値と所要ＳＩＮＲなどによって定められた閾値とを比較する。そして、閾値よりも大きい場合はプリアンブルを検出できたとみなし、データの復調を開始する。また、プリアンブルが複数のシンボルで構成される場合には、相関値をシンボル毎に累積加算することで、判定結果をより確からしくすることが可能となる。但し、ホッピング・パターンに応じた累積加算が必要となる。

続いて、プリアンブル・パターンを構成する２つ目の方法について説明する。ここでは、拡散符号に相当するプリアンブル・パターンはすべての通信チャネルで共通に１つのものを用いる。これによって受信側で用意すべき拡散符号の相関器を１つにすることが可能となる。そして、通信チャネルの分離はプリアンブル・パターンに信号を重畳することで実現する。

図６には、１つの拡散符号を用いて構成されるプリアンブル・パターンの構成例を示している。同図中で、網が掛けられた１つの周波数チャネル（例えば、図６中の周波数帯ｆ０）でプリアンブルを検出するものとする。また、同図では、シンボル毎にホッピングが行なわれ、６シンボルで１周期となるホッピング・パターンが用いられている。１周期に周波数帯ｆ０にホップするシンボルが２つある。ＣＮ１とＣＮ２、ＣＮ３とＣＮ４を識別するために、ＣＮ１及びＣＮ３では拡散符号に情報１を重畳し、ＣＮ２及びＣＮ４には、２シンボルに対してそれぞれ異なる情報１及び−１を重畳する。情報を載せる方法としては、ＢＰＳＫなどが挙げられる。

図７には、受信機におけるプリアンブル検出部の構成例を示している。図示の例では、図６に示したプリアンブル・パターンのうち、ＣＮ１及びＣＮ２に対応するプリアンブルを検出するための構成を備えている。ここで、Ｎは累積加算するプリアンブル・シンボル数を周波数帯の数３で割った値である。ｆ０において共通の拡散符号の相関器を用いて信号を受信する。ＣＮ１とＣＮ２は３シンボル毎にｆ０を用いているので、３シンボル毎のタップ付き遅延線で相関値を累積加算する。その結果をピーク判定して、信号の存在を認識し、シンボル・タイミングを決定する。ピーク判定はプリアンブル・パターンの構成方法に依存するが、ＳＩＮＲによる閾値判定などの方法がある。なお、図中に示したように、ＣＮ２の場合は、３シンボル遅延毎に相関器出力を反転してから加算する。また、図７に示したプリアンブル検出部は、図８のように構成することも可能である。

ＣＮ３及びＣＮ４に対応するプリアンブル検出部は、図７及び図８に示したタップ付き遅延線のパラメータを変更することで構成することができる。連続する６シンボルのうち、始めの２シンボルを取り出して累積加算するようにタップを構成すればよい。

図９には、１つの通信チャネルに対応したプリアンブル検出器の構成を一般化して示している。以下の表１に示すように、パラメータα及びβを決定することで、図６に示したＣＮ１〜ＣＮ４のいずれの通信チャネルにも対応することができる。

各受信機は、各チャネルに対応した図７乃至は図９に示したプリアンブル検出器を通信チャネルの数だけ備え、それらを並列動作させることで、各通信チャネルを利用したパケットを受信することができる。

図１０には、複数の相関器を動作させて、パケット毎に通信チャネルが切り替えられるデータ伝送に追従するための受信動作の手順をフローチャートの形式で示している。但し、データ伝送は、スロットと呼ばれる時間単位で行なわれるものとする。

まず、現在のスロットにおいて通信チャネルが指定されているかどうかを判別する（ステップＳ１）。

通信チャネルが指定されている場合には、指定された通信チャネルに対応する相関器のみを動作させる（ステップＳ２）。ここで、閾値を超える相関器の出力がない場合には（ステップＳ３）、ステップＳ２に戻る。

一方、通信チャネルが指定されていない場合には、すべての通信チャネルに対応する相関器を並列的に動作させ（ステップＳ４）、閾値を超える相関器の出力があるかどうかを判別する（ステップＳ５）。ここで、閾値を超える相関器の出力がない場合には、ステップＳ４に戻る。また、閾値を超える相関器の出力がある場合には、対応する通信チャネルを受信チャネルに設定する（ステップＳ６）。

そして、ステップＳ２又はＳ６で設定された受信チャネルにおいて、パケットのデータ部の受信を行なう（ステップＳ７）。

Ｃ．通常のパケット受信方法
この項では、異なる通信チャネルで送信された複数のパケットが時間的に重なって受信された場合の挙動について説明する。

図１１には、ある通信局に、ＣＮ１及びＣＮ２の各通信チャネルからパケットが時間的に重なって到達した様子を示している。但し、ＣＮ１のプリアンブル部の方が先に到来するものとし、ＣＮ１では時刻ｔ１で、ＣＮ２では時刻ｔ２で、それぞれのデータ部が到達する。

このとき、パケットが到来した通信局では、すべての通信チャネルに対するプリアンブル検出器が動作している。２つのパケットが重なっていなかった場合には、時刻ｔ１で通信チャネルＣＮ１上のパケットを、時刻ｔ２で通信チャネルＣＮ２上のパケットを検出することができる。そして、パケットが検出されると、プリアンブル検出部は動作を停止し、該当する通信チャネルでのデータ部の受信動作に移る。

通信チャネルＣＮ１及びＣＮ２のパケットの双方がプリアンブル検出の閾値を超える場合、ＣＮ１上における伝送パケットのプリアンブル部が時刻ｔ１で先に検出され、ＣＮ１上におけるパケットのデータ部の受信動作に移る。この場合、時刻ｔ２では既にプリアンブル検出部は動作していないため、ＣＮ２上で送信されるパケットは受信されないことになる。

一方、ＣＮ１上におけるプリアンブル検出が閾値を満たさず、ＣＮ１上におけるデータ部の受信動作が起動しなかった場合、ＣＮ２上において後から送信されたプリアンブルが検出されたときには、ＣＮ２上においてパケットのデータ部の受信動作に移ることができる。

以上のように、受信パケットのチャネル情報が未知の場合には、時間的にパケットが重なったときには、最も早く検出されたパケットが受信対象となる。

Ｄ．ビーコンに使用するチャネルの選定方法
上述したように、制御局と被制御局の関係を有しない自律分散型の無線通信システムでは、各通信局はビーコン情報を報知することにより、周辺局とネットワーク情報を共有するとともに、互いのビーコン送信タイミングにより緩やかに時間同期し、時分割多重アクセス構造を持った伝送（ＭＡＣ）フレームによりチャネル・リソースを効果的に利用した伝送制御を実現することができる。ここでは、分散ビーコンを使用した自律分散ネットワークについて考える。

複数の通信チャネルを備えたマルチチャネル・システムでは、１つの通信局が複数の通信チャネルを使用することができる。このため、ビーコンを送信するチャネルとデータ・パケットを送信するチャネルが異なる場合がある。そこで、本発明では、データ・パケットを送信するチャネルと無関係にビーコンを送信するチャネルを選定することを許容する。以下では、ビーコンに使用するチャネルの選定方法について、例を挙げながら説明する。

まず１つ目の例として、最も多くビーコンに使われているチャネルをビーコン送信チャネルにする方法が挙げられる。通信局数が１つの通信チャネル内の最大参加局数に満たない場合には、すべての通信局が同一のチャネルをビーコンに利用することになる。したがって、省電力モードなどでビーコンだけを受信したい場合には、動作させる相関器の数を１つにすることができ、消費電力を削減することが可能となる。

２つ目の例として、逆にビーコンが最も少ないチャネルをビーコン送信チャネルにする方法が挙げられる。この場合、１通信チャネル当たりのビーコン数が少なくなることから、通信局は単一の通信チャネルを連続して確保し易くなる。これは、動画などのストリーミング伝送あるいは帯域を保証することが望まれるその他の伝送方式に適している。

また、３つ目の例として、自局が主に通信したい通信局のビーコン送信チャネルと同じチャネルを用いる方法が挙げられる。この方法によれば、１つ目の方法と同様に、動作させるプリアンブル検出器の数を減らせる可能性がある。

また、４つ目の例として、現在のチャネル状況に関わらず、ランダムにチャネルを選択する方法が挙げられる。

上記のいずれの方法であっても、ビーコン送信チャネルが決まったら、そのチャネルの利用状況をスキャンし、ビーコン間隔が最も大きい時間帯の中央の時刻をビーコン送信時刻とする。また、ネットワークの移動や新規通信局の参加などに応じて、ビーコン送信チャネルを上で述べた方法に従って動的に切り替えても良い。

Ｅ．送信チャネルの事前通知方法とそのときのパケット受信方法
本発明では、パケット単位で送信チャネルを自由に選択することができる。このため、通信チャネルを固定して使用する従来のシステムとは相違し、通信局はチャネルの使用範囲（セルラーで言うところのセル）を明確にする必要がなく、チャネルの場所的繰り返し利用が容易になるという利点がある。しかし一方で、受信側にとって見れば、どのチャネルで自分宛てのパケットが到着するか分からない。このため、すべての通信チャネルでプリアンブル検出器を動作させる必要があり、省電力モードにはあまり適していない。この項では、このような問題に対処するために、送信チャネルを事前に受信側に通知し、決められたチャネルを利用した送受信の方法について説明する。

図１２には、送信チャネルの事前通知によりパケット伝送を行なう動作手順の一例を示している。同図に示す例では、通信局ａはビーコン送信チャネルにＣＮ１を利用しているものとし、通信局ｂが通信局ａにパケットを送信する場合について考える。

通信局ｂは、通信局ａのビーコンを受信すると、ある一定の区間内ｔ１で送信要求パケット（ＴｘＲｅｑ）をビーコンと同じ通信チャネルＣＮ１上で送信する。ここで、ｔ１は通信局ａが受信動作を行なっている区間を表しており、この区間に到達した通信局ａ宛てのパケットは通信局ａに受信されることを意味する。なお、ｔ１の区間では、通信局ａは通信チャネルＣＮ１上に対応するプリアンブル検出器のみ動作させればよい。

送信要求パケットＴｘＲｅｑには、送信したいパケットのチャネル占有時間、使用する通信チャネル、使用スロット（利用する帯域）の情報が載せられている。通信局ａは、そのパケットの受信を受け付ける場合には、Ａｃｋパケットを同じ通信チャネルＣＮ１上で送信する。

以上のようにして、通信局ａと通信局ｂは互いに送受信すべき時間（ｔ２）とデータ・チャネル（ＣＮ３）を共有することができ、データの送受信を正しく行なうことが可能となる。例えば、複数の通信チャネルの空き情報や、他の通信チャネルにおける干渉量に基づいて、通信チャネルを事前に切り替えるようにする。

図示の例では、通信局ａと通信局ｂ間では、通信チャネルＣＮ３における隠れ端末問題を解消するために、ＲＴＳ／ＣＴＳ手順に従って帯域を確保し、データ・パケットの送信が行なわれている。但し、これに限定されず、共有する通信チャネルＣＮ３上で、通常のＣＳＭＡ手順に基づいてデータ・パケットの送受信を行なうようにしてもよい。

なお、データ送受信を行なうｔ２の区間では、利用チャネルが既知であるので、双方の通信局ａ及び通信局ｂとも、ＣＮ３に対するプリアンブル検出器のみ動作させればよい。したがって、他のチャネルで送信されたパケットが希望するパケットと時間的に重なっていた場合であっても、希望するパケットのみを検出し受信することができる。

また、図１２に示した例では、送信要求パケットＴｘＲｅｑをＲＴＳ／ＣＴＳ手順における送信要求パケットＲＴＳと分けて構成している。但し、ＴｘＲｅｑは実質的にＲＴＳ、区間ｔ１におけるＡｃｋはＣＴＳの役割をそれぞれ果たしているとみなし、区間ｔ２におけるＲＴＳとＣＴＳの送受信を省略してもよい。また、通信チャネルＣＮ３上であらかじめ帯域予約を行なっておき、その情報をビーコンに載せて送信することで、ＴｘＲｅｑ及び区間ｔ１におけるＡｃｋを省略することも可能である。これらによってパケット送受信のオーバーヘッドを減らし、スループットの向上を図ることができる。

Ｆ．データ送信チャネルの選択方法
上述したように、本発明に係るマルチチャネル・システムでは、送信局はパケット単位で通信チャネルを選択することができる。この項では、データ送信チャネルの送信方法について幾つかを例示する。

図１３には、各通信局が送信に使用する通信チャネルの割当てを行なう様子を模式的に示している。同図において、黒丸がＭＴ（通信局）を表し、ＭＴ間を結ぶ矢印は通信チャネル並びにデータ・パケットの送信方向を表している。また、ＣＮに付される番号はデータ通信に利用する通信チャネルの識別番号を表しているものとする。

データ送信チャネルの送信方法についての１つ目の例は、通信相手及びその通信方向毎に単一の通信チャネルを用いる方法である（図１３（ａ）を参照のこと）。また、２つ目の例は、１対の通信局間において双方向で単一の通信チャネルを用いる方法である（図１３（ｂ）を参照のこと）。このように、あらかじめ通信相手と通信チャネルを決定しておけば、動作させるべきプリアンブル検出器の数を減らすことが可能となり、消費電力を低減することができる。

ここで、通信チャネルの選択基準としては、前述のビーコンのチャネル選択基準と同様に、チャネル利用状況が最も少ないチャネルを選択する方法や、ビーコンと同じチャネルを選択する方法、干渉電力が最も小さいチャネルを選択する方法、連続した空きスロット数の多いチャネルを選択する方法、ランダムにチャネルを選択する方法などが挙げられる。

以上のようにパケット単位のチャネル選択を行なうことで、図１９に示したように異なる通信チャネルを利用する複数のネットワークが交錯する通信環境下で通信局が新規参入してきたという事態にも、柔軟に対応することが可能となる。例えば、前述した図１９において、ＳＴＡ６は、ＳＴＡ１と通信するときはＩＢＳＳ０で利用する通信チャネルを、ＳＴＡ５と通信するときはＩＢＳＳ１で利用するチャネルを用いることで、他の通信局の利用チャネルの変更を伴うことなく、ＳＴＡ１及びＳＴＡ５と通信することが可能となる。

また、複数の通信チャネルを使うことで、伝送フレーム周期と最小ビーコン間隔で決まる最大通信局数を超える通信局と通信することが可能となる。但し、１つの伝送フレーム周期中に受信できるビーコンの数は、従来と同じく、１通信チャネルの最大通信局数と同じになる。

Ｇ．チャネル状況の把握
通信局は、ビーコン及びデータ・パケットのチャネルを選択するために、各通信チャネルにおける利用状況（帯域の空き状況）を把握するための処理、すなわちスキャン動作を行なう必要がある。この項では、チャネル利用状況を把握するスキャン方法について説明する。

本発明において適用されるプリアンブル検出器（図３、図７〜図９を参照のこと）をそのまま用い、すべての通信チャネル分だけ並列に動作させてチャネル利用状況をスキャンする。この場合、パケットが時間的に重なった場合には、先に到着したパケットしか受信することができない（前述）。そこで、取得したい情報に応じて、以下の２種類のいずれかの方法によりスキャン動作を行なうようにする。

１つ目は、通信チャネル毎にスキャンを行なう方法である。伝送フレーム周期毎に動作させるプリアンブル検出器を変えて単一のチャネルをスキャンする。通信チャネル数だけの伝送フレーム周期をスキャンすることで、すべての通信チャネルの利用状況を把握することができる。すべての通信チャネルをスキャンするには比較的長い時間を要するが、各パケットの受信が可能なので、ビーコン内の情報や各パケットの宛て先など、詳細な利用状況を知ることができる。パケットの予約や、ネットワークの変動の調査、ビーコン情報の取得時などにこのスキャン方法を用いる。

２つ目は、プリアンブルの検出だけスキャンを行なう方法である。すべてのプリアンブル検出器を並列に動作させ、検出されたプリアンブルのスロット位置とチャネルをスロット×チャネル数のテーブルなどに保持する。この場合、１つ伝送フレーム周期だけのスキャンだけですべてのチャネルのパケット位置と個数を検出することができる。しかし、複数チャネルのパケットを同時に復号できないため、ビーコン情報などの取得はできない。チャネル毎のパケット数や干渉量の簡易な測定などにこのスキャンを用いる。

通信局は、これら２つのスキャンを併用するようにしてもよい。例えば、高い頻度で２つ目のスキャンを行ない、その合間に低い頻度で１つ目のスキャンを行なうことなどが考えられる。

なお、同一時刻（スロット）に複数のビーコンを送信してはならないという制約を付けた場合には、異なるチャネルのビーコンが時間的に重なることがないため、スキャン動作は１フレーム分だけ行なえば良い。

Ｈ．チャネル再割当てを用いた干渉抑圧方法
この項では、チャネルの動的再割当てを用いて他の通信局からの干渉量を減らす方法について説明する。

図１４には、チャネルの再割当てを用いて通信局間での干渉を抑制する様子を模式的に示している。同図に示す例では、４台の通信局Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄが存在し、通信局Ａと通信局Ｂ、並びに通信局Ｃと通信局Ｄがそれぞれ通信を行なっている。ここで、通信局Ｃが通信局Ｄ宛てに動画のようなストリーミング伝送を行なっていたとする。通信チャネルが通信局Ｃの送信でほぼ埋まっており、通信局Ｃと通信局Ａ及び通信局Ｂ間の距離が干渉を受ける程度に近い場合には、通信局Ａと通信局Ｂにおいて受信ＳＩＮＲが所要ＳＩＮＲを満たさず，通信できない場合が存在する（図１４（ａ）を参照のこと）。

そこで、通信相手との距離（受信電力）を測定し、所要ＳＩＮＲを満たす最小の電力でパケットを送信する方法が対策として検討されている。すなわち、送信電力制御（ＴＰＣ：Ｔｒａｎｓｍｉｔ Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｎｔｒｏｌ）である。また、プリアンブル検出時の閾値を調整し、希望のパケットのみ検出できるようにすることによって、干渉となるパケットのプリアンブルを検出しないようにすることも合わせて検討されている（プリアンブル検出用閾値調整と呼ぶ）。これらの技術を用いることで所要ＳＩＮＲを満たし易くなり、通信局Ａと通信局Ｂ間の通信が可能になる場合がある（図１４（ｂ）を参照のこと）。

しかし、通信局Ａ及び通信局Ｂと通信局Ｃの間が通信局Ａと通信局Ｂ間及び通信局Ｃと通信局Ｄ間に比べて同等以下である場合、ＴＰＣやプリアンブル検出用閾値調整を行なっても所要ＳＩＮＲを満たすことが困難となる。このような場合には、チャネルを切り替える必要が生じる。しかし、通信局Ａや通信局Ｂが他の多くの通信局（図中には示していない）と既に通信を行なっている場合には、すべての通信のチャネルを切り替える必要が生じ、チャネル切り替えのネゴシエーションのために多くの無駄が生じる。また、さらに通信局Ａと通信局Ｃが通信を開始したい場合には、チャネルを切り替えることができないため、通信できなくなってしまう。

そこで、本発明に係るパケット単位のチャネル切り替えを行なう方法を適用する（図１４（ｃ）を参照のこと）。通信局Ａと通信局Ｂが通信チャネルＣＮ１で通信しようとしたところ、通信局Ｃと通信局Ｄ間の通信によって所要ＳＩＮＲを満たすことができないものとする。このとき、通信局Ａ及び通信局Ｂ（又は何れか一方）が各チャネルの利用状況をスキャンし、通信局Ｃと通信局Ｄ間の通信チャネルと異なり、利用状況の少ない他の通信チャネルＣＮ２を見つけ、通信局Ａと通信局Ｂ間で最小限のネゴシエーションを行なった後に、通信チャネルＣＮ２にチャネル切り替えを行なう。通信局Ａと通信局Ｂがそれぞれ他の通信局と通信していても（例えば通信局Ａが通信局Ｃと通信していても）、それらの通信に用いる通信チャネルは変える必要がない。なお、異なるチャネル間でも干渉を受ける場合があるため、必要な空きスロット数があり、最も干渉量が少ないチャネルを選ぶ必要がある。

以上、特定の実施形態を参照しながら、本発明について詳解してきた。しかしながら、本発明の要旨を逸脱しない範囲で当業者が該実施形態の修正や代用を成し得ることは自明である。

本明細書では、自律分散型の無線通信システムに対して本発明を適用した実施形態について説明してきたが、本発明の要旨はこれに限定されるものではなく、例えば、制御局など特定の通信局の配下で運用される無線通信システムにおいても、本発明を適用することにより、各通信局がランダム・アクセスを行なう場合において、パケット単位で通信チャネルを切り替え、パケットの受信局では、送信チャネルに関する情報を事前に知らなくてもチャネル切り替えに追従することができる。

また、本明細書に記載の実施形態では、シンボル毎に周波数チャネルを切り替える固有のホッピング・パターンにより各通信チャネルが定義されるが、本発明の要旨はこれに限定されるものではない。例えば、拡散符号の相違により直交可能な符号チャネルや空間直交された空間チャネルなど、ホッピングを行なうためのチャネル分離の方法は特に限定されない。

要するに、例示という形態で本発明を開示してきたのであり、本明細書の記載内容を限定的に解釈するべきではない。本発明の要旨を判断するためには、特許請求の範囲を参酌すべきである。

図１は、本発明の一実施形態に係る無線ネットワークにおいて通信局として動作する無線通信装置の機能構成を模式的に示した図である。 図２は、無線受信部１１０の機能構成を模式的に示した図である。 図３は、通信チャネルが符号（拡散符号）で分けられている場合のプリアンブル検出部１１０−１の構成例を示した図である。 図４は、プリアンブル部分とデータ部分のチャネル切り替えを行なっている様子を示した図である。 図５は、周波数ホッピング系列により構成されるマルチチャネルの一例を示した図である。 図６は、１つの拡散符号を用いて構成されるプリアンブル・パターンの構成例を示した図である。 図７は、受信機におけるプリアンブル検出部の構成例を示した図である。 図８は、受信機におけるプリアンブル検出部の構成例を示した図である。 図９は、受信機におけるプリアンブル検出部の構成例を示した図である。 図１０は、複数の相関器を動作させて、パケット毎に通信チャネルが切り替えられるデータ伝送に追従するための受信動作の手順を示したフローチャートである。 図１１は、ＣＮ１及びＣＮ２の各通信チャネルからパケットが時間的に重なって到達した様子を示した図である。 図１２は、送信チャネルの事前通知によりパケット伝送を行なう動作手順の一例を示した図である。 図１３は、各通信局が送信に使用する通信チャネルの割当てを行なう様子を模式的に示した図である。 図１４は、チャネルの再割当てを用いて通信局間での干渉を抑制する様子を模式的に示した図である。 図１５は、自律分散型無線通信システムの構成例を示した図である。 図１６は、自律分散型無線通信システムにおいて、ネットワークが移動する様子を示した図である。 図１７は、分散ビーコンを用いた自律分散型無線ネットワークの構成例を示した図である。 図１８は、異なる通信チャネルを用いたネットワークが共存する様子を示した図である。 図１９は、異なる通信チャネルを用いて複数のネットワークが共存する通信環境下で、通信局が新規に参入する様子を示した図である。

符号の説明

１００…無線通信装置
１０１…インターフェース
１０２…データ・バッファ
１０３…中央制御部
１０４…ビーコン生成部
１０５…制御信号生成部
１０６…無線送信部
１０７…タイミング制御部
１０８…チャネル設定部
１０９…アンテナ
１１０…無線受信部
１１１…制御信号解析部
１１２…ビーコン解析部
１１３…情報記憶部

Claims (14)

1. 複数の通信チャネルが用意されている通信環境下において、通信局がランダム・アクセスを行なう無線通信システムであって、前記通信環境下では、単一の周波数帯からなるパケットのプリアンブル部送信用の制御チャネルと、周波数帯の相違により分離される複数の周波数チャネルで構成されるパケットのデータ部送信用のデータ・チャネルが設けられており、
   パケットを送信する通信局は、パケット単位で通信チャネルを割り当てるとともにデータ・チャネルにおいて使用する周波数チャネルと１対１で対応する拡散符号によって決められるプリアンブル・パターンからなるプリアンブル部を送信した後、該拡散符号に対応する周波数帯からなるデータ・チャネルにおいてパケットのデータ部を送信し、パケットを受信する通信局は、パケットのプリアンブル部と各周波数チャネルに相当する拡散符号との相関を並列的に求め、各相関値との閾値比較に基づいて拡散符号を検出し、該検出した拡散符号に相当する周波数チャネルでパケットのデータ部を受信処理する、
   ことを特徴とする無線通信システム。
2. 複数の通信チャネルが用意されている通信環境下において、通信局がランダム・アクセスを行なう無線通信システムであって、前記通信環境下では、複数の直交分離チャネルが利用可能であり、直交分離チャネルを一定間隔の１乃至は複数シンボル毎に切り替える固有のホッピング・パターンにより通信チャネルが定義され、複数の直交分離チャネルにおけるホッピング・パターンの相違により分離される複数の通信チャネルが構成され、
   パケットを送信する通信局は、パケット単位で通信チャネルを割り当てるとともにホッピング・パターンと１対１で対応するプリアンブル・パターンからなる送信パケットのプリアンブル部を少なくとも１つの直交分離チャネル上で送信し、パケットを受信する通信局は、前記１つの直交分離チャネル上でプリアンブル部を受信して得られるプリアンブル・パターンに基づいてホッピング・パターンを識別し、該識別されたホッピングを行なうことでデータ部の受信する、
   ことを特徴とする無線通信システム。
3. 複数の通信チャネルが用意されている通信環境下で通信動作を行なう無線通信装置であって、
   パケットを送信するパケット送信手段と、
   パケットを受信するパケット受信手段と、
   前記パケット送信手段及び前記パケット受信手段におけるパケット送受信用の通信チャネルを設定する通信チャネル設定手段とを備え、
   前記通信環境下では、単一の周波数帯からなるパケットのプリアンブル部送信用の制御チャネルと、周波数帯の相違により分離される複数の周波数チャネルで構成されるパケットのデータ部送信用のデータ・チャネルが設けられており、
   前記パケット送信手段は、データ・チャネルにおいて使用する周波数チャネルと１対１で対応する拡散符号によって決められるプリアンブル・パターンからなるプリアンブル部を送信した後、該拡散符号に対応する周波数帯からなるデータ・チャネルにおいてパケットのデータ部を送信し、
   前記パケット受信手段は、パケットのプリアンブル部と各周波数チャネルに相当する拡散符号との相関を並列的に求め、各相関値との閾値比較に基づいて拡散符号を検出し、該検出した拡散符号に相当する周波数チャネルでパケットのデータ部を受信処理し、
   前記通信チャネル設定手段は、パケット送信時にはパケット単位で通信チャネルを割り当て、パケット受信時に前記パケット受信手段によるプリアンブル部の検出結果に基づいてパケット単位での通信チャネル切り替えに追従する、
   ことを特徴とする無線通信装置。
4. 複数の通信チャネルが用意されている通信環境下で通信動作を行なう無線通信装置であって、
   パケットを送信するパケット送信手段と、
   パケットを受信するパケット受信手段と、
   前記パケット送信手段及び前記パケット受信手段におけるパケット送受信用の通信チャネルを設定する通信チャネル設定手段とを備え、
   前記通信環境下では、複数の直交分離チャネルが利用可能であり、直交分離チャネルを一定間隔の１乃至は複数シンボル毎に切り替える固有のホッピング・パターンにより通信チャネルが定義され、複数の直交分離チャネルにおけるホッピング・パターンの相違により分離される複数の通信チャネルが構成され、
   前記パケット送信手段は、ホッピング・パターンと１対１で対応するプリアンブル・パターンを少なくとも１つの直交分離チャネル上で送信し、
   前記パケット受信手段は、前記１つの直交分離チャネル上でプリアンブル部を受信して得られるプリアンブル・パターンに基づいてホッピング・パターンを識別し、該識別されたホッピングを行なうことでデータ部の受信し、
   前記通信チャネル設定手段は、パケット送信時にはパケット単位で通信チャネルを割り当て、パケット受信時に前記パケット受信手段によるプリアンブル部の検出結果に基づいてパケット単位での通信チャネル切り替えに追従する、
   ことを特徴とする無線通信装置。
5. 前記通信環境に関する情報を含んだビーコン信号を生成するビーコン生成手段と、
   周辺局から受信したビーコン信号を解析するビーコン解析手段をさらに備え、
   前記通信チャネル設定手段は、ビーコン送信に使用する通信チャネルとは無関係に、パケット送信に使用する通信チャネルを個別に割り当てる、
   ことを特徴とする請求項３又は４のいずれかに記載の無線通信装置。
6. 前記パケット送信手段は、ホッピング・パターンと１対１で対応する拡散符号によって決められるプリアンブル・パターンを前記１つの直交分離チャネル上で送信し、
   前記パケット受信手段は、プリアンブル・パターンと各ホッピング・パターンに相当する拡散符号との相関を並列的に求め、各相関値との閾値比較に基づいて拡散符号を検出し、該検出した拡散符号に相当するホッピング・パターンに従ってパケットのデータ部を受信処理する、
   ことを特徴とする請求項４に記載の無線通信装置。
7. 前記パケット送信手段は、すべての通信チャネルで共通の拡散符号を用いてプリアンブル・パターンを決定し、少なくとも１つの直交分離チャネル上において各シンボルのプリアンブル・パターンに通信チャネルを識別する情報を重畳し、
   前記パケット受信手段は、前記１つの直交分離チャネル上で、シンボル毎のプリアンブル・パターンと前記共通の拡散符号との相関値を累積加算して、通信チャネルを分離する、
   ことを特徴とする請求項４に記載の無線通信装置。
8. 前記パケット受信手段は、各通信チャネルに対応したプリアンブル部を検出する複数のプリアンブル検出部を並列的に動作させ、最も早く検出できたプリアンブル部に対応する通信チャネルにおけるパケットの受信動作を起動する、
   ことを特徴とする請求項３又は４のいずれかに記載の無線通信装置。
9. 通信相手と通信チャネル並びに使用する帯域を事前に決定し、
   前記パケット受信手段は、該事前に決定された帯域において、該事前に決定された通信チャネル上でのみプリアンブル検出を行なう、
   ことを特徴とする請求項３又は４のいずれかに記載の無線通信装置。
10. 前記パケット送信手段は、所要ＳＩＮＲを満たす最小の電力でパケットを送信するように送信電力制御を行ない、
    前記パケット受信手段は、プリアンブル検出時の閾値を調整し、希望のパケットのみ検出できるようにする、
    ことを特徴とする請求項３又は４のいずれかに記載の無線通信装置。
11. 複数の通信チャネルが用意されている通信環境下で通信動作を行なうための無線通信方法であって、
    パケット送信用の通信チャネルをパケット単位で割り当てる通信チャネル設定ステップと、
    該設定した通信チャネルの識別情報を含んだプリアンブル部を付加したパケットを該設定した通信チャネル上で送信するパケット送信ステップと、
    受信したパケットのプリアンブル部を検出するプリアンブル検出ステップと、
    プリアンブル部の検出結果に基づいてパケットを受信する通信チャネルに切り替えてパケットのデータ部を受信するパケット受信ステップと、
    を有し、
    前記通信環境下では、単一の周波数帯からなるパケットのプリアンブル部送信用の制御チャネルと、周波数帯の相違により分離される複数の周波数チャネルで構成されるパケットのデータ部送信用のデータ・チャネルが設けられており、
    前記パケット送信ステップでは、データ・チャネルにおいて使用する周波数チャネルと１対１で対応する拡散符号によって決められるプリアンブル・パターンからなるプリアンブル部を送信した後、該拡散符号に対応する周波数帯からなるデータ・チャネルにおいてパケットのデータ部を送信し、
    前記パケット受信ステップでは、パケットのプリアンブル部と各周波数チャネルに相当する拡散符号との相関を並列的に求め、各相関値との閾値比較に基づいて拡散符号を検出し、該検出した拡散符号に相当する周波数チャネルでパケットのデータ部を受信処理する、
    ことを特徴とする無線通信方法。
12. 複数の通信チャネルが用意されている通信環境下で通信動作を行なうための無線通信方法であって、
    パケット送信用の通信チャネルをパケット単位で割り当てる通信チャネル設定ステップと、
    該設定した通信チャネルの識別情報を含んだプリアンブル部を付加したパケットを該設定した通信チャネル上で送信するパケット送信ステップと、
    受信したパケットのプリアンブル部を検出するプリアンブル検出ステップと、
    プリアンブル部の検出結果に基づいてパケットを受信する通信チャネルに切り替えてパケットのデータ部を受信するパケット受信ステップと、
    を有し、
    前記通信環境下では、複数の直交分離チャネルが利用可能であり、直交分離チャネルを一定間隔の１乃至は複数シンボル毎に切り替える固有のホッピング・パターンにより通信チャネルが定義され、複数の直交分離チャネルにおけるホッピング・パターンの相違により分離される複数の通信チャネルが構成され、
    前記パケット送信ステップでは、ホッピング・パターンと１対１で対応するプリアンブル・パターンを少なくとも１つの直交分離チャネル上で送信し、
    前記パケット受信ステップでは、前記１つの直交分離チャネル上でプリアンブル部を受信して得られるプリアンブル・パターンに基づいてホッピング・パターンを識別し、該識別されたホッピングを行なうことでデータ部の受信する、
    ことを特徴とする無線通信方法。
13. 複数の通信チャネルが用意されている通信環境下で通信動作を行なうための処理をコンピュータ上で実行するようにコンピュータ可読形式で記述されたコンピュータ・プログラムであって、前記コンピュータに対し、
    パケット送信用の通信チャネルをパケット単位で割り当てる通信チャネル設定手順と、
    該設定した通信チャネルの識別情報を含んだプリアンブル部を付加したパケットを該設定した通信チャネル上で送信するパケット送信手順と、
    受信したパケットのプリアンブル部を検出するプリアンブル検出手順と、
    プリアンブル部の検出結果に基づいてパケットを受信する通信チャネルに切り替えてパケットのデータ部を受信するパケット受信手順と、
    を実行させ、
    前記通信環境下では、単一の周波数帯からなるパケットのプリアンブル部送信用の制御チャネルと、周波数帯の相違により分離される複数の周波数チャネルで構成されるパケットのデータ部送信用のデータ・チャネルが設けられており、
    前記パケット送信手順で、データ・チャネルにおいて使用する周波数チャネルと１対１で対応する拡散符号によって決められるプリアンブル・パターンからなるプリアンブル部を送信した後、該拡散符号に対応する周波数帯からなるデータ・チャネルにおいてパケットのデータ部を送信し、
    前記パケット受信手順で、パケットのプリアンブル部と各周波数チャネルに相当する拡散符号との相関を並列的に求め、各相関値との閾値比較に基づいて拡散符号を検出し、該検出した拡散符号に相当する周波数チャネルでパケットのデータ部を受信処理する、
    ことを特徴とするコンピュータ・プログラム。
14. 複数の通信チャネルが用意されている通信環境下で通信動作を行なうための処理をコンピュータ上で実行するようにコンピュータ可読形式で記述されたコンピュータ・プログラムであって、前記コンピュータに対し、
    パケット送信用の通信チャネルをパケット単位で割り当てる通信チャネル設定手順と、
    該設定した通信チャネルの識別情報を含んだプリアンブル部を付加したパケットを該設定した通信チャネル上で送信するパケット送信手順と、
    受信したパケットのプリアンブル部を検出するプリアンブル検出手順と、
    プリアンブル部の検出結果に基づいてパケットを受信する通信チャネルに切り替えてパケットのデータ部を受信するパケット受信手順と、
    を実行させ、
    前記通信環境下では、複数の直交分離チャネルが利用可能であり、直交分離チャネルを一定間隔の１乃至は複数シンボル毎に切り替える固有のホッピング・パターンにより通信チャネルが定義され、複数の直交分離チャネルにおけるホッピング・パターンの相違により分離される複数の通信チャネルが構成され、
    前記パケット送信手順で、ホッピング・パターンと１対１で対応するプリアンブル・パターンを少なくとも１つの直交分離チャネル上で送信し、
    前記パケット受信手順で、前記１つの直交分離チャネル上でプリアンブル部を受信して得られるプリアンブル・パターンに基づいてホッピング・パターンを識別し、該識別されたホッピングを行なうことでデータ部の受信する、
    ことを特徴とするコンピュータ・プログラム。
    

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