JP4812127B2 - 通信方法及び通信システム - Google Patents

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Description

本発明は、無線通信、特に無線ＰＡＮにおける通信相手に対し互いにアンテナの指向方向を整合させるのに適した通信方法及び通信システムに関する。
無線通信に広く用いられている無線ＬＡＮ（ＷＬＡＮ：Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｌｏｃａｌ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）は無線通信範囲が半径１００ｍ程度であるのに対して、通信半径が約１０ｍ程度と無線通信範囲の狭い無線ＰＡＮ（ＷＰＡＮ：Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）が開発されている。この無線ＰＡＮは必要に応じてその都度、限定的なネットワークを形成するアドホック型の無線通信であり、基地局などを介さずに端末間で自立的に通信を直接行えるところに特徴がある。無線ＰＡＮはデバイスと呼ばれる複数の構成要素で行われ、上位層から指令を受けると、マスター側デバイス（制御端末）は周辺にある複数のスレーブ側デバイス（従属端末）を束ねて構成されるピコネットと呼ばれる一つのネットワークを形成する。
制御端末はピコネットコーディネータ（ＰＮＣ）と呼ばれ、従属端末に割り当てられるタイム・リソース（時間間隔など）を管理することによって、各従属端末の通信路の形成を制御する。これにより、任意のデバイス間で１対１の通信路が形成され、データ転送が行われる。制御端末は、通信が終了すると、ピコネットを解消し、通信路を開放する。この通信では、先頭から予め決められた三つの部分であるビーコン区間とコンテンション・アクセス区間（ＣＡＰ）とチャンネル期間割り当て区間（ＣＴＡＰ）とで構成される信号系列が挿入されたフレームを用いている。なお、ビーコン区間ではビーコンと呼ばれている基準信号(同期信号)が制御端末から従属端末に送出される。コンテンション・アクセス区間では、すべてのデバイスがピコネットにアクセス可能となる。チャンネル時間割り当て区間では、制御端末（ＰＮＣ）が特定の従属端末にのみ通信を許可する（例えば、非特許文献１参照）。
マイクロ波帯に比べてミリ波帯は直進性が強く、減衰が大きいので、ミリ波帯を利用した無線ＰＡＮは、狭い通信空間でも干渉し合うことを避けることができという特徴を有する反面、アンテナの指向性の幅を十分に狭くしなければならない。このような指向性の幅の狭い特性に適したアンテナとしてフェーズド・アレイ・アンテナなどのような指向アンテナが用いられる場合が多い。この指向アンテナは複数のアンテナ素子をアレイ状に空間的に配置することにより構成される。各アンテナ素子で送受信される信号はビーム毎にその振幅と位相とが設定され、狭い特定方向からの信号を選択的に送受信できるように整合性が図られる。このような指向アンテナを用いて通信を行う場合には、送受信側の双方でアンテナの指向性の整合性がとられている必要がある。また、アンテナゲインは、指向性の幅が狭くなるほど向上するので、高いアンテナゲインを必要とする場合には走査すべきビームの数は必然的に増加する。
図１２は、従来方式のアンテナビームの指向方向を決定するプロセスを示す図である。制御端末と通信の許可を申請した従属端末との間で通信を行うとき、先ず双方のアンテナの全指向範囲（通常は２π）を予め電気的に等分に分割して、アンテナの全指向範囲をカバーする複数のビームを形成し、それら全てのビームでビーコンを送信して順次走査することにより、従属端末はあるビームでビーコンを受信する。制御端末（ＰＮＣ）側及び従属端末のアンテナビーコンは共に、アンテナの全指向範囲が、図１２（Ａ）に示すように、例えば、８分割されているものとして説明する。
図１２（Ｃ）に示すように、制御端末（ＰＮＣ）は、第１のスーパーフレームＳＦ１のビーコン期間ＢＰ内でビームＳ１１１とＳ１１２方向のビーコンをアンテナから送信する。
従属端末（ＤＥＶ）は、まず、第１のスーパーフレームＳＦ１において指向方向Ｄ１１１の方向でビーコンの受信を試みる。しかし、ビームＳ１１１とＳ１１２方向のビーコンは従属端末の方向を向いていないので、従属端末はこれらのビーコンを受信できない。したがって、従属端末はビーコンを受信したときに返信するＡＣＫ信号を返信することはできない。制御端末は、同様に、フレームＳＦ２、ＳＦ３、…、ＳＦ６のビーコン期間ＢＰ内にビーコンをアンテナから送信する。しかし、これらのスーパーフレームＳＦ２、ＳＦ３、…、ＳＦ６のいずれの指向方向においても、従属端末はこれらのビーコンを受信できない。従属端末は、スーパーフレームＳＦ７になって初めてＳ２２１方向のビーコンを受診しＡＣＫ信号を返信する。
このように、制御端末と従属端末それぞれのビームを走査する速度は互いに異なり、走査方向は反対方向又は同方向であるので、各ビームが一巡することにより全指向範囲がカバーされ、この全指向範囲をカバーする多数のビームの走査を繰り返すことによって、制御端末の特定のビームのビーコンが従属端末の特定のビームで受信される。従属端末がそれぞれのビームでＡＣＫを送信し、制御端末が特定のビームでＡＣＫ信号を受信する場合も同様である。
図１３は、ＩＥＥＥ８０２．１５．３で使用されるスーパーフレームの構成を示す図である。図１３に示すように、１つのスーパーフレームは、ビーコン期間と、コンテンション・アクセス期間（ＣＡＰ）と、チャネル時間割り当て期間（ＣＴＡＰ）との３つのパートから構成される。
各スーパーフレームの開始時はビーコン期間となっており、このビーコン期間で、制御端末（ＰＮＣ）からビーコンがブロードキャストされる。このビーコンは、各スーパーフレームの開始を示し、制御端末（ＰＮＣ）から各従属端末（ＤＥＶ）に、タイム割り当てや管理情報を提供している。
コンテンション・アクセス期間（ＣＡＰ）は、スーパーフレームでビーコンの次に割り当てられている。このコンテンション・アクセス期間（ＣＡＰ）は、ＣＳＭＡ／ＣＡ（Carrier Sense Multiple Access With Collision Avoidance)により、全ての無線端末がアクセス可能な期間になっている。このコンテンション・アクセス期間（ＣＡＰ）では、時間に依存しないデータが転送される。
チャネル時間割り当て期間（ＣＴＡＰ）は、制御端末（ＰＮＣ）が特定の従属端末（ＤＥＶ）にのみ通信を許可する期間となっている。チャネル時間割り当て期間（ＣＴＡＰ）は、管理用のタイムスロット（ＭＣＴＡ１、ＭＣＴＡ２）と、いくつかのタイムスロット（ＣＴＡ１、ＣＴＡ２、…）から構成されている。このチャネル時間割り当て期間（ＣＴＡＰ）では、時間依存のデータ（アイソクロナスデータ）が転送される。
また、ネットワーク制御は、多くの伝送をサポートできるように、伝送を開始する前に、タイムリソースが確保される。また、タイムスロット（ＣＴＡ１、ＣＴＡ２、…）の長さは、リクエストで指定できるようになっている。
つまり、従属端末（ＤＥＶ）がタイムリソースを要求する場合には、従属端末（ＤＥＶ）は、制御端末（ＰＮＣ）からのビーコンを受信し、コンテンション・アクセス期間（ＣＡＰ）で、制御端末（ＰＮＣ）にスロット取得リクエストを送信する。このとき、タイムスロットの長さが指定できる。制御端末（ＰＮＣ）は、スロット取得リクエスト受信すると、直ちに、リクエストが受け入れられるかどうかを判断し、リクエストの受け入れが可能なら、制御端末（ＰＮＣ）から従属端末（ＤＥＶ）にＡＣＫ（アクノリッジ）でレスポンスを返し、制御端末（ＰＮＣ）は、次にビーコンで、従属端末（ＤＥＶ）に割り当てたタイムスロットの割り当て情報を含めて送信する。従属端末（ＤＥＶ）は、ビーコンを受信し、自分に割り当てられたタイムスロットの情報を取得し、このタイムスロットを使って、チャネル時間割り当て期間（ＣＴＡＰ）で通信を行う。
IEEE 802.15, Wireless Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications for Wireless Personal Area Networks (WPAN) Amendment 1: MAC Sublayer, IEEE Std. 802.15.3b, 2005
しかし、前述したような従来の方法では、高いアンテナゲインを得るためにアンテナの全指向範囲をカバーするためにビームの数が多い場合には、その多数のビームそれぞれで順次ビーコンを送信して走査を行っていた。このように、従来の方法では、多くのビーコンのやりとりが必要となり、これだけでも整合させるのに時間がかかるが、一巡目で制御端末と従属端末それぞれのビームが互いに整合しなければ、ビームが整合するまで同様な操作を繰り返さなければならず、制御端末と従属端末が確実に通信できる指向方向に整合させるためには非常に長い時間が必要であるという問題があった。
本発明は、前記制御端末のアンテナと前記従属端末のアンテナとの整合を短時間で行えることを目的とし、先ず全指向範囲を所定の少ない個数に分割したビームの内で相互に整合するビームを第１段階ビームとし、その第１段階ビームをさらに所定の少ない個数に分割してその内で互いに整合するビームを第２段階ビームとするというように、所定回数の分割行うことによって、各分割毎に分割ビームを順次絞っていき最終分割ビームにたどり着くので、制御端末と従属端末間のビームの指向方向を整合させる整合時間を短縮できる。
上述の課題を解決するために、本願の第１の発明においては、アンテナをそれぞれ備える制御端末と１以上の従属端末との間で、ビーコン区間とコンテンション・アクセス区間とチャンネル時間割り当て区間とからなるスーパーフレームを使用して無線通信を行う通信方法において、
最適な指向性を検出する処理を繰り返して、検出した指向性により前記制御端末と前記従属端末との間で無線通信を実行し、
前記最適な指向性を検出する処理は、
前記制御端末のビーム送受信方向制御部で、所定範囲を分割した方向とビーム幅によるビーム送受信方向を順次選択し、
前記制御端末のビーコン送信部で、前記制御端末のビーム送受信方向制御部で選択された方向とビーム幅によりビーコンを順次送信し、
前記従属端末のビーム送受信方向制御部で、所定範囲を分割した方向とビーム幅によるビーム送受信方向を順次選択し、
前記従属端末のビーコン受信部で、前記従属端末の前記ビーム送受信方向制御部で選択された方向及びビーム幅により順次前記制御端末から送信されるビーコンの受信を試み、
前記従属端末の指向情報更新部で、前記ビーコンの受信に成功した場合、受信時の従属端末のアンテナの指向性の方向とビーム幅を記録し、前記制御端末との通信に用いるべき指向性の情報として登録し、
前記従属端末のＡＣＫ送信部で、前記制御端末からの前記ビーコンの受信に成功したことをＡＣＫ信号によって前記制御端末に通知し、
前記制御端末のＡＣＫ受信部で、前記従属端末から通知されたＡＣＫ信号を受信し、前記従属端末で受信に成功したビーコンを特定する情報を取得し、
前記制御端末の指向情報更新部で、前記ＡＣＫ受信部で取得された前記ビーコンを特定する情報により、前記従属端末への通信に用いるべきアンテナの指向性の方向とビーム幅とを記録し、前記従属端末との通信に用いるべき指向性の情報として登録し、
前記通信方法は、
前記制御端末の指向情報更新部と従属端末の指向情報更新部とにより登録された情報によりアンテナの指向性を設定して無線通信を行い、
前記最適な指向性を検出する処理の繰り返しは、
前記制御端末のビーム送受信方向制御部では、前記所定範囲を、最初の処理ではアンテナの全指向範囲に設定し、以降の処理では直前の最適な指向性を検出する処理において、前記ＡＣＫ受信部で取得されたビーコンを特定する情報により検出される、対応する前記制御端末のビーム送受信方向制御部で選択された方向とビーム幅による範囲に設定すると共に、
前記従属端末のビーム送受信方向制御部では、前記所定範囲を、最初の処理ではアンテナの全指向範囲に設定し、以降の処理では直前の最適な指向性を検出する処理において、前記指向情報更新部で登録した指向性の方向とビーム幅とによる範囲に設定することにより、
前記制御端末と前期従属端末とで、順次段階的にビーム幅を狭めて、最適な指向性を検出し、
前記最適な指向性を検出する処理は、
前記制御端末のビーコン送信部では、
１つのビーコン区間でアンテナの指向性を順次切り換えて、前記制御端末のビーム送受信方向制御部で選択された方向とビーム幅によるビーコンを１つのビーコン区間で順次送信し、
かつ当該１つのビーコン区間における指向性を切り換えたビーコンの送出を、連続する複数の前記スーパーフレームで繰り返し、
前記従属端末のビーコン受信部では、
前記制御端末のビーコンの送信に係る複数のスーパーフレームにおいて、スーパーフレーム毎に、アンテナの指向性の方向及びビーム幅を順次切り換えてビーコンの受信を試みることを特徴とする。
本願の第２の発明においては、前記制御端末は、ピコネットにおけるＰＮＣであり、前記従属端末は、前記ピコネットにおけるＤＥＶであることを特徴とする。
本願の第３の発明においては、 アンテナをそれぞれ備える制御端末と１以上の従属端末との間で、ビーコン区間とコンテンション・アクセス区間とチャンネル時間割り当て区間とからなるスーパーフレームを使用して無線通信を行う通信システムにおいて、
前記制御端末は、
所定範囲を分割した方向とビーム幅によるビーム送受信方向を順次選択するビーム送受信方向制御部と、
前記ビーム送受信方向制御部で選択されたビーム送受信方向によりビーコンを送信するビーコン送信部と、
前記従属端末から通知されたＡＣＫ信号を受信することによって、前記従属端末で受信に成功したビーコンを特定する情報を取得するＡＣＫ受信部と、
前記ＡＣＫ受信部で取得された前記ビーコンを特定する情報により、前記従属端末への通信に用いるべきアンテナの指向性の方向とビーム幅とを記録し、前記従属端末との通信に用いるべき指向性の情報として登録する第１指向情報更新部とを備え、
前記従属端末は、
所定範囲を分割した方向とビーム幅によるビーム送受信方向を順次選択するビーム送受信方向制御部と、
前記従属端末の前記ビーム送受信方向制御部で選択された方向及びビーム幅により順次前記制御端末から送信されるビーコンの受信を試みるビーコン受信部と、
前記ビーコンの受信に成功した場合、受信時の従属端末のアンテナの指向性の方向とビーム幅を記録し、前記制御端末への通信に用いるべき指向方向の情報として第２指向情報記録部に登録する第２指向情報更新部と、
前記制御端末からの前記ビーコンの受信に成功したことをＡＣＫ信号によって前記制御端末に通知するＡＣＫ送信部を備え、
前記制御端末及び従属端末は、
最適な指向性を検出する処理を繰り返して、検出した指向性により前記制御端末と前記従属端末との間で無線通信を実行し、
前記最適な指向性を検出する処理では、
前記制御端末のビーム送受信方向制御部で選択された方向とビーム幅によりビーコンを順次送信し、前記従属端末で、所定範囲を分割した方向とビーム幅により当該ビーコンの受信を試み、前記制御端末にＡＣＫ信号を送出することにより、
制御端末及び従属端末に設定された所定範囲で、最適な方向及びビーム幅をぞれぞれ検出し、
前記最適な指向性を検出する処理の繰り返しでは、
それぞれ前記所定範囲を、最初の処理ではアンテナの全指向範囲に設定し、以降の処理では直前の最適な指向性を検出する処理において検出された最適な方向とビーム幅による範囲に設定することにより、順次段階的にビーム幅を狭めて、最適な指向性を検出し、
前記最適な指向性を検出する処理において、
前記制御端末のビーコン送信部は、
１つのビーコン区間でアンテナの指向性を順次切り換えて、前記制御端末のビーム送受信方向制御部で選択された方向とビーム幅によるビーコンを１つのビーコン区間で順次送信し、
かつ当該１つのビーコン区間における指向性を切り換えたビーコンの送出を、連続する複数の前記スーパーフレームで繰り返し、
前記従属端末のビーコン受信部は、
前記制御端末のビーコンの送信に係る複数のスーパーフレームにおいて、スーパーフレーム毎に、アンテナの指向性の方向及びビーム幅を順次切り換えてビーコンの受信を試みることを特徴とする通信システム。
本願の第４の発明においては、前記制御端末は、ピコネットにおけるＰＮＣであり、前記従属端末は、前記ピコネットにおけるＤＥＶであることを特徴とする。
本願の第５の発明においては、前記制御端末及び前記従属端末は、コンピュータ、ディジタル信号プロセッサ、またはＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）であることを特徴とする。
本願の第１の発明によれば、アンテナをそれぞれ備える制御端末と１以上の従属端末との間で、ビーコン区間とコンテンション・アクセス区間とチャンネル時間割り当て区間とからなるスーパーフレームを使用して無線通信を行う通信方法において、
最適な指向性を検出する処理を繰り返して、検出した指向性により前記制御端末と前記従属端末との間で無線通信を実行し、
前記最適な指向性を検出する処理は、
前記制御端末のビーム送受信方向制御部で、所定範囲を分割した方向とビーム幅によるビーム送受信方向を順次選択し、
前記制御端末のビーコン送信部で、前記制御端末のビーム送受信方向制御部で選択された方向とビーム幅によりビーコンを順次送信し、
前記従属端末のビーム送受信方向制御部で、所定範囲を分割した方向とビーム幅によるビーム送受信方向を順次選択し、
前記従属端末のビーコン受信部で、前記従属端末の前記ビーム送受信方向制御部で選択された方向及びビーム幅により順次前記制御端末から送信されるビーコンの受信を試み、
前記従属端末の指向情報更新部で、前記ビーコンの受信に成功した場合、受信時の従属端末のアンテナの指向性の方向とビーム幅を記録し、前記制御端末との通信に用いるべき指向性の情報として登録し、
前記従属端末のＡＣＫ送信部で、前記制御端末からの前記ビーコンの受信に成功したことをＡＣＫ信号によって前記制御端末に通知し、
前記制御端末のＡＣＫ受信部で、前記従属端末から通知されたＡＣＫ信号を受信し、前記従属端末で受信に成功したビーコンを特定する情報を取得し、
前記制御端末の指向情報更新部で、前記ＡＣＫ受信部で取得された前記ビーコンを特定する情報により、前記従属端末への通信に用いるべきアンテナの指向性の方向とビーム幅とを記録し、前記従属端末との通信に用いるべき指向性の情報として登録し、
前記通信方法は、
前記制御端末の指向情報更新部と従属端末の指向情報更新部とにより登録された情報によりアンテナの指向性を設定して無線通信を行い、
前記最適な指向性を検出する処理の繰り返しは、
前記制御端末のビーム送受信方向制御部では、前記所定範囲を、最初の処理ではアンテナの全指向範囲に設定し、以降の処理では直前の最適な指向性を検出する処理において、前記ＡＣＫ受信部で取得されたビーコンを特定する情報により検出される、対応する前記制御端末のビーム送受信方向制御部で選択された方向とビーム幅による範囲に設定すると共に、
前記従属端末のビーム送受信方向制御部では、前記所定範囲を、最初の処理ではアンテナの全指向範囲に設定し、以降の処理では直前の最適な指向性を検出する処理において、前記指向情報更新部で登録した指向性の方向とビーム幅とによる範囲に設定することにより、
前記制御端末と前期従属端末とで、順次段階的にビーム幅を狭めて、最適な指向性を検出し、
前記最適な指向性を検出する処理は、
前記制御端末のビーコン送信部では、
１つのビーコン区間でアンテナの指向性を順次切り換えて、前記制御端末のビーム送受信方向制御部で選択された方向とビーム幅によるビーコンを１つのビーコン区間で順次送信し、
かつ当該１つのビーコン区間における指向性を切り換えたビーコンの送出を、連続する複数の前記スーパーフレームで繰り返し、
前記従属端末のビーコン受信部では、
前記制御端末のビーコンの送信に係る複数のスーパーフレームにおいて、スーパーフレーム毎に、アンテナの指向性の方向及びビーム幅を順次切り換えてビーコンの受信を試みる。このように、制御端末と従属端末の双方のアンテナビームの指向方向を順次切り替えることによって、短時間で制御端末と従属端末の相互の指向方向を整合させることができ、したがって、短時間に通信の開始が可能となる。
本願の第２の発明によれば、前記制御端末は、ピコネットにおけるＰＮＣであり、前記従属端末は、前記ピコネットにおけるＤＥＶであるようにできる。したがって、制御端末と従属端末がピコネットを構成する場合でも、制御端末と従属端末双方のアンテナビームの指向方向を順次切り替えることによって、短時間で制御端末と従属端末の相互の指向方向を整合させることができ、したがって、短時間に通信の開始が可能となる。
本願の第３の発明においては、 アンテナをそれぞれ備える制御端末と１以上の従属端末との間で、ビーコン区間とコンテンション・アクセス区間とチャンネル時間割り当て区間とからなるスーパーフレームを使用して無線通信を行う通信システムにおいて、
前記制御端末は、
所定範囲を分割した方向とビーム幅によるビーム送受信方向を順次選択するビーム送受信方向制御部と、
前記ビーム送受信方向制御部で選択されたビーム送受信方向によりビーコンを送信するビーコン送信部と、
前記従属端末から通知されたＡＣＫ信号を受信することによって、前記従属端末で受信に成功したビーコンを特定する情報を取得するＡＣＫ受信部と、
前記ＡＣＫ受信部で取得された前記ビーコンを特定する情報により、前記従属端末への通信に用いるべきアンテナの指向性の方向とビーム幅とを記録し、前記従属端末との通信に用いるべき指向性の情報として登録する第１指向情報更新部とを備え、
前記従属端末は、
所定範囲を分割した方向とビーム幅によるビーム送受信方向を順次選択するビーム送受信方向制御部と、
前記従属端末の前記ビーム送受信方向制御部で選択された方向及びビーム幅により順次前記制御端末から送信されるビーコンの受信を試みるビーコン受信部と、
前記ビーコンの受信に成功した場合、受信時の従属端末のアンテナの指向性の方向とビーム幅を記録し、前記制御端末への通信に用いるべき指向方向の情報として第２指向情報記録部に登録する第２指向情報更新部と、
前記制御端末からの前記ビーコンの受信に成功したことをＡＣＫ信号によって前記制御端末に通知するＡＣＫ送信部を備え、
前記制御端末及び従属端末は、
最適な指向性を検出する処理を繰り返して、検出した指向性により前記制御端末と前記従属端末との間で無線通信を実行し、
前記最適な指向性を検出する処理では、
前記制御端末のビーム送受信方向制御部で選択された方向とビーム幅によりビーコンを順次送信し、前記従属端末で、所定範囲を分割した方向とビーム幅により当該ビーコンの受信を試み、前記制御端末にＡＣＫ信号を送出することにより、
制御端末及び従属端末に設定された所定範囲で、最適な方向及びビーム幅をぞれぞれ検出し、
前記最適な指向性を検出する処理の繰り返しでは、
それぞれ前記所定範囲を、最初の処理ではアンテナの全指向範囲に設定し、以降の処理では直前の最適な指向性を検出する処理において検出された最適な方向とビーム幅による範囲に設定することにより、順次段階的にビーム幅を狭めて、最適な指向性を検出し、
前記最適な指向性を検出する処理において、
前記制御端末のビーコン送信部は、
１つのビーコン区間でアンテナの指向性を順次切り換えて、前記制御端末のビーム送受信方向制御部で選択された方向とビーム幅によるビーコンを１つのビーコン区間で順次送信し、
かつ当該１つのビーコン区間における指向性を切り換えたビーコンの送出を、連続する複数の前記スーパーフレームで繰り返し、
前記従属端末のビーコン受信部は、
前記制御端末のビーコンの送信に係る複数のスーパーフレームにおいて、スーパーフレーム毎に、アンテナの指向性の方向及びビーム幅を順次切り換えてビーコンの受信を試みる。このように、制御端末と従属端末の双方のアンテナビームの指向方向を順次切り替えることによって、短時間で制御端末と従属端末の相互の指向方向を整合させることができ、したがって、短時間に通信の開始が可能となる。
本願の第４の発明においては、前記制御端末は、ピコネットにおけるＰＮＣであり、前記従属端末は、前記ピコネットにおけるＤＥＶであるようにできる。したがって、制御端末と従属端末がピコネットを構成する場合でも、制御端末と従属端末双方のアンテナビームの指向方向を順次切り替えることによって、短時間で制御端末と従属端末の相互の指向方向を整合させることができ、したがって、短時間に通信の開始が可能となる。
本願の第５の発明においては、前記制御端末及び前記従属端末は、コンピュータ、ディジタル信号プロセッサ、またはＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）であることを特徴とする。このように、制御端末と従属端末の双方を動作させる手段をコンピュータ、ディジタル信号プロセッサ、またはＦＰＧＡとすることによって、制御端末及び前記従属端末のプログラムを書き換え、制御端末及び前記従属端末の動作の変更や更新を容易にすることができる。
本発明は、無線ＰＡＮのピコネットにおける制御端末とその制御端末従属する複数の従属端末との間の通信に適しているが、ピコネットに限定されるものではない。先ず、本発明の各実施形態を説明する前に、図1〜図３によって本発明をピコネットに適用した基本的な技術の概略を説明する。図1は一般的な無線ＰＡＮのピコネットシステムを示す概略図である。図２は制御端末の動作シーケンスを示す概略フローチャートであり、図３は従属端末の動作シーケンスを示す概略フローチャートである。
図1において、制御端末１はピコネットコーディネータ（ＰＮＣ）であり、従属端末２、３、４、５、６は、制御端末１の周辺に位置して制御端末１に従属する複数のデバイス（ＤＥＶ）に相当する端末装置である。制御端末１及び従属端末２〜６は、それぞれ全指向範囲が２πのアンテナ１Ａ及び２Ａ〜６Ａを備えている。これらのアンテナは、複数のアンテナ素子を備えるフェーズド・アレイ・アンテナなどの公知のものである。図1では、制御端末１が点線のようにビーコンを送信し、そのビーコンを受信した従属端末は一点鎖線のようにＡＣＫを返送し、制御端末と従属端末間で通信が可能となるアンテナの指向性が決定される。その後、例えば、従属端末２から通信許可申請がなされときには、実線のように制御端末１と従属端末２との間で通信が行わる。ピコネットにおいては、従属端末２〜６の内の任意の従属端末間の通信、あるいは制御端末１と任意の従属端末との間の通信が可能である。
制御端末の動作シーケンスを示す図２において、ステップＳ１では、制御端末１のアンテナ１Ａ（図４）の全指向範囲を所定数で分割するビーム群Ｂｉ（ｉ＝１，２，…ｋ）の内、（ｉ＝１）としたときの第１段階におけるビーム群Ｂ１が生成される。
ステップＳ２では、制御端末１は、ステップＳ１で生成された適切なビームがなか否かを判断する。ステップＳ２で適切なビームがないと判断された場合には、ステップＳ３に進みビーム整合失敗となる。ステップＳ２で適切なビームがあると判断されたときには、ステップＳ４で新たなスーパーフレームを設定し、ステップＳ５に移行し、スーパーフレーム中のｉ分割ビーム群Ｂｉ＝（Ｓ１，Ｓ２，…、Ｓｒ）の中からＳｓ方向にビーコンを送信する。次に、ステップＳ６において、ｓ＜ｒかどうかが判断される。ここで、ｓは１、２、…、ｒの値を取りうる変数である。ｓ＜ｒの場合には、ステップＳ７において、ｓの値が歩進され、ステップＳ５の処理が繰り返される。このステップＳ５の処理によって、ｉ分割ビーム群において、全てのＳｓ方向にビーコンが送信されると、ステップＳ６において、ｓ＜ｒが満たされなくなるので、ステップＳ８に移行する。
ステップＳ８においては、制御端末１がＡＣＫを受信したか否かが判断され、ＡＣＫを受信したときにはステップ９に進み、ＡＣＫを受診しなかった場合にはステップ２に戻る。ステップＳ８において、制御端末１がＡＣＫを受信したと判断されると、ステップＳ９に進み、他のビームがあるか否かが判断され、他のビームがあると判断されると、ステップＳ２に進み、他のビームがないと判断されるとステップＳ１０に進む。ステップＳ１０においては、ｉが最終分割か否かが判断され、最終分割でない場合にはステップＳ１1でＳｐを分割し、次のｍ（ｉ＋１）個のビーム群を生成し、ステップＳ１２でｉを歩進してステップ２に戻る。ここで、ＳｐはＡＣＫを受信したビームの指向方向である。ステップＳ１０でｉが最終分割であると判断されると、最終指向方向としてＳｐを設定し、制御端末での処理を終了する。
他方、受信端末の動作シーケンスを示す図３において、ステップＳ２１では、従属端末２のアンテナ２Ａ（図５）の全指向範囲を所定数で分割するビーム群Ｂｊ（ｊ＝１，２，…ｌ）の内、（ｊ＝１）としたときの第１段階におけるビーム群Ｂ１が生成される。
ステップＳ２２では、新たなスーパーフレームを設定し（ｔ＝１）、ステップＳ２３に進む。ここでｔは、分割ビーム群Ｂｊの一指向方向を示すために用いる変数である。ステップＳ２３では、ｔ＞ｑかどうかが判断される。ここで、ｔは１、２、…、ｑの値を取りうる。ｔ＞ｑの場合には、ステップＳ２４に進み、ビーム整合は失敗であると判断される。一方、ステップＳ２２において、ｔ＞ｑが満たされない場合には、ステップＳ２５に進み、スーパーフレーム中のｊ分割ビーム群Ｂｊ（＝Ｄ１，Ｄ２，…、Ｄｑ）の中からＤｔ方向でビーコンを受信し、ステップＳ２６に進む。
ステップＳ２６においては、受信端末２がビーコンを受信したか否かが判断され、ビーコンを受信したときにはステップ２８に進み、ビーコンを受診しなかった場合にはステップ２７でｔが歩進され、ステップＳ２２に戻る。ステップＳ２８においては、他のビームがあるか否かが判断され、他のビームがある場合にはステップＳ２９に進み、他のビームがないる場合には、ステップ２７でｔが歩進され、ステップＳ２２に戻る。ステップＳ２９においては、ｊが最終分割か否かが判断され、最終分割でない場合にはステップＳ３０でＤｐを分割し、次の新たなビーム群Ｂ（ｊ＋１）を生成し、ステップＳ３１でｊを歩進してステップ２２に戻る。ここで、Ｄｐはビームを受信したアンテナのビームの指向方向である。ステップＳ２９でｊが最終分割であると判断されると、最終指向方向としてＤｐを設定し、従属端末での処理を終了する。このようにして、制御端末１の最終ビーコンの指向方向と従属端末１の最終ビーコンの指向方向が決定され、これらの両指向方向を用いて、次のスーパーフレームのチャンネル時間割り当て区間で通信が行われる。
[実施形態１]
次に、本発明に係る通信方法及びその通信方法を実現する通信システムの第１の実施形態１について図４〜図９を用いて説明する。図４は制御端末の主な構成の一例を説明するための図であり、図５は従属端末の主な構成の一例を説明するための図である。図６は本発明の無線ＰＡＮの通信方法に用いられる指向パターンの一例を示す図である。図７は、制御端末と従属端末間で送受信される信号を示す図である。図８は本発明の無線ＰＡＮにおける制御端末のアンテナビームの指向方向を決定するための方法の一例を説明するための図である。図９は、指向情報記録部の一例を示した図である。
先ず、本発明の制御端末１の主要な構成について説明する。制御端末１は、図４に示すように、アンテナ１Ａの他に、後述するようにビームを各ｉ分割（ｉ＝１，２，…ｋ）で得られた分割ビームの指向情報を格納する指向情報記録部１１（第１指向情報記録部）、指向情報記録部１１の情報を更新する指向情報更新部１２（第１指向情報更新部）を有する。さらに、制御端末１は、指向情報記録部１１からの指向情報に基づいて全指向範囲を各ｉ分割で分割した２π／ｍｉ（ｍ≧２、i＝１、２、・・・・ｋ）の角度のビーム送受信方向を制御するビーム送受信方向制御部１３（第１ビーム送受信方向制御部）と、指向情報記録部１１からの指向情報に基づいて各ｉ分割で指定されたビームの分割個数ｍｉに切り替えるビーム群切替部１４（第１ビーム群切替部）と、それぞれのスーパーフレームのビーコン区間で一つ以上のビーコンをアンテナ１Ａから送信するビーコン送信部１５と、及び従属端末２からのＡＣＫ信号を受信するＡＣＫ受信部１６を備えている。
次に、本発明の従属端末２の主要な構成について説明する。従属端末２は、図５に示すように、アンテナ２Ａの他に、後述するようにビームを各ｊ分割（ｊ＝１，２，…ｌ）で得られた分割ビームの指向情報を格納する指向情報記録部２１（第２指向情報記録部）、指向情報記録部２１の情報を更新する指向情報更新部２２（第２指向情報更新部）を有する。さらに、従属端末２は、指向情報記録部２１からの指向情報に基づいて全指向範囲を各ｊ分割する２π／ｎｊ（ｎ≧２、ｊ＝１、２、・・・・ｌ）の角度のビームの送受信方向を制御するビーム送受信方向制御部２３（第２ビーム送受信方向制御部）と、指向情報記録部２１からの指向情報に基づいて各ｊ分割されたビームの個数ｎｊの方向にそれぞれアンテナを切り替えるビーム群切替部２４（第２ビーム群切替部）と、制御端末１から送信されたビーコンを受信し、その受信したビーコンを指向情報更新部２２に通知するビーコン受信部２７と、制御端末１から送信された各分割のいずれかのビーコンを受信したときに、ＡＣＫ信号を送信するＡＣＫ送信部２８を備えている。
次に、制御端末１のアンテナ１Ａのビームパターン（指向パターン）について図６を用いて説明する。一般的には、制御端末１のアンテナ１Ａの全指向範囲２πをほぼ均等にｉ分割するとビームの総数は２ｉで表される。具体的に示すと、第１段階（ｉ＝１）では２π／２（＝１８０゜）の角度のビームが２個、第２段階（ｉ＝２）では２π／２２（＝９０゜）の角度のビームが４個、第３段階（ｉ＝３）では２π／２３（＝４５゜）の角度のビームが８個になる。ここで、従属端末２については、必ずしも制御端末１のビームパターンと同じでなくても良いが、この実施形態１では制御端末１のビームパターンと同様であるものとする。
図６の（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は、前述したようにビームの総数が第１段階、第２段階、第３段階であるビームパターンの具体例を示し、第４段階以上は図示を省略している。図６（Ａ）は全指向範囲をほぼ均等に２個に分割（ｉ＝１）した２個の第１段階ビーム群をＳ１とＳ２で示し、図６（Ｂ）は全指向範囲を４分割（ｉ＝２）した４個の第２段階ビーム群Ｓ１１とＳ１２、Ｓ２１とＳ２２を示す。図６（Ｃ）は全指向範囲を８分割（ｉ＝３）した８個の第３段階ビーム群Ｓ１１１とＳ１１２、Ｓ１２１とＳ１２２、Ｓ２１１とＳ２１２、Ｓ２２１とＳ２２２を示している。以下同様にして、全指向範囲を第ｋ段階（ｉ＝ｋ）すると、２ｋ個の第ｋビーム群となる。
図７は、制御端末と従属端末間で送受信される信号を示す図である。図７において、まず、制御端末１はスーパーフレーム中のビーコン期間に１以上のビーコンを送信する（ステップＳ３１）。従属端末２は、制御端末１からのビーコンを受信すると、スーパーフレーム中のＣＡＰ期間にＡＣＫを返信する（ステップＳ３２）。制御端末１は適切な方向からのＡＣＫを受信すると、全指向範囲をさらに多数に分割したビーム群をそのＡＣＫが来た方向を含む指向方向に送信する（ステップＳ３３）。従属端末２は、制御端末１からのビーコンを受信すると、スーパーフレーム中のＣＡＰ期間にＡＣＫを返信する（ステップＳ３４）。制御端末１は適切な方向からのＡＣＫを受信すると、全指向範囲をさらに多数に分割したビーム群をそのＡＣＫが来た方向を含む指向方向に送信する（ステップＳ３５）。このようなステップを多数回繰り返していくことによって、最終的に制御端末１と従属端末２の指向方向が決定される（ステップＳ３６）。
図８（Ａ）は、制御端末１のビームパターンＢＭ１の詳細を示す図であって、図６に示した第１〜第３段階ビームパターンを一つの図にまとめて示している。図８（Ｂ）は、従属端末２のビームパターンＢＭ２の詳細を説明する図であって、制御端末１のビームパターンＢＭ１と同様であり、ビームパターンＢＭ１における記号Ｓに代えて記号Ｄで示している。図８（Ｃ）は、ピコネットにおいて制御端末１と従属端末２との間で、第１〜第３段階におけるアンテナビームの指向方向を決定するための方法の一例を説明するための図である。図８（Ｃ）では、スーパーフレームをＳＦ、各スーパーフレームのビーコン区間をＢＰ、コンテンション・アクセス区間をＣＡＰで示し、チャンネル時間割り当て区間（ＣＴＡＰ）については図示を省略している。
次に図４、図５及び図８を用いて本発明の実施形態１の動作の一例について詳しく説明する。制御端末１のビーム群切替部１４は指向情報記録部１１からの指向情報に基づいて、全指向範囲をほぼ均等に２分割した第１段階ビームＳ１とＳ２を形成する。ビーム送受信方向制御部１３は、図８（Ｃ）に示すように、第１、第２のスーパーフレームＳＦ１、ＳＦ２それぞれのビーコン期間ＢＰ内に第１段階ビームＳ１とＳ２をアンテナ１Ａから送信する。
制御端末１は、図４及び図８に示すように、第１段階ではビームＳ１とＳ２が存在するので、ビーム送受信方向制御部１３はビームＳ１とＳ２を第１のスーパーフレームＳＦ１及び第２のスーパーフレームＳＦ２に分けて、それぞれビームＳ１とＳ２の指向方向に送信するようにビームの送受信方向を制御する。
従属端末２のビーム送受信方向制御部２３は、図５及び図８に示すように、第１のスーパーフレームＳＦ１及び第２のスーパーフレームＳＦ２でそれぞれビームパターンＢＭ２の第１段階ビームＤ１及びビームＤ２の指向方向でビーコンＳ１、Ｓ２を受信するように制御する。これに伴い、ビーコン受信部２７は第１のスーパーフレームＳＦ１ではビームＳ２のみを受信でき、第２のスーパーフレームＳＦ２ではビームＳ１もＳ２も受信できない。したがって、第１のスーパーフレームＳＦ１においてビームＤ１でビーコンＳ２を受信したことを示す信号を指向情報更新部２２に送信し、指向情報更新部２２は第１段階ではビームＤ１が制御端末１と通信できる指向方向を有する分割ビームであるとして指向情報記録部２１に記録する。他方、従属端末２のＡＣＫ送信部２８はビーコンＳ２を受信したことを示す第１ＡＣＫ信号Ｓ２を制御端末１に送信する。
制御端末１はこの第１ＡＣＫ信号Ｓ２をＡＣＫ受信部１６で受信すると、ＡＣＫ受信部１６は指向情報更新部１２に通知し、指向情報更新部１２は第１段階ビームの内、第１のスーパーフレームＳＦ１における分割ビームＳ２で送信されたビーコンが従属端末２で受信されたものと認知して、分割ビームＳ２を従属端末２と通信できる指向方向を有する第１段階ビームとして指向情報記録部１１に記録する。これらのステップが終了すると第２段階の処理が行われる。
第２段階では、図８（Ａ）に示すように、ビーム群切替部２４は上記で分割された分割ビームＳ２をさらに小さな角度の２個のビームＳ２１とＳ２２（π／２）に分割する。第２段階では、２つのビームＳ２１とＳ２２が存在するので、ビーム送受信方向制御部２３はビームＳ２１とＳ２２を第３のスーパーフレームＳＦ３及び第４のスーパーフレームＳＦ４に分けて、それぞれビームＳ２１とＳ２２の指向方向に送信するようにビームの送受信方向を制御する。
従属端末２のビーム送受信方向制御部２３は、第３のスーパーフレームＳＦ３及び第４のスーパーフレームＳＦ４でそれぞれビームパターンＢＭ２の第２段階ビームＤ１１及びビームＤ１２の指向方向でビーコンＳ２１、Ｓ２２を受信するように制御する。これに伴い、ビーコン受信部２７は第３のスーパーフレームＳＦ３ではビームＳ２２のみを受信でき、第４のスーパーフレームＳＦ４ではビームＳ２１もＳ２２も受信できない。したがって、第３のスーパーフレームＳＦ３においてビームＤ１１でビーコンＳ２２を受信したことを示す信号を指向情報更新部２２に送信し、指向情報更新部２２は第２段階ではビームＤ１１が制御端末１と通信できる指向方向を有する分割ビームであるとして指向情報記録部２１に記録する。他方、従属端末２のＡＣＫ送信部２８はビーコンＳ２２を受信したことを示す第２ＡＣＫ信号Ｓ２２を制御端末１に送信する。
制御端末１はこの第２ＡＣＫ信号Ｓ２２をＡＣＫ受信部１６で受信すると、ＡＣＫ受信部１６は指向情報更新部１２に通知し、指向情報更新部１２は第２段階ビームの内、第３のスーパーフレームＳＦ３における分割ビームＳ２２で送信されたビーコンが従属端末２で受信されたものと認知して、分割ビームＳ２２を従属端末２と通信できる指向方向を有する第２段階ビームとして指向情報記録部１１に記録する。これらのステップが終了すると第３段階の処理が行われる。
第３段階でも同様にして、図８（Ａ）に示すように、ビーム群切替部２４は上記で分割された分割ビームＳ２２をさらに小さな角度の２個のビームＳ２２１とＳ２２２（π／４）に分割する。第３段階では、２つのビームＳ２２１とＳ２２２が存在するので、ビーム送受信方向制御部２３はビームＳ２２１とＳ２２２を第５のスーパーフレームＳＦ５及び第６のスーパーフレームＳＦ６に分けて、それぞれビームＳ２２１とＳ２２２の指向方向に送信するようにビームの送受信方向を制御する。
従属端末２のビーム送受信方向制御部２３は、第５のスーパーフレームＳＦ５及び第６のスーパーフレームＳＦ６でそれぞれビームパターンＢＭ２の第３段階ビームＤ１１１及びビームＤ１１２の指向方向でビーコンＳ２２１、Ｓ２２２を受信するように制御する。これに伴い、ビーコン受信部２７は第５のスーパーフレームＳＦ５ではビームＳ２２１もＳ２２２も受信できす、第６のスーパーフレームＳＦ６ではビームＳ２２２のみを受信できる。したがって、第６のスーパーフレームＳＦ６においてビームＤ１１２でビーコンＳ２２２を受信したことを示す信号を指向情報更新部２２に送信し、指向情報更新部２２は第３段階ではビームＤ１１２が制御端末１と通信できる指向方向を有する分割ビームであるとして指向情報記録部２１に記録する。他方、従属端末２のＡＣＫ送信部２８はビーコンＳ２２２を受信したことを示す第３ＡＣＫ信号Ｓ２２２を制御端末１に送信する。
制御端末１はこの第３ＡＣＫ信号Ｓ２２２をＡＣＫ受信部１６で受信すると、ＡＣＫ受信部１６は指向情報更新部１２に通知し、指向情報更新部１２は第３段階ビームの内、第６のスーパーフレームＳＦ６における分割ビームＳ２２２で送信されたビーコンが従属端末２で受信されたものと認知して、分割ビームＳ２２２を従属端末２と通信できる指向方向を有する第３段階ビームとして指向情報記録部１１に記録する。
図９は、指向情報記録部の一例を示した図である。図９においては、例えば、Ａは制御端末を示し、Ｂ，Ｃは従属端末を示すものとする。このとき、制御端末Ａの指向情報記録部と従属端末Ｂ，Ｃの指向情報記録部の記録内容は、例えば、図のようなテーブルで表示することができる。制御端末Ａにおいては、２つの従属端末Ｂ，ＣからＡＣＫを受信しているので、指向情報更新部のテーブルは、自己の指向方向はＡ２１２及びＡ２２１であり、これに対応する相手の指向方向はＢ１２１及びＣ１１２である。従属端末Ｂにおいては、１つの制御端末Ａのみからビーコンを受信しているので、指向情報更新部のテーブルは、自己の指向方向はＢ１２１であり、これに対応する相手の指向方向はＡ２１２である。また、従属端末Ｃにおいては、１つの制御端末Ａのみからビーコンを受信しているので、指向情報更新部のテーブルは、自己の指向方向はＣ１１２であり、これに対応する相手の指向方向はＡ２２１である。このように、自己の指向方向と相手の指向方向とを指向情報更新部に記録しておくことによって、次のスーパーフレームのチャネル時間割り当て期間（ＣＴＡＰ）において、相互に通信を行うことができる。
本明細書では第３の分割が最終分割であると仮定して説明しているので、上記の第３の分割の処理が終了すると、上記で選択された制御端末１の第３段階ビームＳ２２２と従属端末２の第３段階ビームＤ１１２を用いて、次のスーパーフレームのチャンネル時間割り当て区間で通信が行われることになる。このように、分割数を多くしていくと制御端末１及び従属端末２のアンテナの指向範囲を狭くすることができ、高速の通信が可能となる。なお、各分割において、制御端末１及び従属端末２のアンテナの分割ビームの走査方向は、走査速度を異なるようにするか、逆方向に走査することによって確実に制御端末１と従属端末２間で通信できるアンテナの指向方向を選択することができる。
実施形態１では、ｉ分割を２分割して（ｉ＋１）分割のビームを生成しているので、図８（Ｃ）に示すように、各分割毎のビーコンを送出するためには、それぞれ２回のスーパーフレームを繰り返す必要がある。すなわち、各分割ビームに対して指向方向を決定するために必要な時間をＡＤＤ・サブ・スーパーフレームと定義し、最終的に全分割ビームに対して指向方向を決定するために必要な時間をＡＤＤ・スーパーフレームと定義すると、ＡＤＤ・スーパーフレームはｋ×ＡＤＤサブ・スーパーフレームになり、これはｋ×ｍ×スーパーフレームとなる。
つまり、実施形態１では、ｍが２であるので、スーパーフレームの２ｋ倍に相当する時間で最終的な角度（２π／２ｋ）のビームの整合を達成することができる。実施形態１の前述の例では、ｋが３であるから、６個のスーパーフレームで８個の狭ビーム（角度がほぼ４５度）で整合性を図ることができる。一方、前述した従来の方法では、例えば各スーパーフレームの各ビーコン区間で全てのビーコンを送信し、分割された全てのビームを順次走査するので、全てのビームの整合性を達成するには本発明に比べて長い時間が必要になる。
以上述べた実施形態１では、総数が２ｋ個のビームとしたが、ビームの総数が３ｋ個、４ｋ個、５ｋ個、・・・・のビームになるようにアンテナの全指向範囲を分割してもよい。また、実施形態１では従属端末２のアンテナ２Ａのビームパターンを制御端末１のアンテナ１Ａのビームパターンと同一にしたが、ビームの総数は異なっても良い。ただし、ビームの整合を図る分割の数ｋは制御端末１と同じにする必要がある。制御端末１のアンテナのビームの総数が２ｋ個で、従属端末２のアンテナのビームの総数が３ｋ個というように、総数が異なっても良い。更にまた、必ずしもビームの総数をｍｋ(ｍ＝２、３、４、・・・・ｊ）にする必要は無く、例えばアンテナのビームパターンの第１段階では全指向範囲（例えば２π）を均等に２分割し、第３段階以降では全指向範囲を２以外の任意の数で均等に分割することも可能である。
例えば、制御端末１のアンテナのビームの総数が３ｋ個で、従属端末２のアンテナのビームの総数が４ｋ個である場合には、制御端末１は、各分割において４個のスーパーフレームそれぞれのビーコン区間で分割ビームを３分割した３個のビームで３個のビーコンＳ１、Ｓ２、Ｓ３を送信する。他方、従属端末２は各分割における必要なスーパーフレームは４個であり、各スーパーフレームのビーコン区間で自己の分割された４個のビームで順次受信を試みる。そして、仮に３番目のスーパーフレームのビーコン区間でビーコンＳ２が受信されたとすると、ビーコンＳ２のビームが制御端末１の第１段階ビームであり、従属端末２にあっては、３番目のスーパーフレームのビーコン区間のビームがその分割ビームとなる。第２段階以降でも同様である。
[実施形態２]
実施形態２の発明は、図１０に示すように、制御端末１のアンテナは実施形態１と同様のビームパターンを有し、従属端末２のアンテナは固定ビームＤ０を有するものとする。制御端末１は図４に示した構成と同様な構成である。従属端末２が図５に示した構成である場合には、ビーム送受信方向制御部２３が制御端末２のアンテナ１Ａから送信される第１段階のビーコンを受信できる受信方向に固定する。又は、所定の固定ビームＤ０のアンテナ２Ａの方向を手動で制御端末１のアンテナ１Ａの方向に向けてもよい。
制御端末１のビーム群切替部１４は、指向情報記録部１１からの指向情報に基づいて、全指向範囲をほぼ均等に２分割して第１段階の２個のビームＳ１とＳ２（π）を形成する。ビーム送受信方向制御部１３は、図１０（Ｃ）に示すように、第１、第２のスーパーフレームＳＦ１、ＳＦ２それぞれの各ビーコン期間ＢＰの間にビームＳ１でビーコンＳ１を、ビームＳ２でビーコンＳ２をアンテナ１Ａから送信する。
従属端末２では、固定ビームＤ０でビーコンＳ１又はＳ２を受信しようと試み、第１段階では固定ビームＤ０でビーコンＳ２を受信し、これに伴い、従属端末２のＡＣＫ送信部２８はビーコンＳ２を受信したことを示す第１ＡＣＫ信号Ｓ２を送信する。この実施形態２では、従属端末２に受信したビームを必ずしも記録する必要が無いから、指向情報記録部２１と指向情報更新部２２を省略することも可能である。
他方、制御端末１のＡＣＫ受信部１６が、第１ＡＣＫ信号Ｓ２を受信すると、ＡＣＫ受信部１６は指向情報更新部１２に信号を送出し、指向情報更新部１２は第１段階ビームの内、ビームＳ２で送信されたビーコンＳ２が従属端末２で受信されたものと判断して、ビーコンＳ２のビームＳ２を従属端末２と通信できる第１段階ビームとして指向情報記録部１１に記録する。このようにして、制御端末１の分割ビームが従属端末２の固定のビームＤ０に整合し、第１段階における送受信方向が決定される。これらのステップが終了すると第２段階の処理に移行する。
第２段階では、ビーム群切替部１４が全指向範囲をほぼ等しい角度の４個のビームＳ１１、Ｓ１２、Ｓ２１、Ｓ２２（π／２）に分割されたビームパターンから、前に従属端末２から受信したＡＣＫ信号Ｓ２に対応する第２段階ビームＳ２１、Ｓ２２を選択して、それぞれビーコンＳ２１、ビーコンＳ２２を送信する。従属端末２では、固定ビームＤ０で受信動作を行い、ビーコンＳ２２を受信したことを確認する。これに伴い、指向情報更新部２２は第２段階ビームの内、ビームＳ２２で送信されたビーコンＳ２２が従属端末２で受信されたものと判断して、ビームＳ２２を従属端末２と通信できる第２段階ビームとして指向情報記録部２１に記録する。このようにして第２段階の手続は終了し、第３の分割に入る。
第３の分割でも前述と同様な動作を繰り返し、ビーム群切替部１４が全指向範囲をほぼ等しい角度の８個のビームＳ１１１、Ｓ１１２、Ｓ１２１、Ｓ１２２、Ｓ２１１、Ｓ２１２、Ｓ２２１、Ｓ２２２、（π／４）に分割されたビームパターンから、前に従属端末２から受信したＡＣＫ信号Ｓ２２に対応する第３段階ビームＳ２２１、Ｓ２２２を選択して、それぞれビーコンＳ２２１、ビーコンＳ２２２を送信する。従属端末２では、固定ビームＤ０で受信動作を行い、ビーコンＳ２２１を受信したことを確認する。これに伴い、指向情報更新部２２は第２段階ビームの内、ビームＳ２２１で送信されたビーコンＳ２２１が従属端末２で受信されたものと判断して、ビームＳ２２１を従属端末２と通信できる第３段階ビームとして指向情報記録部２１に記録する。このようにして第３段階の手続は終了し、第４、５、…、ｋ段階の分割が続く。
最終の第ｋ段階において、制御端末１の最終的に狭い角度（２π／２ｋ）のビームを従属端末２の固定のビームＤ０に整合させることができる。実施形態２では最終のｋが３であるので図１０に示すように、制御端末１のビームＳ２２１と従属端末２のＤ０との間で整合が取れ、その後通信状態に移行する。なお、実施形態２においても、実施形態１と同様に、制御端末１のビームの総数が３ｋ個、４ｋ個、５ｋ個、・・・・のビーム、又は任意の別の個数のビームになるように全ビームを分割してもよい。なお、実施形態２の通信システムの従属端末２が実施形態１と同様に指向情報記録部２１、指向情報更新部２２、ビーム群切替部２４を有する場合には、従属端末２は各分割において固定のビームＤ０を指向情報記録部２１に記録しても良い。このとき、ビーム群切替部２４は最初に固定のビームＤ０を選定した後は、分割数を１とする。
[実施形態３]
次に、実施形態３の発明を図４、図５及び図１１を用いて説明する。図１１に示すように、制御端末１のアンテナ１Ａは固定ビームＳ０を有し、従属端末２のアンテナ２Ａは実施形態１と同様に種々のビームパターンを有するものとする。制御端末は、実施形態１と同様に種々のビームパターンを選択できるビームの中から所定の方向の固定ビームＳ０を選択してもよく、固定ビームＳ０の固定アンテナを手動で従属端末２のアンテナ２Ａの方向に向けてもよい。従属端末２は図５に示した構成と同様な構成であるものと仮定する。以下で、実施形態３における発明の動作を説明する。
先ず、制御端末１は、図１１に示すように、第１、第２のスーパーフレームＳＦ１、ＳＦ２のビーコン期間ＢＰそれぞれにおいて、固定ビームＳ０でビーコンＳ０を送信する。従属端末２のビームパターンは、図１１（Ｂ）に示したように、実施形態１のビームパターンと同様であると仮定したので、スーパーフレームＳＦ１ではビーム送受信方向制御部２３がビームＤ１で固定ビームＳ０を受信するように制御し、第２のスーパーフレームＳＦ２ではビーム送受信方向制御部２３がビームＤ２で固定ビームＳ０を受信するように制御する。その結果、従属端末２のビーコン受信部２７が、スーパーフレームＳＦ１においてはビームＤ１でビーコンＳ０を受信でき、スーパーフレームＳＦ２においてはビームＤ２でビーコンＳ０を受信できないものとする。したがって、ビーコン受信部２７はビームＤ１でビーコンＳ０を受信したことを示す信号を指向情報更新部２２に送信し、指向情報更新部２２はスーパーフレームＳＦ1ではビームＤ１が制御端末１と通信できる分割ビームであるとして指向情報記録部２１に記録する。その後、従属端末２のＡＣＫ送信部２８がビーコンＳ０を受信したことを示す第１ＡＣＫ信号ｒ１を送信する。スーパーフレームＳＦ２ではビームＤ２は何らのビームも受信できないので、従属端末２のＡＣＫ送信部２８はＡＣＫ出願を送信することはできない。
次のスーパーフレームＳＦ３、ＳＦ４において、制御端末１はビーコン期間ＢＰそれぞれにおいて、固定ビームＳ０でビーコンＳ０を送信する。従属端末２では、スーパーフレームＳＦ３ではビーム送受信方向制御部２３がビームＤ１１で固定ビームＳ０を受信するように制御し、スーパーフレームＳＦ４ではビーム送受信方向制御部２３がビームＤ１２で固定ビームＳ０を受信するように制御する。その結果、従属端末２のビーコン受信部２７が、スーパーフレームＳＦ３においてはビームＤ１１でビーコンＳ０を受信でき、スーパーフレームＳＦ４においてはビームＤ１２でビーコンＳ０を受信できないものとする。したがって、ビーコン受信部２７はビームＤ１１でビーコンＳ０を受信したことを示す信号を指向情報更新部２２に送信し、指向情報更新部２２はスーパーフレームＳＦ３ではビームＤ１１が制御端末１と通信できる分割ビームであるとして指向情報記録部２１に記録する。その後、従属端末２のＡＣＫ送信部２８がビーコンＳ０を受信したことを示す第２ＡＣＫ信号ｒ２を送信する。スーパーフレームＳＦ４ではビームＤ１２は何らのビームも受信できないので、従属端末２のＡＣＫ送信部２８はＡＣＫ出願を送信することはできない。
次のスーパーフレームＳＦ５、ＳＦ６において、制御端末１はビーコン期間ＢＰそれぞれにおいて、固定ビームＳ０でビーコンＳ０を送信する。従属端末２では、スーパーフレームＳＦ５ではビーム送受信方向制御部２３がビームＤ１１１で固定ビームＳ０を受信するように制御し、スーパーフレームＳＦ６ではビーム送受信方向制御部２３がビームＤ１１２で固定ビームＳ０を受信するように制御する。その結果、従属端末２のビーコン受信部２７が、スーパーフレームＳＦ５においてはビームＤ１１１でビーコンＳ０を受信できなくて、スーパーフレームＳＦ６においてはビームＤ１１２でビーコンＳ０を受信できるものとする。したがって、ビーコン受信部２７はビームＤ１１２でビーコンＳ０を受信したことを示す信号を指向情報更新部２２に送信し、指向情報更新部２２はスーパーフレームＳＦ６ではビームＤ１１２が制御端末１と通信できる分割ビームであるとして指向情報記録部２１に記録する。その後、従属端末２のＡＣＫ送信部２８がビーコンＳ０を受信したことを示す第３ＡＣＫ信号ｒ３を送信する。スーパーフレームＳＦ５ではビームＤ１１１は何らのビームも受信できないので、従属端末２のＡＣＫ送信部２８はＡＣＫ出願を送信することはできない。このようにして、制御端末１の固定ビームＤ０が従属端末２の分割ビームＤ１１２に整合し、制御端末１と従属端末２の送受信方向が決定される。
従属端末２において、さらに狭いビームが用意されている場合には、制御端末１から次々にスーパーフレームで固定ビームＤ０が送信され、これに対して、従属端末２では、さらにビームの分割が行われ、最終の第ｋ段階において、制御端末１の固定ビーム０と従属端末２の最終の分割ビームに整合させることができる。これによって指向範囲がより狭いビームを用いた送受信方向を決定できる。この実施形態３でも、実施形態１、２と同様に、従属端末２におけるビームの総数を３ｋ個、４ｋ個、５ｋ個のように分割してもよい。
実施形態３においては、従属端末２からＡＣＫ信号を受けると、制御端末は予め決められたシーケンスに従って同じ分割ビーム群中の全てのビームについてビーコンを送信したが、いずれかの従属端末２からＡＣＫ信号を受けると、制御端末はそのビーム群の他のビームについてのビーコン送信を中止して、次の分割ビーム群に移行してもよい。この方法によればさらに短時間でビームを整合することができる。
また、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で様々な変形や応用が可能である。
また、図示しないが、通信システムの一例として、図１に示された端末装置１〜６が狭い範囲内に配置されている複数のパーソナルコンピュータ（以下、パソコンという。）から構成されるパソコンシステムが考えられる。前記複数のパソコンの内の１台が図４に示す制御端末１の機能を有し、他のパソコンが図５に示す従属端末と同様な機能を有するものとする。このようなシステムにあっては、前記パソコンを狭い範囲内でどのような場所にも移動でき、またパソコンがどこに移動されようとも、各パソコン間で直ちに通信が可能であり、自由にデータの送受信を行うことができる。なお、パソコンは、ディジタル信号プロセッサ、あるいはＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）などであっても勿論よい。
本発明は、無線ＰＡＮにおけるアンテナビームの指向方向を決定する通信システムに適用可能である。
一般的な無線ＰＡＮのピコネットシステムを示す概略図である。 本発明における制御端末の動作シーケンスを示す概略フローチャートである。 本発明における従属端末の動作シーケンスを示す概略フローチャートである。 本発明における制御端末の構成の一例を説明するための図である。 本発明における従属端末の構成の一例を説明するための図である。 本発明の無線ＰＡＮの通信方法に用いられる指向パターンの一例を示す図である。 本発明の制御端末と従属端末間で送受信される信号を示す図である。 本発明の無線ＰＡＮにおけるアンテナビームの指向方向を決定するための方法の一例を説明するための図である。 指向情報記録部の一例を示す図である。 本発明の通信方法の他の実施形態を説明するための図である。 本発明の通信方法の更に別の実施形態を説明するための図である。 従来方式のアンテナビームの指向方向を決定するプロセスを示す図である。 ＩＥＥＥ８０２．１５．３で使用されるスーパーフレームの構成を示す図のである。
符号の説明
１・・・制御端末
１Ａ・・・制御端末１のアンテナ
２〜６・・・従属端末
２Ａ〜６Ａ・・・従属端末それぞれのアンテナ
１１・・・制御端末１の指向情報記録部
１２・・・制御端末１の指向情報更新部
１３・・・制御端末１のビーム送受信方向制御部
１４・・・制御端末１のビーム群切替部
１５・・・ビーコン送信部
１６・・・ＡＣＫ受信部
２１・・・従属端末２の指向情報記録部
２２・・・従属端末２の指向情報更新部
２３・・・従属端末２のビーム送受信方向制御部
２４・・・従属端末２のビーム群切替部
２７・・・ビーコン受信部
２８・・・ＡＣＫ送信部

Claims (5)

  1. アンテナをそれぞれ備える制御端末と１以上の従属端末との間で、ビーコン区間とコンテンション・アクセス区間とチャンネル時間割り当て区間とからなるスーパーフレームを使用して無線通信を行う通信方法において、
    最適な指向性を検出する処理を繰り返して、検出した指向性により前記制御端末と前記従属端末との間で無線通信を実行し、
    前記最適な指向性を検出する処理は、
    前記制御端末のビーム送受信方向制御部で、所定範囲を分割した方向とビーム幅によるビーム送受信方向を順次選択し、
    前記制御端末のビーコン送信部で、前記制御端末のビーム送受信方向制御部で選択された方向とビーム幅によりビーコンを順次送信し、
    前記従属端末のビーム送受信方向制御部で、所定範囲を分割した方向とビーム幅によるビーム送受信方向を順次選択し、
    前記従属端末のビーコン受信部で、前記従属端末の前記ビーム送受信方向制御部で選択された方向及びビーム幅により順次前記制御端末から送信されるビーコンの受信を試み、
    前記従属端末の指向情報更新部で、前記ビーコンの受信に成功した場合、受信時の従属端末のアンテナの指向性の方向とビーム幅を記録し、前記制御端末との通信に用いるべき指向性の情報として登録し、
    前記従属端末のＡＣＫ送信部で、前記制御端末からの前記ビーコンの受信に成功したことをＡＣＫ信号によって前記制御端末に通知し、
    前記制御端末のＡＣＫ受信部で、前記従属端末から通知されたＡＣＫ信号を受信し、前記従属端末で受信に成功したビーコンを特定する情報を取得し、
    前記制御端末の指向情報更新部で、前記ＡＣＫ受信部で取得された前記ビーコンを特定する情報により、前記従属端末への通信に用いるべきアンテナの指向性の方向とビーム幅とを記録し、前記従属端末との通信に用いるべき指向性の情報として登録し、
    前記通信方法は、
    前記制御端末の指向情報更新部と従属端末の指向情報更新部とにより登録された情報によりアンテナの指向性を設定して無線通信を行い、
    前記最適な指向性を検出する処理の繰り返しは、
    前記制御端末のビーム送受信方向制御部では、前記所定範囲を、最初の処理ではアンテナの全指向範囲に設定し、以降の処理では直前の最適な指向性を検出する処理において、前記ＡＣＫ受信部で取得されたビーコンを特定する情報により検出される、対応する前記制御端末のビーム送受信方向制御部で選択された方向とビーム幅による範囲に設定すると共に、
    前記従属端末のビーム送受信方向制御部では、前記所定範囲を、最初の処理ではアンテナの全指向範囲に設定し、以降の処理では直前の最適な指向性を検出する処理において、前記指向情報更新部で登録した指向性の方向とビーム幅とによる範囲に設定することにより、
    前記制御端末と前期従属端末とで、順次段階的にビーム幅を狭めて、最適な指向性を検出し、
    前記最適な指向性を検出する処理は、
    前記制御端末のビーコン送信部では、
    １つのビーコン区間でアンテナの指向性を順次切り換えて、前記制御端末のビーム送受信方向制御部で選択された方向とビーム幅によるビーコンを１つのビーコン区間で順次送信し、
    かつ当該１つのビーコン区間における指向性を切り換えたビーコンの送出を、連続する複数の前記スーパーフレームで繰り返し、
    前記従属端末のビーコン受信部では、
    前記制御端末のビーコンの送信に係る複数のスーパーフレームにおいて、スーパーフレーム毎に、アンテナの指向性の方向及びビーム幅を順次切り換えてビーコンの受信を試みる
    ことを特徴とする通信方法。
  2. 前記制御端末は、ピコネットにおけるＰＮＣであり、
    前記従属端末は、前記ピコネットにおけるＤＥＶである
    ことを特徴とする請求項１に記載の通信方法。
  3. アンテナをそれぞれ備える制御端末と１以上の従属端末との間で、ビーコン区間とコンテンション・アクセス区間とチャンネル時間割り当て区間とからなるスーパーフレームを使用して無線通信を行う通信システムにおいて、
    前記制御端末は、
    所定範囲を分割した方向とビーム幅によるビーム送受信方向を順次選択するビーム送受信方向制御部と、
    前記ビーム送受信方向制御部で選択されたビーム送受信方向によりビーコンを送信するビーコン送信部と、
    前記従属端末から通知されたＡＣＫ信号を受信することによって、前記従属端末で受信に成功したビーコンを特定する情報を取得するＡＣＫ受信部と、
    前記ＡＣＫ受信部で取得された前記ビーコンを特定する情報により、前記従属端末への通信に用いるべきアンテナの指向性の方向とビーム幅とを記録し、前記従属端末との通信に用いるべき指向性の情報として登録する第１指向情報更新部とを備え、
    前記従属端末は、
    所定範囲を分割した方向とビーム幅によるビーム送受信方向を順次選択するビーム送受信方向制御部と、
    前記従属端末の前記ビーム送受信方向制御部で選択された方向及びビーム幅により順次前記制御端末から送信されるビーコンの受信を試みるビーコン受信部と、
    前記ビーコンの受信に成功した場合、受信時の従属端末のアンテナの指向性の方向とビーム幅を記録し、前記制御端末への通信に用いるべき指向方向の情報として第２指向情報記録部に登録する第２指向情報更新部と、
    前記制御端末からの前記ビーコンの受信に成功したことをＡＣＫ信号によって前記制御端末に通知するＡＣＫ送信部を備え、
    前記制御端末及び従属端末は、
    最適な指向性を検出する処理を繰り返して、検出した指向性により前記制御端末と前記従属端末との間で無線通信を実行し、
    前記最適な指向性を検出する処理では、
    前記制御端末のビーム送受信方向制御部で選択された方向とビーム幅によりビーコンを順次送信し、前記従属端末で、所定範囲を分割した方向とビーム幅により当該ビーコンの受信を試み、前記制御端末にＡＣＫ信号を送出することにより、
    制御端末及び従属端末に設定された所定範囲で、最適な方向及びビーム幅をぞれぞれ検出し、
    前記最適な指向性を検出する処理の繰り返しでは、
    それぞれ前記所定範囲を、最初の処理ではアンテナの全指向範囲に設定し、以降の処理では直前の最適な指向性を検出する処理において検出された最適な方向とビーム幅による範囲に設定することにより、順次段階的にビーム幅を狭めて、最適な指向性を検出し、
    前記最適な指向性を検出する処理において、
    前記制御端末のビーコン送信部は、
    １つのビーコン区間でアンテナの指向性を順次切り換えて、前記制御端末のビーム送受信方向制御部で選択された方向とビーム幅によるビーコンを１つのビーコン区間で順次送信し、
    かつ当該１つのビーコン区間における指向性を切り換えたビーコンの送出を、連続する複数の前記スーパーフレームで繰り返し、
    前記従属端末のビーコン受信部は、
    前記制御端末のビーコンの送信に係る複数のスーパーフレームにおいて、スーパーフレーム毎に、アンテナの指向性の方向及びビーム幅を順次切り換えてビーコンの受信を試みる
    ことを特徴とする通信システム。
  4. 前記制御端末は、ピコネットにおけるＰＮＣであり、前記従属端末は、前記ピコネットにおけるＤＥＶであることを特徴とする請求項３に記載の通信システム。
  5. 前記制御端末及び前記従属端末は、コンピュータ、ディジタル信号プロセッサ、またはＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）であることを特徴とする請求項３、又は請求項４に記載の通信システム。
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